WO2021124697A1 - 半導体装置及び電子機器 - Google Patents

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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone

Definitions

  • the present technology relates to a semiconductor device and an electronic device, and particularly relates to a semiconductor device having an avalanche photodiode (APD) element and an electronic device provided with the avalanche photodiode (APD) element. It is a thing.
  • This distance image sensor includes a pixel array unit in which a plurality of pixels are arranged in a matrix. The efficiency of the entire device is determined by the pixel size and pixel structure.
  • Patent Document 1 discloses a pixel having an APD element as a photoelectric conversion element.
  • an APD element is configured in the pixel forming region of the semiconductor layer.
  • the APD element has a photoelectric conversion unit that absorbs light incident on the pixel forming region of the semiconductor layer to generate carriers, and a multiplication unit that multiplies the carriers generated by the photoelectric conversion unit by avalanche. ..
  • the present technology is to provide a semiconductor device capable of improving the optical response speed and an electronic device equipped with the semiconductor device.
  • the semiconductor device includes a pixel array unit in which a plurality of pixels are arranged in a matrix, and each pixel of the plurality of pixels is a pixel forming region partitioned by a separation region in the semiconductor layer.
  • the first conductive type first semiconductor region and the second conductive type second semiconductor region sequentially arranged from the first surface side to the opposite second surface side of the pixel forming region, and the first The pn junction where the 1 semiconductor region and the 2nd semiconductor region are joined, the 2nd conductive type charge extraction region provided on the side wall of the separation region, and the charge at a position deeper than the 2nd semiconductor region.
  • It has a drawing region and a second conductive type relay region provided in connection with the second semiconductor region, and a plurality of the pn junctions are scattered apart from each other, and the relay region is It is composed of a higher impurity concentration than the second semiconductor region, and is terminated at a peripheral portion so as to surround the central portion of the surface of the second semiconductor region opposite to the pn junction side.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional structure along the a6-a6 cutting line of FIG. 6A. It is a schematic plan view which shows one structural example of the pixel which concerns on 4th Embodiment of this technique. It is a schematic cross-sectional view which shows the cross-sectional structure along the a7-a7 cutting line of FIG. 7A.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional structure along the a9-a9 cutting line of FIG. 9A. It is a schematic plan view which shows one structural example of the pixel which concerns on 7th Embodiment of this technique. It is a schematic cross-sectional view which shows the cross-sectional structure along the a10-a10 cutting line of FIG. 10A.
  • the first direction and the second direction orthogonal to each other in the same plane are set to the X direction and the Y direction, respectively, and the first direction and the second direction
  • the third direction orthogonal to each of the second directions is defined as the Z direction.
  • the distance image sensor 1 is mainly composed of a sensor chip 2 having a rectangular two-dimensional planar shape when viewed in a plan view.
  • the sensor chip 2 has a rectangular pixel array portion 2A provided in the center, a peripheral portion 2B provided outside the pixel array portion 2A so as to surround the pixel array portion 2A, and a peripheral portion 2B outside the peripheral portion 2B. It is provided with a pad arranging portion 2C provided so as to surround the portion 2B.
  • the pixel array unit 2A is a light receiving surface that receives light collected by an optical system (not shown). Then, in the pixel array unit 2A, a plurality of pixels 3 are arranged in a matrix in a two-dimensional plane including the X direction and the Y direction.
  • a bias voltage application part (not shown) and other circuit parts are arranged in the peripheral part 2B.
  • the bias voltage applying unit applies a bias voltage to each of the plurality of pixels 3 arranged in the pixel array unit 2A.
  • a plurality of electrode pads 4 are arranged along each of the four sides of the sensor chip 2 in the two-dimensional plane.
  • the electrode pad 4 is an external terminal used when the sensor chip 2 is electrically connected to an external device (not shown).
  • the sensor chip 2 is mainly composed of a sensor substrate 10 as a semiconductor layer.
  • the sensor substrate 10 is composed of, for example, an n-type (second conductive type) epitaxial substrate made of single crystal silicon.
  • a wiring layer (not shown) is provided on the first surface of the sensor substrate 10. Then, the second surface of the sensor substrate 10 opposite to the first surface becomes a light receiving surface that receives light.
  • An on-chip lens 30 is provided for each pixel 3 on the second surface of the sensor substrate 10.
  • each pixel 3 of the plurality of pixels 3 has a pixel forming region 12 partitioned by a separation region 11 on the sensor substrate 10 and an APD (avalanche) configured in the pixel forming region 12.
  • a photodiode element 6 and a quenching resistance element 7 electrically connected to the APD element 6 are provided.
  • the quenching resistance element 7 is composed of, for example, a p-type MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
  • the separation region 11 extends from the first surface of the sensor substrate 10 toward the second surface on the opposite side, and electrically and optically separates the adjacent pixel formation regions 12.
  • the separation region 11 has, for example, a single-layer structure made of a silicon oxide film, or a three-layer structure in which both sides of the metal film are sandwiched between insulating films.
  • the plane pattern when viewed in a plane toward the first surface of the sensor substrate 10 is a rectangular annular plane pattern.
  • the plane pattern of the separation region 11 corresponding to the pixel array portion 2A is a composite plane pattern having a grid-like plane pattern in the square annular plane pattern.
  • the APD element 6 is sequentially provided in an n-type semiconductor region 13 made of an n-type epitaxial substrate and in the n-type semiconductor region 13 from the second surface side to the first surface side of the sensor substrate 10. It has a light absorbing unit 14 and a multiplying unit 15.
  • the light absorption unit 14 is mainly composed of an n-type semiconductor region 13, and is a photoelectric conversion unit that absorbs light incident from the second surface (light incident surface) of the sensor substrate 10 to generate holes (carriers). Is. Then, the light absorption unit 14 transfers the holes generated by the photoelectric conversion to the multiplication unit 15 by an electric field.
  • the n-type semiconductor region 13 has the lowest impurity concentration among the semiconductor regions constituting the APD element.
  • the photomultiplier tube 15 multipliers the holes transferred from the photomultiplier tube 14 to the avalanche.
  • the multiplying portion 15 is a p-type (first conductive type) first semiconductor region sequentially arranged from the first surface side of the sensor substrate 10 (pixel forming region 12) toward the second surface side on the opposite side. It has a second semiconductor region 17 of 16 and n type (second conductive type), and a pn junction 18 in which the first semiconductor region 16 and the second semiconductor region 17 are joined. An avalanche multiplication region is formed at the pn junction 18.
  • the APD element 6 has an n-type charge extraction region 21 provided along the side wall of the separation region 11, and an n-type charge extraction region 21 and an n-type at a position deeper than the n-type second semiconductor region 17. It has an n-type relay region 22 provided in connection with the second semiconductor region 17 of the above. Further, the APD element 6 has a p-type contact region 24 provided by being electrically connected to the p-type first semiconductor region 16.
  • a plurality of p-type first semiconductor regions 16 and n-type second semiconductor regions 17 are pn-junctioned to each other and are scattered. Along with this, a plurality of pn junctions 18 are also scattered.
  • four p-type first semiconductor regions 16 and four n-type second semiconductor regions 17 are scattered, and four pn junctions 18 are also scattered.
  • the first semiconductor region 16, the second semiconductor region 17, and the pn junction 18 are arranged in a matrix.
  • the p-type first semiconductor region 16 is composed of a p-type semiconductor region having a higher impurity concentration than the n-type semiconductor region 13, and the n-type second semiconductor region 17 has a higher impurity concentration than the n-type semiconductor region 13. It is composed of a high n-type semiconductor region.
  • the plane pattern when viewed in a plan view is, for example, a rectangular plane pattern.
  • the p-type first semiconductor region 16 and the n-type second semiconductor region 17 may have different plane sizes, but they may have the same plane size from the viewpoint of ensuring the withstand voltage with the cathode and the adjacent region. preferable.
  • the n-type relay region 22 is composed of a semiconductor region having a higher impurity concentration than the n-type second semiconductor region 17, and is on the back surface of the n-type second semiconductor region 17 opposite to the pn junction 18 side. It is terminated at the peripheral part so as to surround the central part. That is, the n-type relay region 22 has an opening 22a directly below each of the four scattered second semiconductor regions 17.
  • the n-type second semiconductor region 17 is electrically connected with the central portion of the back surface in contact with the n-type semiconductor region 13 through the opening 22a of the relay region 22, and the peripheral portion surrounding the central portion is the n-type. It is in contact with the relay region 22 of the above and is electrically connected.
  • the plane pattern of the relay region 22 is a composite plane pattern having a grid-like plane pattern in the rectangular annular plane pattern.
  • the n-type charge extraction region 21 is provided along the side wall of the separation region 11. Then, in this first embodiment, the charge extraction region 21 is provided along the bottom surface of the lower portion on the second surface side of the sensor substrate 10. That is, the charge extraction region 21 is provided so as to surround the semiconductor region 13 with a first portion in contact with the side surface of the semiconductor region 13 and a second portion in contact with the bottom surface of the semiconductor region 13.
  • the n-type charge extraction region 21 is composed of an n-type semiconductor region having a higher impurity concentration than the n-type relay region 22.
  • the upper part of the n-type charge extraction region 21 is connected to the cathode wiring 25 to which the Vc voltage is applied.
  • the cathode terminal 27 is connected to the connection path connecting the n-type charge extraction region 21 and the cathode wiring 25.
  • the p-type contact region 24 is provided between the first surface of the sensor substrate 10 and the p-type first semiconductor region 16 in contact with the p-type first semiconductor region 16.
  • the p-type contact region 24 is provided on the p-type first semiconductor region 16 in contact with the upper portion of the p-type first semiconductor region 16, but not limited to this.
  • the p-type contact region 24 is composed of a p-type semiconductor region having a higher impurity concentration than the p-type first semiconductor region 16, and although not shown, the ohmic contact resistance with the contact electrode is reduced and the cathode is used. Functions as.
  • quenching resistance elements 7 are provided corresponding to the four first semiconductor regions 16. One end side of the quenching resistance element 7 is electrically connected to the p-type first semiconductor region 16 via the p-type contact region 24. The other end side of the quenching resistance element 7 is electrically connected to the anode wiring 26 to which the Va voltage is applied. The anode terminal 28 is connected to the connection path connecting the n-type contact region 24 and the quenching resistance element 7.
  • a positive voltage as high as the yield voltage (Vdd) of the APD element 6 is applied to the cathode wiring 25 as the Vc voltage. Then, a negative voltage of 0 V or several V for turning on / off the multiplication of the APD element 6 is applied to the anode wiring 26 as the Va voltage.
  • the light to be detected is incident from the lower part of FIG. 2B (the second surface of the sensor substrate 10), is focused by the on-chip lens 30, and then photoelectrically converted by the light absorbing unit 14 to generate electron-hole pairs.
  • a voltage higher than the breakdown voltage Vbd is applied between the anode and cathode to generate a strong electric field in the multiplying section 15, and the holes 31 generated in the light absorbing section 14 due to light incident propagate to the multiplying section 15 in Geiger mode. Is amplified by.
  • the multiplying current flows through the quenching resistor element 7, the anode voltage drops, and when the voltage between the anode and the cathode drops below the breakdown voltage, the multiplication stops (quenching operation). Then, the anode-cathode voltage is reset to a voltage higher than the yield voltage so that the next new photon can be detected.
  • the Geiger mode APD element 6 is also called a single photon avalanche diode (SPAD).
  • the electrons 32 generated in the multiplying portion 15 are transmitted through the n-type second semiconductor region 17 to the n-type relay region. It enters 22 and propagates through the n-type relay region 22, then enters the n-type charge extraction region 21 and is discharged to the cathode wiring 25 of the Vc voltage.
  • the n-type relay region 22 has a higher impurity concentration than the n-type second semiconductor region 17, and the charge transfer path is shorter than that of the conventional structure, so that the resistance component can be suppressed low.
  • the n-type relay region 22 may be arranged.
  • a potential barrier is generated in the region of the n-type relay region 22, and the holes generated in the light absorbing portion 14 can be guided to the multiplying portion 15 by this potential barrier, which may lead to a decrease in the photodetection efficiency. Absent.
  • the impurity concentration of the n-type relay region 22 it is necessary to increase the impurity concentration of the n-type relay region 22 as much as possible, or widen the electron movement path to reduce the resistance value.
  • the charge transfer path from the n-type second semiconductor region 17 to the n-type relay region 22 is narrow, it is necessary to reduce the resistance value in this transfer path.
  • the overlap region (superimposition region) between the n-type second semiconductor region 17 and the n-type relay region 22 It is preferable that the Wa is 0.2 ⁇ m or more and the impurity concentration is 5e16 cm -3 or more.
  • the tail portion of the impurity profile of the n-type relay region 22 may hang on the pn junction 18 to change the impurity profile of the pn junction 18. Therefore, it is preferable to suppress the peak fluctuation of the impurity profile of the n-type relay region 22 within a few percent. For example, if the depth of the n-type second semiconductor region 17 is about 1 ⁇ m, Wb should be about 1 ⁇ m.
  • the impurity concentration in order to reduce the resistance value and to suppress the influence of the pn junction 18 on the impurity profile to be small, so that the impurities are as steep in the depth direction as possible. It is preferably a profile.
  • the n-type relay region 22 is composed of a semiconductor region in which arsenic (As), which has less channeling and has a steeper impurity profile than phosphorus (Phos) as an impurity, is diffused.
  • As arsenic
  • Phos phosphorus
  • the n-type second semiconductor region 17 may be either phosphorus (Phos) or arsenic (As), but considering the connectivity with the n-type relay region 22 in the overlap region Wa, phosphorus having a broad impurity profile (Phos) is easier to design.
  • Phos phosphorus
  • As arsenic
  • the n-type relay region 22 forms a potential barrier during the SPAD operation, it also has a role of inducing the holes 31 photoelectrically converted by the light absorption unit 14 to enter the pn junction 18.
  • the area of each region is reduced by interspersing the pn junctions 18, the capacitance of the multiplying portion 15 is reduced, and the rising characteristic of the output pulse is improved. Further, the electrons generated at each pn junction 18 enter the n-type relay region 22 having a high impurity concentration and a low resistance value from the n-type second semiconductor region 17 and propagate to the n-type charge extraction region 21.
  • the resistance component can be reduced as compared with the conventional technique. Therefore, according to the distance image sensor 1 of the first embodiment, the RC (resistance, capacitance) component of the pixel 3 can be reduced and the optical response speed can be increased.
  • Nine pn junctions 18 are also scattered, and along with this, an avalanche multiplication region is formed.
  • the n-type relay region 22 is terminated at the peripheral portion so as to surround the central portion of the back surface of each of the nine second semiconductor regions 17.
  • the plane pattern of the relay region 22 is a composite plane pattern having a grid-like plane pattern in the rectangular annular plane pattern.
  • the anode terminal 28 is connected to each p-type first semiconductor region 16 and is connected to the anode wiring 26 of the Va voltage via the quenching resistance element 7.
  • the pn junctions 18 By interspersing the pn junctions 18 in this way, the area of each region is reduced, the capacitance of the multiplying portion 15 is reduced, and the rising characteristic of the output pulse is improved. Further, the electrons generated at each pn junction 18 enter the n-type relay region 22 having a high impurity concentration and a low resistance value from the n-type second semiconductor region 17 and propagate to the n-type charge extraction region 21.
  • the resistance component can be reduced as compared with the conventional technique.
  • the distance image sensor according to the second embodiment basically has the same configuration as the distance image sensor 1 according to the first embodiment described above, and has a different pixel configuration.
  • the pixel 3 of the first embodiment described above has a plurality of pn junctions in which the same number of p-type first semiconductor regions 16 and n-type second semiconductor regions 17 are interspersed.
  • the structure is such that the portion 18 is provided.
  • one p-type first semiconductor region 16 forms a pn junction with a plurality of second semiconductor regions 17, and a plurality of pixels 3A are formed.
  • the pn junctions 18 of the above are scattered.
  • the pixel 3A of the second embodiment has a configuration in which one quenching resistance element 7 is connected to one p-type first semiconductor region 16.
  • the four second semiconductor regions 17 form a pn junction with one first semiconductor region 16 and are scattered apart from each other, whereby the four pn junctions 18 are also separated from each other and point. Exists.
  • the holes 31 generated in the light absorption unit 14 enter any one of the four pn junctions 18, are amplified, and are output from the anode terminal 28.
  • the p-type first semiconductor region 16 is common, and each pn junction 18 is connected in parallel. Therefore, the capacitance is the sum of the capacitances of each pn junction 18. Therefore, it does not decrease.
  • the charge discharge from each pn junction 18 passes through the n-type relay region 22 having a low resistance value, the rising characteristic can be improved by the effect of reducing the resistance component. Since the output is one system, it is effective when the conventional circuit configuration is diverted.
  • the p-type first semiconductor region 16 and the quenching resistance element 7 are both common, when any one of the four pn junctions 18 is amplified, the applied voltage applied to the anode in the quenching operation is lowered. Cause quenching. Then, during this operation, even if holes enter the other three pn junctions 18, they are not amplified.
  • the distance image sensor according to the third embodiment basically has the same configuration as the distance image sensor 1 according to the first embodiment described above, and has a different pixel configuration. That is, as shown in FIGS. 2A and 2B, the pixel 3 of the first embodiment described above has a plurality of pn junctions in which the same number of p-type first semiconductor regions 16 and n-type second semiconductor regions 17 are interspersed. The structure is such that the portion 18 is provided. On the other hand, in the pixel 3B of the third embodiment, as shown in FIGS. 6A and 6B, a plurality of p-type first semiconductor regions 16 form a pn junction with one n-type second semiconductor region 17.
  • the structure is such that a plurality of pn junctions 18 are interspersed.
  • the pixel 3B of the third embodiment has a configuration in which the quenching resistance element 7 is connected to each of the p-type first semiconductor regions 16 as in the first embodiment described above.
  • four p-type first semiconductor regions 16 form a pn junction with one n-type second semiconductor region 17 and are scattered apart from each other, whereby the four pn junctions 18 are formed. Are also scattered apart from each other.
  • the output signal is separately output from the four anode terminals 28 individually connected to the four p-type first semiconductor regions 16.
  • the separation characteristic between the pixels 3B separated in the separation region 11 is better for the pixel 3 of the first embodiment described above, but in the pixel 3B of the third embodiment, the n-type relay region 22 is above the central portion. Since the n-type second semiconductor region 17 is provided in the n-type second semiconductor region 17, a wide charge transfer path can be taken from the n-type second semiconductor region 17 to the n-type relay region 22, so that the resistance value can be reduced by that amount. ..
  • the distance image sensor according to the fourth embodiment basically has the same configuration as the distance image sensor 1 according to the first embodiment described above, and has a different pixel configuration. That is, in the pixels 3 of the first embodiment described above, the areas of the pn junctions 18 scattered in plurality are substantially the same. On the other hand, in the pixel 3C of the fourth embodiment, as shown in FIGS. 7A and 7B, the area of the pn junction 18 located in the central portion of the pixel 3C is the pn junction located in the peripheral portion of the pixel 3C. The structure is smaller than the area of the portion 18.
  • the light incident on one pixel 3C is focused by the on-chip lens 30 in the central region of the pixel 3C. Therefore, the light amount distribution is large in the central portion of the pixel 3C and becomes smaller toward the outer periphery. Therefore, when a plurality of pn junctions 18 are scattered, the pn junction 18 located at the center of the pixel 3C has a high light detection probability, and the pn junction 18 located at the periphery of the pixel 3C has a light detection probability. Will be low. Since there is a dead time (dead time) until the voltage is restored by the recharge operation after detecting one photon, if the amount of incident light increases and one pn junction 18 continuously detects it, it will occur during the dead time.
  • dead time dead time
  • the incoming photons may not be detected. Therefore, it is possible to reduce the influence of the dead time by detecting as many pn junctions 18 as possible. Therefore, as shown in FIG. 7B, the area of the pn junction 18 in the central portion having a large amount of light is reduced in the pixel 3C, and the area of the pn junction 18 in the outer peripheral portion having a small amount of light is increased to be scattered. It is possible to reduce the detection error due to the dead time by detecting the light at each pn junction 18 with an approximately equal probability.
  • the distance image sensor according to the fifth embodiment basically has the same configuration as the distance image sensor 1 according to the first embodiment described above, and has a different pixel configuration. That is, in the pixel 3D of the fifth embodiment, as shown in FIGS. 8A and 8B, the width of each of the plurality of scattered pn junctions 18 has a light amount distribution when light enters the pixel 3D at an angle.
  • the pn junctions 18 which are narrow in total and are scattered in plurality are arranged so as to be close to each other in the optical axis direction.
  • the pixel array portion 2A (see FIG. 1) in which a plurality of pixels 3D are arranged in an array
  • light may be obliquely incident on the pixels 3D due to the influence of the angle of view of the imaging lens.
  • FIG. 8B since the beam collapses inside one pixel 3D, the light amount distribution is biased in that direction. It is possible to alleviate this effect by shifting the on-chip lens 30 with respect to the pixel 3D, but if this is not possible, it is preferable to use the pixel 3D configuration of the third embodiment.
  • the width of the scattered pn junctions 18 is narrowed and arranged close to the optical axis according to the light amount distribution when the beam is obliquely incident.
  • the capacitance of the multiplication region (the area of the pn junction 18 is reduced and the multiplication portion 15) can be reduced by reducing the multiplication area with almost no change in the resistance component.
  • the sixth embodiment shows a method of changing the light detection probability of the pixel according to the amount of incident light, and supplies a voltage to the p-type first semiconductor region 16 as shown in FIGS. 9A and 9B.
  • the wiring is divided into the central portion and the outer peripheral portion of the pixel 3E and connected so that the Va voltage can be applied separately to each.
  • the pixel 3E of the sixth embodiment changes the detection probability of photons according to the amount of light.
  • the amount of incident light entering the pixel 3E is small, the light detection efficiency is increased, and when the amount of light is large, the light is emitted. The detection efficiency is lowered to avoid the above-mentioned saturation state.
  • the pn junction 18 located at the center of the pixel 3E is connected to the anode wiring 26a to which the Va1 voltage is supplied.
  • the pn junction 18 located at the peripheral portion of the pixel is connected to the anode wiring 26b to which a Va2 voltage different from the voltage Va1 is supplied.
  • the Va1 voltage is raised to turn the APD element 6 into an ON state (
  • the Va1 voltage and the Va2 voltage are increased to turn on the APD element 6 at all the scattered pn junctions 18 (
  • the detection efficiency can be increased by turning on the Va1 voltage and the Va2 voltage to increase the S / N.
  • the light detection efficiency is switched between one pn junction 18 located in the central portion and all nine pn junctions 18 located in the peripheral portion in one pixel. If the switching range of the detection efficiency is too large, the combination of connecting areas may be changed. For example, as shown in FIGS. 10A and 10B, a pn junction 18 located at the center of the pixel 3F and a pn junction 18 located at the center of the pixel 3F and four pn junctions adjacent to each other in the matrix direction. 18 is connected to the wiring of Va1 voltage. The remaining four pn junctions 18 are collectively connected to the Va2 voltage wiring.
  • the regions driven by the wiring on the pixels are separated, but as shown in FIGS. 11A and 11B, the anodes are wired separately in each of the nine regions, and they are separated from each other. It is connected to the anode wiring to which the Va1 voltage to Va9 voltage of the above are applied, and as in the sixth embodiment and the seventh embodiment, by controlling the anode voltage to be applied respectively, it can be arbitrarily adjusted according to the amount of light and the distribution.
  • the detection area can be changed. With this configuration, the detection efficiency can be changed stepwise by the number of pixel divisions (the number of scattered pn junctions 18).
  • (9th Embodiment) 12A, 12B, 12C and 12D schematically show an example of an assembly in which a pixel array unit 41, a light source monitor unit 42 and a light source 43 are arranged on a pixel chip 40 for ToF use.
  • the pixel 3I shown in FIG. 12C is arranged in the pixel array unit 41
  • the pixel 3H shown in FIG. 12D is arranged in the light source monitor unit 42.
  • a semiconductor laser, LED, or the like is generally used as the light source 43.
  • a prism 44 is used to branch a part of the light and incident it on the APD element of the pixel 3H of the light source monitor unit 42.
  • the detection error can be reduced by changing the light detection efficiency according to the amount of incident light.
  • the pixel array unit 41 in the region for detecting the light reflected from the distance measuring object does not necessarily have to have a configuration for changing the light detection efficiency. In this way, it is also possible to arrange pixels having different numbers of pn junctions and their wiring structures in the pixel chip 40 according to the purpose.
  • This tenth embodiment is divided into a region that functions as a SPAD and an region that functions as an avalanche photodiode (APD) that is not in Geiger mode by changing the impla conditions for each pn junction scattered in one pixel. It is a diode.
  • the impurity concentration in the first semiconductor region is made thinner than the PN junction concentration in the SPAD region, the electric field in the amplification region becomes smaller and the breakdown voltage in this region becomes larger. It can be operated in APD mode without changing the applied voltage between the anode and the cathode. That is, as shown in FIGS.
  • the pixel 3J according to the tenth embodiment has a pn junction 18 in which the p-type first semiconductor region 16 and the n-type second semiconductor region 17 are joined. It has a p-type first semiconductor region 16a having a concentration of impurities lower than that of the first semiconductor region 16 and a pn junction 18a in which an n-type second semiconductor region 17 is bonded.
  • Va2 voltage When the Va2 voltage is raised to raise the voltage between the anode and cathode to be equal to or higher than the breakdown voltage in this region and the SPAD is turned ON, a ranging signal is obtained, and the Va1 voltage is further raised to raise the voltage between the anode and cathode in this region.
  • the APD When the APD is turned on at a voltage equal to or lower than the breakdown voltage of, a linearly amplified optical signal can be obtained.
  • the distance measurement signal and the image signal for each frame can be measured with the same pixel.
  • the impurity concentration of the p-type first semiconductor region 16a described in the tenth embodiment is further reduced and the p-type first semiconductor region 16b is arranged, the electric field at the pn junction becomes small and the avalanche is not amplified. can do. If the applied voltage between the anode and the cathode is not changed, the PD (photodiode) can be operated. That is, as shown in FIGS. 14A and 14B, the pixel 3K according to the eleventh embodiment has a pn junction 18 in which a p-type first semiconductor region 16 and an n-type second semiconductor region 17 are joined.
  • Va2 voltage When the Va2 voltage is raised and SPAD is turned ON, a ranging signal is obtained, and when the Va3 voltage is further applied, it can be operated as a PD.
  • the distance measurement signal and the image signal for each frame can be measured with the same pixel by performing the processing of integrating the output signal on the PD side in the period of one frame in the subsequent signal processing. it can.
  • the pixel 3L of the twelfth embodiment is deeper than the n-type relay region 22 directly below the n-type second semiconductor region 17.
  • an n-type barrier region 33 having a lower impurity concentration than the n-type second semiconductor region 17 is provided.
  • the impurity concentration in the n-type barrier region 33 is designed so that a potential barrier is formed when the voltage between the anode and the cathode is lowered below the operating voltage of the APD, and the potential barrier disappears when the voltage is higher than the operating voltage.
  • the anode voltage is lowered in the APD region including the pn junction 18a, and the anode-cathode voltage is reduced to the voltage at which the potential barrier 34 is generated in the n-type barrier region 33.
  • the SPAD region including the pn junction 18 is operated by raising the anode voltage and raising the anode-cathode voltage to a voltage at which the potential barrier disappears and above the breakdown voltage.
  • the potential barrier 34 is formed in the portion of the n-type barrier region 33 of the APD region, the holes 31 can be guided to the SPAD region and operated as SPAD.
  • Va1 and Va2 are operated by applying a voltage of ⁇ 5V when they are turned on and 0V when they are turned off.
  • the anode voltage is raised in the APD region to raise the anode-node voltage to a voltage that avalanche-amplifies in APD mode and to a voltage at which the potential barrier 34 disappears.
  • the anode voltage is lowered to lower the anode-cathode voltage to the voltage at which the potential barrier is generated. Since the potential barrier 34 is formed in the N- layer portion of the SPAD region, the holes do not go to the SPAD region but are guided to the APD region so that they can operate as an APD.
  • the on-chip lens 30 has a shape close to a circle when viewed from the incident surface side of light.
  • the pixels 3M according to the thirteenth embodiment have a hexagonal plane pattern in a plan view.
  • this hexagonal pixel 3M it is preferable to design the multiplying portion 15 to be hexagonal in terms of light detection efficiency, but when dividing the multiplying region, that is, when a plurality of pn junctions 18 are scattered.
  • a structure in which the hexagon is divided into three symmetric with respect to the center of the pixel 3M is also possible. With such a configuration, it is possible to reduce the light loss at the corner as compared with the rectangular pixel, and it is possible to increase the light detection efficiency.
  • the diffusion structure portion 35 that diffuses this light is a moth-eye structure.
  • the light is diffused on the light incident surface side by using the diffusion structure portion 35, and the light is evenly incident on the divided pixels (dotted pn junctions 18).
  • a diffraction grating structure portion 36 is provided instead of the diffusion structure portion 35 of the 14th embodiment described above to branch light to a point.
  • Light is incident on a plurality of existing pn junctions 18.
  • the period, depth, and shape of the diffraction grating can be designed so as to irradiate light at a desired location. As a result, it is possible to irradiate the light approximately evenly within the pixel 3P and, in some cases, to condense the light on a specific location, increasing the degree of freedom in design.
  • the multiplying part In normal SPAD, when the incident photon is multiplied by an avalanche, the multiplying part emits light, and the light enters the light absorbing part (photomultiplier conversion part) of the adjacent pixel or own pixel, and amplification occurs using it as a seed and after-sale. May generate a pulse.
  • the pixel 3Q according to the 16th embodiment has a shading body (DTI) 37 for shading between the scattered amplification regions as shown in FIGS. 20A and 20B. It is provided in a cross shape.
  • a light-shielding body 37 is formed from the side opposite to the light incident surface, and a light-shielding structure is formed so as to optically separate each multiplying region (each pn junction 18).
  • the light-shielding body 37 has a structure in which a metal film is embedded in, for example, a silicon oxide (SiO 2) film. Further, since this phenomenon uses the photomultiplier region as the light emitting source, if the depth is about 2/3 of the thickness of the pixel forming region 12 on the sensor substrate 10, it is possible to shield the photomultiplier region from light. The effect of this technology can be further enhanced.
  • the rectangular pixel structure was divided into rectangles except for the hexagonal case, but it is known that this increases the light detection loss at the pixel corners.
  • the condensed light amount distribution also has a shape close to a concentric circle. Therefore, as shown in FIGS. 21A and 21B, the pixel 3R according to the 17th embodiment can efficiently detect light by dividing the amplification region (pn junction 18) into concentric circles and interspersing them. It will be possible.
  • the light amount distribution is stronger in the central portion of the pixel 3Q and becomes smaller toward the outer periphery, it is preferable that the area of the central portion is reduced and the outer periphery is enlarged in the multiplying region to be divided. By doing so, it is possible to design a small difference in the photodetection efficiency for each of the divided regions (plural pn junctions 18).
  • the case where the first semiconductor region 16 is composed of the p-type semiconductor region and the second semiconductor region 17 is composed of the n-type semiconductor region has been described.
  • the semiconductor region 13, the second semiconductor region 17, the charge extraction region 21, the relay region 22, the contact region 24, the barrier region 33, and the like are p-type
  • the first semiconductor region 16, and the like are n-type.
  • they are replaced they are configured to detect electrons and operate by applying a negative voltage to the anode.
  • the relay region 22 becomes a diffusion region of boron (B) as an impurity, and becomes the same impurity material as the P-type of the PN junction.
  • the distance image device 201 as an electronic device includes an optical system 202, a sensor chip 206, an image processing circuit 203, a monitor 204, and a memory 205.
  • the distance image device 201 acquires a distance image according to the distance to the subject by receiving light (modulated light or pulsed light) that is projected from the light source device 211 toward the subject and reflected on the surface of the subject. can do.
  • the optical system 202 is configured to have one or a plurality of lenses, guides the image light (incident light) from the subject to the sensor chip 206, and forms an image on the light receiving surface (sensor unit) of the sensor chip 206.
  • the sensor chip 206 As the sensor chip 206, the sensor chip 2 of each of the above-described embodiments is applied, and a distance signal indicating a distance obtained from a light receiving signal (APD OUT) output from the sensor chip 2 is supplied to the image processing circuit 203.
  • APD OUT a distance signal indicating a distance obtained from a light receiving signal
  • the image processing circuit 203 performs image processing for constructing a distance image based on the distance signal supplied from the sensor chip 206, and the distance image (image data) obtained by the image processing is supplied to the monitor 204 and displayed. Or it is supplied to the memory 205 and stored (recorded).
  • the distance image device 201 configured in this way, by applying the sensor chip 2 described above, the distance to the subject is calculated based only on the received signal from the highly stable pixel 3, and the distance image with high accuracy is obtained. Can be generated. That is, the distance image device 201 can acquire a more accurate distance image.
  • the sensor chip 2 (image sensor) described above can be used in various cases for sensing light such as visible light, infrared light, ultraviolet light, and X-ray, as described below.
  • ⁇ For safe driving such as automatic stop, recognition of the driver's condition, etc.
  • Devices and user gestures used for traffic such as in-vehicle sensors that photograph the rear, surroundings, and interior of vehicles, surveillance cameras that monitor traveling vehicles and roads, and distance measurement sensors that measure distance between vehicles.
  • Devices and endoscopes used in home appliances such as TVs, refrigerators, and air conditioners, and devices that take blood vessels by receiving infrared light, etc., in order to take pictures and operate the equipment according to the gesture.
  • Devices used for medical and healthcare surveillance cameras for crime prevention, cameras for person authentication, etc., devices used for security, skin measuring instruments for taking pictures of the skin, and taking pictures of the scalp
  • Equipment used for beauty such as microscopes, action cameras and wearable cameras for sports applications, equipment used for sports, cameras for monitoring the condition of fields and crops, etc.
  • Equipment used for agriculture Equipment used for agriculture
  • the present technology may have the following configuration. (1) It has a pixel array unit in which a plurality of pixels are arranged in a matrix. Each pixel of the plurality of pixels has a pixel forming region partitioned by a separation region in the semiconductor layer, and A first conductive type first semiconductor region and a second conductive type second semiconductor region sequentially arranged from the first surface side of the pixel forming region toward the second surface side on the opposite side, and A pn junction in which the first semiconductor region and the second semiconductor region are joined, A second conductive type charge extraction region provided on the side wall of the separation region, and It has a charge extraction region and a second conductive type relay region provided connected to the second semiconductor region at a position deeper than the second semiconductor region.
  • a plurality of the pn junctions are spaced apart from each other and are scattered.
  • the relay region is composed of a higher impurity concentration than the second semiconductor region, and is terminated at a peripheral portion so as to surround the central portion of the surface of the second semiconductor region opposite to the pn junction side.
  • Semiconductor device (2) The semiconductor device according to (1) above, wherein the first semiconductor region and the second semiconductor region are pn-junctioned to each other and are scattered in plurality.
  • the relay region is composed of a semiconductor region in which arsenic is diffused as an impurity.
  • the second semiconductor region is composed of a semiconductor region in which phosphorus is diffused as an impurity.
  • the first semiconductor region is pn-junctioned with the second semiconductor region and is scattered at a plurality of points.
  • a quenching resistance element is individually connected to each of the plurality of first semiconductor regions.
  • each of the plurality of scattered pn junctions has a narrow width according to the light amount distribution when light enters the pixel at an angle and is arranged close to the optical axis direction.
  • the semiconductor device according to any one of (7). (9) A plurality of the first semiconductor regions are scattered in a pn junction with the second semiconductor region. The first semiconductor region located at the center of the pixel is electrically connected to the first wiring to which the first voltage is supplied via a quenching resistance element.
  • the semiconductor device wherein the first semiconductor region located in the peripheral portion of the pixel is connected to a second wiring to which a second voltage different from the first voltage is supplied.
  • a plurality of the first semiconductor regions are scattered in a pn junction with the second semiconductor region.
  • the semiconductor device wherein the plurality of scattered first semiconductor regions include first semiconductor regions having relatively different impurity concentrations.
  • the second conductive type barrier region which is provided at a position deeper than the relay region immediately below the second semiconductor region and is composed of a lower impurity concentration than the second conductive region, is described in (1) above. Semiconductor equipment.
  • An electronic device comprising the semiconductor device according to any one of (1) to (11) above, and an optical system for forming an image light from a subject on the second surface of the semiconductor layer.

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Abstract

光応答速度の向上を図ることが可能な半導体装置を提供する。半導体装置は、複数の画素が行列状に配置された画素アレイ部を備え、前記複数の画素の各々の画素は、半導体層に分離領域で区画された画素形成領域と、画素形成領域の第１の面側から反対側の第２の面側に向かって順次配置された第１導電型の第１半導体領域及び第２導電型の第２半導体領域と、第１半導体領域と第２半導体領域とが接合されたｐｎ接合部と、分離領域の側壁に設けられた第２導電型の電荷引抜領域と、第２半導体領域よりも深い位置に電荷引抜領域及び第２半導体領域と接続されて設けられた第２導電型の中継領域と、を有し、ｐｎ接合部は、互に離間して複数個点在し、中継領域は、第２主電極領域よりも高不純物濃度で構成され、かつ第２半導体領域のｐｎ接合部側とは反対側の面の中央部を囲むようにして周辺部で終端している。

Description

半導体装置及び電子機器
　本技術（本開示に係る技術）は、半導体装置及び電子機器に関し、特に、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａvalanche Ｐhoto Ｄiode）素子を有する半導体装置及びそれを備えた電子機器に適用して有効な技術に関するものである。
　半導体装置として、近年、ＴｏＦ（Ｔime of Ｆlight）法により距離計測を行う距離画像センサ（固体撮像装置）が注目されている。この距離画像センサは、複数の画素が行列状に配置された画素アレイ部を備えている。そして、画素の寸法や画素構造によってデバイス全体の効率が決まる。
　特許文献１には、光電変換素子としてＡＰＤ素子を有する画素が開示されている。この画素は、半導体層の画素形成領域にＡＰＤ素子が構成されている。そして、ＡＰＤ素子は、半導体層の画素形成領域に入射した光を吸収してキャリアを生成する光電変換部と、この光電変換部で生成されたキャリアをアバランシェ増倍する増倍部と、を有する。
特開２０１９－１４０１３２号公報
　ところで、距離画像センサでは、画素のＲＣ（抵抗、容量）成分を減らし、光応答速度を上げることが望まれている。
　本技術は、光応答速度の向上を図ることが可能な半導体装置及びそれを備えた電子機器を提供することにある。
　本技術の一態様に係る半導体装置は、複数の画素が行列状に配置された画素アレイ部を備え、前記複数の画素の各々の画素は、半導体層に分離領域で区画された画素形成領域と、前記画素形成領域の第１の面側から反対側の第２の面側に向かって順次配置された第１導電型の第１半導体領域及び第２導電型の第２半導体領域と、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とが接合されたｐｎ接合部と、前記分離領域の側壁に設けられた第２導電型の電荷引抜領域と、前記第２半導体領域よりも深い位置に前記電荷引抜領域及び前記第２半導体領域と接続されて設けられた第２導電型の中継領域と、を有し、前記ｐｎ接合部は、互に離間して複数個点在し、前記中継領域は、前記第２半導体領域よりも高不純物濃度で構成され、かつ前記第２半導体領域の前記ｐｎ接合部側とは反対側の面の中央部を囲むようにして周辺部で終端している。
本技術の第１実施形態に係る距離画像センサの一構成例を示すチップレイアウト図である。 本技術の第１実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図２Ａのａ２－ａ２切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 電荷の移動経路を示す模式的断面図である。 本技術の第１実施形態の変形例を示す模式的平面図である。 図４Ａのａ４－ａ４切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第２実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図５Ａのａ５－ａ５切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第３実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図６Ａのａ６－ａ６切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第４実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図７Ａのａ７－ａ７切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第５実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図８Ａのａ８－ａ８切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第６実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図９Ａのａ９－ａ９切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第７実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図１０Ａのａ１０－ａ１０切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第８実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図１１Ａのａ１１－ａ１１切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第９実施形態に係る画素チップの一構成例を示す模式的平面図である。 画素チップの模式的側面図である。 画素チップの光源モニターを構成する画素の一構成例を示す模式的平面図である。 画素チップの画素アレイ部を構成する画素の一構成例を示す模式的平面図である。 本技術の第１０実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図１３Ａのａ１３－ａ１３切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第１１実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図１４Ａのａ１４－ａ１４切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第１２実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図１５Ａのａ１５－ａ１５切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 電荷の移動経路を示す模式的断面図である。 電荷の移動経路を示す模式的断面図である。 本技術の第１３実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図１７Ａのａ１７－ａ１７切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第１４実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的断面図である。 本技術の第１５実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的断面図である。 本技術の第１６実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図２０Ａのａ２０－ａ２０切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術の第１７実施形態に係る画素の一構成例を示す模式的平面図である。 図２１Ａのａ２０－ａ２０切断線に沿った断面構造を示す模式的断面図である。 本技術のセンサチップを利用した距離画像機器の構成例を示すブロック図である。
　以下において、図面を参照して本技術の実施形態を説明する。以下の説明で参照する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。
　また、以下の実施形態では、空間内で互に直交する三方向において、同一平面内で互に直交する第１の方向及び第２の方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とし、第１の方向及び第２の方向のそれぞれと直交する第３の方向をＺ方向とする。
　また、本明細書及び添付図面において、「ｎ」又は「ｐ」を冠記した層や領域では、それぞれ電子又は正孔が多数キャリアであることを意味する。
　（第１実施形態）
　第１実施形態では、半導体装置として、裏面照射型の距離画像センサに本技術を適用した一例について説明する。
　図１に示すように、本技術の第１実施形態に係る距離画像センサ１は、平面視したときの二次元平面形状が矩形のセンサチップ２を主体に構成されている。センサチップ２は、中央に設けられた矩形状の画素アレイ部２Ａと、この画素アレイ部２Ａの外側に画素アレイ部２Ａを囲むようにして設けられた周辺部２Ｂと、この周辺部２Ｂの外側に周辺部２Ｂを囲むようにして設けられたパッド配置部２Ｃとを備えている。
　画素アレイ部２Ａは、図示しない光学系により集光される光を受光する受光面である。そして、画素アレイ部２Ａには、Ｘ方向及びＹ方向を含む二次元平面において複数の画素３が行列状に配置されている。
　周辺部２Ｂには、図示しないバイアス電圧印加部や、その他の回路部が配置されている。バイアス電圧印加部は、画素アレイ部２Ａに配置された複数の画素３のそれぞれに対してバイアス電圧を印加する。
　パッド配置部２Ｃには、センサチップ２の二次元平面における４つの辺のそれぞれの辺に沿って複数の電極パッド４が配置されている。電極パッド４は、センサチップ２を図示しない外部装置と電気的に接続する際に用いられる外部端子である。
　図２Ｂに示すように、センサチップ２は、半導体層としてのセンサ基板１０を主体に構成されている。センサ基板１０は、例えば単結晶シリコンからなるｎ型（第２導電型）のエピタキシャル基板で構成されている。
　センサ基板１０の第１の面上には、図示していないが配線層が設けられている。そして、センサ基板１０の第１の面とは反対側の第２の面が光を受光する受光面となる。そして、センサ基板１０の第２面には、オンチップレンズ３０が画素３ごとに設けられている。
　図２Ａ及び図２Ｂに示すように、複数の画素３の各々の画素３は、センサ基板１０に分離領域１１によって区画された画素形成領域１２と、この画素形成領域１２に構成されたＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）素子６と、このＡＰＤ素子６と電気的に接続されたクエンチング抵抗素子７とを備えている。クエンチング抵抗素子７は、例えばｐ型のＭＯＳＦＥＴ（Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor Field Ｅffect Ｔransistor）で構成されている。
　分離領域１１は、センサ基板１０の第１の面から反対側の第２の面に向かって延伸し、隣接する画素形成領域１２間を電気的及び光学的に分離している。分離領域１１は、例えば酸化シリコン膜からなる単層構造、或いは金属膜の両側を絶縁膜で挟んだ３層構造になっている。
　１つの画素に対応する分離領域１１は、詳細に図示していないが、センサ基板１０の第１の面に向かって平面視したときの平面パターンが方形の環状平面パターンになっている。そして、画素アレイ部２Ａに対応する分離領域１１の平面パターンは、方形の環状平面パターンの中に格子状平面パターンを有する複合平面パターンになっている。
　ＡＰＤ素子６は、ｎ型のエピタキシャル基板からなるｎ型の半導体領域１３と、このｎ型の半導体領域１３にセンサ基板１０の第２の面側から第１の面側に向かって順次設けられた光吸収部１４及び増倍部１５と、を有する。
　光吸収部１４は、主にｎ型の半導体領域１３で構成され、センサ基板１０の第２の面（光入射面）から入射した光を吸収して正孔（キャリア）を生成する光電変換部である。そして、光吸収部１４は、光電変換により生成された正孔を増倍部１５へ電界により転送する。ｎ型の半導体領域１３は、ＡＰＤ素子を構成する半導体領域の中でも最も不純物濃度が低い。
　増倍部１５は、光吸収部１４から転送された正孔をアバランシェ増倍する。増倍部１５は、センサ基板１０（画素形成領域１２）の第１の面側から反対側の第２の面側に向かって順次配置されたｐ型（第１導電型）の第１半導体領域１６及びｎ型（第２導電型）の第２半導体領域１７と、この第１半導体領域１６と第２半導体領域１７とが接合されたｐｎ接合部１８と、を有する。このｐｎ接合部１８にアバランシェ増倍領域が形成される。
　また、ＡＰＤ素子６は、分離領域１１の側壁に沿って設けられたｎ型の電荷引抜領域２１と、ｎ型の第２半導体領域１７よりも深い位置にｎ型の電荷引抜領域２１及びｎ型の第２半導体領域１７と接続されて設けられたｎ型の中継領域２２と、を有する。また、ＡＰＤ素子６は、ｐ型の第１半導体領域１６と電気的に接続して設けられたｐ型のコンタクト領域２４を有する。
　ｐ型の第１半導体領域１６及びｎ型の第２半導体領域１７は、互にｐｎ接合をなして複数個点在している。そして、これに伴ってｐｎ接合部１８も複数個点在している。この第１実施形態では、ｐ型の第１半導体領域１６及びｎ型の第２半導体領域１７が４つ点在し、ｐｎ接合部１８も４つ点在している。第１半導体領域１６及び第２半導体領域１７並びにｐｎ接合部１８は、行列状に配置されている。ｐ型の第１半導体領域１６はｎ型の半導体領域１３よりも不純物濃度が高いｐ型の半導体領域で構成され、ｎ型の第２半導体領域１７はｎ型の半導体領域１３よりも不純物濃度が高いｎ型の半導体領域で構成されている。
　ｐ型の第１半導体領域１６及びｎ型の第２半導体領域１７は、平面視したときの平面パターンが例えば方形状平面パターンになっている。ｐ型の第１半導体領域１６及びｎ型の第２半導体領域１７は、平面サイズが異なっていてもよいが、カソードや隣接領域との耐電圧を確保する観点では同一の平面サイズとすることが好ましい。
　ｎ型の中継領域２２は、ｎ型の第２半導体領域１７よりも不純物濃度が高い半導体領域で構成され、かつｎ型の第２半導体領域１７のｐｎ接合部１８側とは反対側の裏面の中央部を囲むようにして周辺部で終端している。すなわち、ｎ型の中継領域２２は点在する４つの第２半導体領域１７の各々の直下に開口部２２ａを有する。そして、ｎ型の第２半導体領域１７は、裏面の中央部が中継領域２２の開口部２２ａを通してｎ型の半導体領域１３と接触して電気的に接続され、中央部を囲む周辺部がｎ型の中継領域２２と接触して電気的に接続されている。中継領域２２の平面パターンは、方形状の環状平面パターンの中に格子状平面パターンを有する複合平面パターンになっている。
　ｎ型の電荷引抜領域２１は、分離領域１１の側壁に沿って設けられている。そして、この第１実施形態では、電荷引抜領域２１は、センサ基板１０の第２の面側である下部の底面に沿って設けられている。すなわち、電荷引抜領域２１は、半導体領域１３の側面と接する第１部分と、半導体領域１３の底面と接する第２部分とで半導体領域１３を囲むようにして設けられている。ｎ型の電荷引抜領域２１は、ｎ型の中継領域２２よりも不純物濃度が高いｎ型の半導体領域で構成されている。
　ｎ型の電荷引抜領域２１の上部は、Ｖｃ電圧が印加されるカソード配線２５に接続されている。そして、ｎ型の電荷引抜領域２１とカソード配線２５とを結ぶ結線経路にはカソード端子２７が接続されている。
　ｐ型のコンタクト領域２４は、４つの第１半導体領域１６に対応して４つ設けられている。ｐ型のコンタクト領域２４は、センサ基板１０の第１の面とｐ型の第１半導体領域１６との間にｐ型の第１半導体領域１６と接して設けられている。この第１実施形態において、ｐ型のコンタクト領域２４は、これに限定されないが、底部がｐ型の第１半導体領域１６の上部と接触してｐ型の第１半導体領域１６上に設けられている。ｐ型のコンタクト領域２４は、ｐ型の第１半導体領域１６よりも不純物濃度が高いｐ型の半導体領域で構成され、図示していないが、コンタクト電極とのオーミックコンタクト抵抗を低減するとともに、カソードとして機能する。
　クエンチング抵抗素子７は、４つの第１半導体領域１６に対応して４つ設けられている。クエンチング抵抗素子７の一端側は、ｐ型のコンタクト領域２４を介してｐ型の第１半導体領域１６と電気的に接続されている。クエンチング抵抗素子７の他端側は、Ｖａ電圧が印加されるアノード配線２６と電気的に接続されている。そして、ｎ型のコンタクト領域２４とクエンチング抵抗素子７とを結ぶ結線経路にはアノード端子２８が接続されている。
　カソード配線２５には、Ｖｃ電圧としてＡＰＤ素子６の降伏電圧（Ｖｄｄ）程度の高い正電圧が印加される。そして、アノード配線２６には、Ｖａ電圧としてＡＰＤ素子６の増倍をＯＮ／ＯＦＦするための０Ｖ又は数Ｖの負電圧が印加される。
　ＡＰＤ素子６をＯＮする場合は、
｜Ｖｃ－Ｖａ｜≧｜Ｖｂｄ｜（降伏電圧）
となるように電圧を印加し、
ＯＦＦする場合は、
｜Ｖｃ－Ｖａ｜＜｜Ｖｂｄ｜
となるように電圧を印加する。
　検出する光は図２Ｂの下方（センサ基板１０の第２の面）から入射し、オンチップレンズ３０で集光された後、光吸収部１４で光電変換されて電子・正孔対が生成される。アノード・カソード間に降伏電圧Ｖｂｄより高い電圧を印加して増倍部１５に強い電界を発生させ、光入射によって光吸収部１４で発生した正孔３１は増倍部１５まで伝搬してガイガーモードで増幅される。さらに、増倍電流がクエンチング抵抗素子７を流れることでアノード電圧が降下し、アノード・カソード間の電圧が降伏電圧以下に下がることで増倍が停止する（クエンチ動作）。そして、次の新しい光子を検出できるように、アノード・カソード間電圧を降伏電圧より高い電圧にリセットする。ガイガーモードのＡＰＤ素子６は、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）とも呼ばれている。
　従来の画素構造では、電子は基板を通ってｎ型の電荷引抜領域に入り、Ｖｃ電圧のカソード配線に排出される。しかしながら、電子の移動経路が長く、不純物濃度が薄いために抵抗値が高くなってしまう。
　これに対し、本技術の第１実施形態に係る画素３では、図３に示すように、増倍部１５で発生した電子３２はｎ型の第２半導体領域１７を伝わってｎ型の中継領域２２に入り、そして、このｎ型の中継領域２２を伝搬した後にｎ型の電荷引抜領域２１に入りＶｃ電圧のカソード配線２５へ排出される。ｎ型の中継領域２２は、ｎ型の第２半導体領域１７よりも不純物濃度が高く、また、従来構造に比べて電荷の移動経路が短くなるので抵抗成分を低く抑えることができる。
　また、アバランシェ増倍領域が形成されるｐｎ接合部１８を点在させ、このｐｎ接合部１８のｎ型の第２半導体領域１７よりも深い位置にｎ型の中継領域２２を配置しても、ｎ型の中継領域２２の領域にポテンシャルバリアが発生し、このポテンシャルバリアンによって光吸収部１４に発生した正孔を増倍部１５に誘導することができるため、光検出効率の低下を招くことはない。
　この第１実施形態の効果を高めるには、ｎ型の中継領域２２の不純物濃度をできるだけ高くするか、電子の移動経路の幅を広くして抵抗値を下げる必要がある。特に、ｎ型の第２半導体領域１７からｎ型の中継領域２２への電荷の移動経路が狭いので、この移動経路での抵抗値を下げることが必要になる。増倍部１５からカソードまでの抵抗値を数ｋΩ程度に抑えるには、図３に示すように、ｎ型の第２半導体領域１７とｎ型の中継領域２２とのオーバーラップ領域（重畳領域）Ｗａを０．２μｍ以上取り、不純物濃度が５ｅ１６ｃｍ－３以上あることが好ましい。
　また、このオーバーラップ領域Ｗａでは、ｎ型の中継領域２２の不純物プロファイルのテール部分がｐｎ接合部１８に掛かってｐｎ接合部１８の不純物プロファイルを変動させる可能性がある。したがって、ｎ型の中継領域２２の不純物プロファイルのピーク変動を数％以内に抑えることが好ましい。例えば、ｎ型の第２半導体領域１７の深さが１μｍ程度であれば、Ｗｂは１μｍ程度にするのが良い。
　このように、ｎ型の中継領域２２は、抵抗値を下げるために不純物濃度を高く、かつｐｎ接合部１８の不純物プロファイルへの影響を小さく抑える必要があるため、できるだけ深さ方向に急峻な不純物プロファイルであることが好ましい。
　したがって、ｎ型の中継領域２２は、チャネルングが少なく、不純物としてのリン（Ｐhos）よりも不純物プロファイルが急峻なヒ素（Ａｓ）が拡散した半導体領域で構成する
ことが好ましい。
　ｎ型の第２半導体領域１７は、リン（Ｐhos）とヒ素（Ａｓ）のどちらでも良いが、オーバーラップ領域Ｗａにおけるｎ型の中継領域２２との接続性を考慮すると、不純物プロファイルがブロードなリン（Ｐhos）の方が設計し易い。
　また、ｎ型の中継領域２２は、ＳＰＡＤ動作時にポテンシャルバリアを形成するため、光吸収部１４で光電変換された正孔３１が、ｐｎ接合部１８に入るように誘導させる役割も持つ。
　この第１実施形態の画素３は、ｐｎ接合部１８を点在させることで各領域の面積が小さくなり、増倍部１５の容量が低減して出力パルスの立ち上がり特性が改善する。また、各ｐｎ接合部１８で発生した電子はｎ型の第２半導体領域１７から高不純物濃度で抵抗値が低いｎ型の中継領域２２に入ってｎ型の電荷引抜領域２１まで伝搬するため、従来技術に比べて抵抗成分を小さくすることができる。したがって、この第１実施形態の距離画像センサ１によれば、画素３のＲＣ（抵抗、容量）成分を減らし、光応答速度を上げることができる。
　（変形例）
　図４Ａ及び図４Ｂは、上述の第１実施形態の変形例を示す図であり、ｐ型の第１半導体領域１６及びｎ型の第２半導体領域１７が縦３列×横３列＝９つ点在し、これに伴ってアバランシェ増倍領域が形成されるｐｎ接合部１８も９つ点在している。
　さらに、ｎ型の中継領域２２が９つの第２半導体領域１７の各々の裏面の中央部を囲むようにして周辺部で終端している。そして、中継領域２２の平面パターンは、方形状の環状平面パターンの中に格子状平面パターンを有する複合平面パターンになっている。
　上述の第１実施形態と同様に、それぞれのｐ型の第１半導体領域１６にアノード端子２８が接続され、クエンチング抵抗素子７を介してＶａ電圧のアノード配線２６と接続されている。
　ＡＰＤ素子６で光を検出する（ＯＮ状態）場合は｜Ｖｃ－Ｖａ｜≧｜Ｖｂｄ｜（降伏電圧）となるように電圧を印加し、検出しない（ＯＦＦ状態）場合は｜Ｖｃ－Ｖａ｜＜｜Ｖｂｄ｜となるように電圧を印加する。図４Ａ及び図４Ｂの例では、光吸収部１４で光電変換された正孔３１は、図４Ｂに示すように、複数個点在するｐｎ接合部１８に入りガイガーモード増幅されてアノード端子２８から出力される。
　このように、ｐｎ接合部１８を点在させることで各領域の面積が小さくなり、増倍部１５の容量が低減して出力パルスの立ち上がり特性が改善する。また、各ｐｎ接合部１８で発生した電子はｎ型の第２半導体領域１７から高不純物濃度で抵抗値が低いｎ型の中継領域２２に入ってｎ型の電荷引抜領域２１まで伝搬するため、従来技術に比べて抵抗成分を小さくすることができる。
　（第２実施形態）
　この第２実施形態に係る距離画像センサは、基本的に上述の第１実施形態に係る距離画像センサ１と同様の構成になっており、画素の構成が異なっている。
　すなわち、上述の第１実施形態の画素３は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ｐ型の第１半導体領域１６及びｎ型の第２半導体領域１７を同数点在させて複数のｐｎ接合部１８を設けた構成になっている。これに対し、この第２実施形態の画素３Ａは、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、１つのｐ型の第１半導体領域１６が複数の第２半導体領域１７とｐｎ接合をなして複数個のｐｎ接合部１８が点在する構成になっている。また、この第２実施形態の画素３Ａは、１つのｐ型の第１半導体領域１６に１つのクエンチング抵抗素子７が接続された構成になっている。この第２実施形態では、４つの第２半導体領域１７が１つの第１半導体領域１６とｐｎ接合をなして互いに離間して点在し、これによって４つのｐｎ接合部１８も互いに離間して点在している。
　図５Ｂに示すように、光吸収部１４で発生した正孔３１は、４つのｐｎ接合部１８の何れか１つに入って増幅され、アノード端子２８から出力される。この第２実施形態の画素３Ａでは、ｐ型の第１半導体領域１６が共通であり、各ｐｎ接合部１８が並列接続になることから、静電容量は各ｐｎ接合部１８の容量の和となるため減らない。しかしながら、各ｐｎ接合部１８からの電荷排出は抵抗値の低いｎ型の中継領域２２を通るため抵抗成分が小さくなった効果で立ち上がり特性を改善することができる。そして、出力が１系統なので、従来の回路構成を流用する場合に有効となる。
　また、ｐ型の第１半導体領域１６及びクエンチング抵抗素子７が共に共通になっているため、４つのｐｎ接合部１８の何れか１つが増幅すると、クエンチ動作でアノードに掛かる印加電圧が下がってクエンチングを起こす。そして、この動作中は他の３つのｐｎ接合部１８に正孔が入ったとしても増幅されない。
　（第３実施形態）
　この第３実施形態に係る距離画像センサは、基本的に上述の第１実施形態に係る距離画像センサ１と同様の構成になっており、画素の構成が異なっている。
　すなわち、上述の第１実施形態の画素３は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ｐ型の第１半導体領域１６及びｎ型の第２半導体領域１７を同数点在させて複数のｐｎ接合部１８を設けた構成になっている。これに対し、この第３実施形態の画素３Ｂは、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、複数のｐ型の第１半導体領域１６が１つのｎ型の第２半導体領域１７とｐｎ接合をなして複数個のｐｎ接合部１８が点在する構成になっている。また、この第３実施形態の画素３Ｂは、上述の第１実施形態と同様に、ｐ型の第１半導体領域１６ごとにクエンチング抵抗素子７が接続された構成になっている。この第３実施形態では、４つのｐ型の第１半導体領域１６が１つのｎ型の第２半導体領域１７とｐｎ接合をなして互いに離間して点在し、これによって４つのｐｎ接合部１８も互いに離間して点在している。
　この第３実施形態の画素３Ｂにおいて、出力信号は、４つのｐ型の第１半導体領域１６に個別に接続された４つのアノード端子２８から別々に出力される。分離領域１１で分離された画素３Ｂ間の分離特性は、上述の第１実施形態の画素３の方が良いが、この第３実施形態の画素３Ｂでは、ｎ型の中継領域２２の中央部上にｎ型の第２半導体領域１７が設けられているため、ｎ型の第２半導体領域１７からｎ型の中継領域２２へ電荷転送路を広く取れるので、その分の抵抗値を下げることができる。
　（第４実施形態）
　この第４実施形態に係る距離画像センサは、基本的に上述の第１実施形態に係る距離画像センサ１と同様の構成になっており、画素の構成が異なっている。
　すなわち、上述の第１実施形態の画素３は、複数個点在する各々のｐｎ接合部１８の面積がほぼ同一になっている。これに対し、この第４実施形態の画素３Ｃは、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、画素３Ｃの中央部に位置するｐｎ接合部１８の面積が、画素３Ｃの周辺部に位置するｐｎ接合部１８の面積よりも小さい構成になっている。
　１つの画素３Ｃに入射した光はオンチップレンズ３０により、画素３Ｃの中央部の領域に集光される。このため、光量分布は画素３Ｃの中央部で光量が大きく、外周に行くほど小さくなっている。このため、ｐｎ接合部１８を複数個点在させると、画素３Ｃの中央部に位置するｐｎ接合部１８で光検出確率が高く、画素３Ｃの周辺部に位置するｐｎ接合部１８では光検出確率が低くなる。１つの光子を検出した後にリチャージ動作で電圧が復帰するまでの不感時間（デッドタイム）があるので、入射光量が増えて１つのｐｎ接合部１８で高い頻度で連続して検出するとデッドタイム中に来たフォトンが検出されない場合がある。したがって、できるだけｐｎ接合部１８の点在数を多くして検出した方がデッドタイムによる影響を小さく出来る。したがって、図７Ｂに示すように、画素３Ｃ内で光量の大きい中央部のｐｎ接合部１８の面積を小さくし、光量の小さい外周部でのｐｎ接合部１８の面積を大きくして、点在する各ｐｎ接合部１８でおおよそ均等な確率で光検出させることで、デッドタイムによる検出エラーを低減することができる。
　（第５実施形態）
　この第５実施形態に係る距離画像センサは、基本的に上述の第１実施形態に係る距離画像センサ１と同様の構成になっており、画素の構成が異なっている。
　すなわち、この第５実施形態の画素３Ｄは、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、複数個点在する各々のｐｎ接合部１８の幅が画素３Ｄに光が斜めに入ったときの光量分布に合わせて狭く、かつ複数個点在する各々のｐｎ接合部１８が光軸方向に寄せて配置されている。
　複数の画素３Ｄをアレイ状に配置した画素アレイ部２Ａ（図１参照）の外周部では撮像レンズの画角の影響で、画素３Ｄに対して光が斜めに入射する場合がある。この場合、図８Ｂに示すように、１つの画素３Ｄの内部でビームが倒れるので、その方向に光量分布が偏ってしまう。オンチップレンズ３０を画素３Ｄに対してシフトさせてこの影響を緩和することもできるが、それができない場合にはこの第３実施形態の画素３Ｄの構成にするのが良い。
　すなわち、ビームが斜めに入射したときの光量分布に合わせて、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、点在するｐｎ接合部１８の幅を狭くし、かつ光軸方向へ寄せて配置する。
　これにより抵抗成分は殆ど変えずに増倍面積を減らして増倍領域（ｐｎ接合部１８の面積を減らして増倍部１５）の静電容量を減らすことができる。
　（第６実施形態）
　この第６実施形態は、入射光量に合わせて、画素の光検出確率を変更する方法を示すもので、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、ｐ型の第１半導体領域１６に電圧を供給する配線を画素３Ｅの中央部と外周部とで分けて結線し、それぞれ別々にＶａ電圧を印加できるようにしたものである。
　一般的に画素に入る光量が多い時は、１つの光子が検出された後、リチャージ動作でアノード電圧が元の電圧まで復帰する前に次の光子が増幅領域に入って再び増幅が起きるので、常に増幅された（飽和）状態になり誤検出を起こす可能性がある。
　この第６実施形態の画素３Ｅは、光量に合わせて光子の検出確率を変えるもので、画素３Ｅに入る入射光量が小さくなっている時は光検出効率を高くして、光量が多い時は光検出効率を下げて前述の飽和状態を回避するものである。
　図９Ａ及び図９Ｂに示すように、画素３Ｅの中央部に位置するｐｎ接合部１８は、Ｖａ１電圧が供給されるアノード配線２６ａに接続されている。そして、画素の周辺部に位置するｐｎ接合部１８は、電圧Ｖａ１とは異なるＶａ２電圧が供給されるアノード配線２６ｂに接続されている。
　画素３Ｅに入る光量が大きい時は、Ｖａ１電圧を上げてＡＰＤ素子６を光検出可能なＯＮ状態（｜Ｖｃ－Ｖａ１｜≧｜Ｖｂｄ｜）にして、Ｖａ２電圧を下げてＡＰＤ素子６をＯＦＦ状態（｜Ｖｃ－Ｖａ２｜＜｜Ｖｂｄ｜）にする。画素３Ｅの中央部に入った正孔だけが増幅され外周部の領域に入った正孔は増幅されないため、実効的に光検出効率を下げることができる。こうすることで光量が多い時は飽和を避けることができる。
　画素３Ｅに入る光量が小さい時は、できるだけ感度を上げる必要があるため、Ｖａ１電圧とＶａ２電圧の電圧を上げて点在する全てのｐｎ接合部１８でＡＰＤ素子６をＯＮ状態（｜Ｖｃ－Ｖａ１｜≧｜Ｖｂｄ｜かつ｜Ｖｃ－Ｖａ２｜≧｜Ｖｂｄ｜）にする。光電変換された正孔が１つの画素３Ｅ内で点在するどのｐｎ接合部１８に入っても増幅されるので、光検出効率を上げてＳ／Ｎを向上させることができる。
　例えば、ＴｏＦ等で光源の光パルスを検出するモニター用のＳＰＡＤ画素を構成する場合において、測距対象物からの反射が小さく光源の光量を大きくした場合は、モニター用のＳＰＡＤ画素に入射する光量も大きくなるので、Ｖａ１電圧をＯＮ状態にしてＶａ２電圧をＯＦＦに設定して光検出効率を小さくすることで飽和を防ぐことができる。また、測距対象物からの反射が大きくて光源の光量を小さくした場合は、Ｖａ１電圧とＶａ２電圧とをＯＮ状態に検出効率を上げてＳ／Ｎを上げることができる。
　（第７実施形態）
　上述の第６実施形態では、１つの画素内で中央部に位置する１つのｐｎ接合部１８と周辺部に位置する９つ全部のｐｎ接合部１８とで光検出効率を切り替えているが、光検出効率の切り替えレンジが大き過ぎる場合は結線する領域の組み合わせを変えても良い。例えば、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、画素３Ｆの中央部に位置するｐｎ接合部１８と、この画素３Ｆの中央部に位置するｐｎ接合部１８と行列方向に隣接する４つのｐｎ接合部１８とをＶａ１電圧の配線と接続する。残りの４つのｐｎ接合部１８をまとめてＶａ２電圧の配線に接続する。
　画素に入る光量が大きい時は、Ｖａ１電圧を上げてＯＮ状態にして、Ｖａ２の電圧を下げてＯＦＦ状態にする。中央部と隣接する４つの領域に入った正孔だけが増幅され、それ以外の領域に入った正孔は増幅されないため、実効的に光検出効率を下げて飽和を防ぐことができる。画素に入る光量が小さい時は、Ｖａ１とＶａ２の電圧を上げて分割された全ての領域をＯＮ状態にする。光電変換された正孔がどの領域に入っても増幅されるので光検出効率を上げてＳ／Ｎを向上させることができる。
　このように光量や分布に合わせて配線する画素の組み合わせを変えることで、分割数（ｐｎ接合部１８の点在数）の範囲ではあるが光検出効率の切り替えレンジを自由に設定することができる。
　（第８実施形態）
　上述の第６実施形態及び第７実施形態では、画素上の配線で駆動する領域を切り分けていたが、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように９つの領域でそれぞれアノードを別々に配線し、それぞれ別々のＶａ１電圧～Ｖａ９電圧が印加されるアノード配線に接続したもので、第６実施形態及び第７実施形態と同様に、それぞれ印加するアノード電圧を制御することで、光量や分布に合わせて任意に検出領域を変更することができる。この構成により、画素分割数分（ｐｎ接合部１８の点在数分）だけ検出効率を段階的に変えることができる。
　（第９実施形態）
　図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ及び図１２Ｄは、ＴｏＦ用途として画素チップ４０上に画素アレイ部４１および光源モニター部４２と光源４３を配置したアッセンブリの例を模式的に示している。画素アレイ部４１には図１２Ｃに示す画素３Ｉが配置され、光源モニター部４２には図１２Ｄに示す画素３Ｈが配置されている。光源４３は一般的に半導体レーザーやＬＥＤ等が使用される。ＴｏＦ用途の場合は光源パルスの出射タイミングをモニターする必要があるので、光源の一部を分岐して光源モニター部４２の画素３ＨのＡＰＤ素子に入れて入射タイミングを検出する。この例ではプリズム４４を使用して光の一部を分岐して光源モニター部４２の画素３ＨのＡＰＤ素子に入射する。
　ＴｏＦ動作では例えば測距対象物からの反射光が小さい場合は光源光量を大きくする場合があり、逆に反射光が大きい場合は光源光量を小さくする場合がある。この場合は第６実施形態～第９実施形態に示したように、入射する光量に合わせて光検出効率を変えることで検出エラーを減らすことができる。一方で測距対象物から反射してきた光を検出する領域の画素アレイ部４１は、必ずしも光検出効率を変える構成をとる必要は無い。このように画素チップ４０の中で目的に合わせてｐｎ接合部の点在数とその配線構造の異なる画素を配置することも可能である。
　（第１０実施形態）
　この第１０実施形態は、１つの画素内で点在するｐｎ接合部ごとにインプラ条件を変えて、ＳＰＡＤとして機能する領域と、ガイガーモードでは無いアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）として機能する領域とに分けたものである。例えばＳＰＡＤ領域のＰＮ接合濃度に比べて第１半導体領域の不純物濃度を薄くすると増幅領域の電界が小さくなり、この領域でのブレークダウン電圧が大きくなる。アノード・カソード間の印加電圧を変えなければ、ＡＰＤモードで動作させることができる。すなわち、この第１０実施形態に係る画素３Ｊは、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、ｐ型の第１半導体領域１６とｎ型の第２半導体領域１７とが接合されたｐｎ接合部１８と、第１半導体領域１６よりも低不純物濃度のｐ型の第１半導体領域１６ａとｎ型の第２半導体領域１７とが接合されたｐｎ接合部１８ａとを有する。
　Ｖａ２電圧を上げてアノード・カソード間の電圧をこの領域での降伏電圧以上にしてＳＰＡＤをＯＮ状態にすると測距信号が得られ、さらにＶａ１電圧を上げてアノード・カソード間の電圧をこの領域での降伏電圧以下にしてＡＰＤをＯＮにすると線形増幅された光信号を得ることができる。
　また、後段の信号処理でＡＰＤ側の出力信号を１フレームの期間で積算する処理を行うことで、測距信号と１フレームごとの画像信号を同一画素で測定することができる。
　（第１１実施形態）
　上述の第１０実施形態で説明したｐ型の第１半導体領域１６ａの不純物濃度を更に薄くしてｐ型の第１半導体領域１６ｂを配置するとｐｎ接合部の電界が小さくなりアバランシェ増幅しなくなる状態にすることができる。アノード・カソード間の印加電圧を変えなければ、ＰＤ（フォトダイオード）で動作させることができる。すなわち、この第１１実施形態に係る画素３Ｋは、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、ｐ型の第１半導体領域１６とｎ型の第２半導体領域１７とが接合されたｐｎ接合部１８、ｐ型の第１半導体領域１６よりも低不純物濃度のｐ型の第１半導体領域１６ａとｎ型の第２半導体領域１７とが接合されたｐｎ接合部１８ａ、及び、ｐ型の第１半導体領域１６ａよりも低不純物濃度のｐ型の第１半導体領域１６ｂとｎ型の第２半導体領域１７とが接合されたｐｎ接合部１８ｂを有する。
　Ｖａ２電圧を上げてＳＰＡＤをＯＮにすると測距信号が得られ、さらにＶａ３電圧を印加するとＰＤとして動作させることができる。
　この第１１実施形態と同様に後段の信号処理でＰＤ側の出力信号を１フレームの期間で積算する処理を行うことで、測距信号と１フレームごとの画像信号を同一画素で測定することができる。
　さらに実施例１１のＡＰＤの例と組み合わせると、同一画素で増幅エリア毎にＳＰＡＤ／ＡＰＤ／ＰＤの動作をさせることができる。
　（第１２実施形態）
　上述の第１０実施形態では、例えば画素の中央のＳＰＡＤをＯＮ状態にして外周ＡＰＤをＯＦＦにしたとしても、外周ＡＰＤに入った正孔は増幅には寄与せず、光検出効率が下がってしまう。また、画素の中央のＳＰＡＤをＯＦＦ状態にして外周ＡＰＤをＯＮにしたとしても、中央部のＳＰＡＤ領域に入った正孔はＡＰＤ増幅には寄与せず、光検出効率が下がってしまう。
　このような状況を解決するために、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、この第１２実施形態の画素３Ｌは、ｎ型の第２半導体領域１７の直下でｎ型の中継領域２２よりも深い位置に、ｎ型の第２半導体領域１７よりも低不純物濃度のｎ型のバリア領域３３が設けられている。このｎ型のバリア領域３３の不純物濃度はアノード・カソード間の電圧をＡＰＤの動作電圧より下げるとポテンシャルバリアを形成して、動作電圧よりも高い時にポテンシャルバリアが無くなるように設計する。
　ＳＰＡＤとして動作させるには、図１６Ａに示すように、ｐｎ接合部１８ａを含むＡＰＤ領域でアノード電圧を下げて、アノード・カソード間電圧をｎ型のバリア領域３３にポテンシャルバリア３４が発生する電圧まで下げる。一方でｐｎ接合部１８を含むＳＰＡＤ領域はアノード電圧を上げて、アノード・カソード間電圧をポテンシャルバリアが消える電圧で且つ降伏電圧以上に上げて動作させる。この時、ＡＰＤ領域のｎ型のバリア領域３３の部分にポテンシャルバリア３４が形成されているので、正孔３１はＳＰＡＤ領域に誘導されてＳＰＡＤとして動作させることができる。例えば、動作電圧としてＶｃ＝１５Ｖ、Ｖａ１とＶａ２はＯＮするときは－５Ｖ、ＯＦＦするときは０Ｖの電圧を印加して動作させる。
　同様に、ＡＰＤとして動作させる時には、図１６Ｂに示すように、ＡＰＤ領域でアノード電圧を上げてアノード・カソード間電圧をＡＰＤモードでアバランシェ増幅する電圧で且つポテンシャルバリア３４が無くなる電圧まで上げる、一方でＳＰＡＤ領域はアノード電圧を下げてアノード・カソード間電圧をポテンシャルバリアが発生する電圧まで下げる。ＳＰＡＤ領域のＮ－層の部分にポテンシャルバリア３４が形成されているので、正孔はＳＰＡＤ領域にはいかずＡＰＤ領域に誘導されＡＰＤとして動作させることができる。
　（第１３実施形態）
　オンチップレンズ３０は光の入射面側から見ると円形に近い形状になっている。これに対して画素が矩形構造になっていると画素コーナー部で光をロスしやすいことが分かっている。このため、矩形よりも円形状に近い六角形構造にする方が光利用効率の観点から好ましい。
　図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、この第１３実施形態に係る画素３Ｍは平面視で六角形の平面パターンになっている。この六角形の画素３Ｍでは、増倍部１５も六角形に設計する方が光検出効率の面で好ましいが、増倍領域を分割するとき、すなわちｐｎ接合部１８を複数個点在させるときは、六角形を縦横に４分割する形状以外にも、図１７Ａに示すように、画素３Ｍの中心に対して対称な３分割した構造も可能となる。このような構成にすることで矩形画素に比べてコーナーの光ロスも減少させることが可能となり光検出効率を大きくすることができる。
　（第１４実施形態）
　通常のオンチップレンズ３０で集光した場合は、画素の中央付近の光量が高くなり、増倍領域を分割した画素では中央に位置する増幅領域で光検出確率が他に比べて高くなる。上述の第４実施形態の場合と同様に、１つの光子を検出した後の不感時間（デッドタイム）を考慮すると、１つの増幅域で連続して検出するよりも、分割された領域で分けて検出した方が効率良く光を検出することができる。従って、図１８に示すように、画素３Ｎの光入射面（第２の面）側に光を拡散させる効果のある拡散構造部３５を設けて入射光を拡散させることで、複数個点在するｐｎ接合部１８の各々に入る光量を均一化させることが可能となる。これにより、特定の領域に偏って光検出されることが無くなり、効率良く光検出することが可能になる。この光を拡散させる拡散構造部３５の例としてはモスアイ構造があげられる。
　（第１５実施形態）
　上述の第１４実施形態では、光入射面側に拡散構造部３５を用いて光を拡散させて分割画素（点在するｐｎ接合部１８）に均等に光入射させていた。これに対し、この第１５実施形態に係る画素３Ｐでは、図１９に示すように、上述の第１４実施形態の拡散構造部３５の替わりに回折格子構造部３６を設けて光を分岐させて点在する複数のｐｎ接合部１８に光入射させている。この回折格子構造部３６の場合は、所望の場所に光を当てるように回折格子の周期や深さ、形状を設計することができる。これにより、画素３Ｐ内で光をおおよそ均等に当てることや場合によっては特定の箇所に集光させることが可能となり設計の自由度が高くなる。
　（第１６実施形態）
　通常のＳＰＡＤでは入射したフォトンをアバランシェ増倍すると増倍部が発光し、その光が隣接画素や自画素の光吸収部（光電変換部）に入射して、それを種にして増幅が起こりアフターパルスを発生させる場合がある。このアフターパルスを低減するため、この第１６実施形態に係る画素３Ｑは、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、点在させた各増幅領域の間に遮光のための遮光体（ＤＴＩ）３７を十字状に設けている。光の入射面と反対側から遮光体３７を形成し、各増倍領域（各ｐｎ接合部１８）を光学的に分離する様に遮光構造を形成する。この遮光体３７は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜に金属膜を埋め込んだ構造を持つ。また、この現象は増倍領域を発光源としているので、センサ基板１０における画素形成領域１２の厚さの２／３程度の深さがあれば、おおよそ増倍領域を遮光することが可能となり、本技術の効果をより高めることができる。
　（第１７実施形態）
　今までは矩形の画素構造に対して、六角形の場合を除き矩形に分割していたが、これでは画素コーナーで光検出ロスが大きくなることが分かっている。オンチップレンズ３０が円形に近い形状をしている場合は、集光された光量分布も同心円に近い形状をしている。したがって、この第１７実施形態に係る画素３Ｒは、図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、増幅領域（ｐｎ接合部１８）も同心円形状で分割して点在させることで効率良く光検出することが可能となる。また、光量分布は画素３Ｑの中央部が強くなっており、外周に向かって小さくなっていくので、分割する増倍領域は中央部の面積を小さくして外周を大きくすることが好ましい。こうすることで分割領域（複数個点在するｐｎ接合部１８）ごとの光検出効率の差分を小さく設計することができる。
　（第１８実施形態）
　上述の第１実施形態～第１７実施形態では、第１半導体領域１６をｐ型の半導体領域で構成し、第２半導体領域１７をｎ型の半導体領域で構成した場合について説明したが、本技術は、ｐ型半導体とｎ型半導体を入れ替えた構成においても適用することができる。この場合、半導体領域１３、第２半導体領域１７、電荷引抜領域２１、中継領域２２、コンタクト領域２４、バリア領域３３などがｐ型となり、第１半導体領域１６などがｎ型となる。入れ替えた場合は電子を検出する構成となるほか、アノードには負の電圧を印加して動作させる。また入れ替えた場合は中継領域２２は不純物としてボロン（Ｂ）の拡散領域となり、ＰＮ接合部のＰ型と同一の不純物材料となる。
　（電子機器の構成例）
　図２２に示すように、電子機器としての距離画像機器２０１は、光学系２０２、センサチップ２０６、画像処理回路２０３、モニター２０４、及びメモリ２０５を備えて構成される。距離画像機器２０１は、光源装置２１１から被写体に向かって投光され、被写体の表面で反射された光（変調光やパルス光）を受光することにより、被写体までの距離に応じた距離画像を取得することができる。
　光学系２０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）をセンサチップ２０６に導き、センサチップ２０６の受光面（センサ部）に結像させる。
　センサチップ２０６としては、上述した各実施形態のセンサチップ２が適用され、センサチップ２から出力される受光信号（ＡＰＤ　ＯＵＴ）から求められる距離を示す距離信号が画像処理回路２０３に供給される。
　画像処理回路２０３は、センサチップ２０６から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行い、その画像処理により得られた距離画像（画像データ）は、モニター２０４に供給されて表示されたり、メモリ２０５に供給されて記憶（記録）されたりする。
　このように構成された距離画像機器２０１では、上述したセンサチップ２を適用することで、安定性の高い画素３からの受光信号のみに基づいて被写体までの距離を演算し、精度の高い距離画像を生成することが可能となる。すなわち、距離画像機器２０１は、より正確な距離画像を取得することができる。
　（イメージセンサの使用例）
　上述したセンサチップ２（イメージセンサ）は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、Ｘ線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、テレビや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
　なお、本技術は、以下のような構成としてもよい。
（１）
　複数の画素が行列状に配置された画素アレイ部を備え、
　前記複数の画素の各々の画素は、半導体層に分離領域で区画された画素形成領域と、
　前記画素形成領域の第１の面側から反対側の第２の面側に向かって順次配置された第１導電型の第１半導体領域及び第２導電型の第２半導体領域と、
　前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とが接合されたｐｎ接合部と、
　前記分離領域の側壁に設けられた第２導電型の電荷引抜領域と、
　前記第２半導体領域よりも深い位置に前記電荷引抜領域及び前記第２半導体領域と接続されて設けられた第２導電型の中継領域と、を有し、
　前記ｐｎ接合部は、互に離間して複数個点在し、
　前記中継領域は、前記第２半導体領域よりも高不純物濃度で構成され、かつ前記第２半導体領域の前記ｐｎ接合部側とは反対側の面の中央部を囲むようにして周辺部で終端している、半導体装置。
（２）
　前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、互にｐｎ接合をなして複数個点在している、上記（１）に記載の半導体装置。
（３）
　前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域の一方は、他方とｐｎ接合をなして複数個点在している、上記（１）に記載の半導体装置。
（４）
　前記中継領域は、不純物としてヒ素が拡散した半導体領域で構成されている、上記（１）から（３）の何れかに記載の半導体装置。
（５）
　前記第２半導体領域は、不純物としてリンが拡散した半導体領域で構成されている、上記（１）から（４）何れかに記載の半導体装置。
（６）
　前記第１半導体領域は、前記第２半導体領域とｐｎ接合をなして複数点在し、
　前記複数の第１半導体領域の各々には、クエンチング抵抗素子が個別に接続されている、上記（１）に記載の半導体装置。
（７）
　前記画素の中央部に位置する前記ｐｎ接合部の面積は、前記画素の周辺部に位置する前記ｐｎ接合部の面積よりも小さい、上記（１）から（６）の何れかに記載の半導体装置。
（８）
　前記複数個点在する各々のｐｎ接合部は、前記画素に光が斜めに入ったときの光量分布に合わせて幅が狭く、かつ光軸方向に寄せて配置されている、上記（１）から（７）の何れかに記載の半導体装置。
（９）
　前記第１半導体領域は、前記第２半導体領域とｐｎ接合をなして複数個点在し、
　前記画素の中央部に位置する前記第１半導体領域は、第１電圧が供給される第１配線にクエンチング抵抗素子を介して電気的に接続され、
　前記画素の周辺部に位置する前記第１半導体領域は、前記第１電圧と異なる第２電圧が供給される第２配線に接続されている、上記（１）に記載の半導体装置。
（１０）
　前記第１半導体領域は、前記第２半導体領域とｐｎ接合をなして複数個点在し、
　前記点在する複数個の第１半導体領域は、相対的に不純物濃度が異なる第１半導体領域を含む、上記（１）に記載の半導体装置。
（１１）
　前記第２半導体領域の直下で前記中継領域よりも深い位置に設けられ、前記第２導電領域よりも低不純物濃度で構成された第２導電型のバリア領域を更に有する、上記（１）に記載の半導体装置。
（１２）
　上記（１）から（１１）の何れかに記載の半導体装置と、前記半導体層の前記第２の面に被写体からの像光を結像させる光学系と、を備えている電子機器。
　本技術の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本技術が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本技術の範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
　１…距離画像センサ（半導体装置）
　２…センサチップ
　２Ａ…画素アレイ部
　２Ｂ…周辺部
　２Ｃ…パッド配置部
　３，３Ａ～３Ｒ…画素
　４…電極パッド
　６…ＡＰＤ素子
　７…クエンチング抵抗素子
　１０…センサ基板（半導体層）
　１１…分離領域
　１２…画素形成領域
　１３…ｎ型の半導体領域
　１４…光吸収部
　１５…増倍部
　１６…ｐ型の第１半導体領域
　１７…ｎ型の第２半導体領域
　１８…ｐｎ接合部
　２１…ｎ型の電荷引抜領域
　２２…ｎ型の中継領域
　２３…開口部
　２４…ｐ型のコンタクト領域
　２５…カソード配線
　２６…アノード配線
　２７…カソード端子
　２８…アノード端子
　３０…オンチップレンズ
　３１…正孔
　３２…電子
　３３…ｎ型のバリア領域
　３４…ポテンシャルバリア
　３５…拡散構造部
　３６…回折格子構造部
　３７…遮光体
　４０…画素チップ
　４１…画素アレイ部
　４２…光源モニター部
　４３…光源

Claims (12)

  1. 　複数の画素が行列状に配置された画素アレイ部を備え、
    　前記複数の画素の各々の画素は、半導体層に分離領域で区画された画素形成領域と、
    　前記画素形成領域の第１の面側から反対側の第２の面側に向かって順次配置された第１導電型の第１半導体領域及び第２導電型の第２半導体領域と、
    　前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とが接合されたｐｎ接合部と、
    　前記分離領域の側壁に設けられた第２導電型の電荷引抜領域と、
    　前記第２半導体領域よりも深い位置に前記電荷引抜領域及び前記第２半導体領域と接続されて設けられた第２導電型の中継領域と、を有し、
    　前記ｐｎ接合部は、互に離間して複数個点在し、
    　前記中継領域は、前記第２半導体領域よりも高不純物濃度で構成され、かつ前記第２半導体領域の前記ｐｎ接合部側とは反対側の面の中央部を囲むようにして周辺部で終端している、半導体装置。
  2. 　前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、互にｐｎ接合をなして複数個点在している、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域の一方は、他方とｐｎ接合をなして複数個点在している、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 　前記中継領域は、不純物としてヒ素が拡散した半導体領域で構成されている、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 　前記第２半導体領域は、不純物としてリンが拡散した半導体領域で構成されている、請求項１に記載の半導体装置。
  6. 　前記第１半導体領域は、前記第２半導体領域とｐｎ接合をなして複数点在し、
    　前記複数の第１半導体領域の各々には、クエンチング抵抗素子が個別に接続されている、請求項１に記載の半導体装置。
  7. 　前記画素の中央部に位置する前記ｐｎ接合部の面積は、前記画素の周辺部に位置する前記ｐｎ接合部の面積よりも小さい、請求項１に記載の半導体装置。
  8. 　前記複数個点在する各々のｐｎ接合部は、前記画素に光が斜めに入ったときの光量分布に合わせて幅が狭く、かつ光軸方向に寄せて配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
  9. 　前記第１半導体領域は、前記第２半導体領域とｐｎ接合をなして複数個点在し、
    　前記画素の中央部に位置する前記第１半導体領域は、第１電圧が供給される第１配線にクエンチング抵抗素子を介して電気的に接続され、
    　前記画素の周辺部に位置する前記第１半導体領域は、前記第１電圧と異なる第２電圧が供給される第２配線に接続されている、請求項１に記載の半導体装置。
  10. 　前記第１半導体領域は、前記第２半導体領域とｐｎ接合をなして複数個点在し、
    　前記点在する複数個の第１半導体領域は、相対的に不純物濃度が異なる第１半導体領域を含む、請求項１に記載の半導体装置。
  11. 　前記第２半導体領域の直下で前記中継領域よりも深い位置に設けられ、前記第２導電領域よりも低不純物濃度で構成された第２導電型のバリア領域を更に有する、請求項１に記載の半導体装置。
  12. 　複数の画素が行列状に配置された画素アレイ部を備え、
    　前記複数の画素の各々の画素は、半導体層に分離領域で区画された画素形成領域と、
    　前記画素形成領域の第１の面側から反対側の第２の面側に向かって順次配置された第１導電型の第１半導体領域及び第２導電型の第２半導体領域と、
    　前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とが接合されたｐｎ接合部と、
    　前記分離領域の側壁に設けられた第２導電型の電荷引抜領域と、
    　前記第２半導体領域よりも深い位置に前記電荷引抜領域及び前記第２半導体領域と接続されて設けられた第２導電型の中継領域と、を有し、
    　前記ｐｎ接合部は、互に離間して複数個点在し、
    　前記中継領域は、前記第２主電極領域よりも高不純物濃度で構成され、かつ前記第２半導体領域の前記ｐｎ接合部側とは反対側の面の中央部を囲むようにして周辺部で終端している半導体装置と、
    　前記半導体層の前記第２の面に被写体からの像光を結像させる光学系と、
    　を備えている電子機器。
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