摄像装置和摄像系统的制作方法

本发明涉及摄像装置和摄像系统。

背景技术：

作为能够检测单个光子级别的微弱光的检测器，已知有spad(单光子雪崩二极管)。spad使用由在半导体的pn结处感应出的强电场产生的雪崩倍增现象，以将由光子激发的信号电荷放大约数倍至数百万倍。通过使用雪崩倍增现象的高增益特性，可以读出微弱光的信号并将该信号放大到显著超过噪声，并且可以在单个光子级别实现亮度分辨率。专利文献1公开了各自包括spad的像素二维地配置的摄像装置。

另一方面，可用于摄像和使用相位差检测方法的焦点检测这两者的摄像装置正在投入实际使用。通过配置摄像装置、使得可以接收到对摄像光学系统的光瞳区域进行了分割的光，可以使用通过分割所获得的信号来检测相位差，并且可以使用通过将这些分割后的信号相加所获得的信号来拍摄图像。专利文献2公开了对光电转换单元进行分割以可用于使用相位差检测方法的焦点检测的摄像装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-174783

专利文献2：日本特开2013-149757

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，在使用spad的摄像装置中、对光电转换单元进行分割以可用于使用相位差检测方法的焦点检测的情况下，不能简单地通过将从分割后的光电转换单元获得的信号相加来获得与在不对光电转换单元进行分割的情况下获得的散景(bokeh)相同的散景。

本发明提供使用spad的摄像装置，该摄像装置能够进行使用相位差检测方法的焦点检测，并且能够获得与在拍摄图像时不对光瞳进行分割的情况下获得的散景相同的散景。

用于解决问题的方案

本发明的一方面提供一种摄像装置，包括：多个像素，其按多个行和多个列配置。所述多个像素中的各像素包括：受光单元，其具有设置在半导体基板的表面部中的第一导电型的多个第一半导体区域、以及设置在所述半导体基板的所述表面部中的在所述多个第一半导体区域之间的第二导电型的第二半导体区域，多个光电二极管各自配置在所述多个第一半导体区域其中之一与所述第二半导体区域之间；多个淬灭电路，其各自连接至所述多个第一半导体区域中的相应第一半导体区域；以及计数单元，其连接至所述多个第一半导体区域和所述多个淬灭电路之间的各个连接节点，所述计数单元用于对响应于光子入射到所述受光单元上而生成的脉冲进行计数。所述第二半导体区域被设置成遍及所述半导体基板中的与所述多个第一半导体区域相比更深的部分。

本发明的另一方面提供一种摄像装置，在所述摄像装置中布置有多个像素。所述多个像素中的各像素包括：微透镜；第一导电型的第一半导体区域，其具有受光面，光经由所述微透镜入射到所述受光面上；以及所述第一导电型的多个第二半导体区域，其设置在所述第一半导体区域的与所述受光面相反的面上，所述多个第二半导体区域被第二导电型的半导体区域分离。所述多个像素中的至少一部分像素中的所述第二导电型的半导体区域具有延伸到所述第一半导体区域的预定深度的部分。

本发明的又一方面提供一种摄像装置，在所述摄像装置中布置有多个像素。所述多个像素包括具有不同光谱特性的多个类型的像素，以及在所述多个像素中，供给至第一类型的像素的电位差小于供给至第二类型的像素的电位差，所述第二类型的像素所主要检测的光的波长短于所述第一类型的像素所主要检测的光的波长。

本发明的还一方面提供一种摄像装置，在所述摄像装置中布置有多个像素。所述多个像素中的各像素包括：微透镜；第一导电型的第一半导体区域，其具有受光面，光经由所述微透镜入射到所述受光面上；以及所述第一导电型的多个第二半导体区域，其设置在所述第一半导体区域的与所述受光面相反的面上，所述多个第二半导体区域被第二导电型的半导体区域分离。在所述多个像素中，第一类型的像素中的所述多个第二半导体区域的间隔窄于第二类型的像素中的所述多个第二半导体区域的间隔，所述第二类型的像素所主要检测的光的波长短于所述第一类型的像素所主要检测的光的波长。

本发明的还一方面提供一种摄像系统，包括：根据本发明的摄像装置；以及信号处理单元，用于处理从所述摄像装置输出的信号。

发明的效果

根据本发明，在使用spad的摄像装置中，可以进行使用相位差检测方法的焦点检测，并且可以实现与在拍摄图像时不对光瞳进行分割的情况下获得的散景相同的散景。

本发明的其它特征和优点将通过结合附图进行的以下说明变得显而易见。注意，在整个附图中，相同的附图标记表示相同或相似的组件。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同这些描述一起用来示出本发明的原理。

图1是示出根据本发明第一实施例的摄像装置的总体结构的框图。

图2是示出根据本发明第一实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的电路图。

图3是示出根据本发明第一实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。

图4是示出根据本发明第一实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图(编号1)。

图5是示出根据本发明第一实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图(编号2)。

图6是示出根据本发明第一实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图(编号3)。

图7a是示出像素的光入射角度特性的图。

图7b是示出像素的光入射角度特性的图。

图8a是示出根据本发明第一实施例的变形例的摄像装置的构造的平面图(编号1)。

图8b是示出根据本发明第一实施例的变形例的摄像装置的构造的平面图(编号1)。

图9a是示出根据本发明第一实施例的变形例的摄像装置的构造的平面图(编号2)。

图9b是示出根据本发明第一实施例的变形例的摄像装置的构造的平面图(编号2)。

图10a是示出根据本发明第一实施例的变形例的摄像装置的构造的平面图(编号3)。

图10b是示出根据本发明第一实施例的变形例的摄像装置的构造的平面图(编号3)。

图11是示出根据本发明第一实施例的变形例的摄像装置的构造的平面图(编号4)。

图12是示出根据本发明第一实施例的摄像装置的驱动方法的时序图(编号1)。

图13是示出根据本发明第一实施例的摄像装置的驱动方法的时序图(编号2)。

图14是示出根据本发明的第二实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。

图15a是示出根据本发明第二实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图15b是示出根据本发明第二实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图16是示出根据本发明的第三实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。

图17是示出根据本发明第三实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图18a是示出根据本发明第四实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图18b是示出根据本发明第四实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图19是示出根据本发明第四实施例的摄像装置中的像素的结构示例和驱动示例的电路图(编号1)。

图20是示出根据本发明第四实施例的摄像装置中的像素的结构示例和驱动示例的电路图(编号2)。

图21是示出根据本发明第四实施例的摄像装置中的像素的结构示例和驱动示例的电路图(编号3)。

图22是示出根据本发明第四实施例的摄像装置中的像素的结构示例和驱动示例的电路图(编号4)。

图23是示出根据本发明的第五实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。

图24a是示出根据本发明第五实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图24b是示出根据本发明第五实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图25是示出根据本发明第六实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。

图26a是示出根据本发明第六实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图26b是示出根据本发明第六实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图27a是示出像素的光入射角度特性的图。

图27b是示出像素的光入射角度特性的图。

图28a是示出根据本发明第六实施例的变形例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图28b是示出根据本发明第六实施例的变形例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图29是示出根据本发明第七实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。

图30a是示出根据本发明第七实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图30b是示出根据本发明第七实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。

图31a是示出根据本发明第七实施例的摄像装置中当孔径光阑的状态改变时入射到光电二极管上的光束的变化的示意图。

图31b是示出根据本发明第七实施例的摄像装置中当孔径光阑的状态改变时入射到光电二极管上的光束的变化的示意图。

图32是示出根据本发明第七实施例的摄像装置中当孔径光阑的状态改变时入射到光电二极管上的光束的变化的平面图。

图33a是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图33b是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图33c是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图34a是示出像素的光入射角度特性的图。

图34b是示出像素的光入射角度特性的图。

图35a是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图35b是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图36a是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的配置的示例的图。

图36b是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的配置的示例的图。

图36c是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的配置的示例的图。

图37a是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的图。

图37b是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的图。

图37c是示出根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的图。

图38a是示出根据本发明第九实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的图。

图38b是示出根据本发明第九实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的图。

图39a是示出根据本发明第九实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的图。

图39b是示出根据本发明第九实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的图。

图40是示出根据本发明第十实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的图。

图41是与根据本发明第十实施例的摄像装置中的像素内的杂质浓度有关的图。

图42a是示出根据本发明第十一实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图42b是示出根据本发明第十一实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图42c是示出根据本发明第十一实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图43是与向根据本发明第十二实施例的摄像装置中的像素的电压供给有关的图。

图44a是示出根据本发明的第十三实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图44b是示出根据本发明第十三实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

图44c是示出根据本发明第十三实施例的摄像装置中的像素的构造的示例的图。

具体实施方式

第一实施例

将参考图1至图13来说明根据本发明第一实施例的摄像装置及其驱动方法。

首先，将参考图1和图2来说明根据本实施例的摄像装置100的总体结构。图1是示出根据本实施例的摄像装置的总体结构的框图。图2是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的结构的示例的电路图。

如图1所示，根据本实施例的摄像装置100包括像素区域10、定时生成电路(tg)20、垂直扫描电路30、水平扫描电路40和输出单元50。

在像素区域10中，设置有呈矩阵配置在多个行和多个列上的多个像素12。尽管图1示出按四行乘以八列配置的32个像素12，但实际上，配置有数百万至数千万个像素12以获得高分辨率图像。在图1中，对于附图标记为“12(p,q)”，向像素12赋予具有表示行编号p和列编号q的坐标的编号12。例如，“12(2,5)”表示位于第二行第五列的像素12。

在像素区域10的各行中设置有沿第一方向(图1中的x方向)延伸的控制线。各行的控制线连接至沿第一方向配置的各个像素12，并且用作这些像素12的共同信号线。控制线延伸的第一方向可被称为“行方向”或“水平方向”。各行的控制线连接至垂直扫描电路30。垂直扫描电路30是将用于以行为单位选择要被读出的信号的像素12的行选择信号输出至各行的控制线的电路单元。另外，像素12连接至定时生成电路20，并且该结构使得可以将预定控制信号(使能信号pen_a和pen_b、以及复位信号pres)从定时生成电路20供给至像素12。

在像素区域10的各列中设置有沿与第一方向相交的第二方向(图1中的y方向)延伸的垂直信号线vl。垂直信号线vl用作沿第二方向配置的像素12的共同信号线。垂直信号线vl延伸的第二方向可被称为“列方向”或“垂直方向”。注意，在图1中，垂直信号线vl由添加了列编号q的附图标记“vlq”表示。例如，第四列的垂直信号线vl被赋予附图标记“vl4”。

水平扫描电路40是将选择用以输出像素信号的垂直信号线vl的选择信号供给至水平信号线hl的电路单元。输出单元50是用于将从水平扫描电路40所选择的垂直信号线vl输出的像素信号作为输出信号out输出至摄像装置的外部的电路单元。定时生成电路20连接至垂直扫描电路30和水平扫描电路40这两者，并且供给用于控制垂直扫描电路30和水平扫描电路40的操作及其定时的控制信号。

如图2所示，各个像素12包括光电二极管pd_a和pd_b、电阻器r_a和r_b、反相电路inv_a和inv_b、以及计数电路cnt_a和cnt_b。光电二极管pd_a和pd_b构成像素12的受光单元。电阻器r_a和r_b构成淬灭电路。反相电路inv_a和inv_b构成波形形成单元。计数电路cnt_a和cnt_b构成像素12的计数单元。

从电压供给单元(未示出)将负电压(例如，-20v)作为驱动电压供给至光电二极管pd_a的阳极。电阻器r_a的一个端子连接至光电二极管pd_a的阴极。从电压供给单元(未示出)将正电压(vdda；例如，3v)作为驱动电压供给至电阻器r_a的另一端子。反相电路inv_a的输入端子连接至光电二极管pd_a和电阻器r_a之间的连接节点。计数电路cnt_a连接至反相电路inv_a的输出端子。从定时生成电路20将使能信号pen_a和复位信号pres供给至计数电路cnt_a。计数电路cnt_a的输出用作像素12的一个输出。

同样，从电压供给单元(未示出)将负电压(例如，-20v)作为驱动电压供给至光电二极管pd_b的阳极。电阻器r_b的一个端子连接至光电二极管pd_b的阴极。从电压供给单元(未示出)将正电压(vdda；例如，3v)作为驱动电压供给至电阻器r_b的另一端子。反相电路inv_b的输入端子连接至光电二极管pd_b和电阻器r_b之间的连接节点。计数电路cnt_b连接至反相电路inv_b的输出端子。从定时生成电路20将使能信号pen_b和复位信号pres供给至计数电路cnt_b。计数电路cnt_b的输出用作像素12的另一输出。

接着，将参考图1和图2来说明根据本实施例的摄像装置100的操作的概述。

将大小大于或等于击穿电压的反向偏置电压经由用作淬灭电路的电阻器r_a施加到光电二极管pd_a。通过将如此大的反向偏置电压施加到光电二极管pd_a，可以使通过对入射到光电二极管pd_a上的单个光子进行光电转换所产生的单个电子雪崩倍增。当由于雪崩倍增而导致电流在光电二极管pd_a中流动时，光电二极管pd_a的阳极电位降至接近阴极的电位(-20v)。然而，通过设置用作淬灭电路的电阻器r_a，可以用给定的时间常数来抵消该电流(称为“盖革(geiger)模式操作”)。一旦在电阻器r_a中没有电流流动，光电二极管pd_a的阴极的电位就返回到电压vdda(3v)。换句话说，由通过对单个光子进行光电转换所产生的单个电子产生单个电压脉冲。通过重复该操作，输出与入射的光子的数量相对应的数量的电压脉冲。

反相电路inv_a是用于对上述电压脉冲进行整形的缓冲器。计数电路cnt_a是用于对由反相电路inv_a整形后的电压脉冲的数量进行计数的计数器。计数电路cnt_a包括用于从定时生成电路20接收使能信号pen_a的使能端子en_a和用于从定时生成电路20接收复位信号pres的复位端子res。例如，通过在使用使能信号pen_a已将计数电路cnt_a置于启用状态的状态下、解除由复位信号pres实现的复位状态，可以在该时间点开始利用计数电路cnt_a的电压脉冲的计数。另外，通过在不同的定时使用使能信号pen_a将计数电路cnt_a置于禁用状态，可以保持直到该时间点为止计数得到的计数值。换言之，定时生成电路20将用于拍摄图像的累积时间段的开始定时和结束定时供给至摄像装置100中的各像素12。计数电路cnt_a在预定计数时间段期间计数得到的计数值与根据受光量而产生的电压脉冲的数量成比例，因此等于从ad转换获得的值。

尽管这里没有说明，但光电二极管pd_b、电阻器r_b、反相电路inv_b和计数电路cnt_b的操作与光电二极管pd_a、电阻器r_a、反相电路inv_a和计数电路cnt_a的操作相同。

在经过了预定累积时间段之后，将各像素12中的计数电路cnt_a和cnt_b计数得到的计数值通过输出单元50输出至摄像装置100的外部。垂直扫描电路30在基于来自定时生成电路20的控制信号的预定定时，将行选择信号输出至所指定的行中的控制线。属于所选择的行的像素12将计数电路cnt_a和cnt_b的计数值输出至与这些像素12相对应的列中的垂直信号线vl。水平扫描电路40按从第0列到第7列的顺序，选择属于所选择的行的像素12的计数值被输出至的垂直信号线vl，并且将该计数值从所选择的垂直信号线vl输出至水平信号线hl。输出单元50将输出至水平信号线hl的计数值转换成诸如lvds(低电压差分信号)等的预定串行传送格式，并且将结果作为输出信号out输出。可以通过从第0行到第3行重复这些操作来输出来自所有像素12中的计数电路cnt_a和cnt_b的计数值。

以这种方式，根据本实施例的摄像装置中的各像素12输出表示基于入射到光电二极管pd_a上的光子的数量的计数值的信号和表示基于入射到光电二极管pd_b上的光子的数量的计数值的信号。在从单个像素12获得两个信号的情况下，可以分别进行来自一个像素12的信号中的一个信号的读出和另一信号的读出。在这种情况下，该结构可以使得按两个水平同步时间段的间隔顺次选择行。

对于单个像素12，可以使用表示基于入射到光电二极管pd_a上的光子的数量的计数值的信号和表示基于入射到光电二极管pd_b上的光子的数量的计数值的信号作为相位差检测用的信号。在这种情况下，光电二极管pd_a和pd_b可以布置在共同的微透镜的下方，使得穿过摄像光学系统的不同光瞳区域的光入射到光电二极管pd_a和光电二极管pd_b上。可以使用通过将表示基于入射到光电二极管pd_a上的光子的数量的计数值的信号与表示基于入射到光电二极管pd_b上的光子的数量的计数值的信号相加所获得的信号作为用于拍摄图像的信号。这些信号的相加可以由图像处理单元(未示出)来进行。

根据本实施例，在摄像装置100中可以有利地使用背面照射型构造。在这种情况下，设置有计数电路等的单独基板堆叠在设置有光电二极管的基板上的、与该基板的光入射面相反的面上。可以将诸如使能信号pen_a和pen_b等的控制信号通过例如单独基板中所设置的tsv(硅通孔)供给至与光入射面相反的面。

接着，将参考图3至图7b来进一步详细说明根据本实施例的摄像装置100的光电二极管pd_a和pd_b的构造。图3是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。图3示出单个像素12中的两个光电二极管、即光电二极管pd_a和光电二极管pd_b。图4至图6是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。图4是与包含图3中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图5是与包含图3中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图6是与包含图3中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。注意，图3是沿着图4、图5和图6中的线a-a’所截取的截面图。图7a和图7b是示出像素的光入射角度特性的图。

如图3所示，像素12的光电二极管pd_a和光电二极管pd_b设置在具有第一面102和在其相反侧的第二面103的半导体基板101中。在半导体基板101的第一面102侧的表面部中设置有构成光电二极管pd_a的阴极的高浓度(n+)的n型半导体区域104a。另外，在半导体基板101的第一面102侧的表面部中，以在x方向上与n型半导体区域104a分离的方式设置有构成光电二极管pd_b的阴极的高浓度(n+)的n型半导体区域104b。此外，在第一面102侧的表面部上设置有被布置成包围n型半导体区域104a的侧面的低浓度(n-)的n型半导体区域105a和被布置成包围n型半导体区域104b的侧面的低浓度(n-)的n型半导体区域105b。n型半导体区域105a和105b被设置到从半导体基板101的第一面102起的、比n型半导体区域104a和104b的底部更深的位置。

另外，如图3和图4所示，在半导体基板101的第一面102侧的表面部中，以包围n型半导体区域105a和105b的侧面的方式设置有构成光电二极管pd_a和pd_b的阳极的p型半导体区域106。p型半导体区域106设置在n型半导体区域104a和105a与n型半导体区域104b和105b之间，并且具有使这些区域组彼此电气隔离的功能。具体地，p型半导体区域106具有防止在采用n型半导体区域104a作为阴极的光电二极管pd_a以盖革模式工作时出现的电位变化传输到n型半导体区域104b的功能。此外，p型半导体区域106具有防止在采用n型半导体区域104b作为阴极的光电二极管pd_b以盖革模式工作时出现电位变化传输到n型半导体区域104a的功能。为此，p型半导体区域106被设置在半导体基板101中的至少比n型半导体区域105a和105b更深的位置。

如图3至图5所示，在当在平面图中观看时、n型半导体区域104a和n型半导体区域104b彼此相对的区域中，p型半导体区域106从n型半导体区域105a和105b的侧面起并且遍及其底部地延伸。为了简单起见，在以下说明中，沿着n型半导体区域105a和105b的底部延伸的p型半导体区域106的一部分可被称为“p型半导体区域106a”。

如图3所示，p型半导体区域106a与n型半导体区域104a和104b分离了基于n型半导体区域104a和104b的深度与n型半导体区域105a和105b的深度之间的差的预定间隙。此外，如图4和图5所示，当在平面图中观看时，p型半导体区域106a是遍及在n型半导体区域104a和n型半导体区域104b之间的整个区域而设置的。换言之，当在平面图中观看时，p型半导体区域106a在n型半导体区域104a和n型半导体区域104b之间连续地延伸。就p型半导体区域106a与n型半导体区域105a和105b的关系而言，p型半导体区域106a被设置成覆盖n型半导体区域105a和105b的底部中的、在n型半导体区域104a和n型半导体区域104b之间的区域。

如图3至图6所示，位于同与相邻像素的边界相对应的部分的p型半导体区域106沿着n型半导体区域105a和105b的侧面延伸到半导体基板101的第二面103侧，并且沿着第二面103的表面部延伸。p型半导体区域106可用作用于分离相邻像素的分离部。

n型半导体区域105a和105b设置在p型半导体区域106与n型半导体区域104a和104b中的每个之间，并且用作保护环。换言之，n型半导体区域105a和105b由杂质浓度与n型半导体区域104a和104b相比更低的半导体区域构成，这样削弱了p型半导体区域106与n型半导体区域104a和104b之间的电场并且防止了边缘击穿。

如图3和图6所示，在半导体基板101的深部分中设置有电连接至n型半导体区域104a和104b的n型半导体区域107。n型半导体区域107在其第二面103侧和侧面部与p型半导体区域106接触，并且与p型半导体区域106形成接合面。此外，n型半导体区域107在其第一面102侧与p型半导体区域106a接触，并且与p型半导体区域106a形成接合面。n型半导体区域107用作光电二极管pd_a和光电二极管pd_b的受光区域的一部分。n型半导体区域107通常由杂质浓度与n型半导体区域104a、104b、105a和105b相比更低的半导体区域(n--)构成。设置有n型半导体区域107的区域是在摄像装置正被驱动时耗尽的区域。该区域不是绝对需要由n型半导体区域构成，而是可以由低浓度的p型半导体区域构成。

此外，在半导体基板101的第二面103上设置有微透镜120，该微透镜120用于使已由摄像光学系统(未示出)形成为图像的光会聚在光电二极管pd_a和光电二极管_b上。单个像素12包括用于两个光电二极管pd_a和pd_b的单个微透镜120，并且该结构使得穿过摄像光学系统的不同光瞳区域的光入射到光电二极管pd_a和光电二极管pd_b上。结果，可以获得相对于预定方向具有视差的一对图像。

微透镜120的光轴与像素12的平面图中的受光单元的中心基本上一致。期望构成光电二极管pd_a的n型半导体区域104a和构成光电二极管pd_b的n型半导体区域104b是在平面图中以像素12的受光单元的中心位于这两者之间的方式布置成彼此相邻的。

在半导体基板101中，构成单个像素12的光电二极管pd_a和pd_b以及微透镜120呈二维矩阵布置。此时，如前面所述，在图3中位于侧面部的p型半导体区域106用作用于分离相邻像素12的分离部。

注意，在图3至图6所示的示例中，从使用p型半导体区域106分离相邻像素12的角度来看，p型半导体区域106沿着n型半导体区域105a和105b的侧面延伸至半导体基板101的第二面103侧。然而，在本发明中，使用p型半导体区域106限定像素12之间的空间不是必需的结构。

由微透镜120会聚入射光电二极管pd_a和pd_b上的光，因此入射到与一个像素12相邻的像素上的光将泄漏到该一个像素12的光电二极管pd_a和pd_b的概率极低。此外，利用根据本实施例的摄像装置100，如后面将说明的，n型半导体区域104a和105a之间的检测效率提高。如此，在经过了盖革模式操作的像素12之间将出现相对极低量的混色。因此，p型半导体区域106不是绝对必须设置在像素12之间。

然而，在诸如利用拜耳滤色器配置等的、相邻像素具有不同光谱特性的摄像装置中，即使像素之间的轻微混色也经常导致图像质量下降，因此像素12由p型半导体区域106分离的结构是有利的。在这种情况下，滤色器可以布置在半导体基板101和微透镜120之间。

经由布置在半导体基板101的第一面102侧的接触电极(未示出)向p型半导体区域106施加大的负电压(例如，-20v)。经由用作猝灭电路的电阻器r_a、以及布置在半导体基板101的第一面102侧的接触电极(未示出)等向n型半导体区域104a施加正电压(电压vdda；例如，3v)。此外，经由用作猝灭电路的电阻器r_b、以及布置在半导体基板101的第一面102侧的接触电极(未示出)等向n型半导体区域104b施加正电压(电压vdda；例如，3v)。这扩大了p型半导体区域106和106a与n型半导体区域107之间的pn结的耗尽区域，并且利用入射到该耗尽区域上的光子的激发来产生电子-空穴对。

在以这种方式生成的载流子中，空穴由于电场漂移而收集在p型半导体区域106中，并且被排出到摄像装置100的外部。另一方面，所生成的载流子的电子由于电场漂移而分散在n型半导体区域107内，并且收集在n型半导体区域104a或n型半导体区域104b中。在该过程中，电子在p型半导体区域106a与n型半导体区域104a和104b之间的距离短的高电场区域108中引起雪崩倍增，并且作为结果所产生的许多电子收集在n型半导体区域104a或n型半导体区域104b中。因此，高电场区域108也可被称为雪崩倍增区域。

如前面所述，p型半导体区域106a在n型半导体区域104a和n型半导体区域104b之间连续地延伸，并且具有与n型半导体区域107的接合面。这促进了在耗尽区域中产生的电子沿n型半导体区域104a和104b的方向漂移，从而使得可以在电子由于再结合而消失之前，在高电场区域108中引起雪崩倍增。

换言之，由法向地入射到n型半导体区域104a和n型半导体区域104b之间的中间区域上的光子产生的电子在n型半导体区域104a和p型半导体区域106之间的高电场区域108中引起雪崩倍增的概率为50％。其余50％的概率是电子在n型半导体区域104b和p型半导体区域106之间的高电场区域108中引起雪崩倍增的概率。这使得可以大幅提高光子检测效率。

结果，根据本实施例的摄像装置例如可以实现诸如图7a所示的光入射角度特性等的光入射角度特性。在图7a和图7b中，点线表示相对于光入射角度(横轴)的计数电路cnt_a的计数值，点划线表示相对于光入射角度(横轴)的计数电路cnt_b的计数值，并且实线表示这两者的总和。上述检测效率除了影响受光效率之外，还影响输出值。此外，光入射角度0°对应于法向地入射的光子。

如图7a中的实线所示，光入射角度特性具有在入射角度0°处达到峰值且在该峰值附近没有拐点的形状。因此，点光源的散景的形状是亮度在中心处最高的正圆。这是由图7a所示的光入射角度特性作为点扩散函数(psf)传播引起的现象，并且甚至在除点光源以外的被摄体中，也再现了在摄影表现方面通常可取的具有柔和亮度的散景。

另一方面，由入射到比中心离n型半导体区域104a和n型半导体区域104b中的任一者更近的受光区域上的光子产生的电子将在离光子入射的区域更近的高电场区域108中引起雪崩倍增。因此，可以提高基于光电二极管pd_a所检测到的光子的信号与基于光电二极管pd_b所检测到的光子的信号之间的分离特性。如图7a和图7b中的点线和点划线所示，这出现在相位差检测中所使用的光瞳分离特性中。

专利文献2描述了用于在将单个像素的光电转换单元分割成多个部分的情况下、使用在构成光电转换单元的第一导电型的第一半导体区域和第二导电型的第二半导体区域之间施加的反向偏置电压来耗尽第一半导体区域的条件。当从该分割获得的多个第一半导体区域被完全耗尽时，耗尽区域彼此接触，这被描述为在相加并输出来自分割后的光电转换单元的信号的摄像期间提供良好的光入射角度特性。然而，在经由淬灭电路在第一半导体区域和第二半导体区域之间施加大于或等于击穿电压的反向偏置电压、以作为spad在盖革模式下工作的情况下，不能实现与在不对光电转换单元进行分割的情况下实现的散景相同的散景。

这是因为，为了在盖革模式操作期间实现感光度，不仅需要使光电转换单元的受光率接近1，而且还需要使能够使通过对光子进行光电转换所获得的单个电子雪崩倍增的概率(即，检测效率)接近1。特别是，高电场很难作用于在多个光电转换单元之间的区域中产生的电子，这导致检测效率下降。当结果在光入射角度特性的峰值附近出现拐点时，例如，相对于摄像光学系统的焦点发生偏移的点光源的中心亮度将下降并作为环形状出现，并且不能实现与在不对光电转换单元进行分割的情况下实现的散景相同的散景。

图7b示出假定针对法向地入射到像素12的中心上的光子的检测效率已降至低于100％的情况下的光入射角度特性作为比较例。这些特性具有存在在入射角度0°附近输出下降的拐点的形状，因而使这些特性作为psf传播的点光源的散景的形状将被再现为中心亮度降低的环形状。这在摄影表现方面通常是不可取的。

以这种方式，在根据本实施例的摄像装置100中，可以通过使用基于光电二极管pd_a的输出的信号和基于光电二极管pd_b的输出的信号来进行使用相位差检测方法的焦点检测。此外，当使用通过将基于光电二极管pd_a的输出的信号和基于光电二极管pd_b的输出的信号相加所获得的信号来生成图像时，可以实现与不进行光瞳分割的情况下实现的散景相同的散景。

尽管图3至图6所示的布局是沿着图1中的x方向(即，沿着水平方向(行方向))的光瞳分割的情况的示例，但光瞳分割的方向不是绝对必须是水平方向。将参考图8a至图11来说明在与至此为止所述的水平方向不同的方向上进行的光瞳分割的情况的示例。图8a至图11是示出根据本实施例的变形例的摄像装置的构造的平面图。

图8a和图8b是在沿着图1中的y方向(即，沿着垂直方向(列方向))进行光瞳分割的情况下的布局的示例。图8a是与包含图3中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图8b是与包含图3中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。注意，沿着图8a和图8b中的线a-a’的截面图与图3中的相同。此外，与包含图3中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图6相同。

图9a和图9b是在沿着右下对角线方向进行光瞳分割的情况下的布局的示例。图9a是与包含图3中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图9b是与包含图3中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。注意，沿着图9a和图9b中的a-a’线的截面图与图3中的相同。此外，与包含图3中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图6相同。

图10a和图10b是在沿着左下对角线方向进行光瞳分割的情况下的布局的示例。图10a是与包含图3中的线b-b’的半导体基板101的表面的平面平行的平面图。图10b是与包含图3中的线c-c’的半导体基板101的表面的平面平行的平面图。注意，沿着图10a和图10b中的a-a’线的截面图与图3中的相同。此外，与包含图3中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图6相同。

通过在图1所示的像素配置内布置具有不同光瞳分割方向的像素12，可以实现不同方向上的光瞳分割，因而该光瞳分割可用在焦点检测中。图11是使用在右下对角线方向上进行了光瞳分割的像素12(图9a和图9b)和在左下对角线方向上进行了光瞳分割的像素12(图10a和图10b)的像素配置的示例。这里，使用与包括图3中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图来示出像素配置，使得可以看到光瞳分割方向。在图11中，在拜耳模式像素配置中，在右下对角线方向上进行光瞳分割后的像素12和在左下对角线方向进行光瞳分割后的像素12布置在各自为两行的交替组中。添加至图11中的像素12的字母r、g和b表示针对这些像素设置了红色、绿色或蓝色滤色器。通过使用这样的配置，可以在由于镜头框而产生孔径渐晕的画面的周边区域中选择能够实现较长基线长度的光瞳分割方向，并且这使得可以实现高精度的焦点检测。

作为像素配置的另一示例，可以给出如下的结构：在如图5至图7b所示的在水平方向上进行光瞳分割后的像素12被配置于的区域的一部分中，布置有如图8a和8b所示的在垂直方向上进行光瞳分割后的像素12。这样做使得可以针对具有纵线和横线这两者的被摄体实现焦点检测。

注意，光瞳分割方向不限于本实施例中所述的四个分割方向。此外，使用具有不同光瞳分割方向的像素来配置像素配置的方法不限于本实施例中所述的方法。

接着，将参考图12和图13来说明根据本实施例的摄像装置及其驱动方法。图12和图13是示出根据本实施例的摄像装置的驱动方法的时序图。

尽管没有特别局限于此，但根据本实施例的摄像装置可以以例如图12所示的第一驱动模式和图13所示的第二驱动模式工作。

图12是表示获得相位差检测信号的第一驱动模式的时序图的示例。将正电压(例如，3v)作为电压vdda和电压vddb这两者施加到各像素12，这样在高电场区域108中引起雪崩倍增并且将像素置于像素可以以盖革模式工作的状态。

在时刻t1200，定时生成电路20将复位信号pres置于低电平(lo)，以解除计数电路cnt_a和计数电路cnt_b的复位状态。此时，如果使能信号pen_a为高电平(hi)，则计数电路cnt_a对在光电二极管pd_a中出现的由于盖革模式操作而产生的电压脉冲的数量进行计数。同样，如果使能信号pen_b为高电平(hi)，则计数电路cnt_b对在光电二极管pd_b中出现的由于盖革模式操作而产生的电压脉冲的数量进行计数。计数电路cnt_a和cnt_b对电压脉冲的数量进行计数，直到在时刻t1201、定时生成电路20将使能信号pen_a和pen_b设置为lo为止(上述的计数时间段)。

接着，从时刻t1201起，读出由像素12的计数电路cnt_a和cnt_b计数得到的计数值。首先，在时刻t1201，垂直扫描信号变为hi，并且选择第0行。接着，水平扫描电路40将水平扫描信号顺次供给至各行，直到在时刻t1202、垂直扫描信号再次改变极性并且选择第一行为止，并且经由水平信号线hl顺次读出从第0行的第0列至第七列的8个像素12的计数值。在图13中，水平扫描信号将极性变化重复相当于像素12的数量的两倍的16次，以读出与像素12中的计数电路cnt_a和cnt_b相对应的16的计数值。接着，从时刻t1202起，以与上述第0行的读出相同的方式对第一行到第三行进行读出。

通过使用图像处理单元(未示出)对作为相位差检测信号已读出的计数电路cnt_a的计数值和计数电路cnt_b的计数值进行相加，可以获得摄像信号。然而，在诸如除了设置有本实施例的摄像装置之外还设置有专用的自动调焦传感器的情况等的、仅从摄像装置100读出摄像信号就足够的情况下，作为代替，可以执行诸如以下所述的驱动方法等的不同的驱动方法。

图13是表示仅获得摄像信号的第二驱动模式的时序图的示例。该时序图与图12中的时序图的不同之处在于，电压vddb处于浮动状态，使得光电二极管pd_b以非盖革模式工作，并且相应的计数电路cnt_b的使能信号pen_b处于lo。因此，仅光电二极管pd_a以盖革模式工作，因而摄像信号从雪崩倍增阶段集中到一侧，并且由计数电路cnt_a进行计数。

即使与第二驱动模式中的从时刻t1300到时刻t1301的时间段相对应的计数时间段是与第一驱动模式中的从时刻t1200到时刻t1201的时间段相同的长度，所读出的计数值的数量是在第一驱动模式中读出的数量的一半也足够了。因此，从时刻t1301起的各行的读出时间段是第一驱动模式中的该读出时间段的一半的长度。

当电压vddb处于浮动状态时，在光电二极管pd_b中，n型半导体区域104b处于非复位状态。如此，光电二极管pd_b处于在先前帧中产生的电子和由暗电流产生的电子等满足的平衡状态，并且作为新的漂移的结果，在受光区域中产生的电子不再能够移动。因此，在受光区域中产生的所有新电子都漂移到光电二极管pd_a的n型半导体区域104a并且促成了雪崩倍增，从而使得可以使摄像信号集中。

注意，如果结构使得以行为单位设置电压vddb，则将电压vddb在特定行中设置为3v并且在其它行中设置为浮动状态，这使得可以进行局限于某些行的相位差检测。例如，在主要被摄体经常存在于的图像的中央部(例如，第一行和第二行)进行相位差检测、并且在其它区域中获得摄像信号，这使得可以既缩短读出时间段又获得相位差检测信号。可选地，以与在将相位差检测局限于特定行中的像素时相同的方式，可以将相位差检测局限于特定列中的像素。

此外，在第二驱动模式中，期望将施加到光电二极管pd_a的阳极的电压与电压vdda之间的电位差设置为比在第一驱动模式中设置的值高的值。这是因为，这样做使得可以在使得受光区域中产生的电子漂移到n型半导体区域104a时、从受光区域的更宽范围收集电子。结果可以消除针对法向入射光子的检测效率的损失，并且可以实现与在不对光电转换单元进行分割的情况下实现的散景相同的散景。

以这种方式，根据本实施例，在使用spad的摄像装置中，可以进行使用相位差检测方法的焦点检测，并且可以实现与在拍摄图像时不对光瞳进行分割的情况下获得的散景相同的散景。

第二实施例

将参考图14至图15b来说明根据本发明第二实施例的摄像装置。与根据第一实施例的摄像装置中相同的构成元件将被赋予相同的附图标记，并且将省略或简化对这些构成元件的说明。

图14是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。图14示出单个像素12中的光电二极管pd_a和光电二极管pd_b的构造。图15a和图15b是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。图15a是与包含图14中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图15b是与包含图14中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。与包含图14中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图6所示的根据第一实施例的摄像装置中的相同。注意，图14是沿着图15a和图15b中的线a-a’所截取的截面图。

如图14所示，除了p型半导体区域106a的平面布局以外，根据本实施例的摄像装置与根据第一实施例的摄像装置相同。也就是说，在根据本实施例的摄像装置中，p型半导体区域106a不仅设置在n型半导体区域104a和n型半导体区域104b之间的区域中，而且还被设置成覆盖n型半导体区域105a和105b的整个底部。如图15b所示，当在设置有p型半导体区域106a的深度处的平面图中观看时，除了与n型半导体区域104a和104b重叠的区域以外，p型半导体区域106a在平面图中是遍及整个面设置的。

通过以这种方式布置p型半导体区域106a，p型半导体区域106与n型半导体区域104a和104b之间的高电场区域108是在沿着当在平面图中观看时的n型半导体区域104a和104b的外周的形状的环状区域中形成的。因此，在离微透镜120近但离n型半导体区域104a和104b远的受光区域中通过光电转换所产生的电子也可以可靠地传导到高电场区域108，并且使得促成了雪崩倍增。这抑制了在具有背面照射型构造的摄像装置中拍摄短波长光的图像时的感光度下降，并且使得可以实现与在不对光电转换单元进行光瞳分割的情况下实现的散景相同的散景。

注意，在本实施例中，如图15a所示，n型半导体区域104a和104b当在平面图中观看时为圆形形状。这是因为，在抑制由于在p型半导体区域106与n型半导体区域104a和104b之间起作用的电场变得均匀且局部集中而引起的边缘击穿方面，圆形形状是最有利的。在诸如在实际使用状态下将不会产生局部电场集中等的情形中，n型半导体区域104a和104b当在平面图中观看时不一定绝对必需为圆形形状。此外，p型半导体区域106a当在平面图中观看时不一定绝对必需设置成遍及n型半导体区域104a和104b的整个外周。这同样也适用于第一实施例。

以这种方式，根据本实施例，在使用spad的摄像装置中，可以进行使用相位差检测方法的焦点检测，并且可以实现与在拍摄图像时不对光瞳进行分割的情况下获得的散景相同的散景。

第三实施例

将参考图16和图17来说明根据本发明第三实施例的摄像装置。与根据第一实施例和第二实施例的摄像装置中相同的构成元件将被赋予相同的附图标记，并且将省略或简化对这些构成元件的说明。

图16是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。图16示出单个像素12中的光电二极管pd_a和光电二极管pd_b的构造。图17是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。图17是与包含图16中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。与包含图16中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图和与包含图16中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图15a和图15b所示的根据第二实施例的摄像装置中的相同。注意，图16是沿着图17中的线a-a’所截取的截面图。

如图16所示，在根据本实施例的摄像装置中，将根据第二实施例的摄像装置中的n型半导体区域107分割成连接至n型半导体区域104a的n型半导体区域107a和连接至n型半导体区域104b的n型半导体区域107b。n型半导体区域107a和n型半导体区域107b由设置在这两者之间的p型半导体区域110电气分离，其中p型半导体区域110与p型半导体区域106相比具有更低(p-)的杂质浓度。如图16和图17所示，p型半导体区域110在半导体基板101的第一面102侧连接至p型半导体区域106a，并且在半导体基板101的第二面侧和侧面侧连接至p型半导体区域106。摄像装置在其它方面与根据第二实施例的摄像装置相同。

p型半导体区域110与p型半导体区域106相比具有更低的浓度，并且不会产生足够强而导致与n型半导体区域107引起雪崩倍增的电场。然而，通过设置p型半导体区域110，也可以更可靠地使得在离微透镜120近但离n型半导体区域104a和104b远的受光区域中通过光电转换产生的电子朝向n型半导体区域104a和104b漂移。这使得可以当在具有背面照射型构造的摄像装置中拍摄短波长光的图像时，实现与在不对光电转换单元进行光瞳分割的情况下实现的散景相同的散景。

以这种方式，根据本实施例，在使用spad的摄像装置中，可以进行使用相位差检测方法的焦点检测，并且可以实现与在拍摄图像时不对光瞳进行分割的情况下获得的散景相同的散景。

第四实施例

将参考图18a至图22来说明根据本发明第四实施例的摄像装置。与根据第一实施例至第三实施例的摄像装置中相同的构成元件将被赋予相同的附图标记，并且将省略或简化对这些构成元件的说明。

本实施例将说明单个像素12包括在两个方向上进行光瞳分割的四个光电二极管的摄像装置、以及用于该装置的驱动方法。

首先，将参考图18a和图18b来说明根据本实施例的摄像装置的构造。图18a和图18b是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。图18a是与包含图14中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图18b是与包含图14中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。与包含图14中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图6所示的根据第一实施例的摄像装置中的相同。注意，由于图18a和图18b中的根据本实施例的摄像装置的线a-a’截面图与图14所示的根据第二实施例的摄像装置的线a-a’截面图相同，因此这里未示出这些截面图。

如图18a和图18b所示，以与根据第二实施例的摄像装置相同的方式，根据本实施例的摄像装置包括采用n型半导体区域104a作为阴极的光电二极管pd_a和采用n型半导体区域104b作为阴极的光电二极管pd_b。根据本实施例的摄像装置还包括采用n型半导体区域104c作为阴极的光电二极管pd_c和采用n型半导体区域104d作为阴极的光电二极管pd_d。光电二极管pd_a和光电二极管pd_b是以在x方向上彼此相邻的方式布置的。光电二极管pd_c和光电二极管pd_d是以在x方向上彼此相邻的方式布置的。此外，光电二极管pd_a和光电二极管pd_c是以在y方向上彼此相邻的方式布置的。同样，光电二极管pd_b和光电二极管pd_d是以在y方向上彼此相邻的方式布置的。相邻光电二极管之间的构造与第二实施例中的光电二极管pd_a和光电二极管pd_b之间的构造相同。

构成光电二极管pd_a的n型半导体区域104a和构成光电二极管pd_d的n型半导体区域104d在平面图中以受光单元的中心位于这两者之间的方式布置成在第一方向上彼此相邻。同样，构成光电二极管pd_b的n型半导体区域104b和构成光电二极管pd_c的n型半导体区域104c在平面图中以受光单元的中心位于这两者之间的方式布置成在与第一方向垂直的第二方向上彼此相邻的方式布置的。

利用根据本实施例的摄像装置，如以下将说明的，可以通过适当地选择用以输出信号的光电二极管以及这些光电二极管的组合来切换光瞳分割方向。

图19至图22是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的结构示例和驱动示例的电路图。在图19至图21中，电路结构是相同的，而开关的控制是不同的。图22示出与图19至图21不同的电路结构。

从电压供给单元(未示出)将负电压(例如，-20v)供给至光电二极管pd_a、pd_b、pd_c和pd_d的阳极。电阻器r_a的一个端子连接至光电二极管pd_a的阴极。从电压供给单元(未示出)将正电压(vdda；例如，3v)经由开关sw_vdda供给至电阻器r_a的另一端子。同样，电阻器r_b的一个端子连接至光电二极管pd_b的阴极。从电压供给单元(未示出)将正电压(vddb；例如，3v)经由开关sw_vddb供给至电阻器r_b的另一端子。此外，电阻器r_c的一个端子连接至光电二极管pd_c的阴极。从电压供给单元(未示出)将正电压(vddc；例如，3v)经由开关sw_vddc供给至电阻器r_c的另一端子。此外，电阻器r_d的一个端子连接至光电二极管pd_d的阴极。从电压供给单元(未示出)将正电压(vddd；例如，3v)经由开关sw_vddd供给至电阻器r_d的另一端子。

光电二极管pd_a和电阻器r_a之间的连接节点经由开关sw1_a连接至反相电路inv_1的输入端子，并且经由开关sw2_a连接至反相电路inv_2的输入端子。同样，光电二极管pd_b和电阻器r_b之间的连接节点经由开关sw1_b连接至反相电路inv_1的输入端子，并且经由开关sw2_b连接至反相电路inv_2的输入端子。此外，光电二极管pd_c和电阻器r_c之间的连接节点经由开关sw1_c连接至反相电路inv_1的输入端子，并且经由开关sw2_c连接至反相电路inv_2的输入端子。最后，光电二极管pd_d和电阻器r_d之间的连接节点经由开关sw1_d连接至反相电路inv_1的输入端子，并且经由开关sw2_d连接至反相电路inv_2的输入端子。

计数电路cnt_1连接至反相电路inv_1的输出端子。从定时生成电路20将使能信号pen_1和复位信号pres供给至计数电路cnt_1。计数电路cnt_1的输出用作像素12的一个输出。同样，计数电路cnt_2连接至反相电路inv_2的输出端子。从定时生成电路20将使能信号pen_2和复位信号pres供给至计数电路cnt_2。计数电路cnt_2的输出用作像素12的另一输出。

开关sw_vdda、sw_vddb、sw_vddc和sw_vddd是选择以盖革模式工作的光电二极管pd_a、pd_b、pd_c和pd_d的开关。开关sw1_a、sw1_b、sw1_c和sw1_d是选择要由计数电路cnt_1进行计数的光电二极管的开关。开关sw2_a、sw2_b、sw2_c和sw2_d是选择要由计数电路cnt_2进行计数的光电二极管的开关。这些开关的操作和定时由定时生成电路20控制。

图19示出如下的驱动模式：在四个光电二极管pd_a、pd_b、pd_c和pd_d中，选择两个光电二极管pd_a和pd_d，并且将光瞳分割方向设置为与图9a和图9b所示的右下对角线方向相同的右下对角线方向。如图19所示，在该驱动模式中，开关sw_vdda、sw_vddd、sw1_a和sw2_d接通，并且其它开关被设置成断开。

在图19所示的驱动模式中，接通开关sw_vdda和开关sw_vddd将光电二极管pd_a和光电二极管pd_d设置成以盖革模式工作。此时，除了断开开关sw_vddb和开关sw_vddc之外，电阻器r_b和r_c的端子电压也可被箝位到-20v。响应开关sw1_a接通，计数电路cnt_1对从光电二极管pd_a获得的电压脉冲进行计数。同样，响应开关sw2_d接通，计数电路cnt_2对从光电二极管pd_d获得的电压脉冲进行计数。通过以这种方式切换开关，可以将光瞳分割方向设置成右下对角线方向。

图20示出如下的驱动模式：不仅进行计数的光电二极管pd_a和pd_d以盖革模式工作，而且不进行计数的光电二极管pd_b和pd_c也以盖革模式工作。在该驱动模式中，通过进一步将开关sw_vddb和sw_vddc设置成接通，不进行计数的光电二极管pd_b和pd_c也可以以盖革模式工作。在这种情况下，在光电二极管pd_b和pd_c的受光区域中产生的电子在光电二极管pd_b和pd_c中被雪崩倍增，因此不再发生电子偏移且在pd_a和pd_d中被雪崩倍增的情形。如此，与开关sw_vddb和sw_vddc设置为断开的情况相比，可以提高光电二极管pd_a和pd_d的分离特性，并且可以实现更长的基线长度。

图21示出利用单个计数电路对来自多个光电二极管的电压脉冲进行计数的驱动模式。在图21中，开关sw_vdda、sw_vddb、sw_vddc、sw_vddd、sw1_a、sw2_b、sw1_c和sw2_d接通，并且其它开关被设置为断开。在这种情况下，利用计数电路cnt_1对从光电二极管pd_a和光电二极管pd_c输出的电压脉冲进行计数，并且利用计数电路cnt_2对从光电二极管pd_b和光电二极管pd_d输出的电压脉冲进行计数。这样使得可以将光瞳分割方向设置为x方向。

图22示出针对单个光电二极管设置单个计数电路的结构。换言之，从电压供给单元(未示出)将负电压(例如，-20v)供给至光电二极管pd_a、pd_b、pd_c和pd_d的阳极。电阻器r_a的一个端子连接至光电二极管pd_a的阴极。从电压供给单元(未示出)将正电压(vdda；例如，3v)经由开关sw_vdda供给至电阻器r_a的另一端子。同样，电阻器r_b的一个端子连接至光电二极管pd_b的阴极。从电压供给单元(未示出)将正电压(vddb；例如，3v)经由开关sw_vddb供给至电阻器r_b的另一端子。此外，电阻器r_c的一个端子连接至光电二极管pd_c的阴极。从电压供给单元(未示出)将正电压(vddc；例如，3v)经由开关sw_vddc供给至电阻器r_c的另一端子。此外，电阻器r_d的一个端子连接至光电二极管pd_d的阴极端子。从电压供给单元(未示出)将正电压(vddd；例如，3v)经由开关sw_vddd供给至电阻器r_d的另一端子。

反相电路inv_1的输入端子连接至光电二极管pd_a和电阻器r_a之间的连接节点。计数电路cnt_1的输入端子连接至反相电路inv_1的输出端子。从定时生成电路20将使能信号pen_1和复位信号pres供给至计数电路cnt_1。同样，反相电路inv_2的输入端子连接至光电二极管pd_b和电阻器r_b之间的连接节点。反相电路inv_2的输出端子连接至计数电路cnt_2的输入端子。从定时生成电路20将使能信号pen_2和复位信号pres供给至计数电路cnt_2。反相电路inv_3的输入端子连接至光电二极管pd_c和电阻器r_c之间的连接节点。反相电路inv_3的输出端子连接至计数电路cnt_3的输入端子。从定时生成电路20将使能信号pen_3和复位信号pres供给至计数电路cnt_3。反相电路inv_4的输入端子连接至光电二极管pd_d和电阻器r_d之间的连接节点。反相电路inv_4的输出端子连接至计数电路cnt_4的输入端子。从定时生成电路20将使能信号pen_4和复位信号pres供给至计数电路cnt_4。

根据图22所示的电路结构，摄像装置中所设置的焦点检测信号生成单元(未示出)可以基于从计数电路获得的计数值来生成实现任何给定方向上的光瞳分割的焦点检测信号。

注意，除了图22所示的结构之外，还可以设置用作计数电路选择单元的开关以实现选择连接至计数电路的光电二极管的结构，其中利用单个计数电路对来自多个光电二极管的电压脉冲进行计数。

此外，在图19至图22所示的等效电路中示出的计数电路的数量不是绝对必须是两个或与光电二极管的数量相同。此外，该结构可以使得多个计数电路同时对来自多个光电二极管的不同组合的电压脉冲进行计数。

以这种方式，根据本实施例，在使用spad的摄像装置中，可以进行使用相位差检测方法的焦点检测，并且可以实现与在拍摄图像时不对光瞳进行分割的情况下获得的散景相同的散景。此外，可以将光瞳分割方向切换到任何期望方向。

第五实施例

将参考图23和图24b来说明根据本发明第五实施例的摄像装置。与根据第一实施例至第四实施例的摄像装置中相同的构成元件将被赋予相同的附图标记，并且将省略或简化对这些构成元件的说明。

图23是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。图24a和图24b是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。图24a是与包含图23中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图24b是与包含图23中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。与包含图24a和图24b中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图6所示的根据第一实施例的摄像装置中的相同。注意，图23是沿着图24a和图24b中的线a-a’所截取的截面图。

如图23至图24b所示，根据本实施例的摄像装置与根据第一实施例的摄像装置的不同之处在于，在光电二极管pd_a和光电二极管pd_之间进一步设置有光电二极管pd_e。

光电二极管pd_e包括构成阴极的高浓度(n+)的n型半导体区域104e和构成保护环的低浓度(n-)的n型半导体区域105e。n型半导体区域104e设置在半导体基板101的第一面102侧的n型半导体区域104a和n型半导体区域104b之间，并且是与这两者分开设置的。n型半导体区域105e以包围n型半导体区域104e的侧面的环形状设置在半导体基板101的第一面102侧。n型半导体区域105e被设置到从半导体基板101的第一面102起比n型半导体区域104e的底部更深的位置。

在n型半导体区域105e与n型半导体区域105a和105b之间设置有具有环形状以包围n型半导体区域105e的侧面的p型半导体区域106。布置在n型半导体区域105a和105b的底部的p型半导体区域106a还延伸到n型半导体区域105e的底部。如图24b所示，当在设置有p型半导体区域106a的深度处的平面图中观看时，p型半导体区域106a设置于当在平面图中观看时与n型半导体区域104a、104b和104e重叠的区域中。

通过采用这样的结构，p型半导体区域106可以在离n型半导体区域104a和104b最近的部分处形成高电场区域108，并且可以使由入射的光子产生的电子雪崩倍增。这提供了用于相位差检测的良好分离特性。

此外，由于设置有围绕中心部的p型半导体区域106且与n型半导体区域104e接触的环状n型半导体区域107，因此可以在p型半导体区域106a和n型半导体区域104e之间形成高电场区域112。结果，可以在不会大大增加施加至n型半导体区域104a和104b的电压的情况下消除针对法向入射光子的检测效率的损失，并且可以实现与在不对光电转换单元进行分割的情况下实现的散景相同的散景。

当使用根据本实施例的摄像装置时，在用于获得摄像信号的第二驱动模式中，优选将正电压用于施加到n型半导体区域104e的电压vdde，并且将施加到n型半导体区域104a和104b的电压vdda和vddb置于浮动状态。计数电路cnt_a或计数电路cnt_b可以通过使用开关(未示出)而用作计数电路，该计数电路用于对通过光电二极管pd_e的盖革模式操作所产生的电压脉冲的数量进行计数。

以这种方式，根据本实施例，在使用spad的摄像装置中，可以进行使用相位差检测方法的焦点检测，并且可以实现与在拍摄图像时不对光瞳进行分割的情况下获得的散景相同的散景。

第六实施例

将参考图25至图28b来说明根据本发明第六实施例的摄像装置。与根据第一实施例至第五实施例的摄像装置中相同的构成元件将被赋予相同的附图标记，并且将省略或简化对这些构成元件的说明。

将参考图25至图26b来说明根据本实施例的摄像装置的构造。图25是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。图26a和图26b是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。图26a是与包含图25中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图26b是与包含图25中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。与包含图25中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图6所示的根据第一实施例的摄像装置中的相同。注意，图25是沿着图26a和图26b中的线a-a’所截取的截面图。

如图25至图26b所示，根据本实施例的摄像装置与根据第二实施例的摄像装置的不同之处在于，在光电二极管pd_a和光电二极管pd_b之间进一步设置有光电二极管pd_e。

光电二极管_e包括构成阴极的高浓度(n+)的n型半导体区域104e和构成保护环的低浓度(n-)的n型半导体区域105e。n型半导体区域104e布置在半导体基板101的第一面102侧的n型半导体区域104a和n型半导体区域104b之间，并且是与这两者分开设置的。n型半导体区域105e以包围n型半导体区域104e的侧面的方式设置在半导体基板101的第一面102侧。n型半导体区域105e被设置到从半导体基板101的第一面102起比n型半导体区域104e的底部更深的位置。

在n型半导体区域105e和n型半导体区域105a和105b之间设置有p型半导体区域106。布置在n型半导体区域105a和105b的底部的p型半导体区域106a也延伸到n型半导体区域105e的底部。如图26b所示，当在设置有p型半导体区域106a的深度处的平面图中观看时，除了与n型半导体区域104a、104b和104e重叠的区域以外，p型半导体区域106a在平面图中被设置成遍及整个面。

通过采用这样的结构，可以在p型半导体区域106a和n型半导体区域104e之间形成与在p型半导体区域106a与n型半导体区域104a和104b之间形成的高电场区域108相同的高电场区域112。因此，可以使在n型半导体区域104a和n型半导体区域104b之间的受光区域处被光电转换的电子在高电场区112中雪崩倍增。这使得可以提高对入射到像素12的受光区域的中心部上的光子的检测效率。

利用根据本实施例的摄像装置，如图22所示，可以采用针对各个光电二极管设置计数电路的结构。当拍摄图像时，可以通过使用从三个光电二极管pd_a、pd_b和pd_e获得的计数值来实现与在不使用光瞳分割的情况下获得的散景相同的散景。当进行焦点检测时，可以通过使用从两个光电二极管pd_a和pd_b获得的计数值来实现通过确保足够的基线长度所实现的高度精确的焦点检测。

图27a和图27b是示出像素12的光入射光学特性的图。图27a是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的光入射角度特性的图。在该图中，点线表示光电二极管pd_a的光入射角度特性，点划线表示光电二极管pd_b的光入射角度特性，并且双点划线表示光电二极管pd_e的光入射角度特性。实线表示光电二极管pd_a、pd_b和pd_e的总和。在该图中，垂直点线表示光电二极管pd_a和pd_b的光入射角度特性的分布的中心的位置，并且这些点线之间的间隔表示基线长度。图27b是示出根据第一实施例的摄像装置中的像素的光入射角度特性的图。在该图中，点线表示光电二极管pd_a的光入射角度特性，点划线表示光电二极管pd_b的光入射角度特性，并且实线表示光电二极管pd_a和pd_b的总和。在该图中，垂直点线表示光电二极管pd_a和pd_b的光入射角度特性的分布的中心的位置，并且这些点线之间的间隔表示基线长度。

如图27a和图27b所示，在根据本实施例的摄像装置中，光电二极管pd_e布置在光电二极管pd_a和光电二极管pd_b之间，因而光电二极管pd_a和pd_b的光入射角度特性的针对低入射角度的斜率变得急剧。如此，与根据第一实施例的摄像装置相比，根据本实施例的摄像装置可以增大光电二极管pd_a和pd_b的光入射角度特性的分布的中心的位置之间的差(基线长度)。因此，根据本实施例的摄像装置，可以防止在摄像期间在受光区域的中心部出现死区，并且可以通过在焦点检测期间增加基线长度来提高焦点检测精度。

此外，通过在像素12的受光区域的中心部布置光电二极管pd_e，可以提高对法向入射光子的检测效率。如此，可以抑制第一实施例中所述的、第二驱动模式中的电压vdda和vddb的设置值的增大。

尽管本实施例描述x方向上的光瞳分割的情况，但光瞳分割方向不限于x方向。例如，在第一实施例中参考图8a至图10b所述的结构中，可以在光电二极管pd_a和光电二极管pd_b之间的区域中设置光电二极管pd_e。

此外，焦点检测用的光瞳区域分割的数量不限于图25至图26b所示的数量(两个分割)。例如，如图28a和图28b所示，可以存在四个光瞳区域分割。

图28a和图28b是示出在存在四个光瞳区域分割的情况下的结构的示例的平面图。图28a是与包含图25中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图28b是与包含图25中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图25对应于沿着图28a和图28b中的线a-a’所截取的截面图。与包含图25中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图6所示的根据第一实施例的摄像装置中的相同。

在存在四个光瞳区域分割的情况下，如图28a和图28b所示，光电二极管pd_e在平面图中可被形成为例如加号(+)形状。通过使用这样的形状，可以提高光电二极管pd_a、pd_b、pd_c和pd_d之间的分离特性，并且可以增加相邻光电二极管之间的基线长度。

以这种方式，根据本实施例，在使用spad的摄像装置中，可以进行使用相位差检测方法的焦点检测，并且可以实现与在拍摄图像时不对光瞳进行分割的情况下获得的散景相同的散景。此外，可以提高相位差检测期间的分离特性，这样使得可以提高焦点检测精度。

第七实施例

将参考图29至图32来说明根据本发明第七实施例的摄像装置。与根据第一至第六实施例的摄像装置中相同的构成元件将被赋予相同的附图标记，并且将省略或简化对这些构成元件的说明。

本实施例将说明具有如下功能的摄像装置以及用于该装置的驱动方法，该功能用于根据摄像光学系统的孔径光阑的状态来切换光瞳分割，使得可以确保足够的基线长度。

图29是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的总体截面图。图30a和图30b是示出根据本实施例的摄像装置中的像素的构造的平面图。图30a是与包含图29中的线b-b’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。图30b是与包含图29中的线c-c’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图。与包含图29中的线d-d’的半导体基板101的表面平行的平面的平面图与图6所示的根据第一实施例的摄像装置中的相同。注意，图29是沿着图30a和图30b中的线a-a’所截取的截面图。

如图29至图30b所示，根据本实施例的摄像装置包括四个光电二极管pd_a、pd_b、pd_c和pd_d。当在平面图中观看时，光电二极管pd_a、pd_b、pd_c和pd_d具有矩形形状，并且沿x方向配置。以与第二实施例或第六实施例中相同的方式，光电二极管中的相邻光电二极管由p型半导体区域106分离。此外，p型半导体区域106a沿着光电二极管pd_a、pd_b、pd_c和pd_d的n型半导体区域105a、105b、105c和105d的底部延伸。

图31a和图31b是示出当在摄像光学系统中孔径光阑的状态改变时入射到光电二极管上的光束的变化的示意图。图31a示出当孔径光阑140宽时的状态，并且图31b示出当孔径光阑140窄时的状态。

穿过部分构成摄像光学系统的透镜130和孔径光阑140入射到像素12上的光经由微透镜120从半导体基板101的第二面103侧入射到光电二极管pd_a、pd_b、pd_c和pd_d上。此时，光入射的区域根据摄像光学系统中的孔径光阑140的直径而改变。例如，在如图31a那样、孔径光阑140的直径较宽的状态下，光入射到从与光电二极管pd_a相对应的区域起直到与光电二极管pd_d相对应的区域为止上。另一方面，在如图31b那样、孔径光阑140的直径较窄的状态下，光束受到孔径光阑140的限制，并且光仅入射到与光电二极管pd_b相对应的区域和与光电二极管pd_c相对应的区域上。

图32是示出当孔径光阑140的状态改变时入射到光电二极管上的光束的变化的平面图。在孔径光阑140较宽的条件下，如图32中的点划线所示，光入射到从光电二极管pd_a起直到光电二极管pd_d为止的区域上。然而，在孔径光阑140较窄的条件下，光束受到孔径光阑140的限制，并且如图32中的点线所示，光入射的区域仅对应于光电二极管pd_b和pd_c。

因此，根据本实施例的摄像装置被配置成使得根据光阑140的状态来选择要驱动的光电二极管。例如，预先准备表示孔径光阑140的状态与要被施加驱动电压(电压vdda、vddb、vddc和vddd)的n型半导体区域104a、104b、104c和104d之间的关系的参考表。然后，系统控制单元(未示出)获得孔径光阑140的状态，参考该参考表，并且使用定时生成电路20来切换光电二极管。通过系统控制单元根据孔径光阑140的状态适当地选择光电二极管，可以进行控制以最大程度地增加基线长度。

注意，读出电路的电路结构可以与参考图19至图22所述的任何结构相同。此外，光电二极管的配置不限于使用带状光电二极管的配置，并且可以应用具有多个区域的任何配置。此外，电压施加区域表不限于孔径光阑140的状态，并且可以考虑到随着从摄像光学系统的光轴中心起的距离而改变的镜头框渐晕的影响来创建。

以这种方式，根据本实施例，在使用spad的摄像装置中，可以进行使用相位差检测方法的焦点检测，并且可以实现与在拍摄图像时不对光瞳进行分割的情况下获得的散景相同的散景。此外，可以根据摄像光学系统中的孔径的状态来优化分离特性，这样使得可以提高焦点检测精度。

第八实施例

接着，将说明本发明的第八实施例。如专利文献2所述，当使用将两个分割后的光电转换区域电气分离的构造时，提高了光瞳分割的性能，但高电场更难作用于在光电转换区域之间产生的电子。结果，电子检测效率(即，感光度)下降。

从焦点检测性能的角度来看，优选将光电转换区域电气分离，但从摄像性能的角度来看，这样做会降低感光度，因此优选不将光电转换区域电气分离。以这种方式，当利用对光电转换区域进行分割的结构使spad工作时，光电转换区域之间的电气分离导致焦点检测性能和摄像性能之间的折衷。本实施例提出实现了焦点检测性能和摄像性能这两者的构造。

将参考图14和图33a至图37c来说明根据本发明第八实施例的摄像装置中的像素12(与光电转换有关的部分)的结构。如第二实施例中所述的像素那样，根据本实施例的像素12具有图14所示的截面构造；然而，深度方向上的结构是不同的。

这里，像素具有背面照射型结构。这是因为，对入射到用作保护环的n型半导体区域105a和105b上的光子的检测效率极低。由n型半导体区域105a和105b通过光电转换所产生的几乎所有电子都直接移动到n型半导体区域104a和104b而未到达用作雪崩倍增区域的高电场区域108。如此，在例如光从具有正面照射型结构的半导体基板101的表面入射(该图的顶部的、形成有n型半导体区域105a和105b的侧)的情况下，主要针对在光电二极管的表面附近被光电转换的短波长光的检测效率将下降。如此，采用背面照射型结构来抑制针对短波长光的检测效率的下降。

从短波长光产生的几乎所有电子都是在光电转换区域的浅部分中产生的。在如图14所示的背面照射型构造中的光电转换区域的浅部分中产生的电子必须移动较长距离以到达雪崩倍增区域。因此，与从长波长光产生的电子相比，电子将不是被与光入射位置相对应的光电二极管检测到、而是被相邻的光电二极管检测到的概率更高，这样降低了分离性能。

因此，在本实施例中，在具有受光面的第一导电型的半导体区域中设置从受光面的相反侧的面起到达预定深度的由第二导电型的半导体区域构成的分离部，以抑制分离性能的恶化。短波长光在光电转换区域的深部分几乎不会产生电子。因而，在深部分设置的分离部不充当针对短波长光的死区。

另一方面，考虑长波长光，这样的长波长光即使在光电转换区域的深部分也产生电子。在深部分产生的电子必须行进较短的距离以到达雪崩倍增区域。因此，与短波长光所产生的电子相比，分离性能将恶化的概率更低。然而，在深部分设置的分离部可以充当针对长波长光的死区。

考虑到主要根据入射光的波长而产生电子的深度的差异，本实施例使像素构造根据要检测的光的波长而变化。

首先将说明检测长波长光的像素12的结构的示例。如上所述，截面构造如图14所示。

注意，尽管p型(第二导电型)半导体区域106被表示为在图14所示的垂直截面中被分割，但该区域在另一截面中连接，因此被形成为单个实体。p型半导体区域106具有如下功能，该功能用于通过漂移来吸收在对入射到在被施加了正电压的n型区域之间形成的耗尽区域上的单个光子进行光电转换时产生的空穴，并且将这些空穴排出到摄像装置的外部。

构成单独光电二极管的n型(第一导电型)半导体区域104a和104b是在由微透镜120限定的单个像素中以彼此电气独立的方式形成的。n型半导体区域104a和104b经由用作淬灭电路的各个电阻器r_a和r_b被供给正电压(例如，3v)，并且用作与p型半导体区域106形成的pn结光电二极管的阴极端子。如图2所示，n型半导体区域104a和104b连接至inv_a和inv_b的输入侧。

此外，n型半导体区域104a和104b通过漂移来吸收在对入射到与p型半导体区域106形成的耗尽区域上的单个光子进行光电转换时产生的电子。n型半导体区域104a和104b在到p型半导体区域106的距离短的高电场区域108中引起雪崩倍增。

p型半导体区域106在n型半导体区域104a和104b之间连续地延伸。p型半导体区域106在不具有用于将n型半导体区域104a和104b电气分离的结构的情况下与n型半导体区域107形成接合面。结果，p型半导体区域106促进了在与n型半导体区域104a和104b形成的耗尽区域中产生的电子朝向n型半导体区域104a或104b漂移。因此，在耗尽区域中产生的电子可以在再结合之前全部移动到一个高电场区域108，这使得可以引起雪崩倍增。

根据该构造，经由微透镜120法向地入射在n型半导体区域104a和104b之间的单个光子在n型半导体区域104a和p型半导体区域106之间的一个高电场区域108处被雪崩倍增的概率为50％。该光子在n型半导体区域104b和p型半导体区域106之间的一个高电场区域108中将被雪崩倍增的概率为50％。因此，可以无丢失地检测到光子。

图33a至图33c是由图14所示的线b-b’、c-c’和d-d’表示的位置中的、与半导体基板101的表面平行的平面的截面图。与半导体基板101的表面平行的平面的截面图在下文将被称为“水平截面图”。注意，与包含图33a至图33c中的线a-a’的半导体基板101的表面垂直的截面图对应于图14。

如图33a所示，在沿着线b-b’的截面中，p型半导体区域106具有设置在像素之间的部分(外缘部分)与设置在n型半导体区域104a和104b之间的部分连接的形式。此外，n型半导体区域105a和105b被设置为n型半导体区域104a和104b之间的保护环，并且削弱了电场。

此外，如图33b所示，在沿着c-c’所截取的截面中，除了设置在像素之间的部分(外缘部分)之外，p型半导体区域106还在n型半导体区域104a和104b之间连续地延伸，以形成与n型半导体区域107的接合面。

如图33c所示，在沿着线d-d’所截取的截面中，与p型半导体区域106形成接合面的n型半导体区域107设置在外缘部分中所设置的p型半导体区域106的全体内。

注意，无需在像素之间设置p型半导体区域106。这是因为，由于针对各像素所设置的微透镜120而导致像素边界部处的受光率极低。这也是因为，在本实施例中，在受光率高的n型半导体区域104a和104b之间检测效率高，因此在像素之间将出现相对极低量的混色。

然而，在诸如设置有拜耳滤色器的情况等的、相邻像素具有不同光谱特性或不同光谱透射率的摄像装置中，即使像素之间的略微混色也会导致图像质量下降。如此，在像素之间设置p型半导体区域106可以抑制图像质量下降。

图34a和图34b示出相对于具有上述结构的像素的长波长光的入射角度特性和短波长光的入射角度特性。这里，点线151表示分布150的中心位置，并且点划线153表示分布152的中心位置。点线151和点划线153之间的距离la和lb表示分布的中心之间的中心间距离。中心间距离越长表示分离性能越好且焦点检测精度越高。

如上所述，利用短波长光，主要在浅部分中产生电子，因而需要较长的移动距离来引起雪崩倍增。因此，分离性能下降，并且图34b中的中心间距离lb变得短于la。

本实施例提出了适合于检测短波长光的像素的构造，该构造抑制由电子移动的距离的长度引起的分离性能的下降。图35a和图35b示出检测短波长光的像素12的示例，其中图35a是垂直截面图，并且图35b是从由线d-d’表示的位置的水平截面图。

与检测长波长光的像素的垂直截面构造(图14)的不同之处在于：p型半导体区域106包括壁状部分106b，该壁状部分106b从n型半导体区域104a和104b之间进入n型半导体区域107中、直至从与受光面相反的面起的预定深度为止。壁状部分106b用作将n型半导体区域104a和104b电气分离的分离部，因此将在下文将被称为“分离部”。分离部106b是从与n型半导体区域107(n型半导体区域107的与受光面相反的面)的接合面进入n型半导体区域107中的、p型半导体区域106中的一部分。此外，分离部106b设置在将n型半导体区域104a和104b分离的壁状部分沿深度方向延伸的位置中。

可以利用作为从n型半导体区域104a和104b之间进入到n型半导体区域107中的p型半导体区域的分离部106b来抑制在n型半导体区域104a侧产生的电子向着n型半导体区域104b侧(以及相反方向上)的移动。特别地，通过在n型半导体区域107的深部分(离受光面远的部分)处设置分离部106b，可以充分降低分离部106b将充当针对短波长光的死区的可能性。这使得可以在抑制图像质量的下降的同时提高分离性能。通过针对检测短波长光的像素采用图35a和图35b所示的结构，可以使针对短波长光的入射角度特性比图34b所示的状态更接近图34a所示的状态。

注意，在具有图35a所示的垂直截面的像素中，沿着在由线b-b’表示的位置处的水平截面的结构与图33a所示的结构相同。同样，在由线c-c’表示的位置处的水平截面的结构与图33b所示的结构相同。另一方面，在由线d-d’表示的位置处的水平截面是图35b所示的结构。

在由线d-d’表示的位置处的水平截面中，设置有作为p型半导体区域的分离部106b，以将n型半导体区域107分割成两个区域。这使得可以防止电子从一个n型半导体区域107a/b移动到另一n型半导体区域107b/a。

这里，将光的波长分割成短波长和长波长，以简化对本实施例的技术精神的说明。然而，本实施例的基本技术精神关于根据像素所主要检测的光的波长(即，像素的主波长)来判断是否设置分离部、以及分离部的高度(深度)等。因此，分离部的高度(深度)可以根据像素所主要检测的光的波长而变化。“长波长”和“短波长”不是指特定范围，并且可以被考虑为分离部有可能导致图像质量下降的波长和分离部可以容易地提高分离性能的波长。

图36a至图36c示出如下的示例：将具有上述的长波长所用的结构(无分离部)的像素和具有短波长所用的结构(具有分离部)的像素分配至设置有拜耳模式滤色器的像素。在这种情况下，像素区域10中所配置的多个像素12包括具有不同光谱特性或光谱透射率的多个类型的像素。r、g和b分别表示设置有红色、绿色和蓝色滤色器的像素(这些像素将分别被称为“r像素”、“g像素”和“b像素”)。这里，主要检测的光的波长对于r像素最长，并且顺次对于g像素和b像素变短。

图36a示出如下的示例：将短波长所用的结构(具有分离部)仅应用于b像素，并且将长波长所用的结构(无分离部)应用于r像素和g像素。图36b示出如下的示例：将短波长所用的结构(具有分离部)应用于b像素和g像素，并且将长波长所用的结构(无分离部)仅应用于r像素。图36c示出如下的示例：将包括分离部的结构应用于所有的r像素、g像素和b像素，其中分离部的高度为b像素>g像素>r像素。注意，同样在图36b的情况下，b像素中所设置的分离部的高度可以高于g像素中所设置的分离部的高度。可以考虑到主要检测的光的波长到达的深度、分离性能的提高、以及图像质量的下降等的因素来确定分离部的高度。

图37a至图37c示出图36c所示的r像素、g像素和b像素的结构的示例。

r像素所主要检测的光的波长主要在n型半导体区域107的深部分(离受光面远的部分)处产生电子。如此，从产生电子的位置到高电场区域108的距离短，并且从一开始分离性能的下降低于针对g像素和b像素的分离性能的下降。另一方面，与利用g像素和b像素相比，分离部将充当死区并且降低感光度的可能性更高。如此，使r像素中所设置的分离部的高度低于g像素和b像素中所设置的分离部的高度。这里，分离部106b的高度h例如是相对于未设置分离部106b的结构中的p型半导体区域106和n型半导体区域107之间的接合面的、进入n型半导体区域107中的部分的长度。在图37a的示例中，分离部106b的高度h是h1<h<h2。

另一方面，b像素所主要检测的光的波长在n型半导体区域107的浅部分(靠近受光面的部分)处产生电子。如此，从产生电子的位置到高电场区域108的距离长，并且分离性能的下降大于针对g像素和b像素的分离性能的下降。另一方面，与利用g像素和b像素相比，分离部将充当死区并且降低感光度的可能性更低。如此，使b像素中所设置的分离部的高度高于g像素和b像素中所设置的分离部的高度。在图37c的示例中，分离部106b的高度h是h2<h3<h<h4。

g像素所主要检测的光的波长长于b像素所要检测的光的主波长，但短于r像素所主要检测的光的波长。如此，g像素中所设置的分离部的高度在r像素中所设置的分离部的高度和b像素中所设置的分离部的高度之间。在图37b的示例中，分离部106b的高度h是h2<h<h3。

注意，在线h1-h1’、h2-h2’、h3-h3’和h4-h4’的各个位置处的水平截面构造在存在分离部的平面处是图35b所示的构造，并且在不存在分离部的平面处是图33c所示的构造。

如至此为止所述，根据本实施例，在形成有多个光电二极管的背面照射型像素构造中，在包括受光面的第一导电型的半导体区域中设置有从与受光面相反的面进入到预定深度的第二导电型的半导体区域(分离部)。第一导电型的半导体区域在第二导电型的半导体区域进入的部分处电气分离。因此，可以抑制不与产生电子的位置相对应的光电二极管检测电子的情形，从而使得可以提高分离性能。另外，通过根据像素所主要检测的光的波长调整分离部的高度(深度)，可以在抑制由分离部引起的图像质量下降的同时提高分离性能。

第九实施例

接着，将说明根据本发明第九实施例的摄像装置中的像素12。

在本实施例中，在所有的像素中都设置有第八实施例中所述的分离部106b。根据像素所主要检测的光的波长来调整分离部的宽度(厚度)。

具体地，在主要检测长波长光的像素中，使充当死区的分离部的宽度(厚度)与主要检测短波长光的像素中所设置的分离部相比更窄(更薄)。这样做是为了抑制在即使在n型半导体区域107的深部分处也通过光电转换来产生电子的用于检测长波长光的像素中、由分离部引起的所产生的电子的减少。另外，通过调整主要检测短波长光的像素中所设置的分离部的宽度，可以调整分离性能的恶化得以改善的程度，并且可以降低分离性能的波长依赖性。

图38a是示出根据本实施例的像素中的主要检测长波长光的像素的构造的示例的垂直截面图。与第八实施例中所述的结构一样，布置在n型半导体区域104a和104b之间的p型半导体区域106包括进入形成受光区域的n型半导体区域107中的分离部106b。然而，分离部106b的宽度与设置在n型半导体区域104a和104b之间的p型半导体区域106的宽度(厚度)相比更窄(薄)。

注意，除分离部106b的宽度之外，如第八实施例中所述，还可以调整分离部106b的深度(高度)。可以考虑到由分离部106b充当死区而引起的图像质量下降来确定宽度和深度。

注意，图38a中由线b-b’表示的位置处的水平截面结构与图33a所示的水平截面结构相同。此外，图38a中由线c-c’表示的位置处的水平截面结构与图33b所示的水平截面结构相同。图38b是图38a中由线d-d’表示的位置的水平截面图。与在图35b所示的第八实施例中的相同位置处的水平截面结构中相比，分离部106b的宽度更窄。通过设置分离部106b，可以抑制电子从n型半导体区域107a到107b或沿相反方向的移动。此外，通过减小分离部106b的宽度，可以减小充当死区的分离部的体积，从而使得可以抑制由分离部106b引起的图像质量下降。

图39a和图39b是示出根据本实施例的像素中的、主要检测短波长光的像素的构造的示例的垂直截面图。与在图38a和38b所示的主要检测长波长光的像素的构造中相比，分离部106b的宽度(厚度)更大。尽管分离部106b的高度(深度)被描述为与图38a和图38b相同，但分离部106b的高度(深度)可以根据主要检测到的光的波长而变化。当短波长侧的光入射到受光面上时，主要在受光面附近的浅部分中产生电子。如此，深部分中所设置的分离部106b对短波长光所产生的电子的数量影响极小。因此，即使分离部106b的宽度增大并且分离性能提高，死区的体积也不会显著增加。

注意，图39a中由线b-b’表示的位置处的水平截面结构与图33a所示的水平截面结构相同。此外，图39a中由线c-c’表示的位置处的水平截面结构与图33b所示的水平截面结构相同。图39b是图38a中由线d-d’所示的位置的水平截面图。与在图35b所示的第八实施例中的相同位置的水平截面结构中相比，分离部106b的宽度更宽。通过设置分离部106b，可以抑制电子从n型半导体区域107a至107b或沿相反方向的移动。此外，通过扩大分离部106b的宽度来提高分离部的效果。

注意，如果分离性能等同于主要检测长波长光的像素的分离性能，则主要检测短波长光的像素中的分离部106b的宽度无需比n型半导体区域104a和104b之间所设置的p型半导体区域106的宽度宽。例如，该宽度可以比主要检测长波长光的像素中所设置的分离部106b的宽度(图38a和图38b)宽，但比n型半导体区域104a和104b之间所设置的p型半导体区域106的宽度窄。

如上所述，本实施例可以与第八实施例组合。例如，在图37a和图37b所示的r像素、g像素和b像素的构造中，分离部106b的宽度可以变化。例如，分离部的宽度在g像素中可以比在r像素中宽，并且分离部的宽度在b像素中可以比在g像素中宽。

根据本实施例，通过调整由具有受光面的第一导电型的半导体区域中所设置的第二导电型的半导体构成的分离部的宽度(厚度)，根据像素所主要检测的光的波长，可以在抑制由分离部引起的图像质量下降的同时提高分离性能。

第十实施例

接着，将说明根据本发明第十实施例的摄像装置中的像素12。

在本实施例中，在所有像素中设置第八实施例中所述的分离部106b。然而，在即使在深部分处也产生电子的用于检测长波长光的像素中，降低分离部的杂质浓度，以抑制由设置分离部106b引起的图像质量下降。降低作为p型半导体区域的分离部的杂质浓度，这延长了作为分离部中的少数载流子的电子的寿命，从而使得可以增加在分离部产生的电子能够从分离部逃逸的概率。

图40是示出根据本实施例的像素的构造的示例的垂直截面图。在本实施例中，不论要检测的波长如何，都使用与第八实施例中所述的主要检测短波长光的像素的构造(图35a和图35b)相同的截面构造。因此，图40中由线b-b’和c-c’表示的位置处的水平截面结构与图33a和图33b所示的水平截面结构相同。此外，由线d-d’表示的位置处的水平截面结构与图35b所示的水平截面结构相同。然而，分离部106b的杂质浓度与在p型半导体区域106的其它部分中相比变低。

图41示出沿着图40所示的微透镜120的光轴x的p型半导体区域106的杂质浓度。图41所示的深度对应于从受光面起的距离。进行控制，使得主要检测短波长光的像素经过由实线所示的浓度变化，并且主要检测长波长光的像素经过由点划线所示的浓度变化。对于主要检测短波长光的像素，不论深度如何，杂质浓度都是恒定的。然而，对于主要检测长波长光的像素，与分离部106b相对应的从线e-e’到线f-f’的部分的杂质浓度被控制成与在其它部分中相比更低。

通过设置分离部106b，可以抑制电子从n型半导体区域107a到107b或沿相反方向的移动。此外，通过使分离部106b的杂质浓度与在p型半导体区域106的其它部分中相比更低，可以延长在分离部中产生的电子的寿命，并且可以增加电子由于漂移而将从分离部逃逸的概率。这样，也可以通过降低分离部106b的杂质浓度来抑制由分离部106b引起的图像质量下降。

如第八实施例和第九实施例所述，本实施例可以与分离部106b的深度和宽度至少之一的控制组合。因此，在设置分离部106b的情况下，不仅控制分离部106b的杂质浓度而且控制分离部106b的宽度或深度，这都使得可以在抑制由分离部106b引起的图像质量下降的同时提高分离性能。

在图41中，对于主要检测短波长光的像素，p型半导体区域106的杂质浓度是恒定的。然而，可以使与分离部106b相对应的部分(从线e-e’到线f-f’的部分)的杂质浓度与在其它部分(从线a-a’到线e-e’的部分)中相比更低。这是因为，即使利用短波长光，也不一定是分离部106b将不产生电子的情况。

在例如将本实施例应用于r像素、g像素和b像素的构造的情况下，例如，可以使分离部106b的杂质浓度对于g像素与对于b像素相比更低，并且可以使分离部106b的杂质浓度对于r像素与对于g像素相比更低。

根据本实施例，通过根据像素所主要检测的光的波长，调整由具有受光面的第一导电型的半导体区域中设置的第二导电型的半导体构成的分离部的杂质浓度，可以在抑制由分离部引起的图像质量下降的同时提高分离性能。

第十一实施例

接着，将说明根据本发明第十一实施例的摄像装置中的像素12。在本实施例中，通过进一步设置从受光面延伸到n型半导体区域内的分离部来提高针对在浅部分中产生的电子的分离性能。

图42a是示出根据本实施例的像素的构造的示例的垂直截面图。在本实施例中，p型半导体区域的分离部106b被设置成从n型半导体区域107的受光面进入n型半导体区域107。受光面侧的分离部106b的位置可以与受光面的相反面上所设置的分离部106b的位置相同。然而，从受光面起的浅部分中所设置的分离部106b对图像质量的影响大。因此，该结构可以与如下的至少一个结构组合，该至少一个结构用于抑制由分离部106b引起的图像质量下降，诸如缩小第九实施例中所述的宽度或者降低第十实施例中所述的杂质浓度等。不论主要检测的光的波长如何，都可以采用根据本实施例的像素构造。然而，从提高针对在浅部分中产生的电子的分离性能的角度来看，将该构造应用于主要检测短波长光的像素的效果更大。

注意，图42a中由线b-b’表示的位置处的水平截面结构与图33a所示的水平截面结构相同。此外，图42a中由线c-c’表示的位置处的水平截面结构与图33b所示的水平截面结构相同。图42b是图42a中由线g-g’表示的位置的水平截面图。图42c是图42a中由线d-d’和线h-h’所示的位置的水平截面图。

在本实施例中，在受光面和与受光面相反的面中都设置由具有受光面的第一导电型的半导体区域中所设置的第二导电型的半导体区域构成的分离部。这使得可以提高针对在第一导电型的半导体区域的浅部分中产生的电子的分离性能。

第十二实施例

接着，将说明根据本发明第十实施例的摄像装置的结构。

在本实施例中，通过根据要检测的波长改变第一导电型的半导体区域和第二导电型的半导体区域之间的电位差来改变受光区域的电势形式。

图43示出根据本实施例的摄像装置中的像素区域10的一部分。这里，假定摄像装置设置有拜耳模式滤色器。在图43中，r、g和b分别表示设置有红色、绿色和蓝色滤色器的像素12(r像素、g像素和b像素)。

在本实施例中，在供给至像素的电压中，使用共同线将负电压供给至所有像素。如此，将-20v的共同负电压施加至所有像素中的第二导电型(p型)的半导体区域。另一方面，通过与r像素、g像素和b像素相对应的各个线供给正电压。如此，可以将相互不同的正电压vddr、vddg和vddb分别供给至r像素、g像素和b像素的第一导电型(n型)的半导体区域。

在主要检测短波长光的b像素中，在浅部分中产生电子，因而分离性能与g像素和r像素的分离性能相比更低。因此，使施加至b像素的n型半导体区域的正电压vddb高于施加至r像素和g像素的n型半导体区域的正电压vddr和vddg。这使得可以增大b像素的电位的梯度，并且降低由电子漂移引起的分离性能的恶化。

同样，使施加至g像素的正电压vddg高于施加至r像素的正电压vddr。注意，施加至r像素的正电压vddr和施加至g像素的正电压vddg可以是相同的。

注意，本实施例可以与第八实施例至第十一实施例中所述的设置有分离部的像素构造至少之一组合。在这种情况下，可以增加在分离部产生的电子从分离部逃逸的概率，从而具有减少死区的效果。

第十三实施例

接着，将说明根据本发明第十实施例的摄像装置中的像素12。

在本实施例中，通过根据要检测的波长改变构成光电二极管的阴极的第一导电型(n型)的两个半导体区域104a和104b之间的间隔来控制受光区域的电位形式。

图44a至图44c是示出图36c中的r像素、g像素和b像素的结构的示例的垂直截面图。尽管图44a至图44c示出没有设置分离部的结构，但本实施例可以与上述的第八实施例至第十一实施例至少之一组合，使得设置有分离部。

r像素检测长波长光，因而由于电子移动而引起的分离性能的恶化极小。然而，设置分离部使得像素更容易受到由分离部引起的图像质量下降的影响。如此，在r像素(图44a)中，使n型半导体区域104a和104b之间的间隔与在g像素(图44b)中相比变窄。

b像素检测短波长光，因而由于电子移动而引起的分离性能的恶化的程度高。然而，设置分离部使得像素不太容易受到由分离部引起的图像质量下降的影响。如此，在r像素中，使n型半导体区域104a和104b之间的间隔与在g像素中相比变宽。

注意，图44a至图44c示出n型半导体区域104a和104b之间的间隔根据主要检测的光的波长而变化的结构。然而，n型半导体区域104a和104b之间的间隔可以基于不同的条件来确定。例如，在焦点检测期间要降低光瞳分离性能的波长依赖性的情况下，对于主要检测的光的波长较短的像素，可以使n型半导体区域104a和104b之间的间隔变宽。本实施例也可以与第八实施例至第十一实施例至少之一组合。

变形例

尽管以上说明了本发明的优选实施例，但本发明不限于这些实施例，并且可以在本发明的范围内进行许多变形和改变。

例如，如下的示例也是本发明的实施例：将实施例其中之一的一部分的结构添加到不同的实施例，以及用另一实施例的一部分的结构替换，等等。

此外，上述实施例中所述的摄像装置可以应用在各种摄像系统中。可以给出数字静止照相机、数字摄像机、监视照相机、复印机、传真机、移动电话、车载照相机和观测卫星等，作为这样的适用的摄像系统的示例。包括诸如透镜等的光学系统以及固态摄像装置的照相机模块也包括在这样的摄像系统中。在配置这样的摄像系统的情况下，上述实施例中所述的摄像装置的功能的一部分(例如，焦点检测信号生成单元或图像处理单元)可被配置为由摄像装置外部的信号处理单元来实现。

上述实施例仅仅是实施本发明的具体示例，并且不应被解释为限制本发明的技术范围。换言之，可以在没有背离本发明的技术精神或主要特征的情况下进行许多变形。

本申请要求2018年4月6日提交的日本专利申请2018-074047和2019年3月27日提交的日本专利申请2019-061361的优先权，这两个申请的全部内容通过引用而被包含于此。