[发明专利]具有单光子雪崩二极管像素的半导体器件

说明书

本发明题为“具有单光子雪崩二极管像素的半导体器件”。本发明公开了一种半导体器件，所述半导体器件可包括单光子雪崩二极管像素的阵列。所述单光子雪崩二极管(SPAD)像素可包括经由第一复位路径和第二复位路径耦接到电源电压端子的SPAD。所述第一复位路径可以是为所述SPAD提供短恢复时间的快速复位路径。所述第二复位路径可以是为所述SPAD提供较长恢复时间的较慢复位路径，但是还用于确保即使与所述第一复位路径相关联的淬灭电阻低时所述SPAD也淬灭。逻辑电路可选择性地激活所述第一复位或所述第二复位以淬灭并且复位所述SPAD。所述SPAD像素还可以包括一个或多个开关，所述一个或多个开关在所述SPAD像素未激活时将所述SPAD像素中的节点保持在恒定电压。

技术领域

本发明整体涉及成像系统，并且更具体地，涉及包括单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。

背景技术

现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素的阵列形成。每个像素通常包括接收入射光子(光)并且将光子转变为电信号的光敏元件。电信号用于生成图像帧。

为了提高对入射光的敏感度，有时可在成像系统中使用单光子雪崩二极管(SPAD)。由于SPAD像素具有单光子灵敏度，因此可以在低光条件下利用SPAD像素。然而，特定的应用需要像素还具有足够大的动态范围，以在高光条件下工作。在这些条件下，SPAD可能会遭受检测器瘫痪现象，如果单个光子到达之间的时间间隔(即，到达间隔时间)平均起来小于SPAD从先前的检测事件中完全恢复其过量电压所花费的时间(即，恢复时间)，则输出数字脉冲宽度会延长。对于高强度光，SPAD最终可能会变得完全饱和，并且无法检测到任何光子。

主动淬灭和复位电路允许更短的恢复时间，从而导致更高的动态范围。这些电路可操作来调节SPAD淬灭电阻：在检测到光子之前，将淬灭电阻设置为尽可能高的值，一旦检测到光子并且雪崩电流淬灭，就将淬灭电阻最小化以减少恢复时间，从而延长动态范围。

然而，在这些方案中，当将淬灭电阻值减小到超低的值来从先前的检测事件中对SPAD进行再充电时，如果光子在很短的恢复时间期间到达，则雪崩电流增长可能仅受二极管的空间电荷电阻的限制。最终，雪崩电流可达到恒定值，然后几乎不可能检测到后续的光子。

因此，期望能够提供具有改善的单光子雪崩二极管像素的系统。

附图说明

图1是根据一些实施方案的具有基于SPAD的半导体器件的示例性成像系统的示意图。

图2是根据一些实施方案的示例性像素阵列以及用于在基于SPAD的半导体器件中读出图像信号的相关联的读出电路的示意图。

图3是根据一些实施方案的示例性单光子雪崩二极管像素的电路图。

图4是根据一些实施方案的采用混合淬灭和复位方案的示例性单光子雪崩二极管像素的示意图。

图5是根据一些实施方案的具有用于实现混合淬灭和复位方案的示例性电路的示例性单光子雪崩二极管像素的电路图。

图6是根据一些实施方案的可在图4和图5所示类型的示例性单光子雪崩二极管像素中使用的示例性延迟元件的电路图。

图7是根据一些实施方案的用于操作图4和图5所示类型的示例性单光子雪崩二极管像素的示例性时序图。

图8是根据一些实施方案的具有耦接到列选择电路的单光子雪崩二极管像素的示例性像素阵列的示意图。

具体实施方式