JP2024127279A - Photodetector - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、光検出装置に関する。 This disclosure relates to a light detection device.
特許文献1には、単一光子アバランシェダイオード(以下、単に「SPAD(Single Photon Avalanche Diode)」という。)及びその製造方法が開示されている。このSPADのアノード領域とカソード領域とのpn接合は、垂直方向に形成されている。
具体的な製造方法は、以下の通りである。まず、p型ウエル領域の水平方向に離間された領域に2つのトレンチが形成される。一方のトレンチには、p型ドーパント(dopant)を含む電気絶縁材料が充填される。他方のトレンチには、n型ドーパントを含む電気絶縁材料が充填される。アニール(anneal)が行われると、一方のトレンチに充填された電気絶縁材料からp型ウエル領域にp型不純物が拡散され、アノード領域が形成される。また、他方のトレンチに充填された電気絶縁材料からp型ウエル領域にn型不純物が拡散され、カソード領域が形成される。アノード領域とカソード領域とが接触し、pn接合が形成される。
A specific manufacturing method is as follows. First, two trenches are formed in horizontally spaced regions of a p-type well region. One trench is filled with an electrically insulating material containing a p-type dopant. The other trench is filled with an electrically insulating material containing an n-type dopant. When annealing is performed, p-type impurities are diffused from the electrically insulating material filled in one trench into the p-type well region to form an anode region. Also, n-type impurities are diffused from the electrically insulating material filled in the other trench into the p-type well region to form a cathode region. The anode region and the cathode region come into contact with each other to form a pn junction.
上記特許文献1に開示された1つのSPADは1つの画素として形成され、画素は行列状に複数配列されている。1つの画素において、SPADは、水平方向に離間された複数のトレンチを使用し、トレンチに充填された電気絶縁材料に含まれる不純物を水平方向(横方向)に拡散してアノード領域及びカソード領域が形成されている。
このため、画素サイズが大きくなるので、画素サイズの縮小が可能なSPADの開発が望まれている。
In the above-mentioned
This results in a large pixel size, and therefore there is a demand for the development of a SPAD that allows the pixel size to be reduced.
本開示の第1実施態様に係る光検出装置は、入射される光子により発生するキャリアを増幅させるアバランシェダイオードを備えている。アバランシェダイオードは、光子の入射側となる第1表面及び第1表面に対向する第2表面を有する基体に配設され、第2表面側から第1表面側へ向かって形成されたトレンチと、トレンチの底面及び側面の少なくとも一部に沿って配設された第1導電型の第1半導体領域と、トレンチの底面及び側面の少なくとも一部に沿い、かつ、第1半導体領域を介在させて配設され、第1導電型に対して反対導電型となる第2導電型の第2半導体領域とを備えている。 The photodetector according to the first embodiment of the present disclosure includes an avalanche diode that amplifies carriers generated by incident photons. The avalanche diode is disposed on a substrate having a first surface on which photons are incident and a second surface opposite to the first surface, and includes a trench formed from the second surface side toward the first surface side, a first semiconductor region of a first conductivity type disposed along at least a portion of the bottom and side surfaces of the trench, and a second semiconductor region of a second conductivity type opposite the first conductivity type disposed along at least a portion of the bottom and side surfaces of the trench with the first semiconductor region interposed therebetween.
本開示の第2実施態様に係る光検出装置は、第1実施態様に係る光検出装置において、基体に、アバランシェダイオードの側面周囲を取り囲む素子分離体を備えている。基体は、半導体により形成されている。素子分離体は、基体の第1表面側から第2表面側へ向かって配設された分離用トレンチと、分離用トレンチの側面に沿って配設された分離用絶縁体と、分離用トレンチの内部に分離用絶縁体を介在させて埋設された分離用金属体とを備えている。 The photodetector according to the second embodiment of the present disclosure is the photodetector according to the first embodiment, in which the substrate is provided with an element separator surrounding the side periphery of the avalanche diode. The substrate is made of a semiconductor. The element separator includes an isolation trench disposed from the first surface side toward the second surface side of the substrate, an isolation insulator disposed along the side of the isolation trench, and an isolation metal body embedded inside the isolation trench with the isolation insulator interposed therebetween.
本開示の第3実施態様に係る光検出装置では、第1実施態様又は第2実施態様に係る光検出装置において、基体の第1表面に沿って、基体の第1表面近傍の電荷を固定する固定電荷膜が配設されている。 In the photodetector according to the third embodiment of the present disclosure, a fixed charge film that fixes the charge near the first surface of the substrate is disposed along the first surface of the substrate in the photodetector according to the first or second embodiment.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1実施の形態
第1実施の形態は、光検出装置の画素を構築するSPADに、本技術を適用した第1例を説明する。第1実施の形態は、SPADの縦断面構成及び平面構成について説明する。さらに、第1実施の形態は、SPADの製造方法を説明する。
2.第2実施の形態
第2実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの平面構成を変えた第2例を説明する。第2実施の形態は、複数の変形例についても説明する。
3.第3実施の形態
第3実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第3例を説明する。
4.第4実施の形態
第4実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第4例を説明する。
5.第5実施の形態
第5実施の形態は、第4実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第5例を説明する。
6.第6実施の形態
第6実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第6例を説明する。
7.第7実施の形態
第7実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第7例を説明する。
8.第8実施の形態
第8実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第8例を説明する。
9.第9実施の形態
第9実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第9例を説明する。
10.第10実施の形態
第10実施の形態は、第6実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変え第10例を説明する。
11.第11実施の形態
第11実施の形態は、第10実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第11例を説明する。
12.第12実施の形態
第12実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第12例を説明する。
13.第13実施の形態
第13実施の形態は、第12実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第13例を説明する。
14.第14実施の形態
第14実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第14例を説明する。
15.第15実施の形態
第15実施の形態は、第1実施の形態に係る光検出装置において、SPADの構成を変えた第15例を説明する。
16.その他の実施の形態
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The description will be made in the following order.
1. First embodiment In the first embodiment, a first example in which the present technology is applied to a SPAD that configures pixels of a photodetector will be described. In the first embodiment, a longitudinal sectional configuration and a planar configuration of the SPAD will be described. Furthermore, in the first embodiment, a manufacturing method of the SPAD will be described.
2. Second Embodiment In the second embodiment, a second example in which the planar configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described. In the second embodiment, a number of modified examples will also be described.
3. Third Embodiment In the third embodiment, a third example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described.
4. Fourth Embodiment In the fourth embodiment, a fourth example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described.
5. Fifth Embodiment In the fifth embodiment, a fifth example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the fourth embodiment will be described.
6. Sixth Embodiment In the sixth embodiment, a sixth example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described.
7. Seventh Embodiment In the seventh embodiment, a seventh example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described.
8. Eighth Embodiment In the eighth embodiment, an eighth example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described.
9. Ninth Embodiment In the ninth embodiment, a ninth example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described.
10. Tenth Embodiment In the tenth embodiment, a tenth example in which the configuration of the SPAD in the photodetector according to the sixth embodiment is changed will be described.
11. Eleventh Embodiment In the eleventh embodiment, an eleventh example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the tenth embodiment will be described.
12. Twelfth Embodiment In the twelfth embodiment, a twelfth example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described.
13. Thirteenth Embodiment In the thirteenth embodiment, a thirteenth example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the twelfth embodiment will be described.
14. Fourteenth Embodiment In the fourteenth embodiment, a fourteenth example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described.
15. Fifteenth Embodiment In the fifteenth embodiment, a fifteenth example in which the configuration of the SPAD is changed in the photodetector according to the first embodiment will be described.
16. Other embodiments
<1.第1実施の形態>
図1~図12を用いて、本開示の第1実施の形態に係る光検出装置1及びその製造方法を説明する。
1. First embodiment
A
ここで、図中、適宜、示されている矢印X方向は、便宜的に平面上に載置された光検出装置1の1つの平面方向を示している。矢印Y方向は、矢印X方向に対して直交する他の1つの平面方向を示している。また、矢印Z方向は、矢印X方向及び矢印Y方向に対して直交する上方向を示している。つまり、矢印X方向、矢印Y方向、矢印Z方向は、丁度、三次元座標系のX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に各々一致している。
なお、これらの各方向は、説明の理解を助けるために示されており、本技術の方向を限定するものではない。
Here, the arrow X direction shown as appropriate in the figure indicates one planar direction of the
Note that these directions are shown to facilitate understanding of the description and are not intended to limit the directions of the present technology.
[光検出装置1の構成]
(1)光検出装置1の概略構成
図1は、第1実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。図2は、図1に示される画素10を複数配列した平面構成の一例を表している。
[Configuration of photodetector 1]
(1) Schematic configuration of
第1実施の形態に係る光検出装置1は、センサ素子又はセンサチップとして構築されている。この光検出装置1は、例えば測距システムを構築可能である。測距システムでは、光源から発せられた光が測距対象物に反射されて戻ってくるまでの飛行時間(ToF:Time of Flight)を計測することができる。光源には、例えば、指向性に優れ、赤外の波長帯域にピーク波長を有するレーザ光が使用可能である。
The
図1及び図2に示されるように、光検出装置1は、画素10を備えている。画素10は、受光素子としてのSPAD11を備えている。図1には、1つの画素10が示されている。画素10は、図2に示されるように、複数配列されている。ここでは、矢印X方向、矢印Y方向のそれぞれに複数配列された、合計4つの画素10が示されている。
As shown in Fig. 1 and Fig. 2, the
SPAD11は、入射される光子により発生するキャリア(電子)を増幅(増倍)させる単一光子アバランシェダイオードである。SPAD11は、非線形領域(ガイガーモード)において動作する。つまり、SPAD11は、ブレークダウン電圧(降伏電圧)を超えた逆電圧により動作する。 SPAD11 is a single-photon avalanche diode that amplifies (multiplies) carriers (electrons) generated by incident photons. SPAD11 operates in the nonlinear region (Geiger mode). In other words, SPAD11 operates with a reverse voltage that exceeds the breakdown voltage.
SPAD11のアノード領域には、アノード電源Vaが接続されている。アノード電源Vaは、アバランシェ増倍が発生する大きな負電圧、表現を代えればブレークダウン電圧以上の電圧を供給する。具体的には、アノード電源Vaは、例えば-20Vの電圧を供給する。
SPAD11のカソード領域は、図示省略の保護回路を介在させて、同様に図示省略の読出回路に接続されている。カソード領域には、保護回路によりクランプされるカソード電圧Vcが印加される。カソード電圧は、例えば保護回路や読出回路の動作電源から供給される、例えば3V程度の電圧である。
An anode power supply Va is connected to the anode region of the
The cathode region of the
(2)SPAD11の構成
図1及び図2に示されるように、光検出装置1において、SPAD11は、基体2に配設されている。そして、SPAD11は、トレンチ21と、第1半導体領域22と、第2半導体領域23とを備えている。
さらに、光検出装置1では、SPAD11の側面周囲を取り囲む素子分離体3が配設されている。素子分離体3は、1つのSPAD11の側面周囲を取り囲み、1つの画素10を区画している。そして、素子分離体3は、矢印X方向、矢印Y方向のそれぞれに隣接する画素10間に配設され、双方を電気的に、かつ、光学的に分離している。
以下、SPAD11の構成について、詳細に説明する。
1 and 2 , in the
Furthermore, in the
The configuration of the
(2-1)基体2の構成
図1に示されるように、光検出装置1は、矢印Z方向とは反対側を光子の入射方向Lとして構成されている。基体2は、光子の入射側となる第1表面2A及び第1表面2Aに対向する第2表面2Bを有する。基体2には、例えば、1014cm-3以上1016cm-3以下の低不純物密度のn型不純物が導入された単結晶珪素(Si)基板が使用されている。
1, the
ここで、第1実施の形態、第2実施の形態、第4実施の形態~第15実施の形態では、n型は「第2導電型」として説明し、n型に対して反対導電型のp型は「第1導電型」として説明する。第3実施の形態では、n型は「第1導電型」として説明し、p型は「第2導電型」として説明する。
つまり、本技術に係るSPAD11は、導電型を入れ替えて構築可能である。
Here, in the first, second, and fourth to fifteenth embodiments, the n-type will be described as the “second conductivity type”, and the p-type, which is the opposite conductivity type to the n-type, will be described as the “first conductivity type”. In the third embodiment, the n-type will be described as the “first conductivity type”, and the p-type will be described as the “second conductivity type”.
In other words, the
基体2のSPAD11及び画素10の形成領域には、基体2の厚さ方向の全域にウエル領域20が配設されている。ウエル領域20は、基体2のn型不純物と同一導電型に設定され、更に基体2の不純物密度よりも高い、例えば、1017cm-3以上1018cm-3以下の不純物密度に形成されている。
A
(2-2)トレンチ21の構成
トレンチ21は、SPAD11の倍増領域を構築する構成要素の1つとして形成されている。トレンチ21は、基体2の第2表面2B側から第1表面2A側へ向かって形成されている。トレンチ21の深さ寸法Tdは、トレンチ21の開口寸法Twより大きい設定とされている。また、トレンチ21の底面Tbは、ここでは、基体2の厚さ方向中間部にある。
第1実施の形態では、トレンチ21は、深さ方向(矢印Z方向)に、実質的に開口寸法Twと同一寸法に形成されている。なお、本技術では、トレンチ21は、深さ方向に縮径されてもよい。
(2-2) Configuration of the
In the first embodiment, the
矢印Z方向、すなわち入射方向Lから見て(以下、単に「平面視において」という。)、トレンチ21の底面Tbの平面形状は、矩形状に形成されている。ここでは、トレンチ21の底面Tbの平面形状は、正方形状に形成されている。
When viewed in the direction of the arrow Z, i.e., the incident direction L (hereinafter simply referred to as "in a plan view"), the planar shape of the bottom surface Tb of the
(2-3)第1半導体領域(アノード領域)22の構成
第1半導体領域22は、トレンチ21の底面Tb及び側面Tsの少なくとも一部に沿って配設されている。ここでは、第1半導体領域22は、トレンチ21の側面Tsの全域に沿って配設されている。第1半導体領域22の底面Tbに対して垂直方向(矢印Z方向)の厚さ寸法、第1半導体領域22の側面Tsに対して垂直方向(矢印X方向)の厚さ寸法のそれぞれは、実質的に同一である。
(2-3) Configuration of the first semiconductor region (anode region) 22 The
第1半導体領域22は、製造方法において説明するが、トレンチ21の底面Tb及び側面Tsに沿ってエピタキシャル成長層又は堆積層を形成し、このエピタキシャル成長層又は堆積層に形成されている。エピタキシャル成長層は、エピタキシャル成長法により形成されたSi層である。また、堆積層は、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法等の堆積法により形成されたSi層である。
ここで、第1半導体領域22は、p型半導体領域であり、アノード領域を形成している。第1半導体領域22は、例えば、1017cm-3以上1018cm-3以下の不純物密度に形成されている。
As will be described in the manufacturing method, the
Here, the
(2-4)第2半導体領域(カソード領域)23の構成
第2半導体領域23は、トレンチ21の底面Tb及び側面Tsの少なくとも一部に沿い、かつ、第1半導体領域22を介在させて配設されている。ここでは、第2半導体領域23は、トレンチ21内に実質的に埋設されている。
(2-4) Configuration of the second semiconductor region (cathode region) 23 The
第2半導体領域23は、第1半導体領域22が形成されたエピタキシャル成長層又は堆積層に対して別のエピタキシャル成長層又は堆積層に形成されている。前述の通り、エピタキシャル成長層は、エピタキシャル成長法により形成されたSi層である。また、堆積層は、CVD法、ALD法等の堆積法により形成されたSi層である。
ここで、第2半導体領域23は、n型半導体領域であり、カソード領域を形成している。第2半導体領域23は、例えば、1017cm-3以上1018cm-3以下の不純物密度に形成されている。
The
Here, the
このように構成されるSPAD11では、1つのトレンチ21内にアノード領域としての第1半導体領域22及びカソード領域としての第2半導体領域23が配設されている。第1半導体領域22、第2半導体領域23のそれぞれの接触部分において、pn接合が形成され、倍増領域が形成されている。pn接合の大半は、矢印Z方向である垂直方向に形成されている。
矢印Y方向に見て(以下、単に「側面視において」という。)、SPAD11は、基体2の第1表面2A側を上面及び第2表面2B側を底面として、矢印Z方向に延設された柱状形状(ここでは、四角柱状)に形成されている。
In the
When viewed in the direction of arrow Y (hereinafter simply referred to as "side view"), SPAD11 is formed in a columnar shape (here, a rectangular column shape) extending in the direction of arrow Z, with the
(2-5)コンタクト領域221及びコンタクト領域231の構成
図1及び図2に示されるように、トレンチ21の周囲において、素子分離体3の内側に沿った基体2の第2表面2B側には、コンタクト領域221が配設されている。ここでは、平面視において、コンタクト領域221は、矩形リング形状に形成されている。
コンタクト領域221は、p型半導体領域により形成されている。コンタクト領域221は、第1半導体領域22の不純物密度よりも高い、例えば、1018cm-3以上1019cm-3以下の不純物密度に形成されている。
コンタクト領域221には、プラグ電極41が電気的に接続され、プラグ電極41等を通してアノード電源Vaが電気的に接続されている。
1 and 2, a
The
A
トレンチ21の中央部において、第2半導体領域23の第2表面2B側には、コンタクト領域231が配設されている。ここでは、平面視において、コンタクト領域231は、矩形状に形成されている。
コンタクト領域231は、n型半導体領域により形成されている。コンタクト領域231は、第2半導体領域23の不純物密度よりも高い、例えば、1018cm-3以上1019cm-3以下の不純物密度に形成されている。
コンタクト領域231には、プラグ電極41が電気的に接続され、プラグ電極41等を通してカソード電圧Vcが供給される。
A
The
A
(3)素子分離体3の構成
図1及び図2に示されるように、素子分離体3は、SPAD11の周囲を取り囲み、基体2に配設されている。素子分離体3は、分離用トレンチ31と、分離用絶縁体32と、分離用金属体33とを備えている。さらに、素子分離体3は、基体2、ここでは、半導体としてのSi基板を含んで構成されている。
1 and 2, the
第1の実施の形態では、分離用トレンチ31は、基体2の第1表面2A側から第2表面2B側へ向かって、基体2の厚さ方向の実質的に全域を貫通して配設されている。
分離用絶縁体32は、分離用トレンチ31の内側面に沿って配設されている。分離用絶縁体32は、例えば、SiO2と、このSiO2よりも誘電率が高い高誘電率(High-k)絶縁体との複合膜により形成されている。
分離用金属体33は、分離用トレンチ31内に分離用絶縁体32を介在させて配設されている。分離用絶縁体32は、電気導電性に優れ、更に遮光性に優れた、例えばタングステン(W)等の金属膜により形成されている。
In the first embodiment, the
The
The isolating
素子分離体3及び基体2は、分離用金属体33を金属体、分離用絶縁体32を絶縁体、基体2を半導体とする金属体-絶縁体-半導体(MIS:Metal Insulator Semiconductor)型構造を構成している。つまり、素子分離体3からの電界効果により、分離用トレンチ31に沿って基体2に反転層Iを形成させることができる。反転層Iは、ピニング領域として使用される。
The
(4)固定電荷膜5の構成
図1に示されるように、SPAD11及び画素10の形成領域において、基体2の第1表面2Aには、この第1表面2Aに沿って固定電荷膜5が配設されている。固定電荷膜5は、基体2の第1表面2A近傍の電荷を固定する。
固定電荷膜5は、例えば素子分離体3の分離用絶縁体32と同様に、SiO2と、このSiO2上に積層した高誘電率絶縁体との複合膜により形成されている。固定電荷膜5が配設されると、基体2の第1表面2A近傍に反転層Iが形成されるので、この領域の電荷が固定される。
1, in the formation region of the
The fixed
(5)光学レンズ6の構成
基体2の第1表面2Aには、固定電荷膜5を介在させて光学レンズ6が配設されている。側面視において、光学レンズ6の矢印Z方向側の表面は、画素10毎に、矢印Z方向とは反対側に湾曲する形状に形成されている。つまり、光学レンズ6は、入射される光子をSPAD11に集光させる形状に形成されている。
光学レンズ6は、例えば、透明樹脂材料により形成されている。ここでは、光学レンズ6は、オンチップレンズ(On Chip Lens)として形成されている。
(5) Configuration of Optical Lens 6 An optical lens 6 is disposed on the
The optical lens 6 is formed of, for example, a transparent resin material. Here, the optical lens 6 is formed as an on-chip lens.
(6)配線層4の構成
基体2の第2表面2B側において、基体2には、配線層4が配設されている。配線層4には、プラグ電極41と、配線42と、配線間絶縁体43とを備えている。配線層4は、光検出装置1において、アノード電源Vaの供給、カソード電圧Vcの供給等を行うとともに、光検出装置1と図示省略の保護回路、読出回路のそれぞれとの電気的な接続に使用されている。
(6) Configuration of
プラグ電極41は、SPAD11と配線42との間、配線42間等を電気的に接続している。プラグ電極41は、例えば、W等の配線材料により形成されている。
配線42は、ここでは複数層形成されている。配線42は、例えば、銅(Cu)、アルミニウム(Al)-Cu等の導電性に優れた配線材料により形成されている。
配線間絶縁体43は、実際には複数層の絶縁膜により形成されている。配線間絶縁体43は、例えば配線42間を電気的に分離し、かつ、保護する構成とされている。配線間絶縁体43は、例えばSiO2等の絶縁材料により形成されている。
The
Here, the
The
(7)保護回路、読出回路の構成
図示並びに詳細な説明は省略するが、保護回路、読出回路のそれぞれは、基体2の第2表面2Bに配線層4を介在させて、矢印Z方向とは反対側に積層されている。つまり、保護回路、読出回路のそれぞれは、光検出装置1に積層され、この積層構造は、例えば前述の測距システムを構築可能である。
(7) Configuration of Protection Circuit and Readout Circuit Although illustration and detailed description are omitted, each of the protection circuit and readout circuit is laminated on the
(8)SPAD11及び画素10のエネルギバンド構造
図3は、図1に示される光検出装置1の画素10の水平方向のエネルギバンド構造の一例を表している。
図3において、横軸は、水平方向に配設された基体2、ウエル領域20、第1半導体領域(アノード領域)22、第2半導体領域(カソード領域)23及び素子分離体3の各領域を示している。縦軸は、エネルギポテンシャルEを示している。ここで、Ecは伝導帯、Evは価電子帯のそれぞれを示している。
(8) Energy Band Structure of the
3, the horizontal axis represents the
図3に示されるように、第1半導体領域22と第2半導体領域23とのpn接合部分に倍増領域が生成されている。
一方、基体2の素子分離体3に接する部分には、MIS型構造が形成されている。このため、素子分離体3からの電界効果により、価電子帯Evがフェルミ準位側に曲がり、少数キャリアとしての正孔が集まり、反転層Iが形成される。
As shown in FIG. 3, a doubling region is generated at the pn junction between the
On the other hand, an MIS structure is formed in the portion of the
図4は、図1に示される光検出装置1の画素10の垂直方向のエネルギバンド構造の一例を表している。
図4において、横軸は、垂直方向に配設されたウエル領域20、第1半導体領域(アノード領域)22、第2半導体領域(カソード領域)23及び固定電荷膜5の各領域を示している。縦軸は、エネルギポテンシャルEを示している。
FIG. 4 shows an example of the vertical energy band structure of the
4, the horizontal axis represents each of the
図4に示されるように、第1半導体領域22と第2半導体領域23とのpn接合部分に倍増領域が生成されている。
一方、基体2の固定電荷膜5に接する部分では、価電子帯Evがフェルミ準位側に曲がり、少数キャリアとしての正孔が集まり、反転層Iが形成される。
As shown in FIG. 4, a doubling region is generated at the pn junction between the
On the other hand, in the portion of the
[光検出装置1の製造方法]
図5~図12は、第1実施の形態に係る光検出装置1の製造方法の各工程を説明する工程断面の一例を表している。製造方法は、以下の通りである。
[Method of manufacturing the photodetector 1]
5 to 12 show an example of a cross section illustrating each step of the method for manufacturing the
最初に、第1表面2A及びそれに対向する第2表面2Bを有する基体2が準備される。基体2には、例えば単結晶Si基板が使用される(図5参照)。
基体2の第2表面2Bに、マスク8が形成される(図5参照)。マスク8は、SPAD11の形成領域に、厚さ方向に貫通した開口8Hを有する。
図5に示されるように、マスク8を用い、開口8Hから露出する基体2の第2表面2B側の一部を除去し、トレンチ21を形成する。基体2の除去には、例えば、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングが使用される。
First, a
A
5, a
図6に示されるように、トレンチ21の底面Tb及び側面Tsに沿って、基体2に第1半導体領域22が形成される。第1半導体領域22は、例えば、選択エピタキシャル成長法により成長させ、p型不純物が導入されたエピタキシャル層により形成される。
As shown in FIG. 6, a
図7に示されるように、トレンチ21の底面Tb及び側面Tsに沿い、かつ、第1半導体領域22を介在させて、基体2に第2半導体領域23が形成される。第2半導体領域23は、例えば、選択エピタキシャル成長法により成長させ、n型不純物が導入されたエピタキシャル層により形成される。
As shown in FIG. 7, a
図8に示されるように、第2半導体領域23にコンタクト領域231が形成される。コンタクト領域231は、第2半導体領域23と同様に、例えば、選択エピタキシャル成長法により成長させ、n型不純物が導入されたエピタキシャル層により形成される。コンタクト領域231の不純物密度は、第2半導体領域23の不純物密度よりも高い。
なお、第1半導体領域22、第2半導体領域23及びコンタクト領域231の少なくとも1つは、堆積法により形成してもよい。
8, a
At least one of the
引き続き、基体2の第2表面2B上の不要な膜が除去され、かつ、第2表面2Bが平坦化される。平坦化には、例えば、化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法が使用される。
図9に示されるように、基体2の平坦化された第2表面2Bに絶縁膜431が形成される。絶縁膜431は、例えば、SiO2等の絶縁材料により形成される。
Subsequently, unnecessary films on the
9, an insulating
図10に示されるように、SPAD11の形成領域の周囲であって、素子分離体3の形成領域の内側において、基体2の第2表面2B側にコンタクト領域221が形成される。コンタクト領域221は、例えば、イオン注入(Ion Implantation)法を用いて、p型不純物を導入することにより形成される。
As shown in FIG. 10, a
図11に示されるように、絶縁膜431に、配線間絶縁体43の絶縁膜432が形成され、プラグ電極41、配線42のそれぞれが形成される。絶縁膜432、プラグ電極41、配線42のそれぞれは、繰り返し形成され、配線層4が形成される(図1参照)。
As shown in FIG. 11, an insulating film 432 of the
図12に示されるように、基体2に素子分離体3、固定電荷膜5のそれぞれが順次形成される。素子分離体3は、最初に分離用トレンチ31を形成する。分離用トレンチ31は、例えばRIE等の異方性エッチングにより形成される。引き続き、分離用トレンチ31に分離用絶縁体32が形成され、この後に、分離用トレンチ31に分離用絶縁体32を介在させて分離用金属体33が形成される。
As shown in FIG. 12, an
前述の図1に示されるように、基体2の第1表面2Aに固定電荷膜5が形成され、固定電荷膜5に光学レンズ6が形成される。これら一連の工程が行われると、製造方法が終了し、第1実施の形態に係る光検出装置1が完成する。
As shown in FIG. 1 above, a fixed
[作用効果]
以上説明したように、第1実施の形態に係る光検出装置1は、図1及び図2に示されるように、入射される光子により発生するキャリアを増幅させるSPAD11を備える。SPAD11は、トレンチ21と、第1半導体領域22と、第2半導体領域23とを備える。
トレンチ21は、光子の入射側となる第1表面2A及び第1表面2Aに対向する第2表面2Bを有する基体2に配設され、第2表面2B側から第1表面2A側へ向かって形成される。第1半導体領域22は、トレンチ21の底面Tb及び側面Tsの少なくとも一部に沿って配設され、第1導電型を有する。第1半導体領域22は、ここではアノード領域として使用される。第2半導体領域23は、トレンチ21の底面Tb及び側面Tsの少なくとも一部に沿い、かつ、第1半導体領域22を介在させて配設される。第2半導体領域23は、第1導電型に対して反対導電型となる第2導電型を有する。第2半導体領域は、ここではカソード領域として使用される。
このように構成されるSPAD11では、1つのトレンチ21にアノード領域及びカソード領域が形成される。つまり、矢印X方向及び矢印Y方向の水平方向において、SPAD11の平面サイズを縮小することができる。さらに、SPAD11では、トレンチ21を利用して形成され、矢印Z方向の垂直方向にpn接合面積を稼げるので、平面サイズを縮小することができる。このため、SPAD11の平面サイズを縮小することができるので、画素10の平面サイズを縮小することができる。
[Action and Effect]
As described above, the
The
In the
また、光検出装置1では、図1及び図2に示されるように、SPAD11を構築するトレンチ21の深さ寸法Tdは、トレンチ21の開口寸法Twより大きい。加えて、トレンチ21の底面Tbは、基体2の厚さ方向中間部にある。表現を代えれば、トレンチ21は、基体2の第2表面2Bから第1表面2A側へ向かって、基体2の厚さ方向中間部まで掘り下げられている。さらに、表現を代えれば、基体2の断面方向から見た側面視において、SPAD11は、柱状に形成される。
このため、SPAD11は、深さ寸法Tdに対応して、垂直方向にpn接合面積を稼げる。従って、SPAD11の平面サイズを縮小することができ、画素10の平面サイズを縮小することができる。
1 and 2, in the
Therefore, the
また、光検出装置1では、図1に示されるように、SPAD11の第1半導体領域22、第2半導体領域23の少なくとも一方は、エピタキシャル成長層又は堆積層に形成される。
このように構成されるSPAD11では、製造方法において、高温アニール工程を必要とせず、トレンチ21内の狭い領域に第1半導体領域22及び第2半導体領域23を形成することができる。表現を代えると、第1半導体領域22、第2半導体領域23のそれぞれの不純物の水平方向の拡散の広がりを効果的に抑制又は防止することができる。
このため、SPAD11の平面サイズを縮小することができ、画素10の平面サイズを縮小することができる。
In the
In the
Therefore, the planar size of the
また、光検出装置1では、図1に示されるように、SPAD11は、トレンチ21を利用し、柱状に形成される。つまり、基体2の第1表面2AとSPAD11(トレンチ21の底面Tb)との距離が短くなる。
このため、基体2において、ドリフト電界を緩和するドリフト領域25(例えば、図29及び図30参照)が省略可能である。表現を代えれば、SPAD11の構造を簡素化し、又SPAD11の製造方法において工程を削減することができる。
1, in the
For this reason, it is possible to omit the drift region 25 (see, for example, FIGS. 29 and 30) that relaxes the drift electric field in the
また、光検出装置1は、図1~図3に示されるように、基体2に、SPAD11の側面Ts周囲を取り囲む素子分離体3を備える。基体2は、半導体により形成される。素子分離体3は、分離用トレンチ31と、分離用絶縁体32と、分離用金属体33とを備える。分離用トレンチ31は、基体2の第1表面2A側から第2表面2B側へ向かって配設される。分離用絶縁体32は、分離用トレンチ31の側面に沿って配設される。分離用金属体33は、分離用トレンチ31の内部に分離用絶縁体32を介在させて埋設される。
ここで、素子分離体3及び基体2は、分離用金属体33、分離用絶縁体32及び半導体によりMIS型構造を構成する。つまり、図1~図3に示されるように、素子分離体3は、分離用トレンチ31に沿って基体2に反転層Iを形成させる。
このため、深いイオン注入及びアニール工程を経て形成されるピニング領域に比べて、素子分離体3では、MIS型構造により反転層Iを生成してピニング領域とするので、素子分離体3の水平方向の広がりを効果的に縮小することができる。つまり、素子分離体3の平面サイズを縮小することができ、結果として、画素10の平面サイズを縮小することができる。
1 to 3, the
Here, the
Therefore, compared to a pinning region formed through deep ion implantation and annealing processes, in the
さらに、光検出装置1では、図1及び図4に示されるように、基体2の第1表面2Aに沿って、基体2の第1表面2A近傍の電荷を固定する固定電荷膜5が配設される。
このため、基体2の第1表面2A近傍の電荷を簡易に固定することができる。
Furthermore, in the
Therefore, the charge in the vicinity of the
<2.第2実施の形態>
図13~図17を用いて、本開示の第2実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第2実施の形態に係る光検出装置1は、第1実施の形態に係る光検出装置1において、SPAD11、コンタクト領域221及びコンタクト領域231のうち、いずれかの構成を代えた例である。
なお、第2実施の形態並びにそれ以降の実施の形態において、第1実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一の構成要素、又は実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<2. Second embodiment>
13 to 17, a
In addition, in the second embodiment and the subsequent embodiments, components that are the same as or substantially the same as the components of the
[光検出装置1の構成]
図13は、第2実施の形態に係る光検出装置1の画素10を複数配列した平面構成の一例を表している。
図13に示されるように、光検出装置1のSPAD11は、平面視において、円形状に形成されている。つまり、SPAD11は、円柱形状に形成されている。
詳しく説明すると、トレンチ21の底面Tbは、平面視において、円形状に形成されている。このトレンチ21の底面Tb及び側面Tsに沿って、アノード領域として使用される第1半導体領域22及びカソード領域として使用される第2半導体領域23が配設されている。
また、コンタクト領域231は、平面視において、円形状に形成されている。
[Configuration of photodetector 1]
FIG. 13 shows an example of a planar configuration in which a plurality of
13, the
More specifically, a bottom surface Tb of the
Moreover, the
上記以外の構成要素は、第1実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第2実施の形態に係る光検出装置1によれば、第1実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
[第1変形例]
図14は、第2実施の形態の第1変形例に係る光検出装置1の画素10を複数配列した平面構成の一例を表している。この第1変形例~第4変形例は、コンタクト領域221の構成を変えた例を説明する。
[First Modification]
14 shows an example of a planar configuration in which a plurality of
図14に示されるように、光検出装置1のSPAD11は、平面視において、矢印Y方向に対向する領域に、コンタクト領域221を配設している。コンタクト領域221は、矢印X方向に延設される素子分離体3に沿って、矢印X方向に延設されている。矢印X方向に対向する領域には、コンタクト領域221は、配設されていない。
As shown in FIG. 14, the
上記以外の構成要素は、第2実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第1変形例に係る光検出装置1によれば、第2実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
[第2変形例]
図15は、第2実施の形態の第2変形例に係る光検出装置1の画素10を複数配列した平面構成の一例を表している。
図15に示されるように、光検出装置1のSPAD11は、平面視において、矩形状の画素10の4つの隅に相当する領域に、コンタクト領域221を配設している。コンタクト領域221の平面形状は、矩形状に形成されている。1つの画素10には、合計、4つのコンタクト領域221が配設されている。
[Second Modification]
FIG. 15 shows an example of a planar configuration in which a plurality of
15 , the
上記以外の構成要素は、第2実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第2変形例に係る光検出装置1によれば、第2実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
[第3変形例]
図16は、第2実施の形態の第3変形例に係る光検出装置1の画素10を複数配列した平面構成の一例を表している。
図16に示されるように、光検出装置1のSPAD11は、平面視において、矢印X方向に対向する領域の中間部に、矢印Y方向に対向する領域の中間部のそれぞれに、コンタクト領域221を配設している。つまり、1つの画素10において、4つのコンタクト領域221が配設されている。それぞれのコンタクト領域221は、素子分離体3の一部に沿って、延設されている。
[Third Modification]
FIG. 16 shows an example of a planar configuration in which a plurality of
16 , in a plan view, the
上記以外の構成要素は、第2実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第3変形例に係る光検出装置1によれば、第2実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
[第4変形例]
図17は、第2実施の形態の第4変形例に係る光検出装置1の画素10を複数配列した平面構成の一例を表している。
図17に示されるように、光検出装置1のSPAD11は、平面視において、矩形状の画素10の4つの隅に相当する領域に、コンタクト領域221を配設している。コンタクト領域221の平面形状は、L字形状に形成されている。1つの画素10には、合計、4つのコンタクト領域221が配設されている。
[Fourth Modification]
FIG. 17 shows an example of a planar configuration in which a plurality of
17 , the
上記以外の構成要素は、第2実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第4変形例に係る光検出装置1によれば、第2実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
<3.第3実施の形態>
図18~図20を用いて、本開示の第3実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第3実施の形態に係る光検出装置1は、第1実施の形態に係る光検出装置1において、SPAD11等の導電型を反転させ、SPAD11は、入射される光子により発生するキャリア(正孔)を増幅(増倍)させる単一光子アバランシェダイオードとして構成されている。
<3. Third embodiment>
18 to 20, a
[光検出装置1の構成]
(1)SPAD11及び画素10の構成
図18は、第3実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
基本的な構成は第1実施の形態に係る光検出装置1と同様であるが、第3実施の形態に係る光検出装置1では、導電型が反転されている。すなわち、光検出装置1では、ウエル領域20は、p型(第1導電型)である。SPAD11を構築する第1半導体領域22は、n型(第2導電型)であり、カソード領域として使用される。第2半導体領域23は、p型であり、アノード領域として使用される。
また、固定電荷膜5には、例えば、SiO2、SiN、SiO2のそれぞれを順次積層した複合膜が使用されている。
[Configuration of photodetector 1]
(1) Configuration of
Although the basic configuration is the same as that of the
The fixed
(2)SPAD11及び画素10のエネルギバンド構造
図19は、図18に示される光検出装置1の画素10の水平方向のエネルギバンド構造の一例を表している。
図19において、横軸は、水平方向に配設された基体2、ウエル領域20、第1半導体領域(カソード領域)22、第2半導体領域(アノード領域)23及び素子分離体3の各領域を示している。縦軸は、エネルギポテンシャルEを示している。
(2) Energy Band Structure of the
19, the horizontal axis represents the respective regions arranged in the horizontal direction, that is, the
図19に示されるように、第1半導体領域22と第2半導体領域23とのpn接合部分に倍増領域が生成されている。
一方、基体2の素子分離体3に接する部分には、MIS型構造が形成されている。このため、素子分離体3からの電界効果により、価電子帯Evがフェルミ準位側に曲がり、少数キャリアとしての電子が集まり、蓄積層Aが形成される。
As shown in FIG. 19, a doubling region is generated at the pn junction between the
On the other hand, an MIS structure is formed in a portion of the
図20は、図18に示される光検出装置1の画素10の垂直方向のエネルギバンド構造の一例を表している。
図20において、横軸は、垂直方向に配設されたウエル領域20、第1半導体領域(カソード領域)22、第2半導体領域(アノード領域)23及び固定電荷膜5の各領域を示している。縦軸は、エネルギポテンシャルEを示している。
FIG. 20 shows an example of the energy band structure in the vertical direction of the
20, the horizontal axis represents each of the
図20に示されるように、第1半導体領域22と第2半導体領域23とのpn接合部分に倍増領域が生成されている。
一方、基体2の固定電荷膜5に接する部分では、価電子帯Evがフェルミ準位側に曲がり、少数キャリアとしての電子が集まり、蓄積層Aが形成される。
As shown in FIG. 20, a doubling region is generated at the pn junction between the
On the other hand, in the portion of the
上記以外の構成要素は、第1実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第3実施の形態に係る光検出装置1によれば、第1実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
<4.第4実施の形態>
図21を用いて、本開示の第4実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第4実施の形態に係る光検出装置1は、第1実施の形態に係る光検出装置1において、SPAD11の第2半導体領域23とコンタクト領域231との接続構成を変えた例である。
<4. Fourth embodiment>
A
[光検出装置1の構成]
図21は、第4実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図21に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、カソード領域として使用される第2半導体領域23に電気的に接続されるプラグ電極41が、トレンチ21内に配設されている。詳しく説明すると、プラグ電極41はトレンチ21内に延設され、プラグ電極41の延設方向の先端部が第2半導体領域23に電気的に接続されている。この第2半導体領域23の接続部分は、丁度、トレンチ21の底面Tbに位置している。
[Configuration of photodetector 1]
FIG. 21 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
21 , in the
トレンチ21内において、プラグ電極41の側面と第2半導体領域23との間には、絶縁膜45が配設されている。絶縁膜45には、例えば、熱酸化法及びCVD法により形成された少なくとも一方のSiO2が使用されている。
In the
上記以外の構成要素は、第1実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第4実施の形態に係る光検出装置1によれば、第1実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
また、光検出装置1では、図21に示されるように、SPAD11のトレンチ21内に延設され、第2半導体領域(カソード領域)23に電気的に接続されたプラグ電極41が配設される。
In addition, in the
第1半導体領域22及び第2半導体領域23によりトレンチ21内を完全に埋め込むことができないとき、トレンチ21内には巣(void)が形成される。プラグ電極41を配設することにより、このような巣を効果的に取り除くことができる。
When the
<5.第5実施の形態>
図22を用いて、本開示の第5実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第5実施の形態に係る光検出装置1は、第4実施の形態に係る光検出装置1において、トレンチ21内に延設されたプラグ電極41に代えて、コンタクト領域231を配設した例である。
<5. Fifth embodiment>
A
[光検出装置1の構成]
図22は、第5実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図22に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、カソード領域として使用される第2半導体領域23に電気的に接続されるコンタクト領域231が、トレンチ21内に配設されている。
詳しく説明すると、コンタクト領域231は、トレンチ21の側面Tsに第1半導体領域22及び第2半導体領域23を介在させて配設されている。コンタクト領域231は、丁度、トレンチ21内に延設される構成とされている。
[Configuration of photodetector 1]
FIG. 22 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
As shown in FIG. 22, in the
More specifically, the
コンタクト領域231は、例えば、CVD法を用いて成膜された多結晶Siにより形成されている。この多結晶Siには、第2半導体領域23と同一のn型不純物が導入され、かつ、第2半導体領域23の不純物密度よりも高い不純物密度に形成されている。
The
上記以外の構成要素は、第4実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第5実施の形態に係る光検出装置1によれば、第4実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
<6.第6実施の形態>
図23を用いて、本開示の第6実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第6実施の形態に係る光検出装置1は、第1実施の形態に係る光検出装置1において、コンタクト領域231の構成を変えた例である。
図23は、第6実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図23に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、トレンチ21内に第1半導体領域22及び第2半導体領域23が配設され、トレンチ21内においてpn接合部が確実に形成されている。そして、基体2の第2表面2B側において、第2半導体領域23にコンタクト領域231が配設されている。
<6. Sixth embodiment>
A
FIG. 23 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
23 , in the
詳しく説明すると、コンタクト領域231は、製造方法において、第2表面2B側からn型不純物を導入することにより形成されている。不純物の導入には、イオン注入法が使用されている。
To explain in more detail, the
上記以外の構成要素は、第1実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第6実施の形態に係る光検出装置1によれば、第1実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
<7.第7実施の形態>
図24を用いて、本開示の第7実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第7実施の形態に係る光検出装置1は、第1実施の形態に係る光検出装置1において、コンタクト領域231の構成を変えた例である。
図24は、第7実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図24に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、トレンチ21内に第1半導体領域22及び第2半導体領域23が配設され、トレンチ21内においてpn接合部が確実に形成されている。そして、基体2の第2表面2Bにおいて、第2半導体領域23にコンタクト領域231が配設されている。
<7. Seventh embodiment>
A
FIG. 24 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
24 , in the
詳しく説明すると、コンタクト領域231は、第2表面2Bに積層された、例えば、単結晶Si又は多結晶Siにより形成されている。コンタクト領域231は、選択エピタキシャル成長法又はCVD法を用いて形成される。表現を代えれば、コンタクト領域231は、コンタクト電極である。また、コンタクト領域231には、第2半導体領域23のn型不純物の不純物密度よりも高い不純物密度のn型不純物が導入されている。
To explain in more detail, the
上記以外の構成要素は、第6実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第7実施の形態に係る光検出装置1によれば、第6実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
<8.第8実施の形態>
図25を用いて、本開示の第8実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第8実施の形態に係る光検出装置1は、第1実施の形態に係る光検出装置1において、電界緩和領域26を備えた例である。
図25は、第8実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図25に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、基体2の第2表面2Bと第1半導体領域22及び第2半導体領域23と間に、第2表面2B側への電界を緩和する電界緩和領域26が配設されている。
<8. Eighth embodiment>
A
FIG. 25 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
As shown in Figure 25, in the
電界緩和領域26は、第2半導体領域23よりも不純物密度が低く、ウエル領域20よりも不純物密度が高いn型半導体領域により形成されている。また、電界緩和領域26のn型不純物密度のピークは、例えばコンタクト領域221のp型不純物密度のピークよりも第2表面2B側に形成されている。つまり、電界緩和領域26は、浅い不純物密度のピークを有し、低い不純物密度に形成されている。
The electric
上記以外の構成要素は、第1実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第8実施の形態に係る光検出装置1によれば、第1実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
また、光検出装置1では、図25に示されるように、基体2の第2表面2Bと第1半導体領域22及び第2半導体領域23と間に、電界緩和領域26が配設される。このため、SPAD11から第2表面2B側への電界を緩和することができる。
In addition, in the
<9.第9実施の形態>
図26を用いて、本開示の第9実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第9実施の形態に係る光検出装置1は、第8実施の形態に係る光検出装置1において、電界緩和領域26の応用例を説明する例である。
図26は、第9実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図26に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、基体2の第2表面2Bと第1半導体領域22及び第2半導体領域23と間に、第2表面2B側への電界を緩和する電界緩和領域26が配設され、更に電界緩和領域26にコンタクト領域231が配設されている。つまり、電界緩和領域26及びコンタクト領域231は、二重拡散構造により構成されている。
<9. Ninth embodiment>
A
FIG. 26 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
26, in the
電界緩和領域26は、第2半導体領域23よりも不純物密度が低く、ウエル領域20よりも不純物密度が高いn型半導体領域により形成されている。コンタクト領域231は、第2半導体領域23よりも不純物密度が高いn型半導体領域により形成されている。
The electric
上記以外の構成要素は、第8実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第9実施の形態に係る光検出装置1によれば、第8実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
また、光検出装置1では、図26に示されるように、電界緩和領域26にコンタクト領域231が配設される。このため、コンタクト領域231とプラグ電極41との接触抵抗値を減少させることができる。
In addition, in the
<10.第10実施の形態>
図27を用いて、本開示の第10実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第10実施の形態に係る光検出装置1は、第6実施の形態に係る光検出装置1において、電極間の絶縁耐圧を高めた例である。
図27は、第10実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図27に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、コンタクト領域221が第1電極として使用され、コンタクト領域231が第2電極として使用されている。そして、コンタクト領域221とコンタクト領域231との間に電極間絶縁体7が配設されている。
<10. Tenth embodiment>
A
FIG. 27 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
27 , in the
電極間絶縁体7は、基体2の第2表面2Bから第1表面2A側へ向かって形成された絶縁用トレンチ71と、絶縁用トレンチ71に充填された絶縁用充填材72とを備えている。
絶縁用トレンチ71は、コンタクト領域221、コンタクト領域231のそれぞれの不純物濃度のピークよりも第1表面2A側に深く、トレンチ21よりも第2表面2B側に浅く形成されている。絶縁用充填材72には、例えば、CVD法を用いて堆積されたSiO2が使用されている。
The
The insulating
上記以外の構成要素は、第1実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第10実施の形態に係る光検出装置1によれば、第1実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
また、光検出装置1では、図27に示されるように、コンタクト領域221(第1電極)とコンタクト領域231(第2電極)との間に電極間絶縁体7が配設される。このため、電極間絶縁体7によりコンタクト領域221とコンタクト領域231との間の絶縁耐圧を向上させることができる。
In addition, in the
<11.第11実施の形態>
図28を用いて、本開示の第11実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第11実施の形態に係る光検出装置1は、第10実施の形態に係る光検出装置1において、電極間の絶縁耐圧を更に高めた例である。
図28は、第11実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図28に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、第10実施の形態に係る光検出装置1において、基体2の厚さ方向に更に厚みを持たせた電極間絶縁体7が配設されている。電極間絶縁体7の基本的な構成は、第10実施の形態に係る光検出装置1の電極間絶縁体7の構成と同様である。
<11. Eleventh embodiment>
A
FIG. 28 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
28 , in the
上記以外の構成要素は、第10実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第11実施の形態に係る光検出装置1によれば、第10実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
<12.第12実施の形態>
図29を用いて、本開示の第12実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第12実施の形態に係る光検出装置1は、第1実施の形態に係る光検出装置1において、ドリフト領域25を備えた例である。
図29は、第12実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図29に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、第1実施の形態に係る光検出装置1において、ドリフト電界を緩和するドリフト領域25が配設されている。ドリフト領域25は、基体2の第1表面2Aとトレンチ21の底面Tbとの間に配設され、ドリフト電界を緩和して、光子のポテンシャルエネルギを調整する。ドリフト領域25は、n型半導体領域又はp型半導体領域により形成されている。ドリフト領域25の不純物は、イオン注入法を用いて導入される。
<12. Twelfth embodiment>
A
FIG. 29 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
29, in the
上記以外の構成要素は、第1実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第12実施の形態に係る光検出装置1によれば、第1実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
また、光検出装置1では、図29に示されるように、ドリフト領域25が配設される。このため、ドリフト電界を緩和することができる。
In addition, in the
<13.第13実施の形態>
図30を用いて、本開示の第13実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第13実施の形態に係る光検出装置1は、第12実施の形態に係る光検出装置1において、複数のドリフト領域25を備えた例である。
図30は、第13実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図30に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、第12実施の形態に係る光検出装置1において、基体2の厚さ方向に複数のドリフト領域25が配設されている。
<13. Thirteenth embodiment>
A
FIG. 30 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
As shown in FIG. 30, in the
上記以外の構成要素は、第12実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第13実施の形態に係る光検出装置1によれば、第12実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
<14.第14実施の形態>
図31を用いて、本開示の第14実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第14実施の形態に係る光検出装置1は、第1実施の形態に係る光検出装置1において、複数層の半導体層を積層した基体2にSPAD11を構築した例である。
図31は、第14実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図31に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、第1実施の形態に係る光検出装置1において、複数層の半導体層201~半導体層204を積層して基体2が構築されている。
<14. Fourteenth embodiment>
A
FIG. 31 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
As shown in FIG. 31, in the
基体2の半導体層201は、基体2の第2表面2Bに配設されている。半導体層201には、p型不純物が低不純物密度において導入されたウエル領域20が配設されている。このウエル領域20には、トレンチ21、第1半導体領域22及び第2半導体領域23により構築されたSPAD11が配設されている。
また、素子分離体3からの電界効果により、素子分離体3に沿って半導体層201には、蓄積層Aが形成される。
The
Furthermore, due to the electric field effect from the
基体2の第1表面2A側において、半導体層201には、半導体層202が配設されている。半導体層202には、n型不純物が低不純物密度において導入されている。
また、素子分離体3からの電界効果により、素子分離体3に沿って半導体層202には、反転層Iが形成される。
A
Furthermore, due to the electric field effect from the
基体2の第1表面2A側において、半導体層202には、半導体層203が配設されている。半導体層203には、p型不純物が半導体層201よりも高い低不純物密度において導入されている。
また、素子分離体3からの電界効果により、素子分離体3に沿って半導体層203には、蓄積層Aが形成される。
A
Furthermore, due to the electric field effect from the
基体2の第1表面2A側において、半導体層203には、半導体層204が配設されている。半導体層204には、p型不純物が半導体層203よりも高い低不純物密度において導入されている。
また、素子分離体3からの電界効果により、素子分離体3に沿って半導体層204には、蓄積層Aが形成される。
A
Furthermore, due to the electric field effect from the
上記以外の構成要素は、第13実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第14実施の形態に係る光検出装置1によれば、第1実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
また、光検出装置1では、図31に示されるように、複数層の半導体層201~半導体層204を積層して基体2が構築される。このため、ドリフト電界や倍増領域の電界を均一に調整することができる。
In addition, in the
<15.第15実施の形態>
図32を用いて、本開示の第15実施の形態に係る光検出装置1を説明する。第15実施の形態に係る光検出装置1は、第1実施の形態に係る光検出装置1において、SPAD11の構成を変えた例である。
図32は、第14実施の形態に係る光検出装置1の1つの画素10の要部の縦断面構成の一例を表している。
図31に示されるように、光検出装置1のSPAD11では、第1実施の形態に係る光検出装置1において、トレンチ21の底面Tbは、基体2の厚さ方向中間よりも基体2の第1表面2A側に形成されている。ここでは、トレンチ21の底面Tbは、基体2の第1表面2Aと実質的に同一の位置に形成されている。すなわち、トレンチ21は、基体2の第2表面2Bから第1表面2Aを貫通して形成されている。
なお、第14実施の形態では、固定電荷膜5は必要とされない。固定電荷膜5に代えて、保護膜51が配設されている。保護膜51には、例えば、SiO2が使用されている。
<15. Fifteenth embodiment>
A
FIG. 32 shows an example of a vertical cross-sectional configuration of a main part of one
31 , in the
In the fourteenth embodiment, the fixed
上記以外の構成要素は、第1実施の形態に係る光検出装置1の構成要素と同一、又は実質的に同一であるので、重複する説明は、省略する。
The components other than those described above are the same or substantially the same as the components of the
[作用効果]
以上説明した通り、第15実施の形態に係る光検出装置1によれば、第1実施の形態に係る光検出装置1により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
[Action and Effect]
As described above, according to the
<16.その他の実施の形態>
本技術は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更可能である。
例えば、上記第1実施の形態~第15実施の形態に係る光検出装置のうち、2以上の実施の形態に係る光検出装置を組み合わせてもよい。
<16. Other embodiments>
The present technology is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit and scope of the present technology.
For example, among the photodetection devices according to the first to fifteenth embodiments, two or more of the photodetection devices according to the first to fifteenth embodiments may be combined.
本開示の第1実施態様に係る光検出装置は、入射される光子により発生するキャリアを増幅させるSPADを備える。SPADは、トレンチと、第1半導体領域と、第2半導体領域とを備える。
トレンチは、光子の入射側となる第1表面及び第1表面に対向する第2表面を有する基体に配設され、第2表面側から第1表面側へ向かって形成される。第1半導体領域は、トレンチの底面及び側面の少なくとも一部に沿って配設され、第1導電型を有する。第1半導体領域は、ここではアノード領域として使用される。第2半導体領域は、トレンチの底面及び側面の少なくとも一部に沿い、かつ、第1半導体領域を介在させて配設される。第2半導体領域は、第1導電型に対して反対導電型となる第2導電型を有する。第2半導体領域は、ここではカソード領域として使用される。
このように構成されるSPADでは、1つのトレンチにアノード領域及びカソード領域が形成される。つまり、水平方向において、SPADの平面サイズを縮小することができる。さらに、SPADでは、トレンチを利用して形成され、垂直方向にpn接合面積を稼げるので、平面サイズを縮小することができる。このため、SPADの平面サイズを縮小することができるので、画素の平面サイズを縮小することができる。
A photodetector according to a first embodiment of the present disclosure includes a SPAD for amplifying carriers generated by incident photons. The SPAD includes a trench, a first semiconductor region, and a second semiconductor region.
The trench is disposed in a substrate having a first surface on which photons are incident and a second surface opposite to the first surface, and is formed from the second surface side toward the first surface side. The first semiconductor region is disposed along at least a portion of the bottom surface and side surface of the trench, and has a first conductivity type. The first semiconductor region is used here as an anode region. The second semiconductor region is disposed along at least a portion of the bottom surface and side surface of the trench, with the first semiconductor region interposed therebetween. The second semiconductor region has a second conductivity type that is the opposite conductivity type to the first conductivity type. The second semiconductor region is used here as a cathode region.
In the SPAD configured in this manner, the anode region and the cathode region are formed in one trench. That is, the planar size of the SPAD can be reduced in the horizontal direction. Furthermore, the SPAD is formed using a trench, and the pn junction area can be increased in the vertical direction, so that the planar size can be reduced. Therefore, the planar size of the SPAD can be reduced, and therefore the planar size of the pixel can be reduced.
本開示の第2実施態様に係る光検出装置は、第1実施態様に係る光検出装置において、基体に、SPADの側面周囲を取り囲む素子分離体を備える。基体は、半導体により形成される。素子分離体は、分離用トレンチと、分離用絶縁体と、分離用金属体とを備える。分離用トレンチは、基体の第1表面側から第2表面側へ向かって配設される。分離用絶縁体は、分離用トレンチの側面に沿って配設される。分離用金属体は、分離用トレンチの内部に分離用絶縁体を介在させて埋設される。
ここで、素子分離体及び基体は、MIS型構造を構成する。つまり、素子分離体は、分離用トレンチに沿って基体に反転層又は蓄積層を形成させる。
このため、素子分離体では、MIS型構造により又は蓄積層を生成してピニング領域とするので、素子分離体の水平方向の広がりを効果的に縮小することができる。つまり、素子分離体の平面サイズを縮小することができ、結果として、画素の平面サイズを縮小することができる。
A photodetector according to a second embodiment of the present disclosure is the photodetector according to the first embodiment, further comprising an element isolator on a base surrounding a side periphery of the SPAD. The base is made of a semiconductor. The element isolator comprises an isolation trench, an isolation insulator, and an isolation metal body. The isolation trench is disposed from a first surface side toward a second surface side of the base. The isolation insulator is disposed along a side surface of the isolation trench. The isolation metal body is embedded inside the isolation trench with the isolation insulator interposed therebetween.
Here, the element isolator and the substrate form a MIS type structure, i.e. the element isolator forms an inversion or accumulation layer in the substrate along the isolating trench.
For this reason, in the element separator, the MIS structure or the accumulation layer is generated to form a pinning region, so that the horizontal extent of the element separator can be effectively reduced, that is, the planar size of the element separator can be reduced, and as a result, the planar size of the pixel can be reduced.
本開示の第3実施態様に係る光検出装置では、第1実施態様又は第2実施態様に係る光検出装置において、基体の第1表面に沿って、第1表面の電荷を固定する固定電荷膜が配設されている。
このため、基体の第1表面近傍の電荷を簡易に固定することができる。
In a photodetector according to a third embodiment of the present disclosure, in the photodetector according to the first or second embodiment, a fixed charge film that fixes the charge on the first surface is disposed along the first surface of the substrate.
Therefore, the charge in the vicinity of the first surface of the substrate can be easily fixed.
<本技術の構成>
本技術は、以下の構成を備えている。以下の構成の本技術によれば、光検出装置において、画素サイズを縮小することができる。
<Configuration of this technology>
The present technology has the following configuration: According to the present technology having the following configuration, it is possible to reduce the pixel size in a light detection device.
(1)
入射される光子により発生するキャリアを増幅させるアバランシェダイオードを備え、
前記アバランシェダイオードは、
光子の入射側となる第1表面及び前記第1表面に対向する第2表面を有する基体に配設され、前記第2表面側から前記第1表面側へ向かって形成されたトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面の少なくとも一部に沿って配設された第1導電型の第1半導体領域と、
前記トレンチの前記底面及び前記側面の少なくとも一部に沿い、かつ、前記第1半導体領域を介在させて配設され、第1導電型に対して反対導電型となる第2導電型の第2半導体領域と
を備えている光検出装置。
(2)
前記トレンチの深さ寸法は、前記トレンチの開口寸法より大きい
前記(1)に記載の光検出装置。
(3)
前記トレンチの前記底面は、前記基体の厚さ方向中間部にある
前記(1)又は前記(2)に記載の光検出装置。
(4)
前記トレンチの前記底面は、前記基体の厚さ方向中間よりも前記基体の前記第1表面側にある
前記(1)又は前記(2)に記載の光検出装置。
(5)
前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域の少なくとも一方は、エピタキシャル成長層又は堆積層に形成されている
前記(1)から前記(4)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(6)
前記第1半導体領域は、アノード領域又はカソード領域であり、
前記第2半導体領域は、カソード領域又はアノード領域である
前記(1)から前記(5)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(7)
前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域は、前記第1表面側から見て、矩形状又は円形状に形成され、前記基体の断面方向から見て、柱状に形成されている
前記(1)から前記(5)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(8)
前記基体に、前記アバランシェダイオードの側面周囲を取り囲む素子分離体を備え、
前記基体は、半導体により形成され、
前記素子分離体は、
前記基体の前記第1表面側から前記第2表面側へ向かって配設された分離用トレンチと、
前記分離用トレンチの側面に沿って配設された分離用絶縁体と、
前記分離用トレンチの内部に前記分離用絶縁体を介在させて埋設された分離用金属体とを備えている
前記(1)から前記(7)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(9)
前記素子分離体及び前記基体は、前記分離用金属体、前記分離用絶縁体及び前記半導体により金属体-絶縁体-半導体型構造を構成し、
前記素子分離体は、前記分離用トレンチに沿って前記基体に蓄積層又は反転層を形成させる
前記(8)に記載の光検出装置。
(10)
前記基体の前記第1表面に沿って、前記基体の前記第1表面近傍の電荷を固定する固定電荷膜が配設されている
前記(1)から前記(9)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(11)
前記基体の前記第1表面に、前記固定電荷膜を介在させ、入射される光子を前記アバランシェダイオードに集光させる光学レンズが配設されている
前記(10)に記載の光検出装置。
(12)
前記トレンチ内に、前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域を介在させ、前記第2半導体領域に電気的に接続されたプラグ電極が配設されている
前記(1)から前記(11)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(13)
前記トレンチ内に、前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域を介在させ、前記第2半導体領域に電気的に接続されたコンタクト領域が配設されている
前記(1)から前記(11)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(14)
前記第2半導体領域に、プラグ電極又はコンタクト電極が電気的に接続されている
前記(1)から前記(11)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(15)
前記基体の前記第2表面と前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域との間に、前記第2表面側への電界を緩和する電界緩和領域が配設されている
前記(1)から前記(14)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(16)
前記第1半導体領域の周囲の少なくとも一部において、前記基体の前記第2表面側に配設され、前記第1半導体領域に電気的に接続された第1電極と、
前記基体の前記第2表面側に配設され、前記第2半導体領域に電気的に接続された第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に配設され、双方を電気的に分離する電極間絶縁体とを備えている
前記(1)から前記(11)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(17)
前記基体の前記第1表面と前記トレンチの前記底面との間に、ドリフト電界を緩和するドリフト領域が配設されている
前記(1)から前記(16)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(18)
前記基体は、前記第1表面側から前記第2表面側に向かって、複数の半導体層を積層して形成されている
前記(1)から前記(17)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(1)
an avalanche diode for amplifying carriers generated by incident photons;
The avalanche diode is
a trench disposed in a substrate having a first surface serving as a photon incidence side and a second surface opposing the first surface, the trench being formed from the second surface side toward the first surface side;
a first semiconductor region of a first conductivity type disposed along at least a portion of a bottom surface and a side surface of the trench;
a second semiconductor region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, the second semiconductor region being disposed along at least a portion of the bottom and side surfaces of the trench and with the first semiconductor region interposed therebetween.
(2)
The photodetector according to (1), wherein a depth dimension of the trench is greater than an opening dimension of the trench.
(3)
The photodetector according to any one of (1) to (2), wherein the bottom surface of the trench is located at a middle portion in a thickness direction of the base.
(4)
The photodetector according to any one of (1) to (2), wherein the bottom surface of the trench is located closer to the first surface side of the base than a middle point in a thickness direction of the base.
(5)
The photodetector according to any one of (1) to (4), wherein at least one of the first semiconductor region and the second semiconductor region is formed in an epitaxial growth layer or a deposition layer.
(6)
The first semiconductor region is an anode region or a cathode region,
The photodetector according to any one of (1) to (5), wherein the second semiconductor region is a cathode region or an anode region.
(7)
The photodetector device described in any one of (1) to (5), wherein the first semiconductor region and the second semiconductor region are formed in a rectangular or circular shape when viewed from the first surface side, and are formed in a columnar shape when viewed from the cross-sectional direction of the base.
(8)
the substrate includes an element isolation body surrounding a side surface of the avalanche diode;
The substrate is formed of a semiconductor,
The element isolator is
an isolation trench disposed from the first surface side toward the second surface side of the substrate;
an isolation insulator disposed along a side of the isolation trench;
The photodetector according to any one of (1) to (7), further comprising an isolating metal body buried inside the isolating trench with the isolating insulator interposed therebetween.
(9)
the element isolator and the base body form a metal-insulator-semiconductor type structure by the isolating metal body, the isolating insulator and the semiconductor,
The photodetector according to
(10)
The photodetector according to any one of (1) to (9), wherein a fixed charge film that fixes charges near the first surface of the substrate is disposed along the first surface of the substrate.
(11)
The photodetector according to (10) above, further comprising an optical lens disposed on the first surface of the substrate, with the fixed charge film interposed therebetween, for focusing incident photons onto the avalanche diode.
(12)
The photodetector device according to any one of (1) to (11), wherein a plug electrode is disposed within the trench, with the first semiconductor region and the second semiconductor region interposed therebetween, and electrically connected to the second semiconductor region.
(13)
The photodetection device described in any one of (1) to (11), wherein a contact region is disposed within the trench, with the first semiconductor region and the second semiconductor region interposed therebetween, and electrically connected to the second semiconductor region.
(14)
The photodetector according to any one of (1) to (11), wherein a plug electrode or a contact electrode is electrically connected to the second semiconductor region.
(15)
The photodetector device described in any one of (1) to (14), wherein an electric field relaxation region that relaxes the electric field toward the second surface side is arranged between the second surface of the base body and the first semiconductor region and the second semiconductor region.
(16)
a first electrode disposed on the second surface side of the base body in at least a portion of the periphery of the first semiconductor region and electrically connected to the first semiconductor region;
a second electrode disposed on the second surface side of the base body and electrically connected to the second semiconductor region;
The photodetector according to any one of (1) to (11), further comprising an inter-electrode insulator disposed between the first electrode and the second electrode to electrically separate the first electrode and the second electrode.
(17)
The photodetector according to any one of (1) to (16), wherein a drift region that relaxes a drift electric field is disposed between the first surface of the substrate and the bottom surface of the trench.
(18)
The photodetector according to any one of (1) to (17), wherein the base is formed by stacking a plurality of semiconductor layers from the first surface side toward the second surface side.
1…光検出装置、10…画素、11…アバランシェダイオード(SPAD)、2…基体、20…ウエル領域、201~204…半導体層、21…トレンチ、22…第1半導体領域(アノード領域又はカソード領域)、221…コンタクト領域(第1電極)、231…コンタクト領域(第2電極)、23…第2半導体領域(カソード領域又はアノード領域)、25…ドリフト領域、26…電界緩和領域、3…素子分離体、31…分離用トレンチ、32…分離用絶縁体、33…分離用金属体、4…配線層、41…プラグ電極、42…配線、43…配線間絶縁体、5…固定電荷膜、6…光学レンズ、7…電極間絶縁体、71…絶縁用トレンチ、72…絶縁用充填材、I…反転層、A…蓄積層。 1...photodetector, 10...pixel, 11...avalanche diode (SPAD), 2...substrate, 20...well region, 201-204...semiconductor layer, 21...trench, 22...first semiconductor region (anode region or cathode region), 221...contact region (first electrode), 231...contact region (second electrode), 23...second semiconductor region (cathode region or anode region), 25...drift region, 26...electric field relaxation region, 3...element separator, 31...separation trench, 32...separation insulator, 33...separation metal body, 4...wiring layer, 41...plug electrode, 42...wiring, 43...inter-wiring insulator, 5...fixed charge film, 6...optical lens, 7...inter-electrode insulator, 71...insulating trench, 72...insulating filler, I...inversion layer, A...accumulation layer.
Claims (18)
前記アバランシェダイオードは、
光子の入射側となる第1表面及び前記第1表面に対向する第2表面を有する基体に配設され、前記第2表面側から前記第1表面側へ向かって形成されたトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面の少なくとも一部に沿って配設された第1導電型の第1半導体領域と、
前記トレンチの前記底面及び前記側面の少なくとも一部に沿い、かつ、前記第1半導体領域を介在させて配設され、第1導電型に対して反対導電型となる第2導電型の第2半導体領域と
を備えている光検出装置。 an avalanche diode for amplifying carriers generated by incident photons;
The avalanche diode is
a trench disposed in a substrate having a first surface serving as a photon incidence side and a second surface opposite to the first surface, the trench being formed from the second surface side toward the first surface side;
a first semiconductor region of a first conductivity type disposed along at least a portion of a bottom surface and a side surface of the trench;
a second semiconductor region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, the second semiconductor region being disposed along at least a portion of the bottom and side surfaces of the trench and with the first semiconductor region interposed therebetween.
請求項1に記載の光検出装置。 The photodetection device according to claim 1 , wherein a depth dimension of the trench is greater than an opening dimension of the trench.
請求項2に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 2 , wherein the bottom surface of the trench is located at a middle portion in a thickness direction of the base body.
請求項2に記載の光検出装置。 The light detection device according to claim 2 , wherein the bottom surface of the trench is located closer to the first surface side of the base than a middle point in a thickness direction of the base.
請求項1に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 1 , wherein at least one of the first semiconductor region and the second semiconductor region is formed in an epitaxially grown layer or a deposition layer.
前記第2半導体領域は、カソード領域又はアノード領域である
請求項1に記載の光検出装置。 The first semiconductor region is an anode region or a cathode region,
The photodetector device according to claim 1 , wherein the second semiconductor region is a cathode region or an anode region.
請求項1に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 1 , wherein the first semiconductor region and the second semiconductor region are formed in a rectangular or circular shape when viewed from the first surface side, and are formed in a columnar shape when viewed from a cross-sectional direction of the base body.
前記基体は、半導体により形成され、
前記素子分離体は、
前記基体の前記第1表面側から前記第2表面側へ向かって配設された分離用トレンチと、
前記分離用トレンチの側面に沿って配設された分離用絶縁体と、
前記分離用トレンチの内部に前記分離用絶縁体を介在させて埋設された分離用金属体とを備えている
請求項1に記載の光検出装置。 the substrate includes an element isolation body surrounding a side surface of the avalanche diode;
The substrate is made of a semiconductor,
The element isolator is
an isolation trench disposed from the first surface side toward the second surface side of the substrate;
an isolation insulator disposed along a side of the isolation trench;
2. The photodetector according to claim 1, further comprising an isolating metal body buried inside the isolating trench with the isolating insulator interposed therebetween.
前記素子分離体は、前記分離用トレンチに沿って前記基体に蓄積層又は反転層を形成させる
請求項8に記載の光検出装置。 the element isolator and the base body form a metal-insulator-semiconductor type structure by the isolating metal body, the isolating insulator and the semiconductor,
9. The photodetector of claim 8, wherein the element isolation causes an accumulation or inversion layer to form in the substrate along the isolation trench.
請求項1に記載の光検出装置。 2. The light detection device according to claim 1, further comprising a fixed charge film disposed along the first surface of the substrate for fixing charges in the vicinity of the first surface of the substrate.
請求項10に記載の光検出装置。 11. The photodetector according to claim 10, further comprising an optical lens disposed on the first surface of the substrate, with the fixed charge film interposed therebetween, for focusing incident photons onto the avalanche diode.
請求項1に記載の光検出装置。 2 . The photodetector according to claim 1 , wherein a plug electrode is disposed in the trench, with the first semiconductor region and the second semiconductor region interposed therebetween, and electrically connected to the second semiconductor region.
請求項1に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 1 , wherein a contact region is disposed in the trench, with the first semiconductor region and the second semiconductor region interposed therebetween, and electrically connected to the second semiconductor region.
請求項1に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 1 , wherein a plug electrode or a contact electrode is electrically connected to the second semiconductor region.
請求項1に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 1 , further comprising an electric field relaxation region that relaxes an electric field toward the second surface side, the electric field relaxation region being disposed between the second surface of the base body and the first and second semiconductor regions.
前記基体の前記第2表面側に配設され、前記第2半導体領域に電気的に接続された第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に配設され、双方を電気的に分離する電極間絶縁体とを備えている
請求項1に記載の光検出装置。 a first electrode disposed on the second surface side of the base body in at least a portion of the periphery of the first semiconductor region and electrically connected to the first semiconductor region;
a second electrode disposed on the second surface side of the base body and electrically connected to the second semiconductor region;
The photodetector according to claim 1 , further comprising an inter-electrode insulator disposed between the first electrode and the second electrode to electrically separate them.
請求項1に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 1 , further comprising a drift region disposed between the first surface of the substrate and the bottom surface of the trench, the drift region relieving a drift electric field.
請求項1に記載の光検出装置。
The light detection device according to claim 1 , wherein the base body is formed by stacking a plurality of semiconductor layers from the first surface side toward the second surface side.
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