[發明專利]具有單光子雪崩二極管像素的半導體器件

在審

• 申請號: 201911387252.3
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN111526306A
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: D·P·帕魯比阿克
• 申請（專利權）人: 半導體元件工業有限責任公司
• 主分類號: H04N5/369
• 分類號: H04N5/369;H04N5/378
• 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: 秦晨

本發明題為“具有單光子雪崩二極管像素的半導體器件”。本發明公開了一種半導體器件，所述半導體器件可包括單光子雪崩二極管像素的陣列。所述單光子雪崩二極管(SPAD)像素可包括經由第一復位路徑和第二復位路徑耦接到電源電壓端子的SPAD。所述第一復位路徑可以是為所述SPAD提供短恢復時間的快速復位路徑。所述第二復位路徑可以是為所述SPAD提供較長恢復時間的較慢復位路徑，但是還用于確保即使與所述第一復位路徑相關聯的淬滅電阻低時所述SPAD也淬滅。邏輯電路可選擇性地激活所述第一復位或所述第二復位以淬滅并且復位所述SPAD。所述SPAD像素還可以包括一個或多個開關，所述一個或多個開關在所述SPAD像素未激活時將所述SPAD像素中的節點保持在恒定電壓。

技術領域

本發明整體涉及成像系統，并且更具體地，涉及包括單光子雪崩二極管(SPAD)的成像系統。

背景技術

現代電子設備(諸如蜂窩電話、相機和計算機)常常使用圖像傳感器。圖像傳感器(有時稱為成像器)可由二維圖像感測像素的陣列形成。每個像素通常包括接收入射光子(光)并且將光子轉變為電信號的光敏元件。電信號用于生成圖像幀。

為了提高對入射光的敏感度，有時可在成像系統中使用單光子雪崩二極管(SPAD)。由于SPAD像素具有單光子靈敏度，因此可以在低光條件下利用SPAD像素。然而，特定的應用需要像素還具有足夠大的動態范圍，以在高光條件下工作。在這些條件下，SPAD可能會遭受檢測器癱瘓現象，如果單個光子到達之間的時間間隔(即，到達間隔時間)平均起來小于SPAD從先前的檢測事件中完全恢復其過量電壓所花費的時間(即，恢復時間)，則輸出數字脈沖寬度會延長。對于高強度光，SPAD最終可能會變得完全飽和，并且無法檢測到任何光子。

主動淬滅和復位電路允許更短的恢復時間，從而導致更高的動態范圍。這些電路可操作來調節SPAD淬滅電阻：在檢測到光子之前，將淬滅電阻設置為盡可能高的值，一旦檢測到光子并且雪崩電流淬滅，就將淬滅電阻最小化以減少恢復時間，從而延長動態范圍。

然而，在這些方案中，當將淬滅電阻值減小到超低的值來從先前的檢測事件中對SPAD進行再充電時，如果光子在很短的恢復時間期間到達，則雪崩電流增長可能僅受二極管的空間電荷電阻的限制。最終，雪崩電流可達到恒定值，然后幾乎不可能檢測到后續的光子。

因此，期望能夠提供具有改善的單光子雪崩二極管像素的系統。

附圖說明

圖1是根據一些實施方案的具有基于SPAD的半導體器件的示例性成像系統的示意圖。

圖2是根據一些實施方案的示例性像素陣列以及用于在基于SPAD的半導體器件中讀出圖像信號的相關聯的讀出電路的示意圖。

圖3是根據一些實施方案的示例性單光子雪崩二極管像素的電路圖。

圖4是根據一些實施方案的采用混合淬滅和復位方案的示例性單光子雪崩二極管像素的示意圖。

圖5是根據一些實施方案的具有用于實現混合淬滅和復位方案的示例性電路的示例性單光子雪崩二極管像素的電路圖。

圖6是根據一些實施方案的可在圖4和圖5所示類型的示例性單光子雪崩二極管像素中使用的示例性延遲元件的電路圖。

圖7是根據一些實施方案的用于操作圖4和圖5所示類型的示例性單光子雪崩二極管像素的示例性時序圖。

圖8是根據一些實施方案的具有耦接到列選擇電路的單光子雪崩二極管像素的示例性像素陣列的示意圖。

具體實施方式