JP7353765B2 - Photodetection device, photodetection system, and moving object - Google Patents

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Description

本発明は、光検出装置、光検出システム及び移動体に関する。 The present invention relates to a photodetection device, a photodetection system, and a moving object.

従来、アバランシェ(電子なだれ)増倍を利用し、単一光子レベルの微弱光を検出可能な光検出装置が知られている。特許文献1には、アバランシェフォトダイオードを含む画素が二次元状にアレイ化された受光部を有する光電変換素子が開示されている。各画素からの出力電流は一括して収集され、フォトンカウンティングが行われる。これにより、特許文献1の光電変換素子は、微弱な入射光量の測定を行うことができる。特許文献1の光電変換素子においては、1つのアバランシェフォトダイオードに対して、1つのクエンチ素子が直列に接続されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, photodetection devices that utilize avalanche (electron avalanche) multiplication and can detect weak light at the single photon level are known. Patent Document 1 discloses a photoelectric conversion element having a light receiving section in which pixels including avalanche photodiodes are arranged in a two-dimensional array. The output currents from each pixel are collectively collected and photon counting is performed. Thereby, the photoelectric conversion element of Patent Document 1 can measure a weak amount of incident light. In the photoelectric conversion element of Patent Document 1, one quench element is connected in series to one avalanche photodiode.

特開2017-117835公報Japanese Patent Application Publication No. 2017-117835

特許文献1に記載されているような構造において、一部のクエンチ素子の性能が他のクエンチ素子と大きく異なる場合、出力信号の精度が不十分になることがある。そこで、本発明は、出力信号の精度が向上された光検出装置を提供することを目的とする。 In a structure such as that described in Patent Document 1, if the performance of some quench elements is significantly different from that of other quench elements, the accuracy of the output signal may become insufficient. SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a photodetection device with improved accuracy of output signals.

本発明の一観点によれば、複数のアバランシェダイオードと、前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、前記複数のアバランシェダイオードの各々に対応する複数のスイッチ素子と、を有し、1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、前記複数のアバランシェダイオード及び前記クエンチ素子は、同一の基板に形成されており、前記クエンチ素子は、前記基板に垂直な方向からの平面視において、前記複数のアバランシェダイオードのうちの2つのアバランシェダイオードの間に配されており、前記複数のスイッチ素子の各々は、対応するアバランシェダイオードと前記クエンチ素子との間に接続されており、前記複数のスイッチ素子が互いに異なるタイミングでオン状態になることにより、前記複数のアバランシェダイオードは、互いに異なるタイミングで前記画素信号処理部に信号を出力することを特徴とする光検出装置が提供される。
本発明の他の一観点によれば、複数のアバランシェダイオードと、前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、前記複数のアバランシェダイオードの各々に対応する複数のスイッチ素子と、を有し、1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、前記複数のアバランシェダイオード及び前記クエンチ素子は、同一の基板に形成されており、前記複数のアバランシェダイオードのうちの1つを含む第1の領域と、前記クエンチ素子を含む第2の領域とが、前記基板に複数の行及び複数の列をなす行列状に配列されており、前記複数のスイッチ素子の各々は、対応するアバランシェダイオードと前記クエンチ素子との間に接続されており、前記複数のスイッチ素子が互いに異なるタイミングでオン状態になることにより、前記複数のアバランシェダイオードは、互いに異なるタイミングで前記画素信号処理部に信号を出力することを特徴とする光検出装置が提供される。
本発明の他の一観点によれば、複数のアバランシェダイオードと、前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、を有し、1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、前記複数のアバランシェダイオード及び前記クエンチ素子は、同一の基板に形成されており、前記複数のアバランシェダイオードのうちの1つを含む第1の領域と、前記クエンチ素子を含む第2の領域とが、前記基板に複数の行及び複数の列をなす行列状に配列されており、前記第2の領域は、前記第1の領域に含まれるアバランシェダイオードの面積よりも小さい面積を有するアバランシェダイオードを更に含むことを特徴とする光検出装置が提供される。
本発明の他の一観点によれば、複数のアバランシェダイオードと、前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、を有し、1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、前記複数のアバランシェダイオード及び前記クエンチ素子は、同一の基板に形成されており、前記複数のアバランシェダイオードのうちの1つを含む第1の領域と、前記クエンチ素子を含む第2の領域とが、前記基板に複数の行及び複数の列をなす行列状に配列されており、前記第2の領域は、アバランシェダイオードを含まないことを特徴とする光検出装置が提供される。
本発明の他の一観点によれば、複数のアバランシェダイオードと、前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、前記複数のアバランシェダイオードの各々に対応する複数のスイッチ素子と、を有し、1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、前記複数のアバランシェダイオードは、第1の基板に形成されており、前記クエンチ素子は、前記第1の基板とは異なる第2の基板に形成されており、前記複数のスイッチ素子の各々は、対応するアバランシェダイオードと前記クエンチ素子との間に接続されており、前記複数のスイッチ素子が互いに異なるタイミングでオン状態になることにより、前記複数のアバランシェダイオードは、互いに異なるタイミングで前記画素信号処理部に信号を出力することを特徴とする光検出装置が提供される。

According to one aspect of the present invention, a plurality of avalanche diodes, a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes, and a signal output from each of the plurality of avalanche diodes are added together. The pixel signal processing unit includes a pixel signal processing unit that processes a signal, and a plurality of switch elements corresponding to each of the plurality of avalanche diodes, and one of the quench elements is connected in series with the plurality of avalanche diodes. The plurality of avalanche diodes and the quench element are formed on the same substrate, and the quench element has two avalanche diodes of the plurality of avalanche diodes formed in a planar view from a direction perpendicular to the substrate. each of the plurality of switch elements is connected between a corresponding avalanche diode and the quench element, and the plurality of switch elements are turned on at mutually different timings. Accordingly, there is provided a photodetection device characterized in that the plurality of avalanche diodes output signals to the pixel signal processing section at mutually different timings .
According to another aspect of the present invention, the signal obtained by adding together a plurality of avalanche diodes, a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes, and a signal output from each of the plurality of avalanche diodes is obtained. a pixel signal processing unit that processes a signal received by the user, and a plurality of switch elements corresponding to each of the plurality of avalanche diodes, one of the quench elements being connected in series with the plurality of avalanche diodes. The plurality of avalanche diodes and the quench element are formed on the same substrate, and the first region includes one of the plurality of avalanche diodes and the second region includes the quench element. regions are arranged on the substrate in a matrix with a plurality of rows and a plurality of columns, each of the plurality of switch elements is connected between a corresponding avalanche diode and the quench element, A photodetection device is provided, wherein the plurality of switch elements are turned on at different timings, so that the plurality of avalanche diodes output signals to the pixel signal processing section at different timings. .
According to another aspect of the present invention, the signal obtained by adding together a plurality of avalanche diodes, a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes, and a signal output from each of the plurality of avalanche diodes is obtained. a pixel signal processing unit that processes the signal, one of the quench elements is connected in series to the plurality of avalanche diodes, and the plurality of avalanche diodes and the quench element are the same. a first region including one of the plurality of avalanche diodes and a second region including the quench element forming a plurality of rows and a plurality of columns on the substrate. Provided is a photodetecting device further comprising avalanche diodes arranged in a matrix, the second region having a smaller area than the avalanche diode included in the first region. .
According to another aspect of the present invention, the signal obtained by adding together a plurality of avalanche diodes, a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes, and a signal output from each of the plurality of avalanche diodes is obtained. a pixel signal processing unit that processes the signal, one of the quench elements is connected in series to the plurality of avalanche diodes, and the plurality of avalanche diodes and the quench element are the same. a first region including one of the plurality of avalanche diodes and a second region including the quench element forming a plurality of rows and a plurality of columns on the substrate. There is provided a photodetecting device characterized in that the photodetecting device is arranged in a matrix, and the second region does not include an avalanche diode.
According to another aspect of the present invention, the signal obtained by adding together a plurality of avalanche diodes, a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes, and a signal output from each of the plurality of avalanche diodes is obtained. a pixel signal processing unit that processes a signal received by the user, and a plurality of switch elements corresponding to each of the plurality of avalanche diodes, one of the quench elements being connected in series with the plurality of avalanche diodes. The plurality of avalanche diodes are formed on a first substrate, the quench element is formed on a second substrate different from the first substrate , and the plurality of switch elements are formed on a second substrate. Each of the avalanche diodes is connected between the corresponding avalanche diode and the quench element, and by turning on the plurality of switch elements at mutually different timings, the plurality of avalanche diodes are connected to the pixel at different timings. A photodetection device is provided that outputs a signal to a signal processing section .

出力信号の精度が向上された光検出装置を提供することができる。 A photodetection device with improved output signal accuracy can be provided.

第1実施形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a photodetection device according to a first embodiment. 第1実施形態に係る画素の構成例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a pixel according to the first embodiment. 第1実施形態に係るクエンチ素子の構成例を説明する回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a quench element according to the first embodiment. 第1実施形態に係る光電変換素子の構成例を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration example of a photoelectric conversion element according to a first embodiment; FIG. 第1実施形態の比較例に係る光電変換素子の構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a photoelectric conversion element according to a comparative example of the first embodiment. 第1実施形態の比較例における各ノードの電位を示すグラフである。It is a graph showing the potential of each node in a comparative example of the first embodiment. 第1実施形態の比較例における各ノードの電位を示すグラフである。It is a graph showing the potential of each node in a comparative example of the first embodiment. 第1実施形態における各ノードの電位を示すグラフである。It is a graph showing the potential of each node in the first embodiment. 第2実施形態に係る画素の構成例を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a pixel according to a second embodiment. 第3実施形態に係る画素の構成例を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration example of a pixel according to a third embodiment. 第4実施形態に係る画素の構成例を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration example of a pixel according to a fourth embodiment. 第5実施形態に係る画素の構成例を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a pixel according to a fifth embodiment. 第6実施形態に係る光電変換部の概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a photoelectric conversion unit according to a sixth embodiment. 第6実施形態に係る光電変換部のポテンシャル図である。FIG. 7 is a potential diagram of a photoelectric conversion unit according to a sixth embodiment. 第6実施形態に係る光電変換素子の構成例を示す図である。It is a figure showing the example of composition of the photoelectric conversion element concerning a 6th embodiment. 第6実施形態に係る光電変換素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。12 is a timing chart showing a method for driving a photoelectric conversion element according to a sixth embodiment. 第7実施形態に係る光検出システムのブロック図である。It is a block diagram of a photodetection system concerning a 7th embodiment. 第8実施形態に係る光検出システムのブロック図である。It is a block diagram of a photodetection system concerning an 8th embodiment. 第8実施形態に係る光検出システム及び移動体の構成例を示す図である。It is a figure showing an example of composition of a photodetection system and a mobile object concerning an 8th embodiment.

以下に、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。複数の図面にわたって対応する要素には共通の符号を付し、その説明を省略又は簡略化することがある。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Corresponding elements across multiple drawings may be designated by common reference numerals, and their descriptions may be omitted or simplified.

[第1実施形態]
第1実施形態に係る光検出装置について、図1乃至図8を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態に係る光検出装置1010の概略構成を示すブロック図である。光検出装置1010は、垂直走査回路部103、水平走査回路部104、列回路105、画素部106、信号線107、出力回路108及び制御パルス生成部109を有している。
[First embodiment]
A photodetection device according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 8. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a photodetecting device 1010 according to this embodiment. The photodetector 1010 includes a vertical scanning circuit section 103, a horizontal scanning circuit section 104, a column circuit 105, a pixel section 106, a signal line 107, an output circuit 108, and a control pulse generation section 109.

画素部106は、行列状に配された複数の画素100を有している。画素100は、光電変換素子101及び画素信号処理部102を含む。光電変換素子101は入射された光を光電変換して電気信号に変換する。画素信号処理部102は、変換された電気信号を列回路105に出力する。 The pixel section 106 includes a plurality of pixels 100 arranged in a matrix. The pixel 100 includes a photoelectric conversion element 101 and a pixel signal processing section 102. The photoelectric conversion element 101 photoelectrically converts incident light into an electrical signal. The pixel signal processing unit 102 outputs the converted electrical signal to the column circuit 105.

なお、本明細書において、「光」とはあらゆる波長の電磁波を含み得る。すなわち、「光」は、可視光に限定されるものではなく、赤外線、紫外線、X線、ガンマ線等の不可視光を含み得る。 Note that in this specification, "light" may include electromagnetic waves of any wavelength. That is, "light" is not limited to visible light, but may include invisible light such as infrared rays, ultraviolet rays, X-rays, and gamma rays.

制御パルス生成部109は、垂直走査回路部103、水平走査回路部104及び列回路105を駆動する制御パルスを生成し、これらの各部に供給する。これにより、制御パルス生成部109は、各部の駆動タイミング等の制御を行う。 The control pulse generation section 109 generates control pulses for driving the vertical scanning circuit section 103, the horizontal scanning circuit section 104, and the column circuit 105, and supplies them to each of these sections. Thereby, the control pulse generation section 109 controls the drive timing of each section, etc.

垂直走査回路部103は、制御パルス生成部109から供給された制御パルスに基づいて、複数の画素100の各々に制御パルスを供給する。図1に示されているように、垂直走査回路部103は、画素部106の行ごとに設けられている駆動線を介して各画素100に対して行ごとに制御パルスを供給する。垂直走査回路部103にはシフトレジスタ、アドレスデコーダ等の論理回路が用いられ得る。 The vertical scanning circuit section 103 supplies a control pulse to each of the plurality of pixels 100 based on the control pulse supplied from the control pulse generation section 109. As shown in FIG. 1, the vertical scanning circuit section 103 supplies control pulses to each pixel 100 on a row-by-row basis via drive lines provided for each row of the pixel section 106. Logic circuits such as a shift register and an address decoder may be used for the vertical scanning circuit section 103.

画素部106の列ごとに設けられている信号線107は、垂直走査回路部103により選択された行の画素100から出力された信号を電位信号として画素100の後段の列回路105に伝送する。列回路105は、信号線107を介して入力された各画素100の信号に対して所定の処理を行う。所定の処理とは、例えば、入力された信号のノイズ除去、増幅、出力形式の変換等の処理である。これらの機能を実現するため、列回路105は、パラレル-シリアル変換回路等を有し得る。 A signal line 107 provided for each column of the pixel section 106 transmits the signal output from the pixel 100 in the row selected by the vertical scanning circuit section 103 to the column circuit 105 at the subsequent stage of the pixel 100 as a potential signal. The column circuit 105 performs predetermined processing on the signal of each pixel 100 input via the signal line 107. The predetermined processing is, for example, processing such as noise removal, amplification, and output format conversion of the input signal. In order to realize these functions, the column circuit 105 may include a parallel-to-serial conversion circuit or the like.

水平走査回路部104は、制御パルス生成部109から供給された制御パルスに基づいて、所定の処理が行われた信号を出力回路108へ順次出力するための制御パルスを列回路105に供給する。出力回路108は、バッファアンプ、差動増幅器等を含み、列回路105から出力された信号を光検出装置1010の外部の記録部又は信号処理部に出力する。 The horizontal scanning circuit unit 104 supplies control pulses to the column circuit 105 for sequentially outputting signals that have been subjected to predetermined processing to the output circuit 108 based on the control pulses supplied from the control pulse generation unit 109. The output circuit 108 includes a buffer amplifier, a differential amplifier, etc., and outputs the signal output from the column circuit 105 to a recording section or a signal processing section outside the photodetecting device 1010.

図1において、画素部106内における画素100の配列は一次元状であってもよく、画素100が1つのみであってもよい。画素部106内における画素100がいくつかのブロックに分割されている場合には、垂直走査回路部103、水平走査回路部104及び列回路105は、各ブロックに対応して複数個配置されていてもよい。また、水平走査回路部104及び列回路105は、列ごとに配置されていてもよい。 In FIG. 1, the pixels 100 within the pixel unit 106 may be arranged in a one-dimensional manner, or there may be only one pixel 100. When the pixel 100 in the pixel section 106 is divided into several blocks, a plurality of vertical scanning circuit sections 103, horizontal scanning circuit sections 104, and column circuits 105 are arranged corresponding to each block. Good too. Moreover, the horizontal scanning circuit section 104 and the column circuit 105 may be arranged for each column.

画素信号処理部102が、すべての画素100に1つずつ設けられていることは必須ではない。例えば、複数の画素100によって1つの画素信号処理部102が共有されていてもよい。この場合、画素信号処理部102は、各光電変換素子101から出力された信号を順次処理することにより、各画素に対して信号処理の機能を提供する。 It is not essential that one pixel signal processing unit 102 be provided for each pixel 100. For example, one pixel signal processing unit 102 may be shared by a plurality of pixels 100. In this case, the pixel signal processing unit 102 provides a signal processing function to each pixel by sequentially processing the signals output from each photoelectric conversion element 101.

また、画素信号処理部102は、光電変換素子101が設けられている半導体基板とは異なる半導体基板に設けられていてもよい。この場合、光電変換素子101の受光可能な面積の割合(開口率)を向上させることにより、感度を向上させることができる。この場合、光電変換素子101と画素信号処理部102とは、画素100ごとに設けられた接続配線を介して電気的に接続される。更に、垂直走査回路部103、水平走査回路部104、列回路105及び信号線107も画素信号処理部102と同様に、光電変換素子101が設けられている半導体基板とは異なる半導体基板に設けられていてもよい。 Further, the pixel signal processing unit 102 may be provided on a semiconductor substrate different from the semiconductor substrate on which the photoelectric conversion element 101 is provided. In this case, sensitivity can be improved by increasing the ratio of the light-receiving area (aperture ratio) of the photoelectric conversion element 101. In this case, the photoelectric conversion element 101 and the pixel signal processing unit 102 are electrically connected via a connection wiring provided for each pixel 100. Furthermore, like the pixel signal processing section 102, the vertical scanning circuit section 103, horizontal scanning circuit section 104, column circuit 105, and signal line 107 are also provided on a semiconductor substrate different from the semiconductor substrate on which the photoelectric conversion element 101 is provided. You can leave it there.

図2は、本実施形態に係る画素100の構成例を示す回路図である。画素100は光電変換素子101及び画素信号処理部102を有する。光電変換素子101は、4個の光電変換部201a、201b、201c、201dとクエンチ素子202とを有する。4個の光電変換部201a、201b、201c、201dは、互いに並列に接続されている。なお、1つの画素100に含まれる光電変換部の個数は4個に限定されるものではなく、複数であればよい。また、以下の説明において、4個の光電変換部201a、201b、201c、201dをまとめて光電変換部201と呼称することもある。 FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of the pixel 100 according to this embodiment. The pixel 100 has a photoelectric conversion element 101 and a pixel signal processing section 102. The photoelectric conversion element 101 includes four photoelectric conversion sections 201a, 201b, 201c, and 201d and a quench element 202. The four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are connected in parallel to each other. Note that the number of photoelectric conversion units included in one pixel 100 is not limited to four, but may be a plurality. Furthermore, in the following description, the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d may be collectively referred to as the photoelectric conversion unit 201.

光電変換部201a~201dは、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。光電変換部201a~201dには、アバランシェダイオードが用いられる。光電変換部201a~201dのアノードには電位VLが供給される。光電変換部201a~201dのカソードはクエンチ素子202の一端に接続されている。クエンチ素子202の他端には、電位VLよりも高い電位VHが供給される。 The photoelectric conversion units 201a to 201d generate charge pairs according to incident light by photoelectric conversion. Avalanche diodes are used in the photoelectric conversion units 201a to 201d. A potential VL is supplied to the anodes of the photoelectric conversion units 201a to 201d. The cathodes of the photoelectric conversion units 201a to 201d are connected to one end of the quench element 202. The other end of the quench element 202 is supplied with a potential VH higher than the potential VL.

ここで、光電変換部201a~201dのアノードとカソードには、光電変換部201a~201dに生じた電荷がアバランシェ増倍を起こしうるような逆バイアスの電位が供給される。このような逆バイアスの電位差を供給した状態で、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増倍領域を通過すると、アバランシェ電流が発生する。 Here, a reverse bias potential that can cause avalanche multiplication of the charges generated in the photoelectric conversion units 201a to 201d is supplied to the anodes and cathodes of the photoelectric conversion units 201a to 201d. When charges generated by incident light pass through the avalanche multiplication region while such a reverse bias potential difference is supplied, an avalanche current is generated.

なお、逆バイアスの電位差が供給される場合において、アノードとカソードとの間の電位差がアバランシェダイオードの降伏電圧より大きいときには、アバランシェダイオードはガイガーモードで動作する。ガイガーモードにおいて単一光子レベルの微弱信号を高速検出するフォトダイオードはSPADと呼ばれる。 Note that when a reverse bias potential difference is supplied and the potential difference between the anode and the cathode is larger than the breakdown voltage of the avalanche diode, the avalanche diode operates in Geiger mode. A photodiode that detects weak signals at the single photon level at high speed in Geiger mode is called a SPAD.

また、光電変換部201a~201dのアノードとカソードとの間の電位差が、光電変換部201a~201dに生じた電荷がアバランシェ増倍を起こす電位差以上かつ降伏電圧以下である場合には、アバランシェダイオードは線形モードで動作する。線形モードにおいて光検出を行うアバランシェダイオードはアバランシェフォトダイオード(APD)と呼ばれる。本実施形態においては、光電変換部201a~201dは、SPADとAPDのどちらのアバランシェダイオードとして動作してもよい。 Furthermore, if the potential difference between the anode and cathode of the photoelectric conversion units 201a to 201d is greater than or equal to the potential difference that causes avalanche multiplication and less than the breakdown voltage, the avalanche diode is Operates in linear mode. An avalanche diode that performs photodetection in linear mode is called an avalanche photodiode (APD). In this embodiment, the photoelectric conversion units 201a to 201d may operate as either SPAD or APD avalanche diodes.

クエンチ素子202は、光電変換部201a~201dで生じたアバランシェ電流の変化を電圧信号に置き換える機能を有する。更に、クエンチ素子202は、アバランシェ増倍による信号増幅時に負荷回路(クエンチ回路)として機能し、光電変換部201a~201dに供給する電圧を抑制することで、アバランシェ増倍を抑制する機能を有する(クエンチ動作)。クエンチ素子202を構成する回路素子の具体例としては、抵抗素子又は能動クエンチ回路が挙げられる。能動クエンチ回路は、アバランシェ電流の増加を検出してフィードバック制御を行うことによりアバランシェ増倍を能動的に抑制する。 The quench element 202 has a function of converting changes in avalanche currents generated in the photoelectric conversion units 201a to 201d into voltage signals. Furthermore, the quench element 202 functions as a load circuit (quench circuit) during signal amplification by avalanche multiplication, and has a function of suppressing avalanche multiplication by suppressing the voltage supplied to the photoelectric conversion units 201a to 201d. quench operation). Specific examples of the circuit elements constituting the quench element 202 include a resistance element or an active quench circuit. The active quench circuit actively suppresses avalanche multiplication by detecting an increase in avalanche current and performing feedback control.

画素信号処理部102は、波形整形部203、選択回路206及びカウンタ回路209を有する。波形整形部203は、光電変換素子101から単一光子レベルの信号電圧が入力されたときに、電圧変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部203を構成する回路素子の具体例としては、インバータ回路が挙げられる。図2には、波形整形部203として、1つのインバータ回路が設けられている回路構成が示されているが、波形整形効果があればその他の回路を用いてもよい。例えば、波形整形部203は、複数のインバータ回路を直列接続した回路であってもよい。 The pixel signal processing section 102 includes a waveform shaping section 203, a selection circuit 206, and a counter circuit 209. When the signal voltage at the single photon level is input from the photoelectric conversion element 101, the waveform shaping section 203 shapes the voltage change and outputs a pulse signal. A specific example of the circuit element that constitutes the waveform shaping section 203 is an inverter circuit. Although FIG. 2 shows a circuit configuration in which one inverter circuit is provided as the waveform shaping section 203, other circuits may be used as long as they have a waveform shaping effect. For example, the waveform shaping section 203 may be a circuit in which a plurality of inverter circuits are connected in series.

カウンタ回路209は、波形整形部203から出力されたパルス信号のパルスの個数をカウントする。カウンタ回路209は、例えば、N-bitカウンタ(N:正の整数)であり得る。この場合、カウンタ回路209はパルスの個数を最大で約2のN乗個までカウントすることが可能である。カウント数は、検出信号としてカウンタ回路209に保持される。また、カウンタ回路209には、図1に示されている垂直走査回路部103から駆動線207を介して制御パルスpRESが供給され得る。制御パルスpRESがカウンタ回路209に供給されると、保持されているカウント数がリセットされる。 The counter circuit 209 counts the number of pulses of the pulse signal output from the waveform shaping section 203. The counter circuit 209 may be, for example, an N-bit counter (N: positive integer). In this case, the counter circuit 209 can count the number of pulses up to approximately 2 to the N power. The count number is held in the counter circuit 209 as a detection signal. Furthermore, a control pulse pRES can be supplied to the counter circuit 209 from the vertical scanning circuit section 103 shown in FIG. 1 via the drive line 207. When the control pulse pRES is supplied to the counter circuit 209, the held count number is reset.

選択回路206は、カウンタ回路209と信号線107との間の電気的な接続・非接続を切り替える。選択回路206には、図1に示されている垂直走査回路部103から駆動線208を介して制御パルスpSELが供給される。制御パルスpSELが選択回路206に供給されると、制御パルスpSELのレベルに応じてカウンタ回路209と信号線107との間の電気的な接続・非接続が切り替わる。選択回路206には、例えば、トランジスタ、画素100の外部に信号を出力するためのバッファ回路等が含まれ得る。カウンタ回路209と信号線107との間が電気的に接続されると、カウンタ回路209に保持されている検出信号のカウント値を示すデジタル信号が信号線107に伝達される。 The selection circuit 206 switches between electrical connection and disconnection between the counter circuit 209 and the signal line 107. A control pulse pSEL is supplied to the selection circuit 206 from the vertical scanning circuit section 103 shown in FIG. 1 via a drive line 208. When the control pulse pSEL is supplied to the selection circuit 206, electrical connection or disconnection between the counter circuit 209 and the signal line 107 is switched depending on the level of the control pulse pSEL. The selection circuit 206 may include, for example, a transistor, a buffer circuit for outputting a signal to the outside of the pixel 100, and the like. When the counter circuit 209 and the signal line 107 are electrically connected, a digital signal indicating the count value of the detection signal held in the counter circuit 209 is transmitted to the signal line 107.

なお、選択回路206に代えて、クエンチ素子202と光電変換部201a~201dとの間、光電変換素子101と画素信号処理部102との間等のノードにトランジスタ等のスイッチが設けられていてもよい。この場合も、スイッチの接続・非接続を切り替えることにより、選択回路206と同様の機能が実現され得る。同様に、クエンチ素子202又は光電変換素子101に供給される電位の供給の有無をトランジスタ等のスイッチを用いて切り替えることによっても、選択回路206と同様の機能が実現され得る。 Note that instead of the selection circuit 206, a switch such as a transistor may be provided at a node between the quench element 202 and the photoelectric conversion units 201a to 201d, between the photoelectric conversion element 101 and the pixel signal processing unit 102, etc. good. In this case as well, the same function as the selection circuit 206 can be realized by switching between connection and disconnection of the switch. Similarly, the same function as the selection circuit 206 can be realized by switching whether or not the potential is supplied to the quench element 202 or the photoelectric conversion element 101 using a switch such as a transistor.

画素部106の各画素100は、ローリングシャッタ動作又はグローバル電子シャッタ動作により駆動され得る。各画素100から取得された信号は、画素部106への入射光に基づく画像の生成に用いられ得る。 Each pixel 100 of the pixel section 106 may be driven by a rolling shutter operation or a global electronic shutter operation. The signal acquired from each pixel 100 may be used to generate an image based on the light incident on the pixel portion 106.

ローリングシャッタ動作とは、カウンタ回路209におけるカウント値のリセットとカウンタ回路209からの信号の出力とを行ごとに異なるタイミングで順次行う動作である。グローバル電子シャッタ動作とは、すべての行のカウンタ回路209におけるカウントのリセットを同時に行い、その後、カウンタ回路209に保持された信号を行ごとに順次出力する動作である。 The rolling shutter operation is an operation in which a count value in the counter circuit 209 is reset and a signal is output from the counter circuit 209 in sequence at different timings for each row. The global electronic shutter operation is an operation in which the counts in the counter circuits 209 of all rows are reset at the same time, and then the signals held in the counter circuits 209 are sequentially output for each row.

なお、グローバル電子シャッタ動作を行う場合には、パルスのカウントを行う時間を各行で同一にするため、カウンタ回路209のカウントを実行するか否かを切り替える手段を更に追加することが好ましい。カウントを実行するか否かを切り替える手段は、例えば、トランジスタ等のスイッチであり得る。 Note that when a global electronic shutter operation is performed, it is preferable to further add means for switching whether or not the counter circuit 209 performs counting in order to make the time for counting pulses the same for each row. The means for switching whether or not to perform counting may be, for example, a switch such as a transistor.

また、カウンタ回路209に代えて時間・デジタル変換回路(Time to Digital Converter:以下、TDCと呼称する)及びメモリが設けられていてもよい。この場合、光検出装置1010は、パルスを検出したタイミングを取得することができる。 Further, instead of the counter circuit 209, a time to digital converter (hereinafter referred to as TDC) and a memory may be provided. In this case, the photodetector 1010 can acquire the timing at which the pulse was detected.

この変形例において、波形整形部203から出力されたパルス信号の発生タイミングは、TDCによってデジタル信号に変換される。TDCには、パルス信号のタイミングの測定に用いる参照信号として、垂直走査回路部103から駆動線を介して、制御パルスpREFが供給される。TDCは、制御パルスpREFを時刻の基準として、波形整形部203からのパルスの入力時刻に相当するデジタル信号を取得する。 In this modification, the generation timing of the pulse signal output from the waveform shaping section 203 is converted into a digital signal by the TDC. A control pulse pREF is supplied to the TDC from the vertical scanning circuit unit 103 via a drive line as a reference signal used to measure the timing of the pulse signal. The TDC acquires a digital signal corresponding to the input time of the pulse from the waveform shaping section 203 using the control pulse pREF as a time reference.

TDCの回路には、例えば、バッファ回路を直列接続したDelay Lineを用いて遅延回路を形成するDelay Line方式、Delay Lineをループ状に繋いだ回路を用いるLooped TDC方式等が用いられ得る。TDCの回路には、その他の方式を用いてもよいが、十分な時間分解能を確保するため、光電変換部201a~201dの時間分解能と同等以上の時間分解能を達成できる方式であることが好ましい。 For the TDC circuit, for example, a delay line method in which a delay circuit is formed using a delay line in which buffer circuits are connected in series, a looped TDC method in which a circuit in which delay lines are connected in a loop, etc. can be used. Although other methods may be used for the TDC circuit, in order to ensure sufficient time resolution, it is preferable to use a method that can achieve a time resolution equal to or higher than that of the photoelectric conversion units 201a to 201d.

TDCにより取得されたデジタル信号は、1つ又は複数のメモリに保持される。メモリの個数が複数である場合には、選択回路206に複数の制御パルスpSELを供給することにより、複数のメモリのいずれかから信号線107に選択的に信号を出力させることが可能である。 The digital signals acquired by the TDC are held in one or more memories. When there are a plurality of memories, by supplying a plurality of control pulses pSEL to the selection circuit 206, it is possible to selectively output a signal from one of the plurality of memories to the signal line 107.

図3(a)、図3(b)及び図3(c)は、クエンチ素子202のいくつかの構成例を説明する回路図である。図3(a)は、光電変換部201のカソード側にクエンチ素子202として抵抗値Rを有する抵抗素子が配される構成例を示す回路図である。光電変換部201、クエンチ素子202及び波形整形部203の接続関係は図2と同様であるため説明を省略する。また、図3(a)には、光電変換部201のPN接合容量CPD、光電変換部201のウエル容量C及び配線及び拡散層の寄生容量Cが図示されている。図3(a)に示されているVsubは基板電位を示している。 3(a), FIG. 3(b), and FIG. 3(c) are circuit diagrams illustrating some configuration examples of the quench element 202. FIG. 3A is a circuit diagram showing a configuration example in which a resistance element having a resistance value R is disposed as the quench element 202 on the cathode side of the photoelectric conversion unit 201. The connection relationships among the photoelectric conversion section 201, quench element 202, and waveform shaping section 203 are the same as those in FIG. 2, and therefore the description thereof will be omitted. Further, FIG. 3A shows the PN junction capacitance C PD of the photoelectric conversion section 201, the well capacitance C w of the photoelectric conversion section 201, and the parasitic capacitance C of the wiring and the diffusion layer. Vsub shown in FIG. 3(a) indicates the substrate potential.

光電変換部201のPN接合容量CPDは、アバランシェ増倍を生じさせるために強電界が誘起される検出領域の容量である。そのため、PN接合容量CPDは、検出領域の面積に比例する。 The PN junction capacitance CPD of the photoelectric conversion unit 201 is a capacitance in a detection region where a strong electric field is induced to cause avalanche multiplication. Therefore, the PN junction capacitance C PD is proportional to the area of the detection region.

図3(a)の構成において、アバランシェ電流により波形整形部203の入力電位が変化してから、クエンチ素子202による電圧降下によって光電変換部201のバイアスが初期状態に復帰するまでには一定の時間が必要である。光電変換素子101が一度電荷を検出してから、次に電荷を検出することが可能な状態に戻るまでの時間は、デッドタイム(Dead time)と呼ばれる。このデッドタイムが短いほど、単位時間にカウントできる電荷の個数が増加し、光検出装置1010のダイナミックレンジが大きくなる。 In the configuration of FIG. 3A, it takes a certain amount of time after the input potential of the waveform shaping section 203 changes due to the avalanche current until the bias of the photoelectric conversion section 201 returns to the initial state due to the voltage drop caused by the quench element 202. is necessary. The time from when the photoelectric conversion element 101 detects a charge once until it returns to a state in which it can detect a charge the next time is called dead time. The shorter the dead time, the greater the number of charges that can be counted per unit time, and the greater the dynamic range of the photodetector 1010.

図3(a)の構成例における光電変換素子101のデッドタイムτは、以下の式(1)により求められる。

Figure 0007353765000001
The dead time τ d of the photoelectric conversion element 101 in the configuration example of FIG. 3(a) is determined by the following equation (1).
Figure 0007353765000001

図3(b)は、光電変換部201のアノード側にクエンチ素子202として抵抗値Rを有する抵抗素子が配される構成例を示す回路図である。本例においては、光電変換部201のカソードには電位VHが供給される。光電変換部201のアノードはクエンチ素子202の一端に接続されている。クエンチ素子202の他端には、電位VHよりも低い電位VLが供給される。 FIG. 3B is a circuit diagram showing a configuration example in which a resistance element having a resistance value R is arranged as the quench element 202 on the anode side of the photoelectric conversion unit 201. In this example, the potential VH is supplied to the cathode of the photoelectric conversion unit 201. The anode of the photoelectric conversion unit 201 is connected to one end of the quench element 202. The other end of the quench element 202 is supplied with a potential VL lower than the potential VH.

図3(b)の構成例における光電変換素子101のデッドタイムτは、以下の式(2)により求められる。

Figure 0007353765000002
The dead time τ d of the photoelectric conversion element 101 in the configuration example of FIG. 3(b) is determined by the following equation (2).
Figure 0007353765000002

図3(c)は、光電変換部201のカソード側にクエンチ素子202としてスイッチが配される構成例を示す回路図である。クエンチ素子202は、クエンチ素子制御部210によりオン状態又はオフ状態に制御されるように構成されている。クエンチ素子制御部210は、波形整形部203から出力されたパルスを遅延させて出力する。これにより、クエンチ素子制御部210は、アバランシェ増倍が発生した直後にクエンチ素子202をオフ状態に制御するように構成されている。本構成例によれば、クエンチ動作が能動的に行われることにより、クエンチ素子202に受動素子を用いた場合と比べてデッドタイムを短縮することができる。 FIG. 3C is a circuit diagram showing a configuration example in which a switch is arranged as the quench element 202 on the cathode side of the photoelectric conversion unit 201. The quench element 202 is configured to be controlled into an on state or an off state by a quench element control section 210. The quench element control unit 210 delays the pulse output from the waveform shaping unit 203 and outputs the delayed pulse. Thereby, the quench element control unit 210 is configured to control the quench element 202 to be in an off state immediately after avalanche multiplication occurs. According to this configuration example, since the quench operation is actively performed, the dead time can be shortened compared to the case where a passive element is used as the quench element 202.

図4(a)及び図4(b)は、本実施形態に係る光電変換素子101の構成例を示す図である。図4(a)は、光電変換素子101及び画素信号処理部102が形成されている半導体基板に対して垂直な方向からの平面視による模式図である。図4(b)は、光電変換素子101の回路図である。 FIGS. 4A and 4B are diagrams showing an example of the configuration of the photoelectric conversion element 101 according to this embodiment. FIG. 4A is a schematic plan view from a direction perpendicular to the semiconductor substrate on which the photoelectric conversion element 101 and the pixel signal processing unit 102 are formed. FIG. 4(b) is a circuit diagram of the photoelectric conversion element 101.

図4(a)に示されるように、1つの画素100には4つの光電変換部201a、201b、201c、201dが設けられている。4つの光電変換部201a、201b、201c、201dは、2行及び2列をなす行列状に配されている。画素信号処理部102は、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dの中心付近に配されている。クエンチ素子202は2つの光電変換部201a、201cの間に配されている。 As shown in FIG. 4A, one pixel 100 is provided with four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d. The four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are arranged in a matrix with two rows and two columns. The pixel signal processing section 102 is arranged near the center of the four photoelectric conversion sections 201a, 201b, 201c, and 201d. The quench element 202 is arranged between the two photoelectric conversion sections 201a and 201c.

このように、本実施形態では、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dと、画素信号処理部102と、クエンチ素子202とが同一の半導体基板の同一の面に形成されている。これにより、これらを別の基板に形成する場合と比較して製造コストを低減させることができる。この面積低減効果は、クエンチ素子202が抵抗素子等の受動素子である場合よりも、図3(c)のような能動クエンチ回路である場合の方が大きい。一般的に、能動クエンチ回路の方が受動素子よりも素子面積が大きいためである。 In this manner, in this embodiment, the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d, the pixel signal processing unit 102, and the quench element 202 are formed on the same surface of the same semiconductor substrate. This allows manufacturing costs to be reduced compared to the case where these are formed on separate substrates. This area reduction effect is greater when the quench element 202 is an active quench circuit as shown in FIG. 3(c) than when it is a passive element such as a resistive element. This is because an active quench circuit generally has a larger element area than a passive element.

図4(b)に示されるように、1つのクエンチ素子202が、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dに対して直列に接続されている。クエンチ素子202と光電変換部201a、201b、201c、201dとが接続されるノード221において、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dのカソードから延びる配線は1つに束ねられている。 As shown in FIG. 4(b), one quench element 202 is connected in series to four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d. At the node 221 where the quench element 202 and the photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are connected, the wirings extending from the cathodes of the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are bundled into one.

図5(a)及び図5(b)は、本実施形態の比較例に係る光電変換素子101の構成例を示す図である。図5(a)は、光電変換素子101及び画素信号処理部102が形成されている半導体基板に対して垂直な方向からの平面視による模式図である。図5(b)は、光電変換素子101の回路図である。 FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a configuration example of a photoelectric conversion element 101 according to a comparative example of this embodiment. FIG. 5A is a schematic plan view from a direction perpendicular to the semiconductor substrate on which the photoelectric conversion element 101 and the pixel signal processing unit 102 are formed. FIG. 5(b) is a circuit diagram of the photoelectric conversion element 101.

図5(a)及び図5(b)に示される比較例において図4(a)及び図4(b)と相違する点は、4つのクエンチ素子231a、231b、231c、231dが設けられている点である。4つのクエンチ素子231a、231b、231c、231dは、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dにそれぞれ対応して設けられている。4つのクエンチ素子231a、231b、231c、231dは、それぞれ、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dに対して直列に接続されている。 The comparative example shown in FIGS. 5(a) and 5(b) is different from FIGS. 4(a) and 4(b) in that four quench elements 231a, 231b, 231c, and 231d are provided. It is a point. Four quench elements 231a, 231b, 231c, and 231d are provided corresponding to four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d, respectively. The four quench elements 231a, 231b, 231c, and 231d are connected in series to the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d, respectively.

図4(a)及び図4(b)に示されている本実施形態の構成では、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dに直列接続されるクエンチ素子202が1つに共通化されている。これにより、図5(a)及び図5(b)に示される比較例において生じ得るクエンチ素子231a、231b、231c、231dの性能のばらつきに起因する出力信号の精度への影響を低下させることができる。この効果について、図6(a)、図6(b)、図7(a)、図7(b)、図8(a)及び図8(b)を参照してより詳細に説明する。 In the configuration of this embodiment shown in FIGS. 4(a) and 4(b), the quench element 202 connected in series to the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d is unified into one. ing. This makes it possible to reduce the influence on the accuracy of the output signal caused by variations in performance of the quench elements 231a, 231b, 231c, and 231d that may occur in the comparative examples shown in FIGS. 5(a) and 5(b). can. This effect will be explained in more detail with reference to FIG. 6(a), FIG. 6(b), FIG. 7(a), FIG. 7(b), FIG. 8(a), and FIG. 8(b).

図6(a)及び図6(b)は、本実施形態の比較例における各ノードの電位を示すグラフである。各グラフの横軸は時間を、縦軸は電位をそれぞれ示している。なお、本明細書において、各グラフの軸の単位は任意であり、グラフ間でスケールは一致していない。図6(a)は、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dのそれぞれに異なるタイミングで1個の光子が入射した際の、ノード232a、232b、232c、232dの電位の変化を示すグラフである。ノード232a、232b、232c、232dの各グラフは重ならないように縦方向にずらして図示されている。図6(a)は、各光電変換部に光子が入射したタイミングで、各ノードの電位が低下し、その後所定の時間(デッドタイム)が経過するとクエンチ動作により元の電位に戻ることを示している。 FIGS. 6A and 6B are graphs showing the potential of each node in a comparative example of this embodiment. The horizontal axis of each graph represents time, and the vertical axis represents potential. Note that in this specification, the units of the axes of each graph are arbitrary, and the scales of the graphs do not match. FIG. 6(a) is a graph showing changes in the potentials of nodes 232a, 232b, 232c, and 232d when one photon is incident on each of the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d at different timings. It is. The graphs of nodes 232a, 232b, 232c, and 232d are shown shifted in the vertical direction so that they do not overlap. Figure 6(a) shows that the potential of each node decreases at the timing when a photon enters each photoelectric conversion unit, and then returns to the original potential due to a quench operation after a predetermined time (dead time) has elapsed. There is.

図6(b)は、図6(a)に示すタイミングで4つの光電変換部201a、201b、201c、201dに光子が入射した際の、ノード233の電位の変化を示すグラフである。4つの光電変換部201a、201b、201c、201dのそれぞれに1個ずつ光子が入射されているため、これらを加算平均した電位であるノード233の電位は4回降下している。 FIG. 6(b) is a graph showing changes in the potential of the node 233 when photons are incident on the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d at the timing shown in FIG. 6(a). Since one photon is incident on each of the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d, the potential of the node 233, which is the potential obtained by adding and averaging these, drops four times.

図6(b)の破線は、画素信号処理部102において、電位変化をカウントする際の論理判定閾値VTの電位レベルを示している。カウンタ回路209は、電位が論理判定閾値VTよりも高い状態から論理判定閾値VTをまたいで論理判定閾値VTよりも低い状態に変化した回数をカウントする。ノード233の電位が論理判定閾値VTを下回る回数は4回であるため、カウンタ回路209によりカウントされるカウント数は4である。このカウント数は入射された光子の個数の合計と一致しており、画素信号処理部102からは適切な値が出力される。 The broken line in FIG. 6B indicates the potential level of the logic determination threshold VT when counting potential changes in the pixel signal processing unit 102. The counter circuit 209 counts the number of times the potential changes from a state higher than the logic judgment threshold VT to a state lower than the logic judgment threshold VT across the logic judgment threshold VT. Since the number of times the potential of the node 233 falls below the logic determination threshold VT is four, the count number counted by the counter circuit 209 is four. This count matches the total number of incident photons, and the pixel signal processing unit 102 outputs an appropriate value.

しかしながら、クエンチ素子231a、231b、231c、231dのうちの、いずれか1つでも理想的な動作を行えない場合、ノード233における電位の波形は、図6(b)に示すものとは異なる波形となる。図7(a)及び図7(b)には、クエンチ素子231bの実効的な抵抗値が、他のクエンチ素子231a、231c、231dよりも大きい場合の各ノードの電位を示すグラフが示されている。図7(a)及び図7(b)において、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dへの光子の入射タイミングは図6(a)及び図6(b)の場合と同様である。 However, if any one of the quench elements 231a, 231b, 231c, and 231d cannot perform ideal operation, the waveform of the potential at the node 233 will be different from that shown in FIG. 6(b). Become. 7(a) and 7(b) show graphs showing the potential of each node when the effective resistance value of the quench element 231b is larger than the other quench elements 231a, 231c, and 231d. There is. In FIGS. 7A and 7B, the timing of incidence of photons on the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d is the same as in FIGS. 6A and 6B.

図7(a)において、ノード232a、232c、232dの電位の変化は図6(a)に示されているものと同様である。しかしながら、ノード232bについては、電位が低下してから、元に戻るまでの時間が長くなっている。この理由は、クエンチ素子231bの実効的な抵抗値が大きいため回路の時定数が大きくなり、上述の式(1)又は式(2)に示されているデッドタイムτが大きくなるためである。 In FIG. 7(a), changes in the potentials of nodes 232a, 232c, and 232d are similar to those shown in FIG. 6(a). However, for the node 232b, it takes a long time for the potential to return to its original level after the potential decreases. The reason for this is that since the effective resistance value of the quench element 231b is large, the time constant of the circuit becomes large, and the dead time τ d shown in the above equation (1) or equation (2) becomes large. .

この場合において、ノード233の電位は、図7(b)に示されるものとなる。ノード233の電位が論理判定閾値VTをまたいで下回る回数は2回である。そのため、カウンタ回路209によりカウントされるカウント数は2である。このように、比較例では、ノード232bでの電位の低下が戻る時間が長くなっている影響により、光電変換部201c、201dに光子が入射した時刻における電位降下量はカウントされない。このように、比較例においては、カウント数が入射された光子の個数の合計と一致せず、画素信号処理部102から出力される値の精度が低下する場合がある。 In this case, the potential of the node 233 is as shown in FIG. 7(b). The number of times that the potential of the node 233 crosses and falls below the logic determination threshold VT is two. Therefore, the count number counted by the counter circuit 209 is two. As described above, in the comparative example, the amount of potential drop at the time when a photon is incident on the photoelectric conversion units 201c and 201d is not counted due to the effect that it takes a long time for the potential drop at the node 232b to recover. As described above, in the comparative example, the count number does not match the total number of incident photons, and the accuracy of the value output from the pixel signal processing unit 102 may decrease.

図4(a)及び図4(b)に示されている本実施形態の構成では、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dは、1つのクエンチ素子202に直列接続されている。この場合、クエンチ素子202が1つであるため、異なるクエンチ素子間の性能ばらつきに起因する精度劣化は生じない。この場合における各ノードの電位が図8(a)及び図8(b)に示されている。図8(a)及び図8(b)において、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dへの光子の入射タイミングは図6(a)及び図6(b)の場合と同様である。 In the configuration of this embodiment shown in FIGS. 4A and 4B, four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are connected in series to one quench element 202. In this case, since there is only one quench element 202, accuracy deterioration due to performance variations between different quench elements does not occur. The potential of each node in this case is shown in FIGS. 8(a) and 8(b). In FIGS. 8A and 8B, the timing of incidence of photons on the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d is the same as in FIGS. 6A and 6B.

図8(a)は、図4(a)のノード221における電位の変化を示すグラフである。4つの光電変換部201a、201b、201c、201dは、出力電位が配線上で加算平均された状態でクエンチ素子202に接続されている。そのため、電位が降下する回数は、光電変換部201a、201b、201c、201dに入射される光子の個数と一致する。 FIG. 8(a) is a graph showing changes in the potential at the node 221 in FIG. 4(a). The four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are connected to the quench element 202 in a state where the output potentials are averaged on the wiring. Therefore, the number of times the potential drops matches the number of photons incident on the photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d.

図8(b)は、図4(a)のノード222における電位の変化を示すグラフである。本構成では、ノード222は、ノード221と同電位であるため、図8(b)は、図8(a)と同様の波形である。そのため、ノード222の電位が論理判定閾値VTを下回る回数は4回であり、カウンタ回路209によりカウントされるカウント数は4である。このカウント数は入射された光子の個数の合計と一致しており、画素信号処理部102からは適切な値が出力される。 FIG. 8(b) is a graph showing changes in the potential at the node 222 in FIG. 4(a). In this configuration, the node 222 has the same potential as the node 221, so FIG. 8(b) has the same waveform as FIG. 8(a). Therefore, the number of times the potential of the node 222 falls below the logic determination threshold VT is four, and the number of counts counted by the counter circuit 209 is four. This count matches the total number of incident photons, and the pixel signal processing unit 102 outputs an appropriate value.

以上のように、本実施形態においては、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dは1つのクエンチ素子202に直列接続されている。そのため、異なるクエンチ素子間の性能ばらつきに起因する精度劣化は生じない。したがって、本実施形態によれば、出力信号の精度が向上された光検出装置1010が提供される。 As described above, in this embodiment, the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are connected in series to one quench element 202. Therefore, accuracy deterioration due to performance variations between different quench elements does not occur. Therefore, according to this embodiment, a photodetection device 1010 with improved output signal accuracy is provided.

また、本実施形態では、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dに対して、1つのクエンチ素子202を設ける構成であるため、光電変換部ごとにクエンチ素子を設ける構成に比べてクエンチ素子の素子数を少なくすることができる。そのため、クエンチ素子の配置に要する素子面積を低減することができ、その分の素子面積を光電変換部の面積に割り当てることにより、光検出装置1010の検出感度を向上させることができる。 Furthermore, in this embodiment, since one quench element 202 is provided for the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d, the quench element 202 is provided for each photoelectric conversion unit. The number of elements can be reduced. Therefore, the element area required for arranging the quench element can be reduced, and by allocating that element area to the area of the photoelectric conversion section, the detection sensitivity of the photodetector 1010 can be improved.

[第2実施形態]
第1実施形態では、図4(a)に示されるように、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dと、画素信号処理部102と、クエンチ素子202とが同一の半導体基板の同一の面に形成されている。これに対し、本実施形態では、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dが第1の基板500に形成され、画素信号処理部102とクエンチ素子202とが第1の基板500とは異なる第2の基板600に形成される例を説明する。
[Second embodiment]
In the first embodiment, as shown in FIG. 4A, the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d, the pixel signal processing unit 102, and the quench element 202 are located on the same semiconductor substrate. formed on the surface. In contrast, in this embodiment, four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are formed on the first substrate 500, and the pixel signal processing unit 102 and the quench element 202 are different from the first substrate 500. An example of formation on the second substrate 600 will be described.

図9は、本実施形態に係る画素100の構成例を示す模式図である。図9に示されるように、本実施形態の光検出装置1010は、第1の基板500と第2の基板600を有する。4つの光電変換部201a、201b、201c、201dは、第1の基板500上に形成される。画素信号処理部102及びクエンチ素子202は、第2の基板600に形成される。 FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration example of the pixel 100 according to this embodiment. As shown in FIG. 9, the photodetector 1010 of this embodiment includes a first substrate 500 and a second substrate 600. Four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are formed on the first substrate 500. The pixel signal processing section 102 and the quench element 202 are formed on the second substrate 600.

第1の基板500は、電極501a~501dを有し、第2の基板600は、電極601a~601dを有する。電極501a~501dと電極601a~601dとは、それぞれ相互に電気的に接続される。これにより、第1実施形態と同様の回路構成が実現される。 The first substrate 500 has electrodes 501a to 501d, and the second substrate 600 has electrodes 601a to 601d. Electrodes 501a to 501d and electrodes 601a to 601d are electrically connected to each other. As a result, a circuit configuration similar to that of the first embodiment is realized.

本実施形態においても、第1実施形態と同様に出力信号の精度が向上された光検出装置1010が提供される。更に、画素信号処理部102及びクエンチ素子202を光電変換部201a、201b、201c、201dを別の基板に形成することにより、光電変換部201a、201b、201c、201dの面積を大きくすることができる。これにより、受光面積が広くなるため、光検出装置1010の検出感度を向上させることができる。 In this embodiment as well, a photodetection device 1010 with improved output signal accuracy is provided, as in the first embodiment. Furthermore, by forming the pixel signal processing section 102 and the quench element 202 on a separate substrate from the photoelectric conversion sections 201a, 201b, 201c, and 201d, the area of the photoelectric conversion sections 201a, 201b, 201c, and 201d can be increased. . This increases the light-receiving area, so the detection sensitivity of the photodetector 1010 can be improved.

一方、本実施形態では、第1実施形態の場合と比べて、基板の枚数が増加する等の理由により製造コストが増加する。したがって、コスト低減が優先される場合には、第1実施形態の構成の方が望ましい場合もある。 On the other hand, in this embodiment, compared to the case of the first embodiment, manufacturing costs increase due to reasons such as an increase in the number of substrates. Therefore, if cost reduction is a priority, the configuration of the first embodiment may be more desirable.

[第3実施形態]
第1実施形態では、図4(a)に示されるように、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dの面積が同一である。これに対し、本実施形態では、光電変換部201aの面積が、光電変換部201b、201c、201dよりも小さい例を説明する。
[Third embodiment]
In the first embodiment, as shown in FIG. 4(a), the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d have the same area. In contrast, in this embodiment, an example will be described in which the area of the photoelectric conversion section 201a is smaller than the area of the photoelectric conversion sections 201b, 201c, and 201d.

図10は、本実施形態に係る画素100の構成例を示す模式図である。本実施形態では、光電変換部201aの面積が、光電変換部201b、201c、201dよりも小さい。光電変換部201b、201c、201dのうちのいずれかが配されている領域を第1の領域、光電変換部201aが配されている領域を第2の領域700とすると、第1の領域と第2の領域700とは、行列状に配列されている。第2の領域700内には、光電変換部201aと、クエンチ素子202と、画素信号処理部102とが配置される。この構成により、第1実施形態の場合と比べて光電変換部201b、201c、201dの面積を大きくすることが可能となり、光検出装置1010の検出感度を向上させることができる。 FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration example of the pixel 100 according to this embodiment. In this embodiment, the area of the photoelectric conversion section 201a is smaller than the area of the photoelectric conversion sections 201b, 201c, and 201d. Assuming that the area where one of the photoelectric conversion units 201b, 201c, and 201d is arranged is a first area, and the area where the photoelectric conversion unit 201a is arranged is a second area 700, the first area and the first area are The second area 700 is arranged in a matrix. In the second region 700, a photoelectric conversion section 201a, a quench element 202, and a pixel signal processing section 102 are arranged. With this configuration, the area of the photoelectric conversion units 201b, 201c, and 201d can be increased compared to the first embodiment, and the detection sensitivity of the photodetector 1010 can be improved.

なお、光電変換部201aについては、第1実施形態の場合と比べて面積が小さくなり得る。しかしながら、光電変換部201a上に設けられるマイクロレンズ等の光学系の設計を最適化して、入射光を光電変換部201aの受光領域に集光させることで、面積の縮小に起因する感度低下を補償することができる。 Note that the area of the photoelectric conversion unit 201a may be smaller than that in the first embodiment. However, by optimizing the design of the optical system such as a microlens provided on the photoelectric conversion unit 201a and focusing the incident light on the light receiving area of the photoelectric conversion unit 201a, the decrease in sensitivity due to the reduction in area can be compensated for. can do.

[第4実施形態]
第1実施形態では、図4(a)に示されるように、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dに対して1つのクエンチ素子202が接続されている。これに対し、本実施形態では、4つの光電変換部201a、201b、201c、201dに対して2つのクエンチ素子202a、202bが接続される例を説明する。
[Fourth embodiment]
In the first embodiment, one quench element 202 is connected to four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d, as shown in FIG. 4(a). In contrast, in this embodiment, an example will be described in which two quench elements 202a and 202b are connected to four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d.

図11は、本実施形態に係る画素100の構成例を示す模式図である。本実施形態の画素100は、2つのクエンチ素子202a、202bと、2つの画素信号処理部102a、102bとを有する。2つの光電変換部201a、201cは、1つのクエンチ素子202a及び画素信号処理部102aに接続される。2つの光電変換部201b、201dは、1つのクエンチ素子202b及び画素信号処理部102bに接続される。このように、本実施形態では、1つのクエンチ素子と、2つの光電変換部と、1つの画素信号処理部とが組となって1つの領域に配されており、この領域が半導体基板上に複数個配列されている。 FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration example of the pixel 100 according to this embodiment. The pixel 100 of this embodiment includes two quench elements 202a and 202b and two pixel signal processing units 102a and 102b. The two photoelectric conversion units 201a and 201c are connected to one quench element 202a and the pixel signal processing unit 102a. The two photoelectric conversion units 201b and 201d are connected to one quench element 202b and the pixel signal processing unit 102b. In this way, in this embodiment, one quench element, two photoelectric conversion sections, and one pixel signal processing section are arranged in one region, and this region is arranged on the semiconductor substrate. Multiple pieces are arranged.

第1実施形態では、4つの光電変換部で得られた信号を加算して検出する構成であるのに対し、本実施形態では、2つの光電変換部で得られた信号を加算して検出する構成である。これにより、本実施形態では1つの画素100から2つの信号が得られる。そのため、第1実施形態の構成に比べ、光検出装置1010により取得される画像の空間分解能が向上する。 In the first embodiment, the configuration is such that the signals obtained by four photoelectric conversion units are added together for detection, whereas in this embodiment, the signals obtained by two photoelectric conversion units are added together for detection. It is the composition. As a result, two signals are obtained from one pixel 100 in this embodiment. Therefore, compared to the configuration of the first embodiment, the spatial resolution of the image acquired by the photodetector 1010 is improved.

なお、本実施形態の光電変換部201a、201b、201c、201dは、第1実施形態のそれらと比べて面積が小さくなり得る。しかしながら、第3実施形態と同様に、マイクロレンズ等の光学系の設計を最適化して、入射光を受光領域に集光させることで、面積の縮小に起因する感度低下を補償することができる。 Note that the photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d of this embodiment may have a smaller area than those of the first embodiment. However, similarly to the third embodiment, by optimizing the design of the optical system such as a microlens and focusing the incident light on the light receiving area, it is possible to compensate for the decrease in sensitivity due to the reduction in area.

[第5実施形態]
第1実施形態では、図4(a)に示されるように、2つの光電変換部201a、201cの間に1つのクエンチ素子202が配置されている。これに対し、本実施形態では、8つの光電変換部201a~201hの各々が配されている第1の領域の中央の第2の領域701に1つのクエンチ素子202が配置される例を説明する。
[Fifth embodiment]
In the first embodiment, as shown in FIG. 4(a), one quench element 202 is arranged between two photoelectric conversion units 201a and 201c. In contrast, in this embodiment, an example will be described in which one quench element 202 is arranged in the second region 701 in the center of the first region where each of the eight photoelectric conversion units 201a to 201h is arranged. .

図12は、本実施形態に係る画素100の構成例を示す模式図である。本実施形態の画素100は、8つの光電変換部201a~201hを有する。8つの光電変換部201a~201hの各々が配されている第1の領域の中央は、光電変換部が設けられていない第2の領域701である。第1の領域及び第2の領域701は、3行及び3列をなす行列状に配されている。第2の領域701には、画素信号処理部102及びクエンチ素子202が配置されている。 FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration example of the pixel 100 according to this embodiment. The pixel 100 of this embodiment has eight photoelectric conversion units 201a to 201h. The center of the first area where each of the eight photoelectric conversion units 201a to 201h is arranged is a second area 701 in which no photoelectric conversion unit is provided. The first region and the second region 701 are arranged in a matrix with three rows and three columns. In the second region 701, the pixel signal processing section 102 and the quench element 202 are arranged.

第1実施形態の構成において、光電変換部の面積が小さい場合には、画素100内に光電変換部、クエンチ素子202及び画素信号処理部102を1つの領域に収めて行列状に配列することが困難になる。本実施形態では、第2の領域701内に、光電変換部を配置せずに、クエンチ素子202と画素信号処理部102のみを配置する構成とすることで、レイアウト設計が容易になる。 In the configuration of the first embodiment, when the area of the photoelectric conversion section is small, the photoelectric conversion section, the quench element 202, and the pixel signal processing section 102 can be arranged in a matrix within one area within the pixel 100. It becomes difficult. In this embodiment, layout design is facilitated by arranging only the quench element 202 and the pixel signal processing unit 102 without arranging the photoelectric conversion unit in the second region 701.

[第6実施形態]
図13(a)、図13(b)及び図13(c)は、光電変換部2070の断面構造を模式的に示す図である。図13(a)、図13(b)及び図13(c)に示すように、光電変換部2070は、半導体基板に形成されたN型半導体領域2001、P型半導体領域2002、N型半導体領域2003、及びN型半導体領域2012を含む。N型半導体領域2001とP型半導体領域2002とは、光を信号電荷に変換して蓄積するPD(フォトダイオード)を構成する。P型半導体領域2002と、N型半導体領域2003と、N型半導体領域2012と、はAD(アバランシェダイオード)を構成する。後述するが、光電変換部2070の動作期間は、信号電荷がPDに蓄積される蓄積期間と、PDに蓄積した信号電荷がADに転送される読出期間とに大別される。読出期間のうちの少なくとも一部の期間には、転送される信号電荷によりADにおいてアバランシェ増倍が生じる。
[Sixth embodiment]
13(a), FIG. 13(b), and FIG. 13(c) are diagrams schematically showing the cross-sectional structure of the photoelectric conversion section 2070. As shown in FIGS. 13(a), 13(b), and 13(c), the photoelectric conversion section 2070 includes an N-type semiconductor region 2001, a P-type semiconductor region 2002, and an N-type semiconductor region formed on a semiconductor substrate. 2003 and an N-type semiconductor region 2012. The N-type semiconductor region 2001 and the P-type semiconductor region 2002 constitute a PD (photodiode) that converts light into signal charges and accumulates them. The P-type semiconductor region 2002, the N-type semiconductor region 2003, and the N-type semiconductor region 2012 constitute an AD (avalanche diode). As will be described later, the operation period of the photoelectric conversion unit 2070 is roughly divided into an accumulation period in which signal charges are accumulated in the PD, and a readout period in which the signal charges accumulated in the PD are transferred to the AD. During at least part of the readout period, transferred signal charges cause avalanche multiplication in the AD.

光電変換部2070は、N型半導体領域2001の下方に形成されるP型半導体領域2009と、N型半導体領域2001、2012の側方に形成されるP型半導体領域2010、2011とを更に含む。P型半導体領域2010、2011は、隣接する光電変換部2070同士を分離する。 Photoelectric conversion section 2070 further includes a P-type semiconductor region 2009 formed below N-type semiconductor region 2001 and P-type semiconductor regions 2010 and 2011 formed on the sides of N-type semiconductor regions 2001 and 2012. P-type semiconductor regions 2010 and 2011 separate adjacent photoelectric conversion units 2070 from each other.

これらの半導体領域の断面構造における配置は、図13(a)等に示される通りである。特に、N型半導体領域2001は、P型半導体領域2002、2009、2010によって囲まれている。また、N型半導体領域2001とN型半導体領域2003との間には、少なくとも部分的に、P型半導体領域2002が配される。N型半導体領域2012は、N型半導体領域2003よりも低い不純物濃度を有し、かつ、P型半導体領域2002とN型半導体領域2003との間に配されている。N型半導体領域2012の少なくとも一部はアバランシェ増倍部を形成する。なお、図13(a)、図13(b)及び図13(c)において、入射光は図中の上側から入射されるものとする。 The arrangement of these semiconductor regions in the cross-sectional structure is as shown in FIG. 13(a) and the like. In particular, N-type semiconductor region 2001 is surrounded by P-type semiconductor regions 2002, 2009, and 2010. Furthermore, a P-type semiconductor region 2002 is disposed at least partially between the N-type semiconductor region 2001 and the N-type semiconductor region 2003. N-type semiconductor region 2012 has a lower impurity concentration than N-type semiconductor region 2003 and is arranged between P-type semiconductor region 2002 and N-type semiconductor region 2003. At least a portion of the N-type semiconductor region 2012 forms an avalanche multiplier. Note that in FIGS. 13(a), 13(b), and 13(c), it is assumed that the incident light is incident from the upper side in the drawings.

N型半導体領域2003には、電位制御部2005が接続されている。電位制御部2005は、N型半導体領域2003に電位Vnを印加している。P型半導体領域2011には、電位制御部2006が接続されている。電位制御部2006は、P型半導体領域2011に電位Vpを印加している。電位Vpは、P型半導体領域2011を介して、P型半導体領域2002、2009、2010にも供給され得る。図13(a)に示す状態では、N型半導体領域2001は電気的にフローティングとなっている。 A potential control section 2005 is connected to the N-type semiconductor region 2003. The potential control unit 2005 applies a potential Vn to the N-type semiconductor region 2003. A potential control section 2006 is connected to the P-type semiconductor region 2011. The potential control unit 2006 applies a potential Vp to the P-type semiconductor region 2011. The potential Vp can also be supplied to the P-type semiconductor regions 2002, 2009, and 2010 via the P-type semiconductor region 2011. In the state shown in FIG. 13(a), the N-type semiconductor region 2001 is electrically floating.

半導体基板の内部のポテンシャル分布は、上述の各半導体領域の配置、各半導体領域の不純物濃度分布、電位制御部2005及び電位制御部2006に印加される電位によって決定される。したがって、電位制御部2005及び電位制御部2006に印加される電位を制御することにより、上述の蓄積期間状態と読出期間状態とを切り替えることができる。また、信号電荷転送時においてアバランシェ増倍を生じさせる等の所定のポテンシャルの状態を実現するために、上述の各半導体領域の配置、及び、各半導体領域の不純物濃度分布が、光検出装置の設計時に調整され得る。 The potential distribution inside the semiconductor substrate is determined by the arrangement of each semiconductor region described above, the impurity concentration distribution of each semiconductor region, and the potentials applied to the potential control section 2005 and the potential control section 2006. Therefore, by controlling the potentials applied to the potential control section 2005 and the potential control section 2006, the above-described accumulation period state and readout period state can be switched. In addition, in order to realize a predetermined potential state such as causing avalanche multiplication during signal charge transfer, the arrangement of each semiconductor region and the impurity concentration distribution of each semiconductor region are determined in the design of the photodetector. may be adjusted from time to time.

図13(a)、図13(b)、図13(c)は、N型半導体領域2003に印加する電位Vnの値をVn0、Vn1、Vn2と変化させた例を示している。また、図14(a)、図14(b)、図14(c)は、図13(a)、図13(b)、図13(c)のそれぞれに対応するA-A’におけるポテンシャルを示す図である。この3つの例では、N型半導体領域2001とN型半導体領域2003との間に生じるポテンシャル障壁の高さが互いに異なる。これにより、N型半導体領域2001に信号電荷を蓄積する期間と、N型半導体領域2001からN型半導体領域2003に信号電荷を読み出す期間とが制御される。説明の単純化のために、図13(a)、図13(b)、図13(c)では、P型半導体領域2002に固定の電位Vpが印加されているものとしているが、P型半導体領域2002に印加される電位が互いに異なっていてもよい。なお、図13(a)、図13(b)及び図13(c)の破線は、空乏層の端部を示している。 13(a), FIG. 13(b), and FIG. 13(c) show examples in which the value of the potential Vn applied to the N-type semiconductor region 2003 is changed to Vn0, Vn1, and Vn2. In addition, FIGS. 14(a), 14(b), and 14(c) show the potentials at AA' corresponding to FIGS. 13(a), 13(b), and 13(c), respectively. FIG. In these three examples, the heights of potential barriers generated between N-type semiconductor region 2001 and N-type semiconductor region 2003 are different from each other. As a result, the period for accumulating signal charges in the N-type semiconductor region 2001 and the period for reading signal charges from the N-type semiconductor region 2001 to the N-type semiconductor region 2003 are controlled. To simplify the explanation, it is assumed in FIGS. 13(a), 13(b), and 13(c) that a fixed potential Vp is applied to the P-type semiconductor region 2002. The potentials applied to the regions 2002 may be different from each other. Note that the broken lines in FIGS. 13(a), 13(b), and 13(c) indicate the ends of the depletion layer.

図13(a)は、N型半導体領域2001に信号電荷が蓄積される状態の光電変換部2070を示す図であり、図14(a)は図13(a)のA-A’におけるポテンシャルを示す図である。電位制御部2005に印加される電位Vn0は、電位制御部2006に印加される電位Vpよりも高い。すなわち、PN接合には逆バイアスが印加されており、PN接合面の付近には空乏層が広がっている。図13(a)に示されるように、P型半導体領域2002の一部には中性領域が存在している。P型半導体領域2002の中性領域には、P型半導体領域の多数キャリアであるホールが多数存在している。そのため、P型半導体領域2002の中性領域の電位は、電位制御部2006の電位Vpとほぼ同じである。なお、P型半導体領域2011、2010、2009にも、それぞれ中性領域が存在しているものとする。 FIG. 13(a) is a diagram showing the photoelectric conversion unit 2070 in a state where signal charges are accumulated in the N-type semiconductor region 2001, and FIG. 14(a) shows the potential at AA' in FIG. 13(a). FIG. The potential Vn0 applied to the potential control unit 2005 is higher than the potential Vp applied to the potential control unit 2006. That is, a reverse bias is applied to the PN junction, and a depletion layer spreads near the PN junction surface. As shown in FIG. 13(a), a neutral region exists in a part of the P-type semiconductor region 2002. In the neutral region of the P-type semiconductor region 2002, there are many holes that are majority carriers of the P-type semiconductor region. Therefore, the potential of the neutral region of the P-type semiconductor region 2002 is approximately the same as the potential Vp of the potential control section 2006. Note that neutral regions also exist in each of the P-type semiconductor regions 2011, 2010, and 2009.

暗状態、すなわち信号電荷が無い場合において、図13(a)の状態では、N型半導体領域2001の全体に空乏層が広がっている。このとき、P型半導体領域2002の中性領域(及び周囲にある他のP型半導体領域の中性領域)とN型半導体領域2001との間には、いわゆる「空乏化電圧」と呼ばれる逆バイアス電圧が少なくとも生じている。換言すると、N型半導体領域2001に存在する信号電荷(電子)に対しては、PN接合間のビルトインポテンシャルに空乏化電圧を加えた電圧に相当するポテンシャル障壁がN型半導体領域2001の周囲に生じている。したがって、A-A’に沿ったポテンシャル分布において、図14(a)に示すように、N型半導体領域2001とN型半導体領域2003との間に、N型半導体領域2001の電子に対するポテンシャル障壁が生じている。なお上述のPDの空乏化電圧は、典型的には、CMOSセンサ、CCDセンサ等のイメージセンサにおけるPDの空乏化電圧と同レベルであり、すなわち1V~2V程度である。 In the dark state, that is, when there is no signal charge, the depletion layer spreads over the entire N-type semiconductor region 2001 in the state shown in FIG. 13(a). At this time, a reverse bias called a "depletion voltage" is applied between the neutral region of the P-type semiconductor region 2002 (and the neutral regions of other surrounding P-type semiconductor regions) and the N-type semiconductor region 2001. At least a voltage is present. In other words, for signal charges (electrons) existing in the N-type semiconductor region 2001, a potential barrier corresponding to the voltage obtained by adding the depletion voltage to the built-in potential between the PN junctions is generated around the N-type semiconductor region 2001. ing. Therefore, in the potential distribution along AA', as shown in FIG. It is occurring. Note that the above-described depletion voltage of the PD is typically at the same level as the depletion voltage of the PD in an image sensor such as a CMOS sensor or a CCD sensor, that is, about 1V to 2V.

図13(a)では、N型半導体領域2003に印加される電位Vn0は、電位制御部2006に印加される電位Vpよりも高い。したがって、P型半導体領域2002、2011と、N型半導体領域2003、2012との間のPN接合には、電位Vn0と電位Vpとの差分に相当する逆バイアスが印加される。また、当該逆バイアスに応じた空乏層が、P型半導体領域2002及びP型半導体領域2011に広がっている。この図13(a)の状態において、P型半導体領域2002とN型半導体領域2003、2012とで形成されるADのPN接合では基本的にはアバランシェ増倍が起こらないように電位Vn0が設定される。また、光入射により発生した信号電荷はN型半導体領域2001に蓄積される。 In FIG. 13A, the potential Vn0 applied to the N-type semiconductor region 2003 is higher than the potential Vp applied to the potential control section 2006. Therefore, a reverse bias corresponding to the difference between the potential Vn0 and the potential Vp is applied to the PN junction between the P-type semiconductor regions 2002, 2011 and the N-type semiconductor regions 2003, 2012. Further, a depletion layer corresponding to the reverse bias is spread in the P-type semiconductor region 2002 and the P-type semiconductor region 2011. In the state shown in FIG. 13A, the potential Vn0 is basically set so that avalanche multiplication does not occur in the AD PN junction formed by the P-type semiconductor region 2002 and the N-type semiconductor regions 2003 and 2012. Ru. Further, signal charges generated by light incidence are accumulated in the N-type semiconductor region 2001.

図13(b)は、N型半導体領域2003に印加される電位Vnが、Vn0から、Vn0よりも高いVn1に変化した状態を示す図である。Vn1はVn0より高い電位であり、一方で、Vpは固定である。そのため、P型半導体領域2002、2011と、N型半導体領域2003、2012との間のPN接合には、図13(a)の場合と比べて大きな逆バイアスが印加される。また、それに応じて、P型半導体領域2002の空乏層が図13(a)の場合に比べて広がる。その結果、電位VnがVn1の時に、N型半導体領域2001の周囲のP型半導体領域2002の空乏層と、N型半導体領域2003の周囲のP型半導体領域2002の空乏層とがつながる。換言すると、N型半導体領域2001からN型半導体領域2003まで、空乏層が連続的に延びた状態となる。 FIG. 13(b) is a diagram showing a state in which the potential Vn applied to the N-type semiconductor region 2003 changes from Vn0 to Vn1 higher than Vn0. Vn1 is at a higher potential than Vn0, while Vp is fixed. Therefore, a larger reverse bias is applied to the PN junction between the P-type semiconductor regions 2002, 2011 and the N-type semiconductor regions 2003, 2012 than in the case of FIG. 13(a). Moreover, the depletion layer of the P-type semiconductor region 2002 is expanded accordingly compared to the case of FIG. 13(a). As a result, when the potential Vn is Vn1, the depletion layer of the P-type semiconductor region 2002 around the N-type semiconductor region 2001 and the depletion layer of the P-type semiconductor region 2002 around the N-type semiconductor region 2003 are connected. In other words, the depletion layer extends continuously from the N-type semiconductor region 2001 to the N-type semiconductor region 2003.

P型半導体領域2002のうち、空乏化している部分のポテンシャルは、P型半導体領域2002の中性領域のポテンシャル(ほぼVpと同じ)よりも低い。これは、N型半導体領域2003に印加される電位Vnの影響を受けるためである。したがって、図13(b)のA-A’に沿ったポテンシャル分布においては、図14(b)が示す通り、N型半導体領域2001とN型半導体領域2003との間のポテンシャル障壁の高さが、図13(a)の場合に比べて低くなる。 The potential of the depleted portion of the P-type semiconductor region 2002 is lower than the potential of the neutral region of the P-type semiconductor region 2002 (approximately the same as Vp). This is because it is affected by the potential Vn applied to the N-type semiconductor region 2003. Therefore, in the potential distribution along AA' in FIG. 13(b), as shown in FIG. 14(b), the height of the potential barrier between the N-type semiconductor region 2001 and the N-type semiconductor region 2003 is , is lower than that in the case of FIG. 13(a).

このとき、N型半導体領域2001の周囲のほとんどをP型半導体領域2002、2009、2010の中性領域が取り囲んでいる。そして、電位制御部2006の電位Vpは固定である。そのため、N型半導体領域2001の中心のポテンシャルはほとんど変化しない。したがって、上述の通り、N型半導体領域2001に対するポテンシャル障壁の高さを、局所的に下げることができる。 At this time, most of the periphery of the N-type semiconductor region 2001 is surrounded by the neutral regions of the P-type semiconductor regions 2002, 2009, and 2010. The potential Vp of the potential control unit 2006 is fixed. Therefore, the potential at the center of the N-type semiconductor region 2001 hardly changes. Therefore, as described above, the height of the potential barrier to the N-type semiconductor region 2001 can be locally lowered.

図13(b)において、N型半導体領域2001に信号電荷が蓄積されている場合は、ポテンシャル障壁を超えて信号電荷がN型半導体領域2003に転送され始める。このとき、N型半導体領域2003とP型半導体領域2002との間には、アバランシェ増倍が起こる程度の逆バイアス電圧が生じている状態となっていることが好ましい。 In FIG. 13B, when signal charges are accumulated in the N-type semiconductor region 2001, the signal charges exceed the potential barrier and begin to be transferred to the N-type semiconductor region 2003. At this time, it is preferable that a reverse bias voltage is generated between the N-type semiconductor region 2003 and the P-type semiconductor region 2002 to the extent that avalanche multiplication occurs.

連続的な空乏層が形成された後、N型半導体領域2003に印加される電位VnがVn1からVn1よりも高い電位Vn2へ変化する。これに応じて、ポテンシャル障壁が徐々に低下する。また、電位Vnの変化に応じて、P型半導体領域2002に生じる空乏層の幅も変化する。 After a continuous depletion layer is formed, the potential Vn applied to the N-type semiconductor region 2003 changes from Vn1 to a potential Vn2 higher than Vn1. Correspondingly, the potential barrier gradually lowers. Further, the width of the depletion layer generated in the P-type semiconductor region 2002 also changes according to a change in the potential Vn.

図13(c)は、N型半導体領域2001とN型半導体領域2003との間のポテンシャル障壁がほぼなくなった状態を示す図である。また、図14(c)は、図13(c)のA-A’のポテンシャルを示す図である。このとき、N型半導体領域2003には電位Vn2が印加されている。図14(c)の状態では、N型半導体領域2001に蓄積された信号電荷がN型半導体領域2003にすべて転送される。すなわち、完全空乏化転送が可能となる。 FIG. 13(c) is a diagram showing a state in which the potential barrier between the N-type semiconductor region 2001 and the N-type semiconductor region 2003 has almost disappeared. Further, FIG. 14(c) is a diagram showing the potential of A-A' in FIG. 13(c). At this time, potential Vn2 is applied to N-type semiconductor region 2003. In the state of FIG. 14C, all signal charges accumulated in the N-type semiconductor region 2001 are transferred to the N-type semiconductor region 2003. That is, complete depletion transfer becomes possible.

このような完全空乏化転送に必要な電圧は、P型半導体領域2002の不純物濃度が低いほど低くなり、逆に、P型半導体領域2002の不純物濃度が高いほど高くなる。前述のように信号電荷が転送されている期間の少なくとも一部で、P型半導体領域2002とN型半導体領域2003との間にアバランシェ増倍が生じる逆バイアスが生じるように、P型半導体領域2002やN型半導体領域2012の不純物濃度が設定される。 The voltage required for such complete depletion transfer becomes lower as the impurity concentration of the P-type semiconductor region 2002 is lower, and conversely becomes higher as the impurity concentration of the P-type semiconductor region 2002 is higher. The P-type semiconductor region 2002 is configured such that a reverse bias that causes avalanche multiplication occurs between the P-type semiconductor region 2002 and the N-type semiconductor region 2003 during at least part of the period during which signal charges are transferred as described above. and the impurity concentration of the N-type semiconductor region 2012 are set.

なお、暗状態において、電位Vnが図13(b)の状態から図13(c)の状態に変化するときに、N型半導体領域2001のポテンシャルが多少変化することが考えられる。しかしながら、N型半導体領域2001よりもP型半導体領域2002の方が、電位Vnの供給されるN型半導体領域2003に近いため、P型半導体領域2002の方が電位Vnの変化の影響をより強く受ける。したがって、P型半導体領域2002の空乏化した部分のポテンシャルの方がN型半導体領域2001のポテンシャルよりも変化しやすい。結果として、N型半導体領域2001とN型半導体領域2003との間のポテンシャルバリアを無くすことができる。 Note that in the dark state, when the potential Vn changes from the state shown in FIG. 13(b) to the state shown in FIG. 13(c), the potential of the N-type semiconductor region 2001 may change somewhat. However, since the P-type semiconductor region 2002 is closer to the N-type semiconductor region 2003 to which the potential Vn is supplied than the N-type semiconductor region 2001, the P-type semiconductor region 2002 is more susceptible to changes in the potential Vn. receive. Therefore, the potential of the depleted portion of the P-type semiconductor region 2002 changes more easily than the potential of the N-type semiconductor region 2001. As a result, a potential barrier between N-type semiconductor region 2001 and N-type semiconductor region 2003 can be eliminated.

本実施形態では、図13(c)において、P型半導体領域2009及びP型半導体領域2010には中性領域が残った状態である。この構成によれば、N型半導体領域2001の周囲の大部分に電位Vpを供給できるため、図14(b)及び図14(c)の状態において、N型半導体領域2001のポテンシャルの変化を小さく抑えることができる。したがって、電位Vnの変化量がさほど大きくなくても、電荷の完全転送が可能である。ただし、電位VnがVn0からVn2に変化する過程で、P型半導体領域2009又はP型半導体領域2010の全体が空乏化することもあり得る。 In this embodiment, in FIG. 13C, neutral regions remain in the P-type semiconductor region 2009 and the P-type semiconductor region 2010. According to this configuration, the potential Vp can be supplied to most of the periphery of the N-type semiconductor region 2001, so that changes in the potential of the N-type semiconductor region 2001 can be reduced in the states of FIGS. 14(b) and 14(c). It can be suppressed. Therefore, complete charge transfer is possible even if the amount of change in potential Vn is not very large. However, during the process in which the potential Vn changes from Vn0 to Vn2, the entire P-type semiconductor region 2009 or P-type semiconductor region 2010 may become depleted.

以上に説明した通り、本実施形態の光電変換部2070は、電位Vnが制御されることにより、N型半導体領域2001とN型半導体領域2003との間のポテンシャル障壁の高さを制御することができる。したがって、本実施形態の光電変換部2070を備える光検出装置は、N型半導体領域2001に信号電荷を蓄積する動作と、N型半導体領域2001からN型半導体領域2003に信号電荷を読み出す動作と、を選択的に実施することができる。 As explained above, the photoelectric conversion unit 2070 of this embodiment can control the height of the potential barrier between the N-type semiconductor region 2001 and the N-type semiconductor region 2003 by controlling the potential Vn. can. Therefore, the photodetecting device including the photoelectric conversion unit 2070 of this embodiment has the following operations: accumulating signal charges in the N-type semiconductor region 2001; reading signal charges from the N-type semiconductor region 2001 to the N-type semiconductor region 2003; can be implemented selectively.

ここで、図13(b)において信号電荷が転送されたときに、アバランシェ増倍が生じることが好ましいと説明した。しかしながら、電位VnがVn0からVn2に変化する間に、アバランシェ増倍が起きる大きさの逆バイアスが印加されるタイミングと、空乏層がつながるタイミング(すなわち、ポテンシャル障壁が下がり始めるタイミング)とがずれていてもよい。アバランシェ増倍が起きる大きさの逆バイアスが印加されるタイミングとP型半導体領域2002において空乏層がつながるタイミングとは、どちらが先であってもよい。N型半導体領域2001における飽和電荷量は、アバランシェ増倍によって信号検出が開始できるようなバイアス電圧が印加されるときのポテンシャル障壁で決まる。 Here, it has been explained that avalanche multiplication preferably occurs when signal charges are transferred in FIG. 13(b). However, while the potential Vn changes from Vn0 to Vn2, the timing at which a reverse bias large enough to cause avalanche multiplication is applied is different from the timing at which the depletion layer connects (that is, the timing at which the potential barrier begins to fall). It's okay. The timing at which a reverse bias large enough to cause avalanche multiplication is applied and the timing at which the depletion layer is connected in the P-type semiconductor region 2002 may occur either first. The amount of saturation charge in the N-type semiconductor region 2001 is determined by the potential barrier when a bias voltage that allows signal detection to be started by avalanche multiplication is applied.

上述の構成の光電変換部2070を備える光電変換素子101の構成例を説明する。図15(a)及び図15(b)は、本実施形態に係る光電変換素子101の構成例を示す図である。図15(a)及び図15(b)において、図4(a)及び図4(b)との差異点は、光電変換部201a、201b、201c、201dのそれぞれに対して、スイッチ素子241a、241b、241c、241dが追加されている点である。ここで、光電変換部201a、201b、201c、201dは、いずれも上述の光電変換部2070と同様の構成を有しているものとする。光電変換部201aは、スイッチ素子241aを間に介してクエンチ素子202との接続ノードであるノード221に接続されている。光電変換部201bは、スイッチ素子241bを間に介してノード221に接続されている。光電変換部201cは、スイッチ素子241cを間に介してノード221に接続されている。光電変換部201dは、スイッチ素子241dを間に介してノード221に接続されている。 A configuration example of the photoelectric conversion element 101 including the photoelectric conversion unit 2070 having the above-described configuration will be described. FIGS. 15(a) and 15(b) are diagrams showing a configuration example of the photoelectric conversion element 101 according to this embodiment. 15(a) and 15(b), the difference from FIG. 4(a) and FIG. 4(b) is that the switching elements 241a, 241b, 241c, and 241d are added. Here, it is assumed that the photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d all have the same configuration as the photoelectric conversion unit 2070 described above. The photoelectric conversion unit 201a is connected to a node 221, which is a connection node to the quench element 202, with a switch element 241a interposed therebetween. The photoelectric conversion unit 201b is connected to the node 221 with a switch element 241b interposed therebetween. The photoelectric conversion unit 201c is connected to the node 221 with a switch element 241c interposed therebetween. The photoelectric conversion unit 201d is connected to the node 221 with a switch element 241d interposed therebetween.

図15(b)に示すように、初期状態において、スイッチ素子241a、241b、241c、241dは、全てオン状態であり、電位VH0が光電変換部201a、201b、201c、201dに供給されている。その後、例えば、スイッチ素子241aだけをオン状態とし、その他のスイッチ素子241b、241c、241dはオフ状態にすると、光電変換部201aだけに電位VH0が供給される状態となる。 As shown in FIG. 15(b), in the initial state, the switch elements 241a, 241b, 241c, and 241d are all on, and the potential VH0 is supplied to the photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d. Thereafter, for example, if only the switch element 241a is turned on and the other switch elements 241b, 241c, and 241d are turned off, the potential VH0 is supplied only to the photoelectric conversion section 201a.

図16に示すタイミングチャートを用いて、光電変換素子101の駆動方法を説明する。図中の「カソード電位」は、電位制御部2005に印加される電位を示しており、図中の「241a」、「241b」、「241c」、「241d」は、対応するスイッチ素子のオン状態又はオフ状態を示している。 A method for driving the photoelectric conversion element 101 will be described using the timing chart shown in FIG. 16. "Cathode potential" in the figure indicates the potential applied to the potential control unit 2005, and "241a", "241b", "241c", and "241d" in the figure indicate the on state of the corresponding switch element. Or indicates an off state.

上述の初期状態の後、スイッチ素子241a、241b、241c、241dはオフ状態になり、光電変換部201a、201b、201c、201dは電荷が蓄積される蓄積状態となる。時刻t1において、スイッチ素子241aのみがオン状態になる。この時点において、他のスイッチ素子241b、241c、241dはオフ状態のままに維持されている。時刻t2以前の時点において、光電変換部201aのカソード電位はVH0である。このとき、光電変換部201aには、アバランシェ増倍が起きるのに必要なバイアス電圧は印加されておらず、光電変換部201aは、ポテンシャル障壁が下がり始める前の状態である。したがって、光電変換部201aに蓄積された電荷は電位制御部2005から読み出されない。言い換えると、時刻t2以前の期間は蓄積期間251aである。このときの図13(a)のA-A’のポテンシャルが図14(a)である。図14(a)に示されるように、N型半導体領域2001に蓄積された電荷はP型半導体領域2002のポテンシャル障壁により、N型半導体領域2003に到達していない。 After the above-mentioned initial state, the switch elements 241a, 241b, 241c, and 241d are turned off, and the photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are placed in an accumulation state in which charges are accumulated. At time t1, only the switch element 241a is turned on. At this point, the other switch elements 241b, 241c, and 241d remain off. Before time t2, the cathode potential of the photoelectric conversion unit 201a is VH0. At this time, the bias voltage necessary for avalanche multiplication to occur is not applied to the photoelectric conversion unit 201a, and the photoelectric conversion unit 201a is in a state before the potential barrier begins to fall. Therefore, the charges accumulated in the photoelectric conversion unit 201a are not read out from the potential control unit 2005. In other words, the period before time t2 is the accumulation period 251a. The potential of A-A' in FIG. 13(a) at this time is shown in FIG. 14(a). As shown in FIG. 14A, the charges accumulated in the N-type semiconductor region 2001 do not reach the N-type semiconductor region 2003 due to the potential barrier of the P-type semiconductor region 2002.

時刻t2において、光電変換部201aのカソード電位がVH0から遷移を開始する。カソード電位がVH1になった時点から、光電変換部201aには、アバランシェ増倍が起きるのに必要なバイアスが印加され始める。これにより、ポテンシャル障壁が下がり、蓄積電荷が徐々に読み出され始める。このときの図13(b)のA-A’のポテンシャルが図14(b)である。図14(b)に示されるように、P型半導体領域2002のポテンシャル障壁が下がることにより、N型半導体領域2001に蓄積された電荷のうちの一部がN型半導体領域2003に到達する。 At time t2, the cathode potential of the photoelectric conversion unit 201a starts transitioning from VH0. From the time when the cathode potential reaches VH1, a bias necessary for avalanche multiplication to occur begins to be applied to the photoelectric conversion unit 201a. This lowers the potential barrier and gradually begins to read out the accumulated charge. The potential of A-A' in FIG. 13(b) at this time is shown in FIG. 14(b). As shown in FIG. 14(b), as the potential barrier of the P-type semiconductor region 2002 is lowered, part of the charges accumulated in the N-type semiconductor region 2001 reaches the N-type semiconductor region 2003.

時刻t2から時刻t3の期間にわたって光電変換部201aのカソード電位がVH0からVH2に徐々に遷移する。時刻t3付近において、光電変換部201aにはアバランシェ増倍が起きるのに十分なバイアスが印加され、蓄積された信号電荷はすべて転送され完全空乏化転送が実現する。このときの図13(c)のA-A’のポテンシャルが図14(c)である。図14(c)に示されるように、P型半導体領域2002のポテンシャル障壁が下がることにより、N型半導体領域2001に蓄積された電荷のすべてが、N型半導体領域2003に到達する。このようにして、光電変換部201aに蓄積された電荷が読み出される。言い換えると、時刻t2から時刻t3までの期間は読出期間252aである。 Over the period from time t2 to time t3, the cathode potential of the photoelectric conversion unit 201a gradually transitions from VH0 to VH2. Around time t3, a bias sufficient to cause avalanche multiplication is applied to the photoelectric conversion unit 201a, all accumulated signal charges are transferred, and complete depletion transfer is realized. The potential of A-A' in FIG. 13(c) at this time is shown in FIG. 14(c). As shown in FIG. 14C, the potential barrier of the P-type semiconductor region 2002 is lowered, so that all of the charges accumulated in the N-type semiconductor region 2001 reach the N-type semiconductor region 2003. In this way, the charges accumulated in the photoelectric conversion unit 201a are read out. In other words, the period from time t2 to time t3 is the read period 252a.

その後、時刻t3において光電変換部201aのカソード電位がVH2からVH0に遷移する。これにより、光電変換部201aには、アバランシェ増倍が起きるのに必要なバイアスが印加されない状態となり、ポテンシャル障壁が時刻t2以前と同じ状態に戻る。言い換えると、時刻t3以降の期間は蓄積期間251aである。なお、読出期間252aの後には、光電変換部201aから転送された電荷のカウント数がリセットされる。 Thereafter, at time t3, the cathode potential of the photoelectric conversion unit 201a transitions from VH2 to VH0. As a result, a bias necessary for avalanche multiplication to occur is not applied to the photoelectric conversion unit 201a, and the potential barrier returns to the same state as before time t2. In other words, the period after time t3 is the accumulation period 251a. Note that after the read period 252a, the count number of charges transferred from the photoelectric conversion unit 201a is reset.

上述の光電変換部201aからの読み出しと同様の処理が光電変換部201b、201c、201dに対しても、順次行われる。これにより、光電変換部201a、201b、201c、201dに蓄積された電荷が、順次読み出される。 Processing similar to the above-described reading from the photoelectric conversion unit 201a is sequentially performed on the photoelectric conversion units 201b, 201c, and 201d. Thereby, the charges accumulated in the photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d are sequentially read out.

上述の第1実施形態では、出力された信号が4つの光電変換部201a、201b、201c、201dのうちのいずれで発生した電荷によるものであるかを区別できない回路構成となっている。これに対し、本実施形態では、光電変換部201a、201b、201c、201dのそれぞれに対して個別に読み出しを行うよう制御することが可能である。したがって、本実施形態によれば、出力された信号が4つの光電変換部201a、201b、201c、201dのうちのいずれで発生した電荷によるものであるかを区別することが可能な光検出装置1010が提供される。なお、本実施形態において、信号電荷は正孔であってもよく、その場合、各半導体領域のN型とP型は反対になる。 In the first embodiment described above, the circuit configuration is such that it is not possible to distinguish which of the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d the output signal is caused by charges generated. In contrast, in this embodiment, it is possible to control each of the photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d to perform reading individually. Therefore, according to this embodiment, the photodetecting device 1010 is capable of distinguishing which of the four photoelectric conversion units 201a, 201b, 201c, and 201d the output signal is caused by charges generated. is provided. Note that in this embodiment, the signal charge may be a hole, and in that case, the N-type and P-type of each semiconductor region are opposite.

[第7実施形態]
本実施形態では、図17を参照しつつ、第1乃至第6実施形態の光検出装置1010を用いた光検出システムの一例を説明する。本実施形態の光検出システムは、不可視光である波長帯の光を検出する不可視光検出システムであり、PET(Positron Emission Tomography)等の医療診断システムに用いられる。なお、本実施形態の画素100は、図2のカウンタ回路209に代えてTDC204及びメモリ205を有する。
[Seventh embodiment]
In this embodiment, an example of a photodetection system using the photodetection devices 1010 of the first to sixth embodiments will be described with reference to FIG. 17. The photodetection system of this embodiment is an invisible light detection system that detects light in a wavelength band that is invisible light, and is used in medical diagnostic systems such as PET (Positron Emission Tomography). Note that the pixel 100 of this embodiment includes a TDC 204 and a memory 205 instead of the counter circuit 209 in FIG.

図17は、不可視光検出システムのブロック図である。不可視光検出システムは、複数の光検出装置1010A、1010B、波長変換部1201及びデータ処理部1207を有している。複数の光検出装置1010A、1010Bの各々は、カウンタ回路209に代えてTDC204及びメモリ205を有している点を除いては、第1乃至第6実施形態の光検出装置1010と同様である。 FIG. 17 is a block diagram of an invisible light detection system. The invisible light detection system includes a plurality of photodetection devices 1010A and 1010B, a wavelength conversion section 1201, and a data processing section 1207. Each of the plurality of photodetecting devices 1010A and 1010B is the same as the photodetecting device 1010 of the first to sixth embodiments, except that the counter circuit 209 is replaced with a TDC 204 and a memory 205.

照射物1200は、不可視光である波長帯(第1波長帯)の光を照射する。波長変換部1201は、照射物1200から照射された不可視光を受光し、可視光である波長帯(第2波長帯)の光を照射する。波長変換部1201から照射された可視光は光電変換部201に入射される。光電変換部201は、入射光を光電変換して電気信号に変換する。この電気信号は、クエンチ素子202、波形整形部203、TDC204を介して、デジタル信号としてメモリ205に保持される。複数の光検出装置1010A、1010Bは、1つの装置として構成されていてもよく、複数の装置として構成されていてもよい。 The irradiation object 1200 irradiates light in a wavelength band (first wavelength band) that is invisible light. The wavelength conversion unit 1201 receives invisible light emitted from the irradiation object 1200 and irradiates light in a wavelength band (second wavelength band) that is visible light. Visible light emitted from the wavelength converter 1201 enters the photoelectric converter 201. The photoelectric conversion unit 201 photoelectrically converts incident light into an electrical signal. This electrical signal is held in the memory 205 as a digital signal via the quench element 202, the waveform shaping section 203, and the TDC 204. The plurality of photodetecting devices 1010A and 1010B may be configured as one device or may be configured as a plurality of devices.

複数の光検出装置1010A、1010Bのメモリ205に保持された複数のデジタル信号は、データ処理部1207により読み出され、信号処理が行われる。データ処理部1207は、複数のデジタル信号から得られた複数の画像の合成処理を行う信号処理手段として機能する。 A plurality of digital signals held in the memories 205 of the plurality of photodetecting devices 1010A and 1010B are read out by a data processing unit 1207 and subjected to signal processing. The data processing unit 1207 functions as a signal processing unit that performs synthesis processing of a plurality of images obtained from a plurality of digital signals.

次に、不可視光検出システムの具体的な例としてPET等の医療診断システムの構成について説明する。照射物1200である被験者は、生体内からガンマ線等の放射線対を放出する。波長変換部1201は、シンチレータを含み、シンチレータは、被験者から放出された放射線対が入射すると可視光を照射する。 Next, the configuration of a medical diagnostic system such as PET will be described as a specific example of an invisible light detection system. The subject, which is the irradiation object 1200, emits radiation pairs such as gamma rays from within the body. The wavelength conversion unit 1201 includes a scintillator, and the scintillator irradiates visible light when the radiation pair emitted from the subject is incident thereon.

シンチレータから照射された可視光は、光検出装置1010A、1010Bに入射し、入射光に基づくデジタル信号がメモリ205に保持される。これにより、光検出装置1010A、1010Bは、被験者から放出された放射線対のそれぞれの到達時間を検出することができる。 The visible light emitted from the scintillator enters the photodetecting devices 1010A and 1010B, and a digital signal based on the incident light is held in the memory 205. Thereby, the photodetectors 1010A and 1010B can detect the arrival time of each radiation pair emitted from the subject.

複数の光検出装置1010A、1010Bのメモリ205に保持された複数のデジタル信号は、データ処理部1207により読み出され、信号処理が行われる。データ処理部1207は、複数のデジタル信号から得られた複数の画像を用いて画像再構成等の合成処理を行い、被験者の生体内の画像を生成する。 A plurality of digital signals held in the memories 205 of the plurality of photodetecting devices 1010A and 1010B are read out by a data processing unit 1207 and subjected to signal processing. The data processing unit 1207 performs synthesis processing such as image reconstruction using a plurality of images obtained from a plurality of digital signals, and generates an in-vivo image of the subject.

本実施形態によれば、検出性能が向上された光検出装置1010A、1010Bを用いることにより、より高精度な不可視光検出システム、医療診断システム等の光検出システムを提供することができる。 According to this embodiment, by using the photodetection devices 1010A and 1010B with improved detection performance, it is possible to provide a photodetection system such as a highly accurate invisible light detection system or a medical diagnosis system.

[第8実施形態]
本実施形態では、図18及び図19を参照しつつ、第1乃至第6実施形態の光検出装置1010を用いた光検出システムの他の一例を説明する。
[Eighth embodiment]
In this embodiment, another example of a photodetection system using the photodetection device 1010 of the first to sixth embodiments will be described with reference to FIGS. 18 and 19.

まず、図18を参照して光検出システムの一例である距離検出システムについて説明する。なお、本実施形態の画素100は、図2のカウンタ回路209に代えてTDC204及びメモリ205を有する。 First, a distance detection system, which is an example of a light detection system, will be described with reference to FIG. Note that the pixel 100 of this embodiment includes a TDC 204 and a memory 205 instead of the counter circuit 209 in FIG.

図18は、距離検出システムのブロック図である。距離検出システムは、光源制御部1301、発光部1302、光学部材1303、光検出装置1010及び距離算出部1309を有している。 FIG. 18 is a block diagram of the distance detection system. The distance detection system includes a light source control section 1301, a light emitting section 1302, an optical member 1303, a light detection device 1010, and a distance calculation section 1309.

光源制御部1301は発光部1302の駆動を制御する。発光部1302は、光源制御部1301からの信号に応じて、撮影方向に対して短パルス(列)の光を照射する発光装置である。 A light source control unit 1301 controls driving of a light emitting unit 1302. The light emitting unit 1302 is a light emitting device that emits short pulses (rows) of light in the photographing direction in response to a signal from the light source control unit 1301.

発光部1302から照射された光は、被写体1304において反射される。反射光は、レンズなどの光学部材1303を通して、光検出装置1010の光電変換部201で受光される。光電変換部201は、入射光に基づく信号を出力し、当該信号は、波形整形部203を介してTDC204に入力される。 Light emitted from the light emitting unit 1302 is reflected by the subject 1304. The reflected light passes through an optical member 1303 such as a lens and is received by the photoelectric conversion unit 201 of the photodetector 1010. The photoelectric conversion unit 201 outputs a signal based on the incident light, and the signal is input to the TDC 204 via the waveform shaping unit 203.

TDC204は、光源制御部1301から発光部1302からの光照射のタイミングを示す信号を取得する。TDC204は、光源制御部1301から取得した信号と、波形整形部203から入力された信号とを比較する。これにより、TDC204は、発光部1302がパルス光を発光してから被写体1304で反射された反射光を受光するまでの時間をデジタル信号として出力する。TDC204から出力されたデジタル信号は、メモリ205に保持される。この処理は複数回繰り返し行われ、メモリ205が複数回分のデジタル信号を保持することができる。 The TDC 204 acquires a signal indicating the timing of light irradiation from the light emitting unit 1302 from the light source control unit 1301. The TDC 204 compares the signal acquired from the light source control unit 1301 and the signal input from the waveform shaping unit 203. Thereby, the TDC 204 outputs the time from when the light emitting unit 1302 emits pulsed light until it receives the reflected light reflected by the subject 1304 as a digital signal. The digital signal output from TDC 204 is held in memory 205. This process is repeated multiple times, and the memory 205 can hold digital signals for multiple times.

距離算出部1309は、メモリ205に保持された複数のデジタル信号に基づいて、光検出装置1010から被写体1304までの距離を算出する。この距離検出システムは例えば、車載用の距離検出装置に適用することができる。なお、距離算出部1309で行われる処理はデジタル信号の処理であることから、より一般的に信号処理手段と呼ばれることもある。 The distance calculation unit 1309 calculates the distance from the photodetector 1010 to the subject 1304 based on the plurality of digital signals held in the memory 205. This distance detection system can be applied to, for example, a vehicle-mounted distance detection device. Note that since the processing performed by the distance calculation unit 1309 is digital signal processing, it may be more generally referred to as a signal processing unit.

次に、図19(A)及び図19(B)を参照して、光検出装置1010を車載カメラとして用いた光検出システムについて説明する。図19(A)及び図19(B)は、本実施形態による光検出システム1000及び移動体の構成を示す図である。 Next, a light detection system using the light detection device 1010 as an on-vehicle camera will be described with reference to FIGS. 19(A) and 19(B). 19(A) and 19(B) are diagrams showing the configurations of a photodetection system 1000 and a moving object according to this embodiment.

図19(A)は、車載カメラに関する光検出システム1000の一例を示したブロック図である。光検出システム1000は、第1実施形態に係る光検出装置1010を有する。光検出システム1000は、光検出装置1010により取得された複数のデジタル信号に対し、画像処理を行う画像処理部1030を有する。更に、光検出システム1000は、画像処理部1030により取得された複数の画像データから視差(視差画像の位相差)の算出を行う視差算出部1040を有する。 FIG. 19(A) is a block diagram showing an example of a light detection system 1000 related to a vehicle-mounted camera. The photodetection system 1000 includes a photodetection device 1010 according to the first embodiment. The photodetection system 1000 includes an image processing unit 1030 that performs image processing on a plurality of digital signals acquired by the photodetection device 1010. Furthermore, the photodetection system 1000 includes a parallax calculation unit 1040 that calculates parallax (phase difference of parallax images) from a plurality of image data acquired by the image processing unit 1030.

また、光検出システム1000は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部1050と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部1060と、を有する。ここで、視差算出部1040及び距離計測部1050は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。 The light detection system 1000 also includes a distance measurement unit 1050 that calculates the distance to the object based on the calculated parallax, and a collision determination unit that determines whether there is a possibility of a collision based on the calculated distance. 1060. Here, the parallax calculation unit 1040 and the distance measurement unit 1050 are an example of distance information acquisition means that acquires distance information to the target object. That is, distance information is information regarding parallax, defocus amount, distance to a target object, and the like.

衝突判定部1060はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等によって実現されてもよい。更に、これらの組合せによって実現されてもよい。 Collision determination section 1060 may determine the possibility of collision using any of these distance information. The distance information acquisition means may be realized by specially designed hardware, a software module, or a combination thereof. Further, it may be realized by FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or the like. Furthermore, it may be realized by a combination of these.

光検出システム1000は車両情報取得装置1310と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光検出システム1000は、衝突判定部1060での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ECU1410と接続されている。 The optical detection system 1000 is connected to a vehicle information acquisition device 1310, and can acquire vehicle information such as vehicle speed, yaw rate, and steering angle. Furthermore, the optical detection system 1000 is connected to a control ECU 1410 that is a control device that outputs a control signal for generating a braking force on the vehicle based on the determination result by the collision determination section 1060.

また、光検出システム1000は、衝突判定部1060での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置1420とも接続されている。例えば、衝突判定部1060の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ECU1410はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置1420は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。 The light detection system 1000 is also connected to a warning device 1420 that issues a warning to the driver based on the determination result of the collision determination section 1060. For example, if the collision determination unit 1060 determines that there is a high possibility of a collision, the control ECU 1410 performs vehicle control to avoid the collision and reduce damage by applying the brakes, releasing the accelerator, suppressing engine output, etc. The alarm device 1420 warns the user by sounding an alarm such as a sound, displaying alarm information on a screen of a car navigation system, etc., or applying vibration to a seat belt or steering wheel.

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光検出システム1000で撮像する。図19(B)に、車両前方(撮像範囲1510)を撮像する場合の光検出システム1000を示した。車両情報取得装置1310は、所定の動作を行うように光検出システム1000又は光検出装置1010に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。 In this embodiment, the light detection system 1000 images the surroundings of the vehicle, for example, the front or rear. FIG. 19(B) shows a light detection system 1000 for capturing an image in front of a vehicle (imaging range 1510). Vehicle information acquisition device 1310 sends an instruction to photodetection system 1000 or photodetection device 1010 to perform a predetermined operation. With such a configuration, the accuracy of distance measurement can be further improved.

上述の例では他の車両と衝突しない制御を説明したが、光検出システム1000は、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、光検出システム1000は、車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体(移動装置)に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム(ITS)等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。 In the above example, control to avoid collisions with other vehicles was explained, but the light detection system 1000 can also be applied to control to automatically drive by following other vehicles, control to automatically drive to avoid moving out of the lane, etc. It is possible. Furthermore, the optical detection system 1000 is applicable not only to vehicles but also to mobile objects (mobile devices) such as ships, aircraft, and industrial robots. In addition, the present invention can be applied not only to mobile objects but also to a wide range of devices that use object recognition, such as intelligent transportation systems (ITS).

本実施形態によれば、検出性能が向上された光検出装置1010を用いることにより、より高性能な光検出システム及び移動体を提供することができる。 According to this embodiment, by using the photodetection device 1010 with improved detection performance, a higher performance photodetection system and moving body can be provided.

[変形実施形態]
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
[Modified embodiment]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible. For example, an example in which a part of the configuration of one embodiment is added to another embodiment, or an example in which a part of the configuration in another embodiment is replaced is also an embodiment of the present invention.

また、第7及び第8実施形態に示したシステムは、本発明の光検出装置を適用しうるシステムの構成例を示したものであり、本発明の光検出装置を適用可能なシステムは17乃至図19に示した構成に限定されるものではない。 Further, the systems shown in the seventh and eighth embodiments are examples of system configurations to which the photodetection device of the present invention can be applied, and the systems to which the photodetection device of the present invention can be applied are 17 to 17. The configuration is not limited to that shown in FIG. 19.

本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention provides a system or device with a program that implements one or more functions of the embodiments described above via a network or a storage medium, and one or more processors in a computer of the system or device reads and executes the program. This can also be achieved by processing. It can also be realized by a circuit (for example, an ASIC) that realizes one or more functions.

なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 Note that the above-described embodiments are merely examples of implementation of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be interpreted to be limited by these embodiments. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from its technical idea or main features.

102 画素信号処理部
201 光電変換部
202 クエンチ素子
1010 光検出装置
102 Pixel signal processing section 201 Photoelectric conversion section 202 Quench element 1010 Photodetection device

Claims (12)

複数のアバランシェダイオードと、
前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、
前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、
前記複数のアバランシェダイオードの各々に対応する複数のスイッチ素子と、
を有し、
1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、
前記複数のアバランシェダイオード及び前記クエンチ素子は、同一の基板に形成されており、
前記クエンチ素子は、前記基板に垂直な方向からの平面視において、前記複数のアバランシェダイオードのうちの2つのアバランシェダイオードの間に配されており、
前記複数のスイッチ素子の各々は、対応するアバランシェダイオードと前記クエンチ素子との間に接続されており、
前記複数のスイッチ素子が互いに異なるタイミングでオン状態になることにより、前記複数のアバランシェダイオードは、互いに異なるタイミングで前記画素信号処理部に信号を出力する
ことを特徴とする光検出装置。
multiple avalanche diodes;
a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes;
a pixel signal processing unit that processes a signal obtained by adding signals output from each of the plurality of avalanche diodes;
a plurality of switch elements corresponding to each of the plurality of avalanche diodes;
has
one of the quench elements is connected in series with the plurality of avalanche diodes,
The plurality of avalanche diodes and the quench element are formed on the same substrate,
The quench element is arranged between two avalanche diodes of the plurality of avalanche diodes in a plan view from a direction perpendicular to the substrate ,
Each of the plurality of switch elements is connected between a corresponding avalanche diode and the quench element,
By turning on the plurality of switch elements at mutually different timings, the plurality of avalanche diodes output signals to the pixel signal processing section at mutually different timings.
A photodetection device characterized by:
1つの前記クエンチ素子と、前記1つの前記クエンチ素子に対して直列に接続された2つのアバランシェダイオードと、を含む領域が、前記基板に複数個、配列されている
ことを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。
A plurality of regions including one quench element and two avalanche diodes connected in series to the one quench element are arranged on the substrate. The photodetection device described in .
複数のアバランシェダイオードと、
前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、
前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、
前記複数のアバランシェダイオードの各々に対応する複数のスイッチ素子と、
を有し、
1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、
前記複数のアバランシェダイオード及び前記クエンチ素子は、同一の基板に形成されており、
前記複数のアバランシェダイオードのうちの1つを含む第1の領域と、前記クエンチ素子を含む第2の領域とが、前記基板に複数の行及び複数の列をなす行列状に配列されており、
前記複数のスイッチ素子の各々は、対応するアバランシェダイオードと前記クエンチ素子との間に接続されており、
前記複数のスイッチ素子が互いに異なるタイミングでオン状態になることにより、前記複数のアバランシェダイオードは、互いに異なるタイミングで前記画素信号処理部に信号を出力する
ことを特徴とする光検出装置。
multiple avalanche diodes;
a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes;
a pixel signal processing unit that processes a signal obtained by adding signals output from each of the plurality of avalanche diodes;
a plurality of switch elements corresponding to each of the plurality of avalanche diodes;
has
one of the quench elements is connected in series with the plurality of avalanche diodes,
The plurality of avalanche diodes and the quench element are formed on the same substrate,
A first region including one of the plurality of avalanche diodes and a second region including the quench element are arranged in a matrix with a plurality of rows and a plurality of columns on the substrate,
Each of the plurality of switch elements is connected between a corresponding avalanche diode and the quench element,
By turning on the plurality of switch elements at mutually different timings, the plurality of avalanche diodes output signals to the pixel signal processing section at mutually different timings.
A photodetection device characterized by:
複数のアバランシェダイオードと、
前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、
前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、
を有し、
1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、
前記複数のアバランシェダイオード及び前記クエンチ素子は、同一の基板に形成されており、
前記複数のアバランシェダイオードのうちの1つを含む第1の領域と、前記クエンチ素子を含む第2の領域とが、前記基板に複数の行及び複数の列をなす行列状に配列されており、
前記第2の領域は、前記第1の領域に含まれるアバランシェダイオードの面積よりも小さい面積を有するアバランシェダイオードを更に含む
ことを特徴とする光検出装置。
multiple avalanche diodes;
a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes;
a pixel signal processing unit that processes a signal obtained by adding signals output from each of the plurality of avalanche diodes;
has
one of the quench elements is connected in series with the plurality of avalanche diodes,
The plurality of avalanche diodes and the quench element are formed on the same substrate,
A first region including one of the plurality of avalanche diodes and a second region including the quench element are arranged in a matrix with a plurality of rows and a plurality of columns on the substrate,
The photodetecting device, wherein the second region further includes an avalanche diode having a smaller area than an avalanche diode included in the first region.
複数のアバランシェダイオードと、
前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、
前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、
を有し、
1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、
前記複数のアバランシェダイオード及び前記クエンチ素子は、同一の基板に形成されており、
前記複数のアバランシェダイオードのうちの1つを含む第1の領域と、前記クエンチ素子を含む第2の領域とが、前記基板に複数の行及び複数の列をなす行列状に配列されており、
前記第2の領域は、アバランシェダイオードを含まない
ことを特徴とする光検出装置。
multiple avalanche diodes;
a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes;
a pixel signal processing unit that processes a signal obtained by adding signals output from each of the plurality of avalanche diodes;
has
one of the quench elements is connected in series with the plurality of avalanche diodes,
The plurality of avalanche diodes and the quench element are formed on the same substrate,
A first region including one of the plurality of avalanche diodes and a second region including the quench element are arranged in a matrix with a plurality of rows and a plurality of columns on the substrate,
A photodetecting device, wherein the second region does not include an avalanche diode.
複数のアバランシェダイオードと、
前記複数のアバランシェダイオードにおけるアバランシェ増倍を抑制するクエンチ素子と、
前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれから出力される信号を加算して得られた信号を処理する画素信号処理部と、
前記複数のアバランシェダイオードの各々に対応する複数のスイッチ素子と、
を有し、
1つの前記クエンチ素子が、前記複数のアバランシェダイオードに対して直列に接続されており、
前記複数のアバランシェダイオードは、第1の基板に形成されており、
前記クエンチ素子は、前記第1の基板とは異なる第2の基板に形成されており、
前記複数のスイッチ素子の各々は、対応するアバランシェダイオードと前記クエンチ素子との間に接続されており、
前記複数のスイッチ素子が互いに異なるタイミングでオン状態になることにより、前記複数のアバランシェダイオードは、互いに異なるタイミングで前記画素信号処理部に信号を出力する
ことを特徴とする光検出装置。
multiple avalanche diodes;
a quench element that suppresses avalanche multiplication in the plurality of avalanche diodes;
a pixel signal processing unit that processes a signal obtained by adding signals output from each of the plurality of avalanche diodes;
a plurality of switch elements corresponding to each of the plurality of avalanche diodes;
has
one of the quench elements is connected in series with the plurality of avalanche diodes,
The plurality of avalanche diodes are formed on a first substrate,
The quench element is formed on a second substrate different from the first substrate,
Each of the plurality of switch elements is connected between a corresponding avalanche diode and the quench element,
By turning on the plurality of switch elements at mutually different timings, the plurality of avalanche diodes output signals to the pixel signal processing section at mutually different timings.
A photodetection device characterized by:
前記複数のアバランシェダイオードは、互いに並列に接続されている
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光検出装置。
The photodetection device according to any one of claims 1 to 6, wherein the plurality of avalanche diodes are connected in parallel with each other.
前記クエンチ素子は、前記アバランシェダイオードに供給される電位を変化させることにより前記アバランシェ増倍を抑制する能動クエンチ回路を含む
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光検出装置。
The photodetection according to any one of claims 1 to 7, wherein the quench element includes an active quench circuit that suppresses the avalanche multiplication by changing the potential supplied to the avalanche diode. Device.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の光検出装置と、
前記光検出装置から出力される信号を処理する信号処理手段と
を有することを特徴とする光検出システム。
A photodetection device according to any one of claims 1 to 8 ,
A photodetection system comprising: signal processing means for processing a signal output from the photodetection device.
第1波長帯の光を前記第1波長帯と異なる第2波長帯の光に変換する波長変換部と、
前記波長変換部により変換された前記第2波長帯の光が入射されるよう構成された、請求項1乃至のいずれか1項に記載の複数の光検出装置と、
前記複数の光検出装置により取得された複数の信号に基づく複数の画像の合成処理を行う信号処理手段と、
を有することを特徴とする光検出システム。
a wavelength conversion unit that converts light in a first wavelength band to light in a second wavelength band different from the first wavelength band;
A plurality of photodetecting devices according to any one of claims 1 to 8 , configured to receive light in the second wavelength band converted by the wavelength conversion unit;
a signal processing means that performs a process of synthesizing a plurality of images based on a plurality of signals acquired by the plurality of photodetecting devices;
A light detection system comprising:
光を照射する発光部と、
前記光を検出するよう構成された、請求項1乃至のいずれか1項に記載の光検出装置と、
前記光検出装置により検出された前記光に基づく信号を用いて距離算出を行う距離算出手段と、
を有することを特徴とする光検出システム。
A light emitting part that emits light;
The light detection device according to any one of claims 1 to 8 , configured to detect the light;
distance calculation means for calculating a distance using a signal based on the light detected by the light detection device;
A light detection system comprising:
移動体であって、
請求項1乃至のいずれか1項に記載の光検出装置と、
前記光検出装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする移動体。
A mobile object,
A photodetection device according to any one of claims 1 to 8 ,
distance information acquisition means for acquiring distance information to a target object from a parallax image based on a signal from the photodetection device;
a control means for controlling the mobile body based on the distance information;
A mobile object characterized by having.
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