CN110931517B - 光检测装置 - Google Patents

光检测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110931517B
CN110931517B CN201910887836.0A CN201910887836A CN110931517B CN 110931517 B CN110931517 B CN 110931517B CN 201910887836 A CN201910887836 A CN 201910887836A CN 110931517 B CN110931517 B CN 110931517B
Authority
CN
China
Prior art keywords
semiconductor region
potential
type semiconductor
signal
period
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910887836.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110931517A (zh
Inventor
篠原真人
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Publication of CN110931517A publication Critical patent/CN110931517A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110931517B publication Critical patent/CN110931517B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/1461—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements characterised by the photosensitive area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/11—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/79—Arrangements of circuitry being divided between different or multiple substrates, chips or circuit boards, e.g. stacked image sensors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

本发明提供光检测装置。根据实施例的光检测装置包括：第一半导体区域，其具有第一导电类型；第二半导体区域，其具有第二导电类型；第三半导体区域，其具有第一导电类型；以及电路单元，其被构造为对雪崩电流的生成次数进行计数，其中，用于引起信号电荷的雪崩倍增的反向偏压被施加到第二半导体区域和第三半导体区域，并且当形成势垒时在第一半导体区域中累积信号电荷，其中，控制单元控制势垒的高度。

Description

光检测装置
技术领域
本发明涉及光检测装置、光电转换系统和可移动体。本发明尤其涉及包括单光子雪崩二极管(SPAD)的光检测装置。
背景技术
已知包括SPAD的光检测装置。SPAD是如下元件，该元件被构造为，通过检测在单个光子入射在雪崩二极管(下文中，称为AD)上时生成的雪崩电流，来对入射光子的数量进行计数。将量值(magnitude)高于或等于击穿电压的反向偏压施加到AD，并且电流通过雪崩倍增而倍增。包括SPAD的光检测装置对当通过雪崩倍增而进行倍增的电流(下文中，称为“雪崩电流”)超过阈值时的出现次数进行计数。
美国专利申请公开第2009/0184384号描述了SPAD。在美国专利申请公开第2009/0184384号中描述的SPAD中，在相同区域中进行通过光子入射生成信号电荷和对生成的信号电荷的雪崩倍增。具体地，在耗尽层中进行信号电荷的生成和雪崩倍增，在耗尽层中，仅生成朝向电荷收集区域的方向上的电场。根据上述构造，在生成信号电荷时立即生成雪崩电流。然而，由于这个原因，在根据美国专利申请公开第2009/0184384号的SPAD中，在入射光检测时段期间，定期施加具有发生雪崩倍增的量值的反向偏压。
AD不仅进行由光子入射生成的信号电荷的雪崩倍增，而且在一些情况下还进行由于与光子入射不同的因素而生成的电荷(下文中，称为“不需要的电荷”)的雪崩倍增。当发生不需要的电荷的雪崩倍增时，这成为噪声的原因。
通常，要施加到P-N结的反向偏压越高，所生成的漏电流量等越高。因此，要施加到P-N结的反向偏压越高，越有可能生成可能成为噪声源的不需要的电荷。另外，不需要的电荷的生成源(例如晶体缺陷)通常存在于整个半导体基板中，并且不需要的电荷的生成源也存在于发生雪崩倍增的区域中。
如在根据美国专利申请公开第2009/0184384号的SPAD中，在相同区域中进行信号电荷的生成和雪崩倍增的AD中，当入射光检测时段延长时，相应地延长了进行大反向偏压的施加的时段。结果，有可能发生所生成的不需要的电荷的雪崩倍增，并且可能增加其检测次数。因此，在根据美国专利申请公开第2009/0184384号的SPAD中，出现了噪声可能增大的问题。
发明内容
根据本发明的一方面的光检测装置包括：第一半导体区域，其具有第一导电类型，在第一导电类型中具有第一极性的载流子被设置为多数载流子，第一极性是与信号电荷的极性相同的极性；第二半导体区域，其具有第二导电类型，在第二导电类型中具有第二极性的载流子被设置为多数载流子；以及第三半导体区域，其具有第一导电类型，信号电荷从第一半导体区域转移到第三半导体区域，其中，用于引起信号电荷的雪崩倍增的反向偏压被施加到第二半导体区域和第三半导体区域，在第一半导体区域与第三半导体区域之间，形成高度小于反向偏压、相对于第一半导体区域中的信号电荷的势垒，并且通过形成所述势垒，将信号电荷累积在第一半导体区域中，其中，所述光检测装置还包括：控制单元，其被构造为，以控制势垒的高度的方式，将第一半导体区域中的信号电荷转移到第三半导体区域；以及电路单元，其被构造为，对由雪崩倍增生成的雪崩电流的生成次数进行计数。
通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1A是光电转换单元的示意性截面图。
图1B是光电转换单元的示意性截面图。
图1C是光电转换单元的示意性截面图。
图2A至图2C表示沿图1A至图1C中的IIA-IIA、IIB-IIB和IIC-IIC的电位。
图3A是根据第一示例性实施例的光电转换单元的示意性截面图。
图3B是根据第一示例性实施例的光电转换单元的示意性截面图。
图3C是根据第一示例性实施例的光电转换单元的示意性截面图。
图4A至图4C表示沿图3A至图3C中的IVA-IVA、IVB-IVB和IVC-IVC的电位。
图5是根据第一示例性实施例的光检测装置的示意图。
图6是沿图5中的VI-VI的光检测装置的截面图。
图7是根据第一示例性实施例的光检测装置的等效电路图。
图8是用于描述根据第一示例性实施例的光电转换单元的操作的时序图。
图9例示了根据第一示例性实施例的光检测装置的信号转移操作中的电位变化。
图10是根据第一示例性实施例的变型例的光电转换单元的示意性截面图。
图11是根据第二示例性实施例的光检测装置的一部分的等效电路图。
图12是根据第二示例性实施例的光检测装置的整体图。
图13是用于描述根据第二示例性实施例的光检测装置的操作的时序图。
图14是根据第三示例性实施例的光检测装置的等效电路图。
图15是根据第四示例性实施例的光电转换单元的示意性截面图。
图16是用于描述根据第四示例性实施例的光电转换单元的操作的时序图。
图17A至图17C例示了根据第四示例性实施例的光电转换单元的电位。
图18是根据第五示例性实施例的光电转换单元的示意性截面图。
图19是例示根据第六示例性实施例的摄像系统的示意性构造的框图。
图20A和图20B例示了根据第七示例性实施例的摄像系统和可移动体的构造示例。
具体实施方式
根据以下示例性实施例，将描述电子用作信号电荷的示例。根据以下示例性实施例，具有第一导电类型(其中，具有第一极性的载流子被设置为多数载流子)的半导体区域是N型半导体区域，并且具有第二导电类型(其中，具有第二极性的载流子被设置为多数载流子)的半导体区域是P型半导体区域。然而，还建立了使用空穴作为信号电荷的本发明的示例性实施例。在这种情况下，N型和P型是相反的。
另外，以下描述中的光电转换单元是指在摄像传感器的情况下的像素。然而，本发明的示例性实施例的应用不限于摄像传感器，因此使用术语“光电转换单元”。
第一示例性实施例
首先，将描述光检测装置中包括的光电转换单元。图1A至图1C示意性地例示了光电转换单元70的截面结构。如图1A至图1C所示，光电转换单元70包括N型半导体区域1(第一半导体区域)、P型半导体区域2(第二半导体区域)、N型半导体区域3(第三半导体区域)和N型半导体区域12(第七半导体区域)。N型半导体区域1和P型半导体区域2构成光电二极管(PD)，PD被构造为将光转换为信号电荷并累积信号电荷。P型半导体区域2、N型半导体区域3和N型半导体区域12构成雪崩二极管(AD)。如下所述，光电转换单元70采用信号电荷累积在PD中的第一状态和PD中累积的信号电荷被转移到AD的第二状态。在第二状态中的至少部分时段期间，在AD部分中，由转移的信号电荷引起雪崩倍增。
光电转换单元70还包括在半导体表面上形成的P型半导体区域9和用于将相互邻接的光电转换单元分离的P型半导体区域10和P型半导体区域11。
这些半导体区域在截面结构中的布置如图1A等中所示。具体地，N型半导体区域1被P型半导体区域2、9和10(第四半导体区域)围绕。P型半导体区域2至少部分地布置在N型半导体区域1和N型半导体区域3之间。N型半导体区域12具有比N型半导体区域3低的杂质浓度，并且也布置在P型半导体区域2和N型半导体区域3之间。N型半导体区域12的至少一部分形成雪崩倍增部分。应当注意，光从图1A至图1C的上侧入射。
电位控制部分5连接到N型半导体区域3。电位控制部分5将电位(电位)Vn施加到N型半导体区域3。电位控制部分6连接到P型半导体区域11。电位控制部分6将电位Vp施加到P型半导体区域11。也可以经由P型半导体区域11将电位Vp供给到P型半导体区域2、9和10。在图1A所示的状态中，N型半导体区域1是电浮置的。
通过上述各个半导体区域的布置、各个半导体区域的杂质浓度分布以及施加到电位控制部分5和电位控制部分6的电位，来确定半导体基板内的电位分布。因此，当控制施加到电位控制部分5和电位控制部分6的电位时，可以切换上述第一状态和第二状态。实现下面将描述的电位状态。尤其是，可以在设计光检测装置时调整上述各个半导体区域的布置和各个半导体区域的杂质浓度分布，以便在信号电荷转移时精确地引起雪崩倍增。
在图1A至图1C和图2A至图2C中，通过改变施加到N型半导体区域3的电位来改变在N型半导体区域1和N型半导体区域3之间形成的势垒的高度。利用这种构造，来控制信号电荷累积在N型半导体区域1中的时段(对应于上述第一状态)和信号电荷从N型半导体区域1转移到N型半导体区域3的时段(对应于上述第二状态)。为了使操作原理更容易理解，将固定电位Vp施加到图1A至图1C中的P型半导体区域2。
图1A例示了在N型半导体区域1中累积信号电荷的状态下的光电转换单元70，图2A例示了沿图1A中的IIA-IIA的电位。
首先，施加到电位控制部分5的电位Vn高于由电位控制部分6施加的电位Vp。即，建立向P-N结施加反向偏压的状态。耗尽层在P-N结表面附近延伸。耗尽层的边缘由图1A至图1C中的虚线例示。如图1A所示，在P型半导体区域2的一部分中存在中性区域。在P型半导体区域2中的中性区域中，存在与P型半导体区域的多数载流子相对应的大量空穴。因此，P型半导体区域2中的中性区域的电位与电位控制部分6中的施加电位Vp大致相同。应当注意，中性区域也分别保留在P型半导体区域11、10和9中。
首先，在暗状态下，即，在不存在信号电荷的情况下，耗尽层在图1A中的整个N型半导体区域1中延伸。此时，至少在P型半导体区域2中的中性区域(存在于周围的其他P型半导体区域中的中性区域)与N型半导体区域1中之间生成所谓“耗尽电压”的反向偏压。换言之，针对存在于N型半导体区域1中的信号电荷(电子)，产生与通过将周围的PN结之间的内置电位与耗尽电压相加而获得的电压相当的势垒。因此，如图2A所示，在沿IIA-IIA的电位分布中，在N型半导体区域1和N型半导体区域3之间形成针对N型半导体区域1中的电子的势垒。应当注意，上述PD的耗尽电压通常与诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合器件(CCD)的摄像传感器中的PD的耗尽电压处于相同的电平，也就是说，可以认为耗尽电压约为1V至2V。
在图1A中，施加到N型半导体区域3的电位Vn被设置为Vn0。如上所述，电位Vn0高于施加到电位控制部分6的电位Vp。因此，与电位Vn0和电位Vp之间的差相当的反向偏压被施加到P型半导体区域2和11与N型半导体区域3和12之间的PN结。根据反向偏压的耗尽层也在P型半导体区域2和P型半导体区域11中延伸。在图1A的这种状态中，没有引起雪崩倍增的电位Vn0被基本设置在由P型半导体区域2和N型半导体区域3和12形成的AD的PN结处。由光入射生成的信号电荷累积在N型半导体区域1中。
图1B例示了施加到N型半导体区域3的电位Vn从Vn0改变为高于Vn0的Vn1的状态。
Vn1是比Vn0更高的电位，并且Vp是固定的。因此，与图1A中的情况相比，更高的反向偏压被施加到P型半导体区域2和11与N型半导体区域3和12之间的PN结。响应于此，与图1A中的情况相比，P型半导体区2中的耗尽层变宽。结果，当电位Vn为Vn1时，在N型半导体区域1周围的P型半导体区域2中的耗尽层与在N型半导体区域3周围的P型半导体区域2中的耗尽层彼此耦合。换句话说，耗尽层处于从N型半导体区域1直到N型半导体区域3的连续延伸状态。
P型半导体区域2中的耗尽部分的电位低于P型半导体区域2中的中性区域中的电位(与Vp大致相同)。这是因为受到了施加到N型半导体区域3的电位Vn的影响。因此，在沿图1B中的IIB-IIB的电位分布中，如图2B所示，与图1A中的情况相比，N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒的高度降低。
此时，几乎N型半导体区域1的整个周围被P型半导体区域2、9和10中的中性区域围绕。电位控制部分6的施加电位Vp是固定的。因此，N型半导体区域1的中心的电位几乎不变化。因此，如上所述，可以局部降低针对N型半导体区域1的势垒高度。
在图1B中，在信号电荷累积在N型半导体区域1中的情况下，信号电荷开始超过势垒转移到N型半导体区域3。此时，优选在N型半导体区域3和P型半导体区域2之间设置以致于引起雪崩倍增的反向偏压。
在形成连续耗尽层之后，根据施加到N型半导体区域3的电位Vn从Vn1变化到高于Vn1的电位Vn2，逐渐降低势垒。在P型半导体区域2中形成的耗尽层的宽度也根据电位Vn的变化而变化。
图1C例示了N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒几乎消失的状态。图2C例示了沿图1C中的IIC-IIC的电位。此时，电位Vn2被施加到N型半导体区域3。在图1C的状态下，累积在N型半导体区域1中的所有信号电荷被转移到N型半导体区域3。也就是说，可以进行完全耗尽转移。
用于上述完全耗尽转移的电压随着P型半导体区域2中的杂质浓度降低而降低，相反，该电压随着P型半导体区域中的杂质浓度变高而增大。设置P型半导体区域2和N型半导体区域12中的杂质浓度，使得生成反向偏压，以致于在如上所述转移信号电荷的至少部分时段期间，在P型半导体区域2和N型半导体区域3中引起雪崩倍增。
应当注意，在暗状态下，当发生从图1B到图1C的变化时，可以认为N型半导体区域1中的电位稍微变化。然而，由于P型半导体区域2比N型半导体区域1更靠近被供给了电位Vn的N型半导体区域3，因此P型半导体区域2受到电位Vn的改变的影响更大。P型半导体区域2中的耗尽部分的电位更可能发生变化。结果，可以消除N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒。
根据本示例性实施例，在图1C中，建立了中性区域保留在P型半导体区域9和P型半导体区域10中的状态。根据该构造，由于可以将电位Vp供给到N型半导体区域1的周围大部分，因此在图2B和图2C中，可以将N型半导体区域1中的电位的变化抑制成较小。因此，即使当电位Vn的变化量小时，也可以进行电荷的完全转移。应当注意，在电位Vn从Vn0变化到Vn2的过程中，整个P型半导体区域9或P型半导体区域10可能耗尽。
如上所述，可以通过控制电位Vn来控制N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒的高度。因此，利用这种构造，根据本示例性实施例的光检测装置可以选择性地实现用于在N型半导体区域1中累积信号电荷的操作和用于将信号电荷从N型半导体区域1转移到N型半导体区域3的操作。
这里，已经提供了这样的描述：当在图1B中转移信号电荷时优选引起雪崩倍增。然而，当电位Vn从Vn0变为Vn2时，施加引起雪崩倍增的反向偏压的定时和P型半导体区域2中的耗尽层的耦合定时(即，势垒开始降低的定时)可以彼此移位。施加引起雪崩倍增的反向偏压的定时或者P型半导体区域2中的耗尽层的耦合定时可以在另一个定时之前。通过当可以借助雪崩倍增开始信号检测时的偏置条件时的势垒，可以确定N型半导体区域1中的饱和电荷量。
在上述说明中，已经描述了控制施加到电位控制部分5的电位Vn的示例。另一方面，为了改变N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒的高度，可以在固定电位Vn的情况下改变施加到P型半导体区域2的电位Vp。根据本示例性实施例，通过改变Vp来改变势垒的高度。在这种情况下，同样可以控制信号电荷在N型半导体区域1中累积的时段和信号电荷从N型半导体区域1转移到N型半导体区域3的时段。
将参照图3A至图3C和图4A至图4C描述改变Vp的情况。为了便于描述，在图3A至图3C中假设，固定的正电位VDD被施加到N型半导体区域。
图3A例示了在N型半导体区域1中累积信号电荷的状态下的光电转换单元70，图4A例示了沿图3A中的IVA-IVA的电位。在图3A中，在P型半导体区域2和N型半导体区域1之间引起耗尽电压的电位差。此时，Vp被设置为Vp0。如图3A所示，由于N型半导体区域1的周围被P型半导体区域2围绕，因此N型半导体区域1中的电位随着P型半导体区域2中的电位的变化而变化。
已经描述了以这种方式固定Vn并且改变Vp的情况下的电位变化。然而，半导体区域内的电位分布由电位控制部分5的电位与电位控制部分6的电位之间的相对关系确定。因此，改变P型半导体区域2中的电位和N型半导体区域3中的电位中的哪一个来进行控制，仅取决于哪个电位将被简单地设置为基准，并且这是PD和AD的PN结元件的等效构造。因此，参照图1A至图1C和图2A至图2C的说明基本上适用于图3A至图3C和图4A至图4C。在下文中，将仅描述各个附图中的要点。
图3B例示了如下状态：在N型半导体区域1的周围的P型半导体区域2中的耗尽层和在N型半导体区域3的周围的P型半导体区域2中的耗尽层连续延伸。图4B例示了沿图3B中的IVB-IVB的电位。此时，低于Vp0的电位Vp1被施加到P型半导体区域2。该状态类似于参照图1B和图2B描述的状态，并且N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒降低。此时，由于N型半导体区域1的几乎整个周围被P型半导体区域2中的中性区域围绕，因此N型半导体区域1中的电位改变与Vp大致相同的量。结果，N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒降低。
图3C例示了N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒消失的状态。图4C例示了沿图3C中的IVC-IVC的电位。此时，低于Vp1的电位Vp2被施加到P型半导体区域2。类似于参照图1C和图2C的说明，在图3C的状态下，所有累积在N型半导体区域1中的信号电荷被转移到N型半导体区域3。即，可以进行完全耗尽转移。
在下文中，将描述上述光电转换单元70用作光检测装置(特别是摄像装置)的情况。
将参照图1A至图1C至图9来描述根据本发明第一示例性实施例的光检测装置。
图5是例示根据本示例性实施例的光检测装置的示意图。图6是沿图5中的VI-VI的光检测装置的截面图。图7是包括在光检测装置中的光检测元件80的等效电路图。图8是用于描述光电转换单元70的操作的时序图。图9例示了光检测元件的信号转移操作中的电位的变化。
如图5和图6所示，通过层叠多个基板来构成光检测装置。例如，通过将包括多个光电转换单元70的基板100和包括下面描述的计数器电路和逆变器电路的基板110相互层叠，来构成光检测装置。光电转换单元70、计数器电路和逆变器电路构成光检测元件80。即，构成单个光检测元件80的电路组在被分离时被布置到基板100和基板110。利用该构造，可以避免在平面图中增大光检测装置的面积，同时实现包括计数器电路的数字电路的速度或规模的增大。
应当注意，多个光电转换单元和计数器电路可并列布置在单个基板上。作为上述构造的替代，整个光检测元件80可以布置在单个基板上。
根据本示例性实施例，基板100的第一面是光入射面。在图1A至图1C、图3A至图3C和图6中，基板100中包括的两个面当中的上侧的面是第一面。也就是说，在图1A至图1C、图3A至图3C和图6中，光从上侧入射到光检测装置上。在将本发明的示例性实施例应用于摄像装置的情况下，如图6所示，诸如滤色器130和微透镜120的光学构件布置在基板100的第一面这一侧，即光入射面的一侧。晶体管的栅电极和金属布线层布置在基板100的与第一面相对的第二面这一侧。基板110相对于基板100位于基板100的第二面这一侧。在下面的描述中，光入射的一侧被设置为上侧，而相对侧被设置为下侧。
如图6所示，基板100和基板110在接合面上相互粘合。接合面由诸如铜的金属和诸如氧化膜的绝缘体构成。构成接合面的金属也可以构成将布置在基板100上的元件(诸如光电转换单元70)连接到布置在基板110上的电路(诸如计数器)的布线。
如图7所示，光检测元件80包括光电转换单元70、用作波形整形单元的逆变器电路7，以及计数器电路8。光检测装置包括多个光检测元件80。因此，如参照图5所说明的，光电转换单元70布置在基板100上。据此，多个逆变器电路7和多个计数器电路8布置在基板110上。
光电转换单元70包括光电转换部分60(对应于上述PD)和电荷倍增部分50(对应于上述AD)。光电转换部分60和电荷倍增部分50分别由二极管的电路符号表示。光电转换部分60的阳极和电荷倍增部分50的阳极彼此连接。换句话说，光电转换部分60的阳极和电荷倍增部分50的阳极构成公共节点。电位控制部分6连接到公共节点。根据本示例性实施例，当电位控制部分6控制施加到公共节点的电位时，切换在光电转换部分60中累积信号电荷的时段和将累积的信号电荷转移到电荷倍增部分50的时段。
如图3A至图3C和图6中所示，光电转换部分60的阴极由N型半导体区域1构成。光电转换部分60的阳极和电荷倍增部分50的阳极由P型半导体区域2构成。电荷倍增部分50的阴极由N型半导体区域3和12构成。根据本示例性实施例，通过控制从电位控制部分6施加到P型半导体区域2的电位，来控制信号电荷从光电转换部分60的阴极转移到电荷倍增部分50的阴极的状态以及非转移状态。因此，根据本示例性实施例，P型半导体区域2和电位控制部分6对应于控制单元。应当注意，当电位控制部分6具有用于进行上述电位控制的功能时，这是足够的，并且具体电路构造不受特别限制。因此，这里将省略其示例。
电荷倍增部分50是AD，该AD被构造为，通过在从光电转换部分60的阴极向电荷倍增部分50的阴极转移信号电荷的时段中进行从光电转换部分60的阴极转移的信号电荷的雪崩倍增，来进行光电流的倍增。虽然下面将描述细节，但是当在进行反向偏压的施加以致于形成电子雪崩的状态下、将在光电转换部分60中生成的多个信号电荷中的单个信号电荷转移到电荷倍增部分50时，通过由N型半导体区域3和P型半导体区域2生成的电场来加速信号电荷。然后，生成基于多个电子(和空穴)的电流。
如上所述，在信号电荷从光电转换部分60的阴极转移到电荷倍增部分50的阴极的时段的至少一部分期间，以致于引起电荷雪崩的反向偏压被施加到电荷倍增部分50。换句话说，在信号电荷被转移的时段的至少一部分期间，量值高于或等于击穿电压的反向偏压被施加到电荷倍增部分50。此时，电荷倍增部分50基本上在盖革(Geiger)模式下操作。因此，发生信号电荷的雪崩倍增。例如，在图7中，正电源电位VDD被施加到电位控制部分5，负电位Vp被施加到电位控制部分6。在没有生成雪崩电流的状态下，通过电阻4将电位VDD供给到电荷倍增部分50的阴极。因此，VDD-Vp成为施加到电荷倍增部分50的反向偏压。
电阻4连接到电位控制部分5和电荷倍增部分50的阴极。将描述电阻4和电荷倍增部分50之间的操作关系。当在向电荷倍增部分50施加以致于引起电子雪崩的反向偏压的时段中将单个信号电荷转移到电荷倍增部分50时，通过雪崩倍增发生光电流的倍增。通过倍增之后的信号电荷获得的电流流到电荷倍增部分50、逆变器电路7和电阻4的连接节点。电荷倍增部分50的阴极处的电位由于基于该电流的电压降而降低，在电荷倍增部分50中未形成电子雪崩。利用这种构造，电荷倍增部分50中的雪崩倍增停止。此后，由于电位控制部分5的电位VDD经由电阻4被供给到电荷倍增部分50的阴极，因此供给到电荷倍增部分50的阴极的电位返回到电位VDD。也就是说，再次将电荷倍增部分50的操作区域设置在盖革模式下。
电阻4的作用之一是暂时停止信号电荷的雪崩倍增，并且在停止之后立即再次将电荷倍增部分50的操作区域设置在盖革模式下。
通过将信号电荷转移到电荷倍增部分50，电荷倍增部分50的阴极处的电位通过雪崩电流减小。由于电荷倍增部分50的阴极连接到逆变器电路7，因此当阴极处的电位高于逆变器电路7的阈值时，逆变器电路7的输出变为低电平。另一方面，当阴极处的电位低于逆变器电路7的阈值时，逆变器电路7的输出变为高电平。也就是说，逆变器电路7的输出被二值化。结果，根据已经从N型半导体区域1转移到N型半导体区域3并经受雪崩倍增的信号电荷的存在，从逆变器电路7输出矩形脉冲。
逆变器电路7连接到电路单元(例如，计数器电路8)，该电路单元被构造为对雪崩电流的生成次数进行计数。计数器电路8对从逆变器电路7输出的脉冲的数量进行计数，并输出累计计数值。也就是说，当接收到来自逆变器电路7的脉冲时，计数器电路8改变计数值。如上所述，逆变器电路7基于由雪崩倍增生成的雪崩电流的存在与否来生成脉冲。计数器电路8对当至少一个信号电荷被转移到电荷倍增部分50并且还引起雪崩倍增时生成的雪崩电流的生成次数进行计数。
接下来，将描述在电荷倍增部分50中引起的雪崩倍增。如上所述，电荷倍增部分50包括N型半导体区域3、N型半导体区域12和P型半导体区域2，并且包括N型半导体区域3和N型半导体区域12的N型半导体区域和P型半导体区域2构成PN结。
在信号电荷至少从光电转换部分60转移的至少部分时段期间，用于在电荷倍增部分50中引起雪崩倍增的反向偏压被施加到电荷倍增部分50中的PN结。即，在电荷倍增部分50中的PN结附近的耗尽层中，生成用于加速电荷以致于引起雪崩倍增的高电场。
当在光电转换部分60中生成并累积的多个信号电荷中的一个信号电荷被转移到电荷倍增部分50的耗尽层时，通过上述高电场加速单个信号电荷。利用这种构造，生成基于多个电子(和空穴)的电流，即雪崩电流。
如已经描述的，通过控制施加到N型半导体区域3或P型半导体区域2的电位来控制施加到电荷倍增部分50的电压。
在下文中，将描述光电转换单元70的驱动。在下面的描述中，假设正电源电位VDD被施加到电位控制部分5，并且负电位Vp被施加到电位控制部分6，即，进行参照图3A至图3C和图4A至图4C描述的操作。
图8是用于描述光电转换单元70的驱动的时序图。在图8中，横轴表示时间，纵轴表示由电位控制部分6施加的电位Vp。
电位Vp是电位Vp0的时间对应于电荷倍增部分50处于非雪崩状态的时间。也就是说，势垒的高度被限制在不引起信号电荷的雪崩倍增的范围内。即，设置电位Vp0，使得施加到电荷倍增部分50的反向偏压变得低于用于引起雪崩倍增的最小电压。当电位Vp是电位Vp0时，在N型半导体区域1和N型半导体区域3之间形成势垒。例如，Vp0为-18V.
电位控制部分6进行控制，使得电位Vp从电位Vp0逐渐减小。当电位Vp变得低于或等于电位Vp3时，建立电荷倍增部分50引起雪崩倍增的状态。换句话说，在电位Vp低于或等于电位Vp3的情况下，施加到电荷倍增部分50的反向偏压高于击穿电压。
当电位Vp从电位Vp0逐渐减小时，N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒降低。当电位Vp达到Vp2时，N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒消失。在这种状态下，光电转换部分60中累积的所有信号电荷被转移到电荷倍增部分50。例如，Vp3是-20V，并且Vp2是-25V。
应当注意，根据本示例性实施例，N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒消失的电位Vp2低于由施加到电荷倍增部分50的反向偏压引起雪崩倍增的最小电位Vp3。也就是说，当电位Vp从Vp0减小时，首先，电荷倍增部分50被设置在雪崩状态。此后，N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒消失。已经参照图3A至图3C和图4A至图4C描述了这种情况。
如图7所示，光电转换单元70具有“信号累积操作时段”(其中，信号电荷累积在光电转换部分60中)和“信号转移操作时段”(其中，通过光电转换部分60生成的信号电荷被转移到电荷倍增部分50并被读出)。
在信号累积操作时段期间，Vp是Vp0，对应于图3A和图4A中所示的状态。在信号转移操作时段期间，电位Vp低于Vp0并且还高于或等于Vp2，对应于图3B和图4B以及图3C和图4C所示的状态。在信号转移操作时段期间，电位Vp从Vp0逐渐减小到Vp2以转移信号电荷。信号转移操作时段包括电荷倍增部分50处于非雪崩状态的时段和电荷倍增部分50处于雪崩状态并且读出转移的信号电荷的时段。非雪崩状态的时段是电位Vp低于电位Vp0且高于电位Vp3的时段。建立雪崩状态并读出转移的信号电荷的时段是电位Vp低于或等于电位Vp3的时段。如图8所示，电位Vp低于或等于电位Vp3的时段被设置为“信号读出操作时段”。
在信号读出操作时段期间，在建立Vp＝Vp3的时间点处在N型半导体区域1中累积的信号电荷被转移到N型半导体区域3，并在Vp从Vp3变为Vp2的时段中被读出。由于多个信号电荷累积在N型半导体区域1中，因此电位从Vp3逐渐变为Vp2。也就是说，从Vp3到Vp2的变化花费预定的时间段，并且电位逐渐减小。当多个信号电荷基本上同时转移到电荷倍增部分50时，由于计数器电路8的计数变为1，因此可能发生计数损失。与此相反，当电位逐渐减小时，多个信号电荷几乎不同时转移，几乎不发生计数损失。优选地，如图8所示，以斜坡方式改变电位，但也可以以步进方式改变电位。
图9例示了在信号转移操作时段期间的电位Vp的变化、以及基于电位Vp的变化的N型半导体区域3中的电位的变化和逆变器电路7的输出电位的变化。在图9中，T1、T2、T3、T4和T5表示当信号电荷从N型半导体区域1转移到N型半导体区域3时的定时。即，图9表示总共转移五个信号电荷的情况。如上所述，在施加低于或等于Vp3的电位时，电荷倍增部分50被设置在雪崩状态。
在图9中，在时间点T1，Vp尚未达到Vp3。当N型半导体区域3中的电位高于或等于预定电位时，逆变器电路7对波形进行整形。例如，预定电位是图9中的V3。当检测到低于或等于V3的电位时，逆变器电路7对波形进行整形。
在T1处转移的信号电荷在一定程度上引起冲击电离电流，但是不能获得低于或等于V3的电位。在T1，由于N型半导体区域3中的电位未达到由逆变器电路7整形波形的电位，因此逆变器电路7不对波形进行整形。因此，计数器电路8不进行计数。
在图9中，在T2、T3、T4和T5，当Vp变为低于Vp3的电位时，要转移的各信号电荷引起雪崩电流，以将N型半导体区域3中的电位设置为低于或等于V3。因此，在逆变器电路7的输出端生成计数脉冲并在计数器电路8中计数。
从上述说明可以理解，Vp从Vp0变为Vp2的时段是电荷从N型半导体区域1转移到N型半导体区域3的信号转移操作时段。另一个时段变为信号电荷累积在N型半导体区域1中的信号累积操作时段。在信号转移操作时段中Vp从Vp3变为Vp2的时段是信号读出操作时段，在信号读出操作时段中，从N型半导体区域1转移到N型半导体区域3的电荷被计为信号电荷。应当注意，准确地说，即使在信号转移操作时段期间，当光入射发生时，信号累积也与信号转移并行地进行。另一方面，在信号累积操作时段期间，仅进行信号累积，而不进行信号转移。应当注意，在图8所示的信号转移操作时段中实际开始转移信号电荷的定时对应于Vp略微低于Vp0的定时，并且在某些情况下信号转移操作时段可以部分地包括不转移信号的时段。在图9中，假设信号转移开始的Vp的电位高于Vp3的情况，并且在时刻T1也发生转移，但在某些情况下实际开始信号转移的Vp的电位可能低于Vp3。
接下来，将描述本示例性实施例的效果。根据本示例性实施例的光电转换单元70采用在光电转换部分60中累积信号电荷的第一状态和由从光电转换部分60转移转移到电荷倍增部分50的信号电荷引起雪崩倍增的第二状态。根据上述构造，可以降低对不需要的电荷计数的可能性。
在信号累积操作时段期间，信号电荷在光电转换部分60中累积。此后，在信号转移操作时段的至少一部分期间对信号电荷进行计数。虽然在这些时段中信号电荷在光电转换部分60中累积，但是不需要对生成的信号电荷计数。因此，不需要将引起雪崩倍增的高反向偏压施加到光电转换部分60。因此，与高反向偏压被定期施加到生成信号电荷的区域的情况相比较，可以在不需要的电荷的生成被抑制的状态下累积信号电荷。此后，单独准备读出累积信号电荷的时段，结果，可以降低对不需要的电荷计数的可能性。
在根据本示例性实施例的一个操作示例中，在信号累积操作时段期间，用于将电荷倍增部分50设置在非雪崩状态下的反向偏压被施加到电荷倍增部分50。利用该构造，即使在此期间在电荷倍增部分50中生成不需要的电荷或者不需要的电荷进入电荷倍增部分50，也不会引起雪崩倍增。因此，可以降低由电荷倍增部分50中的高电场生成的、比低电场的情况更多的不需要的电荷被计数为噪声的可能性。因此，与使用雪崩倍增的现有技术的光检测装置(例如现有技术的SPAD，其中，通过在整个操作时段期间施加高电场来生成许多不需要的电荷，并还对生成的不需要的电荷定期计数)相比，可以进一步减少噪声的生成。应当注意，可以将与光电转换部分60的反向偏压(N型半导体区域1中的耗尽电压)相当或更低的电压施加到电荷倍增部分50，作为用于在信号累积操作时段期间将电荷倍增部分50设置在非雪崩状态的反向偏压。
在另一个操作示例中，使电荷倍增部分50被设置在雪崩状态的反向偏压可以被定期施加到电荷倍增部分50。在这种情况下，光检测元件以如下方式构造：在信号转移操作时段以外的时段期间由不需要的电荷生成的雪崩电流不被计数。避免计数雪崩电流的方法包括将逆变器电路7设置为无效、在信号读出时段的开始时重置计数器电路8等。同样在这种情况下，由于在与电荷倍增部分50分离的光电转换部分60中进行信号电荷的累积，因此如上所述可以降低计数不需要的电荷的可能性。
为了进一步增大本示例性实施例的效果，信号读出操作时段优选为短。根据本示例性实施例，仅在信号读出操作时段期间计数在电荷倍增部分50或基板100的下表面中生成的不需要的电荷。在信号累积操作时段期间，即使在电荷倍增部分50或基板100的下表面中生成不需要的电荷，由于P型半导体区域2的电位屏障，不需要的电荷也不会累积在N型半导体区域1中，而是在不被计数的情况下流向N型半导体区域3。如上所述，信号读出操作时段优选短于信号累积操作时段，但是在要在非常短的时间段内检测入射光的情况下，信号累积操作时段可以短于信号读出操作时段。
另一方面，当在基板100的上表面上生成不需要的电荷时，不需要的电荷可以累积在N型半导体区域1中，并且可以在信号读出操作时段期间计数不需要的电荷。与此相反，施加到N型半导体区域1的反向偏压低于施加到在雪崩状态下的电荷倍增部分50的反向偏压。在现有技术的SPAD中，在由于施加高电压而使暗电流生成速度高的AD中也进行光电转换。因此，根据本示例性实施例，仅施加低反向偏压并因此可以抑制暗电流的生成的光电转换部分(PD)与高电场部分(AD)分离。因此，与现有技术相比，可以缩短AD中生成的不需要的暗电子被计数的时段，并且与现有技术的SPAD相比，可以减少不需要的电荷。
可以通过元件结构抑制在基板100的上表面上的暗电流生成。这是暗电流累积在CMOS传感器的光电二极管中的相同情况，并且通过使用CMOS传感器中的埋入型光电二极管来抑制暗电流。当采用上述埋入型光电二极管作为示例性实施例之一时，可以抑制暗电流的生成。
在下文中，将提供关于如何减少由暗电流等引起的不需要的电荷的描述，作为本示例性实施例获得的附加效果之一。
如图1A至图1C和图3A至图3C所示，N型半导体区域1被P型半导体区域2、9和10围绕，并且与所谓的CMOS传感器中的像素的光电转换部分类似地，具有埋入结构。由于不需要的电荷的生成源特别存在于基板100的表面上，因此当N型半导体区域1与基板100的表面隔开时，可以建立几乎不生成暗电流的状态。因此，P型半导体区域9被设置为具有使半导体界面部分不被耗尽的浓度。如上所述，在针对完全耗尽转移将P型半导体区域2中的杂质浓度设置为低的情况下，结果在某些情况下，P型半导体区域9中的杂质浓度可以高于P型半导体区域2中的杂质浓度。由于P型半导体区域10布置在N型半导体区域1的侧面上，因此可以减小邻接的光电转换单元70之间的串扰。
应当注意，根据本示例性实施例，构成基板100的表面的一部分的P型半导体区域9布置在N型半导体区域1的上表面上。构造不限于此，可以在N型半导体区域1的上表面上布置负的固定电荷膜，并且可以在N型半导体区域1中的基板100的上表面附近形成空穴累积层。同样在这种情况下，几乎不生成暗电流。例如，氧化铪、氧化铝，氧化钽等可用作负的固定电荷膜。
如图10所示，P型半导体区域90可以布置在基板100的下表面的一部分上。利用这种构造，在基板100的下表面上生成的不需要的电荷在P型半导体区域90中被重新组合，并且可以减小在基板100的下表面上生成的暗电流本身。
根据本示例性实施例，通过减小施加到P型半导体区域2的电位并增大反向偏压来转移信号电荷。该构造不限于此，并且如参照图1A至图1C和图2A至图2C所描述，可以通过增大N型半导体区域3中的电位并增大反向偏压来转移信号电荷。即使在使用上述光电转换单元70的情况下，也可以实现本发明的效果。
根据本示例性实施例，P型半导体区域2连续地布置在N型半导体区域1的下表面上。即，P型半导体区域2布置在N型半导体区域1的下表面的整个表面上。利用这种构造，可能形成P型半导体区域2中的势垒，并且信号电荷可能累积在N型半导体区域1中。将P型半导体区域2设置为具有适当的浓度，使得该势垒在信号转移时变得足够低。构造不限于此，只要形成N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒，就可以在P型半导体区域2中部分地设置间隙。例如，在平面图中，在与N型半导体区域3交叠的区域中，在第二半导体区域2的第一部分与第二半导体区域2的第二部分之间可以设置间隙。N型半导体区域可以布置在P型半导体区域2中的间隙中。该N型半导体区域可以具有与N型半导体区域1或N型半导体区域12的杂质浓度相当的杂质浓度，或者具有与那些杂质浓度不同的杂质浓度。
根据本示例性实施例的信号转移操作时段期间的情况，不需要缓慢地改变电位Vp。例如，在仅检测到光入射的存在或不存在等的情况下，即使累积多个信号电荷，电位Vp也可能从Vp0突然改变为Vp2。因此，当为电位Vp设置至少两个值时就足够了。
根据本示例性实施例，电荷倍增部分50在信号累积操作时段期间被设置在非雪崩状态。利用这种构造，与现有技术的SPAD相比，可以减少在强光入射的情况下的功耗。也就是说，由于在强光入射的情况下在SPAD中信号电荷生成速度显著增大，因此几乎建立了雪崩电流持续流动的状态。通过该电流增大功耗，并且还建立所谓的堆积状态，其中不太多地进行信号电荷的计数。因此，即使当在根据本发明示例性实施例的操作中入射强光时，几乎建立雪崩电流持续流动的状态的时间仅限于信号读出时段。因此，与信号累积操作时段相比，信号读出时段越短，噪声降低效果以及功耗降低效果越大。
另一方面，已经描述了通过在信号累积操作时段期间将电荷倍增部分50设置在雪崩状态，可以将逆变器电路7和计数器电路8设置为OFF。当在上述操作中入射强光时，对应于信号电荷累积部分的N型半导体区域1达到饱和，使信号电荷溢出，并且几乎建立雪崩电流在信号累积操作时也持续流动的状态。因此，在该操作中功耗与现有技术的SPAD相当。然而，获得了噪声降低效果。
根据本示例性实施例，逆变器电路7基本上是阈值在V3的比较器。因此，可以使用比较器代替逆变器电路7。此外，可以使用其他电路作为计数器，该其他电路进行向与计数数量成比例的预定物理量(例如电荷量)的转换，并存储物理量。
第二示例性实施例
根据本发明第二示例性实施例的光检测装置是通过设置本发明示例性实施例的多个光电转换单元而构成的摄像传感器。
图11是根据本示例性实施例的光检测装置的等效电路图。根据本示例性实施例的光检测装置的操作基本上与第一示例性实施例相同，但是电路部分比图7稍微更详细地例示，以描述作为光检测装置的各个操作模式。在图11中，与图7中相同的部分被分配了相同的附图标记，并省略其说明。
光电转换单元70(光电转换部分60和电荷倍增部分50)、电位控制部分6和电阻4的所有构造与第一示例性实施例的构造相同。因此，关于根据第一示例性实施例的那些元件的所有描述将用于本示例性实施例。
可以通过开关选择ON(接通)和OFF(断开)的逆变器用作根据本示例性实施例的光检测装置。
如图11所示，根据本示例性实施例的光检测装置包括P型金属氧化物半导体(MOS)晶体管15、P型MOS晶体管16和N型MOS晶体管13。用于供给预定电位并确定恒定电流量的输入端子14连接到晶体管13。用于控制晶体管16的ON和OFF的输入端子17连接到晶体管16的栅极。
如图11所示，晶体管15的栅极连接到电荷倍增部分50的阴极。晶体管15的漏极连接到晶体管13的漏极。晶体管13的源极接地，并且经由晶体管13向晶体管15的漏极供给恒定电流。晶体管15的源极连接到晶体管16的漏极。晶体管16的源极连接到被供给正电源电位VDD的电位控制部分5。由于晶体管16作为开关操作，因此当晶体管16处于ON状态时，正电源电位VDD被供给到晶体管15的源极。电荷倍增部分50的阴极处的电位被供给到晶体管15。当晶体管15的栅极电位超过预定阈值时，输出计数脉冲，并将计数脉冲输入到计数器电路8。
输入端子18控制计数器电路8的重置。计数器电路8可以在信号读出操作时段之前通过输入端子18重置。
用于输出位信息的MOS晶体管连接到计数器电路8的各个位。在本说明书中，连接到各个位的MOS晶体管统称为MOS晶体管组19。
输入端子20连接到用于切换的MOS晶体管组19的栅极，并控制MOS晶体管组19的ON和OFF。来自MOS晶体管组19的各个MOS晶体管的计数器电路8的位信息，被同时从输出端子21、22、23和24输出。
为了便于描述，在图11中，计数器电路8的位计数被设置为4，并且MOS晶体管组19的开关的数量被设置为4，但是实际的位计数可以设置为更高的数字。另一方面，可以使用一个开关，并且可以串行输出计数器电路8的各个位信息。
图12是光检测装置的整体图。为了便于描述，光检测元件25布置成两行两列。各个光检测元件25包括图11中所示的电路。应当注意，光检测元件25相当于摄像传感器中的像素。
光检测装置包括被构造为依次选择行的垂直扫描电路26。光检测装置还包括：第一行选择线27，其从垂直扫描电路26输出以连接到在第一行中设置的光检测元件25的输入端子20；以及第二行选择线28，其从垂直扫描电路26输出以连接到在第二行中设置的光检测元件25的输入端子20。光检测装置还包括四条垂直输出线29，这四条垂直输出线29分别连接到第一列中的光检测元件25的输出端子21、22、23和24，并且从这四条垂直输出线29输出第一列中的各个像素的计数器电路8的各个位信息。光检测装置还包括四条垂直输出线30，这四条垂直输出线30分别连接到第二列中的像素的输出端子21、22、23和24，并且从这四条垂直输出线30输出第二列中的各个像素的计数器电路8的各个位信息。光检测装置还包括连接到各垂直输出线的前置放大器31。光检测装置还包括水平扫描电路32，其被构造为依次选择同时输出各列中的四个前置放大器的输出的各列。根据水平扫描电路32，从输出端子33、34、35和36依次输出各列中的前置放大器输出。
尽管在图12中没有直接例示，但是各个光检测元件25中包括的电位控制部分5、电位控制部分6、输入端子14、输入端子17和输入端子18在所有光检测元件中被分别同样连接。
图13是用于描述包括全局电子快门功能的操作模式的时序图。水平轴是时间轴。图13例示了电位控制部分6的电位的变化。图13还例示了输入端子17、输入端子18、第一行选择线27和第二行选择线28被控制为高或低的状态。
当输入端子17处于低电平时，在P型MOS晶体管16变为导通时检测雪崩电流的逆变器被设置在操作状态。与此相反，当输入端子17处于高电平时，逆变器被设置在非操作状态。
当输入端子18处于高电平时，计数器电路8被设置在操作状态。当输入端子18处于低电平时，计数器电路8的所有位被重置以建立计数器电路8的计数值为零的状态。
图13例示了与在各个光检测元件25中生成用于构成单个帧的信号以进行信号输出的时段相对应的1个帧时段。根据本示例性实施例，信号生成包括：光电转换部分60对信号电荷的累积、信号电荷从光电转换部分60到电荷倍增部分50的转移、电荷倍增部分50对信号电荷的倍增、计数器电路8的计数操作等。
根据本示例性实施例，在相互不同的时段期间进行信号输出的多个光检测元件25中的信号累积操作时段彼此匹配。进行所谓的全局电子快门操作。
如图13所示，在生成第n帧的信号的时段(即，第n帧的帧时段)中，输出与先前帧相对应的第(n-1)帧的信号。作为信号输出操作，基于累积的信号电荷的计数值从计数器电路8输出到垂直输出线。此时，逐行依次输出计数值。具体地，当第一行选择线27为高时，第一列第一行中的光检测元件25的计数器电路8的计数值被输出到垂直输出线29。此外，在相同时段期间，第二列第一行中的光检测元件25的计数器电路8的计数值被输出到垂直输出线30。这些计数值由水平扫描电路32按照第一列和第二列的所述顺序从输出端子33、34、35和36输出。类似地，当第二行选择线28为高时，第二行中的光检测元件25的计数器电路8的计数值从输出端子33、34、35和36输出。
在该先前帧中的数据输出结束之后，输入端子18变为低电平，并且所有计数器电路8被重置。可以在开始下一帧(第n帧)中的信号读出操作之前进行计数器电路8的重置。
根据本示例性实施例，如图13所示，1个帧时段包括多个信号累积操作时段和多个信号转移操作时段。该信号累积操作时段和该信号转移操作时段分别类似于根据第一示例性实施例描述的那些时段。尽管未在图中例示，但是信号转移操作时段的至少一部分是信号读出操作时段。
根据本示例性实施例，在一个信号转移操作时段结束之后，经过预定间隔，然后开始下一个信号累积操作时段。也就是说，1个帧时段还可以包括对信号生成没有贡献的时段。当包括对信号生成没有贡献的时段时，在长时间段进行被摄体的采样的情况下，可以缩短曝光时段(快门速度)。因此，即使当拍摄过亮的被摄体时，也可以获得适当的信号量，并且可以获得几乎没有过度曝光的高亮部分的图像。
将具体描述信号累积操作和信号转移操作。当输入端子17处于高电平时，即，当逆变器处于OFF状态时，电位控制部分6的电位变为Vp2，并且所有像素中的电荷转换部分60的阴极中累积的电荷被放电到电荷倍增部分50的阴极。在此时段期间，即使当由转移到电荷倍增部分50的电荷引起雪崩倍增时，也不进行计数。利用这种构造，在所有像素的光电转换部分60中进行信号电荷的重置，此后，开始第一信号累积操作。
接下来，输入端子17被设置为低电平，并且电位控制部分6的电位逐渐从Vp0变为Vp2以进行第一信号转移操作。在经过了预定时间之后，与各第一操作中类似地进行第二信号电荷的重置、第二信号累积操作和第二信号转移操作。
因此，1个帧时段在此结束，并且在该帧时段期间在所有像素中的计数器电路的计数值的输出在下一帧时段的开始处进行。
进行多个信号转移操作，但是在操作期间不重置计数器电路8。因此，在多个信号转移操作中获得的信号在计数器电路中彼此相加。也就是说，在各个光检测元件25的计数器电路8中保持的信号是用于第一和第二操作的附加信号和用于构成一个图像(帧)的信号。
在图13所示的操作中的1个帧期间进行两次对信号电荷的重置，并且作为信号进行有效计数的有效光接收时段对应于第一和第二信号累积操作时段以及第一和第二信号转移操作时段。
当在1个帧时段的中途重置光电转换部分60时，进行所谓的电子快门操作，其中有效光接收时段被设置为短于1个帧时段。同样在这种情况下，由于所有光电转换部分60的信号累积操作时段彼此匹配，因此实现了全局电子快门。
在图13中，信号累积操作和对应于信号累积操作的多个信号读出操作被进行两次，但是上述操作可以进行一次或者也可以进行三次或更多次。
根据本示例性实施例，进行多个信号累积操作和与信号累积操作对应的多个信号转移操作。利用这种构造，可以将光检测元件25的饱和信号电荷设置得大。单个信号累积和信号转移操作中的饱和信号由光电转换部分60的饱和电荷量(可以累积的最大电荷量)确定。当反复进行多次信号累积和信号转移操作以添加计数器电路8中的计数时，超过光电转换部分60的饱和电荷量的信号电荷可以被计数为一帧信号。
在1个帧时段期间，在其间插入特定间隙时段的情况下分布有效光接收时段。当信号累积操作的分布数量增大时，在拍摄在特定周期中闪烁的被摄体的情况下，降低了发光时的信号被遗漏的可能性，并且可以获得自然图像。在入射光强度弱的情况下，还可以避免光电转换部分60的信号电荷的重置操作。在这种情况下，1个帧的所有时段都成为有效光接收时段。
将根据第二示例性实施例的上述全局电子快门功能与现有技术的传感器进行比较。
CCD具有电子快门功能，但是在信号转移操作时段期间出现来自其他像素的伪信号的问题。CMOS传感器最初具有这样的问题：各行中的信号累积定时一点一点地彼此移位，并且电子快门功能本身是困难的。还开发了包括像素中的存储器并具有电子快门功能的CMOS传感器，但仍然出现伪信号的问题。
在这方面，使用数字存储器，并且还可以在根据第二示例性实施例的摄像传感器中进行雪崩倍增的切换控制。因此，可以实现不涉及伪信号的几乎完整的全局电子快门。也就是说，在必要的信号信息存储在数字存储器中之后，几乎可以完全消除涉及不需要的伪信号的可能性。
不涉及伪信号的全局电子快门也可以通过二维地设置现有技术的SPAD而构成的传感器来实现，但是在像素的数字存储器的数据输出时段期间，需要暂停信号检测操作或者需要暂停计数操作。这是因为，通常，如根据第二示例性实施例所述，针对各行在不同的定时进行存储器的数据输出。由于在不包括信号累积部分的现有技术SPAD中的数字存储器的数据输出时段期间，也通过入射光来计数信号，因此当在存储器的数据输出时段期间也进行信号检测和计数操作时，针对各行移位信号累积定时。当1个帧为10ms且数据输出为3ms时，信号检测时段需要设置为最长7ms。
因此，根据第二示例性实施例，可以在1个帧中并行进行信号电荷的累积和通过在先前帧中被计数器电路8读出而获得的计数值的输出。因此，不浪费帧时间。当1个帧是10ms时，信号的有效光接收时段也可以设置为最长10ms。
如上所述，根据第二示例性实施例，可以实现具有完整电子快门功能的摄像传感器，其中获得高信噪比并且还没有发生帧时间的损失。
第三示例性实施例
图14是例示根据本发明第三示例性实施例的光检测装置的等效电路图。在图14中，与图7中的部分相同的部分被分配了相同的附图标记，并省略了多余的描述。
如图14所示，在根据本示例性实施例的光检测装置中，多个光电转换单元40连接到公共垂直输出线37。N型MOS晶体管38连接在电荷倍增部分的阴极和垂直输出线37之间，并控制信号电荷的转移。输入端子39将控制脉冲施加到N型MOS晶体管38的栅极。在图14中，两个光电转换单元40连接到垂直输出线37，但是三个或更多个光电转换单元40可以连接到公共垂直输出线。根据本示例性实施例，多个光电转换单元40所连接的垂直输出线连接到电阻4和逆变器电路7。
在连接到垂直输出线37的多个光电转换单元40当中的、高脉冲施加到输入端子39的光电转换单元40中进行信号读出操作。在连接到垂直输出线37的多个光电转换单元40当中的、被施加到输入端子39的脉冲为低的光电转换单元40中不进行信号读出操作。
当高脉冲被施加到输入端子39时，电阻4和电荷倍增部分的阴极通过N型MOS晶体管38而导电。因此，当电位控制部分6的电位从Vp0逐渐变为Vp2时，进行如根据第一示例性实施例所述的信号转移操作。在信号转移操作结束之后，开始信号累积操作。
另一方面，当输入端子39保持为低时，由于不供给从电位控制部分5到电荷倍增部分50的阴极的电位，因此即使当电位控制部分6的电位变为Vp2时也不改变势垒的高度。因此，累积的信号电荷保留在光电转换部分60的阴极中而不被转移到电荷倍增部分50。
当依次选择连接到垂直输出线37的多个光电转换单元40以进行信号读出操作时，可以进行各个光电转换单元40的操作。为了选择一个光电转换单元40，将高脉冲施加到单个光电转换单元40的输入端子39，并且将其他光电转换单元40的输入端子39保持在低电平。
为了将根据本示例性实施例的光检测装置构成为摄像传感器，例如，当将图14所示的电路系统设置为组单位(一列)时，设置多个相同的电路系统。设置多个电路系统的方向是与在图14中设置两个光电转换单元40的方向交叉的方向(行)。利用这种构造，光电转换单元40被二维设置。当以行为单位依次选择光电转换单元40以进行信号读出操作时，光检测装置可以作为摄像传感器操作。应当注意，作为图14的多个电路系统设置在一列中的构造，即，包括与二维设置的光电转换单元的每列的多个垂直输出线37的数量对应的多个计数电路的构造，也可以采用可以同时在多行中进行读出的摄像传感器构造。
在上述二维摄像传感器的操作中，各行的信号累积时间可以设置为相同，但是对于各读出选择行，信号累积操作的开始定时一点一点地移位。这对应于所谓的卷帘快门操作。在这种情况下，与全局电子快门操作相比，丢失了摄像定时的并发性。因此，根据本示例性实施例的光检测装置，多个光电转换单元40共同使用电阻4、电位控制部分5、逆变器电路7和计数器电路8。因此，更容易在与光电转换单元40相同的半导体基板上形成电阻4、电位控制部分5、逆变器电路7和计数器电路8，而无需如第一示例性实施例中那样，在与光电转换单元40分开的半导体基板上形成电阻4、电位控制部分5、逆变器电路7和计数器电路8。因此，获得了以下优点：制造传感器的成本被抑制为低于第一和第二示例性实施例的成本。
应当注意，也可以采用如下构造：针对各个光电转换单元分别布置电阻4、电位控制部分5和逆变器电路7，并且从所选择的各逆变器电路7向垂直输出线进行输出，并且仅共同使用计数器电路8。
如上所述，根据本发明第三示例性实施例的光检测装置，由于多个光电转换单元40可以共同使用需要相当大规模的计数器电路8，因此可以避免光检测装置的较高成本。
应当注意，除了上述示例性实施例之外，可以想到各种示例性实施例。例如，已经根据上述示例性实施例主要描述了应用于摄像装置的模式。构造不限于此，并且如在相机的自动聚焦传感器中，还可以想到如下操作：在信号累积操作过程中监视光电转换单元的信号电荷累积量，并且当信号电荷累积量达到预定电平时重置光电转换单元。根据本发明示例性实施例的传感器的信号非破坏性读出的特性应用于该构造。
还可以切换现有技术的SPAD操作模式和根据本发明示例性实施例的操作模式。现有技术的SPAD操作模式基本上是如下操作模式：不进行信号累积操作，并且电位控制部分6的电位固定在Vp2，通过电荷倍增定期进行信号电荷的读出和计数。在如第二示例性实施例中那样将本发明的示例性实施例应用于摄像传感器的情况下，例如，在由于1个帧时段短而不需要的电荷很少的情况下，进行现有技术的SPAD操作，而在1个帧时段长的情况下，可以选择根据本发明示例性实施例的操作模式。
另外，根据本示例性实施例，累积操作时段在所有光检测元件中彼此匹配。构造不限于此，并且一个光检测元件25中的信号累积操作时段可以包括在其他光检测元件25中的信号累积操作时段中。这例如适用于如下情况：在高动态范围(HDR)驱动等中，累积操作时段的长度针对各行而变化。
第四示例性实施例
图15是根据本发明第四示例性实施例的光检测装置的光电转换单元的示意性截面图。在图15中，与图1A至图1C和图3A至图3C中相同的部分被分配了相同的附图标记，并省略了多余的描述。由于电阻4、电位控制部分5、逆变器电路7和计数器电路8与到目前为止描述的示例性实施例中的相同，因此省略其描述。根据本示例性实施例的光检测装置与第一示例性实施例的不同之处在于，势垒的高度由栅电极43控制。
如图15所示，根据本示例性实施例，由下面将描述的P型半导体区域42、N型半导体区域44和N型半导体区域41构成的光电转换部分60与由P型半导体区域46和N型半导体区域3构成的电荷倍增部分50在平行于半导体基板的上表面的方向上彼此相邻地布置。N型半导体区域1布置在光电转换部分60与电荷倍增部分50之间。P型半导体区域48(第六半导体区域)布置在光电转换部分60的N型半导体区域44与N型半导体区域1之间。在平面图中，栅电极43布置在与P型半导体区域48和N型半导体区域1交叠的区域中。
通过控制供给到栅电极43的电位，将在N型半导体区域44中累积的信号电荷转移到N型半导体区域1。N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的势垒的高度也通过控制供给到栅电极43的电位来控制。当将诸如接地电位的预定电位供给到布置在它们之间的P型半导体区域46时，N型半导体区域1与N型半导体区域3之间形成势垒。
杂质浓度高于P型半导体区域48中的杂质浓度的P型半导体区域42布置在与N型半导体区域44的上部对应的半导体界面部分中。P型半导体区域42和N型半导体区域44构成埋入型PD。
杂质浓度低于N型半导体区域44的N型半导体区域41布置在N型半导体区域44的下表面上。应当注意，N型半导体区域41可以是具有比P型半导体区域9低的杂质浓度的P型半导体区域。由入射光生成的信号电荷的位置主要是N型半导体区域41(第五半导体区域)。
P型半导体区域45(第八半导体区域)布置在如下区域中，在平面图中，在N型半导体区域1与P型半导体区域46之间，不与栅电极43交叠，并且还构成半导体基板的上表面的一部分。如上所述，可能在半导体基板的表面上生成不需要的电荷。当P型半导体区域42和45布置在构成半导体基板的上表面的一部分的区域中，并且其杂质浓度也是高浓度时，半导体界面部分的耗尽受阻，不需要的电荷的生成速度(即暗电流的生成速度)可以显著降低。
P型半导体区域46布置在N型半导体区域1与N型半导体区域3之间。P型半导体区域46的势垒在N型半导体区域1与N型半导体区域3之间形成。诸如接地电位的预定电位被供给到P型半导体区域46、9、42和48。
在平面图中，包括光电转换部分60和电荷倍增部分50的光电转换单元的周围布置有由绝缘体构成的元件分离器47。用于分离各个光电转换单元的P型半导体区域48布置在元件分离器47下方。
图16例示了根据本示例性实施例的基于供给到栅电极43的电位的变化的操作。图16例示了如下情况：当栅电极43的电位被设置为Vtx时，通过改变电位Vtx来控制信号转移操作和信号累积操作。图17A至图17C例示了沿图15中的虚线D-D'的电位的变化，该变化是由在信号转移操作时段期间栅电极43的电位变化引起的。将参照图16和图17A至图17C描述由Vtx的变化引起的势垒高度的变化。
首先，将电位Vtx控制为第一电位VL。生成的信号电荷累积在N型半导体区域44中，而施加到栅电极43的电位Vtx是第一电位VL。也就是说，施加到栅电极43的电位Vtx是第一电位VL的时段对应于信号累积操作时段。
此时的电位在图17A中例示。设置第一电位VL以便在N型半导体区域44与N型半导体区域1之间形成势垒。由于栅电极43、P型半导体区域48以及它们之间的在图中未例示的绝缘膜构成MOS结构，因此栅电极43下方的P型半导体区域48中的电位可以由栅电极43的电位控制。
如图16所示，为了开始信号转移操作，施加到栅电极43的电位Vtx从第一电位VL变为第二电位VH。此后，电位Vtx从第二电位VH逐渐变为第一电位VL。由于信号电荷是电子，因此第二电位VH是高于第一电位VL的电位。
图17C例示了当电位Vtx是第二电位VH时的电位。与电位Vtx是第一电位VL时相比，P型半导体区域48(和N型半导体区域1)中的电位降低。因此，在N型半导体区域44与N型半导体区域1之间形成的势垒消失。结果，在N型半导体区域44中累积的信号电荷被转移到N型半导体区域1。应当注意，P型半导体区域46中的电位几乎不受到栅电极43的电位的影响。因此，由于N型半导体区域1中的电位的相对降低，在N型半导体区域1与N型半导体区域3之间形成势垒。因此，转移到N型半导体区域1的信号电荷保持在N型半导体区域1中。
当施加到栅电极43的电位Vtx从第二电位VH向第一电位VL减小时，如图17B所示，N型半导体区1的电位和P型半导体区域48的电位增大。因此，P型半导体区域46的势垒降低。因此，信号电荷从N型半导体区域1转移到N型半导体区域3。根据本示例性实施例，电位Vtx从第二电位VH逐渐变为第一电位VL。根据上述构造，类似于第一示例性实施例，保持在N型半导体区域1中的信号电荷可以逐个转移。
类似于根据第一示例性实施例描述的P型半导体区域2和N型半导体区域3，在P型半导体区域46和N型半导体区域3之间施加足以生成雪崩倍增的反向偏压。因此，当信号电荷转移到N型半导体区域3时，通过与第一示例性实施例相同的操作生成雪崩倍增，并且计数信号电荷。
如上所述，累积信号电荷的N型半导体区域1不需要设有光电转换功能。同样在上述情况下，与第一示例性实施例类似，可以降低计数不需要的电荷的可能性。
由于根据第四示例性实施例的通过栅电极43的电位控制操作，因此与第一示例性实施例相比，驱动更容易控制。
类似于第一示例性实施例，例如，通过控制施加到N型半导体区域3的电压，可以仅在读出操作时段期间将电荷倍增部分50设置在雪崩状态。作为上述构造的替代，由于栅电极43之外的电极电位尽可能地固定，因此可以在电荷倍增部分50通常保持在雪崩状态的情况下，在读出操作之外的时段期间将逆变器电路7和计数器电路8设置为暂停状态。
在前一种构造的情况下，实现了不需要的电荷的减少效果(即噪声的降低效果)，并且还实现了强光入射时的电力减小效果。在后一种构造的情况下，实现了噪声降低效果。
根据本示例性实施例，由于光电转换部分60和电荷倍增部分50在光检测装置中不沿垂直方向层叠(与第一示例性实施例不同)，因此关于光入射，可以将布置有栅电极43这一侧的表面设置为光入射面，或者，也可以将与布置有栅电极43这一侧相对的一侧的表面设置为光入射面。
如上所述，根据本发明的第四示例性实施例，可以实现驱动更加便利的光检测装置，并且该光检测装置具有高信噪比以及优异的转移性能。
第五示例性实施例
图18是根据本发明第五示例性实施例的光检测装置的光电转换单元的示意性截面图。在图18中，与图17A至图17C中的部分相同的部分被分配了相同的附图标记，并省略了多余的描述。由于电阻4、电位控制部分5、逆变器电路7和计数器电路8与到目前为止描述的示例性实施例的部件相同，因此省略其描述。根据本示例性实施例的光检测装置与第四示例性实施例的不同之处在于，未布置N型半导体区域44，并且信号电荷从N型半导体区域1直接转移到N型半导体区域3。在根据本示例性实施例的光检测装置中，光可以从布置有栅电极43这一侧入射，并且光可以从相对侧入射。图18例示了光从与布置栅电极43这一侧相对的一侧入射的情况下的结构。
如图18所示，根据本示例性实施例，光电转换部分60和电荷倍增部分50布置在与半导体基板的下表面平行的方向上。
P型半导体区域46布置在光电转换部分60的N型半导体区域1与电荷倍增部分50的N型半导体区域3之间。栅电极43被布置为在平面图中与P型半导体区域46交叠。通过控制供给到栅电极43的电位，来控制在N型半导体区域1和N型半导体区域3之间的栅电极43正下方的半导体界面附近的势垒的高度。
首先，在施加到栅电极43的电位Vtx是第一电位VL的情况下，形成N型半导体区域1与N型半导体区域3之间的势垒。换句话说，设置第一电位VL以便在N型半导体区域1与N型半导体区域3之间形成势垒。电位Vtx是第一电位VL的时段是信号累积操作时段。
为了开始信号转移操作，施加到栅电极的电位Vtx从第一电位VL变为第二电位VH。利用这种构造，P型半导体区域46的半导体界面部分附近的电位降低。因此，在N型半导体区域1与N型半导体区域3之间形成的势垒消失。结果，在施加到栅电极43的电位Vtx是第二电位VH的情况下，在N型半导体区域1中累积的信号电荷被转移到N型半导体区域3。
根据本示例性实施例，电位Vtx从第一电位VL逐渐变为第二电位VH。根据上述构造，类似于第一示例性实施例，在N型半导体区域1中保持的信号电荷可以逐个转移。
类似于在根据第一示例性实施例描述的P型半导体区域2和N型半导体区域3中，在信号转移操作时段期间，在P型半导体区域46与N型半导体区域3之间施加足以生成雪崩倍增的反向偏压。因此，在将信号电荷转移到N型半导体区域3的过程中，通过与第一示例性实施例相同的操作来计数雪崩倍增的生成次数。然后，设置施加到N型半导体区域3的电位，使得在累积操作时段期间不生成雪崩倍增。应当注意，在信号累积操作时段期间，可以关闭逆变器电路或计数器电路的操作，同时保持生成雪崩倍增的电压的施加。
根据本示例性实施例，在半导体基板的上表面上与电荷倍增部分50交叠的区域中形成由金属制成的光屏蔽膜52。利用这种构造，可以避免在电荷倍增部分50中生成信号电荷并由计数器电路读出的情况。
另外，根据本示例性实施例，负的固定电荷膜51布置在基板的上表面上。这是因为避免半导体基板界面部分的耗尽以减少暗电流。
第六示例性实施例
将参照图19描述根据本示例性实施例的摄像系统。与根据上述各个示例性实施例的光检测装置类似的组件被分配了相同的附图标记，并且其描述将被省略或简化。图19是例示根据本示例性实施例的摄像系统的示意性构造的框图。
根据上述各个示例性实施例描述的光检测装置可以应用于用作图19中的摄像装置201的各种摄像系统。数字静态相机、数字便携式摄像机、安全相机、复印机、传真设备、移动电话，车载相机、观察卫星等被例示为适用的摄像系统。包括诸如透镜的光学系统和摄像装置的相机模块也包括在摄像系统中。图19中例示了数字静态相机的框图，作为这些设备的示例。
图19中例示的摄像系统200包括：摄像装置201、用于在摄像装置201上形成被摄体的光学图像的透镜202、用于使通过透镜202的光量可变的光圈204、以及用于保护透镜202的屏障206。透镜202和光圈204是使得光聚焦在摄像装置201上的光学系统。摄像装置201是根据第一至第五示例性实施例描述的光检测装置，并将由透镜202形成的光学图像转换为图像数据。
摄像系统200还包括信号处理单元208，其被构造为对从摄像装置201输出的输出信号进行处理。信号处理单元208进行模数转换以将由摄像装置201输出的模拟信号转换为数字信号。除了模数转换之外，信号处理单元208还在必要时通过进行各种校正和压缩来进行用于输出图像数据的操作。对应于信号处理单元208的一部分的模数转换单元可以在设置有摄像装置201的半导体基板上形成，或者也可以在与摄像装置201的半导体基板不同的另一半导体基板上形成。此外，摄像装置201和信号处理单元208可以在同一半导体基板上形成。
摄像系统200还包括：存储器单元210，其被构造为临时存储图像数据；以及外部接口单元(外部I/F单元)212，其用于与外部计算机等通信。摄像系统200还包括：用于记录或读出摄像数据的诸如半导体存储器的记录介质214；以及用于对记录介质214进行记录或读出的记录介质控制接口(记录介质控制I/F单元)216。应当注意，记录介质214可以内置在摄像系统200中，或者也可以以可拆卸的方式附接。
摄像系统200还包括：整体控制和计算单元218，其被构造为进行各种计算并控制整个数字静态相机；以及定时生成单元220，其被构造为向摄像装置201和信号处理单元208输出各种定时信号。这里，定时信号等可以从外部输入，并且当摄像系统200至少包括摄像装置201和被构造为处理来自摄像装置201的输出信号的信号处理单元208时就足够了。
摄像装置201将摄像信号输出到信号处理单元208。信号处理单元208对从摄像装置201输出的摄像信号进行预定信号处理，并输出图像数据。信号处理单元208通过使用摄像信号生成图像。
根据上述各个示例性实施例的光检测装置的应用，可以实现稳定的高灵敏度摄像系统，该摄像系统可以获得具有高饱和信号量的令人满意的质量的图像。
第七示例性实施例
将参照图20A和图20B描述根据本示例性实施例的摄像系统和可移动体。
图20A示意性地例示了与车载相机相关的摄像系统的示例。摄像系统300包括用作光检测装置310的摄像装置。光检测装置(摄像装置)310是在第一至第五示例性实施例中的任何一个中描述的光检测装置。摄像系统300包括：图像处理单元312，其被构造为对由光检测装置310获得的多个图像数据进行图像处理；以及视差计算单元314，其被构造为根据由摄像系统300获得的多个图像数据计算视差(视差图像的相位差)。摄像系统300还包括：距离测量单元316，其被构造为基于计算出的视差来计算到目标的距离；以及碰撞确定单元318，其被构造为基于计算出的距离来确定是否存在发生碰撞的可能性。这里，视差计算单元314和距离测量单元316是距离信息获得单元的示例，该距离信息获得单元被构造为获得到目标物体的距离信息。也就是说，距离信息是与视差、散焦量、到目标物体的距离等有关的信息。碰撞确定单元318可以通过使用这些距离信息中的任何一个来确定碰撞可能性。距离信息获得单元可以通过专门设计的硬件或软件模块来实现。距离信息获得单元还可以通过现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等来实现，并且可以通过这些的组合来实现。
摄像系统300连接到车辆信息获得装置320，并且可以检测诸如车辆速度、偏航率和舵角的车辆信息。用作控制装置的控制ECU 330连接到摄像系统300，控制ECU 330被构造为，基于碰撞确定单元318中的确定结果，向车辆输出用于生成制动力的控制信号。摄像系统300也连接到警报装置340，警报装置340被构造为基于碰撞确定单元318中的确定结果向驾驶员发出警报。例如，在碰撞可能性高作为碰撞确定单元318的确定结果的情况下，控制ECU 330通过施加制动、返回加速器和抑制引擎输出来进行用于避免碰撞或减轻损坏的车辆控制。警报装置340例如通过发出诸如声音的警报、在汽车导航系统等的画面上显示警报信息等、并向座椅安全带或方向盘提供振动，来向用户发出警报。
根据本示例性实施例，摄像系统300拍摄车辆的周围，例如前方区域或后方区域。图20B例示了在拍摄车辆前的前方区域(摄像范围350)的情况下的摄像系统。车辆信息获得装置320向摄像系统300或光检测装置310发送指令以进行预定操作。根据上述构造，可以进一步提高测距精度。
上面已经描述了用于避免与其他车辆碰撞的控制的示例，但是该技术可以应用于跟随其他车辆进行自动驾驶的控制、自动驾驶而不从车道离开的控制等。此外，摄像系统不仅可以应用于诸如汽车的车辆，还可以应用于诸如以船舶、飞机或工业机器人为例的可移动体(可移动装置)。另外，摄像系统不仅可以广泛应用于可移动体，还可以广泛应用于使用物体识别的设备，例如智能交通系统(ITS)。
变型例
关于本发明，不仅可以进行上述示例性实施例，而且可以进行各种变型。例如，本发明的示例性实施例还包括：根据任一示例性实施例的构造的一部分被添加到另一示例性实施例的示例、以及利用根据另一示例性实施例的构造的一部分来替换构造的示例。
应当注意，上述示例性实施例仅仅是用于实现本发明的特定构造的示例，并且本发明的技术范围不受这些示例的限制性解释。也就是说，在不脱离本发明的技术概念或主要特征的情况下，可以以各种模式进行本发明的示例性实施例。
发明的优点效果
根据本发明的示例性实施例，可以降低使用SPAD的光检测装置(特别是累积并输出信号电荷的光检测装置)中的噪声。
虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。

Claims (23)

1.一种光检测装置，其包括：
第一半导体区域，其具有第一导电类型，在第一半导体区域中具有第一极性的载流子被设置为多数载流子，第一极性是与信号电荷的极性相同的极性；
第二半导体区域，其具有第二导电类型，在第二半导体区域中具有第二极性的载流子被设置为多数载流子；
第三半导体区域，其具有第一导电类型，第三半导体区域的信号电荷是从第一半导体区域转移来的；
控制单元，其被构造为控制第一半导体区域与第三半导体区域之间的势垒的高度；以及
电路单元，其被构造为对雪崩倍增生成的雪崩电流的生成次数进行计数，
其中，通过控制单元形成针对第一半导体区域中的信号电荷的势垒，使得信号电荷累积在第一半导体区域中，并且
用于引起信号电荷的雪崩倍增的反向偏压被施加到第二半导体区域和第三半导体区域之间，使得通过控制势垒的高度将信号电荷从第一半导体区域转移到第三半导体区域。
2.根据权利要求1所述的光检测装置，所述光检测装置还包括：
波形整形单元，其被构造为，通过检测由雪崩倍增生成的雪崩电流来对波形进行整形，
其中，电路单元对由波形整形单元检测到的雪崩电流的生成次数进行计数。
3.根据权利要求2所述的光检测装置，其中，
布置多个光电转换单元，各光电转换单元包括第一半导体区域、第二半导体区域、第三半导体区域和控制单元，并且
单个电路单元连接到单个光电转换单元。
4.根据权利要求2所述的光检测装置，其中，
布置多个光电转换单元，各光电转换单元包括第一半导体区域、第二半导体区域、第三半导体区域和控制单元，并且
单个电路单元连接到所述多个光电转换单元。
5.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，在信号电荷累积的时段，控制单元将势垒的高度控制在不引起信号电荷的雪崩倍增的范围内。
6.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，
备有，通过将势垒设置为具有第一高度而将信号电荷累积在第一半导体区域中的时段、以及通过将势垒设置为低于第一高度而将信号电荷从第一半导体区域转移到第三半导体区域的时段。
7.根据权利要求6所述的光检测装置，其中，在转移信号电荷的时段中，以斜坡方式改变势垒的高度。
8.根据权利要求6所述的光检测装置，其中，在转移信号电荷的时段中，以步进方式改变势垒的高度。
9.根据权利要求6所述的光检测装置，其中，控制单元通过控制供给到第二半导体区域的电位，来控制势垒的高度。
10.根据权利要求9所述的光检测装置，其中，
备有，通过控制单元向第二半导体区域供给第一电位而将信号电荷累积在第一半导体区域中的时段、以及通过控制单元向第二半导体区域供给与第一电位不同的第二电位而将信号电荷从第一半导体区域转移到第三半导体区域的时段。
11.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，
具有第二导电类型的第四半导体区域被布置为围绕第一半导体区域，并且
通过控制单元改变第四半导体区域的电位，来将第一半导体区域的电位改变为低于势垒的高度。
12.根据权利要求11所述的光检测装置，其中，当控制单元改变第四半导体区域的电位时，第四半导体区域中的电位的变化量高于在第二半导体区域中形成耗尽层的区域中的电位的变化量。
13.根据权利要求2所述的光检测装置，其中，第二半导体区域连续布置在第三半导体区域一侧处的第一半导体区域的面上。
14.根据权利要求2所述的光检测装置，其中，在第一半导体区域与第三半导体区域之间，在第二半导体区域的第一部分与第二半导体区域的第二部分之间形成有间隙。
15.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，
在俯视图中，栅电极布置在与第二半导体区域交叠的区域中，并且
改变供给到栅电极的电位，以改变势垒的高度。
16.根据权利要求1所述的光检测装置，所述光检测装置还包括：
第五半导体区域，其具有第一导电类型，在第五半导体区域中生成信号电荷；以及
第六半导体区域，其具有第二导电类型，并布置在第五半导体区域与第一半导体区域之间，其中，
在俯视图中，栅电极布置成与第五半导体区域和第六半导体区域交叠，并且
改变供给到栅电极的电位，以改变第一半导体区域的电位，并且改变供给到栅电极的电位，以降低势垒的高度。
17.根据权利要求16所述的光检测装置，其中，改变供给到栅电极的电位，以将信号电荷从第五半导体区域转移到第一半导体区域。
18.根据权利要求6所述的光检测装置，其中，转移信号电荷的时段比累积信号电荷的时段短。
19.根据权利要求18所述的光检测装置，其中，
施加反向偏压以使得在转移信号电荷的时段的一部分期间引起第二半导体区域和第三半导体区域之间的信号电荷的雪崩倍增，并且
施加具有量值的反向偏压以使得不在累积信号电荷的时段中引起第二半导体区域和第三半导体区域之间的雪崩倍增。
20.根据权利要求19所述的光检测装置，其中，
第三半导体区域和波形整形单元相互连接，
波形整形单元和电路单元相互连接，并且
在转移信号电荷的时段中，波形整形单元对波形进行整形，并且电路单元对雪崩电流的生成次数进行计数。
21.根据权利要求20所述的光检测装置，其中，
第三半导体区域和波形整形单元相互连接，
波形整形单元和电路单元相互连接，并且
在累积信号电荷的时段中，波形整形单元和电路单元中的至少一个不操作。
22.根据权利要求1所述的光检测装置，所述光检测装置还包括：
第七半导体区域，其具有第一导电类型以及比第三半导体区域的杂质浓度低的杂质浓度，第七半导体区域布置在第二半导体区域与第三半导体区域之间。
23.根据权利要求1所述的光检测装置，所述光检测装置还包括：
第八半导体区域，其具有第二导电类型，其中，
第一半导体区域构成半导体基板的面的一部分，并且
第八半导体区域构成半导体基板的面的另一部分，并且在俯视图中，第一半导体区域和第八半导体区域相互分离。
CN201910887836.0A 2018-09-19 2019-09-19 光检测装置 Active CN110931517B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018175251A JP7224823B2 (ja) 2018-09-19 2018-09-19 光検出装置
JP2018-175251 2018-09-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110931517A CN110931517A (zh) 2020-03-27
CN110931517B true CN110931517B (zh) 2023-11-07

Family

ID=67874386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910887836.0A Active CN110931517B (zh) 2018-09-19 2019-09-19 光检测装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10978503B2 (zh)
EP (1) EP3627567B1 (zh)
JP (1) JP7224823B2 (zh)
CN (1) CN110931517B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7395300B2 (ja) * 2019-03-22 2023-12-11 キヤノン株式会社 光電変換装置、光電変換システム、および移動体
KR20220114741A (ko) 2021-02-09 2022-08-17 에스케이하이닉스 주식회사 단일 광자 애벌런치 다이오드
JP2022158526A (ja) * 2021-04-02 2022-10-17 キヤノン株式会社 回路基板、半導体装置、機器、回路基板の駆動方法、半導体装置の製造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56138333A (en) * 1980-03-31 1981-10-28 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optoelectronic switch
US5998834A (en) * 1996-05-22 1999-12-07 Siliconix Incorporated Long channel trench-gated power MOSFET having fully depleted body region
CN1471311A (zh) * 2002-06-27 2004-01-28 ������������ʽ���� 固体摄象装置和用固体摄象装置的摄象机系统
JP2018064086A (ja) * 2016-10-13 2018-04-19 キヤノン株式会社 光検出装置および光検出システム
CN107946326A (zh) * 2016-10-13 2018-04-20 佳能株式会社 光检测装置及光检测系统

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2078440B (en) * 1980-03-31 1984-04-18 Nippon Telegraph & Telephone An optoelectronic switch
JPS577978A (en) * 1980-06-18 1982-01-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Opto-electronic switch
JPH0732264B2 (ja) 1985-01-23 1995-04-10 株式会社東芝 半導体受光素子
JPH04256376A (ja) * 1991-02-08 1992-09-11 Hamamatsu Photonics Kk アバランシェホトダイオード及びその製造方法
JPH05211321A (ja) * 1991-10-25 1993-08-20 Canon Inc アバランシェフォトダイオード、及びそれを具備する信号処理装置
JPH0738140A (ja) * 1993-07-19 1995-02-07 Hamamatsu Photonics Kk アバランシェホトダイオード
US6051857A (en) * 1998-01-07 2000-04-18 Innovision, Inc. Solid-state imaging device and method of detecting optical signals using the same
JP4846409B2 (ja) 2006-03-30 2011-12-28 富士フイルム株式会社 固体撮像装置
JP4795910B2 (ja) 2006-10-16 2011-10-19 富士フイルム株式会社 信号電荷の読出方法および固体撮像装置
ITTO20080046A1 (it) 2008-01-18 2009-07-19 St Microelectronics Srl Schiera di fotodiodi operanti in modalita' geiger reciprocamente isolati e relativo procedimento di fabbricazione
JP5631668B2 (ja) 2010-09-02 2014-11-26 Ｎｔｔエレクトロニクス株式会社 アバランシ・フォトダイオード
JP6172888B2 (ja) * 2012-01-18 2017-08-02 キヤノン株式会社 撮像装置および撮像システム
DE102012103699A1 (de) * 2012-02-15 2013-08-22 First Sensor AG Halbleiterstruktur für einen Strahlungsdetektor sowie Strahlungsdetektor
JP6188679B2 (ja) * 2012-02-29 2017-08-30 江藤　剛治 固体撮像装置
JP6921508B2 (ja) * 2016-11-29 2021-08-18 キヤノン株式会社 光検出装置および光検出システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56138333A (en) * 1980-03-31 1981-10-28 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optoelectronic switch
US5998834A (en) * 1996-05-22 1999-12-07 Siliconix Incorporated Long channel trench-gated power MOSFET having fully depleted body region
CN1471311A (zh) * 2002-06-27 2004-01-28 ������������ʽ���� 固体摄象装置和用固体摄象装置的摄象机系统
JP2018064086A (ja) * 2016-10-13 2018-04-19 キヤノン株式会社 光検出装置および光検出システム
CN107946326A (zh) * 2016-10-13 2018-04-20 佳能株式会社 光检测装置及光检测系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP3627567A1 (en) 2020-03-25
US20200091205A1 (en) 2020-03-19
CN110931517A (zh) 2020-03-27
EP3627567B1 (en) 2022-11-16
JP7224823B2 (ja) 2023-02-20
JP2020047780A (ja) 2020-03-26
US10978503B2 (en) 2021-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11309440B2 (en) Imaging device and imaging system
EP3379575B1 (en) Solid-state imaging device, imaging system, and movable object
JP7108421B2 (ja) 撮像装置及び撮像システム
CN110931517B (zh) 光检测装置
US11405570B2 (en) Imaging device, imaging system, and semiconductor chip
US11792548B2 (en) Photoelectric conversion device, photoelectric conversion system, and moving body
JP6953263B2 (ja) 固体撮像装置および撮像システム
US20200035722A1 (en) Solid-state imaging device and imaging system
JP2020161716A (ja) 光電変換装置、光電変換システム、および移動体
US10728471B2 (en) Photoelectric conversion device with a voltage control unit connected to a reset transistor and a capacitive element, and associated imaging system
US20200176490A1 (en) Photoelectric conversion device, photoelectric conversion system, and mobile apparatus
US20220190011A1 (en) Photoelectric conversion apparatus having avalanche photodiodes, photoelectric conversion system, and moving body
US11450701B2 (en) Photoelectric conversion apparatus, photoelectric conversion system, and movable body
US11393855B2 (en) Photoelectric conversion apparatus, photoelectric conversion system, and moving object
JP2021197596A (ja) 光電変換装置
JP7492338B2 (ja) 光電変換装置、光電変換システム及び移動体
JP7019743B2 (ja) 固体撮像装置及び撮像システム
JP2023174479A (ja) 光電変換装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant