CN115803887A - 光接收元件、光接收元件的制造方法和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本技术涉及光接收元件、用于制造该光接收元件的方法、以及电子装置，利用其可以获得对于红外光的高量子效率和增加的灵敏度。光接收元件具有形成在第一半导体基板中的像素阵列区域，并且其中，各自具有光电转换区域的像素以矩阵排列，每个像素的光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成。例如，本技术可应用于用于测量到物体的距离的测距模块。

Description

光接收元件、光接收元件的制造方法和电子装置
技术领域
本技术涉及光接收元件及其制造方法、以及电子装置，并且具体地，涉及能够增强对于红外光的量子效率并且改善灵敏度的光接收元件及其制造方法、以及电子装置。
背景技术
使用间接飞行时间(ToF)方案的测距模块是已知的。在间接ToF方案的测距模块中，照射光朝向物体发射，光接收元件接收由物体的表面反射并从物体的表面返回的照射光的反射光。例如，光接收元件将通过光电转换反射光而获得的信号电荷分割至两个电荷蓄积区域，并且根据信号电荷的分配比计算距离。已经提出了具有通过采用背面照射类型而增强的光接收特性的这种光接收元件(例如，参见PTL1)。
[引用列表]
[专利文献]
[PTL1]
WO2018/135320
发明内容
[技术问题]
作为用于测距模块的照射光，通常使用近红外区域中的光。在使用硅基板作为光接收元件的半导体基板的情况下，近红外区域的光的量子效率(QE)低，这导致传感器灵敏度劣化。
鉴于这种情况做出本技术，并且本技术旨在能够提高对于红外光的量子效率和提高灵敏度。
[问题的解决方案]
根据本技术的第一方面的光接收元件，包括：像素阵列区域，其中包括光电转换区域的像素以矩阵形状排列，并且在形成有像素阵列区域的第一半导体基板上的每个像素的光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成。
根据本技术的第二方面的光接收元件的制造方法，包括：通过SiGe区域或Ge区域形成在半导体基板上的像素阵列区域中的每个像素的至少光电转换区域。
根据本技术的第三方面的电子装置，包括：光接收元件，包括像素阵列区域，在像素阵列区域中包括光电转换区域的像素以矩阵形状排列，其中在其上形成像素阵列区域的第一半导体基板上的每个像素的光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成。
在本技术的第一方面至第三方面，半导体基板上的像素阵列区域中的每个像素的至少光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成。
光接收元件和电子装置可以是独立的装置或者可以是结合在其他装置中的模块。
附图说明
图1是示出应用本技术的光接收元件的示意性配置示例的框图。
图2是示出像素的第一配置示例的截面图。
图3是示出了像素的电路配置的示图。
图4是示出了图3中的像素电路的布置示例的平面图。
图5是示出像素的另一电路配置示例的示图。
图6是示出图5中的像素电路的布置示例的平面图。
图7是示出像素阵列部中的像素的布置的平面图。
图8是用于说明SiGe区域的第一形成方法的示图。
图9是用于说明SiGe区域的第二形成方法的示图。
图10是示出了像素中的SiGe区域的另一形成示例的平面图。
图11是用于说明图10中的像素的形成方法的示图。
图12是示出光接收元件的基板配置示例的示意性透视图。
图13是在两个基板的层压结构的配置情况下的像素的截面图。
图14是通过层压三个半导体基板形成的光接收元件的示意性截面图。
图15是在4抽头像素结构情况下的像素的平面图。
图16是示出了SiGe区域的另一形成示例的示图。
图17是示出SiGe区域的另一形成示例的示图。
图18是示出了Ge浓度的示例的截面图。
图19是示出包括针对每个像素的AD转换部的像素的详细配置示例的框图。
图20是示出比较电路和像素电路的详细配置的电路图。
图21是示出像素电路的每个抽头的输出与比较电路之间的连接的电路图。
图22是示出像素的第二配置示例的截面图。
图23是以放大的方式示出图22中的像素晶体管附近的截面图。
图24是示出像素的第三配置示例的截面图。
图25是示出在IR成像传感器的情况下的像素的电路配置的示图。
图26是在IR成像传感器的情况下的像素的截面图。
图27是示出了在RGBIR成像传感器的情况下的像素的布置的示例的示图。
图28是示出了在RGBIR成像传感器的情况下的彩色滤光片层的示例的截面图。
图29是示出SPAD像素的电路配置示例的示图。
图30是用于说明图29中的SPAD像素的操作的示图。
图31是示出SPAD像素的情况的配置示例的截面图。
图32是示出CAPD像素的情况下的电路配置示例的示图。
图33是示出了CAPD像素的配置示例的截面图。
图34是示出应用本技术的测距模块的配置示例的框图。
图35是示出作为应用本技术的电子装置的智能电话的配置示例的框图。
图36是示出了车辆控制***的示意性配置的示例的框图。
图37是示出车外信息检测部和成像部的安装位置的示例的说明图。
具体实施方式
以下将参考附图描述体现本技术的模式(下文称为实施方式)。在本说明书和附图中，具有基本相同的功能配置的部件将由相同的参考标号来表示，并且因此将省去其重复描述。将按照以下顺序进行描述。
1.光接收元件的配置示例
2.根据像素的第一配置示例的截面图
3.像素的电路配置示例
4.像素的平面图
5.像素的其他电路配置示例
6.像素的平面图
7.GeSi区域的形成方法
8.第一配置示例的变形例
9.光接收元件的基板配置示例
10.层压结构情况下的像素截面图
11.三层层压结构
12.四抽头像素配置示例
13.SiGe区域的其他形成示例
14.像素区域ADC的详细配置示例
15.根据像素的第二配置示例的截面图
16.根据像素的第三配置示例的截面图
17.IR成像传感器的配置示例
18.RGBIR成像传感器的配置示例
19.SPAD像素的配置示例
20.CAPD像素的配置示例
21.测距模块的配置示例
22.电子装置的配置示例
23.移动体的示例性应用
另外，在以下的附图中，对相同或类似的部分标注相同或类似的标号。然而，附图是示意性的，并且厚度和平面图尺寸之间的关系、各层的厚度比率等与实际不同。另外，附图有时包含彼此的尺寸关系、比率不同的部分。
此外，应当理解，在以下描述中的方向的定义(诸如向上和向下)仅仅是为了简洁而提供的定义，而并非旨在限制本公开的技术构思。例如，当在旋转90度之后观察物体时，将上下转换为并且解释为左-右，并且当在旋转180度之后观察物体时，将上下解释为倒置。
<1.光接收元件的配置示例>
图1是示出应用本技术的光接收元件的示意性配置示例的框图。
图1中示出的光接收元件1是测距传感器，其基于间接ToF方案输出测距信息。
光接收元件1接收通过从预定光源发射并且撞击物体的光(照射光)的反射而获得的光(反射光)，并且输出其中关于到物体的距离的信息被存储为深度值的深度图像。注意，从光源发射的照射光例如是波长等于或大于780nm的红外光，并且是以预定周期重复打开和关闭的脉冲光。
光接收元件1包括形成在未示出的半导体基板上的像素阵列部21和***电路部。***电路部包括例如垂直驱动部22、列处理部23、水平驱动部24、***控制部25等。
光接收元件1进一步设置有信号处理部26和数据存储部27。注意，信号处理部26和数据存储部27可以被安装在与光接收元件1的基板相同的基板上，可以被布置在与光接收元件1的模块不同的模块中的基板上。
像素阵列部21生成与所接收的光量对应的电荷并且以输出与电荷对应的信号的像素10在行方向和列方向上布置为矩阵形状的方式被构造。换言之，像素阵列部21包括对入射光执行光电转换并且根据作为结果获得的电荷输出信号的多个像素10。像素10的细节稍后将在图2和随后的附图中描述。
在此，行方向是像素10在水平方向上排列的方向，列方向是像素10在垂直方向上排列的方向。行方向是图中的横向方向，并且列方向是图中的纵向方向。
在像素阵列部21中，像素驱动线28在具有矩阵形状的像素阵列中的每个像素行的行方向上配线，并且两个垂直信号线29在每个像素列的列方向上配线。例如，像素驱动线28在从像素10读取信号时传送用于驱动的驱动信号。注意，尽管在图1中像素驱动线28被示出为一条配线，但是其数量不限于一条。像素驱动线28的一端连接到对应于垂直驱动部22的每行的输出端。
由移位寄存器、地址解码器等构成的垂直驱动部22例如以行为单位同时驱动像素阵列部21的所有像素10。换言之，垂直驱动部22与控制垂直驱动部22的***控制部25一起构成控制像素阵列部21中的每个像素10的操作的控制电路。
根据由垂直驱动部22执行的驱动控制从像素行中的每个像素10输出的像素信号通过垂直信号线29输入至列处理部23。列处理部23对通过垂直信号线29从每个像素10输出的像素信号执行预定信号处理并且在信号处理之后临时保持像素信号。具体地，列处理部23执行噪声去除处理、模数(AD)转换处理等作为信号处理。
利用移位寄存器、地址解码器等构成水平驱动部24，并且水平驱动部24依次选择与列处理部23的像素列对应的单位电路。按照水平驱动部24执行的选择性扫描的顺序，输出由列处理部23针对每个单位电路执行了信号处理的像素信号。
由用于生成各种定时信号的定时发生器等构成的***控制部25基于由定时发生器生成的各种定时信号来执行垂直驱动部22、列处理部23、水平驱动部24等的驱动控制。
信号处理部26至少具有算术运算处理功能，并且基于从列处理部23输出的像素信号执行诸如算术运算处理的各种信号处理。数据存储部27暂时存储信号处理部26进行信号处理时的信号处理所需的数据。
如上所述配置的光接收元件1具有称为列ADC类型的电路配置，其中，在列处理部23中为每个像素阵列布置执行AD转换处理的AD转换电路。
光接收元件1输出其中关于到物体的距离的信息被存储为像素值中的深度值的深度图像。光接收元件1被安装在车辆中，例如，被安装在用于测量到车辆外部的物体的距离的车载***中，或者被安装在智能电话等上并且被用于测量到物体(诸如用户的手)的距离并且基于测量结果识别用户的手势的手势识别处理等。
<2.根据像素的第一配置示例的截面图>
图2是示出设置在像素阵列部21中的像素10的第一配置示例的截面图。
光接收元件1包括半导体基板41和形成在其正面侧(图中的下侧)的多层配线层42。
例如，半导体基板41由硅(在下文中，称为Si)构成，并且形成为具有1μm至10μm的厚度。在半导体基板41中，N型(第二导电型)半导体区域52以像素为单位形成在P型(第一导电型)半导体区域51中，并且因此光电二极管PD例如以像素为单位形成。在此，P型半导体区域51由作为基板材料的Si区域构成，而N型半导体区域52由通过将Si添加到锗(在下文中，称为Ge)中获得的SiGe区域构成。如稍后将描述的，可以通过在Si区域中注入Ge或者通过外延生长来形成作为N型半导体区域52的SiGe区域。注意，N型半导体区域52可以仅由Ge配置而不是配置为SiGe区域。
在图2中，作为上侧的半导体基板41的上表面是半导体基板41的背面并且是光入射在其上的光入射表面。在半导体基板41的背面侧的上表面形成有防反射膜43。
防反射膜43具有层压结构，在该层压结构中，例如，层压固定电荷膜和氧化膜，并且例如，可使用根据原子层沉积(ALD)方法的具有高介电常数(High-k)的绝缘薄膜。具体地，可以使用氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化钛锶(STO)等。在图2的示例中，通过堆叠氧化铪膜53、氧化铝膜54和氧化硅膜55来配置防反射膜43。
防止入射光入射在相邻像素上的像素间遮光膜45形成在防反射膜43的上表面上的半导体基板41上的相邻像素10的边界部分44(在下文中，也称为像素边界部44)处。作为像素间遮光膜45的材料，可以使用遮挡光的任何材料，并且例如可以使用诸如钨(W)、铝(Al)或铜(Cu)的金属材料。
在防反射膜43的上表面和像素间遮光膜45的上表面上，平坦膜46由例如氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)等的绝缘膜或诸如树脂的有机材料形成。
在平坦膜46的上表面上为每个像素形成片上透镜47。片上透镜47由例如诸如苯乙烯树脂、丙烯酸树脂、苯乙烯-丙烯酸共聚物树脂或者硅氧烷树脂的树脂材料形成。由片上透镜47收集的光有效地入射在光电二极管PD上。
在形成光电二极管PD的区域的上方，在半导体基板41的背面形成有蛾眼结构部71，该蛾眼结构部71中周期性地形成有微细的凹凸。另外，形成于上表面的防反射膜43也形成为与半导体基板41的蛾眼结构部71对应的蛾眼状结构。
半导体基板41的蛾眼结构部71例如规则地(格子状)设置具有大致相同形状、大致相同大小的多个四角锥的区域。
蛾眼结构部71例如具有倒棱锥结构，在该倒棱锥结构中，在光电二极管PD侧具有顶点的四棱锥形状的多个区域规则地排列。
可替换地，蛾眼结构部71可以具有在片上透镜47侧具有顶点的多个四棱锥的区域规则地排列的正棱锥结构。多个四棱锥的尺寸和排列可以是随机形成的，而不是规则排列的。另外，蛾眼结构部71的四角锥的凹部或凸部具有一定的曲率，也可以是圆角形状。蛾眼结构部71只要具有周期性地或随机地重复凹凸结构的结构即可，凹部或凸部的形状是任意的。
这样，通过将蛾眼结构部71形成为将入射光衍射到半导体基板41的光入射面的衍射结构，能够缓和基板界面处的折射率的突变，降低反射光的影响。
在半导体基板41的背面侧的像素边界部44处，分离相邻像素的像素间分隔部61在半导体基板41的深度方向上从半导体基板41的背面侧(片上透镜47侧)形成在基板深度方向上直至预定深度。应注意，像素间分隔部61在基板厚度方向上形成的深度可以是任意深度，并且像素间分隔部61可从背面侧穿透半导体基板41至正面侧以获得以像素为单位的完全分离。包括像素间分隔部61的底面和侧壁的外周部由作为防反射膜43的一部分的氧化铪膜53覆盖。像素间分隔部61防止入射光穿透下一个像素10并且限制在其自身的像素中，并且防止来自相邻像素10的入射光的泄漏。
在图2的示例中，作为防反射膜43的最上层的材料的氧化硅膜55被埋入在背面侧刻出的沟槽(凹槽)中，并且因此氧化硅膜55和像素间分隔部61同时形成。因此，像素间分隔部61和作为防反射膜43的层压膜的一部分的氧化硅膜55由相同的材料形成，但也可以不由相同的材料形成。用于掩埋从作为像素间分隔部61的背面侧挖出的沟槽(沟槽)的材料可以是例如金属材料，诸如钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)或氮化钛(TiN)。
另一方面，在形成有多层配线层42的半导体基板41的正面侧为每个像素10形成的一个光电二极管PD形成两个转移晶体管TRG1和TRG2。另外，在半导体基板41的正面侧，由高浓度N型半导体区域(N型扩散区域)形成浮置扩散区域FD1、FD2，该浮置扩散区域FD1、FD2作为用于暂时保持从光电二极管PD传送来的电荷的电荷保持部。
多层配线层42由多个金属膜M和其间的绝缘层间膜62构成。虽然在图2中示出了其中包括三层(即，第一金属膜M1至第三金属膜M3)的构造的示例，但是金属膜M的层数不限于三层。
在多层配线层42的多个金属膜M中的最靠近半导体基板41的第一金属膜M1中的位于形成光电二极管PD的区域的下方的区域中，换言之，在平面图中与形成光电二极管PD的区域部分重叠的区域中，形成铜、铝等的金属配线作为遮光构件63。
遮光构件63利用最靠近半导体基板41的第一金属膜M1遮蔽经由片上透镜47从光入射面入射在半导体基板41的内部并且穿透半导体基板41而不在半导体基板41内部进行光电转换的红外光，并且防止红外光透射至更低侧的第二金属膜M2和第三金属膜M3。利用该遮光功能，能够抑制在半导体基板41内没有被光电转换而透过半导体基板41的红外光被第一金属膜M1下方的金属膜M散射进而入射到周围的像素。因此，能够防止在周围的像素中错误地检测光。
此外，遮光构件63还具有使从光入射面经由片上透镜47入射在半导体基板41的内部并且穿透半导体基板41而不在半导体基板41内部进行光电转换的红外光被遮光构件63反射并且再次入射在半导体基板41的内部的功能。因此，也可以将遮光构件63称为反射构件。这种反射功能能够进一步增大半导体基板41内的光电转换的红外光量，并且能够提高量子效率(QE)，即，像素10对于红外光的灵敏度。
注意，遮光构件63可形成其中通过多晶硅、氧化膜等以及金属材料实现反射或遮光的结构。
此外，遮光构件63可由多个金属膜M构成，例如，遮光构件63可由第一金属膜M1和第二金属膜M2形成为栅格形状，而不是单个金属膜M的构造。
配线电容器64通过例如在平面图中图案形成为梳齿状而在多层配线层42中的多个金属膜M中的预定金属膜M(例如，第二金属膜M2)中形成。尽管遮光构件63和配线电容器64可以形成在相同的层(金属膜M)中，但是在它们形成在不同的层中的情况下，配线电容器64形成在比遮光构件63更远离半导体基板41的层中。换言之，遮光构件63形成为比配线电容器64更靠近半导体基板41。
如上所述，光接收元件1具有背面照射型结构，其中，作为半导体层的半导体基板41设置在片上透镜47与多层配线层42之间，并且入射光从形成有片上透镜47的背面侧入射在光电二极管PD上。
此外，像素10包括为每个像素设置的用于光电二极管PD的两个转移晶体管TRG1和TRG2，并且被配置为能够将通过光电二极管PD的光电转换生成的电荷(电子)分类至浮置扩散区域FD1或FD2中。
此外，通过在像素边界部44处形成像素间分隔部61，像素10防止入射光透过到下一个像素10，在像素本身中捕获入射光，并且防止入射光从相邻像素10泄漏。此外，通过在形成光电二极管PD的区域下方的金属膜M中设置遮光构件63，穿透半导体基板41并且在半导体基板41内部未经光电转换的红外光被遮光构件63反射，然后使其再次入射在半导体基板41的内部。
此外，在像素10中作为光电转换区域的N型半导体区域52由SiGe区域或Ge区域形成。因为SiGe和Ge具有比Si窄的带隙，所以可以增强近红外光的量子效率。
通过上述配置，根据包括根据第一配置示例的像素10的光接收元件1，可以进一步增加半导体基板41内的光电转换的红外光量并且提高量子效率(QE)，即，对红外光的灵敏度。
<3.像素的电路配置示例>
图3示出了在像素阵列部21中二维布置的每个像素10的电路配置。
像素10包括作为光电转换元件的光电二极管PD。此外，像素10包括两个转移晶体管TRG、两个浮置扩散区域FD、两个附加电容器FDL、两个开关晶体管FDG、两个放大晶体管AMP、两个复位晶体管RST以及两个选择晶体管SEL。此外，像素10包括电荷放电晶体管OFG。
在此，如图3所示，在设置在像素10中的两个转移晶体管TRG、两个浮置扩散区域FD、两个附加电容器FDL、两个开关晶体管FDG、两个放大晶体管AMP、两个复位晶体管RST以及两个选择晶体管SEL彼此区分的情况下，它们将分别被称为转移晶体管TRG1和TRG2、浮置扩散区域FD1和FD2、附加电容器FDL1和FDL2、开关晶体管FDG1和FDG2、放大晶体管AMP1和AMP2、复位晶体管RST1和RST2以及选择晶体管SEL1和SEL2。
转移晶体管TRG、开关晶体管FDG、放大晶体管AMP、选择晶体管SEL、复位晶体管RST、以及电荷放电晶体管OFG由例如N型MOS晶体管配置。
转移晶体管TRG1响应于供应至栅电极的转移驱动信号TRG1g进入激活状态而通过进入导通状态使积累在光电二极管PD中的电荷转移至浮置扩散区域FD1。转移晶体管TRG2响应于供应至栅电极的转移驱动信号TRG2g进入激活状态而通过进入导通状态将积累在光电二极管PD中的电荷转移至浮置扩散区域FD2。
浮置扩散区域FD1、FD2是暂时保持从光电二极管PD传送的电荷的电荷保持部。
开关晶体管FDG1响应于供应至栅电极的FD驱动信号FDG1g进入激活状态而进入导通状态，从而使附加电容器FDL1连接至浮置扩散区域FD1。开关晶体管FDG2响应于供应至栅电极的FD驱动信号FDG2g进入激活状态而进入导通状态，从而使附加电容器FDL2连接至浮置扩散区域FD2。附加电容器FDL1和FDL2由图2中的配线电容器64形成。
响应于提供给栅电极的复位驱动信号RSTg进入激活状态，复位晶体管RST1通过进入导通状态来复位浮置扩散区域FD1的电位。响应于提供给栅电极的复位驱动信号RSTg进入激活状态，复位晶体管RST2通过进入导通状态来复位浮置扩散区域FD2的电位。注意，当复位晶体管RST1和RST2进入激活状态时，开关晶体管FDG1和FDG2也进入激活状态，并且附加电容器FDL1和FDL2也被复位。
在入射光量大的高照度时，垂直驱动部22将开关晶体管FDG1和FDG2带入激活状态，将浮置扩散区域FD1连接到附加电容器FDL1，将浮置扩散区域FD2连接到附加电容器FDL2。因此，在高照度时可以累积大量的电荷。
另一方面，在入射光量少的低照度时，垂直驱动部22使开关晶体管FDG1和FDG2处于非激活状态，并且将附加电容器FDL1和FDL2分别从浮置扩散区域FD1和FD2断开。因此，可以提高转换效率。
电荷放电晶体管OFG通过响应于提供给栅电极的放电驱动信号OFG1g进入激活状态而进入导通状态来释放在光电二极管PD中积累的电荷。
放大晶体管AMP1连接至恒定电流源(未示出)，并且通过经由选择晶体管SEL1连接至垂直信号线29A的源电极配置源极跟随器电路。放大晶体管AMP2连接至恒定电流源(未示出)，并且通过经由选择晶体管SEL2连接至垂直信号线29B的源电极配置源极跟随器电路。
选择晶体管SEL1连接在放大晶体管AMP1的源电极与垂直信号线29A之间。响应于供应至栅电极的选择信号SEL1g进入激活状态，选择晶体管SEL1进入导通状态，并且将从放大晶体管AMP1输出的像素信号VSL1输出至垂直信号线29A。
选择晶体管SEL2连接在放大晶体管AMP2的源电极与垂直信号线29B之间。响应于提供给栅电极的选择信号SEL2g进入激活状态，选择晶体管SEL2进入导通状态，并且将从放大晶体管AMP2输出的像素信号VSL2输出到垂直信号线29B。
像素10的转移晶体管TRG1和TRG2、开关晶体管FDG1和FDG2、放大晶体管AMP1和AMP2、选择晶体管SEL1和SEL2以及电荷放电晶体管OFG由垂直驱动部22控制。
尽管在图3的像素电路中可以省略附加电容器FDL1和FDL2以及控制其连接的开关晶体管FDG1和FDG2，但是通过设置附加电容器FDL并且根据入射光的量分别使用附加电容器FDL，可以确保高动态范围。
将简要地描述图3中的像素10的操作。
首先，在开始接收光之前，在所有像素中执行用于复位像素10中的电荷的复位操作。换言之，电荷放电晶体管OFG、复位晶体管RST1和RST2、开关晶体管FDG1和FDG2导通，并且光电二极管PD、浮置扩散区域FD1和FD2以及附加电容器FDL1和FDL2中积累的电荷被释放。
在放电所累积的电荷之后，在所有像素中开始接收光。在光接收时段中，交替地驱动转移晶体管TRG1和TRG2。换言之，在第一时段中执行导通转移晶体管TRG1和断开转移晶体管TRG2的控制。在第一时段，光电二极管PD中生成的电荷被传送到浮置扩散区域FD1。在第一时段之后的第二时段中，执行导通转移晶体管TRG1和断开转移晶体管TRG2的控制。在第二时段，在光电二极管PD中生成的电荷被传送到浮置扩散区域FD2。以这种方式，在光电二极管PD中生成的电荷被交替地分类和累积在浮置扩散区域FD1和FD2中。
此外，在光接收时段结束时，以线顺序方式选择像素阵列部21中的每个像素10。在所选择的像素10中，选择晶体管SEL1和SEL2导通。以这种方式，在浮置扩散区域FD1中累积的电荷作为像素信号VSL1经由垂直信号线29A输出至列处理部23。在浮置扩散区域FD2中累积的电荷作为像素信号VSL2经由垂直信号线29B输出至列处理部23。
如上所述，结束一个光接收操作，执行从复位操作开始的下一光接收操作。
像素10接收的反射光根据从光源发射光的定时到物体的距离而延迟。由于两个浮置扩散区域FD1、FD2中蓄积的电荷的分配比率根据与被摄体的距离根据延迟时间而变化，因此能够根据两个浮置扩散区域FD1、FD2中蓄积的电荷的分配比率求出与被摄体的距离。
<4.像素的平面图>
图4是示出了图3所示的像素电路的布置示例的平面图。
图4中的横向方向对应于图1中的行方向(水平方向)，并且纵向方向对应于图1中的列方向(竖直方向)。
如图4所示，光电二极管PD由在矩形像素10的中心部分的区域中的N型半导体区域52形成，并且该区域是SiGe区域。
转移晶体管TRG1、开关晶体管FDG1、复位晶体管RST1、放大晶体管AMP1、以及选择晶体管SEL1以线性排列的方式设置在光电二极管PD的外部并且沿着矩形像素10的四边中的预定一边设置，并且转移晶体管TRG2、开关晶体管FDG2、复位晶体管RST2、放大晶体管AMP2、以及选择晶体管SEL2沿着矩形像素10的四边中的另一边以线性排列的方式设置。
此外，电荷放电晶体管OFG设置在与像素10的形成转移晶体管TRG、开关晶体管FDG、复位晶体管RST、放大晶体管AMP以及选择晶体管SEL的两边不同的一边。
注意，图3中所示的像素电路的布置不限于该示例，并且可以是其他布置。
<5.像素的其他电路配置示例>
图5示出了像素10的其他电路配置示例。
在图5中，对应于图3中的那些的部分由相同的参考标号和符号表示，并且将适当地省略对这些部分的描述。
像素10包括作为光电转换元件的光电二极管PD。此外，像素10包括两个第一转移晶体管TRGa、两个第二转移晶体管TRGb、两个存储器MEM、两个浮置扩散区域FD、两个复位晶体管RST、两个放大晶体管AMP以及两个选择晶体管SEL。
在此，如图5所示，在设置在像素10中的两个第一转移晶体管TRGa、两个第二转移晶体管TRGb、两个存储器MEM、两个浮置扩散区域FD、两个复位晶体管RST、两个放大晶体管AMP以及两个选择晶体管SEL彼此不同的情况下，它们将分别被称为第一转移晶体管TRGa1和TRGa2、第二转移晶体管TRGb1和TRGb2、转移晶体管TRG1和TRG2、存储器MEM1和MEM2、浮置扩散区域FD1和FD2、放大晶体管AMP1和AMP2以及选择晶体管SEL1和SEL2。
因此，将图3中的像素电路与图5中的像素电路进行比较，将转移晶体管TRG改变为两种类型的转移晶体管，即，第一转移晶体管TRGa和第二转移晶体管TRGb，并且加入存储器MEM。此外，省略额外的电容器FDL和开关晶体管FDG。
例如，第一转移晶体管TRGa、第二转移晶体管TRGb、复位晶体管RST、放大晶体管AMP以及选择晶体管SEL由N型MOS晶体管配置。
虽然由光电二极管PD生成的电荷被转移并保持在图3所示的像素电路中的浮置扩散区域FD1和FD2中，但是电荷被转移并保持在图5中的像素电路中新设置为电荷保持部的存储器MEM1和MEM2中。
换言之，响应于供应至栅电极的第一转移驱动信号TRGa1g进入激活状态，第一转移晶体管TRGa1进入导通状态，并且因此将积累在光电二极管PD中的电荷转移至存储器MEM1。响应于供应至栅电极的第一转移驱动信号TRGa2g进入激活状态，第一转移晶体管TRGa2进入导通状态，因此将积累在光电二极管PD中的电荷转移至存储器MEM2。
此外，响应于供应至栅电极的第二转移驱动信号TRGb1g进入激活状态，第二转移晶体管TRGb1进入导通状态，因此保持在存储器MEM1中的电荷转移至浮置扩散区域FD1。响应于提供给栅电极的第二转移驱动信号TRGb2g进入激活状态，第二转移晶体管TRGb2进入导通状态，因此保持在存储器MEM2中的电荷转移至浮置扩散区域FD2。
响应于提供给栅电极的复位驱动信号RST1g进入激活状态，复位晶体管RST1进入导通状态，因此复位浮置扩散区域FD1的电位。响应于提供给栅电极的复位驱动信号RST2g进入激活状态，复位晶体管RST2处于导通状态，因此复位浮置扩散区域FD2的电位。应注意，当复位晶体管RST1和RST2进入有效状态时，第二转移晶体管TRGb1和TRGb2也进入有效状态，并且存储器MEM1和MEM2也被复位。
在图5的像素电路中，由光电二极管PD生成的电荷被分类到存储器MEM1和MEM2中并被累积在存储器MEM1和MEM2中。然后，保存在存储器MEM1和MEM2中的电荷分别被传送到浮置扩散区域FD1和FD2，然后在读取的定时从像素10输出。
<6.像素的平面图>
图6是示出图5中示出的像素电路的布置示例的平面图。
图6中的横向方向对应于图1中的行方向(水平方向)，并且纵向方向对应于图1中的列方向(竖直方向)。
如图6所示，用作矩形像素10中的光电二极管PD的N型半导体区域52由SiGe区域形成。
第一转移晶体管TRGa1、第二转移晶体管TRGb1、复位晶体管RST1、放大晶体管AMP1以及选择晶体管SEL1沿着矩形像素10的四边中的预定边以线性排列的方式设置在光电二极管PD外部，并且第一转移晶体管TRGa2、第二转移晶体管TRGb2、复位晶体管RST2、复位晶体管RST2、放大晶体管AMP2以及选择晶体管SEL2沿着矩形像素10的四边中的另一边以线性排列的方式设置。存储器MEM1和MEM2由例如嵌入式N型扩散区域配置。
要注意的是，在图5中所示的像素电路的配置不限于该示例，并且可为其他配置。
<7.GeSi区域的形成方法>
图7是示出像素阵列部21中的多个像素10中的3×3个像素10的布置示例的平面图。
在仅每个像素10的N型半导体区域52由SiGe区域形成的情况下，当看到像素阵列部21的整个区域时，获得其中SiGe区域以像素为单位分离的布置，如图7所示。
图8是用于说明其中N型半导体区域52由SiGe区域形成的第一形成方法的半导体基板41的截面图。
根据第一形成方法，可以通过使用掩模在作为Si区域的半导体基板41中的用作N型半导体区域52的部分中选择性地注入Ge离子来将N型半导体区域52形成为SiGe区域，如图8所示。半导体基板41中除N型半导体区域52之外的区域用作P型半导体区域51，其为Si区域。
图9是用于说明其中N型半导体区域52由SiGe区域形成的第二形成方法的半导体基板41的截面图。
根据第二形成方法，首先，如图9的A所示，去除对应于用作半导体基板41中的N型半导体区域52的Si区域的部分。而且，通过经由外延生长在去除的区域中形成SiGe层的膜，N型半导体区域52由SiGe区域形成，如图9的B所示。
要注意的是，图9示出了一个示例，其中，像素晶体管的设置是与图4中所示的设置不同的设置，并且放大晶体管AMP1设置在由SiGe区域形成的N型半导体区域52附近。
如上所述，用作SiGe区域的N型半导体区域52可以通过在Si区域中注入Ge离子的第一形成方法或者通过外延生长形成SiGe层的第二形成方法来形成。即使在N型半导体区域52由Ge区域形成的情况下，也可以通过类似的方法形成N型半导体区域52。
<8.第一配置示例的变形例>
虽然根据上述第一配置示例的像素10已采用其中仅作为半导体基板41中的光电转换区域的N型半导体区域52由SiGe区域或Ge区域形成的配置，但转移晶体管TRG的栅极下方的P型半导体区域51也可由P型SiGe区域或Ge区域形成。
图10为再次示出图4中示出的图3中的像素电路的平面布置的示图，并且在图10中由虚线示出的转移晶体管TRG1和TRG2的栅极下方的P型区域81由SiGe区域或Ge区域形成。通过由SiGe区域或Ge区域形成转移晶体管TRG1和TRG2的沟道区域，可以提高以高速驱动的转移晶体管TRG1和TRG2的沟道迁移率。
在转移晶体管TRG1和TRG2的沟道区域由使用外延生长的SiGe区域形成的情况下，如图11的A所示，首先去除其中N型半导体区域52形成在半导体基板41中的部分以及在转移晶体管TRG1和TRG2的栅极下方的部分。然后，通过外延生长在移除的区域中形成SiGe层的膜，并且因此如图11的B所示，N型半导体区域52以及在转移晶体管TRG1和TRG2的栅极下方的区域由SiGe区域形成。
这里，存在如下问题：如果在形成的SiGe区域中形成浮置扩散区域FD1和FD2，则从浮置扩散区域FD生成的暗电流增加。因此，在转移晶体管TRG形成区域由SiGe区域形成的情况下，采用其中通过外延生长在形成的SiGe层上进一步形成Si层并且形成高浓度N型半导体区域(N型扩散区域)并且使该高浓度N型半导体区域用作如图11的B所示的浮置扩散区域FD的结构。因此，能够抑制来自浮置扩散区域FD的暗电流。
在转移晶体管TRG的栅极下方的P型半导体区域51可通过使用掩模的选择性离子注入而不是外延生长由SiGe区域形成，并且还可通过外延生长在形成的SiGe层上进一步形成Si层并且使它们以类似的方式在这种情况下也用作浮置扩散区域FD1和FD2。
<9.光接收元件的基板配置示例>
图12是示出光接收元件1的基板配置示例的示意性立体图。
可能存在光接收元件1形成在一个半导体基板中的情况和光接收元件1形成在多个半导体基板中的情况。
图12的A示出了在一个半导体基板中形成光接收元件1的情况下的示意性构造示例。
在光接收元件1形成在一个半导体基板中的情况下，对应于像素阵列部21的像素阵列区域111和对应于除像素阵列部21以外的电路的逻辑电路区域112(例如，用于垂直驱动部22、水平驱动部24等的控制电路、用于列处理部23和信号处理部26的算术运算电路等)如图12的A中所示以平面方向对齐的方式形成在一个半导体基板41上。图2中所示的截面配置是一个基板的配置。
另一方面，图12的B示出了光接收元件1形成在多个半导体基板中的情况下的示意性构造示例。
在光接收元件1形成在多个半导体基板中的情况下，像素阵列区域111形成在半导体基板41中，而逻辑电路区域112形成在另一个半导体基板141中，并且半导体基板41和半导体基板141被配置为层压，如图12的B所示。
为了便于解释，在层压结构的情况下，将通过将半导体基板41称为第一基板41并且将半导体基板141称为第二基板141来给出以下描述。
<10.层压结构的情况下的像素截面图>
图13示出在光接收元件1被配置为具有两个基板的层压结构的情况下的像素10的截面图。
在图13中，与在图2中示出的第一配置示例中的那些相对应的部分由相同的参考符号表示，并且将适当地省略对这些部分的描述。
图13中的层压结构使用两个半导体基板构成，即，如图12中所述的第一基板41和第二基板141。
图13中的层压结构类似于图2中的第一配置示例中的层压结构，其中，像素间遮光膜45、平坦膜46、片上透镜47和蛾眼结构部71形成在第一基板41的光入射面侧。图13中的层压结构也与图2的第一配置示例中的层压结构相似，其中，像素间分隔部61形成在第一基板41的背面侧的像素边界部44处。
此外，配置示例彼此相似，因为光电二极管PD以像素为单位形成在第一基板41中，并且两个转移晶体管TRG1和TRG2以及用作电荷保持部的浮置扩散区域FD1和FD2形成在第一基板41的正面侧。
另一方面，图13中的层压结构与图2的第一配置示例中的层压结构的不同之处在于，作为对应于第一基板41的正面侧的配线层151的部分的绝缘层153附接至第二基板141中的绝缘层152。
第一基板41的配线层151包括至少一个单层的金属膜M，并且遮光构件63形成在位于使用金属膜M形成光电二极管PD的区域下方的区域中。
像素晶体管Tr1和Tr2形成在与作为第二基板141的附接表面的一侧的绝缘层152的一侧相对的一侧的界面处。例如，像素晶体管Tr1和Tr2是放大晶体管AMP、选择晶体管SEL等。
换言之，尽管转移晶体管TRG、开关晶体管FDG、放大晶体管AMP以及选择晶体管SEL的所有像素晶体管形成在仅使用一个半导体基板41(第一基板41)配置的第一配置示例中的半导体基板41中，但转移晶体管TRG之外的像素晶体管(即，开关晶体管FDG、放大晶体管AMP以及选择晶体管SEL)形成在光接收元件1中的具有两个半导体基板的层压结构的第二基板141中。
至少包括两层的金属膜M的配线层161在与第一基板41的一侧相对的一侧上形成在第二基板141的表面上。配线层161包括第一金属膜M11、第二金属膜M12和绝缘层173。
用于控制转移晶体管TRG1的转移驱动信号TRG1g由穿透第二基板141的硅通孔(TSV)171-1从第二基板141的第一金属膜M11供应至第一基板41的转移晶体管TRG1的栅电极。用于控制转移晶体管TRG2的转移驱动信号TRG2g由穿透第二基板141的TSV 171-2从第二基板141的第一金属膜M11供应至第一基板41的转移晶体管TRG2的栅电极。
类似地，通过穿透第二基板141的TSV 172-1，积聚在浮置扩散区域FD1中的电荷从第一基板41侧传输至第二基板141的第一金属膜M11。在浮置扩散区域FD2中累积的电荷也通过穿透第二基板141的TSV 172-2从第一基板41侧传输至第二基板141的第一金属膜M11。
配线电容器64形成在第一金属膜M11或第二金属膜M12的区域(图中未示出)中。其中形成有配线电容器64的金属膜M形成为具有高配线密度以形成电容，并且连接至转移晶体管TRG、开关晶体管FDG等的栅电极的金属膜M形成为具有低配线密度以减少感应电流。可以采用其中连接到栅电极的配线层(金属膜M)对于每个像素晶体管不同的配置。
如上所述，像素10可通过层压两个半导体基板(即，第一基板41和第二基板141)来配置，并且除了转移晶体管TRG之外的像素晶体管形成在与包括光电转换部的第一基板41不同的第二基板141中。此外，用于控制像素10的驱动的垂直驱动部22和像素驱动线28、用于传输像素信号的垂直信号线29等也形成在第二基板141中。以此方式，可以使像素精细化，并且还增加了后段制程(BEOL)设计中的自由度。
与正面照射类型的情况相比，能够确保足够的孔径，并且还能够通过采用图13中的像素10中的背面照射类型的像素结构来最大化量子效率(QE)×孔径(FF)。
此外，通过在最接近第一基板41的配线层151中与形成有光电二极管PD的区域重叠的区域中包括遮光构件63，可以使在半导体基板41内部未经光电转换而穿透半导体基板41的红外光被遮光构件63(反射构件)反射并且再次入射在半导体基板41的内部。此外，能够抑制穿透半导体基板41而未在半导体基板41内进行光电转换的红外光入射在第二基板141侧。
由于构成光电二极管PD的N型半导体区域52也由图13中的像素10中的SiGe区域或Ge区域形成，因此可以提高近红外光的量子效率。
通过上述像素结构，可以进一步增加半导体基板41内的光电转换的红外光量，提高量子效率(QE)，并提高传感器的灵敏度。
<11.三层层压结构>
尽管图13示出光接收元件1由两个半导体基板配置的示例，但是光接收元件1可由三个半导体基板配置。
图14示出通过层压三个半导体基板形成的光接收元件1的示意性截面图。
在图14中，对应于图12中的那些的部件由相同的参考标号表示，并且将适当地省略对这些部分的描述。
通过还层压除了第一基板41和第二基板141之外的一个或多个半导体基板181(在下文中，称作第三基板181)配置图14中的像素10。
至少光电二极管PD和转移晶体管TRG形成在第一基板41中。构成光电二极管PD的N型半导体区域52由SiGe区域或Ge区域形成。
除转移晶体管TRG之外的像素晶体管，诸如放大晶体管AMP、复位晶体管RST、以及选择晶体管SEL形成在第二基板141中。
在第三基板181中形成用于处理从像素10输出的像素信号的信号电路，诸如列处理部23和信号处理部26。
第一基板41是背面照射类型，其中，片上透镜47形成在与形成配线层151的正面侧相对的背面侧，并且光从第一基板41的背面侧入射。
第一基板41的配线层151通过Cu-Cu接合附接至对应于第二基板141的正面侧的配线层161。
第二基板141和第三基板181通过形成在第三基板181的正面侧的配线层182上的Cu膜与形成在第二基板141上的绝缘层152上的Cu膜之间的Cu-Cu接合而彼此附接。第二基板141的配线层161和第三基板181的配线层182经由贯通电极163彼此电连接。
尽管在图14的示例中，对应于第二基板141的正面侧的配线层161以面对的方式接合至第一基板41的配线层151，第二基板141可被垂直反转，并且第二基板141B的配线层161可被接合以面对第三基板181的配线层182。
<12.四抽头像素配置示例>
上述像素10具有被称为两个抽头的像素结构，其中，包括两个转移晶体管TRG1和TRG2作为用于一个光电二极管PD的转移门，包括两个浮置扩散区域FD1和FD2作为电荷保持部，并且由光电二极管PD生成的电荷被分类为两个浮置扩散区域FD1和FD2。
相反，像素10可以具有四抽头的像素结构，其中，对于一个光电二极管PD包括四个转移晶体管TRG1至TRG4和浮置扩散区域FD1至FD4，并且在光电二极管PD中生成的电荷被分类为四个浮置扩散区域FD1至FD4。
图15是图5和6中所示的存储器MEM保持型像素10具有四抽头像素结构的情况下的平面图。
像素10包括四个第一转移晶体管TRGa、四个第二转移晶体管TRGb、四个复位晶体管RST、四个放大晶体管AMP以及四个选择晶体管SEL。
一组第一转移晶体管TRGa、第二转移晶体管TRGb、复位晶体管RST、放大晶体管AMP以及选择晶体管SEL以线性排列的方式设置在光电二极管PD外部并且沿着矩形像素10的四边的每一边。
在图15中，通过应用数字1至4中的任一个来区分沿着矩形像素10的四边的每一边布置的每组第一转移晶体管TRGa、第二转移晶体管TRGb、复位晶体管RST、放大晶体管AMP以及选择晶体管SEL。
在像素10具有二抽头结构的情况下，通过使第一抽头和第二抽头的相位(光接收定时)偏离180度来执行用于分类生成的电荷到两个浮置扩散区域FD的驱动。另一方面，在像素10具有四抽头结构的情况下，通过使第一到第四抽头的相位(光接收定时)偏离90度，可以执行用于将生成的电荷分类到四个浮置扩散区域FD的驱动。此外，可以基于在四个浮置扩散区域FD中积累的电荷的分配比获得到物体的距离。
如上所述，像素10可以具有通过四个抽头对由光电二极管PD生成的电荷进行分类的结构以及通过两个抽头对电荷进行分类的结构，并且抽头的数量不限于两个，并且可以是三个或更多。注意，即使在像素10具有单抽头结构的情况下，也可以通过使相位以帧为单位偏离来获得到物体的距离。
<13.SiGe区域的其他形成示例>
在光接收元件1的上述配置示例中，已经描述了仅每个像素10的部分区域(具体地，仅是作为光电转换区域的光电二极管PD的N型半导体区域52或N型半导体区域52以及在转移晶体管TRG的栅极下方的沟道区域)由SiGe区域形成的配置。在这种情况下，如图7所示，以像素为单位单独设置SiGe区域。
在接下来的图16和图17中，将描述整个像素阵列区域111(像素阵列部21)由SiGe区域形成的配置。
图16示出了在光接收元件1形成在图12的A中示出的一个半导体基板上的情况下整个像素阵列区域111由SiGe区域形成的配置示例。
图16的A是其中像素阵列区域111和逻辑电路区域112形成在同一基板上的半导体基板41的平面图。图16的B是半导体基板41的截面图。
如图16的A所示，整个像素阵列区域111可以由SiGe区域形成，并且诸如逻辑电路区域112之类的其他区域由Si区域形成。
关于由SiGe区域形成的像素阵列区域111，如图16的B所示，通过在作为Si区域的半导体基板41中的用作像素阵列区域111的部分中注入Ge离子，可以由SiGe区域形成整个像素阵列区域111。
图17示出了在光接收元件1形成为具有图12的B中所示的两个半导体基板的层压结构的情况下整个像素阵列区域111由SiGe区域形成的配置示例。
图17的A是两个半导体基板中的第一基板41(半导体基板41)的平面图。图17的B是第一基板41的截面图。
如图17的A所示，形成在第一基板41上的整个像素阵列区域111被形成为SiGe区域。
对于由SiGe区域形成的像素阵列区域111，可以通过在用作半导体基板41中的像素阵列区域111的部分(Si区域)中注入Ge离子而由SiGe区域形成整个像素阵列区域111，如图17的B所示。
注意，在整个像素阵列区域111由SiGe区域形成的情况下，可以形成SiGe区域使得Ge浓度在第一基板41的深度方向上不同。具体地，可以形成SiGe区域以具有取决于基板深度的Ge浓度的梯度，使得在其上形成片上透镜47的光入射面侧的Ge浓度高，并且Ge浓度朝向像素晶体管形成表面减小，如图18所示。
例如，在光入射面侧的浓度高的部分，Si与Ge之间的比例可以是2：8(Si：Ge＝2：8)并且基板浓度可以是4E+22/cm3，在像素晶体管形成表面附近的浓度低的部分，Si与Ge之间的比例可以是8：2(Si：Ge＝8：2)并且基板浓度可以是1E+22/cm3，并且整个像素阵列区域111可以具有1E+22/cm3至4E+22/cm3的范围内的浓度。
例如，可通过控制离子注入时的注入能量来选择注入深度，或者通过使用掩模来选择注入区域(平面方向上的区域)来执行浓度的控制。当然，随着Ge浓度的增加，可以进一步提高红外光的量子效率。
<14.像素区域ADC的详细配置示例>
如图16至图18所示，在不仅光电二极管PD(N型半导体区域52)而且整个像素阵列区域111由SiGe区域形成的情况下，存在浮置扩散区域FD的暗电流劣化的担忧。作为针对浮置扩散区域FD的暗电流的劣化的一种措施，例如，如图11所示，存在在SiGe区域上形成Si层并且使Si层用作浮置扩散区域FD的方法。
作为针对浮置扩散区域FD的暗电流的劣化的另一措施，可以采用像素区域ADC的配置，其中，AD转换部以像素为单位或者以周围的n×n个像素(n是等于或大于1的整数)为单位设置，而不是如图1所示以像素10的列为单位执行AD转换。与图1中的列ADC类型相比，通过采用像素区域ADC的配置，可缩短电荷保持在浮置扩散区域FD中的时间，并且由此抑制浮置扩散区域FD的暗电流的劣化。
在图19至图20中，描述了AD转换部以像素为单位设置的光接收元件1的配置。
图19是示出为每个像素设置AD转换部的像素10的详细配置示例的方框图。
像素10由像素电路201和AD转换部(ADC)202构成。在AD转换部以n×n像素为单位而不是以像素为单位设置的情况下，为n×n像素电路201设置一个ADC 202。
像素电路201将根据接收的光量的电荷信号作为模拟像素信号SIG输出至ADC202。ADC 202将从像素电路201提供的模拟像素信号SIG转换成数字信号。
ADC 202由比较电路211和数据存储部212配置。
比较电路211将从作为***电路部提供的DAC 241提供的参考信号REF与来自像素电路201的像素信号SIG进行比较，并且输出输出信号VCO作为表示比较结果的比较结果信号。当参考信号REF和像素信号SIG相同(电压)时，比较电路211反相输出信号VCO。
比较电路211由差分输入电路221、电压转换电路222以及正反馈电路(PFB)223构成，并且将参考图20描述其细节。
除了从比较电路211输入的输出信号VCO之外，表示像素信号写入操作的WR信号、表示像素信号读取操作的RD信号以及用于在像素信号读取操作期间控制像素10的读取定时的WORD信号从垂直驱动部22供应至数据存储部212。此外，由作为***电路部的时钟时间码生成部(未示出)生成的时钟时间码经由作为***电路部设置的时钟时间码转移部242提供。
数据存储部212由基于WR信号和RD信号控制时钟时间码读取操作和写入操作的锁存控制电路231和存储时钟时间码的锁存存储部232构成。
锁存控制电路231使锁存存储部232存储当从比较电路211输入Hi(高)输出信号VCO时从时钟时间码转移部242提供并在时钟时间码写入操作中每单位时间更新的时钟时间码。此外，当参考信号REF和像素信号SIG变得相同(电压)并且从比较电路211提供的输出信号VCO被反转为Lo(低)时，锁存控制电路231停止所提供的时钟时间码的写入(更新)并且使锁存存储部232保持存储在锁存存储部232中的最后时钟时间码。存储在锁存存储部232中的时钟时间代码表示像素信号SIG变得等于参考信号REF的时钟时间，并且表示光量的数字化值。
在参考信号REF的扫描结束并且时钟时间码被存储在像素阵列部21中的所有像素10的锁存存储部232中之后，像素10的操作从写入操作改变到读取操作。
锁存控制电路231基于用于控制时钟时间码读取操作中的读取定时的WORD信号，当到达每个像素10本身的读取时间时，将存储在锁存存储部232中的时钟时间码(数字像素信号SIG)输出到时钟时间码转移部分242。时钟时间码转移部242在列方向(垂直方向)上按顺序转移提供的时钟时间码并且将它们提供给信号处理部26。
<比较电路的详细配置示例>
图20是示出了配置比较电路211的差分输入电路221、电压转换电路222以及正反馈电路223以及像素电路201的详细配置的电路图。
应注意，由于空间的限制，图20示出了对应于由两个抽头配置的像素10中的一个抽头的电路。
差分输入电路221将从像素10中的像素电路201输出的一个抽头的像素信号SIG与从DAC 241输出的参考信号REF进行比较，并且当像素信号SIG高于参考信号REF时输出预定信号(电流)。
差分输入电路221由用作差分对的晶体管281和282、配置电流镜的晶体管283和284、作为用于根据输入偏置电流Vb供应电流IB的恒定电流源的晶体管285、以及输出差分输入电路221的输出信号HVO的晶体管286配置。
晶体管281、282和285由负沟道MOS(NMOS)晶体管配置而晶体管283、284和286由正沟道MOS(PMOS)晶体管配置。
从DAC 241输出的参考信号REF被输入到构成差分对的晶体管281的栅极，并且从像素10中的像素电路201输出的像素信号SIG被输入到晶体管281和282中的晶体管282的栅极。晶体管281和282的源极连接到晶体管285的漏极，晶体管285的源极连接到预定电压VSS(VSS＜VDD2＜VDD1)。
晶体管281的漏极连接到构成电流镜电路的晶体管283和284的栅极和晶体管283的漏极，晶体管282的漏极连接到晶体管284的漏极和晶体管286的栅极。晶体管283、284和286的源极连接到第一电源电压VDD1。
电压转换电路222由例如NMOS型晶体管291配置。晶体管291的漏极连接到差分输入电路221中的晶体管286的漏极，晶体管291的源极连接到正反馈电路223中的预定连接点，并且晶体管286的栅极连接到偏置电压VBIAS。
配置差分输入电路221的晶体管281至286是以高达第一电源电压VDD1的高电压操作的电路，并且正反馈电路223是以低于第一电源电压VDD1的第二电源电压VDD2操作的电路。电压转换电路222将从差分输入电路221输入的输出信号HVO转换为正反馈电路223可以操作的低电压下的信号(转换信号)LVI，并且将信号(转换信号)LVI提供给正反馈电路223。
偏置电压VBIAS可以是任何电压，只要其被转换为在低电压下操作的正反馈电路223中的晶体管301至307中的每个不被损坏的电压即可。例如，偏置电压VBIAS可以是与正反馈电路223的第二电源电压VDD2(VBIAS＝VDD2)相同的电压。
正反馈电路223基于通过将来自差分输入电路221的输出信号HVO转换成与第二电源电压VDD2相对应的信号而获得的转换信号LVI，输出在像素信号SIG高于参考信号REF时被反转的比较结果信号。此外，正反馈电路223在将被输出作为比较结果信号的输出信号VCO被反转时增加转换速度。
正反馈电路223由七个晶体管301至307构成。晶体管301、302、304和306由PMOS晶体管配置而晶体管303、305和307由NMOS晶体管配置。
晶体管291的作为电压转换电路222的输出端子的源极连接到晶体管302和303的漏极以及晶体管304和305的栅极。晶体管301的源极连接到第二电源电压VDD2，晶体管301的漏极连接到晶体管302的源极，并且晶体管302的栅极连接到晶体管304和305的漏极，晶体管304和305的漏极也用作正反馈电路223的输出端子。晶体管303和305的源极被连接到预定电压VSS。初始化信号INI被提供给晶体管301和303的栅极。
晶体管304至307配置两输入NOR电路，并且晶体管304和305的漏极之间的连接点用作比较电路211从其输出输出信号VCO的输出端子。
将作为第二输入的控制信号TERM而不是作为第一输入的转换信号LVI提供给由PMOS晶体管配置的晶体管306的栅极和由NMOS晶体管配置的晶体管307的栅极。
晶体管306的源极连接到第二电源电压VDD2，晶体管306的漏极连接到晶体管304的源极。晶体管307的漏极连接到比较电路211的输出端子，并且晶体管307的源极连接到预定电压VSS。
将描述如上所述配置的比较电路211的操作。
首先，将参考信号REF设定为比所有像素10的像素信号SIG高的电压，将初始化信号INI设定为Hi，并且将比较电路211初始化。
更具体地，参考信号REF被施加到晶体管281的栅极，像素信号SIG被施加到晶体管282的栅极。当参考信号REF的电压是高于像素信号SIG的电压的电压时，从用作电流源的晶体管285输出的电流的大部分流过经由晶体管281连接到二极管的晶体管283。具有与晶体管283共享的栅极的晶体管284的沟道电阻变得足够低，晶体管286的栅极基本上保持在第一电源电压VDD1的电平，并且晶体管286被阻断。因此，即使电压转换电路222的晶体管291导通，用作充电电路的正反馈电路223也不对转换信号LVI充电。另一方面，由于提供作为初始化信号INI的Hi信号，所以晶体管303导通，并且正反馈电路223使转换信号LVI放电。此外，由于晶体管301被阻断，正反馈电路223不经由晶体管302对转换信号LVI充电。结果，转换信号LVI被放电直到预定电压VSS电平，正反馈电路223通过配置NOR电路的晶体管304和305输出Hi输出信号VCO，并且比较电路211被初始化。
在初始化之后，初始化信号INI被设置为Lo，并且开始参考信号REF的扫描。
在参考信号REF的电压高于像素信号SIG的时间段期间，晶体管286关断并因此阻断，输出信号VCO变为Hi信号，晶体管302因此关断并阻断。晶体管303也被阻断，因为初始化信号INI是Lo。转换信号LVI将预定电压VSS保持在高阻抗状态，并输出Hi输出信号VCO。
如果参考信号REF变得低于像素信号SIG，则电流源的晶体管285的输出电流不流过晶体管281，晶体管283和284的栅极电位增加，并且晶体管284的沟道电阻变高。然后，流过晶体管282的电流引起电压降并且降低晶体管286的栅极电位，并且晶体管291变得导通。通过电压转换电路222的晶体管291将从晶体管286输出的输出信号HVO转换为转换信号LVI，然后将其提供给正反馈电路223。用作充电电路的正反馈电路223对转换信号LVI充电，并且使电位从低电压VSS接近第二电源电压VDD2。
如果转换信号LVI的电压超过由晶体管304和305配置的反相器的阈值电压，则输出信号VCO变为Lo，并且晶体管302变为导通。由于Lo初始化信号INI施加至晶体管301，所以晶体管301也导通，并且正反馈电路223经由晶体管301和302对转换信号LVI迅速充电并且同时将电位升高至第二电源电压VDD2。
由于偏置电压VBIAS被施加到电压转换电路222的晶体管291的栅极，所以当转换信号LVI的电压达到比偏置电压VBIAS低晶体管阈值的电压值时，晶体管291被阻断。如果晶体管286仍导通，那么转换信号LVI不再被充电，且电压转换电路222也充当电压箝位电路。
通过晶体管302的导通对转换信号LVI的充电最初由转换信号LVI上升至反相器阈值来触发，并且是加速运动的正反馈操作。因为在光接收元件1中同时并行操作的电路的数量巨大，所以作为差分输入电路221的电流源的晶体管285被适配为使得每个电路的电流被设置为相当低的电流。此外，由于切换时钟时间码时的单位时间内电压变化用作用于AD转换的LSB步长，所以相当缓和地扫描参考信号REF。因此，晶体管286的栅极电位的变化也是缓和的，并且由栅极电位驱动的晶体管286的输出电流的变化也是缓和的。然而，通过将来自后级的正反馈应用于利用输出电流充电的转换信号LVI，输出信号VCO可充分快速地转变。在典型示例中，期望输出信号VCO的转变时间是时钟时间码的单位时间的一小部分并且等于或小于1ns。比较电路211可仅通过设置低电流(例如，电流源的晶体管285中的0.1μA)来实现输出转变时间。
如果作为NOR电路的第二输入的控制信号TERM被设置为Hi，则不管差分输入电路221的状态如何，可以将输出信号VCO设置为Lo。
例如，如果像素信号SIG的电压由于比预期的更高的亮度而变得低于参考信号REF的最终电压，那么比较周期在比较电路211的输出信号VCO保持Hi的情况下结束，由输出信号VCO控制的数据存储部212不能固定值，并且AD转换功能丢失。为了防止这种状态的发生，通过在参考信号REF的扫描结束时输入Hi脉冲的控制信号TERM，可以强制地将尚未被反转为Lo的输出信号VCO反转。由于数据存储部212存储(锁存)紧挨在强制反转之前的时钟时间码，因此在采用图20的配置的情况下，ADC202用作AD转换器，其具有响应于等于或大于特定值的亮度输入的钳位输出值。
如果偏置电压VBIAS被控制到Lo电平，晶体管291被阻断，并且初始化信号INI被设置为Hi，则输出信号VCO变成Hi，而不管差分输入电路221的状态如何。因此，通过组合输出信号VCO的强制Hi输出和基于上述控制信号TERM的强制LO输出，输出信号VCO可被设定为任意值，而不管差分输入电路221和对应于其前一级的像素电路201和DAC 241的状态。利用该功能，可以仅仅使用电信号输入来测试像素10的后级中的电路，而不取决于例如光接收元件1的光学输入。
图21是示出像素电路201中的每个抽头的输出与比较电路211的差分输入电路221之间的连接的电路图。
如图21所示，图20所示的比较电路211的差分输入电路221连接到像素电路201的每个抽头的输出目的地。
图20中的像素电路201等同于图21中的像素电路201并且类似于图3中所示的像素10的电路配置。
在采用像素区域ADC的配置的情况下，以像素为单位或以n×n像素(n是等于或大于1的整数)为单位的电路的数量增加，并且因此光接收元件1由图12的B中示出的层压结构配置。在这种情况下，例如，如图21所示，可以将像素电路201和差分输入电路221的晶体管281、282和285布置在第一基板41上并且将其他电路布置在第二基板141上。第一基板41和第二基板141通过Cu-Cu接合电连接。注意，第一基板41和第二基板141的电路布置不限于该示例。
如上所述，与图1中的列ADC相比，通过采用像素区域ADC的配置作为在整个像素阵列区域111由SiGe区域形成的情况下针对浮置扩散区域FD的暗电流的劣化的措施并且由此抑制浮置扩散区域FD的暗电流的劣化，可以减少电荷在浮置扩散区域FD中累积的时间。
<15.根据像素的第二配置示例的截面图>
图22是示出了设置在像素阵列部21中的像素10的第二配置示例的截面图。
在图22中，与在图2中示出的第一配置示例中的那些相对应的部分由相同的参考符号表示，并且将适当地省略对这些部分的描述。
图22是图5所示的存储器MEM保持型像素10的像素结构的截面图，并且示出了在图12的B所示的两个基板的层压结构的配置的情况下的截面图。
但是，在图13所示的层压结构的截面图中，第一基板41侧的配线层151的金属膜M和第二基板141的配线层161的金属膜M通过TSV 171和TSV 172彼此电连接，而在图22中，金属膜M通过Cu-Cu接合彼此电连接。
具体地，第一基板41的配线层151包括第一金属膜M21、第二金属膜M22以及绝缘层153，而第二基板141的配线层161包括第一金属膜M31、第二金属膜M32以及绝缘层173。第一基板41的配线层151和第二基板141的配线层161在由虚线示出的接合表面的部分处形成的Cu膜处电连接。
在图22中的第二配置示例中，上面参照图17描述的第一基板41的整个像素阵列区域111由SiGe区域形成。换言之，P型半导体区域51和N型半导体区域52由SiGe区域形成。以这种方式，提高了相对于红外光的量子效率。
将参考图23描述第一基板41的像素晶体管形成表面。
图23是以放大的方式示出图22中的第一基板41的像素晶体管附近的截面图。
第一转移晶体管TRGa1和TRGa2、第二转移晶体管TRGb1和TRGb2以及存储器MEM1和MEM2为每个像素10形成在配线层151侧的第一基板41的界面上。
例如，氧化膜351形成在配线层151侧的第一基板41的界面上，以具有大约10nm至100nm的膜厚度。氧化膜351是通过外延生长在第一基板41的表面上形成硅膜并对其执行热处理而形成的。氧化膜351还用作各个第一转移晶体管TRGa和第二转移晶体管TRGb的栅极绝缘膜。
因为与Si相比，难以用SiGe区域形成令人满意的氧化膜，所以从转移晶体管TRG和存储器MEM生成的暗电流增加。由于间接ToF方案的光接收元件1重复在两个或更多个抽头之间交替打开和关闭转移晶体管TRG的操作，所以不可能忽略当转移晶体管TRG导通时由于栅极生成的暗电流。
使用膜厚度约为10至100nm的氧化物膜351，可以减小由于界面状态引起的暗电流。因此，根据第二配置示例，可以在提高量子效率的同时抑制暗电流。即使在形成Ge区域而不是SiGe区域的情况下，也可以获得类似的效果。
在像素10不具有两个基板的层压结构并且所有像素晶体管形成在如图2所示的一个半导体基板41的一侧的表面上的情况下，通过形成氧化膜351，也可减少来自放大晶体管AMP的复位噪声。
<16.根据像素的第三配置示例的截面图>
图24是示出了设置在像素阵列部21中的像素10的第三配置示例的剖视图。
与图2中示出的第一配置示例中的那些和图22中示出的第二配置示例中的那些对应的部分由相同的参考符号表示，并且将适当地省略对这些部分的描述。
图24是在光接收元件1由两个基板的层压结构配置的情况下的像素10的截面图并且是与在图22中示出的第二配置示例相似的通过Cu-Cu接合建立连接的情况下的截面图。而且，与图22中示出的第二配置示例相似，第一基板41的整个像素阵列区域111由SiGe区域形成。
在浮置扩散区域FD1和FD2由SiGe区域形成的情况下，存在从浮置扩散区域FD生成的暗电流如上所述增加的问题。因此，形成在第一基板41中的浮置扩散区域FD1和FD2形成为具有小的体积，以使暗电流的影响最小化。
然而，仅通过减小浮置扩散区域FD1和FD2的体积，浮置扩散区域FD1和FD2的容量减小，并且不可能累积足够的电荷。
因此，在图24的第三配置示例中，金属绝缘体金属(MIM)电容器元件371形成在第一基板41的配线层151中并且恒定地连接至浮置扩散区域FD，并且因此浮置扩散区域FD的容量增加。具体地，MIM电容器元件371-1连接至浮置扩散区域FD1，并且MIM电容器元件371-2连接至浮置扩散区域FD2。MIM电容器元件371通过使用U形三维结构在小的安装区中实现。
根据图24的第三配置示例的像素10，可补偿形成为具有减小的体积的浮置扩散区域FD的容量不足以用MIM电容器元件371抑制生成暗电流。以这种方式，在同时使用SiGe区域的情况下可以实现暗电流的抑制和电容的保证。换言之，根据第三配置示例，可以在增强响应于红外光的量子效率的同时抑制暗电流。
注意，尽管在图24的示例中，MIM电容器元件的示例被描述为连接到浮置扩散区域FD的附加电容器元件，但是电容器元件不限于MIM电容器元件。例如，可以使用包括金属氧化物金属(MOM)电容器元件、Poly-Poly电容器元件(两个相对电极由多晶硅形成的电容器元件)、由配线形成的寄生电容器等的附加电容器。
而且，在像素10具有如图22所示的第二配置示例中包括存储器MEM1和MEM2的像素结构的情况下，可以采用附加电容器元件不仅连接到浮置扩散区域FD而且还连接到存储器MEM的配置。
尽管在图24的示例中，连接到浮置扩散区域FD或存储器MEM的附加电容器元件可形成在第一基板41的配线层151中，但是附加电容器元件可形成在第二基板14的配线层161中。
尽管在图24中的示例中省略了图2中的第一配置示例中的遮光构件63和配线电容器64，但是可形成遮光构件63和配线电容器64。
<17.IR成像传感器的配置示例>
通过由SiGe区域或Ge区域形成光电二极管PD或像素阵列区域111来提高近红外光的量子效率的光接收元件1的上述结构不限于输出基于间接ToF方案的测距信息的测距传感器，并且可以被用在接收红外光的另一传感器中。
在下文中，接收红外光并生成IR图像的IR成像传感器和接收红外光和RGB光的RGBIR成像传感器的示例将被描述为其中半导体基板的一部分由SiGe区域或Ge区域形成的其他传感器的示例。
此外，基于使用SPAD像素的直接ToF方案的测距传感器和基于电流辅助光子解调器(CAPD)方案的ToF传感器的示例将被描述为接收红外光并且输出测距信息的测距传感器的其他示例。
图25示出了在光接收元件1被配置为生成并输出IR图像的IR成像传感器的情况下像素10的电路配置。
在光接收元件1是ToF传感器的情况下，光接收元件1将由光电二极管PD生成的电荷分配到两个浮置扩散区域FD1和FD2中并且在其中积累电荷，因此像素10包括两个转移晶体管TRG、两个浮置扩散区域FD、两个附加电容器FDL、两个开关晶体管FDG、两个放大晶体管AMP、两个复位晶体管RST以及两个选择晶体管SEL。
在光接收元件1是IR成像传感器的情况下，临时保持由光电二极管PD生成的电荷的电荷保持部的数量可以是一个，并且因此转移晶体管TRG的数量、浮置扩散区域FD的数量、附加电容器FDL的数量、开关晶体管FDG的数量、放大晶体管AMP的数量、复位晶体管RST的数量以及选择晶体管SEL的数量也被设置为一个。
换言之，在光接收元件1是IR成像传感器的情况下，像素10具有与通过从图3中所示的电路配置中省略转移晶体管TRG2、开关晶体管FDG2、复位晶体管RST2、放大晶体管AMP2以及选择晶体管SEL2所获得的配置相当的配置，如图25所示。浮置扩散区域FD2和垂直信号线29B也被省略。
图26是示出了在光接收元件1被配置为IR成像传感器的情况下的像素10的配置示例的截面图。
光接收元件1被配置为IR成像传感器的情况与光接收元件1被配置为ToF传感器的情况之间的差异在于，如图25中所描述的，形成在半导体基板41的正面侧的浮置扩散区域FD2和像素晶体管是否存在。因此，形成在半导体基板41的正面侧的多层配线层42的配置与图2中的配置不同。此外，省略浮置扩散区域FD2。图26中的其他配置与图2中的配置相似。
也可以通过由图26中的SiGe区域或Ge区域形成光电二极管PD来提高近红外光的量子效率。不仅图2中的上述第一配置示例，而且像素区域ADC的配置、图22中的第二配置示例和图24中的第三配置示例同样应用于IR成像传感器。此外，如图16至图18中所述，通过SiGe区域或Ge区域不仅可以形成光电二极管PD，而且可以形成整个像素阵列区域111。
<18.RGBIR成像传感器的配置示例>
尽管图26中具有像素结构的光接收元件1是所有像素10接收红外光的传感器，但是光接收元件1还可应用于接收红外光和RGB光的RGBIR成像传感器。
在光接收元件1被配置为接收红外光和RGB光的RGBIR成像传感器的情况下，例如，图27中示出的2×2像素布置在行方向和列方向上重复对齐。
图27示出了在光接收元件1被配置为接收红外线和RGB层的RGBIR成像传感器的情况下像素的布置的示例。
在光接收元件1被配置为RGBIR成像传感器的情况下，接收R(红色)的光的R像素、接收B(蓝色)的光的B像素、接收G(绿色)的光的G像素以及接收IR(红外)的光的IR像素被分配给2×2中的4个像素，如图27所示。
每个像素10对应于R像素、B像素、G像素以及IR像素中的哪一个由***在RGBIR成像传感器中的图26中的平坦膜46与片上透镜47之间的彩色滤光片层确定。
图28是示出了在光接收元件1被配置为RGBIR成像传感器的情况下***在平坦膜46与片上透镜47之间的彩色滤光片层的截面图。
在图28中，从左到右依次排列B像素、G像素、R像素以及IR像素。
在平坦膜46(图28中未示出)与片上透镜47之间***第一彩色滤光片层381和第二彩色滤光片层382。
在B像素中，允许B光透过的B滤光器被布置在第一彩色滤光片层381中，并且阻挡IR光的IR截止滤光器被布置在第二彩色滤光片层382中。这样，只有B光透过第一彩色滤光层381和第二彩色滤光层382后入射到光电二极管PD。
在G像素中，允许G光透过的G滤光器被布置在第一彩色滤光片层381中，并且阻挡IR光的IR截止滤光器被布置在第二彩色滤光片层382中。这样，仅G光透过第一彩色滤光层381和第二彩色滤光层382后入射到光电二极管PD。
在R像素中，允许R光透过的R滤光器被布置在第一彩色滤光片层381中，并且阻挡IR光的IR截止滤光器被布置在第二彩色滤光片层382中。这样，只有R光透过第一彩色滤光层381和第二彩色滤光层382后入射到光电二极管PD。
在IR像素中，允许R光透过的R滤光器被布置在第一彩色滤光片层381中，并且允许B光透过的B滤光器被布置在第二彩色滤光片层382中。这样，B至R以外的波长的光透过，IR光透过第一彩色滤光层381和第二彩色滤光层382，入射到光电二极管PD。
在光接收元件1被配置为RGBIR成像传感器的情况下，IR像素的光电二极管PD由上述SiGe区域或Ge区域形成，并且R像素、G像素以及R像素的光电二极管PD由Si区域形成。
即使在光接收元件1也被配置为RGBIR成像传感器的情况下，也可以通过由SiGe区域或Ge区域形成IR像素的光电二极管PD来提高近红外光的量子效率。不仅图2中的上述第一配置示例，而且像素区域ADC的配置、图22中的第二配置示例以及图24中的第三配置示例也能够被用于RGBIR成像传感器。此外，如图16至图18中所述，通过SiGe区域或Ge区域不仅可以形成光电二极管PD，而且可以形成整个像素阵列区域111。
<19.SPAD像素的配置示例>
接下来，将描述像素10的上述结构应用于使用SPAD像素的直接ToF方案的测距传感器的示例。
ToF传感器包括间接ToF传感器和直接ToF传感器。间接ToF传感器是这样一种方案，其中，在照射光被发射之后直到接收到反射光的飞行时间被检测为相位差，因此计算到物体的距离，而直接ToF传感器是基于这样一种方案，其中，在照射光被发射之后直到接收到反射光的飞行时间被直接测量，并且计算到物体的距离。
在直接测量飞行时间的光接收元件1中，例如，单光子雪崩二极管(SPAD)被用作每个像素10的光电转换元件。
图29示出了使用SPAD作为像素10的光电转换元件的SPAD像素的电路配置示例。
图29中的像素10包括SPAD 401和由晶体管411和反相器412配置的读取电路402。此外，像素10还包括开关413。晶体管411由P型MOS晶体管构成。
SPAD 401的阴极连接至晶体管411的漏极，并且还连接至反相器412的输入端子和开关413的一端。SPAD 401的阳极连接至电源电压VA(在下文中，也称为阳极电压VA)。
SPAD 401是光电二极管(单光子雪崩二极管)，当入射光入射时该光电二极管对生成的电子执行雪崩倍增并且输出阴极电压VS的信号。例如，供应至SPAD 401的阳极的电源电压VA是约-20V的负偏压(负电位)。
晶体管411是在饱和区域中操作的恒定电流源，并且通过用作淬灭电阻器执行被动淬灭。晶体管411具有连接至电源电压VE的源极和连接至SPAD 401的阴极、反相器412的输入端子、和开关413的一端的漏极。以这种方式，电源电压VE也被供应至SPAD 401的阴极。还可以使用上拉电阻器代替串联连接至SPAD 401的晶体管411。
为了以足够的效率检测光子，将比SPAD 401的击穿电压VBD更大的电压(过偏置(ExcessBias))施加至SPAD 401。例如，如果SPAD 401的击穿电压VBD是20V，并且施加大于3V的电压，则供应至晶体管411的源极的电源电压VE是3V。
应注意，SPAD 401的击穿电压VBD根据温度等显著改变。因此，根据击穿电压VBD的变化控制(调整)施加至SPAD 401的施加电压。例如，如果电源电压VE是固定电压，那么控制(调节)阳极电压VA。
开关413两端中的一端连接至SPAD 401的阴极、反相器412的输入端子和晶体管411的漏极，另一端连接至地(GND)。开关413由例如N型MOS晶体管配置并且根据从垂直驱动部22提供的选通控制信号VG打开和关闭。
垂直驱动部22通过向每个像素10的开关413提供高或低选通控制信号VG并且导通或断开开关413来将像素阵列部21中的每个像素10设定为激活像素或非激活像素。激活像素是检测光子的入射的像素，而非激活像素是不检测光子的入射的像素。如果开关413根据选通控制信号VG被导通，并且SPAD 401的阴极由接地控制，则像素10变成非激活像素。
将参考图30描述在图29中的像素10被设置为激活像素的情况下执行的操作。
图30是示出了根据光子入射SPAD 401的阴极电压VS和像素信号PFout的变化的曲线图。
首先，在像素10是激活像素的情况下，开关413被设置为断开，如上所述。
电源电压VE(例如，3V)被供应至SPAD 401的阴极，电源电压VA(例如，-20V)被供应至阳极，并且因此通过将大于击穿电压VBD(＝20V)的反向电压施加至SPAD 401将SPAD 401设置为盖革模式。在这种状态下，例如，图30中的时钟时间t0处，SPAD 401的阴极电压VS与电源电压VE相同。
如果光子入射在被设置为盖革模式的SPAD 401上，则发生雪崩倍增，并且电流流过SPAD 401。
如果在图30中的时钟时间t1出现雪崩倍增并且电流流过SPAD 401，则在时钟时间t1时和之后，电流也通过流过SPAD 401的电流流过晶体管411，并且由于晶体管411的电阻分量出现电压降。
如果在时钟时间t2，SPAD 401的阴极电压VS下降至0V以下，则实现SPAD 401的阳极和阴极之间的电压低于击穿电压VBD的状态，并且因此停止雪崩倍增。在此，通过由流过晶体管411的雪崩倍增生成的电流引起电压降并且实现阴极电压VS低于击穿电压VBD并且出现电压降的状态来停止雪崩倍增的操作是淬灭操作。
一旦雪崩倍增停止，流过晶体管411的电阻器的电流逐渐减小，阴极电压VS在时钟时间t4再次返回至原始电源电压VE，并且实现可以检测到下个新光子的状态(再充电操作)。
当作为输入电压的阴极电压VS等于或大于预定阈值电压Vth时，反相器412输出Lo像素信号PFout，并且当阴极电压VS小于预定阈值电压Vth时，反相器412输出Hi像素信号PFout。因此，如果光子入射在SPAD401上，则雪崩倍增发生，并且阴极电压VS减小并且下降到阈值电压Vth以下，则像素信号PFout从低电平被反转为高电平。另一方面，如果SPAD401的雪崩倍增收敛，并且阴极电压VS上升并且增大为等于或大于阈值电压Vth，则像素信号PFout从高电平反转至低电平。
注意，在像素10被设置为非激活像素的情况下，开关413导通。如果开关413被导通，则SPAD 401的阴极电压VS变为0V。因此，因为SPAD401的阳极和阴极之间的电压变得等于或小于击穿电压VBD，所以实现了不响应光子进入SPAD 401的状态。
图31是示出像素10是SPAD像素的情况下的配置示例的截面图。
在图31中，对应于上述其它构造示例中的那些的部分由相同的参考标号表示，并且将适当地省略对这些部分的描述。
在图31中，在图2中的像素边界部44处从半导体基板41的背面侧(片上透镜47侧)在基板深度方向上形成为预定深度的像素间分隔部61随着穿透半导体基板41的像素间分隔部61’而改变。
在半导体基板41中的像素间分隔部61’内的像素区域包括N阱区域441、P型扩散层442、N型扩散层443、空穴累积层444和高浓度P型扩散层445。此外，在连接P型扩散层442和N型扩散层443的区域中形成的耗尽层形成雪崩倍增区域446。
N阱区域441通过将半导体基板41中的杂质浓度控制为N型而形成，并且形成将通过像素10中的光电转换生成的电子传递至雪崩倍增区域446的电场。N阱区域441由SiGe区域或Ge区域形成。
P型扩散层442是在平面方向上在像素区域的大致整个表面上形成的高浓度P型扩散层(P+)。类似于半导体基板41的表面附近的P型扩散层442同样，N型扩散层443是在像素区域的大致整个表面上形成的高浓度N型扩散层(N+)。N型扩散层443是与作为阴极电极的接触电极451连接的接触层，该接触电极451用于提供用于形成雪崩倍增区域446的负电压，并且其一部分具有形成直到半导体基板41的表面上的接触电极451的突出形状。从接触电极451向N型扩散层443施加电源电压VE。
空穴累积层444是以包围N阱区域441的侧面和底面的方式形成并蓄积空穴的P型扩散层(P)。此外，空穴累积层444连接至高浓度P型扩散层445，该高浓度P型扩散层445电连接至用作SPAD 401的阳极电极的接触电极452。
高浓度P型扩散层445是在半导体基板41的表面附近形成为在平面方向上包围N阱区域441的外周的高浓度P型扩散层(P++)，并且配置用于电连接空穴累积层444和SPAD 401的接触电极452的接触层。从接触电极452向高浓度P型扩散层445施加电源电压VA。
注意，可以形成其中将半导体基板41中的杂质浓度控制为P型的P阱区域来代替N阱区域441。在形成P阱区域而不是N阱区域441的情况下，施加至N型扩散层443的电压变为电源电压VA，并且施加至高浓度P型扩散层445的电压变为电源电压VE。
在多层配线层42中，形成接触电极451和452、金属配线453和454、接触电极455和456以及金属垫457和458。
此外，多层配线层42附着到形成有逻辑电路的逻辑电路基板的配线层450(下文中，称为逻辑配线层450)。上述读取电路402、用作开关413的MOS晶体管等形成在逻辑电路基板上。
接触电极451将N型扩散层443连接至金属配线453，接触电极452将高浓度P型扩散层445连接至金属配线454。
如图31所示，在平面图中，金属配线453形成为比雪崩倍增区域446宽，以至少覆盖雪崩倍增区域446。另外，金属配线453使透过半导体基板41的光被半导体基板41反射。
如图31所示，在平面图中，在金属配线453的外周，金属配线454形成为与高浓度P型扩散层445重叠。
接触电极455将金属配线453连接至金属垫457，并且接触电极456将金属配线454连接至金属垫458。
金属垫457和458通过形成在逻辑配线层450中形成的金属垫471和472中的每一个的金属(Cu)的金属接合而电连接和机械连接。
在逻辑配线层450中，形成电极垫461和462、接触电极463至466、绝缘层469、以及金属垫471和472。
每个电极垫461和462用于连接到逻辑电路基板(未示出)，并且绝缘层469在电极垫461和462之间建立绝缘。
接触电极463和464将电极垫461连接到金属垫471，接触电极465和466将电极垫462连接到金属垫472。
金属垫471结合到金属垫457，并且金属垫472结合到金属垫458。
通过这样的配线结构，电极垫461经由例如接触电极463和464、金属垫471、金属垫457、接触电极455、金属配线453和接触电极451连接到N型扩散层443。因此，可以从图31中的像素10中的逻辑电路基板的电极垫461提供施加至N型扩散层443的电源电压VE。
此外，电极垫462经由接触电极465和466、金属垫472、金属垫458、接触电极456、金属配线454以及接触电极452连接至高浓度P型扩散层445。因此，可以从图31中的像素10中的逻辑电路基板的电极垫462提供施加到空穴累积层444的阳极电压VA。
通过由像素10中的SiGe区域或Ge区域形成至少N阱区域441作为如上所述配置的SPAD像素，可以提高红外光的量子效率并提高传感器灵敏度。不仅N阱区域441而且空穴累积层444也可以由SiGe区域或Ge区域形成。
<20.CAPD像素的配置示例>
接下来，将描述光接收元件1的上述结构被应用于CAPD方案的ToF传感器的示例。
在图2和图3等中描述的像素10具有称为栅极方案的ToF传感器的配置，其中，由光电二极管PD生成的电荷被分类至两个栅极(转移晶体管TRG)。
另一方面，存在称作CAPD方式的ToF传感器，在该方式中，将电压直接施加到ToF传感器的半导体基板41，从而在基板中生成电流，并且通过高速调制基板中宽范围的光电转换区域来对光电转换的电荷进行分类。
图32示出了在像素10是采用CAPD方案的CAPD像素的情况下的电路配置示例。
图32中的像素10包括在半导体基板41中的信号提取部765-1和765-2。信号提取部765-1至少包括作为N型半导体区域的N+半导体区域771-1和作为P型半导体区域的P+半导体区域773-1。信号提取部765-2至少包括作为N型半导体区域的N+半导体区域771-2和作为P型半导体区域的P+半导体区域773-2。
像素10包括用于信号提取部765-1的转移晶体管721A、FD 722A、复位晶体管723A、放大晶体管724A和选择晶体管725A。
此外，像素10包括用于信号提取部765-2的转移晶体管721B、FD722B、复位晶体管723B、放大晶体管724B以及选择晶体管725B。
垂直驱动部22向P+半导体区域773-1施加预定电压MIX0(第一电压)，并向P+半导体区域773-2施加预定电压MIX1(第二电压)。例如，电压MIX0和MIX1中的一个是1.5V，而另一个是0V。P+半导体区域773-1和773-2是被施加第一电压和第二电压的电压施加部分。
N+半导体区域771-1和771-2是检测并累积由入射在半导体基板41上的被光电转换的光生成的电荷的电荷检测部分。
转移晶体管721A响应于提供给栅电极的转移驱动信号TRG进入激活状态，通过进入导通状态，将在N+半导体区域771-1中积累的电荷转移至FD 722A。转移晶体管721B响应于提供给栅电极的转移驱动信号TRG进入激活状态，通过进入导通状态，将在N+半导体区域771-2中积累的电荷转移至FD 722B。
FD 722A临时保持从N+半导体区域771-1提供的电荷。FD 722B临时保持从N+半导体区域771-2提供的电荷。
响应于提供给栅电极的复位驱动信号RST进入激活状态，复位晶体管723A进入导通状态，将FD 722A的电位复位到预定电平(复位电压VDD)。响应于提供给栅电极的复位驱动信号RST进入激活状态，复位晶体管723B进入导通状态，将FD 722B的电位复位到预定电平(复位电压VDD)。注意，当复位晶体管723A和723B进入激活状态时，转移晶体管721A和721B也同时进入激活状态。
放大晶体管724A利用恒流源电路部726A的负载MOS来配置源跟随器电路，恒流源电路部726A的负载MOS通过经由选择晶体管725A连接到垂直信号线29A的源电极而连接到垂直信号线29A的一端。放大晶体管724B配置具有恒流源电路部726B的负载MOS的源极跟随器电路，其中恒流源电路部726B的源电极经由选择晶体管725B连接至垂直信号线29B的一端。
选择晶体管725A连接在放大晶体管724A的源电极与垂直信号线29A之间。响应于供应至栅电极的选择驱动信号SEL进入激活状态，选择晶体管725A进入导通状态，并且将从放大晶体管724A输出的像素信号输出至垂直信号线29A。
选择晶体管725B被连接在放大晶体管724B的源电极与垂直信号线29B之间。响应于供应至栅电极的选择驱动信号SEL进入激活状态，选择晶体管725B进入导通状态，并且将从放大晶体管724B输出的像素信号输出至垂直信号线29B。
像素10的转移晶体管721A和721B、复位晶体管723A和723B、放大晶体管724A和724B以及选择晶体管725A和725B由例如垂直驱动部22控制。
图33是在像素10是CAPD像素的情况下的截面图。
在图33中，对应于上述其它构造示例中的那些的部分由相同的参考标号表示，并且将适当地省略对这些部分的描述。
在像素10是CAPD像素的情况下，由P型形成的整个半导体基板41例如是光电转换区域并且由上述SiGe区域或Ge区域形成。其上形成片上透镜47的半导体基板41的表面是光入射表面，并且在与光入射表面相对的一侧的表面是电路形成表面。
在半导体基板41的电路形成表面附近的像素10的中心部分形成氧化物膜764，并且在氧化物膜764的两端分别形成信号提取部765-1和信号提取部765-2。
信号提取部765-1包括作为N型半导体区域的N+半导体区域771-1和N-半导体区域772-1以及作为P型半导体区域的P+半导体区域773-1和P-半导体区域774-1，其中，N-半导体区域772-1中的施主杂质浓度低于N+半导体区域771-1中的施主杂质浓度，P-半导体区域774-1中的受主杂质浓度低于P+半导体区域773-1中的受主杂质浓度。施主杂质包括例如属于元素周期表中第V族的元素，例如相对于Si为磷(P)和砷(As)，受主杂质例如包括属于元素周期表中第III族的元素，例如相对于Si为硼(B)。作为施主杂质的元素将被称为施主元素，并且作为受主杂质的元素将被称为受主元素。
在信号提取部765-1中，环形形成N+半导体区域771-1和N-半导体区域772-1以围绕P+半导体区域773-1和P-半导体区域774-1的圆周，围绕P+半导体区域773-1和P-半导体区域774-1的中心。P+半导体区域773-1和N+半导体区域771-1与多层配线层42接触。P-半导体区域774-1被设置在P+半导体区域773-1上方(在片上透镜47侧)以覆盖P+半导体区域773-1，并且N-半导体区域772-1被设置在N+半导体区域771-1上方(在片上透镜47侧)以覆盖N+半导体区域771-1。换言之，P+半导体区域773-1和N+半导体区域771-1被设置在半导体基板41内的多层配线层42侧，并且N-半导体区域772-1和P-半导体区域774-1被设置在半导体基板41内的片上透镜47侧。此外，用于在区域之间分离N+半导体区域771-1和P+半导体区域773-1的分隔部775-1由氧化膜等形成。
类似地，信号提取部765-2包括作为N型半导体区域的N+半导体区域771-2和N-半导体区域772-2、作为P型半导体区域的P+半导体区域773-2和P-半导体区域774-2，其中N-半导体区域772-2中的施主杂质浓度低于N+半导体区域771-2中的施主杂质浓度，P-半导体区域774-2中的受主杂质浓度低于P+半导体区域773-2中的受主杂质浓度。
在信号提取部765-2中，环形形成N+半导体区域771-2和N-半导体区域772-2以围绕P+半导体区域773-2和P-半导体区域774-2的圆周，围绕P+半导体区域773-2和P-半导体区域774-2的中心。P+半导体区域773-2和N+半导体区域771-2与多层配线层42接触。P-半导体区域774-2被设置在P+半导体区域773-2上方(在片上透镜47的一侧上)以覆盖P+半导体区域773-2，并且N-半导体区域772-2被设置在N+半导体区域771-2上方(在片上透镜47的一侧上)以覆盖N+半导体区域771-2。换言之，P+半导体区域773-2和N+半导体区域771-2被设置在半导体基板41内的多层配线层42侧，并且N-半导体区域772-2和P-半导体区域774-2被设置在半导体基板41内的片上透镜47侧。此外，用于在区域之间分离N+半导体区域771-2和P+半导体区域773-2的分隔部775-2由氧化膜等形成。
在相邻像素10之间的边界区域处，还在预定像素10的信号提取部765-1的N+半导体区域771-1和相邻像素10的信号提取部765-2的N+半导体区域771-2之间形成氧化物膜764。
通过在半导体基板41的光入射面侧的界面处层压具有正固定电荷的膜，形成覆盖整个光入射面的P+半导体区域701。
在下文中，在不需要特别区分信号提取部765-1和信号提取部765-2的情况下，也将信号提取部765-1和信号提取部765-2简称为信号提取部765。
此外，在不需要特别区分N+半导体区域771-1和N+半导体区域771-2的情况下，将N+半导体区域771-1和N+半导体区域771-2也简称为N+半导体区域771，在不需要特别区分N+半导体区域772-1和N-半导体区域772-2的情况下，将N-半导体区域772-1和N-半导体区域772-2也简称为N-半导体区域772。
此外，在不需要特别区分P+半导体区域773-1和P+半导体区域773-2的情况下，也将P+半导体区域773-1和P+半导体区域773-2简称为P+半导体区域773，并且在不需要特别区分P-半导体区域774-1和P-半导体区域774-2的情况下，也将P-半导体区域774-1和P-半导体区域774-2简称为P-半导体区域774。此外，在不需要特别区分分隔部775-1和分隔部775-2的情况下，也将分隔部775-1和分隔部775-2简称为分隔部775。
设置在半导体基板41中的N+半导体区域771用作用于检测从外部入射到像素10上的光量(即，通过由半导体基板41执行的光电转换生成的信号电荷的量)的电荷检测部分。注意，还可以将包括具有低施主杂质浓度的N-半导体区域772的N+半导体区域771视为电荷检测部分。此外，P+半导体区域773用作用于在半导体基板41中注入多个载流子电流的电压施加部分，即，用于直接向半导体基板41施加电压并且在半导体基板41内部生成电场。注意，还可以将包括具有低受主杂质浓度的P-半导体区域774的P+半导体区域773视为电压施加部分。
例如，以预定间隔规则地布置的漫射膜811形成在正面侧的半导体基板41的界面处，正面侧是多层配线层42形成的一侧。另外，在漫射膜811与半导体基板41的界面之间形成有绝缘膜(栅极绝缘膜)，但是省略图示。
例如，漫射膜811以预定间隔规则地布置在半导体基板41的正面侧(即，形成多层配线层42的一侧)上的界面处，并且防止光从半导体基板41穿过至多层配线层42，并且通过由漫射膜811漫射由后面将描述的反射构件815反射的光突破通过至半导体基板41的外部(片上透镜47的一侧)。漫射膜811的材料只要是以多晶硅等多晶硅为主要成分的材料即可，可以是任意的材料。
注意，形成漫射膜811，同时避免N+半导体区域771-1和P+半导体区域773-1的位置使得漫射膜811不与N+半导体区域771-1和P+半导体区域773-1的位置重叠。
在图33中，多层配线层42的第一金属膜M1至第四金属膜M4中的距半导体基板41最近的第一金属膜M1包括：电源线813，用于提供电源电压；电压施加配线814，用于向P+半导体区域773-1或773-2施加预定电压；以及反射构件815，其为反射入射光的构件。电压施加配线814经由接触电极812与P+半导体区域773-1或773-2连接，对P+半导体区域773-1施加预定电压MIX0，并且对P+半导体区域773-2施加预定电压MIX1。
在图33中，在第一金属膜M1中，除了电源线813和电压施加配线814以外的配线作为反射构件815发挥作用，但是为了避免附图的复杂化，省略一部分符号。反射构件815是为了反射入射光而设置的伪配线。反射构件815布置在N+半导体区域771-1和771-2下方，使得在平面图中，反射构件815与作为电荷检测部的N+半导体区域771-1和771-2重叠。此外，在第一金属膜M1中形成将N+半导体区域771连接到转移晶体管721的接触电极(未示出)，以将积累在N+半导体区域771中的电荷转移到FD722。
另外，在本实施例中，反射构件815与第一金属膜M1配置在同一层，但并不局限于反射构件815配置在同一层的结构。
例如，在位于从半导体基板41侧起的第二层中的第二金属膜M2中，形成连接至第一金属膜M1中的电压施加配线814的电压施加配线816、传输转移驱动信号TRG、复位驱动信号RST、选择驱动信号SEL、FD驱动信号FDG等的控制线817、接地线等。此外，FD 722等也形成在第二金属膜M2中。
例如，在从半导体基板41的一侧起的第三层中的第三金属膜M3中，形成垂直信号线29、屏蔽配线等。
在从半导体基板41侧起的第四层中的第四金属膜M4中，例如，在作为信号提取部65的电压施加部分的P+半导体区域773-1和773-2中形成用于施加预定电压MIX0或MIX1的电压供应线(未示出)。
将描述图33中的像素10(其是CAPD像素)的操作。
垂直驱动部22驱动像素10并且将根据通过光电转换而获得的电荷的信号分类到FD 722A和722B(图32)。
垂直驱动部22经由接触电极812等向两个P+半导体区域773施加电压。例如，垂直驱动部22将1.5V的电压施加至P+半导体区域773-1并且将0V的电压施加至P+半导体区域773-2。
通过施加电压，在半导体基板41中的两个P+半导体区域773之间生成电场，并且电流从P+半导体区域773-1流到P+半导体区域773-2。在这种情况下，半导体基板41内的空穴沿至P+半导体区域773-2的方向移动，并且电子沿至P+半导体区域773-1的方向移动。
因此，如果在这种状态下来自外部的红外光(反射光)经由片上透镜47入射在半导体基板41的内部上，并且红外光在半导体基板41的内部被光电转换并且被转换成电子和空穴对，那么由此得到的电子通过P+半导体区域773之间的电场在到P+半导体区域773-1的方向上被引导，然后移动到N+半导体区域771-1的内部。
在这种情况下，通过光电转换生成的电子用作用于根据已经入射在像素10上的红外光的量(即，接收的红外光的量)检测信号的信号电荷。
以这种方式，根据已经移动到N+半导体区域771-1内部的电子的电荷积累在N+半导体区域771-1中，并且电荷由列处理部23经由FD 722A、放大晶体管724A、垂直信号线29A等检测。
换言之，积累在N+半导体区域771-1中的电荷被转移至直接连接至N+半导体区域771-1的FD 722A，并且根据转移至FD 722A的电荷的信号经由放大晶体管724A和垂直信号线29A由列处理部23读取。然后，通过列处理部23对读取信号执行诸如AD转换处理的处理，并且将所获得的像素信号作为结果提供给信号处理部26。
像素信号是指示根据由N+半导体区域771-1检测的电子的电荷量(即，在FD 722A中累积的电荷量)的信号。换言之，还可以陈述像素信号是表示像素10接收的红外光量的信号。
注意，此时，与N+半导体区域771-1的情况类似，根据在N+半导体区域771-2中检测的电子的像素信号也可以适当地用于测距。
此外，通过垂直驱动部22经由触点将电压施加至两个P+半导体区域73，使得在随后的定时生成与在半导体基板41内部生成的电场方向相反的方向的电场，直到那时为止。具体地，1.5V的电压施加至P+半导体区域773-2，并且0V的电压施加至P+半导体区域773-1。
以这种方式，在半导体基板41中的两个P+半导体区域773之间生成电场，并且电流从P+半导体区域773-2流到P+半导体区域773-1。
如果在该状态下红外光(反射光)经由片上透镜47从半导体基板41的外部入射至半导体基板41的内部，并且红外光在半导体基板41内部被光电转换成电子和空穴对，则所获得的电子通过P+半导体区域773之间的电场沿到达P+半导体区域773-2的方向引导，并且移动至N+半导体区域771-2的内部。
以这种方式，根据已经移动至N+半导体区域771-2内部的电子的电荷积累在N+半导体区域771-2中，并且电荷经由FD 722B、放大晶体管724B、垂直信号线29B等由列处理部23检测。
换言之，积累在N+半导体区域771-2中的电荷被转移至直接连接至N+半导体区域771-2的FD 722B，并且根据转移至FD 722B的电荷的信号经由放大晶体管724B和垂直信号线29B由列处理部23读取。然后，通过列处理部23对读取信号执行诸如AD转换处理的处理，并且将所获得的像素信号作为结果提供给信号处理部26。
注意，此时，与N+半导体区域771-2的情况类似，根据在N+半导体区域771-1中检测的电子的像素信号也可以适当地用于测距。
如果以这种方式通过相同的像素10获得在相互不同的周期中通过光电转换获得的像素信号，则信号处理部26可以基于像素信号计算到物体的距离。
通过由作为如上所述配置的CAPD像素的像素10中的SiGe区域或Ge区域形成半导体基板41，可以提高近红外光的量子效率并提高传感器灵敏度。
<21.测距模块的配置示例>
图34是示出了使用上述光接收元件1输出测距信息的测距模块的配置示例的框图。
测距模块500包括光发射部511、光发射控制部512和光接收部513。
光发射部511包括发射具有预定波长的光的光源，并用亮度周期性变化的照射光照射物体。例如，光发射部511包括发光二极管，该发光二极管发射波长等于或大于780nm的红外光作为光源并且与从光发射控制部512提供的矩形波的发光控制信号CLKp同步地生成照射光。
注意，发光控制信号CLKp不限于矩形波，只要其是周期信号即可。例如，发光控制信号CLKp可以是正弦波。
光发射控制部512向光发射部511和光接收部513提供发光控制信号CLKp，并且控制照射光的照射定时。发光控制信号CLKp的频率例如是20兆赫(MHz)。注意，发光控制信号CLKp的频率不限于20兆赫，并且可以是5兆赫、100兆赫等。
光接收部513接收从物体反射的反射光，根据光接收的结果计算每个像素的距离信息，并且生成和输出深度图像，在该深度图像中，与到物体(对象)的距离相对应的深度值被存储为像素值。
在光接收部513中使用具有前述间接ToF方案(栅极方案或CAPD方案)的像素结构的光接收元件1或具有SPDAD像素的像素结构的光接收元件1。例如，作为光接收部513的光接收元件1根据与分配给像素阵列部21的像素10的浮置扩散区域FD1或FD2的电荷对应的像素信号，基于发光控制信号CLKp计算每个像素的距离信息。
如上所述，可以将具有前述间接ToF方案的像素结构或直接ToF方案的像素结构的光接收元件1并入为获得并输出关于到物体的距离的信息的测距模块500的光接收部513。因此，可以提高传感器灵敏度并提高测距模块500的测距特性。
<22.电子装置的配置示例>
要注意的是，如上所述，光接收元件1可应用于测距模块，并且还可应用于各种电子装置，例如，成像设备，例如，配备有测距功能的数字静态照相机和数字摄像机，以及配备有测距功能的智能电话。
图35是示出作为应用本技术的电子装置的智能电话的配置示例的框图。
如图35所示，智能电话601被配置为使得测距模块602、成像设备603、显示604、扬声器605、麦克风606、通信模块607、传感器单元608、触摸面板609以及控制单元610经由总线611彼此连接。此外，控制单元610通过使CPU执行程序而具有作为应用处理部621和操作***处理部622的功能。
图34中所示的测距模块500被应用于测距模块602。例如，测距模块602设置在智能电话601的正面，并且可以通过对智能电话601的用户执行测距来输出智能电话601的用户的面部、手、手指等的表面形状的深度值作为测距结果。
成像设备603被布置在智能电话601的正面，并且通过将用户成像为对象来获取捕获智能电话601的用户的图像。要注意的是，虽然在附图中未显示，但是可采用在智能电话601的背面也设置成像设备603的配置。
显示604显示用于执行应用处理部621和操作***处理部622的处理的操作画面、由成像设备603捕捉的图像等。当使用智能电话601进行通话时，扬声器605和麦克风606执行(例如)输出来自对方的声音和收集用户的声音。
通信模块607通过诸如因特网的通信网络、公共电话网络、诸如所谓的4G线和5G线的用于无线移动设备的广域通信网络、广域网(WAN)和局域网(LAN)、诸如蓝牙(注册商标)和近场通信(NFC)的短距离无线通信等执行网络通信。传感器单元608感测速度、加速度、接近度等，并且触摸面板609获得用户在显示604上显示的操作屏幕上的触摸操作。
应用处理部621进行用于通过智能电话601提供各种服务的处理。例如，应用处理部621可以通过基于从测距模块602提供的深度值虚拟再现用户的面部表情的计算机图形来创建面部，并且可以执行用于在显示604上显示该面部的处理。此外，应用处理部621可以执行基于从测距模块602提供的深度值创建例如任意三维物体的三维形状数据的处理。
操作***处理部622进行用于实现智能电话601的基本功能和操作的处理。例如，操作***处理部622可基于从测距模块602提供的深度值执行用于认证用户的面部并解锁智能电话601的处理。此外，例如，操作***处理部622可基于从测距模块602提供的深度值执行用于识别用户手势的处理，并且可执行用于根据该手势输入各种操作的处理。
在以这种方式配置的智能电话601中，应用上述测距模块500作为测距模块602，因此，例如，可以执行用于测量和显示到预定物体的距离或者创建和显示预定物体的三维形状数据等的处理。
<23.应用于移动体的示例>
根据本公开的技术(本技术)可应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可实现为装配在任何类型的移动体中的装置，诸如，汽车、电动车辆、混合电动车辆、摩托车、自行车、个人移动装置、飞机、无人机、船舶、以及机器人。
图36是示出了车辆控制***的示意性配置示例的框图，车辆控制***是可以应用根据本公开的技术的移动体控制***的示例。
车辆控制***12000包括经由通信网络12001连接至其的多个电子控制单元。在图36所示的例子中，车辆控制***12000包括驱动***控制单元12010、车身***控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040以及集成控制单元12050。此外，作为集成控制单元12050的功能配置，示出了微型计算机12051、音频/图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053。
驱动***控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动***相关的装置的操作。例如，驱动***控制部12010作为生成内燃机或驱动电动机等车辆的驱动力的驱动力生成部、向车轮传递驱动力的驱动力传递机构、调整车辆的转向角的转向机构、生成车辆的制动力的制动装置等控制装置发挥功能。
车身***控制单元12020根据各种程序来控制安装在车身中的各种装置的操作。例如，车身***控制单元12020用作无钥匙进入***、智能钥匙***、电动车窗装置或诸如前照灯、后灯、制动灯、转向信号和雾灯的各种灯的控制装置。在这种情况下，从替代按键的便携式装置发送的无线电波或各种开关的信号可以被输入到车身***控制单元12020。车身***控制单元12020接收无线电波或信号的输入并且控制车门锁定装置、电动车窗装置和车辆的灯。
车外信息检测单元12030检测搭载有车辆控制***12000的车外的信息。例如，成像部12031与车外信息检测单元12030连接。车外信息检测单元12030使得成像部12031捕获车辆外部的图像并接收捕获的图像。另外，车外信息检测单元12030也可以基于接收到的图像，对道路上的人、汽车、障碍物、标志、文字等进行物体检测处理或距离检测处理。
成像部12031是接收光并根据所接收的光量输出电信号的光学传感器。成像部12031还可以输出电信号作为图像或测距信息。另外，由成像部12031接收的光可以是可见光或诸如红外光的不可见光。
车内信息检测单元12040检测车内的信息。例如，车内信息检测单元12040连接有检测驾驶员状态的驾驶员状态检测部12041。驾驶员状态检测部12041包括例如拍摄驾驶员的图像的摄像机，并且车内信息检测单元12040可以基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息计算驾驶员的疲劳度或集中度或者可以确定驾驶员是否打瞌睡。
微型计算机12051可以根据由车内外的车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040取得的信息，计算出驱动力生成装置、转向机构或制动装置的控制目标值，并向驱动***控制单元12010输出控制指令。例如，微型计算机12051可以执行用于实现ADAS(高级驾驶员辅助***)功能的协作控制，包括在行驶之后实现基于车间距离、车速维持行驶、车辆碰撞警告和车辆车道偏离警告，车辆碰撞避免、冲击减轻。
另外，微型计算机12051根据由车外信息检测单元12030或者车内信息检测单元12040取得的车辆周边的信息，对驱动力生成装置、转向机构或者制动装置等进行控制，由此能够进行与驾驶者的操作无关地进行自动行驶的自动驾驶等的协调控制。
另外，微型计算机12051可以根据由车外信息检测单元12030获取的车外信息，将控制指令输出到车身***控制单元12020。例如，微型计算机12051可以通过根据由车外信息检测单元12030检测到的前面车辆或对面车辆的位置控制前照灯，来执行用于防止眩光的协作控制，例如从远光切换到近光。
声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一个的输出信号发送到能够视觉地或听觉地向乘客或车辆外部通知信息的输出装置。在图36的示例中，音频扬声器12061、显示部12062和仪表盘12063被示为输出设备的示例。例如，显示部12062可包括板上显示器和平视显示器中的至少一个。
图37是示出成像部12031的安装位置的示例的图示。
在图37中，车辆12100包括成像部12101、12102、12103、12104和12105作为成像部12031。
成像部12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100的车辆内部中的诸如前鼻、侧视镜、后保险杠、后门、以及挡风玻璃的上部的位置处。设置在车辆内部中的前鼻部上的成像部12101和设置在挡风玻璃的上部中的成像部12105主要获取车辆12100的前方的图像。设置在侧视镜上的成像部12102和12103主要获取车辆12100的侧边的图像。设置在后保险杠或后门上的成像部12104主要获取车辆12100的后部的图像。通过成像部12101和12105获取的前视图图像主要用于前方车辆、行人、障碍物、交通灯、交通标志、车道等的检测。
图37示出了成像部12101至12104的成像范围的示例。成像范围12111指示设置在前鼻处的成像部12101的成像范围，成像范围12112和12113分别指示设置在侧视镜处的成像部12102和12103的成像范围，成像范围12114指示设置在后保险杠或后门处的成像部12104的成像范围。例如，通过重叠由成像部12101至12104拍摄到的图像数据，能够获得从车辆12100的上侧观察到的俯瞰图像。
成像部12101至12104中的至少一个可以具有用于获得距离信息的功能。例如，成像部12101至12104中的至少一个可以是由多个成像元件构成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的成像元件。
例如，微型计算机12051可以通过基于从成像部12101至12104获得的距离信息获取在成像范围12111至12114内到每个三维物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，来特别地提取车辆12100行进通过的路径上的最近的三维物体(即，在与车辆12100大致相同的方向上以预定速度(例如，0km/h或更高)行进的三维物体)作为前面车辆。另外，微型计算机12051可以在前行车辆的前方预先设定要确保的车间距离，并且可以执行自动制动控制(也包括跟随停止控制)或自动加速控制(也包括跟随起动控制)。这可以执行协作控制，以用于例如自动驾驶的目的，其中车辆不需要驾驶员的操作而自动行驶。
例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息将与三维物体有关的三维数据分类并提取为二轮车、普通车辆、大型车辆、行人和其他三维物体(诸如电线杆)，并且可以使用该三维数据来执行障碍物的自动躲避。例如，微型计算机12051将车辆12100的周围障碍物区分成车辆12100的驾驶员能够看到的障碍物和难以看到的障碍物。然后，微型计算机12051判断表示与各障碍物碰撞的风险的程度的碰撞风险，当碰撞风险等于或高于设定值且存在碰撞的可能性时，通过音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警报，通过驱动***控制单元12010执行强制减速或躲避转向，因而可以进行用于碰撞躲避的驾驶支持。
成像部12101至12104中的至少一个可以是检测红外线的红外相机。例如，微型计算机12051可通过确定在成像部12101至12104的捕获图像中是否存在行人来识别行人。这样的行人识别通过例如提取作为红外照相机的成像部12101至12104的捕获图像中的特征点的过程和对表示物体的轮廓的一系列特征点执行图案匹配处理以确定物体是否是行人的过程来执行。当微型计算机12051确定在成像部12101到12104的捕获图像中存在行人且识别到行人时，音频/图像输出部12052控制显示部12062，使得用于强调的正方形轮廓线与识别到的行人重叠并显示。另外，音频/图像输出部12052可以控制显示部12062，使得在期望位置处显示指示行人等的图标。
上面已经描述了可以应用根据本公开的技术的车辆控制***的示例。根据本公开的技术可以应用于上述组件中的车外信息检测单元12030和成像部12031。具体地，光接收元件1或测距模块500可以应用于车外信息检测单元12030和成像部12031的距离检测处理块。通过将根据本公开的技术应用于车外信息检测单元12030和成像部12031，可以高精度地测量与路面上的物体(例如人、车辆、障碍物、标志或字符)的距离，并且可以通过使用所获得的距离信息来减少驾驶员对驾驶员和车辆的疲劳并且提高驾驶员和车辆的安全水平。
本技术的实施方式不限于上述实施方式，并且在不背离本技术的主旨的情况下，可以做出各种变化。
此外，在上述光接收元件1中，已经描述了电子用作信号载流子的示例，但是通过光电转换生成的空穴可以用作信号载流子。
例如，可以采用其中组合所有实施例或一些实施例用于上述光接收元件1的模式。
本说明书中描述的有益效果仅是示例性的并且不受限制，并且可以实现本说明书中描述的有益效果的其他有益效果。
本技术可以如下配置。
(1)
一种光接收元件，包括：像素阵列区域，其中，包括光电转换区域的像素以矩阵形状排列，其中，其上形成所述像素阵列区域的第一半导体基板上的每个像素的所述光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成。
(2)
根据(1)所述的光接收元件，其中，所述第一半导体基板上的每个像素的所述光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成，并且所述第一半导体基板上的每个像素的所述光电转换区域之外的区域由Si区域形成。
(3)
根据(1)或(2)所述的光接收元件，其中所述像素至少包括用作所述光电转换区域的光电二极管和转移由所述光电二极管生成的电荷的转移晶体管，并且在所述转移晶体管的栅极下方的所述第一半导体基板上的每个像素的区域也由所述SiGe区域或所述Ge区域形成。
(4)
根据(1)至(3)中任一项所述的光接收元件，其中，所述第一半导体基板上的所述整个像素阵列区域由所述SiGe区域或所述Ge区域形成。
(5)
根据(3)或(4)所述的光接收元件，其中，所述像素至少包括用作所述光电转换区域的光电二极管、转移由所述光电二极管生成的电荷的转移晶体管、以及临时保持所述电荷的电荷保持部，并且所述电荷保持部由所述SiGe区域或所述Ge区域上的Si区域形成。
(6)
根据(1)至(5)中任一项所述的光接收元件，其中，所述SiGe区域或所述Ge区域中的Ge浓度根据所述第一半导体基板的深度而不同
(7)
根据(6)所述的光接收元件，其中在光入射面侧的所述第一半导体基板中的Ge浓度高于所述第一半导体基板的像素晶体管形成表面中的Ge浓度。
(8)
根据(1)至(7)中任一项所述的光接收元件，其中，第一半导体基板包括像素阵列区域和包括用于每个像素的控制电路的逻辑电路区域。
(9)
根据(1)至(8)中任一项所述的光接收元件，进一步包括：第二半导体基板，在所述第二半导体基板上形成包括用于每个像素的控制电路的逻辑电路区域，其中，所述光接收元件通过层压所述第一半导体基板和所述第二半导体基板来配置。
(10)
根据(1)至(9)中任一项所述的光接收元件，其中所述光接收元件是门方案的间接ToF传感器。
(11)
根据(1)至(9)中任一项所述的光接收元件，其中所述光接收元件是CAPD方案的间接ToF传感器。
(12)
根据(1)至(9)中任一项所述的光接收元件，其中，所述光接收元件是在所述像素中包括SPAD的直接ToF传感器。
(13)
根据(1)至(9)中任一项所述的光接收元件，其中，所述光接收元件是其中所有像素是接收红外光的像素的IR成像传感器。
(14)
根据(1)至(9)中任一项所述的光接收元件，其中，所述光接收元件是RGBIR成像传感器，所述RGBIR成像传感器包括接收红外光的像素和接收RGB光的像素。
(15)
一种光接收元件的制造方法，包括：在半导体基板上形成像素阵列区域中的每个像素的至少光电转换区域作为SiGe区域或Ge区域。
(16)
根据(15)所述的光接收元件的制造方法，其中通过在Si区域中注入Ge离子来形成所述SiGe区域或所述Ge区域。
(17)
根据(15)所述的光接收元件的制造方法，其中，在所述半导体基板上通过在去除所述Si区域的区域中外延生长来形成所述SiGe区域或所述Ge区域。
(18)
根据(15)至(17)中任一项所述的光接收元件的制造方法，其中在所述半导体基板上的所述SiGe区域或所述Ge区域上形成充当电荷保持部的Si层。
(19)
根据(15)至(18)中任一项所述的光接收元件的制造方法，其中所述光接收元件被形成为使得所述SiGe区域或所述Ge区域中的Ge浓度根据所述半导体基板的深度而不同。
(20)
一种电子装置，包括：预定发光源；以及光接收元件，所述光接收元件包括像素阵列区域，在所述像素阵列区域中包括光电转换区域的像素以矩阵形状排列，其上形成所述像素阵列区域的第一半导体基板上的每个像素的所述光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成。
[参考标号列表]
1 光接收元件
10 像素
PD 光电二极管
TRG 转移晶体管
21 像素阵列部
41半导体基板(第一基板)
42 多层配线层
50 P型半导体区域
52 N型半导体区域
111 像素阵列区域
141半导体基板(第二基板)
201像素电路
202ADC(AD转换器)
351 氧化膜
371 MIM电容器元件
381 第一彩色滤光片层
382 第二彩色滤光片层
441 N阱区域
442 P型扩散层
500 测距模块
511 光发射部
512 光发射控制部
513 光接收部
601 智能电话
602 测距模块。

Claims (20)

1.一种光接收元件，包括：
像素阵列区域，在所述像素阵列区域中，包括光电转换区域的像素以矩阵形状排列，
其中，第一半导体基板的每个像素的所述光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成，其中，所述像素阵列区域形成在所述第一半导体基板上。
2.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述第一半导体基板的每个像素的所述光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成，并且所述第一半导体基板上的每个像素的所述光电转换区域之外的区域由Si区域形成。
3.根据权利要求1所述的光接收元件，
其中，所述像素至少包括用作所述光电转换区域的光电二极管和转移由所述光电二极管产生的电荷的转移晶体管，以及
所述第一半导体基板的每个像素的所述转移晶体管的栅极下方的区域也由所述SiGe区域或所述Ge区域形成。
4.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述第一半导体基板的整个像素阵列区域由所述SiGe区域或所述Ge区域形成。
5.根据权利要求3所述的光接收元件，
其中，所述像素至少包括用作所述光电转换区域的光电二极管、转移由所述光电二极管生成的电荷的转移晶体管、以及临时保持所述电荷的电荷保持部，并且
所述电荷保持部是在所述SiGe区域或所述Ge区域之上由Si区域形成。
6.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述SiGe区域或所述Ge区域中的Ge浓度根据所述第一半导体基板的深度而不同。
7.根据权利要求6所述的光接收元件，其中，所述第一半导体基板的光入射表面侧的Ge浓度高于所述第一半导体基板的像素晶体管形成表面的Ge浓度。
8.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述第一半导体基板包括所述像素阵列区域和逻辑电路区域，所述逻辑电路区域包括每个像素的控制电路。
9.根据权利要求1所述的光接收元件，进一步包括：
第二半导体基板，在所述第二半导体基板上形成包括用于每个像素的控制电路的逻辑电路区域，
其中，通过层压所述第一半导体基板和所述第二半导体基板来构成所述光接收元件。
10.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述光接收元件是门方案的间接ToF传感器。
11.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述光接收元件是CAPD方案的间接ToF传感器。
12.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述光接收元件是在所述像素中包括SPAD的直接ToF传感器。
13.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述光接收元件是其中所有所述像素是接收红外光的像素的IR成像传感器。
14.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述光接收元件是RGBIR成像传感器，所述RGBIR成像传感器包括接收红外光的像素和接收RGB光的像素。
15.一种光接收元件的制造方法，包括：
通过SiGe区域或Ge区域至少形成半导体基板的像素阵列区域中的每个像素的光电转换区域。
16.根据权利要求15所述的光接收元件的制造方法，其中，通过在Si区域中注入Ge离子形成所述SiGe区域或所述Ge区域。
17.根据权利要求15所述的光接收元件的制造方法，其中，在所述半导体基板的去除了Si区域的区域中，通过外延生长形成所述SiGe区域或所述Ge区域。
18.根据权利要求15所述的光接收元件的制造方法，其中，在所述半导体基板上的所述SiGe区域或所述Ge区域上形成用作电荷保持部的Si层。
19.根据权利要求15所述的光接收元件的制造方法，其中，所述光接收元件被形成为所述SiGe区域或所述Ge区域的Ge浓度根据所述半导体基板的深度而不同。
20.一种电子装置，包括：
光接收元件，包括像素阵列区域，在所述像素阵列区域中包括光电转换区域的像素以矩阵形状排列，其中，第一半导体基板的每个像素的所述光电转换区域由SiGe区域或Ge区域形成，其中，所述像素阵列区域形成在所述第一半导体基板上。
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