JP2018157032A - 光検出装置およびこれを用いた被写体検知システム - Google Patents

光検出装置およびこれを用いた被写体検知システム Download PDF

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郁夫 藤原
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勇希 野房
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鎬楠 権
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和拓 鈴木
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Abstract


【課題】光子検出効率の温度変動を抑制することのできる光検出装置およびこれを用いた被写体検知システムを提供する。
【解決手段】本実施形態の光検出装置は、アバランシェフォトダイオードおよび前記アバランシェフォトダイオードに直列接続される抵抗を有するセルを少なくとも1つ備えた画素と、前記画素の前記セルに電圧を印加する電圧源と、前記画素の温度を検出する温度検出素子を有する温度検出部と、を備え、前記温度検出素子は、前記アバランシェフォトダイオードと同じ構造を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの上面に配置された遮光部と、有する。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、光検出装置およびこれを用いた被写体検知システムに関する。

アバランシェフォトダイオード、もしくはシリコンフォトマルチプライヤ(以下、SiPMとも云う)等の光検出素子においては、光子検出効率(PDEとも云う)の温度依存性が大きい。このため、車載用途等のように屋外で使用する場合は、サーミスタ等のチップ温度モニタと、ペルチェ素子またはヒータ等とを用いてチップを定温化する必要があり、装置が大型化し、かつ消費電力が増大する。また、光検出素子本体と別のチップで形成された温度モニタは、実際のデバイス温度の再現精度が低く、温度の補正精度の低下を招いていた。

SiPMの光子検出効率は、デバイス開口率S、光電変換効率η、アバランシェ確率Pavの積にて表される。この中で温度特性として大きな影響を及ぼすアバランシェ確率Pavは、経験上
av=P×(1−exp(−a×Vov))
として表現できる。ここで、Pは温度に依存しない定数、aはデバイス構造に起因する定数である。また、電圧Vovは、デバイスのブレークダウン電圧Vbdと、デバイスの駆動電圧Vopを用いて、
ov=Vop−Vbd
と表される。

これにより、駆動電圧Vopが一定の場合には、ブレークダウン電圧Vbdが変動するため、電圧Vovが変動し、アバランシェ確率Pavが変動し、光子検出効率の温度依存性が生じる。よって、光子検出効率の温度依存性を抑制するためには、ブレークダウン電圧Vbdの温度依存性を補正する必要がある。

一般的に、光検出素子(光検出デバイス)のブレークダウン電圧Vbdは、デバイス温度に対してほぼ線形な変動を示し、温度補正が可能であることが分かる。しかし、デバイス間のブレークダウン電圧Vbdのばらつきの影響も無視できない。このため、SiPMのように多画素化した場合には、画素毎のブレークダウン電圧Vbdのばらつきの補正も必要となる。

特開2013−16638号公報

本実施形態は、光子検出効率の温度変動を抑制することのできる光検出装置およびこれを用いた被写体検知システムを提供する。

本実施形態による光検出装置は、アバランシェフォトダイオードおよび前記アバランシェフォトダイオードに直列接続される抵抗を有するセルを少なくとも1つ備えた画素と、前記画素の前記セルに電圧を印加する電圧源と、前記画素の温度を検出する温度検出素子を有する温度検出部と、を備え、前記温度検出素子は、前記アバランシェフォトダイオードと同じ構造を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの上面に配置された遮光部と、有する。

第1実施形態による光検出装置を示す回路図。 フォトダイオードの逆方向電圧と逆方向暗電流の関係を示す図。 アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧の値とフォトダイオードの逆方向飽和暗電流との関係を示す図。 第1実施形態の光検出装置における環境温度補正を行う手法を説明する図。 第1実施形態の第1変形例の光検出装置における環境温度補正を行う手法を説明する図。 第1実施形態の第2変形例による光検出装置を示す回路図。 第1実施形態の第3変形例による光検出装置を示す回路図。 図8(a)および図8(b)は第1実施形態の光検出装置の製造工程を示す平面図および断面図。 図9(a)および図9(b)は第1実施形態の光検出装置の製造工程を示す平面図および断面図。 図10(a)および図10(b)は第1実施形態の光検出装置の製造工程を示す平面図および断面図。 図11(a)および図11(b)は第1実施形態の光検出装置の製造工程を示す平面図および断面図。 図12(a)および図12(b)は第1実施形態の光検出装置の製造工程を示す平面図および断面図。 図13(a)および図13(b)は第1実施形態の光検出装置の製造工程を示す平面図および断面図。 図14(a)はシリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)の平面図、図14(b)は画素を示す平面図。 第2実施形態による光検出装置を示す回路図。 第2実施形態の光検出装置の画素に光子が入力した場合に画素によって誘起されるパルス状の信号電位を示す図。 第2実施形態の光検出装置に用いられるエンハンスメント型NMOSトランジスタおよびデプレッション型PMOSトランジスタTpのスイッチング特性を示す図。 第3実施形態の光検出装置における温度補正に関わる回路を示す図。 セル温度と暗時パルス信号検出レートと相関を示す図。 第4実施形態による長距離被写体検知システムを示すブロック図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

(第1実施形態)
第1実施形態による光検出装置の回路ブロック図を図1に示す。第1実施形態の光検出装置1は、リニアアレイ状に配列された複数の光検出画素Pic〜Picを有し、各画素Pic(i=1,・・・,n)は共通の電源VCOMに接続されている。本実施形態では電源VCOMとして例えば68Vを印可する。各画素Pic(i=1,・・・,n)は、光信号検出部2と、デバイス温度検出部3と、を備えている。

各画素Pic(i=1,・・・,n)の光信号検出部2は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードAPD、クエンチ抵抗Rq、およびアバランシェフォトダイオードAPDの光パルス信号を出力する出力部Vsigを有している。アバランシェフォトダイオードAPDのカソードは電源Vcomに接続され、アノードがクエンチ抵抗Rqの一端に接続され、クエンチ抵抗Rqの他端に出力部Vsigが接続される。すなわち、アバランシェフォトダイオードAPD、クエンチ抵抗Rq、および出力部Vsigは直列に接続されている。出力部Vsigは外部の読出し回路(図示せず)を通して接地電位に固定される。

アバランシェフォトダイオードAPD(i=1,・・・,n)からは、入射した光子が光電変換され、アバランシェ増幅された数十ナノ秒程度の高速パルスが光パルス信号出力部Vsigより出力される。この時、光信号の強度を決める増倍係数、センサ不感時間に影響するパルス時定数は寄生容量に比例するため、温度補正機構等の付加による寄生容量の増大を避けることが望ましい。

そこで、本実施形態では、各画素Pic(i=1,・・・,n)に、デバイス温度検出部3を新たに付加している。このデバイス温度検出部3は、画素が形成される基板(図示せず)の温度を検出するものであって、逆方向飽和領域で動作する遮光されたフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDに動作電圧を印可する電圧印加部Pと、デバイス温度情報VTiが出力される端子10と、を備えている。アバランシェフォトダイオードAPD(i=1,・・・,n)とフォトダイオードPDは、同じ平面パターン形状、およびプロセス工程を用いて形成され、かつフォトダイオードPDは、画素毎にアバランシェフォトダイオードAPDと近接させて配置した。すなわち、フォトダイオードPDとアバランシェフォトダイオードAPDとはほぼ同じ構造を有している。なお後述するように、各フォトダイオードPD(i=1,・・・,n)の上方には、遮光膜(図13(a)、13(b)の符号614)が形成される。

このフォトダイオードPD(i=1,・・・,n)の逆方向暗電流の逆方向電圧依存性を測定した結果を図2に示す。図2からわかるように、フォトダイオードPD(i=1,・・・,n)は、アバランシェフォトダイオードAPDの電流電圧特性および温度依存性と同等の特性を有する。すなわち、フォトダイオードPD(i=1,・・・,n)の特性により、アバランシェフォトダイオードAPDの特性を再現することが可能となる。

また、図1に示す第1実施形態では、フォトダイオードPD(i=1,・・・,n)の動作電圧を印可する電圧印加部Pとして、電源VCOMと接地電位との間を、容量Cと容量Cによる容量分割を用いて実現している。すなわち、フォトダイオードPD(i=1,・・・,n)に印加されるバイアス電圧Vpdは、
Vpd=C/(C+C)×VCOM
となる。本実施形態では、C=10pF、C=1pF、VCOM=68Vであるから、バイアス電圧Vpdは62Vとなり、ブレークダウン電圧Vbdを超えない逆方向飽和電圧となる。

図3に、アバランシェフォトダイオードAPD(i=1,・・・,n)のデバイス温度を変化させた時に対応するブレークダウン電圧Vbdの値と、フォトダイオードPDの逆方向飽和暗電流Ir(A/mm)の関係を示す。図3からわかるように、ブレークダウン電圧Vbdの変化に従い逆方向飽和暗電流Irが指数関数的に変化している。このため、フォトダイオードPD(i=1,・・・,n)の逆方向飽和暗電流Irをモニタすることで、アバランシェフォトダイオードAPDのブレークダウン電圧Vbdの温度変動の情報が得られることがわかる。すなわち、逆方向暗電流Irを検出することで、一般的な読出し回路によりデバイス温度情報を読み出すことができる。

図1に示す第1実施形態では、各画素Pic(i=1,・・・,n)において、フォトダイオードPDの逆方向暗電流Irを受ける電流電圧変換アンプAMPと、画素選択回路としてのスイッチSWを更に付加した構成を有している。スイッチSW(i=1,・・・,n)は、一端が端子10に接続され、他端が電流電圧変換アンプAMPの入力端子に接続される。この構成により、デバイス温度情報の取得を行っている。読出し手法としては、フォトダイオードPD(i=1,・・・,n)の逆方向暗電流をある一定時間積分し、電荷としてデバイス温度情報を読み出しても良く、読出し方法に関しては上記手法にとらわれるものではない。

図4は、画素Picの端子10から出力されるデバイス温度情報VT1を用いて、環境温度補正を行う手法を説明する図である。本実施形態においては、電圧制御部20を更に備えている。画素Picから出力されたデバイス温度情報VT1はチップ外部の電圧制御部20に入力される。この電圧制御部20にはデバイス温度情報VT1と駆動電圧Vopの相関テーブルが記憶されている。デバイス温度情報VT1は、電圧制御部20において、この相関テーブルに従い駆動電圧Vopに変換され、変換信号として高電圧電源VCOMに出力される。この結果、ブレーク電圧Vbdの温度変動に従い駆動電圧Vopが補正されるため、駆動電圧Vovがデバイス温度に拠らず一定となり、光子検出効率の温度変動が抑制される。なお、図4では、画素Picの端子10から出力されるデバイス温度情報VT1を用いて、環境温度補正を行う手法を説明したが、他の画素についても同様に行う。

(第1変形例)
第1実施形態の第1変形例について図5を参照して説明する。図5は、第1変形例の光検出装置において、デバイス温度情報VT1を用いて、環境温度補正を行う手法の説明図である。

この第1変形例においては、図5に示すように、SiPMチップ30の温度を一定に保つための電子冷熱器32と、この電子冷熱器32を制御する制御部35と、を更に備えている。SiPMチップ30から出力されたデバイス温度情報VT1〜VTnは制御部35に入力され、電子冷熱器32の温度制御信号に変換される。この結果、電子冷熱器32によりSiPMチップ30の温度が一定に保たれ、環境温度変動による光子検出効率の温度変動が抑制される。

また、バイアス電圧Vpdを印可する手法としては、容量Cと容量Cによる容量分割による手法に限らず、ブレークダウン電圧Vbdを超えない範囲の値を与える、専用の電圧源に代替えしても良い。

(第2変形例)
第1実施形態の第2変形例による光検出装置を図6に示す。この第2変形例の光検出装置は、例えば画素数が多く配線の余地が無い場合に用いられ、図1に示す第1実施形態において、画素毎に設けられた電流電圧変換アンプAMP(i=1,・・・,n)を一つの電流電圧変換アンプAMPに変更した構成を有している。すなわち、電流電圧変換アンプAMPは、スイッチSW(i=1,・・・,n)を介して各画素Picの端子10に接続される。そして、チップ外部に配置されて、選択する画素に対応するスイッチに画素選択信号を送りオンにする画素選択部40を新たに付加した構成となっている。例えば、選択する画素が画素Picである場合は、スイッチSWに画素選択信号を送り、スイッチSWをオンにする。

なお、第2変形例において、環境温度補正を行う手法は第1変形例で説明した手法を用いてもよい。

(第3変形例)
第1実施形態の第3変形例による光検出装置を図7に示す。この第3変形例の光検出装置は、図1に示す第1実施形態の光検出装置において、両端に配置された画素Picおよび画素Picを除く各画素Pic(i=2,・・・,n−1)からデバイス温度検出部3を削除して、画素Picおよび画素Picのデバイス温度検出部3で検出されたデバイス温度情報VT1およびデバイス温度情報VTnに基づいて、各画素Pic(i=2,・・・,n−1)のデバイス温度情報VTiを決定する。

例えば、第1例として、各画素Pic(i=2,・・・,n−1)のデバイス温度情報VTiはデバイス温度情報VT1およびデバイス温度情報VTnの平均値、すなわちVTi=(VT1+VTn)/2としてもよい。この場合、デバイス温度検出部3の出力平均を用いることで、測定ばらつきを抑制することができる。

また、第2例として、各画素Pic(i=2,・・・,n−1)のデバイス温度情報VTiは、VT1およびVTnの線形近似で与えることができる。すなわち、
Ti=i×(VT1−VTn)/n+VTn
としてもよい。この場合は、リニアアレイ内の温度分布を正確に反映させることができる。

この第3変形例において、環境温度補正を行う手法は第1変形例または第2変形例で説明した手法を用いてもよい。

(製造方法)
次に、第1実施形態の光検出装置の製造方法について、図8(a)乃至図13(b)を参照して説明する。図8(a),9(a)、10(a)、11(a)、12(a)、13(a)は、各製造工程における平面図を示し、図8(b),9(b)、10(b)、11(b)、12(b)、13(b)は、各製造工程における断面図を示す。これらの断面図は、対応する平面図に示す切断線A−Aで切断した断面図である。

第1実施形態の光検出装置は、図8(a)、8(b)に示すように、アンチモンを濃度2.0×1018/cmでドープした単結晶N型シリコン基板600上に、濃度1.0×1015/cmでホウ素をドープしたシリコンエピタキシャル層601を3μmの厚さまでエピ成長したウエハを用意する。

次に、図9(a)、9(b)に示すように、素子領域を規定するレジストパターン602をリソグラフィ工程を用いて形成し、このレジストパターン602をマスクとしてホウ素を加速電圧2.4MeV、ドーズ量2.0×1012/cmの条件でイオン注入し、深いP型層603を形成する。

次に、図10(a)、10(b)に示すように、素子分離領域604を開口マスクとなるパターン(図示せず)を用いて、リンを加速電圧150keV、ドーズ量1.0×1012/cmの条件でイオン注入することにより、素子分離拡散層605を形成する。続いて、通常のLSI製造工程を用いて、シリコンエピタキシャル層601の表面に、LOCOS(Local Oxidation)法を用いて素子分離構造606を形成する。この時に実施される酸化工程により、P型層603、素子分離拡散層605が活性化される。

次に、図11(a)、11(b)に示すように、画素分離のための深いN型拡散層607を、エピ層601を貫通し、N型基板600に至るように形成する。続いて、クエンチ抵抗となるポリシリコン膜608を0.2μmの厚さでCVD(Chemical Vapor Deposition)法により成膜し、リソグラフィとRIE(Reactive Ion Etching)法により所定の形状に加工する。ポリシリコン膜608には、所定の抵抗が得られるように、例えばホウ素を、加速電圧20keV、ドーズ量1.0×1015/cm程度を注入、活性化を行うと良い。

次に、図12(a)、12(b)に示すように、素子領域にシリコンエピ層601と金属電極613とのオーミック接合を形成するための浅いP型層610を、例えばホウ素を加速電圧40keV、ドーズ量1.0×1014/cmの条件でイオン注入し、その後、活性化することで形成する。続いて、絶縁膜層611をCVD法により0.8μmの厚さで形成し、リソグラフィ及びRIE法によりコンタクトホール612を形成する。

次に、図13(a)、13(b)に示すように、アルミ電極613をスパッタ法により0.8μmの厚さで形成し、リソグラフィ及びRIE法により所定の形状に加工する。この時、デバイス温度検出部3のフォトダイオードPD領域上のアルミ電極は、遮光膜614として利用される。最後に、N型基板600の裏面に、共通電極VcomとしてTi/Auが成膜される。

以上により、光検出部2のアバランシェフォトダイオード617、温度検出部3のフォトダイオード616を作製することができる。

上記は、アバランシェフォトダイオードが一次元アレイ状に配置された光検出装置の場合について説明したが、アバランシェフォトダイオードと直列に接続されたクエンチ抵抗とを有するセルを二次元アレイ状に配置されたものを一画素とするシリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)に関しても適用可能である。シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)の平面図を図14(a)に示し、3×3のアレイ状に配列された9011〜9033を図14(b)に示す。各画素90ij(i,j=1,・・・,3)は、図14(b)に示すように、光検出効率の向上のために画素中央領域を光検出部1001とし、画素内周辺領域の素子を温度検出部1002のフォトダイオードPDとするのが望ましい。また、温度検出部1002として、画素周辺領域に配置されたフォトダイオードPDの出力を並列接続させることで、デバイス温度情報Vが増幅され、平均化されることで、より精度良く読み出すことができる。

以上説明したように、第1実施形態およびその変形例によれば、光子検出効率の温度変動を抑制することが可能な光検出装置を提供することができる。

(第2実施形態)
第2実施形態による光検出装置の回路図を図15に示す。この第2実施形態の光検出装置1は、複数の画素を有し、画素毎かつ光検出タイミング毎にデバイス温度情報を読み出すことができる回路構成を備えている。

第2実施形態の光検出装置1は、複数の画素Pic〜Picを有し、各画素Pic(i=1,・・・,n)は、光検出部2と、デバイス温度情報検知部3と、を備えている。画素Pic(i=1,・・・,n)のデバイス温度情報VTiを出力する端子10には、エンハンスメント型NMOSトランジスタTn、およびデプレッション型PMOSトランジスタTpが直列接続され、インバータを構成する。トランジスタTp(i=1,・・・,n)のソース電極は共通のリセット電位Vrstを受ける。

光パルス信号出力部Vsig(i=1,・・・,n)は電流電圧変換アンプAMPに入力されて電圧パルスに変換され、この電圧パルスが端子15に付与される。トランジスタTn(i=1,・・・,n)とトランジスタTpのゲート電極は端子15に接続され、トランジスタTnおよびトランジスタTpからなるインバータの出力はデバイス温度情報共通電位線Vtに接続される。

例えば画素Picに光子が入力すると、図16に示すように、端子15にパルス状の信号電位が誘起される。トランジスタTnおよびTpのスイッチング特性(Id−Vgカーブ)は図17に示すように設定されている。端子15の電圧パルスの波高が、トランジスタTnのしきい値電圧Vthnを超えたところで、トランジスタTpはOFFのままトランジスタTnがONとなり、共通電位線Vtに画素Picのデバイス温度情報VT1を出力する。次に、画素Picに入射した光子による光電子が起こすアバランシェパルスがクエンチング動作により終息し、アバランシェパルスの波高値がトランジスタTnのしきい値電圧Vthn以下となるとトランジスタTnはOFFとなる。これにより、共通電位線Vtは寄生容量Cexにより、
Vex=Ir×Δt/Cex
で定義される電圧値Vexとなり、画素Picのデバイス温度情報VT1が電圧値として共通電位線Vtより出力される。この時、Irは温度検出用のフォトダイオードPDの逆方向飽和暗電流、Δtは図16に示す、トランジスタTnがONする時間を示す。

次に、アバランシェパルス波高が更に低下し、トランジスタTpのしきい値電圧Vthp以下となるとトランジスタTpがONとなり、共通電位線Vtは共通のリセット電位Vrstにリセットされる。

上記構成により、画素毎かつ光検出タイミング毎にデバイス温度情報を読み出すことができ、よりリアルタイムに温度補正が可能となる。これにより、光子検出効率の温度変動を抑制することができる。

以上説明したように、第2実施形態によれば、光子検出効率の温度変動を抑制することが可能な光検出装置を提供することができる。

(第3実施形態)
次に、第3実施形態による光検出装置について説明する。この第3実施形態の光検出装置は、図1に示す第1実施形態の光検出装置とは、デバイス温度検出部3の構成が異なっている。この第3実施形態におけるデバイス温度検出部3は、ガイガーモードで動作する遮光されたアバランシェフォトダイオードの、暗時の出力パルスカウントを用いて温度補正を行う手法を用いている。このように、第3実施形態では、光検出に用いられるAPDと同様の構造、同様のバイアス動作を行う温度補正用素子を用いることで、素子のばらつきまで含めたより正確な温度補正が可能となる。

第3実施形態の光検出装置における温度補正に関わる回路を図18に示す。第3実施形態の光検出装置1は、複数の光検出画素Pic〜Picと、少なくとも1つの温度モニタ画素Picとを備えている。各画素Pic(i=1,・・・,n)は、第1実施形態で説明した画素と同じ構造を有している。温度モニタ画素Picは、上部に遮光膜が配置される以外は、各画素Pic(i=1,・・・,n)と同様の構造を有している。光検出画素Pic〜Picおよび温度モニタ画素Picは共通の電源Vcomに接続されている。光検出画素Pic〜Picおよび温度モニタ画素Picはそれぞれ、図1に示すように、アバランシェフォトダイオードとクエンチ抵抗が直列に接続されたセルが図10(a)に示した場合と同様に、アレイ状に配置された構成を有している。画素Pic〜Picの出力部Vsig〜Vsigは、光パルス信号が出力し、外部の読出し回路(図示せず)を通して接地電位に固定される。

温度モニタ画素Picから出力される暗時パルス信号は、出力端子Vtを通して、電流電圧変換アンプAMPに入力し、カウンタ52によりある時間当たりの暗時パルス数に換算され、暗時パルス信号検出レートとして出力される。図19にセル温度と暗時パルス信号検出レートの相関を示す。暗時パルス信号検出レートは、温度と共に指数関数的に増大し、温度に対して非常に敏感であることが分かる。よって、本実施形態における温度モニタ手法の精度は非常に高い。

その後、カウンタ50より出力された暗時パルス信号検出レートは、制御部52に入力し、予め用意されている温度テーブル53にて温度情報に変換され、VCOM制御用電源回路または電子冷熱器制御部54へフィードバックされる。

セルの温度依存性を示す暗時パルス信号は、基板として用いているシリコンの熱励起電子によるアバランシェパルスであり、そのパルス数は、セル面積、もしくは検出時間長に依存する。温度モニタ精度を高めるためには、統計的に十分な事象数(イベント数)を確保する必要があり、十分な検出時間の確保、もしくは十分なセル面積の確保が必要となる。検出時間の延長は、温度モニタ頻度の低下によるリアルタイム性を低下させるため、温度モニタ画素PicTのセル面積を増加することが望ましい。

この時、SiPMにおいては、ガイガーモード動作によるクエンチングが発生するために、1セル当たりの面積を増大させると、寄生容量の増大により、よりクエンチング時間、すなわち検知デッドタイムが増大する。従って、1画素当たりのセル数を多く取り、画素当たりの総セル面積の増加による、暗時パルス発生頻度を確保することが望ましい。

反面、距離計測法(Time of Flight法)による距離計測に用いるための光検出画素では、入射光子により発生したパルスの検出タイミングが精度良く得られれば良く、イベント数積算によるヒストグラムの生成は必要ない。つまり、パルス帯域を考えれば、セル寄生容量は低い方が良く、セル面積は光検出効率が十分に得られる範囲で小さい方が望ましい。同時に、チップ面積の増大を抑制するためには、アレイ化のために複数配置される光検出画素のセル数を最小限に抑えることが望ましい。

そこで、本実施形態では、光検出画素Pic〜Picは100セル/画素程度の規模とし、温度モニタ画素Picは1000セル/画素とし、温度モニタ画素Picのセル数を光検出画素Pic〜Picのセル数の10倍に設定した。

以上説明したように、第3実施形態によれば、光子検出効率の温度変動を抑制することが可能な光検出装置を提供することができる。

(第4実施形態)
第4実施形態による被写体検知システムを図20に示す。この実施形態の被写体検知システム200は、光投射部210と、光検出部250とを備え、光投射部210より被写体100へ光を投射し、被写体100によって反射されて照射方向と同一方向へ戻ってくる反射光を光検出部250が検知し、その戻り時間(光飛行時間)、強度等を算出することで、光の飛行時間からその被写体100までの距離、光強度から被写体100の反射率等を推定する装置である。

光投射部210は、例えば近赤外域の光を投射する近赤外光照射部212と、投射光および被写体からの反射光を分割する、例えばビームスプリッターを有する光分割部214と、光を被写体100に向かって水平、垂直方向へ2次元的に走査する光走査部216と、を備えている。被写体100から反射して照射方向と同一方向へ戻ってくる反射光は、ふたたび光走査部216へ戻り、光分割部214で光検出部250へ導かれる。

光検出部250は、光分割部214からの光を集光する集光レンズ260と、光の強度を検出する光検出器264と、光検出器264を駆動し光検出器264から光の強さを読み出す駆動および読み出し回路270と、近赤外光照射部212から投射される光のタイミングの同期を得る同期回路272と、同期回路272からの同期タイミングを用いて近赤外光照射部212から投射された光の戻り時間を演算する時間演算処理部274と、被写体100の2次元情報、時間情報を蓄積するためのデータ蓄積部276と、を備えている。

この第4実施形態においては、被写体100によって反射された近赤外光を検出する光検出器264として、第1乃至第3実施形態またはそれらの変形例の光検出装置1が用いられる。これにより、この第4実施形態の被写体検知システム200は、第1乃至第3実施形態と同様に、光子検出効率の温度変動を抑制することが可能な被写体検知システムを提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

1・・・光検出装置、2・・・光信号検出部、3・・・デバイス温度検出部、10〜10・・・端子、15〜15・・・端子、20・・・電圧制御部、30・・・SiPMチップ、32・・・電子冷熱器、35・・・制御部、40・・・画素選択部、9011〜9033・・・画素、100・・・被写体、200・・・被写体検知システム、210・・・光投射部、212・・・近赤外光照射部、214・・・光分割部、216・・・光走査部216、250・・・光検出部、260・・・集光レンズ、264・・・光検出器、270・・・駆動および読み出し回路、272・・・同期回路、274・・・時間演算処理部、276・・・データ蓄積部276、600・・・単結晶N型シリコン基板、601・・・シリコンエピタキシャル層、502・・・レジストパターン、603・・・P型層、604・・・素子分離領域、605・・・素子分離拡散層、607・・・N型拡散層607、608・・・ポリシリコン膜、612・・・コンタクトホール、613・・・金属電極、614・・・遮光膜、616・・・フォトダイオード、617・・・アバランシェフォトダイオード、1001・・・光検出部、1002・・・温度検出部

Claims (10)

  1. アバランシェフォトダイオードおよび前記アバランシェフォトダイオードに直列接続される抵抗を有するセルを少なくとも1つ備えた画素と、
    前記画素の前記セルに電圧を印加する電圧源と、
    前記画素の温度を検出する温度検出素子を有する温度検出部と、
    を備え、前記温度検出素子は、前記アバランシェフォトダイオードと同じ構造を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの上面に配置された遮光部と、有する光検出装置。
  2. 前記フォトダイオードのブレークダウン電圧未満の逆方向電圧を前記温度検出素子に印可する電圧印加部を更に備えた請求項1記載の光検出装置。
  3. 前記電圧印加部は、前記電圧源と所定電位との間に直列に接続された少なくとも2つの容量を備えている請求項2記載の光検出装置。
  4. 前記温度検出部は前記画素に対応して配置され、前記アバランシェフォトダイオードからの出力パルス信号に基づいて前記温度検出部を動作させる選択部を更に備えた請求項1乃至3のいずれかに記載の光検出装置。
  5. 前記選択部は、前記アバランシェフォトダイオードからの出力パルス信号を受けるゲート端子、ソース端子、および前記温度検出素子の出力端子に接続されたドレイン端子を有するNチャネルMOSトランジスタと、前記アバランシェフォトダイオードからの出力パルス信号を受けるゲート端子、前記NチャネルMOSトランジスタの前記ソース端子に接続されたソース端子、および所定のリセット電位をうけるドレイン端子を有するPチャネルMOSトランジスタと、
    を備え、前記NチャネルMOSトランジスタおよび前記PチャネルMOSトランジスタの前記ソース端子から温度情報が出力される請求項4記載の光検出装置。
  6. 前記画素は前記セルを複数有しかつ複数の前記セルはライン状に配置され、前記温度検出部は、ライン状に配列された前記複数のセルの両端に配置された第1および第2温度検出素子を備え、
    前記温度検出部は、前記第1および第2温度検出素子の出力に基づいて前記画素の各セルの温度を決定する請求項1乃至3のいずれかに記載の光検出装置。
  7. 前記温度検出部は、前記温度検出素子のパルス出力を計数し、暗時の計数率を求める計数回路と、前記暗示の計数率に基づいて前記画素の補正された温度を出力する請求項1乃至6のいずれかに記載の光検出装置。
  8. 前記温度検出素子に含まれるフォトダイオード数が前記画素に含まれるセルの個数より多い請求項7記載の光検出装置。
  9. 前記画素は前記セルが二次元アレイ状に配置され、前記画素の周囲に複数の前記温度検出素子が配置されかつ並列接続される請求項1乃至8のいずれかに記載の光検出装置。
  10. 光を投射する光照射部と、前記光および被写体からの前記光の反射光を分割する光分割部、前記投射光を前記被写体に向かって走査する光走査部と、前記光分割部によって分割された前記反射光を検出する光検出装置と、前記光検出器を駆動し前記光検出器から前記反射光の強さを読み出す駆動および読み出し回路と、前記光照射部から投射される光のタイミングの同期を得る同期回路と、前記同期回路からの同期のタイミングを用いて前記光照射部から投射された光の戻り時間を演算する時間演算処理部と、を備え、前記光検出装置は請求項1乃至9のいずれかに記載の光検出装置である被写体検知システム。
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