KR102687743B1 - Single photon detection element, single photon detector, single photon detector array - Google Patents
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Abstract
단일 광자 검출 소자는 제1 도전형을 가지는 제1 웰, 제1 웰의 상에 제공되고, 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 제2 웰, 제2 웰의 상에 제공되고, 제1 도전형을 가지는 제1 공핍 형성 영역, 제1 웰과 제2 웰 사이에 제공되는 메인 공핍 영역, 및 제2 웰 및 제1 공핍 형성 영역 사이에 제공되는 제1 서브 공핍 영역을 포함하되, 제1 웰과 제1 공핍 형성 영역은 상기 제2 웰에 의해 서로 이격된다.A single photon detection element is provided on a first well having a first conductivity type, a second well having a second conductivity type different from the first conductivity type, and a second well. A first depletion forming region having a conductivity type of 1, a main depletion region provided between the first well and the second well, and a first sub-depletion region provided between the second well and the first depletion forming region, Well 1 and the first depletion formation region are spaced apart from each other by the second well.
Description
본 개시는 단일 광자 검출 소자, 단일 광자 검출기, 및 단일 광자 검출기 어레이에 관한 것이다.The present disclosure relates to single photon detection devices, single photon detectors, and single photon detector arrays.
아발란치 포토다이오드(Avalanche photodiode: APD)는 아발란치 증배(avalanche multiplication)로 인한 높은 첫 단계 이득을 제공하기 위해 높은 바이어스 전압이 pn 접합부에 인가되는 고체 상태(solid-state) 광 검출기이다. 전자를 방출하기에 충분한 에너지를 가진 입사 광자가 포토다이오드에 도달하면 전자-정공쌍(electron-hole pair: EHP)이 생성된다. 높은 전기장은 광 생성(photo-generated) 전자를 (+) 쪽으로 빠르게 가속하며, 이렇게 가속된 전자에 의한 충격 이온화(impact ionization)에 의해 추가의 전자-정공쌍들이 연달아 생성되게 되고, 그 다음에 이러한 전자 모두가 양극 쪽으로 가속된다. 이와 유사하게 정공도 (-) 쪽으로 빠르게 가속되며 동일한 현상을 일으킨다. 이러한 프로세스는 출력 전류 펄스 및 광 생성 전자의 아발란치 증배로 이어지는 과정을 반복한다. 따라서 APD는 광전자증배관(photomultiplier tubes)과 유사하게 동작하는 반도체 기반의 소자이다. 선형 모드 APD는 바이어스 전압을 제어하여 이득을 설정하고 선형 모드에서 수십~수천의 이득을 얻을 수 있는 효과적인 증폭기이다.An avalanche photodiode (APD) is a solid-state photodetector in which a high bias voltage is applied to the pn junction to provide high first-stage gain due to avalanche multiplication. When an incident photon with enough energy to emit an electron reaches the photodiode, an electron-hole pair (EHP) is created. A high electric field rapidly accelerates the photo-generated electrons toward the (+) side, and additional electron-hole pairs are created one after another through impact ionization by these accelerated electrons. All electrons are accelerated toward the anode. Similarly, holes are rapidly accelerated toward (-) and cause the same phenomenon. This process repeats, leading to an output current pulse and avalanche multiplication of photogenerated electrons. Therefore, APDs are semiconductor-based devices that operate similarly to photomultiplier tubes. A linear mode APD is an effective amplifier that sets the gain by controlling the bias voltage and can obtain tens to thousands of gains in linear mode.
단일 광자 아발란치 다이오드(Single Photo Avalanched Diode: SPAD)는 가이거(Geiger) 모드에서 동작하도록 p-n 접합부가 그 항복 전압 이상으로 바이어싱되는 APD로서, 단일 입사 광자가 진행중인 아발란치 현상을 트리거(trigger)하며 매우 큰 전류를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 ??칭(quenching) 저항 혹은 회로 등과 함께 쉽게 측정 가능한 전류 펄스를 얻을 수 있다. 즉, SPAD는 이득이 낮은 광도(light intensity)에서 충분하지 않을 수 있는 선형 모드 APD와 비교하여 큰 전류 펄스를 생성하는 장치로 동작한다. 아발란치를 트리거링 한 후에, 아발란치 프로세스를 ??칭하기 위해 항복 전압 이하로 바이어스 전압을 감소시키도록 ??칭 저항 혹은 회로(quenching resistor or circuit)가 사용된다. 일단 ??칭되면 또 다른 광자(SPAD를 재-바이어싱하는 것으로 알려짐)의 검출을 위해 SPAD가 리셋되도록 바이어스 전압이 항복 전압 이상으로 다시 상승된다.A Single Photo Avalanched Diode (SPAD) is an APD whose p-n junction is biased above its breakdown voltage to operate in Geiger mode, where a single incident photon triggers the ongoing avalanche phenomenon. ) and can generate a very large current, thereby obtaining a current pulse that can be easily measured with a quenching resistance or circuit. In other words, SPADs operate as devices that generate large current pulses compared to linear mode APDs whose gain may not be sufficient at low light intensities. After triggering the avalanche, a quenching resistor or circuit is used to reduce the bias voltage below the breakdown voltage to quench the avalanche process. Once quenched, the bias voltage is raised again above the breakdown voltage to reset the SPAD for detection of another photon (known to re-bias the SPAD).
APD 또는 SPAD는 표면 결함에 의해 생성된 전자를 가질 수 있다. 표면 결함에 의해 생성된 전자는 APD 또는 SPAD 내로 유입되고, 증배될 수 있다. 이에 따라, 노이즈 신호가 발생될 수 있다. APD or SPAD may have electrons generated by surface defects. Electrons generated by surface defects can enter the APD or SPAD and multiply. Accordingly, a noise signal may be generated.
해결하고자 하는 과제는 낮은 노이즈를 가지는 단일 광자 검출 소자를 제공하는 것에 있다. The problem to be solved is to provide a single photon detection device with low noise.
해결하고자 하는 과제는 낮은 노이즈를 가지는 단일 광자 검출기를 제공하는 것에 있다. The problem to be solved is to provide a single photon detector with low noise.
다만, 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.However, the problem to be solved is not limited to the above disclosure.
일 측면에 있어서, 제1 도전형을 가지는 제1 웰; 상기 제1 웰의 상에 제공되고, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 제2 웰; 상기 제2 웰의 상에 제공되고, 상기 제1 도전형을 가지는 제1 공핍 형성 영역; 상기 제1 웰과 상기 제2 웰 사이에 제공되는 메인 공핍 영역; 및 상기 제2 웰 및 상기 제1 공핍 형성 영역 사이에 제공되는 제1 서브 공핍 영역;을 포함하되, 상기 제1 웰과 상기 제1 공핍 형성 영역은 상기 제2 웰에 의해 서로 이격되는 단일 광자 검출 소자가 제공될 수 있다.In one aspect, a first well having a first conductivity type; a second well provided on the first well and having a second conductivity type different from the first conductivity type; a first depletion formation region provided on the second well and having the first conductivity type; a main depletion region provided between the first well and the second well; and a first sub-depletion region provided between the second well and the first depletion formation region, wherein the first well and the first depletion formation region are spaced apart from each other by the second well. A device may be provided.
상기 제1 웰을 사이에 두고 상기 제2 웰의 반대편에 제공되는 제2 공핍 형성 영역; 및 상기 제2 공핍 형성 영역과 상기 제1 웰 사이에 제공되는 제2 서브 공핍 영역;을 더 포함하되, 상기 제2 공핍 형성 영역은 상기 제2 도전형을 가질 수 있다.a second depletion formation region provided on an opposite side of the second well with the first well interposed therebetween; and a second sub-depletion region provided between the second depletion formation region and the first well, wherein the second depletion formation region may have the second conductivity type.
상기 제1 웰에 전기적으로 연결되는 제1 콘택 영역;을 더 포함하되, 상기 제1 콘택 영역은 상기 제2 웰로부터 이격되고, 상기 제1 도전형을 가지며, 상기 제1 콘택 영역의 도핑 농도는 상기 제1 웰의 도핑 농도보다 높을 수 있다.A first contact region electrically connected to the first well; wherein the first contact region is spaced apart from the second well, has the first conductivity type, and the doping concentration of the first contact region is It may be higher than the doping concentration of the first well.
상기 제1 콘택 영역과 상기 제1 웰 사이에 제공되는 완화 영역;을 더 포함하되, 상기 완화 영역은 상기 제1 도전형을 갖고, 상기 완화 영역의 도핑 농도는 상기 제1 콘택 영역의 도핑 농도보다 낮을 수 있다.A relaxation region provided between the first contact region and the first well, wherein the relaxation region has the first conductivity type, and the doping concentration of the relaxation region is lower than the doping concentration of the first contact region. It can be low.
상기 제2 웰에 전기적으로 연결되는 제2 콘택 영역;을 더 포함하되, 상기 제2 콘택 영역은 상기 제2 도전형을 가지며, 상기 제2 콘택 영역의 도핑 농도는 상기 제2 웰의 도핑 농도보다 높을 수 있다.It further includes a second contact region electrically connected to the second well, wherein the second contact region has the second conductivity type, and the doping concentration of the second contact region is lower than the doping concentration of the second well. It can be high.
상기 제2 콘택 영역과 상기 제1 공핍 형성 영역은 서로 접할 수 있다.The second contact region and the first depletion formation region may contact each other.
상기 제2 콘택 영역과 상기 제1 공핍 형성 영역은 서로 이격될 수 있다.The second contact region and the first depletion formation region may be spaced apart from each other.
상기 제2 웰의 측면 상에 제공되는 가드링 영역;을 더 포함하되, 상기 가드링 영역은 상기 제2 도전형을 가질 수 있다.It may further include a guard ring area provided on a side of the second well, wherein the guard ring area may have the second conductivity type.
상기 가드링 영역은 상기 제2 웰을 둘러쌀 수 있다.The guard ring area may surround the second well.
상기 제1 웰은 상기 제2 웰의 바닥면 상에서 상기 제2 웰의 측면 상으로 연장할 수 있다.The first well may extend from the bottom of the second well to the side of the second well.
상기 제1 웰과 상기 제2 웰을 둘러싸는 제3 웰;을 더 포함하되, 상기 제3 웰은 상기 제1 도전형을 가질 수 있다.It may further include a third well surrounding the first well and the second well, wherein the third well may have the first conductivity type.
상기 제3 웰에 대해 상기 제1 웰의 반대편에 제공되는 제2 공핍 형성 영역; 및 상기 제2 공핍 형성 영역과 상기 제3 웰 사이에 제공되는 제3 서브 공핍 영역;을 더 포함하되, 상기 제2 공핍 형성 영역은 상기 제2 도전형을 가질 수 있다.a second depletion formation region provided opposite the first well to the third well; and a third sub-depletion region provided between the second depletion formation region and the third well, wherein the second depletion formation region may have the second conductivity type.
상기 제3 웰 상에 제공되고, 상기 제2 웰로부터 이격되는 제3 콘택 영역;을 더 포함하되, 상기 제3 콘택 영역은 상기 제1 도전형을 가질 수 있다.It may further include a third contact area provided on the third well and spaced apart from the second well, wherein the third contact area may have the first conductivity type.
상기 제3 웰의 도핑 농도는 상기 제1 웰의 도핑 농도보다 낮을 수 있다.The doping concentration of the third well may be lower than the doping concentration of the first well.
상기 제3 웰은 상기 제2 웰의 측면에 접할 수 있다.The third well may contact a side of the second well.
일 측면에 있어서, 광을 수용하여 전기 신호를 생성하는 단일 광자 검출 소자; 상기 전기 신호를 처리하는 제어층; 및 상기 광을 외부로부터 수용하여 상기 단일 광자 검출 소자에 집속하는 렌즈부;를 포함하되, 상기 단일 광자 검출 소자는, 제1 도전형을 가지는 제1 웰, 상기 제1 웰의 상에 제공되고, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 제2 웰, 상기 제2 웰의 상에 제공되고, 상기 제1 도전형을 가지는 제1 공핍 형성 영역, 상기 제1 웰과 상기 제2 웰 사이에 제공되는 메인 공핍 영역, 및 상기 제2 웰 및 상기 제1 공핍 형성 영역 사이에 제공되는 제1 서브 공핍 영역을 포함하되, 상기 제1 웰과 상기 제1 공핍 형성 영역은 상기 제2 웰에 의해 서로 이격되는 단일 광자 검출기가 제공될 수 있다.In one aspect, a single photon detection device that receives light and generates an electrical signal; a control layer that processes the electrical signals; and a lens unit that receives the light from the outside and focuses it on the single-photon detection device, wherein the single-photon detection device includes a first well having a first conductivity type and provided on the first well, A second well having a second conductivity type different from the first conductivity type, a first depletion formation region provided on the second well and having the first conductivity type, between the first well and the second well. A main depletion region provided in and a first sub-depletion region provided between the second well and the first depletion formation region, wherein the first well and the first depletion formation region are formed by the second well. Single photon detectors spaced apart from each other may be provided.
상기 제어층은 상기 단일 광자 검출 소자와 상기 렌즈부 사이에 배치될 수 있다.The control layer may be disposed between the single photon detection element and the lens unit.
상기 단일 광자 검출 소자는 상기 제어층과 상기 렌즈부 사이에 배치될 수 있다.The single photon detection element may be disposed between the control layer and the lens unit.
상기 제1 공핍 형성 영역은 상기 렌즈부보다 상기 제어층에 인접하게 배치될 수 있다.The first depletion formation region may be disposed closer to the control layer than to the lens unit.
상기 제어층은: 절연층; 배선들; 및 회로들;을 포함하되, 상기 배선들은 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰과 상기 회로들을 전기적으로 연결하고, 상기 회로들은 ??칭 회로(quenching circuit) 및 판독 회로를 포함할 수 있다.The control layer includes: an insulating layer; wires; and circuits; wherein the wires electrically connect the first well and the second well to the circuits, and the circuits may include a quenching circuit and a readout circuit.
상기 회로는 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭 회로, 카운터, 및 게이트 회로를 포함할 수 있다.The circuit may include a recharge circuit, memory, amplifier circuit, counter, and gate circuit.
상기 단일 광자 검출 소자 및 상기 렌즈부 사이에 제공되는 컬러 필터(color filter), 대역 필터(bandpass filter), 및 반사방지 코팅(anti-reflection coating) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.It may include at least one of a color filter, a bandpass filter, and an anti-reflection coating provided between the single photon detection element and the lens unit.
일 측면에 있어서, 광을 수용하여 전기 신호를 생성하는 복수의 단일 광자 검출 소자들; 상기 전기 신호를 처리하는 제어층; 및 상기 광을 외부로부터 수용하여 상기 복수의 단일 광자 검출 소자들에 각각 집속하는 복수의 렌즈들;을 포함하되, 상기 복수의 단일 광자 검출 소자들의 각각은, 제1 도전형을 가지는 제1 웰, 상기 제1 웰의 상에 제공되고, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 제2 웰, 상기 제2 웰의 상에 제공되고, 상기 제1 도전형을 가지는 제1 공핍 형성 영역, 상기 제1 웰과 상기 제2 웰 사이에 제공되는 메인 공핍 영역, 및 상기 제2 웰 및 상기 제1 공핍 형성 영역 사이에 제공되는 제1 서브 공핍 영역을 포함하되, 상기 제1 웰과 상기 제1 공핍 형성 영역은 상기 제2 웰에 의해 서로 이격되는 단일 광자 검출기 어레이가 제공될 수 있다. In one aspect, a plurality of single photon detection elements that receive light and generate an electrical signal; a control layer that processes the electrical signals; and a plurality of lenses that receive the light from the outside and focus each of the plurality of single-photon detection elements on the plurality of single-photon detection elements, wherein each of the plurality of single-photon detection elements includes: a first well having a first conductivity type; a second well provided on the first well and having a second conductivity type different from the first conductivity type; a first depletion formation region provided on the second well and having the first conductivity type; A main depletion region provided between the first well and the second well, and a first sub-depletion region provided between the second well and the first depletion formation region, wherein the first well and the first The depletion formation region may be provided with an array of single photon detectors spaced from each other by the second well.
본 개시는 낮은 노이즈를 가지는 단일 광자 검출 소자를 제공할 수 있다.The present disclosure can provide a single photon detection device with low noise.
본 개시는 낮은 노이즈를 가지는 단일 광자 검출기를 제공할 수 있다.The present disclosure can provide a single photon detector with low noise.
다만, 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.However, the effect of the invention is not limited to the above disclosure.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 도 9의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 도 11의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 도 13의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 도 15의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 17은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 18은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다.
도 19는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다.
도 20은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기 어레이의 평면도이다.
도 21은 도 20의 I-I'선을 따른 단면도이다.
도 22는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 23은 예시적인 실시예에 따른 도 22의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 25는 예시적인 실시예에 따른 도 24의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 26은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 27은 예시적인 실시예에 따른 도 26의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.
도 28은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 29는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 30은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 31은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다.
도 32는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 33 및 도 34는 예시적인 실시예에 따른 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도들이다.1 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an exemplary embodiment.
FIG. 2 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
FIG. 3 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
FIG. 4 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
Figure 5 is a top view of the single photon detection device of Figure 1 according to an example embodiment.
FIG. 6 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an example embodiment.
FIG. 7 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an example embodiment.
FIG. 8 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
Figure 9 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
FIG. 10 is a top view of the single photon detection device of FIG. 9 according to an example embodiment.
Figure 11 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
FIG. 12 is a top view of the single photon detection device of FIG. 11 according to an example embodiment.
Figure 13 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 14 is a top view of the single photon detection device of Figure 13 according to an example embodiment.
Figure 15 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 16 is a top view of the single photon detection device of Figure 15 according to an example embodiment.
Figure 17 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 18 is a cross-sectional view of a single photon detector according to an example embodiment.
Figure 19 is a cross-sectional view of a single photon detector according to an example embodiment.
Figure 20 is a top view of a single photon detector array according to an example embodiment.
FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line II′ of FIG. 20.
Figure 22 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 23 is a top view of the single photon detection device of Figure 22 according to an example embodiment.
Figure 24 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 25 is a top view of the single photon detection device of Figure 24 according to an example embodiment.
Figure 26 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 27 is a top view of the single photon detection device of Figure 26 according to an example embodiment.
Figure 28 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 29 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 30 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 31 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment.
Figure 32 is a block diagram for explaining an electronic device according to an example embodiment.
33 and 34 are conceptual diagrams showing a case where a LiDAR device is applied to a vehicle according to an exemplary embodiment.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the attached drawings. In the following drawings, the same reference numerals refer to the same components, and the size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. Meanwhile, the embodiments described below are merely illustrative, and various modifications are possible from these embodiments.
이하에서, "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, the term “on” may include not only what is directly above in contact but also what is above without contact.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Additionally, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
또한, 명세서에 기재된 “...부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.Additionally, terms such as “... unit” used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an exemplary embodiment.
도 1을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(1)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(1)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)는 가이거 모드 아발란치 다이오드(Geiger-mode APD, G-APD)로 지칭될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(1)는 제1 웰(110), 제2 웰(120), 제1 콘택 영역(114), 제1 완화 영역(112), 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 및 제2 공핍 형성 영역(100)을 포함할 수 있다. 제1 웰(110), 제2 웰(120), 제1 콘택 영역(114), 제1 완화 영역(112), 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 및 제2 공핍 형성 영역(100)은 반도체 기판(예를 들어, p형 혹은 n형 실리콘(Si) 기판(substrate))이 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판은 p형 혹은 n형 에피택시 층(epi layer)일 수 있다. 제2 공핍 형성 영역(100)은 에피택시 성장 공정에 의해 형성될 수 있다. Referring to Figure 1, a single
제1 웰(110)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 반도체 기판의 도전형이 p형인 경우, 제1 웰(110)의 도전형은 n형일 수 있다. 제1 웰(110)의 도전형이 n형인 경우, 제1 웰(110)은 실리콘(Si) 기판에 5족 원소(예를 들어, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등), 6족, 또는 7족 원소가 불순물로 주입되어 형성된 것일 수 있다. 반도체 기판의 도전형이 n형인 경우, 제1 웰(110)의 도전형은 p형일 수 있다. 제1 웰(110)의 도전형이 p형인 경우, 제1 웰(110)은 실리콘(Si) 기판에 3족 원소(예를 들어, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등) 또는 2족 원소가 불순물로 주입되어 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 웰(110)의 도핑 농도는 약 1x1014 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다. 일 예에서, 제1 웰(110)의 도핑 농도는 제1 웰(110)의 상부로 갈수록 작아지는 구배를 가질 수 있다. 다른 예에서, 제1 웰(110)은 균일한 도핑 농도를 가질 수 있다.The first well 110 may have a first conductivity type. When the conductivity type of the semiconductor substrate is p-type, the conductivity type of the first well 110 may be n-type. When the conductivity type of the
제2 웰(120)은 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가질 수 있다. 제1 웰(110)의 도전형이 n형인 경우, 제2 웰(120)의 도전형은 p형일 수 있다. 제1 웰(110)의 도전형이 p형인 경우, 제2 웰(120)의 도전형은 n형일 수 있다. 예를 들어, 제2 웰(120)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다.The second well 120 may have a second conductivity type different from the first conductivity type. When the conductivity type of the
제1 웰(110)과 제2 웰(120)의 계면에 인접한 영역에 제1 메인 공핍 영역(30)이 형성될 수 있다. 제1 메인 공핍 영역(30)은 단일 광자 검출 소자(1)에 역 바이어스가 인가되는 경우, 강한 전기장이 인가될 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 검출 소자(1)가 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)로서 동작하는 경우, 전기장의 최대 세기는 약 1x105 ~ 1x106 V/cm일 수 있다. 제1 메인 공핍 영역(30)의 전기장에 의해 전자가 증배될 수 있으므로, 제1 메인 공핍 영역(30)은 증배 영역(Multiplication Region)으로 지칭될 수 있다.A first
제1 웰(110) 상에 제1 콘택 영역(114)이 제공될 수 있다. 제1 콘택 영역(114)은 단일 광자 검출 소자(1) 외부의 회로와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 콘택 영역(114)을 통해 단일 광자 검출 소자(1) 외부의 회로로부터 제1 웰(110)에 전압이 인가될 수 있다. 제1 콘택 영역(114)은 제2 웰(120)의 측면 상에 제공될 수 있다. 제1 콘택 영역(114)은 제2 웰(120)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 콘택 영역(114)은 제2 웰(120)의 측면을 따라 연장하는 고리 형상을 가질 수 있다. 제1 콘택 영역(114)은 제2 웰(120)으로부터 이격될 수 있다. 제1 콘택 영역(114)과 제2 웰(120) 사이의 영역으로 제1 웰(110)이 연장할 수 있다. 예를 들어, 제1 콘택 영역(114)과 제2 웰(120) 사이의 영역은 제1 웰(110)으로 채워질 수 있다. 제1 콘택 영역(114)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 제1 콘택 영역(114)의 도핑 농도는 제1 웰(110)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제1 콘택 영역(114)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1022 cm-3일 수 있다.A
제1 콘택 영역(114)과 제1 웰(110) 사이에 제1 완화 영역(112)이 제공될 수 있다. 제1 완화 영역(112)은 제1 콘택 영역(114) 및 제1 웰(110)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 완화 영역(112)은 제1 콘택 영역(114)의 밴드갭과 제1 웰(110)의 밴드갭 차이를 완화할 수 있다. 제1 완화 영역(112)은 제2 웰(120)의 측면 상에 제공될 수 있다. 제1 완화 영역(112)은 제2 웰(120)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 완화 영역(112)은 제2 웰(120)의 측면의 연장 방향을 따라 연장하는 고리 형상을 가질 수 있다. 제1 완화 영역(112)은 제1 콘택 영역(114) 아래에 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 완화 영역(112)의 측면들은 제1 콘택 영역(114)의 측면들과 공면을 이룰 수 있다. 제1 완화 영역(112)은 제2 웰(120)로부터 이격될 수 있다. 제1 완화 영역(112)과 제2 웰(120) 사이의 영역으로 제1 웰(110)이 연장할 수 있다. 예를 들어, 제1 완화 영역(112)과 제2 웰(120) 사이의 영역은 제1 웰(110)으로 채워질 수 있다. 제1 완화 영역(112)은 제2 웰(120)보다 더 깊게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 완화 영역(112)의 바닥면은 제2 웰(120)의 바닥면보다 단일 광자 검출 소자(1)의 상면으로부터 멀리 이격될 수 있다. 제1 완화 영역(112)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 제1 완화 영역(112)의 도핑 농도는 제1 콘택 영역(114)의 도핑 농도보다 낮고, 제1 웰(110)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제1 완화 영역(112)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1019 cm-3일 수 있다. A
제2 웰(120) 상에 제1 공핍 형성 영역(130)이 제공될 수 있다. 제1 공핍 형성 영역(130)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 제1 공핍 형성 영역(130)의 도핑 농도는 제1 웰(110)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1022 cm-3일 수 있다. A first
제1 공핍 형성 영역(130)과 제2 웰(120)의 계면에 인접한 영역에 제1 서브 공핍 영역(10)이 형성될 수 있다. 제1 서브 공핍 영역(10)은 단일 광자 검출 소자(1) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공이 제1 메인 공핍 영역(30)에 제공되는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 검출 소자(1) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공은 제1 서브 공핍 영역(10)에 인접하는 단일 광자 검출 소자(1)의 표면의 결함에 의해 생성되는 것일 수 있다. 제1 서브 공핍 영역(10)은 단일 광자 검출 소자(1)의 표면 결함에 의한 전자 혹은 정공들이 제1 메인 공핍 영역(30)으로 이동하는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. The first
제2 웰(120) 상에 제2 콘택 영역(122)이 제공될 수 있다. 제2 콘택 영역(122)은 단일 광자 검출 소자(1) 외부의 회로와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 검출 소자(1)가 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)인 경우, 제2 콘택 영역(122)을 통해 단일 광자 검출 소자(1)는 ??칭 저항 혹은 회로(quenching resistor or circuit) 및 기타 픽셀(pixel) 회로에 전기적으로 연결될 수 있다. ??칭 저항 혹은 회로(quenching resistor or circuit)는 아발란치 효과를 중단시키고 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)가 또 다른 광자를 검출할 수 있도록 할 수 있다. 기타 픽셀 회로는 리셋 혹은 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭회로, 카운터, 게이트회로 등으로 구성될 수 있고, 단일 광자 검출 소자(1)에 신호 전류를 전송하거나, 단일 광자 검출 소자(1)로부터 신호 전류를 수신할 수 있다. 제2 콘택 영역(122)은 제1 공핍 형성 영역(130)의 측면 상에 제공될 수 있다. 제2 콘택 영역(122)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제2 콘택 영역(122)은 제1 공핍 형성 영역(130)의 측면을 따라 연장하는 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122)은 제1 공핍 형성 영역(130)에 인접한 내측면 및 내측면의 반대편에 제공되는 외측면을 가질 수 있다. 일 예에서, 제2 콘택 영역(122)은 제1 공핍 형성 영역(130)과 접할 수 있다. 제2 콘택 영역(122)의 내측면은 제1 공핍 형성 영역(130)의 측면과 접할 수 있다. 일 예에서, 제2 콘택 영역(122)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 이격될 수 있다. 예를 들어, 제2 콘택 영역(122)의 내측면은 제1 공핍 형성 영역(130)과 마주하되 서로 이격될 수 있다. 제2 콘택 영역(122)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122)의 도핑 농도는 제2 웰(120)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제2 콘택 영역(122)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1022 cm-3일 수 있다. 제2 콘택 영역(122)의 외측면은 제2 웰(120)에 의해 덮일 수 있다. 다시 말해, 제2 웰(120)은 제2 콘택 영역(122)의 외측면 상으로 연장할 수 있다. A
제2 공핍 형성 영역(100)은 제1 웰(110)을 사이에 두고 제2 웰(120)의 반대편에 제공될 수 있다. 제2 공핍 형성 영역(100)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 공핍 형성 영역(100)의 도핑 농도는 약 1x1014 ~ 1x1022 cm-3일 수 있다. The second
제2 공핍 형성 영역(100)과 제1 웰(110)의 계면에 인접한 영역에 제2 서브 공핍 영역(20)이 형성될 수 있다. 제2 서브 공핍 영역(20)은 단일 광자 검출 소자(1) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공이 제1 메인 공핍 영역(30)에 제공되는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 검출 소자(1) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공은 제2 서브 공핍 영역(20)에 인접하는 단일 광자 검출 소자(1)의 표면 결함에 의해 생성되는 것일 수 있다. 제2 서브 공핍 영역(20)은 단일 광자 검출 소자(1)의 표면 결함에 의한 전자 혹은 정공들이 제1 메인 공핍 영역(30)으로 이동하는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. A second
단일 광자 검출 소자(1)는 표면 결함을 가질 수 있다. 단일 광자 검출 소자(1)의 표면에 결함으로 인한 전자 혹은 정공들이 생성될 수 있다. 표면 결함에 의해 생성되는 전자 혹은 정공들이 제1 메인 공핍 영역(30)으로 이동할 경우, 이 전자 혹은 정공들은 증배되어 노이즈 신호를 발생시키는 요인이 될 수 있다. 즉, 광자가 단일 광자 검출 소자(1)에 제공되지 않았음에도, 단일 광자 검출 소자(1)는 노이즈 신호를 생성할 수 있다.The single
본 개시의 제1 서브 공핍 영역(10) 및 제2 서브 공핍 영역(20)은 단일 광자 검출 소자(1)의 표면 결함에 의해 생성되는 전자 혹은 정공들이 제1 메인 공핍 영역(30)으로 이동하는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 작은 노이즈를 갖는 단일 광자 검출 소자(1)가 제공될 수 있다. 제1 서브 공핍 영역(10) 및 제2 서브 공핍 영역(20) 둘 다 혹은 둘 중에 하나만 구현하는 것도 가능하다.The first
도 2는 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. FIG. 2 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
도 2를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(1a(1))는 원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 원 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제1 콘택 영역(114), 제2 웰(120), 및 제1 웰(110)은 원 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 2, the single
도 3은 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. FIG. 3 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
도 3을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(1b(1))는 정사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 정사각 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 정사각 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 3, the single
도 4는 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. FIG. 4 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
도 4를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(1c(1))는 모퉁이가 라운드진 정사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 모퉁이가 라운드진 정사각 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 및 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 모퉁이가 라운드진 정사각 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 4, the single
도 5는 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. Figure 5 is a top view of the single photon detection device of Figure 1 according to an example embodiment.
도 5를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(1d(1))는 직사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 직사각 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 및 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 직사각 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 5, the single
도 6은 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. FIG. 6 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an example embodiment.
도 6을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(1e(1))는 모퉁이가 라운드진 직사각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 모퉁이가 라운드진 직사각 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 모퉁이가 라운드진 정사각 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다.Referring to FIG. 6, the single
도 7은 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. FIG. 7 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an example embodiment.
도 7을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(1f(1))는 타원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 타원 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 타원 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 7, the single
도 8은 예시적인 실시예에 따른 도 1의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. FIG. 8 is a top view of the single photon detection device of FIG. 1 according to an exemplary embodiment.
도 8을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(1g(1))는 팔각 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 팔각 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 팔각 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 8, the single
도 9는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 9 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 1 may not be described.
도 9를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(2)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(2)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(2)는 제1 콘택 영역(114)과 제1 완화 영역(112)의 형상을 제외하면, 도 1을 참조하여 설명된 단일 광자 검출 소자(1)와 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to Figure 9, a single
도 1을 참조하여 설명된 것과 달리, 제1 콘택 영역(114)의 폭은 제1 완화 영역(112)의 폭보다 작을 수 있다. 제1 콘택 영역(114)은 제1 완화 영역(112)의 안쪽에 위치할 수 있다. 제1 콘택 영역(114)의 측면들은 제1 완화 영역(112) 외측면으로부터 이격될 수 있다. Unlike what is described with reference to FIG. 1 , the width of the
제1 콘택 영역 제1 콘택 영역(114)의 상면은 제1 완화 영역(112)의 상면과 공면을 이룰 수 있다. 예를 들어, 제1 콘택 영역(114)의 상면은 제1 완화 영역(112)의 상면들 사이에 위치할 수 있다.First contact area The top surface of the
도 10은 예시적인 실시예에 따른 도 9의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.FIG. 10 is a top view of the single photon detection device of FIG. 9 according to an example embodiment.
도 10을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(2)는 원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 원 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 제1 완화 영역(112), 및 제1 콘택 영역(114)은 원 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 제1 완화 영역(112), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 제1 완화 영역(112), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 제1 완화 영역(112), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다.Referring to FIG. 10, the single
단일 광자 검출 소자(2)는 원 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 도 3 내지 도 8에 도시된 것과 같이, 단일 광자 검출 소자(2)는 정사각 형상, 팔각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 정사각 형상, 직사각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 직사각 형상, 또는 타원 형상을 가질 수 있다.The single
도 11은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 11 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 1 may not be described.
도 11을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(3)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(3)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(3)는 제1 웰(110), 제2 웰(120), 제1 콘택 영역(114), 제1 완화 영역(112), 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 공핍 형성 영역(100), 및 가드링 영역(500)을 포함할 수 있다. 제1 웰(110), 제2 웰(120), 제1 콘택 영역(114), 제1 완화 영역(112), 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 공핍 형성 영역(100), 및 가드링 영역(500)은 반도체 기판(예를 들어, p형 혹은 n형 실리콘(Si) 기판(substrate))에 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판은 p형 혹은 n형 에피택시 층(epi layer)을 포함할 수 있다. 제2 공핍 형성 영역(100)은 에피택시 성장 공정에 의해 형성될 수 있다.Referring to Figure 11, a single
제1 웰(110), 제2 웰(120), 제1 콘택 영역(114), 제1 완화 영역(112), 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 및 제2 공핍 형성 영역(100)은 각각 도 1을 참조하여 설명되는 제1 웰(110), 제2 웰(120), 제1 콘택 영역(114), 제1 완화 영역(112), 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 및 제2 공핍 형성 영역(100)과 실질적으로 동일할 수 있다.First well 110, second well 120,
가드링 영역(500)은 제2 웰(120)의 측면 상에 제공될 수 있다. 가드링 영역(500)은 제2 웰(120)의 모퉁이에 전계가 집중되는 것을 완화하여, 조기항복현상(pre-mature breakdown)을 방지할 수 있다. 조기항복현상은 제1 메인 공핍 영역(30)에 충분한 크기의 전기장이 인가되기 전에 제2 웰(120)의 모퉁이에서 먼저 항복현상이 발생하는 것으로, 제2 웰(120)의 모퉁이에 전계가 집중됨에 따라 발생한다. 가드링 영역(500)은 단일 광자 검출 소자(3)의 항복 특성을 개선할 수 있다. 가드링 영역(500)은 제2 웰(120)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 가드링 영역(500)은 제2 웰(120)의 측면을 따라 연장하는 고리 형상을 가질 수 있다. 가드링 영역(500)은 제2 웰(120)에 직접 접할 수 있다. 가드링 영역(500)은 제1 콘택 영역(114) 및 제1 완화 영역(112)으로부터 이격될 수 있다. 가드링 영역(500)과 제1 완화 영역(112) 사이의 영역 및 가드링 영역(500)과 제1 콘택 영역(114) 사이의 영역으로 제1 웰(110)이 연장할 수 있다. 예를 들어, 가드링 영역(500)과 제1 완화 영역(112) 사이의 영역 및 가드링 영역(500)과 제1 콘택 영역(114) 사이의 영역은 제1 웰(110)으로 채워질 수 있다. 가드링 영역(500)은 제2 웰(120)과 제1 웰(110)의 계면으로부터 제1 웰(110) 측으로 돌출될 수 있다. 가드링 영역(500)은 제1 콘택 영역(114) 및 제1 완화 영역(112)으로부터 이격되는 것으로 한정되지 않는다. 다른 예에서, 가드링 영역(500)은 제1 콘택 영역(114) 및 제1 완화 영역(112)에 직접 접할 수 있다. 가드링 영역(500)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 가드링 영역(500)의 도핑 농도는 제2 웰(120)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 가드링 영역(500)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. A
본 개시는 작은 노이즈 및 개선된 항복 특성을 갖는 단일 광자 검출 소자(3)를 제공할 수 있다. The present disclosure can provide a single
도 12는 예시적인 실시예에 따른 도 11의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.FIG. 12 is a top view of the single photon detection device of FIG. 11 according to an example embodiment.
도 12를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(3)는 원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 원 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 가드링 영역(500), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 원 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 가드링 영역(500), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 가드링 영역(500), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 가드링 영역(500), 제1 웰(110), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 12, the single
단일 광자 검출 소자(3)는 원 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 도 3 내지 도 8에 도시된 것과 같이, 단일 광자 검출 소자(2)는 정사각 형상, 팔각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 정사각 형상, 직사각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 직사각 형상, 또는 타원 형상을 가질 수 있다.The single
도 13은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 11을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 13 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 11 may not be described.
도 13을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(4)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(4)는 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 및 가드링 영역(500)에 관한 것을 제외하면, 도 11을 참조하여 설명되는 단일 광자 검출 소자(3)와 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to Figure 13, a single
제2 콘택 영역(122)은 가드링 영역(500) 상에 배치될 수 있다. 제2 콘택 영역(122)의 측면은 이에 인접하는 가드링 영역(500)의 측면과 공면을 이룰 수 있다. 제2 콘택 영역(122)의 전부가 가드링 영역(500) 상에 배치되는 것이 도시되었으나, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 제2 콘택 영역(122)의 일부가 가드링 영역(500) 상에 배치될 수 있다. 다른 예에서, 제2 콘택 영역(122)의 폭은 가드링 영역(500)의 폭보다 작을 수 있다. 제2 콘택 영역(122)은 가드링 영역(500)의 안쪽에 위치할 수 있다. 제2 콘택 영역(122)의 측면들은 가드링 영역(500) 외측면으로부터 이격될 수 있다.The
제2 콘택 영역(122)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 이격될 수 있다. 제2 콘택 영역(122)과 제1 공핍 형성 영역(130) 사이에 제2 웰(120)의 일부가 배치될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 제1 공핍 형성 영역(130)은 가드링 영역(500) 상에 배치된 제2 콘택 영역(122)과 접하도록 연장할 수 있다.The
제2 콘택 영역(122)이 가드링 영역(500) 상에 배치됨에 따라, 제1 공핍 형성 영역(130)은 도 11을 참조하여 설명된 것보다 넓은 영역에 제공될 수 있다. 이에 따라, 제1 서브 공핍 영역(10)은 도 11을 참조하여 설명된 것보다 넓게 형성될 수 있다. As the
본 개시는 작은 노이즈 및 개선된 항복 특성을 갖는 단일 광자 검출 소자(4)를 제공할 수 있다.The present disclosure can provide a single
도 14는 예시적인 실시예에 따른 도 13의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 12를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.FIG. 14 is a top view of the single photon detection device of FIG. 13 according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 12 may not be described.
도 14를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(4)는 원 형상을 가질 수 있다. 도 12를 참조하여 설명된 것과 달리, 가드링 영역(도 13의 500)은 제2 콘택 영역(122)에 의해 덮일 수 있다. Referring to FIG. 14, the single
단일 광자 검출 소자(4)는 원 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 도 3 내지 도 8에 도시된 것과 같이, 단일 광자 검출 소자(4)는 정사각 형상, 팔각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 정사각 형상, 직사각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 직사각 형상, 또는 타원 형상을 가질 수 있다.The single
도 15는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 15 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 1 may not be described.
도 15를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(5)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(5)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(5)는 제3 웰(210), 제4 웰(220), 제5 웰(216), 제3 콘택 영역(214), 제2 완화 영역(212), 제3 공핍 형성 영역(230), 제4 콘택 영역(222), 및 제4 공핍 형성 영역(200)을 포함할 수 있다. 제3 웰(210), 제4 웰(220), 제5 웰(216), 제3 콘택 영역(214), 제2 완화 영역(212), 제3 공핍 형성 영역(230), 제4 콘택 영역(222), 및 제4 공핍 형성 영역(200)은 반도체 기판(예를 들어, p형 혹은 n형 실리콘(Si) 기판)이 도핑되어 형성된 영역들일 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판은 p형 혹은 n형 에피택시 층(epi layer)을 포함할 수 있다. 제3 웰(210)은 에피택시 성장 공정에 의해 형성될 수 있다.Referring to Figure 15, a single
제3 웰(210), 제4 웰(220), 제3 콘택 영역(214), 제2 완화 영역(212), 제3 공핍 형성 영역(230), 제4 콘택 영역(222), 및 제4 공핍 형성 영역(200)은 각각 도 1을 참조하여 설명되는 제1 웰(110), 제2 웰(120), 제1 콘택 영역(114), 제1 완화 영역(112), 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 및 제2 공핍 형성 영역(100)과 실질적으로 동일할 수 있다. Third well 210, fourth well 220,
제5 웰(216)은 제3 웰(210)과 제4 웰(220) 사이에 제공될 수 있다. 제5 웰(216)은 제4 웰(220)을 사이에 두고 제3 공핍 형성 영역(230)의 반대편에 제공될 수 있다. 예를 들어, 제5 웰(216)은 제4 웰(220)의 바닥면 상에 제공될 수 있다. 제5 웰(216)은 제3 웰(210)과 동일한 도전형을 가질 수 있다. 제5 웰(216)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 제5 웰(216)의 도핑 농도는 약 1x1014 ~ 1x1018 cm-3 일 수 있다. 제5 웰(216)과 제4 웰(220)의 계면에 인접한 영역에 제2 메인 공핍 영역(32)이 형성될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(5)에 역 바이어스가 인가되는 경우, 제2 메인 공핍 영역(32)에 강한 전기장이 인가될 수 있다. 예를 들어, 전기장의 최대 세기는 약 1x105 ~ 1x106 V/cm일 수 있다. 제2 메인 공핍 영역(32)의 전기장에 의해 전자가 증배될 수 있으므로, 제2 메인 공핍 영역(32)은 증배 영역(Multiplication Region)으로 지칭될 수 있다.The fifth well 216 may be provided between the
제4 웰(220)과 제3 공핍 형성 영역(230)의 계면에 인접한 영역에 제3 서브 공핍 영역(12)이 형성될 수 있다. 제3 서브 공핍 영역(12)은 단일 광자 검출 소자(5) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공이 제2 메인 공핍 영역(32)에 제공되는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 검출 소자(5) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공은 제3 서브 공핍 영역(12)에 인접하는 단일 광자 검출 소자(5)의 표면 결함에 의해 생성되는 것일 수 있다. 제3 서브 공핍 영역(12)은 단일 광자 검출 소자(5)의 표면 결함에 의한 전자 혹은 정공들이 제2 메인 공핍 영역(32)으로 이동하는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. The third
제4 공핍 형성 영역(200)과 제3 웰(210)의 계면에 인접한 영역에 제4 서브 공핍 영역(22)이 형성될 수 있다. 제4 서브 공핍 영역(22)은 단일 광자 검출 소자(5) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공이 제2 메인 공핍 영역(32)에 제공되는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 검출 소자(5) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공은 제4 서브 공핍 영역(22)에 인접하는 단일 광자 검출 소자(5)의 표면 결함에 의해 생성되는 것일 수 있다. 제4 서브 공핍 영역(22)은 단일 광자 검출 소자(5)의 표면 결함에 의한 전자 혹은 정공들이 제2 메인 공핍 영역(32)으로 이동하는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. A fourth
단일 광자 검출 소자(5)는 표면 결함을 가질 수 있다. 단일 광자 검출 소자(5)의 표면 결함에 의해 전자 혹은 정공들이 생성될 수 있다. 표면 결함에 의해 생성되는 전자 혹은 정공들이 제2 메인 공핍 영역(32)으로 이동할 경우, 이 전자 혹은 정공들은 증배되어 노이즈 신호를 발생시키는 요인이 될 수 있다. 즉, 광자가 단일 광자 검출 소자(5)에 제공되지 않았음에도, 단일 광자 검출 소자(5)는 노이즈 신호를 생성할 수 있다.The single
본 개시의 제3 서브 공핍 영역(12) 및 제4 서브 공핍 영역(22)은 단일 광자 검출 소자(5)의 표면 결함에 의해 생성되는 전자 혹은 정공들이 제2 메인 공핍 영역(32)으로 이동하는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 작은 노이즈를 갖는 단일 광자 검출 소자(5)가 제공될 수 있다. 제3 서브 공핍 영역(12) 및 제4 서브 공핍 영역(22) 둘 다 혹은 둘 중에 하나만 구현하는 것도 가능하다.The third
도 16은 예시적인 실시예에 따른 도 15의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.Figure 16 is a top view of the single photon detection device of Figure 15 according to an example embodiment.
도 16을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(5)는 원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제3 공핍 형성 영역(230) 은 원 형상을 가질 수 있고, 제4 콘택 영역(222), 제4 웰(220), 제3 웰(210), 및 제3 콘택 영역(214)은 원 고리 형상을 가질 수 있다. 제4 콘택 영역(222), 제4 웰(220), 제3 웰(210), 및 제3 콘택 영역(214)은 제3 공핍 형성 영역(230)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제3 공핍 형성 영역(230), 제4 콘택 영역(222), 제4 웰(220), 제3 웰(210), 및 제3 콘택 영역(214)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제4 콘택 영역(222), 제4 웰(220), 제3 웰(210), 및 제3 콘택 영역(214)은 제3 공핍 형성 영역(230)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 16, the single
단일 광자 검출 소자(5)는 원 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 도 3 내지 도 8에 도시된 것과 같이, 단일 광자 검출 소자(5)는 정사각 형상, 팔각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 정사각 형상, 직사각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 직사각 형상 또는 타원 형상을 가질 수 있다.The single
도 17은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 15를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 17 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 15 may not be described.
도 17을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(6)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(6)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(6)는 제3 웰(210), 제4 웰(220), 제5 웰(216), 제3 콘택 영역(214), 제2 완화 영역(212), 제3 공핍 형성 영역(230), 및 제4 콘택 영역(222)을 포함할 수 있다. 제3 웰(210)은 에피택시 성장 공정에 의해 형성될 수 있다.Referring to Figure 17, a single
단일 광자 검출 소자(6)는 도 15를 참조하여 설명된 것과 달리, 제4 공핍 형성 영역(도 15의 200)을 포함하지 않을 수 있다. 이에 따라, 제4 서브 공핍 영역(22)을 포함하지 않을 수 있다. Unlike what is described with reference to FIG. 15, the single
본 개시의 제3 서브 공핍 영역(12)은 제3 서브 공핍 영역(12)에 인접한 단일 광자 검출 소자(6)의 표면의 결함에 의해 생성되는 전자 혹은 정공들이 제2 메인 공핍 영역(32)으로 이동하는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 작은 노이즈를 갖는 단일 광자 검출 소자(6)가 제공될 수 있다. The third
도 18은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 18 is a cross-sectional view of a single photon detector according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 1 may not be described.
도 18을 참조하면, 단일 광자 검출기(SE1)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출기(SE1)는 후면 조사(Back Side Illumination, BSI) 방식의 이미지 센서일 수 있다. 단일 광자 검출기(SE1)는 단일 광자 검출 소자(1000), 연결층(2000), 제어층(2200), 및 렌즈부(3000)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(1000)는 도 1을 참조하여 설명되는 단일 광자 검출 소자(1)와 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 단일 광자 검출 소자(1000)는 앞에서 설명되는 단일 광자 검출 소자들(2, 3, 4, 5, 6) 또는 후술되는 단일 광자 검출 소자들(7, 7-1, 7-2, 8, 8-1, 8-2, 9) 중 어느 하나일 수 있다. 단일 광자 검출 소자(1000)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 단일 광자 검출 소자(1000)는 도 1에 도시된 단일 광자 검출 소자(1)의 상하가 반전된 것으로 도시되었다. Referring to FIG. 18, a single photon detector (SE1) may be provided. The single photon detector (SE1) may be a back side illumination (BSI) type image sensor. The single photon detector SE1 may include a single
연결층(2000)은 절연층(2002) 및 배선들(2100)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연층(2002)은 실리콘 산화물(예를 들어, SiO2), 실리콘 질화물(예를 들어, SiN), 실리콘 산질화물(예를 들어, SiON), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The
배선들(2100)은 제1 콘택 영역(114)과 제2 콘택 영역(122)에 전기적으로 연결되어, 전압을 인가할 수 있다. 배선들(2100)은 제2 콘택 영역(122)과 제1 공핍 형성 영역(130)을 전기적으로 연결하거나, 같은 전압을 인가할 수 있다. 일 예에서, 배선들(2100)은 단일 광자 검출 소자(1000) 위에 넓게 형성되어 빛을 반사시켜 효율을 높이는 용도로 사용될 수 있다. 배선들(2100)은 제1 콘택 영역(114) 및/또는 제2 콘택 영역(122)을 회로(2202)와 연결할 수 있다. The
제어층(2200)은 회로(2202)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어층(2200)은 회로(2202)가 형성된 칩일 수 있다. 회로(2202)가 하나의 블록으로 도시되었으나, 이것은 회로(2202)가 하나의 전자 소자(예를 들어, 하나의 트랜지스터)만을 갖는 것을 의미하는 것은 아니다. 회로(2202)는 필요에 따른 다양한 전자 소자들을 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(1000)가 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함하는 경우, 회로(2202)는 ??칭 저항 혹은 회로(quenching resistor or circuit) 및 판독 회로를 포함할 수 있다. ??칭 회로는 아발란치 효과를 중단시키고 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)가 또 다른 광자를 검출할 수 있도록 할 수 있다. 기타 픽셀 회로는 리셋 혹은 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭회로, 카운터, 게이트회로 등으로 구성될 수 있고, 단일 광자 검출 소자(1000)로 신호 전류를 전송하거나, 단일 광자 검출 소자(1000)로부터 신호 전류를 수신할 수 있다. 회로(2202)가 제어층(2200) 내에 제공되는 것이 도시되었으나, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 회로(2202)는 단일 광자 검출 소자(1000)가 형성된 반도체 기판에 위치할 수 있다.
렌즈부(3000)는 입사 광을 포커싱하여 단일 광자 검출 소자(1000)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 렌즈부(3000)는 마이크로 렌즈(microlens)와 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 렌즈부(3000)의 중심축은 단일 광자 검출 소자(1000)의 중심축에 정렬될 수 있다. 렌즈부(3000)의 중심축과 단일 광자 검출 소자(1000)의 중심축은 각각 렌즈부(3000)의 중심과 단일 광자 검출 소자(1000)의 중심을 지나되 단일 광자 검출 소자(1000)와 렌즈부(3000)의 적층 방향에 평행한 가상의 축일 수 있다. 일 예에서, 렌즈부(3000)의 중심축은 단일 광자 검출 소자(1000)의 중심축과 어긋나게 정렬될 수 있다. 회로(2202)가 단일 광자 검출 소자(1000)가 형성된 반도체 기판에 위치하는 경우, 픽셀 격리(isolation) 구조 혹은 분리막(미도시)이 사용되는 경우 등에 있어 렌즈부(3000)는 단일 광자 검출 소자(1000) 보다 크게 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈부(3000)와 단일 광자 검출 소자(1000) 사이에 컬러 필터(color filter), 대역 필터(bandpass filter), 반사방지 코팅(anti-reflection coating), 2D 나노물질, 유기물질 등이 형성될 수 있다.The
본 개시는 작은 노이즈를 갖는 단일 광자 검출기(SE1)를 제공할 수 있다.The present disclosure can provide a single photon detector (SE1) with small noise.
도 19는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 18을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 19 is a cross-sectional view of a single photon detector according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 18 may not be described.
도 19를 참조하면, 단일 광자 검출기(SE2)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출기(SE2)는 전면 조사(Front Side Illumination, FSI) 방식의 이미지 센서일 수 있다. 단일 광자 검출기(SE2)는 단일 광자 검출 소자(1000), 연결층(2000), 분리막(SL), 회로(2202), 및 렌즈부(3000)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(1000)는 도 18을 참조하여 설명된 단일 광자 검출 소자(1000)와 실질적으로 동일할 수 있다. Referring to FIG. 19, a single photon detector (SE2) may be provided. The single photon detector (SE2) may be a Front Side Illumination (FSI) type image sensor. The single photon detector SE2 may include a single
분리막(SL)은 단일 광자 검출 소자(1000)를 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 분리막(SL)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 다결정 실리콘, low-k 유전물질, 금속 또는 이들이 조합을 포함할 수 있다.The separator SL may surround the single
회로(2202)는 단일 광자 검출 소자(1000)가 형성된 반도체 기판에 위치할 수 있다. 회로(2202)는 도 18을 참조하여 설명되는 회로(2202)와 실질적으로 동일할 수 있다. The
단일 광자 검출 소자(1000) 및 분리막(SL) 상에 연결층(2000)이 제공될 수 있다. 연결층(2000)은 절연층(2002) 및 배선들(2100)을 포함할 수 있다. 절연층(2002) 및 배선들(2100)은 각각 도 18을 참조하여 설명된 절연층(2002) 및 배선들(2100)과 실질적으로 동일할 수 있다. A
연결층(2000) 상에 렌즈부(3000)가 제공될 수 있다. 렌즈부(3000)는 도 18을 참조하여 설명되는 렌즈부(3000)와 실질적으로 동일할 수 있다.A
일 실시예에서, 렌즈부(3000)와 연결층(2000) 사이에 컬러 필터(color filter), 대역 필터(bandpass filter), 반사방지 코팅(anti-reflection coating), 2D 나노물질, 유기물질 등이 형성될 수 있다.In one embodiment, a color filter, a bandpass filter, an anti-reflection coating, a 2D nanomaterial, an organic material, etc. are placed between the
본 개시는 작은 노이즈를 갖는 단일 광자 검출기(SE2)를 제공할 수 있다.The present disclosure can provide a single photon detector (SE2) with small noise.
도 20은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출기 어레이의 평면도이다. 도 21은 도 20의 I-I'선을 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 18을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다. Figure 20 is a top view of a single photon detector array according to an example embodiment. FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line II' of FIG. 20. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 18 may not be described.
도 20 및 도 21을 참조하면, 단일 광자 검출기 어레이(SPA)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출기 어레이(SPA)는 2차원으로 배열되는 단일 광자 검출기들(SE)을 포함할 수 있다. 단일 광자 검출기들(SE)은 각각 렌즈부들(3000)을 포함할 수 있다. 단일 광자 검출기들(SE)은 픽셀들을 각각 정의할 수 있다. 도 20에서 픽셀들 사이의 경계는 점선으로 표시된다. 단일 광자 검출기들(SE)의 각각은 도 18을 참조하여 설명되는 단일 광자 검출기(SE1)와 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 이는 한정적인 것이 아니며, 단일 광자 검출기들(SE)의 각각은 도 19를 참조하여 설명되는 단일 광자 검출기(SE2)와 실질적으로 동일할 수 있다.20 and 21, a single photon detector array (SPA) may be provided. A single photon detector array (SPA) may include single photon detectors (SE) arranged in two dimensions. Each of the single photon detectors SE may include
단일 광자 검출기들(SE) 사이에 분리 막(SL)이 제공될 수 있다. 분리 막(SL)은 픽셀에 입사한 광이 그 픽셀에 이웃한 다른 픽셀에 의해 감지되는 크로스토크(crosstalk) 현상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 분리막(SL)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 다결정 실리콘, low-k 유전물질, 금속 또는 이들이 조합을 포함할 수 있다.A separation membrane (SL) may be provided between the single photon detectors (SE). The separator SL can prevent the crosstalk phenomenon in which light incident on a pixel is sensed by another pixel adjacent to the pixel. For example, the separator SL may include silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, polycrystalline silicon, low-k dielectric material, metal, or a combination thereof.
본 개시는 작은 노이즈를 갖는 단일 광자 검출기 어레이(SPA)를 제공할 수 있다.The present disclosure can provide a single photon detector array (SPA) with small noise.
도 22는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 15를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 22 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 15 may not be described.
도 22를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(7)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(7)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 도 15를 참조하여 설명된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(7)는 제3 공핍 영역(도 15의 230) 및 제4 웰(도 15의 220)을 포함하지 않을 수 있다. 도 15에서 제3 공핍 영역이 제공되는 영역에 제3 공핍 영역 대신 제4 콘택 영역(222)이 제공될 수 있다.Referring to Figure 22, a single
제5 웰(216)은 제4 콘택 영역(222) 아래에 제공될 수 있다. 제5 웰(216)은 제4 콘택 영역(222)에 직접 접할 수 있다. 제5 웰(216)은 제4 콘택 영역(222)보다 작은 폭을 가질 수 있다. 제5 웰(216)과 제4 콘택 영역(222)의 계면에 인접한 영역에 제3 메인 공핍 영역(34)이 형성될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(7)에 역 바이어스가 인가되는 경우, 제3 메인 공핍 영역(34)에 강한 전기장이 인가될 수 있다. 예를 들어, 전기장의 최대 세기는 약 1x105 ~ 1x106 V/cm일 수 있다. 제3 메인 공핍 영역(34)의 전기장에 의해 전자가 증배될 수 있으므로, 제3 메인 공핍 영역(34)은 증배 영역(Multiplication Region)으로 지칭될 수 있다.The fifth well 216 may be provided below the
제4 공핍 형성 영역(200)과 제3 웰(210)의 계면에 인접한 영역에 제4 서브 공핍 영역(22)이 형성될 수 있다. 제4 서브 공핍 영역(22)은 단일 광자 검출 소자(7) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공이 제3 메인 공핍 영역(34)에 제공되는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 검출 소자(7) 내에서 광자에 의해 생성된 전자-정공쌍 외의 다른 전자 혹은 정공은 제4 서브 공핍 영역(22)에 인접하는 단일 광자 검출 소자(7)의 표면 결함에 의해 생성되는 것일 수 있다. 제4 서브 공핍 영역(22)은 단일 광자 검출 소자(7)의 표면 결함에 의한 전자 혹은 정공들이 제3 메인 공핍 영역(34)으로 이동하는 것을 감소 또는 실질적으로 방지할 수 있다. A fourth
본 개시는 작은 노이즈를 갖는 단일 광자 검출 소자(7)를 제공할 수 있다. The present disclosure can provide a single
도 23은 예시적인 실시예에 따른 도 22의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.Figure 23 is a top view of the single photon detection device of Figure 22 according to an example embodiment.
도 23을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(7)는 원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제4 콘택 영역(222)은 원 형상을 가질 수 있고, 제3 웰(210) 및 제3 콘택 영역(214)은 원 고리 형상을 가질 수 있다. 제3 웰(210) 및 제3 콘택 영역(214)은 제4 콘택 영역(222)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제4 콘택 영역(222), 제3 웰(210), 및 제3 콘택 영역(214)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제3 웰(210) 및 제3 콘택 영역(214)은 제4 콘택 영역(222)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 23, the single
단일 광자 검출 소자(7)는 원 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 도 3 내지 도 8에 도시된 것과 같이, 단일 광자 검출 소자(7)는 정사각 형상, 팔각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 정사각 형상, 직사각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 직사각 형상 또는 타원 형상을 가질 수 있다.The single
도 24는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 22를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 24 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 22 may not be described.
도 24를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(8)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(8)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 도 22를 참조하여 설명된 것과 달리, 단일 광자 검출 소자(8)는 가드링 영역(240)을 더 포함할 수 있다. Referring to Figure 24, a single
가드링 영역(240)은 제5 웰(216)의 측면 상에 제공될 수 있다. 가드링 영역(240)은 제5 웰(216)의 모퉁이에 전계가 집중되는 것을 완화하여, 조기항복현상(pre-mature breakdown)을 방지할 수 있다. 조기항복현상은 제3 메인 공핍 영역(34)에 충분한 크기의 전기장이 인가되기 전에 제5 웰(216)의 모퉁이에서 먼저 항복현상이 발생하는 것으로, 제5 웰(216)의 모퉁이에 전계가 집중됨에 따라 발생한다. 가드링 영역(240)은 단일 광자 검출 소자(8)의 항복 특성을 개선할 수 있다. 가드링 영역(240)은 제5 웰(216)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 가드링 영역(240)은 제5 웰(216)의 측면을 따라 연장하는 고리 형상을 가질 수 있다. 가드링 영역(240)은 제5 웰(216)에 직접 접할 수 있다. 가드링 영역(240)은 제3 콘택 영역(214) 및 제2 완화 영역(212)으로부터 이격될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 가드링 영역(240)은 제3 콘택 영역(214) 및 제2 완화 영역(212)에 직접 접할 수 있다.A
가드링 영역(240)과 제2 완화 영역(212) 사이의 영역 및 가드링 영역(240)과 제3 콘택 영역(214) 사이의 영역으로 제3 웰(210)이 연장할 수 있다. 예를 들어, 가드링 영역(240)과 제2 완화 영역(212) 사이의 영역 및 가드링 영역(240)과 제3 콘택 영역(214) 사이의 영역은 제3 웰(210)로 채워질 수 있다. 가드링 영역(240)은 제4 콘택 영역(222)과 동일한 도전형을 가질 수 있다. 가드링 영역(240)의 도핑 농도는 제4 콘택 영역(222)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 가드링 영역(240)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1018 cm-3일 수 있다. The third well 210 may extend to the area between the
본 개시는 작은 노이즈 및 개선된 항복 특성을 갖는 단일 광자 검출 소자(8)를 제공할 수 있다.The present disclosure can provide a single
도 25는 예시적인 실시예에 따른 도 24의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.Figure 25 is a top view of the single photon detection device of Figure 24 according to an example embodiment.
도 25를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(8)는 원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제4 콘택 영역(222)은 원 형상을 가질 수 있고, 가드링 영역(240), 제3 웰(210), 및 제3 콘택 영역(214)은 원 고리 형상을 가질 수 있다. 가드링 영역(240), 제3 웰(210), 및 제3 콘택 영역(214)은 제3 공핍 형성 영역(230)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제4 콘택 영역(222), 가드링 영역(240), 제3 웰(210), 및 제3 콘택 영역(214)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 가드링 영역(240), 제3 웰(210), 및 제3 콘택 영역(214)은 제4 콘택 영역(222)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 25, the single
단일 광자 검출 소자(8)는 원 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 도 3 내지 도 8에 도시된 것과 같이, 단일 광자 검출 소자(8)는 정사각 형상, 팔각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 정사각 형상, 직사각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 직사각 형상 또는 타원 형상을 가질 수 있다.The single
도 26은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 26 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 1 may not be described.
도 26을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(9)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(9)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(9)는 제1 웰(110) 및 제2 도전형 영역(101)을 제외하면, 도 1을 참조하여 설명된 단일 광자 검출 소자(1)와 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to Figure 26, a single
제1 웰(110)의 도핑 농도는 구배를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 웰(110)에 의 도핑 농도는 제2 공핍 형성 영역(100)으로부터 멀수록 낮을 수 있다.The doping concentration of the first well 110 may have a gradient. For example, the doping concentration in the first well 110 may be lower as the distance from the second
제2 도전형 영역(101)은 제1 웰(110) 상에 제공될 수 있다. 제2 도전형 영역(101)이 제1 완화 영역(112)과 제2 웰(120) 사이 및 제1 콘택 영역(114)과 제2 웰(120) 사이에 제공되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 제2 도전형 영역(101)은 제1 콘택 영역(114)과 제2 웰(120) 사이에 제공되고, 제1 완화 영역(112)과 제2 웰(120) 사이에 제공되지 않을 수 있다.The second
제2 도전형 영역(101)은 제2 도전형을 가질 수 있다. 제1 웰(110)의 도전형이 n형인 경우, 제2 도전형 영역(101)의 도전형은 p형일 수 있다. 제1 웰(110)의 도전형이 p형인 경우, 제2 도전형 영역(101)의 도전형은 n형일 수 있다. 제2 도전형 영역(101)은 제2 공핍 형성 영역(100)과 실질적으로 동일한 도핑 농도를 가질 수 있다.The second
도 27은 예시적인 실시예에 따른 도 26의 단일 광자 검출 소자의 평면도이다.Figure 27 is a top view of the single photon detection device of Figure 26 according to an example embodiment.
도 27을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(9)는 원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 공핍 형성 영역(130)은 원 형상을 가질 수 있고, 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 제2 도전형 영역(101), 및 제1 콘택 영역(114)은 원 고리 형상을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 제2 도전형 영역(101), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 공핍 형성 영역(130), 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 제2 도전형 영역(101), 및 제1 콘택 영역(114)은 동일한 중심을 가질 수 있다. 제2 콘택 영역(122), 제2 웰(120), 제1 웰(110), 제2 도전형 영역(101), 및 제1 콘택 영역(114)은 제1 공핍 형성 영역(130)으로부터 멀어지는 방향으로 차례대로 배열될 수 있다.Referring to FIG. 27, the single
단일 광자 검출 소자(9)는 원 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 도 3 내지 도 8에 도시된 것과 같이, 단일 광자 검출 소자(9)는 정사각 형상, 팔각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 정사각 형상, 직사각 형상, 둥근 모퉁이를 갖는 직사각 형상, 또는 타원 형상을 가질 수 있다.The single
도 28은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 22를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 28 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 22 may not be described.
도 28을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(7-1)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(7-1)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(7-1)는 제4 공핍 영역(도 22의 200) 대신 하부 웰(201)을 포함하는 것을 제외하면, 도 22를 참조하여 설명된 단일 광자 검출 소자(7)와 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to FIG. 28, a single photon detection element 7-1 may be provided. The single photon detection element 7-1 may include a single photon avalanche diode (SPAD). The single photon detection element 7-1 is substantially similar to the single
하부 웰(201)은 제3 웰(210) 아래에 제공될 수 있다. 하부 웰(201)은 제3 웰(210)에 대해 제5 웰(216)의 반대편에 제공될 수 있다. 하부 웰(201)은 반도체 기판(예를 들어, p형 혹은 n형 실리콘(Si) 기판)이 도핑되어 형성된 영역들일 수 있다. 하부 웰(201)은 제3 웰(210)과 동일한 도전형을 가질 수 있다. 하부 웰(201)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 하부 웰(201)은 제3 웰(210)보다 고농도로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 하부 웰(201)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1021 cm-3 일 수 있다. The lower well 201 may be provided below the
하부 웰(201)은 단일 광자 검출 소자(7-1)의 하부에 생성되는 전기장의 크기를 줄일 수 있다. 단일 광자 검출 소자(7-1)의 하부에 생성되는 전기장의 크기가 작을수록 단일 광자 검출 소자(7-1)의 하부 표면에서 결함으로 인해 생성되는 전자 혹은 정공들(이하, 노이즈 캐리어들(noise carriers))의 드리프트 속도가 낮을 수 있다. 노이즈 캐리어들의 드리프트 속도가 낮을수록 노이즈 캐리어들이 단일 광자 검출 소자(7-1)에 미치는 영향(예를 들어, 노이즈 캐리어들이 제3 메인 공핍 영역(34)으로 이동하는 정도)이 작을 수 있다. 따라서, 본 개시의 단일 광자 검출 소자(7-1)는 작은 노이즈를 가질 수 있다.The lower well 201 can reduce the size of the electric field generated below the single photon detection element 7-1. The smaller the size of the electric field generated at the bottom of the single-photon detection element 7-1, the more electrons or holes (hereinafter referred to as noise carriers) generated due to defects on the lower surface of the single-photon detection element 7-1. carriers) may have a low drift rate. The lower the drift speed of noise carriers, the smaller the influence of noise carriers on the single photon detection element 7-1 (for example, the extent to which noise carriers move to the third main depletion region 34). Accordingly, the single photon detection device 7-1 of the present disclosure may have small noise.
도 29는 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 28을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 29 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 28 may not be described.
도 29를 참조하면, 단일 광자 검출 소자(7-2)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(7-2)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(7-2)는 제2 완화 영역(212) 대신 제3 완화 영역(212a) 및 보다 깊은 제4 완화 영역(212b)을 포함하는 것을 제외하면, 도 28을 참조하여 설명된 단일 광자 검출 소자(7-1)와 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to FIG. 29, a single photon detection element 7-2 may be provided. The single photon detection element 7-2 may include a single photon avalanche diode (SPAD). The single photon detection element 7-2 has the single photon detection element 7-2 described with reference to FIG. 28, except that it includes a
제3 완화 영역(212a)은 제3 콘택 영역(214) 아래에 제공될 수 있다. 제3 완화 영역(212a)은 제3 콘택 영역(214)에 직접 접할 수 있다. 제3 완화 영역(212a)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 제3 완화 영역(212a)의 도핑 농도는 제1 콘택 영역(114)의 도핑 농도보다 낮고, 제1 웰(110)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제3 완화 영역(212a)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1019 cm-3 일 수 있다. 일 예에서, 제3 완화 영역(212a)은 제2 완화 영역(도 28의 212)과 실질적으로 동일할 수 있다.The
제4 완화 영역(212b)은 제3 완화 영역(212a) 아래에 제공될 수 있다. 제4 완화 영역(212b)은 제3 완화 영역(212a)에 접할 수 있다. 제4 완화 영역(212b)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 제4 완화 영역(212b)은 제3 완화 영역(212a)과 유사한 범위의 도핑 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제4 완화 영역(212b)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1019 cm-3 일 수 있다. The
제3 완화 영역(212a) 및 제4 완화 영역(212b)이 이용되는 경우, 제3 웰(210)에 균일한 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 복수 개의 단일 광자 검출 소자들(7-2)이 서로 인접하게 배치되는 경우, 제3 완화 영역(212a) 및 제4 완화 영역(212b)에 의해 인접한 단일 광자 검출 소자들(7-2) 사이의 크로스토크(crosstalk)가 방지될 수 있다.When the
도 30은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 24를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 30 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 24 may not be described.
도 30을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(8-1)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(8-1)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(8-1)는 제4 공핍 영역(도 24의 200) 대신 하부 웰(201)을 포함하는 것을 제외하면, 도 24를 참조하여 설명된 단일 광자 검출 소자(8)와 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to FIG. 30, a single photon detection element 8-1 may be provided. The single photon detection element 8-1 may include a single photon avalanche diode (SPAD). The single photon detection element 8-1 is substantially similar to the single
하부 웰(201)은 제3 웰(210) 아래에 제공될 수 있다. 하부 웰(201)은 제3 웰(210)에 대해 제5 웰(216)의 반대편에 제공될 수 있다. 하부 웰(201)은 반도체 기판(예를 들어, p형 혹은 n형 실리콘(Si) 기판)이 도핑되어 형성된 영역들일 수 있다. 하부 웰(201)은 제3 웰(210)과 동일한 도전형을 가질 수 있다. 하부 웰(201)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 하부 웰(201)은 제3 웰(210)보다 고농도로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 하부 웰(201)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1021 cm-3 일 수 있다. The lower well 201 may be provided below the
하부 웰(201)은 단일 광자 검출 소자(8-1)의 하부에 생성되는 전기장의 크기를 줄일 수 있다. 단일 광자 검출 소자(8-1)의 하부에 생성되는 전기장의 크기가 작을수록 단일 광자 검출 소자(8-1)의 하부 표면에서 결함으로 인해 생성되는 전자 혹은 정공들(이하, 노이즈 캐리어들(noise carriers))의 드리프트 속도가 낮을 수 있다. 노이즈 캐리어들의 드리프트 속도가 낮을수록 노이즈 캐리어들이 단일 광자 검출 소자(8-1)에 미치는 영향(예를 들어, 노이즈 캐리어들이 제3 메인 공핍 영역(34)으로 이동하는 정도)이 작을 수 있다. 따라서, 본 개시의 단일 광자 검출 소자(8-1)는 작은 노이즈를 가질 수 있다.The lower well 201 can reduce the size of the electric field generated below the single photon detection element 8-1. The smaller the size of the electric field generated at the bottom of the single-photon detection element 8-1, the more electrons or holes (hereinafter referred to as noise carriers) generated due to defects on the lower surface of the single-photon detection element 8-1. carriers) may have a low drift rate. The lower the drift speed of noise carriers, the smaller the influence of noise carriers on the single photon detection element 8-1 (for example, the degree to which noise carriers move to the third main depletion region 34). Accordingly, the single photon detection device 8-1 of the present disclosure may have small noise.
도 31은 예시적인 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 30을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.Figure 31 is a cross-sectional view of a single photon detection device according to an example embodiment. For brevity of explanation, content substantially the same as that described with reference to FIG. 30 may not be described.
도 31을 참조하면, 단일 광자 검출 소자(8-2)가 제공될 수 있다. 단일 광자 검출 소자(8-2)는 단일 광자 아발란치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 단일 광자 검출 소자(8-2)는 제2 완화 영역(212) 대신 완화 영역(212a) 및 보다 깊은 완화 영역(212b)을 포함하는 것을 제외하면, 도 30을 참조하여 설명된 단일 광자 검출 소자(8-1)와 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to FIG. 31, a single photon detection element 8-2 may be provided. The single photon detection element 8-2 may include a single photon avalanche diode (SPAD). The single photon detection element 8-2 is the single photon detection element described with reference to FIG. 30, except that the single photon detection element 8-2 includes a
제3 완화 영역(212a)은 제3 콘택 영역(214) 아래에 제공될 수 있다. 제3 완화 영역(212a)은 제3 콘택 영역(214)에 직접 접할 수 있다. 제3 완화 영역(212a)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 제3 완화 영역(212a)의 도핑 농도는 제1 콘택 영역(114)의 도핑 농도보다 낮고, 제1 웰(110)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제3 완화 영역(212a)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1019 cm-3 일 수 있다. 일 예에서, 제3 완화 영역(212a)은 제2 완화 영역(도 30의 212)과 실질적으로 동일할 수 있다.The
제4 완화 영역(212b)은 제3 완화 영역(212a) 아래에 제공될 수 있다. 제4 완화 영역(212b)은 제3 완화 영역(212a)에 접할 수 있다. 제4 완화 영역(212b)은 제1 도전형을 가질 수 있다. 제4 완화 영역(212b)은 제3 완화 영역(212a)과 유사한 범위의 도핑 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제4 완화 영역(212b)의 도핑 농도는 약 1x1015 ~ 1x1019 cm-3 일 수 있다. The
제3 완화 영역(212a) 및 제4 완화 영역(212b)이 이용되는 경우, 제3 웰(210)에 균일한 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 복수 개의 단일 광자 검출 소자들(8-2)이 서로 인접하게 배치되는 경우, 제3 완화 영역(212a) 및 제4 완화 영역(212b)에 의해 인접한 단일 광자 검출 소자들(8-2) 사이의 크로스토크(crosstalk)가 방지될 수 있다.When the
도 32는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치를 설명하기 위한 블록도이다. Figure 32 is a block diagram for explaining an electronic device according to an example embodiment.
도 32를 참조하면, 전자 장치(4000)가 제공될 수 있다. 전자 장치(4000)는 피사체(미도시)를 향해 광을 조사하고, 피사체에 의해 반사되어 전자 장치(4000)로 돌아오는 광을 감지할 수 있다. 전자 장치(4000)는 빔 스티어링 장치(4010)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(4010)는 전자 장치(4000) 외부로 방출되는 광의 조사 방향을 조절할 수 있다. 빔 스티어링 장치(4010)는 기계식 또는 비기계식(반도체식) 빔 스티어링 장치일 수 있다. 전자 장치(4000)는 빔 스티어링 장치(4010) 내에 광원부를 포함하거나, 빔 스티어링 장치(4010)와 별도로 구비된 광원부를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(4010)는 스캐닝(scanning) 방식의 광 방출 장치일 수 있다. 다만, 전자 장치(4000)의 광 방출 장치는 빔 스티어링 장치(4010)에 한정되는 것은 아니다. 다른 예에서, 전자 장치(4000)는 빔 스티어링 장치(4010) 대신 또는 빔 스티어링 장치(4010)와 함께 플래시(flash) 방식의 광 방출 장치를 포함할 수 있다. 플래시 방식의 광 방출 장치는 스캐닝 과정없이 시야각(field of view)을 모두 포함하는 영역에 한번에 광을 조사할 수 있다. Referring to FIG. 32, an
빔 스티어링 장치(4010)에 의해 조향된 광은 피사체에 의해 반사되어 전자 장치(4000)로 돌아올 수 있다. 전자 장치(4000)는 피사체에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 검출부(4020)를 포함할 수 있다. 검출부(4020)는 복수의 광 검출 요소를 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 복수의 광 검출 요소는 위에서 설명된 단일 광자 검출 소자들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 7-1, 7-2, 8, 8-1, 8-2, 9) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 전자 장치(4000)는 빔 스티어링 장치(4010) 및 검출부(4020) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(4030)를 더 포함할 수 있다. 회로부(4030)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어부 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(4030)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.Light steered by the
전자 장치(4000)가 하나의 장치 내에 빔 스티어링 장치(4010) 및 검출부(4020)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 빔 스티어링 장치(4010) 및 검출부(4020)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(4030)는 빔 스티어링 장치(4010)나 검출부(4020)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다.Although the
이상에서 설명한 실시예에 따른 전자 장치(4000)는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 상기 전자 장치(4000)는 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR) 장치에 적용될 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 장치는 위상 천이(phase-shift) 방식 또는 TOF(time-of-flight) 방식의 장치일 수 있다. 또한, 실시예에 따른 단일 광자 검출 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 7-1, 7-2, 8, 8-1, 8-2, 9) 또는 이를 포함하는 전자 장치(4000)는 스마트폰, 웨어러블 기기(증강 현실 및 가상 현실 구현 안경형 기기 등), 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 로봇, 무인자동차, 자율주행차, 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다.The
도 33 및 도 34은 예시적인 실시예에 따른 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도들이다. Figures 33 and 34 are conceptual diagrams showing a case where a LiDAR device is applied to a vehicle according to an exemplary embodiment.
도 33 및 도 34를 참조하면, 차량(5000)에 라이다(LiDAR) 장치(5010)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(6000)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(5000)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(5010)는 차량(5000)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(6000)를 탐지할 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(5010)는 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(6000)까지의 거리를 측정할 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(5010)는 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(6010)와 멀리 있는 피사체(6020)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(5010)는 도 32를 참조하여 설명되는 전자 장치(4000)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 33 and 34 , the
차량(5000)의 앞쪽에 라이다(LiDAR) 장치(5010)가 배치되어, 차량(5000)이 진행하는 방향에 있는 피사체(6000)를 탐지하는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 다른 예에서, 라이다(LiDAR) 장치(5010)는 차량(5000) 주변의 피사체(6000)를 모두 탐지할 수 있도록 차량(5000) 상의 복수의 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 4개의 라이다(LiDAR) 장치들(5010)이 차량(5000)의 앞쪽, 뒤쪽, 및 양 옆쪽들에 각각 배치될 수 있다. 또 다른 예에서, 라이다(LiDAR) 장치(5010)는 차량(5000) 지붕 위에 배치되고, 회전하며 차량(5000) 주변의 피사체(6000)를 모두 탐지할 수 있다.Although the
본 개시의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 개시의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 개시의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 개시의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.The above description of embodiments of the technical idea of the present disclosure provides examples for explaining the technical idea of the present disclosure. Therefore, the technical idea of the present disclosure is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes can be made by combining the above embodiments by those skilled in the art within the technical idea of the present disclosure. This possibility is obvious.
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 7-1, 7-2, 8, 8-1, 8-2, 9: 단일 광자 검출 소자
SE1, SE2: 단일 광자 검출기 SPA: 단일 광자 검출기 어레이
10: 제1 서브 공핍 영역 12: 제3 서브 공핍 영역
20: 제2 서브 공핍 영역 30, 32, 34: 메인 공핍 영역
22: 제4 서브 공핍 영역 100: 제2 공핍 형성 영역
110: 제1 웰 120: 제2 웰
130: 제1 공핍 형성 영역 100: 제2 공핍 형성 영역
114: 제1 콘택 영역 122: 제2 콘택 영역
112: 제1 완화 영역 240, 500: 가드링 영역
210: 제3 웰 220: 제4 웰
216: 제5 웰 230: 제3 공핍 형성 영역
200: 제4 공핍 형성 영역 214: 제3 콘택 영역 222: 제4 콘택 영역 212: 제2 완화 영역 1000: 광 검출 소자 2000: 제어층
2100: 배선들 2002: 절연층
2200: 제어층 2202: 회로
3000: 렌즈부 101: 제2 도전형 영역 201: 하부 웰 212a: 제3 완화 영역 212b: 제4 완화 영역 4000: 전자 장치
5010: 라이다 장치1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 7-1, 7-2, 8, 8-1, 8-2, 9: Single photon detection element
SE1, SE2: Single photon detector SPA: Single photon detector array
10: first sub-depletion region 12: third sub-depletion region
20: second
22: fourth sub-depletion region 100: second depletion formation region
110: first well 120: second well
130: first depletion formation region 100: second depletion formation region
114: first contact area 122: second contact area
112:
210: third well 220: fourth well
216: fifth well 230: third depletion formation region
200: fourth depletion formation region 214: third contact region 222: fourth contact region 212: second relaxation region 1000: light detection element 2000: control layer
2100: Wiring 2002: Insulating layer
2200: control layer 2202: circuit
3000: Lens portion 101: Second conductive region 201: Lower well 212a:
5010: Lidar device
Claims (23)
상기 제1 웰 상에서 상기 입사광 진행 방향으로 배치되고 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 제2 웰;
상기 제1 웰을 사이에 두고 상기 제2 웰의 반대편에 제공되어 상기 제2 웰로부터 이격되고, 상기 제2 도전형을 가지는 제2 공핍 형성 영역;
상기 제1 웰과 상기 제2 웰 사이에 제공되고, 상기 입사광에 의해 생성된 전자 또는 정공을 증배하도록 구성되는 메인 공핍 영역;
상기 제2 공핍 형성 영역과 상기 제1 웰 사이에 제공되는 제2 서브 공핍 영역; 및
상기 제1 웰에 전기적으로 연결되고 상기 제1 도전형을 가지는 제1 콘택 영역;을 포함하되,
상기 제2 서브 공핍 영역 및 상기 메인 공핍 영역은 상기 제1 웰과 상기 제2 웰의 배열 방향을 따라 배열되는 단일 광자 검출 소자.a first well having a first conductivity type and receiving incident light incident from the outside;
a second well disposed on the first well in the direction in which the incident light travels and having a second conductivity type different from the first conductivity type;
a second depletion formation region provided on an opposite side of the second well with the first well interposed therebetween, spaced apart from the second well, and having the second conductivity type;
a main depletion region provided between the first well and the second well and configured to multiply electrons or holes generated by the incident light;
a second sub-depletion region provided between the second depletion formation region and the first well; and
A first contact region electrically connected to the first well and having the first conductivity type;
The second sub-depletion region and the main depletion region are arranged along the arrangement direction of the first well and the second well.
상기 제1 콘택 영역과 상기 제1 웰 사이에 제공되는 완화 영역;을 더 포함하되,
상기 완화 영역은 상기 제1 도전형을 갖고,
상기 완화 영역의 도핑 농도는 상기 제1 콘택 영역의 도핑 농도보다 낮은 단일 광자 검출 소자.According to claim 1,
It further includes a relief area provided between the first contact area and the first well,
the relaxation region has the first conductivity type,
A single photon detection device wherein the doping concentration of the relaxation region is lower than the doping concentration of the first contact region.
상기 제2 웰 및 상기 제1 콘택 영역 사이에 제공되는 제2 도전형 영역;을 더 포함하되,
상기 제2 도전형 영역은 상기 제2 도전형을 갖는 단일 광자 검출 소자.According to claim 1,
It further includes a second conductive type region provided between the second well and the first contact region,
A single photon detection device wherein the second conductivity type region has the second conductivity type.
상기 제1 콘택 영역은 상기 제1 웰을 사이에 두고 상기 제2 공핍 형성 영역의 반대편에 제공되는 단일 광자 검출 소자.According to claim 1,
The first contact region is provided on an opposite side of the second depletion formation region with the first well interposed therebetween.
상기 제2 웰 상에 제공되고, 상기 제1 도전형을 가지는 제1 공핍 형성 영역; 및
상기 제2 웰 및 상기 제1 공핍 형성 영역 사이에 제공되는 제1 서브 공핍 영역;을 더 포함하는 단일 광자 검출 소자.According to claim 1,
a first depletion formation region provided on the second well and having the first conductivity type; and
A single photon detection device further comprising a first sub-depletion region provided between the second well and the first depletion formation region.
상기 제2 웰에 전기적으로 연결되는 제2 콘택 영역;을 더 포함하되,
상기 제2 콘택 영역은 상기 제2 도전형을 가지며,
상기 제2 콘택 영역의 도핑 농도는 상기 제2 웰의 도핑 농도보다 높은 단일 광자 검출 소자.According to claim 5,
It further includes a second contact region electrically connected to the second well,
The second contact region has the second conductivity type,
A single photon detection device wherein the doping concentration of the second contact region is higher than the doping concentration of the second well.
상기 제2 웰의 측면 상에 제공되는 가드링 영역;을 더 포함하되,
상기 가드링 영역은 상기 제2 도전형을 가지는 단일 광자 검출 소자.According to claim 1,
It further includes a guard ring area provided on a side of the second well,
The guard ring area is a single photon detection device having the second conductivity type.
상기 가드링 영역은 상기 제2 웰의 바닥면 상으로 연장되어, 평면적 관점에서 제2 웰과 중첩하는 단일 광자 검출 소자.According to claim 7,
The guard ring area extends onto the bottom surface of the second well and overlaps the second well from a planar perspective.
상기 제1 콘택 영역은 상기 제2 웰을 둘러싸는 단일 광자 검출 소자.According to claim 1,
The first contact region surrounds the second well.
상기 제1 웰은 상기 제2 웰의 바닥면 상에서 상기 제2 웰의 측면 상으로 연장하는 단일 광자 검출 소자.According to claim 1,
The first well extends from the bottom of the second well to the side of the second well.
상기 제1 웰과 상기 제2 서브 공핍 영역 사이에 제공되는 제3 웰;을 더 포함하되,
상기 제3 웰은 상기 제1 도전형을 가지는 단일 광자 검출 소자.According to claim 1,
It further includes a third well provided between the first well and the second sub-depletion region,
The third well is a single photon detection device having the first conductivity type.
상기 제3 웰은 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰을 둘러싸도록 구성되는 단일 광자 검출 소자.According to claim 11,
The third well is configured to surround the first well and the second well.
상기 제1 웰은 상기 제3 웰을 통해 상기 제1 콘택 영역과 전기적으로 연결되는 단일 광자 검출 소자.According to claim 11,
A single photon detection device wherein the first well is electrically connected to the first contact region through the third well.
상기 제3 웰의 도핑 농도는 상기 제1 웰의 도핑 농도보다 낮은 단일 광자 검출 소자.According to claim 11,
A single photon detection device wherein the doping concentration of the third well is lower than the doping concentration of the first well.
상기 제2 웰의 측면 상에 제공되고 상기 제2 도전형을 가지는 가드링 영역;을 더 포함하되,
상기 가드링 영역은 상기 제1 웰 및 상기 제3 웰에 접하는 단일 광자 검출 소자.According to claim 11,
It further includes a guard ring region provided on a side of the second well and having the second conductivity type,
The guard ring area is in contact with the first well and the third well.
상기 전기 신호를 처리하는 제어층; 및
상기 광을 외부로부터 수용하여 상기 단일 광자 검출 소자에 집속하는 렌즈부;를 포함하되,
상기 단일 광자 검출 소자는, 제1 도전형을 가지는 제1 웰, 상기 제1 웰을 사이에 두고 상기 렌즈부의 반대편에 제공되고 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 제2 웰, 상기 제1 웰과 상기 렌즈부 사이에 제공되어 상기 제2 웰로부터 이격되고 상기 제2 도전형을 가지는 제2 공핍 형성 영역, 상기 제1 웰과 상기 제2 웰 사이에 제공되고 입사광에 의해 생성된 전자 또는 정공을 증배하도록 구성되는 메인 공핍 영역, 상기 제2 공핍 형성 영역과 상기 제1 웰 사이에 제공되는 제2 서브 공핍 영역, 및 상기 제1 웰에 전기적으로 연결되고 상기 제1 도전형을 가지는 제1 콘택 영역을 포함하되,
상기 제2 서브 공핍 영역 및 상기 메인 공핍 영역은 상기 제1 웰과 상기 제2 웰의 배열 방향을 따라 배열되는 단일 광자 검출기.A single-photon detection device that receives light and generates an electrical signal;
a control layer that processes the electrical signals; and
Includes a lens unit that receives the light from the outside and focuses it on the single photon detection element,
The single photon detection element includes a first well having a first conductivity type, a second well provided on an opposite side of the lens unit with the first well in between and having a second conductivity type different from the first conductivity type, and a second depletion formation region provided between the first well and the lens unit, spaced apart from the second well, and having the second conductivity type; a second depletion formation region provided between the first well and the second well and generated by incident light; or a main depletion region configured to multiply holes, a second sub-depletion region provided between the second depletion forming region and the first well, and a first conductivity type electrically connected to the first well. 1 Contains a contact area,
The second sub-depletion region and the main depletion region are arranged along the arrangement direction of the first well and the second well.
상기 제어층은 상기 단일 광자 검출 소자와 상기 렌즈부 사이에 배치되는 단일 광자 검출기.According to claim 16,
The control layer is a single photon detector disposed between the single photon detection element and the lens unit.
상기 단일 광자 검출 소자는 상기 제어층과 상기 렌즈부 사이에 배치되는 단일 광자 검출기.According to claim 16,
The single photon detection element is a single photon detector disposed between the control layer and the lens unit.
상기 단일 광자 검출 소자는:
상기 제2 웰 상에 제공되고 상기 제1 도전형을 가지는 제1 공핍 형성 영역; 및
상기 제2 웰 및 상기 제1 공핍 형성 영역 사이에 제공되는 제1 서브 공핍 영역;을 더 포함하되,
상기 제1 공핍 형성 영역은 상기 렌즈부보다 상기 제어층에 인접하게 배치되는 단일 광자 검출기.According to claim 18,
The single photon detection element:
a first depletion formation region provided on the second well and having the first conductivity type; and
It further includes a first sub-depletion region provided between the second well and the first depletion formation region,
The first depletion formation region is disposed closer to the control layer than to the lens unit.
상기 제어층은:
절연층;
배선들; 및
회로들;을 포함하되,
상기 배선들은 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰과 상기 회로들을 전기적으로 연결하고,
상기 회로들은 ??칭 회로(quenching circuit) 및 판독 회로를 포함하는 단일 광자 검출기.According to claim 16,
The control layer is:
insulating layer;
wires; and
Circuits; including,
The wires electrically connect the first well and the second well and the circuits,
A single photon detector wherein the circuits include a quenching circuit and a readout circuit.
상기 회로들은 리차지(recharge) 회로, 메모리, 증폭 회로, 카운터, 및 게이트 회로를 포함하는 단일 광자 검출기.According to claim 20,
A single photon detector wherein the circuits include a recharge circuit, a memory, an amplifier circuit, a counter, and a gate circuit.
상기 단일 광자 검출 소자 및 상기 렌즈부 사이에 제공되는 컬러 필터(color filter), 대역 필터(bandpass filter), 및 반사방지 코팅(anti-reflection coating) 중 적어도 하나를 포함하는 단일 광자 검출기.According to claim 16,
A single photon detector comprising at least one of a color filter, a bandpass filter, and an anti-reflection coating provided between the single photon detection element and the lens unit.
상기 전기 신호를 처리하는 제어층; 및
상기 광을 외부로부터 수용하여 상기 복수의 단일 광자 검출 소자들에 각각 집속하는 복수의 렌즈들;을 포함하되,
상기 복수의 단일 광자 검출 소자들의 각각은, 제1 도전형을 가지는 제1 웰, 상기 제1 웰을 사이에 두고 상기 복수의 렌즈들의 반대편에 제공되고 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지는 제2 웰, 상기 제1 웰과 상기 복수의 렌즈들 사이에 제공되어 상기 제2 웰로부터 이격되고 상기 제2 도전형을 가지는 제2 공핍 형성 영역, 상기 제1 웰과 상기 제2 웰 사이에 제공되고 입사광에 의해 생성된 전자 또는 정공을 증배하도록 구성되는 메인 공핍 영역, 상기 제2 공핍 형성 영역과 상기 제1 웰 사이에 제공되는 제2 서브 공핍 영역, 및 상기 제1 웰에 전기적으로 연결되고 상기 제1 도전형을 가지는 제1 콘택 영역을 포함하되,
상기 제2 서브 공핍 영역 및 상기 메인 공핍 영역은 상기 제1 웰과 상기 제2 웰의 배열 방향을 따라 배열되는 단일 광자 검출기 어레이.A plurality of single photon detection elements that receive light and generate an electrical signal;
a control layer that processes the electrical signals; and
A plurality of lenses that receive the light from the outside and focus it on the plurality of single photon detection elements, respectively,
Each of the plurality of single photon detection elements includes a first well having a first conductivity type, a second conductivity type different from the first conductivity type provided on the opposite side of the plurality of lenses with the first well in between. A second well, a second depletion formation region provided between the first well and the plurality of lenses and spaced from the second well and having the second conductivity type, is provided between the first well and the second well. a main depletion region provided and configured to multiply electrons or holes generated by incident light, a second sub-depletion region provided between the second depletion forming region and the first well, and electrically connected to the first well; Includes a first contact region having the first conductivity type,
The second sub-depletion region and the main depletion region are arranged along the arrangement direction of the first well and the second well.
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