特許 7366558 センサ及び距離計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-13

(45)【発行日】2023-10-23

(54)【発明の名称】センサ及び距離計測装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/107 20060101AFI20231016BHJP

   G01J 1/42 20060101ALI20231016BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20231016BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 B

G01J1/42 H

H01L27/146 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019046282

(22)【出願日】2019-03-13

(65)【公開番号】P2020150128

(43)【公開日】2020-09-17

【審査請求日】2021-11-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】久保田 寛

(72)【発明者】

【氏名】松本 展

【審査官】原 俊文

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１１７８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１５７０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２４１５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１１３３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１６５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３４０３９０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９

Ｈ０１Ｌ ２７／１４－２７／１４８

Ｇ０１Ｊ １／４２－１／４６

Ｇ０１Ｓ ７／４８－７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の画素であって、それぞれの前記画素は複数の第１のアバランシェフォトダイオードと複数の第１のクエンチング素子とを含み、それぞれの前記第１のクエンチング素子の一端は対応する前記第１のアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、それぞれの前記第１のクエンチング素子のもう一端は対応する前記画素の出力端子に接続されている、複数の画素と、
前記複数の画素の全体が配置されている領域と隣り合う領域に配置された複数の第２のアバランシェフォトダイオードと、
一端が対応する前記第２のアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、もう一端が特定の電位に接続された共通の出力端子に接続されている複数の第２のクエンチング素子と、
を具備し、
前記第２のアバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧は、前記第１のアバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧よりも高い、
センサ。

【請求項2】

複数の画素であって、それぞれの前記画素は複数の第１のアバランシェフォトダイオードと複数の第１のクエンチング素子とを含み、それぞれの前記第１のクエンチング素子の一端は対応する前記第１のアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、それぞれの前記第１のクエンチング素子のもう一端は対応する前記画素の出力端子に接続されている、複数の画素と、
前記複数の画素の全体が配置されている領域と隣り合う領域に配置された複数の第２のアバランシェフォトダイオードと、
一端が対応する前記第２のアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、もう一端が特定の電位に接続された共通の出力端子に接続されている複数の第２のクエンチング素子と、
を具備し、
前記第２のクエンチング素子の抵抗値は、前記第１のクエンチング素子の抵抗値よりも高い、
センサ。

【請求項3】

前記複数の画素は、２次元に配置されてセンサ領域を形成し、
前記第２のアバランシェフォトダイオードは、前記センサ領域の外周に配置されている請求項１又は２に記載のセンサ。

【請求項4】

前記第２のアバランシェフォトダイオードは、前記センサ領域の外周の一部には、配置されていない請求項３に記載のセンサ。

【請求項5】

前記第２のアバランシェフォトダイオードは、遮光されている請求項１乃至４の何れか１項に記載のセンサ。

【請求項6】

前記第２のアバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧は、前記第１のアバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧よりも低い請求項１乃至５の何れか１項に記載のセンサ。

【請求項7】

対象物に向けて光を出射するように構成された出射部と、
前記対象物からの反射光を受光する、請求項１乃至６の何れか１項に記載のセンサと、
前記出力端子から出力される前記第１のアバランシェフォトダイオードの電流信号に基づく計測信号から、前記対象物までの距離を計測する距離計測処理部と、
を具備する距離計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、センサ及びそれを備えた距離計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれる距離計測装置が知られている。ＬＩＤＡＲは、レーザ光を対象物に照射し、対象物から反射された反射光の強度をセンサによって検出し、センサから出力される光強度信号に基づいて対象物までの距離を計測する。ＬＩＤＡＲに用いられるセンサとして、半導体を用いた光電子増倍素子であり、特にシリコン光電子増倍素子（ＳｉＰＭ)を用いたセンサが知られている。この様なセンサは高感度であるが、大光量の光を受けると、通常より長時間に渡って出力が出続け、次の計測が困難になる、その出力がノイズとなり性能（Ｓ／Ｎ比）が劣化する場合がある。これには、センサの周囲（半導体）に当たった光によりキャリアが発生する、センサにて発生する２次光子がセンサの周囲にて吸収されてキャリアが発生する、センサにて発生したキャリが拡散してセンサの周囲に蓄積される、等の原因がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－０８９７３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

実施形態は、大光量の光が入射したときでも、それにより使用不可となる時間が短く、性能劣化の少ない、安定した動作を行うセンサ及びそれを備えた距離計測装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

センサは、複数の画素と、複数の第２のアバランシェフォトダイオードと、複数の第２のクエンチング素子とを有する。複数の画素のそれぞれは、複数の第１のアバランシェフォトダイオードと複数の第１のクエンチング素子とを含む。それぞれの第１のクエンチング素子の一端は対応する第１のアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、それぞれの第１のクエンチング素子のもう一端は対応する画素の出力端子に接続されている。第２のアバランシェフォトダイオードは、複数の画素の全体が配置されている領域と隣り合う領域に配置されている。第２のクエンチング素子は、一端が対応する第２のアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、もう一端が特定の電位、例えばグランドに接続された共通の出力端子に接続されている。第２のアバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧は、第１のアバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧よりも高い。
また、センサは、複数の画素と、複数の第２のアバランシェフォトダイオードと、複数の第２のクエンチング素子とを有する。複数の画素のそれぞれは、複数の第１のアバランシェフォトダイオードと複数の第１のクエンチング素子とを含む。それぞれの第１のクエンチング素子の一端は対応する第１のアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、それぞれの第１のクエンチング素子のもう一端は対応する画素の出力端子に接続されている。第２のアバランシェフォトダイオードは、複数の画素の全体が配置されている領域と隣り合う領域に配置されている。第２のクエンチング素子は、一端が対応する第２のアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、もう一端が特定の電位、例えばグランドに接続された共通の出力端子に接続されている。第２のクエンチング素子の抵抗値は、前記第１のクエンチング素子の抵抗値よりも高い。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、各実施形態に係る距離計測装置の概略的な全体構成を示す図である。

【図2】図２は、１つのＳＰＡＤの構成とその動作原理を示す図である。

【図3】図３は、第１の実施形態におけるセンサの１つの構成例を示す図である。

【図4】図４は、ダミーＳＰＡＤの効果について説明するための図である。

【図5】図５は、第２の実施形態におけるセンサの１つの構成例を示す図である。

【図6】図６は、遮光層の効果について説明するための図である。

【図7A】図７Ａは、画素のＡＰＤの表面を基準とした層深さに対する不純物濃度の例を示す図である。

【図7B】図７Ｂは、ダミーＳＰＡＤのＡＰＤの表面を基準とした層深さに対する不純物濃度の第１の例を示す図である。

【図7C】図７Ｃは、ダミーＳＰＡＤのＡＰＤの表面を基準とした層深さに対する不純物濃度の第２の例を示す図である。

【図8】図８は、画素とダミーＳＰＡＤとの間に間隔を空ける変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照して実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
図１は、各実施形態に係る距離計測装置の概略的な全体構成を示す図である。距離計測装置１は、出射部１０と、光学系２０と、計測処理部３０と、画像処理部４０とを有している。

【0008】

出射部１０は、レーザ光Ｌ１を間欠的に出射する。出射部１０は、光源１１と、第１の駆動回路１２と、発振器１３と、第２の駆動回路１４と、制御部１５とを有する。

【0009】

光源１１は、レーザ光Ｌ１を間欠的に発光する。光源１１は、レーザダイオード等のレーザ光源である。

【0010】

第１の駆動回路１２は、例えば光源１１を駆動するための駆動電流を光源１１に供給する。第１の駆動回路１２は、発振器１３で生成されたパルス信号に応じて駆動電流を出力する。

【0011】

発振器１３は、制御部１５による制御に基づいてパルス信号を生成する。発振器１３は、生成したパルス信号を第１の駆動回路１２に出力する。

【0012】

第２の駆動回路１４は、制御部１５による制御に基づいて光学系２０のミラー２５を駆動するための駆動電流をミラー２５に供給する。

【0013】

制御部１５は、例えばＣＰＵ及びメモリを有している。メモリには、距離計測装置１の動作のためのプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、メモリに記憶されているプログラムに従って第１の駆動回路１２及び第２の駆動回路１４を制御する。

【0014】

光学系２０は、出射部１０から射出されたレーザ光Ｌ１を対象物Ｏに射出するとともに、対象物Ｏから反射されたレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２を計測処理部３０に入射させる。光学系２０は、レンズ２１と、第１光学素子２２と、レンズ２３と、第２光学素子２４と、ミラー２５とを有する。

【0015】

レンズ２１は、光源１１から射出された光の射出光路上に配置されている。レンズ２１は、光源１１から間欠的に射出されるレーザ光Ｌ１をコリメートして、第１光学素子２２に導光する。

【0016】

第１光学素子２２は、レンズ２１によって導光されるレーザ光Ｌ１を第２光学素子２４の方向と計測処理部３０の光センサ３１の方向とに分離する。第１光学素子２２は、例えばビームスプリッタである。

【0017】

レンズ２３は、第１光学素子２２から射出されるレーザ光Ｌ１を集光して、光センサ３１に導光する。

【0018】

第２光学素子２４は、第１光学素子２２から射出されるレーザ光Ｌ１をミラー２５の方向に透過させるとともに、ミラー２５から射出されるレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２を計測処理部３０のセンサ３３の方向に反射する。第２光学素子２４は、例えばハーフミラーである。

【0019】

ミラー２５は、入射した光を反射する。ミラー２５の反射面は、例えば、互いに交差する２つの回動軸を中心として回動できるように構成されている。ミラー２５の駆動は、第２の駆動回路１４から供給される駆動電流に従って行われる。

【0020】

計測処理部３０は、光学系２０から射出された反射光Ｌ２に基づき、対象物Ｏまでの距離を計測する。計測処理部３０は、光センサ３１と、レンズ３２と、センサ３３と、第１増幅器３４と、第２増幅器３５と、時間取得部３６と、距離計測処理部３７とを有する。

【0021】

光センサ３１は、例えばフォトダイオードであり、レンズ２３を介して導光されたレーザ光Ｌ１を受光して電気信号を出力する。

【0022】

レンズ３２は、第２光学素子２４からの反射光Ｌ２を集光して、センサ３３に導光する。

【0023】

センサ３３は、レンズ３２から入射した反射光Ｌ２を受光して電気信号を出力する。センサ３３は、例えば半導体を用いた光電子増倍素子であり、特にシリコン光電子増倍素子（ＳｉＰＭ）である。ＳｉＰＭは、ＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode）と呼ばれる、ガイガーモードで使用されるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）をマルチピクセル化したデバイスである。それぞれのＳＰＡＤは、光入射に応じてアバランシェ降伏を起こし、電気信号を出力する。センサ３３の構成については後で詳しく説明する。

【0024】

第１増幅器３４は、光センサ３１から出力される電気信号を増幅して時間取得部３６と、距離計測処理部３７に出力する。

【0025】

第２増幅器３５は、例えばトランスインピーダンス増幅器であり、反射光Ｌ２に基づく電気信号を増幅する。第２増幅器３５は、例えばセンサ３３から出力される電流信号を計測信号としての電圧信号に増幅し、変換する。

【0026】

時間取得部３６は、反射光Ｌ２に基づく計測信号をＡＤ変換により、信号強度についての時系列信号を生成する。あるいは、計測信号の立ち上がり時間を取得するのでもよい。

【0027】

距離計測処理部３７は、時間取得部３６によって取得された時系列信号のピーク時刻を検出し、そのピーク時刻とレーザ光Ｌ１の照射タイミングとの時間差に基づいて、あるいは、立ち上がり時間とレーザ光Ｌ１の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物Ｏまでの距離を計測する。

【0028】

以下、センサ３３の構成を説明する。図２は、ＳＰＡＤの構成とその動作原理を示す図である。１つのＳＰＡＤは、ＡＰＤ１０１と、クエンチ抵抗１０２とを有している。クエンチ抵抗１０２の一端は、ＡＰＤ１０１の電流出力端子（図２の例ではアノード）に接続されている。なお、クエンチ抵抗の代わりに、トランジスタを用いたクエンチング・デバイス（アクティブ・クエンチ回路）を用いてもよい。クエンチ抵抗とアクティブ・クエンチ回路の総称として、本明細書では、グエンチング素子と記すことにする。

【0029】

図２の例のＡＰＤ１０１は、厚いＰ型半導体層と薄いＮ型半導体層とを有している。具体的には、ＡＰＤ１０１は、例えば基板ＳＵＢと、Ｐ型半導体層Ｐと、Ｐプラス型半導体層Ｐ^＋と、Ｎプラス型半導体層Ｎ^＋とを有する。基板ＳＵＢは、例えばＰ型半導体基板である。基板ＳＵＢにはＰ型半導体層Ｐが積層されている。Ｐ型半導体層Ｐは、Ｐプラス型半導体層Ｐ^＋に比べて不純物濃度の低い薄いＰ型半導体（エピ）層である。Ｐプラス型半導体層Ｐ^＋は、Ｐ型半導体層Ｐに比べて不純物濃度が高くなるようにＰ型不純物が導入された半導体層である。Ｎプラス型半導体層Ｎ^＋は、Ｎ型不純物が導入された不純物濃度の大きい半導体層である。Ｎプラス型半導体層Ｎ^＋には図示しない電極が形成されている。これらの電極を介してＡＰＤ１０１には、基板側が負となる方向に、高い逆バイアス電圧がかけられる。

【0030】

図２に示すように、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層との接合（ＰＮ接合）領域付近には空乏層Ｄが形成される。この空乏層Ｄに光が入射すると、空乏層ＤにキャリアＣ_Ｌとして電子と正孔の対が発生する。

【0031】

ここで、ＡＰＤ１には高い逆バイアス電圧がかけられているために、空乏層Ｄに発生したキャリアＣ_Ｌは逆バイアス電圧による電界Ｅによってドリフトする。図２の例では、キャリアＣ_Ｌのうち、電子は表面方向（Ｎプラス型半導体層Ｎ^＋）に向けて加速され、正孔は基板方向に向けて加速される。Ｎプラス型半導体層Ｎ^＋に向けて加速された電子は、ＰＮ接合付近の強い電界の下、原子と衝突する。そして、原子に衝突した電子が原子をイオン化させて新たな電子と正孔の対を発生させる。逆バイアス電圧がブレークダウン電圧を超えると、このような電子と正孔の対の発生が繰り返される。このようなアバランシェ降伏により、ＡＰＤ１０１は放電する。このような放電は、ガイガー放電と呼ばれている。このようにして、１つのＳＰＡＤからは、ガイガー放電とその後のリカバリに関わる電気信号が出力される。

【0032】

ＡＰＤ１０１から出力された電流はクエンチ抵抗１０２に流れる。このときの電圧降下によってバイアス電圧が低下する。バイアス電圧の低下が進み、ブレークダウン電圧未満になると、ガイガー現象が停止する。さらに、ＡＰＤ１０１のＰＮ接合容量などの容量を充電する、リカバリ電流が流れ終わると電流出力が停止する。ガイガー現象が止まり、電流出力が有る程度弱まると、ＡＰＤ１０１は、次の光を受光できる状態に戻る。

【0033】

ここで、ＡＰＤ１０１は、図２の構造に限るものではない。例えば、Ｐプラス型半導体層Ｐ^＋はなくてもよい。また、図２では、Ｐ型半導体層が厚く、Ｎ型半導体層が薄い構造のＡＰＤであるが、逆にＮ型半導体層が厚く、Ｐ型半導体層が薄い構造のＡＰＤであってもよい。更にまた、図２の様に表面近くにPN接合を作るのではなく、基板ＳＵＢとエピ層の境界付近に、ＰＮ接合を形成してもよい。

【0034】

図３は、第１の実施形態におけるセンサ３３の１つの構成例を示す図である。図３に示すように、実施形態におけるセンサ３３は、センサ領域３３１と、ダミーＳＰＡＤ３３２とを有する。

【0035】

１つのセンサ領域３３１は、第１のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と、第１のクエンチ抵抗とを含む、複数のＳＰＡＤからなる。図３に示すようにセンサ領域３３１は、２次元的に配置されてセンサを形成している。センサ領域３３１の各々のＡＰＤ（第１のアバランシェフォトダイオード）は、それぞれ、第１のクエンチ抵抗の一端が接続されてＳＰＡＤを構成する。第１のクエンチ抵抗のもう一端は、出力端子に接続されている。図３では、センサ領域３３１の複数のＳＰＡＤは、３つの画素にグルーピングされている。第１の画素のＳＰＡＤは、第１のクエンチ抵抗を介して出力端子Ｏ_ｎ－１に共通に接続されている。第２の画素のＳＰＡＤは、別の第１のクエンチ抵抗を介して出力端子Ｏ_ｎに接続されている。第３の画素のＳＰＡＤは、さらに別の第１のクエンチ抵抗を介して出力端子Ｏ_ｎ＋１に接続されている。出力端子Ｏ_ｎ－１、Ｏ_ｎ、Ｏ_ｎ＋１は、それぞれ、第２増幅器３５に接続されている。このような構成により、各々の出力端子Ｏ_ｎ－１、Ｏ_ｎ、Ｏ_ｎ＋１から第２増幅器３５へは、同一のセンサ領域に属するセンサ領域３３１の、各々の画素のＳＰＡＤから出力される電気信号の総和に相当する電気信号が出力される。図３のセンサ領域３３１は３つの画素を含んでいるが、画素の数は１を含めて、幾つでもよい。

【0036】

複数のダミーＳＰＡＤ３３２は、センサ領域の外周に設けられている。ダミーＳＰＡＤ３３２は、第２のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と、第２のクエンチ抵抗とを含むＳＰＡＤである。ダミーＳＰＡＤ３３２のＡＰＤ（第２のアバランシェフォトダイオード）は、第２のクエンチ抵抗の一端に接続されている。第２のクエンチ抵抗のもう一端は、センサ領域３３１とは別の出力端子Ｏ_ｄに接続されている。出力端子Ｏ_ｄは、センサ３３の特定の電位、例えば、グランドに接続されている。

【0037】

ここで、例えば、第１のＡＰＤと第２のＡＰＤとは同一の特性を有する素子である。後で説明するように、第１のＡＰＤと第２のＡＰＤとは異なる特性を有する素子であってもよい。また、例えば、第１のクエンチ抵抗と第２のクエンチ抵抗とは同一の抵抗値を有する素子である。後で説明するように、第１のクエンチ抵抗と第２のクエンチ抵抗とは異なる抵抗値を有する素子であってもよい。

【0038】

また、ダミーＳＰＡＤ３３２は、センサ領域をすべて囲むように設けられていることが望ましいが、必ずしもセンサ領域をすべて囲むように設けられていなくてもよい。図３に示すように、ダミーＳＰＡＤ３３２には、ＳＰＡＤのない隙間３３３があってもよい。隙間３３３は、１画素分の大きさに限らない。例えば、センサ領域の左端と右端にだけダミーＳＰＡＤ３３２が設けられ、センサ領域の上端と下端には隙間３３３だけが設けられていてもよい。このように、隙間３３３の大きさや数、間隔は任意に設定してもよい。また、図３では、ダミーＳＰＡＤ３３２は共通の出力端子Ｏ_ｄに接続されているが、ダミーＳＰＡＤ３３２は個別に特定の電位、例えば、グランドに接続されてもよい。

【0039】

図４は、ダミーＳＰＡＤ３３２の効果について説明するための図である。センサ領域の外周にダミーＳＰＡＤ３３２が設けられていることにより、センサ領域の外からの光入射等によってセンサ領域３３１の外で発生した、あるいは蓄積されたキャリアＣ_Ｌは、ダミーＳＰＡＤ３３２にかけられている逆バイアス電圧による電界Ｅによってドリフトされる。このキャリアＣ_Ｌのドリフトによるアバランシェ降伏によって生じた電子は、出力端子Ｏ_ｄを介して特定の電位、例えば、グランドに流れる。

【0040】

このように本実施形態では、センサ領域の外からの光入射によってセンサ領域３３１の外で発生したキャリアがセンサ領域３３１まで届くことが抑制される。

【0041】

ＳｉＰＭに大光量の光が入射したとき、センサ領域の外からの光入射によってセンサ領域３３１の外で発生したキャリアは比較的長い時間をかけてセンサ領域３３１まで達する。特に、センサ領域３３１の外で発生したキャリアが拡散によってセンサ領域３３１まで移動するときには、長い時間がかかる。このようなセンサ領域３３１の外で発生したキャリアにより、センサ領域３３１は、直接入射した光による電気信号を出力した後も電気信号を出力し続けることがある。ＳｉＰＭの電気信号の出力が完了するまでは次の検出を行うことができない、あるいはＳＮが損なわれるため、センサ領域３３１による電気信号の出力が長時間に及ぶと、距離の計測にも影響が及ぶ可能性が生じる。

【0042】

実施形態では、センサ領域３３１の外で発生したキャリアがセンサ領域３３１まで届きにくくなり、また、ＳｉＰＭの電気信号の出力は早期に完了しやすい。したがって、次の検出が早期に行われ、性能も改善する。このため、大光量の光が入射したときでもセンサ３３はより安定して動作する。

【0043】

また、一般に（大光量の光を入射していない場合においても）、センサ領域３３１の外で発生したキャリアによる電気信号は、センサ領域３３１に直接入射した光による電気信号に対するノイズになり得る。実施形態では、センサ領域３３１の外で発生したキャリアがセンサ領域３３１まで届きにくくなるので、このようなノイズも抑制される。

【0044】

［第２の実施形態］
次に第２の実施形態を説明する。ここで、第２の実施形態においても距離計測装置の構成は、第１の実施形態と同様である。したがって、その説明は省略する。図５は、第２の実施形態におけるセンサ３３の１つの構成例を示す図である。図５に示すように、実施形態におけるセンサ３３は、センサ領域３３１と、ダミーＳＰＡＤ３３２とを有する。センサ領域３３１とダミーＳＰＡＤ３３２は、第１の実施形態と同様である。

【0045】

第２の実施形態では、ダミーＳＰＡＤ３３２の上に遮光層３３４が設けられている。遮光層３３４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）層であって、ダミーＳＰＡＤ３３２への光入射を防ぐ。遮光層３３４は、レジスト用材料等、遮光性のあるものであればその材料は特に限定されない。また、遮光層は、ダミーＳＰＡＤ３３２の上だけでなく、その周囲の半導体上も覆う様にしてもよく、その方が望ましい。

【0046】

図６は、遮光層３３４の効果について説明するための図である。ダミーＳＰＡＤ３３２の上及びその周囲に遮光層３３４が設けられていることにより、センサ領域３３１の外からの光がダミーＳＰＡＤ３３２及びその周囲に入射することが抑制される。このため、センサ領域３３１の外で発生するキャリアは、概ね、熱によって励起されるキャリアＣ_Ｈと２次光子により発生するキャリアだけになる。これらのキャリアの数は、大光量の光入射によって励起されるキャリアＣ_Ｌに比べて少ない。

【0047】

大光量の光入射等によってダミーＳＰＡＤ３３２が励起してしまうと、ダミーＳＰＡＤ３３２のバイアス電圧が低下する。このとき、ダミーＳＰＡＤ３３２のセンサ領域３３１の外で発生したキャリアの加速も弱まってダミーＳＰＡＤ３３２のキャリアを収集する能力は低下する。第２の実施形態では、センサ領域３３１の外で発生するキャリアが少なくなるので、ダミーＳＰＡＤ３３２は励起し難くなる。したがって、第２の実施形態では、第１の実施形態に比べてより、センサ領域３３１の外で発生したキャリアがセンサ領域３３１まで届きにくくなる。

【0048】

［変形例１］
ここで、ダミーＳＰＡＤ３３２自体が励起しにくいように構成されていてもよい。例えば、ダミーＳＰＡＤ３３２は、アバランシェ降伏を起こし難くなるように構成されていてもよい。または、ダミーＳＰＡＤ３３２は、早期にクエンチが完了するように構成されていてもよい。これらの変形例１は、第１の実施形態及び第２の実施形態の何れにおいても適用され得る。

【0049】

アバランシェ降伏を起こし難くなるように、例えば、ダミーＳＰＡＤ３３２のブレークダウン電圧は、センサ領域３３１のブレークダウン電圧よりも高くされてよい。これにより、ダミーＳＰＡＤ３３２は、センサ領域３３１に比べてアバランシェ降伏を起こし難くなる。

【0050】

ブレークダウン電圧は、例えばＰプラス型半導体層Ｐ^＋における不純物濃度を変えることによって変えることができる。図７Ａは、センサ領域３３１のＡＰＤの表面を基準とした層深さに対するＰ型及びＮ型不純物濃度を示す図である。図７Ｂは、ダミーＳＰＡＤ３３２のＡＰＤの表面を基準とした層深さに対する第１の例のＰ型及びＮ型不純物濃度を示す図である。図７Ｃは、ダミーＳＰＡＤ３３２のＡＰＤの表面を基準とした層深さに対する第２の例のＰ型及びＮ型不純物濃度を示す図である。

【0051】

例えば、センサ領域３３１のＮプラス型半導体層Ｎ^＋における不純物濃度及びＰプラス型半導体層Ｐ^＋における不純物濃度が図７Ａに示すものであるとき、ダミーＳＰＡＤ３３２のＰプラス型半導体層Ｐ^＋における不純物濃度は、図７Ｂに示す第１の例のように変更されてよい。つまり、ダミーＳＰＡＤ３３２のＰプラス型半導体層Ｐ^＋におけるより深い側（基板ＳＵＢの側）の不純物濃度は、センサ領域３３１のＰプラス型半導体層Ｐ^＋におけるより深い側（基板ＳＵＢの側）の不純物濃度よりも下げられてよい。このようにすることで、空乏層がより深くなり、結果としてブレークダウン電圧も高くなる。不純物濃度は、例えばＰプラス型半導体層Ｐ^＋を形成するためのイオンプランテーションにおける不純物のドーズ量を調整することで変えることができる。ここで、イオンプランテーションのドーズ量をゼロにし、Ｐプラス型半導体層Ｐ^＋を形成しなくてもよい。

【0052】

また、ブレークダウン電圧は、例えばＰプラス型半導体層Ｐ^＋の深さを変えることによっても変えることができる。例えば、センサ領域３３１のＮプラス型半導体層Ｎ^＋における不純物濃度及びＰプラス型半導体層Ｐ^＋における不純物濃度が図７Ａに示すものであるとき、ダミーＳＰＡＤ３３２のＰプラス型半導体層Ｐ^＋の深さは、図７Ｃに示す第２の例のように変更されてよい。つまり、ダミーＳＰＡＤ３３２のＰプラス型半導体層Ｐ^＋の深さは、センサ領域３３１のＰプラス型半導体層Ｐ^＋の深さよりも浅くされてもよい。このようにすることで、空乏層がより深くなり、結果としてブレークダウン電圧も高くなる。Ｐプラス型半導体層Ｐ^＋の深さは、例えばＰプラス型半導体層を形成するためのイオンプランテーションにおいてＰプラス型半導体層Ｐ^＋を浅く打つことで変えることができる。

【0053】

また、ダミーＳＰＡＤ３３２のクエンチ抵抗の抵抗値は、センサ領域３３１のクエンチ抵抗の抵抗値よりも高くされてよい。これにより、ダミーＳＰＡＤ３３２は、アバランシェ降伏を起こしたとしても早期にクエンチングが終了する。したがって、ダミーＳＰＡＤ３３２は早期にキャリアをより良く収集できる状態に戻る。

【0054】

また、ダミーＳＰＡＤ３３２の逆バイアス電圧は、センサ領域３３１の逆バイアス電圧よりも低くされてよい。これにより、ダミーＳＰＡＤ３３２は、センサ領域３３１に比べてアバランシェ降伏を起こし難くなる。

【0055】

以上説明したように変形例１においてもダミーＳＰＡＤ３３２は励起し難くなる。したがって、センサ領域３３１の外で発生したキャリアがセンサ領域３３１まで届きにくくなる。

【0056】

［変形例２］
前述した実施形態ではセンサ領域３３１とダミーＳＰＡＤ３３２とは隣り合っているとしている。これに対し、図８で示すように、センサ領域３３１とダミーＳＰＡＤ３３２との間にはある程度の間隔Ｉが空けられていてもよい。間隔Ｉの幅は、１画素の幅、例えば２μｍから１０μｍ程度でよい。実際には、間隔Ｉの幅は、センサ領域３３１及びダミーＳＰＡＤ３３２に入射し得る光の波長に応じて決められてよい。ここで、間隔Ｉには、何の素子も形成されていなくてもよいし、トレンチ構造やＬＯＣＯＳの様な素子分離用の構造が作成されていてもよく、逆バイアス電圧がかけられていないダミーＳＰＡＤが形成されていてもよい。

【0057】

間隔Ｉが空けられていることにより、ダミーＳＰＡＤ３３２で収集しきれないキャリアがセンサ領域３３１まで到達するクロストークが抑制される。

【0058】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0059】

１ 距離計測装置、１０ 出射部、１１ 光源、１２ 第１の駆動回路、１３ 発振器、１４ 第２の駆動回路、１５ 制御部、２０ 光学系、２１ レンズ、２２ 第１光学素子、２３ レンズ、２４ 第２光学素子、２５ ミラー、３０ 計測処理部、３１ 光センサ、３２ レンズ、３３ センサ、３４ 第１増幅器、３５ 第２増幅器、３６ 時間取得部、３７ 距離計測処理部、４０ 画像処理部、１０１ ＡＰＤ、１０２ クエンチ抵抗、３３１ センサ領域、３３２ ダミーＳＰＡＤ、３３３ 隙間、３３４ 遮光層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】