KR101901033B1 - 픽셀 레벨 바이어스 제어를 갖는 spad 어레이 - Google Patents

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Abstract

감지 디바이스는 감지 요소들의 어레이를 포함한다. 각각의 감지 요소는 p-n 접합부를 포함하는 포토다이오드, 및 p-n 접합부 상에 주입되는 단일 광자가 감지 요소로부터 출력된 애벌런치 펄스를 트리거시킬 정도로 충분한 마진만큼 p-n 접합부의 항복 전압을 초과하는 바이어스 전압으로 p-n 접합부를 역방향 바이어스하도록 커플링되는 로컬 바이어싱 회로를 포함한다. 바이어스 제어 회로는 감지 요소들 중 상이한 감지 요소들에서의 바이어스 전압을, 항복 전압을 초과하는 상이한 각자의 값들로 설정하도록 커플링된다.

Description

픽셀 레벨 바이어스 제어를 갖는 SPAD 어레이{SPAD ARRAY WITH PIXEL-LEVEL BIAS CONTROL}
본 발명은 대체로 광전자 디바이스들에 관한 것으로, 구체적으로는, 고감도 검출기 어레이들에 관한 것이다.
GAPD(Geiger-mode avalanche photodiode)들로도 알려진 SPAD(Single-photon avalanche diode)들은 개별 광자들을 매우 높은 도달 시간 분해능(time-of-arrival resolution)으로 수십 피코초 정도 캡처할 수 있는 검출기들이다. 그들은 전용 반도체 프로세스들 또는 표준 CMOS 기술들로 제조될 수 있다. 단일 칩 상에 제조된 SPAD 센서들의 어레이들은 3D 이미징 카메라들에서 실험적으로 사용되어 왔다. 샤르본(Charbon) 등은 TOF(time-of-flight) 범위 이미징 카메라들(TOF Range-Imaging Cameras) (Springer-Verlag, 2013)에 게시된 "SPAD 기반 센서들(SPAD-Based Sensors)"에서 SPAD 기술들의 유용한 검토를 제공하며, 상기 문헌은 본 명세서에서 참고로 포함된다.
SPAD에서, p-n 접합부는 접합부의 항복 전압보다 훨씬 높은 레벨에서 역방향 바이어스된다. 이러한 바이어스에서, 전기장은 주입 광자로 인해 공핍 층 내에 주입되는 단일 전하 캐리어가 자기 유지 애벌런치(self-sustaining avalanche)를 트리거할 수 있을 정도로 매우 크다. 애벌런치 전류 펄스의 리딩 에지(leading edge)는 검출된 광자의 도달 시간을 마킹한다. 전류는 애벌런치가 바이어스 전압을 항복 전압 이하로 낮춤으로써 퀀칭(quenching)될 때까지 계속된다. 바이어스 전압을 낮추는 이러한 기능은 퀀칭 회로에 의해 수행되는데, 이러한 회로는 단순히 SPAD와 직렬인 고저항 밸러스트 부하(high-resistance ballast load)를 포함할 수 있거나, 또는 대안으로 능동 회로 요소들을 포함할 수 있다.
하기에 기술되는 본 발명의 실시예들은 향상된 단일 광자 감지 어레이들 및 그들의 동작을 위한 방법들을 제공한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 감지 요소들의 어레이를 포함하는 감지 디바이스가 제공된다. 각각의 감지 요소는 p-n 접합부를 포함하는 포토다이오드, 및 p-n 접합부 상에 주입되는 단일 광자가 감지 요소로부터 출력된 애벌런치 펄스를 트리거시킬 정도로 충분한 마진만큼 p-n 접합부의 항복 전압을 초과하는 바이어스 전압으로 p-n 접합부를 역방향 바이어스하도록 커플링되는 로컬 바이어싱 회로를 포함한다. 바이어스 제어 회로는 감지 요소들 중 상이한 감지 요소들에서의 바이어스 전압을, 항복 전압을 초과하는 상이한 각자의 값들로 설정하도록 커플링된다.
일부 실시예들에서, 디바이스는 글로벌 바이어스 전압을 어레이 내의 감지 요소들 모두에 인가하도록 커플링되는 글로벌 바이어스 생성기 - 각각의 감지 요소 내의 로컬 바이어싱 회로는 초과 바이어스를 인가하여, 각각의 p-n 접합부에 걸친 바이어스 전압이 글로벌 바이어스 전압과 초과 바이어스의 합이 되게 하도록 구성됨 - 를 포함한다. 전형적으로, 각각의 감지 요소는 퀀칭 회로를 포함하며, 각각의 감지 요소 내의 포토다이오드, 로컬 바이어싱 회로 및 퀀칭 회로는 직렬로 함께 커플링된다.
개시된 실시예에서, 로컬 바이어싱 회로는, 각자의 입력 전압들을 제공하는 복수의 전압 라인들에 커플링되고, 입력 전압들을 선택 및 합산하여 p-n 접합부에 바이어스 전압을 제공하도록 구성되는 전압 가산기를 포함한다.
일부 실시예들에서, 바이어스 제어 회로는 감지 요소들 중 상이한 감지 요소들에서의 바이어스 전압을 설정하여 주입 광자들에 대한 감지 요소들의 감도를 등화시키도록 구성된다. 추가로 또는 대안으로, 바이어스 제어 회로는 특정 한도 초과의 잡음 레벨들을 갖는 감지 요소들 중 하나 이상의 감지 요소들을 식별하도록, 그리고 식별된 감지 요소들의 바이어스 전압을 설정하여 잡음 레벨들을 감소시키도록 구성된다.
또한, 추가로 또는 대안으로, 바이어스 제어 회로는 어레이의 선택된 영역 내의 감지 요소들의 바이어스 전압을 증가시켜, 선택된 영역 내의 감지 요소들이 특정 영역 외부의 감지 요소들의 감도를 초과하는 주입 광자들에 대한 감도를 갖게 하도록 구성된다. 일 실시예에서, 바이어스 제어 회로는 감지 요소들의 바이어스 전압을 수정하여 선택된 영역을 어레이에 걸쳐서 스위프(sweep)하도록 구성된다.
개시된 실시예에서, 감지 요소들의 어레이는 제1 반도체 칩 상에 형성된 감지 요소들의 제1의 2차원 매트릭스를 포함하고, 바이어스 제어 회로는 제2 반도체 칩 상에 형성되고 감지 요소들과 바이어스 제어 요소들 사이에서 1대1 대응으로 제1 매트릭스에 커플링된 바이어스 제어 요소들의 제2의 2차원 매트릭스를 포함한다. 전형적으로, 제2 반도체 칩은 감지 요소들로부터의 각자의 출력 펄스들을 수신하도록 커플링되는 프로세싱 회로들을 포함하고, 프로세싱 회로들은 각각의 감지 요소에 커플링되는 각자의 TDC(time-to-digital converter)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 감지 요소들의 어레이 - 각각의 감지 요소는, p-n 접합부를 포함하는 포토다이오드, 및 p-n 접합부 상에 주입되는 단일 광자가 감지 요소로부터 출력된 애벌런치 펄스를 트리거시킬 정도로 충분한 마진만큼 p-n 접합부의 항복 전압을 초과하는 바이어스 전압으로 p-n 접합부를 역방향 바이어스하도록 커플링되는 바이어싱 회로를 포함함 - 를 제공하는 단계를 포함하는 감지 방법이 제공된다. 바이어스 전압은 감지 요소들 중 상이한 감지 요소들에서 항복 전압을 초과하는 상이한 각자의 값들로 설정된다.
본 발명은 다음의 도면들과 함께 취해진 본 발명의 실시예들의 아래의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, SPAD 기반 감지 디바이스를 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, SPAD 어레이 내의 감지 요소의 컴포넌트들을 도시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이어스의 함수로서 주입 광자에 대한 SPAD 어레이 내의 검출기들의 응답들을 개략적으로 도시한 플롯이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 3개의 상이한 실시예들에 따른, SPAD 어레이 내의 픽셀의 컴포넌트들을 개략적으로 도시한 전기 회로 다이어그램들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로컬 바이어스 제어기를 개략적으로 도시한 전기 회로 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가변 감도를 갖는 SPAD 어레이를 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스캐닝된 감도 영역을 갖는 SPAD 어레이를 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
SPAD 감지 요소 상의 바이어스 전압이 항복 전압을 초과하는 마진은 감지 요소의 양자 효율 및 암 잡음(dark noise) 양측 모두를 결정한다. (초과 바이어스 전압에 의해 양자 효율 및 암 잡음 양측 모두가 증가한다.) 동시에, SPAD 어레이 내의 감지 요소들의 항복 전압들은, 전형적으로, 예를 들어 기하구조 및 도펀트 농도의 국부적인 변화들로 인해, 요소마다 다르다. 따라서, 바이어스가 각각의 포토다이오드에 걸친 동일한 총 바이어스 전압으로 전역적으로 인가되는 경우, 바이어스 전압이 항복 전압을 초과하는 마진은 마찬가지로 요소마다 달라서, 감지 요소들 사이에 감도 및 잡음 레벨의 변화들을 가져올 것이다.
본 명세서에서 기술되는 본 발명의 실시예들은 어레이 내의 상이한 감지 요소들의 바이어스 전압이 상이한 값들로 설정되게 함으로써 이러한 문제를 해결한다. 이러한 특징은 어레이에 걸쳐서 감도를 등화시키고 잡음 픽셀들을 작용하지 않게(quiet) 할 뿐 아니라, 어레이의 검출 능력들을 더 선택적이고 효율적으로 활용할 목적을 위해 의도적인 감도 변화들을 도입시키기 위해 활용될 수 있다. 본 발명의 원리들은, 예를 들어 TOF 측정에 기초하여 3D 카메라들에서 사용되는 것들과 같은 SPAD 이미징 어레이들뿐 아니라 SiPM(silicon photomultiplier) 디바이스들 및 다른 종류의 애벌런치 다이오드 어레이들에 적용될 수 있다.
개시된 실시예들에서, 감지 디바이스는 감지 요소들의 어레이를 포함하며, 감지 요소들 각각은 포토다이오드 및 바이어싱 회로를 포함한다. 각각의 감지 요소 내의 바이어싱 회로는 p-n 접합부 상에 주입되는 단일 광자가 감지 요소로부터 출력된 애벌런치 펄스를 트리거시킬 정도로 충분한 마진만큼 p-n 접합부의 접합부 항복 전압을 초과하는 바이어스 전압으로 포토다이오드의 p-n 접합부에 역방향 바이어스를 인가할 수 있다. 바이어스 제어 회로는 상이한 감지 요소들에서의 바이어스 전압들을, 항복 전압을 초과하는 상이한 각자의 값들로 설정한다.
일부 실시예들에서, 글로벌 바이어스 생성기가 글로벌 바이어스 전압을 어레이 내의 모든 감지 요소들에 인가하는 반면, 각각의 감지 요소 내의 로컬 바이어싱 회로는 글로벌 바이어스 외에도 초과 바이어스를 인가한다. 따라서, 각각의 p-n 접합부에 걸친 바이어스 전압은 글로벌 바이어스 전압과 초과 바이어스의 합이다(여기서, 초과 바이어스는 회로 구성에 따라 글로벌 바이어스에 대해 포지티브일 수 있거나 또는 네거티브일 수 있다). 전형적으로, 각각의 감지 요소는 또한 퀀칭 회로를 포함하며, 이때 각각의 감지 요소 내의 포토다이오드, 바이어싱 회로 및 퀀칭 회로는 직렬로 함께 커플링된다.
바이어스 제어 회로는 다양한 목적들을 달성하기 위해 상이한 감지 요소들 내의 바이어스 전압의 상이한 값들을 설정할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 바이어스 전압들은, 항복 전압에서의 차이들을 보상하도록, 그리고 이에 따라 주입 광자들에 대한 감지 요소들의 감도를 등화시키도록 설정된다. 대안으로 또는 추가로, 바이어스 제어 회로는 특정 한도 초과의 잡음 레벨들을 갖는 감지 요소들 중 하나 이상의 감지 요소들을 식별할 수 있고, 이들 식별된 감지 요소들의 바이어스 전압들을 설정하여 잡음 레벨들을 가능하게는 잡음 감지 요소들을 함께 중지시키는 정도까지 감소시킬 수 있다.
다른 실시예들에서, 바이어스 제어 회로는 어레이의 소정의 선택된 영역 내의 감지 요소들의 바이어스 전압을 증가시켜서, 이러한 영역 내의 감지 요소들이 그 영역 외부의 감지 요소들보다 주입 광자들에 대한 더 큰 감도를 갖게 한다. 전술된 바와 같이, 이러한 특징은, 예를 들어 어레이의 감응성 영역을 조명 광 빔의 형상 또는 이미징되는 장면 내의 관심 영역의 형상으로 조정함으로써, 어레이의 검출 능력들을 더 효율적으로 활용하는 데 유용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 바이어스 제어 회로는 감지 요소들의 바이어스 전압을 동적으로 수정하여, 선택된 영역을 어레이에 걸쳐서 스위프하도록 할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 감지 디바이스(20)를 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다. 디바이스(20)는, 하기에 추가로 기술되는 바와 같이, 감지 요소들(24)(픽셀들로도 지칭됨)의 어레이(22)를 포함하며, 각각의 감지 요소는 SPAD, 및 연관된 바이어싱 및 프로세싱 회로들을 포함한다. 글로벌 고전압 바이어스 생성기(26)는 글로벌 바이어스 전압을 어레이(22) 내의 모든 감지 요소들(24)에 인가한다. 또한, 각각의 감지 요소(24) 내의 로컬 바이어싱 회로(28)는 감지 요소에서의 글로벌 바이어스와 합산되는 초과 바이어스를 인가한다. 픽셀 바이어스 제어 회로(30)는 로컬 바이어싱 회로들(28)에 의해 인가되는 초과 바이어스 전압들을 상이한 감지 요소들에서의 상이한 각자의 값들로 설정한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 어레이(22) 내의 감지 요소들(24) 중 하나의 감지 요소의 컴포넌트들을 도시한 블록 다이어그램이다. 본 실시예에서의 어레이(22)는 제1 반도체 칩(32) 상에 형성된 감지 요소들의 2차원 매트릭스, 및 제2 반도체 칩(34) 상에 형성된 바이어스 제어 및 프로세싱 회로들의 제2의 2차원 매트릭스를 포함한다. (2개의 매트릭스들 각각의 단일 요소만이 도시되어 있다.) 칩들(32, 34)은 2개의 매트릭스들이 1대1 대응관계에 있도록 함께 커플링되어, 칩(32) 상의 각각의 감지 요소가 칩(34) 상의 대응하는 바이어스 제어 및 프로세싱 요소들과 접촉하게 된다.
칩들(32, 34) 양측 모두는, 본 명세서에서 기술되는 바와 같은 수반되는 바이어스 제어 및 프로세싱 회로들과 함께, 본 기술 분야에 공지되어 있는 SPAD 센서 설계들에 기초하여 주지의 CMOS 제조 프로세스들을 이용하여 실리콘 웨이퍼들로부터 제조될 수 있다. 대안으로, 본 명세서에서 기술되는 검출의 설계들 및 원리들은 다른 재료들 및 프로세스들을 이용하여 필요한 부분만 약간 수정하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 모든 컴포넌트들이 단일 칩 상에 형성될 수 있거나, 또는 칩들 사이의 컴포넌트들의 분포가 상이할 수 있다. 모든 그러한 대안의 구현예들은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.
감지 요소(24)는, 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 감광성 p-n 접합부를 포함하는 SPAD(36)를 포함한다. 퀀칭 회로(38) 및 로컬 바이어싱 회로(28)를 포함하는 주변기기 회로들이 전형적으로 SPAD와 함께 칩(32) 상에 위치된다. 전술된 바와 같이, SPAD(36)에 인가되는 실질적 바이어스는 바이어스 생성기(26)(도 1)에 의해 제공되는 글로벌 Vbias와 바이어싱 회로(28)에 의해 인가되는 초과 바이어스의 합이다. 픽셀 바이어스 제어 회로(30)는 칩(34) 상의 바이어스 메모리(40)에서의 대응하는 디지털 값을 설정함으로써 각각의 픽셀에 인가될 초과 바이어스를 설정한다.
각각의 캡처된 광자에 응답하여, SPAD(36)는 디지털 로직(42) 및 출력 버퍼(44)로서 구성된 메모리를 포함한 칩(34) 상의 프로세싱 회로들에 의해 수신되는 애벌런치 펄스를 출력한다. 이들 프로세싱 요소들은, 예를 들어 기준 시간에 대해 SPAD(36)에 의해 출력된 각각의 펄스의 지연을 측정하고 지연에 대응하는 디지털 데이터 값을 출력하는 TDC로서 기능하도록 구성될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 로직(42) 및 버퍼(44)는 펄스 지연 시간들의 히스토그램을 포함하는(그러나, 이로 제한되지는 않는) 다른 종류의 값들을 측정 및 출력할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 로컬 바이어싱 회로(28)에 의해 인가되는 바이어스의 함수로서 주입 광자에 대한 SPAD(36)의 응답들을 개략적으로 도시한 플롯이다. 이 도면은 바이어싱 회로(28)의 3개의 상이한 초과 바이어스 설정들에서 SPAD(36)에 의해 출력된 펄스들을 나타내는 3개의 곡선들(50, 52, 54)을 보여준다.
곡선(50)은, 초과 바이어스가 실질적으로 항복 전압을 초과하는 총 바이어스 전압을 p-n 접합부에 걸쳐 제공하도록 설정되는 경우에 대응한다. 이러한 설정에서, 감지 요소(24)는 높은 감도를 가지며, 주입 광자에 응답하여 SPAD(36)에 의해 출력된 애벌런치 펄스는 결과적으로 높은 진폭을 갖는다.
곡선(52)은 출력 펄스가 더 낮은 진폭을 갖게 되는 중간 바이어스 설정을 나타내며, 더 낮은 진폭은 더 낮은 감도를 의미한다. 동시에, 이러한 바이어스 설정에서의 암 잡음은 전형적으로 곡선(50)의 설정에 대한 것보다 더 낮을 것이다.
곡선(54)은 총 바이어스 전압이 p-n 접합부에 걸친 항복 전압 미만이 되도록 초과 바이어스가 설정되는 경우를 나타낸다. 이러한 바이어스 레벨에서, 감지 요소(24)는 본질적으로 턴오프되지만, 또한, 암 잡음을 디바이스(20)에 거의 또는 전혀 제공하지 않는다. 이러한 낮은 전체 바이어스 설정은 현재의 관심 영역 외부에 있는 픽셀들을 턴오프시킴으로써 디바이스(20)의 총 전력 소비를 감소시킬 뿐 아니라 잡음 픽셀들을 작용하지 않게 하는 데 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 바이어스 제어 회로(30)는 디바이스(20)가 동작하게 되기 전에 교정 절차에 참여한다. 그러한 절차에서, 어레이는 소정의 사전정의된 테스트 패턴(단순하게는, 균일한 저레벨 조명을 포함할 수 있음)으로 조명되고, 감지 요소들(24)의 출력들이 평가된다. 교정 결과들이 감지 요소들 사이에서의 감도 변화들을 보여주는 경우, 바이어스 제어 회로(30)는, 예를 들어 낮은 감도를 나타내는 감지 요소들에 대한 총 전압을 증가시킴으로써 그리고/또는 역으로 행함으로써, 감도를 등화시키도록 개별 픽셀 바이어스 전압들을 설정할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 바이어스 제어 회로가 특히 잡음이 있는(예를 들어 특정 한도 초과의 암 잡음 레벨을 갖는) 감지 요소를 식별하는 경우, 그것은, 곡선(54)에 의해 도시되는 바와 같이, 감지 요소를 전체적으로 턴오프시키는 것을 비롯해서, 잡음 레벨을 감소시키도록 이러한 감지 요소(24) 내의 로컬 바이어싱 회로(28)에 의해 인가되는 초과 바이어스 전압을 설정할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는, 본 발명의 3개의 상이한 실시예들에 따른, 어레이(22) 내의 칩(32) 내의 감지 요소의 컴포넌트들을 개략적으로 도시한 전기 회로 다이어그램들이다. 모든 실시예들에서, 포토다이오드(36), 로컬 바이어싱 회로(28), 및 퀀칭 회로(38)는 직렬로 함께 커플링된다. 글로벌 바이어스 전압 Vbias(또는, 등가적으로, 도 4b에서의 네거티브 바이어스 Vbd)는 글로벌 바이어스 생성기(26)에 의해 모든 감지 요소들(24)에 인가된다. 로컬 바이어싱 회로(28)는 SPAD(36)에 걸친 글로벌 바이어스와 합산되는 초과 바이어스 Vq를 인가한다. 전술된 바와 같이, 본 명세서 및 청구범위에서의 이러한 맥락에서 사용되는 바와 같은 "합산"이라는 용어는 포지티브 극성 합계 및 네거티브 극성 합계 양측 모두를 포함한다. 따라서, 도 4a 및 도 4c에서 SPAD(36)에 걸친 실질적 바이어스는 Vbias - Vq이며; 이들 실시예들에서 회로(28)에 의해 Vq를 증가시키는 것은 SPAD 상의 순 바이어스를 더 낮추게 된다. 퀀칭 회로(38)는 마찬가지로 SPAD(36)의 애노드 또는 캐스드 중 어느 하나에 커플링될 수 있고, SPAD로부터 출력된 펄스는 (도 4a 및 도 4c에서와 같이) AC-커플링될 수 있거나 또는 (도 4b에서와 같이) DC-커플링될 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 로컬 바이어싱 회로(28)의 상세사항들을 개략적으로 도시한 전기 회로 다이어그램이다. 이러한 예시적인 구현예에서, 로컬 바이어싱 회로(28)는 각자의 입력 저항기들(50)을 통해 각자의 입력 전압들 Voff(즉, 베이스라인 전압), V1, V2, ..., Vn을 제공하는 다수의 전압 라인들에 커플링되는 전압 가산기를 포함한다. 스위치들(52)은 합산되어 희망 초과 바이어스를 제공할 입력 전압들을 선택하기 위해 개로 또는 폐로 위치들로 설정되는 한편, 피드백 저항(56)을 갖는 연산 증폭기(54)는 입력 전압들을 합산하여 바이어스 전압 Vq를 SPAD(36)에 제공한다.
이러한 구현예는, 그것이 어레이(22)에 실질적으로 공급되어야 하는 전압 라인들의 개수를 최소화시키면서 픽셀 바이어스 제어 회로(30)가 상대적으로 넓은 범위의 값들로부터 각각의 감지 요소(24)에 의해 인가될 바이어스를 선택하게 할 수 있다는 점에서 유리하다. 스위치들(52)의 설정들은 전형적으로 바이어스 메모리(40)에 저장되고, 각각의 프레임 내의 스위치들을 설정하도록 하기 위해 판독된다. 스위치 설정들은 전술된 바와 같이 사전 교정될 수 있거나, 또는 그들은, 대안으로 또는 추가로, 하기에 기술되는 바와 같이, 디바이스(20)의 동작 동안에 동적으로 수정될 수 있다. 대안으로, 로컬 바이어싱 회로(28)는 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이 다른 종류의 전압 제어 메커니즘들을 포함할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 어레이(22) 내의 감지 요소들 사이에서 변화하는 감도를 갖는 디바이스(20)의 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다. 이러한 실시예에서, 바이어스 제어 회로(30)는 로컬 바이어싱 회로들(28)에 의해 인가되는 초과 바이어스 전압들을, 감지 요소들의 순 바이어스 전압 및 그에 따른 감도가 영역 외부보다 어레이의 소정 영역에서 더 높도록 설정한다. 구체적으로, 바이어스 전압 및 감도는 픽셀들(60)에서 최고이고, 주위 픽셀들(62)에서 더 낮고, 주변 픽셀들(64)에서 훨씬 더 낮다. 선택된 영역 외부의 픽셀들(66)에서의 바이어스는 이들 픽셀들이 턴오프되도록 설정된다. 이러한 경우에서의 선택된 영역이 어레이(22)의 중심에서 대략적으로 원형인 영역이지만, 임의의 적합한 형상의 임의의 영역이 이러한 양식으로 선택될 수 있다.
전술된 바와 같이, 이러한 실시예는, 특히, 어레이(22)의 감응성 영역을 조명 광 빔의 형상 또는 이미징되는 장면 내의 관심 영역의 형상으로 조정하는 데 유용하다. 예를 들어 감지 요소들(24)의 출력들이 함께 접속되는 SiPM 응용물들에서, 도 6의 구성은 신호에 기여하지 않을 픽셀들로부터의 배경 잡음을 감소시키면서 전력 소비에 대한 디바이스(20)의 감도를 최대화시키는 데 있어서 특히 도움이 된다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 스캐닝된 감도 영역(70)을 갖는 SPAD 어레이(22)를 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다. 이러한 경우에 있어서, 바이어스 제어 회로(30)는 영역(70) 내의 픽셀들(60, 62)의 바이어스 전압들을, 어레이(22) 내의 나머지 픽셀들보다 더 높은 값들로 설정한다. 바이어스 제어 회로(30)는 감지 요소들(24)의 바이어스 전압들을 동적으로, 그러나 도면에서 화살표로 도시된 바와 같이 영역(70)을 어레이에 걸쳐서 스위프하도록 수정한다. 회로(30)는, 예를 들어 어레이(22) 상에 이미징되는 장면을 가로지르는 레이저 빔의 스캐닝과 동기화하여 래스터 스캔으로 영역(70)을 스위프할 수 있다.
대안의 실시예(도면에 도시되지 않음)에서, 바이어스 제어 회로(30)는 로컬 바이어스 전압들을, 영역(70)이 어레이(22)의 하나 이상의 컬럼들을 따라서 연장되고 조명 빔의 선형 형상과 매칭되는 선형 형상을 갖도록 설정한다. 이어서, 회로(30)는 조명 빔과 동기화하여 이러한 선형 영역(70)을 어레이(22)에 걸쳐서 스위프할 수 있다. 대안으로, 규칙적인 스캔 패턴 및 적응적인 스캔 패턴 양측 모두를 포함하는 다른 스캔 패턴들이 구현될 수 있다.
전술된 실시예들은 예로서 인용되며 본 발명은 특히 상기의 본 명세서에서 도시되고 전술된 것에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 상기의 본 명세서에서 설명된 다양한 특징부들의 조합들 및 하위조합들 둘 모두를 포함할 뿐만 아니라 상기 설명을 읽을 때 통상의 기술자에게 생각이 떠오를 종래 기술에서 개시되지 않은 변형들 및 변경들도 포함한다.

Claims (20)

  1. 감지 디바이스로서,
    글로벌 바이어스 전압을 생성하도록 구성된 글로벌 바이어스 생성기;
    감지 요소들의 어레이 - 각각의 감지 요소는 상기 글로벌 바이어스 전압을 수신하도록 커플링되고, 각각의 감지 요소는,
    p-n 접합부를 포함하는 포토다이오드, 및
    상기 포토다이오드 및 상기 글로벌 바이어스 전압과 직렬로 커플링된 로컬 바이어싱 회로를 포함함 -; 및
    상기 감지 요소들 중 상이한 감지 요소들에서의 초과 바이어스 전압을, 상이한 각자의 값들로 설정하도록 커플링되는 바이어스 제어 회로
    를 포함하고,
    상기 로컬 바이어싱 회로는, 상기 p-n 접합부 상에 주입되는 단일 광자가 상기 감지 요소로부터 출력된 애벌런치 펄스를 트리거시킬 정도로 충분한 마진만큼 상기 p-n 접합부의 항복 전압보다 크고 상기 글로벌 바이어스 전압과 상기 초과 바이어스 전압의 합인 총 바이어스 전압으로 상기 p-n 접합부를 역방향 바이어스하기 위해, 상기 p-n 접합부에 걸쳐 상기 초과 바이어스 전압을 인가하도록 구성되는, 감지 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 각각의 감지 요소는 퀀칭(quenching) 회로를 포함하고, 각각의 감지 요소 내의 상기 포토다이오드, 상기 로컬 바이어싱 회로, 및 상기 퀀칭 회로는 직렬로 함께 커플링되는, 감지 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 로컬 바이어싱 회로는, 각자의 입력 전압들을 제공하는 복수의 전압 라인들에 커플링되고, 상기 입력 전압들을 선택 및 합산하여 상기 p-n 접합부에 인가되는 초과 바이어스 전압을 설정하도록 구성되는 전압 가산기를 포함하는, 감지 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 제어 회로는 상기 감지 요소들 중 상이한 감지 요소들에서의 초과 바이어스 전압을 설정하여 주입 광자들에 대한 상기 감지 요소들의 감도를 등화시키도록 구성되는, 감지 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 제어 회로는 특정 한도 초과의 잡음 레벨들을 갖는 상기 감지 요소들 중 하나 이상의 감지 요소들을 식별하도록, 그리고 상기 식별된 감지 요소들의 초과 바이어스 전압을 설정하여 상기 잡음 레벨들을 감소시키도록 구성되는, 감지 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 제어 회로는 상기 어레이의 선택된 영역 내의 상기 감지 요소들의 총 바이어스 전압을 증가시켜, 상기 선택된 영역 내의 상기 감지 요소들이 상기 선택된 영역의 외부의 상기 감지 요소들의 감도를 초과하는 감도를 주입 광자들에 대해 갖게 하도록 구성되는, 감지 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 바이어스 제어 회로는 상기 감지 요소들의 초과 바이어스 전압을 수정하여 상기 선택된 영역을 상기 어레이에 걸쳐서 스위프(sweep)하도록 구성되는, 감지 디바이스.
  9. 제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지 요소들의 어레이는 제1 반도체 칩 상에 형성된 상기 감지 요소들의 제1의 2차원 매트릭스를 포함하고, 상기 바이어스 제어 회로는 제2 반도체 칩 상에 형성되고 상기 감지 요소들과 바이어스 제어 요소들 사이에서 1대1 대응으로 상기 제1의 2차원 매트릭스에 커플링된 상기 바이어스 제어 요소들의 제2의 2차원 매트릭스를 포함하는, 감지 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 반도체 칩은 상기 감지 요소들로부터의 각자의 출력 펄스들을 수신하도록 커플링되는 프로세싱 회로들을 포함하고, 상기 프로세싱 회로들은 각각의 감지 요소에 커플링되는 각자의 TDC(time-to-digital converter)를 포함하는, 감지 디바이스.
  11. 감지 방법으로서,
    글로벌 바이어스 전압을 생성하는 단계;
    감지 요소들의 어레이를 제공하는 단계 - 각각의 감지 요소는 상기 글로벌 바이어스 전압을 수신하도록 커플링되고, 각각의 감지 요소는,
    p-n 접합부를 포함하는 포토다이오드, 및
    상기 포토다이오드 및 상기 글로벌 바이어스 전압과 직렬로 커플링된 로컬 바이어싱 회로를 포함함 -; 및
    상기 감지 요소들 중 상이한 감지 요소들에서의 초과 바이어스 전압을, 상이한 각자의 값들로 설정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 로컬 바이어싱 회로는, 상기 p-n 접합부 상에 주입되는 단일 광자가 상기 감지 요소로부터 출력된 애벌런치 펄스를 트리거시킬 정도로 충분한 마진만큼 상기 p-n 접합부의 항복 전압보다 크고 상기 글로벌 바이어스 전압과 상기 초과 바이어스 전압의 합인 총 바이어스 전압으로 상기 p-n 접합부를 역방향 바이어스하기 위해, 상기 p-n 접합부에 걸쳐 상기 초과 바이어스 전압을 인가하도록 구성되는, 감지 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서, 각각의 감지 요소는 퀀칭 회로를 포함하고, 상기 어레이를 제공하는 단계는 각각의 감지 요소 내의 상기 포토다이오드, 상기 로컬 바이어싱 회로, 및 상기 퀀칭 회로를 직렬로 함께 커플링하는 단계를 포함하는, 감지 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 로컬 바이어싱 회로는 각자의 입력 전압들을 제공하는 복수의 전압 라인들에 커플링되는 전압 가산기를 포함하고, 상기 초과 바이어스 전압을 설정하는 단계는 상기 입력 전압들을 선택 및 합산하여 상기 초과 바이어스 전압을 상기 p-n 접합부에 제공하는 단계를 포함하는, 감지 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 감지요소들 중 상이한 감지 요소들에서의 상기 초과 바이어스 전압은 주입 광자들에 대한 상기 감지 요소들의 감도를 등화시키도록 설정되는, 감지 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 초과 바이어스 전압을 설정하는 단계는 특정 한도 초과의 잡음 레벨들을 갖는 상기 감지 요소들 중 하나 이상의 감지 요소들을 식별하는 단계, 및 상기 잡음 레벨들을 감소시키도록 상기 식별된 감지 요소들의 바이어스 전압을 설정하는 단계를 포함하는, 감지 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 초과 바이어스 전압을 설정하는 단계는 상기 어레이의 선택된 영역 내의 상기 감지 요소들의 총 바이어스 전압을 증가시켜, 상기 선택된 영역 내의 상기 감지 요소들이 상기 선택된 영역의 외부의 상기 감지 요소들의 감도를 초과하는 감도를 주입 광자들에 대해 갖도록 하는 단계를 포함하는, 감지 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 총 바이어스 전압을 증가시키는 단계는 상기 감지 요소들의 초과 바이어스 전압을 수정하여 상기 선택된 영역을 상기 어레이에 걸쳐서 스위프하도록 하는 단계를 포함하는, 감지 방법.
  19. 제11항, 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지 요소들의 어레이를 제공하는 단계는 제1 반도체 칩 상에 형성된 상기 감지 요소들의 제1의 2차원 매트릭스를 제공하는 단계, 및 제2 반도체 칩 상에 형성되고 상기 감지 요소들과 바이어스 제어 요소들 사이에서 1대1 대응으로 상기 제1의 2차원 매트릭스에 커플링된 상기 바이어스 제어 요소들의 제2의 2차원 매트릭스를 제공하는 단계를 포함하는, 감지 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 반도체 칩은 상기 감지 요소들로부터의 각자의 출력 펄스들을 수신하도록 커플링되는 프로세싱 회로들을 포함하고, 상기 프로세싱 회로들은 각각의 감지 요소에 커플링되는 각자의 TDC를 포함하는, 감지 방법.
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