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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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
Ｐａｖ＝Ｐ０×(１−ｅｘｐ（−ａ×Ｖｏｖ）)
として表現できる。ここで、Ｐ０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、
Ｖｏｖ＝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Ｔｐｉ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Ｐｉｃ１〜Ｐｉｃｎを有し、各画素Ｐｉｃｉ（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Ｐｉｃｉ（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Ｐｉｃｉ（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ＡＰＤｉ、クエンチ抵抗Ｒｑｉ、およびアバランシェフォトダイオードＡＰＤｉの光パルス信号を出力する出力部Ｖｓｉｇｉを有している。アバランシェフォトダイオードＡＰＤｉ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Ｒｑｉの一端に接続され、クエンチ抵抗Ｒｑｉの他端に出力部Ｖｓｉｇｉが接続される。すなわち、アバランシェフォトダイオードＡＰＤｉ、クエンチ抵抗Ｒｑｉ、および出力部Ｖｓｉｇｉは直列に接続されている。出力部Ｖｓｉｇｉ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ＡＰＤｉ（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Ｖｓｉｇｉ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Ｐｉｃｉ（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ＰＤｉと、フォトダイオードＰＤｉに動作電圧を印可する電圧印加部Ｐｉと、デバイス温度情報ＶＴｉが出力される端子１０ｉと、を備えている。アバランシェフォトダイオードＡＰＤｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）とフォトダイオードＰＤｉ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ＰＤｉは、画素毎にアバランシェフォトダイオードＡＰＤｉと近接させて配置した。すなわち、フォトダイオードＰＤｉとアバランシェフォトダイオードＡＰＤｉ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ＰＤｉ（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ＰＤｉ（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ＰＤｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤｉ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ＰＤｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）の特性により、アバランシェフォトダイオードＡＰＤｉ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ＰＤｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）の動作電圧を印可する電圧印加部Ｐｉとして、電源ＶＣＯＭと接地電位との間を、容量Ｃ１と容量Ｃ２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ＰＤｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）に印加されるバイアス電圧Ｖｐｄは、
Ｖｐｄ＝Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）×ＶＣＯＭ
となる。本実施形態では、Ｃ１＝１０ｐＦ、Ｃ２＝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ＡＰＤｉ（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ＰＤｉの逆方向飽和暗電流Ｉｒ（Ａ／ｍｍ２）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ＰＤｉ（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ＡＰＤｉ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Ｐｉｃｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）において、フォトダイオードＰＤｉの逆方向暗電流Ｉｒを受ける電流電圧変換アンプＡＭＰｉと、画素選択回路としてのスイッチＳＷｉを更に付加した構成を有している。スイッチＳＷｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）は、一端が端子１０ｉに接続され、他端が電流電圧変換アンプＡＭＰｉ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ＰＤｉ（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Ｐｉｃ１の端子１０１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Ｐｉｃ１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Ｐｉｃ１の端子１０１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Ｃ１と容量Ｃ２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ＡＭＰｉ（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ＳＷｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）を介して各画素Ｐｉｃｉの端子１０ｉ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Ｐｉｃ１である場合は、スイッチＳＷ１に画素選択信号を送り、スイッチＳＷ１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Ｐｉｃ１および画素Ｐｉｃｎを除く各画素Ｐｉｃｉ（ｉ＝２，・・・，ｎ−１）からデバイス温度検出部３を削除して、画素Ｐｉｃ１および画素Ｐｉｃｎ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Ｐｉｃｉ（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Ｐｉｃｉ（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Ｐｉｃｉ（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、
ＶＴｉ＝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／ｃｍ３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／ｃｍ３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／ｃｍ３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／ｃｍ３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／ｃｍ３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／ｃｍ３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ＶＴ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Ｐｉｃ１〜Ｐｉｃｎを有し、各画素Ｐｉｃｉ（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Ｐｉｃｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）のデバイス温度情報ＶＴｉを出力する端子１０ｉには、エンハンスメント型ＮＭＯＳトランジスタＴｎｉ、およびデプレッション型ＰＭＯＳトランジスタＴｐｉが直列接続され、インバータを構成する。トランジスタＴｐｉ（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Ｖｓｉｇｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）は電流電圧変換アンプＡＭＰｉ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１５ｉに付与される。トランジスタＴｎｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）とトランジスタＴｐｉのゲート電極は端子１５ｉに接続され、トランジスタＴｎｉおよびトランジスタＴｐｉ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Ｐｉｃ１に光子が入力すると、図１６に示すように、端子１５１にパルス状の信号電位が誘起される。トランジスタＴｎ１およびＴｐ１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１５１の電圧パルスの波高が、トランジスタＴｎ１のしきい値電圧Ｖｔｈｎ１を超えたところで、トランジスタＴｐ１はＯＦＦのままトランジスタＴｎ１がＯＮとなり、共通電位線Ｖｔに画素Ｐｉｃ１のデバイス温度情報ＶＴ１を出力する。次に、画素Ｐｉｃ１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Ｔｎ１のしきい値電圧Ｖｔｈｎ１以下となるとトランジスタＴｎ１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、
Ｖｅｘ１＝Ｉｒ１×Δｔ／Ｃｅｘ
で定義される電圧値Ｖｅｘ１となり、画素Ｐｉｃ１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、Ｉｒ１は温度検出用のフォトダイオードＰＤ１の逆方向飽和暗電流、Δｔは図１６に示す、トランジスタＴｎ１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Ｔｐ１のしきい値電圧Ｖｔｈｐ１以下となるとトランジスタＴｐ１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Ｐｉｃ１〜Ｐｉｃｎと、少なくとも１つの温度モニタ画素ＰｉｃＴとを備えている。各画素Ｐｉｃｉ（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ＰｉｃＴは、上部に遮光膜が配置される以外は、各画素Ｐｉｃｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）と同様の構造を有している。光検出画素Ｐｉｃ１〜Ｐｉｃｎおよび温度モニタ画素ＰｉｃＴは共通の電源Ｖｃｏｍに接続されている。光検出画素Ｐｉｃ１〜Ｐｉｃｎおよび温度モニタ画素ＰｉｃＴ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Ｐｉｃ１〜Ｐｉｃｎの出力部Ｖｓｉｇ１〜Ｖｓｉｇｎ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ＰｉｃＴ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Ｐｉｃ１〜Ｐｉｃｎは１００セル／画素程度の規模とし、温度モニタ画素ＰｉｃＴは１０００セル／画素とし、温度モニタ画素ＰｉｃＴのセル数を光検出画素Ｐｉｃ１〜Ｐｉｃｎ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、１０１〜１０ｎ・・・端子、１５１〜１５ｎ・・・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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