JP2024004797A

JP2024004797A - 光電変換装置、光電変換システム

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Publication number: JP2024004797A
Application number: JP2022104636A
Authority: JP
Inventors: 和浩森本; Kazuhiro Morimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-17
Also published as: WO2024004516A1; TW202401803A

Abstract

【課題】画素の高性能化と微細化の両立【解決手段】第１半導体層と、第１半導体層に積層された第１配線構造と、を含む第１基板と、第２半導体層と、前記第２半導体層に積層された第２配線構造と、を含む第２基板と、を有する光電変換装置であって、前記第１半導体層に配置されたアバランシェフォトダイオードと、前記第１基板に配置され、前記アバランシェフォトダイオードと接続された第１の抵抗素子と、前記第２半導体層に配置され、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号を整形する波形整形部と、前記第１基板に配置され、前記アバランシェフォトダイオードと前記波形整形部と前記第１の抵抗素子とに接続された第２の抵抗素子を含むことを特徴とする光電変換装置。【選択図】図４

Description

本発明は、光電変換装置、該光電変換装置を用いた光電変換システムに関する。

アバランシェフォトダイオードを用いた光電変換装置の画素面積を拡大する手段として、光電変換部と光電変換部からの信号を処理する画素回路を異なる基板に配して積層する方法が知られている。

米国特許出願公開第２０１５／０１１５１３１号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、アバランシェフォトダイオードに印加する逆バイアスを高める場合、画素回路に素子サイズの大きな高耐圧トランジスタを使用する必要がある。そのため、画素の高性能化と微細化の両立が困難であるという課題があった。本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、画素の高性能化と微細化の両立を目的とするものである。

本発明の一つの側面は、第１半導体層と、第１半導体層に積層された第１配線構造と、を含む第１基板と、第２半導体層と、前記第２半導体層に積層された第２配線構造と、を含む第２基板と、を有する光電変換装置であって、前記第１半導体層に配置されたアバランシェフォトダイオードと、前記第１基板に配置され、前記アバランシェフォトダイオードと接続された第１の抵抗素子と、前記第２半導体層に配置され、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号を整形する波形整形部と、前記第１基板に配置され、前記アバランシェフォトダイオードと前記波形整形部と前記第１の抵抗素子とに接続された第２の抵抗素子を含むことを特徴とする光電変換装置。

本発明によれば、画素の高性能化と微細化が両立できる。

実施形態にかかる光電変換装置の概略図である。実施形態にかかる光電変換装置のセンサ基板の概略図である。実施形態にかかる光電変換装置の回路基板の概略図である。実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の駆動を示す模式図である第１の実施形態にかかる光電変換装置の画素部の断面図である。第１の実施形態にかかる光電変換装置の画素部の平面図である。本発明の効果を説明する図である。第２の実施形態にかかる光電変換装置の画素部の断面図である。第２の実施形態にかかる光電変換装置の画素部の平面図である。第３の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。第４の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。第５の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。第５の実施形態の変形例にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。第６の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。第７の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。第８の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。第９の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。第１０の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。

以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略することがある。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語）を用いる。それらの用語の使用は図面を参照した実施形態の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。

本明細書において、平面視とは、半導体層の光入射面に対して垂直な方向から視ることである。また、断面視とは、半導体層の光入射面と垂直な方向における面をいう。なお、微視的に見て半導体層の光入射面が粗面である場合は、巨視的に見たときの半導体層の光入射面を基準として平面視を定義する。

以下の説明において、ＡＰＤのアノードを固定電位とし、カソード側から信号を取り出している。したがって、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域であり、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域である。なお、ＡＰＤのカソードを固定電位とし、アノード側から信号を取り出す場合でも本発明は成立する。この場合は、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域はＰ型半導体領域であり、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域である。以下では、ＡＰＤの一方のノードを固定電位とする場合について説明するが、両方のノードの電位が変動してもよい。

本明細書において、単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、逆導電型の不純物によって補償された分を差し引いた正味の不純物濃度を意味している。つまり、「不純物濃度」とは、ＮＥＴドーピング濃度を指す。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域はＰ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域はＮ型半導体領域である。

本発明に係る処理装置と共に使用されうる光電変換装置及びその駆動方法の各実施形態に共通する構成について、図１から図５を用いて説明する。なお、本説明では光電変換装置の外部に設けられた処理装置について説明するが、処理装置は例えば光電変換装置内に構成されてもよい。

図１は、本発明の実施形態に係る積層型の光電変換装置１００の構成を示す図である。光電変換装置１００は、第１基板であるセンサ基板１１と、第２基板である回路基板２１の２つの基板が積層され、且つ電気的に接続されることにより構成される。センサ基板１１は、後述する光電変換素子１０２を有する第１半導体層と、第１配線構造と、を有する。回路基板２１は、後述する信号処理部１０３等の回路を有する第２半導体層と、第２配線構造と、を有する。光電変換装置１００は、第２半導体層、第２配線構造、第１配線構造、第１半導体層の順に積層して構成される。各実施形態に記載の光電変換装置は、第１面から光が入射し、第２面に回路基板が配される、裏面照射型の光電変換装置である。

以下では、センサ基板１１と回路基板２１とは、ダイシングされたチップで説明するが、チップに限定されない。例えば、各基板はウエハであってもよい。また、各基板はウエハ状態で積層した後にダイシングされていてもよいし、チップ化した後にチップを積層して接合してもよい。

センサ基板１１には、画素領域１２が配され、回路基板２１には、画素領域１２で検出された信号を処理する回路領域２２が配される。

図２は、センサ基板１１の配置例を示す図である。ＡＰＤを含む光電変換素子１０２を有する画素１０１が平面視で二次元アレイ状に配列され、画素領域１２を形成する。

画素１０１は、典型的には、画像を生成するための画素であるが、ＴＯＦ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ）に用いる場合には、必ずしも画像を生成しなくてもよい。すなわち、画素１０１は、光が到達した時刻と光量を測定するための画素であってもよい。

図３は、回路基板２１の構成図である。図２の光電変換素子１０２で光電変換された電荷を処理する信号処理部１０３、読み出し回路１１２、制御パルス生成部１１５、水平走査回路部１１１、信号線１１３、垂直走査回路部１１０を有している。

図２の光電変換素子１０２と、図３の信号処理部１０３は、画素毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続される。

垂直走査回路部１１０は、制御パルス生成部１１５から供給された制御パルスを受け、各画素に制御パルスを供給する。垂直走査回路部１１０にはシフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられる。

画素の光電変換素子１０２から出力された信号は、信号処理部１０３で処理される。信号処理部１０３は、カウンタやメモリなどが設けられており、メモリにはデジタル値が保持される。

水平走査回路部１１１は、デジタル信号が保持された各画素のメモリから信号を読み出すために、各列を順次選択する制御パルスを信号処理部１０３に入力する。

信号線１１３には、選択されている列について、垂直走査回路部１１０により選択された画素の信号処理部１０３から信号が出力される。

信号線１１３に出力された信号は、出力回路１１４を介して、光電変換装置１００の外部の記録部または信号処理部に出力する。

図２において、画素領域における光電変換素子の配列は１次元状に配されていてもよい。信号処理部の機能は、必ずしも全ての光電変換素子に１つずつ設けられる必要はなく、例えば、複数の光電変換素子によって１つの信号処理部が共有され、順次信号処理が行われてもよい。

図２および図３に示すように、平面視で画素領域１２に重なる領域に、複数の信号処理部１０３が配される。そして、平面視で、センサ基板１１の端と画素領域１２の端との間に重なるように、垂直走査回路部１１０、水平走査回路部１１１、列回路１１２、出力回路１１４、制御パルス生成部１１５が配される。言い換えると、センサ基板１１は、画素領域１２と画素領域１２の周りに配された非画素領域とを有し、平面視で非画素領域に重なる領域に、垂直走査回路部１１０、水平走査回路部１１１、列回路１１２、出力回路１１４、制御パルス生成部１１５が配される。

図４は、図２及び図３の等価回路を含むブロック図の一例である。

図２において、ＡＰＤ２０１を有する光電変換素子１０２は、センサ基板１１に設けられており、その他の部材は、回路基板２１に設けられている。

ＡＰＤ２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する光電変換部である。ＡＰＤ２０１のアノードには、電圧ＶＬ（第１電圧）が供給される。また、ＡＰＤ２０１のカソードには、アノードに供給される電圧ＶＬよりも高い電圧ＶＨ（第２電圧）が供給される。アノードとカソードには、ＡＰＤ２０１がアバランシェ増倍動作をするような逆バイアス電圧が供給される。このような電圧を供給した状態とすることで、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こし、アバランシェ電流が発生する。ＡＰＤ２０１のカソードとアノードのそれぞれに電圧を供給する二系統の電源配線は第１基板に配置されている。

逆バイアスの電圧が供給される場合において、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧より大きな電位差で動作させるガイガーモードと、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧近傍、もしくはそれ以下の電圧差で動作させるリニアモードがある。

ガイガーモードで動作させるＡＰＤをＳＰＡＤと呼ぶ。例えば、電圧ＶＬ（第１電圧）は、－３０Ｖ、電圧ＶＨ（第２電圧）は、１Ｖである。ＡＰＤ２０１は、リニアモードで動作させてもよいし、ガイガーモードで動作させてもよい。ＳＰＡＤの場合はリニアモードのＡＰＤに比べて電位差が大きくなり信号ノイズ比の向上効果が顕著となるため、ＳＰＡＤであることが好ましい。

第１の抵抗素子２０２は、電圧ＶＨを供給する電源とＡＰＤ２０１の間に接続される。第１の抵抗素子２０２は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、ＡＰＤ２０１に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増倍を抑制する働きを持つ（クエンチ動作）。また、第１の抵抗素子２０２は、クエンチ動作で電圧降下した分の電流を流すことにより、ＡＰＤ２０１に供給する電圧を電圧ＶＨへと戻す働きを持つ（リチャージ動作）。

第１の抵抗素子２０２とＡＰＤ２０１の間には、第２の抵抗素子２２１が設けられる。第２の抵抗素子２２１を設けることは本発明の特徴の一つであり、その機能については後述する。

信号処理部１０３は、波形整形部２１０、カウンタ回路２１１を有する。本明細書において、信号処理部１０３は、波形整形部２１０、カウンタ回路２１１のいずれかを有していればよい。

波形整形部２１０は、光子検出時に得られるＡＰＤ２０１のカソードの電位変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部２１０としては、例えば、インバータ回路が用いられるが、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよいし、波形整形効果があるその他の回路を用いてもよい。

カウンタ回路２１１は、波形整形部２１０から出力されたパルス信号をカウントし、カウント値を保持する。

第１の抵抗素子２０２とＡＰＤ２０１との間や、光電変換素子１０２と信号処理部１０３との間にトランジスタ等のスイッチを配して、電気的な接続を切り替えてもよい。同様に、光電変換素子１０２に供給される電圧ＶＨまたは電圧ＶＬの供給をトランジスタ等のスイッチを用いて電気的に切り替えてもよい。

本実施形態では、カウンタ回路２１１を用いる構成を示した。しかし、カウンタ回路２１１の代わりに、時間・デジタル変換回路（ＴｉｍｅｔｏＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下、ＴＤＣ）、メモリを用いて、パルス検出タイミングを取得する光電変換装置１００としてもよい。このとき、波形整形部２１０から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定に、図１の垂直走査回路部１１０から駆動線を介して、制御パルスｐＲＥＦ（参照信号）が供給される。ＴＤＣは、制御パルスｐＲＥＦを基準として、波形整形部２１０を介して各画素から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。

図５は、ＡＰＤの動作と出力信号との関係を模式的に示した図である。

図５（ａ）は、図４のＡＰＤ２０１、第１の抵抗素子２０２、波形整形部２１０を抜粋した図である。ここで、波形整形部２１０の入力側をｎｏｄｅＡ、出力側をｎｏｄｅＢとする。図５（ｂ）は、図５（ａ）のｎｏｄｅＡの波形変化を、図５（ｃ）は、図５（ａ）のｎｏｄｅＢの波形変化をそれぞれ示す。

時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において、図５（ａ）のＡＰＤ２０１には、ＶＨ－ＶＬの電位差が印加されている。時刻ｔ１において光子がＡＰＤ２０１に入射すると、ＡＰＤ２０１でアバランシェ増倍が生じ、第１の抵抗素子２０２にアバランシェ増倍電流が流れ、ｎｏｄｅＡの電圧は降下する。電圧降下量がさらに大きくなり、ＡＰＤ２０１に印加される電位差が小さくなると、時刻ｔ２のようにＡＰＤ２０１のアバランシェ増倍が停止し、ｎｏｄｅＡの電圧レベルはある一定値以上降下しなくなる。その後、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間において、ｎｏｄｅＡには電圧ＶＬから電圧降下分を補う電流が流れ、時刻ｔ３においてｎｏｄｅＡは元の電位レベルに静定する。このとき、ｎｏｄｅＡにおいて出力波形がある閾値を越えた部分は、波形整形部２１０で波形整形され、ｎｏｄｅＢで信号として出力される。

なお、信号線１１３の配置、列回路１１２、出力回路１１４の配置は図３に限定されない。例えば、信号線１１３が行方向に延びて配されており、列回路１１２が信号線１１３の延びる先に配されていてもよい。

以下では、各実施形態の光電変換装置について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態にかかる光電変換装置について図６から図８までを用いて説明する。

図６は、第１の実施形態にかかる光電変換装置の光電変換素子１０２二画素分の、基板の面方向に垂直な方向の断面図であり、図７（ａ）のＡ－Ａ’断面に対応している。

光電変換素子１０２の構造と機能について説明する。光電変換素子１０２はＮ型の第１半導体領域３１１、第３半導体領域３１３、第５半導体領域３１５、第６半導体領域３１６を有する。更にＰ型の第２半導体領域３１２、第４半導体領域３１４、第７半導体領域３１７、第９半導体領域３１９を含む。

本実施形態では、図６に示す断面において、光入射面に対向する面の近傍にＮ型の第１半導体領域３１１が形成され、その周辺にＮ型の第３半導体領域３１３が形成される。第１半導体領域および第２半導体領域に平面視で重なる位置にＰ型の第２半導体領域３１２が形成される。第２半導体領域３１２に平面視で重なる位置には更にＮ型の第５半導体領域３１５が配置され、その周辺にＮ型の第６半導体領域３１６が形成される。

第１半導体領域３１１は、第３半導体領域３１３及び第５半導体領域３１５よりもＮ型の不純物濃度が高い。Ｐ型の第２半導体領域３１２とＮ型の第１半導体領域３１１との間にはＰＮ接合が形成される。第２半導体領域３１２の不純物濃度を第１半導体領域３１１の不純物濃度よりも低くすることで、第２半導体領域３１２のうち平面視で第１半導体領域の中心に重なるすべての領域が空乏層領域となる。このとき、第１半導体領域３１１と第２半導体領域３１２とのポテンシャル差は第２半導体領域３１２と第５半導体領域３１５とのポテンシャル差よりも大きくなる。さらに、この空乏層領域が第１半導体領域３１１の一部の領域まで延在し、延在した空乏層領域に強電界が誘起される。この強電界により、第１半導体領域３１１の一部の領域まで延びた空乏層領域においてアバランシェ増倍が生じ、増幅された電荷に基づく電流が信号電荷として出力される。光電変換素子１０２に入射した光が光電変換され、この空乏層領域（アバランシェ増倍領域）でアバランシェ増倍が起こると、生成された第１導電型の電荷は第１半導体領域３１１に収集される。

なお、図６においては第３半導体領域３１３と第５半導体領域３１５とは同程度の大きさで形成されているが、各半導体領域の大きさはこれに限られない。例えば第５半導体領域３１５を第３半導体領域３１３よりも大きく形成し、より広範囲から電荷を第１半導体領域３１１に収集してもよい。

また、第３半導体領域３１３は、Ｎ型ではなく、Ｐ型の半導体領域であってもよい。この場合、第３半導体領域３１３の不純物濃度は、第２半導体領域３１２の不純物濃度よりも低く設定する。第３半導体領域３１３の不純物濃度が高すぎると、第３半導体領域３１３と第１半導体領域３１１との間でアバランシェ増倍領域となり、ＤＣＲ（ＤａｒｋＣｏｕｎｔＲａｔｅ）が増加してしまうからである。

半導体層の光入射面側の表面にはトレンチによる凹凸構造３２５が形成される。凹凸構造３２５はＰ型の第４半導体領域３１４によって囲まれ、光電変換素子１０２に入射した光を散乱させる。入射光は光電変換素子内を斜めに進むため、半導体層３０１の厚み以上の光路長を確保することができ、凹凸構造３２５を有さない場合と比べて、より長波長の光を光電変換することが可能である。また、凹凸構造３２５によって、基板内での入射光の反射が防止されるため、入射光の光電変換効率を向上させる効果が得られる。さらに、凹凸構造３２５によって斜め方向に回折された光を、光入射面と対向する面の近傍に配置された配線部が効率よく反射し、近赤外感度をさらに向上させることができる。

第５半導体領域３１５と凹凸構造３２５とは平面視において重複するように形成される。第５半導体領域３１５と凹凸構造３２５とが平面視で重なる面積は、第５半導体領域３１５のうち凹凸構造３２５と重ならない部分の面積よりも大きい。第１半導体領域３１１と第５半導体領域３１５との間に形成されるアバランシェ増倍領域から遠い位置で発生した電荷は、前記アバランシェ増倍領域から近い位置で発生した電荷と比較してアバランシェ増倍領域に到達するまでの移動時間が長くなる。そのため、タイミングジッターが増加する可能性がある。第５半導体領域３１５と凹凸構造３２５とを平面視で重なる位置に配することで、フォトダイオード深部の電界を高めることができ、アバランシェ増倍領域から遠い位置で発生した電荷の収集時間を短縮できるため、タイミングジッターの低減が可能である。

また、第４半導体領域３１４が凹凸構造を３次元的に覆うことで、凹凸構造の界面部における熱励起電荷の発生が抑制できる。これにより、光電変換素子のＤＣＲが抑制される。

画素と画素との間はトレンチ構造の画素分離部３２４によって分離され、その周辺に形成されたＰ型の第７半導体領域３１７が、隣り合う光電変換素子同士をポテンシャル障壁によって分離する。光電変換素子間は第７半導体領域３１７のポテンシャルによっても分離されているため、画素分離部として画素分離部３２４のようなトレンチ構造は必須ではなく、トレンチ構造の画素分離部３２４を設ける際もその深さや位置は図６の構成に限定されない。画素分離部３２４は半導体層を貫通するＤＴＩ（ｄｅｅｐｔｒｅｎｃｈｉｓｏｌａｔｉｏｎ）であってもよいし、半導体層を貫通しないＤＴＩでもよい。ＤＴＩ内に金属を埋め込み、遮光性能の向上を図ってもよい。画素分離部３２４はＳｉＯ、固定電荷膜、金属部材、ポリシリコン、ないしそれらの複数の組み合わせから成っていてもよい。画素分離部３２４が平面視で光電変換素子の全周を囲うように構成してもよいし、例えば光電変換素子の対辺部のみに構成してもよい。埋め込んだ部材に電圧を印加してトレンチ界面に電荷を誘起し、ＤＣＲの抑制を図ってもよい。

画素分離部から、隣接する画素あるいは最近接位置に設けられた画素の画素分離部までの距離を１つの光電変換素子１０２の大きさとみなすこともできる。１つの光電変換素子１０２の大きさをＬとしたとき、光入射面からアバランシェ増倍領域までの距離ｄは、Ｌ√２／４＜ｄ＜Ｌ×√２を満たす。光電変換素子の大きさと深さがこの関係式を満たす場合、第１の半導体領域３１１近傍における深さ方向の電界の強さと平面方向の電界の強さが同程度になる。電荷収集にかかる時間のばらつきを抑えられるため、タイミングジッターを低減改善できる。

半導体層の光入射面側には、さらにピニング膜３２１、平坦化膜３２２、マイクロレンズ３２３が配される。光入射面側にはさらに不図示のフィルタ層などが配置されていてもよい。フィルタ層には、カラーフィルタ、赤外光カットフィルタ、モノクロフィルタ等種々の光学フィルタを用いることができる。カラーフィルタには、ＲＧＢカラーフィルタ、ＲＧＢＷカラーフィルタ等を用いることができる。

半導体層の光入射面に対向する面には、導電体と絶縁膜を含む配線構造が設けられている。図６に示す光電変換素子１０２は半導体層に近い側から酸化膜３４１と保護膜３４２とを有し、さらに導電体からなる配線層が積層されている。配線と半導体層との間及び配線層同士の間には絶縁膜である配線層間膜３４３が設けられている。保護膜３４２はＡＰＤをエッチング時のプラズマダメージや金属汚染から守るための膜である。窒化膜であるＳｉＮを用いることが一般的だが、ＳｉＯＮやＳｉＣ、ＳｉＣＮ等を用いてもよい。

カソード配線３３１Ａは第１半導体領域３１１に接続され、アノード配線３３１Ｂはアノードコンタクトである第９半導体領域３１９を介して第７半導体領域３１７に電圧を供給する。本実施形態において、カソード配線３３１Ａとアノード配線３３１Ｂとは同一の配線層に配されている。配線部は例えばＣｕやＡｌなどの金属を主要な材料とする導電体で構成されている。抵抗素子３３２はカソード配線３３１Ａに接続され、クエンチ抵抗として機能する。抵抗素子３３２に用いる材料はポリシリコンや、アモルファスシリコン等のシリコン系材料でもよいし、無機材料からなる透明電極やＮｉＣｒ等の金属薄膜材料や、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＳｉ、ＷＮ等のセラミック材料、有機材料などを用いてもよい。抵抗素子３３２に用いる材料は、カソード配線３３１Ａやアノード配線３３１Ｂに用いる主要な材料よりも高抵抗率であることが望ましい。

図７は第１の実施形態にかかる光電変換装置の二画素分の画素平面図である。図７（ａ）は光入射面に対向する面からの平面視による各半導体領域の平面図であり、図７（ｂ）は光入射面に対向する面からの平面視による配線部の平面図である。

図７（ａ）において、第１半導体領域３１１及び第３半導体領域３１３、第５半導体領域３１５は円形であり、同心円状に配置されている。このような構造にすることで、第１半導体領域３１１と第２半導体領域３１２の間の強電界領域の端部における局所的な電界集中を抑制し、ＤＣＲを低減する効果が得られる。各半導体領域の形状は円形に限られず、例えば重心位置を揃えた多角形でもよい。

図７（ｂ）において、抵抗素子３３２は細線状のパターンで形成され、コンタクトプラグおよび配線層を介してカソード配線３３１Ａと電源配線３３３Ｂに電気的に接続される。抵抗素子３３２の中間部上にはコンタクトプラグ３３５が形成され、配線部３３３Ａに電気的に接続される。配線部３３３Ａは、画素毎に設けられた接続配線を介して、回路基板２１に配された信号処理部１０３に電気的に接続される。なお、本実施形態においては、図４の第１の抵抗素子２０２と第２の抵抗素子２２１に対応する素子を、一つの抵抗素子３３２によって連続的に形成しており、レイアウト面積の縮小が容易となるが、２つの抵抗素子を物理的に分離してレイアウトしてもよい。例えば抵抗素子２０２と抵抗素子２２１とを別々の配線層に設けてもよく、抵抗素子２０２及び抵抗素子２２１とは主要な材料が異なる部材で抵抗素子同士を電気的に接続していてもよい。

また、抵抗素子３３２の抵抗値は、ＡＰＤの増倍電流をクエンチするために十分高く設定する必要があり、１０ｋＯｈｍ以上の抵抗が求められる。抵抗素子３３２の抵抗値は例えば５０ｋＯｈｍ以上あることが好ましいが、３０ｋＯｈｍ以上であってもよい。一方で、アバランシェ増倍の発生に伴う電位の変化から復帰までにかかる時間を考慮すると、抵抗値は１ＭＯｈｍ以下であることが望ましい。限られた画素面積の中で高い抵抗値を実現するために、抵抗素子の断面積は十分小さくすることが好ましく、例えば抵抗素子の幅に対して厚みを１／１０倍以下に設定するのが好ましい。言い換えれば、ある断面において抵抗素子の最短辺と最長辺との比が１０以上であることが望ましい。

図８を用いて、従来の構成に対する本実施形態の効果について説明する。図８（ａ）に、従来のクエンチ回路の構成と動作例を示す。ＡＰＤ２０１は第１の抵抗素子２０２に直列接続され、カソード端子には寄生容量成分として、フォトダイオード容量Ｃｐｄと、配線容量および読み出し回路のゲート容量等を含むその他の寄生容量Ｃｒｏが付加される。図８（ａ）のグラフは、ＡＰＤ２０１が光子を検出したときのカソード電位ＶＣ’の時間変化を表す。点線は過剰バイアスＶｅｘが低い場合に対応し、実線は過剰バイアスＶｅｘが高い場合に対応する。一般に、ＡＰＤに印加する過剰バイアスＶｅｘを高くすることで、光子検出効率を高め、またタイミングジッターを低減することができる。一方、ＶＣ’の信号振幅は概ねＶｅｘと等しくなるため、Ｖｅｘを高めるほどＶＣ’の出力波形の振幅が大きくなり、後段に接続するトランジスタがゲート破壊を起こす場合がある。ゲート破壊を避けるために高耐圧の厚酸化膜トランジスタを用いると、画素回路の占有面積が大きくなり、集積化が困難となる。このため、光子検出効率やタイミングジッター等の画素性能と、画素の集積化の間にトレードオフが存在するといえる。例えば、実線で示された波形に対応するＶｅｘを適用する場合は画素回路の微細化が困難となるため、画素回路の微細化を行う場合は点線で示された波形に対応するＶｅｘまでしか印加できない。図８（ｂ）で示す本発明のクエンチ回路の構成においては、ＡＰＤ２０１に対して第１の抵抗素子２０２と第２の抵抗素子２２１が直列接続される。この場合、カソード端子に直接付加される寄生容量成分はＣｐｄのみであり、Ｃｒｏは第２の抵抗素子２２１を介して付加される。図８（ａ）と同様、カソード電位ＶＣ’の信号振幅は概ねＶｅｘと等しくなる。一方、直列抵抗による抵抗分圧効果および、第１の抵抗素子２２１と寄生容量Ｃｒｏによるローパスフィルタ効果により、後段の回路に接続される端子の電位ＶＣにおける信号振幅はＶｅｘより小さくなる。特に、第１の抵抗素子２０２の抵抗値に対して第２の抵抗素子２２１の抵抗値を同等以上に設定することで、抵抗分圧効果を高めることができ、画素回路に高耐圧の厚酸化膜トランジスタを使用しなくても、絶縁破壊の発生を抑えることができる。具体的には、第２の抵抗素子２２１の抵抗値を第１の抵抗素子２０２の抵抗値以上とする。より好ましくは、信号振幅が０．９倍～０．０１倍程度に低減するような分圧比であることが望ましく、例えば抵抗素子２０２の抵抗値を１０ｋＯｈｍ程度とし、抵抗素子２２１の抵抗値を４０ｋＯｈｍ程度としてもよい。これにより、Ｖｅｘを高めても画素回路の面積を縮小することが容易となり、画素の高性能化と微細化の両立が可能となる。

なお、図６、図７に示した２画素のうち左の第１のアバランシェフォトダイオードに接続された第１の抵抗素子２０２と、右の第２のアバランシェフォトダイオードに接続された第１の抵抗素子２０２とは配線構造内の同一の高さに設けられている。言い換えれば、各第１の抵抗素子２０２は第１半導体層の表面に平行な同一平面上に形成されている。各第１の抵抗素子２０２が配線構造内の同一の配線層に設けられているということもできる。

ＡＰＤ２０１と電源ＶＬとの間に別の抵抗素子を設けて、アバランシェ増倍電流の制御を行ってもよい。この場合、直列抵抗による抵抗分圧効果を高めることができる。また、本実施形態においては、センサ基板１１と回路基板２１を積層したセンサ構成について説明したが、センサ基板１１に信号処理部１０３等の回路を設け、センサ基板１１のみで構成された光電変換素子としてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態にかかる光電変換装置について図９、図１０を用いて説明する。第１の実施形態と説明が共通する部分は省略し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、抵抗素子３３２をカソード配線３３１Ａおよびアノード配線３３１Ｂよりも回路基板２１に近い側に形成している。センサ基板１１と抵抗素子３３２の間に配線部が形成されるような配置関係をとることにより、抵抗素子３３２の電位の変化の影響を配線部が静電遮蔽するため、センサ基板１１に形成されたＡＰＤへの影響を抑制できる。これにより、ＡＰＤの基板面付近における電界集中やポテンシャルの変動を抑制でき、ＤＣＲの増加を抑制することが可能となる。

図９は、第２の実施形態にかかる光電変換装置の光電変換素子１０２二画素分の、基板の面方向に垂直な方向の断面図であり、図１０（ａ）のＡ－Ａ’断面に対応している。本実施形態は、カソード配線３３１Ａと抵抗素子３３２が接続されている個所に対し、配線部３３３Ａは直接接続されない。すなわち、抵抗素子３３２と配線部３３３Ａは、平面視で重複しているが、抵抗素子３３２と配線部３３３Ａを接続する配線と、抵抗素子３３２または配線部３３３Ａは、平面視で重複していない。

図１０は第２の実施形態にかかる光電変換装置の二画素分の画素平面図である。図１０（ａ）は光入射面に対抗する面からの平面視による各半導体領域の平面図であり、図１０（ｂ）は光入射面に対抗する面からの平面視による配線部の平面図である。

図１０（ａ）は第１の実施形態にかかる図７（ａ）と等価である。

図１０（ｂ）において、抵抗素子３３２は細線状のパターンで形成され、コンタクトプラグおよび配線層を介してカソード配線３３１Ａと電源配線３３３Ｂに電気的に接続される。抵抗素子３３２の中間部上にはコンタクトプラグ３３５が形成され、配線部３３３Ａに電気的に接続される。配線部３３３Ａは、画素毎に設けられた接続配線を介して、回路基板２１に配された信号処理部１０３に電気的に接続される。なお、本実施形態においては、抵抗素子３３２の形成温度が配線部に用いられる材料の融点よりも低いことが好ましく、例えばアモルファスシリコン、無機透明電極、金属薄膜材料、セラミック材料、有機材料などを用いるのが好ましい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態にかかる光電変換装置について図１１を用いて説明する。

第１及び第２の実施形態と説明が共通する部分は省略し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、ＡＰＤのＤｅａｄｔｉｍｅを短縮する構成について説明する。

図１１は、第３の実施形態にかかる光電変換装置の画素部の等価回路を含むブロック図の一例である。本実施形態では、抵抗素子２２２がＡＰＤ２０１のカソード端子と波形整形部２１０との間に設けられている。第１の実施形態と異なり、抵抗分圧による信号振幅の低減効果はないが、抵抗素子２２２の抵抗と波形整形部２１０の入力容量で規定されるローパスフィルタ効果によって、ＶＣの信号振幅よりも低い振幅の波形が波形整形部２１０に入力される。これにより、Ｖｅｘを高める場合でも画素回路の面積を縮小することが容易となり、画素の高性能化と微細化の両立が可能となる。さらに、ＡＰＤ２０１に直列された抵抗素子は２０２のみになるため、Ｄｅａｄｔｉｍｅの短縮が容易となる。

図１１において、ＡＰＤ２０１とＶＣで示された端子との間に抵抗素子を加え、合わせて３つの抵抗素子を配置してもよい。

（第４の実施形態）
第４の実施形態にかかる光電変換装置について図１２を用いて説明する。

第１、第２及び第３の実施形態と説明が共通する部分は省略し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、処理回路で規定されるＤｅａｄｔｉｍｅを短縮する構成について説明する。

図１２は、第４の実施形態にかかる光電変換装置の画素部の等価回路を含むブロック図の一例である。本実施形態では、第２の抵抗素子２２１と波形整形部２１０との間に、容量素子２３１と抵抗素子２２３が設けられている。第１の実施形態と異なり、容量素子２３１がハイパスフィルタとして機能するため、ＶＣの信号波形よりも短いパルスが波形整形部２１０に入力される。これにより画素回路を含む後段の処理回路に入力されるパルスのＯＮ期間を短縮することができ、処理回路で規定されるＤｅａｄｔｉｍｅの短縮が容易となる。

なお、抵抗素子２２３の代わりにトランジスタを用いて波形整形部２１０の入力端子の基準電位を規定してもよい。また、第３の実施形態の抵抗素子２２２および波形整形部２１０の間ないし抵抗素子２２２の前段に容量素子２３１を設けてもよい。

（第５の実施形態）
第５の実施形態にかかる光電変換装置について図１３を用いて説明する。

第１、第２、第３及び第４の実施形態と説明が共通する部分は省略し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、所望のタイミングにおいて高速なリチャージ動作を行うことで、信号検出ロスを抑える構成について説明する。

図１３は、第５の実施形態にかかる光電変換装置の画素部の等価回路を含むブロック図の一例である。本実施形態では、波形整形部２１０の入力端子にスイッチ素子２４１が付加されている。スイッチ素子２４１のゲート端子に対しては、画素外部からの制御パルスを入力することで、所望のタイミングでＶＣの電位をＶＨに復帰させ、ＡＰＤ２０１を高速にリチャージする。これにより、直前のタイミングでの光子信号の検出有無にかかわらずＡＰＤ２０１を復帰させることができ、信号検出ロスを抑えることができる。

なお、スイッチ素子２４１のゲート端子に対しては、画素外部からの制御パルスを入力する代わりに、波形整形部２１０以降の回路の出力をフィードバックして入力するアクティブリチャージ型の構成をとってもよい。

（第５の実施形態の変形例）
第５の実施形態の変形例にかかる光電変換装置について図１４を用いて説明する。

第１、第２、第３、第４及び第５の実施形態と説明が共通する部分は省略し、主に第５の実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、使用するシーンや用途に応じて動作モードを切り替え可能な画素の構成について説明する。

図１４は、第５の実施形態の変形にかかる光電変換装置の画素部の等価回路を含むブロック図の一例である。本実施形態では、第１の抵抗素子２０２と電源ＶＨの間にスイッチ素子２４２が設けられている。スイッチ素子２４１のゲート端子にＨレベルを入力してスイッチをＯＦＦし、スイッチ素子２４２のゲート端子にＬレベルを入力してスイッチをＯＮすると、第１の実施形態と同様の回路構成となる。また、スイッチ素子２４２のゲート端子にＨレベルを入力してスイッチをＯＦＦし、スイッチ素子２４１のゲート端子にＬレベルを入力してスイッチをＯＮすると、前記の駆動と異なる抵抗分圧比を選択できるようになり、信号振幅とＤｅａｄｔｉｍｅを調整可能となる。また、スイッチ素子２４２のゲート端子にＨレベルを入力してスイッチをＯＦＦし、スイッチ素子２４１のゲートに周期的なパルス信号を入力すると、クロックリチャージ型の駆動を実現でき、低消費電力動作が可能となる。

このように、本実施形態では、使用するシーンや用途に応じてＤｅａｄｔｉｍｅを短縮したり消費電力を抑制したりすることが可能となる。

（第６の実施形態）
本実施形態による光電変換システムについて、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施形態による光電変換システムの概略構成を示すブロック図である。

上記第１～第６実施形態で述べた光電変換装置は、種々の光電変換システムに適用可能である。適用可能な光電変換システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、光電変換システムに含まれる。図１５には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

図１５に例示した光電変換システムは、光電変換装置の一例である撮像装置１００４、被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズ１００２を備える。さらに、レンズ１００２を通過する光量を可変にするための絞り１００３、レンズ１００２の保護のためのバリア１００１を有する。レンズ１００２及び絞り１００３は、撮像装置１００４に光を集光する光学系である。撮像装置１００４は、上記のいずれかの実施形態の光電変換装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を電気信号に変換する。

光電変換システムは、また、撮像装置１００４より出力される出力信号の処理を行うことで画像を生成する画像生成部である信号処理部１００７を有する。信号処理部１００７は、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部１００７は、撮像装置１００４が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置１００４とは別の半導体基板に形成されていてもよい。

光電変換システムは、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部１０１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）１０１３を有する。更に光電変換システムは、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体１０１２、記録媒体１０１２に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）１０１１を有する。なお、記録媒体１０１２は、光電変換システムに内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

更に光電変換システムは、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１００９、撮像装置１００４と信号処理部１００７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１００８を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、光電変換システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された出力信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。

撮像装置１００４は、撮像信号を信号処理部１００７に出力する。信号処理部１００７は、撮像装置１００４から出力される撮像信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。信号処理部１００７は、撮像信号を用いて、画像を生成する。

このように、本実施形態によれば、上記のいずれかの実施形態の光電変換装置（撮像装置）を適用した光電変換システムを実現することができる。

（第７の実施形態）
本実施形態の光電変換システム及び移動体について、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施形態の光電変換システム及び移動体の構成を示す図である。

図１６（ａ）は、車載カメラに関する光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム２３００は、撮像装置２３１０を有する。撮像装置２３１０は、上記のいずれかの実施形態に記載の光電変換装置である。光電変換システム２３００は撮像装置２３１０により取得された複数の画像データに対し画像処理を行う画像処理部２３１２と、光電変換システム２３００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部２３１４を有する。また、光電変換システム２３００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部２３１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部２３１８と、を有する。ここで、視差取得部２３１４や距離取得部２３１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部２３１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

光電変換システム２３００は車両情報取得装置２３２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光電変換システム２３００は、衝突判定部２３１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御部である制御ＥＣＵ２３３０が接続されている。また、光電変換システム２３００は、衝突判定部２３１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置２３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部２３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ２３３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置２３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザーに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光電変換システム２３００で撮像する。図１６（ｂ）に、車両前方（撮像範囲２３５０）を撮像する場合の光電変換システムを示した。車両情報取得装置２３２０が、光電変換システム２３００ないしは撮像装置２３１０に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。

上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、光電変換システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

（第８の実施形態）
本実施形態の光電変換システムについて、図１７を用いて説明する。図１７は、本実施形態の光電変換システムである距離画像センサの構成例を示すブロック図である。

図１７に示すように、距離画像センサ４０１は、光学系４０７、光電変換装置４０８、画像処理回路４０４、モニタ４０５、およびメモリ４０６を備えて構成される。そして、距離画像センサ４０１は、光源装置４１１から被写体に向かって投光され、被写体の表面で反射された光（変調光やパルス光）を受光することにより、被写体までの距離に応じた距離画像を取得することができる。

光学系４０７は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を光電変換装置４０８に導き、光電変換装置４０８の受光面（センサ部）に結像させる。

光電変換装置４０８としては、上述した各実施形態の光電変換装置が適用され、光電変換装置４０８から出力される受光信号から求められる距離を示す距離信号が画像処理回路４０４に供給される。

画像処理回路４０４は、光電変換装置４０８から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行う。そして、その画像処理により得られた距離画像（画像データ）は、モニタ４０５に供給されて表示されたり、メモリ４０６に供給されて記憶（記録）されたりする。

このように構成されている距離画像センサ４０１では、上述した光電変換装置を適用することで、画素の特性向上に伴って、例えば、より正確な距離画像を取得することができる。

（第９の実施形態）
本実施形態の光電変換システムについて、図１８を用いて説明する。図１８は、本実施形態の光電変換システムである内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。

図１８では、術者（医師）１１３１が、内視鏡手術システム１１５０を用いて、患者ベッド１１３３上の患者１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１５０は、内視鏡１１００と、術具１１１０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１３４と、から構成される。

内視鏡１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１０１と、鏡筒１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１００を図示しているが、内視鏡１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。

鏡筒１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１００には光源装置１２０３が接続されており、光源装置１２０３によって生成された光が、鏡筒１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。

カメラヘッド１１０２の内部には光学系及び光電変換装置が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該光電変換装置に集光される。当該光電変換装置によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該光電変換装置としては、前述の各実施形態に記載の光電変換装置を用いることができる。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：ＣａｍｅｒａＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１１３５に送信される。

ＣＣＵ１１３５は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）やＧＰＵ（ＧｒａｐｈｉｃｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１００及び表示装置１１３６の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１３５は、カメラヘッド１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。

表示装置１１３６は、ＣＣＵ１１３５からの制御により、当該ＣＣＵ１１３５によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。

光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１００に供給する。

入力装置１１３７は、内視鏡手術システム１１５０に対する入力インターフェースである。ユーザーは、入力装置１１３７を介して、内視鏡手術システム１１５０に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。

処置具制御装置１１３８は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１２の駆動を制御する。

内視鏡１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。

また、光源装置１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。

また、光源装置１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用する。具体的には、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。

（第１０の実施形態）
本実施形態の光電変換システムについて、図１９（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１９（ａ）は、本実施形態の光電変換システムである眼鏡１６００（スマートグラス）を説明する。眼鏡１６００には、光電変換装置１６０２を有する。光電変換装置１６０２は、上記の各実施形態に記載の光電変換装置である。また、レンズ１６０１の裏面側には、ＯＬＥＤやＬＥＤ等の発光装置を含む表示装置が設けられていてもよい。光電変換装置１６０２は１つでもよいし、複数でもよい。また、複数種類の光電変換装置を組み合わせて用いてもよい。光電変換装置１６０２の配置位置は図１９（ａ）に限定されない。

眼鏡１６００は、制御装置１６０３をさらに備える。制御装置１６０３は、光電変換装置１６０２と上記の表示装置に電力を供給する電源として機能する。また、制御装置１６０３は、光電変換装置１６０２と表示装置の動作を制御する。レンズ１６０１には、光電変換装置１６０２に光を集光するための光学系が形成されている。

図１９（ｂ）は、１つの適用例に係る眼鏡１６１０（スマートグラス）を説明する。眼鏡１６１０は、制御装置１６１２を有しており、制御装置１６１２に、光電変換装置１６０２に相当する光電変換装置と、表示装置が搭載される。レンズ１６１１には、制御装置１６１２内の光電変換装置と、表示装置からの発光を投影するための光学系が形成されており、レンズ１６１１には画像が投影される。制御装置１６１２は、光電変換装置および表示装置に電力を供給する電源として機能するとともに、光電変換装置および表示装置の動作を制御する。制御装置は、装着者の視線を検知する視線検知部を有してもよい。視線の検知は赤外線を用いてよい。赤外発光部は、表示画像を注視しているユーザーの眼球に対して、赤外光を発する。発せられた赤外光の眼球からの反射光を、受光素子を有する撮像部が検出することで眼球の撮像画像が得られる。平面視における赤外発光部から表示部への光を低減する低減手段を有することで、画像品位の低下を低減する。

赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から表示画像に対するユーザーの視線を検出する。眼球の撮像画像を用いた視線検出には任意の公知の手法が適用できる。一例として、角膜での照射光の反射によるプルキニエ像に基づく視線検出方法を用いることができる。

より具体的には、瞳孔角膜反射法に基づく視線検出処理が行われる。瞳孔角膜反射法を用いて、眼球の撮像画像に含まれる瞳孔の像とプルキニエ像とに基づいて、眼球の向き（回転角度）を表す視線ベクトルが算出されることにより、ユーザーの視線が検出される。

本実施形態の表示装置は、受光素子を有する光電変換装置を有し、光電変換装置からのユーザーの視線情報に基づいて表示装置の表示画像を制御してよい。

具体的には、表示装置は、視線情報に基づいて、ユーザーが注視する第１の視界領域と、第１の視界領域以外の第２の視界領域とを決定される。第１の視界領域、第２の視界領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定したものを受信してもよい。表示装置の表示領域において、第１の視界領域の表示解像度を第２の視界領域の表示解像度よりも高く制御してよい。つまり、第２の視界領域の解像度を第１の視界領域よりも低くしてよい。

また、表示領域は、第１の表示領域、第１の表示領域とは異なる第２の表示領域とを有し、視線情報に基づいて、第１の表示領域および第２の表示領域から優先度が高い領域を決定されてよい。第１の視界領域、第２の視界領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定したものを受信してもよい。優先度の高い領域の解像度を、優先度が高い領域以外の領域の解像度よりも高く制御してよい。つまり優先度が相対的に低い領域の解像度を低くしてよい。

なお、第１の視界領域や優先度が高い領域の決定には、ＡＩを用いてもよい。ＡＩは、眼球の画像と当該画像の眼球が実際に視ていた方向とを教師データとして、眼球の画像から視線の角度、視線の先の目的物までの距離を推定するよう構成されたモデルであってよい。ＡＩプログラムは、表示装置が有しても、光電変換装置が有しても、外部装置が有してもよい。外部装置が有する場合は、通信を介して、表示装置に伝えられる。

視認検知に基づいて表示制御する場合、外部を撮像する光電変換装置を更に有するスマートグラスに好ましく適用できる。スマートグラスは、撮像した外部情報をリアルタイムで表示することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態に含まれる。

また、上記第６の実施形態、第７の実施形態に示した光電変換システムは、光電変換装置を適用しうる光電変換システム例を示したものであって、本発明の光電変換装置を適用可能な光電変換システムは図１５乃至図１６に示した構成に限定されるものではない。第８の実施形態に示したＴｏＦシステム、第９の実施形態に示した内視鏡、第１０の実施形態に示したスマートグラスについても同様である。

上述した各実施形態の光電変換装置は、自動車内のセンサにも適用できる。例えば、運転者の顔の検知、表情の検知、視線の検知に使用するセンサに適用できる。このセンサの出力を用いて、運転者の注意力欠如、居眠り、失神などを検知することができる。また、運転者の人物識別を行うようにすることもできる。

なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

また、本開示は以下の構成を含む。

（構成１）第１半導体層と、第１半導体層に積層された第１配線構造と、を含む第１基板と、第２半導体層と、前記第２半導体層に積層された第２配線構造と、を含む第２基板と、を有する光電変換装置であって、前記第１半導体層に配置されたアバランシェフォトダイオードと、前記第１基板に配置され、前記アバランシェフォトダイオードと接続された第１の抵抗素子と、前記第２半導体層に配置され、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号を整形する波形整形部と、前記第１基板に配置され、前記アバランシェフォトダイオードと前記波形整形部と前記第１の抵抗素子とに接続された第２の抵抗素子を含むことを特徴とする光電変換装置。

（構成２）前記第２の抵抗素子は前記アバランシェフォトダイオードと前記第１の抵抗素子との間に接続されることを特徴とする構成１に記載の光電変換装置。

（構成３）前記第２の抵抗素子は前記第１の抵抗素子と前記波形整形部との間に接続されることを特徴とする構成１に記載の光電変換装置。

（構成４）複数の前記アバランシェフォトダイオードを有し、
前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち第１のアバランシェフォトダイオードに接続された前記第１の抵抗素子と、第２のアバランシェフォトダイオードに接続された前記第１の抵抗素子と、は前記第１半導体層の表面に平行な同一平面に設けられることを特徴とする構成１から構成３のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成５）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方はポリシリコンまたはアモルファスシリコンを含むことを特徴とする構成１から構成４のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成６）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は金属薄膜材料を含むことを特徴とする構成１から構成５のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成７）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方はセラミック材料を含むことを特徴とする構成１から構成６のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成８）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は有機材料を含むことを特徴とする構成１から構成７のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成９）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方の最短辺と最長辺との比が１０以上であることを特徴とする構成１から構成８のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成１０）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は配線の主要な材料よりも抵抗率の高い材料を含んで構成されることを特徴とする構成１から構成９のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成１１）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は、前記アバランシェフォトダイオードに電圧を供給するビアの主要な材料よりも抵抗率の高い材料を含んで構成されることを特徴とする構成１から構成１０のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成１２）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は、平面視で前記アバランシェフォトダイオードのカソードと重なることを特徴とする構成１から構成１１のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成１３）前記アバランシェフォトダイオードのカソードとアノードの両方に抵抗素子が接続されていることを特徴とする構成１から構成１２のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成１４）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方と前記波形整形部と、は容量素子を介して接続されていることを特徴とする構成１から構成１３のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成１５）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は前記第１半導体層と前記第２半導体層とが積層される方向に延在することを特徴とする構成１から構成１４のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成１６）前記アバランシェフォトダイオードのカソードとアノードのそれぞれに電圧を供給する二系統の電源配線が前記第１基板に配置されることを特徴とする構成１から構成１５のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成１７）前記第２の抵抗素子の抵抗値は前記第１の抵抗素子の抵抗値以上であることを特徴とする構成１から構成１６のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成１８）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、は前記第１半導体層の表面に平行な同一平面に配されることを特徴とする構成１から構成１７に記載の光電変換装置。

（構成１９）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、に３つ以上のコンタクトプラグが接続されていることを特徴とする構成１８に記載の光電変換装置。

（構成２０）前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の上側と下側の双方にコンタクトプラグが接続されていることを特徴とする構成１８または構成１９に記載の光電変換装置。

（構成２１）前記波形整形部の入力端子と、基準電圧を供給する配線と、の間に接続されたスイッチを有することを特徴とする構成１から構成２０のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成２２）前記第１の抵抗素子の、前記波形整形部と接続されていない端子と、基準電圧を供給する配線と、の間に接続されたスイッチを有することを特徴とする構成１から構成２１のいずれかに記載の光電変換装置。

（構成２３）構成１から構成２２のいずれかに記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置が出力する信号を用いて画像を生成する信号処理部と、を有することを特徴とする光電変換システム。

（構成２４）構成１から構成２２のいずれかに記載の光電変換装置を備える移動体であって、
前記光電変換装置が出力する信号を用いて前記移動体の移動を制御する制御部を有する
ことを特徴とする移動体。

１００光電変換装置
２０１アバランシェフォトダイオード
２０２抵抗素子
２１０波形整形部

Claims

第１半導体層と、第１半導体層に積層された第１配線構造と、を含む第１基板と、
第２半導体層と、前記第２半導体層に積層された第２配線構造と、を含む第２基板と、を有する光電変換装置であって、
前記第１半導体層に配置されたアバランシェフォトダイオードと、
前記第１基板に配置され、前記アバランシェフォトダイオードと接続された第１の抵抗素子と、
前記第２半導体層に配置され、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号を整形する波形整形部と、
前記第１基板に配置され、前記アバランシェフォトダイオードと前記波形整形部と前記第１の抵抗素子とに接続された第２の抵抗素子を含むことを特徴とする光電変換装置。
前記第２の抵抗素子は前記アバランシェフォトダイオードと前記第１の抵抗素子との間に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第２の抵抗素子は前記第１の抵抗素子と前記波形整形部との間に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
複数の前記アバランシェフォトダイオードを有し、
前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち第１のアバランシェフォトダイオードに接続された前記第１の抵抗素子と、第２のアバランシェフォトダイオードに接続された前記第１の抵抗素子と、は前記第１半導体層の表面に平行な同一平面に設けられることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方はポリシリコンまたはアモルファスシリコンを含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は金属薄膜材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方はセラミック材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は有機材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方の最短辺と最長辺との比が１０以上であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は配線の主要な材料よりも抵抗率の高い材料を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は、前記アバランシェフォトダイオードに電圧を供給するビアの主要な材料よりも抵抗率の高い材料を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は、平面視で前記アバランシェフォトダイオードのカソードと重なることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記アバランシェフォトダイオードのカソードとアノードの両方に抵抗素子が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方と前記波形整形部と、は容量素子を介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の少なくとも一方は前記第１半導体層と前記第２半導体層とが積層される方向に延在することを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
前記アバランシェフォトダイオードのカソードとアノードのそれぞれに電圧を供給する二系統の電源配線が前記第１基板に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第２の抵抗素子の抵抗値は前記第１の抵抗素子の抵抗値以上であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、は前記第１半導体層の表面に平行な同一平面に配されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、に３つ以上のコンタクトプラグが接続されていることを特徴とする請求項１８に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子と、の上側と下側の双方にコンタクトプラグが接続されていることを特徴とする請求項１８に記載の光電変換装置。
前記波形整形部の入力端子と、基準電圧を供給する配線と、の間に接続されたスイッチを有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の抵抗素子の、前記波形整形部と接続されていない端子と、基準電圧を供給する配線と、の間に接続されたスイッチを有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
請求項１乃至２２いずれか一項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置が出力する信号を用いて画像を生成する信号処理部と、を有することを特徴とする光電変換システム。
請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の光電変換装置を備える移動体であって、
前記光電変換装置が出力する信号を用いて前記移動体の移動を制御する制御部を有する
ことを特徴とする移動体。