光检测设备和光检测系统
阅读：679发布：2020-05-12
专利汇可以提供光检测设备和光检测系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 涉及光检测设备和光检测系统。提供了光检测设备和包括光检测设备的光电转换系统，光检测设备包括 雪 崩 二极管 ， 雪崩二极管 包括设置在第一深度处的具有第一导电类型的第一 半导体 区域、设置在相对于第一表面比第一深度深的第二深度处的具有第二导电类型的第二半导体区域、设置在相对于第一表面比第二深度深的第三深度处并且与第二半导体区域 接触 的第三半导体区域以及各自从第一深度延伸到第三深度的第一分离区域和第二分离区域。第二半导体区域和第三半导体区域各自从第一分离区域延伸到第二分离区域。第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域在平面图中具有彼此重叠的部分。，下面是光检测设备和光检测系统专利的具体信息内容。
1.一种光检测设备，其特征在于，包括：
半导体基板，包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；以及
像素区域，在像素区域中多个像素布置在半导体基板上，每个像素包括雪崩二极管，其中雪崩二极管包括：
具有第一导电类型的第一半导体区域，设置在第一深度处；
具有第二导电类型的第二半导体区域，设置在相对于第一表面比第一深度深的第二深度处；
第三半导体区域，设置在相对于第一表面比第二深度深的第三深度处并且与第二半导体区域接触；以及
第一分离区域和第二分离区域，各自从第一深度延伸到第三深度，
其中第二半导体区域和第三半导体区域各自从第一分离区域延伸到第二分离区域，以及
其中第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域在平面图中具有彼此重叠的部分。
2.如权利要求1所述的光检测设备，其中第三半导体区域具有第一导电类型。
3.如权利要求1所述的光检测设备，其中第一分离区域和第二分离区域中的每一个是具有第二导电类型的半导体区域。
4.如权利要求2所述的光检测设备，其中第一分离区域和第二分离区域中的每一个是具有第二导电类型的半导体区域。
5.如权利要求3所述的光检测设备，其中第一分离区域和第二分离区域连接到施加有预定电位的接触插塞。
6.如权利要求4所述的光检测设备，其中第一分离区域和第二分离区域连接到施加有预定电位的接触插塞。
7.如权利要求1所述的光检测设备，还包括具有第一导电类型的半导体区域，其具有比第一半导体区域的杂质浓度低的杂质浓度并且在第一深度处与第一半导体区域和第一分离区域接触。
8.如权利要求2所述的光检测设备，还包括具有第一导电类型的半导体区域，其具有比第一半导体区域的杂质浓度低的杂质浓度并且在第一深度处与第一半导体区域和第一分离区域接触。
9.如权利要求3所述的光检测设备，还包括具有第一导电类型的半导体区域，其具有比第一半导体区域的杂质浓度低的杂质浓度并且在第一深度处与第一半导体区域和第一分离区域接触。
10.如权利要求5所述的光检测设备，还包括具有第一导电类型的半导体区域，其具有比第一半导体区域的杂质浓度低的杂质浓度并且在第一深度处与第一半导体区域和第一分离区域接触。
11.如权利要求6所述的光检测设备，还包括具有第一导电类型的半导体区域，其具有比第一半导体区域的杂质浓度低的杂质浓度并且在第一深度处与第一半导体区域和第一分离区域接触。
12.如权利要求7所述的光检测设备，还包括具有第一导电类型的半导体区域，其具有比第一半导体区域的杂质浓度低的杂质浓度并且在第一深度处与第一半导体区域和第二分离区域接触。
13.如权利要求11所述的光检测设备，还包括具有第一导电类型的半导体区域，其具有比第一半导体区域的杂质浓度低的杂质浓度并且在第一深度处与第一半导体区域和第二分离区域接触。
14.一种光检测系统，其特征在于，包括多个光检测设备，每个光检测设备如权利要求1至13中任一项所述，所述光检测系统包括：
波长转换单元，被配置为将第一波段中的光转换成与第一波段不同的第二波段中的光；以及
信号处理单元，被配置为合成从被保持在所述多个光检测设备中的多个数字信号获得的多个图像，
其中从波长转换单元输出的第二波段中的光入射在所述多个光检测设备上。
15.一种光检测系统，其特征在于，包括：
多个光检测设备，每个光检测设备如权利要求1至13中任一项所述；
发光单元，被配置为发射由光检测设备检测的光；以及
距离计算单元，被配置为使用光检测设备中保持的数字信号来执行距离计算。
16.一种移动体，其特征在于，包括：
光检测设备，如权利要求1至13中任一项所述；
距离信息获取单元，被配置为基于视差图像来获取与到物体的距离有关的距离信息，所述视差图像基于来自光检测设备的信号；以及
控制单元，被配置为基于距离信息控制移动体。
光检测设备和光检测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及执行光电转换的光检测设备，以及光检测系统。
背景技术
[0004] 另外，在日本专利特开No.2018-64086中讨论的SPAD在设置在具有第一导电类型的第一半导体区域下方的具有第二导电类型的第二半导体区域的一部分中含有具有低杂质浓度的区域。因而，提供了一种结构，其中在第二半导体区域下方的第三半导体区域中生成的电荷容易在第一半导体区域中被收集。
发明内容
[0005] 根据本公开的一个方面，一种光检测设备包括：半导体基板，包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；以及像素区域，在像素区域中多个像素布置在半导体基板上，每个像素包括雪崩二极管，其中雪崩二极管包括设置在第一深度处的具有第一导电类型的第一半导体区域、设置在相对于第一表面比第一深度深的第二深度处的具有第二导电类型的第二半导体区域、设置在相对于第一表面比第二深度深的第三深度处并且与第二半导体区域接触的第三半导体区域，以及各自从第一深度延伸到第三深度的第一分离区域和第二分离区域，其中第二半导体区域和第三半导体区域各自从第一分离区域延伸到第二分离区域，并且其中第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域在平面图中具有彼此重叠的部分。
附图说明
[0007] 图1是图示光检测设备的配置的框图。
[0008] 图2是图示像素的结构的框图。
[0009] 图3是雪崩二极管的横截面图。
[0010] 图4A、图4B和图4C是雪崩二极管的顶视图。
[0011] 图5是图示雪崩二极管的电位的曲线图。
[0013] 图7A至图7F是图示制造雪崩二极管的方法的图。
[0014] 图8是图示光电转换系统的配置的框图。
[0015] 图9是图示光电转换系统的配置的框图。
[0016] 图10A和图10B是图示移动物体的配置的框图。
具体实施方式
[0017] 在日本专利特开No.2018-64086中描述的结构中，第二半导体区域的一部分的区域中的低杂质浓度可以在第一半导体区域和第二半导体区域之间造成强局域电场。噪声可能由强电场生成，并且单光子雪崩二极管(SPAD)的信号准确度可能被降低。
[0018] 下面描述的技术涉及光检测设备以及光电转换系统，该光检测设备降低噪声，同时具有可以在第一半导体区域中容易地收集在第三半导体区域中生成的电荷的结构。
[0019] 在下文中，将参考附图描述根据示例性实施例的光检测设备。要注意的是，下面描述的示例性实施例中的晶体管的导电类型仅仅是示例，并且实施例不限于示例性实施例中描述的导电类型。关于示例性实施例中描述的导电类型，可以适当地改变导电类型，并且可以根据导电类型的改变适当地改变晶体管的栅极、源极和漏极的电位。例如，如果晶体管作为开关操作，那么可以关于示例性实施例中的描述反转要供应给栅极的低水平的电位和高水平的电位。
[0020] 将参考图1至图7F描述根据本公开的第一示例性实施例的光检测设备。
[0021] 图1是根据本示例性实施例的光检测设备1010的框图。光检测设备1010包括像素区域506、控制脉冲生成单元509、水平扫描电路单元504、列电路505、信号线507和垂直扫描电路单元503。
[0022] 多个像素500以矩阵形式布置在像素区域506中。一个像素500包括光电转换元件501和像素信号处理单元502。光电转换元件501将光转换成电信号。像素信号处理单元502将转换后的电信号输出到列电路505。
[0024] 信号线507将从由垂直扫描电路单元503选择的像素500输出的信号供应给像素500的后续阶段中的电路作为电位信号。
[0025] 列电路505通过信号线507接收每个像素500的信号，并执行预定处理。预定处理是用于执行输入信号的噪声移除、放大、信号校正等以及将信号转换成要输出到传感器外部的形式的处理。例如，列电路505包括并行-串行转换电路。
[0026] 水平扫描电路单元504向列电路505供应控制脉冲以用于顺序地将由列电路505处理的信号输出到输出电路508。
[0028] 图1中的像素区域506中的像素500可以布置在一维中，或者可以仅布置单个像素。而且，垂直扫描电路单元503、水平扫描电路单元504和列电路505可以针对像素区域506的每个块布置，每个块包括多个像素列。可替代地，垂直扫描电路单元503、水平扫描电路单元
504和列电路505可以布置在每个像素列中。
504和列电路505可以布置在每个像素列中。
[0029] 不一定需要逐个地为每个像素500提供像素信号处理单元502的功能。例如，一个像素信号处理单元502可以由多个像素500共享，并且可以顺序地执行信号处理。此外，像素信号处理单元502可以设置在与其中设置有光电转换元件501的半导体基板不同的半导体基板中，以便增加光电转换元件501的开口率(aperture ratio)。在这种情况下，光电转换元件501和像素信号处理单元502经由为每个像素提供的连接布线彼此电连接。垂直扫描电路单元503、水平扫描电路单元504、信号线507和列电路505也可以设置在与如上所述其中设置有光电转换元件501的半导体基板不同的半导体基板中。
[0030] 图2图示了根据本示例性实施例的包括等效电路的像素500的框图的示例。在图2中，一个像素500具有光电转换元件501和像素信号处理单元502。
[0031] 光电转换元件501包括光电转换单元601和淬灭(quench)元件(控制单元)602。
[0032] 光电转换单元601通过光电转换生成与入射光对应的电荷对。雪崩二极管用作光电转换单元601。
[0033] 基于比供应给光电转换单元601的阳极的电位VL高的电位VH的电位被供应给光电转换单元601的阴极。因此，将电位供应给光电转换单元601的阳极以便在阳极和阴极之间施加反向偏压，使得光电转换单元601变为雪崩二极管。通过在供应反向偏压的电位的状态下执行光电转换，由入射光生成的电荷造成雪崩倍增以生成雪崩电流。
[0034] 在供应反向偏压的电位的情况下，当阳极和阴极之间的电位差大于击穿电压时，雪崩二极管变为盖革(Geiger)模式操作。通过使用Geiger模式操作以高速检测单个光子水平的弱信号的光电二极管是SPAD。
[0035] 此外，当光电转换单元601的阳极与阴极之间的电位差等于或大于光电转换单元601中生成的电荷造成雪崩倍增的电位差并且小于或等于击穿电压时，雪崩二极管以线性模式操作。以线性模式执行光检测的雪崩二极管被称为雪崩二极管(APD)。在本示例性实施例中，光电转换单元601可以作为单光子雪崩二极管和雪崩二极管中的任一个操作。下面将描述造成雪崩倍增的电位差。
[0036] 淬灭元件602连接在供应高电位VH的电源电压部分和光电转换单元601之间。淬灭元件602具有将光电转换单元601中生成的雪崩电流的变化转换成电压信号的功能。此外，淬灭元件602在通过雪崩倍增的信号倍增时用作负载电路(淬灭电路)，并且抑制供应给光电转换单元601的电压以抑制雪崩倍增(淬灭操作)。作为淬灭元件602，例如，使用通过基于雪崩电流的增加的检测执行反馈控制来主动抑制雪崩倍增的有源淬灭电路或电阻元件。
[0037] 像素信号处理单元502包括波形整形单元603、计数器电路609和选择电路606。波形整形单元603对在检测光子水平信号时获得的电压变化进行整形，并输出脉冲信号。例如，逆变器电路被用作波形整形单元603。虽然使用一个逆变器的示例被示为波形整形单元603，但是可以使用其中多个逆变器串联连接的电路，或者可以使用具有波形整形效果的另一个电路。
[0038] 从波形整形单元603输出的脉冲信号由计数器电路609计数。当计数器电路609是例如N位计数器(N：正整数)时，有可能对单光子的脉冲信号计数到大约2的N次方。被计数的信号被保持为检测到的信号。当通过驱动线607供应控制脉冲pRES时，被保持在计数器电路609中的检测到的信号被复位。
[0039] 控制脉冲pSEL经由驱动线608从图1中所示的垂直扫描电路单元503供应到选择电路606，并且切换计数器电路609和信号线507之间的电连接和不连接。例如，晶体管、用于在像素外部输出信号的缓冲电路等被用于选择电路606。
[0040] 诸如晶体管之类的开关可以设置在淬灭元件602和光电转换单元601之间或者在光电转换元件501和像素信号处理单元502之间，以切换电连接。类似地，可以使用诸如晶体管之类的开关来电切换向淬灭元件602供应高电位VH或向光电转换元件501供应低电位VL。
[0041] 在其中多个像素500以矩阵形式布置的像素区域506中，捕获的图像可以通过滚动快门操作来获取，其中可以针对每行顺序地复位计数器电路609的计数，并且针对每行顺序地输出被保持在计数器电路609中的检测到的信号。
[0042] 可替代地，捕获的图像可以通过全局电子快门操作来获取，其中所有像素行的计数器电路609的计数被同时复位，并且针对每行顺序地输出被保持在计数器电路609中的检测到的信号。在执行全局电子快门操作的情况下，优选的是提供切换装置以在通过计数器电路609进行计数的情况与不计数的情况之间切换。切换装置是例如上述开关。
[0043] 在本示例性实施例中，描述了其中捕获的图像通过使用计数器电路609来获取的配置。但是，代替计数器电路609，可以使用时间-数字转换器(下文中，TDC)和存储器作为光检测设备1010以获取脉冲检测定时。
[0044] 此时，通过TDC将从波形整形单元603输出的脉冲信号的生成定时转换成数字信号。控制脉冲pREF(参考信号)经由驱动线从图1的垂直扫描电路单元503供应到TDC，用于测量脉冲信号的定时。当经由波形整形单元603从每个像素输出的信号的输入定时是参考控制脉冲pREF的相对时间时，TDC获取所述信号作为数字信号。
[0045] 对于TDC电路，使用通过串联连接缓冲电路来提供延迟的延迟线方法、以环路连接延迟线的环路TDC方法等。虽然可以使用另外的方法，但是优选地采用能够实现时间分辨率高于或等于光电转换单元601的时间分辨率的电路方法。
[0046] 表示由TDC获得的脉冲检测定时的数字信号被保持在一个或多个存储器中。当布置多个存储器时，有可能在将被保持在存储器中的数字信号输出到信号线507时，通过向选择电路606供应多个信号来针对每个存储器控制到信号线507的输出。
[0047] 接下来，将参考图3描述根据本示例性实施例的光检测设备1010。
[0048] 根据本示例性实施例的光检测设备1010具有包括雪崩二极管的像素。在雪崩二极管中生成的电荷对当中，其中用作信号电荷的电荷是主要载流子电荷的导电类型被称为第一导电类型(N型)。另外，与第一导电类型相反的导电类型被称为第二导电类型(P型)。
[0049] 图3是示意性地图示本示例性实施例中的雪崩二极管的横截面图。根据本示例性实施例的雪崩二极管被放置在半导体基板100中。半导体基板100具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。例如，第一表面是半导体基板100的前表面，并且第二表面是半导体基板100的后表面。在本示例性实施例中，深度方向被定义为从第一表面到第二表面。晶体管的栅极电极和多层布线结构设置在半导体基板100的前侧。
[0050] 在图3中的分离部分204-1和分离部分204-2之间的区域中，设置具有第一导电类型的第一半导体区域101和第二半导体区域102，并且设置具有第二导电类型的第三半导体区域103和具有第二导电类型的第四半导体区域104。此时，第三半导体区域103和第四半导体区域104具有相同的深度和相同的杂质浓度。通常，第三半导体区域103和第四半导体区域104被一体地形成。
[0051] 具有第一导电类型的第一半导体区域101和第二半导体区域102以及具有第二导电类型的第八半导体区域203布置在由线段AA'指示的第一深度A处。第一半导体区域101和第二半导体区域102在平面图中彼此接触，并且第二半导体区域102和第八半导体区域203在平面图中彼此接触。在本示例性实施例中，表述“第一半导体区域101和第二半导体区域102设置在第一深度A处”意味着离子注入杂质的浓度峰值例如设置在第一深度A处。但是，浓度峰值不一定是布置在第一深度A处，并且还容许设计误差和制造误差。
[0052] 由线段BB'指示的第二深度B位于相对于第一表面比第一深度A深的位置处，并且放置具有第二导电类型的第三半导体区域103和第四半导体区域104。另外，在具有第一导电类型的第一半导体区域101和具有第二导电类型的第三半导体区域103之间形成用于雪崩倍增的强电场区域150。
[0053] 由线段CC'指示的第三深度C位于相对于第一表面比第二深度B深的位置处，并且第五半导体区域105设置在第三深度C处。优选地，第五半导体区域105具有第一导电类型。
[0054] 图4A至图4C是图3的示意性平面图，图4A是图3的第一深度A处的示意性平面图，图4B是图3的第二深度B处的示意性平面图，并且图4C是图3的第三深度C处的示意性平面图。
虽然在图4A至图4C中每个半导体区域的边界被绘制成圆形，但是示例性实施例不限于此。
虽然在图4A至图4C中每个半导体区域的边界被绘制成圆形，但是示例性实施例不限于此。
[0055] 在图4A中，第一半导体区域101放置在第二半导体区域102中，并且第二半导体区域102放置在第八半导体区域203中。另外，第二半导体区域102的面积大于第一半导体区域101的面积。
[0056] 在图4B中，第三半导体区域103放置在第四半导体区域104中，并且第四半导体区域104放置在第七半导体区域202中。另外，第三半导体区域103和第四半导体区域104在相同的深度处并以相同的杂质浓度形成。
[0057] 在图4C中，第五半导体区域105放置在P型半导体区域202中。当图4B和图4C重叠时，第三半导体区域103和第四半导体区域104在平面图中与第五半导体区域105重叠。
[0058] 图5是图3中所示的雪崩二极管的电位图。
[0059] 在图5中，点线20指示线段FF'的电位分布，并且实线21指示图3中的线段EE'的电位分布。图5图示了以电子为参考的电位，电子是N型半导体区域的主要载流子电荷。当主要电荷载流子是空穴时，高水平的电位与低水平的电位之间的关系被反转。另外，图5中的深度A与图3的线段AA'对应。类似地，分别地，深度B与线段BB'对应，深度C与线段CC'对应，并且深度D与线段DD'对应。
[0060] 在图5中，在深度A处，实线21的电位高度由A1表示并且点线20的电位高度由A2表示，以及在深度B处，实线21的电位高度由B1表示并且点线20的电位高度由B2表示。另外，在深度C处，实线21的电位高度由C1表示并且点线20的电位高度由C2表示，在深度D处，实线21的电位高度由D1表示并且点线20的电位高度由D2表示。
[0061] 参考图3和图5，第一半导体区域101的电位高度与A1对应，并且第三半导体区域103的电位高度与B1对应。另外，第二半导体区域102的电位高度与A2对应，并且第四半导体区域104的电位高度与B2对应。
[0062] 关于图5中的点线20，电位从深度D到深度C逐渐减小。然后，电位从深度C到深度B逐渐增加，并且电位在深度B处变为B2水平。然后，电位从深度B到深度A减小，并且在深度A处变为水平A2。
[0063] 另一方面，关于实线21，电位从深度D到深度C并且从深度C到深度B逐渐减小，并且在深度B处变为B1水平。然后，电位从深度B到深度A急剧下降，并在深度A处变为A1水平。
[0064] 在深度D处，点线20与实线21的电位彼此近似相等，并且在由线段EE'和线段FF'指示的区域中具有朝着半导体基板100的第一表面侧逐渐减小的电位梯度。因此，光检测设备1010中生成的电荷由于缓慢的电位梯度而移动到第一表面侧。
[0065] 在本示例性实施例中，如上所述，第三半导体区域103和第四半导体区域104在相同的深度处并以相同的浓度形成。在根据本示例性实施例的雪崩二极管中，具有第二导电类型的第三半导体区域103的杂质浓度低于具有第一导电类型的第一半导体区域101的杂质浓度，并且电位被供应到第一半导体区域101和第三半导体区域103，以便使之彼此反向偏置。因而，耗尽层区域在第三半导体区域103侧形成。利用这种结构，作为信号电荷的第一导电类型电荷的电位高度在第三半导体区域103中比在第四半导体区域104中低。因而，第四半导体区域对于在第五半导体区域105中光电转换的电荷变为势垒，使得电荷可能在第三半导体区域中被收集。
[0066] 另外，由于第三半导体区域103与第四半导体区域104之间的电位差，电位在图3中的深度C处在从线段FF'到线段EE'的方向上变得更低。因而，在第五半导体区域105中光电转换的电荷移动到半导体基板100的第一表面的过程中，电荷容易在第三半导体区域103的方向上被移动。
[0067] 被移动到第三半导体区域103附近的电荷被图5的实线21中从深度B到深度A的陡峭电位梯度加速，即被强电场加速，并且雪崩倍增发生。
[0068] 另一方面，存在不会在图3中的第二半导体区域102和具有第二导电类型的第四半导体区域104之间(即，在图5中的点线20上从深度B到深度A)造成雪崩倍增的电位分布。因此，可以将在第五半导体区域105中生成的电荷计数为信号电荷，而不增加强电场区域150相对于光电二极管尺寸的面积。
[0069] 另外，由于图5中点线20的从深度B到深度C的电位梯度，在第四半导体区域104中光电转换的电荷流入第五半导体区域105中。由于上述原因，第五半导体区域105中的电荷容易被转移到第三半导体区域103。因此，在第四半导体区域104中光电转换的电荷经由第三半导体区域103被转移到第一半导体区域101，并且通过雪崩倍增被检测为信号电荷。因此，可以检测在第四半导体区域104中光电转换的电荷作为灵敏度。
[0070] 在下文中，将详细描述包括杂质浓度的(一个或多个)值的示例性实施例。虽然这里将描述其中信号电荷载流子是电子的配置，但是本文讨论的示例性实施例也适用于其中信号电荷载流子是空穴的情况。在那种情况下，每个半导体区域和电位关系被反转。
[0071] 将参考图3描述本公开的示例性实施例的示意性横截面图和示意性平面图。
[0072] 在本示例性实施例中，为了使描述易于理解，在图3中，将假设第一半导体区域101是N型、第二半导体区域102是N型并且第三半导体区域103是P型来给出描述。另外，将分别假设第四半导体区域104是P型、第五半导体区域105是N型，并且第六半导体区域201、第七半导体区域202和第八半导体区域203是P型来给出描述。
[0073] 图3中的分离部分204-1和204-2由P型半导体区域形成，所述P型半导体区域从第一表面起布置在深度方向上。更具体而言，P型半导体区域203和P型半导体区域202从第一表面起依次布置在深度方向上并且彼此接触。P型半导体区域202电连接到P型半导体区域104和P型半导体区域201。
[0074] P型半导体区域203的杂质浓度高于P型半导体区域202、201和104中的每一个的杂质浓度。例如，P型半导体区域203的杂质浓度为大约1×10^19至10^20[atoms/(cm^3)]。要注意的是，在本说明书中，符号“^”表示幂。更具体而言，10^19表示10的19次幂。与通过将P型半导体区域202连接到接触插塞(contact plug)302的接触电阻相比，这允许通过连接P型半导体区域203和接触插塞302来减小接触电阻。
[0075] N型半导体区域101是杂质浓度高于N型半导体区域105的区域。例如，N型半导体区域101的杂质浓度为1×10^18[atoms/(cm^3)]或更大，并且向N型半导体区域101供应对分离部分204-1和204-2为反向偏置的电位。
[0076] N型半导体区域102的杂质浓度低于N型半导体区域101的杂质浓度。例如，N型半导体区域102的杂质浓度为大约1×10^16至5×10^17[atoms/(cm^3)]。如果第二半导体区域102是P型，那么取决于第二半导体区域102的杂质浓度而在第一半导体区域101和第二半导体区域102之间形成雪崩倍增电场，并且雪崩倍增电场变为噪声恶化的因素。
[0077] P型半导体区域104的杂质浓度低于P型半导体区域202的杂质浓度，并且P型半导体区域103和P型半导体区域104具有相同的杂质浓度。例如，P型半导体区103和104的杂质浓度为大约1×10^16至1×10^17[atoms/(cm^3)]。
[0078] 在P型半导体区域103和N型半导体区域101之间形成PN结。如上所述，通过与N型半导体区域101相比而言降低P型半导体区域103的杂质浓度，P型半导体区域103的全部都变为耗尽层区域。
[0079] 另外，耗尽层区域延伸到N型半导体区域101的局部(partial)区域，并且在延伸的耗尽层区域中感应出强电场。强电场使得在延伸到N型半导体区域101的局部区域的耗尽层区域中造成雪崩倍增，并且基于放大的电荷的电流通过接触插塞301作为信号电荷输出。
[0080] 接下来，将描述N型半导体区域101、P型半导体区域103和P型半导体区域104的杂质浓度。当供应在N型半导体区域101的局部部分中生成的耗尽层区域中造成雪崩倍增的电位差时，每个半导体区域的杂质浓度被设置为耗尽层区域未到达N型半导体区域101的第一表面的部分的杂质浓度。这是因为，当耗尽层区域扩展以便与半导体基板100的第一表面接触时，由于半导体基板100的表面上的悬挂键等引起的噪声从第一表面混入耗尽层区域中的可能性增加。
[0081] 因而，N型半导体区域101与分离部分204-1和204-2之间的电位差被设置成使得在耗尽层中感应出的深度方向上的电场变得足够大。在本示例性实施例中，电场变得足够大的电位差是受电场影响的电荷造成雪崩倍增的电位差。换句话说，电位差指示N型半导体区域101与P型半导体区域203之间的电位差，在该电位差处本结构的光检测元件实现作为雪崩二极管(APD或SPAD)的操作。
[0082] 具体而言，N型半导体区域101与P型半导体区域104之间的电位差为6V或更大。此时，如上所述，电连接到P型半导体区域104的P型半导体区域103的所有区域变为耗尽层区域，并且，在延伸到N型半导体区域101的局部区域的耗尽层区域中，生成强电场使得雪崩倍增出现。
[0083] 另外，更优选地，N型半导体区域101与P型半导体区域104之间的电位差为10V或更大且30V或更小。此时，例如，向N型半导体区域101供应10V或更大的电位，并且向P型半导体区域203供应0V或更小的电位。但是，当电位差为6V或更大时，电位的值不限于这个示例。
[0084] 在图3中，假设具有比N型半导体区域101的杂质浓度低的杂质浓度的N型半导体区域105放置得紧接在具有高杂质浓度的N型半导体区域101的下方，而不提供P型半导体区域103和104。在这种情况下，有可能在N型半导体区域105中生成电荷并从N型半导体区域101读出电荷。但是，在与本示例性实施例的电压条件等同的电压条件下难以造成雪崩倍增。这是因为施加在N型半导体区域101和P型半导体区域203之间的电位差中的大部分被施加到N型半导体区域105的耗尽层区域，并且施加到N型半导体区域101附近的雪崩倍增区域的电位差减小。另一方面，在本示例性实施例中，因为N型半导体区域105在每个方向上被P型半导体区域围绕，所以N型半导体区域105中的电位变为在其周边比N型半导体区域101更接近P型半导体区域的水平。因此，通过由P型半导体区域104抑制耗尽层向基板的深部的过度扩展，有可能将上述电位差中的大部分集中施加到N型半导体区域101附近的雪崩倍增区域。
因而，光电电荷可以在较低电压处雪崩倍增。此时，N型半导体区域105的杂质浓度必须低于N型半导体区域101的杂质浓度。
因而，光电电荷可以在较低电压处雪崩倍增。此时，N型半导体区域105的杂质浓度必须低于N型半导体区域101的杂质浓度。
[0085] 参考图3，描述了其中N型半导体区域105具有相同杂质浓度的示例。但是，优选的是，N型半导体区域105具有杂质浓度的梯度以具有电位结构，使得电荷移动到半导体基板100的第一表面侧。通过提供杂质浓度的梯度，有可能容易地将电荷移动到N型半导体区域
101。
101。
[0086] 此外，在使杂质浓度的梯度成为其中电荷移动到半导体基板100的第一表面侧的电位结构的情况下，在N型半导体区域105设置在其中的区域中，第一表面侧可以是N型半导体区域，并且第二表面侧可以是P型半导体区域。可替代地，可以设置具有比P型半导体区域104的杂质浓度低的杂质浓度的P型半导体区域来代替N型半导体区域105。即使在这种情况下，优选的也是具有杂质浓度的梯度，以便提供其中电荷移动到半导体基板100的第一表面侧的电位结构。
[0087] P型半导体区域201设置在比N型半导体区域105深的位置处并且定义光电转换区域的深度。N型半导体区域105与P型半导体区域103、104、201和202中的每一个形成PN结。P型半导体区域201的杂质浓度高于P型半导体区域104的杂质浓度。因此，在P型半导体区域201附近生成的电荷有可能朝着第一表面方向移动。
[0088] 接触插塞301还连接到N型半导体区域101，并且接触插塞302连接到P型半导体区域203。
[0089] 参考图3，已经将接触插塞302描述为设置在第一表面侧。但是，接触插塞302可以设置在第二表面侧。
[0090] 当接触插塞302设置在第二表面侧时，优选的是，P型半导体区域201的其中设置接触插塞302的一部分中的杂质浓度高于P型半导体区域201的杂质浓度。换句话说，杂质浓度被设置为与其中接触插塞302设置在第一表面侧的结构的P型半导体区域203对应的半导体区域。
[0091] 即使在分离部分204-1和204-2在第一表面侧具有绝缘分离部分的情况下，接触插塞302也可以放置在第二表面侧。
[0092] 接下来，将参考图5描述本示例性实施例中的电位结构。在这里，假设用作信号的电荷载流子是电子。
[0093] 图5中的实线21指示沿着图3中的线段EE'的横截面电位。在实线21中，在图3中，线段AA'和线段EE'相交的点由A1表示，线段BB'和线段EE'相交的点由B1表示，线段CC'和线段EE'相交的点由C1表示，并且线段DD'和线段EE'相交的点由D1表示。在图3中的N型半导体区域105中光电转换的电子沿着图5中的电位D1到C1和C1到B1移动，并且利用从B1到A1的陡峭电位梯度被雪崩倍增。然后，在通过N型半导体区域101之后，电子到达接触插塞301并被检测为信号电荷。
[0094] 图5中的点线20指示沿着图3中的线段FF'的横截面电位。在点线20处，在图3中，线段AA'和线段FF'相交的点由A2表示，线段BB'和线段FF'相交的点由B2表示，线段CC'和线段FF'相交的点由C2表示，并且线段DD'和线段FF'相交的点由D2表示。在图3中的N型半导体区域105中光电转换的电子沿着图5中的电位D2到C2移动。但是，因为C2和B2之间的电位对电子来说变为势垒，所以电子无法克服该势垒。因此，电子移动到图3中的N型半导体区域105中由线段EE'指示的中心附近。然后，电子沿着图5中的电位梯度C1到B1行进。然后，电子被从B1到A1的陡峭电位梯度雪崩倍增，穿过N型半导体区域101，到达接触插塞301，并被检测为信号电荷。
[0095] 另外，图3中的P型半导体区域104和N型半导体区域105之间的边界附近生成的电荷沿着图5中从电位B2到电位C2的电位梯度移动。此后，如上所述，电荷移动到图3中的N型半导体区域105中由线段EE'指示的中心附近。然后，电荷利用从B1到A1的陡峭电位梯度被雪崩倍增。雪崩倍增的电荷穿过N型半导体区域101，到达接触插塞301，并且然后被检测为信号电荷。
[0096] 换句话说，相对于N型半导体区域105，从分离部分204-1和204-2附近的部分朝着远离分离部分204-1和204-2的部分形成平缓的电位梯度。因此，在N型半导体区域105中光电转换的电荷最终在图5中的电位B1附近被收集。
[0097] 接下来，将参考图6A和图6B描述图3中的P型半导体区域103被设置为与P型半导体区域104的杂质浓度相同的杂质浓度的原因。
[0098] 图6A图示了从半导体基板100的第一表面开始沿着图3的线段EE'在深度方向上的杂质浓度分布。在图6A中，杂质浓度分布30图示了N型杂质浓度分布的峰值在深度A处，并且杂质浓度分布31和32图示了P型杂质浓度分布的峰值在深度B处。另外，N型杂质与P型杂质相交的点是PN结部分。
[0099] 在本示例性实施例中，图6A中的深度A是图3中的线段AA'和EE'相交的点，并且深度B是图3中的线段BB'和EE'相交的点。
[0100] 另外，在图6A中，P型杂质浓度分布31和32表示P型杂质浓度的差异。较低的峰值浓度由P型杂质浓度分布31表示，并且较高的峰值浓度由P型杂质浓度分布32表示。
[0101] P型杂质浓度分布32图示了图3中的P型半导体区域104与P型半导体区域103具有相同的杂质浓度的情况。另一方面，P型杂质浓度分布31图示了用作信号电荷的流动路径的区域中的P型杂质浓度低于周边区域中的P型杂质浓度的情况。
[0102] 图6B图示了当在水平轴上示出与图6A相同的深度时的电场强度分布。
[0103] 在图6B中，电场强度分布41图示了图6A的P型杂质浓度分布是P型杂质浓度分布31的情况，并且电场强度分布42图示了图6A的P型杂质浓度分布是P型杂质浓度分布32的情况。
[0104] 在图6A中的P型杂质浓度分布31的情况下，PN结的下掺杂侧的浓度低于在P型杂质浓度分布32的情况下的浓度。因此，为了获得雪崩倍增所需的强电场，有必要将施加的电压设置得更高。当施加的电压增加时，形成局域强电场区域，如图6B中的电场强度分布41所示，并造成噪声恶化。
[0105] 另一方面，在P型杂质浓度分布是P型杂质浓度分布32的情况下，PN结的下掺杂侧的浓度高于在P型杂质浓度分布31的情况下的浓度。因此，施加的用于获得雪崩倍增所需的强电场的电压可以比上述情况中低。当施加的电压降低时，如图6B中的电场强度分布42所示，与电场强度分布41相比，不太可能形成局域强电场区域，因此可以抑制噪声。
[0106] 接下来，将参考图7A至图7F描述制造图3中所示的雪崩二极管的方法。对于未关于次序描述的步骤，次序可以适当地改变。另外，有可能将已知制造方法应用于图7A至图7F中未描述的过程。
[0107] 如图7A中所示，将杂质(例如，硼)从半导体基板100的第一表面的法线方向离子注入到要成为P型半导体区域201的区域中。因而，P型半导体区域201在相对于半导体基板100的第一表面的深位置处形成。
[0108] 接下来，如图7B中所示，将杂质(例如，硼)从半导体基板100的第一表面的法线方向离子注入。因而，P型半导体区域202在比P型半导体区域201浅的位置处形成。此时，P型半导体区域202被形成使得P型半导体区域202的一部分和P型半导体区域201的一部分彼此连接。另外，P型半导体区域202被形成使得P型半导体区域201的杂质浓度高于P型半导体区域202的杂质浓度。
[0109] 接下来，如图7C中所示，将杂质(例如，磷或砷)从半导体基板100的第一表面的法线方向离子注入，以形成N型半导体区域105。此外，通过从半导体基板100的第一表面的法线方向离子注入杂质(例如，硼)来形成P型半导体区域104和103。此时，N型半导体区域105在比P型半导体区域103和104深的位置处形成。另外，由于P型半导体区域103和104以相同的深度和相同的杂质浓度形成，因此可以通过使用相同的光掩模图案来形成P型半导体区域103和104。
[0110] 接下来，如图7D中所示，在半导体基板100的第一表面的法线方向上执行P型离子注入，以形成P型半导体区域203。此时，P型半导体区域203形成得比P型半导体区域202浅，并且P型半导体区域203的一部分连接到P型半导体区域202。
[0111] 接下来，如图7E中所示，在半导体基板100的第一表面的法线方向上执行N型离子注入，以形成N型半导体区域101和102。此时，N型半导体区域101在比P型半导体区域103浅的位置处形成，并且N型半导体区域102在比P型半导体区域104浅的位置处形成。
[0112] 接下来，如图7F中所示，接触插塞301被设置以便与N型半导体区域101接触，并且接触插塞302被设置以便与P型半导体区域203接触。通过雪崩倍增检测到的信号电荷通过接触插塞301被转移到光子计数处理电路。
[0113] 在根据本示例性实施例的光检测设备1010中，P型半导体区域103和104具有相同的深度和相同的杂质浓度。由于N型半导体区域101与P型半导体区域104之间的电压差而产生本示例性实施例中的雪崩倍增。如果P型半导体区域103的浓度低于P型半导体区域104的浓度，那么N型半导体区域101与P型半导体区域104的相对位置可能由于制造误差等而未对准。在这种情况下，N型半导体区域101与P型半导体区域104之间的电压差被改变，使得雪崩倍增被削弱或增强。因而，降低了像素500的信号的准确度。
[0114] 但是，如在本示例性实施例的情况下，当P型半导体区域103与104处于相同深度并且处于相同浓度时，不太可能发生与N型半导体区域101的相对位移。因此，N型半导体区域101与P型半导体区域103和104之间的电压差不容易波动。因而，根据本示例性实施例的光检测设备1010具有抑制像素500的信号准确度降低的效果。
[0115] 本示例性实施例中描述的光检测设备1010可以应用于表面照射类型或者后表面照射类型，在表面照射类型中光从第一表面入射，在后表面照射类型中光从第二表面入射。
[0116] 在第二示例性实施例中，将描述使用每个示例性实施例的光检测设备1010的光检测系统的示例。将参考图8描述作为光检测系统的示例的不可见光检测系统以及诸如正电子发射断层摄影(PET)系统之类的医疗诊断系统。
[0117] 根据第二示例性实施例的像素500具有TDC和存储器，而不是图2中所示的计数器电路609。在这里，假设TDC被称为TDC 204并且存储器被称为存储器205来给出描述。
[0119] 照射物体1200输出不可见光的波段中的光。每个波长转换单元1201接收从照射物体1200输出的不可见光的波段中的光，并发射可见光。
[0120] 从每个波长转换单元1201发射的可见光入射在光电转换单元601上，并且光电转换单元601对入射的可见光进行光电转换。然后，光检测设备1010各自通过淬灭元件602、波形整形单元603和TDC204在存储器205中保持基于光电转换的电荷生成的信号的数字信号。多个光检测设备1010可以被形成为一个设备，或者可以通过布置多个设备来形成。
[0121] 被保持在多个光检测设备1010的存储器205中的多个数字信号由数据处理单元1207进行信号处理。作为信号处理装置的数据处理单元1207执行从多个数字信号获得的多个图像的合成处理。
[0122] 接下来，将描述诸如PET系统之类的医疗诊断系统的结构，作为不可见光检测系统的具体示例。
[0123] 作为照射物体1200的被检体从活体内部输出辐射对(radiation pair)。每个波长转换单元1201构成闪烁体(scintillator)，并且当从被检体输出的辐射入射在闪烁体上时，闪烁体发射可见光。
[0124] 用从闪烁体发射的可见光照射的每个光电转换单元601执行可见光的光电转换，并且每个光检测设备1010通过淬灭元件602、波形整形单元603和TDC 204在存储器205中保持基于经受光电转换的电荷所生成的信号的数字信号。换句话说，每个光检测设备1010被布置为检测从被检体输出的辐射的到达时间，并检测从闪烁体照射的可见光，并将数字信号保持在存储器205中。
[0125] 被保持在多个光检测设备1010的存储器205中的数字信号由数据处理单元1207处理。作为信号处理装置，数据处理单元1207使用从多个数字信号获得的多个图像执行诸如图像重建之类的合成处理，以形成被检体的活体内部的图像。
[0126] 在第三示例性实施例中，将描述使用每个示例性实施例的光检测设备1010的光检测系统的示例。
[0127] 参考图9，将描述作为光检测系统的示例的距离检测系统。根据第三示例性实施例的像素500具有在第一示例性实施例中描述的TDC和存储器，代替图2中所示的计数器电路609。在这里，将假设TDC将被称为TDC 204代替计数器电路609并且存储器将被称为存储器
205来给出描述。
205来给出描述。
[0129] 光源控制单元1301控制发光单元1302的驱动。当发光单元1302从光源控制单元1301接收到信号时，发光单元1302相对于成像方向发射短脉冲(脉冲序列)的光。
[0130] 从发光单元1302发射的光被被检体1304反射。反射光由光检测设备1010的光电转换单元601通过光学构件1303接收，并且基于光电转换的电荷的信号经由波形整形单元603输入到TDC 204。
[0131] TDC 204将从光源控制单元1301获得的信号与从波形整形单元603输入的信号进行比较。然后，在发光单元1302发射脉冲光之后接收从被检体1304反射的反射光所需的时间被高度准确地转换成数字信号。从TDC 204输出的数字信号被保持在存储器205中。
[0132] 距离计算单元1309基于存储器205中保持的多次测量的数字信号来计算从光检测设备1010到被检体的距离。距离检测系统可以用于例如车辆。
[0133] 接下来，图10A和图10B图示了在使用图2中的计数器电路609的情况下的光检测系统的示例。在图10A和图10B中，将给出作为光检测系统的示例的用于车载相机的光检测系统的描述。
[0134] 光检测系统1000是根据本示例性实施例的包括测距像素和成像像素的光检测系统。光检测系统1000具有图像处理单元1030，用于对由光检测设备1010获取的多个数字信号执行图像处理。另外，光检测系统1000具有视差计算单元1040，用于从由图像处理单元1030获取的多个图像计算视差(视差图像的相位差)。
[0135] 光检测系统1000还包括：距离测量单元1050，用于基于计算出的视差量计算到物体的距离；以及碰撞判断单元1060，用于基于计算出的距离确定是否存在碰撞的可能性。在本示例性实施例中，视差计算单元1040和距离测量单元1050是用于获取与到物体的距离有关的距离信息的距离信息获取装置的示例。距离信息是与视差、散焦量、到物体的距离等有关的信息。
[0136] 碰撞判断单元1060可以使用视差量、散焦量、到物体的距离等中的任何一个来确定碰撞概率。距离信息获取装置可以由专门设计的硬件、由软件模块或由它们的组合来实现。另外，距离信息获取装置可以由现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等实现。它也可以通过这些项的任意组合来实现。
[0137] 光检测系统1000连接到车辆信息获取设备1310，并且可以获取诸如车辆速度、偏航率(yaw rate)和转向角度之类的车辆信息。光检测系统1000还连接到控制电子控制单元(ECU)1410，控制ECU 1410是用于基于碰撞判断单元1060的确定结果输出用于生成对车辆的制动力的控制信号的控制设备。
[0138] 光检测系统1000还连接到警告设备1420，警告设备1420基于碰撞判断单元1060的确定结果向驾驶员发出警报。例如，当碰撞的可能性高作为碰撞判断单元1060的确定结果时，控制ECU 1410通过施加制动、返回加速器、抑制发动机输出等来执行用于避开碰撞和减少损坏的车辆控制。警告设备1420通过发出警告声音、在汽车导航系统的屏幕上显示警告信息以及振动安全带或转向器来向用户提供警告。
[0139] 在本示例性实施例中，光检测系统1000捕获车辆的周围图像，例如车辆的前部或后部。图10B图示了当车辆的前部被成像时的光检测系统1000。上面已经描述了避免与另一个车辆碰撞的控制。但是，光检测系统还可以用在用于跟随另一个车辆的自动驾驶的控制、用于避免驶离车道的自动驾驶的控制等。另外，光检测系统1000的使用不限于诸如个人运输车辆之类的车辆，并且光检测系统1000可以用于例如诸如船、飞机和工业机器人之类的移动体(移动设备)。此外，光检测系统1000的使用不限于移动体，而是可以包括使用诸如智能运输系统(ITS)之类的物体识别的装置。
[0140] 本示例性实施例提供了具有降低的噪声的光检测设备以及光电转换系统。
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