具有像素级偏置控制的spad阵列制造技术

公开了具有像素级偏置控制的spad阵列。本发明专利技术提供了一种包括感测元件的阵列的感测设备。每个感测元件包括：光电二极管，该光电二极管包括p‑n结；以及局部偏置电路，该局部偏置电路经耦接以在偏置电压下对p‑n结进行反向偏置，该偏置电压比p‑n结的击穿电压大一裕量，该裕量足以使得入射在p‑n结上的单个光子触发从感测元件输出的雪崩脉冲；以及偏置控制电路，该偏置控制电路经耦接以将感测元件中的不同感测元件中的偏置电压设置为大于击穿电压的不同的相应值。

【技术实现步骤摘要】
具有像素级偏置控制的spad阵列
本专利技术整体涉及光电设备，并且具体地涉及高灵敏度检测器阵列。
技术介绍
也被称为盖革(Geiger)模式雪崩光电二极管(GAPD)的单光子雪崩二极管(SPAD)是能够以几十皮秒量级的极高到达时间分辨率来捕获单个光子的检测器。它们可采用专用半导体工艺或标准CMOS技术制造。在单个芯片上制造的SPAD传感器阵列已实验性地用于3D成像相机中。Charbon等人在TOFRange-ImagingCameras(Springer-Verlag，2013年)中发表的“SPAD-BasedSensors”中提供SPAD技术的有用综述，在此其以引用方式并入本文。在SPAD中，在远高于p-n结的击穿电压的电平下对p-n结进行反向偏置。在这种偏置下，电场非常高，使得注入到耗尽层中的单个载流子由于入射光子的原因可能触发自持雪崩。雪崩电流脉冲的前沿标志着检测到的光子的到达时间。电流一直持续直到通过将偏置电压降低到击穿电压或低于击穿电压而使雪崩淬灭。这后一种功能是由淬灭电路执行的，该淬灭电路可简单地包括与SPAD串联的高电阻镇流负载，或者可另选地包括有源电路元件。
技术实现思路
下文描述的本专利技术的实施方案提供了改进的单光子感测阵列和用于其操作的方法。因此，根据本专利技术的一个实施方案，提供了一种包括感测元件的阵列的感测设备。每个感测元件包括：光电二极管，该光电二极管包括p-n结；以及局部偏置电路，该局部偏置电路经耦接以在偏置电压下对p-n结进行反向偏置，该偏置电压比p-n结的击穿电压大一裕量，该裕量足以使得入射在p-n结上的单个光子触发从感测元件输出的雪崩脉冲。偏置控制电路经耦接以将感测元件中的不同感测元件中的偏置电压设置为大于击穿电压的不同的相应值。在一些实施方案中，该设备包括全局偏置发生器，该全局偏置发生器经耦接以向阵列中的所有感测元件施加全局偏置电压，其中每个感测元件中的局部偏置电路被配置为施加过量偏置，使得每个p-n结两端的偏置电压是全局偏置电压和过量偏置之和。典型地，每个感测元件包括淬灭电路，并且每个感测元件中的光电二极管、局部偏置电路和淬灭电路是串联耦接在一起的。在所公开的实施方案中，局部偏置电路包括电压加法器，该电压加法器耦接到多个电压线，提供相应的输入电压，并被配置为选择输入电压并对输入电压进行求和，以便向p-n结提供偏置电压。在一些实施方案中，偏置控制电路被配置为设置感测元件中的不同感测元件中的偏置电压，以便均衡感测元件对入射光子的灵敏度。除此之外或另选地，偏置控制电路被配置为识别具有高于指定极限的噪声水平的感测元件中的一个或多个感测元件，并设置所识别的感测元件的偏置电压，以便降低噪声水平。进一步除此之外或另选地，偏置控制电路被配置为提高阵列的所选择的区域中的感测元件的偏置电压，使得所选择的区域中的感测元件具有的对入射光子的灵敏度大于指定区域外部的感测元件的灵敏度。在一个实施方案中，偏置控制电路被配置为修改感测元件的偏置电压，以便使所选择的区域横扫阵列。在一个公开的实施方案中，感测元件的阵列包括在第一半导体芯片上形成的感测元件的第一二维矩阵，并且偏置控制电路包括偏置控制元件的在第二半导体芯片上形成并且在感测元件和偏置控制元件之间一一对应地耦接到第一矩阵的第二二维矩阵。典型地，第二半导体芯片包括经耦接以从感测元件接收相应输出脉冲的处理电路，其中gai处理电路包括耦接到每个感测元件的相应时间到数字转换器(TDC)。根据本专利技术的一个实施方案，还提供了一种用于感测的方法，该方法包括提供感测元件的阵列，每个感测元件包括：光电二极管，该光电二极管包括p-n结；以及偏置电路，该偏置电路经耦接以在偏置电压下对p-n结进行反向偏置，该偏置电压比p-n结的击穿电压大一裕量，该裕量足以使得入射在p-n结上的单个光子触发从感测元件输出的雪崩脉冲。将感测元件中的不同感测元件中的偏置电压设置为大于击穿电压的不同的相应值。结合附图根据下文中对本专利技术的实施方案的详细描述将更完全地理解本专利技术，在附图中：附图说明图1是示意性地示出了根据本专利技术的实施方案的基于SPAD的感测设备的框图；图2是示出了根据本专利技术的实施方案的SPAD阵列中的感测元件的部件的框图；图3是示意性地示出了根据本专利技术的实施方案的SPAD阵列中的检测器对作为偏置的函数的入射光子的响应的曲线图；图4A-图4C是示意性地示出了根据本专利技术三个不同实施方案的SPAD阵列中的像素的部件的电路图；图5是示意性地示出了根据本专利技术的实施方案的局部偏置控制器的电路图。图6是示意性地示出了根据本专利技术的实施方案的具有可变灵敏度的SPAD阵列的框图。图7是示意性地示出了根据本专利技术的实施方案的具有被扫描的灵敏度区域的SPAD阵列的框图。具体实施方式SPAD感测元件上的偏置电压超过击穿电压的裕量确定感测元件的量子效率和暗噪声两者。(量子效率和暗噪声两者随着过两偏置电压而增大。)同时，SPAD阵列中的感测元件的击穿电压通常由于例如几何形态和掺杂剂浓度的局部变化而在元件之间有所变化。因此，在全局施加偏置时，每个光电二极管两端具有相同的总偏置电压，偏置电压超过击穿电压的裕量将随元件而变化，从而还导致感测元件之间的在灵敏度和噪声水平方面的变化。本文描述的本专利技术的实施方案通过使得阵列中不同感测元件的偏置电压能够设置为不同的值来解决这个问题。这个特征不仅能够用于均衡阵列上方的灵敏度并使像素噪声减弱，而且还可以引入人为的灵敏度变化，以便更有选择性和有效率地利用阵列的检测能力。例如，可在SPAD成像阵列中诸如用于基于飞行时间(TOF)测量的3D相机以及硅光倍增管(SiPM)设备和其他种类的雪崩二极管阵列中的那些SPAD成像阵列中应用本专利技术的原理。在公开的实施方案中，感测设备包括感测元件的阵列，每个感测元件包括光电二极管和偏置电路。每个感测元件中的偏置电路能够在偏置电压下对光电二极管的p-n结进行反向偏置，该偏置电压比p-n结的击穿电压大一裕量，该裕量足以使得入射在p-n结上的单个光子触发从感测元件输出的雪崩脉冲。偏置控制电路将不同感测元件中的偏置电压设置为大于击穿电压的不同的相应值。在一些实施方案中，全局偏置发生器向阵列中的所有感测元件施加全局偏置电压，而每个感测元件中的局部偏置电路施加除全局偏置之外的过量偏置。因此，每个p-n结两端的偏置电压是全局偏置电压和过量偏置之和(其中根据电路配置，该过量偏置可相对于全局偏置为正或负)。典型地，每个感测元件还包括淬灭电路，每个感测元件中的光电二极管、偏置电路和淬灭电路是串联耦接在一起的。偏置控制电路可在不同感测元件中设置不同的偏置电压值，以实现各种目的。例如，在一个实施方案中，设置偏置电压以便补偿击穿电压的差异，并且因此均衡感测元件对入射光子的灵敏度。另选地或除此之外，偏置控制电路可识别具有高于指定极限的噪声水平的感测元件中的一个或多个感测元件，并可以设置这些已识别的感测元件的偏置电压，以便降低噪声水平，可能降低到彻底关闭有噪声的感测元件的程度。在其他实施方案中，偏置控制电路增大阵列的特定所选择的区域中的感测元件的偏置电压，使得这个区域中的感测元件具有的对入射光子的灵敏度大于该区域外部的感测元件。如前所述，在例如通过将阵列的敏感区域调节到照明光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种感测设备，包括：感测元件的阵列，每个感测元件包括：光电二极管，所述光电二极管包括p‑n结；和局部偏置电路，所述局部偏置电路经耦接以在偏置电压下对所述p‑n结进行反向偏置，所述偏置电压比所述p‑n结的击穿电压大一裕量，所述裕量足以使得入射在所述p‑n结上的单个光子触发从所述感测元件输出的雪崩脉冲；和偏置控制电路，所述偏置控制电路经耦接以将所述感测元件中的不同感测元件中的所述偏置电压设置为大于所述击穿电压的不同的相应值。

【技术特征摘要】
2015.12.20 US 14/975,7901.一种感测设备，包括：感测元件的阵列，每个感测元件包括：光电二极管，所述光电二极管包括p-n结；和局部偏置电路，所述局部偏置电路经耦接以在偏置电压下对所述p-n结进行反向偏置，所述偏置电压比所述p-n结的击穿电压大一裕量，所述裕量足以使得入射在所述p-n结上的单个光子触发从所述感测元件输出的雪崩脉冲；和偏置控制电路，所述偏置控制电路经耦接以将所述感测元件中的不同感测元件中的所述偏置电压设置为大于所述击穿电压的不同的相应值。2.根据权利要求1所述的设备，并且包括全局偏置发生器，所述全局偏置发生器经耦接以向所述阵列中的所有所述感测元件施加全局偏置电压，其中每个感测元件中的所述局部偏置电路被配置为施加过量偏置，使得每个p-n结两端的所述偏置电压是所述全局偏置电压和所述过量偏置之和。3.根据权利要求2所述的设备，其中每个感测元件包括淬灭电路，并且其中每个感测元件中的所述光电二极管、所述局部偏置电路和所述淬灭电路是串联耦接在一起的。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述局部偏置电路包括电压加法器，所述电压加法器耦接到多个电压线，提供相应的输入电压，并被配置为选择所述输入电压并对所述输入电压进行求和，以便向所述p-n结提供所述偏置电压。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述偏置控制电路被配置为设置所述感测元件中的所述不同感测元件中的所述偏置电压，以便均衡所述感测元件对入射光子的灵敏度。6.根据权利要求1所述的设备，其中所述偏置控制电路被配置为识别具有高于指定极限的噪声水平的所述感测元件中的一个或多个感测元件，并设置所识别的感测元件的所述偏置电压，以便降低所述噪声水平。7.根据权利要求1所述的设备，其中所述偏置控制电路被配置为提高所述阵列的所选择的区域中的所述感测元件的所述偏置电压，使得所选择的区域中的所述感测元件对入射光子的灵敏度大于所指定区域外部的所述感测元件的所述灵敏度。8.根据权利要求7所述的设备，其中所述偏置控制电路被配置为修改所述感测元件的所述偏置电压，以便使所选择的区域横扫所述阵列。9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述感测元件的所述阵列包括在第一半导体芯片上形成的所述感测元件的第一二维矩阵，并且其中所述偏置控制电路包括在第二半导体芯片上形成并且以在所述感测元件和所述偏置控制元件之间一一对应的方式耦接到所述第一矩阵的偏置控制元件的第二二维矩阵。10.根据权利要求9所述的设备，其中所述第二半导体芯片包括经耦接以从所述感测元件接收相应输出脉冲的处理电路，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·A·阿干诺夫，M·C·瓦尔登，万代新悟，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国,US