[發明專利]單光子雪崩二極管控制電路以及檢測系統

在審

• 申請號: 201910041429.8
• 申請日: 2019-01-16
• 公開（公告）號: CN110044478A
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發明（設計）人: 藤本義久
• 申請（專利權）人: 夏普株式會社
• 主分類號: G01J1/44
• 分類號: G01J1/44
• 代理公司: 深圳市賽恩倍吉知識產權代理有限公司 44334
• 代理人: 汪飛亞;習冬梅

本發明提供一種能夠改善時間軸上的SPAD的光子檢測效率的SPAD控制電路。該SPAD控制電路進行光子檢測，其特征在于，包括：單光子雪崩二極管(SPAD)；向SPAD的兩個端子中的一個端子施加電壓的開關(120)；檢測SPAD為激活狀態還是待機狀態的組合電路(130)；以及順序電路(140)，其具有輸入用于將SPAD設定為激活狀態的脈沖信號(S1)的端子(141)、輸入與復位相關的信號的端子(143)和輸出端子(144)，根據從順序電路(140)的輸出端子(144)輸出的輸出信號(S4)控制開關(120)，并且，將組合電路(130)的輸出信號(S3)向順序電路(140)的輸入與復位相關的信號的端子(143)輸入。

技術領域

本發明涉及單光子雪崩二極管控制電路。

背景技術

檢測光的CMOS傳感器是多種多樣的。其中能夠檢測單一光子能級光的單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode)(以下也記為“SPAD”)能夠測量微弱光的光子數及單一光子的到達時刻。SPAD是檢測光的行進距離形成圖像的距離圖像傳感器、或期待作為生物成像的熒光強度檢測/熒光壽命檢測等應用展開的設備。

通常的發光二極管在向陽極、陰極間施加反相偏壓狀態下使用，但在SPAD中，通過超過二極管的反相偏壓擊穿電壓地施加，提高輸入光-輸出電流的增益，從而檢測單一光子能級的光。這時，若檢測單一光子，則在SPAD中發生雪崩擊穿。在使用SPAD的情況下，需要實行雪崩擊穿的猝熄及進行用于檢測下一個光子的再充電，SPAD的控制變得復雜。另一方面，SPAD適合于CMOS工藝，能夠實現使用晶體管等的SPAD的復雜控制。

SPAD控制電路的一例記載在非專利文獻1的Fig.6(a)中。如Fig.6(a)所示，作為通常的現有技術，已知使用數個晶體管和數個邏輯電路的SPAD控制電路。

另一方面，作為使用了光的蛋白質的分析裝置，存在無鏡頭ELISA(Enzyme-LinkedImmuno Sorbent Assay)。例如，如非專利文獻2的圖1所示，在搭載有光傳感器的IC上，涂布希望分析的樣本(熒光試料等)，向該樣本照射激光，檢測由樣本激發的微弱光并進行解析。

在非專利文獻2記載的技術中，能夠實現系統的低成本化和緊湊化，但由于激光向樣本和光傳感器照射，因此強激光能夠使光傳感器飽和。因此，在非專利文獻2記載的技術中，存在無法檢測光傳感器希望解析的微弱光的問題。為了解決該技術問題，通常，以不向光傳感器照射強激光的方式，在光傳感器與樣本間設置濾光器。

〔現有的SPAD控制電路的構成〕

圖6中示出通常的SPAD控制電路的一例。圖6的(a)是向SPAD110的陽極施加-20V左右的負偏向電壓并從SPAD110的陰極讀出光子檢測的情況下的構成例。圖6的(a)的SPAD控制電路由如下單元構成：SPAD110；pch晶體管695(作為高電阻發揮作用)，其使SPAD110的陰極偏向為VDD電壓；反相器635，其用于讀出基于雪崩擊穿的陰極的電壓變化，作為數字信號dout向輸出端子660輸出；晶體管670(671、672A、672B)，其使SPAD110的陰極根據SPAD110的狀態而偏向為0V或VDD電壓；以及與非門645。

圖6的(b)是向SPAD110的陰極施加+20V左右的偏向電壓，從SPAD110的陽極讀出光子檢測的情況下的構成例。圖6的(b)的SPAD控制電路由如下單元構成：SPAD110；使SPAD110的陽極偏向為0V的nch晶體管690(作為高電阻發揮作用)；緩沖器630，其用于讀出基于雪崩擊穿的陽極電壓變化，作為數字信號dout向輸出端子660輸出；晶體管670(671、672A、672B)，其用于根據SPAD110的狀態使SPAD110的陽極偏向為0V或VDD電壓；與門640；以及反相器680。

〔現有的SPAD控制電路的動作〕