具有像素級偏置控制的spad陣列制造技術

公開了具有像素級偏置控制的spad陣列。本發明專利技術提供了一種包括感測元件的陣列的感測設備。每個感測元件包括：光電二極管，該光電二極管包括p?n結；以及局部偏置電路，該局部偏置電路經耦接以在偏置電壓下對p?n結進行反向偏置，該偏置電壓比p?n結的擊穿電壓大一裕量，該裕量足以使得入射在p?n結上的單個光子觸發從感測元件輸出的雪崩脈沖；以及偏置控制電路，該偏置控制電路經耦接以將感測元件中的不同感測元件中的偏置電壓設置為大于擊穿電壓的不同的相應值。

【技術實現步驟摘要】
具有像素級偏置控制的spad陣列
本專利技術整體涉及光電設備，并且具體地涉及高靈敏度檢測器陣列。
技術介紹
也被稱為蓋革(Geiger)模式雪崩光電二極管(GAPD)的單光子雪崩二極管(SPAD)是能夠以幾十皮秒量級的極高到達時間分辨率來捕獲單個光子的檢測器。它們可采用專用半導體工藝或標準CMOS技術制造。在單個芯片上制造的SPAD傳感器陣列已實驗性地用于3D成像相機中。Charbon等人在TOFRange-ImagingCameras(Springer-Verlag，2013年)中發表的“SPAD-BasedSensors”中提供SPAD技術的有用綜述，在此其以引用方式并入本文。在SPAD中，在遠高于p-n結的擊穿電壓的電平下對p-n結進行反向偏置。在這種偏置下，電場非常高，使得注入到耗盡層中的單個載流子由于入射光子的原因可能觸發自持雪崩。雪崩電流脈沖的前沿標志著檢測到的光子的到達時間。電流一直持續直到通過將偏置電壓降低到擊穿電壓或低于擊穿電壓而使雪崩淬滅。這后一種功能是由淬滅電路執行的，該淬滅電路可簡單地包括與SPAD串聯的高電阻鎮流負載，或者可另選地包括有源電路元件。
技術實現思路
下文描述的本專利技術的實施方案提供了改進的單光子感測陣列和用于其操作的方法。因此，根據本專利技術的一個實施方案，提供了一種包括感測元件的陣列的感測設備。每個感測元件包括：光電二極管，該光電二極管包括p-n結；以及局部偏置電路，該局部偏置電路經耦接以在偏置電壓下對p-n結進行反向偏置，該偏置電壓比p-n結的擊穿電壓大一裕量，該裕量足以使得入射在p-n結上的單個光子觸發從感測元件輸出的雪崩脈沖。偏置控制電路經耦接以將感測元件中的不同感測元件中的偏置電壓設置為大于擊穿電壓的不同的相應值。在一些實施方案中，該設備包括全局偏置發生器，該全局偏置發生器經耦接以向陣列中的所有感測元件施加全局偏置電壓，其中每個感測元件中的局部偏置電路被配置為施加過量偏置，使得每個p-n結兩端的偏置電壓是全局偏置電壓和過量偏置之和。典型地，每個感測元件包括淬滅電路，并且每個感測元件中的光電二極管、局部偏置電路和淬滅電路是串聯耦接在一起的。在所公開的實施方案中，局部偏置電路包括電壓加法器，該電壓加法器耦接到多個電壓線，提供相應的輸入電壓，并被配置為選擇輸入電壓并對輸入電壓進行求和，以便向p-n結提供偏置電壓。在一些實施方案中，偏置控制電路被配置為設置感測元件中的不同感測元件中的偏置電壓，以便均衡感測元件對入射光子的靈敏度。除此之外或另選地，偏置控制電路被配置為識別具有高于指定極限的噪聲水平的感測元件中的一個或多個感測元件，并設置所識別的感測元件的偏置電壓，以便降低噪聲水平。進一步除此之外或另選地，偏置控制電路被配置為提高陣列的所選擇的區域中的感測元件的偏置電壓，使得所選擇的區域中的感測元件具有的對入射光子的靈敏度大于指定區域外部的感測元件的靈敏度。在一個實施方案中，偏置控制電路被配置為修改感測元件的偏置電壓，以便使所選擇的區域橫掃陣列。在一個公開的實施方案中，感測元件的陣列包括在第一半導體芯片上形成的感測元件的第一二維矩陣，并且偏置控制電路包括偏置控制元件的在第二半導體芯片上形成并且在感測元件和偏置控制元件之間一一對應地耦接到第一矩陣的第二二維矩陣。典型地，第二半導體芯片包括經耦接以從感測元件接收相應輸出脈沖的處理電路，其中gai處理電路包括耦接到每個感測元件的相應時間到數字轉換器(TDC)。根據本專利技術的一個實施方案，還提供了一種用于感測的方法，該方法包括提供感測元件的陣列，每個感測元件包括：光電二極管，該光電二極管包括p-n結；以及偏置電路，該偏置電路經耦接以在偏置電壓下對p-n結進行反向偏置，該偏置電壓比p-n結的擊穿電壓大一裕量，該裕量足以使得入射在p-n結上的單個光子觸發從感測元件輸出的雪崩脈沖。將感測元件中的不同感測元件中的偏置電壓設置為大于擊穿電壓的不同的相應值。結合附圖根據下文中對本專利技術的實施方案的詳細描述將更完全地理解本專利技術，在附圖中：附圖說明圖1是示意性地示出了根據本專利技術的實施方案的基于SPAD的感測設備的框圖；圖2是示出了根據本專利技術的實施方案的SPAD陣列中的感測元件的部件的框圖；圖3是示意性地示出了根據本專利技術的實施方案的SPAD陣列中的檢測器對作為偏置的函數的入射光子的響應的曲線圖；圖4A-圖4C是示意性地示出了根據本專利技術三個不同實施方案的SPAD陣列中的像素的部件的電路圖；圖5是示意性地示出了根據本專利技術的實施方案的局部偏置控制器的電路圖。圖6是示意性地示出了根據本專利技術的實施方案的具有可變靈敏度的SPAD陣列的框圖。圖7是示意性地示出了根據本專利技術的實施方案的具有被掃描的靈敏度區域的SPAD陣列的框圖。具體實施方式SPAD感測元件上的偏置電壓超過擊穿電壓的裕量確定感測元件的量子效率和暗噪聲兩者。(量子效率和暗噪聲兩者隨著過兩偏置電壓而增大。)同時，SPAD陣列中的感測元件的擊穿電壓通常由于例如幾何形態和摻雜劑濃度的局部變化而在元件之間有所變化。因此，在全局施加偏置時，每個光電二極管兩端具有相同的總偏置電壓，偏置電壓超過擊穿電壓的裕量將隨元件而變化，從而還導致感測元件之間的在靈敏度和噪聲水平方面的變化。本文描述的本專利技術的實施方案通過使得陣列中不同感測元件的偏置電壓能夠設置為不同的值來解決這個問題。這個特征不僅能夠用于均衡陣列上方的靈敏度并使像素噪聲減弱，而且還可以引入人為的靈敏度變化，以便更有選擇性和有效率地利用陣列的檢測能力。例如，可在SPAD成像陣列中諸如用于基于飛行時間(TOF)測量的3D相機以及硅光倍增管(SiPM)設備和其他種類的雪崩二極管陣列中的那些SPAD成像陣列中應用本專利技術的原理。在公開的實施方案中，感測設備包括感測元件的陣列，每個感測元件包括光電二極管和偏置電路。每個感測元件中的偏置電路能夠在偏置電壓下對光電二極管的p-n結進行反向偏置，該偏置電壓比p-n結的擊穿電壓大一裕量，該裕量足以使得入射在p-n結上的單個光子觸發從感測元件輸出的雪崩脈沖。偏置控制電路將不同感測元件中的偏置電壓設置為大于擊穿電壓的不同的相應值。在一些實施方案中，全局偏置發生器向陣列中的所有感測元件施加全局偏置電壓，而每個感測元件中的局部偏置電路施加除全局偏置之外的過量偏置。因此，每個p-n結兩端的偏置電壓是全局偏置電壓和過量偏置之和(其中根據電路配置，該過量偏置可相對于全局偏置為正或負)。典型地，每個感測元件還包括淬滅電路，每個感測元件中的光電二極管、偏置電路和淬滅電路是串聯耦接在一起的。偏置控制電路可在不同感測元件中設置不同的偏置電壓值，以實現各種目的。例如，在一個實施方案中，設置偏置電壓以便補償擊穿電壓的差異，并且因此均衡感測元件對入射光子的靈敏度。另選地或除此之外，偏置控制電路可識別具有高于指定極限的噪聲水平的感測元件中的一個或多個感測元件，并可以設置這些已識別的感測元件的偏置電壓，以便降低噪聲水平，可能降低到徹底關閉有噪聲的感測元件的程度。在其他實施方案中，偏置控制電路增大陣列的特定所選擇的區域中的感測元件的偏置電壓，使得這個區域中的感測元件具有的對入射光子的靈敏度大于該區域外部的感測元件。如前所述，在例如通過將陣列的敏感區域調節到照明光本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種感測設備，包括：感測元件的陣列，每個感測元件包括：光電二極管，所述光電二極管包括p?n結；和局部偏置電路，所述局部偏置電路經耦接以在偏置電壓下對所述p?n結進行反向偏置，所述偏置電壓比所述p?n結的擊穿電壓大一裕量，所述裕量足以使得入射在所述p?n結上的單個光子觸發從所述感測元件輸出的雪崩脈沖；和偏置控制電路，所述偏置控制電路經耦接以將所述感測元件中的不同感測元件中的所述偏置電壓設置為大于所述擊穿電壓的不同的相應值。

【技術特征摘要】
2015.12.20 US 14/975,7901.一種感測設備，包括：感測元件的陣列，每個感測元件包括：光電二極管，所述光電二極管包括p-n結；和局部偏置電路，所述局部偏置電路經耦接以在偏置電壓下對所述p-n結進行反向偏置，所述偏置電壓比所述p-n結的擊穿電壓大一裕量，所述裕量足以使得入射在所述p-n結上的單個光子觸發從所述感測元件輸出的雪崩脈沖；和偏置控制電路，所述偏置控制電路經耦接以將所述感測元件中的不同感測元件中的所述偏置電壓設置為大于所述擊穿電壓的不同的相應值。2.根據權利要求1所述的設備，并且包括全局偏置發生器，所述全局偏置發生器經耦接以向所述陣列中的所有所述感測元件施加全局偏置電壓，其中每個感測元件中的所述局部偏置電路被配置為施加過量偏置，使得每個p-n結兩端的所述偏置電壓是所述全局偏置電壓和所述過量偏置之和。3.根據權利要求2所述的設備，其中每個感測元件包括淬滅電路，并且其中每個感測元件中的所述光電二極管、所述局部偏置電路和所述淬滅電路是串聯耦接在一起的。4.根據權利要求1所述的設備，其中所述局部偏置電路包括電壓加法器，所述電壓加法器耦接到多個電壓線，提供相應的輸入電壓，并被配置為選擇所述輸入電壓并對所述輸入電壓進行求和，以便向所述p-n結提供所述偏置電壓。5.根據權利要求1所述的設備，其中所述偏置控制電路被配置為設置所述感測元件中的所述不同感測元件中的所述偏置電壓，以便均衡所述感測元件對入射光子的靈敏度。6.根據權利要求1所述的設備，其中所述偏置控制電路被配置為識別具有高于指定極限的噪聲水平的所述感測元件中的一個或多個感測元件，并設置所識別的感測元件的所述偏置電壓，以便降低所述噪聲水平。7.根據權利要求1所述的設備，其中所述偏置控制電路被配置為提高所述陣列的所選擇的區域中的所述感測元件的所述偏置電壓，使得所選擇的區域中的所述感測元件對入射光子的靈敏度大于所指定區域外部的所述感測元件的所述靈敏度。8.根據權利要求7所述的設備，其中所述偏置控制電路被配置為修改所述感測元件的所述偏置電壓，以便使所選擇的區域橫掃所述陣列。9.根據權利要求1至8中任一項所述的設備，其中所述感測元件的所述陣列包括在第一半導體芯片上形成的所述感測元件的第一二維矩陣，并且其中所述偏置控制電路包括在第二半導體芯片上形成并且以在所述感測元件和所述偏置控制元件之間一一對應的方式耦接到所述第一矩陣的偏置控制元件的第二二維矩陣。10.根據權利要求9所述的設備，其中所述第二半導體芯片包括經耦接以從所述感測元件接收相應輸出脈沖的處理電路，其中...

【專利技術屬性】
技術研發人員：G·A·阿干諾夫，M·C·瓦爾登，萬代新悟，
申請(專利權)人：蘋果公司，
類型：發明
國別省市：美國,US