WO2022113515A1 - センサデバイス - Google Patents

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WO2022113515A1
WO2022113515A1 PCT/JP2021/035974 JP2021035974W WO2022113515A1 WO 2022113515 A1 WO2022113515 A1 WO 2022113515A1 JP 2021035974 W JP2021035974 W JP 2021035974W WO 2022113515 A1 WO2022113515 A1 WO 2022113515A1
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pixel
sensor device
shape
pixels
region
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PCT/JP2021/035974
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Inventor
悟 吉田
悠介 大竹
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ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device, and more particularly to a distance image sensor device using a single photon avalanche diode.
  • An avalanche photodiode is a photodiode that forms a high electric field region (avalanche multiplier region) in the depletion layer by applying a predetermined reverse voltage to the pn junction in the silicon (Si) semiconductor region. be.
  • the electrons (carriers) generated by the photoelectric effect are accelerated, and the avalanche multiplication occurs by repeating the impact ionization in a chain reaction, which causes a large current to flow.
  • the APD By operating the APD at a voltage higher than the breakdown voltage called Geiger mode, one incident photon is detected as one electric pulse.
  • the APD that operates in the Geiger mode is called a single photon avalanche diode (SPAD).
  • Such a SPAD is applied to a light receiving element of a distance image sensor device (sometimes referred to as a "distance measuring sensor") that directly measures the distance to an object (object) by the ToF (Time of Flight) method.
  • a distance image sensor device sometimes referred to as a "distance measuring sensor”
  • ToF Time of Flight
  • the SPAD which is a light receiving element
  • photons are detected, and the carriers generated by this are multiplied by the avalanche.
  • the distance image sensor device includes a SPAD array (pixel array) in which the SPADs constituting each pixel are arranged in an array.
  • Patent Document 1 discloses a photodetector using such a SPAD array.
  • a SPAD array is configured by vertically and horizontally arranging rectangular pixels in a plan view.
  • a SPAD array in which polygonal pixels such as hexagons and octagons are arranged is also proposed.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose polygonal pixels such as hexagons and octagons, but no consideration is given to the formation of such a sufficient avalanche multiplying region.
  • the technique according to the present disclosure uses a sensor device that suppresses deterioration of pixel characteristics or improves pixel characteristics while increasing the number of pixels per unit area. It is an object of the present invention to provide a range image sensor device.
  • the present technology suppresses or alleviates the electric field concentration that may occur in each pixel to form a sufficient avalanche multiplication region, thereby forming a sensor device having a high PDE and a distance image sensor using the same.
  • the purpose is to provide a device.
  • Another object of this technique is to provide a sensor device having a structure capable of forming a sufficient avalanche multiplication region with respect to a silicon region of a pixel, and a distance image sensor device using the same.
  • the present technique aims to provide a sensor device having a high PDE and a distance image sensor device using the same, which enables high-efficiency light collection by arranging polygonal pixels at high density. And.
  • the present invention for solving the above problems is configured to include the following invention-specific matters or technical features.
  • the present invention according to a certain viewpoint was generated by controlling each of a pixel array unit in which a plurality of pixels capable of generating an electric signal according to light incident from the outside are arranged in an array, and each of the plurality of pixels. It is a sensor device including a circuit for reading out the electric signal.
  • Each of the plurality of pixels is formed in a semiconductor region formed on a substrate, a first conductive type region formed in the semiconductor region, and bonded to the first conductive type region. It has a second conductive type region and a pixel separation portion formed between the adjacent pixels, which defines the outer edge shape of the pixel, and is between the first conductive type region and the second conductive type region.
  • the outer edge shape of the pixel is a geometric shape including at least five sides or a circular or elliptical geometric shape on a plane parallel to the main surface of the pixel.
  • the outer edge shape of the second conductive type region is a geometric shape including at least five or more sides or a circular or elliptical geometric shape in a plane parallel to the main surface.
  • the present invention includes a light emitting unit that emits light to a target area and a light receiving unit in which a plurality of pixels that receive observation light in the target area and output an electric signal are arranged in an array. Based on the value of the electrical signal based on the charge accumulated according to the reflected light from the object irradiated with the light by the irradiation unit included in the observation light received by the plurality of pixels, the object. It is a distance image sensor device including a distance measuring processing unit that performs distance measuring processing for calculating the distance to.
  • Each of the plurality of pixels is formed in a semiconductor region formed on a substrate, a first conductive type region formed in the semiconductor region, and bonded to the first conductive type region.
  • the outer edge shape of the pixel defined by the pixel separation portion is a geometric shape including at least five sides or a circular or elliptical geometric shape on a plane parallel to the main surface of the pixel. .. Further, the outer edge shape of the second conductive type region is a geometric shape including at least five or more sides or a circular or elliptical geometric shape in a plane parallel to the main surface.
  • the means does not simply mean physical means, but also includes cases where the functions of the means are realized by software. Further, the function of one means may be realized by two or more physical means, or the function of two or more means may be realized by one physical means. Further, the "system” is a logical assembly of a plurality of devices (or functional modules that realize a specific function), and whether or not each device or functional module is in a single housing. Is not particularly limited.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining an example of a schematic structure of a sensor device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating an example of the arrangement and shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 3 is a schematic vertical sectional view showing an example of pixels in a distance image sensor device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing an example of a wiring pattern for power supply of pixels in a distance image sensor device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing an example of a wiring pattern for power supply of pixels in a distance image sensor device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing an example of a wiring pattern for power supply of pixels in a distance image sensor device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing
  • FIG. 4C is a schematic cross-sectional view showing a wiring pattern for power supply of pixels in a distance image sensor device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 5 is a schematic vertical sectional view showing an example of pixels in a distance image sensor device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 6 is a plan view for explaining an example of the shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 7 is a plan view for explaining an example of the shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 8 is a plan view for explaining an example of the shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 9 is a plan view for explaining an example of the shape and arrangement of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 10A is a plan view for explaining an example of the shape of the pixel separation portion in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 10B is a plan view for explaining an example of the shape of the pixel separation portion in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 10C is a plan view for explaining an example of the shape of the pixel separation portion in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 10A is a plan view for explaining an example of the shape of the pixel separation portion in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 10B is a plan view for explaining an example of the shape of the pixel separation portion in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 11 is a plan view for explaining a modification of the pixel separation portion in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 12 is a plan view illustrating an example of the arrangement and shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 13 is a plan view for explaining an example of the shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the distance image sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • each pixel is a geometry having five or more sides (eg, a regular hexagonal shape) or a closed curve in plan view (or in a plane parallel to the opening surface (main surface) of the pixel).
  • a SPAD array type sensor device configured to have an outer edge shape having a geometric shape (for example, a circular shape or an elliptical shape) and a range image sensor device using the same are described.
  • an example in which the outer edge shape of the pixel is a regular hexagonal shape will be described.
  • the term "outer edge shape” refers to the geometric shape of the outer edge of an object in a plan view, and when the meaning is clear in the context, the term "plan view” is omitted. May be done.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining an example of a schematic structure of a sensor device according to an embodiment of the present technology.
  • the sensor device 1 is an LSI chip having a structure in which a first semiconductor substrate 11 and a second semiconductor substrate 12 are laminated.
  • the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 are electrically connected via a contact (not shown) made of, for example, copper (Cu) or the like.
  • the first semiconductor substrate 11 is, for example, a substrate on which a pixel array unit 13 in which a plurality of light receiving elements constituting the pixel P are arranged in an array is formed.
  • each of the plurality of light receiving elements comprises SPAD.
  • Each SPAD is a semiconductor element that detects incoming light (photons), converts carriers generated by the detection into electrical signals using avalanche multiplication, and outputs them.
  • each pixel P in the pixel array unit 13 has a geometric shape having five or more sides (for example, a regular hexagonal shape) or a geometric shape having a closed curve (for example, a circular shape) in a plan view. Or it has an oval shape).
  • the second semiconductor substrate 12 is, for example, a substrate on which various semiconductor integrated circuits 14 are formed.
  • the semiconductor integrated circuit 14 includes, for example, a PLL circuit 14a that generates a clock, a pixel control circuit 14b that controls the operation of each pixel P, a front-end circuit 14c that realizes quenching and recharging of each pixel P, and an operation for distance measurement.
  • SoC system-on-chip
  • CMOS LSI for example.
  • the sensor device 1 has a two-layer laminated structure in which the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 are laminated, but the present invention is not limited to this, and the sensor device 1 has a laminated structure of three or more layers. Is also good.
  • the sensor device 1 may have a configuration in which the pixel array unit 13 and the semiconductor integrated circuit are juxtaposed on a single substrate.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating an example of the arrangement and shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • the diagram on the right is an enlargement of one of the pixels.
  • FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view showing an example of pixels in the distance image sensor device according to the embodiment of the present technology, and specifically, is a schematic diagram of the pixels on the III-III'cut surface shown in FIG. It is a vertical sectional view.
  • the term "pixel” may be used to mean the minimum component that constitutes an image, but in the following, unless otherwise specified, the "pixel” is configured to function as a SPAD. It refers to a semiconductor structure. For example, the entire partition structure (described as a "pixel separation unit” in the present disclosure) configured to optically and electromagnetically separate adjacent SPADs and the wiring structure for exchanging power and signals. Or part of it may be part of a pixel.
  • each pixel P has a geometric shape having five or more sides or a geometric shape consisting of a closed curve.
  • the outer edge shape of the pixel P is defined by the pixel separation unit 1118.
  • the pixel separation unit 1118 includes, for example, an oxide film and / or a metal film.
  • FIG. 2 illustrates the outer edge shape of the pixel P having a regular hexagonal shape.
  • Each pixel P having such a regular hexagonal shape is arranged in an array so as to form a so-called honeycomb structure.
  • the density of the pixels P per unit area can be increased, and therefore efficient light collection becomes possible.
  • the avalanche multiplication region can be expanded.
  • each pixel P is a regular hexagonal shape, but the shape is not limited to this, and may be a polygonal shape such as a regular pentagonal shape or a regular octagonal shape, for example. Alternatively, for example, it may have a circular shape or an elliptical shape. Further, each pixel P may have a portion where an adjacent side (that is, the pixel separation portion 1118, the same applies hereinafter) and the side intersect each other in a rounded corner shape. Alternatively, the plurality of pixels P arranged in an array may be a combination of different geometric shapes (for example, a square shape and a regular octagonal shape).
  • Pixel P is roughly configured to include a first conductive type region 1113 formed in the semiconductor region 1111 and a second conductive type region 1114 joined to the first conductive type region 1113.
  • the "conductive type” refers to either a so-called n-type or p-type according to the type of carrier.
  • the n-type region is an impurity semiconductor in which a semiconductor material such as silicon is doped with a donor impurity such as phosphorus
  • the p-type region is an impurity semiconductor doped with an acceptor impurity such as boron. These may be expressed as n + type, p + type, etc., depending on the concentration of dopant impurities.
  • the first conductive type is a p + type and the second conductive type is an n + type, but the present invention is not limited to this, the first conductive type is an n + type, and the second conductive type is a p + type.
  • the polarity of the pixel P may be inverted, such as a mold.
  • the semiconductor region 1111, the first conductive type region 1113, and the second conductive type region 1114 are each formed into a regular hexagonal shape corresponding to the outer edge shape of the pixel P.
  • the avalanche multiplying region formed between the first conductive type region 1113 and the second conductive type region 1114 with respect to the semiconductor region 1111 is increased as compared with the conventional rectangular shape. It becomes possible to improve the pixel characteristics.
  • the second conductive region 1114 also includes a high concentration conductive region 1114'that enables ohmic contact with the contact electrode.
  • the high-concentration conductive region 1114' is formed by doping, for example, a divalent metal as an impurity.
  • the high concentration conductive region 1114' can also be formed into a regular hexagonal shape to match the shape of the second conductive region.
  • the sensor device 1 is an LSI chip having a two-layer laminated structure in which the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 are joined to each other.
  • the dotted line B shows the joint surface between the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12.
  • the first semiconductor substrate 11 includes a silicon single crystal Si semiconductor layer 111 and a wiring layer 112 laminated on the Si semiconductor layer 111 (upside down in the figure). It is composed including.
  • the Si semiconductor layer 111 corresponds to the pixel array unit 13.
  • the Si semiconductor layer 111 includes a semiconductor region 1111 constituting each pixel P.
  • the semiconductor region 1111 is a region in which various electronic elements such as SPADs and transistors are formed, and is covered with, for example, a silicon oxide film 1112.
  • the surface of the semiconductor region 1111 on which light is incident is flat, but for example, as will be described later, a fine protrusion (concavo-convex) structure may be provided.
  • the protrusion structure is, for example, a so-called moth-eye structure.
  • a first conductive type (p + type) region 1113 in which the impurity concentration is controlled and a second conductive type (n + type) region 1114 bonded to the first conductive type (p + type) region 1114 are formed.
  • the first conductive type region 1113 is located on the surface (opening surface) side on which external light is incident
  • the second conductive type region 1114 is located on the wiring layer 112 side.
  • a p ++ diffusion region 1115 is formed in the vicinity of the wiring layer 112 in the Si semiconductor layer 111 so as to surround the outer periphery of the semiconductor region 1111 (along the inner circumference of the pixel separation portion 1118).
  • the p ++ diffusion region 1115 is electrically connected to the first wiring pattern 1116 formed in the wiring layer 112 located below the pixel separation portion 1118 via the contact electrode.
  • the second conductive type region 1114 is electrically connected to the second wiring pattern 1117 formed in the wiring layer 112 via the contact electrode.
  • the first wiring pattern 1116 is a wiring pattern for an anode power supply
  • the second wiring pattern 1117 is a wiring pattern for a cathode power supply.
  • the avalanche multiplying region A is formed in the junction region between the first conductive type region 1113 and the second conductive type region. It is formed. Further, the second wiring pattern 1117 is formed so as to reflect the light that has passed through the semiconductor region 1111 (SPAD) among the light incident from the outside to the semiconductor region 1111. As a result, the light that has passed through the semiconductor region 1111 can be reused, and the PED is improved.
  • the second wiring pattern 1117 is formed so as to be wider than the avalanche multiplication region A formed by applying a predetermined voltage, for example.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a power supply wiring pattern of pixels in a distance image sensor device according to an embodiment of the present technology. That is, FIG. A shows a cut surface in the wiring layer including the first wiring pattern 1116 and the second wiring pattern 1117.
  • the first wiring pattern 1116 is formed at a position where adjacent pixel separation portions 1118 intersect each other (that is, at 6 locations in this example) in a plan view.
  • the second wiring pattern 1117 has a regular hexagonal shape in accordance with the outer edge shape of the pixel P.
  • the wiring layer 112 may be formed with a shield pattern 1119 that suppresses the electromagnetic coupling between the first wiring pattern 1116 and the second wiring pattern 1117.
  • the shield pattern 1119 is formed in the same layer as, for example, the first wiring pattern 1116 and the second wiring pattern 1117.
  • the shield pattern 1119 may be formed in a shape other than the regular hexagonal shape (for example, a rectangular shape) at the peripheral end portion of the pixel array portion 13.
  • the Si semiconductor layer 111 is formed with a pixel separation portion 1118 that separates each pixel.
  • the pixel separation portion 1118 is formed based on, for example, a trench-like structure formed by an etching process, thereby defining the outer edge shape of the pixel P.
  • the pixel separation unit 1118 includes, for example, a metal film such as tungsten.
  • the pixel separator 1118 may include a Si oxide film in addition to or in place of the metal film.
  • the pixel separation unit 1118 suppresses the light incident on a certain pixel P from leaking to another adjacent pixel P, thereby suppressing the occurrence of crosstalk.
  • the wiring layer 112 is a layer on which various wiring patterns including the above-mentioned first wiring pattern 1116 and second wiring pattern 1117 are formed.
  • the wiring layer 112 may typically be configured such that a plurality of wiring layers are laminated with an interlayer insulating film interposed therebetween.
  • the wiring pattern is formed of, for example, a metal material such as aluminum (Al) or copper (Cu), but is not limited to this.
  • an on-chip lens 113 is provided on the Si semiconductor layer 111, for example, via a flattening film (not shown).
  • the on-chip lens 113 is an optical lens configured to effectively collect or form an image of light incident from the outside on the pixel P (that is, the avalanche multiplication region A).
  • the on-chip lens 113 is formed so that the incident light is coupled to each pixel P, and the outer edge shape of the on-chip lens 113 is formed into a substantially regular hexagonal shape in accordance with this. As a result, the light incident on the corners of the pixel P can be effectively used, so that the light collection efficiency can be improved.
  • each on-chip lens 113 may be configured to be shared by an aggregate (macro pixel) of a plurality of adjacent pixels. That is, one on-chip lens 113 may be provided for each aggregate of a plurality of adjacent pixels P.
  • the Si semiconductor layer 111 may be formed with a pinning layer that suppresses the generation of dark current.
  • the second semiconductor substrate 12 includes a Si semiconductor layer 121 and a wiring layer 122 laminated on the Si semiconductor layer 121.
  • the Si semiconductor layer 121 is formed with, for example, a logic circuit that realizes some of the various components described above.
  • the wiring layer 122 may also be typically composed of a plurality of wiring layers laminated with an interlayer insulating film interposed therebetween.
  • the incident surface of the semiconductor region 1111 is assumed to be substantially flat, but as shown in FIG. 5, a fine protrusion structure may be formed.
  • the protrusion structure is, for example, a so-called moth-eye structure.
  • the protrusion structure may be formed regularly or randomly. Due to such a protrusion structure, the incident light is scattered, and it is expected that the saturated charge amount is improved, whereby the PDE can be improved.
  • the pixel array portion 13 can have a honeycomb structure, thereby increasing the density of the pixel P per unit area. , Efficient light collection will be possible. Further, due to the outer edge shape of the pixel P, the electric field concentration at the angle formed by the adjacent sides can be relaxed, so that the avalanche multiplication region can be expanded. Further, since the shapes of the first conductive type region 1113 and the second conductive type region 1114 are also regular hexagonal shapes according to the outer edge shape of the pixel P, the shape with respect to the semiconductor region 1111 is compared with the conventional rectangular shape pixel. It becomes possible to increase the avalanche multiplication region formed between the first conductive type region 1113 and the second conductive type region 1114.
  • This embodiment is a modification of the above embodiment, and an example in which the semiconductor region 1111 in the regular hexagonal pixel P is formed into a circular shape will be described.
  • FIG. 6 is a plan view for explaining an example of the shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • the pixel P defined by the pixel separation unit 1118 has a regular hexagonal shape as in the above embodiment, while the semiconductor region 1111 has a circular shape.
  • a silicon oxide film is formed between the pixel separation unit 1118 and the semiconductor region 1111. Therefore, the width of the silicon oxide film is wide in the vicinity of the portion (joint-like portion) where the adjacent pixel separation portions 1118 intersect with each other. Since the other structures in the pixel P are the same as those in the above embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the shape of the semiconductor region 1111 may be an elliptical shape instead of the circular shape.
  • the sensor device 1 provided with the pixel array unit 13 composed of the pixels P having the above configuration can also exhibit the same advantages or effects as those of the above embodiment.
  • This embodiment is a modification of the above embodiment, and there is an example in which the first conductive type region 1113 and the second conductive type region 1114 for forming the avalanche multiplying region A in the regular hexagonal pixel P have a circular shape. Be explained.
  • FIG. 7 is a plan view for explaining an example of the shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • the pixel P defined by the pixel separation unit 1118 has a regular hexagonal shape
  • the semiconductor region 1111 in the pixel P also has a regular hexagonal shape along the outer edge shape of the pixel P.
  • each of the first conductive type region 1113 and the second conductive type region 1114 formed in the semiconductor region 1111 has a circular shape. Since the other structures in the pixel P are the same as those in the above embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the shapes of the first conductive type region 1113 and the second conductive type region 1114 may be elliptical.
  • the sensor device 1 provided with the pixel array unit 13 composed of the pixels P having the above configuration can also exhibit the same advantages or effects as those of the above embodiment.
  • This embodiment is a modification of the above embodiment, and there is an example in which each of the semiconductor region 1111, the first conductive type region 1113, and the second conductive type region 1114 in the regular hexagonal pixel P is formed in a circular shape. Be explained.
  • FIG. 8 is a plan view for explaining an example of the shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • the pixel P defined by the pixel separation unit 1118 has a regular hexagonal shape.
  • each of the semiconductor region 1111 in the pixel P, the first conductive type region 1113 and the second conductive type region 1114 formed in the semiconductor region 1111 has a circular shape. Since the other structures in the pixel P are the same as those in the above embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the shapes of the first conductive type region 1113 and the second conductive type region 1114 may be elliptical.
  • the sensor device 1 provided with the pixel array unit 13 including the pixels P having the above configuration can also exhibit the same advantages or effects as those of the above embodiment.
  • This embodiment is a modification of the above embodiment, and an example in which an aggregate of a plurality of adjacent pixels P is configured as one pixel will be described.
  • a pixel composed of such an aggregate of pixels P may be referred to as a "macro pixel”.
  • FIG. 9 is a plan view for explaining an example of the shape and arrangement of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • the macro pixel MP is composed of an aggregate of a plurality of (7 in this example) pixels P having a regular hexagonal shape.
  • the sensor device 1 including such a macro pixel MP may be configured so that, for example, a plurality of pixels P constituting the macro pixel MP share a read circuit or another circuit for reading an electric signal.
  • the pixel separation unit 1118 may be formed so as to define the outer edge shape of each pixel P, but in this example, the pixel separation unit 1118 defines the outer peripheral shape of the macro pixel MP. It is formed.
  • the on-chip lens 113 is configured to be shared by a plurality of adjacent pixels P. That is, the on-chip lens 113 is configured to collect light for each macro pixel MP.
  • the distance from the center of the light (beam spot) focused by the on-chip lens 113 to the pixel P located around the center becomes equal. Therefore, the area of the beam spot can be widened with respect to the light receiving area of the macro pixel MP, and the SN ratio can be improved. This can increase the maximum measurable distance when the sensor device 1 is applied to a range image sensor device, as will be described later.
  • FIG. 10A is a plan view for explaining an example of the shape of the pixel separation portion in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • a stress dispersion portion 1118a is formed at a portion where three adjacent pixel separation portions 1118 intersect with each other.
  • the stress distribution portion 1118a of this example is formed in a substantially circular shape (roundabout shape) in a plan view.
  • the pixel separation unit 1118 has a configuration in which adjacent pixel separation units 1118 are connected to each other via a cylindrical portion.
  • it may have a Deltoid-like shape instead of a substantially circular shape.
  • the stress distribution portion 1118a may have a triangular shape or a Reuleaux triangle shape (not shown). With such a configuration, the stress applied to the pixel separation unit 1118 can be dispersed in the semiconductor manufacturing process of the sensor device 1.
  • FIG. 10C is a plan view for explaining another example of the shape of the pixel separation portion in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technique.
  • the stress dispersion portion 1118a is formed by separating adjacent pixel separation portions 1118 from each other.
  • the pixel separation unit 1118 has a configuration in which adjacent pixel separation units 1118 are not connected to each other. The distance between the ends of the adjacent pixel separation portions 1118 is set to such an extent that light does not leak to the other pixels P. Even with such a configuration, the stress applied to the pixel separation unit 1118 can be dispersed in the semiconductor manufacturing process of the sensor device 1.
  • FIG. 11 is a plan view for explaining a modified example of the pixel separation portion in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • the pixel separation portion 1118 of this example does not have a metal film formed and is made of a silicon oxide film 1112. That is, in the semiconductor manufacturing process, a silicon oxide film is formed on the Si semiconductor layer 111 in a trench-like structure formed by, for example, an etching process. With such a configuration, the effective area of the pixel P can be expanded, and as a result, the PDE can be further improved.
  • This embodiment is a modification of the above embodiment, and an example of the configuration of the pixel array unit 13 in which pixels P having different geometric shapes (for example, a regular octagonal shape pixel and a square shape pixel) are arranged in an array is shown. Be explained.
  • FIG. 12 is a plan view illustrating an example of the arrangement and shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • the pixel array unit 13 of the present embodiment is composed of a combination of a regular octagonal pixel P Octagon and a square pixel P Square .
  • the outer edge shape of each pixel P Octagon and each pixel P Square is also defined by the pixel separation unit 1118. That is, the regular octagonal pixel P Octagon is a pair of opposite sides and a pair of sides orthogonal to the regular octagonal pixel P Octagon, and is adjacent to the other regular octagonal pixel P Octagon , while the remaining pair of facing faces.
  • Pixels P having different geometric shapes have different PDEs because the size of the opening to which light is incident from the outside and the size of the avalanche multiplying region are different. Therefore, the dynamic range can be expanded by operating the pixels P having different geometric shapes in different sensitivity regions.
  • This embodiment is a modification of the above embodiment, and an example in which the outer edge shape of the pixel P is a circular shape will be described.
  • FIG. 13 is a plan view for explaining an example of the shape of pixels in the pixel array portion of the sensor device according to the embodiment of the present technology.
  • the pixel P defined by the pixel separation unit 1118 has a circular shape.
  • the semiconductor region 1111 is also formed in a circular shape in each of the semiconductor region 1111, the first conductive type region 1113, and the second conductive type region 1114.
  • a deltoid-like space is created between the pixels P. Therefore, in the present embodiment, such a deltoid-shaped region between the pixels P is formed as a part of the pixel separation portion 1118.
  • the deltoid-like region of the region pixel separation portion 1118 may be formed of a silicon oxide film, for example, by omitting the formation of a metal film. Since the other structures in the pixel P are the same as those in the above embodiment, the description thereof will be omitted. Further, although not shown, the shape of the semiconductor region 1111 may be an elliptical shape instead of the circular shape.
  • the sensor device 1 provided with the pixel array unit 13 composed of the pixels P having the above configuration can also exhibit the same advantages or effects as those of the above embodiment.
  • the sensor device 1 configured as described above can be applied to a distance image sensor device for directly acquiring a distance image by the TOF method.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an example of a functional configuration of a distance image sensor device according to an embodiment of the present technology.
  • the range image sensor device 1400 emits pulsed light from a light emitting element and receives reflected light from the object OBJ irradiated with the pulsed light by SPAD, based on an electric signal obtained by the object OBJ (object or subject). It is a so-called direct TOF type distance measuring sensor that measures the distance to.
  • the distance image sensor device 1400 includes, for example, components such as a control unit 1410, a driver unit 1420, a light emitting unit 1430, a light receiving unit 1440, and a distance measuring processing unit 1450. Some components may be separate from the LSI chip constituting the sensor device 1.
  • the distance image sensor device 1400 is configured to be able to communicate with a host IC arranged outside via a communication interface unit (communication IF unit) 160.
  • the distance image sensor device 1400 outputs data (distance measuring data) related to the distance calculated by the distance measuring processing unit 1450 to an external host IC via the communication interface unit 1460.
  • the distance image sensor device 1400 may be provided with a temperature sensor for detecting changes in the operating environment, for example, temperature.
  • the control unit 1410 is a component that comprehensively controls the operation of the distance image sensor device 1400.
  • the control unit 1410 includes, for example, a clock generation unit 1412 and a control signal generation unit 1414.
  • the control unit 1410 constitutes, for example, a part of the above-mentioned logic circuit.
  • the clock generation unit 1412 generates a clock that controls the operation of the distance image sensor device 1400.
  • the clock generation unit 1412 may include, for example, a clock oscillator and a PLL circuit.
  • the clock generation unit 1412 outputs the generated clock to, for example, the control signal generation unit 1414 and the distance measuring processing unit 1450.
  • the control signal generation unit 1414 generates and outputs control signals for each of the driver unit 1420 and the light receiving unit 1440. Specifically, the control signal generation unit 1414 outputs a control signal for causing the light emitting unit 1430 to emit light at a predetermined timing, and at the timing of the light emission, for example, a line or a line from the light receiving unit 1440. A control signal for synchronizing the read timing of each column is output to the light receiving unit 1440.
  • the driver unit 1420 is a circuit for driving the light emitting element of the light emitting unit 1430.
  • the driver unit 1420 outputs a predetermined trigger pulse, thereby driving the light emitting element of the light emitting unit 1430.
  • the light emitting unit 1430 includes a light source that emits or emits laser pulsed light (hereinafter referred to as "pulse light") for TOF distance measurement with respect to the target area.
  • the light source may be, for example, an end face emitting semiconductor laser or a surface emitting semiconductor laser.
  • the light source of the light emitting unit 1430 can spatially emit light toward the target area.
  • the light emitting unit 1430 is configured separately from the sensor device 1, but may be integrally configured.
  • the light receiving unit 1440 outputs an electric signal in response to light (observed light) incident from the target area.
  • the light receiving unit 1440 corresponds to the pixel array unit 13 described above.
  • the incident light includes ambient light acting as disturbance light for distance measurement and reflected light from the object OBJ irradiated with the pulsed light emitted by the light emitting unit 1430.
  • a specific pixel group (for example, a pixel group in one line direction corresponding to an image pickup frame) is activated according to a control signal of the control signal generation unit 1414, whereby an electric signal is read out.
  • the electrical signal read from the light receiving unit 1440 is output to the distance measuring processing unit 1450.
  • the pixel group of each line is sequentially activated in one frame time, and one imaging frame for the target area is formed based on the electric signal output from each of the activated pixel groups.
  • Such an imaging frame forms a distance image including distance information (depth information).
  • one SPAD corresponds to one pixel, but as shown in other embodiments, an aggregate of several adjacent SPADs is combined with one (in one imaging frame) 1. It may be configured as one pixel (that is, a macro pixel).
  • the distance measuring processing unit 1450 is a component that calculates the distance to the object OBJ based on the pulsed light emitted by the light emitting unit 1430 and the observed light received by the light receiving unit 1440.
  • the ranging processing unit 1450 is typically configured to include a signal processing processor.
  • the distance measurement processing unit 1450 includes a time-to-digital converter (TDC) unit 1452, a histogram creation unit 1454, and a distance calculation unit 1456.
  • TDC time-to-digital converter
  • the TDC unit 1452 is a component that converts the time from the time when the pulsed light is emitted to the time when the light is received by a specific SPAD (that is, the arrival time of the light) into a digital value.
  • the TDC unit 1452 is composed of, for example, a group of TDC circuits (not shown) provided for each at least one or more SPADs.
  • Each TDC circuit includes, for example, an RS flip-flop and a digital counter.
  • the RS flip flop is set at the same time as the light emitting unit 1430 is driven by the trigger pulse generated according to the control signal of the control signal generation unit 1414, and further, the pulsed light emitted from the light emitting unit 1430 is irradiated.
  • the RS flip flop is reset by the electric signal pulse generated by the SPAD that receives the reflected light from the object OBJ, whereby a signal having a pulse width corresponding to the TOF is generated.
  • the generated signal is counted by a digital counter having a predetermined time resolution and output as a digital code.
  • the histogram creation unit 1454 is a component that creates a histogram based on the total value of sampling values for each sampling time (bin) output by the TDC unit 1452 (that is, the total value of photons read from SPAD).
  • the histogram is held, for example, in a memory (not shown) as a kind of data structure or table. Histograms are created in the number corresponding to the number of pixels based on the pulsed light emitted for each readout line in the imaging frame.
  • the histogram creation unit 1454 outputs the sample value based on the created histogram to the distance calculation unit 1456.
  • the histogram created by the histogram creation unit 1454 and expanded on the memory is referred to by the distance calculation unit 1456.
  • the distance calculation unit 1456 is a component that detects the peak value in the histogram based on the created histogram for each pixel and calculates the distance from the time corresponding to the peak value (that is, the arrival time). That is, if the reflected light when the pulsed light emitted from the light emitting unit 1430 at a predetermined light emitting timing irradiates the object OBJ is received, the time from the light emitting timing to the light receiving timing is the time of the light up to the object OBJ. Since it is a round-trip time, the distance to the object OBJ can be calculated for each pixel by multiplying this by c / 2 (c is the speed of light).
  • the distance calculation unit 1456 sequentially outputs data (distance measurement data) related to the distance calculated for each pixel in each imaging frame to the communication interface unit 1460.
  • the communication interface unit 1460 is an interface circuit for outputting the calculated ranging data to an external host IC.
  • the communication interface unit 1460 is an interface circuit conforming to the MIPI (Mobile Industry Processor Interface) standard, but is not limited to this.
  • MIPI Mobile Industry Processor Interface
  • SPI Serial Peripheral Interface
  • LVDS LVDS
  • SLVS-EC SLVS-EC
  • steps, actions or functions may be performed in parallel or in different order as long as the results are not inconsistent.
  • the steps, actions and functions described are provided merely as examples, and some of the steps, actions and functions may be omitted or combined with each other to the extent that they do not deviate from the gist of the invention. It may be one, or other steps, actions or functions may be added.
  • a sensor device including a pixel array unit in which a plurality of pixels capable of generating an electric signal according to light incident from the outside are arranged in an array.
  • Each of the plurality of pixels In the semiconductor area, The first conductive type region formed in the semiconductor region and A second conductive type region formed in the semiconductor region and joined to the first conductive type region, It has a pixel separation portion that defines the outer edge shape of the pixel and is formed between the adjacent pixels.
  • An avalanche multiplying region is formed by applying a predetermined voltage between the first conductive type region and the second conductive type region.
  • the outer edge shape of the pixel is a geometric shape including at least five sides or a circular or elliptical geometric shape in a plan view.
  • the outer edge shape of the second conductive region is a geometric shape including at least five sides or a circular or elliptical geometric shape in the plan view.
  • Sensor device. (2) The sensor device according to (1) above, wherein the pixel separation unit includes a metal film and / or an oxide film formed between the adjacent pixels.
  • the shape of the first conductive region is a geometric shape including at least five sides or a circular or elliptical geometric shape in the plan view.
  • the shape of the semiconductor region is a geometric shape including at least five sides or a circular or elliptical geometric shape in the plan view.
  • the sensor device according to (1) to (3) above. (5)
  • the surface of the semiconductor region to which the light is incident has a moth-eye structure.
  • the sensor device according to (1) to (4) above.
  • the pixel array unit further includes an on-chip lens formed for each pixel.
  • the sensor device according to (1) to (5) above.
  • the on-chip lens is a lens formed so that the light is focused on each of the plurality of pixels.
  • the on-chip lens is a lens formed so that the light is focused on an adjacent pixel group among the plurality of pixels.
  • the sensor device according to (6) above.
  • the outer peripheral shape of the optical lens is formed so as to have the same shape as the geometric shape of the pixel.
  • the sensor device according to (6) above.
  • Each of the plurality of pixels Further provided is a wiring layer in which a plurality of wiring patterns for applying the predetermined voltage are formed between the first conductive type region and the second conductive type region.
  • the first wiring pattern electrically connected to the first conductive type region of the plurality of wiring patterns is such that the light that has passed through the semiconductor region of the incident light is reflected to the semiconductor region. Formed in, The sensor device according to (1) to (9) above. (11)
  • the first wiring pattern is formed to correspond to the geometric shape of the pixel.
  • (12) The second wiring pattern electrically connected to the second conductive type region among the plurality of wiring patterns is formed below the pixel separation portion.
  • the second wiring pattern is formed immediately below the corner portion where the pixel separation portions intersect when the shape of the pixels is a geometric shape including at least five or more sides.
  • the wiring layer includes a shield pattern formed between the first wiring pattern and the second wiring pattern.
  • the outer edge shape of the pixel is a regular hexagonal shape.
  • the plurality of pixels are composed of a combination of pixels having different geometric shapes.
  • the outer edge shape of the first pixel among the plurality of pixels is a regular octagonal shape, and the outer edge shape of the second pixel is a rectangular shape.
  • the pixel includes a stress distribution portion formed at a portion where the pixel separation portions intersect with each other.
  • (19) A light emitting part that emits light to the target area, A light receiving unit in which a plurality of pixels that receive observation light in the target area and output an electric signal are arranged in an array. Up to the object based on the value of the electrical signal based on the charge accumulated according to the reflected light from the object irradiated with the light by the irradiation unit included in the observation light received by the plurality of pixels. It is a distance image sensor device equipped with a distance measuring processing unit that performs distance measuring processing for calculating the distance of the light.
  • An avalanche multiplying region is formed by applying a predetermined voltage between the first conductive type region and the second conductive type region.
  • the outer edge shape of the pixel defined by the pixel separation portion is a geometric shape including at least five or more sides or a circular or elliptical geometric shape in a plan view.
  • the outer edge shape of the second conductive region is a geometric shape including at least five sides or a circular or elliptical geometric shape in the plan view.
  • Distance image sensor device is a geometric shape including at least five sides or a circular or elliptical geometric shape in the plan view.

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Abstract

本発明は、複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部と、前記複数の画素のそれぞれを制御して、生成された前記電気信号を読み出すための回路と、を備えるセンサデバイスである。前記画素は、基板に形成された半導体領域と、前記半導体領域内に形成された第１導電型領域と、前記半導体領域内に形成され、前記第１導電型領域に接合された第２導電型領域と、前記画素の外縁形状を規定し、隣接する前記画素間に形成された画素分離部とを有し、前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に所定の電圧が印加されることによりアバランシェ増倍領域が形成されるように構成される。前記画素の外縁形状は、前記画素の主面に平行な面において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状である。

Description

センサデバイス
　本発明は、センサデバイスに関し、特に、シングルフォトンアバランシェダイオードを用いた距離画像センサデバイスに関する。
　アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photodiode）は、シリコン（Ｓｉ）半導体領域内のｐｎ接合部分に所定の逆電圧を印加することで空乏層に高電界領域（アバランシェ増倍領域）を形成するフォトダイオードである。高電界領域が形成された状態では、光電効果により発生した電子（キャリア）は加速され、衝突電離を連鎖的に繰り返すことでアバランシェ増倍が生じ、これにより、大電流が流れる。
　ＡＰＤをガイガーモードと称されるブレークダウン電圧よりも高い電圧で動作させることで、入射した１つのフォトンが１つの電気パルスとして検出される。ガイガーモードで動作するＡＰＤは、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Single Photon Avalanche Diode）と称される。
　このようなＳＰＡＤは、直接ＴｏＦ（Time of Flight）法により物体（対象物）までの距離を測定する距離画像センサデバイス（「測距センサ」と称されることもある。）の受光素子に適用され得る。すなわち、直接ＴｏＦは、発光素子からパルス光が発射され、パルス光が照射された物体からの反射光を受光素子であるＳＰＡＤで受けてフォトンを検出し、これにより発生したキャリアを、アバランシェ増倍を用いて電気信号パルスに変換し、これをＴＤＣ（Time to Digital Converter）に入力することで反射光の到来時刻を計測し、物体までの距離を算出する技術である。距離画像センサデバイスは、各画素を構成するＳＰＡＤがアレイ状に配置されたＳＰＡＤアレイ（画素アレイ）を備える。例えば、特許文献１は、このようなＳＰＡＤアレイを用いた光検出器を開示する。
　また、一般に、ＳＰＡＤアレイは、平面視で矩形形状の画素が縦横に配置されて構成される。一方で、特許文献２及び３に開示されるように、六角形や八角形といった多角形形状の画素が配置されたＳＰＡＤアレイも提案されている。
国際公開２０１８／０７４５３０ 国際公開２０１８／０２１４１１ 特開２０１１－１５９９７２号公報
　より高解像度の測距ないしは距離画像の取得を実現するため、半導体素子の高密度化・微細化技術により、単位面積当たりの画素数（画素密度）を増加させるアプローチがある。一方で、高密度化・微細化により１画素当たりのサイズが小さくなると、アバランシェ増倍による十分な飽和電荷量を確保することが困難になり、また、アバランシェ確率が低下する。このような飽和電荷量及び／又はアバランシェ確率の低下は、ＳＰＡＤの光子検出効率（ＰＤＥ：Photon Detection Efficiency）が低下するため、これにより、画素特性が劣化するという問題がある。
　また、各画素が矩形形状である場合、逆電圧の印加に際して、該画素の角部で電界集中が生じ、ｐｎ接合部分において十分なアバランシェ増倍領域が形成されないため、ＰＤＥが低下してしまう。特許文献２及び３には、六角形や八角形といった多角形形状の画素が開示されているが、このような十分なアバランシェ増倍領域の形成について、何ら考慮されていなかった。
　そこで、本開示に係る技術（以下「本技術」という。）は、単位面積当たりの画素数を増やしつつ、画素特性の低下を抑制し又は画素特性の向上を図ったセンサデバイス及びこれを用いた距離画像センサデバイスを提供することを目的とする。
　より具体的には、本技術は、各画素において生じ得る電界集中を抑制ないしは緩和して、十分なアバランシェ増倍領域を形成することにより、高いＰＤＥを有するセンサデバイス及びこれを用いた距離画像センサデバイスを提供することを目的とする。
　また、本技術は、画素のシリコン領域に対して十分なアバランシェ増倍領域を形成し得る構造を有するセンサデバイス及びこれを用いた距離画像センサデバイスを提供することを目的とする。
　更に、本技術は、多角形形状の画素を高密度に配置することにより、高効率の集光を可能にし、高いＰＤＥを有するセンサデバイス及びこれを用いた距離画像センサデバイスを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するための本発明は、以下に示す発明特定事項乃至は技術的特徴を含んで構成される。
　ある観点に従う本発明は、外部から入射した光に応じて電気信号を生成可能な複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部と、前記複数の画素のそれぞれを制御して、生成された前記電気信号を読み出すための回路と、を備えるセンサデバイスである。前記複数の画素のそれぞれは、基板に形成された半導体領域と、前記半導体領域内に形成された第１導電型領域と、前記半導体領域内に形成され、前記第１導電型領域に接合された第２導電型領域と、前記画素の外縁形状を規定し、隣接する前記画素間に形成された画素分離部とを有し、前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に所定の電圧が印加されることによりアバランシェ増倍領域が形成されるように構成される。前記画素の外縁形状は、前記画素の主面に平行な面において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である。また、前記第２導電型領域の外縁形状は、前記主面に平行な面において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である。
　また、ある観点に従う本発明は、対象エリアに対して光を発行する発光部と、前記対象エリアにおける観測光を受光し、電気信号を出力する複数の画素がアレイ状に配置された受光部と、前記複数の画素により受光された前記観測光に含まれる前記照射部により前記光が照射された物体からの反射光に応じて蓄積された電荷に基づく前記電気信号の値に基づいて、前記物体までの距離を算出するための測距処理を行う測距処理部とを備える距離画像センサデバイスである。前記複数の画素のそれぞれは、基板に形成された半導体領域と、前記半導体領域内に形成された第１導電型領域と、前記半導体領域内に形成され、前記第１導電型領域に接合された第２導電型領域と、各前記画素の形状を規定し、隣接する前記画素間に形成された画素分離部とを有し、前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に所定の電圧が印加されることによりアバランシェ増倍領域が形成されるように構成される。前記画素分離部により規定される前記画素の外縁形状は、前記画素の主面に平行な面において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である。また、前記第２導電型領域の外縁形状は、前記主面に平行な面において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である。
　なお、本明細書等において、手段とは、単に物理的手段を意味するものではなく、その手段が有する機能をソフトウェアによって実現する場合も含む。また、１つの手段が有する機能が２つ以上の物理的手段により実現されても、２つ以上の手段の機能が１つの物理的手段により実現されても良い。また、「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。
　本発明の他の技術的特徴、目的、及び作用効果乃至は利点は、添付した図面を参照して説明される以下の実施形態により明らかにされる。本明細書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なく、また他の効果があっても良い。
図１は、本技術の一実施形態に係るセンサデバイスの概略的構造の一例を説明するための分解斜視図である。 図２は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の配列及び形状の一例を説明する平面図である。 図３は、本技術の一実施形態における距離画像センサデバイスにおける画素の一例を示す概略縦断面図である。 図４Ａは、本技術の一実施形態における距離画像センサデバイスにおける画素の電源用配線パターンの一例を示す概略横断面図である。 図４Ｂは、本技術の一実施形態における距離画像センサデバイスにおける画素の電源用配線パターンの一例を示す概略横断面図である。 図４Ｃは、本技術の一実施形態における距離画像センサデバイスにおける画素の電源用配線パターンを示す概略横断面図である。 図５は、本技術の一実施形態における距離画像センサデバイスにおける画素の一例を示す概略縦断面図である。 図６は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状の一例を説明するための平面図である。 図７は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状の一例を説明するための平面図である。 図８は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状の一例を説明するための平面図である。 図９は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状及び配列の一例を説明するための平面図である。 図１０Ａは、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素分離部の形状の一例を説明するための平面図である。 図１０Ｂは、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素分離部の形状の一例を説明するための平面図である。 図１０Ｃは、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素分離部の形状の一例を説明するための平面図である。 図１１は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素分離部の変形例を説明するための平面図である。 図１２は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の配列及び形状の一例を説明する平面図である。 図１３は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状の一例を説明するための平面図である。 図１４は、本技術の一実施形態に係る距離画像センサデバイスの機能的構成の一例を示すブロックダイアグラムである。
　以下、図面を参照して本開示に係る技術の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本技術は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（例えば各実施形態を組み合わせる等）して実施することができる。また、以下の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表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。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がある。
［第１の実施形態］
　本開示では、各画素が、平面視で（又は画素の開口面（主面）に平行な面において）、５つ以上の辺を有する幾何学的形状（例えば正六角形形状）又は閉曲線からなる幾何学的形状（例えば円形形状又は楕円形形状）の外縁形状を有するように構成された、ＳＰＡＤアレイ型のセンサデバイス及びこれを用いた距離画像センサデバイスが説明される。とりわけ、本実施形態では、画素の外縁形状が正六角形形状である例が説明される。なお、本開示において、「外縁形状」とは、平面視での物体の外縁の幾何学的形状をいい、文脈上、その意味であることが明らかなときは、「平面視」といった語が省略されることがある。
　図１は、本技術の一実施形態に係るセンサデバイスの概略的構造の一例を説明するための分解斜視図である。同図に示すように、センサデバイス１は、第１半導体基板１１と、第２半導体基板１２とが積層された構造を有するＬＳＩチップである。第１半導体基板１１と第２半導体基板１２とは、例えば銅（Ｃｕ）等からなるコンタクト（図示せず）を介して電気的に接続される。
　第１半導体基板１１は、例えば、画素Ｐを構成する複数の受光素子がアレイ状に配置された画素アレイ部１３が形成された基板である。本開示では、複数の受光素子のそれぞれは、ＳＰＡＤからなる。各ＳＰＡＤは、飛来した光（フォトン）を検出し、これにより発生したキャリアを、アバランシェ増倍を用いて電気信号に変換し、出力する半導体素子である。また、後述するように、画素アレイ部１３における各画素Ｐは、平面視で、５つ以上の辺を有する幾何学的形状（例えば正六角形形状）又は閉曲線からなる幾何学的形状（例えば円形形状又は楕円形形状）を有する。
　第２半導体基板１２は、例えば、各種の半導体集積回路１４が形成された基板である。半導体集積回路１４は、例えば、クロックを生成するＰＬＬ回路１４ａ、各画素Ｐの動作を制御する画素制御回路１４ｂ、各画素Ｐのクエンチ及びリチャージを実現するフロントエンド回路１４ｃ、測距のための演算処理等を行う測距処理回路１４ｄ及びロジック回路１４ｅ、及び外部との接続を可能にするためのインターフェース回路１４ｆ等を。これらの回路は、例えば、ＣＭＯＳ　ＬＳＩのようなシステム・オン・チップ（ＳｏＣ）として一体的に構成され得る。
　なお、本開示では、センサデバイス１は、第１半導体基板１１と第２半導体基板１２とが積層された２層の積層構造であるが、これに限られず、３層以上の積層構造であっても良い。或いは、センサデバイス１は、画素アレイ部１３と半導体集積回路とが単一の基板上に並置された構成であっても良い。
　図２は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の配列及び形状の一例を説明する平面図である。同図中、右側の線図は、画素の１つを拡大したものである。また、図３は、本技術の一実施形態における距離画像センサデバイスにおける画素の一例を示す概略縦断面図であり、具体的には、図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ’切断面での画素の概略縦断面図である。なお、「画素」とは、画像を構成する最小構成要素を指す意味で用いられることもあるが、以下では、特に区別されない限り、「画素」とは、それぞれがＳＰＡＤとして機能するように構成された半導体構造をいうものする。例えば、隣接するＳＰＡＤを光学的・電磁気的に互いに分離するために構成されたパーティション構造（本開示では「画素分離部」として説明される。）や電力・信号をやり取りするための配線構造の全部又は一部は、画素の一部であり得る。
　本開示において、各画素Ｐの外縁形状は、５つ以上の辺を有する幾何学的形状又は閉曲線からなる幾何学的形状を有する。画素Ｐの外縁形状は、画素分離部１１１８によって規定される。画素分離部１１１８は、例えば酸化膜及び／又は金属膜を含み構成される。図２では、正六角形形状を有する画素Ｐの外縁形状が例示されている。このような正六角形形状の各画素Ｐは、いわゆるハニカム構造をなすようにアレイ状に配置される。これにより、単位面積当たりの画素Ｐの密度を高めることができ、したがって、効率的な集光ができるようになる。また、このような形状を有する画素Ｐは、隣接する辺がなす角の部分での電界集中を緩和できるため、アバランシェ増倍領域を拡大することができるようになる。
　なお、本実施形態では、各画素Ｐの外縁形状は、正六角形形状であるものとするが、これに限られず、例えば、正五角形形状や正八角形形状のような多角形形状であっても良いし、或いは、例えば円形形状や楕円形形状であっても良い。また、各画素Ｐは、隣接する辺（すなわち、画素分離部１１１８、以下同じ。）と辺とが交わる部分が角丸形状に形成されたものであっても良い。或いは、アレイ状に配置された複数の画素Ｐは、異なる幾何学的形状（例えば正方形形状と正八角形形状）の組み合わせであっても良い。
　画素Ｐは、概略的には、半導体領域１１１１内に形成された第１導電型領域１１１３とこれに接合された第２導電型領域１１１４とを含み構成される。「導電型」とは、キャリアの種別に従ったいわゆるｎ型又はｐ型のいずれかをいう。ｎ型領域は、例えばシリコン等の半導体材料に、リン等のドナー不純物がドーピングされた不純物半導体であり、また、ｐ型領域は、例えばホウ素等のアクセプター不純物がドーピングされた不純物半導体である。これらは、ドーパント不純物の濃度に応じて、ｎ＋型又はｐ＋型等と表記されることがある。本実施形態では、第１導電型はｐ＋型であり、第２導電型はｎ＋型であるものとするが、これに限られず、第１導電型がｎ＋型であり、第２導電型がｐ＋型というように、画素Ｐの極性を反転させても良い。
　本実施形態では、半導体領域１１１１、第１導電型領域１１１３、及び第２導電型領域１１１４は、画素Ｐの外縁形状に対応して、それぞれ、正六角形形状に形成されている。このような正六角形形状の採用により、従前の矩形形状に比較して、半導体領域１１１１に対する第１導電型領域１１１３と第２導電型領域１１１４との間に形成されるアバランシェ増倍領域を増大させることができ、画素特性を向上させることができるようになる。また、第２導電型領域１１１４は、コンタクト電極とのオーミック接続を可能にする高濃度導電型領域１１１４’を含む。高濃度導電型領域１１１４’は例えば２価の金属が不純物としてドーピングされて形成される。高濃度導電型領域１１１４’もまた第２導電型領域の形状に合わせて正六角形形状に形成され得る。
　上述したように、センサデバイス１は、第１半導体基板１１と第２半導体基板１２とが互いに接合された２層の積層構造を有するＬＳＩチップである。図３中、点線Ｂは、第１半導体基板１１と第２半導体基板１２との接合面を示している。
　図３に示されるように、第１半導体基板１１は、シリコン単結晶のＳｉ半導体層１１１と、Ｓｉ半導体層１１１上に積層された（図では上下逆さまで示されている。）配線層１１２とを含み構成されている。Ｓｉ半導体層１１１は、画素アレイ部１３に対応する。
　Ｓｉ半導体層１１１は、各画素Ｐを構成する半導体領域１１１１を含む。半導体領域１１１１は、ＳＰＡＤ及びトランジスタ等の各種の電子素子が形成された領域であり、例えばシリコン酸化膜１１１２に覆われている。半導体領域１１１１の光が入射する面は、平坦であるが、例えば、後述するように、微細な突起（凹凸）構造が設けられても良い。突起構造は、例えばいわゆるモスアイ構造である。
　半導体領域１１１１内には、不純物濃度が制御された第１導電型（本例ではｐ＋型）領域１１１３とこれに接合した第２導電型（本例ではｎ＋型）領域１１１４が形成されている。本例では、第１導電型領域１１１３は、外部の光が入射する面（開口面）側に位置し、第２導電型領域１１１４は配線層１１２側に位置している。
　Ｓｉ半導体層１１１における配線層１１２の近傍には半導体領域１１１１の外周を囲むように（画素分離部１１１８の内周に沿うように）ｐ＋＋拡散領域１１１５が形成されている。ｐ＋＋拡散領域１１１５は、コンタクト電極を介して、画素分離部１１１８の下方に位置する配線層１１２に形成された第１配線パターン１１１６に電気的に接続されている。一方、第２導電型領域１１１４は、コンタクト電極を介して、配線層１１２に形成された第２配線パターン１１１７に電気的に接続されている。本例では、第１配線パターン１１１６は、アノード電源用配線パターンであり、第２配線パターン１１１７は、カソード電源用配線パターンである。したがって、第１導電型領域１１１３と第２導電型領域との間に所定の電圧を印加することにより、第１導電型領域１１１３と第２導電型領域との接合領域にアバランシェ増倍領域Ａが形成される。また、第２配線パターン１１１７は、外部から入射した光のうち半導体領域１１１１（ＳＰＡＤ）を通過した光を該半導体領域１１１１へ反射するように形成される。これにより、半導体領域１１１１を通過した光を再利用することができ、ＰＥＤが向上する。第２配線パターン１１１７は、例えば、所定の電圧の印加により形成されるアバランシェ増倍領域Ａよりも広くなるように形成される。
　図４Ａは、本技術の一実施形態における距離画像センサデバイスにおける画素の電源用配線パターンを示す概略横断面図である。すなわち、同図Ａは、第１配線パターン１１１６及び第２配線パターン１１１７を含む配線層での切断面を示している。
　同図Ａに示すように、第１配線パターン１１１６は、平面視で、隣接する画素分離部１１１８どうしが交わる位置（すなわち、本例では６箇所）に形成されている。一方、第２配線パターン１１１７は、画素Ｐの外縁形状に合わせて、正六角形形状を有している。
　なお、図４Ｂに示すように、配線層１１２には、第１配線パターン１１１６と第２配線パターン１１１７との間の電磁気的結合を抑制するシールドパターン１１１９が形成されても良い。シールドパターン１１１９は、例えば、第１配線パターン１１１６及び第２配線パターン１１１７と同一の層に形成される。また、例えば、図４Ｃに示すように、画素アレイ部１３の周縁端部では、シールドパターン１１１９は、正六角形形状以外（例えば矩形形状）に形成されても良い。
　図３に戻り、Ｓｉ半導体層１１１には、各画素どうしを分離する画素分離部１１１８が形成されている。画素分離部１１１８は、例えばエッチング処理により形成されたトレンチ状の構造を基に形成され、これにより、画素Ｐの外縁形状を規定している。画素分離部１１１８は、例えばタングステン等の金属膜を含み構成される。画素分離部１１１８は、金属膜に加えて又はこれに代えて、Ｓｉ酸化膜を含み得る。画素分離部１１１８は、ある画素Ｐに入射した光が隣接する他の画素Ｐに漏れ出ることを抑制し、これにより、クロストークの発生を抑制する。
　配線層１１２は、上述した第１配線パターン１１１６や第２配線パターン１１１７を含む各種の配線パターンが形成された層である。配線層１１２は、典型的には、複数の配線層が層間絶縁膜を挟み積層されて構成され得る。配線パターンは、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属材料によって形成されるが、これに限られない。
　また、Ｓｉ半導体層１１１上には、例えば平坦化膜（図示せず）を介して、オンチップレンズ１１３が設けられている。オンチップレンズ１１３は、外部から入射する光を画素Ｐ（すなわち、アバランシェ増倍領域Ａ）に有効に集光ないしは結像するように構成された光学レンズである。本実施形態では、オンチップレンズ１１３は、入射した光が画素Ｐごとに結合するように形成され、これに合わせて、オンチップレンズ１１３の外縁形状は、略正六角形形状に形成されている。これにより、画素Ｐの角部へ入射する光を有効に利用することができので、集光効率を向上させることができる。なお、他の実施形態で示されるように、各オンチップレンズ１１３は、隣接する複数の画素の集合体（マクロ画素）により共用されるように構成されても良い。すなわち、隣接する複数の画素Ｐの集合体ごとに１つのオンチップレンズ１１３が設けられても良い。
　なお、図示していないが、Ｓｉ半導体層１１１には、暗電流の発生を抑制するピニング層が形成されても良い。
　第２半導体基板１２は、Ｓｉ半導体層１２１と、該Ｓｉ半導体層１２１上に積層された配線層１２２を含み構成される。Ｓｉ半導体層１２１は、例えば、上述した各種のコンポーネントのいくつかを実現するロジック回路が形成されている。配線層１２２もまた、典型的には、複数の配線層が層間絶縁膜を挟み積層されて構成され得る。
　上記の例では、半導体領域１１１１の入射面は、略平坦であるものとしたが、図５に示すように、微細な突起構造が形成されても良い。突起構造は、例えばいわゆるモスアイ構造である。突起構造は、規則正しく形成されても良いし、ランダムに形成されても良い。このような突起構造により、入射した光は散乱し、飽和電荷量の改善が期待され、これにより、ＰＤＥを向上させることができる。
　以上のとおり、本実施形態によれば、画素Ｐの外縁形状が正六角形形状であるため、画素アレイ部１３はハニカム構造を有することができ、これにより、単位面積当たりの画素Ｐの密度を高め、効率的な集光ができるようになる。また、このような画素Ｐの外縁形状により、隣接する辺がなす角の部分での電界集中を緩和できるため、アバランシェ増倍領域を拡大することができるようになる。更に、画素Ｐの外縁形状に合わせて、第１導電型領域１１１３及び第２導電型領域１１１４の形状もまた正六角形形状であるため、従前の矩形形状の画素に比較して、半導体領域１１１１に対する第１導電型領域１１１３と第２導電型領域１１１４との間に形成されるアバランシェ増倍領域を増大させることができるようになる。
［第２の実施形態］
　本実施形態は、上記実施形態の変形であり、正六角形形状の画素Ｐにおける半導体領域１１１１が円形形状に形成される例が説明される。
　図６は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状の一例を説明するための平面図である。同図に示すように、画素分離部１１１８により規定される画素Ｐは、上記実施形態に示されたものと同様に、正六角形形状を有する一方、半導体領域１１１１は、円形形状を有する。画素分離部１１１８と半導体領域１１１１との間には、例えば、シリコン酸化膜が形成される。したがって、隣接する画素分離部１１１８どうしが交わる部分（継手様部分）の近傍では、シリコン酸化膜の幅が広くなっている。なお、画素Ｐ内のその他の構造は、上記実施形態と同様であるため、その説明を省略する。また、図示されていないが、半導体領域１１１１の形状は、円形形状に代え、楕円形状であっても良い。
　以上のような構成の画素Ｐからなる画素アレイ部１３を備えたセンサデバイス１もまた、上記実施形態と同様の利点ないしは効果を奏し得る。
［第３の実施形態］
　本実施形態は、上記実施形態の変形であり、正六角形形状の画素Ｐにおけるアバランシェ増倍領域Ａを形成するための第１導電型領域１１１３及び第２導電型領域１１１４が円形形状である例が説明される。
　図７は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状の一例を説明するための平面図である。同図に示すように、画素分離部１１１８により規定される画素Ｐは、正六角形形状を有し、画素Ｐにおける半導体領域１１１１もまた、画素Ｐの外縁形状に沿って、正六角形形状を有する。一方、半導体領域１１１１内に形成された第１導電型領域１１１３及び第２導電型領域１１１４のそれぞれは、円形形状を有する。なお、画素Ｐ内のその他の構造は、上記実施形態と同様であるため、その説明を省略する。また、図示されていないが、第１導電型領域１１１３及び第２導電型領域１１１４の形状は、楕円形状であっても良い。
　以上のような構成の画素Ｐからなる画素アレイ部１３を備えたセンサデバイス１もまた、上記実施形態と同様の利点ないしは効果を奏し得る。
［第４の実施形態］
　本実施形態は、上記実施形態の変形であり、正六角形形状の画素Ｐにおける半導体領域１１１１、第１導電型領域１１１３、及び第２導電型領域１１１４のそれぞれが、円形形状に形成される例が説明される。
　図８は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状の一例を説明するための平面図である。同図に示すように、画素分離部１１１８により規定される画素Ｐは、正六角形形状を有する。一方、画素Ｐにおける半導体領域１１１１、半導体領域１１１１内に形成された第１導電型領域１１１３及び第２導電型領域１１１４のそれぞれは、円形形状を有する。なお、画素Ｐ内のその他の構造は、上記実施形態と同様であるため、その説明を省略する。なお、代替例として、図示されていないが、第１導電型領域１１１３及び第２導電型領域１１１４の形状は、楕円形状であっても良い。
　以上のような構成の画素Ｐからなる画素アレイ部１３を備えたセンサデバイス１もまた、上記実施形態と同様の利点ないしは効果を奏し得る。
［第５の実施形態］
　本実施形態は、上記実施形態の変形であり、隣接する複数の画素Ｐの集合体を１つの画素として構成される例が説明される。このような画素Ｐの集合体からなる画素は、「マクロ画素」と称されることがある。
　図９は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状及び配列の一例を説明するための平面図である。同図に示すように、マクロ画素ＭＰは、正六角形形状を有する複数（本例では７個）の画素Ｐの集合体から構成される。このようなマクロ画素ＭＰからなるセンサデバイス１は、例えば、マクロ画素ＭＰを構成する複数の画素Ｐが電気信号を読み出すための読み出し回路や他の回路を共有するように構成され得る。
　画素分離部１１１８は、上述したように、各画素Ｐの外縁形状を規定するように形成されても良いが、本例では、画素分離部１１１８は、マクロ画素ＭＰの外周形状を規定するように形成されている。
　オンチップレンズ１１３は、隣接する複数の画素Ｐにより共用されるように構成される。つまり、オンチップレンズ１１３は、１つのマクロ画素ＭＰごとに光を集光するように構成される。これにより、正六角形形状の画素Ｐの場合、オンチップレンズ１１３により集光される光（ビームスポット）の中心からその周囲に位置する画素Ｐまでの距離が等しくなる。したがって、マクロ画素ＭＰの受光面積に対するビームスポットの面積を広くとることができ、ＳＮ比を改善することができる。これは、後述するように、センサデバイス１が距離画像センサデバイスに適用される場合、測定可能な最大距離を大きくすることができる。
［第６の実施形態］
　本実施形態は、上記実施形態の変形であり、隣接する画素分離部１１１８どうしが交わる部分の構成のいくつかの例が説明される。
　図１０Ａは、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素分離部の形状の一例を説明するための平面図である。同図に示すように、隣接する３つの画素分離部１１１８どうしが交わる部分には、応力分散部１１１８ａが形成される。本例の応力分散部１１１８ａは、平面視で、略円形形状（ラウンドアバウト形状）に形成されている。言い換えれば、画素分離部１１１８は、隣接する画素分離部１１１８どうしが円柱形状部分を介して接続された構成となっている。或いは、図１０Ｂに示すように、略円形形状でなく、デルトイド様の形状であっても良い。或いは、応力分散部１１１８ａは、三角形形状やルーローの三角形の形状であっても良い（図示せず）。このような構成により、センサデバイス１の半導体製造プロセスにおいて、画素分離部１１１８に加わる応力を分散させることができる。
　また、図１０Ｃは、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素分離部の形状の他の例を説明するための平面図である。同図に示すように、応力分散部１１１８ａは、隣接する画素分離部１１１８どうしが分断されることで形成されている。言い換えれば、画素分離部１１１８は、隣接する画素分離部１１１８どうしが接続されていない構成となっている。なお、隣接する画素分離部１１１８の端部の距離は、他の画素Ｐへの光の漏れが発生しない程度に設定される。このような構成によっても、センサデバイス１の半導体製造プロセスにおいて、画素分離部１１１８に加わる応力を分散させることができる。
　更に、図１１は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素分離部の変形例を説明するための平面図である。同図に示すように、本例の画素分離部１１１８は、金属膜が形成されておらず、シリコン酸化膜１１１２からなっている。つまり、半導体製造プロセスにおいて、Ｓｉ半導体層１１１に例えばエッチング処理により形成されたトレンチ状の構造にシリコン酸化膜が形成される。このような構成により、画素Ｐの有効領域を広げることができ、その結果、ＰＤＥを更に改善させることができる。
［第７の実施形態］
　本実施形態は、上記実施形態の変形であり、幾何学的形状の異なる画素Ｐ（例えば正八角形形状の画素と正方形形状の画素）がアレイ状に配置された画素アレイ部１３の構成の一例が説明される。
　図１２は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の配列及び形状の一例を説明する平面図である。同図に示すように、本実施形態の画素アレイ部１３は、正八角形形状の画素ＰＯｃｔａｇｏｎと正方形形状の画素ＰＳｑｕａｒｅとの組み合わせから構成される。このような各画素ＰＯｃｔａｇｏｎ及び各画素ＰＳｑｕａｒｅの外縁形状もまた、画素分離部１１１８によって規定される。すなわち、正八角形形状の画素ＰＯｃｔａｇｏｎは、その向かい合う一対の辺とこれに直交する関係にある一対の辺で、他の正八角形形状の画素ＰＯｃｔａｇｏｎと隣接している一方、残りの向かい合う一対の辺とこれに直交する関係にある一対の辺で、正方形形状の画素ＰＳｑｕａｒｅと隣接している。
　異なる幾何学的形状を有する画素Ｐでは、外部から光が入射する開口部の大きさ及びアバランシェ増倍領域の大きさが異なることから、ＰＤＥも異なる。したがって、異なる幾何学的形状を有する画素Ｐが異なる感度領域で動作させることでダイナミックレンジの拡大を図ることができるようになる。
［第８の実施形態］
　本実施形態は、上記実施形態の変形であり、画素Ｐの外縁形状が円形形状である例が説明される。
　図１３は、本技術の一実施形態におけるセンサデバイスの画素アレイ部における画素の形状の一例を説明するための平面図である。同図に示すように、画素分離部１１１８により規定される画素Ｐは、円形形状を有する。また、これに合わせて、半導体領域１１１１は、半導体領域１１１１、第１導電型領域１１１３、及び第２導電型領域１１１４のそれぞれもまた、円形形状に形成されている。
　このような円形形状の画素Ｐがアレイ状に配置された場合、画素Ｐ間にデルトイド状の空間が生じてしまう。そこで、本実施形態では、そのような画素Ｐ間のデルトイド状の領域は画素分離部１１１８の一部として形成されている。なお、領域画素分離部１１１８のデルトイド状領域は、例えば金属膜で形成を省略し、シリコン酸化膜で形成されても良い。画素Ｐ内のその他の構造は、上記実施形態と同様であるため、その説明を省略する。また、図示されていないが、半導体領域１１１１の形状は、円形形状に代え、楕円形状であっても良い。
　以上のような構成の画素Ｐからなる画素アレイ部１３を備えたセンサデバイス１もまた、上記実施形態と同様の利点ないしは効果を奏し得る。
［第９の実施形態］
　以上のように構成されるセンサデバイス１は、直接ＴＯＦ法により距離画像を取得するための距離画像センサデバイスに適用され得る。
　図１４は、本技術の一実施形態に係る距離画像センサデバイスの機能的構成の一例を示すブロックダイアグラムである。距離画像センサデバイス１４００は、発光素子からパルス光を発射し、パルス光が照射された物体ＯＢＪからの反射光をＳＰＡＤで受けることにより得られる電気信号に基づいて、物体ＯＢＪ（対象物ないしは被写体）までの距離を測定するいわゆる直接ＴＯＦ型測距センサである。
　同図に示すように、距離画像センサデバイス１４００は、例えば、制御部１４１０と、ドライバ部１４２０と、発光部１４３０と、受光部１４４０と、測距処理部１４５０といったコンポーネントを含み構成される。幾つかのコンポーネントは、センサデバイス１を構成するＬＳＩチップとは別体であっても良い。距離画像センサデバイス１４００は、通信インターフェース部（通信ＩＦ部）１６０を介して、外部に配置されたホストＩＣとの通信可能に構成される。例えば、距離画像センサデバイス１４００は、通信インターフェース部１４６０を介して、測距処理部１４５０により算出された距離に係るデータ（測距データ）を外部のホストＩＣに出力する。また、図示されていないが、距離画像センサデバイス１４００は、動作環境、例えば温度等の変化を検出するための温度センサが設けられても良い。
　制御部１４１０は、距離画像センサデバイス１４００の動作を統括的に制御するコンポーネントである。制御部１４１０は、例えば、クロック生成部１４１２と、制御信号生成部１４１４とを含み構成される。制御部１４１０は、例えば、上述したロジック回路の一部を構成する。
　クロック生成部１４１２は、距離画像センサデバイス１４００の動作を司るクロックを生成する。クロック生成部１４１２は、図示されていないが、例えばクロック発振器とＰＬＬ回路とを含み構成され得る。クロック生成部１４１２は、生成したクロックを例えば制御信号生成部１４１４と測距処理部１４５０とに出力する。
　制御信号生成部１４１４は、ドライバ部１４２０及び受光部１４４０のそれぞれに対する制御信号を生成し、出力する。具体的には、制御信号生成部１４１４は、所定のタイミングで、発光部１４３０を発光させるための制御信号をドライバ部１４２０に出力するとともに、該発光のタイミングで、受光部１４４０からの例えば行又は列ごとの読み出しのタイミングを同期させるための制御信号を受光部１４４０に出力する。
　ドライバ部１４２０は、発光部１４３０の発光素子を駆動するための回路である。例えば、ドライバ部１４２０は、所定のトリガパルスを出力し、これにより、発光部１４３０の発光素子を駆動する。
　発光部１４３０は、対象エリアに対して、ＴＯＦ測距のためのレーザパルス光（以下「パルス光」という。）を発光ないしは出射する光源を含み構成される。光源は、例えば、端面発光型半導体レーザであっても良いし、面発光型半導体レーザであっても良い。典型的には、発光部１４３０の光源は、対象エリアに向けて光を空間的に発光し得る。本例では、発光部１４３０は、センサデバイス１とは別体に構成されているが、一体的に構成されても良い。
　受光部１４４０は、対象エリアから入射する光（観測光）に反応して、電気信号を出力する。受光部１４４０は、上述した画素アレイ部１３に対応する。入射光は、測距に対して外乱光として作用する環境光及び発光部１４３０により出射されたパルス光が照射された物体ＯＢＪからの反射光を含む。特定の画素群（例えば撮像フレームに対応する１ライン方向の画素群）は、制御信号生成部１４１４の制御信号に従って有効化され、これによって、電気信号が読み出される。受光部１４４０から読み出された電気信号は、測距処理部１４５０に出力される。したがって、１フレーム時間において順次に各ラインの画素群が有効化され、有効化された画素群のそれぞれから出力される電気信号に基づいて、対象エリアに対する１撮像フレームが形成される。このような撮像フレームは、距離情報（深さ情報）を含む距離画像を形成する。なお、本実施形態では、１つのＳＰＡＤは１つの画素に対応するものとするが、他の実施形態で示されるように、隣接する幾つかのＳＰＡＤの集合体を、（１撮像フレームにおける）１つの画素（すなわち、マクロピクセル）として構成しても良い。
　測距処理部１４５０は、発光部１４３０により出射したパルス光と受光部１４４０により受光した観測光とに基づいて、物体ＯＢＪまでの距離を算出するコンポーネントである。測距処理部１４５０は、典型的には、信号処理プロセッサを含み構成される。本開示では、測距処理部１４５０は、時間－デジタルコンバータ（Time-to-Digital Converter：ＴＤＣ）部１４５２と、ヒストグラム作成部１４５４と、距離演算部１４５６とを含み構成されている。
　ＴＤＣ部１４５２は、パルス光が出射された時刻から特定のＳＰＡＤにより光を受光した時刻までの時間（すなわち、光の到来時間）をデジタル値に変換するコンポーネントである。ＴＤＣ部１４５２は、例えば、少なくとも１つ又はそれ以上のＳＰＡＤごとに設けられたＴＤＣ回路（図示せず）群から構成される。各ＴＤＣ回路は、例えば、ＲＳフリップフロップと、デジタルカウンタとを含み構成される。概略的には、制御信号生成部１４１４の制御信号に従って生成されたトリガパルスにより、発光部１４３０は駆動されると同時にＲＳフリップフロップはセットされ、更に、発光部１４３０から出射されたパルス光が照射した物体ＯＢＪからの反射光を受光したＳＰＡＤにより生成された電気信号パルスによりＲＳフリップフロップはリセットされ、これにより、ＴＯＦに応じたパルス幅を持った信号が生成される。生成された信号は、所定の時間分解能を有するデジタルカウンタによりカウントされて、デジタルコードとして出力される。
　ヒストグラム作成部１４５４は、ＴＤＣ部１４５２により出力される、サンプリング時間（ビン）ごとのサンプリング値の合計値（すなわち、ＳＰＡＤから読み出されるフォトンの合計値）に基づいてヒストグラムを作成するコンポーネントである。ヒストグラムは、例えば、図示しないメモリ上に、ある種のデータ構造ないしはテーブルとして保持される。ヒストグラムは、撮像フレームにおける読み出しラインごとに発光されるパルス光に基づいて、画素の数に対応する数だけ作成される。ヒストグラム作成部１４５４は、作成したヒストグラムに基づくサンプル値を距離演算部１４５６に出力する。或いは、ヒストグラム作成部１４５４により作成されメモリ上に展開されたヒストグラムは、距離演算部１４５６により参照される。
　距離演算部１４５６は、作成された画素ごとのヒストグラムに基づいて、該ヒストグラム中のピーク値を検出し、ピーク値に対応する時間（すなわち、到来時間）から距離を算出するコンポーネントである。すなわち、発光部１４３０の所定の発光タイミングで出射されたパルス光が物体ＯＢＪに照射したときの反射光が受光されたとすれば、該発光タイミングから受光タイミングまでの時間は、物体ＯＢＪまでの光の往復時間であるから、これにｃ／２（ｃは光速）を乗算することにより、画素ごとに物体ＯＢＪまでの距離を算出することができる。したがって、撮像フレームを構成する全ての画素に対して算出された距離により、距離画像を得ることができる。距離演算部１４５６は、各撮像フレームにおける画素ごとに算出した距離に係るデータ（測距データ）を通信インターフェース部１４６０に順次に出力する。
　通信インターフェース部１４６０は、算出された測距データを外部のホストＩＣに出力するためのインターフェース回路である。例えば、通信インターフェース部１４６０は、ＭＩＰＩ（Mobile Industry Processor Interface）規格に準拠したインターフェース回路であるが、これに限られない。例えば、ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）やＬＶＤＳ、ＳＬＶＳ－ＥＣ等が適用されても良いし、これらのインターフェース回路のうちの幾つかを実装していても良い。
　上記各実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができる。
　例えば、本明細書に開示される方法においては、その結果に矛盾が生じない限り、ステップ、動作又は機能を並行して又は異なる順に実施しても良い。説明されたステップ、動作及び機能は、単なる例として提供されており、ステップ、動作及び機能のうちのいくつかは、発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略でき、また、互いに結合させることで一つのものとしてもよく、また、他のステップ、動作又は機能を追加してもよい。
　また、本明細書では、さまざまな実施形態が開示されているが、一の実施形態における特定のフィーチャ（技術的事項）を、適宜改良しながら、他の実施形態に追加し、又は該他の実施形態における特定のフィーチャと置換することができ、そのような形態も本発明の要旨に含まれる。
　また、本技術は、以下のような技術的事項を含み構成されても良い。
（１）
　外部から入射した光に応じて電気信号を生成可能な複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部を備えるセンサデバイスであって、
　前記複数の画素のそれぞれは、
　半導体領域と、
　前記半導体領域内に形成された第１導電型領域と、
　前記半導体領域内に形成され、前記第１導電型領域に接合された第２導電型領域と、
　前記画素の外縁形状を規定し、隣接する前記画素間に形成された画素分離部と、を有し、
　前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に所定の電圧が印加されることによりアバランシェ増倍領域が形成されるように構成され、
　前記画素の外縁形状は、平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状であり、
　前記第２導電型領域の外縁形状は、前記平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である、
センサデバイス。
（２）
　前記画素分離部は、前記隣接する画素間に形成された金属膜及び／又は酸化膜を含む、前記（１）に記載のセンサデバイス。
（３）
　前記第１導電型領域の形状は、前記平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である、
前記（１）又は（２）に記載のセンサデバイス。
（４）
　前記半導体領域の形状は、前記平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である、
前記（１）乃至（３）に記載のセンサデバイス。
（５）
　前記光が入射する前記半導体領域の面は、モスアイ構造を有する、
前記（１）乃至（４）に記載のセンサデバイス。
（６）
　前記画素アレイ部は、画素ごとに形成されたオンチップレンズを更に備える、
前記（１）乃至（５）に記載のセンサデバイス。
（７）
　前記オンチップレンズは、前記光が前記複数の画素のそれぞれに集光するように形成されたレンズである、
前記（６）に記載のセンサデバイス。
（８）
　前記オンチップレンズは、前記光が前記複数の画素のうちの隣接する画素群に集光するように形成されたレンズである、
前記（６）に記載のセンサデバイス。
（９）
　前記光学レンズの外周形状は、前記画素の前記幾何学的形状と同一形状になるように形成される、
前記（６）に記載のセンサデバイス。
（１０）
　前記複数の画素のそれぞれは、
　前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に前記所定の電圧を印加するための複数の配線パターンが形成された配線層を更に備え、
　前記複数の配線パターンのうちの前記第１導電型領域と電気的に接続される第１の配線パターンは、前記入射した光のうちの前記半導体領域を通過した光を該半導体領域へ反射するように形成される、
前記（１）乃至（９）に記載のセンサデバイス。
（１１）
　前記第１の配線パターンは、前記画素の前記幾何学的形状に対応するように形成される、
前記（１０）に記載のセンサデバイス。
（１２）
　前記複数の配線パターンのうちの前記第２導電型領域と電気的に接続される第２の配線パターンは、前記画素分離部の下方に形成される、
前記（１１）に記載のセンサデバイス。
（１３）
　前記第２の配線パターンは、前記画素の形状が少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状である場合に、前記画素分離部が交わる角部の直下に形成される、
前記（１２）に記載のセンサデバイス。
（１４）
　前記配線層は、前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンとの間に形成されたシールドパターンを含む、
前記（１０）乃至（１２）に記載のセンサデバイス。
（１５）
　前記画素の外縁形状は、正六角形状である、
前記（１）乃至（１４）に記載のセンサデバイス。
（１６）
　前記複数の画素は、異なる幾何学的形状を有する画素の組み合わせからなる、
前記（１）に記載のセンサデバイス。
（１７）
　前記複数の画素のうちの第１の画素の外縁形状は、正八角形形状であり、第２の画素の外縁形状は、矩形形状である、
前記（１６）乃至（１６）に記載のセンサデバイス。
（１８）
　前記画素は、前記画素分離部どうしが交わる部分に形成された応力分散部を含む、
前記（１）乃至（１７）に記載のセンサデバイス。
（１９）
　対象エリアに対して光を発行する発光部と、
　前記対象エリアにおける観測光を受光し、電気信号を出力する複数の画素がアレイ状に配置された受光部と、
　前記複数の画素により受光された前記観測光に含まれる前記照射部により前記光が照射された物体からの反射光に応じて蓄積された電荷に基づく前記電気信号の値に基づいて、前記物体までの距離を算出するための測距処理を行う測距処理部と、を備え距離画像センサデバイスであって、
　前記複数の画素のそれぞれは、
　半導体領域と、
　前記半導体領域内に形成された第１導電型領域と、
　前記半導体領域内に形成され、前記第１導電型領域に接合された第２導電型領域と、
　各前記画素の形状を規定し、隣接する前記画素間に形成された画素分離部と、を有し、
　前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に所定の電圧が印加されることによりアバランシェ増倍領域が形成されるように構成され、
　前記画素分離部により規定される前記画素の外縁形状は、平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状であり、
　前記第２導電型領域の外縁形状は、前記平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である、
　距離画像センサデバイス。
１…センサデバイス
１１…第１半導体基板
　１１１…Ｓｉ半導体層
　１１２…配線層
　　１１１１…半導体領域
　　１１１２…シリコン酸化膜
　　１１１３…第１導電型領域
　　１１１４…第２導電型領域
　　１１１５…ｐ＋＋拡散領域
　　１１１６…第１配線パターン
　　１１１７…第２配線パターン
　　１１１８…画素分離部
　　１１１９…シールドパターン
　１１３…オンチップレンズ
１２…第２半導体基板
　１２１…Ｓｉ半導体層
　１２２…配線層
１３…画素アレイ部
１４…半導体集積回路
Ａ…アバランシェ増倍領域

Claims (19)

  1. 　外部から入射した光に応じて電気信号を生成可能な複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイ部を備えるセンサデバイスであって、
    　前記複数の画素のそれぞれは、
    　半導体領域と、
    　前記半導体領域内に形成された第１導電型領域と、
    　前記半導体領域内に形成され、前記第１導電型領域に接合された第２導電型領域と、
    　前記画素の外縁形状を規定し、隣接する前記画素間に形成された画素分離部と、を有し、
    　前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に所定の電圧が印加されることによりアバランシェ増倍領域が形成されるように構成され、
    　前記画素の外縁形状は、平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状であり、
    　前記第２導電型領域の外縁形状は、前記平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である、
    センサデバイス。
  2. 　前記画素分離部は、前記隣接する画素間に形成された金属膜及び／又は酸化膜を含む、請求項１に記載のセンサデバイス。
  3. 　前記第１導電型領域の形状は、前記平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である、
    請求項１に記載のセンサデバイス。
  4. 　前記半導体領域の形状は、前記平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である、
    請求項１に記載のセンサデバイス。
  5. 　前記光が入射する前記半導体領域の面は、モスアイ構造を有する、
    請求項１に記載のセンサデバイス。
  6. 　前記画素アレイ部は、前記画素ごとに形成されたオンチップレンズを更に備える、
    請求項１に記載のセンサデバイス。
  7. 　前記オンチップレンズは、前記光が前記複数の画素のそれぞれに集光するように形成されたレンズである、
    請求項６に記載のセンサデバイス。
  8. 　前記オンチップレンズは、前記光が前記複数の画素のうちの隣接する画素群に集光するように形成されたレンズである、
    請求項６に記載のセンサデバイス。
  9. 　前記オンチップレンズの外周形状は、前記画素の前記幾何学的形状と同一形状になるように形成される、
    請求項６に記載のセンサデバイス。
  10. 　前記複数の画素のそれぞれは、
    　前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に前記所定の電圧を印加するための複数の配線パターンが形成された配線層を更に備え、
    　前記複数の配線パターンのうちの前記第１導電型領域と電気的に接続される第１の配線パターンは、前記入射した光のうちの前記半導体領域を通過した光を該半導体領域へ反射するように形成される、
    請求項１に記載のセンサデバイス。
  11. 　前記第１の配線パターンは、前記画素の前記幾何学的形状に対応するように形成される、
    請求項１０に記載のセンサデバイス。
  12. 　前記複数の配線パターンのうちの前記第２導電型領域と電気的に接続される第２の配線パターンは、前記画素分離部の下方に形成される、
    請求項１１に記載のセンサデバイス。
  13. 　前記第２の配線パターンは、前記画素の形状が少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状である場合に、前記画素分離部が交わる角部の直下に形成される、
    請求項１２に記載のセンサデバイス。
  14. 　前記配線層は、前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンとの間に形成されたシールドパターンを含む、
    請求項１２に記載のセンサデバイス。
  15. 　前記画素の外縁形状は、正六角形状である、
    請求項１に記載のセンサデバイス。
  16. 　前記複数の画素は、異なる幾何学的形状を有する画素の組み合わせからなる、
    請求項１に記載のセンサデバイス。
  17. 　前記複数の画素のうちの第１の画素の外縁形状は、正八角形形状であり、第２の画素の外縁形状は、矩形形状である、
    請求項１６に記載のセンサデバイス。
  18. 　前記画素は、前記画素分離部どうしが交わる部分に形成された応力分散部を含む、
    請求項１に記載のセンサデバイス。
  19. 　対象エリアに対して光を発行する発光部と、
    　前記対象エリアにおける観測光を受光し、電気信号を出力する複数の画素がアレイ状に配置された受光部と、
    　前記複数の画素により受光された前記観測光に含まれる前記照射部により前記光が照射された物体からの反射光に応じて蓄積された電荷に基づく前記電気信号の値に基づいて、前記物体までの距離を算出するための測距処理を行う測距処理部と、を備え距離画像センサデバイスであって、
    　前記複数の画素のそれぞれは、
    　半導体領域と、
    　前記半導体領域内に形成された第１導電型領域と、
    　前記半導体領域内に形成され、前記第１導電型領域に接合された第２導電型領域と、
    　各前記画素の形状を規定し、隣接する前記画素間に形成された画素分離部と、を有し、
    　前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に所定の電圧が印加されることによりアバランシェ増倍領域が形成されるように構成され、
    　前記画素分離部により規定される前記画素の外縁形状は、平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状であり、
    　前記第２導電型領域の外縁形状は、前記平面視において、少なくとも５つ以上の辺を含む幾何学的形状又は円形或いは楕円形の幾何学的形状である、
    　距離画像センサデバイス。
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