[发明专利]光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法

说明书

光电传感器具备：APD(1001)，具有包括光电转换部的倍增区域(1002)、以及与倍增区域(1002)并联连接的第1电容器(1003)；以及第1晶体管(1201)，连接在APD(1001)与第1电源(电压VC)之间，第1晶体管(1201)，在偏置电压设定期间，通过对APD(1001)与第1电源进行连接，从而将比击穿电压VBD大的电源电压(VC‑VA)，以反向偏置的方式施加到APD(1001)的阳极与阴极之间，在曝光期间，通过使APD(1001)与第1电源的连接断开，从而使由雪崩倍增现象产生的电荷蓄积到第1电容器(1003)，据此，使雪崩倍增现象停止。

技术领域

本公开涉及光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法，尤其涉及对微弱的光进行快速检测的光电传感器。

背景技术

近些年在医疗、通信、生物、化学、监视、车载、放射线检测等各种领域中采用了高灵敏度的光电传感器。作为实现高灵敏度的方法之一，采用了雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode；以下也称为APD)。APD是通过对光电转换所产生的信号电荷利用雪崩击穿来进行倍增，从而提高光的检测灵敏度的光电二极管。到目前为止提出了通过利用APD，即使是微量的光子也能够检测的光子计数型的光检测器(专利文献1)以及高灵敏度图像传感器(专利文献2)。

APD的工作模式根据被施加到APD的电压，而有不同的两个工作模式，一个被称为线性模式，另一个被称为盖革模式。线性模式是被施加到APD的电压比较低的情况下的工作模式，由于在用于传导的电子和空穴中，仅是其中的一方的雪崩倍增为优势，因此在被雪崩倍增的电荷完全穿过倍增区域之前的时间内，雪崩倍增就会结束，这样会停止在有限的倍增率，倍增率最高也只不过是100倍左右(专利文献2)。在这种情况下，不能适用于以高S/N(信噪比)对微弱光进行检测的用途。

另外，盖革模式是被施加到APD的电压比较高的情况下的工作模式，由于电子和空穴这双方的电荷被雪崩倍增，因此，由雪崩倍增而产生的电荷会进一步反复倍增，这样，倍增率成为无限大。以下在本说明书中，将线性模式与盖革模式切换时的工作电压称为击穿电压。在盖革模式中，由于电荷的倍增率非常高，因此即使是1光子的微弱光也能够以高S/N来检测，但是由于1个电荷倍增为无限大，而产生大电流，这样会有元件被损坏的可能性。

在专利文献1中，提出了即使在盖革模式时也不会损坏元件的器件构成。通过这些技术，由于流入到与APD串联连接的电阻器的电流，而产生电压下降，由于被施加到APD的倍增区域的电压降低，因此雪崩倍增停止，从而能够防止元件的损坏。但是，在这种构成中，为了防止大电流，需要使与APD连接的电阻器的值增大。然而，若增大电阻器的值，则直到对APD的电压进行复位的时间就会增长，即产生折衷的关系，这样不适于要求快速性的用途，即不适于要求复位与复位之间的反复周期的用途。并且，为了满足这种折衷，需要对电阻器的值进行控制的特殊的过程。并且，仅针对电阻器进行细分化是困难的。

在专利文献2、专利文献3中，提出了将APD配置成阵列状的器件构成。但是在专利文献2、专利文献3中没有记载使盖革模式的雪崩倍增停止的方法，也没有记载将以盖革模式产生的电荷保留在像素内的方法，而限定在线性模式。

在专利文献2、专利文献4中提出了将APD配置成多个阵列状，作为图像传感器来利用的电路构成。然而，在专利文献2、专利文献4中没有示出使盖革模式的倍增停止的方法，也没有示出能够适用的器件构成。

(现有技术文献)

(专利文献)

专利文献1国际公开第2008/004547号

专利文献2国际公开第2014/097519号

专利文献3日本特开2015-5752号公报

专利文献4国际公开第2017/098710号

发明内容