JP2023090697A - 複数のマイクロレンズによって覆われた単一光子アバランシェダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む撮像システムを提供する。【解決手段】撮像システムにおいて、撮像デバイス２０２は、ＳＰＡＤ２０４を含む。各ＳＰＡＤは、複数のマイクロレンズによって重複される。各ＳＰＡＤ上のマイクロレンズは、ＳＰＡＤの中央部分にわたって第１のサイズを有する第１のマイクロレンズ２６２－１と、ＳＰＡＤの周辺領域にわたって第１のサイズよりも大きい第２のサイズを有する第２のマイクロレンズ２６２－２と、を含む。第２のマイクロレンズは、球形マイクロレンズ又は円筒型マイクロレンズであり、第１のマイクロレンズは、光散乱構造の効率を改善するために、下地光散乱構造と整列される。第２のマイクロレンズは、隔離構造２５２と部分的に重複して、隔離構造から離れて、かつ、ＳＰＡＤに向かって、光を方向付ける。【選択図】図８

Description

これは、概して、撮像システムに関し、より具体的には、単一光子検出のための単一光子アバランシェダイオード（single-photon avalanche diode、ＳＰＡＤ）を含む撮像システムに関する。
携帯電話、カメラ、及びコンピュータなどの最新の電子デバイスは、多くの場合、デジタル画像センサを使用する。画像センサ（イメージャと称されることもある）は、画像検知ピクセルの二次元アレイから形成され得る。各ピクセルは、典型的には、入射光子（光）を受信し、光子を電気信号に変換する感光素子（フォトダイオードなど）を含む。
従来の画像センサは、様々な方法で限られた機能に悩まされ得る。例えば、いくつかの従来の画像センサは、画像センサから撮像されている物体への距離を判定することができない場合がある。従来の画像センサはまた、所望の画質及び解像度よりも低い場合がある。
入射光に対する感度を改善するために、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）が、撮像システムにおいて、時折使用され得る。単一光子アバランシェダイオードは、単一光子検出が可能であり得る。
本明細書において説明される実施形態が生じるのは、この文脈内である。
ある実施形態による、例示的な単一光子アバランシェダイオードピクセルを示す回路図である。 ある実施形態による、例示的なシリコン光電子増倍管の図である。 ある実施形態による、高速出力端子を有する例示的なシリコン光電子倍増管の図である。 マイクロセルのアレイを備える例示的なシリコン光電子増倍管の図である。 ある実施形態による、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスを含む、例示的な撮像システムの図である。 ある実施形態による、撮像システムを有する、例示的な車両の図である。 ある実施形態による、各ＳＰＡＤ上に複数のマイクロレンズを有する、例示的なＳＰＡＤベースの半導体デバイスの側断面図である。 ある実施形態による、ＳＰＡＤの周囲の周りのより大きいマイクロレンズを含む、異なるサイズのマイクロレンズを有する、例示的なマイクロセルの上面図である。 ある実施形態による、均一なサイズのマイクロレンズのアレイを有する、例示的なマイクロセルの上面図である。 ある実施形態による、円筒型マイクロレンズを有する、例示的なマイクロセルの上面図である。 ある実施形態による、間隙によって分離された例示的なマイクロレンズの側断面図である。 ある実施形態による、例示的な無間隙のマイクロレンズの側断面図である。 ある実施形態による、マイクロセル上にマイクロレンズを形成するために使用され得る、例示的な方法ステップのフローチャートである。
本技術の実施形態は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む撮像システムに関する。
いくつかの撮像システムは、衝突光子を、センサアレイ内のピクセルフォトダイオードで統合（収集）される電子又は正孔に変換することによって光を検知する画像センサを含む。統合サイクルの完了後、収集された電荷は、センサの出力端子に供給される電圧に変換される。相補型金属酸化物半導体（complementary metal-oxide semiconductor、ＣＭＯＳ）画像センサでは、電荷対電圧変換は、ピクセル自体で直接達成され、アナログピクセル電圧は、様々なピクセルアドレス指定及びスキャンスキームを通じて出力端子に転送される。アナログピクセル電圧はまた、後でオンチップでデジタル均等物に変換され、デジタルドメインにおいて様々な方法で処理され得る。
一方、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）デバイス（図１～図４に関連して説明したものなど）では、光子検出原理は異なる。光検知ダイオードは、その破壊点を上回ってバイアスされ、入射光子が電子又は正孔を生成するとき、このキャリアは、追加のキャリアが生成されるアバランシェ破壊を開始する。アバランシェの増大により、ＳＰＡＤに関連付けられた読み出し回路によって容易に検出され得る電流信号を生成し得る。アバランシェプロセスは、ダイオードバイアスをその破壊点を下回って低下させることによって、停止（又はクエンチ）することができる。したがって、各ＳＰＡＤは、アバランシェを停止するための受動的及び／又は能動的なクエンチング回路を含み得る。
この概念は、２つの方法で使用することができる。まず、到着する光子が、単にカウントされ得る（例えば、低光レベルの用途で）。第二に、ＳＰＡＤピクセルを使用して、同期された光源からシーンオブジェクト点への光子の飛行時間（time-of-flight、ＴｏＦ）を測定し、センサに戻し得、これは、シーンの三次元画像を取得するために使用することができる。
図１は、例示的なＳＰＡＤデバイス２０２の回路図である。図１に示されるように、ＳＰＡＤデバイス２０２は、第１の供給電圧端子２１０（例えば、グランド電源電圧端子）と第２の供給電圧端子２０８（例えば、正電源電圧端子）との間で、クエンチング回路２０６と直列に結合されたＳＰＡＤ２０４を含む。具体的には、ＳＰＡＤデバイス２０２は、電源電圧端子２１０に接続されたアノード端子と、クエンチング回路２０６に直接接続されたカソード端子と、を有するＳＰＡＤ２０４を含む。クエンチング抵抗器２０６と直列に接続されたＳＰＡＤ２０４を含むＳＰＡＤデバイス２０２は、集合的に光トリガされたユニット又は「マイクロセル」と称されることがある。ＳＰＡＤデバイス２０２の動作中、供給電圧端子２０８及び２１０を使用して、ＳＰＡＤ２０４を破壊電圧よりも高い電圧にバイアスし得る（例えば、バイアス電圧Ｖｂｉａｓが端子２０８に印加される）。破壊電圧は、ダイオード内の漏れ電流の指数関数的な増加を引き起こすことなく、ＳＰＡＤ２０４に印加され得る最大逆電圧である。このように、ＳＰＡＤ２０４が破壊電圧を上回って逆バイアスされると、単一光子の吸収は、衝撃イオン化を通じて、短期間ではあるが、相対的に大きいアバランシェ電流をトリガする可能性がある。
クエンチング回路２０６（クエンチング要素２０６と称されることもある）は、ＳＰＡＤ２０４のバイアス電圧を破壊電圧のレベルを下回って低下させるために使用され得る。破壊電圧を下回ってＳＰＡＤ２０４のバイアス電圧を低下させることにより、アバランシェプロセス及び対応するアバランシェ電流を停止させる。クエンチング回路２０６を形成するための多くの方法がある。クエンチング回路２０６は、受動的なクエンチング回路又は能動的なクエンチング回路であり得る。受動的なクエンチング回路は、外部制御又は監視なしで、開始されるとアバランシェ電流を自動的にクエンチし得る。例えば、図１は、抵抗器構成要素が、クエンチング回路２０６を形成するために使用される例を示す。これは、受動的なクエンチング回路の例である。
受動的なクエンチング回路のこの例は、単なる例示である。能動的なクエンチング回路はまた、ＳＰＡＤデバイス２０２に使用され得る。能動的なクエンチング回路は、ＳＰＡＤデバイス２０２がリセットされるのにかかる時間を低減し得る。これにより、ＳＰＡＤデバイス２０２は、受動的なクエンチング回路が使用される場合よりも速い速度で入射光を検出することを可能にし得、ＳＰＡＤデバイスのダイナミックレンジを改善する。能動的なクエンチング回路は、ＳＰＡＤクエンチ抵抗を調整し得る。例えば、光子が検出される前に、クエンチ抵抗が高く設定され、次いで光子が検出され、アバランシェがクエンチされ、クエンチ抵抗が最小限に抑えられ、回復時間を低減する。
ＳＰＡＤデバイス２０２はまた、読み出し回路２１２を含み得る。読み出し回路２１２を形成して、ＳＰＡＤデバイス２０２から情報を取得するための多くの方法がある。読み出し回路２１２は、到達する光子をカウントするパルスカウント回路を含み得る。代替的又は追加的に、読み出し回路２１２は、光子飛行時間（ＴｏＦ）を測定するために使用される飛行時間回路を含み得る。光子飛行時間情報は、深度検知を実行するために使用され得る。一例では、光子は、アナログカウンタによってカウントされて、対応するピクセル電圧として光強度信号を形成し得る。ＴｏＦ信号はまた、光子飛行時間を電圧に変換することによって取得され得る。読み出し回路２１２に含まれるアナログパルスカウント回路の例は、単なる例示である。所望される場合、読み出し回路２１２は、デジタルパルスカウント回路を含み得る。読み出し回路２１２はまた、所望される場合、増幅回路を含み得る。
ダイオード２０４とクエンチング回路２０６との間のノードに結合されている読み出し回路２１２の図１の例は、単なる例示である。読み出し回路２１２は、端子２０８又はＳＰＡＤデバイスの任意の所望の部分に結合され得る。場合によっては、クエンチング回路２０６は、読み出し回路２１２と一体的であるとみなされ得る。
ＳＰＡＤデバイスが単一の入射光子を検出することができるため、ＳＰＡＤデバイスは、低光レベルを有する撮像シーンで有効である。各ＳＰＡＤは、所与の期間内に（例えば、カウント回路を含む読み出し回路を使用して）受信される光子の数を検出し得る。しかしながら、上で考察されるように、光子が受信され、アバランシェ電流が発生するたびに、別の光子を検出する準備ができている前に、ＳＰＡＤデバイスをクエンチ及びリセットする必要がある。入射光レベルが増加するにつれて、リセット時間は、ＳＰＡＤデバイスのダイナミックレンジに制限される（例えば、入射光レベルが所与のレベルを超えると、ＳＰＡＤデバイスは、リセットされる直後にトリガされる）。
ダイナミックレンジを増加させるのを助けるために、複数のＳＰＡＤデバイスは、一緒にグループ化され得る。図２は、ＳＰＡＤデバイス２０２の例示的なグループ２２０の回路図である。ＳＰＡＤデバイスのグループ又はアレイは、シリコン光電子倍増管（silicon photomultiplie、ＳｉＰＭ）と称されることがあり得る。図２に示されるように、シリコン光増倍管２２０は、第１の供給電圧端子２０８と第２の供給電圧端子２１０との間で並列に結合された複数のＳＰＡＤデバイスを含み得る。図２は、並列に結合されたＮ個のＳＰＡＤデバイス２０２（例えば、ＳＰＡＤデバイス２０２－１、ＳＰＡＤデバイス２０２－２、ＳＰＡＤデバイス２０２－３、ＳＰＡＤデバイス２０２－４、．．．、ＳＰＡＤデバイス２０２－Ｎ）を示す。２個を超えるＳＰＡＤデバイス、１０個を超えるＳＰＡＤデバイス、１００個を超えるＳＰＡＤデバイス、１０００個を超えるＳＰＡＤデバイスなどが、所与のシリコン光電子倍増管２２０に含まれ得る。
各ＳＰＡＤデバイス２０２は、本明細書では、ＳＰＡＤピクセル２０２と称されることがあり得る。図２に明示的に示されていないが、シリコン光電子倍増管２２０の読み出し回路は、シリコン光電子倍増管内のＳＰＡＤピクセルの全てからの合成出力電流を測定し得る。このように構成されると、ＳＰＡＤピクセルを含む撮像システムのダイナミックレンジが増加され得る。各ＳＰＡＤピクセルは、入射光子が受信されたときにトリガされたアバランシェ電流を有することは保証されない。ＳＰＡＤピクセルは、入射光子が受信されたときに、アバランシェ電流がトリガされる関連する確率を有し得る。光子がダイオードに到達したときに電子が生成される第１の確率と、次いで電子がアバランシェ電流をトリガする第２の確率がある。アバランシェ電流をトリガする光子の合計確率は、ＳＰＡＤの光子検出効率（ＰＤＥ）と称され得る。シリコン光電子倍増管内で複数のＳＰＡＤピクセルを一緒にグループ化することにより、入ってくる入射光のより正確な測定を可能にする。例えば、単一のＳＰＡＤピクセルが５０％のＰＤＥを有し、期間中に１つの光子を受信する場合、光子が検出されない５０％の可能性がある。図２のシリコン光電子倍増管２２０では、４つのＳＰＡＤピクセルのうちの２つが光子を検出する可能性があり、したがって、提供された画像データがその期間にわたって改善される。
複数のＳＰＡＤピクセル２０２がシリコン光電子倍増管２２０内の共通出力を共有する図２の例は、単なる例示である。全てのＳＰＡＤピクセルに対して共通の出力を有するシリコン光電子倍増管を含む撮像システムの場合、撮像システムは、シーンを撮像する際のいかなる解像度も有しない場合がある（例えば、シリコン光電子倍増管は、単一点で光子束を検出することができる）。画像化されたシーンのより高い解像度の再現を可能にするために、アレイにわたって画像データを取得するために、ＳＰＡＤピクセルを使用することが望ましい場合がある。これらのような場合、単一の撮像システム内のＳＰＡＤピクセルは、ピクセルごとの読み出し能力を有し得る。代替的に、シリコン光電子倍増管のアレイ（各々が２つ以上のＳＰＡＤピクセルを含む）は、撮像システムに含まれ得る。各ピクセルからの、又は各シリコン光電子倍増管からの出力を使用して、画像化されたシーンの画像データを生成し得る。アレイは、ラインアレイ（例えば、単一の行及び複数の列又は単一の列及び複数の行を有するアレイ）、又は１０個を超える、１００個を超える、若しくは１０００個を超える行及び／又は列を有するアレイにおける（シリコン光電子倍増管において単一のＳＰＡＤピクセル又は複数のＳＰＡＤピクセルを使用するかにかかわらず）独立した検出であり得る。
上で考察されるように、ＳＰＡＤピクセルのためのいくつかの可能な使用事例が存在するが、入射光を検出するために使用される基礎技術は同じである。ＳＰＡＤピクセルを使用するデバイスの前述の例の全ては、集合的にＳＰＡＤベースの半導体デバイスと称され得る。共通の出力を有する複数のＳＰＡＤピクセルを有するシリコン光電子倍増管は、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスと称され得る。ピクセルごとの読み出し能力を有するＳＰＡＤピクセルのアレイは、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスと称され得る。シリコン光電子倍増管ごとに読み出し能力を有するシリコン光電子倍増管のアレイは、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスと称され得る。
図３は、シリコン光電子倍増管３０を例示する。図３に示されるように、ＳｉＰＭ３０は、ＳＰＡＤ３３からのアバランシェ信号の高速読み出しを提供するために、各カソード端子３１に容量結合された第３の端子３５を有する。次いで、ＳＰＡＤ３３が電流パルスを放出するとき、カソード３１における電圧の結果として生じる変化の一部は、相互静電容量を介して第３の（「高速」）出力端子３５に結合される。読み出しのために第３の端子３５を使用することは、クエンチング抵抗器の上部端子を付勢するバイアス回路と関連付けられた相対的に大きいＲＣ時定数から生じる一時的な性能の低下を回避する。
シリコン光電子倍増管は、図４に例示されるように、主バスライン４４及び副バスライン４５を含むことが当業者には理解されよう。副バスライン４５は、各個々のマイクロセル２５に直接接続し得る。次いで、マイナーバスライン４５は、端子３７及び３５と関連付けられたボンドパッドに接続する主バスライン４４に結合される。典型的には、副バスライン４５は、マイクロセル２５の列間で垂直に延在し、一方、主バスライン４４は、マイクロセル２５の外側列に隣接して水平に延在する。
ＳＰＡＤベースの半導体デバイスを有する撮像システム１０が図５に示されている。撮像システム１０は、デジタルカメラ、コンピュータ、携帯電話、医療デバイス、又は他の電子デバイスなどの電子デバイスであり得る。撮像システム１０は、車両上の撮像システム（車両撮像システムと称されることもある）であり得る。撮像システム１０は、ＬＩＤＡＲ用途に使用され得る。撮像システム１０は、ＳＰＡＤベースの撮像システムと称されることがあり得る。
撮像システム１０は、１つ以上のＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４（半導体デバイス１４、デバイス１４、ＳＰＡＤベースの画像センサ１４、又は画像センサ１４と称されることもある）を含み得る。１つ以上のレンズ２８は、任意選択的に、各半導体デバイス１４を覆い得る。動作中、レンズ２８（光学素子２８と称されることもある）は、ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４上に光を集束させる。ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４は、光をデジタルデータに変換するＳＰＡＤピクセルを含み得る。ＳＰＡＤベースの半導体デバイスは、任意の数のＳＰＡＤピクセル（例えば、数百、数千、数百万、又はそれ以上）を有し得る。いくつかのＳＰＡＤベースの半導体デバイスでは、各ＳＰＡＤピクセルは、それぞれのカラーフィルタ要素及び／又はマイクロレンズによって覆われ得る。
ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４は、制御回路５０などの回路を含み得る。ＳＰＡＤベースの半導体デバイスの制御回路は、オンチップ（例えば、ＳＰＡＤデバイスと同じ半導体基板上）又はオフチップ（例えば、ＳＰＡＤデバイスとは異なる半導体基板上）のいずれかで形成され得る。制御回路は、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスの動作を制御し得る。例えば、制御回路は、ＳＰＡＤベースの半導体デバイス内の能動的なクエンチング回路を動作させ得、各ＳＰＡＤの電圧供給端子２０８をバイアスするために提供されるバイアス電圧を制御し得、ＳＰＡＤデバイスに結合された読み出し回路などを制御／監視し得る。
ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４は、任意選択的に、論理ゲート、デジタルカウンタ、時間－デジタル変換器、バイアス回路（例えば、ソースフォロア負荷回路）、サンプル及びホールド回路、相関ダブルサンプリング（correlated double sampling、ＣＤＳ）回路、増幅器回路、アナログデジタルコンバータ（analog-to-digital、ＡＤＣ）回路、データ出力回路、メモリ（例えば、バッファ回路）、アドレス回路などの追加の回路を含み得る。前述の回路のいずれも、図５の制御回路５０の一部とみなされ得る。
ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４からの画像データは、画像処理回路１６に提供され得る。画像処理回路１６は、自動焦点機能、深度検知、データフォーマット、ホワイトバランスと露出の調整、ビデオ画像安定化、顔検出などの実装などの画像処理機能を実行するために使用され得る。例えば、自動焦点調整動作中に、画像処理回路１６は、関心物体を集束させるために必要なレンズ移動（例えば、レンズ２８の移動）の大きさ及び方向を判定するために、ＳＰＡＤピクセルによって収集されたデータを処理し得る。画像処理回路１６は、ＳＰＡＤピクセルによって収集されたデータを処理して、シーンの深度マップを決定し得る。場合によっては、制御回路５０の一部又は全部は、画像処理回路１６と一体的に形成され得る。
撮像システム１０は、多くの高レベル機能を使用者に提供し得る。コンピュータ又は高度な携帯電話では、例えば、ユーザアプリケーションを実行する能力がユーザに提供され得る。これらの機能を実施するために、撮像システムは、キーパッド、ボタン、入出力ポート、ジョイスティック、及びディスプレイなどの入出力デバイス２２を含み得る。揮発性及び不揮発性メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ、フラッシュメモリ、ハードドライブ、ソリッドステートドライブなど）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路、及び／又は他の処理回路などの追加の記憶及び処理回路もまた、撮像システムに含まれ得る。
入出力デバイス２２は、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスと組み合わせて機能する出力デバイスを含み得る。例えば、発光構成要素５２は、光（例えば、赤外光又は任意の他の所望のタイプの光）を放出するために、撮像システムに含まれ得る。発光構成要素５２は、レーザ、発光ダイオード、又は任意の他の所望のタイプの発光構成要素であり得る。半導体デバイス１４は、ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）スキーム内の物体までの距離を測定するために物体からの光の反射を測定し得る。ＳＰＡＤベースの半導体デバイスの動作を制御するために使用される制御回路５０はまた、任意選択的に、発光構成要素５２の動作を制御するために使用され得る。画像処理回路１６は、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスからデータを処理しながら、発光構成要素からの光パルスの既知の時間（又は既知のパターン）を使用し得る。
車両撮像システムでは、ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４からのデータを使用して、車両を取り囲む環境条件を判定し得る。車両撮像システムは、車両の内部の（例えば、ドライバの）画像をキャプチャする車両周囲又はキャビン内ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４の画像をキャプチャする外部ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４を含み得る。例として、車両撮像システムは、駐車支援システム、自動又は半自動クルーズコントロールシステム、自動ブレーキシステム、衝突回避システム、レーンキーピングシステム（レーンドリフト回避システムと称されることもある）、歩行者検出システムなどのシステムを含み得る。少なくともいくつかの事例では、車両撮像システムは、半自動又は自動運転車の一部を形成し得る。システム１０はまた、医療用撮像、監視、及び一般的なマシンビジョン用途に使用され得る。
自動車などの車両２０の例示的な例が図６に示されている。図６の例示的な例に示されるように、自動車２０は、１つ以上の撮像システム１０を含み得る。撮像システムは、上で考察されるような車両安全システムであり得る。図６の例示的な例では、（例えば、車両前方周囲の画像をキャプチャするために）車両２０の前部に装着された第１の撮像システム１０と、（例えば、車両の運転者の画像をキャプチャするために）車両２０の内部に装着された第２の撮像システム１０と、が示されている。所望される場合、撮像システム１０は、車両２０の後端部（すなわち、図６の第１の撮像システム１０が装着されている場所の反対側の車両の端部）に装着され得る。車両の後端部の撮像システムは、車両後方周囲の画像をキャプチャし得る。これらの例は、単に例示に過ぎない。１つ以上の撮像システム１０は、車両２０の任意の所望の場所又はその中に装着され得る。
光子が吸収される可能性（例えば、吸収率）は、半導体深度の増加とともに増加する。したがって、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスの感度を改善するために、半導体基板の厚さを増加させることが望ましいであろう。しかしながら、製造考慮事項及び他の設計要因は、半導体基板が目標吸収率に十分な厚さであることを防止又は抑制し得る。半導体基板の厚さを増加させることなく吸収率を増加させるために、光散乱構造は、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスに含まれ得る。散乱構造は、（例えば、半導体基板内のトレンチを満たす低指数材料を使用して）入射光を散乱させ、それによって、半導体基板を通る光の経路長を増加させ、入射光が半導体によって吸収される確率を増加させ得る。入射光を（屈折及び／又は回折を使用して）散乱させて、経路長を増加させることは、より高い波長の入射光に特に役立ち得る。散乱入射光は、吸収効率を改善し得るが、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスがクロストークの影響を受けやすくなる可能性もある。隣接するマイクロセル間のクロストークを防止するために、隔離構造が、各ＳＰＡＤの周りに含まれ得る。本明細書において説明されるＳＰＡＤベースの半導体デバイスは、近赤外光又は任意の他の所望のタイプの光を検知するために使用され得る。
場合によっては、ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４内のＳＰＡＤは、１０マイクロメートルを超える長さ及び幅を有し得る。単一のマイクロレンズは、このタイプのＳＰＡＤを覆い得る。しかしながら、マイクロレンズは、大きい下地ＳＰＡＤに光を集束させるために最小の厚さの要件（例えば、複数のマイクロメートル）を有し得る。このタイプの厚さのマイクロレンズに関連する製造困難性を回避するために、各ＳＰＡＤは、代わりに、複数のより小さいマイクロレンズによって重複され得る。小さいマイクロレンズは、製造が容易であり得、散乱構造の有効性を改善するために散乱構造と整列され得る。
図７は、異なるサイズの散乱構造及びマイクロレンズを有する、例示的なＳＰＡＤベースの半導体デバイスの側断面図である。ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４は、ＳＰＡＤ２０４を含む。各ＳＰＡＤは、それぞれのＳＰＡＤデバイス、ＳＰＡＤピクセル、又はマイクロセル（例えば、図１のマイクロセル２０２）の一部とみなされ得きる。図７のＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４は、裏側照射型（backside illuminated、ＢＳＩ）デバイス（例えば、入射光が基板の裏面を通過する）である。ＳＰＡＤ２０４は、隔離構造２５２などの隔離構造によって、隣接するＳＰＡＤから隔離され得る。
図７に示されるように、ＳＰＡＤ２０４は、裏面２５６と前面との間に延在する基板２５４（例えば、シリコンなどの材料から形成された半導体基板）に形成される。基板２５４は、ｐ型ドープされた半導体層（例えば、ｐ型ドープされたエピタキシャルシリコン）によって形成され得る。
隔離構造２５２は、１つ以上の充填剤材料を有するトレンチを含み得る。トレンチは、基板の前面から（例えば、前面から裏面２５６に向かって）エッチングされ得るか、又は基板の裏側から（例えば、裏面２５６から前面に向かって）エッチングされ得る。隔離構造２５２は、トレンチ内に光吸収充填剤又は低指数材料を含み得る。光吸収充填剤は、タングステンなどの金属から形成され得、したがって、金属充填剤又はタングステン充填剤と称されることもある。金属充填剤は、入射光子を吸収し、ＳＰＡＤ２０４と隣接するＳＰＡＤとの間の隔離を改善する。バッファ層は、隔離構造２５２内の金属充填剤（例えば、金属充填剤と基板との間）に隣接して形成され得る。バッファ層は、任意の所望の材料（例えば、二酸化ケイ素）であり得、金属充填剤の材料及び隔離構造２５２を取り囲む材料（例えば、シリコン）の両方と互換性があり得る。所望される場合、高誘電率層もトレンチに含まれ得る。隔離構造２５２は、深いトレンチ隔離構造であり得る。隔離構造２５２は、ＳＰＡＤ２０４の周りに部分的又は完全なリングを形成し得る。隔離構造２５２は、任意選択的に、ｐ型ドープされたライナを含み得る。ｐ型ドープされたライナは、隔離構造２５２のトレンチに隣接する半導体基板のドープされた部分によって形成され得る。ｐ型ドープされたライナは、暗電流を抑制し得る。
散乱構造２７０はまた、基板２５４内に形成され得る。散乱構造２７０は、（例えば、基板２５４内のトレンチを満たす低指数材料を使用して）入射光を散乱させ、それによって、半導体基板を通る光の経路長を増加させ、入射光が半導体によって吸収される確率を増加させるように構成され得る。入射光を（屈折及び／又は回折を使用して）散乱させて、経路長を増加させることは、より高い波長の入射光（例えば、近赤外光）に特に役立ち得る。
光散乱構造２７０のトレンチ（例えば、図７に示されるバッファ２６４、基板２５４と直接接触する任意選択的なパッシベーション層）を充填する材料は、基板２５４よりも低い屈折率（例えば、０．１超、０．２超、０．３超、０．５超、１．０超、１．５超、２．０超など）を有し得る。トレンチ内の低指数材料は、入射光の屈折散乱を引き起こす。
散乱構造２７０は、入射光を散乱させ、それによって、半導体基板を通る光の経路長を増加させ、入射光が半導体によって吸収される確率を増加させる。隔離構造２５２は、散乱光が隣接するＳＰＡＤに到達し、クロストークを引き起こすことを防止するのに役立つ。これらの主要な放出物（例えば、入射光からの光子）のクロストークを防止することに加えて、隔離構造２５２は、二次放出物（例えば、ＳＰＡＤにアバランシェが発生するときに生成される光子）によって引き起こされるクロストークを防止し得る。
散乱構造は、裏側トレンチ（例えば、裏面２５６から前面に向かって延在するトレンチ）を使用して形成され得る。裏側トレンチは、高誘電率コーティング及びバッファ層２６４などのバッファ層などの様々な材料によって充填され得る。高誘電率コーティング（高ｋコーティング又はパッシベーション層と称されることもある）は、暗電流を軽減し得る。一例として、パッシベーションコーティングは、酸化物コーティング（例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなど）であり得る。誘電体層２６４（バッファ層と称されることもある）は、パッシベーションコーティング上に形成され得る。誘電体層２６４は、二酸化ケイ素又は別の所望の材料から形成され得る。
光散乱構造は各々、高さ２７２（深さと称されることもある）及び幅２７４を有する。光散乱構造はまた、ピッチ２７６（例えば、各光散乱構造間の中心間分離）を有する。一般に、各散乱構造は、５マイクロメートル未満、３マイクロメートル未満、２マイクロメートル未満、１マイクロメートル未満、０．５マイクロメートル未満、０．１マイクロメートル未満、０．０１マイクロメートル超、０．５マイクロメートル超、１マイクロメートル超、１マイクロメートル～２マイクロメートル、０．５～３マイクロメートル、０．３マイクロメートル～１０マイクロメートルなどの高さ２７２を有し得る。各散乱構造は、５マイクロメートル未満、３マイクロメートル未満、２マイクロメートル未満、１マイクロメートル未満、０．５マイクロメートル未満、０．１マイクロメートル未満、０．０１マイクロメートル超、０．５マイクロメートル超、１マイクロメートル超、１マイクロメートル～２マイクロメートル、０．５マイクロメートル～３マイクロメートル、０．５マイクロメートル～１．５マイクロメートル、０．３～１０マイクロメートルなどの幅２７４を有し得る。ピッチ２７６は、５マイクロメートル未満、３マイクロメートル未満、２マイクロメートル未満、１マイクロメートル未満、０．５マイクロメートル未満、０．１マイクロメートル未満、０．０１マイクロメートル超、０．５マイクロメートル超、１マイクロメートル超、１マイクロメートル～２マイクロメートル、０．５マイクロメートル～３マイクロメートル、０．５マイクロメートル～１．５マイクロメートル、０．３マイクロメートル～１０マイクロメートルなどであり得る。ピッチ２７６に対する幅２７４の比は、基板のデューティサイクル又はエッチングパーセンテージと称され得る。デューティサイクル（エッチングパーセンテージ）は、散乱構造の各対の間にエッチングされていない基板がどのくらい存在するか、及び光散乱構造を形成するために基板の上面のうちのどれだけがエッチングされるかを示す。比は、１００％（例えば、各散乱構造は、周囲の散乱構造に直接隣接している）、１００％未満、９０％未満、７０％未満、６０％未満、５０％超、７０％超、５０％～１００％（かつ含む）などであり得る。半導体基板は、４マイクロメートル超、６マイクロメートル超、８マイクロメートル超、１０マイクロメートル超、１２マイクロメートル超、１２マイクロメートル未満、４～１０マイクロメートル、５～２０マイクロメートル、１０マイクロメートル未満、６マイクロメートル未満、４マイクロメートル未満、２マイクロメートル未満、１マイクロメートル超などの厚さを有し得る。
図７の例では、散乱構造２７０は、角度付き側壁（例えば、裏面２５６に対して非直交及び非平行である側壁）を有する。散乱構造は、ピラミッド型であり得るか、又は長手方向軸（例えば、三角柱）に沿って延在する三角形の断面を有し得る。非直交角度は、１０度超、３０度超、６０度超、８０度未満、２０度～７０度などであり得る。図７の角度付き側壁の例は、単なる例示である。散乱構造は、所望される場合、垂直側壁（表面２５６に直交する）を有し得る。
散乱構造２７０の配置及び寸法は、特定のＳＰＡＤベースの半導体デバイスに対する入射光の変換を最適化するように選択され得る。光散乱構造は、均一な密度（単位面積当たりの光散乱構造の数）を有し得る。代替的に、光散乱構造は、不均一な密度を有し得る。このように不均一な密度を有する光散乱構造を配置することは、最適な様式で光をＳＰＡＤ２０４に方向付けるのに役立ち得る。一般に、エッチング基板２５４（例えば、光散乱構造を形成するために）は、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスにおける暗電流の増加を引き起こし得る。したがって、吸収を最適化しながら暗電流を最小限に抑えることが可能な場合、光散乱構造は、省略され得る。光散乱構造を省略することは、光散乱構造の密度を非ゼロの大きさまで低減することか、又はマイクロセルの特定の領域における光散乱構造を（例えば、ゼロの密度まで）完全に省略することを含み得る。
１つ以上のマイクロレンズは、任意選択的に、ＳＰＡＤ２０４上に形成され得る。１つの可能な構成では、単一のマイクロレンズは、半導体デバイス１４内の各々のＳＰＡＤ２０４を覆い得る。しかしながら、単一のマイクロレンズは、大きいＳＰＡＤに光を適切に集束させるために所望されるよりも厚くなる必要があり得る。このタイプの厚さのマイクロレンズは、製造中に困難を提示し得る。
図７に示されるように、各ＳＰＡＤ２０４は、代わりに複数のマイクロレンズによって覆われ得る。図７のＳＰＡＤ２０４は、第１のサイズを有する複数のマイクロレンズ２６２－１と、第２のサイズを有する複数のマイクロレンズ２６２－２とによって覆われている。マイクロレンズ２６２－１は、下地散乱構造２７０の上に光を集束させ得る。具体的には、マイクロレンズは、各マイクロレンズの中心が、下地光散乱構造トレンチのトラフとＺ方向に整列されるようにサイズ決定及び整列され得る。
マイクロレンズ２６２－１は、高さ２８２（厚さと称されることもある）及び幅２８４を有する。マイクロレンズはまた、ピッチ２８６（例えば、各マイクロレンズ間の中心間の分離）を有する。高さ２８２は、２ミクロン未満、１ミクロン未満、５００ナノメートル未満、１００ナノメートル超、３００ナノメートル～１ミクロンなどであり得る。幅２８４は、５ミクロン未満、３ミクロン未満、２ミクロン未満、１ミクロン未満、０．５ミクロン未満、０．１ミクロン未満、０．０１ミクロン超、０．５ミクロン超、１ミクロン超、１～２ミクロン、０．５～３ミクロン、０．５～１．５ミクロン、０．３～１０ミクロンなどであり得る。ピッチ２８６は、５ミクロン未満、３ミクロン未満、２ミクロン未満、１ミクロン未満、０．５ミクロン未満、０．１ミクロン未満、０．０１ミクロン超、０．５ミクロン超、１ミクロン超、１～２ミクロン、０．５～３ミクロン、０．５～１．５ミクロン、０．３～１０ミクロンなどであり得る。
マイクロレンズ幅２８４は、散乱構造幅２７４の１％以内、散乱構造幅２７４の５％以内、散乱構造幅２７４の１０％以内、散乱構造幅２７４の１５％以内、散乱構造幅２７４の２０％以内などであり得る。マイクロレンズピッチ２８６は、散乱構造ピッチ２７６の１％以内、散乱構造ピッチ２７６の５％以内、散乱構造ピッチ２７６の１０％以内、散乱構造ピッチ２７６の１５％以内、散乱構造ピッチ２７６の２０％以内などであり得る。
各マイクロレンズ２６２－１をそれぞれの光散乱構造と整列させることにより、光散乱構造２７０の光散乱効率を改善し得る。しかしながら、マイクロセルの周辺近くでは、マイクロレンズ２６２－２は、光が隔離構造２５２から離れてＳＰＡＤ２０４に集束されることを確実にするためにより大きくあり得る。したがって、マイクロレンズ２６２－２は、マイクロレンズ２６２－１よりも大きい。マイクロレンズ２６２－２は、高さ２９２（厚さと称されることもある）及び幅２９４を有する。高さ２９２は、２マイクロメートル未満、１マイクロメートル未満、５００ナノメートル未満、１００ナノメートル超、３００ナノメートル～１マイクロメートルなどであり得る。いくつかの場合では、マイクロレンズ２６２－２の高さ２９２は、マイクロレンズ２６２－１の高さ２８２よりも大きくあり得る。他の場合では、マイクロレンズ２６２－２の高さ２９２は、マイクロレンズ２６２－１の高さ２８２と同じであり得る。
幅２９４は、１０マイクロメートル未満、５マイクロメートル未満、３マイクロメートル未満、２マイクロメートル未満、１マイクロメートル未満、０．５マイクロメートル未満、０．１マイクロメートル未満、０．０１マイクロメートル超、０．５マイクロメートル超、１マイクロメートル超、１～２マイクロメートル、０．５～３マイクロメートル、０．３マイクロメートル～１０マイクロメートルなどであり得る。マイクロレンズ２６２－２の幅２９４は、マイクロレンズ２６２－１の幅２８４よりも（例えば、２０％超、５０％超、１００％超、２００％超、３００％超などだけ）大きくあり得る。マイクロレンズ２６２－２は、隔離構造２５２に方向付けられた光を隔離構造から離れてマイクロセルに集束させるのに十分に大きくあり得る。マイクロレンズ２６２－２の焦点は、（隔離構造２５２とは対照的に）ＳＰＡＤ２０４に重複し得る。
図８は、マイクロレンズ２６２－１及び２６２－２の配置を示す例示的なマイクロセル（例えば、図７から）の上面図である。破線は、ＳＰＡＤ２０４と隔離構造２５２との間の境界（ＸＹ平面内）を示す。マイクロレンズ２６２－１のアレイは、ＳＰＡＤの中央部分上に形成される。マイクロレンズ２６２－１のアレイは、任意の所望の数の行及び列（例えば、２個超、４個超、少なくとも５個、７個超、１０個超、１５個超など）を有し得る。マイクロレンズ２６２－２は、ＳＰＡＤの周囲の周りに形成され、中央マイクロレンズ２６２－１を横方向に取り囲む。マイクロレンズ２６２－２は、マイクロセルの周囲の周りで隔離構造２５２に部分的に重複し得る。
各ＳＰＡＤ上に異なるサイズのマイクロレンズを含む図７及び図８の例は、単なる例示である。図９に示される別の可能な選択肢は、各ＳＰＡＤにわたって均一なサイズのマイクロレンズのアレイを含むことである。この例では、全てのマイクロレンズは、図７及び図８のマイクロレンズ２６２－２の寸法を有する。これにより、光が隔離構造２５２から離れてＳＰＡＤ２０４に向かって集束することが確実になる。光散乱構造は、図７及び図８（より小さいマイクロレンズが光散乱構造と整列している）のように、図９（より大きいマイクロレンズが光散乱構造よりも大きい幅／ピッチを有する）において効率的ではない場合がある。しかしながら、図９の配置におけるマイクロレンズの製造のコスト及び複雑さは、図７及び図８の配置よりも低くあり得る。
図１０は、円筒型マイクロレンズがマイクロセルの周囲の周りに位置付けられている別の可能なマイクロレンズ配置を示す。図１０に示されるように、マイクロレンズ２６２－１のアレイは、（先で考察されるように）ＳＰＡＤの中央部分上に形成される。より大きいマイクロレンズは、ＳＰＡＤの周囲の周りに形成される（図７及び図８と同様に）。
図７～図９では、マイクロレンズは全て、球形の凸状湾曲を有する湾曲した上面を有し得る。これらのタイプのマイクロレンズは、球形マイクロレンズと称され得る。球形マイクロレンズは、必ずしも円形のフットプリントを有する必要はなく、丸みを帯びた角、円形、楕円形などの長方形のフットプリントを有し得る。
図７～図９とは対照的に、図１０では、単一の円筒型マイクロレンズが、（図７及び図８のように複数の個別の球状マイクロレンズの代わりに）ＳＰＡＤの各縁に沿って形成される。円筒型マイクロレンズ２６２～３及び２６３～５は、図１０のＹ軸に平行に延在する。これらのマイクロレンズは、Ｘ軸に沿って光を集束させるが、Ｙ軸に沿って光を集束させない。円筒型マイクロレンズ２６２～４及び２６３～６は、図１０のＸ軸に平行に延在する。これらのマイクロレンズは、Ｙ軸に沿って光を集束させるが、Ｘ軸に沿って光を集束させない。図１０の円筒型マイクロレンズは、マイクロレンズ間の任意のデッド（非集束）空間を回避し、したがって、個別のマイクロレンズが使用される場合よりもＳＰＡＤにおいてより多くの光を収集し得る。
本明細書のマイクロレンズは、（図１１Ａの側面図に示されるように）小さい間隙によって分離され得るか、又は無間隙であり得る（図１１Ｂの側面図に示されるように）。図１１Ａのマイクロレンズは、単一の製造ステップで形成され得る。マイクロレンズが製造（例えば、リフロー）中に融合することを回避するために、各隣接するマイクロレンズ間に小さい間隙が含まれ得る。マイクロレンズ間の間隙は、マイクロレンズを２つの製造ステップで形成することによって（図１１Ｂに示されるように）除去され得る。マイクロレンズの第１の半分は、市松模様で形成される（例えば、リフロー及び硬化される）。マイクロレンズの第２の半分は、初期の市松模様パターンの間隙に形成され、間隙なしのマイクロレンズの完全なアレイをもたらす。一般に、本明細書において説明されるマイクロレンズアレイのいずれも、特定のデバイスの特定の設計制約に応じて、間隙を有し得るか、又は無間隙であり得る。
図１２は、ＳＰＡＤベースの半導体デバイス内の各マイクロセル上にマイクロレンズのアレイを形成するための例示的な方法ステップのフローチャートである。ステップ３０２において、紫外線（ultraviolet、ＵＶ）光吸収層３１０（例えば、ブランケット層）は、基板全体上に堆積され得る。ＵＶ光吸収層３１０は、ＵＶ迷光が後続のフォトリソグラフィステップに影響を与えるのを防止する。ＵＶ光吸収層３１０はまた、マイクロレンズの上面とＳＰＡＤ２０４との間の全距離を増加させ得る。ＵＶ光吸収層３１０は、１００ナノメートル超、１０００ナノメートル未満、１００ナノメートル～１０００ナノメートル、２００～４００ナノメートルなどの厚さを有し得る。
ステップ３０４において、平面状の上面を有するマイクロレンズ部分３１２を有するパターン化層が、層３１０上に形成される。各マイクロレンズ部分３１２は、後続のステップ中にそれぞれのマイクロレンズを形成するために使用される。マイクロレンズ部分３１２は、任意選択的に、異なる幅を有し得る（例えば、異なるサイズを有する異なるマイクロレンズが図７及び図８のように単一のＳＰＡＤを覆う場合）。マイクロレンズ部分３１２は、任意選択的に、異なる高さを有し得る（例えば、異なるサイズを有する異なるマイクロレンズが図７及び図８のように単一のＳＰＡＤを覆う場合）。マイクロレンズ部分３１２が異なる高さを有する場合、マイクロレンズ部分は、複数のパターニングステップで形成され得る。マイクロレンズ部分３１２は、（図７に関連して考察されるように）下地光散乱構造２７０と整列した中心を有し得る。マイクロレンズ部分のうちの１つ以上は、マイクロレンズ部分が図１０に示されるタイプの円筒型マイクロレンズを形成するように伸長され得る。
ステップ３０６において、リフローが実行され（例えば、マイクロレンズ部分３１２が、それらの融点を超えて加熱され）、湾曲した上面を有するマイクロレンズ２６２を画定する。マイクロレンズを硬化させて、（例えば、湾曲した上面を有する）この形状で固化させ得る。反射防止コーティング（anti-reflective coating、ＡＲＣ）３１４もまた、マイクロレンズ上に形成され得る。
図１２では、全てのマイクロレンズのリフローが単一のステップで行われる。したがって、マイクロレンズは、間隙によって分離される（例えば、図１１Ａに示されるように）。この例は、単なる例示であり、ＳＰＡＤベースの半導体デバイスは代わりに、所望される場合、複数のリフローステップを使用して形成される無間隙のマイクロレンズを含み得る。
異なるサイズのマイクロレンズのリフロー及び硬化は、単一のステップで、又は複数のステップ（例えば、第１のサイズを有するマイクロレンズのための第１のリフロー及び硬化プロセスと、第２の異なるサイズを有するマイクロレンズのための第２のリフロー及び硬化プロセス）で実行され得る。
ＳＰＡＤベースの半導体デバイス１４は、デバイスの周辺において（例えば、任意の能動的なマイクロセル２０４を有しない領域において）１つ以上のボンドパッドを含み得る。ボンドパッドを形成するために、半導体基板２５４の裏面をエッチングして、半導体基板の前面上の回路に対して導電性ビアを形成し得る。製造中、層３１０の材料、マイクロレンズ２６２、及び／又は反射防止コーティング３１４は、（基板２５４に加えて）エッチングされて、ボンドパッドを形成し得る。各ＳＰＡＤが単一のマイクロレンズで覆われている場合、ボンドパッドを形成するためにエッチングする必要がある材料の厚さは、所望されるよりも厚くなり得る。しかしながら、図７～図１０の配置により（各ＳＰＡＤがマイクロレンズのアレイによって覆われている場合）、ボンドパッドを形成するためにエッチングする必要がある材料の厚さは、容易なエッチング／製造のために十分に小さい。
リフローを使用してマイクロレンズを形成する図１２の例は、単なる例示である。所望される場合、マイクロレンズは、エッチング又は任意の他の所望の技術を使用して形成され得る。
ある実施形態によれば、半導体デバイスは、基板と、基板内に形成された単一光子アバランシェダイオードと、単一光子アバランシェダイオードと重複する第１のマイクロレンズと、単一光子アバランシェダイオードと重複する第２のマイクロレンズと、を含み得る。第１のマイクロレンズの各１つは、第１のサイズを有し得、第２のマイクロレンズの各１つは、第１のサイズとは異なる第２のサイズを有し得る。
様々な実施形態によれば、第２のサイズは、第１のサイズよりも大きくあり得、第２のマイクロレンズは、単一光子アバランシェダイオードの周辺に重複し得る。
様々な実施形態によれば、第２のマイクロレンズは、円筒型マイクロレンズであり得る。
様々な実施形態によれば、第２のマイクロレンズは、球形マイクロレンズであり得る。
様々な実施形態によれば、第２のサイズは、第１のサイズよりも大きくあり得、第２のマイクロレンズは、第１のマイクロレンズの周りのリング内に延在し得る。
様々な実施形態によれば、半導体デバイスは、基板の表面に形成された光散乱構造を更に含み得る。
様々な実施形態によれば、第１のマイクロレンズの各１つは、光散乱構造のそれぞれ１つと整列され得る。
様々な実施形態によれば、第１のマイクロレンズの各１つは、第１の幅を有し得、光散乱構造の各１つは、第２の幅を有し得、第１の幅は、第２の幅の２０％以内であり得る。
様々な実施形態によれば、第１のマイクロレンズは、第１のピッチで離間され得、光散乱構造は、第２のピッチで離間され得、第１のピッチは、第２のピッチの２０％以内であり得る。
様々な実施形態によれば、半導体デバイスは、単一光子アバランシェダイオードの周りに形成される少なくとも１つの隔離構造を含み得る。
様々な実施形態によれば、第２のマイクロレンズの各１つは、少なくとも１つの隔離構造と少なくとも部分的に重複し得る。
ある実施形態によれば、撮像システムは、基板と、基板内に形成された単一光子アバランシェダイオードと、単一光子アバランシェダイオードの周りに形成された少なくとも１つの隔離構造と、単一光子アバランシェダイオードの中央部分と重複する第１のマイクロレンズと、単一光子アバランシェダイオードと少なくとも部分的に重複し、かつ少なくとも１つの隔離構造と少なくとも部分的に重複する第２のマイクロレンズと、を含む、半導体デバイスを含み得る。第１のマイクロレンズの各１つは、第１のサイズを有し得、第２のマイクロレンズの各１つは、第１のサイズよりも大きい第２のサイズを有し得る。
様々な実施形態によれば、第２のマイクロレンズは、円筒型マイクロレンズであり得る。
様々な実施形態によれば、第２のマイクロレンズは、球形マイクロレンズであり得る。
様々な実施形態によれば、半導体デバイスはまた、基板の表面に形成された光散乱構造を含み得る。
様々な実施形態によれば、第１のマイクロレンズの各１つは、光散乱構造のそれぞれ１つと整列され得る。
様々な実施形態によれば、撮像システムは、車両用の撮像システムであり得る。
ある実施形態によれば、半導体デバイスは、基板と、基板内に形成された単一光子アバランシェダイオードと、単一光子アバランシェダイオードの周りの基板に形成された少なくとも１つの隔離構造と、単一光子アバランシェダイオードと重複し、かつ少なくとも１つの隔離構造と少なくとも部分的に重複する、マイクロレンズのアレイと、を含み得る。
様々な実施形態によれば、マイクロレンズのアレイは、少なくとも５つの行及び少なくとも５つの列を含み得る。
様々な実施形態によれば、半導体デバイスは、基板にトレンチを備える光散乱構造を更に含み得る。光散乱構造は、単一光子アバランシェダイオードと重複し得、マイクロレンズのアレイは、光散乱構造と重複し得る。
上記は、単なる例示に過ぎず、当業者は、様々な修正を行うことができる。前述の実施形態は、個別に、又は任意の組み合わせで実装され得る。

Claims (5)

  1. 半導体デバイスであって、
    基板と、
    前記基板内に形成された単一光子アバランシェダイオードと、
    前記単一光子アバランシェダイオードと重複する第１のマイクロレンズであって、前記第１のマイクロレンズの各１つが、第１のサイズを有する、第１のマイクロレンズと、
    前記単一光子アバランシェダイオードと重複する第２のマイクロレンズであって、前記第２のマイクロレンズの各１つが、前記第１のサイズとは異なる第２のサイズを有する、第２のマイクロレンズと、を備える、半導体デバイス。
  2. 前記第２のサイズが、前記第１のサイズよりも大きく、前記第２のマイクロレンズが、前記単一光子アバランシェダイオードの周辺に重複する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. 前記基板の表面に形成された光散乱構造を更に備え、前記第１のマイクロレンズの各１つが、前記光散乱構造のうちのそれぞれ１つと整列し、前記第１のマイクロレンズの各１つが、第１の幅を有し、前記光散乱構造の各１つが、第２の幅を有し、前記第１の幅が、前記第２の幅の２０％以内である、請求項１に記載の半導体デバイス。
  4. 撮像システムであって、
    半導体デバイスであって、
    基板と、
    前記基板内に形成された単一光子アバランシェダイオードと、
    前記単一光子アバランシェダイオードの周りに形成された少なくとも１つの隔離構造と、
    前記単一光子アバランシェダイオードの中央部分と重複する第１のマイクロレンズであって、前記第１のマイクロレンズの各１つが、第１のサイズを有する、第１のマイクロレンズと、
    前記単一光子アバランシェダイオードと少なくとも部分的に重複し、前記少なくとも１つの隔離構造と少なくとも部分的に重複する第２のマイクロレンズであって、前記第２のマイクロレンズの各１つが、前記第１のサイズよりも大きい第２のサイズを有する、第２のマイクロレンズと、を備える、半導体デバイスを備える、撮像システム。
  5. 半導体デバイスであって、
    基板と、
    前記基板内に形成された単一光子アバランシェダイオードと、
    前記単一光子アバランシェダイオードの周りで前記基板内に形成された少なくとも１つの隔離構造と、
    前記単一光子アバランシェダイオードと重複し、前記少なくとも１つの隔離構造と少なくとも部分的に重複する、マイクロレンズのアレイと、を備える、半導体デバイス。
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