知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 株式会社東芝の特許一覧 ▶ 東芝デバイス＆ストレージ株式会社の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-153929(P2020-153929A)
(43)【公開日】2020年9月24日
(54)【発明の名称】センサ及び距離計測装置
(51)【国際特許分類】
G01S 7/486 20200101AFI20200828BHJP
H01L 31/10 20060101ALI20200828BHJP
H01L 31/107 20060101ALI20200828BHJP
【ＦＩ】
G01S7/486
H01L31/10 G
H01L31/10 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2019-55105(P2019-55105)
(22)【出願日】2019年3月22日
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317011920
【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100075672
【弁理士】
【氏名又は名称】峰 隆司
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100162570
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 早苗
(72)【発明者】
【氏名】久保田 寛
(72)【発明者】
【氏名】松本 展
【テーマコード（参考）】
5F849
5J084
【Ｆターム（参考）】
5F849AA02
5F849AA08
5F849BA03
5F849BA06
5F849BB07
5F849CB01
5F849CB08
5F849DA01
5F849EA04
5F849EA11
5F849EA13
5F849JA11
5F849JA12
5F849KA13
5F849KA20
5F849XB01
5F849XB38
5J084AD01
5J084BA04
5J084BA36
5J084BB04
5J084BB24
5J084BB26
5J084BB28
5J084CA03
5J084DA07
5J084EA33
(57)【要約】
【課題】大光量の光が入射したときでも安定して動作するセンサ及びそれを備えた距離計測装置を提供する。【解決手段】センサは、アバランシェフォトダイオードと、第１のクエンチ抵抗と、第２の抵抗と、整流素子とを有する。第１のクエンチ抵抗の一端は対応するアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、もう一端は出力端子に接続されている。第２の抵抗は、対応する第１のクエンチ抵抗に対して並列に接続されている。整流素子は、対応する第２の抵抗と特定の電位との間に接続されている。
【選択図】図３Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードと、
一端が前記アバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、もう一端が出力端子に接続された少なくとも１つの第１のクエンチ抵抗と、
前記第１のクエンチ抵抗に対して並列に接続された少なくとも１つの第２の抵抗と、
前記第２の抵抗と特定の電位との間に接続された少なくとも１つの整流素子と、
を具備するセンサ。
一端が前記アバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、もう一端が出力端子に接続された少なくとも１つの第１のクエンチ抵抗と、
前記第１のクエンチ抵抗に対して並列に接続された少なくとも１つの第２の抵抗と、
前記第２の抵抗と特定の電位との間に接続された少なくとも１つの整流素子と、
を具備するセンサ。
【請求項2】
前記第２の抵抗の抵抗値は、前記第１のクエンチ抵抗の抵抗値よりも低い請求項１に記載のセンサ。
【請求項3】
前記整流素子は、ダイオードであり、
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して逆接続されるとき、前記ダイオードは、前記第２の抵抗に対して逆接続され、
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して順接続されるとき、前記ダイオードは、前記第２の抵抗に対して順接続される請求項１又は２に記載のセンサ。
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して逆接続されるとき、前記ダイオードは、前記第２の抵抗に対して逆接続され、
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して順接続されるとき、前記ダイオードは、前記第２の抵抗に対して順接続される請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項4】
前記整流素子は、ツェナーダイオードであり、
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して逆接続されるとき、前記ツェナーダイオードは、前記第２の抵抗に対して順接続され、
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して順接続されるとき、前記ツェナーダイオードは前記第２の抵抗に対して逆接続される請求項１又は２に記載のセンサ。
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して逆接続されるとき、前記ツェナーダイオードは、前記第２の抵抗に対して順接続され、
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して順接続されるとき、前記ツェナーダイオードは前記第２の抵抗に対して逆接続される請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項5】
前記整流素子は、複数のダイオードであり、
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して逆接続されるとき、前記複数のダイオードは、前記第２の抵抗に対して順接続され、
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して順接続されるとき、前記複数のダイオードは、前記第２の抵抗に対して逆接続される請求項１又は２に記載のセンサ。
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して逆接続されるとき、前記複数のダイオードは、前記第２の抵抗に対して順接続され、
前記アバランシェフォトダイオードが電源に対して順接続されるとき、前記複数のダイオードは、前記第２の抵抗に対して逆接続される請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項6】
前記整流素子は、基板上に形成された薄膜トランジスタである請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項7】
前記整流素子は、基板上にポリシリコンで形成されたダイオード又はツェナーダイオードである請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項8】
複数の前記第１のクエンチ抵抗は、共通に前記出力端子に接続され、
複数の前記第２の抵抗は、共通に前記特定の電位に接続されている請求項１乃至７の何れか１項に記載のセンサ。
複数の前記第２の抵抗は、共通に前記特定の電位に接続されている請求項１乃至７の何れか１項に記載のセンサ。
【請求項9】
複数のアバランシェフォトダイオードは、センサ領域を形成しており、
複数の前記第２の抵抗と複数の前記整流素子とは、前記センサ領域の端に配置されている請求項１乃至８の何れか１項に記載のセンサ。
複数の前記第２の抵抗と複数の前記整流素子とは、前記センサ領域の端に配置されている請求項１乃至８の何れか１項に記載のセンサ。
【請求項10】
第２の抵抗複数の前記整流素子は、少なくとも１つの領域に集めて配置されており、
複数のアバランシェフォトダイオードは複数の前記第２の抵抗と複数の前記整流素子とが配置されている領域を除く領域に配置されている請求項１乃至８の何れか１項に記載のセンサ。
複数のアバランシェフォトダイオードは複数の前記第２の抵抗と複数の前記整流素子とが配置されている領域を除く領域に配置されている請求項１乃至８の何れか１項に記載のセンサ。
【請求項11】
対象物に向けて光を出射するように構成された出射部と、
前記対象物からの反射光を受光する、請求項１乃至１０の何れか１項に記載のセンサと、
前記出力端子から出力される前記アバランシェフォトダイオードの電流信号に基づく計測信号から、前記対象物までの距離を計測する距離計測処理部と、
を具備する距離計測装置。
前記対象物からの反射光を受光する、請求項１乃至１０の何れか１項に記載のセンサと、
前記出力端子から出力される前記アバランシェフォトダイオードの電流信号に基づく計測信号から、前記対象物までの距離を計測する距離計測処理部と、
を具備する距離計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、センサ及びそれを備えた距離計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれる距離計測装置が知られている。ＬＩＤＡＲは、レーザ光を対象物に照射し、対象物から反射された反射光の強度をセンサによって検出し、センサから出力される光強度信号に基づいて対象物までの距離を計測する。ＬＩＤＡＲに用いられるセンサとして、シリコン光電子増倍素子（ＳｉＰＭ)を用いたセンサが知られている。本発明の実施形態は、アバランシェフォトダイオードとクエンチ抵抗を備えたセンサに関する。このセンサは高感度であるが、クエンチ抵抗により最大電流が制限されているために、大光量の光が入ると、発生したキャリアを排出できなくなる。キャリアが排出されない間は、センサとして使えない、あるいは性能が低下するが、照射される光の強さに応じて、その期間は非常に長くなる。また、その期間は、クエンチ抵抗による電圧降下により、アバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧が著しく低下している。
また、その様に大光量の光が入射しない、通常の場合においても、クエンチ抵抗のために、リカバリに時間が掛かってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表２００４−５０９５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
実施形態は、大光量の光が入射したときでも安定して動作し、光が検知された後のリカバリが早いセンサ及びそれを備えた距離計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
センサは、アバランシェフォトダイオードと、第１のクエンチ抵抗と、第２の抵抗と、整流素子とを有する。第１のクエンチ抵抗の一端は対応するアバランシェフォトダイオードの電流出力端子に接続され、もう一端は出力端子に接続されている。第２の抵抗は、対応する第１のクエンチ抵抗に対して並列に接続されている。整流素子は、対応する第２の抵抗と特定の電位との間に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。図１は、実施形態に係る距離計測装置の概略的な全体構成を示す図である。距離計測装置１は、出射部１０と、光学系２０と、計測処理部３０と、画像処理部４０とを有している。
【0008】
出射部１０は、レーザ光Ｌ１を間欠的に出射する。出射部１０は、光源１１と、第１の駆動回路１２と、発振器１３と、第２の駆動回路１４と、制御部１５とを有する。
【0009】
光源１１は、レーザ光Ｌ１を間欠的に発光する。光源１１は、レーザダイオード等のレーザ光源である。
【0010】
第１の駆動回路１２は、例えば光源１１を駆動するための駆動電流を光源１１に供給する。第１の駆動回路１２は、発振器１３で生成されたパルス信号に応じて駆動電流を出力する。
【0011】
発振器１３は、制御部１５による制御に基づいてパルス信号を生成する。発振器１３は、生成したパルス信号を第１の駆動回路１２に出力する。
【0012】
第２の駆動回路１４は、制御部１５による制御に基づいて光学系２０のミラー２５を駆動するための駆動電流をミラー２５に供給する。
【0013】
制御部１５は、例えばＣＰＵ及びメモリを有している。メモリには、距離計測装置１の動作のためのプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、メモリに記憶されているプログラムに従って第１の駆動回路１２及び第２の駆動回路１４を制御する。
【0014】
光学系２０は、出射部１０から射出されたレーザ光Ｌ１を対象物Ｏに射出するとともに、対象物Ｏから反射されたレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２を計測処理部３０に入射させる。光学系２０は、レンズ２１と、第１光学素子２２と、レンズ２３と、第２光学素子２４と、ミラー２５とを有する。
【0015】
レンズ２１は、光源１１から射出された光の射出光路上に配置されている。レンズ２１は、光源１１から間欠的に射出されるレーザ光Ｌ１をコリメートして、第１光学素子２２に導光する。
【0016】
第１光学素子２２は、レンズ２１によって導光されるレーザ光Ｌ１を第２光学素子２４の方向と計測処理部３０の光センサ３１の方向とに分離する。第１光学素子２２は、例えばビームスプリッタである。
【0017】
レンズ２３は、第１光学素子２２から射出されるレーザ光Ｌ１を集光して、光センサ３１に導光する。
【0018】
第２光学素子２４は、第１光学素子２２から射出されるレーザ光Ｌ１をミラー２５の方向に透過させるとともに、ミラー２５から射出されるレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２を計測処理部３０のセンサ３３の方向に反射する。第２光学素子２４は、例えばハーフミラーである。
【0019】
ミラー２５は、入射した光を反射する。ミラー２５は、ミラー面の角度の異なる、ポリゴンミラーである。あるいは、ミラー２５は揺動するミラーでもよく、ミラー２５の反射面は、例えば、互いに交差する２つの回動軸を中心として回動できるように構成されている。ミラー２５の駆動は、第２の駆動回路１４から供給される駆動電流に従って行われる。
【0020】
計測処理部３０は、光学系２０から射出された反射光Ｌ２に基づき、対象物Ｏまでの距離を計測する。計測処理部３０は、光センサ３１と、レンズ３２と、センサ３３と、第１増幅器３４と、第２増幅器３５と、時間取得部３６と、距離計測処理部３７とを有する。
【0021】
光センサ３１は、例えばフォトダイオードであり、レンズ２３を介して導光されたレーザ光Ｌ１を受光して電気信号を出力する。
【0022】
レンズ３２は、第２光学素子２４からの反射光Ｌ２を集光して、センサ３３に導光する。
【0023】
センサ３３は、レンズ３２から入射した反射光Ｌ２を受光して電気信号を出力する。センサ３３は、例えば半導体を用いた光電子増倍素子であり、特にシリコン光電子増倍素子（ＳｉＰＭ）である。ＳｉＰＭは、ＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode）と呼ばれる、ガイガーモードで使用されるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）をマルチピクセル化したデバイスである。それぞれのＳＰＡＤは、光入射に応じてアバランシェ降伏を起こし、電気信号を出力する。複数のＳＰＡＤによって領域(画素、チャネルとも言う)が形成され、この領域内の出力が共通化されてもよい。この場合、１つの領域からは、その領域に属するＳＰＡＤの出力の総和に相当する電気信号が出力される。センサ３３の構成については後で詳しく説明する。
【0024】
第１増幅器３４は、光センサ３１から出力される電気信号を増幅して時間取得部３６と、距離計測処理部３７に出力する。
【0025】
第２増幅器３５は、例えばトランスインピーダンス増幅器であり、反射光Ｌ２に基づく電気信号を増幅する。第２増幅器３５は、例えばセンサ３３から出力される電流信号を計測信号としての電圧信号に増幅し、変換する。
【0026】
時間取得部３６は、反射光Ｌ２に基づく計測信号をＡＤ変換により、信号強度についての時系列信号を生成する、あるいは、計測信号の立ち上がり時間を取得する。
【0027】
距離計測処理部３７は、時間取得部３６によって取得された時系列信号のピーク時刻を検出し、そのピーク時刻とレーザ光Ｌ１の照射タイミングとの時間差に基づいて、あるいは、立ち上がり時間と、レーザ光Ｌ１の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物Ｏまでの距離を計測する。
【0028】
以下、センサ３３の構成を説明する。図２は、ＳＰＡＤの構成とその動作原理を示す図である。１つのＳＰＡＤは、ＡＰＤ１０１と、クエンチ抵抗１０２とを有している。クエンチ抵抗１０２は、ＡＰＤ１０１の電流出力端子（図２の例ではアノード）に接続されている。
【0029】
図２の例のＡＰＤ１０１は、厚いＰ型半導体層と薄いＮ型半導体層とを有している。具体的には、ＡＰＤ１０１は、例えば基板ＳＵＢと、Ｐ型半導体層Ｐと、Ｐプラス型半導体層Ｐ＋と、Ｎプラス型半導体層Ｎ＋とを有する。基板ＳＵＢは、例えばＰ型半導体基板である。基板ＳＵＢにはＰ型半導体層Ｐが積層されている。Ｐ型半導体層Ｐは、Ｐプラス型半導体層Ｐ＋に比べて不純物濃度の低い薄いＰ型半導体（エピ）層である。Ｐプラス型半導体層Ｐ＋は、Ｐ型半導体層Ｐに比べて不純物濃度が高くなるようにＰ型不純物が導入された半導体層である。Ｎプラス型半導体層Ｎ＋は、Ｎ型不純物が導入された電子濃度の大きい半導体層である。Ｎプラス型半導体層Ｎ＋には図示しない電極が形成されている。これらの電極を介してＡＰＤ１０１には、基板側が負となる方向に、高い逆バイアス電圧がかけられる。
【0030】
図２に示すように、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層との接合領域付近には空乏層Ｄが形成される。この空乏層Ｄに光が入射すると、空乏層ＤにキャリアＣＬとして電子と正孔の対が発生する。
【0031】
ここで、ＡＰＤ１には高い逆バイアス電圧がかけられているために、空乏層Ｄに発生したキャリアＣＬは逆バイアス電圧による電界Ｅによってドリフトする。図２の例では、キャリアＣＬのうち、電子は表面方向（Ｎプラス型半導体層Ｎ＋）に向けて加速され、正孔は基板方向に向けて加速される。Ｎプラス型半導体層Ｎ＋に向けて加速された電子は、ＰＮ接合付近の強い電界の下、原子と衝突する。そして、原子に衝突した電子が原子をイオン化させて新たな電子と正孔の対を発生させる。逆バイアス電圧がブレークダウン電圧を超えると、このような電子と正孔の対の発生が繰り返される。このようなアバランシェ降伏により、ＡＰＤ１０１は放電する。このような放電は、ガイガー放電と呼ばれている。このようにして、１つのＳＰＡＤからは、ガイガー放電とその後のリカバリに関わる電気信号が出力される。
【0032】
ＡＰＤ１０１から出力された電流はクエンチ抵抗１０２に流れる。このときの電圧降下によってバイアス電圧が低下する。バイアス電圧の低下が進み、ブレークダウン電圧未満になると、ガイガー現象が停止する。さらに、ＡＰＤ１０１の接合容量などの容量を充電する、リカバリ電流が流れ終わると電流出力が停止する。ガイガー現象が止まり、電流出力が有る程度弱まると、ＡＰＤ１０１は、次の光を受光できる状態に戻る。
【0033】
ここで、ＡＰＤ１０１は、図２の構造に限るものではない。例えば、Ｐプラス型半導体層Ｐ＋はなくてもよい。また、図２では、Ｐ型半導体層が厚く、Ｎ型半導体層が薄い構造のＡＰＤであるが、逆にＮ型半導体層が厚く、Ｐ型半導体層が薄い構造のＡＰＤであってもよい。更にまた、図２の様に表面近くにＰＮ接合を作るのではなく、基板ＳＵＢとエピ層の境界付近に、ＰＮ接合を形成してもよい。
【0034】
図３Ａは、実施形態における１つのＳＰＡＤの構成例を示す図である。図３Ａに示すように、実施形態における１つのＳＰＡＤは、ＡＰＤと、第１のクエンチ抵抗Ｒｑと、第２の抵抗Ｒｓｔと、整流素子としてのダイオードＤとを有する。
【0035】
図３Ａにおいて、ＡＰＤは、電源に対して順接続されており、基板ＳＵＢに設けられる図示しない電源から逆バイアス電圧Ｖｓｕｂが印加される。ＡＰＤのカソードには、第１のクエンチ抵抗Ｒｑの一端が接続されている。第１のクエンチ抵抗Ｒｑのもう一端は、センサ３３の出力端子Ｏｕｔ１に接続されている。出力端子Ｏｕｔ１は、第２増幅器３５に接続される。ここで、ＳＰＡＤがマルチピクセル化されているとき、複数のＳＰＡＤはグループを形成していてよい。このとき、あるグループに属するＳＰＡＤの第１のクエンチ抵抗Ｒｑは、同一のグループに属する他のＳＰＡＤの第１のクエンチ抵抗Ｒｑと、図３Ａに示す接点Ａにおいて接続される。これにより、出力端子Ｏｕｔ１から第２増幅器３５へは、そのグループに属するＳＰＡＤの出力の総和に相当する電気信号が出力される。
【0036】
第２の抵抗Ｒｓｔは、第１のクエンチ抵抗Ｒｑに対して並列に接続されている。ここで、第２の抵抗Ｒｓｔの抵抗値は、第１のクエンチ抵抗Ｒｑの抵抗値よりも低い。例えば、第１のクエンチ抵抗Ｒｑの抵抗値は２５０ｋΩであり、第２の抵抗Ｒｓｔの抵抗値は２ｋΩである。
【0037】
ダイオードＤは、第２の抵抗Ｒｓｔに対して順接続された整流素子である。つまり、ダイオードＤの電流出力端子となるカソードは、センサ３３の出力端子Ｏｕｔ２に接続されている。ここで、ＳＰＡＤがマルチピクセル化されているとき、ＳＰＡＤのダイオードＤのカソードは、他のダイオードＤのカソードと、図３Ａに示す接点Ｂにおいて接続される。これにより、出力端子Ｏｕｔ２からグランドへは各ダイオードＤの出力の総和に相当する電気信号が出力される。ここで、ダイオードＤは、ツェナーダイオードであってよく、また、アバランシェフォトダイオード（上述のＡＰＤとは別の）であってもよい。
【0038】
図３Ａで示した構成において、ＡＰＤに光が入射したとき、ＡＰＤはアバランシェ降伏を起こして電流信号を出力する。ここで、ＡＰＤからの電流信号は、第１のクエンチ抵抗Ｒｑに流れる。第１のクエンチ抵抗に並列に第２の抵抗とダイオードＤが接続されているので、ＡＰＤからの電流信号が第１のクエンチ抵抗Ｒｑに流れることによって第１のクエンチ抵抗に発生する電圧は、第２の抵抗とダイオードＤにも印加される。
【0039】
そして、ダイオードＤに印加される電圧がダイオードＤの降伏電圧を超えたときに、ダイオードＤには電流が流れる。第２の抵抗Ｒｓｔの抵抗値は、第１のクエンチ抵抗Ｒｑの抵抗値よりも小さいので、ダイオードＤに流れる電流は、第１のクエンチ抵抗Ｒｑに流れる電流に比べて大きい。
【0040】
ここで、ＡＰＤに光が入射したときの単位時間に発生する電気量Ｉは以下の（式１）で表される。 Ｉ＝Ｎｐ×ＰＤＥ×Ｇ×ｅ （式１）
（式１）のＮｐはＡＰＤで吸収される光子数であり、ＰＤＥはＡＰＤの検出効率であり、ＧはＡＰＤの増倍率であり、ｅは電気素量である。ＡＰＤに入射した光の光量が大きくなると、ＡＰＤで吸収される光子数Ｎｐが大きくなる。したがって、（式１）より電気量Ｉも大きくなる。
【0041】
ここで、クエンチ抵抗に流れる電流をＩｑとしたとき、Ｉ−Ｉｑがゼロ又はゼロと見なせるほどに小さくなれば、ＡＰＤで発生したキャリアが放出されたことになる。この場合、ＡＰＤによる次の検出をすることができる。これに対し、Ｉ−Ｉｑが非常に大きな値を有するときには、ＡＰＤで発生したキャリアが長時間残留することになる。キャリアが残留している間、ＡＰＤは出力を続けるので、その間、ＡＰＤによる次の検出を行うことができなくなる。
【0042】
実施形態では、第１のクエンチ抵抗Ｒｑに対して並列に第２の抵抗ＲｓｔとダイオードＤとが接続されている。これにより、ＡＰＤに大光量の光が入射したとしても、ＡＰＤで発生したキャリアは比較的に短時間で放出される。
【0043】
［変形例１］実施形態の変形例１を説明する。図３Ａでは、ＡＰＤは、電源に対して順接続されており、電源から逆バイアス電圧Ｖｓｕｂが印加される。これに対し、ＡＰＤは、図３Ｂに示すように、電源に対して逆接続、すなわち電流出力端子がアノードとなるように接続されてもよい。この場合、ダイオードＤは、第２の抵抗Ｒｓｔに対して逆接続されればよい。つまり、実施形態においては、ＡＰＤとダイオードＤの接続向きは同方向であればよい。したがって、ＡＰＤが電源に対して逆接続されているとき、ダイオードＤは第２の抵抗Ｒｓｔに対して逆接続される。また、ＡＰＤが電源に対して順接続されているとき、ダイオードＤは第２の抵抗Ｒｓｔに対して順接続される。
【0044】
また、図３Ａでは、第１のクエンチ抵抗Ｒｑに並列接続される整流素子としてダイオードＤが例示されている。しかしながら、整流素子は、ダイオードに限るものではない。図３Ｃに示すように、ダイオードＤは、ツェナーダイオードＺＤであってもよい。例えば、電源電圧Ｖｓｕｂが−３０Ｖ、ブレークダウン電圧が２５Ｖ（通常、正の数で表現される）、出力端子Ｏｕｔ１の電圧が０Ｖ程度であり、ＳＰＡＤを動作させるオーバー電圧が０〜−５Ｖ（マイナスを省いて０〜５Ｖとも記される）である場合は、５Ｖ以上の降伏電圧を持つツェナーダイオードＺＤを使用する。この場合、光による電圧降下が降伏電圧を超えると、ツェナーダイオードＺＤに電流が流れ、蓄積されたキャリアが放出される。あるいは、ダイオードＤは、アバランシェフォトダイオードに置き換えられてよい。第２の抵抗Ｒｓｔは、ツェナーダイオードＺＤに流れる電流（および、その両端に掛かる電圧）を制限して、ツェナーダイオードＺＤが破壊されることを阻止する。また、第２の抵抗Ｒｓｔは、通常動作時における、ツェナーダイオードＺＤの寄生容量によるＳＰＡＤの特性への影響を低減している。
【0045】
［変形例２］図３Ｄは、ダイオードＤが逆向きの場合である。例えば、電源電圧ＶＳｕｂが−３０Ｖ、ブレークダウン電圧が２５Ｖ（通常、正の数で表現される）、出力端子Ｏｕｔ１の電圧が０Ｖ程度であり、ＳＰＡＤを動作させるオーバー電圧が０〜−５Ｖ（マイナスを省いて０〜５Ｖとも記される）である場合、出力端子Ｏｕｔ２には−（５Ｖ＋ダイオードＤの閾値電圧）以下の特定の電圧を印加する。この場合、光による電圧降下が印加した電圧を超えると、ダイオードＤに電流が流れ、蓄積されたキャリアが放出される。
【0046】
図３Ｅは、図３Ｄのダイオードを、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴｒに置き換えたものである。例えば、電源電圧Ｖｓｕｂが−３０Ｖ、ブレークダウン電圧が２５Ｖ（通常、正の数で表現される）、出力端子Ｏｕｔ１の電圧が０Ｖ程度であり、ＳＰＡＤを動作させるオーバー電圧が０〜−５Ｖ（マイナスを省いて０〜５Ｖとも記される）である場合、出力端子Ｏｕｔ２には−（５Ｖ＋トランジスタの閾値電圧）以下の特定の電圧を印加する。この場合、光による電圧降下が印加した電圧を超えると、トランジスタＴｒに電流が流れ、蓄積されたキャリアが放出される。高速、かつ、電流容量の大きいトランジスタＴｒを用いることにより、短時間にキャリアを放出することが可能になる。
【0047】
ダイオードＤをトランジスタＴｒに置き換えるときには、トランジスタＴｒの寄生ダイオードの向きがダイオードＤの逆向きになればよい。つまり、トランジスタＴｒがＰチャネルＭＯＳトランジスタの場合は、トランジスタＴｒのドレインが第２の抵抗Ｒｓｔに接続され、トランジスタＴｒのソースが出力端子Ｏｕｔ２に接続される。
【0048】
図３Ｃ〜図３Ｅは、ＡＰＤが図２の構造の場合で有り、また、図３ＥはＰチャネルＭＯＳトランジスタの場合であるが、前記の通り、ＡＰＤの構造はそれに限るものではなく、また、ＰチャネルＭＯＳトランジスタの代わりにＮチャネルＭＯＳトランジスタを用いることも出来る。
【0049】
［変形例３］実施形態の変形例３を説明する。前述の実施形態及び変形例１で示した例では、ＡＰＤからのキャリアの放出の促進に整流素子の降伏現象が利用されている。これに対し、例えば図４に示すように、第２の抵抗Ｒｓｔに対して複数のダイオードＤ１、Ｄ２、…、Ｄ３を順接続することでも同様の効果が得られる。つまり、複数のダイオードを順接続することで順方向閾値を大きくすることができる。順方向閾値が大きくなることで、ダイオードを逆接続した場合と同様に低電圧では電流が流れず、高電圧が印加されたときに大電流が流れるようになる。したがって、変形例２においても、前述の実施形態及び変形例１と同様の効果が得られる。なお、図４は、ＡＰＤが電源に対して順接続されているときには、第２の抵抗Ｒｓｔに対して複数のダイオードＤ１、Ｄ２、…、Ｄ３は逆接続されればよい。
【0050】
［変形例４］実施形態の変形例４を説明する。図５Ａは、変形例４のＳｉＰＭの構造を示す図である。図５Ｂは、図５ＡのＣ領域の拡大図を示している。なお、図５Ｂは、領域Ｃの拡大図であるが、他のＳＰＡＤも図５Ｂと同様の接続構造の第２の抵抗Ｒｓｔを有している。前述したように、ＳｉＰＭは、ＳＰＡＤをマルチピクセル化したものである。例えば、ＳｉＰＭは、図５Ａに示すように、ＡＰＤと第１のクエンチ抵抗Ｒｑとを含むＳＰＡＤが例えば２次元に配列されたセンサ領域を有する。配線の引き回しのため、図５Ａの例ではセンサ領域は、例えば紙面の左右方向で２つの領域に分けられている。左右方向は、例えばセンサ３３を距離計測装置１に搭載したときの水平方向となる方向である。
【0051】
センサ領域の右半分の領域において、ＳＰＡＤへの配線は、センサ領域の右端に向けて引き回されている。より詳しくは、ＡＰＤに接続される第１のクエンチ抵抗Ｒｑは、ＳＰＡＤの左右方向の境界である分離領域に配置されている。分離領域は、隣り合うＳＰＡＤの一方に存在するキャリアが他方に伝搬しないようにＳＰＡＤ間に設けられている領域である。分離領域は、遮光されていてもよい。そして、センサ領域の右半分の各行のＳＰＡＤに含まれる第１のクエンチ抵抗Ｒｑは、ＳＰＡＤの上下方向の境界である分離領域を通して引き回された１本の水平配線に接続されている。そして、各行の水平配線は、センサ領域の右端において１本の垂直配線に接続されている。この垂直配線は出力端子Ｏｕｔ１に接続されている。
【0052】
同様に、センサ領域の左半分の領域において、ＳＰＡＤの配線は、センサ領域の左端に向けて引き回されている。より詳しくは、ＡＰＤに接続される第１のクエンチ抵抗Ｒｑは、ＳＰＡＤの左右方向の境界である分離領域に配置されている。そして、センサ領域の左半分の各行のＳＰＡＤに含まれる第１のクエンチ抵抗Ｒｑは、ＳＰＡＤを上下方向の境界である分離領域を通して引きまわされた１本の水平配線に接続されている。そして、各行の水平配線は、センサ領域の左端において１本の垂直配線に接続されている。この垂直配線は別の出力端子Ｏｕｔ１に接続されている。
【0053】
ここで、実施形態では、図５Ｂに示すように、第１のクエンチ抵抗Ｒｑに対して第２の抵抗Ｒｓｔと整流素子（例えばダイオードＤ）とが接続される。第２の抵抗Ｒｓｔと整流素子とをセンサ領域の中に配置してしまうと、ＳＰＡＤの開口率、すなわちＡＰＤの受光面積の低下につながる。
【0054】
変形例４では、整流素子（例えばダイオードＤ）は、センサ領域の端に配置される。図５Ａの例では、センサ領域の右半分の領域のＳＰＡＤについてのダイオードＤは、センサ領域の右端に集めて配置され、センサ領域の左半分の領域のＳＰＡＤについてのダイオードＤは、センサ領域の左端に集めて配置されている。センサ領域の右端に配置された各ダイオードＤは、分離領域を通して引き回された配線によって出力端子Ｏｕｔ２に共通に接続されている。同様に、センサ領域の左端に配置された各ダイオードＤは、分離領域を通して引き回された配線によって別の出力端子Ｏｕｔ２に共通に接続されている。
【0055】
変形例４では、整流素子がセンサ領域の端に集めて配置されることにより、各ＳＰＡＤの開口率の低下が抑制される。ＡＰＤには、通常の回路の電源電圧と比べて、高い逆バイアス電圧が印加されるため、その間を絶縁するために、深いウェル等を用いる必要が有り、ＡＰＤと回路は通常遠く離さなければならない。したがって、変形例４と異なってセンサ領域に、回路の一つである整流素子を置く場合は、大きな分離領域が必要となり、開口率が低下する。また、配線は、分離領域を通して引き回されており、これによっても各ＳＰＡＤの開口率の低下が抑制される。
【0056】
ここで、図５Ａでは、センサ領域は左右方向で２つに分けられているがこれに限るものではない。センサ領域は上下方向で２つに分けられていてもよい。この場合において、ダイオードＤは、センサ領域の上端及び下端に分けられて配置されてもよい。
【0057】
［変形例５］実施形態の変形例５を説明する。図６は、変形例５のＳｉＰＭの構造を示す図である。ＳｉＰＭを製造する際の制約等により、整流素子をセンサ領域の端に集めて配置することができない場合があり得る。この場合には、図６に示すように、センサ領域の一部のＳＰＡＤの配置されるべき領域に、ダイオードＤが集められて配置されてもよい。言い換えれば、ＳＰＡＤは、ダイオードＤが集めて配置される領域を除くセンサ領域に配置されてもよい。なお、図６では、ダイオードＤが１箇所に集められているが、２箇所以上に分けて集められてもよい。
【0058】
ここで、ＡＰＤとダイオードＤとは例えばウェルＷｅやトレンチ構造等によって素子分離されていることが望ましい。これは、高い逆バイアス電圧が印加されているＡＰＤとダイオードＤとを電気的に分離するためである。
【0059】
［変形例６］実施形態の変形例６を説明する。ＡＰＤからのキャリア放出を促進するための整流素子は、ＡＰＤの上層に形成されてもよい。図７は、ＡＰＤの上層に薄膜トランジスタによって、第２の抵抗Ｒｓｔと、整流素子としてのトランジスタＴｒとを形成する例を示す図である。例えば、基板２０１には、Ｐ型半導体層２０２が形成されている。このＰ型半導体層２０２には、Ｐプラス型半導体層２０３と、Ｎプラス型半導体層２０４が積層されている。また、Ｎプラス型半導体層２０４には、２枚の電極２０５ａ、２０５ｂが形成されている。電極２０５ａは、図示しない電源に接続される。電極２０５ｂは、第２の抵抗Ｒｓｔを構成するトランジスタＴｒの電極２１０ｂに接続される。Ｐ型半導体層２０２と、Ｐプラス型半導体層２０３と、Ｎプラス型半導体層２０４と、電極２０５ａ、２０５ｂとにより、ＡＰＤが形成されている。
【0060】
電極２０５ａ、電極２０５ｂの周囲は絶縁層２０６によって平坦にされている。絶縁層２０６には、絶縁層２０７が積層されている。絶縁層２０７には、例えばＩｎＧａＺｎＯからなる半導体層２０８が形成されている。半導体層２０８は、絶縁層２０９を介して形成されたトランジスタの電極２１０ａ、２１０ｂに接続されている。電極２１０ａは例えばトランジスタのソース電極であり、電極２１０ｂは例えばドレイン電極である。半導体層２０８、電極２１０ａ、２１０ｂにより、第２の抵抗が形成されている。
【0061】
また、絶縁層２０７には、例えばＩｎＧａＺｎＯからなるもう１つの半導体層２１１が形成されている。半導体層２１１は、絶縁層２０９を介して形成されたトランジスタの電極２１２ａ、２１２ｂに接続されている。電極２１２ａは例えばトランジスタのソース電極であり、電極２１２ｂは例えばドレイン電極である。また、図では示していないが、電極２１０ａと電極２１２ａは接続されている。半導体層２１０、電極２１２ａ、２１２ｂにより、整流素子としてのトランジスタＴｒが形成されている。
【0062】
電極２１０ａ、２１０ｂ、２１２ａ、２１２ｂの上には、保護層としての絶縁層２１３が形成されている。
【0063】
図７に示すように、第２の抵抗ＲｓｔとトランジスタＴｒとを同一の層に形成することで、第２の抵抗ＲｓｔとトランジスタＴｒとは、同工程で形成され得る。
【0064】
また、ＡＰＤからのキャリア放出を促進するための整流素子は、ＡＰＤとは別に形成されてもよい。図８Ａ及び図８Ｂは、ＡＰＤの隣のポリシリコンによって、整流素子としてのダイオードＤを形成する例を示す図である。図８Ａに示すように、ダイオードＤは、配線Ｗを介してＡＰＤに接続されている。ダイオードＤは、例えば、Ｐ型不純物が導入されたポリシリコン層ＰｐとＮ型不純物が導入されたポリシリコン層Ｐｎとの接合によって構成されている。そして、図８Ｂに示すようにＡＰＤと、ダイオードＤとはＬＯＣＯＳ（local Oxidation of Silicon）層によって素子分離されている。なお、図８ＢのＰＤＮはＡＰＤを構成するＮプラス型半導体層であり、ＰＤＰはＡＰＤを構成するＰプラス型半導体層であり、１Ｐ−は拡散層である。
【0065】
変形例６の手法でもセンサ領域に整流素子等を形成する必要がないので、各ＳＰＡＤの開口率の低下が抑制される。
【0066】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0067】
１ 距離計測装置、１０ 出射部、１１ 光源、１２ 第１の駆動回路、１３ 発振器、１４ 第２の駆動回路、１５ 制御部、２０ 光学系、２１ レンズ、２２ 第１光学素子、２３ レンズ、２４ 第２光学素子、２５ ミラー、３０ 計測処理部、３１ 光センサ、３２ レンズ、３３ センサ、３４ 第１増幅器、３５ 第２増幅器、３６ 時間取得部、３７ 距離計測処理部、４０ 画像処理部、１０１ ＡＰＤ、１０２ クエンチ抵抗。