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JP6972068B2 - Photoelectric converter - Google Patents
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JP6972068B2 - Photoelectric converter - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device.

カメラの自動焦点検出用、カメラの自動露出調整用、放射線検出用等の用途で使用される光電変換装置の中には、数十ミクロン〜数百ミクロン程度の径の大面積のフォトダイオードを有するものがある。このような大面積のフォトダイオードには、飽和電荷量が大きく且つ高速の読み出しが可能であることが望まれている。特許文献1には、フォトダイオード内のポテンシャル分布を工夫することにより高感度化と高速読み出しとを実現するための技術が開示されている。 Some photoelectric conversion devices used for automatic focus detection of cameras, automatic exposure adjustment of cameras, radiation detection, etc. have large-area photodiodes with a diameter of several tens of microns to several hundreds of microns. There is something. It is desired that such a large-area photodiode has a large amount of saturated charge and can be read out at high speed. Patent Document 1 discloses a technique for realizing high sensitivity and high-speed readout by devising a potential distribution in a photodiode.

特開2016−076647号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-076647

光電変換装置の更なる高感度化のために、出力信号に重畳するノイズを抑制しつつフォトダイオードの飽和電荷量をより高めることが望まれている。 In order to further increase the sensitivity of the photoelectric conversion device, it is desired to further increase the saturated charge amount of the photodiode while suppressing the noise superimposed on the output signal.

本発明の目的は、飽和電荷量の大きい光電変換部を有する高感度の光電変換装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a highly sensitive photoelectric conversion device having a photoelectric conversion unit having a large amount of saturated charge.

本発明の一観点によれば、光の入射により第1の極性の信号電荷を生じる光電変換部と、前記信号電荷を信号電圧に変換する電荷変換回路と、前記光電変換部から前記電荷変換回路に前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、を有し、前記光電変換部は、半導体基板の表面部に設けられ、前記第1の極性のキャリアを多数キャリアとする第1導電型の第1の半導体領域と、前記半導体基板の前記表面部に、前記第1の半導体領域から離間して設けられ、前記第1の極性と異なる第2の極性のキャリアを多数キャリアとする第2導電型の第2の半導体領域及び第3の半導体領域と、前記第2の半導体領域が設けられた深さよりも深い第1の深さに設けられた前記第1導電型の第の半導体領域と、前記第の半導体領域が設けられた深さよりも深い第2の深さに設けられ、平面視において前記第2の半導体領域と重なる前記第2導電型の第の半導体領域と、前記第の半導体領域が設けられた深さよりも深い第3の深さに設けられた前記第1導電型の第の半導体領域と、を有し、前記第1の半導体領域は、前記転送トランジスタに電気的に接続されており、前記第1の半導体領域は、前記第2の半導体領域と前記第3の半導体領域との間に配されており、前記第1の半導体領域、前記第4の半導体領域及び前記第6の半導体領域は、深さ方向に電気的に接続されており、前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域は、平面視において前記第1の半導体領域、前記第2の半導体領域、前記第3の半導体領域及び前記第の半導体領域と重なっている光電変換装置
光電変換装置が提供される。
According to one aspect of the present invention, a photoelectric conversion unit that generates a signal charge of the first polarity by incident light, a charge conversion circuit that converts the signal charge into a signal voltage, and a charge conversion circuit from the photoelectric conversion unit. The first conductive type, which has a transfer transistor for transferring the signal charge, is provided on the surface portion of the semiconductor substrate, and has a large number of carriers of the first polarity. A second conductive type first, which is provided on the semiconductor region and the surface portion of the semiconductor substrate apart from the first semiconductor region and has a large number of carriers having a second polarity different from the first polarity. The second semiconductor region and the third semiconductor region , the first conductive type fourth semiconductor region provided at a first depth deeper than the depth provided with the second semiconductor region, and the first. 4 of the semiconductor region is provided on the second depth greater than the depth provided a fifth semiconductor region of the second conductivity type overlaps with said second semiconductor region in a plan view, the fifth semiconductor It has a sixth semiconductor region of the first conductive type provided at a third depth deeper than the depth at which the region is provided , and the first semiconductor region electrically connects to the transfer transistor. The first semiconductor region is connected, and the first semiconductor region is arranged between the second semiconductor region and the third semiconductor region, and the first semiconductor region, the fourth semiconductor region, and the third semiconductor region are connected. The sixth semiconductor region is electrically connected in the depth direction, and the fourth semiconductor region and the sixth semiconductor region are the first semiconductor region and the second semiconductor region in a plan view. , A photoelectric conversion device that overlaps the third semiconductor region and the fifth semiconductor region. The photoelectric conversion device is provided.

本発明によれば、飽和電荷量の大きい光電変換部を有する高感度の光電変換装置を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a highly sensitive photoelectric conversion device having a photoelectric conversion unit having a large amount of saturated charge.

本発明の第1実施形態による光電変換装置の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the schematic structure of the photoelectric conversion apparatus according to 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による光電変換装置の光電変換部を示す平面図である。It is a top view which shows the photoelectric conversion part of the photoelectric conversion apparatus according to 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による光電変換装置の光電変換部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the photoelectric conversion part of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による光電変換装置の光電変換部のポテンシャル図である。It is a potential figure of the photoelectric conversion part of the photoelectric conversion apparatus according to 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の変形例による光電変換装置の光電変換部を示す概略断面図である。It is schematic cross-sectional view which shows the photoelectric conversion part of the photoelectric conversion apparatus by the modification of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による光電変換装置の光電変換部を示す平面図である。It is a top view which shows the photoelectric conversion part of the photoelectric conversion apparatus according to 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による光電変換装置の光電変換部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the photoelectric conversion part of the photoelectric conversion apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態による撮像システムの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the image pickup system according to 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the image pickup system and the moving body according to 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態による放射線撮像システムを示す図である。It is a figure which shows the radiation imaging system by 5th Embodiment of this invention.

[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による光電変換装置について、図1乃至図4を用いて説明する。図1は、本実施形態による光電変換装置の概略構成を示す回路図である。図2は、本実施形態による光電変換装置の光電変換部の構造を示す平面図である。図3は、本実施形態による光電変換装置の光電変換部の構造を示す概略断面図である。図4は、本実施形態による光電変換装置の光電変換部のポテンシャル図である。
[First Embodiment]
The photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a photoelectric conversion device according to the present embodiment. FIG. 2 is a plan view showing the structure of the photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion device according to the present embodiment. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion device according to the present embodiment. FIG. 4 is a potential diagram of the photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion device according to the present embodiment.

はじめに、本実施形態による光電変換装置の構造について、図1乃至図3を用いて説明する。 First, the structure of the photoelectric conversion device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

本実施形態による光電変換装置100は、図1に示すように、複数の画素10と、走査回路20と、演算増幅器30と、積分容量40と、を有している。 As shown in FIG. 1, the photoelectric conversion device 100 according to the present embodiment has a plurality of pixels 10, a scanning circuit 20, an operational amplifier 30, and an integral capacity 40.

複数の画素10の各々は、光電変換部PDと、転送トランジスタM1と、を有する。光電変換部PDは、例えばフォトダイオードであり、アノードが接地ノードに接続され、カソードが転送トランジスタM1のソースに接続されている。転送トランジスタM1のゲートは、走査回路20に接続されている。転送トランジスタM1のドレインは、複数の画素10に共通の信号出力線12に接続されている。 Each of the plurality of pixels 10 has a photoelectric conversion unit PD and a transfer transistor M1. The photoelectric conversion unit PD is, for example, a photodiode, the anode is connected to the ground node, and the cathode is connected to the source of the transfer transistor M1. The gate of the transfer transistor M1 is connected to the scanning circuit 20. The drain of the transfer transistor M1 is connected to a signal output line 12 common to a plurality of pixels 10.

信号出力線12は、演算増幅器30の反転入力端子(−)に接続されている。演算増幅器30の非反転入力端子(+)には、電圧Vrefが供給される。演算増幅器30の出力端子は、センサ出力線32に接続されている。演算増幅器30の反転入力端子(−)と出力端子との間には、積分容量40が接続されている。 The signal output line 12 is connected to the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 30. A voltage Vref is supplied to the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 30. The output terminal of the operational amplifier 30 is connected to the sensor output line 32. An integral capacitance 40 is connected between the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 30 and the output terminal.

図1では簡略化のため、1本の信号出力線12に接続される3つの画素10を示しているが、1本の信号出力線12に接続される画素10の数は特に限定されるものではない。1本の信号出力線12に接続される画素10の数は、2以下であってもよいし4以上であってもよい。また、複数の信号出力線12の各々に複数の画素10を接続し、2次元画素アレイを構成するようにしてもよい。 In FIG. 1, for simplification, three pixels 10 connected to one signal output line 12 are shown, but the number of pixels 10 connected to one signal output line 12 is particularly limited. is not it. The number of pixels 10 connected to one signal output line 12 may be 2 or less, or 4 or more. Further, a plurality of pixels 10 may be connected to each of the plurality of signal output lines 12 to form a two-dimensional pixel array.

光電変換部PDは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換(光電変換)するとともに、生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタM1は、オンになることにより光電変換部PDが保持する電荷を信号出力線12に出力する。走査回路20から各々の画素10に順次読み出しパルスを供給することで、各々の画素10の光電変換部PDで生じた電荷を順次信号出力線12に出力することができる。 The photoelectric conversion unit PD converts the incident light into an amount of electric charge corresponding to the amount of light (photoelectric conversion), and accumulates the generated electric charge. When the transfer transistor M1 is turned on, the electric charge held by the photoelectric conversion unit PD is output to the signal output line 12. By sequentially supplying the readout pulse to each pixel 10 from the scanning circuit 20, the electric charge generated in the photoelectric conversion unit PD of each pixel 10 can be sequentially output to the signal output line 12.

演算増幅器30は、その反転入力端子と出力端子との間に接続された積分容量40とともに電荷積分型の電荷変換回路を構成している。これにより、光電変換部PDから信号出力線12へと出力された信号電荷は積分容量40で積分され、その電荷の量に応じた信号電圧がセンサ出力線32ヘと出力される。光電変換部PDのカソード側の電位は、信号出力線12への電荷の出力後、すなわち光電変換部PDがリセットされることにより、電圧Vrefに応じた電位となる。 The operational amplifier 30 constitutes a charge integration type charge conversion circuit together with an integral capacity 40 connected between the inverting input terminal and the output terminal. As a result, the signal charge output from the photoelectric conversion unit PD to the signal output line 12 is integrated with the integration capacity 40, and the signal voltage corresponding to the amount of the charge is output to the sensor output line 32. The potential on the cathode side of the photoelectric conversion unit PD becomes a potential corresponding to the voltage Vref after the electric charge is output to the signal output line 12, that is, when the photoelectric conversion unit PD is reset.

積分容量40は、MIM型キャパシタなど、電位依存性を持たない容量素子により構成される。これは、信号対出力の線形性を確保するためである。後述するように、光電変換部PDを構成するフォトダイオードのPN接合容量は、大きな電位依存性を持つ。しかしながら、電位依存性を持たない積分容量40を用いて電荷積分回路を構成することにより、フォトダイオードのPN接合容量の電位依存性に関係なく、光電変換部PDから出力される電荷の量に比例した出力電圧をセンサ出力線32に出力することができる。これにより、信号対出力の線形性を確保することができる。 The integrated capacitance 40 is composed of a capacitive element having no voltage dependence, such as a MIM type capacitor. This is to ensure the linearity of the signal vs. output. As will be described later, the PN junction capacitance of the photodiode constituting the photoelectric conversion unit PD has a large voltage dependence. However, by constructing the charge integration circuit using the integrated capacity 40 having no potential dependence, it is proportional to the amount of charge output from the photoelectric conversion unit PD regardless of the potential dependence of the PN junction capacitance of the photodiode. The output voltage can be output to the sensor output line 32. This makes it possible to ensure signal-to-output linearity.

次に、本実施形態による光電変換装置の光電変換部PDの構造について、図2及び図3を用いて説明する。図2は、光電変換部PDの構成例を示す平面レイアウト図である。図3は、図2のA−A′線断面図である。なお、本明細書において平面視とは、光電変換部PDの各構成要素を半導体基板の表面に平行な面に投影した状態を表すものであり、図2の平面レイアウト図に対応している。 Next, the structure of the photoelectric conversion unit PD of the photoelectric conversion device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is a plan layout view showing a configuration example of the photoelectric conversion unit PD. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA'of FIG. In the present specification, the plan view represents a state in which each component of the photoelectric conversion unit PD is projected onto a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate, and corresponds to the plan layout diagram of FIG.

本実施形態においては、信号電荷である第1の極性のキャリアが電子の場合を例に挙げて説明する。この場合、第1の極性のキャリア(電子)を多数キャリアとする半導体領域がN型半導体領域であり、第1の極性と異なる第2の極性のキャリア(ホール)を多数キャリアとする半導体領域がP型半導体領域である。光電変換部PDで生じた信号電荷(電子)は、N型半導体領域に蓄積される。なお、信号電荷は必ずしも電子である必要はなく、ホールであってもよい。この場合、後述する各領域の導電型は逆導電型となる。 In the present embodiment, the case where the carrier of the first polarity, which is the signal charge, is an electron will be described as an example. In this case, the semiconductor region having a large number of carriers (electrons) of the first polarity is the N-type semiconductor region, and the semiconductor region having a large number of carriers (holes) of the second polarity different from the first polarity is. This is a P-type semiconductor region. The signal charge (electrons) generated in the photoelectric conversion unit PD is accumulated in the N-type semiconductor region. The signal charge does not necessarily have to be an electron, but may be a hole. In this case, the conductive type of each region described later is a reverse conductive type.

本実施形態による光電変換装置の光電変換部PDは、半導体基板110に設けられたPN接合により構成されるフォトダイオードである。半導体基板110は、例えば低不純物濃度のN型(N型)シリコン基板である。光電変換部PDは、図2に示すように、半導体基板110の光電変換部形成領域112に設けられる。 The photoelectric conversion unit PD of the photoelectric conversion device according to the present embodiment is a photodiode composed of a PN junction provided on the semiconductor substrate 110. The semiconductor substrate 110 is, for example, a low impurity concentration N-type - a (N type) silicon substrate. As shown in FIG. 2, the photoelectric conversion unit PD is provided in the photoelectric conversion unit forming region 112 of the semiconductor substrate 110.

半導体基板110の主表面160側の表面部には、図3に示すように、N型(N型)半導体領域120と、P型半導体領域122と、が設けられている。N型半導体領域120及びP型半導体領域122が設けられた領域よりも深い半導体基板110の第1の深さ162には、N型半導体領域124と、P型半導体領域126と、が設けられている。N型半導体領域124及びP型半導体領域126が設けられた領域よりも深い半導体基板110の第2の深さ164には、P型半導体領域128が設けられている。P型半導体領域128が設けられた領域よりも深い半導体基板110の第3の深さ166には、N型半導体領域130と、P型半導体領域132と、が設けられている。P型半導体領域132が設けられた領域よりも深い半導体基板110の第4の深さ168には、P型半導体領域134が設けられている。P型半導体領域134が設けられた領域よりも深い半導体基板110の第5の深さ170には、P型半導体領域136が設けられている。 As shown in FIG. 3, an N-type (N + type) semiconductor region 120 and a P-type semiconductor region 122 are provided on the surface portion of the semiconductor substrate 110 on the main surface 160 side. The N-type semiconductor region 124 and the P-type semiconductor region 126 are provided at the first depth 162 of the semiconductor substrate 110 deeper than the region where the N-type semiconductor region 120 and the P-type semiconductor region 122 are provided. There is. The P-type semiconductor region 128 is provided at the second depth 164 of the semiconductor substrate 110, which is deeper than the region where the N-type semiconductor region 124 and the P-type semiconductor region 126 are provided. An N-type semiconductor region 130 and a P-type semiconductor region 132 are provided at a third depth 166 of the semiconductor substrate 110, which is deeper than the region provided with the P-type semiconductor region 128. The P-type semiconductor region 134 is provided at the fourth depth 168 of the semiconductor substrate 110, which is deeper than the region where the P-type semiconductor region 132 is provided. A P-type semiconductor region 136 is provided at a fifth depth 170 of the semiconductor substrate 110, which is deeper than the region where the P-type semiconductor region 134 is provided.

P型半導体領域136は、半導体基板110の第5の深さ170よりも浅い領域のN型(N型)半導体領域138と、半導体基板110の第5の深さ170よりも深い領域のN型(N型)半導体領域140とを電気的に分離する役割を有する。別の言い方をすると、P型半導体領域136は、光電変換部PDが光電変換によって信号電荷を生成する深さを規定する。P型半導体領域136よりも浅い領域で生じた電荷(電子)がN型半導体領域120ヘと収集されることにより、信号電荷となる。 P-type semiconductor region 136, N-type region shallower than the fifth depth 170 of the semiconductor substrate 110 (N - -type) semiconductor region 138, N of a region deeper than the fifth depth 170 of the semiconductor substrate 110 having a - (type N) serve to electrically separate the semiconductor region 140 type. In other words, the P-type semiconductor region 136 defines the depth at which the photoelectric conversion unit PD generates a signal charge by photoelectric conversion. Charges (electrons) generated in a region shallower than the P-type semiconductor region 136 are collected in the N-type semiconductor region 120 to become signal charges.

P型半導体領域126,132,134は、図2に示すように、平面視における光電変換部形成領域112の内周に沿って環状に設けられている。平面視におけるP型半導体領域126,132,134の配置領域において、P型半導体領域122,126,128,132,134,136は、深さ方向に電気的に接続されている。すなわち、P型半導体領域126,132,134は、P型半導体領域136とともに素子間を分離する分離層としての役割を備える。 As shown in FIG. 2, the P-type semiconductor regions 126, 132, and 134 are provided in an annular shape along the inner circumference of the photoelectric conversion portion forming region 112 in a plan view. In the arrangement region of the P-type semiconductor regions 126, 132, 134 in a plan view, the P-type semiconductor regions 122, 126, 128, 132, 134, 136 are electrically connected in the depth direction. That is, the P-type semiconductor regions 126, 132, and 134 have a role as a separation layer for separating the elements together with the P-type semiconductor region 136.

N型半導体領域120は、図2に示すように、半導体基板110の表面に平行な第1の方向(図2においてY方向)に延在する細長い矩形状のパターンを有する。N型半導体領域120は、光電変換部形成領域112のY方向の径に近い長さを有する。図2では光電変換部形成領域112に2つのN型半導体領域120を配置しているが、光電変換部形成領域112に配置するN型半導体領域120の数は特に限定されるものではなく、光電変換部形成領域112の大きさや形状に応じて適宜設定することができる。すなわち、N型半導体領域120の数は、1つでもよいし、3つ以上でもよい。 As shown in FIG. 2, the N-type semiconductor region 120 has an elongated rectangular pattern extending in a first direction (Y direction in FIG. 2) parallel to the surface of the semiconductor substrate 110. The N-type semiconductor region 120 has a length close to the diameter in the Y direction of the photoelectric conversion portion forming region 112. In FIG. 2, two N-type semiconductor regions 120 are arranged in the photoelectric conversion portion forming region 112, but the number of N-type semiconductor regions 120 arranged in the photoelectric conversion portion forming region 112 is not particularly limited, and the photoelectric conversion portion is not particularly limited. It can be appropriately set according to the size and shape of the conversion portion forming region 112. That is, the number of the N-type semiconductor regions 120 may be one or three or more.

P型半導体領域122は、N型半導体領域120から離間して設けられている。より具体的には、P型半導体領域122は、N型半導体領域120が設けられた領域と、N型半導体領域120の周囲の一定の範囲と、を除く光電変換部形成領域112の全面に設けられている。P型半導体領域128は、平面視においてP型半導体領域122と重なる領域に設けられている。 The P-type semiconductor region 122 is provided apart from the N-type semiconductor region 120. More specifically, the P-type semiconductor region 122 is provided on the entire surface of the photoelectric conversion portion forming region 112 excluding the region provided with the N-type semiconductor region 120 and a certain range around the N-type semiconductor region 120. Has been. The P-type semiconductor region 128 is provided in a region that overlaps with the P-type semiconductor region 122 in a plan view.

N型半導体領域124,130は、2つのN型半導体領域120の各々に対応してそれぞれ設けられている。N型半導体領域124,130の各々は、平面視において、対応するN型半導体領域120と、P型半導体領域122と、P型半導体領域128とに重なっている。具体的には、N型半導体領域124,130の各々は、平面視においてN型半導体領域120と重なる領域に設けられた幹部と、平面視においてP型半導体領域122,128と重なる領域に設けられた複数の枝部142と、を有する。複数の枝部142は、幹部から第1の方向と交差する第2の方向(図2においてX方向)に平行な両方向に櫛歯状に延伸している。枝部142の幅は、幹部から遠ざかるほどに狭くなっている。平面視におけるN型半導体領域120の配置領域において、N型半導体領域120,124,130は、深さ方向に電気的に接続されている。 The N-type semiconductor regions 124 and 130 are provided corresponding to each of the two N-type semiconductor regions 120, respectively. Each of the N-type semiconductor regions 124 and 130 overlaps the corresponding N-type semiconductor region 120, the P-type semiconductor region 122, and the P-type semiconductor region 128 in a plan view. Specifically, each of the N-type semiconductor regions 124 and 130 is provided in a trunk portion provided in a region overlapping the N-type semiconductor region 120 in a plan view and in a region overlapping the P-type semiconductor regions 122 and 128 in a plan view. It has a plurality of branch portions 142 and. The plurality of branch portions 142 extend in a comb-teeth shape in both directions parallel to the second direction (X direction in FIG. 2) intersecting the first direction from the trunk portion. The width of the branch 142 becomes narrower as it goes away from the trunk. In the arrangement region of the N-type semiconductor region 120 in a plan view, the N-type semiconductor regions 120, 124, 130 are electrically connected in the depth direction.

N型半導体領域120には、コンタクトプラグ等の接続電極152を介して、配線150が接続されている。配線150は、光電変換部PDのカソードと転送トランジスタM1のソースとを接続する配線である。 The wiring 150 is connected to the N-type semiconductor region 120 via a connection electrode 152 such as a contact plug. The wiring 150 is a wiring for connecting the cathode of the photoelectric conversion unit PD and the source of the transfer transistor M1.

こうして、N型半導体領域120,124,130,138とP型半導体領域122,128との間のPN接合により、光電変換部PDが構成されている。N型半導体領域124,130は、光電変換部PDで生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積層としての役割を有する。N型半導体領域120は、接続電極152との間のコンタクト抵抗や、N型半導体領域124,130との間の接続抵抗を低減する観点から、N型半導体領域124,130よりも不純物濃度が高いことが好ましい。 In this way, the photoelectric conversion unit PD is configured by the PN junction between the N-type semiconductor regions 120, 124, 130, 138 and the P-type semiconductor regions 122, 128. The N-type semiconductor regions 124 and 130 have a role as a charge storage layer for accumulating the signal charges generated in the photoelectric conversion unit PD. The N-type semiconductor region 120 has a higher impurity concentration than the N-type semiconductor regions 124 and 130 from the viewpoint of reducing the contact resistance with the connection electrode 152 and the connection resistance with the N-type semiconductor regions 124 and 130. Is preferable.

なお、図2及び図3には示していないが、P型半導体領域122には固定電圧が供給される。これにより、P型半導体領域122に電気的に接続されるP型半導体領域126,128,132,134,136にも、P型半導体領域122に供給される固定電圧と同じ固定電圧が供給される。以下の説明では簡単化のためこの固定電圧を基準電圧(0V)として説明するが、基準電圧に限定されるものではない。 Although not shown in FIGS. 2 and 3, a fixed voltage is supplied to the P-type semiconductor region 122. As a result, the same fixed voltage as the fixed voltage supplied to the P-type semiconductor region 122 is also supplied to the P-type semiconductor regions 126, 128, 132, 134, 136 electrically connected to the P-type semiconductor region 122. .. In the following description, this fixed voltage will be described as a reference voltage (0V) for the sake of simplicity, but the present invention is not limited to the reference voltage.

次に、光電変換部PDの動作について、図2乃至図4を用いて説明する。図4は、光電変換部PDのリセット時のN型半導体領域124及びP型半導体領域126が設けられた第1の深さ162におけるX方向に沿ったポテンシャル図である。 Next, the operation of the photoelectric conversion unit PD will be described with reference to FIGS. 2 to 4. FIG. 4 is a potential diagram along the X direction at the first depth 162 in which the N-type semiconductor region 124 and the P-type semiconductor region 126 at the time of resetting the photoelectric conversion unit PD are provided.

転送トランジスタM1がオンになり光電変換部PDに蓄積されていた電荷が信号出力線12へと出力されると、光電変換部PDのカソード側の電位は電圧Vrefに応じた電位となり、光電変換部PDがリセットされる。 When the transfer transistor M1 is turned on and the electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit PD is output to the signal output line 12, the potential on the cathode side of the photoelectric conversion unit PD becomes a potential corresponding to the voltage Vref, and the photoelectric conversion unit becomes available. PD is reset.

光電変換部PDのリセット電圧となる電圧Vrefは、P型半導体領域122に供給される基準電圧に対して正の電位であり、光電変換部PDのPN接合部にはリセット時に最大で電圧Vrefの大きさの逆バイアス電圧が印加される。この際、N型半導体領域120は不純物濃度が高い中性領域であり、空乏化はあまり生じない。そのため、N型半導体領域120は、どの部分でもほぼ同じ電圧(電圧Vref)となる。これに対し、N型半導体領域124,130は不純物濃度が低いため、リセット時にはそのほぼ全域、特にP型半導体領域122,128と平面視において重なる部分は、空乏化している。すなわち、この重なり部分における空乏化電圧は、電圧Vrefよりも小さい。 The voltage Vref, which is the reset voltage of the photoelectric conversion unit PD, is a positive potential with respect to the reference voltage supplied to the P-type semiconductor region 122, and the maximum voltage Vref at the PN junction of the photoelectric conversion unit PD is set at the time of reset. A magnitude reverse bias voltage is applied. At this time, the N-type semiconductor region 120 is a neutral region having a high impurity concentration, and depletion does not occur so much. Therefore, the N-type semiconductor region 120 has substantially the same voltage (voltage Vref) at any portion. On the other hand, since the impurity concentrations of the N-type semiconductor regions 124 and 130 are low, almost the entire region thereof, particularly the portion overlapping the P-type semiconductor regions 122 and 128 in plan view, is depleted at the time of reset. That is, the depletion voltage in this overlapping portion is smaller than the voltage Vref.

空乏化したN型半導体領域124のポテンシャルは、図4に示すように、一定ではなく勾配を有している。これは、平面視におけるN型半導体領域124の枝部142の幅が、平面視においてN型半導体領域120と重なる部分(幹部)から遠ざかるほどに狭くなっていることによる。すなわち、N型半導体領域124の空乏化は半導体基板110の表面に平行な面からのみならず側面からも進行するため、幹部から遠く枝部142の幅がより狭い部分ほどN型半導体領域124の空乏化電圧は小さくなる。その結果、N型半導体領域124において図4に示すようなポテンシャル勾配が生じる。 As shown in FIG. 4, the potential of the depleted N-type semiconductor region 124 is not constant and has a gradient. This is because the width of the branch portion 142 of the N-type semiconductor region 124 in the plan view becomes narrower so as to be farther from the portion (trunk portion) overlapping the N-type semiconductor region 120 in the plan view. That is, since the depletion of the N-type semiconductor region 124 progresses not only from the surface parallel to the surface of the semiconductor substrate 110 but also from the side surface, the portion farther from the trunk and the width of the branch portion 142 is narrower, the more the N-type semiconductor region 124 is depleted. The depletion voltage becomes smaller. As a result, a potential gradient as shown in FIG. 4 is generated in the N-type semiconductor region 124.

N型半導体領域130も、N型半導体領域124と同様の幹部と枝部142とを有しており、N型半導体領域124と同様のポテンシャル勾配を有する。ただし、N型半導体領域124とN型半導体領域130とは、平面視においてN型半導体領域120と重なる領域において、N型半導体領域130のポテンシャルがN型半導体領域124のポテンシャルよりも浅くなるように、不純物濃度等が適宜設定される。 The N-type semiconductor region 130 also has a trunk portion and a branch portion 142 similar to the N-type semiconductor region 124, and has a potential gradient similar to that of the N-type semiconductor region 124. However, in the region where the N-type semiconductor region 124 and the N-type semiconductor region 130 overlap with the N-type semiconductor region 120 in plan view, the potential of the N-type semiconductor region 130 is shallower than the potential of the N-type semiconductor region 124. , Impure concentration, etc. are set appropriately.

P型半導体領域128は、ほとんど空乏化しない場合もありうるが、光電変換部PDのリセット時には少なくともN型半導体領域120の近傍が空乏化している。P型半導体領域122は、半導体基板110の表面部で発生する暗電流を抑制する役割を有しており、光電変換部PDの動作時にあまり空乏化が起こらないような高めの不純物濃度に設定される。 The P-type semiconductor region 128 may be hardly depleted, but at least the vicinity of the N-type semiconductor region 120 is depleted when the photoelectric conversion unit PD is reset. The P-type semiconductor region 122 has a role of suppressing a dark current generated on the surface portion of the semiconductor substrate 110, and is set to a high impurity concentration so that depletion does not occur so much during the operation of the photoelectric conversion unit PD. NS.

光電変換部PDをこのように構成することで、光電変換部PDのリセット時における容量の大部分は、N型半導体領域120とP型半導体領域122との間のPN接合容量となる。ただし、N型半導体領域120は光電変換部PDの全面積のうちのごく一部を占めているに過ぎず、N型半導体領域120とP型半導体領域122との間のPN接合容量は非常に小さい。 By configuring the photoelectric conversion unit PD in this way, most of the capacity at the time of resetting the photoelectric conversion unit PD is the PN junction capacity between the N-type semiconductor region 120 and the P-type semiconductor region 122. However, the N-type semiconductor region 120 occupies only a small part of the total area of the photoelectric conversion unit PD, and the PN junction capacity between the N-type semiconductor region 120 and the P-type semiconductor region 122 is very large. small.

一般に、電荷読み出し時のノイズは、光電変換部PDのリセット時のノイズ、いわゆるkTCノイズが支配的である。kTCノイズは、光電変換部PDのリセット時の容量の1/2乗に比例する。本実施形態による光電変換装置においては、前述のように光電変換部PDのリセット時の容量が小さいため、kTCノイズ、ひいては電荷読み出し時のノイズを抑制することができる。 In general, the noise at the time of reading the charge is dominated by the noise at the time of resetting the photoelectric conversion unit PD, that is, the so-called kTC noise. The kTC noise is proportional to the 1/2 power of the capacitance at the time of resetting the photoelectric conversion unit PD. In the photoelectric conversion device according to the present embodiment, as described above, since the capacitance of the photoelectric conversion unit PD at reset is small, kTC noise and thus noise at charge readout can be suppressed.

転送トランジスタM1がオフになり光電変換部PDから信号出力線12への信号読み出し(光電変換部のリセット)が終了すると、光電変換部PDでは入射光により生じた信号電荷の蓄積が開始され、光電変換部PDのカソードの電位が徐々に低下していく。 When the transfer transistor M1 is turned off and the signal reading from the photoelectric conversion unit PD to the signal output line 12 (reset of the photoelectric conversion unit) is completed, the photoelectric conversion unit PD starts accumulating the signal charge generated by the incident light, and the photoelectric conversion unit PD starts to accumulate the signal charge. The potential of the cathode of the conversion unit PD gradually decreases.

本実施形態において、光電変換部PDの電荷蓄積層を構成するN型半導体領域120,124,130、特にN型半導体領域124,130の枝部142は、平面視において光電変換部PDの受光面内に密に形成されている。そのため、電荷蓄積層の外側で発生した信号電荷も拡散によって速やかに電荷蓄積層に到達し、蓄積される。したがって、例えば特許文献1に記載のように電荷蓄積層から離れた領域にポテンシャル段差を形成して電荷の移動を促進する必要はなく、製造時のマスク工程を削減して製造コスト、ひいては製品価格を抑えることができる。 In the present embodiment, the N-type semiconductor regions 120, 124, 130 constituting the charge storage layer of the photoelectric conversion unit PD, particularly the branch portions 142 of the N-type semiconductor regions 124, 130, are the light receiving surfaces of the photoelectric conversion unit PD in a plan view. It is densely formed inside. Therefore, the signal charge generated outside the charge storage layer also quickly reaches the charge storage layer by diffusion and is accumulated. Therefore, for example, it is not necessary to form a potential step in a region away from the charge storage layer to promote charge transfer as described in Patent Document 1, and the masking process at the time of manufacturing is reduced to reduce the manufacturing cost and the product price. Can be suppressed.

電荷蓄積層に蓄積される電荷量が少ないうちは、信号電荷が蓄積されるのはN型半導体領域120とその近傍だけである。電荷蓄積層に蓄積される電荷量がある所定量を超えると、信号電荷はN型半導体領域124,130とP型半導体領域122,128とが平面的に重なる部分にも蓄積されるようになる。 While the amount of charge stored in the charge storage layer is small, the signal charge is stored only in the N-type semiconductor region 120 and its vicinity. When the amount of charge accumulated in the charge storage layer exceeds a certain amount, the signal charge is also accumulated in the portion where the N-type semiconductor regions 124 and 130 and the P-type semiconductor regions 122 and 128 overlap in a plane. ..

電荷蓄積層の電荷量が飽和電荷量に達したとき、信号電荷はN型半導体領域124,130とP型半導体領域122,128とが平面的に重なる部分の全域に蓄積される。このときの光電変換部PDの容量には、N型半導体領域120とP型半導体領域122との間のPN接合容量に対して、N型半導体領域124,130とP型半導体領域122,128との間のPN接合容量が加わる。N型半導体領域124,130とP型半導体領域122,128とは、図3に示すように近接しているため、単位面積当たりの容量は大きい。また、N型半導体領域120は光電変換部PDの径に近い長さを持ち、このN型半導体領域120に接続して半導体基板110の内部にN型半導体領域124,130が形成されているため、広いPN接合面積を確保することができる。加えて電荷蓄積層は、深さ方向にN型半導体領域124,130からなる2段重ねの構造を有する。したがって、飽和時における光電変換部PDの容量はリセット時における光電変換部PDの容量よりも大幅に大きい値となり、十分な量の飽和信号を得ることができる。 When the amount of charge in the charge storage layer reaches the saturated amount of charge, the signal charge is accumulated in the entire area where the N-type semiconductor regions 124 and 130 and the P-type semiconductor regions 122 and 128 overlap in a plane. The capacitance of the photoelectric conversion unit PD at this time includes the N-type semiconductor regions 124 and 130 and the P-type semiconductor regions 122 and 128 with respect to the PN junction capacitance between the N-type semiconductor region 120 and the P-type semiconductor region 122. The PN junction capacitance between is added. Since the N-type semiconductor regions 124 and 130 and the P-type semiconductor regions 122 and 128 are close to each other as shown in FIG. 3, the capacity per unit area is large. Further, since the N-type semiconductor region 120 has a length close to the diameter of the photoelectric conversion unit PD, the N-type semiconductor regions 124 and 130 are formed inside the semiconductor substrate 110 by connecting to the N-type semiconductor region 120. , A wide PN junction area can be secured. In addition, the charge storage layer has a two-tiered structure composed of N-type semiconductor regions 124 and 130 in the depth direction. Therefore, the capacity of the photoelectric conversion unit PD at the time of saturation becomes a value significantly larger than the capacity of the photoelectric conversion unit PD at the time of reset, and a sufficient amount of saturation signal can be obtained.

光電変換部PDからの信号読み出しは、転送トランジスタM1をオンにすることにより行う。転送トランジスタM1がオンになることにより、N型半導体領域120の電位は、信号出力線12を通して電圧Vrefに近づいていく。それとともに、電荷蓄積層に蓄積されていた信号電荷はN型半導体領域120の方向に向かって流れ出ていく。 The signal read from the photoelectric conversion unit PD is performed by turning on the transfer transistor M1. When the transfer transistor M1 is turned on, the potential of the N-type semiconductor region 120 approaches the voltage Vref through the signal output line 12. At the same time, the signal charge accumulated in the charge storage layer flows out toward the N-type semiconductor region 120.

このとき、N型半導体領域120は中性領域を含み低抵抗のため、光電変換部PDからの信号読み出し速度は、主としてN型半導体領域124,130に蓄積されている信号電荷の読み出し速度に律速される。しかしながら、本実施形態では、図4に示したポテンシャル勾配によるドリフト運動によって、N型半導体領域120から離れた場所のN型半導体領域124,130にある信号電荷も速やかに読み出すことができる。また、N型半導体領域124,130は、図2に示したように、N型半導体領域120から光電変換部PDの径の1/4程度の長さしか持たない。したがって、本実施形態の構成によれば、光電変換部PDからの信号読み出し速度を向上することができる。 At this time, since the N-type semiconductor region 120 includes a neutral region and has a low resistance, the signal reading speed from the photoelectric conversion unit PD is mainly rate-determined by the reading speed of the signal charges stored in the N-type semiconductor regions 124 and 130. Will be done. However, in the present embodiment, the signal charges in the N-type semiconductor regions 124 and 130 located away from the N-type semiconductor region 120 can be quickly read out by the drift motion due to the potential gradient shown in FIG. Further, as shown in FIG. 2, the N-type semiconductor regions 124 and 130 have a length of only about 1/4 of the diameter of the photoelectric conversion unit PD from the N-type semiconductor region 120. Therefore, according to the configuration of the present embodiment, the signal reading speed from the photoelectric conversion unit PD can be improved.

図5は、本実施形態の変形例による光電変換装置の光電変換部の構造を示す概略断面図である。図5に示した構造は、図3におけるN型半導体領域130を設けず、P型半導体領域128の下部をN型半導体領域138とした構造である。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion device according to the modified example of the present embodiment. The structure shown in FIG. 5 is a structure in which the N-type semiconductor region 130 in FIG. 3 is not provided and the lower portion of the P-type semiconductor region 128 is the N-type semiconductor region 138.

図5において、N型半導体領域138は、N型半導体領域124よりも不純物濃度が低いN型半導体層である。典型的には、N型半導体領域138は、N型半導体領域140と同じ不純物濃度である。よって、このN型半導体領域138は、N型半導体領域124よりも信号電荷が蓄積されにくく、空乏化しやすくなっている。よって、このN型半導体領域138の部分のPN接合容量は、図3におけるN型半導体領域130の部分のPN接合容量に比べて小さくなる。よって、図5の形態は、図3の形態のようにP型半導体領域128の下部にN型半導体領域130を備える場合に比べて、光電変換部PDのPN接合容量を小さくできる。したがって、光電変換部PDの飽和信号量は減少するが、ノイズをより小さくすることができる。 In FIG. 5, the N-type semiconductor region 138 is an N-type semiconductor layer having a lower impurity concentration than the N-type semiconductor region 124. Typically, the N-type semiconductor region 138 has the same impurity concentration as the N-type semiconductor region 140. Therefore, the N-type semiconductor region 138 is less likely to accumulate signal charges than the N-type semiconductor region 124, and is more likely to be depleted. Therefore, the PN junction capacitance of the portion of the N-type semiconductor region 138 is smaller than the PN junction capacitance of the portion of the N-type semiconductor region 130 in FIG. Therefore, in the form of FIG. 5, the PN junction capacitance of the photoelectric conversion unit PD can be reduced as compared with the case where the N-type semiconductor region 130 is provided in the lower part of the P-type semiconductor region 128 as in the form of FIG. Therefore, although the amount of saturation signal of the photoelectric conversion unit PD is reduced, the noise can be made smaller.

このように、本実施形態によれば、ノイズが少なく飽和電荷量の大きい光電変換部を有する高感度の光電変換装置を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize a highly sensitive photoelectric conversion device having a photoelectric conversion unit having a small noise and a large saturation charge amount.

[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による光電変換装置について、図6及び図7を用いて説明する。図6は、本実施形態による光電変換装置の光電変換部の構造を示す平面図である。図7は、本実施形態による光電変換装置の光電変換部の構造を示す概略断面図である。第1実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
[Second Embodiment]
The photoelectric conversion device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6 is a plan view showing the structure of the photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion device according to the present embodiment. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion device according to the present embodiment. The same components as those of the photoelectric conversion device according to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.

本実施形態による光電変換装置は、光電変換部PDの構造が異なるほかは、第1実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態による光電変換装置の光電変換部PDは、N型半導体領域124,130の代わりにN型半導体領域144が設けられている点、平面視におけるP型半導体領域126,132,134のレイアウトが異なっている点で、第1実施形態とは異なっている。 The photoelectric conversion device according to the present embodiment is the same as the photoelectric conversion device according to the first embodiment, except that the structure of the photoelectric conversion unit PD is different. The photoelectric conversion unit PD of the photoelectric conversion device according to the present embodiment is provided with an N-type semiconductor region 144 instead of the N-type semiconductor regions 124 and 130, and the layout of the P-type semiconductor regions 126, 132 and 134 in a plan view. Is different from the first embodiment.

すなわち、本実施形態による光電変換装置の光電変換部PDは、図7に示すように、N型半導体領域124,130の代わりに、半導体基板110の第1の深さ162から第3の深さ166に至る領域に設けられたN型半導体領域144を有している。N型半導体領域144は、第1の深さ162及び第3の深さ166において、第1実施形態におけるN型半導体領域124,130と同様の平面レイアウトを有している。すなわち、N型半導体領域144は、第1の深さ162及び第3の深さ166に、平面視においてN型半導体領域120と重なる領域から第2の方向(図6においてX方向)に平行な両方向に櫛歯状に延伸する複数の枝部142を有している。枝部142は、N型半導体領域120と重なる領域に近づくほど幅が広くなるテーパ形状を有している。 That is, as shown in FIG. 7, the photoelectric conversion unit PD of the photoelectric conversion device according to the present embodiment has a first depth 162 to a third depth of the semiconductor substrate 110 instead of the N-type semiconductor regions 124 and 130. It has an N-type semiconductor region 144 provided in the region up to 166. The N-type semiconductor region 144 has the same planar layout as the N-type semiconductor regions 124 and 130 in the first embodiment at the first depth 162 and the third depth 166. That is, the N-type semiconductor region 144 is parallel to the first depth 162 and the third depth 166 in the second direction (X direction in FIG. 6) from the region overlapping the N-type semiconductor region 120 in a plan view. It has a plurality of branch portions 142 extending in a comb-teeth shape in both directions. The branch portion 142 has a tapered shape whose width becomes wider as it approaches a region overlapping the N-type semiconductor region 120.

なお、第3の深さ166は、本実施形態においては必ずしもP型半導体領域128の最深部よりも深くする必要はない。光電変換部PDに求める飽和電荷量に基づいて、第3の深さ166は変更が可能である。 The third depth 166 does not necessarily have to be deeper than the deepest portion of the P-type semiconductor region 128 in this embodiment. The third depth 166 can be changed based on the amount of saturated charge obtained from the photoelectric conversion unit PD.

第1の深さ162において、平面視におけるN型半導体領域144の外縁部は、P型半導体領域126との間の接合部によって規定されている。第2の深さ164において、平面視におけるN型半導体領域144の外縁部は、P型半導体領域128との間の接合部によって規定されている。第3の深さ166において、平面視におけるN型半導体領域144の外縁部は、P型半導体領域132との間の接合部によって規定されている。なお、図6において、平面視におけるP型半導体領域126,132,134のレイアウトは同一であるが、P型半導体領域134のレイアウトは第1実施形態の場合と同一であってもよい。 At the first depth 162, the outer edge of the N-type semiconductor region 144 in plan view is defined by the junction with the P-type semiconductor region 126. At the second depth 164, the outer edge of the N-type semiconductor region 144 in plan view is defined by the junction with the P-type semiconductor region 128. At a third depth of 166, the outer edge of the N-type semiconductor region 144 in plan view is defined by a junction with the P-type semiconductor region 132. In FIG. 6, the layouts of the P-type semiconductor regions 126, 132, and 134 in the plan view are the same, but the layout of the P-type semiconductor regions 134 may be the same as in the case of the first embodiment.

なお、図6では、P型半導体領域126,132,134が示す一点鎖線の外側にP型半導体領域126,132,134が形成される。図2におけるN型半導体領域124,130が示す点線の内側にN型半導体領域124,130が形成されるのとは異なっている。 In FIG. 6, the P-type semiconductor regions 126, 132, 134 are formed outside the alternate long and short dash line indicated by the P-type semiconductor regions 126, 132, 134. This is different from the formation of the N-type semiconductor regions 124 and 130 inside the dotted lines indicated by the N-type semiconductor regions 124 and 130 in FIG.

N型半導体領域144を形成するためのN型不純物は、P型半導体領域136を形成するためのP型不純物と同様、平面視における光電変換部形成領域112の全体に導入することができる。この場合、N型半導体領域144を構成するN型不純物の濃度を、P型半導体領域126,128,132を構成するP型不純物の濃度よりも低濃度に設定する。このように構成することで、P型半導体領域126,128,132が形成される領域以外の領域がN型半導体領域144となる。 The N-type impurity for forming the N-type semiconductor region 144 can be introduced into the entire photoelectric conversion portion forming region 112 in a plan view, similarly to the P-type impurity for forming the P-type semiconductor region 136. In this case, the concentration of the N-type impurities constituting the N-type semiconductor region 144 is set to be lower than the concentration of the P-type impurities constituting the P-type semiconductor regions 126, 128, 132. With this configuration, the region other than the region where the P-type semiconductor regions 126, 128, 132 are formed becomes the N-type semiconductor region 144.

本実施形態においても第1実施形態の場合と同様、光電変換部PDがリセット状態のとき、N型半導体領域144は、平面視においてP型半導体領域122,128と重なる領域の大部分において空乏化する。そして、N型半導体領域144には、平面方向にも深さ方向にも、N型半導体領域120に近づくほどポテンシャルが深くなるようなポテンシャル勾配が形成される。すなわち、本実施形態による光電変換部PDは、リセット時の容量が小さい、すなわち低ノイズである点、大きな飽和信号量を確保できる点で、第1実施形態と同様である。 In the present embodiment as well, as in the case of the first embodiment, when the photoelectric conversion unit PD is in the reset state, the N-type semiconductor region 144 is depleted in most of the regions overlapping the P-type semiconductor regions 122 and 128 in a plan view. do. Then, a potential gradient is formed in the N-type semiconductor region 144 in both the plane direction and the depth direction so that the potential becomes deeper as the N-type semiconductor region 120 approaches. That is, the photoelectric conversion unit PD according to the present embodiment is the same as the first embodiment in that the capacitance at reset is small, that is, the noise is low, and a large amount of saturation signal can be secured.

加えて、本実施形態の光電変換部PDにおいては、以下に説明するように、第1実施形態の光電変換部PDの場合よりも信号読み出し速度を向上することができる。 In addition, in the photoelectric conversion unit PD of the present embodiment, as described below, the signal reading speed can be improved as compared with the case of the photoelectric conversion unit PD of the first embodiment.

信号電荷の読み出しの際、電荷蓄積層内の信号電荷(本実施形態では電子)が移動するのに伴い、P型半導体領域122,128,136中のホールも移動する。一般に、容量を形成する2つの電極間の電圧が変化したとき、両電極に蓄積されている電荷は同じ量が移動するのである。ここで、P型半導体領域122は一般に高濃度であり、低抵抗である。これに対し、P型半導体領域128は、高濃度にするとN型半導体領域144が形成されにくくなるため、高濃度にすることは難しい。また、P型半導体領域136は高エネルギーのイオン注入を用いて深い領域に形成されるが、一般に高エネルギーイオンの注入量を多くすることは難しい。そのため、P型半導体領域128,136は、P型半導体領域122と比較して相対的に低濃度であり高抵抗となる。そのため、第1実施形態においては、P型半導体領域128,136中におけるホールの移動速度が必ずしも十分とは言えず、信号読み出し速度が遅くなる要因となっていた。 When the signal charge is read out, as the signal charge (electrons in this embodiment) in the charge storage layer moves, the holes in the P-type semiconductor regions 122, 128, 136 also move. In general, when the voltage between two electrodes forming a capacitance changes, the charge stored in both electrodes moves by the same amount. Here, the P-type semiconductor region 122 generally has a high concentration and a low resistance. On the other hand, it is difficult to increase the concentration of the P-type semiconductor region 128 because the N-type semiconductor region 144 is less likely to be formed when the concentration is increased. Further, although the P-type semiconductor region 136 is formed in a deep region by using high-energy ion implantation, it is generally difficult to increase the amount of high-energy ion implantation. Therefore, the P-type semiconductor regions 128 and 136 have a relatively low concentration and high resistance as compared with the P-type semiconductor region 122. Therefore, in the first embodiment, the moving speed of the holes in the P-type semiconductor regions 128 and 136 is not always sufficient, which causes the signal reading speed to slow down.

これに対し、本実施形態においては、図6及び図7に示すように、P型半導体領域128は、光電変換部形成領域112の大部分の領域においてP型半導体領域126,132と電気的に導通している。また、P型半導体領域136は、光電変換部形成領域112の大部分の領域においてP型半導体領域134と電気的に導通している。したがって、P型半導体領域128中のホールは、P型半導体領域126を通してP型半導体領域122ヘと速やかに移動し、P型半導体領域122から排出される。また、P型半導体領域136中のホールは、P型半導体領域134,132,126を通してP型半導体領域122ヘと速やかに移動し、P型半導体領域122から排出される。 On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7, the P-type semiconductor region 128 is electrically with the P-type semiconductor regions 126 and 132 in most of the photoelectric conversion portion forming region 112. It is conducting. Further, the P-type semiconductor region 136 is electrically conductive with the P-type semiconductor region 134 in most of the regions of the photoelectric conversion portion forming region 112. Therefore, the holes in the P-type semiconductor region 128 rapidly move to the P-type semiconductor region 122 through the P-type semiconductor region 126 and are discharged from the P-type semiconductor region 122. Further, the holes in the P-type semiconductor region 136 rapidly move to the P-type semiconductor region 122 through the P-type semiconductor regions 134, 132, 126, and are discharged from the P-type semiconductor region 122.

したがって、本実施形態の光電変換部PDにおいては、第1実施形態の場合と比較して、信号読み出し速度を向上することができる。 Therefore, in the photoelectric conversion unit PD of the present embodiment, the signal reading speed can be improved as compared with the case of the first embodiment.

また、本実施形態の光電変換部PDにおいては、以下に説明するように、第1実施形態の光電変換部PDの場合と比較して製造時のマスク工程を減らすことが可能であり、製造コストの削減、ひいては光電変換装置の低廉化を図ることができる。 Further, in the photoelectric conversion unit PD of the present embodiment, as described below, it is possible to reduce the masking process at the time of manufacturing as compared with the case of the photoelectric conversion unit PD of the first embodiment, and the manufacturing cost can be reduced. As a result, it is possible to reduce the cost of the photoelectric conversion device.

すなわち、第1実施形態の光電変換部PDにおいては、図2及び図3に示すように、N型半導体領域124,130とP型半導体領域136とが異なる平面レイアウトを有している。すなわち、光電変換部PDの製造にあたっては、N型半導体領域124,130を形成するためのマスク工程と、P型半導体領域136を形成するためのマスク工程とがそれぞれ必要である。 That is, in the photoelectric conversion unit PD of the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the N-type semiconductor regions 124 and 130 and the P-type semiconductor region 136 have different planar layouts. That is, in manufacturing the photoelectric conversion unit PD, a masking step for forming the N-type semiconductor regions 124 and 130 and a masking step for forming the P-type semiconductor region 136 are required, respectively.

これに対し、本実施形態の光電変換部PDにおいては、前述のように、N型半導体領域144を構成するN型不純物を、平面視における光電変換部形成領域112の全体に導入することができる。すなわち、N型半導体領域144を形成する際に用いるマスクとP型半導体領域136を形成する際に用いるマスクとに、同じマスクを用いることができる。したがって、光電変換部PDの製造にあたっては、N型半導体領域144とP型半導体領域136とを1回のマスク工程で形成することができ、第1実施形態の場合と比較してマスク工程を1工程減らすことができる。 On the other hand, in the photoelectric conversion unit PD of the present embodiment, as described above, the N-type impurities constituting the N-type semiconductor region 144 can be introduced into the entire photoelectric conversion unit forming region 112 in a plan view. .. That is, the same mask can be used as the mask used when forming the N-type semiconductor region 144 and the mask used when forming the P-type semiconductor region 136. Therefore, in manufacturing the photoelectric conversion unit PD, the N-type semiconductor region 144 and the P-type semiconductor region 136 can be formed in one masking step, and the masking step is 1 as compared with the case of the first embodiment. The number of processes can be reduced.

したがって、本実施形態においては、第1実施形態の場合よりも製造コストを削減することができ、ひいては光電変換装置の低廉化が可能となる。 Therefore, in the present embodiment, the manufacturing cost can be reduced as compared with the case of the first embodiment, and the cost of the photoelectric conversion device can be reduced.

このように、本実施形態によれば、ノイズが少なく飽和電荷量の大きい光電変換部を有する高感度の光電変換装置を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize a highly sensitive photoelectric conversion device having a photoelectric conversion unit having a small noise and a large saturation charge amount.

[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による撮像システムについて、図8を用いて説明する。図8は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
[Third Embodiment]
The image pickup system according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of an imaging system according to the present embodiment.

上記第1及び第2実施形態で述べた光電変換装置100は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像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撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図8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を例示している。 The photoelectric conversion device 100 described in the first and second embodiments is applicable to various imaging systems. Examples of applicable imaging systems include digital still cameras, digital camcorders, surveillance cameras, copiers, fax machines, mobile phones, in-vehicle cameras, observation satellites and the like. The image pickup system also includes a camera module including an optical system such as a lens and an image pickup device. FIG. 8 illustrates a block diagram of a digital still camera as an example of these.

図8に例示した撮像システム200は、撮像装置201、被写体の光学像を撮像装置201に結像させるレンズ202、レンズ202を通過する光量を可変にするための絞り204、レンズ202の保護のためのバリア206を有する。レンズ202及び絞り204は、撮像装置201に光を集光する光学系である。撮像装置201は、第1及び第2実施形態のいずれかで説明した光電変換装置100であって、レンズ202により結像された光学像を画像データに変換する。 The image pickup system 200 illustrated in FIG. 8 has an image pickup device 201, a lens 202 for forming an optical image of a subject on the image pickup device 201, a diaphragm 204 for varying the amount of light passing through the lens 202, and a lens 202 for protection. Has a barrier 206 of. The lens 202 and the aperture 204 are optical systems that collect light on the image pickup apparatus 201. The image pickup apparatus 201 is the photoelectric conversion apparatus 100 described in any of the first and second embodiments, and converts the optical image formed by the lens 202 into image data.

撮像システム200は、また、撮像装置201より出力される出力信号の処理を行う信号処理部208を有する。信号処理部208は、撮像装置201が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換を行う。また、信号処理部208はその他、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208の一部であるAD変換部は、撮像装置201が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置201とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置201と信号処理部208とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。 The image pickup system 200 also has a signal processing unit 208 that processes an output signal output from the image pickup apparatus 201. The signal processing unit 208 performs AD conversion that converts the analog signal output by the image pickup apparatus 201 into a digital signal. In addition, the signal processing unit 208 also performs various corrections and compressions as necessary to output image data. The AD conversion unit, which is a part of the signal processing unit 208, may be formed on a semiconductor substrate provided with the image pickup device 201, or may be formed on a semiconductor substrate different from the image pickup device 201. Further, the image pickup apparatus 201 and the signal processing unit 208 may be formed on the same semiconductor substrate.

撮像システム200は、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部210、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部(外部I/F部)212を有する。更に撮像システム200は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体214、記録媒体214に記録又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)216を有する。なお、記録媒体214は、撮像システム200に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。 The image pickup system 200 further includes a memory unit 210 for temporarily storing image data, and an external interface unit (external I / F unit) 212 for communicating with an external computer or the like. Further, the imaging system 200 includes a recording medium 214 such as a semiconductor memory for recording or reading imaging data, and a recording medium control interface unit (recording medium control I / F unit) 216 for recording or reading on the recording medium 214. Have. The recording medium 214 may be built in the image pickup system 200 or may be detachable.

更に撮像システム200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218、撮像装置201と信号処理部208に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部220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、撮像システム200は少なくとも撮像装置201と、撮像装置201から出力された出力信号を処理する信号処理部208とを有すればよい。 Further, the image pickup system 200 has an overall control / calculation unit 218 that controls various calculations and the entire digital still camera, and a timing generation unit 220 that outputs various timing signals to the image pickup device 201 and the signal processing unit 208. Here, a timing signal or the like may be input from the outside, and the image pickup system 200 may have at least an image pickup device 201 and a signal processing unit 208 that processes an output signal output from the image pickup device 201.

撮像装置201は、撮像信号を信号処理部208に出力する。信号処理部208は、撮像装置201から出力される撮像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。信号処理部208は、撮像信号を用いて、画像を生成する。 The image pickup device 201 outputs an image pickup signal to the signal processing unit 208. The signal processing unit 208 performs predetermined signal processing on the image pickup signal output from the image pickup apparatus 201, and outputs image data. The signal processing unit 208 uses the image pickup signal to generate an image.

このように、本実施形態によれば、第1及び第2実施形態による光電変換装置100を適用した撮像システムを実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize an image pickup system to which the photoelectric conversion device 100 according to the first and second embodiments is applied.

[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による撮像システム及び移動体について、図9を用いて説明する。図9は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
[Fourth Embodiment]
The image pickup system and the moving body according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an imaging system and a moving body according to the present embodiment.

図9(a)は、車載カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム300は、撮像装置310を有する。撮像装置310は、上記第1及び第2実施形態のいずれかに記載の光電変換装置100である。撮像システム300は、撮像装置310により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部312と、撮像システム300により取得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314を有する。また、撮像システム300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316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318と、を有する。ここで、視差取得部314や距離取得部316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、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部318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。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated circuit)等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。 FIG. 9A shows an example of an imaging system related to an in-vehicle camera. The image pickup system 300 includes an image pickup device 310. The image pickup apparatus 310 is the photoelectric conversion apparatus 100 according to any one of the first and second embodiments. The image pickup system 300 has an image processing unit 312 that performs image processing on a plurality of image data acquired by the image pickup device 310, and a parallax (phase difference of the parallax image) from the plurality of image data acquired by the image pickup system 300. It has a parallax acquisition unit 314 that performs calculation. Further, the imaging system 300 has a distance acquisition unit 316 that calculates the distance to the object based on the calculated parallax, and a collision determination unit 318 that determines whether or not there is a possibility of collision based on the calculated distance. And have. Here, the parallax acquisition unit 314 and the distance acquisition unit 316 are examples of distance information acquisition means for acquiring distance information to an object. That is, the distance information is information related to parallax, defocus amount, distance to an object, and the like. The collision determination unit 318 may determine the possibility of collision by using any of these distance information. The distance information acquisition means may be realized by hardware specially designed, or may be realized by a software module. Further, it may be realized by FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or the like, or may be realized by a combination thereof.

撮像システム300は車両情報取得装置320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、撮像システム300は、衝突判定部318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ECU330が接続されている。また、撮像システム300は、衝突判定部318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340とも接続されている。例えば、衝突判定部318の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ECU330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340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。 The image pickup system 300 is connected to the vehicle information acquisition device 320, and can acquire vehicle information such as vehicle speed, yaw rate, and steering angle. Further, the image pickup system 300 is connected to a control ECU 330 which is a control device that outputs a control signal for generating a braking force to the vehicle based on the determination result of the collision determination unit 318. The image pickup system 300 is also connected to an alarm device 340 that issues an alarm to the driver based on the determination result of the collision determination unit 318. For example, when the possibility of a collision is high as the determination result of the collision determination unit 318, the control ECU 330 performs vehicle control to avoid a collision and reduce damage by applying a brake, releasing the accelerator, suppressing engine output, and the like. The alarm device 340 warns the user by sounding an alarm such as a sound, displaying alarm information on the screen of a car navigation system, or giving vibration to the seat belt or steering.

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム300で撮像する。図9(b)に、車両前方(撮像範囲350)を撮像する場合の撮像システムを示した。車両情報取得装置320が、撮像システム300ないしは撮像装置310に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。 In the present embodiment, the surroundings of the vehicle, for example, the front or the rear, are imaged by the image pickup system 300. FIG. 9B shows an imaging system for imaging the front of the vehicle (imaging range 350). The vehicle information acquisition device 320 sends an instruction to the image pickup system 300 or the image pickup device 310. With such a configuration, the accuracy of distance measurement can be further improved.

上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、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。更に、撮像システムは、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。 In the above, an example of controlling so as not to collide with another vehicle has been described, but it can also be applied to control for automatically driving following other vehicles and control for automatically driving so as not to go out of the lane. .. Further, the image pickup system can be applied not only to a vehicle such as an own vehicle but also to a moving body (moving device) such as a ship, an aircraft, or an industrial robot. In addition, it can be applied not only to mobile objects but also to devices that widely use object recognition, such as intelligent transportation systems (ITS).

[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による放射線撮像システムについて、図10を用いて説明する。図10は、本実施形態による放射線撮像システムを示す図である。本実施形態では、第1及び第2実施形態で説明した光電変換装置を放射線撮像システムに応用した例を示す。
[Fifth Embodiment]
The radiation imaging system according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a diagram showing a radiation imaging system according to the present embodiment. In this embodiment, an example in which the photoelectric conversion device described in the first and second embodiments is applied to a radiation imaging system is shown.

本実施形態による放射線撮像システムは、図10に示すように、放射線撮像装置6040と、放射線撮像装置6040から出力される信号を処理するイメージプロセッサ6070と、を備える。放射線撮像装置6040は、前述の各実施形態に記載の光電変換装置を、放射線を撮像する装置として構成したものである。X線チューブ(放射線源)6050で発生したX線6060は、患者あるいは被験者6061の胸部6062を透過し、放射線撮像装置6040に入射する。この入射したX線には被験者6061の体内部の情報が含まれている。放射線撮像装置6040は、入射したX線の波長を変換するシンチレータを有する。シンチレータは、典型的にはX線を可視光域の波長の光に変換する。放射線撮像装置6040は、上述した実施形態に記載の光電変換装置を備えており、この光電変換装置には、シンチレータによって波長が変換された可視光が入射する。よって、上記の各実施形態の光電変換装置100では、シンチレータから入射する可視光に対応する信号電荷を、N型半導体領域120が収集することとなる。 As shown in FIG. 10, the radiation imaging system according to the present embodiment includes a radiation imaging device 6040 and an image processor 6070 that processes a signal output from the radiation imaging device 6040. The radiation image pickup device 6040 is configured by configuring the photoelectric conversion device described in each of the above-described embodiments as a device for capturing radiation. The X-ray 6060 generated by the X-ray tube (radioactive source) 6050 passes through the chest 6062 of the patient or the subject 6061 and is incident on the radiation imaging device 6040. This incident X-ray contains information on the inside of the body of the subject 6061. The radiation image pickup device 6040 has a scintillator that converts the wavelength of the incident X-ray. Scintillators typically convert X-rays into light with wavelengths in the visible light range. The radiation imaging device 6040 includes the photoelectric conversion device according to the above-described embodiment, and visible light whose wavelength is converted by a scintillator is incident on the photoelectric conversion device. Therefore, in the photoelectric conversion device 100 of each of the above embodiments, the N-type semiconductor region 120 collects the signal charge corresponding to the visible light incident from the scintillator.

イメージプロセッサ(プロセッサ)6070は、放射線撮像装置6040から出力される信号(画像)を処理し、例えば、処理によって得られた画像信号に基づいて制御室のディスプレイ6080に画像を表示させることができる。 The image processor (processor) 6070 processes a signal (image) output from the radiation image pickup apparatus 6040, and can display an image on the display 6080 in the control room based on the image signal obtained by the processing, for example.

また、イメージプロセッサ6070は、処理によって得られた信号を、伝送路6090を介して遠隔地へ転送することができる。これにより、別の場所のドクタールームなどに配置されたディスプレイ6081に画像を表示させたり、光ディスク等の記録媒体に画像を記録したりすることができる。記録媒体は、フィルム6110であってもよく、この場合、フィルムプロセッサ6100がフィルム6110に画像を記録する。 Further, the image processor 6070 can transfer the signal obtained by the processing to a remote place via the transmission line 6090. As a result, the image can be displayed on a display 6081 arranged in a doctor's room or the like at another place, or the image can be recorded on a recording medium such as an optical disk. The recording medium may be film 6110, in which case the film processor 6100 records an image on film 6110.

なお、本明細書に記載した光電変換装置は、可視光の像を撮像する撮像システムに応用することもできる。そのような撮像システムは、例えば光電変換装置と、光電変換装置から出力される信号を処理するプロセッサとを備えうる。該プロセッサによる処理は、例えば、画像の形式を変換する処理、画像を圧縮する処理、画像のサイズを変更する処理および画像のコントラストを変更する処理の少なくとも1つを含みうる。 The photoelectric conversion device described in the present specification can also be applied to an imaging system that captures an image of visible light. Such an imaging system may include, for example, a photoelectric conversion device and a processor that processes a signal output from the photoelectric conversion device. The processing by the processor may include, for example, at least one of the processing of converting the format of the image, the processing of compressing the image, the processing of resizing the image, and the processing of changing the contrast of the image.

[変形実施形態]
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
[Modification Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment and can be modified in various ways.
For example, an example in which a partial configuration of any of the embodiments is added to another embodiment or an example in which a partial configuration of another embodiment is replaced with another embodiment is also an embodiment of the present invention.

また、上記第1及び第2実施形態では、N型半導体領域120,124,130により構成される電荷蓄積層を、2つのN型半導体領域120の各々を中心とする2つのブロックに分け、これらブロックを配線150で接続する構成とした。しかしながら、電荷蓄積層は、必ずしも分割する必要はなく、また、3つ以上のブロックに分割するように構成してもよい。電荷蓄積層を構成するブロックの数は、光電変換部形成領域112の大きさや形状等に応じて適宜選択することができる。 Further, in the first and second embodiments, the charge storage layer composed of the N-type semiconductor regions 120, 124, and 130 is divided into two blocks centered on each of the two N-type semiconductor regions 120, and these are divided into two blocks. The blocks are connected by wiring 150. However, the charge storage layer does not necessarily have to be divided, and may be configured to be divided into three or more blocks. The number of blocks constituting the charge storage layer can be appropriately selected according to the size, shape, and the like of the photoelectric conversion portion forming region 112.

また、電荷蓄積層を複数のブロックに分割する場合、各ブロックの間に、P型半導体領域126,132,134により構成される分離部を配置するようにしてもよい。このように構成することで、P型半導体領域128,136を低抵抗化することができ、信号読み出し速度を向上することができる。 Further, when the charge storage layer is divided into a plurality of blocks, a separation portion composed of P-type semiconductor regions 126, 132, and 134 may be arranged between the blocks. With this configuration, the resistance of the P-type semiconductor regions 128 and 136 can be reduced, and the signal reading speed can be improved.

また、上記第1及び第2実施形態では、電荷蓄積層の枝部142を深さ方向に2段配置する構成としたが、必ずしも複数段配置する必要はなく、また、深さ方向に3段以上配置する構成としてもよい。 Further, in the first and second embodiments, the branch portions 142 of the charge storage layer are arranged in two stages in the depth direction, but it is not always necessary to arrange them in a plurality of stages, and the branch portions 142 are arranged in three stages in the depth direction. It may be configured to arrange the above.

また、電荷蓄積層の枝部142を複数段で構成する場合、一部の段を第1実施形態の構成とし、他の段を第2実施形態の構成としてもよい。また、電荷蓄積層の枝部142を複数段で構成する場合、各段を構成する枝部142の平面レイアウトは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。 Further, when the branch portion 142 of the charge storage layer is composed of a plurality of stages, some stages may be the configuration of the first embodiment and the other stages may be the configuration of the second embodiment. Further, when the branch portions 142 of the charge storage layer are configured in a plurality of stages, the planar layout of the branch portions 142 constituting each stage may be the same or different.

また、上記第1及び第2実施形態では、平面視における枝部142の幅を連続的に変化する構成としたが、枝部142の幅は必ずしも連続的に変化している必要はない。平面視における枝部142の幅は、N型半導体領域120と重なる領域に近いほど広がっていればよく、段階的に変化するように構成してもよい。 Further, in the first and second embodiments, the width of the branch portion 142 in the plan view is continuously changed, but the width of the branch portion 142 does not necessarily have to be continuously changed. The width of the branch portion 142 in the plan view may be widened as it is closer to the region overlapping the N-type semiconductor region 120, and may be configured to change stepwise.

また、上記第3乃至第5実施形態に示した撮像システムは、本発明の光電変換装置を適用しうる撮像システム例を示したものであり、本発明の光電変換装置を適用可能な撮像システムは図8乃至図10に示した構成に限定されるものではない。 Further, the imaging system shown in the third to fifth embodiments shows an example of an imaging system to which the photoelectric conversion device of the present invention can be applied, and the imaging system to which the photoelectric conversion device of the present invention can be applied is The configuration is not limited to the configuration shown in FIGS. 8 to 10.

なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。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、様々な形で実施することができる。 It should be noted that the above embodiments are merely examples of embodiment of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner by these. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or its main features.

M1…転送トランジスタ
PD…光電変換部
10…画素
30…演算増幅器
40…積分容量
100…光電変換装置
110…半導体基板
112…光電変換部形成領域
120,124,130,138,140…N型半導体領域
122,126,128,132,134,136…P型半導体領域
142…枝部
M1 ... Transfer transistor PD ... photoelectric conversion unit 10 ... pixel 30 ... operational amplifier 40 ... integrated capacity 100 ... photoelectric conversion device 110 ... semiconductor substrate 112 ... photoelectric conversion unit forming region 120, 124, 130, 138, 140 ... N-type semiconductor region 122, 126, 128, 132, 134, 136 ... P-type semiconductor region 142 ... Branch

Claims (19)

光の入射により第1の極性の信号電荷を生じる光電変換部と、
前記信号電荷を信号電圧に変換する電荷変換回路と、
前記光電変換部から前記電荷変換回路に前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、を有し、
前記光電変換部は、
半導体基板の表面部に設けられ、前記第1の極性のキャリアを多数キャリアとする第1導電型の第1の半導体領域と、
前記半導体基板の前記表面部に、前記第1の半導体領域から離間して設けられ、前記第1の極性と異なる第2の極性のキャリアを多数キャリアとする第2導電型の第2の半導体領域及び第3の半導体領域と、
前記第2の半導体領域が設けられた深さよりも深い第1の深さに設けられた前記第1導電型の第の半導体領域と、
前記第の半導体領域が設けられた深さよりも深い第2の深さに設けられ、平面視において前記第2の半導体領域と重なる前記第2導電型の第の半導体領域と、
前記第の半導体領域が設けられた深さよりも深い第3の深さに設けられた前記第1導電型の第の半導体領域と、を有し、
前記第1の半導体領域は、前記転送トランジスタに電気的に接続されており、
前記第1の半導体領域は、前記第2の半導体領域と前記第3の半導体領域との間に配されており、
前記第1の半導体領域、前記第4の半導体領域及び前記第6の半導体領域は、深さ方向に電気的に接続されており、
前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域は、平面視において前記第1の半導体領域、前記第2の半導体領域、前記第3の半導体領域及び前記第の半導体領域と重なっている
ことを特徴とする光電変換装置。
A photoelectric conversion unit that generates a signal charge of the first polarity due to the incident of light,
A charge conversion circuit that converts the signal charge into a signal voltage,
It has a transfer transistor that transfers the signal charge from the photoelectric conversion unit to the charge conversion circuit.
The photoelectric conversion unit is
A first conductive type first semiconductor region provided on the surface of a semiconductor substrate and having a large number of carriers having the first polarity, and
A second conductive type second semiconductor region provided on the surface portion of the semiconductor substrate at a distance from the first semiconductor region and having a large number of carriers having a second polarity different from the first polarity. And the third semiconductor area ,
The fourth semiconductor region of the first conductive type provided at a first depth deeper than the depth at which the second semiconductor region is provided, and
A fifth semiconductor region of the second conductive type, which is provided at a second depth deeper than the depth at which the fourth semiconductor region is provided and overlaps with the second semiconductor region in a plan view.
It has a sixth semiconductor region of the first conductive type provided at a third depth deeper than the depth at which the fifth semiconductor region is provided.
The first semiconductor region is electrically connected to the transfer transistor and is connected to the transfer transistor.
The first semiconductor region is arranged between the second semiconductor region and the third semiconductor region.
The first semiconductor region, the fourth semiconductor region, and the sixth semiconductor region are electrically connected in the depth direction.
The fourth semiconductor region and the sixth semiconductor region overlap with the first semiconductor region, the second semiconductor region , the third semiconductor region, and the fifth semiconductor region in a plan view. A photoelectric conversion device characterized by.
前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域は、平面視において前記第1の半導体領域と重なる幹部と、前記幹部から延伸し、平面視において前記第2の半導体領域及び前記第の半導体領域と重なる複数の枝部と、を有する
ことを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。
The fourth semiconductor region and the sixth semiconductor region extend from the trunk portion that overlaps with the first semiconductor region in a plan view, and the second semiconductor region and the fifth semiconductor region in a plan view. The photoelectric conversion device according to claim 1, further comprising a plurality of branches overlapping the region.
平面視における前記枝部の幅は、前記幹部から遠ざかるほどに狭くなっている
ことを特徴とする請求項2記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the width of the branch portion in a plan view becomes narrower as the distance from the trunk portion increases.
前記第1の半導体領域は、第1の方向に延在する矩形状のパターンを有し、
前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域の前記複数の枝部は、前記第1の方向と交差する第2の方向に延在している
ことを特徴とする請求項2又は3記載の光電変換装置。
The first semiconductor region has a rectangular pattern extending in the first direction.
2. The third aspect of the present invention, wherein the plurality of branches of the fourth semiconductor region and the sixth semiconductor region extend in a second direction intersecting the first direction. Photoelectric conversion device.
前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域は、前記幹部において前記第1の半導体領域と電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The fourth semiconductor region and the sixth semiconductor region are according to any one of claims 2 to 4, wherein the sixth semiconductor region is electrically connected to the first semiconductor region in the trunk. Photoelectric conversion device.
前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域の不純物濃度は、前記第1の半導体領域の不純物濃度よりも低い
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。
The photoelectric conversion according to any one of claims 1 to 5, wherein the impurity concentration of the fourth semiconductor region and the sixth semiconductor region is lower than the impurity concentration of the first semiconductor region. Device.
前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域が平面視において前記第2の半導体領域及び前記第の半導体領域と重なる部分は、前記光電変換部のリセット時に空乏化している
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。
The portion where the fourth semiconductor region and the sixth semiconductor region overlap with the second semiconductor region and the fifth semiconductor region in a plan view is characterized in that the portion is depleted when the photoelectric conversion unit is reset. The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 6.
前記第1の深さに設けられた前記第2導電型の第の半導体領域と、
前記第3の深さに設けられた前記第2導電型の第の半導体領域と、を更に有し、
平面視における前記第の半導体領域の外縁部は、前記第の半導体領域と前記第の半導体領域との間の接合部によって規定されており、
平面視における前記第の半導体領域の外縁部は、前記第の半導体領域と前記第の半導体領域との間の接合部によって規定されている
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。
The seventh semiconductor region of the second conductive type provided at the first depth, and
It further has an eighth semiconductor region of the second conductive type provided at the third depth.
The outer edge portion of the fourth semiconductor region in a plan view is defined by a junction between the fourth semiconductor region and the seventh semiconductor region.
Any of claims 1 to 7, wherein the outer edge portion of the sixth semiconductor region in a plan view is defined by a junction between the sixth semiconductor region and the eighth semiconductor region. The photoelectric conversion device according to item 1.
光の入射により第1の極性の信号電荷を生じる光電変換部と、
前記信号電荷を信号電圧に変換する電荷変換回路と、
前記光電変換部から前記電荷変換回路に前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、を有し、
前記光電変換部は、
半導体基板の表面部に設けられ、前記第1の極性のキャリアを多数キャリアとする第1導電型の第1の半導体領域と、
前記半導体基板の前記表面部に、前記第1の半導体領域から離間して設けられ、前記第1の極性と異なる第2の極性のキャリアを多数キャリアとする第2導電型の第2の半導体領域及び第3の半導体領域と、
前記第2の半導体領域が設けられた深さよりも深い第1の深さに設けられた前記第1導電型の第の半導体領域と、
前記第の半導体領域が設けられた深さよりも深い第2の深さに設けられ、平面視において前記第2の半導体領域と重なる前記第2導電型の第の半導体領域と、
前記第5の半導体領域が設けられた深さよりも深い第3の深さに設けられた前記第1導電型の第の半導体領域と、を有し、
前記第1の半導体領域は、前記転送トランジスタに電気的に接続されており、
前記第1の半導体領域は、前記第2の半導体領域と前記第3の半導体領域との間に配されており、
前記第1の半導体領域、前記第4の半導体領域及び前記第6の半導体領域は、深さ方向に電気的に接続されており、
前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域は、平面視において前記第1の半導体領域、前記第2の半導体領域、前記第3の半導体領域及び前記第の半導体領域と重なっており、
前記第1の深さに設けられた前記第2導電型の第の半導体領域と、
記第3の深さに設けられた前記第2導電型の第の半導体領域と、を更に有し、
平面視における前記第の半導体領域の外縁部は、前記第の半導体領域と前記第の半導体領域との間の接合部によって規定されており、
平面視における前記第の半導体領域の外縁部は、前記第の半導体領域と前記第の半導体領域との間の接合部によって規定されている
ことを特徴とする光電変換装置。
A photoelectric conversion unit that generates a signal charge of the first polarity due to the incident of light,
A charge conversion circuit that converts the signal charge into a signal voltage,
It has a transfer transistor that transfers the signal charge from the photoelectric conversion unit to the charge conversion circuit.
The photoelectric conversion unit is
A first conductive type first semiconductor region provided on the surface of a semiconductor substrate and having a large number of carriers having the first polarity, and
A second conductive type second semiconductor region provided on the surface portion of the semiconductor substrate at a distance from the first semiconductor region and having a large number of carriers having a second polarity different from the first polarity. And the third semiconductor area ,
The fourth semiconductor region of the first conductive type provided at a first depth deeper than the depth at which the second semiconductor region is provided, and
A fifth semiconductor region of the second conductive type, which is provided at a second depth deeper than the depth at which the fourth semiconductor region is provided and overlaps with the second semiconductor region in a plan view.
It has a sixth semiconductor region of the first conductive type provided at a third depth deeper than the depth at which the fifth semiconductor region is provided.
The first semiconductor region is electrically connected to the transfer transistor and is connected to the transfer transistor.
The first semiconductor region is arranged between the second semiconductor region and the third semiconductor region.
The first semiconductor region, the fourth semiconductor region, and the sixth semiconductor region are electrically connected in the depth direction.
The fourth semiconductor region and the sixth semiconductor region overlap with the first semiconductor region, the second semiconductor region , the third semiconductor region, and the fifth semiconductor region in a plan view.
The seventh semiconductor region of the second conductive type provided at the first depth, and
Before Symbol eighth semiconductor region of the third second conductivity type formed at a depth of, further comprising a,
The outer edge portion of the fourth semiconductor region in a plan view is defined by a junction between the fourth semiconductor region and the seventh semiconductor region.
A photoelectric conversion device characterized in that the outer edge portion of the sixth semiconductor region in a plan view is defined by a junction portion between the sixth semiconductor region and the eighth semiconductor region.
前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域は、素子間を分離する分離層を構成している
ことを特徴とする請求項8又は9記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to claim 8 or 9, wherein the seventh semiconductor region and the eighth semiconductor region constitute a separation layer for separating elements.
前記第の半導体領域及び前記第の半導体領域は、前記第1の深さから前記第3の深さに渡って設けられた前記第1導電型の第の半導体領域の一部であり、
前記第2の深さにおける前記第1導電型の不純物の濃度は、前記第の半導体領域と前記第の半導体領域とにおいて同じである
ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The fourth semiconductor region and the sixth semiconductor region are a part of the ninth semiconductor region of the first conductive type provided from the first depth to the third depth. ,
One of claims 1 to 10, wherein the concentration of the first conductive type impurity at the second depth is the same in the ninth semiconductor region and the fifth semiconductor region. The photoelectric conversion device according to the section.
前記第3の深さよりも深い第4の深さに設けられ、平面視において前記光電変換部の形成領域の全体と重なる前記第2導電型の第10の半導体領域を更に有する
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。
It is characterized by further having a tenth semiconductor region of the second conductive type, which is provided at a fourth depth deeper than the third depth and overlaps the entire formation region of the photoelectric conversion portion in a plan view. The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 11.
前記電荷変換回路は、電荷積分型である
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。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 12, wherein the charge conversion circuit is a charge integration type.
光の入射により第1の極性の信号電荷を生じる光電変換部と、
前記信号電荷を信号電圧に変換する電荷変換回路と、
前記光電変換部から前記電荷変換回路に前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、を有し、
前記光電変換部は、
半導体基板の表面部に設けられ、前記第1の極性のキャリアを多数キャリアとする第1導電型の第1の半導体領域と、
前記半導体基板の前記表面部に、前記第1の半導体領域から離間して設けられ、前記第1の極性と異なる第2の極性のキャリアを多数キャリアとする第2導電型の第2の半導体領域及び第3の半導体領域と、
前記第2の半導体領域が設けられた深さよりも深い第1の深さに設けられた前記第1導電型の第の半導体領域と、
前記第の半導体領域が設けられた深さよりも深い第2の深さに設けられ、平面視において前記第2の半導体領域と重なる前記第2導電型の第の半導体領域と、を有し、
前記第1の半導体領域は、前記転送トランジスタに電気的に接続されており、
前記第1の半導体領域は、前記第2の半導体領域と前記第3の半導体領域との間に配されており、
前記第1の半導体領域及び前記第4の半導体領域は、深さ方向に電気的に接続されており、
前記第の半導体領域は、平面視において前記第1の半導体領域、前記第2の半導体領域、前記第3の半導体領域及び前記第の半導体領域と重なっている
ことを特徴とする光電変換装置。
A photoelectric conversion unit that generates a signal charge of the first polarity due to the incident of light,
A charge conversion circuit that converts the signal charge into a signal voltage,
It has a transfer transistor that transfers the signal charge from the photoelectric conversion unit to the charge conversion circuit.
The photoelectric conversion unit is
A first conductive type first semiconductor region provided on the surface of a semiconductor substrate and having a large number of carriers having the first polarity, and
A second conductive type second semiconductor region provided on the surface portion of the semiconductor substrate at a distance from the first semiconductor region and having a large number of carriers having a second polarity different from the first polarity. And the third semiconductor area ,
The fourth semiconductor region of the first conductive type provided at a first depth deeper than the depth at which the second semiconductor region is provided, and
It has a fifth semiconductor region of the second conductive type, which is provided at a second depth deeper than the depth at which the fourth semiconductor region is provided and which overlaps with the second semiconductor region in a plan view. ,
The first semiconductor region is electrically connected to the transfer transistor and is connected to the transfer transistor.
The first semiconductor region is arranged between the second semiconductor region and the third semiconductor region.
The first semiconductor region and the fourth semiconductor region are electrically connected in the depth direction.
It said fourth semiconductor region, said first semiconductor region in a plan view, the second semiconductor region, the third semiconductor region and the fifth photoelectric conversion device is characterized in that overlaps the semiconductor region ..
前記光電変換部は、前記半導体基板の前記表面部に設けられた前記第1導電型の第11の半導体領域を更に有し、The photoelectric conversion unit further has an eleventh semiconductor region of the first conductive type provided on the surface portion of the semiconductor substrate.
前記第3の半導体領域は、前記第1の半導体領域と前記第11の半導体領域との間に、前記第1の半導体領域及び前記第11の半導体領域から離間して配されているThe third semiconductor region is arranged between the first semiconductor region and the eleventh semiconductor region so as to be separated from the first semiconductor region and the eleventh semiconductor region.
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。The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 14.
放射線を可視光に変換するシンチレータを更に備え、
前記光電変換部は、前記シンチレータから入射する前記可視光に基づいて前記信号電荷を生成する
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。
Further equipped with a scintillator that converts radiation into visible light,
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 15 , wherein the photoelectric conversion unit generates the signal charge based on the visible light incident from the scintillator.
請求項1乃至15のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光で変換装置から出力される信号を処理する信号処理部と
を有することを特徴とする撮像システム。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 15.
An imaging system characterized by having a signal processing unit that processes a signal output from a conversion device using the light.
移動体であって、
請求項1乃至15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く視差画像から、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。
It ’s a mobile body,
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 15.
A distance information acquisition means for acquiring distance information to an object from a parallax image based on a signal from the photoelectric conversion device, and
A moving body having a control means for controlling the moving body based on the distance information.
請求項16に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置にて得られた画像信号を処理する制御装置と
を有することを特徴とする放射線撮像システム。
The photoelectric conversion device according to claim 16 and
A radiation imaging system comprising a control device for processing an image signal obtained by the photoelectric conversion device.
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