JP6847878B2 - Photodetector, photodetector and lidar device - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、光検出器、光検出装置及びライダー装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to photodetectors, photodetectors and lidar devices.

ライダー(LIDAR:Laser Imaging Detection and Ranging)装置はレーザ光がターゲットまでを往復する時間を計測し、距離に換算する光飛行時間測距法(TOF:Time of Flight)を採用した距離画像センシングシステムであり、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。 The LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) device is a distance image sensing system that uses the Time of Flight (TOF), which measures the time it takes for a laser beam to make a round trip to a target and converts it into a distance. Yes, it is applied to in-vehicle drive assist systems, remote sensing, etc.

ライダー装置に用いられる光検出器の課題として、被写体からの光の光量の差が大きい場合、言い換えると被写体距離範囲が広い場合、正確に光を検出することができない。たとえば、被写体距離が短い場合、往復した光の光量が多くなる。光検出器は、入射する光量が多すぎると常に光子の検出状態となるためSN比が悪くなり、正確に光子をカウントできない。そのため、光量が多い場合には光検出器は入射した光を低感度に検出する必要がある。逆に被写体距離が長い場合、往復した光の光量が少なくなる。光検出器は、入射する光量が少なすぎると正確に光子をカウントできない。そのため、光量が少ない場合には光検出器に入射した光を高感度に検出する必要がある。したがって、被写体距離範囲が広い場合でも正確に光を検出できる光検出器が求められている。 As a problem of the photodetector used in the lidar device, when the difference in the amount of light from the subject is large, in other words, when the subject distance range is wide, the light cannot be detected accurately. For example, when the subject distance is short, the amount of reciprocating light increases. If the amount of incident light is too large, the photodetector will always be in the photon detection state, and the SN ratio will deteriorate, making it impossible to count photons accurately. Therefore, when the amount of light is large, the photodetector needs to detect the incident light with low sensitivity. On the contrary, when the subject distance is long, the amount of reciprocating light is reduced. Photodetectors cannot accurately count photons if the amount of incident light is too small. Therefore, when the amount of light is small, it is necessary to detect the light incident on the photodetector with high sensitivity. Therefore, there is a need for a photodetector that can accurately detect light even when the subject distance range is wide.

特開平09―331080号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 09-331080 特開2007―158036号公報JP-A-2007-158036 特開2005―265606号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-265606

本発明の実施形態は、被写体距離範囲が広い場合でも、正確に光検出する光検出器を提供する。 An embodiment of the present invention provides a photodetector that accurately detects light even when the subject distance range is wide.

上記の課題を達成するために、実施形態の光検出器は、入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第1セルと、入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第2セルと、第1セルと第2セルの間に設けられる分離部と、を具備し、第セルは、第1半導体層と、第1半導体層よりも光入射側に設けられる第2半導体層とを含み、第2セルは、第3半導体層と、第3半導体層よりも光入射側に設けられる第4半導体層とを含み、第3半導体層と第4半導体層の界面は第1半導体層と第2半導体層の界面よりも光入射側に位置し、前記第1セルは、入射する光量が所定の光量よりも多い場合において第1感度に光検出し、前記第2セルは、入射する光量が所定の光量よりも少ない場合において第2感度に光検出する。 To accomplish the above task, the photodetector of the embodiment includes at least one first cell that converts the incident light into a charge and at least one second cell that converts the incident light into a charge. , A separating portion provided between the first cell and the second cell, and the first cell comprises a first semiconductor layer and a second semiconductor layer provided on the light incident side of the first semiconductor layer. The second cell includes a third semiconductor layer and a fourth semiconductor layer provided on the light incident side of the third semiconductor layer, and the interface between the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer is the first semiconductor layer. Located on the light incident side of the interface of the second semiconductor layer, the first cell detects light with the first sensitivity when the incident light amount is larger than a predetermined light amount, and the second cell is the incident light amount. Is less than a predetermined amount of light, the light is detected with the second sensitivity.

第1の実施形態の光検出器を示す図。The figure which shows the photodetector of 1st Embodiment. 図1で示した光検出器のp−p´断面を示す図。The figure which shows the pp'cross section of the photodetector shown in FIG. 不純物濃度と空乏層の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the impurity concentration and the depletion layer. 光入射側から基板側の深さにおける第1セル1と第2セル2のn型不純物濃度、p型不純物濃度分布を示す図。The figure which shows the n-type impurity concentration and p-type impurity concentration distribution of 1st cell 1 and 2nd cell 2 in the depth from a light incident side to a substrate side. 第1実施形態の光検出器を含む光検出装置を示す図。The figure which shows the photodetector including the photodetector of 1st Embodiment. 図1で示した光検出器のp−p´断面を示す図。The figure which shows the pp'cross section of the photodetector shown in FIG. 光入射側から基板側の深さにおける第1´セル200と第2´セル300のn型不純物濃度、p型不純物濃度分布を示す図。The figure which shows the n-type impurity concentration and p-type impurity concentration distribution of the 1st cell 200 and the 2nd cell 300 in the depth from the light incident side to the substrate side. 第2の実施形態に係るライダー装置を示す図。The figure which shows the lidar device which concerns on 2nd Embodiment. 図8のライダー装置の測定システムを説明するための図。The figure for demonstrating the measurement system of the lidar apparatus of FIG.

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは、互いに対応するものを示す。なお、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などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、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が異なって表される場合もある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Those with the same reference numerals indicate those corresponding to each other. The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio of the sizes between the parts, and the like are not necessarily the same as those in reality. Further, even when the same parts are represented, the dimensions and ratios may be different from each other depending on the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の光検出器を光の入射方向から見た図である。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a view of the photodetector of the first embodiment as viewed from the incident direction of light.

図1に示すように本実施形態に係る光検出器は、短距離セル1(第1セルとも呼ぶ)と、長距離セル2(第2セルとも呼ぶ)と、分離部3と、を含む。また、その光検出器は、短距離セル1と長距離セル2を少なくとも1つずつ含み、短距離セル1と長距離セル2がそれぞれに入射した光(例えば、近赤外光)を電荷に光電変換して、光変換された電気信号を駆動・読み出し部(図面には省略)へと出力することで光を検出する。 As shown in FIG. 1, the photodetector according to the present embodiment includes a short-distance cell 1 (also referred to as a first cell), a long-distance cell 2 (also referred to as a second cell), and a separation unit 3. Further, the photodetector includes at least one short-distance cell 1 and one long-distance cell 2, and charges light (for example, near-infrared light) incident on each of the short-distance cell 1 and the long-distance cell 2. Light is detected by photoelectric conversion and outputting the photoconverted electric signal to a drive / read unit (omitted in the drawing).

分離部3は、互いに隣り合うセル同士が干渉しあわないための領域であり、かつ、光検出器に入射した光を検出できない領域であって、短距離セル1と長距離セル2の周囲を囲んでいる。また分離部3は、短距離セル1と長距離セル2が変換した電荷を駆動・読み出し部(図面には省略)へと出力するための配線領域である。配線の材料は例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。 The separation unit 3 is a region for preventing cells adjacent to each other from interfering with each other, and is a region in which light incident on the photodetector cannot be detected, and is around the short-distance cell 1 and the long-distance cell 2. Surrounding. Further, the separation unit 3 is a wiring area for outputting the electric charge converted by the short-distance cell 1 and the long-distance cell 2 to the drive / read unit (omitted in the drawing). The wiring material is, for example, aluminum or an aluminum-containing material, or other metallic material in combination with that material.

図2は、図1で示した光検出器のp−p´断面を示す図である。図2では、上方から光が入射するものとする。 FIG. 2 is a diagram showing a pp'cross section of the photodetector shown in FIG. In FIG. 2, it is assumed that light is incident from above.

短距離セル1は、入射した光を電荷に変換することで光を検出する、例えばシリコン材料を用いたアバランシェフォトダイオード(APD :Avalanche Photodiode)セルである。短距離セル1は、入射する光量が所定の光量よりも多い場合において低感度(第1感度ともいう)に光検出する。図2に示すように短距離セル1は、基板4上に設けられる第1半導体層5(例えば、p型半導体層)と、第1半導体層5よりも光入射側に設けられる第2半導体層6(例えば、n型半導体層)と、第2半導体層6内部の上面に接するように設けられた第5半導体層11と、第2半導体層6内部の上面に第5半導体層11を囲うように離間して設けられる第6半導体層12と、を含む。ここで、「上」とは光入射側のことを示す。 The short-range cell 1 is an Avalanche Photodiode (APD) cell that detects light by converting the incident light into an electric charge, for example, using a silicon material. The short-distance cell 1 detects light with low sensitivity (also referred to as first sensitivity) when the amount of incident light is greater than a predetermined amount of light. As shown in FIG. 2, the short-distance cell 1 has a first semiconductor layer 5 (for example, a p-type semiconductor layer) provided on the substrate 4 and a second semiconductor layer provided on the light incident side of the first semiconductor layer 5. 6 (for example, an n-type semiconductor layer), a fifth semiconductor layer 11 provided so as to be in contact with the upper surface inside the second semiconductor layer 6, and the fifth semiconductor layer 11 are surrounded by the upper surface inside the second semiconductor layer 6. The sixth semiconductor layer 12 provided apart from the above is included. Here, "above" means the light incident side.

長距離セル2は、入射した光を電荷に変換することで光を検出する、例えばシリコン材料を用いたAPDである。長距離セル2は、入射する光量が所定の光量よりも少ない場合において高感度(第2感度)に光検出する。長距離セル2は、基板4上に設けられる第3半導体層8(例えば、p型半導体層)と、第3半導体層8よりも光入射側に設けられる第4半導体層9(例えば、n型半導体層)と、を含む。また、本実施形態では、第1半導体層5と第3半導体層8は、同一の半導体層であり、不純物濃度が同程度である。 The long-distance cell 2 is an APD using, for example, a silicon material that detects light by converting the incident light into an electric charge. The long-distance cell 2 detects light with high sensitivity (second sensitivity) when the amount of incident light is less than a predetermined amount of light. The long-distance cell 2 includes a third semiconductor layer 8 (for example, a p-type semiconductor layer) provided on the substrate 4 and a fourth semiconductor layer 9 (for example, n-type) provided on the light incident side of the third semiconductor layer 8. Semiconductor layer) and. Further, in the present embodiment, the first semiconductor layer 5 and the third semiconductor layer 8 are the same semiconductor layer, and the impurity concentrations are about the same.

また、短距離セル1、長距離セル2、及び分離部3の上には、酸化膜22が設けられる。酸化膜22において、第5半導体層11及び第4半導体層9上に2つのコンタクト部分が設けられる。2つのコンタクト部分では、片方では第1電極7が第5半導体層11と電気的に接続し、もう一方では第2電極10が第4半導体層9と電気的に接続するように設けられる。また、第1電極7と分離部3の間に第1クエンチ抵抗15が設けられ、第2電極10と分離部3の間に第2クエンチ抵抗16が設けられる。第1電極7は、第1クエンチ抵抗15を介して分離部3の配線と電気的に接続され、第2電極10は、第2クエンチ抵抗16を介して分離部3の配線と電気的に接続される。また、酸化膜22、第1電極7、及び第2電極10の上に保護層70が設けられている。 Further, an oxide film 22 is provided on the short-distance cell 1, the long-distance cell 2, and the separation portion 3. In the oxide film 22, two contact portions are provided on the fifth semiconductor layer 11 and the fourth semiconductor layer 9. In the two contact portions, the first electrode 7 is provided so as to be electrically connected to the fifth semiconductor layer 11 on one side, and the second electrode 10 is provided to be electrically connected to the fourth semiconductor layer 9 on the other side. Further, a first quenching resistor 15 is provided between the first electrode 7 and the separating portion 3, and a second quenching resistor 16 is provided between the second electrode 10 and the separating portion 3. The first electrode 7 is electrically connected to the wiring of the separation unit 3 via the first quench resistor 15, and the second electrode 10 is electrically connected to the wiring of the separation unit 3 via the second quench resistor 16. Will be done. Further, a protective layer 70 is provided on the oxide film 22, the first electrode 7, and the second electrode 10.

さらに、短距離セル1と長距離セル2の積層方向において下には、裏面電極17が設けられる。ここでの「下」は、光入射側の反対側のことを示す。また、積層方向とは、表面に対し垂直となる方向である。裏面電極17には、グランド18が電気的に接続されている。 Further, a back surface electrode 17 is provided below the short-distance cell 1 and the long-distance cell 2 in the stacking direction. Here, "below" indicates the side opposite to the light incident side. The stacking direction is a direction perpendicular to the surface. A ground 18 is electrically connected to the back electrode 17.

短距離セル1と長距離セル2の積層方向における全体の厚さは一様であるが、第3半導体層8と第4半導体層9の間(例えばpn接合、半導体層8、9の界面ともいう)は、第1半導体層5と第2半導体層6の間(例えばpn接合、半導体層5、6の界面ともいう)よりも光入射側に設けられる。すなわち、長距離セル2は、pn接合面が第1電極10の近くに位置することになる。 The overall thickness of the short-distance cell 1 and the long-distance cell 2 in the stacking direction is uniform, but both the interface between the third semiconductor layer 8 and the fourth semiconductor layer 9 (for example, the pn junction and the interfaces of the semiconductor layers 8 and 9). Is provided on the light incident side of the space between the first semiconductor layer 5 and the second semiconductor layer 6 (for example, also referred to as a pn junction or an interface between the semiconductor layers 5 and 6). That is, in the long-distance cell 2, the pn junction surface is located near the first electrode 10.

第1半導体層5は、シリコン基板に不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばBである。 The first semiconductor layer 5 is formed by ion-implanting impurities into a silicon substrate. The impurity is, for example, B.

第2半導体層6は、第1半導体層5に不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばP、As、Sbである。 The second semiconductor layer 6 is formed by ion-implanting impurities into the first semiconductor layer 5. Impurities are, for example, P, As, Sb.

第3半導体層8は、シリコン基板に不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばBである。 The third semiconductor layer 8 is formed by ion-implanting impurities into a silicon substrate. The impurity is, for example, B.

第4半導体層9は、第3半導体層8に不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばP、As、Sbである。 The fourth semiconductor layer 9 is formed by ion-implanting impurities into the third semiconductor layer 8. Impurities are, for example, P, As, Sb.

第1電極10は、電源から第1半導体層5、及び第2半導体層6に電圧を印加して駆動させ、第1半導体層5及び第2半導体層6の間で光電変換された電荷を駆動・読み出し部(図面には省略)に送るために設けられている。第1電極10の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。 The first electrode 10 is driven by applying a voltage to the first semiconductor layer 5 and the second semiconductor layer 6 from a power source, and drives the electric charge converted by photoelectric between the first semiconductor layer 5 and the second semiconductor layer 6. -It is provided for sending to the reading unit (omitted in the drawing). The material of the first electrode 10 is, for example, aluminum or an aluminum-containing material, or another metal material combined with the material.

第2電極7は、第1電極10に電圧を印加する電源とは異なる電源から第3半導体層8及び第4半導体層9に電圧を印加して駆動させるために設けられる。第3半導体層8及び第4半導体層9の間で光電変換した電荷を駆動・読み出し部(図面には省略)に送るために設けられている。第2電極7の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。 The second electrode 7 is provided to drive the third semiconductor layer 8 and the fourth semiconductor layer 9 by applying a voltage from a power source different from the power source for applying the voltage to the first electrode 10. It is provided to send the charge photoelectrically converted between the third semiconductor layer 8 and the fourth semiconductor layer 9 to the drive / read unit (omitted in the drawing). The material of the second electrode 7 is, for example, aluminum or an aluminum-containing material, or another metal material combined with the material.

第5半導体層11は、第1電極7とのコンタクト抵抗を下げるために設けられ、第2半導体層6に第2半導体層6よりも高濃度な不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばP、As、Sbである。 The fifth semiconductor layer 11 is provided to reduce the contact resistance with the first electrode 7, and is formed by ion-implanting impurities having a higher concentration than that of the second semiconductor layer 6 into the second semiconductor layer 6. Impurities are, for example, P, As, Sb.

第6半導体層12は、第5半導体層11の周辺に電界が集中しやすいので、これを防ぐために設けられ、第5半導体層11よりも高濃度な不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばP、As、Sbである。 Since the electric field tends to concentrate around the fifth semiconductor layer 11, the sixth semiconductor layer 12 is provided to prevent this, and is formed by ion-implanting impurities having a higher concentration than that of the fifth semiconductor layer 11. Impurities are, for example, P, As, Sb.

酸化膜22は、第1電極7及び第2電極10が周辺の配線と短絡しないように設けられている。酸化膜22の材料は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。 The oxide film 22 is provided so that the first electrode 7 and the second electrode 10 are not short-circuited with the surrounding wiring. The material of the oxide film 22 is, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film.

第1クエンチ抵抗15及び第2クエンチ抵抗16は、電圧降下を起こし、第1電極7、第2電極10から流れてくる電荷を収束させるために設けられる。 The first quench resistor 15 and the second quench resistor 16 are provided to cause a voltage drop and converge the electric charges flowing from the first electrode 7 and the second electrode 10.

裏面電極17は、第1半導体層5、第2半導体層6、第3半導体層8及び第4半導体層9に電圧を印加するために設けられる。裏面電極17の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料が用いられる。 The back surface electrode 17 is provided to apply a voltage to the first semiconductor layer 5, the second semiconductor layer 6, the third semiconductor layer 8, and the fourth semiconductor layer 9. As the material of the back electrode 17, for example, aluminum or an aluminum-containing material, or another metal material combined with the material is used.

グランド18は、電位差を発生させるために設けられる。 The ground 18 is provided to generate a potential difference.

保護層70は、電極7、10が外部と接触して短絡しないように保護する役割で設けられている。保護層70の材料は例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。 The protective layer 70 is provided to protect the electrodes 7 and 10 from coming into contact with the outside and short-circuiting. The material of the protective layer 70 is, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film.

短距離セル1と長距離セル2を有する光検出器の光検出動作を説明する。
それぞれのセルに含まれるAPDは、検出待機状態では、その降伏逆電圧よりも高い逆電圧が印加され、ガイガーモードと呼ばれる領域で動作させる。ガイガーモード動作時のAPDの利得は10〜106と非常に高いため、光子1個という微弱な光をも計測可能となる。このガイガーモードで放電する現象のことをガイガー放電という。
The photodetection operation of a photodetector having a short-distance cell 1 and a long-distance cell 2 will be described.
In the detection standby state, the APD included in each cell is applied with a reverse voltage higher than its breakdown reverse voltage, and operates in a region called Geiger mode. Since the gain of the APD during Geiger mode operation is very high and 105 to 106, it becomes possible to measure a weak light of one photon. The phenomenon of discharging in this Geiger mode is called Geiger discharge.

各APDには抵抗が直列に接続しており、光子1個が入射されガイガー放電した際に、抵抗による電圧降下によって、pn接合による増幅作用が終端するため、パルス状の電荷が得られる。この抵抗をクエンチ抵抗と呼ぶ。 A resistor is connected in series to each APD, and when one photon is incident and Geiger discharges, the voltage drop due to the resistor terminates the amplification action due to the pn junction, so that a pulsed charge is obtained. This resistance is called a quench resistance.

APDを併設接続したシリコンフォトマル(SiPM:Silicon Photomultipliers)では各APDがこの働きをするため、複数のAPDにおいてガイガー放電が生じた場合は、APD1つの電荷に対して、ガイガー放電したAPD数倍の電荷量またはパルス波高値の電荷が得られる。従って、電荷からガイガー放電したAPD数、つまりはSiPMに入射した光子数が計測できるため、光子1個1個の計測が可能となる。 In Silicon Photomultipliers (SiPM) with APD connected side by side, each APD performs this function, so if Geiger discharge occurs in multiple APDs, the charge of one APD is several times the APD discharged by Geiger. The amount of charge or the charge of the pulse peak value is obtained. Therefore, since the number of APDs discharged from the electric charge, that is, the number of photons incident on SiPM can be measured, it is possible to measure each photon individually.

図3は、n型不純物とp型不純物を同じ量を注入した際の、n型不純物濃度、p型不純物濃度と空乏層の関係を示す図である。n型不純物濃度、p型不純物濃度が高い場合を図3(a)、n型不純物濃度、p型不純物濃度が低い場合を図3(b)とする。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the n-type impurity concentration, the p-type impurity concentration and the depletion layer when the same amount of the n-type impurity and the p-type impurity is injected. The case where the n-type impurity concentration and the p-type impurity concentration are high is shown in FIG. 3 (a), and the case where the n-type impurity concentration and the p-type impurity concentration are low is shown in FIG. 3 (b).

一般に、pn接合は平衡状態のときに、n型不純物・p型不純物がイオン化しキャリアが結合して電荷が消滅することで、空乏層が発生する。この空乏層の長さは、図3(a)よりも図3(b)の方が長い。すなわち、n型不純物濃度、p型不純物濃度が高いほど空乏層の長さが小さくなり、空乏層の長さが小さいほど、電界が大きくなる。n型不純物濃度、p型不純物濃度の一方が高くなるだけでも電界が大きくなる。光検出器の感度に寄与するアバランシェ確率は、上述した電界に比例して大きくなるため、光検出器の感度が向上する。アバランシェ確率は、アバランシェ倍増する確率を示している。 In general, when the pn junction is in an equilibrium state, n-type impurities and p-type impurities are ionized, carriers are bonded, and the charge disappears, so that a depletion layer is generated. The length of this depletion layer is longer in FIG. 3 (b) than in FIG. 3 (a). That is, the higher the n-type impurity concentration and the p-type impurity concentration, the smaller the length of the depletion layer, and the smaller the length of the depletion layer, the larger the electric field. The electric field increases even if either the n-type impurity concentration or the p-type impurity concentration increases. Since the avalanche probability that contributes to the sensitivity of the photodetector increases in proportion to the electric field described above, the sensitivity of the photodetector is improved. The avalanche probability indicates the probability of doubling the avalanche.

次に、第1半導体層5と第2半導体層6の間(例えばpn接合、半導体層5、6の界面ともいう)付近のn型不純物濃度と、第3半導体層8と第4半導体層9の間(例えばpn接合、半導体層8、9の界面ともいう)付近のn型不純物濃度について、図4を用いて説明する。ここで、付近とは、pn接合によって形成される空乏層程度までを付近という。 Next, the n-type impurity concentration near between the first semiconductor layer 5 and the second semiconductor layer 6 (for example, pn junction, also referred to as the interface between the semiconductor layers 5 and 6), the third semiconductor layer 8 and the fourth semiconductor layer 9 The n-type impurity concentration near the space (for example, pn junction, also referred to as the interface between the semiconductor layers 8 and 9) will be described with reference to FIG. Here, the vicinity refers to the vicinity up to the depletion layer formed by the pn junction.

図4は、光入射側から基板側の深さにおける第1セル1と第2セル2のn型不純物濃度、p型不純物濃度分布を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing n-type impurity concentrations and p-type impurity concentration distributions of the first cell 1 and the second cell 2 at a depth from the light incident side to the substrate side.

図4(a)(b)に示すように、第1半導体層5と第3半導体層8は、本実施形態では同程度の不純物濃度であるため、pn接合付近のp型不純物濃度勾配はほぼ同じである。一方で、第2半導体層6と第4半導体層9のpn接合付近のn型不純物濃度勾配を比べると、第4半導体層8の方が大きい。すなわち、第2半導体層6と第4半導体層9のpn接合付近のn型不純物濃度を比べると、第4半導体層8の方が大きい。イオン注入の性質上、同量の不純物を注入する場合、不純物を浅く注入するよりも深く注入する方が不純物が拡散しやすい。pn接合が積層方向において深いほど、pn接合付近の不純物濃度勾配が小さくなる。したがって、上述した理由から不純物濃度勾配が大きい第4半導体層8をもつ第2セル2の方が第1セル1よりも電界が大きくなる。 As shown in FIGS. 4A and 4B, since the first semiconductor layer 5 and the third semiconductor layer 8 have the same impurity concentration in the present embodiment, the p-type impurity concentration gradient near the pn junction is almost the same. It is the same. On the other hand, when comparing the n-type impurity concentration gradients near the pn junction of the second semiconductor layer 6 and the fourth semiconductor layer 9, the fourth semiconductor layer 8 is larger. That is, when comparing the n-type impurity concentrations in the vicinity of the pn junction of the second semiconductor layer 6 and the fourth semiconductor layer 9, the fourth semiconductor layer 8 is larger. Due to the nature of ion implantation, when the same amount of impurities is implanted, the impurities are more likely to diffuse when the impurities are implanted deeper than when they are implanted shallowly. The deeper the pn junction is in the stacking direction, the smaller the impurity concentration gradient near the pn junction. Therefore, for the reason described above, the electric field of the second cell 2 having the fourth semiconductor layer 8 having a large impurity concentration gradient is larger than that of the first cell 1.

また、第1セル1と第2セル2ではpn接合を異なる深さに設けているため、電極7、10から正の電圧を印加すると、第1セル1では、正孔によって、アバランシェ増倍を起こし、第2セル2では、電子によってアバランシェ増倍を起こす。シリコンの場合、電子のイオン化率(α)と正孔のイオン化率(β)の大きさは、α>βであり、正孔よりも電子がアバランシェ増倍に寄与する割合が高くなる。したがって、第1セル1よりも第2セル2の方のアバランシェ確率が高くなる。 Further, since the pn junctions are provided at different depths in the first cell 1 and the second cell 2, when a positive voltage is applied from the electrodes 7 and 10, in the first cell 1, the avalanche is multiplied by the holes. In the second cell 2, the avalanche is multiplied by an electron. In the case of silicon, the magnitudes of the electron ionization rate (α) and the hole ionization rate (β) are α> β, and the proportion of electrons contributing to avalanche multiplication is higher than that of holes. Therefore, the avalanche probability of the second cell 2 is higher than that of the first cell 1.

このように異なる積層方向における深さにpn接合を設けることで異なる感度をもつ。 By providing pn junctions at depths in different stacking directions in this way, different sensitivities are obtained.

図5は、第1実施形態の光検出器を含む光検出装置100を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing a photodetector 100 including the photodetector of the first embodiment.

図5に示すように、短距離セル1は、分離部3の配線を介して短距離TOF処理部19(第1処理部ともいう)に接続する。短距離TOF処理部19は、短距離セル1からの電荷をTOFによって距離情報に算出する。算出した距離情報は、距離情報選別部21に送信される。また、長距離セル2は、分離部3の配線を介して長距離TOF処理部20(第2処理部ともいう)と接続する。長距離TOF処理部20は、長距離セル2からの電荷をTOFによって距離情報を算出する。算出した距離情報は、距離情報選別部21に送信される。距離情報選別部21は、短距離セル1の距離情報と長距離セル2の距離情報から、例えばSN比が高い方を選別する。この選別した距離情報を用いて画像を作成することができる。 As shown in FIG. 5, the short-distance cell 1 is connected to the short-distance TOF processing unit 19 (also referred to as the first processing unit) via the wiring of the separation unit 3. The short-distance TOF processing unit 19 calculates the electric charge from the short-distance cell 1 in the distance information by the TOF. The calculated distance information is transmitted to the distance information selection unit 21. Further, the long-distance cell 2 is connected to the long-distance TOF processing unit 20 (also referred to as a second processing unit) via the wiring of the separation unit 3. The long-distance TOF processing unit 20 calculates the distance information by TOF for the electric charge from the long-distance cell 2. The calculated distance information is transmitted to the distance information selection unit 21. The distance information selection unit 21 selects, for example, the one having the higher SN ratio from the distance information of the short-distance cell 1 and the distance information of the long-distance cell 2. An image can be created using this selected distance information.

本実施形態に係る光検出器は、被写体距離の長短に対応する長距離セル2と短距離セル1を備えることで、一般の光検出器が正確に光検出できない被写体距離範囲が広くても、正確に光検出する。 The photodetector according to the present embodiment includes a long-distance cell 2 and a short-distance cell 1 corresponding to the length of the subject distance, so that even if the subject distance range in which a general photodetector cannot accurately detect light is wide, Accurate light detection.

図5の例によらず、短距離セル1の距離情報と長距離セル2の距離情報を距離情報選別部21で合成して1つの画像としてしてもよい。その合成方法は、たとえば国際公開第2012/073722号公報に記載がある。 Regardless of the example of FIG. 5, the distance information of the short-distance cell 1 and the distance information of the long-distance cell 2 may be combined by the distance information selection unit 21 to form one image. The synthesis method is described in, for example, International Publication No. 2012/073722.

(第2の実施形態)
第1の実施形態と異なる点を説明する。
(Second embodiment)
The points different from the first embodiment will be described.

図6は、図1で示した光検出器のp−p´断面を示す図である。図6では、上方から光が入射するものとする。 FIG. 6 is a diagram showing a pp'cross section of the photodetector shown in FIG. In FIG. 6, it is assumed that light is incident from above.

図6に示すように本実施形態に係る光検出器は、第1の実施形態の第1半導体層5と第2半導体層6の間に第1半導体層5よりも不純物濃度が高い第7半導体層23が設けられた第1´セル200と、第3半導体層8と第3半導体層8の間に第3半導体層8よりも不純物濃度が高い第8半導体層24が設けられた第2´セル300と、を含む。 As shown in FIG. 6, the photodetector according to the present embodiment has a seventh semiconductor having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer 5 between the first semiconductor layer 5 and the second semiconductor layer 6 of the first embodiment. A second'cell 200 in which the layer 23 is provided and an eighth semiconductor layer 24 in which an eighth semiconductor layer 24 having a higher impurity concentration than the third semiconductor layer 8 is provided between the third semiconductor layer 8 and the third semiconductor layer 8 is provided. Includes cell 300 and.

第7半導体層23は第1半導体層5に第1半導体層5よりも高濃度の不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばBである。 The seventh semiconductor layer 23 is formed by ion-implanting impurities having a higher concentration than that of the first semiconductor layer 5 into the first semiconductor layer 5. The impurity is, for example, B.

第8半導体層24は第3半導体層8に第3半導体層8よりも高濃度の不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばBである。 The eighth semiconductor layer 24 is formed by ion-implanting impurities having a higher concentration than that of the third semiconductor layer 8 into the third semiconductor layer 8. The impurity is, for example, B.

図7は、光入射側から基板側の深さにおける第1´セル200と第2´セル300のn型不純物濃度、p型不純物濃度分布を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing n-type impurity concentrations and p-type impurity concentration distributions of the 1st cell 200 and the 2nd cell 300 at a depth from the light incident side to the substrate side.

図7(a)(b)に示すように、第7半導体層23と第8半導体層24を設けることでpn接合付近のp型不純物濃度勾配が第1の実施形態と比べると、大きくなる。したがって、第1の実施形態よりもアバランシェ確率を高くすることができる。 As shown in FIGS. 7A and 7B, by providing the 7th semiconductor layer 23 and the 8th semiconductor layer 24, the p-type impurity concentration gradient near the pn junction becomes larger than that in the first embodiment. Therefore, the avalanche probability can be made higher than that of the first embodiment.

本実施形態に係る光検出器は、第1半導体層5と第2半導体層6の間に第1半導体層5よりも不純物濃度が高い第7半導体層23と、第3半導体層8と第3半導体層8の間に第3半導体層8よりも不純物濃度が高い第8半導体層24が設けられており、第4半導体層9と第8半導体層24の間、及び第2半導体層6と第7半導体層23の間にpn接合を形成している。本実施形態の第1´セル200及び第2´セル300におけるpn接合付近のp型不純物濃度は、第1の実施形態の第1セル1及び第2セル2におけるpn接合付近のp型不純物濃度よりも大きくなる。したがって、本実施形態に係る光検出器は、上述した理由で電界が大きくなり、感度が向上する。 In the optical detector according to the present embodiment, the seventh semiconductor layer 23, the third semiconductor layer 8 and the third semiconductor layer 6 have a higher impurity concentration than the first semiconductor layer 5 between the first semiconductor layer 5 and the second semiconductor layer 6. An eighth semiconductor layer 24 having a higher impurity concentration than the third semiconductor layer 8 is provided between the semiconductor layers 8, between the fourth semiconductor layer 9 and the eighth semiconductor layer 24, and between the second semiconductor layer 6 and the third semiconductor layer 8. 7 A pn junction is formed between the semiconductor layers 23. The p-type impurity concentration near the pn junction in the first cell 200 and the second cell 300 of the present embodiment is the p-type impurity concentration near the pn junction in the first cell 1 and the second cell 2 of the first embodiment. Will be larger than. Therefore, in the photodetector according to the present embodiment, the electric field becomes large for the reason described above, and the sensitivity is improved.

(第3の実施形態)
図8は第3の実施形態に係るライダー装置5001を示す図である。
(Third Embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing a rider device 5001 according to a third embodiment.

本実施形態に係るライダー装置5001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などに応用できる。ライダー装置5001は、対象物501に対してレーザ光を投光する投光ユニットと、対象物501からのレーザ光を受光する受光ユニットと、レーザ光が対象物501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装置(図示せず)と、を備えている。 The rider device 5001 according to the present embodiment includes a line light source and a lens, and can be applied to a long-distance subject detection system and the like. The lidar device 5001 has a light projecting unit that projects laser light on the object 501, a light receiving unit that receives the laser light from the target object 501, and a time for the laser light to reciprocate to the target object 501. It is equipped with an optical flight time distance measuring device (not shown) that measures and converts it into distance.

投光ユニットにおいて、レーザ光発振器304はレーザ光を発振する。駆動回路303は、レーザ光発振器304を駆動する。光学系305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306を介して対象物501に照射する。ミラーコントローラ302は、ミラー306を制御して対象物501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 floodlight unit, the laser light oscillator 304 oscillates the laser light. The drive circuit 303 drives the laser light oscillator 304. The optical system 305 takes out a part of the laser beam as reference light, and irradiates the object 501 with the other laser beam through the mirror 306. The mirror controller 302 controls the mirror 306 to project laser light onto the object 501. Here, flooding means shining light.

受光ユニットにおいて、参照光用検出器309は、光学系305によって取り出された参照光を検出する。光検出器310は、対象物500からの反射光を受光する。距離計測回路308は、参照光用光検出器309が参照光を検出した時刻と、光検出器310が反射光を検出した時刻との差に基づいて、対象物501までの距離を計測する。画像認識システム307は、距離計測回路308で計測された結果に基づいて、対象物501を認識する。 In the light receiving unit, the reference light detector 309 detects the reference light extracted by the optical system 305. The photodetector 310 receives the reflected light from the object 500. The distance measuring circuit 308 measures the distance to the object 501 based on the difference between the time when the photodetector 309 for reference light detects the reference light and the time when the photodetector 310 detects the reflected light. The image recognition system 307 recognizes the object 501 based on the result measured by the distance measuring circuit 308.

ライダー装置5001は、レーザ光が対象物501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を採用した距離画像センシングシステムである。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310として第1の実施形態及び第2の実施形態に係る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、車向け障害物検知に用いることができる。 The lidar device 5001 is a distance image sensing system that employs an optical flight time ranging method that measures the time it takes for a laser beam to reciprocate to an object 501 and converts it into a distance. The lidar device 5001 is applied to an in-vehicle drive-assist system, remote sensing, and the like. When the photodetector according to the first embodiment and the second embodiment is used as the photodetector 310, good sensitivity is exhibited particularly in the near infrared region. Therefore, the lidar device 5001 can be applied to a light source in a wavelength band invisible to humans. The rider device 5001 can be used, for example, for detecting obstacles for automobiles.

図9は測定システムを説明するための図である。 FIG. 9 is a diagram for explaining a measurement system.

測定システムは、光検出器3001および光源3000を少なくとも含む。測定システムの光源3000は、測定対象となる物体500に光412を発する。光検出器3001は、物体500を透過あるいは反射、拡散した光413を検出する。 The measurement system includes at least a photodetector 3001 and a light source 3000. The light source 3000 of the measurement system emits light 412 to the object 500 to be measured. The photodetector 3001 detects the light 413 transmitted, reflected, and diffused through the object 500.

光検出器3001は、例えば、第1の実施形態及び第2の実施形態に係る光検出器を用いると、高感度な測定システムが実現する。 As the photodetector 3001, for example, when the photodetector according to the first embodiment and the second embodiment is used, a highly sensitive measurement system is realized.

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。この実施形態は、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。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. This embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as well as in the scope and gist of the description.

1・・短距離セル、2・・長距離セル、3・・分離部、4・・基板、5・・第1半導体層、6・・第2半導体層、7・・第1電極、8・・第3半導体層、9・・第4半導体層、10・・第2電極、11・・第5半導体層、12・・第6半導体層、15・・第1クエンチ抵抗、16・・第2クエンチ抵抗、17・・裏面電極、18・・グランド、19・・短距離TOF処理部、20・・長距離TOF処理部、21・・距離情報選別部、22・・酸化膜、23・・第7半導体層、24・・第8半導体層、70・・保護層、100・・光検出装置、200・・第1´セル、300・・第2´セル 1 ... Short-distance cell, 2 ... Long-distance cell, 3 ... Separation part, 4 ... Substrate, 5 ... 1st semiconductor layer, 6 ... 2nd semiconductor layer, 7 ... 1st electrode, 8 ...・ Third semiconductor layer, 9 ・ ・ 4th semiconductor layer, 10 ・ ・ 2nd electrode, 11 ・ ・ 5th semiconductor layer, 12 ・ ・ 6th semiconductor layer, 15 ・ ・ 1st quench resistance, 16 ・ ・ 2nd Quench resistance, 17 ... back electrode, 18 ... ground, 19 ... short-distance TOF processing unit, 20 ... long-distance TOF processing unit, 21 ... distance information sorting unit, 22 ... oxide film, 23 ... 7 semiconductor layer, 24 ... 8th semiconductor layer, 70 ... protective layer, 100 ... optical detector, 200 ... 1st cell, 300 ... 2nd cell

Claims (12)

入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第1セルと、
入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第2セルと、を具備し、
前記第1セルは、第1半導体層と、前記第1半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第2半導体層とを含み、
前記第2セルは、第3半導体層と、前記第3半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第4半導体層とを含み、
前記第3半導体層と前記第4半導体層の界面は前記第1半導体層と前記第2半導体層の界面よりも前記光の入射側に位置し、
前記第1セルは、入射する光量が所定の光量よりも多い場合において第1感度に光検出し、
前記第2セルは、入射する光量が所定の光量よりも少ない場合において第2感度に光検出する光検出器。
At least one first cell that converts the incident light into an electric charge,
It comprises at least one second cell, which converts the incident light into an electric charge.
The first cell includes a first semiconductor layer and a second semiconductor layer provided on the incident side of the light with respect to the first semiconductor layer.
The second cell includes a third semiconductor layer and a fourth semiconductor layer provided on the incident side of the light with respect to the third semiconductor layer.
The interface between the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer is located on the incident side of the light with respect to the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
The first cell detects light with the first sensitivity when the amount of incident light is greater than a predetermined amount of light.
The second cell is a photodetector that detects light with a second sensitivity when the amount of incident light is less than a predetermined amount of light.
前記第1セルと前記第2セルはガイガーモード動作するアバランシェフォトダイオードである請求項1記載の光検出器。 The photodetector according to claim 1, wherein the first cell and the second cell are avalanche photodiodes that operate in Geiger mode. 入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第1セルと、
入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第2セルと、を具備し、
前記第1セルは、第1半導体層と、前記第1半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第2半導体層とを含み、
前記第2セルは、第3半導体層と、前記第3半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第4半導体層とを含み、
前記第3半導体層と前記第4半導体層の界面は前記第1半導体層と前記第2半導体層の界面よりも前記光の入射側に位置し、
前記第1セルと前記第2セルはガイガーモード動作するアバランシェフォトダイオードである光検出器。
At least one first cell that converts the incident light into an electric charge,
It comprises at least one second cell, which converts the incident light into an electric charge.
The first cell includes a first semiconductor layer and a second semiconductor layer provided on the incident side of the light with respect to the first semiconductor layer.
The second cell includes a third semiconductor layer and a fourth semiconductor layer provided on the incident side of the light with respect to the third semiconductor layer.
The interface between the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer is located on the incident side of the light with respect to the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
The first cell and the second cell are photodetectors that are avalanche photodiodes that operate in Geiger mode.
前記第1セルと電気的に接続された第1クエンチ抵抗と、
前記第2セルと電気的に接続された第2クエンチ抵抗と、を具備する請求項2又は3に記載の光検出器。
A first quench resistor electrically connected to the first cell,
The photodetector according to claim 2 or 3 , further comprising a second quench resistor electrically connected to the second cell.
前記第1セルと前記第2セルの積層方向における厚さは、一様である請求項1からのいずれか1項に記載の光検出器。 The photodetector according to any one of claims 1 to 4 , wherein the thickness of the first cell and the second cell in the stacking direction is uniform. 前記光は、近赤外光である請求項1からのいずれか1項に記載の光検出器。 The photodetector according to any one of claims 1 to 5 , wherein the light is near infrared light. 前記第1セルと前記第2セルの間にセル同士が干渉しあわないために設けられる分離部を具備する請求項1からのいずれか1項に記載の光検出器。 The photodetector according to any one of claims 1 to 6 , further comprising a separating portion provided between the first cell and the second cell so that the cells do not interfere with each other. 前記第1半導体層と前記第3半導体層が同一の半導体層である請求項1からのいずれか1項に記載の光検出器。 The photodetector according to any one of claims 1 to 7 , wherein the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are the same semiconductor layer. 請求項1からのいずれか1項に記載の光検出器と、
前記第1セルからの電気信号から距離情報を算出する第1処理部と、
前記第2セルからの電気信号から距離情報を算出する第2処理部と、
前記第1処理部と前記第2処理部で算出した距離情報を選別する距離情報選別部と、を具備する光検出装置。
The photodetector according to any one of claims 1 to 8.
The first processing unit that calculates the distance information from the electric signal from the first cell, and
A second processing unit that calculates distance information from the electrical signal from the second cell,
An optical detection device including a first processing unit and a distance information sorting unit that sorts distance information calculated by the second processing unit.
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請求項1からのいずれか1項に記載の光検出器と、
を備えるライダー装置。
A light source that irradiates an object with light,
The photodetector according to any one of claims 1 to 8 , which detects the light reflected by the object.
Rider device equipped with.
入射した光を電荷に変換する少なくとも一つの第1セルと、入射した光を電荷に変換する少なくとも一つの第2セルと、を含む光検出器と、A photodetector comprising at least one first cell that converts incident light into an electric charge and at least one second cell that converts the incident light into an electric charge.
前記第1セルからの電気信号から距離情報を算出する第1処理部と、The first processing unit that calculates the distance information from the electric signal from the first cell, and
前記第2セルからの電気信号から距離情報を算出する第2処理部と、A second processing unit that calculates distance information from the electrical signal from the second cell,
前記第1処理部と前記第2処理部で算出した距離情報を選別する距離情報選別部と、を具備し、A distance information sorting unit for selecting the distance information calculated by the first processing unit and the second processing unit is provided.
前記第1セルは、第1半導体層と、前記第1半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第2半導体層とを含み、The first cell includes a first semiconductor layer and a second semiconductor layer provided on the incident side of the light with respect to the first semiconductor layer.
前記第2セルは、第3半導体層と、前記第3半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第4半導体層とを含み、The second cell includes a third semiconductor layer and a fourth semiconductor layer provided on the incident side of the light with respect to the third semiconductor layer.
前記第3半導体層と前記第4半導体層の界面は前記第1半導体層と前記第2半導体層の界面よりも前記光の入射側に位置し、The interface between the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer is located on the incident side of the light with respect to the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
前記第1セルと前記第2セルはアバランシェフォトダイオードである光検出装置。The first cell and the second cell are photodetectors that are avalanche photodiodes.
物体に光を照射する光源と、A light source that irradiates an object with light,
前記物体に反射された光を検出する光検出器と、を具備し、A photodetector that detects the light reflected by the object is provided.
前記光検出器は、入射した光を電荷に変換する少なくとも一つの第1セルと、入射した光を電荷に変換する少なくとも一つの第2セルと、を含み、The photodetector comprises at least one first cell that converts incident light into an electric charge and at least one second cell that converts the incident light into an electric charge.
前記第1セルは、第1半導体層と、前記第1半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第2半導体層とを含み、The first cell includes a first semiconductor layer and a second semiconductor layer provided on the incident side of the light with respect to the first semiconductor layer.
前記第2セルは、第3半導体層と、前記第3半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第4半導体層とを含み、The second cell includes a third semiconductor layer and a fourth semiconductor layer provided on the incident side of the light with respect to the third semiconductor layer.
前記第3半導体層と前記第4半導体層の界面は前記第1半導体層と前記第2半導体層の界面よりも前記光の入射側に位置し、The interface between the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer is located on the incident side of the light with respect to the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
前記第1セルと前記第2セルはアバランシェフォトダイオードであるライダー装置。The first cell and the second cell are lidar devices that are avalanche photodiodes.
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