專利名稱:光檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及包括光電二極管的光檢測裝置。
背景技術(shù):
光檢測裝置是一種備有一個或者多個光電二極管、以及包括放大器和積分電容部的積分電路的裝置,另外,有時還備有此后的信號處理電路(例如,參照國際公開第02/12845號小冊子)。在該光檢測裝置中,在光電二極管和積分電路的輸入端之間設(shè)有開關(guān),在該開關(guān)打開期間,對應(yīng)于光入射到二極管中而發(fā)生的電荷被蓄積在光電二極管的結(jié)電容部中,該開關(guān)一旦閉合,到此為止蓄積在光電二極管的結(jié)電容部中的電荷便經(jīng)過開關(guān)輸入到積分電路的輸入端,被蓄積在積分電路的積分電容部中。然后,從積分電路輸出對應(yīng)于蓄積在積分電容部中的電荷量的電壓值。根據(jù)對應(yīng)于多個光電二極管分別發(fā)生的電荷量而從積分電路輸出的電壓值,檢測入射到排列了多個光電二極管的光檢測面上的光。另外,光檢測裝置有時還備有將從積分電路輸出的電壓值(模擬值)變換成數(shù)字值的A/D變換電路,在此情況下,作為數(shù)字值獲得入射光強度,還能用計算機等進行處理。
發(fā)明內(nèi)容
上述這樣的光檢測裝置中的光檢測的動態(tài)范圍、S/N比以及速度分別依賴于光電二極管的結(jié)電容值,因此,難以將它們共同提高。
本發(fā)明就是為了解決上述問題而完成的,其目的在于提供一種能夠使光檢測的動態(tài)范圍、S/N(信噪)比以及速度的任何一個都得到提高的光檢測裝置。
本發(fā)明的光檢測裝置的特征在于包括(1)反偏壓施加在陽極端子和陰極端子之間,發(fā)生對應(yīng)于入射光強度的量的電荷,并蓄積在結(jié)電容部中的光電二極管;(2)輸入端通過開關(guān)與光電二極管連接,將蓄積在光電二極管的結(jié)電容部中的電荷輸入到輸入端中,將該電荷蓄積在積分電容部中,輸出對應(yīng)于該蓄積的電荷量的電壓值的積分電路;以及(3)使積分電路的積分電容部蓄積電荷的第二期間內(nèi)施加在光電二極管上的反偏壓的值,比光電二極管的結(jié)電容部蓄積電荷的第一期間內(nèi)施加在光電二極管上的反偏壓的值大的反偏壓變更單元。
如果采用本發(fā)明的光檢測裝置,則在設(shè)置于光電二極管和積分電路的輸入端之間的開關(guān)打開期間,對應(yīng)于光入射到二極管中而發(fā)生的電荷被蓄積在該光電二極管的結(jié)電容部中。然后,開關(guān)一旦閉合,到此為止蓄積在光電二極管的結(jié)電容部中的電荷便經(jīng)過開關(guān)輸入到積分電路中,被蓄積在積分電路的積分電容部中,對應(yīng)于該積分電容部中蓄積的電荷量的電壓值被從積分電路輸出。特別是在本發(fā)明中,施加在光電二極管上的反偏壓值設(shè)定得在積分電路的積分電容部蓄積電荷的第二期間比光電二極管的結(jié)電容部蓄積電荷的第一期間大。因此,該光檢測裝置能使光檢測的動態(tài)范圍、S/N比以及速度任何一者都提高。
本發(fā)明的光檢測裝置優(yōu)選這樣構(gòu)成(1)積分電路包括有第一輸入端子、第二輸入端子以及輸出端子的放大器,在第一輸入端子和輸出端子之間有積分電容部,(2)反偏壓變更單元在第一期間和第二期間變更輸入到放大器的第二輸入端子中的電壓值,適合變更施加在光電二極管上的反偏壓值。在此情況下,放大器的第一輸入端子和第二輸入端子呈虛短路關(guān)系,各自的電位彼此相等。因此,變更輸入到放大器的第二輸入端子中的電壓值,能變更施加在光電二極管上的反偏壓值。
本發(fā)明的光檢測裝置優(yōu)選這樣構(gòu)成光電二極管在第一導電型的第一半導體區(qū)域上有第二導電型的第二半導體區(qū)域,在該第二半導體區(qū)域上有第一導電型的第三半導體區(qū)域,第一半導體區(qū)域和第二半導體區(qū)域形成pn結(jié)合,第二半導體區(qū)域和第三半導體區(qū)域形成pn結(jié)合的埋入型的結(jié)構(gòu)。另外,光電二極管優(yōu)選這樣構(gòu)成接觸第二半導體區(qū)域,有雜質(zhì)濃度比第二半導體區(qū)域高的第二導電型的第四半導體區(qū)域,從第四半導體區(qū)域輸出對應(yīng)于入射光強度的數(shù)量的電荷。這樣在光電二極管是埋入型的情況下,由于能抑制泄漏電流的發(fā)生,所以即使在該點提高光檢測的S/N比也有效。另外,由于在積分電路的積分電容部蓄積電荷的第二期間,增大光電二極管的反偏壓,能完全耗盡化,所以能使光電二極管的結(jié)電容值幾乎為零,因此,即使在該點,提高光檢測的S/N比以及高速化也有效。其中,第一導電型以及第二導電型中的一者意味著n型,另一者意味著p型。
本發(fā)明的光檢測裝置優(yōu)選這樣構(gòu)成還包括判斷在光電二極管中發(fā)生的電荷量的電平的電荷量電平判斷電路,積分電容部的電容值是可變的,根據(jù)由電荷量電平判斷電路所判斷的電平來設(shè)定該電容值。在此情況下,由電荷量電平判斷電路判斷在光電二極管中發(fā)生并蓄積在結(jié)電容部中的電荷的電平。然后,根據(jù)該判斷的電荷量電平,設(shè)定積分電路的積分電容部的電容值。此后,在積分電路中,在光電二極管中發(fā)生的電荷被蓄積在積分電容部中,輸出對應(yīng)于該蓄積的電荷量的值的電壓信號。在入射光強度大的情況下,積分電路的可變電容部的電容值被設(shè)定為比較大的值,即使入射光強度大,也不會飽和,能檢測入射光強度。另一方面,在入射光強度小的情況下,積分電路的可變電容部的電容值被設(shè)定為比較小的值,即使入射光強度小,靈敏度也好,能檢測入射光強度。另外,在該光檢測裝置中,如果對各光電二極管一一相對地設(shè)置電荷量電平判斷電路,則能迅速設(shè)定積分電路的積分電容部的電容值,能夠高速檢測入射光強度。
本發(fā)明的光檢測裝置優(yōu)選這樣構(gòu)成最好對N個(N為2以上的整數(shù))光電二極管,設(shè)置一個積分電路。另外,在第一基板上設(shè)置光電二極管,在第二基板上設(shè)置積分電路,第一基板和第二基板互相以凸點連接。在此情況下,第一基板以及第二基板分別能用最佳的制造工藝制造,有利于提高集成度。
圖1是本實施方式的光檢測裝置1的總體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本實施方式的光檢測裝置1的局部結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本實施方式的光檢測裝置1所包括的電荷量電平判斷電路10m,n以及積分電路20m的電路圖。
圖4是說明本實施方式的光檢測裝置1的工作的時序圖。
圖5是更詳細地說明本實施方式的光檢測裝置1的工作的時序圖。
圖6是表示光電二極管的反偏壓值和結(jié)電容值的關(guān)系的曲線圖。
圖7是表示本實施方式的光檢測裝置1中的第一基板100以及第二基板200的配置關(guān)系的立體圖。
圖8是表示本實施方式的光檢測裝置1中的第一基板100以及第二基板200的截面的一個例子的圖。
圖9是表示本實施方式的光檢測裝置1中的第一基板100以及第二基板200的截面的另一例的圖。
圖10A是埋入型光電二極管的第一例的說明圖。
圖10B是埋入型光電二極管的第二例的說明圖。
具體實施例方式
以下,參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式。其中,在附圖的說明中對同一要素標以同一標記,并省略重復的說明。
圖1是本實施方式的光檢測裝置1的總體結(jié)構(gòu)圖。圖2是本實施方式的光檢測裝置1的局部結(jié)構(gòu)圖。圖1中用虛線表示的范圍Y內(nèi)的塊X1~XM各自的詳細結(jié)構(gòu)顯示在圖2中。這些圖中所示的光檢測裝置1包括M組單元U1~UM、A/D變換電路30、移位電路40以及控制電路50。各單元Um有互相相同的結(jié)構(gòu),包括N個光電二極管PDm1,~PDm,N、N個電荷量電平判斷電路10m,1~10m,N、N個第一開關(guān)SW1m,1~SW1m,N、N個第二開關(guān)SW2m,1~SW2m,N、積分電路20m、開關(guān)SW3m以及開關(guān)SW4m。這里,M是1以上的整數(shù),N是2以上的整數(shù),m是1以上M以下的各整數(shù),另外,以下出現(xiàn)的n是1以上N以下的各整數(shù)。
各光電二極管PDm,n在陽極端子和陰極端子之間被施加反偏壓,發(fā)生對應(yīng)于入射光強度的數(shù)量的電荷Q,并蓄積在結(jié)電容部中。開關(guān)SW1m,n對應(yīng)于光電二極管PDm,n而被設(shè)置在該光電二極管PDm,n和積分電路20m的輸入端之間,能夠電氣開閉。
電荷量電平判斷電路10m,n對應(yīng)于光電二極管PDm,n來設(shè)置,判斷在該光電二極管PDm,n中發(fā)生并蓄積在結(jié)電容部中的電荷Q的量的電平,輸出表示該電平判斷結(jié)果的電平信號Level。開關(guān)SW2m,n對應(yīng)于電荷量電平判斷電路10m,n而設(shè)置在該電荷量電平判斷電路10m,n和積分電路20m之間,能導電氣開閉。其中,電平信號Level是一位或者多位的數(shù)字信號,開關(guān)SW2m,n包括該位數(shù)的開關(guān)。
積分電路20m具有電容值可變的積分電容部,輸入端通過開關(guān)SW1m,n與光電二極管PDm,n連接。而且,積分電路20m伴隨這些開關(guān)SW1m,1~SW1m,N的依次開閉,分別從N個光電二極管PDm,1~PDm,N依次輸出,將輸入到該輸入端的電荷Q蓄積在積分電容部中,從輸出端輸出對應(yīng)于該蓄積的電荷Q的量的電壓值V20。另外,積分電容部通過開關(guān)SW2m,n與電荷量電平判斷電路10m,n連接,伴隨這些開關(guān)SW2m,1~SW2m,N的依次開閉,分別從N個電荷量電平判斷電路10m,1~10m,N依次輸出,根據(jù)輸入的電平信號Level設(shè)定電容值。
A/D變換電路30輸入從積分電路20m的輸出端經(jīng)過開關(guān)SW3m依次輸出的電壓值V20,對該電壓值V20進行A/D變換,輸出對應(yīng)于該電壓值V20的數(shù)字值。移位電路40輸入從A/D變換電路30輸出的數(shù)字值,同時依次輸入分別從電荷量電平判斷電路10m,1~10m,N經(jīng)過開關(guān)SW2m,n及開關(guān)SW4m輸出的電平信號Level,根據(jù)該電平信號Level,使數(shù)字值的位移位,輸出使該位移位了的數(shù)字值。
控制電路50是控制光檢測裝置1的總體工作的電路。特別是控制電路50控制各開關(guān)SW1m,n以及各開關(guān)SW2m,n各自的開閉。具體地說,控制電路50就各光電二極管PDm,n而言,關(guān)閉對應(yīng)的開關(guān)SW2m, n,基于由對應(yīng)的電荷量電平判斷電路10m,n輸出的電平信號Level來設(shè)定積分電路20m的積分電容部的電容值,然后,關(guān)閉對應(yīng)的開關(guān)SW1m, n,使積分電路20m的積分工作開始。另外,控制電路50也控制積分電路20m、開關(guān)SW3m、開關(guān)SW4m、A/D變換電路30以及移位電路40各自的工作時序。該工作時序?qū)诤竺嬖敿氄f明。其中,在圖1中,省略了從控制電路50發(fā)送給其他要素電路的控制信號。
圖3是本實施方式的光檢測裝置1中所包括的電荷量電平判斷電路10m,n以及積分電路20m的電路圖。其中,在該圖中,只示出了對應(yīng)于第m單元Um內(nèi)的第n光電二極管PDm,n的部分。
電荷量電平判斷電路10m,n具有三個比較器11~13以及控制部14。比較器11~13各自的非反相輸入端子連接在光電二極管PDm,n的陰極端子和開關(guān)SW1m,n的連接點上?;鶞孰妷褐礦ref1輸入到比較器11的反相輸入端子中,基準電壓值Vref2輸入到比較器12的反相輸入端子中,基準電壓值Vref3輸入到比較器13的反相輸入端子中。然后,比較器11~13各自對分別輸入到非反相輸入端子以及反相輸入端子中的電壓值進行大小比較,將表示該比較結(jié)果的信號輸出給控制部14??刂撇?4輸入分別由比較器11~13輸出的信號,輸出用于設(shè)定積分電路20m的積分電容部的電容值的3位的電平信號Level。
這里,基準電壓值Vref1~Vref3滿足下列關(guān)系式。
Vref1=Vsat/2 …(1a)Vref2=Vsat/4 …(1b)Vref3=Vsat/8 …(1c)Vsat是一定值。因此,三個比較器11~13能夠判斷光電二極管PDm,n的陰極端子的電位VPD在下列各范圍中的哪個范圍內(nèi)。
VPD<Vsat/8…(2a)Vsat/8≤VPD<Vsat/4 …(2b)Vsat/4≤VPD<Vsat/2 …(2c)Vsat/2≤VPD…(2d)從控制部14輸出的電平信號Level是表示電位VPD在上述式(2a)~式(2d)中的哪個范圍內(nèi)的信號。
積分電路20m具有放大器A、電容元件C0~C3以及開關(guān)SW0~SW3。放大器A具有非反相輸入端子、反相輸入端子以及輸出端子。放大器A的非反相輸入端子和反相輸入端子呈虛短路關(guān)系,各自的電位彼此相等。放大器A的非反相輸入端子輸入電壓值Vinp。該電壓值Vinp并非固定而是可變的,例如,能夠選擇來自第一恒定電壓源的一定電壓值VH以及來自第二恒定電壓源的一定電壓值VL(VL<VH)兩者中的任意一者而輸入到放大器A的非反相輸入端子中。放大器A的反相輸入端子通過開關(guān)SW1m,n而連接在光電二極管PDm,n的陽極端子上。放大器A的輸出端子通過開關(guān)SW3m而連接在A/D變換電路30上?;ハ啻?lián)連接的開關(guān)SW1以及電容元件C1、互相串聯(lián)連接的開關(guān)SW2以及電容元件C2、互相串聯(lián)連接的開關(guān)SW3以及電容元件C3、電容元件C0、以及開關(guān)SW0互相并聯(lián)設(shè)置在放大器A的反相輸入端子和輸出端子之間。
電容元件C0~C3以及開關(guān)SW1~SW3構(gòu)成電容值可變的積分電容部21。即,開關(guān)SW1~SW3分別基于從電荷量電平判斷電路10m,n的控制部14輸出并經(jīng)過開關(guān)SW2m,n而輸入的電平信號Level來進行開閉,對應(yīng)于該開閉狀態(tài),積分電容部21的電容值固定下來。這里,電容元件C0~C3各自的電容值滿足下列關(guān)系式,C是一定值。
C0=C …(3a)C1=C …(3b)C2=2C …(3c)C3=4C …(3d)積分電容部21基于電平信號Level,就是說,根據(jù)由三個比較器11~13判斷的光電二極管PDm,n的陽極端子的電位VPD,如下所述,通過設(shè)定開關(guān)SW1~SW3各自的開閉,來設(shè)定電容值。即,斷定了電位VPD在上述式(2a)的范圍內(nèi)時,開關(guān)SW1~SW3全部打開,積分電容部21的電容值被設(shè)定為C(=C0),斷定了電位VPD在上述式(2b)的范圍內(nèi)時,只關(guān)閉開關(guān)SW1,積分電容部21的電容值被設(shè)定為2C(=C0+C1)。斷定了電位VPD在上述式(2c)的范圍內(nèi)時,關(guān)閉開關(guān)SW1以及SW2,積分電容部21的電容值被設(shè)定為4C(=C0+C1+C2)。另外,斷定了電位VPD在上述式(2d)的范圍內(nèi)時,關(guān)閉全部開關(guān)SW1~SW3,積分電容部21的電容值被設(shè)定為8C(=C0+C1+C2+C3)。而且,在其中的任何情況下,從積分電路20m的輸出端輸出的電壓值V20都在以下范圍內(nèi)Vsat/2≤V20<Vsat…(4)而且,A/D變換電路30輸入從各單元Um的積分電路20m的輸出端輸出并經(jīng)過開關(guān)SW3m而依次到達的電壓值V20,對該電壓值V20進行A/D變換,輸出對應(yīng)于該電壓值V20的數(shù)字值。這時,輸入到A/D變換電路30中的電壓值V20經(jīng)常在上述式(4)的范圍內(nèi),所以A/D變換電路30對電壓值V20進行A/D變換時,能有效地利用所輸出的數(shù)字值的全部位。
移位電路40輸入從A/D變換電路30輸出的數(shù)字值,同時依次輸入從電荷量電平判斷電路10m,1~10m,N分別輸出的電平信號Level,根據(jù)該電平信號Level來使數(shù)字值的位移位,輸出使其位移位了的數(shù)字值。即,從A/D變換電路30輸出的數(shù)字值為K位(K是2以上的整數(shù))的數(shù)字值(DK-1、DK-2、…D1、D0)時,移位電路40輸出(K+3)位的數(shù)字值。在電平信號Level表示電位VPD在上述式(2a)的范圍內(nèi)的情況下,移位電路40不使輸入的數(shù)字值移位,而輸出(K+3)位的數(shù)字值(0、0、0、DK-1、DK-2、…D1、D0)。在電平信號Level表示電位VPD在上述式(2b)的范圍內(nèi)的情況下,使輸入的數(shù)字值只移動1位,輸出(K+3)位的數(shù)字值(0、0、DK-1、DK-2、…D1、D0、0)。在電平信號Level表示電位VPD在上述式(2c)的范圍內(nèi)的情況下,使輸入的數(shù)字值只移動2位,輸出(K+3)位的數(shù)字值(0、DK-1、DK-2、…D1、D0、0、0)。另外,在電平信號Level表示電位VPD在上述式(2d)的范圍內(nèi)的情況下,使輸入的數(shù)字值只移動3位,輸出(K+3)位的數(shù)字值(DK-1、DK-2、…D1、D0、0、0、0)。
其次,說明本實施方式的光檢測裝置1的工作時序。圖4是說明本實施方式的光檢測裝置1的工作的時序圖。該圖中,從上方開始依次示出了對應(yīng)于光電二極管PDm,n-1的開關(guān)SW2m,n-1的開閉時序以及開關(guān)SW1m,n-1的開閉時序;對應(yīng)于各單元Um中與光電二極管PDm,n-1相鄰配置的光電二極管PDm,n的開關(guān)SW2m,n的開閉時序以及開關(guān)SW1m,n的開閉時序;對應(yīng)于各單元Um中與光電二極管PDm,n相鄰配置的光電二極管PDm,n+1的開關(guān)SW2m,n+1的開閉時序以及開關(guān)SW1m, n+1的開閉時序;來自積分電路20m的輸出電壓值V20;以及來自A/D變換電路30的輸出數(shù)字值。
在從時刻tn-1,2到時刻tn,1的期間內(nèi),在各單元Um中,只關(guān)閉N個開關(guān)SW2m,1~SW2m,N中的第(n-1)開關(guān)SW2m,n-1,從第(n-1)電荷量電平判斷電路10m,n-1的控制部14輸出的電平信號Level輸入到積分電路20m中,基于該電平信號設(shè)定積分電路20m的積分電容部21的電容值。這時的電平信號是表示在時刻tn-1,2中,由電荷量電平判斷電路10m,n的三個比較器11~13進行判斷后由控制部14保持的光電二極管PDm,n的陰極端子的電位VPD的電平。另外,積分電路20m的開關(guān)SW0在時刻tn-1,2關(guān)閉,從積分電路20m輸出的電壓值V20被初始化。
在從時刻tn,1到時刻tn,2的期間,在各單元Um中,只關(guān)閉N個開關(guān)SW1m,1~SW1m,N中的第n開關(guān)SW1m,n,打開積分電路20m的開關(guān)SW0,進行積分電路20m的積分工作。這時從積分電路20m輸出的電壓值V20是對應(yīng)于N個光電二極管PDm,1~PDm,N中從第n光電二極管PDm,n輸出后被蓄積在積分電容部21中的電荷量以及積分電容部21的電容值的電壓值。
另外,在從該時刻tn,1到時刻tn,2的期間依次關(guān)閉M個開關(guān)SW3m, 依次關(guān)閉M個開關(guān)SW4m。而且,從M個單元U1~UM依次輸出的電壓值V20由A/D變換電路30而變換成數(shù)字值,該數(shù)字值由移位電路40根據(jù)從M個單元U1~UM依次輸出的電平信號Level,進行移位后輸出。這時從移位電路40依次輸出的數(shù)字值是對應(yīng)于M個單元U1~UM中分別包含的第n光電二極管PDm,n的入射光強度的數(shù)字值。
然后,在時刻tn,2,在各單元Um中,分別打開第n開關(guān)SW1m,n以及開關(guān)SW2m,n,關(guān)閉積分電路20m的開關(guān)SW0,第n光電二極管PDm,n的一系列工作結(jié)束。在從時刻tn,2到時刻tn+1,2的期間,各單元Um的第(n+1)光電二極管PDm,n+1同樣進行一系列工作。再往后也相同。
圖5是更詳細地說明本實施方式的光檢測裝置1的工作的時序圖。該圖中從上方開始示出了開關(guān)SW1m,n的開閉時序、積分電路20m的開關(guān)SW0的開閉時序、來自積分電路20m的輸出電壓值V20、以及輸入到積分電路20m的放大器A的非反相輸入端子中的電壓值Vinp。
在時刻ta之前,打開開關(guān)SW1m,n,也打開積分電路20m的開關(guān)SW0。另外,輸入到積分電路20m的放大器A的非反相輸入端子中的電壓值Vinp呈低電壓值VL。
在時刻ta關(guān)閉積分電路20m的開關(guān)SW0,來自積分電路20m的輸出電壓值V20被初始化。另外,在從時刻ta到時刻tb的期間,輸入到積分電路20m的放大器A的非反相輸入端子中的電壓值Vinp從低電壓值VL變化到高電壓值VH。
在時刻tb打開積分電路20m的開關(guān)SW0,積分電路20m變成能進行電荷蓄積工作的狀態(tài)。然后,如果在時刻tc關(guān)閉開關(guān)SW1m,n,則到此為止被蓄積在光電二極管PDm,n的結(jié)電容部中的電荷經(jīng)過開關(guān)SW1m,n而被輸入到積分電路20m中,被蓄積在積分電路20m的積分電容部21中,從積分電路20m輸出對應(yīng)于被蓄積在該積分電容部21中的電荷量的電壓值V20。
在時刻td關(guān)閉積分電路20m的開關(guān)SW0,積分電路20m的電荷蓄積工作結(jié)束,來自積分電路20m的輸出電壓值V20被初始化。另外,在從時刻td到時刻te的期間,輸入到積分電路20m的放大器A的非反相輸入端子中的電壓值Vinp從高電壓值VH變化到低電壓值VL。然后,在時刻te打開開關(guān)SW1m,n,也打開積分電路20m的開關(guān)SW0。這里,在本實施方式中,在積分電路20m的開關(guān)SW0關(guān)閉期間(來自積分電路20m的輸出電壓值被初始化期間),由于將輸入到積分電路20m的放大器A的非反相輸入端子中的電壓值Vinp從低電壓值VL切換到高電壓值VH、或者從高電壓值VH切換到低電壓值VL,所以不影響積分電路20m的輸出電壓值。
如上所述,在本實施方式的光檢測裝置1中,在光電二極管PDm, n的結(jié)電容部蓄積電荷的第一期間(時刻ta之前,時刻te之后),低電壓值VL作為電壓值Vinp而被輸入到積分電路20m的放大器A的非反相輸入端子中,另一方面,在積分電路20m的積分電容部21蓄積電荷的第二期間(時刻tc~td),高電壓值VH作為電壓值Vinp而被輸入到積分電路20m的放大器A的非反相輸入端子中。另外,如圖6所示,光電二極管的反偏壓值越大,光電二極管的結(jié)電容值越小。因此,與第一期間相比,第二期間加在光電二極管PDm,n上的反偏壓增大,光電二極管PDm,n的結(jié)電容值變小。即,變更輸入到積分電路20m的放大器A的非反相輸入端子中電壓值Vinp的單元具有作為反偏壓變更單元的作用。
這樣,在光電二極管PDm,n的結(jié)電容部蓄積電荷的第一期間,由于光電二極管PDm,n的結(jié)電容值大,所以光電二極管PDm,n的結(jié)電容部能蓄積較多的電荷。另一方面,在積分電路20m的積分電容部21蓄積電荷的第二期間,由于光電二極管PDm,n的結(jié)電容值小,所以電荷從光電二極管PDm,n的結(jié)電容部向積分電路20m的積分電容部21的移動能低噪聲且高速地進行。即,本實施方式的光檢測裝置1能將光檢測的動態(tài)范圍、S/N比及速度任何一者都提高。
另外,在本實施方式的光檢測裝置1中,通過對各光電二極管PDm,n設(shè)置電荷量電平判斷電路10m,n,能對積分電路20m的積分電容部21設(shè)定對應(yīng)于從該光電二極管PDm,n輸出的電荷量的適當?shù)碾娙葜?,所以能擴大每個光電二極管(即,一個畫面中的每個像素)的入射光強度檢測的動態(tài)范圍。另外,通過對各光電二極管PDm,n一一相對地設(shè)置電荷量電平判斷電路10m,n,能迅速地設(shè)定積分電路20m的積分電容部21的電容值,能迅速地檢測入射光強度。另外,各個電荷量電平判斷電路10m,n判斷電荷量電平時,由于不需要高速處理,所以功耗小。
其次,使用圖7~圖10B說明本實施方式的光檢測裝置1的實施方式。圖7是表示本實施方式的光檢測裝置1的第一基板100以及第二基板200的配置關(guān)系的立體圖。如該圖所示,光檢測裝置1被分割在第一基板100以及第二基板200這兩個基板上。而且,在第一基板100上,M×N個光電二極管PD1,1~PDM,N被排列成M行N列。另外,在第二基板200上,配置著M×N個電荷量電平判斷電路101,1~10M,N、M×N個開關(guān)SW11,1~SW1M,N、M×N個開關(guān)SW21,1~SW2M,N、M個積分電路201~20M、M個開關(guān)SW31~SW3M、M個開關(guān)SW41~SW4M、A/D變換電路30、移位電路40以及控制電路50。而且,如該圖所示,各個基板沿著光的入射方向重疊地層疊安裝。第一基板100上的各光電二極管PDm,n的陰極電極和第二基板200上的開關(guān)SW1m,n以及電荷量電平判斷電路10m,n通過凸點(bump)進行導電性連接。
圖8是表示本實施方式的光檢測裝置1的第一基板100以及第二基板200的截面的一個例子的圖。其中,在該圖中,由于基本圖形沿著左右方向重復,所以下面只說明一個基本圖形。
第一基板100在n型半導體基板的第一面(圖中上側(cè)的面)上形成與該n型基板一起形成pn結(jié)合而構(gòu)成光電二極管PD的p+區(qū)域111;以及作為隔離區(qū)域的n+區(qū)域112。另外,第一基板100在n型半導體基板的第二面(圖中下側(cè)的面)上形成與焊片124形成歐姆連接的n+型雜質(zhì)層121;用于保護表面的絕緣性的保護層122;以及貫通保護層122,與n+型雜質(zhì)層121導電性連接的焊片124。另外,第一基板100設(shè)置有貫通第一面和第二面之間的貫通孔,在該貫通孔內(nèi),使在內(nèi)壁上形成的絕緣物層介于中間來設(shè)置貫通電極131。而且,在第一基板100的第一面?zhèn)?,在絕緣膜114上形成導電性地連接p+區(qū)域111和貫通電極131的金屬配線113,另外,在第二面?zhèn)刃纬膳c貫通電極131導電性連接的焊片123。
第二基板200在半導體基板的第一面(圖中上側(cè)的面)上形成與開關(guān)SW1的第一端導電性連接的焊片223;以及導電性地接地的焊片224。而且,第一基板100的焊片123和第二基板200的焊片223通過凸點423互相連接,另外,第一基板100的焊片124和第二基板200的焊片224通過凸點424互相連接。利用樹脂填充第一基板100和第二基板200之間的間隙。
另外,在第一基板100的第一面?zhèn)?,配置閃爍器510以及遮蔽材料520。閃爍器510設(shè)置在第一基板100的p+區(qū)域111的上方,通過入射X射線等能量射線而發(fā)生閃光。遮蔽板520設(shè)置在第一基板100的n+區(qū)域112的上方,阻止X射線等能量射線透過,同時使閃爍器510固定。
在該圖8所示的結(jié)構(gòu)中,X射線等能量射線一旦入射到閃爍器510中,便從該閃爍器510發(fā)生閃光。另外,如果該閃光入射到第一基板100的p+區(qū)域111上,則在pn結(jié)合部發(fā)生電荷。該電荷經(jīng)過金屬配線113、貫通電極131、焊片123、凸點423以及第二基板200的焊片223,并經(jīng)過在第二基板200上形成的開關(guān)SW1而輸入到積分電路20的輸入端中。
圖9是表示本實施方式的光檢測裝置1的第一基板100以及第二基板200的截面的另一例的圖。其中,在該圖中,由于基本圖形沿左右方向重復,所以以下只說明一個基本圖形。
第一基板100在n型半導體基板的第一面(圖中上側(cè)的面)上形成用于防止電荷再結(jié)合的n+型蓄積層151;以及用于保護表面的絕緣性的保護層152。第一基板100在n型半導體基板的第二面(圖中下側(cè)的面)上,與該n型基板一起形成pn結(jié)合,形成構(gòu)成光電二極管PD的p+區(qū)域161,形成作為隔離區(qū)域的n+區(qū)域162,在這些區(qū)域上形成保護層163。另外,在第一基板100的第二面上,形成與p+區(qū)域161導電性連接的焊片164;以及與n+區(qū)域162導電性連接的焊片165。
第二基板200在半導體基板的第一面(圖中上側(cè)的面)上形成與開關(guān)SW1的第一端導電性地連接的焊片264以及焊片265。而且,第一基板100的焊片164和第二基板200的焊片264利用凸點464互相連接。第一基板100的焊片165和第二基板200的焊片265利用凸點465互相連接。利用樹脂填充第一基板100和第二基板200之間的間隙。
另外,在第一基板100的第一面?zhèn)?,配置閃爍器510以及遮蔽材料520。閃爍器510設(shè)置在第一基板100的p+區(qū)域161的上方,通過入射X射線等能量射線而發(fā)生閃光。遮蔽板520設(shè)置在第一基板100的n+區(qū)域162的上方,阻止X射線等能量射線透過,同時使閃爍器510固定。另外,第一基板100在形成了p+區(qū)域161的部分中,對第一面?zhèn)冗M行研磨,使厚度減薄。
在該圖9所示的結(jié)構(gòu)中,X射線等能量射線一旦入射到閃爍器510中,便從該閃爍器510發(fā)生閃光。另外,如果該閃光透過第一基板100后入射到p+區(qū)域161上,則在pn結(jié)合部發(fā)生電荷。該電荷經(jīng)過焊片164、凸點464以及第二基板200的焊片264,并經(jīng)過在第二基板200上形成的開關(guān)SW1,而輸入到積分電路20的輸入端中。
如上構(gòu)成的本實施方式的光檢測裝置1能獲得以下效果。即,從各光電二極管PDm,n至積分電路20m的輸入端的電荷移動路徑變短,該路徑上的配線的寄生電容變小,因此,從積分電路20m輸出的電壓值所含有的雜音變小,能進行準確的光檢測。另外,由于在第一基板100上不設(shè)置積分電路20m等信號處理用的電路,所以能增加像素數(shù)量和高密度化。另外,容易使第二基板200比第一基板100小,排列多個光檢測裝置1時,能使設(shè)置光電二極管的各個第一基板100極其接近或接觸地配置。另外,由于形成光電二極管陣列的第一基板100和形成積分電路10m等的信號處理電路的第二基板200能采用最佳的制造工藝,所以即使這一點也是好的。
在以上說明的圖8以及圖9中,雖然各光電二極管是通常結(jié)構(gòu)的光電二極管,但如圖10A、圖10B所示,埋入型的光電二極管也適合。
圖10A中示出了截面結(jié)構(gòu)的埋入型光電二極管有p區(qū)域141、該p區(qū)域141上的n-區(qū)域142、以及該n-區(qū)域142上的p+區(qū)域143。p區(qū)域141和n-區(qū)域142形成pn結(jié)合,n-區(qū)域142和p+區(qū)域143也形成pn結(jié)合。n-區(qū)域142與金屬配線113導電性地連接。
圖10B中示出了截面結(jié)構(gòu)的埋入型光電二極管有p區(qū)域141、該p區(qū)域141上的n-區(qū)域142、該n-區(qū)域142上的p+區(qū)域143、以及與n-區(qū)域142接觸的n+區(qū)域144。p區(qū)域141和n-區(qū)域142形成pn結(jié)合,n-區(qū)域142和p+區(qū)域143也形成pn結(jié)合。n-區(qū)域142與金屬配線113導電性地連接。p區(qū)域141和n-區(qū)域142形成pn結(jié)合,n-區(qū)域142和p+區(qū)域143也形成pn結(jié)合。n+區(qū)域144與金屬配線113導電性地連接。
這樣在光電二極管有埋入型的情況下,能抑制泄漏電流的發(fā)生,所以即使這一點對提高光檢測的S/N比也是有效的。另外,在積分電路20m的積分電容部21蓄積電荷的第二期間,光電二極管的反偏壓增大,pn結(jié)合面附近發(fā)生的耗盡層成為完全的耗盡層,所以能使光電二極管的結(jié)電容值幾乎為零,因此,即使這一點對提高光檢測的S/N比以及高速化也是有效的。
本發(fā)明不限定于上述實施方式,能進行各種變形。例如,第一基板100以及第二基板200各自的截面結(jié)構(gòu)不限定于圖8以及圖9分別示出的結(jié)構(gòu)。另外,在第二基板200上也可以再設(shè)置其他電路。另外,在電荷量電平判斷電路10m,n中,判斷電荷量電平用的閾值的個數(shù)是任意的,根據(jù)該個數(shù),確定積分電路20m的積分電容部所能具有的電容值情況下的數(shù)。
工業(yè)利用性以上,如詳細說明的那樣,如果采用本發(fā)明,則施加在光電二極管上的反偏壓值能這樣設(shè)定與光電二極管的結(jié)電容部蓄積電荷的第一期間相比,積分電路的積分電容部蓄積電荷的第二期間的反偏壓值大。因此,該光檢測裝置能提高光檢測的動態(tài)范圍、S/N比以及速度中的任何一者。
權(quán)利要求
1.一種光檢測裝置,其特征在于,包括反偏壓施加在陽極端子和陰極端子之間,發(fā)生對應(yīng)于入射光強度的量的電荷,并蓄積在結(jié)電容部中的光電二極管;輸入端通過開關(guān)與所述光電二極管連接,將蓄積在所述光電二極管的所述結(jié)電容部中的電荷輸入到所述輸入端中,將該電荷蓄積在積分電容部中,輸出對應(yīng)于該蓄積的電荷量的電壓值的積分電路;以及使所述積分電路的所述積分電容部蓄積電荷的第二期間內(nèi)施加在所述光電二極管上的反偏壓的值,比所述光電二極管的所述結(jié)電容部蓄積電荷的第一期間內(nèi)施加在所述光電二極管上的反偏壓的值大的反偏壓變更單元。
2.如權(quán)利要求1所述的光檢測裝置,其特征在于所述積分電路包括具有第一輸入端子、第二輸入端子以及輸出端子的放大器,在所述第一輸入端子和所述輸出端子之間具有所述積分電容部,所述反偏壓變更單元在所述第一期間和所述第二期間,變更輸入到所述放大器的所述第二輸入端子中的電壓值,變更施加在所述光電二極管上的反偏壓值。
3.如利要求1所述的光檢測裝置,其特征在于所述光電二極管在第一導電型的第一半導體區(qū)域上具有第二導電型的第二半導體區(qū)域,在該第二半導體區(qū)域上具有第一導電型的第三半導體區(qū)域,所述第一半導體區(qū)域和所述第二半導體區(qū)域形成pn結(jié)合,所述第二半導體區(qū)域和所述第三半導體區(qū)域形成pn結(jié)合的埋入型的結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的光檢測裝置,其特征在于所述光電二極管接觸所述第二半導體區(qū)域,具有雜質(zhì)濃度比所述第二半導體區(qū)域高的第二導電型的第四半導體區(qū)域,從所述第四半導體區(qū)域輸出對應(yīng)于入射光強度的量的電荷。
5.如權(quán)利要求1所述的光檢測裝置,其特征在于還包括判斷在所述光電二極管中發(fā)生的電荷量的電平的電荷量電平判斷電路,所述積分電容部的電容值是可變的,基于由所述電荷量電平判斷電路判斷的電平來設(shè)定該電容值。
6.如權(quán)利要求1所述的光檢測裝置,其特征在于對N個(N為2以上的整數(shù))所述光電二極管,設(shè)置一個所述積分電路。
7.如權(quán)利要求1所述的光檢測裝置,其特征在于在第一基板上設(shè)置所述光電二極管,在第二基板上設(shè)置所述積分電路,所述第一基板和所述第二基板互相以凸點連接。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種使光檢測的動態(tài)范圍、S/N比以及速度任何一者都能夠得到提高的光檢測裝置。光電二極管(PD
文檔編號H04N3/15GK1732574SQ20038010778
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月25日
發(fā)明者鈴木保博, 水野誠一郎 申請人:浜松光子學株式會社