WO2022124019A1 - フォトディテクタ、フォトディテクタアレイおよび距離測定システム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した、SPAD(Single Photon Avalanche Diode)に関し、以下の問題が生じることを見出した。
まず、本開示の基になったシミュレーションについて説明する。
図4~7を用いて実施の形態1に係るフォトディテクタ1について説明する。
図8は実施の形態2に係るフォトディテクタ1を含む制御システムの構成例を示すブロック図である。この制御システムは、電源13とSPAD10とクエンチング抵抗11aと制御基準器17と、出力部14とを備える。SPAD10およびクエンチング抵抗11aは、図5のフォトディテクタ1に相当する。例えば、クエンチング抵抗11aは、図5の第1トランジスタ15および第1可変電源16に相当する。第1可変電源16は、制御基準器17の制御に従って可変の電圧を第1トランジスタ15のゲートに出力する。
図11は実施の形態3に係るフォトディテクタアレイの回路例を示す図である。このフォトディテクタアレイは、N個(Nは2以上の自然数)のフォトディテクタ1を並列に備え、さらに第2抵抗24を備える。N個のフォトディテクタ1のそれぞれは、SPAD10と、第1トランジスタ15と、第1可変電源16を備える。フォトディテクタ1が接続された端、すなわち、SPAD10が接続された端には、SPAD10と第2電源V2の間に第2抵抗24が接続される。この時、第2抵抗24は、N個のSPAD10すべてで発生した電荷を、SPAD10のリチャージ時間より短時間で排出することが要求される。すなわち、第2抵抗24の抵抗値rによる時定数rNCが第1抵抗11の抵抗値RによるSPAD10のリチャージ時間RCより短いことが求められる。すなわち、下記の式を満たすことが要求される。
以下、フォトディテクタあるいはフォトディテクタアレイの応用例について図面を参照しながら説明する。
10 SPAD
11 第1抵抗
11a クエンチング抵抗
12 第1容量
12a SPAD容量
13 電源
14 出力部
15、15a 第1トランジスタ
16、16a 第1可変電源
17 制御基準器
21 第2トランジスタ
22 第2可変電源
23 第2容量
24 第2抵抗
31 第3抵抗
32 第3容量
33 第3トランジスタ
34 第4トランジスタ
35 第5トランジスタ
36 第6トランジスタ
37 第4容量
41 選択部
42 制御基準器
43 負荷部
44 信号処理部
45 出力部
46 受光領域
47 コンタクト領域
48 半導体チップ
100 固体撮像装置
500 測距測定システム
510 発光部
520 受光部
530 制御部
540 出力部
CA コンタクト領域
EL 電極
FL フィルタ
G1、G2、G3 ゲート
L1 第1半導体層
L2 第2半導体層
L3 第3半導体層
L4 第4半導体層
L5 第5半導体層
LL レンズ層
LM 配線層
ML マイクロレンズ
MP 増倍領域
S1 第1主面
S2 第2主面
SUB 半導体基板
V1 第1電源
V2 第2電源
W1 第1配線
W2 第2配線
WL1 第1ウェル
Claims (21)
- シングルフォトンアバランシェダイオード(以下、SPADと記す)と、
前記SPADに直列に接続された第1抵抗とを備え、
前記SPADから前記第1抵抗を介して電荷が排出されるリチャージ時間において、前記SPADの増倍領域から電荷が無くなる
フォトディテクタ。 - 前記SPADの端のうち、前記第1抵抗と接続された端の電圧振幅の最大値は、前記SPADの両端に印加される電圧と前記SPADのブレークダウン電圧との差分である余剰電圧よりも大きい
請求項1に記載のフォトディテクタ。 - シングルフォトンアバランシェダイオード(以下、SPADと記す)と、
前記SPADと並列に接続された容量と、
前記SPADに直列に接続された第1抵抗と、
前記SPADの端のうち、前記第1抵抗と接続された端の電圧を読み出す読み出し部を備える、
フォトディテクタ。 - 前記SPADに印加される余剰バイアス電圧は、前記SPADのブレークダウン電圧より小さく、
前記第1抵抗の抵抗値Rは
式中のEBDは、前記SPAD内部の電界強度を、
Cは、SPADの寄生容量を含む容量を、
Vexは、前記余剰バイアス電圧であって、前記SPADに印加される逆バイアス電圧と前記ブレークダウン電圧との差分を、
Wは、前記SPADの空乏層幅を、
α(EBD)は、電界強度EBDの下での電子のインパクトイオン化率を、
β(EBD)は、電界強度EBDの下での正孔のインパクトイオン化率を、
aは、電子のインパクトイオン化率の係数を、
bは、正孔のインパクトイオン化率の係数を、
qは、電気素量を、
vs,eは、電子の飽和速度を示す、
請求項1または3に記載のフォトディテクタ。 - 制御基準器を備え、
前記制御基準器は次の5つのパラメータ
(i)前記第1抵抗の抵抗値R、
(ii)前記SPADの寄生容量を含むC、
(iii)前記SPADの両端に印加される電圧と前記SPADのブレークダウン電圧との差分である余剰バイアス電圧Vex、
(iv)前記SPADの空乏層幅W、
(v)前記ブレークダウン電圧のいずれか1以上を参照し、前記参照したパラメータ以外の1以上のパラメータを制御する、
請求項2または3に記載のフォトディテクタ。 - 前記第1抵抗は可変抵抗であり、
前記制御基準器は、前記余剰バイアス電圧が大きいほど、前記第1抵抗の抵抗値を小さくする、
請求項5に記載のフォトディテクタ。 - 前記第1抵抗は第1トランジスタを含み、
前記第1抵抗の抵抗値は、前記第1トランジスタのチャネル抵抗に対応する、
請求項6に記載のフォトディテクタ。 - 前記SPADの寄生容量を含む容量Cは可変であり、
前記制御基準器は、前記余剰バイアス電圧が大きいほど、容量Cの容量値を小さくする、
請求項5に記載のフォトディテクタ。 - 前記第1抵抗は第1トランジスタを含み、
前記SPADと前記第1トランジスタの接続された端に第2トランジスタを備え、
前記第2トランジスタの前記接続された端と逆の端には、第2容量を備え、
前記SPADの余剰バイアス電圧を参照し、前記第2トランジスタのゲート電圧を制御する、
請求項8に記載のフォトディテクタ。 - 請求項1~9のいずれか1項に記載のフォトディテクタをN個備え(Nは2以上の整数)、
前記N個のフォトディテクタに含まれるN個の直列回路は並列に接続され、
前記N個の直列回路のそれぞれは、直列接続された前記SPADおよび前記第1抵抗を有し、
前記N個の直列回路の一端であって前記SPAD側のN個の一端は互いに接続され、
さらに、前記互いに接続されたN個の前記一端に接続され、かつ、前記N個のフォトディテクタと直列に接続される第2抵抗を備え、
前記第2抵抗の抵抗値は、前記第1抵抗の抵抗値のN分の1よりも小さい、
フォトディテクタアレイ。 - 前記N個のSPADは、同一の半導体基板上に配置され、
前記互いに接続されたN個の前記一端は、前記半導体基板を介して接続される、
請求項10に記載のフォトディテクタアレイ。 - 前記半導体基板の主面であり、前記互いに接続されたN個の前記一端の側の主面である第2主面に接して配置された電極を介して、
前記互いに接続されたN個の一端に電圧が印加される、
請求項11に記載のフォトディテクタアレイ。 - 前記N個のフォトディテクタの配された受光領域と、
前記受光領域の外に配されたコンタクト領域と、
前記コンタクト領域に、前記半導体基板の主面であり、前記互いに接続されたN個の前記一端の側の主面である第2主面と逆側の主面である第1主面に接するように配された第2配線と、を備え、
前記互いに接続されたN個の前記一端には前記第2配線を介して電圧が印加される、
請求項11に記載のフォトディテクタアレイ。 - 前記N個のフォトディテクタの制御、または信号処理を行う周辺回路部を備え、
前記コンタクト領域は、前記受光領域と前記周辺回路部の間に配置される、
請求項13に記載のフォトディテクタアレイ。 - 前記第1抵抗は第1トランジスタを含み、
前記N個のフォトディテクタのそれぞれは、前記第1トランジスタを含む少なくとも2つのトランジスタを備え、
前記第1抵抗は前記第1トランジスタのチャネル抵抗であり、
前記第1トランジスタのゲート面積は前記フォトディテクタの有する他のトランジスタのゲート面積より大きい、
請求項10~14のいずれか1項に記載のフォトディテクタアレイ。 - 前記第1トランジスタは、
前記SPADをリセットするリセット期間において導通状態であり、
前記SPADに入射した光を検出する露光期間において非導通状態である、
請求項16に記載のフォトディテクタアレイ。 - 前記第1トランジスタのチャネルの導電型は、
前記SPADの、前記第1トランジスタが接続された端の導電型と同一である、
請求項16または17に記載のフォトディテクタアレイ。 - 前記第3容量の容量値は、前記SPADの容量より大きい
請求項16~18のいずれか1項に記載のフォトディテクタアレイ。 - 請求項1~15のいずれか一項に記載のフォトディテクタを有する受光部と、
測定対象物に向けて発光する発光部と、
前記受光部および前記発光部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記測定対象物で反射した反射光に対応する信号を前記受光部から受け、前記測定対象物までの距離を算出する、
距離測定システム。 - 前記第1抵抗は第1トランジスタを含み、
前記発光部の発光後に、前記SPADの両端に印加される電圧と前記SPADのブレークダウン電圧との差分である余剰バイアス電圧を時間と共に増大させ、
前記第1トランジスタのチャネル抵抗を時間と共に低下させる、
請求項20に記載の距離測定システム。
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