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公開番号2024118040
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-30
出願番号2023024211
出願日2023-02-20
発明の名称光電変換装置
出願人キヤノン株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H04N 25/773 20230101AFI20240823BHJP(電気通信技術)
要約【課題】感度や飽和信号量を低下することなく暗電子による暗出力を大幅に低減しうる光電変換装置を提供する。
【解決手段】光電変換装置は、第1導電型の第1半導体領域と、第2導電型の第2半導体領域と、第2半導体領域とPN接合を形成する第1導電型の第3半導体領域と、を有する光電変換部と、第1,第2半導体領域間に印加される逆バイアス電圧を制御する制御回路と、第1,第2半導体領域の間のPN接合で生じたアバランシェ増倍を検知するアバランシェ増倍検知回路と、を有する。制御回路は、逆バイアス電圧を第1電圧に設定して信号電荷を第3半導体領域に蓄積する期間と、逆バイアス電圧を第2電圧に設定して第3半導体領域から第1半導体領域への信号電荷の転送及び第1,第2半導体領域間のPN接合におけるアバランシェ増倍を可能にする期間と、を実行し、逆バイアス電圧を矩形状に変化させることにより第1電圧と第2電圧とを切り替える。
【選択図】図9
特許請求の範囲【請求項１】
信号電荷と同じ極性のキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域との間にＰＮ接合を形成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域との間にＰＮ接合を形成する前記第１導電型の第３半導体領域と、を有する光電変換部と、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に印加される逆バイアス電圧を制御する制御回路と、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の前記ＰＮ接合で生じたアバランシェ増倍を検知するアバランシェ増倍検知回路と、を有し、
前記制御回路は、前記逆バイアス電圧を第１電圧に設定し、前記光電変換部への光子の入射により生じた信号電荷を前記第３半導体領域に蓄積する信号蓄積動作期間と、前記逆バイアス電圧を前記第１電圧よりも大きい第２電圧に設定し、前記第３半導体領域から前記第１半導体領域への信号電荷の転送及び前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の前記ＰＮ接合におけるアバランシェ増倍を可能にする信号読み出し動作期間と、を実行するように構成されており、
前記制御回路は、前記逆バイアス電圧を矩形状に変化させることにより前記第１電圧と前記第２電圧との間の切り替えを行うように構成されている
ことを特徴とする光電変換装置。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記信号蓄積動作期間と前記信号読み出し動作期間とを複数回、繰り返し実行し、前記アバランシェ増倍検知回路により検知されたアバランシェ増倍の回数をカウントする
ことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記制御回路は、１フレーム期間の間に、前記信号蓄積動作期間と前記信号読み出し動作期間とを各々が含む複数の単位期間を繰り返し実行するように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項４】
１フレーム期間の間に前記アバランシェ増倍検知回路により検知されたアバランシェ増倍の回数をカウントするカウンタを更に有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１電圧と前記第２電圧との間の切り替えに要する遷移時間は１００ｎｓ以下である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記信号読み出し動作期間の長さは、前記信号蓄積動作期間の長さの１／１００以下である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記信号蓄積動作期間の長さは、前記光電変換部への光子の入射により生じる信号電荷が多くても１個となるように設定されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記信号読み出し動作期間の間に１回以上のアバランシェ増倍が生じた場合に、前記アバランシェ増倍検知回路は、アバランシェ増倍の回数によらずアバランシェ増倍が生じたことを示す１つのパルス信号を出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第１電圧は、信号電荷が前記第３半導体領域から前記第１半導体領域に転送されるのを阻むポテンシャルバリアを前記第２半導体領域に形成し、且つ、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の前記ＰＮ接合の降伏電圧よりも小さい電圧である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記逆バイアス電圧が前記第１電圧から前記第２電圧に切り替わる過渡状態において、前記第３半導体領域に蓄積された信号電荷の前記第１半導体領域への転送が開始されるときの前記逆バイアス電圧は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の前記ＰＮ接合の降伏電圧よりも１Ｖ以上大きい電圧である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
単一光子レベルの微弱光を検出可能な検出器として、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Single Photon Avalanche Diode）が知られている。ＳＰＡＤは、半導体のＰＮ接合部に誘起された強電界により発生するアバランシェ増倍現象を用いることで、光子により励起された信号電荷を数倍～数百万倍程度に増幅するものである。アバランシェ増倍現象により発生した電流をパルス信号に変換し、そのパルス信号の数をカウントすることで、入射するフォトンの個数を直接計測することが可能となる。特許文献１には、光電変換により生じた信号電荷を蓄積した後、蓄積した信号電荷をアバランシェダイオードに転送し、生じたアバランシェ電流をパルス信号に変換するように構成した光検出装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２０－０４７７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の光検出装置では、蓄積された複数の信号電荷が同時に転送されないように読み出し電圧を徐々に変化するため、信号読み出し動作期間が長くなり、暗電子に起因する暗出力が増加する懸念があった。
【０００５】
本発明の目的は、感度や飽和信号量を低下することなく暗電子による暗出力を大幅に低減しうる光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書の一開示によれば、信号電荷と同じ極性のキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域との間にＰＮ接合を形成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域との間にＰＮ接合を形成する前記第１導電型の第３半導体領域と、を有する光電変換部と、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に印加される逆バイアス電圧を制御する制御回路と、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の前記ＰＮ接合で生じたアバランシェ増倍を検知するアバランシェ増倍検知回路と、を有し、前記制御回路は、前記逆バイアス電圧を第１電圧に設定し、前記光電変換部への光子の入射により生じた信号電荷を前記第３半導体領域に蓄積する信号蓄積動作期間と、前記逆バイアス電圧を前記第１電圧よりも大きい第２電圧に設定し、前記第３半導体領域から前記第１半導体領域への信号電荷の転送及び前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の前記ＰＮ接合におけるアバランシェ増倍を可能にする信号読み出し動作期間と、を実行するように構成されており、前記制御回路は、前記逆バイアス電圧を矩形状に変化させることにより前記第１電圧と前記第２電圧との間の切り替えを行うように構成されている光電変換装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、感度や飽和信号量を低下することなく暗電子による暗出力を大幅に低減した光電変換装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図（その１）である。
本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図（その２）である。
本発明の第１実施形態による光電変換装置における画素の構成例を示すブロック図である。
本発明の第１実施形態による光電変換装置の構成例を示す斜視図である。
本発明の第１実施形態による光電変換装置における画素の基本動作を説明する図である。
本発明の第１実施形態による光電変換装置の構造を示す概略断面図である。
本発明の第１実施形態による光電変換装置における光電変換部の構造を示す概略断面図である。
本発明の第１実施形態による光電変換装置における画素の主要部の等価回路図である。
本発明の第１実施形態による光電変換装置の駆動方法を示すタイミング図である。
本発明の第１実施形態による光電変換装置における光電変換部の電位分布を示すグラフである。
光電変換装置の画素の光電変換特性を示すグラフである。
本発明の第２実施形態による光電変換装置における画素の主要部の等価回路図である。
本発明の第２実施形態による光電変換装置の駆動方法を示すタイミング図である。
本発明の第３実施形態による光電変換装置における画素の主要部の等価回路図である。
本発明の第３実施形態による光電変換装置の駆動方法を示すタイミング図である。
本発明の第４実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。
本発明の第５実施形態による距離画像センサの概略構成を示すブロック図である。
本発明の第６実施形態による内視鏡手術システムの構成例を示す概略図である。
本発明の第７実施形態による移動体の構成例を示す概略図である。
本発明の第７実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。
本発明の第７実施形態による光検出システムの動作を示すフロー図である。
本発明の第８実施形態による光検出システムの概略構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略することがある。
【００１０】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成について、図１乃至図４を用いて説明する。図１及び図２は、本実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、本実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示すブロック図である。図４は、本実施形態による光電変換装置の構成例を示す斜視図である。
（【００１１】以降は省略されています）

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