【技术实现步骤摘要】
本公开涉及光电检测像素领域，具体涉及具有有源再充电但在面积方面紧凑的光电检测像素。
技术介绍
1、单光子雪崩二极管(spad)光电探测器基于在超过击穿电压的电压下反向偏置的pn结。当光子生成的载流子(通过内部光电效应)被注入到pn结的耗尽区中时，自维持雪崩随之发生，并且作为该雪崩的结果的电流输出的检测可以用于指示生成载流子的光子的检测。通过在短时间间隔内降低spad上的反向偏置来停止该雪崩，并且正是该时间间隔确定死区时间(例如，在光子检测之后不可能进一步检测的时间段)。
2、在图1a中示出了在光电检测器中使用的样本现有技术像素1(像素电路)。像素1包括spad2，其阴极耦合到高压电源(vhv＝vex+vbd)，其阳极通过n沟道淬熄(quench)晶体管mn的源极耦合到接地。淬熄晶体管mn的栅极被耦合以接收淬熄控制信号vq。
3、当将淬熄控制信号vq设置得足够高时，使得淬熄晶体管mn在操作的线性区域中接通，以充当电阻器，spad2的阳极通过淬熄晶体管mn的源－漏电阻接地，将spad2的反向偏置电压设置为高于其击穿电压。
4、当进入的光子撞击spad2时，spad2将雪崩，并且其阳极的电压将在电压vex和接地之间摆动，生成由反相器3检测的电流脉冲。雪崩由淬熄晶体管mn的源－漏电阻抑制。这为下一次检测重置spad3，其中该重置周期的持续时间设置死区时间。
5、死区时间转而限制最大计数率1/et，t是死区时间，e是表示rc时间常数的欧拉常数。图1b中示出了样本spad的最大计数率(mcr)
6、图1c示出了在图1a的光电检测器中，在较低光照条件下，spad2是如何饱和的，其中当spad2的阳极电压在检测事件期间上升到反相器3的阈值电压vth以上并且在淬熄期间回落到反相器3的阈值电压vth以下时，在反相器3的输出处生成单独的输出脉冲out。然而，现在考虑图1d中的较高光条件，其中spad2饱和，防止spad2的阳极电压在淬熄期间回落到反相器3的阈值电压以下，因此导致个别光检测事件的缺失。
7、这显然是不希望的，因为在高光条件环境中存在希望处理高计数率的能力的情况。一种允许在强光环境中处理高计数率的已知解决方案是使用有源复位，借此迫使spad快速复位，从而减少死区时间。
8、图2a中示出了利用有源复位(有源淬熄)的现有技术像素1'的示例。该像素1'类似于像素1，除了反相器3的输出out通过附加反相器4，然后由延迟电路5延迟，并用于反馈以驱动淬熄晶体管mn的栅极。在操作中，淬熄晶体管mn维持在线性模式中，充当淬熄电阻。当光子撞击spad2时，由反相器3，4和延迟电路5引入的延迟允许spad2在升高的阳极电压使淬熄晶体管mn完全接通到饱和之前完成其淬熄阶段，从而实质上降低其阻抗，使得spad2被快速复位以使其反向偏置电压高于其击穿电压。这种效应可以在图2b和图2c的曲线图中观察到，图2b和图2c示出了在低光照和高光照条件二者情况下，spad2的阳极电压在下一个检测事件之前由于有源淬熄而回落到反相器3的阈值电压以下。避免spad2在强光条件下饱和的能力导致spad的计数率即使在强光条件下也保持稳定在其最大值，如图2d所示。
9、虽然该像素1'校正了由spad2的饱和导致的图1a的像素1的问题，但是问题仍然存在。例如，有源复位利用基于正反馈的复杂电路，这可能导致不稳定性，消耗大量面积，并且可能限制量子效率。(例如 ， 参 见 dolatpoor 等 人 的“ anultrafastactivequenchingactiveresetcircuitwith50 ％spadafterpulsingreductionina28nmfd －soicmostechnologyusingbodybiasingtechnique”中的解决方案。sensors(basel)，2021jun10；21(12):4014.doi：10.3390/s21124014。pmid：34200801；pmcid：pmc8230464－通过引用并入本文)。
10、由于当前方法的这些缺点，显然需要进一步的开发。
技术实现思路
1、本文公开了包括多个像素的单光子雪崩二极管(spad)阵列。每个像素包括：spad，其具有连接到第一节点的阴极和耦合到第一负电压的阳极；以及晶体管电路。
2、所述晶体管电路包括：连接在电源电压节点和第二节点之间的淬熄晶体管，该淬熄晶体管由淬熄控制信号控制，在高阻抗模式下操作；再充电晶体管，其与所述淬熄晶体管并联连接在所述电源电压节点与所述第二节点之间，所述再充电晶体管由反馈信号控制；读出反相器，其被配置为基于所述第一节点处的电压生成输出信号；以及可调节延迟电路，其被配置为基于所述输出信号生成所述反馈信号，所述反馈信号相对于所述输出信号被延迟。
3、基于传入光子的撞击的spad的雪崩可以导致第一节点处的电压降，从而致使读出反相器断言输出信号，进而致使可调节延迟电路在延迟之后断言反馈信号，从而将再充电晶体管接通到低阻抗模式，直到读出反相器的输入处的电压上升到读出反相器的阈值电压以上以对spad再充电。延迟可以使得反馈信号在spad完全淬熄之后接通再充电晶体管。
4、所述可调节延迟电路可以包括：欠缺反相器，其具有接收所述输出信号的输入且具有连接到所述反馈节点的输出；以及连接在反馈节点和接地之间的电容器；其中所述延迟是所述欠缺反相器的转变时间和所述电容器的电容的函数。
5、所述欠缺反相器可以是具有连接到所述电源电压节点的第一电源端子和通过欠缺晶体管连接到接地的第二电源端子的反相器，所述欠缺晶体管的导电性由提供给所述欠缺晶体管的控制端子的控制电压来设置。
6、所述欠缺晶体管可以是n沟道晶体管，其漏极连接到所述欠缺反相器的所述第二功率端子，源极连接到接地，并且栅极连接到所述控制电压。
7、所述晶体管电路还可以包括：连接在所述第二节点和第一中间节点之间的使能晶体管，所述使能晶体管由使能信号控制；以及连接在所述第一中间节点和所述第一节点之间的共源共栅晶体管，所述共源共栅晶体管由共源共栅控制信号控制。所述读出反相器可连接在所述第一中间节点与第二中间节点之间，所述读出反相器被配置为响应于所述第一中间节点处的电压而生成所述输出信号。所述可调节延迟电路可以连接在所述第二中间节点和所述反馈节点之间，所述可调节延迟电路被配置为基于所述输出信号生成所述反馈信号，所述反馈信号相对于所述输出信号被延迟。
8、共源共栅晶体管可以是扩展漏极p沟道晶体管，其源极连接到第一中间节点，其漏极连接到第一节点，并且其栅极由共源共栅控制信号控制。
9、使能晶体管可以是薄或双层栅极氧化物p沟道晶体管，其源极连接到第二节点，其漏极连接到第一中间节点，并且其栅极由使能信号本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种单光子雪崩二极管SPAD阵列，包括：
2.根据权利要求1所述的SPAD阵列，其中基于传入光子的撞击的所述SPAD的雪崩导致所述第一节点处的电压降，致使所述读出反相器断言所述输出信号，进而致使所述可调节延迟电路在所述延迟之后断言所述反馈信号，以借此将所述再充电晶体管接通到低阻抗模式，直到所述读出反相器的输入处的电压上升到所述读出反相器的阈值电压之上以对所述SPAD再充电；并且其中所述延迟使得所述反馈信号在所述SPAD完全淬熄之后接通所述再充电晶体管。
3.根据权利要求2所述的SPAD阵列，其中所述可调节延迟电路包括：
4.根据权利要求3所述的SPAD阵列，其中所述欠缺反相器包括反相器，所述反相器具有连接到所述电源电压节点的第一功率端子和通过欠缺晶体管连接到接地的第二功率端子，其中所述欠缺晶体管的导电性由供应到所述欠缺晶体管的控制端子的控制电压设置。
5.根据权利要求4所述的SPAD阵列，其中所述欠缺晶体管包括n沟道晶体管，所述n沟道晶体管具有连接到所述欠缺反相器的所述第二功率端子的漏极、连接到接地的源极和连接到所述控制电压的栅
6.根据权利要求1所述的SPAD阵列，
7.根据权利要求6所述的SPAD阵列，其中所述共源共栅晶体管是扩展漏极p沟道晶体管，其源极被连接到所述第一中间节点，其漏极被连接到所述第一节点，并且其栅极由所述共源共栅控制信号控制。
8.根据权利要求6所述的SPAD阵列，其中所述使能晶体管包括薄或双层栅极氧化物p沟道晶体管，其源极被连接到所述第二节点，其漏极被连接到所述第一中间节点，并且其栅极由所述使能信号控制。
9.根据权利要求1所述的SPAD阵列，其中所述淬熄晶体管是第一p沟道晶体管，其源极被连接到所述电源电压节点，其漏极被连接到所述第一节点，并且其栅极由所述淬熄控制信号控制。
10.根据权利要求9所述的SPAD阵列，其中所述再充电晶体管是第二p沟道晶体管，其源极被连接到所述电源电压节点，其漏极被连接到所述第一节点，并且其栅极由所述反馈信号控制，所述第二p沟道晶体管是薄栅极氧化物p沟道晶体管。
11.根据权利要求1所述的SPAD阵列，进一步包括关断二极管，所述关断二极管的阳极连接到低于所述第一负电压的第二负电压，并且所述关断二极管的阴极连接到所述第一节点。
12.根据权利要求1所述的SPAD阵列，其中所述晶体管电路、读出反相器和可调节延迟电路被集成在第一层芯片内；其中所述SPAD被集成在第二层芯片内；并且其中所述第一层芯片和所述第二层芯片处于堆叠管芯布置中。
13.根据权利要求1所述的SPAD阵列，其中所述SPAD的所述阳极通过深沟槽隔离寄生电容被耦合到所述第一负电压。
14.一种检测撞击在像素内的单光子雪崩二极管SPAD上的光子的方法，所述方法包括：
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述输出信号的断言是通过响应于所述雪崩而断言读出反相器的输出来执行的。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述反馈信号的断言是通过以下执行的：
17.根据权利要求14所述的方法，其中通过所述高阻抗路径对所述雪崩的所述淬熄是通过以下步骤来执行的：
18.根据权利要求17所述的方法，其中通过所述低阻抗路径对所述SPAD进行再充电是通过以下步骤来执行的：
...【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩二极管spad阵列，包括：
2.根据权利要求1所述的spad阵列，其中基于传入光子的撞击的所述spad的雪崩导致所述第一节点处的电压降，致使所述读出反相器断言所述输出信号，进而致使所述可调节延迟电路在所述延迟之后断言所述反馈信号，以借此将所述再充电晶体管接通到低阻抗模式，直到所述读出反相器的输入处的电压上升到所述读出反相器的阈值电压之上以对所述spad再充电；并且其中所述延迟使得所述反馈信号在所述spad完全淬熄之后接通所述再充电晶体管。
3.根据权利要求2所述的spad阵列，其中所述可调节延迟电路包括：
4.根据权利要求3所述的spad阵列，其中所述欠缺反相器包括反相器，所述反相器具有连接到所述电源电压节点的第一功率端子和通过欠缺晶体管连接到接地的第二功率端子，其中所述欠缺晶体管的导电性由供应到所述欠缺晶体管的控制端子的控制电压设置。
5.根据权利要求4所述的spad阵列，其中所述欠缺晶体管包括n沟道晶体管，所述n沟道晶体管具有连接到所述欠缺反相器的所述第二功率端子的漏极、连接到接地的源极和连接到所述控制电压的栅极。
6.根据权利要求1所述的spad阵列，
7.根据权利要求6所述的spad阵列，其中所述共源共栅晶体管是扩展漏极p沟道晶体管，其源极被连接到所述第一中间节点，其漏极被连接到所述第一节点，并且其栅极由所述共源共栅控制信号控制。
8.根据权利要求6所述的spad阵列，其中所述使能晶体管包括薄或双层栅极氧化物p沟道晶体管，其源极被连接到所述第二节点，其漏极被连接到所述第一中间节点，并且其栅极由所述使能信号控制。
9....
【专利技术属性】
技术研发人员：M·阿尔拉瓦尼，B·雷，
申请(专利权)人：意法半导体Ramp，D有限公司，
类型：发明
国别省市：
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