KR20230084484A - 광 센서 - Google Patents

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KR20230084484A
KR20230084484A KR1020237010424A KR20237010424A KR20230084484A KR 20230084484 A KR20230084484 A KR 20230084484A KR 1020237010424 A KR1020237010424 A KR 1020237010424A KR 20237010424 A KR20237010424 A KR 20237010424A KR 20230084484 A KR20230084484 A KR 20230084484A
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미츠히토 마세
료 다키구치
히로아키 이시이
마사루 나카노
신이치로 다카기
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

광 센서(1)는 입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역(29)과, 전하 발생 영역(29)에서 발생한 전하가 전송되는 전하 수집 영역(33)과, 전하 발생 영역(29)과 전하 수집 영역(33) 사이의 전송 영역(35) 상에 배치된 적어도 하나의 전송 게이트 전극(41)을 구비한다. 전하 발생 영역(29)은 애벌란시 증배를 발생시키는 애벌란시 증배 영역(23)과, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜을 전하 발생 영역(29)에 형성하는 경사 포텐셜 형성 영역(59)을 포함한다.

Description

광 센서
본 개시의 일 측면은, 광 센서에 관한 것이다.
광 센서로서, 입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역과, 전하 발생 영역에서 발생한 전하가 전송되는 전하 수집 영역과, 전하 발생 영역과 전하 수집 영역 사이의 영역 상에 배치된 전송 게이트 전극을 구비하는 것이 알려져 있다. (예를 들면 특허문헌 1 참조). 이와 같은 광 센서에서는, 전하 발생 영역으로부터 전하 수집 영역으로 전하를 고속으로 전송할 수 있다.
일본 특개 2015-5752호 공보
상술한 바와 같은 광 센서에는, 수광 영역을 넓히기 위해서 전하 발생 영역의 면적을 크게 하는 것이 요구되는 경우가 있다. 그렇지만, 전하 발생 영역의 면적이 큰 경우, 전하 발생 영역 내에서의 전하의 이동에 시간이 걸리기 때문에, 전하 발생 영역으로부터 전하 수집 영역으로의 전하 전송이 늦어질 우려가 있다.
본 개시의 일 측면은, 수광 영역의 면적이 큰 경우라도 전하를 고속으로 전송할 수 있는 광 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 측면에 따른 광 센서는, 입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역과, 전하 발생 영역에서 발생한 전하가 전송되는 전하 수집 영역과, 전하 발생 영역과 전하 수집 영역 사이의 전송 영역 상에 배치된 적어도 하나의 전송 게이트 전극을 구비하고, 전하 발생 영역은 애벌란시 증배를 발생시키는 애벌란시 증배 영역과, 전송 영역에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜을 전하 발생 영역에 형성하는 경사 포텐셜 형성 영역을 포함한다.
이 광 센서에서는, 전하 발생 영역이, 애벌란시 증배를 발생시키는 애벌란시 증배 영역을 포함하고 있다. 이것에 의해, 전하 발생 영역에 있어서 애벌란시 증배를 발생시킬 수 있어, 고감도화를 도모할 수 있다. 또한, 전하 발생 영역이, 전송 영역에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜을 전하 발생 영역에 형성하는 경사 포텐셜 형성 영역을 포함하고 있다. 이것에 의해, 전송 영역에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜을 전하 발생 영역에 형성할 수 있어, 전하 발생 영역 내에 있어서의 전하의 이동 속도를 빠르게 할 수 있다. 따라서, 이 광 센서에 의하면, 수광 영역의 면적이 큰 경우라도 전하를 고속으로 전송할 수 있다.
적어도 하나의 전송 게이트 전극은, 제1 전송 게이트 전극과, 제1 전송 게이트 전극에 대해서 전하 발생 영역측에 배치된 제2 전송 게이트 전극을 포함하고 있어도 된다. 이 경우, 후술하는 바와 같이, 노이즈 발생의 억제나 다이내믹 레인지의 확대가 가능하게 된다.
전하 발생 영역에서 발생한 전하를 전하 수집 영역으로 전송하는 전하 전송 처리에 있어서는, 제1 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜인 제1 포텐셜, 및 제2 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜인 제2 포텐셜이, 전하 발생 영역에 있어서의 전송 영역과의 경계부의 포텐셜 이하로 된 후에, 경계부의 포텐셜보다도 높아지도록, 제1 전송 게이트 전극 및 제2 전송 게이트 전극에 전위가 주어져도 된다. 이 경우, 제1 전송 게이트 전극 및 제2 전송 게이트 전극을 이용하여 전하 발생 영역으로부터 전하 수집 영역으로 전하를 고속으로 전송할 수 있음과 아울러, 전하 전송 후에 전하 발생 영역으로부터 전하 수집 영역으로 전하가 이동하는 것을 억제할 수 있다.
전하 전송 처리에 있어서는, 제2 포텐셜이 제1 포텐셜보다도 높게 되도록, 제1 전송 게이트 전극 및 제2 전송 게이트 전극에 전위가 주어져도 된다. 이 경우, 전하가 제1 전송 게이트 전극 직하의 영역으로부터 전하 발생 영역으로 되돌아가 버리는 것을 억제할 수 있어, 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 제1 전송 게이트 전극 직하의 영역의 용량을 이용하여 전하의 판독량을 증가시킬 수 있어, 다이내믹 레인지를 넓힐 수 있다.
제1 전송 게이트 전극의 전위와 제2 전송 게이트 전극의 전위가 서로 동일한 상태에 있어서, 제2 포텐셜은 제1 포텐셜보다도 높아도 된다. 이 경우, 제1 전송 게이트 전극 및 제2 전송 게이트 전극에 동일한 전위를 줌으로써 제2 포텐셜을 제1 포텐셜보다도 높게 할 수 있다. 그 결과, 예를 들면, 제1 전송 게이트 전극 및 제2 전송 게이트 전극에 다른 크기의 전위를 줌으로써 제2 포텐셜을 제1 포텐셜보다도 높게 하는 경우와 비교해서, 전위를 주기 위한 구성을 간이화할 수 있다.
전송 영역은 제2 포텐셜을 제1 포텐셜보다도 높게 하기 위한 포텐셜 조정층을 포함하고 있어도 된다. 이 경우, 포텐셜 조정층에 의해서 제2 포텐셜을 제1 포텐셜보다도 높게 할 수 있다.
전하 전송 처리에 있어서의 제1 포텐셜 및 제2 포텐셜이 경계부의 포텐셜 이하인 상태에 있어서는, 제2 포텐셜이 경계부의 포텐셜과 동일하고, 제1 포텐셜이 경계부의 포텐셜보다도 낮아도 된다. 이 경우, 제2 전송 게이트 전극 직하의 영역에 전하가 축적되는 것을 억제할 수 있어, 제2 전송 게이트 전극 직하의 영역으로부터 전하 발생 영역으로 전하가 되돌아가 버리는 것에 기인하는 노이즈의 발생을 억제할 수 있다.
전하 전송 처리에 있어서는, 제1 포텐셜 및 제2 포텐셜이 경계부의 포텐셜 이하인 상태로부터, 제2 포텐셜이 경계부의 포텐셜보다도 높아진 후에, 제1 포텐셜이 경계부의 포텐셜보다도 높아져도 된다. 이 경우, 전하가 제1 전송 게이트 전극 직하의 영역으로부터 전하 발생 영역으로 되돌아가 버리는 것을 확실히 억제할 수 있어, 노이즈의 발생을 확실히 억제할 수 있다.
애벌란시 증배 영역은 소정의 평면을 따라서 층 모양으로 형성되어 있고, 평면과 수직인 방향에 있어서 전송 게이트 전극이 애벌란시 증배 영역에 대해서 위치하는 측을 제1 측으로 하고, 제1 측과는 반대측을 제2 측으로 하면, 경사 포텐셜 형성 영역은, 애벌란시 증배 영역에 대해서 제1 측에 위치하고 있어도 된다. 이 경우, 전송 게이트 전극에 가까운 영역에 존재하는 전하의 비율이 많아져, 전하를 한층 더 고속으로 전송하는 것이 가능하게 된다. 또한, 경사 포텐셜이 전송 게이트 전극 근처에 형성되는 것에 의해서도, 전하를 한층 더 고속으로 전송하는 것이 가능하게 된다.
경사 포텐셜 형성 영역은 전송 영역에 가까워짐에 따라 불순물 농도가 높아지도록 배열된 복수의 반도체 영역을 포함하고 있어도 된다. 이 경우, 경사 포텐셜을 전하 발생 영역에 적합하게 형성할 수 있다.
경사 포텐셜 형성 영역은 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 제1 반도체 영역과, 제1 반도체 영역보다도 높은 불순물 농도를 가지고, 제1 부분과 제2 부분의 사이에 배치되며, 전송 영역에 가까워짐에 따라 폭이 확대되는 제2 반도체 영역을 포함하고 있어도 된다. 이 경우, 경사 포텐셜을 전하 발생 영역에 적합하게 형성할 수 있다.
애벌란시 증배 영역은 소정의 평면을 따라서 층 모양으로 형성되어 있고, 평면과 수직인 방향에 있어서 전송 게이트 전극이 애벌란시 증배 영역에 대해서 위치하는 측을 제1 측으로 하고, 제1 측과는 반대측을 제2 측으로 하면, 경사 포텐셜 형성 영역은 애벌란시 증배 영역에 대해서 제2 측에 위치하고 있어도 된다. 이 경우, 경사 포텐셜의 경사 높이에 관한 제한이 발생하기 어렵기 때문에, 경사 포텐셜의 기울기를 크게 할 수 있어, 전하를 한층 더 고속으로 전송할 수 있다. 또한, 경사 포텐셜에 의해서 모아진 전하가 애벌란시 증배 영역에 있어서 증배되기 때문에, 증배의 발생 지점을 한정할 수 있어, 증배의 균일성을 높일 수 있다.
경사 포텐셜 형성 영역은 제1 반도체층과, 제1 반도체층에 대해서 제2 측에 위치하는 제2 반도체층을 포함하고, 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 단차부가 형성되어 있는 것에 의해, 경사 포텐셜이 형성되어도 된다. 이 경우, 경사 포텐셜을 전하 발생 영역에 적합하게 형성할 수 있다.
제1 반도체층에는 관통 구멍이 형성되어 있고, 관통 구멍은, 평면과 수직인 방향에 있어서, 전하 발생 영역에 있어서의 전송 영역과의 경계부와 중첩되어 있어도 된다. 이 경우, 경사 포텐셜에 의해 안내된 전하를 전하 발생 영역에 있어서의 전송 영역과의 경계부에 모을 수 있다.
전하 발생 영역은 매립 포토다이오드 구조를 가지고 있어도 된다. 이 경우, 전하 발생 영역에 있어서의 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 수광 영역의 면적이 큰 경우라도 전하를 고속으로 전송할 수 있는 광 센서를 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 실시 형태에 따른 광 검출 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 광 센서의 동작예를 설명하기 위한 포텐셜 분포도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는, 광 센서의 동작예를 설명하기 위한 포텐셜 분포도이다.
도 5는 제1 변형예에 따른 광 센서의 동작예를 설명하기 위한 포텐셜 분포도이다.
도 6은 제2 변형예에 따른 광 센서의 평면도이다.
도 7은 제3 변형예에 따른 광 센서의 단면도이다.
이하, 본 개시의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 동일 또는 상당 요소에는 동일 부호를 이용하고, 중복되는 설명을 생략한다.
［광 검출 장치］
도 1에 나타내지는 바와 같이, 광 검출 장치(100)는, 광 센서(이미지 센서)(1)와, 제어부(70)를 구비하고 있다. 제어부(70)는 광 센서(1)를 제어한다. 제어부(70)는, 예를 들면, 광 센서(1)를 구성하는 반도체 기판 상에 탑재된 온칩의 집적 회로에 의해서 구성되어 있지만, 광 센서(1)와 별체(別體)로 구성되어도 된다.
도 1 및 도 2에 나타내지는 바와 같이, 광 센서(1)는 반도체층(2), 전극층(4) 및 보호층(6)을 구비하고 있다. 반도체층(2)은 제1 표면(2a) 및 제2 표면(2b)을 가지고 있다. 제2 표면(2b)은 제1 표면(2a)과는 반대측의 표면이다. 광 센서(1)는 제1 표면(2a)을 따라서 배치된 복수의 화소(10)를 포함하고 있다. 복수의 화소(10)는, 예를 들면, 제1 표면(2a)을 따라서 2차원으로 배열되어 있다. 이하, 반도체층(2)의 두께 방향을 Z방향이라고 하고, Z방향과 수직인 일방향을 X방향이라고 하고, Z방향 및 X방향 양방과 수직인 방향을 Y방향이라고 한다. 또한, Z방향에 있어서의 일방측을 제1 측이라고 하고, Z방향에 있어서의 타방측(제1 측과는 반대측)을 제2 측이라고 한다. 도 1에서는, 일부의 구성(전극층(4)의 일부 및 보호층(6) 등)의 도시가 생략되어 있다.
각 화소(10)는, 반도체층(2)에 있어서, 반도체 영역(21)과, 반도체 영역(22)과, 애벌란시 증배 영역(23)과, 전하 축적 영역(24)과, 개재(介在) 영역(25)과, 웰 영역(31, 32)과, 전하 수집 영역(33)과, 채널 영역(34)을 가지고 있다. 각 영역(21~26, 31~34)은 반도체 기판(예를 들면 실리콘 기판)에 대해서 각종 처리(예를 들면, 에칭, 성막, 불순물 주입 등)를 실시함으로써 형성된다.
반도체 영역(21)은, p형(제1 도전형)의 영역으로서, 반도체층(2)에 있어서 제2 표면(2b)을 따라서 층 모양으로 형성되어 있다. 반도체 영역(21)의 캐리어 농도는, 반도체 영역(22)의 캐리어 농도보다도 높다. 반도체 영역(21)의 두께는, 가능한 한 얇은 것이 바람직하다. 일례로서, 반도체 영역(21)은 1×1016cm-3 이상의 캐리어 농도(불순물 농도)를 가지는 p형의 영역이며, 그 두께는 1㎛ 정도이다. 또한, 반도체 영역(21)은 제2 표면(2b) 상에 절연막을 개재하여 형성된 투명 전극에 의한 어큐뮬레이션에 의해서 형성되어도 된다.
반도체 영역(22)은, p형의 영역으로서, 반도체층(2)에 있어서 층 모양으로 형성되고, 반도체 영역(21)에 대해서 제1 측에 위치하고 있다. 일례로서, 반도체 영역(22)은 1×1015cm-3 이하의 캐리어 농도를 가지는 p형의 영역이며, 그 두께는 2㎛ 이상이며, 일례로서는 10㎛ 정도이다.
애벌란시 증배 영역(23)은 제1 증배 영역(23a) 및 제2 증배 영역(23b)을 포함하고 있다. 제1 증배 영역(23a)은, p형의 영역으로서, 반도체층(2)에 있어서 층 모양으로 형성되고, 반도체 영역(22)에 대해서 제1 측에 위치하고 있다. 일례로서, 제1 증배 영역(23a)은 1×1016cm-3 이상의 캐리어 농도를 가지는 p형의 영역이며, 그 두께는 1㎛ 정도이다. 제2 증배 영역(23b)은, n형(제2 도전형)의 영역으로서, 반도체층(2)에 있어서 층 모양으로 형성되고, 제1 증배 영역(23a)에 대해서 제1 측에 위치하고 있다. 일례로서, 제2 증배 영역(23b)은 1×1016cm-3 이상의 캐리어 농도를 가지는 n형의 영역이며, 그 두께는 1㎛ 정도이다. 제1 증배 영역(23a) 및 제2 증배 영역(23b)은, pn접합을 형성하고 있다. 애벌란시 증배 영역(23)은 애벌란시 증배를 일으키는 영역이다.
전하 축적 영역(24)은, n형의 영역으로서, 반도체층(2)에 있어서 층 모양으로 형성되고, 애벌란시 증배 영역(23)에 대해서 제1 측에 위치하고 있다. 일례로서, 전하 축적 영역(24)의 두께는, 1㎛ 정도이다. 전하 축적 영역(24)의 상세에 대해서는 후술한다.
개재 영역(25)은, p형의 영역으로서, 반도체층(2)에 있어서 제1 표면(2a)을 따라서 층 모양으로 형성되고, 전하 축적 영역(24)에 대해서 제1 측에 위치하고 있다. 즉, 개재 영역(25)은 전하 축적 영역(24)과는 다른 도전형을 가지고 있다. 반도체 영역(21), 반도체 영역(22), 제1 증배 영역(23a), 제2 증배 영역(23b), 전하 축적 영역(24) 및 개재 영역(25)은, XY평면(Z방향과 수직인 평면)을 따라서 층 모양으로 형성되어 있고, Z방향을 따라서 이 순서대로 늘어서 있다. 일례로서, 개재 영역(25)은 1×1015cm-3 이상의 캐리어 농도를 가지는 p형의 영역이며, 그 두께는 0.2㎛ 정도이다.
전하 축적 영역(24) 및 개재 영역(25)은, pn접합을 형성하고 있고, 매립 포토다이오드를 구성하고 있다. 즉, 전하 발생 영역(29)은 매립 포토다이오드 구조를 가지고 있다. 반도체 영역(21, 22), 애벌란시 증배 영역(23), 전하 축적 영역(24) 및 개재 영역(25)은, 입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역(광 흡수 영역, 광전 변환 영역)(29)으로서 기능한다. 바꿔 말하면, 전하 발생 영역(29)은 반도체 영역(21, 22), 애벌란시 증배 영역(23), 전하 축적 영역(24) 및 개재 영역(25)을 포함하고 있다.
웰 영역(31, 32)은, p형의 영역으로서, 반도체층(2)에 있어서 제1 표면(2a)을 따라서 층 모양으로 형성되어 있다. 웰 영역(31, 32)은 애벌란시 증배 영역(23)에 대해서 제1 측에 위치하고 있다. 웰 영역(31)은 전하 축적 영역(24) 및 개재 영역(25)과 X방향에 있어서 서로 이웃하도록 배치되어 있다. 웰 영역(32)은 Z방향으로부터 보았을 경우에 전하 축적 영역(24), 개재 영역(25) 및 웰 영역(31)을 둘러싸도록 배치되어 있다. 일례로서, 웰 영역(31, 32)은 1×1016~5×1017cm-3의 캐리어 농도를 가지는 p형의 영역이며, 그 두께는 1㎛ 정도이다. 웰 영역(31, 32)은 복수의 판독 회로(예를 들면, 소스 팔로워 앰프, 리셋 트랜지스터 등)를 구성하고 있다. 복수의 판독 회로는, 전하 수집 영역(33)과 전기적으로 접속되어 있다.
웰 영역(31, 32)에는, 전하 수집 영역(33) 및 채널 영역(34)이 형성되어 있다. 전하 수집 영역(33)은, n형의 영역으로서, 반도체층(2)에 있어서 제1 표면(2a)을 따라서 층 모양으로 형성되고, 웰 영역(31, 32) 사이의 경계부에 배치되어 있다. 일례로서, 전하 수집 영역(33)은 1×1018cm-3 이상의 캐리어 농도를 가지는 n형의 영역이며, 그 두께는 0.2㎛ 정도이다. 전하 수집 영역(33)은 플로팅 디퓨전으로서 기능한다. 채널 영역(34)은, n형의 영역으로서, 반도체층(2)에 있어서 제1 표면(2a)을 따라서 층 모양으로 형성되고, 웰 영역(32)에 배치되어 있다. 개재 영역(25), 전하 수집 영역(33) 및 채널 영역(34)은, X방향을 따라서 이 순서대로 늘어서 있다. 도 1의 예에서는 전하 수집 영역(33)의 폭(Y방향에 따른 길이)이 제4 영역(54)의 폭(Y방향에 따른 길이)보다도 작지만, 전하 수집 영역(33)의 폭은 제4 영역(54)의 폭과 동일한 정도여도 된다. 이 경우, 동일한 폭의 전송 경로에 의해 스무스하게 전하 전송이 행해진다.
전극층(4)은 반도체층(2)의 제1 표면(2a) 상에 마련되어 있다. 각 화소(10)는, 전극층(4)에 있어서, 전송 게이트 전극(41)과, 배출 게이트 전극(42)을 가지고 있다. 전송 게이트 전극(41) 및 배출 게이트 전극(42)은, 전극층(4)에 형성되고, 절연층(49)을 개재하여 반도체층(2)의 제1 표면(2a) 상에 배치되어 있다. 절연층(49)은, 예를 들면, 실리콘 질화막, 실리콘 산화막 등이다. 전송 게이트 전극(41) 및 배출 게이트 전극(42)은, 예를 들면 폴리 실리콘에 의해서 형성되어 있다.
전송 게이트 전극(41)은 웰 영역(31)에 있어서의 개재 영역(25)과 전하 수집 영역(33) 사이의 전송 영역(35) 상에 배치되어 있다. 전송 영역(35)은 전송 게이트 전극(41) 직하의 영역이다. 전송 게이트 전극(41)은 제1 전송 게이트 전극(43)과, 제2 전송 게이트 전극(44)을 가지고 있다. 제2 전송 게이트 전극(44)은 제1 전송 게이트 전극(43)에 대해서 개재 영역(25)측에 배치되어 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「어느 전극 직하의 영역」이란, Z방향에 있어서 해당 전극과 중첩되는 영역을 의미한다.
제2 전송 게이트 전극(44)은 제1 전송 게이트 전극(43)에 올라앉도록 형성되어 있고, 제1 전송 게이트 전극(43) 상에 배치된 승강 부분(44a)을 가지고 있다. 제1 전송 게이트 전극(43)의 표면에는 절연층(45)이 형성되어 있고, 제1 전송 게이트 전극(43)은 절연층(45)에 의해 제2 전송 게이트 전극(44)으로부터 전기적으로 분리되어 있다. 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44) 각각은, Z방향으로부터 보았을 경우에, 장변이 Y방향과 평행한 직사각형 모양을 나타내고 있다.
전송 영역(35)에는, 포텐셜 조정층(36)이 형성되어 있다. 포텐셜 조정층(36)은 Z방향에 있어서 제2 전송 게이트 전극(44)과 중첩되도록 배치되어 있고, X방향에 있어서 개재 영역(25)과 서로 이웃하고 있다. 일례로서, 포텐셜 조정층(36)은 1×1015~1×1018cm-3 정도의 캐리어 농도를 가지는 P형의 영역이며, 그 두께는 0.1㎛ 정도이다.
포텐셜 조정층(36)이 형성되어 있는 것에 의해, 도 3의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 제2 전송 게이트 전극(44) 직하의 영역의 포텐셜인 제2 포텐셜(φ44)은, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역의 포텐셜인 제1 포텐셜(φ43)보다도 높게 되어 있다. 도 3의 (a)에는, X방향에 따른 포텐셜 분포도가 나타내져 있다. 도 3의 (a)에 나타내지는 상태에 있어서, 제1 전송 게이트 전극(43)의 전위와 제2 전송 게이트 전극(44)의 전위는 서로 동일하다.
배출 게이트 전극(42)은 웰 영역(32)에 있어서의 전하 수집 영역(33)과 채널 영역(34) 사이의 영역 상에 배치되어 있다. 배출 게이트 전극(42)은, 예를 들면, X방향에 있어서 서로 마주 보는 2변, 및 Y방향에 있어서 서로 마주 보는 2변을 가지는 직사각형 모양을 나타내고 있다. 전극층(4)은 보호층(6)에 의해서 덮여져 있다. 보호층(6)은 예를 들면 BPSG(Boro-phospho silicate glass)막 등의 절연층이다.
도 1 및 도 2에 나타내지는 바와 같이, 전하 축적 영역(24)은 제1 영역(51), 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)을 가지고 있다. 각 영역(51~54)은 n형의 영역이다. 영역(51~54)의 불순물 농도는, 제1 영역(51), 제2 영역(52), 제3 영역(53), 제4 영역(54)의 순서로 높아지고 있다. 즉, 제2 영역(52)은 제1 영역(51)보다도 높은 불순물 농도를 가지고, 제3 영역(53)은 제2 영역(52)보다도 높은 불순물 농도를 가지며, 제4 영역(54)은 제3 영역(53)보다도 높은 불순물 농도를 가진다. 제1 영역(51)의 불순물 농도는 1×1013~1×1016cm-3 정도이다. 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)의 불순물 농도는 1×1016~1×1019cm-3 정도이다. 또한, 제1 영역(51)은 p형의 영역이어도 된다. 이 경우라도, 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)과의 사이에서 발생하는 공핍층에 의해서 제1 영역(51)의 일부에 있어서 포텐셜이 높아지고, 전하를 축적할 수 있다.
제1 영역(51)은 Z방향으로부터 보았을 경우에 직사각형 모양을 나타내고 있다. 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)은, X방향을 따라서 이 순서대로 늘어서 있다. 제4 영역(54)은 X방향에 있어서 전송 영역(35)과 서로 이웃하고 있다. 즉, 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)은, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 불순물 농도가 높아지도록 배열되어 있다. Z방향으로부터 보았을 경우에, 제2 영역(52), 제3 영역(53), 제4 영역(54), 제2 전송 게이트 전극(44), 제1 전송 게이트 전극(43), 전하 수집 영역(33)은, X방향을 따라서 이 순서대로 늘어서 있다. 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)은, Y방향에 있어서 제1 영역(51)의 제1 부분(51a)과 제2 부분(51b)의 사이에 배치되어 있다.
Z방향으로부터 보았을 경우에, 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)에 의해 정의되는 영역의 폭(Y방향에 따른 길이)(W1)은, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 연속적으로 증가하고 있다. 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54) 각각은, Z방향으로부터 보았을 경우에 사다리꼴 모양을 나타내고 있다. 폭(W1)은 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54) 각각에 있어서 직선적으로 증가하고 있다. 폭(W1)은 제2 영역(52)과 제3 영역(53) 사이의 경계, 및 제3 영역(53)과 제4 영역(54) 사이의 경계 각각에 있어서 연속하고 있다.
전하 축적 영역(24)이 제1 영역(51), 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)을 가지고 있는 것에 의해, 도 3 및 도 4에 나타내지는 바와 같이, 전하 축적 영역(24)에는, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜(A)이 형성되어 있다. 도 3 및 도 4에는, X방향에 따른 포텐셜 분포도가 나타내져 있다. 이 예에서는, 전하 축적 영역(24)의 포텐셜(φ24)은, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 직선적으로 감소하고 있다. 이와 같이, 제1 영역(51), 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)(전하 축적 영역(24))은, 경사 포텐셜(A)을 형성하는 경사 포텐셜 형성 영역(59)으로서 기능한다. 경사 포텐셜 형성 영역(59)은, Z방향에 있어서 애벌란시 증배 영역(23)에 대해서 제1 측에 위치하고 있다. 제1 측은 Z방향에 있어서 전송 게이트 전극(41)이 애벌란시 증배 영역(23)에 대해서 위치하는 측이다.
［광 검출 방법］
도 3 및 도 4를 참조하면서, 광 센서(1)에 의한 광 검출 동작의 예를 설명한다. 이하의 동작은, 제어부(70)가 광 센서(1)를 제어함으로써 실현된다. 보다 구체적으로는, 제어부(70)가 전송 게이트 전극(41) 및 배출 게이트 전극(42)에 인가되는 전압을 제어함으로써, 광 센서(1)의 동작이 실현된다. 이하에서는, 하나의 화소(10)에 주목하여 동작을 설명하지만, 다른 화소(10)의 동작에 대해서도 마찬가지이다.
먼저, 전하를 전하 축적 영역(24)에 축적하는 전하 축적 처리가 실행된다. 전하 축적 처리에서는, 개재 영역(25)의 전위를 기준으로 하여 음의 전압(예를 들면 -50V)이 반도체 영역(21)에 인가된다. 즉, 애벌란시 증배 영역(23)에 형성된 pn접합에 역방향 바이어스가 인가된다. 이것에 의해, 애벌란시 증배 영역(23)에 3×105~4×105V/cm의 전계 강도가 발생한다. 이 상태에 있어서, 제2 표면(2b)으로부터 반도체층(2)에 광이 입사하면, 반도체 영역(21, 22)에 있어서 광의 흡수에 의해 전자(전하)가 발생한다. 발생한 전하는, 애벌란시 증배 영역(23)에서 증배되고, 전하 축적 영역(24)으로 이동한다. 광 센서(1)에서는, 전하 발생 영역(29) 중 Z방향에 있어서 전하 축적 영역(24)과 중첩되는 영역이 수광 영역으로서 기능한다. 또한, 개재 영역(25)은 접지 전극에 전기적으로 접속되어 있어, 접지되어 있다.
도 3의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 전하 축적 영역(24)으로 이동한 전하는, 전하 축적 영역(24)에 축적된다. 상술한 바와 같이, 전하 축적 영역(24)에는, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜(A)이 형성되어 있다. 그 때문에, 전하는 전하 축적 영역(24) 내에 있어서 전송 영역(35)측을 향하여 고속으로 이동한다.
전하 축적 처리 중에는, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역의 제1 포텐셜(φ43) 및 제2 전송 게이트 전극(44) 직하의 영역의 제2 포텐셜(φ44)이, 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa)보다도 높게 되도록, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 전위가 주어진다. 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa)은, 전하 축적 영역(24)에 있어서의 전송 영역(35)과의 경계부의 포텐셜에 대응한다. 이것에 의해, 전하가 전하 축적 영역(24)으로부터 전하 수집 영역(33)으로 이동하지 않고, 전하 축적 영역(24)에 축적된다.
이 예에서는, 제어부(70)는 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 인가하는 전압을 온 오프의 2단계로 제어한다. 전하 축적 처리 중에는, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 인가하는 전압이 오프로 되어 있다. 제1 전송 게이트 전극(43)에 인가하는 오프 전압은, 제2 전송 게이트 전극(44)에 인가하는 오프 전압과 동일하고, 예를 들면 0V이다. 도 3의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 인가되는 전압이 오프인 상태에 있어서, 제2 포텐셜(φ44)은 제1 포텐셜(φ43)보다도 높다. 또한, 도 3의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 전하 축적 처리의 개시 시점에 있어서, 전하 수집 영역(33) 및 채널 영역(34)에는 일정량의 전하(B)가 잔존하고 있다. 전하(B)는 후술하는 리셋 처리시에 전하 수집 영역(33) 및 채널 영역(34)에 잔존하는 전하이다.
이어서, 전하를 전하 수집 영역(33)으로 전송하는 전하 전송 처리가 실행된다. 전하 전송 처리에서는, 제1 포텐셜(φ43) 및 제2 포텐셜(φ44)이 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa) 이하로 된 후에 포텐셜(Pa)보다도 높아지도록, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 전위가 주어진다.
보다 구체적으로는, 먼저, 도 3의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 인가하는 전압이 온이 되고, 제1 포텐셜(φ43) 및 제2 포텐셜(φ44)이 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa) 이하로 된다. 이 상태에 있어서는, 제2 포텐셜(φ44)은 포텐셜(Pa)과 동일하고, 제1 포텐셜(φ43)은 포텐셜(Pa)보다도 낮다. 이것에 의해, 전하 축적 영역(24)에 축적되어 있던 전하가, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역 및 전하 수집 영역(33)으로 이동한다. 제2 전송 게이트 전극(44) 직하의 영역에는 전하가 축적되지 않는다. 도 3의 (b)에 나타내지는 상태에 있어서, 제1 포텐셜(φ43)은 전하 수집 영역(33)의 포텐셜(φ33)과 동일하다. 또한, 전하 수집 영역(33)의 포텐셜(φ33) 및 채널 영역(34)의 포텐셜(φ34)은, 포텐셜(Pa)보다도 낮게 되어 있다.
이 예에서는, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)의 온 전압은, 서로 동일하다. 도 3의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 인가되는 전압이 온인 상태에 있어서, 제2 포텐셜(φ44)은 제1 포텐셜(φ43)보다도 높다.
이어서, 도 4의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 제1 전송 게이트 전극(43)에 인가하는 전압이 온이 된 채로, 제2 전송 게이트 전극(44)에 인가하는 전압이 오프가 되어, 제2 포텐셜(φ44)이 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa)보다도 높아진다. 이때, 제2 전송 게이트 전극(44) 직하의 영역에는 전하가 축적되어 있지 않기 때문에, 전하의 이동은 발생하지 않는다.
이어서, 도 4의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 제1 전송 게이트 전극(43)에 인가하는 전압이 오프가 되어, 제1 포텐셜(φ43)이 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa)보다도 높아진다. 이것에 의해, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역에 축적되어 있던 전하가 전하 수집 영역(33)으로 이동한다. 이와 같이, 전하 전송 처리에서는, 제1 포텐셜(φ43) 및 제2 포텐셜(φ44)이 포텐셜(Pa) 이하인 상태(도 3의 (b))로부터, 제2 포텐셜(φ44)이 포텐셜(Pa)보다도 높아진 후에(도 4의 (a)), 제1 포텐셜(φ43)이 포텐셜(Pa)보다도 높아진다(도 4의 (b)).
도 3의 (b), 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)에 나타내지는 어느 상태에 있어서도, 제2 포텐셜(φ44)은 제1 포텐셜(φ43)보다도 높다. 이것에 의해, 전하가 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역으로부터 전하 축적 영역(24)으로 되돌아가 버리는 것을 억제할 수 있다.
이어서, 전하 수집 영역(33)에 축적되어 있는 전하를 읽어내는 판독 처리가 실행된다. 전하 수집 영역(33)에 축적되어 있는 전하는, 상술한 판독 회로에 의해 읽어내진다. 이어서, 전하 수집 영역(33)을 리셋하는 리셋 처리가 실행된다. 리셋 처리에서는, 배출 게이트 전극(42) 직하의 영역의 포텐셜(φ42)이 낮아지도록 배출 게이트 전극(42)의 전위가 제어된다. 이것에 의해, 전하 수집 영역(33) 내의 전하가 채널 영역(34)을 통해서 외부로 배출되고, 전하 수집 영역(33)이 리셋된다. 리셋 처리의 완료 후, 포텐셜(φ42)은 원래로 되돌려진다.
［작용 및 효과］
광 센서(1)에서는, 전하 발생 영역(29)이, 애벌란시 증배를 발생시키는 애벌란시 증배 영역(23)을 포함하고 있다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(29)에 있어서 애벌란시 증배를 발생시킬 수 있어, 고감도화를 도모할 수 있다. 또한, 전하 발생 영역(29)이, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜(A)을 전하 발생 영역(29)에 형성하는 경사 포텐셜 형성 영역(59)을 포함하고 있다. 이것에 의해, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜(A)을 전하 발생 영역(29)에 형성할 수 있어, 전하 발생 영역(29) 내에 있어서의 전하의 이동 속도를 빠르게 할 수 있다. 따라서, 광 센서(1)에 의하면, 수광 영역의 면적이 큰 경우라도 전하를 고속으로 전송할 수 있다.
광 센서(1)가, 제1 전송 게이트 전극(43)과, 제1 전송 게이트 전극(43)에 대해서 전하 발생 영역(29)측에 배치된 제2 전송 게이트 전극(44)을 포함하고 있다. 이것에 의해, 후술하는 바와 같이, 노이즈 발생의 억제나 다이내믹 레인지의 확대가 가능하게 된다.
전하 발생 영역(29)에서 발생한 전하를 전하 수집 영역(33)으로 전송하는 전하 전송 처리에 있어서, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역의 포텐셜인 제1 포텐셜(φ43), 및 제2 전송 게이트 전극(44) 직하의 영역의 포텐셜인 제2 포텐셜(φ44)이, 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa)(전하 발생 영역(29)에 있어서의 전송 영역(35)과의 경계부의 포텐셜) 이하로 된 후에, 포텐셜(Pa)보다도 높아지도록, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)을 이용하여 전하 발생 영역(29)으로부터 전하 수집 영역(33)으로 전하를 고속으로 전송할 수 있음과 아울러, 전하 전송 후에 전하 발생 영역(29)으로부터 전하 수집 영역(33)으로 전하가 이동하는 것을 억제할 수 있다.
전하 전송 처리에 있어서는, 제2 포텐셜(φ44)이 제1 포텐셜(φ43)보다도 높게 되도록, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 전하가 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역으로부터 전하 축적 영역(24)(전하 발생 영역(29))으로 되돌아가 버리는 것을 억제할 수 있어, 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역의 용량을 이용하여 전하의 판독량을 증가시킬 수 있어, 다이내믹 레인지를 넓힐 수 있다.
이 점에 대해서 도 5를 참조하면서 더 설명한다. 도 5는 제1 변형예에 따른 광 센서의 동작예를 설명하기 위한 포텐셜 분포도이다. 제1 변형예의 전송 게이트 전극(41A)은, 단일의 전극만으로 구성되어 있다. 제1 변형예에 있어서도, 전송 게이트 전극(41A) 직하의 영역의 포텐셜인 포텐셜(φ41A)이 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa) 이하로 된 후에 포텐셜(Pa)보다도 높아지도록 전송 게이트 전극(41A)에 전위를 줌으로써, 전하 전송을 행할 수 있다. 따라서, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 고감도화를 도모함과 아울러, 수광 영역의 면적이 큰 경우라도 전하를 고속으로 전송할 수 있다.
다만, 제1 변형예에서는, 도 5에 나타내지는 바와 같이, 전하의 판독량은, 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa)과 전하 수집 영역(33)의 포텐셜(φ33) 사이의 차(DF)에 대응한 양이 된다. 한편, 상기 실시 형태에서는, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역의 용량을 전하의 판독량으로서 이용할 수 있기 때문에, 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)에 화살표(AR)로 나타내지는 바와 같이, 전하의 판독량은, 제1 변형예의 경우와 비교해서, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역의 용량분만큼 커진다. 이와 같이, 상기 실시 형태에 의하면, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역의 용량을 이용하여 전하의 판독량을 증가시킬 수 있어, 다이내믹 레인지를 넓힐 수 있다.
제1 전송 게이트 전극(43)의 전위와 제2 전송 게이트 전극(44)의 전위가 서로 동일한 상태에 있어서, 제2 포텐셜(φ44)이, 제1 포텐셜(φ43)보다도 높다. 이것에 의해, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 동일한 전위를 줌으로써 제2 포텐셜(φ44)을 제1 포텐셜(φ43)보다도 높게 할 수 있다. 그 결과, 예를 들면, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 다른 크기의 전위를 줌으로써 제2 포텐셜(φ44)을 제1 포텐셜(φ43)보다도 높게 하는 경우와 비교해서, 전위를 주기 위한 구성을 간이화할 수 있다.
전송 영역(35)이, 제2 포텐셜(φ44)을 제1 포텐셜(φ43)보다도 높게 하기 위한 포텐셜 조정층(36)을 포함하고 있다. 이것에 의해, 포텐셜 조정층(36)에 의해서 제2 포텐셜(φ44)을 제1 포텐셜(φ43)보다도 높게 할 수 있다.
전하 전송 처리에 있어서의 제1 포텐셜(φ43) 및 제2 포텐셜(φ44)이 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa) 이하인 상태에 있어서는, 제2 포텐셜(φ44)이 포텐셜(Pa)과 동일하고, 제1 포텐셜(φ43)이 포텐셜(Pa)보다도 낮다. 이것에 의해, 제2 전송 게이트 전극(44) 직하의 영역에 전하가 축적되는 것을 억제할 수 있어, 제2 전송 게이트 전극(44) 직하의 영역으로부터 전하 축적 영역(24)(전하 발생 영역(29))으로 전하가 되돌아가 버리는 것에 기인하는 노이즈의 발생을 억제할 수 있다.
전하 전송 처리에 있어서는, 제1 포텐셜(φ43) 및 제2 포텐셜(φ44)이 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa) 이하인 상태로부터, 제2 포텐셜(φ44)이 포텐셜(Pa)보다도 높아진 후에, 제1 포텐셜(φ43)이 포텐셜(Pa)보다도 높아진다. 이것에 의해, 전하가 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역으로부터 전하 축적 영역(24)(전하 발생 영역(29))으로 되돌아가 버리는 것을 확실히 억제할 수 있어, 노이즈의 발생을 확실히 억제할 수 있다. 이것은, 제1 포텐셜(φ43) 및 제2 포텐셜(φ44)을 동시에 높게 하는 경우와 비교해서, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역과 전하 축적 영역(24) 사이의 전위 장벽을 높게 할 수 있기 때문이다.
전하 발생 영역(29)이 애벌란시 증배 영역(23)을 포함하는 구성에 있어서 전하 발생 영역(29)에 경사 포텐셜(A)을 형성하는 경우, 이하의 이유에 의해, 경사 포텐셜(A)의 경사 높이를 확보하는 것은 어렵다. 첫째로, 경사 높이를 높게 하기 위해서는, 경사 포텐셜(A)의 상단의 포텐셜(Pb)을 높게 하는 것이 생각된다. 그렇지만, 개재 영역(25)과 반도체 영역(21)의 사이에 단락이 발생하지 않도록 하기 위해서는, 포텐셜(Pb)을 도 5에 나타내지는 펀치 스루(punch through) 라인(PL)보다도 낮게 할 필요가 있다. 또한, 포텐셜(Pb)을 높게 하기 위해서는 경사 포텐셜(A)의 상단의 전위를 낮게 할 필요가 있지만, 그 경우, 경사 포텐셜(A)의 상단에 있어서 개재 영역(25)과 반도체 영역(21)의 사이에 리크 전류가 발생할 우려가 있다. 그 때문에, 포텐셜(Pb)을 높게 하는 것에는 제한이 있다. 또한, 전위가 낮은 경사 포텐셜(A)의 상단에 있어서는 역바이어스 전압이 낮아지기 때문에, 애벌란시 증배 영역(23) 중 경사 포텐셜(A)의 상단에 대응하는 부분에 있어서 증배율이 저하될 우려가 있다.
둘째로, 경사 높이를 높게 하기 위해서는, 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa)(공핍화 전위)를 낮게 하는 것이 생각된다. 그렇지만, 포텐셜(Pa)을 낮게 하면, 포텐셜(Pa)과 전하 수집 영역(33)의 포텐셜(φ33) 사이의 차(DF)(도 5)가 작아져, 전하의 판독량이 저하된다. 그 때문에, 포텐셜(Pa)을 낮게 하는 것에도 제한이 있다.
이것에 대해, 상기 실시 형태의 광 센서(1)에서는, 상술한 바와 같이, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)을 이용하여 전하를 전하 수집 영역(33)으로 전송하기 때문에, 노이즈의 발생을 억제할 수 있음과 아울러, 제1 전송 게이트 전극(43) 직하의 영역의 용량을 이용하여 전하의 판독량을 증가시킬 수 있어, 다이내믹 레인지를 넓힐 수 있다. 그 결과, 다이내믹 레인지를 크게 확보하면서, 경사 포텐셜(A)의 경사 높이를 크게 확보할 수 있다.
경사 포텐셜 형성 영역(59)이, 애벌란시 증배 영역(23)에 대해서 제1 측에 위치하고 있다. 이것에 의해, 전송 게이트 전극(41)에 가까운 영역에 존재하는 전하의 비율이 많아지고, 전하를 한층 더 고속으로 전송하는 것이 가능하게 된다. 또한, 경사 포텐셜(A)이 전송 게이트 전극(41) 근처에 형성되는 것에 의해서도, 전하를 한층 더 고속으로 전송하는 것이 가능하게 된다.
경사 포텐셜 형성 영역(59)이, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 불순물 농도가 높아지도록 배열된 제2 영역(52), 제3 영역(53) 및 제4 영역(54)을 포함하고 있다. 이것에 의해, 경사 포텐셜(A)을 전하 발생 영역(29)에 적합하게 형성할 수 있다.
전하 발생 영역(29)이, 매립 포토다이오드 구조를 가지고 있다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(29)에 있어서의 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
［변형예］
도 6에 나타내지는 제2 변형예의 전하 축적 영역(24A)은, 제1 영역(제1 반도체 영역)(55)과, 제2 영역(제2 반도체 영역)(56)을 포함하고 있다. 제1 영역(55)은 제1 부분(55a) 및 제2 부분(55b)을 포함하고 있다. 제2 영역(56)은 Y방향에 있어서 제1 부분(55a)과 제2 부분(55b)의 사이에 배치되어 있다. 제1 영역(55) 및 제2 영역(56)은, n형의 영역이다. 제2 영역(56)은 제1 영역(55)보다도 높은 불순물 농도를 가지고 있다. 제1 영역(55)의 불순물 농도는 1×1013~1×1016cm-3 정도이며, 제2 영역(56)의 불순물 농도는 1×1016~1×1019cm-3 정도이다. 제1 영역(55)은 p형의 영역이어도 된다.
제2 영역(56)은 X방향에 있어서 전송 영역(35)과 서로 이웃하고 있다. 제2 영역(56)의 폭(Y방향에 따른 길이)(W2)은, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 증가하고 있다. 제1 영역(55) 및 제2 영역(56)을 가지는 전하 축적 영역(24A)은, 전송 영역(35)에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜(A)을 형성하는 경사 포텐셜 형성 영역(59A)으로서 기능한다. 경사 포텐셜 형성 영역(59A)은 Z방향에 있어서 애벌란시 증배 영역(23)에 대해서 제1 측에 위치하고 있다. 제2 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 고감도화를 도모함과 아울러, 수광 영역의 면적이 큰 경우라도 전하를 고속으로 전송할 수 있다.
도 7에 나타내지는 제3 변형예의 광 센서(1B)에서는, 경사 포텐셜 형성 영역(59B)이 애벌란시 증배 영역(23)에 대해서 제2 측에 위치하고 있다. 경사 포텐셜 형성 영역(59B)은 제1 반도체층(61)과, 제1 반도체층(61)에 대해서 제2 측에 위치하는 제2 반도체층(62)을 포함하고 있다. 제1 반도체층(61)에는, Z방향을 따라서 제1 반도체층(61)을 관통하는 관통 구멍(63)이 형성되어 있다.
제1 반도체층(61) 및 제2 반도체층(62)은, p형의 영역이다. 제1 반도체층(61) 및 제2 반도체층(62)의 불순물 농도는 1×1014~1×1016cm-3 정도이다. 제1 반도체층(61) 및 제2 반도체층(62)은, 애벌란시 증배 영역(23)의 제1 증배 영역(23a)을 구성하고 있다고 간주할 수도 있다. 바꿔 말하면, 애벌란시 증배 영역(23)이 제1 반도체층(61) 및 제2 반도체층(62)을 가지고 있다고 간주할 수도 있다.
제3 변형예에서는, 제1 반도체층(61)과 제2 반도체층(62)의 사이에 단차부(64)가 형성되어 있는 것에 의해, 경사 포텐셜(A)이 형성되어 있다. 단차부(64)는, 제1 반도체층(61)의 표면의 일부가 제2 반도체층(62)에 의해서 덮여 있지 않은 것에 의해, 해당 일부와 제2 반도체층(62)의 사이에 형성되어 있다. 이 예에서는, 단차부(64)는 한 쌍 마련되어 있고, 각각 Y방향을 따라서 연장되어 있다. 관통 구멍(63)은 X방향에 있어서 한 쌍의 단차부(64)의 사이에 배치되어 있다.
전하 발생 영역(29)은, 경사 포텐셜 형성 영역(59B)에 더하여, 애벌란시 증배 영역(23)에 대해서 제1 측에 마련된 전하 축적 영역(24B)을 더 포함하고 있다. 전하 축적 영역(24B)은 n형의 영역이다. 전하 축적 영역(24B)의 불순물 농도는 1×1016~1×1019cm-3 정도이다.
관통 구멍(63)은, Z방향에 있어서, 전하 발생 영역(29)에 있어서의 전송 영역(35)과의 경계부와 중첩되어 있다. 이 예에서는, 관통 구멍(63)은 Z방향에 있어서 전하 축적 영역(24B)에 중첩되어 있다. 제3 변형예에서는, 경사 포텐셜(A)에 의해 모아진 전하가 관통 구멍(63)을 통하여 애벌란시 증배 영역(23)에 도달한다. 애벌란시 증배 영역(23)에서 증배된 전하는, 전하 축적 영역(24B)에 축적된다. 전하 축적 영역(24B)에 축적된 전하는, 전송 게이트 전극(41)을 이용하여 전하 수집 영역(33)으로 전송된다. 또한, 도 7에서는 전송 게이트 전극(41)이 단일의 전극에 의해 구성되어 있도록 도시되어 있지만, 전송 게이트 전극(41)은, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)을 가지고 있어도 된다. 도 7에서는, 전극층(4)의 일부 및 보호층(6) 등의 도시가 생략되어 있다. 개재 영역(25) 상에 배치된 접지 전극(46)이 도시되어 있다.
제3 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 고감도화를 도모함과 아울러, 수광 영역의 면적이 큰 경우라도 전하를 고속으로 전송할 수 있다. 또한, 경사 포텐셜 형성 영역(59B)이, 애벌란시 증배 영역(23)에 대해서 제2 측에 위치하고 있다. 이와 같은 구조에서는, 상술한 바와 같은 경사 포텐셜(A)의 경사 높이에 관한 제한이 발생하기 어렵다. 그 때문에, 경사 포텐셜(A)의 기울기를 크게 할 수 있어, 전하를 한층 더 고속으로 전송할 수 있다. 또한, 경사 포텐셜(A)에 의해서 모아진 전하가 애벌란시 증배 영역(23)에 있어서 증배되기 때문에, 증배의 발생 지점을 한정할 수 있어, 증배의 균일성을 높일 수 있다.
경사 포텐셜 형성 영역(59B)에서는, 제1 반도체층(61)과 제2 반도체층(62)의 사이에 단차부(64)가 형성되어 있는 것에 의해, 경사 포텐셜(A)이 형성되어 있다. 이것에 의해, 경사 포텐셜(A)을 전하 발생 영역(29)에 적합하게 형성할 수 있다.
제1 반도체층(61)에 형성된 관통 구멍(63)이, Z방향에 있어서, 전하 발생 영역(29)에 있어서의 전송 영역(35)과의 경계부와 중첩되어 있다. 이것에 의해, 경사 포텐셜(A)에 의해 안내된 전하를 전하 발생 영역(29)에 있어서의 전송 영역(35)과의 경계부에 모을 수 있다.
본 개시는 상기 실시 형태 및 변형예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 각 구성의 재료 및 형상에는, 상술한 재료 및 형상으로 한정되지 않고, 다양한 재료 및 형상을 채용할 수 있다.
상기 실시 형태에서는 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 동일한 전위를 줌으로써 제2 포텐셜(φ44)을 제1 포텐셜(φ43)보다도 높게 했지만, 추가의 바이어스 회로를 마련하고, 제1 전송 게이트 전극(43) 및 제2 전송 게이트 전극(44)에 다른 크기의 전위를 줌으로써 제2 포텐셜(φ44)을 제1 포텐셜(φ43)보다도 높게 해도 된다. 이 경우, 전하 전송 처리의 개시시 및 종료시에는, 제1 포텐셜(φ43)과 제2 포텐셜(φ44)은 동일해도 된다.
전송 게이트 전극(41)은 단일의 전극에 의해 구성되어도 된다. 이 경우라도, 상기 실시 형태와 같이 포텐셜 조정층(36)을 형성함으로써, 제2 포텐셜(φ44)을 제1 포텐셜(φ43)보다도 높게 할 수 있다. 예를 들면, 단일의 전극에 의해 구성된 전송 게이트 전극(41) 중 제2 전송 게이트 전극(44)에 대응하는 부분의 하측에, 포텐셜 조정층(36)이 형성될 수 있다.
제1 포텐셜(φ43) 및 제2 포텐셜(φ44)이 경사 포텐셜(A)의 하단의 포텐셜(Pa) 이하인 상태로부터, 제1 포텐셜(φ43) 및 제2 포텐셜(φ44)이 동시에 포텐셜(Pa)보다도 높아져도 된다. p형 및 n형의 각 도전형은, 상술한 것에 대해서 반대여도 된다. 복수의 화소(10)는, 반도체층(2)의 제1 표면(2a)을 따라서 1차원으로 배열되어 있어도 된다. 광 센서(1)는 단일의 화소(10)만을 가지고 있어도 된다. 광 센서(1)는 간접 TOF 방식을 이용하여 대상물의 거리 화상(대상물까지의 거리(d)에 관한 정보를 포함하는 화상)을 취득하는 측거 센서여도 된다. 광 센서(1)는 각 화소(10)에 2개 이상의 전하 수집 영역(33)을 구비하고 있어도 된다. 광 센서(1)는 각 화소(10)에 2개 이상의 전송 게이트 전극(41)을 구비하고 있어도 된다.
상기 실시 형태 및 변형예에 있어서, 애벌란시 증배 영역(23)이 형성되어 있지 않아도 된다. 즉, 전하 발생 영역(29)은 애벌란시 증배 영역(23)을 포함하고 있지 않아도 된다. 이와 같은 구성에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 수광 영역의 면적이 큰 경우라도 전하를 고속으로 전송할 수 있다.
1, 1B…광 센서 23…애벌란시 증배 영역
29…전하 발생 영역 33…전하 수집 영역
35…전송 영역 36…포텐셜 조정층
41, 41A…전송 게이트 전극 43…제1 전송 게이트 전극
44…제2 전송 게이트 전극 52…제2 영역(반도체 영역)
53…제3 영역(반도체 영역) 54…제4 영역(반도체 영역)
55…제1 영역(제1 반도체 영역) 55a…제1 부분
55b…제2 부분 56…제2 영역(제2 반도체 영역)
59, 59A, 59B…경사 포텐셜 형성 영역
61…제1 반도체층 62…제2 반도체층
63…관통 구멍 64…단차부
A…경사 포텐셜
Pa…경사 포텐셜의 하단의 포텐셜(전하 발생 영역에 있어서의 전송 영역과의 경계부의 포텐셜)
W2…폭 φ43…제1 포텐셜
φ44…제2 포텐셜

Claims (15)

  1. 입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역과,
    상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하가 전송되는 전하 수집 영역과,
    상기 전하 발생 영역과 상기 전하 수집 영역 사이의 전송 영역 상에 배치된 적어도 하나의 전송 게이트 전극을 구비하고,
    상기 전하 발생 영역은,
    애벌란시 증배를 발생시키는 애벌란시 증배 영역과,
    상기 전송 영역에 가까워짐에 따라 포텐셜이 낮아지도록 경사진 경사 포텐셜을 상기 전하 발생 영역에 형성하는 경사 포텐셜 형성 영역을 포함하는 광 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전송 게이트 전극은, 제1 전송 게이트 전극과, 상기 제1 전송 게이트 전극에 대해서 상기 전하 발생 영역측에 배치된 제2 전송 게이트 전극을 포함하고 있는 광 센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 상기 전하 수집 영역으로 전송하는 전하 전송 처리에 있어서는, 상기 제1 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜인 제1 포텐셜, 및 상기 제2 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜인 제2 포텐셜이, 상기 전하 발생 영역에 있어서의 상기 전송 영역과의 경계부의 포텐셜 이하로 된 후에, 상기 경계부의 포텐셜보다도 높아지도록, 상기 제1 전송 게이트 전극 및 상기 제2 전송 게이트 전극에 전위가 주어지는 광 센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전하 전송 처리에 있어서는, 상기 제2 포텐셜이 상기 제1 포텐셜보다도 높게 되도록, 상기 제1 전송 게이트 전극 및 상기 제2 전송 게이트 전극에 전위가 주어지는 광 센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 전송 게이트 전극의 전위와 상기 제2 전송 게이트 전극의 전위가 서로 동일한 상태에 있어서, 상기 제2 포텐셜은, 상기 제1 포텐셜보다도 높은 광 센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전송 영역은 상기 제2 포텐셜을 상기 제1 포텐셜보다도 높게 하기 위한 포텐셜 조정층을 포함하고 있는 광 센서.
  7. 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 전송 처리에 있어서의 상기 제1 포텐셜 및 상기 제2 포텐셜이 상기 경계부의 포텐셜 이하인 상태에 있어서는, 상기 제2 포텐셜이 상기 경계부의 포텐셜과 동일하고, 상기 제1 포텐셜이 상기 경계부의 포텐셜보다도 낮은 광 센서.
  8. 청구항 3 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 전송 처리에 있어서는, 상기 제1 포텐셜 및 상기 제2 포텐셜이 상기 경계부의 포텐셜 이하인 상태로부터, 상기 제2 포텐셜이 상기 경계부의 포텐셜보다도 높아진 후에, 상기 제1 포텐셜이 상기 경계부의 포텐셜보다도 높아지는 광 센서.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애벌란시 증배 영역은 소정의 평면을 따라서 층 모양으로 형성되어 있고,
    상기 평면과 수직인 방향에 있어서 상기 전송 게이트 전극이 상기 애벌란시 증배 영역에 대해서 위치하는 측을 제1 측으로 하고, 상기 제1 측과는 반대측을 제2 측으로 하면, 상기 경사 포텐셜 형성 영역은, 상기 애벌란시 증배 영역에 대해서 상기 제1 측에 위치하고 있는 광 센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 경사 포텐셜 형성 영역은 상기 전송 영역에 가까워짐에 따라 불순물 농도가 높아지도록 배열된 복수의 반도체 영역을 포함하고 있는 광 센서.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 경사 포텐셜 형성 영역은 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 제1 반도체 영역과, 상기 제1 반도체 영역보다도 높은 불순물 농도를 가지고, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 사이에 배치되며, 상기 전송 영역에 가까워짐에 따라 폭이 확대되는 제2 반도체 영역을 포함하고 있는 광 센서.
  12. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애벌란시 증배 영역은 소정의 평면을 따라서 층 모양으로 형성되어 있고,
    상기 평면과 수직인 방향에 있어서 상기 전송 게이트 전극이 상기 애벌란시 증배 영역에 대해서 위치하는 측을 제1 측으로 하고, 상기 제1 측과는 반대측을 제2 측으로 하면, 상기 경사 포텐셜 형성 영역은 상기 애벌란시 증배 영역에 대해서 상기 제2 측에 위치하고 있는 광 센서.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 경사 포텐셜 형성 영역은 제1 반도체층과, 상기 제1 반도체층에 대해서 상기 제2 측에 위치하는 제2 반도체층을 포함하고,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 사이에 단차부가 형성되어 있는 것에 의해, 상기 경사 포텐셜이 형성되는 광 센서.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 반도체층에는 관통 구멍이 형성되어 있고,
    상기 관통 구멍은, 상기 평면과 수직인 방향에 있어서, 상기 전하 발생 영역에 있어서의 상기 전송 영역과의 경계부와 중첩되어 있는 광 센서.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 발생 영역은 매립 포토다이오드 구조를 가지고 있는 광 센서.
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