(57)【要約】  本開示は、光電変換により発生したキャリアを効率良く用いることができるようにするセンサチップおよび電子機器に関する。複数の画素領域それぞれに少なくとも１つ以上、光電変換により発生したキャリアを増倍するアバランシェ増倍領域が半導体基板に設けられ、その半導体基板に対して照射される光がオンチップレンズにより集光される。そして、１つの画素領域に対して複数のオンチップレンズが配置されている。本技術は、例えば、裏面照射型のCMOSイメージセンサに適用できる。
2018173872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素領域それぞれに少なくとも１つ以上、光電変換により発生したキャリアを増倍するアバランシェ増倍領域が設けられる半導体基板と、
前記半導体基板に対して照射される光を集光するオンチップレンズと
を備え、
１つの前記画素領域に対して複数の前記オンチップレンズが配置される
センサチップ。
【請求項２】
前記半導体基板の表面側に積層され、光を反射する配線が設けられる配線層
をさらに備え、
前記半導体基板の裏面に光が照射される裏面照射型である
請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項３】
前記半導体基板の表面側に積層される配線層
をさらに備え、
前記半導体基板の表面に光が照射される表面照射型である
請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項４】
前記半導体基板にはシリコンが用いられる
請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項５】
前記半導体基板には赤外線の検出に適した材料が用いられる
請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項６】
複数の前記オンチップレンズは、前記半導体基板を平面的に見たときに、縦方向に配置される個数と横方向に配置される個数とが等しくなるように配置される
請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項７】
複数の前記オンチップレンズは、それぞれ均一の大きさに形成される
請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項８】
複数の前記オンチップレンズは、異なる大きさに形成され、
前記半導体基板を平面的に見たときに、中央部に配置される前記オンチップレンズが、周辺部に配置される前記オンチップレンズより大きく形成される
請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項９】
周辺部に配置される前記オンチップレンズは、互いの間に隙間が設けられないように配置される
請求項８に記載のセンサチップ。
【請求項１０】
前記半導体基板と複数の前記オンチップレンズとの間に配置され、複数の前記オンチップレンズにより集光された光を前記画素領域の中央に集光するインナーレンズ
をさらに備える請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項１１】
前記半導体基板と複数の前記オンチップレンズとの間に配置され、所定の波長域の光のみを通過させるバンドパスフィルタ
をさらに備える請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項１２】
前記半導体基板の光照射面において１つの前記画素領域に配置される複数の前記オンチップレンズを囲うように形成される遮光膜
をさらに備える請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項１３】
前記半導体基板の光照射面において複数の前記オンチップレンズどうしの間を仕切るように形成されるレンズ間仕切り
をさらに備える請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項１４】
前記半導体基板において１つの前記画素領域を囲うように形成されたトレンチに埋め込まれる絶縁膜
をさらに備える請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項１５】
前記半導体基板において１つの前記画素領域を囲うように形成されたトレンチに埋め込まれる金属膜
をさらに備える請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項１６】
複数の画素領域それぞれに少なくとも１つ以上、光電変換により発生したキャリアを増倍するアバランシェ増倍領域が設けられる半導体基板と、
前記半導体基板に対して照射される光を集光するオンチップレンズと
を有し、
１つの前記画素領域に対して複数の前記オンチップレンズが配置される
センサチップを備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、センサチップおよび電子機器に関し、特に、光電変換により発生したキャリアを効率良く用いることができるようにしたセンサチップおよび電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサや、ToF（Time-of-Flight）法により距離計測を行う距離画像センサなどでは、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度（検出効率）を向上させることが可能なSPAD（Single Photon Avalanche Diode）やAPD（Avalanche Photodiode）などが利用されている。また、さらなる受光感度の向上を図るために、１つのSPADやAPDごとにオンチップレンズを形成することが提案されている。【０００３】
例えば、特許文献１には、アバランシェ増幅によって受光感度を向上させることができる量子ドットセンサにおいて、１つの画素上に１つのオンチップレンズが配置された構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７７３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような特許文献１に開示されている構成では、例えば、画素サイズが大きくなるのに伴って、曲率が大きなオンチップレンズを形成することが難しくなり、光を集中させることが困難となっていた。そのため、光電変換により発生したキャリアを、SPADやAPDなどの増倍領域に効果的に集めることができなくなる結果、受光感度が低下してしまうことがあった。特に、シリコンにおいて吸収効率の低い赤外光では、光電変換領域として半導体基板に厚みが必要となり、SPADやAPDなどの増倍領域から離れた箇所で光電変換が行われてしまうため、その光電変換により発生したキャリアを有効に用いることが困難であった。【０００６】
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、光電変換により発生したキャリアを効率良く用いることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一側面のセンサチップは、複数の画素領域それぞれに少なくとも１つ以上、光電変換により発生したキャリアを増倍するアバランシェ増倍領域が設けられる半導体基板と、前記半導体基板に対して照射される光を集光するオンチップレンズとを備え、１つの前記画素領域に対して複数の前記オンチップレンズが配置される。【０００８】
本開示の一側面の電子機器は、複数の画素領域それぞれに少なくとも１つ以上、光電変換により発生したキャリアを増倍するアバランシェ増倍領域が設けられる半導体基板と、前記半導体基板に対して照射される光を集光するオンチップレンズとを有し、１つの前記画素領域に対して複数の前記オンチップレンズが配置されるセンサチップを備える。【０００９】
本開示の一側面においては、複数の画素領域それぞれに少なくとも１つ以上、光電変換により発生したキャリアを増倍するアバランシェ増倍領域が半導体基板に設けられ、その半導体基板に対して照射する光がオンチップレンズにより集光される。そして、１つの画素領域に対して複数のオンチップレンズが配置されている。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一側面によれば、光電変換により発生したキャリアを効率良く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本技術を適用したＡＰＤセンサの第１の実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】ＡＰＤセンサの第２の実施の形態の構成例を示す図である。
【図３】ＡＰＤセンサの第３の実施の形態の構成例を示す図である。
【図４】ＡＰＤセンサの第４の実施の形態の構成例を示す図である。
【図５】ＡＰＤセンサの第５の実施の形態の構成例を示す図である。
【図６】ＡＰＤセンサの第６の実施の形態の構成例を示す図である。
【図７】ＡＰＤセンサの第７の実施の形態の構成例を示す図である。
【図８】ＡＰＤセンサの第８の実施の形態の構成例を示す図である。
【図９】ＡＰＤセンサの第９の実施の形態の構成例を示す図である。
【図１０】撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図１１】イメージセンサを使用する使用例を示す図である。
【図１２】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【図１３】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
＜ＡＰＤセンサの第１の構成例＞
図１は、本技術を適用したＡＰＤセンサの第１の実施の形態の構成例を示す図である。
【００１４】
図１のＡには、ＡＰＤセンサ１０の１画素領域における断面的な構成が示されており、図１のＢには、ＡＰＤセンサ１０に光が照射される光照射面から見た斜視図が示されている。
【００１５】
図示するように、ＡＰＤセンサ１０は、半導体基板１１の裏面（図１において上側を向く面）に光が照射される裏面照射型であり、半導体基板１１の表面側に配線層１２が積層されるとともに、半導体基板１１の裏面側に複数のオンチップレンズ１３が積層されて構成される。
【００１６】
半導体基板１１は、例えば、単結晶のシリコンを薄くスライスしたウェハであり、Ｎ型またはＰ型の不純物がイオン注入されることによりＮ型拡散層またはＰ型拡散層が形成され、それらのＰＮ接合によって光電変換が行われる。なお、半導体基板１１としては、シリコンの他、赤外線の検出に適した材料を用いてもよく、例えば、GaAs（Gallium Arsenide）やInGaAs（Indium Gallium Arsenide）、CIGS（Cu , In , Ga , Se）などの化合物半導体を用いてもよい。このような材料を用いることで、ＡＰＤセンサ１０を赤外線センサとして利用することができる。
【００１７】
また、半導体基板１１の内部における配線層１２の近傍には、ＡＰＤセンサ１０の１画素領域それぞれに、アバランシェ増倍領域２１が１つずつ設けられている。アバランシェ増倍領域２１は、例えば、Ｐ型拡散層に印加される大きな負電圧によってＰ型拡散層およびＮ型拡散層の境界面に形成される高電界領域であって、半導体基板１１に入射した光の光電変換により発生したキャリア（ｅ−）を増倍することができる。
【００１８】
配線層１２は、例えば、複数の金属配線３１が絶縁膜中に形成されることにより構成され、それらの金属配線３１は、複数のオンチップレンズ１３それぞれに対応する（平面的に見たときに重なる）位置に配置される。また、金属配線３１は、半導体基板１１を通り抜けた光を反射する反射膜としての機能を備えている。
【００１９】
図１に示す例では、配線層１２に、３つの金属配線３１−１乃至３１−３が設けられている。そして、オンチップレンズ１３−１に対応して金属配線３１−１が配置され、オンチップレンズ１３−２に対応して金属配線３１−２が配置され、オンチップレンズ１３−３に対応して金属配線３１−３が配置される。また、ＡＰＤセンサ１０の１画素領域の中央に配置される金属配線３１−２は、他の金属配線３１−１や３１−２などよりも、広い面積となるように形成することが好ましい。
【００２０】
複数のオンチップレンズ１３は、半導体基板１１に光が照射される光照射面側に配置され、それぞれ半導体基板１１に照射される光を集光する。そして、ＡＰＤセンサ１０では、１画素領域に対して複数のオンチップレンズ１３が配置される。また、それらのオンチップレンズ１３は、ＡＰＤセンサ１０を平面的に見たときに、縦方向に配置される個数と横方向に配置される個数とが等しくなる（正方となる）ように配置することが好ましい。
【００２１】
例えば、図１のＢに示すように、ＡＰＤセンサ１０の１画素領域に対し、９個のオンチップレンズ１３が、ＡＰＤセンサ１０を平面的に見たときに、縦方向×横方向が３×３となるように配置されることが好適である。即ち、アバランシェ増倍領域２１は、ＡＰＤセンサ１０を平面的に見たときに、ＡＰＤセンサ１０の１画素領域の中心部に配置されており、図示するように３×３でオンチップレンズ１３を配置することで、ＡＰＤセンサ１０の１画素領域の中心部に向かって光を集光することができるのと同時に、端部側の光を中心部側へ寄せることができる。また、これらのオンチップレンズ１３は、それぞれ均一の大きさとなるように形成される。
【００２２】
このように、アバランシェ増倍領域２１が配置されている中心部に向かって光を効率的に集光することができるように複数のオンチップレンズ１３を適切に配置することで、アバランシェ増倍領域２１の近傍で光電変換を行わせ易くすることができる。これにより、光電変換で発生したキャリアがアバランシェ増倍領域２１へ流れ込み易くなり、アバランシェ増倍領域２１で増倍されるキャリアを増やすことができる。従って、光電変換で発生したキャリアを効率良く用いることができるようになる結果、さらに受光感度（検出効率）を向上させることができる。
【００２３】
即ち、従来、アバランシェ増倍領域上の空乏層領域で光電変換されたキャリアは、拡散することによってアバランシェ増倍領域に到達してアバランシェ増幅に寄与するものの、その他の領域で光電変換されたキャリアは、アバランシェ増倍領域を経ずにアノードまたはカソードに流れ出てしまっていた。これに対し、ＡＰＤセンサ１０は、アバランシェ増倍領域２１の近傍で光電変換を行わせることができるように複数のオンチップレンズ１３が配置されているので、光電変換により発生したキャリアが、アバランシェ増倍領域を経ずにアノードまたはカソードに流れ出てしまうことを回避することができる。
【００２４】
また、以上のように構成されるＡＰＤセンサ１０は、ＡＰＤセンサ１０の１画素領域に対して複数のオンチップレンズ１３を設けることにより、１つ当たりのオンチップレンズ１３のサイズを小さくすることができる。従って、例えば、１画素領域に対して１つのオンチップレンズを設ける構成と比較して、ＡＰＤセンサ１０は、曲率が大きく（曲率半径が小さく）なるようにオンチップレンズ１３を形成することが可能となる。これにより、ＡＰＤセンサ１０は、曲率が大きなオンチップレンズ１３によってアバランシェ増倍領域２１に効果的に光を集中することができ、検出効率の向上を図ることができる。
【００２５】
また、ＡＰＤセンサ１０は、オンチップレンズ１３により光を集光する分だけ、オンチップレンズを設けない構成と比較して、半導体基板１１の内部における光路を長くすることができる。これにより、より薄い半導体基板１１を用いても、オンチップレンズ１３により集光される分だけ光が半導体基板１１を通り抜け難くなることより、検出効率の低下を回避することができる。即ち、１画素領域に対して１つのオンチップレンズを設ける構成と同等の検出効率であっても、半導体基板１１を薄くすることができる。
【００２６】
このように、半導体基板１１が薄く構成されたＡＰＤセンサ１０は、タイミングジッタを抑制することができ、その悪影響を回避することができる。即ち、半導体基板が厚く構成されたＡＰＤセンサでは、半導体基板に入射した光が光電変換される箇所からアバランシェ増倍領域までキャリアが移動する距離が長くなり、タイミングジッタが増大することになっていた。
【００２７】
これに対し、半導体基板１１を薄くすることで、半導体基板１１に入射した光が光電変換される箇所からアバランシェ増倍領域２１までキャリアが移動する距離を短くすることができ、タイミングジッタを抑制することができる。従って、例えば、ＡＰＤセンサ１０を距離画像センサとして利用する場合には、より正確に距離を計測することができる。
【００２８】
さらに、ＡＰＤセンサ１０は、信号量を増加させるために１画素領域を大型化した構成としても、複数のオンチップレンズ１３を設けることによって、画素のサイズに対応した十分な曲率のオンチップレンズ１３を形成することができ、光強度の強い領域を局所的に狙う（作り出す）ことができる。これにより、アバランシェ増倍領域２１を設計する際の設計自由度を向上させることが可能となる。
【００２９】
また、ＡＰＤセンサ１０は、上述したように裏面照射型であり、赤外光などのように半導体基板１１における吸収効率が低い波長域の光を受光する画素においては、半導体基板１１を通り抜けた光を金属配線３１により反射させることができる。このように金属配線３１での反射を利用することで、ＡＰＤセンサ１０では、金属配線３１に局所的に光を集中させるようにオンチップレンズ１３を配置することで、局所的に光を集中させて吸収効率を向上させることができる。
【００３０】
＜ＡＰＤセンサの第２の構成例＞
図２には、ＡＰＤセンサ１０の第２の実施の形態の構成例が示されている。なお、図２に示すＡＰＤセンサ１０Ａにおいて、図１のＡＰＤセンサ１０と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
図２に示すように、ＡＰＤセンサ１０Ａは、半導体基板１１の表面に配線層１２Ａが積層され、配線層１２Ａに対して複数のオンチップレンズ１３が積層されて構成される点で、図１のＡＰＤセンサ１０と異なる構成となっている。また、配線層１２Ａには、その外周近傍に複数層の配線が積層されて構成される多層配線３２−１および３２−２が形成されている。
【００３２】
即ち、図１のＡＰＤセンサ１０は、上述したように裏面照射型であったのに対し、ＡＰＤセンサ１０Ａは、半導体基板１１の表面側に光が照射される表面照射型として構成されている。また、ＡＰＤセンサ１０Ａにおいて、アバランシェ増倍領域２１は、配線層１２Ａの近傍となる半導体基板１１の表面側に形成される。
【００３３】
このように、表面照射型のＡＰＤセンサ１０Ａにおいても、１画素領域に対して複数のオンチップレンズ１３が設けられる構造とすることで、図１のＡＰＤセンサ１０と同様に、光電変換で発生したキャリアを効率良く用いることができ、受光感度の向上を図ることができる。
【００３４】
＜ＡＰＤセンサの第３の構成例＞
図３には、ＡＰＤセンサ１０の第３の実施の形態の構成例が示されている。なお、図３に示すＡＰＤセンサ１０Ｂにおいて、図１のＡＰＤセンサ１０と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
図３のＡＰＤセンサ１０Ｂは、大きさが異なる複数のオンチップレンズ１３が半導体基板１１に積層されて構成される点で、図１のＡＰＤセンサ１０と異なる構成となっている。例えば、図３に示されるように、ＡＰＤセンサ１０Ｂの１画素領域の中央部に、大きな形状のオンチップレンズ１３ａが配置され、ＡＰＤセンサ１０Ｂの１画素領域の周辺部に、小さな形状のオンチップレンズ１３ｂが配置される構成とすることが好適である。
【００３６】
例えば、小さな形状のオンチップレンズ１３ｂは、オンチップレンズ１３ａよりも曲率が大きくなるように形成することができる。従って、オンチップレンズ１３ｂを介して半導体基板１１に入射した光は、半導体基板１１の上部に集光されて光電変換されることになる。そして、半導体基板１１の上部で光電変換されて発生するキャリアは、アバランシェ増倍領域２１へ流れ易くなるため、ＡＰＤセンサ１０Ｂは、より多くのキャリアを増倍することができる。
【００３７】
また、大きな形状のオンチップレンズ１３ａを介して半導体基板１１に入射し、半導体基板１１を通り抜けた光は、配線層１２の中央に配置されている金属配線３１−２によって反射され、半導体基板１１に再入射する。そして、半導体基板１１に再入射した光は、アバランシェ増倍領域２１の近傍で光電変換され、それにより発生したキャリアはアバランシェ増倍領域２１に流れ込んで増倍される。
【００３８】
このように、ＡＰＤセンサ１０Ｂは、大きさが異なる複数のオンチップレンズ１３を適切に配置することによって、光電変換で発生したキャリアをさらに効率良く用いることができ、受光感度の向上を図ることができる。
【００３９】
また、図３のＢおよび図３のＣには、オンチップレンズ１３ａおよびオンチップレンズ１３ｂの平面的な配置例が示されている。
【００４０】
例えば、図３のＢに示す第１の配置例のように、１個のオンチップレンズ１３ａを中央に配置して、その周囲に設けられる８個のオンチップレンズ１３ｂとともに、それらが３×３となる配置を採用することができる。ここで、図３のＢに示す第１の配置例では、小さな形状のオンチップレンズ１３ｂどうしの間に隙間が設けられることになる。
【００４１】
そこで、図３のＣに示す第２の配置例のように、１個のオンチップレンズ１３ａを中央に配置するとともに、その周囲に設けられる１２個のオンチップレンズ１３ｂが、互いの間に隙間が設けられないような配置を採用することが、より好適できる。このように、オンチップレンズ１３ｂどうしの間に隙間が設けられることを回避した構成とすることで、ＡＰＤセンサ１０Ｂは、入射光を効果的に利用することができる。
【００４２】
＜ＡＰＤセンサの第４の構成例＞
図４には、ＡＰＤセンサ１０の第４の実施の形態の構成例が示されている。なお、図４に示すＡＰＤセンサ１０Ｃにおいて、図１のＡＰＤセンサ１０と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
図４に示すように、ＡＰＤセンサ１０Ｃは、半導体基板１１の裏面にインナーレンズ層４１が積層され、インナーレンズ層４１に対して複数のオンチップレンズ１３が積層されて構成される点で、図１のＡＰＤセンサ１０と異なる構成となっている。また、インナーレンズ層４１では、例えば、透明な樹脂層の中に、ＡＰＤセンサ１０Ｃの１画素領域に対して１つのインナーレンズ４２が形成されており、インナーレンズ４２は、複数のオンチップレンズ１３により集光される光を、さらに１画素領域の中央に集光する。
【００４４】
このように、ＡＰＤセンサ１０Ｃは、半導体基板１１と複数のオンチップレンズ１３との間にインナーレンズ４２を配置した構成とすることで、例えば、図１のＡＰＤセンサ１０と比較して、半導体基板１１の集光スポットをより上側（光が入射する側）に寄せることができる。これにより、半導体基板１１に入射した光の光路をさらに長くすることができるため、半導体基板１１をより薄くすることができる。つまり、半導体基板１１を薄くしても、半導体基板１１に入射した光が通り抜け難くすることができる。これにより、ＡＰＤセンサ１０Ｃは、光電変換で発生したキャリアを効率良く用いることができ、受光感度の向上を図ることができる。
【００４５】
＜ＡＰＤセンサの第５の構成例＞
図５には、ＡＰＤセンサ１０の第５の実施の形態の構成例が示されている。なお、図５に示すＡＰＤセンサ１０Ｄにおいて、図１のＡＰＤセンサ１０と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
図５に示すように、ＡＰＤセンサ１０Ｄは、半導体基板１１に積層されている１画素領域の複数のオンチップレンズ１３を囲うように、光を遮光する遮光性を備えた遮光膜５１が形成されている点で、図１のＡＰＤセンサ１０と異なる構成となっている。即ち、ＡＰＤセンサ１０Ｄでは、半導体基板１１の光照射面において、遮光膜５１が、隣接する画素領域どうしの間を遮光するように構成されている。
【００４７】
このように構成されるＡＰＤセンサ１０Ｄは、半導体基板１１の光照射面において、遮光膜５１によって、隣接する他の画素領域に光が混入することを防止することができる。これにより、ＡＰＤセンサ１０Ｄは、図１のＡＰＤセンサ１０よりも、混色の発生を抑制することができる。
【００４８】
＜ＡＰＤセンサの第６の構成例＞
図６には、ＡＰＤセンサ１０の第６の実施の形態の構成例が示されている。なお、図６に示すＡＰＤセンサ１０Ｅにおいて、図１のＡＰＤセンサ１０と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４９】
図６に示すように、ＡＰＤセンサ１０Ｅは、半導体基板１１に積層されている１画素領域の複数のオンチップレンズ１３を囲うように遮光膜５１が形成されるとともに、それらのオンチップレンズ１３どうしの間にレンズ間仕切り５２が形成されている点で、図１のＡＰＤセンサ１０と異なる構成となっている。即ち、ＡＰＤセンサ１０Ｅは、図５のＡＰＤセンサ１０Ｄと同様に、遮光膜５１を備えるのに加えて、１画素領域の複数のオンチップレンズ１３がレンズ間仕切り５２により仕切られるように構成されている。また、レンズ間仕切り５２は、光を透過する透過性を備えた材料により形成することが好ましく、レンズ間仕切り５２によって半導体基板１１が受光する光量の低下を回避することができる。
【００５０】
このように構成されるＡＰＤセンサ１０Ｅでは、レンズ間仕切り５２によってオンチップレンズ１３どうしの間を仕切ることで、複数のオンチップレンズ１３を形成する際に、それらのオンチップレンズ１３の均一性を高めることができる。つまり、ＡＰＤセンサ１０Ｅは、より均一な形状となるように複数のオンチップレンズ１３を形成することができる。
【００５１】
＜ＡＰＤセンサの第７の構成例＞
図７には、ＡＰＤセンサ１０の第７の実施の形態の構成例が示されている。なお、図７に示すＡＰＤセンサ１０Ｆにおいて、図１のＡＰＤセンサ１０と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５２】
図７に示すように、ＡＰＤセンサ１０Ｆは、半導体基板１１の表面にバンドパスフィルタ６１が積層され、バンドパスフィルタ６１に対して複数のオンチップレンズ１３が積層されて構成される点で、図１のＡＰＤセンサ１０と異なる構成となっている。また、バンドパスフィルタ６１は、所定の波長域の光のみを通過させるフィルタであり、例えば、可視光におけるカラーフィルタ（ＲＧＢフィルタ）や、特定の赤外光のみを透過させるようなフィルタなどが用いられる。
【００５３】
このように、ＡＰＤセンサ１０Ｆは、半導体基板１１と複数のオンチップレンズ１３との間にバンドパスフィルタ６１を配置した構成とすることで、例えば、特定の波長域におけるＡＰＤの反応を検出することができる。
【００５４】
＜ＡＰＤセンサの第８の構成例＞
図８には、ＡＰＤセンサ１０の第８の実施の形態の構成例が示されている。なお、図８に示すＡＰＤセンサ１０Ｇにおいて、図１のＡＰＤセンサ１０と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
図８に示すように、ＡＰＤセンサ１０Ｇは、半導体基板１１の１画素領域を囲うように形成されたＤＴＩ（Deep Trench Isolation）に絶縁膜６２が埋め込まれて構成される点で、図１のＡＰＤセンサ１０と異なる構成となっている。即ち、ＡＰＤセンサ１０Ｇでは、半導体基板１１における隣接する画素領域どうしを分離するように深い溝を加工することでＤＴＩを形成し、そのＤＴＩに、例えば、高い絶縁性を有する窒化ケイ素（シリコンナイトライド）が埋め込まれることで絶縁膜６２が形成される。
【００５６】
このように構成されるＡＰＤセンサ１０Ｇは、半導体基板１１の内部で画素領域どうしを絶縁膜６２により分離することで、半導体基板１１において光電変換で発生したキャリアが、隣接する画素領域に混入することを防止することができる。これにより、ＡＰＤセンサ１０Ｇは、図１のＡＰＤセンサ１０よりも、半導体基板１１内における混色の発生を抑制することができる。
【００５７】
＜ＡＰＤセンサの第９の構成例＞
図９には、ＡＰＤセンサ１０の第９の実施の形態の構成例が示されている。なお、図９に示すＡＰＤセンサ１０Ｈにおいて、図１のＡＰＤセンサ１０と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５８】
図９に示すように、ＡＰＤセンサ１０Ｈは、半導体基板１１の１画素領域を囲うように形成されたＤＴＩに遮光性を備えた金属膜６３が埋め込まれて構成される点で、図１のＡＰＤセンサ１０と異なる構成となっている。即ち、ＡＰＤセンサ１０Ｈでは、半導体基板１１における隣接する画素領域どうしを分離するように深い溝を加工することでＤＴＩを形成し、そのＤＴＩに、例えば、半導体基板１１と絶縁されるようにタングステンなどの金属が埋め込まれることで金属膜６３が形成される。
【００５９】
このように構成されるＡＰＤセンサ１０Ｈは、半導体基板１１の内部で画素領域どうしを金属膜６３により分離することで、半導体基板１１に入射した光が、隣接する画素領域に混入することを防止することができる。これにより、ＡＰＤセンサ１０Ｈは、図１のＡＰＤセンサ１０よりも、半導体基板１１内における混色の発生を抑制することができる。さらに、ＡＰＤセンサ１０Ｈは、半導体基板１１の内部発光が発生した際に、そこで発生した光が隣接する画素領域に混入することを防止して、混色の発生を抑制することができる。
【００６０】
以上のような各実施の形態のＡＰＤセンサ１０は、光電変換により発生したキャリアをアバランシェ増倍領域２１に流れ込み易くすることができるので、アバランシェ増倍領域２１で増倍されるキャリアを増やすことができる。このように、キャリアを効率良く用いることができる結果、ＡＰＤセンサ１０は、受光感度の向上を図ることができる。
【００６１】
また、ＡＰＤセンサ１０は、上述したように半導体基板１１の内部における光路を長くすることができることより、半導体基板１１の薄肉化を図ることができ、タイミングジッタを抑制することができる。さらに、ＡＰＤセンサ１０におけるアバランシェ増倍領域２１の設計の自由度を向上させることができる。また、裏面照射型のＡＰＤセンサ１０では、半導体基板１１を通り抜けた光を金属配線３１により反射させることによっても、より多くの光を光電変換させることができる。
【００６２】
ところで、上述した各実施の形態では、１画素領域に対してアバランシェ増倍領域２１が１つずつ設けられている構成について説明したが、例えば、１画素領域に対して少なくとも１つ以上のアバランシェ増倍領域２１が設けられる構成であればよい。即ち、１画素領域に対して配置されるアバランシェ増倍領域２１の個数も、オンチップレンズ１３と同様に、キャリアを効率良く用いることができるように適切に選択することができ、それらのアバランシェ増倍領域２１を１画素領域に適切に配置することができる。なお、ＡＰＤセンサ１０における１画素領域は、１つのセンサ出力として用いられるセンサ素子が配置される単位領域のことである。また、各実施の形態において示したアバランシェ増倍領域２１の配置位置は、一例であって、上述したような構成に限定されることはない。
【００６３】
なお、上述したようなＡＰＤセンサ１０は、撮像素子として用いることができ、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
【００６４】
＜撮像装置の構成例＞
図１０は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【００６５】
図１０に示すように、撮像装置１０１は、光学系１０２、撮像素子１０３、信号処理回路１０４、モニタ１０５、およびメモリ１０６を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
【００６６】
光学系１０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を撮像素子１０３に導き、撮像素子１０３の受光面（センサ部）に結像させる。
【００６７】
撮像素子１０３としては、上述したＡＰＤセンサ１０が適用される。撮像素子１０３には、光学系１０２を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子１０３に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路１０４に供給される。
【００６８】
信号処理回路１０４は、撮像素子１０３から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路１０４が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ１０５に供給されて表示されたり、メモリ１０６に供給されて記憶（記録）されたりする。
【００６９】
このように構成されている撮像装置１０１では、上述したＡＰＤセンサ１０を適用することで、例えば、より高感度な画像を撮像することができる。
【００７０】
＜イメージセンサの使用例＞
図１１は、上述のイメージセンサを使用する使用例を示す図である。
【００７１】
上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【００７２】
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【００７３】
＜移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
【００７４】
図１２は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【００７５】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図１２に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
【００７６】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【００７７】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【００７８】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【００７９】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【００８０】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【００８１】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｄｒｉｖｅｒ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【００８２】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【００８３】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【００８４】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図１２の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【００８５】
図１３は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【００８６】
図１３では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
【００８７】
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【００８８】
なお、図１３には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【００８９】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【００９０】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【００９１】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【００９２】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【００９３】
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば、撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、より高感度で画像を撮像することができる。
【００９４】
＜構成の組み合わせ例＞
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
複数の画素領域それぞれに少なくとも１つ以上、光電変換により発生したキャリアを増倍するアバランシェ増倍領域が設けられる半導体基板と、
前記半導体基板に対して照射される光を集光するオンチップレンズと
を備え、
１つの前記画素領域に対して複数の前記オンチップレンズが配置される
センサチップ。
（２）
前記半導体基板の表面側に積層され、光を反射する配線が設けられる配線層
をさらに備え、
前記半導体基板の裏面に光が照射される裏面照射型である
上記（１）に記載のセンサチップ。
（３）
前記半導体基板の表面側に積層される配線層
をさらに備え、
前記半導体基板の表面に光が照射される表面照射型である
上記（１）に記載のセンサチップ。
（４）
前記半導体基板にはシリコンが用いられる
上記（１）から（３）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（５）
前記半導体基板には赤外線の検出に適した材料が用いられる
上記（１）から（３）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（６）
複数の前記オンチップレンズは、前記半導体基板を平面的に見たときに、縦方向に配置される個数と横方向に配置される個数とが等しくなるように配置される
上記（１）から（５）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（７）
複数の前記オンチップレンズは、それぞれ均一の大きさに形成される
上記（１）から（６）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（８）
複数の前記オンチップレンズは、異なる大きさに形成され、
前記半導体基板を平面的に見たときに、中央部に配置される前記オンチップレンズが、周辺部に配置される前記オンチップレンズより大きく形成される
上記（１）から（６）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（９）
周辺部に配置される前記オンチップレンズは、互いの間に隙間が設けられないように配置される
上記（８）に記載のセンサチップ。
（１０）
前記半導体基板と複数の前記オンチップレンズとの間に配置され、複数の前記オンチップレンズにより集光された光を前記画素領域の中央に集光するインナーレンズ
をさらに備える上記（１）から（９）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（１１）
前記半導体基板と複数の前記オンチップレンズとの間に配置され、所定の波長域の光のみを通過させるバンドパスフィルタ
をさらに備える上記（１）から（１０）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（１２）
前記半導体基板の光照射面において１つの前記画素領域に配置される複数の前記オンチップレンズを囲うように形成される遮光膜
をさらに備える上記（１）から（１１）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（１３）
前記半導体基板の光照射面において複数の前記オンチップレンズどうしの間を仕切るように形成されるレンズ間仕切り
をさらに備える上記（１）から（１２）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（１４）
前記半導体基板において１つの前記画素領域を囲うように形成されたトレンチに埋め込まれる絶縁膜
をさらに備える上記（１）から（１２）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（１５）
前記半導体基板において１つの前記画素領域を囲うように形成されたトレンチに埋め込まれる金属膜
をさらに備える上記（１）から（１２）までのいずれかに記載のセンサチップ。
（１６）
複数の画素領域それぞれに少なくとも１つ以上、光電変換により発生したキャリアを増倍するアバランシェ増倍領域が設けられる半導体基板と、
前記半導体基板に対して照射される光を集光するオンチップレンズと
を有し、
１つの前記画素領域に対して複数の前記オンチップレンズが配置される
センサチップを備える電子機器。
【００９５】
なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１０  ＡＰＤセンサ，  １１  半導体基板，  １２  配線層，  １３  オンチップレンズ，  ２１  アバランシェ増倍領域，  ３１  金属配線，  ３２  多層配線，  ４１  インナーレンズ層，  ４２  インナーレンズ，  ５１  遮光膜，  ５２  レンズ間仕切り，  ６１  バンドパスフィルタ，  ６２  絶縁膜，  ６３  金属膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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