DE112021001308T5

DE112021001308T5 - Lichtdetektionseinrichtung

Info

Publication number: DE112021001308T5
Application number: DE112021001308.4T
Authority: DE
Inventors: Tatsuya HASHI; Shinya IWASHINA; Takashi Baba; Shigeyuki Nakamura
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2023-01-26
Also published as: US20230102241A1; TW202141062A; JP2021135229A; US11747195B2; WO2021172071A1; CN115244368A

Abstract

In einer Lichtdetektionsvorrichtung beinhaltet ein Schaltungssubstrat 20 eine Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten, die ein aus einem entsprechenden Pixel ausgegebenes Detektionssignal verarbeiten. Lichtempfangsregionen einer Vielzahl von Lawinen-Photodioden sind für jedes Pixel zweidimensional angeordnet. In jeder der Signalverarbeitungseinheiten SP misst eine Timing-Messeinheit 42 einen Zeitpunkt, zu welchem Licht auf ein entsprechendes Pixel einfällt, basierend auf dem Detektionssignal. Eine Energiemesseinheit 43 misst Energie von auf ein entsprechendes Pixel einfallenden Lichts basierend auf dem Detektionssignal. Eine Speichereinheit 44 speichert ein Messergebnis in der Timing-Messeinheit 42 und der Energie-Messeinheit 43. Eine Lichtdetektionsregion α, wo eine Vielzahl von Pixeln vorgesehen sind, und eine Signalverarbeitungsregion β, wo eine Vielzahl der Signalverarbeitungseinheiten vorgesehen sind, überlappen einander zumindest teilweise.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lichtdetektionsvorrichtung.
Hintergrund
Es ist eine Technologie des Durchführens der Detektion eines Ziels und von Distanzmessung bis zum Ziel durch Detektieren von Licht, das aus einer Lichtquelle erzeugt wird, und dann vom Ziel reflektiert wird, bekannt (siehe beispielsweise Patentliteratur 1). Diese Technologie wird beispielsweise als Lichtdetektion und Bereichsmessung (LiDAR) bezeichnet. Nachfolgend werden „Detektion eines Ziels“ und „Distanzmessung bis zum Ziel“ gemeinsam als „Detektionsoperation“ bezeichnet. Eine Vorrichtung, welche die Detektionsoperation durch das LiDAR durchführt, wird als „Messvorrichtung“ bezeichnet. Patentliteratur 1 offenbart eine Messvorrichtung vom Abtasttyp, die ein Abtasten mit aus einer Lichtquelle emittiertem Licht durch eine Abtasteinheit durchführt und von einem Ziel reflektiertes Licht detektiert.
ZITATELISTE
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patent-Veröffentlichung JP 2018-72097 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die Messvorrichtung vom Abtasttyp weist eine Betriebsstelle auf, die mechanisch in der Abtasteinheit arbeitet, um sequentiell reflektiertes Licht aus einer Region eines Detektionsziels zu detektieren, durch Durchführen von Abtastung mit Licht aus einer Lichtquelle. Entsprechend gibt es bei der Messvorrichtung vom Abtasttyp das Problem, dass ein Ausfall sehr wahrscheinlich in der Abtasteinheit auftritt. In der Messvorrichtung vom Abtasttyp gibt es auch ein Problem dahingehend, dass eine genaue Detektionsoperation aufgrund von Bewegung des Ziels während des Abtastens mit Licht nicht durchgeführt wird. Um die Probleme zu lösen, wird eine Messvorrichtung vom Blitztyp erwogen, die zweidimensional und simultan Licht aus einer Lichtquelle aus einer Region des Detektionsziels projiziert und aus der Region reflektiertes Licht detektiert. Mit der Messvorrichtung vom Blitztyp kann eine Detektionsoperation in einer breiten Region selbst dann durchgeführt werden, wenn kein Abtasten mit Licht durchgeführt wird. In einem Fall, bei dem die Abtasteinheit, welche Abtastung mit Licht aus der Lichtquelle durchführt, nicht vorgesehen ist, tritt der Ausfall der Abtasteinheit nicht auf und wird auch das Problem gelöst, das auf der Bewegung des Ziels während des Abtastens mit Licht beruht. Es wird erwogen, dass die Messvorrichtung vom Blitztyp weiter die Robustheit im Vergleich zur Messvorrichtung vom Abtasttyp verbessern kann und es möglich ist, die Detektionsoperationszeit in der Region des Detektionsziels zu verkürzen.
Jedoch gibt es verschiedene Probleme beim Durchführen der Detektionsoperation ohne Verwendung der Abtasteinheit. Beispielsweise in einem Fall, bei dem Licht simultan auf eine zweidimensionale Region projiziert wird, ohne die Abtasteinheit zu verwenden, ist es beim Detektieren des durch die Projektion reflektierten Lichts notwendig, eine Vielzahl von Pixeln zweidimensional anzuordnen, welche konfiguriert sind, Licht in der Lichtdetektionsvorrichtung zu detektieren. Bei der Detektionsoperation mit der Messvorrichtung vom Blitztyp, da Licht simultan aus der Lichtquelle auf eine Region des Detektionsziels projiziert wird, wird die Intensität von, von jeder Stelle der Region reflektiertem Licht im Vergleich zur Detektionsoperation mit der Messvorrichtung vom Abtasttyp schwächer. Entsprechend wird verlangt, die Sensitivität in jedem Pixel zu verbessern. Bei der Detektionsoperation mit der Messvorrichtung vom Blitztyp, da Licht, das simultan auf die Region des Detektionsziels projiziert wird, detektiert wird, wird wahrscheinlich auch Störlicht zusätzlich zum aus dem Ziel reflektierten Licht detektiert. Daher ist es schwierig, das Störlicht und das reflektierte Licht im Ziel zu unterscheiden. Um die Probleme in der Messvorrichtung vom Blitztyp zu lösen, wird verlangt, die Genauigkeit und Präzision der Detektion in der Lichtdetektionsvorrichtung zu verbessern.
Eine Aufgabe eines Aspekts der Erfindung ist es, eine Lichtdetektionsvorrichtung bereitzustellen, die eine kompakte Konfiguration aufweist, un in welcher Genauigkeit und Detektionspräzision selbst in dem Fall verbessert werden, in dem eine Messvorrichtung vom Blitztyp verwendet wird.
Problemlösung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Lichtdetektionsvorrichtung bereitgestellt, die ein Lichtdetektionssubstrat und ein Schaltungssubstrat enthält. Das Lichtdetektionssubstrat beinhaltet ein Halbleitersubstrat. Das Halbleitersubstrat beinhaltet eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche, die einander gegenüberliegen. Das Lichtdetektionssubstrat beinhaltet eine Lichtdetektionsregion. Die Lichtdetektionsregion ist mit einer Vielzahl von Pixeln versehen, die zweidimensional angeordnet sind, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche. Das Schaltungssubstrat ist mit dem Lichtdetektionssubstrat in einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche verbunden. Das Schaltungssubstrat beinhaltet eine Signalverarbeitungsregion. Die Signalverarbeitungsregion ist mit einer Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten versehen, die konfiguriert sind, ein Detektionssignal zu prozessieren, welches aus einem entsprechenden Pixel ausgegeben wird. Das Lichtdetektionssubstrat beinhaltet eine Vielzahl von Lawinen-Photodioden, eine Vielzahl von Löschwiderständen und eine Flächenelektrode für jedes Pixel. Jede der Vielzahl von Lawinen-Photodioden beinhaltet eine Lichtempfangsregion, die im Halbleitersubstrat vorgesehen ist, und ist ausgelegt, in einem Geigermodus zu arbeiten. Jeder der Vielzahl von Löschwiderständen ist elektrisch mit einem entsprechenden der Lawinen-Photodioden in Reihe verbunden. Die Vielzahl von Löschwiderständen ist elektrisch mit der Flächenelektrode parallel verbunden. Die Lichtempfangsregionen der Vielzahl von Lawinen-Photodioden sind zweidimensional für jedes Pixel angeordnet, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche. Jede der Signalverarbeitungseinheiten beinhaltet eine Signal-Erfassungseinheit, eine Zeitmesseinheit, eine Energiemesseinheit und eine Speichereinheit. Die Signal-Erfassungseinheit erfasst ein Detektionssignal durch eine entsprechende Flächenelektrode, entsprechend der Flächenelektrode. Die Zeitmesseinheit misst den Zeitpunkt, zu welchem Licht auf ein entsprechendes der Pixel einfällt, basierend auf dem Detektionssignal. Die Energiemesseinheit misst Energie des auf ein entsprechendes der Pixel einfallenden Lichts auf Basis des Detektionssignals. Die Speichereinheit speichert ein Messergebnis in der Zeitmesseinheit und der Energie-Messeinheit. Bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche überlappen die Lichtdetektionsregion und die Signalverarbeitungsregion zumindest teilweise miteinander.
In dem Aspekt beinhaltet die Lichtdetektionsvorrichtung das Lichtdetektionssubstrat, das die Vielzahl von Pixeln enthält, die zweidimensional angeordnet sind. Jedes der Pixel beinhaltet eine Vielzahl von Lawinen-Photodioden, die ausgelegt sind, im Geigermodus zu arbeiten. Jede der Signalverarbeitungseinheiten erfasst ein Detektionssignal durch die Flächenelektrode der Pixel. Entsprechend wird in der Lichtdetektionsvorrichtung die Sensitivität jedes der Pixel, die zweidimensional angeordnet sind, verbessert. Entsprechend, selbst im Falle des Detektierens von reflektiertem Licht von Licht, welches simultan auf einen zweidimensionalen Bereich aus einer Lichtquelle projiziert wird, werden Genauigkeit und Präzision der Detektion verbessert. In der Lichtdetektionsvorrichtung misst jede der Signalverarbeitungseinheiten die Lichtenergie auf Basis des aus jedem der Pixel ausgegebenen Detektionssignals, welche die Vielzahl von Lawinen-Photodioden in der Energiemesseinheit beinhaltet. Entsprechend kann die Lichtdetektionsvorrichtung aus einem Ziel reflektiertes Licht und Störlicht aufgrund einer Differenz bei der Energie unterscheiden. Entsprechend kann ein Einfluss des Störlichts aus dem Detektionsergebnis reduziert werden. Das Schaltungssubstrat ist mit dem Lichtdetektionssubstrat in einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche verbunden und die Lichtdetektionsregion und die Signalverarbeitungsregion überlappen einander zumindest teilweise. Entsprechend wird in einer Richtung parallel zur ersten Hauptoberfläche eine Größenreduktion der Lichtdetektionsvorrichtung erzielt und wird ein elektrischer Verbindungspfad zwischen jedem der Pixel und jeder der Signalverarbeitungseinheiten reduziert. Jede der Signalverarbeitungseinheiten beinhaltet eine Speichereinheit. In einem Fall, bei dem die Speichereinheit auf der Außenseite der Signalverarbeitungseinheit vorgesehen wird, wird eine Verbindung von zumindest der Zeitmesseinheit nach außerhalb der Signalverarbeitungseinheit gezogen und somit wird ein weiter Raum erforderlich zwischen den aneinander angrenzenden Signalverarbeitungseinheiten. In einem Fall, in dem ein weiter Raum zwischen den angrenzenden Signalverarbeitungseinheiten erforderlich ist, ist es schwierig, die Größe der Lichtdetektionsvorrichtung zu reduzieren. In der Lichtdetektionsvorrichtung, da die Speichereinheit in jeder der Signalverarbeitungseinheiten enthalten ist, wird die Anzahl von Zwischenverbindungen, die aus der Signalverarbeitungseinheit nach außerhalb der Signalverarbeitungseinheit gezogen werden, reduziert. Entsprechend wird eine zusätzliche Größenreduktion der Lichtdetektionsvorrichtung erzielt.
In dem Aspekt kann das Lichtdetektionssubstrat von einer Kante dem Schaltungssubstrat umgeben sein, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zu einer ersten Hauptoberfläche. In diesem Fall wird eine zusätzliche Reduktion bei der Größe der Lichtdetektionsvorrichtung erzielt und wird der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem der Pixel und jeder Signalverarbeitungseinheit weiter reduziert.
In dem Aspekt kann die Lichtdetektionsvorrichtung einen ersten Bereich beinhalten, der die Signalverarbeitungsregion überlappt, und einen zweiten Bereich, der die Signalverarbeitungsregion nicht überlappt, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zu einer ersten Hauptoberfläche. Eine Fläche des ersten Bereichs kann größer als eine Fläche des zweiten Bereichs sein. In diesem Fall wird eine zusätzliche Reduktion bei der Größe der Lichtdetektionsvorrichtung erzielt und wird der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem der Pixel und jeder Signalverarbeitungseinheit weiter reduziert.
In dem Aspekt kann die Signalverarbeitungseinheit einen dritten Bereich enthalten, der die Lichtdetektionsregion bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zu einer ersten Hauptoberfläche nicht überlappt. Die Fläche des ersten Bereichs kann größer sein als die Summe aus der Fläche des zweiten Bereichs und einer Fläche des dritten Bereichs. In diesem Fall wird eine zusätzliche Reduktion bei der Größe der Lichtdetektionsvorrichtung erzielt und wird der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem Pixel und jeder genauen Verarbeitungseinheit weiter reduziert.
In dem Aspekt kann eine Einheitsregion, wo jedes der Pixel in der Lichtdetektionsregion vorgesehen ist, und eine Einheitsregion, wo eine der Signalverarbeitungseinheiten, die dem Pixel in der Signalverarbeitungsregion entspricht, vorgesehen ist, miteinander zumindest teilweise überlappen, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche. In diesem Fall wird eine zusätzliche Reduktion bei der Größe der Lichtdetektionsvorrichtung erzielt und wird der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem Pixel und jeder Signalverarbeitungseinheit weiter reduziert.
In dem Aspekt kann ein Schwerpunkt der Flächenelektrode von einem Schwerpunkt einer Einheitsregion abweichen, wo die Signalverarbeitungseinheit, mit welcher die Flächenelektrode verbunden ist, vorgesehen ist, zur Signalverarbeitungseinheit hin, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche. Der Schwerpunkt der Flächenelektrode ist ein geometrisches Zentrum. In diesem Fall wird der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem Pixel und jeder Signalverarbeitungseinheit weiter verkürzt. Bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche kann eine Verbindung zum Anlegen einer Antriebsspannung an jede der Signalverarbeitungseinheiten im Schwerpunkt der Signalverarbeitungseinheit vorgesehen sein. Entsprechend wird die Routenführung der Verbindung einfach.
In dem Aspekt kann die Einheitsregion, wo jedes der Pixel in der Lichtdetektionsregion vorgesehen ist, und die Einheitsregion, wo eine der Signalverarbeitungseinheiten, die den Pixel in der Signalverarbeitungsregion entspricht, vorgesehen ist, voneinander in einer Richtung entlang der erste Hauptoberfläche abweichen, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche, und kann Bereiche beinhalten, die miteinander nicht überlappen. In diesem Fall kann der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem Pixel und jeder Signalverarbeitungseinheit weiter verkürzt werden.
In dem Aspekt kann das Detektionssignal ein Stromsignal sein. Die Signal-Erfassungseinheit jeder der Signal-Erfassungseinheiten kann eine Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung und eine Signalübertragungsschaltung beinhalten. Die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung kann das Detektionssignal in eine Spannung umwandeln. Die Signalübertragungsschaltung kann ein aus der Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung ausgegebenes Spannungssignal an einer Energie-Messeinheit eingeben. Der Millerkondensator kann mit der Energiemesseinheit parallel mit der Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung verbunden sein. Die Energiemesseinheit kann Energie von Licht, das auf ein entsprechendes der Pixel einfällt, auf Basis einer Wellenform eines Signals, das aus der Signalübertragungs-Schaltung eingegeben wird, messen. In diesem Fall, da der Kondensator in der SignalübertragungsSchaltung enthalten ist, wird die Wellenform aufgrund des Kondensators sanft. Wenn die Wellenform sanft wird, kann die Präzision bei der Messung von Energie in der Energiemesseinheit verbessert werden. Die Wellenform des Signals wird mit größerer elektrischer Kapazität des Kondensators sanft. In der Lichtdetektionsvorrichtung beinhaltet die Signalübertragungs-Schaltung einen Millerkondensator. Entsprechend kann die SignalübertragungsSchaltung dieselbe Operation wie in einem Fall erhalten, bei dem ein Kondensator mit größerer elektrischer Kapazität verwendet wird, ohne eine Größe einer Kondensatorregion zu vergrößern. Als Ergebnis kann die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten in einer kompakten Weise konform zur Vielzahl von Pixeln, die zweidimensional angeordnet sind, gebildet werden, während die Präzision bei der Energiemessung sichergestellt ist.
In dem Aspekt kann die Energie-Messeinheit die Energie von ein entsprechendes der Pixel einfallenden Lichts durch Messen von Zeit, für welche eine Impulshöhe eines aus einer entsprechenden Signal-Erfassungseinheit eingegebenen Signals entsprechend der Signal-Erfassungseinheit gleich oder größer als ein Schwellenwert ist, messen. Die Energie-Messeinheit kann durch einfache Digitalverarbeitung realisiert werden und kann in einer kompakten Weise physisch konfiguriert werden. Entsprechend wird eine Größe einer Region der Energie-Messeinheit reduziert. Als Ergebnis kann die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten in einer kompakten Weise konform zur Vielzahl von Pixeln, die zweidimensional angeordnet sind, gebildet werden.
In dem Aspekt kann die Speichereinheit jeder der Signalverarbeitungseinheiten eine Vielzahl von Speicherregionen enthalten. Die Vielzahl von Speicherregionen speichern jeweils Messergebnisse in der Zeitmesseinheit und der Energie-Messeinheit in Bezug auf Einfallslicht, das auf ein entsprechendes der Pixel zu unterschiedlichen Zeitpunkten einfällt, in einer vorbestimmten Messperiode. Da die Lichtdetektionsvorrichtung eine Vielzahl von Speicherregionen enthält, selbst wenn Messergebnisse für auf das Pixel einfallendes Störlicht aus der Zeitmesseinheit und der Energie-Messeinheit in der vorbestimmten Messperiode ausgegeben werden, wird ein Messergebnis von Reflektionslicht von einem Ziel auch gespeichert. In der Lichtdetektionsvorrichtung ist die Vielzahl von Speicherregionen in jeder der Signalverarbeitungseinheiten enthalten. Entsprechend wird ein Einfluss des Störlichts reduziert und wird die Anzahl von Zwischenverbindungen, die von der Signalverarbeitungseinheit zur Außenseite der Signalverarbeitungseinheit gezogen wird, reduziert.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Der Aspekt der Erfindung stellt eine Lichtdetektionsvorrichtung bereit, die eine kompakte Konfiguration aufweist, und in welcher Genauigkeit und Präzision der Detektion selbst in dem Fall verbessert sind, bei dem sie in einer Messvorrichtung vom Blitztyp verwendet wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine Lichtdetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform illustriert.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Lichtdetektionsvorrichtung.
3 ist eine schematische Aufsicht eines Lichtdetektions-Substrats.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen einer Lichtdetektionsregion und einer Signalverarbeitungsregion illustriert.
5 ist eine schematische vergrößerte Ansicht des Lichtdetektions-Substrats.
6 ist eine Ansicht, die eine Querschnitts-Konfiguration der Lichtdetektionsvorrichtung illustriert.
7 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Schaltungssubstrats illustriert.
8 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Signalverarbeitungseinheit illustriert.
9 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Frontend-Schaltung illustriert.
10 ist eine Ansicht, die einen Miller-Kondensator illustriert.
11 ist eine Ansicht zum Beschreiben einer Verarbeitungsoperation eines Energie-Komparators und einer Logikschaltung.
12 ist ein Timing-Diagramm, das eine Operation der Signalverarbeitungseinheit illustriert.
13 ist eine Ansicht, die eine Querschnitts-Konfiguration einer Lichtdetektionsvorrichtung illustriert, die sich auf ein Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform bezieht.
14 ist eine Ansicht zum Beschreiben der Verarbeitung in einer Signalübertragungs-Schaltung.
15 ist eine Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen einem Pixel und einer Signalverarbeitungseinheit gemäß dem Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform illustriert.
16 ist eine Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen einer Signal-Erfassungseinheit und einer Flächenelektrode gemäß dem Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform illustriert.
17 ist eine schematische Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen einer Lichtdetektionsregion und einer Signalverarbeitungs-Region gemäß dem Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform illustriert.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist anzumerken, dass in der Beschreibung dasselbe Bezugszeichen demselben Element oder einem Element mit derselben Funktion gegeben wird und eine redundante Beschreibung derselben weggelassen wird.
Zuerst wird eine Konfiguration einer Lichtdetektionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben. 1 ist eine schematische Perspektivansicht, die die Lichtdetektionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform illustriert. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der in 1 illustrierten Lichtdetektionsvorrichtung. Eine Lichtdetektionsvorrichtung 1 ist eine HalbleiterLichtdetektionsvorrichtung.
Wie in 1 und 2 illustriert, beinhaltet die Lichtdetektionsvorrichtung 1 ein Lichtdetektionssubstrat 10 und ein Schaltungssubstrat 20. Das Lichtdektionssubstrat 10 und das Schaltungssubstrat 20 weisen zueinander. In dieser Ausführungsform ist eine Oberfläche parallel zu jeder Hauptoberfläche des Lichtdetektionssubstrats 10 und das Schaltungssubstrat 20 eine XY-Achsenebene und ist eine Richtung orthogonal zur Hauptoberfläche eine Z-Achsenrichtung.
Das Lichtdetektionssubstrat 10 beinhaltet ein Halbleitersubstrat 50 mit einer bei Aufsicht rechteckigen Form. In dieser Ausführungsform ist das Lichtdetektionssubstrat 10 ein Lichtdetektionssubstrat, das in einer sogenannten Halbleiterdetektionsvorrichtung vom Rückoberflächeneinfallstyp verwendet wird. Das Halbleitersubstrat 50 ist ein P-Typ-Halbleitersubstrat, das aus Si gebildet ist. Das Halbleitersubstrat 50 beinhaltet eine Hauptoberfläche 1Na und eine Hauptoberfläche 1Nb gegenüberliegend zueinander. Ein P-Typ ist ein Beispiel eines ersten Leitfähigkeitstyps. Ein N-Typ ist ein Beispiel eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Die Hauptoberfläche 1Na ist eine Lichteinfalls-Oberfläche auf das Halbleitersubstrat 50. In einem Fall, bei dem die Hauptoberfläche 1Na eine erste Hauptoberfläche ist, ist die Hauptoberfläche 1Nb eine zweite Hauptoberfläche.
Das Schaltungssubstrat 20 beinhaltet eine Hauptoberfläche 20a und eine Hauptoberfläche 20b, die einander gegenüberliegen. Das Schaltungssubstrat 20 weist eine bei Aufsicht rechteckige Form auf. Das Lichtdetektionssubstrat 10 ist mit dem Schaltungssubstrat 20 in der Z-Achsenrichtung verbunden. Die Hauptoberfläche 20a und die Hauptoberfläche 1Nb weisen zueinander hin.
Eine Seitenoberfläche 20c des Schaltungssubstrats 20 ist auf einer äußeren Seite im Vergleich zu einer Seitenoberfläche 1Nc des Halbleitersubstrats 50 in einer XY-Achsenebenenrichtung lokalisiert. Bei Aufsicht ist eine Fläche des Schaltungssubstrats 20 größer als eine Fläche des Halbleitersubstrats 50. Mit anderen Worten ist die Seitenoberfläche 20c des Schaltungssubstrats 20 auf einer äußeren Seite im Vergleich zur Seitenoberfläche 1Nc des Halbleitersubstrats 50 in der XY-Achsenebenenrichtung lokalisiert. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung ist das Lichtdetektionssubstrat 10 von einer Kante 20d des Schaltungssubstrats 20 umgeben. Die Seitenoberfläche 20c des Schaltungssubstrats 20 und die Seitenoberfläche 1Nc des Halbleitersubstrats 50 können zueinander bündig sein.
Das Lichtdetektionssubstrat 10 ist auf dem Schaltungssubstrat 20 montiert. Das Lichtdetektionssubstrat 10 und das Schaltungssubstrat 20 sind miteinander durch eine Höckerelektrode (bump electrode) BE verbunden. Das Lichtdetektionssubstrat 10 ist am Zentrum des Schaltungssubstrats 20 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung angeordnet. Wie in 2 illustriert, beinhaltet das Lichtdetektionssubstrat 10 eine Vielzahl von Pixeln U. Die Vielzahl von Pixeln U sind in einer Matrixform in einer Lichtdetektionsregion α des Lichtdetektionssubstrats 10 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung zweidimensional angeordnet. Die Lichtdetektionsregion α weist eine rechteckige Form bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung auf. Die Lichtdetektionsrichtung 1 gibt ein Detektionssignal, das durch die Vielzahl von Pixeln U detektiertem Licht entspricht, aus. Ein Abstand WU zwischen den Pixeln U beträgt 10 um bis 500 um in einer Reihenrichtung und einer Zeilen- und Spaltenrichtung. In dieser Ausführungsform beträgt der Abstand WU 100 um. Die Zeilenrichtung ist eine X-Achsenrichtung und die Spaltenrichtung ist eine Y-Achsenrichtung.
Beispielsweise bildet das Schaltungssubstrat 20 eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Wie in 2 illustriert, beinhaltet das Schaltungssubstrat 20 eine Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP. Jede der Signalverarbeitungseinheiten SP prozessiert ein aus einem entsprechenden der Pixel U ausgegebenes Detektionssignal. Die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP sind in einer Signalverarbeitungsregion β des Schaltungssubstrats 20 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung zweidimensional angeordnet. Jede der Signalverarbeitungseinheiten SP ist elektrisch mit dem Lichtdetektionssubstrat 10 durch die Höckerelektrode BE verbunden. In dieser Ausführungsform sind die Signalverarbeitungseinheiten SP im selben Abstand WU wie die entsprechenden Pixel U der Pixel U angeordnet.
Als Nächstes wird eine Konfiguration des Lichtdetektionssubstrats 10 unter Bezugnahme auf 3 bis 6 beschrieben. 3 ist eine Ansicht, welche die Hauptoberfläche 1Nb des Lichtdetektionssubstrats 10 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung illustriert. 4 ist eine schematische Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen der Lichtdetektionsregion α und der Signalverarbeitungsregion β illustriert. 5 illustriert eine Region, die mit einer Flächenelektrode PE1 versehen ist, und eine Höckerelektrode BE sind in Entsprechung mit jedem der Pixel U vorgesehen. 6 illustriert eine Querschnitts-Konfiguration der Lichtdetektionsvorrichtung.
In 3 ist eine Position der Signalverarbeitungseinheit SP bei Sicht der Lichtdetektionsvorrichtung aus der Z-Achsenrichtung durch eine Einpunkt-Kettenlinie angegeben. 3 illustriert eine Positionsbeziehung zwischen jedem der Pixel U, der Höckerelektrode BE und der Signalverarbeitungseinheit SP des Schaltungssubstrat 20. Wie in 3 illustriert, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung, überlappen die Lichtdetektionsregion α und die Signalverarbeitungsregion β miteinander zumindest teilweise. In dieser Ausführungsform weichen bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung die Lichtdetektionsregion α und die Signalverarbeitungsregion β voneinander in der X-Achsenrichtung ab.
4 illustriert eine Positionsbeziehung zwischen der Lichtdetektionsregion α und der Signalverarbeitungsregion β bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Die Lichtdetektionsregion α beinhaltet einen Bereich R1, welcher die Signalverarbeitungsregion β überlappt, und einen Bereich R2, welcher die Signalverarbeitungsregion β nicht überlappt, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Die Signalverarbeitungsregion β beinhaltet den Bereich R1, der die Lichtdetektionsregion α überlappt, und einen Bereich R3, der die Lichtdetektionsregion α nicht überlappt, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Mit anderen Worten ist der Bereich R1 ein Bereich, wo die Lichtdetektionsregion α und die Signalverarbeitungsregion β miteinander bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung überlappen. Der Bereich R2 ist ein Bereich, wo die Lichtdetektionsregion α und die Signalverarbeitungsregion β miteinander in der Lichtdetektionsregion α nicht überlappen, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Der Bereich R3 ist ein Bereich, wo die Lichtdetektionsregion α und die Signalverarbeitungsregion β einander in der Signalverarbeitungsregion β nicht überlappen, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. In 4 ist der Bereich R1 schraffiert. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung ist eine Fläche des Bereichs R1 größer als eine Fläche des Bereichs R2. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung ist die Fläche des Bereichs R1 größer als die Summe der Fläche des Bereichs R2 und einer Fläche des Bereichs R3. Beispielsweise ist der Bereich R1 ein erster Bereich, ist der Bereich R2 ein zweiter Bereich und ist der Bereich R3 ein dritter Bereich.
Die Lichtdetektionsregion α beinhaltet eine Vielzahl von Einheitsregionen α1, wo eine Vielzahl von Pixeln U jeweils vorgesehen sind. Ein Pixel U ist in einer Einheitsregion α1 vorgesehen. Die Signalverarbeitungsregion β beinhaltet eine Vielzahl von Einheitsregionen β1, wo jeweils eine Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP vorgesehen sind. Ein Signalverarbeitungseinheit SP ist in einer Einheitsregion β1 vorgesehen. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung überlappen die Einheitsregion α1, wo jedes der Pixel U vorgesehen ist, und die Einheitsregion β1, wo die dem Pixel U entsprechende Signalverarbeitungseinheit SP vorgesehen ist, miteinander zumindest teilweise. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung weichen die Einheitsregion α1, wo jedes der Pixel U vorgesehen ist, und die Einheitsregion β1, wo die dem Pixel U entsprechende Signalverarbeitungseinheit SP vorgesehen ist, voneinander in einer Richtung entlang der Hauptoberfläche 1Na ab und beinhalten Bereiche, die nicht miteinander überlappen. In dieser Ausführungsform weicht die Einheitsregion β1, wo die entsprechende Signalverarbeitungseinheit SP vorgesehen ist, von der Einheitsregion β1, wo die entsprechende Signalverarbeitungseinheit SP vorgesehen ist, von der Einheitsregion α1, wo das Pixel U vorgesehen ist, in der X-Achsenrichtung ab.
Wie in 3 und 5 illustriert, beinhaltet das Lichtdetektionssubstrat 10 eine Vielzahl von Lawinen-Photodioden 11, die im Geigenmodus arbeiten, eine Vielzahl von und Flächenelektroden PE1 und PE2. Nachfolgend wird „Lawinen-Photodiode“ als „APD“ bezeichnet.
Das Lichtdetektionssubstrat 10 ist mit der Vielzahl von APDs 11, die im Geiger-Modus arbeiten, der Vielzahl von Löschwiderständen 21 und zumindest einer Flächenelektrode PE1 für jedes Pixel U versehen. In dieser Ausführungsform ist eine Flächenelektrode PE1 für jedes Pixel U vorgesehen. Die Signalverarbeitungseinheit SP ist mit nur einer Flächenelektrode PE1 verbunden. Eine der Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP ist mit nur einem Pixel U durch eine entsprechende Flächenelektrode PE1 verbunden. Mit anderen Worten sind die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP und die Vielzahl von Pixeln U verbunden, in einer Eins-zu-Eins-Beziehung zu korrespondieren.
Die Vielzahl von APDs 11 sind zweidimensional in dem Halbleitersubstrat 50 angeordnet. Jede der APDs 11 beinhaltet eine Lichtempfangsregion S, die je aus der Hauptoberfläche 1Na-Seite einfallendes Licht empfängt. Eine Vielzahl von den Lichtempfangsregionen S sind auf der Hauptoberfläche 1Nb-Seite des Stromgenerators 50 vorgesehen. Wie in 5 illustriert, beinhaltet in dem Lichtdetektionssubstrat 10 jedes der Pixel U die Vielzahl von Lichtempfangsregionen S. Die Vielzahl von Lichtempfangsregionen S sind zweidimensional angeordnet für jedes Pixel U bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Jede der Lichtempfangsregionen S ist eine Ladungserzeugungsregion, wo Ladungen korrespondierend mit Einfallslicht auftreten. Die Lichtempfangsregion S ist eine lichtsensitive Region. In dieser Ausführungsform, wie in 5 illustriert, weist die Lichtempfangsregion S ist eine rechteckige Form bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung auf.
Wie in 6 illustriert, beinhaltet das Lichtdetektionssubstrat 10 die Vielzahl von Löschwiderständen 21 und eine Elektrode 22 für jedes Pixel U. Jeder der Löschwiderstände 21 ist auf der Hauptoberflächen-1Nb-Seite des Halbleitersubstrats 50 angeordnet. Der Löschwiderstand 21 erstreckt sich entlang einer Außenkante der Lichtempfangsregion S bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Jeder der Löschwiderstände 21 ist elektrisch mit der Lichtempfangsregion S einer entsprechenden aus den APDs 11 in Reihe verbunden. Der Löschwiderstand 21 bildet eine passive Löschschaltung.
Wie in Fig. 5 illustriert, ist die Elektrode 22 in einer Gitterform bereitgestellt, so dass sie zwischen der Vielzahl von Lichtempfangsregionen S, die in einem Pixel U enthalten sind, passiert, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung auf der Seite der Hauptoberfläche 1Nb. Die Lichtempfangsregionen S sind von der Elektrode 22 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung umgeben. Die Elektrode 22 ist mit allen Lichtempfangsregionen S, die in einem Pixel U enthalten sind, über die Vielzahl von Löschwiderständen 21 elektrisch verbunden. Eine Elektrode 22 ist mit der Lichtempfangsregion S entsprechend jedem der Löschwiderstände 21 über die Vielzahl von Löschwiderständen 21 elektrisch verbunden. Die Elektrode 22 ist mit der Flächenelektrode PE1 entsprechend dem Pixel U verbunden. In dieser Ausführungsform ist die Elektrode 22 mit der Flächenelektrode PE1, die im Zentrum eines entsprechenden Pixels U lokalisiert ist, verbunden. Gemäß der Konfiguration sind alle in einem Pixel U enthaltenen Löschwiderstände 21 mit der einen Flächenelektrode PE1 parallel durch die Elektrode 22 elektrisch verbunden. Das heißt, dass die Flächenelektrode PE1 mit der Vielzahl von APDs 11, die in einem entsprechenden Pixel U enthalten sind, über die Löschwiderstände 21 und die Elektrode 22 elektrisch verbunden ist.
Die Vielzahl von Flächenelektroden PE1 sind in der Lichtdetektionsregion α lokalisiert, wo die Vielzahl von Pixeln U bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung zweidimensional angeordnet sind. Jede der Flächenelektroden PE1 ist auf der Seite der Hauptoberfläche 1Nb angeordnet, um zumindest eine APD 11 aus der Vielzahl von APDs 11 zu überlappen, die in einem entsprechenden Pixel U vorgesehen sind, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. In dieser Ausführungsform weist die Flächenelektrode PE1 eine rechteckige Form auf und ist angeordnet, vier APDs 11 zu überlappen, die im Zentrum des Pixels U lokalisiert sind, von sechzehn APDs 11, die in einem Pixel U vorgesehen sind. Die Höckerelektrode BE ist am Zentrum der Flächenelektrode PE1 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung angeordnet. In dieser Ausführungsform steht die Flächenelektrode PE1 in Kontakt mit der Elektrode 22, die vier Lichtempfangsregionen S umgibt, die im Zentrum des Pixels U lokalisiert sind, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung.
Als ein Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform kann die Flächenelektrode PE1 in Kontakt sein mit allen der Vielzahl von APDs 11, die in dem Pixel U vorgesehen sind. In diesem Fall kann beispielsweise die Flächenelektrode PE1 auf der Seite der Hauptoberfläche 1Nb angeordnet sein, so dass sie mit der Vielzahl von APDs 11 überlappt, die im Pixel U vorgesehen sind, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung.
Wie in 3 illustriert, ist auf der Seite der Hauptoberfläche 1Nb die Flächenelektrode PE2 angeordnet, von der Lichtdetektionsregion α, wo die Vielzahl von Pixeln U angeordnet ist, beabstandet zu sein. Die Flächenelektrode PE2 ist eine gemeinsame Elektrode, die konfiguriert ist, eine Spannung an jede der APDs 11 auf Seite der Hauptoberfläche 1Na anzulegen. In dieser Ausführungsform weist die Flächenelektrode PE2 eine rechteckige Form auf und ist an vier Seiten der Hauptoberfläche 1Nb angeordnet. Die Höckerelektrode PE ist auch an der Flächenelektrode PE2 angeordnet.
Wie in 6 illustriert, beinhaltet jede der APDs 11 eine P-Typ-Ersthalbleiterregion PA, eine P-Typ-Zweithalbleiterregion PB und eine N-Typ-Dritthalbleiterregion NA. Die erste Halbleiterregion PA ist auf der Seite der Hauptoberfläche 1Nb des Halbleitersubstrats 50 lokalisiert. Die zweite Halbleiterregion PB ist auf der Seite der Hauptoberfläche 1Na des Halbleitersubstrats 50 lokalisiert. Die dritte Halbleiterregion NA ist innerhalb der ersten Halbleiterregion PA gebildet. Eine Konzentration von Verunreinigungen in der zweiten Halbleiterregion PB ist höher als eine Konzentration von Verunreinigungen in der ersten Halbleiterregion PA. Die Lichtempfangsregion S wird durch die erste Halbleiterregion PA und die dritte Halbleiterregion NA gebildet. Jede der APDs 11 ist durch eine P⁺-Schicht, welches die zweite Halbleiterregion PB ist, eine P^-Schicht, welches die erste Halbleiterregion PA ist, und eine N⁺-Schicht, welche die dritte Halbleiterregion NA ist in dieser Reihenfolge ab der Seite der Hauptoberfläche 1Na, konfiguriert.
Eine Rille 13 ist im Halbleitersubstrat 50 gebildet, so dass sie die dritte Halbleiterregion NA umgibt. In dieser Ausführungsform ist die Lichtdetektionsregion α von der Rille 13 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung umgeben. Die Lichtdetektionsregion α ist durch eine Innenwand der Rille 13, welche die Lichtdetektionsregion α umgibt, definiert. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung passt die Außenkante der Lichtdetektionsregion α zu einer Innenwand der Rille 13, die auf der äußersten Seite der Lichtdetektionsvorrichtung 1 lokalisiert ist, und ist die Innenwand am nächsten am Pixel U. Die Einheitsregion α1 wird von der Rille 13 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung umgeben. Die Einheitsregion α1 ist definiert durch eine Innenwand der Rille 13, welche die Einheitsregion α1 umgibt. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung passt eine Außenkante der Einheitsregion α1 zu einer Innenwand der Rille 13, die das Pixel U innerhalb der Einheitsregion α1 umgibt, und ist die Innenwand am nächsten am Pixel U.
Die Rille 13 passiert die erste Halbleiterregion PA in der Z-Achsenrichtung und erreicht die zweite Halbleiterregion PB. Ein Kernmaterial 13a ist in der Rille 13 angeordnet. Das Kernmaterial 13a ist aus einem Hochschmelzpunktmetall gebildet. Beispielsweise ist das Kernmaterial 13a aus Wolfram gebildet. Eine Oberfläche der Rille 13 besteht aus einer P-Typ-Halbleiterschicht 15, in welcher eine Konzentration von Verunreinigungen höher ist zur ersten Halbleiterregion PA. Das heißt, dass das Kernmaterial 13a mit der Halbleiterschicht 15 auf der Innenseite des Halbleitersubstrats 50 bedeckt ist. Als ein Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform kann sich die Rille 13 in die erste Halbleiterregion PA in der Z-Achsenrichtung erstrecken und es kann sein, dass sie die zweite Halbleiterregion PB nicht erreicht.
Eine Isolierschicht L1 ist auf der ersten Halbleiterregion PA, der dritten Halbleiterregion NA und der Rille 13 angeordnet. Der Löschwiderstand 21 ist von der Isolierschicht L1 abgedeckt. Die Elektrode 22 ist auf der Isolierschicht L1 angeordnet und mit einer Isolierschicht L2 bedeckt. Die Flächenelektrode PE1 ist auf der Isolierschicht L2 angeordnet. Die Isolierschicht L2 ist durch die Flächenelektrode PE1 und eine Passivierungsschicht L3 abgedeckt. Die Passivierungsschicht L3 deckt auch einen Teil der Flächenelektrode PE1 ab.
Der oben beschriebene Löschwiderstand 21 ist mit der dritten Halbleiterregion NA über eine (nicht illustrierte) Elektrode verbunden. Der Löschwiderstand 21 ist mit einer entsprechenden Elektrode 22 über einen Verbindungsbereich C1 verbunden. Die Elektrode 22 ist mit einer entsprechenden Flächenelektrode PE1 über einen Verbindungsbereich C2 verbunden. Die Flächenelektrode PE1 ist mit der Höckerelektrode BE an einem aus der Passivierungsschicht L3 exponiertem Bereich verbunden.
Die Elektrode 22, die Flächenelektroden PE1 und PE2, der Verbindungsbereich C1 und der Verbindungsbereich C2 sind aus einem Metall gebildet. Beispielsweise sind die Elektrode 22, die Flächenelektroden PE1 und PE2, der Verbindungsbereich C1 und der Verbindungsbereich P2 aus Aluminium (Al) gebildet. In einem Fall, bei dem das Halbleitersubstrat 50 aus Si gebildet ist, aus einem Elektrodenmaterial, wird beispielsweise Kupfer (Cu) zusätzlich zu Aluminium verwendet. Die Elektrode 22, die Flächenelektrode PE1, der Verbindungsbereich C1 und der Verbindungsbereich C2 können integral gebildet sein. Beispielsweise werden die Elektrode 22, die Flächenelektrode PE1, der Verbindungsbereich C1 und der Verbindungsbereich C2 durch ein Zerstäubungsverfahren gebildet.
In einem Fall, bei dem Si als das Material des Halbleitersubstrats 50 verwendet wird, werden Elemente von Gruppe III als P-Typ-Dotierungen verwendet und werden Elemente von Gruppe V als N-Typ-Dotierungen verwendet. Beispiele der Elemente von Gruppe III als die P-Typ-Dotierungen beinhalten B. Beispiele der Elemente von Gruppe V als die N-Typ-Dotierungen beinhalten P oder As. Ein Element, in welchem ein N-Typ und ein P-Typ, die Leitfähigkeitstypen eines Halbleiters sind, miteinander substituiert werden, fungieren auch als Lichtdetektionsvorrichtung, wie im Lichtdetektionssubstrat 10. Als ein Verfahren zum Hinzufügen der Dotierungen wird beispielsweise ein Diffusionsverfahren oder ein Ionen-Injektionsverfahren verwendet.
Beispielsweise werden die Isolierschichten L1 und L2 und die Passivierungsschicht L3 aus SiO₂, SiN oder einem Polymer gebildet. Als Verfahren zum Bilden der Isolierschichten L1 und L2 und der Passivierungsschicht L3 wird ein thermisches Oxidationsverfahren, ein Zerstäubungsverfahren, ein CVD-Verfahren oder ein Polymer-Beschichtungsverfahren verwendet.
Das Schaltungssubstrat 20 ist mit der Flächenelektrode PE1 durch die Höckerelektrode BE elektrisch verbunden. Jede Signalverarbeitungseinheit beinhaltet eine Elektrode, die korrespondierend mit der Flächenelektrode PE1 angeordnet ist, und die Elektrode ist mit einer entsprechenden Flächenelektrode PE1 über die Höckerelektrode BE elektrisch verbunden. Ein aus der Vielzahl von APDs 11, die in dem Pixel U enthalten sind, ausgegebenes Detektionssignal wird zu einer entsprechenden Signalverarbeitungseinheit durch den Löschwiderstand 21, die Elektrode 22, die Flächenelektrode PE1 und die Höckerelektrode BE geführt.
Die Höckerelektrode BE ist in der Flächenelektrode PE1 durch ein unteres Höckermetall (UBM, under bump metal) gebildet (nicht illustriert). Das UBM ist aus einem Metall gebildet, dessen elektrische und physische Verbindung mit einer Höckerelektrode BE exzellent ist. Beispielsweise wird das UBM durch ein elektroloses Plattierverfahren gebildet.
Beispielsweise wird die Höckerelektrode BE durch ein Verfahren des Montierens einer Lotkugel, ein Druckverfahren oder elektrolytische Plattierung gebildet. Beispielsweise wird die Höckerelektrode BE aus Kupfer, Lot oder Indium gebildet.
Als Nächstes wird eine Konfiguration eines Schaltungssubstrats gemäß dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration des Schaltungssubstrats 20 illustriert. Wie in 7 illustriert, beinhaltet das Schaltungssubstrat 20 eine Schnittstellenschaltung 31, einen Speicher 32, eine Phase Locked Loop (PLL) 33, einen Zeilenwahlfreizugriffsdekoder 34, einen Taktgeber 35, einen Spaltenwahlfreizugriffsdekoder 37, und einen E/A-Ausgang 38 zusätzlich zu der Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten. Die PLE 33 und der Taktgeber 35 sind in einer Region angeordnet, die nicht mit der Lichtdetektionsregion α überlappt, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung.
Beispielsweise entspricht die Schnittstellenschaltung 31 einem seriellen peripheren Schnittstellen-(SPI)Bus. Die Schnittstellenschaltung 31 expandiert ein Digitalsignal, wie etwa einen seriellen Takt (SLCK), Chip Select (CS), Masterausgabe/Slave-Eingabe (MOSI), und Mastereingabe/Slave-Ausgabe (MISO), die von außen eingegeben werden und speichert Widerstands-Einstellinformation, die im Signal im Speicher 32 enthalten ist.
Die PLL 33 erzeugt ein Taktsignal auf Basis eines Haupttakts (MCLK), der von außen eingegeben wird, und im Speicher 32 gespeicherter Daten und sendet das erzeugte Taktsignal an den Taktgeber 35. Die PLL 33 beinhaltet einen programmierbaren Frequenzteiler und stellt die Anzahl von Frequenzteilung unter Bezugnahme auf die im Speicher 32 gespeicherten Daten ein. Entsprechend einer Eingabe an die Verdampfer 31 von außerhalb, kann die Anzahl von Frequenzteilung der PLL 33 auf einen beliebigen Wert eingestellt werden. Die PLL 33 gibt eine Steuerspannung zum Steuern jeder der Signalverarbeitungseinheiten in Kombination mit einem Taktsignal aus.
Der Taktgeber 35 liefert ein Taktsignal an jede der Signalverarbeitungseinheiten SP. Die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP sind elektrisch mit der Vielzahl von APDs 11 verbunden, die jeweils in einem entsprechenden Pixel U enthalten sind, über die Höckerelektrode BE. Ein aus dem entsprechenden Pixel U ausgegebenes Detektionssignal wird an der Signalverarbeitungseinheit eingegeben. Das auf den Pixel U gesendete Detektionssignal ist ein Impulssignal mit einer Analogwellenform. Die Signalverarbeitungseinheit berechnet Pixeldaten, wie etwa Einfallszeitpunkt und Energie von Einfallslicht auf ein entsprechendes Pixel U und Pixel, basierend auf dem Detektionssignal, das eingegeben wird. Die durch die Signalverarbeitungseinheit berechneten Pixeldaten werden an den E/A-Ausgang 38 zu einem Zeitpunkt ausgegeben, welcher einem aus dem Zeilenwahlgriffsdekoder 35 und dem Spaltenwalhfreizugriffs-Decoder 37 gesendeten Signal entspricht.
Die Signalverarbeitungseinheit beinhaltet eine Signal-Erfassungseinheit 41, eine Zeitmesseinheit 42, eine Energiemesseinheit 43 und eine Speichereinheit 44. Die Signal-Erfassungseinheit 41 erfasst das Detektionssignal, das aus dem Pixel U durch eine entsprechende Flächenelektrode PE1 ausgegeben wird. Die Signal-Erfassungseinheit 41 beinhaltet eine Frontendschaltung. Die Timing-Messeinheit 42 misst den Zeitpunkt, zu welchem Licht auf ein entsprechendes Pixel U einfällt, basierend auf dem Detektionssignal. Die Energiemesseinheit 43 misst die Energie von auf ein entsprechendes Pixel U einfallendem Licht, basierend auf dem Detektionssignal. In dieser Ausführungsform führt die Energiemesseinheit 43 die Messung durch Umwandeln von Energie von Licht, das auf ein entsprechendes Pixel U einfällt, in Zeit durch. Beispielsweise misst die Energiemesseinheit 43 die Zeit, für welche eine Pulshöhe eines aus einer entsprechenden Signal-Erfassungseinheit 41 eingegebenen Signals gleich oder größer als ein Schwellenwert ist, als die Energie, unter Verwendung einer „time-over threshold“ (TOT)-Schaltung. Die Speichereinheit 44 speichert Messergebnisse in der Timing-Messeinheit 42 und der Energiemesseinheit 43.
Als Nächstes wird ein Beispiel einer Konfiguration jeder der Signalverarbeitungseinheiten SP im Detail unter Bezugnahme auf 8 bis 10 beschrieben. 8 illustriert eine Konfiguration der Signalverarbeitungseinheit in dieser Ausführungsform.
Die Signalverarbeitungseinheit beinhaltet ein Frontendschaltung 51, einen Timing-Komparator 52, einen Energiekomparator 53, eine Logikschaltung 54, einen Timing- Zähler 55, einen Energiezähler 56, eine Verzögerungsleitung 57, einen Selektor 58, einen Codierer 59 und Speicher 60 und 61. Der Timing-Komparator 52, die Logikschaltung 54, der Timing-Zähler 55 und die Verzögerungsleitung 57 bilden die Timing-Messeinheit 42. Der Energiekomparator 53, die Logikschaltung 54, und der Energiezähler 56 bilden die Energiemesseinheit 43. Der Speicher 60 und der Speicher 61 sind Speicherregionen und bilden die Speichereinheit 44.
In dieser Ausführungsform, wie in 8 illustriert, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung, ist das Zentrum der Flächenelektrode PE1 so lokalisiert, dass es näher an der Recheneinheit 51 im Vergleich zum Zentrum der Einheitsregion β1 ist, wo die Signalverarbeitungseinheit, mit welcher die Flächenelektrode PE1 verbunden ist, bereitgestellt ist. Mit anderen Worten, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung, weicht das Zentrum der Flächenelektrode PE1 vom Zentrum der Einheitsregion β1, wo die Signalverarbeitungseinheit, mit welcher die Flächenelektrode PE1 verbunden ist, bereitgestellt wird, zur Signal-Erfassungseinheit 41 ab. In dieser Ausführungsform überlappt die Flächenelektrode PE1 den Timing-Komparator 52 und den Energiekomparator 53 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung.
Die Frontendschaltung 51 mit der Vielzahl von APDs 11, die in einem entsprechenden Pixel U enthalten sind, über die Höckerelektrode BE und die Flächenelektrode PE1 verbunden. Ein Detektionssignal aus dem entsprechenden Pixel U wird an der Frontendschaltung eingegeben. Das aus dem entsprechenden Pixel U ausgegebene Detektionssignal ist ein aus den APDs 11 ausgegebenes Stromsignal, das im entsprechenden Pixel U enthalten ist, korrespondierend mit dem Einfall von Licht. Die Frontendschaltung 51 führt eine vorbestimmte Verarbeitung in Bezug auf das aus dem entsprechenden Pixel U ausgegebene Detektionssignal durch. Die Frontendschaltung 51 gibt das verarbeitete Detektionssignal an den Timing-Komparator 52 und den Energiekomparator 53 aus. Das am Timing-Komparator 52 und dem Energiekomparator 53 eingegebene Detektionssignal weist eine analoge Wellenform auf. Wie in 9 illustriert, beinhaltet die Frontendschaltung 51 eine Stromumwandlungsschaltung 70 und eine Signalübertragungsschaltung 75. 9 illustriert eine Konfiguration der Frontendschaltung 51.
Die Stromumwandlungsschaltung 70 wandelt das aus dem entsprechenden Pixel U eingegebene Detektionssignal in ein Spannungssignal um. Die Stromumwandlungsschaltung 70 beinhaltet Strom-Spannungsumwandlungs-Widerstände 71 und 72 und eine Vorspannungsschaltung 73. Ein aus dem Strom-Spannungswiderstand 71 ausgegebene Spannungssignal wird am Timing-Komparator 52 eingegeben. Ein aus dem Strom-Spannungswiderstand 72 ausgegebenes Spannungssignal wird im Energiekomparator 53 eingegeben. Die Signalübertragungsschaltung 75 ist zwischen dem Strom-Spannungswiderstand 72 und dem Energiekomparator 53 angeordnet. Die Signalübertragungs-Schaltung 75 gibt das aus dem Strom-Spannungswiderstand 72 ausgegebene Spannungssignal der Stromumwandlungsschaltung 70 am Energiekomparator 53 der Energiemesseinheit 43 ein. Eine Vorspannungsschaltung 73 ist jeweils mit den Strom-Spannungsumwandlungs-Widerständen 71 und 71 verbunden. Wie in 9 illustriert, wird eine Vorspannung an die Frontendschaltung 51 von außen angelegt. Die Vorspannung wird an die Vorspannungsschaltung 73 angelegt.
Die Signalübertragungsschaltung 75 beinhaltet einen Inverter 76 und einen Kondensator 78, der als ein Miller-Kondensator 77 fungiert, und fungiert als eine variable Kapazitätsschaltung. 10 illustriert eine partielle Konfiguration der Signalübertragungsschaltung 75. Der Kondensator 78 ist mit dem Inverter 76 parallel verbunden. Eine Schwellenwertspannung wird am Inverter 76 eingestellt. Der Inverter 76 erzeugt eine negative Verstärkung (gain) entsprechend einer Eingangsspannung, wenn die Eingangsspannung gleich oder größer als die Schwellenwertspannung ist. Der Inverter 76 erzeugt eine positive Verstärkung entsprechend der Eingangsspannung, wenn die Eingangsspannung kleiner als der Schwellenwert ist. Als Ergebnis kann sich die Signalübertragungsschaltung 75 verhalten, als ob ein Kondensator mit einer größeren Kapazität als der Kapazität des Kondensators 78 allein mit dem Energie-Komparator 53 parallel zum Strom-Spannungs-Widerstand 72 verbunden ist, aufgrund eines Miller-Effekts. Mit anderen Worten fungiert der Kondensator 78 in der Signalübertragungs-Schaltung 75 als ein Miller-Kondensator 77 mit einer Scheinkapazität aufgrund des Miller-Effekts. Die Scheinkapazität (das heißt Miller-Kapazität) wächst gemäß einem Anstieg bei der Eingangsspannung der Signalübertragungs-Schaltung 75.
Der Kondensator 78 ist mit dem Energie-Komparator 53 parallel mit dem Strom-Spannungswiderstand 72 verbunden. Entsprechend beinhaltet die Signalübertragungs-Schaltung 75 den Miller-Kondensator 77, welcher mit der Energiemesseinheit 43 parallel zur Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 70 verbunden ist. Das Detektionssignal, das am Energie-Komparator 53 eingegeben wird, wird zu einer sanften Wellenform, mit größer werdender Kapazität eines Kondensators, der parallel zum Strom-Spannungswiderstand 72 verbunden ist. Entsprechend wird das Detektionssignal, das am Energie-Komparator 53 eingegeben wird, zu sanfterer Wellenform im Vergleich zu einem Fall, bei dem nur der Kondensator 78 mit dem Energie-Komparator 53 parallel mit dem Strom-Spannungswiderstand 72 verbunden ist, aufgrund des Miller-Effektes entsprechend der Eingangsspannung der Signalübertragungs-Schaltung 75. Die Energie-Messeinheit 43 misst die Energie von Einfallslicht eines entsprechenden Pixels U auf Basis der Wellenform des Detektionssignals, das am Energie-Komparator 53 eingegeben wird.
Der Timing-Komparator 52 und der Energiekomparator 53 wählen ein auszugebendes Signal entsprechend einer Impulshöhe der Wellenform des aus der Frontendschaltung 51 ausgegebenen Detektionssignals aus. Das aus dem Timing-Komparator 52 und dem Energie-Komparator 53 ausgegebene Detektionssignal wird an der Logikschaltung 54 eingegeben. Ein aus dem Timing-Komparator 52 und dem Timing-Komparator 53 ausgegebenes Signal weist eine digitale Wellenform auf. Nur in einem Fall, bei dem die Intensität des aus der Frontendschaltung 51 ausgegebenen Detektionssignals einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, geben der Timing-Komparator 52 und der Energie-Komparator 53 ein hohes Signal oder ein niedriges Signal aus. In dieser Ausführungsform geben der Timing-Komparator 52 und der Energie-Komparator 53 das hohe Signal in einem Fall aus, bei dem die Intensität des Eingangssignals den Schwellenwert übersteigt und geben das niedrige Signal in einem Fall aus, bei dem die Intensität des Eingangssignals den Schwellenwert nicht übersteigt, das heißt, dass der Timing-Komparator 52 und der Energie-Komparator 53 ein Detektionssignal mit einer digitalen Wellenform entsprechend der Wellenform des aus dem entsprechenden Pixel U gesendeten Detektionssignals ausgeben.
Ein aus dem Taktgeber 35 bereitgestelltes Taktsignal und ein Steuersignal werden an der Logikschaltung 54 zusätzlich zum Detektionssignal, das aus dem Timing-Komparator 52 und dem Energie-Komparator 53 gesendet wird, eingegeben. Das Steuersignal wird von außerhalb eines ASIC, der durch das Schaltungssubstrat 20 aufgebaut ist, zugeführt. Das Steuersignal beinhaltet ein Rücksetzsignal und ein Stoppsignal. Das Taktsignal, das Rücksetzsignal und das Stoppsignal sind H/L-Signale. Die Logikschaltung 54 steuert die Zufuhr des Taktsignals an den Timingzähler 55 entsprechend dem Steuersignal und dem Detektionssignal aus dem Timing-Komparator 52. Die Logikschaltung 54 steuert die Zufuhr des Taktsignals an den Energiezähler 56 entsprechend dem Steuersignal und dem Detektionssignal aus dem Energie-Komparator 53.
Die Logikschaltung 54 gibt eine Anweisung für den Timingzähler 54 und den Energiezähler 56, das Zählen zurückzusetzen, durch das Rücksetzsignal. Die Logikschaltung 54 gibt eine Anweisung für den Timing-Zähler 55 und den Energie-Zähler 56, eine Messperiode durch das Stoppsignal zu beenden.
Die Logikschaltug 54 synchronisiert das Steuersignal und das Taktsignal. Die Logikschaltung 54 führt das Steuersignal, das in eine digitale Wellenform umgewandelte Detektionssignal und das Taktsignal an den Timingzähler 55, den Energiezähler 56, die Verzögerungsleitung 57 und den Selektor 58. Die Logikschaltung 54 erzeugt ein Signal, um den Selektor 58 zu veranlassen, einen Speicher auszuwählen, der ein Zählergebnis des Energiezählers 56 und des Codierers 59 speichert, und liefert das Signal an den Selektor 58.
Der Timing-Zähler 55 zählt die Anzahl von Taktsignalen entsprechend der Zeit ab dem Initiieren des Timings einer Messperiode bis zum Timing, zu welchem Licht auf ein entsprechendes Pixel U einfällt, basierend auf dem aus der Logikschaltung 54 eingegebenen Detektionssignal. Der Energiezähler 56 zählt die Anzahl von Taktsignalen entsprechend Energie von Licht, das auf das entsprechende Pixel U einfällt, basierend auf den aus der Logikschaltung 54 eingegebenen Detektionssignal. Der Timing-Zähler 55 und der Energie-Zähler 56 speichern das Zählergebnis im Speicher 60 oder dem Speicher 61.
Die Verzögerungsleitung 57 beinhaltet eine Vielzahl von Verzögerungselementen. Die Verzögerungsleitung 57 erzeugt ein kürzeres Zeitintervall als eine Periode eines Taktsignals, durch eine Operation der Vielzahl von Verzögerungslementen. Die Verzögerungsleitung 57 wird durch eine aus der PLL 33 zugeführte Steuerspannung gesteuert. Der Codierer 59 zählt die Anzahl von Stufen, in welchen die Verzögerungselemente der Verzögerungsleitung 57 entsprechend einem aus der Verzögerungsleitung 57 gesendeten Signal arbeiten und wandelt die Anzahl von Stufen in ein Binärsignal um. Beispielsweise zählt der Codierer 59 die Anzahl von Verzögerungselementen, die vom Ansteigen des Detektionssignals, das in eine Digital-Wellenform umgewandelt ist, in der Logikschaltung 54, bis zum Steigen des nachfolgenden Taktsignals arbeiten. Der Codierer 59 speichert das Zählergebnis im Speicher 60 oder dem Speicher 61.
Der Selektor 58 wählt einen Speicher aus, der Zählergebnisse des Timing-Zählers 55, des Energie-Zählers 56 und des Codierers 59 speichert. In dieser Ausführungsform wählt der Selektor 58 einen Speicher aus, der die Zählergebnisse aus dem Speicher 60 und dem Speicher 61 speichert, basierend auf einem Signal, das aus der Logikschaltung 54 eingegeben wird.
Der Speicher 60 und der Speicher 61 der Signalverarbeitungseinheit SP speichern Messergebnisse der Timing-Messeinheit 42 und der Energie-Messeinheit 43 in Bezug auf ein entsprechendes Pixel U zu zueinander anderen Zeiten in einer vorbestimmten Messperiode einfallenden Lichts. In dieser Ausführungsform sind der Speicher 60 und der Speicher 61 Speicherregionen von Speichermedien, die voneinander physisch getrennt sind. Der Speicher 60 und der Speicher 61 können unterschiedliche Speicherregionen in physisch dem Speichermedium sein. In dem Speicher 60 und dem Speicher 61 gespeicherte Daten werden an den E/A-Ausgang 38 als Daten eines entsprechenden Pixels U ausgegeben.
Als Nächstes wird ein Betrieb der Lichtdetektionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. Im Lichtdetektionssubstrat 10 arbeitet jede der APDs 11 im Geigermodus. Im Geigermodus wird eine reverse Spannung, welche größer als die Durchbruchspannung der APD 11 ist, zwischen einer Anode und eine Kathode der APD 11 angelegt. Die reverse Spannung kann als reverse Vorspannung bezeichnet werden. In dieser Ausführungsform ist die Anode die erste Halbleiterregion PA und ist die Kathode die Halbleiterregion MA. Die erste Halbleiterregion PA ist elektrisch mit einer (nicht illustrierten) Elektrode verbunden, die auf der Hauptoberflächen-1NA-Seite des Halbleitersubstrats 50 angeordnet ist, über die zweite Halbleiterregion PB. Die Elektrode ist elektrisch mit der Antriebselektrode PE2 verbunden. Die dritte Halbleiterregion NA ist elektrisch mit einer (nicht illustrierten) Elektrode verbunden. Beispielsweise wird ein negatives Potential an die erste Halbleiterregion PA durch die Flächenelektrode PE2 angelegt und wird ein positives Potential an die dritte Halbleiterregion NA angelegt. Die Polaritäten der Potentiale sind relativ zueinander.
Wenn Licht (Photon) auf die in dem Pixel U enthaltene APD einfällt, wird eine photoelektrische Umwandlung innerhalb des Halbleitersubstrats durchgeführt und werden Photoelektronen erzeugt. Eine Lawinen-Multiplikation wird in einer Region nahe einer PN-Übergangs-Schnittstelle der ersten Halbleiterregion PA durchgeführt. Eine verstärkte Elektrodengruppe fließt zum Schaltungssubstrat 20 über die zweite Halbleiterregion PB und die auf der Seite der Hauptoberfläche 1Na angeordnete oben beschriebene Elektrode des Halbleitersubstrats 50. Die Elektrodengruppe fließt zur dritten Halbleiterregion NA aus dem Schaltungssubstrat 20 über die Höckerelektrode BE, die Anschlusselektrode PE1, die Elektrode 22 und den Löschwiderstand 21. Ein Stromsignal wird durch das Schaltungssubstrat 20 über den Löschwiderstand 21, die Elektrode 22, die Flächenelektrode PE1 und die Höckerelektrode BE detektiert. Mit anderen Worten, wenn Licht auf jegliche von Lichtempfangsregionen S im Lichtdetektionssubstrat 10 einfällt, werden die erzeugten Foto-Elektronen multipliziert und wird ein Signal aufgrund der multiplizierten Foto-Elektronen aus der Höckerelektrode BE gezogen und wird an einer entsprechenden Signalverarbeitungseinheit SP eingegeben. Ein Signal aus der APD 11, die im entsprechenden Pixel U enthalten ist, wird an die Signalverarbeitungseinheit SP eingegeben. In der Signalverarbeitungseinheit SP wird ein aus einer Vielzahl von in dem entsprechenden Pixel U enthaltenen APDs 11 gesendeten Signal prozessiert und das Ergebnis wird als Pixeldaten ausgegeben.
Als Nächstes wird ein Betrieb der Signalverarbeitungseinheit SP in dieser Ausführungsform im Detail unter Bezugnahme auf 11 und 12 beschrieben. 11 ist eine Ansicht zum Beschreiben einer Verarbeitungsoperation des Energie-Komparators 53 und der Logikschaltung 54. 12 ist ein Timing-Diagramm, das den Betrieb der Signalverarbeitungseinheit illustriert.
Die Timing-Messeinheit 42 und die Energie-Messeinheit 43 führen die Verarbeitung in Bezug auf ein Detektionssignal, das aus einer entsprechenden Signal-Erfassungseinheit 41 ausgegeben wird, unter Verwendung des Timing-Komparators 52, des Energie-Komparators 53 und der Logikschaltung 54 durch. Spezifisch wählt die Timing-Messeinheit 42 einen aus der Frontendschaltung 51 durch den Timing-Komparator 52 ausgegebenes Detektionssignal aus und gibt das ausgewählte Detektionssignal als eine digitale Wellenform aus. Die Energiemesseinheit 43 wählt ein aus der Signal-Erfassungseinheit 41 durch den Energie-Komparator 53 ausgegebenes Detektionssignal aus und gibt das ausgewählte Detektionssignal als eine digitale Wellenform aus. Das aus der Logikschaltung 54 ausgegebene Detektionssignal ist ein H/L-Signal.
Nunmehr wird eine Beschreibung der Verarbeitung des Umwandelns des aus der Frontendschaltung 51 ausgegebenen Detektionssignals aus einer analogen Wellenform in eine digitale Wellenform unter Verwendung des Energie-Komparators 53 und der Logikschaltung 54 unter Bezugnahme auf 11 gegeben. In 11 sind an dem Energie-Komparator 53 eingegebene analoge Signale P1, P2, P3 und P4 in einem überlagerten Zustand zur Erläuterung illustriert. Die analogen Signale P1, P2, P3 und P4 sind Spannungssignale und eine Impulshöhe repräsentiert eine Spannungs-Intensität. Die analogen Signale P1, P2, P3 und P4 weisen Impulshöhen auf, die sich voneinander unterscheiden. In 11 sind auf dem Energie-Komparator 53 eingestellte Schwellenwerte VTH entsprechend Intensitäten der analogen Signale P1, P2, P3 und P4 illustriert. In 11 sind aus dem Energie-Komparator 53 ausgegebene digitale Signale D1, D2 und D3 illustriert. Die digitalen Signale D1, D2 und D3 sind H/L-Signale und entsprechen jeweils den analogen Signalen P2, P3 und P4.
In dem in 11 illustrierten Beispiel wandelt der Energie-Komparator 53 ein analoges Signal mit einer Wellenform einer Komponente, welche den Schwellenwert VTH in dem aus der Frontendschaltung 51 gesendeten Detektionssignal übersteigt, in ein digitales Signal um und gibt das analoge Signal aus. Ein analoges Signal P1 weist die maximale Intensität auf, die niedriger als der Schwellenwert VTH ist. Demgemäß, in einem Fall, bei dem das analoge Signal P1 am Energie-Komparator 53 eingegeben wird, gibt der Energie-Komparator 53 ein konstantes Signal aus. In dieser Ausführungsform gibt in diesem Fall der Energie-Komparator 53 ein niedriges Signal aus.
Die analogen Signale P2, P3 und P4 weisen die maximale Intensität auf, welche höher ist als der Schwellenwert VTH. Dementsprechend, in einem Fall, bei dem die analogen Signale P2, P3 und P4 am Energie-Komparator 53 eingegeben werden, gibt der Energie-Komparator 53 ein H/L-Signal entsprechend einer Wellenform einer Komponente, die den Schwellenwert VTH übersteigt, aus. Wie in 11 illustriert, werden die aus dem Energie-Komparator 53 ausgegebenen digitalen Signale D1, D2 und D3 von Niedrig zu Hoch zu einem Zeitpunkt verändert, zu welchem die entsprechenden analogen Signale P2, P3 und P4 den Schwellenwert VTH übersteigen. Die digitalen Signale D1, D2 und D3, die aus dem Energie-Komparator 53 ausgegeben werden, werden von Hoch zu Niedrig zu einem Zeitpunkt verändert, zu welchem die entsprechenden Analogsignale P2, P3 und P4 niedriger als der Schwellenwert VTH sind. Die digitalen Signale D1, D2, und D3 werden dem Energiezähler 56 über die Logikschaltung 54 zugeführt.
Die Timing-Messeinheit 42 detektiert das Steigen oder Fallen des aus der Logikschaltung 54 ausgegebenen Detektionssignals und misst das Timing, zu welchem Licht auf ein entsprechendes Pixel U einfällt, durch den Timing-Zähler 54. Die Energie-Messeinheit 43 detektiert das Steigen oder Fallen des aus der Logikschaltung 54 ausgegebenen Detektionssignals und misst die Zeit zwischen dem Anstieg und dem Abfall als Energie von Einfallslicht auf das entsprechende Pixel U durch den Energiezähler 56.
In 12 werden ein Rücksetzsignal, ein Stoppsignal, ein Taktsignal und ein Detektionssignal, die aus der Logikschaltung 54 ausgegeben werden, ein Zähler des Timing-Zählers 55 und ein Zähler des Energiezählers 56 sequentiell von der oberen Seite aus illustriert. Das Rücksetzsignal entspricht dem Initiieren einer Messperiode MP und das Stoppsignal entspricht dem Beenden der Messperiode MP. Die Messperiode MP des Einfallslichts auf das Pixel U wird durch das Rücksetzsignal und das Stoppsignal bestimmt. Beispielsweise repräsentiert das Rücksetzsignal den Zeitpunkt, zu welchem Licht aus einer Lichtquelle in einer Messvorrichtung projiziert wird. Das Stoppsignal repräsentiert den Zeitpunkt, der vorab entsprechend einem Bereich Basismaterial wird, bei dem eine Detektionsoperation für ein Ziel durchgeführt wird.
Der Timing-Zähler 55 und der Energiezähler 56 führen ein Zähler-Rücksetzen mit dem aus der Logikschaltung 54 gesendeten Rücksetzsignal durch, das als Trigger eingestellt ist. Wenn das Fallen des Rücksetzsignals detektiert wird, initiiert der Timing-Zähler 55 das Zählen synchron zum Taktsignal. Wenn das Fallen des Rücksetzsignals detektiert wird, geht der Energiezähler 56 in einen Bereitschaftszustand über.
Der Timing-Zähler 55 gibt ein Zählergebnis mit einem Detektionssignal auf Basis des Ausgangssignals aus dem als ein Trigger eingestelltem Timing-Komparator 52 aus. Der Timing-Zähler 55 gibt ein Zählergebnis bis der Anstieg des Detektionssignals detektiert wird, nachdem das Abfallen des Rücksetzsignals detektiert wird, in den Speichern 60 und 61 ein.
Beispielsweise messen in dem in 12 illustrierten Beispiel die Timing-Messeinheit 42 und die Energie-Messeinheit 43 auf ein entsprechendes Pixel U einfallendes Licht zu unterschiedlicehn Zeitpunkten in der Messperiode MP. Entsprechend tritt das Abfallen des Rücksetzsignals während der Messperiode MP auf. Der Timing-Zähler 55 gibt einen Zähler ein, bis der Anstieg eines ersten Detektionssignals detektiert wird, nachdem das Abfallen des Rücksetzsignals detektiert wird, im Speicher 60 als ein erstes Timing-Messergebnis T1. Der Timing-Zähler 55 gibt eine Zählung, bis der Anstieg eines zweiten Detektionssignals detektiert wird, nachdem der Abfall des Rücksetzsignals detektiert wird, im Speicher 61 als ein zweites Timing-Messergebnis T2 ein.
Der Energie-Zähler 56 führt Initiierung und Beendigung des Zählens mit einem Detektionssignal auf Basis des Ausgangssignals aus dem Energie-Komparator 53, der als Auslöser eingestellt ist, durch. Der Energie-Zähler 56 gibt ein Zählergebnis, bis das Abfallen des Detektionssignals detektiert wird, nachdem der Anstieg des Detektionssignals detektiert wird, in den Speichern 60 und 61 ein.
Beispielsweise gibt im in 12 illustrierten Beispiel der Energiezähler 56 eine Zählung, bis das Abfallen eines ersten Detektionssignals detektiert wird, nachdem der Anstieg des ersten Detektionssignals detektiert wird, im Speicher 60 als ein erstes Energie-Messergebnis E1 ein. Der Energie-Zähler 56 gibt eine Zählung, bis ein zweites Detektionssignal abfällt, nachdem der Anstieg des zweiten Detektionssignals detektiert wird, im Speicher 61 als ein zweites Energie-Messergebnis E2 ein.
Das durch den Timing-Zähler 55 erhaltene Zählergebnis wird mit einer Periode des Taktsignals synchronisiert. Entsprechend kann der Timing-Zähler die Zeit in einer kürzeren Periode als der des Taktsignals nicht messen. Das durch den Timing-Zähler 55 erhaltene Zählergebnis beinhaltet einen Fehler gleich oder kürzer als die Periode des Taktsignals. In dieser Ausführungsform werden genauere Daten durch Korrigieren des durch den Timing-Zähler 55 erhaltenen Zählergebnisses mit dem Zählergebnis des Codierers 59 abgeleitet.
In dieser Ausführungsform ist eine Beschreibung eines Falls gegeben worden, bei dem die Lichtdetektionsvorrichtung 1 eine sogenannte Rückoberflächeneinfallstyp-HalbleiterLichtdetektionsvorrichtung ist. Jedoch kann als ein Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform die Lichtdetektionsvorrichtung 1 eine sogenannte Frontoberflächen-Einfallstyp-HalbleiterLichtdetektionsvorrichtung sein. Es wird eine Beschreibung einer Konfiguration eines Lichtdetektionssubstrats in einem Fall gegeben, bei dem die Lichtdetektionsvorrichtung 1 eine Frontoberflächen-Einfallstyp-HalbleiterLichtdetektionsvorrichtung ist, unter Bezugnahme auf 13. 13 illustriert eine Querschnitts-Konfiguration der Lichtdetektionsvorrichtung 1 gemäß dem Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform. In diesem Modifikationsbeispiel unterscheidet sich die Lichtdetektionsvorrichtung 1 von der Lichtdetektionsvorrichtung 1 dieser Ausführungsform darin, dass ein Licht-Detektionssubstrat 10A statt des Licht-Detektionssubstrats 10 vorgesehen ist. Das Licht-Detektionssubstrat 10A gemäß diesem Modifikationsbeispiel ist ein Licht-Detektionssubstrat, das in der sogenannten Frontoberflächen-Einfallstyp-HalbleiterLichtdetektionsvorrichtung verwendet wird. Das heißt, dass die Lichtdetektionsvorrichtung 1 gemäß diesem Modifikationsbeispiel eine Frontoberflächen-Einfallstyp-HalbleiterLichtdetektionsvorrichtung ist.
Im Licht-Detektionssubstrat 10A ist eine Vielzahl von Lichtempfangsregionen S auf der Seite der Hauptoberfläche 1Na des Halbleitersubstrats 50 vorgesehen. Jede von APDs 11 beinhaltet eine erste Halbleiterregion PC vom P-Typ, eine zweite Halbleiterregion vom N-Typ NC und eine dritte Halbleiterregion vom P-Typ PD. Die erste Halbleiterregion PC ist auf einer Seite der Hauptoberfläche 1Na des Halbleitersubstrats 50 lokalisiert. Die zweite Halbleiterregion NC ist auf einer Seite der Hauptoberfläche 1Nb des Halbleitersubstrats 50 lokalisiert. Die dritte Halbleiterregion PD ist innerhalb der ersten Halbleiterregion PC gebildet. Eine Konzentration von Verunreinigungen der dritten Halbleiterregion PD ist höher als eine Konzentration von Verunreinigungen der ersten Halbleiterregion PC. Die dritte Halbleiterregion PD ist eine Lichtempfangsregion S. Jede der APDs 11 ist durch eine P⁺-Schicht aufgebaut, welche die dritte Halbleiterregion PD, eine P-Schicht, welche die erste Halbleiterregion PC ist und eine N⁺-Schicht, welche die zweite Halbleiterregion NC in dieser Reihenfolge ab der Seite der Hauptoberfläche 1Na ist.
Eine Rille 13 ist in im Halbleitersubstrat 50 der Lichtdetektionssubstrate 10A gebildet, um die dritte Halbleiterregion PD zu umgeben. Wie in 13 illustriert, passiert die Rille 13 die erste Halbleiterregion PC in der Z-Achsenrichtung und erreicht die zweite Halbleiterregion NC.
Das Lichtdektionssubstrat 10A beinhaltet eine Durchgangselektrode TE für jedes Pixel U zusätzlich zu Vielzahl von APDs 11 und eine Vielzahl von Löschwiderstand 21. Die Durchgangselektrode TE passiert das Halbleitersubstrat 50 in einer Dickenrichtung. Beispielsweise entspricht die Dickenrichtung der Z-Achsenrichtung. Im Lichtdetektionssubstrat 10A ist eine Elektrode 22 ist eine Elektrode 22 in einer Gitterform ausgebildet, so dass sie zwischen einer Vielzahl von Lichtempfangsregionen S passiert, die in einem Pixel U enthalten sind, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung auf die Seite der Hauptoberfläche 1Na. Jeder der Löschwiderstände 21 ist auf der Seite der Hauptoberfläche 1Na des Halbleitersubstrats 50 angeordnet.
Eine Elektrode 23 erstreckt sich von der Elektrode 22 und ist mit einer entsprechenden Durchgangselektrode TE elektrisch verbunden. Alle Löschwiderstände 21, die in einem Pixel U enthalten sind, sind mit einer Durchgangs-Elektrode TE parallel durch die Elektrode 22 und die Elektrode 23 elektrisch verbunden.
Eine Vielzahl von Durchgangs-Elektroden TE ist in einer Lichtdetektionsregion α lokalisiert, wo eine Vielzahl von Pixeln U zweidimensional bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung angeordnet sind. Jede der Durchgangs-Elektroden TE ist in einer Region angeordnet, die von vier angrenzenden Pixeln U umgeben ist, außer bezüglich einer Durchgangs-Elektrode TE, die am Ende des Licht-Detektionssubstrats 10 lokalisiert ist. Die Durchgangs-Elektrode TE ist mit einem Pixel U aus den vier angrenzenden Pixeln U elektrisch verbunden. Die Durchgangs-Elektrode TE und das Pixel U sind abwechselnd in einer Richtung orthogonal zur X-Achse und zur Y-Achse angeordnet. Die Durchgangs-Elektrode TE ist mit der Vielzahl von APDs 11, die im entsprechenden Pixel U enthalten sind, durch den Löschwiderstand 21, die Elektrode 22 und die Elektrode 23 elektrisch verbunden.
Die Durchgangs-Elektrode TE ist innerhalb eines Durchgangslochs TH, das in der Z-Achsenrichtung gebildet ist, angeordnet. Eine Isolierschicht L11, die Durchgangs-Elektrode TE und eine Isolierschicht L12 sind im Durchgangsloch TH angeordnet. Die Isolierschicht L11 ist auf einer inneren Peripherie-Oberfläche des Durchgangslochs TH gebildet. Die Isolierschicht L11 ist zwischen der Durchgangs-Elektrode TE und dem Durchgangsloch TH angeordnet. Die Isolierschicht L12 ist in einem Rahmen, der auf eine Innenseite der Durchgangs-Elektrode TE gebildet ist, angeordnet. In dieser Ausführungsform weist die Durchgangs-Elektrode TE eine röhrenförmige Form auf. Bauteile, die im Durchgangsloch TH angeordnet sind, beinhalten die Isolierschicht L11, die Durchgangs-Elektrode TE und die Isolierschicht L12 in dieser Reihenfolge ab der inneren Peripherie-Oberflächenseite des Durchgangslochs TH.
Das Lichtdetektionssubstrat 10A beinhaltet eine Flächenelektrode PE3, eine Elektrode 24 und die Flächenelektrode PE4 für jedes Pixel U. Die Flächenelektroden PE3 und PE4, und die Elektrode 24 sind in Entsprechung mit der Durchgangs-Elektrode TE angeordnet. Die Flächenelektrode PE3 ist auf der Hauptoberfläche-1Na-Seite lokalisiert und die Elektrode 24 und die Flächenelektrode PE4 sind auf Seite der Hauptoberfläche 1Nb lokalisiert. Die Flächenelektrode PE3 ist mit der Elektrode 23 durch einen Verbindungsbereich C3 elektrisch verbunden. Die Flächenelektrode PE3 ist mit der Elektrode 23 und der Durchgangs-Elektrode TE elektrisch verbunden.
Die Isolierschicht L13 ist auf der ersten Halbleiterregion PC, der zweiten Halbleiterregion NC, der dritten Halbleiterregion PD und der Rille 13 angeordnet. Jeder der Löschwiderstände 21 und die Flächenelektrode PE3 sind mit der Isolierschicht L13 abgedeckt. Die Elektroden 22 und 23 sind auf der Isolierschicht L13 angeordnet und sind von der Isolierschicht L14 abgedeckt.
Die Elektrode 24 und die Flächenelektrode PE4 sind auf der Hauptoberfläche 1Nb durch eine Isolierschicht L15 angeordnet. Die Elektrode 24 beinhaltet ein Ende, das mit der Durchgangs-Elektrode TE verbunden ist, und ein Ende, das mit der Flächenelektrode PE4 verbunden ist. Die Elektrode 24 verbindet die Durchgangs-Elektrode TE und die Flächenelektrode PE4 miteinander. Die Elektrode 24 ist durch eine Isolierschicht L16 abgedeckt. Die Flächenelektrode PE4 ist mit der Höckerelektrode BE verbunden. Die Flächenelektrode PE4 ist durch die Isolierschicht L16 abgedeckt, außer bei einem Bereich, der mit der Höckerelektrode BE verbunden ist.
Eine Vielzahl der Flächenelektroden PE3 und PE4 des Lichtdetektionssubstrats 10A sind in der Lichtdetektionsregion α lokalisiert, wo eine Vielzahl von Pixeln U zweidimensional bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung angeordnet sind. Jede der Flächenelektroden PE4 ist auf der Seite der Hauptoberfläche 1NB so angeordnet, dass sie zumindest eine APD 11 aus der Vielzahl von APDs 11 überlappt, die in einem entsprechenden Pixel U vorgesehen sind, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung.
Die Elektroden 22, 23 und 24, die Flächenelektroden PE3 und PE4, der Verbindungsbereich C3 und die Durchgangs-Elektrode TE sind aus einem Metall gebildet. Beispielsweise sind die Elektroden 22, 23 und 24, die Flächenelektroden PE3 und PE4, der Verbindungsbereich C3 und die Durchgangs-Elektrode TE aus Aluminium (Al) gebildet. In einem Fall, bei dem das Halbleitersubstrat 50 aus Si als einem Elektrodenmaterial gebildet ist, wird beispielsweise Kupfer (Cu) zusätzlich zu Aluminium verwendet. Die Elektroden 22, 23 und 24, die Flächenelektroden PE3 und PE4, der Verbindungsbereich C3 und die Durchgangs-Elektrode TE können integral gebildet sein. Beispielsweise sind die Elektroden 22, 23 und 24, die Flächenelektroden PE3 und PE4, der Verbindungsbereich C3 und die Durchgangs-Elektrode TE durch ein Zerstäubungsverfahren gebildet.
Die Isolierschichten L11, L12, L13, L14, L15 und L16 werden aus beispielsweise SiO₂, SiN oder einem Polymer gebildet. Als ein Verfahren zum Ausbilden der Isolierschichten L11, L12, L13, L14, L15 und L16 wird ein thermisches Oxidationsverfahren, ein Zerstäubungsverfahren, ein CVD-Verfahren oder ein Polymer-Beschichtungsverfahren verwendet.
Das Lichtdetektionssubstrat 10A wird in ein Schaltungssubstrat 20, wie bei dem Lichtdetektionssubstrat 10, eingebettet. Das Lichtdetektionssubstrat 10A ist mit dem Schaltungssubstrat 20 in der Z-Achsenrichtung verbunden. Das Lichtdetektionssubstrat 10A und das Schaltungssubstrat 20 sind durch eine Höckerelektrode BE verbunden. Entsprechend ist in diesem Modifikationsbeispiel das Schaltungssubstrat 20 mit der Flächenelektrode PE4 durch die Höckerelektrode BE elektrisch verbunden. Eine aus der Vielzahl von APDs 11, die in den Pixeln U des Lichtdetektionssubstrats 10A enthalten sind, ausgegebenes Detektionssignal wird zu einer entsprechenden Signalverarbeitungseinheit SP durch den Löschwiderstand 21, die Elektrode 22, die Flächenelektrode PE4 und die Höckerelektrode BE geführt.
Selbst in diesem Modifikationsbeispiel überlappen die Lichtdetektionsregion α und die Signalverarbeitungsregion β einander zumindest in einem Teil, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Die Lichtdetektionsregion α beinhaltet eine Vielzahl von Einheitsregionen α1, wo jeweils die Vielzahl von Pixeln U vorgesehen sind. Die Signalverarbeitungsregion β beinhaltet eine Vielzahl von Einheitsregionen β1, wo jeweils die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP vorgesehen sind. Eine Einheitsregion α1, wo jedes der Pixel U vorgesehen ist, und eine Einheitsregion β1, wo eine Signalverarbeitungseinheit SP entsprechend dem Pixel U vorgesehen ist, überlappen miteinander zumindest teilweise bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung weichen die Einheitsregion α1, wo jedes der Pixel U vorgesehen ist, und die Einheitsregion β1, wo die Signalverarbeitungseinheit SP entsprechend dem Pixel U vorgesehen ist, voneinander in einer Richtung entlang der Hauptoberfläche 1Na ab und beinhalten Bereiche, die miteinander nicht überlappen. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung weicht das Zentrum der Flächenelektrode PE4 vom Zentrum der Einheitsregion β1, die mit der Signalverarbeitungseinheit SP versehen ist, mit welcher die Flächenelektrode PE1 verbunden ist, ab, ist zu der Signalerfassungseinheit 41 hin bereitgestellt.
Wie oben beschrieben, beinhaltet die Lichtdetektionsvorrichtung 1 das Lichtdetektionssubtrat 10 oder 10A, welches die Vielzahl von Pixeln U, die zweidimensional angeordnet sind, beinhaltet. Jedes der Pixel U beinhaltet die Vielzahl von APDs 11, die im Geigermodus arbeiten. Jede der Signalverarbeitungseinheiten SP erfasst das Detektionssignal durch die Flächenelektroden PE1 und PE4 jedes der Pixel U. Entsprechend wird in der Lichtdetektionsvorrichtung die Sensitivität jedes der Pixel U, die zweidimensional angeordnet sind, verbessert. In dieser Konfiguration, da eine Wellenform des aus jedem der Pixel U gesendeten Lichtdetektionssignale steil ist, ist ein Einfluss des sogenannten Zeitgang-Effekts klein. Entsprechend, selbst im Falle des Detektierens von reflektiertem Licht von Licht, das simultan aus einer Lichtquelle auf einen zweidimensionalen Bereich projiziert wird, werden Akkuratheit und Präzision der Detektion verbessert.
In der Lichtdetektionsvorrichtung 1 misst jede der Signalverarbeitungseinheiten SP Energie von Licht in der Energie-Messeinheit 43 auf Basis eines aus jedem der Pixel U, welche die Vielzahl von APDs 11 enthalten, ausgegebenen Detektionssignals. Entsprechend kann die Lichtdetektionsvorrichtung 1 von einem Ziel reflektiertes Licht und Störlicht aufgrund einer Differenz bei der Energie unterscheiden. Entsprechend wird ein Einfluss des Störlichts aus dem Detektionsergebnis reduziert und somit kann eine zusätzliche Verbesserung bei der Genauigkeit der Detektion erzielt werden.
Das Schaltungssubstrat 20 ist mit dem Lichtdetektionssubstrat 10 oder 10A in der Z-Achsenrichtung verbunden und die Lichtdetektionsregion α, wo die Vielzahl von Pixeln U vorgesehen sind, und die Signalverarbeitungsregion β, wo die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP vorgesehen sind, überlappen einander zumindest teilweise. Entsprechend wird eine Größenreduktion der Lichtdetektionsvorrichtung 1 in einer Richtung parallel zur Hauptoberfläche 1Na erzielt und wird ein elektrischer Verbindungspfad zwischen dem Pixel U und der Signalverarbeitungseinheit SP verkleinert.
Die Signalverarbeitungseinheit SP beinhaltet die Speichereinheit 44. Falls die Speichereinheit 44 auf der Außenseite der Signalverarbeitungseinheit SP vorgesehen ist, wird eine Verbindung von zumindest der Timing-Messeinheit 42 und der Energie-Messeinheit 43 zur Außenseite aus der Signalverarbeitungseinheit SP gezogen und somit ist ein breiter Raum zwischen den aneinander angrenzenden Signalverarbeitungseinheiten SP erforderlich. In einem Fall, bei dem ein breiter Raum zwischen den angrenzenden Signalverarbeitungseinheiten SP erforderlich ist, ist es schwierig, die Größe der Lichtdetektionsvorrichtung 1 zu reduzieren. In der Lichtdetektionsvorrichtung 1, da die Speichereinheit 44 in jeder der Signalverarbeitungseinheiten SP enthalten ist, wird die Anzahl von Verbindungen, die aus der Signalverarbeitungseinheit SP zur Außenseite der Signalverarbeitungseinheit SP gezogen werden, reduziert. Entsprechend wird eine zusätzliche Reduktion bei der Größe der Lichtdetektionsvorrichtung 1 erzielt.
Das Lichtdetektionssubstrat 10 wird von Kanten des Schaltungssubstrats 20 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung umgeben. In diesem Fall wird eine zusätzliche Reduktion bei der Größe der Lichtdetektionsvorrichtung erzielt und wird weiter ein elektrischer Verbindungspfad zwischen jedem Pixel und jeder Signalverarbeitungseinheit reduziert.
Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung beinhaltet die Lichtdetektionsregion α den Bereich R1, welcher die Signalverarbeitungsregion β überlappt, und den Bereich R2, der die Signalverarbeitungsregion β nicht überlappt. Eine Fläche des Bereichs R1 ist größer als eine Fläche des Bereichs R2. In diesem Fall wird eine zusätzliche Größenreduktion der Lichtdetektionsvorrichtung erzielt und wird der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem Pixel und jeder Signalverarbeitungseinheit weiter reduziert.
Die Signalverarbeitungsregion β beinhaltet den Bereich R3, der die Lichtdetektionsregion α bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung nicht überlappt. Eine Fläche des Bereichs R1 größer als die Summe der Fläche des Bereichs R2 und der Fläche des Bereichs R3. In diesem Fall wird eine zusätzliche Reduktion bei der Größe der Lichtdetektionsvorrichtung erzielt und wird der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem Pixel und jeder Signalverarbeitungseinheit weiter reduziert.
Die Einheitsregion α1, wo jedes der Vielzahl von Pixeln U in der Lichtdetektionsregion α vorgesehen ist, und die Einheitsregion β, wo eine Signalverarbeitungseinheit SP entsprechend dem Pixel U in der Signalverarbeitungsregion β vorgesehen ist, überlappen zumindest teilweise bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. In diesem Fall wird eine zusätzliche Größenreduktion der Lichtdetektionsvorrichtung 1 erzielt und wird der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem der Pixel U und jeder der Signalverarbeitungseinheiten SP weiter reduziert.
Das Zentrum der Flächenelektrode PE1 oder PE4 weicht vom Zentrum der Einheitsregion β1 ab, wo die Signalverarbeitungseinheit SP, mit welcher die Flächenelektrode PE1 oder PE4 verbunden ist, vorgesehen ist, zur Signal-Erfassungseinheit 41 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. In diesem Fall wird der elektrische Verbindungspfad zwischen jedem der Pixel U und jeder der Signalverarbeitungseinheiten SP weiter reduziert. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung kann eine Verbindung zum Anlegen einer Antriebsspannung an die Signalverarbeitungseinheit SP im Zentrum der Signalverarbeitungseinheit SP vorgesehen sein und somit wird eine Routenplanung der Verbindung einfach.
Die Einheitsregion α1, wo jedes der Pixel U in der Lichtdetektionsregion α vorgesehen ist, und die Einheitsregion β1, wo eine Signalverarbeitungseinheit SP entsprechend dem Pixel U in der Signalverarbeitungsregion β vorgesehen ist, weichen ? voneinander in einer Richtung entlang der Hauptoberfläche 1NA bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung ab. Die Einheitsregion α1, wo jedes der Pixel U vorgesehen ist, und die Einheitsregion β1, wo eine Signalverarbeitungseinheit SP entsprechend dem Pixel U vorgesehen ist, beinhalten Bereiche, die einander nicht überlappen. In diesem Fall kann der elektrische Verbindungspfad zwischen dem Pixel U und der Signalverarbeitungseinheit SP weiter verkürzt werden.
Ein aus dem entsprechenden Pixel U ausgegebenes Detektionssignal ist ein Stromsignal. Die Signal-Erfassungseinheit 41 beinhaltet die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 70 und die Signaltransferschaltung 75. Die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 70 wandelt das Detektionssignal in eine Spannung um. Die Signalübertragungs-Schaltung 75 gibt das aus der Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 70 ausgegebene Spannungssignal an die Energie-Messeinheit 43 ein. Die Signalübertragungs-Schaltung 75 beinhaltet den Miller-Kondensator 77. Der Miller-Kondensator 77 ist mit der Energie-Messeinheit 43 parallel mit der Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 70 verbunden. Die Energie-Messeinheit 43 misst die Energie von auf ein entsprechendes Pixel U einfallenden Lichts auf Basis einer Wellenform eines aus der Signalübertragungs-Schaltung 75 eingegebenen Signals. Auf diese Weise, dass der Kondensator mit der Energiemesseinheit parallel zur Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 70 verbunden ist, wird die Wellenform sanft. Wenn die Wellenform sanft wird, kann die Präzision bei der Energiemessung in der Energiemesseinheit 43 verbessert werden.
14 ist eine Ansicht, die ein an dem Timing-Komparator 52 eingegebenes Signal und ein am Energie-Komparator 53 eingegebenes Signal vergleicht. Jedes einer Vielzahl von Signalen S1 repräsentiert ein Signal, das am Timing-Komparator 52 in einem Fall eingegeben wird, bei dem Lichtstrahlen mit voneinander unterschiedlichen Intensitäten auf das Pixel U einfallen. Jedes der Vielzahl von Signalen S2 repräsentiert ein Signal, das am Energie-Komparator 53 in einem Fall eingegeben wird, wo Lichtstrahlen mit zueinander unterschiedlichen Intensitäten auf das Pixel U einfallen. Eine Signaltransferschaltung, die einen Kondensator enthält, ist nicht an einer Frontstufe des Timing-Komparators 52 vorgesehen, sondern die den Kondensator 78 beinhaltende Signalübertragungs-Schaltung 75 ist an einer Frontstufe des Energie-Komparators 53 vorgesehen.
In einem Fall, bei dem ein Kondensator in der Energie-Messeinheit 43 parallel zur Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 70 vorgesehen ist, wird eine Wellenform eines Signals, das am Energie-Komparator 53 eingegeben wird, aufgrund der Entladung des Kondensators sanft. Wenn die Wellenform des Signals, das am Energie-Komparator eingegeben wird, sanft wird, wird auch eine Differenz bei der Messzeit im Energiezähler 56, der eine Referenz bei der Energie von auf das Pixel U einfallendem Licht entspricht, groß. Entsprechend wird die Präzision der Energiemessung in der Energiemesseinheit 43 verbessert. Die Signalwellenform wird sanft, da elektrische Kapazität eines mit der Energie-Messeinheit 43 parallel mit der Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 70 verbundenen Kondensators größer ist.
In der Lichtdetektionsvorrichtung 1 beinhaltet die Signalübertragungsschaltung 75 einen Miller-Kondensator 77, welcher durch den Kondensator 78 gebildet ist. In diesem Fall ist es möglich, dieselbe Operation wie in einem Fall zu erhalten, bei dem ein Kondensator mit einer größeren elektrischen Kapazität entsprechend einer Spannung verwendet wird, die an der Signalübertragungs-Schaltung 75 eingegeben wird, ohne eine Größe einer Kondensator-Region zu vergrößern. Entsprechend kann die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP in einer kompakten Weise konform zur Vielzahl von Pixeln U gebildet werden, die zweidimensional angeordnet sind, während die Präzision bei der Energiemessung sichergestellt ist.
Die Energiemesseinheit 43 misst die Energie von auf ein entsprechendes Pixel U einfallendem Licht durch Messen der Zeit, in der eine Impulshöhe eines Signals, das aus einer entsprechenden Signalerfassungseinheit 41 eingegeben wird. gleich oder größer als der Schwellenwert VTH ist. Die Energiemesseinheit 43 kann durch einfache Digital-Verarbeitung realisiert werden und kann auch in kompakter Weise physikalisch konfiguriert sein. Entsprechend wird eine Größe einer Region der Energiemesseinheit 43 reduziert. Als Ergebnis kann die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten SP in einer kompakten Weise konform zur Vielzahl von Pixeln U gebildet werden, die zweidimensional angeordnet sind.
Die Speichereinheit 44 jeder der Signalverarbeitungseinheiten SP beinhaltet eine Vielzahl von Speichern 60 und 61. Die Vielzahl von Speichern 60 und 61 speichern jeweils Messergebnisse in der Timing-Messeinheit 42 und der Energie-Messeinheit 43 in Bezug auf Einfallslicht, das auf ein entsprechendes Pixel U zu zueinander unterschiedlichen Zeitpunkten in einer vorbestimmten Messperiode einfällt. Die Lichtdetektionsvorrichtung 1 beinhaltet die Speicher 60 und 61. Entsprechend, selbst wenn Messergebnisse für auf das Pixel U einfallendes Störlicht aus der Timing-Messeinheit 42 und der Energie-Messeinheit 43 in der vorbestimmten Messperiode ausgegeben werden, wird auch ein Messergebnis für Reflektionslicht von einem Ziel gespeichert. Beispielsweise, wie im in 12 illustrierten Beispiel, selbst wenn ein Signal aufgrund von Störlicht aus der Logikschaltung 54 ausgegeben wird, werden mehrmals in der Messperiode MP erhaltene Messergebnisse N1 und N2 gespeichert. Entsprechend, selbst obwohl das Energie-Messergebnis E1 ein Messergebnis ist, das auf einem Signal aufgrund eines Störlichts basiert, kann ein Messergebnis für reflektiertes Licht aus einem Ziel als das Energie-Messergebnis E2 gespeichert werden. In der Lichtdetektionsvorrichtung 1 sind die oben beschrieben Vielzahl von Speichern 60 und 61 in jeder der Signalverarbeitungseinheiten SP enthalten. Entsprechend wird ein Einfluss des Störlichts reduziert und wird die Anzahl von Verbindungen, die nach außerhalb der Signalverarbeitungseinheit SP aus der Signalverarbeitungseinheit SP gezogen werden, reduziert.
Vorstehend ist eine Beschreibung der Ausführungsform und des Modifikationsbeispiels der Erfindung gegeben worden, aber die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform und das oben beschriebene Modifikationsbeispiel beschränkt und verschiedene Modifikationen können in einem Bereich vorgenommen werden, der nicht vom Geist der Erfindung abweicht.
Beispielsweise überlappt in der oben beschriebenen Ausführungsform, wie in 8 illustriert, die Flächenelektrode PE1 den Timing-Komparator 52 und den Energie-Komparator 53 bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Wie in 3 illustriert, weichen die Einheitsregion α1, wo jedes der Pixel U vorgesehen ist, und die Einheitsregion β1, wo eine entsprechende Signalverarbeitungseinheit SP vorgesehen ist, voneinander in der X-Achsenrichtung ab. Jedoch kann als ein Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform, wie in 15 illustriert, die Flächenelektrode PE1 die Frontendschaltung 51 überlappen, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. In diesem Modifikationsbeispiel, wie in 16 illustriert, weichen die Lichtdetektionsregion α und die Signalverarbeitungsregion β bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung voneinander in der XY-Achsenrichtung ab. 15 ist eine Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen einem Pixel und einer Signalverarbeitungseinheit in diesem Modifikationsbeispiel illustriert. 16 ist eine Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen einer Signal-Erfassungseinheit und einer Flächenelektrode in diesem Modifikationsbeispiel illustriert.
17 illustriert eine Positionsbeziehung zwischen einer Lichtdetektionsregion α und einer Signalverarbeitungsregion β bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung im in 15 und 16 illustrierten Modifikationsbeispiel. Selbst in diesem Modifikationsbeispiel beinhaltet die Lichtdetektionsregion α einen Bereich R1, welcher die Signalverarbeitungsregion β überlappt, und einen Bereich R2, der die Signalverarbeitungsregion β nicht überlappt, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. Die Signalverarbeitungsregion β beinhaltet einen Bereich R1, welcher die Lichtdetektionsregion α überlappt, und einen Bereich R3, der die Lichtdetektionsregion α nicht überlappt, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung. In 17 ist der Bereich R1 schraffiert. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung ist eine Fläche des Bereichs R1 größer als eine Fläche des Bereichs R2. Bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung ist die Fläche des Bereichs R1 größer als die Summe der Fläche des Bereichs R2 und einer Fläche des Bereichs R3.
Wie in 16 illustriert, ist die Einheitsregion β1, wo eine entsprechende Signalverarbeitungseinheit SP vorgesehen ist, von der Einheitsregion α1, wo jedes der Pixel U vorgesehen ist, in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung abweichend. 15 illustriert eine Positionsbeziehung zwischen dem Pixel U und der Signalverarbeitungseinheit SP in der Lichtdetektionsvorrichtung 1 zwischen dem Pixel U und der Signalverarbeitungseinheit SP in der Lichtdetektionsvorrichtung 1 gemäß dem Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform. 16 ist eine Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen der Signal-Erfassungseinheit 41 und der Anschlusselektrode PE1 in der Lichtdetektionsvorrichtung 1 gemäß dem Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform illustriert.
In der Ausführungsform und dem Modifikationsbeispiel, die oben beschrieben sind, sind das Lichtdetektionssubstrat 10 oder 10A und das Schaltungssubstrat 20 miteinander durch die Höckerelektrode BE verbunden, aber die Konfiguration der Lichtdetektionsvorrichtung 1 ist nicht darauf beschränkt. Die Flächenelektrode PE1 oder PE4 des Lichtdetektionssubstrats 10 oder 10A und die Signalverarbeitungseinheit SP des Schaltungssubstrats 20 können miteinander durch die Höckerelektrode BE elektrisch verbunden sein.
In der oben beschriebenen Ausführungsform misst die Energie-Messeinheit 43 die Zeit, in welcher eine Impulshöhe eines Signals, das aus einer entsprechenden Signal-Erfassungseinheit 41 eingegeben wird, gleich oder größer als ein Schwellenwert ist, durch Verwenden der TOT-Schaltung, um so Energie eines auf das entsprechende Pixel U einfallenden Lichts zu messen. Jedoch kann als ein Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform die Energie-Messeinheit 43 die Energie durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) messen. In diesem Fall kann die Energie-Messeinheit 43 eine Impulshöhe eines Signals, das aus der entsprechenden Signal-Erfassungseinheit 41 eingegeben wird, mit hoher Präzision detektieren und somit kann die Energie-Messeinheit 43 Energie von auf das entsprechende Pixel U einfallendem Licht mit hoher Präzision messen. Als ein Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform kann die Energie-Messeinheit 43 die Energie durch eine Vielzahl von Komparatoren messen, in welchen Schwellenwerte sich voneinander unterscheiden. Im Falle der Modifikationsbeispiele erfordert die Energie-Messeinheit 43 einen großen Raum im Vergleich zu einem Fall der Verwendung der TOT-Schaltung.
In der oben beschriebenen Ausführungsform und dem Modifikationsbeispiel ist jede der Signalverarbeitungseinheiten SP mit nur einer Flächenelektrode PE1 verbunden. Die Lichtdetektionsvorrichtung 1 beinhaltet keinen Schalter, der konfiguriert ist, elektrische Verbindung zwischen jedem der Pixel U und der Signalverarbeitungseinheit SP entsprechend dem Pixel U umzuschalten. Mit anderen Worten wird ein aus jedem der Pixel U ausgegebenes Signal nur an einer festen Signalverarbeitungseinheit SP durch eine entsprechende Höckerelektrode BE eingegeben. Jedoch kann ein Schalter, der konfiguriert ist, die Signalverarbeitungseinheit SP, welche elektrisch mit jedem der Pixel U verbunden ist, umzuschalten, vorgesehen sein.
Die Flächenelektrode PE1 oder PE2 beinhaltet eine Elektrode, die nicht nur eine Form aufweist, in der eine Breite größer als eine Dicke ist, sondern noch eine Form, in welcher die Dicke größer ist als die Breite. Beispielsweise kann eine Maximaldicke der Flächenelektrode PE1 oder PE2 größer als eine Maximalbreite der Flächenelektrode PE1 oder PE2 sein. In dieser Spezifikation repräsentiert die Dicke der Flächenelektrode PE1 oder PE2 eine Länge in der Z-Achsenrichtung. Die Breite der Flächenelektrode PE1 oder PE2 repräsentiert eine Länge in einer Richtung orthogonal zur X-Achsenrichtung.
In der oben beschriebenen Ausführungsform und dem Modifikationsbeispiel ist die Lichtdetektionsregion α durch die Innenwand der Rille 14, welche die Licht-Detektionsregion α umgibt, definiert. Jedoch kann es sein, dass die Licht-Detektionsregion α nicht von der Rille 13 umgeben ist. In diesem Fall, bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung, passt eine äußere Kante der Licht-Detektionsregion α zur Außenkante der dritten Halbleiterregion NA oder PD, die an der äußersten Position lokalisiert ist.
In der oben beschriebenen Ausführungsform und dem Modifikationsbeispiel ist die Einheitsregion α1 definiert durch die Innenwand der Rille 13, welche die Einheitsregion α1 umgibt. Jedoch kann es sein, dass die Einheitsregion α1 nicht durch die Rille 13 umgeben ist. In diesem Fall passt bei Sicht aus der Z-Achsenrichtung die Außenkante der Einheitsregion α1 zur Außenkante der dritten Halbleiterregion NA oder PD, die an der äußersten Position des Pixels U innerhalb der Einheitsregion α1 lokalisiert ist.
Bezugszeichenliste

1: Lichtdetektionsvorrichtung
10, 10A: Lichtdetektionssubstrat
11: Lawinen-Photodiode
20: Schaltungssubstrat
20d: Kante
21: Löschwiderstand
41: Signal-Erfassungseinheit
42: Timing-Messeinheit
43: Energie-Messeinheit
44: Speichereinheit
50: Halbleitersubstrat
60, 61: Speicher
70: Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung
75: Signal-Übertragungsschaltung
77: Miller-Kondensator
1Na, 1Nb: Hauptoberfläche
MP: Messperiode
PE1, PE4: Flächenelektrode
R1, R2, R3: Bereich
S: Lichtempfangsregion
SP: Signal-Verarbeitungseinheit
U: Pixel
VTH: Schwellenwert
α: Lichtdetektionsregion
α1, β1: Einheitsregion
β: Signalverarbeitungsregion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201872097 A [0003]

Claims

Lichtdetektionsvorrichtung, umfassend: ein Licht-Detektionssubstrat, das ein Halbleitersubstrat enthält, das eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche gegenüberliegend zueinander enthält, und eine Lichtdetektionsregion, die mit einer Vielzahl von Pixeln versehen ist, wobei die Vielzahl von Pixeln zweidimensional bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche angeordnet sind; und ein Schaltungssubstrat, die mit dem Lichtdetektionssubstrat in einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche verbunden ist und eine Signalverarbeitungsregion enthält, die mit einer Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten versehen ist, wobei die Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten alle konfiguriert sind, ein Detektionssignal, das aus einem entsprechenden der Pixel ausgegeben wird, zu verarbeiten, wobei für jedes der Pixel das Lichtdetektionssubstrat beinhaltet eine Vielzahl von Lawinen-Photodioden, von denen jede eine Lichtempfangsregion enthält, die im Halbleitersubstrat vorgesehen ist und angeordnet ist, im Geigermodus zu arbeiten, eine Vielzahl von Löschwiderständen, von denen jeder elektrisch mit einer entsprechenden der Lawinen-Photodioden in Reihe verbunden ist, und eine Flächenelektrode, mit der die Vielzahl von Löschwiderständen elektrisch parallel verbunden sind, eine Vielzahl von Lichtempfangsregionen der Vielzahl von Photodioden zweidimensional für jedes der Pixel angeordnet sind, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche, jede der Vielzahl von Signalverarbeitungseinheiten beinhaltet eine Signal-Erfassungseinheit, die konfiguriert ist, das Detektionssignal durch eine entsprechende Flächenelektrode zu erfassen, wobei die entsprechende Flächenelektrode der Flächenelektrode entspricht, eine Timing-Messeinheit, die konfiguriert ist, einen Zeitpunkt zu messen, zu welchem Licht auf ein entsprechendes der Pixel einfällt, auf Basis des Detektionssignals, eine Energie-Messeinheit, die konfiguriert ist, Energie des auf ein entsprechendes der Pixel einfallenden Lichts zu messen, auf Basis des Detektionssignals, und eine Speichereinheit, die konfiguriert ist, ein Messergebnis in der Timing-Messeinheit und der Energie-Messeinheit zu speichern, und eine Lichtdetektionsregion und die Signalverarbeitungsregion einander zumindest teilweise überlappen, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche.
Lichtdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Lichtdetektionssubstrat von einer Kante des Schaltungssubstrats umgeben ist, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche.
Lichtdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtdetektionsregion einen ersten Bereich, der die Signalverarbeitungsregion überlappt, und einen zweiten Bereich, der die Signalverarbeitungsregion nicht überlappt, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche, enthält, und eine Fläche des ersten Bereichs größer als eine Fläche des zweiten Bereichs ist.
Lichtdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Signalverarbeitungsregion einen dritten Bereich, der die Lichtdetektionsregion nicht überlappt, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche, beinhaltet, und die Fläche des ersten Bereichs größer als die Summe der Fläche des zweiten Bereichs und einer Fläche des dritten Bereichs ist.
Lichtdetektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Einheitsregion, wo jedes der Pixel in der Lichtdetektionsregion vorgesehen ist, und eine Einheitsregion, wo eine der Signalverarbeitungseinheiten, die dem Pixel in der Signalverarbeitungsregion entspricht, vorgesehen ist, miteinander zumindest teilweise bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche überlappen.
Lichtdetektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Schwerpunkt der Anschlusselektrode von einem Schwerpunkt einer Einheitsregion, wo die Signalverarbeitungseinheit, mit welcher die Anschlusselektrode verbunden ist, vorgesehen ist, zur Signal-Erfassungseinheit hin abweicht, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche.
Lichtdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Einheitsregion, wo jedes der Pixel in der Lichtdetektionsregion vorgesehen ist, und die Einheitsregion, wo eine der Signalverarbeitungseinheiten, die dem Pixel entspricht, in der Signalverarbeitungsregion vorgesehen ist, voneinander in einer Richtung längs der ersten Hauptoberfläche abweichen, bei Sicht aus einer Richtung orthogonal zur ersten Hauptoberfläche, und Bereiche enthalten, die einander nicht überlappen.
Lichtdetektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Detektionssignal ein Stromsignal ist, die Signalerfassungseinheit jeder der Signalverarbeitungseinheiten eine Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung beinhaltet, die konfiguriert ist, das Detektionssignal in eine Spannung umzuwandeln, und eine Signalübertragungs-Schaltung, die konfiguriert ist, ein aus der Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung ausgegebenes Spannungssignal an der Energiemesseinheit einzugeben, die Signalübertragungsschaltung einen Miller-Kondensator beinhaltet, der mit der Energiemesseinheit parallel zur Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit verbunden ist, und die Energiemesseinheit Energie von auf ein entsprechendes der Pixel einfallenden Lichts misst, auf Basis einer Wellenform eines aus der Signalübertragungs-Schaltung eingegebenen Signals.
Lichtdetektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Energiemesseinheit Energie von auf ein entsprechendes der Pixel einfallendem Licht durch Messen der Zeit misst, welche eine Impulshöhe eines aus einer entsprechenden Signalerfassungseinheit eingegebenen Signals gleich oder größer als ein Schwellenwert ist, und die entsprechende Signalerfassungseinheit der Signalerfassungseinheit entspricht.
Lichtdetektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Speichereinheit jeder der Signalverarbeitungseinheiten eine Vielzahl von Speicherregionen enthält, die konfiguriert sind, jeweils Messergebnisse in der Timing-Messeinheit und der Energie-Messeinheit in Bezug auf, auf ein entsprechendes der Pixel einfallenden Lichts zu einem anderen Timing in einer vorbestimmten Messperiode zu speichern.