JP2024038645A - 光電変換素子及び光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導き受光感度を向上しうる光電変換素子を提供する。【解決手段】光電変換素子は、半導体層の第１面の側に配された第１導電型の第１半導体領域と、第１半導体領域よりも半導体層の第２面の側に配され、第１半導体領域とｐｎ接合してアバランシェフォトダイオードを構成する第２導電型の第２半導体領域と、平面視において第１領域を囲うように配された第１部分及び平面視において第１領域よりも内側の第２領域を囲うように配された第２部分を有する導光構造体と、半導体層の第２面の側に配された光学構造体層と、を有する。第２部分は第２面から少なくとも０．８μｍの深さに渡って配されており、第１及び第２半導体領域は第２部分よりも第１面の側に配されており、第２領域は平面視において第１半導体領域と第２半導体領域との間のアバランシェ増倍領域の少なくとも一部と重なっている。【選択図】図７

Description

本発明は、光電変換素子及び光電変換装置に関する。

光電変換素子として、光子の入射により発生する電荷をアバランシェ降伏により増倍するアバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」と呼ぶ）が知られている。特許文献１には、入射光をＡＰＤに向けて集光するための集光部の構造を工夫することにより光電変換素子の特性を向上する技術が記載されている。

特開２０２０－１５５５１４号公報

光電変換素子の感度を向上するうえで、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導くことは重要である。しかしながら、特許文献１に記載の技術は、光電変換により生じた電荷をアバランシェ増倍領域へと導くうえで必ずしも十分であるとは言えなかった。

本発明の目的は、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導き受光感度を向上しうる光電変換素子及び光電変換装置を提供することにある。

本明細書の一開示によれば、第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する半導体層に設けられた光電変換素子であって、前記半導体層の前記第１面の側に配された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域よりも前記第２面の側に配され、前記第１半導体領域とｐｎ接合してアバランシェフォトダイオードを構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記半導体層の中に設けられ、平面視において第１領域を囲うように配された第１部分と、平面視において前記第１領域よりも内側の第２領域を囲うように配された第２部分と、を有する導光構造体と、前記半導体層の前記第２面の側に配された光学構造体層と、を有し、前記第２部分は、前記第２面から少なくとも０．８μｍの深さに渡って配されており、前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、前記第２部分よりも前記第１面の側に配されており、前記第２領域は、平面視において、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間のアバランシェ増倍領域の少なくとも一部と重なっている光電変換素子が提供される。

また、本明細書の他の一開示によれば、第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する半導体層に設けられた光電変換素子であって、前記半導体層の前記第１面の側に配された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域よりも前記第２面の側に配され、前記第１半導体領域とｐｎ接合してアバランシェフォトダイオードを構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記半導体層の中に設けられ、前記アバランシェフォトダイオードが設けられた領域を囲うように配された導光構造体と、前記半導体層の前記第２面の側に配された光学構造体層と、を有し、前記導光構造体は、断面視において、前記第１面の側の第１部分の第１の幅よりも前記第２面の側の第２部分の第２の幅の方が広く、前記第１の幅から前記第２の幅に不連続に変化している光電変換素子が提供される。

本発明によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図（その１）である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図（その２）である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置の構成例を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置における光電変換部の基本動作を説明する図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。 本発明の第２実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。 本発明の第２実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。 本発明の第２実施形態の変形例による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。 本発明の第３実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第４実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。 本発明の第４実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第５実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第６実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第７実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第８実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第９実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。 本発明の第９実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第１０実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１１実施形態による距離画像センサの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１２実施形態による内視鏡手術システムの構成例を示す概略図である。 本発明の第１３実施形態による移動体の構成例を示す概略図である。 本発明の第１４実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１５実施形態による光検出システムの動作を示すフロー図である。 本発明の第１６実施形態による光検出システムの概略構成を示す概略図である。

以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略することがある。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成について、図１乃至図４を用いて説明する。図１及び図２は、本実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、本実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示すブロック図である。図４は、本実施形態による光電変換装置の構成例を示す斜視図である。

本実施形態による光電変換装置１００は、図１に示すように、画素領域１０と、垂直走査回路部４０と、読み出し回路部５０と、水平走査回路部６０と、出力回路部７０と、制御パルス生成部８０と、を有する。

画素領域１０には、複数の行及び複数の列をなすようにアレイ状に配された複数の画素１２が設けられている。各々の画素１２は、後述するように、光電変換素子を含む光電変換部と、光電変換部から出力される信号を処理する画素信号処理部と、により構成され得る。なお、画素領域１０を構成する画素１２の数は、特に限定されるものではない。例えば、一般的なデジタルカメラのように数千行×数千列のアレイ状に配された複数の画素１２により画素領域１０を構成することができる。或いは、１行又は１列に並べた複数の画素１２により画素領域１０を構成してもよい。或いは、１つの画素１２により画素領域１０を構成してもよい。

画素領域１０の画素アレイの各行には、第１の方向（図１において横方向）に延在して、制御線１４が配されている。制御線１４は、第１の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線１４の延在する第１の方向は、行方向或いは水平方向と呼ぶことがある。制御線１４の各々は、複数種類の制御信号を画素１２に供給するための複数の信号線を含み得る。各行の制御線１４は、垂直走査回路部４０に接続されている。

また、画素領域１０の画素アレイの各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図１において縦方向）に延在して、データ線１６が配されている。データ線１６は、第２の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。データ線１６の延在する第２の方向は、列方向或いは垂直方向と呼ぶことがある。データ線１６の各々は、画素１２から出力される複数ビットのデジタル信号をビット毎に転送するための複数の信号線を含み得る。

各行の制御線１４は、垂直走査回路部４０に接続されている。垂直走査回路部４０は、制御パルス生成部８０から出力される制御信号を受け、画素１２を駆動するための制御信号を生成し、制御線１４を介して画素１２に供給する機能を備える制御部である。垂直走査回路部４０には、シフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられ得る。垂直走査回路部４０は、画素領域１０内の画素１２を行単位で順次走査し、データ線１６を介して各画素１２の画素信号を読み出し回路部５０へと出力する。

各列のデータ線１６は、読み出し回路部５０に接続されている。読み出し回路部５０は、画素領域１０の画素アレイの各列に対応して設けられた複数の保持部（図示せず）を備え、データ線１６を介して画素領域１０から行単位で出力される各列の画素１２の画素信号を対応する列の保持部にて保持する機能を備える。

水平走査回路部６０は、制御パルス生成部８０から出力される制御信号を受け、読み出し回路部５０の各列の保持部から画素信号を読み出すための制御信号を生成し、読み出し回路部５０に供給する制御部である。水平走査回路部６０には、シフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられ得る。水平走査回路部６０は、読み出し回路部５０の各列の保持部を順次走査し、各々に保持されている画素信号を順次出力回路部７０へと出力する。

出力回路部７０は、外部インターフェース回路を有し、読み出し回路部５０から出力された画素信号を光電変換装置１００の外部へ出力するための回路部である。出力回路部７０が備える外部インターフェース回路は、特に限定されるものではない。外部インターフェース回路には、例えば、ＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling）回路、ＳＬＶＳ（Scalable Low Voltage Signaling）回路等のＳｅｒＤｅｓ（SERializer/DESerializer）送信回路を適用可能である。

制御パルス生成部８０は、垂直走査回路部４０、読み出し回路部５０、水平走査回路部６０の動作やそのタイミングを制御する制御信号を生成し、各機能ブロックに供給するための制御回路である。なお、垂直走査回路部４０、読み出し回路部５０、水平走査回路部６０の動作やそのタイミングを制御する制御信号の少なくとも一部は、光電変換装置１００の外部から供給してもよい。

なお、光電変換装置１００の各機能ブロックの接続態様は図１の構成例に限定されるものではなく、例えば図２に示すように構成することもできる。

図２の構成例では、画素領域１０の画素アレイの各行に、第１の方向に延在するデータ線１６を配している。データ線１６は、第１の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。また、画素領域１０の画素アレイの各列に、第２の方向に延在する制御線１８を配している。制御線１８は、第２の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。

各列の制御線１８は、水平走査回路部６０に接続されている。水平走査回路部６０は、制御パルス生成部８０から出力される制御信号を受け、画素１２から画素信号を読み出すための制御信号を生成し、制御線１８を介して画素１２に供給する。具体的には、水平走査回路部６０は、画素領域１０の複数の画素１２を列単位で順次走査し、選択された列に属する各行の画素１２の画素信号をデータ線１６に出力する。

各行のデータ線１６は、読み出し回路部５０に接続されている。読み出し回路部５０は、画素領域１０の画素アレイの各行に対応して設けられた複数の保持部（図示せず）を備え、データ線１６を介して画素領域１０から列単位で出力される各行の画素１２の画素信号を対応する行の保持部にて保持する機能を備える。

読み出し回路部５０は、制御パルス生成部８０から出力される制御信号を受け、各行の保持部に保持されている画素信号を順次出力回路部７０へと出力する。
図２の構成例におけるその他の構成は、図１の構成例と同様であり得る。

各々の画素１２は、図３に示すように、光電変換部２０と、画素信号処理部３０と、を有する。光電変換部２０は、光電変換素子２２と、クエンチ素子２４と、を有する。画素信号処理部３０は、信号処理回路３２と、カウンタ３４と、画素出力回路３６と、を有する。

光電変換素子２２は、アバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」と表記する）であり得る。光電変換素子２２を構成するＡＰＤのアノードは、電圧ＶＬが供給されるノードに接続されている。光電変換素子２２を構成するＡＰＤのカソードは、クエンチ素子２４の一方の端子に接続されている。光電変換素子２２とクエンチ素子２４との接続ノードが、光電変換部２０の出力ノードである。クエンチ素子２４の他方の端子は、電圧ＶＬよりも高い電圧ＶＨが供給されるノードに接続されている。電圧ＶＬ及び電圧ＶＨは、ＡＰＤがアバランシェ増倍動作をするに十分な逆バイアス電圧が印加されるように設定されている。一例では、電圧ＶＬとして負の高電圧が与えられ、電圧ＶＨとして電源電圧程度の正電圧が与えられる。例えば、電圧ＶＬは－３０Ｖであり、電圧ＶＨは１Ｖである。

光電変換素子２２は、前述のようにＡＰＤにより構成され得る。アバランシェ増倍動作をするに十分な逆バイアス電圧をＡＰＤに供給した状態とすることで、ＡＰＤへの光入射によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こし、アバランシェ電流が発生する。ＡＰＤに逆バイアス電圧を供給した状態における動作モードには、ガイガーモードとリニアモードとがある。ガイガーモードは、アノードとカソードとの間に印加する電圧をＡＰＤの降伏電圧よりも大きい逆バイアス電圧とする動作モードである。リニアモードは、アノードとカソードとの間に印加する電圧をＡＰＤの降伏電圧近傍又はそれ以下の逆バイアス電圧とする動作モードである。ガイガーモードで動作させるＡＰＤは、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）と呼ばれる。光電変換素子２２を構成するＡＰＤは、リニアモードで動作するようにしてもよいし、ガイガーモードで動作するようにしてもよい。

本実施形態では、ＡＰＤのアノードを固定電位とし、カソード側から信号を取り出している。したがって、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域であり、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域である。また、第１導電型のキャリアは電子であり、第２導電型のキャリアは正孔である。なお、ＡＰＤのカソードを固定電位とし、アノード側から信号を取り出す場合でも本発明は成立する。この場合は、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域はＰ型半導体領域であり、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域である。以下では、ＡＰＤの一方のノードを固定電位とする場合について説明するが、両方のノードの電位が変動してもよい。

本明細書において、単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、逆導電型の不純物によって補償された分を差し引いた正味の不純物濃度を意味している。つまり、「不純物濃度」とは、ＮＥＴドーピング濃度を指す。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域はＰ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域はＮ型半導体領域である。

クエンチ素子２４は、光電変換素子２２で生じたアバランシェ電流の変化を電圧信号に変換する機能を備える。また、クエンチ素子２４は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、光電変換素子２２に印加される電圧を低減してアバランシェ増倍を抑制する機能を備える。クエンチ素子２４がアバランシェ増倍を抑制する動作は、クエンチ動作と呼ばれる。また、クエンチ素子２４は、クエンチ動作によって電圧降下した分の電流を流すことにより、光電変換素子２２に供給する電圧を電圧ＶＨへと戻す機能を備える。クエンチ素子２４が光電変換素子２２に供給する電圧を電圧ＶＨへと戻す動作は、リチャージ動作と呼ばれる。クエンチ素子２４は、抵抗素子やＭＯＳトランジスタなどにより構成され得る。

信号処理回路３２は、光電変換部２０の出力信号が供給される入力ノードと、出力ノードと、を有する。信号処理回路３２は、光電変換部２０から供給されるアナログ信号をパルス信号に変換する波形整形部としての機能を備える。信号処理回路３２は、ＮＯＴ回路（インバータ回路）、ＮＯＲ回路、ＮＡＮＤ回路等を含む論理回路により構成され得る。信号処理回路３２の出力ノードは、カウンタ３４に接続されている。

カウンタ３４は、信号処理回路３２の出力信号が供給される入力ノードと、制御線１４に接続された入力ノードと、出力ノードと、を有する。カウンタ３４は、信号処理回路３２から出力される信号に重畳するパルスの計数を行い、計数結果であるカウント値を保持する機能を備える。垂直走査回路部４０から制御線１４を介してカウンタ３４に供給される信号には、パルスの計数期間（露光期間）を制御するためのイネーブル信号や、カウンタ３４が保持するカウント値をリセットするためのリセット信号などが含まれ得る。カウンタ３４の出力ノードは、画素出力回路３６を介してデータ線１６に接続されている。

画素出力回路３６は、カウンタ３４とデータ線１６との間の電気的な接続状態（接続又は非接続）を切り替える機能を備える。画素出力回路３６は、垂直走査回路部４０から制御線１４を介して供給される制御信号（図２の構成例にあっては、水平走査回路部６０から制御線１８を介して供給される制御信号）に応じて、カウンタ３４とデータ線１６との間の接続状態を切り替える。画素出力回路３６は、信号を出力するためのバッファ回路を含み得る。

画素１２は、典型的には、画像を形成するための画素信号を出力する単位構造体である。ただし、ＴＯＦ（Time of Flight）方式を用いた測距などを目的とする場合にあっては、画素１２は、必ずしも画像を形成するための画素信号を出力する単位構造体である必要はない。すなわち、画素１２は、光が到達した時刻と光量とを測定するための信号を出力する単位構造体でもあり得る。

なお、画素信号処理部３０は、必ずしも各々の画素１２に１つずつ設けられている必要はなく、複数の画素１２に対して１つの画素信号処理部３０を設けるようにしてもよい。この場合、１つの画素信号処理部３０を用い、複数の画素１２の信号処理を順次実行することができる。

本実施形態による光電変換装置１００は、１枚の基板に形成してもよいし、複数の基板を積層した積層型の光電変換装置として構成してもよい。後者の場合、例えば図４に示すように、センサ基板１１０と回路基板１８０とを積層して電気的に接続した積層型の光電変換装置として構成可能である。センサ基板１１０には、画素１２の構成要素のうち少なくとも光電変換素子２２を配置することができる。また、回路基板１８０には、画素１２の構成要素のうち、クエンチ素子２４と画素信号処理部３０とを配置することができる。光電変換素子２２とクエンチ素子２４及び画素信号処理部３０とは、画素１２毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続される。また、回路基板１８０には、垂直走査回路部４０、読み出し回路部５０、水平走査回路部６０、出力回路部７０、制御パルス生成部８０等を更に配置することができる。

各画素１２の光電変換素子２２とクエンチ素子２４及び画素信号処理部３０とは、平面視において重なるようにセンサ基板１１０と回路基板１８０とに設けられ得る。垂直走査回路部４０、読み出し回路部５０、水平走査回路部６０、出力回路部７０、制御パルス生成部８０は、複数の画素１２により構成される画素領域１０の周囲に配置することができる。なお、ここでの「平面視」は、センサ基板１１０の面に対して垂直な方向から視ることを指す。

積層型の光電変換装置１００を構成することにより、素子の集積度を上げ、高機能化を図ることができる。特に、光電変換素子２２とクエンチ素子２４及び画素信号処理部３０とを別々の基板に配置することで、光電変換素子２２の受光面積を犠牲にすることなく光電変換素子２２を高密度で配置することができ、光子検知効率を向上することができる。

なお、光電変換装置１００を構成する基板の数は２枚に限定されるものではなく、３枚以上の基板を積層して光電変換装置１００を構成するようにしてもよい。

また、図４ではセンサ基板１１０及び回路基板１８０としてダイシングされたチップを想定しているが、センサ基板１１０及び回路基板１８０はチップに限定されるものではない。例えば、センサ基板１１０及び回路基板１８０の各々はウェーハであってもよい。また、センサ基板１１０及び回路基板１８０は、ウェーハ状態で積層した後にダイシングしてもよいし、各々をチップ化した後に積層・接合してもよい。

次に、本実施形態による光電変換装置における光電変換部２０の基本動作について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による光電変換装置における光電変換部の基本動作を説明する図である。図５（ａ）は光電変換部２０及び信号処理回路３２の回路図であり、図５（ｂ）は信号処理回路３２の入力ノード（ノードＡ）における信号の波形を示し、図５（ｃ）は信号処理回路３２の出力ノード（ノードＢ）における信号の波形を示している。なお、ここでは説明の簡略化のため、信号処理回路３２がインバータ回路により構成されている場合を想定している。

時刻ｔ０において、光電変換素子２２には（ＶＨ－ＶＬ）に相当する電位差の逆バイアス電圧が印加されている。光電変換素子２２を構成するＡＰＤのアノードとカソードとの間にはアバランシェ増倍を生じるに十分な逆バイアス電圧が印加されているが、光電変換素子２２に光子が入射していない状態ではアバランシェ増倍の種となるキャリアが存在しない。そのため、光電変換素子２２においてアバランシェ増倍は起こらず、光電変換素子２２に電流は流れない。

続く時刻ｔ１において、光電変換素子２２に光子（フォトン）が入射したものとする。光電変換素子２２に光子が入射すると、光電変換によって電子－正孔対が生成され、これらキャリアを種としてアバランシェ増倍が生じ、光電変換素子２２にアバランシェ増倍電流が流れる。このアバランシェ増倍電流がクエンチ素子２４を流れることによりクエンチ素子２４による電圧降下が生じ、ノードＡの電圧が降下し始める。ノードＡの電圧降下量が大きくなり、時刻ｔ３においてアバランシェ増倍が停止すると、ノードＡの電圧レベルはそれ以上降下しなくなる。

光電変換素子２２におけるアバランシェ増倍が停止すると、電圧ＶＬが供給されるノードから光電変換素子２２を介してノードＡに電圧降下分を補う電流が流れ、ノードＡの電圧は徐々に増加する。その後、時刻ｔ５においてノードＡは元の電圧レベルに静定する。

信号処理回路３２は、ノードＡから入力される信号を所定の判定閾値に応じて二値化し、ノードＢから出力する。具体的には、信号処理回路３２は、ノードＡの電圧レベルが判定閾値を超えているときはノードＢからＬｏｗレベルの信号を出力し、ノードＡの電圧レベルが判定閾値以下のときはノードＢからＨｉｇｈレベルの信号を出力する。例えば、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ２から時刻ｔ４の期間においてノードＡの電圧が判定閾値以下であるとする。この場合、図５（ｃ）に示すように、ノードＢにおける信号レベルは、時刻ｔ０から時刻ｔ２の期間及び時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間においてＬｏｗレベルとなり、時刻ｔ２から時刻ｔ４の期間においてＨｉｇｈレベルとなる。

こうして、ノードＡから入力されたアナログ信号は、信号処理回路３２によってデジタル信号へと波形整形される。光電変換素子２２への光子の入射に応じて信号処理回路３２から出力されるパルス信号が、光子検知パルス信号である。

次に、本実施形態による光電変換装置１００における光電変換素子２２の具体的な構造について、図６乃至図８を用いて説明する。図６は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。図７は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。図８は、本実施形態の変形例による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。

図６は、光電変換素子２２の平面視における各構成部分の位置関係を示している。図６には、画素領域１０を構成する複数の画素１２のうち、隣り合って配された２行×２列の４つの画素１２の４つの光電変換素子２２を示している。図７は図６のＶＩ－ＶＩ′線断面図である。ＶＩ－ＶＩ′線に沿った方向は画素１２の対角方向である。図６及び図７に示した二点鎖線は、隣り合う画素１２（光電変換素子２２）の境界を示している。

本明細書において、「平面視」とは、後述する半導体層１２０の光入射面（第２面１２４）又はその反対側の面（第１面１２２）の法線方向から視ることを指す。また、断面とは、半導体層１２０の第１面１２２又は第２面１２４の法線方向に平行な切断面を指す。なお、図６等に示す平面図は、第１面１２２又は第２面１２４に平行な投影面に各部を垂直投影した平面レイアウト図に対応するものであり、必ずしも同一の平面に存在する構成部分を図示するものではない。微視的に見て半導体層１２０の第１面１２２又は第２面１２４が粗面である場合は、巨視的に見たときの半導体層１２０の第１面１２２又は第２面１２４を基準として平面視を定義する。

また、本明細書において、深さ方向は、半導体層１２０の第１面１２２から第２面１２４に向かう方向である。以下では、第１面１２２を「表面」という場合があり、第２面１２４を「裏面」という場合がある。

本実施形態による光電変換装置は、例えば図７に示すように、センサ基板１１０と回路基板１８０とを積層した積層型の光電変換装置として構成され得る。

センサ基板１１０は、第１面１２２及び第１面１２２と対向する第２面１２４を有する半導体層１２０と、半導体層１２０の第１面１２２の側に設けられた配線構造体層１５０と、を有する。半導体層１２０の第２面１２４の側には、光学構造体層１９０が配置され得る。光学構造体層１９０が設けられた半導体層１２０の第２面１２４の側が、検出対象の光を受光する受光面となる。つまり、本実施形態の光電変換装置は、いわゆる裏面照射型の光電変換装置である。

半導体層１２０は、例えば単結晶シリコン基板を薄化したものであり、所定の濃度のＮ型不純物又はＰ型不純物を含む。本実施形態では一例として、Ｐ型シリコン基板を薄化した半導体層１２０を想定するものとする。

半導体層１２０には、Ｎ型半導体領域１２６，１３０と、Ｐ型半導体領域１２８，１３２，１３４，１３６，１３８と、が設けられている。Ｎ型半導体領域１２６は、断面視における半導体層１２０の第１面１２２の側に配されており、少なくとも一部が半導体層１２０の第１面１２２に達している。Ｐ型半導体領域１２８は、Ｎ型半導体領域１２６よりも半導体層１２０内の第２面１２４の側に配されており、Ｎ型半導体領域１２６との間にｐｎ接合を形成している。Ｎ型半導体領域１３０は、少なくとも平面視におけるＮ型半導体領域１２６の端部に接するように配されている。Ｐ型半導体領域１３６は、断面視における半導体層１２０の第２面１２４の側に配されている。また、Ｐ型半導体領域１３６は、平面視において、光電変換素子２２が配される領域の全体に渡って設けられている。Ｐ型半導体領域１３４は、平面視において、Ｎ型半導体領域１２６，１３０及びＰ型半導体領域１２８が設けられた領域の各々を囲うように配されている。Ｐ型半導体領域１３４は、半導体層１２０の第１面１２２からＰ型半導体領域１３６が配置された深さに渡って配されている。Ｐ型半導体領域１３４，１３６により囲まれた半導体層１２０内の領域が、１つの光電変換素子２２のＮ型半導体領域１２６，１３０及びＰ型半導体領域１２８が配されるウェル領域（Ｐ型半導体領域１３２）である。Ｐ型半導体領域１３２の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域１２８の不純物濃度よりも低くなっている。これにより、深さ方向に電位勾配が形成され、Ｐ型半導体領域１３２で生じた電荷をアバランシェ増倍領域に移動させることが可能となる。

平面視において、Ｎ型半導体領域１２６及びＰ型半導体領域１２８は、Ｐ型半導体領域１３４によって画定される領域の内側に配されている。また、平面視において、Ｐ型半導体領域１２８はＮ型半導体領域１２６よりも内側の領域に配されている。Ｎ型半導体領域１３０は、Ｎ型半導体領域１２６が設けられた深さにおいて、Ｎ型半導体領域１２６を囲うように配されている。また、Ｐ型半導体領域１３２は、Ｎ型半導体領域１２６，１３０が設けられた深さにおいて、Ｎ型半導体領域１３０とＰ型半導体領域１３４との間に配されている。

本実施形態において、１つの光電変換素子２２は、Ｎ型半導体領域１２６，１３０、Ｐ型半導体領域１２８，１３２，１３４，１３６を含んで構成される。隣り合って配置された光電変換素子２２は、Ｐ型半導体領域１３４，１３６により互いに電気的に分離されている。すなわち、Ｐ型半導体領域１３４，１３６は、光電変換素子２２の間を電気的に分離する分離部を構成している。Ｎ型半導体領域１２６とＰ型半導体領域１２８との間のｐｎ接合に形成される空乏層がアバランシェ増倍領域となる。Ｎ型半導体領域１３０は、Ｎ型半導体領域１２６の端部におけるエッジブレークダウンを抑制する役割を有しており、この目的のもとＮ型半導体領域１２６よりも不純物濃度が低く設定されている。Ｎ型半導体領域１２６の端部に不純物濃度の低いＮ型半導体領域１３０を配置することで、Ｎ型半導体領域１２６の端部における電界を緩和し、低い電圧でブレークダウンが生じるのを抑制することができる。

画素１２（光電変換素子２２）と画素１２（光電変換素子２２）との間の領域には、半導体層１２０の第１面１２２から第２面１２４に至るように導光構造体１４４が設けられている。導光構造体１４４は、図６及び図７に示すように、Ｐ型半導体領域１３４の中に設けられ得る。導光構造体１４４は、隣接する光電変換素子２２に光が漏れ込むのを防止する役割を有するものであり、光電変換素子２２が配された領域の各々を囲う壁状体であることが好ましい。導光構造体１４４は、例えば、半導体層１２０に形成した溝に絶縁部材や金属部材を埋め込むことにより構成され得る。導光構造体１４４を配置する深さは、求められる特性に応じて適宜設定することができ、例えば、半導体層１２０の第２面１２４から第１面１２２に渡って配置してもよいし、第２面１２４から半導体層１２０の途中の深さまで配置してもよい。Ｐ型半導体領域１３４は、画素間を分離する役割に加え、半導体層１２０と導光構造体１４４との間に存在するダングリングボンド等の界面準位を介した暗電流を抑制するための役割をも備え得る。

また、半導体層１２０には更に、導光構造体１４６が設けられている。導光構造体１４６は、平面視において、アバランシェ増倍領域の少なくとも一部と重なる領域を囲うように、より好ましくはアバランシェ増倍領域と重なる領域を囲うように、配される。導光構造体１４６は、導光構造体１４４から独立して、半導体層１２０の第２面１２４の側に配される。導光構造体１４６は、半導体層１２０の第２面１２４から０．８μｍ程度以上の深さに渡って設けられていることが望ましい。なお、Ｎ型半導体領域１２６，１３０及びＰ型半導体領域１２８は、導光構造体１４６よりも半導体層１２０の第１面１２２の側に配される。

導光構造体１４６の周囲には、Ｐ型半導体領域１３８が設けられている。導光構造体１４６は、半導体層１２０の第２面１２４の側から入射した光をアバランシェ増倍領域へと導く役割を有する。導光構造体１４６は、例えば、半導体層１２０に形成した溝に絶縁部材や金属部材を埋め込むことにより構成され得る。Ｐ型半導体領域１３８は、Ｐ型半導体領域１３４と同様、半導体層１２０と導光構造体１４６との間に存在するダングリングボンド等の界面準位を介した暗電流を抑制するための役割を有する。

平面視における導光構造体１４６の形状は、平面視においてアバランシェ増倍領域の少なくとも一部と重なる領域を囲うものであれば、特に限定されるものではない。例えば、平面視における導光構造体１４６の形状は、図６に示すような多角形形状であってもよいし、図８に示すような円形形状であってもよい。図６は、平面視における導光構造体１４６の形状を平面視における導光構造体１４４の形状に対して相似の形状とした例である。図８は、半導体層１２０に入射する光がマイクロレンズ１９６によって円形或いは円形に近い形状に集光されることを考慮し、平面視における導光構造体１４６の形状をマイクロレンズ１９６によって集光される光の形状に合わせるように円形とした例である。或いは、平面視における導光構造体１４６の形状を平面視におけるアバランシェ増倍領域の形状に対して相似の形状としてもよい。なお、ここで言う円形とは、真円に限らず例えば楕円形などであってもよい。

なお、本明細書では、導光構造体１４４，１４６を一体として捉え、導光構造体１４４を１つの導光構造体の第１部分、導光構造体１４６を当該１つの導光構造体の第２部分と呼ぶことがある。この場合、第１部分は、平面視において、１つの光電変換素子が設けられる領域に対応する第１領域を囲うように配され、第２部分は、平面視において、第１領域よりも内側の第２領域を囲うように配される。

配線構造体層１５０は、絶縁層１５２と、絶縁層１５２の中に配された配線層１５４と、を有する。配線層１５４は、Ｐ型半導体領域１３４に接続されたアノード電極１５６と、Ｎ型半導体領域１２６に接続されたカソード電極１５８と、半導体層１２０から最も離間した配線層により構成されたパッド電極１６０と、を含む。アノード電極１５６は、例えば図６及び図７に示すように、対角方向に並ぶ光電変換素子２２の間の位置に配され得る。また、カソード電極１５８は、例えば図６及び図８に示すように、平面視におけるＮ型半導体領域１２６の中心部に配され得る。なお、カソード電極１５８は、１つのＮ型半導体領域１２６に対して複数配置してもよい。

回路基板１８０は、センサ基板１１０の配線構造体層１５０の側に積層されている。図７における接合面１７０が、センサ基板１１０と回路基板１８０との間の接合部である。回路基板１８０は、トランジスタ等の素子が設けられた半導体層と、半導体層の上に設けられた配線構造体層と、を有する。図７には図面の簡略化のため、回路基板１８０を構成する半導体層及び配線構造体層のうち、最上層の配線層により構成されたパッド電極１８２と、パッド電極１８２に接続される一部の配線層１８４のみを示している。センサ基板１１０と回路基板１８０とは、例えば、パッド電極１６０を構成する金属部材とパッド電極１８２を構成する金属部材との間の金属接合により接合され得る。

光学構造体層１９０は、ピニング膜１９２と、平坦化層１９４と、複数のマイクロレンズ１９６を含むマイクロレンズ層と、を含んで構成され得る。また、光学構造体層１９０は、不図示のフィルタ層などを更に含んでもよい。フィルタ層には、カラーフィルタ、赤外光カットフィルタ、モノクロフィルタ等の種々の光学フィルタを適用可能である。また、半導体層１２０にはＰ型半導体領域１３６を設けず、Ｐ型半導体領域１３４に接するようにピニング膜１９２を設けてもよい。ピニング膜１９２には、公知の材料を適用することができる。マイクロレンズ１９６は、入射光を半導体層１２０の導光構造体１４６よりも内側の領域に集光するように構成されていることが望ましい。

Ｐ型半導体領域１２８とＮ型半導体領域１２６との間には、アノード電極１５６及びカソード電極１５８を介して所定の逆バイアス電圧が印加される。マイクロレンズ１９６を介して半導体層１２０の第２面１２４の側から光子が入射すると、入射した光子は電子を励起して電子－正孔対を生成する（光電変換）。この電荷（電子）がＮ型半導体領域１２６とＰ型半導体領域１２８との間のアバランシェ増倍領域に到達すると、Ｎ型半導体領域１２６とＰ型半導体領域１２８との間の電界によって加速され、アバランシェ増倍を引き起こす。アバランシェ増倍によって生じたキャリアはカソード電極１５８を介して収集され、光電変換素子２２の出力信号として外部に出力される。

このとき、光電変換素子２２に入射する光は、マイクロレンズ１９６によって集光された後、半導体層１２０の中を広がりながら進行していく。その過程で吸収された光子が電子－正孔対を生成するが、光子は必ずしも光電変換素子２２の中央部で吸収されるとは限らず、導光構造体１４４の付近で吸収されることもある。導光構造体１４４の付近で発生した電荷は、光電変換素子２２の中央部で発生した電荷と比較するとアバランシェ増倍領域を通過せずにカソード電極１５８へと排出される確率が高く、光電変換素子２２の感度が低下する一つの原因となる。

この点、本実施形態の光電変換素子２２においては、導光構造体１４４よりも内側の領域に、平面視においてアバランシェ増倍領域の少なくとも一部を囲うように導光構造体１４６を配置している。したがって、マイクロレンズ１９６で集光された光は、半導体層１２０の中を広がりながら進行していくが、導光構造体１４６によって反射されることで導光構造体１４６よりも内側の領域を伝搬するようになる。これにより、半導体層１２０に入射した光子のうちアバランシェ増倍領域の近傍で吸収される割合が増加し、ひいては光電変換素子２２の受光感度を向上することができる。マイクロレンズ１９６の焦点位置が導光構造体１４６の内側の領域になるように設計し、より多くの光子が導光構造体１４６の内側の領域で吸収されるようにすることで、光電変換素子２２の更なる感度向上を図ることができる。

また、被写体の光学像を結像レンズで集光して光電変換装置１００に入射する場合、画素領域１０の周辺部に近い光電変換素子２２ほど結像レンズからの光の入射角度が大きくなる。その結果、画素領域１０の周辺部に近い光電変換素子２２ほどアバランシェ増倍領域から離れた箇所で吸収される光子の割合が多くなり、画素領域１０の中央部よりも周辺部が暗くなってしまう現象、いわゆるシェーディング（周辺減光）が生じることがある。このような場合においても、導光構造体１４６を設けることで入射角の大きい光をもアバランシェ増倍領域の近傍へと導くことが可能となり、シェーディングを抑制することができる。

マイクロレンズ１９６で集光された光は半導体層１２０の中を広がりながら伝搬するため、導光構造体１４６による感度向上の効果は、半導体層１２０による吸収係数が小さくより深くに侵入する長波長の光ほど得られやすい。ここで、長波長の光として例えば波長６５０ｎｍの赤色光を例に挙げると、波長６５０ｎｍの光は半導体層１２０内を約０．８μｍ伝搬する間に２０％～３０％が吸収される。つまり、導光構造体１４６を第２面１２４から０．８μｍ以上の深さに渡って設けることで、入射光のうち少なくとも波長６５０ｎｍの光の２０％～３０％に対し、アバランシェ増倍領域から離れた領域で吸収されることによる感度低下を抑制することができる。波長６５０ｎｍの光に限らず、０．８μｍ未満の距離を伝搬する間に吸収される光についても同様である。

このように、本実施形態によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光電変換装置について、図９及び図１０を用いて説明する。第１実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図９は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。図１０は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。

本実施形態による光電変換装置は、光電変換素子２２の構成が異なるほかは第１実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態では、本実施形態の光電変換素子２２が第１実施形態の光電変換素子２２と異なる部分を中心に説明し、第１実施形態の光電変換素子２２と共通する部分については適宜説明を省略する。

図９は、光電変換素子２２の平面視における各構成部分の位置関係を示している。図９には、画素領域１０を構成する複数の画素１２のうち、隣り合って配された２行×２列の４つの画素１２の４つの光電変換素子２２を示している。図１０は図９のＩＸ－ＩＸ′線断面図である。

本実施形態の光電変換素子２２は、図９及び図１０に示すように、半導体層１２０の第２面１２４の側に凹凸構造１４８を更に有する点で、第１実施形態の光電変換素子２２とは異なっている。

凹凸構造１４８は、半導体層１２０の第２面１２４の、平面視において導光構造体１４６で囲まれた領域と重なる領域に、少なくとも設けられる。凹凸構造１４８は、例えば、半導体層１２０の第２面１２４に形成した溝に絶縁部材を埋め込むことにより構成され得る。凹凸構造１４８は、少なくともその一部がＰ型半導体領域１３６と重なる領域に配置され得る。凹凸構造１４８は、半導体層１２０のＰ型半導体領域１３６よりも浅い部分、すなわちＰ型半導体領域１３６の第１面１２２の側の面よりも第２面１２４の側に配置することが望ましい。なお、凹凸構造１４８の深さは０．８μｍ程度未満である。

図９及び図１０には、凹凸構造１４８の一例として、半導体層１２０の第２面１２４に格子状の溝を設けた例を示している。ただし、凹凸構造１４８は半導体層１２０の第２面１２４の側から入射する光を散乱させる役割を有するものであり、第２面１２４から入射する光を散乱する機能を有する限りにおいて、凹凸構造１４８を構成するパターンは特に限定されるものではない。

半導体層１２０に凹凸構造１４８を設けることで、半導体層１２０に入射する光は凹凸構造１４８によって屈折し或いは散乱される。これにより、導光構造体１４４により反射されることと相俟って、半導体層１２０内を進む入射光の距離が長くなり、より多くの光子が光電変換に寄与するようになる。その一方で、凹凸構造１４８によって入射光が屈折・散乱されることで、平面視においてアバランシェ増倍領域から離れた領域で吸収される光子が増加してしまい、凹凸構造１４８による感度向上の効果を得にくくなる。

この点、本実施形態の光電変換素子２２においては、導光構造体１４４よりも内側の領域に、平面視においてアバランシェ増倍領域の少なくとも一部と重なる領域を囲うように導光構造体１４６を配置している。したがって、マイクロレンズ１９６で集光された光は、凹凸構造１４８により屈折・散乱され、半導体層１２０の中を広がりながら進行していくが、導光構造体１４６により反射されることで導光構造体１４６よりも内側の領域を伝搬するようになる。これにより、半導体層１２０に入射した光子のうちアバランシェ増倍領域の近傍で吸収される割合が増加し、ひいては光電変換素子２２の受光感度を向上することができる。

なお、図９及び図１０の構成例では平面視における導光構造体１４６の内側の領域のみに凹凸構造１４８を配置したが、例えば図１１及び図１２に示すように、平面視における導光構造体１４６の外側の領域にも凹凸構造１４８を配置してもよい。

図１１は、本実施形態の変形例による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。図１２は、本実施形態の変形例による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。図１１は、光電変換素子２２の平面視における各構成部分の位置関係を示している。図１１には、画素領域１０を構成する複数の画素１２のうち、隣り合って配された２行×２列の４つの画素１２の４つの光電変換素子２２を示している。図１２は図１１のＸＩ－ＸＩ′線断面図である。光電変換素子をこのように構成することで、平面視における導光構造体１４６の内側の領域のみに凹凸構造１４８を配置する場合と比較して、凹凸構造１４８によって生じる応力が均一となり、生産性を向上することができる。

このように、本実施形態によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光電変換装置について、図１３及び図１４を用いて説明する。第１及び第２実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１３は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。図１４は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。

本実施形態による光電変換装置は、光電変換素子２２の構成が異なるほかは第１実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態では、本実施形態の光電変換素子２２が第１実施形態の光電変換素子２２と異なる部分を中心に説明し、第１実施形態の光電変換素子２２と共通する部分については適宜説明を省略する。

図１３は、光電変換素子２２の平面視における各構成部分の位置関係を示している。図１３には、画素領域１０を構成する複数の画素１２のうち、隣り合って配された２行×２列の４つの画素１２の４つの光電変換素子２２を示している。図１４は図１３のＸIII－ＸIII′線断面図である。

本実施形態の光電変換素子２２は、導光構造体１４６を設ける代わりに、平面視における導光構造体１４４の幅が半導体層１２０の第１面１２２の側と第２面の側とにおいて異なっている点で、第１実施形態による光電変換素子とは異なっている。すなわち、本実施形態による光電変換素子２２の導光構造体１４４は、図１３及び図１４に示すように、第１面１２２の側よりも第２面１２４の側の方が広くなっている。導光構造体１４４によって第２面１２４の側に画定される半導体層１２０の領域は、第１実施形態の導光構造体１４６によって囲まれた領域に相当している。また、導光構造体１４４の幅が広くなっている部分の深さは、第１実施形態の導光構造体１４６が設けられた深さに相当している。これにより、導光構造体１４４は、隣接する光電変換素子２２に光が漏れ込むのを防止する役割に加え、第１実施形態における導光構造体１４６と同様の役割をも備え得る。

第２面１２４の側で導光構造体１４４の幅を広くすることで、導光構造体１４６を設けた場合と同様、半導体層１２０に入射した光子のうちアバランシェ増倍領域の近傍で吸収される割合を増加し、ひいては光電変換素子２２の受光感度を向上することができる。その一方、Ｐ型半導体領域１２８と導光構造体１４４との距離が近くなると強電界が生じやすくなり、トンネル電流起因のノイズが増加する虞がある。そのため、第１面１２２の側では導光構造体１４４の幅を広げるのは好ましくない。導光構造体１４４の幅を第１面１２２の側では狭く、第２面１２４の側では広くすることにより、感度の向上とノイズの低減とを両立することができる。

第１面１２２の側と第２面１２４の側とで幅の異なる導光構造体１４４は、特に限定されるものではないが、例えば以下の方法により形成可能である。第１の方法は、第１面１２２の側から幅の狭い導光構造体を形成し、第２面１２４の側から幅の広い導光構造体を形成し、これらにより導光構造体１４４を構成する方法である。第２の方法は、第２面１２４の側から、半導体層１２０の中間深さまで幅の広い分離溝を形成し、次いで半導体層１２０を貫通する深さまで幅の狭い分離溝を形成し、連通するこれら分離溝に絶縁体や金属を埋め込んで導光構造体１４４を形成する方法である。これらの方法で導光構造体１４４を形成した場合、断面視における導光構造体１４４の幅は、半導体層１２０の深さ方向に沿って不連続に変化することになる。

このように、本実施形態によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による光電変換装置について、図１５及び図１６を用いて説明する。第１乃至第３実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１５は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。図１６は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す概略断面図である。

本実施形態による光電変換装置は、光電変換素子２２の構成が異なるほかは第１実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態では、本実施形態の光電変換素子２２が第１実施形態の光電変換素子２２と異なる部分を中心に説明し、第１実施形態の光電変換素子２２と共通する部分については適宜説明を省略する。

図１５は、光電変換素子２２の平面視における各構成部分の位置関係を示している。図１５には、画素領域１０を構成する複数の画素１２のうち、隣り合って配された２行×２列の４つの画素１２の４つの光電変換素子２２を示している。図１６は図１５のＸＶ－ＸＶ′線断面図である。

本実施形態の光電変換素子２２は、光学構造体層１９０に設けられた遮光層１９３を更に有する点で、第１実施形態の光電変換素子とは異なっている。遮光層１９３は、例えば図１６に示すように、ピニング膜１９２と平坦化層１９４との間に配され得る。また、遮光層１９３は、例えば図１５に示すように、平面視において、導光構造体１４４で囲まれた領域のうち、導光構造体１４６で囲まれた領域を除く部分を覆うように配されている。遮光層１９３を配置することで、導光構造体１４６の外側の領域に光が入射するのを抑制することができる。

光電変換によって生成された電荷はアバランシェ増倍領域に向かって移動するが、その電荷がアバランシェ増倍領域に到達するまでに要する時間は、電荷が生成された場所によって異なる。例えば、平面視において導光構造体１４６で囲まれた領域の外側で生成された電荷は、平面視において導光構造体１４６で囲まれた領域の内側で生成された電荷よりも、アバランシェ増倍領域に到達するまでに長い時間を要する。そのため、例えば光電変換装置を測距装置の受光部として用いる場合、光検出タイミングに幅が生じることとなり、測距制度が低下する。

この点、本実施形態の光電変換素子２２においては、遮光層１９３によって導光構造体１４６の外側の領域に入射する光を遮断し、導光構造体１４６よりも内側の領域で光電変換が生じるようにしている。これにより、半導体層１２０内で生成された電荷がアバランシェ増倍領域に到達するまでに要する時間のばらつきを低減することができる。したがって、光電変換装置を測距装置の受光部として用いる場合にあっては、測距精度の低下を抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による光電変換装置について、図１７を用いて説明する。第１乃至第４実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１７は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す断面図である。本実施形態の光電変換素子の平面レイアウトは、図６に示す第１実施形態の光電変換素子の平面レイアウトと基本的に同じである。図１７は、図６のＶＩ－ＶＩ′線断面に相当する断面図である。

本実施形態による光電変換装置は、光電変換素子２２の構成が異なるほかは第１実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態では、本実施形態の光電変換素子２２が第１実施形態の光電変換素子２２と異なる部分を中心に説明し、第１実施形態の光電変換素子２２と共通する部分については適宜説明を省略する。

本実施形態の光電変換素子２２は、半導体層１２０とマイクロレンズ１９６との間に配された層内レンズ１９５を更に有する点で、第１実施形態の光電変換素子とは異なっている。層内レンズ１９５は、例えば図１７に示すように、光学構造体層１９０のピニング膜１９２と平坦化層１９４との間に配され得る。層内レンズ１９５は、入射光を集光させる形状、例えば凸レンズ形状を有している。

半導体層１２０とマイクロレンズ１９６との間に層内レンズ１９５を設けることで、入射光を導光構造体１４６の内側の領域に導きやすくなり、受光感度を向上することができる。また、導光構造体１４６よりも外側で光電変換される入射光成分を減らすことにもなるので、光電変換装置を測距装置の受光部として用いる場合にあっては、測距精度の低下を抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による光電変換装置について、図１８を用いて説明する。第１乃至第５実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１８は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す断面図である。本実施形態の光電変換素子の平面レイアウトは、図６に示す第１実施形態の光電変換素子の平面レイアウトと基本的に同じである。図１８は、図６のＶＩ－ＶＩ′線断面に相当する断面図である。

本実施形態による光電変換装置は、光電変換素子２２の構成が異なるほかは第１実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態では、本実施形態の光電変換素子２２が第１実施形態の光電変換素子２２と異なる部分を中心に説明し、第１実施形態の光電変換素子２２と共通する部分については適宜説明を省略する。

本実施形態の光電変換素子２２は、半導体層１２０とマイクロレンズ１９６との間に配された光導波路１９７を更に有する点で、第１実施形態の光電変換素子とは異なっている。光導波路１９７は、例えば図１８に示すように、光学構造体層１９０のピニング膜１９２と平坦化層１９４との間に配され得る。光導波路１９７は、平坦化層１９４を構成する材料よりも屈折率の高い材料で構成されており、入射光を光導波路１９７内に閉じ込めて伝搬させる効果を有する。

半導体層１２０とマイクロレンズ１９６との間に光導波路１９７を設けることで、入射光を導光構造体１４６の内側の領域に導きやすくなり、受光感度を向上することができる。また、導光構造体１４６よりも外側で光電変換される入射光成分を減らすことにもなるので、光電変換装置を測距装置の受光部として用いる場合にあっては、測距精度の悪化を抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による光電変換装置について、図１９を用いて説明する。第１乃至第６実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１９は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す断面図である。本実施形態の光電変換素子の平面レイアウトは、図６に示す第１実施形態の光電変換素子の平面レイアウトと基本的に同じである。図１９は、図６のＶＩ－ＶＩ′線断面に相当する断面図である。

本実施形態による光電変換装置は、光電変換素子２２の構成が異なるほかは第１実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態では、本実施形態の光電変換素子２２が第１実施形態の光電変換素子２２と異なる部分を中心に説明し、第１実施形態の光電変換素子２２と共通する部分については適宜説明を省略する。

本実施形態の光電変換素子２２は、絶縁層１５２内に設けられた曲面反射層１６２を更に有する点で、第１実施形態の光電変換素子とは異なっている。曲面反射層１６２は、図１９に示すように、半導体層１２０の第１面１２２の側に、平面視においてＮ型半導体領域１２６と重なる領域に配され、絶縁層１５２の側に凸の円弧状の外形を有している。光導波路１９７は、絶縁層１５２を構成する材料とは屈折率の異なる材料で構成されており、半導体層１２０を透過した入射光を絶縁層１５２との界面で反射する役割を有する。

半導体層１２０の第１面１２２に面して曲面反射層１６２を設けることで、半導体層１２０を透過した入射光を光電変換素子２２の中心方向に反射させることができる。これにより、曲面反射層１６２で反射された光は、平面視においてアバランシェ増倍領域と重なる領域で光電変換されやすくなり、受光感度を向上することができる。本実施形態では、カソード電極１５８を小さく形成するほど、曲面反射層１６２により光電変換素子２２の中央方向に反射する成分を増やすことが可能となる。

このように、本実施形態によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による光電変換装置について、図２０を用いて説明する。第１乃至第７実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図２０は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す断面図である。本実施形態の光電変換素子の平面レイアウトは、図６に示す第１実施形態の光電変換素子の平面レイアウトと基本的に同じである。図２０は、図６のＶＩ－ＶＩ′線断面に相当する断面図である。

本実施形態による光電変換装置は、光電変換素子２２の構成が異なるほかは第１実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態では、本実施形態の光電変換素子２２が第１実施形態の光電変換素子２２と異なる部分を中心に説明し、第１実施形態の光電変換素子２２と共通する部分については適宜説明を省略する。

本実施形態の光電変換素子２２は、半導体層１２０の第１面１２２の側に凹凸構造１６４を更に有する点で、第１実施形態の光電変換素子とは異なっている。凹凸構造１６４は、図２０に示すように、半導体層１２０の第１面１２２の側の、Ｎ型半導体領域１２６，１３０と導光構造体１４４との間に設けられる。凹凸構造１６４は、例えば、半導体層１２０の第１面１２２に形成した溝に絶縁部材を埋め込むことにより構成され得る。

半導体層１２０の第１面１２２の側に凹凸構造１６４を設けることにより、半導体層１２０で吸収されずに第１面１２２のアバランシェ増倍領域から離れた領域に到達した光を散乱することができる。そして、凹凸構造１６４で散乱された光の一部がアバランシェ増倍領域付近で光電変換を起こすことで、受光感度を向上することができる。

このように、本実施形態によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

［第９実施形態］
本発明の第９実施形態による光電変換装置について、図２１及び図２２を用いて説明する。第１乃至第８実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図２１は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す平面図である。図２２は、本実施形態による光電変換装置における光電変換素子の構造を示す断面図である。

本実施形態による光電変換装置は、光電変換素子２２の構成が異なるほかは第１実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態では、本実施形態の光電変換素子２２が第１実施形態の光電変換素子２２と異なる部分を中心に説明し、第１実施形態の光電変換素子２２と共通する部分については適宜説明を省略する。

光電変換素子２２を構成する半導体領域の構成は、第１乃至第８実施形態で示した例に限定されるものではない。本実施形態では、いわゆる電荷収集型ＳＰＡＤの構成を適用した場合の例を示す。図２１は、光電変換素子２２の平面視における各構成部分の位置関係を示している。図２１には、画素領域１０を構成する複数の画素１２のうち、隣り合って配された２行×２列の４つの画素１２の４つの光電変換素子２２を示している。図２２は図２１のＸＸＩ－ＸＸＩ′線断面図である。

半導体層１２０には、Ｎ型半導体領域１２６，１３０、１４０，１４２と、Ｐ型半導体領域１２８，１３４，１３６，１３８と、が設けられている。Ｎ型半導体領域１２６は、断面視における半導体層１２０の第１面１２２の側に配されており、少なくとも一部が半導体層１２０の第１面１２２に達している。Ｎ型半導体領域１３０は、Ｎ型半導体領域１２６の側面側及び第２面１２４側に接するように配されている。Ｐ型半導体領域１２８は、Ｎ型半導体領域１２６，１３０よりも半導体層１２０の第２面１２４の側に配されており、Ｎ型半導体領域１２６，１３０との間にｐｎ接合を形成している。Ｎ型半導体領域１４０は、Ｐ型半導体領域１２８よりも半導体層１２０の第２面１２４の側に配されている。Ｐ型半導体領域１３６は、断面視における半導体層１２０の第２面１２４の側に配されている。また、Ｐ型半導体領域１３６は、平面視において、光電変換素子２２が配される領域の全体に渡って設けられている。Ｐ型半導体領域１３４は、平面視において、Ｎ型半導体領域１２６，１３０，１４０及びＰ型半導体領域１２８が設けられた領域の各々を囲うように配されている。Ｐ型半導体領域１３４は、半導体層１２０の第１面１２２からＰ型半導体領域１３６が配置された深さに渡って配されている。Ｐ型半導体領域１３４，１３６により囲まれた半導体層１２０内の領域が、１つの光電変換素子２２のＮ型半導体領域１２６，１３０，１４０及びＰ型半導体領域１２８が配されるウェル領域（Ｎ型半導体領域１４２）である。Ｎ型半導体領域１４２の不純物濃度は、Ｎ型半導体領域１２６，１３０，１４０の不純物濃度よりも低くなっている。

平面視において、Ｎ型半導体領域１３０の外周部は、Ｐ型半導体領域１３４から離間している。Ｎ型半導体領域１２６が配された深さにおいて、Ｐ型半導体領域１３４とＮ型半導体領域１３０との間にはＮ型半導体領域１４２が配され、Ｎ型半導体領域１４２とＮ型半導体領域１２６との間にはＮ型半導体領域１３０が配されている。平面視において、Ｐ型半導体領域１２８の外周部は、Ｐ型半導体領域１３４に接している。また、平面視において、Ｎ型半導体領域１３０，１４０の外周部は、Ｐ型半導体領域１３４から離間している。Ｎ型半導体領域１４０が配された深さにおいて、Ｐ型半導体領域１３４とＮ型半導体領域１４０との間には、Ｎ型半導体領域１４２が配されている。光電変換素子２２をこのように構成することで、半導体層１２０内に、光電変換により生成された電荷が平面視における光電変換素子２２の中心方向に移動してからアバランシェ増倍領域へと移動するような電界を形成することができる。

画素１２の微細化が進展し、Ｎ型半導体領域１２６とＰ型半導体領域１３４との間の距離が短くなると、Ｎ型半導体領域１２６とＰ型半導体領域１３４との間に強電界が生じやすくなり、トンネル電流によりノイズが増加することが懸念される。そのため、画素１２の微細化に伴ってＮ型半導体領域１２６のサイズを小さくする必要があり、それに伴って光電変換により生じた電荷の収集効果が低下することがある。

この点、本実施形態においては、光電変換素子２２の中心部に電荷を収集するように不純物プロファイルを構成しているため、導光構造体１４４及び導光構造体１４６を設けたことと相俟って、アバランシェ増倍領域に電荷を効率的に収集することができる。これにより、画素１２の微細化を図りつつ、光電変換素子２２の受光感度を向上することができる。

このように、本実施形態によれば、光電変換により生じた電荷を効率的にアバランシェ増倍領域へと導いて受光感度を向上することができる。

［第１０実施形態］
本発明の第１０実施形態による光検出システムについて、図２３を用いて説明する。図２３は、本実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態では、第１実施形態乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００を適用した光検出センサについて説明する。

上記第１乃至第９実施形態で述べた光電変換装置１００は、種々の光検出システムに適用可能である。適用可能な光検出システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などの撮像システムが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、光検出システムに含まれる。図２３には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

図２３に例示した光検出システム２００は、光電変換装置２０１、被写体の光学像を光電変換装置２０１に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズ２０２の保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、光電変換装置２０１に光を集光する光学系である。光電変換装置２０１は、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００であって、レンズ２０２により結像された光学像を画像データに変換する。

光検出システム２００は、また、光電変換装置２０１より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、光電変換装置２０１が出力するデジタル信号から画像データの生成を行う。また、信号処理部２０８は必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。光電変換装置２０１は、信号処理部２０８で処理されるデジタル信号を生成するＡＤ変換部を備え得る。ＡＤ変換部は、光電変換装置２０１の光電変換素子が形成された半導体層（半導体基板）に形成されていてもよいし、光電変換装置２０１の光電変換素子が形成された半導体層とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、信号処理部２０８が光電変換装置２０１と同一の半導体基板に形成されていてもよい。

光検出システム２００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。更に光検出システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、光検出システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１６と記録媒体２１４との間の通信や外部Ｉ／Ｆ部２１２からの通信は無線によってなされてもよい。

更に光検出システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、光電変換装置２０１と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、光検出システム２００は少なくとも光電変換装置２０１と、光電変換装置２０１から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。タイミング発生部２２０は、光電変換装置２０１に搭載されていてもよい。また、全体制御・演算部２１８及びタイミング発生部２２０は、光電変換装置２０１の制御機能の一部又は全部を実施するように構成されていてもよい。

光電変換装置２０１は、撮像信号を信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、光電変換装置２０１から出力される撮像信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。信号処理部２０８は、撮像信号を用いて、画像を生成する。信号処理部２０８は、光電変換装置２０１から出力される信号に対して測距演算を行うように構成されていてもよい。

このように、本実施形態によれば、第１乃至第９実施形態の光電変換装置を用いて光検出システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な光検出システムを実現することができる。

［第１１実施形態］
本発明の第１１実施形態による距離画像センサについて、図２４を用いて説明する。図２４は、本実施形態による距離画像センサの概略構成を示すブロック図である。本実施形態では、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００を適用した光検出システムの一例として距離画像センサを説明する。

本実施形態による距離画像センサ３００は、図２４に示すように、光学系３０２と、光電変換装置３０４と、画像処理回路３０６と、モニタ３０８と、メモリ３１０と、を含んで構成され得る。この距離画像センサ３００は、光源装置３２０から被写体３３０に向かって照射され被写体３３０の表面で反射された光（変調光やパルス光）を受光し、被写体３３０までの距離に応じた距離画像を取得するものである。

光学系３０２は、１枚又は複数枚のレンズにより構成され、被写体３３０からの像光（入射光）を光電変換装置３０４の受光面（センサ部）に結像させる役割を有する。

光電変換装置３０４は、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００であって、被写体３３０からの像光に基づいて被写体３３０までの距離を示す距離信号を生成し、生成した距離信号を画像処理回路３０６へと供給する機能を備える。

画像処理回路３０６は、光電変換装置３０４から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行う機能を備える。

モニタ３０８は、画像処理回路３０６における画像処理によって得られた距離画像（画像データ）を表示する機能を備える。また、メモリ３１０は、画像処理回路３０６における画像処理によって得られた距離画像（画像データ）を記憶（記録）する機能を備える。

このように、本実施形態によれば、第１乃至第９実施形態の光電変換装置を用いて距離画像センサを構成することにより、画素１２の特性向上に相俟って、より正確な距離情報を含む距離画像を取得可能な距離画像センサを実現することができる。

［第１２実施形態］
本発明の第１２実施形態による内視鏡手術システムについて、図２５を用いて説明する。図２５は、本実施形態による内視鏡手術システムの構成例を示す概略図である。本実施形態では、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００を適用した光検出システムの一例として内視鏡手術システムを説明する。

図２５には、術者（医師）４６０が、内視鏡手術システム４００を用いて、患者ベッド４７０上の患者４７２に手術を行っている様子が図示されている。

本実施形態の内視鏡手術システム４００は、図２５に示すように、内視鏡４１０と、術具４２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート４３０と、を含んで構成され得る。カート４３０には、ＣＣＵ（カメラコントロールユニット：Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４３２、光源装置４３４、入力装置４３６、処置具制御装置４３８、表示装置４４０などが搭載され得る。

内視鏡４１０は、先端から所定の長さの領域が患者４７２の体腔内に挿入される鏡筒４１２と、鏡筒４１２の基端に接続されるカメラヘッド４１４と、を含んで構成される。図２５には、硬性の鏡筒４１２を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡４１０を図示しているが、内視鏡４１０は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。内視鏡４１０は、アーム４１６により移動可能な状態で保持されている。

鏡筒４１２の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡４１０には光源装置４３４が接続されており、光源装置４３４によって生成された光が、鏡筒４１２の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者４７２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡４１０は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。

カメラヘッド４１４の内部には不図示の光学系及び光電変換装置が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該光電変換装置に集光される。当該光電変換装置は、観察光を光電変換し、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号を生成する。当該光電変換装置としては、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００を用いることができる。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてＣＣＵ４３２に送信される。

ＣＣＵ４３２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等によって構成され、内視鏡４１０及び表示装置４４０の動作を統括的に制御する。更に、ＣＣＵ４３２は、カメラヘッド４１４から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。

表示装置４４０は、ＣＣＵ４３２からの制御により、当該ＣＣＵ４３２によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。

光源装置４３４は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡４１０に供給する。

入力装置４３６は、内視鏡手術システム４００に対する入力インターフェースである。ユーザは、入力装置４３６を介して、内視鏡手術システム４００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。

処置具制御装置４３８は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具４５０の駆動を制御する。

内視鏡４１０に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置４３４は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置４３４において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド４１４の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。

また、光源装置４３４は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド４１４の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。

また、光源装置４３４は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用する。具体的には、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置４３４は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。

このように、本実施形態によれば、第１乃至第９実施形態の光電変換装置を用いて内視鏡手術システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な内視鏡手術システムを実現することができる。

［第１３実施形態］
本発明の第１３実施形態による光検出システム及び移動体について、図２６乃至図２８を用いて説明する。図２６は、本実施形態による移動体の構成例を示す概略図である。図２７は、本実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。図２８は、本実施形態による光検出システムの動作を示すフロー図である。本実施形態では、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００を適用した光検出システムとして、車載カメラへの適用例を示す。

図２６は、本実施形態による移動体（車両システム）の構成例を示す模式図である。図２６は、第１乃至第９実施形態のいずれかに記載の光電変換装置を適用した光検出システムが組み込まれた車両システムの一例として、車両５００（自動車）の構成を示している。図２６（ａ）は車両５００の正面模式図であり、図２６（ｂ）は車両５００の平面模式図であり、図２６（ｃ）は車両５００の背面模式図である。車両５００は、正面に一対の光電変換装置５０２を備えている。ここで、光電変換装置５０２は、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００である。また、車両５００は、集積回路５０３、警報装置５１２及び主制御部５１３を備える。

図２７は、車両５００に搭載された光検出システム５０１の構成例を示すブロック図である。光検出システム５０１は、光電変換装置５０２と、画像前処理部５１５と、集積回路５０３と、光学系５１４と、を含む。光電変換装置５０２は、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００である。光学系５１４は、光電変換装置５０２に被写体の光学像を結像する。光電変換装置５０２は、光学系５１４により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。画像前処理部５１５は、光電変換装置５０２から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部５１５の機能は、光電変換装置５０２内に組み込まれていてもよい。光検出システム５０１には、光学系５１４、光電変換装置５０２及び画像前処理部５１５の組が、少なくとも２組設けられており、各組の画像前処理部５１５からの出力が集積回路５０３に入力されるようになっている。

集積回路５０３は、撮像システム用途向けの集積回路であり、画像処理部５０４、光学測距部５０６、視差演算部５０７、物体認知部５０８、異常検出部５０９を含む。画像処理部５０４は、画像前処理部５１５から出力された画像信号を処理する。例えば、画像処理部５０４は、画像前処理部５１５の出力信号に対して、現像処理や欠陥補正等の画像処理を行う。画像処理部５０４は、画像信号を一時的に保持するメモリ５０５を備える。メモリ５０５には、例えば光電変換装置５０２内の既知の欠陥画素の位置が記憶され得る。

光学測距部５０６は、被写体の合焦や測距を行う。視差演算部５０７は、複数の光電変換装置５０２により取得された複数の画像データ（視差画像）から測距情報（距離情報）の算出を行う。光電変換装置５０２の各々が、距離情報などの各種情報を取得可能な構成を備えていてもよい。物体認知部５０８は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部５０９は、光電変換装置５０２の異常を検出すると、主制御部５１３に異常を通知する。

集積回路５０３は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

主制御部５１３は、光検出システム５０１、車両センサ５１０、制御ユニット５２０等の動作を統括・制御する。なお、車両５００が主制御部５１３を備えていなくてもよい。この場合、光電変換装置５０２、車両センサ５１０、制御ユニット５２０が通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う。この制御信号の送受には、例えばＣＡＮ規格が適用され得る。

集積回路５０３は、主制御部５１３からの制御信号を受け或いは自身の制御部によって、光電変換装置５０２へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。

光検出システム５０１は、車両センサ５１０に接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの自車両走行状態及び自車外環境や他車・障害物の状態を検出することができる。車両センサ５１０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段でもある。また、光検出システム５０１は、自動操舵、自動巡行、衝突防止機能等の種々の運転支援を行う運転支援制御部５１１に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、光検出システム５０１や車両センサ５１０の検出結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。

また、光検出システム５０１は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置５１２にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部５１３は、ブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして、衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置５１２は、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムやメーターパネルなどの表示部画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光検出システム５０１で撮影する。図２６（ｂ）に、車両前方を光検出システム５０１で撮像する場合の光検出システム５０１の配置例を示す。

光電変換装置５０２は、前述のように、車両５００の前方に配される。具体的には、車両５００の進退方位又は外形（例えば車幅）に対する中心線を対称軸に見立て、その対称軸に対して２つの光電変換装置５０２が線対称に配されると、車両５００と被写対象物との間の距離情報の取得や衝突可能性の判定を行う上で好ましい。また、光電変換装置５０２は、運転者が運転席から車両５００の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない配置が好ましい。警報装置５１２は、運転者の視野に入りやすい配置が好ましい。

次に、光検出システム５０１における光電変換装置５０２の故障検出動作について、図２８を用いて説明する。光電変換装置５０２の故障検出動作は、図２８に示すステップＳ１１０～Ｓ１８０に従って実施され得る。

ステップＳ１１０は、光電変換装置５０２のスタートアップ時の設定を行うステップである。すなわち、光検出システム５０１の外部（例えば主制御部５１３）又は光検出システム５０１の内部から、光電変換装置５０２の動作のための設定を送信し、光電変換装置５０２の撮像動作及び故障検出動作を開始する。

次いで、ステップＳ１２０において、有効画素から画素信号を取得する。また、ステップＳ１３０において、故障検出用に設けた故障検出画素からの出力値を取得する。この故障検出画素は、有効画素と同じく光電変換素子を備える。この光電変換素子には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出画素は、この光電変換素子に書き込まれた電圧に対応する信号を出力する。なお、ステップＳ１２０とステップＳ１３０とは逆でもよい。

次いで、ステップＳ１４０において、故障検出画素の出力期待値と、実際の故障検出画素からの出力値との該非判定を行う。ステップＳ１４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、ステップＳ１５０に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、処理ステップがステップＳ１６０へと移行する。ステップＳ１６０では、走査行の画素信号をメモリ５０５に送信して一次保存する。そののち、ステップＳ１２０に戻り、故障検出動作を継続する。一方、ステップＳ１４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、処理ステップはステップＳ１７０に移行する。ステップＳ１７０において、撮像動作に異常があると判定し、主制御部５１３又は警報装置５１２に警報を通知する。警報装置５１２は、表示部に異常が検出されたことを表示させる。その後、ステップＳ１８０において光電変換装置５０２を停止し、光検出システム５０１の動作を終了する。

なお、本実施形態では、１行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、１フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。ステップＳ１７０の警報の発報は、無線ネットワークを介して、車両の外部に通知するようにしてもよい。

また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、光検出システム５０１は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

［第１４実施形態］
本発明の第１４実施形態による光検出システムについて、図２９を用いて説明する。図２９は、本実施形態による光検出システムの構成例を示す概略図である。本実施形態では、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００を適用した光検出システムとして、眼鏡（スマートグラス）への適用例を説明する。

図２９（ａ）は、１つの適用例に係る眼鏡６００（スマートグラス）を示している。眼鏡６００は、レンズ６０１と、光電変換装置６０２と、制御装置６０３と、を有する。

光電変換装置６０２は、第１乃至第９実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００であって、レンズ６０１に設けられている。光電変換装置６０２は１つでもよいし、複数でもよい。また、複数の光電変換装置６０２を用いる場合にあっては、複数種類の光電変換装置６０２を組み合わせて用いてもよい。光電変換装置６０２の配置位置は図２９（ａ）に限定されるものではない。レンズ６０１の裏面側には、ＯＬＥＤやＬＥＤ等の発光装置を含む表示装置（図示せず）が設けられていてもよい。

制御装置６０３は、光電変換装置６０２と上記の表示装置に電力を供給する電源として機能する。また、制御装置６０３は、光電変換装置６０２及び表示装置の動作を制御する機能を備える。レンズ６０１には、光電変換装置６０２に光を集光するための光学系が設けられている。

図２９（ｂ）は、他の１つの適用例に係る眼鏡６１０（スマートグラス）を示している。眼鏡６１０は、レンズ６１１と、制御装置６１２と、を有する。制御装置６１２には、光電変換装置６０２に相当する不図示の光電変換装置と表示装置とが搭載され得る。

レンズ６１１には、制御装置６１２内の光電変換装置と、表示装置からの光を投影するための光学系とが設けられており、画像が投影される。制御装置６１２は、光電変換装置及び表示装置に電力を供給する電源として機能するとともに、光電変換装置及び表示装置の動作を制御する機能を備える。

制御装置６１２は、装着者の視線を検知する視線検知部を更に有してもよい。この場合、制御装置６１２に赤外発光部を設け、赤外発光部から発せられた赤外線を視線の検知に用いることができる。具体的には、赤外発光部は、表示画像を注視しているユーザの眼球に対して、赤外光を発する。発せられた赤外光の眼球からの反射光を、受光素子を有する撮像部が検出することで眼球の撮像画像が得られる。平面視における赤外発光部から表示部への光を低減する低減手段を有することで、画像品位の低下を低減することができる。

表示画像に対するユーザの視線は、赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から検出することができる。眼球の撮像画像を用いた視線検出には任意の公知の手法が適用できる。一例として、角膜での照射光の反射によるプルキニエ像に基づく視線検出方法を用いることができる。より具体的には、瞳孔角膜反射法に基づく視線検出処理が行われる。瞳孔角膜反射法を用いて、眼球の撮像画像に含まれる瞳孔の像とプルキニエ像とに基づいて、眼球の向き（回転角度）を表す視線ベクトルが算出されることにより、ユーザの視線が検出される。

本実施形態の表示装置は、受光素子を有する光電変換装置を備え、光電変換装置からのユーザの視線情報に基づいて表示画像を制御するように構成されてもよい。具体的には、表示装置は、視線情報に基づいて、ユーザが注視する第１の視界領域と、第１の視界領域以外の第２の視界領域とを決定する。第１の視界領域及び第２の視界領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定してもよい。外部の制御装置が決定する場合は、通信を介して表示装置に伝えられる。表示装置の表示領域において、第１の視界領域の表示解像度は、第２の視界領域の表示解像度よりも高くなるように制御してもよい。つまり、第２の視界領域の解像度は、第１の視界領域の解像度よりも低くしてもよい。

また、表示領域は、第１の表示領域、第１の表示領域とは異なる第２の表示領域とを有し、視線情報に基づいて、第１の表示領域及び第２の表示領域から優先度が高い領域を決定するように構成されてもよい。第１の表示領域及び第２の表示領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定してもよい。外部の制御装置が決定する場合は、通信を介して表示装置に伝えられる。優先度の高い領域の解像度は、優先度が高い領域以外の領域の解像度よりも高くなるように制御してもよい。つまり、優先度が相対的に低い領域の解像度は低くしてもよい。

なお、第１の視界領域や優先度が高い領域の決定には、ＡＩを用いてもよい。ＡＩは、眼球の画像と当該画像の眼球が実際に視ていた方向とを教師データとして、眼球の画像から視線の角度、視線の先の目的物までの距離を推定するよう構成されたモデルであってよい。ＡＩプログラムは、表示装置が有しても、光電変換装置が有しても、外部装置が有してもよい。外部装置が有する場合は、通信を介して表示装置に伝えられる。
視認検知に基づいて表示制御する場合、外部を撮像する光電変換装置を更に有するスマートグラスに好ましく適用できる。スマートグラスは、撮像した外部情報をリアルタイムで表示することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

例えば、第１乃至第９実施形態の光電変換素子２２に対して、凹凸構造１４８，１６４、曲面反射層１６２、遮光層１９３、層内レンズ１９５、光導波路１９７のうちの少なくとも１つを追加するように構成することも可能である。

また、画素１２の回路構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、光電変換素子２２とクエンチ素子２４との間や光電変換部２０と画素信号処理部３０との間にトランジスタ等のスイッチを設け、これらの間の電気的な接続状態を制御するようにしてもよい。また、電圧ＶＨが供給されるノードとクエンチ素子２４との間及び／又は電圧ＶＬが供給されるノードと光電変換素子２２との間にトランジスタ等のスイッチを設け、これらの間の電気的な接続状態を制御するようにしてもよい。また、１つの画素１２に対して複数の光電変換素子２２を設けてもよい。

また、上記実施形態では画素信号処理部３０としてカウンタ３４を用いる構成を示したが、カウンタ３４の代わりにＴＤＣ（時間・デジタル変換回路：Time to Digital Converter）とメモリとを用いてもよい。この場合、信号処理回路３２から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定時に、垂直走査回路部４０から制御線１４を介して制御パルスｐＲＥＦ（参照信号）が供給される。ＴＤＣは、制御パルスｐＲＥＦを基準として、各画素１２から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。

なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上記実施形態の開示は、以下の構成を含む。
（構成１）
第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する半導体層に設けられた光電変換素子であって、
前記半導体層の前記第１面の側に配された第１導電型の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域よりも前記第２面の側に配され、前記第１半導体領域とｐｎ接合してアバランシェフォトダイオードを構成する第２導電型の第２半導体領域と、
前記半導体層の中に設けられ、平面視において第１領域を囲うように配された第１部分と、平面視において前記第１領域よりも内側の第２領域を囲うように配された第２部分と、を有する導光構造体と、
前記半導体層の前記第２面の側に配された光学構造体層と、を有し、
前記第２部分は、前記第２面から少なくとも０．８μｍの深さに渡って配されており、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、前記第２部分よりも前記第１面の側に配されており、
前記第２領域は、平面視において、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間のアバランシェ増倍領域の少なくとも一部と重なっている
ことを特徴とする光電変換素子。
（構成２）
前記導光構造体の前記第１部分と前記第２部分とは互いに独立している
ことを特徴とする構成１記載の光電変換素子。
（構成３）
前記導光構造体の前記第１部分は、前記第２部分よりも前記半導体層の前記第１面の側に渡って設けられている
ことを特徴とする構成２記載の光電変換素子。
（構成４）
前記導光構造体の前記第１部分は、前記半導体層の前記第１面から前記第２面に渡って設けられている
ことを特徴とする構成３記載の光電変換素子。
（構成５）
前記第１面の側に配された前記第１部分と前記第２面の側に配された前記第２部分とが前記半導体層の深さ方向に連続しており、
前記導光構造体は、断面視において、前記第１部分の第１の幅よりも前記第２部分の第２の幅の方が広く、前記第１の幅から前記第２の幅に不連続に変化している
ことを特徴とする構成１記載の光電変換素子。
（構成６）
前記半導体層は、前記第２面に設けられた凹凸構造を有する
ことを特徴とする構成１乃至５のいずれかに記載の光電変換素子。
（構成７）
前記光学構造体層は、前記第１領域のうち前記第２領域を除く部分に配された遮光層を有する
ことを特徴とする構成１乃至６のいずれかに記載の光電変換素子。
（構成８）
前記光学構造体層は、マイクロレンズを有し、入射光を前記半導体層の前記第２領域に集光するように構成されている
ことを特徴とする構成１乃至７のいずれかに記載の光電変換素子。
（構成９）
前記光学構造体層は、前記マイクロレンズと前記半導体層との間に配された層内レンズと、を有する
ことを特徴とする構成８記載の光電変換素子。
（構成１０）
前記光学構造体層は、前記マイクロレンズと前記半導体層との間に配された光導波路と、を有する
ことを特徴とする構成８記載の光電変換素子。
（構成１１）
前記第２部分は、平面視において、前記アバランシェ増倍領域又は前記第１部分の外形に対して相似の形状を有する
ことを特徴とする構成１乃至１０のいずれかに記載の光電変換素子。
（構成１２）
前記半導体層は、前記第１面に設けられた凹凸構造を有する
ことを特徴とする構成１乃至１１のいずれかに記載の光電変換素子。
（構成１３）
前記半導体層の前記第１面に対向して配された反射層を更に有する
ことを特徴とする構成１乃至１２のいずれかに記載の光電変換素子。
（構成１４）
平面視において前記第１領域を囲うように配された前記第２導電型の第３半導体領域を更に有し、
前記導光構造体の前記第１部分は、前記第３半導体領域の内側に配されている
ことを特徴とする構成１乃至１３のいずれかに記載の光電変換素子。
（構成１５）
前記第２半導体領域よりも前記第２面の側に配された前記第１導電型の第４半導体領域と、
少なくとも前記第４半導体領域が設けられた深さにおいて前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との間に配された前記第１導電型の第５半導体領域と、を更に有し、
前記第５半導体領域の不純物濃度は、前記第４半導体領域の不純物濃度よりも低い
ことを特徴とする構成１４記載の光電変換素子。
（構成１６）
前記導光構造体の前記第１部分は、前記半導体層に画定された複数の前記第１領域を互いに分離するように設けられている
ことを特徴とする構成１乃至１５のいずれかに記載の光電変換素子。
（構成１７）
第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する半導体層に設けられた光電変換素子であって、
前記半導体層の前記第１面の側に配された第１導電型の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域よりも前記第２面の側に配され、前記第１半導体領域とｐｎ接合してアバランシェフォトダイオードを構成する第２導電型の第２半導体領域と、
前記半導体層の中に設けられ、前記アバランシェフォトダイオードが設けられた領域を囲うように配された導光構造体と、
前記半導体層の前記第２面の側に配された光学構造体層と、を有し、
前記導光構造体は、断面視において、前記第１面の側の第１部分の第１の幅よりも前記第２面の側の第２部分の第２の幅の方が広く、前記第１の幅から前記第２の幅に不連続に変化している
ことを特徴とする光電変換素子。
（構成１８）
複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素を有する光電変換装置であって、
前記複数の画素の各々は、構成１乃至１７のいずれかに記載の光電変換素子と、前記光電変換素子から出力される信号を処理する信号処理回路と、を有する
ことを特徴とする光電変換装置。
（構成１９）
前記複数の画素の各々の前記光電変換素子が設けられた前記半導体層を含む第１基板と、
前記複数の画素の各々の前記信号処理回路が設けられた第２基板と
を有することを特徴とする構成１８記載の光電変換装置。
（構成２０）
構成１８又は１９記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理装置と
を有することを特徴とする光検出システム。
（構成２１）
前記信号処理装置は、前記信号に基づいて対象物までの距離情報を表す距離画像を生成する
ことを特徴とする構成２０記載の光検出システム。
（構成２２）
移動体であって、
構成１８又は１９記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
を有することを特徴とする移動体。

１００…光電変換装置
１１０…センサ基板
１２０…半導体層
１２２…第１面
１２４…第２面
１２６，１３０，１４０，１４４…Ｎ型半導体領域
１２８，１３２，１３４，１３６，１３８…Ｐ型半導体領域
１４４，１４６…導光構造体
１９０…光学構造体層

Claims (22)

1. 第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する半導体層に設けられた光電変換素子であって、
   前記半導体層の前記第１面の側に配された第１導電型の第１半導体領域と、
   前記第１半導体領域よりも前記第２面の側に配され、前記第１半導体領域とｐｎ接合してアバランシェフォトダイオードを構成する第２導電型の第２半導体領域と、
   前記半導体層の中に設けられ、平面視において第１領域を囲うように配された第１部分と、平面視において前記第１領域よりも内側の第２領域を囲うように配された第２部分と、を有する導光構造体と、
   前記半導体層の前記第２面の側に配された光学構造体層と、を有し、
   前記第２部分は、前記第２面から少なくとも０．８μｍの深さに渡って配されており、
   前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、前記第２部分よりも前記第１面の側に配されており、
   前記第２領域は、平面視において、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間のアバランシェ増倍領域の少なくとも一部と重なっている
   ことを特徴とする光電変換素子。
2. 前記導光構造体の前記第１部分と前記第２部分とは互いに独立している
   ことを特徴とする請求項１記載の光電変換素子。
3. 前記導光構造体の前記第１部分は、前記第２部分よりも前記半導体層の前記第１面の側に渡って設けられている
   ことを特徴とする請求項２記載の光電変換素子。
4. 前記導光構造体の前記第１部分は、前記半導体層の前記第１面から前記第２面に渡って設けられている
   ことを特徴とする請求項３記載の光電変換素子。
5. 前記第１面の側に配された前記第１部分と前記第２面の側に配された前記第２部分とが前記半導体層の深さ方向に連続しており、
   前記導光構造体は、断面視において、前記第１部分の第１の幅よりも前記第２部分の第２の幅の方が広く、前記第１の幅から前記第２の幅に不連続に変化している
   ことを特徴とする請求項１記載の光電変換素子。
6. 前記半導体層は、前記第２面に設けられた凹凸構造を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
7. 前記光学構造体層は、前記第１領域のうち前記第２領域を除く部分に配された遮光層を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
8. 前記光学構造体層は、マイクロレンズを有し、入射光を前記半導体層の前記第２領域に集光するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
9. 前記光学構造体層は、前記マイクロレンズと前記半導体層との間に配された層内レンズと、を有する
   ことを特徴とする請求項８記載の光電変換素子。
10. 前記光学構造体層は、前記マイクロレンズと前記半導体層との間に配された光導波路と、を有する
    ことを特徴とする請求項８記載の光電変換素子。
11. 前記第２部分は、平面視において、前記アバランシェ増倍領域又は前記第１部分の外形に対して相似の形状を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
12. 前記半導体層は、前記第１面に設けられた凹凸構造を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
13. 前記半導体層の前記第１面に対向して配された反射層を更に有する
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
14. 平面視において前記第１領域を囲うように配された前記第２導電型の第３半導体領域を更に有し、
    前記導光構造体の前記第１部分は、前記第３半導体領域の内側に配されている
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
15. 前記第２半導体領域よりも前記第２面の側に配された前記第１導電型の第４半導体領域と、
    少なくとも前記第４半導体領域が設けられた深さにおいて前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との間に配された前記第１導電型の第５半導体領域と、を更に有し、
    前記第５半導体領域の不純物濃度は、前記第４半導体領域の不純物濃度よりも低い
    ことを特徴とする請求項１４記載の光電変換素子。
16. 前記導光構造体の前記第１部分は、前記半導体層に画定された複数の前記第１領域を互いに分離するように設けられている
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
17. 第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する半導体層に設けられた光電変換素子であって、
    前記半導体層の前記第１面の側に配された第１導電型の第１半導体領域と、
    前記第１半導体領域よりも前記第２面の側に配され、前記第１半導体領域とｐｎ接合してアバランシェフォトダイオードを構成する第２導電型の第２半導体領域と、
    前記半導体層の中に設けられ、前記アバランシェフォトダイオードが設けられた領域を囲うように配された導光構造体と、
    前記半導体層の前記第２面の側に配された光学構造体層と、を有し、
    前記導光構造体は、断面視において、前記第１面の側の第１部分の第１の幅よりも前記第２面の側の第２部分の第２の幅の方が広く、前記第１の幅から前記第２の幅に不連続に変化している
    ことを特徴とする光電変換素子。
18. 複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素を有する光電変換装置であって、
    前記複数の画素の各々は、請求項１乃至５及び１７のいずれか１項に記載の光電変換素子と、前記光電変換素子から出力される信号を処理する信号処理回路と、を有する
    ことを特徴とする光電変換装置。
19. 前記複数の画素の各々の前記光電変換素子が設けられた前記半導体層を含む第１基板と、
    前記複数の画素の各々の前記信号処理回路が設けられた第２基板と
    を有することを特徴とする請求項１８記載の光電変換装置。
20. 請求項１８記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理装置と
    を有することを特徴とする光検出システム。
21. 前記信号処理装置は、前記信号に基づいて対象物までの距離情報を表す距離画像を生成する
    ことを特徴とする請求項２０記載の光検出システム。
22. 移動体であって、
    請求項１８記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力される信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。

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