光电传感器及使用该光电传感器的距离测量系统的制作方法

1.本公开涉及一种光电传感器及使用该光电传感器的距离测量系统。


背景技术：

2.近年来，在通信、车载用途、监视、化学、生物、医疗以及放射线检测等领域中，利用高灵敏度的光电传感器(光检测器)。作为实现高灵敏度的方案之一，使用雪崩光电二极管(avalanche photo diode：以下也称为apd)。apd是一种光电二极管，其利用雪崩击穿对入射到光电转换层的光发生光电转换而产生的信号电荷进行倍增，由此提高入射光的检测灵敏度。这样，通过使用apd，即使是光子(photon)数量极少也能够进行检测。
3.例如，在以下的专利文献1中记载了通过盖革倍增模式工作的apd。在一个apd的周围布置有p型接触层，通过该接触层向apd供给规定的电压，并且实现与相邻的其他apd之间的绝缘隔离。
4.专利文献1：美国专利申请公开第2016/0163906号说明书(图1)


技术实现要素：

5.－发明要解决的技术问题－
6.然而，在专利文献1所记载的apd中，接触层未被耗尽，使得施加到p型半导体层的电压不降低。此外，为了不产生比apd高的电场，在接触层的周围设置有电场缓和层。
7.这样，在现有技术中，在各apd中设置接触层和电场缓和层，需要确保每个apd的隔离区域足够大。因此，存在难以使apd器件进一步微细化的问题。
8.本公开的目的在于解决上述现有技术中的问题，能够实现作为受光部的雪崩光电二极管(apd)的微细化。
9.－用以解决技术问题的技术方案－
10.为了实现上述目的，本公开采用以下结构：使将构成各像素的apd彼此之间隔离的隔离区域耗尽，并且在隔离方向互不相同的隔离区域中，一个隔离区域在与另一个隔离区域相连接的连接部终止。在本说明书中，耗尽是指“隔离区域的至少一部分的电位成为与从外部电源提供的电位不同的电位”。另外，终止是指“相连(一连串)的构成要素的最终部分”。
11.具体而言，本公开涉及一种光电传感器，采用以下解决方案。
12.即，第一方面的公开包括半导体衬底、多个雪崩光电二极管、第一隔离区域以及第二隔离区域，半导体衬底具有第一主面和与该第一主面相对的第二主面，多个雪崩光电二极管设置于第一主面，第一隔离区域设置于第一主面，并将多个雪崩光电二极管彼此之间分别沿第一方向电隔离，第二隔离区域设置于第一主面，并将多个雪崩光电二极管彼此之间分别沿第二方向电隔离，所述第二方向与所述第一隔离区域将多个所述雪崩光电二极管彼此之间分别电隔离的方向不同。第一隔离区域和第二隔离区域耗尽，第一隔离区域和第二隔离区域中的至少一者在第一隔离区域和第二隔离区域相连接的第一连接部终止。
13.第二方面的公开是使用第一发明所涉及的光电传感器的距离测量系统。
14.－发明的效果－
15.根据本公开，能够实现光电传感器中的受光部的微细化。
附图说明
16.图1是表示第一实施方式所涉及的光电传感器中的雪崩光电二极管阵列的一部分的部分俯视图；
17.图2是沿图1中的ii－ii线剖开的剖视图；
18.图3是与比较例一起表示第一实施方式所涉及的光电传感器的tcad模拟结果之一例的曲线图；
19.图4是表示比较例所涉及的光电传感器中的雪崩光电二极管阵列的一部分的部分俯视图；
20.图5是表示第一实施方式所涉及的apd版图的第一变形例的部分俯视图；
21.图5a是表示图5的结构的第一变形例的部分俯视图；
22.图6是沿图5中的iv－iv线剖开的剖视图；
23.图6a是表示图6的结构的第一变形例的部分剖视图；
24.图7是表示第一实施方式所涉及的apd版图的第二变形例的部分俯视图；
25.图8是表示第一实施方式所涉及的apd版图的第三变形例的部分俯视图；
26.图9是表示第一实施方式所涉及的apd版图的第四变形例的部分俯视图；
27.图10是表示第二实施方式所涉及的光电传感器的像素电路的电路图；
28.图11是第二实施方式所涉及的像素电路的驱动时序图；
29.图12是表示第二实施方式所涉及的光电传感器中的雪崩光电二极管阵列的一部分的部分俯视图；
30.图13是沿图12中的xiii－xiii线剖开的剖视图；
31.图14是表示第二实施方式的第一变形例所涉及的光电传感器的包括电路区域的主要部分的剖视图；
32.图15是表示第二实施方式所涉及的apd版图的第一变形例的部分俯视图；
33.图16是表示第二实施方式所涉及的apd版图的第二变形例的部分俯视图；
34.图17是表示第三实施方式所涉及的光电传感器的阵列端结构的部分俯视图；
35.图18是表示第四实施方式所涉及的距离测量系统的功能框图。
具体实施方式
36.本公开的一实施方式所涉及的第一方面包括半导体衬底、多个雪崩光电二极管、第一隔离区域以及第二隔离区域，半导体衬底具有第一主面和与该第一主面相对的第二主面，多个雪崩光电二极管设置于第一主面，第一隔离区域设置于第一主面，并将多个雪崩光电二极管彼此之间分别沿第一方向电隔离，第二隔离区域设置于第一主面，并将多个雪崩光电二极管(apd)彼此之间分别沿第二方向电隔离，所述第二方向与所述第一隔离区域将多个所述雪崩光电二极管彼此之间分别电隔离的方向不同。第一隔离区域和第二隔离区域耗尽，第一隔离区域和第二隔离区域中的至少一者在第一隔离区域和第二隔离区域相连接
的第一连接部终止。
37.由此，通过使利用电位势垒将各apd绝缘隔离的隔离区域耗尽，由此能够做到不需要电场缓和层。本技术的发明人得到如下见解：相互交叉的两个隔离区域的交叉部的电位势垒比各隔离区域的边部高；以及通过使两个隔离区域中的一者在另一者处终止，能够在该交叉部(详细而言是连接部)降低该连接部的电位势垒。由此，缓和了连接部处的电场集中，因此能够减小隔离区域的隔离宽度，能够实现受光部的微细化。
38.第二方面是，在上述第一方面的基础上，也可以是这样的：雪崩光电二极管呈平面四边形，多个雪崩光电二极管布置成交错状。
39.这样一来，能够使第一隔离区域和第二隔离区域中的至少一者被另一者可靠地终止。
40.第三方面是，在上述第一或第二方面的基础上，也可以是这样的：多个雪崩光电二极管分别具有倍增区域，该倍增区域由具有第一导电型的第一半导体层和具有第二导电型的第二半导体层构成。也可以是：第二半导体层形成在第二主面与第一半导体层之间，从设置于第一主面的第一接触件对第一半导体层施加电压，从设置于第二主面的第二接触件对第二半导体层施加电压。此处，第二接触件可以是导电性高的金属或杂质浓度高的半导体层，特别是可以通过提高半导体衬底的杂质浓度来用作第二接触件。此外，也可以构成为：通过经由设置于第一主面侧的任意的接触件对第二接触件施加电压，由此对半导体衬底和第二半导体层等施加电压。
41.这样一来，能够使各雪崩光电二极管工作。
42.第四方面是，在上述第三方面的基础上，也可以是这样的：雪崩光电二极管具有光电转换区域，光电转换区域包括半导体衬底、倍增区域、第一半导体层以及第二半导体层。
43.第五方面是，在上述第三或第四方面的基础上，也可以是这样的：施加在第一接触件的电压的绝对值小于施加在第二接触件的电压的绝对值。
44.这样一来，在将布线层设置于第一主面的情况下，在该布线层难以产生高电场，因此能够提高布线层的可靠性。
45.第六方面是，在上述第一方面的基础上，也可以是这样的：光电传感器还包括电压固定层，该电压固定层设置在第一主面上且与第一隔离区域或第二隔离区域排列而设，电压固定层被多个雪崩光电二极管的两个第一隔离区域或两个第二隔离区域夹住。
46.这样一来，即使在将第一隔离区域和第二隔离区域布置成格子状的情况下，也能够使第一隔离区域和第二隔离区域中的一者被另一者可靠地终止。
47.第七方面是，在上述第一方面的基础上，也可以是这样的：光电传感器还包括耗尽化的第三隔离区域，该第三隔离区域设置于第一主面，并将多个雪崩光电二极管彼此之间分别沿第三方向电隔离，所述第三方向与所述第一隔离区域将多个所述雪崩光电二极管彼此之间分别电隔离的方向和所述第二隔离区域将多个所述雪崩光电二极管彼此之间分别电隔离的方向不同，第一隔离区域、第二隔离区域以及第三隔离区域中的至少一者在第一隔离区域、第二隔离区域以及第三隔离区域中的至少两者相连接的第二连接部终止。
48.这样一来，在相互不同的三个方向的隔离区域中，能够使其中至少一个隔离区域终止。
49.第八方面是，在上述第七方面的基础上，也可以是这样的：雪崩光电二极管呈平面
六边形，多个雪崩光电二极管布置成蜂窝状。
50.这样一来，能够使第一隔离区域、第二隔离区域以及第三隔离区域中的至少一个隔离区域可靠地终止。
51.第九方面是，在上述第一方面的基础上，也可以是这样的：多个雪崩光电二极管至少包括具有第一平面面积的第一雪崩光电二极管和具有与第一平面面积不同的第二平面面积的第二雪崩光电二极管，第一雪崩光电二极管布置成格子状，第二雪崩光电二极管布置在彼此相邻的第一雪崩光电二极管的彼此相邻的角部位置上。
52.这样一来，能够使第一隔离区域和第二隔离区域在第二雪崩光电二极管的各边部终止。而且，利用第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管的开口面积之差，能够分别设定各自的灵敏度。
53.第十方面是，在上述第九方面的基础上，也可以是这样的：第一平面面积大于第二平面面积。
54.第十一方面是，在第九或第十方面的基础上，也可以是这样的：第一雪崩光电二极管呈平面八边形，第二雪崩光电二极管呈平面四边形。
55.这样一来，能够在第一雪崩光电二极管实现电场均匀化。
56.第十二方面是，在上述第一到第十一方面的基础上，也可以是这样的：光电传感器还包括电路区域和耗尽化的第四隔离区域，电路区域设置在多个雪崩光电二极管彼此之间，第四隔离区域将雪崩光电二极管与电路区域之间电隔离，也可以是：第一隔离区域、第二隔离区域、第三隔离区域以及第四隔离区域中的至少一者在第一隔离区域、第二隔离区域、第三隔离区域以及第四隔离区域中的至少两者相连接的第三连接部终止。
57.这样一来，在构成为将电路区域设置在雪崩光电二极管彼此之间的情况下，也能够使各隔离区域中的至少一个终止。
58.第十三方面是，在上述第十二方面的基础上，也可以是这样的：电路区域布置在两个第四隔离区域之间，电路区域和第四隔离区域在第一主面内布置成直线状。
59.第十四方面是，在上述第十二或第十三方面的基础上，也可以是这样的：光电传感器还包括耗尽化的第五隔离区域，第五隔离区域将雪崩光电二极管与电路区域之间电隔离，并且沿与第四隔离区域的布置方向不同的方向设置。也可以是这样的：第四隔离区域和第五隔离区域中的至少一者在第四隔离区域与第五隔离区域相连接的第四连接部终止。
60.第十四方面所涉及的结构是用电路区域取代了上述第九方面的第二雪崩光电二极管的结构，能够使第四隔离区域和第五隔离区域在电路区域的各边部终止。
61.第十五方面是，在上述第一到第十一方面的基础上，也可以是这样的：多个雪崩光电二极管在第一主面构成光电二极管阵列，光电传感器还包括由半导体构成的终止部、耗尽化的第六隔离区域以及耗尽化的第七隔离区域，终止部设置于第一主面并包围光电二极管阵列，第六隔离区域将该终止部与光电二极管阵列之间电隔离，第七隔离区域将终止部与光电二极管阵列之间电隔离，并沿与第六隔离区域的布置方向不同的方向设置。也可以是：第一隔离区域、第二隔离区域、第三隔离区域、第六隔离区域以及第七隔离区域中的至少一者在第一隔离区域、第二隔离区域、第三隔离区域、第六隔离区域以及第七隔离区域中的至少两者相连接的第五连接部终止。
62.这样一来，在第一到第三、第六以及第七隔离区域中的至少两者相连接的第五连
接部，能够使其中的至少一个隔离区域终止。而且，通过包围光电二极管阵列的阵列端即终止部也能够防止产生高电场。
63.第十六方面是，在上述第十二到第十四方面的基础上，也可以是这样的：多个雪崩光电二极管在第一主面构成光电二极管阵列，光电传感器还包括由半导体构成的终止部、耗尽化的第六隔离区域以及耗尽化的第七隔离区域，终止部设置于第一主面并包围光电二极管阵列，第六隔离区域将终止部与光电二极管阵列之间、以及终止部与电路区域之间中的至少一者电隔离，第七隔离区域将终止部与光电二极管阵列之间、以及终止部与电路区域之间中的至少一者电隔离，并沿与第六隔离区域的布置方向不同的方向设置。也可以是这样的：第一隔离区域、第二隔离区域、第三隔离区域、第四隔离区域、第五隔离区域、第六隔离区域以及第七隔离区域中的至少一者在第一隔离区域、第二隔离区域、第三隔离区域、第四隔离区域、第五隔离区域、第六隔离区域以及第七隔离区域中的至少两者相连接的第六连接部终止。
64.这样一来，在第一到第七隔离区域中的至少两者相连接的第六连接部，能够使其中的至少一个隔离区域终止。而且，通过包围光电二极管阵列的阵列端即终止部也能够防止产生高电场。
65.需要说明的是，在本说明书中，以半导体衬底为基准，将设置有第一主面的那一侧设为“上方”，将设置有第二主面的那一侧设为“下方”。此外，术语“上方”和“下方”不仅用于两个构成要素相互隔开间隔而布置且在两个构成要素之间存在其他构成要素的情况，还用于两个构成要素相互接触的情况。
66.此外，在本说明书中，“俯视”是指从光电转换层的受光面的法线方向上的上方进行观察。
67.需要说明的是，在本技术说明书中，杂质浓度是指有效的杂质浓度，在相同区域存在导电型不同的两种杂质的情况下，是指它们的浓度之差。
68.(第一实施方式)
69.参照附图对第一实施方式进行说明。
70.图1表示构成第一实施方式所涉及的光电传感器的雪崩光电二极管阵列的部分平面结构之一例。图2表示沿图1中的ii－ii线剖开的剖面结构。
71.如图1所示，本实施方式所涉及的光电传感器100具有将多个雪崩光电二极管(apd)10布置成矩阵状的光电二极管阵列。各apd10之间被第一隔离区域21和第二隔离区域22电隔离，第一隔离区域21沿纵向(第一方向)将各apd10之间隔离，第二隔离区域22沿横向(第二方向)将各apd10之间隔离。第一隔离区域21和第二隔离区域22例如在第一连接部31相连接。在本说明书中，在第一连接部31，第一隔离区域21的端部与第二隔离区域22的侧部(边部)连接，由此第一隔离区域21在第一连接部31终止。以下，将隔离区域中的连接部以外的部分称为边部。
72.如图1所示，在各apd10布置成交错状的情况下，第一隔离区域21和第二隔离区域22中的至少一者在第一连接部31终止。因此，apd阵列的排列也可以是交错状的排列。“交错状的排列”是指各apd10的布置方式是按每行或每列错开的，第一隔离区域21不是以格子状布置。在图1中，作为交错状的排列，图示了各apd10的布置方式是按每行(或每列)错开半周期的例子，但此时的错开量是任意的。不过，为了不使相邻的连接部31相互影响，优选在相
邻的连接部31彼此之间设置长度为0.3μm以上的边部。需要说明的是，各apd10的结构及其平面面积是任意的，例如也可以设为面积以行或列为单位发生变化。
73.如图2所示，本实施方式的光电传感器100具有半导体衬底1和设置在该半导体衬底1上的布线层2。此处，将半导体衬底1的主面中靠布线层2侧的主面设为第一主面s1，将半导体衬底1的主面中与该第一主面s1相对的主面、即相反侧的主面设为第二主面s2。在本说明书中，只要没有特别说明，在半导体衬底1的内部，将图2中向下方设为“深度方向”，将第一主面s1侧描述为“浅”，将第二主面s2侧描述为“深”。此外，将图2中的横向设为“水平方向”。
74.在布线层2中设有第一接触件301。半导体衬底1设置有具有第一导电型(例如n型)的第一半导体层201和具有与第一导电型不同的极性的第二导电型(例如p型)的第二半导体层202。第二半导体层202位于比第一半导体层201更深的位置处。半导体衬底1中的第一隔离区域21由第三半导体层203构成。需要说明的是，导电型也可以与上述相反，即，可以将第一导电型设为p型，将第二导电型设为n型。
75.在图2中，在第一隔离区域21中没有记载第二半导体层202。不过，也可以在水平方向上扩大形成第二半导体层202，并其一部分被包括在隔离区域21中。
76.在半导体衬底1的第一主面s1上设置有第一接触件301。在半导体衬底1的第二主面s2上设置有第二接触件302。各接触件301、302由金属等导体、或含有高浓度杂质的半导体等构成。在为半导体的情况下，杂质的导电型没有特别限制。
77.半导体衬底1的至少一部分为第二导电型(例如p型)，优选通过外延生长来形成。在此情况下，第二半导体层202也可以通过外延生长来形成。这样一来，由于第二半导体层202形成在半导体衬底1的整个面上，所以在第一隔离区域21也形成有第二半导体层202。半导体衬底1可以是p型单晶硅衬底。此外，如后所述，第二半导体层202也可以是形成于半导体衬底1的上表面上的p型外延层。
78.本实施方式所涉及的光电传感器100，通过对第一半导体层201和第二半导体层202施加反向偏压，在第一半导体层201和第二半导体层202之间形成倍增区域401。通过倍增区域401的电荷发生雪崩倍增。从第一接触件301对第一半导体层201施加规定的电压。从第二接触件302经由半导体衬底1对第二半导体层202施加规定的电压。此处，“电压的施加”并非一定要使接触件301、302的电压与各半导体层201、202的电压一致。例如，在图2的结构的情况下，在半导体衬底1的杂质浓度较低时，半导体衬底1耗尽而产生电压降，导致第二接触件302的电压与第二半导体层202的电压会不同。上述情况也包括在本公开的范围内。
79.此外，在本说明书中，雪崩倍增包括线性倍增和盖革倍增这两者，特别是在盖革倍增模式的情况下，也可以设置用于停止盖革倍增的猝熄(quenching)元件。作为上述情况下的猝熄元件，可以使用电阻、电容或晶体管等，元件的种类没有限制。其中，本说明书中的线性倍增模式是指“对apd施加的反向偏压在雪崩击穿电压以下、且通过冲击电离来引起电荷倍增的apd的工作模式”。此外，盖革倍增模式是指“至少暂时地对apd施加雪崩击穿电压以上的反向偏压而使其工作的apd的工作模式”。
80.特别是，根据本公开所涉及的结构能够用于诸如多像素光子计数器(multipixel photon counter，mppc)或单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，spad)等元件。
81.需要说明的是，倍增区域401的电场的大小例如可以为3
×
105v/cm～5
×
105v/cm，第一半导体层201和第二半导体层202的杂质浓度例如为10
16
cm-3
～10
20
cm-3
。
82.此外，在图2中记载为第一半导体层201和第二半导体层202在深度方向上相邻。不限于此，也可以在第一半导体层201与第二半导体层202之间包括半导体衬底1。在此情况下，光电转换区域402是半导体衬底1的整个区域。不过，有时不能检测在各隔离区域21、22产生的电荷等不通过倍增区域401的电荷。
83.需要说明的是，也可以构成为将第一导电型设为p型、将第二导电型设为n型，还可以构成为将第一导电型设为n型、将第二导电型设为p型。
84.在本实施方式中，构成各隔离区域21、22的第三半导体层203也可以被耗尽。由此，例如，各隔离区域21、22的电场变小，因此能够减小各隔离区域21、22的宽度。这样，通过减小隔离区域21、22的宽度，扩大倍增区域401的面积，因此能够提高开口率。还能够在维持高开口率的状态下进行微细化。需要说明的是，第三半导体层203的导电型可以是第一导电型，也可以是第二导电型。此外，也可以在第一隔离区域21和第二隔离区域22中不布置接触件和沟槽(trench)等。
85.需要说明的是，在本实施方式所涉及的结构中，在各隔离区域21、22耗尽的情况下，上述隔离区域21、22的至少一部分的电位处于与第二接触件302的电位不同的电位。
86.各隔离区域21、22的宽度例如可以为0.1μm～1μm。其杂质浓度可以为10
15
cm-3
～10
18
cm-3
。
87.隔离区域21、22的电位势垒被设计成没有电荷从该apd向与该apd相邻的apd漏出。特别是在盖革倍增模式下使用时，apd的电压变动后的电压成为对该apd施加的剩余电压以上，其中，该apd的电压变动是由通过雪崩倍增而产生的电荷引起的。因此，较佳的是：隔离区域21、22的电位势垒的大小设计成最低也达到剩余电压以上。电位势垒的典型的大小为0.1v～10v左右。在本说明书中，该剩余电压是“apd的反向偏置电压与雪崩击穿电压的差分”。
88.此处，也可以使来自第二接触件的施加电压(的绝对值)高于来自第一接触件301的施加电压(的绝对值)。这样一来，在布线层2难以产生高电场，因此能够提高器件的可靠性。
89.图3表示本实施方式所涉及的光电传感器100中的tcad(technology cad：计算机辅助设计技术)模拟的结果之一例。在图3中，一并记载了作为比较例的具有如下结构的光电传感器100a的tcad模拟的结果，该结构为雪崩光电二极管(apd)中的第一隔离区域21a和第二隔离区域22a交叉成格子状的结构。
90.图3中的横轴表示半导体衬底1内的深度，纵轴表示电势(电位)。此外，图3所示的各数据表示在图1和图4中示出的点a～e处的深度方向的电势。
91.点a～e在半导体衬底1中的位置如下。a：apd的中央部，b：比较例的边部，c：比较例的第一交叉部31a，d：边部，e：第一连接部31。如图3中表示的模拟结果所示，在本公开中，第一连接部31的电位e比比较例中的第一交叉部31a的电位c低。由此，缓和了第一连接部31处的电场集中情况，能够减小各隔离区域21、22的隔离宽度。
92.在比较例的情况下，第一交叉部31a处的电位c与第二主面s2的电位相比，没有大变化。因此，要使第一交叉部31a处的电场在雪崩击穿电场以下，就需要将各隔离区域21a、
22a的宽度扩大到倍增区域401中的耗尽层的宽度左右。在图4的例子中，第一交叉部31a的电位c是第二主面s2的电位的大约80％。因此，各隔离区域21a、22a的宽度的下限为倍增区域401的耗尽层的宽度的80％左右。相对于此，在本实施方式的apd版图(layout)的情况下，第一连接部31处的电位e降低到第二主面s2的电位的大约40％。因此，各隔离区域21、22的宽度的下限能够减小至倍增区域401的耗尽层的宽度的40％左右。典型的倍增区域401的宽度约为0.5μm～2μm。在图4所示的例子中，隔离宽度为0.4μm～1.6μm。不过，在本实施方式中，能够缩小到0.2μm～0.8μm。
93.[版图的第一变形例]
[0094]
以下，参照附图对第一实施方式所涉及的光电传感器中的apd版图的第一变形例进行说明。
[0095]
图5表示第一实施方式所涉及的apd版图的第一变形例的平面结构，图6表示沿图5中的iv-iv线剖开的剖面结构。对与图1和图2所示的构成部件相同的构成部件标注相同的附图标记而省略其说明。这在以下的其他实施方式和各变形例中也一样。
[0096]
如图5和图6所示，第一变形例所涉及的光电传感器100具有电压固定层40，电压固定层40在半导体衬底1的第一主面s1上布置在两个第二隔离区域22之间，且电压固定层40和上述两个第二隔离区域22是排列设置的。即，将电压固定层40布置成被第二隔离区域22夹住。如图5所示，电压固定层40可以沿行方向布置成直线状，此外，也可以沿列方向布置成直线状。在沿列方向布置的情况下，电压固定层40布置成被两个第一隔离区域21夹住。
[0097]
这样，例如，当电压固定层40被布置成夹在两个第二隔离区域22之间时，电压固定层40与第二隔离区域22和第一连接部31相邻。通过该布置方式，如图5所示，即使第一隔离区域21和第二隔离区域22布置为格子状，也能够使第一隔离区域21在第一连接部31终止。
[0098]
需要说明的是，第一隔离区域21和第二隔离区域22的布置方式并不限于在第一连接部31处第一隔离区域21和第二隔离区域22以大致正交的方式连接。
[0099]
如图6所示，电压固定层40也可以由第一导电型(例如n型)的第四半导体层204和第二导电型(例如p型)的第五半导体层205构成。通过第三接触件303对第四半导体层204施加电压。
[0100]
电压固定层40在深度方向上也可以采用与apd10同等的结构。由此，能够使第一隔离区域21的电位与第二隔离区域22的电位大致一致。其结果是，能够进一步降低电位的位置依赖性。
[0101]
此外，也可以将电压固定层40作为例如平面面积(开口面积)与雪崩光电二极管(apd)10不同的apd，用于光信号的检测。由此，能够将具有不同开口面积的两种apd设置于同一半导体衬底1，因此能够实现动态范围的提高。
[0102]
此外，作为结构的一个变形例，如图5a和图6a所示，作为电压固定层40a也可以采用不具有第五半导体层205而是仅具有第四半导体层204的结构。
[0103]
[版图的第二变形例]
[0104]
以下，参照附图对第一实施方式所涉及的apd版图的第二变形例进行说明。
[0105]
图7表示apd版图的第二变形例的平面结构。
[0106]
如图7所示，第二变形例所涉及的雪崩光电二极管(apd)10也可以是平面六边形。第一隔离区域21、第二隔离区域22以及第三隔离区域23分别在第一主面s1内沿不同的三个
方向布置。在平面六边形的情况下，上述的三个方向为相互大致错开120
°
的方向。
[0107]
通过该布置方式，即使在各apd10的平面形状为超过四边形的多边形(在此为六边形)的情况下，各隔离区域21、22、23分别也在第一隔离区域21、第二隔离区域22以及第三隔离区域相连接的第二连接部32终止。
[0108]
[版图的第三变形例]
[0109]
以下，参照附图对第一实施方式所涉及的apd版图的第三变形例进行说明。
[0110]
图8表示apd版图中的第三变形例的平面结构。
[0111]
如图8所示，第三变形例所涉及的光电传感器100具有平面面积互不相等的第一雪崩光电二极管(apd)10a和第二雪崩光电二极管(apd)10b。
[0112]
第一apd10a排列成格子状。此外，第二apd10b布置在彼此相邻的第一apd10a的彼此相邻的各角部位置上。由此，第一隔离区域21和第二隔离区域22在第一交叉部31终止。因此，能够降低各隔离区域21、22处的电位的位置依赖性。
[0113]
在此情况下，第一apd10a的平面面积大于第二apd10b的平面面积。因此，能够将平面面积更大的第一apd10a设计为具有较高灵敏度，因此在相对暗的场所更有效。相对于此，能够将平面面积更小的第二apd10b设计为具有较低灵敏度，因此在相对亮的场所更有效。
[0114]
这样，根据第三变形例，使用第一apd10a的信号和第二apd10b的信号，能够扩大作为光电传感器100检测光时的动态范围。在此情况下，也可以在相邻的连接部31彼此之间设置长度为0.3μm以上的边部。
[0115]
[版图的第四变形例]
[0116]
以下，参照附图对第一实施方式所涉及的apd版图的第四变形例进行说明。
[0117]
图9表示apd版图中的第四变形例的平面结构。
[0118]
如图9所示，第四变形例所涉及的光电传感器100具有平面面积互不相等的第一雪崩光电二极管(apd)10a和第二雪崩光电二极管(apd)10b。
[0119]
在第四变形例所涉及的apd版图中，被相互正交的第三隔离区域23包围的平面四边形的第二apd10b相对于第一apd10a的各边部旋转45
°
而布置。在此，也可以将第一apd10a的平面形状设为八边形。
[0120]
由此，在第一隔离区域21与第三隔离区域23相连接的第三连接部33，第一隔离区域21和第三隔离区域23终止，并且，在第二隔离区域22与第三隔离区域23相连接的第三连接部33，第二隔离区域22和第三隔离区域23终止。
[0121]
因此，能够使第一apd10a和第二apd10b的电场均匀。
[0122]
此外，在第四变形例中，也能够根据第一apd10a的平面面积与第二apd10b的平面面积的大小的不同，来扩大作为光电传感器检测光时的动态范围。
[0123]
(第二实施方式)
[0124]
下面，参照附图对第二实施方式进行说明。
[0125]
在第二实施方式中，光电传感器100中的雪崩光电二极管包括像素电路。
[0126]
图10表示第二实施方式所涉及的光电传感器100的像素电路之一例。如图10所示，光电传感器100包括像素110、垂直扫描电路61、水平扫描电路62、读出电路63和缓冲放大器64。
[0127]
像素110包括雪崩光电二极管(apd)10、传输该apd10的电荷的传输晶体管51、浮动
扩散电容(floating diffusion capacity)52、使该浮动扩散电容52的电荷复位的复位晶体管53、放大蓄积在浮动扩散电容52中的电荷的源极跟随器晶体管54、垂直信号线55、以及将所选择的列的信号传输至垂直信号线55的选择晶体管56。
[0128]
具体而言，传输晶体管51将从apd10输出的电荷传输到浮动扩散电容52，该浮动扩散电容52蓄积该电荷。复位晶体管53使浮动扩散电容52的电位恢复到规定电位。复位晶体管53的漏极与连接到垂直扫描电路61上的水平信号线57连接。与所蓄积的电荷量相对应的浮动扩散电容52的电位输入到源极跟随器晶体管54的栅极，源极跟随器晶体管54输出放大信号。选择晶体管56将从源极跟随器晶体管54输出的放大信号传输至与读出电路63连接的垂直信号线55。
[0129]
图11表示图10中记载的像素电路的驱动时序图之一例。上段的曲线表示复位晶体管53，中段的曲线表示传输晶体管51，下段的曲线表示选择晶体管56。
[0130]
各晶体管可以是mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)或双极晶体管等，晶体管的种类没有限定。
[0131]
驱动时序图分为以下五个期间。
[0132]
(1)复位期间：从垂直扫描电路61通过水平信号线57向复位晶体管53的栅极输入信号，复位晶体管53变成导通状态，使浮动扩散电容52复位。与此同时，从垂直扫描电路61通过水平信号线57向传输晶体管51的栅极输入信号，使雪崩光电二极管(apd)10复位。复位晶体管53的漏极与水平信号线57连接，如果复位晶体管53变成导通状态，则浮动扩散电容52的电位被复位为复位晶体管53的漏极电位。此外，与浮动扩散电容52连接的传输晶体管51也处于导通状态，因此apd10也被复位为复位晶体管53的漏极电位。
[0133]
(2)钳位期间：使复位晶体管53和传输晶体管51分别处于截止状态，并且从垂直扫描电路61通过水平信号线57向选择晶体管56的栅极输入信号，使该选择晶体管56处于导通状态。刚复位之后的浮动扩散区域的电位经由源极跟随器晶体管54、选择晶体管56和垂直信号线55被传输到读出电路63，并且作为第一信号被存储在未示出的存储器等中。存储器等也可以设置在读出电路63中。
[0134]
(3)曝光期间：在复位期间结束之后，如果光入射到apd10，则通过光电转换产生的电子会雪崩倍增。由此，电子蓄积在与apd10连接的电容中，具体而言，蓄积在图2所示的倍增区域401的pn结电容、第一半导体层201和第三半导体层203的pn结电容、第一接触件301的接触电容、以及经由该第一接触件301连接的布线和晶体管51的寄生电容等中。曝光时间是光入射到apd10而蓄积电子的时间，相当于钳位期间与曝光期间之和。
[0135]
(4)传输期间：在曝光期间结束后，再次使传输晶体管51处于导通状态，将蓄积在apd10中的电子传输至浮动扩散电容52。
[0136]
(5)：读出期间：使传输晶体管51处于截止状态，并且使选择晶体管56处于导通状态，将蓄积有电子的状态下的浮动扩散区域的电位作为第二信号而经由源极跟随器晶体管54、选择晶体管56和垂直信号线55传输至读出电路63。求出第二信号与在钳位期间内取得到的第一信号的差分，生成像素信号。
[0137]
需要说明的是，如上所述，像素信号有时在读出电路63中生成。在此情况下，像素信号由水平扫描电路62输送到缓冲放大器64，进而输出到外部。不过，像素信号的生成也可以在光电传感器100的外部进行。
[0138]
此外，通过求出第一信号和第二信号的差分，能够从像素信号中去除ktc噪声等噪声分量，因此能够得到高质量的信号。
[0139]
需要说明的是，根据本实施方式所涉及的像素电路不限于图10中所示的结构。特别是，在spad(singlephoton avalanche diode：单光子雪崩二极管)中所使用的电路结构都能够与本实施方式的结构组合。
[0140]
此外，也可以是：将像素电路形成在包括像素的晶片以外的晶片上，通过晶片接合来接合双方的晶片。
[0141]
图12表示第二实施方式所涉及的光电传感器的版图之一例。图13表示沿图12中的xiii－xiii线剖开的剖面结构。
[0142]
如图12和图13所示，除了第一实施方式所示的结构之外，还具有包括晶体管50t的电路区域50、以及将apd10与电路区域50隔离的第四隔离区域24。
[0143]
如图12所示，电路区域50例如沿行方向布置成直线状。由此，第一隔离区域21与第四隔离区域24在第三连接部33相连接，并且第一隔离区域21在第三连接部33终止，其中，所述第一隔离区域21与电路区域50的布置方向相交叉，第四隔离区域24与电路区域50相邻。因此，第一隔离区域21和第四隔离区域24的电位的位置依赖性降低，因此能够减小各隔离区域21、24的隔离宽度。
[0144]
需要说明的是，在电路区域50布置有图10所示的晶体管50t(传输晶体管51等)。此外，在图12中，将电路区域50设为沿行方向延伸的直线状，但该电路区域50的布置方向可以是任意方向。
[0145]
如图13所示，被第四隔离区域24夹住两侧部的电路区域50具有设置于第一主面s1侧的第一阱206和设置于该第一阱206的内侧的第二阱207。第一阱206可以是第一导电型(例如n型)，第二阱207可以是第二导电型(例如p型)。在第二阱207设置有第一导电型(例如n型)的晶体管50t。
[0146]
需要说明的是，在图13所示的例子中，在电路区域50设置有第一导电型的第一阱206和第二导电型的第二阱207，在第二阱207设置有晶体管50t，但也可以将导电型不同的两个阱206、207改为只有第一导电型的第一阱206一个，将晶体管50t设为第二导电型。
[0147]
(第二实施方式的第一变形例)
[0148]
以下，参照附图对第二实施方式的第一变形例所涉及的光电传感器进行说明。
[0149]
图14表示第二实施方式的第一变形例所涉及的光电传感器的包括电路区域的主要部分的剖面结构。如图14所示，第二半导体层202从半导体衬底1的内部的规定深度形成到第二主面s2，在俯视下遍及整个面。此处，典型的规定深度为0.2μm～2μm左右。由此，能够将第一隔离区域21和第四隔离区域24的各电位设定为大致相等。其结果是，分别能够使各隔离区域21、24的隔离宽度更小。
[0150]
此外，各电路区域50具有第三阱208，第三阱208设置为与第一导电型(例如n型)的第一阱206的下方接触。将第三阱208的杂质浓度设定为比与其相邻的第一阱206及第二半导体层202的杂质浓度低。由此，本变形例所涉及的电路区域50的电场低于雪崩光电二极管(apd)10的电场。需要说明的是，第三阱208的导电型没有特别限制。
[0151]
此外，在本变形例中，也可以对第二半导体层202的杂质浓度设置随着从第一主面s1接近第二主面s2而逐渐增大的浓度梯度。由此，在第二半导体层202产生的电荷因由杂质
浓度梯度产生的电场而向倍增区域401漂移，因此能够提高光灵敏度，其结果是，能够使各apd10更加微细化。此外，第二半导体层202的杂质浓度的浓度梯度也可以是：在半导体衬底1的深的区域，浓度梯度较大；在浅的区域，浓度梯度较小。具体而言，第二半导体层202的杂质浓度的梯度也可以是：与靠半导体衬底1的第一主面s1侧相比，靠其背面即第二主面s2侧更陡峭。
[0152]
由此，能够使在光电转换区域402的较深的部位产生的电荷更高速地漂移，另一方面，使在光电转换区域402的较浅的区域产生的电荷更低速地漂移。由此，能够进一步提高光灵敏度，能够使各apd10更加微细化。
[0153]
进而，在此情况下，也可以是：使用外延衬底作为半导体衬底1，通过外延生长来形成第二半导体层202。
[0154]
此外，对第二半导体层202设置浓度梯度的结构也可以适用于本说明书中记载的所有结构。
[0155]
[版图的第一变形例]
[0156]
以下，参照附图对第二实施方式所涉及的光电传感器中的apd版图的第一变形例进行说明。
[0157]
图15表示第二实施方式所涉及的apd版图的第一变形例的平面结构。如图15所示，在第一变形例所涉及的光电传感器100中，雪崩光电二极管(apd)10被排列成格子状。相对于此，电路区域50布置在彼此相邻的apd10的彼此相邻的各角部位置上。
[0158]
由此，在第一隔离区域21与第五隔离区域25相连接的第四连接部34，第一隔离区域21和第五隔离区域25终止，并且，在第二隔离区域22与第四隔离区域24相连接的第四连接部34，第二隔离区域22和第四隔离区域24终止。此外，在第四隔离区域24与第五隔离区域25相连接的第四连接部34，第四隔离区域24和第五隔离区域25终止。因此，第一隔离区域21、第二隔离区域22、第四隔离区域24以及第五隔离区域25的在各隔离区域的电位的位置依赖性降低。
[0159]
[版图的第二变形例]
[0160]
以下，参照附图对第二实施方式所涉及的apd版图的第二变形例进行说明。
[0161]
图16表示apd版图的第二变形例的平面结构。
[0162]
如图16所示，第二变形例所涉及的apd版图中，被相互正交的第四隔离区域24和第五隔离区域25包围的平面四边形的电路区域50相对于apd10的各边部旋转45
°
而布置。在此，也可以将apd10的平面形状设为八边形。
[0163]
由此，在第一隔离区域21与第五隔离区域25相连接的第四连接部34，第一隔离区域21和第五隔离区域25终止，并且，在第二隔离区域22与第四隔离区域24相连接的第四连接部34，第二隔离区域22和第四隔离区域24终止。此外，在第二隔离区域22与第五隔离区域25相连接的第四连接部34，第二隔离区域22和第五隔离区域25终止。因此，能够使apd10a的电场均匀。
[0164]
(第三实施方式)
[0165]
下面，参照附图对第三实施方式进行说明。
[0166]
第三实施方式具有阵列端结构，在该阵列端结构下，在光电传感器中的雪崩光电二极管(apd)阵列的周围设置了终止部。
[0167]
图17是第三实施方式所涉及的光电传感器的阵列端结构之一例，表示包括一个角部的区域。
[0168]
如图17所示，在光电传感器100中设置有包围apd阵列10r的终止部45。在apd阵列10r与终止部45之间设置有第六隔离区域26，该第六隔离区域26将该终止部45与apd阵列10r之间、以及该终止部45与电路区域50之间中的至少一者电隔离。此外，设置有第七隔离区域27，该第七隔离区域27将终止部45与apd阵列10r之间、以及终止部45与电路区域50之间中的至少一者电隔离，并且沿与第六隔离区域26的布置方向不同的方向设置。
[0169]
将电路区域50与apd10之间隔离的第四隔离区域24在第五连接部35a与第六隔离区域26相连接，第四隔离区域24终止。
[0170]
另一方面，第六隔离区域26和第七隔离区域27在apd阵列10r的角部的第五连接部35b互相连接，上述第六隔离区域26和第七隔离区域27两者都终止。
[0171]
需要说明的是，作为终止部45可以使用第一导电型的半导体层，其杂质浓度可以为10
15
cm-3
～10
18
cm-3
左右。特别是，也可以设为与第一阱206大致相等的浓度。
[0172]
此外，在电路区域50与雪崩光电二极管(apd)10之间设置有第四隔离区域24。第四隔离区域24与第六隔离区域26在第五连接部35a终止。
[0173]
由此，各apd10也能够在阵列端的终止部45防止高电场的产生，因此能够进一步进行微细化。
[0174]
此外，对于上述各实施方式所涉及的光电传感器100而言，例如在图2所示的剖视图中，入射光从附图的上方、即从布线层2侧入射光电传感器100中。不过，在本实施方式所涉及的光电传感器100中，入射光也可以从半导体衬底1侧入射光电传感器100中。即，也可以是背面照射型(back side illumination)的光电传感器100。
[0175]
在此情况下，在半导体衬底1的第二主面s2上形成有作为透明电极的透明金属。作为透明金属，例如能够使用ito(indiumtin oxide：铟锡氧化物)等。取而代之，也可以提高半导体衬底1的第二主面s2的杂质浓度，将其用作电极。
[0176]
(第四实施方式)
[0177]
下面，参照附图对第四实施方式进行说明。
[0178]
图18表示第四实施方式的方框结构，其表示使用了第一～第三实施方式所涉及的光电传感器或图像传感器的距离测量系统之一例。
[0179]
第四实施方式所涉及的距离测量系统500具有发出脉冲光的发光部510、接收反射后的脉冲光的受光部520、控制发光部510和受光部520的控制部530、以及输出来自受光部520的信号的输出部540。
[0180]
发光部510由发光二极管等发光器件构成，发光部510根据来自控制部530的控制信号产生脉冲光，并朝着测量对象物600照射脉冲光。
[0181]
受光部520是上述实施方式所涉及的光电传感器或图像传感器，受光部520接收被测量对象物600反射后的脉冲光。
[0182]
控制部530由cpu(central processing unit：中央处理器)等构成，控制发光部510和受光部520以使两者同步工作。此外，控制部530基于对发光部510的控制信号和来自受光部520的输出信号，测量脉冲光在测量对象物600反射后返回受光部520为止的时间，由此计算到测量对象物600为止的距离。
[0183]
输出部540以数值数据形式或图像形式输出在控制部530计算出的到测量对象物600为止的距离。输出部540通常由显示器、例如液晶显示器或有机el显示器等构成。
[0184]
本实施方式所涉及的距离测量系统500是采用所谓的tof(time of flight：飞行时间)方式的距离测量系统。
[0185]
在本公开的光电传感器或图像传感器例如能够通过图10所示的传输晶体管51任意地设置曝光时刻。因此，通过作为距离测量系统500使用，能够防止由背景光引起的距离的误检测，能够高精度地求出到物体为止的距离。
[0186]
－产业实用性－
[0187]
本公开作为具有能够微细化的雪崩光电二极管的光电传感器或图像传感器是有用的。
[0188]
－符号说明－
[0189]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光电传感器
[0190]
110
ꢀꢀꢀꢀ
像素
[0191]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
半导体衬底
[0192]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
布线层
[0193]
s1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一主面
[0194]
s2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二主面
[0195]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
雪崩光电二极管(apd)
[0196]
10a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一雪崩光电二极管
[0197]
10b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二雪崩光电二极管
[0198]
10r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
雪崩光电二极管阵列(apd阵列、光电二极管阵列)
[0199]
21～27
ꢀꢀꢀꢀ
第一隔离区域～第七隔离区域
[0200]
31～36
ꢀꢀꢀꢀ
第一连接部～第六连接部
[0201]
40、40a
ꢀꢀꢀ
电压固定层
[0202]
45
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
终止部
[0203]
50
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电路区域
[0204]
50t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
晶体管
[0205]
51
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传输晶体管
[0206]
52
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
浮动扩散电容
[0207]
53
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
复位晶体管
[0208]
54
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
源极跟随器晶体管
[0209]
55
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
垂直信号线
[0210]
56
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
选择晶体管
[0211]
57
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水平信号线
[0212]
61
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
垂直扫描电路
[0213]
62
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水平扫描电路
[0214]
63
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
读出电路
[0215]
64
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
缓冲放大器
[0216]
201
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一半导体层
[0217]
202
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二半导体层
[0218]
203
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三半导体层
[0219]
204
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第四半导体层
[0220]
205
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第五半导体层
[0221]
206
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一阱
[0222]
207
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二阱
[0223]
208
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三阱
[0224]
301
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一接触件
[0225]
302
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二接触件
[0226]
303
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三接触件
[0227]
401
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
倍增区域
[0228]
402
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光电转换区域
[0229]
500
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
距离测量系统
[0230]
600
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
测量对象物