WO2022113734A1 - 固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器 - Google Patents

固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器 Download PDF

Info

Publication number
WO2022113734A1
WO2022113734A1 PCT/JP2021/041271 JP2021041271W WO2022113734A1 WO 2022113734 A1 WO2022113734 A1 WO 2022113734A1 JP 2021041271 W JP2021041271 W JP 2021041271W WO 2022113734 A1 WO2022113734 A1 WO 2022113734A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor region
pixel
cathode
electric field
polarity
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/041271
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
文昭 佐野
Original Assignee
ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 filed Critical ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
Priority to US18/253,203 priority Critical patent/US20240014343A1/en
Publication of WO2022113734A1 publication Critical patent/WO2022113734A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—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
    • 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier, 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 or surface barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode
    • H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—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
    • 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier, 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 or surface barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/1461—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements characterised by the photosensitive area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—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
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02027—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for devices working in avalanche mode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—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
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—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
    • H01L31/0248—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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281—Shape of the body
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1464—Back illuminated imager structures

Definitions

  • the present disclosure relates to a solid-state image sensor, an image pickup device, and an electronic device, and more particularly to a solid-state image sensor, an image pickup device, and an electronic device capable of improving light-receiving sensitivity.
  • SPAD Single Photon Avalanche Diode
  • an image sensor using SPAD when one light particle (hereinafter referred to as a photon) is incident on a pixel, electronic elements that output one large electric pulse signal are arranged for each pixel due to the multiplying action of an electronic avalanche. It is an image sensor with a structure, and it is possible to increase the sensitivity of imaging.
  • the image sensor using SPAD realizes highly accurate distance measurement by being applied to ToF sensors and the like.
  • This disclosure has been made in view of such a situation, and in particular, in an image sensor using SPAD, the light receiving sensitivity is improved.
  • the solid-state image sensor, the image sensor, and the electronic device on one aspect of the present disclosure are formed of a semiconductor region of the first polarity connected to the anode and a semiconductor region of the second polarity connected to the cathode.
  • the avalanche type photodiode having an avalanche region is provided, and the semiconductor region of the first polarity is an annular structure having a hole in the center when viewed from the incident direction of the incident light, and the semiconductor region of the second polarity is provided.
  • an avalanche photodiode having an avalanche region formed from a first polar semiconductor region connected to the anode and a second polar semiconductor region connected to the cathode is provided.
  • the semiconductor region of the first polarity has an annular structure in which a hole is provided in the center when viewed from the incident direction of the incident light, and the semiconductor region of the second polarity is in the incident direction of the incident light. On the other hand, it is formed in the subsequent stage at the position of the hole portion of the annular structure.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a laminated structure of a solid-state image pickup device 11 according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the solid-state image sensor 11 includes a light receiving chip 21 and a logic chip 22 laminated on the light receiving chip 21. A signal line for transmitting a signal is provided between these chips.
  • FIG. 2 is a plan view showing a configuration example of the light receiving chip 21 according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the light receiving chip 21 is provided with a light receiving unit 31, and the light receiving unit 31 is provided with a plurality of light receiving circuits 41 in a two-dimensional grid pattern. The details of the light receiving circuit 220 will be described later.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the logic chip 22 according to the first embodiment of the present disclosure.
  • a vertical control unit 51, a logic array unit 54, a horizontal control unit 52, and a signal processing unit 53 are arranged on the logic chip 22.
  • a logic circuit 55 is arranged for each light receiving circuit 41.
  • Each of these logic circuits 55 is connected to the corresponding light receiving circuit 41 via a signal line.
  • the circuit including the light receiving circuit 41 and the logic circuit 55 corresponding to the circuit functions as a pixel circuit that generates a pixel signal of one pixel in the image data.
  • a vertical synchronization signal is input to the vertical control unit 51, and a horizontal synchronization signal is input to the horizontal control unit 52.
  • An exposure control signal is input to the logic array unit 54.
  • a set of pixel circuits (light receiving circuit 41 and logic circuit 55) arranged in a predetermined direction (horizontal direction, etc.) is referred to as a "row", and a set of pixel circuits arranged in a direction perpendicular to the row is referred to as a column. ..
  • the vertical control unit 51 selects rows in order in synchronization with the vertical synchronization signal.
  • the logic circuit 55 counts the number of photons in the exposure period and outputs a signal indicating the counted value as a pixel signal.
  • the horizontal control unit 52 outputs a pixel signal by sequentially selecting columns in synchronization with the horizontal synchronization signal.
  • the signal processing unit 53 executes predetermined signal processing such as filter processing on the image data composed of pixel signals.
  • the signal processing unit 53 outputs the processed image data to a recording unit (not shown).
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of the pixel circuit 71 according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the pixel circuit 71 includes a light receiving circuit 41 and a logic circuit 55.
  • the light receiving circuit 41 includes a resistor 81 and a photodiode 82. Further, the logic circuit 55 includes an inverter 91, a transistor 92, a photon counter 93, and a switch 94.
  • the photodiode 82 photoelectrically converts incident light and outputs a photocurrent.
  • the cathode of the photodiode 82 is connected to a terminal (ground terminal or the like) having a potential lower than the potential of the power supply VE via the resistor 81.
  • a reverse bias is applied to the photodiode 82.
  • the photocurrent flows in the direction from the cathode to the anode of the photodiode 82.
  • the photodiode 82 for example, an avalanche photodiode that amplifies the photocurrent is used. Further, it is particularly desirable to use a SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) among the avalanche diodes. SPAD is a kind of avalanche photodiode, which is sensitive enough to detect one photon.
  • One end of the resistor 81 is connected to the power supply VE, and the other end is connected to the cathode of the photodiode 82. Each time a photocurrent is output, a photocurrent flows through the resistor 81, and the cathode potential of the photodiode 82 drops to a value lower than the potential of the power supply VE.
  • the inverter 91 inverts the cathode potential signal of the photodiode 81 and outputs it as a pulse signal OUT to the photon counter 93.
  • the inverter 91 outputs a low-level pulse signal OUT when the cathode potential is higher than a predetermined value, and outputs a high-level pulse signal OUT when the cathode potential is equal to or lower than the predetermined value.
  • a gate signal GAT from the vertical control unit 51 is applied to the gate of the transistor 92, the source is connected to the back gate and the ground terminal, and the drain is connected to the cathode of the photodiode 82 and the input terminal of the inverter 91.
  • the transistor 92 for example, an N-type MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor is used.
  • the vertical control unit 51 supplies, for example, a low-level gate signal GAT to the selected row.
  • the photon counter 93 counts the number of times a high-level pulse signal OUT is output during the exposure period.
  • the photon counter 93 sets the count value CNT to an initial value (for example, “0”) at the start of exposure, and counts over the exposure period. Then, the photon counter 93 stops counting at the end of exposure, and outputs the counting value CNT to the switch 94.
  • the count value CNT is a value obtained by measuring the illuminance.
  • the switch 94 outputs the signal of the count value CNT to the signal processing unit 53 as a pixel signal OUT according to the control of the horizontal control unit 52.
  • the cathode of the photodiode 82 is connected to the resistance 81
  • the anode of the photodiode 82 is It may be connected to the resistor 81.
  • FIG. 6 shows an example of a basic structure of the pixel structure of the pixel 100.
  • the pixel structure of the pixel 100 shown in FIG. 6 is a unit of one pixel 100 for realizing a pixel circuit 71 that functions as a light receiving element called the above-mentioned avalanche diode (SPAD). It shows the physical structure of.
  • the pixel 100 is composed of an on-chip lens 101, a color filter 102, a photoelectric conversion layer 103, and a substrate 104 from the top of the figure.
  • incident light is incident from the upper part to the lower part in the figure.
  • the on-chip lens 101 is a lens corresponding to the size of the pixel 100, and collects incident light so that the photoelectric conversion layer 103 is at the focal position.
  • the color filter 102 transmits light of a specific wavelength such as RGB among the incident light to the photoelectric conversion layer 103.
  • the photoelectric conversion layer 103 is formed on the substrate 104 and generates electrons according to the amount of incident light transmitted through the on-chip lens 101 and the color filter 102 on a pixel-by-pixel basis.
  • the substrate 104 for example, Si, Ge, GeSi, an organic semiconductor, or the like may be used.
  • a disk-shaped cathode 124 made of N ++ (N ++ type semiconductor region) is formed on the surface of the substrate 104 at the center position of the pixel 100. Further, as shown in the enlarged view at the lower part of FIG. 6, the anode 125 made of P ++ (P ++ type semiconductor region) is formed on the surface of the substrate 104 at the boundary 126 between the pixels 100. The anode 125 may be formed by being embedded in the substrate 104 at the boundary 126.
  • a disk-shaped N + portion 123 composed of N + (N + type semiconductor region) is formed on the cathode 124 in the figure, and a disk-shaped P + composed of P + (P + type semiconductor region) is further formed on the disk-shaped N + portion 123.
  • the portion 122 is formed.
  • the N + portion 123 is formed coaxially with respect to the center position of the pixel 100 in the shape of a disk having a diameter larger than that of the cathode 124.
  • the P + part 122 is formed in a disk shape directly above the N + part 123, coaxial with the cathode 124, having a larger diameter than the cathode 124, and having a smaller diameter than the N + part 123.
  • a P + portion 121 composed of P + (P + type semiconductor region) is formed on the pixel center side of the boundary 126 of each pixel 100 and the portion directly below the on-chip lens 102.
  • the incident light is in contact with the outer edge portion of the disk-shaped P + portion 122 and is convex in the vertical direction from the surface forming the boundary 126 toward the pixel center.
  • An avalanche-type photodiode (SPAD (Single Photon Avalanche Diode)) is formed by a pixel structure including a P + portion 121, an annular portion 121a, a P + portion 122, an N + portion 123, a cathode 124, and an anode 125 constituting the pixel 100. ..
  • a voltage is applied between the anode 125 and the cathode 124, so that an electric field having a predetermined intensity is generated in the annular portion 121a, the P + portion 122, and the N + portion 123 near the center of the pixel 100, thereby causing the avalanche.
  • Region Za is formed.
  • the potential distribution in the vertical direction in the figure at the pixel center indicated by the arrow A in FIG. 6 is formed as shown in FIG. 7, so that the potential decreases toward the cathode 124. It is formed.
  • the electric field strength is distributed so that the electric field strength peaks near the center of the pixel 100 in the direction of arrow B.
  • avalanche breakdown occurs in the range of positions B1 to B2 near the center 0.4 to An electric field of 0.6 MV / cm is formed. That is, in the pixel 100 having the side cross-sectional structure of FIG. 6, an electric field distribution having the highest intensity is formed at the center.
  • FIG. 8 The upper part of FIG. 8 is a graph showing the electric field strength distribution in the horizontal direction in the arrow B direction, and the lower part of FIG. 8 is the electric field strength distribution D1 on a two-dimensional plane when the pixel 100 is viewed from above.
  • the range Z2 corresponding to the positions B1 to B4 in the upper part of FIG. 8 is the electric field strength range of 0.4 to 0.6 MV / cm where the avalanche breakdown occurs. Further, the range Z1 corresponding to the positions B2 to B3 in the upper part of FIG. 8 is a range in which the electric field strength is particularly high.
  • the densities of the P + section 121, the P + section 122, the N + section 123, the cathode 124, and the anode 125, and the potential difference between the cathode 124 and the anode 125 are the values of the pixel 100 in the avalanche region Za, especially in the direction of arrow B.
  • the electric field strength is set to be 0.4 to 0.6 MV / cm, which causes avalanche breakdown.
  • the densities of the P + part 121, the P + part 122, and the N + part 123 are about 1e16 to 5e17 (1 / cm 3 ), and the densities of the cathode 124 and the anode 125 are 1e20 (1 / cm).
  • the applied voltage between the cathode 124 and the anode 125 is about 15 V to 30 V, so that the electric field strength in the avalanche region Za can be 0.4 to 0.6 MV / cm.
  • the potential distribution as shown in FIG. 7 and the electric field strength distribution as shown in FIG. 8 are formed, so that the photoelectric conversion layer 103 is generated.
  • an electron travels toward the cathode 124 by being transferred to the center of the pixel 100 with respect to the incident direction of the incident light and passes through the avalanche region Za formed near the boundary between the P + portion 122 and the N + portion 123. Avalanche breakdown occurs and electron multiplication occurs.
  • the light receiving sensitivity can be increased by multiplying the electrons by the avalanche breakdown.
  • the P + portion 122 is formed to form a potential barrier as shown by the convex potential distribution surrounded by the dotted line in FIG. 7, and electron transfer is performed. Be hindered.
  • the transfer of electrons is hindered, which may cause a decrease in light receiving sensitivity.
  • FIG. 9 is a side sectional view illustrating the pixel structure of the present disclosure.
  • the photoelectric conversion layer 103 of FIG. 9 is composed of a P + unit 141, an N + unit 142, a cathode 143, an anode 144, and a boundary 145.
  • the P + section 141, the N + section 142, the cathode 143, the anode 144, and the boundary 145 have configurations corresponding to the P + section 121, the N + section 122, the cathode 124, the anode 125, and the boundary 126, respectively, in FIG.
  • a disk-shaped cathode 143 made of N ++ (N ++ type semiconductor region) is formed on the surface of the substrate 104 at the center position of the pixel 100. Further, as shown in the enlarged view at the lower part of FIG. 9, an anode 144 made of P ++ (P ++ type semiconductor region) is formed near the surface of the substrate 104 at the boundary 145 between the pixels 100.
  • a disk-shaped N + portion 142 composed of N + (N + type semiconductor region) is formed on the cathode 143 in the figure.
  • the N + portion 142 is formed coaxially with respect to the center position of the pixel 100 in the shape of a disk having a diameter larger than that of the cathode 143.
  • a P + portion 141 composed of P + (P + type semiconductor region) is formed on the pixel center side of the boundary 145 of each pixel 100 and the portion directly below the on-chip lens 102.
  • annular portion 141 which is convex in the vertical direction from the surface forming the boundary 145 toward the pixel center and has an annular (doughnut-shaped) structure when viewed from the incident direction of the incident light. 141a is formed.
  • the configuration corresponding to the N + portion 123 is omitted from the pixel structure of FIG. 6, and the diameter W2 of the N + portion 142 is the hole portion of the annular portion 141a. It is formed smaller than the diameter W1 and has a structure in which the thickness d2 of the N + portion 142 is larger than the thickness of N + 122 in FIG.
  • An avalanche-type photodiode is formed by a pixel structure including a P + portion 141, an annular portion 141a, an N + portion 142, a cathode 143, and an anode 144 constituting the pixel 100.
  • a voltage is applied between the anode 144 and the cathode 143, a fringe electric field is generated by the annular portion 141a and the N + portion 142 near the center of the pixel 100, and the avalanche region Zb is formed.
  • the avalanche breakdown phenomenon that occurs in the avalanche region Zb that occurs when a voltage is applied between the anode 144 and the cathode 143 causes the electrons generated by the photoelectric conversion to be multiplied, resulting in high sensitivity even to weak incident light. Achieves light reception.
  • an electric field strength distribution as shown in FIG. 11 is formed in the direction of arrow B.
  • an electric field strength distribution as shown by the alternate long and short dash line in the upper part of FIG. 11 is formed between the left side portion in the figure of FIG. 9 and the N + portion 142 in the annular portion 141a, and in the figure of FIG. 9 in the annular portion 141a.
  • An electric field strength distribution as shown by the dotted line in the upper part of FIG. 11 is formed between the right side portion and the N + portion 142.
  • the fringe electric field formed between the annular portion 141a and the N + portion 142 forms an annular shape including the electric field strength distribution shown by the alternate long and short dash line in FIG.
  • the electric field strength distribution having two peaks as shown by the solid line is formed in the upper part of FIG.
  • the range Z12 corresponding to the positions B11 to B14 at the upper part of 11 has an electric field strength of 0.4 to 0.6 MV / cm or more at which avalanche breakdown occurs, and a range near the center of the electric field strength distribution D11 corresponding to the vicinity of the center of the pixel 100.
  • the electric field strength is lower than that in the range Z12, but it is set to 0.4 MV / cm or more where avalanche breakdown occurs.
  • the range in the peripheral portion of the pixel 100 is formed as a range in which the electric field strength is stronger than that in the vicinity of the center of the pixel 100, but the range Z11 near the center is also formed. It is 0.4 MV / cm or more and can cause avalanche breakdown.
  • the generation of the potential barrier is suppressed based on the potential distribution as shown in FIG. 10 and the electric field strength distribution as shown in FIG. This makes it possible to improve the light receiving sensitivity of the fine pixels 100.
  • the densities of the P + part 141 and the N + part 142 are about 1e16 to 5e17 (1 / cm 3 ), and the densities of the cathode 143 and the anode 144 are 1e20 (1 / cm 3 ).
  • the electric field strength in the avalanche region Zb can be set to 0.4 to 0.6 MV / cm.
  • the densities of the P + section 141, the N + section 142, the cathode 143, and the anode 144, and the potential difference between the cathode 143 and the anode 144 are merely examples, and the present invention is not limited thereto.
  • Second embodiment >> In the above, an example of omitting the configuration corresponding to the P + unit 122 forming the basic pixel structure of FIG. 6 has been described, but if the avalanche region can be formed, the configuration corresponding to the N + unit 123 in FIG. 6 is omitted. You may try to do it.
  • FIG. 12 shows the pixel structure of the pixel 100 in which the configuration of the N + unit 142 corresponding to the configuration of the N + unit 123 in FIG. 6 in the pixel structure of FIG. 9 is omitted.
  • the pixel structure of FIG. 12 differs from the pixel structure of FIG. 9 in that a cathode 151 is provided in place of the N + portion 142 and the cathode 143.
  • the N + portion 142 is omitted, and the cathode 151 has a thickness d11 larger than that of the cathode 143.
  • the potential distribution in the arrow A direction in the pixel structure of FIG. 12 is made to be monotonically changed with respect to the change in the position in the arrow A direction as shown in FIG.
  • the potential barrier surrounded by the dotted line in FIG. 7 does not occur.
  • the avalanche region Zc is formed by the fringe electric field generated between the annular portion 141a and the disk-shaped cathode 151 in the P + portion 141, and the avalanche breakdown occurs. ..
  • an electric field strength distribution as shown in FIG. 14 is formed in the direction of arrow B.
  • an electric field strength distribution as shown by the alternate long and short dash line in the upper part of FIG. 14 is formed between the left side portion in the figure of FIG. 12 and the cathode 151 in the annular portion 141a, and the right side portion in the figure of FIG. 12 in the annular portion 141a.
  • An electric field strength distribution as shown by the dotted line in the upper part of FIG. 14 is formed between the portion and the cathode 151.
  • the fringe electric field formed between the annular portion 141a and the cathode 151 synthesizes an electric field strength distribution including the electric field strength distribution shown by the alternate long and short dash line in FIG.
  • an electric field strength distribution having two peaks as shown by the solid line is formed in the upper part of FIG.
  • the avalanche breakdown is set to 0.4 to 0.6 MV / cm or more, and in the range Z21 near the center of the electric field strength distribution D21 corresponding to the vicinity of the center of the pixel 100, the electric field strength is higher than that of the range Z22. Although it is low, it is said to be 0.4 MV / cm or more where avalanche breakdown occurs.
  • the range in the peripheral portion of the pixel 100 is formed as a range in which the electric field strength is stronger than that in the vicinity of the center of the pixel 100, but the range Z21 near the center is also 0.4 MV / cm. With the above, the avalanche breakdown can be generated.
  • the generation of the potential barrier is suppressed based on the potential distribution as shown in FIG. 13 and the electric field strength distribution as shown in FIG. This makes it possible to improve the light receiving sensitivity of the fine pixels 100.
  • the density of the P + section 141 is about 1e16 to 5e17 (1 / cm 3 )
  • the density of the cathode 151 and the anode 144 is about 1e20 (1 / cm 3 )
  • the cathode 151 is set to 0.4 to 0.6 MV / cm.
  • the densities of the P + unit 141, the cathode 151, and the anode 144, and the potential difference between the cathode 151 and the anode 144 are merely examples, and the present invention is not limited thereto.
  • FIG. 15 shows the pixel structure of the pixel 100 in which the configuration corresponding to the N + portion 142 of FIG. 9 is formed so as to surround the cathode 151 in the pixel structure of FIG.
  • the pixel structure of FIG. 15 differs from the pixel structure of FIG. 12 in that an N + unit 161 and a cathode 162 are provided in place of the cathode 151.
  • a cathode 162 corresponding to the cathode 151 is provided, and an N + portion 161 having an annular structure is formed around the cathode 162.
  • the diameter W31 of the N + portion 161 is, for example, the same as the diameter W2 of the N + portion 142 in FIG.
  • the avalanche region Zd is formed by the fringe electric field generated between the annular portion 141a and the N + portion 161 of the annular structure in the P + portion 141, and the avalanche breakdown occurs. ..
  • the potential distribution in the arrow A direction in the pixel structure of FIG. 15 is made to be monotonically changed with respect to the change in the position in the arrow A direction as shown in FIG.
  • the potential barrier surrounded by the dotted line in FIG. 7 does not occur.
  • an electric field strength distribution as shown in FIG. 17 is formed in the direction of arrow B.
  • an electric field strength distribution as shown by the alternate long and short dash line in the upper part of FIG. 17 is formed between the left side portion in the figure of FIG. 15 and the N + portion 161 in the annular portion 141a, and in the figure of FIG. 15 in the annular portion 141a.
  • An electric field strength distribution as shown by the dotted line in the upper part of FIG. 17 is formed between the right side portion and the N + portion 161.
  • the fringe electric field formed between the annular portion 141a and the N + portion 161 synthesizes an electric field strength distribution including the electric field strength distribution shown by the alternate long and short dash line in FIG.
  • an electric field strength distribution having two peaks as shown by the solid line is formed in the upper part of FIG.
  • the avalanche breakdown is set to 0.4 to 0.6 MV / cm or more, and in the range Z31 near the center of the electric field strength distribution D31 corresponding to the vicinity of the center of the pixel 100, the electric field strength is higher than that of the range Z32. Although it is low, it is said to be 0.4 MV / cm or more where avalanche breakdown occurs.
  • the range in the peripheral portion of the pixel 100 is formed as a range in which the electric field strength is stronger than that in the vicinity of the center of the pixel 100, but the range Z31 near the center is also 0.4 MV / cm. With the above, the avalanche breakdown can be generated.
  • the generation of the potential barrier is suppressed based on the potential distribution as shown in FIG. 16 and the electric field strength distribution as shown in FIG. This makes it possible to improve the light receiving sensitivity of the fine pixels 100.
  • the densities of the P + part 141 and the N + part 161 are about 1e16 to 5e17 (1 / cm 3 ), and the densities of the anode 144 and the cathode 162 are about 1e20 (1 / cm 3 ).
  • the electric field strength in the avalanche region Zb can be set to 0.4 to 0.6 MV / cm.
  • the densities of the P + part 141, the N + part 161, the cathode 162, and the anode 144, and the potential difference between the cathode 162 and the anode 144 are merely examples, and the present invention is not limited thereto.
  • FIG. 18 adjusts the relationship between the horizontal diameter of the N + portion 142 and the diameter of the hole portion of the annular portion 141a in the pixel structure of FIG. 9 so that the peak of the electric field strength distribution appears only in the central portion of the pixel 100.
  • An example of the pixel structure of the pixel 100 is shown.
  • the pixel structure of FIG. 18 differs from the pixel structure of FIG. 9 in that the N + section 171 and the cathode 172 are provided in place of the N + section 142 and the cathode 143.
  • the diameter W41 of the hole portion in the annular portion 141a and the diameter W42 of the N + portion 171 are adjusted, and the fringe electric field formed by the annular portion 141a and the N + portion 171 is adjusted.
  • the electric field strength distribution (FIG. 20) is adjusted so that the peak appears only in one place near the center position of the pixel 100.
  • the potential distribution in the arrow A direction in the pixel structure of FIG. 18 is such that the potential distribution changes monotonically with respect to the change in the position in the arrow A direction. , The potential barrier surrounded by the dotted line in FIG. 7 does not occur.
  • the avalanche region Ze is formed by the fringe electric field generated between the annular portion 141a and the N + portion 171 in the P + portion 141, and the avalanche breakdown occurs.
  • an electric field strength distribution as shown in FIG. 20 is formed in the direction of arrow B.
  • an electric field strength distribution as shown by the alternate long and short dash line in the upper part of FIG. 18 is formed between the left side portion in the figure of FIG. 18 and the N + portion 171 in the annular portion 141a, and in the figure of FIG. 18 in the annular portion 141a.
  • An electric field strength distribution as shown by the dotted line in the upper part of FIG. 20 is formed between the right side portion and the N + portion 171.
  • the fringe electric field formed between the annular portion 141a and the N + portion 171 synthesizes an electric field strength distribution including the electric field strength distribution shown by the alternate long and short dash line in FIG. 20 and the electric field strength distribution shown by the dotted line.
  • an electric field strength distribution is formed in the upper part of FIG. 20 in which the peak shown by the solid line appears only at the center position of the pixel 100.
  • the avalanche breakdown occurs in the range Z42 corresponding to the positions B41 to B44 at the upper part of FIG.
  • the generated 0.4 to 0.6 MV / cm or more is set, and the electric field strength is particularly high in the range Z41 near the center corresponding to the positions B42 to B43 in the upper part of FIG.
  • avalanche breakdown which is formed as a range having the strongest electric field strength near the center of the pixel 100, can be generated.
  • the generation of the potential barrier is suppressed based on the potential distribution as shown in FIG. 19 and the electric field strength distribution as shown in FIG. 21. This makes it possible to improve the light receiving sensitivity of the fine pixels 100.
  • the densities of the P + part 141 and the N + part 171 are about 1e16 to 5e17 (1 / cm 3 ), and the densities of the anode 144 and the cathode 172 are about 1e20 (1 / cm 3 ).
  • the diameter W41 of the hole of the annular portion 141a is 0.5 to 1.5um
  • the diameter W42 of the N + portion 171 is W41-0.5um to W41-0.1um
  • the applied voltage between the N + portion 171 and the anode 144 is adjusted. By doing so, the electric field strength in the avalanche region Ze can be set to 0.4 to 0.6 MV / cm.
  • the densities of the P + portion 141, the N + portion 171, the cathode 172, and the anode 144, the diameter W41 of the hole portion of the annular portion 141a, the diameter W42 of the N + portion 171 and the potential difference between the cathode 162 and the anode 144 are , Is just an example, and is not limited to this.
  • FIG. 21 shows an example of the pixel structure of the pixel 100 in which the P- portion is formed in the hole portion of the annular portion 141a in the pixel structure of FIG.
  • the pixel structure of FIG. 21 differs from the pixel structure of FIG. 15 in that the N + portion 181 and the cathode 182 are provided in place of the N + portion 161 and the cathode 162, and the hole portion of the annular portion 141a is filled with P-. The point is that the portion 183 is provided.
  • the pixel structure of FIG. 21 is different in that the pixel structure of FIG. 15 is further provided with a P- unit 183 composed of a P- (P-type semiconductor region) in the hole portion of the annular portion 141a.
  • the N + unit 181 and the cathode 182 have the same configuration as the N + unit 161 and the cathode 162.
  • the potential distribution in the arrow A direction in the pixel structure of FIG. 21 becomes the potential distribution of FIG. 16 shown by the alternate long and short dash line with respect to the change in the position in the arrow A direction as shown in FIG.
  • the potential distribution changes more smoothly than the potential distribution in FIG. It is said that.
  • the electric field generated between the P- portion and the N + portion 171 (hereinafter referred to as the electric field).
  • the avalanche region Zf is formed due to the influence of the P-part electric field), and the avalanche breakdown occurs.
  • an electric field strength distribution as shown in FIG. 23 is formed in the direction of arrow B.
  • an electric field strength distribution as shown by the alternate long and short dash line in the upper part of FIG. 23 is formed between the left side portion in the figure of FIG. 21 and the N + portion 181 in the annular portion 141a, and in the figure of FIG. 21 in the annular portion 141a.
  • An electric field strength distribution as shown by the dotted line in the upper part of FIG. 23 is formed between the right side portion and the N + portion 171.
  • the electric field strength distribution as shown by the alternate long and short dash line is formed by the P- unit electric field formed between the P- unit 183 and the N + unit 181.
  • the fringe electric field formed between the annular part 141a and the N + part 181 and the P-part electric field formed between the P-part 183 and the N + part 181 cause the alternate long and short dash line in FIG. 23.
  • the electric field strength distribution formed between the annular portion 141a and the N + portion 181 including the electric field strength distribution shown, the electric field strength distribution shown by the dotted line, and the electric field strength distribution shown by the alternate long and short dash line, and the P-section 183.
  • the avalanche breakdown occurs in the range Z52 corresponding to the positions B51 to B54 at the upper part of FIG. 23. It is said to be 0.4 to 0.6 MV / cm or more, and it is a wide peak in the range Z51.
  • a wide range having the strongest electric field strength is formed near the center of the pixel 100, and avalanche breakdown can be generated.
  • the generation of the potential barrier is suppressed based on the potential distribution as shown in FIG. 22 and the electric field strength distribution as shown in FIG. 23. This makes it possible to improve the light receiving sensitivity of the fine pixels 100.
  • the density of the P + part 141 and the N + part 181 is about 1e16 to 5e17 (1 / cm 3 ), and the density of the P-part 183 is about 1e15 to 1e17 (1 / cm 3 ).
  • the density of the anode 144 and the cathode 182 is about 1e20 (1 / cm 3 ), and the applied voltage between the N + part 181 and the anode 144 is adjusted to increase the electric field strength in the avalanche region Zf to 0.4 to 0.6 MV /. Can be cm.
  • the densities of the P + part 141, the N + part 181 and the P- part 183, the cathode 182, and the anode 144, and the potential difference between the cathode 182 and the anode 144 are merely examples, and the present invention is not limited thereto. ..
  • a P- portion is formed in the hole portion of the annular portion 141a in the pixel structure of FIG. 21, and then an N- portion composed of an N- (N-type semiconductor region) is further formed on the P- portion.
  • An example of the pixel structure of the pixel 100 is shown.
  • the pixel structure of FIG. 24 differs from the pixel structure of FIG. 21 in that the N- unit is provided on the P- unit 183.
  • the pixel structure of FIG. 24 is different in that the N- unit 191 is further provided in the pixel structure of FIG. 21.
  • the potential distribution in the arrow A direction in the pixel structure of FIG. 24 changes more smoothly with respect to the change in the arrow A direction than the potential distribution shown in FIG. 22, as shown in FIG. 25.
  • the potential distribution is such that no potential barrier is generated as surrounded by the dotted line in FIG. 7.
  • the N- unit 191 has, for example, about 5e14 to 5e15 (1 / cm 3 ) and has a low density, so that it does not affect the electric field. Therefore, the electric field strength distribution in the pixel structure of FIG. 24 shown in FIG. 26 is the same as the electric field strength distribution in FIG. 23.
  • FIG. 23 As shown by the electric field intensity distribution D61 when viewed from the upper surface of the pixel 100 (when viewed from the incident direction of the incident light) at the lower part of FIG. 26, FIG.
  • the range Z62 corresponding to the positions B61 to B64 at the upper part of 26 is set to have an electric field strength of 0.4 to 0.6 MV / cm or more at which avalanche breakdown occurs, and is located near the center of the electric field strength distribution D61 corresponding to the vicinity of the center of the pixel 100.
  • the peak is wide.
  • avalanche breakdown which is formed as a range having the strongest electric field strength near the center of the pixel 100, can be generated.
  • the generation of the potential barrier is suppressed based on the potential distribution as shown in FIG. 25 and the electric field strength distribution as shown in FIG. 26. This makes it possible to improve the light receiving sensitivity of the fine pixels 100.
  • the density of the P + part 141 and the N + part 181 is about 1e16 to 5e17 (1 / cm 3 ), and the density of the P-part 183 is about 1e16 to 5e17 (1 / cm 3 ).
  • the density of the N-part 191 is about 5e14 to 5e15 (1 / cm 3 )
  • the density of the anode 144 and the cathode 182 is about 1e20 (1 / cm 3 )
  • the density between the N + part 181 and the anode 144 is set.
  • the electric field strength in the avalanche region Zg can be set to 0.4 to 0.6 MV / cm.
  • the densities of P + part 141, N + part 181, P-part 183, N-part 191 and cathode 182, and the anode 144, and the potential difference between the cathode 182 and the anode 144 are only examples and are limited thereto. It is not something that will be done.
  • FIG. 27 shows an example of the pixel structure of the pixel 100 in which the anode 144 in the pixel structure of FIG. 9 is formed on the side surface of the boundary 145.
  • the pixel structure of FIG. 27 differs from the pixel structure of FIG. 9 in that the anode 144'is provided instead of the anode 144.
  • the pixel structure of FIG. 27 differs in that the anode 144'in the pixel structure of FIG. 9 is provided on the side surface portion of the boundary 145.
  • the potential distribution in the direction of arrow A in the pixel structure of FIG. 27 is the potential surrounded by the dotted line of FIG. 7, similar to the potential distribution shown of FIG. It is a potential distribution that does not generate varieties.
  • one point in FIG. 28 is due to the fringe electric field formed between the annular portion 141a and the N + portion 142.
  • the electric field distribution formed between the annular portion 141a and the N + portion 142 including the electric field distribution indicated by the chain line and the electric field distribution indicated by the dotted line, is synthesized and shown by a solid line in the upper part of FIG. 28. An electric field strength distribution with two peaks is formed.
  • FIG. 29 shows.
  • the range Z72 corresponding to the upper positions B71 to B74 has an electric field strength of 0.4 to 0.6 MV / cm or more at which avalanche breakdown occurs, and in the range Z71 near the center of the electric field strength distribution D71 corresponding to the vicinity of the center of the pixel 100.
  • the electric field strength is lower than the range Z72, it is set to 0.4 MV / cm or more where avalanche breakdown occurs.
  • the range in the peripheral portion of the pixel 100 is formed as a range in which the electric field strength is stronger than that in the vicinity of the center of the pixel 100, but the range Z71 near the center is also 0.4 MV / cm. With the above, the avalanche breakdown can be generated.
  • the generation of the potential barrier is suppressed based on the potential distribution as shown in FIG. 28 and the electric field strength distribution as shown in FIG. 29. This makes it possible to improve the light receiving sensitivity of the fine pixels 100.
  • the densities of the P + part 141 and the N + part 142 are about 1e16 to 5e17 (1 / cm 3 ), and the densities of the cathode 143 and the anode 144'are 1e20 (1 / cm 3 ). ), And by adjusting the applied voltage between the cathode 143 and the anode 144, the electric field strength in the avalanche region Zb can be set to 0.4 to 0.6 MV / cm.
  • the densities of the P + section 141, the N + section 142, the cathode 143, and the anode 144', and the potential difference between the cathode 143 and the anode 144' are merely examples, and the present invention is not limited thereto.
  • the solid-state image sensor described above can be applied to various electronic devices such as an image pickup device such as a digital still camera or a digital video camera, a mobile phone having an image pickup function, or another device having an image pickup function. ..
  • FIG. 30 is a block diagram showing a configuration example of an image pickup device as an electronic device to which the present technology is applied.
  • the image pickup device 1001 shown in FIG. 30 includes an optical system 1002, a shutter device 1003, a solid-state image pickup element 1004, a drive circuit 1005, a signal processing circuit 1006, a monitor 1007, and a memory 1008, and captures still images and moving images. Imaging is possible.
  • the optical system 1002 is configured to have one or a plurality of lenses, and guides light (incident light) from a subject to the solid-state image sensor 1004 to form an image on the light receiving surface of the solid-state image sensor 1004.
  • the shutter device 1003 is arranged between the optical system 1002 and the solid-state image pickup element 1004, and controls the light irradiation period and the light-shielding period to the solid-state image pickup element 1004 according to the control of the drive circuit 1005.
  • the solid-state image sensor 1004 is configured by a package including the above-mentioned solid-state image sensor 11.
  • the solid-state image sensor 1004 accumulates signal charges for a certain period of time according to the light imaged on the light receiving surface via the optical system 1002 and the shutter device 1003.
  • the signal charge stored in the solid-state image sensor 1004 is transferred according to the drive signal (timing signal) supplied from the drive circuit 1005.
  • the drive circuit 1005 outputs a drive signal for controlling the transfer operation of the solid-state image sensor 1004 and the shutter operation of the shutter device 1003 to drive the solid-state image sensor 1004 and the shutter device 203.
  • the signal processing circuit 1006 performs various signal processing on the signal charge output from the solid-state image sensor 1004.
  • the image (image data) obtained by performing signal processing by the signal processing circuit 1006 is supplied to the monitor 1007 and displayed, or supplied to the memory 1008 and stored (recorded).
  • FIG. 31 is a diagram showing a usage example using the above-mentioned solid-state image sensor 11.
  • the above-mentioned solid-state image sensor 11 can be used in various cases for sensing light such as visible light, infrared light, ultraviolet light, and X-ray, as described below.
  • Devices that take images for viewing such as digital cameras and mobile devices with camera functions.
  • Devices used for traffic such as in-vehicle sensors that capture images of the rear, surroundings, and interior of vehicles, surveillance cameras that monitor traveling vehicles and roads, and distance measuring sensors that measure distance between vehicles.
  • Equipment used in home appliances such as TVs, refrigerators, and air conditioners to take pictures and operate the equipment according to the gestures ⁇ Endoscopes and devices that perform angiography by receiving infrared light, etc.
  • Equipment used for medical and healthcare purposes ⁇ Equipment used for security such as surveillance cameras for crime prevention and cameras for person authentication ⁇ Skin measuring instruments for taking pictures of the skin and taking pictures of the scalp Equipment used for beauty such as microscopes ⁇ Equipment used for sports such as action cameras and wearable cameras for sports applications ⁇ Camera for monitoring the condition of fields and crops, etc. , Equipment used for agriculture
  • this technology can also take the following configurations.
  • the semiconductor region of the first polarity connected to the anode and It comprises an avalanche photodiode having an avalanche region formed from a semiconductor region of second polarity connected to the cathode.
  • the semiconductor region having the first polarity has an annular structure having a hole in the center when viewed from the incident direction of the incident light.
  • the semiconductor region having the second polarity is a solid-state image sensor formed in the subsequent stage at the position of the hole portion of the annular structure with respect to the incident direction of the incident light.
  • the semiconductor region having the first polarity is a P + type semiconductor region or an N + type semiconductor region
  • the semiconductor region having the second polarity is an N + type semiconductor region or a P + type semiconductor region.
  • the solid-state image sensor described. ⁇ 3> The solid-state image sensor according to ⁇ 1>, wherein the semiconductor region having the second polarity is the cathode made of a semiconductor having an excess of impurities.
  • the semiconductor region having the second polarity is the cathode composed of an N ++ type semiconductor region or a P ++ type semiconductor region.
  • the semiconductor region having the first polarity is a P + type semiconductor region or an N + type semiconductor region
  • the semiconductor region having the second polarity is a cathode composed of an N + type semiconductor region and an N ++ semiconductor region, or a P + type semiconductor region.
  • the solid-state image sensor according to ⁇ 1> which is a cathode composed of a semiconductor region and a P ++ semiconductor region.
  • the N + type semiconductor region is formed so as to surround the cathode composed of the N ++ semiconductor region, or the P + type semiconductor region is a cathode composed of the P ++ semiconductor region.
  • the solid-state imaging device according to ⁇ 5> which is formed so as to surround the above.
  • the relationship between the diameter of the hole portion seen from the incident direction and the diameter of the semiconductor region of the second polarity seen from the incident direction has one peak of the electric field strength distribution in the avalanche region.
  • the solid-state image sensor according to ⁇ 1> which is related to the above.
  • the semiconductor region having the first polarity is a P + type semiconductor region or an N + type semiconductor region
  • the semiconductor region having the second polarity is an N + type semiconductor region or a P + type semiconductor region.
  • ⁇ 9> The solid-state image sensor according to ⁇ 8>, wherein an N-type semiconductor region or a P-semiconductor region is further formed in front of the hole.
  • the solid-state image sensor according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 9>, wherein the anode is formed on the surface of the substrate, embedded in the substrate, or formed on the side surface of the pixel boundary. .. ⁇ 11>
  • the semiconductor region of the first polarity connected to the anode and It comprises an avalanche photodiode having an avalanche region formed from a semiconductor region of second polarity connected to the cathode.
  • the semiconductor region having the first polarity has an annular structure having a hole in the center when viewed from the incident direction of the incident light.
  • the semiconductor region having the second polarity is an image pickup device having a solid-state image pickup device formed in the subsequent stage at the position of the hole portion of the annular structure with respect to the incident direction of the incident light.
  • the semiconductor region of the first polarity connected to the anode and It comprises an avalanche photodiode having an avalanche region formed from a semiconductor region of second polarity connected to the cathode.
  • the semiconductor region having the first polarity has an annular structure having a hole in the center when viewed from the incident direction of the incident light.
  • the semiconductor region having the second polarity is an electronic device having a solid-state image sensor formed in the subsequent stage at the position of the hole portion of the annular structure with respect to the incident direction of the incident light.
  • 11 solid-state imaging device 21 pixel array section, 41 pixels, 101 on-chip lens, 102 color filter, 103 photoelectric conversion layer, 104 substrate, 121 P + section, 121a annular section, 122 P + section, 123 N + section, 124 cathode, 125.

Abstract

本開示は、受光感度を向上させることができるようにする固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器に関する。 アノードに接続されたP+型半導体領域を入射光の入射方向から見て、画素中心において中心部に穴部を有する環状構造に形成し、穴部の入射方向から見て後段にカソードに接続されたN＋型半導体領域を形成することで、アバランシェ領域が形成されるようにする。アバランシェ型フォトダイオードに適用することができる。

Description

固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器
　本開示は、固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器に関し、特に、受光感度を向上できるようにした固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器に関する。
　SPAD（Single Photon Avalanche Diode）という信号増倍画素構造を持つイメージセンサが提案されている。
　SPADを用いたイメージセンサは、光の粒子（以下：光子）1個が画素に入射すると、電子雪崩による増倍作用により、1個の大きな電気パルス信号を出力する電子素子を画素ごとに並べた構造を持つイメージセンサであり、撮像に係る高感度化が可能である。
　また、SPADを用いたイメージセンサは、ToFセンサなどに応用されることで高精度な測距を実現する。
　SPADを用いたイメージセンサにおいて、光電変換により発生した電子を画素中心に集めて受光できるようにして高感度化する技術が提案されている（特許文献１参照）。
米国特許出願公開第２０２０／００２８０１８号明細書
　しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、P-型半導体層と、N-型半導体層とが接しており、構造上、画素を微細化する上で限界があり、微細化された画素においては、受光感度の向上に限界がある。
　本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、特に、SPADを用いたイメージセンサにおいて、受光感度を向上させるものである。
　本開示の一側面の固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器は、アノードに接続された第１の極性の半導体領域と、カソードに接続された第２の極性の半導体領域とから形成されるアバランシェ領域を有するアバランシェ型フォトダイオードを備え、前記第１の極性の半導体領域は、入射光の入射方向から見て中心部に穴部を備えた環状構造であり、前記第２の極性の半導体領域は、前記入射光の入射方向に対して前記環状構造の穴部の位置の後段に形成される固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器である。
　本開示の一側面においては、アノードに接続された第１の極性の半導体領域と、カソードに接続された第２の極性の半導体領域とから形成されるアバランシェ領域を有するアバランシェ型フォトダイオードが設けられ、前記第１の極性の半導体領域は、入射光の入射方向から見て中心部に穴部が設けられた環状構造とされ、前記第２の極性の半導体領域は、前記入射光の入射方向に対して前記環状構造の穴部の位置の後段に形成される。
本開示の固体撮像素子の積層構造例を説明する図である。 図１の受光チップの構成例を説明する図である。 図１のロジックチップの構成例を説明する図である。 画素回路の構成例を説明する図である。 図４の画素回路におけるフォトダイオードのアノードとカソードとを逆にした画素回路の構成例を説明する図である。 画素構造の基本構成例を説明する図である。 図６の画素構造におけるポテンシャル分布を説明する図である。 図６の画素構造における電界強度分布を説明する図である。 画素構造の第１の実施の形態の構成例を説明する図である。 図９の画素構造におけるポテンシャル分布を説明する図である。 図９の画素構造における電界強度分布を説明する図である。 画素構造の第２の実施の形態の構成例を説明する図である。 図１２の画素構造におけるポテンシャル分布を説明する図である。 図１２の画素構造における電界強度分布を説明する図である。 画素構造の第３の実施の形態の構成例を説明する図である。 図１５の画素構造におけるポテンシャル分布を説明する図である。 図１５の画素構造における電界強度分布を説明する図である。 画素構造の第４の実施の形態の構成例を説明する図である。 図１８の画素構造におけるポテンシャル分布を説明する図である。 図１８の画素構造における電界強度分布を説明する図である。 画素構造の第５の実施の形態の構成例を説明する図である。 図２０の画素構造におけるポテンシャル分布を説明する図である。 図２０の画素構造における電界強度分布を説明する図である。 画素構造の第６の実施の形態の構成例を説明する図である。 図２４の画素構造におけるポテンシャル分布を説明する図である。 図２４の画素構造における電界強度分布を説明する図である。 画素構造の第７の実施の形態の構成例を説明する図である。 図２７の画素構造におけるポテンシャル分布を説明する図である。 図２７の画素構造における電界強度分布を説明する図である。 本技術を適用した半導体撮像素子からなる固体撮像素子を利用した撮像装置および電子機器の構成を説明する図である。 固体撮像素子の使用例を示す図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　以下、本技術を実施するための形態について説明する。説明は以下の順序で行う。
　１．第１の実施の形態
　２．第２の実施の形態
　３．第３の実施の形態
　４．第４の実施の形態
　５．第５の実施の形態
　６．第６の実施の形態
　７．第７の実施の形態
　８．電子機器への適用例
　９．固体撮像素子の使用例
　＜＜１．第１の実施の形態＞＞
　＜固体撮像素子の構成例＞
　図１は、本開示の第１の実施の形態における固体撮像素子１１の積層構造の一例を示す図である。この固体撮像素子１１は、受光チップ２１と、その受光チップ２１に積層されたロジックチップ２２とを備える。これらのチップ間には、信号を伝送するための信号線が設けられる。
　＜受光チップの構成例＞
　図２は、本開示の第１の実施の形態における受光チップ２１の一構成例を示す平面図である。この受光チップ２１には、受光部３１が設けられ、受光部３１には、二次元格子状に複数の受光回路４１が設けられる。受光回路２２０の詳細については後述する。
　＜ロジックチップの構成例＞
　図３は、本開示の第１の実施の形態におけるロジックチップ２２の一構成例を示すブロック図である。このロジックチップ２２には、垂直制御部５１、ロジックアレイ部５４、水平制御部５２および信号処理部５３が配置される。
　また、ロジックアレイ部５４には、受光回路４１ごとに、論理回路５５が配列される。これらの論理回路５５のそれぞれは、対応する受光回路４１と信号線を介して接続されている。
　受光回路４１と、その回路に対応する論理回路５５とからなる回路は、画像データにおける１画素の画素信号を生成する画素回路として機能する。
　そして、垂直制御部５１には、垂直同期信号が入力され、水平制御部５２には水平同期信号が入力される。ロジックアレイ部５４には、露光制御信号が入力される。
　以下、所定方向（水平方向など）に配列された画素回路（受光回路４１および論理回路５５）の集合を「行」と称し、行に垂直な方向に配列された画素回路の集合を列と称する。
　垂直制御部５１は、垂直同期信号に同期して行を順に選択するものである。論理回路５５は、露光期間内のフォトンの個数を計数して、その計数値を示す信号を画素信号として出力するものである。
　水平制御部５２は、水平同期信号に同期して列を順に選択して画素信号を出力させるものである。
　信号処理部５３は、画素信号からなる画像データに対して、フィルタ処理などの所定の信号処理を実行するものである。この信号処理部５３は、処理後の画像データを図示せぬ記録部に出力する。
　＜画素回路の構成例＞
　図４は、本開示の第１の実施の形態における画素回路７１の一構成例を示す回路図である。この画素回路７１は、受光回路４１と論理回路５５とを備える。
　受光回路４１は、抵抗８１、およびフォトダイオード８２を備える。また、論理回路５５は、インバータ９１、トランジスタ９２、フォトンカウンタ９３、およびスイッチ９４を備える。
　フォトダイオード８２は、入射光を光電変換して光電流を出力するものである。このフォトダイオード８２のカソードは、抵抗８１を介して電源ＶＥの電位よりも低い電位の端子（接地端子など）に接続される。これにより、フォトダイオード８２には、逆バイアスが印加される。また、光電流は、フォトダイオード８２のカソードからアノードへの方向に流れる。
　フォトダイオード８２としては、例えば、光電流を増幅するアバランシェフォトダイオードが用いられる。また、アバランシェダイオードの中でも特に、SPAD（Single-Photon Avalanche Diode）を用いることが望ましい。SPADは、アバランシェフォトダイオードの一種であり、フォトン１個を検出することができるほど感度の高いものである。
　抵抗８１の一端は、電源VEに接続され、他端は、フォトダイオード８２のカソードに接続される。光電流が出力されるたびに、抵抗８１に光電流が流れ、フォトダイオード８２のカソード電位が、電源VEの電位より低い値に降下する。
　インバータ９１は、フォトダイオード８１のカソード電位の信号を反転してパルス信号OUTとして、フォトンカウンタ９３に出力するものである。このインバータ９１は、カソード電位が所定値より高い場合にローレベルのパルス信号OUTを出力し、その所定値以下の場合にハイレベルのパルス信号OUTを出力する。
　トランジスタ９２のゲートには、垂直制御部５１からのゲート信号GATが印加され、ソースはバックゲートおよび接地端子と接続され、ドレインはフォトダイオード８２のカソードとインバータ９１の入力端子とに接続される。トランジスタ９２として、例えば、Ｎ型のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタが用いられる。垂直制御部５１は、例えば、選択した行にローレベルのゲート信号GATを供給する。
　フォトンカウンタ９３は、露光期間内においてハイレベルのパルス信号OUTが出力された回数を計数するものである。このフォトンカウンタ９３は、露光開始時に計数値CNTを初期値（例えば、「０」）にし、露光期間に亘って計数を行う。そして、フォトンカウンタ９３は、露光終了時に計数を停止し、その計数値CNTをスイッチ９４に出力する。
　画素回路７１への入射光の照度が高いほど、その入射光内のフォトンの入射頻度が高くなる。そして、フォトンの入射頻度が高いほど、フォトダイオード８２のカソード電位が降下する頻度が高くなり、ハイレベルのパルス信号の出力頻度が高くなる。そして、パルス信号の出力頻度が高いほど、露光終了時の計数値CNTの値が大きくなる。すなわち、計数値CNTは、照度を測定した値となる。
　スイッチ９４は、水平制御部５２の制御に従って、計数値CNTの信号を画素信号OUTとして信号処理部５３に出力する。
　尚、図４の画素回路７１においては、フォトダイオード８２のカソードが抵抗８１に接続される回路構成例について説明してきたが、図５の画素回路７１で示されるように、フォトダイオード８２のアノードが抵抗８１に接続されるようにしてもよい。
　＜画素構造の基本構成例＞
　図６は、画素１００の画素構造の基本構造例を示している。尚、図６で示される画素１００の画素構造は、上述したアバランシェフォトダイオード（SPAD（Single Photon Avalanche Diode））と呼ばれる受光素子として機能する画素回路７１を実現させるための１個の画素１００を単位とする物理構造を示したものである。図６で示されるように、画素１００は、図中の上からオンチップレンズ１０１、カラーフィルタ１０２、光電変換層１０３、および基板１０４より構成される。
　尚、図６においては、図中の上部から下部に向かって入射光が入射される。
　オンチップレンズ１０１は、画素１００のサイズに対応するレンズであり、光電変換層１０３が焦点位置になるように入射光を集光させる。
　カラーフィルタ１０２は、入射光のうちＲＧＢ等の特定の波長の光を光電変換層１０３に透過させる。
　光電変換層１０３は、基板１０４上に形成され、画素単位でオンチップレンズ１０１およびカラーフィルタ１０２を透過した入射光の光量に応じた電子を発生させる。基板１０４は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧｅＳｉ、および有機半導体等のいずれが用いられてもよい。
　画素１００の中心位置における基板１０４の表面に、N++（N++型半導体領域）からなる円板状のカソード１２４が形成される。また、図６下部の拡大図で示されるように、画素１００間の境界１２６における、基板１０４の表面にP++（P++型半導体領域）からなるアノード１２５が形成されている。尚、アノード１２５は、境界１２６における、基板１０４内に埋め込まれて形成されてもよい。
　また、図中のカソード１２４上には、N+（N+型半導体領域）からなる円板状のN+部１２３が形成され、さらに、その上にP+（P+型半導体領域）からなる円板状のP+部１２２が形成される。
　N+部１２３は、画素１００の中心位置に対して同軸上に、カソード１２４よりも大きな径の円板状に形成される。
　P+部１２２は、N+部１２３直上であって、カソード１２４と同軸で、かつ、カソード１２４より大径であって、N+部１２３よりも小径の円板状に形成されている。
　各画素１００の境界１２６の画素中心側とオンチップレンズ１０２直下部分には、P+（P+型半導体領域）からなるP+部１２１が形成される。
　また、P+部１２１の一部として、円板状のP+部１２２の外縁部と接するように、かつ、境界１２６を形成する面から画素中心に向かって垂直方向に凸状であって、入射光の入射方向から見て中心部に穴部が形成された環状（ドーナツ状）の構造となる環状部１２１ａが形成されている。
　画素１００を構成するP+部１２１、環状部１２１ａ、P+部１２２、N+部１２３、カソード１２４、およびアノード１２５からなる画素構造により、アバランシェ型フォトダイオード（SPAD（Single Photon Avalanche Diode））が形成される。アバランシェ型フォトダイオードは、アノード１２５乃至カソード１２４間において電圧が印可されることにより、画素１００の中心付近における環状部１２１ａ、P+部１２２、およびN+部１２３において所定の強度の電界が生じることでアバランシェ領域Ｚａが形成される。
　このアバランシェ領域Ｚａを構成するアノード１２５乃至カソード１２４間に電圧が印可されることで生じるアバランシェ降伏現象により、光電変換により生じた電子が増倍されることで、微弱な入射光に対しても高感度の受光を実現する。
　より詳細には、図６の矢印Ａ方向で示される画素中心における図中の上下方向におけるポテンシャル分布が、図７で示されるよう形成されることにより、カソード１２４に向かってポテンシャルが低下する分布が形成される。
　このとき、アノード１２５乃至カソード１２４間に、所定の電圧が印可されることで、図６における矢印B方向に対して、図８で示されるような電界強度分布が形成される。
　図８の電界強度分布においては、矢印B方向における画素１００の中心付近で電界強度がピークとなるような分布とされ、例えば、中心付近の位置Ｂ１乃至Ｂ２の範囲において、アバランシェ降伏が生じる0.4乃至0.6MV/cmの電界が形成される。つまり、図６の側面断面構造の画素１００においては、中心が最も強度が高い電界分布が形成される。
　尚、図８の上部は、矢印B方向における水平方向の電界強度分布を示すグラフであり、図８の下部は、画素１００を上方から見たときの2次元平面の電界強度分布Ｄ１である。
　図８の下部における電界強度分布Ｄ１で示されるように、図８の上部における位置Ｂ１乃至Ｂ４に対応する、範囲Ｚ２は、アバランシェ降伏が生じる0.4乃至0.6MV/cmの電界強度範囲とされる。また、図８の上部における位置Ｂ２乃至Ｂ３に対応する、範囲Ｚ１は、電界強度が特に高い範囲である。
　尚、P+部１２１、P+部１２２、N+部１２３、カソード１２４、およびアノード１２５の各密度、並びに、カソード１２４およびアノード１２５間の電位差は、アバランシェ領域Ｚａにおける、特に、矢印B方向における画素１００の中心位置付近において、電界強度がアバランシェ降伏を生じさせる0.4乃至0.6MV/cmの電界強度となるように設定される。
　図６の場合、例えば、P+部１２１、P+部１２２、およびN+部１２３の密度は、1e16乃至5e17（1/cm3）程度とし、カソード１２４、およびアノード１２５の密度は、1e20（1/cm3）程度とし、カソード１２４、およびアノード１２５間の印可電圧は、15V乃至30V程度とすることで、アバランシェ領域Ｚａにおける電界強度を0.4乃至0.6MV/cmとすることができる。
　すなわち、図６の画素１００の画素構造においては、図７で示されるようなポテンシャル分布と、図８で示されるような電界強度分布とが形成されることにより、光電変換層１０３において生成された電子が、入射光の入射方向に対して画素１００の中心に転送されることにより、カソード１２４に向かって進み、P+部１２２とN+部１２３の境界付近で形成されるアバランシェ領域Ｚａを通過するときアバランシェ降伏が生じて電子の増倍が発生する。
　これにより、図６の側面構造を備えた画素１００においては、微弱な光量の入射光であっても、アバランシェ降伏により電子が増倍することにより、受光感度を高めることができる。
　しかしながら、図６の画素１００の側面構造においては、P+部１２２が形成されることにより、図７の点線で囲まれる凸状のポテンシャル分布で示されるようなポテンシャルバリヤが形成されて電子の転送が阻害される。
　結果として、図６の側面断面構造の画素１００においては、電子の転送が阻害されることで、受光感度の低下が生じてしまう恐れがある。
　そこで、本開示においては、P+部１２２に対応する構成を省略した構成とすることで、ポテンシャルバリヤの発生を抑制して、受光感度を向上させる。
　＜本開示の画素構造＞
　図９は、本開示の画素構造を説明する側面断面図である。
　尚、図９の画素構造において、図６の画素構造と同一の機能を備えた構成については、同一の符号を付しており、その説明は適宜省略する。
　図９の画素１００において、図６と異なるのは、光電変換層１０３の構造である。
　図９の光電変換層１０３は、P+部１４１、N+部１４２、カソード１４３、アノード１４４、および境界１４５より構成される。
　尚、P+部１４１、N+部１４２、カソード１４３、アノード１４４、および境界１４５は、それぞれ図６のP+部１２１、N+部１２２、カソード１２４、アノード１２５、および境界１２６に対応する構成である。
　すなわち、画素１００の中心位置における基板１０４の表面に、N++（N++型半導体領域）からなる円板状のカソード１４３が形成される。また、図９下部の拡大図で示されるように、画素１００間の境界１４５における、基板１０４の表面付近にP++（P++型半導体領域）からなるアノード１４４が形成されている。
　また、図中のカソード１４３上には、N+（N+型半導体領域）からなる円板状のN+部１４２が形成される。
　N+部１４２は、画素１００の中心位置に対して同軸上に、カソード１４３よりも大きな径の円板状に形成される。
　各画素１００の境界１４５の画素中心側とオンチップレンズ１０２直下部分には、P+（P+型半導体領域）からなるP+部１４１が形成される。
　また、P+部１４１の一部として、境界１４５を形成する面から画素中心に向かって垂直方向に凸状であって、入射光の入射方向から見て環状（ドーナツ状）の構造となる環状部１４１ａが形成されている。
　すなわち、図９の画素１００の画素構造においては、図６の画素構造に対して、N+部１２３に対応する構成が省略されると共に、N+部１４２の径Ｗ２が、環状部１４１ａの穴部の径Ｗ１よりも小さく形成され、N+部１４２の厚さｄ２が、図６のN+１２２の厚さよりも大きな構造とされている。
　画素１００を構成するP+部１４１、環状部１４１ａ、N+部１４２、カソード１４３、およびアノード１４４からなる画素構造により、アバランシェ型フォトダイオードが形成される。アバランシェ型フォトダイオードは、アノード１４４乃至カソード１４３間において電圧が印可されることにより、画素１００の中心付近における環状部１４１ａ、およびN+部１４２によりフリンジ電界が発生し、アバランシェ領域Ｚｂが形成される。
　このアノード１４４乃至カソード１４３間に電圧が印可されることで生じるアバランシェ領域Ｚｂにおいて生じるアバランシェ降伏現象により、光電変換により生じた電子が増倍されることで、微弱な入射光に対しても高感度の受光を実現する。
　さらに、図９の画素構造においては、矢印B方向に対して、図１１で示されるような電界強度分布が形成される。
　すなわち、環状部１４１ａにおける図９の図中左側部分とN+部１４２との間で、図１１の上部の一点鎖線で示されるような電界強度分布が形成され、環状部１４１ａにおける図９の図中右側部分とN+部１４２との間で、図１１の上部の点線で示されるような電界強度分布が形成される。
　結果として、環状部１４１ａとN+部１４２との間で形成されるフリンジ電界により、図１１の一点鎖線で示される電界強度分布と、点線で示される電界強度分布とを含む、環状に形成される電界強度分布が合成されることにより、図１１の上部における、実線で示されるような２つのピークを備えた電界強度分布が形成される。
　すなわち、図９の画素１００の画素構造においては、図１１の下部の、画素１００の上面から見たとき（入射光の入射方向から見たとき）の電界強度分布Ｄ１１で示されるように、図１１の上部の位置Ｂ１１乃至Ｂ１４に対応する範囲Ｚ１２が、アバランシェ降伏が発生する0.4乃至0.6MV/cm以上の電界強度とされ、画素１００の中心付近に対応する電界強度分布Ｄ１１の中心付近の範囲Ｚ１１においては、範囲Ｚ１２よりも電界強度は低いが、アバランシェ降伏が発生する0.4MV/cm以上とされる。
　すなわち、図９の画素構造における電界強度分布においては、画素１００の中心付近よりも、その周辺部における範囲の方が、電界強度が強い範囲として形成されるが、中心付近の範囲Ｚ１１においても、0.4MV/cm以上であり、アバランシェ降伏を発生させることができる。
　結果として、図９の画素構造からなる画素１００においては、図１０で示されるようなポテンシャル分布と、図１１で示されるような電界強度分布とに基づいて、ポテンシャルバリヤの発生が抑制されることにより、微細な画素１００における受光感度を向上させることが可能となる。
　尚、図９の場合、例えば、P+部１４１、およびN+部１４２の密度は、1e16乃至5e17（1/cm3）程度とし、カソード１４３、およびアノード１４４の密度は、1e20（1/cm3）程度とし、カソード１４３、およびアノード１４４間の印可電圧を調整することで、アバランシェ領域Ｚｂにおける電界強度を0.4乃至0.6MV/cmとすることができる。
　また、P+部１４１、N+部１４２、カソード１４３、およびアノード１４４の各密度、並びに、カソード１４３およびアノード１４４間の電位差は、一例に過ぎず、これに限定されるものではない。
　尚、Ｐ型、Ｎ型、電子と正孔等について、極性については反対のものであってもよく、以降の実施の形態においても同様である。
　＜＜２．第２の実施の形態＞＞
　以上においては、図６の基本的な画素構造を形成するP+部１２２に対応する構成を省略する例について説明してきたが、アバランシェ領域を形成できれば、図６におけるN+部１２３に対応する構成を省略するようにしてもよい。
　図１２は、図９の画素構造における図６のN+部１２３の構成に対応するN+部１４２の構成を省略した画素１００の画素構造を示している。
　尚、図１２の画素構造において、図９の画素構造における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号を付しており、その説明は省略する。
　図１２の画素構造において、図９の画素構造と異なる点は、N+部１４２およびカソード１４３に代えて、カソード１５１が設けられている点である。
　すなわち、図１２の画素構造においては、N+部１４２が省略されて、カソード１５１は、厚さｄ１１が、カソード１４３よりも大きくされている。
　このような構造により、図１２の画素構造における矢印A方向のポテンシャル分布は、図１３で示されるように、矢印A方向の位置の変化に対して単調変化するような分布とされることにより、図７の点線で囲まれるようなポテンシャルバリヤが発生しない。
　また、図１２の画素構造においては、P+部１４１における、環状部１４１ａと、円板状のカソード１５１との間で生じるフリンジ電界によりアバランシェ領域Ｚｃが形成されてアバランシェ降伏が生じる構成とされている。
　さらに、図１２の画素構造においては、矢印B方向に対して、図１４で示されるような電界強度分布が形成される。
　すなわち、環状部１４１ａにおける図１２の図中左側部分とカソード１５１との間で、図１４の上部の一点鎖線で示されるような電界強度分布が形成され、環状部１４１ａにおける図１２の図中右側部分とカソード１５１との間で、図１４の上部の点線で示されるような電界強度分布が形成される。
　結果として、環状部１４１ａとカソード１５１との間で形成されるフリンジ電界により、図１４の一点鎖線で示される電界強度分布と、点線で示される電界強度分布とを含む、電界強度分布が合成されることにより、図１４の上部における、実線で示されるような２つのピークを備えた電界強度分布が形成される。
　このとき、図１２の画素構造においては、画素１００の上面から見たとき（入射光の入射方向からみたとき）の電界強度分布Ｄ２１で示されるように、図１４の上部の位置Ｂ２１乃至Ｂ２４に対応する範囲Ｚ２２においては、アバランシェ降伏が発生する0.4乃至0.6MV/cm以上とされ、画素１００の中心付近に対応する電界強度分布Ｄ２１の中心付近の範囲Ｚ２１においては、範囲Ｚ２２よりも電界強度は低いが、アバランシェ降伏が発生する0.4MV/cm以上とされる。
　すなわち、図１２の画素構造においては、画素１００の中心付近よりも、その周辺部における範囲の方が、電界強度が強い範囲として形成されるが、中心付近の範囲Ｚ２１においても、0.4MV/cm以上であり、アバランシェ降伏を発生させることができる。
　結果として、図１２の画素構造からなる画素１００においては、図１３で示されるようなポテンシャル分布と、図１４で示されるような電界強度分布とに基づいて、ポテンシャルバリヤの発生が抑制されることにより、微細な画素１００における受光感度を向上させることが可能となる。
　尚、図１２の場合、例えば、P+部１４１の密度は、1e16乃至5e17（1/cm3）程度とし、カソード１５１、およびアノード１４４の密度は、1e20（1/cm3）程度とし、カソード１５１、およびアノード１４４間の印可電圧を調整することで、アバランシェ領域Ｚｃにおける電界強度を0.4乃至0.6MV/cmとすることができる。
　また、P+部１４１、カソード１５１、およびアノード１４４の各密度、並びに、カソード１５１およびアノード１４４間の電位差は、一例に過ぎず、これに限定されるものではない。
　＜＜３．第３の実施の形態＞＞
　以上においては、図６の基本的な画素構造を形成するP+部１２２およびN+部１２３に対応する構成を省略する例について説明してきたが、図１２のカソード１５１を取り囲むようにN+部が形成されるようにしてもよい。
　図１５は、図１２の画素構造におけるカソード１５１を取り囲むように、図９のN+部１４２に対応する構成が形成されるようにした画素１００の画素構造を示している。
　尚、図１５の画素構造において、図１２の画素構造における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号を付しており、その説明は省略する。
　図１５の画素構造において、図１２の画素構造と異なる点は、カソード１５１に代えて、N+部１６１およびカソード１６２が設けられている点である。
　すなわち、図１５の画素構造においては、カソード１５１に対応するカソード１６２が設けられて、その周囲に環状構造のN+部１６１が形成されている。N+部１６１の径Ｗ３１は、例えば、図９のN+部１４２の径W２と同一である。
　また、図１５の画素構造においては、P+部１４１における、環状部１４１ａと、環状構造のN+部１６１との間で生じるフリンジ電界によりアバランシェ領域Ｚｄが形成されてアバランシェ降伏が生じる構成とされている。
　このような構造により、図１５の画素構造における矢印A方向のポテンシャル分布は、図１６で示されるように、矢印A方向の位置の変化に対して単調変化するような分布とされることにより、図７の点線で囲まれるようなポテンシャルバリヤが発生しない。
　さらに、図１５の画素構造においては、矢印B方向に対して、図１７で示されるような電界強度分布が形成される。
　すなわち、環状部１４１ａにおける図１５の図中左側部分とN+部１６１との間で、図１７の上部の一点鎖線で示されるような電界強度分布が形成され、環状部１４１ａにおける図１５の図中右側部分とN+部１６１との間で、図１７の上部の点線で示されるような電界強度分布が形成される。
　結果として、環状部１４１ａとN+部１６１との間で形成されるフリンジ電界により、図１７の一点鎖線で示される電界強度分布と、点線で示される電界強度分布とを含む、電界強度分布が合成されることにより、図１７の上部における、実線で示されるような２つのピークを備えた電界強度分布が形成される。
　このとき、図１５の画素構造においては、画素１００の上面から見たとき（入射光の入射方向からみたとき）の電界強度分布Ｄ３１で示されるように、図１５の上部の位置Ｂ３１乃至Ｂ３４に対応する範囲Ｚ３２においては、アバランシェ降伏が発生する0.4乃至0.6MV/cm以上とされ、画素１００の中心付近に対応する電界強度分布Ｄ３１の中心付近の範囲Ｚ３１においては、範囲Ｚ３２よりも電界強度は低いが、アバランシェ降伏が発生する0.4MV/cm以上とされる。
　すなわち、図１５の画素構造においては、画素１００の中心付近よりも、その周辺部における範囲の方が、電界強度が強い範囲として形成されるが、中心付近の範囲Ｚ３１においても、0.4MV/cm以上であり、アバランシェ降伏を発生させることができる。
　結果として、図１５の画素構造からなる画素１００においては、図１６で示されるようなポテンシャル分布と、図１７で示されるような電界強度分布とに基づいて、ポテンシャルバリヤの発生が抑制されることにより、微細な画素１００における受光感度を向上させることが可能となる。
　尚、図１５の場合、例えば、P+部１４１、およびN+部１６１の密度は、1e16乃至5e17（1/cm3）程度とし、アノード１４４およびカソード１６２の密度は、1e20（1/cm3）程度とし、カソード１６２、およびアノード１４４間の印可電圧を調整することで、アバランシェ領域Ｚｂにおける電界強度を0.4乃至0.6MV/cmとすることができる。
　また、P+部１４１、N+部１６１、カソード１６２、およびアノード１４４の各密度、並びに、カソード１６２およびアノード１４４間の電位差は、一例に過ぎず、これに限定されるものではない。
　＜＜４．第４の実施の形態＞＞
　以上においては、電界強度分布にピークが２か所現れる例について説明してきたが、環状部１４１ａの穴部の径と、N+部１４２の径との関係を調整することにより、電界強度分布にピークが画素１００の中心部にのみ現れるようにしてもよい。
　図１８は、図９の画素構造におけるN+部１４２の水平方向の径と環状部１４１ａの穴部の径との関係を調整して、電界強度分布のピークが画素１００の中心部にのみ現れるようにした画素１００の画素構造の例を示している。
　尚、図１８の画素構造において、図９の画素構造における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号を付しており、その説明は省略する。
　図１８の画素構造において、図９の画素構造と異なる点は、N+部１４２、およびカソード１４３に代えて、N+部１７１およびカソード１７２が設けられている点である。
　すなわち、図１８の画素構造においては、環状部１４１ａにおける穴部の径Ｗ４１と、N+部１７１の径Ｗ４２とが調整されて、環状部１４１ａとN+部１７１とで形成されるフリンジ電界が調整されることで、構成される電界強度分布（図２０）が調整されて、ピークが画素１００の中心位置付近の１か所にのみ現れる。
　このような構造においても、図１８の画素構造における矢印A方向のポテンシャル分布は、図１９で示されるように、矢印A方向の位置の変化に対して単調変化するような分布とされることにより、図７の点線で囲まれるようなポテンシャルバリヤが発生しない。
　また、図１８の画素構造においては、P+部１４１における、環状部１４１ａと、N+部１７１との間で生じるフリンジ電界によりアバランシェ領域Ｚｅが形成されてアバランシェ降伏が生じる構成とされている。
　さらに、図１８の画素構造においては、矢印B方向に対して、図２０で示されるような電界強度分布が形成される。
　すなわち、環状部１４１ａにおける図１８の図中左側部分とN+部１７１との間で、図１８の上部の一点鎖線で示されるような電界強度分布が形成され、環状部１４１ａにおける図１８の図中右側部分とN+部１７１との間で、図２０の上部の点線で示されるような電界強度分布が形成される。
　結果として、環状部１４１ａとN+部１７１との間で形成されるフリンジ電界により、図２０の一点鎖線で示される電界強度分布と、点線で示される電界強度分布とを含む、電界強度分布が合成されることにより、図２０の上部における、実線で示されるようなピークが画素１００の中心位置にのみ現れる電界強度分布が形成される。
　このとき、図１８の画素構造においては、画素１００の上面から見たときの電界強度分布Ｄ４１で示されるように、図２０の上部の位置Ｂ４１乃至Ｂ４４に対応する範囲Ｚ４２においては、アバランシェ降伏が発生する0.4乃至0.6MV/cm以上とされ、図２０の上部の位置Ｂ４２乃至Ｂ４３に対応する中央付近の範囲Ｚ４１においては、特に電界強度が高い範囲とされる。
　すなわち、図１８の画素構造においては、画素１００の中心付近において最も電界強度が強い範囲として形成される、アバランシェ降伏を発生させることができる。
　結果として、図１８の画素構造からなる画素１００においては、図１９で示されるようなポテンシャル分布と、図２１で示されるような電界強度分布とに基づいて、ポテンシャルバリヤの発生が抑制されることにより、微細な画素１００における受光感度を向上させることが可能となる。
　尚、図１８の場合、例えば、P+部１４１およびN+部１７１の密度は、1e16乃至5e17（1/cm3）程度とし、アノード１４４およびカソード１７２の密度は、1e20（1/cm3）程度とし、環状部１４１ａの穴部の径Ｗ４１は、0.5乃至1.5umとし、N+部１７１の径Ｗ４２は、W41-0.5um乃至W41-0.1umとし、N+部１７１、およびアノード１４４間の印可電圧を調整することで、アバランシェ領域Ｚｅにおける電界強度を0.4乃至0.6MV/cmとすることができる。
　また、P+部１４１、N+部１７１、カソード１７２、およびアノード１４４の各密度、環状部１４１ａの穴部の径Ｗ４１、および、N+部１７１の径Ｗ４２、並びに、カソード１６２およびアノード１４４間の電位差は、一例に過ぎず、これに限定されるものではない。
　さらに、以上においては、環状部１４１ａの穴部の径Ｗ４１、および、N+部１７１の径Ｗ４２を調整する例について説明してきたが、N+部１７１に代えて、図１５のN+部１６１の径Ｗ３１が調整されるようにしてもよい。
　＜＜５．第５の実施の形態＞＞
　以上においては、環状部１４１ａの穴部の径と、N+部１４２の径との関係を調整することにより、電界強度分布にピークが画素１００の中心部にのみ現れるようにする例について説明してきたが、環状部１４１ａの穴部にP-部を形成するようにしてもよい。
　図２１は、図１５の画素構造における環状部１４１ａの穴部にP-部を形成するようにした画素１００の画素構造の例を示している。
　尚、図２１の画素構造において、図１５の画素構造における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号を付しており、その説明は省略する。
　図２１の画素構造において、図１５の画素構造と異なる点は、N+部１６１、およびカソード１６２に代えて、N+部１８１、およびカソード１８２が設けられ、さらに、環状部１４１ａの穴部にP-部１８３が設けられている点である。
　すなわち、図２１の画素構造においては、図１５の画素構造にさらに、環状部１４１ａの穴部にP-（P-型半導体領域）からなるP-部１８３が設けられた点で異なる。尚、N+部１８１、およびカソード１８２は、N+部１６１、およびカソード１６２と対応する同一の構成である。
　このような構造により、図２１の画素構造における矢印A方向のポテンシャル分布は、図２２で示されるように、矢印A方向の位置の変化に対して、一点鎖線で示される図１６のポテンシャル分布に対して、実線で示されるような分布とされることにより、図７の点線で囲まれるようなポテンシャルバリヤが発生しないことに加えて、図１６のポテンシャル分布よりも、より滑らかに変化するポテンシャル分布とされる。
　また、図２１の画素構造においては、P+部１４１における、環状部１４１ａと、N+部１８１との間で生じるフリンジ電界に加えて、P-部と、N+部１７１との間で生じる電界（以下、P-部電界とも称する）の影響により、アバランシェ領域Ｚｆが形成されてアバランシェ降伏が生じる構成とされている。
　さらに、図２１の画素構造においては、矢印B方向に対して、図２３で示されるような電界強度分布が形成される。
　すなわち、環状部１４１ａにおける図２１の図中左側部分とN+部１８１との間で、図２３の上部の一点鎖線で示されるような電界強度分布が形成され、環状部１４１ａにおける図２１の図中右側部分とN+部１７１との間で、図２３の上部の点線で示されるような電界強度分布が形成される。
　さらに、P-部１８３と、N+部１８１との間で構成されるP-部電界により、二点鎖線で示されるような電界強度分布が形成される。
　結果として、環状部１４１ａとN+部１８１との間で形成されるフリンジ電界と、P-部１８３と、N+部１８１との間で構成されるP-部電界とにより、図２３の一点鎖線で示される電界強度分布、点線で示される電界強度分布、および二点鎖線で示される電界強度分布を含む、環状部１４１ａとN+部１８１との間で形成される電界強度分布、およびP-部１８３とN+部１８１との間で形成される電界強度分布が合成されることにより、図２３の上部における、実線で示されるような幅の広いピークが画素１００の中心位置に現れる電界強度分布が形成される。
　このとき、図２１の画素構造においては、画素１００の上面から見たときの電界強度分布Ｄ５１で示されるように、図２３の上部の位置Ｂ５１乃至Ｂ５４に対応する範囲Ｚ５２においては、アバランシェ降伏が発生する0.4乃至0.6MV/cm以上とされ、範囲Ｚ５１においては、広いピークとされる。
　すなわち、図２１の画素構造においては、画素１００の中心付近において最も電界強度が強い範囲が広く形成されて、アバランシェ降伏を発生させることができる。
　結果として、図２１の画素構造からなる画素１００においては、図２２で示されるようなポテンシャル分布と、図２３で示されるような電界強度分布とに基づいて、ポテンシャルバリヤの発生が抑制されることにより、微細な画素１００における受光感度を向上させることが可能となる。
　尚、図２１の場合、例えば、P+部１４１およびN+部１８１の密度は、1e16乃至5e17（1/cm3）程度とし、P-部１８３の密度は、1e15乃至1e17（1/cm3）程度とし、アノード１４４およびカソード１８２の密度は、1e20（1/cm3）程度とし、N+部１８１、およびアノード１４４間の印可電圧を調整することで、アバランシェ領域Ｚｆにおける電界強度を0.4乃至0.6MV/cmとすることができる。
　また、P+部１４１、N+部１８１、P-部１８３、カソード１８２、およびアノード１４４の各密度、並びに、カソード１８２およびアノード１４４間の電位差は、一例に過ぎず、これに限定されるものではない。
　＜＜６．第６の実施の形態＞＞
　以上においては、環状部１４１ａの穴部にP-部を形成するようにする例について説明してきたが、さらに、P-部の上部にN-型半導体領域からなるN-部を形成するようにしてもよい。
　図２４は、図２１の画素構造における環状部１４１ａの穴部にP-部を形成した上で、さらに、P-部上にN-（N-型半導体領域）からなるN-部を形成するようにした画素１００の画素構造の例を示している。
　尚、図２４の画素構造において、図２１の画素構造における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号を付しており、その説明は省略する。
　図２４の画素構造において、図２１の画素構造と異なる点は、P-部１８３の上に、N-部が設けられている点である。
　すなわち、図２４の画素構造においては、図２１の画素構造にさらに、N-部１９１が設けられた点で異なる。
　このような構造により、図２４の画素構造における矢印A方向のポテンシャル分布は、図２５で示されるように、図２２で示されるポテンシャル分布よりも、矢印A方向の変化に対してより滑らかに変化する上、図７の点線で囲まれるようなポテンシャルバリヤが発生しないポテンシャル分布とされる。
　また、N-部１９１は、例えば、5e14乃至5e15（1/cm3）程度であり、密度が希薄なため、電界への影響を与えない。このため、図２６で示される図２４の画素構造における電界強度分布は、図２３における電界強度分布と同様である。
　結果として、図２６の上部における、実線で示されるような幅の広いピークが画素１００の中心位置に現れる電界強度分布が形成される。
　すなわち、図２３の画素１００の画素構造においては、図２６の下部の、画素１００の上面から見たとき（入射光の入射方向から見たとき）の電界強度分布Ｄ６１で示されるように、図２６の上部の位置Ｂ６１乃至Ｂ６４に対応する範囲Ｚ６２が、アバランシェ降伏が発生する0.4乃至0.6MV/cm以上の電界強度とされ、画素１００の中心付近に対応する電界強度分布Ｄ６１の中心付近の、図２６の上部の位置Ｂ６２乃至Ｂ６３に対応する範囲Ｚ６１においては、広いピークとされる。
　すなわち、図２４の画素構造においては、画素１００の中心付近において最も電界強度が強い範囲として形成される、アバランシェ降伏を発生させることができる。
　結果として、図２４の画素構造からなる画素１００においては、図２５で示されるようなポテンシャル分布と、図２６で示されるような電界強度分布とに基づいて、ポテンシャルバリヤの発生が抑制されることにより、微細な画素１００における受光感度を向上させることが可能となる。
　尚、図２４の場合、例えば、P+部１４１およびN+部１８１の密度は、1e16乃至5e17（1/cm3）程度とし、P-部１８３の密度は、1e16乃至5e17（1/cm3）程度とし、N-部１９１の密度は、5e14乃至5e15（1/cm3）程度とし、アノード１４４およびカソード１８２の密度は、1e20（1/cm3）程度とし、N+部１８１、およびアノード１４４間の印可電圧を調整することで、アバランシェ領域Ｚｇにおける電界強度を0.4乃至0.6MV/cmとすることができる。
　また、P+部１４１、N+部１８１、P-部１８３、N-部１９１、カソード１８２、およびアノード１４４の各密度、並びに、カソード１８２およびアノード１４４間の電位差は、一例に過ぎず、これに限定されるものではない。
　＜＜７．第７の実施の形態＞＞
　以上においては、アノード１４４は、基板１０４の表面位置に形成されている例について説明してきたが、境界１４５の側面に設けられてもよい。
　図２７は、図９の画素構造におけるアノード１４４を境界１４５の側面に形成するようにした画素１００の画素構造の例を示している。
　尚、図２７の画素構造において、図９の画素構造における構成と同一の機能を備えた構成については、同一の符号を付しており、その説明は省略する。
　図２７の画素構造において、図９の画素構造と異なる点は、アノード１４４に代えて、アノード１４４’が設けられている点である。
　すなわち、図２７の画素構造においては、図９の画素構造におけるアノード１４４’が境界１４５の側面部に設けられた点で異なる。
　このような構造においても、図２７の画素構造における矢印A方向のポテンシャル分布は、図２８で示されるように、図１０で示されるポテンシャル分布と同様に、図７の点線で囲まれるようなポテンシャルバリヤが発生しないポテンシャル分布とされる。
　また、電界強度分布についても、図２８で示されるように、図１１で示される電界強度分布と同様に、環状部１４１ａとN+部１４２との間で形成されるフリンジ電界により、図２８の一点鎖線で示される電界分布と、点線で示される電界分布とを含む、環状部１４１ａとN+部１４２との間で形成される電界分布が合成されることにより、図２８の上部における、実線で示されるような２つのピークを備える電界強度分布が形成される。
　このとき、図２７の画素構造においても、図２９の下部の、画素１００の上面から見たとき（入射光の入射方向から見たとき）の電界強度分布Ｄ７１で示されるように、図２９の上部の位置Ｂ７１乃至Ｂ７４に対応する範囲Ｚ７２が、アバランシェ降伏が発生する0.4乃至0.6MV/cm以上の電界強度とされ、画素１００の中心付近に対応する電界強度分布Ｄ７１の中心付近の範囲Ｚ７１においては、範囲Ｚ７２よりも電界強度は低いが、アバランシェ降伏が発生する0.4MV/cm以上とされる。
　すなわち、図２７の画素構造においては、画素１００の中心付近よりも、その周辺部における範囲の方が、電界強度が強い範囲として形成されるが、中心付近の範囲Ｚ７１においても、0.4MV/cm以上であり、アバランシェ降伏を発生させることができる。
　結果として、図２７の画素構造からなる画素１００においては、図２８で示されるようなポテンシャル分布と、図２９で示されるような電界強度分布とに基づいて、ポテンシャルバリヤの発生が抑制されることにより、微細な画素１００における受光感度を向上させることが可能となる。
　尚、図２７の場合、例えば、P+部１４１、およびN+部１４２の密度は、1e16乃至5e17（1/cm3）程度とし、カソード１４３、およびアノード１４４’の密度は、1e20（1/cm3）程度とし、カソード１４３、およびアノード１４４間の印可電圧を調整することで、アバランシェ領域Ｚｂにおける電界強度を0.4乃至0.6MV/cmとすることができる。
　また、P+部１４１、N+部１４２、カソード１４３、およびアノード１４４’の各密度、並びに、カソード１４３およびアノード１４４’間の電位差は、一例に過ぎず、これに限定されるものではない。
　＜＜８．電子機器への適用例＞＞
　上述した固体撮像素子は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
　図３０は、本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
　図３０に示される撮像装置１００１は、光学系１００２、シャッタ装置１００３、固体撮像素子１００４、駆動回路１００５、信号処理回路１００６、モニタ１００７、およびメモリ１００８を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
　光学系１００２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの光（入射光）を固体撮像素子１００４に導き、固体撮像素子１００４の受光面に結像させる。
　シャッタ装置１００３は、光学系１００２および固体撮像素子１００４の間に配置され、駆動回路１００５の制御に従って、固体撮像素子１００４への光照射期間および遮光期間を制御する。
　固体撮像素子１００４は、上述した固体撮像素子１１を含むパッケージにより構成される。固体撮像素子１００４は、光学系１００２およびシャッタ装置１００３を介して受光面に結像される光に応じて、一定期間、信号電荷を蓄積する。固体撮像素子１００４に蓄積された信号電荷は、駆動回路１００５から供給される駆動信号（タイミング信号）に従って転送される。
　駆動回路１００５は、固体撮像素子１００４の転送動作、および、シャッタ装置１００３のシャッタ動作を制御する駆動信号を出力して、固体撮像素子１００４おうよびシャッタ装置２０３を駆動する。
　信号処理回路１００６は、固体撮像素子１００４から出力された信号電荷に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路１００６が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ１００７に供給されて表示されたり、メモリ１００８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ている撮像装置１００１においても、上述した固体撮像素子１００４に代えて、上述した固体撮像素子１１を適用することにより、全画素でFD変換効率の切り替えを実現させることが可能となる。
　＜＜９．固体撮像素子の使用例＞＞
　図３１は、上述の固体撮像素子１１を使用する使用例を示す図である。
　上述した固体撮像素子１１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、TV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
　尚、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
＜１＞　アノードに接続された第１の極性の半導体領域と、
　カソードに接続された第２の極性の半導体領域とから形成されるアバランシェ領域を有するアバランシェ型フォトダイオードを備え、
　前記第１の極性の半導体領域は、入射光の入射方向から見て中心部に穴部を備えた環状構造であり、
　前記第２の極性の半導体領域は、前記入射光の入射方向に対して前記環状構造の穴部の位置の後段に形成される
　固体撮像素子。
＜２＞　前記第１の極性の半導体領域は、P+型半導体領域またはN+型半導体領域であり、前記第２の極性の半導体領域は、N+型半導体領域またはP+型半導体領域である
　＜１＞に記載の固体撮像素子。
＜３＞　前記第２の極性の半導体領域は、不純物過多の半導体からなる前記カソードである
　＜１＞に記載の固体撮像素子。
＜４＞　前記第２の極性の半導体領域は、N++型半導体領域またはP++型半導体領域からなる前記カソードである
　＜３＞に記載の固体撮像素子。
＜５＞　前記第１の極性の半導体領域は、P+型半導体領域またはN+型半導体領域であり、前記第２の極性の半導体領域は、N+型半導体領域およびN++半導体領域からなるカソード、またはP+型半導体領域およびP++半導体領域からなるカソードである
　＜１＞に記載の固体撮像素子。
＜６＞　前記第２の極性の半導体領域において、前記N+型半導体領域は、前記N++半導体領域からなるカソードを囲むように形成される、または前記P+型半導体領域は、前記P++半導体領域からなるカソードを囲むように形成される
　＜５＞に記載の固体撮像素子。
＜７＞　前記穴部の前記入射方向から見た径と、前記第２の極性の半導体領域の前記入射方向から見た径との関係は、前記アバランシェ領域における電界強度分布のピークが１つとなる関係である
　＜１＞に記載の固体撮像素子。
＜８＞　前記第１の極性の半導体領域は、P+型半導体領域またはN+型半導体領域であり、前記第２の極性の半導体領域は、N+型半導体領域またはP+型半導体領域であり、前記穴部には、P-型半導体領域またはN-半導体領域がさらに形成される
　＜１＞に記載の固体撮像素子。
＜９＞　前記穴部の前段には、N-型半導体領域またはP-半導体領域がさらに形成される
　＜８＞に記載の固体撮像素子。
＜１０＞　前記アノードは、基板の表面に形成される、前記基板に埋め込まれて形成される、または画素境界の側面に形成される
　＜１＞乃至＜９＞のいずれかに記載の固体撮像素子。
＜１１＞　アノードに接続された第１の極性の半導体領域と、
　カソードに接続された第２の極性の半導体領域とから形成されるアバランシェ領域を有するアバランシェ型フォトダイオードを備え、
　前記第１の極性の半導体領域は、入射光の入射方向から見て中心部に穴部を備えた環状構造であり、
　前記第２の極性の半導体領域は、前記入射光の入射方向に対して前記環状構造の穴部の位置の後段に形成される固体撮像素子を有する
　撮像装置。
＜１２＞　アノードに接続された第１の極性の半導体領域と、
　カソードに接続された第２の極性の半導体領域とから形成されるアバランシェ領域を有するアバランシェ型フォトダイオードを備え、
　前記第１の極性の半導体領域は、入射光の入射方向から見て中心部に穴部を備えた環状構造であり、
　前記第２の極性の半導体領域は、前記入射光の入射方向に対して前記環状構造の穴部の位置の後段に形成される固体撮像素子を有する
　電子機器。
　１１　固体撮像素子，　２１　画素アレイ部，　４１　画素，　１０１　オンチップレンズ，　１０２　カラーフィルタ，　１０３　光電変換層，　１０４　基板，　１２１　P+部，　１２１ａ　環状部，　１２２　P+部，　１２３　N+部，　１２４　カソード，　１２５　アノード，　１２６　境界，　１４１　P+部，　１４１ａ　環状部，　１４２　N+部，　１４３　カソード，　１４４，１４４’　アノード，　１４５　境界，　１５１　カソード，　１６１　N+部，　１６２　カソード，　１７１　N+部，　１７２　カソード，　１８１　N+部，　１８２　カソード，　１８３　P-部，　１９１　N-部

Claims (12)

  1. 　アノードに接続された第１の極性の半導体領域と、
    　カソードに接続された第２の極性の半導体領域とから形成されるアバランシェ領域を有するアバランシェ型フォトダイオードを備え、
    　前記第１の極性の半導体領域は、入射光の入射方向から見て中心部に穴部を備えた環状構造であり、
    　前記第２の極性の半導体領域は、前記入射光の入射方向に対して前記環状構造の穴部の位置の後段に形成される
    　固体撮像素子。
  2. 　前記第１の極性の半導体領域は、P+型半導体領域またはN+型半導体領域であり、前記第２の極性の半導体領域は、N+型半導体領域またはP+型半導体領域である
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 　前記第２の極性の半導体領域は、不純物過多の半導体からなる前記カソードである
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  4. 　前記第２の極性の半導体領域は、N++型半導体領域またはP++型半導体領域からなる前記カソードである
    　請求項３に記載の固体撮像素子。
  5. 　前記第１の極性の半導体領域は、P+型半導体領域またはN+型半導体領域であり、前記第２の極性の半導体領域は、N+型半導体領域およびN++半導体領域からなるカソード、またはP+型半導体領域およびP++半導体領域からなるカソードである
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  6. 　前記第２の極性の半導体領域において、前記N+型半導体領域は、前記N++半導体領域からなるカソードを囲むように形成される、または前記P+型半導体領域は、前記P++半導体領域からなるカソードを囲むように形成される
    　請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 　前記穴部の前記入射方向から見た径と、前記第２の極性の半導体領域の前記入射方向から見た径との関係は、前記アバランシェ領域における電界強度分布のピークが１つとなる関係である
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  8. 　前記第１の極性の半導体領域は、P+型半導体領域またはN+型半導体領域であり、前記第２の極性の半導体領域は、N+型半導体領域またはP+型半導体領域であり、前記穴部には、P-型半導体領域またはN-半導体領域がさらに形成される
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  9. 　前記穴部の前段には、N-型半導体領域またはP-半導体領域がさらに形成される
    　請求項８に記載の固体撮像素子。
  10. 　前記アノードは、基板の表面に形成される、前記基板に埋め込まれて形成される、または画素境界の側面に形成される
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  11. 　アノードに接続された第１の極性の半導体領域と、
    　カソードに接続された第２の極性の半導体領域とから形成されるアバランシェ領域を有するアバランシェ型フォトダイオードを備え、
    　前記第１の極性の半導体領域は、入射光の入射方向から見て中心部に穴部を備えた環状構造であり、
    　前記第２の極性の半導体領域は、前記入射光の入射方向に対して前記環状構造の穴部の位置の後段に形成される固体撮像素子を有する
    　撮像装置。
  12. 　アノードに接続された第１の極性の半導体領域と、
    　カソードに接続された第２の極性の半導体領域とから形成されるアバランシェ領域を有するアバランシェ型フォトダイオードを備え、
    　前記第１の極性の半導体領域は、入射光の入射方向から見て中心部に穴部を備えた環状構造であり、
    　前記第２の極性の半導体領域は、前記入射光の入射方向に対して前記環状構造の穴部の位置の後段に形成される固体撮像素子を有する
    　電子機器。
PCT/JP2021/041271 2020-11-24 2021-11-10 固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器 WO2022113734A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/253,203 US20240014343A1 (en) 2020-11-24 2021-11-10 Solid-state imaging element, imaging device, and electronic device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020194306A JP2022083067A (ja) 2020-11-24 2020-11-24 固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器
JP2020-194306 2020-11-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022113734A1 true WO2022113734A1 (ja) 2022-06-02

Family

ID=81755899

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/041271 WO2022113734A1 (ja) 2020-11-24 2021-11-10 固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240014343A1 (ja)
JP (1) JP2022083067A (ja)
WO (1) WO2022113734A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024004222A1 (ja) * 2022-07-01 2024-01-04 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出装置およびその製造方法
WO2024024515A1 (ja) * 2022-07-29 2024-02-01 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出素子および測距システム

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170092801A1 (en) * 2015-09-30 2017-03-30 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Spad-type photodiode
JP2018201005A (ja) * 2016-10-18 2018-12-20 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出器
JP2019007877A (ja) * 2017-06-27 2019-01-17 キヤノン株式会社 光検出装置及び撮像システム
JP2019114728A (ja) * 2017-12-26 2019-07-11 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像装置、距離計測装置、及び製造方法
JP2019140132A (ja) * 2018-02-06 2019-08-22 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 画素構造、撮像素子、撮像装置、および電子機器
JP2020017943A (ja) * 2018-07-12 2020-01-30 キヤノン株式会社 撮像素子
JP2020141122A (ja) * 2019-02-25 2020-09-03 キヤノン株式会社 光電変換装置、撮像システム及び移動体
WO2020203222A1 (ja) * 2019-03-29 2020-10-08 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像装置及び電子機器

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170092801A1 (en) * 2015-09-30 2017-03-30 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Spad-type photodiode
JP2018201005A (ja) * 2016-10-18 2018-12-20 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出器
JP2019007877A (ja) * 2017-06-27 2019-01-17 キヤノン株式会社 光検出装置及び撮像システム
JP2019114728A (ja) * 2017-12-26 2019-07-11 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像装置、距離計測装置、及び製造方法
JP2019140132A (ja) * 2018-02-06 2019-08-22 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 画素構造、撮像素子、撮像装置、および電子機器
JP2020017943A (ja) * 2018-07-12 2020-01-30 キヤノン株式会社 撮像素子
JP2020141122A (ja) * 2019-02-25 2020-09-03 キヤノン株式会社 光電変換装置、撮像システム及び移動体
WO2020203222A1 (ja) * 2019-03-29 2020-10-08 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像装置及び電子機器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024004222A1 (ja) * 2022-07-01 2024-01-04 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出装置およびその製造方法
WO2024024515A1 (ja) * 2022-07-29 2024-02-01 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出素子および測距システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022083067A (ja) 2022-06-03
US20240014343A1 (en) 2024-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10741605B2 (en) Solid-state image sensor, imaging device, and electronic equipment
US11309440B2 (en) Imaging device and imaging system
US10560652B2 (en) Stacked solid-state image sensor comprising vertical transistor for generating a pixel signal, switching between first and second driving methods thereof, and electronic apparatus
JP7335990B2 (ja) 撮像装置
US10475831B2 (en) Solid-state image sensing device, electronic device, and method for manufacturing solid-state image sensing device
WO2022113734A1 (ja) 固体撮像素子、および撮像装置、並びに電子機器
US11838662B2 (en) Solid-state imaging device and electronic apparatus
KR20170024599A (ko) 이면 조사형 촬상 소자, 그 제조 방법 및 촬상 장치
US10942304B2 (en) Solid-state imaging element, manufacturing method of the same, and electronic device
US20200273894A1 (en) Photoelectric conversion device, imaging system, and mobile apparatus
US20180081099A1 (en) Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and electronic device
JP2016162917A (ja) 固体撮像素子および電子機器
JP2016096234A (ja) 固体撮像素子および電子機器
JP2020017943A (ja) 撮像素子
TW201626554A (zh) 固體攝像元件及電子裝置
US20230268365A1 (en) Light reception element and electronic device
WO2021261093A1 (ja) 半導体装置及び電子機器
JP7126826B2 (ja) 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法、並びに電子機器
Sun et al. A flexible 32× 32 dual-side single-photon image sensor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21897708

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18253203

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21897708

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1