光电检测器、光电检测器阵列及距离测量系统的制作方法

1.本公开涉及光电检测器，尤其是涉及能够检测微弱的光的固体摄像元件等的光电检测器、光电检测器阵列及距离测量系统。


背景技术：

2.近年来，在横跨医疗、通信、生物、化学、监控、车载及放射线检测等多分支的领域中使用了spad(single photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)。spad是利用雪崩击穿(avalanche breakdown)现象将光电变换所产生的信号电荷倍增从而提高了光的检测灵敏度的光电二极管(参照专利文献1、非专利文献1～5)。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开平7－176782号公报


技术实现要素：

6.发明要解决的课题
7.本公开的目的在于提供一种缩短猝熄(quenching)的停顿时间(dead time、死时间)的光电检测器、光电检测器阵列及距离测量系统。
8.用来解决课题的手段
9.为了达成上述目的，有关本公开的一方式的光电检测器具备：单光子雪崩二极管(以下记作spad)；以及第1电阻，与上述spad串联地连接；在电荷从上述spad经由上述第1电阻放出的再充电时间中，从上述spad的倍增区域不再有电荷。
10.这里，也可以是，施加在上述spad的过偏压(剩余偏压、excess bias voltage)比上述spad的击穿电压小；上述第1电阻的电阻值r满足后述的式(21)。
11.此外，有关本公开的一方式的光电检测器阵列具备n个(n是2以上的整数)上述的光电检测器；上述n个光电检测器中所包含的n个串联电路被并联连接；上述n个串联电路分别具有被串联连接的上述spad及上述第1电阻；作为上述n个串联电路的一端的上述spad侧的n个一端被相互连接；上述光电检测器阵列还具备第2电阻，该第2电阻被连接在上述被相互连接的n个上述一端，并且与上述n个光电检测器串联连接；上述第2电阻的电阻值比上述第1电阻的电阻值的n分之1小。
12.此外，有关本公开的一方式的测距测量系统具备：受光部，具有光电检测器；发光部，朝向测量对象物发光；以及控制部，对上述受光部及上述发光部进行控制；上述控制部从上述受光部接受与上述测量对象物所反射的反射光对应的信号，并计算到上述测量对象物的距离。
13.发明效果
14.根据本公开的光电检测器、光电检测器阵列及距离测量系统，能够缩短猝熄的(quenching)的停顿时间(dead time)。
附图说明
15.图1a是表示有关实施方式的光电检测器的电路例的图。
16.图1b是表示在图1a的模拟中使用的物理量的一览的图。
17.图1c是表示在图1a的模拟中使用的物理常数的一览的图。
18.图2是表示根据模拟计算的电压变动和耗尽层(depletion layer)内的电荷数量的时间变化的图。
19.图3是表示发生了雪崩倍增(avalanche multiplication)时的反向偏压的时间变化的图。
20.图4是表示有关实施方式1的光电检测器的电路例的图。
21.图5是表示有关实施方式1的光电检测器的变形例的图。
22.图6是针对过偏压及第1电阻的电阻值来表示猝熄的可否的图的一例。
23.图7是针对第1电容的电容值及第1电阻的电阻值来表示猝熄的可否的图的一例。
24.图8是表示包括有关实施方式2的光电检测器的控制系统的结构例的框图。
25.图9是表示包括有关实施方式2的光电检测器的控制系统的另一结构例的框图。
26.图10是实现图8或者图9的控制系统的光电检测器的电路图。
27.图11是表示有关实施方式3的光电检测器阵列的电路例的图。
28.图12是表示有关实施方式3的固体摄像装置的电路例的图。
29.图13是表示图12a的固体摄像装置的平面视图中的布局例的图。
30.图14是表示图13的固体摄像装置的平面视图中的布局的变形例的图。
31.图15是表示图13的xv－xv线的固体摄像装置的截面结构例的图。
32.图16是表示图13的xv－xv线的固体摄像装置的截面结构的变形例的图。
33.图17是表示有关实施方式3的固体摄像装置的另一截面结构例的图。
34.图18是图17的固体摄像装置的整体的平面视图中的示意性的布局图。
35.图19是表示采用了有关本公开的光电检测器或光电检测器阵列的距离测量系统的一例的框图。
36.图20是表示图19的测距测量系统的时序图例的图。
具体实施方式
37.(作为本公开的基础的知识)
38.本发明发明人发现，关于在“背景技术”栏中记载的spad(single photon avalanche diode)会发生以下的问题。
39.在非专利文献1中示出为了瞬时地停止(猝熄、quenching)spad的雪崩击穿所带来的电荷的倍增而将被称作猝熄元件的电阻或晶体管等电路元件(猝熄元件或猝熄电阻)与spad串联连接的结构。而且，记载了模拟结果，在第131页记载了电阻值为300kω。但是，其没有公开spad的设备构造、对于电路常数的具体的表达式或关系性。
40.在非专利文献2中公开了根据来自spad的输出对spad两端的反向偏压进行控制从而缩短猝熄的停顿时间的结构。这里，猝熄的停顿时间是指从雪崩倍增的开始起，直到施加于spad的反向偏压变动之后，反向偏压返回到能够再次倍增为止的时间。
41.但是，其没有公开对spad的猝熄电阻进行控制的结构，此外，没有示出猝熄电阻所
要求的电阻值与spad的构造、特性值或偏压条件之间的关系性，具体而言没有示出apd的电容、击穿电压(v
bd
)、耗尽层宽度、过偏压(excess voltage(vex))之间的关系性。
42.在专利文献1中，提示了根据流经apd的电流对施加于apd的反向偏压进行控制的结构，但是并没有示出对于猝熄电阻、apd的电容等的控制。
43.这里，猝熄是spad的动作原理之一，是指使雪崩倍增以一定的倍增率立即停止。spad是一种雪崩光电二极管，在击穿电压以上使用，是能够通过雪崩倍增将从单一光子产生的电子进行倍增而检测的元件。
44.本发明发明人通过猝熄的动力学模拟发现，spad的猝熄电阻所要求的必要条件是“在猝熄的再充电的过程中，载流子从耗尽层内消失”，发现了如后述的式(21)那样的电阻的条件。
45.基于该发现，能够将猝熄电阻的电阻值设定得更低、或主动地控制猝熄电阻，能够使猝熄的再充电时间即停顿时间(dead time)相对于以往的spad缩短。由此，能够实现spad的灵敏度提高及动态范围扩大。
46.以下，参照附图具体地说明实施方式。
47.另外，以下说明的实施方式都是表示包含性或具体的例子。在以下的实施方式中所表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接形态、步骤、步骤的顺序等只是一例，主旨并不是限定本公开。
48.(作为本公开的基础的模拟)
49.首先，对作为本公开的基础的模拟进行说明。
50.图1a是表示有关实施方式的光电检测器1的电路例的图。在该图中，除表示了光电检测器1之外还表示了电源13。该电路例是作为本公开的基础的有关模拟的电路图。
51.光电检测器1具备spad10、串联连接在spad10的阳极的第1电阻11、以及与spad10并联连接的第1电容12。在图1a中，第1电阻11与spad10的阴极侧连接，但也可以是与阳极侧连接。在spad10至少在耗尽层内不存在电荷的空载状态下施加击穿电压以上的反向偏压。第1电容12是spad10阴极的电容，且是包括spad10的寄生电容的电容。即，第1电容12包含spad10的接合电容、布线电容等的寄生成分，第1电容12不需要是外部电容，其种类没有被限定。换言之，第1电容12，在没有外部电容的情况下是spad10的寄生电容，在有外部电容的情况下是spad10的寄生电容与并联于spad10的电容成分之和。
52.在使用了图1a的电路的模拟中，模拟了spad10内的载流子的时间变化。在图1b中表示了在模拟中使用的物理量。此外，在图1c中表示了在模拟中使用的物理常数。另外，图1c的带有(*1)的物理常数以非专利文献3为参考。带有(*1)或(*2)的物理常数能够依据材料、温度等而取不同的值。带有(*3)的物理常数是任意地设定的参数，且由外部施加电压、设备的构造、杂质浓度等决定。关于该模拟及图1c的物理常数，虽然是设想材料为硅，但并不是限定材料，可以对材料进行变更。在此情况下，只要将图1c的物理常数根据材料进行变更即可。作为其他材料的例子，可以举出锗、砷化镓、氮化镓、磷化铟、硒等的材料。
53.由式(1)及式(2)的微分方程式记述了当通过单个光子发生了雪崩倍增时spad10中的耗尽层内的电子数量以及空穴数量的时间变化。
54.[数式1]
[0055][0056][0057]
这里，在碰撞离化率(impact ionization rates)，下述的关系式成立。
[0058]
[数式2]
[0059][0060][0061]
通过雪崩倍增产生的电荷被第1电容12暂时地保持，被经由第1电阻11向电源13放出。此时，施加在spad10的两端的电压、以及spad10内的倍增区域中的内部电场的大小按照式(5)～式(7)变化。
[0062]
[数式3]
[0063][0064][0065][0066]
此外，下式(8)表示从初始状态的电压变动δv。
[0067]
[数式4]
[0068]
δv＝v
0-v(t)
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0069]
图2是表示根据上述的模拟所计算的电压变动和耗尽层内的电荷数量的时间变化的图。图2中(a)及(b)的纵轴表示在对spad10施加的反向偏压中发生的电压变动δv的绝对值。图2中(c)及(d)的纵轴表示耗尽层内的电子数量n。横轴都表示时间变化。在图2中，是初始电压v0＝29v的模拟结果。根据图1c的物理常数得到的spad10的击穿电压是27.5v，vex＝1.5v。t＝0是雪崩倍增开始的时刻，是指在倍增区域生成了1组电子—空穴对的时刻。图2中(a)是第1电阻11的电阻值r＝65kω的结果，是不能猝熄的情况下的模拟结果的例子。在100～200ps，通过雪崩倍增所产生的电荷积蓄在电容中，从而δv为约2.6v振幅。然后，电荷经由电阻被放出(再充电)，从而δv下降，在t～730ns成为δv～0.9v之后，δv再次增大。然后，δv继续衰减振动，最终成为1.5v。由于δv不回到0，所以雪崩倍增不停止，不能猝熄。
[0070]
另一方面，图2中(b)是第1电阻11的电阻值r＝70kω的结果，是能够猝熄的情况下的模拟结果的例子。在t～200ps时电压大约成为2.6v振幅后，通过再充电而δv下降，在t～2ns成为δv～0，所以雪崩倍增停止，能够猝熄。这样，本公开的光电检测器的猝熄中的电压振幅的最大值比过电压vex大。
[0071]
根据图2中(c)的r＝65kω下的耗尽层内的电子数量的时间变化，通过再充电，在δv减小的期间中，耗尽层内的电子数量n(t)也必定是1以上，因此基于残留在耗尽层内的电子再次发生了雪崩倍增。
[0072]
根据图2中(d)的r＝70kω下的耗尽层内的电子数量的时间变化，由于在作为再充
电的途中的t～380ps时从耗尽层内不再有电子，所以不会再次引起雪崩倍增。
[0073]
通过该模拟，用来在spad10中实现猝熄的条件是在再充电的过程中从耗尽层不再有载流子，基于该条件设定电阻值，从而能够可靠地实现猝熄。此外，通过在满足该条件的范围内使电阻值变低，能够缩短停顿时间，实现灵敏度提高及动态范围扩大。
[0074]
这里，满足猝熄的条件、即满足在再充电的过程中从耗尽层不再有载流子这样的条件的第1电阻11的电阻值r，能够如下述那样解析性地计算。在vex相对于v
bd
充分小的情况下，碰撞离化率能够如式(9)及式(10)那样线性地近似。
[0075]
[数式5]
[0076][0077][0078]
其中，
[0079]
[数式6]
[0080][0081]
此外，根据非专利文献5，已知对于v
bd
，式(12)及式(13)的等式成立。
[0082]
[数式7]
[0083][0084]vs，e
n＝v
s，h
p
ꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0085]
进而，在vex相对于v
bd
充分小的情况下，由于nc(t)》》n(t)，所以式(6)可以近似为
[0086]
[数式8]
[0087][0088]
如果使用式(9)～(14)，则式(1)、式(2)可以改写为如下述。
[0089]
[数式9]
[0090][0091]
其中，
[0092]
[数式10]
[0093][0094]
根据式(14)，耗尽层内的电子数量n(t)为
[0095]
[数式11]
[0096][0097]
其中，
[0098]
[数式12]
[0099][0100]
是雪崩倍增所带来的电压变动的时间常数，t0是n(t)为最小的时间。
[0101]
这里，式(17)的右边的积分为下述那样。
[0102]
[数式13]
[0103][0104]
使用图3近似地进行式(19)中的积分。具体而言，图3是表示发生了雪崩倍增时的反向偏压v的时间变化的图。将区域a的面积与区域b的面积之差除以τqvex所得的值是式(17)的右边的积分值，利用了区域a可以近似为纵为vex、横为t
bd
的四边形，区域b可以近似为高度为vex、底边为rcln(2)的三角形。其中，
[0105]
[数式14]
[0106][0107]
是从雪崩倍增开始到成为δv＝vex的时间。
[0108]
由于式(19)小于1是猝熄的条件，所以第1电阻11的电阻值r的条件如下所述。
[0109]
[数式15]
[0110][0111]
式(19)的条件近似等同于到通过再充电而电压恢复为止的时间比从开始雪崩倍增到全部的电荷被放出为止的时间短。在式(21)的右边代入图1c的物理常数而计算出的电阻值r是68kω，与图2的结果匹配。这里，由式(21)得到的停顿时间是作为第1电阻11所带来的再充电时间的rc，为
[0112]
[数式16]
[0113][0114]
由此，停顿时间取决于(i)过偏压vex、(ii)第1电容12的电容c、(iii)耗尽层宽度w、(iv)击穿电压v
bd
。特别是，由于相对于过偏压vex大致成反比例，所以通过增大vex，能够进一步缩短停顿时间。如果使用根据本模拟求出的作为猝熄电阻的第1电阻11的电阻值r，则例如在图2的例子中能够将停顿时间减小到2ns。在非专利文献1的图7.4中，停顿时间即表述为re－charge的某个期间被读取为300ns左右。通过使用本公开，能够将停顿时间缩短到100分之1以下。
[0115]
到此为止，基于非专利文献3中表示的碰撞离化率的值进行了解析，但由于碰撞离化率的值随着spad10的温度、内部电场、设备构造而变化，所以有根据文献而记述不同的值的情况。在此情况下，也可以变更式(21)的表述。例如，非专利文献4中的碰撞离化率如下述的式(9－1)记载。
[0116]
[数式17]
[0117][0118]
其中，脚标字符的i在载流子为电子的情况下表示为e，在空穴的情况下表示为h。在此情况下，式(21)也可以改写为下述的式(21－1)。
[0119]
[数式18]
[0120][0121]
其中，
[0122]
[数式19]
[0123][0124]
这样，作为猝熄电阻的第1电阻11的电阻值r应满足的必要条件也可以根据参照的文献而不同，也可以不受温度、电场、设备构造限制。
[0125]
(实施方式1)
[0126]
使用图4～图7对有关实施方式1的光电检测器1进行说明。
[0127]
图4是表示有关实施方式1的光电检测器1的电路例的图。该光电检测器1具备spad10、串联连接在spad10的阴极的第1电阻11、与spad10并联连接的第1电容12、以及输出spad10的阴极电压的输出部14。第1电阻11的一端与第1电源v1连接。spad10的阳极与第2电源v2连接。另外，第1电容12既可以是spad10的寄生电容，也可以是与spad10单独的电容元件，也可以是这两者兼而有之。
[0128]
当光入射到spad10，由于雪崩倍增，反向偏压较大地变动，因此能够输出入射光子的有无及入射光子数量。这里，第1电容12及第1电阻11既可以通过lsi工艺形成，也可以由外带的电路元件构成。也可以是不需要将第1电容12的两端与spad10的两端连接，而是仅将一端连接。此时，对于式(21)的电容c有贡献的是连接在第1电阻11和spad10的连接的端上的电容，在图4中是连接在spad10的阴极的第1电容12。
[0129]
图5是表示有关实施方式1的光电检测器1的变形例的图。图5的光电检测器1相对于图4的结构，不同点在于，第1电阻11是作为p型沟道的晶体管的第1晶体管15的沟道电阻、
以及具备第1可变电源16。以下，以不同点为中心进行说明。
[0130]
第1可变电源16供给可变的电压作为第1晶体管15的栅极电压。此时，设定由栅极电压带来的第1晶体管15的沟道电阻，以满足猝熄电阻的条件即式(21)。这里，做成了将第1晶体管15与spad10的阴极连接的结构，但导电型没有被限定，例如可以在spad10的阳极连接n型导电型的晶体管。
[0131]
接着，使用图6、图7说明猝熄电阻的决定方式。猝熄的条件由(i)猝熄电阻的电阻值、(ii)spad10的电容c、(iii)过偏压vex、(iv)耗尽层宽度w、(v)击穿电压v
bd
决定，设定上述的(i)～(v)以满足式(21)。图6是对于过偏压vex及第1电阻11的电阻值r表示了猝熄的可否的图的一例。虚线是式(21)的计算结果，关于vex、r以外的参数使用了图1c的条件。在比虚线靠右上的区域中能够引起猝熄。但是，在左下的区域中不能引起猝熄，spad10继续雪崩倍增。
[0132]
图7是对于第1电容12的电容值c及第1电阻11的电阻值r表示了猝熄的可否的图的一例。虚线是式(21)的计算结果，关于c、r以外的参数使用了图1c的条件。在比虚线靠右上的区域中能够引起猝熄。但是，在左下的区域中不能引起猝熄，spad10继续雪崩倍增。
[0133]
通过利用图6、图7，示出了猝熄所要求的电路常数与设备构造的对应。特别是，通过以接近于图6、图7的虚线的方式设定第1电阻11的电阻值r，能够实现停顿时间较短的spad10及猝熄电路。
[0134]
如以上说明，有关实施方式1的光电检测器1具备spad10以及与spad10串联连接的第1电阻11，在从spad10经由第1电阻11放出电荷的再充电时间中，从spad10的倍增区域不再有电荷。
[0135]
这里，施加到spad10的过偏压比spad10的击穿电压小，第1电阻11的电阻值r也可以满足上述的式(21)。式(21)中的e
bd
表示spad10内部的电场强度，c表示包括spad10的寄生电容的电容，vex是过偏压，表示施加在spad10上的反向偏压与击穿电压的差，w表示spad10的耗尽层宽度，α(e
bd
)表示电场强度e
bd
下的电子的碰撞离化率，β(e
bd
)表示电场强度e
bd
下的空穴的碰撞离化率，a表示电子的碰撞离化率的系数，b表示空穴的碰撞离化率的系数，q表示基本电荷，v
s,e
表示电子的饱和速度。
[0136]
(实施方式2)
[0137]
图8是表示包含有关实施方式2的光电检测器1的控制系统的结构例的框图。该控制系统具备电源13、spad10、猝熄电阻11a、控制基准器17和输出部14。spad10及猝熄电阻11a相当于图5的光电检测器1。例如，猝熄电阻11a相当于图5的第1晶体管15及第1可变电源16。第1可变电源16按照控制基准器17的控制，向第1晶体管15的栅极输出可变的电压。
[0138]
控制基准器17参照电源13的电压，按照式(21)的关系式对猝熄电阻的电阻值r进行控制。具体而言，控制基准器17由cpu(central processing unit)等构成，根据预先记录的击穿电压与电源电压的差来计算vex。根据计算出的vex对第1晶体管15的栅极电压进行控制。也可以对栅极电压进行控制以使第1晶体管15的沟道电阻与vex大致成反比例。由此，对于不同的反向偏压也能够减小猝熄电阻11a的电阻值r而进一步缩短停顿时间。特别是对于spad10而言，若vex较大则光检测效率(photon detection efficiency(pde))较高，若vex较小则pde变低，因此也可以根据入射光量来控制反向偏压。例如，通过在入射光量较大的条件下将vex设定得较低，在入射光量较小的条件下将vex设定得较高，从而能够实现动
态范围较大的光电检测器1。此时，通过使用有关实施方式2的控制系统，能够进一步缩短停顿时间，进而能够扩大动态范围。
[0139]
图9是表示包含有关实施方式2的光电检测器1的控制系统的另一结构例的框图。在图9的结构中，与图8的结构相比，控制基准器17的控制对象被从猝熄电阻11a变更为spad电容12a。
[0140]
图9的控制基准器17在spad10的反向偏压较大时使spad电容12a减小，在spad10的反向偏压较小时使spad电容12a增大。由此，对于不同的反向偏压的值能够缩短停顿时间。
[0141]
图10是实现图8或图9的控制系统的光电检测器1的电路图。图10与图5的结构相比，不同点在于，追加了第2晶体管21、第2可变电源22及第2电容23。以下以不同点为中心进行说明。
[0142]
在spad10的阴极连接作为n型晶体管的第2晶体管21。在第2晶体管21的相反的端连接第2电容23。在第2晶体管21的栅极连接第2可变电源22。
[0143]
在图10的光电检测器1被包含在图8的控制系统中的情况下，当spad10的反向偏压较大时，降低第1晶体管15的栅极电压，从而使沟道电阻变低，当spad10的反向偏压较小时，提高第1晶体管15的栅极电压，从而使沟道电阻变高。
[0144]
在图10的光电检测器1被包含在图9的控制系统中的情况下，当spad10的反向偏压较大时，使第2晶体管21为非导通状态，从而使spad10的变小，当spad10的反向偏压较小时，使第2晶体管21为导通状态，从而使spad10的电容变大。由此，对于不同的vex的值能够使停顿时间最小化。也可以同时控制猝熄电阻11a及spad电容12a的双方。也可以参照(i)猝熄电阻的电阻值、(ii)spad10的电容c、(iii)过偏压vex、(iv)耗尽层宽度w、(v)击穿电压v
bd
中的某1个以上的参数，控制其他的不同的某1个以上的参数。此外，也可以对应于温度来控制上述(i)～(v)的参数。第1晶体管15由于沟道电阻随温度变化，因此也可以根据温度来控制栅极电压。特别是，如果过偏压vex相同，则停顿时间相同，因此优选的是对栅极电压进行控制，以使第1晶体管15的沟道电阻大致不随温度变化。由此，对于不同的温度也能够缩短停顿时间。
[0145]
如以上说明，有关实施方式2的光电检测器1具备控制基准器17，控制基准器17参照以下的5个参数(i)第1电阻11的电阻值r、(ii)包含spad10的寄生电容的电容c、(iii)过偏压vex、(iv)spad10的耗尽层宽度w、(v)击穿电压的某1个以上，对参照的参数以外的1个以上的参数进行控制。
[0146]
这里，也可以是第1电阻11为可变电阻，过偏压越大，则控制基准器17使第1电阻11的电阻值越小。
[0147]
这里，也可以是第1电阻11包含第1晶体管15，第1电阻11的电阻值对应于第1晶体管15的沟道电阻。
[0148]
这里，也可以是包含spad10的寄生电容的电容c是可变的，过偏压越大，则控制基准器17使电容c的电容值越小。
[0149]
这里，也可以是，在spad10和第1晶体管15连接的端部具备第2晶体管21，在第2晶体管21的与连接的端部相反的端部具备第2电容，参照spad10的过偏压对第2晶体管21的栅极电压进行控制。
[0150]
(实施方式3)
[0151]
图11是表示有关实施方式3的光电检测器阵列的电路例的图。该光电检测器阵列具备并联地n个(n是2以上的自然数)光电检测器1，还具备第2电阻24。n个光电检测器1分别具备spad10、第1晶体管15和第1可变电源16。在连接着光电检测器1的端即连接着spad10的端，第2电阻24被连接在spad10与第2电源v2之间。此时，要求第2电阻24将由n个spad10全部产生的电荷以比spad10的再充电时间短的时间放出。即，要求根据第2电阻24的电阻值r得到的时间常数rnc比根据第1电阻11的电阻值r得到的spad10的再充电时间rc短。即，要求满足下述的式子。
[0152]
[数式20]
[0153][0154]
根据式(21)，第2电阻24的电阻值r也可以遵循下述的式子。
[0155]
[数式21]
[0156][0157]
由此，即使将多个spad10并联地连接，也不会使猝熄特性变差。例如，能够用于将多个光电检测器1以阵列状配置的图像传感器或光子计数器等的用途。
[0158]
另外，在图11中省略了输出部14，但各光电检测器1也可以具备输出部14，此外也可以由n个光电检测器1共用输出部。在各光电检测器1具备输出部14的情况下，也可以将spad10的阴极与第1晶体管15的连接部作为输出节点。此外，在由n个光电检测器1共用输出部的情况下，也可以将spad10的阳极与第2电阻24的连接部作为输出部。
[0159]
图12是表示有关实施方式3的固体摄像装置100的电路例的图。图12的固体摄像装置100除了具备多个光电检测器1以外，还具备控制基准器42、选择部41、负载部43、信号处理部44、信号输出线、输出部45。此外，图12的光电检测器1与图11a的光电检测器1相比，不同点在于，追加了第3电源v3、第3晶体管33及第4晶体管34。以下，以不同点为中心进行说明。
[0160]
第3晶体管33是向spad10的阴极输出与电荷量对应的电压的放大晶体管。详细地讲，第3晶体管33在第4晶体管34为导通时，与负载部43的负载(例如定电流源)一起构成源极跟随器。
[0161]
第4晶体管34是对应于来自选择部41的选择控制信号而导通的选择用的开关晶体管。
[0162]
控制基准器42、选择部41、信号处理部44也可以形成在半导体衬底上，有时将它们一起称作周边电路部。spad10的阴极与第3晶体管33的栅极连接，对应于spad10的阴极电压而电流量发生变化。选择部41与第4晶体管34的栅极连接，选择将信号输出的至少1个光电检测器1。来自所选择的光电检测器1的信号经由信号输出线被向信号处理部44输出。由信号处理部44处理后的信号作为数值数据或图像数据被从输出部45输出。输出部45例如是显示器等。由此，能够将来自光电检测器1的输出以图像形式等的形式输出。在图12中，第3晶体管33及第4晶体管34的导电型为p型，但也可以为n型。
[0163]
接着，对图12的固体摄像装置的设备构造进行说明。
[0164]
在图13～图15中表示实施方式3的光电检测器阵列及固体摄像装置的设备构造。图13是表示图12的固体摄像装置100的平面视图中的布局例的图。在图13中表示了2
×
2像素的构造。图13具备多个光电检测器1，在光电检测器1内具备spad10、第1阱wl1、第1布线w1、第1晶体管15的栅极g1、第3晶体管33的栅极g3、第4晶体管34的栅极g4、以及包含在spad10中的第1导电型的第1半导体层l1和第2导电型的第3半导体层l3。为了容易观察，省略了第1布线w1以外的布线、以及第1半导体层l1、第3半导体层l3、第1阱wl1以外的半导体层。第1晶体管15、第3晶体管33和第4晶体管34被配置在第1阱wl1内。第1半导体层l1通过第1布线w1与第1晶体管15的漏极及第3晶体管33的栅极g3连接。第1晶体管15的源极与第1电源v1连接。
[0165]
图14是表示实施方式3的固体摄像装置100的平面视图中的布局的变形例的图。在图14的布局中，与图13的布局相比，第1晶体管15的栅极g1的面积大于第3晶体管33的栅极g3的面积、及第4晶体管34的栅极g4的面积。
[0166]
这样，第1晶体管15的栅极g1的面积比其他的晶体管即第3晶体管33、第4晶体管34的栅极面积大。由此，能够抑制第1晶体管15的阈值电压的离差，能够抑制第1晶体管15沟道电阻的离差。由此，能够在满足式(21)的条件的同时，使配置为阵列状的光电检测器1的数量更多，动态范围变大。
[0167]
图15是表示图13的xv－xv线的固体摄像装置100的截面结构例的图。具备半导体衬底sub、以与半导体衬底sub的第1主面s1侧相接的方式配置的布线层lm、以与第2主面s2侧相接的方式配置的电极el、以及与布线层lm的上部相接的透镜层ll，光照射面是第1主面s1侧。在图15的截面中，除了图13中所示之外，在半导体衬底sub内具备第2导电型的第2半导体层l2、第2导电型的第4半导体层l4。由第1半导体层l1、第2半导体层l2、第3半导体层l3、第4半导体层l4构成spad10，第1半导体层l1和第2半导体层l2的边界周边是倍增区域mp。第2半导体层l2彼此经由半导体衬底sub或第4半导体层l4连接。布线层lm中省略了第1布线w1以外的布线。此外，透镜层ll具备微透镜ml。这里，向spad10的阳极施加电压即向第2半导体层l2施加电压也可以经由电极el进行。在此情况下，由于第2电阻24包含半导体衬底sub与电极el间的结，所以半导体衬底sub与电极el间的结的电阻优选的是较低。例如，在半导体衬底sub是型硅的情况下，电极材料可以使用ag、pt、ti、au等。由此，能够降低第2电阻24，扩大动态范围。
[0168]
这里，第3半导体层l3具有将第1半导体层l1与第1半导体层l1之间分离、以及将第1半导体层l1与第1阱wl1之间分离的功能。第3半导体层l3的与第1主面s1相接的区域的至少一部分也可以被耗尽化。由此，使第1半导体层l1与第1半导体层l1之间、或第1半导体层l1与第1阱wl1之间的分离变窄，能够使光电检测器1更微细化。此外，在配置有第3半导体层l3的区域的与第1主面s1相接的区域，也可以不配置触头或沟槽。由此，能够减少第3半导体层l3的缺陷，减小暗电流。
[0169]
在图15中，为了方便，将第2半导体层l2、第3半导体层l3、第4半导体层l4呈现为不同的半导体层，但是这些半导体层并不一定需要以不同的杂质浓度、不同的杂质注入等来形成，例如也可以是相同的杂质浓度。
[0170]
图16是表示图13的xv－xv线的固体摄像装置100的截面结构的变形例的图。图16的变形例与图15的结构相比，将光照射面从第1主面s1变更到第2主面s2侧。透镜层ll以与
电极el的上部相接的方式而配置。由此，能够防止布线上的光反射，提高灵敏度。此时，电极el优选的是透光率较高的材料。例如，在使用的波长域是可视～近红外的情况下，也可以使用ito(indium tin oxide)等。
[0171]
图17是表示有关实施方式3的固体摄像装置100的另一截面结构例的图。该图表示了比图16大范围的剖视图。固体摄像装置100具备设有多个光电检测器1的受光区域46和作为受光区域46的外部的接触区域47。在接触区域47具备滤光器fl、第2布线w2及第5半导体层l5。经由第2布线w2及第5半导体层l5、第4半导体层l4、电极el对于spad10的阳极施加电压。在图17中，在接触区域47的与第2主面s2相接的区域设置有滤光器fl，使得入射光不透过，由此，能够防止入射到接触区域47中的光引起的误检测。在图17中，第2电阻24由第2布线w2及第5半导体层l5、第4半导体层l4、电极el构成。在图17的例子中，也可以并不一定设置电极el。在不设置电极el的情况下，能够防止因电极el的光反射及光吸收等造成的光灵敏度的下降，提高灵敏度。这里，第4半导体层l4、第5半导体层l5也可以为了减小扩散电阻而提高杂质浓度，由此，容易满足作为第2电阻24的必要条件的式(23)或式(24)。特别是，第4半导体层l4也可以使杂质浓度从第1主面s1侧朝向第2主面s2侧逐渐变高。由此，在第4半导体层l4产生的电荷通过第4半导体层l4的内部电势(built-in potential)而被转送到倍增区域mp，能够提高灵敏度。此外，在图17中为从第2主面s2照射光的结构，但也可以是从第1主面s1照射光的结构。
[0172]
图18是图17的固体摄像装置100的整体的平面视图中的示意性的布局图。图18具备芯片，在芯片内具备受光区域46、接触区域47、控制基准器42、选择部41和信号处理部44。接触区域47与受光区域46相邻地配置，以将受光区域46的周围包围的方式配置。控制基准器42、选择部41和信号处理部44配置在比接触区域47靠外周。通过接触区域47与受光区域46相邻地配置，能够进一步减小第2电阻24，能够实现动态范围较大的光电检测器阵列。只要满足作为第2电阻24的条件的式(23)或式(24)，也可以将接触区域47配置在控制基准器42、选择部41和信号处理部44某个的外侧。
[0173]
如以上说明，有关实施方式3的光电检测器阵列具备n个(n是2以上的整数)上述的光电检测器1，n个光电检测器1中包含的n个串联电路被并联地连接，n个串联电路分别具有串联连接的spad10及第1电阻11，作为n个串联电路的一端的spad10侧的n个一端被相互连接，进而，具备第2电阻24，该第2电阻24与被相互连接的n个一端连接，并且与n个光电检测器串联地连接，第2电阻24的电阻值比第1电阻11的电阻值的n分之1小。
[0174]
这里，也可以是n个spad10被配置在相同的半导体衬底上，相互连接的n个一端经由半导体衬底而被连接。
[0175]
这里，也可以是电压经由与第2主面相接地配置的电极而施加在相互连接的n个一端，上述第2主面是半导体衬底的主表面，且是被相互连接的n个一端的一侧的主表面。
[0176]
这里，也可以是，具备：受光区域，配设有n个光电检测器；接触区域，配设在受光区域之外；以及第2布线，在接触区域，以与第1主面相接的方式配设，上述第1主面是与第2主面相反侧的主表面，电压经由第2布线施加在被相互连接的n个一端。
[0177]
这里，也可以具备周边电路部，该周边电路部进行n个光电检测器的控制，或进行信号处理，接触区域被配置在受光区域与周边电路部之间。
[0178]
这里，也可以是，n个光电检测器分别具备包含第1晶体管的至少两个晶体管，第1
电阻11是第1晶体管15的沟道电阻，第1晶体管15的栅极面积比光电检测器所具有的其他的晶体管的栅极面积大。
[0179]
此外，有关实施方式3的光电检测器阵列具备m个(m是2以上的整数)上述的光电检测器1，光电检测器1彼此在spad10的一端连接，在被连接的一端连接着第3电阻31及第3电容32，第1电阻11是第1晶体管15，第3电阻31的电阻值r’满足式(25)。
[0180]
这里，第1晶体管15也可以在将spad10复位的复位期间中是导通状态，在检测入射到spad10的光的曝光期间中是非导通状态。
[0181]
这里，第1晶体管15的沟道的导电型也可以与spad10的连接着第1晶体管15的端的导电型相同。
[0182]
这里，第3电容的电容值也可以比spad10的电容大。
[0183]
[光电检测器或者光电检测器阵列的应用例]
[0184]
以下，参照附图来说明光电检测器或光电检测器阵列的应用例。
[0185]
图19是表示光电检测器或光电检测器阵列的应用例、即采用了有关本公开的光电检测器1或光电检测器阵列的距离测量系统的一例的框图。
[0186]
有关光电检测器1或光电检测器阵列的应用例的距离测量系统500具有：发出脉冲光的发光部510、将反射的脉冲光受光的受光部520、对发光部510及受光部520进行控制的控制部530、以及将来自受光部520的信号输出的输出部540。
[0187]
发光部510由发光二极管等的发光设备构成，通过来自控制部530的控制信号产生脉冲光，朝向测量对象物600照射。发光部510可以是扩散光源，测量对象物600可以是多个。
[0188]
受光部520是上述的有关实施方式的光电检测器1、光电检测器阵列或固体摄像装置100，将由测量对象物600反射的脉冲光受光。受光部520也可以具备透镜等的光学系统，也可以在光电检测器1或光电检测器阵列面上成像。
[0189]
控制部530由cpu(central processing unit)等构成，对发光部510和受光部520进行控制以使两者同步地动作。此外，控制部530基于针对发光部510的控制信号和来自受光部520的输出信号，测量从脉冲光被测量对象物600反射直到返回到受光部520为止的时间，由此计算到测量对象物600的距离。
[0190]
输出部540将在控制部530中计算出的到测量对象物600的距离以数值数据形式或图像形式输出。输出部540通常由显示器、例如液晶显示器或有机el显示器等构成。
[0191]
有关本实施方式的距离测量系统500是所谓的tof(time of flite)方式的距离测量系统。
[0192]
图20是表示图19的测距测量系统500的时序图例的图。时序图包括发光部的脉冲光、反射光1、反射光2、过偏压vex、第1晶体管15的栅极电压、第1晶体管15的沟道电阻、spad1输出和spad2输出；在纵轴，发光部的脉冲光、反射光1、反射光2表示光强度；过偏压、第1晶体管15的栅极电压、spad1输出和spad2输出表示电压，第1晶体管15的沟道电阻表示电阻值。横轴表示时间。spad1、spad2是光电检测器阵列内的spad10之一，各自位置不被限定。发光部是扩散光源，测量对象物至少有两个以上，有比较近的测量对象物和比较远的测量对象物。反射光1是照射在比较近的测量对象物上、在反射后入射到spad1的光，反射光2是照射在比较近的测量对象物上、在反射后入射到spad2的光。这里，如图20所示，随着时间而使vex变高。在将扩散光照射在被摄体上、受光来自被摄体的扩散反射光的情况下，由于
光强度与距离的平方成反比例而减少，所以来自较近的测量对象物的反射光其光强度较高，来自较远的测量对象物的反射光其光强度较低。因此，在检测来自较近的测量对象物的反射光时，通过使vex较低、使光检测效率(photon detection efficiency(pde))较低，从而能够在防止二重计数的同时减小由暗电流造成的误检测概率。在检测来自较远的测量对象物的反射光时，通过使vex较高、使pde较高，从而能够减小检测遗漏的可能性。此时，为了在使停顿时间最小化的同时实现猝熄，也可以随着时间使电阻值减小。例如，在图12a的电路中，由于猝熄电阻是p型晶体管，所以只要随着时间而降低栅极电压即可。
[0193]
此外，有关实施方式3的测距测量系统500具备：具有上述的光电检测器1的受光部520、朝向测量对象物发光的发光部510、以及对受光部520及发光部510进行控制的控制部530，控制部530从受光部510接受与测量对象物所反射的反射光对应的信号，计算到测量对象物的距离。
[0194]
这里，在发光部510发光后，也可以使过偏压随着时间而增大，使第1晶体管15的沟道电阻随着时间而降低。
[0195]
以上，基于实施方式说明了有关一个或多个技术方案的光电检测器、光电检测器阵列及距离测量系统，但本公开并不限定于该实施方式。只要不脱离本公开的主旨，对本实施方式施以本领域技术人员想到的各种变形后的形态、或将不同实施方式的构成要素组合而构建的形态也可以也包含在一个或多个技术方案的范围内。
[0196]
工业实用性
[0197]
本公开能够用于光电检测器、光电检测器阵列及距离测量系统，例如能够用于固体摄像装置、测距装置、照相机等。
[0198]
标号说明
[0199]
1光电检测器；10spad；11第1电阻；11a猝熄电阻；12第1电容；12a spad电容；13电源；14输出部；15、15a第1晶体管；16、16a第1可变电源；17控制基准器；21第2晶体管；22第2可变电源；23第2电容；24第2电阻；31第3电阻；32第3电容；33第3晶体管；34第4晶体管；35第5晶体管；36第6晶体管；37第4电容；41选择部；42控制基准器；43负载部；44信号处理部；45输出部；46受光区域；47接触区域；48半导体芯片；100固体摄像装置；500测距测量系统；510发光部；520受光部；530控制部；540输出部；ca接触区域；el电极；fl滤光器；g1、g2、g3栅极；l1第1半导体层；l2第2半导体层；l3第3半导体层；l4第4半导体层；l5第5半导体层；ll透镜层；lm布线层；ml微透镜；mp倍增区域；s1第1主面；s2第2主面；sub半导体衬底；v1第1电源；v2第2电源；w1第1布线；w2第2布线；wl1第1阱。

技术特征：
1.一种光电检测器，具备：单光子雪崩二极管即spad；以及第1电阻，与上述spad串联地连接，在电荷从上述spad经由上述第1电阻放出的再充电时间中，从上述spad的倍增区域不再有电荷。2.如权利要求1所述的光电检测器，上述spad的端部中的与上述第1电阻连接的端部的电压振幅的最大值比作为施加在上述spad的两端的电压与上述spad的击穿电压之差的过电压大。3.一种光电检测器，具备：单光子雪崩二极管即spad；电容，与上述spad并联地连接；第1电阻，与上述spad串联地连接；以及读出部，将上述spad的端部中的与上述第1电阻连接的端部的电压读出。4.如权利要求1或3所述的光电检测器，施加在上述spad的过偏压比上述spad的击穿电压小，上述第1电阻的电阻值r满足[数式1]式中的e
bd
表示上述spad内部的电场强度；c表示包括spad的寄生电容的电容；v
ex
是上述过偏压，表示施加在上述spad的反向偏压与上述击穿电压之差；w表示上述spad的耗尽层宽度；α(e
bd
)表示电场强度e
bd
下的电子的碰撞离化率；β(e
bd
)表示电场强度e
bd
下的空穴的碰撞离化率；a表示电子的碰撞离化率的系数；b表示空穴的碰撞离化率的系数；q表示基本电荷；v
s,e
表示电子的饱和速度。5.如权利要求2或3所述的光电检测器，具备控制基准器，上述控制基准器参照以下5个参数中的某一个以上的参数，并对上述参照的参数以外的一个以上的参数进行控制，上述5个参数为：(i)上述第1电阻的电阻值r；(ii)包括上述spad的寄生电容的c；
(iii)作为施加在上述spad的两端的电压与上述spad的击穿电压之差的过偏压v
ex
；(iv)上述spad的耗尽层宽度w；(v)上述击穿电压。6.如权利要求5所述的光电检测器，上述第1电阻是可变电阻，上述过偏压越大，上述控制基准器使上述第1电阻的电阻值越小。7.如权利要求6所述的光电检测器，上述第1电阻包括第1晶体管，上述第1电阻的电阻值与上述第1晶体管的沟道电阻对应。8.如权利要求5所述的光电检测器，包括上述spad的寄生电容的电容c可变，上述过偏压越大，上述控制基准器使电容c的电容值越小。9.如权利要求8所述的光电检测器，上述第1电阻包括第1晶体管，在上述spad和上述第1晶体管的被连接的端部具备第2晶体管，在上述第2晶体管的与上述被连接的端部相反的端部具备第2电容，参照上述spad的过偏压，对上述第2晶体管的栅极电压进行控制。10.一种光电检测器阵列，具备n个如权利要求1～9中任一项所述的光电检测器，n是2以上的整数，n个上述光电检测器所包含的n个串联电路被并联地连接，上述n个串联电路分别具有被串联连接的上述spad及上述第1电阻，作为上述n个串联电路的一端的上述spad侧的n个一端被相互连接，上述光电检测器阵列还具备第2电阻，上述第2电阻与上述被相互连接的n个上述一端连接，并且与上述n个光电检测器串联地连接，上述第2电阻的电阻值比上述第1电阻的电阻值的n分之1小。11.如权利要求10所述的光电检测器阵列，n个上述spad被配置在相同的半导体衬底上，上述被相互连接的n个上述一端经由上述半导体衬底而被连接。12.如权利要求11所述的光电检测器阵列，经由与第2主面相接而配置的电极，对于上述被相互连接的n个一端施加电压，上述第2主面是上述半导体衬底的主表面，且是上述被相互连接的n个上述一端的一侧的主表面。13.如权利要求11所述的光电检测器阵列，具备：受光区域，配置有上述n个光电检测器；接触区域，配置在上述受光区域之外；以及第2布线，以与第1主面相接的方式配置在上述接触区域，上述第1主面是上述半导体衬底的主表面，且是与上述被相互连接的n个上述一端的一侧的主表面即第2主面相反侧的主表面，经由上述第2布线，对于上述被相互连接的n个上述一端施加电压。
14.如权利要求13所述的光电检测器阵列，具备进行上述n个光电检测器的控制或信号处理的周边电路部，上述接触区域配置在上述受光区域与上述周边电路部之间。15.如权利要求10～14中任一项所述的光电检测器阵列，上述第1电阻包括第1晶体管，上述n个光电检测器分别具备包括上述第1晶体管在内的至少两个晶体管，上述第1电阻是上述第1晶体管的沟道电阻，上述第1晶体管的栅极面积比上述光电检测器所具有的其他晶体管的栅极面积大。16.如权利要求4～9或15中任一项所述的光电检测器阵列，具备m个如权利要求1所述的光电检测器，m是2以上的整数，上述光电检测器彼此在上述spad的一方的端部被连接，在上述被连接的端部连接着第3电阻及第3电容，上述第1电阻包括第1晶体管，上述第1电阻是上述第1晶体管，第3电阻的电阻值r’满足[数式2]17.如权利要求16所述的光电检测器阵列，上述第1晶体管在将上述spad复位的复位期间中是导通状态；在检测入射到上述spad的光的曝光期间中是非导通状态。18.如权利要求16或17所述的光电检测器阵列，上述第1晶体管的沟道的导电型与上述spad的连接着上述第1晶体管的端部的导电型相同。19.如权利要求16～18中任一项所述的光电检测器阵列，与上述spad的电容相比，上述第3电容的电容值大。20.一种距离测量系统，具备：受光部，具有如权利要求1～15中任一项所述的光电检测器；发光部，朝向测量对象物发光；以及控制部，对上述受光部及上述发光部进行控制，上述控制部从上述受光部接受与上述测量对象物所反射的反射光对应的信号，计算到上述测量对象物的距离。21.如权利要求20所述的距离测量系统，上述第1电阻包括第1晶体管，在上述发光部发光后，使过偏压随着时间而增大，上述过偏压是施加在上述spad的两
端的电压与上述spad的击穿电压之差，使上述第1晶体管的沟道电阻随着时间而降低。

技术总结
光电检测器(1)具备SPAD(10)以及与SPAD(10)串联连接的第1电阻(11)，在电荷从SPAD(10)经由第1电阻(11)被放出的再充电时间中，从SPAD(10)的倍增区域不再有电荷。从SPAD(10)的倍增区域不再有电荷。从SPAD(10)的倍增区域不再有电荷。


技术研发人员：井上晓登 广濑裕
受保护的技术使用者：松下知识产权经营株式会社
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2023/8/5