CN107949911A - 固态摄像元件和摄像装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，能够提高具有SPAD的固态摄像元件中的检查效率，在SPAD中在中心部分布置有电极和配线。根据本发明的固态摄像元件设置有光电二极管和光聚集部。光电二极管包括光接收表面和布置在所述光接收表面上的电极，并且在所述电极施加有超过击穿电压的电压的状态下，所述光电二极管输出根据入射到所述光接收表面上的光的电信号。所述光聚集部使来自被摄体的光聚集到除了布置有所述电极的区域之外的所述光接收表面。

Description

固态摄像元件和摄像装置
技术领域
本发明涉及固态摄像元件和摄像装置。具体地，本发明涉及一种使用单光子雪崩二极管的固态摄像元件和摄像装置。
背景技术
迄今，使用单光子雪崩二极管(SPAD，single-photon avalanche diode)作为像素的光电转换元件的摄像装置已经被用作用于在低照度的环境中摄像或者测量到被摄体的距离的摄像装置。SPAD是在施加有超过击穿电压的电压的状态下进行光电转换的二极管。由于施加了超过击穿电压的电压，发生了由光电转化产生的载流子导致的电子雪崩，并且SPAD进入击穿状态。因此，基于光电转换的载流子倍增，并且期望提高摄像装置的灵敏度。然而，由于将相对高的电压施加到SPAD，SPAD需要相对大的用于与周围电路等绝缘的绝缘区域。另外，在像素的表面上布置有SPAD的电极和连接到电极的配线。形成SPAD的区域相应于像素表面中的光接收表面；因此，通过布置上述的绝缘区域等，光接收表面在像素表面中的比率，即光圈比率减小。因此，电子检测效率是相对低的值。此处，检测效率是被检测的光子的数量与入射光子数量的比率，并且检测效率是示出光子检测的特征的值。
因此，使用如下摄像装置，其中，入射至绝缘区域的光被引导到SPAD并且由此提高了检测效率。例如，提出了如下摄像装置，其中，每个像素布置有微透镜并且光被聚集到形成于像素的中心部分的SPAD的区域(例如，参见专利文献1)。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：JP 2008-103614号公报
发明内容
技术问题
上述的常规技术中，电极布置于SPAD的端部并且入射光聚集到SPAD的中心部分，并且由此提高了检测效率。然而，由于电极布置在SPAD的端部，电极之间的电场是不均匀的，并且电场集中在部分区域中。因此，引发了如下问题：发生了非源于入射光的击穿状态并且增大了从像素输出的信号的噪声。
鉴于这种情况提出了本发明，并且本发明的目的是使入射光聚集到形成有SPAD的区域并且使电极等布置在SPAD的中心部分。
技术方案
本发明已经解决了上述的技术问题。根据本发明的第一方面，固态摄像元件包括：光电二极管，其包括光接收表面和布置在该光接收表面上的电极，并且在所述电极施加有超过击穿电压的电压的状态下，所述光电二极管输出与入射到所述光接收表面的光相对应的电信号；和光聚集部，其使来自被摄体的光聚集到除了布置有所述电极的区域之外的所述光接收表面。因此，提供了包括SPAD的固态摄像元件，该SPAD是如下所述的光电二极管：其包括光接收表面和布置在该光接收表面上的电极的光电二极管，在所述电极施加有超过击穿电压的电压的状态下，所述光电二极管输出与入射到光接收表面的光相对应的电信号。这提供了使源自被摄物的光被聚集至光接收表面的作用。
另外，根据第一方面，在光电二极管中，在光接收表面的大致中心处布置有电极。这提供了使SPAD的光接收表面的电场均匀化的作用。
另外，根据第一方面，光聚集部可以包括微透镜，该微透镜在大致中心部分具有凹部。这提供了通过在大致中心部分的具有凹部的微透镜使光聚集到SPAD的光接收表面的作用。
另外，根据第一方面，微透镜可以具有凹部中的开口。这提供了通过在大致中心部分处具有凹部和开口的微透镜而使光聚集到SPAD的光接收表面的作用。
另外，根据第一方面，固态摄像元件还可以包括电连接到电极的配线，并且微透镜可以具有沿着该配线延伸的凹部。这提供了通过具有沿着配线延伸的凹部的微透镜而使光聚集到SPAD的光接收表面的作用。
另外，根据第一方面，固态摄像元件可以具有在延伸的凹部的底部的切口。这提供了通过具有沿着配线延伸的凹部和切口的微透镜而使光聚集到SPAD的光接收表面的作用。
另外，根据第一方面，光聚集部可以包括多个微透镜，每个微透镜配置为使光聚集到除了布置有电极的区域之外的光接收表面。这提供了通过多个微透镜使光聚集到SPAD的光接收表面的作用。
另外，根据第一方面，固态摄像元件还包括在多个彼此相邻的微透镜之间布置的配线，并且该配线电连接到电极。这提供了在微透镜之间布置配线的作用。
另外，根据第一方面，多个微透镜中的每一者可以具有四边形的底面。这提供了通过每一个具有四边形底部的多个微透镜而使光聚集到SPAD的光接收表面的作用。
另外，根据第一方面，光聚集部可以包括在电极和被摄物之间顺序地布置的第一聚光部件和第二聚光部件，第二聚光部件具有大于第一聚光部件的折射率。这提供了通过具有不同的折射率的第一聚光部件和第二聚光部件而使光聚集到SPAD的光接收表面的作用。
另外，根据本发明的第二方面，摄像装置包括：像素电路，在像素电路中以二维阵列的形式布置有像素，各像素包含光电二极管和光聚集部，光电二极管包括光接收表面和布置在光接收表面上的电极，并且在电极施加有超过击穿电压的电压的状态下，所述光电二极管输出与入射到光接收表面的光相对应的电信号，所述光聚集部使来自被摄体的光聚集到除了布置有电极的区域之外的光接收表面；和处理电路，其用于处理输出电信号。这提供了使源自被摄体的光聚集到SPAD的光接收表面的作用。
本发明的有益效果
根据本发明，呈现出了如下突出效果：其中，电极等布置在SPAD的中心部分，并且入射光聚集到SPAD的光接收表面，并且提高了检测效率。注意，本文中描述的效果并不一定限制于此，并且可以是本发明中所述的效果中的任一者。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施例中的摄像系统1的构造的示例的图。
图2是示出本发明的第一实施例中的像素110的构造的示例的图。
图3是示出本发明的第一实施例中的像素110的构造的示例的剖视图。
图4是示出本发明的第一实施例中的微透镜121的构造的示例的图。
图5是示出本发明的实施例的SPAD 112的特征的图。
图6是示出本发明的第二实施例中的微透镜123的构造的示例的图。
图7是示出本发明的第三实施例中的像素110的构造的示例的图。
图8是示出本发明的第四实施例中的像素110的构造的示例的剖视图。
图9是示出本发明的第四实施例中的光聚集的示例的图。
图10是示出本发明的第四实施例的变型例中的像素110的构造的示例的剖视图。
图11是示出本发明的第五实施例中的摄像装置10的构造的示例的图。
图12是示出本发明的第五实施例中的像素150的构造的示例的图。
图13是示出本发明的第五实施例中的像素的排布的示例的图。
图14是示出本发明的第五实施例的变型例中的像素的排布的示例的图。
图15是示出本发明的第六实施例中的像素150的构造的示例的图。
具体实施方式
下文中，描述了用于实施本发明的实施方式(在下文中称为实施例)。以如下顺序给出说明书：
1.第一实施例(用于距离测量传感器的情况的示例)
2.第二实施例(使用具有切口的微观透镜的情况的示例)
3.第三实施例(使用多个微透镜的情况的示例)
4.第四实施例(通过具有不同的折射率的聚光部件集中光的情况的示例)
5.第五实施例(用于在低光照环境中摄像的情况的示例)
6.第六实施例(执行光瞳校正的情况的示例)
<第一实施例>
[摄像装置的构造]
图1是示出本发明的第一实施例中的摄像系统1的构造的示例的图。该图示出了用于执行测量到被摄体的距离的摄像系统1的构造的示例。摄像系统1包括摄像装置10、距离测量部20和红外光发射部30。
摄像装置10执行入射光的检测。摄像装置10输出与入射光相对应的电信号。
红外光发射部30向被摄体发射红外光。红外光发射部30在距离测量部20的控制下发射红外光。
距离测量部20基于从摄像装置10中输出的电信号测量到被摄物的距离。距离测量部20执行飞行时间(TOF)系统的距离测量。可以通过如下过程执行距离的测量。首先，距离测量部20控制红外光发射部30，以使红外光发射部30开始发射红外光。如果发射的红外光被被摄体反射并且入射到摄像装置10上，摄像装置10检测入射光，将该入射光转换为电信号，并且将电信号输出到距离测量部20。距离测量部20测量从通过红外光发射部发射红外光开始到摄像装置10中的电信号输出的时间，并且基于测量的时间计算到被摄体的距离。
摄像装置10包括像素阵列部100、电源部200和信号处理部300。
像素阵列部100包括布置为二维阵列形式的像素110。像素110产生相应于入射光的电信号。由SPAD执行在像素110中产生电信号。所产生的电信号经由信号线301单独地输入到信号处理部300。另外，经由电源线201和接地导体202从电源部200向这些像素110供电。注意，像素110是权利要求中所述的固态摄像元件的示例。像素阵列部100是权利要求中所述的像素电路的示例。
电源部200向像素阵列部100的像素110供电。
信号处理部300处理从在像素阵列部100中布置的多个像素110中输出的电信号。例如，作为上述处理，可以执行对电信号的波形进行整形并且输出整形后的波形的处理。注意，信号处理部300是权利要求中所述的处理电路的示例。
[像素的电路构造]
图2是示出本发明的第一实施例中的像素110的构造的示例。像素110包括SPAD112和电阻111。SPAD 112的阴极连接到电源线201，并且阳极连接到信号线301和电阻111的一端。电阻111的另一端连接到接地导体202。
SPAD 112是用于执行将光转换为电信号的光电转换的元件。另外，SPAD 112还执行由光电转换产生的载流子的倍增。在下文中描述了SPAD 112的构造的细节。
电阻111是用于进行下文中描述的淬灭(quenching)的电阻。电源电压经由电源线201和接地导体202施加到串联连接的SPAD 112和电阻111的两端。像素110的输出可以经由信号线301从SPAD 112和电阻111之间的中间点引出。也可以使用包括MOS晶体管等的恒流电路来代替电阻111。因此，不同于常规的光电二极管，SPAD 112在施加有电源电压的状态下输出与入射光相对应的电信号。
[像素的构造]
图3是示出本发明的第一实施例中的像素110的构造的示例的剖视图。该图是示出了布置有两个像素110的构造的示例的剖视图。
除SPAD 112、电源线201和信号线301之外，像素110还包括微透镜121和绝缘层101。注意，省略了电阻111的说明。
SPAD 112包括第一半导体区域105、第二半导体区域106、第三半导体区域107、保护环108、电极103和电极104。例如，可以通过如下步骤制造SPAD 112。首先，将n-型第二半导体区域106形成为p型半导体基板109的阱区。然后，在第二半导体区域106的内部进一步形成p型第一半导体区域105、p型保护环108和n型第三半导体区域107。可以通过离子注入等形成阱区和半导体区域。然后，在第一半导体区域105和第三半导体区域107的表面上分别形成电极103和104。由此可以制造SPAD 112。
第一半导体区域105和第三半导体区域107分别具有相对较高的掺杂浓度并且形成在第二半导体区域106的表面的相对浅的区域中。如下文所述，第一半导体区域105形成为圆盘形状。保护环108形成为环形形状并且布置在第一半导体区域105的外侧。第三半导体区域107也形成为类似于保护环108的环形形状，并且布置在保护环108的外侧。
电极103是形成在第一半导体区域105上的电极，并且用作阳极。电极103具有圆盘形状，并且布置在第一半导体区域105的大致中心部分。另一方面，电极104是在第三半导体区域107上形成的电极，并且用作阴极。电极104具有环形形状并且沿第三半导体区域107形成。信号线301和电源线201分别连接到电极103和电极104。注意，电极103和信号线301可以同时形成为一体。类似地，电极104和信号线201也可以同时形成为一体。另外，电极103和104可以含有金属。类似地，电源线201和信号线301也可以含有金属。注意，电极103是权利要求中所述的电极的示例。
如果来自被摄体的光发射到第一半导体区域105，所发射的光透过第一半导体区域105，并且到达第二半导体区域106。此处，执行光电转换并且产生载流子。因此，第一半导体区域105相应于SPAD 112中的光接收表面。如图2所述，电源电压始终施加到SPAD 112。在关于SPAD 112的反方向上施加该电压。即，正极性的电压施加到电极104(负电极)，并且负极性的电压施加到电极103(正电极)。因此，在基于第一半导体区域105和第二半导体区域106的p-n结中形成有耗尽层。施加到SPAD 112的大部分电压分布在该耗尽层部分中。
因此，在施加有电压的状态下执行SPAD中的光电转换。如下文所述，施加到SPAD112的电压是超过击穿电压的相对高的电压。保护环108防止产生可能产生的由于施加的电压产生的电场集中在第一半导体区域105的端部而引起的击穿状态，该击穿状态称为边缘击穿。例如，保护环108可以含有诸如二氧化硅膜的介电质，以代替附图中所示的半导体。
注意，SPAD 112的构造不限于附图中所示的构造。例如，第一半导体区域105可以含有n型半导体，并且第二半导体区域106和第三半导体区域107可以含有p型半导体。另外，也可能使用硅之外的半导体。
绝缘层101使电源线201和信号线301绝缘，并且透过入射光。
微透镜121是聚集入射在像素110上的光的光聚集部。如下文中所述，微透镜121是有着半球形截面的环形形状，并且将源自被摄体的光聚集到第一半导体区域105(光接收表面)而不是布置有电极103和信号线301的区域。这种情况在附图的右侧示出。由此，可以将发射到诸如电极103的未参与光电转换的区域的光引导到SPAD 112的p-n结部分，并且可以提高检测效率。
[微透镜的构造]
图4是示出本发明的第一实施例中的微透镜121的构造的示例的图。附图中的“a”示出了像素110的俯视图。幅图中的“b”示出了微透镜121的沿附图中的“a”的线A-A’截取的剖视图。附图中的“c”示出了未包括微透镜121和信号线301的像素110的俯视图。注意，上述的图3相应于像素110的沿附图中的“a”的线A-A’的剖视图。
如附图中所示，微透镜121具有在大致中心部分处具有凹部的形状。此外，附图中的微透镜121具有在凹部中具有开口的圆环形状，并且具有半球形横截面。另外，微透镜121布置在像素110的大致中心部分。如上所述，在形成为圆盘形状的第一半导体区域105的大致中心部分布置有电极103，并且微透镜121被布置在使开口122和电极103重叠的位置处。由此，入射到像素110上的光避开了电极103和在电极103上布置的配线301，并且被聚集至第一半导体区域105。注意，微透镜121的构造不限于附图中所示的构造。例如，省略了开口122并且在中心部分设置有凹部的构造也是可行的。
[形成微透镜的方法]
通过如下过程可以形成微透镜121。在绝缘层101上施加抗蚀剂，并且将其图案化为环形形状。然后，通过回流炉等加热整个工件以融化抗蚀剂。在这种情况下，由于表面张力，图案化的抗蚀剂的横截面变成半球形。之后，将工件冷却；由此，可以形成环形形状的微透镜121。光敏丙烯酸树脂或类似物可用于该抗蚀剂。
[SPAD的特征]
图5是示出本发明的实施例中的SPAD 112的特征的图。附图中的“a”是示出施加的电压和SPAD 112的电流之间关系的图。可以看出，如果在关于SPAD 112的相反方向上施加电压，在大于或等于规定的击穿电压Vbd的施加电压下，流动电流迅速增加。击穿电压Vbd是如下所述的电压：在该电压下，在基于第一半导体区域105和第二半导体区域106的p-n结部分中形成的耗尽层中能够发生电子雪崩。在附图中的“a”中，施加有大于或者等于击穿电压Vbd的反向电压的区域称为雪崩区域，并且是发生由电子雪崩引起的载流子倍增的作用的区域。电子雪崩是如下现象：其中，在耗尽层中发生由强电场加速的电子引起的碰撞电离并且产生新的载流子，并且由此使载流子倍增。通过电子雪崩产生基于光电转换的载流子倍增的作用。然而，在该区域中，存在有入射光量和流经SPAD 112的电流之间的比例关系。
在雪崩区域中，如果施加有更高的反向电压，则基于电子雪崩的载流子倍增的作用增大，并且倍增系数达到大约106程度的值。该区域称为盖革区域(the Geiger region)，该区域是输出电流不与入射光量成比例的区域。在该区域中，SPAD 112可以用作检测光子是否入射的元件。例如，通过施加高于击穿电压Vbd几个伏特的电压，可以在盖革区中使用SPAD 112。
图中的“b”示出了基于已经进入击穿状态的SPAD 112的电压的波形。图中的“b”的实线示出了在SPAD 112中的阴极和阳极之间的电压。另外，图中的“b”的虚线示出了图2中所述的信号线301的电压。这对应于SPAD 112的输出电压。在进入击穿状态之前SPAD 112的阴极和阳极之间的电压大致等于电源电压Vop的值。在这种情况下，如果光入射到SPAD 112上，由于载流子倍增的作用，大电流流经电阻111和SPAD 112。相应地，施加到SPAD 112上的电压由于电阻111产生的压降而迅速下降。然后，如果施加到SPAD 112上的电压达到了击穿电压Vbd，SPAD 112中的载流子倍增的作用停止，并且电流减小。之后，SPAD112回到初始状态。这种由电阻111导致的从击穿状态的回复操作称为淬灭。
由于在从击穿状态回复之后立即在SPAD 112中的陷阱等中捕获载流子，存在如下情况：当第二次施加Vop时，由于从陷阱等中释放的载流子，状态回复到击穿状态。基于第二次的击穿状态的输出电压变化称为后脉冲。如图中的“b”所示，图1中所述的电源部200能够逐渐增大淬灭之后的输出电压。因此可以防止发生后脉冲。信号线301的输出的最大电压是大致等于Vop-Vbd的脉冲电压。通过信号处理部300整形该输出并且将其输出到距离测量部20，以作为摄像装置10的输出信号。因此，在施加有超过击穿电压的电压的状态下，SPAD112输出与入射到作为光接收表面的第一半导体区域105上的光相对应的电信号。
在另一方面，由于如上所述施加有超过击穿电压Vbd的电压，也可能出现非源于光的照射的击穿状态。特别地，在第一半导体区域105的电势分布不均匀的情况下，产生电场的局部集中，并且发生非源于光的照射的击穿状态。这会导致噪声。为了防止这种电场集中，设置有保护环108，并且将电极103布置在第一半导体区域105的中部。由此，能够使第一半导体区域105的电势分布均匀化，并且能够防止电场的集中。
然而，如果在第一半导体区域105的中央处布置电极103，电极103阻挡了光，并且降低了检测效率。因此，使用图3和图4中所述的形状的微透镜121，并且使入射光集中至除了第一半导体区域105的中心部分以外的区域。即，使入射光聚集至光接收表面，而不是布置有电极103等的区域。由此，能够防止降低检测效率。
因此，相应于本发明的第一实施例，通过布置在大致中心位置处具有凹部的微透镜121，入射光能够聚集至光接收表面，从而避开在SPAD 112的中心部分布置的电极103。由此，能够提升检测效率。
<2.第二实施例>
在上述的第一实施例中，使用在中心部分中具有凹部的微透镜121。相对地，在本发明的第二实施例中，使用具有沿着信号线301延伸的切口的形状的微透镜。由此，能够进一步提升检测效率。
[SPAD的构造]
图6是示出本发明的第二实施例中的微透镜123的构造的示例的图。图中的“a”示出了像素110的俯视图。该图的像素110与图4中所示的像素100的不同之处在于设置有微透镜123来代替微透镜121。另外，附图中的“b”是示出微透镜123的沿着附图中的“a”的线B-B’截取的剖视图。
如图中的“a”所示，微透镜123具有有着沿着信号线301延伸的凹部的形状。另外，在延伸的凹部的底部，微透镜123具有切口124。切口124沿着信号线301布置，并且因此发射至除了与切口124重叠的区域之外的信号线301的区域的光能够聚集到第一半导体区105。也即是，能够使发射至信号线301横穿第一半导体区域105的部分的光聚集到第一半导体区域105，第一半导体区域105是光接收表面。注意，微透镜123的构造不限于附图中所示的构造。例如，省略了切口124并且设置有沿着信号线301延伸的凹部的构造也是可行的。注意，信号线301是权利要求中所述的配线的示例。
上述以外的像素110等的构造类似于本发明的第一实施例中所述的像素110等的构造，并且由此省略了说明。
因此，根据本发明的第二实施例，通过使用具有切口124的微透镜123，发射至除了与切口124重叠的区域之外的信号线301上的光能够被聚集至第一半导体区域105。由此，能够进一步提高检测效率。
<第三实施例>
在上述的第一实施例中，使用在中心部分具有凹部的微透镜121。相对地，在本发明的第三实施例中，通过多个微透镜来进行聚光。由此，能够提高检测效率。
[SPAD的构造]
图7是示出本发明的第三实施例中的像素110的构造的示例的图。附图中的“a”示出了像素110的俯视图。附图中的“b”示出了微透镜126沿附图中的“a”的线C-C’截取的剖视图。附图中的“c”示出了未包括微透镜126和配线301的像素110的俯视图。
该图的像素110包括四个代替微透镜121的微透镜126。这些微透镜126中的每一者具有四边形的底部，并且将光聚集到作为光接收表面的第一半导体区域105。另外，该图的像素110包括四边形的第一半导体区域105以及具有四边形的外周部的保护环108和第三半导体区域107。即，在附图的像素110中布置有具有四边形表面的SPAD 112。另外，在第一半导体区域105的中心部分布置有电极103。注意，本发明中的第三实施例中的像素110的剖视图具有与图4中的像素110类似的构造，并且因此省略了说明。
如图中的“a”所示，在本发明的第三实施例的像素110中布置有多个微透镜126。这些微透镜中的每一者使入射光聚集到作为光接收区域的第一半导体区域105。另外，电极103和信号线301布置在这些微透镜126之间。由此，入射光能够被聚集至第一半导体区域105，而不是布置有电极103等的区域。由于微透镜126的底部具有四边形形状，微透镜在像素110中的占据面积可以大于在图3中所述的像素110中的占据面积。因此，发射到像素110的大区域的光可以被聚集至第一半导体区域105，并且可以进一步提高检测效率。注意，微透镜126的构造不限于附图中所示的构造。例如，具有圆形底部的构造也是可行的。
上述以外的像素110等的构造类似于本发明的第一实施例中所述的像素110等的构造，并且因此省略了描述。
因此，根据本发明的第三实施例，通过使用多个微透镜并且在微透镜之间布置电极103和信号线301，入射光能够被聚集到第一半导体区域105。由此，提高了检测效率。
<4.第四实施例>
在上述的第一实施例中，通过微透镜121来集光。相对地，在本发明的第四实施例中，通过具有不同的折射率的两个部件进行集光。由此，可以简化像素的构造。
[SPAD的构造]
图8是示出本发明的第四实施例中的像素110的构造的示例的剖视图。相比于图4中所述的像素110，该图的像素110包括第一聚光部件127以代替微透镜121。另外，相比于图4中所述的像素110，该图的SPAD 112不需要包括保护环108。另外，该图的SPAD 112包括第一半导体区域131和第三半导体区域132，以代替第一半导体区域105和第三半导体区域107。
第一半导体区域131形成在第二半导体区域106的大致中心部分中，并且具有圆柱形状。第三半导体区域132具有类似于图3中的第三半导体区域107的环形形状。另外，第一半导体区域131和第二半导体区域132的各者的底部被形成为达到第二半导体区域106的相对深的区域。因此，该图的SPAD 112具有下述横向结构：其中，在相对于半导体基板109的横向方向上布置有p-n结部。因此，该图的SPAD 112不需要考虑在第一半导体区域131的端部中的电场的集中，并且可以省略保护环108。在这种情况下，第二半导体区域106的表面充当光接收表面。
另外，在电极103和绝缘层101之间布置有第一聚光部件127。第一聚光部件127与绝缘层101类似地透过光。此处，第一聚光部件127和绝缘层101的折射率不同，并且绝缘层101含有具有较高折射率的材料。因此，在本发明的第四实施例中的光聚集部中，在电极103和被摄体之间依次布置有第一聚光部件127和绝缘层101。另外，附图的聚光部件127具有钟形形状。注意，绝缘层101是权利要求中所述的第二聚光部件的示例。
[通过聚光部件进行的光聚集方法]
图9是示出本发明的第四实施例中的光聚集的示例的图。该附图示出了通过第一聚光部件127和绝缘层101进行光聚集的情况。在附图中，从电极103和信号线301的上方入射的光的光路由于在绝缘层101与第一聚光部件127之间的界面处发生折射而改变。如上所述，绝缘层101具有大于第一聚光部件127的折射率；因此，当光从绝缘层101入射到第一聚光部件127上时，光在折射角更大的方向上被折射。另一方面，在入射角大于临界角的情况下，在聚光部件127与绝缘层101之间的界面处光被全反射。因此，如附图所示，入射光的光路改变，并且光能够被聚集至作为光接收区域的第二半导体区域106。
上述以外的像素110等的构造类似于本发明的第一实施例中所述的像素110等的构造，并且由此省略了描述。
因此，根据本发明的第四实施例，通过使用具有不同折射率的第一聚光部件127和绝缘层101使入射光被全反射，入射光能够被聚集至光接收表面，并且能够省略微透镜。由此，能够简化像素110的构造。
[变型例]
尽管在上述的第四实施例中使用了横向结构的SPAD 112，也可以使用图4中所述的结构的SPAD 112。这是因为通过第一聚光部件127和绝缘层101将光聚集到光接收表面的集光是可能的。
[SPAD的构造]
图10是示出本发明的第四实施例的变型例中的像素110的构造的示例的剖视图。该图的SPAD 112具有类似于图4中所述的SPAD 112的构造。在该图的像素110中，也可以通过聚光部件127和绝缘层101将光聚集到作为光接收表面的第一半导体区域105。
上述以外的像素110等的构造类似于本发明的第四实施例中所述的像素110等的构造，并且由此省略了描述。
<5.第五实施例>
在上述的第一实施例中，SPAD被用作用于距离测量的传感器。相比之下，在本发明的第五实施例中，SPAD用于摄像。由此，能够提高摄像装置在低照度环境中的灵敏度。
[摄像装置的构造]
图11是示出本发明的第五实施例中的摄像装置10的构造的示例的图。摄像装置10与图1中所述的摄像装置10的不同之处在于：还设置有垂直驱动部400，并且设置有信号处理部500来代替信号处理部300。
该图的像素阵列部100与图1中所述的像素阵列部100的不同之处在于：分别包含SPAD的像素150和分别包含常规光电二极管的像素160、170和180以二维阵列形式布置。像素160、170和180均是包含滤色器并且产生相应于特定波长的光的图形信号的像素。附图示出了如下示例，其中，布置有产生相应于红光的图像信号的红色像素、产生相应于绿光的图像信号的绿色像素和产生相应于蓝光的图像信号的蓝色像素，以作为上文提及的像素。在附图中，用“R”、“G”和“B”标记的像素分别表示红色像素(像素160)、绿色像素(像素170)和蓝色像素(像素180)。注意，用“S”标记的像素表示包括有SPAD(像素150)的像素。本发明的第五实施例中的像素150执行在低照度环境中的图像信号的生成。因此，像素150不需要包括滤色器。这些像素基于预定规则排布在像素阵列部100中。该图示出了如下示例：其中，排布为使像素150代替拜耳阵列形式的两个绿色像素中的一者。
注意，像素阵列100的构造不限于上述的示例。例如，可以在包括有SPAD的像素中布置滤色器。具体地，类似像素170中，可以布置具有透过绿光的特性的滤波器用于像素150。在这种情况下，颜色过滤器的布置可以设置为拜耳阵列形式。基于普通的摄像装置的制造过程来制造摄像装置10成为可能。
另外，在像素阵列部100中，行像素线401和列像素线501布置为XY矩阵形式，并且每个信号线都延伸至每个像素。行信号线401是将控制信号传输到像素150至160的每一者的信号线。另外，列像素信号线501是传输由像素150至160中的每一者产生的图像信号的信号线。在像素150等中，行信号线401被共用地连接至布置在同一行中的像素150等。另外，列信号线501被共用地连接至布置在同一列中的像素150等。
垂直驱动部400驱动在像素阵列部100中布置的像素150等。垂直驱动部400通过将控制信号经由行像素信号线401输出到每个像素150等来执行驱动。在这种情况下，垂直驱动部400向像素阵列部100的每一行顺序地输出控制信号。
信号处理部500处理由每个像素150等产生的图像信号。例如，信号处理部500可以执行如下处理，该处理执行由每个像素150等产生的模拟图像信号的模拟/数字转换并且输出数字图像信号。另外，同样地，一行的图像信号从像素阵列部100同时输入到信号处理部500。另外，信号处理部500还执行用于顺序地输出与输入图像信号相对应的一行的数字图像信号的水平传输。从信号处理部500中输出的图像信号充当摄像装置10的输出图像信号。注意，信号处理部500是权利要求中所述的处理电路的示例。
另外，除了将被供应至SPAD的供电，电源部200还进行像素150等的运行所需要的供电。这些电流经由电源线201和接地导体202提供到像素150等。
[像素的电路构造]
图12是示出在本发明的第五实施例中的像素150的构造的示例的图。该图示出了像素150的电路构造，像素150包括SPAD 112、电阻153、波形整形部154、保持部155和MOS晶体管156到159。注意，N-沟道MOS晶体管可以用作MOS晶体管156到159中的每一者。
电源线201包括多个电源线(Vp和Vdd)。电源线Vp是为SPAD 112供电的电源线。电源线Vdd是提供像素150的运行所需电能的电源线。行信号线401包括多个信号线(RST和SEL)。复位信号线RST(Reset)是将信号传输到MOS晶体管157的信号线。选择信号线SEL(Select)是将信号传输到MOS晶体管159的信号线。如果经由这些信号线的各者输入大于或者等于MOS晶体管157和159中的各者的栅极和源极之间的阈值电压的电压(在下文中称为ON信号)，则相应的MOS晶体管进入导通状态。
SPAD 112的阳极连接到接地导体202，并且阴极连接到波形整形部154的输入端和电阻153的一个端部。电阻153的另一端部连接到电源线Vp。波形整形部154的输出端连接到MOS晶体管156的栅极。MOS晶体管156的源极连接到接地导体202，并且漏极连接到MOS晶体管157的源极、MOS晶体管158的栅极和保持部155的一个端部。保持部155的另一端部连接到接地导体202。MOS晶体管157的漏极和栅极分别连接到电源线Vdd和复位信号线RST。MOS晶体管158的漏极和源极分别连接到电源线Vdd和MOS晶体管159的漏极。MOS晶体管159的栅极和源极分别连接到选择信号线SEL和行信号线501。
类似于图2所述的电阻111，电阻153是用于执行淬灭的电阻。不同于在图2中的像素110的电路，在图12中，连接SPAD 112和电阻153以用于交换。这是为了使用与像素160到180中的光电二极管中相同的连接方法。来自SPAD 112的输出电压等于由图5中的“b”的实线示出的电压。
波形整形部154整形从SPAD 112中输出的信号的波形。如果输入SPAD 112的输出信号，波形整形部154产生规定电压和规定脉冲宽度的信号，并且输出所产生的信号。例如，波形整形部可以使用比较器。
MOS晶体管157是将电源电压Vdd施加到保持部155的晶体管。
保持部155是用于保持依据SPAD 112的输出电压的电压的电容器。
MOS晶体管156使保持部155放电。每当从波形整形部154中输出的脉冲电压被输入至栅极时，MOS晶体管156短接保持部155的两个端子以进行放电。在这种情况下，MOS晶体管156释放在保持部155中保持的部分电压。
MOS晶体管158是用于产生依据保持部155中保持的电压的信号的晶体管。MOS晶体管159是用于输出由MOS晶体管158产生的(作为图像信号的)信号的晶体管。
现在将说明该图中所示的电路的运行。首先，从复位信号线RST中输入ON信号，并且MOS晶体管157进入导通状态。由此，保持部155被充电至电源电压Vdd。即，保持部155被复位。如果在这种状态下光被发射到SPAD 112，由图5中的“b”的实线示出的电压波形输入到波形整形部154。波形整形部154根据输入电压波形输出脉冲电压。通过该脉冲电压使MOS晶体管156进入导通状态，并且使保持部155中保持的部分电压放电。即，每次将源自SPAD 112的电压波形输入到波形整形部154时，保持部155中保持的电压被逐渐地放电。如上所述，使SPAD 112在盖革区中运行；因此，每当一个光子入射时，在保持部155中保持的电压被放电，并且保持部155的电压根据入射在SPAD 112上的光子的数量而改变。即，可以通过测量保持部155的电压来测量入射到SPAD 112上的光子的数量。
如果在已经经过规定的曝光时间后从选择信号线SEL输入ON信号，则使MOS晶体管159进入导通状态，并且将由MOS晶体管158产生的信号输出到列信号线501，以作为图像信号。
注意，具有公知的构造的像素可以用于像素160到180中的每一者。由此，从像素160到180中的每一者输出与入射光相对应的电压作为图像信号。如上所述，由于从像素150中输出依据入射光子的数量的电压，图11中所述的信号处理部500能够针对像素150和像素160到180输出的图像信号进行共同处理。
除了上述以外，SPAD 112等的构造类似于本发明的实施例1中所述的SPAD 112等的构造，并且因此省略了描述。
[像素的布置]
图13是示出本发明的第五实施例中的像素的排布的示例的图。关于像素阵列部100中的像素150到180的排布，该图示出了与图11中所述的排布不同的排布示例。附图中的“a”示出了像素150布置为方格形式并且其它像素布置在除此以外的部位的示例。由于布置有大量的分别含有SPAD 112的像素150，可以提高在低照度环境中的分辨率。附图中的“b”示出了像素170以方格形式布置的示例。布置有大量的作为绿色像素的像素170，并且能够提高在常规环境中的分辨率。另外，还包含用于产生根据白光的图像信号的白色像素的布置也是可能的。
因此，根据本发明的第五实施例，通过使用包括布置有SPAD 112的像素150的像素阵列部100，能够提高摄像装置10的灵敏度。
[变型例]
尽管在上述的第五实施例中使用了包含相同尺寸的像素的像素阵列部100，但是包含SPAD的像素150的尺寸可以设置为大于分别包含常规光电二极管的像素160到180的尺寸。这是因为能够提高包含SPAD的像素150的灵敏度。
图14是示出本发明的第五实施例的变型例中的像素的排布的示例的图。该图示出了在包含SPAD 112的像素150的尺寸和均包含常规二极管的像素160到180的尺寸不同的情况下的排布示例。该图中的“a”示出了布置为使像素150代替布置为拜耳阵列形式的某些像素160到180的示例。像素150具有像素160到180的每一者四倍大的面积，并且因此能够进一步提高在低照度环境中的敏感度。该图中的“b”示出了像素150以方格形式排布的示例。由于布置有大量的像素150，能够进一步提高在低照度环境中的灵敏度和分辨率。
像素阵列部100的除了上述以外的构造类似于本发明的第五实施例中所述的像素阵列部100的构造，并且因此省略了说明。
<6.第六实施例>
在上述的第五实施例中，SPAD用于在低照度环境中摄像。相比之下，在本发明的第六实施例中，对包含SPAD的像素执行光瞳校正。由此，能够防止摄像设备10的灵敏度的降低。
[像素的构造]
图15是示出本发明的第六实施例中的像素150的构造的示例的图。像素150与图3中所述的像素110的不同之处在于：微透镜121布置在从像素150的中心偏移的位置处。因此，可以通过将微透镜121布置为从像素150的中心偏移来执行光瞳校正。此处，光瞳校正通过如下方式进行的外周部的灵敏度的降低的修正：将布置在像素阵列部100中的像素之中位于外周部中的像素的微透镜121的位置设置为在朝向像素阵列部100的中心部分的方向上偏移的位置。在布置于外周部中的像素中，光从倾斜的方向入射到微透镜121上，并且入射光因此聚集至与布置于像素阵列部100的中心部分的像素中的位置不同的位置。在这样的光聚集的位置与电极等重叠的情况下，在像素阵列部100的外周部中布置的像素的灵敏度出现降低。通过进行光瞳校正使光被聚集至期望的位置，能够防止灵敏度的降低。
在本发明的第六实施例中，在像素阵列部100的外周部中布置的像素150的SPAD112中，通过执行光瞳校正来防止将入射光聚集至电极103的部分的光聚集。由此，能够防止降低检测效率，并且能够防止降低灵敏度。该图的像素150示出了在图10中所示的像素阵列部100的左侧的外周部中布置的像素150的示例，并且在相对于像素150的中心朝向右侧偏移的位置处布置微透镜121。
像素阵列部100的除以上之外的构造相似于本发明的第五实施例中所述的像素阵列部100的构造，并且因此省略了说明。
因此，根据本发明的第六实施例，通过执行光瞳校正，能够防止布置在像素阵列部100的外周部中的像素150的检测效率的降低，并且能够防止摄像装置10的灵敏度的降低。
如上所述，根据本发明的实施例，当在SPAD 112的中心部分布置有电极103等时，可以通过光聚集部将入射光聚集到SPAD 112的光接收表面，并且能够提高检测效率。
注意，上述的实施例示出了用于体现本发明的示例，并且实施例中的主题和在权利要求中限定本发明的主题具有分别对应的关系。类似地，在权利要求中限定本发明的主题和本技术的实施例中的具有与在权利要求中用于限定本发明的主题的名称相同的名称的主题具有分别对应的关系。然而，本发明不限于实施例，并且可以在不脱离实施例的精神的情况下针对实施例做出各种修改。
另外，在上述实施例中描述的每个处理过程可以理解为具有这些过程序列中的每一步的方法，并且还可以理解为用于使计算机执行这些过程序列中的每一步的程序，或者储存该程序的记录介质。例如，作为记录介质，可以使用光盘(CD)、微型光盘(MD)、数字多功能光盘(DVD)、存储卡、蓝光(注册商标)光盘等。
注意，本发明中所述的效果仅是示例，而且并非是限制性的示例，并且还可能存在其它的效果。
另外，本发明还可以进行如下配置。
(1)一种固态摄像元件，所述固态摄像元件包括：
光电二极管，其包括光接收表面和布置在所述光接收表面上的电极，并且在电极上施加有超过击穿电压的电压的状态下，所述光电二极管输出与入射至所述光接收表面上的光相对应的电信号；和
光聚集部，其用于使来自被摄体的光聚集至除了布置有所述电极的区域之外的所述光接收表面处。
(2)根据(1)所述的固态摄像元件，其中，在所述光电二极管中，所述电极布置在所述光接收表面的大致中心处。
(3)根据(1)或(2)所述的固态摄像元件，其中，所述光聚集部包括在大致中心部分具有凹部的微透镜。
(4)根据(3)所述的固态摄像元件，其中，所述微透镜在所述凹部中具有开口。
(5)根据(3)或(4)所述的固态摄像元件，还包括：
电连接至所述电极的配线，
其中，所述微透镜具有沿着所述配线延伸的凹部。
(6)根据(5)所述的固态摄像元件，其中，所述微透镜在延伸的所述凹部的底部具有切口。
(7)根据(1)所述的固态摄像元件，
其中，所述光聚集部包括多个微透镜，每个所述微透镜配置成使光聚集到位于布置有所述电极的区域之外的所述光接收表面。
(8)根据(7)所述的固态摄像元件，还包括：
配线，所述配线布置在彼此相邻的多个所述微透镜之间，并且所述配线电连接到所述电极。
(9)根据(7)或(8)所述的固态摄像元件，其中，多个所述微透镜中的每一者具有四边形的底部表面。
(10)根据(1)所述的固态摄像元件，其中，
所述光聚集部包括在所述电极和所述被摄体之间顺序地布置的第一聚光部件和第二聚光部件，所述第二聚光部件的折射率大于所述第一聚光部件的折射率。
(11)一种摄像装置，包括：
像素电路，在所述像素电路中以二维阵列形式布置有像素，各所述像素包含光电二极管和光聚集部，所述光电二极管包含光接收表面和布置在所述光接收表面上的电极，并且在所述电极施加有超过击穿电压的电压的状态下，所述光电二极管输出与入射至所述光接收表面上的光相对应的电信号，所述光聚集部使来自被摄体的光聚集至除了布置有所述电极的区域之外的所述光接收表面处；和
处理电路，所述处理电路对所述输出电信号进行处理。
附图标记列表
1 摄像系统
10 摄像装置
20 距离测量部
30 红外光发射部
100 像素阵列部
101 绝缘层
103、104 电极
105、131 第一半导体区域
106 第二半导体区域
107、132 第三半导体区域
108 保护环
109 半导体基板
110、150、160、170、180 像素
111、153 电阻
121、123、126 微透镜
122 开口
124 切口
127 第一聚光部件
154 波形整形部
155 保持部
156至159 MOS晶体管
200 电源部
300、500 信号处理部
301 信号线
400 垂直驱动部

Claims (11)

1.一种固态摄像元件，所述固态摄像元件包括：
光电二极管，其包括光接收表面和布置在所述光接收表面上的电极，并且在所述电极上施加有超过击穿电压的电压的状态下，所述光电二极管输出与入射至所述光接收表面上的光相对应的电信号；和
光聚集部，其用于使来自被摄体的光聚集至除了布置有所述电极的区域之外的所述光接收表面处。
2.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，在所述光电二极管中，所述电极布置在所述光接收表面的大致中心处。
3.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，所述光聚集部包括在大致中心部分具有凹部的微透镜。
4.根据权利要求3所述的固态摄像元件，其中，所述微透镜在所述凹部中具有开口。
5.根据权利要求3所述的固态摄像元件，还包括：
电连接至所述电极的配线，
其中，所述微透镜具有沿着所述配线延续的凹部。
6.根据权利要求5所述的固态摄像元件，其中，所述微透镜在延续的所述凹部的底部具有切口。
7.根据权利要求1所述的固态摄像元件，
其中，所述光聚集部包括多个微透镜，每个所述微透镜配置成使光聚集到位于布置有所述电极的区域之外的所述光接收表面。
8.根据权利要求7所述的固态摄像元件，还包括：
配线，所述配线布置在彼此相邻的多个所述微透镜之间，并且所述配线电连接到所述电极。
9.根据权利要求7所述的固态摄像元件，其中，多个所述微透镜中的每一者具有四边形的底部表面。
10.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，
所述光聚集部包括在所述电极和所述被摄体之间顺序地布置的第一聚光部件和第二聚光部件，所述第二聚光部件的折射率大于所述第一聚光部件的折射率。
11.一种摄像装置，包括：
像素电路，在所述像素电路中以二维阵列形式布置有像素，各所述像素包含光电二极管和光聚集部，所述光电二极管包含光接收表面和布置在所述光接收表面上的电极，并且在所述电极施加有超过击穿电压的电压的状态下，所述光电二极管输出与入射至所述光接收表面上的光相对应的电信号，所述光聚集部使来自被摄体的光聚集至除了布置有所述电极的区域之外的所述光接收表面处；和
处理电路，所述处理电路对所述输出电信号进行处理。
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