JP7395300B2 - 光電変換装置、光電変換システム、および移動体 - Google Patents
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Description
図1は第一の実施形態を表し、第2半導体基板110が配される表面側から、第1半導体基板100を見たときの画素の平面レイアウト図である。同図では2つの画素が示されており、それぞれの画素が個別に有する構成と、2つの画素が共有する構成とがある。
よってS=64×100+36=6436、また64のルートが8、36のルートが6であることより、N={(8×100)の2乗+6の2乗}のルート=800、よってS/N=6436/800≒8.05
したがって、10>8.05となり、本発明のほうがS/Nが高い。
第1の実施形態の変形例としては以下の例が考えられる。
図9は第二の実施形態を表し、半導体基板を表面側から見た平面レイアウト図である。図10は図9におけるH―Iの断面図である。
図14は第三の実施形態を表し、半導体基板の表面側の平面レイアウト図である。図15は、図14におけるO―Pの断面図を表す。
以上、第三の実施形態でS1信号、S2信号のそれぞれの読み出しについて説明した。しかるに、この第三実施形態では第1の読み出し(SPADによる読み出し)、あるいは第2の読み出し(アヴァランシェを伴わない読み出し)のどちらか一方を選択して画素信号のすべてを読み出すことができる。
図19は第四の実施形態を表し、半導体基板の表面側の平面レイアウト図である。図20は、図19におけるU-Vの断面図を表す。
本実施形態による光電変換システムについて、図23を用いて説明する。上述した各実施形態の光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。図23は、本実施形態による光電変換システムの概略構成を示すブロック図である。
本実施形態による光電変換システム及び移動体について、図24を用いて説明する。
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
Claims (36)
- 信号電荷を生成する光電変換領域を備え、
前記光電変換領域で生成された前記信号電荷に基づく信号を読み出すときに、前記信号電荷によるアヴァランシェ増倍を用いて前記信号を読み出す第1の読み出しと、前記信号電荷の少なくとも一部に対してアヴァランシェ増倍を起こさずに前記信号を読み出す第2の読み出しとを選択的に行う読み出し部を備え、
前記読み出し部は、前記信号電荷と同じ第1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、第2極性のキャリアを多数キャリアとする第2導電型の第2半導体領域と、を有し、
前記第1の読み出しにおいて、前記信号電荷による前記アヴァランシェ増倍を生じさせるための逆バイアス電圧が、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、前記第1半導体領域に接続されたコンタクトプラグを介して信号が読み出される光電変換装置。 - 前記第1の読み出しにおけるアヴァランシェ増倍により生起するアヴァランシェ電流の生起回数をカウントする回路手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 信号電荷を生成する光電変換領域を備え、
前記光電変換領域で生成された前記信号電荷に基づく信号を読み出すときに、前記信号電荷によるアヴァランシェ増倍を用いて前記信号を読み出す第1の読み出しと、前記信号電荷の少なくとも一部に対してアヴァランシェ増倍を起こさずに前記信号を読み出す第2の読み出しとを選択的に行う読み出し部を備え、
前記第1の読み出しはSPAD動作による読み出しであり、
前記第1の読み出しにおけるアヴァランシェ増倍により生起するアヴァランシェ電流の生起回数をカウントする回路手段を備える光電変換装置。 - 前記読み出し部は、所定の期間に前記光電変換領域で生成された前記信号電荷の第1の部分に対して前記第1の読み出しを行い、前記所定の期間に前記光電変換領域で生成された前記信号電荷の第2の部分に対して前記第2の読み出しを行う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。
- 前記読み出し部は、第1の期間に前記光電変換領域で生成された前記信号電荷の全部に対して前記第1の読み出しを行い、前記第1の期間とは別の第2の期間に前記光電変換領域で生成された前記信号電荷の全部に対して前記第2の読み出しを行う請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記読み出し部は、前記光電変換領域で生成された前記信号電荷の量に応じて、前記第1の読み出しを行うか前記第2の読み出しを行うかを選択することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記光電変換領域で生成された前記信号電荷が所定量より少ない場合に、前記信号電荷の全部に対して前記第1の読み出しを行うことを特徴とする請求項6に記載の光電変換装置。
- 前記所定量は前記光電変換領域の飽和電荷量であることを特徴とする請求項7に記載の光電変換装置。
- 前記光電変換領域で生成された前記信号電荷が所定量を超える場合に、前記信号電荷の前記所定量に相当する第1の部分に対して前記第1の読み出しを行い、前記信号電荷の前記第1の部分とは別の第2の部分に対して前記第2の読み出しを行うことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 電荷蓄積領域を備え、
前記第2の部分は前記光電変換領域から溢れて前記電荷蓄積領域に蓄積された前記信号電荷であることを特徴とする請求項9に記載の光電変換装置。 - 前記読み出し部は、モードの切り替えに応じて、前記第1の読み出しを行うか前記第2の読み出しを行うかを選択することを特徴とする請求項5に記載の光電変換装置。
- 前記読み出し部は、前記第1の読み出しを行う第1の読み出し部と、前記第2の読み出しを行う第2の読み出し部を含むことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記第2の読み出し部は、フローティングディフュージョンと、ソースフォロワトランジスタと、を備えることを特徴とする請求項12に記載の光電変換装置。
- 前記読み出し部は1つの読み出し部からなり、
前記読み出し部が、前記第1の読み出しと前記第2の読み出しとを行うことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記光電変換領域は、前記信号電荷を蓄積する前記第1導電型の第3半導体領域を含み、
少なくとも前記信号電荷が前記第3半導体領域から前記第1半導体領域に転送されるときに、前記信号電荷による前記アヴァランシェ増倍を生じさせるための逆バイアス電圧が、前記第2半導体領域と前記第1半導体領域との間に印加され、
前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間に、前記第3半導体領域にある前記信号電荷に対して前記逆バイアス電圧よりも低い高さのポテンシャル障壁が形成され、
前記ポテンシャル障壁の高さを制御することにより、前記第3半導体領域から前記第1半導体領域に前記信号電荷を転送して前記第1の読み出しを行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換装置。 - 前記第1導電型の第4半導体領域を備え、
前記第1半導体領域から前記第4半導体領域に転送された前記信号電荷に対して前記第2の読み出しを行うことを特徴とする請求項15に記載の光電変換装置。 - 前記第1半導体領域は、前記第4半導体領域よりも不純物濃度が低いことを特徴とする請求項16に記載の光電変換装置。
- 前記第3半導体領域が前記信号電荷を蓄積しているときの前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間にあるポテンシャル障壁の高さは、前記第3半導体領域と前記第4半導体領域との間にあるポテンシャル障壁の高さよりも高いことを特徴とする請求項17に記載の光電変換装置。
- 前記信号電荷が前記第1半導体領域に転送されているときの前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間にあるポテンシャル障壁の高さは、前記第3半導体領域と前記第4半導体領域との間にあるポテンシャル障壁の高さよりも低いことを特徴とする請求項18に記載の光電変換装置。
- 前記第1導電型の第5半導体領域を備え、
前記第4半導体領域に転送された前記信号電荷は前記第5半導体領域に転送されて読み出されることを特徴とする請求項18又は19に記載の光電変換装置。 - 平面視において前記第4半導体領域と前記第5半導体領域との間にはゲート電極が配されており、
前記ゲート電極に供給される電位が変化することにより前記第4半導体領域から前記第5半導体領域への信号電荷の転送が行われることを特徴とする請求項20に記載の光電変換装置。 - 前記第5半導体領域に接続されたソースフォロワトランジスタと、
前記第4半導体領域とPN接合を構成する前記第2導電型の第6半導体領域と、を備え、
前記ソースフォロワトランジスタの電源電圧と前記第4半導体領域および前記第6半導体領域の間に印加される逆バイアス電圧とは、いずれも前記信号電荷が前記第1半導体領域に転送されるときに前記第2半導体領域と前記第1半導体領域との間に印加される前記逆バイアス電圧よりも小さいことを特徴とする請求項20又は21に記載の光電変換装置。 - 前記第4半導体領域に転送された前記信号電荷は、前記第1半導体領域を介して読み出されることを特徴とする請求項16乃至19のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 平面視において前記第4半導体領域と前記第1半導体領域との間にはゲート電極が配されており、
前記ゲート電極に供給される電位が変化することにより前記第4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が行われることを特徴とする請求項23に記載の光電変換装置。 - 前記第4半導体領域に転送された前記信号電荷を前記第1半導体領域から読み出すときに、前記信号電荷に対してアヴァランシェ増倍を起こさない逆バイアス電圧が、前記第2半導体領域と前記第1半導体領域との間に印加されることを特徴とする請求項23又は24に記載の光電変換装置。
- 前記第2の読み出しで読み出したアナログ信号に対してアナログデジタル変換を行うAD変換部を備えることを特徴とする請求項2又は3に記載の光電変換装置。
- 前記回路手段から得られる第1のカウント値と、
前記第2の読み出しで読み出したアナログ信号に対してアナログデジタル変換を行うAD変換部から得られる第2のカウント値と、を加算する加算処理を行うことを特徴とする請求項26に記載の光電変換装置。 - 前記加算処理において、前記第1のカウント値の変換ゲインと前記第2のカウント値の変換ゲインとが同じであることを特徴とする請求項27に記載の光電変換装置。
- 前記加算処理において、第1のカウント値および第2のカウント値の少なくとも一方のカウント値に対して変換ゲインの差に基づく補正を行うことを特徴とする請求項27又は28に記載の光電変換装置。
- 前記補正は、ソースフォロワによる出力信号電圧を1つの信号電荷あたりのソースフォロワ出力分で除算した値であることを特徴とする請求項29に記載の光電変換装置。
- 前記第4半導体領域は、オーバーフロードレインであり、
前記読み出し部は、前記オーバーフロードレインの電位に応じて作動するインバータとデジタルカウンタとを備えることを特徴とする請求項16乃至19のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 光電変換により生成された信号電荷が蓄積され、前記信号電荷と同じ第1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導電型の第3半導体領域と、
前記第1導電型の第4半導体領域と、を備え、
前記第1半導体領域から前記第3半導体領域に前記信号電荷の少なくとも一部を転送してアヴァランシェ増倍を用いて読み出す第1読み出し経路と、
前記第1半導体領域から前記第4半導体領域に前記信号電荷の少なくとも一部を転送して前記信号電荷に対してアヴァランシェ増倍を起こさずに読み出す第2読み出し経路と、を備える光電変換装置。 - 前記信号電荷が所定量より少ない場合に、前記信号電荷の全部を前記第1読み出し経路から読み出すことを特徴とする請求項32に記載の光電変換装置。
- 前記信号電荷が前記所定量を超える場合に、前記信号電荷の前記所定量に相当する第1の部分が前記第1半導体領域に蓄積され、そして、前記第1の部分が前記第1読み出し経路から読み出され、前記信号電荷の前記第1の部分とは別の第2の部分は前記第2読み出し経路から読み出されることを特徴とする請求項33に記載の光電変換装置。
- 請求項1乃至34のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部と、を有することを特徴とする光電変換システム。 - 移動体であって、
請求項1乃至34のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、を有することを特徴とする移動体。
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