(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024164697
(43)【公開日】2024-11-27
(54)【発明の名称】光電変換装置および機器
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20241120BHJP
H01L 31/107 20060101ALI20241120BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 A
H01L31/10 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023080367
(22)【出願日】2023-05-15
(71)【出願人】
【識別番号】000001007
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003281
【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】白髭 大貴
【テーマコード（参考）】
4M118
5F149
【Ｆターム（参考）】
4M118AA05
4M118AB01
4M118AB03
4M118BA19
4M118CA03
4M118CA18
4M118CA22
4M118DD09
4M118FA06
4M118FA08
4M118FA27
4M118FA28
4M118GA02
4M118GD03
4M118GD04
4M118HA22
4M118HA25
5F149AA08
5F149BA04
5F149BA05
5F149BA17
5F149BB03
5F149DA05
5F149DA44
5F149EA04
5F149EA05
5F149EA11
5F149EA20
5F149JA12
5F149KA11
5F149KA20
5F149XB01
5F149XB38
(57)【要約】
【課題】ＡＰＤの発光に起因するクロストークの抑制に有利な技術を提供する。
【解決手段】第１主面および第２主面を有する半導体層に複数の画素が配された光電変換装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、複数のアバランシェフォトダイオードを含み、各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードは、１つのマイクロレンズを共有し、前記複数の画素のうち互いに隣り合う画素の間には、前記第１主面から前記第２主面まで貫通する第１トレンチ構造が配され、各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間には、第２トレンチ構造が配され、前記第２トレンチ構造は、前記第１主面から前記第１主面と前記第２主面との間の位置まで配され、前記位置は、前記第２主面から離れている。
【選択図】図８
【解決手段】第１主面および第２主面を有する半導体層に複数の画素が配された光電変換装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、複数のアバランシェフォトダイオードを含み、各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードは、１つのマイクロレンズを共有し、前記複数の画素のうち互いに隣り合う画素の間には、前記第１主面から前記第２主面まで貫通する第１トレンチ構造が配され、各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間には、第２トレンチ構造が配され、前記第２トレンチ構造は、前記第１主面から前記第１主面と前記第２主面との間の位置まで配され、前記位置は、前記第２主面から離れている。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１主面および第２主面を有する半導体層に複数の画素が配された光電変換装置であって、
前記複数の画素のそれぞれは、複数のアバランシェフォトダイオードを含み、
各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードは、１つのマイクロレンズを共有し、
前記複数の画素のうち互いに隣り合う画素の間には、前記第１主面から前記第２主面まで貫通する第１トレンチ構造が配され、
各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間には、第２トレンチ構造が配され、
前記第２トレンチ構造は、前記第１主面から前記第１主面と前記第２主面との間の位置まで配され、
前記位置は、前記第２主面から離れていることを特徴とする光電変換装置。
前記複数の画素のそれぞれは、複数のアバランシェフォトダイオードを含み、
各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードは、１つのマイクロレンズを共有し、
前記複数の画素のうち互いに隣り合う画素の間には、前記第１主面から前記第２主面まで貫通する第１トレンチ構造が配され、
各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間には、第２トレンチ構造が配され、
前記第２トレンチ構造は、前記第１主面から前記第１主面と前記第２主面との間の位置まで配され、
前記位置は、前記第２主面から離れていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項2】
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれは、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２半導体領域と、によって構成されるＰＮ接合面を備え、
前記第１主面から前記位置までの距離が、前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１主面から前記位置までの距離が、前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離よりも長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】
前記互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードのうち一方のアバランシェフォトダイオードの前記ＰＮ接合面の中心から前記互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間に配された前記第２トレンチ構造までの距離をｂ、前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離をｄ、前記一方のアバランシェフォトダイオードで発せられる光が前記一方のアバランシェフォトダイオードから前記第２トレンチ構造に入射する際の臨界角をＡとしたときに、前記第２トレンチ構造の前記第１主面から前記位置までの距離Ｌが、
Ｌ＞｛（ｂ２／ｃｏｓ２Ａ）－ｂ２｝１／２＋ｄ
を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
Ｌ＞｛（ｂ２／ｃｏｓ２Ａ）－ｂ２｝１／２＋ｄ
を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項4】
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれは、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２半導体領域と、のＰＮ接合面を備え、
前記第１主面から前記位置までの距離が、前記第１主面から前記ＰＮ接合面まで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。
前記第１主面から前記位置までの距離が、前記第１主面から前記ＰＮ接合面まで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】
前記第１主面と前記第２半導体領域との間に前記第１半導体領域が配され、
前記第１半導体領域は、前記ＰＮ接合面を構成する第１領域と、前記第１領域と前記第１主面との間に配された前記第１領域よりも不純物濃度が高い第２領域と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
前記第１半導体領域は、前記ＰＮ接合面を構成する第１領域と、前記第１領域と前記第１主面との間に配された前記第１領域よりも不純物濃度が高い第２領域と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項6】
前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離が、前記第２主面から前記ＰＮ接合面までの距離よりも短いことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項7】
前記第２トレンチ構造に、誘電体または金属が埋め込まれている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１トレンチ構造に、誘電体または金属が埋め込まれている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】
各画素に前記複数のアバランシェフォトダイオードとして２つのアバランシェフォトダイオードが配されている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10】
各画素に前記複数のアバランシェフォトダイオードとして４つのアバランシェフォトダイオードが配され、
前記４つのアバランシェフォトダイオードは、前記第１主面に対する正射影において、２行２列に並ぶように配されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記４つのアバランシェフォトダイオードは、前記第１主面に対する正射影において、２行２列に並ぶように配されている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11】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置と、
を備えることを特徴とする機器。
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置と、
を備えることを特徴とする機器。
【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。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、それぞれの画素にマイクロレンズを共有する複数のフォトダイオードを配し、撮像機能に加えて被写体のデフォーカス量およびデフォーカス方向を検出する像面位相差オートフォーカス機能を備える光電変換装置が示されている。また、特許文献１には、画素間にトレンチ構造を設けることによって入射光のクロストークを抑制することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１－０６８７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
微弱な光を検出可能なアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を光電変換装置に用いることが考えられる。ＡＰＤには、アバランシェ増倍を起こすために強い電界が掛かっているため、電界によって加速されエネルギを得た電荷によって、アバランシェ増倍が起きる領域が発光する場合がある。ＡＰＤが発光することによって、画素間にクロストークが生じる可能性がある。
【0005】
本発明は、ＡＰＤの発光に起因するクロストーク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】
【0006】
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主面および第２主面を有する半導体層に複数の画素が配された光電変換装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、複数のアバランシェフォトダイオードを含み、各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードは、１つのマイクロレンズを共有し、前記複数の画素のうち互いに隣り合う画素の間には、前記第１主面から前記第２主面まで貫通する第１トレンチ構造が配され、各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間には、第２トレンチ構造が配され、前記第２トレンチ構造は、前記第１主面から前記第１主面と前記第２主面との間の位置まで配され、前記位置は、前記第２主面から離れていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、ＡＰＤの発光に起因するクロストーク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】
【0008】
【図1】本実施形態の光電変換装置の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
【0010】
また、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語）が用いられる。それらの用語の使用は、図面を参照した実施形態の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。
【0011】
以下の説明において、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）のアノードを固定電位とし、カソードから信号を取り出している。したがって、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域は、Ｎ型の半導体領域であり、信号電荷とは異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域は、Ｐ型の半導体領域である。しかしながら、ＡＰＤのカソードを固定電位とし、アノードから信号を取り出す場合であっても本開示は成立する。その場合、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域は、Ｐ型の半導体領域であり、信号電荷とは異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域は、Ｎ型の半導体領域である。以下では、ＡＰＤの一方のノードを固定電位とする場合について説明するが、両方のノードの電位が変動してもよい。
【0012】
本明細書において、単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、逆導電型の不純物によって補償された分を差し引いた正味の不純物濃度を意味している。つまり、「不純物濃度」とは、ＮＥＴドーピング濃度を指す。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域は、Ｐ型の半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域は、Ｎ型の半導体領域である。
【0013】
本明細書において、「平面視」とは、後述する半導体層の光入射面とは反対側の面に対して垂直な方向から視ることを指す。また、断面とは、半導体層の光入射面とは反対側の面と垂直な方向における面を指す。なお、微視的に見て半導体層の光入射面が粗面である場合は、巨視的に見たときの半導体層の光入射面を基準として平面視を定義する。
【0014】
後述する半導体層３００は、主面３５１および主面３５２を有する。主面３５２は、主面３５１とは反対側の面であり、光が入射する光入射面である。本明細書において、深さ方向は、ＡＰＤが配される半導体層３００の主面３５１から主面３５２に向かう方向である。以下では、主面３５１を「表面」と呼ぶ場合があり、主面３５２を「裏面」と呼ぶ場合がある。半導体層３００の所定の位置から、半導体層３００の裏面（主面３５２）の方向に向かう方向を、「深い」と表現することもある。また、半導体層３００の所定の位置から、半導体層３００の表面（主面３５１）方向に向かう方向を、「浅い」と表現することがある。
【0015】
まず、図１～図５を用いて、以下に説明する各実施形態に共通する構成を説明する。図１は、光電変換装置１００の構成例を示す図である。光電変換装置１００は、センサ基板１１と回路基板２１との２つの基板が積層され、かつ、電気的に接続されることによって構成されていてもよい。つまり、光電変換装置１００は、積層型のデバイスであってもよい。センサ基板１１には、後述するように、複数の画素１０１が配された半導体層３００や配線構造体などが配されている。回路基板２１には、後述するように、信号処理回路１０３などの回路を有する半導体層や配線構造体などが配されている。光電変換装置１００は、回路基板２１の半導体層、回路基板２１の配線構造、センサ基板１１の配線構造、センサ基板１１の半導体層３００の順に積層して構成されうる。光電変換装置１００は、センサ基板１１の半導体層３００の主面３５２から光が入射し、センサ基板１１の半導体層３００の主面３５１に回路基板が配される、裏面照射型の光電変換装置でありうる。
【0016】
以下では、センサ基板１１と回路基板２１とは、ダイシングされたチップであるとして説明するが、チップに限定されるものではない。例えば、センサ基板１１と回路基板２１とは、ウェーハを積層した構成であってもよい。また、センサ基板１１と回路基板２１とは、ウェーハ状態で積層した後にダイシングされていてもよいし、ウェーハ状態からチップ化（個片化）した後に各チップを積層して接合してもよい。
【0017】
センサ基板１１には、複数の画素１０１を備える画素領域１２が配される。回路基板２１には、画素領域１２で検出された信号を処理する回路領域２２が配される。
【0018】
図２は、センサ基板１１の配置例を示す図である。ＡＰＤを含む光電変換素子１０２を有する画素１０１が平面視で２次元アレイ状に配列され、画素領域１２を形成する。画素１０１は、典型的には、画像を生成するための画素であるが、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）に用いる場合には、必ずしも画像を生成しなくてもよい。すなわち、画素１０１は、光が到達した時刻と光量を測定するために構成されていてもよい。
【0019】
図３は、回路基板２１の構成例を示す図である。回路基板２１は、図２に示される光電変換素子１０２で光電変換された電荷を処理する信号処理回路１０３、読出回路１１２、制御パルス生成回路１１５、水平走査回路１１１、信号線１１３、垂直走査回路１１０などを含む。図２に示される画素１０１のそれぞれに対応するように、図３に示される信号処理回路１０３が配されていてもよい。その場合に、画素１０１ごとに設けられた接続配線を介して、画素１０１（光電変換素子１０２）と信号処理回路１０３とが電気的に接続されていてもよい。
【0020】
垂直走査回路１１０は、制御パルス生成回路１１５から供給された制御パルスを受け、それぞれの画素１０１に制御パルスを供給する。垂直走査回路１１０にはシフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられうる。
【0021】
画素１０１から出力された信号は、信号処理回路１０３で処理される。信号処理回路１０３には、カウンタやメモリなどが設けられうる。メモリにはカウンタによってカウントされたカウント値がデジタル値として保持されうる。
【0022】
水平走査回路１１１は、デジタル信号が保持されたそれぞれの画素１０１に対応する信号処理回路１０３のメモリから信号を読み出すために、各列を順次選択する制御パルスを信号処理回路１０３に入力する。信号線１１３には、選択されている列について、垂直走査回路１１０により選択された画素１０１に対応する信号処理回路１０３から信号が出力される。 信号線１１３に出力された信号は、出力回路１１４を介して、光電変換装置１００の外部の記録部または信号処理部に出力される。
【0023】
図２に示される画素領域１２における画素１０１の配列は、２次元アレイ状に限られることはない。画素１０１は、１次元状に配されていてもよい。信号処理回路１０３の機能は、必ずしも全ての画素１０１（光電変換素子１０２）に１つずつ設けられる必要はなく、例えば、複数の画素１０１（光電変換素子１０２）によって１つの信号処理回路１０３が共有され、順次信号処理が行われてもよい。
【0024】
図２および図３に示されるように、画素領域１２に対する正射影において、画素領域１２に重なる領域に、複数の信号処理回路１０３が配されうる。また、センサ基板１１の端と画素領域１２の端との間に重なるように、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１、読出回路１１２、出力回路１１４、制御パルス生成回路１１５などが配されうる。換言すると、センサ基板１１は、画素領域１２と画素領域１２の周りに配された非画素領域とを有する。その場合に、非画素領域に重なる領域に、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１、読出回路１１２、出力回路１１４、制御パルス生成回路１１５が配されうる。
【0025】
図４は、１つの画素１０１（光電変換素子１０２）に注目した、等価回路を含むブロック図の一例である。図４において、ＡＰＤ２０１を含む光電変換素子１０２は、センサ基板１１に設けられており、その他の構成は、回路基板２１に設けられている。
【0026】
ＡＰＤ２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。ＡＰＤ２０１のアノードには、電位ＶＬが供給される。ＡＰＤ２０１のカソードには、アノードに供給される電位ＶＬよりも高い電位ＶＨが供給される。アノードとカソードとには、ＡＰＤ２０１がアバランシェ増倍動作をするような逆バイアス電圧が供給される。そのような逆バイアス電圧を供給した状態にすることで、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こし、アバランシェ電流が発生する。
【0027】
ＡＰＤ２０１に逆バイアスの電圧が供給される場合において、アノードおよびカソードの電位差（電圧）が降伏電圧より大きい電位差で動作させるガイガーモードと、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧の近傍、または、降伏電圧以下の電位差で動作させるリニアモードがある。ガイガーモードで動作させるＡＰＤを、単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）と呼ぶ。例えば、電位ＶＬは、－３０Ｖ、電位ＶＨは、１Ｖである。ＡＰＤ２０１は、リニアモードで動作させてもよいし、ガイガーモードで動作させてもよい。
【0028】
クエンチ素子２０２は、電位ＶＨを供給する電源とＡＰＤ２０１との間に接続される。クエンチ素子２０２は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、ＡＰＤ２０１に供給される電圧を抑制して、アバランシェ増倍を抑制する働きを持つ（クエンチ動作）。また、クエンチ素子２０２は、クエンチ動作で電圧降下した分の電流を流すことにより、ＡＰＤ２０１に供給する電圧を電圧（ＶＨ－ＶＬ）に戻す働きを持つ（リチャージ動作）。
【0029】
信号処理回路１０３は、波形整形回路２１０、カウンタ回路２１１、選択回路２１２を含みうる。本明細書において、信号処理回路１０３は、波形整形回路２１０、カウンタ回路２１１、選択回路２１２のいずれかを有していればよい。
【0030】
波形整形回路２１０は、光子検出時に得られるＡＰＤ２０１のカソードの電位変化を整形し、パルス信号を出力する。波形整形回路２１０として、例えば、インバータ回路が用いられる。図４に示される構成では、波形整形回路２１０として１つのインバータを用いた例が示されている。しかしながら、これに限られることはなく、波形整形回路２１０として、複数のインバータを直列接続した回路が用いられてもよいし、波形整形効果がある他の回路が用いられてもよい。
【0031】
カウンタ回路２１１は、波形整形回路２１０から出力されたパルス信号をカウントし、カウント値を保持する。また、駆動線２１３を介して制御パルスｐＲＥＳが供給された場合に、カウンタ回路２１１に保持された信号がリセットされる。
【0032】
選択回路２１２には、図３に示される垂直走査回路１１０から、図４に示される駆動線２１４を介して制御パルスｐＳＥＬが供給され、カウンタ回路２１１と信号線１１３との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路２１２は、例えば、信号を出力するためのバッファ回路などを含む。
【0033】
クエンチ素子２０２とＡＰＤ２０１との間や、光電変換素子１０２と信号処理回路１０３との間にトランジスタなどのスイッチ素子を配し、電気的な接続が切り替え可能に構成されていてもよい。同様に、光電変換素子１０２に供給される電位ＶＨまたは電位ＶＬの供給が、トランジスタなどのスイッチそしを用いて電気的に切り替え可能になっていてもよい。
【0034】
本実施形態では、信号処理回路１０３にカウンタ回路２１１が配される構成を示した。しかしながら、これに限られることはなく、カウンタ回路２１１の代わりに時間・デジタル変換回路（ＴＤＣ）およびメモリを用いて、光電変換装置１００が、パルス検出タイミングを取得する構成としてもよい。その場合に、波形整形回路２１０から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定に、垂直走査回路１１０から駆動線を介して、制御パルスｐＲＥＦ（参照信号）が供給される。ＴＤＣは、制御パルスｐＲＥＦを基準として、波形整形回路２１０を介してそれぞれの画素１０１から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。
【0035】
図５（ａ）～５（ｃ）は、ＡＰＤ２０１の動作と出力信号との関係を模式的に示した図である。図５（ａ）は、図４に示されるＡＰＤ２０１、クエンチ素子２０２、波形整形回路２１０を抜粋した図である。ここで、波形整形回路２１０の入力側をｎｏｄｅＡ、出力側をｎｏｄｅＢとする。図５（ｂ）は、ｎｏｄｅＡの波形変化を、図５（ｃ）は、ｎｏｄｅＢの波形変化をそれぞれ示す。
【0036】
時刻ｔ０から時刻ｔ１において、ＡＰＤ２０１には、電位ＶＨ－電位ＶＬの電位差（電圧）が印加されている。時刻ｔ１において光子がＡＰＤ２０１に入射すると、ＡＰＤ２０１においてアバランシェ増倍が生じ、クエンチ素子２０２にアバランシェ増倍電流が流れ、ｎｏｄｅＡの電位は降下する。電圧降下量がさらに大きくなり、ＡＰＤ２０１に印加される電位差が小さくなると、時刻ｔ２に示されるようにＡＰＤ２０１のアバランシェ増倍が停止し、ｎｏｄｅＡの電位レベルはある一定値以上降下しなくなる。その後、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間において、ｎｏｄｅＡには電位ＶＬから電圧降下分を補う電流が流れ、時刻ｔ３においてｎｏｄｅＡは元の電位レベルに静定する。このとき、ｎｏｄｅＡにおいて出力波形がある閾値を越えた部分は、波形整形回路２１０で波形整形され、ｎｏｄｅＢに信号として出力される。
【0037】
信号線１１３、読出回路１１２、出力回路１１４の配置は、図３に示される構成に限定されるものではない。例えば、信号線１１３が行方向（図３において横方向）に延びて配されており、読出回路１１２が、信号線１１３が延びる先に配されていてもよい。
【0038】
次いで、センサ基板１１に配される画素１０１の構成について詳しく説明する。図６は、画素領域１２に配される複数の画素１０１のうち、１つの画素１０１の構成を示す平面図（正射影図）である。それぞれの画素１０１は、複数のＡＰＤ２０１を含む。図６には、２つのＡＰＤ２０１を備える画素１０１が示されている。しかしながら、１つの画素１０１に配されるＡＰＤ２０１の数は２つに限られることはなく、１つの画素１０１に３つ以上のＡＰＤ２０１が配されていてもよい。そのような例として、４つのＡＰＤ２０１が配された画素１０１については後述する。
【0039】
図６では、平面視での位置関係を説明するために必要な各構造を図示している。そのため、必ずしも同一の平面に存在する構造のみを図示している訳ではない。また、図６に示される画素１０１は、所謂、裏面照射型の画素である。半導体層３００よりも表面側（主面３５１側）には配線層（配線構造体）などが配されている。画素１０１には、それぞれ１つ以上のアノード電極３０２とカソード電極３０１とが配されている。平面視においてカソード電極３０１に重なる位置に、第１導電型（例えば、Ｎ型）の半導体領域３１１が配されている。また、半導体領域３１１の周囲を取り囲むように、半導体領域３１１に接して第１導電型の半導体領域３１７が配されている。半導体領域３１７は、半導体領域３１１よりも不純物濃度が低い領域である。
【0040】
複数の画素１０１のうち互いに隣り合う画素１０１の間には、画素間を分離するトレンチ構造３２４が配されている。また、各画素１０１において、複数のＡＰＤ２０１のうち互いに隣り合うＡＰＤ２０１の間には、ＡＰＤ間を分離するトレンチ構造３２５が配されている。シリコンなどが用いられる半導体層３００に設けられたトレンチ構造３２４、３２５には、誘電体または金属が埋め込まれていてもよい。トレンチ構造３２４、３２５に埋め込まれる材料として、例えば、酸化シリコンや窒化シリコンなどの誘電体、タングステンなどの金属が挙げられる。また、トレンチ構造３２４、３２５にポリシリコンが埋め込まれていてもよい。
【0041】
トレンチ構造３２４、３２５に隣接する領域には、第２導電型（例えば、Ｐ型）の半導体領域３１３が位置している。半導体領域３１３とアノード電極３０２とは接しており、アノード電極３０２から半導体領域３１３に電位が供給されている。
【0042】
それぞれの画素１０１の上には、マイクロレンズ３２３が配されている。各画素１０１において、複数のＡＰＤ２０１は、１つのマイクロレンズ３２３を共有する。したがって、それぞれのマイクロレンズ３２３が、それぞれの画素１０１の配置を画定するともいえる。
【0043】
【0044】
図７には、半導体層３００に加えて、半導体層３００の主面３５２を覆うように配されるピニング膜３２１、平坦化層３２２、マイクロレンズ３２３が示されている。また、図７には、半導体層３００の主面３５１を覆うように配された絶縁体３２６、絶縁体に配される半導体層３００に接続されるカソード電極３０１、カソード電極３０１に接続される配線パターンの一部が示されている。図７では、各領域の位置関係をわかりやすく示すため、隣接するＡＰＤ２０１の一部についても図示されている。図７以降の断面図についても同様である。
【0045】
図７に示されるように、ＡＰＤ２０１は、第１導電型の半導体領域３１１と第２導電型の半導体領域３１２とが配され、半導体領域３１１と半導体領域３１２とでＰＮ接合を形成している。図７に示されるように、ＰＮ接合が形成される面をＰＮ接合面３５０と呼ぶ場合がある。半導体領域３１１と半導体領域３１２との間に所定の逆バイアス電圧を印加することによって、光が入射した際にアバランシェ増倍が起きる。半導体領域３１２と半導体層３００の主面３５２との間の領域には、半導体領域３１２に接するように不純物濃度が低い半導体領域３１５（例えば、Ｐエピ層もしくはＮエピ層である。）が配され、半導体領域３１１と半導体領域３１２との間に逆バイアスを印加することによって、空乏層が半導体層３００の主面３５２の側へ広がる構成になっている。
【0046】
半導体領域３１７は、半導体領域３１１の端部が強電界になることで、半導体領域３１１の端部において低い電圧でブレークダウンが生じてしまうエッジブレークダウンを抑制するために配される。半導体領域３１７は、少なくとも一部が半導体領域３１１の端部に接するよう配されている。
【0047】
トレンチ構造３２４と半導体層３００との界面や、トレンチ構造３２５と半導体層３００との界面付近は、シリコンの未結合手であるダングリングボンドが多く存在しており、この欠陥準位を介して暗電流が発生する。この暗電流の発生を抑制するために、トレンチ構造３２４、３２５に接するように、第２導電型の半導体領域３１３が配されている。同様の理由から、第２導電型の半導体領域３１４が、半導体層３００の主面３５２を構成するように配されている。また、ピニング膜３２１を半導体層３００の主面３５２に接するように配することによって、半導体層３００の主面３５２近傍に正孔が誘起され、暗電流が抑制される。ピニング膜３２１には、酸化ハフニウム、酸化ジルコン、酸化アルミニウム、酸化チタンまたは酸化タンタルなどが用いられうる。
【0048】
図８に示されるように、１つの画素１０１において、２つのＡＰＤ２０１が１つのマイクロレンズ３２３を共有する構成になっている。１つのマイクロレンズ３２３を複数のＡＰＤ２０１で共有することによって、対物レンズのある領域を通過した光束をそれぞれのＡＰＤ２０１で捉え、マイクロレンズ３２３下のＡＰＤ２０１群の出力差からデフォーカス量とその方向を検出することができる。それによって、撮像と位相差検出との両立を可能にした像面位相差オートフォーカスが実現する。
【0049】
図９に示されるように、半導体層３００の主面３５１の側には、カソード電極３０１とアノード電極３０２が配置されている。カソード電極３０１は、半導体領域３１１に電気的に接続されている。アノード電極３０２は、半導体領域３１３に電気的に接続されている。図６、図９に示される構成では、アノード電極３０２は、１つの画素１０１において１行２列（以下、１×２と示す場合がある。）に並ぶ２つのＡＰＤ２０１の四隅に配されている。しかしながら、これに限られることはなく、アノード電極３０２は、例えば、１つのＡＰＤ２０１の四隅に配されていてもよいし、複数のＡＰＤ２０１に対して１つのアノード電極３０２を配していてもよい。
【0050】
ここで、図６～図９を用いてマイクロレンズ３２３を複数のＡＰＤ２０１で共有する構造における課題と本構造の効果について説明する。まず、各画素１０１において、ＡＰＤ２０１間を分離するトレンチ構造３２５が存在することによって生じる入射光に起因するクロストークについて説明する。
【0051】
２つのＡＰＤ２０１が１つのマイクロレンズ３２３を共有して１つの画素１０１とする構成によって、上述したように、撮像と位相差検出との両立を可能にした像面位相差オートフォーカスが実現される。ここで、ＡＰＤ２０１間のトレンチ構造３２５が、半導体層３００の主面３５２にまで達しているとする。複数のＡＰＤ２０１がマイクロレンズ３２３を共有する構成では、マイクロレンズ３２３によって入射した光は、ＡＰＤ２０１間のトレンチ構造３２５を含む領域に集光される。トレンチ構造３２５に入射光が集光されると、集光された光は、半導体層３００の主面３５２近傍でトレンチ構造３２５によって拡散され、入射光は隣接する画素１０１間でクロストークしやすくなってしまう。
【0052】
次に、ＡＰＤ２０１で生じる発光に起因するクロストークについて説明する。ＡＰＤ２０１は、第１導電型の半導体領域３１１と第２導電型の半導体領域３１２とで急峻なＰＮ接合を形成している。急峻なＰＮ接合により生じる強電界によって信号電荷をアバランシェ増倍させることで、ＡＰＤ２０１は、わずかな信号電荷であっても検出できる。ＰＮ接合面３５０近傍のアバランシェ増倍領域では強電界がかかっており、この電界によって加速され、エネルギを得た電荷によって、ＡＰＤ２０１は、可視光から近赤外光波長の光を発することがある。ＡＰＤ２０１から発せられる光が隣接する画素１０１に侵入すると、発光クロストークとなりＡＰＤ２０１を用いた光電変換装置１００の特有のノイズになる。
【0053】
そこで、本実施形態において、互いに隣り合う画素１０１に間に配されるトレンチ構造３２４は、半導体層３００の主面３５１から主面３５２まで貫通している。一方、１つの画素１０１内において、互いに隣り合うＡＰＤ２０１の間に配されるトレンチ構造３２５は、半導体層３００主面３５１から主面３５１と主面３５２との間の位置３６０まで配されている。この位置３６０は、半導体層３００の主面３５２から離れている。トレンチ構造３２５は、半導体層３００の主面３５２に達していないともいえる。
【0054】
トレンチ構造３２４とトレンチ構造３２５とは、どちらも半導体層３００の主面３５１の一部を構成するように配されている。そのため、図８、図９に示されるように、半導体層３００の主面３５１からＰＮ接合面３５０までの距離が、主面３５２からＰＮ接合面３５０までの距離よりも短い場合など、半導体層３００の主面３５１に近いＰＮ接合面３５０近傍のアバランシェ増倍領域付近で生じる発光が、隣接する画素１０１へクロストークし難くなる。また、１つの画素１０１内においても、ＡＰＤ２０１間のクロストークが抑制される。
【0055】
さらに、トレンチ構造３２５は、半導体層３００の主面３５１から配されるものの主面３５２には到達しない深さに配される。入射光が集光される半導体層３００の主面３５２にトレンチ構造３２５が配されていないため、主面３５２までトレンチ構造３２５が存在する場合に生じやすい入射光に起因するクロストークが抑制される。
【0056】
以上のように、本実施形態に示される構成では、ＰＮ接合面３５０近傍のアバランシェ増倍領域で生じる発光に起因するクロストークが抑制できる。さらに、半導体層３００の主面３５２の側で生じる入射光に起因するクロストークも抑制可能である。結果として、ノイズが抑制された光電変換装置１００が提供される。
【0057】
図１０は、ＰＮ接合面３５０とトレンチ構造３２５の半導体層３００の主面３５２側の終端の位置６０との関係を説明する図である。ＰＮ接合面３５０は、上述のように、アバランシェ増倍を起こすために急峻なＰＮ接合を形成する第１導電型の半導体領域３１１と第２導電型の半導体領域３１２との界面である。図１０に示されるように、半導体層３００の主面３５１からトレンチ構造３２５の主面３５２側の終端の位置３６０までの距離ｄ２が、主面３５１からＰＮ接合面３５０までの距離ｄ１よりも長くてもよい。１つの画素１０１におけるＡＰＤ２０１間を分離するトレンチ構造３２５は、半導体領域３１１と半導体領域３１２とが接する深さよりも裏面（主面３５２）側に形成されているともいえる。
【0058】
ＡＰＤ２０１には信号電荷をアバランシェ増倍させるための強電界領域が存在しており、この強電界によって加速されエネルギを得た電荷が、エネルギを失う過程で可視光から近赤外光波長の光を発する。図１０に示される構造において、半導体領域３１１と半導体領域３１２とのＰＮ接合面３５０においてアバランシェ増倍を生じさせるため、ＰＮ接合面３５０の深さ付近で強電界に起因する発光が生じる。したがって、図１０に示されるように、半導体層３００の主面３５１から半導体領域３１１と半導体領域３１２とのＰＮ接合面３５０までの距離ｄ１よりも、トレンチ構造３２５の半導体層３００の主面３５１から位置３６０までの深さｄ２を大きくすることによって、より効果的に、ＡＰＤ２０１が発光することに起因するクロストークが抑制可能になる。
【0059】
ＰＮ接合面３５０とトレンチ構造３２５の半導体層３００の主面３５２側の終端の位置６０との関係は、図１０に示される例に限られることはない。図１１には、半導体層３００の主面３５１からトレンチ構造３２５の主面３５２側の終端の位置３６０までの距離ｄ２が、主面３５１からＰＮ接合面３５０までの距離ｄ１よりも短い場合の例が示されている。換言すると、１つの画素１０１におけるＡＰＤ２０１間を分離するトレンチ構造３２５は、第１導電型の半導体領域３１７と第２導電型の半導体領域３１２とが接するＰＮ接合面３５０よりも、半導体層３００の主面３５１の側に配されている。
【0060】
図１０に示される構成では、第１導電型の半導体領域３１１と第２導電型の半導体領域３１２と界面がＰＮ接合面３５０を構成している。一方で、図１１に示される構成では、第１導電型の半導体領域３１１と第２導電型の半導体領域３１２との間に、第１導電型の半導体領域３１７が配されている。それによって、半導体領域３１７と半導体領域３１２との界面がＰＮ接合面３５０になっている。上述のように、半導体領域３１７は、半導体領域３１１よりも不純物濃度が低い領域である。したがって、第１導電型の半導体領域３１１および半導体領域３１７を１つの半導体領域と仮定する場合に、第１導電型の半導体領域は、ＰＮ接合面３５０を構成する第１領域（半導体領域３１７）と、第１領域（半導体領域３１７）と半導体層３００の主面３５１との間に配された第１領域（半導体領域３１７）よりも不純物濃度が高い第２領域（半導体領域３１１）と、を含むともいえる。
【0061】
トレンチ構造３２４、３２５などが配されることによって、半導体層３００の主面３５１に近い界面には多数のダングリングボンドが存在し、暗電流が生じやすい領域になっている。この領域で発生した電子は、電界にしたがって半導体領域３１１方向に移動する。この場合に、第１導電型の半導体領域３１１、３１７と第２導電型の半導体領域３１２とのＰＮ接合によって作られるアバランシェ増倍領域を電子が通過するか否かによって、暗電流が増倍され信号としてカウントされるか否かが決まる。第１導電型の半導体領域３１１、３１７と第２導電型の半導体領域３１２とのＰＮ接合面３５０、すなわち、アバランシェ増倍領域が、半導体層３００の主面３５１から離れた深い位置に形成される。それによって、半導体層３００の主面３５１側の界面で生じる暗電流がアバランシェ増倍領域を通過し難くなり、暗電流をカウントしてしまう確率を低くすることができる。図１１に示される構成においても、半導体層３００の主面３５１からＰＮ接合面３５０までの距離が、主面３５２からＰＮ接合面３５０までの距離よりも短くてもよい。
【0062】
図１１に示される構成のように、半導体層３００の主面３５１から第１導電型の半導体領域３１７と第２導電型の半導体領域３１２とのＰＮ接合面３５０までの距離ｄ１よりも、主面３５１からのトレンチ構造３２５の深さを表す距離ｄ２が小さくなっている。それによって、半導体層３００とトレンチ構造３２５との界面で生じる暗電流が、アバランシェ増倍領域（ＰＮ接合面３５０）を通過する可能性が抑制され、カソードから排出される確率が高くなる。結果として、暗電流をカウントしてしまう確率をより低くすることができる。図１０に示される構成と図１１に示される構成とは、ＡＰＤ２０１の特性などに応じて、適当な構成を選択すればよい。
【0063】
図１２は、トレンチ構造３２５の半導体層３００の主面３５２側の終端の位置３６０の配置についての一例を説明する図である。トレンチ構造３２５は、ＡＰＤ２０１においてアバランシェ増倍領域付近からの発光をより全反射させやすい深さまで形成されていてもよい。
【0064】
図１２に示される構成において、図１０に示される構成と同様に、半導体層３００の主面３５１からトレンチ構造３２５の主面３５２側の終端の位置３６０までの距離が、主面３５１からＰＮ接合面３５０までの距離よりも長くなっている。ＡＰＤ２０１において強電界によって生じる発光は、アバランシェ増倍領域付近で生じる。したがって、半導体領域３１１と半導体領域３１２とのＰＮ接合面３５０付近において発光が生じる。アバランシェ増倍領域付近で発せられた光は、ある角度をもってトレンチ構造３２５に入射し、半導体層３００とトレンチ構造３２５との界面で屈折、反射が生じる。
【0065】
その場合に、トレンチ構造３２５への入射角や、半導体層３００とトレンチ構造３２５に埋め込まれた材料との屈折率差によって、隣り合うＡＰＤ２０１に侵入する光の量が変化する。トレンチ構造３２５への入射角が、光を全反射する角度である臨界角よりも大きくなると、ＡＰＤ２０１で発せられた光は、発光したＡＰＤ２０１内へ反射して、隣接するＡＰＤ２０１へ侵入し難くなる。したがって、この臨界角よりもトレンチ構造３２５を深く配することによって、トレンチ構造３２５による反射効果を大きくすることができる。
【0066】
図１２に示されるように、互いに隣り合うＡＰＤ２０１のうち一方のＡＰＤ２０１のＰＮ接合面３５０の中心から互いに隣り合うＡＰＤ２０１の間に配されたトレンチ構造３２５までの距離をｂとする。また、半導体層３００の主面３５１からＰＮ接合面３５０までの距離をｄとする。ＡＰＤ２０１で発せられる光が、ＡＰＤ２０１からトレンチ構造３２５に入射する際の臨界角をＡとする。その場合に、トレンチ構造３２５の半導体層３００の主面３５１から主面３５２側の終端である位置３６０までの距離Ｌが、
Ｌ＞｛（ｂ２／ｃｏｓ２Ａ）－ｂ２｝１／２＋ｄ
を満たしていてもよい。ここで、図１２に示されるａは、距離Ｌと距離ｄとの差分である。
Ｌ＞｛（ｂ２／ｃｏｓ２Ａ）－ｂ２｝１／２＋ｄ
を満たしていてもよい。ここで、図１２に示されるａは、距離Ｌと距離ｄとの差分である。
【0067】
スネルの法則から半導体層３００とトレンチ構造３２５との界面で全反射する角度である臨界角は、半導体層３００とトレンチ構造３２５との界面を構成する２つの材料の屈折率によって決まる。この角度以上の入射角で光がトレンチ構造３２５へ入射した場合に、光は全反射するようになる。したがって、トレンチ構造３２５の半導体層３００の主面３５１からの深さである距離Ｌを上式のように設定することによって、ＡＰＤ２０１の強電界に起因の発光をより全反射させやすくなり、隣接するＡＰＤ２０１へのクロストークが抑制される。
【0068】
例えば、半導体層３００としてシリコンが用いられ、半導体層３００と界面を形成するトレンチ構造３２５に酸化シリコンが埋め込まれた場合を考える。ＰＮ接合面３５０の中心からトレンチ構造３２５までの距離ｂが３μｍの場合、トレンチ構造３２５の深さである距離Ｌは、１～２μｍ程度になる。トレンチ構造３２５の深さをこれよりも深くすることによって、アバランシェ増倍領域で発光した光をＡＰＤ２０１内に全反射させやすくなり、ＡＰＤ２０１の発光に起因するクロストークが抑制される。ここで、ＰＮ接合面３５０の中心とは、例えば、半導体層３００の主面３５１に対する正射影において、ＰＮ接合面３５０の幾何学的重心位置であってもよい。
【0069】
次いで、図１３、図１４を用いて、１つの画素１０１に４つのＡＰＤ２０１が配される場合について説明する。図１３に示されるように、４つのＡＰＤ２０１は、半導体層３００の主面３５１に対する正射影において、２行２列（２×２）に並ぶように配されている。
【0070】
図１３、図１４に示される構成においても、互いに隣り合う画素１０１の間に配されるトレンチ構造３２４は、半導体層３００の主面３５１から主面３５２まで貫通している。一方、１つの画素１０１内において、互いに隣り合うＡＰＤ２０１の間に配されるトレンチ構造３２５は、半導体層３００主面３５１から主面３５１と主面３５２との間の位置３６０まで配され、位置３６０は、半導体層３００の主面３５２から離れている。
【0071】
１つの画素１０１にマイクロレンズ３２３を共有する２×２の４つのＡＰＤ２０１が配される場合において、入射光は、マイクロレンズ３２３によって、図１３に示される縦方向と横方向との２つのトレンチ構造３２５が交わる領域近傍に集光される。それによって、トレンチ構造３２５が半導体層３００の主面３５２にまで配されている場合に、入射光は、主面３５２の表面で拡散され、隣接する画素へ入射しクロストークの原因になりうる。１×２の２つのＡＰＤ２０１で１つの画素１０１を構成する場合と比較して、２×２の４つのＡＰＤ２０１で１つの画素１０１を構成する場合では、画素１０１中のより多くの領域にトレンチ構造３２５が存在するため、入射光の拡散はより強くなる。
【0072】
しかしながら、図１４に示されるように、１つの画素１０１内のＡＰＤ２０１間に配されるトレンチ構造３２５を半導体層３００の主面３５２まで達するように形成しない。それによって、入射光のクロストークを抑制させることができる。また、１つの画素１０１に４つのＡＰＤ２０１を配する構成は、１つの画素１０１に２つのＡＰＤ２０１を配する構成よりも多くの方向について位相差検出が可能になり、より多くの被写体に対して高精度なオートフォーカスが可能となる。
【0073】
【0074】
上述した本実施形態の光電変換装置１００は、種々の光電変換システムに適用可能である。適用可能な光電変換システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と光電変換装置とを備えるカメラモジュールも、光電変換システムに含まれる。図１５には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図が例示されている。
【0075】
図１５に例示される光電変換システム１４００は、光電変換装置１００、被写体の光学像を光電変換装置１００の画素部１０４に結像させるレンズ１４０２、レンズ１４０２を通過する光量を可変にするための絞り１４０３、レンズ１４０２の保護のためのバリア１４０１を有する。レンズ１４０２および絞り１４０３は、光電変換装置１００に光を集光する光学系である。光電変換装置１００は、レンズ１４０２によって結像された光学像を電気信号に変換する。
【0076】
光電変換システム１４００は、また、光電変換装置１００よって出力される出力信号の処理を行うことで画像を生成する画像生成部である信号処理部１４０７を有する。信号処理部１４０７は、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部１４０７は、光電変換装置１００が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、光電変換装置１００とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、光電変換装置１００と信号処理部１４０７とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。
【0077】
光電変換システム１４００は、さらに、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部１４１０、外部コンピュータなどと通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）１４１３を有する。さらに光電変換システム１４００は、撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリなどの記録媒体１４１２、記録媒体１４１２に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）１４１１を有する。なお、記録媒体１４１２は、光電変換システム１４００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
【0078】
さらに光電変換システム１４００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１４０９、光電変換装置１００と信号処理部１４０７とに各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１４０８を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、光電変換システム１４００は少なくとも光電変換装置１００と、光電変換装置１００から出力された出力信号を処理する信号処理部１４０７とを有すればよい。
【0079】
光電変換装置１００は、撮像信号を信号処理部１４０７に出力する。信号処理部１４０７は、光電変換装置１００から出力される信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。換言すると、信号処理部１４０７は、光電変換装置１００から出力された信号を用いて、画像を生成する処理装置である。
【0080】
このように、本実施形態によれば、上述の光電変換装置１００（例えば、撮像装置とも呼ばれうる）を適用した光電変換システムを実現することができる。
【0081】
次いで、本実施形態の光電変換装置１００が組み込まれた機器として、光電変換システムおよび移動体について、図１６（ａ）、１６（ｂ）を用いて説明する。図１６（ａ）、１６（ｂ）は、本実施形態の光電変換装置１００が組み込まれた光電変換システム１５００、および、光電変換システム１５００を搭載した移動体として輸送機器１５０１の構成を示す図である。
【0082】
図１６（ａ）は、車載カメラに関する光電変換システム１５００の一例を示したものである。光電変換システム１５００は、本実施形態の光電変換装置１００によって取得された複数の画像データに対し、画像処理などの信号処理を行う画像処理部１５１２と、画像処理部１５１２によって信号処理された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部１５１４を有する。また、光電変換システム１５００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取得部１５１６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１５１８と、を有する。ここで、視差取得部１５１４や距離取得部１５１６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、対象物までの距離などに関する情報である。衝突判定部１５１８はこれらの距離情報の何れかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。画像処理部１５１２、視差取得部１５１４、距離取得部１５１６、衝突判定部１５１８は、光電変換装置１００から出力された信号を処理する処理装置の例である。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。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し、これらの組合せによって実現されてもよい。
【0083】
光電変換システム１５００は、駆動装置を具備する輸送機器１５０１（例えば、車両）の車両情報取得装置１５２０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、光電変換システム１５００は、衝突判定部１５１８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ＥＣＵ１５３０が接続されている。また、光電変換システム１５００は、衝突判定部１５１８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１５４０とも接続されている。例えば、衝突判定部１５１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ１５３０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１５４０は音などの警報を鳴らす、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。
【0084】
本実施形態では、輸送機器１５０１の周囲、例えば、前方または後方を光電変換システム１５００で撮像する。図１６（ｂ）に、輸送機器１５０１の前方（撮像範囲１５５０）を撮像する場合の光電変換システム１５００を示す。車両情報取得装置１５２０が、光電変換システム１５００ないしは光電変換装置１００に指示を送る。このような構成によって、測距の精度をより向上させることができる。
【0085】
上記では、他の車両と衝突しないように光電変換装置１００で得られた情報に基づいて輸送機器１５０１のブレーキ、アクセル、エンジンなどの駆動装置１５６０を制御する例を説明した。しかし、これに限られることはなく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。また、光電変換装置１００が組み込まれた光電変換システム１５００が、輸送機器１５０１に組み込まれる例を示したが、光電変換装置１００は、車両情報取得装置１５２０や制御ＥＣＵ１５３０、警報装置１５４０に組み込まれていてもよい。さらに、光電変換装置１００が組み込まれた光電変換システム１５００は、自動車などの車両に限らず、例えば、船舶、航空機、鉄道車両あるいは産業用ロボットなどの駆動装置を具備する輸送機器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）など、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
【0086】
図１７は、光電変換装置１００が組み込まれた機器として、内視鏡システム１６５０の概略的な構成の一例を示す図である。図１７では、医師などの術者１６３１が、内視鏡システム１６５０を用いて、患者ベッド１６３３上の患者１６３２に対して施術する様子が図示されている。図示されるように、内視鏡システム１６５０は、内視鏡１６００、術具１６１０、内視鏡検査のための各種の装置が搭載されたカート１６３４などを含み構成される。
【0087】
内視鏡１６００は、先端から所定の長さの領域が患者１６３２の体腔内に挿入される鏡筒１６０１、鏡筒１６０１の基端に接続されるカメラヘッド１６０２を含みうる。図１７に示される例では、硬性の鏡筒１６０１を備える、所謂、硬性鏡として構成される内視鏡１６００が示されている。しかしながら、これに限られることはなく、内視鏡１６００は、軟性の鏡筒を備える、所謂、軟性鏡として構成されていてもよい。
【0088】
鏡筒１６０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１６００には、光源装置１６０３が接続されており、光源装置１６０３によって生成された光が、鏡筒１６０１の内部に延設されるライトガイドによって鏡筒１６０１の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１６３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。ここで、内視鏡１６００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡または側視鏡であってもよい。
【0089】
カメラヘッド１６０２の内部には、光学系および上述の光電変換装置１００が配されている。観察対象からの反射光（観察光）は、光学系によって光電変換装置１００に集光される。光電変換装置１００によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。画像信号は、例えば、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ）１６３５に送信される。
【0090】
ＣＣＵ１６３５は、中央処理装置（ＣＰＵ）や画像処理装置（ＧＰＵ）などを含み、内視鏡１６００および表示装置１６３６の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１６３５は、カメラヘッド１６０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）などの、画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。ＣＣＵ１６３５は、光電変換装置１００から出力された信号を処理する処理装置である。
【0091】
表示装置１６３６は、ＣＣＵ１６３５からの制御によって、ＣＣＵ１６３５によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。また、表示装置１６３６は、内視鏡システム１６５０を動作させる際の動作条件（例えば、撮影条件など）などを適宜、表示してもよい。
【0092】
光源装置１６０３は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源をふくみ構成される。光源装置１６０３は、術部などを撮影する際の照射光を内視鏡１６００に供給する。
【0093】
入力装置１６３７は、内視鏡システム１６５０に対する入力インターフェースである。ユーザは、入力装置１６３７を介して、内視鏡システム１６５０に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。
【0094】
処置具制御装置１６３８は、組織の焼灼、切開、血管の封止などのために用いられる処置具１６１２の駆動を制御する。
【0095】
光源装置１６０３として、例えば、ＬＥＤ、レーザ光源、または、それらの組み合わせによって構成される白色光源を使用してもよい。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせによって白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度および出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１６０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、その場合に、ＲＧＢレーザ光源のそれぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１６０２の撮像素子の駆動を制御することによって、ＲＧＢのそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。ＲＧＢを時分割に撮像する方法を用いる場合、撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
【0096】
また、光源装置１６０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するように駆動が制御されてもよい。光源装置１６０３の光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１６０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、時分割で取得した画像を合成することによって、所謂、黒つぶれや白とびが抑制された高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【0097】
また、光源装置１６０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されていてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用する。具体的には、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することによって、粘膜表層の血管などの所定の組織を高コントラストで撮影できる。また、特殊光観察では、励起光を照射することによって発生する蛍光を用いて画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察は、体組織に励起光を照射し、体組織からの蛍光を観察することによって行われる。また、例えば、蛍光観察は、インドシアニングリーン（ＩＣＧ）などの試薬を体組織に局注するとともに、体組織に試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ることによって行われる。光源装置１６０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光や励起光を供給可能に構成されていてもよい。
【0098】
次いで、図１７（ａ）を用いて、光電変換装置１００が組み込まれた機器である光電変換システムとして眼鏡１７００（スマートグラス）を説明する。眼鏡１７００は、光電変換装置１００を有する。また、レンズ１７０１の裏面側には、ＯＬＥＤやＬＥＤなどの発光装置を含む表示装置が設けられていてもよい。光電変換装置１００は１つでもよいし、複数でもよい。また、複数種類の光電変換装置を組み合わせて用いてもよい。光電変換装置１００の配置位置は、図１８（ａ）に示される位置に限られることはなく、適当な位置に配されていればよい。
【0099】
眼鏡１７００は、制御装置１７０３をさらに備える。制御装置１７０３は、光電変換装置１００と上記の表示装置に電力を供給する電源として機能する。また、制御装置１７０３は、光電変換装置１００と表示装置の動作を制御する。制御装置１７０３は、光電変換装置１００から出力された信号を処理し、表示装置に表示させる処理装置として機能してもよい。レンズ１７０１には、光電変換装置１００に光を集光するための光学系が形成されている。
【0100】
図１８（ｂ）は、１つの適用例に係る眼鏡１７１０（スマートグラス）を説明する。眼鏡１７１０は、制御装置１７１２を有しており、制御装置１７１２に、光電変換装置１００、表示装置が搭載される。レンズ１７１１には、制御装置１７１２内の光電変換装置１００と表示装置からの発光を投影するための光学系とが形成されており、レンズ１７１１には画像が投影される。制御装置１７１２は、光電変換装置および表示装置に電力を供給する電源として機能するとともに、光電変換装置および表示装置の動作を制御する。制御装置１７１２は、光電変換装置１００から出力された信号を処理し、表示装置に表示させる処理装置として機能してもよい。制御装置は、装着者の視線を検知する視線検知部を有してもよい。視線の検知は赤外線を用いてよい。赤外発光部は、表示画像を注視しているユーザの眼球に対して、赤外光を発する。発せられた赤外光の眼球からの反射光を、受光素子を有する撮像部が検出することで眼球の撮像画像が得られる。平面視における赤外発光部から表示部への光を低減する低減手段を有することで、画像品位の低下を低減する。
【0101】
赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から表示画像に対するユーザの視線を検出する。眼球の撮像画像を用いた視線検出には任意の公知の手法が適用できる。一例として、角膜での照射光の反射によるプルキニエ像に基づく視線検出方法を用いることができる。
【0102】
より具体的には、瞳孔角膜反射法に基づく視線検出処理が行われる。瞳孔角膜反射法を用いて、眼球の撮像画像に含まれる瞳孔の像とプルキニエ像とに基づいて、眼球の向き（回転角度）を表す視線ベクトルが算出されることにより、ユーザの視線が検出される。
【0103】
本実施形態の表示装置は、受光素子を有する光電変換装置を有し、光電変換装置からのユーザの視線情報に基づいて表示装置の表示画像を制御してよい。
【0104】
具体的には、表示装置は、視線情報に基づいて、ユーザが注視する第１の視界領域と、第１の視界領域以外の第２の視界領域とを決定される。第１の視界領域、第２の視界領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定したものを受信してもよい。表示装置の表示領域において、第１の視界領域の表示解像度を第２の視界領域の表示解像度よりも高く制御してよい。つまり、第２の視界領域の解像度を第１の視界領域よりも低くしてよい。
【0105】
また、表示領域は、第１の表示領域、第１の表示領域とは異なる第２の表示領域とを有し、視線情報に基づいて、第１の表示領域および第２の表示領域から優先度が高い領域を決定されてよい。第１の視界領域、第２の視界領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定したものを受信してもよい。優先度の高い領域の解像度を、優先度が高い領域以外の領域の解像度よりも高く制御してよい。つまり優先度が相対的に低い領域の解像度を低くしてよい。
【0106】
なお、第１の視界領域や優先度が高い領域の決定には、ＡＩを用いてもよい。ＡＩは、眼球の画像と当該画像の眼球が実際に視ていた方向とを教師データとして、眼球の画像から視線の角度、視線の先の目的物までの距離を推定するよう構成されたモデルであってよい。ＡＩプログラムは、表示装置が有しても、光電変換装置が有しても、外部装置が有してもよい。外部装置が有する場合は、通信を介して、表示装置に伝えられる。
【0107】
視認検知に基づいて表示制御する場合、外部を撮像する光電変換装置を更に有するスマートグラスに適用できる。スマートグラスは、撮像した外部情報をリアルタイムで表示することができる。
【0108】
本明細書の開示は、以下の光電変換装置、電子機器および基板を含む。
【0109】
（項目１）
第１主面および第２主面を有する半導体層に複数の画素が配された光電変換装置であって、
前記複数の画素のそれぞれは、複数のアバランシェフォトダイオードを含み、
各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードは、１つのマイクロレンズを共有し、
前記複数の画素のうち互いに隣り合う画素の間には、前記第１主面から前記第２主面まで貫通する第１トレンチ構造が配され、
各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間には、第２トレンチ構造が配され、
前記第２トレンチ構造は、前記第１主面から前記第１主面と前記第２主面との間の位置まで配され、
前記位置は、前記第２主面から離れていることを特徴とする光電変換装置。
第１主面および第２主面を有する半導体層に複数の画素が配された光電変換装置であって、
前記複数の画素のそれぞれは、複数のアバランシェフォトダイオードを含み、
各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードは、１つのマイクロレンズを共有し、
前記複数の画素のうち互いに隣り合う画素の間には、前記第１主面から前記第２主面まで貫通する第１トレンチ構造が配され、
各画素において、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間には、第２トレンチ構造が配され、
前記第２トレンチ構造は、前記第１主面から前記第１主面と前記第２主面との間の位置まで配され、
前記位置は、前記第２主面から離れていることを特徴とする光電変換装置。
【0110】
（項目２）
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれは、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２半導体領域と、によって構成されるＰＮ接合面を備え、
前記第１主面から前記位置までの距離が、前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離よりも長いことを特徴とする項目１に記載の光電変換装置。
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれは、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２半導体領域と、によって構成されるＰＮ接合面を備え、
前記第１主面から前記位置までの距離が、前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離よりも長いことを特徴とする項目１に記載の光電変換装置。
【0111】
（項目３）
前記互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードのうち一方のアバランシェフォトダイオードの前記ＰＮ接合面の中心から前記互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間に配された前記第２トレンチ構造までの距離をｂ、前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離をｄ、前記一方のアバランシェフォトダイオードで発せられる光が前記一方のアバランシェフォトダイオードから前記第２トレンチ構造に入射する際の臨界角をＡとしたときに、前記第２トレンチ構造の前記第１主面から前記位置までの距離Ｌが、
Ｌ＞｛（ｂ２／ｃｏｓ２Ａ）－ｂ２｝１／２＋ｄ
を満たすことを特徴とする項目２に記載の光電変換装置。
前記互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードのうち一方のアバランシェフォトダイオードの前記ＰＮ接合面の中心から前記互いに隣り合うアバランシェフォトダイオードの間に配された前記第２トレンチ構造までの距離をｂ、前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離をｄ、前記一方のアバランシェフォトダイオードで発せられる光が前記一方のアバランシェフォトダイオードから前記第２トレンチ構造に入射する際の臨界角をＡとしたときに、前記第２トレンチ構造の前記第１主面から前記位置までの距離Ｌが、
Ｌ＞｛（ｂ２／ｃｏｓ２Ａ）－ｂ２｝１／２＋ｄ
を満たすことを特徴とする項目２に記載の光電変換装置。
【0112】
（項目４）
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれは、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２半導体領域と、のＰＮ接合面を備え、
前記第１主面から前記位置までの距離が、前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離よりも短いことを特徴とする項目１に記載の光電変換装置。
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれは、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２半導体領域と、のＰＮ接合面を備え、
前記第１主面から前記位置までの距離が、前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離よりも短いことを特徴とする項目１に記載の光電変換装置。
【0113】
（項目５）
前記第１主面と前記第２半導体領域との間に前記第１半導体領域が配され、
前記第１半導体領域は、前記ＰＮ接合面を構成する第１領域と、前記第１領域と前記第１主面との間に配された前記第１領域よりも不純物濃度が高い第２領域と、を含むことを特徴とする項目４に記載の光電変換装置。
前記第１主面と前記第２半導体領域との間に前記第１半導体領域が配され、
前記第１半導体領域は、前記ＰＮ接合面を構成する第１領域と、前記第１領域と前記第１主面との間に配された前記第１領域よりも不純物濃度が高い第２領域と、を含むことを特徴とする項目４に記載の光電変換装置。
【0114】
（項目６）
前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離が、前記第２主面から前記ＰＮ接合面までの距離よりも短いことを特徴とする項目２乃至５の何れか１項目に記載の光電変換装置。
前記第１主面から前記ＰＮ接合面までの距離が、前記第２主面から前記ＰＮ接合面までの距離よりも短いことを特徴とする項目２乃至５の何れか１項目に記載の光電変換装置。
【0115】
（項目７）
前記第２トレンチ構造に、誘電体または金属が埋め込まれていることを特徴とする項目１乃至６の何れか１項目に記載の光電変換装置。
前記第２トレンチ構造に、誘電体または金属が埋め込まれていることを特徴とする項目１乃至６の何れか１項目に記載の光電変換装置。
【0116】
（項目８）
前記第１トレンチ構造に、誘電体または金属が埋め込まれていることを特徴とする項目１乃至７の何れか１項目に記載の光電変換装置。
前記第１トレンチ構造に、誘電体または金属が埋め込まれていることを特徴とする項目１乃至７の何れか１項目に記載の光電変換装置。
【0117】
（項目９）
各画素に前記複数のアバランシェフォトダイオードとして２つのアバランシェフォトダイオードが配されていることを特徴とする項目１乃至８の何れか１項目に記載の光電変換装置。
各画素に前記複数のアバランシェフォトダイオードとして２つのアバランシェフォトダイオードが配されていることを特徴とする項目１乃至８の何れか１項目に記載の光電変換装置。
【0118】
（項目１０）
各画素に前記複数のアバランシェフォトダイオードとして４つのアバランシェフォトダイオードが配され、
前記４つのアバランシェフォトダイオードは、前記第１主面に対する正射影において、２行２列に並ぶように配されていることを特徴とする項目１乃至８の何れか１項目に記載の光電変換装置。
各画素に前記複数のアバランシェフォトダイオードとして４つのアバランシェフォトダイオードが配され、
前記４つのアバランシェフォトダイオードは、前記第１主面に対する正射影において、２行２列に並ぶように配されていることを特徴とする項目１乃至８の何れか１項目に記載の光電変換装置。
【0119】
（項目１１）
項目１乃至１０の何れか１項目に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置と、
を備えることを特徴とする機器。
項目１乃至１０の何れか１項目に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置と、
を備えることを特徴とする機器。
【0120】
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
【符号の説明】
【0121】
１００：光電変換装置、１０１：画素、２０１：ＡＰＤ、３００：半導体層、３２３：マイクロレンズ、３２４，３２５：トレンチ構造、３５１，３５２：主面、３６０：位置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】