CN108431968B - 光电转换元件及光电转换模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光电转换元件，其具备：多个像素(10)，其形成于共用的半导体基板(30)，且分别包含雪崩光电二极管；第1配线(21)，其形成于上述半导体基板上，与上述多个像素(10)中所含的两个以上的第1像素(11)电连接，且将来自上述两个以上的第1像素(11)的输出电流一并提取；以及第2配线(22)，其形成于上述半导体基板(30)上，与上述多个像素(10)中所含的两个以上的第2像素(12)电连接，且将来自上述两个以上的第2像素(12)的输出电流一并提取；且上述第1像素(11)的受光面积大于上述第2像素(12)的受光面积。

Description

光电转换元件及光电转换模块
技术领域
本发明的一个侧面涉及一种光电转换元件及光电转换模块者。
背景技术
在专利文献1中公开有放射线图像读取装置。该放射线图像读取装置具备光电转换元件，其用于读取以对记录有放射线图像的光激荧光体层扫描激发光而获得的图像信息。光电转换元件具有二极管及硅光电子增倍管。且，根据由光电转换元件读取的激发光的光量，而将读取图像信息的光电转换元件在二极管与硅光电子增倍管之间切换。
现有技术文献
[专利文献1]日本专利特开2008-287165号公报
发明内容
发明想要解决的技术问题
作为用于检测微弱光的光电转换元件，近年来已知一种将由雪崩光电二极管(以下称作APD)构成的像素单元二维状配置而成的光电转换元件。这种光电转换元件可通过对各像素供给共用的偏压，且集中收集来自各像素的输出电流进行光子计数，从而精度良好地测定朝向光电二极管阵列的微弱的入射光量。作为这种光电转换器件，例如有HamamatsuPhotonics公司制造的MPPC(注册商标)。
但，随着这种光电转换元件的应用范围扩大，期望能够对应从微弱光量至较大光量的广大光量范围。本发明的一个侧面是鉴于这样的技术问题而完成的，其目的在于提供一种可对应广大光量范围的光电转换元件及光电转换模块。
解决技术问题的技术手段
为解决上述技术问题，本发明的一个侧面的光电转换元件具备：多个像素，其形成于共用的半导体基板，且分别包含APD；第1配线，其形成于半导体基板上，与多个像素中所含的两个以上的第1像素电连接，且一并提取来自两个以上的第1像素的输出电流；及第2配线，其形成于半导体基板上，与多个像素中所含的两个以上的第2像素电连接，且一并提取来自两个以上的第2像素的输出电流；且第1像素的受光面积大于第2像素的受光面积。
这种光电转换元件中，在多个像素中含有受光面积不同的2种像素。即，受光面积较大的两个以上的第1像素中，即使在入射光量微弱的情形下，仍能以较高的PDE(PhotonDetection Efficiency：光子检测效率)将入射光量转换为输出电流。换而言之，因能以相对于输入光量较高的增益输出电流，因此可进一步降低可检测的入射光量的下限。另一方面，受光面积较小的两个以上的第2像素中，即使在入射光量较大的情形下，仍能以较低的PDE将入射光量转换为输出电流。换而言之，因能以相对于入射光量较低的增益输出电流，故可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，根据上述光电转换元件，通过根据入射光量而从第1配线或第2配线选择性地提取输出电流，从而可对应从微弱光量到较大光量的广大光量范围。
在上述光电转换元件中，两个以上的第2像素可配置于第1区域内，两个以上的第1像素可配置于包围第1区域的第2区域内。一般而言，将入射光的光轴调整为光电转换元件的受光面的中心的情形时，在受光面的中心附近光量变得最大。通过如上所述地配置第1及第2像素，可在光量较大的区域配置第2像素，在光量较小的区域配置第1像素。因此，可更精度良好地检测入射光量。
在上述光电转换元件中，也可混合存在而二维状地排列分别包含K1个(K1为2以上的整数)的第2像素的多个第3区域、及分别包含L个(L为1以上的整数，K1＞L)的第1像素的多个第4区域。或者，也可二维状排列分别包含第1像素与K2个(K2为1以上的整数)的第2像素的多个区域。通过这种排列，也可良好地发挥由上述的本发明的一个侧面的光电转换元件所获得的效果。
在上述光电转换元件中，第2像素的淬灭电阻的电阻值也可以大于第1像素的淬灭电阻的电阻值。由此，因能够抑制自第2像素输出的电流的大小，因此可进一步增大输出饱和的输入光量的上限。
在上述光电转换元件中，施加至第2像素的偏压也可小于施加至第1像素的偏压。由此，可进一步扩大能够对应的光量范围。
为了解决上述课题，本发明的一个侧面的光电转换元件具备：多个像素，其形成于共用的半导体基板，且分别包含雪崩光电二极管；第1配线，其形成于半导体基板上，经由淬灭电阻而与多个像素中所含的两个以上的第1像素电连接，且一并提取来自两个以上的第1像素的输出电流；及第2配线，其形成于半导体基板上，经由淬灭电阻与多个像素中所含的两个以上的第2像素电连接，且一并提取来自两个以上的第2像素的输出电流。第2像素的淬灭电阻的电阻值大于第1像素的淬灭电阻的电阻值。
该光电转换元件中，其第2像素的淬灭电阻的电阻值也可大于第1像素的淬灭电阻的电阻值。淬灭电阻的电阻值较小的两个以上的第1像素即使在入射光量微弱的情形下，仍可输出较大的电流。换而言之，因能以相对于入射光量较高的增益输出电流，故可降低能够检测的入射光量的下限。另一方面，淬灭电阻的电阻值较大的两个以上的第2像素即使在入射光量较大的情形下，仍可输出较小的电流。换而言之，因能以相对于入射光量较低的增益输出电路，故可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，根据上述光电转换元件，通过根据入射光量从第1配线或第2配线选择性地提取输出电流，可对应从微弱光量到较大光量的广大光量范围。
在上述光电转换元件中，第1像素的受光面积与第2像素的受光面积也可彼此大致相等。由此，相对于现有的光电转换元件，仅变更淬灭电阻的电阻值即可容易地获得上述效果。
在上述光电转换元件中，第2像素的淬灭电阻也可比第1像素的淬灭电阻长。或者，第2像素的与淬灭电阻的延伸方向交叉的方向的宽度，也可窄于第1像素的与淬灭电阻的延伸方向交叉的方向的宽度。通过采用例如这些中的至少一个的构成，可更容易地将第2像素的淬灭电阻的电阻值设为大于第1像素的淬灭电阻的电阻值。
在上述光电转换元件中，施加至第2像素的偏压也可小于施加至第1像素的偏压。由此，可进一步扩大可对应的光量范围。
为解决上述技术问题，本发明的一个侧面的光电转换元件具备：多个像素，其等形成于共用的半导体基板，且分别包含通过共用的偏压而工作的雪崩光电二极管；第1配线，其形成于半导体基板上，与多个像素中所含的两个以上的第1像素电连接，且一并提取来自两个以上的第1像素的输出电流；第2配线，其形成于半导体基板上，与多个像素中所含的两个以上的第2像素电连接，且一并提取来自两个以上的第2像素的输出电流；第1电阻，其连接于第1配线与固定电位线之间，将来自两个以上的第1像素的输出电流转换为第1电压信号；及第2低电阻，其连接于第2配线与固定电位线之间，将来自两个以上的第2像素的输出电流转换为第2电压信号；且第2电阻的电阻值小于第1电阻的电阻值。
另外，本发明的一个侧面的光电转换模块是具备光电转换元件与读取来自光电转换元件的输出电流的读取电路的光电转换模块，且，光电转换元件具有：多个像素，其形成于共用的半导体基板，且分别包含通过共用的偏压而工作的雪崩光电二极管；第1配线，其形成于半导体基板上，与多个像素中所含的两个以上的第1像素电连接，且一并提取来自两个以上的第1像素的输出电流；及第2配线，其形成于半导体基板上，与多个像素中所含的两个以上的第2像素电连接，且一并提取来自两个以上的第2像素的输出电流；读取电路或光电转换元件具有：第1电阻，其连接于第1配线与固定电位线之间，将来自两个以上的第1像素的输出电流转换为第1电压信号；及第2电阻，其连接于第2配线与固定电位线之间，将来自两个以上的第2像素的输出电流转换为第2电压信号；第1电阻的电阻值大于第2电阻的电阻值。
这些光电转换元件及光电转换模块中，将来自第1像素的输出电流转换为电压信号的第1电阻的电阻值，大于将来自第2像素的输出电流转换为电压信号的第2电阻的电阻值。由此，即使在入射光量较微弱的情形下，仍能以较大的放大率将来自两个以上的第1像素的输出电流转换为电压信号。换而言之，因能以相对于入射光量较高的增益输出电压信号，因此可精度良好地进行光子计数。另一方面，即使在入射光量较大的情形下，也能以较小的放大率将来自两个以上的第2像素的输出电流转换为电压信号。换而言之，因能以相对于入射光量较低的增益输出电压信号，因而可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，根据上述光电转换元件及光电转换模块，通过根据入射光量而选择第1电压信号或第2电压信号，可对应从微弱光量到较大光量的广大光量范围。
另外，在上述光电转换模块中，除设置2种(第1及第2配线)用于一并提取来自像素的输出电流的配线的点之外，可采用与现有的光电转换元件相同的构成。因此，光电转换元件设计极为容易，且可将来自现有的光电转换元件的特性变化抑制为较小。
另外，在上述光电转换模块中，读取电路也可具有：光子计数电路，其基于第1电压信号而计数自两个以上的第1像素输出的电流脉冲；及A/D转换器，其产生与第2电压信号对应的数字信号。由此，可良好地读取对应从微弱光量到较大光量的广大光量范围的信号。
发明的效果
根据本发明的一个侧面，可提供一种能够对应广大光量范围的光电转换元件及光电转换模块。
附图说明
图1是本发明的一个侧面的一个实施方式的光电转换元件的俯视图。
图2是放大显示受光面的一部分的俯视图。
图3是概略性地显示光电转换元件的截面构成的图。
图4是概略性地显示外部电路的构成例的图。
图5是一个变形例的光电转换元件的俯视图。
图6是另一个变形例的光电转换元件的俯视图。
图7(a)是放大显示第3区域的俯视图；(b)是放大显示第4区域的俯视图。
图8是又一变形例的光电转换元件的俯视图。
图9是概略性地显示第3变形例的电路构成的图。
图10是本发明的一个侧面的一个实施方式的光电转换元件的俯视图。
图11是放大显示受光面的一部分的俯视图。
图12是概略性显示光电转换元件的截面构成的图。
图13是概略性地显示外部电路的构成例的图。
图14是显示作为第1变形例的淬灭电阻的形状例的图。
图15是第2变形例的光电转换元件的俯视图。
图16是放大显示受光面的一部分的俯视图。
图17是概略性地显示光电转换元件的截面构成的图。
图18是概略性地显示第3变形例的电路构成的图。
图19是本发明的一个侧面的一个实施方式的光电转换元件的俯视图。
图20是放大显示受光面的一部分的俯视图。
图21是概略性地显示光电转换元件的截面构成的图。
图22是概略性地显示外部电路的构成例的图。
图23是第1变形例的光电转换元件的俯视图。
图24是放大显示受光面的一部分的俯视图。
图25是概略性地显示光电转换元件的截面构成的图。
图26是概略性地显示第2变形例的外部电路的构成例的图。
符号说明
1A～1D……光电转换元件；3A～3D……受光部；10……像素；11……第1像素；11A……第1像素列；12……第2像素；12A……第2像素列；21……第1配线；22……第2配线；23、24……淬灭电阻；30……半导体基板；31……底面电极；32a、32b……p型半导体区域；33……第1绝缘膜；34a、34b……接触电极；35……第2绝缘膜；41、42……电阻；60……光子计数电路；61……比较器；62……计数器；63……D/A转换器；70……放大电路；71……峰值保持电路；72……A/D转换器；80……信号处理部；A1……第1区域；A2……第2区域；A3……第3区域；A4……第4区域；1AS、1BS……光电转换元件；3AS、3BS……受光部；10S……像素；11S……第1像素；11AS……第1像素列；12S……第2像素；12AS……第2像素列；21S……第1配线；22S……第2配线；23S、24S……淬灭电阻；30S……半导体基板；31S……底面电极；32aS、32bS……p型半导体区域；33S……第1绝缘膜；34aS、34bS……接触电极；35S……第2绝缘膜；41S、42S……电阻；60S……光子计数电路；61S……比较器；62S……计数器；63S……D/A转换器；70S……放大电路；71S……峰值保持电路；72S……A/D转换器；80S……信号处理部；A1S……第1区域；A2S……第2区域；1AT～1CT……光电转换元件；3AT、3BT……受光部；10T……像素；11T……第1像素；11AT……第1像素列；12T……第2像素；12AT……第2像素列；21T……第1配线；22T……第2配线；23T、24T……淬灭电阻；30T……半导体基板；31T……底面电极；32aT、32bT……p型半导体区域；33T……第1绝缘膜；34aT、34bT……接触电极；35T……第2绝缘膜；41T……第1电阻；42T……第2电阻；60T……光子计数电路；61T……比较器；62T……计数器；63T……D/A转换器；70T……放大电路；71T……峰值保持电路；72T……A/D转换器；80T……信号处理部；A1T……第1区域；A2T……第2区域。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下，一面参照附图，一面详细地说明本发明的一个侧面的光电转换元件的实施方式。另，在附图说明中，对相同的要件标注相同的符号，且省略重复的说明。
图1是本发明的一个侧面的一个实施方式的光电转换元件1A的俯视图。光电转换元件1A具备半导体基板30，半导体基板30的主面成为接收光的受光部3A。受光部3A中，二维状地排列有多个像素10。多个像素10是以分别包含通过共用的偏压而工作的APD而构成。
多个像素10包含两个以上的第1像素11、及两个以上的第2像素12。第1像素11的受光面积(实际有感区域)大于第2像素12的受光面积。在一个例子中，相邻的第1像素11彼此的间距(中心间隔)为50μm，相邻的第2像素12彼此的间距(中心间隔)为10μm。另，各像素的开口率是受光面积越大则其越大。在本实施方式中，由第1像素11沿列方向排列配置而成的第1像素列11A、与由第2像素12沿列方向排列配置而成的第2像素列12A是沿行方向交替配置。第1像素列11A的每一列的像素数少于第2像素列12A的每一列的像素数。
光电转换元件1A进而具备信号读取用的第1配线21及第2配线22。第1配线21是与两个以上的第1像素11电连接，一并提取来自这些第1像素11的输出电流。第2配线22是与两个以上的第2像素12电连接，一并提取来自这些第2像素12的输出电流。
图2是放大显示受光部3A的一部分的俯视图。如图2所示，第1像素11的APD与第1配线21经由淬灭电阻23而电连接。换而言之，淬灭电阻23的一端与第1像素11的APD电连接，另一端与第1配线21电连接。同样地，第2像素12的APD与第2配线22经由淬灭电阻24而电连接。换而言之，淬灭电阻24的一端与第2像素12的APD电连接，另一端与第2配线22电连接。
第2像素12的淬灭电阻24的电阻值也可大于上述第1像素11的淬灭电阻23的电阻值。作为一例，淬灭电阻24的电阻值为1MΩ，淬灭电阻23的电阻值为250kΩ。这种淬灭电阻的电阻值的不同是例如通过使淬灭电阻的截面积互相不同，或使淬灭电阻的长度互相不同而实现。在图2所示的例中，为降低淬灭电阻23的电阻值，而将淬灭电阻23配设为直线状，或者为增大淬灭电阻24的电阻值，而将淬灭电阻24配设为螺旋状。淬灭电阻23、24例如包含光透过性(半透明)的导电性材料。
图3是概略性表示光电转换元件1A的截面构成的图。光电转换元件1A具备半导体基板30。上述多个像素10形成于该共用的半导体基板30。具体而言，半导体基板30具有主面30a及背面30b，在背面30b上的整面，设置有底面电极(阴极)31。另外，半导体基板30是由包含背面30b且由n型Si构成的区域30c、与包含主面30a且由p型Si构成的区域30d层叠而成。在包含主面30a的区域30d的内部，相互隔开间隔而排列形成有构成第1像素11的p型半导体区域32a、与构成第2像素12的p型半导体区域32b。p型半导体区域32a、32b是由例如p型Si构成。第1像素11的APD是通过p型半导体区域32a正下方的区域30d与区域30c形成pn结而构成。同样地，第2像素12的APD是通过p型半导体区域32b正下方的区域30d与区域30c形成pn结而构成。
第1像素11的受光面积是由从半导体基板30的厚度方向观察时p型半导体区域32a的面积来规定。同样地，第2像素12的受光面积是由从相同方向观察时p型半导体区域32b的面积来规定。即，p型半导体区域32a的面积大于p型半导体区域32b的面积。
在主面30a上的整面，设置有第1绝缘膜33。第1绝缘膜33可由例如SiO2、SiN之类的绝缘性硅化合物构成。在p型半导体区域32a上且第1绝缘膜33上，设置有接触电极(阳极)34a。接触电极34a经由形成于第1绝缘膜33的开口而与p型半导体区域32a接触。同样地，在p型半导体区域32b上且第1绝缘膜33上，设置有接触电极(阳极)34b。接触电极34b经由形成于第1绝缘膜33的开口而与p型半导体区域32b接触。
第1配线21及第2配线22为金属制，且形成于半导体基板30上。在本实施方式中，第1配线21及第2配线22设置于位于未形成p型半导体区域32a及p型半导体区域32b的任意者的半导体基板30的区域上的第1绝缘膜33上。
第1配线21及第2配线22、第1绝缘膜33、及接触电极34a和34b是由第2绝缘膜35包覆。第2绝缘膜35包覆半导体基板30上的整面，且可由例如SiO2、SiN之类的绝缘性硅化合物构成。上述淬灭电阻23、24设置于第2绝缘膜35上。淬灭电阻23的一端及另一端各自经由形成于第2绝缘膜35的开口而分别与接触电极34a及第1配线21电连接。淬灭电阻24的一端及另一端各自经由形成于第2绝缘膜35的开口，而分别与接触电极34b及第2配线22电连接。
此处，就用于从本实施方式的光电转换元件1A读取信号的外部电路的构成例进行说明。图4是概略性显示外部电路的构成例的图。如图4所示，对多个像素10的各APD的阴极即底面电极31(参照图3)，施加共用的偏压HV。
第1像素11的APD的阳极是经由淬灭电阻23及第1配线21，而连接于设置于光电转换元件1A的外部的电阻41的一端。电阻41的另一端连接于基准电位(GND)线51。且，电阻41的一端连接于光子计数电路60，将电阻41中的降下电压输入至光子计数电路60。
光子计数电路60包含比较器61与计数器62。比较器61是比较由D/A转换器63产生的基准电压、与电阻41中的降下电压。且，在电阻41的降下电压超过基准电压时(即超过临界值的电流脉冲从第1像素11输出时)，将信号发送至计数器62。计数器62计数从比较器61发送出信号的次数。其计数值相当于对所有第1像素11的入射光量。
第2像素12的APD的阳极经由淬灭电阻24及第2配线22，而连接于设置于光电转换元件1A的外部的电阻42的一端。电阻42的另一端连接于基准电位(GND)线51。且，电阻42的一端经由放大电路70及峰值保持电路71，而连接于A/D转换器72。电阻42中的降下电压是由放大电路70放大后，由峰值保持电路71保持。且，将所保持的电压输入至A/D转换器72。A/D转换器72将输入的电压信号(模拟信号)转换为数字信号。其数字值相当于对所有第2像素12的入射光量。
从计数器62输出的计数值及从A/D转换器72输出的数字值被发送至信号处理部80。信号处理部80采用这些计数值及数字值中的有效值，基于该值而特定入射光量。
针对由以上所说明的本实施方式的光电转换元件1A获得的效果进行说明。在排列有多个包含APD的等面积的像素而成的现有的光电转换元件(APD阵列)中，各像素的受光面积与动态范围存在权衡关系。即，各像素的受光面积较大(像素间的间距较长)的光电转换元件中，因可设计较大的开口率，因此即使在入射光量极小的情形下，仍可精度良好地检测较少的光子。相对于此，各像素的受光面积较小(像素间的间距较短)的光电转换元件，因单位面积的像素数增多，因此待机状态的像素增多，即使同时入射的光子数较多，也可具有良好的追踪性(线性特性)。另外，由于各像素的电容值变小，因此由各像素的电容与淬灭电阻产生的滤波作用减弱，导致输出电流的时间波形变得更加尖锐。因此，因在光子检测后直至再度返回待机状态的时间也较短，因此同样有利于时间性的动态范围。
在本实施方式的光电转换元件1A中，多个像素10中含有受光面积不同的2种像素11、12。即，受光面积较大的两个以上的第1像素11因其开口率变大，故即使在入射光量较微弱的情形下，仍能以较高的PDE(Photon Detection Efficiency：光子检测效率)将入射光量转换为输出电流。换而言之，因能以相对于入射光量较高的增益输出电流，因此可进一步降低可检测的入射光量的下限。另一方面，受光面积较小的两个以上的第2像素12即使在入射光量较大的情形下，仍能以较低的PDE将其转换为输出电流。换而言之，因能以相对于入射光量较低的增益输出电流，故可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，根据本实施方式的光电转换元件1A，通过根据入射光量从第1配线21或第2配线22选择性地提取输出电流，可对应从微弱光量到较大光量的广大光量范围。
另外，根据本实施方式，可通过将各像素的光检测原理设为共用的一个器件，对应入射光量较微弱的情形及入射光量较大的情形两者。由此，可期待由工作电压的共用化及构成于同一基板上而得的低成本化及特性的均一化。另外，根据本实施方式，可将多个像素10排列为二维状，可容易地实现大面积的受光面。且，多个像素10的排列自由度提高，并容易将受光部3A变更为正方形、长方形、圆形及多角形等的适合用途或光学系统的形状。
另外，如本实施方式这样，第2像素12的淬灭电阻24的电阻值也可大于第1像素11的淬灭电阻23的电阻值。由此，因可抑制从第2像素12输出的电流的大小，因此可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。
(第1变形例)
图5是一个变形例的光电转换元件1B的俯视图。另外，省略第1及第2配线21、22的图示。光电转换元件1B与上述实施方式的不同点在于受光面中的第1像素11及第2像素12的配置。在本变形例的受光部3B中，将两个以上的第2像素12配置于半导体基板30上的第1区域A1内。第1区域A1为例如包含受光部3A的中心的矩形状或长方形状的区域。且，两个以上的第1像素11配置于包围第1区域A1的第2区域A2内。
一般而言，将入射光的光轴调整为光电转换元件的受光面的中心的情形时，在受光面中心附近光量最大。可通过如本变形例一样配置第1及第2像素11、12，而在光量较大的区域配置第2像素12，在光量较小的区域配置第1像素11。因此，可进一步精度良好地检测入射光量。
(第2变形例)
图6是其他变形例的光电转换元件1C的俯视图。另外，省略第1及第2配线21、22的图示。光电转换元件1C与上述实施方式的不同点在于受光面中的第1像素11及第2像素12的配置。在本变形例的受光部3C中，分别包含K1个(K1是2以上的整数，图中例示K1＝16的情形)的第2像素12的多个第3区域A3、及分别包含L个(L为1以上的整数，且K1＞L，图中例示L1＝4的情形)的第1像素11的多个第4区域A4混合存在于受光部3C中，且排列为二维状(矩阵状)。
图7(a)及图7(b)各自为放大显示第3区域A3及第4区域A4的俯视图。作为一例，在第3区域A3中第2像素12排列成M1行N1列(M1、N1为1以上的整数，且M1×N1＝K1)的二维状。且，每隔2列配设第2配线22，位于各第2配线22的两侧的第2像素12是经由淬灭电阻24而电连接于该第2配线22。同样地，在第4区域A4中第1像素11排列成M2行N2列(M2、N2为1以上的整数，且M2×N2＝L)的二维状。且，每隔2列配设第1配线21，位于各第1配线21的两侧的第1像素11是经由淬灭电阻23而电连接于该第1配线21。
图8是另一变形例的光电转换元件1D的俯视图。光电转换元件1D与上述实施方式的不同点在于受光面的第1像素11及第2像素12的配置。在本变形例的受光部3D中，将分别包含第1像素11与K2个(K2为1以上的整数，图中例示K2＝1的情形)的第2像素12的多个区域排列成二维状(矩阵状)。
本发明的一个侧面的第1及第2像素的配置并非局限于上述实施方式，而可以是例如上述的第1变形例的光电转换元件1B或本变形例的光电转换元件1C、1D等各种形态。且，无论为何种像素配置，均可良好地发挥与上述实施方式的光电转换元件1A相同的效果。
(第3变形例)
图9是表示本发明的一个侧面的第3变形例的电路构成的图。上述实施方式(参照图4)是对多个像素10施加共用的偏压HV，但在本变形例中，施加至第2像素12的偏压小于施加至第1像素11的偏压。具体而言，对APD的阴极施加共用的偏压HV，第1阳极11的APD的阳极经由淬灭电阻23、第1配线21及电阻41而连接于第1基准电位(GND)线52。另一方面，第2像素12的APD的阳极经由淬灭电阻24、第2配线22及电阻42而连接于第2基准电位(GND)线53。第2基准电位(GND)线53的电位设定为高于第1基准电位(GND)线52的电位。由此，相较于施加至第1像素11的偏压，施加至第2像素12的偏压实质性地变小。
根据本变形例，在第1像素11中，可提高对入射光量的灵敏度，且对于微弱的入射光量可输出更大的电流。换而言之，因能以相对于入射光量更高的增益输出电流，因此可进一步降低可检测的入射光量的下限。另一方面，在第2像素12中，可降低对入射光量的灵敏度，可进一步降低相对于较大的入射光量的输出电流。换而言之，因能以相对于入射光量更低的增益输出电流，因此可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，根据本变形例，相较于上述实施方式，可进一步扩大可对应的光量范围。
另外，也可将第1像素11的APD的阴极与第2像素12的APD的阴极电分离，使施加至第1像素11的APD的阴极的偏压大于施加至第2像素12的APD的阴极的偏压。这种构成也可良好地获得本变形例的上述效果。
另外，在上述实施方式中，也可使将来自第1像素11的输出电流转换为电压信号的电阻41的电阻值，大于将来自第2像素12的输出电压转换为电压信号的电阻42的电阻值。由此，即使在入射光量较微弱的情形下，仍能以较大的放大率将来自第1像素11的输出电流转换为电压信号。换而言之，因能以相对于入射光量较高的增益产生电压信号，因此可精度良好地进行光子计数。另一方面，即使在入射光量较大的情形下，仍能以较小的放大率将来自第2像素12的输出电流转换为电压信号。换而言之，也能以相对于入射光量较低的增益产生电压信号，因此可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，可进一步扩大可对应的光量范围。
本发明的一个侧面的光电转换元件并非局限于上述实施方式，可存在其它各种变形。例如，也可将上述实施方式及各变形例根据需要相互组合。另外，上述实施方式中，虽例示Si作为半导体基板30及p型半导体区域32a、32b的构成材料，但本发明的一个侧面可在半导体基板及各p型半导体区域中采用各种半导体材料。
[第2实施方式]
以下，参照附图详细地说明本发明的一个侧面的光电转换元件的其它实施方式。另外，在附图说明中，对相同的构件标注相同的符号，并省略重复的说明。
图10是本发明的一个侧面的一个实施方式的光电转换元件1AS的俯视图。光电转换元件1AS具备半导体基板30S，半导体基板30S的主面上成为接收光的受光部3AS。受光部3AS中，二维状地排列有多个像素10S。多个像素10S以分别包含通过共用的偏压而工作的APD而构成。
多个像素10S包含两个以上的第1像素11S与两个以上的第2像素12S。第1像素11S的受光面积(实际有感区域)与第2像素12S的受光面积彼此大致相等。在一个例子中，相邻的第1像素11S彼此的间距(中心间距)为50μm，相邻的第2像素12S彼此的间距也为50μm。本实施方式中，由第1像素11S沿列方向排列配置而成的第1像素列11AS、与由第2像素12S沿列方向排列配置而成的第2像素列12AS是沿行方向交替排列。
光电转换元件1AS进一步具备信号读取用的第1配线21S及第2配线22S。第1配线21S是与两个以上的第1像素11S电连接，一并提取来自这些第1像素11S的输出电流。第2配线22S是与两个以上的第2像素12S电连接，一并提取来自这些第2像素12S的输出电流。
图11是放大显示受光部3AS的一部分的俯视图。如图11所示，第1像素11S的APD与第1配线21S经由淬灭电阻23S电连接。换而言之，淬灭电阻23S的一端与第1像素11S的APD电连接，另一端与第1配线21S电连接。同样地，第2像素12S的APD与第2配线22S经由淬灭电阻24S而电连接。换而言之，淬灭电阻24S的一端与第2像素12S的APD电连接，另一端与第2配线22S电连接。
第2像素12S的淬灭电阻24S的电阻值大于上述第1像素11S的淬灭电阻23S的电阻值。作为一例，淬灭电阻24S的电阻值为500kΩ，淬灭电阻23S的电阻值为250kΩ。作为其它例，淬灭电阻24S的电阻值为750kΩ，淬灭电阻23S的电阻值为250kΩ。作为另一例，淬灭电阻24S的电阻值为1MΩ，淬灭电阻23S的电阻值为250kΩ。淬灭电阻23S的电阻值只要为不致封锁(即可淬灭)的值即可。
这种淬灭电阻的电阻值的不同是通过例如使淬灭电阻的截面积互相不同，或使淬灭电阻的长度互相不同而实现。在图11所示的例子中，为降低淬灭电阻23S的电阻值，将淬灭电阻23S较短地配设为直线状，或者为增大淬灭电阻24S的电阻值，将淬灭电阻24S较长地配设为螺旋状。淬灭电阻23S、24S例如由光透过性(半透明)的导电性材料构成。
图12是概略性表示光电转换元件1AS的截面构成的图。光电转换元件1AS具备半导体基板30S。上述多个像素10S形成于该共用的半导体基板30S。具体而言，半导体基板30S具有主面30aS及背面30bS，在背面30bS上的整面，设置有底面电极(阴极)31S。另外，半导体基板30S是由包含背面30bS且由n型Si构成的区域30cS、与包含主面30aS且由p型Si构成的区域30dS层叠而成。在包含主面30aS的区域30dS的内部，相互空开间隔而排列形成有构成第1像素11S的p型半导体区域32aS、与构成第2像素12S的p型半导体区域32bS。p型半导体区域32aS、32bS例如由p型Si构成。第1像素11S的APD是通过p型半导体区域32aS正下方的区域30dS与区域30cS形成pn结而构成。同样地，第2像素12S的APD是通过p型半导体区域32bS正下方的区域30dS与区域30cS形成pn结而构成。
在主面30aS上的整面，设置有第1绝缘膜33S。第1绝缘膜33S可由例如SiO2、SiN等绝缘性硅化合物构成。在p型半导体区域32aS上且第1绝缘膜33S上，设置有接触电极(阳极)34aS。接触电极34aS是经由形成于第1绝缘膜33S的开口而与p型半导体区域32aS接触。同样地，在p型半导体区域32bS上且第1绝缘膜33S上，设置有接触电极(阳极)34bS。接触电极34bS经由形成于第1绝缘膜33S的开口而与p型半导体区域32bS接触。
第1配线21S及第2配线22S为金属制，且形成于半导体基板30S上。在本实施方式中，第1配线21S及第2配线22S设置于位于未形成p型半导体区域32aS及p型半导体区域32bS的任意者的半导体基板30S的区域上的第1绝缘膜33S上。
第1配线21S及第2配线22S、第1绝缘膜33S、及接触电极34aS和34bS由第2绝缘膜35S包覆。第2绝缘膜35S包覆半导体基板30S上的整面，可由例如SiO2、SiN等无机绝缘体构成。上述的淬灭电阻23S、24S设置于第2绝缘膜35S上。淬灭电阻23S的一端及另一端各自经由形成于第2绝缘膜35S的开口而与接触电极34aS及第1配线21S各者电连接。淬灭电阻24S的一端及另一端各自经由形成于第2绝缘膜35S的开口而与接触电极34bS及第2配线22S各者电连接。
在此，对用于从本实施方式的光电转换元件1AS读取信号的外部电路的构成例进行说明。图13是概略性表示外部电路的构成例的图。如图13所示，对多个像素10S的各APD的阴极、即底面电极31S(参照图12)施加共用的偏压HV。
第1像素11S的APD的阳极经由淬灭电阻23S及第1配线21S而连接于设置于光电转换元件1AS的外部的电阻41S的一端。电阻41S的另一端连接于基准电位(GND)线51S。且，电阻41S的一端连接于光子计数电路60S，电阻41S的降下电压被输入至光子计数电路60S。
光子计数电路60S包含比较器61S与计数器62S。比较器61S比较由D/A转换器63S产生的基准电压与电阻41S中的降下电压。且，在电阻41S中的降下电压超过基准电压时(即超过临界值的电流脉冲自第1像素11S输出时)，将信号发送至计数器62S。计数器62S计数从比较器61S发送出信号的次数。此时的计数值相当于对所有的第1像素11S的入射光量。
第2像素12S的APD的阳极经由淬灭电阻24S及第2配线22S，而连接于设置于光电转换元件1AS的外部的电阻42S的一端。电阻42S的另一端连接于基准电位(GND)线51S。且，电阻42S的一端经由放大电路70S及峰值保持电路71S，而连接于A/D转换器72S。电阻42S的降下电压由放大电路70S放大后，由峰值保持电路71S保持。且，将被保持的电压输入至A/D转换器72S。A/D转换器72S将输入的电压信号(模拟信号)转换为数字信号。该数字信号相当于对所有第2像素12S的入射光量。
自计数器62S输出的计数值及自A/D转换器72S输出的数字值被发送至信号处理部80S。信号处理部80S采用这些计数值及数字值中的有效值，基于该值而特定入射光量。
针对由以上所说明的本实施方式的光电转换元件1AS获得的效果进行说明。在本实施方式的光电转换元件1AS中，第2像素12S的淬灭电阻24S的电阻值大于第1像素11S的淬灭电阻23S的电阻值。淬灭电阻23S的电阻值较小的两个以上的第1像素11S中，即使在入射光量较微弱的情形下也可输出较大的电流。换而言之，因能以相对于入射光量较高的增益输出电流，故可降低可检测的入射光量的下限。另一方面，淬灭电阻24S的电阻值较大的两个以上的第2像素12S中，即使在入射光量较大的情形下也可输出较小的电流。换而言之，因能以相对于入射光量较低的增益输出电流，故可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，根据本实施方式的光电转换元件1AS，通过根据入射光量，从第1配线21S或第2配线22S选择性地提取输出电流，可对应从微弱光量到较大光量的广大光量范围。
另外，根据本实施方式，可通过将各像素的光检测原理设为共用的一个器件，对应入射光量较微弱的情形及入射光量较大的情形两者。由此，可期待由工作电压的共用化及构成于同一基板上而得的低成本化及特性均一化。另外，根据本实施方式，可将多个像素10S排列为二维状，可容易地实现大面积的受光面。且，多个像素10S的排列自由度提高，而容易地将受光部3AS变更为正方形、长方形、圆形及多角形之类的适合用途或光学系统的形状。
另外，如本实施方式这样，第1像素11S的受光面积与第2像素12S的受光面积也可相互大致相等。由此，对于现有的光电转换元件，仅变更淬灭电阻23S、24S的电阻值即可容易地获得上述效果。
另外，如本实施方式这样，淬灭电阻24S也可较淬灭电阻23S更长。通过采用这种构成，相较于淬灭电阻23S的电阻值，可容易地进一步增大淬灭电阻24S的电阻值。
(第1变形例)
图14(a)及图14(b)是一个变形例的淬灭电阻24S、23S的截面图，且显示与淬灭电阻24S、23S的延伸方向交叉(典型而言为垂直)的截面。在该例中，淬灭电阻24S的宽度W1比淬灭电阻23S的宽度W2窄。上述实施方式中，通过使淬灭电阻23S、24S的长度不同而使电阻值不同，但如本变形例这样，使淬灭电阻23S、24S的宽度不同，也可容易地使电阻值不同。
(第2变形例)
图15是本发明的一个侧面的第2变形例的光电转换元件1BS的俯视图。光电转换元件1BS与上述实施方式的不同点在于受光面的第1像素11S及第2像素12S的配置。在本变形例的受光部3BS中，分别包含K1个(K1为2以上的整数，图中例示K1＝16的情形)的第1像素11S的多个第1区域A1S、与分别包含K2个(K2为2以上的整数，图中例示K2＝16的情形)的第2像素12S的多个第2区域A2S是混合存在于受光部3BS而排列成二维状(矩阵状)。在图15所示的例中，第1区域A1S与第2区域A2S是如方格状配置。
图16(a)及图16(b)分别为放大显示第1区域A1S及第2区域A2S的俯视图。另外，图17是概略性显示光电转换元件1BS的截面构成的图。作为一例，在第1区域A1S中第1像素11S排列成M1行N1列(M1、N1为1以上的整数，且M1×N1＝K1)的二维状。且，每隔2列配设第1配线21S，位于各第1配线21S的两侧的第1像素11S经由淬灭电阻23S而电连接于该第1配线21S。同样地，在第2区域A2S中第2像素12S是排列成M2行N2列(M2、N2为1以上的整数，且M2×N2＝K2)的二维状。且，每隔2列配设第2配线22S，位于各第2配线22S的两侧的第2像素12S经由淬灭电阻24S而电连接于该第2配线22S。
本发明的一个侧面的第1及第2像素的配置并非局限于上述实施方式，而可例如存在本变形例的光电转换元件1BS等各种形态。且，无论为何种像素配置，均可良好地发挥与上述实施方式的光电转换元件1AS相同的效果。
(第3变形例)
图18是表示本发明的一个侧面的第3变形例的电路构成的图。上述实施方式(参照图13)中，对多个像素10S施加共用的偏压HV，而在本变形例中，施加至第2像素12S的偏压小于施加至第1像素11S的偏压。具体而言，虽对各APD的阴极施加共用的偏压HV，但第1像素11S的APD的阳极经由淬灭电阻23S、第1配线21S及电阻41S而连接于第1基准电位(GND)线52S。另一方面，第2像素12S的APD的阳极经由淬灭电阻24S、第2配线22S及电阻42S而连接于第2基准电位(GND)线53S。第2基准电位(GND)线53S的电位设定为较第1基准电位(GND)线52S的电位更高。由此，相较于施加至第1像素11S的偏压，施加至第2像素12S的偏压实质性地变小。
根据本变形例，第1像素11S可提高对入射光量的灵敏度，可输出相对于微弱的入射光量更大的电流。换而言之，因能以相对于入射光量更高的增益输出电流，因此可进一步降低可检测的入射光量的下限。另一方面，在第2像素12S中，可降低对入射光量的灵敏度，可进一步降低相对于较大的入射光量的输出电流。换而言之，因能以相对于入射光量更低的增益输出电流，故可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，根据本变形例，相较于上述实施方式，可进一步扩大可对应的光量范围。
另，也可将第1像素11S的APD的阴极与第2像素12S的APD的阴极电分离，使施加至第1像素11S的APD的阴极的偏压大于施加至第2像素12S的APD的阴极的偏压。这种构成也可良好地获得本变形例的上述效果。
另外，在上述实施方式中，也可使将来自第1像素11S的输出电流转换为电压信号的电阻41S的电阻值大于将来自第2像素12S的输出电流转换为电压信号的电阻42S的电阻值。由此，即使在入射光量较微弱的情形下，仍能以较大的放大率将来自第1像素11S的输出电流转换为电压信号。换而言之，因能以相对于入射光量较高的增益产生电压信号，因此可精度良好地进行光子计数。另一方面，即使在入射光量较大的情形下，仍能以较小的放大率将来自第2像素12S的输出电流转换为电压信号。换而言之，因能以相对于入射光量较低的增益产生电压信号，因此可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，可进一步扩大可对应的光量范围。
本发明的一个侧面的光电转换元件并非局限于上述实施方式，而可存在其它各种变形。例如，也可将上述实施方式及各变形例根据需要相互组合。另外，虽在上述实施方式及第1变形例中，例示有作为使淬灭电阻23S、24S的电阻值互相不同的方法使这些的长度或宽度互相不同的情形，但也可通过其它方法使淬灭电阻23S、24S的电阻值互相不同。例如，也可通过使添加至淬灭电阻23S、24S的电阻成分的浓度互相不同，从而适当地使这些的电阻值互相不同。另外，在上述实施方式中，例示了Si作为半导体基板30S及p型半导体区域32aS、32bS的构成材料，但本发明的一个侧面可对半导体基板及各p型半导体区域采用各种半导体材料。
[第3实施方式]
以下，参照附图而详细地说明本发明的一个侧面的光电转换元件及光电转换模块的另一实施方式。另，附图说明中，对相同的构件标注相同的符号，并省略重复的说明。
图19是本发明的一个侧面的一个实施方式的光电转换元件1AT的俯视图。光电转换元件1AT具备半导体基板30T，半导体基板30T的主面成为接收光的受光部3AT。在受光部3AT中，二维状地排列有多个像素10T。多个像素10T以分别包含通过共用的偏压工作的APD而构成。
多个像素10T包含两个以上的第1像素11T与两个以上的第2像素12T。第1像素11T的受光面积(实际有感区域)与第2像素12T的受光面积彼此大致相等。作为一例，相邻的第1像素11T彼此的间距(中心间隔)为50μm，相邻的第2像素12T彼此的间距也为50μm。本实施方式中，由第1像素11T沿列方向排列配置而成的第1像素列11AT、与由第2像素12T沿列方向排列配置而成的第2像素列12AT沿行方向交替排列。
光电转换元件1AT进而具备信号读取用的第1配线21T及第2配线22T。第1配线21T与两个以上的第1像素11T电连接，且一并提取来自这些第1像素11T的输出电流。第2配线22T是与两个以上的第2像素12T电连接，且一并提取来自这些第2像素12T的输出电流。
图20是放大显示受光部3AT的一部分的俯视图。如图20所示，第1像素11T的APD与第1配线21T经由淬灭电阻23T而电连接。换而言之，淬灭电阻23T的一端与第1像素11T的APD电连接，另一端与第1配线21T电连接。同样地，第2像素12T的APD与第2配线22T经由淬灭电阻24T而电连接。换而言之，淬灭电阻24T的一端是与第2像素12T的APD电连接，另一端与第2配线22T电连接。淬灭电阻23T、24T的电阻值彼此大致相等。在一例中，淬灭电阻23T、24T的电阻值为250kΩ。另，图中所示的例中虽将淬灭电阻23T、24T配设为螺旋状，但淬灭电阻23T、24T可配设为各种形状，例如也可配设为直线状。淬灭电阻23T、24T例如包含光透过性(半透明)的导电性材料。
图21是概略性显示光电转换元件1AT的截面构成的图。光电转换元件1AT例如具备由n型Si构成的半导体基板30T。上述多个像素10T形成于该共用的半导体基板30T。具体而言，半导体基板30T具有主面30aT及背面30bT，在背面30bT上的整面，设置有底面电极(阴极)31T。另外，在包含主面30aT的半导体基板30T的内部，相互空出间隔而排列形成有构成第1像素11T的p型半导体区域32aT、与构成第2像素12T的p型半导体区域32bT。p型半导体区域32aT、32bT例如包含p型Si。第1像素11T的APD通过p型半导体区域32aT与半导体基板30T形成pn结而构成。同样地，第2像素12T的APD是通过p型半导体区域32bT与半导体基板30T形成pn结而构成。
在主面30aT上的整面，设置有第1绝缘膜33T。第1绝缘膜33T可由例如SiO2、SiN之类的绝缘性硅化合物构成。在p型半导体区域32aT上且第1绝缘膜33T上，设置有接触电极(阳极)34aT。接触电极34aT经由形成于第1绝缘膜33T的开口而与p型半导体区域32aT接触。同样地，在p型半导体区域32bT上且第1绝缘膜33T上，设置有接触电极(阳极)34bT。接触电极34bT经由形成于第1绝缘膜33T的开口而与p型半导体区域32bT接触。
第1配线21T及第2配线22T为金属制，且形成于半导体基板30T。在本实施方式中，第1配线21T及第2配线22T设置于位于未形成p型半导体区域32aT及p型半导体区域32bT的任意者的半导体基板30T的区域上的第1绝缘膜33T上。
第1配线21T及第2配线22T、第1绝缘膜33T、及接触电极34aT和34bT由第2绝缘膜35T包覆。第2绝缘膜35T包覆半导体基板30T上的整面，且可由例如SiO2、SiN之类的无机绝缘体构成。上述的淬灭电阻23T、24T设置于第2绝缘膜35T上。淬灭电阻23T的一端及另一端各自经由形成于第2绝缘膜35T的开口而分别与接触电极34aT及第1配线21T电连接。淬灭电阻24T的一端及另一端各自经由形成于第2绝缘膜35T的开口而分别与接触电极34bT及第2配线22T电连接。
此处，对具备光电转换元件1AT及读取来自光电转换元件1AT的输出电流的读取电路的光电转换模块的构成进行说明。图22是概略性显示光电转换模块2AT的构成例的图。如图22所示，对多个像素10T的各APD的阴极、即底面电极31T(参照图21)施加共用的偏压HV。
读取电路5AT具有：第1电阻41T、第2电阻42T、光子计数电路60T、放大电路70T、峰值保持电路71T、A/D转换器72T、及信号处理部80T。第2电阻42T的电阻值小于第1电阻41T的电阻值。作为一例，第1电阻41T的电阻值为1MΩ至数MΩ，第2电阻42T的电阻值为50Ω(即通常的50Ω的终端)。
第1电阻41T连接于第1配线21T与固定电位线即基准电位(GND)线51T之间，将来自第1像素11T的输出电流转换为第1电压信号V1。具体而言，电阻41T的一端经由第1配线21T及淬灭电阻23T而连接于第1像素11T的APD的阳极。电阻41T的另一端连接于基准电位(GND)线51T。电阻41T的一端连接于光子计数电路60T，将电阻41T的降下电压作为第1电压信号V1而输入至光子计数电路60T。
光子计数电路60T包含比较器61T与计数器62T。比较器61T是比较由D/A转换器63T产生的基准电压、与第1电压信号V1。且在第1电压信号V1超过基准电压时(即超过临界值的电流脉冲自第1像素11T输出时)，将信号发送至计数器62T。计数器62T是计数自比较器61T发送出信号的次数。其计数值相当于对所有的第1像素11T的入射光量。
第2电阻42T连接于第2配线22T与固定电位线即基准电位(GND)线51T之间，且将来自第2像素12T的输出电流转换为第2电压信号V2。具体而言，电阻42T的一端经由第2配线22T及淬灭电阻24T而连接于第2像素12T的APD的阳极。电阻42T的另一端连接于基准电位(GND)线51T。电阻42T的一端经由放大电路70T及峰值保持电路71T而连接于A/D转换器72T。第2电压信号V2由放大电路70T放大后，由峰值保持电路71T保持。且，将被保持的电压输入至A/D转换器72T。A/D转换器72T将输入的电压信号(模拟信号)转换为数字信号。其数字值相当于对所有的第2像素12T的入射光量。
自计数器62T输出的计数值及自A/D转换器72T输出的数字值被发送至信号处理部80T。信号处理部80T采用这些计数值及数字值中的有效值，基于该值而特定入射光量。
对由以上所说明的通过本实施方式的光电转换模块2AT而获得的效果进行说明。在光电转换模块2AT中，将来自第1像素11T的输出电流转换为第1电压信号V1的电阻41T的电阻值，大于将来自第2像素12T的输出电流转换为第2电压信号V2的电阻42T的电阻值。由此，即使在入射光量较微弱的情形下，仍能以较大的放大率将来自两个以上的第1像素11T的输出电流转换为第1电压信号V1。换而言之，因能以相对于入射光量较高的增益产生第1电压信号V1，因而可精度良好地进行光子计数。另一方面，即使在入射光量较大的情形下，仍能以较小的放大率将来自两个以上的第2像素12T的输出电流转换为第2电压信号V2。换而言之，因能以相对于入射光量较低的增益产生第2电压信号V2，因而可进一步增大输出饱和的入射光量的上限。因此，根据本实施方式的光电转换模块2AT，通过根据入射光量而选择基于第1电压信号V1的计数值或基于第2电压信号V2的数字值，可对应从微弱光量到较大光量的广大光量范围。
另外，本实施方式中，除设置2种(第1及第2配线21T、22T)用于一并提取来自多个像素的输出电流的配线的点外，还可采用与现有的光电转换元件相同的构成。因此，光电转换元件1AT的设计极为容易，可将来自现有的光电转换元件的特性变化抑制为较小。
另外，根据本实施方式，可通过将各像素的光检测原理设为共用的一个器件，对应入射光量较微弱的情形及入射光量较大的情形两者。由此，可期待由工作电压的共用化及构成于同一基板上而得的低成本化及特性均一化。另外，根据本实施方式，可将多个像素10T排列为二维状，可容易地实现大面积的受光面。另外，多个像素10T的排列自由度提高，而容易地将受光部3AT变更为正方形、长方形、圆形及多角形之类的适合用途或光学系统的形状。进而，与专利文献1的构成相比，即使在入射光量较大的情形下散粒噪声也变得极小，可在广大的光量范围内兼具高增益及高S/N比。
另外，如本实施方式，读取电路5AT也可具有：光子计数电路60T，其是基于第1电压信号V1而计数自两个以上的第1像素11T输出的电流脉冲；及A/D转换器72T，其产生与第2电压信号V2对应的数字信号。由此，可良好地读取对应于从微弱光量到较大光量的广大光量范围的信号。
(第1变形例)
图23是本发明的一个侧面的第1变形例的光电转换元件1BT的俯视图。光电转换元件1BT与上述实施方式的不同点在于受光面的第1像素11T及第2像素12T的配置。在本变形例的受光部3BT中，分别包含K1个(K1为2以上的整数，图中例示K1＝16的情形)的第1像素11T的多个第1区域A1T、及分别包含K2个(K2为2以上的整数，图中例示K2＝16的情形)的第2像素12T的多个第2区域A2T混合存在于受光部3BT中，且排列成二维状(矩阵状)。在图23所示的例中，第1区域A1T与第2区域A2T是如方格状配置。
图24(a)及图24(b)为分别放大显示第1区域A1T及第2区域A2T的俯视图。另外，图25是概略性显示光电转换元件1BT的截面构成的图。作为一例，第1区域A1T中，第1像素11T排列成M1行N1列(M1、N1为1以上的整数，且M1×N1＝K1)的二维状。且，每隔2列配设第1配线21T，位于各第1配线21T的两侧的第1像素11T经由淬灭电阻23T而电连接于该第1配线21T。同样地，第2区域A2T中，第2像素12T排列成M2行N2列(M2、N2为1以上的整数，且M2×N2＝K2)的二维状。且，每隔2列配设第2配线22T，位于各第2配线22T的两侧的第2像素12T经由淬灭电阻24T而电连接于该第2配线22T。
本发明的一个侧面的第1及第2像素的配置并非局限于上述实施方式，而可存在例如本变形例的光电转换元件1BT等各种实施方式。且无论何种配置，均可良好地发挥与上述实施方式的光电转换元件1AT及光电转换模块2AT相同的效果。
(第2变形例)
图26是本发明的一个侧面的第2变形例的光电转换模块2BT的俯视图。光电转换模块2BT与上述实施方式的不同点在于电阻41T、42T的配置。即，在上述实施方式中电阻41T、42T包含于读取电路5AT，但在光电转换模块2BT中，读取电路5BT不具有电阻41T、42T，而光电转换元件1CT具有电阻41T、42T。另，除电阻41T、42T的配置以外的光电转换元件1CT及读取电路5BT的构成与上述实施方式的光电转换元件1AT及读取电路5AT相同。
如本变形例，光电转换元件1CT也可具有电阻41T、42T。即使如此，也可良好地发挥与上述实施方式的光电转换模块2AT相同的效果。
本发明的一个侧面的光电转换元件及光电转换模块并非局限于上述实施方式，可存在其他各种变形。例如，也可将上述实施方式及各变形例根据需要而相互组合。另外，虽在上述实施方式中作为电阻41T、42T的电阻值例示了数MΩ及50Ω，但电阻值并非限定于这些，可采用各种电阻值。另外，上述实施方式中，例示了Si作为半导体基板30T及p型半导体区域32aT、32bT的构成材料，但本发明的一个侧面可对半导体基板及各p型半导体区域采用各种半导体材料。
[产业上的可利用性]
本发明可提供一种可对应广大的光量范围的光电转换元件及光电转换模块。

Claims (17)

1.一种光电转换元件，其中，
包含：
多个像素，其形成于共用的半导体基板，且分别包含雪崩光电二极管；
第1配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第1像素电连接，且将来自所述两个以上的第1像素的输出电流一并提取；及
第2配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第2像素电连接，且将来自所述两个以上的第2像素的输出电流一并提取，
且所述第1像素的受光面积大于所述第2像素的受光面积，
所述第2像素的淬灭电阻的电阻值大于所述第1像素的淬灭电阻的电阻值。
2.如权利要求1所述的光电转换元件，其中，
所述两个以上的第2像素配置于第1区域内；且
所述两个以上的第1像素配置于包围所述第1区域的第2区域内。
3.如权利要求1所述的光电转换元件，其中，
分别包含K1个的所述第2像素的多个第3区域、与分别包含L个的所述第1像素的多个第4区域混合存在且排列成二维状，其中，K1为2以上的整数；L为1以上的整数，L＜K1。
4.如权利要求1所述的光电转换元件，其中，
分别包含所述第1像素与K2个的所述第2像素的多个区域排列成二维状，其中，K2为1以上的整数。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光电转换元件，其中，
施加至所述第2像素的偏压小于施加至所述第1像素的偏压。
6.一种光电转换元件，其中，
包含：
多个像素，其形成于共用的半导体基板，且分别包含雪崩光电二极管；
第1配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第1像素电连接，且将来自所述两个以上的第1像素的输出电流一并提取；及
第2配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第2像素电连接，且将来自所述两个以上的第2像素的输出电流一并提取，
且所述第2像素的所述淬灭电阻的电阻值大于所述第1像素的所述淬灭电阻的电阻值，
所述第1像素的受光面积与所述第2像素的受光面积彼此大致相等。
7.如权利要求6所述的光电转换元件，其中，
所述第2像素的所述淬灭电阻比所述第1像素的所述淬灭电阻长。
8.如权利要求6或7所述的光电转换元件，其中，
所述第2像素的与所述淬灭电阻的延伸方向交叉的方向的宽度，窄于所述第1像素的与所述淬灭电阻的延伸方向交叉的方向的宽度。
9.如权利要求6或7所述的光电转换元件，其中，
施加至所述第2像素的偏压小于施加至所述第1像素的偏压。
10.如权利要求8所述的光电转换元件，其中，
施加至所述第2像素的偏压小于施加至所述第1像素的偏压。
11.一种光电转换元件，其中，
包含：
多个像素，其形成于共用的半导体基板，且分别包含通过共用的偏压而工作的雪崩光电二极管；
第1配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第1像素电连接，且将来自所述两个以上的第1像素的输出电流一并提取；
第2配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第2像素电连接，且将来自所述两个以上的第2像素的输出电流一并提取；
第1电阻，其连接于所述第1配线与固定电位线之间，将来自所述两个以上的第1像素的输出电流转换为第1电压信号；及
第2电阻，其连接于所述第2配线与固定电位线之间，将来自所述两个以上的第2像素的输出电流转换为第2电压信号，
且所述第2电阻的电阻值小于所述第1电阻的电阻值，
所述第2像素的淬灭电阻的电阻值大于所述第1像素的淬灭电阻的电阻值。
12.一种光电转换模块，其中，
该光电转化模块具备光电转换元件和读取来自所述光电转换元件的输出电流的读取电路，
所述光电转换元件包含：
多个像素，其形成于共用的半导体基板，且分别包含通过共用的偏压而工作的雪崩光电二极管；
第1配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第1像素电连接，且将来自所述两个以上的第1像素的输出电流一并提取；及
第2配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第2像素电连接，且将来自所述两个以上的第2像素的输出电流一并提取，
所述读取电路或所述光电转换元件具有：
第1电阻，其连接于所述第1配线与固定电位线之间，将来自所述两个以上的第1像素的输出电流转换为第1电压信号；及
第2电阻，其连接于所述第2配线与固定电位线之间，将来自所述两个以上的第2像素的输出电流转换为第2电压信号，
且所述第2电阻的电阻值小于所述第1电阻的电阻值，
所述第2像素的淬灭电阻的电阻值大于所述第1像素的淬灭电阻的电阻值。
13.如权利要求12所述的光电转换模块，其中
所述读取电路具有：
光子计数电路，其基于所述第1电压信号而计数自所述两个以上的第1像素输出的电流脉冲；及
A/D转换器，其产生与所述第2电压信号对应的数字信号。
14.一种光电转换元件，其中，
包含：
多个像素，其形成于共用的半导体基板，且分别包含雪崩光电二极管；
第1配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第1像素电连接，且将来自所述两个以上的第1像素的输出电流一并提取；及
第2配线，其形成于所述半导体基板上，经由淬灭电阻与所述多个像素中所含的两个以上的第2像素电连接，且将来自所述两个以上的第2像素的输出电流一并提取，
且所述第1像素的受光面积大于所述第2像素的受光面积，
施加至所述第2像素的偏压小于施加至所述第1像素的偏压。
15.如权利要求14所述的光电转换元件，其中，
所述两个以上的第2像素配置于第1区域内；且
所述两个以上的第1像素配置于包围所述第1区域的第2区域内。
16.如权利要求14所述的光电转换元件，其中，
分别包含K1个的所述第2像素的多个第3区域、与分别包含L个的所述第1像素的多个第4区域混合存在且排列成二维状，其中，K1为2以上的整数；L为1以上的整数，L＜K1。
17.如权利要求14所述的光电转换元件，其中，
分别包含所述第1像素与K2个的所述第2像素的多个区域排列成二维状，其中，K2为1以上的整数。
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