JP7178613B2 - 光検出器 - Google Patents
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Description
CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)イメージセンサなどの光検出器を高感度化するための素子として、高電界が発生するPN接合を有し、アバランシェ増倍を利用したアバランシェフォトダイオードが知られている(例えば、特許文献1参照)。
以下、実施の形態1に係る光検出器について、図面を参照しながら説明する。
図1は、実施の形態1に係る光検出器1の分解斜視図である。図2は、実施の形態1に係る光検出器1の平面図である。図1及び図2において、直接視認することができない要素の一部について、あたかも視認できるかの如く破線にて図示されている。
以下、画素アレイ10の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
上記構成の光検出器1によると、第1分離部16と第2分離部17とを分離して配置することができる。これにより、第2半導体層13と第1半導体領域14との接合面への電気的な影響が比較的小さくなる位置に、第1分離部16と第2分離部17とを分離して形成することができる。このため、第1分離部16と第2分離部17とからの電気的な影響による、各画素11における増倍領域15の面積の制限を抑制することができる。従って、光検出器1によると、光子検出効率を向上することができる。
以下、実施の形態1に係る光検出器1から、その構成の一部が変更されて構成される変形例1に係る光検出器について説明する。
変形例1に係る光検出器は、光検出器1から、第1半導体層12が、変形例1に係る第1半導体層に変更されて構成される。そして、この変更に伴って、画素11が変形例1に係る画素に変更され、画素アレイ10が変形例1に係る画素アレイに変更されている。
上記構成の変形例1に係る光検出器によると、第1半導体層12Xのうち、第1半導体領域14との接合面から、半導体基板18の近傍までの空乏層が形成される領域において、下方側から上方側への電界が形成される。そして、この電界により、第1半導体層12X内の少数キャリアの電荷の、下方側から上方側へ向けてのドリフト速度が増加する。このように、第1半導体層12Xに形成される空乏層の電界の勾配は、第1半導体層12X内の少数キャリアの電荷のドリフトに対して、第1半導体層12における不純物濃度の勾配と同様に作用する。
以下、実施の形態1に係る光検出器1から、その構成の一部が変更されて構成される変形例2に係る光検出器について説明する。
変形例2に係る光検出器は、光検出器1から、第2分離部17が、変形例2に係る第2分離部に変更されて構成される。そして、この変更に伴って、画素11が変形例2に係る画素に変更され、画素アレイ10が変形例2に係る画素アレイに変更されている。
上記構成の変形例2に係る光検出器によると、増倍領域15の電界均一性を保つために、第2分離部17Yの上方側の面の分離幅を狭くし、隣接する画素11Yとの電気的分離能力を高めるために、第2分離部17Yの下方側の面の分離幅を広くすることができる。
以下、実施の形態1に係る光検出器1から、その構成の一部が変更されて構成される実施の形態2に係る光検出器について説明する。
実施の形態1に係る光検出器1は、アバランシェフォトダイオードが形成された第1半導体チップ100の表面に、フリップされた、ロジック回路が形成された第2半導体チップ200の表面が接合されて構成される例であった。
上記構成の光検出器1Aによると、フォトダイオード領域41は、実施の形態1に係る画素11と同様に機能する。従って、光検出器1Aによると、実施の形態1に係る光検出器1と同様の効果を得ることができる。
以下、実施の形態2に係る光検出器1Aから、その構成の一部が変更されて構成される変形例3に係る光検出器について説明する。
変形例3に係る光検出器は、光検出器1Aから、第2分離部17Aが、変形例3に係る第2分離部に変更されて構成される。そして、この変更に伴って、画素11Aが変形例3に係る画素に変更され、画素アレイ10Aが、変形例に係る画素アレイに変更されている。
上記構成の変形例3に係る光検出器において、第2分離部17Bは、変形例3に係る画素アレイの平面視において、回路領域42Bの少なくとも一部に重なる。このため、第1半導体層12内で光電効果により生成された電荷は、回路領域42Bへの熱拡散が抑制される。これにより、第1半導体層12内で光電効果により生成された電荷による、回路領域42Bに形成される画素回路への侵入が抑制される。従って、変形例3に係る光検出器によると、光子検出を行う際の検出精度を向上することができる。
以下、変形例3に係る光検出器から、その構成の一部が変更されて構成される変形例4に係る光検出器について説明する。
変形例4に係る光検出器は、変形例3に係る光検出器から、変形例3に係る第2分離部17Yが、変形例4に係る第2分離部に変更されて構成される。そして、この変更に伴って、変形例3に係る画素が変形例4に係る画素に変更され、変形例3に係る画素アレイが変形例4に係る画素アレイに変更されている。
上記構成の変形例4に係る光検出器によると、実効的な増倍領域15を狭めても、検出効率を低下させない。これにより、フォトダイオードを小さく形成することができる。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1~実施の形態2、及び、変形例1~変形例4について説明した。しかしながら、本開示による技術は、これらに限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態又は変形例にも適用可能である。
10、10A 画素アレイ
11、11A、11B、11X、11Y 画素
12 第1半導体層
13 第2半導体層
14 第1半導体領域
15、15X、15Y 増倍領域
15A 電界均一領域
16、16A 第1分離部
17、17A、17B、17Y、17Z 第2分離部
18 半導体基板
41、41B フォトダイオード領域
42、42B 回路領域
51 第1絶縁層
52 光導波路
53 配線
54 マイクロレンズ
57 第2絶縁層
100 第1半導体チップ
200 第2半導体チップ
300 第3半導体チップ
Claims (9)
- アバランシェフォトダイオードからなる複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイを備える光検出器であって、
前記複数の画素のそれぞれは、
第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上方に位置する、前記第1半導体層よりも不純物濃度が低い前記第1導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層に形成された、前記第1半導体層と接合する、前記第1導電型と異なる第2導電型の第1半導体領域と、を含み、
前記第1半導体層及び前記第1半導体領域は、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される増倍領域を形成し、
前記画素アレイは、前記第2半導体層に形成された前記第1導電型の第1分離部と、前記第1半導体層に形成された前記第1導電型の第2分離部とを含み、
(a)前記第1分離部の不純物濃度が前記第2半導体層の不純物濃度よりも不純物濃度が高く、
(b)前記第2分離部の不純物濃度が前記第1半導体層の不純物濃度よりも不純物濃度が高く、
(c)前記第1分離部は、前記画素アレイの平面視において、前記第1半導体領域の周囲を囲み、
(d)前記第2分離部は、前記第1分離部と離れて形成され、
(e)前記第2分離部は、前記画素アレイの平面視において、前記増倍領域の少なくとも一部に重なり、かつ、前記増倍領域のうちの、外縁領域を除く、電界が均一に形成される領域である電界均一領域の少なくとも一部に重ならない
光検出器。 - 前記第2分離部は、前記第2分離部と同じ深さにおける、前記第1半導体層の前記第2分離部が形成されていない領域よりも不純物濃度が高い
請求項1に記載の光検出器。 - 前記第2分離部は、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記画素アレイの平面視で、前記第1半導体領域の少なくとも一部に重なる
請求項1又は2に記載の光検出器。 - 前記第2分離部は、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記画素アレイの平面視で、前記第1半導体領域のうち、電界が均一に形成される電界均一領域の少なくとも一部に重ならない
請求項3に記載の光検出器。 - 前記第1半導体層は、増倍領域を形成する上方側で不純物濃度が高く、下方側は不純物濃度が上方と同じもしくは低くなる
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光検出器。 - 前記第1半導体層は、上方側から下方側へ向けて、不純物濃度が高くなる
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光検出器。 - 前記画素は、1以上のトランジスタを有する、前記第2半導体層に形成された回路領域を含み、
前記第2分離部は、前記画素アレイの平面視において、前記回路領域の少なくとも一部と重なる
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の光検出器。 - 前記第2分離部は、上方側から下方側へ向けて、前記画素アレイに平行な断面が広がっている
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の光検出器。 - 前記第2分離部は、下方側から上方側へ向けて、前記画素アレイに平行な断面が広がっている
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の光検出器。
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