JP2024041597A - Light detector, light detection system, rider device, and movable body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、光検出器、光検出システム、ライダー装置、及び移動体に関する。 Embodiments of the present invention relate to a photodetector, a photodetection system, a lidar device, and a moving object.
半導体領域を備えた光検出器がある。光検出器について、時定数の短縮、ジッターの低減、又は光検出効率の向上などが求められている。 There are photodetectors with semiconductor regions. Photodetectors are required to shorten the time constant, reduce jitter, or improve photodetection efficiency.
本発明の実施形態は、時定数の短縮、ジッターの低減、又は光検出効率の向上が可能な、光検出器、光検出システム、ライダー装置、及び移動体を提供する。 Embodiments of the present invention provide a photodetector, a photodetection system, a lidar device, and a moving object that can shorten the time constant, reduce jitter, or improve photodetection efficiency.
実施形態に係る光検出器は、第1素子部と、第2素子部と、絶縁部と、第1配線と、第2配線と、第3配線と、を含む。前記第1素子部は、第1導電形の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の上に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、を含む。前記第2素子部は、前記第1半導体領域から前記第2半導体領域に向かう第1方向に垂直な第2方向において前記第1素子部と並ぶ。前記第2素子部は、第1導電形の第3半導体領域と、前記第3半導体領域の上に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、前記第4半導体領域の上に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、を含む。前記絶縁部は、前記第1素子部と前記第2素子部との間に設けられる。前記第1配線は、前記第2半導体領域と電気的に接続される。前記第2配線は、前記第4半導体領域と電気的に接続される。前記第3配線は、前記第5半導体領域と電気的に接続され、前記第1配線と電気的に接続される。 The photodetector according to the embodiment includes a first element section, a second element section, an insulating section, a first wiring, a second wiring, and a third wiring. The first element portion includes a first semiconductor region of a first conductivity type and a second semiconductor region of a second conductivity type provided on the first semiconductor region. The second element portion is aligned with the first element portion in a second direction perpendicular to the first direction from the first semiconductor region to the second semiconductor region. The second element portion includes a third semiconductor region of a first conductivity type, a fourth semiconductor region of a second conductivity type provided on the third semiconductor region, and a fourth semiconductor region provided on the fourth semiconductor region. a fifth semiconductor region of the first conductivity type. The insulating section is provided between the first element section and the second element section. The first wiring is electrically connected to the second semiconductor region. The second wiring is electrically connected to the fourth semiconductor region. The third wiring is electrically connected to the fifth semiconductor region and electrically connected to the first wiring.
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
以下の説明において、n+、n、n-及びp+、p、p-の表記は、各不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、「+」が付されている表記は、「+」及び「-」のいずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に高く、「-」が付されている表記は、いずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に低いことを示す。これらの表記は、それぞれの領域にp形不純物とn形不純物の両方が含まれている場合には、それらの不純物が補償しあった後の正味の不純物濃度の相対的な高低を表す。
以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のp形とn形を反転させて各実施形態を実施してもよい。
Each embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between parts, etc. are not necessarily the same as those in reality. Even when the same part is shown, the dimensions and ratios may be shown differently depending on the drawing.
In the specification of this application and each figure, elements similar to those already explained are given the same reference numerals, and detailed explanations are omitted as appropriate.
In the following description, the notations n + , n, n − and p + , p, p − represent relative levels of each impurity concentration. In other words, a notation with a "+" has a relatively higher impurity concentration than a notation with neither a "+" nor a "-", and a notation with a "-" Indicates that the impurity concentration is relatively lower than the notation without . When each region contains both p-type impurities and n-type impurities, these notations represent the relative height of the net impurity concentration after these impurities compensate for each other.
Each of the embodiments described below may be implemented by inverting the p-type and n-type of each semiconductor region.
図1は、実施形態に係る光検出器を示す模式的平面図である。図2及び図3は、それぞれ、図1の部分A及び部分Bを拡大した模式的平面図である。図4は、1つの第1素子部とその近傍を拡大した模式的平面図である。図5は、1つの第2素子部とその近傍を拡大した模式的平面図である。図6は、図4のC1-C2断面図である。 FIG. 1 is a schematic plan view showing a photodetector according to an embodiment. 2 and 3 are enlarged schematic plan views of portion A and portion B of FIG. 1, respectively. FIG. 4 is an enlarged schematic plan view of one first element portion and its vicinity. FIG. 5 is an enlarged schematic plan view of one second element portion and its vicinity. FIG. 6 is a sectional view taken along line C1-C2 in FIG.
実施形態に係る光検出器1は、図1~図6に示すように、第1素子部10、第2素子部20、絶縁部30、半導体層31、絶縁層35、クエンチ部40、第1配線41、第2配線42、第3配線43、保護抵抗45、共通配線51、第1パッド61、及び第2パッド62を含む。なお、図1~図5では、絶縁層35が省略されている。
As shown in FIGS. 1 to 6, the
図1に示すように、第1パッド61と第2パッド62は、互いに離れ、電気的に分離されている。第1パッド61及び第2パッド62は、それぞれ、ボンディングワイヤ等を介して外部の電子機器と電気的に接続される。
As shown in FIG. 1, the
図1及び図2に示すように、第1パッド61には、複数の共通配線51が電気的に接続される。図1及び図3に示すように、第2パッド62には、複数の第2配線42が電気的に接続される。図示した例では、1つの共通配線51と1つの第2配線42が、Y方向において交互に設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of
図4~図6に示すように、第1素子部10は、p-形(第1導電形)半導体領域11(第1半導体領域)及びn+形(第2導電形)半導体領域12(第2半導体領域)を含む。第2素子部20は、p-形半導体領域23(第3半導体領域)、n形半導体領域24(第4半導体領域)、p+形半導体領域25(第5半導体領域)、及びn+形半導体領域26を含む。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
ここでは、p-形半導体領域11からn+形半導体領域12に向かう方向をZ方向(第1方向)とする。Z方向に対して垂直な一方向をX方向(第2方向)とする。Z方向に対して垂直であり、X方向と交差する一方向をY方向(第3方向)とする。Y方向は、X方向に直交しても良い。また、説明のために、p-形半導体領域11からn+形半導体領域12に向かう方向を「上」と言い、その反対方向を「下」と言う。これらの方向は、p-形半導体領域11とn+形半導体領域12との相対的な位置関係に基づき、重力の方向とは無関係である。
Here, the direction from the p −
図6に示すように、第1素子部10、第2素子部20、及び絶縁部30は、半導体層31の上に設けられる。図示したように、半導体層31の下に、裏面電極32が設けられても良い。第2素子部20は、Z方向に垂直な一方向において、第1素子部10と並ぶ。絶縁部30は、X-Y面において、第1素子部10の周りに設けられる。絶縁部30の一部が、第1素子部10と第2素子部20との間に位置する。
As shown in FIG. 6, the
第1素子部10において、n+形半導体領域12は、p-形半導体領域11の上に設けられる。p-形半導体領域11とn+形半導体領域12との間には、pn接合J1が形成される。
In the
図示したように、p-形半導体領域11は、第1部分11a及び第2部分11bを含んでも良い。第2部分11bは、第1部分11aの上に設けられる。pn接合J1は、第2部分11bとn+形半導体領域12との間に形成される。第2部分11bのp形不純物濃度は、第1部分11aのp形不純物濃度よりも高い。
As illustrated, the p -
第1部分11aの厚さ(Z方向における長さ)は、第2部分11bの厚さよりも大きい。n+形半導体領域12のn形不純物濃度は、第1部分11aのp形不純物濃度よりも高い。n+形半導体領域12のn形不純物濃度は、第2部分11bのp形不純物濃度と同じでも良いし、それより高くても良い。
The thickness of the
第1部分11aは、絶縁部30に接する。第2部分11b及びn+形半導体領域12は、絶縁部30から離れている。又は、第2部分11b及びn+形半導体領域12が、絶縁部30に接しても良い。
The
第2素子部20において、n形半導体領域24は、p-形半導体領域23の上に設けられる。p+形半導体領域25及びn+形半導体領域26は、n形半導体領域24の上に設けられる。p+形半導体領域25とn+形半導体領域26は、互いに離れている。
In the
n形半導体領域24のn形不純物濃度は、p-形半導体領域23のp形不純物濃度よりも高い。p+形半導体領域25のp形不純物濃度は、n形半導体領域24のn形不純物濃度よりも高い。n+形半導体領域26のn形不純物濃度は、n形半導体領域24のn形不純物濃度よりも高い。
The n-type impurity concentration of the n-
p-形半導体領域23とn形半導体領域24との間及びn形半導体領域24とp+形半導体領域25との間には、それぞれ、pn接合J2及びpn接合J3が形成される。p-形半導体領域23の厚さは、p-形半導体領域11の厚さよりも小さい。n形半導体領域24の厚さは、n+形半導体領域12の厚さよりも大きい。p-形半導体領域23とn形半導体領域24との間のpn接合J2は、p-形半導体領域11とn+形半導体領域12との間のpn接合J1よりも下方に位置する。
A pn junction J2 and a pn junction J3 are formed between the p −
図示したように、n形半導体領域24は、第3部分24c及び第4部分24dを含んでも良い。第4部分24dは、第3部分24cの上に設けられる。第4部分24dのn形不純物濃度は、第3部分24cのn形不純物濃度よりも高い。p+形半導体領域25及びn+形半導体領域26は、第4部分24dと接する。
As illustrated, the n-
p-形半導体領域23及び第3部分24cは、絶縁部30と接する。第4部分24d、p+形半導体領域25、及びn+形半導体領域26は、絶縁部30から離れている。
The p -
p-形半導体領域11とp-形半導体領域23は、絶縁部30の下でつながっている。このため、p-形半導体領域11とp-形半導体領域23との間で、キャリアが移動しうる。
The p −
絶縁部30は、光透過性であることが好ましい。絶縁部30は、例えば、絶縁材料からなる。絶縁部30の中に、光透過性の導電部材が設けられても良い。いずれの場合においても、半導体領域に接する位置には、絶縁部30が設けられる。
Preferably, the insulating
第1配線41は、コンタクトプラグ41aを介してn+形半導体領域12と電気的に接続される。第2配線42は、コンタクトプラグ42aを介してn+形半導体領域26と電気的に接続される。n形半導体領域24は、n+形半導体領域26を介して第2配線42と電気的に接続される。
The
第3配線43は、コンタクトプラグ43aを介してp+形半導体領域25と電気的に接続される。第3配線43は、第1配線41と電気的に接続される。図示した例では、第3配線43は、コンタクトプラグ45a、保護抵抗45、及びコンタクトプラグ45bを介して第1配線41と電気的に接続されている。
The
図4に示すように、第1配線41は、クエンチ部40を介して、共通配線51と電気的に接続される。図示した例では、第1配線41と共通配線51との間には、コンタクトプラグ40a、クエンチ部40、コンタクトプラグ40bが電気的に接続されている。第1配線41は、クエンチ部40と第3配線43との間に電気的に接続されている。
As shown in FIG. 4, the
クエンチ部40の電気抵抗は、コンタクトプラグ40a、コンタクトプラグ40b、第1配線41、第3配線43、及び保護抵抗45のそれぞれの電気抵抗よりも大きい。クエンチ部40の電気抵抗は、50kΩよりも大きく6MΩよりも小さいことが好ましい。保護抵抗45の電気抵抗は、コンタクトプラグ40a、コンタクトプラグ40b、第1配線41、及び第3配線43のそれぞれの電気抵抗よりも大きい。保護抵抗45の電気抵抗は、クエンチ部40の電気抵抗の0.1倍よりも大きく0.5倍よりも小さいことが好ましい。より好ましくは、保護抵抗45の電気抵抗は、クエンチ部40の電気抵抗の0.1倍よりも大きく、0.2倍よりも小さい。
The electrical resistance of the
クエンチ部40の少なくとも一部又は保護抵抗45の少なくとも一部は、p-形半導体領域23の上に位置する。好ましくは、クエンチ部40及び保護抵抗45は、第1素子部10の上には設けられない。これにより、第1素子部10に向けて進行した光が、クエンチ部40又は保護抵抗45によって遮られることを抑制できる。
At least a portion of the quench
図1~図3に示すように、第1素子部10は、X方向及びY方向において複数設けられる。複数の絶縁部30が、それぞれ、複数の第1素子部10の周りに設けられる。図2及び図3に示すように、1つの第2素子部20は、X方向において隣り合う第1素子部10同士の間に位置する。第1素子部10と第2素子部20は、X方向において交互に設けられる。
As shown in FIGS. 1 to 3, a plurality of
図1~図4に示すように、第2配線42及び共通配線51は、X方向に沿って延びる。1つの共通配線51は、X方向に並ぶ複数のn+形半導体領域12と電気的に接続される。1つの第2配線42は、X方向に並ぶ複数のn+形半導体領域26と電気的に接続される。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
図6に示すように、絶縁層35は、第1素子部10、第2素子部20、及び絶縁部30の上に設けられる。絶縁層35は、光透過性である。クエンチ部40、第1配線41、第2配線42、第3配線43、保護抵抗45などは、絶縁層35中に設けられる。絶縁層35は、複数の絶縁膜の積層構造を有しても良い。
As shown in FIG. 6, the insulating
図7及び図8は、実施形態に係る光検出器の動作を説明するための模式図である。
p-形半導体領域11は、半導体層31と電気的に接続される。n+形半導体領域12は、第1配線41及び共通配線51を介して、第1パッド61と電気的に接続される。半導体層31(又は裏面電極32)の電位と、第1パッド61の電位と、をそれぞれ制御することで、p-形半導体領域11とn+形半導体領域12との間に電圧が印加される。
7 and 8 are schematic diagrams for explaining the operation of the photodetector according to the embodiment.
P -
図7に示すように、上方から第1素子部10に光Lが入射すると、光Lは第1素子部10で光電変換され、キャリア(電子正孔対)が発生する。キャリアは、第1素子部10に印加された電圧に応じて移動する。キャリアの移動により、第1配線41に電流i1が流れる。電流i1を検出することで、第1素子部10への光Lの入射を検出できる。
As shown in FIG. 7, when light L enters the
第2素子部20について、p-形半導体領域23は、p-形半導体領域11と同様に、半導体層31と電気的に接続される。すなわち、p-形半導体領域23の電位は、p-形半導体領域11の電位と実質的に同じである。n形半導体領域24は、n+形半導体領域26と第2配線42とを介して第2パッド62と電気的に接続される。半導体層31の電位と第2パッド62の電位とをそれぞれ制御することで、p-形半導体領域23とn形半導体領域24との間に電圧が印加される。
In the
半導体層31には、第1パッド61及び第2パッド62に対して負の電圧が印加される。これにより、p-形半導体領域11とn+形半導体領域12との間、及びp-形半導体領域23とn形半導体領域24との間には、逆電圧が印加される。例えば、第1素子部10は、アバランシェフォトダイオード(APD)として機能する。
A negative voltage is applied to the
p-形半導体領域11とn+形半導体領域12との間には、降伏電圧を超える逆電圧が印加されても良い。すなわち、第1素子部10のAPDは、ガイガーモードで動作しても良い。ガイガーモードで動作することにより、高い増倍率(換言すると高いゲイン)でパルス状の信号が出力される。これにより、光検出器1の受光感度を向上できる。第1素子部10が、微弱光を検出するための単一光子アバランシェダイオードとして機能しうる。
A reverse voltage exceeding the breakdown voltage may be applied between the p −
第2パッド62には、第1パッド61に対して、正の電圧が印加される。これにより、第2素子部20のpn接合J2近傍でアバランシェ降伏が発生し易くなる。光検出器1では、pn接合J2近傍でのアバランシェ降伏の発生を抑制するために、p-形半導体領域23のp形不純物濃度と第3部分24cのn形不純物濃度との差が、第2部分11bのp形不純物濃度とn+形半導体領域12のn形不純物濃度との差よりも小さい。この結果、第1素子部10がAPDとして機能する場合でも、pn接合J2近傍でのアバランシェ降伏の発生を抑制できる。
A positive voltage is applied to the
pn接合J2による空乏層DL2は、pn接合J1による空乏層DL1よりも、より遠くへ広がる。例えば、空乏層DL2は、絶縁部30下方の領域を通り、p-形半導体領域11の下部まで広がる。第1素子部10で発生したキャリアの一部は、空乏層DL2によってn形半導体領域24へ流れる。キャリアの流れにより、n+形半導体領域26及び第2配線42を電流i2が流れる。電流i2は、第2パッド62から取り出される。
The depletion layer DL2 due to the pn junction J2 spreads farther than the depletion layer DL1 due to the pn junction J1. For example, the depletion layer DL2 passes through the region below the insulating
第3配線43は、保護抵抗45を介して第1配線41と電気的に接続される。光検出器1が光を検出していない状態では、第3配線43の電位は、第1配線41の電位と実質的に同じである。n形半導体領域24とp+形半導体領域25との間には、逆方向の電圧が印加される。
The
上方からp-形半導体領域23又はn形半導体領域24に光Lが入射すると、光Lはpn接合J2近傍で吸収及び光電変換され、キャリアが発生する。正孔は、半導体層31へ流れる。電子は、pn接合J3及びn+形半導体領域26へ流れる。pn接合J3近傍へ流れた電子により、pn接合J3近傍で降伏が発生する。降伏により発生した電子は、n+形半導体領域26及び第2配線42へ電流i2として流れる。正孔は、第3配線43に電流i3として流れる。電流i3は、保護抵抗45を通って第1配線41へ流れる。例えば、n形半導体領域24とp+形半導体領域25は、ツェナーダイオード又はAPDとして機能する。好ましくは、n形半導体領域24とp+形半導体領域25を含むダイオードは、APDであり、ガイガーモードで動作する。
When light L enters the p -
第1素子部10へ光Lが入射し、第1素子部10でアバランシェ降伏が発生した際、pn接合J1近傍で二次光子SPが発生する。二次光子SPは、絶縁部30を透過し、pn接合J2から広がる空乏層、又はpn接合J3から広がる空乏層において光電変換され、電子正孔対が生成される。pn接合J2から広がる空乏層で生成された電子は、上方へ向かって移動する。電子の一部は、pn接合J3に注入される。pn接合J3近傍で生成または注入されたキャリアは、pn接合J3近傍でアバランシェ降伏を起こす。
When the light L enters the
同様に、第2素子部20へ光Lが入射し、pn接合J3近傍でアバランシェ降伏が発生した際、pn接合J3近傍で二次光子SPが発生する。二次光子SPは、絶縁部30を透過し、pn接合J1から広がる空乏層において光電変換され、電子正孔対が生成される。電子は、上方へ向かって移動し、pn接合J1に注入される。pn接合J1近傍で生成または注入されたキャリアは、pn接合J1近傍でアバランシェ降伏を起こす。
Similarly, when light L enters the
クエンチ部40は、第1素子部10又は第2素子部20でアバランシェ降伏が発生した際に、アバランシェ降伏の継続を抑制するために設けられる。アバランシェ降伏が発生し、クエンチ部40に電流が流れると、クエンチ部40の電気抵抗に応じて電圧降下が生じる。電圧降下により、APDにおける電位差が小さくなり、アバランシェ降伏が停止する。これにより、第1素子部10又は第2素子部20は短い時定数で高速応答し、第1素子部10又は第2素子部20へ次に入射した光を検出できるようになる。
The quench
また、第1配線41及び第3配線43を保護するためには、保護抵抗45が設けられることが好ましい。保護抵抗45がない場合、又は保護抵抗45の電気抵抗が十分に高くない場合、pn接合J3近傍でアバランシェ降伏が発生したときに、第1配線41及び第3配線43を流れる電流が急激に増加する。電流の急激な増加により、第1配線41又は第3配線43の寄生インダクタンスと寄生容量によるLC共振が発生しうる。
Further, in order to protect the
図8は、1つの第1素子部10及び1つの第2素子部20を含む回路構成を示す。半導体層31(裏面電極32)の電位P0は、共通配線51の電位P1よりも小さく、第2配線42の電位P2よりも小さい。電位P1は、電位P2よりも小さい。このため、p-形半導体領域11及びn+形半導体領域12を含むダイオードD1、p-形半導体領域23及びn形半導体領域24を含むダイオードD2、及びn形半導体領域24及びp+形半導体領域25を含むダイオードD3には、それぞれ、逆方向の電圧が印加される。
FIG. 8 shows a circuit configuration including one
第1配線41と第3配線43との間には、保護抵抗45の電気抵抗R1が挿入される。第1配線41と共通配線51との間には、クエンチ部40の電気抵抗R2が挿入される。電気抵抗R2は、電気抵抗R1よりも大きい。電気抵抗R2の抵抗率は、電気抵抗R1の抵抗率と同じでも良い。
An electrical resistance R1 of a
第1実施形態の利点の一側面を説明する。
上述したように、光検出器1では、第1素子部10のpn接合J1近傍でアバランシェ降伏が発生すると、第1配線41に電流i1が流れる。第2素子部20のpn接合J3近傍でアバランシェ降伏が発生すると、第3配線43に電流i3が流れる。電流i1は、電子電流である。電流i3は、正孔電流である。すなわち、第3配線43を流れるキャリアの極性は、第1配線41を流れるキャリアの極性と逆である。第3配線43を流れる正孔の一部は、アバランシェ降伏中のn+形半導体領域12に注入される。これにより、アバランシェ降伏の継続が、抑制される。アバランシェ降伏の発生後、アバランシェ降伏が停止するまでの時間を短縮できる。実施形態によれば、第1素子部10の時定数をより短くできる。
One aspect of the advantage of the first embodiment will be explained.
As described above, in the
実施形態の利点の別の側面を説明する。
第1素子部10に光Lが入射し、キャリアが発生した際、空乏層DL1内のキャリアは、空乏層DL1の電界に沿って移動する。例えば図7に示すように、p-形半導体領域11の下部には、空乏層DL1が届かない。第2素子部20が設けられない場合、p-形半導体領域11の下部で発生したキャリアは、時間を掛けて空乏層DL1へ移動した後、空乏層DL1の電界に沿って移動する。ここでは、このような時間を掛けて第1素子部10から排出されるキャリアを、「遅延キャリア」と呼ぶ。遅延キャリアは、光Lが入射したタイミングよりも遅れてpn接合J1で降伏を発生させる。例えば、光検出器1がライダー(Laser Imaging Detection and Ranging : LIDAR)などの測距デバイスに用いられる場合、遅延キャリアは、パルス信号の時間ゆらぎ(ジッター)を増大させる。ジッターの増大は、光飛行時間測距法(Time of Flight : ToF)における距離ヒストグラムの分散を広げ、測定される距離の精度を劣化させる。
Another aspect of the advantages of embodiments will now be described.
When light L is incident on the
この課題について、実施形態に係る光検出器1では、第2素子部20が、p-形半導体領域23及びn形半導体領域24を含む。p-形半導体領域23とn形半導体領域24とのpn接合J2は、p-形半導体領域11とn+形半導体領域12とのpn接合J1よりも下方に位置する。図7に示すように、pn接合J2から広がる空乏層DL2は、pn接合J1から広がる空乏層DL1よりも下方まで広がる。このため、p-形半導体領域11の下部に発生した遅延キャリアは、空乏層DL2の電界に沿って移動し、第2配線42を通して排出される。実施形態によれば、遅延キャリアをより早く排出できる。例えば、ジッターを低減し、ToFにおいて得られる距離の精度を向上させることができる。
Regarding this problem, in the
実施形態の利点のさらに別の側面を説明する。
上述したように、第2素子部20に光Lが入射すると、pn接合J3近傍で二次光子SPが発生する。二次光子SPは、第2素子部20から第1素子部10へ、絶縁部30を透過して進む。そして、二次光子SPにより、第1素子部10でキャリアが発生する。すなわち、実施形態によれば、第1素子部10だけでなく、第2素子部20に入射した光を検出できる。実施形態によれば、光を検出可能な領域の面積をより大きくでき、光検出器1の光検出効率を向上させることができる。
Further aspects of the advantages of the embodiments will be described.
As described above, when the light L enters the
各要素の材料の一例を説明する。
p-形半導体領域11、n+形半導体領域12、p-形半導体領域23、n形半導体領域24、p+形半導体領域25、n+形半導体領域26などの各半導体領域は、シリコン、炭化シリコン、ガリウムヒ素、及び窒化ガリウムからなる群より選択される少なくとも1つの半導体材料を含む。これらの半導体領域がシリコンを含むとき、リン、ヒ素、又はアンチモンがn形不純物として用いられる。ホウ素又はフッ化ホウ素がp形不純物として用いられる。
An example of the material of each element will be explained.
Each semiconductor region, such as the p -
第1部分11a及びp-形半導体領域23のそれぞれのp形不純物濃度は、1.0×1013atom/cm3よりも大きく、1.0×1016atom/cm3よりも小さい。第2部分11bのp形不純物濃度は、1.0×1016atom/cm3よりも大きく、1.0×1018atom/cm3よりも小さい。第3部分24cのn形不純物濃度は、1.0×1016atom/cm3よりも大きく、1.0×1017atom/cm3よりも小さい。第4部分24dのn形不純物濃度は、1.0×1017atom/cm3よりも大きく、1.0×1018atom/cm3よりも小さい。p+形半導体領域25のp形不純物濃度は、1.0×1019atom/cm3よりも大きく、1.0×1020atom/cm3よりも小さい。n+形半導体領域12及びn+形半導体領域26のそれぞれのn形不純物濃度は、1.0×1018atom/cm3よりも大きく、1.0×1019atom/cm3よりも小さい。
The p-type impurity concentration of each of the
半導体層31は、例えば、p形半導体基板の少なくとも一部である。半導体層31は、上述した半導体材料を含む。半導体層31のp形不純物濃度は、1.0×1017atom/cm3よりも大きく、1.0×1021atom/cm3よりも小さい。
The
絶縁部30及び絶縁層35は、酸化シリコン、窒化シリコン、又は酸窒化シリコンなどの絶縁材料を含む。クエンチ部40及び保護抵抗45は、ポリシリコンを含む。クエンチ部40及び保護抵抗45には、n形不純物又はp形不純物が添加されても良い。
The insulating
コンタクトプラグ40a、40b、41a、42a、43a、45a、及び45bは、金属材料を含む。例えば、金属材料は、チタン、タングステン、銅、及びアルミニウムからなる群より選択された1つ以上である。これらのコンタクトプラグは、金属材料の窒化物又は珪化物を含んでも良い。 Contact plugs 40a, 40b, 41a, 42a, 43a, 45a, and 45b contain a metal material. For example, the metal material is one or more selected from the group consisting of titanium, tungsten, copper, and aluminum. These contact plugs may include nitride or silicide of the metal material.
第1配線41、第2配線42、第3配線43、共通配線51、第1パッド61、及び第2パッド62は、銅及びアルミニウムからなる群より選択された少なくとも1つを含む。
The
図9(a)~図21(b)は、実施形態に係る光検出器の製造工程を例示する模式図である。
図9(a)~図21(a)は、図9(b)~図21(b)のA1-A2断面をそれぞれ示す。図9(a)~図21(b)を参照して、実施形態に係る光検出器の製造工程の一例を説明する。
FIGS. 9(a) to 21(b) are schematic diagrams illustrating the manufacturing process of the photodetector according to the embodiment.
9(a) to 21(a) respectively show the A1-A2 cross section of FIG. 9(b) to FIG. 21(b). An example of the manufacturing process of the photodetector according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 9(a) to 21(b).
図9(a)及び図9(b)に示すように、シリコン基板100a及びp形のシリコンエピ層101を含む基板を用意する。シリコン基板100aからシリコンエピ層101に向かう方向は、Z方向に対応する。シリコンエピ層101は、シリコン基板100aの上に、シリコンをエピタキシャル成長させることで形成される。シリコン基板100a及びシリコンエピ層101は、ホウ素がドープされた単結晶p形シリコンを含む。シリコン基板100aにおけるホウ素濃度は、4.0×1018cm-3である。シリコンエピ層101におけるホウ素濃度は、1.0×1015cm-3である。シリコンエピ層101の厚みは、10μmである。
As shown in FIGS. 9A and 9B, a substrate including a
図10(a)及び図10(b)に示すように、シリコンエピ層101の表面を酸化し、100nmの厚みのシリコン酸化膜102を形成する。減圧熱CVD法により、シリコン酸化膜102の上に、150nmのシリコン窒化膜103を堆積させる。減圧熱CVD法により、シリコン窒化膜103の上に、シリコン酸化膜1031を1μm堆積させる。素子分離領域104を規定するレジスト105をリソグラフィ工程によって形成する。反応性イオンエッチング(RIE)法により、レジスト105の開口部を通してシリコン酸化膜1031、シリコン窒化膜103、及びシリコン酸化膜102をエッチングする。素子分離領域104の幅は、1.8μmである。
As shown in FIGS. 10(a) and 10(b), the surface of the
図11(a)及び図11(b)に示すように、レジスト105を剥離する。素子分離領域104のシリコンエピ層101を、シリコン酸化膜1031をマスクとして用いてエッチングする。これにより、第1トレンチ106が形成される。この時、エッチングの深さは、シリコンエピ層101の厚みと、シリコン基板100aに含まれるホウ素のシリコンエピ層101への拡散量と、により決定される。拡散量は、プロセス全体での熱工程を考慮して決定される。エッチング深さは、例えば9μmである。第1トレンチ106の形成に際しては、約2°のテーパ角度を付けることが好ましい。テーパ角度は、Z方向に対する第1トレンチ106の側面の傾きである。これにより、後の酸化膜埋め込み時のボイド発生を抑制することができる。
As shown in FIGS. 11(a) and 11(b), the resist 105 is peeled off. The
図12(a)及び図12(b)に示すように、第1トレンチ106の表面を酸化し、50nmの厚みのシリコン酸化膜1061を形成する。イオン注入を基板全面に行うことで、第1トレンチ106の底部に被注入領域1062を形成しても良い。被注入領域1062は、ホウ素を注入加速電圧40keV、注入ドーズ量2.5×1012cm-2、基板鉛直方向との角度を0度に設定したイオン注入によって形成される。この時、前記角度を±30度とすれば、図12(a)に示すように、第1トレンチ106の底部側面にも被注入領域1062が形成される。RIEにより第1トレンチ106を形成する際、シリコンエピ層101には、結晶欠陥が発生する。第1トレンチ106の底部側面に被注入領域1062を形成することで、欠陥に起因するノイズ成分を抑制することができる。
As shown in FIGS. 12(a) and 12(b), the surface of the
図13(a)及び図13(b)に示すように、酸化膜1063をプラズマ化学気相成長(CVD)法により1.2μm堆積する。1000℃の窒素アニールを実行し、酸化膜1063の構造を緻密化する。シリコン窒化膜103をストッパとして用いて、化学機械研磨(CMP)処理により酸化膜1063を平坦化した。
As shown in FIGS. 13(a) and 13(b), an
図14(a)及び図14(b)に示すように、熱燐酸処理によりシリコン窒化膜103を剥離する。フッ酸処理によりシリコン酸化膜102を剥離する。酸化膜1063の周りに、n-形ダイオード層109aを形成する。例えば、n-形ダイオード層109aは、2回のイオン注入により形成される。まず、注入加速電圧3MeV、注入ドーズ量4.0×1012cm-2に設定し、リンをイオン注入する。次に、注入加速電圧0.7MeV、注入ドーズ量3.0×1012cm-2に設定し、リンをイオン注入する。リンの注入後、n-形ダイオード層109aを活性化するために、アニール処理を行う。
As shown in FIGS. 14(a) and 14(b), the
図15(a)及び図15(b)に示すように、シリコンエピ層101の表面を酸化し、50nmの厚みのシリコン酸化膜107を形成する。0.2μmの厚みのポリシリコン膜を減圧熱CVD法により成膜する。リソグラフィ工程とRIE工程により、シリコン酸化膜107及びポリシリコン膜を所定の形状に加工し、クエンチ抵抗112a及び保護抵抗112bを形成する。クエンチ抵抗112a及び保護抵抗112bの抵抗を調整するために、例えば、注入加速電圧20keVで、1.0×1015cm-2のホウ素を注入し、活性化アニールを行う。
As shown in FIGS. 15(a) and 15(b), the surface of the
図16(a)及び図16(b)に示すように、リソグラフィ工程及びイオン注入工程により、素子領域108内に、p形アバランシェ層113aをパターン形成する。以降の図16(b)~図22(b)では、シリコン酸化膜107の図示を省略する。p形アバランシェ層113aは、ホウ素のイオン注入により形成される。ホウ素のピーク深さが0.8μmであり、ピーク濃度が1.0×1017cm-3となるように、p形アバランシェ層113aを形成する。n-形ダイオード層109aの表面に、n形アバランシェ層109b及びp+形アバランシェ層109cを形成する。例えば、注入加速電圧600keV、注入ドーズ量5.0×1012~1.0×1014cm-2に設定し、リンをイオン注入することで、n形アバランシェ層109bが形成される。注入加速電圧70keV、注入ドーズ量1.0×1015cm-2に設定し、ホウ素をイオン注入することで、p+形アバランシェ層109cが形成される。イオン注入後、n形アバランシェ層109b及びp+形アバランシェ層109cを活性化するために、アニール処理を行う。
As shown in FIGS. 16A and 16B, a p-
図17(a)及び図17(b)に示すように、リソグラフィ工程、及びイオン注入工程により、n+形アノード層109d及びn+形アバランシェ層113bをパターン形成する。n+形アノード層109dは、n形アバランシェ層109bの上に、p+形アバランシェ層109cから離れて形成される。n+形アバランシェ層113bは、素子領域108内に形成される。n+形アノード層109d及びn+形アバランシェ層113bは、金属を含む配線と半導体領域とのオーミック電極部を兼ねる。n+形アノード層109d及びn+形アバランシェ層113bは、リンのイオン注入により形成される。リンのピークが基板の表面に位置し、ピーク濃度が1.5×20cm-3となるように、n+形アノード層109d及びn+形アバランシェ層113bを形成する。n+形アノード層109d及びn+形アバランシェ層113bを活性化するために、N2雰囲気中でアニール処理を行う。
As shown in FIGS. 17A and 17B, the n +
図18(a)及び図18(b)に示すように、CVD法により、0.5umの厚みの絶縁膜114を成膜する。
As shown in FIGS. 18(a) and 18(b), an insulating
図19(a)及び図19(b)に示すように、CVD法により、0.3μmの厚みの絶縁膜118を成膜する。リソグラフィ工程及びRIE工程により、絶縁膜118、絶縁膜114、及びシリコン酸化膜107に複数のコンタクトホール119を形成する。複数のコンタクトホール119を通して、p+形アバランシェ層109cの一部、n+形アノード層109dの一部、クエンチ抵抗112aの一部、保護抵抗112bの一部、n+形アバランシェ層113bの一部が露出する。なお、図19(b)~図22(b)では、絶縁膜118の図示を省略する。
As shown in FIGS. 19(a) and 19(b), an insulating
図20(a)及び図20(b)に示すように、チタン膜120及び窒化チタン膜121をスパッタ法によりそれぞれ10nm成膜する。タングステン膜122をCVD法により0.3μm成膜する。絶縁膜118をストッパとして用いて、CMPによりタングステン膜122、窒化チタン膜121及びチタン膜120を平坦化し、コンタクトホール119の埋め込みを行った。
As shown in FIGS. 20(a) and 20(b), a titanium film 120 and a titanium nitride film 121 are each formed to a thickness of 10 nm by sputtering. A
図21(a)及び図21(b)に示すように、スパッタ法により、0.5umの厚みのアルミニウム層123を成膜する。リソグラフィ工程及びRIE工程により、アルミニウム層123を所定の形状に加工する。パッシベーション膜124として、0.3μmの厚みのシリコン窒化膜をCVD法により成膜する。RIE法により、パッシベーション膜124に開口を形成し、パッドを露出させる。シリコン基板100aの厚みが600μmになるまで、シリコン基板100aの裏面を研磨する。裏面電極125としてTi膜及びAu膜を成膜する。以上の工程により、実施形態に係る光検出器1が製造される。
As shown in FIGS. 21(a) and 21(b), an
上述した製造工程によって作製された裏面電極125は、光検出器1の裏面電極32に対応する。シリコン基板100aは、半導体層31に対応する。シリコンエピ層101の一部は、第1部分11a及びp-形半導体領域23に対応する。n-形ダイオード層109aは、第3部分24cに対応する。n形アバランシェ層109bは、第4部分24dに対応する。p+形アバランシェ層109cは、p+形半導体領域25に対応する。n+形アノード層109dは、n+形半導体領域26に対応する。p形アバランシェ層113aは、第2部分11bに対応する。n+形アバランシェ層113bは、n+形半導体領域12に対応する。シリコン酸化膜1061及び酸化膜1063は、絶縁部30に対応する。絶縁膜114、118、及びパッシベーション膜124は、絶縁層35に対応する。クエンチ抵抗112aは、クエンチ部40に対応する。保護抵抗112bは、保護抵抗45に対応する。チタン膜120、窒化チタン膜121、及びタングステン膜122は、コンタクトプラグに対応する。アルミニウム層123は、第1配線41、第2配線42、第3配線43、共通配線51、第1パッド61、又は第2パッド62に対応する。
The
図22及び図23は、実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的平面図である。
例えば、絶縁部30は、Z方向から見たときに、5角以上の多角形である。図22に示す例では、絶縁部30は、Z方向から見たときに、八角形状である。具体的には、絶縁部30は、X方向に沿って延びる一対の第1延在部分30a、Y方向に沿って延びる一対の第2延在部分30b、及び複数の連結部分30cを含む。第1素子部10は、Y方向において、一対の第1延在部分30aの間に設けられる。第1素子部10は、X方向において、一対の第2延在部分30bの間に設けられる。各連結部分30cは、第1延在部分30aの一端と、第2延在部分30bの一端と、を連結している。
22 and 23 are schematic plan views illustrating a part of the photodetector according to the embodiment.
For example, the insulating
第1延在部分30aのX方向における長さは、連結部分30cのX方向における長さよりも長い。第2延在部分30bのY方向における長さは、連結部分30cのY方向における長さよりも長い。例えば、Z方向から見たときに、連結部分30cは、直線状である。第1延在部分30aと連結部分30cとの間の角度θ1は、135度以上が好ましい。第2延在部分30bと連結部分30cとの間の角度θ2は、135度以上が好ましい。
The length of the first extending
連結部分30cのX方向における長さL1及び連結部分30cのY方向における長さL2は、それぞれ1μm以上であることが好ましい。
It is preferable that the length L1 of the connecting
又は、図23に示すように、Z方向から見たときに、絶縁部30の角は、湾曲していても良い。すなわち、Z方向から見たときに、連結部分30cが湾曲していても良い。図23に示す例では、絶縁部30は、Z方向から見たときに、角丸の四角形状である。例えば、第1延在部分30aと連結された連結部分30cの一端は、X方向に沿う。第2延在部分30bと連結された連結部分30cの他端は、Y方向に沿う。これにより、連結部分30cは、第1延在部分30a及び第2延在部分30bと滑らかに連結される。
Alternatively, as shown in FIG. 23, the corners of the insulating
図24は、参考例に係る光検出器の一部を例示する模式的平面図である。
図24に示す参考例に係る光検出器1rでは、絶縁部30が格子状に設けられている。具体的には、絶縁部30の一部は、X方向に沿って延びている。絶縁部30の別の一部は、Y方向に沿って延びている。絶縁部30のX方向に沿って延びる部分と、Y方向に沿って延びる部分と、の交差部分CP近傍では、第1素子部10の角が略90度である。この第1素子部10の角の突出により、交差部分CP近傍では、他の部分に比べて、第1素子部10と絶縁部30との間に大きな応力が生じる。
FIG. 24 is a schematic plan view illustrating a part of a photodetector according to a reference example.
In the
絶縁部30が、図22に示すように、Z方向から見たときに5角以上の多角形である場合、絶縁部30の内角の角度をより大きくできる。例えば、図22に示す構造によれば、第1延在部分30aと連結部分30cとの間の内角の角度、及び第2延在部分30bと連結部分30cとの間の内角の角度を、135度以上にできる。又は、絶縁部30が、図23に示すように、Z方向から見たときに角丸の多角形である場合、絶縁部30の角を湾曲させることができる。これらの構造によれば、絶縁部30の角において、第1素子部10と絶縁部30との間に加わる応力を緩和できる。例えば、応力の緩和により、第1素子部10及び絶縁部30にクラックが発生することを抑制できる。クラックの発生に起因する動作不良を抑制できる。
As shown in FIG. 22, when the insulating
また、絶縁部30に対応するシリコン酸化膜1061及び酸化膜1063の形成時に、シリコンエピ層101、シリコン酸化膜1061、又は酸化膜1063にクラックが発生すると、その後のフォトリソグフィ工程において、レジストがクラックに入り込む可能性がある。レジストがクラックに入ると、レジストを剥離する際に、クラック内にレジストの残差が発生する。レジストの残差は、その後の酸化等熱工程において酸化炉の有機汚染を引き起こす。シリコンエピ層101、シリコン酸化膜1061、及び酸化膜1063への応力を緩和することで、クラックの発生を抑制でき、光検出器1の歩留まりを向上できる。
Furthermore, if a crack occurs in the
また、図24に示す絶縁部30の構造では、交差部分CPの斜め方向における寸法Di2が、交差部分CPのX方向又はY方向における寸法Di1の約1.4倍となる。斜め方向は、Z方向に垂直であり、X方向及びY方向に対して傾斜している。換言すると、図24に示す構造を製造する際、図12に対応する工程において、交差部分CPが形成される部分では、第1トレンチ106の斜め方向における寸法が、X方向又はY方向における寸法Di1の約1.4倍となる。この寸法差により、第1トレンチ106内に酸化膜1063を形成したとき、交差部分CPでは、第1トレンチ106が完全に埋め込まれず、酸化膜1063中にボイドが発生する。ボイドは、クラックと同様に、ボイドへのレジストの入り込み、及びボイドにおけるレジストの残差を発生させる。図22及び図23に示す構造によれば、局所的な第1トレンチ106の寸法の増大を回避でき、ボイドの発生を抑制できる。
Further, in the structure of the insulating
図22及び図23に示す例において、連結部分30cのX方向及びY方向におけるそれぞれの長さは、1μm以上であることが好ましい。これにより、連結部分30c近傍で発生する応力を効果的に緩和できる。
In the examples shown in FIGS. 22 and 23, the lengths of the connecting
ここでは、絶縁部30が、一対の第1延在部分30a、一対の第2延在部分30b、及び複数の連結部分30cを含む例を説明した。絶縁部30は、互いに連設された1つの第1延在部分30a、1つの第2延在部分30b、及び1つの連結部分30cを少なくとも含んでいれば良い。これにより、1つの第1延在部分30a、1つの第2延在部分30b、及び1つの連結部分30cが設けられた領域近傍の応力を緩和できる。
Here, an example has been described in which the insulating
(第1変形例)
図25は、実施形態の第1変形例に係る光検出器の一部を示す模式的平面図である。図26は、図25のA1-A2断面図である。
図25及び図26に示した第1変形例に係る光検出器1aは、光検出器1と比べて、レンズ55をさらに含む。レンズ55は、絶縁層35の上に設けられ、第1素子部10の上に位置する。1つの第1素子部10に対応して、1つのレンズ55が設けられる。第2素子部20に対応するレンズは、設けられない。
(First Modification)
Fig. 25 is a schematic plan view showing a part of a photodetector according to a first modified example of the embodiment, and Fig. 26 is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of Fig. 25.
25 and 26 , the
レンズ55の上面は、凸状に湾曲している。レンズ55は、第1素子部10に向けて光を集める。例えば、レンズ55の幅は、第1素子部10の幅よりも広い。幅は、X方向又はY方向における長さである。第2素子部20の上に、レンズ55の一部が位置しても良い。レンズ55は、光透過性の無機材料又は有機材料を含む。
The upper surface of the
レンズ55を設けることで、第1素子部10に光がより入射し易くなる。これにより、光検出器1aの光検出効率を向上させることができる。
Providing the
(第2変形例)
図27は、実施形態の第2変形例に係る光検出器の一部を示す模式的平面図である。
図27に示した第2変形例に係る光検出器1bは、光検出器1aと比べて、より大きなレンズ55を含む。レンズ55の一部は、第2素子部20の上方、第2配線42の上方などに位置している。図示したように、X方向又はY方向において隣り合うレンズ55同士が接する、またはその一部が重なり合っていても良い。
(Second modification)
FIG. 27 is a schematic plan view showing a part of a photodetector according to a second modification of the embodiment.
A
(第3変形例)
図28は、実施形態の第3変形例に係る光検出器の一部を示す模式的断面図である。
図28に示した第3変形例に係る光検出器1cは、光検出器1aと比べて、遮光膜56をさらに含む。遮光膜56は、絶縁層35の上に設けられ、第2素子部20の上方に位置する。遮光膜56は、光を反射又は吸収する。遮光膜56の光透過性は、絶縁層35、レンズ55などの光透過性よりも低い。
(Third modification)
FIG. 28 is a schematic cross-sectional view showing a part of a photodetector according to a third modification of the embodiment.
The
例えば、遮光膜56は、赤外光カット材(IR吸収剤)を含み、赤外光を実質的に透過させない。レンズ55は、赤外光を透過させる。
For example, the
(第4変形例)
図29は、実施形態の第4変形例に係る光検出器の一部を示す模式的断面図である。
図29に示した第4変形例に係る光検出器1dは、光検出器1aと比べて、金属部33をさらに含む。金属部33は、絶縁部30の中に設けられている。絶縁部30は、第1素子部10と金属部33との間、及び第2素子部20と金属部33との間に位置する。金属部33は、第1素子部10及び第2素子部20とは電気的に分離されている。
(Fourth modification)
FIG. 29 is a schematic cross-sectional view showing a part of a photodetector according to a fourth modification of the embodiment.
The
金属部33は、光を反射又は吸収する。金属部33の光透過性は、絶縁部30の光透過性よりも低い。このため、第1素子部10及び第2素子部20の一方で発生した二次光子が、第1素子部10及び第2素子部20の他方へ進行することを抑制できる。
The
(第5変形例)
図30は、実施形態の第5変形例に係る光検出器の一部を示す模式的平面図である。
図30に示した第5変形例に係る光検出器1eは、光検出器1と比べて、第1素子部10、第2素子部20、及び絶縁部30のそれぞれの構成が異なる。
(Fifth modification)
FIG. 30 is a schematic plan view showing a part of a photodetector according to a fifth modification of the embodiment.
A
光検出器1eでは、第1素子部10と第2素子部20が、X方向及びY方向において交互に配列される。1つの絶縁部30が、各第1素子部10の周り及び各第2素子部20の周りに設けられる。光検出器1eにおける1つの第2素子部20の面積は、光検出器1における1つの第2素子部20の面積よりも大きい。
In the
光検出器1eにおけるクエンチ部40、第1配線41、第2配線42、第3配線43、保護抵抗45、共通配線51、第1パッド61、及び第2パッド62については、光検出器1におけるこれらの構成要素と同様に設けられる。図30におけるA1-A2断面図は、図6と同様である。
Regarding the quench
光検出器1と同様に、第5変形例に係る光検出器1eでは、第3配線43を流れるキャリアの極性は、第1配線41を流れるキャリアの極性と逆である。このため、第1素子部10においてアバランシェ降伏が発生した後、アバランシェ降伏が停止するまでの時間を短縮できる。
Similar to the
p-形半導体領域11の下部に発生した遅延キャリアは、第2素子部20で発生した空乏層の電界に沿って移動し、第2配線42を通して排出される。第5変形例によれば、光検出器1eのジッターを低減できる。第5変形例によれば、光を検出可能な領域の面積をより大きくでき、光検出器1eの光検出効率を向上させることができる。
Delayed carriers generated in the lower part of the p -
又は、図30に示すように、第2素子部20の上方に、遮光膜56が設けられても良い。第1素子部10の上方に、レンズ55が設けられても良い。
Alternatively, as shown in FIG. 30, a
図31は、実施形態に係る光検出システムを示す模式図である。
実施形態に係る光検出システム2は、光検出器1と、第1カウンタ71と、第2カウンタ72と、同期回路73と、判定器74と、出力端子75と、を備える。第1カウンタ71は、第1パッド61と電気的に接続される。第2カウンタ72は、第2パッド62と電気的に接続される。同期回路73は、第1カウンタ71及び第2カウンタ72と電気的に接続される。
FIG. 31 is a schematic diagram showing a photodetection system according to an embodiment.
The
第1カウンタ71は、第1配線41からの出力信号をカウントする。第1素子部10でアバランシェ降伏が生じると、第1配線41を電流パルスが流れる。第1カウンタ71は、この電流パルスをカウントする。
The
第2カウンタ72は、第2配線42からの出力信号をカウントする。第2素子部20でアバランシェ降伏が生じると、第2配線42を電流パルスが流れる。第2カウンタ72は、この電流パルスをカウントする。
The
同期回路73は、第1カウンタ71及び第2カウンタ72と電気的に接続される。同期回路73は、AND回路であり、第1カウンタ71及び第2カウンタ72の出力の同時パルス出力の有無(AND)を出力する。判定器74は、第1パッド61からの出力信号を読み出し、その出力信号に基づいて光検出器1に入射した光量を算出する。また、判定器74は、第1カウンタ71によるカウントの結果と、第2カウンタ72によるカウントの結果と、を受信する。
The
判定器74は、第1カウンタ71によるカウント結果と第2カウンタ72によるカウント結果から、光検出器1においてクロストークが発生したか判定する。クロストークは、ある素子部で発生した二次光子SPが別の素子部へ入射し、アバランシェ降伏を発生させる現象である。クロストークが発生すると、光検出器1によって検出される光量が、実際の光量よりも大きくなる。
The
具体的には、第1カウンタ71によって出力信号がカウントされ、第2カウンタ72によって出力信号がカウントされなかった場合、判定器74は、クロストークが発生していないと判定する。第1カウンタ71によって出力信号がカウントされ、第2カウンタ72によって出力信号がカウントされた場合、判定器74は、クロストークが発生したと判定する。クロストークが発生したと判定された場合、判定器74は、読み出された光量を補正する。例えば、判定器74は、読み出された光量を半減させる。又は、クロストークが発生したと判定された場合、そのときの電流パルスの読出結果が無視されても良い。例えば、クロストーク発生時の読出結果を無視して光量算出の為のヒストグラムを作成することで、より正確な光量を得ることができる。
Specifically, if the
同期回路73及び判定器74は、例えば、制御回路CC内に組み込まれる。同期回路73と判定器74は、別個に設けられても良い。光検出器1に代えて、光検出器1a~1eのいずれかが設けられても良い。
The
クロストークの発生が判定される場合、光検出器1b、光検出器1d、又は遮光膜56が設けられた光検出器1eが好適である。これらの光検出器では、第2素子部20への光の入射が抑制される。このため、第1カウンタ71及び第2カウンタ72によるカウントの結果に基づいて、より正確にクロストークの発生を判定することができる。
When the occurrence of crosstalk is determined, the
光検出器1に代えて光検出器1dが設けられる場合、第2パッド62で読み出された電流パルスが無視されても良い。例えば、光検出システム2は、ライダーに用いられる。測距の対象にレーザ光が照射され、光検出器1dは、その反射光を検出する。このとき、光検出器1dには、レーザ光の反射光の他、太陽光などが入射する。一般的に、レーザ光の反射光は、光検出器1dに向けて、Z方向に沿って進行する。反射光は、レンズ55によって第1素子部10に向けて集められる。これに対して、太陽光などのバックグラウンドノイズは、光検出器1dへの入射方向がランダムである。このため、レンズ55を通過した光が第2素子部20へ入射しうる。
When the
金属部33が設けられる場合、第1素子部10と第2素子部20との間でのクロストークの発生を抑制できる。このため、第1パッド61で読み出された電流パルスは、レーザ光に起因し、第2パッド62で読み出された電流パルスは、バックグラウンドノイズに起因するとみなすことができる。
When the
図32は、判定器による判定の条件及び結果を示すテーブルである。
図32に示すテーブル200において、第1出力201は、第1カウンタ71からの出力を示す。第2出力202は、第2カウンタ72からの出力を示す。第1出力201及び第2出力202について、「0」は、電流パルスがカウントされなかったことを示す。「1」は、電流パルスがカウントされたことを示す。第3出力203は、同期回路73からの出力を示し、第1出力201と第2出力202とのANDである。判定結果204は、判定器74による判定結果を示す。
FIG. 32 is a table showing conditions and results of determination by the determiner.
In the table 200 shown in FIG. 32, the
判定結果204aは、主に、ランダムな方向から光検出器1dへ入射するバックグラウンド光(ノイズ)に起因する。判定結果204bは、主に、浅い角度から光検出器1dへ入射する光に起因する。この光は、主にノイズである。浅い角度とは、X-Y面に対する傾きが45度未満を指す。判定結果204cは、主に、レーザ光の反射光に起因する。判定結果204dは、入射光が検出されない状態である。
The
ここで、判定結果204aに対応する信号をS1とする。判定結果204bに対応する信号をS2とする。判定結果204cに対応する信号をS3とする。判定結果204dに対応する信号をS4とする。レーザ光の反射光とバックグラウンドノイズを判別できない場合、PDEは、以下の式(1)により表される。
PDE=(S1+S3)/(S1+S2+S3+S4) ・・・(1)
Here, the signal corresponding to the
PDE=(S1+S3)/(S1+S2+S3+S4)...(1)
レーザ光の反射光とバックグラウンドノイズを判別できる場合、第2パッド62からの読出結果を無視できる。この場合、PDEは、以下の式(2)により表される。
PDE=S3/(S3+S4) ・・・(2)
If the reflected light of the laser beam and the background noise can be distinguished, the readout result from the
PDE=S3/(S3+S4)...(2)
式(1)と式(2)の比較からわかる通り、PDEの基準となる分母から、ノイズ成分を除外できる。この結果、PDEを高めることができる。 As can be seen from the comparison between Equation (1) and Equation (2), the noise component can be excluded from the denominator that is the basis of PDE. As a result, PDE can be increased.
図33は、アクティブクエンチ回路を例示する模式図である。
以上で説明した実施形態に係る光検出器1又は1aでは、大きな電圧降下を生じさせる抵抗体がクエンチ部40として設けられる。光検出器において、抵抗体に代えて、制御回路及びスイッチング素子が設けられても良い。すなわち、電流を遮断するためのアクティブクエンチ回路が、クエンチ部40として設けられる。
FIG. 33 is a schematic diagram illustrating an active quench circuit.
In the
アクティブクエンチ回路は、図33に示すように、制御回路CC及びスイッチングアレイSWAを含む。制御回路CCは、コンパレータ、制御ロジック部などを含む。スイッチングアレイSWAは、複数のスイッチング素子SWを含む。例えば、制御回路CC及びスイッチング素子SWに含まれる回路素子の少なくとも一部は、半導体層31の上に設けられても良いし、半導体層31とは別の回路基板上に設けられても良い。
The active quench circuit includes a control circuit CC and a switching array SWA, as shown in FIG. 33. The control circuit CC includes a comparator, a control logic section, and the like. Switching array SWA includes a plurality of switching elements SW. For example, at least some of the circuit elements included in the control circuit CC and the switching element SW may be provided on the
図33に示すように1つの第1素子部10に対して1つのスイッチング素子SWが設けられても良いし、複数の第1素子部10に対して1つのスイッチング素子SWが設けられても良い。例えば、1つのn+形半導体領域12と共通配線51との間に、1つのスイッチング素子SWが設けられる。又は、共通配線51にスイッチング素子SWが設けられても良い。
As shown in FIG. 33, one switching element SW may be provided for one
図34は、実施形態に係るライダー装置を例示する模式図である。
この実施形態は、ライン光源、レンズと構成され長距離被写体検知システム(LIDAR)などに応用できる。ライダー装置5001は、対象物411に対してレーザ光を投光する投光ユニットTと、対象物411からのレーザ光を受光しレーザ光が対象物411までを往復してくる時間を計測し距離に換算する受光ユニットR(光検出システムともいう)と、を備えている。
FIG. 34 is a schematic diagram illustrating a lidar device according to an embodiment.
This embodiment is configured with a line light source and a lens, and can be applied to a long-distance object detection system (LIDAR). The
投光ユニットTにおいて、光源404は、光を発する。例えば、光源404は、レーザ光発振器を含み、レーザ光を発振する。駆動回路403は、レーザ光発振器を駆動する。光学系405は、レーザ光の一部を参照光として取り出し、そのほかのレーザ光をミラー406を介して対象物411に照射する。ミラーコントローラ402は、ミラー406を制御して対象物411にレーザ光を投光する。ここで、投光とは、光を当てることを意味する。
In the light projection unit T, the
受光ユニットRにおいて、参照光用光検出器409は、光学系405によって取り出された参照光を検出する。光検出器410は、対象物411からの反射光を受光する。距離計測回路408は、参照光用光検出器409で検出された参照光と光検出器410で検出された反射光に基づいて、対象物411までの距離を計測する。画像認識システム407は、距離計測回路408で計測された結果に基づいて、対象物411を認識する。
In the light receiving unit R, a
ライダー装置5001は、レーザ光が対象物411までを往復してくる時間を計測し距離に換算する光飛行時間測距法(ToF)を採用している。ライダー装置5001は、車載ドライブ-アシストシステム、リモートセンシング等に応用される。光検出器410として上述した実施形態の光検出器を用いると、特に近赤外線領域で良好な感度を示す。このため、ライダー装置5001は、人が不可視の波長帯域への光源に適用することが可能となる。ライダー装置5001は、例えば、移動体向け障害物検知に用いることができる。
The
図35は、ライダー装置の検出対象の検出を説明するための図である。
光源3000は、検出対象となる物体600に光412を発する。光検出器3001は、物体600を透過あるいは反射、拡散した光413を検出する。
FIG. 35 is a diagram for explaining detection of a detection target by the lidar device.
光検出器3001は、例えば、上述した本実施形態に係る光検出器を用いると、高感度な検出を実現できる。なお、光検出器410および光源404のセットを複数設け、その配置関係を前もってソフトウェア(回路でも代替可)に設定しておくことが好ましい。光検出器410および光源404のセットの配置関係は、例えば、等間隔で設けられることが好ましい。それにより、各々の光検出器410の出力信号を補完しあうことにより、正確な三次元画像を生成することができる。
For the
図36は、実施形態に係るライダー装置を備えた移動体の上面略図である。
図36の例では、移動体は、車である。本実施形態に係る車両700は、車体710の4つの隅にライダー装置5001を備えている。本実施形態に係る車両は、車体の4つの隅にライダー装置を備えることで、車両の全方向の環境をライダー装置によって検出することができる。
FIG. 36 is a schematic top view of a moving body equipped with a lidar device according to an embodiment.
In the example of FIG. 36, the moving object is a car. The
移動体は、図36に表した車以外に、ドローン、ロボットなどであっても良い。ロボットは、例えば、無人搬送車(AGV)である。これらの移動体の4つの隅にライダー装置を備えることで、移動体の全方向の環境をライダー装置によって検出することができる。 In addition to the car shown in FIG. 36, the moving object may be a drone, a robot, or the like. The robot is, for example, an automated guided vehicle (AGV). By providing lidar devices at the four corners of these moving bodies, the environment in all directions of the moving body can be detected by the lidar devices.
実施形態は、以下の構成を含みうる。
(構成1)
第1導電形の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の上に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、を含む第1素子部と、
前記第1半導体領域から前記第2半導体領域に向かう第1方向に垂直な第2方向において前記第1素子部と並ぶ第2素子部であって、
第1導電形の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域の上に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域の上に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、
を含む、前記第2素子部と、
前記第1素子部と前記第2素子部との間に設けられた絶縁部と、
前記第2半導体領域と電気的に接続された第1配線と、
前記第4半導体領域と電気的に接続された第2配線と、
前記第5半導体領域と電気的に接続され、前記第1配線と電気的に接続された第3配線と、
を備えた、光検出器。
(構成2)
前記第3半導体領域と前記第4半導体領域とのpn接合は、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とのpn接合よりも下方に位置する、構成1記載の光検出器。
(構成3)
前記第4半導体領域の第2導電形の不純物濃度は、前記第3半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも高く、
前記第4半導体領域の前記不純物濃度は、前記第5半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも低い、構成1又は2に記載の光検出器。
(構成4)
前記第3半導体領域の第2導電形の不純物濃度は、前記第5半導体領域の第2導電形の不純物濃度よりも小さい、構成1~3のいずれか1つに記載の光検出器。
(構成5)
複数の前記第1素子部が、前記第2方向と、前記第1方向及び前記第2方向に沿う面と交差する第3方向と、に沿って配列され、
複数の前記絶縁部が、前記複数の第1素子部の周りにそれぞれ設けられ、
前記第3半導体領域、前記第4半導体領域、及び前記第5半導体領域は、前記第2方向又は前記第3方向において隣り合う前記絶縁部同士の間に設けられた、構成1~4のいずれか1つに記載の光検出器。
(構成6)
それぞれが、第1導電形の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の上に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、を含み、互いに交差する第2方向及び第3方向に沿って第1間隔で配列された複数の第1素子部と、
前記複数の第1素子部の周りにそれぞれ設けられた複数の絶縁部と、
前記第2方向又は前記第3方向において隣り合う前記絶縁部の間に設けられた第2素子部であって、
第1導電形の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域の上に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域の上に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、
を含む、前記第2素子部と、
を備えた、光検出器。
(構成7)
複数の前記第2半導体領域と電気的に接続された共通配線と、
複数の前記第4半導体領域と電気的に接続された第2配線と、
前記共通配線と電気的に接続された第1電極と、
前記第2配線と電気的に接続された第2電極と、
をさらに備えた、構成5又は6に記載の光検出器。
(構成8)
前記第3半導体領域及び前記第4半導体領域は、前記隣り合う絶縁部のそれぞれに接する、構成5又は6に記載の光検出器。
(構成9)
前記第4半導体領域及び前記第5半導体領域は、ツェナーダイオード又はアバランシェフォトダイオードを構成する、構成1~8のいずれか1つに記載の光検出器。
(構成10)
前記第1配線と電気的に接続されたクエンチ部をさらに備え、
前記第1配線は、前記クエンチ部と前記第3配線との間に電気的に接続され、
前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域は、アバランシェフォトダイオードを構成する、構成1~5のいずれか1つに記載の光検出器。
(構成11)
前記アバランシェフォトダイオードは、ガイガーモードで動作する、構成10記載の光検出器。
(構成12)
前記第1配線と前記第3配線との間に電気的に接続された抵抗体をさらに備えた、構成10又は11に記載の光検出器。
(構成13)
前記クエンチ部は、クエンチ抵抗を含み、
前記抵抗体の電気抵抗は、前記クエンチ抵抗の電気抵抗よりも小さい、構成12記載の光検出器。
(構成14)
前記絶縁部は、光透過性である、構成1~13のいずれか1つに記載の光検出器。
(構成15)
前記絶縁部の中に設けられた光反射部材をさらに備えた、構成1~14のいずれか1つに記載の光検出器。
(構成16)
構成1~15のいずれか1つに記載の光検出器と、
前記第1配線からの出力信号をカウントする第1カウンタと、
前記第2配線からの出力信号をカウントする第2カウンタと、
前記第1カウンタ及び前記第2カウンタと電気的に接続され、前記第1カウンタの動作と、前記第2カウンタの動作と、を同期させる同期回路と、
を備えた光検出システム。
(構成17)
構成1~15のいずれか1つに記載の光検出器と、
前記光検出器の出力信号から光の飛行時間を算出する距離計測回路と、
を備えた光検出システム。
(構成18)
物体に光を照射する光源と、
前記物体に反射された光を検出する構成16又は17に記載の光検出システムと、
を備えたライダー装置。
(構成19)
前記光源と前記光検出器の配置関係に基づいて、三次元画像を生成する画像認識システムをさらに備える構成18記載のライダー装置。
(構成20)
構成18又は19に記載のライダー装置を備えた、移動体。
Embodiments may include the following configurations.
(Configuration 1)
a first element portion including a first semiconductor region of a first conductivity type and a second semiconductor region of a second conductivity type provided on the first semiconductor region;
A second element portion aligned with the first element portion in a second direction perpendicular to the first direction from the first semiconductor region to the second semiconductor region,
a third semiconductor region of a first conductivity type;
a fourth semiconductor region of a second conductivity type provided on the third semiconductor region;
a fifth semiconductor region of a first conductivity type provided on the fourth semiconductor region;
the second element section including;
an insulating section provided between the first element section and the second element section;
a first wiring electrically connected to the second semiconductor region;
a second wiring electrically connected to the fourth semiconductor region;
a third wiring electrically connected to the fifth semiconductor region and electrically connected to the first wiring;
, a photodetector.
(Configuration 2)
The photodetector according to
(Configuration 3)
The impurity concentration of the second conductivity type in the fourth semiconductor region is higher than the impurity concentration of the first conductivity type in the third semiconductor region,
The photodetector according to
(Configuration 4)
4. The photodetector according to any one of
(Configuration 5)
The plurality of first element parts are arranged along the second direction and a third direction intersecting a plane along the first direction and the second direction,
The plurality of insulating parts are respectively provided around the plurality of first element parts,
The third semiconductor region, the fourth semiconductor region, and the fifth semiconductor region have any one of
(Configuration 6)
Each includes a first semiconductor region of a first conductivity type and a second semiconductor region of a second conductivity type provided on the first semiconductor region, and extends in a second direction and a third direction intersecting each other. a plurality of first element portions arranged at first intervals along the
a plurality of insulating parts each provided around the plurality of first element parts;
A second element portion provided between the insulating portions adjacent in the second direction or the third direction,
a third semiconductor region of a first conductivity type;
a fourth semiconductor region of a second conductivity type provided on the third semiconductor region;
a fifth semiconductor region of a first conductivity type provided on the fourth semiconductor region;
the second element section including;
, a photodetector.
(Configuration 7)
a common wiring electrically connected to the plurality of second semiconductor regions;
a second wiring electrically connected to the plurality of fourth semiconductor regions;
a first electrode electrically connected to the common wiring;
a second electrode electrically connected to the second wiring;
The photodetector according to configuration 5 or 6, further comprising:
(Configuration 8)
The photodetector according to configuration 5 or 6, wherein the third semiconductor region and the fourth semiconductor region are in contact with each of the adjacent insulating parts.
(Configuration 9)
9. The photodetector according to any one of
(Configuration 10)
further comprising a quench section electrically connected to the first wiring,
the first wiring is electrically connected between the quench section and the third wiring,
6. The photodetector according to any one of
(Configuration 11)
11. The photodetector according to
(Configuration 12)
The photodetector according to
(Configuration 13)
The quench section includes a quench resistor,
13. The photodetector according to
(Configuration 14)
14. The photodetector according to any one of
(Configuration 15)
15. The photodetector according to any one of
(Configuration 16)
The photodetector according to any one of
a first counter that counts output signals from the first wiring;
a second counter that counts output signals from the second wiring;
a synchronization circuit that is electrically connected to the first counter and the second counter and synchronizes the operation of the first counter and the operation of the second counter;
Optical detection system with.
(Configuration 17)
The photodetector according to any one of
a distance measuring circuit that calculates the flight time of light from the output signal of the photodetector;
Optical detection system with.
(Configuration 18)
a light source that irradiates light onto an object;
The light detection system according to configuration 16 or 17, which detects light reflected by the object;
A lidar device equipped with
(Configuration 19)
19. The lidar device according to configuration 18, further comprising an image recognition system that generates a three-dimensional image based on the arrangement relationship between the light source and the photodetector.
(Configuration 20)
20. A mobile body comprising the lidar device according to configuration 18 or 19.
以上で説明した各実施形態によれば、時定数の短縮、ジッターの低減、又は光検出効率の向上が可能な、光検出器、光検出システム、ライダー装置、又は移動体が提供される。 According to each of the embodiments described above, a photodetector, a photodetection system, a lidar device, or a moving object that can shorten the time constant, reduce jitter, or improve photodetection efficiency is provided.
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。 In addition, in this specification, "perpendicular" and "parallel" are not only strictly perpendicular and strictly parallel, but also include variations in the manufacturing process, for example, and include substantially perpendicular and substantially parallel. Good.
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気メモリ素子に含まれる第1磁性部、読み出し部、書き込み部、第1電極、および第2電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, a person skilled in the art can appropriately select the specific configuration of each element, such as the first magnetic section, reading section, writing section, first electrode, and second electrode, included in the magnetic memory element from a known range. As long as the present invention can be carried out in the same manner and similar effects can be obtained, the invention is included within the scope of the present invention.
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。 Further, a combination of any two or more elements of each specific example to the extent technically possible is also included within the scope of the present invention as long as it encompasses the gist of the present invention.
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気メモリ素子および磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気メモリ素子および磁気メモリも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。 In addition, all other magnetic memory elements and magnetic memories that can be implemented with appropriate design changes by those skilled in the art based on the magnetic memory elements and magnetic memories described above as embodiments of the present invention also encompass the gist of the present invention. within the scope of the present invention.
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。 In addition, it is understood that various changes and modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the idea of the present invention, and these changes and modifications also fall within the scope of the present invention. .
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
1,1a~1e,1r:光検出器、 2:光検出システム、 10:第1素子部、 11:p-形半導体領域、 11a:第1部分、 11b:第2部分、 12:n+形半導体領域、 20:第2素子部、 23:p-形半導体領域、 24:n形半導体領域、 24c:第3部分、 24d:第4部分、 25:p+形半導体領域、 26:n+形半導体領域、 30:絶縁部、 30a:第1延在部分、 30b:第2延在部分、 30c:連結部分、 31:半導体層、 32:裏面電極、 33:金属部、 35:絶縁層、 40:クエンチ部、 40a,40b:コンタクトプラグ、 41:第1配線、 41a:コンタクトプラグ、 42:第2配線、 42a:コンタクトプラグ、 43:第3配線、 43a:コンタクトプラグ、 45:保護抵抗、 45a,45b:コンタクトプラグ、 51:共通配線、 55:レンズ、 56:遮光膜、 61:第1パッド、 62:第2パッド、 71:第1カウンタ、 72:第2カウンタ、 73:同期回路、 74:判定器、 75:出力端子、 100a:シリコン基板、 101:シリコンエピ層、 102:シリコン酸化膜、 103:シリコン窒化膜、 1031:シリコン酸化膜、 104:素子分離領域、 105:レジスト、 106:第1トレンチ、 1061:シリコン酸化膜、 1062:被注入領域、 1063:酸化膜、 107:シリコン酸化膜、 108:素子領域、 109a:n-形ダイオード層、 109b:n形アバランシェ層、 109c:p+形アバランシェ層、 109d:n+形アノード層、 112a:クエンチ抵抗、 112b:保護抵抗、 113a:p形アバランシェ層、 113b:n+形アバランシェ層、 114:絶縁膜、 115:チタン膜、 118:絶縁膜、 119:コンタクトホール、 120:チタン膜、 121:窒化チタン膜、 122:タングステン膜、 123:アルミニウム層、 124:パッシベーション膜、 125:裏面電極、 200:テーブル、 201:第1出力、 202:第2出力、 203:第3出力、 204,204a~204d:判定結果、 402:ミラーコントローラ、 403:駆動回路、 404:光源、 405:光学系、 406:ミラー、 407:画像認識システム、 408:距離計測回路、 409:参照光用光検出器、 410:光検出器、 411:対象物、 412:光、 413:光、 600:物体、 700:車両、 710:車体、 3000:光源、 3001:光検出器、 5001:ライダー装置、 CC:制御回路、 CP:交差部分、 D1~D3:ダイオード、 DL1,DL2:空乏層、 Di1,Di2:寸法、 J1~J3:pn接合、 L:光、 P0~P2:電位、 R:受光ユニット、 R1,R2:電気抵抗、 SP:二次光子、 SW:スイッチング素子、 SWA:スイッチングアレイ、 T:投光ユニット、 i1~i3:電流、 θ1,θ2:角度 1, 1a to 1e, 1r: photodetector, 2: photodetection system, 10: first element portion, 11: p − type semiconductor region, 11a: first portion, 11b: second portion, 12: n + type semiconductor region, 20: second element portion, 23: p − type semiconductor region, 24: n type semiconductor region, 24c: third portion, 24d: fourth portion, 25: p + type semiconductor region, 26: n + type Semiconductor region, 30: Insulating part, 30a: First extending part, 30b: Second extending part, 30c: Connecting part, 31: Semiconductor layer, 32: Back electrode, 33: Metal part, 35: Insulating layer, 40 : Quench part, 40a, 40b: Contact plug, 41: First wiring, 41a: Contact plug, 42: Second wiring, 42a: Contact plug, 43: Third wiring, 43a: Contact plug, 45: Protective resistor, 45a , 45b: Contact plug, 51: Common wiring, 55: Lens, 56: Light shielding film, 61: First pad, 62: Second pad, 71: First counter, 72: Second counter, 73: Synchronous circuit, 74 : Determiner, 75: Output terminal, 100a: Silicon substrate, 101: Silicon epi layer, 102: Silicon oxide film, 103: Silicon nitride film, 1031: Silicon oxide film, 104: Element isolation region, 105: Resist, 106: First trench, 1061: silicon oxide film, 1062: implanted region, 1063: oxide film, 107: silicon oxide film, 108: element region, 109a: n - type diode layer, 109b: n-type avalanche layer, 109c: p + type avalanche layer, 109d: n + type anode layer, 112a: quench resistance, 112b: protection resistor, 113a: p type avalanche layer, 113b: n + type avalanche layer, 114: insulating film, 115: titanium film, 118: Insulating film, 119: Contact hole, 120: Titanium film, 121: Titanium nitride film, 122: Tungsten film, 123: Aluminum layer, 124: Passivation film, 125: Back electrode, 200: Table, 201: First output, 202 : Second output, 203: Third output, 204, 204a to 204d: Judgment result, 402: Mirror controller, 403: Drive circuit, 404: Light source, 405: Optical system, 406: Mirror, 407: Image recognition system, 408 : Distance measurement circuit, 409: Reference light photodetector, 410: Photodetector, 411: Target object, 412: Light, 413: Light, 600: Object, 700: Vehicle, 710: Vehicle body, 3000: Light source, 3001 : photodetector, 5001: lidar device, CC: control circuit, CP: intersection, D1 to D3: diode, DL1, DL2: depletion layer, Di1, Di2: dimensions, J1 to J3: pn junction, L: light, P0 to P2: potential, R: light receiving unit, R1, R2: electrical resistance, SP: secondary photon, SW: switching element, SWA: switching array, T: light emitting unit, i1 to i3: current, θ1, θ2: angle
Claims (20)
前記第1半導体領域から前記第2半導体領域に向かう第1方向に垂直な第2方向において前記第1素子部と並ぶ第2素子部であって、
第1導電形の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域の上に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域の上に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、
を含む、前記第2素子部と、
前記第1素子部と前記第2素子部との間に設けられた絶縁部と、
前記第2半導体領域と電気的に接続された第1配線と、
前記第4半導体領域と電気的に接続された第2配線と、
前記第5半導体領域と電気的に接続され、前記第1配線と電気的に接続された第3配線と、
を備えた、光検出器。 a first element portion including a first semiconductor region of a first conductivity type and a second semiconductor region of a second conductivity type provided on the first semiconductor region;
A second element portion aligned with the first element portion in a second direction perpendicular to the first direction from the first semiconductor region to the second semiconductor region,
a third semiconductor region of a first conductivity type;
a fourth semiconductor region of a second conductivity type provided on the third semiconductor region;
a fifth semiconductor region of a first conductivity type provided on the fourth semiconductor region;
the second element section including;
an insulating section provided between the first element section and the second element section;
a first wiring electrically connected to the second semiconductor region;
a second wiring electrically connected to the fourth semiconductor region;
a third wiring electrically connected to the fifth semiconductor region and electrically connected to the first wiring;
, a photodetector.
前記第4半導体領域の前記不純物濃度は、前記第5半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも低い、請求項1記載の光検出器。 The impurity concentration of the second conductivity type in the fourth semiconductor region is higher than the impurity concentration of the first conductivity type in the third semiconductor region,
2. The photodetector according to claim 1, wherein the impurity concentration in the fourth semiconductor region is lower than the impurity concentration of the first conductivity type in the fifth semiconductor region.
複数の前記絶縁部が、前記複数の第1素子部の周りにそれぞれ設けられ、
前記第3半導体領域、前記第4半導体領域、及び前記第5半導体領域は、前記第2方向又は前記第3方向において隣り合う前記絶縁部同士の間に設けられた、請求項1記載の光検出器。 The plurality of first element parts are arranged along the second direction and a third direction intersecting a plane along the first direction and the second direction,
The plurality of insulating parts are respectively provided around the plurality of first element parts,
The photodetector according to claim 1, wherein the third semiconductor region, the fourth semiconductor region, and the fifth semiconductor region are provided between the insulating parts adjacent to each other in the second direction or the third direction. vessel.
前記複数の第1素子部の周りにそれぞれ設けられた複数の絶縁部と、
前記第2方向又は前記第3方向において隣り合う前記絶縁部の間に設けられた第2素子部であって、
第1導電形の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域の上に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域の上に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、
を含む、前記第2素子部と、
を備えた、光検出器。 Each includes a first semiconductor region of a first conductivity type and a second semiconductor region of a second conductivity type provided on the first semiconductor region, and extends in a second direction and a third direction intersecting each other. a plurality of first element portions arranged at first intervals along the
a plurality of insulating parts each provided around the plurality of first element parts;
A second element portion provided between the insulating portions adjacent in the second direction or the third direction,
a third semiconductor region of a first conductivity type;
a fourth semiconductor region of a second conductivity type provided on the third semiconductor region;
a fifth semiconductor region of a first conductivity type provided on the fourth semiconductor region;
the second element section including;
, a photodetector.
複数の前記第4半導体領域と電気的に接続された第2配線と、
前記共通配線と電気的に接続された第1電極と、
前記第2配線と電気的に接続された第2電極と、
をさらに備えた、請求項6記載の光検出器。 a common wiring electrically connected to the plurality of second semiconductor regions;
a second wiring electrically connected to the plurality of fourth semiconductor regions;
a first electrode electrically connected to the common wiring;
a second electrode electrically connected to the second wiring;
The photodetector according to claim 6, further comprising:
前記第1配線は、前記クエンチ部と前記第3配線との間に電気的に接続され、
前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域は、アバランシェフォトダイオードを構成する、請求項1~3のいずれか1つに記載の光検出器。 further comprising a quench section electrically connected to the first wiring,
the first wiring is electrically connected between the quench section and the third wiring,
The photodetector according to claim 1, wherein the first semiconductor region and the second semiconductor region constitute an avalanche photodiode.
前記抵抗体の電気抵抗は、前記クエンチ抵抗の電気抵抗よりも小さい、請求項12記載の光検出器。 The quench section includes a quench resistor,
The photodetector according to claim 12, wherein the electrical resistance of the resistor is smaller than the electrical resistance of the quench resistor.
前記第1配線からの出力信号をカウントする第1カウンタと、
前記第2配線からの出力信号をカウントする第2カウンタと、
前記第1カウンタ及び前記第2カウンタと電気的に接続され、前記第1カウンタの動作と、前記第2カウンタの動作と、を同期させる同期回路と、
を備えた光検出システム。 A photodetector according to any one of claims 1 to 3 and 5,
a first counter that counts output signals from the first wiring;
a second counter that counts output signals from the second wiring;
a synchronization circuit that is electrically connected to the first counter and the second counter and synchronizes the operation of the first counter and the operation of the second counter;
Optical detection system with.
前記光検出器の出力信号から光の飛行時間を算出する距離計測回路と、
を備えた光検出システム。 A photodetector according to any one of claims 1 to 3 and 5,
a distance measuring circuit that calculates the flight time of light from the output signal of the photodetector;
Optical detection system with.
前記物体に反射された光を検出する請求項16記載の光検出システムと、
を備えたライダー装置。 a light source that irradiates light onto an object;
The light detection system according to claim 16, which detects light reflected by the object;
A lidar device equipped with
A moving body comprising the lidar device according to claim 18.
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