传感器以及距离测量装置的制作方法

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本申请享受以日本专利申请2019-46282号(申请日：2019年3月13日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含该基础申请的全部内容。

本发明的实施方式涉及传感器以及具备该传感器的距离测量装置。

背景技术：

已知被称作lidar(lightdetectionandranging，激光探测与测距)的距离测量装置。lidar向对象物照射激光，通过传感器检测从对象物反射的反射光的强度，基于从传感器输出的光强度信号来测量到对象物的距离。作为用于lidar的传感器，是使用了半导体的光电倍增元件，特别是已知使用了硅光电倍增元件(sipm)的传感器。这样的传感器灵敏度高，但当接受了大光量的光时，与通常相比输出持续更长时间，存在难以进行下一测量并且其输出成为噪声而性能(s/n比)劣化的情况。这存在如下等的原因：由照到传感器的周围(半导体)的光而产生载流子；传感器产生的次级光子在传感器的周围被吸收而产生载流子；传感器产生的载流子扩散而蓄积在传感器的周围。

技术实现要素：

实施方式提供一种传感器以及具备该传感器的距离测量装置，该传感器即使在入射了大光量的光时，由此导致的不能使用的时间也短，性能劣化较少，进行稳定的动作。

实施方式的传感器具有第一雪崩光电二极管、第一淬灭元件、第二雪崩光电二极管和第二淬灭元件。第一淬灭元件的一端连接于各个所述第一雪崩光电二极管的电流输出端子，另一端连接于输出端子。第二雪崩光电二极管以与第一雪崩光电二极管相邻的方式配置。第二淬灭元件的一端连接于各个所述第二雪崩光电二极管的电流输出端子，另一端连接于特定的电位，例如接地。

附图说明

图1是示出各实施方式的距离测量装置的概略的整体结构的图。

图2是示出一个spad的结构及其动作原理的图。

图3是示出第一实施方式中的传感器的一个结构例的图。

图4是用于对伪(dummy)spad的效果进行说明的图。

图5是示出第二实施方式中的传感器的一个结构例的图。

图6是用于对遮光层的效果进行说明的图。

图7a是示出相对于以像素的apd的表面为基准的层深的杂质浓度的示例的图。

图7b是示出相对于以伪spad的apd的表面为基准的层深的杂质浓度的第一示例的图。

图7c是示出相对于以伪spad的apd的表面为基准的层深的杂质浓度的第二示例的图。

图8是示出在像素与伪spad之间隔开间隔的变形例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。

[第一实施方式]

图1是示出各实施方式的距离测量装置的概略的整体结构的图。距离测量装置1具有发射部10、光学系统20、测量处理部30和图像处理部40。

发射部10间歇地发射激光l1。发射部10具有光源11、第一驱动电路12、振荡器13、第二驱动电路14和控制部15。

光源11间歇地发出激光l1。光源11是激光二极管等激光光源。

第一驱动电路12例如将用于驱动光源11的驱动电流供给到光源11。第一驱动电路12根据由振荡器13生成的脉冲信号而输出驱动电流。

振荡器13基于控制部15的控制而生成脉冲信号。振荡器13将生成的脉冲信号输出到第一驱动电路12。

第二驱动电路14基于控制部15的控制而将用于驱动光学系统20的镜25的驱动电流供给到镜25。

控制部15具有例如cpu以及存储器。存储器存储有用于距离测量装置1的动作的程序。cpu按照存储于存储器的程序，控制第一驱动电路12以及第二驱动电路14。

光学系统20将从发射部10射出的激光l1向对象物o射出，并且使从对象物o反射的激光l1的反射光l2入射到测量处理部30。光学系统20具有透镜21、第一光学元件22、透镜23、第二光学元件24和镜25。

透镜21配置于从光源11射出的光的射出光路上。透镜21对从光源11间歇地射出的激光l1进行准直，并向第一光学元件22导光。

第一光学元件22将被透镜21导光的激光l1分离成第二光学元件24的方向和测量处理部30的光传感器31的方向。第一光学元件22例如是分束器。

透镜23对从第一光学元件22射出的激光l1进行聚光，并向光传感器31导光。

第二光学元件24使从第一光学元件22射出的激光l1向镜25的方向透射，并且使从镜25射出的激光l1的反射光l2向测量处理部30的传感器33的方向反射。第二光学元件24例如是半透半反射镜(halfmirror)。

镜25将入射的光反射。镜25的反射面构成为例如能够以相互交叉的两个转动轴为中心进行转动。根据从第二驱动电路14供给的驱动电流进行镜25的驱动。

测量处理部30基于从光学系统20射出的反射光l2来测量到对象物o的距离。测量处理部30具有光传感器31、透镜32、传感器33、第一放大器34、第二放大器35、时间取得部36和距离测量处理部37。

光传感器31例如是光电二极管，接收经由透镜23而被导光的激光l1，并输出电信号。

透镜32对来自第二光学元件24的反射光l2进行聚光，并向传感器33导光。

传感器33接收从透镜32入射的反射光l2，并输出电信号。传感器33例如是使用了半导体的光电倍增元件，特别是硅光电倍增元件(sipm)。sipm是将被称作spad(single-photonavalanchediode，单光子雪崩二极管)的、在盖革模式下使用的雪崩光电二极管(apd)多像素化而成的器件。各个spad根据光入射而引起雪崩击穿，输出电信号。关于传感器33的结构，后文详细进行说明。

第一放大器34对从光传感器31输出的电信号进行放大，并输出到时间取得部36和距离测量处理部37。

第二放大器35例如是跨阻抗放大器，对基于反射光l2的电信号进行放大。第二放大器35例如将从传感器33输出的电流信号放大、转换成作为测量信号的电压信号。

时间取得部36通过对基于反射光l2的测量信号进行ad转换，而生成关于信号强度的时序信号。或者，也可以取得测量信号的上升沿时间。

距离测量处理部37检测由时间取得部36取得的时序信号的峰值时刻，基于该峰值时刻与激光l1的照射定时的时间差，或者基于上升沿时间与激光l1的照射定时的时间差，来测量到对象物o的距离。

以下，对传感器33的结构进行说明。图2是示出spad的结构及其动作原理的图。一个spad具有apd101和淬灭电阻102。淬灭电阻102的一端连接于apd101的电流输出端子(在图2的示例中是阳极)。另外，也可以使用淬灭器件(有源淬灭电路)来代替淬灭电阻，其中，该淬灭器件(有源淬灭电路)使用了晶体管。在本说明书中，作为淬灭电阻和有源淬灭电路的总称，记作淬灭元件。

图2的示例的apd101具有厚的p型半导体层和薄的n型半导体层。具体而言，apd101具有例如基板sub、p型半导体层p、p-plus型半导体层p⁺和n-plus型半导体层n⁺。基板sub例如是p型半导体基板。p型半导体层p层叠于基板sub。p型半导体层p是与p-plus型半导体层p⁺相比杂质浓度低的、薄的p型半导体(外延)层。p-plus型半导体层p⁺是以与p型半导体层p相比杂质浓度变高的方式导入有p型杂质的半导体层。n-plus型半导体层n⁺是导入有n型杂质的杂质浓度大的半导体层。未图示的电极形成于n-plus型半导体层n⁺。经由这些电极而在以基板侧为负的方向上对apd101施加高的反向偏置电压。

如图2所示，在p型半导体层与n型半导体层的结(pn结)区域附近形成耗尽层d。当光入射到该耗尽层d时，在耗尽层d产生电子-空穴对作为载流子cl。

在此，由于对apd101施加有高的反向偏置电压，因此在耗尽层d产生的载流子cl由于由反向偏置电压形成的电场e而漂移。在图2的示例中，载流子cl之中的电子朝向表面方向(n-plus型半导体层n⁺)被加速，空穴朝向基板方向被加速。朝向n-plus型半导体层n⁺被加速的电子在pn结附近的强电场之下与原子碰撞。然后，碰撞到原子的电子使原子离子化而产生新的电子-空穴对。当反向偏置电压超过击穿电压时，重复这样的电子-空穴对的产生。apd101通过这样的雪崩击穿而放电。这样的放电被称作盖革放电。这样一来，从一个spad输出与盖革放电及其之后的恢复相关的电信号。

从apd101输出的电流流向淬灭电阻102。由于此时的电压降而偏置电压下降。当偏置电压继续下降而变得小于击穿电压时，盖革现象停止。进一步地，当对apd101的pn结电容等电容进行充电的恢复电流结束流动时，电流输出停止。当盖革现象停止而电流输出在一定程度上减弱时，apd101返回到能够接收接下来的光的状态。

在此，apd101不限于图2的构造。例如，也可以没有p-plus型半导体层p⁺。此外，在图2中，是p型半导体层厚而n型半导体层薄的构造的apd，但相反地，也可以是n型半导体层厚而p型半导体层薄的构造的apd。进一步地，此外也可以在基板sub与外延层的边界附近形成pn结，而非如图2那样在接近表面处形成pn结。

图3是示出第一实施方式中的传感器33的一个结构例的图。如图3所示，实施方式中的传感器33具有传感器区域331和伪spad332。

一个传感器区域331包括多个spad，该spad包含第一雪崩光电二极管(apd)和第一淬灭电阻。如图3所示，传感器区域331被二维地配置而形成传感器。传感器区域331的各个apd(第一雪崩光电二极管)分别连接第一淬灭电阻的一端而构成spad。第一淬灭电阻的另一端连接于输出端子。在图3中，传感器区域331的多个spad被分组为三个像素。第一像素的spad经由第一淬灭电阻而共同地连接于输出端子on-1。第二像素的spad经由另外的第一淬灭电阻而连接于输出端子on。第三像素的spad经由又一另外的第一淬灭电阻而连接于输出端子on+1。输出端子on-1、on、on+1分别连接于第二放大器35。根据这样的结构，从各个输出端子on-1、on、on+1向第二放大器35输出与从属于同一传感器区域的传感器区域331的各个像素的spad输出的电信号的总和相当的电信号。图3的传感器区域331包含三个像素，但像素的数量包含一个在内，也可以是几个。

多个伪spad332设置于传感器区域的外周。伪spad332是包含第二雪崩光电二极管(apd)和第二淬灭电阻的spad。伪spad332的apd(第二雪崩光电二极管)连接于第二淬灭电阻的一端。第二淬灭电阻的另一端连接于与传感器区域331的输出端子不同的输出端子od。输出端子od连接于传感器33的特定的电位，例如接地。

在此，例如，第一apd和第二apd是具有相同特性的元件。如在下文中说明的那样，第一apd和第二apd也可以是具有不同的特性的元件。此外，例如，第一淬灭电阻和第二淬灭电阻是具有相同电阻值的元件。如在下文中说明的那样，第一淬灭电阻和第二淬灭电阻也可以是具有不同的电阻值的元件。

此外，优选使伪spad332以包围全部传感器区域的方式设置，但也可以不必以包围全部传感器区域的方式设置。如图3所示，在伪spad332也可以存在没有spad的间隙333。间隙333不限于一个像素的大小。例如，也可以仅在传感器区域的左端和右端设置伪spad332，在传感器区域的上端和下端仅设置间隙333。这样，也可以任意地设定间隙333的大小、数量、间隔。此外，在图3中，伪spad332连接于共同的输出端子od，但伪spad332也可以单独地连接于特定的电位，例如接地。

图4是用于对伪spad332的效果进行说明的图。在传感器区域的外周设置有伪spad332，从而使通过来自传感器区域之外的光入射等而在传感器区域331之外产生或者蓄积的载流子cl通过由施加于伪spad332的反向偏置电压形成的电场e而漂移。使通过基于该载流子cl的漂移的雪崩击穿而产生的电子经由输出端子od流向特定的电位，例如接地。

这样，在本实施方式中，能够抑制通过来自传感器区域之外的光入射而在传感器区域331之外产生的载流子抵达传感器区域331。

在大光量的光入射到sipm时，通过来自传感器区域之外的光入射而在传感器区域331之外产生的载流子花费比较长的时间才到达传感器区域331。特别是，在传感器区域331之外产生的载流子在通过扩散而移动到传感器区域331时，花费长的时间。通过这样的在传感器区域331之外产生的载流子，有时传感器区域331在输出了基于直接入射的光的电信号之后也持续输出电信号。由于在sipm的电信号的输出完成之前无法进行下一检测或者由于sn受损，当传感器区域331进行的电信号的输出持续长时间时，也会产生对距离的测量带来影响的可能性。

在实施方式中，在传感器区域331之外产生的载流子不易抵达传感器区域331，此外易于较早地完成sipm的电信号的输出。因此，较早地进行下一检测，性能也会改善。因此，即使在入射了大光量的光时，传感器33也会更稳定地进行动作。

此外，一般地(即使在未入射大光量的光的情况下)，在传感器区域331之外产生的载流子所带来的电信号也可能成为相对于直接入射到传感器区域331的光所带来的电信号的噪声。在实施方式中，由于在传感器区域331之外产生的载流子不易抵达传感器区域331，因此也能够抑制这样的噪声。

[第二实施方式]

接下来，对第二实施方式进行说明。在此，在第二实施方式中，距离测量装置的结构也与第一实施方式是同样的。因此，省略其说明。

图5是示出第二实施方式中的传感器33的一个结构例的图。如图5所示，实施方式中的传感器33具有传感器区域331和伪spad332。传感器区域331和伪spad332与第一实施方式是同样的。

在第二实施方式中，在伪spad332之上设置有遮光层334。遮光层334例如是铝(al)层，防止向伪spad332的光入射。遮光层334只要是抗蚀剂用材料等具有遮光性的材料，则其材料并不特别限定。此外，遮光层也可以不仅覆盖在伪spad332之上，也覆盖在其周围的半导体上，优选后者。

图6是用于对遮光层334的效果进行说明的图。通过在伪spad332之上及其周围设置遮光层334，能够抑制来自传感器区域331之外的光入射到伪spad332及其周围。因此，在传感器区域331之外产生的载流子大体上仅为由热而激发的载流子ch和由次级光子产生的载流子。这些载流子的数量与由大光量的光入射所激发的载流子cl相比少。

当伪spad332因大光量的光入射等而激发时，伪spad332的偏置电压降低。此时，伪spad332的在传感器区域331之外产生的载流子的加速也减弱，伪spad332收集载流子的能力降低。在第二实施方式中，由于在传感器区域331之外产生的载流子变少，因此伪spad332变得难以激发。因此，在第二实施方式中，与第一实施方式相比，在传感器区域331之外产生的载流子更不易抵达传感器区域331。

[变形例1]

在此，也可以构成为伪spad332本身不易激发。例如，也可以构成为伪spad332难以引起雪崩击穿。或者，也可以构成为伪spad332较早地完成淬灭。这些变形例1在第一实施方式以及第二实施方式的任意实施方式中均能应用。

为了使得难以引起雪崩击穿，例如可以使伪spad332的击穿电压高于传感器区域331的击穿电压。由此，伪spad332与传感器区域331相比，变得难以引起雪崩击穿。

通过改变例如p-plus型半导体层p⁺中的杂质浓度，能够改变击穿电压。图7a是示出相对于以传感器区域331的apd的表面为基准的层深的p型以及n型杂质浓度的图。图7b是示出相对于以伪spad332的apd的表面为基准的层深的第一示例的p型以及n型杂质浓度的图。图7c是示出相对于以伪spad332的apd的表面为基准的层深的第二示例的p型以及n型杂质浓度的图。

例如，在传感器区域331的n-plus型半导体层n⁺中的杂质浓度以及p-plus型半导体层p⁺中的杂质浓度为图7a所示的浓度时，可以使伪spad332的p-plus型半导体层p⁺中的杂质浓度变更成如图7b所示的第一示例那样。即，可以使伪spad332的p-plus型半导体层p⁺中的更深一侧(基板sub一侧)的杂质浓度比传感器区域331的p-plus型半导体层p⁺中的更深一侧(基板sub一侧)的杂质浓度更低。这样一来，耗尽层变得更深，结果是击穿电压也变高。通过调整例如用于形成p-plus型半导体层p⁺的离子注入中的杂质的剂量，能够改变杂质浓度。在此，也可以将离子注入的剂量设为零，不形成p-plus型半导体层p⁺。

此外，通过改变例如p-plus型半导体层p⁺的深度，也能够改变击穿电压。例如，在传感器区域331的n-plus型半导体层n⁺中的杂质浓度以及p-plus型半导体层p⁺中的杂质浓度为图7a所示的浓度时，可以使伪spad332的p-plus型半导体层p⁺的深度变更成图7c所示的第二示例那样。即，可以使伪spad332的p-plus型半导体层p⁺的深度浅于传感器区域331的p-plus型半导体层p⁺的深度。这样一来，耗尽层变得更深，作为结果，击穿电压也变高。例如在用于形成p-plus型半导体层的离子注入中，通过将p-plus型半导体层p⁺打造得浅，能够改变p-plus型半导体层p⁺的深度。

此外，可以使伪spad332的淬灭电阻的电阻值高于传感器区域331的淬灭电阻的电阻值。由此，即使引起了雪崩击穿，伪spad332也会较早地结束淬灭。因此，伪spad332较早地返回到能够更好地收集载流子的状态。

此外，可以使伪spad332的反向偏置电压低于传感器区域331的反向偏置电压。由此，伪spad332与传感器区域331相比，变得难以引起雪崩击穿。

如以上所说明的那样，在变形例1中，伪spad332也变得难以激发。因此，在传感器区域331之外产生的载流子不易抵达传感器区域331。

[变形例2]

在前述实施方式中，假设传感器区域331和伪spad332相邻。与之相对，如图8所可以在传感器区域331与伪spad332之间隔开某种程度的间隔i。间隔i的宽度可以是一个像素的宽度，例如2μm～10μm左右。实际上，可以根据能够入射到传感器区域331以及伪spad332的光的波长来决定间隔i的宽度。在此，在间隔i可以不形成任何元件，可以做成沟槽构造、locos那样的元件分离用的构造，也可以形成未被施加反向偏置电压的伪spad。

隔开间隔i，从而能够抑制未由伪spad332全部收集的载流子到达传感器区域331而成的串扰。

对本发明的几个实施方式进行了说明，这些实施方式是作为示例而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形包含于发明的范围及主旨中，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围中。