KR20230032667A - Spad pixel structure - Google Patents

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KR20230032667A KR1020210115732A KR20210115732A KR20230032667A KR 20230032667 A KR20230032667 A KR 20230032667A KR 1020210115732 A KR1020210115732 A KR 1020210115732A KR 20210115732 A KR20210115732 A KR 20210115732A KR 20230032667 A KR20230032667 A KR 20230032667A
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정주환
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Abstract

The present invention relates to an SPAD pixel structure (1), and more particularly, to a structure (1) in which a unit pixel area (P1) is arranged in a honeycomb manner to increase the fill-factor and minimize the periodicity of the transition to display data in a square pattern, thereby reducing the burden on an image signal processor (ISP).

Description

SPAD 픽셀 구조{SPAD PIXEL STRUCTURE}SPAD pixel structure {SPAD PIXEL STRUCTURE}

본 발명은 SPAD 픽셀 구조(1)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단위 픽셀영역(P1)을 허니컴(Honeycomb) 방식으로 배열함으로써 Fill-Factor의 증가 및 사각 패턴으로 이루어지는 디스플레이 데이터로의 전환 시 그 주기성을 최소화하여 ISP(Image Signal Processor)에 적용되는 부담을 줄이는 구조(1)에 관한 것이다.The present invention relates to a SPAD pixel structure (1), and more particularly, by arranging unit pixel areas (P1) in a honeycomb method to increase the Fill-Factor and the periodicity when converted to display data consisting of square patterns. It relates to a structure (1) that minimizes the burden applied to an image signal processor (ISP).

일반적으로, 촬상 장치의 화소 광전 변환 소자로 SPAD라고 지칭되는 단일-광자 애벌런치 다이오드들이 활용되고 있다. 상기 SPAD들은 입사 방사선을 검출하기 위해 PN 접합을 가지며, 가이거 모드(Geiger mode)에서 작동하며, 즉, 애벌런치 전압으로도 지칭되는, 단일-광자 애벌런치 다이오드의 항복 전압보다 훨씬 더 높은 전압으로 작동되는 모드이다. SPAD에는 항복전압을 초과하는 전압이 인가되어 있기 때문에, 광전변환에 의해 생성된 캐리어에 기인하는 electron avalanche가 발생하고, SPAD는 항복 상태가 된다. 이 결과, 광전변환에 의거한 캐리어의 증폭이 발생하고, 촬상 장치에서의 감도의 향상을 도모할 수 있다.In general, single-photon avalanche diodes referred to as SPADs are used as pixel photoelectric conversion elements of an imaging device. The SPADs have a PN junction to detect incident radiation and operate in Geiger mode, i.e. at a voltage much higher than the breakdown voltage of single-photon avalanche diodes, also referred to as avalanche voltages. it is a mode Since a voltage exceeding the breakdown voltage is applied to the SPAD, electron avalanche occurs due to carriers generated by photoelectric conversion, and the SPAD enters a breakdown state. As a result, carrier amplification occurs based on photoelectric conversion, and the sensitivity of the imaging device can be improved.

도 1은 종래의 SPAD 픽셀 구조에서 단위 픽셀영역이 사각 패턴으로 어레이되는 것을 보여주는 평면도이다.1 is a plan view showing that unit pixel areas are arrayed in a square pattern in a conventional SPAD pixel structure.

도 1을 참고하면, 종래의 SPAD 픽셀 구조(9)에서의 단위 픽셀영역(910)의 어레이 방식에 대하여 간략히 설명하면, 사각 패턴의 단위 픽셀영역(910) 내에 원형의 개별 단위 픽셀(930)이 배열된다. 또한, 각 사각 패턴의 단위 픽셀영역(910)은 인접한 단위 픽셀영역(910)과 x축 및 y축 방향을 따라 모두 접하도록 구성된다. 예를 들어, 각 단위 픽셀영역(910)이 정사각형 패턴이고, 각 단위 픽셀영역(910)의 변(L)의 길이가 2.00(단위 생략)이며, 상기 단위 픽셀영역(910)에 내접하는 단위 픽셀(930)의 반지름(r)이 1.00인 경우, 단위 픽셀영역(910)의 면적은 4.00이며, 단위 픽셀(930)의 면적은 대략 3.14이다. 따라서, 종래의 SPAD 픽셀 구조(9)에서는 Fill-Factor가 3.14/4.00 = 78.5%가 된다. Referring to FIG. 1, briefly describing the array method of the unit pixel area 910 in the conventional SPAD pixel structure 9, individual circular unit pixels 930 in the square pattern unit pixel area 910 are are arranged In addition, the unit pixel area 910 of each square pattern is configured to contact the adjacent unit pixel area 910 along the x-axis and y-axis directions. For example, each unit pixel area 910 has a square pattern, the length of the side L of each unit pixel area 910 is 2.00 (unit omitted), and the unit pixel inscribed in the unit pixel area 910 When the radius (r) of 930 is 1.00, the area of unit pixel region 910 is 4.00, and the area of unit pixel 930 is approximately 3.14. Therefore, in the conventional SPAD pixel structure (9), the Fill-Factor becomes 3.14/4.00 = 78.5%.

이와 같이 일반적인 사각 패턴의 어레이 방식을 활용하는 경우, 수광부로 활용되는 단위 픽셀(930)의 면적이 상대적으로 작게 형성되므로, 그 효율성을 크게 저하시키며, 궁극적으로는 Q.E(Quantum Efficiency)가 저하될 수밖에 없다.In the case of using the general square pattern array method as described above, since the area of the unit pixel 930 used as the light receiving unit is relatively small, the efficiency is greatly reduced and, ultimately, the Quantum Efficiency (Q.E) is inevitably lowered. does not exist.

도 2는 종래의 SPAD 픽셀 구조에서의 단위픽셀 구조의 단면도이고; 도 3은 파장대별 실리콘 내에서의 흡수 계수를 보여주는 그래프이다.2 is a cross-sectional view of a unit pixel structure in a conventional SPAD pixel structure; 3 is a graph showing an absorption coefficient in silicon for each wavelength band.

또한, 도 2를 참고하면, 종래의 SPAD 픽셀 구조(9)에서의 개별 단위 픽셀(930)은 제1 도전형의 벌크 영역(931) 내 제2 도전형의 불순물 영역(933)이 상기 벌크 영역(931)의 표면 측에 형성된다. 이에 따라 PN 접합 영역(935)은 그 수평방향 폭은 폭넓게 형성할 수 있으나, 상하 방향으로는 그 영역을 확장시키지 못하는 문제점이 있다. In addition, referring to FIG. 2 , in the individual unit pixel 930 in the conventional SPAD pixel structure 9, the impurity region 933 of the second conductivity type in the bulk region 931 of the first conductivity type is the bulk region. (931) is formed on the surface side. Accordingly, the PN junction region 935 can have a wide width in the horizontal direction, but has a problem in that the region cannot be expanded in the vertical direction.

도 3을 참고하면, ToF 센서(Time of Flight)는 900 ㎚ 대역으로 파장이 긴 NIR(Near INfrared)영역을 주로 사용하는데, 상기 NIR 영역의 광은 벌크 영역(931)에서의 흡수 계수(absorption coefficient)가 작아 상기 벌크 영역(931)의 깊은 곳까지 흡수 없이 도달한다(도 3 참고). 이 때 종래의 구조(9)에서는 PN 접합 영역(935)이 상하 방향으로 영역이 확장되어 있지 못한 구조로 형성되므로, 촬상 장치에서의 감도 향상이 비용이해질 수밖에 없는 문제가 발생할 수 있다.Referring to FIG. 3, the ToF sensor (Time of Flight) mainly uses a NIR (Near INfrared) region having a long wavelength in the 900 nm band, and light in the NIR region has an absorption coefficient in the bulk region 931 ) is small and reaches the depth of the bulk region 931 without absorption (see FIG. 3). At this time, in the conventional structure 9, since the PN junction region 935 is formed in a structure in which the region does not expand in the vertical direction, a problem in that sensitivity improvement in the imaging device becomes expensive may occur.

이와 같은 문제점들을 해결하고자, 본 발명의 발명자는 개선된 구조를 가지는 신규의 SPAD 픽셀 구조에 대하여 제시하며, 상세한 내용은 후술하도록 한다.In order to solve these problems, the inventor of the present invention proposes a new SPAD pixel structure having an improved structure, and details thereof will be described later.

국내공개특허 제10-2019-0049598호 'SPAD 이미지 센서 및 관련 제조 방법'Korean Patent Publication No. 10-2019-0049598 'SPAD image sensor and related manufacturing method'

앞서 본 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로,It was devised to solve the problems of the prior art,

본 발명은 단위 픽셀영역을 허니컴(Honeycomb) 방식으로 배열함으로써 Fill-Factor의 증가 및 그에 따른 Q.E를 향상시키도록 하는 SPAD 픽셀 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a SPAD pixel structure that increases a fill-factor and thereby improves Q.E by arranging unit pixel areas in a honeycomb method.

또한, 본 발명은 인접한 열 간 제2 방향 중심축의 이격거리를 7*D/8가 성립되도록 단위 픽셀을 어레이함으로써, 사각 패턴으로 이루어지는 디스플레이 데이터로의 전환 시 그 주기성을 최소화하여 ISP(Image Signal Processor)에 적용되는 부담을 줄이는 SPAD 픽셀 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, the present invention minimizes the periodicity when converting display data consisting of a square pattern by arranging unit pixels such that the separation distance of the central axis in the second direction between adjacent columns is 7*D/8. ), its purpose is to provide a SPAD pixel structure that reduces the burden applied to .

또한, 본 발명은 기존의 SPAD 픽셀 구조에서, 수평 방향으로의 추가적인 PN 접합 영역을 형성함으로써 광자의 검출 효율을 증가시키고 그에 의하여 촬상 장치에서의 감도 향상을 도모하도록 하는 SPAD 픽셀 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, the present invention is to provide a SPAD pixel structure that increases the detection efficiency of photons by forming an additional PN junction region in the horizontal direction in the existing SPAD pixel structure and thereby promotes sensitivity improvement in an imaging device. there is

본 발명은 앞서 상술한 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의하여 구현될 수 있다.The present invention can be implemented by an embodiment having the following configuration in order to achieve the above-described object.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조는 단위 픽셀이 어레이되는 다수의 단위 픽셀영역; 및 개별 단위 픽셀영역 내에 개별 단위 픽셀과 접하도록 1대1 대응되게 어레이되며, 원형 패턴의 단위 픽셀;을 포함하여, 상기 다수의 단위 픽셀영역이 정육각형 패턴인 허니컴 구조로 어레이되는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, the SPAD pixel structure according to the present invention includes a plurality of unit pixel areas in which unit pixels are arrayed; and unit pixels in a circular pattern, arranged in a one-to-one correspondence so as to contact individual unit pixels within individual unit pixel areas, wherein the plurality of unit pixel areas are arrayed in a honeycomb structure having a regular hexagonal pattern.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 상기 다수의 단위 픽셀은 동일 열 내에 제1 방향을 따라 어레이되는 인접한 단위 픽셀 간 접하도록, 상이한 열 간 인접한 단위 픽셀 간 접하지 않도록 어레이되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the plurality of unit pixels in the SPAD pixel structure according to the present invention do not contact adjacent unit pixels between different columns so that adjacent unit pixels arrayed along the first direction within the same column are in contact with each other. It is characterized in that it is arrayed so that it does not.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 동일 열 내의 다수의 단위 픽셀은 개별 단위 픽셀의 중심을 지나는 제1 방향 중심축을 공유하고, 인접한 열 간 인접한 단위 픽셀의 중심 간 거리는 개별 단위 픽셀의 지름보다 큰 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, a plurality of unit pixels in the same column in the SPAD pixel structure according to the present invention share a central axis in the first direction passing through the center of each unit pixel, and the center of adjacent unit pixels between adjacent columns. The inter-interval distance is characterized in that it is larger than the diameter of an individual unit pixel.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 인접한 열 간 제1 방향 중심축들의 이격 거리(x)는 (N - 1) * 단위 픽셀의 직경크기(D) / (단위 픽셀 열의 개수(n) - 1)이며, N은 자연수인 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the separation distance (x) of the central axes in the first direction between adjacent rows in the SPAD pixel structure according to the present invention is (N - 1) * diameter size (D) / ( The number of unit pixel columns (n) - 1), where N is a natural number.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 인접한 열 간 제1 방향 중심축들의 이격 거리(x)는 0.875 * 단위 픽셀의 직경크기(D)인 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, it is characterized in that the separation distance (x) of central axes in the first direction between adjacent rows in the SPAD pixel structure according to the present invention is 0.875 * diameter size (D) of unit pixel.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 개별 단위 픽셀은 제1 도전형의 벌크 영역; 상기 벌크 영역 내에서 상하 방향을 따라 이격되며, 제2 도전형의 고농도 도핑 영역인 불순물 영역들; 상기 불순물 영역들을 둘러싸는 구조로, 상기 불순물 영역들 중 최상단의 불순물 영역보다 깊게 형성되며, 제2 도전형의 저농도 도핑 영역인 가드 링; 상기 불순물 영역들 중 최상단의 불순물 영역 상의 캐소드 전극; 및 상기 벌크 영역 상의 애노드 전극;을 포함하며, 상기 불순물 영역들과 벌크 영역의 PN 접합부가 상하 방향을 따라 이격되어 다수 구성되도록 하는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, each unit pixel in the SPAD pixel structure according to the present invention includes a bulk region of a first conductivity type; impurity regions spaced apart from each other in a vertical direction within the bulk region and being highly-doped regions of a second conductivity type; a guard ring having a structure surrounding the impurity regions and formed deeper than an uppermost impurity region among the impurity regions and being a lightly doped region of a second conductivity type; a cathode electrode on an uppermost impurity region among the impurity regions; and an anode electrode on the bulk region, wherein the impurity regions and the PN junction of the bulk region are spaced apart from each other in a vertical direction to form a plurality of them.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 상기 가드 링은 복수의 불순물 영역들을 연결하는 통전 영역;을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the guard ring in the SPAD pixel structure according to the present invention includes a conductive region connecting a plurality of impurity regions.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 상기 통전 영역은 상기 벌크 영역 내 최상단의 불순물 영역으로부터 최하단의 불순물 영역의 일 측부와 맞닿는 위치까지 연장되며, 상기 가드 링의 일부 영역에만 형성되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, in the SPAD pixel structure according to the present invention, the conduction region extends from the uppermost impurity region in the bulk region to a position in contact with one side of the lowermost impurity region, and It is characterized in that it is formed only in some areas.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 개별 단위 픽셀은 제1 도전형의 벌크 영역; 제2 불순물 영역 내 상하 방향을 따라 이격되며, 제1 도전형의 고농도 도핑 영역인 제1 불순물 영역들; 상기 제1 불순물 영역을 감싸는 제2 도전형의 제2 불순물 영역; 상기 제2 불순물 영역 표면의 캐소드 전극; 및 상기 제1 불순물 영역들 중 그 최상단의 불순물 영역 표면의 애노드 전극;을 포함하며, 상기 제1 불순물 영역들은 개별 제1 불순물 영역을 상호 연결하며, 상기 제2 불순물 영역 내에서 상하 방향을 따라 연장되는 통전 영역;을 포함하고, 상기 제1 불순물 영역들과 제2 불순물 영역의 PN 접합부가 상하 방향을 따라 이격되어 다수 구성되도록 하는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, each unit pixel in the SPAD pixel structure according to the present invention includes a bulk region of a first conductivity type; first impurity regions that are spaced apart from each other in a vertical direction within the second impurity region and are heavily doped regions of a first conductivity type; a second impurity region of a second conductivity type surrounding the first impurity region; a cathode electrode on a surface of the second impurity region; and an anode electrode on a surface of an uppermost impurity region among the first impurity regions, wherein the first impurity regions interconnect individual first impurity regions and extend in a vertical direction within the second impurity region. and a conductive region, wherein a plurality of PN junctions of the first impurity regions and the second impurity regions are spaced apart in a vertical direction.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 상기 다수의 제1 불순물 영역들은 동일 마스크 패턴을 활용하여 이온주입공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the plurality of first impurity regions in the SPAD pixel structure according to the present invention are formed through an ion implantation process using the same mask pattern.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조는 단위 픽셀이 어레이되며, 실질적으로 정육각형 패턴으로 어레이되는 다수의 단위 픽셀영역; 및 개별 단위 픽셀영역 내에서, 개별 단위 픽셀과 접하고 1대1 대응되도록 어레이되며, 실질적으로 서로 동일한 크기의 원형 패턴의 단위 픽셀;을 포함하여, 동일 열 내의 다수의 단위 픽셀은 개별 단위 픽셀의 중심을 지나는 제1 방향 중심축을 공유하고, 인접한 열 간 제1 방향 중심축 거리(x)는 (N - 1) * 단위 픽셀의 직경크기(D) / (단위 픽셀 열의 개수(n) - 1)이며, N과 n은 자연수인 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the SPAD pixel structure according to the present invention includes a plurality of unit pixel areas in which unit pixels are arrayed and arranged in a substantially regular hexagonal pattern; and unit pixels of a circular pattern having substantially the same size and contacting individual unit pixels and being arrayed in a one-to-one correspondence with individual unit pixels within the individual unit pixel area. , and the central axis distance (x) in the first direction between adjacent columns is (N - 1) * diameter of unit pixel (D) / (number of unit pixel columns (n) - 1) , N and n are natural numbers.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 SPAD 픽셀 구조에서의 인접한 열 간 제1 방향 중심축 거리(x)는 0.875 * 단위 픽셀의 직경크기(D)인 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, in the SPAD pixel structure according to the present invention, the central axis distance (x) in the first direction between adjacent rows is 0.875 * diameter size (D) of unit pixel.

본 발명은 앞서 본 구성에 의하여 다음과 같은 효과를 가진다.The present invention has the following effects by the above configuration.

본 발명은 단위 픽셀영역을 허니컴(Honeycomb) 방식으로 배열함으로써 Fill-Factor의 증가 및 그에 따른 Q.E를 향상시키도록 하는 효과가 있다.The present invention has an effect of increasing a fill-factor and improving Q.E accordingly by arranging unit pixel areas in a honeycomb method.

또한, 본 발명은 인접한 열 간 제2 방향 중심축의 이격거리를 7*D/8가 성립되도록 단위 픽셀을 어레이함으로써, 사각 패턴으로 이루어지는 디스플레이 데이터로의 전환 시 그 주기성을 최소화하여 ISP(Image Signal Processor)에 적용되는 부담을 줄이도록 하는 효과를 가진다.In addition, the present invention minimizes the periodicity when converting display data consisting of a square pattern by arranging unit pixels such that the separation distance of the central axis in the second direction between adjacent columns is 7*D/8. ) has the effect of reducing the burden applied to

또한, 본 발명은 기존의 SPAD 픽셀 구조에서, 수평 방향으로의 추가적인 PN 접합 영역을 형성함으로써 광자의 검출 효율을 증가시키고 그에 의하여 촬상 장치에서의 감도 향상을 도모하도록 하는 효과가 도출된다.In addition, the present invention increases photon detection efficiency by forming an additional PN junction region in the horizontal direction in the existing SPAD pixel structure, thereby obtaining an effect of improving sensitivity in an imaging device.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.On the other hand, even if the effects are not explicitly mentioned here, it is added that the effects described in the following specification expected by the technical features of the present invention and their provisional effects are treated as described in the specification of the present invention.

도 1은 종래의 SPAD 픽셀 구조에서 단위 픽셀영역이 사각 패턴으로 어레이되는 것을 보여주는 평면도이고;
도 2는 종래의 SPAD 픽셀 구조에서의 단위픽셀 구조의 단면도이고;
도 3은 파장대별 실리콘 내에서의 흡수 계수를 보여주는 그래프이고;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 픽셀 구조에서 단위 픽셀영역이 허니콤 방식으로 어레이되는 것을 보여주는 평면도이고;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SPAD 픽셀 구조에서 단위 픽셀영역이 허니콤 방식으로 어레이되는 것을 보여주는 평면도이고;
도 6은 본 발명에 따른 Single Ended SPAD 픽셀 구조를 보여주는 평면도이고;
도 7은 도 6에 따른 픽셀 구조의 AA' 단면도이고;
도 8은 본 발명에 따른 Double Ended SPAD 픽셀 구조를 보여주는 평면도이고;
도 9는 도 8에 따른 픽셀 구조의 BB' 단면도이다.1 is a plan view showing that unit pixel areas are arrayed in a square pattern in a conventional SPAD pixel structure;
2 is a cross-sectional view of a unit pixel structure in a conventional SPAD pixel structure;
3 is a graph showing an absorption coefficient in silicon for each wavelength band;
4 is a plan view showing that unit pixel areas are arrayed in a honeycomb manner in a SPAD pixel structure according to an embodiment of the present invention;
5 is a plan view showing that unit pixel areas are arrayed in a honeycomb manner in a SPAD pixel structure according to another embodiment of the present invention;
6 is a plan view showing a Single Ended SPAD pixel structure according to the present invention;
Fig. 7 is an AA' cross section of the pixel structure according to Fig. 6;
8 is a plan view showing a Double Ended SPAD pixel structure according to the present invention;
FIG. 9 is a BB′ cross-sectional view of the pixel structure according to FIG. 8 .

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 다양한 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며 청구범위에 기재된 사항을 기준으로 해석되어야 한다. 또한, 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 참고적으로 제공되는 것일 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following examples, but should be interpreted based on the matters described in the claims. In addition, this embodiment is only provided as a reference in order to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. Also, when used herein, "comprise" and/or "comprising" specifies the presence of the recited shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and/or groups thereof. and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, elements, elements and/or groups.

이하에서는, 일 구성요소(또는 층)가 타 구성요소(또는 층) 상에 배치되는 것으로 설명되는 경우, 일 구성요소가 타 구성요소 위에 직접적으로 배치되는 것일 수도, 또는 해당 구성요소들 사이에 다른 구성 요소(들) 또는 층(들)이 사이에 위치할 수도 있음에 유의하여야 한다. 또한, 일 구성요소가 타 구성요소 상 또는 위에 직접적으로 배치되는 것으로 표현되는 경우, 해당 구성요소들 사이에 타 구성 요소(들)이 위치하지 않는다. 또한, 일 구성요소의 '상', '상부', '하부', '상측', '하측' 또는 '일 측', '측면'에 위치한다는 것은 상대적인 위치 관계를 의미하는 것이다. Hereinafter, when one component (or layer) is described as being disposed on another component (or layer), one component may be directly disposed on the other component, or another component may be disposed on another component (or layer). It should be noted that component(s) or layer(s) may be interposed. In addition, when an element is expressed as being directly disposed on or above another element, the other element(s) is not positioned between the corresponding elements. Also, being located on the 'upper', 'upper', 'lower', 'upper', 'lower' or 'one side' or 'side' of one component means a relative positional relationship.

그리고, 다양한 요소들, 영역들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어가 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다In addition, terms such as first, second, and third may be used to describe various items such as various elements, regions, and/or parts, but the items are not limited by these terms.

추가로, 구성 요소들의 도전형 또는 도핑 영역은 주된 캐리어 특성에 따라 'P형' 또는 'N형'으로 규정할 수 있으나, 이는 단지 설명의 편의를 위한 것으로, 본 발명의 기술적 사상이 예시된 바에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이하에서 'P형' 또는 'N형'은 더욱 일반적인 용어인 '제1 도전형' 또는 '제2 도전형'으로 사용될 것이며, 여기서 제1 도전형은 P형을, 제2 도전형은 N형을 의미한다. In addition, the conductivity type or doped region of the components may be defined as 'P-type' or 'N-type' according to the main carrier characteristics, but this is only for convenience of explanation, and the technical spirit of the present invention is exemplified. It is not limited. For example, hereinafter 'P-type' or 'N-type' will be used as a more general term 'first conductivity type' or 'second conductivity type', where the first conductivity type is P-type and the second conductivity type is Hyung means N-type.

또한, 불순물 영역의 도핑 농도를 표현하는 '고농도' 및 '저농도'는 일 구성요소와 타 구성요소의 상대적인 도핑 농도를 의미하는 것으로 이해하여야 한다.In addition, 'high concentration' and 'low concentration' expressing the doping concentration of the impurity region should be understood as meaning relative doping concentrations of one element and another element.

이하에서는 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 픽셀 구조에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 이하에서는, 단위 픽셀영역(P1) 및 단위 픽셀(P2)의 배열에 있어서, y축 방향을 '제1 방향'으로, x축 방향을 '제2 방향'으로 지칭한다.Hereinafter, a SPAD pixel structure according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, in the arrangement of the unit pixel area P1 and unit pixel P2, the y-axis direction is referred to as a 'first direction' and the x-axis direction is referred to as a 'second direction'.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 픽셀 구조에서 단위 픽셀영역이 허니콤 방식으로 어레이되는 것을 보여주는 평면도이고; 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SPAD 픽셀 구조에서 단위 픽셀영역이 허니콤 방식으로 어레이되는 것을 보여주는 평면도이다.4 is a plan view showing that unit pixel areas are arrayed in a honeycomb manner in a SPAD pixel structure according to an embodiment of the present invention; 5 is a plan view showing that unit pixel areas are arrayed in a honeycomb method in a SPAD pixel structure according to another embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명은 SPAD 픽셀 구조(1)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단위 픽셀영역(P1)을 허니컴(Honeycomb) 방식으로 배열함으로써 Fill-Factor의 증가 및 사각 패턴으로 이루어지는 디스플레이 데이터로의 전환 시 그 주기성을 최소화하여 ISP(Image Signal Processor)에 적용되는 부담을 줄이는 구조(1)에 관한 것이다.Referring to FIGS. 4 and 5, the present invention relates to a SPAD pixel structure 1, and more particularly, by arranging unit pixel areas P1 in a honeycomb method to increase a fill-factor and form a rectangular pattern. A structure (1) for reducing a load applied to an image signal processor (ISP) by minimizing periodicity when converting display data to display data.

각 단위 픽셀(P2)은 광자 검출이 이루어지는 PN 접합영역에서의 항복전압 특성을 개별 단위 픽셀(P2) 내 균일하게 얻어내기 위하여 실질적으로 그 직경 크기가 동일한 원형으로 다수 구성될 수 있다. 또한, 개별 단위 픽셀(P2)은 단위 픽셀영역(P1) 내에서 상기 단위 픽셀영역(P1)과 내접한다. 즉, 단위 픽셀영역(P1)은 육각 패턴(hexagonal)으로, 단위 픽셀(P2)은 원형으로 형성될 수 있다. 상기 단위 픽셀영역(P1)은 단위 픽셀(P2)의 배열을 설명하기 위하여, 상기 단위 픽셀(P2)에 외접하는 임의의 정육각형 패턴 영역임에 유의하여야 한다. Each unit pixel P2 may be composed of a plurality of circular shapes having substantially the same diameter in order to uniformly obtain breakdown voltage characteristics in the PN junction area where photons are detected. Also, each unit pixel P2 is inscribed with the unit pixel area P1 within the unit pixel area P1. That is, the unit pixel area P1 may be formed in a hexagonal pattern, and the unit pixel P2 may be formed in a circular shape. It should be noted that the unit pixel area P1 is an arbitrary regular hexagonal pattern area circumscribed to the unit pixel P2 in order to explain the arrangement of the unit pixel P2.

각 단위 픽셀영역(P1)은 전술한 바와 같이 육각 패턴(Hexagonal)으로 형성된다. 이와 같이 단위 픽셀영역(P1)을 육각 패턴으로 형성하는 경우 다음과 같은 이점이 발생한다.Each unit pixel area P1 is formed in a hexagonal pattern as described above. In this way, when the unit pixel area P1 is formed in a hexagonal pattern, the following advantages occur.

전술한 바와 같이, 도 1을 참고하면, 종래의 SPAD 픽셀 구조(9)는, 사각 패턴의 단위 픽셀영역(910) 내에 원형의 개별 단위 픽셀(930)이 배열된다. 또한, 각 사각 패턴의 단위 픽셀영역(910)은 인접한 단위 픽셀영역(910)과 제1 방향 및 제2 방향을 따라 모두 접하도록 구성된다. 예를 들어, 각 단위 픽셀영역(910)이 정사각형 패턴이고, 각 단위 픽셀영역(910)의 변(L)의 길이가 2.00(단위 생략)이며, 상기 단위 픽셀영역(910)에 내접하는 단위 픽셀(930)의 반지름(r)이 1.00인 경우, 단위 픽셀영역(910)의 면적은 4.00이며, 단위 픽셀(930)의 면적은 대략 3.14이다. 따라서, 종래의 SPAD 픽셀 구조(9)에서는 Fill-Factor가 3.14/4.00 = 78.5%가 된다.As described above, referring to FIG. 1 , in the conventional SPAD pixel structure 9, circular unit pixels 930 are arranged in a square unit pixel area 910. In addition, the unit pixel area 910 of each square pattern is configured to contact the adjacent unit pixel area 910 along both the first and second directions. For example, each unit pixel area 910 has a square pattern, the length of the side L of each unit pixel area 910 is 2.00 (unit omitted), and the unit pixel inscribed in the unit pixel area 910 When the radius (r) of 930 is 1.00, the area of unit pixel region 910 is 4.00, and the area of unit pixel 930 is approximately 3.14. Therefore, in the conventional SPAD pixel structure (9), the Fill-Factor becomes 3.14/4.00 = 78.5%.

도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 픽셀 구조에서, 정육각형 패턴의 각 단위 픽셀영역(910')의 6변이 인접한 6개의 단위 픽셀영역(910')과 모두 접하도록 구성되는 경우, 각 단위 픽셀영역(910')의 일 꼭지점으로부터 중심까지의 거리의 길이가 약 1.15이며, 각 단위픽셀(930')의 반지름(r)을 1.00이라 할 때, 단위 픽셀영역(910')의 면적은 약 3.464이고, 단위 픽셀(930')의 면적은 약 3.14가 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 픽셀 구조에서는 Fill-Factor가 3.14/3.464 = 90.7% 가 된다. 결국, 종래의 구조(9) 대비 손실 공간이 현저히 줄어들어, Q.E.(Quantum Efficiency)를 극대화할 수 있다.Referring to FIG. 4 , in the SPAD pixel structure according to an embodiment of the present invention, when six sides of each unit pixel area 910' of a regular hexagonal pattern are in contact with all six adjacent unit pixel areas 910'. , when the length of the distance from one vertex to the center of each unit pixel area 910' is about 1.15 and the radius (r) of each unit pixel area 930' is 1.00, the length of the unit pixel area 910' The area is about 3.464, and the area of the unit pixel 930' is about 3.14. Therefore, in the SPAD pixel structure according to an embodiment of the present invention, the Fill-Factor becomes 3.14/3.464 = 90.7%. As a result, the loss space is significantly reduced compared to the conventional structure (9), and Q.E. (Quantum Efficiency) can be maximized.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 픽셀 구조(1)에서와 같이 단위 픽셀영역(P1)을 육각형 패턴으로 구성하는 경우, 사각 패턴으로 이루어지는 디스플레이 데이터 형태로의 전환이 가능하여야 한다.In addition, when the unit pixel area P1 is configured in a hexagonal pattern as in the SPAD pixel structure 1 according to an embodiment of the present invention, conversion to a display data format consisting of a square pattern must be possible.

먼저, 개별 단위 픽셀영역(910')과 인접한 단위 픽셀영역(910')이 접하며, 각 단위 픽셀(930')이 서로 접하는 경우를 설명하도록 한다. 개별 단위 픽셀영역(910')은 정육각형 패턴으로 어레이된다. First, a case where an individual unit pixel area 910' and an adjacent unit pixel area 910' contact each other and each unit pixel 930' is in contact with each other will be described. The individual unit pixel areas 910' are arrayed in a regular hexagonal pattern.

각 열의 단위 픽셀영역(910')의 중심의 x 좌표값이 일치하고, 각 단위 픽셀영역(910')이 인접한 단위 픽셀영역(910')과 접하게 어레이된다. 이 때, 제1 열에 어레이되는 단위 픽셀(930')의 중심을 지나는 제1 방향 중심축의 x축 좌표값은 x1이며, 제2 열의 제1 방향 중심축의 x축 좌표값은 x2이고, 제n 열의 제1 방향 중심축의 x축 좌표값은 xn라 한다(n은 자연수). 또한, 인접한 열 간 간격은 x라 한다. 그리고, 개별 단위 픽셀(930')의 반경크기를 r, 직경크기를 D(=2r)라 하며, 제1 열 에 어레이되는 단위 픽셀(930') 중심의 x 좌표값을 r(=x1)이라 할 때,The x-coordinate values of the centers of the unit pixel regions 910' in each column match, and each unit pixel region 910' is arrayed in contact with adjacent unit pixel regions 910'. In this case, the x-axis coordinate value of the central axis in the first direction passing through the center of the unit pixels 930' arrayed in the first column is x1, the x-axis coordinate value of the central axis in the first direction in the second column is x2, and The x-axis coordinate value of the central axis in the first direction is xn (n is a natural number). Also, the spacing between adjacent rows is referred to as x. In addition, the radius size of each unit pixel 930' is r, the diameter size is D (= 2r), and the x-coordinate value of the center of the unit pixel 930' arrayed in the first column is r (= x1). when doing,

(1) x =

Figure pat00001
(1) x =
Figure pat00001

(2) x2 = r +

Figure pat00002
(2) x2 = r +
Figure pat00002

(3) xn = r + (n - 1) *

Figure pat00003
(3) xn = r + (n - 1) *
Figure pat00003

이 된다. becomes

또한, 단위 픽셀영역(910')을 정육각형 패턴으로 형성하는 경우, 사각 패턴으로 이루어지는 디스플레이 데이터 형태로의 전환이 가능하여야 하며, 상기 사각 패턴의 각 변 크기를 D(=단위 픽셀(930')의 직경크기)로 설정할 때, n번째 단위 픽셀(930')의 우측 최외곽 x 좌표값은 D의 정수배를 만족하는 값을 가져야 한다. 즉, 수식으로 설명하면, In addition, when the unit pixel area 910' is formed in a regular hexagonal pattern, it should be possible to switch to a display data format consisting of a square pattern, and the size of each side of the square pattern is set to D (= unit pixel 930'). diameter size), the outermost x-coordinate value on the right side of the n-th unit pixel 930' must have a value that satisfies an integer multiple of D. That is, in terms of formula,

(4) xn + r = N * D (4) xn + r = N * D

가 되며, 식 (4)를 만족하는 자연수 n 및 N 값이 존재하여야 한다., and there must be natural numbers n and N values that satisfy equation (4).

식 (4)를 식 (3)에 대입하면,Substituting equation (4) into equation (3),

(5) r + (n - 1) *

Figure pat00004
+ r = N * 2r(5) r + (n - 1) *
Figure pat00004
+r = N * 2r

가 되며, 정리하면,, and rearranging,

(6) 2 + (n - 1) *

Figure pat00005
= 2N(6) 2 + (n - 1) *
Figure pat00005
= 2N

이 된다.becomes

따라서,

Figure pat00006
은 무리수이므로, 식 (6)을 만족하는 자연수 n 및 N은 존재하지 않는다. 이에 따라, 단위 픽셀영역(910')을 허니컴 구조로 배열하되, 최외곽 측 단위 픽셀영역(910')을 제외한 임의의 단위 픽셀영역(910')의 6 변이 모두 인접한 단위 픽셀영역(910')과 접하도록 형성되는 경우 Fill-Factor에 이득은 발생하나 사각 패턴으로 이루어지는 디스플레이 데이터 형태로의 전환이 비용이해질 수 있다.thus,
Figure pat00006
Since is an irrational number, there are no natural numbers n and N that satisfy equation (6). Accordingly, the unit pixel regions 910' are arranged in a honeycomb structure, but all six sides of an arbitrary unit pixel region 910' other than the outermost unit pixel region 910' are adjacent to each other. When formed to be in contact with the area, a gain occurs in the Fill-Factor, but conversion to a display data form consisting of a square pattern may be costly.

이하에서는 도 5를 참고하여 개별 단위 픽셀영역(P1) 및 단위 픽셀(P2)이 제1 방향을 따라 인접한 단위 픽셀영역(P1) 및 단위 픽셀(P2)과 각각 접하되, 상이한 열 간의 단위 픽셀영역(P1) 및 단위 픽셀(P2)과는 접하지 않는 경우를 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to FIG. 5, individual unit pixel areas P1 and unit pixels P2 contact adjacent unit pixel areas P1 and unit pixels P2 along the first direction, but unit pixel areas between different columns. (P1) and the case of not contacting the unit pixel (P2) will be described.

먼저, 인접한 열 그리고 인접한 단위 픽셀영역(P1) 간 이격거리를 d, 인접한 열의 제1 방향 중심축(각 열 내 어레이되는 단위 픽셀(P2)을 중심을 제1 방향을 따라 지나는 축) 간 거리를 x, 그리고 제1 열에 어레이되는 단위 픽셀영역(P1) 및 단위 픽셀(P2)의 중심의 x 좌표값을 r(=x1)이라 할 때,First, d is the separation distance between adjacent columns and adjacent unit pixel regions P1, and the distance between central axes in the first direction of adjacent columns (an axis passing through the center of unit pixels P2 arrayed in each column along the first direction) is When x and the x-coordinate value of the center of the unit pixel area P1 and unit pixel P2 arrayed in the first column are r (=x1),

(7) x =

Figure pat00007
(7) x =
Figure pat00007

(8) xn = r + (n - 1) * x(8) xn = r + (n - 1) * x

가 된다.becomes

또한, 단위 픽셀영역(P1)을 정육각형 패턴으로 형성하는 경우, 사각 패턴으로 이루어지는 디스플레이 데이터 형태로의 전환하여야 하며, 상기 사각 패턴의 각 변 크기를 D(=단위 픽셀(P2)의 직경 크기)로 설정할 때,In addition, when the unit pixel area P1 is formed in a regular hexagonal pattern, it is necessary to convert to a display data format consisting of a square pattern, and the size of each side of the square pattern is D (=diameter size of the unit pixel P2). When setting

(9) xn + r = N * D (N은 자연수)(9) xn + r = N * D (N is a natural number)

을 만족하여야 한다.should be satisfied.

식 (8)를 식 (9)에 대입하면,Substituting equation (8) into equation (9),

(10) r + (n - 1) * x + r = N * D(10) r + (n - 1) * x + r = N * D

(11) (n - 1 ) * x = N * D - D(11) (n - 1) * x = N * D - D

이며,is,

(12) x = (N - 1) * D /(n - 1)(12) x = (N - 1) * D / (n - 1)

가 된다.becomes

또한, 도면을 참고하면, Also, referring to the drawings,

(13) n ＞ N (13) n > N

이며, 이 때 식 (13) 및 (14)를 만족시키면서 N 및 n 이 모두 자연수가 되는 최소값은 n = N + 1일 때이다. At this time, the minimum value for which both N and n are natural numbers while satisfying Equations (13) and (14) is when n = N + 1.

또한, 식 (7)을 참고하면, 인접한 열 간 단위 픽셀영역(P1) 및 단위 픽셀(P2)은 서로 접하지 않게 배열되므로, d의 값은 0이 될 수 없다. 따라서, In addition, referring to Equation (7), since the unit pixel area P1 and unit pixel P2 between adjacent columns are not in contact with each other, the value of d cannot be 0. thus,

(14) x ＞

Figure pat00008
(14) x >
Figure pat00008

가 성립되므로, 결국 x 값은 약 0.866 * D 보다 크다. 이 때 n, N이 모두 자연수이며, 식 (12)를 만족시키는 n의 최소값은 9가 된다. 따라서, n = 9, N = 8이므로, 식 (12)을 통하여, so eventually the value of x is greater than about 0.866 * D. At this time, both n and N are natural numbers, and the minimum value of n that satisfies Expression (12) is 9. Therefore, since n = 9 and N = 8, through equation (12)

(15) x = 7 * D / 8 (15) x = 7 * D / 8

가 성립될 수 있다.can be achieved.

전술한 바와 같이, N = 8이므로, 육각 패턴의 단위 픽셀영역(P1)이 최소 주기성으로 디스플레이에 단위 픽셀(P2)과 동일 피치(D)를 적용하여 데이터 매핑이 가능하다.As described above, since N = 8, data mapping is possible by applying the same pitch D as the unit pixel P2 to the display with minimum periodicity for the unit pixel area P1 of the hexagonal pattern.

종합하면, 동일 열 상의 단위 픽셀영역(P1) 및 단위 픽셀(P2)은, 인접한 단위 픽셀영역(P1) 및 단위 픽셀(P2)과 서로 접하도록 배열된다. 다시 말하면, 동일 열 상에서, 인접한 단위 픽셀영역들(P1) 간 이격 거리 0이며 인접한 단위 픽셀들(P1)의 중심 간 이격 거리는 D = 2r 이 된다.In summary, the unit pixel area P1 and unit pixel P2 on the same column are arranged to be in contact with the adjacent unit pixel area P1 and unit pixel P2. In other words, on the same column, the distance between adjacent unit pixel regions P1 is 0 and the distance between centers of adjacent unit pixels P1 is D = 2r.

또한, 임의의 제 m열(m은 자연수) 상의 단위 픽셀들(P2)의 중심을 지나며 제1 방향을 따라 연장되는 중심축과, 제m-1열 및/또는 제m+1열 상의 단위 픽셀들(P2)의 중심을 지나며 제1 방향을 따라 연장되는 중심축 간 이격 거리 x는 전술한 바와 같이 7 * D / 8가 된다. In addition, a central axis passing through the center of the unit pixels P2 on an arbitrary mth column (m is a natural number) and extending along the first direction, and unit pixels on the m−1th column and/or the m+1th column The separation distance x between the central axes extending along the first direction passing through the center of the fields P2 is 7 * D / 8 as described above.

도 6은 본 발명에 따른 Single Ended SPAD 픽셀 구조를 보여주는 평면도이고; 도 7은 도 6에 따른 픽셀 구조의 AA' 단면도이다.6 is a plan view showing a Single Ended SPAD pixel structure according to the present invention; 7 is an AA′ cross-sectional view of the pixel structure according to FIG. 6 .

이하에서는 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 픽셀 구조에서 개별 단위 픽셀(P1)의 구조에 대하여 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, the structure of each unit pixel P1 in the SPAD pixel structure according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도 6 및 도 7을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 Single Ended SPAD 구조(P1a)에 대하여 설명한다.First, referring to FIGS. 6 and 7 , a single ended SPAD structure P1a according to the first embodiment of the present invention will be described.

제1 실시예에 따른 Single Ended SPAD 픽셀영역들(P1a)에서의 개별 단위 픽셀(P2a)은 벌크 영역(110)을 포함한다. 상기 벌크 영역(110)은 전면(111)과 배면(113)을 가질 수 있다. 상기 전면(111) 또는 배면(113) 상에는 후술할 애노드 전극(160)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 벌크 영역(110)은 예를 들어 저농도 도핑된 제1 도전형의 영역일 수 있다. 벌크 영역(110) 내에는 제2 도전형의 고농도 도핑 영역인 불순물 영역(120)이 상하 방향을 따라 이격되어 2개 이상 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 불순물 영역(120)은 벌크 영역(110) 내 전면(111) 측에 제1 불순물 영역(121)이, 그리고 상기 제1 불순물영역(121)과 이격된 하측에 제2 불순물 영역(123)이 형성되어 총 2개의 불순물(120) 영역이 형성될 수 있고, 3개 형성될 수 있으며 이에 별도의 제한이 있는 것은 아니다. 상기 불순물 영역(120)은 이온주입공정을 통하여 형성될 수 있다. 상기 불순물 영역(120)은 예를 들어 디스크 타입으로, 후술할 가드 링(140)에 의하여 둘러싸이도록 형성될 수 있다. Each unit pixel P2a in the single ended SPAD pixel areas P1a according to the first embodiment includes the bulk area 110 . The bulk region 110 may have a front surface 111 and a rear surface 113 . An anode electrode 160 to be described later may be formed on the front surface 111 or the rear surface 113. Also, the bulk region 110 may be, for example, a lightly doped region of the first conductivity type. In the bulk region 110 , two or more impurity regions 120 , which are heavily doped regions of a second conductivity type, may be formed at least two apart from each other in the vertical direction. For example, the impurity region 120 includes a first impurity region 121 on the front surface 111 side of the bulk region 110 and a second impurity region on the lower side spaced apart from the first impurity region 121 . (123) may be formed to form a total of two impurity 120 regions, and three may be formed, and there is no separate limitation thereto. The impurity region 120 may be formed through an ion implantation process. The impurity region 120 may be formed to be surrounded by a guard ring 140 to be described later in a disk type, for example.

상기 불순물 영역들(120) 중 최상단의 불순물 영역(제1 불순물 영역(121)) 상에는 캐소드 전극(130)이 형성된다. 상기 캐소드 전극(130)은 제1 불순물 영역(121)의 임의의 위치에 형성될 수 있고, 예를 들어 제1 불순물 영역(121)의 대략 중앙 측에 형성될 수 있다. A cathode electrode 130 is formed on the uppermost impurity region (first impurity region 121 ) of the impurity regions 120 . The cathode electrode 130 may be formed at an arbitrary location of the first impurity region 121 , for example, may be formed at a substantially central side of the first impurity region 121 .

상기 가드 링(140)은 불순물 영역(120) 대비 저농도의 제2 도전형 불순물 영역이다. 일반적으로 SPAD 픽셀 구조(1)에서의 광전 변환은 항복전압을 초과하는 고전압이 인가된 상태에서 수행되며, 상기 가드 링(140)은 상기 고전압에 의하여 생성된 전계가 불순물 영역(120) 단부에 집중됨에 의하여 항복 상태와 같은 에지 브레이크 다운 발생을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 가드 링(140)은 예를 들어 링 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 가드 링(140)은 벌크 영역(110)의 표면으로부터 불순물 영역들(120) 중 최상단에 형성된 영역보다 깊게 형성되는 것이 바람직하나 이에 별도의 제한이 있는 것은 아니다.The guard ring 140 is a second conductivity type impurity region having a lower concentration than the impurity region 120 . In general, photoelectric conversion in the SPAD pixel structure 1 is performed in a state in which a high voltage exceeding the breakdown voltage is applied, and the electric field generated by the high voltage in the guard ring 140 is concentrated at the end of the impurity region 120. It can play a role in preventing the occurrence of edge breakdown, such as a yield state. In addition, the guard ring 140 may be formed in a ring shape, for example. In addition, the guard ring 140 is preferably formed deeper than the uppermost region of the impurity regions 120 from the surface of the bulk region 110 , but is not particularly limited thereto.

상기 가드 링(140)은 통전 영역(141)을 포함할 수 있다. 상기 불순물 영역들(120)이 상하 방향을 따라 다수 형성되기 때문에, 상기 통전 영역(141)을 통하여 다수의 불순물 영역들(120)을 상호 연결할 수 있다. 상기 통전 영역(141)은 가드 링(140) 내에서, 상하 방향을 따라 연장되는 일부 영역이다. 그 연장 길이는 형성되는 불순물 영역들(120)의 개수에 따라 상이해지며, 벌크 영역(110) 내 최하단의 불순물 영역(120)의 일 측부와 맞닿는 위치까지 연장될 수 있다. 또한, 상기 통전 영역(141)은 예를 들어 원기둥 형상으로 형성될 수 있고, 상기 가드 링(140)의 특정 영역에 한정되어 형성될 수도, SPAD의 저부 전 측에 형성될 수도, 또는 저부 일 측에만 형성될 수도 있고 그 형성 위치에 대하여 별도의 제한이 있는 것은 아니다.The guard ring 140 may include a conducting area 141 . Since the impurity regions 120 are formed in plurality along the vertical direction, the plurality of impurity regions 120 may be interconnected through the conductive region 141 . The conductive region 141 is a partial region extending in the vertical direction within the guard ring 140 . The extension length is different according to the number of impurity regions 120 formed, and may extend to a position in contact with one side of the lowermost impurity region 120 in the bulk region 110 . In addition, the conductive area 141 may be formed in a cylindrical shape, for example, may be formed limited to a specific area of the guard ring 140, may be formed on the entire bottom of the SPAD, or one side of the bottom. It may be formed only in, and there is no separate limitation with respect to the formation position.

또한, 개별 불순물 영역들(120)과 벌크 영역(110)의 경계 측에는 PN 접합 영역마다 공핍영역(150)이 형성될 수 있다. 전술한 구조에 의하여, 상하 방향을 따라 다수의 공핍영역들(150)이 형성되는 것에 본 발명의 특징이 있다.In addition, a depletion region 150 may be formed in each PN junction region at a boundary between the individual impurity regions 120 and the bulk region 110 . A feature of the present invention is that a plurality of depletion regions 150 are formed along the vertical direction by the above structure.

일반적으로, 피사체로부터의 광이 조사되면, 광이 불순물 영역(120)의 하측에 도달한다. 이 때 광전변환을 통하여 캐리어가 생성된다. 또한, 전술한 바와 같이 SPAD에는 역 바이어스 전압이 인가되어 있으며, 상세하게는 캐소드 전극(130)에는 정의 극성 전압이, 애노드 전극(160)에는 부의 극성의 전압이 인가된다. 이에 의하여, 제1 도전형의 벌크 영역(110)과 제2 도전형의 불순물 영역들(120)의 접합부에는 PN 접합에 의하여 공핍영역들(150)이 형성되는 것이다. 상기 SPAD에 인가된 전압은 상기 공핍영역들(150)에 각각 동일하게 인가된다. Generally, when light from a subject is irradiated, the light reaches the lower side of the impurity region 120 . At this time, carriers are generated through photoelectric conversion. In addition, as described above, a reverse bias voltage is applied to the SPAD, and in detail, a positive polarity voltage is applied to the cathode electrode 130 and a negative polarity voltage is applied to the anode electrode 160. Accordingly, the depletion regions 150 are formed at the junction between the bulk region 110 of the first conductivity type and the impurity regions 120 of the second conductivity type by the PN junction. The voltage applied to the SPAD is equally applied to each of the depletion regions 150 .

전술한 바와 같이, 종래의 단위픽셀 구조(930)에서는 PN 접합 영역이 상하 방향으로 영역이 확장되어 있지 못한 구조로 형성되므로, 촬상 장치에서의 감도 향상이 비용이해질 수밖에 없는 문제가 있다.As described above, in the conventional unit pixel structure 930, since the PN junction region is formed in a structure in which the region does not expand in the vertical direction, there is a problem in that sensitivity improvement in the imaging device becomes costly.

이와 같은 문제점을 방지하고자, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조에서는 공핍영역들(150)을 상하 방향을 따라 다수 형성되도록 하는 것에 특징이 있다. 따라서, 종래의 구조(930)에서의 한계를 해결 가능하다.In order to prevent such a problem, the structure according to an embodiment of the present invention is characterized in that a plurality of depletion regions 150 are formed along the vertical direction. Therefore, it is possible to solve the limitations of the conventional structure 930.

도 8은 본 발명에 따른 Double Ended SPAD 픽셀 구조를 보여주는 평면도이고; 도 9는 도 8에 따른 픽셀 구조의 BB' 단면도이다.8 is a plan view showing a Double Ended SPAD pixel structure according to the present invention; FIG. 9 is a BB′ cross-sectional view of the pixel structure according to FIG. 8 .

이하에서는 도 8 및 도 9를 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 Double Ended SPAD 구조(P1a)에 대하여 설명한다.Hereinafter, the Double Ended SPAD structure P1a according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9 .

제1 도전형의 벌크 영역(210)은, 전면(211) 및 배면(213)을 가진다. 또한, 벌크 영역(210) 내에는, 예를 들어 제1 도전형의 고농도 불순물 영역인 제1 불순물 영역(220)이 형성된다. 상기 제1 불순물 영역(220)은 그 평면 형상이 예를 들어 디스크 타입일 수 있다. 또한, 상기 벌크 영역(210) 내에는 상기 제1 불순물 영역(220)을 감싸도록 제2 불순물 영역(230)이 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2 불순물 영역(230)은 제1 불순물 영역(220)을 둘러싼다. 상기 제2 불순물 영역(230)은 예를 들어 제2 도전형의 고농도 불순물 영역일 수 있다. The bulk region 210 of the first conductivity type has a front surface 211 and a rear surface 213 . Further, in the bulk region 210, a first impurity region 220, which is, for example, a high concentration impurity region of a first conductivity type, is formed. The planar shape of the first impurity region 220 may be, for example, a disk type. In addition, a second impurity region 230 may be formed in the bulk region 210 to surround the first impurity region 220 . That is, the second impurity region 230 surrounds the first impurity region 220 . The second impurity region 230 may be, for example, a high-concentration impurity region of a second conductivity type.

상기 제1 불순물(220) 영역은 제2 불순물 영역(230) 내에서 상하 방향을 따라 다층구조로 형성될 수 있다. 즉, 벌크 영역(210) 내 전면(211) 측에는 제1-1 불순물 영역(221)이, 상기 제1-1 불순물 영역(221)과 이격된 하측에 제1-2 불순물 영역(223)이 형성될 수 있다. 이와 같이 제1 불순물 영역(220)은 상하 방향을 따라 2개 형성될 수도, 3개 형성될 수도 있고 이에 별도의 제한이 있는 것은 아니다.The first impurity region 220 may be formed in a multi-layered structure along a vertical direction within the second impurity region 230 . That is, the 1-1st impurity region 221 is formed on the front surface 211 side of the bulk region 210, and the 1-2nd impurity region 223 is formed on the lower side spaced apart from the 1-1st impurity region 221. It can be. As such, the first impurity regions 220 may be formed in two or three directions in the vertical direction, and there is no particular limitation thereon.

또한, 제1 불순물 영역(220)은 통전 영역(225)을 포함할 수 있다. 상기 제1 불순물 영역들(221, 223)이 상하 방향을 따라 다수 형성되므로, 통전 영역(225)을 통하여 상기 영역들(221, 223)을 상호 연결할 수 있다. 상기 통전 영역(225)은 상기 제1 불순물 영역들(221, 223)과 실질적으로 동일한 도핑 농도를 가지는 제1 도전형의 고농도 도핑 영역이며, 예를 들어 원통형으로 상하 방향을 따라 연장된다. 또한, 그 연장 길이는 형성되는 제1 불순물 영역들(220)의 개수에 따라 상이해지고, 최하단 측 제1 불순물 영역(220)의 일 측부와 맞닿는 위치까지 연장된다. Also, the first impurity region 220 may include a conductive region 225 . Since the first impurity regions 221 and 223 are formed in plurality along the vertical direction, the regions 221 and 223 may be interconnected through the conductive region 225 . The conductive region 225 is a highly-doped region of a first conductivity type having substantially the same doping concentration as the first impurity regions 221 and 223 and extends vertically in a cylindrical shape, for example. In addition, the length of the extension is different according to the number of first impurity regions 220 formed, and extends to a position in contact with one side of the lowermost first impurity region 220 .

또한, 상기 통전 영역(225)은 후술할 공핍 영역들(260)의 용이한 형성을 위하여 제1 불순물 영역(220)의 일 측단부 또는 상기 측단부와 인접한 측에 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 통전 영역(225)은 제1 불순물 영역(220)의 일 측부를 따라 부분적으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 통전 영역(225)은 제1 불순물 영역들(221, 223)의 외주면 전체에 걸쳐 형성되지 않을 수 있다.In addition, the conductive region 225 is preferably formed at one end of the first impurity region 220 or at a side adjacent to the side end of the first impurity region 220 for easy formation of depletion regions 260 to be described later. Also, the conductive region 225 is preferably partially formed along one side of the first impurity region 220 . That is, the conductive region 225 may not be formed over the entire outer circumferential surface of the first impurity regions 221 and 223 .

또한, 상기 최상측 제1-1 불순물 영역(221)은 애노드 전극(240)과 연결되며, 상기 애노드 전극(240)은 상기 제1-1 불순물 영역(221)의 대략 중앙 측에 배치될 수 있다. 그리고, 제2 불순물 영역(230)의 표면 일 측은 캐소드 전극(250)과 연결될 수 있다.In addition, the uppermost 1-1 impurity region 221 is connected to an anode electrode 240, and the anode electrode 240 may be disposed approximately at the center of the 1-1 impurity region 221. . In addition, one surface of the second impurity region 230 may be connected to the cathode electrode 250 .

이와 같은 구조를 통하여, 공핍 영역(260)이 제2 불순물 영역(230) 내에서 상하 방향을 따라 다수 형성될 수 있다. 따라서, 전술한 Single Ended SPAD와 유사한 효과를 나타낼 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.Through such a structure, a plurality of depletion regions 260 may be formed in a vertical direction within the second impurity region 230 . Therefore, an effect similar to that of the above-described Single Ended SPAD can be exhibited, and a detailed description thereof will be omitted.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다.The above detailed description is illustrative of the present invention. In addition, the foregoing is intended to illustrate and describe preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications and environments. That is, changes or modifications are possible within the scope of the concept of the invention disclosed in this specification, within the scope equivalent to the written disclosure and / or within the scope of skill or knowledge in the art. The foregoing embodiment describes the best state for implementing the technical idea of the present invention, and various changes required in specific application fields and uses of the present invention are also possible. Therefore, the above detailed description of the invention is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments.

P1 : 단위 픽셀영역
P2 : 단위 픽셀P1: unit pixel area
P2: unit pixel

Claims (12)

단위 픽셀이 어레이되는 다수의 단위 픽셀영역; 및
개별 단위 픽셀영역 내에 개별 단위 픽셀과 접하도록 1대1 대응되게 어레이되며, 원형 패턴의 단위 픽셀;을 포함하여,
상기 다수의 단위 픽셀영역이 정육각형 패턴으로, 허니컴 구조로 어레이되는 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
a plurality of unit pixel areas in which unit pixels are arrayed; and
Arrayed in a one-to-one correspondence so as to contact individual unit pixels in individual unit pixel areas, and unit pixels in a circular pattern; including,
The SPAD pixel structure, characterized in that the plurality of unit pixel areas are arrayed in a honeycomb structure in a regular hexagonal pattern.
 제1항에 있어서, 상기 다수의 단위 픽셀은
동일 열 내에 제1 방향을 따라 어레이되는 인접한 단위 픽셀 간 접하도록, 상이한 열 간 인접한 단위 픽셀 간 접하지 않도록 어레이되는 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
The method of claim 1, wherein the plurality of unit pixels
A SPAD pixel structure characterized in that the arrays are arrayed such that adjacent unit pixels arrayed along a first direction within the same column are in contact with each other, and adjacent unit pixels arrayed in different columns are not in contact with each other.
 제2항에 있어서, 동일 열 내의 다수의 단위 픽셀은
개별 단위 픽셀의 중심을 지나는 제1 방향 중심축을 공유하고,
인접한 열 간 인접한 단위 픽셀의 중심 간 거리는
개별 단위 픽셀의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
The method of claim 2, wherein a plurality of unit pixels in the same column
Sharing a central axis in the first direction passing through the center of each unit pixel;
The center-to-centre distance of adjacent unit pixels between adjacent columns
A SPAD pixel structure characterized by being larger than the diameter of an individual unit pixel.
 제2항에 있어서, 인접한 열 간 제1 방향 중심축들의 이격 거리(x)는
(N - 1) * 단위 픽셀의 직경크기(D) / (단위 픽셀 열의 개수(n) - 1)이며,
N은 자연수인 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
The method of claim 2, wherein the separation distance (x) of the central axes in the first direction between adjacent rows is
(N - 1) * diameter size of unit pixel (D) / (number of unit pixel columns (n) - 1),
A SPAD pixel structure, characterized in that N is a natural number.
 제4항에 있어서, 인접한 열 간 제1 방향 중심축들의 이격 거리(x)는
0.875 * 단위 픽셀의 직경크기(D)인 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
The method of claim 4, wherein the separation distance (x) of central axes in the first direction between adjacent rows is
0.875 * SPAD pixel structure, characterized in that the diameter size (D) of the unit pixel.
 제5항에 있어서, 개별 단위 픽셀은
제1 도전형의 벌크 영역;
상기 벌크 영역 내에서 상하 방향을 따라 이격되며, 제2 도전형의 고농도 도핑 영역인 불순물 영역들;
상기 불순물 영역들을 둘러싸는 구조로, 상기 불순물 영역들 중 최상단의 불순물 영역보다 깊게 형성되며, 제2 도전형의 저농도 도핑 영역인 가드 링;
상기 불순물 영역들 중 최상단의 불순물 영역 상의 캐소드 전극; 및
상기 벌크 영역 상의 애노드 전극;을 포함하며,
상기 불순물 영역들과 벌크 영역의 PN 접합부가 상하 방향을 따라 이격되어 다수 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
The method of claim 5, wherein each unit pixel
a bulk region of the first conductivity type;
impurity regions spaced apart from each other in a vertical direction within the bulk region and being highly-doped regions of a second conductivity type;
a guard ring having a structure surrounding the impurity regions and formed deeper than an uppermost impurity region among the impurity regions and being a lightly doped region of a second conductivity type;
a cathode electrode on an uppermost impurity region among the impurity regions; and
An anode electrode on the bulk region; includes,
The SPAD pixel structure, characterized in that the impurity regions and the PN junctions of the bulk region are spaced apart from each other in the vertical direction to form a plurality.
 제6항에 있어서, 상기 가드 링은
복수의 불순물 영역들을 연결하는 통전 영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
The method of claim 6, wherein the guard ring
A SPAD pixel structure comprising a conductive region connecting a plurality of impurity regions.
 제7항에 있어서, 상기 통전 영역은
상기 벌크 영역 내 최상단의 불순물 영역으로부터 최하단의 불순물 영역의 일 측부와 맞닿는 위치까지 연장되며, 상기 가드 링의 일부 영역에만 형성되는 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
The method of claim 7, wherein the conducting area
The SPAD pixel structure of claim 1 , wherein the SPAD pixel structure extends from an uppermost impurity region in the bulk region to a position in contact with one side of the lowermost impurity region and is formed only in a partial region of the guard ring.
 제5항에 있어서, 개별 단위 픽셀은
제1 도전형의 벌크 영역;
제2 불순물 영역 내 상하 방향을 따라 이격되며, 제1 도전형의 고농도 도핑 영역인 제1 불순물 영역들;
상기 제1 불순물 영역을 감싸는 제2 도전형의 제2 불순물 영역;
상기 제2 불순물 영역 표면의 캐소드 전극; 및
상기 제1 불순물 영역들 중 그 최상단의 불순물 영역 표면의 애노드 전극;을 포함하며,
상기 제1 불순물 영역들은
개별 제1 불순물 영역을 상호 연결하며, 상기 제2 불순물 영역 내에서 상하 방향을 따라 연장되는 통전 영역;을 포함하고,
상기 제1 불순물 영역들과 제2 불순물 영역의 PN 접합부가 상하 방향을 따라 이격되어 다수 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
The method of claim 5, wherein each unit pixel
a bulk region of the first conductivity type;
first impurity regions that are spaced apart from each other in a vertical direction within the second impurity region and are heavily doped regions of a first conductivity type;
a second impurity region of a second conductivity type surrounding the first impurity region;
a cathode electrode on a surface of the second impurity region; and
an anode electrode on a surface of an uppermost impurity region among the first impurity regions;
The first impurity regions are
a conductive region interconnecting individual first impurity regions and extending vertically within the second impurity region;
The SPAD pixel structure of claim 1 , wherein a plurality of PN junctions of the first impurity regions and the second impurity regions are spaced apart from each other in a vertical direction.
 제9항에 있어서, 상기 다수의 제1 불순물 영역들은
동일 마스크 패턴을 활용하여 이온주입공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
10. The method of claim 9, wherein the plurality of first impurity regions are
A SPAD pixel structure characterized in that it is formed through an ion implantation process using the same mask pattern.
 단위 픽셀이 어레이되며, 실질적으로 정육각형 패턴으로 어레이되는 다수의 단위 픽셀영역; 및
개별 단위 픽셀영역 내에서, 개별 단위 픽셀과 접하고 1대1 대응되도록 어레이되며, 실질적으로 서로 동일한 크기의 원형 패턴의 단위 픽셀;을 포함하여,
동일 열 내의 다수의 단위 픽셀은
개별 단위 픽셀의 중심을 지나는 제1 방향 중심축을 공유하고,
인접한 열 간 제1 방향 중심축 거리(x)는
(N - 1) * 단위 픽셀의 직경크기(D) / (단위 픽셀 열의 개수(n) - 1)이며,
N과 n은 자연수인 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
a plurality of unit pixel areas in which unit pixels are arrayed and which are substantially arrayed in a regular hexagonal pattern; and
In the individual unit pixel area, unit pixels in a circular pattern that are in contact with the individual unit pixels and are arrayed in a one-to-one correspondence and have substantially the same size as each other;
A number of unit pixels in the same column are
Sharing a central axis in the first direction passing through the center of each unit pixel;
The central axis distance (x) between adjacent columns in the first direction is
(N - 1) * diameter size of unit pixel (D) / (number of unit pixel columns (n) - 1),
A SPAD pixel structure, characterized in that N and n are natural numbers.
 제11항에 있어서, 인접한 열 간 제1 방향 중심축 거리(x)는
0.875 * 단위 픽셀의 직경크기(D)인 것을 특징으로 하는 SPAD 픽셀 구조.
The method of claim 11, wherein the first direction central axis distance (x) between adjacent rows is
0.875 * SPAD pixel structure, characterized in that the diameter size (D) of the unit pixel.
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