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JP2018019040A - Photodetection device and photodetection system - Google Patents

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JP2018019040A JP2016150331A JP2016150331A JP2018019040A JP 2018019040 A JP2018019040 A JP 2018019040A JP 2016150331 A JP2016150331 A JP 2016150331A JP 2016150331 A JP2016150331 A JP 2016150331A JP 2018019040 A JP2018019040 A JP 2018019040A
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Abstract

【課題】 光が入射した際に半導体基板の深部で生じた電荷は、拡散によってPN接合領域へ移動するため半導体基板の第1面で生じた電荷に比べて、半導体基板の深部で生じた電荷は電荷が生じてからPN接合領域に誘起されるまでに時間がかかってしまうおそれがある。【解決手段】 第1半導体領域と、第1導電型と反対導電型の第2半導体領域とにより構成されるPN接合を有する光電変換部と、電極と、電極と半導体基板の間に配され、第2半導体領域に接する誘電部材とを有する埋め込み部と、を有する光検出装置であって、第2半導体領域は、第1面に対して第1半導体領域よりも深い位置に配され、埋め込み部は、第1面から、第1面に対して第1半導体領域よりも深い位置まで配され、電極と第2半導体領域の間に生じた反転層と、第1半導体領域とが接するように、第1半導体領域と、第2半導体領域と、電極とに電位が供給されることを特徴とする。【選択図】 図3PROBLEM TO BE SOLVED: To charge generated in a deep part of a semiconductor substrate when light is incident because it moves to a PN junction region by diffusion, and therefore, an electric charge generated in a deep part of the semiconductor substrate as compared with an electric charge generated in the first surface of the semiconductor substrate. May take a long time to be induced in the PN junction region after the electric charge is generated. SOLUTION: A photoelectric conversion unit having a PN junction composed of a first semiconductor region and a second semiconductor region of a first conductive type and an opposite conductive type, an electrode, and arranged between the electrode and a semiconductor substrate. An optical detection device having an embedded portion having a dielectric member in contact with the second semiconductor region, the second semiconductor region being arranged at a position deeper than the first semiconductor region with respect to the first surface, and the embedded portion. Is arranged from the first surface to a position deeper than the first semiconductor region with respect to the first surface, so that the inversion layer formed between the electrode and the second semiconductor region and the first semiconductor region are in contact with each other. It is characterized in that a potential is supplied to the first semiconductor region, the second semiconductor region, and the electrodes. [Selection diagram] Fig. 3

Description

本発明は、光電変換を行う光検出装置および光検出システムに関する。   The present invention relates to a light detection device and a light detection system that perform photoelectric conversion.

従来、アバランシェ(電子なだれ)倍増を利用し、単一光子レベルの微弱光を検出可能な光検出装置が知られている。特許文献1では、光電変換部を構成する半導体領域のPN接合領域において、単一光子に起因する光電荷がアバランシェ増幅を起こすSPAD(Single Photon Avalanche Diode)を有する画素を開示している。また、特許文献1のSPADは、光電変換部と消滅回路(クエンチ回路)とを分離するDTI構造を配することで、一つの画素を小型化し、複数の画素を配した場合の画素間のリーク電流を抑制している。   2. Description of the Related Art Conventionally, a photodetector that can detect weak light of a single photon level using avalanche (electron avalanche) doubling is known. Patent Document 1 discloses a pixel having a SPAD (Single Photo Avalanche Diode) in which a photo charge caused by a single photon causes avalanche amplification in a PN junction region of a semiconductor region constituting a photoelectric conversion unit. In addition, the SPAD of Patent Document 1 has a DTI structure that separates a photoelectric conversion unit and an annihilation circuit (quenching circuit), thereby downsizing one pixel and leaking between pixels when a plurality of pixels are arranged. Current is suppressed.

特開2014−225647号公報JP 2014-225647 A

特許文献1に記載のSPADは、電荷を検出する領域となるPN接合領域を半導体基板の表面付近に有する。光が入射した際に半導体基板の深部で生じた電荷は、拡散によってPN接合領域へ移動することで検出される。そのため、半導体基板の深部で生じた電荷は半導体基板の表面で生じた電荷に比べて、電荷の発生から検出されるまでに時間がかかってしまうおそれがある。   The SPAD described in Patent Document 1 has a PN junction region serving as a region for detecting charges near the surface of the semiconductor substrate. The charges generated in the deep part of the semiconductor substrate when light is incident are detected by moving to the PN junction region by diffusion. For this reason, the charge generated in the deep part of the semiconductor substrate may take longer to be detected from the generation of the charge than the charge generated on the surface of the semiconductor substrate.

そこで、本発明は半導体基板の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を低減することが可能な光検出装置を提供する。   Therefore, the present invention provides a photodetection device that can reduce the time taken to detect charges generated in the deep part of a semiconductor substrate.

本発明は、第1面と、第1面と対向する第2面とを有する半導体基板と、信号電荷を多数キャリアとする第1半導体領域と、信号電荷と反対導電型の電荷を多数キャリアとする第2半導体領域とにより構成されるPN接合を有する光電変換部と、半導体基板に埋め込まれた電極と、電極および半導体基板の間に配され、第2半導体領域と接する誘電部材とを有する埋め込み部と、を有する光検出装置であって、第2半導体領域は、第1面に対して第1半導体領域よりも深い位置に配され、埋め込み部は、第1面から、第1面に対して第1半導体領域よりも深い位置まで配され、電極と第2半導体領域の間に生じた反転層と、第1半導体領域とが接するように、第1半導体領域と、第2半導体領域と、電極とに電位が供給されることを特徴とする。   The present invention relates to a semiconductor substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, a first semiconductor region having signal charges as majority carriers, and a charge of opposite conductivity type to the signal charges as majority carriers. Embedded with a photoelectric conversion part having a PN junction constituted by a second semiconductor region, an electrode embedded in the semiconductor substrate, and a dielectric member disposed between the electrode and the semiconductor substrate and in contact with the second semiconductor region The second semiconductor region is disposed deeper than the first semiconductor region with respect to the first surface, and the embedded portion extends from the first surface to the first surface. The first semiconductor region, the inversion layer formed between the electrode and the second semiconductor region, and the first semiconductor region are in contact with each other, It is characterized in that a potential is supplied to the electrode. .

半導体基板の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。   It is possible to reduce the time required to detect the charge generated in the deep part of the semiconductor substrate.

光検出装置のブロック図Photodetector block diagram 等価回路を含む画素のブロック図Block diagram of pixel including equivalent circuit 光検出装置の断面模式図Cross-sectional schematic diagram of the photodetection device 線分CDにおけるエネルギーバンド図Energy band diagram for line segment CD 線分EGにおけるポテンシャル構造図Potential structure diagram in line segment EG 光応答性能説明図Optical response performance diagram 光検出装置の平面模式図および断面模式図Plane schematic diagram and cross-sectional schematic diagram of the photodetection device 光検出装置の平面模式図および断面模式図Plane schematic diagram and cross-sectional schematic diagram of the photodetection device 光検出装置の平面模式図Plane schematic diagram of the photodetection device 光検出装置の平面模式図Plane schematic diagram of the photodetection device 光検出装置の平面模式図Plane schematic diagram of the photodetection device 光検出システムのブロック図Photodetection system block diagram 光検出システムのブロック図Photodetection system block diagram

図1から図6を用いて、本発明に適用可能な光検出装置の実施形態を説明する。各図面において同じ符号が付されている部分は、同じ素子または同じ領域を指す。   An embodiment of a photodetection device applicable to the present invention will be described with reference to FIGS. Parts denoted by the same reference numerals in the drawings indicate the same element or the same region.

図1は、本発明の実施形態の光検出装置10のブロック図である。光検出装置10は、画素部106、制御パルス生成部109、水平走査回路部104、列回路105、信号線107、垂直走査回路部103を有している。   FIG. 1 is a block diagram of a photodetection device 10 according to an embodiment of the present invention. The light detection device 10 includes a pixel unit 106, a control pulse generation unit 109, a horizontal scanning circuit unit 104, a column circuit 105, a signal line 107, and a vertical scanning circuit unit 103.

画素部106には、画素100が行列状に複数配されている。一つの画素100は、光電変換素子101および画素信号処理部102から構成される。光電変換素子101は光を電気信号へ変換し、変換した電気信号を画素信号処理部102は列回路105に出力する。   A plurality of pixels 100 are arranged in a matrix in the pixel portion 106. One pixel 100 includes a photoelectric conversion element 101 and a pixel signal processing unit 102. The photoelectric conversion element 101 converts light into an electric signal, and the pixel signal processing unit 102 outputs the converted electric signal to the column circuit 105.

垂直走査回路部103は、制御パルス生成部109から供給された制御パルスを受け、各画素100に制御パルスを供給する。垂直走査回路部103にはシフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられる。   The vertical scanning circuit unit 103 receives the control pulse supplied from the control pulse generation unit 109 and supplies the control pulse to each pixel 100. For the vertical scanning circuit unit 103, a logic circuit such as a shift register or an address decoder is used.

信号線107は、垂直走査回路部103により選択された画素100から出力された信号を電位信号として画素100の後段の回路に供給する。   The signal line 107 supplies a signal output from the pixel 100 selected by the vertical scanning circuit unit 103 to a circuit subsequent to the pixel 100 as a potential signal.

列回路105は、信号線107を介して各画素100の信号が入力され、所定の処理を行う。所定の処理とは入力された信号のノイズ除去や増幅などを行い、センサ外部に出力する形に変換する処理である。例えば列回路には、パラレル−シリアル変換回路を有する。   The column circuit 105 receives a signal of each pixel 100 via the signal line 107 and performs predetermined processing. The predetermined process is a process of removing noise from the input signal, amplifying it, etc., and converting it to a form to be output to the outside of the sensor. For example, the column circuit has a parallel-serial conversion circuit.

水平走査回路部104は、列回路105で処理された後の信号を出力回路108へ順次出力するための制御パルスを列回路105に供給する。   The horizontal scanning circuit unit 104 supplies the column circuit 105 with a control pulse for sequentially outputting the signals processed by the column circuit 105 to the output circuit 108.

出力回路108は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列回路105から出力された信号を光検出装置10の外部の記録部または信号処理部に出力する。   The output circuit 108 includes a buffer amplifier, a differential amplifier, and the like, and outputs a signal output from the column circuit 105 to an external recording unit or signal processing unit of the photodetection device 10.

図1において画素部106における画素100の配列は1次元状に配されていてもよいし、単一画素のみから構成されていてもよい。また、垂直走査回路部103、水平走査回路部104、列回路105は、画素部106を複数の画素列をブロックに分けて、ブロック毎に配置してもよい。また、各画素列に配してもよい。   In FIG. 1, the arrangement of the pixels 100 in the pixel portion 106 may be arranged in a one-dimensional manner, or may be composed of only a single pixel. Further, in the vertical scanning circuit unit 103, the horizontal scanning circuit unit 104, and the column circuit 105, the pixel unit 106 may be arranged for each block by dividing a plurality of pixel columns into blocks. Further, it may be arranged in each pixel column.

画素信号処理部102の機能は、必ずしも全画素に1つずつ設けられる必要はなく、例えば複数の画素100によって1つの画素信号処理部102が共有され、順次信号処理が行われてもよい。また、画素信号処理部102は、光電変換素子101の開口率を高めるために、光電変換素子101と異なる半導体基板に設けられていてもよい。この場合、光電変換素子101と画素信号処理部102は、画素毎に設けられた接続配線を介して接続される。垂直走査回路部103、水平走査回路部104、信号線107および列回路105も上記のように異なる半導体基板に設けられていてもよい。   The functions of the pixel signal processing unit 102 are not necessarily provided one by one for all the pixels. For example, one pixel signal processing unit 102 may be shared by a plurality of pixels 100 and signal processing may be sequentially performed. Further, the pixel signal processing unit 102 may be provided on a semiconductor substrate different from the photoelectric conversion element 101 in order to increase the aperture ratio of the photoelectric conversion element 101. In this case, the photoelectric conversion element 101 and the pixel signal processing unit 102 are connected via a connection wiring provided for each pixel. The vertical scanning circuit unit 103, the horizontal scanning circuit unit 104, the signal line 107, and the column circuit 105 may also be provided on different semiconductor substrates as described above.

図2に本実施形態における画素100の等価回路を含むブロック図の一例を示す。図2において、一つの画素100は光電変換素子101および画素信号処理部102を有する。光電変換素子101は、光電変換部201と制御部202を有する。   FIG. 2 shows an example of a block diagram including an equivalent circuit of the pixel 100 in the present embodiment. In FIG. 2, one pixel 100 includes a photoelectric conversion element 101 and a pixel signal processing unit 102. The photoelectric conversion element 101 includes a photoelectric conversion unit 201 and a control unit 202.

光電変換部201は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。光電変換部201には、例えばフォトダイオードが用いられる。   The photoelectric conversion unit 201 generates a charge pair corresponding to incident light by photoelectric conversion. For example, a photodiode is used for the photoelectric conversion unit 201.

光電変換部201のカソードにはアノードに供給される電位VLよりも高い電位VHに基づく電位が供給される。そして光電変換部201のアノードとカソードには、光電変換部201がアバランシェダイオードとなるような逆バイアスがかかるように電位が供給される。このような逆バイアスの電位を供給した状態で光電変換することで、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増幅を起こしアバランシェ電流が発生する。   A potential based on a potential VH higher than the potential VL supplied to the anode is supplied to the cathode of the photoelectric conversion unit 201. A potential is supplied to the anode and the cathode of the photoelectric conversion unit 201 so that a reverse bias is applied so that the photoelectric conversion unit 201 becomes an avalanche diode. By performing photoelectric conversion in a state where such a reverse bias potential is supplied, charges generated by incident light cause avalanche amplification and an avalanche current is generated.

なお、逆バイアスの電位が供給される場合において、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧より大きいときには、アバランシェダイオードはガイガーモード動作となる。ガイガーモード動作を用いて単一光子レベルの微弱信号を高速検出するフォトダイオードがSPADである。   When a reverse bias potential is supplied and the potential difference between the anode and the cathode is larger than the breakdown voltage, the avalanche diode operates in a Geiger mode. SPAD is a photodiode that detects a weak signal of a single photon level at high speed using Geiger mode operation.

また、光電変換部201のアノードおよびカソードの電位差が、光電変換部201に生じた電荷がアバランシェ増幅を起こす電位差以上であって降伏電圧以下の電位差である場合には、アバランシェダイオードは線形モードになる。線形モードにおいて光検出を行うアバランシェフォトダイオードをアバランシェフォトダイオード(APD)と呼ぶ。本実施形態において、光電変換部201はどちらのアバランシェダイオードとして動作してもよい。なお、アバランシェ増幅を起こす電位差については後述する。   Further, when the potential difference between the anode and the cathode of the photoelectric conversion unit 201 is equal to or higher than the potential difference at which the charge generated in the photoelectric conversion unit 201 causes avalanche amplification and is equal to or lower than the breakdown voltage, the avalanche diode is in a linear mode. . An avalanche photodiode that performs light detection in the linear mode is called an avalanche photodiode (APD). In the present embodiment, the photoelectric conversion unit 201 may operate as any avalanche diode. The potential difference that causes avalanche amplification will be described later.

制御部202は、高い電位VHを供給する電源電圧と光電変換部201に接続される。制御部202は、光電変換部201で生じたアバランシェ電流の変化を電圧信号に置き換える機能を有する。さらに制御部202は、アバランシェ増幅による信号増幅時に負荷回路(クエンチ回路)として機能し、光電変換部201に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増幅を抑制する働きを持つ(クエンチ動作)。制御部202としては、例えば抵抗素子や、アバランシェ電流の増加を検出してフィードバック制御を行うことによりアバランシェ増幅を能動的に抑制する能動クエンチ回路を用いる。   The control unit 202 is connected to a power supply voltage that supplies a high potential VH and the photoelectric conversion unit 201. The control unit 202 has a function of replacing a change in avalanche current generated in the photoelectric conversion unit 201 with a voltage signal. Further, the control unit 202 functions as a load circuit (quenching circuit) at the time of signal amplification by avalanche amplification, and functions to suppress avalanche amplification by suppressing the voltage supplied to the photoelectric conversion unit 201 (quenching operation). As the control unit 202, for example, a resistance element or an active quench circuit that actively suppresses avalanche amplification by performing feedback control by detecting an increase in avalanche current is used.

画素信号処理部102は、波形整形部203、時間・デジタル変換回路204(Time to Digital Converter:以下、TDC)、メモリ205、選択回路206を有する。   The pixel signal processing unit 102 includes a waveform shaping unit 203, a time / digital conversion circuit 204 (Time to Digital Converter: TDC), a memory 205, and a selection circuit 206.

波形整形部203は、光子レベルの信号の検出時に得られる電圧変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部203としては、例えばインバータ回路が用いられる。また、波形整形部203として、インバータを一つ用いた例を示したが、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよいし、波形整形効果があるその他の回路を用いてもよい。   The waveform shaping unit 203 shapes the voltage change obtained when detecting the photon level signal and outputs a pulse signal. For example, an inverter circuit is used as the waveform shaping unit 203. Moreover, although the example which used one inverter was shown as the waveform shaping part 203, the circuit which connected the some inverter in series may be used, and the other circuit which has a waveform shaping effect may be used.

波形整形部203から出力されたパルス信号の発生タイミングは、TDC204によってデジタル信号に変換される。   The generation timing of the pulse signal output from the waveform shaping unit 203 is converted into a digital signal by the TDC 204.

TDC204には、パルス信号のタイミングの測定に、図1の垂直走査回路部103から駆動線207を介して、制御パルスpREF(参照信号)が供給される。TDC204は、制御パルスpREFを基準として、波形整形部203を介して各画素から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。   A control pulse pREF (reference signal) is supplied to the TDC 204 via the drive line 207 from the vertical scanning circuit unit 103 of FIG. The TDC 204 acquires, as a digital signal, a signal when the input timing of the signal output from each pixel via the waveform shaping unit 203 is a relative time with the control pulse pREF as a reference.

TDC204の回路には、例えばバッファ回路を直列接続して遅延をつくるDelay Line方式、Delay Lineをループ状につないだLooped TDC方式などを用いる。その他の方式を用いてもよいが、光電変換部201の時間分解能と同等以上の時間分解能を達成できる回路方式である方がよい。   As the circuit of the TDC 204, for example, a delay line method in which a buffer circuit is connected in series to create a delay, a looped TDC method in which a delay line is connected in a loop shape, or the like is used. Other methods may be used, but a circuit method that can achieve a time resolution equal to or higher than the time resolution of the photoelectric conversion unit 201 is better.

TDC204で得られたパルス検出タイミングを表すデジタル信号は、1つまたは複数のメモリ205に保持される。   A digital signal representing the pulse detection timing obtained by the TDC 204 is held in one or more memories 205.

選択回路206には、図1の垂直走査回路部103から駆動線208を介して制御パルスpSELが供給され、メモリ205と信号線107との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路206には、例えばトランジスタや、画素外に信号を出力するためのバッファ回路などを用いる。   The selection circuit 206 is supplied with a control pulse pSEL from the vertical scanning circuit unit 103 in FIG. 1 via the drive line 208, and switches between electrical connection and non-connection between the memory 205 and the signal line 107. As the selection circuit 206, for example, a transistor or a buffer circuit for outputting a signal outside the pixel is used.

メモリ205が複数配された場合には、選択回路206に複数の信号を供給することで、メモリ205において保持したデジタル信号を信号線107に出力する際に、メモリ毎に信号線107への出力を制御することが可能である。   When a plurality of memories 205 are arranged, a plurality of signals are supplied to the selection circuit 206, so that when the digital signal held in the memory 205 is output to the signal line 107, the output to the signal line 107 for each memory. Can be controlled.

なお、制御部202と光電変換部201との間や、光電変換素子101と画素信号処理部102との間にトランジスタ等のスイッチを配して、電気的な接続を切り替えてもよい。同様に、制御部202に供給される高い電位VHまたは光電変換素子101に供給される低い電位VLの電位の供給をトランジスタ等のスイッチを用いて電気的に切り替えてもよい。   Note that a switch such as a transistor may be provided between the control unit 202 and the photoelectric conversion unit 201 or between the photoelectric conversion element 101 and the pixel signal processing unit 102 to switch the electrical connection. Similarly, the supply of the high potential VH supplied to the control unit 202 or the low potential VL supplied to the photoelectric conversion element 101 may be electrically switched using a switch such as a transistor.

図3は本実施形態の光検出装置10の断面模式図を示した図である。本実施形態では、光電変換部201で生じる電荷対のうち信号電荷として用いられる電荷の極性を第1導電型と呼ぶ。また、第1導電型と反対導電型を第2導電型と呼ぶ。本実施形態では例として、第1導電型の電荷を電子とし、第1導電型と反対導電型の第2導電型の電荷を正孔として説明する。ただし、第2導電型の電荷を電子とし、第1導電型の電荷を正孔としてもよい。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the photodetecting device 10 of the present embodiment. In the present embodiment, the charge polarity used as the signal charge among the charge pairs generated in the photoelectric conversion unit 201 is referred to as a first conductivity type. The opposite conductivity type to the first conductivity type is referred to as the second conductivity type. In the present embodiment, as an example, the charge of the first conductivity type is assumed to be an electron, and the charge of the second conductivity type opposite to the first conductivity type is assumed to be a hole. However, the second conductivity type charge may be an electron, and the first conductivity type charge may be a hole.

半導体基板11は、互いに対向する第1面と第2面とを有する。例えば、第1面は半導体基板11の表面であり、第1面と対向する第2面は半導体基板11の裏面である。また、本実施形態において深さ方向は、第1面から第2面に向かって深いものとする。   The semiconductor substrate 11 has a first surface and a second surface that face each other. For example, the first surface is the surface of the semiconductor substrate 11, and the second surface facing the first surface is the back surface of the semiconductor substrate 11. In the present embodiment, the depth direction is deep from the first surface toward the second surface.

信号電荷が多数キャリアであるN型半導体領域1(第1半導体領域)は半導体基板11の第1面側に配されている。P型半導体領域2(第2半導体領域)は、N型半導体領域1よりも半導体基板11の第1面に対して深い位置に配されている。N型半導体領域1とP型半導体領域2はPN接合を構成しており、光電変換部201を構成する。N型半導体領域1には、P型半導体領域2に供給される電位に対して逆バイアスとなる電位が供給される。このように光電変換部201に逆バイアスを供給することにより、PN接合間のN型半導体領域1とP型半導体領域2との間に電界が発生する。   An N-type semiconductor region 1 (first semiconductor region) in which signal charges are majority carriers is disposed on the first surface side of the semiconductor substrate 11. The P-type semiconductor region 2 (second semiconductor region) is disposed deeper than the N-type semiconductor region 1 with respect to the first surface of the semiconductor substrate 11. The N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2 constitute a PN junction and constitute a photoelectric conversion unit 201. The N-type semiconductor region 1 is supplied with a potential that is reversely biased with respect to the potential supplied to the P-type semiconductor region 2. By supplying a reverse bias to the photoelectric conversion unit 201 in this way, an electric field is generated between the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2 between the PN junctions.

本実施形態ではPN接合を構成するN型半導体領域1とP型半導体領域2との間に生じた電界が充分大きくなるように、N型半導体領域1およびP型半導体領域2の電位差を設定する。ここで、充分大きいとは、電界の影響を受けた電子がアバランシェ増幅を起こす大きさである。つまり光電変換部201がアバランシェダイオード(APDまたはSPAD)としての動作を実現するN型半導体領域1およびP型半導体領域2の電位差である。   In the present embodiment, the potential difference between the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2 is set so that the electric field generated between the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2 constituting the PN junction becomes sufficiently large. . Here, the term “sufficiently large” means that the electrons affected by the electric field cause avalanche amplification. That is, this is a potential difference between the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2 in which the photoelectric conversion unit 201 realizes an operation as an avalanche diode (APD or SPAD).

N型半導体領域1の不純物濃度は、PN接合間にアバランシェ増幅を起こす電位差を供給した際にN型半導体領域1のすべての領域が空乏化しない不純物濃度に設定する。   The impurity concentration of the N-type semiconductor region 1 is set to an impurity concentration that does not deplete all the regions of the N-type semiconductor region 1 when a potential difference that causes avalanche amplification is supplied between the PN junctions.

具体的にはN型半導体領域1の不純物濃度は6.0×1018[atms/cm]以上であり、P型半導体領域2の不純物濃度は5.0×1016[atms/cm]以上である。これは、半導体基板11の第1面に接するほど空乏層領域が広がると、半導体基板11の第1面にノイズが生じるおそれがあるからである。ただし、これらの不純物濃度に限られない。 Specifically, the impurity concentration of the N-type semiconductor region 1 is 6.0 × 10 18 [atms / cm 3 ] or more, and the impurity concentration of the P-type semiconductor region 2 is 5.0 × 10 16 [atms / cm 3 ]. That's it. This is because noise may occur on the first surface of the semiconductor substrate 11 if the depletion layer region expands so as to be in contact with the first surface of the semiconductor substrate 11. However, it is not restricted to these impurity concentrations.

なお、上述の光電変換部201がアバランシェダイオード(APDまたはSPAD)としての動作を実現するN型半導体領域1およびP型半導体領域2の電位差とは、具体的には、6V以上である。   Note that the potential difference between the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2 in which the above-described photoelectric conversion unit 201 realizes an operation as an avalanche diode (APD or SPAD) is specifically 6 V or more.

上述した不純物濃度関係を考慮すると、より好ましくは、N型半導体領域1およびP型半導体領域2の電位差が10V以上であり、N型半導体領域1およびP型半導体領域2の電位差は30V以下である。このとき、例えば、N型半導体領域1には、10V以上30V以下の電位が供給され、P型半導体領域2には−10V以上0V以下の電位が供給される。ただし、電位差が6V以上であれば、これらの電位には限られない。   Considering the above-described impurity concentration relationship, more preferably, the potential difference between the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2 is 10 V or more, and the potential difference between the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2 is 30 V or less. . At this time, for example, a potential of 10 V to 30 V is supplied to the N-type semiconductor region 1, and a potential of −10 V to 0 V is supplied to the P-type semiconductor region 2. However, if the potential difference is 6 V or more, the potential is not limited to these.

図3においてP型半導体領域2は、一例として同一の不純物濃度からなる領域を示した。しかし、P型半導体領域2は、半導体基板11の第1面側に電荷が移動するようなポテンシャル構造になるように不純物濃度の勾配を有していてもよい。   In FIG. 3, the P-type semiconductor region 2 is a region having the same impurity concentration as an example. However, the P-type semiconductor region 2 may have an impurity concentration gradient so as to have a potential structure in which charges move to the first surface side of the semiconductor substrate 11.

例えば、第1面に対して深い位置から、浅い位置に向かって不純物濃度が低くなる不純物濃度の勾配を有している場合である。このとき例えば、P型半導体領域2は、第1領域と、第1面に対して第1領域よりも深い位置に配された第2領域と、第1面に対して第1領域および第2領域よりも深い位置に配された第3領域とを有する。そして、第1領域を第1不純物濃度としたときに、第2領域は第1不純物濃度よりも低い第2不純物濃度となる。そして第3領域は、第1不純物濃度および第2不純物濃度よりも高い第3不純物濃度となる。ただし、第3領域は、第1不純物濃度よりも低くかつ第2不純物濃度よりも高い第3不純物濃度としてもよい。   For example, this is a case where the impurity concentration has a gradient in which the impurity concentration decreases from a deep position to a shallow position with respect to the first surface. At this time, for example, the P-type semiconductor region 2 includes the first region, the second region disposed deeper than the first region with respect to the first surface, and the first region and the second region with respect to the first surface. And a third region disposed deeper than the region. When the first region has the first impurity concentration, the second region has a second impurity concentration lower than the first impurity concentration. The third region has a third impurity concentration higher than the first impurity concentration and the second impurity concentration. However, the third region may have a third impurity concentration that is lower than the first impurity concentration and higher than the second impurity concentration.

このような構成によれば、P型半導体領域2は、半導体基板11の第1面側に電荷が移動するようなポテンシャル構造になる不純物濃度の勾配となる。また、第3領域によって、複数の画素を同一の半導体基板11に配した際に画素に生じ得る漏れ電荷を抑制することが可能となる。さらに、PN接合におけるP型半導体領域2の不純物濃度が、半導体基板11の第1面に対してPN接合よりも深い領域の不純物濃度よりも高くなっている。これによりPN接合において、空乏層幅を狭くすることでPN接合間に生じる電界の強度を上げることが可能となる。   According to such a configuration, the P-type semiconductor region 2 has an impurity concentration gradient that has a potential structure in which charges move to the first surface side of the semiconductor substrate 11. In addition, the third region makes it possible to suppress leakage charges that may be generated in the pixels when a plurality of pixels are arranged on the same semiconductor substrate 11. Furthermore, the impurity concentration of the P-type semiconductor region 2 in the PN junction is higher than the impurity concentration in the region deeper than the PN junction with respect to the first surface of the semiconductor substrate 11. This makes it possible to increase the strength of the electric field generated between the PN junctions by narrowing the depletion layer width in the PN junction.

なお、第1面に対してN型半導体領域1よりも浅い位置であって、平面視においてN型半導体領域1と重なる位置にP型半導体領域が配されない方がよい。このような構成によれば、半導体基板11の表面で生じた不要電荷をアバランシェ増幅することを抑制することが可能となる。   It is preferable that the P-type semiconductor region is not disposed at a position shallower than the N-type semiconductor region 1 with respect to the first surface and overlapping the N-type semiconductor region 1 in plan view. According to such a configuration, it is possible to suppress avalanche amplification of unnecessary charges generated on the surface of the semiconductor substrate 11.

P型半導体領域3(第4半導体領域)は、P型半導体領域2と電気的に接続されている。P型半導体領域3の不純物濃度は、P型半導体領域2の不純物濃度よりも高くなっている。これによりP型半導体領域2とコンタクトプラグ14を接続するよりも、P型半導体領域3とコンタクトプラグ14を接続する方が接触抵抗を低くすることが可能となる。もっとも、P型半導体領域3を配さずにP型半導体領域2にコンタクトプラグ14を配してもよい。   The P-type semiconductor region 3 (fourth semiconductor region) is electrically connected to the P-type semiconductor region 2. The impurity concentration of the P-type semiconductor region 3 is higher than the impurity concentration of the P-type semiconductor region 2. As a result, it is possible to lower the contact resistance by connecting the P-type semiconductor region 3 and the contact plug 14 than by connecting the P-type semiconductor region 2 and the contact plug 14. However, the contact plug 14 may be provided in the P-type semiconductor region 2 without providing the P-type semiconductor region 3.

誘電部材7とP型半導体領域3の間には、P型半導体領域2が配されている方がよい。仮に、P型半導体領域3と誘電部材7とが接触していると、P型半導体領域3と電極6の間に電界集中が生じるためである。   The P-type semiconductor region 2 is preferably disposed between the dielectric member 7 and the P-type semiconductor region 3. This is because if the P-type semiconductor region 3 and the dielectric member 7 are in contact with each other, electric field concentration occurs between the P-type semiconductor region 3 and the electrode 6.

半導体基板11に埋め込まれた電極6および誘電部材7によって埋め込み部12が形成されている。埋め込み部12は、半導体基板11の第1面から、N型半導体領域1が配される深さよりも深い位置まで配される。このとき、N型半導体領域1とP型半導体領域2のPN接合によって形成される空乏層領域よりも深い位置に埋め込み部12が形成される。   An embedded portion 12 is formed by the electrode 6 and the dielectric member 7 embedded in the semiconductor substrate 11. The embedded portion 12 is disposed from the first surface of the semiconductor substrate 11 to a position deeper than the depth at which the N-type semiconductor region 1 is disposed. At this time, the buried portion 12 is formed at a position deeper than the depletion layer region formed by the PN junction between the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2.

誘電部材7は、電極6と半導体基板との間に配されており、誘電部材7はP型半導体領域2と接している。埋め込み部12は例えばトレンチ構造(Deep Trench Isolation:DTI)によって構成される。なお、N型半導体領域1と誘電部材7との間の距離dは、0.1μm以下となる。N型半導体領域1と誘電部材7は必ずしも離間している必要はなく、N型半導体領域1と誘電部材7は接していてもよい。   The dielectric member 7 is disposed between the electrode 6 and the semiconductor substrate, and the dielectric member 7 is in contact with the P-type semiconductor region 2. The buried portion 12 is configured by, for example, a trench structure (DTI). The distance d between the N-type semiconductor region 1 and the dielectric member 7 is 0.1 μm or less. The N-type semiconductor region 1 and the dielectric member 7 are not necessarily separated from each other, and the N-type semiconductor region 1 and the dielectric member 7 may be in contact with each other.

電極6は、例えばN型もしくはP型のドープドポリシリコンや金属材料が用いられる。誘電部材7にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、固定電荷を含む誘電膜などが用いられる。固定電荷を含む誘電膜とは、例えば、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコン(ZrO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化チタン(TiO2)、酸化タンタル(Ta2O5)である。   The electrode 6 is made of, for example, N-type or P-type doped polysilicon or a metal material. As the dielectric member 7, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a dielectric film containing a fixed charge, or the like is used. Examples of the dielectric film containing fixed charges include hafnium oxide (HfO2), zircon oxide (ZrO2), aluminum oxide (Al2O3), titanium oxide (TiO2), and tantalum oxide (Ta2O5).

誘電部材7に固定電荷を含む材料を用いた場合の電極6およびP型半導体領域2の電位差と、固定電荷を含まない材料を用いた場合の電極6およびP型半導体領域2の電位差が同じ場合を説明する。このとき、固定電荷を含む材料を用いれば電極6およびP型半導体領域2との間にかかる電界の強度をより上げることが可能である。言い換えると、電極6およびP型半導体領域2の間の電界の強度を所定の値に設定する場合、誘電部材7に固定電荷を含む材料を用いれば電極6およびP型半導体領域2の電位差を少なくすることができる。つまり、低電圧化が可能となる。   When the potential difference between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2 when a material containing a fixed charge is used for the dielectric member 7 and the potential difference between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2 when a material not containing a fixed charge is used Will be explained. At this time, if a material containing a fixed charge is used, the strength of the electric field applied between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2 can be further increased. In other words, when the electric field strength between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2 is set to a predetermined value, the potential difference between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2 can be reduced by using a material containing a fixed charge for the dielectric member 7. can do. That is, the voltage can be lowered.

なお、電極6の材料として近赤外光または可視光を吸収または反射するような材料を用いた場合には、アバランシェ増幅が生じた際に生じる光の周辺画素への侵入を抑制することが出来る。   In addition, when a material that absorbs or reflects near-infrared light or visible light is used as the material of the electrode 6, it is possible to suppress intrusion of light into peripheral pixels that occurs when avalanche amplification occurs. .

電極6にはP型半導体領域2よりも高い電位を供給する。これにより電極6とP型半導体領域2との間には、電界が生じる。電極6とP型半導体領域2との間の電界の影響をうける領域である電極6の側面の誘電部材7と接する領域(以下、埋め込み部12の側面付近の半導体領域)に反転層26が形成される。反転層が形成される条件については後述する。   A higher potential than that of the P-type semiconductor region 2 is supplied to the electrode 6. As a result, an electric field is generated between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2. An inversion layer 26 is formed in a region in contact with the dielectric member 7 on the side surface of the electrode 6 (hereinafter referred to as a semiconductor region in the vicinity of the side surface of the buried portion 12), which is a region affected by the electric field between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2. Is done. The conditions for forming the inversion layer will be described later.

なお、信号電荷が正孔のときには、P型半導体領域2に対応する領域はN型半導体領域になるため、電極6にはP型半導体領域2に対応するN型半導体領域よりも低い電位を供給する。   Note that when the signal charge is a hole, the region corresponding to the P-type semiconductor region 2 is an N-type semiconductor region, so that a lower potential is supplied to the electrode 6 than the N-type semiconductor region corresponding to the P-type semiconductor region 2. To do.

この電界によって図3の点線矢印で示されるように半導体基板11の深部で生じた光電荷(電子)が、反転層26へ移動する。詳細な理由については図4を用いて説明する。なお、半導体基板11の深部とは例えばN型半導体領域1の下部のP型半導体領域2であって、PN接合よりも深い位置に配されている領域(例えば前述の第2領域)である。   Due to this electric field, photocharges (electrons) generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 move to the inversion layer 26 as indicated by the dotted arrows in FIG. The detailed reason will be described with reference to FIG. Note that the deep portion of the semiconductor substrate 11 is, for example, the P-type semiconductor region 2 below the N-type semiconductor region 1 and is a region (for example, the above-described second region) disposed deeper than the PN junction.

さらに、反転層26に移動した電子は、反転層26にてアバランシェ増幅を起こす。理由については図5を用いて説明する。   Furthermore, the electrons moved to the inversion layer 26 cause avalanche amplification in the inversion layer 26. The reason will be described with reference to FIG.

コンタクトプラグ14は、P型半導体領域3に接続される。コンタクトプラグ15は電極6に接続される。コンタクトプラグ16は、N型半導体領域1に接続される。そして、配線部5は、コンタクトプラグ14を介してP型半導体領域3に電位を供給する。   The contact plug 14 is connected to the P-type semiconductor region 3. The contact plug 15 is connected to the electrode 6. The contact plug 16 is connected to the N-type semiconductor region 1. The wiring unit 5 supplies a potential to the P-type semiconductor region 3 through the contact plug 14.

配線部8はコンタクトプラグ15を介して電極6に電位を供給する。配線部4はコンタクトプラグ16を介してN型半導体領域1に電位を供給する。配線部4は、図2の制御部202に接続される。ここでは、N型半導体領域1に電気的に接続される配線部4と電極6に電気的に接続される配線部8とを異なる配線部としたが同一の配線部とすることで、配線の数を減らすことが可能となる。   The wiring portion 8 supplies a potential to the electrode 6 through the contact plug 15. The wiring portion 4 supplies a potential to the N-type semiconductor region 1 through the contact plug 16. The wiring unit 4 is connected to the control unit 202 in FIG. Here, the wiring part 4 electrically connected to the N-type semiconductor region 1 and the wiring part 8 electrically connected to the electrode 6 are different wiring parts, but by using the same wiring part, The number can be reduced.

なお、ここではN型半導体領域1に直接コンタクトプラグ16を接続する構成を示したが、N型半導体領域1に電気的に接続したN型半導体領域を配して、そのN型半導体領域にコンタクトプラグ16を形成してもよい。   Here, the configuration in which the contact plug 16 is directly connected to the N-type semiconductor region 1 is shown. However, an N-type semiconductor region electrically connected to the N-type semiconductor region 1 is arranged, and the N-type semiconductor region is contacted. The plug 16 may be formed.

図4は電極6、誘電部材7およびP型半導体領域2のエネルギーバンド構造を示している。図4を用いて、半導体基板11の深部で生じた電子が反転層26に引き寄せられる理由について説明する。   FIG. 4 shows the energy band structure of the electrode 6, the dielectric member 7, and the P-type semiconductor region 2. The reason why electrons generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 are attracted to the inversion layer 26 will be described with reference to FIG.

図4(a)、図4(b)および図4(c)は、図3の線分CDに沿った領域のエネルギーバンド図の例である。図4(a)、図4(b)は信号電荷が電子の場合(電子増幅型)のエネルギーバンド図を示し、図4(c)は信号電荷が正孔の場合(正孔増幅型)のエネルギーバンド図を示す。図4において、図面の下方向を電位Vの正方向とする。なお、信号電荷が逆極性の場合に、数式の不等号は逆となる。   FIG. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C are examples of energy band diagrams of regions along the line segment CD in FIG. 4A and 4B show energy band diagrams when the signal charge is an electron (electron amplification type), and FIG. 4C shows the case where the signal charge is a hole (hole amplification type). An energy band diagram is shown. In FIG. 4, the downward direction of the drawing is the positive direction of the potential V. In addition, when the signal charge has a reverse polarity, the inequality sign in the mathematical formula is reversed.

また、電位Vtは電極6に供給された電位を示し、仕事関数φtは電極6の仕事関数を示す。電位V2はP型半導体領域2に供給された電位を示し、仕事関数φ2はP型半導体領域2の仕事関数を示す。さらに差分ΔVeff=(φ2−φt)は、電極6とP型半導体領域2とが接した際の真空準位の差分を示す。   The potential Vt indicates the potential supplied to the electrode 6, and the work function φt indicates the work function of the electrode 6. The potential V2 indicates the potential supplied to the P-type semiconductor region 2, and the work function φ2 indicates the work function of the P-type semiconductor region 2. Further, the difference ΔVeff = (φ2−φt) indicates a difference in vacuum level when the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2 are in contact with each other.

図4(a)は、電位Vtと電位V2を同電位とした場合のエネルギーバンド図である。埋め込み部12の側面付近の半導体領域に電子が引き寄せられるための条件は、電極6の真空準位とP型半導体領域2の真空準位との差分ΔVeffが、正の値となることである。P型半導体領域2と電極6は、各々の仕事関数に差分があるため、真空準位に差分が生じる。埋め込み部12の側面付近の半導体領域に電子が引き寄せられるための真空準位の差分の条件は、数式1となる。
(φ2−φt)≧0 …数式1
FIG. 4A is an energy band diagram when the potential Vt and the potential V2 are the same. The condition for attracting electrons to the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12 is that the difference ΔVeff between the vacuum level of the electrode 6 and the vacuum level of the P-type semiconductor region 2 becomes a positive value. Since there is a difference in work function between the P-type semiconductor region 2 and the electrode 6, a difference occurs in the vacuum level. The condition of the difference in vacuum level for attracting electrons to the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12 is expressed by Equation 1.
(Φ2−φt) ≧ 0 Formula 1

数式1によれば埋め込み部12の側面付近の半導体領域で生じた電子は、埋め込み部12の側面付近の半導体領域に引き寄せられる。しかし、半導体基板11の深部で生じた電子を埋め込み部12の側面付近の半導体領域に引き寄せるためには、電極6の電位をP型半導体領域2の電位よりも高くしたほうがよい。   According to Equation 1, electrons generated in the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12 are attracted to the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12. However, in order to attract electrons generated in the deep portion of the semiconductor substrate 11 to the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12, the potential of the electrode 6 should be higher than the potential of the P-type semiconductor region 2.

次に電極6の電位をP型半導体領域2の電位よりも高くした構成を図4(b)に示す。図4(b)において、半導体基板11の深部で生じた電子が埋め込み部12の側面付近の半導体領域に引き寄せられるための条件は、数式2である。また、数式3は数式2を変形した式である。
(Vt−φt)−(V2−φ2)≧0 …数式2
(V2−φ2)≦(Vt−φt) …数式3
Next, FIG. 4B shows a configuration in which the potential of the electrode 6 is higher than the potential of the P-type semiconductor region 2. In FIG. 4B, the condition for attracting electrons generated in the deep portion of the semiconductor substrate 11 to the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12 is Equation 2. Formula 3 is a modified version of Formula 2.
(Vt−φt) − (V2−φ2) ≧ 0 Equation 2
(V2−φ2) ≦ (Vt−φt) Equation 3

数式1と数式3の条件を満たす場合には、数式1のみを満たす場合よりも、埋め込み部12の側面付近の半導体領域に電子が移動しやすくなる。埋め込み部12の側面付近の半導体領域から離れた領域に生じた電荷も、電極6とP型半導体領域2との間に生じた電界によって引き寄せられるからである。   When the conditions of Expressions 1 and 3 are satisfied, electrons are more likely to move to the semiconductor region near the side surface of the embedded portion 12 than when only Expression 1 is satisfied. This is because charges generated in a region away from the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12 are also attracted by an electric field generated between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2.

次に信号電荷が正孔である場合について説明する。信号電荷が正孔である場合には、においてP型半導体領域2に対応する領域はN型半導体領域となる。そのため、図3の線分CDに沿った領域のエネルギーバンド図は図4(c)となる。図4(c)において、半導体基板11の深部で生じた正孔が埋め込み部12の側面付近の半導体領域に引き寄せられるためには、電極6に供給される電位をP型半導体領域2に対応するN型半導体領域に供給される電位よりも低い電位とする。   Next, the case where the signal charge is a hole will be described. When the signal charge is a hole, the region corresponding to the P-type semiconductor region 2 is an N-type semiconductor region. Therefore, the energy band diagram of the region along the line segment CD in FIG. 3 is FIG. 4C. In FIG. 4C, in order for the holes generated in the deep portion of the semiconductor substrate 11 to be attracted to the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12, the potential supplied to the electrode 6 corresponds to the P-type semiconductor region 2. The potential is lower than the potential supplied to the N-type semiconductor region.

図5を用いて、半導体基板11の深部で生じた信号電荷の移動経路を説明するためのポテンシャル構造を示す。図5は、図3に示される断面模式図の線分EHにおけるポテンシャル構造図の一例である。ここでは、信号電荷である電子からみたポテンシャルを示す。なお、信号電荷が正孔である場合にはポテンシャルの向きが逆になる。図5では前述した数式3の条件を満たしているものとして説明する。図5の説明において、電位V1はN型半導体領域1に供給された電位を示し、仕事関数φ1はN型半導体領域1の仕事関数を示す。   A potential structure for explaining a movement path of signal charges generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an example of a potential structure diagram along line EH in the schematic cross-sectional view shown in FIG. Here, the potential seen from the electron which is a signal charge is shown. When the signal charge is a hole, the potential direction is reversed. In FIG. 5, description will be made assuming that the condition of Equation 3 described above is satisfied. In the description of FIG. 5, the potential V <b> 1 indicates the potential supplied to the N-type semiconductor region 1, and the work function φ <b> 1 indicates the work function of the N-type semiconductor region 1.

図5は、線分EGにおけるポテンシャル構造の一例である。図5において、実線18は、数式4の条件を満たす場合の線分EHのポテンシャル構造である。このとき、電極6の電位VtはN型半導体領域1の電位V1よりも高く、電極6の電位VtおよびN型半導体領域1の電位V1はP型半導体領域2の電位V2よりも高い。言い換えると、N型半導体領域1とP型半導体領域2の電位差よりも、電極6とP型半導体領域2の電位差の方が大きくなる。このバイアス条件において、埋め込み部12の側面付近の半導体領域に反転層26が形成される。
(V2−φ2)<(V1−φ1)≦(Vt−φt) …数式4
FIG. 5 is an example of a potential structure in the line segment EG. In FIG. 5, the solid line 18 is the potential structure of the line segment EH when the condition of Expression 4 is satisfied. At this time, the potential Vt of the electrode 6 is higher than the potential V1 of the N-type semiconductor region 1, and the potential Vt of the electrode 6 and the potential V1 of the N-type semiconductor region 1 are higher than the potential V2 of the P-type semiconductor region 2. In other words, the potential difference between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2 becomes larger than the potential difference between the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2. Under this bias condition, the inversion layer 26 is formed in the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12.
(V2−φ2) <(V1−φ1) ≦ (Vt−φt) Equation 4

また図5において、各位置(E、F、G、H)の定義および各ポテンシャルの高さ(XHレベル、Lレベル、XLレベル)の定義を以下に示す。   Further, in FIG. 5, the definition of each position (E, F, G, H) and the definition of the height of each potential (XH level, L level, XL level) are shown below.

位置Eは、P型半導体領域2に属する位置であって、電極6の側面から離れた任意の位置である。位置Fは、反転層26が形成される位置である。位置Gは、P型半導体領域2とN型半導体領域1とのPN接合領域付近の位置である。位置Hは、N型半導体領域1に属する位置である。   The position E is a position belonging to the P-type semiconductor region 2 and an arbitrary position away from the side surface of the electrode 6. The position F is a position where the inversion layer 26 is formed. The position G is a position near the PN junction region between the P-type semiconductor region 2 and the N-type semiconductor region 1. The position H is a position belonging to the N-type semiconductor region 1.

XHレベルのポテンシャルの高さはP型半導体領域2のポテンシャルの高さを示す。Lレベルのポテンシャルの高さは、反転層26のポテンシャルの高さを示す。XLレベルは、N型半導体領域1のポテンシャルの高さを示す。   The height of the XH level potential indicates the height of the potential of the P-type semiconductor region 2. The height of the L level potential indicates the height of the potential of the inversion layer 26. The XL level indicates the height of the potential of the N-type semiconductor region 1.

実線18では、位置Eから位置Fの前までに、XHレベルのポテンシャルの高さから徐々に下がる。位置Fに近づくとポテンシャルの高さが急峻に下がり、Lレベルのポテンシャルの高さとなる。位置Fを過ぎると、Lレベルのポテンシャルの高さがXLレベルのポテンシャルの高さまで下がる。そして位置GとHではXLレベルのポテンシャルの高さとなる。   In the solid line 18, from the position E to before the position F, it gradually decreases from the height of the potential of the XH level. When approaching position F, the height of the potential decreases sharply and becomes the L-level potential. After the position F, the height of the L-level potential is lowered to the height of the XL-level potential. At positions G and H, the potential is at the XL level.

実線18のように数式4の条件を満たすとき、埋め込み部12の側面付近の半導体領域に配されたP型半導体領域2には反転層26が形成される。このとき形成される反転層26は、N型半導体領域1と電気的に接続する。特に電極6に供給される電位Vtが十分大きい場合でP型半導体領域2との電位差が大きく強反転状態になっている場合には、反転層26には高濃度の電子が集まる。   When the condition of Formula 4 is satisfied as indicated by the solid line 18, the inversion layer 26 is formed in the P-type semiconductor region 2 disposed in the semiconductor region near the side surface of the buried portion 12. The inversion layer 26 formed at this time is electrically connected to the N-type semiconductor region 1. In particular, when the potential Vt supplied to the electrode 6 is sufficiently large and the potential difference from the P-type semiconductor region 2 is large and in a strong inversion state, a high concentration of electrons collects in the inversion layer 26.

前述したようにN型半導体領域1と誘電部材7との間の距離dは、0.1μm以下に設定するのがよい。そしてN型半導体領域1に供給する電位と電極6に供給する電位とを反転層26の幅が、距離d以上となるように制御する。そのため、反転層26とN型半導体領域1とは、電気的に接続されて同電位となり、反転層26のポテンシャルの高さがN型半導体領域1のポテンシャルの高さと同等となる。   As described above, the distance d between the N-type semiconductor region 1 and the dielectric member 7 is preferably set to 0.1 μm or less. Then, the potential supplied to the N-type semiconductor region 1 and the potential supplied to the electrode 6 are controlled so that the width of the inversion layer 26 is not less than the distance d. Therefore, the inversion layer 26 and the N-type semiconductor region 1 are electrically connected to have the same potential, and the height of the potential of the inversion layer 26 is equal to the height of the potential of the N-type semiconductor region 1.

実線18において半導体基板11の第1面に対して深い位置で発生した電子は、反転層26から離れたP型半導体領域2(位置E)から反転層26(位置F)に引き寄せられる。反転層26(位置F)に近づくと、位置Eにおける電界よりも強い電界を受けて電荷がアバランシェ増幅を起こす。言い換えると、反転層26およびP型半導体領域2の間に生じる強電界によって、反転層26においてアバランシェ増幅がおこる。このとき発生したアバランシェ電流は、反転層26を介してN型半導体領域1に流入する。そして図2の制御部202に接続された配線部4を介して信号として出力される。   Electrons generated at a position deep with respect to the first surface of the semiconductor substrate 11 on the solid line 18 are attracted from the P-type semiconductor region 2 (position E) away from the inversion layer 26 to the inversion layer 26 (position F). When approaching the inversion layer 26 (position F), the electric field receives an electric field stronger than the electric field at the position E, and the charge causes avalanche amplification. In other words, avalanche amplification occurs in the inversion layer 26 due to a strong electric field generated between the inversion layer 26 and the P-type semiconductor region 2. The avalanche current generated at this time flows into the N-type semiconductor region 1 through the inversion layer 26. And it outputs as a signal via the wiring part 4 connected to the control part 202 of FIG.

以上のことから数式4を満たす場合、アバランシェ増幅が起こる強電界は、半導体基板11の第1面側のPN接合の強電界だけでなく、反転層26とP型半導体領域2との間にも生じる。つまり、式4のようなバイアス条件によれば、反転層26とN型半導体領域1とが電気的に接続され、反転層26とN型半導体領域1とは同電位となる。そして半導体基板11の深部で生じた電荷が半導体基板11の第1面付近に配されたPN接合に移動しなくても反転層26においてアバランシェ増幅を起こすことが可能となる。   From the above, when Expression 4 is satisfied, the strong electric field in which avalanche amplification occurs is not only the strong electric field of the PN junction on the first surface side of the semiconductor substrate 11 but also between the inversion layer 26 and the P-type semiconductor region 2. Arise. That is, according to the bias condition as shown in Equation 4, the inversion layer 26 and the N-type semiconductor region 1 are electrically connected, and the inversion layer 26 and the N-type semiconductor region 1 have the same potential. The avalanche amplification can be caused in the inversion layer 26 even if the charges generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 do not move to the PN junction arranged near the first surface of the semiconductor substrate 11.

また、実線18の場合には強電界が反転層26とP型半導体領域2との間に生じるため、誘電部材7は電位V2に依存しなくなり、電極6とP型半導体領域2との間に配された誘電部材7にかかる実効電位が(Vt−φt)−(V1−φ1)程度となる。このような構成によれば、誘電部材7の絶縁破壊を抑制しつつ強電界を発生させることが可能である。   In the case of the solid line 18, since a strong electric field is generated between the inversion layer 26 and the P-type semiconductor region 2, the dielectric member 7 does not depend on the potential V <b> 2, and between the electrode 6 and the P-type semiconductor region 2. The effective potential applied to the disposed dielectric member 7 is about (Vt−φt) − (V1−φ1). According to such a configuration, it is possible to generate a strong electric field while suppressing dielectric breakdown of the dielectric member 7.

なお、特開2014−225647号公報に記載された従来の構成では、PN接合を構成するN型半導体領域と、埋め込み部に含まれる誘電部材とが電気的に接していない。その場合にはPN接合を構成するP型半導体領域と埋め込み部との間に電界をかけても半導体基板の深部に生じた電荷を効率的に検出することができない。さらに、半導体基板の第1面側にあるPN接合領域に生じた強電界は、半導体基板の深部において電界が弱まる。そのため半導体基板11の深部で発生した信号電荷は、ドリフトではなく拡散によって半導体基板をランダムに動き回り、電荷の検出に時間がかかるおそれがある。   In the conventional configuration described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-225647, the N-type semiconductor region forming the PN junction and the dielectric member included in the embedded portion are not in electrical contact. In that case, even if an electric field is applied between the P-type semiconductor region constituting the PN junction and the buried portion, the charge generated in the deep portion of the semiconductor substrate cannot be detected efficiently. Furthermore, the strong electric field generated in the PN junction region on the first surface side of the semiconductor substrate is weakened in the deep part of the semiconductor substrate. For this reason, the signal charges generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 randomly move around the semiconductor substrate not by drift but by diffusion, and it may take time to detect the charges.

次に図6の光検出頻度分布図を用いて、特開2014−225647号公報に記載された従来の構成を用いた光検出装置と本実施形態の光検出装置10を比較する。図6は、半導体基板11で生じた電荷が検出されるまでの時間に対する電荷検出量を示す光応答性能(時間ばらつきに対する性能)を示したものである。図6の横軸は、光電変換素子101が光子を受けてから信号の検出が終了するまでの時間を示す。縦軸は光が入射した際に生じた電荷対のうち信号電荷の時間に対する電荷の検出量の統計的な確率分布を示す。   Next, using the light detection frequency distribution diagram of FIG. 6, the light detection device using the conventional configuration described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-225647 is compared with the light detection device 10 of the present embodiment. FIG. 6 shows the optical response performance (performance against time variation) indicating the charge detection amount with respect to the time until the charge generated in the semiconductor substrate 11 is detected. The horizontal axis in FIG. 6 indicates the time from when the photoelectric conversion element 101 receives a photon to when the signal detection is completed. The vertical axis represents the statistical probability distribution of the detected amount of charge with respect to the time of signal charge among the charge pairs generated when light is incident.

点線19は、前述の従来の構成を用いた光検出装置の信号電荷の検出頻度分布を示し、実線20は、本実施形態の構成を用いた光検出装置10の信号の検出頻度分布を示す。図6において、最頻値でのピークの広がりは、信号のタイミングを読み取る画素信号処理部102の誤差等を含む。   A dotted line 19 indicates a signal charge detection frequency distribution of the photodetector using the above-described conventional configuration, and a solid line 20 indicates a signal detection frequency distribution of the photodetector 10 using the configuration of the present embodiment. In FIG. 6, the spread of the peak at the mode value includes an error of the pixel signal processing unit 102 that reads the signal timing.

点線19は時刻T1にピークとなる。その後、時間がかかる方向(グラフの右側)に、頻度分布の緩やかな傾きが長く続く部分が現れる。これは、一般にDiffusion Tail(以下、DT)と呼ばれる。DTは半導体基板の深部で生じた電荷が時間をかけて半導体基板の第1面付近に配されたPN接合に到達するため、半導体基板の浅部で生じた電荷に対して大きなタイムラグを伴って検出されることに起因する。   The dotted line 19 peaks at time T1. Thereafter, a portion where the gentle slope of the frequency distribution continues for a long time appears in the time-consuming direction (right side of the graph). This is generally called a diffusion tail (hereinafter referred to as DT). In DT, since the charge generated in the deep part of the semiconductor substrate reaches the PN junction disposed near the first surface of the semiconductor substrate over time, there is a large time lag with respect to the charge generated in the shallow part of the semiconductor substrate. Due to being detected.

このDTは、深部で電荷が発生するような波長帯域(表面照射型なら赤外光、裏面照射型なら短波長から長波長まで全て)の光を検出する際に特に顕著になる。なお、ここでは表面照射型は第1面から光が入射し、裏面照射型は第2面から光が入射するものとする。   This DT becomes particularly prominent when detecting light in a wavelength band where charges are generated in the deep part (infrared light for the front-illuminated type and all short wavelengths to long wavelengths for the back-illuminated type). Here, it is assumed that light is incident from the first surface in the front surface irradiation type, and light is incident from the second surface in the back surface irradiation type.

このように点線19では、半導体基板11の深部で発生した信号電荷の検出に時間がかかるおそれがある。そのため、半導体基板の深部で電荷が発生する確率が無視できないような波長の光を受けた場合、受光してから信号電荷の検出が終了するまでのタイムラグが長くなってしまう場合が生じ、光検出の時間分解能が低下してしまうおそれがある。   As described above, the dotted line 19 may take time to detect the signal charge generated in the deep part of the semiconductor substrate 11. For this reason, when receiving light with a wavelength that cannot be ignored in the depth of the semiconductor substrate, the time lag from when the light is received until the detection of the signal charge ends may increase. There is a risk that the time resolution of the will decrease.

一方、実線20で示された頻度分布は、時刻T1よりも前の時刻である時刻T0で最頻値のピークを有する。さらに、最頻値のピークが点線19よりも高いピークとなる。また実線20では、DTの広がり方が少ない。これは実線20の場合には、半導体基板11の電荷の検出速度が、点線19に比して速いため、点線19において表層付近に配されたPN接合領域に電荷が到達するためにかかっていた時間を減らすことができるからである。   On the other hand, the frequency distribution indicated by the solid line 20 has a peak of the mode value at time T0, which is a time before time T1. Further, the mode peak is higher than the dotted line 19. In the solid line 20, the DT spreads little. In the case of the solid line 20, since the charge detection speed of the semiconductor substrate 11 is faster than that of the dotted line 19, the charge reaches the PN junction region arranged near the surface layer on the dotted line 19. This is because time can be reduced.

そのため、点線19の時刻T1以降に検出していた電荷を実線20では、時刻T0付近で検出することが可能となり、時刻T0付近で検出する電荷の量も多くなる。   Therefore, the charge detected after time T1 of the dotted line 19 can be detected near the time T0 on the solid line 20, and the amount of charge detected near the time T0 increases.

さらに実線20では、点線19に対して半導体基板11の深部で生じた電荷の検出にかかる時間を減らすことが可能となり、DTの広がりが抑えられる。   Furthermore, the solid line 20 can reduce the time required to detect charges generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 with respect to the dotted line 19 and suppress the spread of DT.

以上のように、本実施形態の光検出装置10を用いることで、従来の光検出装置に比べて、半導体基板11の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。そして、半導体基板11の第1面で生じた電荷と半導体基板11の深部で生じた電荷とで電荷が検出されるまでの時間のばらつきを抑制することが可能となる。   As described above, by using the photodetection device 10 according to the present embodiment, it is possible to reduce the time taken to detect charges generated in the deep portion of the semiconductor substrate 11 as compared with the conventional photodetection device. . Then, it is possible to suppress variation in time until the charge is detected by the charge generated on the first surface of the semiconductor substrate 11 and the charge generated in the deep part of the semiconductor substrate 11.

なお、本実施形態では表面照射型と裏面照射型のいずれでも構わない。表面照射型の場合には赤外光が入射した場合において、半導体基板11の第1面で生じた電荷と半導体基板11の深部で生じた電荷との電荷が検出されるまでの時間のばらつきの抑制が顕著である。また裏面照射型の場合には、青色光が入射した場合において、半導体基板11の第1面で生じた電荷と半導体基板11の深部で生じた電荷とで電荷が検出されるまでの時間のばらつきの抑制が顕著となる。   In this embodiment, either the front side irradiation type or the back side irradiation type may be used. In the case of the front-illuminated type, when infrared light is incident, variation in time until the charge between the charge generated on the first surface of the semiconductor substrate 11 and the charge generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 is detected is detected. The suppression is significant. In the case of the back-illuminated type, when blue light is incident, variation in time until the charge is detected by the charge generated on the first surface of the semiconductor substrate 11 and the charge generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 is detected. The suppression becomes remarkable.

(実施例1)
図7(a)、図7(b)は、本発明の実施例1における光検出装置10の平面模式図および断面図である。図1〜6と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
Example 1
FIGS. 7A and 7B are a schematic plan view and a cross-sectional view of the light detection device 10 according to the first embodiment of the present invention. Parts having the same functions as those in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図7(a)は、本実施例の光検出装置10の平面模式図を示す。光検出装置10において、半導体基板11には、N型半導体領域1、誘電部材7、電極6、P型半導体領域2、P型半導体領域3が配されている。   Fig.7 (a) shows the plane schematic diagram of the photon detection apparatus 10 of a present Example. In the photodetector 10, an N-type semiconductor region 1, a dielectric member 7, an electrode 6, a P-type semiconductor region 2, and a P-type semiconductor region 3 are disposed on a semiconductor substrate 11.

平面視において、P型半導体領域2は、第1領域2Aと第2領域2Bとを有しており、N型半導体領域1は、第1領域2Aに内包されるように配されている。さらに、平面視で、第1領域2Aは埋め込み部12に内包されるように配され、埋め込み部12は、第2領域2Bに内包されるように配されている。   In plan view, the P-type semiconductor region 2 has a first region 2A and a second region 2B, and the N-type semiconductor region 1 is disposed so as to be included in the first region 2A. Further, in plan view, the first region 2A is disposed so as to be included in the embedded portion 12, and the embedded portion 12 is disposed so as to be included in the second region 2B.

ここでは、平面視において、埋め込み部12が第1領域2Aを挟んで、N型半導体領域1の全周囲を囲むように配されているが、少なくとも一部を囲んでいればよい。例えば、第1領域2Aと第2領域2Bとの間の一部に埋め込み部12が設けられておらず、N型半導体領域1とP型半導体領域2とが、埋め込み部12が設けられていない部分で接していてもよい。   Here, in the plan view, the embedded portion 12 is arranged so as to surround the entire periphery of the N-type semiconductor region 1 with the first region 2A interposed therebetween, but it is sufficient that it surrounds at least a part. For example, the embedded portion 12 is not provided in a part between the first region 2A and the second region 2B, and the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2 are not provided with the embedded portion 12. You may touch by part.

この場合、N型半導体領域1の端部とP型半導体領域2との間に電界集中が生じるおそれがある。そのため、N型半導体領域1の端部を構成するN型半導体領域1の側面および底面の一部に、ガードリングを設けた方がよい。ガードリングを設けることにより、端部に生じる電界集中を抑制することが可能である。例えば、ガードリングはN型半導体領域1よりも不純物濃度の低いN型半導体領域または素子分離部で構成される。これは以下の実施例においても同様である。 埋め込み部12において、平面視で電極6は、2つの誘電部材7に内包されるように配されている。   In this case, electric field concentration may occur between the end of the N-type semiconductor region 1 and the P-type semiconductor region 2. For this reason, it is better to provide guard rings on the side surfaces and part of the bottom surface of the N-type semiconductor region 1 constituting the end portion of the N-type semiconductor region 1. By providing the guard ring, it is possible to suppress electric field concentration occurring at the end. For example, the guard ring is composed of an N-type semiconductor region or an element isolation portion having a lower impurity concentration than the N-type semiconductor region 1. The same applies to the following embodiments. In the embedded portion 12, the electrode 6 is disposed so as to be included in the two dielectric members 7 in plan view.

平面視でP型半導体領域3は、P型半導体領域2に電気的に接続されるように配されている。また、P型半導体領域3は、P型半導体領域2と電気的に接続していれば半導体基板11の第2面側に配してもよい。   The P-type semiconductor region 3 is arranged so as to be electrically connected to the P-type semiconductor region 2 in plan view. Further, the P-type semiconductor region 3 may be disposed on the second surface side of the semiconductor substrate 11 as long as it is electrically connected to the P-type semiconductor region 2.

なお、N型半導体領域1は本実施例のように平面視において角が丸くなるように配したほうがよい。このような形状によれば、角に生じる電界集中を抑制することが可能となる。   The N-type semiconductor region 1 should be arranged so that the corners are rounded in plan view as in this embodiment. According to such a shape, it is possible to suppress electric field concentration occurring at the corner.

図7(b)は、図7(a)の線分A―Bに沿った光検出装置10の断面模式図の一例である。図7(b)では、図3と異なる点について説明する。   FIG. 7B is an example of a schematic cross-sectional view of the photodetector 10 along the line segment AB in FIG. 7A. In FIG. 7B, differences from FIG. 3 will be described.

図7(b)では、N型半導体領域1に対して半導体基板11の深さ方向に配されたP型半導体領域2を囲むように埋め込み部12が配されている。このような構成によれば、埋め込み部12の誘電部材7とP型半導体領域2が接する表面積が多くなる。そして半導体基板11の深部で生じた電荷を引き寄せる反転層26の表面積が広くなる。さらに、複数の光電変換素子101が配された場合に周囲の光電変換素子101への電荷の拡散移動を抑制することができる。このとき、画素間の電荷混色を抑制することが可能である。   In FIG. 7B, the embedded portion 12 is disposed so as to surround the P-type semiconductor region 2 disposed in the depth direction of the semiconductor substrate 11 with respect to the N-type semiconductor region 1. According to such a configuration, the surface area where the dielectric member 7 of the embedded portion 12 and the P-type semiconductor region 2 are in contact with each other increases. In addition, the surface area of the inversion layer 26 that attracts charges generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 is increased. Furthermore, when a plurality of photoelectric conversion elements 101 are arranged, the diffusion movement of electric charges to the surrounding photoelectric conversion elements 101 can be suppressed. At this time, it is possible to suppress charge mixture between pixels.

また図7(b)において、埋め込み部12は第1面に対して最も深い位置に配された領域である底部24と、P型半導体領域2に接する側面と、底部24および側面と連続した端部25を有している。そして底部24および端部25と接するようにN型半導体領域9(第3半導体領域)が配される。   Further, in FIG. 7B, the embedded portion 12 has a bottom portion 24 which is a region disposed at the deepest position with respect to the first surface, a side surface in contact with the P-type semiconductor region 2, and an end continuous with the bottom portion 24 and the side surface. Part 25. N-type semiconductor region 9 (third semiconductor region) is arranged so as to be in contact with bottom portion 24 and end portion 25.

このような構成によれば、電極6に電位を供給すると端部25に生じる電界集中を抑制することが可能である。そして、電界集中部で不純物準位を介したトンネル電流などが増加することによる、暗信号の増加を抑制することが可能である。   According to such a configuration, it is possible to suppress electric field concentration occurring at the end portion 25 when a potential is supplied to the electrode 6. Then, it is possible to suppress an increase in the dark signal due to an increase in a tunnel current or the like through the impurity level in the electric field concentration portion.

本実施例の構成においても、半導体基板11の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。   Also in the configuration of the present embodiment, it is possible to reduce the time required to detect the charges generated in the deep part of the semiconductor substrate 11.

(実施例2)
図8は、本発明の実施例2における光検出装置10の平面模式図および断面図である。図1〜7と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Example 2)
FIG. 8 is a schematic plan view and a cross-sectional view of the light detection device 10 according to the second embodiment of the present invention. Parts having the same functions as those in FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図8(a)は本実施例の光検出装置の平面模式図である。図8(a)は、図7(a)に対して半導体基板11の第1面側にP型半導体領域3が配されていない点で異なる。   FIG. 8A is a schematic plan view of the photodetecting device of this embodiment. FIG. 8A differs from FIG. 7A in that the P-type semiconductor region 3 is not disposed on the first surface side of the semiconductor substrate 11.

図8(b)は、図8(a)の線分JKに沿った断面模式図である。図8(b)は、図7(b)に対して、埋め込み部12が半導体基板11の第1面から、半導体基板11の第2面まで延在して配されている点で異なる。図8(b)は、電極6および誘電部材7が半導体基板11の第1面から、半導体基板11の第2面まで配されている。   FIG. 8B is a schematic cross-sectional view taken along the line segment JK in FIG. FIG. 8B differs from FIG. 7B in that the embedded portion 12 extends from the first surface of the semiconductor substrate 11 to the second surface of the semiconductor substrate 11. In FIG. 8B, the electrode 6 and the dielectric member 7 are arranged from the first surface of the semiconductor substrate 11 to the second surface of the semiconductor substrate 11.

このような構成によれば、複数の光電変換素子101を配した際に光電変換素子101毎の分離性能を向上することが可能となる。そして電荷の混色およびアバランシェ発光に起因する混色を抑制することが可能となる。   According to such a configuration, it is possible to improve the separation performance for each photoelectric conversion element 101 when a plurality of photoelectric conversion elements 101 are arranged. Then, it is possible to suppress color mixture due to charge color mixture and avalanche light emission.

さらに図8(b)は、N型半導体領域1とPN接合を構成するP型半導体領域2に電位を供給するためのP型半導体領域3が半導体基板11の第2面側に配され、コンタクトプラグ14と配線部5が半導体基板11の第2面に配される。そして、P型半導体領域2およびP型半導体領域3に供給される電位が半導体基板11の第2面側から供給される。   Further, FIG. 8B shows that a P-type semiconductor region 3 for supplying a potential to the P-type semiconductor region 2 constituting the PN junction with the N-type semiconductor region 1 is arranged on the second surface side of the semiconductor substrate 11 and contacted. The plug 14 and the wiring part 5 are arranged on the second surface of the semiconductor substrate 11. The potential supplied to the P-type semiconductor region 2 and the P-type semiconductor region 3 is supplied from the second surface side of the semiconductor substrate 11.

このような構成によれば、P型半導体領域2に電位を供給するためのコンタクトプラグを接続するために半導体基板11の第1面側にP型半導体領域3を配する必要がなくなる。そして、光電変換素子101の面積を小さくすることが可能であり、画素100の集積度を高めることができる。   According to such a configuration, it is not necessary to arrange the P-type semiconductor region 3 on the first surface side of the semiconductor substrate 11 in order to connect a contact plug for supplying a potential to the P-type semiconductor region 2. In addition, the area of the photoelectric conversion element 101 can be reduced, and the degree of integration of the pixels 100 can be increased.

本実施例の構成においても、半導体基板11の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。   Also in the configuration of the present embodiment, it is possible to reduce the time required to detect the charges generated in the deep part of the semiconductor substrate 11.

(実施例3)
図9は本発明の実施例3における光検出装置10の平面模式図である。図1〜8と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Example 3)
FIG. 9 is a schematic plan view of the light detection device 10 according to the third embodiment of the present invention. Parts having the same functions as those in FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図9は、図7(a)に対して埋め込み部12の配置が異なる。図9では、平面視において、N型半導体領域1は凹部を有しており、N型半導体領域1はP型半導体領域2に内包されるように配される。さらに平面視おいて、埋め込み部12は、P型半導体領域2に内包されるように配され、凹部にP型半導体領域2と埋め込み部12の少なくとも一部とが配されている。   9 differs from FIG. 7A in the arrangement of the embedding part 12. In FIG. 9, the N-type semiconductor region 1 has a recess in plan view, and the N-type semiconductor region 1 is disposed so as to be included in the P-type semiconductor region 2. Further, in a plan view, the embedded portion 12 is disposed so as to be included in the P-type semiconductor region 2, and the P-type semiconductor region 2 and at least a part of the embedded portion 12 are disposed in the recess.

図9では、埋め込み部12の一部がN型半導体領域1と電気的に接続可能であれば、N型半導体領域1の凹部および埋め込み部12の形状を自由に延伸して、より広い平面領域における半導体基板11の深部の光電荷を収集することが可能となる。なお、本実施例において埋め込み部12を複数配してもよい。   In FIG. 9, if a part of the embedded portion 12 can be electrically connected to the N-type semiconductor region 1, the concave portion of the N-type semiconductor region 1 and the shape of the embedded portion 12 can be freely extended to form a wider planar region. It is possible to collect photocharges in the deep part of the semiconductor substrate 11 in FIG. In the present embodiment, a plurality of embedded portions 12 may be arranged.

本実施例の構成においても、半導体基板11の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。本実施例は、その他の実施例にも適応することができる。   Also in the configuration of the present embodiment, it is possible to reduce the time required to detect the charges generated in the deep part of the semiconductor substrate 11. This embodiment can be applied to other embodiments.

(実施例4)
図10および図11は本発明の実施例4における光検出装置10の平面模式図である。図1〜9と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
Example 4
10 and 11 are schematic plan views of the light detection device 10 according to the fourth embodiment of the present invention. Parts having the same functions as those in FIGS. 1 to 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図10において、平面視で、P型半導体領域は、第1領域2Aと第2領域2Bとを有している。平面視で、埋め込み部12は、第1領域2Aに内包されるように配され、第1領域2Aは、第1半導体領域1に内包されるように配される。さらに、平面視で第1半導体領域1は、第2領域2Bに内包されるように配される。   In FIG. 10, the P-type semiconductor region has a first region 2A and a second region 2B in plan view. In plan view, the embedded portion 12 is disposed so as to be included in the first region 2 </ b> A, and the first region 2 </ b> A is disposed so as to be included in the first semiconductor region 1. Furthermore, the first semiconductor region 1 is arranged so as to be included in the second region 2B in plan view.

本実施例の構成においても、半導体基板11の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。さらに本実施例の構成によれば埋め込み部12の平面的な面積を小さくすることができる。   Also in the configuration of the present embodiment, it is possible to reduce the time required to detect the charges generated in the deep part of the semiconductor substrate 11. Furthermore, according to the configuration of the present embodiment, the planar area of the embedded portion 12 can be reduced.

図11は図10の変形であり、図10で示した埋め込み部が複数配されている構成である。このような構成によれば、図10に比べて、さらに半導体基板11の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能である。本実施例は、その他の実施例にも適応することができる。   FIG. 11 is a modification of FIG. 10 and has a configuration in which a plurality of embedding parts shown in FIG. 10 are arranged. According to such a configuration, it is possible to reduce the time required to detect the electric charge generated in the deep part of the semiconductor substrate 11 as compared with FIG. This embodiment can be applied to other embodiments.

(実施例5)
本実施例では、各実施例の光検出装置10を用いた光検出システムの一例を説明する。図12を用いて光検出システムの一例である不可視光検出システムおよびPET等の医療診断システムについて説明する。図1〜図11と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Example 5)
In this embodiment, an example of a light detection system using the light detection device 10 of each embodiment will be described. An invisible light detection system, which is an example of a light detection system, and a medical diagnosis system such as PET will be described with reference to FIG. Parts having the same functions as those in FIGS. 1 to 11 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図12は、不可視光検出システムの構成を説明するブロック図である。不可視光検出システムは、波長変換部1201、データ処理部1207を有し、複数の光検出装置10を複数有する。   FIG. 12 is a block diagram illustrating the configuration of the invisible light detection system. The invisible light detection system includes a wavelength conversion unit 1201 and a data processing unit 1207, and includes a plurality of light detection devices 10.

照射物1200は、不可視光となる波長帯の光を照射する。波長変換部1201は、照射物1200から照射された不可視光となる波長帯の光を受光し、可視光を照射する。   The irradiated object 1200 irradiates light in a wavelength band that becomes invisible light. The wavelength conversion unit 1201 receives light in a wavelength band that is invisible light emitted from the irradiation object 1200 and emits visible light.

波長変換部1201から照射された可視光が入射された光電変換部201は光電変換し、制御部202、波形整形部203、TDC204を介して、光検出装置10は光電変換した電荷に基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ205に保持する。複数の光検出装置10は、一つの装置として形成されていてもよいし複数の装置が配列することで形成されてもよい。   The photoelectric conversion unit 201 to which the visible light irradiated from the wavelength conversion unit 1201 is incident is photoelectrically converted, and the photodetection device 10 converts the photoelectric conversion signal into a signal based on the photoelectrically converted charge via the control unit 202, the waveform shaping unit 203, and the TDC 204. The base digital signal is held in the memory 205. The plurality of light detection devices 10 may be formed as a single device or may be formed by arranging a plurality of devices.

複数の光検出装置10のメモリ205で保持された複数のデジタル信号は、データ処理部1207によって信号処理が行われる。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像の合成処理を行う。   A plurality of digital signals held in the memories 205 of the plurality of photodetectors 10 are subjected to signal processing by the data processing unit 1207. Here, a composite process of a plurality of images obtained from a plurality of digital signals is performed as a signal processing means.

次に不可視光検出システムの具体的な例としてPET等の医療診断システムの構成について説明する。   Next, a configuration of a medical diagnostic system such as PET will be described as a specific example of the invisible light detection system.

照射物1200である被験者は、生体内から放射線対を放出する。波長変換部1201は、シンチレータを構成し、シンチレータは、被験者から放出された放射線対が入射すると可視光を照射する。   A subject who is the irradiated object 1200 emits a radiation pair from within the living body. The wavelength conversion unit 1201 constitutes a scintillator, and the scintillator emits visible light when a radiation pair emitted from the subject enters.

シンチレータから照射された可視光が入射された光電変換部201は光電変換し、制御部202、波形整形部203、TDC204を介して、光検出装置10は光電変換した電荷に基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ205に保持する。つまり、光検出装置10は、被験者から放出された放射線対の到達時間を検出するために配され、シンチレータから照射された可視光を検出し、デジタル信号をメモリ205に保持する。   The photoelectric conversion unit 201 to which the visible light irradiated from the scintillator is incident is photoelectrically converted, and the photodetection device 10 is a digital signal based on a signal based on the photoelectrically converted charge via the control unit 202, the waveform shaping unit 203, and the TDC 204. Is stored in the memory 205. That is, the light detection device 10 is arranged to detect the arrival time of the radiation pair emitted from the subject, detects visible light emitted from the scintillator, and holds the digital signal in the memory 205.

複数の光検出装置10のメモリ205で保持されたデジタル信号は、データ処理部1207において信号処理される。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像を用いて画像再構成などの合成処理を行い、被験者の生体内の画像の形成を行う。   The digital signals held in the memories 205 of the plurality of light detection devices 10 are processed by the data processing unit 1207. Here, a composition process such as image reconstruction is performed using a plurality of images obtained from a plurality of digital signals as signal processing means, and an in-vivo image of the subject is formed.

(実施例6)
本実施例では、各実施例の光検出装置10を用いた光検出システムの一例を説明する。図13では、本実施例では光検出システムの一例である距離検出システムついて説明する。図1〜図12と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Example 6)
In this embodiment, an example of a light detection system using the light detection device 10 of each embodiment will be described. In FIG. 13, a distance detection system as an example of a light detection system will be described in this embodiment. Parts having functions similar to those in FIGS. 1 to 12 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図13を用いて、本実施例の距離検出システムのブロック図の一例を説明する。距離検出システムは、光源制御部1301、発光部1302、光学部材1303、光検出装置10、距離算出部1309を有している。   An example of a block diagram of the distance detection system of the present embodiment will be described with reference to FIG. The distance detection system includes a light source control unit 1301, a light emitting unit 1302, an optical member 1303, the light detection device 10, and a distance calculation unit 1309.

光源制御部1301は発光部1302の駆動を制御する。発光部1302は、光源制御部1301から信号を受けた際に、撮影方向に対して短パルス(列)の光を照射する。   A light source control unit 1301 controls driving of the light emitting unit 1302. When the light emitting unit 1302 receives a signal from the light source control unit 1301, the light emitting unit 1302 emits light of a short pulse (row) with respect to the imaging direction.

発光部1302から照射された光は、被写体1304に反射する。反射光は光学部材1303を通して、光検出装置10の光電変換部201で受光し、光電変換された電荷に基づく信号が波形整形部203、を介してTDC204に入力される。   Light emitted from the light emitting unit 1302 is reflected by the subject 1304. The reflected light is received by the photoelectric conversion unit 201 of the light detection device 10 through the optical member 1303, and a signal based on the photoelectrically converted charge is input to the TDC 204 through the waveform shaping unit 203.

TDC204は、光源制御部1301から得られる信号と、波形整形部203から入力された信号とを比較する。そして、発光部1302がパルス光を発光してから被写体1304を反射した反射光を受光するまでの時間を高精度にデジタル変換する。TDC204から出力されたデジタル信号は、メモリ205に保持される。   The TDC 204 compares the signal obtained from the light source control unit 1301 with the signal input from the waveform shaping unit 203. Then, the time from when the light emitting unit 1302 emits the pulsed light to when the reflected light reflected by the subject 1304 is received is digitally converted with high accuracy. The digital signal output from the TDC 204 is held in the memory 205.

距離算出部1309は、メモリ205に保持された複数回測定分のデジタル信号を元に、光検出装置から被写体までの距離を算出する。   The distance calculation unit 1309 calculates the distance from the light detection device to the subject based on the digital signal for a plurality of measurements held in the memory 205.

この距離検出システムは例えば車載に適用することができる。   This distance detection system can be applied to a vehicle, for example.

1 N型半導体領域
2 P型半導体領域
3 P型半導体領域
6 電極
7 誘電部材
11 半導体基板
16 コンタクトプラグ
1 N-type semiconductor region 2 P-type semiconductor region 3 P-type semiconductor region 6 Electrode 7 Dielectric member 11 Semiconductor substrate 16 Contact plug

Claims (22)

第1面と、前記第1面と対向する第2面とを有する半導体基板と、
信号電荷を多数キャリアとする第1半導体領域と、前記信号電荷と反対導電型の電荷を多数キャリアとする第2半導体領域とにより構成されるPN接合を有する光電変換部と、
前記半導体基板に埋め込まれた電極と、前記電極および前記半導体基板の間に配され、前記第2半導体領域と接する誘電部材とを有する埋め込み部と、を有する光検出装置であって、
前記第2半導体領域は、前記第1面に対して前記第1半導体領域よりも深い位置に配され、
前記埋め込み部は、前記第1面から、前記第1面に対して前記第1半導体領域よりも深い位置まで配され、
前記電極と前記第2半導体領域の間に生じた反転層と、前記第1半導体領域とが接するように、前記第1半導体領域と、前記第2半導体領域と、前記電極とに電位が供給されることを特徴とする光検出装置。
A semiconductor substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface;
A photoelectric conversion unit having a PN junction composed of a first semiconductor region having a signal charge as a majority carrier and a second semiconductor region having a charge type opposite to the signal charge as a majority carrier;
A photodetecting device comprising: an electrode embedded in the semiconductor substrate; and a buried portion that is disposed between the electrode and the semiconductor substrate and has a dielectric member in contact with the second semiconductor region,
The second semiconductor region is disposed deeper than the first semiconductor region with respect to the first surface,
The buried portion is disposed from the first surface to a position deeper than the first semiconductor region with respect to the first surface,
A potential is supplied to the first semiconductor region, the second semiconductor region, and the electrode so that the inversion layer generated between the electrode and the second semiconductor region is in contact with the first semiconductor region. An optical detection device.
第1面と、前記第1面と対向する第2面とを有する半導体基板と、
信号電荷を多数キャリアとする第1半導体領域と、前記信号電荷と反対導電型の電荷を多数キャリアとする第2半導体領域とにより構成されるPN接合を有する光電変換部と、
前記半導体基板に埋め込まれた電極と、前記電極および前記半導体基板の間に配され、前記第2半導体領域と接する誘電部材とを有する埋め込み部と、
を有する光検出装置であって、
前記第1半導体領域と前記第2半導体領域の電位差が6V以上となるように、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域に電位が供給され、
前記電極と前記第2半導体領域の電位差が、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域の電位差以上になるように、前記電極に電位が供給されることを特徴とする光検出装置。
A semiconductor substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface;
A photoelectric conversion unit having a PN junction composed of a first semiconductor region having a signal charge as a majority carrier and a second semiconductor region having a charge type opposite to the signal charge as a majority carrier;
An embedded portion having an electrode embedded in the semiconductor substrate, and a dielectric member disposed between the electrode and the semiconductor substrate and in contact with the second semiconductor region;
A photodetection device comprising:
A potential is supplied to the first semiconductor region and the second semiconductor region so that a potential difference between the first semiconductor region and the second semiconductor region is 6 V or more,
The photodetector is characterized in that a potential is supplied to the electrode such that a potential difference between the electrode and the second semiconductor region is equal to or greater than a potential difference between the first semiconductor region and the second semiconductor region.
前記第1半導体領域と接続し、前記第1半導体領域に電位を供給するコンタクトプラグが設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の光検出装置。   The photodetection device according to claim 1, further comprising a contact plug that is connected to the first semiconductor region and supplies a potential to the first semiconductor region. 前記第1半導体領域に供給される電位と前記第2半導体領域に供給される電位との電位差が、降伏電圧より大きくなるように構成されてことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光検出装置。   4. The device according to claim 1, wherein a potential difference between a potential supplied to the first semiconductor region and a potential supplied to the second semiconductor region is larger than a breakdown voltage. 5. The light detection device according to item. 前記第1半導体領域に供給される電位と前記第2半導体領域に供給される電位との電位差が、降伏電圧以下となるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光検出装置。   5. The device according to claim 1, wherein a potential difference between a potential supplied to the first semiconductor region and a potential supplied to the second semiconductor region is equal to or less than a breakdown voltage. The photodetection device according to item 1. 前記電極および前記第1半導体領域には6V以上の電位を供給し、前記第2半導体領域には0V以下の電位を供給することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光検出装置。   6. The electrode according to claim 1, wherein a potential of 6 V or more is supplied to the electrode and the first semiconductor region, and a potential of 0 V or less is supplied to the second semiconductor region. Photodetector. 前記第1半導体領域と前記誘電部材との間の距離が0.1μm以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光検出装置。   The light detection apparatus according to claim 1, wherein a distance between the first semiconductor region and the dielectric member is 0.1 μm or less. 前記光電変換部は、アバランシェダイオードを構成することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光検出装置。   The photodetection device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion unit constitutes an avalanche diode. 前記埋め込み部は、
前記PN接合によって生じる空乏層領域よりも深い位置まで配されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光検出装置。
The embedded portion is
The photodetection device according to claim 1, wherein the photodetection device is disposed to a position deeper than a depletion layer region generated by the PN junction.
前記埋め込み部は、
前記第1面に対して最も深い位置に配された領域である底部と、
前記第2半導体領域と接する側面と、
前記底部および前記側面と連続した端部と、を有し、
前記底部および前記端部が、前記第1半導体領域と同じ導電型の第3半導体領域に接していることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光検出装置。
The embedded portion is
A bottom portion which is a region disposed at a deepest position with respect to the first surface;
A side surface in contact with the second semiconductor region;
An end continuous with the bottom and the side surface,
10. The photodetection device according to claim 1, wherein the bottom portion and the end portion are in contact with a third semiconductor region having the same conductivity type as the first semiconductor region.
前記埋め込み部は、前記第1面から前記第2面まで延在して配されることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光検出装置。   The photodetection device according to claim 1, wherein the embedded portion extends from the first surface to the second surface. 前記第2半導体領域は、前記第1面に対して深い位置から、浅い位置に向かって不純物濃度が薄くなる不純物濃度の勾配を有していることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の光検出装置。   12. The second semiconductor region according to claim 1, wherein the second semiconductor region has an impurity concentration gradient in which the impurity concentration decreases from a deep position to a shallow position with respect to the first surface. The photodetection device according to item 1. 前記第2半導体領域は、
第1不純物濃度の領域である第1領域と、
前記第1面に対して前記第1領域よりも深い位置に配され、前記第1不純物濃度よりも低い第2不純物濃度の領域である第2領域と、
前記第1面に対して前記第1領域および前記第2領域よりも深い位置に配され、前記第1不純物濃度よりも低く、かつ、前記第2不純物濃度よりも高い第3不純物濃度である第3領域と、
を含むことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光検出装置。
The second semiconductor region is
A first region that is a region having a first impurity concentration;
A second region which is a region deeper than the first region with respect to the first surface and has a second impurity concentration lower than the first impurity concentration;
A third impurity concentration which is disposed deeper than the first region and the second region with respect to the first surface, and has a third impurity concentration lower than the first impurity concentration and higher than the second impurity concentration; 3 areas,
The light detection device according to claim 1, comprising:
前記第1半導体領域に供給される電位V1と、前記第2半導体領域に供給される電位V2と、前記電極に供給される電位Vtと、前記第1半導体領域の仕事関数φ1と、前記第2半導体領域の仕事関数φ2と、前記電極の仕事関数φtとは、前記信号電荷が電子の場合に数式Aを満たし、前記信号電荷が正孔の場合に数式Bを満たすことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の光検出装置。
V2−φ2<Vt−φt≦Vt−φt …数式A
V2−φ2>V1−φ1≧Vt−φt …数式B
A potential V1 supplied to the first semiconductor region; a potential V2 supplied to the second semiconductor region; a potential Vt supplied to the electrode; a work function φ1 of the first semiconductor region; The work function φ2 of the semiconductor region and the work function φt of the electrode satisfy Formula A when the signal charge is an electron and Formula B when the signal charge is a hole. 14. The light detection device according to any one of 1 to 13.
V2-φ2 <Vt−φt ≦ Vt−φt Formula A
V2-φ2> V1-φ1 ≧ Vt−φt Formula B
平面視において、
前記第2半導体領域は、第1領域と前記第1領域とは異なる第2領域とを有し、
前記第1半導体領域は、前記第1領域に内包されるように配され、
前記第1領域は、前記埋め込み部に内包されるように配され、
前記埋め込み部は、前記第2領域に内包されるように配されていることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の光検出装置。
In plan view,
The second semiconductor region has a first region and a second region different from the first region,
The first semiconductor region is disposed so as to be included in the first region,
The first region is disposed so as to be included in the embedded portion,
The photodetection device according to claim 1, wherein the embedded portion is disposed so as to be included in the second region.
平面視において、
前記第1半導体領域は凹部を有し、
前記第1半導体領域は、前記第2半導体領域に内包されるように配され、
前記埋め込み部は、前記第2半導体領域に内包されるように配され、
前記凹部に、前記第2半導体領域と前記埋め込み部の少なくとも一部とが配されていることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の光検出装置。
In plan view,
The first semiconductor region has a recess;
The first semiconductor region is disposed so as to be included in the second semiconductor region,
The embedded portion is disposed so as to be included in the second semiconductor region,
The photodetection device according to claim 1, wherein the second semiconductor region and at least a part of the embedded portion are arranged in the recess.
平面視において、
前記第2半導体領域は、第1領域と前記第1領域とは異なる第2領域とを有し、
前記埋め込み部は、第1領域に内包されるように配され、
前記第1領域は、前記第1半導体領域に内包されるように配され
前記第1半導体領域は、前記第2領域に内包されるように配されていることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の光検出装置。
In plan view,
The second semiconductor region has a first region and a second region different from the first region,
The embedded portion is arranged to be included in the first region,
The first region is disposed so as to be included in the first semiconductor region, and the first semiconductor region is disposed so as to be included in the second region. The photodetection device according to any one of the above.
前記第2半導体領域に電気的に接続され、前記第2半導体領域と同じ導電型であって、前記第2半導体領域よりも不純物濃度の高い第4半導体領域が、前記第1面または前記第2面に接するように配されることを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載の光検出装置。   A fourth semiconductor region electrically connected to the second semiconductor region and having the same conductivity type as the second semiconductor region and having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor region is the first surface or the second semiconductor region. The photodetection device according to claim 1, wherein the photodetection device is disposed so as to be in contact with a surface. 前記誘電部材は、固定電荷を含む材料で構成されることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載の光検出装置。   The photodetection device according to claim 1, wherein the dielectric member is made of a material containing a fixed charge. 前記電極は、前記半導体基板に流れるアバランシェ電流に起因して発生する赤外光の少なくとも一部を吸収または反射する材料であることを特徴とする請求項1乃至19のいずれか1項に記載の光検出装置。   20. The electrode according to claim 1, wherein the electrode is made of a material that absorbs or reflects at least a part of infrared light generated due to an avalanche current flowing in the semiconductor substrate. Photodetector. 請求項1から20のいずれか1項に記載の光検出装置を複数有する光検出システムであって
第1波長帯の光を前記第1波長帯と異なる第2波長帯の光に変換する波長変換部と、
前記光検出装置に保持された複数のデジタル信号から得られる複数の画像の合成処理を行う信号処理手段と、を有し、
前記波長変換部から出力された前記第2波長帯の光が前記光検出装置に入射するように構成されていることを特徴とする光検出システム。
21. A light detection system comprising a plurality of light detection devices according to claim 1, wherein the wavelength conversion converts light in a first wavelength band into light in a second wavelength band different from the first wavelength band. And
Signal processing means for synthesizing a plurality of images obtained from a plurality of digital signals held in the photodetector,
The light detection system, wherein the light of the second wavelength band output from the wavelength conversion unit is incident on the light detection device.
請求項1から20のいずれか1項に記載の光検出装置を有する光検出システムであって
前記光検出装置によって検出される光を発光する発光部と、
前記光検出装置に保持されたデジタル信号を用いて距離算出を行う距離算出手段と、を有することを特徴とする光検出システム。
A light detection system comprising the light detection device according to any one of claims 1 to 20, wherein a light emitting unit that emits light detected by the light detection device;
And a distance calculating means for calculating a distance using a digital signal held in the light detecting device.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019180898A1 (en) * 2018-03-23 2019-09-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 Solid-state imaging element
WO2019186750A1 (en) * 2018-03-28 2019-10-03 パナソニックIpマネジメント株式会社 Solid-state imaging device
JP2021086921A (en) * 2019-11-27 2021-06-03 キヤノン株式会社 Photoelectric conversion device and photoelectric conversion system
CN113299787A (en) * 2021-05-21 2021-08-24 武汉新芯集成电路制造有限公司 Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2023502183A (en) * 2020-01-28 2023-01-20 アダップス・フォトニクス・インコーポレイテッド Single-photon avalanche diode device
JP2023182653A (en) * 2018-03-30 2023-12-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 photodetector

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002090116A (en) * 2000-09-12 2002-03-27 Asahi Optical Co Ltd 3D image detection device
JP2009020109A (en) * 2007-07-16 2009-01-29 Hilti Ag Handheld laser distance measuring device using pulse reflection mixing method
JP2009525619A (en) * 2006-02-01 2009-07-09 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Geiger mode avalanche photodiode
JP2009535821A (en) * 2006-04-25 2009-10-01 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (Bi) Manufacturing method of avalanche photodiode by CMOS process
US20100148040A1 (en) * 2008-12-17 2010-06-17 Stmicroelectronics S.R.L. Geiger-mode photodiode with integrated and adjustable quenching resistor, photodiode array, and manufacturing method thereof
JP2011159756A (en) * 2010-01-29 2011-08-18 Sony Corp Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and electronic apparatus
US20130062604A1 (en) * 2011-09-14 2013-03-14 Infineon Technologies Ag Photodetector with Controllable Spectral Response
JP2014225647A (en) * 2013-04-01 2014-12-04 オムニヴィジョン テクノロジーズ インコーポレイテッド Enhanced photon detection device with biased deep trench isolation
JP2015038435A (en) * 2013-08-19 2015-02-26 株式会社東芝 Radiation detector
JP2015056622A (en) * 2013-09-13 2015-03-23 株式会社リコー Semiconductor device
JP2015084392A (en) * 2013-10-25 2015-04-30 浜松ホトニクス株式会社 Photo-detector

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002090116A (en) * 2000-09-12 2002-03-27 Asahi Optical Co Ltd 3D image detection device
JP2009525619A (en) * 2006-02-01 2009-07-09 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Geiger mode avalanche photodiode
JP2009535821A (en) * 2006-04-25 2009-10-01 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (Bi) Manufacturing method of avalanche photodiode by CMOS process
JP2009020109A (en) * 2007-07-16 2009-01-29 Hilti Ag Handheld laser distance measuring device using pulse reflection mixing method
US20100148040A1 (en) * 2008-12-17 2010-06-17 Stmicroelectronics S.R.L. Geiger-mode photodiode with integrated and adjustable quenching resistor, photodiode array, and manufacturing method thereof
JP2011159756A (en) * 2010-01-29 2011-08-18 Sony Corp Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and electronic apparatus
US20130062604A1 (en) * 2011-09-14 2013-03-14 Infineon Technologies Ag Photodetector with Controllable Spectral Response
JP2014225647A (en) * 2013-04-01 2014-12-04 オムニヴィジョン テクノロジーズ インコーポレイテッド Enhanced photon detection device with biased deep trench isolation
JP2015038435A (en) * 2013-08-19 2015-02-26 株式会社東芝 Radiation detector
JP2015056622A (en) * 2013-09-13 2015-03-23 株式会社リコー Semiconductor device
JP2015084392A (en) * 2013-10-25 2015-04-30 浜松ホトニクス株式会社 Photo-detector

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019180898A1 (en) * 2018-03-23 2019-09-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 Solid-state imaging element
JPWO2019180898A1 (en) * 2018-03-23 2021-03-25 パナソニックIpマネジメント株式会社 Solid-state image sensor
WO2019186750A1 (en) * 2018-03-28 2019-10-03 パナソニックIpマネジメント株式会社 Solid-state imaging device
JP2023182653A (en) * 2018-03-30 2023-12-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 photodetector
JP2021086921A (en) * 2019-11-27 2021-06-03 キヤノン株式会社 Photoelectric conversion device and photoelectric conversion system
US11282877B2 (en) 2019-11-27 2022-03-22 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion apparatus and photoelectric conversion system
JP7379117B2 (en) 2019-11-27 2023-11-14 キヤノン株式会社 Photoelectric conversion device and photoelectric conversion system
JP2023502183A (en) * 2020-01-28 2023-01-20 アダップス・フォトニクス・インコーポレイテッド Single-photon avalanche diode device
JP7319743B2 (en) 2020-01-28 2023-08-02 アダップス・フォトニクス・インコーポレイテッド Single-photon avalanche diode device
CN113299787A (en) * 2021-05-21 2021-08-24 武汉新芯集成电路制造有限公司 Semiconductor device and method for manufacturing the same
CN113299787B (en) * 2021-05-21 2022-04-29 武汉新芯集成电路制造有限公司 Semiconductor device and method for manufacturing the same

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