CN115023946A - 光接收元件、光学装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

提出了一种能够在降低读出电路的输入电压的同时减少功耗和/或死区时间的光接收元件。提供了一种光接收元件(200)，其包括：光子响应倍增单元(210)，其包括能够倍增响应于光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；第一电阻单元(211)，其在一端处连接至所述光子响应倍增单元的一端，具有比所述光子响应倍增单元的电阻值大的电阻值；第二电阻单元(212)，其在一端处连接至所述第一电阻单元的另一端；和读出单元(230)，其连接至所述第一电阻单元的所述另一端并且经由所述第一电阻单元从所述光子响应倍增单元读出输出。

Description

光接收元件、光学装置和电子设备
技术领域
本发明涉及光接收元件、光学装置和电子设备。
背景技术
作为构造为将接收到的光光电转换为电信号并且输出该电信号的光学元件之一，使用雪崩倍增的单光子雪崩二极管(在下文中，称为SPAD)是已知的。雪崩倍增是指由光子入射而产生的电子和空穴被高电场加速，并且相继产生新的电子和空穴的现象。由于一组电子和空穴增加了许多倍并且会流动较大电流，因此使用它的SPAD具有可以检测弱光的优点。
引用文献列表
非专利文献
非专利文献1：APPLIED OPTICS,Vol.35,No.12,20April 1996
发明内容
本发明要解决的技术问题
在SPAD操作期间，在SPAD的阴极和阳极之间施加例如数10V的反向偏置电压。因此，由SPAD产生的较大电流而引起的阴极电位变化也可能会很大。由于由读出电路读出阴极电位的变化，因此读出电路的输入电压也发生很大变化。在这种情况下，需要将该变化抑制为小于读出电路的耐压。此外，在SPAD中，由于雪崩放大而导致流动较大电流，因此功耗趋于增加。
为了使读出电路的输入电压小于耐压并且减少功耗，可以使用电阻分压(非专利文献1)。然而，由用于电阻分压的电阻器的电阻值以及由SPAD的阴极寄生电容和读出电路的输入寄生电容决定的时间常数变大，并且SPAD的再充电时间段可能变长。再充电时间段是SPAD无法检测光子的所谓的死区时间(dead time)。即，在电阻分压中，即使能够使读出电路的输入电压小于耐压，并且能够减少功耗，也会出现死区时间变长的缺点。
因此，本发明提出了一种能够在降低读出电路的输入电压的同时至少减少功耗或死区时间的光接收元件、光学装置和电子设备。
解决技术问题的技术方案
根据本发明，提供了一种光接收元件，其包括：光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；和读出单元，其连接至所述第一电阻部的所述另一端并且经由所述第一电阻部从所述光子响应倍增部读出输出。
此外，根据本发明，提供了一种光学装置，其包括以矩阵状布置的多个光接收元件，其中，所述多个光接收元件分别包括：光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；和连接点，所述第一电阻部的所述另一端、所述第二电阻部的所述一端和从所述光子响应倍增部读出输出的读出单元连接至所述连接点。
此外，根据本发明，提供了一种电子设备，其包括光学系统和光学装置，在所述光学装置中以矩阵状布置有多个光接收元件，其中，所述多个光接收元件分别包括：光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于已经透过所述光学系统的光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；和连接点，所述第一电阻部的所述另一端、所述第二电阻部的所述一端和从所述光子响应倍增部读出输出的读出单元连接至所述连接点。
附图说明
图1是示出了应用根据现有技术的光学装置的电子设备的示意性构造例的框图。
图2是示出了根据现有技术的光学装置的示意性构造例的框图。
图3A是示出了根据现有技术的光学装置的像素的示意性构造的一个示例的框图。
图3B是示出了根据现有技术的光学装置的像素的示意性构造的另一示例的框图。
图3C是示意性示出了当一个光子入射到根据现有技术的光学装置的像素的光电二极管上时的阴极电位的变化的曲线图。
图3D是示意性示出了根据现有技术的光学装置的图像像素的光电二极管的电压-电流特性的曲线图。
图4A是示出了根据第一实施方案的光学装置的示意性构造例的框图。
图4B是示出了根据第一实施方案的光学装置的像素阵列单元的像素的示意性构造例的框图。
图5A是示意性示出了当一个光子入射到包括在根据第一实施方案的光学装置的像素阵列单元的像素中的单光子雪崩二极管上时的阴极电压的变化的曲线图。
图5B是用于说明根据第一实施方案的光学装置的像素的操作的图。
图5C是用于说明根据第一实施方案的光学装置的像素的继图5B之后的操作的图。
图5D是用于说明根据第一实施方案的光学装置的像素的继图5C之后的操作的图。
图5E是用于说明根据第一实施方案的光学装置的像素的继图5D之后的操作的图。
图6A是示出了根据传统示例的像素的构造例的图。
图6B是示出了根据传统示例的像素的构造例的图。
图7A是示出了根据第一实施方案的光学装置的像素的屏蔽电阻部的具体示例1的框图。
图7B是示出了根据第一实施方案的光学装置的像素的屏蔽电阻部的具体示例2的框图。
图8A是示出了根据第一实施方案的光学装置的像素的淬灭电阻部(quenchresistor part)的具体示例1的框图。
图8B是示出了根据第一实施方案的光学装置的像素的淬灭电阻部的具体示例2的框图。
图8C是用于说明根据图8B所示的淬灭电阻部的具体示例2的像素的操作的曲线图。
图9A是示出了根据第一实施方案的光学装置的像素的读出电路的具体示例1的框图。
图9B是用于说明根据第一实施方案的光学装置的像素的读出电路的操作的图。
图9C是示出了根据第一实施方案的光学装置的像素的读出电路的具体示例2的框图。
图10A是示出了根据第二实施方案的光学装置的像素的示意性构造例的框图。
图10B是用于说明根据第二实施方案的光学装置的像素的操作的曲线图。
图10C是示出了根据第二实施方案的光学装置的像素的屏蔽电阻部的具体示例3的框图。
图11是示出了根据第三实施方案的光学装置的像素的示意性构造例的框图。
图12是示出了根据第四实施方案的光学装置的堆叠结构示例的框图。
图13是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的示意性构造例的框图。
图14是示出了根据第四实施方案的光学装置的与光入射面垂直的面的断面结构示例的垂直断面图。
图15是示出了图14的A-A面的断面结构示例的水平断面图。
图16是示出了包括在根据比较例的光学装置中的像素的示意图。
图17A是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例1的框图。
图17B是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例2的框图。
图17C是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例3的框图。
图17D是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例4的框图。
图17E是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例5的框图。
图18A是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例6的框图。
图18B是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例7的框图。
图19A是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例8的框图。
图19B是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例9的框图。
图19C是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例10的框图。
图20是示出了作为可以应用根据本发明实施方案的光学装置的电子设备的摄像设备的示意图。
图21是示出了作为可以应用根据本发明实施方案的光学装置的电子设备的测距设备的构造例的框图。
图22是示出了作为应用本技术的电子设备的测距设备的光学装置的像素阵列单元的像素的示意性构造例的框图。
图23是示意性示出了在作为应用本技术的电子设备的测距设备中通过直接飞行时间(ToF)方法进行测距的图。
图24是示出了在作为应用本技术的电子设备的测距设备中产生的基于光接收时间的直方图的示例的图。
图25是示出了体内信息获取系统的示意性构造的示例的框图。
图26是示出了内窥镜手术系统的示意性构造的示例的图。
图27是示出了摄像头和CCU的功能性构造的示例的框图。
图28是示出了车辆控制系统的示意性构造的示例的框图。
图29是辅助说明车外信息检测部和摄像部的安装位置的示例的图。
具体实施方式
在下文中，将基于附图详细说明本发明的实施方案。注意，在以下的各个实施方案中，由相同的附图标记表示相同的部位，并且将省略重复的说明。
为了便于理解本发明的实施方案，在说明本发明实施方案之前，将说明与本发明实施方案相关的现有技术。
图1是示出了应用根据现有技术的光学装置的电子设备的示意性构造例的框图。如图1所示，电子设备1例如包括摄像透镜30、光学装置10、存储单元40和处理器50。
摄像透镜30是使入射光会聚并使入射光在光学装置10的光接收面上形成图像的光学系统的示例。光接收面可以是光学装置10中以矩阵状布置有像素的表面。光学装置10对入射光进行光电转换以产生图像数据。此外，光学装置10对产生的图像数据执行诸如噪声去除和白平衡调整等预定的信号处理。
存储单元40例如包括闪存、动态随机存取存储器(DRAM)或静态随机存取存储器(SRAM)等，并且记录从光学装置10输入的图像数据等。
处理器50例如使用中央处理单元(CPU)等构成，并且可以包括执行操作系统和各种应用软件等的应用处理器、图形处理单元(GPU)和基带处理器等。处理器50根据需要对从光学装置10输入的图像数据或从存储单元40读出的图像数据等执行各种处理，执行对用户的显示，并且通过预定网络将图像数据发送至外部。
图2是示出了上述光学装置10的示意性构造例的框图。如图所示，光学装置10包括像素阵列单元11、时序控制电路15、驱动电路12和输出电路13。
像素阵列单元11包括以矩阵状布置的多个像素20。对于多个像素20，针对每列连接像素驱动线LD(图中的垂直方向)，并且针对每行连接输出信号线LS(图中的水平方向)。像素驱动线LD的一端连接至驱动电路12的对应于各列的输出端，并且输出信号线LS的一端连接至输出电路13的对应于各行的输入端。
驱动电路12包括移位寄存器和地址译码器等，并且同时全部或以列为单位等驱动像素阵列单元11的像素20。驱动电路12将选择控制电压施加至与待读出的列相对应的像素驱动线LD，从而以列为单位选择将用于检测光子入射的像素20。从驱动电路12选择性扫描的列的各个像素20输出的信号(称为检测信号)通过各条输出信号线LS输入至输出电路13。输出电路13将从各个像素20输入的检测信号作为像素信号输出至存储单元40或处理器50。
时序控制电路15包括产生各种时序信号的时序发生器等，并且基于由时序发生器产生的各种时序信号来控制驱动电路12和输出电路13。
图3A是示出了像素阵列单元11的像素20的示意性构造的一个示例的框图。如图所示，像素20包括光电二极管21和淬灭电阻器22。在该像素20中，光电二极管21是单光子雪崩二极管(在下文中，称为SPAD 21)。在SPAD 21中，即使一个光子入射，也会通过雪崩倍增而产生较大电流，并且该电流作为电信号输出。稍后将说明SPAD 21的操作。
在示出的示例中，SPAD 21的阳极连接至预定电源，并且SPAD 21的阴极连接至淬灭电阻器22的一端。淬灭电阻器22的另一端接地。因此，如后所述，可以在SPAD 21之间施加反向偏置电压VDDL。此外，在SPAD 21的阴极侧产生作为寄生电容的阴极寄生电容CK。阴极寄生电容CK对应于SPAD 21的电容、在淬灭电阻器22和周围的绝缘层之间产生的电容、由将SPAD 21和淬灭电阻器22连接的配线而产生的电容以及诸如反相器等包括在读出电路23中的元件的电容等的合成电容。
参照图3B，读出电路23连接至在像素20的SPAD 21和淬灭电阻器22之间的连接点。读出电路23可以包括例如反相器电路，并且如后所述，读出在SPAD 21和淬灭电阻器22之间的连接点的电位(即，阴极电位)变化。
此外，在像素20中，后级的电路24连接至读出电路23的输出端。后级的电路24可以包括例如数字计数器电路，利用该数字计数器电路，像素20可以用作光子计数器元件。在这种情况下，可以基于与在各个像素20中检测到的光子数量相对应的输出信号来产生图像数据。即，光学装置10可以用作摄像传感器。
此外，后级的电路24可以包括时间数字转换器(TDC)电路来代替数字计数器电路。TDC电路可以产生表示具有预定基准频率的预定基准信号和基于该基准信号的检测信号之间的时间差的数字信号。例如，在后级的电路24包括TDC电路的情况下，光学装置10可以用作采用飞行时间(ToF)方法的测距元件。
接下来，将参照图3C和图3D说明SPAD 21的操作。图3C是示意性示出了当一个光子入射到SPAD 21上时的SPAD 21的阴极电位VK的变化的曲线图。图3D是示意性示出了SPAD21的电压-电流特性的曲线图。在图3D中，横轴表示在SPAD 21的阳极和阴极之间施加的电压。该施加电压由VAn-VCa表示，其中SPAD 21的阳极电位为VAn，并且阴极电位为VCa。此外，在图3D中，纵轴表示在正方向(从阳极到阴极的方向)上流过SPAD 21的电流IAn。
如图3D所示，在向SPAD 21施加正向偏置电压的情况下，电流IAn在正方向上流动并且其电流值随着施加电压的增大而增大。另一方面，在向SPAD 21施加反向偏置电压的情况下，当电压较低时，由于SPAD 21的整流作用，电流IAn不流动。然而，当反向偏置电压变为等于或低于击穿电压-Vbd时，发生雪崩倍增，并且大电流IAn在反方向上流动。这里，将在击穿电压(-Vbd)和比击穿电压还低了电压Ve(也称为过电压Ve)的电压(-Vbd-Ve)之间的区域称为盖革(Geiger)区域。在盖革区域中，由于雪崩倍增而产生的增益理论上是无限大的。通过向SPAD 21的两端施加例如数10V的反向偏置电压，SPAD 21可以在盖革区域中操作。
这里，在从预定电源向SPAD 21的阳极和淬灭电阻器22的接地端之间施加对应于盖革区域的预定电压的情况下，当光子(可以是一个光子)入射到SPAD 21上时(图3C的t0处)，由光子产生电子-空穴对，该电子-空穴对被由于反向偏置电压而产生的高电场加速，并且相继产生这种电子-空穴对。即，发生雪崩倍增。因此，在反方向上流动较大电流。
该电流也流过淬灭电阻器22，因此发生淬灭电阻器22的电压降。因此，施加至SPAD21的施加电压降低。这里，当在SPAD 21的阴极和阳极之间施加的电压(的绝对值)变为低于击穿电压(绝对值|Vbd|)时，雪崩倍增停止(时间t1)。雪崩倍增停止的现象称为淬灭。
此后，通过淬灭电阻器22将电流供给至SPAD 21，并且SPAD 21被充电。这种充电称为再充电。再充电以由阴极寄生电容CK(图3A和图3B)决定的时间常数，在特定时间段内(时间t1到时间t2)进行。当再充电完成时(时间t2)，施加至SPAD 21的电压恢复到对应于盖革区域的电压，并且SPAD 21可以再次在该区域中操作。如上所述，在光子入射到SPAD 21上的情况下，如图3C所示，SPAD 21的阴极电位VK以脉冲形状变化。这种变化由读出电路23读出，从而检测到光子。注意，由于SPAD 21在再充电时间段期间无法检测光子，因此将该时间段称为死区时间。
(第一实施方案)
[根据第一实施方案的光学装置的构造]
接下来，将说明根据本发明第一实施方案的光学装置的构造例。图4A是示出了根据第一实施方案的光学装置的示意性构造例的框图。如图所示，光学装置100包括像素阵列单元PAR、列电路310、行扫描电路320和接口电路330。
像素阵列单元PAR包括以矩阵状布置的多个像素(光接收元件)200。对于多个像素200，针对每列连接位线BL0、位线BL1、……和位线BLS(在不需要特别区分的情况下，在下文中称为位线BL)，针对每行连接字线WL0、字线WL1、……和字线WLN(在不需要特别区分的情况下，在下文中称为字线WL)。位线BL的一端连接至列电路310的对应于各列的输出端，并且字线WL的一端连接至行扫描电路320的对应于各行的输入端。注意，为了便于说明，在图中，将垂直方向称为列方向，并且将水平方向称为行方向。
行扫描电路320同时全部或以列为单位等驱动像素阵列单元PAR的像素200。行扫描电路320将选择控制电压施加至与待读出的列相对应的字线WL，从而以列为单位选择将用于检测光子入射的像素200。从行扫描电路320选择性扫描的列的各个像素200输出的信号(称为检测信号)通过各条位线BL输入至列电路310。列电路310通过对检测信号进行数字转换而产生数字信号。产生的数字信号通过接口电路330输出至外部。注意，列电路310和行扫描电路320由来自时序控制电路(未示出)的时序信号控制。
[根据第一实施方案的光学装置的像素的构造]
图4B是示出了根据本实施方案的光学装置100的像素阵列单元PAR的像素200的示意性构造例的框图。如图所示，像素200包括光电二极管210、屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212。在本实施方案中，光电二极管210是SPAD，并且在下文中将被称为SPAD 210。SPAD 210通过雪崩倍增(也称为雪崩放大)使响应于一个光子的入射而通过光电转换产生的电荷倍增，以产生大电流，并且将该电流作为电信号输出。然而，光电二极管210不限于SPAD并且可以是硅光电倍增管。
屏蔽电阻部211的一端连接至SPAD 210的阴极，并且屏蔽电阻部211的另一端连接至淬灭电阻部212的一端。即，在像素200中，形成有其中SPAD 210、屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212串联连接的串联电路。
屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212可以由例如高电阻多晶硅形成。此外，屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212可以形成为金属电阻器。作为用于金属电阻器的材料，例示了诸如TaSiO2和NbSiO2等所谓的金属陶瓷系材料。这里，当屏蔽电阻部211的电阻值由Rsh表示并且SPAD 210的阴极和阳极之间的电阻值为RON时，满足RON＜Rsh的关系。即，屏蔽电阻部211形成为具有比SPAD 210的阴极和阳极之间的电阻值更大的电阻值。稍后将说明由这种关系引起的效果。
此外，当淬灭电阻部212的电阻值由Rq表示时，满足Rsh＜Rq的关系。即，屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212形成为使得淬灭电阻部212的电阻值Rq大于屏蔽电阻部211的电阻值Rsh。稍后将说明由这种关系引起的效果。
此外，如图4B所示，在SPAD 210的阴极侧产生寄生电容C1。寄生电容C1对应于诸如SPAD 210的电容和由将SPAD 210和屏蔽电阻部211连接的配线而产生的电容等的合成电容。此外，在屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间产生寄生电容C2。寄生电容C2对应于在屏蔽电阻部211和周围的绝缘层之间产生的电容、在淬灭电阻部212和周围的绝缘层之间产生的电容、由将屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212连接的配线而产生的电容以及诸如反相器等包括在读出电路230中的元件的电容等的合成电容。注意，由于与寄生电容C1的周围相比，在寄生电容C2周围存在诸如屏蔽电阻部211、淬灭电阻部212和读出电路230(稍后说明)等许多电路元件，因此寄生电容C2的电容(值)趋于大于寄生电容C1的电容(值)。
读出电路230的一端连接至在屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间的连接点。读出电路230可以包括例如反相器电路。如后所述，读出电路230读出在屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间的连接点的电位变化。
此外，在像素200中，数字计数器电路240连接至读出电路230的输出端。数字计数器电路240对由读出电路230读出的在屏蔽电阻部211和淬灭电阻器22之间的连接点的电位的变化次数(即，入射到SPAD 210上的光子数量)进行计数，并且输出与所计数的数量相对应的输出信号。当通过字线WL从行扫描电路320(图4A)向像素200输入选择信号时，通过位线BL从数字计数器电路240向列电路310输出输出信号。通过将输出信号转换为亮度，光学装置100可以用作摄像元件。
注意，TDC电路可以代替数字计数器电路连接至读出电路230的后级。利用这种构造，基于来自读出电路230的输出，并基于发光时序和光接收时序之间的差，可以进行采用直接ToF方法的测距。
此外，光学装置100还可以用作采用间接ToF方法进行测距的测距单元，在间接ToF方法中，光接收单元根据预定光源单元的发光而接收各个相位的光，并且基于由光接收单元通过各个相位的光接收而输出的各个相位的光接收信号来计算距离信息。
如图4B所示，包括SPAD 210、屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212的串联电路连接至预定电源，SPAD 210的阳极保持在电位VDDL，并且淬灭电阻部212的另一端(与连接至屏蔽电阻部211的一端相反的一端)保持在电位VDDH。即，向包括SPAD 210、屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212的串联电路施加对应于电位VDDH-电位VDDL的电压。这里，由于电位VDDH高于电位VDDL，因此SPAD 210被施加反向偏置电压。在像素200的操作期间，该施加电压被设定为对应于上述盖革区域的预定电压。
[根据第一实施方案的光学装置的像素的操作]
接下来，将参照图5A至图5E说明像素200的操作。在图5B至图5E中，与图4B类似地示意性示出了像素200，但是省略了数字计数器电路240(或TDC电路)、字线WL和位线BL等。
首先，通过预定电源向由SPAD 210、屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212构成的串联电路施加预定电压。即，向SPAD 210施加对应于盖革区域的(反向偏置)电压。当光子在这种状态下入射到SPAD 210上时(图5A的时间t0)，发生雪崩倍增，并且从SPAD 210的阴极朝向阳极流过大电流。这里，在图5B中，当由细箭头示意性表示从寄生电容C2流出的电流I2，并且由粗线示意性表示从寄生电容C1流出的电流I1时，主要从寄生电容C1供给从SPAD 210的阴极流向阳极的大电流。这是因为在寄生电容C2和SPAD 210之间设置了具有比SPAD 210的阴极和阳极之间的电阻值RON大的电阻值Rsh的屏蔽电阻部211。换言之，在寄生电容C1中累积的电荷容易地向SPAD 210移动的同时，在寄生电容C2中累积的电荷受到屏蔽电阻部211的阻碍并且几乎不向SPAD 210移动，因此，在雪崩倍增期间，主要从寄生电容C1向SPAD 210供给电流。
在雪崩倍增期间，如图5A的时间段t0～t1所示，由于由雪崩倍增而产生的大电流，SPAD 210的阴极电位VK1降低。当随着阴极电位VK1的降低而施加在SPAD 210之间的电压变为低于击穿电压时，发生淬灭(图4C的时间t1)。此外，此时，累积在寄生电容C1中的电荷已经放电，并且如图5C所示，从寄生电容C1到SPAD 210的电流I1的供给也停止。
注意，如图5A所示，在雪崩倍增时间段(t0～t1)中，屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间的电位VK2不会如电位VK1一样下降那么多。这是因为如上所述，几乎不从寄生电容C2流出电流。
发生淬灭，并且在寄生电容C1和寄生电容C2之间开始电荷再分配(图5A的时间t1)。即，如图5D所示，残留在寄生电容C2中的电荷通过屏蔽电阻部211移动至寄生电容C1。这里，由于淬灭电阻部212的电阻值Rq大于屏蔽电阻部211的电阻值Rsh，因此流过淬灭电阻部212的电流I3仅略微有助于电荷的再分配。因此，电荷再分配主要在寄生电容C2和寄生电容C1之间进行。当寄生电容C1之间的电压与寄生电容C2之间的电压变为相等时(当电位VK1与电位VK2变为相等时)，再分配结束(时间t2)。
当再分配结束时，开始再充电。即，由于来自寄生电容C2的电流I2不流动，因此如图5E所示，通过流过淬灭电阻部212的电流I3进行SPAD 210的再充电。这里，在寄生电容C2和寄生电容C1之间的电荷再分配中没有电荷损失，因此再充电所需的电荷量等于雪崩倍增消耗的C1ΔVK1。即，通过电流I3将等于C1ΔVK1的电荷量供给至SPAD 210。当再充电结束时(时间t3)，SPAD 210变得能够再次检测光子。
[根据第一实施方案的光学装置的像素的操作效果]
接下来，将与传统示例相比来说明由根据第一实施方案的光学装置的像素200的操作所产生的效果。图6A是示出了根据传统示例的像素的构造例的图，并且该构造例与非专利文献1中公开的构造基本相同。如图所示，在传统示例的像素中，雪崩光电二极管PD1、电阻器RL和电阻器RS串联连接。此外，反相器IVT连接至在电阻器RL和电阻器RS之间的连接点。在该构造中，电阻器RS的一端(与在电阻器RS和电阻器RL之间的连接点相反的一端)接地，并且向雪崩光电二极管PD1施加反向偏置电压(例如，数10V)。当光子入射到雪崩光电二极管PD1上并且发生雪崩倍增时，如图6A的曲线CL1所示，在雪崩光电二极管PD1中出现电压降。另一方面，随着该电压降，在电阻器RL和电阻器RS之间的连接点的电压，即，施加至反相器IVT的输入端的电压VIVT也下降(图6A的曲线CL2)。
这里，当由于雪崩倍增而导致的雪崩光电二极管PD1的电压降为Vd，电阻器RL的电阻值为RQ1，并且由RQ2表示电阻器RS的电阻值时，电压VIVT由下式表示。
VIVT＝Vd×{1/(1+RQ1/RQ2)}
即，通过电阻值RQ1和电阻值RQ2的比RQ1/RQ2，施加至反相器IVT的输入端的电压VIVT比雪崩光电二极管PD1的电压降Vd更低。特别地，电压VIVT随着比RQ1/RQ2的增大而降低。例如，通常，施加至雪崩光电二极管PD1的电压达到数10V，因此雪崩放大期间的电压降Vd也可能超过反相器IVT的耐压。然而，通过适当地调整电阻器RL的电阻值RQ1和电阻器RS的电阻值RQ2之间的比，能够使电压VIVT低于反相器IVT的耐压，并且能够保护反相器IVT。
然而，在实际电路中，如图6B所示，在雪崩光电二极管PD1的阴极端产生阴极寄生电容C01，并且在反相器IVT的输入端产生输入寄生电容C02。这里，当为了增大比RQ1/RQ2而增大电阻器RL的电阻值RQ1时，由电阻值RQ1、阴极寄生电容C01和输入寄生电容C02决定的时间常数增大。因此，再充电时间变长，并且死区时间变长。
另一方面，在本发明的第一实施方案中，在图5B至图5D所示的雪崩倍增、淬灭、再分配和再充电的一系列操作期间，SPAD 210的阴极电位VK1降低了ΔVK1，并且屏蔽电阻部211的另一端(与连接至SPAD 210的一端相反的一端)的电位VK2降低了ΔVK2。这里，当寄生电容C1的电容(值)为CC1并且寄生电容C2的电容(值)为CC2时，ΔVK2由下式表示。
ΔVK2＝ΔVK1×{1/(1+CC2/CC1)}
即，通过电容比CC2/CC1，在一系列操作期间在屏蔽电阻部211的另一端产生的电压ΔVK2低于在SPAD 210之间产生的电压ΔVK1。在屏蔽电阻部211的另一端处的电压ΔVK2是读出电路230的输入电压，并且低于在SPAD 210之间产生的电压ΔVK1。这使得可以保护读出电路230。即，可以说，读出电路230由寄生电容C2的电容(值)CC2与寄生电容C1的电容(值)CC1的比CC2/CC1保护。
此外，如参照图5B所述，由于屏蔽电阻部211的电阻值Rsh大于SPAD 210的阴极和阳极之间的电阻值RON，因此在SPAD 210的雪崩倍增期间，从寄生电容C2仅略微流出电流I2，并且主要从寄生电容C1流出电流I1。此外，由于以下关系
寄生电容C1的电容(值)CC1<寄生电容C2的电容(值)CC2，并且
电阻值RON<电阻值Rsh，
因此，由电容(值)CC1和电阻值RON决定的时间常数小于由电容(值)CC2和电阻值Rsh决定的时间常数。由于通过时间常数较小的电路从寄生电容C1向SPAD 210供给电流I1，因此能够缩短发生雪崩倍增的时间段。因此，可以缩短在光子入射到SPAD 210上之后直到可以再次检测光子为止的时间(广义上的死区时间)。
此外，在雪崩放大期间，主要从寄生电容C1流出电流I1，并且从寄生电容C2仅略微流出电流I2，因此能够减小流出的电流。因此，与从寄生电容C2也流出电流I2的情况相比，能够减少功耗。
此外，发生淬灭，并且发生从寄生电容C2到寄生电容C1的电荷再分配，并且仅在再分配结束之后，流过淬灭电阻部212的电流I3才有助于再充电。因此，缩短了通过电流I3进行再充电所需的时间，并且能够缩短死区时间。此外，由于从寄生电容C2向寄生电容C1再分配电荷，因此能够减小再充电所需的电流I3。即，能够减少功耗。
如上所述，在根据本实施方案的光学装置的像素200中，通过寄生电容C2的电容(值)CC2与寄生电容C1的电容(值)CC1的比CC2/CC1，可以将读出电路230的输入电压降低至低于读出电路230的耐压。此外，由于在SPAD 210的阴极和读出电路230的输入端之间设置了具有比SPAD 210的阴极和阳极之间的电阻值RON大的电阻值Rsh的屏蔽电阻部211，因此表现出诸如死区时间缩短和功耗减少等效果。此外，由于淬灭电阻部212的电阻值Rq大于屏蔽电阻部211的电阻值Rsh，因此在从寄生电容C2到寄生电容C1的电荷再分配结束之后，开始通过电流I3进行再充电。即，还能够减少再充电所需的电力，并且能够进一步减少功耗。
[屏蔽电阻部的具体示例]
接下来，将参照图7A和图7B说明屏蔽电阻部211的具体示例。在这些图中，省略了图4B所示的数字计数器电路240(或TDC电路)、字线WL和位线BL等。
图7A是示出了根据第一实施方案的光学装置100的像素200的屏蔽电阻部211的具体示例1的框图。如图所示，屏蔽电阻部211可以由电阻元件211A来实现。电阻元件211A可以由例如高电阻多晶硅或金属电阻器等形成。高电阻多晶硅或金属电阻器在配线形成期间通过已知的半导体制造工艺中的薄膜形成工艺、光刻技术或蚀刻工艺等而形成。
此外，如图7B所示，在具体示例2中，屏蔽电阻部211可以包括例如P沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管211B。在这种情况下，设置有将偏置电压施加至MOS晶体管211B的栅极的偏置电压产生单元250。例如，通过来自行扫描电路320(图4A)的指令信号来调整从偏置电压产生单元250施加至MOS晶体管211B的栅极的电压，因此能够调整MOS晶体管211B的源极和漏极之间的电阻值，即屏蔽电阻部211的电阻值Rsh。通过该调整，可以适当地实现SPAD 210的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间的RON＜Rsh的关系。因此，可以可靠地缩短死区时间并且减少功耗。
注意，尽管在图7B中示出了一个MOS晶体管211B，但是可以通过串联地布置多个MOS晶体管211B并且向它们中的各者施加栅极电压来调整屏蔽电阻部211的整个电阻值Rsh。此外，图7A和图7B示出了第一实施方案中的像素200，但是该具体示例1也可以应用于第三实施方案中的像素200B。
此外，在SPAD 210的雪崩倍增期间，增大MOS晶体管211B的源极和漏极之间的电阻值以抑制来自寄生电容C2的电流I2的流出并且减少功耗，并且另一方面，随着淬灭的发生减小MOS晶体管211B的源极和漏极之间的电阻值，从而促进电荷的再分配并且缩短死区时间。
[淬灭电阻部的具体示例]
接下来，将说明淬灭电阻部212的具体示例。图8A是示出了根据第一实施方案的光学装置的像素200的淬灭电阻部的具体示例1的框图。
如图8A所示，淬灭电阻部212可以具有恒定电流源212A。由于恒定电流源212A具有较大的内部电阻，因此容易满足淬灭电阻部212的电阻值Rq和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间的Rsh＜Rq的关系。因此，在雪崩放大期间或在寄生电容C2和寄生电容C1之间的电荷再分配期间，可以减少来自淬灭电阻部212的电流(对应于图5B等的电流I3)的贡献，并且也可以减少功耗。此外，再充电期间的电流(对应于电流I3)可以通过恒定电流源212A保持在预定值。因此，通过适当地调整再充电电流，可以高效地进行再充电。
接下来，将说明淬灭电阻部212的具体示例2。在具体示例2的像素200C中，如图8B所示，设置有源再充电电路212B来代替第一实施方案的像素200的淬灭电阻部212。然而，有源再充电电路212B也可以应用于像素200A和200B。
有源再充电电路212B包括开关212S和对开关212S进行接通/断开(ON/OFF)控制的控制单元212C。开关212S在控制单元212C的控制下将预定电源(VDDH)与屏蔽电阻部211电连接和切断。控制单元212C的一端连接至读出电路230的输出端。因此，控制单元212C检测读出电路230的输出电压。具体地，当检测到来自输出电路230的脉冲状输出电压的下降时，在预定延迟时间之后控制单元212C向开关212S输出用于接通开关212S的接通信号。此外，在输出接通信号之后经过预定时间段时，控制单元212C向开关212S输出用于断开开关212S的断开信号。
如上所述构造的有源再充电电路212B如下操作。如图8C所示，当在时间t0由于光子的入射而发生雪崩放大时，阴极电位VK1降低。当发生淬灭并且开始从寄生电容C2到寄生电容C1的电荷再分配时，阴极电位VK1再次上升。即，阴极电位VK1以负脉冲形状变化。另一方面，在雪崩放大(时间段t0～t1)和再分配(时间段t1～t2)期间，在屏蔽电阻部211和有源再充电电路212B之间的连接点的电位VK2降低。由读出电路230检测这种电位变化。这里，当电位VK2降到预定的第一阈值电位以下时，读出电路230输出输出电压，并且当电位VK2降到预定的第二阈值电位Vth以下时，读出电路230停止输出输出电压。即，读出电路230在电位VK2从第一阈值电位变为第二阈值电位Vth的时间段期间输出脉冲状输出电压。当检测到读出电路230的输出电压下降时(时间tD)，控制单元212C在经过预定延迟时间(时间段tD～t3)之后向开关212S输出接通信号。因此，开关212S被接通(时间t3)，并且通过屏蔽电阻部211从预定电源向SPAD 210供给电流。
在有源再充电电路212B中，如上所述，开关212S被断开直到电位VK2变为低于第二阈值电位Vth(直到来自读出电路230的脉冲状输出信号下降)。因此，在从光子入射之后直到来自读出电路230的脉冲状输出信号下降为止的时间段中，停止从电源向屏蔽电阻部211供给电流(对应于图5B等的电流I3)。因此，在雪崩放大期间，从寄生电容C1流出电流，并且在电荷再分配期间，电流从寄生电容C2流向寄生电容C1。由于开关212S是断开的，因此没有电流流过屏蔽电阻部211，因此能够可靠地减少功耗。
此外，当检测到来自读出电路230的脉冲状输出信号的下降并且经过预定延迟时间时，接通开关212S(时间t3)。因此，电流从电源供给至屏蔽电阻部211，并且促进了再充电。因此，能够缩短死区时间。这里，如果接通开关212S的时序与从寄生电容C2到寄生电容C1的电荷再分配结束的时间点一致，则能够更适当地缩短死区时间。注意，可以设置恒定电流源来代替电源。因此，在开关212S接通之后，可以适当地调整流动的电流的电流值，因此也可以在短时间内结束再充电。
注意，在时间t3，当接通开关212S并且从电源向屏蔽电阻部211供给电流时，电位VK2迅速地恢复到光子入射之前的电位，同时如图8C所示，SPAD 210的阴极电位VK1比电位VK2延迟地恢复到光子入射之前的电位。这是因为屏蔽电阻部211的电阻值使电位VK1的时间常数增大。
[读出电路的具体示例]
接下来，将说明读出电路230的具体示例。图9A是示出了根据第一实施方案的光学装置的像素200的读出电路的具体示例1的框图。
如图9A所示，读出电路230可以具有反相器230A。反相器230A的输入端连接至在屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间的连接点。此外，通过预定配线向反相器230A供电。
如图9B所示，反相器230A如下操作：当在屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间的连接点的电位VK2变为低于预定阈值Vth时，输出电压Vout变为高(HIGH)，并且当电位VK2超过预定阈值Vth时，输出电压Vout变为低(LOW)。因此，即使在电位VK2以V字状变化的情况下，该变化也可以作为矩形波状脉冲波输出。通过采用反相器230A作为读出电路230，可以读出在屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间的连接点的电位VK2的变化。
此外，在读出电路的具体示例2中，如图9C所示，读出电路230包括P沟道MOS晶体管230B和电流源230C。因此，在电位VK2的大小等于或小于预定电压的时间段期间，MOS晶体管230B被导通，并且输出对应于该时间段的预定的脉冲状输出电压Vout。因此，与图9A的反相器230A一样，能够读出电位VK2的变化。
(第二实施方案)
接下来，将参照图10A和图7B说明根据本发明第二实施方案的光学装置。图10A是示出了根据第二实施方案的光学装置的像素200A的示意性构造例的框图。尽管在图10A中省略了数字计数器电路240(或TDC电路)、字线WL和位线BL等，但是除了示出的构造之外，像素200A与根据第一实施方案的光学装置10的像素200类似。此外，根据本实施方案的光学装置可以具有与根据第一实施方案的光学装置100相同的构造，并且与光学装置100类似，可以在电子设备1(图1)中与光学装置10置换。
参照图10A，屏蔽电阻部211的一端连接至SPAD 210A的阳极，并且淬灭电阻部212的一端连接至屏蔽电阻部211的另一端。即，在本实施方案的像素200A中，与其中在SPAD210的阴极侧将屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212串联连接的第一实施方案的像素200不同，在SPAD 210A的阳极侧将屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212串联连接。另一方面，像素200A与像素200的类似之处在于：SPAD 210A的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh满足RON＜Rsh的关系，并且屏蔽电阻部211的电阻值Rsh和淬灭电阻部212的电阻值Rq满足Rsh＜Rq的关系。
如图所示，在SPAD 210A的阳极和屏蔽电阻部211之间产生寄生电容C1。寄生电容C1对应于诸如SPAD 210A的电容和由将SPAD 210A和屏蔽电阻部211连接的配线而产生的电容等的合成电容。此外，在屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间产生寄生电容C2。寄生电容C2对应于由屏蔽电阻部211产生的电容、由淬灭电阻部212产生的电容、由将屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212连接的配线而产生的电容以及诸如反相器等包括在读出电路230中的元件的电容等的合成电容。此外，读出电路230的输入端连接至在屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间的连接点。
SPAD 210A的阴极连接至预定电源的高电位端子，并且淬灭电阻部212的另一端(与在淬灭电阻部212和屏蔽电阻部211之间的连接点相反的一端)连接至预定电源的低电位端子。在操作期间，通过预定电源在SPAD 210A之间施加对应于盖革区域的预定反向偏置电压(电位VDDH-电位VDDL)。
接下来，将说明本实施方案的SPAD 210A的操作。图10B是示意性示出了当一个光子入射到像素200A的SPAD 210A上时，SPAD 210A的阳极电位VA1和在屏蔽电阻部211与淬灭电阻部212之间的连接点(读出电路230的输入端)的电位VA2之间的变化的曲线图。
在从预定电源向SPAD 210A施加对应于盖革区域的预定电压的情况下，当一个光子入射到SPAD 210A上时(时间t0)，在SPAD 210A中发生雪崩倍增，并且从阴极朝向阳极流过大电流。因此，如图10B所示，在时间段t0～t1中，SPAD 210A的阳极电位VA1(相对于电位VDDL)上升。
此时，由于屏蔽电阻部211的电阻值Rsh大于SPAD 210A的电阻值RON，因此主要从寄生电容C1向SPAD 210A流动电流I1。由于从寄生电容C2仅略微流出电流I2，因此在雪崩放大期间，能够减小流向SPAD 210A的电流。因此，能够减少功耗。
此外，由于寄生电容C1的电容(值)CC1小于寄生电容C2的电容(值)CC2，并且SPAD210的阴极和阳极之间的电阻值RON小于屏蔽电阻部211的电阻值Rsh，因此由电容(值)CC1和电阻值RON决定的时间常数小于由电容(值)CC2和电阻值Rsh决定的时间常数。由于来自寄生电容C1的电流I1通过时间常数较小的电路供给至SPAD 210，因此能够缩短发生雪崩倍增的时间段。因此，可以缩短在光子入射到SPAD 210上之后直到可以再次检测光子为止的时间(广义上的死区时间)。
此外，随着在雪崩放大期间SPAD 210A的阳极电位VA1增大，在屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212之间的连接点的电位VA2也增大。这里，当由ΔVA1表示电位VA1的增大，由ΔVA2表示电位VA2的增大，由CC1表示寄生电容C1的电容(值)，并且由CC2表示寄生电容C2的电容(值)时，如下表示：
ΔVA2＝ΔVA1×{1/(1+CC2/CC1)}
即，施加至读出电路230的输入端的电压(ΔVA2)低于ΔVA1。因此，能够将输入电压(ΔVA2)保持为低于读出电路230的耐压，并且能够保护读出电路230。
当施加至SPAD 210A的电压(的绝对值)随着阳极电位VA1的增大而变为小于击穿电压(的绝对值)时，发生淬灭(时间t1)。发生淬灭，并且在寄生电容C2和寄生电容C1之间开始电荷再分配(时间t1)。即，残留在寄生电容C2中的电荷通过屏蔽电阻部211移动至寄生电容C1。这里，由于淬灭电阻部212的电阻值Rq大于屏蔽电阻部211的电阻值Rsh，因此流过淬灭电阻部212的电流I3仅略微有助于电荷的再分配。因此，电荷的再分配主要发生在寄生电容C1和寄生电容C2之间。当寄生电容C1之间的电压与寄生电容C2之间的电压变为相等时，再分配结束(时间t2)。
当再分配结束时，开始再充电。即，当电荷的再分配结束时，从寄生电容C2不会流出电流，因此由流过淬灭电阻部212的电流I3对SPAD 210进行再充电。当再充电结束时(时间t3)，SPAD 210变得能够再次检测光子。
如上所述，利用根据第二实施方案的光学装置的像素200A，即使在将屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212布置在SPAD 210A的阳极侧的情况下，SPAD 210的阴极和阳极之间的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh也满足RON＜Rsh的关系，屏蔽电阻部211的电阻值Rsh和淬灭电阻部212的电阻值Rq也满足Rsh<Rq的关系，此外，寄生电容C1的电容(值)CC1和寄生电容C2的电容(值)CC2满足CC1<CC2的关系，因此表现出与根据第一实施方案的光学装置的像素200类似的效果。
此外，如图10C所示，在根据第二实施方案的光学装置的像素200A中，屏蔽电阻部211可以包括例如N沟道MOS晶体管211C。在这种情况下，设置有将偏置电压施加至MOS晶体管211C的栅极的偏置电压产生单元250。即使在像素200A中使用MOS晶体管211C作为屏蔽电阻部211的情况下，也表现出与在根据第一实施方案的光学装置的像素200中使用P沟道MOS晶体管211B(图7B)的情况类似的效果。此外，同样在这种情况下，可以使用多个MOS晶体管211C。
注意，参照图8A至图8C说明的淬灭电阻部的具体示例和参照图9A至图9C说明的读出电路的具体示例也可以适当地应用于第二实施方案。
(第三实施方案)
接下来，将参照图11说明根据本发明第三实施方案的光学装置。如图所示，与根据第一实施方案的光学装置的像素200(图4B)一样，在根据本实施方案的光学装置的像素200B中布置有SPAD 210、屏蔽电阻部211、淬灭电阻部212和读出电路230。像素200B与像素200的类似之处在于：SPAD 210的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系，并且屏蔽电阻部211的电阻值Rsh和淬灭电阻部212的电阻值Rq之间存在Rsh＜Rq的关系。注意，尽管在图11中省略了图4B所示的数字计数器电路240(或TDC电路)、字线WL和位线BL等，但是可以与上述像素200和像素200A类似地构造像素200B。此外，根据本实施方案的光学装置可以具有与根据第一实施方案的光学装置100相同的构造，并且与光学装置100类似，能够在电子设备1(图1)中与光学装置10置换。
另一方面，本实施方案的像素200B设置有可变电容元件VC1和VC2。具体地，设置可变电容元件VC1使得其一端接地并且其另一端连接至SPAD 210的阴极。此外，设置可变电容元件VC2使得其一端接地并且其另一端连接至将屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212连接的配线。即，设置可变电容元件VC1来代替根据第一实施方案的光学装置的像素200的寄生电容C1，并且设置可变电容元件VC2来代替寄生电容C2。
可变电容元件VC1和VC2中的各者可以由例如一个MOS晶体管形成。在这种情况下，设置有将栅极电压施加至MOS晶体管的栅极的偏置电压产生单元。例如，通过在行扫描电路320的控制下调整从偏置电压产生单元施加至MOS晶体管的栅极电极的栅极电压，可以调整可变电容元件VC1和VC2的电容。
此外，可变电容元件VC1和VC2中的各者可以由多个MOS晶体管形成。在这种情况下，设置有将栅极电压施加至各个MOS晶体管的栅极的偏置电压产生单元。利用这种构造，例如，通过在行扫描电路320的控制下调整被施加栅极电压的MOS晶体管的数量，可以调整可变电容元件VC1和VC2的电容。注意，可变电容元件VC1和VC2可以由互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管形成。
同样在根据本实施方案的光学装置的像素200B中，与根据第一实施方案的光学装置的像素200一样，SPAD 210的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系，并且屏蔽电阻部211的电阻值Rsh和淬灭电阻部212的电阻值Rq之间存在Rsh＜Rq的关系。因此，如果调整可变电容元件VC1和可变电容元件VC2的电容使得后者的电容变大，则像素200B也表现出与像素200所表现出的效果相同的效果。
另外，在根据本实施方案的光学装置的像素200B中，设置有可变电容元件VC1和VC2，并且能够调整各自的电容。因此，也可以调整累积在可变电容元件VC1和VC2中的电荷的电荷量。因此，可以调整在雪崩倍增期间从可变电容元件VC1流向SPAD 210的电流的电流量以及在淬灭之后的电荷再分配期间从可变电容元件VC2移动至可变电容元件VC1的电荷的电荷量。因此，可以可靠地缩短死区时间并且减少功耗。
注意，参照图7A和图7B说明的屏蔽电阻部的具体示例、参照图8A至图8C说明的淬灭电阻部的具体示例以及参照图9A至图9C说明的读出电路的具体示例也可以适当地应用于第三实施方案。
(第四实施方案)
接下来，将参照图12至图16说明根据本发明第四实施方案的光学装置。图12是示意性示出了根据第四实施方案的光学装置的层叠结构示例的图。如图12所示，光学装置100包括第一基板71和接合在第一基板71上的第二基板72。
第一基板71包括例如其中以矩阵状布置有像素200的像素阵列单元PAR(参照图4A)。如图13所示，针对第一基板71上的每个像素形成SPAD 210、配线层120和连接焊盘125。如后所述，配线层120包括屏蔽电阻部211。屏蔽电阻部211的一端连接至SPAD 210的阴极。屏蔽电阻部211的另一端通过预定配线连接至连接焊盘125。在第一基板71和第二基板72接合之前，连接焊盘125在第一基板71的一个表面(图12的垂直方向上的上表面)上露出。例如，连接焊盘125由铜(Cu)形成。
注意，SPAD 210设置在第一基板71的下表面侧。即，图12中的第一基板71的下表面是光入射面，并且光子从图中的下侧入射到SPAD 210上。
如图13所示，第二基板72针对每个像素包括读出电路230、淬灭电阻部212和配线层130。读出电路230和淬灭电阻部212通过配线层130连接至连接焊盘135。在第一基板71和第二基板72接合之前，连接焊盘135在第二基板72的一个表面(图12中的下表面)上露出。例如，连接焊盘135由Cu形成。注意，在第二基板72上可以设置图4B所示的数字计数器电路240(或TDC电路)、列电路310、行扫描电路320和接口电路330(图4A)。
这里，如图13的右侧所示，形成在第二基板72中的配线层130的层数趋于大于形成在第一基板71中的配线层120的层数。这是因为，由于读出电路230、数字计数器电路240(或TDC电路)、字线WL和位线BL等形成在第二基板72中，因此第二基板72中所形成的电路元件和配线的数量比第一基板71中所形成的电路元件和配线的数量多。因此，在第二基板72的连接焊盘135和淬灭电阻部212之间产生的寄生电容C2大于在第一基板71的SPAD 210的阴极侧的寄生电容C1。此外，接合部260(即，在连接焊盘125和连接焊盘135之间的接合)也产生寄生电容，但是由于与寄生电容C1的结合被屏蔽电阻部211阻止，因此该寄生电容被包括在寄生电容C2中。因此，寄生电容C1的电容(值)CC1与寄生电容C2的电容(值)CC2的比CC2/CC1增大，并且能够进一步降低读出电路230的输入电压。
参照图12至图14，形成将第一基板71的连接焊盘125和第二基板72的连接焊盘135接合(所谓的Cu-Cu接合)的接合部260。因此，形成在第一基板71中的SPAD 210和形成在第二基板72中的读出电路230电连接。此外，第一基板71和第二基板72通过接合部260机械地接合。
然而，通过使用金属凸块将连接焊盘125和135接合(所谓的凸块接合)，第一基板71和第二基板72也可以电连接和机械地接合。此外，为了将第一基板71和第二基板72接合，例如，可以使用其中基板的接合面被平坦化并且基板通过电子间力彼此接合的所谓的直接接合。
此外，例如，第一基板71和第二基板72可以通过诸如贯穿半导体基板的硅通孔(TSV)等接合部电连接。对于使用TSV的连接，例如，可以采用其中设置在第一基板71上的TSV和从第一基板71设置到第二基板72的TSV这两个TSV在芯片的外表面上连接的所谓的双TSV系统；以及其中两个TSV通过从第一基板71贯穿至第二基板72的TSV而连接的所谓的共用TSV系统等。
接下来，将说明根据第四实施方案的光学装置的具体结构。图14是示出了根据第四实施方案的光学装置的与光入射面垂直的面的断面结构示例的垂直断面图。图15是示出了图14的A-A面的断面结构示例的水平断面图。注意，图14侧重于SPAD 210的断面结构。
如图14所示，像素200的SPAD 210例如设置在构成第一基板71的半导体基板101上。在半导体基板101中，例如，当从光入射面(图12中的下表面)观察时，通过元件隔离部110将其划分为多个元件区域(例如，参照图15)。SPAD 210设置在由元件隔离部110限定的各个元件区域中。注意，元件隔离部110可以包括稍后说明的第一沟槽中的阳极电极122和绝缘膜109。
各个SPAD 210包括光电转换区域102、P型半导体区域104、N-型半导体区域103、P+型半导体区域105、N+型半导体区域106、阴极接点107和阳极接点108。
光电转换区域102例如是N型阱区域或包含较低浓度施主的区域，并且对入射光进行光电转换以产生电子-空穴对(在下文中，称为电荷)。
P型半导体区域104例如是包含P型受主的区域，并且如图14和图15所示，设置在包围光电转换区域102的区域中。P型半导体区域104通过将反向偏置电压施加至稍后说明的阳极接点108而形成用于将在光电转换区域102中产生的电荷引导至N-型半导体区域103的电场。
N-型半导体区域103例如是包含浓度比光电转换区域102高的施主的区域。如图14和图15所示，N-型半导体区域103布置在光电转换区域102的中央部分，接收在光电转换区域102中产生的电荷，并且将电荷引导至P+型半导体区域105。注意，N-型半导体区域103不是必需的部件，并且可以省略。
P+型半导体区域105例如是包含浓度比P型半导体区域104高的受主的区域，并且其一部分与P型半导体区域104接触。此外，N+型半导体区域106例如是包含浓度比N-型半导体区域103高的施主的区域，并且与P+型半导体区域105接触。
P+型半导体区域105和N+型半导体区域106形成PN结，并且用作使流入的电荷加速以产生雪崩电流的放大区域。
阴极接点107例如是包含浓度比N+型半导体区域106高的施主的区域，并且设置在与N+型半导体区域106接触的区域中。
阳极接点108例如是包含浓度比P+型半导体区域105高的受主的区域。阳极接点108设置在与P型半导体区域104的外周接触的区域中。阳极接点108的宽度例如可以约为40nm(纳米)。因此，通过使阳极接点108与P型半导体区域104的整个外周接触，可以在光电转换区域102中形成均匀的电场。
此外，如图14和图15所示，阳极接点108在半导体基板101的前表面(图中的下表面)侧设置在沿着元件隔离部110以矩阵状设置的沟槽(在下文中，称为第一沟槽)的底面上。利用这种结构，如后所述，阳极接点108的形成位置相对于阴极接点107和N+型半导体区域106的形成位置在高度方向上偏移。
绝缘膜109覆盖半导体基板101的前表面(图中的下表面)侧。第一沟槽中的绝缘膜109的膜厚(基板宽度方向上的厚度)取决于施加在阳极和阴极之间的反向偏置电压的电压值，但是可以例如约为150nm。
绝缘膜109设置有用于在半导体基板101的表面上露出阴极接点107和阳极接点108的开口，并且在各个开口中设置有与阴极接点107接触的阴极电极121和与阳极接点108接触的阳极电极122。
限定各个SPAD 210的元件隔离部110设置在从前表面至后表面贯穿半导体基板101的沟槽(在下文中，称为第二沟槽)中。第二沟槽在半导体基板101的前表面侧连接至第一沟槽。第二沟槽的内径比第一沟槽的内径窄，并且在通过第二沟槽形成的台阶部分中形成阳极接点108。
各个元件隔离部110包括覆盖第二沟槽的内表面的绝缘膜112和填充第二沟槽的内部的遮光膜111。绝缘膜112的膜厚(基板宽度方向上的厚度)取决于施加在阳极和阴极之间的反向偏置电压的电压值，但是可以例如约为10nm至20nm。此外，遮光膜111的膜厚(基板宽度方向上的厚度)取决于遮光膜111所使用的材料等，但是可以例如约为150nm。
这里，通过对遮光膜111和阳极电极122使用具有遮光性的导电材料，可以在同一工序中形成遮光膜111和阳极电极122。此外，通过对阴极电极121使用与遮光膜111和阳极电极122相同的导电材料，可以在同一工序中形成遮光膜111、阳极电极122和阴极电极121。
作为具有这种遮光性的导电材料，例如，可以使用钨(W)等。然而，该材料不限于钨(W)，并且可以进行各种变更，只要它是诸如铝(Al)、铝合金或铜(Cu)等具有反射或吸收可见光或各个元件所需的光的特性的导电材料。
然而，第二沟槽中的遮光膜111不限于导电材料，并且例如，可以使用具有比半导体基板101高的折射率的高折射率材料或具有比半导体基板101低的折射率的低折射率材料等。
此外，由于阴极电极121所使用的材料不需要具有遮光性，因此可以使用诸如铜(Cu)等导电材料来代替具有遮光性的导电材料。
注意，在本实施方案中，例示了其中第二沟槽从前表面侧贯穿半导体基板101的所谓的前部全沟槽隔离(FFTI)型元件隔离部110，但是不限于此，并且还可以采用其中第二沟槽从后表面和/或前表面侧贯穿半导体基板101的全沟槽隔离(FTI)型元件隔离部，或者其中第二沟槽从半导体基板101的前表面或后表面至中间而形成的深沟槽隔离(DTI)型或反向深沟槽隔离(RDTI)型元件隔离部。
在第二沟槽是从后表面侧贯穿半导体基板101的FTI型的情况下，遮光膜111的材料可以从半导体基板101的后表面侧嵌入到第二沟槽中。
阴极电极121的上部和阳极电极122的上部在绝缘膜109的表面(图中的下表面)上突出。例如，配线层120设置在绝缘膜109的表面(图中的下表面)上。
配线层120包括层间绝缘膜123和设置在层间绝缘膜123中的配线124。配线124例如与在绝缘膜109的表面(图中的下表面)上突出的阴极电极121接触。此外，配线124经由预定的通孔等与连接焊盘125接触。这里，配线124可以包括屏蔽电阻部211(图13)。具体地，配线124的一部分或全部可以由高电阻多晶硅或金属电阻器等形成。在这种情况下，配线124形成为使得作为屏蔽电阻部211的电阻值Rsh大于SPAD 210的电阻值RON。
注意，尽管在图14中省略，但是在配线层120中也设置有与阳极电极122接触的配线。该配线连接至预定配线层(未示出)，并且该配线层连接至设置在光学装置100(图4A)的周边边缘部中的连接焊盘(未示出)。通过将该连接焊盘和预定电源的低电位端子连接，可以在光学装置100的操作期间将阳极电极122保持在负电位。
第二基板72的配线层130接合至配线层120的下表面。如上所述，该接合通过例如连接焊盘125和连接焊盘135之间的Cu-Cu接合来实现。配线层130包括层间绝缘膜131和设置在层间绝缘膜131中的配线132。配线132电连接至形成在半导体基板141上的电路元件142。电路元件142包括读出电路230。因此，半导体基板101的阴极电极121经由配线124、连接焊盘125、连接焊盘135和配线132连接至图3所示的读出电路230。
此外，配线133也连接至连接焊盘135。配线133可以包括淬灭电阻部212(图13)。具体地，配线133的一部分或全部由高电阻多晶硅或金属电阻器等形成，从而形成淬灭电阻部212。在这种情况下，配线133形成为使得作为淬灭电阻部212的电阻值Rq大于屏蔽电阻部211的电阻值Rsh。此外，配线133连接至预定配线层(未示出)，并且该配线层连接至设置在光学装置100的周边边缘部中的连接焊盘(未示出)。该连接焊盘连接至上述电源的高电位端子。因此，在光学装置100的操作期间，对应于盖革区域的(反向偏置)电压可以施加至淬灭电阻部212、屏蔽电阻部211和SPAD 210。
此外，在半导体基板101的后表面(图中的上表面)上设置有钉扎层113和平坦化膜114。此外，在平坦化膜114上设置有针对各个像素200的彩色滤光片115和片上透镜116。注意，尽管在本实施方案中设置彩色滤光片115和片上透镜116，但是根据光学装置100的使用用途和目的，不设置彩色滤光片和/或片上透镜的构造也是可以的。
钉扎层113例如是包括含有预定浓度的受主的氧化铪(HfO2)膜或氧化铝(Al2O3)膜的固定电荷膜。平坦化膜114例如是由诸如氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)等绝缘材料形成的绝缘膜，并且是用于使其上形成有上层的彩色滤光片115和片上透镜116的表面平坦化的膜。
在如上所述的结构中，当在阴极接点107和阳极接点108之间施加对应于盖革区域的(反向偏置)电压时，由P型半导体区域104和N+型半导体区域106之间的电位差形成用于将在光电转换区域102中产生的电荷引导至N-型半导体区域103的电场。此外，在P+型半导体区域105和N+型半导体区域106之间的PN结区域中，形成通过使进入的电荷加速而产生雪崩电流的强电场。因此，允许SPAD 210作为雪崩光电二极管进行操作。
接下来，将与比较例相比来说明根据本实施方案的光学装置的效果。图16是示出了包括在根据比较例的光学装置中的像素的构造的示意图。参照图16，在根据比较例的光学装置的像素20A中，SPAD 21通过接合部260连接至彼此串联连接的电阻器RL和电阻器RS。与本发明第四实施方案的接合部260类似，接合部260由连接焊盘125和连接焊盘135形成。此外，读出电路230连接至在电阻器RL和电阻器RS之间的连接点。这里，SPAD 21和连接焊盘135形成在第一基板710中，连接焊盘125、电阻器RL和电阻器RS形成在第二基板720中。
在接合部260中，例如，通过Cu-Cu接合将两个连接焊盘135和125接合，并且通过这种接合产生寄生电容C1b。因此，当向SPAD 21施加对应于盖革区域的反向偏置电压时，如果光子入射到SPAD 21上并且发生雪崩放大，则从寄生电容C1a和寄生电容C1b两者向SPAD 21流动电流。
另一方面，在根据第四实施方案的光学装置的像素200中，如图13所示，在SPAD210和连接焊盘135之间设置有屏蔽电阻部211。由于屏蔽电阻部211具有比SPAD 210的电阻值RON大的电阻值Rsh，因此来自由接合部260产生的寄生电容(在图13中，包括在寄生电容C2中)的电流受到阻碍，并且主要从寄生电容C1向SPAD 210流动电流。与在上述比较例中从寄生电容C1a和寄生电容C1b两者向SPAD 21流动电流的情况相比，在从寄生电容C1向SPAD210流动电流的情况下，电流量可以较少，因此能够减少功耗。此外，由于由SPAD 210的电阻值RON和寄生电容C1决定的时间常数小于由屏蔽电阻部211的电阻值Rsh和寄生电容C2决定的时间常数，因此在来自寄生电容C2的电流没有贡献的情况下，能够缩短发生雪崩放大的时间段。
此外，在根据第四实施方案的光学装置中，SPAD 210和读出电路230垂直地布置。因此，与SPAD 210和读出电路230并置的情况相比，能够减小从光入射方向观察到的像素面积。因此，能够增加像素的密度。
[第四实施方案的变形例]
在下文中，将参照图17A至图17E说明第四实施方案的变形例。这些变形例与第四实施方案的共同之处在于：第一基板71和第二基板72通过接合部260接合，并且与第四实施方案的不同之处在于：多个SPAD 210电连接至一个读出电路230。
[变形例1]
图17A是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例1的框图。参照图17A，第一基板71设置有多个连接焊盘125。多个连接焊盘125的上表面与第一基板71的上表面齐平。此外，在第一基板71内部，SPAD 210和屏蔽电阻部211串联连接至多个连接焊盘125中的各者。这里，与到目前为止说明的实施方案一样，SPAD 210的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh具有RON<Rsh的关系。
另一方面，第二基板72设置有多个连接焊盘135。多个连接焊盘135的下表面与第二基板72的下表面齐平。此外，多个连接焊盘135彼此并联连接，并且并联连接的多个连接焊盘135连接至淬灭电阻部212和读出电路230。这里，淬灭电阻部212的电阻值Rq和第一基板71的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh具有Rsh＜Rq的关系。
此外，第二基板72的多个连接焊盘135与第一基板71的对应的连接焊盘125进行Cu-Cu接合。因此，SPAD 210和读出电路230电连接，并且第一基板71和第二基板72机械地连接。
利用这种构造，经由针对各个SPAD 210设置的屏蔽电阻部211和接合部260，由一个读出电路230检测各个SPAD 210的阴极电位的变化。换言之，多个SPAD 210共用一个读出电路230。此外，由于在一个像素中形成一个读出电路230，因此在本变形例中，可以说在一个像素中设置多个SPAD 210。通过为每个像素设置多个SPAD 210，能够可靠地进行每个像素的光子检测。
此外，与上述实施方案(包括具体示例和变形例)一样，SPAD 210的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系，并且淬灭电阻部212的电阻值Rq和第一基板71的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在Rsh＜Rq的关系。因此，本变形例也表现出诸如死区时间缩短和功耗减少等效果。
[变形例2]
图17B是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例2的框图。参照图17B，多个SPAD 210在第一基板71上并联连接，并且并联连接的多个SPAD 210连接至一个屏蔽电阻部211。即，多个SPAD 210并联地与屏蔽电阻部211连接。此外，屏蔽电阻部211连接至连接焊盘125。连接焊盘125的上表面与第一基板71的上表面齐平。这里，各个SPAD 210的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh具有RON＜Rsh的关系。
另一方面，在第二基板72中设置有连接焊盘135。连接焊盘135的下表面与第二基板72的下表面齐平。此外，淬灭电阻部212和读出电路230连接至连接焊盘135。淬灭电阻部212的电阻值Rq和第一基板71的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh具有Rsh＜Rq的关系。
此外，连接焊盘135与第一基板71的连接焊盘125进行Cu-Cu接合。因此，SPAD 210和读出电路230电连接，并且第一基板71和第二基板72机械地连接。
利用这种构造，经由一组屏蔽电阻部211和接合部260，由一个读出电路230检测各个SPAD 210的阴极电位的变化。变形例2与上述变形例1的相同之处在于：多个SPAD 210共用一个读出电路230。此外，由于在一个像素中形成一个读出电路230，因此在本变形例中，可以说在一个像素中可以设置多个SPAD 210。通过为每个像素设置多个SPAD 210，能够可靠地进行每个像素的光子检测。
此外，与上述实施方案(包括具体示例和变形例)一样，各个SPAD210的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系，并且淬灭电阻部212的电阻值Rq和第一基板71的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在Rsh＜Rq的关系。因此，本变形例也表现出诸如死区时间缩短和功耗减少等效果。
[变形例3]
图17C是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例3的框图。参照图17C，在第一基板71中，多对彼此串联连接的SPAD 210和屏蔽电阻部211并联地与连接焊盘125连接。连接焊盘125形成为使得其上表面与第一基板71的上表面齐平。这里，SPAD 210的电阻值RON和与该SPAD 210串联连接的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh具有RON＜Rsh的关系。
一个连接焊盘135形成在第二基板72中，使得其下表面与第二基板72的下表面齐平。此外，淬灭电阻部212和读出电路230连接至连接焊盘135。淬灭电阻部212的电阻值Rq和第一基板71的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh具有Rsh＜Rq的关系。
连接焊盘135与第一基板71的连接焊盘125进行Cu-Cu接合。因此，SPAD 210和读出电路230电连接，并且第一基板71和第二基板72机械地连接。
在变形例3中，经由一组屏蔽电阻部211和接合部260，由一个读出电路230检测各个SPAD 210的阴极电位的变化。变形例3与上述变形例1的相同之处在于：多个SPAD 210共用一个读出电路230。此外，由于在一个像素中形成一个读出电路230，因此在本变形例中，可以说在一个像素中可以设置多个SPAD 210。通过为每个像素设置多个SPAD 210，能够可靠地进行每个像素的光子检测。
此外，与上述实施方案(包括具体示例和变形例)一样，各个SPAD 210的电阻值RON和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系，并且淬灭电阻部212的电阻值Rq和第一基板71的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在Rsh＜Rq的关系。因此，本变形例也表现出诸如死区时间缩短和功耗减少等效果。
[变形例4]
图17D是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例4的框图。参照图17D，与图17B所示的变形例2一样，多个SPAD 210在第一基板71上并联连接，并且并联连接的多个SPAD 210连接至一个屏蔽电阻部211。然而，在变形例4中，在将以这种方式连接的多个SPAD 210和屏蔽电阻部211假定为一组的情况下，设置多组的多个SPAD 210和屏蔽电阻部211。各个组的屏蔽电阻部211在与SPAD 210的连接部相反的一端处连接至连接焊盘125。连接焊盘125形成为使得其上表面与第一基板71的上表面齐平。同样在变形例4中，SPAD210的电阻值RON和与该SPAD 210串联连接的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh具有RON＜Rsh的关系。
一个连接焊盘135形成在第二基板72中，使得其下表面与第二基板72的下表面齐平。此外，淬灭电阻部212和读出电路230连接至连接焊盘135。淬灭电阻部212的电阻值Rq和第一基板71的各个屏蔽电阻部211的电阻值Rsh具有Rsh＜Rq的关系。
连接焊盘135与第一基板71的连接焊盘125进行Cu-Cu接合。因此，SPAD 210和读出电路230电连接，并且第一基板71和第二基板72机械地连接。
同样在变形例4中，由一个读出电路230检测各个SPAD 210的阴极电位的变化。变形例4与上述变形例1的相同之处在于：多个SPAD 210共用一个读出电路230。此外，由于在一个像素中形成一个读出电路230，因此，同样在本变形例中，在一个像素中设置多个SPAD210。通过为每个像素设置多个SPAD 210，能够可靠地进行每个像素的光子检测。
此外，与上述实施方案(包括具体示例和变形例)一样，SPAD 210的电阻值RON和与该SPAD 210连接的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系，并且淬灭电阻部212的电阻值Rq和第一基板71的各个屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在Rsh＜Rq的关系。因此，本变形例也表现出诸如死区时间缩短和功耗减少等效果。
[变形例5]
图17E是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例5的框图。参照图17E，与图17D所示的变形例4一样，在第一基板71中，多个SPAD 210并联连接，并且并联连接的多个SPAD 210连接至一个屏蔽电阻部211。此外，在将以这种方式连接的多个SPAD 210和屏蔽电阻部211假定为一组的情况下，其与变形例4的类似之处在于：设置有多组。然而，在变形例5中，设置有多个连接焊盘125，并且各个组的屏蔽电阻部211连接至对应的连接焊盘125。连接焊盘125形成为使得其上表面与第一基板71的上表面齐平。此外，同样在变形例5中，SPAD 210的电阻值RON和与该SPAD 210连接的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系。
连接焊盘135与第一基板71的连接焊盘125进行Cu-Cu接合。因此，SPAD 210和读出电路230电连接，并且第一基板71和第二基板72机械地连接。
同样在变形例5中，由一个读出电路230检测各个SPAD 210的阴极电位的变化。变形例5与上述变形例1的相同之处在于：多个SPAD 210共用一个读出电路230。此外，由于在一个像素中形成一个读出电路230，因此，同样在本变形例中，在一个像素中设置多个SPAD210。通过为每个像素设置多个SPAD 210，能够可靠地进行每个像素的光子检测。
此外，与上述实施方案(包括具体示例和变形例)一样，SPAD 210的电阻值RON和与该SPAD 210连接的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系，并且淬灭电阻部212的电阻值Rq和第一基板71的各个屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在Rsh＜Rq的关系。因此，本变形例也表现出诸如死区时间缩短和功耗减少等效果。
[变形例6]
接下来，将参照图18A和图18B说明第四实施方案的变形例6和变形例7。图18A是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例6的框图。参照图18A，在第一基板71中，SPAD 210的阴极连接至屏蔽电阻部211的一端，并且屏蔽电阻部211的另一端连接至连接焊盘125。同样在变形例6，SPAD 210的电阻值RON和与该SPAD 210连接的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系。
此外，在变形例6中，与第四实施方案(及其变形例1至变形例5)不同，淬灭电阻部212形成在第一基板71中而不是第二基板72中。例如，通过在图14中的第一基板71的配线124和连接焊盘125之间的区域中设置预定配线，可以形成这种淬灭电阻部212。该配线可以部分地或整体地包括多晶硅电阻器或金属电阻器。此外，该配线在一端处电连接至设置有屏蔽电阻部211的配线124(例如，预定的通孔等)，并且在另一端处电连接至第一基板71的周边边缘部的预定焊盘。通过将该焊盘电连接至预定电源的高电位端子，可以在淬灭电阻部212和SPAD 210的阳极之间施加反向偏置电压。此外，即使在淬灭电阻部212形成在第一基板71中的情况下，淬灭电阻部212也形成为使得淬灭电阻部212的电阻值Rq和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间满足Rsh＜Rq的关系。
即使在如上所述构造的情况下，在雪崩放大期间，来自寄生电容C2的电流也会受到屏蔽电阻部221的阻碍并且仅略微流动。此外，由于受到淬灭电阻部212和屏蔽电阻部211的阻碍，因此通过淬灭电阻部212流向SPAD 210的电流也很小。即，在雪崩放大期间，主要从寄生电容C1向SPAD 210流动电流。此外，在发生淬灭之后，电荷从寄生电容C2移动至寄生电容C1，并且在寄生电容C1之间的电压与寄生电容C2之间的电压变为相等之后，通过淬灭电阻部212供给电流，并且进行再充电。即，同样在变形例6中，也进行与第一实施方案至第四实施方案(包括变形例)的诸如雪崩放大、淬灭、电荷再分配和再充电等一系列操作类似的操作。因此，变形例6也表现出诸如死区时间缩短和功耗减少等效果。
[变形例7]
图18B是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例7的框图。参照图18B，同样在变形例7中，与变形例6类似，淬灭电阻部212设置在第一基板71中。然而，在变形例7中，淬灭电阻部212的一端连接至在SPAD 210的阴极和屏蔽电阻部211之间的连接点。
例如，通过在图14中的第一基板71的配线124和阴极电极121之间的区域中设置预定配线，可以形成这种淬灭电阻部212。该配线可以部分地或整体地包括多晶硅电阻器或金属电阻器。此外，该配线在一端处电连接至阴极电极121，并且在另一端处电连接至第一基板71的周边边缘部的预定焊盘。通过将该焊盘和预定电源的高电位端子电连接并且将SPAD210的阳极和低电位端子电连接，可以在淬灭电阻部212和SPAD 210的阳极之间施加反向偏置电压。此外，即使在淬灭电阻部212形成在第一基板71中的情况下，淬灭电阻部212也形成为使得淬灭电阻部212的电阻值Rq和屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间满足Rsh＜Rq的关系。
此外，SPAD 210的电阻值RON和与该SPAD 210连接的屏蔽电阻部211的电阻值Rsh之间存在RON＜Rsh的关系。
即使在如上所述构造的情况下，在雪崩放大期间，也是主要从寄生电容C1向SPAD210流动电流，并且来自寄生电容C2的电流也会受到屏蔽电阻部221和淬灭电阻部212的阻碍，并且仅略微流动。此外，在发生淬灭之后，电荷从寄生电容C2移动至寄生电容C1，并且在寄生电容C1之间的电压与寄生电容C2之间的电压变为相等之后，通过淬灭电阻部212供给电流，并且进行再充电。即，同样在变形例7中，也进行与第一实施方案至第四实施方案(包括变形例)的诸如雪崩放大、淬灭、电荷再分配和再充电等一系列操作类似的操作。因此，变形例7也表现出诸如死区时间缩短和功耗减少等效果。
即使在如上所述构造的情况下，在雪崩放大期间，来自寄生电容C2的电流也会受到屏蔽电阻部221的阻碍并且仅略微流动。此外，由于受到淬灭电阻部212的阻碍，因此通过淬灭电阻部212流向SPAD 210的电流也非常小。即，在雪崩放大期间，主要从寄生电容C1向SPAD 210流动电流。此外，在发生淬灭之后，电荷从寄生电容C2移动至寄生电容C1，并且在寄生电容C1之间的电压与寄生电容C2之间的电压变为相等之后，通过淬灭电阻部212供给电流，并且进行再充电。即，同样在变形例7中，也进行与第一实施方案至第四实施方案(包括变形例)的诸如雪崩放大、淬灭、电荷再分配和再充电等一系列操作类似的操作。因此，变形例7也表现出诸如死区时间缩短和功耗减少等效果。
[变形例8]
接下来，将参照图19A至图19C说明第四实施方案的其他变形例8和9。如图19A所示，变形例8的像素包括第一基板71、第二基板72A和第三基板73。类似于第四实施方案的第一基板71，第一基板71包括SPAD 210和与其串联连接的屏蔽电阻部211。读出电路230设置在第二基板72A中。淬灭电阻部212设置在第三基板73中。
第二基板72A在图19A的下表面中还包括连接焊盘135。在本变形例中，连接焊盘135的下表面与第二基板72A的下表面齐平。此外，第二基板72A在与下表面相反的表面(图19A的上表面)中包括连接焊盘135A。在本变形例中，连接焊盘135A的上表面与第二基板72A的上表面齐平。连接焊盘135和连接焊盘135A通过预定配线连接，并且该配线还连接至读出电路230。第二基板72A例如可以是硅基板，并且读出电路230可以包括形成在硅基板上的晶体管、配线和其他电路元件等。此外，连接焊盘135和连接焊盘135A可以通过例如通孔或配线等连接。
第三基板73在图19A的下表面中包括连接焊盘136。在本变形例中，连接焊盘136的下表面与第三基板73的下表面齐平。连接焊盘136通过例如通孔或配线等连接至淬灭电阻部212。
这里，第一基板71的连接焊盘125通过例如Cu-Cu接合而与第二基板72A的连接焊盘135接合，从而形成接合部260。然后，第一基板71的屏蔽电阻部211和第二基板72A的读出电路230经由接合部260电连接。此外，第一基板71和第二基板72A通过接合部260机械地接合。
第二基板72A的连接焊盘135A通过例如Cu-Cu接合而与第三基板73的连接焊盘136接合，从而形成接合部260A。然后，第二基板72A的读出电路230和第三基板73的淬灭电阻部212经由接合部260A电连接。此外，第二基板72A和第三基板73通过接合部260A机械地接合。此外，淬灭电阻部212经由接合部260和接合部260A电连接至第一基板71的屏蔽电阻部211。
具有上述构造的变形例8与第四实施方案的不同之处在于：淬灭电阻部212和读出电路230形成在不同的基板中并且通过接合部260A连接。然而，本实施方案与第四实施方案的类似之处在于：屏蔽电阻部211具有比SPAD 210的电阻值RON大的电阻值Rsh，并且淬灭电阻部212具有比屏蔽电阻部211的电阻值Rsh大的电阻值Rq。
此外，在连接焊盘135和读出电路230之间产生寄生电容C2，并且在SPAD 210的阴极处产生寄生电容C1。寄生电容C2是由接合部260产生的电容、由将连接焊盘135和连接焊盘135A连接的配线而产生的电容以及由读出电路230产生的电容的合成电容。由于在第二基板72A上形成有许多连接焊盘、配线和电路元件，因此寄生电容C2的电容趋于大于寄生电容C1的电容。
因此，同样在变形例8中，与第四实施方案类似，能够在降低读出电路230的输入电压的同时，缩短死区时间并且减少功耗。
[变形例9]
图19B是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例9的框图。如图所示，变形例9的像素包括第一基板71A、第二基板72B和第三基板73A。SPAD 210设置在第一基板71中，屏蔽电阻部211设置在第二基板72A中，并且淬灭电阻部212和读出电路230设置在第三基板73A中。
第一基板71A在图19B的上表面上还包括连接焊盘125。在本变形例中，连接焊盘125的上表面与第一基板71A的上表面齐平。连接焊盘125连接至SPAD 210的阴极。
第二基板72B在图19B的下表面中包括连接焊盘135。在本变形例中，连接焊盘135的下表面与第二基板72B的下表面齐平。连接焊盘135通过例如通孔或配线等连接至屏蔽电阻部211。此外，第二基板72B在上表面(与下表面相反的表面)上包括连接焊盘135A。在本变形例中，连接焊盘135A的上表面与第二基板72B的上表面齐平。
第三基板73A在图19B的下表面中包括连接焊盘136。在本变形例中，连接焊盘136的下表面与第三基板73A的下表面齐平。连接焊盘136通过例如通孔或配线等连接至淬灭电阻部212和读出电路230。
这里，第一基板71A的连接焊盘125通过例如Cu-Cu接合而与第二基板72B的连接焊盘135接合，从而形成接合部260。然后，第一基板71A的SPAD 210和第二基板72B的屏蔽电阻部211经由接合部260电连接。此外，第一基板71A和第二基板72B通过接合部260机械地接合。
第二基板72B的连接焊盘135A通过例如Cu-Cu接合而与第三基板73A的连接焊盘136接合，从而形成接合部260A。然后，第二基板72B的屏蔽电阻部211以及第三基板73A的淬灭电阻部212和读出电路230经由接合部260A电连接。此外，第二基板72B和第三基板73A通过接合部260A机械地接合。
在具有上述构造的变形例9中，SPAD 210、淬灭电阻部212和读出电路230形成在不同的基板中，并且SPAD 210和淬灭电阻部212经由接合部260电连接，并且屏蔽电阻部211与淬灭电阻部212和读出电路230经由接合部260A电连接。这里，本实施方案与第四实施方案的类似之处在于：屏蔽电阻部211具有比SPAD 210的电阻值RON大的电阻值Rsh，并且淬灭电阻部212具有比屏蔽电阻部211的电阻值Rsh大的电阻值Rq。
此外，当将在屏蔽电阻部211的两端中的与SPAD 210电连接的一端侧产生的寄生电容C1与在相反端侧产生的寄生电容C2进行比较时，寄生电容C2的电容变为大于寄生电容C1的电容。这是因为寄生电容C2包括由屏蔽电阻部211产生的电容、由将屏蔽电阻部211和连接焊盘135A连接的配线而产生的电容、由接合部260A产生的电容以及由将连接焊盘136、淬灭电阻部212和读出电路230连接的配线而产生的电容，而寄生电容C1仅包括由SPAD 210产生的电容、由将SPAD 210和连接焊盘125连接的配线而产生的电容以及由接合部260产生的电容。
因此，由于满足寄生电容C1的电容＜寄生电容C2的电容，电阻值RON＜电阻值Rsh并且电阻值Rsh＜电阻值Rq的关系，因此在变形例9中也表现出与上述实施方案(包括变形例)所表现出的效果相同的效果。
[变形例10]
图19C是示出了根据第四实施方案的光学装置的像素的变形例10的框图。如图所示，变形例9的像素包括第一基板71、第二基板72C和第三基板73B。SPAD 210和屏蔽电阻部211设置在第一基板71中，淬灭电阻部212设置在第二基板72C中，并且读出电路230设置在第三基板73B中。本变形例的第一基板71具有与第四实施方案及其变形例8的第一基板71相同的构造。
第二基板72C在图19C的下表面中包括连接焊盘135。在本变形例中，连接焊盘135的下表面与第二基板72C的下表面齐平。此外，第二基板72C在上表面(与上述下表面相反的表面)上包括连接焊盘135A。在本变形例中，连接焊盘135A的上表面与第二基板72C的上表面齐平。连接焊盘135和连接焊盘135A通过例如通孔或配线等彼此连接。此外，连接焊盘135和连接焊盘135A电连接至淬灭电阻部212。
第三基板73B在图19C的下表面中包括连接焊盘136。在本变形例中，连接焊盘136的下表面与第三基板73B的下表面齐平。连接焊盘136通过例如通孔或配线等连接至读出电路230。
这里，第一基板71A的连接焊盘125通过例如Cu-Cu接合而与第二基板72C的连接焊盘135接合，从而形成接合部260。然后，第一基板71A的屏蔽电阻部211和第二基板72C的淬灭电阻部212经由接合部260电连接。此外，第一基板71A和第二基板72C通过接合部260机械地接合。
第二基板72C的连接焊盘135A通过例如Cu-Cu接合而与第三基板73B的连接焊盘136接合，从而形成接合部260A。然后，第二基板72C的淬灭电阻部212和第三基板73B的读出电路230经由接合部260A电连接。此外，第二基板72C和第三基板73B通过接合部260A机械地接合。
在具有上述构造的变形例10中，SPAD 210、淬灭电阻部212和读出电路230形成在不同的基板中，屏蔽电阻部211和淬灭电阻部212经由接合部260电连接，并且淬灭电阻部212和读出电路230经由接合部260A电连接。这里，本实施方案与第四实施方案的类似之处在于：屏蔽电阻部211具有比SPAD 210的电阻值RON大的电阻值Rsh，并且淬灭电阻部212具有比屏蔽电阻部211的电阻值Rsh大的电阻值Rq。
此外，在连接焊盘135和读出电路230之间产生寄生电容C2，并且在SPAD 210的阴极处产生寄生电容C1。寄生电容C2不仅可以包括由接合部260产生的电容、由将连接焊盘135和连接焊盘135A连接的配线而产生的电容以及由淬灭电阻部212产生的电容，还可以包括由接合部260A产生的电容和由读出电路230产生的电容。另一方面，寄生电容C1仅包括由SPAD 210产生的电容和由将SPAD 210和屏蔽电阻部211连接的配线而产生的电容等。因此，寄生电容C2大于寄生电容C1。
因此，同样在变形例10中，与第四实施方案类似，能够在降低读出电路230的输入电压的同时，缩短死区时间并且减少功耗。
注意，在第四实施方案的变形例8至变形例10中，已经例示了通过Cu-Cu接合而实现的连接焊盘的接合，但是连接焊盘也可以通过金属焊盘彼此连接。此外，参照图7A和图7B说明的屏蔽电阻部的具体示例、参照图8A至图8C说明的淬灭电阻部的具体示例以及参照图9A至图9C说明的读出电路的具体示例也可以适当地应用于第四实施方案(包括变形例)。
<应用示例1>
例如，上述的根据本发明实施方案的光学装置可以应用于诸如摄像设备(诸如数码相机或数码摄像机等)、具有摄像功能的移动电话或具有摄像功能的其他设备等各种电子设备。
图20是示出了作为应用本技术的电子设备的摄像设备的构造例的框图。图20所示的摄像设备201包括光学系统202、快门装置203、光学装置100、驱动电路205、信号处理电路206、监视器207和存储器208，并且可以拍摄静止图像和运动图像。
光学系统202包括一个或多个将来自被摄体的光(入射光)引导至光学装置100的透镜，并且在光学装置100的光接收面上形成图像。
快门装置203布置在光学系统202和光学装置100之间，并且根据驱动电路205的控制，控制对光学装置100的光照射时间段和遮光时间段。
驱动电路205输出用于控制光学装置100的传输操作和快门装置203的快门操作的驱动信号，以驱动光学装置100和快门装置203。
光学装置100包括根据上述各个实施方案(包括变形例)的光接收元件(像素)。针对摄像设备的应用，光学装置100包括在读出电路230的输出端的数字计数器电路240(图4B)。在驱动电路205的控制下，光学装置100根据在预定曝光时间段期间通过光学系统202和快门装置203在光接收面上形成的光，通过数字计数器电路240针对每个像素对光子的数量进行计数。将计数值转换为亮度信号，并且根据在驱动电路205的控制下从行扫描电路320(图4A)供给至各个像素的字线WL的选择信号，通过位线BL将亮度信号传输至列电路310。列电路310将来自各个像素的亮度信号转换为数字信号，并且通过接口电路330将转换后的数字信号输出至信号处理电路206。
信号处理电路206对从光学装置100输出的数字信号进行各种信号处理。通过由信号处理电路206进行信号处理而获得的图像(图像数据)被供给至并显示在监视器207上，或者被供给至并存储(记录)在存储器208中。
在如上所述构造的摄像设备201中，由于光学装置100包括根据上述各个实施方案(包括变形例)的光接收元件，因此摄像设备201也能够表现出死区时间缩短和功耗减少的效果。注意，在光学装置100的光接收面上可以设置彩色滤光片。在彩色滤光片中，对应于光学装置100的光接收元件(像素)形成透射红色波长区域光的红色滤光片、透射绿色波长区域光的绿色滤光片和透射蓝色波长光的蓝色滤光片。例如，作为彩色滤光片，例示了拜耳滤光片。通过使用这种彩色滤光片，可以将摄像设备201构造为能够获取彩色图像的摄像设备。
<应用示例2>
接下来，作为应用本技术的电子设备，将说明通过直接ToF方法进行测距的测距设备。图21是示出了作为应用本技术的电子设备的测距设备600的构造例的框图。如图所示，测距设备600包括光学装置100A、光源单元602、存储单元603、控制单元604和光学系统605。
光源单元602例如可以是作为面光源的发射激光的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。然而，本发明不限于此，并且光源单元602可以是其中将激光二极管布置在线上的激光二极管阵列。在这种情况下，激光二极管阵列由预定的驱动单元(未示出)支持，并且在与激光二极管的布置方向垂直的方向上被扫描。此外，光源单元602可以是单个激光二极管。在这种情况下，单个激光二极管由预定的驱动单元(未示出)支持，并且在水平方向和垂直方向上被扫描。
在图22的示例中，光学装置100A包括第一实施方案的像素(光接收元件)200。然而，光学装置100A可以包括根据其他实施方案(包括变形例)的像素(光接收元件)。在应用于测距设备的情况下，如图22所示，光学装置100A包括依次地串联连接至读出电路230的输出端的TDC电路241、产生单元242和信号处理单元243来代替上述数字计数器电路240(图4B)。稍后将说明TDC电路241、产生单元242和信号处理单元243的功能。
信号处理单元243基于由产生单元242产生的直方图(稍后说明)的数据而进行预定运算处理，并且计算例如距离信息。例如，信号处理单元243基于由产生单元242产生的直方图的数据来创建该直方图的曲线逼近。信号处理单元243可以检测直方图所逼近的曲线的峰值并且基于检测到的峰值而获得距离D。
存储单元603(图21)包括例如闪存、DRAM或SRAM等，并且存储从光学装置10输入的数据等。
控制单元604控制测距设备600的全部操作。例如，控制单元604将具有预定频率的预定基准信号供给至光学装置100和光源单元602。例如，光源单元602基于从控制单元604供给的基准信号而发射脉冲光。例如，光学装置100基于上述基准信号和从读出电路230输出的输出信号，获得光发射时序和光接收时序之间的时间差。此外，例如，控制单元604响应于来自外部的指令对光学装置100设定测距时的模式。
光学系统605将从外部入射的光引导至光学装置100的光接收面。
接下来，参照图23，作为测距设备600的测距的示例，将使用测距设备600测量从测距设备600到测量物体303的距离D的情况作为示例来说明通过直接ToF方法进行的测距。将光源单元602发射光的时间定义为发光时序t0，并且将光学装置100接收通过由测量物体303反射从光源单元602发射的光而获得的反射光的时间定义为光接收时序t1。此时，可以由下式(1)计算测距设备600与测量物体303之间的距离D。
D＝(c/2)×(t1-t0)... (1)
这里，常数c是光速(2.9979×108[m/sec])。
顺便提及地，在光学装置100A中，当光(光子)入射到像素200上时，即使该光是来自测量物体303的反射光以外的光(例如，环境光)，也会从读出电路230输出输出信号，并且如后所述，由TDC电路241计算光接收时序。即，不能区分基于来自测量物体303的反射光而计算出的光接收时序t1和基于反射光以外的光而计算出的光接收时序。
因此，在测距设备600中，从光源单元602反复地发射光(例如，数百次至数万次)，并且创建与发光时序和光接收时序之间的差相关的直方图。图24是示出了以这种方式创建的直方图的示例的图。如图所示，针对具有预定的单位时间d的区间#0、#1、#2、...、#(N-2)和#(N-1)中的各者，示出了光接收时序的次数(频率)301。这里，区间#0是从发光时序t0开始的时间d的范围，并且区间#1是从发光时序t0经过时间d的时间点开始的时间d的范围。注意，在图中，从发光时序t0到tep的时间段对应于光学装置100的曝光时间。
参照图24，如曲线312所示，与由虚线所示的范围311相比，存在光接收时序的次数与相邻区间相比突出的区间(在下文中，为了方便称为区间312)。在随机接收环境光等的同时，从光源单元602发射并且由测量物体303反射的光在光传播了2×D的距离之后被接收，因此尽管包括误差，但是在经过一定范围的时间时会发生。因此，与来自测量物体303的反射光相对应的光接收时序t1被认为包括在区间312中。因此，例如，如图所示，可以将记录着区间312中最大的光接收时序次数的区间的结束时间点设定为基于来自测量物体303的反射光的光接收时序t1。本发明不限于此，并且可以将记录着最大的光接收时序次数的区间的开始时间点或中央时间点设定为光接收时序t1。此外，在区间312中，可以获得发光时序次数的逼近曲线，并且可以基于其峰值而获得发光时序t1。
如上所述，可以获得来自测量物体303的反射光的光接收时序t1，并且可以通过表达式(1)计算出到测量物体303的距离D。
在光学装置100A中通过直接ToF方法进行上述测距的情况下，由TDC电路241获得光接收时序。即，TDC电路241产生表示从控制单元604输入的基准信号和来自读出电路230的输出信号之间的时间差的时间差信号。来自控制单元604的基准信号也被输入至光源单元602，并且光源单元602基于该基准信号而发射脉冲光。因此，根据在TDC电路241中产生的时间差信号，可以获得以光源单元602发射脉冲光的发光时序t0为基准的光接收时序。
重复进行光源单元602基于基准信号的发光和SPAD 210的光接收，并且每次都由产生单元242产生与由TDC电路241获得的发光时序和光接收时序之间的差相关的直方图。基于由产生单元242创建的直方图，信号处理单元243确定光接收时序t1并且计算距离D。
同样在如上所述构造的测距设备600中，由于光学装置100A包括根据上述各个实施方案(包括变形例)的光接收元件，因此测距设备600也能够表现出死区时间缩短和功耗减少的效果。
<应用示例3>
根据本发明的技术(本技术)可以应用于各种产品。例如，根据本发明的技术可以应用于内窥镜手术系统。
图25是示出了可以应用根据本发明的技术(本技术)的使用胶囊式内窥镜的患者体内信息获取系统的示意性构造的示例的框图。
体内信息获取系统10001包括胶囊式内窥镜10100和外部控制装置10200。
在检查时，患者吞咽胶囊式内窥镜10100。胶囊式内窥镜10100具有摄像功能和无线通信功能，并且在通过蠕动运动等在诸如胃和肠等器官内部移动直到其由患者自然排出的同时，以预定间隔依次地拍摄器官内部的图像(在下文中称为体内图像)，并且依次地将关于体内图像的信息无线发送至体外的外部控制装置10200。
外部控制装置10200整体地控制体内信息获取系统10001的操作。此外，外部控制装置10200接收从胶囊式内窥镜10100发送的关于体内图像的信息并且基于接收到的关于体内图像的信息而产生用于在显示装置(未示出)上显示体内图像的图像数据。
在体内信息获取系统10001中，以这种方式，可以在从胶囊式内窥镜10100被吞咽直到被排出为止，随时获得通过对患者体内的状态进行摄像而获得的体内图像。
将更详细地说明胶囊式内窥镜10100和外部控制装置10200的构造和功能。
胶囊式内窥镜10100包括胶囊型外壳10101，并且在该外壳10101中容纳有光源单元10111、摄像单元10112、图像处理单元10113、无线通信单元10114、供电单元10115、电源单元10116和控制单元10117。
例如，光源单元10111包括诸如发光二极管(LED)等光源，并且用光照射摄像单元10112的摄像视野。
摄像单元10112包括摄像元件和光学系统。该光学系统包括多个设置在摄像元件前方的透镜。照射到作为观察目标的身体组织上的光的反射光(在下文中，称为观察光)由光学系统会聚并且入射到摄像元件上。在摄像单元10112中，对入射到摄像元件上的观察光进行光电转换，并且产生对应于观察光的图像信号。由摄像单元10112产生的图像信号被提供至图像处理单元10113。
图像处理单元10113包括诸如中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)等处理器，并且对由摄像单元10112产生的图像信号进行各种信号处理。图像处理单元10113将已进行了信号处理的图像信号作为RAW数据提供至无线通信单元10114。
无线通信单元10114对已经由图像处理单元10113进行了信号处理的图像信号进行诸如调制处理等预定处理，并且通过天线10114A将图像信号发送至外部控制装置10200。此外，无线通信单元10114通过天线10114A接收来自外部控制装置10200的与胶囊式内窥镜10100的驱动控制相关的控制信号。无线通信单元10114将从外部控制装置10200接收的控制信号提供至控制单元10117。
供电单元10115包括接收电力用的天线线圈、从天线线圈中所产生的电流再生电力的电力再生电路和升压电路等。在供电单元10115中，使用所谓的非接触充电原理产生电力。
电源单元10116包括二次电池，并且存储由供电单元10115产生的电力。在图25中，为了避免图纸变得复杂，省略了指示来自电源单元10116的电力的供给目的地的箭头等的图示，但是存储在电源单元10116中的电力被供给至光源单元10111、摄像单元10112、图像处理单元10113、无线通信单元10114和控制单元10117，并且能够被用于驱动这些单元。
控制单元10117包括诸如CPU等处理器，并且根据从外部控制装置10200发送的控制信号适当地控制光源单元10111、摄像单元10112、图像处理单元10113、无线通信单元10114和供电单元10115的驱动。
外部控制装置10200包括诸如CPU或GPU等处理器、或其上以混合方式安装有处理器和诸如存储器等存储元件的微型计算机或控制板等。外部控制装置10200通过经由天线10200A将控制信号发送至胶囊式内窥镜10100的控制单元10117而控制胶囊式内窥镜10100的操作。在胶囊式内窥镜10100中，例如，来自外部控制装置10200的控制信号可以改变光源单元10111对观察目标的光的照射条件。此外，可以通过来自外部控制装置10200的控制信号来改变摄像条件(例如，摄像单元10112的帧速率和曝光值等)。此外，可以通过来自外部控制装置10200的控制信号来改变图像处理单元10113的处理的内容和无线通信单元10114发送图像信号的条件(例如，发送间隔和发送的图像数量等)。
此外，外部控制装置10200对从胶囊式内窥镜10100发送的图像信号进行各种图像处理，并且产生用于在显示装置上显示所拍摄的体内图像的图像数据。作为图像处理，例如，可以进行诸如显影处理(去马赛克处理)、图像质量改善处理(带宽增强处理、超分辨率处理、降噪(NR)处理和/或相机抖动校正处理等)和/或放大处理(电子变焦处理)等各种信号处理。外部控制装置10200控制显示装置的驱动以基于产生的图像数据而显示所拍摄的体内图像。或者，外部控制装置10200可以将产生的图像数据记录在记录装置(未示出)中或者通过打印装置(未示出)打印出来。
以上已经说明了可以应用根据本发明的技术的体内信息获取系统的示例。根据本发明的技术可以应用于上述构造中的摄像单元10112。具体地，根据上述各个实施方案的光学装置可以用作摄像单元10112。根据上述光学装置，能够缩短SPAD 210(或210A)的死区时间。因此，如果使用光学装置作为摄像单元10112，则可以适当地设定胶囊式内窥镜10100的摄像间隔。即，在通过胶囊式内窥镜10100进行摄像时，可以降低SPAD 210(或210A)处于死区时间的可能性。此外，由于能够减少SPAD 210的功耗，因此在患者吞咽胶囊式内窥镜10100之后直到将其自然排出为止，光学装置100等可以可靠地操作。
注意，尽管这里已经说明了使用胶囊式内窥镜的患者体内信息获取系统，但是根据本发明的技术可以应用于例如内窥镜手术系统。在下文中，将说明本发明的技术应用于内窥镜手术系统的情况。
<应用示例4>
图26是示出了可以应用根据本发明的技术(本技术)的内窥镜手术系统的示意性构造的示例的图。
在图26中，示出了外科大夫(医生)11131正在使用内窥镜手术系统11000对病床11133上的患者11132进行手术的状态。如图所示，内窥镜手术系统11000包括内窥镜11100、诸如气腹管11111和能量装置11112等其他手术工具11110、支撑内窥镜11100的支撑臂装置11120和其上安装有用于内窥镜手术的各种设备的推车11200。
内窥镜11100包括镜筒11101和连接至镜筒11101的近端的摄像头11102，镜筒11101具有将插入患者11132的体腔内的从其远端起预定长度的区域。在所示的示例中，内窥镜11100被示出为包括具有硬性镜筒11101的硬性内窥镜。然而，内窥镜11100也可以另外包括具有柔性镜筒的柔性内窥镜。
镜筒11101在其远端处具有嵌入物镜的开口部。光源装置11203连接至内窥镜11100，使得由光源装置11203产生的光通过在镜筒11101内部延伸的光导被引导至镜筒的远端并且通过物镜朝向患者11132体腔内的观察目标照射。注意，内窥镜11100可以是前视内窥镜，或者可以是斜视内窥镜或侧视内窥镜。
在摄像头11102的内部设置有光学系统和摄像元件，使得来自观察目标的反射光(观察光)由光学系统会聚在摄像元件上。摄像元件对观察光进行光电转换，以产生与观察光相对应的电信号，即，与观察图像相对应的图像信号。该图像信号作为RAW数据被发送至相机控制单元(CCU)11201。
CCU 11201包括中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)等，并且整体地控制内窥镜11100和显示装置11202的操作。此外，CCU 11201从摄像头11102接收图像信号，并且对该图像信号进行用于显示基于该图像信号的图像的各种图像处理，例如显影处理(去马赛克处理)等。
在CCU 11201的控制下，显示装置11202在其上显示基于已经由CCU 11201进行了图像处理的图像信号的图像。
例如，光源装置11203包括诸如发光二极管(LED)等光源，并且将在对手术部位等进行摄像时的照射光供给至内窥镜11100。
输入装置11204是用于内窥镜手术系统11000的输入接口。用户可以通过输入装置11204进行输入至内窥镜手术系统11000的各种信息或指令的输入。例如，用户输入指令等以改变内窥镜11100的摄像条件(照射光的类型、放大率或焦距等)。
治疗工具控制装置11205控制用于烧灼或切开组织、或封闭血管等的能量装置11112的驱动。为了确保内窥镜11100的视野并且确保外科大夫的工作空间，气腹装置11206通过气腹管11111将气体送入患者11132的体腔内以使体腔膨胀。记录器11207是能够记录与手术相关的各种信息的装置。打印机11208是能够以诸如文本、图像或图形等各种形式打印与手术相关的各种信息的装置。
注意，将在对手术部位进行摄像时的照射光供给至内窥镜11100的光源装置11203可以包括白色光源，该白色光源例如包括LED、激光光源或它们的组合。在白色光源包括红色、绿色和蓝色(RGB)激光光源的组合的情况下，因为可以高精度地控制各种颜色(各个波长)的输出强度和输出时序，因此光源装置11203可以进行拍摄图像的白平衡调整。此外，在这种情况下，如果来自RGB激光光源中各者的激光束以时分方式照射到观察目标上，并且与照射时序同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动，则也能够以时分方式拍摄对应于R、G和B各者的图像。根据该方法，即使没有为摄像元件设置彩色滤光片，也能够获得彩色图像。
此外，可以控制光源装置11203，使得待输出的光的强度在各个预定时间变化。通过与光强度的变化时序同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动以便以时分方式获取图像并且合成所述图像，能够产生没有曝光不足的遮挡阴影和曝光过度的高光的高动态范围图像。
此外，光源装置11203可以被构造为供给为了特殊光观察而准备的预定波长带的光。在特殊光观察中，例如，通过利用身体组织中光吸收的波长依赖性来照射与普通观察时的照射光(即，白色光)相比的窄带光，可以进行以高对比度对诸如粘膜表层的血管等预定组织进行摄像的窄带观察。或者，在特殊光观察中，可以进行用于从通过照射激发光而产生的荧光来获得图像的荧光观察。在荧光观察中，可以通过将激发光照射到身体组织上来进行来自该身体组织的荧光的观察(自体荧光观察)，或者可以通过将诸如吲哚菁绿(ICG)等试剂局部注射到身体组织中并且将与该试剂的荧光波长相对应的激发光照射到该身体组织上来获得荧光图像。光源装置11203可以构造为供给适合于如上所述的特殊光观察的这种窄带光和/或激发光。
图27是示出了图26所示的摄像头11102和CCU 11201的功能性构造的示例的框图。
摄像头11102包括透镜单元11401、摄像单元11402、驱动单元11403、通信单元11404和摄像头控制单元11405。CCU 11201包括通信单元11411、图像处理单元11412和控制单元11413。摄像头11102和CCU 11201通过传输电缆11400彼此可通信地连接。
透镜单元11401是设置在与镜筒11101的连接位置处的光学系统。从镜筒11101的远端获取的观察光被引导至摄像头11102并且被引入透镜单元11401中。透镜单元11401包括多个透镜的组合，该多个透镜包括变焦透镜和聚焦透镜。
摄像单元11402包括摄像元件。摄像单元11402所包括的摄像元件的数量可以是一个(单板型)或者是多个(多板型)。例如，在摄像单元11402构造为多板型的摄像单元的情况下，通过摄像元件产生与R、G和B各者相对应的图像信号，并且可以合成图像信号以获得彩色图像。摄像单元11402还可以构造为具有一对摄像元件以分别获取为了三维(3D)显示而准备的右眼用图像信号和左眼用图像信号。如果进行3D显示，则外科大夫11131能够更准确地理解手术部位中活体组织的深度。注意，在摄像单元11402构造为立体型的摄像单元的情况下，与各个摄像元件对应地设置有多个系统的透镜单元11401。
此外，摄像单元11402不必设置在摄像头11102上。例如，摄像单元11402可以在镜筒11101内部紧挨着物镜后方设置。
驱动单元11403包括致动器，并且在摄像头控制单元11405的控制下，使透镜单元11401的变焦透镜和聚焦透镜沿着光轴移动预定距离。因此，能够适当地调整由摄像单元11402拍摄的图像的放大率和焦点。
通信单元11404包括用于将各种信息发送至CCU 11201和从CCU 11201接收各种信息的通信装置。通信单元11404通过传输电缆11400将从摄像单元11402获取的图像信号作为RAW数据发送至CCU 11201。
此外，通信单元11404从CCU 11201接收用于控制摄像头11102的驱动的控制信号，并将该控制信号供给至摄像头控制单元11405。控制信号包括例如与摄像条件相关的信息，例如，指定拍摄图像的帧速率的信息、指定摄像时的曝光值的信息和/或指定拍摄图像的放大率和焦点的信息等。
注意，诸如帧速率、曝光值、放大率或焦点等摄像条件可以由用户指定或者可以由CCU 11201的控制单元11413基于所获得的图像信号自动设定。在后一种情况中，在内窥镜11100中并入自动曝光(AE)功能、自动聚焦(AF)功能和自动白平衡(AWB)功能。
摄像头控制单元11405基于通过通信单元11404接收到的来自CCU 11201的控制信号来控制摄像头11102的驱动。
通信单元11411包括用于将各种信息发送至摄像头11102和从摄像头11102接收各种信息的通信装置。通信单元11411通过传输电缆11400接收从摄像头11102向其发送的图像信号。
此外，通信单元11411将用于控制摄像头11102的驱动的控制信号发送至摄像头11102。图像信号和控制信号可以通过电通信或光通信等发送。
图像处理单元11412对从摄像头11102向其发送的RAW数据形式的图像信号进行各种图像处理。
控制单元11413进行与内窥镜11100对手术部位等的摄像和通过对手术部位等的摄像而获得的拍摄图像的显示相关的各种控制。例如，控制单元11413产生用于控制摄像头11102的驱动的控制信号。
此外，控制单元11413基于已经由图像处理单元11412进行了图像处理的图像信号使显示装置11202显示对手术部位等进行摄像而拍摄的图像。因此，控制单元11413可以使用各种图像识别技术来识别所拍摄的图像中的各种物体。例如，控制单元11413可以通过检测包括在拍摄图像中的物体的边缘的形状和颜色等来识别诸如镊子等手术工具、特定活体部位、出血和使用能量装置11112时的薄雾等。当控制单元11413使显示装置11202显示拍摄图像时，控制单元11413可以使用识别结果使各种手术支持信息以与手术部位的图像重叠的方式显示。当以重叠的方式显示手术支持信息并且呈现给外科大夫11131时，能够减轻外科大夫11131的负担，并且外科大夫11131可以肯定地进行手术。
将摄像头11102和CCU 11201彼此连接的传输电缆11400是为电信号通信准备的电信号电缆、为光通信准备的光纤或者为电通信和光通信两者准备的复合电缆。
这里，虽然在所示的示例中，通过使用传输电缆11400的有线通信来进行通信，但是也可以通过无线通信来进行摄像头11102和CCU 11201之间的通信。
以上已经说明了可以应用根据本发明的技术的内窥镜手术系统的示例。根据本发明的技术可以应用于上述构造中的摄像头11102的摄像单元11402。具体地，根据上述各个实施方案的光学装置可以用作摄像单元11402。根据上述光学装置，可以缩短死区时间并且节省电力。因此，应用光学装置的内窥镜手术系统也表现出类似的效果。
<应用示例5>
根据本发明的技术(本技术)可以应用于各种产品。例如，根据本发明的技术可以被实现为安装在诸如汽车、电动汽车、混合动力汽车、摩托车、自行车、个人移动设备、飞机、无人机、船舶和机器人等任意类型的移动体上的装置(或系统)。
图28是示出了作为可以应用根据本发明的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的示意性构造例的框图。
车辆控制系统12000包括通过通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图28所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。此外，作为集成控制单元12050的功能性构造，示出了微型计算机12051、声音图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053。
驱动系统控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动系统相关的装置的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作如下装置的控制装置：诸如内燃机或驱动马达等用于产生车辆驱动力的驱动力产生装置、将驱动力传递至车轮的驱动力传递机构、调整车辆转向角的转向机构和产生车辆制动力的制动装置等。
车身系统控制单元12020根据各种程序控制设置在车身上的各种装置的操作。例如，车身系统控制单元12020用作无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗装置或诸如前照灯、倒车灯、刹车灯、转向信号灯或雾灯等各种灯的控制装置。在这种情况下，可以向车身系统控制单元12020输入从替代钥匙的移动装置发送的无线电波或者各种开关的信号。车身系统控制单元12020接收这些无线电波或者信号的输入，并且控制车辆的门锁装置、电动车窗装置或车灯等。
车外信息检测单元12030检测关于包括车辆控制系统12000的车辆外部的信息。例如，车外信息检测单元12030连接至摄像部12031。车外信息检测单元12030使摄像部12031对车辆外部的图像进行摄像，并且接收所摄像的图像。基于所接收到的图像，车外信息检测单元12030可以进行诸如人、车辆、障碍物、标志或路面上的字符等物体的检测处理，或者距上述物体的距离的检测处理。
摄像部12031是接收光并且输出与接收到的光的光量相对应的电信号的光学传感器。摄像部12031可以将电信号作为图像输出，或者可以将电信号作为测距信息输出。此外，由摄像部12031接收的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测关于车辆内部的信息。车内信息检测单元12040例如与检测驾驶员状态的驾驶员状态检测部12041连接。驾驶员状态检测部12041例如包括对驾驶员进行摄像的相机。基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳程度或者驾驶员的集中程度，或者可以确定驾驶员是否在打瞌睡。
微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的关于车辆内部或外部的信息来计算驱动力产生装置、转向机构或者制动装置的控制目标值，并且向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051可以进行旨在实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能的协同控制，ADAS功能包括车辆的碰撞避免或冲击减缓、基于车间距离的跟随驾驶、车速保持驾驶、车辆碰撞警告或车辆偏离车道警告等。
此外，通过基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的关于车辆外部或内部的信息来控制驱动力产生装置、转向机构或制动装置等，微型计算机12051能够进行旨在实现自动驾驶等的协同控制，所述自动驾驶使车辆能够在不依赖于驾驶员的操作的情况下自主行驶。
此外，基于由车外信息检测单元12030获取的关于车辆外部的信息，微型计算机12051可以向车身系统控制单元12020输出控制命令。例如，微型计算机12051可以例如根据由车外信息检测单元12030检测到的前方车辆或对向车辆的位置，通过控制前照灯以从远光变为近光来进行旨在防止眩光的协同控制。
声音图像输出部12052将声音和图像中的至少一者的输出信号发送至能够在视觉或者听觉上将信息通知到车辆的乘客或车辆外部的输出装置。在图28的示例中，作为输出装置，示出了音频扬声器12061、显示部12062和仪表板12063。显示部12062例如可以包括车载显示器和平视显示器中的至少一者。
图29是示出了摄像部12031的安装位置的示例的图。
在图29中，摄像部12031包括摄像部12101、12102、12103、12104和12105。
摄像部12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门上的位置以及车内挡风玻璃的上部的位置等。设置在前鼻的摄像部12101和设置在车内挡风玻璃上部的摄像部12105主要获取车辆12100前方的图像。设置在侧视镜的摄像部12102和摄像部12103主要获取车辆12100两侧的图像。设置在后保险杠或后门的摄像部12104主要获取车辆12100后方的图像。设置在车内挡风玻璃上部的摄像部12105主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号灯、交通标志或车道等。
顺便提及地，图29示出了摄像部12101至摄像部12104的摄像范围的示例。摄像范围12111表示设置在前鼻的摄像部12101的摄像范围。摄像范围12112和12113分别表示设置在侧视镜的摄像部12102和摄像部12103的摄像范围。摄像范围12114表示设置在后保险杠或后门的摄像部12104的摄像范围。例如，通过叠加由摄像部12101至摄像部12104摄像的图像数据，可以获得从上面观察的车辆12100的鸟瞰图像。
摄像部12101至摄像部12104中的至少一者可以具有获取距离信息的功能。例如，摄像部12101至摄像部12104中的至少一者可以是由多个摄像元件组成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的摄像元件。
例如，基于从摄像部12101至摄像部12104获取的距离信息，微型计算机12051可以求出距摄像范围12111至摄像范围12114内的各个三维物体的距离和所述距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，从而特别提取如下的最近三维物体作为前方车辆：该三维物体在车辆12100的行驶路径上，并且以预定速度(例如，等于或大于0km/h)沿着与车辆12100大致相同的方向行驶。此外，微型计算机12051可以预先设定与前方车辆前面所保持的车间距离，并且进行自动制动控制(包括跟随停止控制)或自动加速控制(包括跟随起动控制)等。因此，能够进行旨在使车辆不依赖于驾驶员的操作而自主行驶的自动驾驶等的协同控制。
例如，基于从摄像部12101至摄像部12104获取的距离信息，微型计算机12501可以将关于三维物体的三维物体数据分类为两轮车辆、标准车辆、大型车辆、行人以及诸如电线杆等其他三维物体的三维物体数据，提取分类后的三维物体数据，并且使用所提取的三维物体数据用于障碍物的自动躲避。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物分类为车辆12100的驾驶员能够视觉识别的障碍物和车辆12100的驾驶员难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定用于指示与各个障碍物碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或者高于设定值并且因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机12051经由音频扬声器12061或者显示部12062向驾驶员输出警告，并且通过驱动系统控制单元12010进行强制减速或者规避转向。微型计算机12051从而能够协助驾驶以避免碰撞。
摄像部12101至摄像部12104中的至少一者可以是检测红外线的红外相机。微型计算机12051可以例如通过确定摄像部12101至摄像部12104摄像的图像中是否存在行人来识别行人。例如，对行人的这种识别是通过如下步骤进行的：提取作为红外相机的摄像部12101至摄像部12104的摄像图像中的特征点的步骤；以及对表示物体轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理以确定是否是行人的步骤。如果微型计算机12051确定在摄像部12101至摄像部12104的摄像图像中存在行人，并因此识别出行人，则声音图像输出部12052控制显示部12062以将用于强调的方形轮廓线显示为叠加在识别出的行人上。此外，声音图像输出部12052还可以控制显示部12062，以便在期望的位置显示表示行人的图标等。
以上已经说明了可以应用根据本发明的技术的车辆控制系统的示例。根据本发明的技术可以应用于上述构造中的摄像部12101至摄像部12104。具体地，根据上述各个实施方案(包括变形例)的摄像元件可以应用于摄像部12101至摄像部12104。例如，通过将根据本发明的技术应用于摄像部12101至摄像部12104，即使在夜间或黑暗场所，也可以根据来自行人的弱光而识别行人。此外，根据本发明的技术可以减少功耗的效果在包括驱动马达作为用于产生车辆驱动力的驱动力产生装置的车辆中特别有用。
注意，在以上说明中，说明了根据本发明实施方案的光接收元件、包括光接收元件的光学装置以及包括光学装置的电子设备所表现出的各种效果，但是这些效果并不限制本发明。此外，不必表现出所有的各种效果。此外，本发明的光接收元件、光学装置和电子设备可以表现出在本文中未说明的附加效果。
注意，本技术可以具有如下构造。
(1)
一种光接收元件，包括：
光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；
第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；
第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；和
连接点，所述第一电阻部的所述另一端、所述第二电阻部的所述一端和从所述光子响应倍增部读出输出的读出单元连接至所述连接点。
(2)
根据(1)所述的光接收元件，其中，所述第二电阻部具有比所述第一电阻部的电阻值大的电阻值。
(3)
根据(1)或(2)所述的光接收元件，其中，
在所述光子响应倍增部的所述一端处存在第一电容，并且
在所述第一电阻部的所述另一端处存在第二电容。
(4)
根据(3)所述的光接收元件，其中，所述第一电容和所述第二电容中的各者由可变电容元件构成。
(5)
根据(4)所述的光接收元件，其中，所述可变电容元件包括一个或多个晶体管。
(6)
根据(4)所述的光接收元件，其中，所述一个或多个晶体管是金属氧化物半导体晶体管。
(7)
根据(1)～(6)中任一项所述的光接收元件，其中，
所述第二电阻部包括：
开关，其设置在所述读出单元和与所述第二电阻部的另一端电连接的电源之间；和
控制单元，其检测所述读出单元的输出并且基于检测结果控制所述开关。
(8)
根据(1)～(6)中任一项所述的光接收元件，其中，所述第二电阻部是恒定电流源。
(9)
根据(1)～(8)中任一项所述的光接收元件，其中，所述光子响应倍增部包括单光子雪崩二极管。
(10)
根据(9)所述的光接收元件，其中，所述光子响应倍增部的所述一端是所述单光子雪崩二极管的阴极或阳极。
(11)
根据(1)～(8)中任一项所述的光接收元件，其中，所述光子响应倍增部包括硅光电倍增管。
(12)
根据(1)～(11)中任一项所述的光接收元件，其中，所述第一电阻部是多晶硅电阻部或金属电阻部。
(13)
根据(1)～(12)中任一项所述的光接收元件，其中，所述第一电阻部由一个或多个晶体管形成。
(14)
根据(13)所述的光接收元件，其中，所述一个或多个晶体管是金属氧化物半导体晶体管。
(15)
根据(14)所述的光接收元件，还包括电压产生单元，所述电压产生单元向所述金属氧化物半导体晶体管的栅极施加用于施加栅极电压的电压。
(16)
根据(1)～(15)中任一项所述的光接收元件，还包括：
第一基板，其在一个表面上包括第一连接部；和
第二基板，其在一个表面上包括对应于所述第一连接部的第二连接部，并且通过所述第一连接部和所述第二连接部的接合而与所述第一基板电接合和机械接合，其中，
所述光子响应倍增部设置在所述第一基板中，并且
所述读出单元设置在所述第二基板中。
(17)
根据(16)所述的光接收元件，其中，
所述第一连接部和所述第二连接部包含铜，并且
所述第一连接部和所述第二连接部通过使用铜形成的所述第一连接部和所述第二连接部的表面彼此紧密接触而接合。
(18)
根据(16)所述的光接收元件，其中，所述第一连接部和所述第二连接部通过金属凸块接合。
(19)
根据(1)～(15)中任一项所述的光接收元件，还包括：
第一基板，其在一个表面上包括第一连接部；
第二基板，其在一个表面上包括对应于所述第一连接部的第二连接部，在与所述一个表面相反的表面上包括第三连接部，并且所述第二基板通过所述第一连接部和所述第二连接部的接合而与所述第一基板电接合和机械接合；和
第三基板，其在一个表面上包括对应于所述第二连接部的第三连接部，并且通过所述第二连接部和所述第三连接部的接合而与所述第二基板电接合和机械接合，其中，
所述光子响应倍增部设置在所述第一基板中。
(20)
根据(16)或(19)所述的光接收元件，其中，
所述第一基板设置有多个所述光子响应倍增部，并且
所述多个光子响应倍增部电连接至一个所述读出电路。
(21)
根据(1)～(20)中任一项所述的光接收元件，其中，对来自所述读出单元的信号的输出次数进行计数的计数单元连接至所述读出单元的输出端。
(22)
根据(1)～(20)中任一项所述的光接收元件，其中，时间数字转换器连接至所述读出单元的输出端，所述时间数字转换器产生表示具有预定频率的基准信号和基于所述基准信号产生的另一信号之间的时间差的数字信号。
(23)
一种光学装置，包括以矩阵状布置的多个光接收元件，其中，所述多个光接收元件分别包括：
光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；
第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；
第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；和
连接点，所述第一电阻部的所述另一端、所述第二电阻部的所述一端和从所述光子响应倍增部读出输出的读出单元连接至所述连接点。
(24)
一种电子设备，包括：
光学系统；和
光学装置，在所述光学装置中以矩阵状布置有多个光接收元件，其中，所述多个光接收元件分别包括：
光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于已经透过所述光学系统的光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；
第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；
第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；和
连接点，所述第一电阻部的所述另一端、所述第二电阻部的所述一端和从所述光子响应倍增部读出输出的读出单元连接至所述连接点。
(25)
一种电子设备，包括：
光学系统；
发光单元，其构造为基于具有预定频率的基准信号而发光；和
光学装置，在所述光学装置中以矩阵状布置有多个光接收元件，其中，所述多个光接收元件分别包括：
光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于已经透过所述光学系统的光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；
第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；
第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；
连接点，所述第一电阻部的所述另一端、所述第二电阻部的所述一端和从所述光子响应倍增部读出输出的读出单元连接至所述连接点；和
时间数字转换器，其产生表示所述基准信号和所述读出单元经由所述第一电阻部从所述光子响应倍增部读出的所述输出之间的时间差的数字信号。
附图标记列表
1 电子设备
10 光学装置
11 像素阵列单元
12 驱动电路
13 输出电路
15 时序控制电路
20、200、200A、200B 像素
21 光电二极管(SPAD)
22 淬灭电阻器
23 读出电路
30 摄像透镜
40、603 存储单元
50 处理器
71 第一基板
72 第二基板
LS 输出信号线
LD 像素驱动线
100 光学装置
101 半导体基板
102 光电转换区域
103 N-型半导体区域
104 P型半导体区域
105 P+型半导体区域
106 N+型半导体区域
107 阴极接点
108 阳极接点
109 绝缘膜
110 元件隔离部
111 遮光膜
113 钉扎层
114 平坦化膜
115 彩色滤光片
116 片上透镜
120、130 配线层
121 阴极电极
122 阳极电极
125、135、135A、136 连接焊盘
210、210A 单光子雪崩二极管(SPAD)
211 屏蔽电阻部
211A 电阻元件
211B P沟道MOS晶体管
211C N沟道MOS晶体管
212 淬灭电阻部
212A 恒定电流源
212B 有源再充电电路
212S 开关
212C 控制单元
230 读出电路
230A 反相器
240 数字计数器电路
241 TDC电路
242 产生单元
243 信号处理单元
250 偏置电压产生单元
260 接合部
310 列电路
320 行扫描电路
330 接口电路
600 测距设备
602 光源单元
604 控制单元
605 光学系统
PAR 像素阵列单元
BL0、BL1、...、BLS、BL 位线
WL0、WL1、...WLN、WL 字线
C1、C2 寄生电容
RL、RS 电阻器
IVT 反相器
C01 阴极寄生电容
C02 输入寄生电容
VC1、VC2 可变电容元件
201 摄像设备
202 光学系统
203 快门装置
205 驱动电路
206 信号处理电路
207 监视器
208 存储器

Claims (20)

1.一种光接收元件，包括：
光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；
第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；
第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；和
连接点，所述第一电阻部的所述另一端、所述第二电阻部的所述一端和从所述光子响应倍增部读出输出的读出单元连接至所述连接点。
2.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述第二电阻部具有比所述第一电阻部的电阻值大的电阻值。
3.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，
在所述光子响应倍增部的所述一端处存在第一电容，并且
在所述第一电阻部的所述另一端处存在第二电容。
4.根据权利要求3所述的光接收元件，其中，所述第一电容和所述第二电容中的各者由可变电容元件构成。
5.根据权利要求4所述的光接收元件，其中，所述可变电容元件包括一个或多个晶体管。
6.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，
所述第二电阻部包括：
开关，其设置在所述读出单元和与所述第二电阻部的另一端电连接的电源之间；和
控制单元，其检测所述读出单元的输出并且基于检测结果控制所述开关。
7.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述第二电阻部是恒定电流源。
8.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述光子响应倍增部包括单光子雪崩二极管。
9.根据权利要求8所述的光接收元件，其中，所述光子响应倍增部的所述一端是所述单光子雪崩二极管的阴极或阳极。
10.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述光子响应倍增部包括硅光电倍增管。
11.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述第一电阻部是多晶硅电阻部或金属电阻部。
12.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，所述第一电阻部包括一个或多个晶体管。
13.根据权利要求1所述的光接收元件，还包括：
第一基板，其在一个表面上包括第一连接部；和
第二基板，其在一个表面上包括对应于所述第一连接部的第二连接部，并且通过所述第一连接部和所述第二连接部的接合而与所述第一基板电接合和机械接合，其中，
所述光子响应倍增部设置在所述第一基板中，并且
所述读出单元设置在所述第二基板中。
14.根据权利要求13所述的光接收元件，其中，
所述第一连接部和所述第二连接部包含铜，并且
所述第一连接部和所述第二连接部通过包含铜的所述第一连接部和所述第二连接部的表面彼此紧密接触而接合。
15.根据权利要求13所述的光接收元件，其中，所述第一连接部和所述第二连接部通过金属凸块接合。
16.根据权利要求1所述的光接收元件，还包括：
第一基板，其在一个表面上包括第一连接部；
第二基板，其在一个表面上包括对应于所述第一连接部的第二连接部，在与所述一个表面相反的表面上包括第三连接部，并且所述第二基板通过所述第一连接部和所述第二连接部的接合而与所述第一基板电接合和机械接合；和
第三基板，其在一个表面上包括对应于所述第二连接部的第三连接部，并且通过所述第二连接部和所述第三连接部的接合而与所述第二基板电接合和机械接合，其中，
所述光子响应倍增部设置在所述第一基板中。
17.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，对来自所述读出单元的信号的输出次数进行计数的计数单元连接至所述读出单元的输出端。
18.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，时间数字转换器连接至所述读出单元的输出端，所述时间数字转换器产生表示具有预定频率的基准信号和基于所述基准信号产生的另一信号之间的时间差的数字信号。
19.一种光学装置，包括以矩阵状布置的多个光接收元件，其中，所述多个光接收元件分别包括：
光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；
第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；
第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；和
连接点，所述第一电阻部的所述另一端、所述第二电阻部的所述一端和从所述光子响应倍增部读出输出的读出单元连接至所述连接点。
20.一种电子设备，包括：
光学系统；和
光学装置，在所述光学装置中以矩阵状布置有多个光接收元件，透过所述光学系统的光子入射到所述多个光接收元件上，其中，
所述多个光接收元件分别包括：
光子响应倍增部，其包括能够倍增响应于已经透过所述光学系统的光子的入射而产生的电荷的电荷倍增区域；
第一电阻部，其在一端处连接至所述光子响应倍增部的一端，并且具有比所述光子响应倍增部的电阻值大的电阻值；
第二电阻部，其在一端处连接至所述第一电阻部的另一端；和
连接点，所述第一电阻部的所述另一端、所述第二电阻部的所述一端和从所述光子响应倍增部读出输出的读出单元连接至所述连接点。
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