KR102653478B1 - 단일 광자 검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

단일 광자 검출 소자는 제1 웰, 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역, 고농도 도핑 영역의 측면 상에 제공되는 가드링, 및 가드링에 삽입되는 절연 패턴을 포함하되, 제1 웰은 제1 도전형을 가지고, 고농도 도핑 영역 및 가드링은 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가진다.

Description

단일 광자 검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치{SINGLE PHOTON DETECTION ELEMENT, ELECTRONIC DEVICE, AND LiDAR DEVICE}
본 개시는 단일 광자 검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치에 관한 것이다.
아발란치 포토다이오드(avalanche photodiode, APD)는 아발란치 증배(avalanche multiplication)로 인한 높은 첫 단계 이득을 제공하기 위해 높은 바이어스 전압이 pn 접합부에 인가되는 고체 상태(solid-state) 광 검출기이다. 전자를 방출하기에 충분한 에너지를 가진 입사 광자가 포토다이오드에 도달하면 전자-정공쌍(electron-hole pair: EHP)이 생성된다. 높은 전기장은 광 생성(photo-generated) 전자를 (+) 쪽으로 빠르게 가속하며, 이렇게 가속된 전자에 의한 충격 이온화(impact ionization)에 의해 추가의 전자-정공쌍들이 연달아 생성되게 되고, 그 다음에 이러한 전자 모두가 양극 쪽으로 가속된다. 이와 유사하게 정공도 (-) 쪽으로 빠르게 가속되며 동일한 현상을 일으킨다. 이러한 프로세스는 출력 전류 펄스 및 광 생성 전자의 아발란치 증배로 이어지는 과정을 반복한다. 따라서 APD는 광전자증배관(photomultiplier tubes)과 유사하게 동작하는 반도체 기반의 소자이다. 선형 모드 APD는 바이어스 전압을 제어하여 이득을 설정하고 선형 모드에서 수십~수천의 이득을 얻을 수 있는 효과적인 증폭기이다.
단일 광자 아발란치 다이오드(single-photon avalanched diode, SPAD)는 가이거(Geiger) 모드에서 동작하도록 p-n 접합부가 그 항복 전압 이상으로 바이어싱되는 APD로서, 단일 입사 광자가 아발란치 현상을 트리거(trigger)하며 매우 큰 전류를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 ?칭 저항(quenching resistor) 혹은 ?칭 회로(quenching circuit) 등과 함께 쉽게 측정 가능한 펄스 신호를 얻을 수 있다. 즉, SPAD는 선형 모드 APD와 비교하여 큰 펄스 신호를 생성하는 장치로 동작한다. 아발란치를 트리거링 한 후에, 아발란치 프로세스를 ?칭하기 위해 항복 전압 이하로 바이어스 전압을 감소시키도록 ?칭 저항 혹은 회로(quenching resistor or circuit)가 사용된다. 일단 ?칭되면 또 다른 광자의 검출을 위해 SPAD가 리셋되도록 바이어스 전압이 항복 전압 이상으로 다시 상승된다. 위와 같은 과정은 SPAD를 재-바이어싱하는 것으로 지칭될 수 있다.
APD 또는 SPAD는 제조 공정에 따른 결함을 가질 수 있다. APD 또는 SPAD의 결함은 전자를 생성할 수 있다. 예를 들어, STI(Shallow Trench Isolation) 형성에 따른 결함에 의해 전자가 생성될 수 있다. 결함에 의해 생성된 전자는 APD 또는 SPAD 내의 공핍 영역(R1)(또는 증배 영역)에서 증배될 수 있다. 이에 따라, 노이즈 신호가 크게 발생될 수 있다. 또한 결함에 의해 생성된 전자는 APD 또는 SPAD에 광자가 입사되지 않았음에도 아발란치가 발생하는 애프터 펄스(after pulse) 현상의 원인이 될 수 있다. 애프터 펄스 현상이 발생할 것으로 예상되는 경우, 이에 의한 영향을 방지하기 위해 APD 또는 SPAD가 하나의 광자를 검출하고 다음 광자를 검출하기 위한 준비 시간인 데드타임(dead time)을 증가시켜야 할 수 있다. 이 경우 APD 또는 SPAD 동작시 프레임 레이트(frame rate) 혹은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)가 감소할 수 있다.
해결하고자 하는 과제는 개선된 안정성을 갖고, 노이즈 발생이 감소 또는 방지된 특성을 갖는 단일 광자 검출 소자를 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 애프터 펄스 현상이 감소 또는 방지되는 단일 광자 검출 소자를 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 짧은 데드타임을 갖는 단일 광자 검출 소자를 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 가드링 성능이 향상된 단일 광자 검출 소자를 제공하는 것에 있다.
해결하자고 하는 과제는 필팩터(fill factor) 혹은 효율이 향상된 단일 광자 검출 소자를 제공하는 것에 있다.
다만, 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
일 측면에 있어서, 제1 웰; 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 상기 고농도 도핑 영역의 측면 상에 제공되는 가드링; 및 상기 가드링에 삽입되는 절연 패턴;을 포함하되, 상기 제1 웰은 제1 도전형을 가지고, 상기 고농도 도핑 영역 및 상기 가드링은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 단일 광자 검출 소자가 제공될 수 있다.
상기 절연 패턴은 상기 가드링에 의해 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격될 수 있다.
상기 가드링은 상기 고농도 도핑 영역에 접할 수 있다.
상기 제1 웰과 상기 고농도 도핑 영역 사이에 제공되는 제2 웰;을 더 포함하되, 상기 제2 웰은 상기 제1 도전형을 가질 수 있다.
상기 가드링은 상기 제2 웰의 측면 상으로 연장할 수 있다.
상기 가드링의 바닥면은 상기 제2 웰의 바닥면과 상면 사이의 깊이에 위치할 수 있다.
상기 제2 웰은 상기 가드링의 상기 바닥면 상으로 연장할 수 있다.
상기 가드링의 바닥면은 상기 제2 웰의 바닥면과 동일한 깊이에 위치할 수 있다.
상기 고농도 도핑 영역은 상기 제2 웰의 측면으로부터 돌출될 수 있다.
상기 고농도 도핑 영역의 일 측면과 이에 바로 인접하는 상기 제2 웰의 일 측면은 서로 공면을 이룰 수 있다.
상기 가드링에 대해 상기 고농도 도핑 영역의 반대편에 제공되는 콘택;을 더 포함하되, 상기 콘택은 상기 제1 도전형을 가질 수 있다.
상기 콘택에 대해 상기 가드링의 반대편에 제공되는 소자 분리 영역;을 더 포함할 수 있다.
본 개시는 개선된 안정성을 갖고, 노이즈 발생이 감소 또는 방지된 특성을 갖는 단일 광자 검출 소자를 제공할 수 있다.
본 개시는 애프터 펄스 현상이 감소 또는 방지되는 단일 광자 검출 소자를 제공할 수 있다.
본 개시는 짧은 데드타임을 갖는 단일 광자 검출 소자를 제공할 수 있다.
본 개시는 가드링 성능이 향상된 단일 광자 검출 소자를 제공할 수 있다.
본 개시는 필팩터(fill factor) 혹은 효율이 향상된 단일 광자 검출 소자를 제공할 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 2는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선을 따른 단면도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 9는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 10은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 11은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 12는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 13은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 14는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 15는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 16은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 17은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 18은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 19는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 20은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 21은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 22는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 23은 도 22의 단일 광자 검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 25는 도 24의 단일 광자 검출 소자의 C-C'선에 대응하는 단면도이다.
도 26은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 27은 도 26의 단일 광자 검출 소자의 D-D'선에 대응하는 단면도이다.
도 28은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 29는 도 28의 단일 광자 검출 소자의 E-E'선에 대응하는 단면도이다.
도 30은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 31은 도 29의 단일 광자 검출 소자의 F-F'선에 대응하는 단면도이다.
도 32는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다.
도 33은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다.
도 34는　예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다.
도 35는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기 어레이의 평면도이다.
도 36 내지 도 38은 도 35의 G-G'선을 따른 단면도들이다.
도 39는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 40 및 도 41은 예시적인 실시예에 따른 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 도 2는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선을 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(10)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(10)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)일 수 있다. 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)는 가이거 모드 아발란치 다이오드(Geiger-mode APD, G-APD)로 지칭될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(10)는 기판 영역(102), 제1 웰(104), 제2 웰(106), 고농도 도핑 영역(108), 절연 패턴(109), 가드링(110), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)을 포함할 수 있다. 제1 웰(104), 제2 웰(106), 고농도 도핑 영역(108), 가드링(110), 완화 영역(112), 및 콘택(114)은 반도체 기판(예를 들어, 실리콘(Si) 기판)에 불순물이 주입되어 형성될 수 있다. 절연 패턴(109) 및 소자 분리 영역(116)은, 예를 들어, 반도체 기판이 식각되어 형성된 리세스 영역에 절연 물질을 채우는 공정에 의해 형성될 수 있다. 절연 패턴(109) 및 소자 분리 영역(116)은 STI(Shallow Trench Isolation)일 수 있다. 일 예에서, 대략 180nm ~ 250nm 이하의 CMOS 공정에서는 서로 인접한 활성 영역들 사이에 자동으로 STI(shallow trench isolation)가 생성되며, 소자 분리 영역(116)은 STI일 수 있다. 기판 영역(102)은 제1 웰(104), 제2 웰(106), 고농도 도핑 영역(108), 절연 패턴(109), 가드링(110), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)을 제외한 반도체 기판의 나머지 부분일 수 있다.
기판 영역(102)은 실리콘(Si), 저마늄(Ge), 또는 실리콘 저마늄(SiGe)을 포함할 수 있다. 기판 영역(102)의 도전형은 n형 또는 p형일 수 있다. 기판 영역(102)의 도전형이 n형인 경우, 5족 원소(예를 들어, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등), 6족, 또는 7족 원소를 불순물로 포함할 수 있다. 이하에서, 도전형이 n형인 영역은 5족, 6족, 또는 7족 원소를 불순물을 포함할 수 있다. 기판 영역(102)의 도전형이 p형인 경우, 기판 영역(102)은 3족 원소(예를 들어, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등) 또는 2족 원소를 불순물로 포함할 수 있다. 이하에서, 도전형이 p형인 영역은 3족 또는 2족 원소를 불순물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 영역(102)의 도핑 농도는 1x1014 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다. 반도체 기판은 에피택시 성장(epitaxial growth) 공정에 의해 형성되는 에피 층(epi layer)일 수 있다.
제1 웰(104)은 기판 영역(102) 상에 제공될 수 있다. 제1 웰(104)은 기판 영역(102)에 직접 접할 수 있다. 제1 웰(104)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 웰(104)의 도전형은 n형 또는 p형일 수 있다. 예를 들어, 제1 웰(104)의 도핑 농도는 1x1014 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다. 일 예에서, 제1 웰(104)의 도핑 농도는 제1 웰(104) 내에서 연속적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 제1 웰(104)의 도핑 농도는 단일 광자 검출 소자(10)의 상면에 가까울수록 작아질 수 있다. 일 예에서, 제1 웰(104)은 균일한 도핑 농도를 가질 수 있다. 제1 웰(104)의 상면이 단일 광자 검출 소자(10)의 상면과 실질적으로 동일한 높이까지 배치된 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 제1 웰(104)의 상면은 단일 광자 검출 소자(10)의 상면 아래(예를 들어, 단일 광자 검출 소자(10)의 상면과 제2 웰(106)의 바닥면 사이의 높이)에 배치될 수 있다.
제2 웰(106)은 제1 웰(104) 상에 제공될 수 있다. 제2 웰(106)은 제1 웰(104)에 직접 접할 수 있다. 제2 웰(106)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 일 예에서, 제2 웰(106)의 도핑 농도는 균일할 수 있다. 일 예에서, 제2 웰(106)의 도핑 농도는 제2 웰(106) 내에서 연속적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 제2 웰(106)의 도핑 농도는 1x1014 ~ 1x1019 cm-3 일 수 있다. 도핑 농도는 제1 웰(104)과 제2 웰(106)의 경계에서 불연속적으로 변할 수 있다.
고농도 도핑 영역(108)은 제2 웰(106) 상에 제공될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)은 제2 웰(106)의 상면 상에 제공될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)은 제2 웰(106)에 접할 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 폭은 제2 웰(106)의 폭보다 클 수 있다. 고농도 도핑 영역(108) 및 제2 웰(106)의 폭은 기판의 상면에 평행한 방향을 따르는 고농도 도핑 영역(108) 및 제2 웰(106)의 크기일 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 단부는 제2 웰(106)의 측면으로부터 돌출될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)은 후술되는 가드링(110) 사이에서 노출될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)은 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1022 cm-3일 수 있다. 단일 광자 검출 소자(10)가 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)인 경우, 고농도 도핑 영역(108)은 ?칭 저항(quenching resistor)(또는 ?칭 회로(quenching circuit)) 및 기타 픽셀 회로(pixel circuit) 중 적어도 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. ?칭 저항 또는 ?칭 회로는 아발란치 효과를 중단시키고 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)가 또 다른 광자를 검출할 수 있도록 구성될 수 있다. 기타 픽셀 회로는, 예를 들어, 리셋 혹은 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭 회로, 카운터, 게이트 회로, 시간-디지털 변환기(time-to-digital converter) 등을 포함할 수 있다. 기타 픽셀 회로는 단일 광자 검출 소자(10)에 신호를 전송하거나, 단일 광자 검출 소자(10)로부터 신호를 수신할 수 있다. 일 예에서, 고농도 도핑 영역(108)은 외부 전원 혹은 DC-DC 컨버터(DC-to-DC converter) 및 기타 전원 관리 직접 회로(power management integrated circuit)에 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 웰(106)과 고농도 도핑 영역(108)의 계면에 인접한 영역에 공핍 영역(depletion region)(R1)이 형성될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(10)에 역 바이어스가 인가되는 경우, 공핍 영역(R1)에 강한 전기장이 형성될 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 검출 소자(10)가 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)로서 동작하는 경우, 전기장의 최대 세기는 약 1x105 ~ 1x106 V/cm일 수 있다. 공핍 영역(R1)의 전기장에 의해 전자가 증배될 수 있으므로, 공핍 영역(R1)은 증배 영역(multiplication region)으로 지칭될 수 있다.
절연 패턴(109)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 절연 패턴(109)은 고농도 도핑 영역(108)의 측면을 따라 연장하는 고리 형상을 가질 수 있다. 절연 패턴(109)이 고농도 도핑 영역(108)으로부터 이격되는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 절연 패턴(109)은 고농도 도핑 영역(108)에 직접 접할 수 있다. 절연 패턴(109)은 고농도 도핑 영역(108)의 상면과 동일한 높이부터 일정 깊이까지 형성될 수 있다. 절연 패턴(109)의 깊이는 필요에 따라 결정될 수 있다. 절연 패턴(109)은 가드링(110)에 삽입될 수 있다. 절연 패턴(109)은 전기 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연 패턴(109)은 실리콘 산화물(예를 들어, SiO2), 실리콘 질화물(예를 들어, SiN), 실리콘 산질화물(예를 들어, SiON), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 예에서, 절연 패턴(109)은 반도체 기판의 일부를 식각한 후 식각된 영역을 절연 물질로 채우는 것에 의해 형성된 STI(shallow trench Isolation)일 수 있다. 절연 패턴(109)은 아발란치 효과를 일으키는 임계 전계(critical E-field)의 크기가 반도체 기판보다 높을 수 있다. 이에 따라, 절연 패턴(109)은 고농도 도핑 영역(108)의 가장 자리에 전계가 집중되는 것을 완화하여, 조기항복현상(premature breakdown)을 줄이거나 방지할 수 있다. 조기항복현상은 공핍 영역(R1)에 충분한 크기의 전기장이 인가되기 전에 고농도 도핑 영역(108)의 모퉁이에서 먼저 항복현상이 발생하는 것으로, 고농도 도핑 영역(108)의 모퉁이에 전계가 집중됨에 따라 발생한다. 또한 절연 패턴(109)은 표면 노이즈 성분의 영향을 줄이거나 방지할 수 있다. 또한 절연 패턴(109)은 하단 영역의 도핑을 효과적으로 줄일 수 있다. 예를 들어 절연 패턴(109)을 형성해줌으로써 하단에 위치한 제1 웰(104)과 가드링(110) 형성 시 이온 주입 효과를 떨어뜨려 특정 부분의 도핑을 낮춰줄 수 있다. 이에 따라, 절연 패턴(109)은 가드링 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 일 예에서, 절연 패턴(109)은 공핍 영역(R1) 혹은 증배 영역(multiplication region)이 더 크게 형성되게 함으로써 필 팩터(fill factor) 혹은 효율을 향상시킬 수 있다.
가드링(110)은 고농도 도핑 영역(108)의 측면 및 제2 웰(106)의 측면 상에 제공될 수 있다. 가드링(110)은 고농도 도핑 영역(108) 및 제2 웰(106)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 가드링(110)은 고농도 도핑 영역(108)의 측면 및 제2 웰(106)의 측면을 따라 연장하는 고리 형상을 가질 수 있다. 가드링(110)은 고농도 도핑 영역(108) 및 제2 웰(106)에 직접 접할 수 있다. 다른 예에서, 가드링(110)은 고농도 도핑 영역(108) 및 제2 웰(106)로부터 이격될 수 있다. 가드링(110)은 절연 패턴(109)을 따라 연장할 수 있다. 가드링(110)은 절연 패턴(109)의 측면 및 바닥면을 덮을 수 있다. 예를 들어, 가드링(110)은 절연 패턴(109)의 측면 및 바닥면에 직접 접할 수 있다. 가드링(110)은 절연 패턴(109)의 상면을 노출할 수 있다. 가드링(110)의 상면, 절연 패턴(109)의 상면, 및 고농도 도핑 영역(108)의 상면은 실질적으로 동일한 높이에 배치될 수 있다. 가드링(110)의 바닥면은 제2 웰(106)의 바닥면과 실질적으로 동일한 높이에 배치될 수 있다. 가드링(110)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 가드링(110)의 도핑 농도는 고농도 도핑 영역(108)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 가드링(110)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다.
절연 패턴(109)을 형성하기 위한 반도체 기판의 식각 공정시 절연 패턴(109)에 인접한 반도체 기판에 결함이 생성될 수 있다. 절연 패턴(109)에 의해 생성되는 결함은 노이즈(dark count rate) 및 애프터 펄스(after pulse) 현상의 원인이 될 수 있다. 가드링(110)은 절연 패턴(109)에 인접한 반도체 기판의 결함에 의해 생성된 전자 혹은 정공이 증배 영역으로 이동하는 것을 차단하여 노이즈 및 애프터 펄스의 발생을 줄이거나 방지할 수 있다. 나아가, 가드링(110)은 고농도 도핑 영역(108)의 가장 자리에 전계가 집중되는 것을 완화하여, 조기항복현상을 줄이거나 방지할 수 있다.
제1 웰(104) 상에 콘택(114)이 제공될 수 있다. 콘택(114)은 단일 광자 검출 소자(10) 외부의 회로와 전기적으로 연결될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(10)가 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)인 경우, 콘택(114)은 외부 전원, DC-DC 컨버터(DC-to-DC converter), 및 기타 전원 관리 직접 회로(power management integrated circuit) 중 적어도 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예에서, 콘택(114)은 ?칭 저항(quenching resistor)(또는 ?칭 회로(quenching circuit)) 및 기타 픽셀 회로(pixel circuit) 중 적어도 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. ?칭 저항 혹은 ?칭 회로는 아발란치 효과를 중단시키고 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)가 또 다른 광자를 검출할 수 있도록 할 수 있다. 기타 픽셀 회로는, 예를 들어, 리셋 혹은 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭 회로, 카운터, 게이트회로, 시간-디지털 변환기(time-to-digital converter) 등을 포함할 수 있다. 기타 픽셀 회로는 단일 광자 검출 소자(10)에 신호를 전송하거나, 단일 광자 검출 소자(10)로부터 신호를 수신할 수 있다. 콘택(114)은 가드링(110)을 사이에 두고 고농도 도핑 영역들(108)의 반대편에 제공될 수 있다. 콘택(114)은 가드링(110)을 둘러쌀 수 있다. 다른 예에서, 콘택(114)은 복수 개로 제공될 수 있다. 이 경우, 복수 개의 콘택들은 단일 광자 검출 소자(10) 외부의 회로와 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 콘택(114)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 콘택(114)의 도핑 농도는 제1 웰(104)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 콘택(114)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1022 cm-3일 수 있다.
콘택(114)과 제1 웰(104) 사이에 완화 영역(112)이 제공될 수 있다. 완화 영역(112)은 콘택(114) 및 제1 웰(104)에 전기적으로 연결될 수 있다. 완화 영역(112)은 콘택(114)과 제1 웰(104)의 도핑 농도 차이를 완화할 수 있다. 완화 영역(112)은 콘택(114)과 제1 웰(104)의 전기적 연결 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 완화 영역(112)은 전압이 콘택(114)을 통해 제1 웰(104)에 인가될 때 전압 강하를 줄이거나 방지하고, 제1 웰(104)에 균일하게 전압이 인가되도록 구성될 수 있다. 완화 영역(112)은 콘택(114)을 따라 연장할 수 있다. 완화 영역(112)은 콘택(114)의 측면 및 바닥면 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 완화 영역(112)은 콘택(114)의 측면 및 바닥면에 직접 접할 수 있다. 완화 영역(112)은 가드링(110)을 둘러쌀 수 있다. 완화 영역(112)은 가드링(110)로부터 이격될 수 있다. 완화 영역(112)과 가드링(110) 사이의 영역으로 제1 웰(104)이 연장할 수 있다. 예를 들어, 완화 영역(112)과 가드링(110) 사이의 영역은 제1 웰(104)로 채워질 수 있다. 일 예에서, 완화 영역(112)과 가드링(110) 사이의 영역은 기판 영역(102)과 제1 웰(104)로 채워질 수 있다. 완화 영역(112)은 가드링(110)의 바닥면과 동일한 깊이까지 형성될 수 있다. 다른 예에서, 완화 영역(112)은 가드링(110)의 바닥면보다 깊은 깊이 또는 그보다 얕은 깊이까지 형성될 수 있다. 완화 영역(112)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 완화 영역(112)의 도핑 농도는 콘택(114)의 도핑 농도보다 낮고, 제1 웰(104)의 도핑 농도와 유사하거나 그보다 높을 수 있다. 예를 들어, 완화 영역(112)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다.
본 개시는 조기항복현상을 줄이거나 방지하여 개선된 안정성을 갖고, 절연 패턴(109)에 인접한 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생을 줄이거나 방지된 특성을 갖는 단일 광자 검출 소자(10)를 제공할 수 있다. 이에 따라, 단일 광자 검출 소자(10)가 하나의 광자를 검출하고 다음 광자를 검출하기 위한 준비 시간인 데드타임(dead time)이 감소될 수 있다. 또한, 본 개시는 가드링(110) 성능이 향상된 단일 광자 검출 소자(10)를 제공할 수 있다. 또한, 본 개시는 필 팩터(fill factor) 혹은 효율이 향상된 단일 광자 검출 소자(10)를 제공할 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 3을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(11)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(11)는 정사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 정사각 형상을 가질 수 있고, 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 정사각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)및 소자 분리 영역(116)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 4를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(12)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(12)는 모퉁이가 라운드진 정사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 모퉁이가 라운드진 정사각 형상을 가질 수 있고, 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 모퉁이가 라운드진 정사각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 5를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(13)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(13)는 직사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 직사각 형상을 가질 수 있고, 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)및 소자 분리 영역(116)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 직사각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)및 소자 분리 영역(116)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 6을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(14)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(14)는 모퉁이가 라운드진 직사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 모퉁이가 라운드진 직사각 형상을 가질 수 있고, 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 모퉁이가 라운드진 직사각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 7을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(15)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(15)는 타원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 타원 형상을 가질 수 있고, 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 타원 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)및 소자 분리 영역(116)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 8을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(16)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(16)는 팔각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 팔각 형상을 가질 수 있고, 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 팔각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 가드링(110), 절연 패턴(109), 제1 웰(104), 완화 영역(112), 콘택(114), 및 소자 분리 영역(116)및 소자 분리 영역(116)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 9는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 9를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(17)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 가드링(110)의 바닥면은 제2 웰(106)의 바닥면과 상면 사이의 높이에 배치될 수 있다. 가드링(110)은 제2 웰(106)보다 얕은 깊이까지 형성될 수 있다. 가드링(110)은 절연 패턴(109)의 측면 및 바닥면을 덮을 수 있다. 이에 따라, 절연 패턴(109)에 인접한 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생이 줄이거나 방지될 수 있다. 가드링(110)의 도핑 농도는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 가드링(110)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 가드링(110)의 도핑 농도는 1x1016 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다.
도 10은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 10을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(18)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 제2 웰(106)의 바닥면은 가드링(110)의 바닥면과 상면 사이의 높이에 배치될 수 있다. 가드링(110)은 제2 웰(106)보다 깊은 깊이까지 형성될 수 있다. 가드링(110)은 절연 패턴(109)의 측면 및 바닥면을 덮을 수 있다. 이에 따라, 절연 패턴(109)에 인접한 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생이 줄이거나 방지될 수 있다. 가드링(110)의 도핑 농도는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 가드링(110)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 가드링(110)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1017 cm-3일 수 있다.
다른 예에서, 제2 웰(106)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 제2 웰(106)의 도핑 농도는 고농도 도핑 영역(108)의 도핑 농도보다 낮고, 가드링(110)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제2 웰(106)의 도핑 농도는 1x1016 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. 제2 웰(106)이 제2 도전형을 갖는 경우, 공핍 영역(R1)은 제2 웰(106)과 제1 웰(104)의 경계에 인접하게 형성될 수 있다.
도 11은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 11을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(19)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 가드링(110)은 제2 웰(106)의 측면 상의 영역에서 제2 웰(106)의 바닥면 상의 영역으로 연장할 수 있다. 가드링(110)은 제2 웰(106)보다 깊은 깊이까지 형성될 수 있다. 가드링(110)은 절연 패턴(109)의 측면 및 바닥면을 덮을 수 있다. 이에 따라, 절연 패턴(109)에 인접한 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생이 줄이거나 방지될 수 있다. 예를 들어, 가드링(110)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다.
도 12는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 12를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(20)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 고농도 도핑 영역(108)의 측면은 제2 웰(106)의 측면과 정렬될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 측면은 제2 웰(106)의 측면과 공면을 이룰 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 단부는 제2 웰(106)의 측면으로부터 돌출되지 않을 수 있다.
도 13은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 13을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(21)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 제1 웰(104)은 가드링(110)을 향하는 완화 영역(112)의 측면의 반대편 측면(이하, 완화 영역(112)의 외측면)을 덮을 수 있다. 완화 영역(112)의 외측면은 제1 웰(104)을 사이에 두고 기판 영역(102)으로부터 이격될 수 있다.
도 14는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 14를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(22)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 완화 영역(112)은 제1 웰(104)의 측면으로부터 돌출될 수 있다. 완화 영역(112)의 바닥면의 일부는 제1 웰(104)에 의해 덮이고, 다른 일부는 기판 영역(102)에 의해 덮일 수 있다. 완화 영역(112)의 외측면은 기판 영역(102)에 접할 수 있다.
도 15는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 15를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(23)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 고농도 도핑 영역(108)과 제1 웰(104) 사이에 제2 웰(106)이 제공되지 않고, 제1 웰(104)은 고농도 도핑 영역(108)에 직접 접할 수 있다.
도 16은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 15를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 16을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(24)가 제공될 수 있다. 도 15를 참조하여 설명된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(24)는 추가 가드링(113)을 더 포함할 수 있다. 추가 가드링(113)은 가드링(110)의 바닥면 상에 제공될 수 있다. 추가 가드링(113)의 측면은 가드링(110)의 측면에 정렬될 수 있다. 추가 가드링(113)의 측면과 가드링(110)의 측면은 공면을 이룰 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)에 접하는 추가 가드링(113)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 추가 가드링(113)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. 추가 가드링(113)은 절연 패턴(109) 및 가드링(110)과 함께 조기항복현상의 발생을 줄이거나 방지할 수 있다.
도 17은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 16을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 17을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(25)가 제공될 수 있다. 도 16을 참조하여 설명된 것과 달리, 추가 가드링(113)은 가드링(110)의 바닥면 상에서 가드링(110)의 측면 상으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 추가 가드링(113)은 가드링(110)의 측면을 덮을 수 있다. 가드링(110)은 추가 가드링(113)에 의해 제1 웰(104) 및 고농도 도핑 영역(108)으로부터 이격될 수 있다.
도 18은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 18을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(26)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 제1 웰(104)과 고농도 도핑 영역(108) 사이에 제3 웰(118)이 제공될 수 있다. 제2 웰(106)은 제공되지 않을 수 있다. 제3 웰(118)은 고농도 도핑 영역(108)과 제1 웰(104)을 서로 이격시킬 수 있다. 제3 웰(118)은 고농도 도핑 영역(108)의 바닥면 상에 제공될 수 있다. 제3 웰(118)의 측면과 고농도 도핑 영역(108)의 측면은 정렬될 수 있다. 제3 웰(118)의 측면과 고농도 도핑 영역(108)의 측면은 공면을 이룰 수 있다. 제3 웰(118)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 제3 웰(118)의 도핑 농도는 고농도 도핑 영역(108)의 도핑 농도보다 낮고, 가드링(110)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제3 웰(118)의 도핑 농도는 1x1016 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. 공핍 영역(R1)은 제3 웰(118)과 제1 웰(104)의 경계에 인접하게 형성될 수 있다. 제3 웰(118)은 고농도 도핑 영역(108)보다 낮은 농도를 가질 수 있다. 이에 따라, 공핍 영역(R1)은 보다 넓게 형성될 수 있다.
가드링(110)은 단일 광자 검출 소자(26)의 상면부터 제3 웰(118)의 바닥면보다 깊은 위치까지 연장할 수 있다. 예를 들어, 가드링(110)의 바닥면은 제3 웰(118)의 바닥면보다 제1 웰(104)의 바닥면에 가깝게 배치될 수 있다. 가드링(110)은 절연 패턴(109)의 측면 및 바닥면을 덮을 수 있다. 이에 따라, 절연 패턴(109)에 인접한 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생이 감소 또는 방지될 수 있다. 가드링(110)은 제3 웰(118)보다 낮은 도핑 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 가드링(110)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1017 cm-3일 수 있다.
도 19는 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 19를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(27)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(27)는 추가 가드링(113)을 더 포함할 수 있다. 추가 가드링(113)은 가드링(110)의 바닥면 상에 제공될 수 있다. 추가 가드링(113)의 측면은 가드링(110)의 측면에 정렬될 수 있다. 추가 가드링(113)의 측면과 가드링(110)의 측면은 공면을 이룰 수 있다. 추가 가드링(113)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 추가 가드링(113)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. 추가 가드링(113)은 절연 패턴(109) 및 가드링(110)과 함께 조기항복현상의 발생을 줄이거나 방지할 수 있다.
도 20은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 19를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 20을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(28)가 제공될 수 있다. 도 19를 참조하여 설명된 것과 달리, 추가 가드링(113)은 가드링(110)의 바닥면 상에서 가드링(110)의 측면 상으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 추가 가드링(113)은 가드링(110)의 측면을 덮을 수 있다. 가드링(110)은 추가 가드링(113)에 의해 제1 웰(104) 및 고농도 도핑 영역(108)으로부터 이격될 수 있다.
도 21은 도 1의 단일 광자 검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 21을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(29)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 제2 웰(106)은 가드링(110)의 바닥면 상으로 연장할 수 있다. 제2 웰(106)은 가드링의 바닥면에 접할 수 있다.
도 22는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 도 23은 도 22의 단일 광자 검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(30)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 콘택(114)의 측면은 완화 영역(112)의 측면에 정렬될 수 있다. 콘택의 측면과 완화 영역(112)의 측면은 공면을 이룰 수 있다. 콘택(114)의 측면은 제1 웰(104) 및 소자 분리 영역(116)에 직접 접할 수 있다. 콘택(114)의 바닥면은 완화 영역(112)에 직접 접할 수 있다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 도 25는 도 24의 단일 광자 검출 소자의 C-C'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 24 및 도 25를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(31)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 가드링(110)은 제2 웰(106), 고농도 도핑 영역(108), 및 완화 영역(112)에 직접 접할 수 있다. 예를 들어, 가드링(110) 및 절연 패턴(109)은 완화 영역(112)과 제2 웰(106) 사이의 영역 및 완화 영역(112)과 고농도 도핑 영역(108) 사이의 영역을 채울 수 있다. 도 9에 도시된 것과 같이, 가드링(110)의 바닥면이 제2 웰(106)의 상면과 바닥면 사이의 높이에 위치하는 경우, 가드링(110) 및 절연 패턴(109)은 완화 영역(112)과 제2 웰(106) 사이의 영역 중 일부를 채우고, 제1 웰(104)이 완화 영역(112)과 제2 웰(106) 사이의 영역 중 다른 일부를 채울 수 있다.
도 26은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 도 27은 도 26의 단일 광자 검출 소자의 D-D'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 26 및 도 27을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(32)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 제3 웰(118) 및 서브 기판 영역(120)이 제공될 수 있다. 제3 웰(118)은 제1 웰(104)과 고농도 도핑 영역(108) 사이에 제공될 수 있다. 제2 웰(106) 및 가드링(110)은 제공되지 않을 수 있다. 제3 웰(118)은 고농도 도핑 영역(108)의 측면 및 바닥면을 덮을 수 있다. 제3 웰(118)은 고농도 도핑 영역(108)과 제1 웰(104)을 서로 이격시킬 수 있다. 제3 웰(118)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 제3 웰(118)의 도핑 농도는 고농도 도핑 영역(108)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 제3 웰(118)의 도핑 농도는 1x1016 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. 제3 웰(118)이 고농도 도핑 영역(108)과 동일한 도전형을 가지므로, 공핍 영역(R1)(즉, 증배 영역)은 제3 웰(118)과 제1 웰(104)의 경계면에 인접한 영역에 형성될 수 있다. 제3 웰(118)은 고농도 도핑 영역(108)보다 낮은 농도를 가질 수 있다. 이에 따라, 공핍 영역(R1)은 보다 넓게 형성될 수 있다.
서브 기판 영역(120)은 완화 영역(112)과 제3 웰(118) 사이에 제공될 수 있다. 도 27의 관점에서, 서브 기판 영역(120)은 제3 웰(118)을 둘러쌀 수 있다. 서브 기판 영역(120)은 절연 패턴(109)의 측면 및 바닥면을 덮을 수 있다. 서브 기판 영역(120)은 기판 영역(102)과 동일한 도전형을 가질 수 있다. 서브 기판 영역(120)은 기판 영역(102)과 실질적으로 동일한 도핑 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 서브 기판 영역(120)의 도핑 농도는 1x1014 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다. 서브 기판 영역(120)은 절연 패턴(109)에 인접한 반도체 기판의 결함에 의해 생성된 전하가 공핍 영역(R1)으로 이동하는 것을 차단하여 노이즈 발생을 줄이거나 방지할 수 있다. 서브 기판 영역(120)은 단일 광자 검출 소자(32)의 상면부터 일정 깊이까지 연장할 수 있다. 예를 들어, 서브 기판 영역(120)의 바닥면은 제3 웰(118)의 상면과 바닥면 사이의 높이에 위치할 수 있다. 일 예에서, 서브 기판 영역(120)은 기판 영역(102)과 같이 제1 웰(104)을 형성하는 이온 주입 공정에서 이온이 주입되지 않은 반도체 기판의 일 영역일 수 있다.
절연 패턴(109)을 형성한 후, 제1 웰(104)을 형성하는 이온 주입 공정이 수행되는 경우, 절연 패턴(109) 아래에 위치하는 제1 웰(104)의 일 영역(121)은 제1 웰(104)의 다른 영역보다 낮은 농도로 도핑될 수 있다. 제1 웰(104)의 일 영역(121)은 제3 웰(118)의 모퉁이에 전계가 집중되는 것을 줄이거나 방지하여 조기항복현상을 줄이거나 방지할 수 있다. 제1 웰(104)의 일 영역(121)은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 가드링(도 1 및 도 2의 110)과 유사한 기능을 가질 수 있다. 제1 웰(104)의 일 영역(121)은 버추얼 가드 링(virtual guard ring)으로 지칭될 수 있다. 절연 패턴(109) 및 서브 기판 영역(120)도 제3 웰(118)의 모퉁이에 전계가 집중되는 것을 줄이거나 방지하여 조기항복현상을 줄이거나 방지할 수 있다. 또한 일 예에서, 제1 웰(104)의 일 영역(121)으로 인해 공핍 영역(R1) 혹은 증배 영역(multiplication region)이 더 넓게 형성됨으로써 단일 광자 검출 소자(32)의 필팩터(fill factor) 혹은 효율을 향상시킬 수 있다.
본 개시는 조기항복현상을 줄이거나 방지하여 개선된 안정성을 갖고, 절연 패턴(109)에 인접한 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생을 줄이거나 방지된 특성을 갖는 단일 광자 검출 소자(32)를 제공할 수 있다. 이에 따라, 단일 광자 검출 소자(32)가 하나의 광자를 검출하고 다음 광자를 검출하기 위한 준비 시간인 데드타임(dead time)이 감소될 수 있다. 또한, 본 개시는 가드링 성능이 향상된 단일 광자 검출 소자(32)를 제공할 수 있다. 또한, 본 개시는 필팩터(fill factor) 혹은 효율이 향상된 단일 광자 검출 소자(32)를 제공할 수 있다.
도 28은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 도 29는 도 28의 단일 광자 검출 소자의 E-E'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 26 및 도 27을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 28 및 도 29를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(33)가 제공될 수 있다. 도 26 및 도 27을 참조하여 설명된 것과 달리, 제3 웰(118)의 측면 상에 가드링(110)이 제공될 수 있다. 가드링(110)은 제3 웰(118)의 측면 상의 영역에서 제3 웰(118)의 바닥면 상의 영역으로 연장할 수 있다. 가드링(110)의 바닥면은 제3 웰(118)의 바닥면보다 제1 웰(104)의 바닥면에 가까이 위치할 수 있다. 가드링(110)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 가드링(110)은 제3 웰(118)보다 낮은 도핑 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 가드링(110)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. 가드링(110)은 완화 영역(112)으로부터 이격될 수 있다. 가드링(110)과 완화 영역(112) 사이의 영역은 제1 웰(104)로 채워질 수 있다.
절연 패턴(109)은 가드링(110)과 제3 웰(118) 사이에 제공될 수 있다. 절연 패턴(109)의 일 측면 및 바닥면은 가드링(110)에 접할 수 있다. 절연 패턴(109)의 다른 측면은 제3 웰(118)에 접할 수 있다. 다른 예에서, 절연 패턴(109)의 다른 측면이 가드링(110)에 접하도록 절연 패턴(109)과 제3 웰(118) 사이에 가드링이 제공될 수 있다.
도 30은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 도 31은 도 30의 단일 광자 검출 소자의 F-F'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 26 및 도 27을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 30 및 도 31을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(34)가 제공될 수 있다. 도 26 및 도 27을 참조하여 설명된 것과 달리, 고농도 도핑 영역(108)과 제3 웰(118) 사이에 제4 웰(119)이 제공될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)과 제3 웰(118)은 제4 웰(119)에 의해 서로 이격될 수 있다. 제4 웰(119)은 반도체 기판 내에서 고농도 도핑 영역(108)을 둘러쌀 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 상면은 제4 웰(119) 사이에서 노출될 수 있다. 제4 웰(119)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 제4 웰(119)의 도핑 농도는 1x1016 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다.
제4 웰(119)은 제3 웰(118)이 더 깊은 위치까지 형성되도록 구성될 수 있다. 공핍 영역(R1)은 제3 웰(118)과 제1 웰(104)의 경계에 형성되므로 공핍 영역(R1)도 더 깊은 위치에 형성될 수 있다. 공핍 영역(R1)의 형성 깊이가 깊어질수록 단일 광자 검출 소자(34)의 광 검출 특성을 나타내는 효율 스펙트럼에서 피크를 장파장 대역으로 이동시킬 수 있다. 즉, 최대 효율 파장이 장파장 쪽으로 이동(예를 들어, 450nm에서 550nm로 이동)할 수 있고, 최대 효율 파장의 주변 파장 대역(예를 들어, 근적외선 대역)의 효율도 증가할 수 있다.
제4 웰(119) 없이 제3 웰(118)을 깊게 형성할 경우, 반도체 기판의 상부(예를 들어, 반도체 기판의 표면 부근)에서 형성된 캐리어들이 공핍 영역(R1)까지 이동하기 어려울 수 있다. 제4 웰(119)은 반도체 기판의 상부에서 형성된 캐리어들이 공핍 영역(R1)으로 원활히 이동할 수 있도록 구성될 수 있다. 이에 따라 효율 저하없이 효율 스펙트럼의 피크가 장파장 대역으로 이동될 수 있다.
도 32는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 32를 참조하면, 단일 광자 검출기(SPD1)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출기(SPD1)는 단일 광자 검출 소자(100), 제어층(200), 연결층(300),　및 렌즈부(400)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출기(SPD1)는 후면 조사(Back Side Illumination, BSI) 방식의 이미지 센서일 수 있다. 전면(frontside)은 단일 광자 검출 소자(100) 제조시 여러 반도체 공정이 수행되는 면일 수 있고, 후면(backside)은 전면의 반대편에 배치되는 면일 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 단일 광자 검출 소자들(10 내지 34)의 상면 및 바닥면은 각각 전면 및 후면일 수 있다. 후면 조사 방식은 단일 광자 검출 소자(100)의 후면으로 광이 입사하는 것을 지칭할 수 있다. 후술되는 전면 조사 방식은 단일 광자 검출 소자(100)의 전면으로 광이 입사하는 것을 지칭할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(100)는 도 1을 참조하여 설명되는 단일 광자 검출 소자(10)와 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 단일 광자 검출 소자(100)는 앞에서 설명된 단일 광자 검출 소자들(10 내지 34) 중 어느 하나일 수 있다. 설명의 편의를 위해, 단일 광자 검출 소자(100)는 도 2에 도시된 단일 광자 검출 소자(10)의 상하가 반전된 것으로 도시되었다. 따라서, 단일 광자 검출 소자(100)의 상면 및 바닥면은 각각 후면 및 전면일 수 있다.
제어층(200)은 단일 광자 검출 소자(100)의 전면 상에 제공될 수 있다. 제어층(200)은 회로(202)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어층(200)은 회로(202)가 형성된 칩일 수 있다. 회로(202)가 하나의 블록으로 도시되었으나, 이것은 회로(202)가 하나의 전자 소자 또는 단일한 기능을 갖는 회로로 구성되는 것을 의미하지 않는다. 회로(202)는 필요에 따라 복수의 전자 소자들 및 복수의 기능을 갖는 회로들을 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(100)가 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함하는 경우, 회로(202)는 ?칭 저항 혹은 회로(quenching resistor or circuit) 및 판독 회로를 포함할 수 있다. ?칭 회로는 아발란치 효과를 중단시키고 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)가 또 다른 광자를 검출할 수 있도록 할 수 있다. 기타 픽셀 회로는 리셋 혹은 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭회로, 카운터, 게이트회로 등으로 구성될 수 있고, 단일 광자 검출 소자(100)로 신호 전류를 전송하거나, 단일 광자 검출 소자(100)로부터 신호 전류를 수신할 수 있다. 회로(202)가 제어층(200) 내에 제공되는 것이 도시되었으나, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 회로(202)는 단일 광자 검출 소자(100)가 형성된 반도체 기판에 위치할 수 있다.
연결층(300)은 단일 광자 검출 소자(100)와 제어층(200) 사이에 제공될 수 있다. 연결층(300)은 절연층(304) 및 제1 도전 라인(302a), 및 제2 도전 라인(302b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연층(304)은 실리콘 산화물(예를 들어, SiO2), 실리콘 질화물(예를 들어, SiN), 실리콘 산질화물(예를 들어, SiON), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제1 도전 라인(302a) 및 제2 도전 라인(302b)은 고농도 도핑 영역(108) 및 콘택(114)을 회로(202)에 전기적으로 연결할 수 있다. 제1 및 제2 도전 라인들(302a, 302b)은 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전 라인들(302a, 302b)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 티타늄 나이트라이드(TiN), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 도전 라인들(302a, 302b)은 연결층(300)에 마주하는 단일 광자 검출 소자(100)의 표면에 교차하는 방향 또는 수평한 방향을 따라 연장하는 복수의 부분들을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 도전 라인들(302a, 302b)은 고농도 도핑 영역(108) 및 콘택 영역(114)을 제어층(200)의 회로(202)와 전기적으로 연결할 수 있다. 제1 도전 라인(302a) 및 제2 도전 라인(302b) 중 하나는 단일 광자 검출 소자(100)에 바이어스를 인가할 수 있고, 다른 하나는 검출 신호를 추출할 수 있다. 예를 들어, 제1 도전 라인(302a)은 고농도 도핑 영역(108)으로부터 전기적 신호를 추출하고, 제2 도전 라인(302b)은 콘택 영역(114)에 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 다른 예에서, 제2 도전 라인(302b)은 콘택 영역(114)으로부터 전기적 신호를 추출하고, 제1 도전 라인(302a)은 고농도 도핑 영역(108)에 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
렌즈부(400)는 단일 광자 검출 소자(100)의 후면 상에 제공될 수 있다. 렌즈부(400)는 입사 광을 포커싱하여 단일 광자 검출 소자(100)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 렌즈부(400)는 마이크로 렌즈(microlens) 또는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 렌즈부(400)의 중심축은 단일 광자 검출 소자(100)의 중심축에 정렬될 수 있다. 렌즈부(400)의 중심축과 단일 광자 검출 소자(100)의 중심축은 각각 렌즈부(400)의 중심과 단일 광자 검출 소자(100)의 중심을 지나되 단일 광자 검출 소자(100)와 렌즈부(400)의 적층 방향에 평행한 가상의 축일 수 있다. 일 예에서, 렌즈부(400)의 중심축은 단일 광자 검출 소자(100)의 중심축과 어긋나게 정렬될 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈부(400)와 단일 광자 검출 소자(100) 사이에 적어도 하나의 광학 요소가 삽입될 수 있다. 예를 들어, 광학 요소는 컬러 필터(color filter), 대역 필터(bandpass filter), 금속 그리드(metal grid), 반사방지 코팅(anti-reflection coating), 2D 나노물질층, 또는 유기물질층일 수 있다. 일 예에서, 반사방지 코팅은 렌즈부(400) 상단에 형성될 수 있다.
도 33은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 32를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 33을 참조하면, 단일 광자 검출기(SPD2)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출기(SPD2)는 전면 조사(Front Side Illumination, FSI) 방식의 이미지 센서일 수 있다. 단일 광자 검출기(SPD2)는 단일 광자 검출 소자(100), 회로(202), 연결층(300), 및 렌즈부(400)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(100)는 도 32를 참조하여 설명된 단일 광자 검출 소자(100)와 실질적으로 동일할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 본 개시의 단일 광자 검출 소자(100)는 도 32의 단일 광자 검출 소자(100)의 상하가 뒤집힌 것으로 도시된다. 따라서, 단일 광자 검출 소자(100)의 상면 및 바닥면은 각각 전면 및 후면일 수 있다.
회로(202)는 소자 분리 영역(116)에 대해 콘택(114)의 반대편에 배치될 수 있다. 회로(202)는 기판 영역(102)의 상부에 위치할 수 있다. 일 예에서, 회로(202)는 기판 영역(102)의 상면 상에 형성될 수 있다. 회로(202)는 도 31을 참조하여 설명되는 회로(202)와 실질적으로 동일할 수 있다.
연결층(300)은 단일 광자 검출 소자(100)의 전면 상에 제공될 수 있다. 연결층(300)은 절연층(304), 제1 도전 라인(302a),　및 제2 도전 라인(302b)을 포함할 수 있다. 절연층(304), 제1 도전 라인(302a),　및 제2 도전 라인(302b) 은 각각 도 32을 참조하여 설명된 절연층(304), 제1 도전 라인(302a),　및 제2 도전 라인(302b)과 실질적으로 동일할 수 있다.
연결층(300) 상에 렌즈부(400)가 제공될 수 있다. 따라서, 도 32과 달리, 렌즈부(400)는 단일 광자 검출 소자(100)의 전면 상에 배치될 수 있다. 렌즈부(400)는 도 32을 참조하여 설명되는 렌즈부(400)와 실질적으로 동일할 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈부(400)와 단일 광자 검출 소자(100) 사이에 적어도 하나의 광학 요소가 삽입될 수 있다. 예를 들어, 광학 요소는 컬러 필터(color filter), 대역 필터(bandpass filter), 금속 그리드(metal grid), 반사방지 코팅(anti-reflection coating), 2D 나노물질층, 또는 유기물질층일 수 있다. 일 예에서, 반사방지 코팅은 렌즈부(400) 상단에 형성될 수 있다.
도 34는　예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 32를 참조하여 설명된 것 및 도 33을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 34를 참조하면, 단일 광자 검출기(SPD3)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출기(SPD3)는 후면 조사(Back Side Illumination, BSI) 방식의 이미지 센서일 수 있다. 단일 광자 검출기(SPD3)는 단일 광자 검출 소자(100), 회로(202), 연결층(300),　및 렌즈부(400)를 포함할 수 있다.
단일 광자 검출 소자(100), 회로(202), 및 연결층(300)은 각각 도 33을 참조하여 설명된 단일 광자 검출 소자(100), 회로(202), 및 연결층(300)과 실질적으로 동일할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 본 개시의 단일 광자 검출 소자(100)는 도 33의 단일 광자 검출 소자(100)의 상하가 뒤집힌 것으로 도시된다. 따라서, 단일 광자 검출 소자(100)의 상면 및 바닥면은 각각 후면 및 전면일 수 있다.
렌즈부(400)는 도 32를 참조하여 설명된 것과 같이, 단일 광자 검출 소자(100)의 후면 상에 제공될 수 있다. 렌즈부(400)는 도 32를 참조하여 설명되는 렌즈부(400)와 실질적으로 동일할 수 있다.　일 실시예에서, 렌즈부(400)와 단일 광자 검출 소자(100) 사이에 적어도 하나의 광학 요소가 삽입될 수 있다. 예를 들어, 광학 요소는　컬러 필터(color filter), 대역 필터(bandpass filter), 금속 그리드(metal grid), 반사방지 코팅(anti-reflection coating), 2D 나노물질층,　또는 유기물질층일 수 있다. 일 예에서, 반사방지 코팅은 렌즈부 상단에 형성될 수 있다.
도 35는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기 어레이의 평면도이다. 도 36 내지 도 38은 도 35의 G-G'선을 따른 단면도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 32를 참조하여 설명된 것, 도 33을 참조하여 설명된 것, 및 도 34를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 35를 참조하면, 단일 광자 검출기 어레이(SPA)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출기 어레이(SPA)는 2차원으로 배열되는 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 도 36을 참조하면, 픽셀들(PX)의 각각은 도 32를 참조하여 설명된 단일 광자 검출기(도 32의 SPD1)를 포함할 수 있다. 바로 인접한 기판 영역들(도 32의 102), 바로 인접한 소자 분리 영역들(도 32의 116), 바로 인접한 제어층들(도 32의 200), 바로 인접한 연결층들(도 32의 300), 및 바로 인접한 렌즈부들(도 32의 400)은 서로 연결될 수 있다. 도 37을 참조하면, 픽셀들(PX)의 각각은 도 33을 참조하여 설명된 단일 광자 검출기(도 33의 SPD2)를 포함할 수 있다. 바로 인접한 기판 영역들(도 33의 102), 바로 인접한 연결층들(도 33의 300), 및 바로 인접한 렌즈부들(도 33의 400)은 서로 연결될 수 있다. 도 38을 참조하면,　픽셀들(PX)의 각각은 도 34를 참조하여 설명된 단일 광자 검출기(도 34의 SPD3)를 포함할 수 있다.　바로 인접한 기판 영역들(도 34의 102),　바로 인접한　연결층들(도 34의 300), 및 바로 인접한 렌즈부들(도 34의 400)은 서로 연결될 수 있다.
일 예에서, 픽셀들(PX) 사이에 분리 막(미도시)이 제공될 수 있다. 분리 막은 픽셀에 입사한 광이 그 픽셀에 이웃한 다른 픽셀에 의해 감지되는 크로스토크(crosstalk) 현상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 분리 막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 다결정 실리콘, low-k 유전물질, 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 예에서 픽셀들(PX) 사이에, 렌즈부(400) 하단 영역에 금속 그리드(metal grid)가 제공될 수 있다. 예를 들어 금속 그리드는 텅스텐, 구리, 알루미늄, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 39는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 39를 참조하면, 전자 장치(1000)가 제공될 수 있다. 전자 장치(1000)는 피사체(미도시)를 향해 광을 조사하고, 피사체에 의해 반사되어 전자 장치(1000)로 돌아오는 광을 감지할 수 있다. 전자 장치(1000)는 빔 스티어링 장치(1010)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1010)는 전자 장치(1000) 외부로 방출되는 광의 조사 방향을 조절할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1010)는 기계식 또는 비기계식(반도체식) 빔 스티어링 장치일 수 있다. 전자 장치(1000)는 빔 스티어링 장치(1010) 내에 광원부를 포함하거나, 빔 스티어링 장치(1010)와 별도로 구비된 광원부를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1010)는 스캐닝(scanning) 방식의 광 방출 장치일 수 있다. 다만, 전자 장치(1000)의 광 방출 장치는 빔 스티어링 장치(1010)에 한정되는 것은 아니다. 다른 예에서, 전자 장치(1000)는 빔 스티어링 장치(1010) 대신 또는 빔 스티어링 장치(1010)와 함께 플래시(flash) 방식의 광 방출 장치를 포함할 수 있다. 플래시 방식의 광 방출 장치는 스캐닝 과정없이 시야각(field of view)을 모두 포함하는 영역에 한 번에 광을 조사할 수 있다.
빔 스티어링 장치(1010)에 의해 조향된 광은 피사체에 의해 반사되어 전자 장치(1000)로 돌아올 수 있다. 전자 장치(1000)는 피사체에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 검출부(1030)를 포함할 수 있다. 검출부(1030)는 복수의 광 검출 요소를 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 복수의 광 검출 요소는 위에서 설명된 단일 광자 검출 소자들(10 내지 34) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 전자 장치(1000)는 빔 스티어링 장치(1010) 및 검출부(1030) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(1020)를 더 포함할 수 있다. 회로부(1020)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어부 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(1020)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
전자 장치(1000)가 하나의 장치 내에 빔 스티어링 장치(1010) 및 검출부(1030)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 빔 스티어링 장치(1010) 및 검출부(1030)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(1020)는 빔 스티어링 장치(1010)나 검출부(1030)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 전자 장치(1000)는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 상기 전자 장치(1000)는 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR) 장치에 적용될 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 장치는 위상 천이(phase-shift) 방식 또는 TOF(time-of-flight) 방식의 장치일 수 있다. 또한, 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자들(10 내지 34) 또는 이를 포함하는 전자 장치(1000)는 스마트폰, 웨어러블 기기(증강 현실 및 가상 현실 구현 안경형 기기 등), 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 로봇, 무인자동차, 자율주행차, 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다.
도 40 및 도 41은 예시적인 실시예에 따른 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도들이다.
도 40 및 도 41을 참조하면, 차량(2000)에 라이다(LiDAR) 장치(2010)가(LiDAR) 장치(2010) 적용될 수 있다. 차량에 적용된 라이다(LiDAR) 장치(2010)를 이용하여 피사체(3000)에 대한 정보가 획득될 수 있다. 차량(2000)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 차량(2000)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(3000)를 탐지할 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(3000)까지의 거리를 측정할 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(3010)와 멀리 있는 피사체(3020)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 도 39를 참조하여 설명되는 전자 장치(1000)를 포함할 수 있다. 차량(2000)의 앞쪽에 라이다(LiDAR) 장치(2010)가 배치되어, 차량(2000)이 진행하는 방향에 있는 피사체(3000)를 탐지하는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 차량(2000) 주변의 피사체(3000)를 모두 탐지할 수 있도록 차량(2000) 상의 복수의 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 4개의 라이다(LiDAR) 장치들(2010)이 차량(2000)의 앞쪽, 뒤쪽, 및 양 옆쪽들에 각각 배치될 수 있다. 또 다른 예에서, 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 차량(2000) 지붕 위에 배치되고, 회전하며 차량(2000) 주변의 피사체(3000)를 모두 탐지할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 개시의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 개시의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 개시의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (14)

  1. 제1 웰;
    상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역;
    상기 고농도 도핑 영역의 측면 상에 제공되는 가드링; 및
    상기 가드링에 삽입되는 절연 패턴;을 포함하되,
    상기 제1 웰은 제1 도전형을 가지고,
    상기 고농도 도핑 영역 및 상기 가드링은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 단일 광자 검출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 패턴은 상기 가드링에 의해 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 단일 광자 검출 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가드링은 상기 고농도 도핑 영역에 접하는 단일 광자 검출 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 웰과 상기 고농도 도핑 영역 사이에 제공되는 제2 웰;을 더 포함하되,
    상기 제2 웰은 상기 제1 도전형을 갖는 단일 광자 검출 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가드링은 상기 제2 웰의 측면 상으로 연장하는 단일 광자 검출 소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 가드링의 바닥면은 상기 제2 웰의 바닥면과 상면 사이의 깊이에 위치하는 단일 광자 검출 소자.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 웰은 상기 가드링의 바닥면 상으로 연장하는 단일 광자 검출 소자.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 가드링의 바닥면은 상기 제2 웰의 바닥면과 동일한 깊이에 위치하는 단일 광자 검출 소자.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 고농도 도핑 영역은 상기 제2 웰의 측면으로부터 돌출되는 단일 광자 검출 소자.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 고농도 도핑 영역의 일 측면과 이에 바로 인접하는 상기 제2 웰의 일 측면은 서로 공면을 이루는 단일 광자 검출 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가드링에 대해 상기 고농도 도핑 영역의 반대편에 제공되는 콘택;을 더 포함하되,
    상기 콘택은 상기 제1 도전형을 갖는 단일 광자 검출 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 콘택에 대해 상기 가드링의 반대편에 제공되는 소자 분리 영역;을 더 포함하는 단일 광자 검출 소자.
  13. 단일 광자 검출 소자를 포함하는 전자 장치에 있어서,
    상기 단일 광자 검출 소자는, 제1 웰, 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역, 상기 고농도 도핑 영역의 측면 상에 제공되는 가드링, 및 상기 가드링에 삽입되는 절연 패턴;을 포함하되, 상기 제1 웰은 제1 도전형을 가지고, 상기 고농도 도핑 영역 및 상기 가드링은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 전자 장치.
  14. 전자 장치를 포함하는 라이다 장치에 있어서,
    상기 전자 장치는 단일 광자 검출 소자를 포함하고,
    상기 단일 광자 검출 소자는, 제1 웰, 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역, 상기 고농도 도핑 영역의 측면 상에 제공되는 가드링, 및 상기 가드링에 삽입되는 절연 패턴;을 포함하되, 상기 제1 웰은 제1 도전형을 가지고, 상기 고농도 도핑 영역 및 상기 가드링은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 라이다 장치.
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