[发明专利]单光子雪崩二极管控制电路以及检测系统

说明书

本发明提供一种能够改善时间轴上的SPAD的光子检测效率的SPAD控制电路。该SPAD控制电路进行光子检测，其特征在于，包括：单光子雪崩二极管(SPAD)；向SPAD的两个端子中的一个端子施加电压的开关(120)；检测SPAD为激活状态还是待机状态的组合电路(130)；以及顺序电路(140)，其具有输入用于将SPAD设定为激活状态的脉冲信号(S1)的端子(141)、输入与复位相关的信号的端子(143)和输出端子(144)，根据从顺序电路(140)的输出端子(144)输出的输出信号(S4)控制开关(120)，并且，将组合电路(130)的输出信号(S3)向顺序电路(140)的输入与复位相关的信号的端子(143)输入。

技术领域

本发明涉及单光子雪崩二极管控制电路。

背景技术

检测光的CMOS传感器是多种多样的。其中能够检测单一光子能级光的单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode)(以下也记为“SPAD”)能够测量微弱光的光子数及单一光子的到达时刻。SPAD是检测光的行进距离形成图像的距离图像传感器、或期待作为生物成像的荧光强度检测/荧光寿命检测等应用展开的设备。

通常的发光二极管在向阳极、阴极间施加反相偏压状态下使用，但在SPAD中，通过超过二极管的反相偏压击穿电压地施加，提高输入光-输出电流的增益，从而检测单一光子能级的光。这时，若检测单一光子，则在SPAD中发生雪崩击穿。在使用SPAD的情况下，需要实行雪崩击穿的猝熄及进行用于检测下一个光子的再充电，SPAD的控制变得复杂。另一方面，SPAD适合于CMOS工艺，能够实现使用晶体管等的SPAD的复杂控制。

SPAD控制电路的一例记载在非专利文献1的Fig.6(a)中。如Fig.6(a)所示，作为通常的现有技术，已知使用数个晶体管和数个逻辑电路的SPAD控制电路。

另一方面，作为使用了光的蛋白质的分析装置，存在无镜头ELISA(Enzyme-LinkedImmuno Sorbent Assay)。例如，如非专利文献2的图1所示，在搭载有光传感器的IC上，涂布希望分析的样本(荧光试料等)，向该样本照射激光，检测由样本激发的微弱光并进行解析。

在非专利文献2记载的技术中，能够实现系统的低成本化和紧凑化，但由于激光向样本和光传感器照射，因此强激光能够使光传感器饱和。因此，在非专利文献2记载的技术中，存在无法检测光传感器希望解析的微弱光的问题。为了解决该技术问题，通常，以不向光传感器照射强激光的方式，在光传感器与样本间设置滤光器。

〔现有的SPAD控制电路的构成〕

图6中示出通常的SPAD控制电路的一例。图6的(a)是向SPAD110的阳极施加-20V左右的负偏向电压并从SPAD110的阴极读出光子检测的情况下的构成例。图6的(a)的SPAD控制电路由如下单元构成：SPAD110；pch晶体管695(作为高电阻发挥作用)，其使SPAD110的阴极偏向为VDD电压；反相器635，其用于读出基于雪崩击穿的阴极的电压变化，作为数字信号dout向输出端子660输出；晶体管670(671、672A、672B)，其使SPAD110的阴极根据SPAD110的状态而偏向为0V或VDD电压；以及与非门645。

图6的(b)是向SPAD110的阴极施加+20V左右的偏向电压，从SPAD110的阳极读出光子检测的情况下的构成例。图6的(b)的SPAD控制电路由如下单元构成：SPAD110；使SPAD110的阳极偏向为0V的nch晶体管690(作为高电阻发挥作用)；缓冲器630，其用于读出基于雪崩击穿的阳极电压变化，作为数字信号dout向输出端子660输出；晶体管670(671、672A、672B)，其用于根据SPAD110的状态使SPAD110的阳极偏向为0V或VDD电压；与门640；以及反相器680。

〔现有的SPAD控制电路的动作〕