本發(fā)明整體涉及光電設(shè)備，并且具體地涉及高靈敏度檢測(cè)器陣列。

背景技術(shù)：

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(jí)的極高到達(dá)時(shí)間分辨率來捕獲單個(gè)光子的檢測(cè)器。它們可采用專用半導(dǎo)體工藝或標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)制造。在單個(gè)芯片上制造的SPAD傳感器陣列已實(shí)驗(yàn)性地用于3D成像相機(jī)中。Charbon等人在TOF Range-Imaging Cameras(Springer-Verlag，2013年)中發(fā)表的“SPAD-Based Sensors”中提供SPAD技術(shù)的有用綜述，在此其以引用方式并入本文。

在SPAD中，在遠(yuǎn)高于p-n結(jié)的擊穿電壓的電平下對(duì)p-n結(jié)進(jìn)行反向偏置。在這種偏置下，電場(chǎng)非常高，使得注入到耗盡層中的單個(gè)載流子由于入射光子的原因可能觸發(fā)自持雪崩。雪崩電流脈沖的前沿標(biāo)志著檢測(cè)到的光子的到達(dá)時(shí)間。電流一直持續(xù)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(zhí)行的，該淬滅電路可簡(jiǎn)單地包括與SPAD串聯(lián)的高電阻鎮(zhèn)流負(fù)載，或者可另選地包括有源電路元件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

下文描述的本發(fā)明的實(shí)施方案提供了改進(jìn)的單光子感測(cè)陣列和用于其操作的方法。

因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，提供了一種包括感測(cè)元件的陣列的感測(cè)設(shè)備。每個(gè)感測(cè)元件包括：光電二極管，該光電二極管包括p-n結(jié)；以及局部偏置電路，該局部偏置電路經(jīng)耦接以在偏置電壓下對(duì)p-n結(jié)進(jìn)行反向偏置，該偏置電壓比p-n結(jié)的擊穿電壓大一裕量，該裕量足以使得入射在p-n結(jié)上的單個(gè)光子觸發(fā)從感測(cè)元件輸出的雪崩脈沖。偏置控制電路經(jīng)耦接以將感測(cè)元件中的不同感測(cè)元件中的偏置電壓設(shè)置為大于擊穿電壓的不同的相應(yīng)值。

在一些實(shí)施方案中，該設(shè)備包括全局偏置發(fā)生器，該全局偏置發(fā)生器經(jīng)耦接以向陣列中的所有感測(cè)元件施加全局偏置電壓，其中每個(gè)感測(cè)元件中的局部偏置電路被配置為施加過量偏置，使得每個(gè)p-n結(jié)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(gè)感測(cè)元件包括淬滅電路，并且每個(gè)感測(cè)元件中的光電二極管、局部偏置電路和淬滅電路是串聯(lián)耦接在一起的。

在所公開的實(shí)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(gè)電壓線，提供相應(yīng)的輸入電壓，并被配置為選擇輸入電壓并對(duì)輸入電壓進(jìn)行求和，以便向p-n結(jié)提供偏置電壓。

在一些實(shí)施方案中，偏置控制電路被配置為設(shè)置感測(cè)元件中的不同感測(cè)元件中的偏置電壓，以便均衡感測(cè)元件對(duì)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(shí)別具有高于指定極限的噪聲水平的感測(cè)元件中的一個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件，并設(shè)置所識(shí)別的感測(cè)元件的偏置電壓，以便降低噪聲水平。

進(jìn)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(qū)域中的感測(cè)元件的偏置電壓，使得所選擇的區(qū)域中的感測(cè)元件具有的對(duì)入射光子的靈敏度大于指定區(qū)域外部的感測(cè)元件的靈敏度。在一個(gè)實(shí)施方案中，偏置控制電路被配置為修改感測(cè)元件的偏置電壓，以便使所選擇的區(qū)域橫掃陣列。

在一個(gè)公開的實(shí)施方案中，感測(cè)元件的陣列包括在第一半導(dǎo)體芯片上形成的感測(cè)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(dǎo)體芯片上形成并且在感測(cè)元件和偏置控制元件之間一一對(duì)應(yīng)地耦接到第一矩陣的第二二維矩陣。典型地，第二半導(dǎo)體芯片包括經(jīng)耦接以從感測(cè)元件接收相應(yīng)輸出脈沖的處理電路，其中g(shù)ai處理電路包括耦接到每個(gè)感測(cè)元件的相應(yīng)時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，還提供了一種用于感測(cè)的方法，該方法包括提供感測(cè)元件的陣列，每個(gè)感測(cè)元件包括：光電二極管，該光電二極管包括p-n結(jié)；以及偏置電路，該偏置電路經(jīng)耦接以在偏置電壓下對(duì)p-n結(jié)進(jìn)行反向偏置，該偏置電壓比p-n結(jié)的擊穿電壓大一裕量，該裕量足以使得入射在p-n結(jié)上的單個(gè)光子觸發(fā)從感測(cè)元件輸出的雪崩脈沖。將感測(cè)元件中的不同感測(cè)元件中的偏置電壓設(shè)置為大于擊穿電壓的不同的相應(yīng)值。

結(jié)合附圖根據(jù)下文中對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案的詳細(xì)描述將更完全地理解本發(fā)明，在附圖中：

附圖說明

圖1是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的基于SPAD的感測(cè)設(shè)備的框圖；

圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的SPAD陣列中的感測(cè)元件的部件的框圖；

圖3是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的SPAD陣列中的檢測(cè)器對(duì)作為偏置的函數(shù)的入射光子的響應(yīng)的曲線圖；

圖4A-圖4C是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明三個(gè)不同實(shí)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(jù)本發(fā)明的實(shí)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(jù)本發(fā)明的實(shí)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(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有被掃描的靈敏度區(qū)域的SPAD陣列的框圖。

具體實(shí)施方式

SPAD感測(cè)元件上的偏置電壓超過擊穿電壓的裕量確定感測(cè)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(shí)，SPAD陣列中的感測(cè)元件的擊穿電壓通常由于例如幾何形態(tài)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(shí)，每個(gè)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(dǎo)致感測(cè)元件之間的在靈敏度和噪聲水平方面的變化。

本文描述的本發(fā)明的實(shí)施方案通過使得陣列中不同感測(cè)元件的偏置電壓能夠設(shè)置為不同的值來解決這個(gè)問題。這個(gè)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(cè)能力。例如，可在SPAD成像陣列中諸如用于基于飛行時(shí)間(TOF)測(cè)量的3D相機(jī)以及硅光倍增管(SiPM)設(shè)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(yīng)用本發(fā)明的原理。

在公開的實(shí)施方案中，感測(cè)設(shè)備包括感測(cè)元件的陣列，每個(gè)感測(cè)元件包括光電二極管和偏置電路。每個(gè)感測(cè)元件中的偏置電路能夠在偏置電壓下對(duì)光電二極管的p-n結(jié)進(jìn)行反向偏置，該偏置電壓比p-n結(jié)的擊穿電壓大一裕量，該裕量足以使得入射在p-n結(jié)上的單個(gè)光子觸發(fā)從感測(cè)元件輸出的雪崩脈沖。偏置控制電路將不同感測(cè)元件中的偏置電壓設(shè)置為大于擊穿電壓的不同的相應(yīng)值。

在一些實(shí)施方案中，全局偏置發(fā)生器向陣列中的所有感測(cè)元件施加全局偏置電壓，而每個(gè)感測(cè)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(gè)p-n結(jié)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(jù)電路配置，該過量偏置可相對(duì)于全局偏置為正或負(fù))。典型地，每個(gè)感測(cè)元件還包括淬滅電路，每個(gè)感測(cè)元件中的光電二極管、偏置電路和淬滅電路是串聯(lián)耦接在一起的。

偏置控制電路可在不同感測(cè)元件中設(shè)置不同的偏置電壓值，以實(shí)現(xiàn)各種目的。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，設(shè)置偏置電壓以便補(bǔ)償擊穿電壓的差異，并且因此均衡感測(cè)元件對(duì)入射光子的靈敏度。另選地或除此之外，偏置控制電路可識(shí)別具有高于指定極限的噪聲水平的感測(cè)元件中的一個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件，并可以設(shè)置這些已識(shí)別的感測(cè)元件的偏置電壓，以便降低噪聲水平，可能降低到徹底關(guān)閉有噪聲的感測(cè)元件的程度。

在其他實(shí)施方案中，偏置控制電路增大陣列的特定所選擇的區(qū)域中的感測(cè)元件的偏置電壓，使得這個(gè)區(qū)域中的感測(cè)元件具有的對(duì)入射光子的靈敏度大于該區(qū)域外部的感測(cè)元件。如前所述，在例如通過將陣列的敏感區(qū)域調(diào)節(jié)到照明光束或被成像場(chǎng)景中的感興趣區(qū)域的形狀來更有效率地利用陣列的檢測(cè)能力時(shí)，這個(gè)特征可能是有用的。在一些實(shí)施方案中，偏置控制電路可動(dòng)態(tài)地修改感測(cè)元件的偏置電壓，以便使所選擇的區(qū)域橫掃陣列。

圖1是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的感測(cè)設(shè)備20的框圖。設(shè)備20包括感測(cè)元件24(也被稱為像素)的陣列22，每個(gè)感測(cè)元件包括SPAD以及相關(guān)聯(lián)的偏置和處理電路，如下文進(jìn)一步所述的。全局高壓偏置發(fā)生器26向陣列22中的所有感測(cè)元件24施加全局偏置電壓。此外，每個(gè)感測(cè)元件24中的局部偏置電路28施加過量偏置，該過量偏置與感測(cè)元件中的全局偏置相加。像素偏置控制電路30將由局部偏置電路28施加的過量偏置電壓設(shè)置為不同感測(cè)元件中的不同的相應(yīng)值。

圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的位于陣列22中的感測(cè)元件24中的一個(gè)感測(cè)元件的部件的框圖。該實(shí)施方案中的陣列22包括在第一半導(dǎo)體芯片32上形成的感測(cè)元件的二維矩陣，具有在第二半導(dǎo)體芯片34上形成的偏置控制和處理電路的第二二維矩陣。(僅示出了兩個(gè)矩陣中的每個(gè)矩陣的單個(gè)元件。)芯片32和34耦接在一起，使得兩個(gè)矩陣一一對(duì)應(yīng)，由此芯片32上的每個(gè)感測(cè)元件與芯片34上的對(duì)應(yīng)偏置控制和處理元件接觸。

芯片32和34兩者連同本文所述的伴隨的偏置控制和處理電路可使用熟知的CMOS制造工藝基于在本領(lǐng)域中已知的SPAD傳感器設(shè)計(jì)由硅晶片制得。另選地，可使用其他材料和工藝(加以必要的修改)來實(shí)施本文描述的檢測(cè)的設(shè)計(jì)和原理。例如，圖2中所示的所有部件可被形成在單個(gè)芯片上，或者部件在芯片之間的分布可不同。所有此類另選的具體實(shí)施被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

感測(cè)元件24包括SPAD 36，該SPAD 36包括光敏p-n結(jié)，如本領(lǐng)域中所公知的。包括淬滅電路38和局部偏置電路28的外圍電路通常與SPAD一起被定位在芯片32上。如上所述，被施加到SPAD 36的實(shí)際偏置是由偏置發(fā)生器26(圖1)提供的全局V_偏置和由偏置電路28施加的過量偏置之和。像素偏置控制電路30通過設(shè)置芯片34上的偏置存儲(chǔ)器40中的對(duì)應(yīng)數(shù)字值來設(shè)置要施加在每個(gè)像素中的過量偏置。

響應(yīng)于每個(gè)所捕獲的光子，SPAD 36輸出雪崩脈沖，該雪崩脈沖被芯片34上的處理電路接收，該處理電路包括數(shù)字邏輯部件42和被配置作為輸出緩沖器44的存儲(chǔ)器。例如，這些處理元件可被配置為充當(dāng)時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)，該TDC測(cè)量由SPAD 36輸出的每個(gè)脈沖相對(duì)于參考時(shí)間的延遲并輸出與該延遲對(duì)應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。另選地或除此之外，邏輯器42和緩沖器44可測(cè)量并輸出其他種類的值，包括(但不限于)脈沖延遲時(shí)間的柱狀圖。

圖3是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的該SPAD 36對(duì)作為由局部偏置電路28施加的偏置的函數(shù)的入射光子的響應(yīng)的曲線圖。這幅圖示出了用于表示SPAD 36在偏置電路28的三種不同過量偏置設(shè)置下輸出的脈沖的三條曲線50,52,54。

曲線50對(duì)應(yīng)于其中過量偏置被設(shè)置為給出顯著大于擊穿電壓的p-n結(jié)兩端的總偏置電壓的情況。在這種設(shè)置下，感測(cè)元件24具有高靈敏度，并且SPAD 36響應(yīng)于入射光子而輸出的雪崩脈沖因此具有高幅度。

曲線52表示中間偏置設(shè)置，該中間偏置設(shè)置下，輸出脈沖具有更低幅度，這意味著更低的靈敏度。同時(shí)，這種偏置設(shè)置下的暗噪聲將通常比曲線50的設(shè)置更低。

曲線54表示設(shè)置過量偏置使得總偏置電壓低于p-n結(jié)兩端的擊穿電壓的情況。在這種偏置電平下，感測(cè)元件24基本被截止，但還向設(shè)備20貢獻(xiàn)很少或不貢獻(xiàn)暗噪聲。這種低的總偏置設(shè)置可用于通過關(guān)閉在當(dāng)前感興趣區(qū)域外部的像素來減輕像素噪聲，以及減小設(shè)備20的總功率消耗。

在一個(gè)實(shí)施方案中，偏置控制電路30參與在將設(shè)備20投入操作之前的校準(zhǔn)流程。在此類過程中，利用某一預(yù)定義的測(cè)試模式(可簡(jiǎn)單地包括均勻低水平照明)來照射陣列，并評(píng)估感測(cè)元件24的輸出。在校準(zhǔn)結(jié)果表明感測(cè)元件之間有靈敏度變化時(shí)，偏置控制電路30可設(shè)置個(gè)體像素偏置電壓，以便通過例如增大表現(xiàn)出低靈敏度的感測(cè)元件的總電壓來均衡靈敏度，和/或反之亦然。除此之外或另選地，在偏置控制電路識(shí)別到某一感測(cè)元件噪聲特別大時(shí)(例如，具有高于指定極限的暗噪聲水平)，其可設(shè)置由局部偏置電路28在感測(cè)元件24中施加的過量偏置電壓，以便降低噪聲水平，包括完全關(guān)閉感測(cè)元件，如曲線54所示的。

圖4A-圖4C是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的三個(gè)不同實(shí)施方案的陣列22中的芯片32中的感測(cè)元件32的部件的電路圖。在全部實(shí)施方案中，光電二極管36、局部偏置電路28和淬滅電路38是串聯(lián)耦接在一起的。全局偏置電壓V_偏置(或等價(jià)地，圖4B中的負(fù)偏置V_bd)被全局偏置發(fā)生器26施加到所有感測(cè)元件24。局部偏置電路28施加過量偏置V_q，該過量偏置與SPAD 36兩端的全局偏置求和。如前所述，如在本說明書和權(quán)利要求中的上下文中使用的那樣，術(shù)語“和”包括正極性求和和負(fù)極性求和。因此，圖4A和圖4C中SPAD 36兩端的實(shí)際偏置為V_偏置–V_q；并且在這些實(shí)施方案中，電路28增大V_q導(dǎo)致SPAD上的更低的凈偏置。淬滅電路38可類似地耦接到SPAD 36的陽極或陰極，并且來自SPAD的脈沖輸出可以是AC耦接的(如圖4A和圖4C)或DC耦接的(如圖4B)。

圖5是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的局部偏置電路28的詳情的電路圖。在該示例性具體實(shí)施中，局部偏置電路28包括耦接到多個(gè)電壓線的電壓加法器，該電壓加法器經(jīng)由相應(yīng)的輸入電阻器50來提供相應(yīng)的輸入電壓：V_off(即，基線電壓)、V₁、V₂、…、V_n。開關(guān)52被設(shè)置到打開或關(guān)閉位置，以便選擇要相加的輸入電壓，從而給出期望的過量偏置，同時(shí)具有反饋電阻56的運(yùn)算放大器54對(duì)輸入電壓求和，以便向SPAD 36提供偏置電壓V_q。

這種具體實(shí)施是有利的，因?yàn)樗沟孟袼仄每刂齐娐?0能夠從較大范圍的值選擇要由每個(gè)感測(cè)元件24施加的偏置，同時(shí)使必須要實(shí)際供應(yīng)到陣列22的電壓線數(shù)量最小化。開關(guān)52的設(shè)置通常被存儲(chǔ)在偏置存儲(chǔ)器40中并被讀出，以便在每個(gè)幀中設(shè)置開關(guān)。開關(guān)設(shè)置可經(jīng)過預(yù)校準(zhǔn)，如上所述，或者它們可另選地或除此之外在設(shè)備20工作期間被動(dòng)態(tài)修改，如下所述。另選地，局部偏置電路28可包括其他種類的電壓控制機(jī)構(gòu)，如在本領(lǐng)域中已知的那樣。

圖6是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的在陣列22中的感測(cè)元件之間具有變化的靈敏度的設(shè)備20的配置的框圖。在該實(shí)施方案中，偏置控制電路30設(shè)置由局部偏置電路28施加的過量偏置電壓，使得感測(cè)元件的凈偏置電壓并且因此還有靈敏度在陣列的特定區(qū)域中比該區(qū)域外部更高。具體地，偏置電壓和靈敏度在像素60中最大，在周圍像素62中更低，并且在周邊像素64中還要更低。設(shè)置所選擇的區(qū)域外部的像素66中的偏置，從而關(guān)閉這些像素。盡管在這種情況下所選擇的區(qū)域是陣列22的中心中的大致圓形區(qū)域，但可通過這種方式選擇任何適當(dāng)形狀的任何區(qū)域。

如前所述，在將陣列22的敏感區(qū)域調(diào)節(jié)成照明光束或被成像場(chǎng)景中的感興趣區(qū)域的形狀時(shí)，該實(shí)施方案尤其是有用的。在硅光電倍增管(SiPM)應(yīng)用中，例如感測(cè)元件24的輸出端連接在一起，圖6的配置在相對(duì)于功率消耗使設(shè)備20的靈敏度最大化時(shí)尤其有用，同時(shí)減少來自對(duì)信號(hào)將沒有貢獻(xiàn)的像素的背景噪聲。

圖7是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有靈敏度的掃描區(qū)域70的SPAD陣列22的框圖。在這種情況下，偏置控制電路30將區(qū)域70內(nèi)的像素60和62的偏置電壓設(shè)置為比陣列22中的其余像素更高的值。然而，偏置控制電路30動(dòng)態(tài)修改感測(cè)元件24的偏置電壓，以便使區(qū)域70橫掃陣列，如圖中箭頭所示。電路30例如可在光柵掃描中掃過區(qū)域70，與其同步，在要成像到陣列22上的場(chǎng)景上方掃描激光束。

在一個(gè)另選的實(shí)施方案(圖中未示出)中，偏置控制電路30設(shè)置局部偏置電壓，使得區(qū)域70具有線性形狀，沿著陣列22的一個(gè)或多個(gè)列延伸，并匹配照明光束的線性形狀。電路30然后可與照明光束同步地掃過陣列22上的線性區(qū)域70。另選地，可實(shí)施包括常規(guī)性和自適應(yīng)掃描模式兩者的其他掃描模式。

應(yīng)當(dāng)理解，上文所描述的實(shí)施方案以舉例的方式被引用，并且本發(fā)明不限于上文已特別示出或描述的內(nèi)容。相反，本發(fā)明的范圍包括上文所述的各種特征的組合和子組合，以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀以上描述之后會(huì)想到的在現(xiàn)有技術(shù)中沒有公開的其變型形式和修改形式。