固體攝像裝置的制作方法

文檔序號：12071832閱讀：208來源：國知局

本申請涉及固體攝像裝置，例如涉及對微弱的光進行檢測的固體攝像裝置。

背景技術：

近些年，在醫(yī)療、生物、放射線測量等各種領域，需要一種能夠正確地測量小到一個光子(Photon)左右的微弱光的微弱光傳感器。目前，作為微弱光傳感器廣范利用了光電倍增管(Photomultiplier Tube：PMT)。

但是，作為真空管器件的PMT，即便小也需要有10mm×10mm左右的大小，因此難于實現(xiàn)多像素化。并且，在利用PMT進行成像時，需要通過在XY面內(nèi)對被攝體進行掃描等方法，先收集被攝體的各個點的信息，再進行圖像化處理。為此，難于實現(xiàn)即時的拍攝。鑒于這種狀況，為了同時實現(xiàn)微弱光傳感器的多像素化以及高速化，則需要微弱光傳感器的固態(tài)元件化。

作為對微弱光進行檢測的固體攝像裝置之一，提出了一種光子計數(shù)型的固體攝像裝置，其對入射到光電二極管的光子進行計數(shù)，作為數(shù)字值的信號，將計數(shù)結(jié)果傳輸?shù)较袼刂?例如，參照專利文獻1)。并且也存在具有如下結(jié)構(gòu)的固體攝像裝置，即連接有負載電阻，將施加了擊穿電壓以上的高電壓的雪崩式光電二極管(所謂的蓋革模式APD)排列成矩陣的固體攝像裝置(例如，參照專利文獻2)。

(現(xiàn)有技術文獻)

(專利文獻)

專利文獻1 日本特開平7-67043號公報

專利文獻2 日本特開昭61-152176號公報

(非專利文獻)

非專利文獻1“9.8μm SPAD-based Analogue Single Photon Counting Pixel with Bias Controlled Sensitivity”

然而，在像專利文獻1以及專利文獻2這種將數(shù)字計數(shù)型的電路作為計數(shù)單元搭載到像素的情況下，計數(shù)電路的電路規(guī)模會大出1比特。為了得到所希望的灰度而增加比特數(shù)時，與電路元件數(shù)與比特數(shù)對應的信號線的數(shù)量也會成比例的增加，這樣，像素單元尺寸就會增大，從而出現(xiàn)難于實現(xiàn)多像素化的問題。

并且，為了解決這一問題，公開一種將模擬電路作為計數(shù)單元來搭載到像素的固體攝像裝置(例如，非專利文獻1)。在非專利文獻1所涉及的固體攝像裝置中，每當光子入射到受光元件時，檢測單元從保持起始電壓的保持單元對電荷進行放電。

然而，實際上，由于光子能量的強弱而造成的振幅不均、以及用于控制來自保持單元的放電的控制晶體管的寄生電容的不均，因此從保持單元放電的電荷量也出現(xiàn)不均。為此，保持單元的電壓的變化量(ΔV)不固定，每當光子入射時都會出現(xiàn)不同的情況。關于入射到受光元件的光子的數(shù)量的測量，是通過對復位電壓、與減去ΔV的累積量時的保持單元的電壓進行比較來實現(xiàn)的，因此，由于ΔV的不均而難于進行正確的測量。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本申請的目的在于提供一種具有高性能的光子計數(shù)功能、且能夠以小的像素尺寸來實現(xiàn)多像素化的固體攝像裝置。

為了達成上述的目的，本申請的一個形態(tài)所涉及的固體攝像裝置具備：檢測部，該檢測部具有對光子進行檢測的雪崩式放大型的受光元件、以及對該受光元件的輸出電位進行復位的復位部，并且，該檢測部對示出是否有光子向所述受光元件的入射的數(shù)字信號進行輸出；計數(shù)值保持部，通過將從所述檢測部輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓并進行計數(shù)，從而作為計數(shù)值來保持；以及讀出部，將所述計數(shù)值作為模擬信號來輸出。。

通過本申請，能夠提供一種具有高性能的光子計數(shù)功能、且能夠以小的像素尺寸來實現(xiàn)多像素化的固體攝像裝置。

附圖說明

圖1是示出實施方式1所涉及的固體攝像裝置的單位像素的功能構(gòu)成的電路方框圖。

圖2是示出實施方式1所涉及的固體攝像裝置的單位像素的電路構(gòu)成例子的電路圖。

圖3是示出實施方式1所涉及的固體攝像裝置的工作的一個例子的時間圖。

圖4示出了在實施方式1所涉及的固體攝像裝置中，入射到受光元件的光子的數(shù)量與計數(shù)值的對應關系。

圖5是示出實施方式2所涉及的固體攝像裝置的單位像素的功能構(gòu)成的電路方框圖。

圖6是示出實施方式2所涉及的固體攝像裝置的單位像素的電路構(gòu)成例子的電路圖。

圖7是示出實施方式2所涉及的固體攝像裝置的工作的一個例子的時間圖。

圖8是示出實施方式3所涉及的固體攝像裝置的單位像素的功能構(gòu)成的電路方框圖。

圖9是示出實施方式3所涉及的固體攝像裝置的單位像素的電路構(gòu)成例子的電路圖。

圖10示出了實施方式3所涉及的固體攝像裝置的工作例子。

圖11是示出實施方式的變形例所涉及的固體攝像裝置的單位像素的電路構(gòu)成例子的電路圖。

具體實施方式

以下參照附圖對本申請所涉及的實施方式進行具體的說明。

并且，以下將要說明的實施方式均為概括性的或具體的例子。以下的實施方式所示的數(shù)值、形狀、材料、構(gòu)成要素、構(gòu)成要素的配置位置以及連接形態(tài)、步驟、步驟的順序等均為一個例子，其主旨并非是對本申請進行限定。并且，對于以下的實施方式的構(gòu)成要素之中的、示出最上位概念的獨立技術方案中所沒有記載的構(gòu)成要素，作為任意的構(gòu)成要素來說明。

(實施方式1)

首先，參照圖1以及圖2，對本實施方式所涉及的固體攝像裝置的單位像素的像素電路1進行說明。圖1是示出本實施方式所涉及的固體攝像裝置的單位像素的功能構(gòu)成的電路方框圖。圖2是示出本實施方式所涉及的固體攝像裝置的單位像素的電路構(gòu)成例子的電路圖。

本實施方式所涉及的固體攝像裝置具備被配置成矩陣狀的多個像素。多個像素的每一個(單位像素)具備圖1所示的像素電路1。如圖1所示，像素電路1具備：檢測部10、計數(shù)值保持部20、讀出部30。

檢測部10具備：受光部11、復位部12、以及AD轉(zhuǎn)換放大器13。檢測部10輸出數(shù)字信號，該數(shù)字信號示出是否有光子入射到受光部11所具備的受光元件。

受光部11具備：雪崩式放大型的受光元件APD、浮置擴散FD、初級放大器AMP0。

受光元件APD是用于對光子進行檢測的受光元件的一個例子。具體而言，受光元件APD是雪崩式放大型光電二極管。受光元件APD的陽極與電源VPD連接，陰極與浮置擴散FD連接。受光元件APD捕捉入射的光子，并通過捕捉的光子產(chǎn)生電荷。產(chǎn)生的電荷被蓄積保持到浮置擴散FD。

浮置擴散FD是對在受光元件APD產(chǎn)生的電荷進行蓄積的電荷蓄積部的一個例子。在浮置擴散FD與受光元件APD的陰極的連接點，被連接有初級放大器AMP0的輸入端子以及復位部12。

初級放大器AMP0對被蓄積在浮置擴散FD的電荷進行電壓轉(zhuǎn)換并放大。具體而言，對浮置擴散FD上的電位(以下稱為FD電位)進行電壓轉(zhuǎn)換并放大。具體而言，F(xiàn)D電位是浮置擴散FD與受光元件APD的陰極的連接點的電位。

復位部12對受光元件APD的輸出電位進行復位。在本實施方式中，復位部12將浮置擴散FD的FD電位復位到初始狀態(tài)。

具體而言，復位部12具備晶體管TR1。晶體管TR1是被連接在浮置擴散FD與電源RSD之間的開關晶體管。晶體管TR1的控制端子(例如，柵極端子)與端子RS1連接，通過從端子RS1輸入的控制信號而被控制成導通以及非導通。在晶體管TR1為導通的情況下，復位電壓Vrsd從電源RSD被施加到浮置擴散FD，F(xiàn)D電位被復位成初始狀態(tài)。即，初始狀態(tài)是被施加了復位電壓Vrsd的狀態(tài)。

AD轉(zhuǎn)換放大器13將初級放大器AMP0的輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并放大。在本實施方式中，AD轉(zhuǎn)換放大器13從受光部11的輸出電壓讀取是否有向受光元件APD的光子入射，并將讀取的結(jié)果作為數(shù)字信號來輸出。

具體而言，由AD轉(zhuǎn)換放大器13輸出的數(shù)字信號具有：FD電位從初始狀態(tài)沒有變動的情況下的第一信號電平、以及因光子入射到受光元件APD而產(chǎn)生了FD電位變動的情況下的第二信號電平。例如，數(shù)字信號是具有高電平和低電平的數(shù)字二值信號。

該數(shù)字二值信號在光子入射到受光元件APD時為低電平(第二信號電平)，在光子沒有入射到受光元件APD時為高電平(第一信號電平)。具體而言，數(shù)字二值信號在FD電位被復位時，即因光子的入射而降低了的FD電位上升時，成為低電平。

在本實施方式中，AD轉(zhuǎn)換放大器13如圖2所示，具備：隔直電容C0、逆變器AMP1、以及晶體管TR2～TR4。

隔直電容C0是用于去除從受光部11輸出的信號的直流分量的電容器。隔直電容C0被連接在初級放大器AMP0的輸出端子與逆變器AMP1的輸入端子之間。

逆變器AMP1將由初級放大器AMP0生成的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。逆變器AMP1的輸入端子經(jīng)由隔直電容C0而與初級放大器AMP0連接，逆變器AMP1的輸出端子經(jīng)由晶體管TR3而與計數(shù)值保持部20(具體而言，逆變器AMP2)連接。并且，逆變器AMP1與電源VINV連接，作為電源電壓而被供給電壓Vinv。

例如，在逆變器AMP1的輸入電壓上升的情況下，逆變器AMP1的輸出電壓成為低電平。由于逆變器AMP1的輸入電壓因初級放大器AMP0的輸出電壓而發(fā)生變化，因此會因向受光元件APD的光子的入射有無而發(fā)生變化。因此，逆變器AMP1輸出因光子的入射有無而信號電平不同的數(shù)字信號。

晶體管TR2是用于對逆變器AMP1進行均衡的開關晶體管，被連接在逆變器AMP1的輸入端子與輸出端子之間。晶體管TR2的控制端子與端子RS2連接，由從端子RS2輸入的控制信號而被控制成導通以及非導通。在晶體管TR2為導通的情況下，逆變器AMP1被均衡。

晶體管TR3是被連接在逆變器AMP1的輸出端子與逆變器AMP2的輸入端子之間的開關晶體管。晶體管TR3的控制端子與端子RS1連接，由從端子RS1輸入的控制信號而被控制成導通以及非導通。即，晶體管TR3與晶體管TR1同步工作。在晶體管TR3為導通的情況下，逆變器AMP1的輸出電壓被提供到逆變器AMP2。

晶體管TR4是被連接在逆變器AMP2的輸入端子與電源VCHG之間的開關晶體管。晶體管TR4的控制端子與端子RS2連接，由從端子RS2輸入的控制信號而被控制成導通以及非導通。即，晶體管TR4與晶體管TR2同步工作。在晶體管TR4為導通的情況下，逆變器AMP2的輸入電壓被設定為電壓Vchg。

計數(shù)值保持部20通過將從檢測部10輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬值并進行計數(shù)，從而作為計數(shù)值來保持。具體而言，計數(shù)值保持部20將從AD轉(zhuǎn)換放大器13輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓(后述的ΔV(n))，并對轉(zhuǎn)換了的模擬電壓進行累計來計數(shù)。

具體而言，數(shù)字信號在每當光子入射到受光元件APD時，其信號電平就會發(fā)生變化(例如，從高電平向低電平)。計數(shù)值保持部20通過對與該變化相當?shù)哪M電壓進行累計，從而將光子的入射數(shù)作為模擬值的累計值來計數(shù)。換而言之，模擬電壓的累計值(即，計數(shù)值)相當于入射到受光元件APD的光子的數(shù)量。

在本實施方式中，計數(shù)值保持部20如圖2所示，具備：逆變器AMP2、電容C1和C2、以及晶體管TR5～TR8。

逆變器AMP2對從逆變器AMP1輸出的數(shù)字信號進行反轉(zhuǎn)放大。逆變器AMP2的輸入端子經(jīng)由晶體管TR3而與逆變器AMP1的輸出端子連接，逆變器AMP2的輸出端子與電容C1連接。并且，逆變器AMP2與電源VCHG連接，被供給有作為電源電壓的電壓Vchg。

電容C1以及電容C2在逆變器AMP2的輸出端子與接地電位之間串聯(lián)連接。具體而言，電容C1的一方的電極與逆變器AMP2連接，另一方的電極經(jīng)由晶體管TR5與電容C2的一方的電極連接。電容C2的另一方的電極接地。

據(jù)此，根據(jù)電容C1以及電容C2的每一個的電容值的比率，從AD轉(zhuǎn)換放大器13輸出的數(shù)字信號被轉(zhuǎn)換成模擬電壓。具體而言，逆變器AMP2的輸出電壓通過電容C1以及電容C2，被分配到電容C2的一方的電極(具體而言，輸出節(jié)點VCOUNT)。輸出節(jié)點VCOUNT的電壓Vcount(n)相當于計數(shù)值。并且，n為光子的檢測次數(shù)(入射光子數(shù))。

晶體管TR5是被連接在電容C1與電容C2之間的開關晶體管。晶體管TR5的控制端子與逆變器AMP2的輸出端子連接，通過逆變器AMP2的輸出電壓被控制為導通以及非導通。

具體而言，在逆變器AMP2的輸出端子的電壓成為高電平時，晶體管TR5導通，電容C1以及電容C2串聯(lián)地電連接。在逆變器AMP2的輸出電壓為低電平時，由于晶體管TR5為非導通，因此被保持在電容C2的電壓不發(fā)生變化。即，被保持在電容C2的電壓，只有在逆變器AMP2的輸出電壓成為高電平時才發(fā)生變化。具體而言，只有在在光子入射到受光元件APD，而電位為降低狀態(tài)的FD電位被復位時，即只有向初級放大器AMP0的輸入上升時，被保持在電容C2的電壓才發(fā)生變化。

晶體管TR6是被連接在電容C1的另一方的電極(中間節(jié)點VM)與電源VINIT之間的開關晶體管。晶體管TR6的控制端子與端子RS2連接，通過從端子RS2輸入的控制信號而被控制成導通以及非導通。即，晶體管TR6與晶體管TR2以及TR4同步工作。在晶體管TR6為導通的情況下，中間節(jié)點VM的電壓被設定為起始電壓Vinit。

晶體管TR7是被連接在電容C1的另一方的電極(中間節(jié)點VM)與電源VINIT之間的開關晶體管。晶體管TR7的控制端子與端子RS3連接，通過從端子RS3輸入的控制信號而被控制為導通以及非導通。在晶體管TR7為導通的情況下，中間節(jié)點VM的電壓被設定為起始電壓Vinit。

晶體管TR8是被連接在電容C2的一方的電極(輸出節(jié)點VCOUNT)與電源VINIT之間的開關晶體管。晶體管TR8的控制端子與端子RS3連接，通過從端子RS3輸入的控制信號被控制為導通以及非導通。即，晶體管TR8與晶體管TR7同步工作。在晶體管TR8為導通的情況下，輸出節(jié)點VCOUNT的電壓Vcount(n)被設定為起始電壓Vinit。

讀出部30將被保持在計數(shù)值保持部20的計數(shù)值作為模擬信號來輸出。在本實施方式中，讀出部30如圖2所示，具備：放大器AMP3、晶體管TR9、以及輸出信號線31。讀出部30以規(guī)定的定時，將計數(shù)值作為模擬信號讀出到輸出信號線31。

放大器AMP3對輸出節(jié)點VCOUNT的電壓Vcount(n)進行放大。放大器AMP3的輸入端子與輸出節(jié)點VCOUNT連接，放大器AMP3的輸出端子經(jīng)由晶體管TR9與輸出信號線31以及輸出端子OUT連接。

晶體管TR9被連接在放大器AMP3的輸出端子與輸出信號線31之間。晶體管TR9的控制端子與端子SEL連接，通過從端子SEL輸入的控制信號而被控制為導通以及非導通。在晶體管TR9為導通的情況下，放大器AMP3的輸出電壓經(jīng)由輸出信號線31被輸出到輸出端子OUT。

接著，利用圖3對本實施方式所涉及的固體攝像裝置的像素電路1的工作進行說明。圖3是示出本實施方式所涉及的固體攝像裝置的工作的一個例子的時間圖。

另外，在圖3中，F(xiàn)D表示FD電位，RS1、RS2、RS3以及SEL分別示出從端子RS1、端子RS2、端子RS3以及端子SEL供給的控制信號。CHG表示逆變器AMP2的輸出電壓，VCOUNT表示電容C2的一方的電極(輸出節(jié)點VCOUNT)的電壓，即表示計數(shù)值。OUT表示輸出端子OUT的電壓。

在時刻t0，通過向端子RS3施加脈沖(高電平的控制信號)，從而使計數(shù)值保持部20的晶體管TR7與TR8導通。據(jù)此，輸出節(jié)點VCOUNT的電壓Vcount(n)被設定為起始電壓Vinit。將與起始電壓Vinit相當?shù)哪M電壓視為計數(shù)值0。并且，浮置擴散FD的FD電位被復位到初始狀態(tài)。即，在浮置擴散FD被施加復位電壓Vrsd。

在此之后，當光子入射到受光元件APD時，F(xiàn)D電位下降。浮置擴散FD保持下降后的電位。初級放大器AMP0對FD電位進行電壓轉(zhuǎn)換，并輸出電壓信號。此時，通過將脈沖施加到端子RS2，從而使AD轉(zhuǎn)換放大器13的晶體管TR2導通。據(jù)此，能夠使逆變器AMP1均衡化。

在時刻t1，通過向端子RS1施加脈沖，向浮置擴散FD施加復位電壓Vrsd，從而FD電位上升因光子入射而減少了的部分。該電位的上升部分由初級放大器AMP0放大，經(jīng)由隔直電容C0，而逆變器AMP1的輸入電位上升。因此，逆變器AMP1的輸出電壓成為低電平。在經(jīng)由晶體管TR3，將低電平的輸出電壓輸入到計數(shù)值保持部20的逆變器AMP2時，逆變器AMP2對作為其電源電壓的電壓Vchg(高電平)進行輸出。

此時，由于晶體管TR5導通，因此逆變器AMP2的輸出電壓Vchg經(jīng)由晶體管TR5，在輸出節(jié)點VCOUNT對電容C1與電容C2的電荷進行再分配，從而作為以下的(式1)～(式3)所表示的電壓ΔV(n)而被充電。例如，ΔV(n)相當于作為模擬電壓的計數(shù)值1，通過對ΔV(n)進行累計，從而能夠?qū)θ肷涞墓庾拥臄?shù)量進行計數(shù)。

(式1)ΔV(n)＝(Vchg-Vcount(n-1))×C1÷(C1+C2)

(式2)Vcount(0)＝Vinit

(式3)Vcount(n)＝Vinit+ΔV(n)

并且，由于逆變器AMP1的輸出振幅的寬度由均衡器電壓與逆變器AMP1的電源電壓Vinv來規(guī)定，因此不能成為電源電壓Vinv與接地電平的全擺幅。因此，需要逆變器AMP2。

另外，檢測部10能夠?qū)敵龅臄?shù)字信號的第一信號電平以及第二信號電平進行變更。具體而言，檢測部10能夠?qū)?shù)字信號的高電平以及低電平進行變更。更具體而言，逆變器AMP1的電源電壓Vinv與接地側(cè)的低電壓能夠任意設定。

之后，通過向端子RS2施加脈沖，使AD轉(zhuǎn)換放大器13的晶體管TR4導通。據(jù)此，逆變器AMP1的輸出端子與逆變器AMP2的輸入端子成為電壓Vchg，即成為高電平。此時，由于晶體管TR6也導通，因此，中間節(jié)點VM經(jīng)由晶體管TR6而被初始化為起始電壓Vinit，從而對光子檢測狀態(tài)進行復位。

在圖3所示的驅(qū)動例子中，由于在此之間也有光子向受光元件APD的入射，因此示出了FD電位下降的狀態(tài)。因此，先前所說明的工作被反復，在時刻t2通過向端子RS1施加脈沖，從而作為計數(shù)值的電壓Vcount(2)成為作為模擬電壓的計數(shù)值2。

而且，在下一個光子剛好入射了的時刻t3，電壓Vcount(3)成為模擬電壓的計數(shù)值3。

在時刻t4，在讀出部30的放大器AMP3被放大的計數(shù)值3，通過脈沖被施加到端子SEL而晶體管TR9被導通，從而被輸出到端子OUT。

時刻t5是先前所說明的時刻t0的重復，從時刻t0至時刻t5是光子計數(shù)的一個周期。即，在圖3中示出了，在一個周期中能夠檢測到三個光子。在此之后，在時刻t5～時刻t9、以及時刻t9～時刻t12，分別檢測到兩個光子以及一個光子。

這樣，本實施方式所涉及的像素電路1，能夠在規(guī)定期間內(nèi)對入射到受光元件APD的光子的數(shù)量進行計數(shù)。具體而言，計數(shù)值保持部20在規(guī)定期間內(nèi)，能夠?qū)⑴c示出復位部12進行復位定時的復位脈沖的數(shù)量為相同數(shù)量的光子，作為模擬電壓的累計值來計數(shù)。即，計數(shù)值保持部20能夠?qū)σ?guī)定期間內(nèi)的FD電位的復位次數(shù)進行計數(shù)，具體而言，能夠?qū)┙o到端子RS1的復位脈沖的數(shù)量以下的光子進行計數(shù)。

如以上所示，本實施方式所涉及的固體攝像裝置具備：檢測部10，該檢測部10具有對光子進行檢測的雪崩式放大型的受光元件APD、以及對受光元件APD的輸出電位進行復位的復位部12，并對示出是否有光子向受光元件APD的入射的數(shù)字信號進行輸出；計數(shù)值保持部20，通過將從檢測部10輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓并進行計數(shù)，從而作為計數(shù)值來保持，以及讀出部30，將計數(shù)值作為模擬信號來輸出。

這樣，由于檢測部10能夠?qū)κ境鍪欠裼泄庾酉蚴芄庠嗀PD的入射的數(shù)字信號進行輸出，因此，能夠緩解光子入射時的受光元件APD的振幅的不均勻。據(jù)此，能夠抑制在每個光子上產(chǎn)生的誤差，從而能夠抑制光子的入射數(shù)與計數(shù)值產(chǎn)生誤差。并且，由于計數(shù)值保持部20能夠?qū)?shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬值來計數(shù)，因此與以往的數(shù)字計數(shù)電路相比，能夠大幅度地減少構(gòu)成計數(shù)值保持部20的電路元件的數(shù)量。

因此，通過本實施方式，能夠?qū)崿F(xiàn)既具有高性能的光子計數(shù)功能，又能夠以小的像素尺寸實現(xiàn)多像素化的固體攝像裝置。

并且，例如，受光元件APD是雪崩式放大型光電二極管，檢測部10進一步具備：浮置擴散FD，對雪崩式放大型光電二極管所產(chǎn)生的電荷進行蓄積；初級放大器AMP0，將被蓄積到浮置擴散FD的電荷轉(zhuǎn)換為電壓并進行放大；以及AD轉(zhuǎn)換放大器13，將初級放大器AMP0的輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，復位部12將FD電位復位到初始狀態(tài)，數(shù)字信號具有第一信號電平和第二信號電平，所述第一信號電平是FD電位從初始狀態(tài)沒有發(fā)生變動的情況下的電位，所述第二信號電平是因光子向受光元件APD的入射而FD電位從初始狀態(tài)發(fā)生了變動的情況下的電位。

據(jù)此，根據(jù)在對FD電位進行復位時的FD電位變動的有無，從而能夠判斷是否有光子向受光元件APD的入射。因此，能夠通過簡單的構(gòu)成來對光子進行檢測。

并且也可以是，例如，檢測部10能夠?qū)Φ谝恍盘栯娖揭约暗诙盘栯娖竭M行變更。

據(jù)此，能夠增加電路設計的自由度，例如能夠?qū)崿F(xiàn)降低耗電量等。

并且，例如，計數(shù)值保持部20能夠在規(guī)定期間內(nèi)，將與示出復位部12進行復位定時的復位脈沖的數(shù)量為相同數(shù)量的光子，作為模擬電壓的累計值來計數(shù)。

據(jù)此，通過對規(guī)定期間內(nèi)的復位脈沖的數(shù)量進行調(diào)整，從而能夠恰當?shù)貙δ軌驒z測的光子的數(shù)量進行調(diào)整。

并且，例如，讀出部30具備輸出信號線31，以規(guī)定的定時將計數(shù)值作為模擬信號來讀出到輸出信號線31。

據(jù)此，由于能夠?qū)⒂嫈?shù)值作為模擬信號來讀出，因此用于讀出計數(shù)值的輸出信號線31能夠以一條來實現(xiàn)。換而言之，本實施方式所涉及的固體攝像裝置的像素電路1只要具備一條對計數(shù)值進行讀出的輸出信號線31即可。

并且也可以是，例如，計數(shù)值保持部20具備電容C1以及電容C2，根據(jù)電容C1以及電容C2的每一個的電容值的比率，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓，電容C1以及電容C2的至少一個為可變電容。

從(式1)可知，在電容C1與電容C2的電容值的比率中，電容值C1越小則ΔV(n)就越小。或者，電容值C2越大則ΔV(n)越小。

由于電壓Vcount(n)的振幅需要在與讀出部30連接的電源電壓以下，因此通過對電容C1與電容C2的電容值的比率進行任意地調(diào)整，從而能夠設定能夠?qū)λＭ墓庾訑?shù)進行計數(shù)的ΔV(n)。

并且，同樣可以從(式1)知道，逆變器AMP2的電源電壓Vchg越大，則ΔV(n)就越大。ΔV(n)越大，則從計數(shù)值保持部20輸出的計數(shù)值就能夠在后級進行讀取，因此，優(yōu)選為將電壓Vchg盡可能地設定為大。

例如，本實施方式所涉及的固體攝像裝置也可以具備能夠?qū)㈦娫措妷嚎刂茷榭勺兊碾妷嚎刂撇?未圖示)。具體而言，電壓控制部將電源RSD、電源VPD、電源VINV、電源VCHG以及電源VINIT分別供給的電壓控制為可變。例如，電壓控制部能夠?qū)﹄娫碦SD所供給的復位電壓Vrsd進行變更?；蛘?，電壓控制部也可以對電壓Vinv、電壓Vchg或起始電壓Vinit進行變更。

并且，如先前所說明的晶體管TR6、TR7以及TR8，與電容C1以及電容C2連接的晶體管，在作為開關來工作時，會產(chǎn)生熱噪聲(也稱為kTC噪聲)。即，非導通時的kTC噪聲由于在電容C1與電容C2之間產(chǎn)生，因此，在將作為模擬的計數(shù)值的ΔV(n)設定為小的情況下，會導致畫質(zhì)變差。

為了抑制這種畫質(zhì)變差，一個以上的晶體管可以由振幅以及波形的至少一方為可變的控制信號來控制。即，本實施方式所涉及的固體攝像裝置可以具備控制部(未圖示)，生成對一個以上的晶體管進行控制的控制信號，且該控制信號為振幅以及波形的至少一方可變的信號。具體而言，如圖2的端子RS2以及RS3，將對被連接于電容的晶體管進行控制的控制信號，任意變更為振幅值縮小或波形為梯形形狀等。據(jù)此，能夠不易產(chǎn)生kTC噪聲。

另外，例如初級放大器AMP0可以進行逆變器的工作。在這種情況下，例如可以是，復位部12對互不相同的兩個復位電壓有選擇地施加到浮置擴散FD。據(jù)此，能夠更容易地進行光子的檢測。

例如，通過在時刻t1施加圖3的復位電壓Vrsd，從而可以在進行了光子的入射有無的檢測之后，將比復位電壓Vrsd低的電壓施加到浮置擴散FD，使晶體管TR1成為非導通。據(jù)此，在比復位電壓Vrsd低的電位被設定到浮置擴散FD的狀態(tài)下，受光元件APD成為曝光狀態(tài)。

在該狀態(tài)下，當光子入射到受光元件APD時，即使在光子的能量減弱、浮置擴散FD的電位變動變小的情況下，初級放大器AMP0的輸出也容易反轉(zhuǎn)。因此，即使是弱的光子也能夠檢測。

(實施方式2)

接著，對實施方式2所涉及的固體攝像裝置進行說明。

在實施方式1所說明的光子的檢測工作中，當入射到受光元件APD的光子的數(shù)量增多時，如圖4所示，作為計數(shù)值的電壓Vcount(n)會有不為線狀增大的情況。另外，圖4示出了，在實施方式1所涉及的固體攝像裝置中入射到受光元件APD的光子的數(shù)量與計數(shù)值的對應關系。

從上述的(式1)～(式3)可知，在逆變器AMP2的輸出電壓Vchg與計數(shù)值Vcount(n-1)的差減小時，作為模擬電壓的ΔV(n)則逐漸變小。最終，當電壓Vcount(n-1)成為與電壓Vchg相等的情況下，ΔV(n)成為0，從而累計停止。雖然通過將起始電壓Vinit設為低電壓、或者使電容C2變大，從而能夠增加計數(shù)值(累計次數(shù))，但是在這種情況下，由于ΔV(n)變小，因此難于進行后級的ΔV(n)的讀取。

作為對策，在本實施方式所涉及的固體攝像裝置，將計數(shù)值分為高階位和低階位來保持。另外，計數(shù)值的低階位例如是將計數(shù)值作為數(shù)字值來表示時的相當于低階的一個以上的比特的數(shù)量值。計數(shù)值的高階位例如是將計數(shù)值作為數(shù)字值來表示時的相當于高階的一個以上的比特的數(shù)量值。例如，在計數(shù)值以n比特的數(shù)字值來表示時，低階位可以是從最低有效位開始的m比特的數(shù)量值，高階位可以是從最高有效位開始的n-m比特的數(shù)量值。

以下利用圖5以及圖6，首先對本實施方式所涉及的固體攝像裝置的單位像素的像素電路進行說明。

圖5是示出本實施方式所涉及的固體攝像裝置的單位像素的功能構(gòu)成的電路方框圖。圖6是示出本實施方式所涉及的固體攝像裝置的電路構(gòu)成例子的電路圖。

如圖5所示，本實施方式所涉及的像素電路2與圖1所示的像素電路1比較，取代計數(shù)值保持部20以及讀出部30，而具備計數(shù)值保持部120以及讀出部130。

計數(shù)值保持部120具備：模擬計數(shù)電路121、以及數(shù)字計數(shù)電路122。

模擬計數(shù)電路121將計數(shù)值的低階位作為模擬值來保持。在本實施方式中，模擬計數(shù)電路121具備多個電容，根據(jù)該多個電容的每一個的電容值的比率，將從檢測部10輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓并保持。具體而言，模擬計數(shù)電路121具有與圖2所示的計數(shù)值保持部20相同的電路構(gòu)成。

數(shù)字計數(shù)電路122將計數(shù)值的高階位作為數(shù)字值來保持。在本實施方式中，如圖6所示，數(shù)字計數(shù)電路122具備：比較器AMP4、晶體管TR10～TR12、延遲電路DELAY、以及電容C3。

比較器AMP4對輸出節(jié)點VCOUNT的電壓Vcount(n)、與參考電壓Vref進行比較，并輸出比較結(jié)果。比較器AMP4的兩個輸入端子分別與模擬計數(shù)電路121的輸出節(jié)點VCOUNT、和用于供給參考電壓Vref的電源REF連接。比較器AMP4的輸出端子(節(jié)點VDIG)經(jīng)由晶體管TR11，與讀出部130(具體而言，數(shù)字讀出部132)連接。例如，比較器AMP4在電壓Vcount(n)比參考電壓Vref大的情況下，輸出高電平的信號。

晶體管TR10是被連接于輸出節(jié)點VCOUNT和電源VINIT之間的開關晶體管。晶體管TR10的控制端子經(jīng)由延遲電路DELAY，與比較器AMP4的輸出端子(節(jié)點VDIG)連接。因此，晶體管TR10在比較器AMP4輸出高電平的信號之后經(jīng)過延遲期間之后成為導通。在晶體管TR10為導通的情況下，輸出節(jié)點VCOUNT被設定為起始電壓Vinit。即，在輸出節(jié)點VCOUNT的電壓Vcount(n)，也就是說在計數(shù)值超過參考電壓Vref時，被復位為起始電壓Vinit。

晶體管TR11是被連接于比較器AMP4與數(shù)字讀出部132的放大器AMP5之間的開關晶體管。晶體管TR11的控制端子與比較器AMP4的輸出端子連接。因此，晶體管TR11在比較器AMP4輸出高電平的信號的情況下而被導通，將高電平的信號輸入到放大器AMP5。

晶體管TR12是并聯(lián)地與電容C3電連接的開關晶體管。晶體管TR12的控制端子與端子RS3連接，通過從端子RS3輸入的控制信號，而被控制成導通以及非導通。即，晶體管TR12與晶體管TR7以及TR8同步工作。在晶體管TR12為導通的情況下，電容C3中保持的電壓被復位。

電容C3是用于對計數(shù)值的高階位進行保持的電容。電容C3的一方的電極經(jīng)由晶體管TR11，與比較器AMP4的輸出端子連接，另一方的電極接地。因此，在比較器AMP4輸出了高電平的信號的情況下，保持該電壓值。

這樣，計數(shù)值保持部120在作為計數(shù)值的電壓Vcount(n)超過了一定的參考電壓Vref的時刻，提升到高階位，將電壓Vcount(n)返回到起始電壓Vinit并進行計數(shù)。

讀出部130如圖5所示，具備：模擬讀出部131、以及數(shù)字讀出部132。

模擬讀出部131將被保持在模擬計數(shù)電路121的計數(shù)值的低階位作為模擬信號來輸出。在本實施方式中，模擬讀出部131具有與圖2所示的讀出部30相同的電路構(gòu)成。

數(shù)字讀出部132將保持在數(shù)字計數(shù)電路122的計數(shù)值的高階位作為數(shù)字信號來輸出。在本實施方式中，數(shù)字讀出部132與圖2所示的讀出部30同樣，具備放大器AMP5和晶體管TR13。放大器AMP5以及晶體管TR13分別相當于放大器AMP3以及晶體管TR9，并進行同樣的工作。

接著，利用圖7對本實施方式所涉及的固體攝像裝置的像素電路2的工作進行說明。圖7是示出本實施方式所涉及的固體攝像裝置的工作的一個例子的時間圖。圖7所示的驅(qū)動例子與圖3所示的驅(qū)動例子比較，不同之處是，在光子的入射數(shù)超過63的情況下，就設定為進行比特提升。

在電源REF，被設定與計數(shù)值63(電壓Vcount(n)＝63)相當?shù)膮⒖茧妷篤ref。

在時刻t6，在電壓Vcount(n)超過參考電壓Vref時，比較器AMP4對高電平的信號進行輸出。據(jù)此，晶體管TR11導通，電壓被保持在電容C3。換而言之，在電容C3存儲與計數(shù)值63相當?shù)?比特。

之后，通過延遲電路DELAY而經(jīng)過了延遲期間后，使晶體管TR10導通，并將電壓Vcount(n)復位到起始電壓Vinit。之后，若對光子進行檢測，則如時刻t7所示，計數(shù)值保持部120從0開始計數(shù)1。

在時刻t8，分別從OUTA讀出低階位的模擬計數(shù)值(具體而言，1)、從OUTD讀出高階位的數(shù)字值(具體而言，63)，在時刻t9將計數(shù)值全部清除。通過加上低階位的模擬值和高階位的數(shù)字值，從而能夠?qū)υ谝?guī)定期間內(nèi)入射的光子的數(shù)量正確地進行計數(shù)。

如以上所示，在本實施方式所涉及的固體攝像裝置，例如，計數(shù)值保持部120具備：將計數(shù)值的低階位作為模擬值來保持的模擬計數(shù)電路121、以及將計數(shù)值的高階位作為數(shù)字值來保持的數(shù)字計數(shù)電路122。

據(jù)此，即使在入射的光子的數(shù)量多的情況下，由于也能夠?qū)⒂嫈?shù)值分為高階位和低階位，從而能夠正確地對光子數(shù)進行計數(shù)。例如，在圖4所示的光子數(shù)和計數(shù)值從線性關系發(fā)生大的偏離之前，由于能夠?qū)﹄妷篤count(n)進行復位，因此能夠利用ΔV(n)來正確地對光子數(shù)進行計數(shù)。

并且，例如，讀出部130將計數(shù)值的低階位以模擬值讀出，將計數(shù)值的高階位以數(shù)字值讀出。

據(jù)此，即使在入射的光子的數(shù)量多的情況下，由于能夠?qū)⒂嫈?shù)值分為高階位與低階位來讀出，因此能夠?qū)庾訑?shù)進行正確地計數(shù)。

(實施方式3)

接著，對實施方式3所涉及的固體攝像裝置進行說明。

在本實施方式所涉及的固體攝像裝置中，與實施方式2同樣，將計數(shù)值分為高階位與低階位來進行保持。在實施方式2中，對將計數(shù)值的高階位作為數(shù)字值來保持，將計數(shù)值的低階位作為模擬值來保持的例子進行了說明，在本實施方式中，將計數(shù)值的低階位作為數(shù)字值來保持將計數(shù)值的高階位作為模擬值來保持。

以下利用圖8以及圖9，首先對本實施方式所涉及的固體攝像裝置的單位像素的像素電路進行說明。圖8是示出本實施方式所涉及的固體攝像裝置的單位像素的功能構(gòu)成的電路方框圖。圖9是示出本實施方式所涉及的固體攝像裝置的電路構(gòu)成例子的電路圖。

如圖8所示，本實施方式所涉及的像素電路3與圖1所示的像素電路1比較，取代了計數(shù)值保持部20以及讀出部30，而具備計數(shù)值保持部220以及讀出部230。

計數(shù)值保持部220具備：高階位保持部221、以及低階位保持部222。

高階位保持部221是將計數(shù)值的高階位作為模擬值來保持的模擬計數(shù)電路的一個例子。在本實施方式中，高階位保持部221具有與圖2所示的計數(shù)值保持部20相同的電路構(gòu)成。高階位保持部221不是從AD轉(zhuǎn)換放大器13的輸出端子，而是從低階位保持部222的輸出端子接受輸入。

低階位保持部222是將計數(shù)值的低階位作為數(shù)字值來保持的數(shù)字計數(shù)電路的一個例子。在本實施方式中，如圖9所示，低階位保持部222具備4比特(16灰度)計數(shù)器，該4比特(16灰度)計數(shù)器具備四個D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q0～Q3。D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q0保持4比特的計數(shù)值的最低有效位，D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q3保持4比特的計數(shù)值的最高有效位。

在四個D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q0～Q3的各自的時鐘端子CK，連接有前級的輸出端子-Q(意味著Q的否定)，在輸入端子D連接有自身的輸出端子-Q。并且，在先頭級的D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q0的時鐘端子CK，連接有AD轉(zhuǎn)換放大器13的輸出端子。并且，最后級的D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q3的輸出端子-Q與高階位保持部221(具體而言，逆變器AMP2)的輸入端子連接。并且，D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q0～Q3的輸出端子Q分別與低階位讀出部232的晶體管TR20～TR23的控制端子連接。

讀出部230將計數(shù)值分為低階位與高階位，并分別作為模擬值讀出。在本實施方式中，如圖8所示，讀出部230具備：高階位讀出部231、以及低階位讀出部232。

高階位讀出部231將高階位保持部221中保持的計數(shù)值的高階位作為模擬信號來輸出。在本實施方式中，高階位讀出部231具有與圖2所示的讀出部30相同的電路構(gòu)成。

低階位讀出部232將低階位保持部222中保持的計數(shù)值的低階位作為模擬信號來輸出。在本實施方式中，如圖9所示，低階位讀出部232具備：晶體管TR20～TR23、以及恒流電源。

晶體管TR20～TR23是被連接在電源VDD、與恒流電源以及輸出端子OUTL之間的開關晶體管。晶體管TR20～TR23彼此并聯(lián)地電連接。晶體管TR20～TR23的各自的控制端子與D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q0～Q3的輸出端子Q連接。

具體而言，晶體管TR20在D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q0的輸出端子Q成為高電平的情況下導通。晶體管TR21在D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q1的輸出端子Q成為高電平的情況下導通。晶體管TR22在D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q2的輸出端子Q成為高電平的情況下導通。晶體管TR23在D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q3的輸出端子Q成為高電平的情況下導通。

晶體管TR20～TR23的通道寬W與通道長L的比(W/L)彼此不同。具體而言，在將晶體管TR20的通道寬與通道長的比由W/L來表示的情況下，晶體管TR21～TR23的比分別為2W/L、4W/L、8W/L。

在晶體管TR20～TR23的任一個為導通的情況下，在輸出端子OUTL輸出與導通的晶體管對應的輸出電壓。據(jù)此，通過對晶體管TR20～TR23進行組合并導通，從而在輸出端子OUTL能夠輸出與低階位保持部222所保持的低階位對應的模擬電壓。

具體而言，通過從AD轉(zhuǎn)換放大器13輸出的數(shù)字信號(低電平)，從而低階位保持部222所具備的4比特的計數(shù)器電路開始計數(shù)工作。例如，在保持最低有效位的D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q0的輸出Q成為1時，晶體管TR20導通，由晶體管TR20和恒流電源，在輸出端子OUTL產(chǎn)生一定的電壓。將該電壓作為計數(shù)值1。

之后，每當光子入射，低電平的數(shù)量字信號被輸入時，D型雙穩(wěn)態(tài)電路Q1、Q2、Q3的輸出發(fā)生變化，與此相對應地，輸出端子OUTL的電壓發(fā)生變化。之后，在4比特的計數(shù)器電路計數(shù)滿時，使CARRY信號成為高電平，并輸入到高階位保持部221。

以后，高階位由高階位保持部221計數(shù)。據(jù)此，如圖10所示，按照光子的檢測數(shù)，而高階位的輸出端子OUT和低階位的輸出端子OUTL的輸出發(fā)生變化。并且，圖10示出了本實施方式所涉及的固體攝像裝置的工作例子。

如以上所述，在本實施方式所涉及的固體攝像裝置，例如計數(shù)值保持部220具備：將計數(shù)值的低階位作為數(shù)字值來保持的低階位保持部222、以及將計數(shù)值的高階位作為模擬值來保持的高階位保持部221。

據(jù)此，即使在入射的光子的數(shù)量多的情況下，由于也能夠?qū)⒂嫈?shù)值分為高階位與低階位來保持，因此能夠?qū)庾訑?shù)進行正確地計數(shù)。例如，在圖4所示的光子數(shù)與計數(shù)值從線性關系發(fā)生大的偏離之前，由于能夠?qū)﹄妷篤count(n)進行復位，因此能夠利用ΔV(n)對光子數(shù)進行正確地計數(shù)。

并且，例如，讀出部230將計數(shù)值分為低階位與高階位，并分別作為模擬值來讀出。

據(jù)此，即使在入射的光子的數(shù)量多的情況下，由于也能夠?qū)⒂嫈?shù)值分為高階位與低階位來讀出，因此能夠?qū)庾訑?shù)進行正確地計數(shù)。

(變形例)

在以上的實施方式1～3所設想的是，在入射的光子的數(shù)量有限的環(huán)境下進行的工作，在一般的環(huán)境下，在計數(shù)值保持部的計數(shù)值發(fā)生溢出的數(shù)量的光子入射的情況下，本申請所涉及的雪崩式放大型的受光元件APD也可以不作為雪崩式放大型，而作為普通的光電二極管來工作。

圖11是示出本變形例所涉及的固體攝像裝置的單位像素的電路構(gòu)成例子的電路圖。

圖11所示的像素電路4與圖2所示的像素電路1比較，不同之處是具備輸出部340。

輸出部340在受光元件APD作為不是雪崩式放大型的受光元件來進行工作時，不將初級放大器AMP0的輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而是進行輸出。在本實施方式中，輸出部340具備：信號線341、放大器AMP6、以及晶體管TR100。放大器AMP6以及晶體管TR100分別相當于讀出部30的放大器AMP3以及晶體管TR9。并且，晶體管TR的控制端子與端子SEL2連接，能夠以與讀出部30不同的定時進行讀出。

信號線341與初級放大器AMP0的輸出端子、和放大器AMP6的輸入端子連接。因此，不必藉由AD轉(zhuǎn)換放大器13以及計數(shù)值保持部20，就能夠?qū)⒊跫壏糯笃鰽MP0的輸出電壓從初級放大器AMP0輸出到輸出端子OUT2。

如以上所述，在本變形例所涉及的固體攝像裝置，例如受光元件APD在計數(shù)值發(fā)生溢出的數(shù)量的光子入射了的情況下，作為不是雪崩式放大型的受光元件來進行工作。

據(jù)此，例如不受使用環(huán)境的影響，就能夠捕捉光子并進行輸出，從而能夠在從微弱光的檢測到日常環(huán)境的較大的動態(tài)范圍內(nèi)進行拍攝。

并且，例如，受光元件APD也可以具備彩色濾光片或微透鏡。

據(jù)此，能夠?qū)崿F(xiàn)更高靈敏度的畫像的色彩化。

(其他的實施方式)

以上基于實施方式對本申請所涉及的固體攝像裝置進行了說明，但是本申請并非受上述實施方式所限。本申請的技術能夠適用于，通過對各個實施方式中的任意的構(gòu)成要素進行組合而實現(xiàn)的其他的實施方式、針對各個實施方式執(zhí)行在不脫離本申請的主旨的范圍內(nèi)本領域技術人員所能夠想到的各種變形而得到的變形例、以及內(nèi)置了本申請所涉及的固體攝像裝置的各種設備、各種系統(tǒng)。

例如，在上述的實施方式中，以將計數(shù)值分為高階位與低階位進行讀出為例進行了說明，不過也可以分為三個以上進行讀出。

并且，例如在上述的實施方式中，雖然作為雪崩式放大型的受光元件而利用雪崩式放大型光電二極管進行了說明，不過也可以利用雪崩式放大型光電晶體管。

并且，例如在上述的實施方式中，作為電荷蓄積部而采用浮置擴散FD的例子進行了說明，不過并非受此所限，只要是能夠?qū)υ谑芄庠a(chǎn)生的電荷進行蓄積的電容即可。

并且，本申請所涉及的固體攝像裝置的結(jié)構(gòu)也可以是，像素被形成在與半導體基板的表面、即形成了晶體管的柵極端子以及布線的面相同的面?zhèn)??；蛘?，本申請所涉及的固體攝像裝置的結(jié)構(gòu)也可以是，像素被形成在半導體基板的背面、即形成了晶體管的柵極端子以及布線的面的背面?zhèn)?，即可以是所謂的背面照射型圖像傳感器(背面照射型固體攝像裝置)的結(jié)構(gòu)。

并且，上述的各個實施方式能夠進行在權利要求或與其等同的范圍內(nèi)的各種變形、替換、附加以及省略等。

本申請所涉及的固體攝像裝置能夠利用于例如對放射線檢測等隨機發(fā)光現(xiàn)象的微弱光進行檢測的攝像裝置等。

符號說明

1、2、3、4 像素電路

10 檢測部

11 受光部

12 復位部

13 AD轉(zhuǎn)換放大器

20、120、220 計數(shù)值保持部

30、130、230 讀出部

31 輸出信號線

121 模擬計數(shù)電路