KR102659875B1 - 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈 - Google Patents

광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR102659875B1
KR102659875B1 KR1020187020412A KR20187020412A KR102659875B1 KR 102659875 B1 KR102659875 B1 KR 102659875B1 KR 1020187020412 A KR1020187020412 A KR 1020187020412A KR 20187020412 A KR20187020412 A KR 20187020412A KR 102659875 B1 KR102659875 B1 KR 102659875B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pixels
pixel
photoelectric conversion
conversion element
resistor
Prior art date
Application number
KR1020187020412A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180095029A (ko
Inventor
고에이 야마모토
시게유키 나카무라
데루마사 나가노
겐이치 사토
Original Assignee
하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2015248637A external-priority patent/JP6650261B2/ja
Priority claimed from JP2015248640A external-priority patent/JP6734644B2/ja
Priority claimed from JP2015248641A external-priority patent/JP6543565B2/ja
Application filed by 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤 filed Critical 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Publication of KR20180095029A publication Critical patent/KR20180095029A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102659875B1 publication Critical patent/KR102659875B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02027—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for devices working in avalanche mode
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K23/00—Pulse counters comprising counting chains; Frequency dividers comprising counting chains
    • H03K23/78—Pulse counters comprising counting chains; Frequency dividers comprising counting chains using opto-electronic devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/10—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void
    • G01J1/20—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/247—Detector read-out circuitry
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array

Abstract

공통의 반도체 기판(30)에 형성되고, 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 픽셀(10)과, 상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀(10)에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀(11)과 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제1 픽셀(11)로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선(21)과, 상기 반도체 기판(30)상에 형성되고 상기 복수의 픽셀(10)에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀(12)과 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제2 픽셀(12)로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선(22)을 구비하고, 상기 제1 픽셀(11)의 수광 면적이 상기 제2 픽셀(12)의 수광 면적보다도 큰 광전 변환 소자이다.

Description

광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈
본 발명의 일 측면은 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 방사선 화상 판독 장치가 개시되어 있다. 이 방사선 화상 판독 장치는 방사선 화상이 기록된 휘진성(輝盡性) 형광체층에 여기광을 주사하여 얻어지는 화상 정보를 읽어내기 위한 광전 변환 소자를 구비하고 있다. 광전 변환 소자는 포토 다이오드 및 실리콘 광전자 증배관을 가진다. 그리고, 광전 변환 소자에 의해 읽어내지는 휘진광의 광량에 따라, 화상 정보를 읽어내는 광전 변환 소자를 포토 다이오드와 실리콘 광전자 증배관의 사이에서 전환한다.
특허문헌 1: 일본 특개 2008-287165호 공보
미약한 광을 검출하기 위한 광전 변환 소자로서, 근래, 애벌란시 포토 다이오드(이하, APD(Avalanche Photo Diode))로 이루어지는 픽셀이 이차원 모양으로 배치되어 이루어지는 것이 알려져 있다. 이러한 광전 변환 소자에서는, 각 픽셀에 공통의 바이어스 전압을 공급함과 아울러, 각 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 수집하여 포톤 카운팅(photon counting)을 행함으로써, 포토 다이오드 어레이로의 미약한 입사광량을 정밀도 좋게 측정할 수 있다. 이러한 광전 변환 디바이스로서는, 예를 들면 하마마츠 포토닉스사제(製) MPPC(등록상표)가 있다.
그렇지만, 이러한 광전 변환 소자의 적용 범위의 확대에 따라서, 미약 광량에서부터 비교적 큰 광량까지 폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있는 것이 요구되고 있다. 본 발명의 일 측면은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있는 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 소자는, 공통의 반도체 기판에 형성되고, APD를 각각 포함하는 복수의 픽셀과, 반도체 기판상에 형성되고 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀과 전기적으로 접속되어, 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선과, 반도체 기판상에 형성되고 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀과 전기적으로 접속되어, 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선을 구비하고, 제1 픽셀의 수광 면적은 제2 픽셀의 수광 면적보다도 크다.
이 광전 변환 소자에서는, 수광 면적이 상이한 2종류의 픽셀이 복수의 픽셀에 포함되어 있다. 즉, 수광 면적이 비교적 큰 2 이상의 제1 픽셀에서는, 입사광량이 미약한 경우에도 높은 PDE(Photon Detection Efficiency)로 출력 전류로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 높은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 검출 가능한 입사광량의 하한을 보다 작게 할 수 있다. 한편, 수광 면적이 비교적 작은 2 이상의 제2 픽셀에서는, 입사광량이 비교적 큰 경우에도 낮은 PDE로 출력 전류로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 낮은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 상기의 광전 변환 소자에 의하면, 입사광량에 따라 제1 배선 또는 제2 배선으로부터 선택적으로 출력 전류를 취출함으로써, 미약 광량에서부터 비교적 큰 광량까지 폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있다.
상기의 광전 변환 소자에 있어서, 2 이상의 제2 픽셀이 제1 영역 내에 배치되고, 2 이상의 제1 픽셀이 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역 내에 배치되어도 된다. 일반적으로, 입사광의 광축이 광전 변환 소자의 수광면의 중심으로 조정되어 있는 경우, 수광면의 중심 부근에 있어서 광량이 가장 커진다. 상기와 같이 제1 및 제2 픽셀을 배치함으로써, 광량이 비교적 큰 영역에 제2 픽셀을 배치하고, 광량이 비교적 작은 영역에 제1 픽셀을 배치할 수 있다. 따라서, 입사광량을 보다 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
상기의 광전 변환 소자에 있어서, K1개(K1는 2 이상의 정수)의 제2 픽셀을 각각 포함하는 복수의 제3 영역과, L개(L은 1 이상의 정수, K1＞L)의 제1 픽셀을 각각 포함하는 복수의 제4 영역이 혼재되어 이차원 모양으로 배열되어도 된다. 혹은, 제1 픽셀과, K2개(K2는 1 이상의 정수)의 제2 픽셀을 각각 포함하는 복수의 영역이 이차원 모양으로 배열되어도 된다. 이들과 같은 배열에 의해서도, 상술한 본 발명의 일 측면의 광전 변환 소자에 의한 효과를 바람직하게 달성할 수 있다.
상기의 광전 변환 소자에 있어서, 제2 픽셀의 ??칭(quenching) 저항의 저항값이, 제1 픽셀의 ??칭 저항의 저항값보다도 커도 된다. 이것에 의해, 제2 픽셀로부터 출력되는 전류의 크기가 억제되므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 더욱 크게 할 수 있다.
상기의 광전 변환 소자에 있어서, 제2 픽셀에 인가되는 바이어스 전압은, 제1 픽셀에 인가되는 바이어스 전압보다도 작아도 된다. 이것에 의해, 대응 가능한 광량 레인지를 더욱 확대할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 소자는, 공통의 반도체 기판에 형성되고, 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 픽셀과, 반도체 기판상에 형성되고 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되고, 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선과, 반도체 기판상에 형성되고 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선을 구비한다. 제2 픽셀의 ??칭 저항의 저항값은, 제1 픽셀의 ??칭 저항의 저항값보다도 크다.
이 광전 변환 소자에서는, 제2 픽셀의 ??칭 저항의 저항값이, 제1 픽셀의 ??칭 저항의 저항값보다도 크다. ??칭 저항의 저항값이 비교적 작은 2 이상의 제1 픽셀에서는, 입사광량이 미약한 경우에도 비교적 큰 전류를 출력할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 높은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 검출 가능한 입사광량의 하한을 작게 할 수 있다. 한편, ??칭 저항의 저항값이 비교적 큰 2 이상의 제2 픽셀에서는, 입사광량이 비교적 큰 경우에도 비교적 작은 전류를 출력할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 낮은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 상기의 광전 변환 소자에 의하면, 입사광량에 따라 제1 배선 또는 제2 배선으로부터 선택적으로 출력 전류를 취출함으로써, 미약 광량에서부터 비교적 큰 광량까지 폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있다.
상기의 광전 변환 소자에 있어서, 제1 픽셀의 수광 면적과 제2 픽셀의 수광 면적은 서로 대략 같아도 된다. 이것에 의해, 종래의 광전 변환 소자에 대해서 ??칭 저항의 저항값을 변경하는 것만으로, 상기의 효과를 용이하게 얻을 수 있다.
상기의 광전 변환 소자에 있어서, 제2 픽셀의 ??칭 저항은 제1 픽셀의 ??칭 저항보다도 길어도 된다. 혹은, 제2 픽셀의 ??칭 저항의 연장 방향과 교차하는 방향의 폭은, 제1 픽셀의 ??칭 저항의 연장 방향과 교차하는 방향의 폭보다도 좁아도 된다. 예를 들면 이들 중 적어도 한쪽의 구성을 채용함으로써, 제2 픽셀의 ??칭 저항의 저항값을, 제1 픽셀의 ??칭 저항의 저항값보다도 용이하게 크게 할 수 있다.
상기의 광전 변환 소자에 있어서, 제2 픽셀에 인가되는 바이어스 전압은, 제1 픽셀에 인가되는 바이어스 전압보다도 작아도 된다. 이것에 의해, 대응 가능한 광량 레인지를 더욱 확대할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 소자는, 공통의 반도체 기판에 형성되고, 공통의 바이어스 전압에 의해 동작하는 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 픽셀과, 반도체 기판상에 형성되어 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀과 전기적으로 접속되어, 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선과, 반도체 기판상에 형성되고 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀과 전기적으로 접속되어, 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선과, 제1 배선과 정전위선(定電位線)의 사이에 접속되어, 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 제1 전압 신호로 변환하는 제1 저항과, 제2 배선과 정전위선의 사이에 접속되어, 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 제2 전압 신호로 변환하는 제2 저항을 구비하고, 제2 저항의 저항값이 제1 저항의 저항값보다도 작다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 모듈은, 광전 변환 소자와, 광전 변환 소자로부터의 출력 전류를 읽어내는 판독 회로를 구비하는 광전 변환 모듈로서, 광전 변환 소자는 공통의 반도체 기판에 형성되고, 공통의 바이어스 전압에 의해 동작하는 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 픽셀과, 반도체 기판상에 형성되고 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀과 전기적으로 접속되어, 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선과, 반도체 기판상에 형성되고 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀과 전기적으로 접속되어, 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선을 가지고, 판독 회로 또는 광전 변환 소자는 제1 배선과 정전위선의 사이에 접속되어, 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 제1 전압 신호로 변환하는 제1 저항과, 제2 배선과 정전위선의 사이에 접속되어, 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 제2 전압 신호로 변환하는 제2 저항을 가지고, 제1 저항의 저항값이 제2 저항의 저항값보다도 크다.
이들 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈에서는, 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 전압 신호로 변환하는 제1 저항의 저항값이, 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 전압 신호로 변환하는 제2 저항의 저항값보다도 크다. 이것에 의해, 입사광량이 미약한 경우에도, 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 비교적 큰 증폭율로 전압 신호로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 높은 게인으로 전압 신호를 출력할 수 있으므로, 포톤 카운팅을 정밀도 좋게 행할 수 있다. 한편, 입사광량이 비교적 큰 경우에도, 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 비교적 작은 증폭율로 전압 신호로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 낮은 게인으로 전압 신호를 출력할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 상기의 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈에 의하면, 입사광량에 따라 제1 전압 신호 또는 제2 전압 신호를 선택함으로써, 미약 광량에서부터 비교적 큰 광량까지 폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있다.
또한, 상기의 광전 변환 모듈에 관해서는, 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하기 위한 배선을 2종류(제1 및 제2 배선) 마련하는 점을 제외하고, 종래의 광전 변환 소자와 같은 구성을 채용할 수 있다. 따라서, 광전 변환 소자의 설계가 매우 용이하고, 종래의 광전 변환 소자로부터의 특성의 변화를 작게 억제할 수 있다.
또한, 상기의 광전 변환 모듈에 있어서, 판독 회로는 제1 전압 신호에 기초하여, 2 이상의 제1 픽셀로부터 출력되는 전류 펄스를 카운트하는 포톤 카운팅 회로와, 제2 전압 신호에 대응하는 디지털 신호를 생성하는 A/D 컨버터를 가져도 된다. 이것에 의해, 미약 광량에서부터 비교적 큰 광량까지 폭넓은 광량 레인지에 대응하는 신호를 바람직하게 읽어낼 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있는 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면의 일 실시 형태에 따른 광전 변환 소자의 평면도이다.
도 2는 수광면의 일부를 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 3은 광전 변환 소자의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 외부 회로의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 일 변형예에 따른 광전 변환 소자의 평면도이다.
도 6은 다른 변형예에 따른 광전 변환 소자의 평면도이다.
도 7의 (a)는 제3 영역을 확대하여 나타내는 평면도이고, 도 7의 (b)는 제4 영역을 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 8은 또 다른 변형예에 따른 광전 변환 소자의 평면도이다.
도 9는 제3 변형예에 따른 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 측면의 일 실시 형태에 따른 광전 변환 소자의 평면도이다.
도 11은 수광면의 일부를 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 12는 광전 변환 소자의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 13은 외부 회로의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14는 제1 변형예로서, ??칭 저항의 형상의 예를 나타내는 도면이다.
도 15는 제2 변형예에 따른 광전 변환 소자의 평면도이다.
도 16은 수광면의 일부를 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 17은 광전 변환 소자의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 18은 제3 변형예에 따른 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 측면의 일 실시 형태에 따른 광전 변환 소자의 평면도이다.
도 20은 수광면의 일부를 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 21은 광전 변환 소자의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 22는 외부 회로의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 23은 제1 변형예에 따른 광전 변환 소자의 평면도이다.
도 24는 수광면의 일부를 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 25는 광전 변환 소자의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 26은 제2 변형예에 따른 외부 회로의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
［제1 실시 형태］
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 소자의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 측면의 일 실시 형태에 따른 광전 변환 소자(1A)의 평면도이다. 광전 변환 소자(1A)는 반도체 기판(30)을 구비하고 있고, 반도체 기판(30)의 주면(主面)상은 광을 받는 수광부(3A)로 되어 있다. 수광부(3A)에서는, 복수의 픽셀(10)이 이차원 모양으로 배열되어 있다. 복수의 픽셀(10)은 공통의 바이어스 전압에 의해 동작하는 APD를 각각 포함하여 구성되어 있다.
복수의 픽셀(10)에는 2 이상의 제1 픽셀(11)과, 2 이상의 제2 픽셀(12)이 포함된다. 제1 픽셀(11)의 수광 면적(실효적인 유감(有感) 영역)은, 제2 픽셀(12)의 수광 면적보다도 크다. 일례에서는, 서로 이웃하는 제1 픽셀(11)끼리의 피치(중심 간격)는 50μm이고, 서로 이웃하는 제2 픽셀(12)끼리의 피치(중심 간격)는 10μm이다. 또한, 각 픽셀의 개구율은, 수광 면적이 클수록 커진다. 본 실시 형태에서는, 제1 픽셀(11)이 열방향으로 늘어서서 배치되어 이루어지는 제1 픽셀열(11A)과, 제2 픽셀(12)이 열방향으로 늘어서서 배치되어 이루어지는 제2 픽셀열(12A)이, 행방향으로 교호(交互)로 늘어서 있다. 제1 픽셀열(11A)의 하나의 열당 픽셀수는, 제2 픽셀열(12A)의 하나의 열당 픽셀수보다도 적다.
광전 변환 소자(1A)는 신호 판독용의 제1 배선(21) 및 제2 배선(22)을 추가로 구비하고 있다. 제1 배선(21)은 2 이상의 제1 픽셀(11)과 전기적으로 접속되어 있어, 이들 제1 픽셀(11)로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출한다. 제2 배선(22)은 2 이상의 제2 픽셀(12)과 전기적으로 접속되어 있어, 이들 제2 픽셀(12)로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출한다.
도 2는 수광부(3A)의 일부를 확대하여 나타내는 평면도이다. 도 2에 도시되는 것처럼, 제1 픽셀(11)의 APD와 제1 배선(21)은, ??칭 저항(23)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 바꾸어 말하면, ??칭 저항(23)의 일단이 제1 픽셀(11)의 APD와 전기적으로 접속되고, 타단이 제1 배선(21)과 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 제2 픽셀(12)의 APD와 제2 배선(22)은, ??칭 저항(24)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 바꾸어 말하면, ??칭 저항(24)의 일단이 제2 픽셀(12)의 APD와 전기적으로 접속되고, 타단이 제2 배선(22)과 전기적으로 접속되어 있다.
제2 픽셀(12)의 ??칭 저항(24)의 저항값은, 상기 제1 픽셀(11)의 ??칭 저항(23)의 저항값보다도 커도 된다. 일례에서는, ??칭 저항(24)의 저항값은 1MΩ이고, ??칭 저항(23)의 저항값은 250kΩ이다. 이러한 ??칭 저항의 저항값의 상위(相違)는, 예를 들면 ??칭 저항의 단면적을 서로 다르게 하거나, 혹은 ??칭 저항의 길이를 서로 다르게 함으로써 실현된다. 도 2에 도시되는 예에서는, ??칭 저항(23)의 저항값을 작게 하기 위해서 ??칭 저항(23)을 직선 모양으로 배치하고, 또 ??칭 저항(24)의 저항값을 크게 하기 위해서 ??칭 저항(24)을 나선 모양으로 배치하고 있다. ??칭 저항(23, 24)은, 예를 들면 광 투과성(반투명)의 도전성 재료로 이루어진다.
도 3은 광전 변환 소자(1A)의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 광전 변환 소자(1A)는 반도체 기판(30)을 구비하고 있다. 상술한 복수의 픽셀(10)은 이 공통의 반도체 기판(30)에 형성되어 있다. 구체적으로는, 반도체 기판(30)은 주면(30a) 및 이면(裏面, 30b)을 가지고 있고, 이면(30b)상의 전면(全面)에는 하면(下面) 전극(캐소드)(31)이 마련되어 있다. 또한, 반도체 기판(30)은 이면(30b)을 포함하여 n형 Si로 이루어지는 영역(30c)과, 주면(30a)을 포함하여 p형 Si로 이루어지는 영역(30d)이 적층되어 이루어진다. 주면(30a)을 포함하는 영역(30d)의 내부에는, 제1 픽셀(11)을 구성하는 p형 반도체 영역(32a)과, 제2 픽셀(12)을 구성하는 p형 반도체 영역(32b)이, 서로 간격을 두고 늘어서서 형성되어 있다. p형 반도체 영역(32a, 32b)은 예를 들면 p형 Si로 이루어진다. 제1 픽셀(11)의 APD는 p형 반도체 영역(32a) 바로 아래의 영역(30d)과 영역(30c)이 pn접합을 이룸으로써 구성되어 있다. 마찬가지로, 제2 픽셀(12)의 APD는 p형 반도체 영역(32b) 바로 아래의 영역(30d)과 영역(30c)이 pn접합을 이룸으로써 구성되어 있다.
제1 픽셀(11)의 수광 면적은, 반도체 기판(30)의 두께 방향에서 본 p형 반도체 영역(32a)의 면적에 의해서 규정된다. 마찬가지로, 제2 픽셀(12)의 수광 면적은, 같은 방향에서 본 p형 반도체 영역(32b)의 면적에 의해서 규정된다. 즉, p형 반도체 영역(32a)의 면적은, p형 반도체 영역(32b)의 면적보다도 크다.
주면(30a)상의 전면에는, 제1 절연막(33)이 마련되어 있다. 제1 절연막(33)은, 예를 들면 SiO2, SiN과 같은 절연성 실리콘 화합물에 의해서 구성될 수 있다. p형 반도체 영역(32a)상이면서 또한 제1 절연막(33)상에는 컨택트 전극(애노드)(34a)이 마련되어 있다. 컨택트 전극(34a)은 제1 절연막(33)에 형성된 개구를 통해서 p형 반도체 영역(32a)과 접촉하고 있다. 마찬가지로, p형 반도체 영역(32b)상이면서 또한 제1 절연막(33)상에는 컨택트 전극(애노드)(34b)이 마련되어 있다. 컨택트 전극(34b)은 제1 절연막(33)에 형성된 개구를 통해서 p형 반도체 영역(32b)과 접촉하고 있다.
제1 배선(21) 및 제2 배선(22)은 금속제이고, 반도체 기판(30)상에 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 배선(21) 및 제2 배선(22)은, p형 반도체 영역(32a) 및 p형 반도체 영역(32b) 중 어느 것도 형성되어 있지 않은 반도체 기판(30)의 영역상에 위치하는 제1 절연막(33)상에 마련되어 있다.
제1 배선(21) 및 제2 배선(22), 제1 절연막(33), 및 컨택트 전극(34a 및 34b)은, 제2 절연막(35)에 의해서 덮여 있다. 제2 절연막(35)은 반도체 기판(30)상의 전면을 덮고 있고, 예를 들면 SiO2, SiN과 같은 절연성 실리콘 화합물에 의해서 구성될 수 있다. 전술한 ??칭 저항(23, 24)은 제2 절연막(35)상에 마련되어 있다. ??칭 저항(23)의 일단 및 타단 각각은, 제2 절연막(35)에 형성된 개구를 통해서, 컨택트 전극(34a) 및 제1 배선(21)의 각각과 전기적으로 접속되어 있다. ??칭 저항(24)의 일단 및 타단 각각은, 제2 절연막(35)에 형성된 개구를 통해서, 컨택트 전극(34b) 및 제2 배선(22)의 각각과 전기적으로 접속되어 있다.
여기서, 본 실시 형태의 광전 변환 소자(1A)로부터 신호를 읽어내기 위한 외부 회로의 구성예에 대해 설명한다. 도 4는 외부 회로의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4에 도시되는 것처럼, 복수의 픽셀(10)의 각 APD의 캐소드 즉 하면 전극(31)(도 3 참조)에는, 공통의 바이어스 전압 HV가 인가된다.
제1 픽셀(11)의 APD의 애노드는, ??칭 저항(23) 및 제1 배선(21)을 통해서, 광전 변환 소자(1A)의 외부에 마련된 저항(41)의 일단에 접속된다. 저항(41)의 타단은 기준 전위(GND)선(51)에 접속된다. 그리고, 저항(41)의 일단은 포톤 카운팅 회로(60)에 접속되어 있고, 저항(41)에 있어서의 강하 전압이, 포톤 카운팅 회로(60)에 입력된다.
포톤 카운팅 회로(60)는 콤퍼레이터(61)와 카운터(62)를 포함한다. 콤퍼레이터(61)는 D/A 컨버터(63)에 의해서 생성된 기준 전압과, 저항(41)에 있어서의 강하 전압을 비교한다. 그리고, 저항(41)에 있어서의 강하 전압이 기준 전압을 초과했을 때(즉 임계치를 초과하는 전류 펄스가 제1 픽셀(11)로부터 출력되었을 때), 신호를 카운터(62)에 보낸다. 카운터(62)는 콤퍼레이터(61)로부터 신호가 보내진 횟수를 카운트한다. 그 카운트값은 모든 제1 픽셀(11)로의 입사광량에 상당한다.
제2 픽셀(12)의 APD의 애노드는, ??칭 저항(24) 및 제2 배선(22)을 통해서, 광전 변환 소자(1A)의 외부에 마련된 저항(42)의 일단에 접속된다. 저항(42)의 타단은 기준 전위(GND)선(51)에 접속된다. 그리고, 저항(42)의 일단은 증폭 회로(70)및 피크 홀드 회로(71)를 통해서, A/D 컨버터(72)에 접속되어 있다. 저항(42)에 있어서의 강하 전압은, 증폭 회로(70)에 의해서 증폭된 후, 피크 홀드 회로(71)에 의해서 유지된다. 그리고, 유지된 전압이, A/D 컨버터(72)에 입력된다. A/D 컨버터(72)는 입력된 전압 신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환한다. 그 디지털값은, 모든 제2 픽셀(12)로의 입사광량에 상당한다.
카운터(62)로부터 출력되는 카운트값 및 A/D 컨버터(72)로부터 출력되는 디지털값은, 신호 처리부(80)로 보내진다. 신호 처리부(80)는 이들 카운트값 및 디지털값 중 유의(有意)한 값을 가지는 쪽을 채용하고, 그 값에 기초하여 입사광량을 특정한다.
이상에 설명한, 본 실시 형태의 광전 변환 소자(1A)에 의해서 얻어지는 효과에 대해 설명한다. APD를 포함하는 등면적의 픽셀이 복수 배열되어 이루어지는 종래의 광전 변환 소자(APD 어레이)에 있어서는, 각 픽셀의 수광 면적과 다이나믹 레인지는 트레이드 오프의 관계에 있다. 즉, 각 픽셀의 수광 면적이 큰(픽셀 사이의 피치가 긴) 광전 변환 소자에서는, 개구율을 크게 설계할 수 있으므로, 입사광량이 매우 작은 경우에도, 적은 포톤을 정밀도 좋게 검출할 수 있다. 이것에 반해, 각 픽셀의 수광 면적이 작은(픽셀 사이의 피치가 짧은) 광전 변환 소자에서는, 단위면적당 픽셀수가 많아지므로, 대기 상태의 픽셀이 많아져, 동시 입사되는 포톤수가 많은 경우에도 양호한 추종성(linearity)을 가질 수 있다. 또한, 각 픽셀의 용량값이 작아지므로, 각 픽셀의 용량과 ??칭 저항에 의해 생기는 필터 작용이 약해져, 출력 전류의 시간 파형이 보다 샤프해진다. 따라서, 포톤 검출 후, 다시 대기 상태로 돌아갈 때까지의 시간도 짧기 때문에, 시간적인 다이나믹 레인지에 대해서도 유리하다.
본 실시 형태의 광전 변환 소자(1A)에서는, 수광 면적이 상이한 2종류의 픽셀(11, 12)이 복수의 픽셀(10)에 포함되어 있다. 즉, 수광 면적이 비교적 큰 2 이상의 제1 픽셀(11)에서는, 개구율이 커지므로, 입사광량이 미약한 경우에도 높은 PDE(Photon Detection Efficiency)로 출력 전류로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 높은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 검출 가능한 입사광량의 하한을 보다 작게 할 수 있다. 한편, 수광 면적이 비교적 작은 2 이상의 제2 픽셀(12)에서는, 입사광량이 비교적 큰 경우에도 낮은 PDE로 출력 전류로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 낮은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 광전 변환 소자(1A)에 의하면, 입사광량에 따라 제1 배선(21) 또는 제2 배선(22)으로부터 선택적으로 출력 전류를 취출함으로써, 미약 광량에서부터 비교적 큰 광량까지 폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 입사광량이 미약한 경우, 및 비교적 큰 경우의 양쪽에 대해, 각 픽셀의 광 검출 원리를 공통으로 하는 하나의 디바이스로 대응하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 동작 전압의 공통화, 동일 기판상에 구성하는 것에 의한 저비용화, 및 특성의 균일화를 기대할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 의하면, 다수의 픽셀(10)을 이차원 모양으로 배열하는 것이 가능하여, 대면적의 수광면을 용이하게 실현할 수 있다. 또한, 복수의 픽셀(10)의 배열의 자유도가 높아, 수광부(3A)를 정사각형, 직사각형, 원형, 및 다각형과 같은, 용도나 광학계에 적합한 형상으로 변경하는 것이 용이하다.
또한, 본 실시 형태와 같이, 제2 픽셀(12)의 ??칭 저항(24)의 저항값은 제1 픽셀(11)의 ??칭 저항(23)의 저항값보다도 커도 된다. 이것에 의해, 제2 픽셀(12)로부터 출력되는 전류의 크기가 억제되므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 더욱 크게 할 수 있다.
(제1 변형예)
도 5는 일 변형예에 따른 광전 변환 소자(1B)의 평면도이다. 또한, 제1 및 제2 배선(21, 22)의 도시는 생략되어 있다. 광전 변환 소자(1B)와 상기 실시 형태의 차이점은, 수광면에 있어서의 제1 픽셀(11) 및 제2 픽셀(12)의 배치이다. 본 변형예의 수광부(3B)에 있어서는, 2 이상의 제2 픽셀(12)이 반도체 기판(30)상의 제1 영역(A1) 내에 배치되어 있다. 제1 영역(A1)은, 예를 들면 수광부(3A)의 중심을 포함하는 사각형 모양 또는 직사각형 모양의 영역이다. 그리고, 2 이상의 제1 픽셀(11)은 제1 영역(A1)을 둘러싸는 제2 영역 A2 내에 배치되어 있다.
일반적으로, 입사광의 광축이 광전 변환 소자의 수광면의 중심으로 조정되어 있는 경우, 수광면의 중심 부근에 있어서 광량이 가장 커진다. 제1 및 제2 픽셀(11, 12)을 본 변형예와 같이 배치함으로써, 광량이 비교적 큰 영역에 제2 픽셀(12)을 배치하고, 광량이 비교적 작은 영역에 제1 픽셀(11)을 배치할 수 있다. 따라서, 입사광량을 보다 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
(제2 변형예)
도 6은 다른 변형예에 따른 광전 변환 소자(1C)의 평면도이다. 또한, 제1 및 제2 배선(21, 22)의 도시는 생략되어 있다. 광전 변환 소자(1C)와 상기 실시 형태의 차이점은, 수광면에 있어서의 제1 픽셀(11) 및 제2 픽셀(12)의 배치이다. 본 변형예의 수광부(3C)에 있어서는, K1개(K1는 2 이상의 정수, 도면에서는 K1=16인 경우를 예시)의 제2 픽셀(12)을 각각 포함하는 복수의 제3 영역(A3)과, L개(L은 1 이상의 정수 또한 K1＞L, 도면에서는 L1=4인 경우를 예시)의 제1 픽셀(11)을 각각 포함하는 복수의 제4 영역(A4)이, 수광부(3C)에 있어서 혼재되어 이차원 모양(매트릭스 모양)으로 배열되어 있다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는, 제3 영역(A3) 및 제4 영역(A4)을 각각 확대하여 나타내는 평면도이다. 일례에서는, 제3 영역(A3)에 있어서 제2 픽셀(12)은 M1행 N1열(M1, N1은 1 이상의 정수. 단 M1×N1=K1)의 이차원 모양으로 배열되어 있다. 그리고, 2열 간격으로 제2 배선(22)이 배치되어 있고, 각 제2 배선(22)의 양측에 위치하는 제2 픽셀(12)이, 그 제2 배선(22)에 ??칭 저항(24)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 제4 영역(A4)에 있어서 제1 픽셀(11)은 M2행 N2열(M2, N2은 1 이상의 정수. 단 M2×N2=L)의 이차원 모양으로 배열되어 있다. 그리고, 2열 간격으로 제1 배선(21)이 배치되어 있고, 각 제1 배선(21)의 양측에 위치하는 제1 픽셀(11)이 그 제1 배선(21)에 ??칭 저항(23)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다.
도 8은 또 다른 변형예에 따른 광전 변환 소자(1D)의 평면도이다. 광전 변환 소자(1D)와 상기 실시 형태의 차이점은, 수광면에 있어서의 제1 픽셀(11) 및 제2 픽셀(12)의 배치이다. 본 변형예의 수광부(3D)에 있어서는, 제1 픽셀(11)과, K2개(K2는 1 이상의 정수, 도면에서는 K2=1인 경우를 예시)의 제2 픽셀(12)을 각각 포함하는 복수의 영역이 이차원 모양(매트릭스 모양)으로 배열되어 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서의 제1 및 제2 픽셀의 배치는 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 전술한 제1 변형예에 따른 광전 변환 소자(1B), 혹은 본 변형예의 광전 변환 소자(1C, 1D) 등, 다양한 형태가 가능하다. 그리고, 어떠한 픽셀 배치라도, 상술한 실시 형태의 광전 변환 소자(1A)와 같은 효과를 바람직하게 달성할 수 있다.
(제3 변형예)
도 9는 본 발명의 일 측면의 제3 변형예에 따른 회로 구성을 나타내는 도면이다. 상기 실시 형태(도 4를 참조)에서는 복수의 픽셀(10)에 공통의 바이어스 전압 HV가 인가되어 있지만, 본 변형예에서는, 제2 픽셀(12)에 인가되는 바이어스 전압이, 제1 픽셀(11)에 인가되는 바이어스 전압보다도 작다. 구체적으로는, 각 APD의 캐소드에는 공통의 바이어스 전위 HV가 인가되지만, 제1 픽셀(11)의 APD의 애노드는 ??칭 저항(23), 제1 배선(21), 및 저항(41)을 통해서, 제1 기준 전위(GND)선(52)에 접속된다. 한편, 제2 픽셀(12)의 APD의 애노드는 ??칭 저항(24), 제2 배선(22), 및 저항(42)을 통해서, 제2 기준 전위(GND)선(53)에 접속된다. 제2 기준 전위(GND)선(53)의 전위는, 제1 기준 전위(GND)선(52)의 전위보다도 높게 설정된다. 이것에 의해, 제2 픽셀(12)에 인가되는 바이어스 전압은, 제1 픽셀(11)에 인가되는 바이어스 전압보다도 실질적으로 작아진다.
본 변형예에 의하면, 제1 픽셀(11)에서는 입사광량에 대한 감도를 높여, 미약한 입사광량에 대해서 더욱 큰 전류를 출력할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 더욱 높은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 검출 가능한 입사광량의 하한을 보다 작게 할 수 있다. 한편, 제2 픽셀(12)에서는 입사광량에 대한 감도를 낮게 하여, 큰 입사광량에 대해서 출력 전류를 더욱 작게 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 더욱 낮은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 본 변형예에 의하면, 상기 실시 형태와 비교하여, 대응 가능한 광량 레인지를 더욱 확대할 수 있다.
또한, 제1 픽셀(11)의 APD의 캐소드와 제2 픽셀(12)의 APD의 캐소드를 전기적으로 분리하여, 제1 픽셀(11)의 APD의 캐소드에 인가되는 바이어스 전압을, 제2 픽셀(12)의 APD의 캐소드에 인가되는 바이어스 전압보다도 크게 해도 된다. 이러한 구성이더라도, 본 변형예의 상기 효과를 바람직하게 얻을 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서, 제1 픽셀(11)로부터의 출력 전류를 전압 신호로 변환하는 저항(41)의 저항값을, 제2 픽셀(12)로부터의 출력 전류를 전압 신호로 변환하는 저항(42)의 저항값보다도 크게 해도 된다. 이것에 의해, 입사광량이 미약한 경우에도, 제1 픽셀(11)로부터의 출력 전류를 비교적 큰 증폭율로 전압 신호로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 높은 게인으로 전압 신호를 생성할 수 있으므로, 포톤 카운팅을 정밀도 좋게 행할 수 있다. 한편, 입사광량이 비교적 큰 경우에도, 제2 픽셀(12)로부터의 출력 전류를 비교적 작은 증폭율로 전압 신호로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 낮은 게인으로 전압 신호를 생성할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 대응 가능한 광량 레인지를 더욱 확대할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 소자는, 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 밖에 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상술한 실시 형태 및 각 변형예를, 필요에 따라서 서로 조합해도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는 반도체 기판(30) 및 p형 반도체 영역(32a, 32b)의 구성 재료로서 Si를 예시했지만, 본 발명의 일 측면에서는, 반도체 기판 및 각 p형 반도체 영역에는 여러 가지의 반도체 재료를 채용할 수 있다.
［제2 실시 형태］
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 소자의 다른 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
도 10은 본 발명의 일 측면의 일 실시 형태에 따른 광전 변환 소자(1AS)의 평면도이다. 광전 변환 소자(1AS)는, 반도체 기판(30S)을 구비하고 있고, 반도체 기판(30S)의 주면상은 광을 받는 수광부(3AS)로 되어 있다. 수광부(3AS)에서는, 복수의 픽셀(10S)이 이차원 모양으로 배열되어 있다. 복수의 픽셀(10S)은, 공통의 바이어스 전압에 의해 동작하는 APD를 각각 포함하여 구성되어 있다.
복수의 픽셀(10S)에는, 2 이상의 제1 픽셀(11S)과, 2 이상의 제2 픽셀(12S)이 포함된다. 제1 픽셀(11S)의 수광 면적(실효적인 유감 영역)과, 제2 픽셀(12S)의 수광 면적은 서로 대략 같다. 일례에서는, 서로 이웃하는 제1 픽셀(11S)끼리의 피치(중심 간격)는 50μm이고, 서로 이웃하는 제2 픽셀(12S)끼리의 피치도 50μm이다. 본 실시 형태에서는, 제1 픽셀(11S)이 열방향으로 늘어서서 배치되어 이루어지는 제1 픽셀열(11AS)과, 제2 픽셀(12S)이 열방향으로 늘어서서 배치되어 이루어지는 제2 픽셀열(12AS)이 행방향으로 교호로 늘어서 있다.
광전 변환 소자(1AS)는 신호 판독용의 제1 배선(21S) 및 제2 배선(22S)을 추가로 구비하고 있다. 제1 배선(21S)은 2 이상의 제1 픽셀(11S)과 전기적으로 접속되어 있고, 이들 제1 픽셀(11S)로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출한다. 제2 배선(22S)은 2 이상의 제2 픽셀(12S)과 전기적으로 접속되어 있고, 이들 제2 픽셀(12S)로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출한다.
도 11은 수광부(3AS)의 일부를 확대하여 나타내는 평면도이다. 도 11에 도시되는 것처럼, 제1 픽셀(11S)의 APD와 제1 배선(21S)은, ??칭 저항(23S)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 바꾸어 말하면, ??칭 저항(23S)의 일단이 제1 픽셀(11S)의 APD와 전기적으로 접속되고, 타단이 제1 배선(21S)과 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 제2 픽셀(12S)의 APD와 제2 배선(22S)은, ??칭 저항(24S)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 바꾸어 말하면, ??칭 저항(24S)의 일단이 제2 픽셀(12S)의 APD와 전기적으로 접속되고, 타단이 제2 배선(22S)과 전기적으로 접속되어 있다.
제2 픽셀(12S)의 ??칭 저항(24S)의 저항값은, 상기 제1 픽셀(11S)의 ??칭 저항(23S)의 저항값보다도 크다. 일례에서는, ??칭 저항(24S)의 저항값은 500kΩ이고, ??칭 저항(23S)의 저항값은 250kΩ이다. 다른 예에서는, ??칭 저항(24S)의 저항값은 750kΩ이고, ??칭 저항(23S)의 저항값은 250kΩ이다. 또 다른 예에서는, ??칭 저항(24S)의 저항값은 1MΩ이고, ??칭 저항(23S)의 저항값은 250kΩ이다. ??칭 저항(23S)의 저항값은 래칭하지 않은(즉 ??칭 가능한) 값이면 된다.
이러한 ??칭 저항의 저항값의 상위(相違)는, 예를 들면 ??칭 저항의 단면적을 서로 다르게 하거나, 혹은 ??칭 저항의 길이를 서로 다르게 함으로써 실현된다. 도 11에 도시되는 예에서는, ??칭 저항(23S)의 저항값을 작게 하기 위해서 ??칭 저항(23S)을 직선 모양으로 배치하여 짧게 하고, 또 ??칭 저항(24S)의 저항값을 크게 하기 위해서 ??칭 저항(24S)을 나선 모양으로 배치하여 길게 하고 있다. ??칭 저항(23S, 24S)은 예를 들면 광 투과성(반투명)의 도전성 재료로 이루어진다.
도 12는 광전 변환 소자(1AS)의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 광전 변환 소자(1AS)는 반도체 기판(30S)을 구비하고 있다. 상술한 복수의 픽셀(10S)은 이 공통의 반도체 기판(30S)에 형성되어 있다. 구체적으로는, 반도체 기판(30S)은 주면(30aS) 및 이면(30bS)을 가지고 있고, 이면(30bS)상의 전면에는 하면 전극(캐소드)(31S)이 마련되어 있다. 또한, 반도체 기판(30S)은 이면(30bS)을 포함하여 n형 Si로 이루어지는 영역(30cS)과, 주면(30aS)을 포함하여 p형 Si로 이루어지는 영역(30dS)이 적층되어 이루어진다. 주면(30aS)을 포함하는 영역(30dS)의 내부에는, 제1 픽셀(11S)을 구성하는 p형 반도체 영역(32aS)과, 제2 픽셀(12S)을 구성하는 p형 반도체 영역(32bS)이, 서로 간격을 두고 늘어서서 형성되어 있다. p형 반도체 영역(32aS, 32bS)은 예를 들면 p형 Si로 이루어진다. 제1 픽셀(11S)의 APD는 p형 반도체 영역(32aS) 바로 아래의 영역(30dS)과 영역(30cS)이 pn접합을 이룸으로써 구성되어 있다. 마찬가지로, 제2 픽셀(12S)의 APD는 p형 반도체 영역(32bS) 바로 아래의 영역(30dS)과 영역(30cS)이 pn접합을 이룸으로써 구성되어 있다.
주면(30aS)상의 전면에는, 제1 절연막(33S)이 마련되어 있다. 제1 절연막(33S)은, 예를 들면 SiO2, SiN과 같은 절연성 실리콘 화합물에 의해서 구성될 수 있다. p형 반도체 영역(32aS)상이면서 또한 제1 절연막(33S)상에는 컨택트 전극(애노드)(34aS)이 마련되어 있다. 컨택트 전극(34aS)은 제1 절연막(33S)에 형성된 개구를 통해서 p형 반도체 영역(32aS)과 접촉하고 있다. 마찬가지로, p형 반도체 영역(32bS)상이면서 또한 제1 절연막(33S)상에는 컨택트 전극(애노드)(34bS)이 마련되어 있다. 컨택트 전극(34bS)은 제1 절연막(33S)에 형성된 개구를 통해서 p형 반도체 영역(32bS)과 접촉하고 있다.
제1 배선(21S) 및 제2 배선(22S)은 금속제이고, 반도체 기판(30S)상에 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 배선(21S) 및 제2 배선(22S)은, p형 반도체 영역(32aS) 및 p형 반도체 영역(32bS) 중 어느 것도 형성되어 있지 않은 반도체 기판(30S)의 영역상에 위치하는 제1 절연막(33S)상에 마련되어 있다.
제1 배선(21S) 및 제2 배선(22S), 제1 절연막(33S), 및 컨택트 전극(34aS 및 34bS)은, 제2 절연막(35S)에 의해서 덮여 있다. 제2 절연막(35S)은 반도체 기판(30S)상의 전면을 덮고 있고, 예를 들면 SiO2, SiN과 같은 무기 절연체에 의해서 구성될 수 있다. 전술한 ??칭 저항(23S, 24S)은 제2 절연막(35S)상에 마련되어 있다. ??칭 저항(23S)의 일단 및 타단 각각은, 제2 절연막(35S)에 형성된 개구를 통해서, 컨택트 전극(34aS) 및 제1 배선(21S)의 각각과 전기적으로 접속되어 있다. ??칭 저항(24S)의 일단 및 타단 각각은, 제2 절연막(35S)에 형성된 개구를 통해서, 컨택트 전극(34bS) 및 제2 배선(22S)의 각각과 전기적으로 접속되어 있다.
여기서, 본 실시 형태의 광전 변환 소자(1AS)로부터 신호를 읽어내기 위한 외부 회로의 구성예에 대해 설명한다. 도 13은 외부 회로의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 13에 도시되는 것처럼, 복수의 픽셀(10S)의 각 APD의 캐소드 즉 하면 전극(31S)(도 12 참조)에는, 공통의 바이어스 전압 HV가 인가된다.
제1 픽셀(11S)의 APD의 애노드는, ??칭 저항(23S) 및 제1 배선(21S)을 통해서, 광전 변환 소자(1AS)의 외부에 마련된 저항(41S)의 일단에 접속된다. 저항(41S)의 타단은 기준 전위(GND)선(51S)에 접속된다. 그리고, 저항(41S)의 일단은 포톤 카운팅 회로(60S)에 접속되어 있고, 저항(41S)에 있어서의 강하 전압이, 포톤 카운팅 회로(60S)에 입력된다.
포톤 카운팅 회로(60S)는 콤퍼레이터(61S)와 카운터(62S)를 포함한다. 콤퍼레이터(61S)는 D/A 컨버터(63S)에 의해서 생성된 기준 전압과, 저항(41S)에 있어서의 강하 전압을 비교한다. 그리고, 저항(41S)에 있어서의 강하 전압이 기준 전압을 초과했을 때(즉 임계치를 초과하는 전류 펄스가 제1 픽셀(11S)로부터 출력되었을 때), 신호를 카운터(62S)에 보낸다. 카운터(62S)는 콤퍼레이터(61S)로부터 신호가 보내진 횟수를 카운트한다. 그 카운트값은 모든 제1 픽셀(11S)로의 입사광량에 상당한다.
제2 픽셀(12S)의 APD의 애노드는, ??칭 저항(24S) 및 제2 배선(22S)을 통해서, 광전 변환 소자(1AS)의 외부에 마련된 저항(42S)의 일단에 접속된다. 저항(42S)의 타단은 기준 전위(GND)선(51S)에 접속된다. 그리고, 저항(42S)의 일단은 증폭 회로(70S) 및 피크 홀드 회로(71S)를 통해서, A/D 컨버터(72S)에 접속되어 있다. 저항(42S)에 있어서의 강하 전압은, 증폭 회로(70S)에 의해서 증폭된 후, 피크 홀드 회로(71S)에 의해서 유지된다. 그리고, 유지된 전압이, A/D 컨버터(72S)에 입력된다. A/D 컨버터(72S)는 입력된 전압 신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환한다. 그 디지털값은 모든 제2 픽셀(12S)로의 입사광량에 상당한다.
카운터(62S)로부터 출력되는 카운트값 및 A/D 컨버터(72S)로부터 출력되는 디지털값은, 신호 처리부(80S)로 보내진다. 신호 처리부(80S)는 이들 카운트값 및 디지털값 중 유의한 값을 가지는 쪽을 채용하고, 그 값에 기초하여 입사광량을 특정한다.
이상에 설명한, 본 실시 형태의 광전 변환 소자(1AS)에 의해서 얻어지는 효과에 대해 설명한다. 본 실시 형태의 광전 변환 소자(1AS)에서는, 제2 픽셀(12S)의 ??칭 저항(24S)의 저항값이, 제1 픽셀(11S)의 ??칭 저항(23S)의 저항값보다도 크다. ??칭 저항(23S)의 저항값이 비교적 작은 2 이상의 제1 픽셀(11S)에서는, 입사광량이 미약한 경우에도 비교적 큰 전류를 출력할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 높은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 검출 가능한 입사광량의 하한을 작게 할 수 있다. 한편, ??칭 저항(24S)의 저항값이 비교적 큰 2 이상의 제2 픽셀(12S)에서는, 입사광량이 비교적 큰 경우에도 비교적 작은 전류를 출력할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 낮은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 광전 변환 소자(1AS)에 의하면, 입사광량에 따라 제1 배선(21S) 또는 제2 배선(22S)으로부터 선택적으로 출력 전류를 취출함으로써, 미약 광량에서부터 비교적 큰 광량까지 폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 입사광량이 미약한 경우, 및 비교적 큰 경우의 양쪽에 대해, 각 픽셀의 광 검출 원리를 공통으로 하는 하나의 디바이스로 대응하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 동작 전압의 공통화, 동일 기판상에 구성하는 것에 의한 저비용화, 및 특성의 균일화를 기대할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 의하면, 다수의 픽셀(10S)을 이차원 모양으로 배열하는 것이 가능하고, 대면적의 수광면을 용이하게 실현할 수 있다. 또한, 복수의 픽셀(10S)의 배열의 자유도가 높고, 수광부(3AS)를 정사각형, 직사각형, 원형, 및 다각형과 같은, 용도나 광학계에 적합한 형상으로 변경하는 것이 용이하다.
또한, 본 실시 형태와 같이, 제1 픽셀(11S)의 수광 면적과 제2 픽셀(12S)의 수광 면적은 서로 대략 같아도 된다. 이것에 의해, 종래의 광전 변환 소자에 대해서 ??칭 저항(23S, 24S)의 저항값을 변경하는 것만으로, 상기의 효과를 용이하게 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태와 같이, ??칭 저항(24S)은 ??칭 저항(23S)보다도 길어도 된다. 이러한 구성을 채용함으로써, ??칭 저항(24S)의 저항값을, ??칭 저항(23S)의 저항값보다도 용이하게 크게 할 수 있다.
(제1 변형예)
도 14의 (a) 및 도 14의 (b)는, 일 변형예에 따른 ??칭 저항(24S, 23S)의 단면도로서, ??칭 저항(24S, 23S)의 연장 방향과 교차하는 (전형적으로는 수직인) 단면을 나타내고 있다. 이 예에서는, ??칭 저항(24S)의 폭 W1이, ??칭 저항(23S)의 폭 W2보다도 좁게 되어 있다. 상술한 실시 형태에서는, ??칭 저항(23S, 24S)의 길이를 다르게 함으로써 저항값을 다르게 하고 있지만, 본 변형예와 같이, ??칭 저항(23S, 24S)의 폭을 변형예와 다르게 함으로써도, 저항값을 용이하게 다르게 할 수 있다.
(제2 변형예)
도 15는 본 발명의 일 측면의 제2 변형예에 따른 광전 변환 소자(1BS)의 평면도이다. 광전 변환 소자(1BS)와 상기 실시 형태의 상위점은, 수광면에 있어서의 제1 픽셀(11S) 및 제2 픽셀(12S)의 배치이다. 본 변형예의 수광부(3BS)에 있어서는, K1개(K1는 2 이상의 정수, 도면에서는 K1=16인 경우를 예시)의 제1 픽셀(11S)을 각각 포함하는 복수의 제1 영역(A1S)과, K2개(K2는 2 이상의 정수, 도면에서는 K2=16인 경우를 예시)의 제2 픽셀(12S)을 각각 포함하는 복수의 제2 영역(A2S)이, 수광부(3BS)에 있어서 혼재되어 이차원 모양(매트릭스 모양)으로 배열되어 있다. 도 15에 나타나는 예에서는, 제1 영역(A1S)과 제2 영역(A2S)이 바둑판 무늬같이 배치되어 있다.
도 16의 (a) 및 도 16의 (b)는, 제1 영역(A1S) 및 제2 영역(A2S)을 각각 확대하여 나타내는 평면도이다. 또한, 도 17은 광전 변환 소자(1BS)의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 일례에서는, 제1 영역(A1S)에 있어서 제1 픽셀(11S)은 M1행 N1열(M1, N1은 1 이상의 정수. 단 M1×N1=K1)의 이차원 모양으로 배열되어 있다. 그리고, 2열 간격으로 제1 배선(21S)이 배치되어 있고, 각 제1 배선(21S)의 양측에 위치하는 제1 픽셀(11S)이, 그 제1 배선(21S)에 ??칭 저항(23S)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 제2 영역(A2S)에 있어서 제2 픽셀(12S)은 M2행 N2열(M2, N2은 1 이상의 정수. 단 M2×N2=K2)의 이차원 모양으로 배열되어 있다. 그리고, 2열 간격으로 제2 배선(22S)이 배치되어 있고, 각 제2 배선(22S)의 양측에 위치하는 제2 픽셀(12S)이, 그 제2 배선(22S)에 ??칭 저항(24S)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서의 제1 및 제2 픽셀의 배치는 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 본 변형예의 광전 변환 소자(1BS) 등, 다양한 형태가 가능하다. 그리고, 어떠한 픽셀 배치라도, 상술한 실시 형태의 광전 변환 소자(1AS)와 같은 효과를 바람직하게 달성할 수 있다.
(제3 변형예)
도 18은 본 발명의 일 측면의 제3 변형예에 따른 회로 구성을 나타내는 도면이다. 상기 실시 형태(도 13을 참조)에서는 복수의 픽셀(10S)에 공통의 바이어스 전압 HV가 인가되고 있지만, 본 변형예에서는, 제2 픽셀(12S)에 인가되는 바이어스 전압이, 제1 픽셀(11S)에 인가되는 바이어스 전압보다도 작다. 구체적으로는, 각 APD의 캐소드에는 공통의 바이어스 전위 HV가 인가되지만, 제1 픽셀(11S)의 APD의 애노드는, ??칭 저항(23S), 제1 배선(21S), 및 저항(41S)을 통해서, 제1 기준 전위(GND)선(52S)에 접속된다. 한편, 제2 픽셀(12S)의 APD의 애노드는, ??칭 저항(24S), 제2 배선(22S), 및 저항(42S)을 통해서, 제2 기준 전위(GND)선(53S)에 접속된다. 제2 기준 전위(GND)선(53S)의 전위는, 제1 기준 전위(GND)선(52S)의 전위보다도 높게 설정된다. 이것에 의해, 제2 픽셀(12S)에 인가되는 바이어스 전압은, 제1 픽셀(11S)에 인가되는 바이어스 전압보다도 실질적으로 작아진다.
본 변형예에 의하면, 제1 픽셀(11S)에서는 입사광량에 대한 감도를 높여, 미약한 입사광량에 대해서 더욱 큰 전류를 출력할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 더욱 높은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 검출 가능한 입사광량의 하한을 보다 작게 할 수 있다. 한편, 제2 픽셀(12S)에서는 입사광량에 대한 감도를 낮게 하여, 큰 입사광량에 대해서 출력 전류를 더욱 작게 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 더욱 낮은 게인으로 전류를 출력할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 본 변형예에 의하면, 상기 실시 형태와 비교하여, 대응 가능한 광량 레인지를 더욱 확대할 수 있다.
또한, 제1 픽셀(11S)의 APD의 캐소드와, 제2 픽셀(12S)의 APD의 캐소드를 전기적으로 분리하여, 제1 픽셀(11S)의 APD의 캐소드에 인가되는 바이어스 전압을, 제2 픽셀(12S)의 APD의 캐소드에 인가되는 바이어스 전압보다도 크게 해도 된다. 이러한 구성이더라도, 본 변형예의 상기 효과를 바람직하게 얻을 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서, 제1 픽셀(11S)로부터의 출력 전류를 전압 신호로 변환하는 저항(41S)의 저항값을, 제2 픽셀(12S)로부터의 출력 전류를 전압 신호로 변환하는 저항(42S)의 저항값보다도 크게 해도 된다. 이것에 의해, 입사광량이 미약한 경우에도, 제1 픽셀(11S)로부터의 출력 전류를 비교적 큰 증폭율로 전압 신호로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 높은 게인으로 전압 신호를 생성할 수 있으므로, 포톤 카운팅을 정밀도 좋게 행할 수 있다. 한편, 입사광량이 비교적 큰 경우에도, 제2 픽셀(12S)로부터의 출력 전류를 비교적 작은 증폭율로 전압 신호로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 낮은 게인으로 전압 신호를 생성할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 대응 가능한 광량 레인지를 더욱 확대할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 소자는, 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 밖에 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상술한 실시 형태 및 각 변형예를, 필요에 따라서 서로 조합해도 된다. 또한, 상기 실시 형태 및 제1 변형예에서는, ??칭 저항(23S, 24S)의 저항값을 서로 다르게 하는 방법으로서 이들의 길이나 폭을 다르게 하는 것을 예시했지만, 다른 방법에 의해서 ??칭 저항(23S, 24S)의 저항값을 서로 다르게 해도 된다. 예를 들면, ??칭 저항(23S, 24S)에 첨가되는 저항 성분의 농도를 서로 다르게 함으로써도, 이들의 저항값을 바람직하게 다르게 할 수 있다. 또한, 상기 실시 형태에서는 반도체 기판(30S) 및 p형 반도체 영역(32aS, 32bS)의 구성 재료로서 Si를 예시했지만, 본 발명의 일 측면에서는, 반도체 기판 및 각 p형 반도체 영역에는 다양한 반도체 재료를 채용할 수 있다.
［제3 실시 형태］
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈의 또 다른 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
도 19는 본 발명의 일 측면의 일 실시 형태에 따른 광전 변환 소자(1AT)의 평면도이다. 광전 변환 소자(1AT)는 반도체 기판(30T)을 구비하고 있고, 반도체 기판(30T)의 주면상은 광을 받는 수광부(3AT)로 되어 있다. 수광부(3AT)에서는, 복수의 픽셀(10T)가 이차원 모양으로 배열되어 있다. 복수의 픽셀(10T)은 공통의 바이어스 전압에 의해 동작하는 APD를 각각 포함하여 구성되어 있다.
복수의 픽셀(10T)에는, 2 이상의 제1 픽셀(11T)과, 2 이상의 제2 픽셀(12T)이 포함된다. 제1 픽셀(11T)의 수광 면적(실효적인 유감 영역)과, 제2 픽셀(12T)의 수광 면적은 서로 대략 같다. 일례에서는, 서로 이웃하는 제1 픽셀(11T)끼리의 피치(중심 간격)는 50μm이고, 서로 이웃하는 제2 픽셀(12T)끼리의 피치도 50μm이다. 본 실시 형태에서는, 제1 픽셀(11T)이 열방향으로 늘어서서 배치되어 이루어지는 제1 픽셀열(11AT)과, 제2 픽셀(12T)이 열방향으로 늘어서서 배치되어 이루어지는 제2 픽셀열(12AT)이, 행방향으로 교호로 늘어서 있다.
광전 변환 소자(1AT)는 신호 판독용의 제1 배선(21T) 및 제2 배선(22T)을 추가로 구비하고 있다. 제1 배선(21T)은 2 이상의 제1 픽셀(11T)과 전기적으로 접속되어 있어, 이들 제1 픽셀(11T)로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출한다. 제2 배선(22T)은 2 이상의 제2 픽셀(12T)과 전기적으로 접속되어 있어, 이들 제2 픽셀(12T)로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출한다.
도 20은 수광부(3AT)의 일부를 확대하여 나타내는 평면도이다. 도 20에 도시되는 것처럼, 제1 픽셀(11T)의 APD와 제1 배선(21T)은, ??칭 저항(23T)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 바꾸어 말하면, ??칭 저항(23T)의 일단이 제1 픽셀(11T)의 APD와 전기적으로 접속되고, 타단이 제1 배선(21T)과 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 제2 픽셀(12T)의 APD와 제2 배선(22T)은, ??칭 저항(24T)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 바꾸어 말하면, ??칭 저항(24T)의 일단이 제2 픽셀(12T)의 APD와 전기적으로 접속되고, 타단이 제2 배선(22T)과 전기적으로 접속되어 있다. ??칭 저항(23T, 24T)의 저항값은 서로 대략 같다. 일례에서는, ??칭 저항(23T, 24T)의 저항값은 250kΩ이다. 또한, 도면에 도시되는 예에서는, ??칭 저항(23T, 24T)이 나선 모양으로 배치되어 있지만, ??칭 저항(23T, 24T)은 다양한 형상으로 설치될 수 있고, 예를 들면 직선 모양으로 설치되어도 된다. ??칭 저항(23T, 24T)은, 예를 들면 광 투과성(반투명)의 도전성 재료로 이루어진다.
도 21은 광전 변환 소자(1AT)의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 광전 변환 소자(1AT)는, 예를 들면 n형 Si로 이루어지는 반도체 기판(30T)을 구비하고 있다. 상술한 복수의 픽셀(10T)은 이 공통의 반도체 기판(30T)에 형성되어 있다. 구체적으로는, 반도체 기판(30T)은 주면(30aT) 및 이면(30bT)을 가지고 있고, 이면(30bT)상의 전면에는 하면 전극(캐소드)(31T)이 마련되어 있다. 또한, 주면(30aT)을 포함하는 반도체 기판(30T)의 내부에는, 제1 픽셀(11T)을 구성하는 p형 반도체 영역(32aT)과, 제2 픽셀(12T)을 구성하는 p형 반도체 영역(32bT)이, 서로 간격을 두고 늘어서서 형성되어 있다. p형 반도체 영역(32aT, 32bT)은 예를 들면 p형 Si로 이루어진다. 제1 픽셀(11T)의 APD는 p형 반도체 영역(32aT)과 반도체 기판(30T)이 pn접합을 이룸으로써 구성되어 있다. 마찬가지로, 제2 픽셀(12T)의 APD는, p형 반도체 영역(32bT)과 반도체 기판(30T)이 pn접합을 이룸으로써 구성되어 있다.
주면(30aT)상의 전면에는 제1 절연막(33T)이 마련되어 있다. 제1 절연막(33T)은, 예를 들면 SiO2, SiN과 같은 절연성 실리콘 화합물에 의해서 구성될 수 있다. p형 반도체 영역(32aT)상이면서 또한 제1 절연막(33T)상에는 컨택트 전극(애노드)(34aT)이 마련되어 있다. 컨택트 전극(34aT)은 제1 절연막(33T)에 형성된 개구를 통해서 p형 반도체 영역(32aT)과 접촉하고 있다. 마찬가지로, p형 반도체 영역(32bT)상이면서 또한 제1 절연막(33T)상에는 컨택트 전극(애노드)(34bT)이 마련되어 있다. 컨택트 전극(34bT)은 제1 절연막(33T)에 형성된 개구를 통해서 p형 반도체 영역(32bT)과 접촉하고 있다.
제1 배선(21T) 및 제2 배선(22T)은 금속제이고, 반도체 기판(30T)상에 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 배선(21T) 및 제2 배선(22T)은 p형 반도체 영역(32aT) 및 p형 반도체 영역(32bT) 중 어느 것도 형성되어 있지 않은 반도체 기판(30T)의 영역상에 위치하는 제1 절연막(33T)상에 마련되어 있다.
제1 배선(21T) 및 제2 배선(22T), 제1 절연막(33T), 및 컨택트 전극(34aT 및 34bT)은, 제2 절연막(35T)에 의해서 덮여 있다. 제2 절연막(35T)은 반도체 기판(30T)상의 전면을 덮고 있고, 예를 들면 SiO2, SiN과 같은 무기 절연체에 의해서 구성될 수 있다. 전술한 ??칭 저항(23T, 24T)은, 제2 절연막(35T)상에 마련되어 있다. ??칭 저항(23T)의 일단 및 타단 각각은, 제2 절연막(35T)에 형성된 개구를 통해서, 컨택트 전극(34aT) 및 제1 배선(21T)의 각각과 전기적으로 접속되어 있다. ??칭 저항(24T)의 일단 및 타단 각각은, 제2 절연막(35T)에 형성된 개구를 통해서, 컨택트 전극(34bT) 및 제2 배선(22T)의 각각과 전기적으로 접속되어 있다.
여기서, 광전 변환 소자(1AT)와, 광전 변환 소자(1AT)로부터의 출력 전류를 읽어내는 판독 회로를 구비하는 광전 변환 모듈의 구성에 대해 설명한다. 도 22는 광전 변환 모듈(2AT)의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 22에 도시되는 것처럼, 복수의 픽셀(10T)의 각 APD의 캐소드 즉 하면 전극(31T)(도 21 참조)에는, 공통의 바이어스 전압 HV가 인가된다.
판독 회로(5AT)는 제1 저항(41T), 제2 저항(42T), 포톤 카운팅 회로(60T), 증폭 회로(70T), 피크 홀드 회로(71T), A/D 컨버터(72T), 및 신호 처리부(80T)를 가진다. 제2 저항(42T)의 저항값은, 제1 저항(41T)의 저항값보다도 작다. 일례에서는, 제1 저항(41T)의 저항값은 1MΩ 내지 수MΩ이고, 제2 저항(42T)의 저항값은 50Ω(즉 통상의 50Ω 종단)이다.
제1 저항(41T)은 제1 배선(21T)과, 정전위선인 기준 전위(GND)선(51T)의 사이에 접속되고, 제1 픽셀(11T)로부터의 출력 전류를 제1 전압 신호 V1로 변환한다. 구체적으로는, 저항(41T)의 일단은 제1 배선(21T) 및 ??칭 저항(23T)을 통해서, 제1 픽셀(11T)의 APD의 애노드에 접속된다. 저항(41T)의 타단은 기준 전위(GND)선(51T)에 접속된다. 저항(41T)의 일단은 포톤 카운팅 회로(60T)에 접속되어 있고, 저항(41T)에 있어서의 강하 전압이, 제1 전압 신호 V1로서 포톤 카운팅 회로(60T)에 입력된다.
포톤 카운팅 회로(60T)는 콤퍼레이터(61T)와 카운터(62T)를 포함한다. 콤퍼레이터(61T)는 D/A 컨버터(63T)에 의해서 생성된 기준 전압과, 제1 전압 신호 V1을 비교한다. 그리고, 제1 전압 신호 V1가 기준 전압을 초과했을 때(즉 임계치를 초과하는 전류 펄스가 제1 픽셀(11T)로부터 출력되었을 때), 신호를 카운터(62T)에 보낸다. 카운터(62T)는 콤퍼레이터(61T)로부터 신호가 보내진 횟수를 카운트한다. 그 카운트값은 모든 제1 픽셀(11T)로의 입사광량에 상당한다.
제2 저항(42T)은 제2 배선(22T)과 정전위선인 기준 전위(GND)선(51T)의 사이에 접속되고, 제2 픽셀(12T)로부터의 출력 전류를 제2 전압 신호 V2로 변환한다. 구체적으로는, 저항(42T)의 일단은 제2 배선(22T) 및 ??칭 저항(24T)을 통해서, 제2 픽셀(12T)의 APD의 애노드에 접속된다. 저항(42T)의 타단은 기준 전위(GND)선(51T)에 접속된다. 저항(42T)의 일단은 증폭 회로(70T) 및 피크 홀드 회로(71T)를 통해서, A/D 컨버터(72T)에 접속되어 있다. 제2 전압 신호 V2는 증폭 회로(70T)에 의해서 증폭된 후, 피크 홀드 회로(71T)에 의해서 유지된다. 그리고, 유지된 전압이 A/D 컨버터(72T)에 입력된다. A/D 컨버터(72T)는 입력된 전압 신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환한다. 그 디지털값은 모든 제2 픽셀(12T)로의 입사광량에 상당한다.
카운터(62T)로부터 출력되는 카운트값 및 A/D 컨버터(72T)로부터 출력되는 디지털값은, 신호 처리부(80T)로 보내진다. 신호 처리부(80T)는 이들 카운트값 및 디지털값 중 유의한 값을 가지는 쪽을 채용하고, 그 값에 기초하여 입사광량을 특정한다.
이상에 설명한, 본 실시 형태의 광전 변환 모듈(2AT)에 의해서 얻어지는 효과에 대해 설명한다. 광전 변환 모듈(2AT)에서는, 제1 픽셀(11T)로부터의 출력 전류를 제1 전압 신호 V1로 변환하는 저항(41T)의 저항값이, 제2 픽셀(12T)로부터의 출력 전류를 제2 전압 신호 V2로 변환하는 저항(42T)의 저항값보다도 크다. 이것에 의해, 입사광량이 미약한 경우에도, 2 이상의 제1 픽셀(11T)로부터의 출력 전류를 비교적 큰 증폭율로 제1 전압 신호 V1로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 높은 게인으로 제1 전압 신호 V1을 생성할 수 있으므로, 포톤 카운팅을 정밀도 좋게 행할 수 있다. 한편, 입사광량이 비교적 큰 경우에도, 2 이상의 제2 픽셀(12T)로부터의 출력 전류를 비교적 작은 증폭율로 제2 전압 신호 V2로 변환할 수 있다. 바꾸어 말하면, 입사광량에 대해서 낮은 게인으로 제2 전압 신호 V2를 생성할 수 있으므로, 출력이 포화되는 입사광량의 상한을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 광전 변환 모듈(2AT)에 의하면, 입사광량에 따라 제1 전압 신호 V1에 기초하는 카운트값 또는 제2 전압 신호 V2에 기초하는 디지털값을 선택함으로써, 미약 광량에서부터 비교적 큰 광량까지 폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 복수의 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하기 위한 배선을 2종류(제1 및 제2 배선(21T, 22T)) 마련하는 점을 제외하고, 종래의 광전 변환 소자와 같은 구성을 채용할 수 있다. 따라서, 광전 변환 소자(1AT)의 설계가 매우 용이하고, 종래의 광전 변환 소자로부터의 특성의 변화를 작게 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 입사광량이 미약한 경우, 및 비교적 큰 경우의 양쪽에 대해, 각 픽셀의 광 검출 원리를 공통으로 하는 하나의 디바이스로 대응하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 동작 전압의 공통화, 동일 기판상에 구성하는 것에 의한 저비용화, 및 특성의 균일화를 기대할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 의하면, 다수의 픽셀(10T)을 이차원 모양으로 배열하는 것이 가능하여, 대면적의 수광면을 용이하게 실현할 수 있다. 또한, 복수의 픽셀(10T)의 배열의 자유도가 높아, 수광부(3AT)를 정사각형, 직사각형, 원형, 및 다각형과 같은, 용도나 광학계에 적합한 형상으로 변경하는 것이 용이하다. 또한, 특허문헌 1의 구성과 비교하여, 입사광량이 비교적 큰 경우에도 쇼트 노이즈가 매우 작아져, 넓은 광량 레인지에 있어서 고게인 및 높은 S/N비를 양립시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태와 같이, 판독 회로(5AT)는 제1 전압 신호 V1에 기초하여, 2 이상의 제1 픽셀(11T)로부터 출력되는 전류 펄스를 카운트하는 포톤 카운팅 회로(60T)와, 제2 전압 신호 V2에 대응하는 디지털 신호를 생성하는 A/D 컨버터(72T)를 가져도 된다. 이것에 의해, 미약 광량에서부터 비교적 큰 광량까지 폭넓은 광량 레인지에 대응하는 신호를 바람직하게 읽어낼 수 있다.
(제1 변형예)
도 23은 본 발명의 일 측면의 제1 변형예에 따른 광전 변환 소자(1BT)의 평면도이다. 광전 변환 소자(1BT)와 상기 실시 형태의 상위점은, 수광면에 있어서의 제1 픽셀(11T) 및 제2 픽셀(12T)의 배치이다. 본 변형예의 수광부(3BT)에 있어서는 K1개(K1는 2 이상의 정수, 도면에서는 K1=16인 경우를 예시)의 제1 픽셀(11T)을 각각 포함하는 복수의 제1 영역(A1T)과, K2개(K2는 2 이상의 정수, 도면에서는 K2=16인 경우를 예시)의 제2 픽셀(12T)을 각각 포함하는 복수의 제2 영역(A2T)이, 수광부(3BT)에 있어서 혼재되어 이차원 모양(매트릭스 모양)으로 배열되어 있다. 도 23에 도시되는 예에서는, 제1 영역(A1T)과 제2 영역(A2T)이 바둑판 무늬같이 배치되어 있다.
도 24의 (a) 및 도 24의 (b)는, 제1 영역(A1T) 및 제2 영역(A2T)을 각각 확대하여 나타내는 평면도이다. 또한, 도 25는 광전 변환 소자(1BT)의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 일례에서는, 제1 영역(A1T)에 있어서 제1 픽셀(11T)은 M1행 N1열(M1, N1은 1 이상의 정수. 단 M1×N1=K1)의 이차원 모양으로 배열되어 있다. 그리고, 2열 간격으로 제1 배선(21T)이 배치되어 있고, 각 제1 배선(21T)의 양측에 위치하는 제1 픽셀(11T)이, 그 제1 배선(21T)에 ??칭 저항(23T)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 제2 영역(A2T)에 있어서 제2 픽셀(12T)은 M2행 N2열(M2, N2은 1 이상의 정수. 단 M2×N2=K2)의 이차원 모양으로 배열되어 있다. 그리고, 2열 간격으로 제2 배선(22T)이 배치되어 있고, 각 제2 배선(22T)의 양측에 위치하는 제2 픽셀(12T)이, 그 제2 배선(22T)에 ??칭 저항(24T)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서의 제1 및 제2 픽셀의 배치는 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 본 변형예의 광전 변환 소자(1BT) 등, 다양한 형태가 가능하다. 그리고, 어떠한 픽셀 배치라도, 상술한 실시 형태의 광전 변환 소자(1AT) 및 광전 변환 모듈(2AT)과 같은 효과를 바람직하게 달성할 수 있다.
(제2 변형예)
도 26은 본 발명의 일 측면의 제2 변형예에 따른 광전 변환 모듈(2BT)의 평면도이다. 광전 변환 모듈(2BT)과 상기 실시 형태의 상위점은, 저항(41T, 42T)의 배치이다. 즉, 상기 실시 형태에서는 저항(41T, 42T)이 판독 회로(5AT)에 포함되어 있지만, 광전 변환 모듈(2BT)에서는, 판독 회로(5BT)가 저항(41T, 42T)을 가지지 않고, 광전 변환 소자(1CT)가 저항(41T, 42T)을 가진다. 또한, 저항(41T, 42T)의 배치를 제외한 광전 변환 소자(1CT) 및 판독 회로(5BT)의 구성은, 상기 실시 형태의 광전 변환 소자(1AT) 및 판독 회로(5AT)와 같다.
본 변형예와 마찬가지로, 저항(41T, 42T)을 광전 변환 소자(1CT)가 가져도 된다. 그러한 경우에도 상술한 실시 형태의 광전 변환 모듈(2AT)과 마찬가지의 효과를 바람직하게 달성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의한 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈은, 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 밖에 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상술한 실시 형태 및 각 변형예를, 필요에 따라서 서로 조합해도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는 저항(41T, 42T)의 저항값으로서 수MΩ 및 50Ω을 예시했지만, 저항값은 이것들로 한정되는 것이 아니고, 다양한 저항값을 채용할 수 있다. 또한, 상기 실시 형태에서는 반도체 기판(30T) 및 p형 반도체 영역(32aT, 32bT)의 구성 재료로서 Si를 예시했지만, 본 발명의 일 측면에서는, 반도체 기판 및 각 p형 반도체 영역에는 여러 가지의 반도체 재료를 채용할 수 있다.
폭넓은 광량 레인지에 대응할 수 있는 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈을 제공할 수 있다.
1A~1D…광전 변환 소자 3 A~3 D…수광부
10…픽셀 11…제1 픽셀
11A…제1 픽셀열 12…제2 픽셀
12A…제2 픽셀열 21…제1 배선
22…제2 배선 23, 24…??칭 저항
30…반도체 기판 31…하면 전극
32a, 32b…p형 반도체 영역 33…제1 절연막
34a, 34b…컨택트 전극 35…제2 절연막
41, 42…저항 60…포톤 카운팅 회로
61…콤퍼레이터 62…카운터
63…D/A 컨버터 70…증폭 회로
71…피크 홀드 회로 72…A/D 컨버터
80…신호 처리부 A1…제1 영역
A2…제2 영역 A3…제3 영역
A4…제4 영역 1AS, 1BS…광전 변환 소자
3AS, 3BS…수광부 10S…픽셀
11S…제1 픽셀 11AS…제1 픽셀열
12S…제2 픽셀 12AS…제2 픽셀열
21S…제1 배선 22S…제2 배선
23S, 24S…??칭 저항 30S…반도체 기판
31S…하면 전극 32aS, 32bS…p형 반도체 영역
33S…제1 절연막 34aS, 34bS…컨택트 전극
35S…제2 절연막 41S, 42S…저항
60S…포톤 카운팅 회로 61S…콤퍼레이터
62S…카운터 63S…D/A 컨버터
70S…증폭 회로 71S…피크 홀드 회로
72S…A/D 컨버터 80S…신호 처리부
A1S…제1 영역 A2S…제2 영역
1AT~1CT…광전 변환 소자 3AT, 3BT…수광부
10T…픽셀 11T…제1 픽셀
11AT…제1 픽셀열 12T…제2 픽셀
12AT…제2 픽셀열 21T…제1 배선
22T…제2 배선 23T, 24T…??칭 저항
30T…반도체 기판 31T…하면 전극
32aT, 32bT…p형 반도체 영역 33T…제1 절연막
34aT, 34bT…컨택트 전극 35T…제2 절연막
41T…제1 저항 42T…제2 저항
60T…포톤 카운팅 회로 61T…콤퍼레이터
62T…카운터 63T…D/A 컨버터
70T…증폭 회로 71T…피크 홀드 회로
72T…A/D 컨버터 80T…신호 처리부
A1T…제1 영역 A2T…제2 영역

Claims (16)

  1. 공통의 반도체 기판에 형성되고, 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 픽셀과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀과 ??칭(quenching) 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선을 구비하고,
    상기 제1 픽셀의 수광 면적이 상기 제2 픽셀의 수광 면적보다도 크고,
    상기 제2 픽셀의 ??칭 저항의 저항값이, 상기 제1 픽셀의 ??칭 저항의 저항값보다도 큰 광전 변환 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2 이상의 제2 픽셀이 제1 영역 내에 배치되고,
    상기 2 이상의 제1 픽셀이 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역 내에 배치되어 있는 광전 변환 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    K1개(K1는 2 이상의 정수)의 상기 제2 픽셀을 각각 포함하는 복수의 제3 영역과, L개(L은 1 이상의 정수, L＜K1)의 상기 제1 픽셀을 각각 포함하는 복수의 제4 영역이 혼재되어 이차원 모양으로 배열되어 있는 광전 변환 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 픽셀과, K2개(K2는 1 이상의 정수)의 상기 제2 픽셀을 각각 포함하는 복수의 영역이 이차원 모양으로 배열되어 있는 광전 변환 소자.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 픽셀에 인가되는 바이어스 전압이, 상기 제1 픽셀에 인가되는 바이어스 전압보다도 작은 광전 변환 소자.
  6. 공통의 반도체 기판에 형성되고, 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 픽셀과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선을 구비하고,
    상기 제2 픽셀의 상기 ??칭 저항의 저항값이, 상기 제1 픽셀의 상기 ??칭 저항의 저항값보다도 크고,
    상기 제1 픽셀의 수광 면적과 상기 제2 픽셀의 수광 면적이 서로 동일한 광전 변환 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 픽셀의 상기 ??칭 저항이, 상기 제1 픽셀의 상기 ??칭 저항보다도 긴 광전 변환 소자.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 픽셀의 상기 ??칭 저항의 연장 방향과 교차하는 방향의 폭이, 상기 제1 픽셀의 상기 ??칭 저항의 연장 방향과 교차하는 방향의 폭보다도 좁은 광전 변환 소자.
  9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 픽셀에 인가되는 바이어스 전압이, 상기 제1 픽셀에 인가되는 바이어스 전압보다도 작은 광전 변환 소자.
  10. 공통의 반도체 기판에 형성되고, 공통의 바이어스 전압에 의해 동작하는 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 픽셀과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선과,
    상기 제1 배선과 정전위선의 사이에 접속되어, 상기 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 제1 전압 신호로 변환하는 제1 저항과,
    상기 제2 배선과 정전위선의 사이에 접속되어, 상기 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 제2 전압 신호로 변환하는 제2 저항을 구비하고,
    상기 제2 저항의 저항값이 상기 제1 저항의 저항값보다도 작고,
    상기 제2 픽셀의 ??칭 저항의 저항값이, 상기 제1 픽셀의 ??칭 저항의 저항값보다도 큰 광전 변환 소자.
  11. 광전 변환 소자와, 상기 광전 변환 소자로부터의 출력 전류를 읽어내는 판독 회로를 구비하는 광전 변환 모듈로서,
    상기 광전 변환 소자는,
    공통의 반도체 기판에 형성되고, 공통의 바이어스 전압에 의해 동작하는 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 픽셀과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선을 가지며,
    상기 판독 회로 또는 상기 광전 변환 소자는,
    상기 제1 배선과 정전위선의 사이에 접속되어, 상기 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 제1 전압 신호로 변환하는 제1 저항과,
    상기 제2 배선과 정전위선의 사이에 접속되어, 상기 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 제2 전압 신호로 변환하는 제2 저항을 가지며,
    상기 제2 저항의 저항값이 상기 제1 저항의 저항값보다도 작고,
    상기 제2 픽셀의 ??칭 저항의 저항값이, 상기 제1 픽셀의 ??칭 저항의 저항값보다도 큰 광전 변환 모듈.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 판독 회로는,
    상기 제1 전압 신호에 기초하여, 상기 2 이상의 제1 픽셀로부터 출력되는 전류 펄스를 카운트하는 포톤 카운팅 회로와,
    상기 제2 전압 신호에 대응하는 디지털 신호를 생성하는 A/D 컨버터를 가지는 광전 변환 모듈.
  13. 공통의 반도체 기판에 형성되고, 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 픽셀과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제1 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제1 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제1 배선과,
    상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 복수의 픽셀에 포함되는 2 이상의 제2 픽셀과 ??칭 저항을 통해서 전기적으로 접속되어, 상기 2 이상의 제2 픽셀로부터의 출력 전류를 일괄하여 취출하는 제2 배선을 구비하고,
    상기 제1 픽셀의 수광 면적이 상기 제2 픽셀의 수광 면적보다도 크고,
    상기 제2 픽셀에 인가되는 바이어스 전압이, 상기 제1 픽셀에 인가되는 바이어스 전압보다도 작은 광전 변환 소자.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 2 이상의 제2 픽셀이 제1 영역 내에 배치되고,
    상기 2 이상의 제1 픽셀이 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역 내에 배치되어 있는 광전 변환 소자.
  15. 청구항 13에 있어서,
    K1개(K1는 2 이상의 정수)의 상기 제2 픽셀을 각각 포함하는 복수의 제3 영역과, L개(L은 1 이상의 정수, L＜K1)의 상기 제1 픽셀을 각각 포함하는 복수의 제4 영역이 혼재되어 이차원 모양으로 배열되어 있는 광전 변환 소자.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 픽셀과, K2개(K2는 1 이상의 정수)의 상기 제2 픽셀을 각각 포함하는 복수의 영역이 이차원 모양으로 배열되어 있는 광전 변환 소자.
KR1020187020412A 2015-12-21 2016-12-12 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈 KR102659875B1 (ko)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015248637A JP6650261B2 (ja) 2015-12-21 2015-12-21 光電変換素子
JPJP-P-2015-248641 2015-12-21
JPJP-P-2015-248640 2015-12-21
JPJP-P-2015-248637 2015-12-21
JP2015248640A JP6734644B2 (ja) 2015-12-21 2015-12-21 光電変換装置
JP2015248641A JP6543565B2 (ja) 2015-12-21 2015-12-21 光電変換素子及び光電変換モジュール
PCT/JP2016/086923 WO2017110559A1 (ja) 2015-12-21 2016-12-12 光電変換素子及び光電変換モジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180095029A KR20180095029A (ko) 2018-08-24
KR102659875B1 true KR102659875B1 (ko) 2024-04-24

Family

ID=59090144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187020412A KR102659875B1 (ko) 2015-12-21 2016-12-12 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP3396723A4 (ko)
KR (1) KR102659875B1 (ko)
CN (1) CN108431968B (ko)
TW (1) TWI778948B (ko)
WO (1) WO2017110559A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6791055B2 (ja) 2017-08-08 2020-11-25 株式会社デンソー 光検出装置、運転支援システム、及び自動運転システム
JP7098559B2 (ja) * 2019-03-14 2022-07-11 株式会社東芝 光検出器及びライダー装置
CN114450565A (zh) * 2020-08-31 2022-05-06 深圳市大疆创新科技有限公司 光电探测器件、探测方法和电子设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130009267A1 (en) * 2011-07-06 2013-01-10 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Providing Variable Cell Density and Sizes in a Radiation Detector
JP2014160042A (ja) 2013-02-20 2014-09-04 Hamamatsu Photonics Kk 検出器、ｐｅｔ装置及びｘ線ｃｔ装置
JP2014241543A (ja) * 2013-06-12 2014-12-25 株式会社東芝 光検出装置およびｃｔ装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5136373A (en) * 1989-06-22 1992-08-04 Hamamatsu Photonics K. K. Image processing apparatus
JP4018820B2 (ja) * 1998-10-12 2007-12-05 富士フイルム株式会社 固体撮像装置および信号読出し方法
IT1392366B1 (it) * 2008-12-17 2012-02-28 St Microelectronics Rousset Fotodiodo operante in modalita' geiger con resistore di soppressione integrato e controllabile, schiera di fotodiodi e relativo procedimento di fabbricazione
JP5562207B2 (ja) * 2010-10-29 2014-07-30 浜松ホトニクス株式会社 フォトダイオードアレイ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130009267A1 (en) * 2011-07-06 2013-01-10 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Providing Variable Cell Density and Sizes in a Radiation Detector
JP2014160042A (ja) 2013-02-20 2014-09-04 Hamamatsu Photonics Kk 検出器、ｐｅｔ装置及びｘ線ｃｔ装置
JP2014241543A (ja) * 2013-06-12 2014-12-25 株式会社東芝 光検出装置およびｃｔ装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN108431968A (zh) 2018-08-21
EP3396723A4 (en) 2019-08-07
TWI778948B (zh) 2022-10-01
EP3396723A1 (en) 2018-10-31
WO2017110559A1 (ja) 2017-06-29
TW201725739A (zh) 2017-07-16
KR20180095029A (ko) 2018-08-24
CN108431968B (zh) 2022-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6650261B2 (ja) 光電変換素子
US11056525B2 (en) Semiconductor photomultiplier
US20060124832A1 (en) Wide dynamic range photodetector
JP6543565B2 (ja) 光電変換素子及び光電変換モジュール
KR102659875B1 (ko) 광전 변환 소자 및 광전 변환 모듈
EP2549537B1 (en) Photo-detecting device
JP5869293B2 (ja) 放射線検出装置
KR20140037917A (ko) 포토 다이오드 어레이, 기준 전압 결정 방법, 및 권장 동작 전압 결정 방법
WO2008107718A1 (en) Optical position sensitive detector comprising photodiodes operated in geiger-mode
US9568360B2 (en) Silicon photomultiplier with improved detection accuracy
US20090314947A1 (en) Radiation Detector with Isolated Pixels Photosensitive Array for CT and Other Imaging Applications
JP7400164B2 (ja) 光検出器センサアレイ
JP6734644B2 (ja) 光電変換装置
US9917127B2 (en) Pixel arrangement
US20240105753A1 (en) Semiconductor devices with single-photon avalanche diodes and light spreading lenses
KR20190077313A (ko) 광 검출 장치
JP5823813B2 (ja) 放射線検出器
US7825384B1 (en) Quantum detector array
CN117308773A (zh) 三维位置灵敏闪烁探测器和闪烁成像探测器
Walker et al. High fill factor digital silicon photomultiplier structures in 130nm CMOS imaging technology
CN114127588A (zh) 光检测元件的信号读出电路、信号读出装置和信号读出方法
JP2017083298A (ja) 読み出し回路
KR102145088B1 (ko) 방사선 화상 판독 장치
EP4307655A1 (en) Semiconductor digital photomultiplier photon counter and imager and related technology
JPWO2020212305A5 (ko)

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right