WO2021172216A1 - 受光素子、光学デバイス、及び電子機器 - Google Patents

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拳文 高塚
和樹 比津
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Definitions

  • the present disclosure relates to light receiving elements, optical devices, and electronic devices.
  • a single photon avalanche diode (hereinafter referred to as SPAD (Single Photon Avalanche Diode)) that utilizes avalanche multiplication as one of the optical elements configured to photoelectrically convert the received light into an electric signal and output the electric signal.
  • SPAD Single Photon Avalanche Diode
  • Avalanche multiplication is a phenomenon in which electrons and holes generated by the incident of photons are accelerated by a high electric field, and new electrons and holes are generated one after another. Since a set of electrons and holes is increased many times and a large current flows, SPAD utilizing this has an advantage that weak light can be detected.
  • Non-Patent Document 1 In order to make the input voltage to the read circuit smaller than the withstand voltage and reduce the power consumption, resistance voltage division may be used (Non-Patent Document 1).
  • the time constant determined by the resistance value of the resistor for voltage division, the cathode parasitic capacitance of the SPAD, and the input parasitic capacitance to the read circuit becomes large, and the period for recharging the SPAD may become long.
  • the recharge period is a so-called dead time in which SPAD cannot detect photons. That is, in the resistance voltage division, even if the input voltage to the read circuit can be made smaller than the withstand voltage and the power consumption can be reduced, the inconvenience of increasing the dead time may occur.
  • the present disclosure proposes a light receiving element, an optical device, and an electronic device capable of reducing at least one of power consumption and dead time while reducing the input voltage to the read circuit.
  • a photomultiplier tube including a photomultiplier region capable of multiplying the charge generated in response to photon incident and one end of the photomultiplier tube are connected at one end.
  • a second resistance unit connected by a unit and a reading unit connected to the other end of the first resistance unit and reading an output from the photon response multiplying unit via the first resistance unit.
  • a light receiving element comprising the above is provided.
  • a photomultiplier tube including a photomultiplier region capable of multiplying the charge generated in response to the incident of a photon, and one end of the photomultiplier tube and one end of the photomultiplier tube.
  • an optical device in which a plurality of light receiving elements each having a connection point to which a reading unit to be read is connected are arranged in a matrix.
  • the optical system a photon response multiplying portion including a charge multiplying region capable of multiplying the charge generated in response to the incident of photons transmitted through the optical system, and the photon response increasing.
  • the first resistance portion which is a first resistance portion connected to one end of the doubling portion at one end and has a resistance value larger than the resistance value of the photon response multiplying portion, the first resistance portion.
  • a second resistance portion connected to the other end of the portion at one end, the other end of the first resistance portion, the one end of the second resistance portion, and Provided is an electronic device including an optical device in which a plurality of light receiving elements each having a connection point to which a reading unit for reading an output from the photon response multiplying unit is connected are arranged in a matrix.
  • FIG. 5B It is a block diagram which shows the schematic structure example of the optical device which concerns on 1st Embodiment. It is a block diagram which shows the schematic structure example of the pixel in the pixel array part of the optical device which concerns on 1st Embodiment. It is a figure which shows typically the change of the cathode voltage when one photon is incident on the single photon avalanche diode included in the pixel of the pixel array part of the optical device which concerns on 1st Embodiment. It is a figure for demonstrating the operation of the pixel of the optical device which concerns on 1st Embodiment. It is a figure for demonstrating the operation of the pixel of the optical device which concerns on 1st Embodiment, following FIG. 5B.
  • FIG. 5C It is a figure for demonstrating the operation of the pixel of the optical device which concerns on 1st Embodiment, following FIG. 5C. It is a figure for demonstrating the operation of the pixel of the optical device which concerns on 1st Embodiment, following FIG. 5D. It is a figure which shows the configuration example of the pixel by the conventional example. It is a figure which shows the configuration example of the pixel by the conventional example. It is a block diagram which shows the specific example 1 of the shielding resistance part in the pixel of the optical device which concerns on 1st Embodiment. It is a block diagram which shows the specific example 2 of the shielding resistance part in the pixel of the optical device which concerns on 1st Embodiment.
  • ToF Time of Flight
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration example of an electronic device to which an optical device according to an existing technique is applied.
  • the electronic device 1 includes, for example, an image pickup lens 30, an optical device 10, a storage unit 40, and a processor 50.
  • the image pickup lens 30 is an example of an optical system that collects incident light and forms an image on the light receiving surface of the optical device 10.
  • the light receiving surface may be a surface in which the pixels are arranged in a matrix in the optical device 10.
  • the optical device 10 photoelectrically converts the incident light to generate image data. Further, the optical device 10 executes predetermined signal processing such as noise removal and white balance adjustment on the generated image data.
  • the storage unit 40 is composed of, for example, a flash memory, a DRAM (Dynamic Random Access Memory), a SRAM (Static Random Access Memory), or the like, and records image data or the like input from the optical device 10.
  • the processor 50 may include, for example, an application processor that is configured by using a CPU (Central Processing Unit) or the like and executes an operating system, various application software, or the like, a GPU (Graphics Processing Unit), a baseband processor, or the like.
  • the processor 50 executes various processes as necessary for the image data input from the optical device 10 and the image data read from the storage unit 40, executes display to the user, and establishes a predetermined network. Send to the outside via.
  • a CPU Central Processing Unit
  • GPU Graphics Processing Unit
  • the processor 50 executes various processes as necessary for the image data input from the optical device 10 and the image data read from the storage unit 40, executes display to the user, and establishes a predetermined network. Send to the outside via.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration example of the above-mentioned optical device 10.
  • the optical device 10 includes a pixel array unit 11, a timing control circuit 15, a drive circuit 12, and an output circuit 13.
  • the pixel array unit 11 includes a plurality of pixels 20 arranged in a matrix.
  • a pixel drive line LD vertical direction in the drawing
  • an output signal line LS horizontal direction in the drawing
  • One end of the pixel drive line LD is connected to the output end corresponding to each column of the drive circuit 12, and one end of the output signal line LS is connected to the input end corresponding to each line of the output circuit 13.
  • the drive circuit 12 includes a shift register, an address decoder, and the like, and drives each pixel 20 of the pixel array unit 11 at the same time for all pixels or in column units.
  • the drive circuit 12 applies a selection control voltage to the pixel drive line LD corresponding to the row to be read, thereby selecting the pixels 20 used for detecting the incident of photons in row units.
  • a signal (referred to as a detection signal) output from each pixel 20 of the row selected and scanned by the drive circuit 12 is input to the output circuit 13 through each of the output signal lines LS.
  • the output circuit 13 outputs the detection signal input from each pixel 20 to the storage unit 40 or the processor 50 as a pixel signal.
  • the timing control circuit 15 includes a timing generator and the like that generate various timing signals, and controls the drive circuit 12 and the output circuit 13 based on the various timing signals generated by the timing generator.
  • FIG. 3A is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the pixel 20 of the pixel array unit 11.
  • the pixel 20 includes a photodiode 21 and a quench resistor 22.
  • the photodiode 21 is a single photon avalanche diode in the pixel 20 (hereinafter, referred to as SPAD21).
  • SPAD21 even if only one photon is incident, a large current is generated by avalanche multiplication, and this current is output as an electric signal. The operation of SPAD21 will be described later.
  • the anode of the SPAD 21 is connected to a predetermined power source, and the cathode of the SPAD 21 is connected to one end of the quench resistor 22.
  • the other end of the quench resistor 22 is grounded.
  • the reverse bias voltage VDDL can be applied between the SPAD 21 as described later.
  • a cathode parasitic capacitance CK as a parasitic capacitance is generated on the cathode side of the SPAD 21.
  • the cathode parasitic capacitance CK includes the capacitance of the SPAD 21, the capacitance generated between the quench resistor 22 and the insulating layer around it, the capacitance generated by the wiring connecting the SPAD 21 and the quench resistor 22, and the inverter included in the read circuit 23. Corresponds to the combined capacitance with the capacitance of the element such as.
  • the read circuit 23 is connected to the connection point between the SPAD 21 and the quench resistor 22 in the pixel 20.
  • the read circuit 23 can include, for example, an inverter circuit, and reads out a change in potential (that is, cathode potential) at the connection point between the SPAD 21 and the quench resistor 22 as described later.
  • the circuit 24 in the subsequent stage is connected to the output end of the read circuit 23.
  • the subsequent circuit 24 may include, for example, a digital counter circuit, which allows the pixel 20 to function as a photon counter element.
  • image data can be generated based on the output signal corresponding to the number of photons detected in each pixel 20. That is, the optical device 10 can function as an image pickup sensor.
  • the circuit 24 in the subsequent stage can include a time-to-digital converter (TDC) circuit instead of the digital counter circuit.
  • the TDC circuit can generate a digital signal indicating a time difference between a predetermined reference signal having a predetermined reference frequency and a detection signal based on the reference signal.
  • the optical device 10 can function as, for example, a distance measuring element by the Time of Flight (ToF) method.
  • TOF Time of Flight
  • FIG. 3C is a graph schematically showing the change in the cathode potential VK of the SPAD 21 when one photon is incident on the SPAD 21.
  • FIG. 3D is a graph schematically showing the voltage-current characteristics of SPAD21.
  • the horizontal axis represents the voltage applied between the anode and cathode of SPAD21. This applied voltage is represented by V An ⁇ V Ca, where V An is the anode potential of SPAD21 and V Ca is the cathode potential.
  • the vertical axis indicates the current I An flowing in the forward direction (direction from the anode to the cathode) of the SPAD 21.
  • a current is supplied to the SPAD 21 through the quench resistor 22, and the SPAD 21 is charged.
  • This charge is called recharge.
  • the recharge is performed over a fixed period (time t 1 to t 2 ) with a time constant determined by the cathode parasitic capacitance CK (FIGS. 3A and 3B).
  • time t 2 the voltage applied to the SPAD 21 returns to the voltage corresponding to the Geiger region, and the SPAD 21 can operate in this region again.
  • the cathode potential VK of SPAD21 changes in a pulse shape as shown in FIG. 3C. Such changes are read by the read circuit 23, and as a result, photons are detected. Since the SPAD21 cannot detect photons during the recharge period, this period is called a dead time.
  • FIG. 4A is a block diagram showing a schematic configuration example of the optical device according to the first embodiment.
  • the optical device 100 includes a pixel array unit PAR, a column circuit 310, a row scanning circuit 320, and an interface circuit 330.
  • the pixel array unit PAR has a plurality of pixels (light receiving elements) 200 arranged in a matrix.
  • the bit lines BL 0 per column, BL 1, ⁇ , BL S ( hereinafter, when there is no particular need to distinguish, referred to as the bit line BL) is connected for each row Word lines WL 0 , WL 1 , ..., WL N (hereinafter referred to as word line WL unless it is necessary to distinguish them) are connected.
  • One end of the bit line BL is connected to the output end corresponding to each column of the column circuit 310, and one end of the word line WL is connected to the input end corresponding to each row of the row scanning circuit 320.
  • the vertical direction in the figure is referred to as a column direction
  • the horizontal direction is referred to as a row direction.
  • the row scanning circuit 320 drives each pixel 200 of the pixel array unit PAR at the same time for all pixels or in column units.
  • the row scanning circuit 320 selects the pixels 200 used for detecting the incident of photons in column units by applying a selection control voltage to the word line WL corresponding to the column to be read.
  • a signal (referred to as a detection signal) output from each pixel 200 of the column selected and scanned by the row scanning circuit 320 is input to the column circuit 310 through each of the bit lines BL.
  • the column circuit 310 generates a digital signal by digitally converting the detection signal. The generated digital signal is output to the outside through the interface circuit 330.
  • the column circuit 310 and the row scanning circuit 320 are controlled by a timing signal from a timing control circuit (not shown).
  • FIG. 4B is a block diagram showing a schematic configuration example of pixels 200 in the pixel array unit PAR of the optical device 100 according to the present embodiment.
  • the pixel 200 has a photodiode 210, a shielding resistor section 211, and a quenching resistor section 212.
  • the photodiode 210 is SPAD in this embodiment, and will be referred to as SPAD210 below.
  • the SPAD210 multiplies the charge generated by photoelectric conversion in response to the incident of one photon by avalanche multiplication (also referred to as avalanche amplification) to generate a large current, and outputs the current as an electric signal.
  • the photodiode 210 may be a silicon photomultiplier tube without being limited to SPAD.
  • One end of the shielding resistance portion 211 is connected to the cathode of the SPAD 210, and the other end of the shielding resistance portion 211 is connected to one end of the quenching resistance portion 212. That is, in the pixel 200, a series circuit in which the SPAD 210, the shielding resistance portion 211, and the quench resistance portion 212 are connected in series is formed.
  • the shielding resistance portion 211 and the quenching resistance portion 212 may be formed of, for example, high resistance polysilicon. Further, the shielding resistance portion 211 and the quenching resistance portion 212 may be formed as metal resistors. Examples of the material for the metal resistor include so-called cermet materials such as TaSiO 2 and NbSiO 2.
  • the resistance value of the shielding resistance portion 211 is Rsh and the resistance value between the cathode and the anode of the SPAD 210 is R ON , the relationship of R ON ⁇ R sh is satisfied. That is, the shielding resistance portion 211 is formed so as to have a resistance value larger than the resistance value between the cathode and the anode of the SPAD 210. The effects produced by such a relationship will be described later.
  • the resistance value of the quench resistance portion 212 is Rq
  • the relationship of Rsh ⁇ Rq is satisfied. That is, the shielding resistance portion 211 and the quench resistance portion 212 are formed so that the resistance value Rq of the quench resistance portion 212 is larger than the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211. The effects produced by such a relationship will be described later.
  • a parasitic capacitance C1 is generated on the cathode side of the SPAD210.
  • This parasitic capacitance C1 corresponds to a combined capacitance such as the capacitance of the SPAD210 and the capacitance generated by the wiring connecting the SPAD210 and the shielding resistor portion 211.
  • a parasitic capacitance C2 is generated between the shielding resistance portion 211 and the quenching resistance portion 212.
  • the parasitic capacitance C2 includes a capacitance generated between the shielding resistance portion 211 and the insulating layer around the shielding resistance portion 211, a capacitance generated between the quenching resistance portion 212 and the insulating layer around the shielding resistance portion 211, and the shielding resistance portion 211 and the quenching resistance portion 212.
  • the combined capacitance such as the capacitance generated by the wiring connecting the above and the capacitance of an element such as an inverter included in the read circuit 230.
  • the parasitic capacitance is present.
  • the capacitance (value) of C2 tends to be larger than the capacitance (value) of the parasitic capacitance C1.
  • the read circuit 230 is connected to the connection point between the shielding resistance portion 211 and the quenching resistance portion 212.
  • the read circuit 230 may include, for example, an inverter circuit.
  • the reading circuit 230 reads out the change in potential at the connection point between the shielding resistance section 211 and the quenching resistance section 212, as will be described later.
  • the digital counter circuit 240 is connected to the output end of the read circuit 230.
  • the digital counter circuit 240 counts the number of changes in the potential at the connection point between the shielding resistor portion 211 and the quenching resistor 22 read by the reading circuit 230, that is, the number of photons incident on the SPAD 210, and counts the number of photons. Outputs the corresponding output signal.
  • a selection signal is input from the row scanning circuit 320 (FIG. 4A) to the pixel 200 through the word line WL
  • the output signal is output from the digital counter circuit 240 to the column circuit 310 through the bit line BL.
  • the optical device 100 can function as an image sensor.
  • a TDC circuit may be connected after the read circuit 230 instead of the digital counter circuit. According to this, it is possible to directly perform distance measurement by the ToF method based on the difference between the light emission timing and the light reception timing based on the output from the read circuit 230.
  • the light receiving unit receives light for each phase according to the light emission of the predetermined light source unit, and the distance information is calculated based on the light receiving signal for each phase output by the light receiving unit due to the light receiving for each phase. It can also function as a distance measuring unit that performs distance measurement by the ToF method.
  • the series circuit by the SPAD 210, the shielding resistor portion 211, and the quenching resistor section 212 is connected to a predetermined power source, the anode of the SPAD 210 is maintained at the potential VDDL, and the other end of the quenching resistor section 212 ( The end opposite to one end connected to the shielding resistance portion 211) is maintained at the potential VDDH. That is, a voltage corresponding to the potential VDDH-potential VDDL is applied to the series circuit by the SPAD 210, the shielding resistance portion 211, and the quenching resistance portion 212.
  • a reverse bias voltage is applied to the SPAD 210.
  • this applied voltage is set to a predetermined voltage corresponding to the Geiger region described above.
  • FIGS. 5B to 5E the pixel 200 is schematically shown as in FIG. 4B, but the digital counter circuit 240 (or TDC circuit), the word line WL, the bit line BL, and the like are omitted.
  • a predetermined voltage is applied to the series circuit by the SPAD 210, the shielding resistor section 211, and the quenching resistor section 212 by a predetermined power supply. That is, a (reverse bias) voltage corresponding to the Geiger region is applied to the SPAD 210.
  • a photon is incident on the SPAD210 in this state (time t 0 in FIG. 5A)
  • an avalanche multiplication occurs, and a large current flows through the SPAD210 from the cathode to the anode.
  • the current I2 flowing out from the parasitic capacitance C2 is schematically represented by a thin arrow
  • the current I1 flowing out from the parasitic capacitance C1 is schematically represented by a thick line.
  • the large current flowing toward is mainly supplied from the parasitic capacitance C1. This is between the parasitic capacitance C2 and SPAD210, is because the shield resistance portion 211 is provided with a large resistance value Rsh than the resistance value R ON between the cathode and the anode of SPAD210.
  • the electric charge accumulated in the parasitic capacitance C1 easily moves to the SPAD210, whereas the electric charge accumulated in the parasitic capacitance C2 is hindered by the shielding resistance portion 211 and is difficult to move to the SPAD210.
  • a current is supplied from the parasitic capacitance C1 to the SPAD210.
  • the cathode potential VK1 of SPAD210 decreases due to the large current generated by the avalanche multiplication. Quenching occurs when the voltage applied during the SPAD 210 becomes lower than the breakdown voltage as the cathode potential VK1 decreases (time t 1 in FIG. 4C). Further, at this time, the electric charge accumulated in the parasitic capacitance C1 is discharged, and as shown in FIG. 5C, the supply of the current I1 from the parasitic capacitance C1 to the SPAD210 is also stopped.
  • the potential VK2 between the shielding resistance portion 211 and the quench resistance portion 212 does not drop as much as the potential VK1 during the avalanche multiplication period (t 0 to t 1). This is because, as described above, it is difficult for current to flow from the parasitic capacitance C2.
  • the recharge is started. That is, since the current I2 from the parasitic capacitance C2 does not flow, the recharge of the SPAD 210 proceeds by the current I3 flowing through the quench resistance portion 212 as shown in FIG. 5E.
  • the amount of charge required for recharging is equal to C1 ⁇ VK1 consumed by the avalanche multiplication. That is, the current I3 supplies the SPAD210 with an amount of charge equal to C1 ⁇ VK1.
  • FIG. 6A is a diagram showing a configuration example of pixels according to a conventional example, and this configuration example is substantially the same as the configuration disclosed in Non-Patent Document 1.
  • the avalanche photodiode PD1 the resistor RL, and the resistor RS are connected in series.
  • an inverter IVT is connected to the connection point between the resistor RL and the resistor RS.
  • one end of the resistor RS (the end opposite to the connection point between the resistor RS and the resistor RL ) is grounded, and a reverse bias voltage (for example, several tens of volts) is applied to the avalanche photodiode PD1. Will be done.
  • a reverse bias voltage for example, several tens of volts
  • a voltage drop occurs in the avalanche photodiode PD1 as shown by the curve CL1 in FIG. 6A.
  • the voltage at the connection point between the resistor RL and the resistor RS that is, the voltage VIVT applied to the input end of the inverter IVT also decreases (curve CL2 in FIG. 6A).
  • V IVT Vd ⁇ ⁇ 1 / (1 + RQ1 / RQ2) ⁇ That is, due to the ratio RQ1 / RQ2 of the resistance value RQ1 and the resistance value RQ2, the voltage VIVT applied to the input end of the inverter IVT is smaller than the voltage drop Vd in the avalanche photodiode PD1. In particular, the larger the ratio RQ1 / RQ2, voltage V IVT is low.
  • the voltage applied to the avalanche photodiode PD1 reaches several tens of volts, so the voltage drop Vd during avalanche amplification may exceed the withstand voltage of, for example, the inverter IVT.
  • the resistor by appropriately adjusting the ratio of the resistance values RQ1 of R L and the resistance value RQ2 of the resistor R S, it is possible to a voltage V IVT lower than the withstand voltage of the inverter IVT, protect the inverter IVT It becomes possible to do.
  • a cathode parasitic capacitance C01 is generated at the cathode end of the avalanche photodiode PD1, and an input parasitic capacitance C02 is generated at the input terminal of the inverter IVT.
  • resistors when the increased resistance RQ1 of R L, the resistance value RQ1, cathode parasitic capacitance C01, and a time constant determined by the input parasitic capacitance C02 increases. As a result, the recharge time becomes long and the dead time becomes long.
  • the cathode potential VK1 of the SPAD210 is only ⁇ VK1 during the series of operations of avalanche multiplication, quenching, redistribution, and recharging shown in FIGS. 5B to 5D.
  • the potential VK2 at the other end of the shielding resistance portion 211 (the end opposite to one end connected to the SPAD210) is lowered by ⁇ VK2.
  • ⁇ VK2 is expressed by the following equation.
  • ⁇ VK2 ⁇ VK1 ⁇ ⁇ 1 / (1 + CC2 / CC1) ⁇ That is, the voltage ⁇ VK2 generated at the other end of the shielding resistor portion 211 during the series of operations is lower than the voltage ⁇ VK1 generated between the SPAD 210 by the capacitance ratio CC2 / CC1.
  • the voltage ⁇ VK2 at the other end of the shielding resistance portion 211 is the input voltage of the read circuit 230, and is lower than the voltage ⁇ VK1 generated between the SPAD 210s. This makes it possible to protect the read circuit 230.
  • the read circuit 230 is protected by the ratio CC2 / CC1 of the capacitance (value) CC2 of the parasitic capacitance C2 and the capacitance (value) CC1 of the parasitic capacitance C1.
  • the shield resistance portion 211 has a larger resistance value Rsh than the resistance value R ON between the cathode and the anode of SPAD210, when avalanche times SPAD210 the parasitic Only a small amount of current I2 flows from the capacitance C2, and the current I1 mainly flows from the parasitic capacitance C1.
  • the current I1 mainly flows from the parasitic capacitance C1
  • the current I2 flows only slightly from the parasitic capacitance C2, so that the flowing current can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the power consumption as compared with the case where the current I2 also flows from the parasitic capacitance C2.
  • the charge is redistributed from the parasitic capacitance C2 to the parasitic capacitance C1, and the current I3 flowing through the quenching resistor portion 212 contributes to the recharge only after the redistribution is completed. Therefore, the time required for recharging by the current I3 is shortened, and the dead time can be shortened. Further, since the charge is redistributed from the parasitic capacitance C2 to the parasitic capacitance C1, the current I3 required for recharging can be reduced. That is, the power consumption can be reduced.
  • the input voltage to the read circuit 230 is determined by the ratio CC2 / CC1 of the capacitance (value) CC2 of the parasitic capacitance C2 and the capacitance (value) CC1 of the parasitic capacitance C1. Can be reduced below the withstand voltage of the read circuit 230. Further, since the shielding resistance portion 211 having a resistance value Rsh larger than the resistance value R ON between the cathode and the anode of the SPAD 210 is provided between the cathode of the SPAD 210 and the input end of the read circuit 230, it is dead. The effects such as shortening the time and reducing the power consumption are exhibited.
  • the resistance value Rq of the quenching resistance portion 212 is larger than the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211, recharging by the current I3 is started after the redistributing of the charge from the parasitic capacitance C2 to the parasitic capacitance C1 is completed.
  • the Rukoto That is, the power required for recharging can be reduced, and the power consumption can be further reduced.
  • shielding resistance portion 211 will be described with reference to FIGS. 7A and 7B.
  • the digital counter circuit 240 or TDC circuit shown in FIG. 4B, the word line WL, the bit line BL, and the like are omitted.
  • FIG. 7A is a block diagram showing a specific example 1 of the shielding resistance portion 211 in the pixel 200 of the optical device 100 according to the first embodiment.
  • the shielding resistance portion 211 can be realized by the resistance element 211A.
  • the resistance element 211A may be formed of, for example, high-resistance polysilicon or metal resistance.
  • the high-resistance polysilicon or metal resistance is formed at the time of wiring formation by a thin film forming process, a photolithography technique, an etching process, or the like in a known semiconductor manufacturing process.
  • the shielding resistance portion 211 may be composed of, for example, a P-channel type metal oxide semiconductor (MOS) transistor 211B.
  • MOS metal oxide semiconductor
  • a bias voltage generation unit 250 that applies a bias voltage to the gate of the MOS transistor 211B is provided.
  • the resistance value between the source and drain of the MOS transistor 211B is adjusted by adjusting the voltage applied from the bias voltage generator 250 to the gate of the MOS transistor 211B by the instruction signal from the row scanning circuit 320 (FIG. 4A). That is, the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 can be adjusted.
  • the relationship of R ON ⁇ R sh between the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value R sh of the shielding resistance portion 211 can be appropriately realized. Therefore, reduction of dead time and reduction of power consumption can be surely realized.
  • FIG. 7B Although one MOS transistor 211B is shown in FIG. 7B, by arranging a plurality of MOS transistors 211B in series and applying a date voltage to each of them, the total resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 is obtained. May be adjusted. Further, although FIGS. 7A and 7B show the pixel 200 in the first embodiment, the specific example 1 is also applicable to the pixel 200B in the third embodiment.
  • the resistance value between the source and drain of the MOS transistor 211B is increased to suppress the current I2 from flowing from the parasitic capacitance C2, and the power consumption is reduced, while quenching occurs.
  • the resistance value between the source and drain of the MOS transistor 211B it is possible to promote the redistributing of electric charges and shorten the dead time.
  • FIG. 8A is a block diagram showing a specific example 1 of a quench resistance portion in the pixel 200 of the optical device according to the first embodiment.
  • the quenching resistor section 212 can have a constant current source 212A. Since the constant current source 212A has a large internal resistance, the relationship of Rsh ⁇ Rq between the resistance value Rq of the quenching resistance portion 212 and the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 is likely to be satisfied. Therefore, it is possible to reduce the contribution of the current (corresponding to the current I3 in FIG. 5B and the like) from the quench resistance portion 212 at the time of amplifying the avalanche and redistributing the charge between the parasitic capacitance C2 and the parasitic capacitance C1. , It is also possible to reduce power consumption. Further, the constant current source 212A can maintain the current at the time of recharging (corresponding to the current I3) at a predetermined value. Therefore, by appropriately adjusting the recharge current, it is possible to efficiently execute the recharge.
  • an active recharge circuit 212B is provided instead of the quench resistance portion 212 in the pixel 200 of the first embodiment.
  • the active recharge circuit 212B can also be applied to pixels 200A and 200B.
  • the active recharge circuit 212B has a switch 212S and a control unit 212C that controls ON / OFF of the switch 212S. Under the control of the control unit 212C, the switch 212S electrically connects and disconnects the predetermined power supply (VDDH) and the shielding resistance unit 211.
  • the control unit 212C is connected to the output end of the read circuit 230 at one end. As a result, the control unit 212C detects the output voltage of the read circuit 230. Specifically, when the control unit 212C detects the falling edge of the pulsed output voltage from the read circuit 230, it outputs an ON signal for turning on the switch 212S to the switch 212S after a predetermined delay time. do. Further, the control unit 212C outputs an OFF signal for turning off the switch 212S to the switch 212S when a predetermined period elapses after the ON signal is output.
  • the active recharge circuit 212B configured as described above operates as follows. As shown in FIG. 8C, at time t 0, the avalanche amplification occurs by incidence of photons, the cathode potential VK1 is lowered. When quenching occurs and the redistribution of electric charge from the parasitic capacitance C2 to the parasitic capacitance C1 is started, the cathode potential VK1 rises again. That is, the cathode potential VK1 changes in a negative pulse shape.
  • the potential VK2 at the connection point between the shielding resistor portion 211 and the active recharge circuit 212B decreases during the avalanche amplification (period t 0 to t 1 ) and during the redistribution (period t 1 to t 2 ).
  • Such a potential change is detected by the read circuit 230.
  • the read circuit 230 outputs an output voltage
  • the read circuit 230 outputs the output voltage. Stop the output of the output voltage.
  • the read circuit 230 outputs a pulsed output voltage during the period in which the potential VK2 changes from the first threshold potential to the second threshold potential Vth.
  • the control unit 212C detects the falling edge of the output voltage of the read circuit 230 (time t D ), it outputs an ON signal to the switch 212S after a predetermined delay time (period t D to t 3) has elapsed.
  • the switch 212S is turned on (time t 3 ), and a current is supplied from a predetermined power source to the SPAD 210 through the shielding resistor portion 211.
  • the switch 212S is turned off until the potential VK2 drops below the second threshold potential Vth (until the pulsed output signal from the read circuit 230 drops). There is. Therefore, the current (corresponding to the current I3 in FIG. 5B and the like) is supplied from the power supply to the shielding resistor portion 211 during the period from the incident of the photon to the fall of the pulsed output signal from the read circuit 230. It will be stopped. Therefore, a current flows from the parasitic capacitance C1 during avalanche amplification, and a current flows from the parasitic capacitance C2 to the parasitic capacitance C1 during charge redistribution. Since the switch 212S is OFF, no current flows through the shielding resistor portion 211, so that power consumption can be reliably reduced.
  • the switch 212S is turned on (time t 3 ). As a result, a current is supplied from the power supply to the shielding resistor portion 211, and recharging is promoted. Therefore, it is possible to shorten the dead time.
  • the timing at which the switch 212S is turned on is set to the time when the redistribution of the electric charge from the parasitic capacitance C2 to the parasitic capacitance C1 is completed, the dead time can be shortened more appropriately.
  • a constant current source may be provided instead of the power supply.
  • the current value of the current flowing after the switch 212S is turned on can be appropriately adjusted, and thus the recharge can be completed in a short time.
  • the switch 212S is turned on at time t3 and a current is supplied from the power supply to the shielding resistance portion 211, the potential VK2 rapidly returns to the potential before the photon incident, while the SPAD210 is shown in FIG. 8C.
  • the cathode potential VK1 of the above returns to the potential before the photon incident, lagging behind the potential VK2. This is because the time constant of the potential VK1 increases by the resistance value of the shielding resistance portion 211.
  • FIG. 9A is a block diagram showing a specific example 1 of a read circuit in the pixel 200 of the optical device according to the first embodiment.
  • the read circuit 230 can have an inverter 230A.
  • the input end of the inverter 230A is connected to the connection point between the shielding resistor section 211 and the quenching resistor section 212. Further, electric power is supplied to the inverter 230A by a predetermined wiring.
  • the inverter 230A when the potential VK2 at the connection point between the shielding resistance portion 211 and the quench resistance portion 212 becomes lower than the predetermined threshold value Vth, the output voltage Vout becomes HIGH and the potential VK2 becomes predetermined. When the threshold value Vth is exceeded, the output voltage Vout operates so as to be LOW. As a result, even when the potential VK2 changes in a V shape, the change can be output as a square wave-shaped pulse wave.
  • the inverter 230A as the read circuit 230, it is possible to read the change in the potential VK2 at the connection point between the shielding resistance portion 211 and the quench resistance portion 212.
  • the read circuit 230 has a P-channel type MOS transistor 230B and a current source 230C. According to this, the MOS transistor 230B is turned on during the period when the magnitude of the potential VK2 is equal to or less than the predetermined voltage, and the pulse-shaped predetermined output voltage Vout corresponding to the period is output. Therefore, it is possible to read out the change in the potential VK2 as in the case of the inverter 230A of FIG. 9A.
  • FIG. 10A is a block diagram showing a schematic configuration example of pixels 200A of the optical device according to the second embodiment.
  • the digital counter circuit 240 or TDC circuit
  • the word line WL the word line WL
  • the bit line BL and the like are omitted, but for configurations other than those shown
  • the pixel 200A is an optical device according to the first embodiment. It is the same as the pixel 200 of 10.
  • the optical device according to the present embodiment can have the same configuration as the optical device 100 according to the first embodiment, and can be replaced with the optical device 10 in the electronic device 1 (FIG. 1) like the optical device 100.
  • one end of the shielding resistance portion 211 is connected to the anode of the SPAD210A, and one end of the quenching resistance portion 212 is connected to the other end of the shielding resistance portion 211. That is, in the pixel 200A of the present embodiment, unlike the pixel 200 of the first embodiment in which the shielding resistance portion 211 and the quench resistance portion 212 are connected in series to the cathode side of the SPAD 210, the pixel 200 is connected to the anode side of the SPAD 210A.
  • the shielding resistor section 211 and the quenching resistor section 212 are connected in series.
  • the resistance value R ON of the SPAD 210A and the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 satisfy the relationship of R ON ⁇ Rsh, and the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 and the resistance value Rq of the quenching resistance portion 212 are Rsh ⁇ .
  • the pixel 200A is the same as the pixel 200 in that it satisfies the relationship of Rq.
  • a parasitic capacitance C1 is generated between the anode of the SPAD210A and the shielding resistance portion 211.
  • the parasitic capacitance C1 corresponds to a combined capacitance such as the capacitance of SPAD210A and the capacitance generated by the wiring connecting the SPAD210A and the shielding resistance portion 211.
  • a parasitic capacitance C2 is generated between the shielding resistance portion 211 and the quenching resistance portion 212.
  • the parasitic capacitance C2 is a capacitance generated by the shielding resistance portion 211, a capacitance generated by the quenching resistance portion 212, a capacitance generated by the wiring connecting the shielding resistance portion 211 and the quenching resistance portion 212, and an element such as an inverter included in the read circuit 230. Corresponds to the combined capacitance such as the capacitance of. Further, the input end of the read circuit 230 is connected to the connection point between the shielding resistance portion 211 and the quenching resistance portion 212.
  • the cathode of the SPAD210A is connected to the high potential terminal of the predetermined power supply, and the other end of the quench resistance portion 212 (the end opposite to the connection point between the quench resistance portion 212 and the shielding resistance portion 211) is the low potential of the predetermined power supply. Connected to the terminal.
  • a predetermined reverse bias voltage (potential VDDH-potential VDDL) corresponding to the Geiger region is applied between the SPAD210A by a predetermined power source.
  • FIG. 10B shows the anode potential VA1 of the SPAD210A when one photon is incident on the SPAD210A of the pixel 200A, and the potential VA2 of the connection point (input end of the read circuit 230) between the shielding resistor portion 211 and the quenching resistor portion 212. It is a graph which shows the change schematically.
  • the resistance value Rsh shielding resistor 211 larger than the resistance value R ON of SPAD210A, the SPAD210A, current I1 flows mainly from the parasitic capacitance C1. Since the current I2 flows only slightly from the parasitic capacitance C2, the current flowing to the SPAD210A at the time of avalanche amplification can be reduced. Therefore, power consumption can be reduced.
  • the capacitance of the parasitic capacitance C1 (value) CC1 is, the capacitance of the parasitic capacitance C2 (value) smaller than CC2, the resistance value R ON between the cathode and the anode of SPAD210 is, the resistance value of the shield resistance portion 211 Rsh smaller than, the time constant determined by the capacitance (value) CC1 and the resistance value R ON is smaller than the time constant determined by the resistance Rsh and capacitance (value) CC2. Since the current I1 from the parasitic capacitance C1 is supplied to the SPAD210 through a circuit having a small time constant, the period during which the avalanche multiplication occurs can be shortened. Therefore, it is possible to shorten the time (dead time in a broad sense) from when the photon is incident on the SPAD 210 until the photon can be detected again.
  • the potential VA2 at the connection point between the shielding resistance portion 211 and the quench resistance portion 212 also increases.
  • the increase in the potential VA1 is ⁇ VA1
  • the increase in the potential VA2 is ⁇ VA2
  • the capacitance (value) of the parasitic capacitance C1 is CC1
  • the capacitance (value) of the parasitic capacitance C2 is CC2.
  • ⁇ VA2 ⁇ VA1 ⁇ ⁇ 1 / (1 + CC2 / CC1) ⁇ It is expressed as. That is, the voltage ( ⁇ VA2) applied to the input end of the read circuit 230 is lower than that of ⁇ VA1. Therefore, the input voltage ( ⁇ VA2) can be kept lower than the withstand voltage of the read circuit 230, and the read circuit 230 can be protected.
  • charge redistribution mainly occurs between the parasitic capacitance C1 and the parasitic capacitance C2.
  • the redistribution ends (time t 2 ).
  • the recharge is started. That is, when the redistribution of electric charges is completed, no current flows from the parasitic capacitance C2, so that the SPAD210 is recharged by the current I3 flowing through the quench resistance portion 212. When recharging is completed (time t 3), SPAD210 will be able to detect the photons again.
  • the cathode of the SPAD210 The resistance value R ON between the stray resistor and the anode and the resistance value Rsh of the shielding resistor section 211 satisfy the relationship of R ON ⁇ Rsh, and the resistance value Rsh of the shielding resistor section 211 and the resistance value Rq of the quenching resistor section 212 are Rsh.
  • the pixel 200 of the optical device according to the first embodiment satisfies the relationship ⁇ Rq, and further satisfies the relationship CC1 ⁇ CC2 between the capacitance (value) CC1 of the parasitic capacitance C1 and the capacitance (value) CC2 of the parasitic capacitance C2. The same effect as is exhibited.
  • the shielding resistor portion 211 may be composed of, for example, an N-channel type MOS transistor 211C.
  • a bias voltage generation unit 250 that applies a bias voltage to the gate of the MOS transistor 211C is provided.
  • the MOS transistor 211C is used as the shielding resistance portion 211 in the pixel 200A, it is the same as the case where the P-channel type MOS transistor 211B (FIG. 7B) is used in the pixel 200 of the optical device according to the first embodiment. The effect is exhibited. Further, even in this case, a plurality of MOS transistors 211C may be used.
  • a specific example of the quenching resistor described with reference to FIGS. 8A to 8C and a specific example of the reading circuit described with reference to FIGS. 9A to 9C can also be appropriately applied to the second embodiment. Is.
  • the optical device according to the third embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG.
  • the SPAD 210, the shielding resistance unit 211, the quench resistance unit 212, and the read circuit 230 are the pixel 200 of the optical device according to the first embodiment (FIG. 4B). They are arranged in the same way.
  • R ON ⁇ Rsh between the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value Rsh of the shielding resistance unit 211, and between the resistance value Rsh of the shielding resistance unit 211 and the resistance value Rq of the quenching resistance unit 212.
  • the pixel 200B is similar to the pixel 200 in that Rsh ⁇ Rq.
  • the digital counter circuit 240 or TDC circuit shown in FIG. 4B, the word line WL, the bit line BL, and the like are omitted in FIG. 11, the pixel 200B has the same configuration as the pixels 200 and 200A described above. May be done.
  • the optical device according to the present embodiment can have the same configuration as the optical device 100 according to the first embodiment, and can be replaced with the optical device 10 in the electronic device 1 (FIG. 1) like the optical device 100.
  • the pixel 200B in the present embodiment is provided with the capacitance variable elements VC1 and VC2.
  • the capacitance variable element VC1 is provided so that one end thereof is grounded and the other end is connected to the cathode of the SPAD210.
  • the capacitance variable element VC2 is provided so that one end thereof is grounded and the other end is connected to the wiring connecting the shielding resistance portion 211 and the quench resistance portion 212. That is, a capacitance variable element VC1 is provided in place of the parasitic capacitance C1 in the pixel 200 of the optical device according to the first embodiment, and a capacitance variable element VC2 is provided in place of the parasitic capacitance C2.
  • Each of the capacitance variable elements VC1 and VC2 can be formed by, for example, one MOS transistor.
  • a bias voltage generation unit that applies a gate voltage to the gate of the MOS transistor is provided.
  • the capacitances of the capacitance variable elements VC1 and VC2 can be adjusted by adjusting the gate voltage applied to the gate electrode of the MOS transistor from the bias voltage generation unit under the control of the row scanning circuit 320.
  • each of the capacitance variable elements VC1 and VC2 may be formed by a plurality of MOS transistors.
  • a bias voltage generation unit that applies a date voltage to the gate of each MOS transistor is provided.
  • the capacitances of the capacitance variable elements VC1 and VC2 can be adjusted by adjusting the number of MOS transistors to which the gate voltage is applied, for example, under the control of the row scanning circuit 320. ..
  • the capacitance variable elements VC1 and VC2 may be formed by complementary metal oxide semiconductor (CMOS) transistors.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • the pixel 200B of the optical device according to the present embodiment similarly to the pixel 200 of the optical device according to the first embodiment, there is an R between the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211. Since there is a relationship of ON ⁇ Rsh and there is a relationship of Rsh ⁇ Rq between the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 and the resistance value Rq of the quenching resistance portion 212, the capacitance of the capacitance variable element VC1 and the capacitance variable element VC2 If the latter capacity is adjusted so as to be large, the same effect as that of the pixel 200 can be exhibited by the pixel 200B.
  • the capacitance variable elements VC1 and VC2 are provided, and the respective capacitances can be adjusted. Thereby, the amount of electric charge accumulated in the capacitance variable elements VC1 and VC2 can also be adjusted. Therefore, the amount of current flowing from the capacitance variable element VC1 to the SPAD210 when the avalanche is multiplied and the amount of charge transferred from the capacitance variable element VC2 to the capacitance variable element VC1 when the charge is redistributed after quenching are adjusted. It becomes possible. As a result, reduction of dead time and reduction of power consumption can be surely realized.
  • FIGS. 7A and 7B A specific example of the shielding resistance portion described with reference to FIGS. 7A and 7B, a specific example of the quenching resistance portion described with reference to FIGS. 8A to 8C, and a description with reference to FIGS. 9A to 9C.
  • the specific example of the reading circuit described above can also be appropriately applied to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing an example of a laminated structure of optical devices according to a fourth embodiment.
  • the optical device 100 includes a first substrate 71 and a second substrate 72 bonded onto the first substrate 71.
  • the first substrate 71 has, for example, a pixel array unit PAR (see FIG. 4A) in which pixels 200 are arranged in a matrix.
  • a SPAD 210, a wiring layer 120, and a connection pad 125 are formed on the first substrate 71 for each pixel.
  • the wiring layer 120 includes a shielding resistor portion 211.
  • One end of the shielding resistance portion 211 is connected to the cathode of the SPAD 210.
  • the other end of the shielding resistor portion 211 is connected to the connection pad 125 by a predetermined wiring.
  • the connection pad 125 is exposed on one surface (upper surface in the vertical direction of FIG. 12) of the first substrate 71 before the first substrate 71 and the second substrate 72 are joined.
  • connection pad 125 is made of, for example, copper (Cu).
  • the SPAD 210 is provided on the lower surface side of the first substrate 71. That is, the lower surface of the first substrate 71 in FIG. 12 is the light incident surface, and the photons are incident on the SPAD 210 from the lower part in the figure.
  • the second substrate 72 has a read circuit 230, a quench resistance portion 212, and a wiring layer 130 for each pixel.
  • the read circuit 230 and the quench resistor portion 212 are connected to the connection pad 135 through the wiring layer 130.
  • the connection pad 135 is exposed on one surface (lower surface in FIG. 12) of the second substrate 72 before the first substrate 71 and the second substrate 72 are joined.
  • the connection pad 135 is made of, for example, Cu.
  • the digital counter circuit 240 (or TDC circuit) shown in FIG. 4B, the column circuit 310, the row scanning circuit 320, and the interface circuit 330 (FIG. 4A) may be arranged on the second substrate 72.
  • the number of layers of the wiring layer 130 formed on the second substrate 72 is larger than the number of layers of the wiring layer 120 formed on the first substrate 71. It tends to be. This is because the read circuit 230, the digital counter circuit 240 (or TDC circuit), the word line WL, the bit line BL, and the like are formed on the second substrate 72, so that the number of circuit elements and wirings formed is the second. This is because the number of the second substrate 72 is larger than that of the first substrate 71.
  • the parasitic capacitance C2 generated between the connection pad 135 of the second substrate 72 and the quench resistance portion 212 is larger than the parasitic capacitance C1 on the cathode side of the SPAD 210 of the first substrate 71.
  • a parasitic capacitance is also generated by joining the joint portion 260, that is, the connection pad 125 and the connection pad 135, but this parasitic capacitance is reduced to the parasitic capacitance C2 because the shielding resistance portion 211 prevents the coupling with the parasitic capacitance C1. Will be included.
  • the ratio CC2 / CC1 of the capacitance (value) CC1 of the parasitic capacitance C1 to the capacitance (value) CC2 of the parasitic capacitance C2 becomes large, and the input voltage to the read circuit 230 can be further reduced.
  • a joint portion 260 is formed in which the connection pad 125 of the first substrate 71 and the connection pad 135 of the second substrate 72 are bonded (so-called Cu—Cu bonding).
  • the SPAD 210 formed on the first substrate 71 and the read circuit 230 formed on the second substrate 72 are electrically connected.
  • the first substrate 71 and the second substrate 72 are mechanically bonded by the joint portion 260.
  • the connection pads 125 and 135 with metal bumps (so-called bump bonding)
  • the first substrate 71 and the second substrate 72 may be electrically connected and mechanically bonded.
  • a so-called direct coupling in which the respective bonding surfaces are flattened and the two are bonded by intermolecular force can be used.
  • first substrate 71 and the second substrate 72 may be electrically connected via, for example, a joint such as a TSV (Through-Silicon Via) penetrating the semiconductor substrate.
  • a joint such as a TSV (Through-Silicon Via) penetrating the semiconductor substrate.
  • TSVs for example, two TSVs, a TSV provided on the first substrate 71 and a TSV provided from the first substrate 71 to the second substrate 72, are connected by the outer surface of the chip, so-called.
  • a twin TSV system or a so-called shared TSV system in which both are connected by a TSV penetrating from the first substrate 71 to the second substrate 72 can be adopted.
  • FIG. 14 is a vertical cross-sectional view showing an example of a cross-sectional structure of a plane perpendicular to the light incident plane of the optical device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a horizontal cross-sectional view showing an example of the cross-sectional structure of the AA plane in FIG. Note that FIG. 14 focuses on the cross-sectional structure of SPAD210.
  • the SPAD 210 of the pixel 200 is provided on, for example, the semiconductor substrate 101 constituting the first substrate 71.
  • the semiconductor substrate 101 for example, when viewed from the light incident surface (lower surface in FIG. 12), the semiconductor substrate 101 is divided into a plurality of element regions by the element separation unit 110 (see, for example, FIG. 15).
  • the SPAD 210 is provided in each element region partitioned by the element separation unit 110.
  • the element separation unit 110 may include an anode electrode 122 and an insulating film 109 in the first trench, which will be described later.
  • Each SPAD 210 includes a photoelectric conversion region 102, a P-type semiconductor region 104, an N-type semiconductor region 103, a P + type semiconductor region 105, an N + type semiconductor region 106, a cathode contact 107, and an anode contact 108. ..
  • the photoelectric conversion region 102 is, for example, an N-type well region or a region containing a donor having a low concentration, and photoelectrically converts incident light to generate electron-hole pairs (hereinafter referred to as electric charges).
  • the P-type semiconductor region 104 is, for example, a region including a P-type acceptor, and is provided in a region surrounding the photoelectric conversion region 102 as shown in FIGS. 14 and 15.
  • the P-type semiconductor region 104 forms an electric field for guiding the electric charge generated in the photoelectric conversion region 102 to the N-type semiconductor region 103 by applying a reverse bias voltage to the anode contact 108 described later.
  • the N-type semiconductor region 103 is, for example, a region containing a donor having a higher concentration than the photoelectric conversion region 102. As shown in FIGS. 14 and 15, the N-type semiconductor region 103 is arranged in the central portion of the photoelectric conversion region 102, and takes in the electric charge generated in the photoelectric conversion region 102 and guides it to the P + type semiconductor region 105.
  • the N-type semiconductor region 103 is not an essential configuration and may be omitted.
  • the P + type semiconductor region 105 is, for example, a region containing an acceptor having a higher concentration than the P-type semiconductor region 104, and a part of the region is in contact with the P-type semiconductor region 104.
  • the N + type semiconductor region 106 is, for example, a region containing a donor having a higher concentration than the N ⁇ type semiconductor region 103, and is in contact with the P + type semiconductor region 105.
  • the P + type semiconductor region 105 and the N + type semiconductor region 106 form a PN junction and function as an amplification region for accelerating the inflowing electric charge to generate an avalanche current.
  • the cathode contact 107 is, for example, a region containing a donor having a higher concentration than the N + type semiconductor region 106, and is provided in a region in contact with the N + type semiconductor region 106.
  • the anode contact 108 is, for example, a region containing an acceptor having a higher concentration than the P + type semiconductor region 105.
  • the anode contact 108 is provided in a region in contact with the outer circumference of the P-type semiconductor region 104.
  • the width of the anode contact 108 may be, for example, about 40 nm (nanometers).
  • the anode contact 108 is a trench provided in a matrix on the surface (lower surface in the drawing) side of the semiconductor substrate 101 along the element separating portion 110 (hereinafter referred to as a first trench). It is provided on the bottom surface of (1 trench). Due to such a structure, as will be described later, the forming position of the anode contact 108 is shifted in the height direction with respect to the forming position of the cathode contact 107 and the N + type semiconductor region 106.
  • the front surface (lower surface in the drawing) side of the semiconductor substrate 101 is covered with the insulating film 109.
  • the film thickness (thickness in the substrate width direction) of the insulating film 109 in the first trench depends on the voltage value of the reverse bias voltage applied between the anode and the cathode, but may be, for example, about 150 nm.
  • the insulating film 109 is provided with openings for exposing the cathode contact 107 and the anode contact 108 on the surface of the semiconductor substrate 101, and the respective openings are provided with the cathode electrode 121 in contact with the cathode contact 107 and the anode in contact with the anode contact 108.
  • the electrode 122 is provided.
  • the element separation portion 110 for partitioning each SPAD 210 is provided in a trench (hereinafter, referred to as a second trench) that penetrates the semiconductor substrate 101 from the front surface to the back surface.
  • the second trench is connected to the first trench on the surface side of the semiconductor substrate 101.
  • the inner diameter of the second trench is narrower than the inner diameter of the first trench, and the anode contact 108 is formed in the stepped portion formed by the inner diameter.
  • Each element separation unit 110 includes an insulating film 112 that covers the inner surface of the second trench and a light-shielding film 111 that fills the inside of the second trench.
  • the film thickness (thickness in the substrate width direction) of the insulating film 112 depends on the voltage value of the reverse bias voltage applied between the anode and the cathode, but may be, for example, about 10 nm to 20 nm.
  • the film thickness of the light-shielding film 111 (thickness in the width direction of the substrate) depends on the material used for the light-shielding film 111, but may be, for example, about 150 nm.
  • the light-shielding film 111 and the anode electrode 122 can be formed in the same process. Further, by using the same conductive material as the light-shielding film 111 and the anode electrode 122 for the cathode electrode 121, the light-shielding film 111, the anode electrode 122, and the cathode electrode 121 can be formed in the same process.
  • Tungsten (W) or the like can be used as the conductive material having such a light-shielding property.
  • W tungsten
  • various changes can be made as long as it is a conductive material having the property of reflecting or absorbing visible light or light required for each element, such as aluminum (Al), aluminum alloy, and copper (Cu). May be done.
  • the light-shielding film 111 in the second trench is not limited to the conductive material, and for example, a high-refractive index material having a higher refractive index than the semiconductor substrate 101 or a low-refractive index having a lower refractive index than the semiconductor substrate 101. It is also possible to use a refractive index material or the like.
  • a conductive material such as copper (Cu) may be used instead of the conductive material having the light-shielding property.
  • FFTI Front Full Trench Isolation
  • DTI Deep Trench Isolation
  • RDTI Reverse
  • the material of the light-shielding film 111 may be embedded in the second trench from the back surface side of the semiconductor substrate 101.
  • the upper portions of the cathode electrode 121 and the anode electrode 122 project to the surface (lower surface in the drawing) of the insulating film 109.
  • a wiring layer 120 is provided on the surface (lower surface in the drawing) of the insulating film 109.
  • the wiring layer 120 includes an interlayer insulating film 123 and wiring 124 provided in the interlayer insulating film 123.
  • the wiring 124 is in contact with, for example, the cathode electrode 121 projecting from the surface (lower surface in the drawing) of the insulating film 109. Further, the wiring 124 is in contact with the connection pad 125 via a predetermined via or the like.
  • the wiring 124 can include the shielding resistance portion 211 (FIG. 13). Specifically, a part or all of the wiring 124 may be made of high-resistance polysilicon, metal resistance, or the like. In this case, the wiring 124 is formed so that the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 is larger than the resistance value R ON of the SPAD 210.
  • the wiring layer 120 is also provided with wiring that contacts the anode electrode 122.
  • This wiring is connected to a predetermined wiring layer (not shown), and this wiring layer is connected to a connection pad (not shown) provided on the peripheral edge of the optical device 100 (FIG. 4A).
  • the connection pad By connecting the connection pad to the low potential terminal of a predetermined power source, the anode electrode 122 can be maintained at a negative potential during the operation of the optical device 100.
  • the wiring layer 130 of the second substrate 72 is joined to the lower surface of the wiring layer 120. As described above, this bonding is realized, for example, by Cu-Cu bonding between the connection pad 125 and the connection pad 135.
  • the wiring layer 130 includes an interlayer insulating film 131 and wiring 132 provided in the interlayer insulating film 131.
  • the wiring 132 is electrically connected to the circuit element 142 formed on the semiconductor substrate 141.
  • the circuit element 142 includes a read circuit 230. Therefore, the cathode electrode 121 of the semiconductor substrate 101 is connected to the read circuit 230 shown in FIG. 3 via the wiring 124, the connection pad 125, the connection pad 135, and the wiring 132.
  • Wiring 133 is also connected to the connection pad 135.
  • the wiring 133 can include a quench resistance portion 212 (FIG. 13). Specifically, a part or all of the wiring 133 is formed of high-resistance polysilicon, metal resistance, or the like to form the quench resistance portion 212. In this case, the wiring 133 is formed so that the resistance value Rq of the quench resistance portion 212 is larger than the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211. Further, the wiring 133 is connected to a predetermined wiring layer (not shown), and this wiring layer is connected to a connection pad (not shown) provided on the peripheral edge of the optical device 100. This connection pad is connected to the high potential terminal of the power supply described above. As a result, during the operation of the optical device 100, a (reverse bias) voltage corresponding to the Geiger region can be applied to the quench resistance portion 212, the shielding resistance portion 211, and the SPAD 210.
  • a (reverse bias) voltage corresponding to the Geiger region
  • a pinning layer 113 and a flattening film 114 are provided on the back surface (upper surface in the drawing) of the semiconductor substrate 101. Further, a color filter 115 and an on-chip lens 116 for each pixel 200 are provided on the flattening film 114. Although the color filter 115 and the on-chip lens 116 are provided in the present embodiment, a configuration in which the color filter and / or the on-chip lens is not provided may be possible depending on the intended use and purpose of the optical device 100.
  • the pinning layer 113 is, for example, a fixed charge film composed of a hafnium oxide (HfO 2 ) film or an aluminum oxide (Al 2 O 3) film containing an acceptor having a predetermined concentration.
  • the flattening film 114 is an insulating film made of an insulating material such as silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN), and flattens the surface on which the upper color filter 115 and the on-chip lens 116 are formed. It is a film for forming.
  • FIG. 16 is a schematic view showing a pixel configuration of an optical device according to a comparative example.
  • the SPAD 21 and the resistors RL and the resistors RS connected in series with each other are connected via the joint portion 260.
  • the joint portion 260 is formed by the connection pad 125 and the connection pad 135, similarly to the joint portion 260 in the fourth embodiment of the present disclosure.
  • a read circuit 230 is connected to the connection point between the resistor RL and the resistor RS.
  • the SPAD 21 and the connection pad 135 are formed on the first substrate 710, and the connection pad 125, the resistor RL , and the resistor RS are formed on the second substrate 720.
  • the two connection pads 135 and 125 are joined by, for example, Cu—Cu joining, and such joining produces a parasitic capacitance C1b. Therefore, when a reverse bias voltage corresponding to the Geiger region is applied to the SPAD 21, when photons are incident on the SPAD 21 and avalanche amplification occurs, a current is transmitted from both the parasitic capacitance C1a and the parasitic capacitance C1b to the SPAD 21. It flows.
  • a shielding resistor portion 211 is provided between the SPAD 210 and the connection pad 135.
  • Shielding resistance unit 211 since it has a large resistance value Rsh than the resistance value R ON of SPAD210, parasitic capacitance generated by the joint 260 (in FIG. 13, included are the parasitic capacitance C2) currents from is prevented, mainly A current flows from the parasitic capacitance C1 to the SPAD210.
  • the amount of current is smaller when the current flows from the parasitic capacitance C1 to the SPAD210 than when the current flows from both the parasitic capacitance C1a and the parasitic capacitance C1b to the SPAD21, and therefore the power consumption is reduced. It becomes possible to reduce. Further, since the time constant determined by the resistance value R ON of the SPAD210 and the parasitic capacitance C1 is smaller than the time constant determined by the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 and the parasitic capacitance C2, the contribution of the current from the parasitic capacitance C2 In the absence of, it is possible to shorten the period during which avalanche amplification occurs.
  • the SPAD 210 and the read circuit 230 are arranged vertically. Therefore, the pixel area seen from the incident direction of light can be reduced as compared with the case where the SPAD 210 and the reading circuit 230 are juxtaposed. Therefore, it is possible to increase the density of pixels.
  • FIG. 17A is a block diagram showing a modification 1 of pixels of the optical device according to the fourth embodiment.
  • the first substrate 71 is provided with a plurality of connection pads 125.
  • the upper surface of the plurality of connection pads 125 is flush with the upper surface of the first substrate 71.
  • the SPAD 210 and the shielding resistor portion 211 are connected in series to each of the plurality of connection pads 125.
  • the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value R sh of the shielding resistance portion 211 have a relationship of R ON ⁇ R sh.
  • the second board 72 is provided with a plurality of connection pads 135.
  • the lower surface of the plurality of connection pads 135 is flush with the lower surface of the second substrate 72.
  • the plurality of connection pads 135 are connected in parallel to each other, and the plurality of connection pads 135 connected in parallel are connected to the quench resistance unit 212 and the read circuit 230.
  • the resistance value Rq of the quench resistance portion 212 and the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 of the first substrate 71 have a relationship of Rsh ⁇ Rq.
  • connection pads 135 of the second substrate 72 are Cu-Cu bonded to the corresponding connection pads 125 of the first substrate 71.
  • the SPAD 210 and the read circuit 230 are electrically connected, and the first substrate 71 and the second substrate 72 are mechanically connected.
  • each SPAD 210 the change in the cathode potential of each SPAD 210 is detected by one reading circuit 230 via the shielding resistance portion 211 and the junction portion 260 provided for each SPAD 210.
  • one read circuit 230 is shared by a plurality of SPAD 210s.
  • one reading circuit 230 is formed in one pixel, it can be said that a plurality of SPAD 210s are provided in one pixel in this modification. By providing a plurality of SPAD210 per pixel, photon detection for each pixel can be reliably performed.
  • FIG. 17B is a block diagram showing a second modification of the pixels of the optical device according to the fourth embodiment.
  • a plurality of SPAD210s are connected in parallel on the first substrate 71, and a plurality of SPAD210s connected in parallel are connected to one shielding resistor portion 211. That is, a plurality of SPAD 210s are connected in parallel to the shielding resistor portion 211.
  • the shielding resistor portion 211 is connected to the connection pad 125.
  • the upper surface of the connection pad 125 is flush with the upper surface of the first substrate 71.
  • the resistance value R ON of each SPAD 210 and the resistance value R sh of the shielding resistance portion 211 have a relationship of R ON ⁇ R sh.
  • connection pad 135 is provided on the second substrate 72.
  • the lower surface of the connection pad 135 is flush with the lower surface of the second substrate 72.
  • the quench resistance portion 212 and the read circuit 230 are connected to the connection pad 135.
  • the resistance value Rq of the quench resistance portion 212 and the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 of the first substrate 71 have a relationship of Rsh ⁇ Rq.
  • connection pad 135 is Cu-Cu bonded to the connection pad 125 of the first substrate 71.
  • the SPAD 210 and the read circuit 230 are electrically connected, and the first substrate 71 and the second substrate 72 are mechanically connected.
  • each SPAD 210 the change in the cathode potential of each SPAD 210 is detected by one reading circuit 230 via a set of shielding resistance portions 211 and a junction portion 260.
  • Modification 2 is the same as modification 1 described above in that one read circuit 230 is shared by a plurality of SPAD 210s. Further, since one reading circuit 230 is formed in one pixel, it can be said that a plurality of SPAD 210s are provided in one pixel in this modification. By providing a plurality of SPAD210 per pixel, photon detection for each pixel can be reliably performed.
  • FIG. 17C is a block diagram showing a modification 3 of pixels of the optical device according to the fourth embodiment.
  • a plurality of pairs of SPAD210 and shielding resistor portions 211 connected in series to each other are connected in parallel to the connection pad 125.
  • the connection pad 125 is formed so that its upper surface is flush with the upper surface of the first substrate 71.
  • the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value R sh of the shielding resistor portion 211 connected in series with the SPAD 210 have a relationship of R ON ⁇ R sh.
  • connection pad 135 is formed so that the lower surface thereof is flush with the lower surface of the second substrate 72. Further, the quench resistance portion 212 and the read circuit 230 are connected to the connection pad 135.
  • the resistance value Rq of the quench resistance portion 212 and the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211 of the first substrate 71 have a relationship of Rsh ⁇ Rq.
  • connection pad 135 is Cu-Cu bonded to the connection pad 125 of the first substrate 71.
  • the SPAD 210 and the read circuit 230 are electrically connected, and the first substrate 71 and the second substrate 72 are mechanically connected.
  • each SPAD 210 the change in the cathode potential of each SPAD 210 is detected by one reading circuit 230 via a set of shielding resistance portions 211 and a junction portion 260.
  • Modification 3 is the same as modification 1 described above in that one read circuit 230 is shared by a plurality of SPAD 210s. Further, since one reading circuit 230 is formed in one pixel, it can be said that a plurality of SPAD 210s are provided in one pixel in this modification. By providing a plurality of SPAD210 per pixel, photon detection for each pixel can be reliably performed.
  • FIG. 17D is a block diagram showing a modification 4 of pixels of the optical device according to the fourth embodiment.
  • a plurality of SPAD210s are connected in parallel on the first substrate 71, and a plurality of SPAD210s connected in parallel are connected to one shielding resistor portion 211.
  • the modified example 4 when the plurality of SPAD 210s and the shielding resistance unit 211 connected in this way are grouped into one group, a plurality of SPAD 210s and the shielding resistance unit 211 of the plurality of groups are provided.
  • the shielding resistance portion 211 of each group is connected to the connection pad 125 at the end portion opposite to the connection portion with the SPAD 210.
  • the connection pad 125 is formed so that its upper surface is flush with the upper surface of the first substrate 71.
  • the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value R sh of the shielding resistance portion 211 to which the SPAD 210 is connected in series have a relationship of R ON ⁇ R sh.
  • connection pad 135 is formed so that the lower surface thereof is flush with the lower surface of the second substrate 72. Further, the quench resistance portion 212 and the read circuit 230 are connected to the connection pad 135.
  • the resistance value Rq of the quench resistance portion 212 and the resistance value Rsh of each shielding resistance portion 211 of the first substrate 71 have a relationship of Rsh ⁇ Rq.
  • connection pad 135 is Cu-Cu bonded to the connection pad 125 of the first substrate 71.
  • the SPAD 210 and the read circuit 230 are electrically connected, and the first substrate 71 and the second substrate 72 are mechanically connected.
  • each SPAD 210 is detected by one reading circuit 230.
  • Modification 4 is the same as modification 1 described above in that one read circuit 230 is shared by a plurality of SPAD 210s. Further, since one reading circuit 230 is formed in one pixel, a plurality of SPAD 210s are provided in one pixel in this modification as well. By providing a plurality of SPAD210 per pixel, photon detection for each pixel can be reliably performed.
  • the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value R sh of the shielding resistance portion 211 to which the SPAD 210 is connected are referred to as R ON ⁇ R sh.
  • R ON ⁇ R sh there is a relationship, and there is a relationship of Rsh ⁇ Rq between the resistance value Rq of the quench resistance portion 212 and the resistance value Rsh of each shielding resistance portion 211 of the first substrate 71. Therefore, even with this modification, the effects of shortening the dead time and reducing the power consumption are exhibited.
  • FIG. 17E is a block diagram showing a modification 5 of pixels of the optical device according to the fourth embodiment.
  • a plurality of SPAD210s are connected in parallel on the first substrate 71, and a plurality of SPAD210s connected in parallel are connected to one shielding resistor portion 211.
  • a plurality of groups are provided when the plurality of SPAD 210s and the shielding resistance portion 211 connected in this way are grouped into one group.
  • a plurality of connection pads 125 are provided, and the shielding resistance portion 211 of each group is connected to the corresponding connection pad 125.
  • connection pad 125 is formed so that its upper surface is flush with the upper surface of the first substrate 71. Further, also in the modified example 5, there is a relationship of R ON ⁇ Rsh between the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value R sh of the shielding resistance portion 211 to which the SPAD 210 is connected.
  • connection pad 135 is Cu-Cu bonded to the connection pad 125 of the first substrate 71.
  • the SPAD 210 and the read circuit 230 are electrically connected, and the first substrate 71 and the second substrate 72 are mechanically connected.
  • each SPAD 210 is detected by one reading circuit 230.
  • Modification 5 is the same as modification 1 described above in that one read circuit 230 is shared by a plurality of SPAD 210s. Further, since one reading circuit 230 is formed in one pixel, a plurality of SPAD 210s are provided in one pixel in this modification as well. By providing a plurality of SPAD210 per pixel, photon detection for each pixel can be reliably performed.
  • the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value R sh of the shielding resistance portion 211 to which the SPAD 210 is connected are referred to as R ON ⁇ R sh.
  • R ON ⁇ R sh there is a relationship, and there is a relationship of Rsh ⁇ Rq between the resistance value Rq of the quench resistance portion 212 and the resistance value Rsh of each shielding resistance portion 211 of the first substrate 71. Therefore, even with this modification, the effects of shortening the dead time and reducing the power consumption are exhibited.
  • FIG. 18A is a block diagram showing a modification 6 of pixels of the optical device according to the fourth embodiment.
  • the cathode of the SPAD 210 is connected to one end of the shielding resistance portion 211, and the other end of the shielding resistance portion 211 is connected to the connection pad 125.
  • R ON ⁇ Rsh there is a relationship of R ON ⁇ Rsh between the resistance value R ON of the SPAD 210 and the resistance value R sh of the shielding resistance portion 211 to which the SPAD 210 is connected.
  • the quench resistance portion 212 is formed not on the second substrate 72 but on the first substrate 71.
  • a quench resistance portion 212 can be formed, for example, by providing a predetermined wiring in the region between the wiring 124 and the connection pad 125 in the first substrate 71 in FIG.
  • This wiring can have polysilicon or metal resistors in part or in whole.
  • this wiring is electrically connected at one end to a wiring 124 provided with a shielding resistance portion 211 (for example, a predetermined via or the like), and at the other end, to a predetermined pad on the peripheral edge of the first substrate 71. It is electrically connected.
  • the current from the parasitic capacitance C2 is hindered by the shielding resistor portion 221 and flows only slightly. Further, since it is hindered by the quench resistance portion 212 and the shielding resistance portion 211, the current flowing through the quench resistance portion 212 to the SPAD 210 is only a small amount. That is, at the time of avalanche amplification, a current mainly flows from the parasitic capacitance C1 to the SPAD210.
  • the electric charge moves from the parasitic capacitance C2 to the parasitic capacitance C1, and after the voltage between the parasitic capacitances C1 and the voltage between the parasitic capacitances C2 become equal, the current flows through the quenching resistor portion 212. It is supplied and recharge progresses. That is, also in the modified example 6, the same operations as the series of operations such as avalanche amplification, quenching, charge redistribution, and recharging in the first to fourth embodiments (including the modified examples) are performed. Therefore, even in the modified example 6, the effects of shortening the dead time and reducing the power consumption are exhibited.
  • FIG. 18B is a block diagram showing a modification 7 of pixels of the optical device according to the fourth embodiment.
  • the quench resistance portion 212 is provided on the first substrate 71 as in the modified example 6.
  • one end of the quench resistance portion 212 is connected to the connection point between the cathode of the SPAD 210 and the shielding resistance portion 211.
  • Such a quench resistance portion 212 can be formed, for example, by providing a predetermined wiring in the region between the wiring 124 and the cathode electrode 121 in the first substrate 71 in FIG.
  • This wiring can have polysilicon or metal resistors in part or in whole. Further, this wiring is electrically connected to the cathode electrode 121 at one end and electrically connected to a predetermined pad on the peripheral edge of the first substrate 71 at the other end.
  • the pad and the high potential terminal of the predetermined power supply are electrically connected, and the anode of the SPAD210 is electrically connected to the low potential terminal, so that the reverse bias voltage is formed between the quench resistor 212 and the anode of the SPAD210. Can be applied.
  • a current mainly flows from the parasitic capacitance C1 to the SPAD210, and the current from the parasitic capacitance C2 is hindered by the shielding resistance portion 221 and the quenching resistance portion 212, and is slight. It just flows into. Further, after quenching occurs, the electric charge moves from the parasitic capacitance C2 to the parasitic capacitance C1, and after the voltage between the parasitic capacitances C1 and the voltage between the parasitic capacitances C2 become equal, the current flows through the quenching resistor portion 212. It is supplied and recharge progresses.
  • the same operations as the series of operations such as avalanche amplification, quenching, charge redistribution, and recharging in the first to fourth embodiments (including the modified examples) are performed. Therefore, even in the modified example 7, the effects of shortening the dead time and reducing the power consumption are exhibited.
  • the electric charge moves from the parasitic capacitance C2 to the parasitic capacitance C1, and after the voltage between the parasitic capacitances C1 and the voltage between the parasitic capacitances C2 become equal, the current flows through the quenching resistor portion 212. It is supplied and recharge progresses. That is, in the modified example 7, the same operations as the series of operations such as avalanche amplification, quenching, charge redistribution, and recharging in the first to fourth embodiments (including the modified examples) are performed. Therefore, even in the modified example 7, the effects of shortening the dead time and reducing the power consumption are exhibited.
  • the pixel in the modified example 8 is composed of the first substrate 71, the second substrate 72A, and the third substrate 73.
  • the first substrate 71 has a SPAD 210 and a shielding resistor portion 211 connected in series with the SPAD 210.
  • a read circuit 230 is provided on the second substrate 72A.
  • the quench resistance portion 212 is provided on the third substrate 73.
  • the second substrate 72A further has a connection pad 135 on the lower surface in FIG. 19A.
  • the lower surface of the connection pad 135 forms the same surface as the lower surface of the second substrate 72A.
  • the second substrate 72A has a connection pad 135A on a surface facing the lower surface (upper surface in FIG. 19A).
  • the upper surface of the connection pad 135A forms the same surface as the upper surface of the second substrate 72A.
  • the connection pad 135 and the connection pad 135A are connected by a predetermined wiring, which wiring is also connected to the read circuit 230.
  • the second substrate 72A may be, for example, a silicon substrate, and the read circuit 230 may be composed of transistors, wiring, other circuit elements, and the like formed on the silicon substrate. Further, the connection pad 135 and the connection pad 135A can be connected by, for example, vias or wiring.
  • the third substrate 73 has a connection pad 136 on the lower surface in FIG. 19A.
  • the lower surface of the connection pad 136 forms the same surface as the lower surface of the third substrate 73.
  • the connection pad 136 is connected to the quench resistance portion 212 by, for example, vias or wiring.
  • connection pad 125 of the first substrate 71 is joined to the connection pad 135 of the second substrate 72A by, for example, Cu—Cu bonding, whereby the bonding portion 260 is formed. Then, the shielding resistance portion 211 of the first substrate 71 and the read circuit 230 of the second substrate 72A are electrically connected via the joint portion 260. Further, the first substrate 71 and the second substrate 72A are mechanically joined by the joining portion 260.
  • connection pad 135A of the second substrate 72A is joined to the connection pad 136 of the third substrate 73 by, for example, Cu—Cu bonding, whereby the bonding portion 260A is formed. Then, the read circuit 230 of the second substrate 72A and the quench resistance portion 212 of the third substrate 73 are electrically connected via the joint portion 260A. Further, the second substrate 72A and the third substrate 73 are mechanically bonded by the bonding portion 260A. Further, the quench resistance portion 212 is electrically connected to the shielding resistance portion 211 of the first substrate 71 via the joint portions 260 and 260A.
  • the modification 8 having the above configuration is different from the fourth embodiment in that the quench resistance portion 212 and the read circuit 230 are formed on separate substrates and are connected by the junction portion 260A.
  • the fourth is that the shielding resistance portion 211 has a resistance value Rsh larger than the resistance value R ON of the SPAD 210, and the quenching resistance portion 212 has a resistance value Rq larger than the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211. It is the same as the embodiment.
  • a parasitic capacitance C2 is generated between the connection pad 135 and the read circuit 230, and a parasitic capacitance C1 is generated at the cathode of the SPAD 210.
  • the parasitic capacitance C2 is a combined capacitance of the capacitance of the junction 260, the capacitance of the wiring connecting the connection pad 135 and the connection pad 135A, and the capacitance of the read circuit 230. Since many connection pads, wirings, and circuit elements are formed on the second substrate 72A, the capacitance of the parasitic capacitance C2 tends to be larger than the capacitance of the parasitic capacitance C1.
  • the dead time can be shortened and the power consumption can be reduced while reducing the input voltage to the read circuit 230 as in the fourth embodiment.
  • FIG. 19B is a block diagram showing a modification 9 of pixels of the optical device according to the fourth embodiment.
  • the pixel in the modified example 9 is composed of the first substrate 71A, the second substrate 72B, and the third substrate 73A.
  • the first substrate 71 is provided with a SPAD 210
  • the second substrate 72A is provided with a shielding resistor portion 211
  • the third substrate 73A is provided with a quenching resistor portion 212 and a read circuit 230.
  • the first substrate 71A further has a connection pad 125 on the upper surface in FIG. 19B.
  • the upper surface of the connection pad 125 constitutes the same surface as the upper surface of the first substrate 71A.
  • the connection pad 125 is connected to the cathode of the SPAD 210.
  • the second substrate 72B has a connection pad 135 on the lower surface in FIG. 19B.
  • the lower surface of the connection pad 135 forms the same surface as the lower surface of the second substrate 72B.
  • the connection pad 135 is connected to the shielding resistor portion 211 by, for example, vias or wiring.
  • the second substrate 72B has a connection pad 135A on the upper surface (the surface facing the lower surface). In this modification, the upper surface of the connection pad 135A forms the same surface as the upper surface of the second substrate 72B.
  • the third substrate 73A has a connection pad 136 on the lower surface in FIG. 19B.
  • the lower surface of the connection pad 136 forms the same surface as the lower surface of the third substrate 73A.
  • the connection pad 136 is connected to the quench resistance portion 212 and the read circuit 230 by, for example, vias or wiring.
  • connection pad 125 of the first substrate 71A is joined to the connection pad 135 of the second substrate 72B by, for example, Cu—Cu bonding, whereby the bonding portion 260 is formed. Then, the SPAD 210 of the first substrate 71A and the shielding resistance portion 211 of the second substrate 72B are electrically connected via the joint portion 260. Further, the first substrate 71A and the second substrate 72B are mechanically joined by the joining portion 260.
  • connection pad 135A of the second substrate 72B is joined to the connection pad 136 of the third substrate 73A by, for example, Cu—Cu bonding, whereby the bonding portion 260A is formed. Then, the shielding resistance portion 211 of the second substrate 72B, the quench resistance portion 212 of the third substrate 73A, and the read circuit 230 are electrically connected via the joint portion 260A. Further, the second substrate 72B and the third substrate 73A are mechanically joined by the joining portion 260A.
  • the SPAD 210, the quench resistance portion 212, and the read circuit 230 are formed on separate substrates, and the SPAD 210 and the quench resistance portion 212 are electrically connected via the junction portion 260 to form the junction portion.
  • the shielding resistance section 211, the quench resistance section 212, and the read circuit 230 are electrically connected via the 260A.
  • the fourth point is that the shielding resistance portion 211 has a resistance value Rsh larger than the resistance value R ON of the SPAD 210, and the quenching resistance portion 212 has a resistance value Rq larger than the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211. It is the same as the embodiment of.
  • the parasitic capacitance C2 when comparing the parasitic capacitance C1 generated on the end side electrically connected to the SPAD210 and the parasitic capacitance C2 generated on the opposite end side of both ends of the shielding resistance portion 211, the parasitic capacitance C2 The capacitance of is larger than the capacitance of the parasitic capacitance C1. This is because the parasitic capacitance C2 is the capacitance due to the shielding resistance portion 211, the capacitance due to the wiring connecting the shielding resistance portion 211 and the connection pad 135A, the capacitance due to the junction portion 260A, and the connection pad 136, the quench resistance portion 212, and the read circuit 230.
  • the parasitic capacitance C1 only includes the capacitance due to the SPAD210, the wiring for connecting the SPAD210 and the connection pad 125, and the capacitance due to the joint portion 260, while including the capacitance due to the wiring connecting the two.
  • FIG. 19C is a block diagram showing a modification 10 of pixels of the optical device according to the fourth embodiment.
  • the pixel in the modified example 9 is composed of the first substrate 71, the second substrate 72C, and the third substrate 73B.
  • the first substrate 71 is provided with a SPAD 210 and a shielding resistance portion 211
  • the second substrate 72C is provided with a quenching resistance portion 212
  • the third substrate 73B is provided with a read circuit 230.
  • the first substrate 71 in this modification has the same configuration as the first substrate 71 in the fourth embodiment and the modification 8.
  • the second substrate 72C has a connection pad 135 on the lower surface in FIG. 19C.
  • the lower surface of the connection pad 135 forms the same surface as the lower surface of the second substrate 72C.
  • the second substrate 72C has a connection pad 135A on the upper surface (the surface facing the lower surface).
  • the upper surface of the connection pad 135A forms the same surface as the upper surface of the second substrate 72C.
  • the connection pad 135 and the connection pad 135A are connected to each other by, for example, vias or wiring. Further, the connection pad 135 and the connection pad 135A are electrically connected to the quench resistance portion 212.
  • the third substrate 73B has a connection pad 136 on the lower surface in FIG. 19C.
  • the lower surface of the connection pad 136 forms the same surface as the lower surface of the third substrate 73B.
  • the connection pad 136 is connected to the read circuit 230 by, for example, vias or wiring.
  • connection pad 125 of the first substrate 71A is joined to the connection pad 135 of the second substrate 72C by, for example, Cu—Cu bonding, whereby the bonding portion 260 is formed. Then, the shielding resistance portion 211 of the first substrate 71A and the quench resistance portion 212 of the second substrate 72C are electrically connected via the joint portion 260. Further, the first substrate 71A and the second substrate 72C are mechanically joined by the joining portion 260.
  • connection pad 135A of the second substrate 72C is joined to the connection pad 136 of the third substrate 73B by, for example, Cu—Cu bonding, whereby the bonding portion 260A is formed. Then, the quench resistance portion 212 of the second substrate 72C and the read circuit 230 of the third substrate 73B are electrically connected via the joint portion 260A. Further, the second substrate 72C and the third substrate 73B are mechanically bonded by the bonding portion 260A.
  • the SPAD 210, the quench resistance portion 212, and the read circuit 230 are formed on separate substrates, and the shield resistance portion 211 and the quench resistance portion 212 are electrically connected via the junction portion 260.
  • the quench resistance portion 212 and the read circuit 230 are electrically connected via the junction portion 260A.
  • the fourth point is that the shielding resistance portion 211 has a resistance value Rsh larger than the resistance value R ON of the SPAD 210, and the quenching resistance portion 212 has a resistance value Rq larger than the resistance value Rsh of the shielding resistance portion 211. It is the same as the embodiment of.
  • a parasitic capacitance C2 is generated between the connection pad 135 and the read circuit 230, and a parasitic capacitance C1 is generated at the cathode of the SPAD 210.
  • the parasitic capacitance C2 includes not only the capacitance due to the junction 260, the capacitance due to the wiring connecting the connection pad 135 and the connection pad 135A, and the capacitance due to the quench resistance portion 212, but also the capacitance due to the junction 260A and the capacitance due to the read circuit 230. obtain.
  • the parasitic capacitance C1 only includes the capacitance due to the SPAD210, the capacitance due to the wiring connecting the SPAD210 and the shielding resistor portion 211, and the like. Therefore, the parasitic capacitance C2 is larger than the parasitic capacitance C1.
  • the dead time can be shortened and the power consumption can be reduced while reducing the input voltage to the read circuit 230 as in the fourth embodiment.
  • connection pads may be connected to each other by the metal pads.
  • the specific example of the reading circuit described above can also be appropriately applied to the fourth embodiment (including a modified example).
  • the optical device includes various electronic devices such as an image pickup device such as a digital still camera or a digital video camera, a mobile phone having an image pickup function, or another device having an image pickup function. It can be applied to equipment.
  • an image pickup device such as a digital still camera or a digital video camera
  • a mobile phone having an image pickup function or another device having an image pickup function. It can be applied to equipment.
  • FIG. 20 is a block diagram showing a configuration example of an imaging device as an electronic device to which the present technology is applied.
  • the image pickup device 201 shown in FIG. 20 includes an optical system 202, a shutter device 203, an optical device 100, a drive circuit 205, a signal processing circuit 206, a monitor 207, and a memory 208, and captures still images and moving images. It is possible.
  • the optical system 202 is configured to have one or a plurality of lenses, guides light (incident light) from a subject to the optical device 100, and forms an image on the light receiving surface of the optical device 100.
  • the shutter device 203 is arranged between the optical system 202 and the optical device 100, and controls the light irradiation period and the light blocking period of the optical device 100 according to the control of the drive circuit 205.
  • the drive circuit 205 outputs a drive signal for controlling the transfer operation of the optical device 100 and the shutter operation of the shutter device 203 to drive the optical device 100 and the shutter device 203.
  • the optical device 100 includes a light receiving element (pixel) according to each of the above-described embodiments (including modifications).
  • the optical device 100 has a digital counter circuit 240 (FIG. 4B) at the output end of the read circuit 230.
  • the optical device 100 pixels the number of photons by the digital counter circuit 240 according to the light formed on the light receiving surface through the optical system 202 and the shutter device 203 during a predetermined exposure period. Count every time. The count number is converted into a luminance signal and transferred to the column circuit 310 through the bit line BL according to the selection signal supplied from the row scanning circuit 320 (FIG.
  • the column circuit 310 converts the brightness signal from each pixel into a digital signal, and the converted digital signal is output to the signal processing circuit 206 through the interface circuit 330.
  • the signal processing circuit 206 performs various signal processing on the digital signal output from the optical device 100.
  • the image (image data) obtained by the signal processing circuit 206 performing signal processing is supplied to the monitor 207 for display, or supplied to the memory 208 for storage (recording).
  • the image pickup device 201 since the optical device 100 includes the light receiving element according to each of the above-described embodiments (including modifications), the image pickup device 201 also shortens the dead time and consumes power. Can exert the effect of reducing.
  • a color filter may be provided on the light receiving surface of the optical device 100. In this color filter, a red filter that transmits red wavelength region light, a green filter that transmits green wavelength region light, and a blue filter that transmits blue wavelength light correspond to the light receiving elements (pixels) of the optical device 100. It is formed.
  • a Bayer filter is exemplified as a color filter. By using such a color filter, the image pickup device 201 can be configured as an image pickup device capable of acquiring a color image.
  • FIG. 21 is a block diagram showing a configuration example of a distance measuring device 600 as an electronic device to which the present technology is applied.
  • the distance measuring device 600 includes an optical device 100A, a light source unit 602, a storage unit 603, a control unit 604, and an optical system 605.
  • the light source unit 602 may be, for example, a vertical cavity surface emitting laser (Vertical Cavity Surface Emitting LASER: VCSEL) array that emits laser light as a surface light source.
  • the present invention is not limited to this, and the light source unit 602 may be a laser diode array in which laser diodes are arranged on a line.
  • the laser diode array is supported by a predetermined drive unit (not shown) and scanned in a direction perpendicular to the arrangement direction of the laser diodes.
  • the light source unit 602 may be a single laser diode. In this case, the single laser diode is supported by a predetermined drive (not shown) and scanned horizontally and vertically.
  • the optical device 100A has the pixel (light receiving element) 200 according to the first embodiment.
  • the optical device 100A may have pixels (light receiving elements) according to other embodiments (including modified examples).
  • the optical device 100A replaces the digital counter circuit 240 (FIG. 4B) described above, and is connected in series to the output terminal of the reading circuit 230 in order as shown in FIG. 22. It has a circuit 241 and a generation unit 242, and a signal processing unit 243. The functions of the TDC circuit 241 and the generation unit 242 and the signal processing unit 243 will be described later.
  • the signal processing unit 243 performs predetermined arithmetic processing based on the data of the histogram (described later) generated by the generation unit 242, and calculates, for example, distance information.
  • the signal processing unit 243 creates a curve approximation of the histogram based on, for example, the data of the histogram generated by the generation unit 242.
  • the signal processing unit 243 can detect the peak of the curve to which this histogram is approximated and obtain the distance D based on the detected peak.
  • the storage unit 603 (FIG. 21) is composed of, for example, a flash memory, a DRAM, a SRAM, or the like, and stores data or the like input from the optical device 10.
  • the control unit 604 controls the overall operation of the distance measuring device 600.
  • the control unit 604 supplies a predetermined reference signal having a predetermined frequency to the optical device 100 and the light source unit 602.
  • the light source unit 602 emits pulsed light based on, for example, a reference signal supplied from the control unit 604.
  • the optical device 100 obtains, for example, the time difference between the light emission timing and the light reception timing based on the above reference signal and the output signal output from the read circuit 230.
  • the control unit 604 sets a pattern for distance measurement for the optical device 100, for example, in response to an instruction from the outside.
  • the optical system 605 guides light incident from the outside to the light receiving surface of the optical device 100.
  • the distance measuring device 600 measures the distance D from the distance measuring device 600 to the object to be measured 303 is taken as an example, and the direct ToF is used. Distance measurement by the method will be described.
  • the time when the light source unit 602 emits light is defined as the light emission timing t 0
  • the time when the optical device 100 receives the reflected light reflected by the object 303 is defined as the light receiving timing t 1 .
  • the distance D between the distance measuring device 600 and the object to be measured 303 can be calculated by the following equation (1).
  • D (c / 2) ⁇ (t 1 ⁇ t 0 )... (1)
  • the constant c is the light velocity (2.9979 ⁇ 10 8 [m / sec]).
  • the reading circuit 230 when light (photons) is incident on the pixel 200, even if the light is light other than the reflected light from the object 303 (for example, ambient light), the reading circuit 230 The output signal is output, and the light receiving timing is calculated by the TDC circuit 241 as described later. That is, not be distinguished from the light receiving timing t 1 calculated based on the reflected light from the object to be measured 303, and a light receiving timing is calculated based on the light other than the reflected light.
  • FIG. 24 is a diagram showing an example of the histogram thus created. As shown in the figure, the number of light receiving timings (frequency) 301 is shown for each section # 0, # 1, # 2, ..., # (N-2), # (N-1) having a predetermined unit time d. Has been done.
  • the section # 0 is the range of the time d from the light emission timing t 0
  • the section # 1 is the range of the time d from the time when the light emission timing t 0 has passed by the time d.
  • the period from the light emission timing t 0 to t ep corresponds to the exposure time of the optical device 100.
  • section 312 there is a section in which the number of times of light receiving timing is more prominent than that in the adjacent section as compared with the range 311 shown by the broken line (hereinafter, referred to as section 312 for convenience). While the light received such as ambient light is randomly generated, the light received from the light source unit 602 and reflected by the object to be measured 303 includes an error because the light is received after propagating by a distance of 2 ⁇ D. It can happen after a certain range of time has passed. Therefore, it is considered that the light receiving timing t 1 corresponding to the reflected light from the object to be measured 303 is included in the section 312.
  • the end time of the section in which the maximum number of light reception timings in the section 312 is recorded can be set as the light reception timing t 1 based on the light reflected from the object 303.
  • the maximum light reception timing count may start point or center point of the recorded segment as a light receiving timing t 1.
  • an approximate curve for the number of light emission timings may be obtained, and the light emission timing t 1 may be obtained based on the peak value.
  • the light receiving timing t 1 of the reflected light from the object to be measured 303 can be obtained, and the distance D to the object to be measured 303 can be calculated by the equation (1).
  • the light receiving timing is obtained by the TDC circuit 241. That is, the TDC circuit 241 generates a time difference signal indicating a time difference between the reference signal input from the control unit 604 and the output signal from the read circuit 230.
  • the reference signal from the control unit 604 is also input to the light source unit 602, and the light source unit 602 emits pulsed light based on this reference signal. Therefore, from the time difference signal generated in the TDC circuit 241, it is possible to obtain the light receiving timing based on the light emitting timing t 0 when the pulsed light is emitted from the light source unit 602.
  • Light emission based on the reference signal by the light source unit 602 and light reception by the SPAD 210 are repeated, and each time, a histogram regarding the difference between the light emission timing and the light reception timing obtained by the TDC circuit 241 is generated by the generation unit 242.
  • the signal processing unit 243 determines the light receiving timing t 1 and calculates the distance D.
  • the distance measuring device 600 since the optical device 100A includes the light receiving element according to each of the above-described embodiments (including modifications), the distance measuring device 600 also shortens and consumes the dead time. It can exert the effect of reducing power consumption.
  • the technology according to the present disclosure (the present technology) can be applied to various products.
  • the techniques according to the present disclosure may be applied to endoscopic surgery systems.
  • FIG. 25 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a patient's internal information acquisition system using a capsule endoscope to which the technique according to the present disclosure (the present technique) can be applied.
  • the internal information acquisition system 10001 is composed of a capsule endoscope 10100 and an external control device 10200.
  • the capsule endoscope 10100 is swallowed by the patient at the time of examination.
  • the capsule endoscope 10100 has an imaging function and a wireless communication function, and moves inside an organ such as the stomach or intestine by peristaltic movement or the like until it is naturally excreted from the patient, and inside the organ.
  • Images (hereinafter, also referred to as internal organ images) are sequentially imaged at predetermined intervals, and information about the internal organ images is sequentially wirelessly transmitted to an external control device 10200 outside the body.
  • the external control device 10200 comprehensively controls the operation of the internal information acquisition system 10001. Further, the external control device 10200 receives information about the internal image transmitted from the capsule endoscope 10100, and based on the received information about the internal image, displays the internal image on a display device (not shown). Generate image data to display.
  • the internal information acquisition system 10001 in this way, it is possible to obtain an internal image of the inside of the patient at any time from the time when the capsule endoscope 10100 is swallowed until it is discharged.
  • the capsule endoscope 10100 has a capsule-shaped housing 10101, and the light source unit 10111, the imaging unit 10112, the image processing unit 10113, the wireless communication unit 10114, the power feeding unit 10115, and the power supply unit are contained in the housing 10101.
  • the 10116 and the control unit 10117 are housed.
  • the light source unit 10111 is composed of, for example, a light source such as an LED (light LED diode), and irradiates the imaging field of view of the imaging unit 10112 with light.
  • a light source such as an LED (light LED diode)
  • the image pickup unit 10112 is composed of an image pickup element and an optical system including a plurality of lenses provided in front of the image pickup element.
  • the reflected light (hereinafter referred to as observation light) of the light applied to the body tissue to be observed is collected by the optical system and incident on the image sensor.
  • the observation light incident on the image pickup device is photoelectrically converted, and an image signal corresponding to the observation light is generated.
  • the image signal generated by the image pickup unit 10112 is provided to the image processing unit 10113.
  • the image processing unit 10113 is composed of processors such as a CPU (Central Processing Unit) and a GPU (Graphics Processing Unit), and performs various signal processing on the image signal generated by the imaging unit 10112.
  • the image processing unit 10113 provides the signal-processed image signal to the wireless communication unit 10114 as RAW data.
  • the wireless communication unit 10114 performs predetermined processing such as modulation processing on the image signal that has been signal-processed by the image processing unit 10113, and transmits the image signal to the external control device 10200 via the antenna 10114A. Further, the wireless communication unit 10114 receives a control signal related to drive control of the capsule endoscope 10100 from the external control device 10200 via the antenna 10114A. The wireless communication unit 10114 provides the control unit 10117 with a control signal received from the external control device 10200.
  • the power feeding unit 10115 is composed of an antenna coil for receiving power, a power regeneration circuit that regenerates power from the current generated in the antenna coil, a booster circuit, and the like. In the power feeding unit 10115, electric power is generated using the principle of so-called non-contact charging.
  • the power supply unit 10116 is composed of a secondary battery and stores the electric power generated by the power supply unit 10115.
  • FIG. 25 in order to avoid complication of the drawing, the illustration of the arrow or the like indicating the power supply destination from the power supply unit 10116 is omitted, but the power stored in the power supply unit 10116 is the light source unit 10111. , Is supplied to the imaging unit 10112, the image processing unit 10113, the wireless communication unit 10114, and the control unit 10117, and can be used to drive these.
  • the control unit 10117 is composed of a processor such as a CPU, and is a control signal transmitted from the external control device 10200 to drive the light source unit 10111, the image pickup unit 10112, the image processing unit 10113, the wireless communication unit 10114, and the power supply unit 10115. Control as appropriate according to.
  • the external control device 10200 is composed of a processor such as a CPU and a GPU, or a microcomputer or a control board on which a processor and a storage element such as a memory are mixedly mounted.
  • the external control device 10200 controls the operation of the capsule endoscope 10100 by transmitting a control signal to the control unit 10117 of the capsule endoscope 10100 via the antenna 10200A.
  • a control signal from the external control device 10200 can change the light irradiation conditions for the observation target in the light source unit 10111.
  • the imaging conditions for example, the frame rate in the imaging unit 10112, the exposure value, etc.
  • the content of processing in the image processing unit 10113 and the conditions for transmitting the image signal by the wireless communication unit 10114 may be changed by the control signal from the external control device 10200. ..
  • the external control device 10200 performs various image processing on the image signal transmitted from the capsule endoscope 10100, and generates image data for displaying the captured internal image on the display device.
  • the image processing includes, for example, development processing (demosaic processing), high image quality processing (band enhancement processing, super-resolution processing, NR (Noise reduction) processing and / or camera shake correction processing, etc.), and / or enlargement processing ( Various signal processing such as electronic zoom processing) can be performed.
  • the external control device 10200 controls the drive of the display device to display the captured internal image based on the generated image data.
  • the external control device 10200 may have the generated image data recorded in a recording device (not shown) or printed out in a printing device (not shown).
  • the above is an example of an in-vivo information acquisition system to which the technology according to the present disclosure can be applied.
  • the technique according to the present disclosure can be applied to the imaging unit 10112 among the configurations described above.
  • the optical device according to each of the above-described embodiments can be used as the imaging unit 10112.
  • the imaging interval by the capsule endoscope 10100 can be appropriately set. That is, it is possible to reduce the possibility that the SPAD 210 (or 210A) is in the dead time at the time of imaging with the capsule endoscope 10100.
  • the power consumption of the SPAD 210 can be reduced, it is possible to reliably operate the optical device 100 and the like from the time when the capsule endoscope 10100 is swallowed by the patient until the time when it is naturally discharged.
  • the technique according to the present disclosure may be applied to, for example, an endoscopic surgery system.
  • an endoscopic surgery system The case where the technique of the present disclosure is applied to an endoscopic surgery system will be described below.
  • FIG. 26 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an endoscopic surgery system to which the technique according to the present disclosure (the present technique) can be applied.
  • FIG. 26 shows a surgeon (doctor) 11131 performing surgery on patient 11132 on patient bed 11133 using the endoscopic surgery system 11000.
  • the endoscopic surgery system 11000 includes an endoscope 11100, other surgical tools 11110 such as an abdominal tube 11111 and an energy treatment tool 11112, and a support arm device 11120 that supports the endoscope 11100.
  • a cart 11200 equipped with various devices for endoscopic surgery.
  • the endoscope 11100 is composed of a lens barrel 11101 in which a region having a predetermined length from the tip is inserted into the body cavity of the patient 11132, and a camera head 11102 connected to the base end of the lens barrel 11101.
  • the endoscope 11100 configured as a so-called rigid mirror having a rigid barrel 11101 is illustrated, but the endoscope 11100 may be configured as a so-called flexible mirror having a flexible barrel. good.
  • An opening in which an objective lens is fitted is provided at the tip of the lens barrel 11101.
  • a light source device 11203 is connected to the endoscope 11100, and the light generated by the light source device 11203 is guided to the tip of the lens barrel by a light guide extending inside the lens barrel 11101, and is an objective. It is irradiated toward the observation target in the body cavity of the patient 11132 through the lens.
  • the endoscope 11100 may be a direct endoscope, a perspective mirror, or a side endoscope.
  • An optical system and an image sensor are provided inside the camera head 11102, and the reflected light (observation light) from the observation target is focused on the image sensor by the optical system.
  • the observation light is photoelectrically converted by the image sensor, and an electric signal corresponding to the observation light, that is, an image signal corresponding to the observation image is generated.
  • the image signal is transmitted as RAW data to the camera control unit (CCU: Camera Control Unit) 11201.
  • CCU Camera Control Unit
  • the CCU11201 is composed of a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), and the like, and comprehensively controls the operations of the endoscope 11100 and the display device 11202. Further, the CCU 11201 receives an image signal from the camera head 11102, and performs various image processing on the image signal for displaying an image based on the image signal, such as development processing (demosaic processing).
  • a CPU Central Processing Unit
  • GPU Graphics Processing Unit
  • the display device 11202 displays an image based on the image signal processed by the CCU 11201 under the control of the CCU 11201.
  • the light source device 11203 is composed of, for example, a light source such as an LED (Light Emitting Diode), and supplies irradiation light to the endoscope 11100 when photographing an operating part or the like.
  • a light source such as an LED (Light Emitting Diode)
  • LED Light Emitting Diode
  • the input device 11204 is an input interface for the endoscopic surgery system 11000.
  • the user can input various information and input instructions to the endoscopic surgery system 11000 via the input device 11204.
  • the user inputs an instruction to change the imaging conditions (type of irradiation light, magnification, focal length, etc.) by the endoscope 11100.
  • the treatment tool control device 11205 controls the drive of the energy treatment tool 11112 for cauterizing, incising, sealing a blood vessel, or the like of a tissue.
  • the pneumoperitoneum device 11206 uses a gas in the pneumoperitoneum tube 11111 to inflate the body cavity of the patient 11132 for the purpose of securing the field of view by the endoscope 11100 and securing the work space of the operator.
  • Recorder 11207 is a device capable of recording various information related to surgery.
  • the printer 11208 is a device capable of printing various information related to surgery in various formats such as texts, images, and graphs.
  • the light source device 11203 that supplies the irradiation light to the endoscope 11100 when photographing the surgical site can be composed of, for example, an LED, a laser light source, or a white light source composed of a combination thereof.
  • a white light source is configured by combining RGB laser light sources, the output intensity and output timing of each color (each wavelength) can be controlled with high accuracy. Therefore, the light source device 11203 adjusts the white balance of the captured image. It can be carried out.
  • the laser light from each of the RGB laser light sources is irradiated to the observation target in a time-division manner, and the drive of the image sensor of the camera head 11102 is controlled in synchronization with the irradiation timing to correspond to each of RGB. It is also possible to capture the image in a time-division manner. According to this method, a color image can be obtained without providing a color filter on the image sensor.
  • the drive of the light source device 11203 may be controlled so as to change the intensity of the output light at predetermined time intervals.
  • the drive of the image sensor of the camera head 11102 in synchronization with the timing of changing the light intensity to acquire an image in a time-divided manner and synthesizing the image, so-called high dynamic without blackout and overexposure. Range images can be generated.
  • the light source device 11203 may be configured to be able to supply light in a predetermined wavelength band corresponding to special light observation.
  • special light observation for example, by utilizing the wavelength dependence of light absorption in body tissue to irradiate light in a narrow band as compared with the irradiation light (that is, white light) in normal observation, the surface layer of the mucous membrane.
  • a so-called narrow band imaging is performed in which a predetermined tissue such as a blood vessel is photographed with high contrast.
  • fluorescence observation may be performed in which an image is obtained by fluorescence generated by irradiating with excitation light.
  • the body tissue is irradiated with excitation light to observe the fluorescence from the body tissue (autofluorescence observation), or a reagent such as indocyanine green (ICG) is locally injected into the body tissue and the body tissue is injected. It is possible to obtain a fluorescence image by irradiating excitation light corresponding to the fluorescence wavelength of the reagent.
  • the light source device 11203 may be configured to be capable of supplying narrow band light and / or excitation light corresponding to such special light observation.
  • FIG. 27 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the camera head 11102 and CCU11201 shown in FIG. 26.
  • the camera head 11102 includes a lens unit 11401, an imaging unit 11402, a driving unit 11403, a communication unit 11404, and a camera head control unit 11405.
  • CCU11201 has a communication unit 11411, an image processing unit 11412, and a control unit 11413.
  • the camera head 11102 and CCU11201 are communicatively connected to each other by a transmission cable 11400.
  • the lens unit 11401 is an optical system provided at a connection portion with the lens barrel 11101.
  • the observation light taken in from the tip of the lens barrel 11101 is guided to the camera head 11102 and incident on the lens unit 11401.
  • the lens unit 11401 is configured by combining a plurality of lenses including a zoom lens and a focus lens.
  • the image pickup unit 11402 is composed of an image pickup element.
  • the image sensor constituting the image pickup unit 11402 may be one (so-called single plate type) or a plurality (so-called multi-plate type).
  • each image pickup element may generate an image signal corresponding to each of RGB, and a color image may be obtained by synthesizing them.
  • the image pickup unit 11402 may be configured to have a pair of image pickup elements for acquiring image signals for the right eye and the left eye corresponding to 3D (Dimensional) display, respectively.
  • the 3D display enables the operator 11131 to more accurately grasp the depth of the biological tissue in the surgical site.
  • a plurality of lens units 11401 may be provided corresponding to each image pickup element.
  • the imaging unit 11402 does not necessarily have to be provided on the camera head 11102.
  • the imaging unit 11402 may be provided inside the lens barrel 11101 immediately after the objective lens.
  • the drive unit 11403 is composed of an actuator, and the zoom lens and focus lens of the lens unit 11401 are moved by a predetermined distance along the optical axis under the control of the camera head control unit 11405. As a result, the magnification and focus of the image captured by the imaging unit 11402 can be adjusted as appropriate.
  • the communication unit 11404 is composed of a communication device for transmitting and receiving various information to and from the CCU11201.
  • the communication unit 11404 transmits the image signal obtained from the image pickup unit 11402 as RAW data to the CCU 11201 via the transmission cable 11400.
  • the communication unit 11404 receives a control signal for controlling the drive of the camera head 11102 from the CCU 11201 and supplies the control signal to the camera head control unit 11405.
  • the control signal includes, for example, information to specify the frame rate of the captured image, information to specify the exposure value at the time of imaging, and / or information to specify the magnification and focus of the captured image. Contains information about the condition.
  • the imaging conditions such as the frame rate, exposure value, magnification, and focus may be appropriately specified by the user, or may be automatically set by the control unit 11413 of CCU11201 based on the acquired image signal. good.
  • the so-called AE (Auto Exposure) function, AF (Auto Focus) function, and AWB (Auto White Balance) function are mounted on the endoscope 11100.
  • the camera head control unit 11405 controls the drive of the camera head 11102 based on the control signal from the CCU 11201 received via the communication unit 11404.
  • the communication unit 11411 is composed of a communication device for transmitting and receiving various information to and from the camera head 11102.
  • the communication unit 11411 receives an image signal transmitted from the camera head 11102 via the transmission cable 11400.
  • the communication unit 11411 transmits a control signal for controlling the drive of the camera head 11102 to the camera head 11102.
  • Image signals and control signals can be transmitted by telecommunications, optical communication, or the like.
  • the image processing unit 11412 performs various image processing on the image signal which is the RAW data transmitted from the camera head 11102.
  • the control unit 11413 performs various controls related to the imaging of the surgical site and the like by the endoscope 11100 and the display of the captured image obtained by the imaging of the surgical site and the like. For example, the control unit 11413 generates a control signal for controlling the drive of the camera head 11102.
  • control unit 11413 causes the display device 11202 to display an image captured by the surgical unit or the like based on the image signal processed by the image processing unit 11412.
  • the control unit 11413 may recognize various objects in the captured image by using various image recognition techniques. For example, the control unit 11413 detects the shape, color, and the like of the edge of an object included in the captured image to remove surgical tools such as forceps, a specific biological part, bleeding, and mist when using the energy treatment tool 11112. Can be recognized.
  • the control unit 11413 may superimpose and display various surgical support information on the image of the surgical unit by using the recognition result. By superimposing and displaying the surgical support information and presenting it to the surgeon 11131, it is possible to reduce the burden on the surgeon 11131 and to allow the surgeon 11131 to proceed with the surgery reliably.
  • the transmission cable 11400 that connects the camera head 11102 and CCU11201 is an electric signal cable that supports electrical signal communication, an optical fiber that supports optical communication, or a composite cable thereof.
  • the communication was performed by wire using the transmission cable 11400, but the communication between the camera head 11102 and the CCU11201 may be performed wirelessly.
  • the above is an example of an endoscopic surgery system to which the technology according to the present disclosure can be applied.
  • the technique according to the present disclosure can be applied to the imaging unit 11402 of the camera head 11102 in the configuration described above.
  • the optical device according to each of the above-described embodiments can be used. According to the above-mentioned optical device, it is possible to shorten the dead time and save power. Therefore, the same effect is exhibited by the endoscopic surgery system to which this optical device is applied.
  • the technology according to the present disclosure can be applied to various products.
  • the technology according to the present disclosure is realized as a device mounted on a moving body of any kind such as an automobile, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a motorcycle, a bicycle, a personal mobility, an airplane, a drone, a ship, and a robot. You may.
  • FIG. 28 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a mobile control system to which the technique according to the present disclosure can be applied.
  • the vehicle control system 12000 includes a plurality of electronic control units connected via the communication network 12001.
  • the vehicle control system 12000 includes a drive system control unit 12010, a body system control unit 12020, an outside information detection unit 12030, an in-vehicle information detection unit 12040, and an integrated control unit 12050.
  • a microcomputer 12051, an audio image output unit 12052, and an in-vehicle network I / F (Interface) 12053 are shown as a functional configuration of the integrated control unit 12050.
  • the drive system control unit 12010 controls the operation of the device related to the drive system of the vehicle according to various programs.
  • the drive system control unit 12010 provides a driving force generator for generating the driving force of the vehicle such as an internal combustion engine or a driving motor, a driving force transmission mechanism for transmitting the driving force to the wheels, and a steering angle of the vehicle. It functions as a control device such as a steering mechanism for adjusting and a braking device for generating braking force of the vehicle.
  • the body system control unit 12020 controls the operation of various devices mounted on the vehicle body according to various programs.
  • the body system control unit 12020 functions as a keyless entry system, a smart key system, a power window device, or a control device for various lamps such as headlamps, back lamps, brake lamps, blinkers or fog lamps.
  • the body system control unit 12020 may be input with radio waves transmitted from a portable device that substitutes for the key or signals of various switches.
  • the body system control unit 12020 receives inputs of these radio waves or signals and controls a vehicle door lock device, a power window device, a lamp, and the like.
  • the vehicle outside information detection unit 12030 detects information outside the vehicle equipped with the vehicle control system 12000.
  • the image pickup unit 12031 is connected to the vehicle exterior information detection unit 12030.
  • the vehicle outside information detection unit 12030 causes the image pickup unit 12031 to capture an image of the outside of the vehicle and receives the captured image.
  • the vehicle exterior information detection unit 12030 may perform object detection processing or distance detection processing such as a person, a vehicle, an obstacle, a sign, or a character on the road surface based on the received image.
  • the imaging unit 12031 is an optical sensor that receives light and outputs an electric signal according to the amount of the light received.
  • the image pickup unit 12031 can output an electric signal as an image or can output it as distance measurement information. Further, the light received by the imaging unit 12031 may be visible light or invisible light such as infrared light.
  • the in-vehicle information detection unit 12040 detects the in-vehicle information.
  • a driver state detection unit 12041 that detects the driver's state is connected to the in-vehicle information detection unit 12040.
  • the driver state detection unit 12041 includes, for example, a camera that images the driver, and the in-vehicle information detection unit 12040 determines the degree of fatigue or concentration of the driver based on the detection information input from the driver state detection unit 12041. It may be calculated, or it may be determined whether the driver is dozing.
  • the microcomputer 12051 calculates the control target value of the driving force generator, the steering mechanism, or the braking device based on the information inside and outside the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030 or the vehicle interior information detection unit 12040, and the drive system control unit.
  • a control command can be output to 12010.
  • the microcomputer 12051 realizes ADAS (Advanced Driver Assistance System) functions including vehicle collision avoidance or impact mitigation, follow-up driving based on inter-vehicle distance, vehicle speed maintenance driving, vehicle collision warning, vehicle lane deviation warning, and the like. It is possible to perform cooperative control for the purpose of.
  • ADAS Advanced Driver Assistance System
  • the microcomputer 12051 controls the driving force generator, the steering mechanism, the braking device, and the like based on the information around the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030 or the vehicle interior information detection unit 12040. It is possible to perform coordinated control for the purpose of automatic driving, etc., which runs autonomously without depending on the operation.
  • the microcomputer 12051 can output a control command to the body system control unit 12020 based on the information outside the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030.
  • the microcomputer 12051 controls the headlamps according to the position of the preceding vehicle or the oncoming vehicle detected by the external information detection unit 12030, and performs coordinated control for the purpose of anti-glare such as switching the high beam to the low beam. It can be carried out.
  • the audio image output unit 12052 transmits an output signal of at least one of audio and image to an output device capable of visually or audibly notifying information to the passenger or the outside of the vehicle.
  • an audio speaker 12061, a display unit 12062, and an instrument panel 12063 are exemplified as output devices.
  • the display unit 12062 may include, for example, at least one of an onboard display and a heads-up display.
  • FIG. 29 is a diagram showing an example of the installation position of the imaging unit 12031.
  • the imaging unit 12031 includes imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105.
  • the imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, 12105 are provided at positions such as, for example, the front nose, side mirrors, rear bumpers, back doors, and the upper part of the windshield in the vehicle interior of the vehicle 12100.
  • the imaging unit 12101 provided on the front nose and the imaging unit 12105 provided on the upper part of the windshield in the vehicle interior mainly acquire an image in front of the vehicle 12100.
  • the imaging units 12102 and 12103 provided in the side mirrors mainly acquire images of the side of the vehicle 12100.
  • the imaging unit 12104 provided on the rear bumper or the back door mainly acquires an image of the rear of the vehicle 12100.
  • the imaging unit 12105 provided on the upper part of the windshield in the vehicle interior is mainly used for detecting a preceding vehicle, a pedestrian, an obstacle, a traffic light, a traffic sign, a lane, or the like.
  • FIG. 29 shows an example of the photographing range of the imaging units 12101 to 12104.
  • the imaging range 12111 indicates the imaging range of the imaging unit 12101 provided on the front nose
  • the imaging ranges 12112 and 12113 indicate the imaging ranges of the imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors, respectively
  • the imaging range 12114 indicates the imaging range of the imaging units 12102 and 12103.
  • the imaging range of the imaging unit 12104 provided on the rear bumper or the back door is shown. For example, by superimposing the image data captured by the imaging units 12101 to 12104, a bird's-eye view image of the vehicle 12100 as viewed from above can be obtained.
  • At least one of the imaging units 12101 to 12104 may have a function of acquiring distance information.
  • at least one of the image pickup units 12101 to 12104 may be a stereo camera composed of a plurality of image pickup elements, or may be an image pickup element having pixels for phase difference detection.
  • the microcomputer 12051 has a distance to each three-dimensional object within the imaging range 12111 to 12114 based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, and a temporal change of this distance (relative velocity with respect to the vehicle 12100). By obtaining can. Further, the microcomputer 12051 can set an inter-vehicle distance to be secured in front of the preceding vehicle in advance, and can perform automatic brake control (including follow-up stop control), automatic acceleration control (including follow-up start control), and the like. In this way, it is possible to perform coordinated control for the purpose of automatic driving or the like in which the vehicle travels autonomously without depending on the operation of the driver.
  • automatic brake control including follow-up stop control
  • automatic acceleration control including follow-up start control
  • the microcomputer 12051 converts three-dimensional object data related to a three-dimensional object into two-wheeled vehicles, ordinary vehicles, large vehicles, pedestrians, utility poles, and other three-dimensional objects based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104. It can be classified and extracted and used for automatic avoidance of obstacles. For example, the microcomputer 12051 distinguishes obstacles around the vehicle 12100 into obstacles that can be seen by the driver of the vehicle 12100 and obstacles that are difficult to see. Then, the microcomputer 12051 determines the collision risk indicating the risk of collision with each obstacle, and when the collision risk is equal to or higher than the set value and there is a possibility of collision, the microcomputer 12051 is used via the audio speaker 12061 or the display unit 12062. By outputting an alarm to the driver and performing forced deceleration and avoidance steering via the drive system control unit 12010, driving support for collision avoidance can be provided.
  • At least one of the imaging units 12101 to 12104 may be an infrared camera that detects infrared rays.
  • the microcomputer 12051 can recognize a pedestrian by determining whether or not a pedestrian is present in the captured image of the imaging units 12101 to 12104.
  • pedestrian recognition includes, for example, a procedure for extracting feature points in an image captured by an imaging unit 12101 to 12104 as an infrared camera, and pattern matching processing for a series of feature points indicating the outline of an object to determine whether or not the pedestrian is a pedestrian. It is done by the procedure to determine.
  • the audio image output unit 12052 When the microcomputer 12051 determines that a pedestrian is present in the captured images of the imaging units 12101 to 12104 and recognizes the pedestrian, the audio image output unit 12052 outputs a square contour line for emphasizing the recognized pedestrian.
  • the display unit 12062 is controlled so as to superimpose and display. Further, the audio image output unit 12052 may control the display unit 12062 so as to display an icon or the like indicating a pedestrian at a desired position.
  • the above is an example of a vehicle control system to which the technology according to the present disclosure can be applied.
  • the technique according to the present disclosure can be applied to the imaging units 12101 to 12104 among the configurations described above.
  • the image sensor according to each of the above-described embodiments (including modifications) can be applied to the image pickup units 12101 to 12104.
  • the technique according to the present disclosure By applying the technique according to the present disclosure to the imaging units 12101 to 12104, it is possible to recognize a pedestrian from a slight amount of light from the pedestrian, for example, at night or in a dark place. Further, the effect of reducing the power consumption by the technique according to the present disclosure is particularly useful in a vehicle provided with a driving motor as a driving force generating device for generating the driving force of the vehicle.
  • the present technology can also have the following configurations.
  • a photomultiplier tube containing a charge multiplying region capable of multiplying the charge generated in response to photon incidence, and a photomultiplier tube.
  • a first resistance portion connected to one end of the photon response multiplying portion at one end and having a resistance value larger than the resistance value of the photon response multiplying portion.
  • a second resistance portion connected to the other end of the first resistance portion at one end, and a second resistance portion.
  • a light receiver including a connection point to which the other end of the first resistor, the one end of the second resistor, and a reading section that reads an output from the photomultiplier tube are connected. element.
  • the second resistance part A switch provided between the reading unit and a power supply electrically connected to the other end of the second resistance unit.
  • a control unit that detects the output of the reading unit and controls the switch based on the detection result.
  • the light receiving element according to any one of (1) to (6).
  • the light receiving element according to any one of (1) to (6), wherein the second resistance portion is a constant current source.
  • the first resistance portion is a polysilicon resistance portion or a metal resistance portion.
  • the first resistance portion is formed by one or a plurality of transistors.
  • the one or more transistors are metal oxide semiconductor transistors.
  • a first substrate having a first connection portion on one surface and a second connection portion corresponding to the first connection portion on one surface, and the first connection portion and the second connection portion are connected.
  • a second substrate that is electrically and mechanically bonded to the first substrate is further provided.
  • the photon response multiplier is provided on the first substrate.
  • the light receiving element according to any one of (1) to (15), wherein the reading unit is provided on the second substrate.
  • the first connecting portion and the second connecting portion are made of copper. By bringing the surfaces of the first connecting portion and the second connecting portion formed of copper into close contact with each other, the first connecting portion and the second connecting portion are joined (16). ).
  • the first substrate is provided with a plurality of the photon response multiplying portions.
  • a time-digital conversion circuit for generating a digital signal indicating a time difference between a reference signal having a predetermined frequency and another signal generated based on the reference signal is connected to the output terminal of the reading unit.
  • a first resistance portion connected to one end of the photon response multiplying portion at one end and having a resistance value larger than the resistance value of the photon response multiplying portion.
  • a second resistance portion connected to the other end of the first resistance portion at one end, and a second resistance portion.
  • Each includes a connection point to which the other end of the first resistance portion, the one end of the second resistance portion, and a reading unit that reads an output from the photomultiplier tube are connected.
  • An optical device in which multiple light receiving elements are arranged in a matrix.
  • a first resistance portion connected to one end of the photon response multiplying portion at one end and having a resistance value larger than the resistance value of the photon response multiplying portion.
  • a second resistance portion connected to the other end of the first resistance portion at one end, the other end of the first resistance portion, and the one of the second resistance portion.
  • An electronic device including an optical device in which a plurality of light receiving elements are arranged in a matrix, each of which has a connection point to which an end of the photon and a reading unit that reads an output from the photomultiplier tube are connected.
  • Optical system and A light emitting unit configured to emit light based on a reference signal having a predetermined frequency
  • a photomultiplier tube containing a charge multiplying region capable of multiplying the charge generated in response to the incident of photons through the optical system.
  • a first resistance portion connected to one end of the photon response multiplying portion at one end and having a resistance value larger than the resistance value of the photon response multiplying portion.
  • a second resistance portion connected to the other end of the first resistance portion at one end, A connection point to which the other end of the first resistor, the one end of the second resistor, and a reading section that reads an output from the photomultiplier tube are connected, and the reference.
  • a time-digital conversion circuit that generates a digital signal indicating a time difference between a signal and the output read by a reading unit from the photomultiplier tube via the first resistance unit.
  • An electronic device including an optical device in which a plurality of light receiving elements are arranged in a matrix.

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Abstract

読出回路への入力電圧を低減しつつ、消費電力及びデッドタイムの少なくともいずれかを低減可能な受光素子を提案する。光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部（２１０）と、フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部（２１１）であって、フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部と、第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部（２１２）と、第１の抵抗部の他方の端部と接続され、第１の抵抗部を介してフォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部（２３０）とを備える受光素子（２００）が提供される。

Description

受光素子、光学デバイス、及び電子機器
　本開示は、受光素子、光学デバイス、及び電子機器に関する。
　受光した光を電気信号へ光電変換し、その電気信号を出力するように構成される光学素子の一つとして、アバランシェ増倍を利用する単一光子アバランシェダイオード（以下、ＳＰＡＤ(Single　Photon　Avalanche　Diode)と呼ぶ）が知られている。アバランシェ増倍とは、光子の入射により生成された電子と正孔が高電界によって加速され、次々と新たな電子と正孔を生成していく現象をいう。一組の電子と正孔とが何倍にも増加されて大きな電流が流れるため、これを利用するＳＰＡＤは微弱な光を検出可能という利点を有している。
APPLIED　OPTICS,　Vol.35,　No.12,　20　April　1996
　ＳＰＡＤの動作時には、ＳＰＡＤのカソード・アノード間には例えば数１０Ｖという逆バイアス電圧が印加される。このため、ＳＰＡＤで生成される大電流により生じるカソード電位の変化も大きくなる場合がある。カソード電位の変化は、読出回路により読み出されるため、読出回路の入力電圧もまた大きく変化することとなる。この場合、その変化を、読出回路の耐圧よりも小さく抑える必要がある。また、ＳＰＡＤにおいては、アバランシェ増幅により大電流が流れるため、消費電力が大きくなる傾向がある。
　読出回路への入力電圧を耐圧より小さくし、消費電力を下げるため、抵抗分圧が利用される場合がある（非特許文献１）。しかしながら、抵抗分圧のための抵抗器の抵抗値と、ＳＰＡＤのカソード寄生容量や、読出回路への入力寄生容量とで決まる時定数が大きくなり、ＳＰＡＤをリチャージする期間が長くなる場合がある。リチャージ期間は、ＳＰＡＤが光子を検出できない、いわゆるデッドタイムである。すなわち、抵抗分圧では、読出回路への入力電圧を耐圧より小さくし、消費電力を下げることができても、デッドタイムの増大という不都合が生じ得る。
　そこで、本開示は、読出回路への入力電圧を低減しつつ、消費電力及びデッドタイムの少なくともいずれかを低減可能な受光素子、光学デバイス、及び電子機器を提案する。
　本開示によれば、光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部と、前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部と、前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部と、前記第１の抵抗部の前記他方の端部と接続され、前記第１の抵抗部を介して前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部とを備える受光素子が提供される。
　また、本開示によれば、光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部と、前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部と、前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部と、前記第１の抵抗部の前記他方の端部、前記第２の抵抗部の前記一方の端部、及び前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部とが接続される接続点とをそれぞれ備える複数の受光素子が行列状に配置される光学デバイスが提供される。
　さらにまた、本開示によれば、光学系と、前記光学系を透過した光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部、前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部、前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部、及び前記第１の抵抗部の前記他方の端部、前記第２の抵抗部の前記一方の端部、及び前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部とが接続される接続点をそれぞれ備える複数の受光素子が行列状に配置される光学デバイスとを備える電子機器が提供される。
既存技術に係る光学デバイスが適用される電子機器の概略構成例を示すブロック図である。 既存技術に係る光学デバイスの概略構成例を示すブロック図である。 既存技術に係る光学デバイスの画素の概略構成の一例を示すブロック図である。 既存技術に係る光学デバイスの画素の概略構成の他の例を示すブロック図である。 既存技術に係る光学デバイスの画素のフォトダイオードに一つのフォトンが入射したときのカソード電位の変化を模式的に示すグラフである。 既存技術に係る光学デバイスの画画素のフォトダイオードの電圧－電流特性を模式的に示すグラフである。 第１の実施形態に係る光学デバイスの概略構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素アレイ部における画素の概略構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素アレイ部の画素に含まれる単一光子アバランシェダイオードに一つのフォトンが入射したときのカソード電圧の変化を模式的に示す図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素の動作を説明するための図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素の動作を図５Ｂに引き続いて説明するための図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素の動作を図５Ｃに引き続いて説明するための図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素の動作を図５Ｄに引き続いて説明するための図である。 従来例による画素の構成例を示す図である。 従来例による画素の構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素における遮蔽抵抗部の具体例１を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素における遮蔽抵抗部の具体例２を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素におけるクエンチ抵抗部の具体例１を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素におけるクエンチ抵抗部の具体例２を示すブロック図である。 図８Ｂに示されるクエンチ抵抗部の具体例２による画素の動作を説明するための図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素における読出回路の具体例１を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素における読出回路の動作を説明する図である。 第１の実施形態に係る光学デバイスの画素における読出回路の具体例２を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る光学デバイスの画素の概略構成例を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る光学デバイスの画素の動作を説明するための図である。 第２の実施形態に係る光学デバイスの画素における遮蔽抵抗部の具体例３を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る光学デバイスの画素の概略構成例を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの積層構造例を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の概略構成例を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの光入射面と垂直な面の断面構造例を示す垂直断面図である。 図１４におけるＡ－Ａ面の断面構造例を示す水平断面図である。 比較例による光学デバイスが有する画素を示す概略図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例１を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例２を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例３を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例４を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例５を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例６を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例７を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例８を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例９を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例１０を示すブロック図である。 本開示の実施形態に係る光学デバイスが適用可能な電子機器としての撮像装置を示す概略図である。 本開示の実施形態に係る光学デバイスが適用可能な電子機器としての測距装置の構成例を示すブロック図である。 本技術を適用した電子機器としての測距装置の光学デバイスの画素アレイ部における画素の概略構成例を示すブロック図である。 本技術を適用した電子機器としての測距装置における直接Time　of　Flight（ＴｏＦ）方式による測距を模式的に示す図である。 本技術を適用した電子機器としての測距装置において生成される、受光時刻に基づくヒストグラムの一例を示す図である。 体内情報取得システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。 カメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
　以下に、本開示の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
　本開示の実施形態の説明に先立って、本開示の実施形態の理解を容易とするため、本開示の実施形態に関連する既存技術について説明する。
　図１は、既存技術に係る光学デバイスが適用される電子機器の概略構成例を示すブロック図である。図１に示すように、電子機器１は、例えば、撮像レンズ３０と、光学デバイス１０と、記憶部４０と、プロセッサ５０とを備える。
　撮像レンズ３０は、入射光を集光し、その像を光学デバイス１０の受光面に結像する光学系の一例である。受光面とは、光学デバイス１０において、画素が行列状に配列する面であってよい。光学デバイス１０は、入射光を光電変換して画像データを生成する。また、光学デバイス１０は、生成した画像データに対し、ノイズ除去やホワイトバランス調整等の所定の信号処理を実行する。
　記憶部４０は、例えば、フラッシュメモリやＤＲＡＭ（Dynamic　Random　Access　Memory）やＳＲＡＭ（Static　Random　Access　Memory）等で構成され、光学デバイス１０から入力された画像データ等を記録する。
　プロセッサ５０は、例えば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）等を用いて構成され、オペレーティングシステムや各種アプリケーションソフトウエア等を実行するアプリケーションプロセッサや、ＧＰＵ（Graphics　Processing　Unit）やベースバンドプロセッサなどが含まれ得る。プロセッサ５０は、光学デバイス１０から入力された画像データや記憶部４０から読み出した画像データ等に対し、必要に応じた種々処理を実行したり、ユーザへの表示を実行したり、所定のネットワークを介して外部へ送信したりする。
　図２は、上述の光学デバイス１０の概略構成例を示すブロック図である。図示のとおり、光学デバイス１０は、画素アレイ部１１と、タイミング制御回路１５と、駆動回路１２と、出力回路１３とを備える。
　画素アレイ部１１は、行列状に配列される複数の画素２０を備える。複数の画素２０に対しては、列ごとに画素駆動線ＬＤ（図面中の上下方向）が接続され、行ごとに出力信号線ＬＳ（図面中の左右方向）が接続される。画素駆動線ＬＤの一端は、駆動回路１２の各列に対応した出力端に接続され、出力信号線ＬＳの一端は、出力回路１３の各行に対応した入力端に接続される。
　駆動回路１２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどを含み、画素アレイ部１１の各画素２０を、全画素同時に又は列単位等で駆動する。駆動回路１２は、読出し対象の列に対応する画素駆動線ＬＤに選択制御電圧を印加することにより、フォトンの入射を検出するために用いる画素２０を列単位で選択する。駆動回路１２によって選択走査された列の各画素２０から出力される信号（検出信号という）は、出力信号線ＬＳの各々を通して出力回路１３に入力される。出力回路１３は、各画素２０から入力された検出信号を画素信号として記憶部４０又はプロセッサ５０へ出力する。
　タイミング制御回路１５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ等を含み、タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に、駆動回路１２及び出力回路１３を制御する。
　図３Ａは、画素アレイ部１１の画素２０の概略構成の一例を示すブロック図である。図示のとおり、画素２０はフォトダイオード２１とクエンチ抵抗２２とを含む。フォトダイオード２１は、この画素２０においては、単一光子アバランシェダイオード（Single　Photon　Avalanche　Diode）である（以下、ＳＰＡＤ２１と記す）。ＳＰＡＤ２１では、一つの光子（フォトン）が入射しただけでも、アバランシェ増倍によって大電流が生成され、この電流が電気信号として出力される。ＳＰＡＤ２１の動作については後述する。
　図示の例では、ＳＰＡＤ２１のアノードが所定の電源に接続され、ＳＰＡＤ２１のカソードがクエンチ抵抗２２の一端に接続されている。クエンチ抵抗２２の他端は接地されている。これにより、後述のようにＳＰＡＤ２１間に逆バイアス電圧ＶＤＤＬを印加することができる。また、ＳＰＡＤ２１のカソード側には寄生容量としてのカソード寄生容量ＣＫが生じている。カソード寄生容量ＣＫは、ＳＰＡＤ２１の容量と、クエンチ抵抗２２とその周囲の絶縁層との間に生じる容量と、ＳＰＡＤ２１とクエンチ抵抗２２とを接続する配線により生じる容量と、読出回路２３に含まれるインバータなどの素子の容量などとの合成容量に相当する。
　図３Ｂを参照すると、画素２０における、ＳＰＡＤ２１とクエンチ抵抗２２との接続点には読出回路２３が接続される。読出回路２３は、例えばインバータ回路を含むことができ、後述するようにＳＰＡＤ２１とクエンチ抵抗２２との接続点における電位（すなわちカソード電位）の変化を読み出す。
　また、画素２０においては、読出回路２３の出力端に後段の回路２４が接続されている。後段の回路２４は、例えば、デジタルカウンタ回路を含むことができ、これによれば、画素２０はフォトンカウンタ素子として機能することができる。この場合、各画素２０で検出されたフォトン数に対応した出力信号に基づいて画像データが生成され得る。すなわち、光学デバイス１０は、撮像センサとして機能することができる。
　また、後段の回路２４は、デジタルカウンタ回路の代わりに時間－デジタル変換回路（Time-to-Digital　Converter；ＴＤＣ）回路を含むことができる。ＴＤＣ回路は、所定の基準周波数を有する所定の基準信号と、その基準信号に基づく検出信号との時間差を示すデジタル信号を生成することができる。後段の回路２４がＴＤＣ回路を含む場合、光学デバイス１０は、例えばTime　of　Flight（ToF）方式による測距素子として機能することができる。
　次に、図３Ｃ及び図３Ｄを参照しながら、ＳＰＡＤ２１の動作について説明する。図３Ｃは、ＳＰＡＤ２１に一つのフォトンが入射したときのＳＰＡＤ２１のカソード電位ＶＫの変化を模式的に示すグラフである。図３Ｄは、ＳＰＡＤ２１の電圧－電流特性を模式的に示すグラフである。図３Ｄにおいて、横軸は、ＳＰＡＤ２１のアノードとカソードの間に印加される電圧を示している。この印加電圧は、ＳＰＡＤ２１のアノード電位をＶＡｎとし、カソード電位をＶＣａとすると、ＶＡｎ－ＶＣａで表される。また、図３Ｄにおいて、縦軸は、ＳＰＡＤ２１を順方向（アノードからカソードへの方向）に流れる電流ＩＡｎを示している。
　ＳＰＡＤ２１に順バイアス電圧が印加される場合は、図３Ｄに示されるように、電流ＩＡｎは順方向に流れ、その電流値は印加電圧が増大するにつれて増大する。一方、ＳＰＡＤ２１に逆バイアス電圧が印加される場合、その電圧が低いときには、ＳＰＡＤ２１の整流作用により電流ＩＡｎは流れない。しかし、逆バイアス電圧が、降伏電圧－Ｖｂｄ以下になると、アバランシェ増倍が発生し、大電流の電流ＩＡｎが逆方向に流れる。ここで、降伏電圧（－Ｖｂｄ）と、これよりも更に電圧Ｖｅ（過剰電圧Ｖｅとも言う）だけ低い電圧（－Ｖｂｄ－Ｖｅ）との間の領域はガイガー領域と呼ばれる。ガイガー領域においてはアバランシェ増倍による利得が理論上無限大となる。ＳＰＡＤ２１の両端に例えば数１０Ｖの逆バイアス電圧を印加することにより、ＳＰＡＤ２１は、ガイガー領域での動作することが可能となる。
　ここで、ガイガー領域に対応する所定の電圧が、ＳＰＡＤ２１のアノードとクエンチ抵抗２２の接地端との間に所定の電源から印加されている場合に、ＳＰＡＤ２１にフォトン（１つのフォトンでよい）が入射すると（図３Ｃのｔ０において）、このフォトンにより電子正孔対が生成され、この電子正孔対が逆バイアス電圧による高電界によって加速され、次々と電子正孔対が発生する。すなわちアバランシェ増倍が起こる。これによって逆方向に大電流が流れる。
　この電流はクエンチ抵抗２２にも流れるため、クエンチ抵抗２２による電圧降下が生じる。このため、ＳＰＡＤ２１に印加される印加電圧が低下する。ここで、ＳＰＡＤ２１のカソードとアノードの間の印加電圧（の絶対値）が降伏電圧（絶対値｜Ｖｂｄ｜）より低くなると、アバランシェ増幅が停止する（時間ｔ１）。アバランシェ増倍が停止される現象はクエンチング（Quenching）と呼ばれる。
　この後、クエンチ抵抗２２を通してＳＰＡＤ２１に電流が供給され、ＳＰＡＤ２１が充電される。この充電はリチャージと呼ばれる。リチャージはカソード寄生容量ＣＫ（図３Ａ、図３Ｂ）により決まる時定数で一定の期間（時間ｔ１～ｔ２）をかけて行われる。リチャージが完了すると（時間ｔ２）、ＳＰＡＤ２１に印加される電圧は、ガイガー領域に対応する電圧に戻り、ＳＰＡＤ２１は、再び、この領域で動作できるようになる。以上のように、ＳＰＡＤ２１にフォトンが入射した場合には、ＳＰＡＤ２１のカソード電位ＶＫは図３Ｃに示すようにパルス状に変化する。このような変化が読出回路２３によって読み出され、その結果、フォトンが検出されることとなる。なお、リチャージの期間にはＳＰＡＤ２１はフォトンを検知することができないため、この期間はデッドタイムと呼ばれる。
　（第１の実施形態）
［第１の実施形態に係る光学デバイスの構成］
　次に、本開示の第１の実施形態に係る光学デバイスの構成例について説明する。図４Ａは、第１の実施形態に係る光学デバイスの概略構成例を示すブロック図である。図示のとおり、光学デバイス１００は、画素アレイ部ＰＡＲと、カラム回路３１０と、行走査回路３２０と、インタフェース回路３３０とを備える。
　画素アレイ部ＰＡＲは、行列状に配列される複数の画素（受光素子）２００を有する。複数の画素２００に対しては、列ごとにビット線ＢＬ０、ＢＬ１、・・・、ＢＬＳ（以下、特に区別する必要が無い場合、ビット線ＢＬと記す）が接続され、行ごとにワード線ＷＬ０、ＷＬ１、・・・、ＷＬＮ（以下、特に区別する必要が無い場合、ワード線ＷＬと記す）が接続される。ビット線ＢＬの一端は、カラム回路３１０の各列に対応した出力端に接続され、ワード線ＷＬの一端は、行走査回路３２０の各行に対応した入力端に接続される。なお、説明の便宜上、図中縦方向を列方向といい、横方向を行方向という。
　行走査回路３２０は、画素アレイ部ＰＡＲの各画素２００を全画素同時に又は列単位等で駆動する。行走査回路３２０は、読出し対象の列に対応するワード線ＷＬに選択制御電圧を印加することにより、フォトンの入射を検出するために用いる画素２００を列単位で選択する。行走査回路３２０によって選択走査された列の各画素２００から出力される信号（検出信号という）は、ビット線ＢＬの各々を通してカラム回路３１０に入力される。カラム回路３１０は、検出信号をデジタル変換することによりデジタル信号を生成する。生成されたデジタル信号はインタフェース回路３３０を通して外部に出力される。なお、カラム回路３１０及び行走査回路３２０は、タイミング制御回路（不図示）からのタイミング信号により制御される。
［第１の実施形態に係る光学デバイスの画素の構成］
　図４Ｂは、本実施形態に係る光学デバイス１００の画素アレイ部ＰＡＲにおける画素２００の概略構成例を示すブロック図である。図示のとおり、画素２００はフォトダイオード２１０と、遮蔽抵抗部２１１と、クエンチ抵抗部２１２とを有する。フォトダイオード２１０は、本実施形態においてはＳＰＡＤであり、以下、ＳＰＡＤ２１０と記す。ＳＰＡＤ２１０は、１フォトンの入射に応じて光電変換により発生した電荷をなだれ増倍（アバランシェ増幅ともいう）によって増倍して大電流を生成し、その電流を電気信号として出力する。ただし、ＳＰＡＤに限られることなく、フォトダイオード２１０は、シリコン光電子増倍管であっても良い。
　遮蔽抵抗部２１１の一端はＳＰＡＤ２１０のカソードと接続され、遮蔽抵抗部２１１の他端はクエンチ抵抗部２１２の一端に接続されている。すなわち、画素２００においては、ＳＰＡＤ２１０、遮蔽抵抗部２１１、及びクエンチ抵抗部２１２が直列に接続された直列回路が形成されている。
　遮蔽抵抗部２１１及びクエンチ抵抗部２１２は、例えば、高抵抗ポリシリコンにより形成され得る。また、遮蔽抵抗部２１１及びクエンチ抵抗部２１２は、メタル抵抗として形成されても良い。メタル抵抗用の材料としては、ＴａＳｉＯ２，ＮｂＳｉＯ２等いわゆるサーメット系材料などが例示される。ここで、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値をＲｓｈとし、ＳＰＡＤ２１０のカソードとアノードとの間の抵抗値をＲＯＮとすると、ＲＯＮ＜Ｒｓｈの関係が満たされている。すなわち、遮蔽抵抗部２１１は、ＳＰＡＤ２１０のカソードとアノード間の抵抗値よりも大きい抵抗値を有するように形成される。このような関係によって生じる効果については後述する。
　また、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値をＲｑとすると、Ｒｓｈ＜Ｒｑの関係が満たされている。すなわち、遮蔽抵抗部２１１及びクエンチ抵抗部２１２は、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑが、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈよりも大きくなるように形成される。このような関係によって生じる効果については後述する。
　また、図４Ｂに示されるように、ＳＰＡＤ２１０のカソード側には寄生容量Ｃ１が生じている。この寄生容量Ｃ１は、ＳＰＡＤ２１０の容量や、ＳＰＡＤ２１０と遮蔽抵抗部２１１とを接続する配線により生じる容量などの合成容量に相当する。さらに、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との間においては、寄生容量Ｃ２が生じている。寄生容量Ｃ２は、遮蔽抵抗部２１１とその周囲の絶縁層との間に生じる容量や、クエンチ抵抗部２１２とその周囲の絶縁層との間に生じる容量、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２とを接続する配線により生じる容量、読出回路２３０に含まれるインバータなどの素子の容量などの合成容量に相当する。なお、寄生容量Ｃ１の周囲に比べ、寄生容量Ｃ２の周囲には、遮蔽抵抗部２１１、クエンチ抵抗部２１２、及び読出回路２３０（後述）などの多くの回路素子が存在しているため、寄生容量Ｃ２の容量（値）は、寄生容量Ｃ１の容量（値）よりも大きくなる傾向がある。
　遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との接続点には、読出回路２３０の一端が接続されている。読出回路２３０は、例えばインバータ回路を含むことができる。読出回路２３０は、後述するように遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との接続点における電位の変化を読み出す。
　また、画素２００においては、読出回路２３０の出力端にデジタルカウンタ回路２４０が接続されている。デジタルカウンタ回路２４０は、読出回路２３０により読み出された、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗２２との接続点における電位の変化の回数、すなわち、ＳＰＡＤ２１０に入射したフォトンの数をカウントし、カウント数に応じた出力信号を出力する。この出力信号は、当該画素２００に対して行走査回路３２０（図４Ａ）からワード線ＷＬを通して選択信号が入力されると、デジタルカウンタ回路２４０からビット線ＢＬを通してカラム回路３１０へ出力される。出力信号を輝度に変換することで、光学デバイス１００を撮像素子として機能させることができる。
　なお、読出回路２３０の後段に、デジタルカウンタ回路の代わりにＴＤＣ回路が接続されてもよい。これによれば、読出回路２３０からの出力に基づき、発光タイミングと受光タイミングの差に基づき、直接ＴｏＦ方式による測距を行うことが可能となる。
　また、光学デバイス１００は、所定の光源部の発光に応じて受光部が位相毎の受光を行い、位相毎の受光により受光部が出力した位相毎の受光信号に基づき距離情報の算出を行う間接ＴｏＦ方式による測距を行う測距部としても機能し得る。
　図４Ｂに示されるように、ＳＰＡＤ２１０、遮蔽抵抗部２１１、及びクエンチ抵抗部２１２による直列回路は、所定の電源に接続され、ＳＰＡＤ２１０のアノードが電位ＶＤＤＬに維持され、クエンチ抵抗部２１２の他端（遮蔽抵抗部２１１と接続される一端と反対側の端部）が電位ＶＤＤＨに維持される。すなわち、ＳＰＡＤ２１０、遮蔽抵抗部２１１、及びクエンチ抵抗部２１２による直列回路には、電位ＶＤＤＨ－電位ＶＤＤＬに相当する電圧が印加される。ここで、電位ＶＤＤＨが電位ＶＤＤＬよりも高いため、ＳＰＡＤ２１０には逆バイアス電圧が印加される。画素２００の動作時には、この印加電圧は、先に説明したガイガー領域に対応する所定の電圧に設定される。
［第１の実施形態に係る光学デバイスの画素の動作］
　次に、図５Ａから５Ｅまでを参照しながら、画素２００の動作について説明する。図５Ｂから図５Ｅまでには、図４Ｂと同様に画素２００が模式的に示されるが、デジタルカウンタ回路２４０（又はＴＤＣ回路）や、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬなどは省略されている。
　始めに、所定の電源により、ＳＰＡＤ２１０、遮蔽抵抗部２１１、及びクエンチ抵抗部２１２による直列回路に対して所定の電圧が印加される。すなわち、ＳＰＡＤ２１０には、ガイガー領域に対応する（逆バイアス）電圧が印加される。この状態でＳＰＡＤ２１０にフォトンが入射すると（図５Ａの時間ｔ０）、アバランシェ増倍が発生し、ＳＰＡＤ２１０にはカソードからアノードに向けて大電流が流れる。ここで、図５Ｂにおいて、寄生容量Ｃ２から流出する電流Ｉ２を細い矢印で模式的に表し、寄生容量Ｃ１から流出する電流Ｉ１を太い線で模式的に表しているように、ＳＰＡＤ２１０のカソードからアノードに向けて流れる大電流は、主に寄生容量Ｃ１から供給される。これは、寄生容量Ｃ２とＳＰＡＤ２１０との間に、ＳＰＡＤ２１０のカソードとアノードとの間の抵抗値ＲＯＮよりも大きい抵抗値Ｒｓｈを有する遮蔽抵抗部２１１が設けられているためである。言い換えれば、寄生容量Ｃ１に蓄積される電荷はＳＰＡＤ２１０へ移動し易いのに対し、寄生容量Ｃ２に蓄積される電荷は遮蔽抵抗部２１１により妨げられ、ＳＰＡＤ２１０へ移動し難いため、アバランシェ増倍時には主として寄生容量Ｃ１からＳＰＡＤ２１０に電流が供給される。
　アバランシェ増倍時には、図５Ａの期間ｔ０～ｔ１に示されるように、アバランシェ増倍により発生した大電流によってＳＰＡＤ２１０のカソード電位ＶＫ１が低下していく。カソード電位ＶＫ１の低下に伴い、ＳＰＡＤ２１０間に印加される電圧が降伏電圧より低くとなると、クエンチングが生じる（図４Ｃの時間ｔ１）。また、このときには寄生容量Ｃ１に蓄積されていた電荷が吐き出されており、図５Ｃに示すように、寄生容量Ｃ１からＳＰＡＤ２１０への電流Ｉ１の供給も停止される。
　なお、図５Ａに示されるように、アバランシェ増倍期間（ｔ０～ｔ１）において、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との間における電位ＶＫ２は、電位ＶＫ１ほどには降下しない。これは、上述のとおり、寄生容量Ｃ２から電流が流れ難いためである。
　クエンチングが生じるとともに、寄生容量Ｃ１と寄生容量Ｃ２との間で電荷の再分配が開始される（図５Ａの時間ｔ１）。すなわち、図５Ｄに示されるように、寄生容量Ｃ２に残る電荷が遮蔽抵抗部２１１を通して寄生容量Ｃ１へと移動していく。ここで、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑは遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈよりも大きいため、クエンチ抵抗部２１２を流れる電流Ｉ３は、電荷の再分配にわずかに寄与するに過ぎない。このため、電荷の再分配は、主として寄生容量Ｃ２と寄生容量Ｃ１の間で行われる。寄生容量Ｃ１間の電圧と寄生容量Ｃ２間の電圧とが等しくなると（電位ＶＫ１と電位ＶＫ２とが等しくなると）、再分配が終了する（時間ｔ２）。
　再分配が終了すると、リチャージが開始される。すなわち、寄生容量Ｃ２からの電流Ｉ２が流れなくなるため、図５Ｅに示されるように、クエンチ抵抗部２１２を流れる電流Ｉ３により、ＳＰＡＤ２１０のリチャージが進む。ここで、寄生容量Ｃ２と寄生容量Ｃ１との間の電荷の再分配においては電荷損失が無いため、リチャージに要する電荷量は、アバランシェ増倍で消費されたＣ１ΔＶＫ１に等しい。すなわち、電流Ｉ３により、Ｃ１ΔＶＫ１に等しい電荷量がＳＰＡＤ２１０へ供給される。リチャージが終了すると（時間ｔ３）、ＳＰＡＤ２１０は、フォトンを再び検出することができるようになる。
［第１の実施形態に係る光学デバイスの画素の動作による効果］
　続けて、第１の実施形態に係る光学デバイスの画素２００の動作によって生じる効果について、従来例と対比しながら説明する。図６Ａは、従来例による画素の構成例を示す図であり、この構成例は非特許文献１に開示されている構成とほぼ同一である。図示のとおり、従来例の画素では、アバランシェフォトダイオードＰＤ１と、抵抗器ＲＬと、抵抗器ＲＳとが直列に接続されている。また、抵抗器ＲＬと抵抗器ＲＳとの接続点には、インバータＩＶＴが接続されている。この構成において、抵抗器ＲＳの一端（抵抗器ＲＳと抵抗器ＲＬとの接続点と反対側の端部）が接地され、アバランシェフォトダイオードＰＤ１に逆バイアス電圧（例えば数１０Ｖ）が印加される。アバランシェフォトダイオードＰＤ１にフォトンが入射し、アバランシェ増倍が生じると、図６Ａ中に曲線ＣＬ１で示されるように、アバランシェフォトダイオードＰＤ１において電圧降下が生じる。一方、この電圧降下に伴い、抵抗器ＲＬと抵抗器ＲＳとの接続点における電圧、すなわちインバータＩＶＴの入力端に印加される電圧ＶＩＶＴもまた低下する（図６Ａ中の曲線ＣＬ２）。
　ここで、アバランシェ増倍によるアバランシェフォトダイオードＰＤ１における電圧降下をＶｄとし、抵抗器ＲＬの抵抗値をＲＱ１とし、抵抗器ＲＳの抵抗値をＲＱ２とすると、電圧ＶＩＶＴは以下の式で表される。
　　　ＶＩＶＴ＝Ｖｄ×｛１／（１＋ＲＱ１／ＲＱ２）｝
　すなわち、抵抗値ＲＱ１と抵抗値ＲＱ２との比ＲＱ１／ＲＱ２により、インバータＩＶＴの入力端に印加される電圧ＶＩＶＴは、アバランシェフォトダイオードＰＤ１における電圧降下Ｖｄよりも低減される。特に、この比ＲＱ１／ＲＱ２が大きいほど、電圧ＶＩＶＴは低くなる。一般に、アバランシェフォトダイオードＰＤ１に印加される電圧は数１０Ｖにも達するため、アバランシェ増幅時の電圧降下Ｖｄも例えばインバータＩＶＴの耐圧を超えることになりかねない。しかし、抵抗器ＲＬの抵抗値ＲＱ１と抵抗器ＲＳの抵抗値ＲＱ２との比を適宜調整することにより、電圧ＶＩＶＴをインバータＩＶＴの耐圧よりも低くすることが可能となり、インバータＩＶＴを保護することが可能となる。
　しかし、現実の回路においては、図６Ｂに示されるように、アバランシェフォトダイオードＰＤ１のカソード端にカソード寄生容量Ｃ０１が生じ、インバータＩＶＴの入力端に入力寄生容量Ｃ０２が生じる。ここで、比ＲＱ１／ＲＱ２を大きくするために、抵抗器ＲＬの抵抗値ＲＱ１を大きくすると、抵抗値ＲＱ１、カソード寄生容量Ｃ０１、及び入力寄生容量Ｃ０２により決まる時定数が大きくなる。その結果、リチャージする時間が長くなり、デッドタイムが長くなってしまう。
　一方、本開示の第１の実施形態においては、図５Ｂから図５Ｄまでに示される、アバランシェ増倍、クエンチング、再分配、及びリチャージという一連の動作中に、ＳＰＡＤ２１０のカソード電位ＶＫ１はΔＶＫ１だけ低下し、遮蔽抵抗部２１１の他端（ＳＰＡＤ２１０と接続される一端と反対側の端部）における電位ＶＫ２はΔＶＫ２だけ低下する。ここで、寄生容量Ｃ１の容量（値）をＣＣ１とし、寄生容量Ｃ２の容量（値）をＣＣ２とすると、ΔＶＫ２は、以下の式で表される。
　　　ΔＶＫ２＝ΔＶＫ１×｛１／（１＋ＣＣ２／ＣＣ１）｝
　すなわち、一連の動作中に遮蔽抵抗部２１１の他端において生じる電圧ΔＶＫ２は、ＳＰＡＤ２１０間で生じる電圧ΔＶＫ１に比べて、容量比ＣＣ２／ＣＣ１の分だけ低くなる。遮蔽抵抗部２１１の他端における電圧ΔＶＫ２は、読出回路２３０の入力電圧であり、ＳＰＡＤ２１０間に生じる電圧ΔＶＫ１よりも低くなる。これにより、読出回路２３０を保護することが可能となる。すなわち、読出回路２３０は、寄生容量Ｃ２の容量（値）ＣＣ２と寄生容量Ｃ１の容量（値）ＣＣ１との比ＣＣ２／ＣＣ１により、保護されると言うことができる。
　また、図５Ｂを参照しながら説明したように、遮蔽抵抗部２１１が、ＳＰＡＤ２１０のカソードとアノードとの間の抵抗値ＲＯＮよりも大きい抵抗値Ｒｓｈを有するため、ＳＰＡＤ２１０のアバランシェ増倍時には、寄生容量Ｃ２からは電流Ｉ２がわずかに流れるに過ぎず、主として寄生容量Ｃ１から電流Ｉ１が流れる。また、
　　　寄生容量Ｃ１の容量（値）ＣＣ１＜寄生容量Ｃ２の容量（値）ＣＣ２
　　　抵抗値ＲＯＮ＜抵抗値Ｒｓｈ
　という関係により、容量（値）ＣＣ１と抵抗値ＲＯＮで決まる時定数が、容量（値）ＣＣ２と抵抗値Ｒｓｈで決まる時定数よりも小さくなる。時定数の小さい回路を通して寄生容量Ｃ１からＳＰＡＤ２１０へ電流Ｉ１が供給されるため、アバランシェ増倍が発生する期間が短縮化され得る。したがって、ＳＰＡＤ２１０にフォトンが入射してから、再びフォトンの検出が可能となるまでの時間（広義のデッドタイム）の短縮化が可能となる。
　また、アバランシェ増幅時には、主として寄生容量Ｃ１から電流Ｉ１が流れ、寄生容量Ｃ２からは電流Ｉ２がわずかに流れるに過ぎないため、流れる電流が低減され得る。したがって、寄生容量Ｃ２からも電流Ｉ２が流れる場合に比べて、消費電力を低減することが可能となる。
　さらに、クエンチングが生じるとともに、寄生容量Ｃ２から寄生容量Ｃ１への電荷の再分配が起こり、再分配が終了して初めてクエンチ抵抗部２１２を流れる電流Ｉ３がリチャージに寄与することとなる。したがって、電流Ｉ３によるリチャージに要する時間が短くなり、デッドタイムを短縮化することが可能となる。さらに、寄生容量Ｃ２から寄生容量Ｃ１へ電荷が再分配されるため、リチャージに必要な電流Ｉ３は低減され得る。すなわち、消費電力が低減され得る。
　以上説明したように、本実施形態による光学デバイスの画素２００では、寄生容量Ｃ２の容量（値）ＣＣ２と寄生容量Ｃ１の容量（値）ＣＣ１との比ＣＣ２／ＣＣ１により読出回路２３０への入力電圧を読出回路２３０の耐圧よりも低減することができる。また、ＳＰＡＤ２１０のカソードと読出回路２３０の入力端との間に、ＳＰＡＤ２１０のカソードとアノードとの間の抵抗値ＲＯＮよりも大きい抵抗値Ｒｓｈを有する遮蔽抵抗部２１１が設けられているため、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減といった効果が発揮される。また、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑが遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈよりも大きいため、寄生容量Ｃ２から寄生容量Ｃ１への電荷の再分配が終了してから、電流Ｉ３によるリチャージが開始されることとなる。すなわち、リチャージに要する電力も低減でき、消費電力を更に低減することが可能となる。
　［遮蔽抵抗部の具体例］
　次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照しながら、遮蔽抵抗部２１１の具体例について説明する。これらの図においては、図４Ｂに示されるデジタルカウンタ回路２４０（又はＴＤＣ回路）や、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬなどは省略されている。
　図７Ａは、第１の実施形態に係る光学デバイス１００の画素２００における遮蔽抵抗部２１１の具体例１を示すブロック図である。図示のとおり、遮蔽抵抗部２１１は抵抗素子２１１Ａにより実現され得る。抵抗素子２１１Ａは、例えば高抵抗ポリシリコンやメタル抵抗などにより形成されてよい。高抵抗ポリシリコン又はメタル抵抗は、配線形成時に、既知の半導体製造プロセスにおける薄膜形成プロセス、フォトリソグラフィー技術、エッチングプロセスなどにより形成される。
　また、図７Ｂに示されるように、具体例２においては、遮蔽抵抗部２１１が、例えばＰチャネル型の金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタ２１１Ｂにより構成されてもよい。この場合、ＭＯＳトランジスタ２１１Ｂのゲートに対してバイアス電圧を印加するバイアス電圧生成部２５０が設けられる。例えば行走査回路３２０（図４Ａ）からの指示信号により、バイアス電圧生成部２５０からＭＯＳトランジスタ２１１Ｂのゲートに印加される電圧が調整されることにより、ＭＯＳトランジスタ２１１Ｂのソース・ドレイン間の抵抗値、すなわち遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈが調整され得る。この調整により、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間のＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係を適切に実現することができる。よって、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減が確実に実現され得る。
　なお、図７Ｂには、一つのＭＯＳトランジスタ２１１Ｂが図示されているが、複数のＭＯＳトランジスタ２１１Ｂを直列に配置し、それぞれにデート電圧を印加することにより、遮蔽抵抗部２１１の全体の抵抗値Ｒｓｈを調整するようにしても良い。また、図７Ａ及び図７Ｂにおいては、第１の実施形態における画素２００を示しているが、この具体例１は、第３の実施形態における画素２００Ｂにも適用可能である。
　また、ＳＰＡＤ２１０のアバランシェ増倍時には、ＭＯＳトランジスタ２１１Ｂのソース・ドレイン間の抵抗値を大きくすることにより、寄生容量Ｃ２から電流Ｉ２が流れるのを抑制して、消費電力を低減する一方、クエンチング発生とともにＭＯＳトランジスタ２１１Ｂのソース・ドレイン間の抵抗値を低下させることにより、電荷の再分配を促進し、デッドタイムを短縮することも可能となる。
　［クエンチ抵抗部の具体例］
　次に、クエンチ抵抗部２１２の具体例について説明する。図８Ａは、第１の実施形態に係る光学デバイスの画素２００におけるクエンチ抵抗部の具体例１を示すブロック図である。
　図８Ａに示されるように、クエンチ抵抗部２１２は、定電流源２１２Ａを有することができる。定電流源２１２Ａは大きな内部抵抗を有するため、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間のＲｓｈ＜Ｒｑという関係が満たされ易い。よって、アバランシェ増幅時や、寄生容量Ｃ２と寄生容量Ｃ１の間の電荷の再分配時において、クエンチ抵抗部２１２からの電流（図５Ｂ等における電流Ｉ３に相当）の寄与を低減することが可能となり、電力消費を低減することも可能となる。また、定電流源２１２Ａにより、リチャージ時の電流（電流Ｉ３に相当）を所定の値に維持することもできる。このため、リチャージ電流を適宜調整することにより、リチャージを効率的に実行することが可能となる。
　次いで、クエンチ抵抗部２１２の具体例２について説明する。具体例２における画素２００Ｃにおいては、図８Ｂに示されるように、第１の実施形態の画素２００におけるクエンチ抵抗部２１２の代わりにアクティブリチャージ回路２１２Ｂが設けられている。ただし、アクティブリチャージ回路２１２Ｂは、画素２００Ａや２００Ｂにも適用可能である。
　アクティブリチャージ回路２１２Ｂは、スイッチ２１２Ｓと、このスイッチ２１２ＳをＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部２１２Ｃとを有している。スイッチ２１２Ｓは、制御部２１２Ｃの制御のもと、所定の電源（ＶＤＤＨ）と遮蔽抵抗部２１１とを電気的に接続し切断する。制御部２１２Ｃは、一端で読出回路２３０の出力端に接続されている。これにより、制御部２１２Ｃは、読出回路２３０の出力電圧を検知する。具体的には、制御部２１２Ｃは、読出回路２３０からのパルス状の出力電圧の立下りを検知すると、所定の遅延時間の後、スイッチ２１２Ｓに対して、スイッチ２１２ＳをＯＮにするＯＮ信号を出力する。また、制御部２１２Ｃは、ＯＮ信号出力後、所定の期間が経過した時に、スイッチ２１２Ｓに対して、スイッチ２１２ＳをＯＦＦにするＯＦＦ信号を出力する。
　上記の構成されるアクティブリチャージ回路２１２Ｂは以下のように動作する。図８Ｃに示されるように、時間ｔ０にて、フォトンの入射によりアバランシェ増幅が生じると、カソード電位ＶＫ１が低下していく。クエンチングが発生し、寄生容量Ｃ２から寄生容量Ｃ１への電荷の再分配が開始されると、カソード電位ＶＫ１は再び上昇していく。すなわち、カソード電位ＶＫ１は負のパルス状に変化する。これに対して、遮蔽抵抗部２１１とアクティブリチャージ回路２１２Ｂとの接続点における電位ＶＫ２は、アバランシェ増幅時（期間ｔ０～ｔ１）及び再分配時（期間ｔ１～ｔ２）を通して低下する。このような電位変化が読出回路２３０により検出される。ここで、電位ＶＫ２が所定の第１の閾値電位より低下したときに、読出回路２３０は出力電圧を出力し、所定の第２の閾値電位Ｖｔｈより電位ＶＫ２が低下したときに、読出回路２３０は出力電圧の出力を停止する。すなわち、読出回路２３０は、電位ＶＫ２が第１の閾値電位から第２の閾値電位Ｖｔｈまで変化する期間に、パルス状の出力電圧を出力する。制御部２１２Ｃは、読出回路２３０の出力電圧の立下りを検知すると（時間ｔＤ）、所定の遅延時間（期間ｔＤ～ｔ３）の経過後、スイッチ２１２Ｓに対してＯＮ信号を出力する。これにより、スイッチ２１２ＳがＯＮとなり（時間ｔ３）、所定の電源から遮蔽抵抗部２１１を通してＳＰＡＤ２１０へと電流が供給される。
　アクティブリチャージ回路２１２Ｂにおいては、上述のとおり、電位ＶＫ２が第２の閾値電位Ｖｔｈより低下するまでは（読出回路２３０からのパルス状の出力信号が立ち下がるまでは）、スイッチ２１２ＳはＯＦＦになっている。このため、フォトンが入射してから、読出回路２３０からのパルス状の出力信号が立ち下がるまでの期間において、電源から遮蔽抵抗部２１１への電流（図５Ｂ等における電流Ｉ３に相当）の供給が停止される。したがって、アバランシェ増幅時には寄生容量Ｃ１から電流が流れ、電荷の再分配時には寄生容量Ｃ２から寄生容量Ｃ１へ電流が流れる。スイッチ２１２ＳがＯＦＦのため、遮蔽抵抗部２１１を通して電流が流れることがないため、消費電力を確実に低減できる。
　また、読出回路２３０からのパルス状の出力信号の立下りが検知され、所定の遅延時間が経過すると、スイッチ２１２ＳがＯＮとなる（時間ｔ３）。これにより、電源から遮蔽抵抗部２１１へ電流が供給され、リチャージが促進される。したがって、デッドタイムを短縮化することが可能となる。ここで、スイッチ２１２ＳがＯＮとなるタイミングを寄生容量Ｃ２から寄生容量Ｃ１への電荷の再分配が終了する時点に合わせれば、デッドタイムの短縮化をより適切に実現することができる。なお、電源の代わりに定電流源を設けても良い。これによれば、スイッチ２１２ＳがＯＮになった後に流れる電流の電流値を適宜調整することができ、よってリチャージを短時間で終了させることも可能となる。
　なお、時間ｔ３において、スイッチ２１２ＳがＯＮとなり、電源から遮蔽抵抗部２１１へ電流が供給されると、電位ＶＫ２がフォトン入射前の電位に急速に戻る一方で、図８Ｃに示されるように、ＳＰＡＤ２１０のカソード電位ＶＫ１は、電位ＶＫ２に遅れて、フォトン入射前の電位に戻る。これは、電位ＶＫ１に関しては、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値の分だけ時定数が大きくなるためである。
　［読出回路の具体例］
　次に、読出回路２３０の具体例について説明する。図９Ａは、第１の実施形態に係る光学デバイスの画素２００における読出回路の具体例１を示すブロック図である。
　図９Ａに示されるように、読出回路２３０はインバータ２３０Ａを有することができる。インバータ２３０Ａの入力端は、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との接続点と接続されている。また、インバータ２３０Ａには、所定の配線により電力が供給される。
　図９Ｂに示されるように、インバータ２３０Ａは、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との接続点における電位ＶＫ２が所定の閾値Ｖｔｈよりも低くなると、出力電圧ＶｏｕｔがＨＩＧＨとなり、電位ＶＫ２が所定の閾値Ｖｔｈを超えると、出力電圧ＶｏｕｔがＬＯＷとなるように動作する。これにより、電位ＶＫ２がＶ字状に変化した場合であっても、その変化を方形波状のパルス波として出力することができる。読出回路２３０としてインバータ２３０Ａを採用することにより、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との接続点における電位ＶＫ２の変化を読み出すことが可能となる。
　また、読出回路の具体例２においては、図９Ｃに示されるように、読出回路２３０は、Ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタ２３０Ｂと、電流源２３０Ｃとを有する。これによれば、電位ＶＫ２の大きさが所定の電圧以下の期間にはＭＯＳトランジスタ２３０ＢがＯＮとなり、その期間に対応するパルス状の所定の出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。このため、図９Ａのインバータ２３０Ａと同様、電位ＶＫ２の変化を読み出すことが可能となる。
　（第２の実施形態）
　次に、図１０Ａ及び７Ｂを参照しながら、本開示の第２の実施形態に係る光学デバイスについて説明する。図１０Ａは、第２の実施形態に係る光学デバイスの画素２００Ａの概略構成例を示すブロック図である。図１０Ａには、デジタルカウンタ回路２４０（又はＴＤＣ回路）や、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬなどが省略されているが、図示以外の構成については、画素２００Ａは、第１の実施形態による光学デバイス１０の画素２００と同様である。また、本実施形態による光学デバイスは、第１の実施形態による光学デバイス１００と同じ構成を有することができ、光学デバイス１００と同様に電子機器１（図１）において光学デバイス１０と置換され得る。
　図１０Ａを参照すると、ＳＰＡＤ２１０Ａのアノードに対して遮蔽抵抗部２１１の一端が接続され、遮蔽抵抗部２１１の他端に対してクエンチ抵抗部２１２の一端が接続されている。すなわち、本実施形態における画素２００Ａでは、第１の実施形態における画素２００ではＳＰＡＤ２１０のカソード側に遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２が直列に接続されていたのとは異なり、ＳＰＡＤ２１０Ａのアノード側に遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２が直列に接続されている。一方で、ＳＰＡＤ２１０Ａの抵抗値ＲＯＮと遮蔽抵抗部２１１の抵抗値ＲｓｈとがＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係を満たし、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとクエンチ抵抗部２１２の抵抗値ＲｑとがＲｓｈ＜Ｒｑという関係を満たしている点については、画素２００Ａは画素２００と同様である。
　図示のとおり、ＳＰＡＤ２１０Ａのアノードと遮蔽抵抗部２１１との間に寄生容量Ｃ１が生じている。この寄生容量Ｃ１は、ＳＰＡＤ２１０Ａの容量や、ＳＰＡＤ２１０Ａと遮蔽抵抗部２１１とを接続する配線により生じる容量などの合成容量に相当する。さらに、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との間において寄生容量Ｃ２が生じている。寄生容量Ｃ２は、遮蔽抵抗部２１１により生じる容量や、クエンチ抵抗部２１２により生じる容量、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２とを接続する配線により生じる容量、読出回路２３０に含まれるインバータなどの素子の容量などの合成容量に相当する。また、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との接続点には読出回路２３０の入力端が接続されている。
　ＳＰＡＤ２１０Ａのカソードが所定の電源の高電位端子と接続され、クエンチ抵抗部２１２の他端（クエンチ抵抗部２１２と遮蔽抵抗部２１１との接続点と反対側の端部）が所定の電源の低電位端子と接続される。動作時においては、所定の電源により、ＳＰＡＤ２１０Ａ間にガイガー領域に対応する所定の逆バイアス電圧（電位ＶＤＤＨ－電位ＶＤＤＬ）が印加される。
　次に、本実施形態におけるＳＰＡＤ２１０Ａの動作について説明する。図１０Ｂは、画素２００ＡのＳＰＡＤ２１０Ａに一つのフォトンが入射したときのＳＰＡＤ２１０Ａのアノード電位ＶＡ１と、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との接続点（読出回路２３０の入力端）の電位ＶＡ２との変化を模式的に示すグラフである。
　所定の電源から、ＳＰＡＤ２１０Ａに対してガイガー領域に対応する所定の電圧が印加されている場合に、ＳＰＡＤ２１０Ａに一つのフォトンが入射すると（時間ｔ０）、ＳＰＡＤ２１０Ａにおいてアバランシェ増倍が発生し、カソードからアノードへ向けて大電流が流れる。これにより、図１０Ｂに示すように期間ｔ０～ｔ１においては、ＳＰＡＤ２１０Ａのアノード電位ＶＡ１が（電位ＶＤＤＬに対して）上昇する。
　このとき、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈが、ＳＰＡＤ２１０Ａの抵抗値ＲＯＮよりも大きいため、ＳＰＡＤ２１０Ａには、主として寄生容量Ｃ１から電流Ｉ１が流れる。寄生容量Ｃ２からは電流Ｉ２がわずかに流れるに過ぎないため、アバランシェ増幅時にＳＰＡＤ２１０Ａへ流れる電流が低減され得る。このため、消費電力が低減され得る。
　また、寄生容量Ｃ１の容量（値）ＣＣ１が、寄生容量Ｃ２の容量（値）ＣＣ２よりも小さく、ＳＰＡＤ２１０のカソードとアノードとの間の抵抗値をＲＯＮが、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈよりも小さいため、容量（値）ＣＣ１と抵抗値ＲＯＮで決まる時定数は、容量（値）ＣＣ２と抵抗値Ｒｓｈで決まる時定数よりも小さい。寄生容量Ｃ１からの電流Ｉ１が時定数の小さい回路を通してＳＰＡＤ２１０へ供給されるため、アバランシェ増倍が発生する期間が短縮化され得る。したがって、ＳＰＡＤ２１０にフォトンが入射してから、再びフォトンの検出が可能となるまでの時間（広義のデッドタイム）の短縮化が可能となる。
　また、アバランシェ増幅時のＳＰＡＤ２１０Ａのアノード電位ＶＡ１の上昇に伴い、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２との接続点の電位ＶＡ２もまた上昇する。ここで、電位ＶＡ１の上昇をΔＶＡ１とすると、電位ＶＡ２の上昇をΔＶＡ２とし、寄生容量Ｃ１の容量（値）をＣＣ１とし、寄生容量Ｃ２の容量（値）をＣＣ２とすると、
　　　ΔＶＡ２＝ΔＶＡ１×｛１／（１＋ＣＣ２／ＣＣ１）｝
　と表される。
　すなわち、読出回路２３０の入力端に印加される電圧（ΔＶＡ２）はΔＶＡ１よりも低くなる。このため、入力電圧（ΔＶＡ２）を読出回路２３０の耐圧よりも低く維持することができ、読出回路２３０を保護することが可能となる。
　アノード電位ＶＡ１の上昇に伴って、ＳＰＡＤ２１０Ａに印加される電圧（の絶対値）が降伏電圧（の絶対値）よりも小さくなると、クエンチングが生じる（時間ｔ１）。クエンチングが生じるとともに、寄生容量Ｃ２と寄生容量Ｃ１との間で電荷の再分配が開始される（時間ｔ１）。すなわち、寄生容量Ｃ２に残る電荷が遮蔽抵抗部２１１を通して寄生容量Ｃ１へと移動していく。ここで、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑが遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈよりも大きいため、クエンチ抵抗部２１２を流れる電流Ｉ３は、電荷の再分配にはわずかに寄与するに過ぎない。このため、電荷の再分配は、主として寄生容量Ｃ１と寄生容量Ｃ２との間で生じる。寄生容量Ｃ１間の電圧と寄生容量Ｃ２間の電圧とが等しくなると、再分配が終了する（時間ｔ２）。
　再分配が終了すると、リチャージが開始される。すなわち、電荷の再分配が終了すると、寄生容量Ｃ２からは電流が流れなくなるため、クエンチ抵抗部２１２を流れる電流Ｉ３によりＳＰＡＤ２１０がリチャージされる。リチャージが終了すると（時間ｔ３）、ＳＰＡＤ２１０は、フォトンを再び検出することができるようになる。
　以上説明したように、第２の実施形態に係る光学デバイスの画素２００Ａによれば、遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２がＳＰＡＤ２１０Ａのアノード側に配置されている場合であっても、ＳＰＡＤ２１０のカソードとアノードとの間の抵抗値ＲＯＮと遮蔽抵抗部２１１の抵抗値ＲｓｈとがＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係を満たし、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとクエンチ抵抗部２１２の抵抗値ＲｑとがＲｓｈ＜Ｒｑという関係を満たし、さらに寄生容量Ｃ１の容量（値）ＣＣ１と寄生容量Ｃ２の容量（値）ＣＣ２とがＣＣ１＜ＣＣ２という関係を満たすため、第１の実施形態に係る光学デバイスの画素２００と同様の効果が発揮される。
　また、図１０Ｃに示されるように、第２の実施形態に係る光学デバイスの画素２００Ａにおいては、遮蔽抵抗部２１１は例えばＮチャネル型のＭＯＳトランジスタ２１１Ｃにより構成され得る。この場合、ＭＯＳトランジスタ２１１Ｃのゲートに対してバイアス電圧を印加するバイアス電圧生成部２５０が設けられる。画素２００Ａにおいて遮蔽抵抗部２１１としてＭＯＳトランジスタ２１１Ｃを用いる場合であっても、第１の実施形態に係る光学デバイスの画素２００においてＰチャネル型のＭＯＳトランジスタ２１１Ｂ（図７Ｂ）を用いた場合と同様の効果が発揮される。さらに、この場合でも、複数のＭＯＳトランジスタ２１１Ｃを用いて良い。
　なお、図８Ａから図８Ｃまでを参照しながら説明したクエンチ抵抗部の具体例、図９Ａから図９Ｃまでを参照しながら説明した読出回路の具体例もまた、第２の実施形態に適宜適用可能である。
　（第３の実施形態）
　次に、図１１を参照しながら、本開示の第３の実施形態に係る光学デバイスについて説明する。図示のとおり、本実施形態に係る光学デバイスの画素２００Ｂでは、ＳＰＡＤ２１０、遮蔽抵抗部２１１、クエンチ抵抗部２１２、及び読出回路２３０が第１の実施形態に係る光学デバイスの画素２００（図４Ｂ）と同様に配置されている。ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間にはＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係があり、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとクエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑとの間にＲｓｈ＜Ｒｑという関係がある点においても、画素２００Ｂは画素２００と同様である。なお、図４Ｂに示されるデジタルカウンタ回路２４０（又はＴＤＣ回路）や、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬなどは図１１においては省略されているが、画素２００Ｂは上述の画素２００や２００Ａと同様に構成されて良い。また、本実施形態による光学デバイスは、第１の実施形態による光学デバイス１００と同じ構成を有することができ、光学デバイス１００と同様に電子機器１（図１）において光学デバイス１０と置換され得る。
　一方で、本実施形態における画素２００Ｂには容量可変素子ＶＣ１及びＶＣ２が設けられている。具体的には、容量可変素子ＶＣ１は、その一端が接地され、他端がＳＰＡＤ２１０のカソードに接続されるように設けられる。また、容量可変素子ＶＣ２は、その一端が接地され、他端が遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２とを接続する配線に接続されるように設けられる。すなわち、第１の実施形態に係る光学デバイスの画素２００における寄生容量Ｃ１の代わりに容量可変素子ＶＣ１が設けられ、寄生容量Ｃ２の代わりに容量可変素子ＶＣ２が設けられている。
　容量可変素子ＶＣ１及びＶＣ２の各々は、例えば、一つのＭＯＳトランジスタにより形成され得る。この場合、ＭＯＳトランジスタのゲートにゲート電圧を印加するバイアス電圧生成部が設けられる。例えば行走査回路３２０の制御のもと、バイアス電圧生成部からＭＯＳトランジスタのゲート電極に印加されるゲート電圧が調整されることにより、容量可変素子ＶＣ１及びＶＣ２の容量を調整することができる。
　また、容量可変素子ＶＣ１及びＶＣ２の各々は、複数個のＭＯＳトランジスタにより形成されてもよい。この場合、各ＭＯＳトランジスタのゲートにデート電圧を印加するバイアス電圧生成部が設けられる。このような構成によれば、例えば行走査回路３２０の制御のもと、ゲート電圧が印加されるＭＯＳトランジスタの数が調整されることにより、容量可変素子ＶＣ１及びＶＣ２の容量を調整することができる。なお、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）トランジスタにより容量可変素子ＶＣ１及びＶＣ２を形成しても良い。
　本実施形態に係る光学デバイスの画素２００Ｂにおいても、第１の実施形態に係る光学デバイスの画素２００と同様に、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間にはＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係があり、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとクエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑとの間にはＲｓｈ＜Ｒｑという関係があるため、容量可変素子ＶＣ１と容量可変素子ＶＣ２の容量を後者の容量が大きくなるように調整すれば、画素２００が奏する効果と同じ効果が画素２００Ｂによっても発揮される。
　また、本実施形態係る光学デバイスの画素２００Ｂにおいては、容量可変素子ＶＣ１及びＶＣ２が設けられており、それぞれの容量を調整することができる。これにより、容量可変素子ＶＣ１及びＶＣ２に蓄積される電荷の電荷量をも調整することができる。そのため、アバランシェ増倍時に容量可変素子ＶＣ１からＳＰＡＤ２１０へ流れる電流の電流量や、クエンチング後の電荷の再分配の際に容量可変素子ＶＣ２から容量可変素子ＶＣ１へ移動する電荷の電荷量を調整することが可能となる。その結果、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減が確実に実現され得る。
　なお、図７Ａ及び図７Ｂを参照しながら説明した遮蔽抵抗部の具体例、図８Ａから図８Ｃまでを参照しながら説明したクエンチ抵抗部の具体例、図９Ａから図９Ｃまでを参照しながら説明した読出回路の具体例もまた、第３の実施形態に適宜適用可能である。
　（第４の実施形態）
　次に、図１２から図１６までを参照しながら、本開示の第４の実施形態に係る光学デバイスについて説明する。図１２は、第４の実施形態に係る光学デバイスの積層構造例を模式的に示す図である。図１２に示すように、光学デバイス１００は、第１の基板７１と、第１の基板７１上に接合された第２の基板７２とを備える。
　第１の基板７１は、例えば、画素２００が行列状に配置され画素アレイ部ＰＡＲ（図４Ａ参照）を有する。図１３に示されるように、第１の基板７１には、ＳＰＡＤ２１０と、配線層１２０と、接続パッド１２５とが画素ごとに形成されている。後述するように配線層１２０には遮蔽抵抗部２１１が含まれている。遮蔽抵抗部２１１の一端は、ＳＰＡＤ２１０のカソードに接続されている。遮蔽抵抗部２１１の他端は、所定の配線により接続パッド１２５に接続されている。接続パッド１２５は、第１の基板７１と第２の基板７２が接合される前には、第１の基板７１の一の面（図１２の上下方向における上面）に露出している。接続パッド１２５は、例えば銅（Ｃｕ）で形成される。
　なお、ＳＰＡＤ２１０は、第１の基板７１の下面側に設けられる。すなわち、図１２における第１の基板７１の下面が光入射面であり、フォトンは図中下方よりＳＰＡＤ２１０へ入射する。
　図１３に示されるように、第２の基板７２は、読出回路２３０や、クエンチ抵抗部２１２、配線層１３０を画素ごとに有している。読出回路２３０とクエンチ抵抗部２１２は、配線層１３０を通して接続パッド１３５に接続されている。接続パッド１３５は、第１の基板７１と第２の基板７２が接合される前には、第２の基板７２の一の面（図１２においては下面）に露出している。接続パッド１３５は、例えばＣｕで形成される。なお、第２の基板７２には、図４Ｂに示すデジタルカウンタ回路２４０（又はＴＤＣ回路）や、カラム回路３１０、行走査回路３２０、及びインタフェース回路３３０（図４Ａ）が配置されてもよい。
　ここで、図１３の右側に示されるように、第２の基板７２に形成される配線層１３０の層数は、第１の基板７１に形成される配線層１２０の層数に比べて、多くなる傾向にある。これは、第２の基板７２には読出回路２３０や、デジタルカウンタ回路２４０（又はＴＤＣ回路）、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬなどが形成されるため、形成される回路素子や配線の数が第１の基板７１においてよりも第２の基板７２において多くなるためである。このため、第２の基板７２の接続パッド１３５とクエンチ抵抗部２１２との間において生じる寄生容量Ｃ２は、第１の基板７１のＳＰＡＤ２１０のカソード側の寄生容量Ｃ１よりも大きくなる。また、接合部２６０、すなわち接続パッド１２５と接続パッド１３５との接合によっても寄生容量が生じるが、この寄生容量は、遮蔽抵抗部２１１により寄生容量Ｃ１との結合が妨げられるため、寄生容量Ｃ２に含まれることになる。したがって、寄生容量Ｃ２の容量（値）ＣＣ２に対する寄生容量Ｃ１の容量（値）ＣＣ１の比ＣＣ２／ＣＣ１が大きくなり、読出回路２３０への入力電圧をより低減することが可能となる。
　図１２から図１４までを参照すると、第１の基板７１の接続パッド１２５と第２の基板７２の接続パッド１３５がボンディング（いわゆるＣｕ－Ｃｕ接合）された接合部２６０が形成されている。これにより、第１の基板７１に形成されたＳＰＡＤ２１０と、第２の基板７２に形成された読出回路２３０とが電気的に接続される。また、接合部２６０により、第１の基板７１と第２の基板７２とが機械的に接合されている。
　ただし、接続パッド１２５及び１３５を金属バンプによりボンディング（いわゆるバンプ接合）することにより、第１の基板７１と第２の基板７２とを電気的に接続し、機械的に接合してもよい。また、第１の基板７１と第２の基板７２との接合には、例えば、それぞれの接合面を平坦化して両者を電子間力で貼り合わせる、いわゆる直接接合を用いることができる。
　また、第１の基板７１と第２の基板７２とは、例えば、半導体基板を貫通するＴＳＶ（Through-Silicon　Via）などの接合部を介して電気的に接続されてもよい。ＴＳＶを用いた接続には、例えば、第１の基板７１に設けられたＴＳＶと第１の基板７１から第２の基板７２にかけて設けられたＴＳＶとの２つのＴＳＶをチップ外表で接続する、いわゆるツインＴＳＶ方式や、第１の基板７１から第２の基板７２まで貫通するＴＳＶで両者を接続する、いわゆるシェアードＴＳＶ方式などを採用することができる。
　続けて、第４の実施形態に係る光学デバイスの具体的な構造について説明する。図１４は、第４の実施形態に係る光学デバイスの光入射面と垂直な面の断面構造例を示す垂直断面図である。図１５は、図１４におけるＡ－Ａ面の断面構造例を示す水平断面図である。なお、図１４では、ＳＰＡＤ２１０の断面構造に着目している。
　図１４に示すように、画素２００のＳＰＡＤ２１０は、例えば、第１の基板７１を構成する半導体基板１０１に設けられる。半導体基板１０１においては、例えば、光入射面（図１２における下面）から見ると、素子分離部１１０により、複数の素子領域に区画されている（例えば、図１５参照）。ＳＰＡＤ２１０は、素子分離部１１０により区画された各素子領域に設けられている。なお、素子分離部１１０には、後述する第１トレンチ内のアノード電極１２２及び絶縁膜１０９が含まれてもよい。
　各ＳＰＡＤ２１０は、光電変換領域１０２と、Ｐ型半導体領域１０４と、Ｎ－型半導体領域１０３と、Ｐ＋型半導体領域１０５と、Ｎ＋型半導体領域１０６と、カソードコンタクト１０７と、アノードコンタクト１０８とを備える。
　光電変換領域１０２は、例えば、Ｎ型のウェル領域又は低い濃度のドナーを含む領域であり、入射光を光電変換して電子正孔対（以下、電荷という）を発生させる。
　Ｐ型半導体領域１０４は、例えば、Ｐ型のアクセプタを含む領域であり、図１４及び図１５に示すように、光電変換領域１０２を囲む領域に設けられる。このＰ型半導体領域１０４は、後述するアノードコンタクト１０８に逆バイアス電圧が印加されることで、光電変換領域１０２で発生した電荷をＮ－型半導体領域１０３へ導くための電界を形成する。
　Ｎ－型半導体領域１０３は、例えば、光電変換領域１０２よりも高い濃度のドナーを含む領域である。このＮ－型半導体領域１０３は、図１４及び図１５に示すように、光電変換領域１０２の中央部分に配置され、光電変換領域１０２で発生した電荷を取り込んでＰ＋型半導体領域１０５へ導く。なお、Ｎ－型半導体領域１０３は必須の構成ではなく、省略されてもよい。
　Ｐ＋型半導体領域１０５は、例えば、Ｐ型半導体領域１０４よりも高い濃度のアクセプタを含む領域であり、その一部がＰ型半導体領域１０４と接触している。また、Ｎ＋型半導体領域１０６は、例えば、Ｎ－型半導体領域１０３よりも高い濃度のドナーを含む領域であり、Ｐ＋型半導体領域１０５と接触している。
　これらＰ＋型半導体領域１０５及びＮ＋型半導体領域１０６は、ＰＮ接合を形成し、流れ込んだ電荷を加速してアバランシェ電流を発生させる増幅領域として機能する。
　カソードコンタクト１０７は、例えば、Ｎ＋型半導体領域１０６よりも高い濃度のドナーを含む領域であり、Ｎ＋型半導体領域１０６と接触する領域に設けられている。
　アノードコンタクト１０８は、例えば、Ｐ＋型半導体領域１０５よりも高い濃度のアクセプタを含む領域である。このアノードコンタクト１０８は、Ｐ型半導体領域１０４の外周と接触する領域に設けられている。アノードコンタクト１０８の幅は、例えば、４０ｎｍ（ナノメートル）程度であってよい。このように、アノードコンタクト１０８をＰ型半導体領域１０４の外周全体にわたって接触させることで、光電変換領域１０２に均一な電界を形成することが可能となる。
　また、アノードコンタクト１０８は、図１４及び図１５に示すように、半導体基板１０１の表面（図面中、下面）側に素子分離部１１０に沿って行列状に設けられたトレンチ（これを以下、第１トレンチという）の底面に設けられている。このような構造により、後述するように、アノードコンタクト１０８の形成位置が、カソードコンタクト１０７及びＮ＋型半導体領域１０６の形成位置に対して、高さ方向にずらされている。
　半導体基板１０１の表面（図面中、下面）側は、絶縁膜１０９により覆われている。第１トレンチ内における絶縁膜１０９の膜厚（基板幅方向の厚さ）は、アノード－カソード間に印加する逆バイアス電圧の電圧値にも依るが、例えば、１５０ｎｍ程度であってもよい。
　絶縁膜１０９には、半導体基板１０１表面のカソードコンタクト１０７及びアノードコンタクト１０８を露出させる開口が設けられており、それぞれの開口に、カソードコンタクト１０７と接触するカソード電極１２１及びアノードコンタクト１０８と接触するアノード電極１２２が設けられている。
　各ＳＰＡＤ２１０を区画する素子分離部１１０は、半導体基板１０１を表面から裏面にかけて貫通するトレンチ（これを以下、第２トレンチという）内に設けられている。第２トレンチは、半導体基板１０１の表面側において第１トレンチと繋がっている。第２トレンチの内径は、第１トレンチの内径よりも狭く、それにより形成される段差部分に、アノードコンタクト１０８が形成されている。
　各素子分離部１１０は、第２トレンチの内側面を覆う絶縁膜１１２と、第２トレンチ内を埋める遮光膜１１１とを備える。絶縁膜１１２の膜厚（基板幅方向の厚さ）は、アノード－カソード間に印加する逆バイアス電圧の電圧値にも依るが、例えば、１０ｎｍ～２０ｎｍ程度であってもよい。また、遮光膜１１１の膜厚（基板幅方向の厚さ）は、遮光膜１１１に使用する材料等に依存するが、例えば、１５０ｎｍ程度であってもよい。
　ここで、遮光膜１１１及びアノード電極１２２に遮光性を有する導電材料を用いることで、遮光膜１１１とアノード電極１２２とを同一工程で形成することが可能となる。さらに、カソード電極１２１にも遮光膜１１１及びアノード電極１２２と同じ導電材料を用いることで、遮光膜１１１とアノード電極１２２とカソード電極１２１とを同一工程で形成することが可能となる。
　このような遮光性を有する導電材料には、例えば、タングステン（Ｗ）などを用いることができる。ただし、タングステン（Ｗ）に限定されず、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金や銅（Ｃｕ）など、可視光や素子ごとに必要な光を反射又は吸収する性質を持つ導電材料であれば、種々変更されてよい。
　ただし、第２トレンチ内の遮光膜１１１には、導電材料に限定されず、例えば、半導体基板１０１よりも高い屈折率を備える高屈折率材料や、半導体基板１０１よりも低い屈折率を備える低屈折率材料などを用いることも可能である。
　また、カソード電極１２１に用いる材料には、遮光性が要求されないため、遮光性を有する導電材料に代えて、銅（Ｃｕ）などの導電材料が用いられてもよい。
　なお、本実施形態では、第２トレンチが半導体基板１０１を表面側から貫通する、いわゆるＦＦＴＩ（Front　Full　Trench　Isolation）型の素子分離部１１０を例示するが、これに限定されず、第２トレンチが半導体基板１０１を裏面及び／又は表面側から貫通するＦＴＩ（Full　Trench　Isolation）型や、第２トレンチが半導体基板１０１の表面又は裏面から中腹にかけて形成されたＤＴＩ（Deep　Trench　Isolation）型又はＲＤＴＩ（Reverse　Deep　Trench　Isolation）型の素子分離部を採用することも可能である。
　第２トレンチが半導体基板１０１を裏面側から貫通するＦＴＩ型とした場合には、第２トレンチ内には、半導体基板１０１の裏面側から遮光膜１１１の材料が埋め込まれてもよい。
　カソード電極１２１及びアノード電極１２２の上部は、絶縁膜１０９の表面（図面中、下面）に突出している。絶縁膜１０９の表面（図面中、下面）には、例えば、配線層１２０が設けられている。
　配線層１２０は、層間絶縁膜１２３と、層間絶縁膜１２３中に設けられた配線１２４とを備える。配線１２４は、例えば、絶縁膜１０９の表面（図面中、下面）に突出しているカソード電極１２１と接触している。また、配線１２４は、所定のビア等を介して接続パッド１２５と接触している。ここで、配線１２４は、遮蔽抵抗部２１１（図１３）を含むことができる。具体的には、配線１２４の一部または全部は、高抵抗ポリシリコン又はメタル抵抗などにより構成されてよい。この場合、配線１２４は、遮蔽抵抗部２１１としての抵抗値Ｒｓｈが、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮよりも大きくなるように形成される。
　なお、図１４では省略されているが、配線層１２０には、アノード電極１２２と接触する配線も設けられている。この配線は、所定の配線層（不図示）と接続され、この配線層は光学デバイス１００（図４Ａ）の周縁部に設けられる接続パッド（不図示）に接続される。この接続パッドと所定の電源の低電位端子とが接続されることにより、光学デバイス１００の動作時には、アノード電極１２２が負電位に維持され得る。
　配線層１２０の下面には、第２の基板７２の配線層１３０が接合される。この接合は、上述のとおり、例えば、接続パッド１２５と接続パッド１３５とのＣｕ－Ｃｕ接合により実現される。配線層１３０は、層間絶縁膜１３１と、層間絶縁膜１３１中に設けられた配線１３２とを備える。配線１３２は、半導体基板１４１に形成された回路素子１４２と電気的に接続されている。回路素子１４２には読出回路２３０が含まれる。したがって、半導体基板１０１のカソード電極１２１は、配線１２４、接続パッド１２５、接続パッド１３５、及び、配線１３２を介して、図３に示す読出回路２３０に接続されている。
　また、接続パッド１３５には配線１３３も接続されている。配線１３３は、クエンチ抵抗部２１２（図１３）を含むことができる。具体的には、配線１３３の一部または全部が高抵抗ポリシリコン又はメタル抵抗などにより形成されることにより、クエンチ抵抗部２１２が構成される。この場合、配線１３３は、クエンチ抵抗部２１２としての抵抗値Ｒｑが、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈよりも大きくなるように形成される。また、配線１３３は、所定の配線層（不図示）と接続され、この配線層は光学デバイス１００の周縁部に設けられる接続パッド（不図示）に接続される。この接続パッドは、上記の電源の高電位端子と接続される。これにより、光学デバイス１００の動作時には、クエンチ抵抗部２１２、遮蔽抵抗部２１１、及びＳＰＡＤ２１０に対して、ガイガー領域に対応する（逆バイアス）電圧が印加され得る。
　また、半導体基板１０１の裏面（図面中、上面）には、ピニング層１１３と、平坦化膜１１４とが設けられている。さらに、平坦化膜１１４上には、画素２００ごとのカラーフィルタ１１５及びオンチップレンズ１１６が設けられている。なお、本実施形態ではカラーフィルタ１１５及びオンチップレンズ１１６が設けられているが、光学デバイス１００の使用用途や目的に応じて、カラーフィルタ及び/又はオンチップレンズを設けない構成も可能である。
　ピニング層１１３は、例えば、所定濃度のアクセプタを含む酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜より構成された固定電荷膜である。平坦化膜１１４は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁材料で構成された絶縁膜であり、上層のカラーフィルタ１１５やオンチップレンズ１１６を形成される面を平坦化するための膜である。
　以上のような構造において、カソードコンタクト１０７とアノードコンタクト１０８との間にガイガー領域に対応する（逆バイアス）電圧が印加されると、Ｐ型半導体領域１０４とＮ＋型半導体領域１０６との間の電位差により、光電変換領域１０２で発生した電荷をＮ－型半導体領域１０３へ導く電界が形成される。加えて、Ｐ＋型半導体領域１０５とＮ＋型半導体領域１０６との間のＰＮ接合領域に、進入した電荷を加速してアバランシェ電流を発生させる強電界が形成される。それにより、ＳＰＡＤ２１０のアバランシェフォトダイオードとしての動作が許可される。
　続けて、本実施形態に係る光学デバイスの効果について、比較例と対比しながら、説明する。図１６は、比較例による光学デバイスが有する画素の構成を示す概略図である。図１６を参照すると、比較例による光学デバイスの画素２０Ａにおいては、ＳＰＡＤ２１と、互いに直列に接続される抵抗器ＲＬ及び抵抗器ＲＳとが、接合部２６０を介して接続されている。接合部２６０は、本開示の第４の実施形態における接合部２６０と同様に、接続パッド１２５及び接続パッド１３５により形成されている。また、抵抗器ＲＬと抵抗器ＲＳとの接続点には、読出回路２３０が接続されている。ここで、ＳＰＡＤ２１及び接続パッド１３５は第１の基板７１０に形成され、接続パッド１２５、抵抗器ＲＬ、及び抵抗器ＲＳは第２の基板７２０に形成されている。
　接合部２６０においては、２つの接続パッド１３５及び１２５が、例えば、Ｃｕ－Ｃｕ接合により接合されており、このような接合により寄生容量Ｃ１ｂが生じる。このため、ＳＰＡＤ２１に対してガイガー領域に対応する逆バイアス電圧が印加されているときに、ＳＰＡＤ２１にフォトンが入射し、アバランシェ増幅が生じると、寄生容量Ｃ１ａと寄生容量Ｃ１ｂの双方からＳＰＡＤ２１へ電流が流れる。
　これに対し、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素２００においては、図１３に示されるように、ＳＰＡＤ２１０と接続パッド１３５の間には遮蔽抵抗部２１１が設けられている。遮蔽抵抗部２１１は、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮよりも大きい抵抗値Ｒｓｈを有するため、接合部２６０により生じる寄生容量（図１３においては、寄生容量Ｃ２に含まれる）からの電流が妨げられ、主として寄生容量Ｃ１からＳＰＡＤ２１０へ電流が流れる。上記の比較例において、寄生容量Ｃ１ａと寄生容量Ｃ１ｂの双方からＳＰＡＤ２１へ電流が流れる場合と比べ、寄生容量Ｃ１からＳＰＡＤ２１０へ電流が流れる場合には、電流量が少なくて済み、したがって、消費電力を低減することが可能となる。また、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、寄生容量Ｃ１と決まる時定数は、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈと、寄生容量Ｃ２とで決まる時定数よりも小さいため、寄生容量Ｃ２からの電流の寄与が無い場合には、アバランシェ増幅が生じる期間を短縮化することが可能となる。
　また、第４の実施形態に係る光学デバイスにおいては、ＳＰＡＤ２１０と読出回路２３０が上下に配置される。このため、ＳＰＡＤ２１０と読出回路２３０が並置される場合に比べ、光の入射方向から見た画素面積が低減され得る。したがって、画素の高密度化が可能となる。
　［第４の実施形態の変形例］
　以下、図１７Ａから図１７Ｅまでを参照しながら、第４の実施形態の変形例について説明する。これらの変形例は、第１の基板７１と第２の基板７２とが接合部２６０により接合される点で第４の実施形態と共通し、一つの読出回路２３０に対して複数のＳＰＡＤ２１０が電気的に接続される点で、第４の実施形態と相違する。
　［変形例１］
　図１７Ａは、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例１を示すブロック図である。図１７Ａを参照すると、第１の基板７１には複数の接続パッド１２５が設けられている。複数の接続パッド１２５の上面は、第１の基板７１の上面と同一面をなしている。また、第１の基板７１の内部において、複数の接続パッド１２５の各々に対し、ＳＰＡＤ２１０と遮蔽抵抗部２１１が直列に接続されている。ここで、これまで説明した各実施形態と同様に、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとは、ＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係にある。
　一方、第２の基板７２には複数の接続パッド１３５が設けられている。複数の接続パッド１３５の下面は、第２の基板７２の下面と同一面をなしている。また、複数の接続パッド１３５は互いに並列に接続され、並列接続された複数の接続パッド１３５がクエンチ抵抗部２１２と読出回路２３０に接続されている。ここで、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、第１の基板７１の遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとは、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係にある。
　さらに、第２の基板７２の複数の接続パッド１３５は、第１の基板７１の対応する接続パッド１２５とＣｕ－Ｃｕ接合されている。これにより、ＳＰＡＤ２１０と読出回路２３０とが電気的に接続され、第１の基板７１と第２の基板７２とが機械的に接続される。
　このような構成によれば、各ＳＰＡＤ２１０のカソード電位の変化が、ＳＰＡＤ２１０ごとに設けられた遮蔽抵抗部２１１及び接合部２６０を介して一つの読出回路２３０によって検出されることとなる。言い換えると、一つの読出回路２３０が複数のＳＰＡＤ２１０に共用されている。また、一つの読出回路２３０が一つの画素に形成されることから、この変形例では、複数のＳＰＡＤ２１０が一つの画素に設けられるということもできる。画素あたりに複数のＳＰＡＤ２１０を設けることにより、画素ごとのフォトン検出が確実に行われ得る。
　また、上述の各実施形態（具体例や変形例を含む）と同様に、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間にＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係があり、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、第１の基板７１の遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間には、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係がある。したがって、この変形例によっても、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減といった効果が発揮される。
　［変形例２］
　図１７Ｂは、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例２を示すブロック図である。図１７Ｂを参照すると、第１の基板７１において複数のＳＰＡＤ２１０が並列に接続され、並列に接続された複数のＳＰＡＤ２１０が一つの遮蔽抵抗部２１１に接続されている。すなわち、遮蔽抵抗部２１１に対して複数のＳＰＡＤ２１０が並列に接続されている。また、遮蔽抵抗部２１１は接続パッド１２５に接続されている。接続パッド１２５の上面は第１の基板７１の上面と同一面をなしている。ここで、各ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとは、ＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係にある。
　一方、第２の基板７２には接続パッド１３５が設けられている。接続パッド１３５の下面は、第２の基板７２の下面と同一面をなしている。また、接続パッド１３５にはクエンチ抵抗部２１２と読出回路２３０が接続されている。クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、第１の基板７１の遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとは、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係にある。
　さらに、接続パッド１３５は、第１の基板７１の接続パッド１２５とＣｕ－Ｃｕ接合されている。これにより、ＳＰＡＤ２１０と読出回路２３０とが電気的に接続され、第１の基板７１と第２の基板７２とが機械的に接続される。
　このような構成によれば、各ＳＰＡＤ２１０のカソード電位の変化が、一組の遮蔽抵抗部２１１及び接合部２６０を介して一つの読出回路２３０によって検出されることとなる。一つの読出回路２３０が複数のＳＰＡＤ２１０に共用されている点で、変形例２は、上述の変形例１と同一である。また、一つの読出回路２３０が一つの画素に形成されるため、この変形例では、複数のＳＰＡＤ２１０が一つの画素に設けられるということもできる。画素あたりに複数のＳＰＡＤ２１０を設けることにより、画素ごとのフォトン検出が確実に行われ得る。
　また、上述の各実施形態（具体例や変形例を含む）と同様に、各ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間にＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係があり、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、第１の基板７１の遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間には、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係がある。したがって、この変形例によっても、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減といった効果が発揮される。
　［変形例３］
　図１７Ｃは、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例３を示すブロック図である。図１７Ｃを参照すると、第１の基板７１において、複数対の互いに直列に接続されるＳＰＡＤ２１０及び遮蔽抵抗部２１１が、接続パッド１２５に並列に接続されている。接続パッド１２５は、その上面が第１の基板７１の上面と同一面をなすように形成されている。ここで、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、当該ＳＰＡＤ２１０と直列に接続される遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとには、ＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係がある。
　第２の基板７２には、一つの接続パッド１３５が、その下面が第２の基板７２の下面と同一面をなすように形成されている。また、接続パッド１３５にはクエンチ抵抗部２１２と読出回路２３０が接続されている。クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、第１の基板７１の遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとは、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係にある。
　接続パッド１３５は、第１の基板７１の接続パッド１２５とＣｕ－Ｃｕ接合されている。これにより、ＳＰＡＤ２１０と読出回路２３０とが電気的に接続され、第１の基板７１と第２の基板７２とが機械的に接続される。
　変形例３においては、各ＳＰＡＤ２１０のカソード電位の変化が、一組の遮蔽抵抗部２１１及び接合部２６０を介して一つの読出回路２３０によって検出されることとなる。一つの読出回路２３０が複数のＳＰＡＤ２１０に共用されている点で、変形例３は、上述の変形例１と同一である。また、一つの読出回路２３０が一つの画素に形成されるため、この変形例では、複数のＳＰＡＤ２１０が一つの画素に設けられるということもできる。画素あたりに複数のＳＰＡＤ２１０を設けることにより、画素ごとのフォトン検出が確実に行われ得る。
　また、上述の各実施形態（具体例や変形例を含む）と同様に、各ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間にＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係があり、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、第１の基板７１の遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間には、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係がある。したがって、この変形例によっても、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減といった効果が発揮される。
　［変形例４］
　図１７Ｄは、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例４を示すブロック図である。図１７Ｄを参照すると、図１７Ｂに示す変形例２と同様に、第１の基板７１において複数のＳＰＡＤ２１０が並列に接続され、並列に接続された複数のＳＰＡＤ２１０が一つの遮蔽抵抗部２１１に接続されている。ただし、変形例４には、このように接続される複数のＳＰＡＤ２１０及び遮蔽抵抗部２１１を一つのグループとした場合に、複数のグループの複数のＳＰＡＤ２１０及び遮蔽抵抗部２１１が設けられている。各グループの遮蔽抵抗部２１１は、ＳＰＡＤ２１０との接続部と反対側の端部において、接続パッド１２５に接続されている。接続パッド１２５は、その上面が第１の基板７１の上面と同一面をなすように形成されている。変形例４においても、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、当該ＳＰＡＤ２１０が直列に接続される遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとには、ＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係がある。
　第２の基板７２には、一つの接続パッド１３５が、その下面が第２の基板７２の下面と同一面をなすように形成されている。また、接続パッド１３５にはクエンチ抵抗部２１２と読出回路２３０が接続されている。クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、第１の基板７１の各遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとは、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係にある。
　接続パッド１３５は、第１の基板７１の接続パッド１２５とＣｕ－Ｃｕ接合されている。これにより、ＳＰＡＤ２１０と読出回路２３０とが電気的に接続され、第１の基板７１と第２の基板７２とが機械的に接続される。
　変形例４においても、各ＳＰＡＤ２１０のカソード電位の変化が一つの読出回路２３０によって検出されることとなる。一つの読出回路２３０が複数のＳＰＡＤ２１０に共用されている点で、変形例４は、上述の変形例１と同一である。また、一つの読出回路２３０が一つの画素に形成されるため、この変形例においても、複数のＳＰＡＤ２１０が一つの画素に設けられる。画素あたりに複数のＳＰＡＤ２１０を設けることにより、画素ごとのフォトン検出が確実に行われ得る。
　また、上述の各実施形態（具体例や変形例を含む）と同様に、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、当該ＳＰＡＤ２１０が接続する遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間にＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係があり、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、第１の基板７１の各遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間には、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係がある。したがって、この変形例によっても、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減といった効果が発揮される。
　［変形例５］
　図１７Ｅは、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例５を示すブロック図である。図１７Ｅを参照すると、図１７Ｄに示す変形例４と同様に、第１の基板７１において、複数のＳＰＡＤ２１０が並列に接続され、並列に接続された複数のＳＰＡＤ２１０が一つの遮蔽抵抗部２１１に接続されている。また、このように接続される複数のＳＰＡＤ２１０及び遮蔽抵抗部２１１を一つのグループとした場合に、複数のグループが設けられている点でも、変形例４と同様である。ただし、変形例５においては、複数の接続パッド１２５が設けられており、各グループの遮蔽抵抗部２１１が、対応する接続パッド１２５に接続されている。接続パッド１２５は、その上面が第１の基板７１の上面と同一面をなすように形成されている。また、変形例５においても、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、当該ＳＰＡＤ２１０が接続する遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間には、ＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係がある。
　接続パッド１３５は、第１の基板７１の接続パッド１２５とＣｕ－Ｃｕ接合されている。これにより、ＳＰＡＤ２１０と読出回路２３０とが電気的に接続され、第１の基板７１と第２の基板７２とが機械的に接続される。
　変形例５においても、各ＳＰＡＤ２１０のカソード電位の変化が一つの読出回路２３０によって検出されることとなる。一つの読出回路２３０が複数のＳＰＡＤ２１０に共用されている点で、変形例５は、上述の変形例１と同一である。また、一つの読出回路２３０が一つの画素に形成されるため、この変形例においても、複数のＳＰＡＤ２１０が一つの画素に設けられる。画素あたりに複数のＳＰＡＤ２１０を設けることにより、画素ごとのフォトン検出が確実に行われ得る。
　また、上述の各実施形態（具体例や変形例を含む）と同様に、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、当該ＳＰＡＤ２１０が接続する遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間にＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係があり、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、第１の基板７１の各遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間には、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係がある。したがって、この変形例によっても、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減といった効果が発揮される。
　［変形例６］
　次に、図１８Ａ及び図１８Ｂを参照しながら、第４の実施形態の変形例６及び変形例７について説明する。図１８Ａは、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例６を示すブロック図である。図１８Ａを参照すると、第１の基板７１において、ＳＰＡＤ２１０のカソードが遮蔽抵抗部２１１の一端に接続され、遮蔽抵抗部２１１の他端が接続パッド１２５に接続されている。変形例６においても、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、当該ＳＰＡＤ２１０が接続する遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈと間には、ＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係がある。
　また、変形例６では、第４の実施形態（及びその変形例１から５）とは異なり、クエンチ抵抗部２１２が、第２の基板７２ではなく、第１の基板７１に形成されている。このようなクエンチ抵抗部２１２は、例えば、図１４において第１の基板７１内の配線１２４と接続パッド１２５の間の領域に所定の配線を設けることにより形成され得る。この配線は、部分的に又は全体的にポリシリコン抵抗又はメタル抵抗を有することができる。また、この配線は、一端で、遮蔽抵抗部２１１が設けられる配線１２４と（例えば所定のビア等）で電気的に接続され、他端で、第１の基板７１の周縁部の所定のパッドに電気的に接続される。このパッドが所定の電源の高電位端子と電気的に接続されることにより、クエンチ抵抗部２１２とＳＰＡＤ２１０のアノードとの間に逆バイアス電圧を印加することが可能となる。また、クエンチ抵抗部２１２は、第１の基板７１に形成される場合であっても、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間には、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係が満たされるように形成される。
　上記のように構成される場合であっても、アバランシェ増幅時には、寄生容量Ｃ２からの電流は、遮蔽抵抗部２２１により妨げられ、わずかに流れるに過ぎない。また、クエンチ抵抗部２１２と遮蔽抵抗部２１１により妨げられるため、クエンチ抵抗部２１２を通してＳＰＡＤ２１０に流れる電流もわずかに過ぎない。すなわち、アバランシェ増幅時には、主として寄生容量Ｃ１からＳＰＡＤ２１０へ電流が流れることとなる。また、クエンチングが生じた後には、寄生容量Ｃ２から寄生容量Ｃ１へ電荷が移動し、寄生容量Ｃ１間の電圧と寄生容量Ｃ２間の電圧とが等しくなった後に、クエンチ抵抗部２１２を通して電流が供給され、リチャージが進行する。すなわち、変形例６においても、第１から第４の実施形態（変形例を含む）における、アバランシェ増幅、クエンチング、電荷の再分配、リチャージといった一連の動作と同様の動作が行われる。したがって、変形例６によっても、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減といった効果が発揮される。
　［変形例７］
　図１８Ｂは、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例７を示すブロック図である。図１８Ｂを参照すると、変形例７においても、変形例６と同様に、クエンチ抵抗部２１２は第１の基板７１に設けられている。ただし、変形例７では、クエンチ抵抗部２１２の一端が、ＳＰＡＤ２１０のカソードと遮蔽抵抗部２１１との間の接続点に接続されている。
　このようなクエンチ抵抗部２１２は、例えば、図１４において第１の基板７１内の配線１２４とカソード電極１２１の間の領域に所定の配線を設けることにより形成され得る。この配線は、部分的に又は全体的にポリシリコン抵抗又はメタル抵抗を有することができる。また、この配線は、一端でカソード電極１２１と電気的に接続され、他端で、第１の基板７１の周縁部の所定のパッドに電気的に接続される。このパッドと所定の電源の高電位端子とが電気的に接続され、ＳＰＡＤ２１０のアノードが低電位端子と電気的に接続されることにより、クエンチ抵抗部２１２とＳＰＡＤ２１０のアノードとの間に逆バイアス電圧を印加することが可能となる。また、クエンチ抵抗部２１２は、第１の基板７１に形成される場合であっても、クエンチ抵抗部２１２の抵抗値Ｒｑと、遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈとの間には、Ｒｓｈ＜Ｒｑという関係が満たされるように形成される。
　また、ＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮと、当該ＳＰＡＤ２１０が接続する遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈと間には、ＲＯＮ＜Ｒｓｈという関係がある。
　上記のように構成される場合であっても、アバランシェ増幅時には、主として寄生容量Ｃ１からＳＰＡＤ２１０へ電流が流れ、寄生容量Ｃ２からの電流は、遮蔽抵抗部２２１とクエンチ抵抗部２１２により妨げられ、わずかに流れるに過ぎない。また、クエンチングが生じた後には、寄生容量Ｃ２から寄生容量Ｃ１へ電荷が移動し、寄生容量Ｃ１間の電圧と寄生容量Ｃ２間の電圧とが等しくなった後に、クエンチ抵抗部２１２を通して電流が供給され、リチャージが進行する。すなわち、変形例７においても、第１から第４の実施形態（変形例を含む）における、アバランシェ増幅、クエンチング、電荷の再分配、リチャージといった一連の動作と同様の動作が行われる。したがって、変形例７によっても、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減といった効果が発揮される。
　上記のように構成される場合であっても、アバランシェ増幅時には、寄生容量Ｃ２からの電流は、遮蔽抵抗部２２１により妨げられ、わずかに流れるに過ぎない。また、クエンチ抵抗部２１２により妨げられるため、クエンチ抵抗部２１２を通してＳＰＡＤ２１０に流れる電流もわずかに過ぎない。すなわち、アバランシェ増幅時には、主として寄生容量Ｃ１からＳＰＡＤ２１０へ電流が流れることとなる。また、クエンチングが生じた後には、寄生容量Ｃ２から寄生容量Ｃ１へ電荷が移動し、寄生容量Ｃ１間の電圧と寄生容量Ｃ２間の電圧とが等しくなった後に、クエンチ抵抗部２１２を通して電流が供給され、リチャージが進行する。すなわち、変形例７においても、第１から第４の実施形態（変形例を含む）における、アバランシェ増幅、クエンチング、電荷の再分配、リチャージといった一連の動作と同様の動作が行われる。したがって、変形例７によっても、デッドタイムの短縮や、消費電力の低減といった効果が発揮される。
　［変形例８］
　次に、図１９Ａから図１９Ｃまでを参照しながら、第４の実施形態の別の変形例８から９について説明する。図１９Ａに示されるように、変形例８における画素は、第１の基板７１と、第２の基板７２Ａと、第３の基板７３とにより構成される。第１の基板７１は、第４の実施形態における第１の基板７１と同様に、ＳＰＡＤ２１０とこれに直列に接続される遮蔽抵抗部２１１を有している。第２の基板７２Ａには読出回路２３０が設けられている。第３の基板７３にはクエンチ抵抗部２１２が設けられている。
　第２の基板７２Ａは、さらに、図１９Ａにおける下面に接続パッド１３５を有している。接続パッド１３５の下面は、本変形例では、第２の基板７２Ａの下面と同一面を構成している。また、第２の基板７２Ａは、下面と対向する面（図１９Ａにおける上面）に接続パッド１３５Ａを有している。接続パッド１３５Ａの上面は、本変形例では、第２の基板７２Ａの上面と同一面を構成している。接続パッド１３５と接続パッド１３５Ａは所定の配線により接続され、この配線はまた読出回路２３０と接続している。第２の基板７２Ａは、例えばシリコン基板であって良く、読出回路２３０は、シリコン基板に形成されるトランジスタや配線、その他の回路素子などによって構成され得る。また、接続パッド１３５と接続パッド１３５Ａは例えばビアや配線などにより接続され得る。
　第３の基板７３は、図１９Ａにおける下面に接続パッド１３６を有している。接続パッド１３６の下面は、本変形例では、第３の基板７３の下面と同一面を構成している。接続パッド１３６は、例えばビアや配線などによりクエンチ抵抗部２１２に接続されている。
　ここで、第１の基板７１の接続パッド１２５は、第２の基板７２Ａの接続パッド１３５と例えばＣｕ－Ｃｕ接合により接合され、これにより接合部２６０が形成される。そして、接合部２６０を介して、第１の基板７１の遮蔽抵抗部２１１と第２の基板７２Ａの読出回路２３０とが電気的に接続される。また、接合部２６０により、第１の基板７１と第２の基板７２Ａが機械的に接合される。
　第２の基板７２Ａの接続パッド１３５Ａは、第３の基板７３の接続パッド１３６と例えばＣｕ－Ｃｕ接合により接合され、これにより接合部２６０Ａが形成される。そして、接合部２６０Ａを介して、第２の基板７２Ａの読出回路２３０と第３の基板７３のクエンチ抵抗部２１２が電気的に接続される。また、接合部２６０Ａにより、第２の基板７２Ａと第３の基板７３が機械的に接合される。さらに、接合部２６０及び２６０Ａを介して、クエンチ抵抗部２１２は、第１の基板７１の遮蔽抵抗部２１１に電気的に接続される。
　上記の構成を有する変形例８においては、クエンチ抵抗部２１２と読出回路２３０が別個の基板に形成され、接合部２６０Ａにより接続されている点で、第４の実施形態と異なる。しかし、遮蔽抵抗部２１１がＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮよりも大きい抵抗値Ｒｓｈを有し、クエンチ抵抗部２１２が遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈよりも大きい抵抗値Ｒｑを有する点で、第４の実施形態と同様である。
　また、接続パッド１３５と読出回路２３０との間には寄生容量Ｃ２が生じており、ＳＰＡＤ２１０のカソードに寄生容量Ｃ１が生じている。寄生容量Ｃ２は、接合部２６０による容量、接続パッド１３５と接続パッド１３５Ａを接続する配線による容量、読出回路２３０による容量との合成容量である。第２の基板７２Ａには多くの接続パッドや配線、回路素子が形成されているため、寄生容量Ｃ２の容量は、寄生容量Ｃ１の容量よりも大きくなる傾向にある。
　したがって、変形例８においても、第４の実施形態と同様に、読出回路２３０への入力電圧を低減しつつ、デッドタイムの短縮化と消費電力の低減とが実現され得る。
　［変形例９］
　図１９Ｂは、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例９を示すブロック図である。図示のとおり、変形例９における画素は、第１の基板７１Ａと、第２の基板７２Ｂと、第３の基板７３Ａとにより構成される。第１の基板７１にはＳＰＡＤ２１０が設けられ、第２の基板７２Ａには遮蔽抵抗部２１１が設けられ、第３の基板７３Ａにはクエンチ抵抗部２１２及び読出回路２３０が設けられている。
　第１の基板７１Ａは、さらに、図１９Ｂにおける上面に接続パッド１２５を有している。接続パッド１２５の上面は、本変形例では、第１の基板７１Ａの上面と同一面を構成している。接続パッド１２５はＳＰＡＤ２１０のカソードと接続されている。
　第２の基板７２Ｂは、図１９Ｂにおける下面に接続パッド１３５を有している。接続パッド１３５の下面は、本変形例では、第２の基板７２Ｂの下面と同一面を構成している。接続パッド１３５は、例えばビアや配線などにより遮蔽抵抗部２１１と接続されている。また、第２の基板７２Ｂは、上面（上記の下面と対向する面）に接続パッド１３５Ａを有している。接続パッド１３５Ａの上面は、本変形例では、第２の基板７２Ｂの上面と同一面を構成している。
　第３の基板７３Ａは、図１９Ｂにおける下面に接続パッド１３６を有している。接続パッド１３６の下面は、本変形例では、第３の基板７３Ａの下面と同一面を構成している。接続パッド１３６は、例えばビアや配線などによりクエンチ抵抗部２１２及び読出回路２３０と接続されている。
　ここで、第１の基板７１Ａの接続パッド１２５は、第２の基板７２Ｂの接続パッド１３５と例えばＣｕ－Ｃｕ接合により接合され、これにより接合部２６０が形成される。そして、接合部２６０を介して、第１の基板７１ＡのＳＰＡＤ２１０と第２の基板７２Ｂの遮蔽抵抗部２１１とが電気的に接続される。また、接合部２６０により、第１の基板７１Ａと第２の基板７２Ｂが機械的に接合される。
　第２の基板７２Ｂの接続パッド１３５Ａは、第３の基板７３Ａの接続パッド１３６と例えばＣｕ－Ｃｕ接合により接合され、これにより接合部２６０Ａが形成される。そして、接合部２６０Ａを介して、第２の基板７２Ｂの遮蔽抵抗部２１１と、第３の基板７３Ａのクエンチ抵抗部２１２及び読出回路２３０とが電気的に接続される。また、接合部２６０Ａにより、第２の基板７２Ｂと第３の基板７３Ａが機械的に接合される。
　上記の構成を有する変形例９においては、ＳＰＡＤ２１０、クエンチ抵抗部２１２、読出回路２３０が別個の基板に形成され、接合部２６０を介してＳＰＡＤ２１０とクエンチ抵抗部２１２が電気的に接続され、接合部２６０Ａを介して、遮蔽抵抗部２１１と、クエンチ抵抗部２１２及び読出回路２３０とが電気的に接続される。ここで、遮蔽抵抗部２１１がＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮよりも大きい抵抗値Ｒｓｈを有し、クエンチ抵抗部２１２が遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈよりも大きい抵抗値Ｒｑを有する点では、第４の実施形態と同様である。
　また、遮蔽抵抗部２１１の両端部のうち、ＳＰＡＤ２１０と電気的に接続される端部側に生じる寄生容量Ｃ１と、その反対側の端部側に生じる寄生容量Ｃ２とを比較すると、寄生容量Ｃ２の容量は寄生容量Ｃ１の容量よりも大きくなる。これは、寄生容量Ｃ２が、遮蔽抵抗部２１１による容量、遮蔽抵抗部２１１と接続パッド１３５Ａを接続する配線による容量、接合部２６０Ａによる容量、及び接続パッド１３６とクエンチ抵抗部２１２及び読出回路２３０とを接続する配線による容量を含む一方で、寄生容量Ｃ１は、ＳＰＡＤ２１０による容量、ＳＰＡＤ２１０と接続パッド１２５を接続する配線、及び接合部２６０による容量を含むに過ぎないためである。
　したがって、寄生容量Ｃ１の容量＜寄生容量Ｃ２の容量、抵抗値ＲＯＮ＜抵抗値Ｒｓｈ、抵抗値Ｒｓｈ＜抵抗値Ｒｑという関係を満たすため、これまで説明した実施形態（変形例を含む）により発揮される効果と同じ効果が変形例９においても発揮される。
　［変形例１０］
　図１９Ｃは、第４の実施形態に係る光学デバイスの画素の変形例１０を示すブロック図である。図示のとおり、変形例９における画素は、第１の基板７１と、第２の基板７２Ｃと、第３の基板７３Ｂとにより構成される。第１の基板７１にはＳＰＡＤ２１０及び遮蔽抵抗部２１１が設けられ、第２の基板７２Ｃにはクエンチ抵抗部２１２が設けられ、第３の基板７３Ｂには読出回路２３０が設けられている。本変形例における第１の基板７１は、第４の実施形態及びその変形例８における第１の基板７１と同一の構成を有している。
　第２の基板７２Ｃは、図１９Ｃにおける下面に接続パッド１３５を有している。接続パッド１３５の下面は、本変形例では、第２の基板７２Ｃの下面と同一面を構成している。また、第２の基板７２Ｃは、上面（上記の下面と対向する面）に接続パッド１３５Ａを有している。接続パッド１３５Ａの上面は、本変形例では、第２の基板７２Ｃの上面と同一面を構成している。接続パッド１３５と接続パッド１３５Ａは、例えばビアや配線などにより互いに接続されている。また、接続パッド１３５と接続パッド１３５Ａは、クエンチ抵抗部２１２と電気的に接続されている。
　第３の基板７３Ｂは、図１９Ｃにおける下面に接続パッド１３６を有している。接続パッド１３６の下面は、本変形例では、第３の基板７３Ｂの下面と同一面を構成している。接続パッド１３６は、例えばビアや配線などにより読出回路２３０と接続されている。
　ここで、第１の基板７１Ａの接続パッド１２５は、第２の基板７２Ｃの接続パッド１３５と例えばＣｕ－Ｃｕ接合により接合され、これにより接合部２６０が形成される。そして、接合部２６０を介して、第１の基板７１Ａの遮蔽抵抗部２１１と第２の基板７２Ｃのクエンチ抵抗部２１２とが電気的に接続される。また、接合部２６０により、第１の基板７１Ａと第２の基板７２Ｃが機械的に接合される。
　第２の基板７２Ｃの接続パッド１３５Ａは、第３の基板７３Ｂの接続パッド１３６と例えばＣｕ－Ｃｕ接合により接合され、これにより接合部２６０Ａが形成される。そして、接合部２６０Ａを介して、第２の基板７２Ｃのクエンチ抵抗部２１２と、第３の基板７３Ｂの読出回路２３０とが電気的に接続される。また、接合部２６０Ａにより、第２の基板７２Ｃと第３の基板７３Ｂが機械的に接合される。
　上記の構成を有する変形例１０においては、ＳＰＡＤ２１０、クエンチ抵抗部２１２、読出回路２３０が別個の基板に形成され、接合部２６０を介して遮蔽抵抗部２１１とクエンチ抵抗部２１２が電気的に接続され、接合部２６０Ａを介して、クエンチ抵抗部２１２と読出回路２３０が電気的に接続される。ここで、遮蔽抵抗部２１１がＳＰＡＤ２１０の抵抗値ＲＯＮよりも大きい抵抗値Ｒｓｈを有し、クエンチ抵抗部２１２が遮蔽抵抗部２１１の抵抗値Ｒｓｈよりも大きい抵抗値Ｒｑを有する点では、第４の実施形態と同様である。
　また、接続パッド１３５と読出回路２３０との間には寄生容量Ｃ２が生じており、ＳＰＡＤ２１０のカソードに寄生容量Ｃ１が生じている。寄生容量Ｃ２は、接合部２６０による容量、接続パッド１３５と接続パッド１３５Ａを接続する配線による容量、クエンチ抵抗部２１２による容量だけでなく、接合部２６０Ａによる容量や、読出回路２３０による容量をも含み得る。一方、寄生容量Ｃ１は、ＳＰＡＤ２１０による容量や、ＳＰＡＤ２１０と遮蔽抵抗部２１１とを接続する配線による容量などを含むに過ぎない。このため、寄生容量Ｃ２は寄生容量Ｃ１よりも大きくなる。
　したがって、変形例１０においても、第４の実施形態と同様に、読出回路２３０への入力電圧を低減しつつ、デッドタイムの短縮化と消費電力の低減とが実現され得る。
　なお、第４の実施形態の変形例８から１０までにおいて、Ｃｕ－Ｃｕ接合による接続パッドの接合を例示したが、接続パッド同士が金属パッドにより接続されても良い。また、図７Ａ及び図７Ｂを参照しながら説明した遮蔽抵抗部の具体例、図８Ａから図８Ｃまでを参照しながら説明したクエンチ抵抗部の具体例、図９Ａから図９Ｃまでを参照しながら説明した読出回路の具体例もまた、第４の実施形態（変形例を含む）に適宜適用可能である。
　＜適用例１＞
　上述した、本開示の実施形態に係る光学デバイスは、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
　図２０は、本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。図２０に示される撮像装置２０１は、光学系２０２、シャッタ装置２０３、光学デバイス１００、駆動回路２０５、信号処理回路２０６、モニタ２０７、およびメモリ２０８を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
　光学系２０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの光（入射光）を光学デバイス１００に導き、光学デバイス１００の受光面に結像させる。
　シャッタ装置２０３は、光学系２０２および光学デバイス１００の間に配置され、駆動回路２０５の制御に従って、光学デバイス１００への光照射期間および遮光期間を制御する。
　駆動回路２０５は、光学デバイス１００の転送動作、および、シャッタ装置２０３のシャッタ動作を制御する駆動信号を出力して、光学デバイス１００およびシャッタ装置２０３を駆動する。
　光学デバイス１００は、上述した各実施形態（変形例を含む）に係る受光素子（画素）を含む。撮像装置への適用の場合、光学デバイス１００は、読出回路２３０の出力端にデジタルカウンタ回路２４０（図４Ｂ）を有する。光学デバイス１００は、駆動回路２０５の制御のもと、所定の露光期間に，光学系２０２およびシャッタ装置２０３を通して受光面に結像される光に応じて、デジタルカウンタ回路２４０により、フォトン数を画素ごとにカウントする。カウント数は輝度信号に変換され、駆動回路２０５の制御のもと、行走査回路３２０（図４Ａ）から各画素のワード線ＷＬに供給される選択信号に従って、ビット線ＢＬを通してカラム回路３１０へ転送される。カラム回路３１０は、各画素からの輝度信号をデジタル信号へ変換し、変換されたデジタル信号は、インタフェース回路３３０を通して信号処理回路２０６へ出力される。
　信号処理回路２０６は、光学デバイス１００から出力されたデジタル信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路２０６が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ２０７に供給されて表示されたり、メモリ２０８に供給されて記憶（記録）されたりする。
　このように構成されている撮像装置２０１においては、光学デバイス１００が上述した各実施形態（変形例を含む）による受光素子を含んでいるため、撮像装置２０１もまたデッドタイムの短縮化、消費電力の低減という効果を発揮し得る。なお、光学デバイス１００の受光面にカラーフィルタを設けても良い。このカラーフィルタには、赤色波長領域光を透過する赤色フィルタ、緑色波長領域光を透過する緑色フィルタ、及び青色波長光を透過する青色フィルタが、光学デバイス１００の受光素子（画素）に対応して形成されている。例えば、カラーフィルタとしてベイヤーフィルタが例示される。このようなカラーフィルタを用いることにより、撮像装置２０１をカラー画像取得可能な撮像装置として構成することが可能となる。
　＜適用例２＞
　次に、本技術を適用した電子機器として、直接ＴｏＦ方式により測距を行う測距装置について説明する。図２１は、本技術を適用した電子機器としての測距装置６００の構成例を示すブロック図である。図示のとおり、測距装置６００は、光学デバイス１００Ａと、光源部６０２と、記憶部６０３と、制御部６０４と、光学系６０５と、を含む。
　光源部６０２は、例えば、面光源としてレーザ光を射出する垂直共振器面発光レーザ（Vertical　Cavity　Surface　Emitting　LASER：ＶＣＳＥＬ）アレイであって良い。ただし、これに限らず、光源部６０２として、レーザダイオードをライン上に配列したレーザダイオードアレイであっても良い。この場合、レーザダイオードアレイは、所定の駆動部（不図示）によって支持され、レーザダイオードの配列方向に垂直の方向にスキャンされる。さらにまた、光源部６０２は、単一のレーザダイオードであっても良い。この場合には、単一のレーザダイオードは、所定の駆動部（不図示）によって支持され、水平および垂直方向にスキャンされる。
　光学デバイス１００Ａは、図２２の例では、第１の実施形態における画素（受光素子）２００を有している。ただし、光学デバイス１００Ａは、他の実施形態（変形例を含む）に係る画素（受光素子）を有しても良い。測距装置への適用の場合、光学デバイス１００Ａは、上述のデジタルカウンタ回路２４０（図４Ｂ）に代わり、図２２に示されるように、読出回路２３０の出力端に対し順に直列に接続されるＴＤＣ回路２４１、生成部２４２、及び信号処理部２４３を有する。ＴＤＣ回路２４１、生成部２４２、及び信号処理部２４３の機能は後に説明する。
　信号処理部２４３は、生成部２４２により生成されたヒストグラム（後述）のデータに基づき所定の演算処理を行い、例えば距離情報を算出する。信号処理部２４３は、例えば、生成部２４２により生成されたヒストグラムのデータに基づき、当該ヒストグラムの曲線近似を作成する。信号処理部２４３は、このヒストグラムが近似された曲線のピークを検出し、検出されたピークに基づき距離Ｄを求めることができる。
　記憶部６０３（図２１）は、例えば、フラッシュメモリやＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等で構成され、光学デバイス１０から入力されたデータ等を記憶する。
　制御部６０４は、測距装置６００の全体の動作を制御する。例えば、制御部６０４は、所定の周波数を有する所定の基準信号を光学デバイス１００及び光源部６０２に供給する。光源部６０２は、例えば、制御部６０４から供給される基準信号に基づいてパルス光を出射する。光学デバイス１００は、例えば、上記の基準信号と、読出回路２３０から出力される出力信号とに基づき、発光タイミングと受光タイミングとの時間差を求める。また、制御部６０４は、例えば外部からの指示に応じて、光学デバイス１００に対して、測距の際のパターンの設定を行う。
　光学系６０５は、外部から入射する光を光学デバイス１００の受光面に導く。
　次に、図２３を参照しながら、測距装置６００による測距の一例として、測距装置６００が、測距装置６００から被測定物３０３までの距離Ｄを測定する場合を例として、直接ＴｏＦ方式による測距を説明する。光源部６０２が光を出射した時刻を発光タイミングｔ0、光源部６０２から出射された光が被測定物３０３により反射された反射光を光学デバイス１００が受光した時刻を受光タイミングｔ1とする。このとき、次式（１）により、測距装置６００と被測定物３０３との間の距離Ｄを計算することができる。
　　　Ｄ＝(ｃ／２)×(ｔ1－ｔ0)　　…（１）
　　　ここで、定数ｃは光速度（２．９９７９×１０8［ｍ／ｓｅｃ］）である。
　ところで、光学デバイス１００Ａにおいては、画素２００に対して光（フォトン）が入射すると、その光が被測定物３０３からの反射光以外の光（例えば環境光）であったとしても、読出回路２３０から出力信号が出力され、後述するようにＴＤＣ回路２４１により受光タイミングが計算される。すなわち、被測定物３０３からの反射光に基づいて計算された受光タイミングｔ１と、反射光以外の光に基づいて計算された受光タイミングとが区別され得ない。
　そこで、測距装置６００においては、光源部６０２から（例えば数１００～数万回）繰り返し光を出射し、発光タイミングと受光タイミングとの差に関するヒストグラムを作成される。図２４は、そのようにして作成されたヒストグラムの一例を示す図である。図示のとおり、所定の単位時間ｄを有する区間♯０、♯１、♯２、・・・、♯（Ｎ－２）、♯（Ｎ－１）ごとに受光タイミングの回数（頻度）３０１が示されている。ここで、区間♯０は、発光タイミングｔ０からの時間ｄの範囲であり、区間♯１は、発光タイミングｔ０から時間ｄだけ経過した時点から時間ｄの範囲である。なお、図中において、発光タイミングｔ０からｔepまでの期間は、光学デバイス１００の露光時間に対応する。
　図２４を参照すると、破線で示される範囲３１１に比べ、曲線３１２で示されるように、近接する区間に比べて受光タイミング回数が突出している区間がある（以下、便宜上、区間３１２という）。環境光などの受光はランダムに発生する一方で、光源部６０２から出射され被測定物３０３で反射された光の受光は、光が距離２×Ｄだけ伝播した後に受光されるため、誤差を含むものの一定の範囲の時間が経過したときに起こり得る。このため、被測定物３０３からの反射光に応じた受光タイミングｔ１は、区間３１２に含まれると考えられる。そこで、例えば図示のように、区間３１２中の最大の受光タイミング回数が記録された区間の終了時点を、被測定物３０３からの反射光に基づく受光タイミングｔ１とすることができる。これに限らず、最大の受光タイミング回数が記録された区間の開始時点又は中央時点を受光タイミングｔ１としても良い。また、区間３１２において、発光タイミング回数についての近似曲線を求め、そのピーク値に基づき発光タイミングｔ１を求めても良い。
　以上のように、被測定物３０３からの反射光の受光タイミングｔ１を求めることができ、式（１）により、被測定物３０３までの距離Ｄを算出することができる。
　光学デバイス１００Ａにおいて上述の直接ＴｏＦ方式による測距が行われる場合、受光タイミングはＴＤＣ回路２４１により求められる。すなわち、ＴＤＣ回路２４１は、制御部６０４から入力される基準信号と、読出回路２３０からの出力信号との時間差を示す時間差信号を生成する。制御部６０４からの基準信号は光源部６０２にも入力され、光源部６０２は、この基準信号に基づいてパルス光を発する。このため、ＴＤＣ回路２４１において生成された時間差信号から、光源部６０２からパルス光が発せされた発光タイミングｔ０を基準とした受光タイミングを求めることができる。
　光源部６０２による基準信号に基づく発光と、ＳＰＡＤ２１０による受光とを繰り返し、その都度、ＴＤＣ回路２４１により求められた発光タイミングと受光タイミングとの差に関するヒストグラムが、生成部２４２により生成される。生成部２４２により作成されたヒストグラムに基づき、信号処理部２４３により、受光タイミングｔ１が決定され、距離Ｄが算出される。
　このように構成される測距装置６００においても、光学デバイス１００Ａが上述した各実施形態（変形例を含む）による受光素子を含んでいるため、測距装置６００もまたデッドタイムの短縮化、消費電力の低減という効果を発揮し得る。
　＜適用例３＞
　本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
　図２５は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る、カプセル型内視鏡を用いた患者の体内情報取得システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
　体内情報取得システム１０００１は、カプセル型内視鏡１０１００と、外部制御装置１０２００とから構成される。
　カプセル型内視鏡１０１００は、検査時に、患者によって飲み込まれる。カプセル型内視鏡１０１００は、撮像機能及び無線通信機能を有し、患者から自然排出されるまでの間、胃や腸等の臓器の内部を蠕動運動等によって移動しつつ、当該臓器の内部の画像（以下、体内画像ともいう）を所定の間隔で順次撮像し、その体内画像についての情報を体外の外部制御装置１０２００に順次無線送信する。
　外部制御装置１０２００は、体内情報取得システム１０００１の動作を統括的に制御する。また、外部制御装置１０２００は、カプセル型内視鏡１０１００から送信されてくる体内画像についての情報を受信し、受信した体内画像についての情報に基づいて、表示装置（図示せず）に当該体内画像を表示するための画像データを生成する。
　体内情報取得システム１０００１では、このようにして、カプセル型内視鏡１０１００が飲み込まれてから排出されるまでの間、患者の体内の様子を撮像した体内画像を随時得ることができる。
　カプセル型内視鏡１０１００と外部制御装置１０２００の構成及び機能についてより詳細に説明する。
　カプセル型内視鏡１０１００は、カプセル型の筐体１０１０１を有し、その筐体１０１０１内には、光源部１０１１１、撮像部１０１１２、画像処理部１０１１３、無線通信部１０１１４、給電部１０１１５、電源部１０１１６、及び制御部１０１１７が収納されている。
　光源部１０１１１は、例えばＬＥＤ（light　emitting　diode）等の光源から構成され、撮像部１０１１２の撮像視野に対して光を照射する。
　撮像部１０１１２は、撮像素子、及び当該撮像素子の前段に設けられる複数のレンズからなる光学系から構成される。観察対象である体組織に照射された光の反射光（以下、観察光という）は、当該光学系によって集光され、当該撮像素子に入射する。撮像部１０１１２では、撮像素子において、そこに入射した観察光が光電変換され、その観察光に対応する画像信号が生成される。撮像部１０１１２によって生成された画像信号は、画像処理部１０１１３に提供される。
　画像処理部１０１１３は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）やＧＰＵ（Graphics　Processing　Unit）等のプロセッサによって構成され、撮像部１０１１２によって生成された画像信号に対して各種の信号処理を行う。画像処理部１０１１３は、信号処理を施した画像信号を、ＲＡＷデータとして無線通信部１０１１４に提供する。
　無線通信部１０１１４は、画像処理部１０１１３によって信号処理が施された画像信号に対して変調処理等の所定の処理を行い、その画像信号を、アンテナ１０１１４Ａを介して外部制御装置１０２００に送信する。また、無線通信部１０１１４は、外部制御装置１０２００から、カプセル型内視鏡１０１００の駆動制御に関する制御信号を、アンテナ１０１１４Ａを介して受信する。無線通信部１０１１４は、外部制御装置１０２００から受信した制御信号を制御部１０１１７に提供する。
　給電部１０１１５は、受電用のアンテナコイル、当該アンテナコイルに発生した電流から電力を再生する電力再生回路、及び昇圧回路等から構成される。給電部１０１１５では、いわゆる非接触充電の原理を用いて電力が生成される。
　電源部１０１１６は、二次電池によって構成され、給電部１０１１５によって生成された電力を蓄電する。図２５では、図面が煩雑になることを避けるために、電源部１０１１６からの電力の供給先を示す矢印等の図示を省略しているが、電源部１０１１６に蓄電された電力は、光源部１０１１１、撮像部１０１１２、画像処理部１０１１３、無線通信部１０１１４、及び制御部１０１１７に供給され、これらの駆動に用いられ得る。
　制御部１０１１７は、ＣＰＵ等のプロセッサによって構成され、光源部１０１１１、撮像部１０１１２、画像処理部１０１１３、無線通信部１０１１４、及び、給電部１０１１５の駆動を、外部制御装置１０２００から送信される制御信号に従って適宜制御する。
　外部制御装置１０２００は、ＣＰＵ、ＧＰＵ等のプロセッサ、又はプロセッサとメモリ等の記憶素子が混載されたマイクロコンピュータ若しくは制御基板等で構成される。外部制御装置１０２００は、カプセル型内視鏡１０１００の制御部１０１１７に対して制御信号を、アンテナ１０２００Ａを介して送信することにより、カプセル型内視鏡１０１００の動作を制御する。カプセル型内視鏡１０１００では、例えば、外部制御装置１０２００からの制御信号により、光源部１０１１１における観察対象に対する光の照射条件が変更され得る。また、外部制御装置１０２００からの制御信号により、撮像条件（例えば、撮像部１０１１２におけるフレームレート、露出値等）が変更され得る。また、外部制御装置１０２００からの制御信号により、画像処理部１０１１３における処理の内容や、無線通信部１０１１４が画像信号を送信する条件（例えば、送信間隔、送信画像数等）が変更されてもよい。
　また、外部制御装置１０２００は、カプセル型内視鏡１０１００から送信される画像信号に対して、各種の画像処理を施し、撮像された体内画像を表示装置に表示するための画像データを生成する。当該画像処理としては、例えば現像処理（デモザイク処理）、高画質化処理（帯域強調処理、超解像処理、ＮＲ(Noise　reduction)処理及び／又は手ブレ補正処理等）、並びに／又は拡大処理（電子ズーム処理）等、各種の信号処理を行うことができる。外部制御装置１０２００は、表示装置の駆動を制御して、生成した画像データに基づいて撮像された体内画像を表示させる。あるいは、外部制御装置１０２００は、生成した画像データを記録装置（図示せず）に記録させたり、印刷装置（図示せず）に印刷出力させてもよい。
　以上、本開示に係る技術が適用され得る体内情報取得システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１０１１２に適用され得る。具体的には、撮像部１０１１２として、上述の各実施形態に係る光学デバイスを用いることができる。上述の光学デバイスによれば、ＳＰＡＤ２１０（又は２１０Ａ）のデッドタイムを短縮化することが可能である。そのため、撮像部１０１１２として光学デバイスを用いれば、カプセル型内視鏡１０１００による撮像間隔を適宜設定することが可能となる。すなわち、カプセル型内視鏡１０１００による撮像の時に、ＳＰＡＤ２１０（又は２１０Ａ）がデッドタイム中である可能性を低減できる。また、ＳＰＡＤ２１０の消費電力の低減が可能であるため、カプセル型内視鏡１０１００が患者によって飲み込まれてから自然排出されるまでの間、光学デバイス１００等を確実に動作させることも可能となる。
　なお、ここではカプセル型内視鏡を用いた患者の体内情報取得システムについて説明したが、本開示に係る技術は例えば、内視鏡手術システムに適用されても良い。以下に、本開示の技術が内視鏡手術システムに適用される場合について説明する。
　＜適用例４＞
　図２６は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
　図２６では、術者（医師）１１１３１が、内視鏡手術システム１１０００を用いて、患者ベッド１１１３３上の患者１１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０００は、内視鏡１１１００と、気腹チューブ１１１１１やエネルギー処置具１１１１２等の、その他の術具１１１１０と、内視鏡１１１００を支持する支持アーム装置１１１２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１２００と、から構成される。
　内視鏡１１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１１０１と、鏡筒１１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１１００を図示しているが、内視鏡１１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
　鏡筒１１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１１００には光源装置１１２０３が接続されており、当該光源装置１１２０３によって生成された光が、鏡筒１１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
　カメラヘッド１１１０２の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：　Ｃａｍｅｒａ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）１１２０１に送信される。
　ＣＣＵ１１２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１１００及び表示装置１１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１２０１は、カメラヘッド１１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
　表示装置１１２０２は、ＣＣＵ１１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
　光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１１００に供給する。
　入力装置１１２０４は、内視鏡手術システム１１０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置１１２０４を介して、内視鏡手術システム１１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡１１１００による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示等を入力する。
　処置具制御装置１１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１１２の駆動を制御する。気腹装置１１２０６は、内視鏡１１１００による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者１１１３２の体腔を膨らめるために、気腹チューブ１１１１１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ１１２０７は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ１１２０８は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
　なお、内視鏡１１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
　また、光源装置１１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
　また、光源装置１１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Ｎａｒｒｏｗ　Ｂａｎｄ　Ｉｍａｇｉｎｇ）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
　図２７は、図２６に示すカメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。
　カメラヘッド１１１０２は、レンズユニット１１４０１と、撮像部１１４０２と、駆動部１１４０３と、通信部１１４０４と、カメラヘッド制御部１１４０５と、を有する。ＣＣＵ１１２０１は、通信部１１４１１と、画像処理部１１４１２と、制御部１１４１３と、を有する。カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１とは、伝送ケーブル１１４００によって互いに通信可能に接続されている。
　レンズユニット１１４０１は、鏡筒１１１０１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒１１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１１０２まで導光され、当該レンズユニット１１４０１に入射する。レンズユニット１１４０１は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
　撮像部１１４０２は、撮像素子で構成される。撮像部１１４０２を構成する撮像素子は、１つ（いわゆる単板式）であってもよいし、複数（いわゆる多板式）であってもよい。撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部１１４０２は、３Ｄ（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット１１４０１も複数系統設けられ得る。
　また、撮像部１１４０２は、必ずしもカメラヘッド１１１０２に設けられなくてもよい。例えば、撮像部１１４０２は、鏡筒１１１０１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
　駆動部１１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１１４０５からの制御により、レンズユニット１１４０１のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部１１４０２による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
　通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４０４は、撮像部１１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１１４００を介してＣＣＵ１１２０１に送信する。
　また、通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１から、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
　なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１１２０１の制御部１１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ（Ａｕｔｏ　Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）機能、ＡＦ（Ａｕｔｏ　Ｆｏｃｕｓ）機能及びＡＷＢ（Ａｕｔｏ　Ｗｈｉｔｅ　Ｂａｌａｎｃｅ）機能が内視鏡１１１００に搭載されていることになる。
　カメラヘッド制御部１１４０５は、通信部１１４０４を介して受信したＣＣＵ１１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御する。
　通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２から、伝送ケーブル１１４００を介して送信される画像信号を受信する。
　また、通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２に対して、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
　画像処理部１１４１２は、カメラヘッド１１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
　制御部１１４１３は、内視鏡１１１００による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１１４１３は、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。
　また、制御部１１４１３は、画像処理部１１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１１２０２に表示させる。この際、制御部１１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１１４１３は、表示装置１１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１１３１に提示されることにより、術者１１１３１の負担を軽減することや、術者１１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。
　カメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１を接続する伝送ケーブル１１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
　ここで、図示する例では、伝送ケーブル１１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。
　以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、カメラヘッド１１１０２の撮像部１１４０２に適用され得る。具体的には、撮像部１１４０２として、上述の各実施形態に係る光学デバイスを用いることができる。上述の光学デバイスによれば、デッドタイムの短縮化や省電力化が可能である。このため、この光学デバイスが適用される内視鏡手術システムによっても同様の効果が発揮される。
　＜適用例５＞
　本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
　図２８は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
　車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図２８に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（Interface）１２０５３が図示されている。
　駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
　ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
　車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
　撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であってもよいし、赤外線等の非可視光であってもよい。
　車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
　マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Advanced　Driver　Assistance　System）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
　また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
　また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
　音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２８の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
　図２９は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
　図２９では、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４、１２１０５を有する。
　撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４、１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２、１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
　なお、図２９には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
　撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
　例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０km/h以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
　例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
　撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
　以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２１０１ないし１２１０４に適用され得る。具体的には、上述の各実施形態（変形例を含む）に係る撮像素子は、撮像部１２１０１ないし１２１０４に適用することができる。撮像部１２１０１ないし１２１０４に本開示に係る技術を適用することにより、例えば、夜間や、暗いところでも、歩行者からのわずかな光から、歩行者を認識することが可能となる。また、本開示に係る技術による消費電力を低減できるという効果は、特に、車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置として駆動用モータを備える車両において有用である。
　なお、上記において、本開示の実施形態による受光素子、これを含む光学デバイス、及び光学デバイスを有する電子機器が奏する種々の効果が記載されているが、そのような効果は、本開示を限定するものでは無い。また、種々の効果のすべてが発揮されなくても良い。また、本開示の受光素子、光学デバイス、及び電子機器により、ここに記載されていない付加的な効果が発揮されても良い。
　なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部と、
　前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部と、
　前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部と、
　前記第１の抵抗部の前記他方の端部、前記第２の抵抗部の前記一方の端部、及び前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部とが接続される接続点と
　を備える受光素子。
（２）
　前記第２の抵抗部は、前記第１の抵抗部の抵抗値よりも大きい抵抗値を有する、（１）に記載の受光素子。
（３）
　前記フォトン応答増倍部の前記一端に第１の容量があり、
　前記第１の抵抗部の前記他方の端部に第２の容量がある、（１）又は（２）に記載の受光素子。
（４）
　前記第１の容量及び前記第２の容量の各々は容量可変素子により構成される、（３）に記載の受光素子。
（５）
　前記容量可変素子は一または複数のトランジスタを含む、（４）に記載の受光素子。
（６）前記一または複数のトランジスタは金属酸化物半導体トランジスタである、（４）に記載の受光素子。
（７）
　前記第２の抵抗部が、
　前記読出部と、前記第２の抵抗部の他方の端部に電気的に接続される電源との間に設けられる開閉器と、
　前記読出部の出力を検出し、検出結果に基づいて前記開閉器を制御する制御部と、
　を備える、（１）から（６）のいずれかに記載の受光素子。
（８）
　前記第２の抵抗部は定電流源である、（１）から（６）のいずれかに記載の受光素子。
（９）
　前記フォトン応答増倍部は単一光子アバランシェダイオードを含む、（１）から（８）のいずれかに記載の受光素子。
（１０）
　前記フォトン応答増倍部の前記一端は、前記単一光子アバランシェダイオードのカソード又はアノードである、（９）に記載の受光素子。
（１１）
　前記フォトン応答増倍部はシリコン光電子増倍管を含む、（１）から（８）のいずれかに記載の受光素子。
（１２）
　前記第１の抵抗部はポリシリコン抵抗部又はメタル抵抗部である、（１）から（１１）のいずれかに記載の受光素子。
（１３）
　前記第１の抵抗部は、一または複数のトランジスタにより形成される、（１）から（１２）のいずれかに記載の受光素子。
（１４）
　前記一または複数のトランジスタは金属酸化物半導体トランジスタである、（１３）に記載の受光素子。
（１５）
　前記金属酸化物半導体トランジスタのゲートにゲート電圧を印加する電圧を印加する電圧生成部を更に備える、（１４）に記載の受光素子。
（１６）
　第１の接続部を一の面に有する第１の基板と
　前記第１の接続部と対応する第２の接続部を一の面に有し、前記第１の接続部と前記第２の接続部の接合により、前記第１の基板と電気的かつ機械的に接合する第２の基板と
　を更に備え、
　前記フォトン応答増倍部は前記第１の基板に設けられ、
　前記読出部は前記第２の基板に設けられる、（１）から（１５）のいずれかに記載の受光素子。
（１７）
　前記第１の接続部及び前記第２の接続部は銅を用いて構成され、
　銅を用いて形成される前記第１の接続部及び前記第２の接続部の表面同士が密着されることにより、前記第１の接続部及び前記第２の接続部が接合される、（１６）に記載の受光素子。
（１８）
　前記第１の接続部と前記第２の接続部が金属バンプにより接合される、（１６）に記載の受光素子。
（１９）
　第１の接続部を一の面に有する第１の基板と
　前記第１の接続部と対応する第２の接続部を一の面に有し、当該一の面と対向する面に第３の接続部を有し、前記第１の接続部と前記第２の接続部の接合により、前記第１の基板と電気的かつ機械的に接合する第２の基板と、
　前記第２の接続部と対応する第３の接続部を一の面に有し、前記第２の接続部と前記第３の接続部の接合により、前記第２の基板と電気的かつ機械的に接合する第３の基板と
　を更に備え、
　前記フォトン応答増倍部は前記第１の基板に設けられる、（１）から（１５）のいずれかに記載の受光素子。
（２０）
　前記第１の基板には、複数の前記フォトン応答増倍部が設けられ、
　当該複数のフォトン応答増倍部が一つの前記読出回路と電気的に接続される、（１６）又は（１９）に記載の受光素子。
（２１）
　前記読出部の出力端に、前記読出部からの信号の出力回数を計数する計数部が接続される、（１）から（２０）のいずれかに記載の受光素子。
（２２）
　前記読出部の出力端に、所定の周波数を有する基準信号と、当該基準信号に基づいて生成される他の信号との時間差を示すデジタル信号を生成する時間－デジタル変換回路が接続される、（１）から（２０）のいずれかに記載の受光素子。
（２３）
　光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部と、
　前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部と、
　前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部と、
　前記第１の抵抗部の前記他方の端部、前記第２の抵抗部の前記一方の端部、及び前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部とが接続される接続点と
　をそれぞれ備える複数の受光素子が行列状に配置される光学デバイス。
（２４）
　光学系と、
　前記光学系を透過した光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部、
　前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部、
　前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部、及び
　前記第１の抵抗部の前記他方の端部、前記第２の抵抗部の前記一方の端部、及び前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部とが接続される接続点
　をそれぞれ備える複数の受光素子が行列状に配置される光学デバイスと
　を備える電子機器。
（２５）
　光学系と、
　所定の周波数を有する基準信号に基づいて光を発するように構成される発光部と、
　前記光学系を通した光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部、
　前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部、
　前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部、
　前記第１の抵抗部の前記他方の端部、前記第２の抵抗部の前記一方の端部、及び前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部とが接続される接続点、及び
　前記基準信号と、前記第１の抵抗部を介して前記フォトン応答増倍部から読出部により読み出された前記出力との時間差を示すデジタル信号を生成する時間－デジタル変換回路、
　をそれぞれ備える複数の受光素子が行列状に配置される光学デバイスと
　を備える電子機器。
１　電子機器
１０　光学デバイス
１１　画素アレイ部
１２　駆動回路
１３　出力回路
１５　タイミング制御回路
２０、２００、２００Ａ、２００Ｂ　画素
２１　フォトダイオード（ＳＰＡＤ）
２２　クエンチ抵抗
２３　読出回路
３０　撮像レンズ
４０、６０３　記憶部
５０　プロセッサ
７１　第１の基板
７２　第２の基板
ＬＳ　出力信号線
ＬＤ　画素駆動線
１００　光学デバイス
１０１　半導体基板
１０２　光電変換領域
１０３　Ｎ－型半導体領域
１０４　Ｐ型半導体領域
１０５　Ｐ＋型半導体領域
１０６　Ｎ＋型半導体領域
１０７　カソードコンタクト
１０８　アノードコンタクト
１０９　絶縁膜
１１０　素子分離部
１１１　遮光膜
１１３　ピニング層
１１４　平坦化膜
１１５　カラーフィルタ
１１６　オンチップレンズ
１２０、１３０　配線層
１２１　カソード電極
１２２　アノード電極
１２５、１３５、１３５Ａ、１３６　接続パッド
２１０、２１０Ａ　単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）
２１１　遮蔽抵抗部
２１１Ａ　抵抗素子
２１１Ｂ　Ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタ
２１１Ｃ　Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ
２１２　クエンチ抵抗部
２１２Ａ　定電流源
２１２Ｂ　アクティブリチャージ回路
２１２Ｓ　スイッチ
２１２Ｃ　制御部
２３０　読出回路
２３０Ａ　インバータ
２４０　デジタルカウンタ回路
２４１　ＴＤＣ回路
２４２　生成部
２４３　信号処理部
２５０　バイアス電圧生成部
２６０　接合部
３１０　カラム回路
３２０　行走査回路
３３０　インタフェース回路
６００　測距装置
６０２　光源部
６０４　制御部
６０５　光学系
ＰＡＲ　画素アレイ部
ＢＬ０、ＢＬ１、・・・、ＢＬＳ、ＢＬ　ビット線
ＷＬ０、ＷＬ１、・・・、ＷＬＮ、ＷＬ　ワード線
Ｃ１、Ｃ２　寄生容量
ＲＬ、ＲＳ　抵抗器
ＩＶＴ　インバータ
Ｃ０１　カソード寄生容量
Ｃ０２　入力寄生容量
ＶＣ１、ＶＣ２　容量可変素子
２０１　撮像装置
２０２　光学系
２０３　シャッタ装置
２０５　駆動回路
２０６　信号処理回路
２０７　モニタ
２０８　メモリ

Claims (20)

  1. 　光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部と、
    　前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部と、
    　前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部と、
    　前記第１の抵抗部の前記他方の端部、前記第２の抵抗部の前記一方の端部、及び前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部が接続される接続点と
    　を備える受光素子。
  2. 　前記第２の抵抗部は、前記第１の抵抗部の抵抗値よりも大きい抵抗値を有する、請求項１に記載の受光素子。
  3. 　前記フォトン応答増倍部の前記一端に第１の容量があり、
    　前記第１の抵抗部の前記他方の端部に第２の容量がある、請求項１に記載の受光素子。
  4. 　前記第１の容量及び前記第２の容量の各々は容量可変素子により構成される、請求項３に記載の受光素子。
  5. 　前記容量可変素子は一または複数のトランジスタを含む、請求項４に記載の受光素子。
  6. 　前記第２の抵抗部が、
    　前記読出部と、前記第２の抵抗部の他方の端部に電気的に接続される電源との間に設けられる開閉器と、
    　前記読出部の出力を検出し、検出結果に基づいて前記開閉器を制御する制御部と、
    　を備える、請求項１に記載の受光素子。
  7. 　前記第２の抵抗部は定電流源である、請求項１に記載の受光素子。
  8. 　前記フォトン応答増倍部は単一光子アバランシェダイオードを含む、請求項１に記載の受光素子。
  9. 　前記フォトン応答増倍部の前記一端は、前記単一光子アバランシェダイオードのカソード又はアノードである、請求項８に記載の受光素子。
  10. 　前記フォトン応答増倍部はシリコン光電子増倍管を含む、請求項１に記載の受光素子。
  11. 　前記第１の抵抗部はポリシリコン抵抗部又はメタル抵抗部である、請求項１に記載の受光素子。
  12. 　前記第１の抵抗部は、一または複数のトランジスタにより構成される、請求項１に記載の受光素子。
  13. 　第１の接続部を一の面に有する第１の基板と
    　前記第１の接続部と対応する第２の接続部を一の面に有し、前記第１の接続部と前記第２の接続部の接合により、前記第１の基板と電気的かつ機械的に接合する第２の基板と
    　を更に備え、
    　前記フォトン応答増倍部は前記第１の基板に設けられ、
    　前記読出部は前記第２の基板に設けられる、請求項１に記載の受光素子。
  14. 　前記第１の接続部及び前記第２の接続部は銅を用いて構成され、
    　銅を用いて構成される前記第１の接続部及び前記第２の接続部の表面同士が密着されることにより、前記第１の接続部及び前記第２の接続部が接合される、請求項１３に記載の受光素子。
  15. 　前記第１の接続部と前記第２の接続部とが金属バンプにより接合される、請求項１３に記載の受光素子。
  16. 　第１の接続部を一の面に有する第１の基板と
    　前記第１の接続部と対応する第２の接続部を一の面に有し、当該一の面と対向する面に第３の接続部を有し、前記第１の接続部と前記第２の接続部の接合により、前記第１の基板と電気的かつ機械的に接合する第２の基板と、
    　前記第２の接続部と対応する第３の接続部を一の面に有し、前記第２の接続部と前記第３の接続部の接合により、前記第２の基板と電気的かつ機械的に接合する第３の基板と
    　を更に備え、
    　前記フォトン応答増倍部は前記第１の基板に設けられる、請求項１に記載の受光素子。
  17. 　前記読出部の出力端に、前記読出部からの信号の出力回数を計数する計数部が接続される、請求項１に記載の受光素子。
  18. 　前記読出部の出力端に、所定の周波数を有する基準信号と、当該基準信号に基づいて生成される他の信号との時間差を示すデジタル信号を生成する時間－デジタル変換回路が接続される、請求項１に記載の受光素子。
  19. 　光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部と、
    　前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部と、
    　前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部と、
    　前記第１の抵抗部の前記他方の端部、前記第２の抵抗部の前記一方の端部、及び前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部が接続される接続点と
    　をそれぞれ備える複数の受光素子が行列状に配置される、光学デバイス。
  20. 　光学系と、
    　前記光学系を透過した光子がそれぞれ入射される複数の受光素子が行列状に配置される光学デバイスと、
    を備え、
    　前記複数の受光素子のそれぞれが、
    　前記光学系を透過した光子の入射に応じて生成された電荷を増倍可能な電荷増倍領域を含むフォトン応答増倍部と、
    　前記フォトン応答増倍部の一端に、一方の端部で接続される第１の抵抗部であって、前記フォトン応答増倍部の抵抗値より大きい抵抗値を有する当該第１の抵抗部と、
    　前記第１の抵抗部の他方の端部に、一方の端部で接続される第２の抵抗部と、
    　前記第１の抵抗部の前記他方の端部、前記第２の抵抗部の前記一方の端部、及び前記フォトン応答増倍部から出力を読み出す読出部とが接続される接続点と、
    　を含む電子機器。
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