JP7281718B2 - 光検出器、固体撮像装置、及び、距離測定装置 - Google Patents

光検出器、固体撮像装置、及び、距離測定装置 Download PDF

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Description

本発明は、光検出器、固体撮像装置、及び、距離測定装置に関する。
従来、アバランシェフォトダイオードを用いた光検出器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０１８／２１６４００号
本開示は、アバランシェフォトダイオードのカソードの電位を精度よくリセットすることができる光検出器等を提供する。
本開示の一態様に係る光検出器は、複数の画素と、前記複数の画素に接続された共通リセット線と、を備え、前記複数の画素のそれぞれは、アバランシェフォトダイオードと、ゲート及びソースが前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチングトランジスタと、ソース及びドレインの一方が、前記クエンチングトランジスタのドレインに接続され、ソース及びドレインの他方が、前記共通リセット線に接続されたフォトダイオードリセットトランジスタと、を有する。
本開示の一態様に係る固体撮像装置は、上記光検出器を含む固体撮像装置であって、前記複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、前記複数の画素から、行単位で信号を読み出す列回路と、前記列回路が信号を読み出す対象とする行を選択する垂直転送回路と、前記複数の画素の全てに共通の信号線を駆動する全画素駆動ドライバと、前記列回路により読み出された信号を転送する水平転送回路と、前記水平転送回路により転送された信号を外部に出力する出力アンプと、を備える。
本開示の一態様に係る距離測定装置は、被写体に照射する光を発光する光源と、上記固体撮像装置であって、前記被写体による、前記光源から発光された光の反射光を受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置から出力される信号に基づいて、前記被写体までの距離を算出する信号処理装置と、を備える。
本開示によれば、アバランシェフォトダイオードのカソードの電位を精度よくリセットすることができる。
図１は、実施の形態１に係る光検出器が備える画素の構成を示す回路図である。 図２は、実施の形態１に係る光検出器が行う動作の一例を示すシーケンス図である。 図３は、実施の形態２に係る光検出器が備える画素の構成を示す回路図である。 図４は、実施の形態２に係る光検出器が行う動作の一例を示すシーケンス図である。 図５は、実施の形態３に係る光検出器が備える画素の構成を示す回路図である。 図６は、実施の形態４に係る光検出器が備える画素の構成を示す回路図である。 図７は、実施の形態５に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。 図８は、実施の形態５に係る距離測定装置が行う、サブレンジ画像を撮像する動作の一例を示すシーケンス図その１である。 図９は、実施の形態５に係る距離測定装置が行う、サブレンジ画像を撮像する動作の一例を示すシーケンス図その２である。 図１０は、比較例に係る光検出器が備える画素の構成を示す回路図である。
（本開示の一態様を得るに至った経緯）
従来、光検出器は、画像を高感度、高精細に撮像することに注力されてきたが、それに加えて光検出器からの距離情報も取得できる機能を併せ持つものも近年登場してきた。画像に距離情報が加われば光検出器の撮影対象の３次元的な情報が感知できることになる。例えば、人物を撮影すれば、しぐさ（ジェスチャー）を３次元的に検知できるので、様々な機器の入力装置として使用できる。さらに例示すると、自動車に搭載すれば、自車の周囲に存在する物体、人物等との距離を認識できるので衝突防止や自動運転などに応用できる。
光検出器から物体までの距離測定に使用される数々の方法の中に、光を光検出器付近から物体に向けて照射してから、物体により反射し光検出器に帰還するまでの時間を測定するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法がある。この方法によると、光源を強くすれば、遠方の物体までの距離を高分解能で測定できる。
遠方の物体までの距離を測定するためには、物体からの微弱になる反射光を検出できるだけの高感度を光検出器が持つことが必要である。さらに、反射光が光検出器に到達したタイミングを検出出来ることも必要となる。これら２つの要求を満たすには、例えば、以下に述べる構成の、アバランシェフォトダイオードを備える光検出器が考えられる。
図１０は、比較例に係る光検出器が備える画素５０１の構成を示す回路図である。
図１０に示すように、比較例に係る光検出器は、複数の画素５０１に加えて、複数の画素５０１に接続された共通リセット線５０４と、複数の画素５０１に接続された読み出し線５１２とを備える。
共通リセット線５０４は、接続される画素５０１に含まれるアバランシェフォトダイオード５０２（後述）のカソードにリセット電位を与えるための信号線であり、リセット電位を供給する電源に接続される。
読み出し線５１２は、接続される画素５０１に含まれる電荷蓄積部５０５（後述）に蓄積される電荷に対応する信号を、画素５０１の外部に読み出すための信号線である。
画素５０１は、アバランシェフォトダイオード５０２と、フォトダイオードリセットトランジスタ５０３と、電荷蓄積部５０５と、トランスファーゲートトランジスタ５０８と、リセットトランジスタ５０９と、増幅トランジスタ５１０と、選択トランジスタ５１１とを含んで構成される。
アバランシェフォトダイオード５０２は、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を上昇させたフォトダイオードである。アバランシェフォトダイオード５０２は、入射光があると、微弱光であっても生成した電子をアバランシェ増倍し、カソードに大きな電圧振幅を生じる。
フォトダイオードリセットトランジスタ５０３は、アバランシェフォトダイオード５０２のカソードをリセット電位とするためのトランジスタであって、ソース及びドレインの一方がアバランシェフォトダイオード５０２のカソードに接続され、ソース及びドレインの他方が、共通リセット線５０４に接続される。フォトダイオードリセットトランジスタ５０３をオン状態とすることで、アバランシェフォトダイオード５０２のカソードをリセット電位とすることができる。
電荷蓄積部５０５は、アバランシェフォトダイオード５０２により生成された電荷を蓄積する。電荷蓄積部５０５は、ｆＦオーダの容量が重畳されている。
トランスファーゲートトランジスタ５０８は、アバランシェフォトダイオード５０２により生成された電荷を電荷蓄積部５０５に転送するためのトランジスタであって、ソース及びドレインの一方がアバランシェフォトダイオード５０２のカソードに接続され、ソース及びドレインの他方が、電荷蓄積部５０５に接続される。トランスファーゲートトランジスタ５０８をオン状態とすることで、アバランシェフォトダイオード５０２により生成された電荷を電荷蓄積部５０５に転送することができる。
リセットトランジスタ５０９は、電荷蓄積部５０５をリセット電位とするためのトランジスタであって、ソース及びドレインの一方が電荷蓄積部５０５に接続される。ソース及びドレインの他方は、例えば、共通リセット線５０４に接続されてもよいし、リセット電位を供給する他の電源に接続された信号線に接続されてもよい。リセットトランジスタ５０９をオン状態とすることで、電荷蓄積部５０５をリセット電位とすることができる。
増幅トランジスタ５１０は、電荷蓄積部５０５の電位に対応する信号を選択トランジスタ５１１に出力するためのトランジスタであって、ゲートが電荷蓄積部５０５に接続される。
選択トランジスタ５１１は、増幅トランジスタ５１０が出力する信号を読み出し線５１２に出力するためのトランジスタであって、ソース及びドレインの一方が増幅トランジスタのソース及びドレインの一方に接続され、ソース及びドレインの他方が、読み出し線５１２に接続される。選択トランジスタ５１１をオン状態とすることで、増幅トランジスタ５１０が出力する信号を読み出し線５１２に出力することができる。
発明者は、上記構成の比較例に係る光検出器では、以下の問題があることを見出した。
上記構成の比較例に係る光検出器を、ＴＯＦ法を利用して被写体までの距離を測定する距離測定装置に適用する場合、露光タイミングの直前に、全ての画素５０１のフォトダイオードリセットトランジスタ５０３を同時にオン状態として、全ての画素５０１のアバランシェフォトダイオード５０２のカソードをリセット電位とする必要がある。全ての画素５０１のアバランシェフォトダイオード５０２のカソードをリセット電位とする期間、すなわち、全ての画素５０１のフォトダイオードリセットトランジスタ５０３をオン状態としている期間に、ある画素５０１のアバランシェフォトダイオード５０２でアバランシェ増倍が生じた場合には、その増倍電荷は、共通リセット線５０４を介して、隣接する画素５０１のアバランシェフォトダイオード５０２のカソードまで達してしまう。このため、その隣接する画素５０１のアバランシェフォトダイオード５０２のカソードを正しくリセット電位とすることができないという不具合が生じる。以下、上記不具合が生じる現象のことを「隣接画素への電荷流入問題」と称する。
そこで、発明者は、複数の画素５０１のアバランシェフォトダイオード５０２のカソードをリセット電位とする期間において、ある画素５０１のアバランシェフォトダイオード５０２でアバランシェ増倍が生じた場合でも、他の画素５０１のアバランシェフォトダイオード５０２のカソードを正しくリセット電位にすべく、鋭意検討、実験等を行った。そして、下記本開示の一態様に係る光検出器等に想到した。
本開示の一態様に係る光検出器は、複数の画素と、前記複数の画素に接続された共通リセット線と、を備え、前記複数の画素のそれぞれは、アバランシェフォトダイオードと、ゲート及びソースが前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチングトランジスタと、ソース及びドレインの一方が、前記クエンチングトランジスタのドレインに接続され、ソース及びドレインの他方が、前記共通リセット線に接続されたフォトダイオードリセットトランジスタと、を有する。
上記構成の光検出器よれば、複数の画素のフォトダイオードリセットトランジスタをオン状態としている期間において、ある画素のアバランシェフォトダイオードでアバランシェ増倍が生じたとしても、クエンチングトランジスタによって、その増倍電荷の共通リセット線への流入が抑制される。従って、上記構成の光検出器によれば、アバランシェフォトダイオードのカソードの電位を精度よくリセットすることができる。
また、前記複数の画素のそれぞれは、更に、前記アバランシェフォトダイオードにより生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、ソース及びドレインの一方が、前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続され、ソース及びドレインの他方が、前記電荷蓄積部に接続されたトランスファーゲートトランジスタと、を有するとしてもよい。
これにより、アバランシェフォトダイオードにより生成された電荷を電荷蓄積部に蓄積することができる。
また、更に、前記複数の画素に接続された読み出し線を備え、前記複数の画素のそれぞれは、更に、ソース及びドレインの一方が、前記電荷蓄積部に接続されたリセットトランジスタと、ゲートが前記電荷蓄積部に接続された増幅トランジスタと、ソース及びドレインの一方が、前記増幅トランジスタのソース及びドレインの一方に接続され、ソース及びドレインの他方が、前記読み出し線に接続された選択トランジスタと、を有するとしてもよい。
これにより、電荷蓄積部に蓄積された電荷に対応する信号を画素の外部に読み出すことができる。
また、前記複数の画素のそれぞれは、更に、前記アバランシェフォトダイオードのカソードと、前記クエンチングトランジスタの前記ゲート及び前記ソースとの間に、前記クエンチングトランジスタの前記ゲート及び前記ソースに接続された、前記アバランシェフォトダイオードにより生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、ソース及びドレインの一方が、前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続され、ソース及びドレインの他方が、前記電荷蓄積部に接続されたトランスファーゲートトランジスタと、を有し前記アバランシェフォトダイオードのカソードと前記クエンチングトランジスタの前記ゲート及び前記ソースとが、前記電荷蓄積部と前記トランスファーゲートトランジスタとを介して接続されるとしてもよい。
これにより、アバランシェフォトダイオードにより生成された電荷を電荷蓄積部に蓄積することができる。
また、更に、前記複数の画素に接続された読み出し線を備え、前記複数の画素のそれぞれは、更に、ゲートが前記電荷蓄積部に接続された増幅トランジスタと、ソース及びドレインの一方が、前記増幅トランジスタのソース及びドレインの一方に接続され、ソース及びドレインの他方が、前記読み出し線に接続された選択トランジスタと、を有するとしてもよい。
これにより、電荷蓄積部に蓄積された電荷に対応する信号を画素の外部に読み出すことができる。
また、前記複数の画素のそれぞれは、更に、ソース及びドレインの一方が、前記電荷蓄積部に接続されたカウントトランジスタと、前記カウントトランジスタのソース及びドレインの他方に接続されたカウントキャパシタと、を有するとしてもよい。
これにより、電荷蓄積部に蓄積された電荷を、カウントキャパシタに転送することができる。
また、前記クエンチングトランジスタは、前記アバランシェフォトダイオードのカソードの電位が、アバランシェ増倍が停止する電位であるとき、弱反転状態であるとしてもよい。
これにより、アバランシェフォトダイオードと共通リセット線との間に流れる電荷量を、弱反転状態のクエンチングトランジスタに流れる電荷量以下とすることができる。
また、前記フォトダイオードリセットトランジスタがオン状態である場合に、前記アバランシェフォトダイオードのカソードから前記共通リセット線までの電気経路の時定数が、１００ｐｓ以上であるとしてもよい。
これにより、アバランシェフォトダイオードと共通リセット線との間に流れる電荷量を、１００ｐｓ以上の時定数によって定まる電荷量以下とすることができる。
本開示の一態様に係る固体撮像装置は、上記光検出器を含む固体撮像装置であって、前記複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、前記複数の画素から、行単位で信号を読み出す列回路と、前記列回路が信号を読み出す対象とする行を選択する垂直転送回路と、前記複数の画素の全てに共通の信号線を駆動する全画素駆動ドライバと、前記列回路により読み出された信号を転送する水平転送回路と、前記水平転送回路により転送された信号を外部に出力する出力アンプと、を備える。
上記構成の固体撮像装置によれば、複数の画素のフォトダイオードリセットトランジスタをオン状態としている期間において、ある画素のアバランシェフォトダイオードでアバランシェ増倍が生じたとしても、クエンチングトランジスタによって、その増倍電荷の共通リセット線への流入が抑制される。従って、上記構成の固体撮像装置によれば、アバランシェフォトダイオードのカソードの電位を精度よくリセットすることができる。
本開示の一態様に係る距離測定装置は、被写体に照射する光を発光する光源と、上記固体撮像装置であって、前記被写体による、前記光源から発光された光の反射光を受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置から出力される信号に基づいて、前記被写体までの距離を算出する信号処理装置と、を備える。
上記構成の距離測定装置によれば、複数の画素のフォトダイオードリセットトランジスタをオン状態としている期間において、ある画素のアバランシェフォトダイオードでアバランシェ増倍が生じたとしても、クエンチングトランジスタによって、その増倍電荷の共通リセット線への流入が抑制される。従って、上記構成の距離測定装置によれば、アバランシェフォトダイオードのカソードの電位を精度よくリセットすることができる。
以下、本開示の一態様に係る光検出器等の具体例について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。
なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る光検出器の構成を示す回路図である。
図１に示すように、実施の形態に係る光検出器は、複数の画素１０１に加えて、複数の画素１０１に接続された共通リセット線１０４と、複数の画素１０１に接続された読み出し線１１３とを備える。
共通リセット線１０４は、接続される画素１０１に含まれるアバランシェフォトダイオード１０２（後述）のカソードにリセット電位を与えるための信号線であり、リセット電位を供給する電源に接続される。
読み出し線１１３は、接続される画素１０１に含まれる電荷蓄積部１０５（後述）に蓄積される電荷に対応する信号を、画素１０１の外部に読み出すための信号線である。
画素１０１は、アバランシェフォトダイオード１０２と、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３と、電荷蓄積部１０５と、トランスファーゲートトランジスタ１０８と、リセットトランジスタ１０９と、増幅トランジスタ１１０と、選択トランジスタ１１１と、クエンチングトランジスタ１１２とを含んで構成される。
画素１０１は、例えば、行列状に配置される。
アバランシェフォトダイオード１０２は、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を上昇させたフォトダイオードである。アバランシェフォトダイオード１０２は、入射光があると、微弱光であっても生成した電子をアバランシェ増倍し、カソードに大きな電圧振幅を生じる。
フォトダイオードリセットトランジスタ１０３は、アバランシェフォトダイオード５０２のカソードを、クエンチングトランジスタ１１２を介してリセット電位とするためのトランジスタであって、ソース及びドレインの一方がクエンチングトランジスタのドレインに接続され、ソース及びドレインの他方が、共通リセット線１０４に接続される。フォトダイオードリセットトランジスタ１０３をオン状態とすることで、アバランシェフォトダイオード１０２のカソードを、クエンチングトランジスタ１１２を介してリセット電位とすることができる。
電荷蓄積部１０５は、アバランシェフォトダイオード１０２により生成された電荷を蓄積する。電荷蓄積部１０５は、ｆＦオーダの容量が重畳されている。
トランスファーゲートトランジスタ１０８は、アバランシェフォトダイオード１０２により生成された電荷を電荷蓄積部１０５に転送するためのトランジスタであって、ソース及びドレインの一方がアバランシェフォトダイオード１０２のカソードに接続され、ソース及びドレインの他方が、電荷蓄積部１０５に接続される。トランスファーゲートトランジスタ１０８をオン状態とすることで、アバランシェフォトダイオード１０２により生成された電荷を電荷蓄積部１０５に転送することができる。
リセットトランジスタ１０９は、電荷蓄積部１０５をリセット電位とするためのトランジスタであって、ソース及びドレインの一方が電荷蓄積部１０５に接続される。ソース及びドレインの他方は、例えば、共通リセット線１０４に接続されてもよいし、リセット電位を供給する他の電源に接続された信号線に接続されてもよい。リセットトランジスタ１０９をオン状態とすることで、電荷蓄積部１０５をリセット電位とすることができる。
増幅トランジスタ１１０は、電荷蓄積部１０５の電位に対応する信号を選択トランジスタ１１１に出力するためのトランジスタであって、ゲートが電荷蓄積部１０５に接続される。
選択トランジスタ１１１は、増幅トランジスタ１１０が出力する信号を読み出し線１１３に出力するためのトランジスタであって、ソース及びドレインの一方が増幅トランジスタのソース及びドレインの一方に接続され、ソース及びドレインの他方が、読み出し線１１３に接続される。選択トランジスタ１１１をオン状態とすることで、増幅トランジスタ１１０が出力する信号を読み出し線１１３に出力することができる。
実施の形態１に係る光検出器が備える画素１０１と、比較例に係る光検出器が備える画素５０１とが本質的に異なる点は、画素１０１が、クエンチングトランジスタ１１２を備える点である。
クエンチングトランジスタ１１２は、ゲート及びソースがアバランシェフォトダイオード１０２のカソードに接続される。
アバランシェフォトダイオード１０２のカソードには正孔でなく、電子が生じるので、アバランシェフォトダイオード１０２のカソードの電位は、共通リセット線１０４の電位よりも高くなることはない。そのため、クエンチングトランジスタ１１２のソース－ドレイン間電流はほぼクエンチングトランジスタ１１２の閾値電圧によって決定される。
実施の形態１に係る光検出器は、画素１０１が、クエンチングトランジスタ１１２を備えることで、上述の隣接画素への電荷流入問題を解決することができる。以下、その理由について説明する。
フォトダイオードリセットトランジスタ１０３がオン状態である場合において、アバランシェフォトダイオード１０２でアバランシェ増倍が開始されたときを考える。
アバランシェフォトダイオード１０２の大きさによって異なるが、一般的には、アバランシェ増倍過程は１００ｐｓのオーダで継続する。
クエンチングトランジスタ１１２に十分電流が流れない場合には、アバランシェ増倍によって生じた電荷は、アバランシェフォトダイオード１０２内のＰＮ接合部分に蓄積されていく。そして、蓄積電荷によりＰＮ接合部分に印加される電荷が弱められていき、やがて電界がアバランシェ増倍を生じる閾値を下回ると、アバランシェ増倍過程が停止する。
これに対して、クエンチングトランジスタ１１２に十分電流が流れる場合には、アバランシェ増倍によって生じた電子は、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３及びクエンチングトランジスタ１１２を介して共通リセット線１０４に流出する。このため、アバランシェフォトダイオード１０２内のＰＮ接合部分のＮ側に電子が蓄積されず、ＰＮ接合部分に印加される電荷が弱められない。従って、上記アバランシェ増倍過程の停止が起こらずに、アバランシェ増倍過程の期間中、アバランシェフォトダイオード１０２のカソードから共通リセット線１０４へ電子の流出が継続する。その流出速度は、共通リセット線１０４の電荷排出能力を上回る程であるため、共通リセット線１０４の電位が下がる。共通リセット線１０４に接続される他の画素１０１では、共通リセット線１０４から、その画素１０１のアバランシェフォトダイオード１０２のカソードに電子が流入する。その後、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３がオフ状態となってリセット期間が終了することとなるが、その画素１０１では、上記電子の流入により、アバランシェフォトダイオード１０２のカソードの電位が正しくリセットされない。
上記構成の画素１０１において、クエンチングトランジスタ１１２を、アバランシェフォトダイオード１０２のカソードの電位が、アバランシェ増倍が停止する電位であるとき、弱反転状態であるように設定する。すると、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３がオン状態である場合において、アバランシェフォトダイオード１０２でアバランシェ増倍が開始されたとしても、アバランシェ増倍によって生じた電荷の、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３及びクエンチングトランジスタ１１２を介した共通リセット線１０４への流出には多くの時間がかかるようになる。上述したように、アバランシェフォトダイオード１０２の増倍過程は１００ｐｓのオーダで終了するため、この期間内でほとんど電荷流出は起こらない。すなわち、近接画素への電荷流入問題の発生を防止できる。
より具体的には、クエンチングトランジスタ１１２の設定として、アバランシェフォトダイオード１０２のアバランシェ増倍過程が起こる１００ｐｓ間にほとんど電流が流れないようにする。すなわち、クエンチングトランジスタ１１２を、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３がオン状態である場合に、アバランシェフォトダイオード１０２のカソードから共通リセット線１０４までの電気経路の時定数が１００ｐｓ以上となるように設定すればよい。例えば、アバランシェフォトダイオード１０２の容量を１０ｆＦとすると、アバランシェフォトダイオード１０２のカソードが１Ｖ変化するためには、１０ｆＣの電荷が必要である。この電荷を１００ｐｓで供給するためには、１００μＡの電流が必要である。従って、クエンチングトランジスタ１１２を、クエンチングトランジスタ１１２のゲート－ソース間電圧が０Ｖの時に流れる電流が１００μＡ以下となるように設定すればよい。
一方で、クエンチングトランジスタ１１２に流れる電流があまりにも小さい場合には、逆に、アバランシェフォトダイオード１０２のカソードの電位が正しくリセットされなくなる。正しくリセットされるようにするためには、リセット工程を行うリセット期間を、アバランシェフォトダイオード１０２のアバランシェ増倍過程の期間よりも長く確保する必要がある。その上で、リセット期間内に、アバランシェフォトダイオード１０２のカソードの電位が正しくリセットできるように、クエンチングトランジスタ１１２を設定すればよい。例えば、リセット期間を１μｓとし、アバランシェフォトダイオード１０２のアバランシェ増倍時の振幅を１Ｖとし、アバランシェフォトダイオード１０２の容量を１０ｆＦとする。このとき、クエンチングトランジスタ１１２を、クエンチングトランジスタ１１２のゲート－ソース間電圧が０Ｖの時に流れる電流が０．１μＡ以上となるように設定すればよい。
以下、実施の形態１に係る光検出器が行う動作について説明する。
図２は、実施の形態１に係る光検出器が行う動作の一例を示すシーケンス図である。
図２に示すように、実施の形態１に係る光検出器は、グローバル露光期間において、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３のゲートに接続される信号線ＰＲＴを、全画素１０１同時にハイレベルにして、全画素１０１のアバランシェフォトダイオード１０２のカソードの電位のリセット動作を開始する。このとき、ある画素１０１のアバランシェフォトダイオード１０２でアバランシェ増倍が生じたとしても、そのアバランシェ増倍によって生じた電子は、その画素１０１のクエンチングトランジスタ１１２により、共通リセット線１０４に流出することが制限される。このため、隣接する画素１０１のアバランシェフォトダイオード１０２のカソードへの電子の流入が防止される。その後、実施の形態１に係る光検出器は、信号線ＰＲＴを全画素同時にローレベルにして、リセット動作を停止する。
その後、実施の形態１に係る光検出器は、トランスファーゲートトランジスタ１０８のゲートに接続される信号線ＴＲＮを全画素１０１同時にハイレベルにして、全画素１０１のトランスファーゲートトランジスタ１０８をオン状態とする。この直後から、アバランシェフォトダイオード１０２で生じた増倍電荷は、電荷蓄積部１０５に転送される。その後、実施の形態１に係る光検出器は、信号線ＴＲＮを全画素同時にローレベルにする。この、信号線ＴＲＮがハイレベルとなる期間を、露光を行う期間に一致させることで、実施の形態１に係る光検出器による所望の露光動作が実現される。
グローバル露光期間の後に、実施の形態１に係る光検出器は、各画素１０１の電荷蓄積部１０５に蓄積された電荷に対応する信号を、順次行送り動作（ローリング駆動動作）で読み出す。図２では、第ｋ行目の読み出しの動作について図示している。
実施の形態１に係る光検出器は、各行の読み出し動作において、選択トランジスタ１１１のゲートに接続される信号線ＳＥＬを、対象とする行の画素１０１だけ同時にハイレベルにして、その行の画素１０１の選択トランジスタ１１１をオン状態とする。すると、電荷蓄積部１０５に蓄積された電荷に対応する信号（便宜上、この信号のことを「第１信号」と称する）が、増幅トランジスタ１１０から、読み出し線１１３に出力される。
その後、実施の形態１に係る光検出器は、リセットトランジスタ１０９のゲートに接続される信号線ＲＳＴを、対象とする行の画素１０１だけ同時にハイレベルにして、その行の画素１０１のリセットトランジスタ１０９をオン状態とする。すると、電荷蓄積部１０５に蓄積された電荷が排出される。すると、電荷が排出された状態の電荷蓄積部１０５の電位に対応する信号（便宜上、この信号のことを「第２信号」とも称する）が、増幅トランジスタ１１０から、読み出し線１１３に出力される。
その後、実施の形態１に係る光検出器は、信号線ＲＳＴを、その行の画素１０１だけ同時にローレベルにし、信号線ＳＥＬを、その行の画素１０１だけ同時にローレベルにする。ここで、各行の読み出し動作が終了する。
その後、実施の形態１に係る光検出器又は外部の装置が、出力された第１信号と第２信号とに対してＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）処理を行うことで、アバランシェフォトダイオード１０２が露光期間中にアバランシェ増倍を行ったか否かの情報が得られる。
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る光検出器の構成を示す回路図である。以下では、実施の形態２に係る光検出器について、実施の形態１に係る光検出器の構成要素と同様の構成要素については、既に説明済みであるとして同じ符号を振ってその詳細な説明を省略し、実施の形態１に係る光検出器との相違点を中心に説明する。
図３に示すように、実施の形態２に係る光検出器は、実施の形態１に係る光検出器と、画素１０１が画素２０１に変更されている点において異なる。
画素２０１は、画素１０１に対して、カウントトランジスタ２０６と、カウントキャパシタ２０７とが追加されて構成される。
カウントトランジスタ２０６は、電荷蓄積部１０５に蓄積された電荷をカウントキャパシタ２０７に転送するためのトランジスタであって、ソース及びドレインの一方が電荷蓄積部１０５に接続される。カウントトランジスタ２０６をオン状態とすることで、電荷蓄積部１０５に蓄積された電荷をカウントキャパシタ２０７に転送することができる。
カウントキャパシタ２０７は、カウントトランジスタ２０６のソース及びドレインの他方に接続され、電荷蓄積部１０５から転送された電荷を蓄積する。カウントキャパシタ２０７の電位は、電荷蓄積部１０５から電荷を転送された回数に応じた電位となる。
上記構成の実施の形態２に係る光検出器は、実施の形態１に係る光検出器と同様の理由により、隣接画素への電荷流入問題を解決することができる。
以下、実施の形態２に係る光検出器が行う動作について説明する。
図４は、実施の形態２に係る光検出器が行う動作の一例を示すシーケンス図である。ここで例示する動作は、ＴＯＦ法を利用して、被写体までの距離を検知するために行う動作の一例である。ここでは、実施の形態２に係る光検出器は、被写体に照射する光（光パルス）を発光する光源を備え、複数の画素２０１が、被写体による、光源より発光された光の反射光を受光するとして説明する。
図４に示すように、実施の形態２に係る光検出器は、第１パルス期間において、光源から光パルスを発光すると共に、信号線ＰＲＴを、全画素２０１同時にハイレベルにして、全画素２０１のアバランシェフォトダイオード１０２のカソードの電位のリセット動作を開始する。
次に、実施の形態２に係る光検出器は、計測したい距離ゾーンの初めに対応するタイミング（その距離をｄとし、光速をｃとすると、２ｄ／ｃ後）に、信号線ＰＴＲを、全画素２０１同時にローレベルにして、リセット動作を停止すると共に、信号線ＴＲＮを、全画素２０１同時にハイレベルにして、全画素２０１のトランスファーゲートトランジスタ１０８をオン状態とする。この直後から、アバランシェフォトダイオード１０２で生じた増倍電荷は、電荷蓄積部１０５に転送される。その後、実施の形態２に係る光検出器は、計測したい距離ゾーンの終わりに対応するタイミングで、信号線ＴＲＮを全画素２０１同時にローレベルにして、アバランシェフォトダイオード１０２で生じた増倍電荷の、電荷蓄積部１０５への転送を終了させる。
この一連の動作により、計測したい距離ゾーンに存在する被写体による反射光による増倍電荷のみが、電荷蓄積部１０５に蓄積される。
その後、カウントトランジスタ２０６のゲートに接続される信号線ＣＮＴを全画素２０１同時にハイレベルにして、全画素２０１のカウントトランジスタ２０６をオン状態とする。このとき、電荷蓄積部１０５に増倍電荷が蓄積されている場合には、その増倍電荷が、カウントキャパシタ２０７に転送されて、カウントキャパシタ２０７の電位が下がる。ここで、第１パルス期間が終了する。
この後、実施の形態２に係る光検出器は、第１パルス期間の動作と同様の動作を繰り返し行うことで、被写体を検出する確率を向上させることができる。
各パルス期間において、信号線ＴＲＮがハイレベルの期間に、アバランシェフォトダイオード１０２でアバランシェ増倍が生じると、カウントキャパシタ２０７に増倍電荷が転送され、カウントキャパシタ２０７の電位が変化する。一方で、アバランシェ増倍が生じなければ、カウントキャパシタ２０７の電位は変化しない。すなわち、カウントキャパシタ２０７の電位は、アバランシェ増倍が生じた回数に一対一対応する電位となる。
第１パルス期間の動作と同様の動作を繰り返し行った後に、実施の形態２に係る光検出器は、各画素１０１のカウントキャパシタ２０７に蓄積された電荷に対応する信号を、順次行送り動作（ローリング駆動動作）で読み出す。図４では、第ｋ行目の読み出しの動作について図示している。
実施の形態２に係る光検出器は、各行の読み出し動作において、選択トランジスタ１１１のゲートに接続される信号線ＳＥＬを、対象とする行の画素２０１だけ同時にハイレベルにして、その行の画素２０１の選択トランジスタ１１１をオン状態とする。その後、信号線ＲＳＴを、その行の画素２０１だけ同時にハイレベルにして、その行の画素２０１のリセットトランジスタ１０９をオン状態とする。すると、電荷蓄積部１０５に蓄積された電荷が排出される。
その後、信号線ＲＳＴを、その行の画素２０１だけ同時にローレベルにして、その行の画素２０１のリセットトランジスタ１０９をオフ状態とする。すると、電荷が排出された状態の電荷蓄積部１０５の電位に対応する第２信号が、増幅トランジスタ１１０から、読み出し線１１３に出力される。
その後、信号線ＣＮＴを、その行の画素２０１だけ同時にハイレベルにして、その行の画素２０１のカウントトランジスタ２０６をオン状態とする。すると、カウントキャパシタ２０７に蓄積された電荷が、電荷蓄積部１０５に転送され、電荷蓄積部１０５に転送された電荷に対応する信号（便宜上、この信号のことを「第３信号」とも称する）が、増幅トランジスタ１１０から、読み出し線１１３に出力される。
その後、実施の形態２に係る光検出器は、信号線ＲＳＴと信号線ＣＮＴとを、その行の画素２０１だけ同時にハイレベルにして、その行の画素２０１のリセットトランジスタ１０９とカウントトランジスタ２０６とをオン状態とする。すると、電荷蓄積部１０５及びカウントキャパシタ２０７に蓄積された電荷が排出される。
その後、実施の形態２に係る光検出器は、信号線ＲＳＴと信号線ＣＮＴと信号線ＳＥＬとを、その行の画素２０１だけ順次ローレベルにする。ここで、各行の読み出し動作が完了する。
その後、実施の形態２に係る光検出器又は外部の装置が、出力された第３信号と第２信号とに対してＣＤＳ処理を行うことで、複数回繰り返されたパルス期間における信号線ＴＲＮがハイレベルの期間において、アバランシェフォトダイオード１０２がアバランシェ増倍を行った回数を示す情報が得られる。
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る光検出器の構成を示す回路図である。以下では、実施の形態３に係る光検出器について、実施の形態１に係る光検出器の構成要素と同様の構成要素については、既に説明済みであるとして同じ符号を振ってその詳細な説明を省略し、実施の形態１に係る光検出器との相違点を中心に説明する。
図５に示すように、実施の形態３に係る光検出器は、実施の形態１に係る光検出器と、画素１０１が画素３０１に変更されている点において異なる。
画素３０１は、画素１０１に対して、リセットトランジスタ１０９が削除され、アバランシェフォトダイオード１０２と、クエンチングトランジスタ１１２のゲート及びソースとが、電荷蓄積部１０５とトランスファーゲートトランジスタ１０８とを介して接続されるよう、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３とクエンチングトランジスタ１１２との配置位置が変更されて構成される。このため、電荷蓄積部１０５は、クエンチングトランジスタ１１２のゲート及びソースに接続され、トランスファーゲートトランジスタ１０８は、ソース及びドレインの他方が、電荷蓄積部１０５に接続される。
画素３０１の上記構成により、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３は、実施の形態１に係るリセットトランジスタ１０９の機能を兼用することができる。
上記構成の画素３０１において、アバランシェフォトダイオード５０２のカソードの電位のリセットは、フォトダイオードリセットトランジスタ１０３とトランスファーゲートトランジスタ１０８とを同時にオン状態とすることで行う。
上記構成の実施の形態３に係る光検出器は、実施の形態１に係る光検出器と同様の理由により、隣接画素への電荷流入問題を解決することができる。
（実施の形態４）
図６は、実施の形態４に係る光検出器の構成を示す回路図である。以下では、実施の形態４に係る光検出器について、実施の形態３に係る光検出器の構成要素と同様の構成要素については、既に説明済みであるとして同じ符号を振ってその詳細な説明を省略し、実施の形態２に係る光検出器との相違点を中心に説明する。
図６に示すように、実施の形態４に係る光検出器は、実施の形態３に係る光検出器と、画素３０１が画素４０１に変更されている点において異なる。
画素４０１は、画素３０１に対して、カウントトランジスタ２０６と、カウントキャパシタ２０７とが追加されて構成される。
カウントトランジスタ２０６は、ソース及びドレインの一方が電荷蓄積部１０５に接続される。
カウントキャパシタ２０７は、カウントトランジスタ２０６のソース及びドレインの他方に接続される。
上記構成の実施の形態４に係る光検出器は、実施の形態２に係る光検出器と同様の動作により、カウントキャパシタ２０７の電位を、アバランシェ増倍が生じた回数に一対一対応する電位とすることができる。
また、上記構成の実施の形態４に係る光検出器は、実施の形態１に係る光検出器と同様の理由により、隣接画素への電荷流入問題を解決することができる。
（実施の形態５）
図７は、実施の形態５に係る距離測定装置９００の構成を示すブロック図である。
図７に示すように、距離測定装置９００は、固体撮像装置８０１と、信号処理装置８０９と、光源８１２とを備える。
光源８１２は、被写体に照射する光を発光する。
固体撮像装置８０１は、実施の形態２に係る光検出器を含んで構成され、被写体による、光源８１２から発光された光の反射光を受光する。
固体撮像装置８０１は、画素アレイ８０４と、列回路８０５と、垂直転送回路８０３と、全画素駆動ドライバ８０８と、水平転送回路８０６と、出力アンプ８０７とを備える。
画素アレイ８０４は、実施の形態１に係る複数の画素２０１が行列状に配置されて構成される。
列回路８０５は、複数の画素２０１から、行単位で信号を読み出す。列回路８０５は、更に、読み出した信号を増幅する列増幅回路と、ＣＤＳ処理を行うＣＤＳ回路とを備えてもよい。
垂直転送回路８０３は、列回路８０５が読み出す対象とする行を選択する。
全画素駆動ドライバ８０８は、複数の画素２０１の全てに共通の信号線（例えば、信号線ＲＳＴ、信号線ＰＴＲ等）を駆動する。
水平転送回路８０６は、列回路８０５により読み出された信号を転送する。
出力アンプ８０７は、水平転送回路８０６により転送された信号を外部に出力する。
信号処理装置８０９は、固体撮像装置８０１から出力される信号に基づいて、被写体までの距離を算出する。信号処理装置８０９は、更に、光源８１２及び固体撮像装置８０１の動作を制御する。信号処理装置８０９は、更に、固体撮像装置８０１から出力される信号を処理し、画像等に変換してもよい。
信号処理装置８０９は、制御回路８１０と、ロジックメモリ回路８１１とを備える。
制御回路８１０は、固体撮像装置８０１の動作を制御すると共に、出力アンプ８０７から出力される信号を処理する。例えば、制御回路８１０は、出力アンプ８０７からの出力がアナログ信号である場合には、デジタル信号に変換する。
ロジックメモリ回路８１１は、光源８１２の発光タイミングを制御すると共に、制御回路８１０から出力される信号に対して信号処理を行い、被写体までの距離を算出する。ロジックメモリ回路８１１は、例えば、信号処理結果を外部の計算機８１３に出力してもよい。
上記構成の距離測定装置９００は、光源８１２の発光タイミングと、固体撮像装置８０１の露光タイミングとを同期させて動作させることで、被写体までの距離を算出する。
以下、距離測定装置９００が行う被写体までの距離の算出について説明する。
距離測定装置９００は、距離測定の対象とする被写体のある、距離測定装置９００からの距離範囲を複数に分割する。以下、分割した各距離範囲のことを「サブレンジ」と称する。そして、各サブレンジ内にある被写体だけを撮像した各サブレンジ画像を、固体撮像装置８０１により撮像する。その後、距離測定装置９００は、固体撮像装置８０１により撮像された複数のサブレンジ画像を、ロジックメモリ回路８１１により合成し、距離情報と画像情報とを併せ持つ距離画像を算出する。そして、算出した距離画像に基づいて、距離測定の対象とする被写体までの距離を算出する。
本開示において、サブレンジの数は、限定されるものではないが、ここでは、一例として、サブレンジが、サブレンジ１とサブレンジ２との２つであるとして説明する。
サブレンジ１は、距離測定装置９００からの距離がｄ１からｄ１＋ｄｗまでの距離範囲である。サブレンジ２は、距離測定装置９００からの距離がｄ２からｄ２＋ｄｗまでの距離範囲である。
距離測定装置９００は、サブレンジ１に対応するサブレンジ画像１と、サブレンジ２に対応するサブレンジ画像２とを合成することで、距離の分解能ｄｗ、距離レンジｄ１～ｄ２＋ｄｗを実現する。
図８は、距離測定装置９００が行う、サブレンジ画像１を撮像する動作の一例を示すシーケンス図である。
図８に示されるように、距離測定装置９００は、図４に示される実施の形態２に係る光検出器が行う動作と同様の動作を行うことで、サブレンジ画像１を撮像する。このため、ここでは、その詳細についての説明を省略するが、ここでの特徴は、光源８１２が光パルスを発光する時刻に対し、２ｄ１／ｃだけ経過したタイミングで、信号線ＴＲＮを、全画素２０１同時にハイレベルにして、全画素２０１のトランスファーゲートトランジスタ１０８をオン状態とし、固体撮像装置８０１において露光を開始することである。そして、この状態をｄｗだけ保持した後、信号線ＴＲＮをローレベルにして、全画素２０１のトランスファーゲートトランジスタ１０８をオフ状態とする。これにより、距離測定装置９００は、サブレンジ画像１を撮像する。
図９は、距離測定装置９００が行う、サブレンジ画像２を撮像する動作の一例を示すシーケンス図である。
図９に示されるように、距離測定装置９００は、図４に示される実施の形態２に係る光検出器が行う動作と同様の動作を行うことで、サブレンジ画像２を撮像する。このため、ここでは、その詳細についての説明を省略するが、ここでの特徴は、光源８１２が光パルスを発光する時刻に対し、２ｄ２／ｃだけ経過したタイミングで、信号線ＴＲＮを、全画素２０１同時にハイレベルにして、全画素２０１のトランスファーゲートトランジスタ１０８をオン状態とし、固体撮像装置８０１において露光を開始することである。そして、この状態をｄｗだけ保持した後、信号線ＴＲＮをローレベルにして、全画素２０１のトランスファーゲートトランジスタ１０８をオフ状態とする。これにより、距離測定装置９００は、サブレンジ画像２を撮像する。
サブレンジ画像１とサブレンジ画像２とが撮像されると、ロジックメモリ回路８１１は、これらサブレンジ画像１とサブレンジ画像２とを合成して距離画像を算出し、算出した距離画像に基づいて、距離測定の対象とする被写体までの距離を算出する。
（補足）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１～実施の形態５について説明した。しかしながら、本開示による技術は、これらに限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態又は変形例にも適用可能である。
本開示に係る光検出器等は、光を検出する装置等に広く利用可能である。
１０１、２０１、３０１ 画素
１０２ アバランシェフォトダイオード
１０３ フォトダイオードリセットトランジスタ
１０４ 共通リセット線
１０５ 電荷蓄積部
１０８ トランスファーゲートトランジスタ
１０９ リセットトランジスタ
１１０ 増幅トランジスタ
１１１ 選択トランジスタ
１１２ クエンチングトランジスタ
１１３ 読み出し線
２０６ カウントトランジスタ
２０７ カウントキャパシタ
８０１ 固体撮像装置
８０３ 垂直転送回路
８０４ 画素アレイ
８０５ 列回路
８０６ 水平転送回路
８０７ 出力アンプ
８０８ 全画素駆動ドライバ
８０９ 信号処理装置
８１０ 制御回路
８１１ ロジックメモリ回路
８１２ 光源
８１３ 計算機

Claims (10)

  1. 複数の画素と、
    前記複数の画素に接続された共通リセット線と、を備え、
    前記複数の画素のそれぞれは、
    アバランシェフォトダイオードと、
    ゲート及びソースが前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチングトランジスタと、
    ソース及びドレインの一方が、前記クエンチングトランジスタのドレインに接続され、ソース及びドレインの他方が、前記共通リセット線に接続されたフォトダイオードリセットトランジスタと、を有する
    光検出器。
  2. 前記複数の画素のそれぞれは、更に、
    前記アバランシェフォトダイオードにより生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    ソース及びドレインの一方が、前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続され、ソース及びドレインの他方が、前記電荷蓄積部に接続されたトランスファーゲートトランジスタと、を有する
    請求項１に記載の光検出器。
  3. 更に、前記複数の画素に接続された読み出し線を備え、
    前記複数の画素のそれぞれは、更に、
    ソース及びドレインの一方が、前記電荷蓄積部に接続されたリセットトランジスタと、
    ゲートが前記電荷蓄積部に接続された増幅トランジスタと、
    ソース及びドレインの一方が、前記増幅トランジスタのソース及びドレインの一方に接続され、ソース及びドレインの他方が、前記読み出し線に接続された選択トランジスタと、を有する
    請求項２に記載の光検出器。
  4. 前記複数の画素のそれぞれは、更に、前記アバランシェフォトダイオードのカソードと、前記クエンチングトランジスタの前記ゲート及び前記ソースとの間に、
    前記クエンチングトランジスタの前記ゲート及び前記ソースに接続された、前記アバランシェフォトダイオードにより生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    ソース及びドレインの一方が、前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続され、ソース及びドレインの他方が、前記電荷蓄積部に接続されたトランスファーゲートトランジスタと、を有し
    前記アバランシェフォトダイオードのカソードと前記クエンチングトランジスタの前記ゲート及び前記ソースとが、前記電荷蓄積部と前記トランスファーゲートトランジスタとを介して接続される
    請求項１に記載の光検出器。
  5. 更に、前記複数の画素に接続された読み出し線を備え、
    前記複数の画素のそれぞれは、更に、
    ゲートが前記電荷蓄積部に接続された増幅トランジスタと、
    ソース及びドレインの一方が、前記増幅トランジスタのソース及びドレインの一方に接続され、ソース及びドレインの他方が、前記読み出し線に接続された選択トランジスタと、を有する
    請求項４に記載の光検出器。
  6. 前記複数の画素のそれぞれは、更に、
    ソース及びドレインの一方が、前記電荷蓄積部に接続されたカウントトランジスタと、
    前記カウントトランジスタのソース及びドレインの他方に接続されたカウントキャパシタと、を有する
    請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の光検出器。
  7. 前記クエンチングトランジスタは、前記アバランシェフォトダイオードのカソードの電位が、アバランシェ増倍が停止する電位であるとき、弱反転状態である
    請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光検出器。
  8. 前記フォトダイオードリセットトランジスタがオン状態である場合に、前記アバランシェフォトダイオードのカソードから前記共通リセット線までの電気経路の時定数が、１００ｐｓ以上である
    請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光検出器。
  9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光検出器を含む固体撮像装置であって、
    前記複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、
    前記複数の画素から、行単位で信号を読み出す列回路と、
    前記列回路が信号を読み出す対象とする行を選択する垂直転送回路と、
    前記複数の画素の全てに共通の信号線を駆動する全画素駆動ドライバと、
    前記列回路により読み出された信号を転送する水平転送回路と、
    前記水平転送回路により転送された信号を外部に出力する出力アンプと、を備える
    固体撮像装置。
  10. 被写体に照射する光を発光する光源と、
    請求項９に記載の固体撮像装置であって、前記被写体による、前記光源から発光された光の反射光を受光する固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号に基づいて、前記被写体までの距離を算出する信号処理装置と、を備える
    距離測定装置。
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