JP7325067B2 - 光検出器 - Google Patents
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Description
[固体撮像素子及び画素アレイ部の構成]
図1は、本実施形態に係る固体撮像素子の平面図を、図2は、画素アレイ部の平面図を、図3は、図2のIII-III線での断面模式図をそれぞれ示す。なお、説明の便宜上、図1~3において、固体撮像素子100内部のコンタクトや層間絶縁層や配線の図示及び説明を省略する。また、図2において、画素アレイ部120に含まれるAPD31の個数は、実際のものとは異なっている。APD31は少なくとも2個以上あればよい。
|V2|=V22+|Vrev| ・・・(2)
なお、第1及び第2逆バイアスV1,V2は、ゼロまたは正電圧である。
第1主面S1から入射した光は、APD31の第1半導体層10に吸収されて光電変換され、キャリアである電子正孔対が発生する。発生したキャリアのうちの電子は、電位勾配に沿って第1主面S1側にドリフトし、アバランシェ増倍領域33に到達する。一方、発生したキャリアのうちの正孔は、増倍されることなく裏面電極40に排出される。
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像素子(光検出器)100は、少なくとも2以上のAPD31が基板110に形成されており、隣接するAPD31の間は分離領域13によって分離されている。
図6は、本変形例に係る画素アレイ部の断面模式図を示す。図7は、図6のD-D線及びE-E線に沿った不純物濃度プロファイルを、図8は、図6のD-D線及びE-E線に沿ったポテンシャルプロファイルをそれぞれ示す。なお、図6は、図3相当図である。
図9は、本変形例に係る画素アレイ部の断面模式図を、図10は、図9のF-F線及びG-G線に沿った不純物濃度プロファイルをそれぞれ示す。なお、図9は、図3相当図である。
[画素アレイ部の平面構成]
図11は、本実施形態に係る画素アレイ部の平面図を示す。
図12は、本実施形態に係る固体撮像素子の回路構成を、図13は、画素回路の駆動タイミングチャートの一例をそれぞれ示す。
図14は、図11のXIV-XIV線での断面模式図を、図15は、画素アレイ部の各部の不純物濃度プロファイルをそれぞれ示す。図15に示す不純物濃度プロファイルは、Z方向のプロファイルである。また、図15において、APD31と第1領域32と画素回路領域150の不純物濃度プロファイルをまとめて図示している。
図16Aは、本変形例に係る画素アレイ部の平面図を、図16Bは、別の画素アレイ部の平面図をそれぞれ示す。
図17は、本変形例に係る画素アレイ部及び電界緩和領域の平面図を示し、図18は、図17のXVIII-XVIII線での断面模式図を示す。
図22は、本実施形態に係る距離測定システムの概略構成図を示し、距離測定システム1000は、発光部1100と受光部1200と制御部1300と出力部1400とを備えている。
各実施形態及び各変形例に示す各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、変形例4に示す第10半導体層27を、実施形態1,2や変形例1~3に示す第1領域32に設けるようにしてもよい。
11 第2半導体層(p型エピタキシャル層)
12 第3半導体層
13 分離領域
14 第11半導体層
15,15a 第9半導体層(Pウェル)
16 第12半導体層
21 第4半導体層
22,22a 第5半導体層
23 第6半導体層
24 第7半導体層
25 第8半導体層
26 Nウェル(回路ウェル)
27 第10半導体層
30 APD(アバランシェフォトダイオード)アレイ
31 APD
32 第1領域(PN接合構造)
32a 枠状領域
32b ダミーAPD
32c ダミー画素回路領域
33 APDのアバランシェ増倍領域
34 第1領域のアバランシェ増倍領域(第1領域のPN接合構造のPN接合領域)
40 裏面電極
50 電界緩和領域
51 STI(シャロートレンチアイソレーション)
100 固体撮像素子(光検出器)
110 基板(半導体基板)
120 画素アレイ部
121 画素
130 第1周辺回路部
131 読み出し回路
132 水平走査回路
133 バッファアンプ
140 第2周辺回路部
141 垂直走査回路
150 画素回路領域
201 光検出部(APD)
202 転送トランジスタ
203 リセットトランジスタ
204 ソースフォロワトランジスタ
205 選択トランジスタ
206 浮遊拡散容量(フローティング ディフュージョン)
207 水平信号線
208 垂直信号線
1000 距離測定システム
1100 発光部
1200 受光部
1300 制御部
1400 出力部
S1 基板の第1主面
S2 基板の第2主面
Claims (14)
- 少なくとも2以上のアバランシェフォトダイオード(APD)が半導体基板に形成された光検出器であって、
平面視において、前記APDの外側に第1領域が配置され、
隣接する前記APD及び前記第1領域の間は分離領域によって分離され、
前記APDは、前記半導体基板に含まれる第2導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層に接する第1導電型の第4半導体層とで構成され、
前記第1領域は、前記第1半導体層と、前記第1半導体層に接する第1導電型の第5半導体層とで構成され、
前記APDの前記第4半導体層には第1の電圧が印加され、前記第1領域の前記第5半導体層には第2の電圧が印加され、
前記第1の電圧は、前記第2の電圧よりも高く、
前記APDに印加される第1逆バイアスと前記第1領域に印加される第2逆バイアスとの差は、前記分離領域と前記第1領域とのポテンシャルの差分よりも小さく、
前記分離領域は、前記半導体基板の第1主面において少なくとも一部が空乏化しており、
前記分離領域には、前記分離領域に接続されるコンタクトが配置されず、また、前記分離領域の表面から内部に向かうトレンチが形成されていない、光検出器。 - 前記第1逆バイアスと前記第2逆バイアスとの差は、前記APDの動作時に印加される電圧の絶対値と前記APDのブレークダウン電圧の絶対値との差である余剰バイアス電圧よりも大きい、請求項1に記載の光検出器。
- 前記第1領域のブレークダウン電圧の絶対値は、前記APDのブレークダウン電圧の絶対値よりも大きい、請求項1または2に記載の光検出器。
- 前記第1領域のPN接合境界は、前記APDのPN接合境界よりも前記半導体基板の内部に位置している、請求項3に記載の光検出器。
- 前記第1領域のブレークダウン電圧の絶対値と前記APDのブレークダウン電圧の絶対値との差は、前記APDの動作時に印加される電圧の絶対値と前記APDのブレークダウン電圧の絶対値との差である余剰バイアス電圧よりも大きい、請求項3または4に記載の光検出器。
- 前記光検出器は、さらに画素回路領域を備え、
前記画素回路領域は、回路ウェルを有しており、
前記回路ウェルと前記第1半導体層との間のブレークダウン電圧の絶対値は、前記APDのブレークダウン電圧の絶対値よりも大きい、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光検出器。 - 前記第1領域のブレークダウン電圧は、前記回路ウェルと前記第1半導体層との間のブレークダウン電圧と同じである、請求項6に記載の光検出器。
- 前記回路ウェルは、前記半導体基板に形成された第2導電型の第7半導体層と、前記第7半導体層と接する第2導電型の第8半導体層とで構成され、
前記第5半導体層の不純物濃度は、前記第7半導体層の不純物濃度と同じであり、
前記半導体基板の第1主面を基準として、前記第5半導体層の深さは、前記第7半導体層の深さと同じである、請求項6に記載の光検出器。 - 前記第1領域は、平面視において、1または複数の前記APDを囲んで枠状に形成されている、請求項1ないし8のいずれか1項に記載の光検出器。
- 前記第1領域は、前記第1半導体層との接合面近傍で、隣接する前記APDと反対側に張り出して延びる第2導電型の第10半導体層をさらに有している、請求項1ないし9のいずれか1項に記載の光検出器。
- 前記第1領域の外側に電界緩和領域をさらに備え、
前記電界緩和領域の不純物濃度は、前記第1半導体層の不純物濃度よりも低く、
前記電界緩和領域の表面にはシリサイドが形成されていない、請求項1ないし10のいずれか1項に記載の光検出器。 - 前記電界緩和領域の表面の大部分は、シャロートレンチアイソレーション(STI)で覆われている、請求項11に記載の光検出器。
- 前記APDをガイガー増倍モードで動作させ、
前記APDは、光検出の際に、少なくとも一時的には容量のみに接続される、請求項1ないし12のいずれか1項に記載の光検出器。 - 前記第1領域は抵抗に直列接続される、請求項13に記載の光検出器。
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