单光子雪崩二极管像素结构及像素阵列结构制造技术

本发明专利技术提供一种单光子雪崩二极管像素结构及像素阵列结构，单光子雪崩二极管像素结构包括：单光子雪崩二极管，包括阳极及阴极；单光子雪崩二极管的阴极与一偏置电压源相连接；第一上拉管，与供电电源、复位信号及单光子雪崩二极管的阳极相连接；下拉管单元，与第一上拉管及单光子雪崩二极管的阳极相连接；淬火单元，与供电电源、下拉管单元及单光子雪崩二极管的阳极相连接；输出单元，与淬火单元相连接。本发明专利技术的单光子雪崩二极管像素结构可以在未被选中曝光和读出时将单光子雪崩二极管阳极与阴极的电压偏置在临界雪崩电压之下而不会发生雪崩效应；本发明专利技术的像素阵列结构可以实现单像素结构的曝光，便于研究单像素结构对相邻像素结构的串扰影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电学
，特别是涉及一种单光子雪崩二极管像素结构及像素阵列结构。
技术介绍
单光子雪崩二极管(SPAD)是偏置在高于临界雪崩电压的二极管，可做为3D图像传感器的像素单元。基于SPAD的3D图像传感器可以快速获取对象的3D信息，实现3D重建。暗计数率(DCR)是评价SPAD性能的重要指标，特别是其中的后脉冲和相邻像素串扰很大程度上会影响SPAD阵列的工作性能。Cristiano Niclass在2008年的JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS期刊上发表了一款基于SPAD像素结构3D CMOS图像传感器，其SPAD的像素结构如图1所示。在图1中，晶体管M1由行选控制信号ROWSEL控制，晶体管M1导通情况下可以将SAPD的雪崩电流通过晶体管M2和晶体管M7的作用在列读出线上被读出。QCH信号控制的晶体管M6与作为电容的晶体管M5一起实现像素的淬火功能，RCH信号控制的晶体管M3可实现SPAD的重新充电功能，为下一次曝光做准备。此像素结构简单，使用的晶体管较少，能实现被动淬火和主动充电的功能。然而，在整个SPAD像素阵列上，每一个SPAD阴极所加电压都在临界雪崩电压之上，对于行选控制信号ROWSEL没有作用到的像素，晶体管M1未导通，SPAD阳极悬空，此条件下的SPAD依然会受激发生雪崩效应，从生成雪崩电流。由于雪崩效应生成的大量电子-空穴对会串扰到相邻像素中，影响到相邻SPAD的正常工作。后脉冲效应也会使SPAD不能测出正确的光子信号。另外，由于ROWSEL信号是行选，实现整行曝光，在测量暗计数率时，很难评估单像素的暗计数率，以及单个像素发生雪崩后对相邻像素的影响。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种单光子雪崩二极管像素结构及像素阵列结构，用于解决现有技术中的单光子雪崩二极管阵列中每个单光子雪崩二极管阴极的电压均在临界雪崩电压值上，对于行选控制信号没有作用到的像素结构依然会受激发生雪崩效应，进而影响相邻单光子雪崩二极管的正常工作，使得单光子雪崩二极管不能测出正确的光子信号的问题，以及由于在行选控制信号的控制下实现整行曝光，在测量暗计数率时，很难评估单个像素结构的暗计数率以及单个像素结构发生雪崩后对相邻像素结构的影响的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种单光子雪崩二极管像素结构，所述单光子雪崩二极管像素结构包括：单光子雪崩二极管，包括阳极及阴极；所述单光子雪崩二极管的阴极与一偏置电压源相连接，所述偏置电压源的偏置电压为VB+VE，其中，VB为所述单光子雪崩二极管的临界雪崩电压，VE小于供电电源的电源电压；第一上拉管，与供电电源、复位信号及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，适于在所述复位信号为低电平时导通，使得所述单光子雪崩二极管阳极与阴极的偏置电压低于临界雪崩电压，从而不发生雪崩效应，以将所述单光子雪崩二极管复位；下拉管单元，与所述第一上拉管及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，适于在导通时将所述单光子雪崩二极管的阳极下拉到与GND一致的电位，使得所述单光子雪崩二极管阳极与阴极的偏置电压高于临界雪崩电压，从而发生雪崩效应；淬火单元，与所述供电电源、所述下拉管单元及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，适于在所述单光子雪崩二极管发生雪崩效应后对所述单光子雪崩二极管进行淬火，使得所述单光子雪崩二极管阳极的电压偏置在所述供电电源的电源电压上；输出单元，与所述淬火单元相连接，适于读取并输出所述单光子雪崩二极管发生雪崩效应所产生的脉冲信号。作为本专利技术的单光子雪崩二极管像素结构的一种优选方案，所述第一上拉管为PMOS管，所述第一上拉管的源极与所述供电电源相连接，所述第一上拉管的栅极与所述复位信号相连接，所述第一上拉管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极相连接。作为本专利技术的单光子雪崩二极管像素结构的一种优选方案，所述下拉管单元包括第一下拉管组及第二下拉管组；所述第一下拉管组包括第一下拉管及第二下拉管，所述第一下拉管及所述第二下拉管均为NMOS管；所述第一下拉管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，所述第一下拉管的源极与所述第二下拉管的漏极相连接，所述第二下拉管的源极接地；所述第二下拉管组包括第三下拉管及第四下拉管，所述第三下拉管及所述第四下拉管均为NMOS管；所述第三下拉管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，所述第三下拉管的源极与所述第四下拉管的漏极相连接，所述第四下拉管的源极接地。作为本专利技术的单光子雪崩二极管像素结构的一种优选方案，所述第一下拉管的栅极及所述第三下拉管的栅极均与行选控制信号相连接；所述第二下拉管的栅极与列选控制信号相连接；所述第四下拉管的栅极与单选控制信号相连接，所述单选控制信号为高电平时，所述第四下拉管导通，配合所述行选控制信号实现行曝光模式，若所述单选控制信号为低电平时，只有在所述行选控制信号与所述列选控制信号共同作用下选择的像素结构可以发生雪崩效应，从而实现单像素曝光模式。作为本专利技术的单光子雪崩二极管像素结构的一种优选方案，所述淬火单元包括：有源电阻晶体管、开关晶体管、反相器及淬火晶体管；所述有源电阻晶体管与下拉管单元及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接；所述开关晶体管与所述有源电阻晶体管相连接；所述反相器的输入端与所述单光子雪崩二极管的阳极及所述有源电阻晶体管相连接，所述反相器的输出端与所述开关晶体管相连接；所述淬火晶体管与所述供电电源、所述单光子雪崩二极管的阳极、所述有源电阻晶体管及所述反相器的输出端相连接；当所述下拉管单元导通时，所述开关晶体管导通，所述开关晶体管、所述有源电阻晶体管及所述反相器共同作用将所述单光子雪崩二极管阳极的电压保持在GND电压值；当所述单光子雪崩二极管发生雪崩效应时，雪崩电流作用于所述有源电阻晶体管产生电压降，所述反相器与所述淬火晶体管共同作用对所述单光子雪崩二极管进行淬火。作为本专利技术的单光子雪崩二极管像素结构的一种优选方案，所述有源电阻晶体管为NMOS管，所述有源电阻晶体管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极及所述下拉管单元相连接，所述有源电阻晶体管的栅极与所述单光子雪崩二极管的阳极及所述反相器的输入端相连接，所述有源电阻晶体管的源极与所述开关晶体管相连接。作为本专利技术的单光子雪崩二极管像素结构的一种优选方案，所述开关晶体管为NMOS管，所述开关晶体管的漏极与所述有源电阻晶体管相连接，所述开关晶体管的源极接地，所述开关晶体管的栅极与所述反相器的输出端、所述淬火晶体管及所述输出单元相连接。作为本专利技术的单光子雪崩二极管像素结构的一种优选方案，所述淬火晶体管为PMOS管，所述淬火晶体管的源极与所述供电电源相连接，所述淬火晶体管的栅极与所述反相器的输出端、所述开关晶体管及所述输出单元相连接，所述淬火晶体管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极相连接。作为本专利技术的单光子雪崩二极管像素结构的一种优选方案，所述输出单元包括第二上拉管、第五下拉管及输出开关管；所述第二上拉管为PMOS管，所述第二上拉管的源极与所述供电电源相连接，所述第二上拉管的栅极与所述淬火晶体管的栅极、所述反相器的输出端及所述开关晶体管的栅极相连接；所述第五下拉管为NMOS管，所述第五下拉管的源极接地，所述第五下拉管的栅极与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单光子雪崩二极管像素结构，其特征在于，所述单光子雪崩二极管像素结构包括：单光子雪崩二极管，包括阳极及阴极；所述单光子雪崩二极管的阴极与一偏置电压源相连接，所述偏置电压源的偏置电压为VB+VE，其中，VB为所述单光子雪崩二极管的临界雪崩电压，VE小于供电电源的电源电压；第一上拉管，与供电电源、复位信号及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，适于在所述复位信号为低电平时导通，使得所述单光子雪崩二极管阳极与阴极的偏置电压低于临界雪崩电压，从而不发生雪崩效应，以将所述单光子雪崩二极管复位；下拉管单元，与所述第一上拉管及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，适于在导通时将所述单光子雪崩二极管的阳极下拉到与GND一致的电位，使得所述单光子雪崩二极管阳极与阴极的偏置电压高于临界雪崩电压，从而发生雪崩效应；淬火单元，与所述供电电源、所述下拉管单元及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，适于在所述单光子雪崩二极管发生雪崩效应后对所述单光子雪崩二极管进行淬火，使得所述单光子雪崩二极管阳极的电压偏置在所述供电电源的电源电压上；输出单元，与所述淬火单元相连接，适于读取并输出所述单光子雪崩二极管发生雪崩效应所产生的脉冲信号。...

【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩二极管像素结构，其特征在于，所述单光子雪崩二极管像素结构包括：单光子雪崩二极管，包括阳极及阴极；所述单光子雪崩二极管的阴极与一偏置电压源相连接，所述偏置电压源的偏置电压为VB+VE，其中，VB为所述单光子雪崩二极管的临界雪崩电压，VE小于供电电源的电源电压；第一上拉管，与供电电源、复位信号及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，适于在所述复位信号为低电平时导通，使得所述单光子雪崩二极管阳极与阴极的偏置电压低于临界雪崩电压，从而不发生雪崩效应，以将所述单光子雪崩二极管复位；下拉管单元，与所述第一上拉管及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，适于在导通时将所述单光子雪崩二极管的阳极下拉到与GND一致的电位，使得所述单光子雪崩二极管阳极与阴极的偏置电压高于临界雪崩电压，从而发生雪崩效应；淬火单元，与所述供电电源、所述下拉管单元及所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，适于在所述单光子雪崩二极管发生雪崩效应后对所述单光子雪崩二极管进行淬火，使得所述单光子雪崩二极管阳极的电压偏置在所述供电电源的电源电压上；输出单元，与所述淬火单元相连接，适于读取并输出所述单光子雪崩二极管发生雪崩效应所产生的脉冲信号。2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管像素结构，其特征在于：所述第一上拉管为PMOS管，所述第一上拉管的源极与所述供电电源相连接，所述第一上拉管的栅极与所述复位信号相连接，所述第一上拉管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极相连接。3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管像素结构，其特征在于：所述下拉管单元包括第一下拉管组及第二下拉管组；所述第一下拉管组包括第一下拉管及第二下拉管，所述第一下拉管及所述第二下拉管均为NMOS管；所述第一下拉管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，所述第一下拉管的源极与所述第二下拉管的漏极相连接，所述第二下拉管的源极接地；所述第二下拉管组包括第三下拉管及第四下拉管，所述第三下拉管及所述第四下拉管均为NMOS管；所述第三下拉管的漏极与所述单光子雪崩二极管的阳极相连接，所述第三下拉管的源极与所述第四下拉管的漏极相连接，所述第四下拉管的源极接地。4.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管像素结构，其特征在于：所述第一下拉管的栅极及所述第三下拉管的栅极均与行选控制信号相连接；所述第二下拉管的栅极与列选控制信号相连接；所述第四下拉管的栅极与单选控制信号相连接，所述单选控制信号为高电平时，所述第四下拉管导通，配合所述行选控制信号实现行曝光模式，若所述单选控制信号为低电平时，只有在所述行选控制信号与所述列选控制信号共同作用下选择的像素结构可以发生雪崩效应，从而实现单像素曝光模式。5.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管像素结构，其特征在于：所述淬火单元包括：有源电阻晶体管、开关晶体管、反相器及淬火晶体管；所述有源电阻晶体管与下拉管单元及所述单光子雪崩二极管...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪辉，黄景林，章琦，汪宁，田犁，黄尊恺，曹虎，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31