[發明專利]具有像素級偏置控制的spad陣列

有效

• 申請號: 201611176089.2
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106898675B
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發明（設計）人: G·A·阿干諾夫;M·C·瓦爾登;萬代新悟
• 申請（專利權）人: 蘋果公司
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/18
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 歐陽帆

公開了具有像素級偏置控制的spad陣列。本發明提供了一種包括感測元件的陣列的感測設備。每個感測元件包括：光電二極管，該光電二極管包括p?n結；以及局部偏置電路，該局部偏置電路經耦接以在偏置電壓下對p?n結進行反向偏置，該偏置電壓比p?n結的擊穿電壓大一裕量，該裕量足以使得入射在p?n結上的單個光子觸發從感測元件輸出的雪崩脈沖；以及偏置控制電路，該偏置控制電路經耦接以將感測元件中的不同感測元件中的偏置電壓設置為大于擊穿電壓的不同的相應值。

技術領域

本發明整體涉及光電設備，并且具體地涉及高靈敏度檢測器陣列。

背景技術

也被稱為蓋革(Geiger)模式雪崩光電二極管(GAPD)的單光子雪崩二極管(SPAD)是能夠以幾十皮秒量級的極高到達時間分辨率來捕獲單個光子的檢測器。它們可采用專用半導體工藝或標準CMOS技術制造。在單個芯片上制造的SPAD傳感器陣列已實驗性地用于3D成像相機中。Charbon等人在TOF Range-Imaging Cameras(Springer-Verlag，2013年)中發表的“SPAD-Based Sensors”中提供SPAD技術的有用綜述，在此其以引用方式并入本文。

在SPAD中，在遠高于p-n結的擊穿電壓的電平下對p-n結進行反向偏置。在這種偏置下，電場非常高，使得注入到耗盡層中的單個載流子由于入射光子的原因可能觸發自持雪崩。雪崩電流脈沖的前沿標志著檢測到的光子的到達時間。電流一直持續直到通過將偏置電壓降低到擊穿電壓或低于擊穿電壓而使雪崩淬滅。這后一種功能是由淬滅電路執行的，該淬滅電路可簡單地包括與SPAD串聯的高電阻鎮流負載，或者可另選地包括有源電路元件。

發明內容

下文描述的本發明的實施方案提供了改進的單光子感測陣列和用于其操作的方法。

因此，根據本發明的一個實施方案，提供了一種包括感測元件的陣列的感測設備。每個感測元件包括：光電二極管，該光電二極管包括p-n結；以及局部偏置電路，該局部偏置電路經耦接以在偏置電壓下對p-n結進行反向偏置，該偏置電壓比p-n結的擊穿電壓大一裕量，該裕量足以使得入射在p-n結上的單個光子觸發從感測元件輸出的雪崩脈沖。偏置控制電路經耦接以將感測元件中的不同感測元件中的偏置電壓設置為大于擊穿電壓的不同的相應值。

在一些實施方案中，該設備包括全局偏置發生器，該全局偏置發生器經耦接以向陣列中的所有感測元件施加全局偏置電壓，其中每個感測元件中的局部偏置電路被配置為施加過量偏置，使得每個p-n結兩端的偏置電壓是全局偏置電壓和過量偏置之和。典型地，每個感測元件包括淬滅電路，并且每個感測元件中的光電二極管、局部偏置電路和淬滅電路是串聯耦接在一起的。

在所公開的實施方案中，局部偏置電路包括電壓加法器，該電壓加法器耦接到多個電壓線，提供相應的輸入電壓，并被配置為選擇輸入電壓并對輸入電壓進行求和，以便向p-n結提供偏置電壓。

在一些實施方案中，偏置控制電路被配置為設置感測元件中的不同感測元件中的偏置電壓，以便均衡感測元件對入射光子的靈敏度。除此之外或另選地，偏置控制電路被配置為識別具有高于指定極限的噪聲水平的感測元件中的一個或多個感測元件，并設置所識別的感測元件的偏置電壓，以便降低噪聲水平。

進一步除此之外或另選地，偏置控制電路被配置為提高陣列的所選擇的區域中的感測元件的偏置電壓，使得所選擇的區域中的感測元件具有的對入射光子的靈敏度大于指定區域外部的感測元件的靈敏度。在一個實施方案中，偏置控制電路被配置為修改感測元件的偏置電壓，以便使所選擇的區域橫掃陣列。

在一個公開的實施方案中，感測元件的陣列包括在第一半導體芯片上形成的感測元件的第一二維矩陣，并且偏置控制電路包括偏置控制元件的在第二半導體芯片上形成并且在感測元件和偏置控制元件之間一一對應地耦接到第一矩陣的第二二維矩陣。典型地，第二半導體芯片包括經耦接以從感測元件接收相應輸出脈沖的處理電路，其中gai處理電路包括耦接到每個感測元件的相應時間到數字轉換器(TDC)。