JP7379117B2 - 光電変換装置及び光電変換システム - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換装置及び光電変換システムに関する。
アバランシェ増倍することにより信号を検出するアバランシェダイオードを用いた光電変換装置が知られている。特許文献１には、埋込電極を用いることにより、半導体基板の深部で生じた電荷を検出する迄に要する時間を短縮可能な技術が開示されている。
特開２０１８－１９０４０号公報
特許文献１の光電変換装置は、アバランシェダイオードを用いる光電変換装置においては、アバランシェダイオードのＰＮ接合間にアバランシェ増倍が生じる程度の強い電界を形成している。特許文献１の光電変換装置では、強電界を形成するために、アバランシェダイオードのアノードに印加する電位とカソードに印加する電位との間には大きな電位差が必要となる。特許文献１は、ＰＮ接合間にアバランシェ電流が流れるため、大きな消費電力を要する。
本発明の一形態に係る光電変換装置は、第１面と、前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、前記半導体基板内に配された信号キャリアと同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記半導体基板内に配された第２導電型の第２半導体領域と、前記半導体基板内に配され、前記第１面から前記第２面に向かう深さ方向に配された埋込電極と、前記第２半導体領域および前記第１半導体領域と、前記埋込電極と、の間に配された絶縁部材と、を備え、前記埋込電極の最も深い部分は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とのＰＮ接合面よりも深くに位置し、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の電位差は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間でアバランシェ増倍が生じない電位差であり、前記埋込電極と前記第２半導体領域との間の電位差は、前記埋込電極と前記第２半導体領域との間でアバランシェ増倍が生じる電位差となっている。
本発明の一形態に係る光電変換装置は、第１面と、前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、前記半導体基板内に配され、信号キャリアと同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記半導体基板内に配された第２導電型の第２半導体領域と、前記半導体基板内に配され、前記第１面から前記第２面に向かう深さ方向に配された埋込電極と、前記第２半導体領域と前記埋込電極との間に配された絶縁部材と、を備え、前記埋込電極と前記第２半導体領域との間にはアバランシェ増倍領域が形成され、前記アバランシェ増倍領域と前記第１半導体領域とが接しており、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の電位差は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間でアバランシェ増倍が生じない電位差である。
本発明の光電変換装置によれば、消費電力を抑えることが可能となる。
実施の形態１に係る光電変換装置の一部の一例のシステム図 実施の形態１に係る光電変換装置の光電変換ユニットの一例の回路図 実施の形態１に係る光電変換装置の光電変換部の平面図 実施の形態１に係る光電変換装置の光電変換部の断面図 実施の形態１に係る光電変換装置の光電変換部のポテンシャル図 実施の形態２に係る別の光電変換装置の光電変換ユニットの断面図 実施の形態２に係る別の光電変換装置の光電変換部のポテンシャル図 実施の形態３に係る別の光電変換装置の光電変換部の平面図 実施の形態３に係る別の光電変換装置の光電変換部の断面図 実施の形態４に係る別の光電変換装置の光電変換部の断面図 実施の形態５に係る別の光電変換装置の光電変換部の平面図 実施の形態５に係る別の光電変換装置の光電変換部の断面図 実施の形態６に係る光電変換装置の断面図 実施の形態７に係る光電変換システムの一例 実施の形態８に係る光電変換システムの一例 実施の形態８に係る光電変換システムの一例
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお以下の実施の形態は、いずれも本発明の一例を示すのであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、本発明を限定するものではない。また、以下で説明する図面において、同じ機能を有するものは同一の符号を付し、その説明を省略、又は簡潔にすることもある。
本発明は、以下の実施の形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施の形態の一部の構成を他の実施の形態に追加した例や、他の実施の形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施の形態である。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な態様で実施することができる。
以下の説明では、信号キャリアと同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の半導体領域がＮ型半導体領域であり、第２導電型の半導体領域がＰ型半導体領域である。つまり、信号キャリアが電子である。そして、光電変換部の陽極がＮ型、陰極がＰ型である。なお、極性及び導電型が全て逆であってもよい。つまり、信号キャリアが正孔であり、第１導電型の半導体領域がＰ型半導体領域、第２導電型の半導体領域がＮ型半導体領域であってもよい。そして、光電変換部の陽極がＰ型、陰極がＮ型であってもよい。この場合は、電圧の関係も逆転する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る光電変換装置の概略を示すシステム図である。光電変換装置１０１は、ユニットアレイ部１０３と、ユニットアレイ部１０３の駆動を制御する回路を含む駆動回路部を有する。ユニットアレイ部１０３は、第１の方向および第１の方向に交差する第２の方向に配置された複数の光電変換ユニット１０２を有し、光電変換ユニット１０２は後述する光電変換部を有する。第１の方向とは、例えば、行方向であり、第２の方向とは例えば列方向である。光電変換装置が撮像装置として用いられる場合は、光電変換ユニット１０２は画素を構成し得る。
駆動回路部は、垂直走査回路１０４、列回路１０５、水平走査回路１０６、出力回路１０７を有する。ユニットアレイ部１０３において、第１の方向に沿って、第１走査線１０８が、ユニット行ごとに配されている。また、第２の方向に沿って、信号線１０９が、ユニット列ごとに配されている。
第１走査線１０８は、垂直走査回路１０４において、対応する行の出力端に接続されている。また、信号線１０９は、列回路１０５の入力端に接続されている。図１では駆動回路部は、ユニットアレイ部１０３の周辺に配置されている。しかしながら、駆動回路部の配置位置はこれに限定されない。例えば、光電変換装置が積層型の光電変換装置である場合は、平面視で光電変換ユニットに重なる領域に駆動回路部が配されていてもよい。なお、本明細書において平面とは、光電変換部を含む基板の光入射面と平行な面を、光入射面と平行な面の法線方向から視る面を指す。
光電変換ユニット１０２は、光を電気信号に変換し、信号線１０９を介して、その電気信号を列回路１０５に出力する。
垂直走査回路１０４は、光電変換ユニット１０２が電気信号を出力する際、第１走査線１０８に、行選択信号を供給する。
列回路１０５は、光電変換ユニット１０２から入力される電気信号に対して、所定の処理（例えば、ノイズ除去や信号増幅）を行った後、出力回路１０７へ信号を出力する。
水平走査回路１０６は、列回路１０５で処理された信号を、出力回路１０７へ順次出力するための制御信号を、列回路１０５に供給する。
出力回路１０７は、列回路１０５から出力された信号を、光電変換装置１０１の外部の記録部、または信号処理部に出力する。
図２は、光電変換装置１０１が有する光電変換ユニット１０２の回路図である。図２に示すように、光電変換ユニット１０２は、光電変換部２０１、第１制御部２０２、第２制御部２０３、波形整形部２０４、カウンタ回路２０５、選択回路２０６を有する。
光電変換部２０１には、第１制御部２０２を介して第１配線２０７から第１電圧Ｖｄｄが供給されている。光電変換部２０１には、第２配線２０８から第２電圧Ｖｌｏｗが供給されている。光電変換部２０１は、図３に示す埋込電極を有している。埋込電極には、第２制御部２０３を介して第３配線２０９から第３電圧Ｖｈｉｇｈが供給されている。第１電圧Ｖｄｄ、第２電圧Ｖｌｏｗ、第３電圧Ｖｈｉｇｈは、第３電圧Ｖｈｉｇｈ、第１電圧Ｖｄｄ、第２電圧Ｖｌｏｗの順に電圧が低くなるように設定されている。第１電圧Ｖｄｄは、第１電圧Ｖｄｄと第２電圧Ｖｌｏｗとの電位差が、第２電圧Ｖｌｏｗと第３電圧Ｖｈｉｇｈとの電位差よりも小さくなるように設定される。第３電圧Ｖｈｉｇｈは、光電変換部２０１と埋込電極との間にアバランシェ増倍領域Ｒができるように設定される。
光電変換部２０１は、アバランシェダイオード（ＡＤ）により構成することができる。ここで、ＡＤには、Ｌｉｎｅａｒ ｍｏｄｅでアバランシェ増倍するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）又はＧｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅでアバランシェ増倍するシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のいずれを用いてもよい。好ましくは、ＳＰＡＤを用いる。以下では、ＳＰＡＤを例にして説明する。
光電変換部２０１へ入射した光により光電変換部２０１で生成された信号キャリアは、アバランシェ増倍領域Ｒで加速され、アバランシェ増倍される。これにより、光電変換部２０１の陽極の電位が下がる。アバランシェ増倍によって発生した電流は、第１制御部２０２と波形整形部２０４と光電変換部２０１との接続ノードを介して第２配線２０８へと流れる。
第１制御部２０２は、第１配線２０７と光電変換部２０１とに接続されている。第１制御部２０２は、例えば、ＰＭＯＳトランジスタにより構成されるクエンチ回路等の負荷回路である。第１制御部２０２は、光電変換部２０１と第１制御部２０２との接続ノードを流れる電流に応じて、接続ノードの電位を第１電圧Ｖｄｄに戻すよう制御している。具体的には、アバランシェ増倍領域でアバランシェ増倍が生じ、陽極の電位が下がり、接続ノードの電位が第１電圧Ｖｄｄよりも低くなる。所定の閾値を超えると、第１制御部２０２を介して、光電変換部２０１の陽極に第１電圧Ｖｄｄが印加される。
波形整形部２０４は、光電変換部２０１の陽極の電位に応じて波形を整形する。具体的には、接続ノードの電位が波形整形部２０４に入力される。波形整形部２０４は、波形整形部２０４の閾値を超えるか超えないかによってデジタル信号を出力し、カウンタ回路２０５へ入力する。波形整形部２０４は、例えば、インバータ回路により構成される。
第２制御部２０３は、第３配線２０９と光電変換部２０１とに接続されており、光電変換部２０１が有する埋込電極に、所定の電圧を供給する。第２制御部２０３には、接続ノードの電位が入力されるように構成されていてもよい。第１制御部２０２で接続ノードの電位を第１電圧Ｖｄｄにすることができないことが生じる可能性がある。つまり、接続ノードの電位が、波形整形部２０４の閾値を超えたまま閾値よりも高い状態に戻らない可能性がある。この場合でも、接続ノードの電位を第２制御部２０３に入力することにより、第２制御部２０３が埋込電極に印加する電圧を制御することが可能となる。
具体的には、入力される電位が閾値を超える場合には、第２制御部２０３は、光電変換部２０１に印加する電圧を光電変換部２０１でアバランシェ増倍領域Ｒが形成されない電圧とする。例えば、第１電圧Ｖｄｄと同じ電圧を印加するようにする。これにより、アバランシェ増倍が生じなくなり、接続ノードの電位は第１電圧Ｖｄｄに近づくように変化する。すると、接続ノードの電位は波形整形部２０４の閾値を超えない状態となり、波形整形部２０４で波形を整形することが可能となる。接続ノードの電位が閾値を超えない状態になると、第２制御部２０３は、第３配線２０９と光電変換部２０１とを電気的に接続する。そして、再びアバランシェ増倍領域Ｒが形成される状態へと戻すことが可能となる。このように、第２制御部２０３は、光電変換部２０１の埋込電極に印加する電圧を変えることが可能である。第２制御部２０３は、ＮＭＯＳトランジスタやスイッチにより構成することができる。
カウンタ回路２０５は、波形整形部２０４が出力する信号に基づいて、光電変換部２０１で発生した光子数をカウントする。カウンタ回路２０５は、選択回路２０６を介して信号線１０９に接続されている。
選択回路２０６は、第１走査線１０８を介して、行選択信号が供給され、カウンタ回路２０５と信号線１０９との間の電気的な接続と非接続とを切り替える。
図３は、光電変換部２０１の平面図である。埋込電極３０１の周囲に、絶縁部材３０２、Ｎ型半導体領域３０３（第１半導体領域）、Ｐ型半導体領域３０４、３０５が配されている。絶縁部材３０２は、平面視で、埋込電極３０１を取り囲んで配されている。埋込電極３０１は、第２制御部２０３に接続されている。Ｎ型半導体領域３０３は、光電変換部２０１の陽極であって、第１制御部２０２に接続されている。Ｐ型半導体領域３０４、３０５は、陰極であって、いずれも第２配線２０８に接続されている。
図３では、半導体基板においてコンタクトプラグが形成されている側の面（第１面）の平面視において、埋込電極３０１、絶縁部材３０２、Ｎ型半導体領域３０３の外周は、円形であるが、多角形であっても良い。また、Ｐ型半導体領域３０４、３０５の外周は、多角形であるが、円形であっても良い。
図４は、図３におけるＸ－Ｘ´の断面図である。以下では、半導体基板の第１面を上面とし、第１面に対向する第２面を下面とする。また、深さ方向とは、第１面から第２面に向かう方向をいう。半導体基板内にＮ型半導体領域３０３の下面が形成されている。Ｎ型半導体領域３０３の下部に、Ｐ型半導体領域４０１（第２半導体領域）が配されている。Ｐ型半導体領域４０１は、典型的には、ウェル領域である。Ｐ型半導体領域４０１は、平面視で、Ｎ型半導体領域３０３に重なっている。Ｐ型半導体領域４０１の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域３０４、３０５の不純物濃度よりも低い。
埋込電極３０１の最も深い部分（先端部）は、Ｎ型半導体領域３０３の下面よりも深い位置に形成されることが好ましいが、Ｎ型半導体領域３０３よりも浅い位置に形成されていてもよい。少なくとも、埋込電極３０１とＰ型半導体領域４０１との間で形成されるアバランシェ領域ＲとＮ型半導体領域３０３とが接するように配されていればよい。Ｎ型半導体領域３０３の下面よりも深い位置に先端部が形成されることにより、浅い位置に先端部が形成される場合に比べて、アバランシェ増倍した信号キャリアをＮ型半導体領域３０３に収集しやすくなる。同様の理由から、埋込電極３０１の最も深い部分は、Ｐ型半導体領域４０１とＮ型半導体領域３０３とのＰＮ接合面よりも深くに位置することが好ましい。つまり、半導体基板の第２面とＰＮ接合面との距離は、半導体基板の第２面と埋込電極３０１の最も深い部分との距離よりも長いことが好ましい。
Ｐ型半導体領域３０４（第３部分）は、第１面とＰ型半導体領域４０１との間に形成されている。Ｐ型半導体領域３０４は、第１面で発生する暗電子を抑制する。Ｐ型半導体領域３０４は、低濃度のＮ型半導体領域であっても良い。この場合、表面で発生した暗電子は、Ｎ型半導体領域３０３、３０４を介して、第１配線２０７に流れる。
Ｐ型半導体領域３０５は、隣り合う光電変換ユニットの光電変換部２０１間を分離する。Ｐ型半導体領域３０４の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域３０５の不純物濃度よりも低い。これにより、Ｎ型半導体領域３０３とＰ型半導体領域３０４との間で、意図せずアバランシェ増倍が生じることを抑制しやすくできる。
埋込電極３０１は、例えば、ポリシリコン等の半導体、金属、化合物半導体により構成することができる。また、絶縁部材３０２は、例えば、シリコン酸化膜により構成することができる。絶縁部材３０２は、埋込電極３０１とＰ型半導体領域４０１とでアバランシェ増倍を生じさせることができ、且つ、信号キャリアが絶縁部材３０２を通らない範囲の厚みを適宜設定することができる。第１面に平行な方向において、絶縁部材３０２の厚みは、埋込電極３０１よりも薄いことが好ましい。
アバランシェ電流の発生前は、Ｎ型半導体領域３０３、埋込電極３０１は、それぞれ、Ｖｄｄ２０７、Ｖｈｉｇｈ２０９と略等しい電圧に設定されている。Ｐ型半導体領域４０１とＮ型半導体領域３０３との間の電位差（以下、Ｖｐｎ）は、Ｖｐｎ＝Ｖｄｄ－Ｖｌｏｗであり、アバランシェ増倍が起きる閾値未満の電位差である。つまり、ＰＮ接合面では、アバランシェ増倍が生じる強電界領域（アバランシェ増倍領域Ｒ）が形成されないように、第１電圧Ｖｄｄと第２電圧Ｖｌｏｗとは設定されている。また、埋込電極３０１とＰ型半導体領域４０１との間の電位差（以下、Ｖｍｐ）は、Ｖｍｐ＝Ｖｈｉｇｈ－Ｖｌｏｗであり、アバランシェ増倍が起きる閾値以上の電位差である。
アバランシェ増倍領域Ｒと、Ｎ型半導体領域３０３とは接している。これにより、アバランシェ増倍領域Ｒで増倍された信号キャリアをＮ型半導体領域３０３へと流すことができる。Ｎ型半導体領域３０３は半導体基板の第１面の一部を構成している。これにより、Ｎ型半導体領域３０３とコンタクトプラグ半導体基板の第１面の一部を除去し、Ｎ型半導体領域３０３とＮ型半導体領域３０３から信号キャリアを読み出すコンタクトプラグとを容易に接続することができる。なお、半導体基板の第１面の一部を構成することは必須ではない。例えば、半導体基板の一部を除去してＮ型半導体領域３０３とコンタクトプラグとが接するように構成すれば信号キャリアを読み出すことは可能である。
光電変換部２０１に入射した光は、主に、Ｐ型半導体領域４０１で光電変換して信号キャリアが発生する。発生した信号キャリアは、図５に示されるポテンシャル勾配に沿って、埋込電極３０１に向かって移動する。そして、埋込電極３０１の近傍で形成されたアバランシェ増倍領域Ｒによって信号キャリアが加速され、アバランシェ増倍が起きてアバランシェ電流が発生する。このとき、発生したアバランシェ電流（以下、Ｉａｖ）は、Ｎ型半導体領域３０３とＰ型半導体領域４０１との間を流れる。ゆえに、アバランシェ電流が流れる際、その消費電力（以下、Ｐａｖ）は、Ｐａｖ＝Ｉａｖ・Ｖｐｎとなる。
図５において、Ｎ型半導体領域３０３のポテンシャルが絶縁部材３０２の近傍のポテンシャルよりも高くなっている。前述の通り、アバランシェ増倍が生じると、第２制御部が埋込電極３０１に印加する電位をアバランシェ増倍領域が形成されない電位へと変化させる。電位が変化すると、絶縁部材３０２の近傍のポテンシャルが高くなり、Ｎ型半導体領域３０３のポテンシャルの高さに近づく。このように、絶縁部材３０２の近傍のポテンシャルの高さを変えることにより、アバランシェ増倍領域Ｒでの電荷残りを抑制し、アバランシェ電流をＮ型半導体領域３０３へと効率よく流すことができる。なお、絶縁部材３０２の近傍のポテンシャルの高さを変えることは必須ではない。絶縁部材３０２の近傍のポテンシャルの高さを変えずとも、アバランシェ増倍が生じると、アバランシェ電流はＮ型半導体領域３０３へと流れる。したがって、絶縁部材３０２の近傍のポテンシャルの高さを変えずとも、消費電力低減の効果は得られる。
特許文献１に記載の光電変換装置を例として、Ｎ型半導体領域とＰ型半導体領域との界面でアバランシェ増倍が生じるように、Ｎ型半導体領域とＰ型半導体領域とに電圧を印加する場合について説明する。特許文献１に記載の光電変換装置では、ＰＮ接合間には、Ｖｐｎよりも十分大きい電位差が印加される。具体的には、ＰＮ接合間にはアバランシェ増倍が生じるような電位差が印加される。この場合は、ＰＮ接合間においてアバランシェ増倍を生じさせることになり、消費電力は本実施の形態よりも大きくなる。
一方で、本実施の形態によれば、ＰＮ接合間ではなく別の場所でアバランシェ増倍を生じさせ、ＰＮ接合間には強電界を生じさせずアバランシェ増倍を生じさせていない。これにより、特許文献１に記載の光電変換装置に比べて、消費電力を低減することができる。
光電変換部２０１へ入射する光は、半導体基板の第１面の側から入射してもよいし、第２面の側から入射してもよい。つまり、図４のＹからＹ´、または、Ｙ´からＹ、いずれの方向であっても良い。好ましくは、第２面の側から入射させる。これにより、入射光がコンタクトプラグや配線により遮られることを低減できる。
図５の（ａ）は、図４におけるＡ－Ａ´間、Ｃ－Ｃ´間のポテンシャル形状、（ｂ）は、Ｂ－Ｂ´間のポテンシャル形状を示している。図５の（ａ）、（ｂ）において、Ｐ型半導体領域４０１内のポテンシャルの傾きは、絶縁部材３０２の近傍で最大となり、最大電界強度はそれぞれＥ１、Ｅ２となる。ここで、埋込電極３０１の角部は、埋込電極３０１の側面等の平坦部に比べて、電界集中しやすい。したがって、埋込電極３０１の角部では電界強度が増大するため、Ｅ２＞Ｅ１である。このＥ１、Ｅ２によって、信号キャリアが加速され、アバランシェ増倍が起きる。
また、Ｐ型半導体領域４０１の表面電位（絶縁部材３０２と接する面における電位）は、それぞれΦｓ１、Φｓ２である。これらがフェルミ準位（ここでは、Ｖｈｉｇｈ）以上の電位となることで、Ｐ型半導体領域４０１と絶縁部材３０２の界面に反転層を形成する。反転層が形成されている場合は、反転層とＰ型半導体領域との間でアバランシェ増倍が生じる。ただし、必ずしも、反転層が形成されていなくても良い。
第１制御部２０２および第２制御部２０３は両方が配されている必要はなく、いずれか一方が配されていてもよい。また、第３配線２０９から供給される電圧を第２電圧Ｖｈｉｇｈで固定する場合は、第２制御部２０３を第１配線２０７に接続し、第２制御部２０３の電気的な接続を第１配線２０７と第３配線２０９とで切り替えてもよい。また、第１配線２０７とは異なる電圧が供給される第４配線を配し、第４配線と第１配線２０７とで電気的な接続を切り替えてもよい。
本実施の形態によれば、特許文献１に記載の光電変換装置に比べて消費電力を低減することができる。
（実施の形態２）
図６と図７を参照しながら、実施の形態２について説明する。本実施の形態は、埋込電極の最も深い部分（先端）近傍にＰ型半導体領域４０１の不純物濃度よりも不純物濃度の高いＰ型半導体領域６０１（第２部分）が配されている点で実施の形態１とは異なる。以下、実施の形態１と同様の構成は説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
図６は、本実施の形態における光電変換部２０１の断面図である。埋込電極３０１の先端近傍にＰ型半導体領域６０１が配されている。Ｐ型半導体領域６０１は、Ｎ型半導体領域３０３の下部に配されている。Ｐ型半導体領域６０１は、平面視でＮ型半導体領域３０３に重なって配されている。Ｐ型半導体領域６０１の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域６０１の不純物濃度よりも高い。ゆえに、埋込電極３０１とＰ型半導体領域６０１との間で形成される電界強度は、実施の形態１に比べて、高くなる。Ｐ型半導体領域６０１は、埋込電極３０１に沿って連続的に配されている。
図７の（ａ）は、図６におけるＡ－Ａ´間、Ｃ－Ｃ´間のポテンシャル形状、（ｂ）は、Ｂ－Ｂ´間のポテンシャル形状を示している。図７の（ａ）、（ｂ）において、Ｐ型半導体領域層６０１、及びＰ型半導体領域４０１内のポテンシャルの傾きは、絶縁部材の近傍で最大となり、最大電界強度はそれぞれＥ１´、Ｅ２´となる。ここで、埋込電極の角部は、側面の平坦部に比べて、電界集中の影響を受けやすい。つまり、Ｅ２´では電界強度が増大するため、Ｅ２´＞Ｅ１´である。また、実施の形態１におけるＥ１、Ｅ２と比較すれば、Ｅ１´＞Ｅ１、かつ、Ｅ２´＞Ｅ２である。したがって、Ｅ１´、Ｅ２´によって、電子が加速され、アバランシェ増倍が起きる。
また、Ｐ型半導体領域６０１の表面電位は、それぞれΦｓ１´、Φｓ２´であり、これらがフェルミ準位（ここでは、Ｖｈｉｇｈ）以上の電位となることで、Ｐ型半導体領域６０１と絶縁部材３０２の界面に反転層を形成する。ただし、必ずしも、反転層が形成されていなくても良い。
なお、図６では、Ｐ型半導体領域６０１の下部にＰ型半導体領域４０１を形成しているが、Ｐ型半導体領域４０１ではなくＮ型半導体領域３０３よりも不純物濃度の低いＮ型半導体領域を形成してもよい。
本実施の形態によれば、実施の形態１に比べて、より容易にアバランシェ増倍を起こすことが可能となり、各光電変換ユニット１０２における出力信号のばらつきを抑制し、安定的に光子を検出することが可能となる。
（実施の形態３）
図８と図９を参照しながら、実施の形態３について説明する。本実施の形態は、環状の埋込電極を有する構成である点、および、埋込電極が第１導電型の半導体領域で挟まれている点が実施の形態１と異なる。以下、実施の形態１と同様の構成は説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
図８は、光電変換部２０１の平面図である。Ｎ型半導体領域８０１を囲うように、絶縁部材８０３が配されている。また、絶縁部材８０３を囲うように、環状の埋込電極８０２が配されている。また、埋込電極８０２を囲うように絶縁部材８０３が配されている。また、絶縁部材８０３を囲うようにＮ型半導体領域８０４が配されている。また、Ｎ型半導体領域８０４を囲うようにＰ型半導体領域３０４が配されている。
Ｎ型半導体領域８０１は、第１制御部２０２に接続されている。埋込電極８０２は、第２制御部２０３に接続されている。Ｐ型半導体領域３０４は、第３配線に接続されている。
平面視において、Ｎ型半導体領域８０１と埋込電極８０２の外周は、円形であるが、多角形であっても良い。また、Ｎ型半導体領域８０４の外周は、多角形であるが、円形であっても良い。
図９は、図８におけるＸ－Ｘ´間の断面図である。Ｎ型半導体領域８０４の不純物濃度は、Ｎ型半導体領域８０１よりも低いため、埋込電極８０２とＮ型半導体領域８０４との間の電界は強くなりにくい。これによって、半導体基板の第１面の近傍で発生した暗電子が、アバランシェ増倍されにくくなる。
埋込電極８０２とＰ型半導体領域３０５との間の距離９０１は、実施の形態１に比べて、短い。ゆえに、Ｐ型半導体領域３０５の近傍で、光電変換によって発生した信号キャリアは、より短時間で、埋込電極８０２の近傍に形成されるアバランシェ増倍領域Ｒへ到達し、アバランシェ増倍を起こすことができる。ここで、Ａ－Ａ´、Ｂ－Ｂ´、Ｃ－Ｃ´間のポテンシャル形状は、それぞれ、実施の形態１の図５と実質的に同じ形状である。
本実施の形態の構成によれば、より高速に光子を検出することができるため、光電変換装置１０１をより高速に動作させることが可能となる。
（実施の形態４）
図１０を参照しながら、実施の形態４について説明する。本実施の形態は、埋込電極の先端近傍にＰ型半導体領域を有する構成である点が実施の形態３と異なる。以下、実施の形態３と同様の構成は説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
図１０は、本実施の形態における光電変換部２０１の断面図である。埋込電極８０２の先端近傍にＰ型半導体領域１００１が配されている。Ｐ型半導体領域１００１は、実施の形態２で説明したＰ型半導体領域６０１と同様の機能を有する。Ｐ型半導体領域１００１は、平面視で、Ｎ型半導体領域８０１に重なるように配されている。Ｐ型半導体領域１００１は、Ｎ型半導体領域８０１の下部に配されている。Ｐ型半導体領域１００１の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域４０１よりも濃い。ゆえに、埋込電極８０２とＰ型半導体領域１００１との間で形成される電界強度は、実施の形態３に比べて、大きくなる。ここで、Ａ－Ａ´、Ｂ－Ｂ´、Ｃ－Ｃ´間のポテンシャル形状は、それぞれ、実施の形態２の図７と実質的に同じ形状である。
なお、図１０では、Ｐ型半導体領域１００１の下部にＰ型半導体領域４０１を形成しているが、Ｐ型半導体領域４０１ではなくＮ型半導体領域３０３よりも不純物濃度の低いＮ型半導体領域を形成してもよい。
本実施の形態の構成によれば、実施の形態３に比べて、より容易にアバランシェ増倍を起こすことが可能となり、各画素１０２における出力信号のばらつきを抑制し、安定的に光子を検出することが可能となる。
（実施の形態５）
図１１と図１２を参照しながら、実施の形態５について説明する。本実施の形態は、半導体基板の第１面にＰ型半導体領域１１０２を有する点が実施の形態４と異なる。以下、実施の形態４と同様の構成は説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
図１１は、光電変換部２０１の平面図である。環状の埋込電極８０２を囲うように、Ｎ型半導体領域１１０１が配されている。また、Ｎ型半導体領域１１０１を囲うように、Ｐ型半導体領域１１０２が配されている。また、Ｐ型半導体領域１１０２を囲うように、Ｐ型半導体領域３０５が配されている。つまり、Ｐ型半導体領域１１０２は、Ｎ型半導体領域１１０１とＰ型半導体領域３０５との間に配されている。
平面視において、Ｎ型半導体領域１１０１の外周は、円形であるが、多角形であっても良い。また、Ｐ型半導体領域１１０２の外周は、多角形であるが、円形であっても良い。
図１２は、図１１におけるＸ－Ｘ´間の断面図である。Ｐ型半導体領域３０４（第３部分）は、第１面とＰ型半導体領域４０１との間に形成されている。Ｐ型半導体領域１１０２は、Ｐ型半導体領域３０５よりも不純物濃度が低く、且つ、Ｐ型半導体領域４０１よりも不純物濃度の高い。Ｐ型半導体領域１１０２は、実施の形態１で説明したＰ型半導体領域３０４と同様の機能を有する。つまり、Ｐ型半導体領域１１０２は、第１面で発生する暗電子を抑制する。Ｐ型半導体領域３０４が、Ｐ型半導体領域３０５とＮ型半導体領域１１０１との間に配されることにより、Ｎ型半導体領域１１０１とＰ型半導体領域３０５、１１０２との間で意図しない強電界領域が形成されることを防ぐことができる。ここで、Ａ－Ａ´、Ｂ－Ｂ´、Ｃ－Ｃ´間のポテンシャル形状は、それぞれ、実施の形態２の図７と実質的に同じ形状である。
本実施の形態の構成によれば、実施の形態４の効果に加えて、基板の第１面で発生する暗電子を抑制することができる。
（実施の形態６）
図１３を参照しながら、実施の形態６について説明する。本実施の形態は、第１基板に光電変換部２０１が配され、第２基板に波形整形部２０４が配され、第１基板１１１１と第２基板１１１２とが積層される点が実施の形態１と異なる。以下、実施の形態１と同様の構成は説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
図１３では、光電変換部２０１と波形整形部２０４とが異なる半導体基板に配されている。第１基板１１１１には、光電変換部２０１が複数配され、ここでは例として２つの光電変換部２０１が配された構成を示す。第２基板１１１２には、波形整形部２０４や、層間絶縁膜、配線１１０５が配される。ここでは、第２基板１１１２に、波形整形部２０４および配線１１０５が配される構成を示したが、その他の回路が配されていてもよい。例えば、カウンタ回路２０５、選択回路２０６、駆動回路部が第２基板１１１２に配されていてもよい。
光電変換部２０１は、裏面照射型の構成である。つまり、第１面側に配線や第２基板が配されており、第２面から第１面に向かう方向に光が入射する。このとき、光はマイクロレンズ１１０３、カラーフィルタ１１０４を通ってＰ型半導体領域４０１に入射する。
前述したようにＰ型半導体領域４０１で光電変換され、生じた電荷は、Ｐ型半導体領域４０１を通り、Ｐ型半導体領域４０１と埋込電極３０１とにより形成されるアバランシェ増倍領域Ｒに移動する。アバランシェ増倍領域Ｒでアバランシェ増倍が生じ、Ｎ型半導体領域３０３を通り、配線９に電流が流れる。
本実施の形態によれば、光電変換部２０１が配された第１基板１１１１と、異なる第２基板１１１２を積層している。そして積層した第２基板１１１２に、カウンタ回路２０５などの処理回路を配することによって、光電変換部２０１の開口率を高めることができるため、光検出効率を向上することが可能となる。
（実施の形態７）
図１４を参考にしながら、実施の形態７に示す光電変換システムの一例を説明する。図１４を用いて光電変換システムの一例である不可視光検出システムおよびＰＥＴ等の医療診断システムについて説明する。図１乃至図１３と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。なお、本実施の形態の光電変換ユニットは、図２の波形整形部２０４とカウンタ回路２０５の代わりにＴｉｍｅ Ｔｏ Ｄｉｄｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ（ＴＤＣ）を有する。ここでは、ＴＤＣをＴＤＣ２１０として説明する。
図１４は、不可視光検出システムの構成を説明するブロック図である。不可視光検出システムは、波長変換部１２０１、データ処理部１２０７を有し、光検出装置１０１０を複数有する。光検出装置１０１０は、実施の形態１乃至実施の形態６に示す光電変換装置である。
照射物１２００は、不可視光となる波長帯の光を照射する。波長変換部１２０１は、照射物１２００から照射された不可視光となる波長帯の光を受光し、可視光を照射する。波長変換部１２０１から照射された可視光が入射された光電変換部２０１は光電変換し、制御部２０２、ＴＤＣ２１０を介して、光検出装置１０１０は光電変換した信号キャリアに基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ２１１に保持する。複数の光検出装置１０１０は、一つの装置として形成されていてもよいし複数の装置が配列することで形成されてもよい。
複数の光検出装置１０１０のメモリ２１１で保持された複数のデジタル信号は、データ処理部１２０７によって信号処理が行われる。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像の合成処理を行う。
次に不可視光検出システムの具体的な例としてＰＥＴ等の医療診断システムの構成について説明する。
照射物１２００である被験者は、生体内から放射線対を放出する。波長変換部１２０１は、シンチレータを構成し、シンチレータは、被験者から放出された放射線対が入射すると可視光を照射する。シンチレータから照射された可視光が入射された光電変換部２０１は光電変換し、制御部２０２、ＴＤＣ２１０を介して、光検出装置１０１０は光電変換した電荷に基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ２１１に保持する。つまり、光検出装置１０１０は、被験者から放出された放射線対の到達時間を検出するために配され、シンチレータから照射された可視光を検出し、デジタル信号をメモリ２１１に保持する。
複数の光検出装置１０１０のメモリ２１１で保持されたデジタル信号は、データ処理部１２０７において信号処理される。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像を用いて画像再構成などの合成処理を行い、被験者の生体内の画像の形成を行う。
（実施の形態８）
図１５を参照しながら、実施の形態８の光電変換システムの一例を説明する。図１～図１３と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図１５では、光電変換システムの一例である距離検出システムについて説明する。なお、本施の形態の光電変換部２０１は、図５のカウンタ回路２０５の代わりにＴＤＣを有する。ここでは、ＴＤＣをＴＤＣ２１０として説明する。
図１５を用いて、本実施の形態の距離検出システムのブロック図の一例を説明する。距離検出システムは、光源制御部１３０１、発光部１３０２、光学部材１３０３、光検出装置１０１０、距離算出部１３０９を有している。光検出装置として、実施の形態１乃至実施の形態６のいずれか１つに記載の光電変換装置が用いられている。
光源制御部１３０１は発光部１３０２の駆動を制御する。発光部１３０２は、光源制御部１３０１から信号を受けた際に、撮影方向に対して短パルス（列）の光を照射する。発光部１３０２から照射された光は、被写体１３０４に反射する。反射光は光学部材１３０３を通して、光検出装置１０１０の光電変換部２０１で受光し、光電変換された電荷に基づく信号が波形整形部２０４を介してＴＤＣ２１０に入力される。
ＴＤＣ２１０は、光源制御部１３０１から得られる信号と、波形整形部２０４から入力された信号とを比較する。そして、発光部１３０２がパルス光を発光してから被写体１３０４を反射した反射光を受光するまでの時間を高精度にデジタル変換する。ＴＤＣ２１０から出力されたデジタル信号は、メモリ２１１に保持される。
距離算出部１３０９は、メモリ２１１に保持された複数回測定分のデジタル信号を元に、光検出装置から被写体までの距離（深さ）を算出する。この距離検出システムは例えば車載やスマートフォンに適用することができる。
（実施の形態９）
図１６を参照しながら、実施の形態９の光電変換システムの一例を説明する。図１６では、光電変換システムの一例として、車載カメラに関する光検出システムについて説明する。
光検出システム１０００は、光検出装置１０１０により取得した複数のデジタル信号に対し、画像処理を行う画像処理部１０３０を有する。光検出装置１０１０は、実施の形態１乃至実施の形態６のいずれかに記載の光電変換装置である。さらに、光検出システム１０００は、画像処理部１０３０により取得した複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部１０４０を有する。
また、光検出システム１０００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部１０５０と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部１０６０と、を有する。ここで、視差算出部１０４０や距離計測部は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離の少なくとも１つに関する情報である。
衝突判定部１０６０はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などによって実現されてもよい。さらに、これらの組合せによって実現されてもよい。
光検出システム１０００は車両情報取得装置１３１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光検出システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ１４１０と接続されている。
また、光検出システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置１４２０とも接続されている。例えば、衝突判定部１０６０の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ１４１０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１４２０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施の形態では車両の周囲、例えば前方または後方を光検出システム１０００で撮像する。図１６（Ｂ）に、車両前方を撮像する場合の光検出システムを示した。また、上記では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、光検出システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
１０１ 光電変換装置
１０２ 光電変換ユニット
１０３ ユニットアレイ
１０４ 垂直走査回路
１０５ 列回路
１０６ 水平走査回路
１０７ 出力回路
１０８ 第１走査線
１０９ 信号線
２０１ 光電変換部
２０２ 第１制御部
２０３ 第２制御部
２０４ 波形整形部
２０５ カウンタ回路
２０６ 選択回路
２０７ 第１配線
２０８ 第２配線
２０９ 第３配線
３０１ 埋込電極
３０２ 絶縁部材
３０３ Ｎ型半導体領域（第１半導体領域）
３０４ Ｐ型半導体領域
３０５ Ｐ型半導体領域
３０６ コンタクト部
４０１ Ｐ型半導体領域（第２半導体領域）
６０１ Ｐ型半導体領域
８０１ Ｎ型半導体領域
８０２ 埋込電極
８０３ 絶縁部材
８０４ Ｎ型半導体領域
９０１ 埋込電極８０２とＰ型半導体領域３０５との間の距離
１００１ Ｐ型半導体領域
１１０１ Ｎ型半導体領域
１１０２ Ｐ型半導体領域

Claims (19)

  1. 第１面と、前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、
    前記半導体基板内に配された信号キャリアと同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、
    前記半導体基板内に配された第２導電型の第２半導体領域と、
    前記半導体基板内に配され、前記第１面から前記第２面に向かう深さ方向に配された埋込電極と、
    前記第２半導体領域および前記第１半導体領域と、前記埋込電極と、の間に配された絶縁部材と、を備え、
    前記埋込電極の最も深い部分は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とのＰＮ接合面よりも深くに位置し、
    前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の電位差は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間でアバランシェ増倍が生じない電位差であり、
    前記埋込電極と前記第２半導体領域との間の電位差は、前記埋込電極と前記第２半導体領域との間でアバランシェ増倍が生じる電位差となっていることを特徴とする光電変換装置。
  2. 第１面と、前記第１面に対向する第２面とを有する半導体基板と、
    前記半導体基板内に配され、信号キャリアと同じキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、
    前記半導体基板内に配された第２導電型の第２半導体領域と、
    前記半導体基板内に配され、前記第１面から前記第２面に向かう深さ方向に配された埋込電極と、
    前記第２半導体領域と前記埋込電極との間に配された絶縁部材と、を備え、
    前記埋込電極と前記第２半導体領域との間にはアバランシェ増倍領域が形成され、
    前記アバランシェ増倍領域と前記第１半導体領域とが接しており、
    前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の電位差は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間でアバランシェ増倍が生じない電位差であることを特徴とする光電変換装置。
  3. 前記第２半導体領域と前記絶縁部材とが接することを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
  4. 前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とは平面視で重なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  5. 前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とはＰＮ接合することを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
  6. 前記埋込電極の最も深い部分は、前記第１半導体領域よりも深い位置に配されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  7. 前記第１面には前記埋込電極に電位を供給するコンタクトプラグが配されており、
    前記第２面は光入射面であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  8. 前記第２半導体領域は、第１部分と、前記第１部分よりも不純物濃度の高い第２部分とを含み、
    前記第２部分は、前記第１面と前記第１部分との間に配されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  9. 前記第２部分と前記絶縁部材との間には、前記第１導電型の第３半導体領域が配されていることを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
  10. 前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域よりも不純物濃度が低いことを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
  11. 前記第１半導体領域は、前記半導体基板の前記第１面の一部を構成することを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  12. 前記第２半導体領域は、第１部分と、前記第１部分よりも不純物濃度の高い第３部分と、を含み、
    前記第３部分は、前記埋込電極に沿って前記埋込電極の最も深い部分よりも深い位置まで連続的に配されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  13. 前記絶縁部材は、前記半導体基板内で前記埋込電極を取り囲んで配されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  14. 前記埋込電極はポリシリコンを含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  15. 前記絶縁部材、前記埋込電極、及び前記第１半導体領域を通る断面において、前記埋込電極は、前記第１半導体領域に囲まれて配されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  16. 前記半導体基板の前記第１面に、前記半導体基板と異なる半導体基板が積層され、
    前記異なる半導体基板には、前記埋込電極に印加する電位を制御する制御部が配されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置を複数有する光検出システムであって、
    第１波長帯の光を前記第１波長帯と異なる第２波長帯の光に変換する波長変換部と、
    前記複数の光電変換装置に保持された複数のデジタル信号から得られる複数の画像の合成処理を行う信号処理手段と、を有し、
    前記波長変換部から出力された前記第２波長帯の光が前記複数の光電変換装置に入射するように構成されていることを特徴とする光電変換システム。
  18. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置を複数有する光電変換システムであって、
    前記光電変換装置によって検出される光を発光する発光部と、
    前記光電変換装置に保持されたデジタル信号を用いて距離算出を行う距離算出手段とを有することを特徴とする光検出システム。
  19. 移動体であって、
    請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置からの信号に基づき、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、を有することを特徴とする移動体。
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