KR20220114741A - 단일 광자 애벌런치 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 다중 공핍영역(multi depletion region)을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드를 제공하기 위한 것으로, 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드는 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판; 및 상기 기판의 제1면에 접하도록 상기 기판에 형성되고, 수직방향으로 일면을 접하여 서로 중첩되는 복수의 접합구조체들을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 접합구조체들 각각은, 상기 제1면에 접하고, 제1도전형을 갖는 제1불순물영역; 및 상기 제1면 및 상기 제1불순물영역의 저면에 접하고, 제2도전형을 갖는 제2불순물영역을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 접합구조체들 각각에서 상기 제1불순물영역 및 상기 제2불순물영역은 상기 기판의 제1면을 통해 각각 독립적으로 바이어스를 인가받도록 구성될 수 있다.

Description

단일 광자 애벌런치 다이오드{SINGLE PHOTON AVALANCHE DIODE}
본 기술은 단일 광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 공핍영역(multi depletion region)을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드에 관한 것이다.
최근, 각광받고 있는 TOF(Time of Flight, TOF) 기술은 센서 내에 또는 센서 근처에 배치된 광원에서 펄스(pulse) 형태의 광을 조사한 후 반사된 광을 수광하여 그 사이의 시간을 측정한 후 광속 불변의 법칙에 의거하여 거리를 추출한다. TOF를 정밀하게 측정하기 위해서는 광이 수광 소자에 도달하자마자 반응이 일어나야 하므로 감도가 매우 높은 광전변환소자가 필요하다. 이를 위해, CMOS 공정 기술로 제작 가능한 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 기술의 실시예는 다중 공핍영역(multi depletion region)을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드를 제공하기 위한 것이다.
본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드는 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판; 및 상기 기판의 제1면에 접하도록 상기 기판에 형성되고, 수직방향으로 일면을 접하여 서로 중첩되는 복수의 접합구조체들을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 접합구조체들 각각은, 상기 제1면에 접하고, 제1도전형을 갖는 제1불순물영역; 및 상기 제1면 및 상기 제1불순물영역의 저면에 접하고, 제2도전형을 갖는 제2불순물영역을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 접합구조체들 각각에서 상기 제1불순물영역 및 상기 제2불순물영역은 상기 기판의 제1면을 통해 각각 독립적으로 바이어스를 인가받도록 구성될 수 있다.
본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드는 제1면 및 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판; 상기 제1면에 접하도록 상기 기판에 형성되고, 제1도전형을 갖는 제1불순물영역; 일부가 상기 제1면에 접하도록 상기 기판에 형성되고, 상기 제1불순물영역의 측면 및 저면에 접하며, 제2도전형을 갖는 제2불순물영역; 일부가 상기 제1면에 접하도록 상기 기판에 형성되고, 상기 제2불순물영역의 저면에 접하며, 제1도전형을 갖는 제3불순물영역; 및 일부가 상기 제1면에 접합도록 상기 기판에 형성되고, 상기 제3불순물영역의 측면 및 저면에 접하며, 제2도전형을 갖는 제4불순물영역을 포함할 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 수직방향으로 일면을 접하여 적층된 복수의 접합구조체를 구비함으로써, 다중 공핍영역(multi depletion region)을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드를 제공할 수 있다. 따라서, 공핍영역의 개수에 대응하는 다중 동작전압을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드를 제공할 수 있다. 이를 통해, 다양한 환경에서 단일 광자 애벌런치 다이오드의 광 감지 능력을 향상시킬 수 있고, 단일 광자 애벌런치 다이오드의 응용분야를 용이하게 확장시킬 수 있다.
도 1a는 본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드를 도시한 평면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 2a는 본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드를 도시한 평면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 3a는 본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드를 도시한 평면도이다.
도 3b 및 도 3c는 도 3a에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 4는 본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드를 구비하는 전자 장치를 도시한 도시면이다.
도 5는 도 4에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 SPAD 픽셀의 등가회로를 도시한 도면이다.
본 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 기술은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 기술의 개시가 완전하도록 하며, 본 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 기술은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
후술하는 본 기술의 실시예는 다중 공핍영역(multi depletion region)을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드를 제공하기 위한 것이다. 다시 말해, 후술하는 본 기술의 실시예는 복수의 동작전압을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드를 제공하기 위한 것이다. 공지된 단일 광자 애벌런치 다이오드는 하나의 동작전압을 갖고, 동작전압에 따라 광 감지 능력 및 응용분야가 달라질 수 있다. 따라서, 하나의 단일 광자 애벌런치 다이오드가 복수의 동작전압을 갖는다면 다양한 분야에서 활용이 가능한 범용 센서로 사용할 수 있다는 큰 이점이 있다.
참고로, 단일 광자 애벌런치 다이오드는 감광성 P-N 접합부를 포함하는 광전변환소자로 사용될 수 있다. 즉, 단일 광자 애벌런치 다이오드는 대상 물체에 의해 반사된 단일 광자를 감지하여 감지된 단일 광자에 대응하는 전류 펄스를 생성할 수 있다. 이때, 전류 펄스는 캐소드-애노드(Cathode-Anode) 간의 전압이 항복전압(Breakdown voltage)보다 높은 역 바이어스 전압이 인가되는 가이거 모드(Geiger mode)에서 입사된 단일 광자에 의해 애벌런치 항복이 트리거되어 일련의 과정을 통해 생성할 수 있다. 여기서, 애벌런치 항복은 단일 광자 애벌런치 다이오드내 공핍영역에서 발생될 수 있다. 구체적으로, 단일 광자 애벌런치 다이오드에 역 바이어스 전압을 인가하여 전계를 증가시키면, 강하게 걸린 전계로 인해 입사된 광자에 기인하여 발생된 전자가 이동하면서 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성되는 충돌 이온화(impact ionization)가 발생하게 된다. 이때, 항복전압보다 높은 역 바이어스 전압이 인가되는 가이거 모드에서 동작하는 단일 광자 애벌런치 다이오드에서는 입사광에 의해 생성된 캐리어(예컨대, 전자 또는 정공)와 충돌 이온화 현상으로 생성된 전자와 정공들이 서로 충돌하면서 무수히 많은 캐리어들이 생성될 수 있다. 따라서, 단일 광자 애벌런치 다이오드는 단일 광자가 입사되더라도 단일 광자가 애벌런치 항복을 트리거하며, 이에 따라 측정 가능한 전류 펄스가 생성될 수 있다.
한편, 이하의 상세한 설명에서 제1도전형 및 제2도전형은 서로 상보적인 도전형일 수 있다. 이하에서는, 제1도전형이 P형이고, 제2도전형이 N형인 경우를 예시하여 설명하기로 한다. 그리고, 제1방향(D1) 내지 제3방향(D3)은 각각 서로 교차하는 방향을 지칭할 수 있다. 예를 들어, XYZ좌표계에서 제1방향(D1)은 X축 방향일 수 있고, 제2방향(D2)은 Y축 방향일 수 있으며, 제3방향(D3)은 Z축 방향일 수 있다. 따라서, 제1방향(D1) 및 제2방향(D2)은 수평방향(Horizontal direction)일 수 있고, 제3방향은 수직방향(Vertical direction)일 수 있다.
도 1a는 본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드를 도시한 평면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드(1)는 제1면(S1) 및 제1면(S1)에 대향하는 제2면(S2)을 갖는 기판(Sub) 및 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 기판(Sub)에 형성되고, 제3방향(D3)으로 일면을 접하여 서로 중첩되는 복수의 접합구조체들(Junction structures, 10, 20, 30, 40)을 포함할 수 있다. 여기서, 접합구조체들(10, 20, 30, 40) 각각은 P-N 접합 다이오드를 포함할 수 있고, P-N 접합 다이오드의 애노드 및 캐소드 각각은 독립적으로 바이어스를 인가받을 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드(1)는 기판(Sub)에 형성되어 접합구조체들(10, 20, 30, 40) 사이에 각각 위치하는 분리영역들(50)을 포함할 수 있다. 분리영역들(50) 각각은 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하여 제3방향(D3)으로 연장된 파이프 형상(Pipe shape)을 가질 수 있다. 분리영역들(50) 각각은 제1도전형을 갖는 불순물영역(11, 21, 31, 41) 또는 트렌치형 분리막을 포함할 수 있다. 트렌치형 분리막은 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 형성된 트렌치 및 트렌치 내부에 갭필된 절연막을 포함할 수 있다.
기판(Sub)은 벌크 단결정 실리콘 웨이퍼, SOI(silicon on insulator) 웨이퍼, Si-Ge 같은 화합물 반도체 웨이퍼, 실리콘 에피택셜층이 성장된 웨이퍼 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(Sub)은 제1도전형의 불순물 예컨대, P형 불순물이 도핑된 벌크 단결정 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
기판(Sub)의 제1면(S1)은 전면(Front side)일 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 기판(Sub)의 제1면(S1) 상에는 단일 광자 애벌런치 다이오드(1)를 제어하기 위한 제어회로들이 형성될 수 있다(도 4 및 도 5 참조). 그리고, 기판(Sub)의 제2면(S2)은 후면(Back side)일 수 있고, 광이 입사되는 입사면일 수 있다. 따라서, 도면에 도시하지는 않았지만, 기판(Sub)의 제2면(S2) 상에는 광학 필터, 마이크로 렌즈 등이 형성될 수 있다.
복수의 접합구조체들(10, 20, 30, 40) 각각은 제1도전형을 갖는 제1불순물영역(11, 21, 31, 41)(11, 21, 31, 41) 및 제2도전형을 갖는 제2불순물영역(12, 22, 32, 42)(12, 22, 32, 42)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1도전형이 P형이고, 제2도전형이 N형일 경우, 접합구조체들(10, 20, 30, 40) 각각에서 제1불순물영역(11, 21, 31, 41)(11, 21, 31, 41)은 애노드(Anode)일 수 있고, 제2불순물영역(12, 22, 32, 42)(12, 22, 32, 42)은 캐소드(Cathode)일 수 있다. 접합구조체들(10, 20, 30, 40) 각각에서 제1불순물영역(11, 21, 31, 41) 및 제2불순물영역(12, 22, 32, 42)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접할 수 있고, 기판(Sub)의 제1면(S1)을 통해 각각 독립적으로 바이어스를 공급받을 수 있도록 구성될 수 있다. 접합구조체들(10, 20, 30, 40) 각각에서 제2불순물영역(12, 22, 32, 42)은 제1불순물영역(11, 21, 31, 41)의 측면 및 저면을 감싸는 형태를 가질 수 있다. 이때, 제2불순물영역(12, 22, 32, 42)은 제1불순물영역(11, 21, 31, 41)의 측면 및 저면에 접할 수 있다.
접합구조체들(10, 20, 30, 40) 중 중심부에 위치하는 제1접합구조체(10)의 제1불순물영역(11)은 평판 형상을 가질 수 있고, 제1접합구조체(10)의 제2불순물영역(12)은 제1불순물영역(11)의 측면 및 저면을 감싸는 실린더 형상을 가질 수 있다. 다시 말해, 제1접합구조체(10)의 제2불순물영역(12)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 바라볼 때, 링 타입의 평면형상을 가질 수 있고, 기판(Sub)의 제2면(S2)에서 바라볼 때, 플레이트 타입의 평면형상을 가질 수 있다. 그리고, 제1접합구조체(10)의 제2불순물영역(12)은 'U' 타입의 단면형상을 가질 수 있다.
접합구조체들(10, 20, 30, 40) 중 제2접합구조체(20)는 제1접합구조체(10)의 측면 및 저면을 감싸는 형태를 가질 수 있다. 따라서, 제2접합구조체(20)의 제1불순물영역(21) 및 제2불순물영역(22) 각각은 실린더 형상을 가질 수 있다. 그리고, 제1접합구조체(10)의 제2불순물영역(12)과 제2접합구조체(20)의 제1불순물영역(21) 사이에는 분리영역(50)이 위치할 수 있다. 이때, 제1면(S1)을 기준으로 분리영역(50)의 깊이는 분리영역(50)의 내측에 위치하는 제1접합구조체(10)의 깊이와 실질적으로 동일할 수 있다.
접합구조체들(10, 20, 30, 40) 중 최외각에 위치하는 제N접합구조체(40)는 제N접합구조체(40)의 내측에 위치하는 제N-1접합구조체(30)의 측면 및 저면을 감싸는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 접합구조체들(10, 20, 30, 40) 중 제1접합구조체(10)의 외측에 형성된 제2접합구조체(20) 내지 제N접합구조체(40) 각각에서 제1불순물영역(21, 31, 41) 및 제2불순물영역(22, 32, 42)은 각각 실린더 형상을 가질 수 있다. 이때, 제N접합구조체(40)의 제1불순물영역(41)은 제N-1접합구조체(30)의 제2불순물영역(32) 저면에 접하되, 제N-1접합구조체(30)의 제2불순물영역(32) 측면으로부터 이격될 수 있다. 즉, 제N접합구조체(40)의 제1불순물영역(41) 측면과 마주보는 제N-1접합구조체(30)의 제2불순물영역(32) 측면 사이에 분리영역(50)이 삽입될 수 있다. 분리영역(50)이 제1도전형을 갖는 불순물영역으로 구성된 경우, 분리영역(50)은 측면이 접하는 제1불순물영역(21, 31, 41)의 불순물 도핑농도보다 작은 불순물 도핑농도를 가질 수 있다.
접합구조체들(10, 20, 30, 40) 중 제2접합구조체(20) 내지 제N접합구조체(40) 각각에서 제1불순물영역(21, 31, 41) 및 제2불순물영역의 수직방향으로 연장된 부분의 수평방향 선폭은 수평방향으로 연장된 부분의 수직방향 깊이보다 작을 수 있다.
상술한 바와 같이, 수직방향으로 일면을 접하여 적층된 복수의 접합구조체들(10, 20, 30, 40)을 구비함으로써, 다중 공핍영역(multi depletion region)을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드(1)를 제공할 수 있다. 따라서, 공핍영역의 개수에 대응하는 다중 동작전압을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드(1)를 제공할 수 있다. 이를 통해, 다양한 환경에서 단일 광자 애벌런치 다이오드(1)의 광 감지 능력을 향상시킬 수 있고, 단일 광자 애벌런치 다이오드(1)의 응용분야를 용이하게 확장시킬 수 있다. 참고로, 접합구조체들(10, 20, 30, 40) 마다 하나의 공핍영역이 생성될 수 있고, 접합구조체들이 접하는 영역마다 하나의 공핍영역이 생성될 수 있다.
도 2a는 본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드를 도시한 평면도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다. 이하에서는, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 서로 다른 3개의 동작전압을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드에 대해 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)는 제1면(S1) 및 제1면(S1)에 대향하는 제2면(S2)을 갖는 기판(Sub), 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 기판(Sub)에 형성된 제1접합구조체(110) 및 제1접합구조체(110)의 측면 및 저면을 감싸는 제2접합구조체(120)를 포함할 수 있다. 제1접합구조체(110) 및 제2접합구조체(120) 각각은 P-N 접합 다이오드를 포함할 수 있다. 제1접합구조체(110) 및 제2접합구조체(120) 각각은 독립적으로 바이어스를 인가받도록 구성된 제1애노드(Anode1), 제1캐소드(Cathode1), 제2애노드(Anode2) 및 제2캐소드(Cathode2)를 포함할 수 있다.
기판(Sub)은 벌크 단결정 실리콘 웨이퍼, SOI(silicon on insulator) 웨이퍼, Si-Ge 같은 화합물 반도체 웨이퍼, 실리콘 에피택셜층이 성장된 웨이퍼 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(Sub)은 제1도전형의 불순물 예컨대, P형 불순물이 도핑된 벌크 단결정 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 기판(Sub)의 제1면(S1)은 전면(Front side)일 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 기판(Sub)의 제1면(S1) 상에는 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)를 제어하기 위한 제어회로(도 4 및 도 5 참조)가 형성될 수 있다. 기판(Sub)의 제2면(S2)은 후면(Back side)일 수 있고, 광이 입사되는 입사면일 수 있다. 따라서, 도면에 도시하지는 않았지만, 기판(Sub)의 제2면(S2) 상에는 광학 필터, 마이크로 렌즈 등이 형성될 수 있다.
제1접합구조체(110)는 제1도전형을 갖는 제1불순물영역(112) 및 제2도전형을 갖는 제2불순물영역(114)을 포함할 수 있다. 제1도전형이 P형이고, 제2도전형인 N형일 경우, 제1불순물영역(112)은 제1애노드(Anode1)로 작용할 수 있고, 제2불순물영역(114)은 제1캐소드(Cathode1)로 작용할 수 있다. 제1애노드(Anode1) 및 제1캐소드(Cathode1)는 각각 독립적으로 바이어스를 인가받을 수 있도록 구성될 수 있다.
제1애노드(Anode1)로 작용하는 제1불순물영역(112)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 제2불순물영역(114) 내에 형성될 수 있다. 제1불순물영역(112)은 평판형상을 가질 수 있고, 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)의 중심부에 위치할 수 있다. 제1불순물영역(112)의 저면은 제2불순물영역(114)에 접할 수 있고, 제1불순물영역(112)과 제2불순물영역(114)의 접하는 영역에서 제1동작전압을 제공하는 제1공핍영역(DR1)이 형성될 수 있다. 제1공핍영역(DR1)을 이용한 광전변환을 위해 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)에 제1동작전압을 인가하기 위한 바이어스전압을 제1캐소드(Cathode1)에 인가할 수 있고, 나머지 제1애노드(Anode1), 제2애노드(Anode2) 및 제2캐소드(Cathode2) 각각에 접지전압을 인가할 수 있다(도 5 참조).
제1캐소드(Cathode1)로 작용하는 제2불순물영역(114)은 일부가 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 기판(Sub)에 형성될 수 있고, 제1불순물영역(112)의 측면 및 저면을 감싸도록 형성될 수 있다. 따라서, 제2불순물영역(114)은 실린더 형상을 가질 수 있다. 즉, 제2불순물영역(114)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 바라볼 때, 링 타입의 평면형상을 가질 수 있고, 기판(Sub)의 제2면(S2)에서 바라볼 때, 플레이트 타입의 평면형상을 가질 수 있다. 그리고, 제2불순물영역(114)은 'U' 형태의 단면형상을 가질 수 있다. 제2불순물영역(114)은 웰(well) 형성공정을 통해 형성된 것일 수 있다.
한편, 도 2a 및 도 2b에서는 제1불순물영역(112) 및 제2불순물영역(114) 각각이 하나의 불순물영역으로 구성된 경우로 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 변형예로서, 제1불순물영역(112)은 제1도전형을 갖고, 제3방향(D3)으로 적층된 복수의 불순물영역들로 구성될 수도 있다. 마찬가지로, 제2불순물영역(114)은 제2도전형을 갖고, 제3방향(D3)으로 적층된 복수의 불순물영역들로 구성될 수 있다. 여기서, 제1불순물영역(112) 및 제2불순물영역(114) 각각에서 복수의 불순물영역들 각각은 서로 다른 불순물 도핑농도를 가질 수 있고, 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 제2면(S2)을 바라보는 방향으로 점차 불순물 도핑농도가 감소할 수 있다. 이는, 공핍영역의 확장에 기인한 펀치를 방지하여 항복전압 특성을 향상시키기 위함이다.
또한, 제1접합구조체(110)는 제2불순물영역(114) 내에 형성되어 제1불순물영역(112)의 측면을 감싸는 가드링(116)을 더 포함할 수 있다. 가드링(116)은 제1불순물영역(112)의 측면에 접할 수 있고, 기판(Sub)의 제1면(S1)을 기준으로 가드링(116)의 깊이는 제1불순물영역(112)의 깊이보다 클 수 있다. 가드링(116)은 제1도전형을 갖는 불순물영역 또는 트렌치형 분리막을 포함할 수 있다. 가드링(116)이 제1도전형을 갖는 불순물영역을 포함하는 경우, 가드링(116)의 불순물 도핑농도는 제1불순물영역(112)의 불순물 도핑농도보다 작을 수 있다. 트렌치형 분리막은 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 형성된 트렌치 및 트렌치 내부를 갭필하는 절연막을 포함할 수 있다.
제2접합구조체(120)는 제1도전형을 갖는 제3불순물영역(122) 및 제2도전형을 갖는 제4불순물영역(124)을 포함할 수 있다. 제1도전형이 P형이고, 제2도전형인 N형일 경우, 제3불순물영역(122)은 제2애노드(Anode2)로 작용할 수 있고, 제4불순물영역(124)은 제2캐소드(Cathode2)로 작용할 수 있다. 제2애노드(Anode2) 및 제2캐소드(Cathode2)는 각각 독립적으로 바이어스를 인가받을 수 있도록 구성될 수 있다.
제2애노드(Anode2)로 작용하는 제3불순물영역(122)은 일부가 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접할 수 있고, 제3불순물영역(122)의 외측면 및 저면은 제4불순물영역(124)에 접하도록 형성될 수 있다. 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)의 항복전압 특성을 향상시키기 위해 제3불순물영역(122)의 불순물 도핑농도는 제1불순물영역(112)의 불순물 도핑농도보다 작일 수 있다. 아울러, 제3불순물영역(122)은 제3방향(D3)으로 연장된 부분의 수평방향 선폭보다 제1방향(D1) 및 제2방향(D2)으로 연장된 부분의 수직방향 깊이가 더 클 수 있다.
제3불순물영역(122)은 제1접합구조체(110)의 측면 및 저면을 감싸도록 형성될 수 될 수 있다. 따라서, 제3불순물영역(122)은 실린더 형상을 가질 수 있다. 다시 말해, 제3불순물영역(122)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 바라볼 때, 링 타입의 평면형상을 가질 수 있고, 기판(Sub)의 제2면(S2)에서 바라볼 때, 플레이트 타입의 평면형상을 가질 수 있다. 그리고, 제3불순물영역(122)은 'U' 형태의 단면형상을 가질 수 있다. 제3불순물영역(122)은 제2불순물영역(114)의 저면에 접할 수 있고, 제2불순물영역(114)과 제3불순물영역(122)이 접하는 영역에서 제2동작전압을 제공하는 제2공핍영역(DR2)이 형성될 수 있다. 제2동작전압은 제1동작전압보다 더 클 수 있다. 제2공핍영역(DR2)을 이용한 광전변환을 위해 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)에 제2동작전압을 인가하기 위한 바이어스전압을 제1캐소드(Cathode1) 및 제1애노드(Anode1)에 각각 인가할 수 있고, 제2애노드(Anode2) 및 제2캐소드(Cathode2) 각각에 접지전압을 인가할 수 있다.
제2캐소드(Cathode2)로 작용하는 제4불순물영역(124)은 일부가 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 기판(Sub)에 형성될 수 있다. 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)의 항복전압 특성을 향상시키기 위해 제4불순물영역(124)의 불순물 도핑농도는 제2불순물영역(114)의 불순물 도핑농도보다 작일 수 있다. 아울러, 제4불순물영역(124)은 제3방향(D3)으로 연장된 부분의 수평방향 선폭보다 제1방향(D1) 및 제2방향(D2)으로 연장된 부분의 수직방향 깊이가 더 클 수 있다.
제4불순물영역(124)은 제3불순물영역(122)의 측면 및 저면을 감싸도록 형성될 수 있다. 따라서, 제4불순물영역(124)은 실린더 형상을 가질 수 있다. 다시 말해, 제4불순물영역(124)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 바라볼 때, 링 타입의 평면형상을 가질 수 있고, 기판(Sub)의 제2면(S2)에서 바라볼 때, 플레이트 타입의 평면형상을 가질 수 있다. 그리고, 제4불순물영역(124)은 'U' 형태의 단면형상을 가질 수 있다. 제4불순물영역(124)은 제3불순물영역(122)의 측면 및 저면에 접할 수 있고, 제3불순물영역(122)과 제4불순물영역(124)이 접하는 영역에서 제3동작전압을 제공하는 제3공핍영역(DR3)이 형성될 수 있다. 제3동작전압은 제2동작전압보다 더 클 수 있다. 제3공핍영역(DR3)을 이용한 광전변환을 위해 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)에 제3동작전압을 인가하기 위한 바이어스전압을 제2캐소드(Cathode2)에 인가할 수 있고, 나머지 제1애노드(Anode1), 제2애노드(Anode2) 및 제1캐소드(Cathode1) 각각에 접지전압을 인가할 수 있다.
한편, 제2접합구조체(120)에서 제4불순물영역(124)은 제3불순물영역(122)의 저면과 더불에서 측면에도 접하는 형태를 갖기 때문에 제3공핍영역(DR3)의 면적을 용이하게 확장시킬 수 있다. 이를 통해, 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)의 항복전압 특성을 향상시킬 수 있다.
제3불순물영역(122) 및 제4불순물영역(124)은 웰(well) 및 딥웰(deep well) 형성공정을 통해 형성된 것일 수 있다. 따라서, 도 2a 및 도 2b에서는 제3불순물영역(122) 및 제4불순물영역(124) 각각이 하나의 불순물영역으로 구성된 경우로 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 변형예로서, 제3불순물영역(122) 및 제4불순물영역(124) 각각은 기판(Sub) 내에 형성되어 평판형상을 갖는 딥웰영역 및 기판(Sub)의 제1면(S1)으로부터 연장되어 딥웰영역에 접하고, 파이프 형상을 갖는 웰영역을 포함할 수도 있다. 이때, 파이프 형상을 갖는 웰 영역은 제3방향(D3)으로 적층되는 복수의 웰영역들을 포함할 수 있다.
또한, 제2접합구조체(120)는 제1접합구조체(110)의 측면을 감싸는 분리영역(126)을 더 포함할 수 있다. 분리영역(126)의 일측면은 제2불순물영역(114)에 접할 수 있고, 타측면은 제3불순물영역(122)에 접할 수 있다. 기판(Sub)의 제1면(S1)을 기준으로 분리영역(126)의 깊이는 제2불순물영역(114)의 깊이와 동일할 수 있다. 즉, 분리영역(126)의 저면은 제3불순물영역(122)에 접할 수 있다. 분리영역(126)은 제1도전형을 갖는 불순물영역 또는 트렌치형 분리막을 포함할 수 있다. 분리영역(126)이 제1도전형을 갖는 불순물영역을 포함하는 경우, 분리영역(126)의 불순물 도핑농도는 제3불순물영역(122)의 불순물 도핑농도보다 작을 수 있다. 트렌치형 분리막은 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 형성된 트렌치 및 트렌치 내부를 갭필하는 절연막을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)는 제1접합구조체(110) 및 제2접합구조체(120)가 제3방향(D3)으로 일면을 접하여 적층된 구조를 갖기 때문에 3개의 공핍영역들(DR1, DR2, DR3)을 제공할 수 있다. 따라서, 공핍영역들(DR1, DR2, DR3) 개수에 대응하는 3개의 동작전압을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)를 제공할 수 있다. 이를 통해, 다양한 환경에서 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)의 광 감지 능력을 향상시킬 수 있고, 단일 광자 애벌런치 다이오드(2)의 응용분야를 용이하게 확장시킬 수 있다.
도 3a는 본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드를 도시한 평면도이고, 도 3b 및 도 3c는 도 3a에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다. 이하에서는, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 서로 다른 3개의 동작전압을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드에 대해 설명하기로 한다. 아울러, 설명의 편의를 위해 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드(3)는 제1면(S1) 및 제1면(S1)에 대향하는 제2면(S2)을 갖는 기판(Sub), 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 기판(Sub)에 형성된 제1접합구조체(110) 및 제1접합구조체(110)의 저면에 접하여 제3방향(D3)으로 제1접합구조체(110)과 중첩되는 제2접합구조체(150)를 포함할 수 있다. 제1접합구조체(110) 및 제2접합구조체(150) 각각은 P-N 접합 다이오드를 포함할 수 있다. 제1접합구조체(110) 및 제2접합구조체(150) 각각은 독립적으로 바이어스를 인가받도록 구성된 제1애노드, 제1캐소드, 제2애노드 및 제2캐소드를 포함할 수 있다.
제1접합구조체(110)는 제1도전형을 갖는 제1불순물영역(112) 및 제2도전형을 갖는 제2불순물영역(114)을 포함할 수 있다. 또한, 제1접합구조체(110)는 제2불순물영역(114) 내에 형성되어 제1불순물영역(112)의 측면을 감싸는 가드링(116)을 더 포함할 수 있다. 제1도전형이 P형이고, 제2도전형인 N형일 경우, 제1불순물영역(112)은 제1애노드로 작용할 수 있고, 제2불순물영역(114)은 제1캐소드로 작용할 수 있다. 제1애노드 및 제1캐소드는 각각 독립적으로 바이어스를 인가받을 수 있도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1접합구조체(110)에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제2접합구조체(150)는 제1도전형을 갖는 제3불순물영역(130) 및 제2도전형을 갖는 제4불순물영역(140)을 포함할 수 있다. 제1도전형이 P형이고, 제2도전형인 N형일 경우, 제3불순물영역(130)은 제2애노드로 작용할 수 있고, 제4불순물영역(140)은 제2캐소드로 작용할 수 있다. 제2애노드 및 제2캐소드는 각각 독립적으로 바이어스를 인가받을 수 있도록 구성될 수 있다.
제2애노드로 작용하는 제3불순물영역(130)은 제2불순물영역(114)의 저면에 접하도록 기판(Sub) 내에 형성된 제1딥웰영역(132) 및 제1딥웰영역(132)에 전기적으로 연결된 제1웰영역(134)을 포함할 수 있다. 제1웰영역(134)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 기판(Sub)에 형성될 수 있고, 필라 형상(Pillar shape)을 가질 수 있다. 그리고, 제1딥웰영역(132)은 제2불순물영역(114)과 완전히 중첩되는 평판 형상을 가질 수 있다. 도 3b에서는 제1웰영역(134)이 하나의 불순물영역으로 구성된 경우를 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다, 제1웰영역(134)은 제3방향(D3)으로 적층된 복수의 웰영역들로 구성될 수도 있다.
제2캐소드로 작용하는 제4불순물영역(140)은 제3불순물영역(130)의 제1딥웰영역(132) 저면에 접하도록 기판(Sub)에 형성된 제2딥웰영역(142) 및 제2딥웰영역(142)에 전기적으로 연결된 제2웰영역(144)을 포함할 수 있다. 제2웰영역(144)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 기판(Sub)에 형성될 수 있고, 필라 형상을 가질 수 있다. 그리고, 제2딥웰영역(142)은 제2불순물영역(114) 및 제1딥웰영역(132)과 완전히 중첩되는 평판 형상을 가질 수 있다. 도 3b에서는 제2웰영역(144)이 하나의 불순물영역으로 구성된 경우를 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다, 제2웰영역(144)은 제3방향(D3)으로 적층된 복수의 웰들로 구성될 수도 있다.
한편, 도 3a 및 도 3b에서는 제1웰영역(134) 및 제2웰영역(144) 각각이 바 타입(Bar type)의 평면형상을 갖는 경우를 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 제1웰영역(134)은 제2불순물영역(114)의 측벽으로부터 이격되어 제2불순물영역(114)의 측면을 둘러싸는 파이프 형상을 가질 수도 있다. 마찬가지로, 제2웰영역(144)은 제1웰영역(134)을 포함하여 제1접합구조체(110)의 측면을 둘러싸는 파이프 형상을 가질 수 있다. 이때, 제2웰영역(144)은 제1웰영역(134)의 측면에 접할 수도 있다.
이어서, 도 3a 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드(4)의 제2접합구조체(150)에서 제3불순물영역(130)은 제2불순물영역(114)의 저면에 접하도록 기판(Sub)에 형성된 제1딥웰영역(132) 및 제1딥웰영역(132)에 전기적으로 연결된 제1수직전극(136)을 포함할 수 있다. 제1수직전극(136)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 형성될 수 있고, 필라 형상을 가질 수 있다. 제1수직전극(136)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 형성된 제1트렌치(136a), 제1트렌치(136a) 측면에 형성된 제1절연스페이서(136b) 및 제1트렌치(136a) 내부에 갭필된 제1도전막(136c)을 포함할 수 있다.
마찬가지로, 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드(4)의 제2접합구조체(150)에서 제4불순물영역(140)은 제1딥웰영역(132)의 저면에 접하도록 기판(Sub)에 형성된 제2딥웰영역(142) 및 제2딥웰영역(142)에 전기적으로 연결된 제2수직전극(146)을 포함할 수 있다. 제2수직전극(146)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에 접하도록 형성될 수 있고, 필라 형상을 가질 수 있다. 제2수직전극(146)은 기판(Sub)의 제1면(S1)에서 형성된 제2트렌치(146a), 제2트렌치(146a) 측면에 형성된 제2절연스페이서(146b) 및 제2트렌치(146a) 내부에 갭필된 제2도전막(146ㅊ)을 포함할 수 있다.
한편, 도 3a 및 도 3c에서는 제1수직전극(136) 및 제2수직전극(146) 각각이 바 타입의 평면형상을 갖는 경우를 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 제1수직전극(136)은 제2불순물영역(114)의 측벽으로부터 이격되어 제2불순물영역(114)의 측면을 둘러싸는 파이프 형상을 가질 수도 있다. 마찬가지로, 제2수직전극(146)은 제1수직전극(136)을 포함하여 제1접합구조체(110)의 측면을 둘러싸는 파이프 형상을 가질 수 있다.
도 4는 본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드를 구비하는 전자 장치를 도시한 도시면이다. 여기서, 전자 장치는 이미지 센싱 장치를 포함하는 촬영 장치일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 촬영 장치는 정지 영상을 촬영하는 디지털 스틸 카메라 또는 동영상을 촬영하는 디지털 비디오 카메라 등의 장치를 의미할 수 있다. 예를 들어, 촬영 장치는 디지털 일안 리플렉스 카메라(Digital Single Lens Reflex, DSLR), 미러리스(mirrorless) 카메라 또는 핸드폰(특히, 스마트폰)으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 촬영 장치는 렌즈 및 촬상 소자를 포함함에 의해, 피사체를 촬영하고 이미지를 생성할 수 있는 장치를 포함하는 개념일 수 있다.
촬영 장치는 이미지 센싱 장치(200) 및 이미지 신호 프로세서(300)를 포함할 수 있다.
이미지 센싱 장치(200)는 TOF(time of flight) 원리를 이용하여 거리를 측정할 수 있다. 이미지 센싱 장치(200)는 광원(LS), 렌즈 모듈(LM), 픽셀 어레이(210), 픽셀 드라이버(220), 타이밍 컨트롤러(230), 광원 드라이버(240) 및 리드아웃 회로(250)를 포함할 수 있다.
광원(LS)은 광원 드라이버(240)로부터의 클락 신호(MLS)에 응답하여 대상 물체(TO)에 광을 조사할 수 있다. 광원(LS)은 특정 파장 대역의 광(예컨대, 적외선 또는 가시광)을 발광하는 레이저 다이오드(Laser Diode, LD), 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 근적외선 레이저(Near Infrared Laser, NIR), 포인트 광원(LS), 백색 램프 및 모노크로메이터(monochromator)가 조합된 단색(monochromatic) 조명원 또는 다른 레이저 광원(LS)의 조합일 수 있다. 예를 들어, 광원(LS)은 800㎚ 내지 1000㎚의 파장을 가지는 적외선을 발광할 수 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 하나의 광원(LS)만을 도시하였으나, 복수의 광원(LS)들이 렌즈 모듈(LM)의 주변에 배열될 수도 있다.
렌즈 모듈(LM)은 대상 물체(TO) 로부터 반사된 광을 수집하여 픽셀 어레이(210)의 픽셀들에 집중 시킬 수 있다. 렌즈 모듈(LM)은 유리 또는 플라스틱 표면의 집중 렌즈 또는 다른 원통형 광학 원소를 포함할 수 있다. 렌즈 모듈(LM)은 적어도 하나의 렌즈들이 형성하는 하나의 렌즈 군을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(210)는 2차원 매트릭스 구조로 연속적으로 배열된 복수의 SPAD 픽셀들(212)을 포함할 수 있다. 즉, 픽셀 어레이(210)는 컬럼(column) 방향 및 로우(row) 방향을 따라 연속적으로 배열된 복수의 SPAD 픽셀들(212)을 포함할 수 있다. 각 SPAD 픽셀(212)은 렌즈 모듈(LM)을 통해 수신된 입사광을 광전 변환시켜 그 입사광에 대응하는 전기 신호인 픽셀 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 이때, 픽셀 신호는 대상 물체(TO)에 대한 색상을 나타내는 신호가 아닌 대상 물체(TO)와의 거리에 대응하는 정보를 나타내는 신호일 수 있다. 복수의 SPAD 픽셀들(212) 각각은 상술한 본 기술의 실시예에 따른 단일 광자 애벌런치 다이오드를 포함할 수 있다.
복수의 SPAD 픽셀들(212)이 배열된 픽셀 어레이(210)는 다이렉트(direct) ToF 방식을 이용하여 대상 물체(TO)와의 거리를 감지할 수 있다. 참고로, 다이렉트 ToF 방식은 대상 물체(TO)로 펄스 광을 조사한 시점으로부터 펄스 광이 대상 물체(TO)로부터 반사되어 입사되는 시점까지의 왕복 시간을 직접 측정하여 왕복 시간과 광속을 연산함에 의해 대상 물체(TO)와의 거리를 계산하는 방식이다.
픽셀 드라이버(220)는 타이밍 컨트롤러(230)의 제어에 따라 픽셀 어레이(210)를 구동할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 드라이버(220)는 SPAD 픽셀(212)에 인가되는 역 바이어스 전압을 항복 전압 이하로 감소시키는 퀀칭 동작(quenching operation)을 제어하기 위한 퀀칭 제어 신호를 생성할 수 있다. 또한, 픽셀 드라이버(220)는 SPAD 픽셀(212)에 연결된 센싱 노드로 전하를 주입하는 재충전 동작(recharging operation)을 제어하는 재충전 제어 신호를 생성할 수 있다.
리드아웃 회로(250)는 픽셀 어레이(210)의 일측에 배치되어 각 SPAD 픽셀(212)로부터 출력되는 펄스 신호와 기준 펄스 간의 시간 지연을 계산하고, 시간 지연에 대응하는 디지털 데이터를 생성 및 저장할 수 있다. 리드아웃 회로(250)는 이러한 동작을 수행하는 TDC(time-to-digital) 회로를 포함할 수 있다. 리드아웃 회로(250)는 저장된 디지털 데이터를 타이밍 컨트롤러(230)의 제어에 따라 이미지 신호 프로세서(300)로 전송할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(230)는 이미지 센싱 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 즉, 타이밍 컨트롤러(230)는 픽셀 드라이버(220) 및 광원 드라이버(240)의 동작을 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다. 또한, 타이밍 컨트롤러(230)는 리드아웃 회로(250)의 활성화 또는 비활성화를 제어하고, 리드아웃 회로(250) 각각에 저장된 디지털 데이터를 동시에 또는 순차적으로 이미지 신호 프로세서(300)로 전송하도록 제어할 수 있다.
광원 드라이버(240)는 타이밍 컨트롤러(230)의 제어에 따라 광원(LS)을 구동시킬 수 있는 클락 신호를 생성할 수 있다.
이미지 신호 프로세서(300)는 이미지 센싱 장치(200)로부터 입력되는 디지털 데이터를 처리하고, 대상 물체(TO)와의 거리를 나타내는 깊이 이미지를 생성할 수 있다. 구체적으로, 이미지 신호 프로세서(300)는 리드아웃 회로(250)로부터 수신된 디지털 데이터가 나타내는 시간 지연에 기초하여 각 픽셀별로 대상 물체(TO)와의 거리를 계산할 수 있다.
이미지 신호 프로세서(300)는 이미지 센싱 장치(200)의 동작을 제어할 수 있다. 특히, 이미지 신호 프로세서(200)는 이미지 센싱 장치(200)로부터 입력되는 디지털 데이터를 분석하여, 이미지 센싱 장치(200)의 모드를 결정할 수 있으며, 결정된 모드로 동작하도록 이미지 센싱 장치(200)를 제어할 수 있다.
이미지 신호 프로세서(300)는 생성된 깊이 이미지에 대해 노이즈 제거 및 화질 개선을 위한 영상 신호 처리를 수행할 수 있다. 이미지 신호 프로세서(300)로부터 출력된 깊이 이미지는 사용자의 요청에 따라 또는 자동적으로 촬영 장치 또는 촬영 장치가 탑재된 장치의 내부 메모리 또는 외장 메모리에 저장되거나, 디스플레이를 통해 표시될 수 있다. 또는 이미지 신호 프로세서(300)로부터 출력된 깊이 이미지는 촬영 장치 또는 촬영 장치가 탑재된 장치의 동작을 제어하는데 이용될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 SPAD 픽셀의 등가회로를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, SPAD 픽셀(212)은 광전변환소자인 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD), 퀀칭 회로(quenching circuit, QC), 디지털 버퍼(digital buffer, DB) 및 재충전 회로(recharging circuit, RC)를 포함할 수 있다. 여기서, 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 제1구조, 도 2a 및 도 2b에 도시된 제2구조, 도 3a 및 도 3b에 도시된 제3구조 및 도 3a 및 도 3c에 도시된 제4구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 즉, 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)는 다중 공핍영역을 가질 수 있고, 다중 공핍영역의 개수에 대응하는 다중 동작전압을 가질 수 있다.
단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)는 대상 물체(TO)에 의해 반사된 단일 광자를 감지하여 감지된 단일 광자에 대응하는 전류 펄스를 생성할 수 있다. 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)는 감광성 P-N 접합부를 포함하는 포토 다이오드로서, 캐소드-애노드 간의 전압이 항복전압보다 높은 역 바이어스 전압이 인가되는 가이거 모드에서 입사된 단일 광자에 의해 애벌런치 항복이 트리거되어 전류 펄스를 생성할 수 있다. 이와 같이, 단일 광자에 의해 애벌런치 항복이 트리거되어 전류 펄스가 생성되는 과정을 애벌런치 프로세스라 정의하기로 한다.
단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)의 일측 단자(예컨대, 캐소드들)는 항복전압보다 높은 역 바이어스 전압 즉, 다중 동작전압 중 어느 하나의 동작전압을 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)에 인가하기 위한 제1바이어스전압(Vov)를 인가받을 수 있다. 예를 들어, 제1바이어스전압(Vov)은 항복전압의 절대값보다 낮은 절대값을 갖는 양의 전압일 수 있다. 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)의 타측 단자(예컨대, 애노드들)는 센싱 노드(NS)에 연결될 수 있으며, 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)는 단일 광자를 감지하여 생성한 전류 펄스를 센싱 노드(NS)로 출력할 수 있다.
퀀칭 회로(QC)는 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)에 인가되는 역 바이어스 전압을 제어할 수 있다. 애벌런치 프로세스가 수행될 수 있는 시간(또는, 클락 신호(MLS)의 펄스 발생 이후 일정 시간)이 경과하면, 퀀칭 회로(QC)의 퀀칭 트랜지스터(QX)는 퀀칭 제어 신호(QCS)에 응답하여 턴-온되어 센싱 노드(NS)와 접지전압을 전기적으로 연결할 수 있다. 이에 따라, 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)에 인가되는 역 바이어스 전압이 항복전압 이하로 감소되며, 애벌런치 프로세스가 퀀칭(즉, 정지)될 수 있다.
디지털 버퍼(DB)는 센싱 노드(NS)로 입력되는 아날로그 형태의 전류 펄스를 샘플링하여 디지털 형태의 펄스 신호로 변환할 수 있다. 여기서, 샘플링 방법은 전류 펄스의 레벨이 임계 레벨 이상인지 여부에 따라 '0' 또는 '1'의 로직 레벨을 갖는 펄스 신호로 변환하는 방식일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 따라서, 디지털 버퍼(DB)로부터 출력되는 펄스 신호는 픽셀 출력 신호(PXout)로서 리드아웃 회로(250)로 전달될 수 있다.
재충전 회로(RC)는 퀀칭 회로(QC)에 의해 애벌런치 프로세스가 퀀칭된 후 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)가 애벌런치 항복을 유도할 수 있는 가이거 모드로 다시 진입하도록 하기 위해 센싱 노드(NS)로 전하를 주입할 수 있다. 예를 들어, 재충전 회로(RC)는 재충전 제어 신호에 따라 제2 바이어스 전압을 센싱 노드(NS)에 선택적으로 연결할 수 있는 스위치(예컨대, 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 스위치가 턴-온되면, 센싱 노드(NS)의 전압은 제2바이어스전압에 도달할 수 있다. 예를 들어, 제2바이어스전압의 절대값과 제1바이어스전압(Vov)의 절대값의 합은 항복전압의 절대값보다 클 수 있으며, 제2바이어스전압은 음의 전압일 수 있다. 따라서, 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)는 가이거 모드로 진입하여 다음 타이밍에서 수신되는 단일 광자에 의해 애벌런치 프로세스가 진행될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 퀀칭 회로(QC)와 재충전 회로(RC)가 능동형 소자로 구현되는 경우를 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 퀀칭 회로(QC)와 재충전 회로(RC)는 수동형 소자로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 퀀칭 회로(QC)의 퀀칭 트랜지스터(QX)는 저항으로 대체될 수도 있다. 참고로, 위에서 설명된 퀀칭 제어 신호(GCS)와 재충전 제어 신호는 도 4에 도시된 픽셀 드라이버(220)로부터 공급될 수 있다.
리드아웃 회로(250)는 SPAD 픽셀(212)의 펄스 신호와 기준 펄스와의 시간 지연을 계산하여 디지털 데이터를 생성하는 디지털 로직 및 생성된 디지털 데이터를 저장하는 출력 버퍼를 포함할 수 있다. 여기서, 디지털 로직과 출력 버퍼는 TDC(time-to-digital) 회로로 통칭될 수 있다. 여기서, 기준 펄스는 클락 신호(MLS)의 펄스일 수 있다.
이상 본 기술을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 기술은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 기술의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
1, 2, 3, 4 : 단일 광자 애벌런치 다이오드
Sub : 기판 110 : 제1접합구조체
112 : 제1불순물영역 114 : 제2불순물영역
116 : 가드링 120 : 제2접합구조체
122 : 제3불순물영역 124 : 제4불순물영역
126 : 분리영역 DR1 : 제1공핍영역
DR2 : 제2공핍영역 DR3 : 제3공핍영역

Claims (20)

  1. 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판; 및
    상기 기판의 제1면에 접하도록 상기 기판에 형성되고, 수직방향으로 일면을 접하여 서로 중첩되는 복수의 접합구조체들을 포함하고,
    상기 접합구조체들 각각은,
    상기 제1면에 접하고, 제1도전형을 갖는 제1불순물영역; 및
    상기 제1면 및 상기 제1불순물영역의 저면에 접하고, 제2도전형을 갖는 제2불순물영역을 포함하며,
    상기 접합구조체들 각각에서 상기 제1불순물영역 및 상기 제2불순물영역은 상기 기판의 제1면을 통해 각각 독립적으로 바이어스를 인가받도록 구성되는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 형성되어 상기 접합구조체들 사이에 각각 위치하는 분리영역을 더 포함하는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분리영역은 제1도전형을 갖는 불순물영역 또는 트렌치형 분리막을 포함하는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 분리영역은 상기 제1면에 접하여 수직방향으로 연장된 파이프 형상을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1면을 기준으로 상기 분리영역의 깊이는 상기 접합구조체들 중 상기 분리영역의 내측에 위치하는 접합구조체의 깊이와 실질적으로 동일한 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접합구조체들 각각에서 상기 제2불순물영역은 상기 제1불순물영역의 측면 및 저면에 접하여 상기 제1불순물영역을 감싸는 형태를 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접합구조체들 중 중심부에 위치하는 제1접합구조체에서 상기 제1불순물영역은 평판 형상을 갖고, 상기 제2불순물영역은 상기 제1불순물영역 측면 및 저면을 감싸는 실린더 형상을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 접합구조체들 중 중심부에 위치하는 제1접합구조체의 외측에 형성된 제2접합구조체 내지 제N접합구조체(여기서, N은 3 이상의 자연수) 각각에서 상기 제1불순물영역 및 상기 제2불순물영역 각각은 실린더 형상을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 접합구조체들 중 제N접합구조체(여기서, N은 2 이상의 자연수)는 상기 제N접합구조체 내측에 위치하는 제N-1접합구조체의 측면 및 저면을 감싸는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제N접합구조체의 제1불순물영역은 상기 제N-1접합구조체의 제2불순물영역 저면에 접하되, 상기 제N-1접합구조체의 제2불순물영역 측면으로부터 이격된 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  11. 제1면 및 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 기판;
    상기 제1면에 접하도록 상기 기판에 형성되고, 제1도전형을 갖는 제1불순물영역;
    일부가 상기 제1면에 접하도록 상기 기판에 형성되고, 상기 제1불순물영역의 측면 및 저면에 접하며, 제2도전형을 갖는 제2불순물영역;
    일부가 상기 제1면에 접하도록 상기 기판에 형성되고, 상기 제2불순물영역의 저면에 접하며, 제1도전형을 갖는 제3불순물영역; 및
    일부가 상기 제1면에 접합도록 상기 기판에 형성되고, 상기 제3불순물영역의 측면 및 저면에 접하며, 제2도전형을 갖는 제4불순물영역
    을 포함하는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2불순물영역 내에 형성되고, 상기 제1불순물영역의 측면에 접하여 상기 제1불순물영역을 둘러싸는 가드링; 및
    상기 제2불순물영역의 측면과 마주보는 상기 제3불순물영역의 측면 사이에 삽입된 분리영역
    을 더 포함하는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가드링 및 상기 분리영역 각각은 제1도전형을 갖는 불순물영역 또는 트렌치형 분리막을 포함하는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 가드링 및 상기 분리영역은 상기 제1면에 접하여 수직방향으로 연장된 파이프 형상을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 기판의 제1면을 기준으로 상기 분리영역의 깊이는 상기 제2불순물영역의 깊이와 실질적으로 동일한 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제3불순물영역 및 상기 제4불순물영역은 각각 실린더 형상을 갖는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제3불순물영역은 상기 기판 내에 형성되어 상기 제2불순물영역의 저면에 접하는 평판 형상을 갖는 제1딥웰 및 수직방향으로 연장되어 일측 끝단 및 타측 끝단이 각각 상기 기판의 제1면 및 상기 제1딥웰에 접하는 제1웰을 포함하고,
    상기 제4불순물영역은 상기 기판 내에 형성되어 상기 제3불순물영역의 저면에 접하는 평판 형상을 갖는 제2딥웰 및 수직방향으로 연장되어 일측 끝단 및 타측 끝단이 각각 상기 기판의 제1면 및 상기 제2딥웰에 접하는 제2웰을 포함하는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1웰 및 상기 제2웰 각각은 수직방향으로 적층된 복수의 웰영역들을 포함하는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제3불순물영역은 상기 기판 내에 형성되어 상기 제2불순물영역의 저면에 접하는 평판 형상을 갖는 제1딥웰 및 수직방향으로 연장되어 일측 끝단 및 타측 끝단이 각각 상기 기판의 제1면 및 상기 제1딥웰에 접하는 제1수직전극을 포함하고,
    상기 제4불순물영역은 상기 기판 내에 형성되어 상기 제3불순물영역의 저면에 접하는 평판 형상을 갖는 제2딥웰 및 수직방향으로 연장되어 일측 끝단 및 타측 끝단이 각각 상기 기판의 제1면 및 상기 제2딥웰에 접하는 제2수직전극을 포함하는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 제1수직전극 및 상기 제2수직전극 각각은,
    상기 기판의 제1면에서 형성된 트렌치;
    상기 트렌치 측면에 형성된 절연스페이서; 및
    상기 트렌치 내부에 갭필된 도전막
    을 포함하는 단일 광자 애벌런치 다이오드.
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