WO2024076185A1 - 아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치 - Google Patents

아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치 Download PDF

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WO2024076185A1
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highly doped
avalanche
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이명재
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주식회사 트루픽셀
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Definitions

  • This disclosure relates to avalanche photodetection devices, electronic devices, and lidar devices.
  • An avalanche photodetection device is a photodetector that uses avalanche multiplication.
  • avalanche photodetection devices include avalanche photodiodes (APD) and single-photon avalanche diodes (SPAD).
  • the avalanche photodetection element includes a photodiode and a circuit for controlling the photodiode.
  • the avalanche photodetector may be referred to as a two-dimensional avalanche photodetector.
  • the avalanche photodetector may be referred to as a three-dimensional avalanche photodetector.
  • An avalanche photodiode is a solid-state photodetector in which a high bias voltage is applied to the pn junction to provide high gain due to avalanche multiplication.
  • an electron-hole pair EHP
  • a high electric field rapidly accelerates the photo-generated electrons toward the (+) side, and additional electron-hole pairs are created one after another through impact ionization by these accelerated electrons. All electrons are accelerated toward the anode. Similarly, holes are rapidly accelerated toward (-) and cause the same phenomenon. This process repeats itself leading to avalanche multiplication of photogenerated electrons. Therefore, APDs are semiconductor-based devices that operate similarly to photomultiplier tubes.
  • a linear mode APD is an effective amplifier that sets the gain by controlling the bias voltage and can obtain tens to thousands of gains in linear mode.
  • a single-photon avalanche diode is an APD in which the pn junction is biased above its breakdown voltage to operate in Geiger mode, where a single incident photon triggers the avalanche phenomenon. ) and can generate a very large current, thereby obtaining a pulse that can be easily measured along with a quenching resistance or quenching circuit.
  • SPAD operates as a device that generates large pulses compared to linear mode APD.
  • a quenching resistor or quenching circuit is used to reduce the bias voltage below the breakdown voltage to quench the avalanche process. Once quenched, the bias voltage is raised again above the breakdown voltage to reset the SPAD for detection of another photon.
  • Avalanche photodiodes, or single-photon avalanche diodes can be integrated in three dimensions with most or all of the circuitry formed on a different substrate.
  • single-photon avalanche diode elements are arranged in an array and formed on one substrate, and a quenching circuit and other pixel circuits (e.g., reset or recharge circuit, memory, amplification circuit, Counters, gate circuits, time-to-digital converters, etc.) are formed on different substrates and are used in back-side illumination (BSI) or front-side illumination (FSI) methods. It can be 3D integrated.
  • BSI back-side illumination
  • FSI front-side illumination
  • a negative bias is applied to the anode and the output is read from the cathode.
  • a negative bias voltage source or power circuit is required and the pixel circuit may become complicated or inefficient.
  • the technical challenge lies in providing three-dimensional avalanche photodetection elements, electronic devices, and lidar devices using positive bias.
  • the technical challenge is to provide three-dimensional avalanche photodetection devices, electronic devices, and lidar devices that use simple and efficient voltage sources or power circuits.
  • the technical challenge lies in providing three-dimensional avalanche photodetection devices, electronics, and lidar devices using simple and efficient pixel circuits.
  • a light detection layer comprising: a first well; a highly doped region provided on the first well; and an anode contact spaced apart from the highly doped region, wherein the conductivity type of the first well and the anode contact is p-type, the conductivity type of the highly doped region is n-type, and the highly doped region is positive.
  • An avalanche photodetection device may be provided that is configured to be biased with a bias, and the anode contact is configured to output a signal.
  • the anode contact may surround the highly doped region.
  • the photodetector layer further includes a second well provided between the first well and the high concentration doping region, wherein the conductivity type of the second well is n-type, and the doping concentration of the second well is the high concentration. It is smaller than the doping concentration of the doped region, and the first well and the second well may be in direct contact with each other to form a depletion region.
  • the second well may extend to an area between the highly doped region and the anode contact.
  • the first well may extend to an area between the second well and the anode contact.
  • the photodetector layer further includes a relaxation region directly in contact with the anode contact, wherein the conductivity type of the relaxation region is p-type, the doping concentration of the relaxation region is lower than the doping concentration of the anode contact, and the first well It may be higher than the doping concentration of .
  • the photodetector layer further includes an additional relaxation region provided on a bottom surface of the relaxation region, wherein the conductivity type of the additional relaxation region is p-type, and the additional relaxation region extends to a position deeper than the first well. can be formed.
  • the photodetector layer further includes a guard ring extending from an area on a side of the highly doped region to an area on a side of the first well, wherein the conductivity type of the guard ring is n-type, and the doping of the guard ring is The concentration may be lower than the doping concentration of the high concentration doping region.
  • control layer provided on the photodetection layer, wherein the control layer includes: a first circuit configured to bias the highly doped region; and a second circuit configured to output the signal from the anode contact.
  • connection layer provided between the control layer and the photodetection layer, wherein the connection layer includes: a first wiring configured to electrically connect the highly doped region and the first circuit; and a second wiring configured to electrically connect the anode contact and the second circuit.
  • an avalanche photo-detection device is included, wherein the avalanche photo-detection device includes a photo-detection layer, wherein the photo-detection layer includes: a first well; a highly doped region provided on the first well; and an anode contact spaced apart from the highly doped region, wherein the conductivity type of the first well and the anode contact is p-type, the conductivity type of the highly doped region is n-type, and the highly doped region is positive.
  • An electronic device may be provided that is configured to be biased with a bias, and the anode contact is configured to output a signal.
  • an electronic device includes an avalanche photodetection device, and the avalanche photodetection device includes a photodetection layer, wherein the photodetection layer includes: a first well; a highly doped region provided on the first well; and an anode contact spaced apart from the highly doped region, wherein the conductivity type of the first well and the anode contact is p-type, the conductivity type of the highly doped region is n-type, and the highly doped region is positive.
  • a LIDAR device may be provided that is configured to be biased with a bias, and the anode contact is configured to output a signal.
  • the present disclosure can provide a three-dimensional avalanche photodetection device, electronic device, and lidar device using positive bias.
  • the present disclosure can provide a three-dimensional avalanche photodetection device, electronic device, and lidar device using a simple and efficient voltage source or power circuit.
  • the present disclosure can provide a three-dimensional avalanche photodetection device, electronic device, and lidar device using a simple and efficient pixel circuit.
  • FIG. 1 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A' of the avalanche photodetector of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 5 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 6 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 8 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view corresponding to line A-A' of the avalanche photodetector of FIG. 1.
  • Figure 10 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10.
  • Figure 18 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view taken along line C-C' of the avalanche photodetector of FIG. 18.
  • Figure 20 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line D-D' of the avalanche photodetector of FIG. 20.
  • Figure 22 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view taken along line E-E' of the avalanche photodetector of FIG. 22.
  • Figure 24 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view taken along line F-F' of the avalanche photodetector of FIG. 24.
  • Figure 26 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view corresponding to line G-G' of the avalanche photodetector of FIG. 26.
  • Figure 28 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 29 is a cross-sectional view corresponding to line H-H' of the avalanche photodetector of FIG. 28.
  • Figure 30 is a cross-sectional view of an avalanche photodetector according to an example embodiment.
  • Figure 31 is a top view of an avalanche photodetector array according to an example embodiment.
  • FIG. 32 is a cross-sectional view taken along line J-J' of FIG. 31.
  • Figure 33 is a block diagram for explaining an electronic device according to an example embodiment.
  • Figures 34 and 35 are conceptual diagrams showing a case where a LiDAR device according to an exemplary embodiment is applied to a vehicle.
  • a light detection layer comprising: a first well; a highly doped region provided on the first well; and an anode contact spaced apart from the highly doped region, wherein the conductivity type of the first well and the anode contact is p-type, the conductivity type of the highly doped region is n-type, and the highly doped region is positive.
  • An avalanche photodetection device may be provided that is configured to be biased with a bias, and the anode contact is configured to output a signal.
  • an avalanche photo-detection device is included, wherein the avalanche photo-detection device includes a photo-detection layer, wherein the photo-detection layer includes: a first well; a highly doped region provided on the first well; and an anode contact spaced apart from the highly doped region, wherein the conductivity type of the first well and the anode contact is p-type, the conductivity type of the highly doped region is n-type, and the highly doped region is positive.
  • An electronic device may be provided that is configured to be biased with a bias, and the anode contact is configured to output a signal.
  • an electronic device includes an avalanche photodetection device, and the avalanche photodetection device includes a photodetection layer, wherein the photodetection layer includes: a first well; a highly doped region provided on the first well; and an anode contact spaced apart from the highly doped region, wherein the conductivity type of the first well and the anode contact is p-type, the conductivity type of the highly doped region is n-type, and the highly doped region is positive.
  • a LIDAR device may be provided that is configured to be biased with a bias, and the anode contact is configured to output a signal.
  • on may include not only what is directly above in contact but also what is above without contact.
  • unit used in the specification refers to a unit that processes at least one function or operation.
  • FIG. 1 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A' of the avalanche photodetector of FIG. 1.
  • an avalanche photodetection device 10 may be provided.
  • the avalanche photodetector 10 may include a photodetector layer 100, a connection layer 200, and a control layer 300.
  • the light detection layer 100 may include a front surface 101a and a rear surface 101b facing opposite directions.
  • the connection layer 200 and the control layer 300 may be stacked on the front surface 101a of the photodetection layer 100.
  • Light may enter the light detection layer 100 through the rear surface 101b of the light detection layer 100.
  • the avalanche photodetector 10 may be a back-side illumination (BSI) type image sensor.
  • BSI back-side illumination
  • the light detection layer 100 may include an avalanche photodiode (APD) or a single-photon avalanche diode (SPAD). Single photon avalanche diodes (SPADs) may be referred to as Geiger-mode avalanche photodiodes (Geiger-mode APDs: G-APDs).
  • the photodetection layer 100 may include a substrate region 102, a first well 104, a highly doped region 108, an anode contact 110, and a relaxation region 112.
  • the first well 104, the highly doped region 108, the anode contact 110, and the relaxation region 112 may be formed by implanting impurities into a semiconductor substrate (eg, a silicon (Si) substrate).
  • the substrate region 102 may be the remaining portion of the semiconductor substrate excluding the first well 104, the heavily doped region 108, the anode contact 110, and the relaxation region 112.
  • the substrate region 102 may include silicon (Si), germanium (Ge), or silicon germanium (SiGe).
  • the conductivity type of the substrate region 102 may be n-type or p-type. If the conductivity type of the substrate region 102 is n-type, it may contain a group 5 element (e.g., phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), etc.), a group 6, or a group 7 element as an impurity. You can.
  • the region where the conductivity type is n-type may include impurities of group 5, 6, or 7 elements.
  • the substrate region 102 is a group 3 element (e.g., boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), etc.) or 2 It may contain group elements as impurities.
  • the region where the conductivity type is p-type may contain impurities containing a group 3 or 2 element.
  • the doping concentration of the substrate region 102 may be 1x10 14 to 1x10 19 cm -3 .
  • the semiconductor substrate may be an epi layer formed by an epitaxial growth process.
  • a first well 104 may be provided on the substrate area 102 .
  • First well 104 may be surrounded by substrate region 102 .
  • the top and bottom surfaces of the first well 104 may be covered by the substrate area 102 .
  • the first well 104 may directly contact the substrate region 102 .
  • the conductivity type of the first well 104 may be p-type.
  • the doping concentration of the first well 104 may be 1x10 15 to 1x10 18 cm -3 .
  • the highly doped region 108 may be configured to form a depletion region (DR).
  • a highly doped region 108 may be provided on the first well 104.
  • the highly doped region 108 may be in contact with the first well 104.
  • the width of the highly doped region 108 may be larger than the width of the first well 104.
  • An end of the highly doped region 108 may protrude from the side of the first well 104 .
  • the central axis of the highly doped region 108 may be aligned with the central axis of the first well 104 .
  • the conductivity type of the highly doped region 108 may be n-type.
  • the doping concentration of the highly doped region 108 may be 1x10 15 to 1x10 22 cm -3 .
  • the highly doped region 108 may be configured to apply a positive bias.
  • the first circuit 302 electrically connected to the highly doped region 108 includes at least one of a DC-to-DC converter and a power management integrated circuit. can do.
  • the first circuit 302 may be electrically connected to an external power source.
  • a cathode contact may be additionally provided on one side of the highly doped region 108.
  • the depletion region DR may be formed in an area adjacent to the interface between the first well 104 and the highly doped region 108.
  • a reverse bias is applied to the photodetection layer 100, a strong electric field may be formed in the depletion region DR.
  • the maximum intensity of the electric field may be about 1x10 5 to 1x10 6 V/cm. Since electrons can be multiplied by the electric field in the depletion region (DR), the depletion region may be referred to as a multiplication region.
  • the anode contact 110 may be configured to be electrically connected to the second circuit 304, which will be described later. Although the anode contact 110 is shown surrounding the heavily doped region 108, this is illustrative. In another example, a plurality of anode contacts 110 may be provided around the highly doped region 108 . The plurality of anode contacts 110 may be electrically connected to the second circuit 304. The conductivity type of the anode contact 110 may be p-type. The doping concentration of the anode contact 110 may be higher than that of the first well 104. For example, the doping concentration of the anode contact 110 may be 1x10 15 to 1x10 22 cm -3 .
  • the second circuit 304 includes at least a quenching resistor (or quenching circuit) and a pixel circuit. Can be electrically connected to one.
  • a quenching resistor or quenching circuit can stop the avalanche effect and allow the single-photon avalanche diode (SPAD) to detect another photon.
  • the pixel circuit may include, for example, a reset or recharge circuit, a memory, an amplifier circuit, a counter, a gate circuit, a time-to-digital converter, etc.
  • the pixel circuit may receive a signal from the photodetection layer 100.
  • the relaxation region 112 may be configured to alleviate the difference in doping concentration between the anode contact 110 and the substrate region 102.
  • a relief area 112 may be provided between the anode contact 110 and the first well 104 .
  • Relaxation area 112 may be electrically connected to anode contact 110 and first well 104 .
  • the relaxation area 112 may improve the electrical connection characteristics between the anode contact 110 and the substrate area 102.
  • the relaxation region 112 may be configured to reduce or prevent a voltage drop when a voltage is applied to the substrate region 102 through the anode contact 110 and to ensure that the voltage is applied uniformly to the substrate region 102. You can.
  • Relief region 112 may extend along anode contact 110 .
  • Relief areas 112 may be provided on the side and bottom surfaces of the anode contact 110 .
  • relief area 112 may directly contact the side and bottom surfaces of anode contact 110 .
  • the relative position of the relief area 112 with respect to the anode contact 110 may be determined as needed.
  • relief area 112 may be provided only on the bottom surface of anode contact 110 and not on the sides of anode contact 110 .
  • the substrate region 102 may extend to a region between the relaxed region 112 and the highly doped region 108 and between the relaxed region 112 and the first well 104 .
  • the area between the relaxed region 112 and the heavily doped region 108 and between the relaxed region 112 and the first well 104 may be filled with the substrate region 102 .
  • the conductivity type of the relaxation region 112 may be p-type.
  • the doping concentration of the relaxation region 112 may be lower than that of the anode contact 110 and may be similar to or higher than the doping concentration of the substrate region 102 .
  • the doping concentration of the relaxation region 112 may be 1x10 15 to 1x10 19 cm -3 .
  • the connection layer 200 may be provided between the light detection layer 100 and the control layer 300.
  • the connection layer 200 is configured to electrically connect the first wiring 202, which is configured to electrically connect the highly concentrated doped region 108 and the first circuit 302, and the anode contact 110 and the second circuit 304. It may include a second wiring 204 and an insulating layer 206.
  • the first wire 202 and the second wire 204 may be inserted into the insulating layer 206.
  • the first wiring 202 and the second wiring 204 may include an electrically conductive material.
  • the first and second wires 202 and 204 include copper (Cu), aluminum (Al), tungsten (W), titanium (Ti), titanium nitride (TiN), or a combination thereof. can do.
  • the first and second wirings 202 and 204 may include a plurality of portions extending along a direction crossing the front surface 101a of the photo-detecting layer 100 or in a direction parallel to it.
  • a positive bias may be applied from the first circuit 302 to the highly doped region 108 through the first wiring 202.
  • a signal current may be output from the anode contact 110 to the second circuit 304 through the second wiring 204.
  • the insulating layer 206 may include an electrically insulating material.
  • insulating layer 206 may include silicon oxide (e.g., SiO 2 ), silicon nitride (e.g., SiN), silicon oxynitride (e.g., SiON), or combinations thereof. there is.
  • the control layer 300 may include a first circuit 302 and a second circuit 304 that control the photodetection layer 100.
  • the control layer 300 may be a chip on which the first circuit 302 and the second circuit 304 are formed.
  • the first circuit 302 and the second circuit 304 are each shown as one block, this means that each of the first circuit 302 and the second circuit 304 is one electronic element or a circuit with a single function. It does not mean that it consists of.
  • the first circuit 302 and/or the second circuit 304 may include circuits having a plurality of electronic elements and a plurality of functions as needed.
  • the first circuit 302 may include at least one of a DC-to-DC converter and a power management integrated circuit.
  • the first circuit 302 may be configured to be electrically connected to an external power source.
  • the second circuit 304 includes a quenching resistor (or quenching circuit) and a pixel circuit.
  • a quenching resistor or quenching circuit can be configured to stop the avalanche effect and allow a single photon avalanche diode (SPAD) to detect another photon.
  • the pixel circuit may include, for example, a reset or recharge circuit, a memory, an amplifier circuit, a counter, a gate circuit, a time-to-digital converter, etc. The pixel circuit may transmit a signal to the light detection layer 100 or receive a signal from the light detection layer 100.
  • a semiconductor device included in the control layer 300 may be formed on the substrate region 102.
  • a ground voltage must be applied to the substrate region 102.
  • the ground voltage is also applied to the anode (first well 104) in contact with the substrate area 102. Therefore, the cathode (highly doped region) is biased, and the signal is also output from the cathode (highly doped region).
  • the voltage applied to the cathode is at a level that is difficult for the transistor to withstand.
  • the voltage ranges from 10 volts (V) to 20 volts (V).
  • quenching circuits can have simple or complex configurations.
  • the quenching circuit can have a simple configuration (for example, a configuration using a transistor that directly receives the signal), and it is difficult to have a complex configuration (for example, a configuration using a transistor that directly receives the signal) and a complex configuration (for example, a configuration using a transistor that directly receives the signal).
  • It may have a configuration using additional elements such as a ring capacitor.
  • negative bias is used. Since most semiconductor devices require a positive bias, a system containing an avalanche photodetector device with a bias applied to the anode and other semiconductor devices must supply a power supply that supplies a positive bias and a power supply that supplies a negative bias. A separate power source must be provided. Therefore, the system may be complex and large in size. Also, in this case, the pixel circuit may become complicated or inefficient, such as increased use of PMOS in implementing the pixel circuit.
  • the cathode (highly doped region 108) may be biased with a positive bias, and a signal may be output from the anode (first well 104). Since the wiring on which biasing is performed and the wiring on which the signal is output are electrically separated and no bias is applied to the quenching circuit, the quenching circuit can have a simple configuration.
  • a system including the avalanche photodetector 10 of the present disclosure and other semiconductor devices may require only a power supply that supplies a positive bias without a power supply that supplies a negative bias. Accordingly, a simple and miniaturized semiconductor system can be provided. Additionally, a three-dimensional avalanche photodetection device using a simple and efficient pixel circuit can be provided.
  • FIG. 3 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment. Differences from that shown in Figure 1 are explained for brevity of explanation.
  • an avalanche photodetection element 11 may be provided. Unlike what is shown in FIG. 1, the avalanche photodetector 11 may have a square shape. Specifically, the highly doped region 108 may have a square shape, and the substrate region 102, the relaxation region 112, and the anode contact 110 may have a square ring shape surrounding the highly doped region 108. You can. For example, heavily doped region 108, substrate region 102, relaxation region 112, and anode contact 110 may have the same center.
  • FIG. 4 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment. Differences from that shown in Figure 1 are explained for brevity of explanation.
  • FIG. 5 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment. Differences from that shown in Figure 1 are explained for brevity of explanation.
  • an avalanche photodetection element 13 may be provided. Unlike what is shown in FIG. 1, the avalanche photodetector 13 may have a rectangular shape. Specifically, the highly doped region 108 may have a rectangular shape, and the substrate region 102, the relaxation region 112, and the anode contact 110 may have a rectangular ring shape surrounding the highly doped region 108. You can. For example, heavily doped region 108, substrate region 102, relaxation region 112, and anode contact 110 may have the same center.
  • FIG. 6 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment. Differences from that shown in Figure 1 are explained for brevity of explanation.
  • an avalanche photodetection element 14 may be provided. Unlike what is shown in FIG. 1, the avalanche photodetector 14 may have a rectangular shape with rounded corners. Specifically, the highly doped region 108 may have a rectangular shape with rounded corners, and the substrate region 102, the relaxation region 112, and the anode contact 110 have corners surrounding the highly doped region 108. may have a rounded rectangular ring shape. For example, heavily doped region 108, substrate region 102, relaxation region 112, and anode contact 110 may have the same center.
  • FIG. 7 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment. Differences from that shown in Figure 1 are explained for brevity of explanation.
  • an avalanche photodetection device 15 may be provided. Unlike shown in FIG. 1, the avalanche photodetector 15 may have an elliptical shape. Specifically, the highly doped region 108 may have an elliptical shape, and the substrate region 102, the relaxation region 112, and the anode contact 110 may have an elliptical ring shape surrounding the highly doped region 108. You can. For example, heavily doped region 108, substrate region 102, relaxation region 112, and anode contact 110 may have the same center.
  • FIG. 8 is a top plan view of the avalanche photodetector device of FIG. 2 according to an exemplary embodiment. Differences from that shown in Figure 1 are explained for brevity of explanation.
  • an avalanche photodetection element 16 may be provided. Unlike what is shown in FIG. 1, the avalanche photodetector 16 may have an octagonal shape. Specifically, the highly doped region 108 may have an octagonal shape, and the substrate region 102, the relaxation region 112, and the anode contact 110 may have an octagonal ring shape surrounding the highly doped region 108. You can. For example, heavily doped region 108, substrate region 102, relaxation region 112, and anode contact 110 may have the same center.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view corresponding to line A-A' of the avalanche photodetector of FIG. 1. For brevity of explanation, differences from those described with reference to FIGS. 1 and 2 are explained.
  • an avalanche photodetection element 17 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 1 and 2, the avalanche photodetector 17 may further include an additional relaxation region 113.
  • An additional relief area 113 may be provided on the bottom surface of the relief area 112 .
  • the additional relief area 113 may be formed to a location deeper than the first well 104 .
  • the bottom surface of the additional relief area 113 may be disposed closer to the rear surface 101b of the photodetector layer 100 than the bottom surface of the first well 104.
  • the sides of the additional relief area 113 may be aligned with the sides of the relief area 112 .
  • the side of the additional relaxation area 113 and the side of the relaxation area 112 may be coplanar.
  • the conductivity type of the additional relaxation region 113 may be p-type.
  • the doping concentration of the additional relaxation region 113 may be 1x10 15 to 1x10 18 cm -3 .
  • the additional relaxation area 113 may improve the electrical connection characteristics of the anode contact 110 and the substrate area 102.
  • the additional relaxation region 113 is configured to reduce or prevent voltage drop when voltage is applied to the substrate region 102 through the anode contact 110 and to ensure that the voltage is applied uniformly to the substrate region 102. It can be.
  • FIG. 10 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10.
  • an avalanche photodetection device 18 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 1 and 2 , the avalanche photodetector 18 may further include a guard ring 114 .
  • the guard ring 114 may be provided on the side of the highly doped region 108 and the side of the first well 104. Guard ring 114 may extend from an area on the side of heavily doped region 108 to an area on the side of first well 104 .
  • the guard ring 114 may surround the highly doped region 108 and the first well 104.
  • the guard ring 114 may have a ring shape extending along the side of the highly doped region 108 and the side of the first well 104.
  • the guard ring 114 may directly contact the highly doped region 108 and the first well 104. In another example, the guard ring 114 may be spaced apart from the highly doped region 108 and the first well 104. The top surface of the guard ring 114 and the top surface of the highly doped region 108 may be disposed at substantially the same height. The bottom surface of the guard ring 114 may be disposed at substantially the same height as the bottom surface of the first well 104. The conductivity type of the guard ring 114 may be n-type. The doping concentration of the guard ring 114 may be lower than the doping concentration of the highly doped region 108. For example, the doping concentration of the guard ring 114 may be 1x10 15 to 1x10 18 cm -3 .
  • the guard ring 114 may be configured to block electrons or holes generated by defects in the semiconductor substrate from moving to the multiplication area to reduce or prevent the generation of noise and after-pulse. Furthermore, the guard ring 114 may be configured to alleviate the concentration of electric fields at the edge of the highly doped region 108, thereby reducing or preventing the premature breakdown phenomenon.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10. For brevity of explanation, differences from those described with reference to FIGS. 10 and 11 are explained.
  • an avalanche photodetection element 19 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 10 and 11 , the bottom surface of the guard ring 114 may be disposed at a height between the bottom surface and the top surface of the first well 104. The guard ring 114 may be formed to a depth shallower than the first well 104. The guard ring 114 may be configured to reduce or prevent noise generation due to defects in the semiconductor substrate.
  • the doping concentration of the guard ring 114 may be higher than the doping concentration of the guard ring 114 described with reference to FIGS. 10 and 11 . For example, the doping concentration of the guard ring 114 may be 1x10 16 to 1x10 18 cm -3 .
  • FIG. 13 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10. For brevity of explanation, differences from those described with reference to FIGS. 10 and 11 are explained.
  • an avalanche photodetection device 20 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 10 and 11 , the bottom surface of the first well 104 may be disposed at a height between the bottom surface and the top surface of the guard ring 114.
  • the guard ring 114 may be formed to a greater depth than the first well 104.
  • the guard ring 114 may be configured to reduce or prevent noise generation due to defects in the semiconductor substrate.
  • the doping concentration of the guard ring 114 may be lower than the doping concentration of the guard ring 114 described with reference to FIGS. 10 and 11 .
  • the doping concentration of the guard ring 114 may be 1x10 15 to 1x10 17 cm -3 .
  • FIG. 14 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10. For brevity of explanation, differences from those described with reference to FIGS. 10 and 11 are explained.
  • an avalanche photodetection element 21 may be provided.
  • the guard ring 114 may extend from an area on the side of the first well 104 to an area on the bottom of the first well 104 .
  • the guard ring 114 may be formed to a greater depth than the first well 104.
  • the guard ring 114 may be configured to reduce or prevent noise generation due to defects in the semiconductor substrate.
  • the doping concentration of the guard ring 114 may be 1x10 15 to 1x10 18 cm -3 .
  • FIG. 15 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10. For brevity of explanation, differences from those described with reference to FIGS. 10 and 11 are explained.
  • an avalanche photodetection element 22 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 10 and 11 , the side of the highly doped region 108 may be aligned with the side of the first well 104 . The side of the highly doped region 108 may be coplanar with the side of the first well 104. The end of the highly doped region 108 may not protrude from the side of the first well 104 .
  • FIG. 16 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10. For brevity of explanation, differences from those described with reference to FIGS. 10 and 11 are explained.
  • an avalanche photodetection element 23 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 10 and 11 , the first well 104 may not be provided.
  • the highly doped region 108 may be in direct contact with the substrate region 102.
  • the depletion region DR may be formed in an area adjacent to the interface between the highly doped region 108 and the substrate region 102.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view corresponding to line B-B' of the avalanche photodetector of FIG. 10. For brevity of explanation, the differences from those described with reference to FIG. 16 are explained.
  • an avalanche photodetection element 24 may be provided. Unlike what is described with reference to FIG. 16 , a second well 106 may be provided between the substrate region 102 and the highly doped region 108 .
  • the first well 104 may not be provided.
  • the second well 106 may separate the highly doped region 108 and the substrate region 102 from each other.
  • the second well 106 may be provided on the bottom surface of the highly doped region 108.
  • the side of the second well 106 and the side of the highly doped region 108 may be aligned.
  • the side surface of the second well 106 and the side surface of the highly doped region 108 may be coplanar.
  • the conductivity type of the second well 106 may be n-type.
  • the doping concentration of the second well 106 may be lower than that of the high-concentration doping region 108 and may be higher than that of the guard ring 114.
  • the doping concentration of the second well 106 may be 1x10 16 to 1x10 18 cm -3 .
  • the depletion region DR may be formed adjacent to the boundary between the second well 106 and the substrate region 102.
  • the guard ring 114 may extend from the front surface 101a of the light detection layer 100 to a position deeper than the bottom surface of the second well 106.
  • the bottom surface of the guard ring 114 may be disposed closer to the rear surface 101b of the light detection layer 100 than the bottom surface of the second well 106.
  • the guard ring 114 may be configured to reduce or prevent noise generation due to defects in the semiconductor substrate.
  • the guard ring 114 may have a lower doping concentration than the second well 106.
  • the doping concentration of the guard ring 114 may be 1x10 15 to 1x10 17 cm -3 .
  • Figure 18 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view taken along line C-C' of the avalanche photodetector of FIG. 18.
  • an avalanche photodetection device 25 may be provided.
  • the guard ring 114 may directly contact the first well 104, the highly doped region 108, and the relaxation region 112.
  • the guard ring 114 may fill the area between the relaxation region 112 and the first well 104 and the region between the relaxation region 112 and the highly doped region 108.
  • the guard ring 114 is connected to the relief area 112 and the first well 104.
  • Wells 104 may fill some of the area between wells 104 and first wells 104 may fill other parts of the areas between relief areas 112 and first wells 104 .
  • Figure 20 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line D-D' of the avalanche photodetector of FIG. 20.
  • an avalanche photodetection device 26 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 1 and 2, a third well 107 may be provided between the first well 104 and the substrate region 102. The third well 107 may extend to an area between the first well 104 and the relaxation region 112 and to an area between the highly doped region 108 and the relaxation region 112. The third well 107 may directly contact the substrate area 102 .
  • the conductivity type of the third well 107 may be p-type.
  • the doping concentration of the third well 107 may be higher than that of the substrate region 102. For example, the doping concentration of the third well 107 may be 1x10 15 to 1x10 19 cm -3 . In one example, the doping concentration of the third well 107 may decrease as it approaches the front surface 101a of the photodetection layer 100. In one example, the third well 107 may have a uniform doping concentration.
  • FIG. 22 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view taken along line E-E' of the avalanche photodetector of FIG. 22.
  • content substantially the same as that described with reference to FIGS. 1 and 2 may not be described.
  • an avalanche photodetection device 27 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 1 and 2, a fourth well 109 may be provided between the first well 104 and the highly doped region 108. The fourth well 109 may separate the highly doped region 108 and the first well 104 from each other. The fourth well 109 may extend between the substrate region 102 and the highly doped region 108. The fourth well 109 may separate the substrate region 102 and the highly doped region 108 from each other. The conductivity type of the fourth well 109 may be n-type. The doping concentration of the fourth well 109 may be lower than the doping concentration of the highly doped region 108. For example, the doping concentration of the fourth well 109 may be 1x10 16 to 1x10 18 cm -3 . The depletion region DR may be formed in an area adjacent to the boundary between the fourth well 109 and the first well 104.
  • FIG. 24 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view taken along line F-F' of the avalanche photodetector of FIG. 24.
  • an avalanche photodetection device 28 may be provided.
  • a third well 107 may be provided between the fourth well 109 and the substrate region 102.
  • the third well 107 may extend to an area between the fourth well 109 and the relaxation region 112 and to an area between the highly doped region 108 and the relaxation region 112.
  • the third well 107 may directly contact the substrate area 102 .
  • the conductivity type of the third well 107 may be p-type.
  • the doping concentration of the third well 107 may be higher than that of the substrate region 102.
  • the doping concentration of the third well 107 may be 1x10 15 to 1x10 19 cm -3 .
  • the doping concentration of the third well 107 may decrease as it approaches the front surface 101a of the photodetection layer 100.
  • the third well 107 may have a uniform doping concentration.
  • the depletion region DR may be formed along the boundary between the third well 107 and the fourth well 109.
  • FIG. 26 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view corresponding to line G-G' of the avalanche photodetector of FIG. 26.
  • an avalanche photodetection device 29 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 24 and 25 , a sub-substrate region 120 may be provided between the relief region 112 and the fourth well 109. The sub-substrate area 120 may surround the fourth well 109. The conductivity type of the sub-substrate region 120 may be p-type. The sub-substrate region 120 may have substantially the same doping concentration as the substrate region 102. For example, the doping concentration of the sub-substrate region 120 may be 1x10 14 to 1x10 19 cm -3 .
  • the sub-substrate area 120 may extend from the front surface 101a of the avalanche photodetector 29 to a certain depth.
  • the rear surface of the sub-substrate area 120 may be located at a height between the top and bottom surfaces of the fourth well 109.
  • the sub-substrate region 120 may be an upper region of the substrate region 102 (that is, the upper part of the semiconductor substrate) where ions are not implanted in the ion implantation process to form the third well 107.
  • Figure 28 is a top view of an avalanche photodetector device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 29 is a cross-sectional view corresponding to line H-H' of the avalanche photodetector of FIG. 28.
  • an avalanche photodetection device 29 may be provided. Unlike what is described with reference to FIGS. 24 and 25, a guard ring 114 may be provided on the side of the fourth well 109.
  • the guard ring 114 may extend from an area on the side of the fourth well 109 to an area on the bottom of the fourth well 109 .
  • the bottom surface of the guard ring 114 may be located closer to the bottom surface of the third well 107 than the bottom surface of the fourth well 109.
  • the conductivity type of the guard ring 114 may be n-type.
  • the doping concentration of the guard ring 114 may be lower than that of the fourth well 109. For example, the doping concentration of the guard ring 114 may be 1x10 15 to 1x10 18 cm -3 .
  • the guard ring 114 may be configured to block electrons or holes generated by defects in the semiconductor substrate from moving to the multiplication area to reduce or prevent the generation of noise and after-pulse. Furthermore, the guard ring 114 may be configured to alleviate concentration of the electric field at the edge of the fourth well 109, thereby reducing or preventing the premature yield phenomenon.
  • Figure 30 is a cross-sectional view of an avalanche photodetector according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIGS. 1 and 2 may not be described.
  • an avalanche photodetector may be provided.
  • the avalanche photodetector (SPD) may include a light detection layer 100, a connection layer 200, a control layer 300, and a lens unit 400.
  • the photodetection layer 100, the connection layer 200, and the control layer 300 may be referred to as the avalanche photodetector device 1.
  • the avalanche photodetector (SPD) may be a back side illumination (BSI) type image sensor.
  • the frontside may be the side (front side 101a of the light detection layer 100) on which various semiconductor processes are performed when manufacturing the light detection layer 100, and the backside may be the side disposed opposite the front side (light side).
  • the back irradiation method may refer to light entering the back of the photodetection layer 100.
  • the front irradiation method may refer to light entering the back of the photodetection layer 100. It can refer to the incident of light.
  • the avalanche photodetector 1 is shown to be substantially the same as the avalanche photodetector 10 described with reference to FIGS. 1 and 2, this is not limiting.
  • the avalanche photodetection element 1 may be any one of the other avalanche photodetection elements 10 to 30 described above.
  • the lens unit 400 may be provided on the rear surface 101b of the light detection layer 100.
  • the lens unit 400 may focus the incident light and transmit it to the light detection layer 100.
  • the lens unit 400 may include a microlens or a Fresnel lens.
  • the central axis of the lens unit 400 may be aligned with the central axis of the light detection layer 100.
  • the central axis of the lens unit 400 and the central axis of the light detection layer 100 pass through the center of the lens unit 400 and the center of the light detection layer 100, respectively, and the light detection layer 100 and the lens unit 400 It may be a virtual axis parallel to the stacking direction.
  • the central axis of the lens unit 400 may be aligned to be misaligned with the central axis of the light detection layer 100.
  • at least one optical element may be inserted between the lens unit 400 and the light detection layer 100.
  • the optical element may be a color filter, a bandpass filter, a metal grid, an anti-reflection coating, a 2D nanomaterial layer, or an organic material layer.
  • an anti-reflective coating may be formed on the top of the lens unit 400.
  • Figure 31 is a top view of an avalanche photodetector array according to an example embodiment.
  • FIG. 32 is a cross-sectional view taken along line J-J' of FIG. 31.
  • content substantially the same as that described with reference to FIG. 30 may not be described.
  • an avalanche photodetector array may be provided.
  • the avalanche photodetector array (SPA) may include pixels (PX) arranged in two dimensions.
  • each of the pixels PX may include an avalanche photodetector (SPD in FIG. 30 ) described with reference to FIG. 30 .
  • SPD avalanche photodetector
  • Immediately adjacent substrate regions (102 in FIG. 30), immediately adjacent connection layers (200 in FIG. 30), immediately adjacent control layers (300 in FIG. 30), and immediately adjacent lens units (400 in FIG. 30) are connected to each other. You can.
  • a separation film 122 may be provided between the pixels PX.
  • the separation film 122 can prevent a crosstalk phenomenon in which light incident on a pixel is detected by another pixel adjacent to the pixel.
  • the separation film 122 may include silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, polycrystalline silicon, low-k dielectric material, metal, or a combination thereof.
  • a metal grid may be provided in the lower area of the lens unit 400 between the pixels PX.
  • the metal grid may include tungsten, copper, aluminum, or a combination thereof.
  • Figure 33 is a block diagram for explaining an electronic device according to an example embodiment.
  • an electronic device 1000 may be provided.
  • the electronic device 1000 may irradiate light toward a subject (not shown) and detect light reflected by the subject and returning to the electronic device 1000.
  • the electronic device 1000 may include a beam steering device 1010.
  • the beam steering device 1010 can adjust the irradiation direction of light emitted to the outside of the electronic device 1000.
  • the beam steering device 1010 may be a mechanical or non-mechanical (semiconductor) beam steering device.
  • the electronic device 1000 may include a light source within the beam steering device 1010 or may include a light source provided separately from the beam steering device 1010.
  • the beam steering device 1010 may be a scanning type light emitting device.
  • the light emitting device of the electronic device 1000 is not limited to the beam steering device 1010.
  • the electronic device 1000 may include a flash-type light emitting device instead of or together with the beam steering device 1010.
  • a flash-type light emitting device can irradiate light to an area covering the entire field of view at once without
  • the electronic device 1000 may include a detection unit 1030 for detecting light reflected by a subject.
  • the detection unit 1030 may include a plurality of photodetection elements and may further include other optical members.
  • the plurality of photodetection elements may include any one of the avalanche photodetection elements 10 to 30 described above.
  • the electronic device 1000 may further include a circuit unit 1020 connected to at least one of the beam steering device 1010 and the detection unit 1030.
  • the circuit unit 1020 may include a calculation unit that obtains and operates data, and may further include a driver and a control unit. Additionally, the circuit unit 1020 may further include a power supply unit and memory.
  • the electronic device 1000 includes a beam steering device 1010 and a detection unit 1030 in one device
  • the beam steering device 1010 and the detection unit 1030 are not provided as a single device and are separate devices. It may be provided separately in the device.
  • the circuit unit 1020 may not be connected to the beam steering device 1010 or the detection unit 1030 by wire, but may be connected through wireless communication.
  • the electronic device 1000 can be applied to various electronic devices.
  • the electronic device 1000 may be applied to a LiDAR (Light Detection And Ranging, LiDAR) device.
  • LiDAR devices may be phase-shift or time-of-flight (TOF) devices.
  • the avalanche photodetectors 10 to 30 according to the embodiment or the electronic device 1000 including the same may be used in smartphones, wearable devices (glasses-type devices implementing augmented reality and virtual reality, etc.), and the Internet of Things.
  • ADAS Advanced Drivers Assistance System
  • Figures 34 and 35 are conceptual diagrams showing a case where a LiDAR device according to an exemplary embodiment is applied to a vehicle.
  • a LiDAR device 2010 may be applied to a vehicle 2000.
  • Information about the subject 3000 can be obtained using the LiDAR device 2010 applied to the vehicle.
  • the vehicle 2000 may be a car with an autonomous driving function.
  • the LiDAR device 2010 can detect an object or person, that is, a subject 3000, in the direction in which the vehicle 2000 travels.
  • the LiDAR device 2010 can measure the distance to the subject 3000 using information such as the time difference between the transmission signal and the detection signal.
  • the LiDAR device 2010 can obtain information about a close subject 3010 and a distant subject 3020 within a scanning range.
  • the LiDAR device 2010 may include the electronic device 1000 described with reference to FIG. 33 .
  • the LiDAR device 2010 is disposed in front of the vehicle 2000 and detects the subject 3000 in the direction in which the vehicle 2000 travels, this is not limited. In another example, the LiDAR device 2010 may be placed at multiple locations in the vehicle 2000 so as to detect all subjects 3000 surrounding the vehicle 2000. For example, four LiDAR devices 2010 may be disposed at the front, rear, and both sides of the vehicle 2000, respectively. In another example, the LiDAR device 2010 may be placed on the roof of the vehicle 2000, rotate, and detect subjects 3000 around the vehicle 2000.

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Abstract

아발란치 광검출 소자는 광검출층,을 포함하되, 광검출층은 제1 웰, 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역, 및 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택,을 포함하되, 제1 웰 및 애노드 콘택의 도전형은 p형이고, 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며, 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고, 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성된다.

Description

아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치
본 개시는 아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치에 관한 것이다.
아발란치 광검출 소자는 아발란치 증배(avalanche multiplication)를 이용하는 광검출 소자다. 예를 들어, 아발란치 광검출 소자는 아발란치 포토다이오드(avalanche photodiode: APD) 및 단일 광자 아발란치 다이오드(single-photon avalanche diode: SPAD)를 포함한다. 아발란치 광검출 소자는 포토 다이오드 및 포토 다이오드를 제어하기 위한 회로를 포함한다. 포토 다이오드와 회로가 동일한 기판 상에 나란히 형성되는 경우, 아발란치 광검출 소자는 2차원 아발란치 광검출 소자로 지칭될 수 있다. 포토 다이오드와 회로가 적층된 서로 다른 기판 상에 형성되는 경우, 아발란치 광검출 소자는 3차원 아발란치 광검출 소자로 지칭될 수 있다.
아발란치 포토다이오드(APD)는 아발란치 증배로 인한 높은 이득을 제공하기 위해 높은 바이어스 전압이 pn 접합부에 인가되는 고체 상태(solid-state) 광검출기다. 반도체의 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 입사 광자가 포토다이오드에 도달하면 전자-정공쌍(electron-hole pair: EHP)이 생성된다. 높은 전기장은 광 생성(photo-generated) 전자를 (+) 쪽으로 빠르게 가속하며, 이렇게 가속된 전자에 의한 충격 이온화(impact ionization)에 의해 추가의 전자-정공쌍들이 연달아 생성되게 되고, 그 다음에 이러한 전자 모두가 양극 쪽으로 가속된다. 이와 유사하게 정공도 (-) 쪽으로 빠르게 가속되며 동일한 현상을 일으킨다. 이러한 프로세스는 광 생성 전자의 아발란치 증배로 이어지는 과정을 반복한다. 따라서 APD는 광전자증배관(photomultiplier tubes)과 유사하게 동작하는 반도체 기반의 소자이다. 선형 모드 APD는 바이어스 전압을 제어하여 이득을 설정하고 선형 모드에서 수십~수천의 이득을 얻을 수 있는 효과적인 증폭기이다.
단일 광자 아발란치 다이오드(single-photon avalanche diode: SPAD)는 가이거(Geiger) 모드에서 동작하도록 pn 접합부가 그 항복 전압 이상으로 바이어싱되는 APD로서, 단일 입사 광자가 아발란치 현상을 트리거(trigger)하며 매우 큰 전류를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 퀜칭(quenching) 저항 또는 퀜칭 회로 등과 함께 쉽게 측정 가능한 펄스를 얻을 수 있다. 즉, SPAD는 선형 모드 APD와 비교하여 큰 펄스를 생성하는 장치로 동작한다. 아발란치를 트리거링 한 후에, 아발란치 프로세스를 퀜칭하기 위해 항복 전압 이하로 바이어스 전압을 감소시키도록 퀜칭 저항 혹은 퀜칭 회로(quenching resistor or quenching circuit)가 사용된다. 일단 퀜칭되면 또 다른 광자의 검출을 위해 SPAD가 리셋되도록 바이어스 전압이 항복 전압 이상으로 다시 상승된다.
아발란치 포토다이오드 또는 단일 광자 아발란치 다이오드는 대부분의 혹은 모든 회로와 다른 기판 상에 형성되어 3차원으로 집적이 될 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 아발란치 다이오드 소자들은 어레이 형태로 배열되어 하나의 기판에 형성되고, 이를 위한 퀜칭 회로 및 기타 픽셀 회로(예를 들어, 리셋 혹은 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭 회로, 카운터, 게이트 회로, 시간-디지털 변환기(time-to-digital converter) 등)는 다른 기판에 형성되어, 후면 조사(back-side illumination: BSI) 방식 혹은 전면 조사(front-side illumination: FSI) 방식으로 3차원 집적이 될 수 있다. 현재까지의 3차원 아발란치 광검출 소자의 경우 애노드(anode)에 음의 바이어스를 걸어주고 캐소드(cathode)로 출력을 읽어들이는 형태로 사용이 되고 있다. 이 경우 음의 바이어스 전압원 혹은 전원회로가 요구되고 픽셀 회로가 복잡해지거나 비효율적이 될 수 있다.
기술적 과제는 양의 바이어스를 사용하는 3차원 아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치를 제공하는 것에 있다.
기술적 과제는 간단하고 효율적인 전압원 혹은 전원회로를 사용하는 3차원 아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치를 제공하는 것에 있다.
기술적 과제는 간단하고 효율적인 픽셀 회로를 사용하는 3차원 아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치를 제공하는 것에 있다.
다만, 기술적 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
일 측면에 있어서, 광검출층;을 포함하되, 상기 광검출층은: 제1 웰; 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 및 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택;을 포함하되, 상기 제1 웰 및 상기 애노드 콘택의 도전형은 p형이고, 상기 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며, 상기 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고, 상기 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성되는 아발란치 광검출 소자가 제공될 수 있다.
상기 애노드 콘택은 상기 고농도 도핑 영역을 둘러쌀 수 있다.
상기 광검출층은, 상기 제1 웰과 상기 고농도 도핑 영역 사이에 제공되는 제2 웰;을 더 포함하되, 상기 제2 웰의 도전형은 n형이고, 상기 제2 웰의 도핑 농도는 상기 고농도 도핑 영역의 도핑 농도보다 작으며, 상기 제1 웰과 상기 제2 웰은 공핍 영역을 형성하도록 서로 직접 접할 수 있다.
상기 제2 웰은 상기 고농도 도핑 영역과 상기 애노드 콘택 사이의 영역으로 연장할 수 있다.
상기 제1 웰은 상기 제2 웰과 상기 애노드 콘택 사이의 영역으로 연장할 수 있다.
상기 광검출층은, 상기 애노드 콘택과 직접 접하는 완화 영역;을 더 포함하되, 상기 완화 영역의 도전형은 p형이고, 상기 완화 영역의 도핑 농도는 상기 애노드 콘택의 도핑 농도보다 작되 상기 제1 웰의 도핑 농도보다 높을 수 있다.
상기 광검출층은, 상기 완화 영역의 바닥면 상에 제공되는 추가 완화 영역;을 더 포함하되, 상기 추가 완화 영역의 도전형은 p형이고, 상기 추가 완화 영역은 상기 제1 웰보다 깊은 위치까지 형성될 수 있다.
상기 광검출층은, 상기 고농도 도핑 영역의 측면 상의 영역에서 상기 제1 웰의 측면 상의 영역으로 연장하는 가드링;을 더 포함하되, 상기 가드링의 도전형은 n형이고, 상기 가드링의 도핑 농도는 상기 고농도 도핑 영역의 도핑 농도보다 작을 수 있다.
상기 광검출층 상에 제공되는 제어층;을 더 포함하되, 상기 제어층은: 상기 고농도 도핑 영역을 바이어싱하도록 구성되는 제1 회로; 및 상기 애노드 콘택으로부터 상기 신호를 출력하도록 구성되는 제2 회로;를 포함할 수 있다.
상기 제어층과 상기 광검출층 사이에 제공되는 연결층;을 더 포함하되, 상기 연결층은: 상기 고농도 도핑 영역과 상기 제1 회로를 전기적으로 연결하도록 구성되는 제1 배선; 및 상기 애노드 콘택과 상기 제2 회로를 전기적으로 연결하도록 구성되는 제2 배선;을 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 아발란치 광검출 소자를 포함하되, 상기 아발란치 광검출 소자는, 광검출층;을 포함하되, 상기 광검출층은: 제1 웰; 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 및 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택;을 포함하되, 상기 제1 웰 및 상기 애노드 콘택의 도전형은 p형이고, 상기 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며, 상기 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고, 상기 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성되는 전자 장치가 제공될 수 있다.
일 측면에 있어서, 전자 장치를 포함하되, 상기 전자 장치는 아발란치 광검출 소자를 포함하고, 상기 아발란치 광검출 소자는, 광검출층;을 포함하되, 상기 광검출층은: 제1 웰; 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 및 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택;을 포함하되, 상기 제1 웰 및 상기 애노드 콘택의 도전형은 p형이고, 상기 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며, 상기 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고, 상기 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성되는 라이다 장치가 제공될 수 있다.
본 개시는 양의 바이어스를 사용하는 3차원 아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치를 제공할 수 있다.
본 개시는 간단하고 효율적인 전압원 혹은 전원회로를 사용하는 3차원 아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치를 제공할 수 있다.
본 개시는 간단하고 효율적인 픽셀 회로를 사용하는 3차원 아발란치 광검출 소자, 전자 장치, 및 라이다 장치를 제공할 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 2는 도 1의 아발란치 광검출 소자의 A-A'선을 따른 단면도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 9는 도 1의 아발란치 광검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 11은 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선을 따른 단면도이다.
도 12는 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다.
도 13은 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다.
도 14는 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다.
도 15는 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다.
도 16은 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다.
도 17은 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다.
도 18은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 19는 도 18의 아발란치 광검출 소자의 C-C'선을 따른 단면도이다.
도 20은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 21은 도 20의 아발란치 광검출 소자의 D-D'선을 따른 단면도이다.
도 22는 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 23은 도 22의 아발란치 광검출 소자의 E-E'선을 따른 단면도이다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 25는 도 24의 아발란치 광검출 소자의 F-F'선을 따른 단면도이다.
도 26는 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 27은 도 26의 아발란치 광검출 소자의 G-G'선에 대응하는 단면도이다.
도 28는 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다.
도 29은 도 28의 아발란치 광검출 소자의 H-H'선에 대응하는 단면도이다.
도 30은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출기의 단면도이다.
도 31은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출기 어레이의 평면도이다.
도 32는 도 31의 J-J'선을 따른 단면도들이다.
도 33은　예시적인 실시예에 따른 전자 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 34　및 도 35는　예시적인 실시예에 따른 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도들이다.
일 측면에 있어서, 광검출층;을 포함하되, 상기 광검출층은: 제1 웰; 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 및 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택;을 포함하되, 상기 제1 웰 및 상기 애노드 콘택의 도전형은 p형이고, 상기 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며, 상기 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고, 상기 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성되는 아발란치 광검출 소자가 제공될 수 있다.
일 측면에 있어서, 아발란치 광검출 소자를 포함하되, 상기 아발란치 광검출 소자는, 광검출층;을 포함하되, 상기 광검출층은: 제1 웰; 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 및 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택;을 포함하되, 상기 제1 웰 및 상기 애노드 콘택의 도전형은 p형이고, 상기 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며, 상기 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고, 상기 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성되는 전자 장치가 제공될 수 있다.
일 측면에 있어서, 전자 장치를 포함하되, 상기 전자 장치는 아발란치 광검출 소자를 포함하고, 상기 아발란치 광검출 소자는, 광검출층;을 포함하되, 상기 광검출층은: 제1 웰; 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 및 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택;을 포함하되, 상기 제1 웰 및 상기 애노드 콘택의 도전형은 p형이고, 상기 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며, 상기 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고, 상기 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성되는 라이다 장치가 제공될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 도 2는 도 1의 아발란치 광검출 소자의 A-A'선을 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(10)가 제공될 수 있다. 아발란치 광검출 소자(10)는 광검출층(100), 연결층(200), 및 제어층(300)을 포함할 수 있다. 광검출층(100)은 서로 반대 방향을 향하는 전면(101a) 및 후면(101b)을 포함할 수 있다. 연결층(200) 및 제어층(300)은 광검출층(100)의 전면(101a) 상에 적층될 수 있다. 광은 광검출층(100)의 후면(101b)을 통해 광검출층(100) 안으로 입사할 수 있다. 아발란치 광검출 소자(10)는 후면 조사(back-side illumination: BSI) 방식의 이미지 센서일 수 있다.
광검출층(100)은 아발란치 포토다이오드(avalanche photodiode: APD) 또는 단일 광자 아발란치 다이오드(single-photon avalanche diode: SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)는 가이거 모드 아발란치 포토다이오드(Geiger-mode APD: G-APD)로 지칭될 수 있다. 광검출층(100)은 기판 영역(102), 제1 웰(104), 고농도 도핑 영역(108), 애노드 콘택(110), 및 완화 영역(112)을 포함할 수 있다. 제1 웰(104), 고농도 도핑 영역(108), 애노드 콘택(110), 및 완화 영역(112)은 반도체 기판(예를 들어, 실리콘(Si) 기판)에 불순물이 주입되어 형성될 수 있다. 기판 영역(102)은 제1 웰(104), 고농도 도핑 영역(108), 애노드 콘택(110), 및 완화 영역(112)을 제외한 반도체 기판의 나머지 부분일 수 있다.
기판 영역(102)은 실리콘(Si), 저마늄(Ge), 또는 실리콘 저마늄(SiGe)을 포함할 수 있다. 기판 영역(102)의 도전형은 n형 또는 p형일 수 있다. 기판 영역(102)의 도전형이 n형인 경우, 5족 원소(예를 들어, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등), 6족, 또는 7족 원소를 불순물로 포함할 수 있다. 이하에서, 도전형이 n형인 영역은 5족, 6족, 또는 7족 원소를 불순물을 포함할 수 있다. 기판 영역(102)의 도전형이 p형인 경우, 기판 영역(102)은 3족 원소(예를 들어, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등) 또는 2족 원소를 불순물로 포함할 수 있다. 이하에서, 도전형이 p형인 영역은 3족 또는 2족 원소를 불순물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 영역(102)의 도핑 농도는 1x1014 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다. 반도체 기판은 에피택시 성장(epitaxial growth) 공정에 의해 형성되는 에피 층(epi layer)일 수 있다.
제1 웰(104)은 기판 영역(102) 상에 제공될 수 있다. 제1 웰(104)은 기판 영역(102)에 의해 둘러싸일 수 있다. 제1 웰(104)의 상면 및 바닥면은 기판 영역(102)에 의해 덮일 수 있다. 제1 웰(104)은 기판 영역(102)에 직접 접할 수 있다. 제1 웰(104)의 도전형은 p형일 수 있다. 예를 들어, 제1 웰(104)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3 일 수 있다.
고농도 도핑 영역(108)은 공핍 영역(depletion region)(DR)을 형성하도록 구성될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)은 제1 웰(104) 상에 제공될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)은 제1 웰(104)에 접할 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 폭은 제1 웰(104)의 폭보다 클 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 단부는 제1 웰(104)의 측면으로부터 돌출될 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108)의 중심축은 제1 웰(104)의 중심축에 정렬될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 도전형은 n형일 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1022 cm-3일 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)은 양의 바이어스(positive bias)가 인가되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108)에 전기적으로 연결되는 제1 회로(302)는 DC-DC 컨버터(DC-to-DC converter) 및 전원 관리 집적 회로(power management integrated circuit) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예에서, 제1 회로(302)는 외부 전원에 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예에서, 고농도 도핑 영역(108)의 일 측에 캐소드용 콘택이 추가로 제공될 수 있다.
공핍 영역(DR)은 제1 웰(104)과 고농도 도핑 영역(108)의 계면에 인접한 영역에 형성될 수 있다. 광검출층(100)에 역 바이어스(reverse bias)가 인가되는 경우, 공핍 영역(DR)에 강한 전기장이 형성될 수 있다. 예를 들어, 광검출층(100)이 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)로서 동작하는 경우, 전기장의 최대 세기는 약 1x105 ~ 1x106 V/cm일 수 있다. 공핍 영역(DR)의 전기장에 의해 전자가 증배될 수 있으므로, 공핍 영역은 증배 영역(multiplication region)으로 지칭될 수 있다.
애노드 콘택(110)은 후술되는 제2 회로(304)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 애노드 콘택(110)이 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 애노드 콘택(110)은 고농도 도핑 영역(108)의 주위에 복수 개로 제공될 수 있다. 복수 개의 애노드 콘택들(110)은 제2 회로(304)와 전기적으로 연결될 수 있다. 애노드 콘택(110)의 도전형은 p형일 수 있다. 애노드 콘택(110)의 도핑 농도는 제1 웰(104)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 애노드 콘택(110)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1022 cm-3일 수 있다. 광검출층(100)이 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)인 경우, 제2 회로(304)는 퀜칭 저항(quenching resistor)(또는 퀜칭 회로(quenching circuit)) 및 픽셀 회로(pixel circuit) 중 적어도 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. 퀜칭 저항 또는 퀜칭 회로는 아발란치 효과를 중단시키고 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)가 또 다른 광자를 검출할 수 있도록 할 수 있다. 픽셀 회로는, 예를 들어, 리셋 혹은 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭 회로, 카운터, 게이트회로, 시간-디지털 변환기(time-to-digital converter) 등을 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 광검출층(100)으로부터 신호를 수신할 수 있다.
완화 영역(112)은 애노드 콘택(110)과 기판 영역(102)의 도핑 농도 차이를 완화하도록 구성될 수 있다. 완화 영역(112)은 애노드 콘택(110)과 제1 웰(104) 사이에 제공될 수 있다. 완화 영역(112)은 애노드 콘택(110) 및 제1 웰(104)에 전기적으로 연결될 수 있다. 완화 영역(112)은 애노드 콘택(110)과 기판 영역(102)의 전기적 연결 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 완화 영역(112)은 전압이 애노드 콘택(110)을 통해 기판 영역(102)에 인가될 때 전압 강하를 줄이거나 방지하고, 기판 영역(102)에 균일하게 전압이 인가되도록 구성될 수 있다. 완화 영역(112)은 애노드 콘택(110)을 따라 연장할 수 있다. 완화 영역(112)은 애노드 콘택(110)의 측면 및 바닥면 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 완화 영역(112)은 애노드 콘택(110)의 측면 및 바닥면에 직접 접할 수 있다. 다만, 애노드 콘택(110)에 대한 완화 영역(112)의 상대적인 위치는 필요에 따라 정해질 수 있다. 다른 예에서, 완화 영역(112)은 애노드 콘택(110)의 바닥면 상에만 제공되고, 애노드 콘택(110)의 측면 상에 제공되지 않을 수 있다. 완화 영역(112)과 고농도 도핑 영역(108) 사이 및 완화 영역(112)과 제1 웰(104) 사이의 영역으로 기판 영역(102)이 연장할 수 있다. 예를 들어, 완화 영역(112)과 고농도 도핑 영역(108) 사이 및 완화 영역(112)과 제1 웰(104) 사이의 영역은 기판 영역(102)로 채워질 수 있다. 완화 영역(112)의 도전형은 p형일 수 있다. 완화 영역(112)의 도핑 농도는 애노드 콘택(110)의 도핑 농도보다 낮고, 기판 영역(102)의 도핑 농도와 유사하거나 그보다 높을 수 있다. 예를 들어, 완화 영역(112)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다.
연결층(200)은 광검출층(100)과 제어층(300) 사이에 제공될 수 있다. 연결층(200)은 고농도 도핑 영역(108)과 제1 회로(302)를 전기적으로 연결하도록 구성되는 제1 배선(202), 애노드 콘택(110)과 제2 회로(304)를 전기적으로 연결하도록 구성되는 제2 배선(204), 및 절연층(206)을 포함할 수 있다. 제1 배선(202) 및 제2 배선(204)은 절연층(206)에 삽입될 수 있다. 제1 배선(202) 및 제2 배선(204)은 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 배선들(202, 204)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 티타늄 나이트라이드(TiN), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 배선(202, 204)은 광검출층(100)의 전면(101a)에 교차하는 방향 또는 그에 수평한 방향을 따라 연장하는 복수의 부분들을 포함할 수 있다. 제1 배선(202)을 통해 제1 회로(302)로부터 고농도 도핑 영역(108)으로 양의 바이어스가 인가될 수 있다. 제2 배선(204)을 통해 애노드 콘택(110)으로부터 제2 회로(304)로 신호 전류가 출력될 수 있다. 절연층(206)은 전기 절연성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연층(206)은 실리콘 산화물(예를 들어, SiO2), 실리콘 질화물(예를 들어, SiN), 실리콘 산질화물(예를 들어, SiON), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제어층(300)은 광검출층(100)을 제어하는 제1 회로(302) 및 제2 회로(304)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어층(300)은 제1 회로(302) 및 제2 회로(304)가 형성된 칩일 수 있다. 제1 회로(302) 및 제2 회로(304)가 각각 하나의 블록으로 도시되었으나, 이것은 제1 회로(302) 및 제2 회로(304)의 각각이 하나의 전자 소자 또는 단일한 기능을 갖는 회로로 구성되는 것을 의미하지 않는다. 제1 회로(302) 및/또는 제2 회로(304)는 필요에 따라 복수의 전자 소자들 및 복수의 기능을 갖는 회로들을 포함할 수 있다. 제1 회로(302)는 DC-DC 컨버터(DC-to-DC converter) 및 전원 관리 집적 회로(power management integrated circuit) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 회로(302)는 외부 전원과 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 광검출층(100)이 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함하는 경우, 제2 회로(304)는 퀜칭 저항(quenching resistor)(또는 퀜칭 회로(quenching circuit)) 및 픽셀 회로(pixel circuit)를 포함할 수 있다. 퀜칭 저항 또는 퀜칭 회로는 아발란치 효과를 중단시키고 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)가 또 다른 광자를 검출할 수 있도록 구성될 수 있다. 픽셀 회로는, 예를 들어, 리셋 혹은 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭 회로, 카운터, 게이트 회로, 시간-디지털 변환기(time-to-digital converter) 등을 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 광검출층(100)에 신호를 전송하거나, 광검출층(100)로부터 신호를 수신할 수 있다.
제어층(300)과 광검출층(100)이 동일한 반도체 기판 상에 형성되는 경우, 제어층(300)에 포함되는 반도체 소자(예를 들어, 인버터)는 기판 영역(102) 상에 형성될 수 있다. 제어층(300)에 포함되는 반도체 소자(예를 들어, 인버터)를 구동하기 위해선 기판 영역(102)에 접지 전압이 인가되어야 한다. 기판 영역(102)에 접지 전압이 인가되면 기판 영역(102)에 접하는 애노드(제1 웰(104))에도 접지 전압이 인가된다. 따라서 캐소드(고농도 도핑 영역)는 바이어싱되고, 신호도 캐소드(고농도 도핑 영역)로부터 출력된다. 이 경우 캐소드에 걸리는 전압은 트랜지스터가 견디기 어려운 크기를 갖는다. 예를 들어, 전압의 크기는 10 볼트(V) 내지 20 볼트(V)다. 일반적으로, 퀜칭 회로는 단순하거나 복잡한 구성을 가질 수 있다. 하지만 전압의 크기가 트랜지스터가 견딜 수 없을 정도로 큰 경우, 퀜칭 회로는 단순한 구성(예를 들어, 신호를 직접 수신하는 트랜지스터를 이용하는 구성)을 갖기 어렵고, 복잡한 구성(예를 들어, 폴리 실리콘 저항과 커플링 커패시터와 같은 추가적인 소자를 이용하는 구성)을 가질 수 있다. 결과적으로, 제어층(300)과 광검출층(100)이 동일한 반도체 기판 상에 형성되는 경우에는 아발란치 광검출 소자(10)의 회로 구성이 복잡해지고 그 크기가 클 수 있다.
본 개시의 아발란치 광검출 소자(10)와 동일한 구성을 갖되 애노드(제1 웰(104))가 바이어싱되고, 캐소드(고농도 도핑 영역(108))에서 신호가 출력되도록 구성되는 아발란치 광검출 소자의 경우, 음의 바이어스(negative bias)를 사용한다. 대부분의 반도체 소자들은 양의 바이어스(positive bias)를 요구하므로, 애노드에 바이어스가 인가되는 아발란치 광검출 소자와 다른 반도체 소자를 포함하는 시스템은 양의 바이어스를 공급하는 전원과 음의 바이어스를 공급하는 전원을 따로 구비해야 한다. 따라서, 시스템이 복잡하고 그 크기가 클 수 있다. 또한 이 경우 픽셀 회로를 구현하는 것에 있어 PMOS의 사용이 많아지는 등과 같이 픽셀 회로가 복잡해지거나 비효율적이 될 수 있다.
본 개시의 제어층(300)과 광검출층(100)은 동일한 반도체 기판 상에 형성되지 않으므로 기판 영역(102)이 접지 전압으로 인가될 필요가 없다. 캐소드(고농도 도핑 영역(108))가 양의 바이어스로 바이어싱될 수 있고, 애노드(제1 웰(104))로부터 신호가 출력될 수 있다. 바이어싱이 수행되는 배선과 신호가 출력되는 배선이 전기적으로 분리되어 퀜칭 회로에 바이어스가 인가되지 않으므로, 퀜칭 회로는 단순한 구성을 가질 수 있다. 본 개시의 아발란치 광검출 소자(10)와 다른 반도체 소자를 포함하는 시스템은 음의 바이어스를 공급하는 전원없이 양의 바이어스를 공급하는 전원만 요구할 수 있다. 이에 따라, 단순하고 소형화된 반도체 시스템이 제공될 수 있다. 또한 간단하고 효율적인 픽셀 회로를 사용하는 3차원 아발란치 광검출 소자가 제공될 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 3을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(11)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 아발란치 광검출 소자(11)는 정사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 정사각 형상을 가질 수 있고, 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 정사각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 4를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(12)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 아발란치 광검출 소자(12)는 모퉁이가 라운드진 정사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 모퉁이가 라운드진 정사각 형상을 가질 수 있고, 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 모퉁이가 라운드진 정사각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 5를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(13)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 아발란치 광검출 소자(13)는 직사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 직사각 형상을 가질 수 있고, 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 직사각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 6을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(14)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 아발란치 광검출 소자(14)는 모퉁이가 라운드진 직사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 모퉁이가 라운드진 직사각 형상을 가질 수 있고, 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 모퉁이가 라운드진 직사각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 7을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(15)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 아발란치 광검출 소자(15)는 타원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 타원 형상을 가질 수 있고, 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 타원 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 것과의 차이점이 설명된다.
도 8을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(16)가 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 달리, 아발란치 광검출 소자(16)는 팔각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 고농도 도핑 영역(108)은 팔각 형상을 가질 수 있고, 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 고농도 도핑 영역(108)을 둘러싸는 팔각 고리 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고농도 도핑 영역(108), 기판 영역(102), 완화 영역(112), 및 애노드 콘택(110)은 동일한 중심을 가질 수 있다.
도 9는 도 1의 아발란치 광검출 소자의 A-A'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 9를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(17)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 `2를 참조하여 설명된 것과 달리, 아발란치 광검출 소자(17)는 추가 완화 영역(113)을 더 포함할 수 있다. 추가 완화 영역(113)은 완화 영역(112)의 바닥면 상에 제공될 수 있다. 추가 완화 영역(113)은 제1 웰(104)보다 깊은 위치까지 형성될 수 있다. 추가 완화 영역(113)의 바닥면은 제1 웰(104)의 바닥면보다 광검출층(100)의 후면(101b)에 인접하게 배치될 수 있다. 추가 완화 영역(113)의 측면은 완화 영역(112)의 측면에 정렬될 수 있다. 추가 완화 영역(113)의 측면과 완화 영역(112)의 측면은 공면을 이룰 수 있다. 추가 완화 영역(113)의 도전형은 p형일 수 있다. 예를 들어, 추가 완화 영역(113)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. 추가 완화 영역(113)은 애노드 콘택(110)과 기판 영역(102)의 전기적 연결 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 추가 완화 영역(113)은 전압이 애노드 콘택(110)을 통해 기판 영역(102)에 인가될 때 전압 강하를 줄이거나 방지하고, 기판 영역(102)에 균일하게 전압이 인가되도록 구성될 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 도 11은 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선을 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(18)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 아발란치 광검출 소자(18)는 가드링(114)을 더 포함할 수 있다. 가드링(114)은 고농도 도핑 영역(108)의 측면 및 제1 웰(104)의 측면 상에 제공될 수 있다. 가드링(114)은 고농도 도핑 영역(108)의 측면 상의 영역에서 제1 웰(104)의 측면 상의 영역으로 연장할 수 있다. 가드링(114)은 고농도 도핑 영역(108) 및 제1 웰(104)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 가드링(114)은 고농도 도핑 영역(108)의 측면 및 제1 웰(104)의 측면을 따라 연장하는 고리 형상을 가질 수 있다. 가드링(114)은 고농도 도핑 영역(108) 및 제1 웰(104)에 직접 접할 수 있다. 다른 예에서, 가드링(114)은 고농도 도핑 영역(108) 및 제1 웰(104)로부터 이격될 수 있다. 가드링(114)의 상면 및 고농도 도핑 영역(108)의 상면은 실질적으로 동일한 높이에 배치될 수 있다. 가드링(114)의 바닥면은 제1 웰(104)의 바닥면과 실질적으로 동일한 높이에 배치될 수 있다. 가드링(114)의 도전형은 n형일 수 있다. 가드링(114)의 도핑 농도는 고농도 도핑 영역(108)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 가드링(114)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다.
가드링(114)은 반도체 기판의 결함에 의해 생성된 전자 혹은 정공이 증배 영역으로 이동하는 것을 차단하여 노이즈 및 애프터 펄스의 발생을 줄이거나 방지하도록 구성될 수 있다. 나아가, 가드링(114)은 고농도 도핑 영역(108)의 가장 자리에 전계가 집중되는 것을 완화하여, 조기항복현상을 줄이거나 방지하도록 구성될 수 있다.
도 12는 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 12를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(19)가 제공될 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과 달리, 가드링(114)의 바닥면은 제1 웰(104)의 바닥면과 상면 사이의 높이에 배치될 수 있다. 가드링(114)은 제1 웰(104)보다 얕은 깊이까지 형성될 수 있다. 가드링(114)은 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생을 줄이거나 방지하도록 구성될 수 있다. 가드링(114)의 도핑 농도는 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 가드링(114)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 가드링(114)의 도핑 농도는 1x1016 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다.
도 13은 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 13을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(20)가 제공될 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과 달리, 제1 웰(104)의 바닥면은 가드링(114)의 바닥면과 상면 사이의 높이에 배치될 수 있다. 가드링(114)은 제1 웰(104)보다 깊은 깊이까지 형성될 수 있다. 가드링(114)은 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생을 줄이거나 방지하도록 구성될 수 있다. 가드링(114)의 도핑 농도는 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 가드링(114)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 가드링(114)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1017 cm-3일 수 있다.
도 14는 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 14를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(21)가 제공될 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과 달리, 가드링(114)은 제1 웰(104)의 측면 상의 영역에서 제1 웰(104)의 바닥면 상의 영역으로 연장할 수 있다. 가드링(114)은 제1 웰(104)보다 깊은 깊이까지 형성될 수 있다. 가드링(114)은 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생을 줄이거나 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 가드링(114)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다.
도 15는 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 15를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(22)가 제공될 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과 달리, 고농도 도핑 영역(108)의 측면은 제1 웰(104)의 측면과 정렬될 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 측면은 제1 웰(104)의 측면과 공면을 이룰 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)의 단부는 제1 웰(104)의 측면으로부터 돌출되지 않을 수 있다.
도 16은 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 16을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(23)가 제공될 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과 달리, 제1 웰(104)이 제공되지 않을 수 있다. 고농도 도핑 영역(108)은 기판 영역(102)에 직접 접할 수 있다. 공핍 영역(DR)은 고농도 도핑 영역(108)과 기판 영역(102)의 계면에 인접한 영역에 형성될 수 있다.
도 17은 도 10의 아발란치 광검출 소자의 B-B'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 16을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 17을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(24)가 제공될 수 있다. 도 16을 참조하여 설명된 것과 달리, 기판 영역(102)과 고농도 도핑 영역(108) 사이에 제2 웰(106)이 제공될 수 있다. 제1 웰(104)은 제공되지 않을 수 있다. 제2 웰(106)은 고농도 도핑 영역(108)과 기판 영역(102)을 서로 이격시킬 수 있다. 제2 웰(106)은 고농도 도핑 영역(108)의 바닥면 상에 제공될 수 있다. 제2 웰(106)의 측면과 고농도 도핑 영역(108)의 측면은 정렬될 수 있다. 제2 웰(106)의 측면과 고농도 도핑 영역(108)의 측면은 공면을 이룰 수 있다. 제2 웰(106)의 도전형은 n형일 수 있다. 제2 웰(106)의 도핑 농도는 고농도 도핑 영역(108)의 도핑 농도보다 낮고, 가드링(114)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제2 웰(106)의 도핑 농도는 1x1016 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. 공핍 영역(DR)은 제2 웰(106)과 기판 영역(102)의 경계에 인접하게 형성될 수 있다.
가드링(114)은 광검출층(100)의 전면(101a)부터 제2 웰(106)의 바닥면보다 깊은 위치까지 연장할 수 있다. 예를 들어, 가드링(114)의 바닥면은 제2 웰(106)의 바닥면보다 광검출층(100)의 후면(101b)에 가깝게 배치될 수 있다. 가드링(114)은 반도체 기판의 결함에 의한 노이즈 발생을 감소 또는 방지하도록 구성될 수 있다. 가드링(114)은 제2 웰(106)보다 낮은 도핑 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 가드링(114)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1017 cm-3일 수 있다.
도 18은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 도 19는 도 18의 아발란치 광검출 소자의 C-C'선을 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(25)가 제공될 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과 달리, 가드링(114)은 제1 웰(104), 고농도 도핑 영역(108), 및 완화 영역(112)에 직접 접할 수 있다. 예를 들어, 가드링(114)은 완화 영역(112)과 제1 웰(104) 사이의 영역 및 완화 영역(112)과 고농도 도핑 영역(108) 사이의 영역을 채울 수 있다. 도 12에 도시된 것과 같이, 가드링(114)의 바닥면이 제1 웰(104)의 상면과 바닥면 사이의 높이에 위치하는 경우, 가드링(114)은 완화 영역(112)과 제1 웰(104) 사이의 영역 중 일부를 채우고, 제1 웰(104)이 완화 영역(112)과 제1 웰(104) 사이의 영역 중 다른 일부를 채울 수 있다.
도 20은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 도 21은 도 20의 아발란치 광검출 소자의 D-D'선을 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(26)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 제1 웰(104)과 기판 영역(102) 사이에 제3 웰(107)이 제공될 수 있다. 제3 웰(107)은 제1 웰(104)과 완화 영역(112) 사이의 영역 및 고농도 도핑 영역(108)과 완화 영역(112) 사이의 영역으로 연장할 수 있다. 제3 웰(107)은 기판 영역(102)에 직접 접할 수 있다. 제3 웰(107)의 도전형은 p형일 수 있다. 제3 웰(107)의 도핑 농도는 기판 영역(102)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제3 웰(107)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다. 일 예에서, 제3 웰(107)의 도핑 농도는 광검출층(100)의 전면(101a)에 가까울수록 작아질 수 있다. 일 예에서, 제3 웰(107)은 균일한 도핑 농도를 가질 수 있다.
도 22는 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 도 23은 도 22의 아발란치 광검출 소자의 E-E'선을 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(27)가 제공될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 제1 웰(104)과 고농도 도핑 영역(108) 사이에 제4 웰(109)이 제공될 수 있다. 제4 웰(109)은 고농도 도핑 영역(108)과 제1 웰(104)을 서로 이격시킬 수 있다. 제4 웰(109)은 기판 영역(102)과 고농도 도핑 영역(108) 사이로 연장할 수 있다. 제4 웰(109)은 기판 영역(102)과 고농도 도핑 영역(108)을 서로 이격시킬 수 있다. 제4 웰(109)의 도전형은 n형일 수 있다. 제4 웰(109)의 도핑 농도는 고농도 도핑 영역(108)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 제4 웰(109)의 도핑 농도는 1x1016 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. 공핍 영역(DR)은 제4 웰(109)과 제1 웰(104)의 경계에 인접한 영역에 형성될 수 있다.　
도 24는 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 도 25는 도 24의 아발란치 광검출 소자의 F-F'선을 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 22 및 도 23을 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.
도 24 및 도 25를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(28)가 제공될 수 있다. 도 22 및 도 23을 참조하여 설명된 것과 달리, 제4 웰(109)과 기판 영역(102) 사이에 제3 웰(107)이 제공될 수 있다. 제3 웰(107)은 제4 웰(109)과 완화 영역(112) 사이의 영역 및 고농도 도핑 영역(108)과 완화 영역(112) 사이의 영역으로 연장할 수 있다. 제3 웰(107)은 기판 영역(102)에 직접 접할 수 있다. 제3 웰(107)의 도전형은 p형일 수 있다. 제3 웰(107)의 도핑 농도는 기판 영역(102)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제3 웰(107)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다. 일 예에서, 제3 웰(107)의 도핑 농도는 광검출층(100)의 전면(101a)에 가까울수록 작아질 수 있다. 일 예에서, 제3 웰(107)은 균일한 도핑 농도를 가질 수 있다. 공핍 영역(DR)은은 제3 웰(107)과 제4 웰(109)의 경계를 따라 형성될 수 있다.　
도 26은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 도 27은 도 26의 아발란치 광검출 소자의 G-G'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 24 및 도 25를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.　
도 26 및 도 27을 참조하면, 아발란치 광검출 소자(29)가 제공될 수 있다. 도 24 및 도 25를 참조하여 설명된 것과 달리, 완화 영역(112)과 제4 웰(109) 사이에 서브 기판 영역(120)이 제공될 수 있다. 서브 기판 영역(120)은 제4 웰(109)을 둘러쌀 수 있다. 서브 기판 영역(120)의 도전형은 p형일 수 있다. 서브 기판 영역(120)은 기판 영역(102)과 실질적으로 동일한 도핑 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 서브 기판 영역(120)의 도핑 농도는 1x1014 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다. 서브 기판 영역(120)은 아발란치 광검출 소자(29)의 전면(101a)부터 일정 깊이까지 연장할 수 있다. 예를 들어, 서브 기판 영역(120)의 후면은 제4 웰(109)의 상면과 바닥면 사이의 높이에 위치할 수 있다. 일 예에서, 서브 기판 영역(120)은 제3 웰(107)을 형성하는 이온 주입 공정에서 이온이 주입되지 않은 기판 영역(102)의 위쪽 영역(즉, 반도체 기판의 상부)일 수 있다.
도 28은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출 소자의 평면도이다. 도 29는 도 28의 아발란치 광검출 소자의 H-H'선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해 도 24 및 도 25를 참조하여 설명된 것과의 차이점이 설명된다.　
도 28 및 도 29를 참조하면, 아발란치 광검출 소자(29)가 제공될 수 있다. 도 24 및 도 25를 참조하여 설명된 것과 달리, 제4 웰(109)의 측면 상에 가드링(114)이 제공될 수 있다. 가드링(114)은 제4 웰(109)의 측면 상의 영역에서 제4 웰(109)의 바닥면 상의 영역으로 연장할 수 있다. 가드링(114)의 바닥면은 제4 웰(109)의 바닥면보다 제3 웰(107)의 바닥면에 가까이 위치할 수 있다. 가드링(114)의 도전형은 n형일 수 있다. 가드링(114)의 도핑 농도는 제4 웰(109)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 가드링(114)의 도핑 농도는 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다.
가드링(114)은 반도체 기판의 결함에 의해 생성된 전자 혹은 정공이 증배 영역으로 이동하는 것을 차단하여 노이즈 및 애프터 펄스의 발생을 줄이거나 방지하도록 구성될 수 있다. 나아가, 가드링(114)은 제4 웰(109)의 가장 자리에 전계가 집중되는 것을 완화하여, 조기항복현상을 줄이거나 방지하도록 구성될 수 있다.
도 30은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출기의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.　
도 30을 참조하면, 아발란치 광검출기(SPD)가 제공될 수 있다. 아발란치 광검출기(SPD)는 광검출층(100), 연결층(200), 제어층(300), 및 렌즈부(400)를 포함할 수 있다. 광검출층(100), 연결층(200), 제어층(300)은 아발란치 광검출 소자(1)로 지칭될 수 있다. 아발란치 광검출기(SPD)는 후면 조사(Back Side Illumination, BSI) 방식의 이미지 센서일 수 있다. 전면(frontside)은 광검출층(100) 제조시 여러 반도체 공정이 수행되는 면(광검출층(100)의 전면(101a)일 수 있고, 후면(backside)은 전면의 반대편에 배치되는 면(광검출층(100)의 후면(101b)일 수 있다. 후면 조사 방식은 광검출층(100)의 후면으로 광이 입사하는 것을 지칭할 수 있다. 전면 조사 방식은 광검출층(100)의 전면으로 광이 입사하는 것을 지칭할 수 있다.
아발란치 광검출 소자(1)가 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 아발란치 광검출 소자(10)와 실질적으로 동일한 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 아발란치 광검출 소자(1)는 앞서 설명된 다른 아발란치 광검출 소자들(10 내지 30) 중 어느 하나일 수 있다.
렌즈부(400)는 광검출층(100)의 후면(101b) 상에 제공될 수 있다. 렌즈부(400)는 입사 광을 포커싱하여 광검출층(100)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 렌즈부(400)는 마이크로 렌즈(microlens) 또는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 렌즈부(400)의 중심축은 광검출층(100)의 중심축에 정렬될 수 있다. 렌즈부(400)의 중심축과 광검출층(100)의 중심축은 각각 렌즈부(400)의 중심과 광검출층(100)의 중심을 지나되 광검출층(100)과 렌즈부(400)의 적층 방향에 평행한 가상의 축일 수 있다. 일 예에서, 렌즈부(400)의 중심축은 광검출층(100)의 중심축과 어긋나게 정렬될 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈부(400)와 광검출층(100) 사이에 적어도 하나의 광학 요소가 삽입될 수 있다. 예를 들어, 광학 요소는 컬러 필터(color filter), 대역 필터(bandpass filter), 금속 그리드(metal grid), 반사방지 코팅(anti-reflection coating), 2D 나노물질층, 또는 유기물질층일 수 있다. 일 예에서, 반사방지 코팅은 렌즈부(400) 상단에 형성될 수 있다.　
도 31은 예시적인 실시예에 따른 아발란치 광검출기 어레이의 평면도이다. 도 32는 도 31의 J-J'선을 따른 단면도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 30을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.　
도 31을 참조하면, 아발란치 광검출기 어레이(SPA)가 제공될 수 있다. 아발란치 광검출기 어레이(SPA)는 2차원으로 배열되는 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 도 32를 참조하면, 픽셀들(PX)의 각각은 도 30을 참조하여 설명된 아발란치 광검출기(도 30의 SPD)를 포함할 수 있다. 바로 인접한 기판 영역들(도 30의 102), 바로 인접한 연결층들(도 30의 200), 바로 인접한 제어층들(도 30의 300), 및 바로 인접한 렌즈부들(도 30의 400)은 서로 연결될 수 있다.
픽셀들(PX) 사이에 분리 막(122)이 제공될 수 있다. 분리 막(122)은 픽셀에 입사한 광이 그 픽셀에 이웃한 다른 픽셀에 의해 감지되는 크로스토크(crosstalk) 현상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 분리 막(122)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 다결정 실리콘, low-k 유전물질, 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 예에서 픽셀들(PX) 사이의 렌즈부(400) 하단 영역에 금속 그리드(metal grid)가 제공될 수 있다. 예를 들어 금속 그리드는 텅스텐, 구리, 알루미늄, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.　
도 33은　예시적인 실시예에 따른 전자 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 33을 참조하면,　전자 장치(1000)가 제공될 수 있다. 전자 장치(1000)는 피사체(미도시)를 향해 광을 조사하고, 피사체에 의해 반사되어 전자 장치(1000)로 돌아오는 광을 감지할 수 있다. 전자 장치(1000)는 빔 스티어링 장치(1010)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1010)는 전자 장치(1000)　외부로 방출되는 광의 조사 방향을 조절할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1010)는 기계식 또는 비기계식(반도체식) 빔 스티어링 장치일 수 있다. 전자 장치(1000)는 빔 스티어링 장치(1010)　내에 광원부를 포함하거나, 빔 스티어링 장치(1010)와 별도로 구비된 광원부를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1010)는 스캐닝(scanning) 방식의 광 방출 장치일 수 있다. 다만, 전자 장치(1000)의 광 방출 장치는 빔 스티어링 장치(1010)에 한정되는 것은 아니다. 다른 예에서, 전자 장치(1000)는 빔 스티어링 장치(1010)　대신 또는 빔 스티어링 장치(1010)와 함께 플래시(flash) 방식의 광 방출 장치를 포함할 수 있다. 플래시 방식의 광 방출 장치는 스캐닝 과정없이 시야각(field of view)을 모두 포함하는 영역에 한 번에 광을 조사할 수 있다.
빔 스티어링 장치(1010)에 의해 조향된 광은 피사체에 의해 반사되어 전자 장치(1000)로 돌아올 수 있다. 전자 장치(1000)는 피사체에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 검출부(1030)를 포함할 수 있다. 검출부(1030)는 복수의 광검출 소자들을 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 복수의 광검출 소자들은 위에서 설명된 아발란치 광검출 소자들(10 내지 30) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 전자 장치(1000)는 빔 스티어링 장치(1010)　및 검출부(1030)　중 적어도 하나에 연결된 회로부(1020)를 더 포함할 수 있다. 회로부(1020)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어부 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(1020)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
전자 장치(1000)가 하나의 장치 내에 빔 스티어링 장치(1010)　및 검출부(1030)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 빔 스티어링 장치(1010)　및 검출부(1030)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(1020)는 빔 스티어링 장치(1010)나 검출부(1030)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 전자 장치(1000)는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 상기 전자 장치(1000)는 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR) 장치에 적용될 수 있다.　라이다(LiDAR) 장치는 위상 천이(phase-shift) 방식 또는 TOF(time-of-flight) 방식의 장치일 수 있다. 또한, 실시예에 따른 아발란치 광검출기들(10 내지 30) 또는 이를 포함하는 전자 장치(1000)는 스마트폰, 웨어러블 기기(증강 현실 및 가상 현실 구현 안경형 기기 등), 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 로봇, 무인자동차, 자율주행차, 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다.　
도 34　및 도 35는　예시적인 실시예에 따른 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도들이다.
도 34　및 도 35를 참조하면, 차량(2000)에 라이다(LiDAR) 장치(2010)가 적용될 수 있다. 차량에 적용된 라이다(LiDAR) 장치(2010)를　이용하여 피사체(3000)에 대한 정보가 획득될 수 있다. 차량(2000)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 차량(2000)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(3000)를 탐지할 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(3000)까지의 거리를 측정할 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(3010)와 멀리 있는 피사체(3020)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 도 33을　참조하여 설명되는 전자 장치(1000)를 포함할 수 있다.　차량(2000)의 앞쪽에 라이다(LiDAR) 장치(2010)가 배치되어, 차량(2000)이 진행하는 방향에 있는 피사체(3000)를 탐지하는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 차량(2000)　주변의 피사체(3000)를 모두 탐지할 수 있도록 차량(2000)의　복수의 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 4개의 라이다(LiDAR) 장치들(2010)이 차량(2000)의 앞쪽, 뒤쪽, 및 양 옆쪽들에 각각 배치될 수 있다. 또 다른 예에서, 라이다(LiDAR) 장치(2010)는 차량(2000)　지붕 위에 배치되고, 회전하며 차량(2000)　주변의 피사체(3000)를 탐지할 수 있다.
상술한 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술한 실시 예들 이외에도, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함될 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 광검출층;을 포함하되,
    상기 광검출층은:
    제1 웰;
    상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 및
    상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택;을 포함하되,
    상기 제1 웰 및 상기 애노드 콘택의 도전형은 p형이고,
    상기 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며,
    상기 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고,
    상기 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성되는 아발란치 광검출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 콘택은 상기 고농도 도핑 영역을 둘러싸는 아발란치 광검출 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출층은, 상기 제1 웰과 상기 고농도 도핑 영역 사이에 제공되는 제2 웰;을 더 포함하되,
    상기 제2 웰의 도전형은 n형이고,
    상기 제2 웰의 도핑 농도는 상기 고농도 도핑 영역의 도핑 농도보다 작으며,
    상기 제1 웰과 상기 제2 웰은 공핍 영역을 형성하도록 서로 직접 접하는 아발란치 광검출 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 웰은 상기 고농도 도핑 영역과 상기 애노드 콘택 사이의 영역으로 연장하는 아발란치 광검출 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 웰은 상기 제2 웰과 상기 애노드 콘택 사이의 영역으로 연장하는 아발란치 광검출 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출층은, 상기 콘택과 직접 접하는 완화 영역;을 더 포함하되,
    상기 완화 영역의 도전형은 p형이고,
    상기 완화 영역의 도핑 농도는 상기 콘택의 도핑 농도보다 작되 상기 제1 웰의 도핑 농도보다 높은 아발란치 광검출 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광검출층은, 상기 완화 영역의 바닥면 상에 제공되는 추가 완화 영역;을 더 포함하되,
    상기 추가 완화 영역의 도전형은 p형이고,
    상기 추가 완화 영역은 상기 제1 웰보다 깊은 위치까지 형성되는 아발란치 광검출 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출층은, 상기 고농도 도핑 영역의 측면 상의 영역에서 상기 제1 웰의 측면 상의 영역으로 연장하는 가드링;을 더 포함하되,
    상기 가드링의 도전형은 n형이고,
    상기 가드링의 도핑 농도는 상기 고농도 도핑 영역의 도핑 농도보다 작은 아발란치 광검출 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출층 상에 제공되는 제어층;을 더 포함하되,
    상기 제어층은:
    상기 고농도 도핑 영역을 바이어싱하도록 구성되는 제1 회로; 및
    상기 콘택으로부터 상기 신호를 출력하도록 구성되는 제2 회로;를 포함하는 아발란치 광검출 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어층과 상기 광검출층 사이에 제공되는 연결층;을 더 포함하되,
    상기 연결층은:
    상기 고농도 도핑 영역과 상기 제1 회로를 전기적으로 연결하도록 구성되는 제1 배선; 및
    상기 애노드 콘택과 상기 제2 회로를 전기적으로 연결하도록 구성되는 제2 배선;을 포함하는 아발란치 광검출 소자.
  11. 아발란치 광검출 소자를 포함하는 전자 장치에 있어서,
    상기 아발란치 광검출 소자는, 광검출층을 포함하고,
    상기 광검출층은: 제1 웰; 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 및 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택;을 포함하되, 상기 제1 웰 및 상기 애노드 콘택의 도전형은 p형이고, 상기 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며, 상기 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고, 상기 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성되는 전자 장치.
  12. 전자 장치를 포함하는 라이다 장치에 있어서,
    상기 전자 장치는 아발란치 광검출 소자를 포함하고,
    상기 아발란치 광검출 소자는, 광검출층을 포함하며,
    상기 광검출층은: 제1 웰; 상기 제1 웰 상에 제공되는 고농도 도핑 영역; 및 상기 고농도 도핑 영역으로부터 이격되는 애노드 콘택;을 포함하되, 상기 제1 웰 및 상기 애노드 콘택의 도전형은 p형이고, 상기 고농도 도핑 영역의 도전형은 n형이며, 상기 고농도 도핑 영역은 양의 바이어스로 바이어싱되도록 구성되고, 상기 애노드 콘택은 신호를 출력하도록 구성되는 라이다 장치.
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