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公開番号2025061128
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-10
出願番号2025003108,2020530930
出願日2025-01-08,2019-06-06
発明の名称光検出装置、検出装置、及び検出装置の制御方法
出願人浜松ホトニクス株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類G01S 17/894 20200101AFI20250403BHJP(測定;試験)
要約【課題】各アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加する配線及び各セルから信号を読み出す配線の構成が簡素化し得る光検出装置を提供する。
【解決手段】複数のセルのそれぞれは、ガイガーモードで動作する少なくとも1つのアバランシェフォトダイオードを含んでいる。投光部は、検出対象領域に向けて、第1方向が長手方向である断面形状の光を投光する。投光部は、列方向に並ぶM個のセルをそれぞれ含むN個のセル群のうちの1又は複数個のセル群ごとに反射光が入射するように、第1方向と交差する第2方向に沿って光を走査する。制御部は、反射光の入射に対応して、アバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させるバイアス電圧を1又は複数個のセル群ごとに印加し、バイアス電圧が印加された1又は複数個のセル群に含まれるセルからの信号を読み出す。
【選択図】図3

特許請求の範囲【請求項１】
検出対象領域に向けて、第１方向が長手方向である断面形状の光を投光する投光部と、
Ｍ行Ｎ列（Ｍ及びＮは、２以上の整数）に２次元配列されている複数のセルを含む半導体基板を有し、前記投光部によって投光された前記光の反射光を受光する受光部と、
前記受光部と接続されている制御部と、を備え、
前記複数のセルのそれぞれは、ガイガーモードで動作する少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードを含み、
前記複数のセルは、列方向に並ぶＭ個の前記セルをそれぞれ含むＮ個の第一セル群を有し、
前記投光部は、１又は複数個の前記第一セル群ごとに前記反射光が入射するように、前記第１方向と交差する第２方向に沿って前記光を走査し、
前記制御部は、
前記アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧よりも大きい第１電圧と、前記ブレークダウン電圧よりも小さい第２電圧とのいずれかを１又は複数個の前記第一セル群ごとに印加し、
前記反射光の入射に対応して前記第１電圧が印加された１又は複数個の前記第一セル群に含まれる前記セルからの信号を読み出す、
光検出装置。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記投光部は、前記第一セル群ごとに前記反射光が入射するように、前記第２方向に沿って前記光を走査し、
前記制御部は、前記反射光の入射に対応して、前記第１電圧を前記第一セル群ごとに印加し、前記第１電圧が印加された前記第一セル群に含まれるＭ個の前記セルからの信号を読み出す、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記第一セル群ごとに対応して設けられている複数の第１配線と、複数の第２配線と、をさらに備え、
前記複数のセルは、行方向に並ぶＮ個の前記セルをそれぞれ含むＭ個の第二セル群を有し、
前記複数の第２配線は、前記第二セル群ごとに対応して設けられており、
各前記第１配線は、Ｎ個の前記第一セル群のうち対応する第一セル群に含まれるＭ個の前記セルの陽極及び陰極の一方に電気的に接続されており、
各前記第２配線は、Ｍ個の前記第二セル群のうち対応する第二セル群に含まれるＮ個の前記セルの前記陽極及び前記陰極の他方に電気的に接続されており、
前記制御部は、
各前記第１配線を介して前記対応する第一セル群に含まれるＭ個の前記セルに前記第１電圧を印加し、
各前記第２配線を介して前記信号を読み出す、請求項１又は請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記制御部を有する回路基板をさらに備え、
前記複数のセルのそれぞれは、前記回路基板に電気的に接続されており、
前記複数の第１配線及び前記複数の第２配線は、前記回路基板に設けられている、請求項３に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記半導体基板には、互いに隣り合う前記第一セル群を分離するように、トレンチが形成されている、請求項１～請求項４の何れか一項に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記半導体基板は、互いに対向する第１主面及び第２主面を含み、
前記トレンチは、前記第１主面及び前記第２主面に開口していると共に、前記第１主面と直交する方向から見て、前記複数のセルのそれぞれを囲んでいる、請求項５に記載の光検出装置。
【請求項７】
Ｍ行Ｎ列（Ｍ及びＮは、２以上の整数）に２次元配列されている複数のセルを含む半導体基板を有する受光部と、
前記受光部と接続されている制御部と、を備え、
前記複数のセルのそれぞれは、ガイガーモードで動作する少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードを含み、
前記複数のセルは、列方向に並ぶＭ個の前記セルをそれぞれ含むＮ個の第一セル群を有し、
前記制御部は、
前記アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧よりも大きい第１電圧と、前記アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧よりも小さい第２電圧とのいずれかを１又は複数個の前記第一セル群ごとに印加し、
前記第１電圧が印加された１又は複数個の前記第一セル群に含まれる前記セルからの信号を読み出す、
光検出装置。
【請求項８】
前記半導体基板には、互いに隣り合う前記第一セル群を分離するように、トレンチが形成されている、請求項７に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記半導体基板は、互いに対向する第１主面及び第２主面を含み、
前記トレンチは、前記第１主面及び前記第２主面に開口していると共に、前記第１主面と直交する方向から見て、前記複数のセルのそれぞれを囲んでいる、請求項８に記載の光検出装置。
【請求項１０】
少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードをそれぞれが有する複数のセルと、
前記複数のセルを分けることで得られる複数のセルグループそれぞれに、前記アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧よりも大きい第１電圧と、前記ブレークダウン電圧よりも小さい第２電圧のいずれかが供給されるように制御を行う制御部と、を有する検出装置。
（【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、光検出装置、半導体光検出素子、及び半導体光検出素子の駆動方法に関する。
続きを表示（約 4,200 文字）【背景技術】
【０００２】
半導体基板を有している受光部を備えている光検出装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。半導体基板は、２次元配列されている複数のセルを含んでいる。この光検出装置は、光の伝搬時間から得られる距離情報を利用して検出される三次元画像の深度マップ（depth map）を記憶する。各セルは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを含んでいる。受光部は、光源から監視領域に向けて照射された光の反射光を受光する。受光部は、反射光に対応する信号を出力する。アバランシェフォトダイオードは、バイアス電圧の印加によって、ガイガーモードで動作する。したがって、受光部の各セルは、アバランシェフォトダイオードがガイガーモードで動作することによって、信号を出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１４－５９３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一つの態様は、各アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加する配線及び各セルから信号を読み出す配線の構成が簡素化し得る光検出装置を提供することを目的とする。本発明の別の態様は、各アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加する配線及び各セルから信号を読み出す配線の構成が簡素化し得る半導体光検出素子を提供することを目的とする。本発明のさらに別の態様は、各アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加する配線及び各セルから信号を読み出す配線の構成が簡素化し得る半導体光検出素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの態様に係る光検出装置は、検出対象領域に向けて、第１方向が長手方向である断面形状の光を投光する投光部と、投光部によって投光された光の反射光を受光する受光部と、受光部と接続されている制御部と、を備えている。受光部は、Ｍ行Ｎ列（Ｍ及びＮは、２以上の整数）に２次元配列されている複数のセルを含む半導体基板を有している。複数のセルのそれぞれは、ガイガーモードで動作する少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードを含んでいる。列方向に並ぶＭ個のセルをそれぞれ含むＮ個の第一セル群ごとに、各第一セル群に含まれる複数個のセルの陽極及び陰極の一方は、互いに電気的に接続されている。行方向に並ぶＮ個のセルをそれぞれ含むＭ個の第二セル群ごとに、各第二セル群に含まれる複数個のセルの陽極及び陰極の他方は、互いに電気的に接続されている。投光部は、１又は複数個の第一セル群ごとに反射光が入射するように、第１方向と交差する第２方向に沿って光を走査する。制御部は、反射光の入射に対応して、アバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させるバイアス電圧を１又は複数個の第一セル群ごとに印加する。制御部は、アバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させるバイアス電圧が印加された１又は複数個の第一セル群に含まれるセルからの信号を読み出す。
【０００６】
上記一つの態様では、投光部が、第１方向が長手方向である断面形状の光を第２方向に走査するので、受光部では、１又は複数個の第一セル群毎に反射光が入射する。制御部は、反射光の入射に対応して、バイアス電圧を１又は複数個の第一セル群ごとに印加する。したがって、たとえば、セルにバイアス電圧を印加する配線は、第一セル群ごとに対応して設けられていればよく、対応する第一セル群に含まれる各セル内のアバランシェフォトダイオードと電気的に接続されていればよい。制御部は、バイアス電圧が印加された１又は複数個の第一セル群に含まれるセルからの信号を読み出す。したがって、たとえば、セルから信号を読み出す配線は、行方向に並ぶＮ個のセルをそれぞれ含むＭ個のセル群ごとに対応して設けられていればよく、Ｍ個のセル群のうち対応するセル群に含まれる各セル内のアバランシェフォトダイオードに電気的に接続されていればよい。これらの結果、上記一つの態様では、各アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加する配線及び各セルから信号を読み出す配線の構成の簡素化が可能である。
【０００７】
上記一つの態様では、投光部は、第一セル群ごとに反射光が入射するように、第２方向に沿って光を走査してもよい。この場合、受光部では、第一セル群毎に反射光が入射する。制御部は、反射光の入射に対応して、アバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させるバイアス電圧を第一セル群ごとに印加し、アバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させるバイアス電圧が印加された第一セル群に含まれるＭ個のセルからの信号を読み出してもよい。
本構成では、上述の構成と同様に、たとえば、セルにバイアス電圧を印加する配線は、第一セル群ごとに対応して設けられていればよく、対応する第一セル群に含まれる各セル内のアバランシェフォトダイオードと電気的に接続されていればよい。たとえば、セルから信号を読み出す配線は、行方向に並ぶＮ個のセルをそれぞれ含むＭ個のセル群ごとに対応して設けられていればよく、Ｍ個のセル群のうち対応するセル群に含まれる各セル内のアバランシェフォトダイオードに電気的に接続されていればよい。これらの結果、本構成では、各アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加する配線及び各セルから信号を読み出す配線の構成の簡素化が可能である。
【０００８】
上記一つの態様では、光検出装置は、複数の第１配線と、複数の第２配線と、を備えていてもよい。この場合、複数の第１配線は、第一セル群ごとに対応して設けられている。複数の第２配線は、第二セル群ごとに対応して設けられている。各第１配線は、Ｎ個の第一セル群のうち対応する第一セル群に含まれるＭ個のセルの陽極及び陰極の上記一方に電気的に接続されていてもよい。各第２配線は、Ｍ個の第二セル群のうち対応する第二セル群に含まれるＮ個のセルの陽極及び陰極の上記他方に電気的に接続されていてもよい。制御部は、各第１配線を介して対応する第一セル群に含まれるＭ個のセルにバイアス電圧を印加してもよく、各第２配線を介して信号を読み出してもよい。
本構成では、各第１配線を介して、Ｎ個の第一セル群のうち対応する第一セル群ごとに、当該第一セル群に含まれる各セル内のアバランシェフォトダイオードにバイアス電圧が印加される。各第２配線を介して、Ｍ個の第二セル群のうち対応する第二セル群ごとに、当該第二セル群に含まれる各セル内のアバランシェフォトダイオードから信号が読み出される。したがって、本構成は、第１及び第２配線の構成を簡素化する。
アバランシェフォトダイオードは、バイアス電圧の印加により、アバランシェ増倍を行う。このため、光の入射により発生した光電子が増倍され、アバランシェフォトダイオードは、増倍された光電子による信号を出力する。バイアス電圧が印加されないアバランシェフォトダイオードでも、光の入射により光電子が発生する。バイアス電圧が印加されないアバランシェフォトダイオードから出力される信号は、バイアス電圧が印加されたアバランシェフォトダイオードから出力される信号に比して極めて小さい。
本構成では、第２配線には、バイアス電圧が印加されたセルだけでなく、バイアス電圧が印加されないセルも電気的に接続される。したがって、制御部は、バイアス電圧が印加されないセルからも信号を読み出す。上述したように、バイアス電圧が印加されないセル内のアバランシェフォトダイオードから出力される信号は極めて小さいので、当該信号が第２配線を介して読み出される信号全体に及ぼす影響は、極めて小さい。したがって、光検出装置での検出精度が確保される。
【０００９】
上記一つの態様では、各第１配線は、第１分岐配線と、第２分岐配線と、を含んでいてもよい。この場合、第１分岐配線は、対応する第一セル群に含まれる一部のセルの陽極及び陰極の上記一方に電気的に接続されている。第２分岐配線は、対応する第一セル群に含まれる別の一部のセルの陽極及び陰極の上記一方に電気的に接続されている。
たとえば、第一セル群に含まれる全てのセルが一つの第１配線と電気的に接続されている場合、列方向の一端に位置するセルまでの配線距離と、列方向の他端に位置するセルまでの配線距離との差が大きい。セルまでの配線距離の差が大きいと、バイアス電圧がセルに印加されるタイミングの差も大きくなる。
本構成では、第一セル群に含まれる全てのセルが一つの第１配線と電気的に接続されている場合に比して、セルまでの配線距離の差が小さい。したがって、バイアス電圧がセルに印加されるタイミングの差が小さい。
【００１０】
上記一つの態様では、各第２配線は、第３分岐配線と、第４分岐配線と、を含んでいてもよい。この場合、第３分岐配線は、対応する第二セル群に含まれる一部のセルの陽極及び陰極の上記他方に電気的に接続されている。第４分岐配線は、対応する第二セル群に含まれる別の一部のセルの陽極及び陰極の上記他方に電気的に接続されている。
たとえば、第二セル群に含まれる全てのセルが一つの第２配線と電気的に接続されている場合、行方向の一端に位置するセルからの配線距離と、行方向の他端に位置するセルからの配線距離との差が大きい。セルからの配線距離が長い場合、第２配線に生じる寄生容量などの影響により、第２配線を介して読み出される信号にノイズが含まれるおそれがある。
本構成では、第二セル群に含まれる全てのセルが一つの第２配線と電気的に接続されている場合に比して、セルからの配線距離が小さい。したがって、第２配線を介して読み出される信号にノイズが含まれがたい。この結果、光検出装置での検出精度の低下が抑制される。
（【００１１】以降は省略されています）

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