KR20230167135A - 고체 촬상 소자 및 촬상 장치 - Google Patents

고체 촬상 소자 및 촬상 장치 Download PDF

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KR20230167135A
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아츠시 토다
스스무 이노우에
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

전극이나 배선이 중앙부에 배치된 SPAD를 갖는 고체 촬상 소자에서 검출 효율을 향상시킨다. 고체 촬상 소자는, 포토다이오드와 집광부를 구비한다. 그 포토다이오드는, 수광면 및 수광면에 배치된 전극을 가지며 그 전극에 항복전압을 초과하는 전압이 인가된 상태에서 그 수광면에 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력한다. 그 집광부는, 그 전극이 배치되는 영역 이외의 그 포토다이오드의 수광면에 피사체로부터의 광을 집광시킨다.

Description

고체 촬상 소자 및 촬상 장치{SOLID-STATE IMAGING ELEMENT AND IMAGING DEVICE}
본 기술은, 고체 촬상 소자 및 촬상 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 싱글 포톤 애벌란시 포토다이오드를 사용한 고체 촬상 소자 및 촬상 장치에 관한 것이다.
종래, 저조도 환경하의 촬상이나 피사체와의 거리의 계측에 사용하는 촬상 장치로서, 싱글 포톤 애벌란시 다이오드(SPAD : Single Photon Avalanche Diode)를 화소의 광전변환 소자로서 채용한 촬상 장치가 사용되고 있다. 이 SPAD는, 항복전압(降伏電壓)을 초과하는 전압이 인가된 상태에서 광전변환을 행하는 포토다이오드이다. 항복전압을 초과하는 전압이 인가되어 있기 때문에, 광전변환에 의해 생성된 캐리어에 기인하는 전자 눈사태(雪崩)(electron avalanche)가 발생하고, SPAD는 항복 상태가 된다. 이 결과, 광전변환에 의거한 캐리어의 증배(增倍, multiplication)가 행하여지고, 촬상 장치에서의 감도의 향상이 상정된다. 그러나, 이 SPAD는, 비교적 높은 전압이 인가되기 때문에, 주위의 회로 등으로부터 분리하기 위한 비교적 큰 분리 영역을 필요로 한다. 또한, SPAD의 전극 및 이 전극에 접속되는 배선이 화소의 표면에 배치된다. SPAD가 형성된 영역은 화소의 표면에서의 수광면에 해당하기 때문에, 상술한 분리 영역 등이 배치됨에 의해 화소 표면에서의 수광면의 비율 즉 개구율이 저하된다. 이 때문에 광자(포톤)의 검출 효율은, 비교적 낮은 값이 된다. 여기서, 검출 효율이란, 입사한 포톤수에 대한 검출된 포톤수의 비율이고, 포톤의 검출 특성을 나타내는 값이다.
그래서, 분리 영역에 입사하는 광을 SPAD에 유도함에 의해 검출 효율을 향상시키는 촬상 장치가 사용되고 있다. 예를 들면, 화소마다 마이크로렌즈를 배치하고, 화소의 중앙부에 형성된 SPAD의 영역에 집광하는 촬상 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.).
일본 특개2008-103614호 공보
상술한 종래 기술에서는, 전극을 SPAD의 단부(端部)에 배치함과 함께 입사광을 SPAD의 중앙부에 집광시킴에 의해, 검출 효율을 향상시키고 있다. 그러나, 전극이 SPAD의 단부에 배치되기 때문에, 전극 사이의 전계(電界)가 불균일하게 되고, 일부의 영역에 전계가 집중한다. 이에 의해, 입사광에 기인하지 않는 항복 상태가 생겨서, 화소로부터 출력된 신호의 노이즈가 증가한다는 문제가 생긴다.
본 기술은 이와 같은 상황을 감안하여 나와진 것으로, 전극 등을 SPAD의 중앙부에 배치하면서, 입사광을 SPAD가 형성된 영역에 집광시키는 것을 목적으로 한다.
본 기술은, 상술한 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 그 제1의 측면은, 수광면과 상기 수광면에 배치된 전극을 가지며 상기 전극에 항복전압을 초과하는 전압이 인가된 상태에서 상기 수광면에 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력하는 포토다이오드와, 상기 전극이 배치된 영역 이외의 상기 수광면에 피사체로부터의 광을 집광시키는 집광부를 구비하는 고체 촬상 소자이다. 이에 의해, 수광면과 상기 수광면에 배치된 전극을 가지며 상기 전극에 항복전압을 초과하는 전압이 인가된 상태에서 상기 수광면에 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력하는 포토다이오드인 SPAD를 갖는 고체 촬상 소자가 구성된다. 이 수광면에 피사체로부터의 광이 집광된다는 작용을 가져온다.
또한, 이 제1의 측면에서, 상기 포토다이오드는, 상기 전극이 상기 수광면의 개략 중앙에 배치되어도 좋다. 이에 의해, SPAD의 수광면에서의 전계를 균일하게 한다는 작용을 가져온다.
또한, 이 제1의 측면에서, 상기 집광부는, 개략 중앙부에 오목부를 갖는 마이크로렌즈에 의해 구성되어도 좋다. 이에 의해, 개략 중앙부에 오목부를 갖는 마이크로렌즈에 의해 SPAD의 수광면에 집광된다는 작용을 가져온다.
또한, 이 제1의 측면에서, 상기 마이크로렌즈는, 상기 오목부에 개구부를 가져도 좋다. 이에 의해, 개략 중앙부에 오목부 및 개구부를 갖는 마이크로렌즈에 의해 SPAD의 수광면에 집광된다는 작용을 가져온다.
또한, 이 제1의 측면에서, 상기 전극과 전기적으로 접속되는 배선을 또한 구비하고, 상기 마이크로렌즈는, 상기 배선에 따라 연속하는 오목부를 가져도 좋다. 이에 의해, 배선에 따라 연속하는 오목부를 갖는 마이크로렌즈에 의해 SPAD의 수광면에 집광된다는 작용을 가져온다.
또한, 이 제1의 측면에서, 상기 마이크로렌즈는, 상기 연속하는 오목부의 저부에 패인홈(cut)을 가져도 좋다. 이에 의해, 배선에 따라 연속하는 오목부 및 패인홈을 갖는 마이크로렌즈에 의해 SPAD의 수광면에 집광된다는 작용을 가져온다.
또한, 이 제1의 측면에서, 상기 집광부는, 상기 전극이 배치된 영역 이외의 상기 수광면에 각각이 집광시키는 복수의 마이크로렌즈에 의해 구성되어도 좋다. 이에 의해, 복수의 마이크로렌즈에 의해 SPAD의 수광면에 집광된다는 작용을 가져온다.
또한, 이 제1의 측면에서, 인접하는 상기 복수의 마이크로렌즈의 사이에 배치되어 상기 전극과 전기적으로 접속되는 배선을 또한 구비하여도 좋다. 이에 의해, 마이크로렌즈의 사이에 배선이 배치된다는 작용을 가져온다.
또한, 이 제1의 측면에서, 상기 복수의 마이크로렌즈는, 4각형상의 저면을 가져도 좋다. 이에 의해, 4각형상의 저부를 갖는 복수의 마이크로렌즈에 의해 SPAD의 수광면에 집광된다는 작용을 가져온다.
또한, 이 제1의 측면에서, 상기 집광부는, 상기 전극과 상기 피사체와의 사이에 제1의 집광부재와 당해 제1의 집광부재보다 굴절율이 큰 제2의 집광부재가 차례로 배치되어 구성되어도 좋다. 이에 의해, 굴절율이 다른 제1의 집광부재 및 제2의 집광부재에 의해 SPAD의 수광면에 집광된다는 작용을 가져온다.
또한, 본 기술의 제2의 측면은, 수광면과 당해 수광면에 배치된 전극을 가지며 상기 전극에 항복전압을 초과하는 전압이 인가된 상태에서 상기 수광면에 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력하는 포토다이오드와, 상기 전극이 배치된 영역 이외의 상기 수광면에 피사체로부터의 광을 집광시키는 집광부를 구비하는 화소가 2차원 어레이형상으로 배치된 화소 회로와, 상기 출력된 전기 신호를 처리하는 처리 회로를 구비하는 촬상 장치이다. 이에 의해, SPAD의 수광면에 피사체로부터의 광이 집광된다는 작용을 가져온다.
본 기술에 의하면, 전극 등을 SPAD의 중앙부에 배치하면서, 입사광을 SPAD의 수광면에 집광시켜, 검출 효율을 향상시킨다는 우수한 효과를 이룰 수 있다. 또한, 여기에 기재된 효과는 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 개시 중에 기재된 어느 하나의 효과라도 좋다.
도 1은 본 기술의 제1의 실시의 형태에서의 촬상 시스템(1)의 구성례를 도시하는 도면.
도 2는 본 기술의 제1의 실시의 형태에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 도면.
도 3은 본 기술의 제1의 실시의 형태에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 단면도.
도 4는 본 기술의 제1의 실시의 형태에서의 마이크로렌즈(121)의 구성례를 도시하는 도면.
도 5는 본 기술의 실시의 형태에서의 SPAD(112)의 특성을 도시하는 도면.
도 6은 본 기술의 제2의 실시의 형태에서의 마이크로렌즈(123)의 구성례를 도시하는 도면.
도 7은 본 기술의 제3의 실시의 형태에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 도면.
도 8은 본 기술의 제4의 실시의 형태에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 단면도.
도 9는 본 기술의 제4의 실시의 형태에서의 집광의 한 예를 도시하는 도면.
도 10은 본 기술의 제4의 실시의 형태의 변형례에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 단면.
도 11은 본 기술의 제5의 실시의 형태에서의 촬상 장치(10)의 구성례를 도시하는 도면.
도 12는 본 기술의 제5의 실시의 형태에서의 화소(150)의 구성례를 도시하는 도면.
도 13은 본 기술의 제5의 실시의 형태에서의 화소의 배치의 한 예를 도시하는 도면.
도 14는 본 기술의 제5의 실시의 형태의 변형례에서의 화소의 배치의 한 예를 도시하는 도면.
도 15는 본 기술의 제6의 실시의 형태에서의 화소(150)의 구성례를 도시하는 도면.
이하, 본 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 실시의 형태라고 칭한다)에 관해 설명한다. 설명은 이하의 순서에 의해 행한다.
1. 제1의 실시의 형태(거리 계측 센서에 사용하는 경우의 예)
2. 제2의 실시의 형태(패인홈을 갖는 마이크로렌즈를 사용하는 경우의 예)
3. 제3의 실시의 형태(복수의 마이크로렌즈를 사용하는 경우의 예)
4. 제4의 실시의 형태(다른 굴절율의 집광부재에 의해 집광하는 경우의 예)
5. 제5의 실시의 형태(저조도 환경에서의 촬상에 사용하는 경우의 예)
6. 제6의 실시의 형태(동보정(瞳補正, pupil correction)을 행하는 경우의 예)
<1. 제1의 실시의 형태>
[촬상 장치의 구성]
도 1은, 본 기술의 제1의 실시의 형태에서의 촬상 시스템(1)의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은, 피사체와의 거리의 계측을 행하는 촬상 시스템(1)의 구성례를 도시한 것이다. 이 촬상 시스템(1)은, 촬상 장치(10)와, 거리 계측부(20)와, 적외광 조사부(30)를 구비한다.
촬상 장치(10)는, 입사한 광의 검출을 행하는 것이다. 이 촬상 장치(10)는, 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력한다.
적외광 조사부(30)는, 피사체에 적외광을 조사하는 것이다. 이 적외광 조사부(30)는, 거리 계측부(20)에 의해 제어되고, 적외광의 조사를 행한다.
거리 계측부(20)는, 촬상 장치(10)로부터 출력된 전기 신호에 의거하여 피사체와의 거리를 계측하는 것이다. 이 거리 계측부(20)는, TOF(Time of Flight) 방식의 거리의 계측을 행한다. 거리의 계측은, 이하의 순서에 의해 행할 수 있다. 우선, 거리 계측부(20)는, 적외광 조사부(30)를 제어하여 적외광의 조사를 시작시킨다. 이 조사된 적외광이 피사체에 의해 반사되어 촬상 장치(10)에 입사하면, 촬상 장치(10)는, 이것을 검출하여 전기 신호로 변환하고, 거리 계측부(20)에 대해 출력한다. 거리 계측부(20)는, 적외광 조사부(30)에서의 적외광의 조사의 시작부터 촬상 장치(10)에서의 전기 신호의 출력까지의 시간을 계측하고, 이에 의거하여 피사체와의 거리의 산출을 행한다.
촬상 장치(10)는, 화소 어레이부(100)와, 전원부(200)와, 신호 처리부(300)를 구비한다.
화소 어레이부(100)는, 화소(110)가 2차원 어레이형상으로 배치되어 구성된 것이다. 이 화소(110)는, 입사광에 응한 전기 신호를 생성하는 것이다. 이 화소(110)에서의 전기 신호의 생성은, SPAD에 의해 행하여진다. 생성된 전기 신호는, 신호선(301)에 의해, 개별적으로 신호 처리부(300)에 입력된다. 또한, 이들의 화소(110)에는, 전원선(201) 및 접지선(202)을 통하여 전원부(200)로부터 전원이 공급된다. 또한, 화소(110)는, 청구의 범위에 기재된 고체 촬상 소자의 한 예이다. 화소 어레이부(100)는, 청구의 범위에 기재된 화소 회로의 한 예이다.
전원부(200)는, 화소 어레이부(100)의 화소(110)에 대해 전원을 공급하는 것이다.
신호 처리부(300)는, 화소 어레이부(100)에 배치된 복수의 화소(110)로부터 출력된 전기 신호를 처리하는 것이다. 이 처리로서, 예를 들면, 전기 신호의 파형을 정형(整形)하여 출력하는 처리를 행할 수가 있다. 또한, 신호 처리부(300)는, 청구의 범위에 기재된 처리 회로의 한 예이다.
[화소의 회로 구성]
도 2는, 본 기술의 제1의 실시의 형태에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은, 화소(110)의 회로 구성을 도시한 것이다. 화소(110)는, SPAD(112)와, 저항(111)을 구비한다. SPAD(112)의 캐소드는 전원선(201)에 접속되고, 애노드는 신호선(301) 및 저항(111)의 일단에 접속된다. 저항(111)의 다른 일단은, 접지선(202)에 접속된다.
SPAD(112)는, 광을 전기 신호로 변환하는 광전변환을 행하는 소자이다. 또한, 이 SPAD(112)는, 광전변환에 의해 생성된 캐리어의 증배(增倍)를 또한 행한다. SPAD(112)의 구성의 상세에 관해서는, 후술한다.
저항(111)은, 후술하는 ??칭을 행하기 위한 저항이다. 직렬 접속된 SPAD(112) 및 저항(111)의 양단에 전원선(201) 및 접지선(202)을 통하여 전원 전압이 인가된다. 화소(110)의 출력은, 이들의 중점(中點)으로부터 신호선(301)을 통하여 취출할 수 있다. 저항(111) 대신에 MOS 트랜지스터 등에 의해 구성되는 정전류 회로를 사용하는 것도 가능하다. 이와 같이, SPAD(112)는, 통상의 포토다이오드와는 달리, 전원 전압이 인가된 상태에서 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력한다.
[화소의 구성]
도 3은, 본 기술의 제1의 실시의 형태에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 동 도면은, 2개 배치된 화소(110)의 구성례를 도시하는 모식 단면도이다.
화소(110)는, SPAD(112), 전원선(201) 및 신호선(301) 외에, 마이크로렌즈(121)와, 절연층(101)을 구비한다. 또한, 저항(111)에 관해서는, 기재를 생략하고 있다.
SPAD(112)는, 제1의 반도체 영역(105)과, 제2의 반도체 영역(106)과, 제3의 반도체 영역(107)과, 가드 링(108)과, 전극(103)과, 전극(104)을 구비한다. 이 SPAD(112)는, 예를 들면, 다음의 순서에 의해 제조할 수 있다. 우선, P형의 반도체 기판(109)의 웰 영역으로서 N형의 제2의 반도체 영역(106)이 형성된다. 다음에, 이 제2의 반도체 영역(106)의 내부에 P형의 제1의 반도체 영역(105), P형의 가드 링(108) 및 N형의 제3의 반도체 영역(107)이 또한 형성된다. 이들의 웰 영역 및 반도체 영역은, 이온 타입 등에 의해 형성할 수 있다. 다음에, 제1의 반도체 영역(105) 및 제3의 반도체 영역(107)의 표면에 전극(103 및 104)이 각각 형성된다. 이에 의해, SPAD(112)를 제조할 수 있다.
제1의 반도체 영역(105) 및 제3의 반도체 영역(107)은, 비교적 높은 불순물 농도를 가지며, 제2의 반도체 영역(106) 표면의 비교적 얕은 영역에 형성된다. 후술하는 바와 같이, 제1의 반도체 영역(105)은, 원반형상(圓盤狀)으로 형성된다. 가드 링(108)은, 원환형상(圓環形狀)으로 형성되고, 제1의 반도체 영역(105)의 외측에 배치된다. 제3의 반도체 영역(107)도, 가드 링(108)과 마찬가지로 원환형상으로 형성되고, 가드 링(108)의 외측에 배치된다.
전극(103)은, 제1의 반도체 영역(105)상에 형성된 전극이고, 애노드 전극으로서 동작한다. 이 전극(103)은 원반형상이고, 제1의 반도체 영역(105)의 개략 중앙부에 배치된다. 한편, 전극(104)은, 제3의 반도체 영역(107)상에 형성된 전극이고, 캐소드 전극으로서 동작한다. 이 전극(104)은 원환형상이고, 제3의 반도체 영역(107)에 따라 형성된다. 전극(103) 및 전극(104)에는, 신호선(301) 및 전원선(201)이 각각 접속된다. 또한, 전극(103) 및 신호선(301)은, 일체로서 동시에 형성할 수도 있다. 마찬가지로, 전극(104) 및 전원선(201)에서도, 일체로서 동시에 형성할 수 있다. 또한, 전극(103 및 104)은, 금속에 의해 구성할 수 있다. 마찬가지로, 전원선(201) 및 신호선(301)도 금속에 의해 구성할 수 있다. 또한, 전극(103)은, 청구의 범위에 기재된 전극의 한 예이다.
피사체로부터의 광이 제1의 반도체 영역(105)에 조사되면, 조사된 광이 제1의 반도체 영역(105)을 투과하고 제2의 반도체 영역(106)에 달한다. 여기서, 광전변환이 행하여져서 캐리어가 생성된다. 이와 같이, 제1의 반도체 영역(105)은, SPAD(112)에서의 수광면에 해당한다. 도 2에서 설명한 바와 같이 SPAD(112)에는, 항상 전원 전압이 인가되어 있다. 이 전압은, SPAD(112)에 대해 역방향으로 인가된다. 즉, 전극(104)(캐소드 전극)에 정, 전극(103)(애노드 전극)에 부의 극성의 전압이 인가된다. 이 때문에, 제1의 반도체 영역(105) 및 제2의 반도체 영역(106)에 의한 PN 접합부에 공핍층(空乏層)이 형성된다. SPAD(112)에 인가된 전압은, 대부분이 이 공핍층부에 분압된다.
이와 같이, SPAD(112)에서의 광전변환은, 전압이 인가된 상태에서 행하여진다. 후술하는 바와 같이, 이 SPAD(112)에 인가되는 전압은, 항복전압을 초과하는 비교적 높은 전압이다. 가드 링(108)은, 이 인가된 전압에 의해 생성된 전계가 제1의 반도체 영역(105)의 단부에 집중함에 의한 항복 상태, 이른바 에지 브레이크 다운의 발생을 방지하는 것이다. 이 가드 링(108)은, 동 도면에 도시한 반도체 외에, 예를 들면, 실리콘산화막 등의 유전체에 의해 구성할 수 있다.
또한, SPAD(112)의 구성은, 동 도면에 도시한 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 제1의 반도체 영역(105)을 N형 반도체로 하고, 제2의 반도체 영역(106) 및 제3의 반도체 영역(107)을 P형 반도체로서 구성할 수도 있다. 또한, 실리콘 이외의 반도체에 의해 구성하는 것도 가능하다.
절연층(101)은, 전원선(201) 및 신호선(301)을 절연함과 함께 입사광을 투과시키는 것이다.
마이크로렌즈(121)는, 화소(110)에 입사한 광을 집광하는 집광부이다. 후술하는 바와 같이, 이 마이크로렌즈(121)는, 반구형상(半球狀)의 단면(斷面)을 갖는 도너츠 형상으로 구성되고, 피사체로부터의 광을 전극(103)이나 신호선(301)이 배치되는 영역 이외의 제1의 반도체 영역(105)(수광면)에 집광한다. 이 양상을 동 도면의 우측에 도시하였다. 이에 의해, 전극(103) 등의 광전변환에 관여하지 않는 영역에 조사되는 광을 SPAD(112)의 PN 접합부에 유도할 수 있고, 검출 효율을 향상시킬 수 있다.
[마이크로렌즈의 구성]
도 4는, 본 기술의 제1의 실시의 형태에서의 마이크로렌즈(121)의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면에서의 a는, 화소(110)의 상면도를 도시한다. 동 도면에서의 b는, 동 도면에서의 a의 A-A'선에 따른 마이크로렌즈(121)의 단면도를 도시한다. 동 도면에서의 c는, 마이크로렌즈(121) 및 신호선(301)을 제외한 화소(110)의 상면도를 도시한다. 또한, 전술한 도 3은, 동 도면에서의 a의 A-A'선에 따른 화소(110)의 단면도에 상당한다.
동 도면에 도시한 바와 같이, 마이크로렌즈(121)는, 개략 중앙부에 오목부를 갖는 형상으로 구성된다. 또한, 동 도면의 마이크로렌즈(121)는, 이 오목부에 개구부(122)를 갖는 도너츠 형상으로 구성되고, 반구(半球)형상의 단면을 갖는다. 또한, 마이크로렌즈(121)는, 화소(110)의 개략 중앙부에 배치된다. 전술한 바와 같이, 전극(103)은 원반형상으로 형성된 제1의 반도체 영역(105)의 개략 중앙부에 배치되고, 마이크로렌즈(121)는 개구부(122)와 전극(103)이 겹쳐지는 위치에 배치된다. 이에 의해, 화소(110)에 입사한 광은, 전극(103) 및 전극(103)의 상부에 배치되는 배선(301)을 피하여, 제1의 반도체 영역(105)에 집광된다. 또한, 마이크로렌즈(121)의 구성은, 동 도면에 도시한 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 개구부(122)를 생략하고 중앙부에 오목부를 갖는 구성으로 할 수도 있다.
[마이크로렌즈의 형성 방법]
마이크로렌즈(121)는, 다음의 순서에 의해 형성할 수 있다. 절연층(101)의 위에 레지스트를 도포하고, 원환형상으로 패터닝한다. 다음에, 리플로우 로(爐) 등에 의해 전체를 가열하여, 레지스트를 용해시킨다. 이때, 표면장력에 의해, 패터닝 된 레지스트는, 단면이 반구 형상이 된다. 그 후, 이들을 냉각함에 의해, 도넛 형상의 마이크로렌즈(121)를 형성할 수 있다. 레지스트로는, 감광성의 아크릴 수지 등을 사용할 수 있다.
[SPAD의 특성]
도 5는, 본 기술의 실시의 형태에서의 SPAD(112)의 특성을 도시하는 도면이다. 동 도면에서의 a는, SPAD(112)의 인가 전압과 전류와의 관계를 도시하는 도면이다. SPAD(112)에 대해 역방향으로 전압을 인가하면, 소정의 항복전압(Vbd) 이상의 인가 전압에 있어서, 흐르는 전류가 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다. 이 항복전압(Vbd)은, 제1의 반도체 영역(105) 및 제2의 반도체 영역(106)에 의한 PN 접합부에 형성된 공핍층에서 전자 눈사태가 생길 수 있는 전압이다. 동 도면에서의 a에서, 항복전압(Vbd) 이상의 역방향 전압이 인가된 영역은, 애벌란시 영역이라고 칭하여지고, 전자 눈사태에 의한 캐리어의 증배 작용이 생기는 영역이다. 이 전자 눈사태는, 공핍층 중의 강전계(强電界)에 의해 가속된 전자에 의한 충돌전리(衝突電離, impact ionization)가 발생하고, 새로운 캐리어가 생성됨에 의해, 캐리어가 증배되는 현상이다. 이 전자 눈사태에 의해, 광전변환에 의거한 캐리어의 증배 작용이 행하여진다. 단, 이 영역에서는, 입사광량과 SPAD(112)를 흐르는 전류와의 사이에는, 비례 관계가 존재한다.
애벌란시 영역에서, 더욱 높은 역전압이 인가되면, 전자 눈사태에 의한 캐리어의 증배 작용이 커져서, 증배율이 106 정도의 값에 달한다. 이 영역은 가이거 영역(Gaiger region)이라고 칭하여지고, 출력 전류가 입사한 광량에 비례하지 않는 영역이다. 이 영역에서는, SPAD(112)를 포톤이 입사하였는지의 여부를 검출하는 소자로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 항복전압(Vbd)보다 수볼트 높은 전압을 인가함에 의해, SPAD(112)를 가이거 영역에서 사용할 수 있다.
동 도면에서의 b는, 항복 상태가 된 SPAD(112)에 의한 전압의 파형을 도시한 것이다. 동 도면에서의 b의 실선은, SPAD(112)의 캐소드 및 애노드 사이의 전압을 나타낸다. 또한, 동 도면에서의 b의 점선은, 도 2에서 설명한 신호선(301)의 전압을 나타낸다. 이것은, SPAD(112)의 출력 전압에 해당한다. 항복 상태가 되기 전의 SPAD(112)의 캐소드 및 애노드 사이의 전압은, 전원 전압(Vop)과 개략 동등한 값이다. 이때, 광이 SPAD(112)에 입사하면, 캐리어의 증배 작용에 의해, 큰 전류가 저항(111) 및 SPAD(112)에 흐른다. 그러면, 저항(111)에 의한 전압 강하에 의해 SPAD(112)에 인가되는 전압이 급격하게 저하된다. 그리고, SPAD(112)에 인가된 전압이 항복전압(Vbd)에 달하면, SPAD(112)에서의 캐리어의 증배 작용이 정지하고, 전류가 감소한다. 그 후, SPAD(112)는, 초기의 상태로 되돌아온다. 이와 같은 저항(111)에 의한 항복 상태에서의 복귀 동작은, ??칭(quenching)이라고 칭하여진다.
항복 상태에서 복귀한 직후의 SPAD(112)에는 트랩 등에 캐리어가 포착되어 있기 때문에, 재차 Vop가 인가된 때에, 트랩 등으로부터 방출된 캐리어에 기인하여 항복 상태로 되돌아오는 경우가 있다. 이 재차의 항복 상태에 의거한 출력 전압의 변화는, 애프터 펄스라고 칭하여진다. 도 1에서 설명한 전원부(200)는, 동 도면에서의 b에 도시한 바와 같이, ??칭 후의 출력 전압을 서서히 상승시킬 수 있다. 이에 의해, 애프터 펄스의 발생을 방지할 수 있다. 신호선(301)의 출력은, 최대 전압이 Vop-Vbd에 개략 동등한 펄스형상의 전압이 된다. 이 출력은, 신호 처리부(300)에 의해 정형되어, 촬상 장치(10)의 출력 신호로서 거리 계측부(20)에 대해 출력된다. 이와 같이, SPAD(112)는, 항복전압을 초과하는 전압이 인가된 상태에서 수광면인 제1의 반도체 영역(105)에 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력한다.
한편, 전술한 바와 같이, 항복전압(Vbd)을 초과하는 전압이 인가되기 때문에, 광의 조사에 기인하지 않는 항복 상태도 발생할 수 있다. 특히, 제1의 반도체 영역(105)의 전위 분포가 불균일한 경우에는, 국부적인 전계의 집중이 발생하여, 광의 조사에 기인하지 않는 항복 상태가 생기게 된다. 이것은, 노이즈의 원인이 된다. 이와 같은 전계의 집중을 막기 위해, 가드 링(108)을 마련함과 함께, 전극(103)을 제1의 반도체 영역(105)의 중앙부에 배치한다. 이에 의해, 제1의 반도체 영역(105)의 전위 분포를 균일하게 할 수 있고, 전계의 집중을 막을 수 있다.
단, 전극(103)을 제1의 반도체 영역(105)의 중앙에 배치하면, 전극(103)에 의해 광이 차단되어, 검출 효율이 저하된다. 그래서, 도 3 및 4에서 설명한 형상의 마이크로렌즈(121)를 사용하여, 입사광을 제1의 반도체 영역(105)의 중앙부 이외의 영역에 집광시킨다. 즉, 입사광을 전극(103) 등이 배치되는 영역 이외의 수광면에 집광시킨다. 이에 의해, 검출 효율의 저하를 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 기술의 제1의 실시의 형태에 의하면, 개략 중앙부에 오목부를 갖는 마이크로렌즈(121)를 배치함에 의해, SPAD(112)의 중앙부에 배치되는 전극(103)을 피하여, 입사한 광을 수광면에 집광할 수 있다. 이에 의해, 검출 효율을 향상시킬 수 있다.
<2. 제2의 실시의 형태>
상술한 제1의 실시의 형태에서는, 중앙부에 오목부를 갖는 마이크로렌즈(121)를 사용하고 있다. 이에 대해, 본 기술의 제2의 실시의 형태에서는, 신호선(301)에 따른 패인홈(cut)을 갖는 형상의 마이크로렌즈를 사용한다. 이에 의해, 검출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
[SPAD의 구성]
도 6은, 본 기술의 제2의 실시의 형태에서의 마이크로렌즈(123)의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면에서의 a는, 화소(110)의 상면도를 도시한다. 동 도면의 화소(110)는, 마이크로렌즈(121) 대신에 마이크로렌즈(123)를 구비하는 점에서, 도 4에서 설명한 화소(110)와 다르다. 또한, 동 도면에서의 b는, 동 도면에서의 a의 B-B'선에 따른 마이크로렌즈(123)의 단면을 도시하는 도면이다.
동 도면에서의 a에 도시한 바와 같이, 마이크로렌즈(123)는, 신호선(301)에 따라 연속하는 오목부를 갖는 형상으로 구성된다. 또한, 마이크로렌즈(123)는, 이 연속하는 오목부의 저부에 패인홈(124)을 갖는다. 이 패인홈(124)은, 신호선(301)에 따라 배치되기 때문에, 패인홈(124)에 겹쳐지는 영역을 제외한 신호선(301)의 영역에 조사된 광을 제1의 반도체 영역(105)상에 집광시킬 수 있다. 즉, 신호선(301)이 제1의 반도체 영역(105)을 횡단하는 부분에 조사되는 광을 수광면인 제1의 반도체 영역(105)에 집광시킬 수 있다. 또한, 마이크로렌즈(123)의 구성은, 동 도면에 도시한 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 패인홈(124)을 생략하고 신호선(301)에 따라 연속하는 오목부를 갖는 구성으로 할 수도 있다. 또한, 신호선(301)은, 청구의 범위에 기재된 배선의 한 예이다.
이 이외의 화소(110) 등의 구성은 본 기술의 제1의 실시의 형태에서 설명한 화소(110) 등과 같기 때문에, 설명을 생략한다.
이와 같이, 본 기술의 제2의 실시의 형태에 의하면, 패인홈(124)을 갖는 마이크로렌즈(123)를 사용함에 의해, 패인홈(124)에 겹쳐지는 영역을 제외한 신호선(301)상에 조사된 광을 제1의 반도체 영역(105)에 집광할 수 있다. 이에 의해, 검출 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
<3. 제3의 실시의 형태>
상술한 제1의 실시의 형태에서는, 중앙부에 오목부를 갖는 마이크로렌즈(121)를 사용하고 있다. 이에 대해, 본 기술의 제3의 실시의 형태에서는, 복수의 마이크로렌즈에 의해, 집광을 행한다. 이에 의해, 검출 효율을 향상시킬 수 있다.
[SPAD의 구성]
도 7은, 본 기술의 제3의 실시의 형태에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면에서의 a는, 화소(110)의 상면도를 도시한다. 동 도면에서의 b는, 동 도면에서의 a의 C-C'선에 따른 마이크로렌즈(126)의 단면도를 도시한다. 동 도면에서의 c는, 마이크로렌즈(126) 및 배선(301)을 제외한 화소(110)의 상면도를 도시한다.
동 도면의 화소(110)는, 마이크로렌즈(121) 대신에 마이크로렌즈(126)를 4개 구비한다. 이들의 마이크로렌즈(126)는, 4각형상의 저부를 가지며, 각각이 수광면인 제1의 반도체 영역(105)에 집광한다. 또한, 동 도면의 화소(110)는, 4각형상의 제1의 반도체 영역(105)과 4각형상의 외주부를 갖는 가드 링(108) 및 제3의 반도체 영역(107)을 갖는다. 즉, 동 도면의 화소(110)에는, 표면이 4각형상으로 구성되는 SPAD(112)가 배치되어 있다. 또한, 전극(103)은 제1의 반도체 영역(105)의 중앙부에 배치된다. 또한, 본 기술의 제3의 실시의 형태에서의 화소(110)의 단면은 도 4에서 설명한 화소(110)와 같은 구성이기 때문에, 설명을 생략한다.
동 도면에서의 a에 도시한 바와 같이, 본 기술의 제3의 실시의 형태의 화소(110)에서는, 복수의 마이크로렌즈(126)가 배치된다. 이들의 마이크로렌즈(126)는, 각각이 수광면인 제1의 반도체 영역(105)에 입사광을 집광시킨다. 또한, 전극(103) 및 신호선(301)이 이들의 마이크로렌즈(126)의 사이에 배치된다. 이에 의해, 입사한 광을 전극(103) 등이 배치되는 영역 이외의 제1의 반도체 영역(105)에 집광할 수 있다. 마이크로렌즈(126)의 저부는 4각형상이기 때문에, 도 3에서 설명한 화소(110)와 비교하여, 마이크로렌즈의 화소(110)에서의 점유 면적을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 화소(110)의 넓은 범위에 조사된 광을 제1의 반도체 영역(105)에 집광할 수 있고, 검출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 마이크로렌즈(126)의 구성은, 동 도면에 도시한 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 원형상의 저부를 갖는 구성으로 할 수도 있다.
이 이외의 화소(110) 등의 구성은 본 기술의 제1의 실시의 형태에서 설명한 화소(110) 등과 같기 때문에, 설명을 생략한다.
이와 같이, 본 기술의 제3의 실시의 형태에 의하면, 복수의 마이크로렌즈를 사용하고, 이들의 사이에 전극(103) 및 신호선(301)을 배치함에 의해, 입사한 광을 제1의 반도체 영역(105)에 집광할 수 있다. 이에 의해, 검출 효율을 향상시킬 수 있다.
<4. 제4의 실시의 형태>
상술한 제1의 실시의 형태에서는, 마이크로렌즈(121)에 의해 집광을 행하고 있다. 이에 대해, 본 기술의 제4의 실시의 형태에서는, 굴절율이 다른 2개의 부재에 의해 집광을 행한다. 이에 의해, 화소의 구성을 간략화할 수 있다.
[SPAD의 구성]
도 8은, 본 기술의 제4의 실시의 형태에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 동 도면의 화소(110)는, 도 4에서 설명한 화소(110)와 비교하여, 마이크로렌즈(121) 대신에 제1의 집광부재(127)를 구비한다. 또한, 도 4에서 설명한 SPAD(112)와 비교하여, 동 도면의 SPAD(112)는, 가드 링(108)을 구비할 필요는 없다. 또한, 동 도면의 SPAD(112)는, 제1의 반도체 영역(105) 및 제3의 반도체 영역(107)에 대신하여 제1의 반도체 영역(131) 및 제3의 반도체 영역(132)을 구비한다.
제1의 반도체 영역(131)은, 제2의 반도체 영역(106)의 개략 중앙부에 형성되고, 원주 형상으로 구성된다. 제3의 반도체 영역(132)은, 도 3에서의 제3의 반도체 영역(107)과 마찬가지로 원환형상으로 구성된다. 또한, 이들 제1의 반도체 영역(131) 및 제3의 반도체 영역(132)은, 각각의 저부가 제2의 반도체 영역(106)의 비교적 깊은 영역에 달하도록 형성된다. 이와 같이, 동 도면의 SPAD(112)는, PN 접합부가 반도체 기판(109)에 대해 횡방향으로 배치되는 래터럴 구조를 갖고 있다. 이 때문에, 동 도면의 SPAD(112)는, 제1의 반도체 영역(131)의 단부에서의 전계의 집중을 고려할 필요가 없고, 가드 링(108)을 생략할 수 있다. 이 경우, 제2의 반도체 영역(106)의 표면이 수광면이 된다.
또한, 전극(103)과 절연층(101)과의 사이에 제1의 집광부재(127)가 배치되어 있다. 이 제1의 집광부재(127)는, 절연층(101)과 마찬가지로 광을 투과시키는 것이다. 여기서, 이 제1의 집광부재(127) 및 절연층(101)의 굴절율은 다르고, 절연층(101)의 쪽이 높은 굴절율의 재료에 의해 구성되어 있다. 이와 같이, 본 기술의 제4의 실시의 형태에서의 집광부는, 전극(103)과 피사체와의 사이에 제1의 집광부재(127)와 절연층(101)이 차례로 배치되어 구성되어 있다. 또한, 동 도면의 집광부재(127)는, 종 모양의 형상으로 구성된다. 또한, 절연층(101)은, 청구의 범위에 기재된 제2의 집광부재의 한 예이다.
[집광부재에 의한 집광 방법]
도 9는, 본 기술의 제4의 실시의 형태에서의 집광의 한 예를 도시하는 도면이다. 동 도면은, 제1의 집광부재(127) 및 절연층(101)에 의한 집광의 양상을 도시한 것이다. 동 도면에서, 전극(103) 및 신호선(301)의 상방부터 입사한 광은, 절연층(101) 및 제1의 집광부재(127)의 계면에서, 굴절에 의해 광로가 변화한다. 상술한 바와 같이 절연층(101)의 쪽이 제1의 집광부재(127)보다 굴절율이 크기 때문에, 절연층(101)으로부터 제1의 집광부재(127)에 입사할 때에 굴절각이 커지는 방향으로 굴절한다. 한편, 입사각이 임계각을 초과한 경우에는, 광은 집광부재(127) 및 절연층(101)의 계면에서 전반사한다. 이 때문에, 동 도면에 도시한 바와 같이, 입사광의 광로가 변화하여, 수광면인 제2의 반도체 영역(106)에 집광할 수 있다.
이 이외의 화소(110) 등의 구성은 본 기술의 제1의 실시의 형태에서 설명한 화소(110) 등과 같기 때문에, 설명을 생략한다.
이와 같이, 본 기술의 제4의 실시의 형태에 의하면, 굴절율이 다른 제1의 집광부재(127) 및 절연층(101)을 이용하여 입사광을 전반사시킴에 의해, 입사광을 수광면에 집광할 수 있고, 마이크로렌즈를 생략할 수 있다. 이에 의해, 화소(110)의 구성을 간략화할 수 있다.
[변형례]
상술한 제4의 실시의 형태에서는, 래터럴 구조의 SPAD(112)를 사용하고 있지만 도 4에서 설명한 구조의 SPAD(112)를 사용하여도 좋다. 제1의 집광부재(127) 및 절연층(101)에 의한 수광면에의 집광이 가능하기 때문이다.
[SPAD의 구성]
도 10은, 본 기술의 제4의 실시의 형태의 변형례에서의 화소(110)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 동 도면의 SPAD(112)는, 도 4에서 설명한 SPAD(112)와 같은 구성으로 하고 있다. 동 도면의 화소(110)에서도, 집광부재(127) 및 절연층(101)에 의한 수광면인 제1의 반도체 영역(105)에의 집광을 할 수가 있다.
이 이외의 화소(110) 등의 구성은 본 기술의 제4의 실시의 형태에서 설명한 화소(110) 등과 같기 때문에, 설명을 생략한다.
<5. 제5의 실시의 형태>
상술한 제1의 실시의 형태에서는, SPAD를 거리 계측을 위한 센서로서 사용하고 있다. 이에 대해, 본 기술의 제5의 실시의 형태에서는, SPAD를 촬상에 사용한다. 이에 의해, 저조도 환경에서의 촬상 장치의 감도를 향상시킬 수 있다.
[촬상 장치의 구성]
도 11은, 본 기술의 제5의 실시의 형태에서의 촬상 장치(10)의 구성례를 도시하는 도면이다. 이 촬상 장치(10)는, 수직 구동부(400)를 또한 구비함과 함께 신호 처리부(300) 대신에 신호 처리부(500)를 구비하는 점에서, 도 1에서 설명한 촬상 장치(10)와 다르다.
동 도면의 화소 어레이부(100)는, SPAD를 갖는 화소(150)와 통상의 포토다이오드를 갖는 화소(160, 170 및 180)가 2차원 어레이형상으로 배치되어 구성되는 점에서, 도 1에서 설명한 화소 어레이부(100)와는 다르다. 화소(160, 170 및 180)는, 컬러 필터를 구비하고, 특정한 파장의 광에 응한 화상 신호를 생성하는 화소이다. 동 도면에서는, 이들의 화소로서 적색광에 응한 화상 신호를 생성하는 적색 화소와 녹색광에 응한 화상 신호를 생성하는 녹색 화소와 청색광에 응한 화상 신호를 생성하는 청색 화소가 배치되는 예를 도시하였다. 동 도면에서 「R」, 「G」 및 「B」가 붙여진 화소가 각각 적색 화소(화소(160)), 녹색 화소(화소(170)) 및 청색 화소(화소(180))를 나타낸다. 또한, 「S」가 붙여진 화소는, SPAD를 갖는 화소(화소(150))를 나타낸다. 본 기술의 제5의 실시의 형태에서의 화소(150)는, 저조도 환경에서의 화상 신호의 생성을 행한다. 이 때문에, 화소(150)는, 컬러 필터를 구비할 필요는 없다. 이들의 화소는, 소정의 규칙에 의거하여 화소 어레이부(100)에 배치된다. 동 도면은, 베이어 배열 형상에서의 2개의 녹색 화소 중의 하나를 화소(150)로 대치하여 배치한 예를 도시한 것이다.
또한, 화소 어레이(100)의 구성은, 상술한 예로 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, SPAD를 갖는 화소에 컬러 필터를 배치할 수도 있다. 구체적으로는, 화소(170)와 마찬가지로, 녹색광을 투과하는 특성의 컬러 필터를 화소(150)에 대해 배치하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 컬러 필터의 배치를 베이어 배열 형상으로 할 수 있다. 일반적인 촬상 장치의 제조 공정에 의거한 촬상 장치(10)의 제조가 가능해진다.
또한, 화소 어레이부(100)에는, 행신호선(401) 및 열신호선(501)이 XY 매트릭스형상으로 배치되고, 각 화소에 배선된다. 행신호선(401)은, 화소(150 내지 160)에 대해 제어 신호를 전달하는 신호선이다. 또한, 열신호선(501)은, 화소(150 내지 160)가 생성한 화상 신호를 전달하는 신호선이다. 행신호선(401)은, 화소(150) 등 중 동일한 행에 배치된 화소(150) 등에 대해 공통으로 배선된다. 또한, 동일한 열에 배치된 화소(150) 등에는, 열신호선(501)이 공통으로 배선된다.
수직 구동부(400)는, 화소 어레이부(100)에 배치된 화소(150) 등을 구동하는 것이다. 이 수직 구동부(400)는, 행신호선(401)을 통하여 제어 신호를 화소(150) 등에 출력하여 구동을 행한다. 이때, 수직 구동부(400)는, 화소 어레이부(100)의 행마다 제어 신호를 순차적으로 출력한다.
신호 처리부(500)는, 화소(150) 등에 의해 생성된 화상 신호를 처리하는 것이다. 이 신호 처리부(500)는, 예를 들면, 화소(150) 등에 의해 생성된 아날로그의 화상 신호에 대해 아날로그 디지털 변환을 행하여, 디지털의 화상 신호를 출력하는 처리를 행할 수가 있다. 또한, 신호 처리부(500)에는, 화소 어레이부(100)로부터 1행분의 화상 신호가 동시에 입력된다. 신호 처리부(500)는, 이 입력된 화상 신호에 대응한 1행분의 디지털의 화상 신호를 순차적으로 출력하는 수평 전송을 또한 행한다. 신호 처리부(500)로부터 출력된 화상 신호는, 촬상 장치(10)의 출력 화상 신호가 된다. 또한, 신호 처리부(500)는, 청구의 범위에 기재된 처리 회로의 한 예이다.
전원부(200)는, SPAD에 인가하기 위한 전원에 더하여, 화소(150) 등의 동작에 필요한 전원의 공급을 또한 행한다. 이들의 전원은, 전원선(201) 및 접지선(202)을 통하여 화소(150) 등에 공급된다.
[화소의 회로 구성]
도 12는, 본 기술의 제5의 실시의 형태에서의 화소(150)의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은, 화소(150)의 회로 구성을 도시한 것이다. 화소(150)는, SPAD(112)와, 저항(153)과, 파형 정형부(154)와, 유지부(155)와, MOS 트랜지스터(156 내지 159)를 구비한다. 또한, MOS 트랜지스터(156 내지 159)에는, N채널 MOS 트랜지스터를 사용할 수 있다.
전원선(201)은, 복수의 전원선(Vp 및 Vdd)에 의해 구성되어 있다. 전원선(Vp)은, SPAD(112)의 전원을 공급하는 전원선이다. 전원선(Vdd)은, 화소(150)의 동작에 필요한 전원을 공급하는 전원선이다. 행신호선(401)은, 복수의 신호선(RST 및 SEL)에 의해 구성되어 있다. 리셋 신호선(RST)(Reset)은, MOS 트랜지스터(157)에 신호를 전달하는 신호선이다. 선택 신호선(SEL)(Select)은, MOS 트랜지스터(159)에 신호를 전달하는 신호선이다. MOS 트랜지스터(157 및 159)의 게이트 및 소스 사이의 임계치 전압 이상의 전압(이하, 온 신호라고 칭한다.)이 이들의 신호선을 통하여 입력되면, 해당하는 MOS 트랜지스터가 도통 상태가 된다.
SPAD(112)의 애노드는 접지선(202)에 접속되고, 캐소드는 파형 정형부(154)의 입력 및 저항(153)의 일단에 접속된다. 저항(153)의 다른 일단은, 전원선(Vp)에 접속된다. 파형 정형부(154)의 출력은, MOS 트랜지스터(156)의 게이트에 접속된다. MOS 트랜지스터(156)의 소스는 접지선(202)에 접속되고, 드레인은 MOS 트랜지스터(157)의 소스, MOS 트랜지스터(158)의 게이트 및 유지부(155)의 일단에 접속된다. 유지부(155)의 다른 일단은, 접지선(202)에 접속된다. MOS 트랜지스터(157)의 드레인 및 게이트는, 각각 전원선(Vdd) 및 리셋 신호선(RST)에 접속된다. MOS 트랜지스터(158)의 드레인 및 소스는, 각각 전원선(Vdd) 및 MOS 트랜지스터(159)의 드레인에 접속된다. MOS 트랜지스터(159)의 게이트 및 소스는, 각각 선택 신호선(SEL) 및 열신호선(501)에 접속된다.
저항(153)은, 도 2에서 설명한 저항(111)과 마찬가지로, ??칭을 행하기 위한 저항이다. 도 2에서의 화소(110)의 회로와는 달리, 동 도면에서는, SPAD(112) 및 저항(153)이 교체되어 접속되어 있다. 이것은, 화소(160 내지 180)에서의 포토다이오드와 같은 접속 방법으로 하기 위해서다. SPAD(112)로부터의 출력 전압은, 도 5에서의 b의 실선에 의해 표시된 전압과 등가인 것으로 된다.
파형 정형부(154)는, SPAD(112)로부터 출력된 신호의 파형을 정형하는 것이다. 이 파형 정형부(154)는, SPAD(112)의 출력 신호가 입력되면, 소정의 전압 및 펄스 폭의 신호를 생성하여 출력한다. 파형 정형부(154)로는, 예를 들면, 콤퍼레이터(comparator)를 사용할 수 있다.
MOS 트랜지스터(157)는, 유지부(155)에 전원 전압(Vdd)을 인가하는 트랜지스터이다.
유지부(155)는, SPAD(112)의 출력 전압에 응한 전압을 유지하는 커패시터이다.
MOS 트랜지스터(156)는, 유지부(155)를 방전하는 것이다. 이 MOS 트랜지스터(156)는, 파형 정형부(154)로부터 출력된 펄스 전압이 게이트에 입력될 때마다 유지부(155)의 양 단자 사이를 단락하여 방전을 행한다. 이때, MOS 트랜지스터(156)는, 유지부(155)에 유지된 전압의 일부를 방전한다.
MOS 트랜지스터(158)는, 유지부(155)에 유지된 전압에 응한 신호를 생성하는 트랜지스터이다. MOS 트랜지스터(159)는, MOS 트랜지스터(158)에 의해 생성된 신호를 화상 신호로서 출력하는 트랜지스터이다.
동 도면에 도시한 회로의 동작에 관해 설명한다. 우선, 리셋 신호선(RST)으로부터 온 신호가 입력되어, MOS 트랜지스터(157)가 도통 상태가 된다. 이에 의해, 유지부(155)가 전원 전압(Vdd)으로 충전된다. 즉, 유지부(155)가 리셋된다. 이 상태에서 SPAD(112)에 광이 조사되면, 파형 정형부(154)에는, 도 5에서의 b의 실선에 의해 표시된 전압 파형이 입력된다. 파형 정형부(154)는, 입력된 전압 파형에 응하여 펄스 전압을 출력한다. 이 펄스 전압에 의해 MOS 트랜지스터(156)가 도통하고, 유지부(155)에 유지된 전압의 일부가 방전된다. 즉, 파형 정형부(154)에 SPAD(112)로부터의 전압 파형이 입력될 때마다, 유지부(155)에 유지된 전압은, 서서히 방전된다. 전술한 바와 같이, SPAD(112)는 가이거 영역에서 동작시키기 때문에, 하나의 포톤이 입사할 때마다, 유지부(155)에 유지된 전압이 방전되게 되고, 유지부(155)의 전압은 SPAD(112)에 입사한 포톤수에 응하여 변화한다. 즉, 유지부(155)의 전압을 계측함에 의해, SPAD(112)에 입사한 포톤수를 계측할 수 있다.
소정의 노광 시간이 경과한 후, 선택 신호선(SEL)으로부터 온 신호가 입력되면 MOS 트랜지스터(159)가 도통하고, MOS 트랜지스터(158)에 의해 생성된 신호가 화상 신호로서 열신호선(501)에 대해 출력된다.
또한, 화소(160 내지 180)에는 공지의 구성의 화소를 사용할 수 있다. 이에 의해, 화소(160 내지 180)로부터 입사광에 응한 전압이 화상 신호로서 출력된다. 상술한 바와 같이, 화소(150)로부터는, 입사한 포톤수에 응한 전압이 출력되기 때문에, 도 11에서 설명한 신호 처리부(500)는, 화소(150)와 화소(160 내지 180)가 출력한 화상 신호에 관해 공통의 처리를 행할 수가 있다.
이 이외의 SPAD(112) 등의 구성은 본 기술의 실시의 형태 1에서 설명한 SPAD(112) 등과 같기 때문에, 설명을 생략한다.
[화소의 배치]
도 13은, 본 기술의 제5의 실시의 형태에서의 화소의 배치의 한 예를 도시하는 도면이다. 동 도면은, 화소 어레이부(100)에서의 화소(150 내지 180)의 배치에 관해, 도 11에서 설명한 배치와는 다른 배치의 예를 도시한 것이다. 동 도면에서의 a는, 화소(150)가 체크무늬 형상으로 배치되고, 이 이외의 부분에 다른 화소가 배치되는 예를 도시한 것이다. SPAD(112)를 갖는 화소(150)가 많이 배치되기 때문에, 저조도 환경에서의 해상도를 향상시킬 수 있다. 동 도면에서의 b는, 화소(170)가 체크무늬 형상으로 배치되는 예를 도시한 것이다. 녹색 화소인 화소(170)가 많이 배치되어 있어서, 통상의 환경에서의 해상도를 향상시킬 수 있다. 또한, 백색광에 응한 화상 신호를 생성하는 백색 화소를 또한 갖는 배치로 하는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 기술의 제5의 실시의 형태에 의하면, SPAD(112)가 배치되는 화소(150)를 갖는 화소 어레이부(100)를 사용함에 의해, 촬상 장치(10)의 감도를 향상시킬 수 있다.
[변형례]
상술한 제5의 실시의 형태에서는, 같은 사이즈의 화소에 의해 구성되는 화소 어레이부(100)를 사용하고 있지만, SPAD를 갖는 화소(150)의 사이즈를 통상의 포토다이오드를 갖는 화소(160 내지 180)보다 크게 하여도 좋다. SPAD를 갖는 화소(150)의 감도를 향상시킬 수 있기 때문이다.
도 14는, 본 기술의 제5의 실시의 형태의 변형례에서의 화소의 배치의 한 예를 도시하는 도면이다. 동 도면은, SPAD(112)를 갖는 화소(150)와 통상의 포토다이오드를 갖는 화소(160 내지 180)와의 크기가 다른 경우의 배치의 예를 도시한 것이다. 동 도면에서의 a는, 베이어 배열 형상으로 배치된 화소(160 내지 180)의 일부를 화소(150)에 의해 치환하여 배치된 예를 도시한 것이다. 화소(150)는 화소(160 내지 180)의 4배의 면적으로 구성되어 있기 때문에, 저조도 환경에서의 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 동 도면에서의 b는, 화소(150)가 체크무늬 형상으로 배치된 예를 도시한 것이다. 화소(150)가 많이 배치되어 있기 때문에, 저조도 환경에서의 감도 및 해상도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이 이외의 화소 어레이부(100)의 구성은 본 기술의 제5의 실시의 형태에서 설명한 화소 어레이부(100)의 구성과 같기 때문에, 설명을 생략한다.
<6. 제6의 실시의 형태>
상술한 제5의 실시의 형태에서는, SPAD를 저조도 환경에서의 촬상에 사용하고 있다. 이에 대해, 본 기술의 제6의 실시의 형태에서는, SPAD를 갖는 화소에 동보정(瞳補正)을 행한다. 이에 의해, 촬상 장치(10)의 감도의 저하를 방지할 수 있다.
[화소의 구성]
도 15는, 본 기술의 제6의 실시의 형태에서의 화소(150)의 구성례를 도시하는 도면이다. 이 화소(150)는, 화소(150)의 중심으로부터 비켜진 위치에 마이크로렌즈(121)가 배치되어 있는 점에서, 도 3에서 설명한 화소(110)와 다르다. 이와 같이 마이크로렌즈(121)를 화소(150)의 중심으로부터 비켜서 배치함에 의해, 동보정을 행할 수가 있다. 여기서, 동보정이란, 화소 어레이부(100)에 배치된 화소 중 주변부에 배치된 화소의 마이크로렌즈(121)의 위치를 화소 어레이부(100)의 중앙부를 향하는 방향으로 비켜서 배치함에 의해, 주변부의 감도의 저하를 보정하는 것이다. 주변부에 배치된 화소에는, 광이 경사 방향으로 마이크로렌즈(121)에 입사하기 때문에, 화소 어레이부(100)의 중앙부에 배치된 화소와는 다른 위치에 입사광이 집광된다. 이 집광 위치가 전극 등에 걸리는 경우, 화소 어레이부(100)의 주변부에 배치되는 화소에서 감도의 저하가 생긴다. 동보정을 행하여 소망하는 위치에 집광시킴에 의해, 이 감도의 저하를 방지할 수 있다.
본 기술의 제6의 실시의 형태에서는, 동보정을 행함에 의해, 화소 어레이부(100)의 주변부에 배치된 화소(150)의 SPAD(112)에서, 입사광의 전극(103) 부분에의 집광을 방지한다. 이에 의해, 검출 효율의 저하를 방지하고, 감도의 저하를 방지할 수 있다. 동 도면의 화소(150)는, 도 10에서 설명한 화소 어레이부(100)에서의 좌측 주변부에 배치된 화소(150)의 예를 도시한 것이고, 마이크로렌즈(121)가 화소(150)의 중심에 대해 우방향(右方向)으로 비켜진 위치에 배치되어 있다.
이 이외의 화소 어레이부(100)의 구성은 본 기술의 제5의 실시의 형태에서 설명한 화소 어레이부(100)의 구성과 같기 때문에, 설명을 생략한다.
이와 같이, 본 기술의 제6의 실시의 형태에 의하면, 동보정을 행함에 의해, 화소 어레이부(100)의 주변부에 배치된 화소(150)에서의 검출 효율의 저하를 방지하고, 촬상 장치(10)의 감도의 저하를 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 기술의 실시의 형태에 의하면, 전극(103) 등을 SPAD(112)의 중앙부에 배치하면서, 집광부에 의해 입사광을 SPAD(112)의 수광면에 집광할 수 있고, 검출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 실시의 형태는 본 기술을 구현화하기 위한 한 예를 나타낸 것이고, 실시의 형태에서의 사항과, 청구의 범위에서의 발명 특정 사항과는 각각 대응 관계를 갖는다. 마찬가지로, 청구의 범위에서의 발명 특정 사항과, 이것과 동일 명칭을 붙인 본 기술의 실시의 형태에서의 사항은 각각 대응 관계를 갖는다. 단, 본 기술은 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 실시의 형태에 여러 가지의 변형을 시행함에 의해 구현화할 수 있다.
또한, 상술한 실시의 형태에서 설명한 처리 순서는, 이들 일련의 순서를 갖는 방법으로서 파악하여도 좋고, 또한, 이들 일련의 순서를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램 내지 그 프로그램을 기억하는 기록 매체로서 파악하여도 좋다. 이 기록 매체로서, 예를 들면, CD(Compact Disc), MD(Mini Disc), DVD(Digital Versatile Disc), 메모리 카드, 블루레이 디스크(Blu-ray(등록상표) Disc) 등을 이용할 수 있다.
또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이고, 한정되는 것이 아니고, 또한, 다른 효과가 있어도 좋다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1) 수광면과 당해 수광면에 배치된 전극을 가지며 상기 전극에 항복전압을 초과하는 전압이 인가된 상태에서 상기 수광면에 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력하는 포토다이오드와,
상기 전극이 배치된 영역 이외의 상기 수광면에 피사체로부터의 광을 집광시키는 집광부를 구비하는 고체 촬상 소자.
(2) 상기 포토다이오드는, 상기 전극이 상기 수광면의 개략 중앙에 배치되는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(3) 상기 집광부는, 개략 중앙부에 오목부를 갖는 마이크로렌즈에 의해 구성되는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 고체 촬상 소자.
(4) 상기 마이크로렌즈는, 상기 오목부에 개구부를 갖는 상기 (3)에 기재된 고체 촬상 소자.
(5) 상기 전극과 전기적으로 접속되는 배선을 또한 구비하고,
상기 마이크로렌즈는, 상기 배선에 따라 연속하는 오목부를 갖는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 고체 촬상 소자.
(6) 상기 마이크로렌즈는, 상기 연속하는 오목부의 저부에 패인홈을 갖는 상기 (5)에 기재된 고체 촬상 소자.
(7) 상기 집광부는, 상기 전극이 배치된 영역 이외의 상기 수광면에 각각이 집광시키는 복수의 마이크로렌즈에 의해 구성되는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(8) 인접하는 상기 복수의 마이크로렌즈의 사이에 배치되어 상기 전극과 전기적으로 접속되는 배선을 또한 구비하는 상기 (7)에 기재된 고체 촬상 소자.
(9) 상기 복수의 마이크로렌즈는, 4각형상의 저면을 갖는 상기 (7) 또는 (8)에 기재된 고체 촬상 소자.
(10) 상기 집광부는, 상기 전극과 상기 피사체와의 사이에 제1의 집광부재와 당해 제1의 집광부재보다 굴절율이 큰 제2의 집광부재가 차례로 배치되어 구성되는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(11) 수광면과 당해 수광면에 배치된 전극을 가지며 상기 전극에 항복전압을 초과하는 전압이 인가된 상태에서 상기 수광면에 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력하는 포토다이오드와, 상기 전극이 배치된 영역 이외의 상기 수광면에 피사체로부터의 광을 집광시키는 집광부를 구비하는 화소가 2차원 어레이형상으로 배치된 화소 회로와,
상기 출력된 전기 신호를 처리하는 처리 회로를 구비하는 촬상 장치.
1 : 촬상 시스템
10 : 촬상 장치
20 : 거리 계측부
30 : 적외광 조사부
100 : 화소 어레이부
101 : 절연층
103, 104 : 전극
105, 131 : 제1의 반도체 영역
106 : 제2의 반도체 영역
107, 132 : 제3의 반도체 영역
108 : 가드 링
109 : 반도체 기판
110, 150, 160, 170, 180 : 화소
111, 153 : 저항
121, 123, 126 : 마이크로렌즈
122 : 개구부
124 : 패인홈
127 : 제1의 집광부재
154 : 파형 정형부
155 : 유지부
156∼159 : MOS 트랜지스터
200 : 전원부
300, 500 : 신호 처리부
301 : 신호선
400 : 수직 구동부

Claims (20)

  1. 수광면을 포함하는 반도체층과,
    상기 반도체층 내에 배치된 제1의 감광성 영역과,
    상기 반도체층의 상기 수광면 상에 배치된 전극과,
    상기 제1의 감광성 영역 상에 배치된 복수의 마이크로렌즈를 구비하고,
    상기 제1의 감광성 영역은, 상기 전극에 항복전압을 초과하는 전압이 인가된 상태에서, 상기 수광면 상에 입사한 광에 응한 전기 신호를 출력하고,
    상기 마이크로렌즈는 피사체로부터의 광을 상기 제1의 감광성 영역 내에 집광시키는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 평면상에서 상기 제1의 반도체층의 구역에서 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는 평면상에서 상기 전극의 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로렌즈는 4개의 마이크로렌즈인 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    신호선을 더 구비하고,
    상기 신호선은 상기 제1의 반도체층의 주변부로부터 상기 전극까지 연장되는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호선은 평면상에서 상기 4개의 마이크로렌즈 중 2개 사이의 경계를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 감광성 영역의 구역은 평면상에서 사각형인 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극은 평면상에서 상기 제1의 반도체층의 구역에서 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는 평면상에서 상기 전극의 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로렌즈는 4개의 마이크로렌즈를 포함하고,
    상기 전극은 평면상에서 상기 4개의 마이크로렌즈 사이에서 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 4개의 마이크로렌즈의 각각의 외곽 둘레는 평면상에서 사각형인 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    신호선을 더 구비하고,
    상기 신호선은 상기 제1의 반도체층의 주변부로부터 상기 전극까지 연장되는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 신호선은 평면상에서 상기 4개의 마이크로렌즈 중 2개 사이의 경계를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 4개의 마이크로렌즈의 각각의 외곽 둘레는 평면상에서 원형인 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  15. 2차원 어레이로 배치된 복수의 화소를 구비하고,
    상기 복수의 화소에서의 각각의 화소는,
    반도체층 내에 형성된 포토다이오드와,
    상기 반도체층의 수광면 상에 배치된 전극과,
    복수의 마이크로렌즈를 포함하고,
    상기 마이크로렌즈는 상기 반도체층의 광입사면측 상에 배치되고, 또한 평면상에서 상기 전극 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 화소의 각각의 화소는 신호선을 더 포함하고,
    상기 신호선은 상기 포토다이오드의 주변부로부터 상기 전극까지 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 신호선은 평면상에서 상기 복수의 마이크로렌즈 중 2개의 상기 마이크로렌즈 사이의 경계를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로렌즈는 4개의 마이크로렌즈인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 4개의 마이크로렌즈의 각각의 외곽 둘레는 평면상에서 사각형인 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 4개의 마이크로렌즈의 각각의 외곽 둘레는 평면상에서 원형인 것을 특징으로 하는 장치.
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