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公開番号2025085598
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-05
出願番号2024147403
出願日2024-08-29
発明の名称光電変換装置および機器
出願人キヤノン株式会社
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H10F 39/18 20250101AFI20250529BHJP()
要約【課題】増倍率の抑制に有利な技術を提供する。
【解決手段】第1主面および前記第1主面とは反対側の第2主面を備える半導体基板に、光電変換部が配された光電変換装置であって、前記光電変換部は、前記第1主面の一部を構成し、アバランシェ降伏を検知するための検知回路に接続された第1導電型の第1領域と、前記第1領域から離れて配された前記第1導電型の第2領域と、前記第1領域および前記第2領域よりも前記第2主面に近い位置に配された前記第1導電型とは反対の第2導電型の第3領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に配された第4領域と、を備え、前記第2領域と前記第3領域とは、アバランシェフォトダイオードとして機能し、第4領域を通じて前記第1領域と前記第2領域とが導通可能に構成されている。
【選択図】図6
特許請求の範囲【請求項１】
第１主面および前記第１主面とは反対側の第２主面を備える半導体基板に、光電変換部が配された光電変換装置であって、
前記光電変換部は、
前記第１主面の一部を構成し、アバランシェ降伏を検知するための検知回路に接続された第１導電型の第１領域と、
前記第１領域から離れて配された前記第１導電型の第２領域と、
前記第１領域および前記第２領域よりも前記第２主面に近い位置に配された前記第１導電型とは反対の第２導電型の第３領域と、
前記第１領域と前記第２領域との間に配された第４領域と、を備え、
前記第２領域と前記第３領域とは、アバランシェフォトダイオードとして機能し、
前記第４領域を通じて前記第１領域と前記第２領域とが導通可能に構成されていることを特徴とする光電変換装置。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記第４領域は、前記第１領域および前記第２領域よりも不純物濃度が低いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１領域と前記第３領域とは、アバランシェフォトダイオードとして機能しないことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第２領域と前記第３領域との間の距離は、前記第１領域と前記第３領域との間の距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項５】
第１主面および前記第１主面とは反対側の第２主面を備える半導体基板に、光電変換部が配された光電変換装置であって、
前記光電変換部は、
前記第１主面の一部を構成し、アバランシェ降伏を検知するための検知回路に接続される第１導電型の第１領域と、
前記第１領域から離れて配された前記第１導電型の第２領域と、
前記第１領域および前記第２領域よりも前記第２主面に近い位置に配された前記第１導電型とは反対の第２導電型の第３領域と、
前記第１領域と前記第２領域とを接続するように配された第４領域と、を備え、
前記第２領域と前記第３領域との間の距離は、前記第１領域と前記第３領域との間の距離よりも短いことを特徴とする光電変換装置。
【請求項６】
前記第４領域は、前記第１領域および前記第２領域よりも不純物濃度が低いことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記光電変換部は、前記第３領域と前記第２主面との間に、前記第１領域および前記第２領域よりも不純物濃度が低い第５領域をさらに備え、
光の入射によって前記第５領域において生成された電荷が、前記第３領域のうち前記第１主面に対する正射影において前記第２領域に重なる領域に形成される空乏化領域を通り、前記第２領域に流れ込むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第４領域は、前記第１導電型の領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第４領域は、前記第１領域と前記第２領域とを接続する抵抗として機能することを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記第４領域は、２０ｋΩ以上の抵抗として機能することを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置および機器に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
アバランシェ（電子なだれ）増倍を利用し、単一光子レベルの微弱光を検出可能な光検出装置として、ＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅＤｉｏｄｅ（ＳＰＡＤ）が知られている。特許文献１には、ＳＰＡＤとして機能するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を含む画素を有する光検出器が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１８－０６４０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＡＰＤにおける電荷増倍率について考える。ＳＰＡＤにおいて、一般に、ＡＰＤのカソード－アノード間には、ブレークダウン電圧ＶｂｄにエクセスバイアスＶｅｘを加えた電圧が印加され、アバランシェ電流が流れたときのカソードの電位の変化（低下）によってアバランシェ降伏が検知される。ＡＰＤのカソード容量をＣｃ、アバランシェ降伏が生じたときのカソード電位の変化量をΔＶとすると、アバランシェ降伏によってカソードからディスチャージされる電荷量は、Ｃｃ×ΔＶで表される。単位電荷をｑｅとすると、１回のアバランシェ降伏で生ずる電子・ホール対の数、すなわち、キャリア増倍率は、Ｃｃ×ΔＶ／ｑｅで表される。電荷増倍率とキャリア増倍率とは、同じであるため、以下、単に増倍率と記す。カソード容量Ｃｃは、カソードに接続される配線パターンやアバランシェ降伏を検知するための検知回路などに起因する容量成分が大きく、例えば、８ｆＦ程度である。また、アバランシェ降伏が検知されるカソード電位の変化量ΔＶを、エクセスバイアスＶｅｘ程度のΔＶ＝２．４Ｖとすると、増倍率は１２万になる。高い増倍率によって、単一光子レベルの微弱光の検出が可能になるが、一方で、以下のような課題も生じる。
【０００５】
アバランシェ降伏によって生成された多数のキャリアは、ブレークダウン電圧Ｖｂｄが印加されたアノード－カソード間を流れる。したがって、１つのフォトンの入射によって大きな電流が流れることによって多くのエネルギーが消費される。多くの画素が配され、入射するフォトン数が多くなると、消費エネルギーが増大してしまう。
【０００６】
本発明は、増倍率の抑制に有利な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る光電変換装置は、第１主面および前記第１主面とは反対側の第２主面を備える半導体基板に、光電変換部が配された光電変換装置であって、前記光電変換部は、前記第１主面の一部を構成し、アバランシェ降伏を検知するための検知回路に接続された第１導電型の第１領域と、前記第１領域から離れて配された前記第１導電型の第２領域と、前記第１領域および前記第２領域よりも前記第２主面に近い位置に配された前記第１導電型とは反対の第２導電型の第３領域と、前記第１領域と前記第２領域との間に配された第４領域と、を備え、前記第２領域と前記第３領域とは、アバランシェフォトダイオードとして機能し、前記第４領域を通じて前記第１領域と前記第２領域とが導通可能に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、増倍率の抑制に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本実施形態の光電変換装置の構成例を示す図。
図１の光電変換装置の画素の構成例を示すブロック図。
図２の光電変換装置の画素の動作例を示す図。
図２の光電変換装置の画素の動作例を示す図。
図１の光電変換装置の画素のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す平面図。
図５のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す断面図。
図５の画素の等価回路図および動作例を示す図。
図１の光電変換装置の画素のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す平面図。
図５のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す断面図。
図１の光電変換装置の画素のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す平面図。
図１０のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す断面図。
図１１のＡＰＤ、ＰＤの変形例を示す断面図。
図１の光電変換装置の画素のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す断面図。
図１の光電変換装置の画素のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す断面図。
図１の光電変換装置の画素のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す断面図。
図１５の画素の製造方法の一部を示す図。
図１の光電変換装置の画素のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す断面図。
図１７の画素の製造方法の一部を示す図。
図１７の画素の領域２０４、領域２３８、領域２３９の半導体基板の深さ方向における不純物イオンの分布を示す図。
図１の光電変換装置の画素の構成例を示す等価回路図。
図１の光電変換装置の画素のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す平面図。
図２１のＡＰＤ、ＰＤの構成例を示す断面図。
図２１の画素の等価回路図および動作例を示す図。
図１の光電変換装置の画素の構成例を示す等価回路図。
図２４の画素の動作例を示す図。
本実施形態の光電変換装置が組み込まれた機器の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
（【００１１】以降は省略されています）

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