TW202141062A - 光檢測裝置 - Google Patents

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枦達也
岩科進也
馬場隆
中村重幸
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日商濱松赫德尼古斯股份有限公司
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Abstract

本發明之光檢測裝置1中，電路基板20具有複數個信號處理部SP，其等處理自對應之像素輸出之檢測信號。複數個雪崩光電二極體之受光區域係於每一像素二維排列。各信號處理部SP中，時序測量部42基於檢測信號，測量光入射至對應之像素之時序。能量測量部43基於檢測信號，測量入射至對應之像素之光之能量。記憶部44記憶時序測量部42及能量測量部43之測量結果。設置有複數個像素之光檢測區域α、與設置有複數個信號處理部之信號處理區域β係至少一部分重疊。

Description

光檢測裝置
本發明係關於一種光檢測裝置。
已知有一種技術，其藉由檢測自光源投射於對象物中反射之光，進行對象物之檢測及與對象物相隔之距離測量(例如專利文獻1)。該技術例如稱為LiDAR(Light Detection and Ranging：光偵測及測距)。以下，將「檢測對象物」及「測量與對象物相隔之距離」總稱為「檢測動作」。將藉由LiDAR進行檢測動作之裝置稱為「測量裝置」。專利文獻1中，記載有一種藉由掃描部掃描自光源出射之光，檢測來自對象物之反射光的掃描方式之測量裝置。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2018-72097號公報
[發明所欲解決之問題]
掃描方式之測量裝置為了掃描來自光源之光而依序檢測來自檢測對象之區域之反射光，於掃描部中具有機械性進行動作之可動部位。因此，掃描方式之測量裝置中，有上述掃描部中易發生故障之問題。上述掃描方式之測量裝置中，由於在掃描光之期間，對象物移動，亦可能產生無法實現正確之檢測動作之問題。為解決此種問題，考慮一種快閃方式之測量裝置，其朝檢測對象之區域二維地同時投射來自光源之光，並檢測來自該區域之反射光。根據快閃方式之測量裝置，即使不進行光之掃描亦可實現廣闊區域之檢測動作。若無掃描來自光源之光之掃描部，則不會發生掃描部之故障，亦消除因掃描光之期間之對象物之移動引起之問題。可認為快閃方式之測量裝置與掃描方式之測量裝置相比，能提高牢度，且亦能縮短檢測對象區域之檢測動作之時間。
然而，不使用掃描部進行檢測動作存在各種問題。例如，不使用掃描部，對二維之範圍同時投射光之情形時，檢測該投射之反射光係需要將光檢測裝置中檢測光之複數個像素二維排列。由於在快閃方式之測量裝置之檢測動作中，自光源對檢測對象區域同時投射光，故來自該區域之各部位之反射光之強度較掃描方式之測量裝置之檢測動作減弱。因此，亦可謀求提高各像素之感度。由於快閃方式之測量裝置之檢測動作中，檢測同時投射至檢測對象區域之光，故除了來自對象物之反射光外，亦易檢測出外亂光。因此，難以區分外亂光與對象物中之反射光。為解決快閃方式之測量裝置中之該等問題，要求提高光檢測裝置中之檢測之正確率及精度。
本發明之一態樣之目的在於提供一種光檢測裝置，其為小型之構成，且使用於快閃方式之測量裝置之情形時，亦提高檢測之正確率及精度。 [解決問題之技術手段]
本發明之一態樣之光檢測裝置具備光檢測基板與電路基板。光檢測基板具有半導體基板。半導體基板具有互相對向之第一主面及第二主面。光檢測基板具有光檢測區域。於光檢測區域，設有於自與第一主面正交之方向觀察時二維排列之複數個像素。電路基板於與第一主面正交之方向上與光檢測基板連接。電路基板具有信號處理區域。於信號處理區域，設有處理自對應之像素輸出之檢測信號之複數個信號處理部。光檢測基板於每一像素具有複數個雪崩光電二極體、複數個淬滅電阻、及焊墊電極。複數個雪崩光電二極體各自具有設置於半導體基板之受光區域，且以蓋革模式進行動作。複數個淬滅電阻與對應之雪崩光電二極體電性串聯連接。複數個淬滅電阻互相電性並聯地連接於焊墊電極。複數個雪崩光電二極體之受光區域於自與第一主面正交之方向觀察時，於每一像素二維排列。各信號處理部包含信號取得部、時序測量部、能量測量部、及記憶部。信號取得部通過對應之焊墊電極取得檢測信號。時序測量部基於檢測信號，測量光入射至對應之像素之時序。能量測量部基於檢測信號，測量入射至對應之像素之光之能量。記憶部記憶時序測量部及能量測量部之測量結果。於自與第一主面正交之方向觀察時，光檢測區域與信號處理區域至少一部分重疊。
上述一態樣中，光檢測裝置具備具有二維排列之複數個像素之光檢測基板。各像素具有以蓋革模式進行動作之複數個雪崩光電二極體。各信號處理部通過各像素之焊墊電極取得檢測信號。因此，該光檢測裝置中，二維排列之像素各者之感度提高。因此，檢測自光源同時投射至二維範圍之光之反射光之情形時，檢測之正確率及精度亦提高。該光檢測裝置中，各信號處理部之能量測量部基於自具有複數個雪崩光電二極體之各像素輸出之檢測信號，測量光之能量。因此，該光檢測裝置可根據能量之差異，區分來自對象物之反射光與外亂光。因此，可根據檢測結果降低外亂光之影響。電路基板於與第一主面正交之方向上與光檢測基板連接，光檢測區域與信號處理區域之至少一部分重疊。因此，可謀求於與第一主面平行之方向上，光檢測裝置之小型化，且縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。各信號處理部包含記憶部。假設將該記憶部設置於信號處理部之外部之情形時，為了將至少來自時序測量部及能量測量部之配線自各信號處理部牽拉至外部，相鄰之信號處理部間需要廣闊之空間。相鄰之信號處理部間需要廣闊之空間之情形時，難以削減光檢測裝置之尺寸。該光檢測裝置中，由於各信號處理部包含了記憶部，故削減自各信號處理部牽拉至該信號處理部之外部之配線數量。因此，可謀求光檢測裝置之進一步小型化。
上述一態樣中，亦可為，於自與第一主面正交之方向觀察時，光檢測基板被電路基板之邊緣包圍。該情形時，可謀求光檢測裝置之進一步小型化，且進一步縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。
上述一態樣中，亦可為，光檢測區域於與第一主面正交之方向觀察時，具有與信號處理區域重疊之第一部分、及不與信號處理區域重疊之第二部分。第一部分之面積亦可大於第二部分之面積。該情形時，可謀求光檢測裝置之進一步小型化，且進一步縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。
上述一態樣中，亦可為，信號處理區域於自與第一主面正交之方向觀察時，具有不與光檢測區域重疊之第三部分。第一部分之面積亦可大於第二部分之面積與第三部分之面積之合計。該情形時，可謀求光檢測裝置之進一步小型化，且進一步縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。
上述一態樣中，亦可為，光檢測區域中設有各像素之單位區域、及信號處理區域中設有與該像素對應之信號處理部之單位區域，於自與第一主面正交之方向觀察時，至少一部分重疊。該情形時，可謀求光檢測裝置之進一步小型化，且進一步縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。
上述一態樣中，亦可為，於自與第一主面正交之方向觀察時，焊墊電極之重心自設有與該焊墊電極連接之信號處理部之單位區域之重心，朝信號取得部偏移。上述焊墊電極之重心為幾何中心。該情形時，進一步縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。於自與第一主面正交之方向觀察時，可將用以對各信號處理部施加驅動電壓之配線設置於該信號處理部之中央。因此，容易牽拉配線。
上述一態樣中，亦可為，光檢測區域中設有各像素之單位區域、與信號處理區域中設有與該像素對應之信號處理部之單位區域，於自與第一主面正交之方向觀察時，具有於沿第一主面之方向偏移而不互相重疊之部分。該情形時，可進一步縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。
上述一態樣中，上述檢測信號亦可為電流信號。各信號取得部之信號取得部亦可包含電流-電壓轉換電路與信號傳遞電路。電流-電壓轉換電路亦可將上述檢測信號轉換成電壓。信號傳遞電路亦可將自電流-電壓轉換電路輸出之電壓信號輸入至能量測量部。信號傳遞電路亦可包含密勒電容器。密勒電容器亦可與電流-電壓轉換電路並聯地連接於能量測量部。能量測量部亦可基於自信號傳遞電路輸入之信號之波形，測量入射至對應之像素之光之能量。該情形時，藉由信號傳遞電路包含有電容器，上述波形因該電容器而變得平緩。若波形平緩，則可提高能量測量部之能量測量精度。電容器之電容愈大，該信號之波形愈平緩。該光檢測裝置中，信號傳遞電路包含有密勒電容器。因此，即使不擴大電容器之區域之尺寸，信號傳遞電路亦可獲得與使用電容更大之電容器之情形相同之作用。其結果，可確保能量測量精度，且配合二維排列之複數個像素，小型地形成複數個信號處理部。
上述一態樣中，能量測量部測量亦可藉由自對應之信號取得部輸入之信號之波高為閾值以上期間的時間，而測量入射至對應之像素之光之能量。此種能量測量部可藉由簡單之數位處理實現，且實體上亦可小型地構成。因此，降低能量測量部之區域之尺寸。其結果，可配合二維排列之複數個像素，小型地形成複數個信號處理部。
上述一態樣中，各信號處理部之記憶部亦可包含複數個記憶區域。複數個記憶區域分別記憶於特定測量期間，時序測量部及能量測量部對於互不相同之時序入射至對應之像素之入射光之測量結果。由於該光檢測裝置包含複數個記憶區域，故即使自時序測量部及能量測量部輸出對於上述特定測量期間入射至像素之外亂光之測量結果，亦記憶對來自對象物之反射光之測量結果。該光檢測裝置中，各信號處理部包含有上述之複數個記憶區域。因此，降低外亂光之影響，且削減自各信號處理部牽拉至該信號處理部之外部之配線數量。 [發明之效果]
本發明之一態樣提供一種光檢測裝置，其為小型之構成，且使用於快閃方式之測量裝置之情形時，提高檢測之正確率及精度。
以下，參照隨附圖式，針對本發明之實施形態詳細地進行說明。另，於說明中，對同一要件或具有同一功能之要件使用同一符號，省略重複說明。
首先，參照圖1及圖2，說明本實施形態之光檢測裝置之構成。圖1係顯示本實施形態之光檢測裝置之概略立體圖。圖2係圖1所示之光檢測裝置之分解立體圖。光檢測裝置1係半導體光檢測裝置。
光檢測裝置1如圖1及圖2所示，具備光檢測基板10及電路基板20。光檢測基板10與電路基板20互相對向。本實施形態中，與光檢測基板10及電路基板20之各主面平面之面為XY軸平面，且與各主面正交之方向為Z軸方向。
光檢測基板10具有俯視時呈矩形形狀之半導體基板50。本實施形態中，光檢測基板10係使用於所謂背面入射型半導體光檢測裝置之光檢測基板。半導體基板50包含Si，為P型半導體基板。半導體基板50具有互相對向之主面1Na與主面1Nb。P型為第一導電型之一例。N型為第二導電型之一例。主面1Na為向半導體基板50入射光之面。主面1Na為第一主面之情形時，主面1Nb為第二主面。
電路基板20具有互相對向之主面20a與主面20b。電路基板20於俯視時呈矩形形狀。光檢測基板10於Z軸方向上與電路基板20連接。主面20a與主面1Nb對向。
電路基板20之側面20c位於較半導體基板50之側面1Nc更靠XY軸平面方向之外側。於俯視時，電路基板20之面積大於半導體基板50之面積。換言之，電路基板20之側面20c位於較半導體基板50之側面1Nc更靠XY軸平面方向之外側。自Z軸方向觀察時，光檢測基板10由電路基板20之邊緣20d包圍。電路基板20之側面20c與半導體基板50之側面1Nc亦可為一面。
光檢測基板10安裝於電路基板20。光檢測基板10與電路基板20藉由凸塊電極BE連接。光檢測基板10自Z軸方向觀察時，配置於電路基板20之中央。如圖2所示，光檢測基板10具有複數個像素U。複數個像素U自Z軸方向觀察時，於光檢測基板10之光檢測區域α中矩陣狀二維排列。光檢測區域α自Z軸方向觀察時呈矩形狀。光檢測裝置1輸出與複數個像素U中檢測出之光對應之檢測信號。像素U間之間距WU於列方向及行方向上為10 μm～500 μm。本實施形態中，間距WU為100 μm。列方向為X軸方向，行方向為Y軸方向。
電路基板20例如構成ASIC(Application Specific Integrated Circuit：特殊應用積體電路)。電路基板20如圖2所示，具有複數個信號處理部SP。各信號處理部SP處理自對應之像素U輸出之檢測信號。複數個信號處理部SP於自Z軸方向觀察時，二維排列於電路基板20之信號處理區域β。各信號處理部SP通過凸塊電極BE，與光檢測基板10電性連接。本實施形態中，各信號處理部SP與對應之像素U以相同之間距WU配置。
接著，參照圖3至圖6，說明光檢測基板10之構成。圖3係自Z軸方向觀察光檢測基板10之主面1Nb之圖。圖4係顯示光檢測區域α與信號處理區域β之位置關係之模式圖。圖5係顯示與各像素U對應設有凸塊電極PE1及凸塊電極BE之區域。圖6係顯示光檢測裝置之剖面構成。
圖3中，以一點鏈線顯示自Z軸方向觀察光檢測裝置1時之信號處理部SP之位置。圖3中顯示各像素U、凸塊電極BE、及電路基板20之信號處理部SP之位置關係。如圖3所示，自Z軸方向觀察時，光檢測區域α與信號處理區域β至少一部分重疊。本實施形態中，自Z軸方向觀察時，光檢測區域α與信號處理區域β互相於X軸方向偏移。
圖4中顯示自Z軸方向觀察之光檢測區域α與信號處理區域β之位置關係。光檢測區域α於自Z軸方向觀察時，包含與信號處理區域β重疊之部分R1、及不與信號處理區域β重疊之部分R2。信號處理區域β於自Z軸方向觀察時，包含與光檢測區域α重疊之部分R1、及不與光檢測區域α重疊之部分R3。換言之，部分R1係自Z軸方向觀察時，光檢測區域α與信號處理區域β互相重疊之部分。部分R2係自Z軸方向觀察之情形時，光檢測區域α內，光檢測區域α與信號處理區域β不重疊之部分。部分R3係自Z軸方向觀察之情形時，信號處理區域β內，光檢測區域α與信號處理區域β不重疊之部分。圖4中，於部分R1標註有陰影線。自Z軸方向觀察時，部分R1之面積大於部分R2之面積。自Z軸方向觀察時，部分R1之面積大於部分R2之面積與部分R3之合計面積。例如，部分R1為第一部分，部分R2為第二部分，部分R3為第三部分。
光檢測區域α包含各自設有複數個像素U之複數個單位區域α1。於一個單位區域α1設有一個像素U。信號處理區域β包含各自設有複數個信號處理部SP之複數個單位區域β1。於一個單位區域β1設有一個信號處理部SP。自Z軸方向觀察時，設有各像素U之單位區域α1與設有對應於該像素U之信號處理部SP之單位區域β1至少一部分重疊。自Z軸方向觀察時，設有各像素U之單位區域α1與設有對應於該像素U之信號處理部SP之單位區域β1具有於沿主面1Na之方向偏移，不互相重疊之部分。本實施形態中，相對於設有各像素U之單位區域α1，設有對應之信號處理部SP之單位區域β1於X軸方向上偏移。
如圖3及圖5所示，光檢測基板10具有以蓋革模式動作之複數個雪崩光電二極體11、複數個淬滅電阻21、焊墊電極PE1、PE2。以下，將「雪崩光電二極體」稱為「APD」。
於光檢測基板10，於每一像素U設有以蓋革模式動作之複數個APD11、複數個淬滅電阻21、及至少1個之焊墊電極PE1。本實施形態中，於每一像素U設有1個焊墊電極PE1。各信號處理部SP僅連接於一個焊墊電極PE1。複數個信號處理部SP分別通過對應之焊墊電極PE1，僅與互不相同之一個像素U連接。換言之，複數個信號處理部SP與複數個像素U以按照一一對應之關係對應之方式連接。
複數個APD11二維排列於半導體基板50。各APD11具有接受自主面1Na側入射之光之受光區域S。複數個受光區域S設置於半導體基板50之主面1Nb側。如圖5所示，光檢測基板10中，各像素U包含複數個受光區域S。複數個受光區域S於自Z軸方向觀察時，二維排列於每一像素U。受光區域S係根據入射光產生電荷之電荷產生區域。受光區域S係光感應區域。本實施形態中，如圖5所示，各受光區域S於自Z軸方向觀察時呈矩形形狀。
如圖6所示，光檢測基板10於每一像素U具有複數個淬滅電阻21與電極22。各淬滅電阻21配置於半導體基板50之主面1Nb側。淬滅電阻21於自Z軸方向觀察時，沿受光區域S之外緣延伸。各淬滅電阻21與對應之APD11之受光區域S電性串聯連接。淬滅電阻21構成被動淬滅電路。
如圖5所示，電極22以自Z軸方向觀察時通過1個像素U所含之複數個受光區域S間之方式點陣狀設置於主面1Nb側。受光區域S於自Z軸方向觀察時由電極22包圍。電極22透過複數個淬滅電阻21，與1個像素U所含之所有受光區域S電性連接。電極22透過複數個淬滅電阻21，與對應於各淬滅電阻21之受光區域S電性連接。電極22與對應於像素U之焊墊電極PE1連接。本實施形態中，電極22與位於對應之像素U之中央之焊墊電極PE1連接。根據以上構成，一個像素U所含之所有淬滅電阻21係藉由電極22，對1個焊墊電極PE1互相電性並聯連接。即，各焊墊電極PE1係透過淬滅電阻21及電極22，與對應之像素U所含之複數個APD11電性連接。
複數個焊墊電極PE1於自Z軸方向觀察時，位於二維排列有複數個像素U之光檢測區域α。各焊墊電極PE1以自Z軸方向觀察時，與對應之像素U具有之複數個APD11中之至少1個APD11重疊之方式，配置於主面1Nb側。本實施形態中，各焊墊電極PE1為矩形形狀，以與1個像素U具有之16個APD11中，位於像素U之中央之4個APD11重疊之方式配置。凸塊電極BE自Z軸方向觀察時，係配置於各焊墊電極PE1之中央。本實施形態中，各焊墊電極PE1於自Z軸方向觀察時，與包圍位於各像素U之中央之4個受光區域S之電極22相接。
作為本實施形態之變化例，焊墊電極PE1亦可與像素U具有之所有複數個ADP11相接。該情形時，各焊墊電極PE1例如亦可以自Z軸方向觀察時，與像素U具有之所有複數個APD11重疊之方式，配置於主面1Nb側。
如圖3所示，焊墊電極PE2於主面1Nb側，與配置有複數個像素U之光檢測區域α隔開配置。焊墊電極PE2係用於自主面1Na側對各APD11施加電壓之共同電極。本實施形態中，焊墊電極PE2為矩形形狀，配置於主面1Nb之四邊。於焊墊電極PE2亦配置有凸塊電極BE。
如圖6所示，各APD11具有P型第一半導體區域PA、P型第二半導體區域PB、及N型第三半導體區域NA。第一半導體區域PA位於半導體基板50之主面1Nb側。第二半導體區域PB位於半導體基板50之主面1Na側。第三半導體區域NA形成於第一半導體區域PA內。第二半導體區域PB之雜質濃度高於第一半導體區域PA之雜質濃度。受光區域S由第一半導體區域PA與第三半導體區域NA形成。各APD11自主面1Na側起，依序以第二半導體區域PB即P+ 層、第一半導體區域PA即P-層、第三半導體區域NA即N+ 層構成。
於半導體基板50，以包圍第三半導體區域NA之方式形成有槽13。本實施形態中，光檢測區域α自Z軸方向觀察時由槽13包圍。光檢測區域α由包圍光檢測區域α之槽13之內壁劃定。自Z軸方向觀察時，光檢測區域α之外緣與位於光檢測裝置1之最外側之槽13之靠像素U之內壁一致。單位區域α1自Z軸方向觀察時由槽13包圍。單位區域α1由包圍該單位區域α1之槽13之內壁劃定。自Z軸方向觀察時，單位區域α1之外緣與包圍該單位區域α1內之像素U之槽13之靠該像素U之內壁一致。
槽13於Z軸方向貫通第一半導體區域PA，到達第二半導體區域PB。於槽13配置有芯材13a。芯材13a包含高熔點金屬。芯材13a例如包含鎢。槽13之表面由具有高於第一半導體區域PA之雜質濃度之P型半導體層15構成。即，芯材13a於半導體基板50內由半導體層15覆蓋。作為本實施形態之變化例，槽13亦可於第一半導體區域PA中於Z軸方向延伸，而不到達第二半導體區域PB。
於第一半導體區域PA、第三半導體區域NA及槽13之上，配置有絕緣層L1。淬滅電阻21由絕緣層L1覆蓋。電極22配置於絕緣層L1上，由絕緣層L2覆蓋。焊墊電極PE1配置於絕緣層L2上。絕緣層L2由焊墊電極PE1及鈍化層L3覆蓋。鈍化層L3亦覆蓋焊墊電極PE1之一部分。
上述之淬滅電阻21通過未圖示之電極，與第三半導體區域NA連接。淬滅電阻21通過連接部C1，與對應之電極22連接。電極22通過連接部C2，與對應之焊墊電極PE1連接。焊墊電極PE1以自鈍化層L3露出之部分與焊墊電極BE連接。
電極22、焊墊電極PE1、PE2、連接部C1及連接部C2包含金屬。電極22、焊墊電極PE1、PE2、連接部C1及連接部C2例如包含鋁(Al)。半導體基板50包含Si之情形時，除了鋁以外，使用例如銅(Cu)作為電極材料。電極22、焊墊電極PE1、連接部C1及連接部C2亦可一體形成。電極22、焊墊電極PE1、連接部C1及連接部C2例如藉由濺鍍法形成。
對半導體基板50之材料使用Si之情形時，P型雜質使用Ⅲ族元素，N型雜質使用V族元素。作為P型雜質之Ⅲ族元素，例如為B。作為N型雜質之V族元素，例如為P或As。半導體之導體型即N型與P型互相置換之元件亦與光檢測基板10同樣，作為光檢測裝置發揮功能。該等雜質之添加法使用例如擴散法或離子注入法。
絕緣層L1、L2及鈍化層L3例如包含SiO2、SiN或樹脂。絕緣層L1、L2及鈍化層L3之形成方法可使用熱氧化法、濺鍍法、CVD(Chemical Vapor Deposition：化學氣相沈積)法或樹脂塗佈法。
電路基板20藉由凸塊電極BE與焊墊電極PE1電性連接。各信號處理部SP具有與焊墊電極PE1對應配置之電極，該電極通過凸塊電極BE與對應之焊墊電極PE1電性連接。將自像素U所含之複數個APD11輸出之檢測信號通過淬滅電阻21、電極22、焊墊電極PE1及凸塊電極BE，引導至對應之信號處理部SP。
凸塊電極BE介隔未圖示之UBM(Under Bump Metal：凸塊下金屬)，形成於焊墊電極PE1。UBM包含與凸塊電極BE電性及實體性連接優異之材料。UBM例如藉由無電解鍍敷法形成。凸塊電極BE例如藉由搭載焊料球之方法、印刷法或電解鍍敷法形成。凸塊電極BE例如包含銅、焊料或銦。
接著，參照圖7，說明本實施形態之電路基板之構成。圖7係顯示電路基板20之構成之圖。電路基板20如圖7所示，除了複數個信號處理部SP外，亦具有介面電路31、記憶體32、PLL(Phase Locked Loop：鎖相迴路)33、列隨機存取解碼器34、時脈驅動器35、行隨機存取解碼器37、及I/O埠38。PLL33及時脈驅動器35自Z軸方向觀察時，配置於不與光檢測區域α重疊之區域。
介面電路31例如與SPI(Serial Peripheral Interface：串列週邊介面)匯流排對應。介面電路31接收自外部輸入之SCLK(Serial Clock：串列時脈)、CS(Chip Select：晶片選擇)、MOSI(Master Output/Slave Input：主輸出/從輸入)、MISO(Master Input/Slave Output：主輸入/從輸出)等數位信號，將信號所含之暫存器之設定資訊儲存於記憶體32。
PLL33基於自外部輸入之主時脈(MCLK：Master Clock)及儲存於記憶體32之資料，產生時脈信號，將產生之時脈信號發送至時脈驅動器35。PLL33包含可程式化分頻器，參考儲存於記憶體32之資料設定分頻數。對應於自外部朝介面電路31之輸入，PLL33之分頻數可設定為任意值。PLL33將控制各信號處理部SP之控制電壓與時脈信號一起輸出。
時脈驅動器35對各信號處理部SP供給時脈信號。複數個信號處理部SP各自通過凸塊電極BE，與對應之像素U所含之複數個APD11電性連接。對各信號處理部SP輸入自對應之像素U輸出之檢測信號。來自像素U之檢測信號為具有類比波形之脈衝信號。各信號處理部SP基於輸入之該檢測信號，運算朝對應之像素U入射光之入射時序及能量等像素資料。將各信號處理部SP運算出之像素資料於與來自列隨機存取解碼器34及行隨機存取解碼器37之信號對應之時序，輸出至I/O埠38。
各信號處理部SP包含信號取得部41、時序測量部42、能量測量部43及記憶部44。信號取得部41通過對應之焊墊電極PE1，取得自像素U輸出之檢測信號。信號取得部41包含前端電路。時序測量部42基於上述檢測信號，測量光入射至對應之像素U之時序。能量測量部43基於上述檢測信號，測量朝對應之像素U入射光之能量。本實施形態中，能量測量部43將朝對應之像素U之入射光之能量轉換成時間而進行測量。例如，能量測量部43使用TOT(Time-Over Threshold：超時閾值)電路，測量自對應之信號取得部41輸入之信號之波高為閾值以上之期間之時間，作為上述能量。記憶部44記憶時序測量部42及能量測量部43之測量結果。
接著，參照圖8至圖10，針對各信號處理部SP之構成之一例詳細地進行說明。圖8係顯示本實施形態之信號處理部SP之構成。
各信號處理部SP包含前端電路51、時序比較器52、能量比較器53、邏輯電路54、時序計數器55、能量計數器56、延遲線57、選擇器58、編碼器59、及記憶體60、61。前端電路51構成信號取得部41。時序比較器52、邏輯電路54、時序計數器55及延遲線57構成時序測量部42。能量比較器53、邏輯電路54及能量計數器56構成能量測量部43。記憶體60及記憶體61分別為記憶區域，構成記憶部44。
本實施形態中，如圖8所示，自Z軸方向觀察時，焊墊電極PE1之重心位於較設有與該焊墊電極PE1連接之信號處理部SP之單位區域β1之重心更接近前端電路51處。換言之，自Z軸方向觀察時，焊墊電極PE1之重心自設有與該焊墊電極PE1連接之信號處理部SP之單位區域β1之重心朝信號取得部41偏移。本實施形態中，焊墊電極PE1自Z軸方向觀察時，與時序比較器52及能量比較器53重疊。
前端電路51通過凸塊電極BE及焊墊電極PE1，與對應之像素U所含之複數個APD11連接。自對應之像素U對前端電路51輸入檢測信號。自對應之像素U輸出之檢測信號為根據光之入射自對應之像素U所含之APD11輸出之電流信號。前端電路51對自對應之像素U輸出之檢測信號進行特定處理。前端電路51將處理後之檢測信號輸入至時序比較器52及能量比較器53。輸入至時序比較器52及能量比較器53之檢測信號具有類比波形。前端電路51如圖9所示，包含電流-電壓轉換電路70及信號傳遞電路75。圖9係顯示前端電路51之構成。
電流-電壓轉換電路70將自對應之像素U輸入之檢測信號轉換成電壓信號。電流-電壓轉換電路70包含電流-電壓轉換電阻71、72及偏壓電路73。將自電流-電壓轉換電阻71輸出之電壓信號輸入至時序比較器52。將自電流-電壓轉換電阻72輸出之電壓信號輸入至能量比較器53。信號傳遞電路75配置於電流-電壓轉換電阻72與能量比較器53間。信號傳遞電路75將自電流-電壓轉換電路70之電流-電壓轉換電阻72輸出之電壓信號輸入至能量測量部43之能量比較器53。於電流-電壓轉換電阻71、72分別連接有偏壓電路73。如圖9所示，自外部對前端電路51施加偏壓電壓。該偏壓電壓被施加於偏壓電路73。
信號傳遞電路75包含反相器76、與作為密勒電容器77發揮功能之電容器78，且作為可變電容電路發揮功能。圖10係顯示信號傳遞電路75之一部分之構成。電容器78並聯連接於反相器76。對反相器76設定有閾值電壓。若輸入電壓為閾值電壓以上，則反相器76產生與輸入電壓對應之負增益。若輸入電壓未達閾值電壓，則反相器76產生與輸入電壓對應之正增益。其結果，信號傳遞電路75藉由密勒效應，可以將具有大於電容器78之單體電容之電容的電容器與電流-電壓轉換電阻72並聯地連接於能量比較器53之方式動作。換言之，信號傳遞電路75中之電容器78作為藉由密勒效應而具有表觀電容之密勒電容器77發揮功能。該表觀電容即密勒電容根據輸入至信號傳遞電路75之電壓之增加而增加。
電容器78與電流-電壓轉換電阻72並聯地連接於能量比較器53。因此，信號傳遞電路75包含與電流-電壓轉換電路70並聯地連接於能量測量部43之密勒電容器77。與電流-電壓轉換電阻72並聯連接之電容器之電容愈大，輸入至能量比較器53之檢測信號愈為平緩之波形。因此，輸入至能量比較器53之檢測信號為較以下情形平緩之波形：藉由與輸入至信號傳遞電路75之電壓對應之密勒效應，僅電容器78與電流-電壓轉換電阻72並聯地連接於能量比較器53。能量測量部43基於輸入至能量比較器53之檢測信號之波形，測量對應之像素U之入射光之能量。
時序比較器52及能量比較器53分別根據自前端電路51輸出之檢測信號之波形之波高，分選輸出之信號。將自時序比較器52及能量比較器53輸出之檢測信號輸入至邏輯電路54。自時序比較器52及能量比較器53輸出之信號具有數位波形。時序比較器52及能量比較器53分別僅於自前端電路51輸出之檢測信號之強度超出特定閾值之情形時，輸出高(High)信號或低(Low)信號。本實施形態中，時序比較器52及能量比較器53於輸入之信號之強度超出閾值之情形時，輸出高信號，於輸入之信號之強度未超出閾值之情形時，輸出低信號。即，時序比較器52及能量比較器53輸出具有與來自對應之像素U之檢測信號之波形之數位波形的檢測信號。
除來自時序比較器52及能量比較器53之檢測信號外，對邏輯電路54還輸入自時脈驅動器35供給之時脈信號與控制信號。自由電路基板20構成之ASIC之外部供給控制信號。控制信號包含重設信號及停止信號。時脈信號、重設信號及停止信號為H/L信號。邏輯電路54根據上述控制信號、及來自時序比較器52之檢測信號，控制對時序計數器55供給時脈信號。邏輯電路54根據上述控制信號、及來自能量比較器53之檢測信號，控制對能量計數器56供給時脈信號。
邏輯電路54根據重設信號，對時序計數器55及能量計數器56指示重設計數。邏輯電路54根據停止信號，對時序計數器55及能量計數器56指示結束測量時間。
邏輯電路54使控制信號與時脈信號同步。邏輯電路54對時序計數器55、能量計數器56、延遲線57及選擇器58，供給控制信號、轉換成數位波形之檢測信號及時脈信號。邏輯電路54產生使選擇器58選擇儲存能量計數器56及編碼器59之計數結果之記憶體之信號，並將其供給至選擇器58。
時序計數器55基於自邏輯電路54輸入之檢測信號，計數與自測量期間之開始時序至光入射至對應之像素U之時序之時間對應的時脈信號之數量。能量計數器56基於自時脈電路54輸入之檢測信號，計數與入射至對應之像素U之光之能量的時脈信號之數量。時序計數器55及能量計數器56將計數結果儲存於記憶體60或記憶體61。
延遲線57包含複數個延遲元件。延遲線57藉由複數個延遲元件之動作，產生短於時脈信號之週期之時間間隔。延遲線57由自PLL33供給之控制電壓控制。編碼器59根據來自延遲線57之信號，計數延遲線57之延遲元件動作之階數，並將其轉換成二進制之信號。例如，編碼器59計數邏輯電路54中轉換成數位波形之檢測信號上升至下個時脈信號上升為止動作之延遲元件之數量。編碼器59將計數結果儲存於記憶體60或記憶體61。
選擇器58選擇儲存時序計數器55、能量計數器56及編碼器59之計數結果之記憶體。本實施形態中，選擇器58基於自邏輯電路54輸入之信號，自記憶體60及記憶體61選擇儲存上述計數結果之記憶體。
各信號處理部SP之記憶體60及記憶體61各自記憶於特定測量期間，時序測量部42及能量測量部43對於互不相同之時序入射至對應之像素U之光的測量結果。本實施形態中，記憶體60及記憶體61為實體上分開構成之記憶體媒體之記憶區域。記憶體60與記憶體61亦可為實體上同一記憶媒體內之不同記憶區域。將儲存於記憶體60及記憶體61之資料作為對應之像素U之資料，輸出至I/O埠38。
接著，說明本實施形態之光檢測裝置1之動作。光檢測基板10中，各APD11以蓋革模式進行動作。蓋革模式中，大於APD11之崩潰電壓之反方向電壓被施加於各APD11之陽極與陰極間。反方向電壓亦稱為反向偏壓電壓。本實施形態中，陽極為第一半導體區域PA，陰極為第三半導體區域NA。第一半導體區域PA通過第二半導體區域PB，與配置於半導體基板50之主面1Na側之未圖示之電極電性連接。該電極與焊墊電極PE2電性連接。第三半導體區域NA與未圖示之電極電性連接。例如，對第一半導體區域PA通過焊墊電極PE2施加負電位，對第三半導體區域NA施加正電位。該等電位之極性相對。
若光(光子)入射至像素U所含之APD11，則於半導體基板內部進行光電轉換，產生光電子。於第一半導體區域PA之PN接合界面之附近區域，產生雪崩倍增。經放大之電子群通過第二半導體區域PB、與配置於半導體基板50之主面1Na側之上述之電極，流動至電路基板20。電子群通過凸塊電極BE、焊墊電極PE1、電極22及淬滅電阻21，自電路基板20流入第三半導體區域NA。通過淬滅電阻21、電極22、焊墊電極PE1及凸塊電極BE，於電路基板20檢測出電流信號。換言之，若光入射至光檢測基板10之任一受光區域S，則產生之光電子倍增，自凸塊電極BE提取倍增後之光電子之信號，輸入至對應之信號處理部SP。對各信號處理部SP輸入來自對應之像素U所含之各APD11之信號。各信號處理部SP中，處理來自對應之像素U所含之複數個APD11之信號，作為像素資料輸出。
接著，參照圖11及圖12，針對本實施形態之各信號處理部SP之動作詳細地進行說明。圖11係用以說明能量比較器53及邏輯電路54之處理動作之圖。圖12係顯示信號處理部之動作之時序圖。
時序測量部42及能量測量部43使用時序比較器52、能量比較器53及邏輯電路54，對自對應之信號取得部41輸出之檢測信號進行處理。具體而言，時序測量部42利用時序比較器52，分選自前端電路51輸出之檢測信號，且輸出分選出之檢測信號作為數位波形。能量測量部43利用能量比較器53，分選自前端電路51輸出之檢測信號，且輸出分選出之檢測信號作為數位波形。自邏輯電路54輸出之檢測信號為H/L信號。
參照圖11，針對使用能量比較器53及邏輯電路54，將自前端電路51輸出之檢測信號自類比波形轉換成數位波形之處理進行說明。圖11中，為了說明而重疊顯示輸入至能量比較器53之類比信號P1、P2、P3、P4。類比信號P1、P2、P3、P4為電壓信號，波高表示電壓強度。類比信號P1、P2、P3、P4具有互不相同之波高。圖11中，設定於能量比較器53之閾值VTH與類比信號P1、P2、P3、P4之強度對應而顯示。圖11中，顯示自能量比較器53輸出之數位信號D1、D2、D3。數位信號D1、D2、D3為H/L信號，分別與類比信號P2、P3、P4對應。
圖11所示之例中，能量比較器53將來自前端電路51之檢測信號中具有超出閾值VTH之成分之波形的類比信號轉換成數位信號並輸出。類比信號P1之最大強度低於閾值VTH。因此，對能量比較器53輸入類比信號P1之情形時，能量比較器53輸出固定信號。本實施形態中，該情形時，能量比較器53輸出低信號。
類比信號P2、P3、P4之最大強度高於閾值VTH。因此，對能量比較器53輸入類比信號P2、P3、P4之情形時，能量比較器53輸出與超出閾值VTH之成分之波形對應之H/L信號。如圖11所示，將自能量比較器53輸出之數位信號D1、D2、D3，於對應之類比信號P2、P3、P4超出閾值VTH之時序，自低切換為高。將自能量比較器53輸出之數位信號D1、D2、D3，於對應之類比信號P2、P3、P4分別低於閾值VTH之時序，自高切換為低。將數位信號D1、D2、D3，通過邏輯電路54供給至能量計數器56。
時序測量部42檢測自邏輯電路54輸出之檢測信號之上升或下降，藉由時序計數器55測量光入射至對應之像素U之時序。能量測量部43檢測自邏輯電路54輸出之檢測信號之上升及下降，藉由能量計數器56測量該上升及下降期間之時間，作為入射至對應之像素U之光之能量。
圖12中，自上而下依序顯示自邏輯電路54輸出之重設信號、停止信號、時脈信號、及檢測信號，以及時序計數器55之計數、及能量計數器56之計數。重設信號與測量期間MP之開始對應，停止信號與測量期間MP之結束對應。藉由重設信號與停止信號，決定入射至像素U之光之測量期間MP。重設信號係例如表示測量裝置中自光源投射光之時序。停止信號係表示根據進行對象物之檢測動作之範圍預先決定之時序。
時序計數器55及能量計數器56係將來自邏輯電路54之重設信號作為觸發，進行計數之重設。當時序計數器55檢測出重設信號之下降，便與時脈信號同步開始計數。當能量計數器56檢測出重設信號之下降，便成為待機狀態。
時序計數器55將基於來自時序比較器52之輸出信號之檢測信號作為觸發，輸出計數結果。時序計數器55將自檢測出重設信號下降至檢測出檢測信號上升為止之計數結果輸入至記憶體60、61。
例如，圖12所示之例中，時序測量部42及能量測量部43於測量期間MP，測量於互不相同之時序入射至對應之像素U之光。因此，於測量期間MP之期間產生重設信號之下降。時序計數器55將自檢測出重設信號下降至檢測出第1次檢測信號上升為止之計數，作為第1次時序測量結果T1，輸入至記憶體60。時序計數器55將自檢測出重設信號下降至檢測出第2次檢測信號上升為止之計數作為第2次時序測量結果T2，輸入至記憶體61。
能量計數器56將基於來自能量編碼器53之輸出信號之檢測信號作為觸發，進行計數之開始及結束。能量計數器56將自檢測出檢測信號上升至檢測出檢測信號下降為止之計數結果輸入至記憶體60、61。
例如，圖12所示之例中，能量計數器56將自檢測出第1次檢測信號上升至第1次檢測信號下降為止之計數作為第1次能量測量結果E1，輸入至記憶體60。能量計數器56將自檢測出第2次檢測信號上升至第2次檢測信號下降為止之計數作為第2次能量測量結果E2，輸入至記憶體61。
時序計數器55之計數結果與時脈信號之週期同步。因此，時序計數器55無法根據短於時脈信號之週期測定時間。時序計數器55之計數結果中，包含有時脈信號之週期以下之誤差。本實施形態中，藉由使用編碼器59之計數結果，修正時序計數器55之計數結果，導出更正確之資料。
本實施形態中，已針對光檢測裝置1為所謂背面入射型半導體光檢測裝置之情形進行說明。但，作為本實施形態之變化例，光檢測裝置1亦可為所謂正面入射型半導體光檢測裝置。參照圖13，針對光檢測裝置1為正面入射型半導體光檢測裝置時之光檢測基板之構成進行說明。圖13係顯示本實施形態之變化例之光檢測裝置1之剖面構成。本變化例中，於光檢測裝置1具有光檢測基板10A而取代光檢測基板10之點，與上述實施形態之光檢測裝置1不同。以下，主要說明與上述實施形態之不同點。本變化例之光檢測基板10A為所謂正面入射型半導體光檢測裝置使用之光檢測基板。即，本變化例之光檢測裝置1為正面入射型半導體光檢測裝置。
光檢測基板10A中，複數個受光區域S設置於半導體基板50之主面1Na側。各APD11具有P型第一半導體區域PC、N型第二半導體區域NC、及P型第三半導體區域PD。第一半導體區域PC位於半導體基板50之主面1Na側。第二半導體區域NC位於半導體基板50之主面1Nb側。第三半導體區域PD形成於第一半導體區域PC內。第三半導體區域PD之雜質濃度高於第一半導體區域PC之雜質濃度。第三半導體區域PD為受光區域S。各APD11自主面1Na側依序以第三半導體區域PD即P+ 層、第一半導體區域PC即P層、第二半導體區域NC即N+ 層構成。
於光檢測基板10A之半導體基板50，以包圍第三半導體區域PD之方式形成有槽13。如圖13所示，槽13於Z軸方向貫通第一半導體區域PC，到達第二半導體區域NC。
光檢測基板10A於每一像素U除複數個APD11及複數個淬滅電阻21外，還具有貫通電極TE。貫通電極TE於厚度方向貫通半導體基板50。厚度方向相當於例如Z軸方向。光檢測基板10A中，電極22以於主面1Na側，自Z軸方向觀察時，通過1個像素U所含之複數個受光區域S間之方式，點陣狀設置。各淬滅電阻21配置於半導體基板50之主面1Na側。
電極23自電極22延伸，與對應之貫通電極TE電性連接。1個像素U所含之所有淬滅電阻21藉由電極22及電極23，互相電性並聯地連接於1個貫通電極TE。
複數個貫通電極TE自Z軸方向觀察時，位於二維排列有複數個像素U之光檢測區域α。各貫通電極TE除位於光檢測基板10之端之貫通電極TE外，皆配置於由彼此相鄰之四個像素U包圍之區域。貫通電極TE與彼此相鄰之四個像素U中之1個像素U電性連接。貫通電極TE及像素U於與X軸及Y軸交叉之方向上交替排列。各貫通電極TE通過對應之像素U所含之複數個APD11、淬滅電阻21、電極22及電極23電性連接。
貫通電極TE配置於在Z方向貫通之貫通孔TH內。於貫通孔TH，配置有絕緣層L11、貫通電極TE及絕緣層L12。絕緣層L11形成於貫通孔TH之內周面上。絕緣層L11位於貫通電極TE與貫通孔TH間。絕緣層L12配置於形成在貫通電極TE之內側之空間。本實施形態中，貫通電極TE呈筒狀。配置於貫通孔TH之構件自貫通孔TH之內周面側，依序以絕緣層L11、貫通電極TE、絕緣層L12構成。
光檢測基板10A於每一像素U具有焊墊電極PE3、電極24及焊墊電極PE4。焊墊電極PE3、PE4及電極24與貫通電極TE對應配置。焊墊電極PE3位於主面1Na側，電極24及焊墊電極PE4位於主面1Nb側。焊墊電極PE3通過連接部C3與電極23電性連接。焊墊電極PE3將電極23與貫通電極TE電性連接。
於第一半導體區域PC、第二半導體區域NC、第三半導體區域PD及槽13之上，配置有絕緣層L13。淬滅電阻21及焊墊電極PE3由絕緣層L13覆蓋。電極22、23配置於絕緣層L13上，由絕緣層L14覆蓋。
電極24及焊墊電極PE4介隔絕緣層L15配置於主面1Nb上。電極24具有連接於貫通電極TE之端部、與連接於焊墊電極PE4之端部。電極24將貫通電極TE與焊墊電極PE4連接。電極24由絕緣層L16覆蓋。焊墊電極PE4連接於凸塊電極BE。焊墊電極PE4除連接於凸塊電極BE之部分外，由絕緣層L16覆蓋。
光檢測基板10A之複數個焊墊電極PE3、PE4自Z軸方向觀察時，位於二維排列有複數個像素U之光檢測區域α。各焊墊電極PE4以自Z軸方向觀察時，與對應之像素U具有之複數個APD11中至少1個APD11重合之方式，配置於主面1Nb側。
電極22、23、24、焊墊電極PE3、PE4、連接部C3及貫通電極TE包含金屬。電極22、23、24、焊墊電極PE3、PE4、連接部C3及貫通電極TE例如包含鋁(Al)。半導體基板50包含Si之情形時，除了鋁以外，例如可使用銅(Cu)作為電極材料。電極22、23、24、焊墊電極PE3、PE4、連接部C3及貫通電極TE亦可一體形成。電極22、23、24、焊墊電極PE3、PE4、連接部C3及貫通電極TE例如藉由濺鍍法形成。
絕緣層L11、L12、L13、L14、L15、L16例如包含SiO2、SiN或樹脂。絕緣層L11、L12、L13、L14、L15、L16之形成方法可使用熱氧化法、濺鍍法、CVD法或樹脂塗佈法。
光檢測基板10A與光檢測基板10同樣，安裝於電路基板20。光檢測基板10A於Z軸方向上與電路基板20連接。光檢測基板10A與電路基板20藉由凸塊電極BE連接。因此，本變化例中，電路基板20藉由凸塊電極BE與焊墊電極PE4電性連接。將自光檢測基板10A之像素U所含之複數個APD11輸出之檢測信號通過淬滅電阻21、電極22、焊墊電極PE4及凸塊電極BE，引導至對應之信號處理部SP。
本變化例中，自Z軸方向觀察時，光檢測區域α與信號處理區域β之至少一部分重疊。光檢測區域α包含各自設有複數個像素U之複數個單位區域α1。信號處理區域β包含各自設有複數個信號處理部SP之複數個單位區域β1。自Z軸方向觀察時，設有各像素U之單位區域α1與設有與該像素U對應之信號處理部SP之單位區域β1至少一部分重疊。自Z軸方向觀察時，設有各像素U之單位區域α1與設有與該像素U對應之信號處理部SP之單位區域β1具有於沿主面1Na之方向偏移，不互相重疊之部分。自Z軸方向觀察時，焊墊電極PE4之重心自設有與該焊墊電極PE1連接之信號處理部SP之單位區域β1之重心朝信號取得部41偏移。
如上說明，光檢測裝置1具備具有二維排列之複數個像素U之光檢測基板10、10A。各像素U具有以蓋革模式進行動作之複數個APD11。各信號處理部SP通過各像素U之焊墊電極PE1、PE4取得檢測信號。因此，該光檢測裝置1中，二維排列之像素U各者之感度提高。此種構成中，由於來自各像素U之光檢測信號之波形陡峭，故所謂時間遊動效應(Time Walk Effect)之影響亦較少。因此，檢測自光源同時投射至二維範圍之光的反射光之情形時，亦提高檢測之正確率及精度。
該光檢測裝置1中，各信號處理部SP之能量測量部43基於自具有複數個APD11之各像素U輸出之檢測信號，測量光之能量。因此，光檢測裝置1可根據能量之差異，區分來自對象物之反射光與外亂光。因此，可自檢測結果降低外亂光之影響，實現檢測正確率之進一步提高。
電路基板20於Z軸方向上與光檢測基板10、10A連接，設有複數個像素U之光檢測區域α與設有複數個信號處理部SP之信號處理區域β至少一部分重疊。因此，可謀求於與主面1Na平行之方向上，光檢測裝置1之小型化，且縮小各像素U與各信號處理部SP之電性連接路徑。
各信號處理部SP包含記憶部44。假設該記憶部44設置於信號處理部SP之外部之情形時，為了至少將來自時序測量部42及能量測量部43之配線自各信號處理部SP牽拉至外部，於相鄰之信號處理部SP間需要廣闊空間。相鄰之信號處理部SP間需要廣闊空間之情形時，難以削減光檢測裝置1之尺寸。該光檢測裝置1中，由於各信號處理部SP包含有記憶部44，故削減自各信號處理部SP牽拉至該信號處理部SP之外部之配線數量。因此，可謀求光檢測裝置1之進一步小型化。
自Z軸方向觀察時，光檢測基板10被電路基板20之邊緣包圍。該情形時，可謀求光檢測裝置之進一步小型化，且進而縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。
光檢測區域α於自Z軸方向觀察時，具有與信號處理區域β重疊之部分R1、及不與信號處理區域β重疊之部分R2。部分R1之面積大於部分R2之面積。該情形時，可謀求光檢測裝置之進一步小型化，且進而縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。
信號處理區域β於自Z軸方向觀察時，具有不與光檢測區域α重疊之部分R3。部分R1之面積大於部分R2之面積與部分R3之合計面積。該情形時，可謀求光檢測裝置之進一步小型化，且進一步縮小各像素與各信號處理部之電性連接路徑。
光檢測區域α中設有複數個像素U各者之單位區域α1、與信號處理區域β中設有與該像素U對應之信號處理部SP之單位區域β1自Z軸方向觀察時，至少一部分重疊。該情形時，可謀求光檢測裝置1之進一步小型化，且進一步縮小各像素U與各信號處理部SP之電性連接路徑。
自Z軸方向觀察時，焊墊電極PE1、PE4之重心自設有與該焊墊電極PE1、PE4連接之信號處理部SP之單位區域β1之重心，朝信號取得部41偏移。該情形時，進一步縮小各像素U與各信號處理部SP之電性連接路徑。由於自Z軸方向觀察時，可將用以對各信號處理部SP施加驅動電壓之配線設置於該信號處理部SP之中央，故容易牽拉配線。
光檢測區域α中設有各像素U之單位區域α1、與信號處理區域β中設有與該像素對應之信號處理部SP之單位區域β1自Z軸方向觀察時，於沿主面1Na之方向上偏移。設有各像素U之單位區域α1與設有與該像素對應之信號處理部SP之單位區域β1具有不互相重疊之部分。該情形時，可進一步縮小各像素U與各信號處理部SP之電性連接路徑。
自對應之像素U輸出之檢測信號為電流信號。各信號取得部41包含電流-電壓轉換電路70與信號傳遞電路75。電流-電壓轉換電路70將檢測信號轉換成電壓。信號傳遞電路75將自電流-電壓轉換電路70輸出之電壓信號輸入至能量測量部43。信號傳遞電路75包含密勒電容器77。密勒電容器77與電流-電壓轉換電路70並聯地連接於能量測量部43。能量測量部43基於自信號傳遞電路75輸入之信號之波形，測量入射至對應之像素U之光之能量。如此，由於電容器與電流-電壓轉換電路70並聯地連接於能量測量部43，故上述波形變變得平緩。若波形平緩，則可提高能量測量部43之能量測量精度。
圖14係將輸入至時序比較器52之信號與輸入至能量比較器53之信號進行比較之圖。複數個信號S1各者表示具有互不相同之強度之光入射至像素U之情形時，輸入至時序比較器52之信號。複數個信號S2各者表示具有互不相同之強度之光入射至像素U之情形時，輸入至能量比較器53之信號。於時序比較器52之前段未設置包含電容器之信號傳遞電路，相對於此，於能量比較器53之前段設有包含電容器78之信號傳遞電路75。
電容器與電流-電壓轉換電路70並聯設置於能量測量部43之情形時，藉由電容器之放電，輸入至能量比較器53之信號之波形變得平緩。若輸入至能量比較器53之信號之波形平緩，則與入射至像素U之光之能量差異對應的能量計數器56中測量出之時間差異亦變大。因此，提高能量測量部43之能量測量精度。與電流-電壓轉換電路70並聯連接於能量測量部43之電容器之電容愈大，該信號之波形愈平緩。
該光檢測裝置1中，信號傳遞電路75包含由電容器78構成之密勒電容器77。該情形時，即使不擴大電容器之區域之尺寸，亦可根據輸入至信號傳遞電路75之電壓，獲得與使用電容更大之電容器之情形相同之作用。因此，確保能量測量精度，且可配合二維排列之複數個像素U，小型地形成複數個信號處理部SP。
能量測量部43藉由測量自對應之信號取得部41輸入之信號之波高超出閾值VTH以上之期間之時間，測量入射至對應之像素U之能量。此種能量測量部43可藉由簡單之數位處理實現，且實體上亦可小型地構成。因此，降低能量測量部43之區域之尺寸。其結果，可配合二維排列之複數個像素U，小型地形成複數個信號處理部SP。
各信號處理部SP之記憶部44包含複數個記憶體60、61。複數個記憶體60、61分別記憶於特定測量期間，時序測量部42及能量測量部43對於互不相同之時序入射至對應之像素U之入射光的測量結果。由於該光檢測裝置1包含記憶體60、61，故即使自時序測量部42及能量測量部43於上述特定測量期間輸出對入射至像素U之外亂光之測量結果，亦記憶對來自對象物之反射光之測量結果。例如，如圖12所示之例，即使自邏輯電路54輸出外亂光之信號，亦記憶測量期間MP之複數個能量測量結果E1、E2。因此，即使能量測量結果E1係基於外亂光之信號之測量結果，亦可記憶對來自對象物之反射光之測量結果作為能量測量結果E2。光檢測裝置1中，各信號處理部SP中包含有上述之複數個記憶體60、61。因此，降低外亂光之影響，且削減自各信號處理部SP牽拉至該信號處理部SP之外部之配線數量。
以上，雖已對本發明之實施形態及變化例進行說明，但本發明並非限定於上述實施形態及變化例者，於不脫離其主旨之範圍內可進行各種變更。
例如，上述實施形態中，如圖8所示，焊墊電極PE1自Z軸方向觀察時，與時序比較器52及能量比較器53重疊。如圖3所示，相對於設有各像素U之單位區域α1，設有對應之信號處理部SP之單位區域β1於X軸方向偏移。但，作為本實施形態之變化例，如圖15所示，焊墊電極PE1亦可於自Z軸方向觀察時，與前端電路51重疊。本變化例中，如圖16所示，自Z軸方向觀察時，光檢測區域α與信號處理區域β互相於XY軸方向偏移。圖15係顯示本變化例之像素與信號處理部之位置關係之圖。圖16係顯示本變化例之信號取得部與焊墊電極之位置關係之圖。
圖17係顯示圖15及圖16所示之變化例中，自Z軸方向觀察之光檢測區域α與信號處理區域β之位置關係。本變化例中，光檢測區域α於自Z軸方向觀察時，亦包含與信號處理區域β重疊之部分R1、及不與信號處理區域β重疊之部分R2。信號處理區域β於自Z軸方向觀察時，包含與光檢測區域α重疊之部分R1、及不與光檢測區域α重疊之部分R3。圖17中，於部分R1標註有陰影線。自Z軸方向觀察時，部分R1之面積大於部分R2之面積。自Z軸方向觀察時，部分R1之面積大於部分R2之面積與部分R3之合計面積。
如圖16所示，相對於設有各像素U之單位區域α1，設有對應之信號處理部SP之單位區域β1於X軸及Y軸方向偏移。圖15係顯示本實施形態之變化例之光檢測裝置1中像素U與信號處理部SP之位置關係。圖16係顯示本實施形態之變化例之光檢測裝置1中信號取得部41與焊墊電極PE1之位置關係之圖。
上述之實施形態及變化例中，光檢測基板10、10A與電路基板20藉由凸塊電極BE連接，但光檢測裝置1之構成不限定於此。光檢測基板10、10A之焊墊電極PE1、PE4與電路基板20之信號處理部SP亦可不經由凸塊電極BE而電性連接。
上述之實施形態中，能量測量部43為了測量入射至對應之像素U之光之能量，而使用TOT電路，測量自對應之信號取得部41輸入之信號之波高為閾值以上之期間之時間。但，作為本實施形態之變化例，能量測量部43亦可藉由ADC(Analog-Digital-Converter：類比-數位轉換器)測量能量。該情形時，由於能量測量部43可更高精度地檢測自對應之信號取得部41輸入之信號之波高，故可更高精度地測量入射至對應之像素U之光之能量。作為本實施形態之變化例，能量測量部43亦可藉由閾值互不相同之複數個比較器，測量上述能量。該等變化例之情形時，較使用TOT電路之情形，能量測量部43需要更大空間。
上述之實施形態及變化例中，各信號處理部SP僅連接於一個焊墊電極PE1。複數個信號處理部SP分別通過對應之焊墊電極PE1，僅與互不相同之一個像素U連接。光檢測裝置1不包含切換各像素U與對應於該像素U之信號處理部SP之電性連接之開關。換言之，自各像素U輸出之信號通過對應之凸塊電極BE，僅輸入至固定之一個信號處理部SP。但，亦可包含切換電性連接於各像素U之信號處理部SP之開關。
焊墊電極PE1、PE2包含不僅其等之寬度大於厚度之形狀，亦包含其等之厚度大於寬度之電極。例如，焊墊電極PE1、PE2之最小厚度亦可大於該焊墊電極PE1、PE2之最大寬度。本說明書中，焊墊電極PE1、PE2之厚度稱為Z軸方向之長度。焊墊電極PE1、PE2之寬度稱為與Z軸方向正交之方向之長度。
上述之實施形態及變化例中，光檢測區域α由包圍光檢測區域α之槽13之內壁劃定。但，光檢測區域α亦可不由槽13包圍。該情形時，自Z軸方向觀察時，光檢測區域α之外緣與位於最外側之第三半導體區域NA、PD之外緣一致。
上述之實施形態及變化例中，單位區域α1由包圍該單位區域α1之槽13之內壁劃定。但，單位區域α1亦可不由槽13包圍。該情形時，自Z軸方向觀察時，單位區域α1之外緣與位於該單位區域α1內之像素U之最外側之第三半導體區域NA、PD之外緣一致。
1:光檢測裝置 1Na:主面 1Nb:主面 1Nc:側面 10:光檢測基板 10A:光檢測基板 11:雪崩光電二極體 13:槽 13a:芯材 15:半導體層 20:電路基板 20a:主面 20b:主面 20c:側面 20d:邊緣 21:淬滅電阻 22:電極 23:電極 24:電極 31:介面電路 32:記憶體 33:PLL(鎖相迴路) 34:列隨機存取解碼器 35:時脈驅動器 37:行隨機存取解碼器 38:I/O埠 41:信號取得部 42:時序測量部 43:能量測量部 44:記憶部 50:半導體基板 51:前端電路 52:時序比較器 53:能量比較器 54:邏輯電路 55:時序計數器 56:能量計數器 57:延遲線 58:選擇器 59:編碼器 60:記憶體 61:記憶體 70:電流-電壓轉換電路 71:電流-電壓轉換電阻 72:電流-電壓轉換電阻 73:偏壓電路 75:信號傳遞電路 76:反相器 77:密勒電容器 78:電容器 BE:凸塊電極 C1:連接部 C2:連接部 C3:連接部 CS:晶片選擇 D1:數位信號 D2:數位信號 D3:數位信號 E1:第1次能量測量結果 E2:第2次能量測量結果 L1:絕緣層 L2:絕緣層 L3:鈍化層 L11:絕緣層 L12:絕緣層 L13:絕緣層 L14:絕緣層 L15:絕緣層 L16:絕緣層 MCLK:主時脈 MISO:主輸入/從輸出 MOSI:主輸出/從輸入 MP:測量期間 NA:第三半導體區域 NC:第二半導體區域 P1:類比信號 P2:類比信號 P3:類比信號 P4:類比信號 PA:第一半導體區域 PB:第二半導體區域 PC:第一半導體區域 PD:第三半導體區域 PE1:焊墊電極 PE2:焊墊電極 PE3:焊墊電極 PE4:焊墊電極 R1:部分 R2:部分 R3:部分 S:受光區域 S1:信號 S2:信號 SCLK:串列時脈 SP:信號處理部 T1:第1次時序測量結果 T2:第2次時序測量結果 TE:貫通電極 TH:貫通孔 U:像素 VTH:閾值 WU:間距 α:光檢測區域 α1:單位區域 β:信號處理區域 β1:單位區域
圖1係顯示本實施形態之光檢測裝置之概略立體圖。 圖2係光檢測裝置之分解立體圖。 圖3係光檢測基板之概略俯視圖。 圖4係顯示光檢測區域與信號處理區域之位置關係之模式圖。 圖5係光檢測基板之概略放大圖。 圖6係顯示光檢測裝置之剖面構成之圖。 圖7係顯示電路基板之構成之圖。 圖8係顯示信號處理部之構成之圖。 圖9係顯示前端電路之構成之圖。 圖10係顯示密勒電容器之圖。 圖11係用以說明能量比較器及邏輯電路之處理動作之圖。 圖12係顯示信號處理部之動作之時序圖。 圖13係顯示本實施形態之變化例之光檢測裝置之剖面構成之圖。 圖14係用以說明信號傳遞電路中之處理之圖。 圖15係顯示本實施形態之變化例之像素與信號處理部之位置關係之圖。 圖16係顯示本實施形態之變化例之信號取得部與焊墊電極之位置關係之圖。 圖17係顯示本實施形態之變化例之光檢測區域與信號處理區域之位置關係之模式圖。
1:光檢測裝置
20:電路基板
31:介面電路
32:記憶體
33:PLL(鎖相迴路)
34:列隨機存取解碼器
35:時脈驅動器
37:行隨機存取解碼器
38:I/O埠
41:信號取得部
42:時序測量部
43:能量測量部
44:記憶部
CS:晶片選擇
MCLK:主時脈
MISO:主輸入/從輸出
MOSI:主輸出/從輸入
SCLK:串列時脈
SP:信號處理部
β:信號處理區域
β1:單位區域

Claims (10)

  1. 一種光檢測裝置，其包含： 光檢測基板，其包含具有互相對向之第一主面及第二主面之半導體基板，且具有設置有自與上述第一主面正交之方向觀察時二維排列之複數個像素之光檢測區域；及 電路基板，其於與上述第一主面正交之方向上與上述光檢測基板連接，且具有設置有處理自對應之上述像素輸出之檢測信號之複數個信號處理部的信號處理區域；且 上述光檢測基板於每一上述像素包含： 複數個雪崩光電二極體，其等各自具有設置於上述半導體基板之受光區域，且以蓋革模式進行動作； 複數個淬滅電阻，其等與對應之上述雪崩光電二極體電性串聯連接；及 焊墊電極，其連接有互相電性並聯之上述複數個淬滅電阻； 上述複數個雪崩光電二極體之上述受光區域，於自與上述第一主面正交之方向觀察時，於每一上述像素二維排列， 各上述信號處理部包含： 信號取得部，其透過對應之上述焊墊電極取得上述檢測信號； 時序測量部，其基於上述檢測信號，測量光入射至對應之上述像素之時序； 能量測量部，其基於上述檢測信號，測量入射至對應之上述像素之光之能量；及 記憶部，其記憶上述時序測量部及上述能量測量部之測量結果； 自與上述第一主面正交之方向觀察時，上述光檢測區域與上述信號處理區域係至少一部分重疊。
  2. 如請求項1之光檢測裝置，其中 於自與上述第一主面正交之方向觀察時，上述光檢測基板係被上述電路基板之邊緣包圍。
  3. 如請求項1或2之光檢測裝置，其中 上述光檢測區域於自與上述第一主面正交之方向觀察時，具有與上述信號處理區域重疊之第一部分、及不與上述信號處理區域重疊之第二部分； 上述第一部分之面積大於上述第二部分之面積。
  4. 如請求項3之光檢測裝置，其中 上述信號處理區域於自與上述第一主面正交之方向觀察時，具有不與上述光檢測區域重疊之第三部分； 上述第一部分之面積，大於上述第二部分之面積與上述第三部分之面積之合計。
  5. 如請求項1至4中任一項之光檢測裝置，其中 上述光檢測區域中設置有各上述像素之單位區域、與上述信號處理區域中設置有與該像素對應之上述信號處理部之單位區域，係於自與上述第一主面正交之方向觀察時，至少一部分重疊。
  6. 如請求項1至5中任一項之光檢測裝置，其中 於自與上述第一主面正交之方向觀察時，上述焊墊電極之重心，係自設置有與該焊墊電極連接之上述信號處理部之單位區域之重心，朝上述信號取得部偏移。
  7. 如請求項5之光檢測裝置，其中 上述光檢測區域中設置有各上述像素之單位區域、與上述信號處理區域中設置有與該像素對應之上述信號處理部之單位區域，係於自與上述第一主面正交之方向觀察時，具有於沿上述第一主面之方向上偏移而不互相重疊之部分。
  8. 如請求項1至7中任一項之光檢測裝置，其中 上述檢測信號為電流信號， 上述各信號處理部之上述信號取得部包含：電流-電壓轉換電路，其將上述檢測信號轉換成電壓；及信號傳遞電路，其將自上述電流-電壓轉換電路輸出之電壓信號，輸入至上述能量測量部； 上述信號傳遞電路包含密勒電容器，其與上述電流-電壓轉換電路並聯連接於上述能量測量部； 上述能量測量部基於自上述信號傳遞電路輸入之信號之波形，測量入射至對應之上述像素之光之能量。
  9. 如請求項1至8中任一項之光檢測裝置，其中 藉由上述能量測量部測量自對應之上述信號取得部輸入之信號之波高為閾值以上之期間的時間，來測量入射至對應之上述像素之光之能量。
  10. 如請求項1至9中任一項之光檢測裝置，其中 上述各信號處理部之上述記憶部係包含複數個記憶區域，其等分別記憶於特定測量期間，上述時序測量部及上述能量測量部對於互不相同之時序入射至對應之上述像素之光的測量結果。
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