DE112021000828T5 - Photoelektrische umwandlungsvorrichtung, photoelektrischesumwandlungssystem und bewegliches objekt - Google Patents

Photoelektrische umwandlungsvorrichtung, photoelektrischesumwandlungssystem und bewegliches objekt Download PDF

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Abstract

Eine erste Avalanche-Diode, die ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, und eine zweite Avalanche-Diode, die ein zweites Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, sind bereitgestellt, wobei ein erster Isolationsabschnitt zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, der erste Isolationsabschnitt aus einem dritten Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, oder einem vierten Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet ist und die dritten Halbleitergebiete so angeordnet sind, dass sie das vierte Halbleitergebiet in einer Draufsicht dazwischen sandwichartig aufnehmen, und in den vierten Halbleitergebieten, eine Störstellenkonzentration Nd des dritten Halbleitergebiets, eine Störstellenkonzentration Na des vierten Halbleitergebiets, eine elektrische Elementarladung q, eine Dielektrizitätskonstante ε eines Halbleiters, eine Potentialdifferenz V zwischen einem P-N-Übergang des dritten Halbleitergebiets und des vierten Halbleitergebiets, und eine Länge D des dritten Halbleitergebiets, das von den vierten Halbleitergebieten sandwichartig umgeben ist, einen Ausdruck 1 erfüllen.2×2εNdVqNa(Na+Nd)>D

Description

  • Technischer Bereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, ein photoelektrisches Umwandlungssystem und ein bewegliches Objekt.
  • Technischer Hintergrund
  • Eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, die die Anzahl der in einem Lichtempfangsabschnitt ankommenden Photonen digital zählt und einen Zählwert davon als digitales Signal von einem Pixel ausgibt, ist bekannt. PTL 1 offenbart eine Lichterfassungsvorrichtung, die Avalanche-Dioden verwendet, die eine Avalanche-Multiplikation, bzw. Lawinenmultiplikation oder Lawinenvervielfachung in einem P-N-Übergangsgebiet eines Halbleitergebiets verursachen, das einen photoelektrischen Umwandlungsabschnitt bildet. In der Lichterfassungsvorrichtung von PTL 1 ist ein hochkonzentriertes P-Typ-Halbleitergebiet zur Bildung eines elektrischen Kontakts zwischen N-Typ-Halbleitergebieten von Avalanche-Dioden angeordnet, die einander benachbart sind.
  • Zitierliste
  • Patentliteratur
  • PTL 1: Japanisches Patent, Veröffentlichungsnr. 2018-201005
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Gemäß PTL 1 wird ein Abstand zwischen einem P-Typ-Halbleitergebiet und einem N-Typ-Halbleitergebiet, die eine Avalanche-Diode bilden, verringert, wenn eine Pixelgröße verringert wird. Wenn der Avalanche-Diode in diesem Zustand ein Potential zugeführt wird, wird ein lokales Gebiet mit hohem elektrischem Feld durch das hochkonzentrierte P-Typ-Halbleitergebiet zur Bildung eines elektrischen Kontakts und dem N-Typ-Halbleitergebiet gebildet, und es wird wahrscheinlich ein Dunkelstrom erzeugt.
  • Lösung des Problems
  • Eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine erste Avalanche-Diode mit einem ersten Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, in dem Majoritätsträger Ladungsträger sind, die gleich einer Signalladung sind, und eine zweite Avalanche-Diode mit einem zweiten Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, die so angeordnet ist, dass sie benachbart der ersten Avalanche-Diode ist, wobei ein erster Isolationsabschnitt zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, der erste Isolationsabschnitt durch dritte Halbleitergebiete des ersten Leitfähigkeitstyps oder vierte Halbleitergebiete eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet ist und die dritten Halbleitergebiete so angeordnet sind, dass sie das vierte Halbleitergebiet in einer Draufsicht sandwichen, bzw. dazwischen sandwichartig aufnehmen, und in den vierten Halbleitergebieten eine Störstellenkonzentration Nd des dritten Halbleitergebiets, eine Störstellenkonzentration Na des vierten Halbleitergebiets, eine elektrische Elementarladung q, eine Dielektrizitätskonstante ε eines Halbleiters, eine Potentialdifferenz V zwischen einem P-N-Übergang des dritten Halbleitergebiets und dem vierten Halbleitergebiet, eine Länge D des dritten Halbleitergebiets, der von den vierten Halbleitergebieten gesandwicht, bzw. sandwichartig umgeben ist, den folgenden Ausdruck erfüllen, und eine erste Avalanche-Diode mit einem ersten Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, in dem Majoritätsträger gleiche Ladungsträger wie eine Signalladung sind, und eine zweite Avalanche-Diode mit einem zweiten Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps enthält, die so angeordnet ist, dass sie benachbart an die erste Avalanche-Diode ist, wobei ein erster Isolationsabschnitt zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, der erste Isolationsabschnitt durch ein drittes Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps oder das dritte Halbleitergebiet und vierte Halbleitergebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, und in den vierten Halbleitergebieten eine Störstellenkonzentration Nd des dritten Halbleitergebiets, eine Störstellenkonzentration Na des vierten Halbleitergebiets, eine elektrische Elementarladung q, eine Dielektrizitätskonstante ε eines Halbleiters, eine Potentialdifferenz V zwischen dem P-N-Übergang des dritten Halbleitergebiets und des vierten Halbleitergebiets und eine Länge D des dritten Halbleitergebiets, das durch die vierten Halbleitergebiete gesandwicht, bzw. sandwichartig umgeben ist, den folgenden Ausdruck erfüllen. 2 × 2 ε N d N qNa ( Na + Nd ) > D
    Figure DE112021000828T5_0002
  • Eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche, eine erste Avalanche-Diode mit einem ersten Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, das in einer ersten Tiefe des Substrats angeordnet ist und in dem Majoritätsträger gleiche Ladungsträger wie eine Signalladung sind, und ein fünftes Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das ein vom ersten Leitfähigkeitstyp verschiedener Leitfähigkeitstyp ist und in einer zweiten Tiefe zwischen der ersten Tiefe und der zweiten Oberfläche angeordnet ist, und eine zweite Avalanche-Diode mit einem zweiten Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das in der ersten Tiefe des Substrats angeordnet ist, und einem sechsten Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, das in der zweiten Tiefe angeordnet ist, wobei die zweite Avalanche-Diode so angeordnet ist, dass sie benachbart der ersten Avalanche-Diode ist, wobei ein erster Isolationsabschnitt in der ersten Tiefe zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, ein erster Isolationsabschnitt in der ersten Tiefe zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, mindestens ein intrinsisches Halbleitergebiet, ein drittes Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps oder ein viertes Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps in dem ersten Isolationsabschnitt angeordnet ist, ein siebtes Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps in der zweiten Tiefe zwischen dem fünften Halbleitergebiet und dem sechsten Halbleitergebiet angeordnet ist, und eine Höhe eines Potentials in Bezug auf die Signalladung auf einer Linie, die durch den ersten Isolationsabschnitt und das siebte Halbleitergebiet verläuft, von dem siebten Halbleitergebiet zu dem ersten Isolationsabschnitt hin abnimmt und eine Differenz zwischen einer Höhe des Potentials in Bezug auf die Signalladung in dem ersten Halbleitergebiet und einer Höhe des Potentials in Bezug auf die Signalladung in dem fünften Halbleitergebiet größer ist als eine Differenz zwischen einer Höhe des Potentials in Bezug auf die Signalladung in dem ersten Isolationsabschnitt und einer Höhe des Potentials in Bezug auf die Signalladung in dem siebten Halbleitergebiet.
  • Eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine erste Avalanche-Diode, die ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, in dem Majoritätsträger gleiche Ladungsträger wie eine Signalladung sind, und eine zweite Avalanche-Diode, die ein zweites Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps enthält und so angeordnet ist, dass sie benachbart der ersten Avalanche-Diode ist, und eine erste Zählerschaltung, die dazu eingerichtet ist, um einen durch Avalanche-Multiplikation, bzw. Lawinenmultiplikation oder Lawinenvervielfachung in der ersten Avalanche-Diode erzeugten Avalanche-Strom, bzw. Lawinenstrom zu zählen, und eine zweite Zählerschaltung enthält, die sich von der ersten Zählerschaltung unterscheidet und dazu eingerichtet ist, um einen durch Lawinenvervielfachung in der zweiten Avalanche-Diode erzeugten Lawinenstrom zu zählen, und in einer Draufsicht ein Kontaktstecker, der eine Vorspannung an einen Knoten der ersten Avalanche-Diode anlegt, nicht zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung, die die Avalanche-Diode verwendet, eine Pixelgröße verringert werden, während ein Anstieg des Dunkelstroms unterdrückt wird.
  • Figurenliste
    • [1] 1 zeigt ein Blockdiagramm einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung.
    • [2] 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Pixels.
    • [3] 3 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht auf eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels.
    • [4A] 4A zeigt eine Schnittdarstellung der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels.
    • [4B] 4B zeigt eine Schnittdarstellung der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels.
    • [5A] 5A zeigt eine Potentialkarte der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels.
    • [5B] 5B zeigt eine Potentialkarte der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels.
    • [5C] 5C zeigt eine Potentialkarte der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels.
    • [6A] 6A zeigt eine Schnittdarstellung einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung eines Vergleichsbeispiels.
    • [6B] 6B zeigt eine Potentialkarte der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des Vergleichsbeispiels.
    • [7] 7 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels.
    • [8] 8 zeigt eine Schnittdarstellung der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels.
    • [9] 9 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung eines dritten Ausführungsbeispiels.
    • [10] 10 zeigt eine Schnittdarstellung der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels.
    • [11] 11 zeigt ein modifiziertes Beispiel des dritten Ausführungsbeispiels.
    • [12] 12 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung eines vierten Ausführungsbeispiels.
    • [13] 13 zeigt eine Schnittdarstellung der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des vierten Ausführungsbeispiels.
    • [14] 14 zeigt eine Schnittdarstellung einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung eines fünften Ausführungsbeispiels.
    • [15] 15 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung eines sechsten Ausführungsbeispiels.
    • [16] 16 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des sechsten Ausführungsbeispiels.
    • [17] 17 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung eines siebten Ausführungsbeispiels.
    • [18] 18 zeigt eine Schnittdarstellung der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des siebten Ausführungsbeispiels.
    • [19] 19 zeigt eine Schnittdarstellung einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung eines achten Ausführungsbeispiels.
    • [20] 20 zeigt eine Schnittdarstellung einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung eines neunten Ausführungsbeispiels.
    • [21] 21 zeigt ein photoelektrisches Umwandlungssystem gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel.
    • [22] 22 zeigt ein photoelektrisches Umwandlungssystem gemäß einem elften Ausführungsbeispiel.
    • [23A] 23A zeigt eine schematische Darstellung eines photoelektrischen Umwandlungssystems und eines beweglichen Objekts eines zwölften Ausführungsbeispiels.
    • [23B] 23B zeigt eine schematische Darstellung des photoelektrischen Umwandlungssystems und des beweglichen Objekts des zwölften Ausführungsbeispiels.
    • [24] 24 zeigt ein Flussdiagramm, das den Betrieb des photoelektrischen Umwandlungssystems des zwölften Ausführungsbeispiels veranschaulicht.
    • [25] 25 zeigt ein photoelektrisches Umwandlungssystem gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel.
    • [26] 26 zeigt ein photoelektrisches Umwandlungssystem gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [27] 27 zeigt ein Blockdiagramm des photoelektrischen Umwandlungssystems gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [28A] 28A zeigt ein photoelektrisches Umwandlungssystem gemäß einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [28B] 28B zeigt das photoelektrische Umwandlungssystem gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [28C] 28C zeigt das photoelektrische Umwandlungssystem gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [29] 29 zeigt das photoelektrische Umwandlungssystem gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [30A] 30A zeigt ein experimentelles Beispiel für ein photoelektrisches Umwandlungssystem gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [30B] 30B zeigt ein experimentelles Beispiel für ein photoelektrisches Umwandlungssystem gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [30C] 30C zeigt ein experimentelles Beispiel für ein photoelektrisches Umwandlungssystem gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [31A] 31A zeigt eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß einem sechzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [31B] 31B zeigt die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß dem sechzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [32] 32 zeigt die spektralen Transmissionsgrade von Filtern gemäß einem siebzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [33A] 33A zeigt ein Beispiel für eine Anordnung von Pixeln und Filtern gemäß dem siebzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [33B] 33B zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Pixel und der Filter gemäß dem siebzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [34] 34 zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Pixel und der Filter gemäß dem siebzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [35A] 35A zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Pixel und der Filter gemäß dem siebzehnten Ausführungsbeispiel.
    • [35B] 35B zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Pixel und der Filter gemäß dem siebzehnten Ausführungsbeispiel.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Die im Folgenden veranschaulichten Ausführungsbeispiele dienen der Veranschaulichung eines technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung und stellen keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Größen und eine Lagebeziehung der in den Zeichnungen dargestellten Elemente können zur Verdeutlichung der Beschreibung übertrieben dargestellt sein. In der folgenden Beschreibung wird der gleichen Konfiguration die gleiche Nummer zugewiesen, und Beschreibungen davon können ausgelassen sein.
  • Die im Folgenden veranschaulichten Ausführungsbeispiele beziehen sich insbesondere auf eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung mit einer SPAD (Single Photon Avalanche Diode), die die Anzahl der auf eine Avalanche-Diode einfallenden Photonen zählt. Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung umfasst mindestens eine Avalanche-Diode.
  • In der folgenden Beschreibung weist eine Anode der Avalanche-Diode ein festes Potential auf, und ein Signal wird von einer Kathodenseite abgenommen. Daher bezieht sich ein Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, in dem Majoritätsträger Ladungsträger desselben Leitfähigkeitstyps wie eine Signalladung sind, auf ein N-Typ-Halbleitergebiet, bzw. auf ein Halbleitergebiet vom Typ N, und ein Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps bezieht sich auf ein P-Typ-Halbleitergebiet, bzw. auf ein Halbleitergebiet vom Typ P. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch in einem Fall verwirklicht ist, in dem eine Kathode der Avalanche-Diode ein festes Potential aufweist und ein Signal von einer Anodenseite abgenommen wird. In diesem Fall bezieht sich ein Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, in dem die Majoritätsträger Ladungsträger desselben Leitfähigkeitstyps wie eine Signalladung sind, auf ein P-Typ-Halbleitergebiet, und bezieht sich ein Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf ein N-Typ-Halbleitergebiet. Im Folgenden ist ein Fall beschrieben, in dem an einem der Knoten der Avalanche-Diode ein festes Potential eingestellt ist, Potentiale an beiden Knoten jedoch schwanken können.
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1000 des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1000 weist ein Pixelgebiet 111, einen horizontalen Abtastschaltungsabschnitt 105, Signalleitungen 104 und einen vertikalen Abtastschaltungsabschnitt 103 auf.
  • Eine Vielzahl von Pixeln 110 ist zweidimensional im Pixelgebiet 111 angeordnet. Ein Pixel 110 besteht aus einem photoelektrischen Umwandlungsabschnitt 101 und einem Pixelsignalverarbeitungsabschnitt 102. Der photoelektrische Umwandlungsabschnitt 101 wandelt Licht in ein elektrisches Signal um. Der Pixelsignalverarbeitungsabschnitt 102 gibt das umgewandelte elektrische Signal an die Signalleitung 104 aus.
  • Der vertikale Abtastschaltungsabschnitt 103 und der horizontale Abtastschaltungsabschnitt 105 liefern einen Steuerungsimpuls an jedes der Pixel 110. Als vertikaler Abtastschaltungsabschnitt 103 wird eine Logikschaltung, wie z. B. ein Schieberegister oder ein Adressdecoder, verwendet.
  • Jede Signalleitung 104 liefert, als ein potenzielles Signal, ein digitales Signal, das von dem durch den vertikalen Abtastschaltungsabschnitt 103 ausgewählten Pixel 110 ausgegeben wird, an eine Schaltung in einem späteren Schritt des Pixels 110.
  • In 1 kann ein Array der Pixel 110 in dem Pixelgebiet 111 eindimensional angeordnet sein. Darüber hinaus kann das Pixelgebiet 111 in Blöcke unterteilt sein, die jeweils eine Vielzahl von Pixelspalten aufweisen, und der vertikale Abtastschaltungsabschnitt 103 und der horizontale Abtastschaltungsabschnitt 105 können für jeden der Blöcke angeordnet sein. Darüber hinaus können der vertikale Abtastschaltungsabschnitt 103 und der horizontale Abtastschaltungsabschnitt 105 für jede der Pixelspalten angeordnet sein.
  • Die Funktion des Pixelsignalverarbeitungsabschnitts 102 ist nicht notwendigerweise für jedes der Pixel 110 bereitgestellt, und ein einzelner Pixelsignalverarbeitungsabschnitt 102 kann beispielsweise von einer Vielzahl von Pixeln 110 gemeinsam genutzt werden, und eine Signalverarbeitung kann sequentiell durchgeführt werden. Um ein Öffnungsverhältnis des photoelektrischen Umwandlungsabschnitts 101 zu erhöhen, kann außerdem zumindest ein Teil des Pixelsignalverarbeitungsabschnitts 102 auf einem Halbleitersubstrat (zweites Substrat) bereitgestellt sein, das sich von dem des photoelektrischen Umwandlungsabschnitts 101 unterscheidet. In diesem Fall sind der photoelektrische Umwandlungsabschnitt 101 und der Pixelsignalverarbeitungsabschnitt 102 über einen für jedes der Pixel bereitgestellten Verbindungsdraht elektrisch miteinander verbunden. Eine Avalanche-Diode des photoelektrischen Umwandlungsabschnitts 101 ist vorzugsweise auf dem ersten Substrat angeordnet, und andere Konfigurationen sind vorzugsweise auf dem zweiten Substrat angeordnet. Der vertikale Abtastschaltungsabschnitt 103, der horizontale Abtastschaltungsabschnitt 105 und die Signalleitungen 104 können auf dem zweiten Substrat angeordnet sein.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm des Pixels 110 einschließlich einer Ersatzschaltung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. In 2 besteht das einzelne Pixel 110 aus dem photoelektrischen Umwandlungsabschnitt 101 und dem Pixelsignalverarbeitungsabschnitt 102.
  • Der photoelektrische Umwandlungsabschnitt 101 weist eine oder eine Vielzahl von angeordneten Avalanche-Dioden 201, ein Quenchelement 202 und einen Wellenformformungsabschnitt 203 auf.
  • Die Avalanche-Diode 201 erzeugt ein Ladungspaar gemäß einfallendem Licht durch photoelektrische Umwandlung. Einer Kathode der Avalanche-Diode 201 wird ein Potential zugeführt, das auf einem Potential VH basiert, das höher als ein Potential VL ist, das einer Anode zugeführt wird. Dann werden der Anode und der Kathode der Avalanche-Diode 201 Potentiale mit einer solchen Sperrspannung zugeführt, dass ein auf die Avalanche-Diode 201 auftreffendes Photon einer Avalanche-Multiplikation, bzw. Lawinenmultiplikation oder Lawinenvervielfachung unterzogen wird. Wenn die photoelektrische Umwandlung in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Potentiale der Sperrvorspannung zugeführt werden, bewirkt eine durch das einfallende Licht erzeugte Ladung, dass die Lawinenvervielfachung einen Lawinenstrom erzeugt.
  • Wenn in einem Fall die Potentiale der Sperrvorspannung zugeführt werden, wenn eine Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode größer als eine Durchbruchspannung ist, geht die Avalanche-Diode in den Geiger-Modus-Betrieb über. Eine Avalanche-Diode, die eine schnelle Erfassung eines schwachen Signals auf einer Einzelphotonen-Ebene unter Verwendung des Geiger-Modus-Betriebs ausführt, ist eine SPAD (Single Photon Avalanche Diode).
  • Das Quenchelement 202 ist mit einer Stromquelle verbunden, die das hohe Potential VH und die Avalanche-Diode 201 versorgt. Das Quenchelement 202 besteht aus einem P-Typ-MOS-Transistor oder einem Widerstandselement wie z. B. einem Polywiderstand. Darüber hinaus kann das Quenchelement 202 aus einer Vielzahl von seriellen MOS-Transistoren bestehen. Wenn ein Photostrom durch die Lawinenvervielfachung in der Avalanche-Diode 201 multipliziert, bzw. vervielfacht wird, fließt ein durch die vervielfachte Ladung erhaltener Strom zu einem Verbindungsknoten zwischen der Avalanche-Diode 201 und dem Quenchelement 202. Aufgrund eines Spannungsabfalls infolge dieses Stroms wird das Potential an der Kathode der Avalanche-Diode 201 verringert, und die Avalanche-Diode 201 bildet keine Elektronenlawine mehr. Auf diese Weise wird die Lawinenvervielfachung der Avalanche-Diode 201 beendet. Da das Potential VH der Stromquelle über das Quenchelement 202 an die Kathode der Avalanche-Diode 201 angelegt ist, kehrt das an die Kathode der Avalanche-Diode 201 angelegte Potential zum Potential VH zurück. Das heißt, dass ein Betriebsgebiet der Avalanche-Diode 201 wieder in den Geiger-Modus-Betrieb übergeht. Auf diese Weise fungiert das Quenchelement 202 zur Zeit der Ladungsvervielfachung durch die Lawinenvervielfachung als Lastschaltung (Quench-Schaltung) und unterdrückt die Lawinenvervielfachung (Quench-Betrieb). Darüber hinaus bewirkt das Quenchelement, dass das Betriebsgebiet der Avalanche-Diode wieder in den Geiger-Modus übergeht, nachdem die Lawinenvervielfachung unterdrückt wurde.
  • Der Wellenformformungsabschnitt 203 ist mit einem Verbindungsknoten zwischen dem Knoten der Avalanche-Diode 201 und dem Knoten des Quenchelements 202 verbunden. Durch Formung einer Potentialänderung an der Kathode der Avalanche-Diode 201, die zur Zeit der Photonenerfassung erhalten wird, wird ein rechteckiges Impulssignal ausgegeben. Als Wellenformformungsabschnitt 203 wird beispielsweise eine Inverterschaltung verwendet. Es wurde ein Beispiel gezeigt, bei dem ein einzelner Inverter als der Wellenformformungsabschnitt 203 verwendet wird, es kann jedoch auch eine Schaltung verwendet werden, die durch Reihenschaltung einer Vielzahl von Invertern entsteht. Nicht nur der Inverter, sondern auch andere Schaltungen, die eine wellenformformende Wirkung aufweisen, können verwendet werden.
  • Der Pixelsignalverarbeitungsabschnitt 102 weist eine Zählerschaltung 204 und eine Auswahlschaltung 205 auf.
  • Die Zählerschaltung 204 ist mit dem Wellenformformungsabschnitt 203 verbunden. Ein vom Wellenformformungsabschnitt 203 ausgegebenes Impulssignal wird von der Zählerschaltung 204 gezählt. Handelt es sich bei der Zählerschaltung 204 beispielsweise um eine N-Bit-Zähleinrichtung (N: eine positive ganze Zahl), kann das Impulssignal des einzelnen Photons maximal bis etwa zur N-ten Potenz von 2 gezählt werden. Die gezählten Signale werden als erfasste Signale festgehalten. Darüber hinaus werden die in der Zählerschaltung 204 gehaltenen Signale zurückgesetzt, wenn ein Steuerungsimpuls Res über eine Steuerungsleitung zugeführt wird.
  • Die Auswahlschaltung 205 ist mit der Zählerschaltung 204 und der Signalleitung 104 verbunden. Ein Steuerungsimpuls Sel wird der Auswahlschaltung 205 vom vertikalen Abtastschaltungsabschnitt 103 der 1 über eine Steuerungsleitung zugeführt, und es wird geschaltet, ob ein Zählwert der Zählerschaltung 204 an die Signalleitung 104 ausgegeben werden soll oder nicht. Die Auswahlschaltung 205 enthält z.B. eine Pufferschaltung oder ähnliches, die zur Ausgabe eines Signals konfiguriert ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass ein Schalter, z. B. ein Transistor, zwischen dem Quenchelement 202 und der Avalanche-Diode 201 angeordnet werden kann, um zwischen einem Modus, in dem die Avalanche-Diode 201 die Lawinenvervielfachung durchführen kann, und einem Modus, in dem die Avalanche-Diode 201 die Lawinenvervielfachung nicht durchführen kann, zu wechseln. In ähnlicher Weise kann die Zuführung des Potentials auf dem hohen Potential VH oder dem niedrigen Potential VL, das der Avalanche-Diode 201 zugeführt wird, unter Verwendung eines Schalters, z. B. eines Transistors, elektrisch geschaltet werden. Darüber hinaus kann ein Schalter, z. B. ein Transistor, zwischen dem photoelektrischen Umwandlungsabschnitt 101 und dem Pixelsignalverarbeitungsabschnitt 102 angeordnet sein, um die Eingabe eines Signals vom photoelektrischen Umwandlungsabschnitt 101 in die Zählerschaltung 204 zu steuern.
  • In dem Pixelgebiet 111, in dem die Vielzahl von Pixeln 110 in einer Matrixform angeordnet sind, kann ein aufgenommenes Bild durch einen Rolling-Shutter-Betrieb erhalten werden, bei dem die Zählung, bzw. Zählerstand der Zählerschaltung 204 für jede Zeile sequentiell zurückgesetzt wird und bei dem die in der Zählerschaltung 204 gehaltenen Signale sequentiell für jede Zeile ausgegeben werden.
  • Alternativ kann ein aufgenommenes Bild durch einen globalen elektronischen Shutter-Betrieb erhalten werden, bei dem die Zählung der Zählerschaltung 204 für alle Pixelzeilen gleichzeitig zurückgesetzt wird und die in der Zählerschaltung 204 gehaltenen Signale nacheinander für jede Zeile ausgegeben werden. Es wird darauf hingewiesen, dass in einem Fall, in dem der globale elektronische Shutter-Betrieb durchgeführt wird, vorzugsweise Mittel zum Schalten zwischen einem Fall, in dem die Zählung der Zählerschaltung 204 durchgeführt wird, und einem Fall, in dem die Zählung nicht durchgeführt wird, bereitgestellt sind. Die Mittel zum Schalten beziehen sich zum Beispiel auf den oben beschriebenen Schalter.
  • 2 veranschaulicht eine Konfiguration unter Verwendung der Zählerschaltung 204. Anstelle der Zählerschaltung 204 kann eine Konfiguration zum Erhalten eines Impulserfassungstimings unter Verwendung einer Zeit-Digital-Umwandlungsschaltung (Time to Digital Converter, im Folgenden TDC) oder eines Speichers gewählt werden.
  • Zu dieser Zeit wird eine Generierungszeit des vom Wellenformformungsabschnitt 203 ausgegebenen Impulssignals durch den TDC in ein digitales Signal umgewandelt. Zur Messung des Zeitablaufs des Timings des Impulssignals wird dem TDC ein Steuerungsimpuls Ref (Referenzsignal) über eine Treiberleitung vom vertikalen Abtastschaltungsabschnitt 103 von 1 zugeführt. Der TDC erhält als digitales Signal ein Signal, wenn ein Eingangstiming des von jedem Pixel über den Wellenformformungsabschnitt 203 ausgegebenen Signals als relative Zeit unter Verwendung eines Steuerungsimpulses pREF als eine Referenz eingestellt wird.
  • <Erstes Ausführungsbeispiel>
  • Eine Konfiguration einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist anhand von 3 bis 5 beschrieben.
  • 3 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht eines Pixelgebiets der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. 4A zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang A-A' in 3, und 4B zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang B-B' in 3. 5A zeigt eine Potentialkarte entlang X-X' und Y-Y' in 4A. 5B zeigt eine Potentialkarte entlang V-V' in 4A. 5C zeigt eine Potentialkarte entlang W-W' in 4B.
  • 3 veranschaulicht vier Pixel, darunter zwei Pixel in einer ersten Richtung und zwei Pixel in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung in einer Draufsicht. Es sei erwähnt, dass sich die erste Richtung auf eine Richtung entlang einer Pixelzeile, bzw. Pixelreihe (Zeilenrichtung, bzw. Reihenrichtung) bezieht. Das heißt, die erste Richtung bezieht sich auf eine Richtung mit einer Vielzahl von Pixeln in einer ersten Reihe, die einer Richtung entspricht, wenn man von einem zum anderen schaut. Darüber hinaus kann erwähnt werden, dass sich die zweite Richtung auf eine Richtung entlang einer Pixelspalte (Spaltenrichtung) bezieht. Eine Richtung, die die erste Richtung und die zweite Richtung schneidet, wird als dritte Richtung bezeichnet. Im Folgenden wird zur Vereinfachung der Beschreibungen in 3 eine Avalanche-Diode in der ersten Reihe und der ersten Spalte als eine erste Avalanche-Diode, eine Avalanche-Diode in der ersten Reihe und der zweiten Spalte als eine zweite Avalanche-Diode, und eine Avalanche-Diode in der zweiten Reihe und der zweiten Spalte als eine dritte Avalanche-Diode bezeichnet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht ein Pixel aus einem Zähler und einem Empfindlichkeitsgebiet zur Erzeugung eines Signals, das von dem einzelnen Zähler ausgelesen werden soll. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff „Draufsicht“ auf eine Ansicht in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene parallel zu einer Lichteinfallsoberfläche des Substrats.
  • Wie in 4 dargestellt, sind die Avalanche-Dioden im Inneren eines Substrats 40 ausgebildet. Das Substrat 40 weist eine erste Oberfläche 40A und eine zweite Oberfläche 40B gegenüber der ersten Oberfläche 40A auf. Die erste Oberfläche 40A ist eine Oberfläche auf einer Seite, auf der Kontaktstecker 6 und 7 ausgebildet sind. Darüber hinaus kann eine Gate-Elektrode des Transistors auf der ersten Oberfläche 40A angeordnet sein. Bei den Beschreibungen wird davon ausgegangen, dass Licht von der Seite der zweiten Oberfläche 40B des Substrats 40 einfällt, aber Licht kann auch von der Seite der ersten Oberfläche 40A des Substrats 40 einfallen. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff „Tiefe“ auf eine Tiefe von der ersten Oberfläche 40A hin zur, bzw. in Richtung der zweiten Oberfläche 40B.
  • Jede der Avalanche-Dioden weist mindestens ein Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps (N-Typ-Halbleitergebiet 1), das in einer ersten Tiefe ausgebildet ist, und ein Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps (P-Typ-Halbleitergebiet 5) auf, das in einer zweiten Tiefe ausgebildet ist, die eine größere Tiefe von der ersten Oberfläche aufweist als die erste Tiefe. Das N-Typ-Halbleitergebiet 1 und das P-Typ-Halbleitergebiet 5 (siebtes Halbleitergebiet) bilden einen P-N-Übergang. Das P-Typ-Halbleitergebiet 5 ist z. B. ein Wannengebiet.
  • Der Kontaktstecker 6, der das Potential VH über das Quenchelement 202 liefert, ist mit dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 verbunden. Der Kontaktstecker 7, der das Potential VL liefert, ist mit einem P-Typ-Halbleitergebiet 4 verbunden. Das Potential VL wird dem P-Typ-Halbleitergebiet 5 über den Kontaktstecker 7 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 4 zugeführt.
  • In einem Querschnitt, der durch die Vielzahl von N-Typ-Halbleitergebieten 1 verläuft, ist ein erster Isolationsabschnitt 20 zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 und dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 angeordnet. Darüber hinaus ist in einem Querschnitt, der sich von dem oben beschriebenen bestimmten Querschnitt unterscheidet, ein zweiter Isolationsabschnitt 30 zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 und dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 angeordnet. Zum Beispiel ist in 3 und 4 in einem Querschnitt, der durch das N-Typ-Halbleitergebiet 1 der ersten Avalanche-Diode und das N-Typ-Halbleitergebiet 1 der zweiten Avalanche-Diode verläuft, der erste Isolationsabschnitt 20 zwischen jedem der N-Typ-Halbleitergebiete angeordnet. In einem Querschnitt, der durch das N-Typ-Halbleitergebiet 1 der zweiten Avalanche-Diode und das N-Typ-Halbleitergebiet 1 der dritten Avalanche-Diode verläuft, ist der erste Isolationsabschnitt 20 zwischen jedem der N-Typ-Halbleitergebiete 1 angeordnet. In einem Querschnitt, der durch das N-Typ-Halbleitergebiet 1 der ersten Avalanche-Diode und das N-Typ-Halbleitergebiet 1 der dritten Avalanche-Diode verläuft, ist der zweite Isolationsabschnitt 30 zwischen jedem der N-Typ-Halbleitergebiete 1 angeordnet. Der zweite Isolationsabschnitt 30 umfasst zumindest das P-Typ-Halbleitergebiet 4.
  • Wie in 5A veranschaulicht, ist die Differenz zwischen der Höhe eines Potentials in Bezug auf ein Elektron in einem N-Typ-Halbleitergebiet 3 und der Höhe eines Potentials in Bezug auf ein Elektron in dem P-Typ-Halbleitergebiet 5 kleiner als eine Differenz zwischen einer Höhe eines Potentials in Bezug auf ein Elektron in dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 und einer Höhe eines Potentials in Bezug auf ein Elektron in dem P-Typ-Halbleitergebiet 5. Die Differenz zwischen der Höhe des Potentials in Bezug auf das Elektron im N-Typ-Halbleitergebiet 1 und der Höhe des Potentials in Bezug auf das Elektron im P-Typ-Halbleitergebiet 5 entlang X-X' ist so konfiguriert, dass die Lawinenvervielfachung möglich ist. Die Differenz zwischen der Höhe des Potentials in Bezug auf das Elektron im ersten Isolationsabschnitt 20 und der Höhe des Potentials in Bezug auf das Elektron im P-Typ-Halbleitergebiet 5 entlang Y-Y' ist so konfiguriert, dass sie die Lawinenvervielfachung nicht verursacht. Eine maximale Höhe des Potentials in Bezug auf das Elektron entlang Y-Y' ist niedriger als eine maximale Höhe des Potentials in Bezug auf das Elektron entlang X-X'.
  • 5B und 5C zeigen eine Potentialverteilung in Bezug auf eine Signalladung entlang V-V' und eine Potentialverteilung in Bezug auf eine Signalladung entlang W-W'. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in einem Zustand (Statisch), in dem ein Potential der Avalanche-Diode stabilisiert ist, um auf ein Photon zu warten, die Potentialhöhe des N-Typ-Halbleitergebiets 1 in Bezug auf die Signalladung im niedrigsten Zustand. Wenn dann ein Zustand (Gequencht) erreicht ist, in dem ein Photon oder eine Dunkelladung (engl. dark charge) erfasst wird und die Lawinenvervielfachung in der Avalanche-Diode verursacht wird, wird die Potentialhöhe in Bezug auf die Signalladung im N-Typ-Halbleitergebiet 1 allmählich erhöht. Eine Höhe einer Potentialbarriere im ersten Isolationsabschnitt 20 ist vorzugsweise höher als die Höhe des Potentials in Bezug auf die Signalladung im N-Typ-Halbleitergebiet 1, wenn die Lawinenvervielfachung verursacht wird. Dies liegt daran, dass auf diese Weise das Übersprechen der Ladung zwischen den benachbarten Avalanche-Dioden gesenkt werden kann und eine Funktion als Isolationsabschnitt erleichtert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass in einem Fall, in dem eine Auflösung der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung nicht erhöht werden muss, es möglich ist, dass die Potentialbarriere nicht in dem ersten Separationsabschnitt 20 gebildet wird. Das heißt, die Höhe des Potentials des ersten Isolationsabschnitts 20 kann im Wesentlichen die gleiche, wie die Höhe des Potentials des N-Typ-Halbleitergebiets 1 in einem Zustand sein, in dem die Lawinenvervielfachung verursacht werden soll.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die durch den ersten Isolationsabschnitt 20 gebildete Potentialbarriere niedriger als die durch den zweiten Isolationsabschnitt 30 gebildete Potentialbarriere. Auch in diesem Fall erleichtert eine Verringerung der Pixelgröße ein geringeres Übersprechen. Ein Grund dafür ist weiter unten beschrieben, während die in PTL 1 beschriebene Lichterfassungsvorrichtung mit einem in 6 veranschaulichten Vergleichsbeispiel verglichen wird.
  • In dem in 6A veranschaulichten Vergleichsbeispiel ist das N-Typ-Halbleitergebiet 3 zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 und dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 angeordnet. Dann sind die N-Typ-Halbleitergebiete 3 so angeordnet, dass sie ein P-Typ-Halbleitergebiet 8 sandwichen, bzw. dazwischen sandwichartig aufnehmen (engl. to sandwich).
  • In der in PTL 1 beschriebenen Lichterfassungsvorrichtung ist ein P-Typ-Halbleitergebiet mit einer hohen Störstellenkonzentration so angeordnet, dass es den gesamten Umfang des N-Typ-Halbleitergebiets umgibt, das die Avalanche-Diode in der Draufsicht bildet. In diesem Fall muss jedes der Halbleitergebiete in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sein, um eine Stehspannung zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet und dem P-Typ-Halbleitergebiet zu gewährleisten. Daher können die N-Typ-Halbleitergebiete der einzelnen Avalanche-Dioden nicht nahe beieinanderliegen, und ein Pixelabstand kann nicht verringert werden.
  • Darüber hinaus ist in der im Vergleichsbeispiel veranschaulichten photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung die Störstellenkonzentration des P-Typ-Halbleitergebiets 8 niedrig, aber das P-Typ-Halbleitergebiet bleibt ein neutrales Gebiet. Daher wird, wie in 6B dargestellt, entlang Y-Y' das Potential in Bezug auf die Signalladung mit zunehmender Annäherung an Y erhöht. In dieser Struktur wird ein Elektron, das in einem Gebiet zwischen dem P-Typ-Halbleitergebiet 8 und einem P-Typ-Halbleitergebiet 11 erzeugt wird, ebenfalls als Signalladung gelesen. Das heißt, dass ein Empfindlichkeitsgebiet nicht für jeden der N-Typ-Halbleitergebiete 1 in einem Halbleitergebiet 13 zwischen dem P-Typ-Halbleitergebiet 8 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 11 separiert werden kann.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „Störstellenkonzentration“, bzw. „Verunreinigungskonzentration“, wenn er in der vorliegenden Beschreibung einfach verwendet wird, eine Nettostörstellenkonzentration, bzw. Nettoverunreinigungskonzentration bedeutet, die durch eine Verunreinigung vom Verunreinigungstyp einer umgekehrten Leitfähigkeit kompensiert wird. Das heißt, „Störstellenkonzentration“ bezieht sich auf eine NETTO-Konzentration. Ein Gebiet, in dem eine additive Störstellenkonzentration vom P-Typ höher als eine additive Störstellenkonzentration vom N-Typ ist, ist ein Halbleitergebiet vom Typ P, bzw. ein P-Typ-Halbleitergebiet. Umgekehrt ist ein Gebiet mit einer additiven Störstellenkonzentration vom N-Typ, die höher als eine additive Störstellenkonzentration vom P-Typ ist, ein Halbleitergebiet vom Typ N, bzw. ein N-Typ-Halbleitergebiet.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein solches Halbleitergebiet, in dem ein Gebiet zwischen den N-Typ-Halbleitergebieten 1 verarmt ist, als der erste Isolationsabschnitt 20 zwischen der Vielzahl von N-Typ-Halbleitergebieten 1 angeordnet. Da der erste Isolationsabschnitt 20, wie in 5A dargestellt, verarmt ist, nimmt die Potentialverteilung entlang Y-Y' vom P-Typ-Halbleitergebiet 5 zum ersten Isolationsabschnitt 20 hin ab. Mit anderen Worten, nimmt die Potentialverteilung entlang Y-Y' monoton vom P-Typ-Halbleitergebiet 5 zum ersten Isolationsabschnitt 20 hin ab. Daher wird ein Zustand hergestellt, in dem Ladung auch in den ersten Isolationsabschnitt 20 fließt. Die Ladung, die zum ersten Isolationsabschnitt 20 geflossen ist, fließt durch das N-Typ-Halbleitergebiet 1, aber da eine Potentialdifferenz zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 und dem Isolationsabschnitt 20 eine Potentialdifferenz in einem solchen Ausmaß ist, dass keine Lawinenvervielfachung verursacht wird, wird der Lawinenstrom nicht erzeugt und nicht von der Zählerschaltung gezählt. Daher wird die Potentialdifferenz nicht als ein Signal gelesen. Das heißt, dass nicht nur der erste Isolationsabschnitt 20, sondern auch ein Gebiet zwischen dem ersten Isolationsabschnitt 20 und einer zweiten Oberfläche im Wesentlichen als tote Gebiete fungieren und dazu gebracht werden können, als der Isolationsabschnitt zu fungieren. Daher kann das Signal für jeden Pixel gelesen werden, selbst wenn der Pixelabstand verringert wird, während das Übersprechen verringert wird.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das N-Typ-Halbleitergebiet 3 mit der geringeren Störstellenkonzentration als die des N-Typ-Halbleitergebiets 1 als der erste Isolationsabschnitt 20 angeordnet. Mit anderen Worten wird eine Konfiguration angenommen, bei der das P-Typ-Halbleitergebiet 4 anstelle den gesamten Umfang des N-Typ-Halbleitergebiets 1 in einer Draufsicht zu umgeben, das P-Typ-Halbleitergebiet 4 in einem Teil des Umfangs des N-Typ-Halbleitergebiets 1 angeordnet ist, und das P-Typ-Halbleitergebiet 4 in einem anderen Teil nicht angeordnet ist. Das heißt, es wird eine Konfiguration angenommen, bei der das P-Typ-Halbleitergebiet 4, in dem die Stehspannung sichergestellt werden muss, nur teilweise angeordnet ist, und in dem anderen Teil eine Höhe der Potentialbarriere so eingestellt ist, dass die Signalladung nicht entweicht, bzw. leckt (engl. to leak). Ohne hierauf beschränkt zu sein, können das P-Typ-Halbleitergebiet 4 und die N-Typ-Halbleitergebiete 3, die so angeordnet sind, dass sie das P-Typ-Halbleitergebiet 4 sandwichen, bzw. dazwischen sandwichartig aufnehmen, als der erste Isolationsabschnitt 20 angeordnet werden, wie in einem Ausführungsbeispiel, das weiter unten beschrieben ist, solange der erste Isolationsabschnitt 20 verarmt ist. Darüber hinaus kann ein intrinsisches Halbleitergebiet (i-Typ-Halbleitergebiet) zumindest in einem Teil davon angeordnet sein. Außerdem kann nur das P-Typ-Halbleitergebiet 4 zwischen den N-Typ-Halbleitergebieten 1 angeordnet sein.
  • Eine Länge des ersten Isolationsabschnitts 20 in der ersten Richtung ist kürzer als eine Länge des zweiten Isolationsabschnitts 30 in der dritten Richtung. Mit anderen Worten ist ein Abstand zwischen den N-Typ-Halbleitergebieten 1 in der ersten Richtung kürzer als ein Abstand zwischen den N-Typ-Halbleitergebieten 1 in der dritten Richtung. So ist beispielsweise ein Verhältnis einer Länge des ersten Isolationsabschnitts 20 zur Länge des zweiten Isolationsabschnitts 30 kleiner als 1 und gleich oder größer als 1/8. Beispielsweise beträgt ein Abstand zwischen den Lawinenvervielfachungsabschnitten in der ersten Richtung vorzugsweise 1µm oder mehr. Um die Stehspannung zu gewährleisten, kann der Abstand zwischen den Lawinenvervielfachungsabschnitten in der ersten Richtung beispielsweise auf 0,5µm oder mehr und vorzugsweise auf 1µm oder mehr eingestellt werden. Andererseits kann der Abstand zwischen den Lawinenvervielfachungsabschnitten in der ersten Richtung beispielsweise auf 10µm oder weniger und vorzugsweise auf 4µm oder weniger eingestellt sein, um die Fläche des Pixelgebiets zu reduzieren.
  • Die Störstellenkonzentration des N-Typ-Halbleitergebiets 3 ist vorzugsweise niedriger als die Störstellenkonzentration des P-Typ-Halbleitergebiets 5, das an einer Position angeordnet ist, die das N-Typ-Halbleitergebiet 3 in Draufsicht überlappt. Auf diese Weise kann das N-Typ-Halbleitergebiet 3 in Längsrichtung zur zweiten Oberfläche hin verarmt werden. Die Störstellenkonzentration des N-Typ-Halbleitergebiets 3 unterscheidet sich beispielsweise um das Zweifache oder mehr relativ zur Störstellenkonzentration des P-Typ-Halbleitergebiets 5. Die Störstellenkonzentration des N-Typ-Halbleitergebiets 3 ist beispielsweise auf 1E18 cm-3 oder weniger eingestellt. Das N-Typ-Halbleitergebiet 3 erfüllt vorzugsweise den folgenden Ausdruck (1). In dem folgenden Ausdruck (1) ist die Störstellenkonzentration des N-Typ-Halbleitergebiets 3 als eine Störstellenkonzentration Nd2 eingestellt, die Störstellenkonzentration des P-Typ-Halbleitergebiets 5 als Na2 eingestellt und eine elektrische Elementarladung als q eingestellt. Ferner ist eine Dielektrizitätskonstante eines Halbleiters als ε eingestellt, eine Potentialdifferenz zwischen dem P-N-Übergang des N-Typ-Halbleitergebiets 3 und des P-Typ-Halbleitergebiets 5 als eine Potentialdifferenz V eingestellt und eine Tiefe des N-Typ-Halbleitergebiets 3 als H eingestellt.
    [Math. 2] ε N a 2 V q N d 2 ( N a 2 + N d 2 ) > H
    Figure DE112021000828T5_0003
  • Das N-Typ-Halbleitergebiet 3 wird von der Vielzahl benachbarter Avalanche-Dioden gemeinsam genutzt. Der zweite Isolationsabschnitt 30 besteht aus dem N-Typ-Halbleitergebiet 3 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 4.
  • Ein N-Typ-Halbleitergebiet 2 mit der geringeren Störstellenkonzentration als die des N-Typ-Halbleitergebiets 1 ist vorzugsweise zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 4 angeordnet. Auf diese Weise kann es erleichtert werden, eine Ladung in der Nähe des N-Typ-Halbleitergebiets 2 in eine Position nahe dem Kontaktstecker 6 im N-Typ-Halbleitergebiet 1 zu bewegen. Das N-Typ-Halbleitergebiet 2 kann so eingestellt sein, dass es die gleiche Störstellenkonzentration wie das N-Typ-Halbleitergebiet 3 aufweist.
  • In 4 sind das N-Typ-Halbleitergebiet 2 und das P-Typ-Halbleitergebiet 4 miteinander in Kontakt, aber das N-Typ-Halbleitergebiet 2 und das P-Typ-Halbleitergebiet 4 können physisch voneinander getrennt sein. Um einen Spannungswiderstand zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 2 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 4 zu verbessern, kann außerdem eine Grabenisolierung zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 2 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 4 angebracht werden. Beispielsweise kann zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 2 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 4 eine STI (Shallow Trench Isolation) angebracht werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass 4 eine Konfiguration zeigt, in der das P-Typ-Halbleitergebiet 5, das keinen Störstellenkonzentrationsgradienten aufweist, angeordnet ist, aber das P-Typ-Halbleitergebiet 5 ein Gebiet sein kann, das einen Störstellenkonzentrationsgradienten aufweist. Beispielsweise kann eine Konfiguration angenommen werden, bei der im Vergleich zu einer Störstellenkonzentration in einer bestimmten Tiefe eine Störstellenkonzentration in einer Tiefe, die tiefer als die bestimmte Tiefe ist, höher eingestellt ist.
  • In diesem Fall kann unmittelbar unter dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 ein Störstellengebiet des ersten Leitfähigkeitstyps oder des zweiten Leitfähigkeitstyps zur Anpassung eines elektrischen Feldes des P-N-Übergangs angeordnet sein.
  • In 4 teilen sich zwei Avalanche-Dioden, die in der ersten Richtung oder der zweiten Richtung ausgerichtet sind, das Halbleitergebiet 3, aber drei oder mehr Avalanche-Dioden, die in der ersten Richtung oder der zweiten Richtung ausgerichtet sind, können sich das N-Typ-Halbleitergebiet 3 teilen.
  • Außerdem sind in 4 in der dritten Richtung das P-Typ-Halbleitergebiet 4 und der Kontaktstecker 7 zwischen jedem der N-Typ-Halbleitergebiete 1 angeordnet, aber das P-Typ-Halbleitergebiet 4 und der Kontaktstecker 7 können ausgedünnt und angeordnet sein.
  • In 3 und 4 ist in einer Draufsicht ein Abstand zwischen den vier Kontaktsteckern 6 gleich oder größer als LC, und ein Abstand zwischen den vier Kontaktsteckern 6 und dem Kontaktstecker 7 ist gleich oder kleiner als LC. L bezeichnet einen Abstand zwischen den in der ersten Richtung ausgerichteten Kontaktsteckern 7, und LC ist L / 2 .
    Figure DE112021000828T5_0004
    Mit anderen Worten ist in 3 und 4 der Kontaktstecker 7 in einem Abstand gleich oder kleiner als LC in Bezug auf alle der vier Kontaktstecker 6 angeordnet. Auf diese Weise kann der Kontaktstecker 7 von den Avalanche-Dioden gemeinsam genutzt werden, während der Abstand zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 jeder der Avalanche-Dioden und dem P-Typ-Halbleitergebiet 4 auf ein gleiches Intervall eingestellt ist. Ein Abstand zwischen Kontaktsteckern kann z. B. ein Abstand zwischen Kontaktsteckern bei dem kürzesten Abstand sein. In einem Fall beispielsweise, in dem eine Vielzahl von Kontaktsteckern mit dem P-Typ-Halbleitergebiet 4 verbunden sind und die Vielzahl von Kontaktsteckern 6 mit dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 verbunden sind, ist es ausreichend, wenn der Kontaktstecker 6 und der Kontaktstecker 7 bei dem kürzesten Abstand den oben beschriebenen Ausdruck erfüllen. Der kürzeste Abstand zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 jeder der Avalanche-Dioden und dem dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 nächstgelegenen Kontaktstecker 7 ist vorzugsweise auf ein gleiches Intervall eingestellt.
  • Darüber hinaus sind, wie in 3 und 4 dargestellt, der Kontaktstecker 7, der Kontaktstecker 6, der Kontaktstecker 7, der Kontaktstecker 6 und der Kontaktstecker 7 in der dritten Richtung in einer Draufsicht nacheinander angeordnet. Entlang eines Querschnitts in der dritten Richtung sind der Kontaktstecker 7, das P-Typ-Halbleitergebiet 5, das N-Typ-Halbleitergebiet 2, das N-Typ-Halbleitergebiet 1 und das N-Typ-Halbleitergebiet 2 nacheinander angeordnet. Anschließend sind außerdem der Kontaktstecker 7, das N-Typ-Halbleitergebiet 3, das N-Typ-Halbleitergebiet 1, das N-Typ-Halbleitergebiet 3, das P-Typ-Halbleitergebiet 5 und der Kontaktstecker 7 nacheinander angeordnet. Auf diese Weise, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, während der Kontaktstecker 7 von den Avalanche-Dioden gemeinsam genutzt wird, ist jede der Konfigurationen so angeordnet, dass sie in der dritten Richtung symmetrisch miteinander sind. Auf diese Weise kann es möglich sein, eine Schwankung einer Signalauslesung zwischen den Avalanche-Dioden zu reduzieren.
  • <Zweites Ausführungsbeispiel>
  • Eine Konfiguration der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist anhand von 7 und 8 beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der erste Isolationsabschnitt 20 aus dem N-Typ-Halbleitergebiet 3 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 8 mit der Störstellenkonzentration, die geringer als die des P-Typ-Halbleitergebiets 4 ist, gebildet wird. Ein Element, das nicht im Folgenden beschrieben ist, kann im Wesentlichen eine ähnliche Konfiguration wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel annehmen.
  • Auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Höhe der durch den zweiten Isolationsabschnitt 30 gebildeten Potentialbarriere höher als die Höhe der durch den ersten Isolationsabschnitt 20 gebildeten Potentialbarriere. Darüber hinaus ist auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der erste Isolationsabschnitt 20 dazu eingerichtet, um vollständig verarmt zu sein.
  • Die Störstellenkonzentration des P-Typ-Halbleitergebiets 8 ist niedriger als die Störstellenkonzentration des P-Typ-Halbleitergebiets 4.
  • Eine Bedingung in einer Konfiguration, in der das P-Typ-Halbleitergebiet 8 vollständig verarmt werden soll, ist in dem folgenden Ausdruck (2) dargestellt. Darin ist die Störstellenkonzentration des N-Typ-Halbleitergebiets 3 als Nd eingestellt, ist die Störstellenkonzentration des P-Typ-Halbleitergebiets 8 als Na eingestellt und ist die elektrische Elementarladung als q eingestellt. Ferner ist die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters als ε eingestellt, ist eine Potentialdifferenz zwischen dem P-N-Übergang des N-Typ-Halbleitergebiets 3 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 8 als V eingestellt und ist eine Länge des P-Typ-Halbleitergebiets 8, das von den N-Typ-Halbleitergebieten 3 gesandwicht, bzw. sandwichartig umgeben ist (engl.: sandwiched), als D eingestellt.
    [Math. 3] 2 × 2 ε N d N qNa ( Na + Nd ) > D
    Figure DE112021000828T5_0005
  • In dem oben beschriebenen Ausdruck (2) ist eine Dimension von D [m], ist eine Dimension von q [C], ist eine Dimension von Nd und Na [m-3 ], ist eine Dimension von ε [F/m] und ist eine Dimension von V [V]. Das heißt, wenn die Dimensionen des oben beschriebenen Ausdrucks (2) extrahiert werden, ergibt sich der folgende Ausdruck (3).
    [Math. 4]   [ F/m ] [ m − 3 ] [ V ] [ C ] [ m − 3 ] [ m − 3 ] = [ F ] [ m − 4 ] [ V ] [ C ] [ m − 6 ]
    Figure DE112021000828T5_0006
  • Da [C] = [F][V] aufgrund von Q = CV ist, ergibt sich bei der Erweiterung des oben beschriebenen Ausdrucks (3) darüber hinaus der folgende Ausdruck (4).
    [Math. 5] = [ F ] [ m − 4 ] [ V ] [ F ] [ V ] [ m − 6 ] = 1 [ m − 2 ] = [ m ]
    Figure DE112021000828T5_0007
  • In 6 sind das N-Typ-Halbleitergebiet 3 und das P-Typ-Halbleitergebiet 8 in der gleichen Tiefe ausgebildet, aber das P-Typ-Halbleitergebiet 8 kann an einer flacheren Position als das N-Typ-Halbleitergebiet 3 ausgebildet sein. Darüber hinaus ist das P-Typ-Halbleitergebiet 8 so konfiguriert, um einen Teil der ersten Oberfläche 40A zu bilden, kann aber so ausgebildet sein, um von der ersten Oberfläche 40A entfernt zu sein.
  • In 6 weist das P-Typ-Halbleitergebiet 8 keinen Gradienten der Störstellenkonzentration auf, kann aber einen Gradienten der Störstellenkonzentration in mindestens einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche 40A oder einer Tiefenrichtung aufweisen.
  • Auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, der Pixelabstand im Vergleich zu PTL 1 verringert werden. Da außerdem eingestellt werden kann, dass die in dem Gebiet zwischen dem ersten Isolationsabschnitt 20 und der zweiten Oberfläche erzeugte Ladung nicht als Signal gelesen werden soll, kann das Empfindlichkeitsgebiet für jeden der N-Typ-Halbleitergebiete 1 geteilt werden, und die Signale können getrennt, bzw. separiert werden.
  • <Drittes Ausführungsbeispiel>
  • Eine Konfiguration der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist anhand von 9 bis 11 beschrieben. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der erste Isolationsabschnitt 20 durch das N-Typ-Halbleitergebiet 3 und einen Grabenisolationsabschnitt 9 gebildet wird. Ein Element, das nicht im Folgenden beschrieben ist, kann im Wesentlichen eine ähnliche Konfiguration wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel annehmen.
  • 8 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht des Pixelgebiets der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. 10 und 11 zeigen schematische Schnittdarstellungen entlang A-A' in 9.
  • Der Grabenisolationsabschnitt 9 kann durch STI, wie in 10 dargestellt, oder DTI (Deep Trench Isolation), wie in 11 dargestellt, gebildet werden. Beispielsweise ist ein Ende des Grabenisolationsabschnitts 9 bis zu einer Position tiefer als das N-Typ-Halbleitergebiet 1 ausgebildet.
  • In den Grabenisolationsabschnitt 9 ist mindestens ein dielektrisches Material aus einem Oxid, Polysilizium, das über eine dielektrische Schicht angeordnet ist, oder ein Metall eingebettet.
  • Ein Störstellengebiet des ersten leitenden Typs zur Inaktivierung eines Defekts, der an einer Grenzfläche zwischen dem Grabenisolationsabschnitt 9 und dem Halbleitergebiet 3 gebildet werden kann, kann an einer lateralen Seite des Grabenisolationsabschnitts 9 angeordnet werden.
  • Außerdem kann der Graben im Falle eines Sensors eines Typs mit rückseitiger Beleuchtung von der Seite der zweiten Oberfläche aus gebildet werden.
  • Auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, der Pixelabstand im Vergleich zu PTL 1 verringert werden. Darüber hinaus kann in einem Fall, in dem der Grabenisolationsabschnitt 9 durch DTI gebildet wird, eine Farbmischung zwischen benachbarten Pixeln aufgrund eines Einflusses der Lichtemission in der Avalanche-Diode verringert werden.
  • <Viertes Ausführungsbeispiel>
  • Eine Konfiguration der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist anhand von 12 und 13 beschrieben. Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel wird die Avalanche-Diode durch das N-Typ-Halbleitergebiet 1, ein N-Typ-Halbleitergebiet 10 und das P-Typ-Halbleitergebiet 11 gebildet. Das P-Typ-Halbleitergebiet 11 ist ebenfalls an einer tieferen Stelle als die N-Typ-Halbleitergebiete 2 und 3 und das P-Typ-Halbleitergebiet 5 bereitgestellt. Dann sind das P-Typ-Halbleitergebiet 4 und das P-Typ-Halbleitergebiet 11 über das P-Typ-Halbleitergebiet 5 miteinander verbunden. Andere Konfigurationen als diese sind ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Ein Element, das nicht im Folgenden beschrieben ist, kann im Wesentlichen eine ähnliche Konfiguration wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel annehmen.
  • Das N-Typ-Halbleitergebiet 10 ist ein Halbleitergebiet mit einer geringeren Störstellenkonzentration als die des N-Typ-Halbleitergebiets 1. Darüber hinaus ist das N-Typ-Halbleitergebiet 10 ein Halbleitergebiet mit einer höheren Störstellenkonzentration als das N-Typ-Halbleitergebiet 3. Wenn das N-Typ-Halbleitergebiet 10 zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 11 gebildet wird, kann eine elektrische Feldintensität, die zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 11 erzeugt wird, eingestellt werden. Da das N-Typ-Halbleitergebiet 10 angeordnet ist, ist es außerdem einfacher, eine photoelektrische Ladung zu erfassen, die im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel in einem tiefen Abschnitt erzeugt wird, und eine Empfindlichkeit bei langen Wellenlängen kann verbessert werden.
  • Das P-Typ-Halbleitergebiet 11 ist kontinuierlich von einer Position unterhalb eines der Kontaktstecker 7 bis zu einer Position unterhalb des anderen der Kontaktstecker 7 in einem bestimmten Querschnitt angeordnet. Da das P-Typ-Halbleitergebiet 11 angeordnet ist, kann verhindert werden, dass eine unnötige Signalladung, die auf der zweiten Oberfläche 40B des Substrats erzeugt werden kann, zu dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 gelesen wird. In 12 sind zwei Sätze von vier Avalanche-Dioden in unterteilten Gebieten angeordnet, die durch die P-Typ-Halbleitergebiete 4, 5 und 11 unterteilt sind.
  • Das P-Typ-Halbleitergebiet 5 kann dem P-Typ-Halbleitergebiet 11 über das P-Typ-Halbleitergebiet 4 das Potential zuführen. Das P-Typ-Halbleitergebiet 5 ist ein Halbleitergebiet mit einer geringeren Störstellenkonzentration als die des P-Typ-Halbleitergebiets 4.
  • Das P-Typ-Halbleitergebiet 11 kann einen Konzentrationsgradienten in der Tiefenrichtung aufweisen. Darüber hinaus kann in 12 zwischen dem P-Typ-Halbleitergebiet 4 und dem N-Typ-Halbleitergebiet 2 ein Grabenisolationsabschnitt zur Gewährleistung der Stehspannung angeordnet sein.
  • Auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, der Pixelabstand im Vergleich zu PTL 1 verringert werden. Außerdem wird es im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel erleichtert, die in dem tiefen Abschnitt erzeugte photoelektrische Ladung zu erfassen und die Empfindlichkeit bei langen Wellenlängen kann verbessert werden.
  • <Fünftes Ausführungsbeispiel>
  • Eine Konfiguration der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ist anhand von 14 beschrieben. Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Isolationsabschnitt 20 durch das N-Typ-Halbleitergebiet 3 und den P-Typ-Halbleitergebiet 8 gebildet. Da das P-Typ-Halbleitergebiet 8 dem P-Typ-Halbleitergebiet 8 des zweiten Ausführungsbeispiels ähnelt, ist dessen Beschreibung ausgelassen. Da außerdem andere Konfigurationen als der zweite Isolationsabschnitt 20 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben sind, ist deren Beschreibung ausgelassen.
  • Auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, der Pixelabstand im Vergleich zu PTL 1 verringert werden. Außerdem wird im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel die Erkennung der in dem tiefen Abschnitt erzeugten photoelektrischen Ladung erleichtert und die Empfindlichkeit bei langen Wellenlängen kann verbessert werden.
  • <Sechstes Ausführungsbeispiel>
  • Eine Konfiguration der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel ist anhand von 15 und 16 beschrieben. 15 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht des Pixelgebiets der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel. 16 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang A-A' in 15. Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel ist ein P-Typ-Halbleitergebiet zur physischen Trennung des Empfindlichkeitsgebiets jedes der Pixel angeordnet. Darüber hinaus ist ein P-Typ-Halbleitergebiet 12 zwischen dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 11 angeordnet, und das photoelektrische Umwandlungsgebiet 13 ist zwischen dem P-Typ-Halbleitergebiet 12 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 11 angeordnet. Dann ist das P-Typ-Halbleitergebiet 5 zwischen dem ersten Isolationsabschnitt 20 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 11 angeordnet. Andere Konfigurationen als diese sind ähnlich wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel. Ein Element, das nicht im Folgenden beschrieben ist, kann im Wesentlichen eine ähnliche Konfiguration wie das vierte Ausführungsbeispiel annehmen.
  • Das P-Typ-Halbleitergebiet 12 bildet den P-N-Übergang mit dem N-Typ-Halbleitergebiet 1. Die Lawinenvervielfachung kann in der Nähe dieses P-N-Übergangs verursacht werden. Das P-Typ-Halbleitergebiet 12 ist von einem der P-Typ-Halbleitergebiete 5 bis zum anderen der P-Typ-Halbleitergebiete 5 in einer Schnittansicht durchgehend angeordnet.
  • Das photoelektrische Umwandlungsgebiet 13 ist zwischen dem P-Typ-Halbleitergebiet 12 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 11 angeordnet.
  • Das photoelektrische Umwandlungsgebiet 13 besteht aus einem N-Typ-Halbleitergebiet mit einer geringeren Störstellenkonzentration als die des N-Typ-Halbleitergebiets 1 oder einem P-Typ-Halbleitergebiet mit einer geringeren Störstellenkonzentration als die der P-Typ-Halbleitergebiete 5 und 11.
  • In 15 sind das P-Typ-Halbleitergebiet 4 und das N-Typ-Halbleitergebiet 2 voneinander separiert, aber das P-Typ-Halbleitergebiet 4 und das N-Typ-Halbleitergebiet 2 können miteinander in Kontakt sein.
  • Auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, der Pixelabstand im Vergleich zu PTL 1 verringert werden. Da das photoelektrische Umwandlungsgebiet durch das P-Typ-Halbleitergebiet 5 physisch getrennt ist, ist es bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel außerdem leichter, das Übersprechen der Ladung zu verringern. Da außerdem ein Lawinenvervielfachungsgebiet im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel verringert werden kann, kann der Dunkelstrom verringert werden, während die Empfindlichkeit beibehalten wird.
  • <Siebtes Ausführungsbeispiel>
  • Eine Konfiguration der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel ist anhand von 17 und 18 beschrieben. 17 zeigt eine teilweise vergrößerte Draufsicht des Pixelgebiets der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel. 18 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang A-A' in 17. Gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel besteht der erste Isolationsabschnitt 20 aus dem N-Typ-Halbleitergebiet 3 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 8. Außerdem ist ein P-Typ-Halbleitergebiet 14 zwischen den P-Typ-Halbleitergebieten 12 in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche angeordnet, und ein N-Typ-Halbleitergebiet 15 ist zwischen den photoelektrischen Umwandlungsgebieten angeordnet. Andere Konfigurationen als diese sind ähnlich wie bei dem sechsten Ausführungsbeispiel. Ein Element, das nicht im Folgenden beschrieben ist, ist im Wesentlichen dem sechsten Ausführungsbeispiel ähnlich.
  • In einer Draufsicht ist das P-Typ-Halbleitergebiet 14 von dem P-Typ-Halbleitergebiet 12 umgeben. Das P-Typ-Halbleitergebiet 14 ist ein P-Typ-Halbleitergebiet mit einer geringeren Störstellenkonzentration als die des P-Typ-Halbleitergebiets 12. Das P-Typ-Halbleitergebiet 14 und das N-Typ-Halbleitergebiet 1 bilden den P-N-Übergang, und die Signalladung wird in der Nähe des P-N-Übergangs der Lawinenvervielfachung unterzogen. Das P-Typ-Halbleitergebiet 14 weist im Vergleich zum P-Typ-Halbleitergebiet 12 die geringere Höhe des Potentials in Bezug auf das Elektron auf. Daher wird die erzeugte Signalladung leicht im P-Typ-Halbleitergebiet 14 gesammelt und geht leicht durch, bzw. passiert leicht eine P-N-Übergangsschnittstelle zwischen dem P-Typ-Halbleitergebiet 14 und dem N-Typ-Halbleitergebiet 1.
  • Das N-Typ-Halbleitergebiet 15 ist zwischen dem P-Typ-Halbleitergebiet 14 und dem P-Typ-Halbleitergebiet 11 angeordnet. Das N-Typ-Halbleitergebiet 15 weist eine geringere Störstellenkonzentration als die des Halbleitergebiets 1 auf. In einem Fall, in dem das Halbleitergebiet 14 ein N-Typ-Halbleitergebiet ist, wird die Störstellenkonzentration, die niedriger als die des Halbleitergebiets 14 ist, eingestellt.
  • Auch nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, der Pixelabstand im Vergleich zu PTL 1 verringert werden. Außerdem kann, ähnlich wie bei dem sechsten Ausführungsbeispiel, das Übersprechen der Ladung unterdrückt werden. Darüber hinaus wird es erleichtert, die Ladung im N-Typ-Halbleitergebiet 1 zu sammeln.
  • <Achtes Ausführungsbeispiel>
  • Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel ist anhand von 19 beschrieben. In der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind ein Substrat, auf dem die Avalanche-Diode 201 der Pixel 110 von 2 angeordnet ist, und ein Substrat, auf dem die Zählerschaltung 204 und das Quenchelement 202 angeordnet sind, voneinander getrennt. Dann wird die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung durch Schichten und Verbinden der Substrate gebildet.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jede der Mikrolinsen so angeordnet, dass sie in einer Draufsicht mit jeder der Avalanche-Dioden überlappt.
  • 19 zeigt einen Zustand, in dem Licht von der Seite der zweiten Oberfläche einfällt, die einer Oberfläche auf einer Seite entspricht, an der der Kontaktstecker nicht angeschlossen ist. Daher sind eine Mikrolinse 18 und ein Farbfilter 19 auf der Seite der zweiten Oberfläche eines Substrats 16 angeordnet. In einem Fall, in dem Licht veranlasst wird von der Seite der ersten Oberfläche des Substrats 16 einzufallen, sind die Mikrolinse 18 und der Farbfilter 19 auf der Seite der ersten Oberfläche angeordnet.
  • Auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, der Pixelabstand im Vergleich zu PTL 1 verringert werden. Darüber hinaus kann durch Anordnen eines Schaltungsabschnitts auf einer Seite eines Substrats 17 die Fläche des Substrats 16 verringert werden.
  • In 19 nehmen andere als die oben beschriebenen Konfigurationen die Konfigurationen der Avalanche-Diode gemäß dem beschriebenen siebten Ausführungsbeispiel an. Es wird darauf hingewiesen, dass die Konfigurationen der Avalanche-Diode, die gemäß dem ersten bis sechsten Ausführungsbeispiel beschrieben sind, übernommen werden können. In diesem Fall ist, ähnlich wie in 19, der Kontaktstecker 6 mit dem N-Typ-Halbleitergebiet 1 verbunden, das in jedem der Ausführungsbeispiele beschrieben ist.
  • <Neuntes Ausführungsbeispiel>
  • Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung eines neunten Ausführungsbeispiels ist anhand von 20 beschrieben. Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist so konfiguriert, dass Licht, das durch die einzelne Mikrolinse gelangt ist, auf die Vielzahl von Avalanche-Dioden fällt. Andere Konfigurationen als diese sind ähnlich wie bei dem siebten Ausführungsbeispiel.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Tiefenerfassung durchgeführt werden, während Pixelabstand verringert wird.
  • <Zehntes Ausführungsbeispiel>
  • Ein Beispiel für ein photoelektrisches Umwandlungssystem unter Verwendung der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung von jedem der Ausführungsbeispiele, ist anhand von 21 beschrieben. Ein Erfassungssystem für unsichtbares Licht, das einem Beispiel eines Lichterfassungssystems und einem medizinischen Diagnosesystem wie PET entspricht, ist anhand von 21 beschrieben. Ein Teil, das eine ähnliche Funktion wie in 1 bis 20 aufweist, ist mit einem ähnlichen Bezugszeichen versehen, und detaillierte Beschreibungen dazu sind ausgelassen. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Pixel des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen TDC und einen Speicher anstelle der Zählerschaltung von 2 aufweist. Hierin sind Beschreibungen bereitgestellt, bei denen der TDC als der TDC 204 eingestellt ist und der Speicher als der Speicher 205 eingestellt ist.
  • 21 zeigt ein Blockdiagramm zur Beschreibung einer Konfiguration des Erfassungssystems für unsichtbares Licht. Das Erfassungssystem für unsichtbares Licht weist einen Wellenlängenumwandlungsabschnitt 301 und einen Datenverarbeitungsabschnitt 307 auf und weist eine Vielzahl von photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen 1010 auf.
  • Ein Bestrahlungsobjekt 300 emittiert Licht in einem Wellenlängenband, das unsichtbarem Licht entspricht. Der Wellenlängenumwandlungsabschnitt 301 empfängt das Licht in dem Wellenlängenband, das dem unsichtbaren Licht entspricht, das von dem Bestrahlungsobjekt 300 emittiert, bzw. ausgestrahlt wurde, und emittiert, bzw. gibt sichtbares Licht ab.
  • Die Avalanche-Diode 201, auf die das vom Wellenlängenumwandlungsabschnitt 301 emittierte sichtbare Licht fällt, führt eine photoelektrische Umwandlung durch. Dann hält die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1010 ein digitales Signal auf der Grundlage eines Signals, das auf der photoelektrisch umgewandelten Ladung basiert, im Speicher 205 über den Steuerungsabschnitt 202, den Wellenformformungsabschnitt 203 und den TDC 204. Die Vielzahl von photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen 1010 können als eine einzige Vorrichtung ausgebildet sein oder können als ein Array aus einer Vielzahl von Vorrichtungen ausgebildet sein.
  • Eine Signalverarbeitung wird an der Vielzahl von digitalen Signalen, die in den Speichern 205 der Vielzahl von photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen 1010 gehalten sind, durch einen Datenverarbeitungsabschnitt 1207 durchgeführt. Dabei wird eine Kombinationsverarbeitung einer Vielzahl von Bildern, die aus der Vielzahl von digitalen Signalen erhalten werden, als Signalverarbeitungsmittel durchgeführt.
  • Als nächstes ist eine Konfiguration des medizinischen Diagnosesystems, wie z. B. das PET, als ein spezifisches Beispiel für das Erfassungssystem für unsichtbares Licht beschrieben.
  • Ein Subjekt, das dem Bestrahlungsobjekt 300 entspricht, gibt ein Strahlungspaar aus dem Inneren eines lebenden Körpers ab. Der Wellenlängenumwandlungsabschnitt 301 bildet einen Szintillator, und der Szintillator emittiert beim Einfall des vom Subjekt abgegebenen Strahlungspaares sichtbares Licht.
  • Die Avalanche-Diode 201, auf die das vom Szintillator emittierte sichtbare Licht einfällt, führt eine photoelektrische Umwandlung durch, und die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1010 hält das digitale Signal auf der Grundlage des Signals, das auf der photoelektrisch umgewandelten Ladung basiert, im Speicher 205 über den Steuerungsabschnitt 202, den Wellenformformungsabschnitt 203 und den TDC 204. Das heißt, die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1010 ist so angeordnet, dass sie eine Ankunftszeit des vom Subjekt freigesetzten Strahlungspaares erfasst und das vom Szintillator emittierte sichtbare Licht erfasst, um das digitale Signal im Speicher 205 zu halten.
  • Die Signalverarbeitung wird an den digitalen Signalen durchgeführt, die in den Speichern 205 der Vielzahl von photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen 1010 im Datenverarbeitungsabschnitt 307 gehalten sind. Dabei wird eine Kombinationsverarbeitung, wie z. B. eine Bildrekonstruktion, als Signalverarbeitungsmittel unter Verwendung der Vielzahl von aus der Vielzahl von digitalen Signalen erhaltenen Bilder durchgeführt, um ein Bild des Inneren des lebenden Körpers des Subjekts zu bilden.
  • <Elftes Ausführungsbeispiel>
  • 22 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines photoelektrischen Umwandlungssystems 1200 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt. Das photoelektrische Umwandlungssystem 1200 des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfasst eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1215. Hierin kann jede der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen, die gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, auf die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1215 angewendet werden. Das photoelektrische Umwandlungssystem 1200 kann zum Beispiel als ein Bildaufnahmesystem verwendet werden. Spezifische Beispiele für das Bildaufnahmesystem umfassen eine digitale Fotokamera, einen digitalen Camcorder, eine Überwachungskamera und dergleichen. 21 zeigt ein Beispiel der digitalen Fotokamera als photoelektrisches Umwandlungssystem 1200.
  • Das in 22 dargestellte photoelektrische Umwandlungssystem 1200 umfasst die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1215, eine Linse 1213 zur Abbildung eines optischen Bildes des Objekts auf der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1215, eine Blende 1214 zur variablen Einstellung einer Lichtmenge, die durch die Linse 1213 hindurchtritt, und eine Barriere 1212 zum Schutz der Linse 1213. Die Linse 1213 und die Blende 1214 sind ein optisches System zum Sammeln von Licht auf der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1215.
  • Das photoelektrische Umwandlungssystem 1200 weist einen Signalverarbeitungsabschnitt 1216 auf, der eine Verarbeitung eines von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1215 ausgegebenen Ausgangssignals durchführt. Der Signalverarbeitungsabschnitt 1216 führt je nach Bedarf verschiedene Arten von Korrektur und Kompression an einem Eingangssignal durch und führt eine Signalverarbeitungsoperation an einem auszugebenden Signal durch. Das photoelektrische Umwandlungssystem 1200 weist ferner einen Pufferspeicherabschnitt 1206, zum vorübergehenden Speichern von Bilddaten, und einen externen Schnittstellenabschnitt (externer I/F-Abschnitt) 1209 auf, zur Kommunikation mit einem externen Computer oder dergleichen. Darüber hinaus weist das photoelektrische Umwandlungssystem 1200 ein Aufzeichnungsmedium 1211, wie z.B. einen Halbleiterspeicher zum Aufzeichnen oder Lesen von Bildaufnahmedaten, und einen Aufzeichnungsmedium-Steuerungsschnittstellenabschnitt (Aufzeichnungsmedium-Steuerungs-I/F-Abschnitt) 1210 auf, zum Durchführen des Aufzeichnens auf oder des Lesens von dem Aufzeichnungsmedium 1211. Das Aufzeichnungsmedium 1211 kann in das photoelektrische Umwandlungssystem 1200 eingebaut sein oder kann abnehmbar daran angebracht sein. Darüber hinaus kann eine Kommunikation mit dem Aufzeichnungsmedium 1211 von einem Aufzeichnungsmedium-Steuerungs-I/F-Abschnitt 1210 und eine Kommunikation von dem externen I/F-Abschnitt 1209 drahtlos durchgeführt werden.
  • Das photoelektrische Umwandlungssystem 1200 weist ferner einen Gesamtsteuerungs- und Berechnungsabschnitt 1208, der verschiedene Arten von Berechnungen durchführt und auch die Gesamtheit der digitalen Fotokamera steuert, und einen Timing-Erzeugungsabschnitt 1217 auf, der verschiedene Arten von Timingsignalen an die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1215 und den Signalverarbeitungsabschnitt 1216 ausgibt. Dabei können die Timingsignale und dergleichen von außen eingegeben werden, und es ist ausreichend, wenn das photoelektrische Umwandlungssystem 1200 zumindest die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1215 und den Signalverarbeitungsabschnitt 1216 aufweist, der das von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1215 ausgegebene Ausgangssignal verarbeitet. Wie in dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben, kann der Timing-Erzeugungsabschnitt 1217 an der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung angebracht sein. Der Gesamtsteuerungs- und Berechnungsabschnitt 1208 und der Timing-Erzeugungsabschnitt 1217 können so konfiguriert sein, dass sie einen Teil oder die Gesamtheit der Steuerungsfunktionen der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1215 implementieren.
  • Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1215 gibt ein Bildsignal an den Signalverarbeitungsabschnitt 1216 aus. Der Signalverarbeitungsabschnitt 1216 implementiert eine vorbestimmte Signalverarbeitung an dem von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1215 ausgegebenen Bildsignal durch und gibt Bilddaten aus. Darüber hinaus erzeugt der Signalverarbeitungsabschnitt 1216 ein Bild unter Verwendung des Bildsignals. Darüber hinaus kann der Signalverarbeitungsabschnitt 1216 eine Entfernungsberechnung an dem von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1215 ausgegebenen Signal durchführen. Es wird darauf hingewiesen, dass der Signalverarbeitungsabschnitt 1216 oder der Timing-Erzeugungsabschnitt 1217 an der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung angebracht sein kann. Das heißt, dass der Signalverarbeitungsabschnitt 1216 oder der Timing-Erzeugungsabschnitt 1217 auf dem Substrat bereitgestellt sein kann, auf dem die Pixel angeordnet sind, oder eine Konfiguration aufweisen kann, um auf einem anderen Substrat bereitgestellt zu sein. Durch Bilden des Bildaufnahmesystems unter Verwendung der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung jedes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, ist es möglich, das Bildaufnahmesystem zu realisieren, das eine höhere Bildqualität erzielen kann.
  • <Zwölftes Ausführungsbeispiel>
  • Das photoelektrische Umwandlungssystem und ein bewegliches Objekt des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind anhand von 23 und 24 beschrieben. 23 enthält schematische Diagramme, die Konfigurationsbeispiele des photoelektrischen Umwandlungssystems und des beweglichen Objekts gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel illustrieren. 24 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Betrieb des photoelektrischen Umwandlungssystems gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel illustriert. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel für eine Fahrzeugkamera als photoelektrisches Umwandlungssystem dargestellt.
  • 23 zeigt ein Beispiel für ein Fahrzeugsystem und das photoelektrische Umwandlungssystem, das darauf montiert ist und eine Bildaufnahme durchführt. Ein photoelektrisches Umwandlungssystem 1301 umfasst eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1302, einen Bildvorverarbeitungsabschnitt 1315, eine integrierte Schaltung 1303 und ein optisches System 1314. Das optische System 1314 bildet ein optisches Bild eines Objekts auf der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1302 ab. Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1302 wandelt das vom optischen System 1314 abgebildete optische Bild des Objekts in ein elektrisches Signal um. Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1302 ist eine der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen der oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsbeispiele. Der Bildvorverarbeitungsabschnitt 1315 führt eine vorbestimmte Signalverarbeitung an dem von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1302 ausgegebenen Signal durch. Die Funktion des Bildvorverarbeitungsabschnitts 1315 kann in die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1302 eingebettet sein. Mindestens zwei Paare des optischen Systems 1314, der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1302 und des Bildvorverarbeitungsabschnitts 1315 sind in dem photoelektrischen Umwandlungssystem 1301 bereitgestellt, wobei der Ausgang des Bildvorverarbeitungsabschnitts 1315 von jedem der Paare in die integrierte Schaltung 1303 eingegeben wird.
  • Die integrierte Schaltung 1303 ist eine integrierte Schaltung zur Verwendung des Bildaufnahmesystems und umfasst einen Bildverarbeitungsabschnitt 1304 mit einem Speicher 1305, einem optischen Entfernungsmessungsabschnitt 1306, bzw. einem Abschnitt 1306 für eine optische Entfernungsmessung, einem Entfernungsmessungsberechnungsabschnitt 1307, einem Objekterkennungsabschnitt 1308 und einem Abnormalität-Erfassungsabschnitt 1309. Der Bildverarbeitungsabschnitt 1304 führt eine Bildverarbeitung wie z.B. eine Entwicklungsverarbeitung oder eine Fehlerkorrektur am Ausgangssignal des Bildvorverarbeitungsabschnitts 1315 durch. Der Speicher 1305 speichert einen Primärspeicher eines aufgenommenen Bildes oder eine fehlerhafte Position eines Bildaufnahmepixels. Der optische Entfernungsmessungsabschnitt 1306 führt eine Fokussierung des Objekts oder eine Entfernungsmessung durch. Der Entfernungsberechnungsabschnitt 1307 führt eine Berechnung von Entfernungsinformationen aus einer Vielzahl von Teilen von Bilddaten durch, die von der Vielzahl von photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen 1302 erhalten wurden. Der Objekterkennungsabschnitt 1308 führt eine Erkennung eines Fahrzeugs, einer Straße, eines Straßenschilds oder eines Objekts wie einer Person durch. Wenn eine Abnormalität der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1302 erfasst wird, alarmiert der Abnormalität-Erfassungsabschnitt 1309 den Hauptsteuerungsabschnitt 1313 über die Abnormalität.
  • Die integrierte Schaltung 1303 kann durch eigens entwickelte Hardware, durch ein Softwaremodul oder durch eine Kombination davon realisiert sein. Darüber hinaus kann die integrierte Schaltung durch ein FPGA (Field Programmable Gate Array), ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder dergleichen realisiert sein, oder kann durch eine Kombination von diesen realisiert sein.
  • Der Hauptsteuerungsabschnitt 1313 regelt und steuert Operationen, bzw. Betriebe des photoelektrischen Umwandlungssystems 1301, eines Fahrzeugsensors 1310, einer Steuerungseinheit 1320 und dergleichen. Es kann auch ein Verfahren angewandt werden, bei dem das photoelektrische Umwandlungssystem 1301, der Fahrzeugsensor 1310 und die Steuerungseinheit 1320 individuell Kommunikationsschnittstellen ohne den Hauptsteuerungsabschnitt 1313 aufweisen und individuell Übertragung und Empfang über ein Kommunikationsnetzwerk (zum Beispiel CAN-Standards) durchführen.
  • Die integrierte Schaltung 1303 weist eine Funktion auf, ein Steuerungssignal oder einen Einstellungswert an die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1302 zu übertragen, durch Empfangen eines Steuerungssignals vom Hauptsteuerungsabschnitt 1313 oder durch ihren eigenen Steuerungsabschnitt.
  • Das photoelektrische Umwandlungssystem 1301 ist mit dem Fahrzeugsensor 1310 verbunden und kann die Fahrzustände des eigenen Fahrzeugs, wie z. B. eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Gierrate und einen Ruderwinkel, und Umgebungen außerhalb des eigenen Fahrzeugs und Zustände anderer Fahrzeuge und Hindernisse erfassen. Der Fahrzeugsensor 1310 ist auch ein Mittel zum Erhalten von Abstandsinformationen, das dazu eingerichtet ist, um Abstandsinformationen zu einem Zielobjekt zu erhalten. Darüber hinaus ist das photoelektrische Umwandlungssystem 1301 mit einem Fahrunterstützungs-Steuerungsabschnitt 1311 verbunden, der verschiedene Fahrunterstützungen wie automatisches Lenken, automatisches Fahren und eine Kollisionsverhinderungsfunktion durchführt. Im Hinblick auf eine Kollisionsbestimmungsfunktion werden insbesondere eine Kollisionsabschätzung gegen ein anderes Fahrzeug und ein Hindernis sowie das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Kollision auf der Grundlage von Erfassungsergebnissen des photoelektrischen Umwandlungssystems 1301 und des Fahrzeugsensors 1310 bestimmt. Auf diese Weise werden eine Vermeidungssteuerung in einem Fall, in dem eine Kollision geschätzt wird, und eine Sicherheitsvorrichtungsaktivierung zur Zeit der Kollision durchgeführt.
  • Darüber hinaus ist das photoelektrische Umwandlungssystem 1301 auch mit einer Alarmvorrichtung 1312 verbunden, die auf der Grundlage eines Bestimmungsergebnisses in einem Kollisionsbestimmungsabschnitt einen Alarm an einen Fahrer ausgibt. Zum Beispiel führt der Hauptsteuerungsabschnitt 1313 in einem Fall, in dem eine Kollisionswahrscheinlichkeit als Bestimmungsergebnis des Kollisionsbestimmungsabschnitts hoch ist, eine Fahrzeugsteuerung durch, um die Kollision zu vermeiden oder einen Schaden durch Betätigen der Bremse, Lösen des Gaspedals, Unterdrücken einer Kraftmaschinenleistung und dergleichen abzuschwächen. Die Alarmvorrichtung 1312 warnt den Benutzer, indem sie einen Alarm wie z.B. einen Ton ertönen lässt, Alarminformationen auf einem Bildschirm-Anzeigeabschnitt wie z.B. einem Fahrzeugnavigationssystem und einer Anzeigetafel anzeigt, einen Sicherheitsgurt oder die Lenkung in Schwingung versetzt und dergleichen.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel soll eine Umgebung des Fahrzeugs, z. B. eine Vorderseite oder eine Rückseite, durch das photoelektrische Umwandlungssystem 1301 erfasst werden. 23B zeigt ein Anordnungsbeispiel des photoelektrischen Umwandlungssystems 1301 in einem Fall, dass die Fahrzeugvorderseite durch das photoelektrische Konversionssystem 1301 erfasst werden soll.
  • Die zwei photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen 1302 sind an einer Vorderseite eines Fahrzeugs 1300 angeordnet. Insbesondere wird eine Anordnung, bei der eine Mittellinie in Bezug auf Vorwärts- und Rückwärtsazimute oder eine äußere Form (z. B. eine Fahrzeugbreite) des Fahrzeugs 1300 als eine Symmetrieachse betrachtet wird, um die zwei photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen 1302 in linearer Symmetrie in Bezug auf die Symmetrieachse einzustellen, vorzugsweise angenommen, um Abstandsinformationen zwischen dem Fahrzeug 1300 und einem zu erfassenden Objekt zu erhalten und die Kollisionswahrscheinlichkeit zu bestimmen. Darüber hinaus sind die photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen 1302 vorzugsweise so angeordnet, dass ein Sichtfeld des Fahrers nicht gestört wird, wenn ein Fahrer eine Situation außerhalb des Fahrzeugs 1300 von einem Fahrersitz aus visuell erkennt. Die Alarmvorrichtung 1312 ist vorzugsweise ohne Schwierigkeiten im Sichtfeld des Fahrers angeordnet.
  • Als nächstes ist anhand von 24 ein Fehlererfassungsbetrieb der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1302 im photoelektrischen Umwandlungssystem 1301 beschrieben. Der Fehlererfassungsbetrieb der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1302 ist gemäß den in 24 dargestellten Schritten S1410 bis S1480 implementiert.
  • Schritt S1410 ist ein Schritt, bei dem eine Einstellung zur Zeit einer Inbetriebnahme der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1302 vorgenommen wird. Das heißt, die Einstellung für den Betrieb der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1302 wird von außerhalb des photoelektrischen Umwandlungssystems 1301 (z. B. dem Hauptsteuerungsabschnitt 1313) oder von innerhalb des photoelektrischen Umwandlungssystems 1301 übertragen, und der Bildaufnahmebetrieb und der Fehlererfassungsbetrieb der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1302 werden gestartet.
  • Anschließend wird in Schritt S1420 ein Pixelsignal von einem effektiven Pixel erhalten. Darüber hinaus wird in Schritt S1430 ein Ausgabewert von einem Fehlererfassungspixel, bzw. Defekterfassungspixel, das zur Erfassung eines Defekts bereitgestellt ist, erhalten. Dieser Defekterfassungspixel enthält in ähnlicher Weise einen photoelektrischen Umwandlungsabschnitt wie das effektive Pixel. In diesen photoelektrischen Umwandlungsabschnitt wird eine vorbestimmte Spannung geschrieben. Das Pixel zur Erfassung des Defekts gibt ein Signal aus, das der in diesen photoelektrischen Umwandlungsabschnitt geschriebenen Spannung entspricht. Es wird darauf hingewiesen, dass Schritt S1420 und Schritt S1430 umgekehrt sein können.
  • Anschließend wird in Schritt S1440 eine Angemessenheitsbestimmung zwischen einem erwarteten Ausgabewert des Defekterfassungspixels und einem tatsächlichen Ausgabewert des Defekterfassungspixels durchgeführt. Als Ergebnis der Angemessenheitsbestimmung in Schritt S1440 geht in einem Fall, in dem der erwartete Ausgabewert mit dem tatsächlichen Ausgabewert übereinstimmt, der Verarbeitungsschritt zu Schritt S1450 über, es wird bestimmt, dass der Bildaufnahmebetrieb normal durchgeführt wird, und der Verarbeitungsschritt geht zu Schritt S1460 über. In Schritt S1460 wird ein Pixelsignal in einer Abtastreihe an den Speicher 1305 übertragen und hauptsächlich gespeichert. Danach kehrt der Verarbeitungsschritt zu Schritt S1420 zurück, und der Defekterfassungsbetrieb wird fortgesetzt. Andererseits wird als Ergebnis der Angemessenheitsbestimmung in Schritt S1440 in einem Fall, in dem der erwartete Ausgabewert nicht mit dem tatsächlichen Ausgabewert übereinstimmt, der Verarbeitungsschritt zu Schritt S1470 verschoben. Wenn in Schritt S1470 festgestellt wird, dass eine Abnormalität im Bildaufnahmebetrieb vorliegt, wird ein Alarm an den Hauptsteuerungsabschnitt 1313 oder die Alarmvorrichtung 1312 ausgegeben. Die Alarmvorrichtung 1312 veranlasst den Anzeigeabschnitt anzuzeigen, dass die Abnormalität erfasst wurde. Danach wird die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1302 in Schritt S1480 gestoppt, und der Betrieb des photoelektrischen Umwandlungssystems 1301 wird beendet.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem das Flussdiagramm für jede Zeile in einer Schleife durchlaufen wird, aber das Flussdiagramm kann für eine Vielzahl von Zeilen in einer Schleife durchlaufen werden, oder der Defekterfassungsbetrieb kann für jeden Frame durchgeführt werden. Die Außenseite des Fahrzeugs kann in Schritt S1470 über ein drahtloses Netzwerk über das Auslösen des Alarms informiert werden.
  • Darüber hinaus wurde in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Steuerung zur Vermeidung der Kollision mit einem anderen Fahrzeug beschrieben, aber das vorliegende Ausführungsbeispiel kann auf eine Steuerung für automatisiertes Fahren, das einem anderen Fahrzeug folgt, eine Steuerung für automatisiertes Fahren, um nicht von einer Fahrspur abzudriften, und dergleichen angewendet werden. Darüber hinaus ist das photoelektrische Umwandlungssystem 1301 nicht auf ein Fahrzeug wie das eigene Fahrzeug beschränkt, sondern kann auf ein bewegliches Objekt (bewegliche Vorrichtung) wie beispielsweise ein Schiff, ein Flugzeug oder einen Industrieroboter angewendet werden. Darüber hinaus kann das vorliegende Ausführungsbeispiel nicht nur auf ein bewegliches Objekt, sondern auch auf eine Ausrüstung angewendet werden, die im Großen und Ganzen eine Objekterkennung verwendet, wie z. B. ein intelligentes Transportsystem (Intelligent Transport System, ITS).
  • Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann eine Konfiguration aufweisen, in der verschiedene Arten von Informationen, wie z. B. Abstandsinformationen, weiter erhalten werden können.
  • <Dreizehntes Ausführungsbeispiel>
  • 25 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Abstandsbildsensors zeigt, der einem elektronischen Gerät entspricht, das die gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen beschriebene photoelektrische Umwandlungsvorrichtung verwendet.
  • Wie in 25 dargestellt, ist ein Abstandsbildsensor 401 so aufgebaut, dass er ein optisches System 402, eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 403, eine Bildverarbeitungsschaltung 404, einen Monitor 405 und einen Speicher 406 umfasst. Dann kann der Abstandsbildsensor 401 ein Abstandsbild gemäß einem Abstand zu einem Objekt erhalten, wenn Licht von einer Lichtquellenvorrichtung 411 auf ein Objekt projiziert wird und an einer Oberfläche des Objekts reflektiertes Licht (moduliertes Licht oder gepulstes Licht) empfangen wird.
  • Das optische System 402 ist gebildet, um eine oder eine Vielzahl von Linsenschichten aufzuweisen und leitet Bildlicht (einfallendes Licht) vom Objekt zur photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 403, um ein Bild auf einer Lichtempfangsoberfläche (Sensorabschnitt) der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 403 auszubilden.
  • Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung jedes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele wird als die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 403 verwendet, und ein Abstandssignal, das einen Abstand angibt, der aus einem von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 403 ausgegebenen Lichtempfangssignal erhalten wird, wird der Bildverarbeitungsschaltung 404 zugeführt.
  • Die Bildverarbeitungsschaltung 404 führt eine Bildverarbeitung durch, um ein Abstandsbild auf der Grundlage des von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 403 gelieferten Abstandssignals zu erstellen. Dann wird ein durch die Bildverarbeitung erhaltenes Abstandsbild (Bilddaten) dem Monitor 405 zur Anzeige zugeführt oder dem Speicher 406 zur Speicherung (Aufzeichnung) zugeführt.
  • In dem so gebildeten Abstandsbildsensor 401 kann durch Anwendung der oben beschriebenen photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung zusammen mit einer charakteristischen Verbesserung der Pixel beispielsweise das genauere Abstandsbild erhalten werden.
  • <Vierzehntes Ausführungsbeispiel>
  • Eine Technologie gemäß der vorliegenden Offenlegung (vorliegende Technologie) kann auf verschiedene Produkte angewendet werden. Zum Beispiel kann die Technologie gemäß der vorliegenden Offenlegung auf ein endoskopisches Operationssystem angewendet werden.
  • 26 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für eine schematische Konfiguration des endoskopischen Operationssystems zeigt, auf das die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung (vorliegende Technologie) angewendet werden kann.
  • 26 illustriert eine Situation, in der ein Bediener (Arzt) 1131 eine Operation an einem Patienten 1132 auf einem Patientenbett 1133 unter Verwendung des endoskopischen Operationssystems 1000 durchführt. Wie in der Zeichnung dargestellt, besteht das endoskopische Operationssystem 1000 aus einem Endoskop 1100, einem Operationsinstrument 1110 und einem Wagen 1140, auf dem verschiedene Bauarten von Geräten für eine Operation unter dem Endoskop geladen sind.
  • Das Endoskop 1100 besteht aus einem Objektivtubus 1101, der ein Gebiet mit einer vorbestimmten Länge von einem distalen Ende aufweist, um in eine Körperhöhle des Patienten 1132 eingeführt zu werden, und einem Kamerakopf 1102, der mit einem proximalen Ende des Objektivtubus 1101 verbunden ist. In dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel ist das Endoskop 1100, das als ein starres Endoskop gebildet ist, das den starren Objektivtubus 1101 aufweist, in der Zeichnung dargestellt, aber das Endoskop 1100 kann auch als ein sogenanntes flexibles Endoskop gebildet sein, das einen flexiblen Objektivtubus aufweist.
  • Am distalen Ende des Objektivtubus 1101 ist ein Öffnungsabschnitt bereitgestellt, in den eine Objektivlinse eingesetzt ist. Eine Lichtquellenvorrichtung 1203 ist mit dem Endoskop 1100 verbunden, und ein von der Lichtquellenvorrichtung 1203 erzeugtes Licht wird durch einen Lichtleiter, der sich innerhalb des Objektivtubus 1101 erstreckt, bis zum distalen Ende des Objektivtubus geführt und über die Objektivlinse in Richtung eines Beobachtungsziels innerhalb der Körperhöhle des Patienten 1132 emittiert. Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Endoskop 1100 um ein Direktsichtgerät, ein Schrägsichtgerät oder ein Lateralsichtgerät handeln kann.
  • Das optische System und die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung sind innerhalb des Kamerakopfes 1102 bereitgestellt, und Reflexionslicht (Beobachtungslicht) von einem Beobachtungsziel wird von dem optischen System auf der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gesammelt. Das Beobachtungslicht wird durch die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung photoelektrisch umgewandelt, und ein elektrisches Signal, das dem Beobachtungslicht entspricht, d.h. ein Bildsignal, das einem Beobachtungsbild entspricht, wird erzeugt. Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, die gemäß jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrieben ist, kann als die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung verwendet werden. Das Bildsignal wird als RAW-Daten an eine Kamerasteuerungseinheit (CCU: Camera Control Unit) 1201 übertragen.
  • Die CCU 1201 besteht aus einer CPU (Central Processing Unit), einer GPU (Graphics Processing Unit) oder dergleichen und steuert Betriebe des Endoskops 1100 und einer Anzeigevorrichtung 1202 in einer allgemeinen Weise. Darüber hinaus empfängt die CCU 1201 ein Bildsignal vom Kamerakopf 1102 und wendet verschiedene Arten von Bildverarbeitung zum Anzeigen eines Bildes auf der Grundlage des Bildsignals auf das Bildsignal an, wie z. B. eine Entwicklungsverarbeitung (De-Mosaik-Verarbeitung).
  • Die Anzeigevorrichtung 1202 zeigt das Bild auf der Grundlage des Bildsignals an, auf das die Bildverarbeitung durch die CCU 1201 durch die Steuerung von der CCU 1201 angewendet wurde.
  • Die Lichtquellenvorrichtung 1203 besteht aus einer Lichtquelle, wie z.B. einer LED (Light Emitting Diode), und liefert dem Endoskop 1100 Bestrahlungslicht, das zur Erfassung eines operativen Teils oder dergleichen verwendet wird.
  • Eine Eingabevorrichtung 1204 ist eine Eingabeschnittstelle für das endoskopische Operationssystem 1000. Der Benutzer kann über die Eingabevorrichtung 1204 verschiedene Arten von Informationen und Anweisungen in das endoskopische Operationssystem 1000 eingeben.
  • Eine Steuerungsvorrichtung 1205 für chirurgisches Werkzeug steuert den Antrieb eines energietechnischen chirurgischen Werkzeugs 1112 zur Kauterisation eines Gewebes, Inzision, Versiegelung von Blutgefäßen oder Ähnlichem.
  • Die Lichtquellenvorrichtung 1203, die das Bestrahlungslicht, das zum Erfassen des operativen Teils verwendet wird, an das Endoskops 1100 liefert, besteht aus einer Weißlichtquelle, die beispielsweise aus einer LED, einer Laserlichtquelle oder einer Kombination aus diesen gebildet ist. In einem Fall, in dem die Weißlichtquelle durch eine Kombination von RGB-Laserlichtquellen gebildet ist, da eine Ausgabeintensität und ein Ausgabetiming von jeder Farbe (jeder Wellenlänge) hochpräzise gesteuert werden kann, kann eine Anpassung eines Weißabgleichs des aufgenommenen Bildes in der Lichtquellenvorrichtung 1203 durchgeführt werden. Darüber hinaus wird in diesem Fall Laserlicht von jeder der RGB-Laserlichtquellen in zeitunterteilter Weise, bzw. im Zeitmultiplexverfahren (engl.: time division manner) auf ein Beobachtungsziel emittiert, und der Antrieb des Bildaufnahmeelements des Kamerakopfes 1102 wird synchron mit dem Bestrahlungstiming gesteuert, so dass ein Bild, das jedem RGB entspricht, ebenfalls im Zeitmultiplexverfahren aufgenommen werden kann. Gemäß dem Verfahren kann ein Farbbild auch dann erhalten werden, wenn kein Farbfilter im Bildaufnahmeelement bereitgestellt ist.
  • Darüber hinaus kann der Antrieb der Lichtquellenvorrichtung 1203 so gesteuert werden, dass die Intensität des ausgegebenen Lichts zu jeder vorgegebenen Zeit geändert wird. Der Antrieb des Bildaufnahmeelements des Kamerakopfes 1102 wird synchron mit dem Timing zur Änderung der Lichtintensität gesteuert, um Bilder im Zeitmultiplexverfahren zu erhalten, und die Bilder werden kombiniert, so dass ein Bild mit einem hohen Dynamikbereich ohne einen so genannten Schwarzfehler oder weißen Lichthof erzeugt werden kann.
  • Darüber hinaus kann die Lichtquellenvorrichtung 1203 dazu eingerichtet sein, um Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenband liefern zu können, das einer speziellen Lichtbeobachtung entspricht. Bei der speziellen Lichtbeobachtung wird beispielsweise eine Wellenlängenabhängigkeit einer Absorption von Licht in einem Körpersystem ausgenutzt. Insbesondere, wenn Licht in einem schmalen Band im Vergleich zu Bestrahlungslicht (d.h. weißes Licht) zur Zeit einer normalen Beobachtung emittiert wird, wird ein bestimmtes Gewebe, wie z.B. ein oberflächlicher Abschnitt einer Schleimhaut, mit einem hohen Kontrast erfasst. Alternativ kann bei der speziellen Lichtbeobachtung eine Fluoreszenzbeobachtung durchgeführt werden, bei der ein Bild durch Fluoreszenz, die erzeugt wird, wenn Anregungslicht emittiert wird, erhalten wird. Bei der Fluoreszenzbeobachtung ist es möglich, eine Fluoreszenzbeobachtung von einem Körpersystem durchzuführen, indem das Anregungslicht in das Körpersystem emittiert wird, ein Fluoreszenzbild in einer Weise zu erhalten, dass ein Reagens wie Indocyaningrün (ICG) lokal in ein Körpersystem injiziert wird und auch Anregungslicht, das einer Fluoreszenzwellenlänge des Reagens entspricht, in das Körpersystem emittiert wird, und dergleichen. Die Lichtquellenvorrichtung 1203 kann dazu eingerichtet sein, um in der Lage zu sein, das Schmalbandlicht und/oder das Anregungslicht entsprechend der oben beschriebenen speziellen Lichtbeobachtung zuzuführen.
  • 27 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für in 26 dargestellten Funktionskonfigurationen des Kamerakopfes 1102 und der CCU 1201 zeigt.
  • Der Kamerakopf 1102 weist eine Objektiveinheit 1401, eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1402, einen Antriebsabschnitt 1403, einen Kommunikationsabschnitt 1404 und einen Kamerakopf-Steuerungsabschnitt 1405 auf. Die CCU 1201 weist einen Kommunikationsabschnitt 1411, einen Bildverarbeitungsabschnitt 1412 und einen Steuerungsabschnitt 1413 auf. Der Kamerakopf 1102 und die CCU 1201 sind über ein Übertragungskabel 1400 verbunden, um miteinander kommunizieren zu können.
  • Die Objektiveinheit 1401 ist ein optisches System, das in einem Verbindungsabschnitt mit dem Objektivtubus 1101 bereitgestellt ist. Das vom distalen Ende des Objektivtubus 1101 aufgenommene Beobachtungslicht wird nach oben zum Kamerakopf 1102 geleitet und fällt auf die Objektiveinheit 1401. Die Objektiveinheit 1401 besteht aus einer Kombination einer Vielzahl von Linsen, die ein Zoomobjektiv und ein Fokusobjektiv umfassen.
  • Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung jedes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele kann als die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1402 verwendet werden. Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1402 kann aus einer einzigen photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung gebildet sein oder kann aus einer Vielzahl von photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen gebildet sein. In einem Fall, in dem die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1402 durch die Vielzahl von photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen gebildet ist, kann zum Beispiel ein Bildsignal, das jedem von RGB entspricht, durch jede der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen erzeugt werden, und diese können kombiniert werden, um ein Farbbild zu erhalten. Alternativ kann die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1402 so gebildet sein, dass sie ein Paar von photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen aufweist, um jeweils Bildsignale für ein rechtes Auge und ein linkes Auge zu erhalten, die einer 3D-Anzeige (dreidimensionalen Anzeige) entsprechen. Wenn die 3D-Anzeige durchgeführt wird, kann ein Bediener 1131 eine Tiefe von lebendem Körpergewebe in dem operativen Teil genauer erfassen. Es wird darauf hingewiesen, dass in einem Fall, in dem die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1402 durch die Vielzahl von photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen gebildet ist, eine Vielzahl von Systemen der Objektiveinheiten 1401 entsprechend den jeweiligen photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen bereitgestellt sein kann.
  • Der Antriebsabschnitt 1403 besteht aus einem Aktuator, und das Zoomobjektiv und das Fokusobjektiv der Objektiveinheit 1401 werden durch die Steuerung vom Kamerakopf-Steuerungsabschnitt 1405 um eine vorbestimmte Strecke entlang einer optischen Achse bewegt. Auf diese Weise können eine Vergrößerung und ein Fokus des aufgenommenen Bildes durch die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1402 angemessen angepasst werden.
  • Der Kommunikationsabschnitt 1404 besteht aus einer Kommunikationsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, um verschiedene Arten von Informationen mit der CCU 1201 zu senden und zu empfangen. Der Kommunikationsabschnitt 1404 überträgt das von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1402 erhaltene Bildsignal als die RAW-Daten über das Übertragungskabel 1400 an die CCU 1201.
  • Darüber hinaus empfängt der Kommunikationsabschnitt 1404 von der CCU 1201 ein Steuerungssignal zur Steuerung des Antriebs des Kamerakopfes 1102 und liefert das Steuerungssignal an den Kamerakopf-Steuerungsabschnitt 1405. Das Steuerungssignal enthält Informationen, die sich auf Bildaufnahmebedingungen beziehen, wie zum Beispiel Informationen, die eine Spezifikation einer Framerate des aufgenommenen Bildes angeben, Informationen, die eine Spezifikation eines Belichtungswertes zur Zeit einer Bildaufnahme angeben, und/oder Informationen, die eine Spezifikation einer Vergrößerung und eines Fokus des aufgenommenen Bildes angeben.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Bildaufnahmebedingungen wie die Framerate, der Belichtungswert, die Vergrößerung und der Fokus vom Benutzer angemessen spezifiziert oder automatisch vom Steuerungsabschnitt 1413 der CCU 1201 basierend auf dem erhaltenen Bildsignal eingestellt werden können. Im letzteren Fall sind eine sogenannte AE-Funktion (automatische Belichtungs-Funktion), eine AF-Funktion (automatischer Fokus-Funktion) und eine AWB-Funktion (automatischer Weißabgleich-Funktion) am Endoskop 1100 angebracht.
  • Der Kamerakopf-Steuerungsabschnitt 1405 steuert den Antrieb des Kamerakopfes 1102 auf der Grundlage des Steuerungssignals von der CCU 1201, das über den Kommunikationsabschnitt 1404 empfangen wird.
  • Der Kommunikationsabschnitt 1411 besteht aus einer Kommunikationsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, um verschiedene Arten von Informationen mit dem Kamerakopf 1102 zu senden und zu empfangen. Der Kommunikationsabschnitt 1411 empfängt, von dem Kamerakopf 1102, das über das Übertragungskabel 1400 übertragene Bildsignal.
  • Darüber hinaus überträgt der Kommunikationsabschnitt 1411 das Steuerungssignal zur Steuerung des Antriebs des Kamerakopfes 1102 an den Kamerakopf 1102. Das Bildsignal und das Steuerungssignal können durch elektrische Kommunikation, optische Kommunikation oder dergleichen übertragen werden.
  • Der Bildverarbeitungsabschnitt 1412 wendet verschiedene Arten von Bildverarbeitung auf das Bildsignal an, das den vom Kamerakopf 1102 übertragenen RAW-Daten entspricht.
  • Der Steuerungsabschnitt 1413 führt verschiedene Arten von Steuerungen in Bezug auf eine Bildaufnahme des operativen Teils oder dergleichen durch das Endoskop 110 und eine Anzeige eines aufgenommenen Bildes, das durch die Bildaufnahme des operativen Teils oder dergleichen erhalten wurde, durch. Zum Beispiel erzeugt der Steuerungsabschnitt 1413 das Steuerungssignal zur Steuerung des Antriebs des Kamerakopfes 1102.
  • Darüber hinaus veranlasst der Steuerungsabschnitt 1413 die Anzeigevorrichtung 1202, das aufgenommene Bild, in dem der operative Teil oder ähnliches erfasst ist, auf der Grundlage des Bildsignals anzuzeigen, auf das die Bildverarbeitung durch den Bildverarbeitungsabschnitt 1412 angewendet wurde. Zu dieser Zeit kann der Steuerungsabschnitt 1413 verschiedene Arten von Objekten in dem aufgenommenen Bild unter Verwendung verschiedener Arten von Bilderkennungstechnologien erkennen. Zum Beispiel kann der Steuerungsabschnitt 1413 ein Operationsinstrument wie eine Zange, eine bestimmte lebende Körperstelle, eine Blutung, Nebel zur Zeit der Verwendung des energietechnischen chirurgischen Werkzeugs 1112 und dergleichen erkennen, durch Erfassen einer Form, einer Farbe und dergleichen einer Kante eines Objekts, das in dem aufgenommenen Bild enthalten ist. Wenn die Anzeigevorrichtung 1202 veranlasst wird, das aufgenommene Bild anzuzeigen, kann der Steuerungsabschnitt 1413 veranlassen, dass verschiedene Arten von Operationsunterstützungsinformationen auf einem Bild des operativen Teils unter Verwendung des Erkennungsergebnisses überlagert und angezeigt werden. Wenn die Operationsunterstützungsinformationen überlagert und angezeigt werden, um dem Bediener 1131 präsentiert zu werden, kann der Bediener 1131 entlastet werden, und der Bediener 1131 kann die Operation sicher fortführen.
  • Das Übertragungskabel 1400, das den Kamerakopf 1102 und die CCU 1201 verbindet, ist ein elektrisches Signalkabel, das einer Kommunikation eines elektrischen Signals entspricht, eine optische Faser, die einer optischen Kommunikation entspricht, oder ein aus diesen zusammengesetztes Kabel.
  • In dem hierin in der Zeichnung dargestellten Beispiel wird eine Kommunikation in einer drahtgebundenen Art und Weise unter Verwendung des Übertragungskabels 1400 durchgeführt, aber die Kommunikation zwischen dem Kamerakopf 1102 und der CCU 1201 kann auch drahtlos erfolgen.
  • Das Beispiel des endoskopischen Operationssystems, auf das die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung angewendet werden kann, wurde oben beschrieben. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auf (die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1402 des) Endoskops 1100, den Kamerakopf 1102 oder dergleichen unter den oben beschriebenen Konfigurationen angewendet werden. Durch Anwenden der Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung auf (die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1402 des) Endoskops 1100, den Kamerakopf 1102 oder dergleichen kann ein Einfluss eines Nachimpulses, der durch die Lawinenvervielfachung erzeugt wird, reduziert werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das endoskopische Operationssystem hier als Beispiel beschrieben wurde, die Technologie gemäß der vorliegenden Offenlegung jedoch auch auf andere Systeme, wie z. B. ein mikrochirurgisches System, angewendet werden kann.
  • <Fünfzehntes Ausführungsbeispiel>
  • Das photoelektrische Umwandlungssystem gemäß einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel ist anhand von 28 und 29 beschrieben.
  • 28A zeigt ein Diagramm, das den Antrieb des Time Gating ToF (Time of Flight) illustriert. Laserpulslicht wird mehrmals in Richtung eines Objekts eines Abstandsmessungsziels emittiert. Vom Objekt reflektierte Licht wird von einem Detektor (oben beschriebene photoelektrische Umwandlungsvorrichtung) zusammen mit einer Verzögerung von Δt erfasst. Bei einer typischen Time-Gate-Messung, wird ein Gate-Fenster (Lichterfassungsperiode durch die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung) allmählich, bzw. sukzessive verschoben, um eine Abtastung, bzw. einen Scan durchzuführen, und Informationen von kontinuierlichen Frames werden erhalten. Bei dem Gate-Fenster wird an jeder Position eine Photonenzählung für N Zeiten integriert. Wenn eine Gate-Abtastung sehr genau durchgeführt wird, verbessert sich eine zeitliche Auflösung, was jedoch den Nachteil hat, dass sich eine Messzeit verlängert.
  • 28B zeigt ein Messergebnis, das in ein Histogramm umgewandelt wurde. Das Histogramm enthält einen Photonenzählwert eines Hintergrunds und einen Wert einer Dunkelstromkomponente in einem Fall, in dem ein Reflexionslaserimpuls außerhalb des Gate-Fensters vorhanden ist. In dem Histogramm, in einem Fall, in dem eine Spitzenintensität des reflektierten Lichts größer als ein Zählwert der Hintergrundkomponente ist, wird ein Profil eines Zählwerts des reflektierten Lichts im Histogramm eine rechteckige Verteilung. Diese rechteckige Verteilung weist eine Breite auf, die einer Länge des Gate-Fensters entspricht. Eine Verzögerungszeit Δt kann aus einem Anstieg oder einem Abfall eines Profils eines Zählwerts erhalten werden. Ein Abstand L von dem Objekt zu dem Detektor wird berechnet durch L = cΔt/2. Dabei bezeichnet c die Lichtgeschwindigkeit.
  • 28C zeigt ein SPAD-Pixel einer Zeit-Gate-Bauart. Ein Transistor, der als das Quenchelement 202 dient, ist mit der Avalanche-Diode 201 verbunden. Das Quenchelement 202 ist ein Element, das dazu eingerichtet ist, um Elektronenlawinen (Avalanche-Durchbruch, bzw. Lawinendurchbruch) zu unterdrücken. Wenn ein globaler Gate-Schalter 280 aus einem ausgeschalteten Zustand eingeschaltet wird, wird ein Ausgangssignal von der Avalanche-Diode 201 selektiv an einen Speicher 281 ausgegeben. Ein Steuerungsimpuls am Gate beträgt etwa einige Nanosekunden und wird synchron mit der Bestrahlung eines Laserimpulses gesteuert. Der für jeden Pixel bereitgestellte Speicher 281 ist innerhalb der Zählerschaltung 204 von 2 bereitgestellt, und das im Speicher 281 gespeicherte Signal wird über einen Ausgangsabschnitt 282 ausgelesen. Es wird darauf hingewiesen, dass eine bestimmte Spannung an eine Gatespannung VQ des Quenchelements 202 angelegt werden kann. Um die Avalanche-Diode 201 zwangsweise wieder aufzuladen, bevor der globale Gate-Schalter 280 in den Ein-Zustand versetzt wird, kann außerdem die Ansteuerung zur Eingabe eines Impulssignals an VQ durchgeführt werden.
  • 29 zeigt ein Gate-Fenster-Profil, eine Verteilung von reflektiertem Licht und eine Erfassungsintensität. Eine Erfassungsintensität h(t) entspricht einer Faltungsberechnung (Konvolution) von zwei Funktionen. Das heißt, eine Konvolution eines Gate-Fenster-Profils f(t) und einer Verteilung von reflektiertem Licht g(t) entspricht der Erfassungsintensität h(t). In 29 zeigt ein oberes Diagramm eine Reflexionsspitze und ein unteres Diagramm zeigt zwei Reflexionsspitzen. In einer tatsächlichen Messumgebung weist ein erfasstes Intensitätsprofil eine komplexe Form auf. Dies ist z. B. ein Fall, wenn Laserlicht über ein lichtdurchlässiges Objekt (halbreflektierendes Objekt) auf ein Objekt emittiert wird, oder dergleichen. In diesem Fall werden sowohl das von dem lichtdurchlässigen Objekt, wie z. B. Glas oder durchsichtigem Kunststoff, reflektierte Licht als auch das durch das lichtdurchlässige Objekt transmittierte und auf das Objekt emittierte Licht erfasst. Das untere Diagramm in 29 veranschaulicht das oben beschriebene Messbeispiel. Da die Erfassungsintensität h(t) Messdaten sind und das Gate-Fenster-Profil f(t) bereits bekannt ist, kann die Verteilung des reflektierten Lichts g(t) durch eine Entfaltungsberechnung (Dekonvolution) ermittelt werden. Wenn die Verteilung des reflektierten Lichts g(t) erhalten werden kann, können Abstandsinformationen zum lichtdurchlässigen Objekt oder zum Objekt erhalten werden, und nur die Abstandsinformationen zum Objekt können auch separiert werden.
  • Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist ein Typ des gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel beschriebenen Abstandsbildsensors, und die oben beschriebene Erfassung und die Berechnung der Abstandsinformationen werden von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 403 durchgeführt. Die Bildung des Abstandsbildes wird von der Bildverarbeitungsschaltung 404 auf der Grundlage des erhaltenen Abstandssignals durchgeführt. Das gebildete Abstandsbild wird dem Monitor 405 zur Anzeige zugeführt oder wird dem Speicher 406 zur Speicherung zugeführt.
  • (Experimentelles Beispiel)
  • 30 zeigt ein experimentelles Beispiel des fünfzehnten Ausführungsbeispiels.
  • 30A zeigt ein Diagramm, das ein Setup eines Experiments zeigt. Pulslaserlicht wird mit 40 MHz von einem Laser 320 bei 510 nm emittiert. Ein Objekt 350 wird mit Pulslaserlicht bestrahlt, das durch ein Lichtdiffusionselement 330 gestreut wird. Eine SPAD-Kamera 310 und der Laser 320 sind dazu eingerichtet, um durch einen Pulsgenerator 325 miteinander synchronisiert zu sein. Zwischen der SPAD-Kamera 310 und dem Objekt 350 ist eine transparente Platte 340 aus Kunststoff bereitgestellt.
  • 30B und 30C veranschaulichen eine Beziehung zwischen einer Position des Gate-Fensters (Gate-Position) und einem erfassten Zählwert in einem Pixel, das einer bestimmten Stelle des Objekts 350 entspricht. 30B zeigt ein Profil in einem Fall, in dem die transparente Platte 340 nicht bereitgestellt ist, und 30C zeigt ein Profil in einem Fall, in dem die transparente Platte 340 bereitgestellt ist. Das Profil in 30C weist einen Anstieg in zwei Stufen auf (eine Position 40 und eine Position 100). Ein Profil, das diesen zweistufigen Anstieg aufweist, entspricht einer Doppelreflexion an der transparenten Platte 340 und dem Objekt 350. Die Verteilung des reflektierten Lichts wird aus dem Messprofil von 30 erhalten, und die Abstandsinformation wird aus der Verteilung des reflektierten Lichts erhalten. Die Abstandsinformation und die Lichtintensitätsverteilungsinformation werden in jedem der zweidimensional angeordneten Pixel erhalten, und eine dreidimensionale Bildgebung kann durchgeführt werden, wenn die Lichtintensitätsverteilungsinformation in Monochrom angezeigt wird und die Abstandsinformation in Farbe angezeigt wird.
  • Darüber hinaus kann, wenn die Abstandsinformationen erhalten werden, die dreidimensionale Bildgebung, in der ein Abstandsbereich spezifiziert ist, durchgeführt werden. Zum Beispiel werden ein Signal in geringem Abstand von der SPAD-Kamera und ein Signal in großem Abstand von der SPAD-Kamera voneinander separiert, so dass separate dreidimensionale Bildgebungsbilder ausgebildet werden können.
  • In einem Fall, in dem die transparente Platte eine Fahrzeugscheibe ist und nur ein Objekt hinter der Scheibe beobachtet werden soll, kann beispielsweise ein Fehler in der Abstandsmessung aufgrund eines Einflusses einer Reflexion durch die Scheibe auftreten, wenn eine Abstandsbildausbildung sowohl der Scheibe als auch des Objekts unter Verwendung eines ToF-Verfahrens des indirekten Typs oder dergleichen, die im Allgemeinen verwendet wird, durchgeführt wird. In diesem Fall kann, wie in dem zwölften Ausführungsbeispiel beschrieben, in einem Fall, in dem das bewegliche Objekt (z. B. ein Automobil) durch die Abstandsmessung gesteuert wird, eine beabsichtigte Steuerung durchgeführt werden, und es kann ein Problem in Bezug auf die Sicherheit auftreten. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ein solches Bedenken reduziert werden, da die Objekte mit unterschiedlichen Abständen von der Kamera separat der dreidimensionalen Bildgebung unterzogen werden können.
  • <Sechzehntes Ausführungsbeispiel>
  • Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, die einem sechzehnten Ausführungsbeispiel entspricht, ist anhand von 31 beschrieben.
  • 31A zeigt ein Schaltdiagramm des Pixels. In 31A ist insbesondere eine Schaltung dargestellt, die der photoelektrische Umwandlungsabschnitt 101 von 2 aufweist. Der in der Avalanche-Diode erzeugte Lawinenstrom wird über einen durch VQR gesteuerten Quench-Transistor MQ in eine Spannung umgewandelt. Ein Spannungsimpuls wird über einen durch VG gesteuerten Gating-Transistor MG an einen Pulldown-Transistor MPD übertragen. Dadurch wird ein Rückkopplungstransistor MFB in einen ausgeschalteten Zustand versetzt. Auf diese Weise wird eine Source des Quench-Transistors MQ in einen Nicht-Verbindungszustand versetzt, um eine Quench-Funktion in der SPAD zu deaktivieren. Eine Drain-Spannung des Pulldown-Transistors MPD wird für eine so lange Zeit aufrechterhalten, um nahe an einer Massespannung (Erdpotential) zu sein, bis Signale auf dem gesamten Chip gelesen sind. Für die nächste Lichterfassung wird eine Ladung auf ein Potential von VDDH-VTH-VDSAT durchgeführt. Danach kehrt der Rückkopplungstransistor MFB von einem AusZustand in einen Ein-Zustand zurück. Ein durch VSW gesteuerter Transistor MSW ist mit einem Drain des Pulldown-Transistors MPD und einer Source eines Transistors MRS verbunden, und die Source des Transistors MRS wird durch ein Steuerungssignal VRES auf VDD-VTH vorgeladen. Wenn ein Transistor MSEL durch VSEL in einen Ein-Zustand versetzt wird, wird ein Transistor MPDO für einen Pulldown für die gesamte Spalte verwendet. So werden z. B. Zeilen zeilensequentiell ausgewählt.
  • Hierbei werden der Transistor MRS, der Transistor MPDO und der Transistor MSEL, wie durch eine gestrichelte Linie angezeigt, von einer Vielzahl von Pixeln (einer Vielzahl von Avalanche-Dioden) gemeinsam genutzt. Konkret werden diese Transistoren von vier Pixeln (vier Avalanche-Dioden) in zwei Zeilen und zwei Spalten gemeinsam genutzt. Da sich die Vielzahl von Pixeln dieselbe Schaltung, bzw. Schaltkreis teilen, können noch mehr Avalanche-Dioden in derselben Fläche angeordnet werden. Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, wie in 5 dargestellt, wird die Pixelgröße verringert, während das Übersprechen verringert wird, wenn die durch den ersten Isolationsabschnitt 20 gebildete Potentialbarriere niedriger als die durch den zweiten Isolationsabschnitt 30 gebildete Potentialbarriere eingestellt wird. Darüber hinaus ist es durch Verwendung der Pixelschaltung des vorliegenden Ausführungsbeispiels möglich, einen SPAD-Array-Sensor mit noch mehr Pixeln bereitzustellen, da die Pixelgröße bei Anordnung weiter reduziert werden kann.
  • Eine Rückkopplungsschleife, die die Pixel des vorliegenden Ausführungsbeispiels aufweisen, kann ein Auftreten einer nachfolgenden Lawine im Frame verhindern. Die Rückkopplungsschleife kann einen Strom von einem Kathodenspannungsknoten VOP unterdrücken. Da ein Fall von mehr als 100.000 Zählungen eine Verlustleistung beeinflussen kann, kann erwähnt werden, dass dies bei einem großflächigen Array von Vorteil ist.
  • 31B zeigt ein Diagramm, das ein Ansteuerungsverfahren veranschaulicht. Wenn sich VQR und VG von einem H-Level zu einem L-Level verschieben, wird eine Belichtung gestartet, und wenn sich VQR und VG vom L-Level zum H-Level verschieben, wird eine Belichtung für ein Subframe durchgeführt. Zu dieser Zeit ist eine Belichtungsperiode des Subframes im Wesentlichen definiert als eine Periode von einem Timing, an dem VQR von dem H-Level auf den L-Level verschiebt, bis zu einem Timing, an dem VG von dem H-Level auf den L-Level verschiebt. Wenn die Subframe-Periode mehrere Male wiederholt wird, ist es möglich, einen ausreichenden Photonenzählwert selbst für ein schwaches optisches Signal zu erhalten. Während einer Leseperiode wird zuerst VRES auf das H-Level gesetzt, um einen Source-Anschluss von MRS zurückzusetzen. Als nächstes wird VSW auf das H-Level gesetzt, um ein Ausgangssignal in den Source-Anschluss von MRS zu schreiben. Ein Fall, in dem ein Photon während der Belichtungsperiode erfasst wird, entspricht dem L-Level, und ein Fall, in dem ein Photon nicht erfasst wird, entspricht dem H-Level. Außerdem wird VSEL auf das H-Level eingestellt, um ein Pixelsignal an eine vertikale Signalleitung auszugeben. Nach Abschluss des Lesevorgangs werden alle VRES, VSW, VQR und VG zur gleichen Zeit auf das H-Level eingestellt, um einen Reset durchzuführen.
  • <Siebzehntes Ausführungsbeispiel>
  • Filter der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung, die einem siebzehnten Ausführungsbeispiel entsprechen, sind anhand von 32 und 33 bis 35 beschrieben. 32 zeigt einen Graphen, der einen spektralen Transmissionsgrad eines jeden Filters darstellt, 33 bis 35 illustrieren spezifische Anordnungsbeispiele der Filter in der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
  • Ein solcher Filter zur Übertragung von Licht einer bestimmten Wellenlängenkomponente zu einer auf einem Substrat angeordneten Avalanche-Photodiode kann in der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung bereitgestellt sein. Der Filter ist zum Beispiel ein Farbfilter (der auch als CF bezeichnet werden kann), ein Infrarotlichtfilter, einen Infrarotlicht-Sperrfilter oder dergleichen. Diese Filter können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
  • Der CF ist z. B. ein Filter zum Übertragen von sichtbarem Licht wie Rot, Grün oder Blau. Im Folgenden sind Rot, Grün und Blau als R, G und B bezeichnet. Außerdem ist ein Pixel, auf dem der CF von R angeordnet ist, als R-Pixel bezeichnet, ist ein Pixel, auf dem der CF von G angeordnet ist, als ein G-Pixel bezeichnet und ist ein Pixel, auf dem der CF von B angeordnet ist, als ein B-Pixel bezeichnet. Außerdem können in einem Fall, in dem das R-Pixel, das G-Pixel und das B-Pixel gemeinsam bezeichnet sind, diese als RGB-Pixel bezeichnet werden. Darüber hinaus ist Infrarotlicht im Folgenden als IR bezeichnet. Ein Pixel, auf dem ein Filter zur Übertragung von IR, ist als IR-Pixel bezeichnet.
  • 32 veranschaulicht den spektralen Transmissionsgrad des Filters. 32 zeigt einen Graphen, in dem eine horizontale Achse eine Wellenlänge (Einheit: nm) darstellt und eine vertikale Achse einen spektralen Transmissionsgrad (Einheit: %) darstellt. Erstens liegt ein Bereich einer Wellenlänge von sichtbarem Licht im Allgemeinen in einem Bereich von 400 nm oder höher und unterhalb von 700 nm, und reicht ein Bereich einer Wellenlänge eines infraroten Lichts von 750 nm oder höher bis 1 mm oder niedriger. Hierbei beträgt ein spektraler Transmissionsgrad des IR-Filters 50 % oder mehr in dem Wellenlängenbereich bei oder über mindestens 700 nm, und weniger als 50 % in dem Wellenlängenbereich unter 700 nm. Das heißt, der IR-Filter betrifft einen Filter zum hauptsächlichen Durchlassen von infrarotem Licht, und sichtbares Licht wird abgeschnitten. Wie durch eine durchgezogene Linie IR in 19 dargestellt, gibt der spektrale Transmissionsgrad des IR-Filters in der Nähe von 740 nm einen Wert von oder über 90 % an, überschreitet aber bei 700 nm oder darunter nicht 50 %. Andererseits liegt der spektrale Transmissionsgrad des IR-Filters im Wellenlängenbereich unter 700 nm bei 50 % oder darüber. Das heißt, ein Filter für sichtbares Licht betrifft einen Filter zum hauptsächlichen Durchlassen von sichtbarem Licht. Es ist ausreichend, wenn der Filter für sichtbares Licht Licht im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts bei oder unter der Wellenlänge von infrarotem Licht durchlässt, und zum Beispiel Licht der Wellenlänge unter 700 nm durchlässt. Wie durch die durchgezogenen Linien R, G und B in 32 dargestellt, übersteigen die spektralen Transmissionsgrade der jeweiligen Filter für sichtbares Licht 50 % bei einer bestimmten Wellenlänge unter 700 nm. So liegt beispielsweise ein Spitzenwert, bzw. ein Peak des spektralen Transmissionsgrads des R-Filters bei etwa 650 nm, liegt der Spitzenwert des spektralen Transmissionsgrads des G-Filters bei etwa 550 nm und liegt der Spitzenwert des spektralen Transmissionsgrads des B-Filters bei etwa 450 nm. Der Filter für sichtbares Licht kann teilweise Licht im Wellenlängenbereich von infrarotem Licht durchlassen, aber um den Einfluss des infraroten Lichts zu beseitigen, kann der Filter für sichtbares Licht so gestaltet sein, dass er Licht im Wellenlängenbereich von infrarotem Licht nicht durchlässt, z. B. Licht bei 700 nm oder darüber. Das heißt, der Filter für sichtbares Licht kann eine Funktion als ein sogenannter IR-Sperrfilter aufweisen. Darüber hinaus kann der Filter für sichtbares Licht einen Filter für infrarotes Licht enthalten, der Licht bei z. B. 700 nm oder darüber abschneidet, bzw. sperrt. 32 zeigt beispielhaft einen Bereich, in dem der IR-Sperrfilter Licht durchlässt. Ein Material jedes Filters kann ein organisches Material oder kann ein anorganisches Material sein. Es wird darauf hingewiesen, dass kein Durchlassen von Licht oder ein opak, bzw. lichtundurchlässig sein nicht auf einen Zustand beschränkt ist, in dem 100 % des Lichts nicht durchgelassen werden. Ein solcher Zustand bezieht sich zum Beispiel auf einen Zustand, in dem 50 % oder mehr des Lichts durchgelassen werden.
  • 33A beschreibt ein Anordnungsbeispiel mit einem sogenannten Bayer-Array. Ein CF-Verhältnis von R:G:B ist 1:2:1.
  • 33B zeigt ein Anordnungsbeispiel des CF von RGBW12. Bei dieser Anordnung ist jeder der CFs in einem Verhältnis von R:G:B:W = 1:2:1:12 in einem 4×4-Pixel-Array angeordnet. W bezieht sich auf ein weißes Pixel, d. h. ein Pixel, in dem der CF nicht angeordnet ist. Das W-Pixel ist so angeordnet, dass es an ein beliebiges Pixel des R-Pixels, des G-Pixels oder des B-Pixels angrenzt, die den Farbpixeln in jeder von einer Aufwärts- und Abwärtsrichtung, einer Links- und Rechtsrichtung und einer schrägen Richtung in Draufsicht entsprechen. Das heißt, jedes der R-Pixel, G-Pixel und B-Pixel ist von acht W-Pixeln umgeben. Die W-Pixel haben ein Verhältnis von 3/4 unter allen Pixeln inne. Ein Umfang jedes der RGB-Pixel, die den Farbpixeln entsprechen, ist von den W-Pixeln umgeben, und eine Interpolationsgenauigkeit zum Interpolieren eines Signals des W-Pixels ist für jedes der Signale des R-Pixels, des G-Pixels und des B-Pixels verbessert.
  • 34 zeigt ein Anordnungsbeispiel, bei dem die IR-Pixel anstelle der W-Pixel von 33B verwendet werden. Eine solche Filteranordnung kann verwendet werden.
  • Wie in 35 dargestellt, kann darüber hinaus jedes der Pixel wabenförmig angeordnet sein. In 35 sind die IR-Pixel angeordnet, aber anstelle der IR-Pixel können die W-Pixel verwendet werden.
  • Auf diese Weise kann die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verschiedene Filteranordnungen annehmen.
  • Für die vorliegende Erfindung können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt zu sein. So sind beispielsweise ein Beispiel, bei dem ein Teil der Konfigurationen eines beliebigen Ausführungsbeispiels zu einem anderen Ausführungsbeispiel hinzugefügt wird, und ein Beispiel, bei dem ein Teil der Konfigurationen eines anderen Ausführungsbeispiels durch einen Teil der Konfigurationen eines anderen Ausführungsbeispiels ersetzt wird, ebenfalls Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele alle nur Beispiele für Ausführungsbeispiele sind, wenn die vorliegende Erfindung implementiert werden soll, und ein technischer Umfang der vorliegenden Erfindung durch diese nicht eingeschränkt werden soll. Das heißt, die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen implementiert werden, ohne von ihrem technischen Konzept oder ihren Hauptmerkmalen abzuweichen.
  • Das Beispiel, in dem der Filter angeordnet ist, wurde beispielsweise gemäß dem siebzehnten Ausführungsbeispiel dargestellt, aber die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung jedes der Ausführungsbeispiele kann als die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung verwendet werden, die monochromes Licht ohne Anordnung eines CF- oder IR-Sperrfilters oder eines Sperrfilters für sichtbares Licht photoelektrisch umwandelt.
  • Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-015607 , die am 31. Januar 2020 eingereicht wurde, der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-108754 , die am 24. Juni 2020 eingereicht wurde, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-183448 , die am 2. November 2020 eingereicht wurde, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2020015607 [0197]
    • JP 2020108754 [0197]
    • JP 2020183448 [0197]

Claims (21)

  1. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, mit: einer ersten Avalanche-Diode, die ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, in dem Majoritätsträger gleiche Ladungsträger wie eine Signalladung sind; und einer zweiten Avalanche-Diode, die ein zweites Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst und so angeordnet ist, um benachbart der ersten Avalanche-Diode zu sein, wobei ein erster Isolationsabschnitt zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, der erste Isolationsabschnitt durch ein drittes Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, ein siebtes Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der ein Leitfähigkeitstyp ist, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, an einer Stelle angeordnet ist, die in einer Draufsicht mit dem dritten Halbleitergebiet überlappt und tiefer als das dritte Halbleitergebiet ist, das dritte Halbleitergebiet und das siebte Halbleitergebiet einen P-N-Übergang bilden, und eine Störstellenkonzentration des dritten Halbleitergebiets niedriger als eine Störstellenkonzentration des siebten Halbleitergebiets ist.
  2. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, mit: einer ersten Avalanche-Diode, die ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, in dem Majoritätsträger gleiche Ladungsträger wie eine Signalladung sind; und einer zweiten Avalanche-Diode, die ein zweites Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst und so angeordnet ist, um benachbart der ersten Avalanche-Diode zu sein, wobei ein erster Isolationsabschnitt zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, der erste Isolationsabschnitt aus einem vierten Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der ein Leitfähigkeitstyp ist, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, und dritten Halbleitergebieten des ersten Leitfähigkeitstyps, die so angeordnet sind, dass sie das vierte Halbleitergebiet in einer Draufsicht dazwischen sandwichartig aufnehmen, gebildet ist, und in den vierten Halbleitergebieten, eine Störstellenkonzentration Nd des dritten Halbleitergebiets, eine Störstellenkonzentration Na des vierten Halbleitergebiets, eine elektrische Elementarladung q, eine Dielektrizitätskonstante ε eines Halbleiters, eine Potentialdifferenz V zwischen einem P-N-Übergang des dritten Halbleitergebiets und des vierten Halbleitergebiets und eine Länge D des dritten Halbleitergebiets, das von den vierten Halbleitergebieten sandwichartig umgeben ist, den Ausdruck 1 erfüllen. 2 × 2 ε N d N qNA ( Na + Nd ) > D
    Figure DE112021000828T5_0008
  3. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, mit: einem Substrat, das eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist; einer ersten Avalanche-Diode, die ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, das in einer ersten Tiefe des Substrats angeordnet ist und in dem Majoritätsträger gleiche Ladungsträger wie eine Signalladung sind, und ein fünftes Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der ein Leitfähigkeitstyp ist, der sich vom ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, das in einer zweiten Tiefe zwischen der ersten Tiefe und der zweiten Oberfläche angeordnet ist, umfasst; und einer zweiten Avalanche-Diode, die ein zweites Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das in der ersten Tiefe des Substrats angeordnet ist, und ein sechstes Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, das in der zweiten Tiefe angeordnet ist, umfasst, wobei die zweite Avalanche-Diode so angeordnet ist, um benachbart zu der ersten Avalanche-Diode zu sein, wobei ein erster Isolationsabschnitt in der ersten Tiefe zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, mindestens ein intrinsisches Halbleitergebiet, ein drittes Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps oder ein viertes Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps in dem ersten Isolationsabschnitt angeordnet ist, ein siebtes Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps in der zweiten Tiefe zwischen dem fünften Halbleitergebiet und dem sechsten Halbleitergebiet angeordnet ist, und eine Höhe eines Potentials in Bezug auf die Signalladung auf einer Linie, die durch den ersten Isolationsabschnitt und das siebte Halbleitergebiet verläuft, vom siebten Halbleitergebiet in Richtung des ersten Isolationsabschnitts abnimmt, und eine Differenz zwischen einer Höhe des Potentials in Bezug auf die Signalladung im ersten Halbleitergebiet und einer Höhe des Potentials in Bezug auf die Signalladung im fünften Halbleitergebiet größer als eine Differenz zwischen einer Höhe des Potentials in Bezug auf die Signalladung im ersten Isolationsabschnitt und einer Höhe des Potentials in Bezug auf die Signalladung im siebten Halbleitergebiet ist.
  4. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Isolationsabschnitt das dritte Halbleitergebiet umfasst.
  5. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, wobei das dritte Halbleitergebiet von der ersten Avalanche-Diode und der zweiten Avalanche-Diode gemeinsam genutzt wird.
  6. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Störstellenkonzentration des dritten Halbleitergebiets niedriger als eine Störstellenkonzentration des ersten Halbleitergebiets ist.
  7. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit: einer dritten Avalanche-Diode, die so angeordnet ist, um benachbart der zweiten Avalanche-Diode zu sein und ein achtes Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, wobei in einer Draufsicht die erste Avalanche-Diode und die zweite Avalanche-Diode in einer ersten Richtung ausgerichtet sind und die zweite Avalanche-Diode und die dritte Avalanche-Diode in einer zweiten Richtung ausgerichtet sind, die die erste Richtung schneidet, und in einer Draufsicht ein Kontaktstecker, der einem Knoten der ersten Avalanche-Diode ein Potential zuführt, zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem achten Halbleitergebiet angeordnet ist.
  8. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei ein neuntes Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem achten Halbleitergebiet angeordnet ist, ein viertes Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, der Kontaktstecker mit dem neunten Halbleitergebiet verbunden ist, und eine Störstellenkonzentration des vierten Halbleitergebiets niedriger als eine Störstellenkonzentration des neunten Halbleitergebiets ist.
  9. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Kontaktstopfen auf einer ersten Oberfläche eines Substrats ausgebildet ist, und Licht von einer Seite einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche des Substrats einfällt.
  10. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei ein erster Abstand zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet kürzer als ein zweiter Abstand zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem achten Halbleitergebiet ist.
  11. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der erste Abstand ein 1/8-faches oder mehr des zweiten Abstands ist.
  12. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das erste Halbleitergebiet und das zweite Halbleitergebiet auf einem Substrat angeordnet sind, ein Speicher oder eine Zählerschaltung, der/die dazu eingerichtet ist, um einen Lawinenstrom zu erfassen, der auf der Grundlage eines Signals von der ersten Avalanche-Diode erzeugt wird, auf einem zweiten Substrat angeordnet ist, das sich von dem Substrat unterscheidet, und das Substrat und das zweite Substrat geschichtet sind.
  13. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet eine Grabenisolierung angebracht ist.
  14. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Ende der Grabenisolierung bis zu einer Position tiefer als dem ersten Halbleitergebiet ausgebildet ist.
  15. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, mit: einer Vielzahl von Avalanche-Dioden, die ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, in dem Majoritätsträger gleiche Ladungsträger wie eine Signalladung sind; und mindestens einem Speicher, einem Zeit-Digital-Umwandlungsschaltung oder einem Zähler, die entsprechend jeder der Vielzahl von Avalanche-Dioden angeordnet und dazu eingerichtet sind, um einen durch Lawinenvervielfachung in der Avalanche-Diode erzeugten Lawinenstrom zu erfassen, wobei die Vielzahl von Avalanche-Dioden eine erste Avalanche-Diode und eine zweite Avalanche-Diode, die in einer ersten Richtung in einer Draufsicht angeordnet sind, und eine dritte Avalanche-Diode, die in Bezug auf die zweite Avalanche-Diode in einer zweiten Richtung angeordnet ist, die die erste Richtung in einer Draufsicht schneidet, umfasst, in einer Draufsicht ein Kontaktstecker, der ein Potential an einen Knoten der ersten Avalanche-Diode liefert, zwischen dem ersten Halbleitergebiet, das in der ersten Avalanche-Diode umfasst ist, und dem ersten Halbleitergebiet, das in der dritten Avalanche-Diode umfasst ist, angeordnet ist, in einer Draufsicht der Kontaktstecker, der das Potential an den einen Knoten liefert, nicht zwischen dem ersten Halbleitergebiet, das in der ersten Avalanche-Diode umfasst ist, und dem ersten Halbleitergebiet, das in der zweiten Avalanche-Diode umfasst ist, angeordnet ist, der Kontaktstecker mit einem Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps verbunden ist, der ein Leitfähigkeitstyp ist, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, das zwischen dem ersten Halbleitergebiet, das in der ersten Avalanche-Diode umfasst ist, und dem ersten Halbleitergebiet, das in der dritten Avalanche-Diode umfasst ist, angeordnet ist, und der Kontaktstecker und das Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps von der ersten Avalanche-Diode, der zweiten Avalanche-Diode und der dritten Avalanche-Diode gemeinsam genutzt werden.
  16. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 15, ferner mit: einem zweiten Kontaktstecker, der dem ersten Halbleitergebiet der Avalanche-Diode ein Potential zuführt, wobei ein Abstand zwischen dem zweiten Kontaktstecker, der dem ersten Halbleitergebiet der ersten Avalanche-Diode das Potential zuführt, und dem Kontaktstecker, ein Abstand zwischen dem zweiten Kontaktstecker, der dem ersten Halbleitergebiet der zweiten Avalanche-Diode das Potential zuführt, und dem Kontaktstecker, und ein Abstand zwischen dem zweiten Kontaktstecker, der dem ersten Halbleitergebiet der dritten Avalanche-Diode das Potential zuführt, und dem Kontaktstecker zueinander gleich sind.
  17. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Kontaktstecker auf einer ersten Oberfläche eines Substrats ausgebildet ist und Licht von einer Seite einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche des Substrats einfällt.
  18. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Avalanche-Diode im Geiger-Modus arbeitet.
  19. Photoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, ferner mit: einem Farbfilter, wobei durch den Farbfilter transmittiertes Licht auf die Avalanche-Diode einfällt.
  20. Photoelektrisches Umwandlungssystem, mit: der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19; und einer Signalverarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, um ein von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung ausgegebenes Signal zu verarbeiten.
  21. Bewegliches Objekt, mit: der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19; und Abstandsinformationserhaltungsmittel, die dazu eingerichtet sind, um Abstandsinformationen über einen Abstand zu einem Objekt aus Abstandsinformationen auf der Grundlage eines Signals von der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung zu erhalten, wobei das bewegliche Objekt ferner Steuerungsmittel umfasst, die dazu eingerichtet sind, um das bewegliche Objekt auf der Grundlage der Abstandsinformationen zu steuern.
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