(57)【要約】      （修正有）【課題】アバランシェフォトダイオードを用いて測距を行う場合の測距精度を向上させる方法を提供する。【解決手段】センシングデバイスは、アバランシェフォトダイオード３１１と、アバランシェフォトダイオードに直列に接続されている３１２抵抗成分と、アバランシェフォトダイオードと抵抗成分との間にあるノードと、ノードに接続され、受光信号を出力する出力部３１３と、ノードと抵抗成分との間に接続され、受光信号に基づいて開閉するスイッチ３１５とを備える。例えば、距離画像を撮影するカメラに適用できる。【選択図】図１５
2020061558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードに直列に接続されている抵抗成分と、
前記アバランシェフォトダイオードと前記抵抗成分との間にあるノードと、
前記ノードに接続され、受光信号を出力する出力部と、
前記ノードと前記抵抗成分との間に接続され、前記受光信号に基づいて開閉するスイッチと
を備えるセンシングデバイス。
【請求項２】
前記出力部と前記スイッチとの間にあり、前記受光信号の出力に同期してパルス信号を出力するパルス生成部を
さらに備える請求項１に記載のセンシングデバイス。
【請求項３】
前記ノードとグラウンドとの間に接続され、前記パルス信号を受ける第１のトランジスタを
さらに備える請求項２に記載のセンシングデバイス。
【請求項４】
前記アバランシェフォトダイオードが形成されている第１の基板と、
前記抵抗成分、前記出力部、前記スイッチ、前記パルス生成部、及び、前記第１のトランジスタが形成されている第２の基板と
を備える請求項３に記載のセンシングデバイス。
【請求項５】
前記第１の基板と前記第２の基板とは、直接接合により積層されている
請求項４に記載のセンシングデバイス。
【請求項６】
前記抵抗成分は、第２のトランジスタからなる
請求項１乃至５のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項７】
前記出力部は、
前記ノードに接続されている第１のインバータと、
前記第１のインバータに直列に接続され、前記受光信号を出力する第２のインバータと
を備える請求項１乃至６のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項８】
前記第１のインバータは、電源に接続されている
請求項７に記載のセンシングデバイス。
【請求項９】
前記アバランシェフォトダイオードのカソードは、前記ノードに接続されている
請求項１乃至８のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項１０】
前記アバランシェフォトダイオードのアノードは、負の電位に設定される
請求項１乃至９のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項１１】
前記抵抗成分の一端は、電源に接続されている
請求項１乃至１０のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項１２】
アバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードに直列に接続されている抵抗成分と、
前記アバランシェフォトダイオードと前記抵抗成分との間にあるノードと、
前記ノードに接続され、受光信号を出力する出力部と、
前記受光信号の出力に同期してパルス信号を出力するパルス生成部と、
前記ノードとグラウンドとの間に接続され、前記パルス信号を受ける第１のトランジスタと
を備えるセンシングデバイス。
【請求項１３】
前記ノードと前記抵抗成分との間に接続され、前記パルス信号を受けるスイッチを
さらに備える請求項１２に記載のセンシングデバイス。
【請求項１４】
前記アバランシェフォトダイオードが形成されている第１の基板と、
前記抵抗成分、前記出力部、前記パルス生成部、前記第１のトランジスタ、及び、前記スイッチが形成されている第２の基板と
を備える請求項１３に記載のセンシングデバイス。
【請求項１５】
前記第１の基板と前記第２の基板とは、直接接合により積層されている
請求項１４に記載のセンシングデバイス。
【請求項１６】
前記抵抗成分は、第２のトランジスタからなる
請求項１２乃至１５のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項１７】
前記出力部は、
前記ノードに接続されている第１のインバータと、
前記第１のインバータに直列に接続され、前記受光信号を出力する第２のインバータと
を備える請求項１２乃至１６のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項１８】
前記第１のインバータは、電源に接続されている
請求項１７に記載のセンシングデバイス。
【請求項１９】
前記アバランシェフォトダイオードのカソードは、前記ノードに接続されている
請求項１２乃至１８のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項２０】
前記アバランシェフォトダイオードのアノードは、負の電位に設定される
請求項１２乃至１９のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項２１】
前記抵抗成分の一端は、電源に接続されている
請求項１２乃至２０のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、センシングデバイスに関し、特に、アバランシェフォトダイオードを用いたセンシングデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各画素にＳＰＡＤを設けて、ＳＰＡＤを用いて被写体までの距離を測定する撮像装置が開発されている。
【０００３】
ＳＰＡＤでは、アバランシェ増倍により発生したキャリア（電子及びホール）の一部が不純物準位等にトラップされ、時間をおいて放出されることにより、光子が入射していないにも関わらず、再度アバランシェ増倍が発生するアフターパルスという現象が発生する場合がある。このアフターパルスにより、ＳＰＡＤが光子を検出できない期間であるデッドタイムが延びたり、光子が入射していないのにも関わらず、光子が入射したと誤検出されたりする場合がある。その結果、測距精度が低下する。
【０００４】
これに対して、ＳＰＡＤをバイアスするためのキャパシタンスを設け、リフレッシュ期間中にＳＰＡＤとキャパシタンスを電源に接続し、検出期間中にＳＰＡＤとキャパシタンスを電源から切り離すことにより、アフターパルスの発生を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
具体的には、特許文献１に記載の発明では、リフレッシュ期間中にキャパシタンスが充電され、キャパシタンスにより降伏電圧以上の逆電圧がＳＰＡＤに印加される。キャパシタンスの電圧が降伏電圧を超えると、スイッチがオフし、ＳＰＡＤとキャパシタンスが電源から切り離され、検出期間が開始される。検出期間中にＳＰＡＤに光子が入射し、アバランシェ増倍が発生すると、キャパシタンスに蓄積されたキャリアがＳＰＡＤを介して放電され、キャパシタンスによるＳＰＡＤの印加電圧が降伏電圧未満となり、アバランシェ増倍が収束する。そして、キャパシタンスの電圧が降伏電圧未満になってから遅延回路により遅延時間が経過した後にスイッチがオンし、ＳＰＡＤとキャパシタンスが電源に接続され、リフレッシュ期間が開始される。これにより、アバランシェ増倍の発生中にＳＰＡＤを流れる電流が抑制され、アフターパルスの発生が抑制される。
【０００６】
また、ＳＰＡＤでは、アバランシェ増倍の発生後に、クエンチング抵抗等を介してＳＰＡＤに入力する電流がラッチング電流以下にならないと、ＳＰＡＤの電圧が回復せずに、デッドタイムが延びる現象が発生する場合がある（例えば、特許文献２参照）。その結果、測距精度が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００８−５４２７０６号公報
【特許文献２】特開２０１４−１６００４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、リフレッシュ期間中にアフターパルスが発生すると、電源とグラウンドの間が貫通してしまう。また、検出期間中にＳＰＡＤのカソード電位がフローティング状態となるため、ノイズ耐性が低下する。さらに、キャパシタンスの電圧が降伏電圧未満になってから遅延回路により遅延させた後、リフレッシュ期間が開始するため、デッドタイムが大きくばらついてしまう。
【０００９】
また、特許文献２では、ラッチング電流に対する対策は検討されていない。
【００１０】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、アバランシェフォトダイオードを用いて測距を行う場合の測距精度を向上させるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本技術の第１の側面のセンシングデバイスは、アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードに直列に接続されている抵抗成分と、前記アバランシェフォトダイオードと前記抵抗成分との間にあるノードと、前記ノードに接続され、受光信号を出力する出力部と、前記ノードと前記抵抗成分との間に接続され、前記受光信号に基づいて開閉するスイッチとを備える。
【００１２】
本技術の第２の側面のセンシングデバイスは、アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードに直列に接続されている抵抗成分と、前記アバランシェフォトダイオードと前記抵抗成分との間にあるノードと、前記ノードに接続され、受光信号を出力する出力部と、前記受光信号の出力に同期してパルス信号を出力するパルス生成部と、前記ノードとグラウンドの間に接続され、前記パルス信号を受ける第１のトランジスタとを備える。
【００１３】
本技術の第１の側面においては、アバランシェフォトダイオードと抵抗成分との間にあるノードに接続されている出力部から出力される受光信号に基づいて、前記ノードと前記抵抗成分との間に接続されているスイッチが開閉する。
【００１４】
本技術の第２の側面においては、アバランシェフォトダイオードと抵抗成分との間にあるノードに接続されている出力部から出力される受光信号に同期して、パルス信号が出力され、前記ノードと前記抵抗成分との間に接続されている第１のトランジスタにより、パルス信号が受けられる。
【発明の効果】
【００１５】
本技術の第１の側面又は第２の側面によれば、アバランシェフォトダイオードのデッドタイムが延びたり、ばらついたりすることを抑制することができる。その結果、アバランシェフォトダイオードを用いて測距を行う場合の測距精度を向上させることができる。
【００１６】
なお、本明細書に記載された効果は、あくまで例示であり、本技術の効果は、本明細書に記載された効果に限定されるものではなく、付加的な効果があってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ＳＰＡＤを用いた画素の構成例を示す回路図である。
【図２】カソード電位の特性の例を示すグラフである。
【図３】カソード電位と受光信号の関係を模式的に示すグラフである。
【図４】図１の画素の等価回路を示す回路図である。
【図５】入力電流がラッチング電流より小さい場合のカソード電位の特性の例を示すグラフである。
【図６】入力電流がラッチング電流より小さい場合のＳＰＡＤの電流の特性の例を示すグラフである。
【図７】ＳＰＡＤの空乏層のキャリアの変化を模式的に示す図である。
【図８】入力電流がラッチング電流より大きい場合のカソード電位の特性の例を示すグラフである。
【図９】入力電流がラッチング電流より大きい場合のＳＰＡＤの電流の特性の例を示すグラフである。
【図１０】アフターパルスが発生した場合のカソード電位の特性の例を示すグラフである。
【図１１】受光信号のパルス数の時間方向の分布の例を示すグラフである。
【図１２】受光信号の隣接するパルス間の時間間隔の分布の例を示すグラフである。
【図１３】本技術を適用した撮像システムの一実施の形態を示すブロック図である。
【図１４】撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図１５】画素の構成例を示す回路図である。
【図１６】画素の構成例を示す断面図である。
【図１７】画素の配線の構成例を示す平面図である。
【図１８】画素の動作について説明するタイミングチャートである。
【図１９】撮像システムの使用例を示す図である。
【図２０】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【図２１】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本技術を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．ラッチング電流及びアフターパルスの影響について
２．実施の形態
３．変形例
４．撮像システムの使用例
【００１９】
＜＜１．ラッチング電流及びアフターパルスの影響について＞＞
まず、図１乃至図１２を参照して、ＳＰＡＤを用いて測距を行う場合のラッチング電流及びアフターパルスの影響について簡単に説明する。
【００２０】
図１は、ＳＰＡＤを用いてＴｏＦ（Time of Flight）法により測距を行う撮像素子の画素１の構成例を示している。
【００２１】
画素１は、ＳＰＡＤ１１、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタ１２、及び、出力部１３を備える。出力部１３は、インバータ２１及びインバータ２２を備える。
【００２２】
ＳＰＡＤ１１のカソードは、トランジスタ１２のソース、及び、インバータ２１の入力端子に接続され、ＳＰＡＤ１１のアノードは、電源Ｖｓｐａｄ（不図示）に接続されている。トランジスタ１２のドレインは、電源Ｖｅ（不図示）に接続されている。インバータ２１の出力端子はインバータ２２の入力端子に接続されており、また、インバータ２１には電源Ｖｅから動作電圧が印加される。
【００２３】
トランジスタ１２のドレインは、例えば、電源Ｖｅにより正の電位Ｖｅに設定され、ＳＰＡＤ１１のアノードは、例えば、電源Ｖｓｐａｄにより負の電位Ｖｓｐａｄに設定される。そして、電源Ｖｅ及び電源Ｖｓｐａｄにより、ＳＰＡＤ１１に降伏電圧Ｖｂｄ以上の逆電圧が印加されることにより、ＳＰＡＤ１１がガイガーモードに設定される。ガイガーモードに設定されたＳＰＡＤ１１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、ＳＰＡＤ１１に電流が流れる。
【００２４】
トランジスタ１２は、飽和領域で動作する電流源であり、クエンチング抵抗として働くことにより、パッシブクエンチを行う。すなわち、ＳＰＡＤ１１においてアバランシェ増倍が発生し、ＳＰＡＤ１１に電流が流れることにより、トランジスタ１２にも電流が流れ、トランジスタ１２の抵抗成分により電圧降下が発生する。これにより、ＳＰＡＤ１１のカソード電位Ｖｓが低下し、ＳＰＡＤ１１の印加電圧が降伏電圧Ｖｂｄ以下になると、アバランシェ増倍が収束する。その後、アバランシェ増倍によりＳＰＡＤ１１に蓄積されたキャリアが、トランジスタ１２を介して放電されることにより、カソード電位Ｖｓが元の電位Ｖｅ付近まで回復し、ＳＰＡＤ１１が、再度ガイガーモードに設定される。
【００２５】
出力部１３は、ＳＰＡＤ１１への光子の入射を示す受光信号ＰＦｏｕｔを出力する。
【００２６】
具体的には、インバータ２１の出力電圧は、入力電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上のとき、所定のローレベルの電圧になり、入力電圧が閾値電圧Ｖｔｈ未満のとき、所定のハイレベルの電圧となる。従って、ＳＰＡＤ１１に光子が入射し、アバランシェ増倍が発生し、カソード電位Ｖｓが低下し、閾値電圧Ｖｔｈを下回ると、インバータ２１の出力電圧は、ローレベルからハイレベルに反転する。一方、ＳＰＡＤ１１のアバランシェ増倍が収束し、カソード電位Ｖｓが上昇し、閾値電圧Ｖｔｈ以上になると、インバータ２１の出力電圧は、ハイレベルからローレベルに反転する。
【００２７】
インバータ２２は、インバータ２１の出力電圧を反転して出力することにより、受光信号ＰＦｏｕｔを出力する。従って、受光信号ＰＦｏｕｔは、ローアクティブのパルス信号となる。すなわち、ＳＰＡＤ１１に光子が入射し、アバランシェ増倍が発生したとき、すなわち、ＳＰＡＤ１１により光子の入射が検出されたとき、ＳＰＡＤ１１への光子の入射を示すローレベルのパルス状の受光信号ＰＦｏｕｔが出力される。
【００２８】
図２は、画素１のカソード電位Ｖｓの特性の例を示している。
【００２９】
時刻ｔ１より前において、カソード電位Ｖｓは、電位Ｖｅとほぼ等しくなり、ＳＰＡＤ１１に降伏電圧Ｖｂｄ以上の逆電圧が印加されることにより、ＳＰＡＤ１１がガイガーモードに設定される。
【００３０】
時刻ｔ１において、ＳＰＡＤ１１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、ＳＰＡＤ１１に電流が流れる。これにより、トランジスタ１２に電流が流れ、電圧降下が発生し、カソード電位Ｖｓが低下する。そして、カソード電位Ｖｓが、降伏電圧Ｖｂｄ＋電位Ｖｓｐａｄまで低下し、ＳＰＡＤ１１の印加電圧が降伏電圧Ｖｂｄに達すると、アバランシェ増倍が収束する。その後、アバランシェ増倍によりＳＰＡＤ１１に蓄積されたキャリアが、トランジスタ１２を介して放電されることにより、カソード電位Ｖｓが徐々に上昇し、最終的に電位Ｖｅまで回復する。
【００３１】
このＳＰＡＤ１１に光子が入射する時刻ｔ１から、カソード電位Ｖｓが電位Ｖｅ付近まで回復する時刻ｔ２までの期間が、ＳＰＡＤ１１が光子の入射を検出できないデッドタイムとなる。このデッドタイムが短くなるほど、光子の検出数が増えるため、画素１による測距精度が向上する。
【００３２】
図３は、画素１のカソード電位Ｖｓと受光信号ＰＦｏｕｔとの関係を模式的に示している。
【００３３】
時刻ｔ１１において、ＳＰＡＤ１１に光子が入射すると、ＳＰＡＤ１１のアバランシェ増倍が発生し、カソード電位Ｖｓが低下する。そして、カソード電位Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈ未満になると、インバータ２１の出力電圧がローレベルからハイレベルに反転し、インバータ２２の出力電圧がハイレベルからローレベルに反転する。すなわち、インバータ２２からローアクティブの受光信号ＰＦｏｕｔが出力される。
【００３４】
その後、理想的には、実線で示されるように、すぐにカソード電位Ｖｓが回復に転じる。そして、カソード電位Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈに達する時刻ｔ１２において、インバータ２１の出力電圧がハイレベルからローレベルに反転し、インバータ２２の出力電圧がローレベルからハイレベルに反転する。すなわち、インバータ２２からのローアクティブの受光信号ＰＦｏｕｔの出力が停止される。
【００３５】
その後、カソード電位Ｖｓが電位Ｖｅ付近まで回復し、ＳＰＡＤ３１１が、再度ガイガーモードに設定され、デッドタイムが終了する。そして、時刻ｔ１３及び時刻ｔ１４に示されるように、ＳＰＡＤ１１に光子が入射される毎に、同様の動作が繰り返される。
【００３６】
しかしながら、後述するように、ＳＰＡＤ１１のラッチング電流やアフターパルスの影響により、図内の点線で示されるように、カソード電位Ｖｓの回復が遅れ、受光信号ＰＦｏｕｔのパルス幅が長くなったり、ＳＰＡＤ１１のデッドタイムが延びたりして、カウントレート（連続読み出し頻度）が低下する。その結果、画素１による測距精度が低下する。
【００３７】
ここで、図４乃至図９を参照して、ＳＰＡＤ１１のラッチング電流の影響について説明する。
【００３８】
図４は、図１の画素１の等価回路を示している。この等価回路において、ＳＰＡＤ１１は、ダイオード素子Ｄｓ、内部抵抗Ｒｓ、及び、寄生容量Ｃｓにより表され、トランジスタ１２は、抵抗Ｒｉｎにより表されている。
【００３９】
ダイオード素子Ｄｓのカソードは、内部抵抗Ｒｓを介して、抵抗Ｒｉｎ、及び、インバータ２１の入力端子に接続されている。ダイオード素子Ｄｓのアノードは、電源Ｖｓｐａｄのマイナス端子に接続されている。寄生容量Ｃｓは、インバータ２１の入力端子とダイオード素子Ｄｓのアノードとの間に接続されている。電源Ｖｅのプラス端子は、抵抗Ｒｉｎを介して、インバータ２１の入力端子に接続され、マイナス端子はグラウンドに接続されている。電源Ｖｓｐａｄのプラス端子はグラウンドに接続されている。
【００４０】
なお、以下、説明を簡単にするために、電源Ｖｓｐａｄの電圧Ｖｓｐａｄが、ダイオード素子Ｄｓの降伏電圧Ｖｂｄと等しい場合について説明する。従って、ダイオード素子Ｄｓのアノード電位は、−Ｖｂｄとなる。
【００４１】
図５は、抵抗Ｒｉｎを介してＳＰＡＤ１１へ入力される入力電流Ｉｉｎ（＝Ｖｅ／（Ｒｉｎ＋Ｒｓ））が、ＳＰＡＤ１１のラッチング電流Ｉｑより小さい場合のカソード電位Ｖｓの特性の例を示している。また、図５には、インバータ２１の出力電圧の波形が、一点鎖線で示されている。図６は、入力電流Ｉｉｎがラッチング電流Ｉｑより小さい場合にダイオード素子Ｄｓを流れる電流Ｉｄの特性の例を示している。
【００４２】
時刻ｔ２１において、ダイオード素子Ｄｓに光子が入射すると、ダイオード素子Ｄｓのアバランシェ増倍が発生し、ダイオード素子Ｄｓに電流が流れることにより、抵抗Ｒｉｎにも電流が流れ、電圧降下が発生し、カソード電位Ｖｓが低下する。このとき、ダイオード素子Ｄｓを流れる電流Ｉｄは、最大でＶｅ／Ｒｓに達する。その後、カソード電位Ｖｓの低下に伴い、電流Ｉｄは減少する。
【００４３】
図７のＡは、電流Ｉｄが図６の点Ａに達したときのダイオード素子Ｄｓの空乏層３１の様子を模式的に示している。図内の白丸は正のキャリア（正孔）を示し、黒丸は負のキャリア（電子）を示している。このように、電流Ｉｄが点Ａに達したときには、空乏層３１内に多数のキャリアが存在する。
【００４４】
その後、入力電流Ｉｉｎ＜ラッチング電流Ｉｑの場合、図６に示されるように、電流Ｉｄはラッチング電流Ｉｑに達する。
【００４５】
図７のＢは、電流Ｉｄが図６の点Ｂに達したとき、すなわち、電流Ｉｄがラッチング電流Ｉｑに達したときのダイオード素子Ｄｓの空乏層３１の様子を模式的に示している。このように、電流Ｉｄがラッチング電流Ｉｑに達したとき、空乏層３１内のキャリアは非常に少なくなる。そうすると、インパクトイオン化を起こすキャリアが空乏層３１内にほとんど存在しなくなり、アバランシェ増倍が収束し、図７のＣに示されるように、空乏層３１内のキャリアがほぼ０になり、ダイオード素子Ｄｓのインピーダンスが非常に高くなる。そして、電流Ｉｄが、急激に減少し、図６の時刻ｔ２２の点Ｃで示されるように、入力電流Ｉｉｎとほぼ等しくなる。このとき、カソード電位Ｖｓは、抵抗Ｒｓ×ラッチング電流Ｉｑとほぼ等しくなる。
【００４６】
その後、アバランシェ増倍により寄生容量Ｃｓに蓄積されたキャリアが、トランジスタ１２を介して放電されることにより、カソード電位Ｖｓが元の電位Ｖｅ付近まで回復し、時刻ｔ２３において、デッドタイムが終了する。
【００４７】
ここで、カソード電位Ｖｓが回復する速度を示す時定数τは、抵抗Ｒｉｎ×寄生容量Ｃｓで表される。従って、抵抗Ｒｉｎが大きくなるほど、入力電流Ｉｉｎが小さくなり、カソード電位Ｖｓの回復速度が遅くなる。その結果、ＳＰＡＤ１１のデッドタイムが長くなる。
【００４８】
一方、抵抗Ｒｉｎが小さくなるほど、入力電流Ｉｉｎが大きくなり、カソード電位Ｖｓの回復速度が速くなる。その結果、ＳＰＡＤ１１のデッドタイムが短くなる。しかし、入力電流Ｉｉｎがラッチング電流Ｉｑより大きくなると、逆にデッドタイムが長くなる。
【００４９】
図８は、入力電流Ｉｉｎがラッチング電流Ｉｑより大きい場合のカソード電位Ｖｓの特性の例を示している。図９は、入力電流Ｉｉｎがラッチング電流Ｉｑより大きい場合の電流Ｉｄの特性の例を示している。
【００５０】
時刻ｔ３１において、ダイオード素子Ｄｓに光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、図５の時刻ｔ２１の場合と同様に、カソード電位Ｖｓが低下する。このとき、ダイオード素子Ｄｓを流れる電流Ｉｄは、最大でＶｅ／Ｒｓに達する。
【００５１】
その後、カソード電位Ｖｓの低下に伴い、電流Ｉｄは減少するが、入力電流Ｉｉｎがラッチング電流Ｉｑより大きいため、電流Ｉｄは、入力電流Ｉｉｎとほぼ等しくなった後、減少しなくなり、ラッチング電流Ｉｑに達しない。そのため、ダイオード素子Ｄｓの空乏層３１内のキャリアが多く存在する状態が継続し、アバランシェ増倍がなかなか収束せずに、カソード電位ＶｓがＶｅ×（Ｒｓ／（Ｒｓ＋Ｒｉｎ））と略等しい状態が維持される。そのため、カソード電位Ｖｓが電位Ｖｅに復帰するまでに時間を要し、ＳＰＡＤ１１のデッドタイムが長くなるとともに、デッドタイムのバラツキが生じる。
【００５２】
このように、画素１では、入力電流ＩｉｎをＳＰＡＤ１１のラッチング電流Ｉｑより小さくする必要がある。一方、入力電流Ｉｉｎを小さくしすぎると、カソード電位Ｖｓの回復が遅くなり、デッドタイムが長くなる。
【００５３】
次に、図１０乃至図１２を参照して、ＳＰＡＤ１１のアフターパルスの影響について説明する。
【００５４】
図１０は、図２と同様に、画素１のカソード電位の特性の例を示している。
【００５５】
時刻ｔ４１において、ＳＰＡＤ１１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、カソード電位Ｖｓが低下する。
【００５６】
そして、カソード電位Ｖｓが降伏電圧Ｖｂｄ＋電位Ｖｓｐａｄまで低下し、ＳＰＡＤ１１の印加電圧が降伏電圧Ｖｂｄに達すると、アバランシェ増倍が収束する。その後、カソード電位Ｖｓは回復に転ずるが、アフターパルスが発生すると、アバランシェ増倍が再度発生し、カソード電位Ｖｓが再び低下する。そして、カソード電位Ｖｓが降伏電圧Ｖｂｄ＋電位Ｖｓｐａｄまで低下し、ＳＰＡＤ１１のアノード−カソード間の電圧が降伏電圧Ｖｂｄに達すると、アバランシェ増倍が収束し、カソード電位Ｖｓが再度回復に転ずる。
【００５７】
従って、アフターパルスが発生しなければ、時刻ｔ４２において、カソード電位Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈまで回復するのに対し、アフターパルスが発生すると、カソード電位Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈまで回復するのが、時刻ｔ４３まで遅れる。当然、アフターパルスが発生することにより、デッドタイムが延びる。
【００５８】
なお、図１０では、デッドタイム中にアフターパルスが発生する例を示したが、カソード電位Ｖｓが電位Ｖｅ付近まで回復し、デッドタイムが終了した後に、アフターパルスが発生する場合もある。この場合、ＳＰＡＤ１１に光子が入射していないにも関わらず、アバランシェ増倍が発生し、カソード電位Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈ未満となり、受光信号ＰＦｏｕｔが出力される。すなわち、光子の誤検出が発生する。
【００５９】
図１１は、画素１の受光信号ＰＦｏｕｔの出力特性の例を示している。具体的には、横軸は、距離の測定に用いる照射光が発せられてからの経過時間を示している。縦軸は、受光信号ＰＦｏｕｔのパルス数をカウントしたカウント値を示している。すなわち、図１１は、受光信号ＰＦｏｕｔのパルス数の時間方向の分布の例を示している。
【００６０】
この例では、１．５×１０-9秒付近で、受光信号ＰＦｏｕｔのパルス数が最大になっている。従って、照射光が発せられてから（１．５×１０-9）÷２秒だけ進んだ付近に何らかの物体が存在すると想定される。
【００６１】
一方、受光信号ＰＦｏｕｔのパルス数は、１．５×１０-9秒付近で最大になった後、図１１の点線の枠Ｆ１内に示されるように、滑らかに減少せずに、大幅な増減を繰り返している。これは、デッドタイム後にアフターパルスが発生することにより、ＳＰＡＤ１１に光子が入射していないにも関わらず、受光信号ＰＦｏｕｔが誤って出力されることが主な原因である。
【００６２】
ところで、アフターパルスの発生確率は、ＳＰＡＤ１１の空乏層のキャリア密度に依存する。従って、アフターパルスの発生確率は、ＳＰＡＤ１１に光子が入射し、アバランシェ増倍が発生した直後に最大になり、その後、時間が経過するにつれて指数的に減少する。そのため、入力電流Ｉｉｎが大きくなり、アバランシェ増倍が収束した後のカソード電位Ｖｓの回復速度が速くなるほど、アフターパルスは発生しやすくなる。
【００６３】
図１２は、画素１の受光信号ＰＦｏｕｔの出力特性の別の例を示している。より具体的には、受光信号ＰＦｏｕｔの隣接するパルス間の時間間隔の分布を示している。図１２の上下のグラフの横軸は、受光信号ＰＦｏｕｔの隣接するパルス間の時間間隔を示し、縦軸は、パルス間の時間間隔を集計したカウント値を示している。また、上のグラフは、アフターパルスの発生量が多い場合の受光信号ＰＦｏｕｔの隣接するパルス間の時間間隔の分布を示し、下のグラフは、アフターパルスの発生量が少ない場合の受光信号ＰＦｏｕｔの隣接するパルス間の時間間隔の分布を示している。さらに、上下のグラフの点線の波形は、受光信号ＰＦｏｕｔの隣接するパルス間の時間間隔の分布のグラフの理想的な傾きを示している。
【００６４】
アフターパルスの発生量が少ない場合、受光信号ＰＦｏｕｔのパルス間の時間間隔のカウント値は、例えば、１００ｎｓ付近が最も多くなる。この時間は、ＳＰＡＤ１１のデッドタイム付近であると想定される。また、カウント値は、１００ｎｓ未満においてほぼ０になり、１００ｎｍ以上において、時間間隔が長くなるにつれて、ほぼ線形に減少する。
【００６５】
一方、アフターパルスの発生量が多い場合、カウント値は、１００ｎｍ未満において、１００ｎｍより大きくなり、点線の枠Ｆ２内に示されるように、時間間隔が短くなるにつれて、指数的に増加している。これは、アフターパルスが多発することにより、デッドタイムが終了した直後に、ＳＰＡＤ１１に光子が入射していないにも関わらず、受光信号ＰＦｏｕｔが出力されることが原因であると考えられる。
【００６６】
＜＜２．実施の形態＞＞
次に、図１３乃至図１８を参照して、本技術の実施の形態について説明する。
【００６７】
＜撮像システムの構成例＞
図１３は、本技術を適用した撮像システムの一実施の形態である撮像システム１０１の構成例を示すブロック図である。撮像システム１０１は、例えば、ＴｏＦ法を用いて距離画像の撮影を行うシステムである。ここで、距離画像とは、被写体の撮像システム１０１からの奥行き方向の距離を画素毎に検出し、検出した距離に基づく距離画素信号からなる画像のことである。
【００６８】
撮像システム１０１は、照明装置１１１及び撮像装置１１２を備える。
【００６９】
照明装置１１１は、照明制御部１２１及び光源１２２を備える。
【００７０】
照明制御部１２１は、撮像装置１１２の制御部１３２の制御の下に、光源１２２が照射光を照射するパターンを制御する。具体的には、照明制御部１２１は、制御部１３２から供給される照射信号に含まれる照射コードに従って、光源１２２が照射光を照射するパターンを制御する。例えば、照射コードは、１（Ｈｉｇｈ）と０（Ｌｏｗ）の２値からなり、照明制御部１２１は、照射コードの値が１のとき光源１２２を点灯させ、照射コードの値が０のとき光源１２２を消灯させる。
【００７１】
光源１２２は、照明制御部１２１の制御の下に、所定の波長域の光（照射光）を発する。光源１２２は、例えば、赤外線レーザダイオードからなる。なお、光源１２２の種類、及び、照射光の波長域は、撮像システム１０１の用途等に応じて任意に設定することが可能である。
【００７２】
撮像装置１１２は、照射光が被写体１０２及び被写体１０３等により反射された反射光を受光する撮像装置１１２である。撮像装置１１２は、撮像部１３１、制御部１３２、表示部１３３、及び、記憶部１３４を備える。
【００７３】
撮像部１３１は、レンズ１４１、撮像素子１４２、及び、信号処理回路１４３を備える。
【００７４】
レンズ１４１は、入射光を撮像素子１４２の撮像面に結像させる。なお、レンズ１４１の構成は任意であり、例えば、複数のレンズ群によりレンズ１４１を構成することも可能である。
【００７５】
撮像素子１４２は、例えば、ＳＰＡＤを用いたＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサからなる。撮像素子１４２は、制御部１３２の制御の下に、被写体１０２及び被写体１０３等の撮像を行い、その結果得られた画素信号を信号処理回路１４３に供給する。この画素信号は、例えば、各画素から出力される受光信号ＰＦｏｕｔからなる。
【００７６】
信号処理回路１４３は、制御部１３２の制御の下に、撮像素子１４２から供給される画素信号の処理を行う。例えば、信号処理回路１４３は、撮像素子１４２から供給される画素信号に基づいて、画素毎に被写体までの距離を検出し、画素毎の被写体までの距離を示す距離画像を生成する。具体的には、信号処理回路１４３に含まれるタイマーは、光源１２２が光を発光してから撮像素子１４２の各画素が光を受光するまでの時間を画素毎に複数回（例えば、数千〜数万回）計測する。信号処理回路１４３は、計測された時間に対応するヒストグラムを作成する。そして、信号処理回路１４３は、当該ヒストグラムのピークを検出することで、光源１２２から照射された光が被写体１０２または被写体１０３で反射し戻ってくるまでの時間を判定する。さらに、信号処理回路１４３は、判定した時間と光速に基づいて、物体までの距離を求める演算を行う。信号処理回路１４３は、生成した距離画像を制御部１３２に供給する。
【００７７】
制御部１３２は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の制御回路やプロセッサ等により構成される。制御部１３２は、照明制御部１２１、撮像素子１４２、及び、信号処理回路１４３の制御を行う。具体的には、制御部１３２は、照明制御部１２１に照射信号を供給すると同時に、信号処理回路１４３のタイマーに時間の計測を開始するための信号を供給する。そして、光源１２２は、照射信号に応じて照射光を発光する。タイマーは、時間の計測を開始するための信号に応じて時間の計測を開始し、撮像素子１４２が照射光を受光して供給された画素信号の受信に応じて時間の計測を終了する。また、制御部１３２は、撮像部１３１から取得した距離画像を表示部１３３に供給し、表示部１３３に表示させる。さらに、制御部１３２は、撮像部１３１から取得した距離画像を記憶部１３４に記憶させる。また、制御部１３２は、撮像部１３１から取得した距離画像を外部に出力する。
【００７８】
表示部１３３は、例えば、液晶表示装置や有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置等のパネル型表示装置からなる。
【００７９】
記憶部１３４は、任意の記憶装置や記憶媒体等により構成することができ、距離画像等を記憶する。
【００８０】
＜撮像素子１４２の構成例＞
図１４は、撮像素子１４２の構成例を示している。
【００８１】
撮像素子１４２は、画素アレイ部２０１、垂直駆動部２０２、カラム処理部２０３、水平駆動部２０４、システム制御部２０５、画素駆動線２０６、垂直信号線２０７、信号処理部２０８、及び、データ格納部２０９を備える。
【００８２】
画素アレイ部２０１は、光子の入射を検出し、検出結果を示す画素信号を出力する複数の画素からなる。画素アレイ部２０１を構成する画素は、例えば、図中、横方向（行方向）および縦方向（列方向）にアレイ状に配置されている。
【００８３】
例えば、画素アレイ部２０１では、行方向に配列された画素からなる画素行ごとに、画素駆動線２０６が行方向に沿って配線され、列方向に配列された画素からなる画素列ごとに、垂直信号線２０７が列方向に沿って配線されている。
【００８４】
垂直駆動部２０２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなり、複数の画素駆動線２０６を介して各画素に信号等を供給することで、画素アレイ部２０１の各画素を全画素同時に、または行単位等で駆動する。
【００８５】
カラム処理部２０３は、画素アレイ部２０１の画素列ごとに垂直信号線２０７を介して各画素から信号を読み出して、ノイズ除去処理、相関二重サンプリング処理、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換処理などを行なって画素信号を生成する。
【００８６】
水平駆動部２０４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなり、カラム処理部２０３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部２０４による選択走査により、カラム処理部２０３において単位回路ごとに信号処理された画素信号が順番に信号処理部２０８に出力される。
【００８７】
システム制御部２０５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどからなり、タイミングジェネレータで生成されたタイミング信号に基づいて、垂直駆動部２０２、カラム処理部２０３、及び、水平駆動部２０４の駆動制御を行なう。
【００８８】
信号処理部２０８は、必要に応じてデータ格納部２０９にデータを一時的に格納しながら、カラム処理部２０３から供給された画素信号に対して演算処理等の信号処理を行ない、各画素信号からなる画像信号を出力する。
【００８９】
＜画素の構成例＞
図１５乃至図１７は、撮像素子１４２の画素アレイ部２０１を構成する単位画素３０１（以下、単に画素３０１と称する）の構成例を示している。
【００９０】
図１５は、画素３０１の構成例を示す回路図である。なお、図中、図１の画素１と対応する部分には、下２桁が同じ符号を付してある。
【００９１】
画素３０１は、ＳＰＡＤ３１１、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタ３１２、及び、出力部３１３、パルス生成部３１４、スイッチ３１５、及び、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタ３１６を備える。出力部３１３は、インバータ３２１及びインバータ３２２を備える。
【００９２】
ＳＰＡＤ３１１のカソードは、スイッチ３１５を介してトランジスタ３１２のソースに接続されるとともに、インバータ３２１の入力端子、及び、トランジスタ３１６のドレインに接続されている。従って、スイッチ３１５は、ＳＰＡＤ３１１とトランジスタ３１２との間に設けられる。より具体的には、スイッチ３１５は、ＳＰＡＤ３１１のカソードからの信号線がトランジスタ３１２の方向とインバータ３２１の方向に分岐する分岐点と、トランジスタ３１２との間に設けられる。ＳＰＡＤ３１１のアノードは、電源Ｖｓｐａｄ（不図示）に接続されている。トランジスタ３１２のドレインは、電源Ｖｅ（不図示）に接続されている。インバータ３２１の出力端子は、インバータ３２２の入力端子に接続されており、また、インバータ３２１には電源Ｖｅから動作電圧が印加される。インバータ３２２の出力端子は、パルス生成部３１４の入力端子に接続されている。パルス生成部３１４の出力端子は、スイッチ３１５の制御端子、及び、トランジスタ３１６のゲートに接続されている。トランジスタ３１６のソースはグラウンドに接続されている。
【００９３】
トランジスタ３１２のドレインは、例えば、電源Ｖｅにより正の電位Ｖｅに設定され、ＳＰＡＤ３１１のアノードの電位は、例えば、電源Ｖｓｐａｄにより負の電位Ｖｓｐａｄに設定される。そして、電源Ｖｅ及び電源Ｖｓｐａｄにより、ＳＰＡＤ３１１に降伏電圧Ｖｂｄ以上の逆電圧が印加されることにより、ＳＰＡＤ３１１がガイガーモードに設定される。ガイガーモードに設定されたＳＰＡＤ３１１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、ＳＰＡＤ３１１に電流が流れる。
【００９４】
トランジスタ３１２は、飽和領域で動作する電流源であり、クエンチング抵抗として働くことにより、パッシブクエンチを行う。すなわち、ＳＰＡＤ３１１においてアバランシェ増倍が発生し、ＳＰＡＤ３１１に電流が流れることにより、トランジスタ３１２にも電流が流れ、トランジスタ３１２の抵抗成分により電圧降下が発生する。これにより、ＳＰＡＤ３１１のカソード電位Ｖｓが低下し、ＳＰＡＤ３１１の印加電圧が降伏電圧Ｖｂｄ以下になると、アバランシェ増倍が収束する。その後、アバランシェ増倍によりＳＰＡＤ３１１に蓄積されたキャリアが、トランジスタ３１２を介して放電されることにより、カソード電位Ｖｓが元の電位Ｖｅ付近まで回復し、ＳＰＡＤ３１１が、再度ガイガーモードに設定される。
【００９５】
出力部３１３は、ＳＰＡＤ３１１への光子の入射を示す受光信号ＰＦｏｕｔを出力する。
【００９６】
具体的には、インバータ３２１の出力電圧は、入力電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上のとき、所定のローレベルの電圧になり、入力電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈ未満のとき、所定のハイレベルの電圧となる。従って、ＳＰＡＤ３１１に光子が入射し、アバランシェ増倍が発生し、カソード電位Ｖｓが低下し、閾値電圧Ｖｔｈを下回ると、インバータ３２１の出力電圧は、ローレベルからハイレベルに反転する。一方、ＳＰＡＤ３１１のアバランシェ増倍が収束し、カソード電位Ｖｓが上昇し、閾値電圧Ｖｔｈ以上になると、インバータ３２１の出力電圧は、ハイレベルからローレベルに反転する。
【００９７】
インバータ３２２は、インバータ３２１の出力電圧を反転して出力することにより、受光信号ＰＦｏｕｔを出力する。従って、受光信号ＰＦｏｕｔは、ローアクティブのパルス信号となる。すなわち、ＳＰＡＤ３１１に光子が入射し、アバランシェ増倍が発生したとき、すなわち、ＳＰＡＤ３１１により光子の入射が検出されたとき、ＳＰＡＤ３１１への光子の入射を示すローレベルのパルス状の受光信号ＰＦｏｕｔが出力される。この受光信号ＰＦｏｕｔが、画素３０１から出力される画素信号となる。
【００９８】
なお、出力部３１３は、インバータ３２１とインバータ３２２の両方を備えた構成に限定されず、受光信号ＰＦｏｕｔを出力できるのであればどのような構成であってもよい。例えば、インバータ３２１の代わりにＰ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタが適用されてもよい。
【００９９】
パルス生成部３１４は、受光信号ＰＦｏｕｔの出力に同期して、所定の幅のパルス信号Ｐｃを出力する。より具体的には、パルス生成部３１４は、受光信号ＰＦｏｕｔを検出したとき、すなわち、パルス状の受光信号ＰＦｏｕｔの立下り時に、所定の幅のパルス信号Ｐｃを出力する。
【０１００】
スイッチ３１５は、パルス生成部３１４からのパルス信号Ｐｃに同期してオフする。より具体的には、スイッチ３１５は、パルス信号Ｐｃが入力されている期間にオフし、それ以外の期間にオンする。スイッチ３１５の一例としては、例えば、ＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタを組み合わせた相補スイッチである。また、スイッチ３１５は、相補スイッチに限定されず、複数のトランジスタでもよい。さらに、これに限定されず、電流を接続及び切断する構成であれば、種々の構成を適用可能である。
【０１０１】
トランジスタ３１６は、トランジスタ３１２を介してＳＰＡＤ３１１に流れる入力電流Ｉｉｎを引き込むことにより、ＳＰＡＤ３１１への入力電流Ｉｉｎの流れを抑制する引き込み部を構成する。トランジスタ３１６は、パルス生成部３１４からのパルス信号Ｐｃに同期してオンする。より具体的には、トランジスタ３１６は、パルス信号Ｐｃがゲートに入力されている期間にオンし、それ以外の期間にオフする。
【０１０２】
なお、もともとトランジスタ３１６は、カソード電位Ｖｓをグラウンドへ引き込むために必要なものであり、それをパルス信号に同期させて動作させることで、新たな回路構成品を追加することなく、後述するアフターパルス対策に利用することが可能となる。また、１つのスイッチ（トランジスタ３１６）を、使用しない画素３０１への電流を遮断するためのスイッチとしても使用できるし、アフターパルスの発生を抑制するためのスイッチとしても使用できる。つまり、２つの用途を１つのスイッチで共通化することで、新たな回路構成品を追加することなくアフターパルス対策に利用することが可能となる。
【０１０３】
また、撮像素子１４２の画素アレイ部２０１は、積層型で構成されてもよい。例えば、ＳＰＡＤ３１１が第１の半導体基板に形成され、トランジスタ３１２、出力部３１３、パルス生成部３１４、スイッチ３１５、及び、トランジスタ３１６が、第１の半導体基板に積層された第２の半導体基板に形成されてもよい。このような構成とすることで、ＳＰＡＤ３１１の受光面積を大きくすることができ、より多くの光子を受光することが可能となる。さらには、１つの画素を微細化して設計することが可能となるため、高解像度の距離画像を生成することができる。なお、第１の半導体基板と第２の半導体基板に形成される部材は、適宜変更されてもよく、例えば、トランジスタ３１２が第１の半導体基板に形成されてもよい。
【０１０４】
図１６は、画素３０１の構成例を示す断面図であり、図１７は、画素３０１の配線層の構成例を示す平面図である。
【０１０５】
図１６に示すように、撮像素子１４２は、センサ基板３３１、センサ側配線層３３２、及び、ロジック側配線層３３３が積層された積層構造となっており、ロジック側配線層３３３に対して、図示しないロジック回路基板が積層されている。ロジック回路基板には、例えば、図１４の垂直駆動部２０２、カラム処理部２０３、水平駆動部２０４、システム制御部２０５、信号処理部２０８、及び、データ格納部２０９、並びに、図１５のトランジスタ３１２、出力部３１３、パルス生成部３１４、スイッチ３１５、及び、トランジスタ３１６等が形成されている。例えば、撮像素子１４２は、センサ基板３３１に対してセンサ側配線層３３２を形成するともに、ロジック回路基板に対してロジック側配線層３３３を形成した後、センサ側配線層３３２およびロジック側配線層３３３を接合面（図１６の破線で示す面）で接合する製造方法により製造することができる。
【０１０６】
センサ基板３３１は、例えば、単結晶のシリコンを薄くスライスした半導体基板であって、ｐ型またはｎ型の不純物濃度が制御されており、画素３０１ごとにＳＰＡＤ３１１が形成される。また、図１６においてセンサ基板３３１の下側を向く面が、光を受光する受光面とされ、その受光面の反対側となる表面に対してセンサ側配線層３３２が積層される。
【０１０７】
センサ側配線層３３２およびロジック側配線層３３３には、ＳＰＡＤ３１１に印加する電圧を供給するための配線や、ＳＰＡＤ３１１で発生した電子をセンサ基板３３１から取り出ための配線などが形成される。
【０１０８】
ＳＰＡＤ３１１は、センサ基板３３１に形成されるＮウェル３４１、Ｐ型拡散層３４２、Ｎ型拡散層３４３、ホール蓄積層３４４、ピニング層３４５、及び、高濃度Ｐ型拡散層３４６により構成される。そして、ＳＰＡＤ３１１では、Ｐ型拡散層３４２とＮ型拡散層３４３とが接続する領域に形成される空乏層によって、アバランシェ増倍領域３４７が形成される。
【０１０９】
Ｎウェル３４１は、センサ基板３３１の不純物濃度がｎ型に制御されることにより形成され、ＳＰＡＤ３１１における光電変換により発生する電子をアバランシェ増倍領域３４７へ転送する電界を形成する。なお、Ｎウェル３４１に替えて、センサ基板３３１の不純物濃度をｐ型に制御してＰウェルを形成してもよい。
【０１１０】
Ｐ型拡散層３４２は、センサ基板３３１の表面近傍であってＮ型拡散層３４３に対して裏面側（図１６の下側）に形成される濃いＰ型の拡散層（Ｐ＋）であり、ＳＰＡＤ３１１のほぼ全面に亘るように形成される。
【０１１１】
Ｎ型拡散層３４３は、センサ基板３３１の表面近傍であってＰ型拡散層３４２に対して表面側（図１６の上側）に形成される濃いＮ型の拡散層（Ｎ＋）であり、ＳＰＡＤ３１１のほぼ全面に亘るように形成される。また、Ｎ型拡散層３４３は、アバランシェ増倍領域３４７を形成するための負電圧を供給するためのコンタクト電極３６１と接続するために、その一部がセンサ基板３３１の表面まで形成されるような凸形状となっている。
【０１１２】
ホール蓄積層３４４は、Ｎウェル３４１の側面および底面を囲うように形成されるＰ型の拡散層（Ｐ）であり、ホールを蓄積している。また、ホール蓄積層３４４は、ＳＰＡＤ３１１のアノードと電気的に接続されており、バイアス調整を可能とする。これにより、ホール蓄積層３４４のホール濃度が強化され、ピニング層３４５を含むピニングが強固になることによって、例えば、暗電流の発生を抑制することができる。
【０１１３】
ピニング層３４５は、ホール蓄積層３４４よりも外側の表面（センサ基板３３１の裏面や絶縁膜３５２と接する側面）に形成される濃いＰ型の拡散層（Ｐ＋）であり、ホール蓄積層３４４と同様に、例えば、暗電流の発生を抑制する。
【０１１４】
高濃度Ｐ型拡散層３４６は、センサ基板３３１の表面近傍においてＮウェル３４１の外周を囲うように形成される濃いＰ型の拡散層（Ｐ＋＋）であり、ホール蓄積層３４４をＳＰＡＤ３１１のアノードと電気的に接続するためのコンタクト電極３６２との接続に用いられる。
【０１１５】
アバランシェ増倍領域３４７は、Ｎ型拡散層３４３に印加される大きな負電圧によってＰ型拡散層３４２およびＮ型拡散層３４３の境界面に形成される高電界領域であって、ＳＰＡＤ３１１に入射する１フォトンで発生する電子（ｅ−）を増倍する。
【０１１６】
また、撮像素子１４２には、隣接するＳＰＡＤ３１１どうしの間に形成されるメタル膜３５１および絶縁膜３５２による二重構造の画素間分離部３５３によって、それぞれのＳＰＡＤ３１１が絶縁されて分離される。例えば、画素間分離部３５３は、センサ基板３３１の裏面から表面まで貫通するように形成される。
【０１１７】
メタル膜３５１は、光を反射する金属（例えば、タングステンなど）により形成される膜であり、絶縁膜３５２は、ＳｉＯ２などの絶縁性を備えた膜である。例えば、メタル膜３５１の表面が絶縁膜３５２で覆われるようにセンサ基板３３１に埋め込まれることで画素間分離部３５３は形成され、画素間分離部３５３によって、隣接するＳＰＡＤ３１１との間で電気的および光学的に分離される。
【０１１８】
センサ側配線層３３２には、コンタクト電極３６１乃至コンタクト電極３６３、メタル配線３６４乃至メタル配線３６６、コンタクト電極３６７乃至コンタクト電極３６９、及び、メタルパッド３７０乃至メタルパッド３７２が形成される。
【０１１９】
コンタクト電極３６１は、Ｎ型拡散層３４３とメタル配線３６４とを接続し、コンタクト電極３６２は、高濃度Ｐ型拡散層３４６とメタル配線３６５とを接続し、コンタクト電極３６３は、メタル膜３５１とメタル配線３６６とを接続する。
【０１２０】
メタル配線３６４は、例えば、図１７に示すように、少なくともアバランシェ増倍領域３４７を覆うように、アバランシェ増倍領域３４７よりも広く形成される。そして、メタル配線３６４は、図１６において白抜きの矢印で示すように、ＳＰＡＤ３１１を透過した光を、ＳＰＡＤ３１１に反射する。
【０１２１】
メタル配線３６５は、例えば、図１７に示すように、メタル配線３６４の外周を囲うように、高濃度Ｐ型拡散層３４６と重なるように形成される。メタル配線３６６は、例えば、図１７に示すように、画素３０１の四隅でメタル膜３５１に接続するように形成される。
【０１２２】
コンタクト電極３６７は、メタル配線３６４とメタルパッド３７０とを接続し、コンタクト電極３６８は、メタル配線３６５とメタルパッド３７１とを接続し、コンタクト電極３６９は、メタル配線３６６とメタルパッド３７２とを接続する。
【０１２３】
メタルパッド３７０乃至メタルパッド３７２は、ロジック側配線層３３３に形成されているメタルパッド３９１乃至メタルパッド３９３と、それぞれを形成する金属（Ｃｕ）どうしにより電気的および機械的に接合するのに用いられる。
【０１２４】
ロジック側配線層３３３には、電極パッド３８１乃至電極パッド３８３、絶縁層３８４、コンタクト電極３８５乃至コンタクト電極３９０、及び、メタルパッド３９１乃至メタルパッド３９３が形成される。
【０１２５】
電極パッド３８１乃至電極パッド３８３は、それぞれロジック回路基板（図示せず）との接続に用いられ、絶縁層３８４は、電極パッド３８１乃至電極パッド３８３どうしを絶縁する。
【０１２６】
コンタクト電極３８５及びコンタクト電極３８６は、電極パッド３８１とメタルパッド３９１とを接続し、コンタクト電極３８７及びコンタクト電極３８８は、電極パッド３８１とメタルパッド３９２とを接続し、コンタクト電極３８９及びコンタクト電極３９０は、電極パッド３８３とメタルパッド３９３とを接続する。
【０１２７】
メタルパッド３９１は、メタルパッド３７０と接合され、メタルパッド３９２は、メタルパッド３７１と接合され、メタルパッド３９３は、メタルパッド３７２と接合される。
【０１２８】
このような配線構造により、例えば、電極パッド３８１は、コンタクト電極３８５及びコンタクト電極３８６、メタルパッド３９１、メタルパッド３７０、コンタクト電極３６７、メタル配線３６４、並びに、コンタクト電極３６１を介して、Ｎ型拡散層３４３に接続されている。従って、画素３０１では、Ｎ型拡散層３４３に印加される大きな負電圧を、ロジック回路基板から電極パッド３８１に対して供給することができる。
【０１２９】
また、電極パッド３８１は、コンタクト電極３８７及びコンタクト電極３８８、メタルパッド３９２、メタルパッド３７１、コンタクト電極３６８、メタル配線３６５、並びに、コンタクト電極３６２を介して高濃度Ｐ型拡散層３４６に接続される接続構成となっている。従って、画素３０１では、ホール蓄積層３４４と電気的に接続されるＳＰＡＤ３１１のアノードが電極パッド３８１に接続されることで、電極パッド３８１を介してホール蓄積層３４４に対するバイアス調整を可能とすることができる。
【０１３０】
さらに、電極パッド３８３は、コンタクト電極３８９及びコンタクト電極３９０、メタルパッド３９３、メタルパッド３７２、コンタクト電極３６９、メタル配線３６６、並びに、コンタクト電極３６３を介して、メタル膜３５１に接続される接続構成となっている。従って、画素３０１では、ロジック回路基板から電極パッド３８３に供給されるバイアス電圧をメタル膜３５１に印加することができる。
【０１３１】
そして、画素３０１は、上述したように、メタル配線３６４が、少なくともアバランシェ増倍領域３４７を覆うように、アバランシェ増倍領域３４７よりも広く形成されるとともに、メタル膜３５１がセンサ基板３３１を貫通するように形成されている。即ち、画素３０１は、メタル配線３６４およびメタル膜３５１によりＳＰＡＤ３１１の光入射面以外を全て取り囲んだ反射構造となるように形成されている。これにより、画素３０１は、メタル配線３６４およびメタル膜３５１により光を反射する効果によって、光学的なクロストークの発生を防止することができるとともに、ＳＰＡＤ３１１の感度を向上させることができる。
【０１３２】
また、画素３０１は、Ｎウェル３４１の側面および底面をホール蓄積層３４４で囲み、ホール蓄積層３４４をＳＰＡＤ３１１のアノードと電気的に接続する接続構成によって、バイアス調整を可能とすることができる。さらに、画素３０１は、画素間分離部３５３のメタル膜３５１にバイアス電圧を印加することによって、キャリアをアバランシェ増倍領域３４７にアシストする電界を形成することができる。
【０１３３】
以上のように構成される画素３０１は、クロストークの発生が防止されるとともに、ＳＰＡＤ３１１の感度が向上される結果、特性の向上を図ることができる。
【０１３４】
＜画素の動作＞
次に、図１８のタイミングチャートを参照して、画素３０１の動作について説明する。
【０１３５】
時刻ｔ１０１より前において、カソード電位Ｖｓは、電位Ｖｅとほぼ等しくなり、ＳＰＡＤ３１１に降伏電圧Ｖｂｄ以上の逆電圧が印加されることにより、ＳＰＡＤ３１１がガイガーモードに設定される。
【０１３６】
時刻ｔ１０１において、ＳＰＡＤ３１１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、ＳＰＡＤ３１１に電流が流れる。これにより、トランジスタ３１２に電流が流れ、電圧降下が発生し、カソード電位Ｖｓが低下する。そして、カソード電位Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈ未満になると、インバータ３２１の出力電圧がローレベルからハイレベルに反転し、インバータ３２２の出力電圧がハイレベルからローレベルに反転する。すなわち、インバータ３２２からローアクティブの受光信号ＰＦｏｕｔが出力される。
【０１３７】
パルス生成部３１４は、受光信号ＰＦｏｕｔの立下りを検出すると、所定の幅のパルス信号Ｐｃを出力する。
【０１３８】
パルス信号Ｐｃはスイッチ３１５の制御端子に入力され、パルス信号Ｐｃが入力されている間、スイッチ３１５がオフする。これにより、入力電流ＩｉｎのＳＰＡＤ３１１への入力経路が遮断される。すなわち、受光信号ＰＦｏｕｔの出力に同期してパルス信号Ｐｃが出力され、パルス信号Ｐｃに同期してスイッチ３１５がオフされることで、ＳＰＡＤ３１１に流れる電流が遮断される。
【０１３９】
また、パルス信号Ｐｃはトランジスタ３１６のゲートに入力され、ゲートにパルス信号Ｐｃが入力されている間、トランジスタ３１６がオンする。これにより、入力電流Ｉｉｎが流れる経路が、ＳＰＡＤ３１１からトランジスタ３１６に遷移する。すなわち、入力電流Ｉｉｎがトランジスタ３１６に引き込まれ、入力電流ＩｉｎのＳＰＡＤ３１１への流れが抑制される。すなわち、受光信号ＰＦｏｕｔの出力に同期してパルス信号Ｐｃが出力され、パルス信号Ｐｃに同期してトランジスタ３１６がオンし、入力電流Ｉｉｎが引き込まれることで、ＳＰＡＤ３１１に流れる電流が抑制される。
【０１４０】
このように、スイッチ３１５によりＳＰＡＤ３１１に流れる電流が遮断され、トランジスタ３１６によりＳＰＡＤ３１１に流れる電流が抑制されることにより、入力電流Ｉｉｎの大きさに関わらず、ＳＰＡＤ３１１を流れる電流がラッチング電流Ｉｑ未満になり、ＳＰＡＤ３１１の空乏層内のキャリアがほぼ０になる。これにより、ＳＰＡＤ３１１のアバランシェ増倍が収束し、ＳＰＡＤ３１１のインピーダンスが高くなる。
【０１４１】
また、ＳＰＡＤ３１１に流れる電流が遮断又は抑制されている間、アフターパルスの発生が抑制される。上述したように、アフターパルスの発生確率は、ＳＰＡＤ３１１のアバランシェ増倍が発生した直後が最大になり、その後、時間が経過するにつれて指数的に減少する。従って、ＳＰＡＤ３１１のアバランシェ増倍の発生直後のアフターパルスの発生が抑制されることにより、アフターパルスの発生確率が大幅に減少する。また、アフターパルスの発生が抑制されることにより、デッドタイムが長くなったり、デッドタイムがばらついたりすることを抑制することができる。さらに、ＳＰＡＤ３１１への光子の入射の誤検出を抑制することができる。
【０１４２】
その後、パルス信号Ｐｃがオフし、スイッチ３１５がオンし、トランジスタ３１６がオフすることにより、ＳＰＡＤ３１１に電流が流れ始める。そして、アバランシェ増倍によりＳＰＡＤ３１１に蓄積されたキャリアが、トランジスタ３１２を介して放電されることにより、カソード電位Ｖｓが上昇する。
【０１４３】
時刻ｔ１０２において、カソード電位Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈに達すると、インバータ３２１の出力電圧がハイレベルからローレベルに反転し、インバータ３２２の出力電圧がローレベルからハイレベルに反転する。すなわち、インバータ３２２からの受光信号ＰＦｏｕｔの出力が停止する。
【０１４４】
その後、カソード電位Ｖｓが元の電位Ｖｅ付近まで回復し、ＳＰＡＤ３１１が、再度ガイガーモードに設定され、デッドタイムが終了する。すなわち、パルス信号Ｐｃが入力されていないときは、スイッチ３１５がオンし、トランジスタ３１６がオフすることにより、ＳＰＡＤ３１１に電流を供給し続けることができ、光子の入射に応じた受光信号を確実に出力することができる。
【０１４５】
そして、時刻ｔ１０３及び時刻ｔ１０４に示されるように、ＳＰＡＤ３１１に光子が入射される毎に、同様の動作が繰り返される。
【０１４６】
このように、画素３０１では、入力電流Ｉｉｎの大きさに関わらず、確実にアバランシェ増倍を収束させることができる。従って、入力電流Ｉｉｎを大きくすることができ、デッドタイムを短くすることができる。
【０１４７】
また、アフターパルスの発生確率が大幅に減少することにより、デッドタイムが長くなったり、ばらついたりすることを抑制することができる。さらに、ＳＰＡＤ３１１への光子の入射の誤検出を抑制することができる。また、デッドタイムが長くなることを抑制することで、単位時間あたりに測距を実行する回数を増やすことができる。その結果、測距に必要な成分に対するノイズ成分の割合を減らすことができる。
【０１４８】
さらに、ＳＰＡＤ３１１のカソード電位がフローティング状態になるのは一瞬であり、ノイズ耐性がほとんど低下しない。
【０１４９】
従って、ＳＰＡＤ３１１への光子の検出精度が向上し、その結果、測距精度が向上する。
【０１５０】
なお、上記の効果は、あくまで例示であり、本技術の効果は、本明細書に記載された効果に限定されるものではなく、付加的な効果があってもよい。
【０１５１】
＜＜３．変形例＞＞
以下、上述した本技術の実施の形態の変形例について説明する。
【０１５２】
例えば、画素３０１のトランジスタ３１２の代わりに、抵抗を用いてもよい。
【０１５３】
また、例えば、画素３０１のスイッチ３１５及びトランジスタ３１６のうち一方を省略することも可能である。
【０１５４】
さらに、例えば、入力電流Ｉｉｎを引き込む引き込み部を、トランジスタ３１６とは異なる構成としてもよい。
【０１５５】
また、例えば、画素３０１からの受光信号ＰＦｏｕｔをハイアクティブにしてもよい。
【０１５６】
さらに、例えば、以上の説明では、信号処理回路１４３が距離画像を生成する例を示したが、撮像素子１４２内で距離画像を生成して出力するようにしてもよい。
【０１５７】
また、以上の説明では、距離画像を取得するための撮像素子に本技術を適用する例を挙げたが、例えば、本技術は、カラーフィルタを備えたイメージング用の画像を取得するための撮像素子にも適用することが可能である。
【０１５８】
＜＜４．撮像システムの使用例＞＞
図１９は、上述の撮像システム１０１の使用例を示す図である。
【０１５９】
上述した撮像システム１０１は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、Ｘ線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【０１６０】
・デジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【０１６１】
＜移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
【０１６２】
図２０は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【０１６３】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図２０に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
【０１６４】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【０１６５】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【０１６６】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【０１６７】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【０１６８】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【０１６９】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｄｒｉｖｅｒ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【０１７０】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０１７１】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【０１７２】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２０の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【０１７３】
図２１は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【０１７４】
図２１では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
【０１７５】
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【０１７６】
なお、図２１には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【０１７７】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【０１７８】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０１７９】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【０１８０】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【０１８１】
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２０３１等に適用され得る。具体的には、例えば、図１３の撮像システム１０１は、撮像部１２０３１に適用することができる。撮像部１２０３１は、例えばＬＩＤＡＲであり、車両１２１００の周囲の物体及び物体までの距離の検出に用いられる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、車両１２１００の周囲の物体及び物体までの距離の検出精度が向上する。その結果、例えば、車両の衝突警告を適切なタイミングで行うことができ、交通事故を防止することが可能となる。
【０１８２】
なお、本明細書において、システムとは、複数の構成要素（装置、モジュール（部品）等）の集合を意味し、すべての構成要素が同一筐体中にあるか否かは問わない。したがって、別個の筐体に収納され、ネットワークを介して接続されている複数の装置、及び、１つの筐体の中に複数のモジュールが収納されている１つの装置は、いずれも、システムである。
【０１８３】
また、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０１８４】
さらに、例えば、本技術は以下のような構成も取ることができる。
【０１８５】
（１）
ＳＰＡＤ（単一光子アバランシェフォトダイオード）（３１１）と、
前記ＳＰＡＤ（３１１）に直列に接続されている抵抗成分（３１２）と、
前記ＳＰＡＤ（３１１）への光子の入射を示す受光信号を出力する出力部（３１３）と、
前記受光信号の出力に同期してパルス信号を出力するパルス生成部（３１４）と
をそれぞれ有する画素部が配置されている画素アレイ部（２０１）を備え、
前記画素部は、
前記ＳＰＡＤ（３１１）と前記抵抗成分（３１２）との間に接続され、前記パルス信号に同期してオフするスイッチ（３１５）と、
前記パルス信号に同期して、前記抵抗成分（３１２）を介して前記ＳＰＡＤ（３１１）に流れる入力電流を引き込むことにより、前記ＳＰＡＤ（３１１）への前記入力電流の流れを抑制する引き込み部（３１６）と
のうち少なくとも１つを有する
撮像装置。
（２）
前記スイッチ（３１５）は、前記パルス信号が入力されているときオフし、前記パルス信号が入力されていないときオンする
前記（１）に記載の撮像装置。
（３）
前記スイッチ（３１５）は、前記ＳＰＡＤ（３１１）のカソードと前記抵抗成分との間に接続されている
前記（１）又は（２）に記載の撮像装置。
（４）
前記スイッチ（３１５）は、前記ＳＰＡＤ（３１１）のカソードから前記抵抗成分（３１２）の方向へ延びる信号線と前記出力部の方向へ延びる信号線との分岐点と、前記抵抗成分（３１２）との間に接続されている
前記（３）に記載の撮像装置。
（５）
前記引き込み部（３１６）は、前記パルス信号が入力されているとき前記入力電流を引き込み、前記パルス信号が入力されていないとき前記入力電流を引き込まない
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の撮像装置。
（６）
前記引き込み部（３１６）は、前記ＳＰＡＤ（３１１）のカソードとグラウンドとの間に接続され、ゲートに前記パルス信号が入力されるトランジスタを備える
前記（５）に記載の撮像装置。
（７）
前記パルス生成部（３１４）は、前記受光信号を検出したとき、所定の幅の前記パルス信号を出力する
前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の撮像装置。
（８）
前記抵抗成分（３１２）は、ＭＯＳＦＥＴからなる
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の撮像装置。
（９）
前記出力部（３１３）は、前記ＳＰＡＤ（３１１）のカソード電位に基づいて、前記受光信号を出力する
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の撮像装置。
（１０）
前記スイッチは、複数のトランジスタで構成される
前記（１）乃至（９）のいずれかに記載の撮像装置。
（１１）
前記ＳＰＡＤ（３１１）は、第１の半導体基板に形成され、前記抵抗成分（３１２）、前記出力部（３１３）、前記パルス生成部（３１４）、前記スイッチ（３１５）、又は、前記引き込み部（３１６）のうち少なくとも１つは、前記第１の半導体基板に積層された第２の半導体基板に形成される
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の撮像装置。
（１２）
照射光を照射する照明装置と、
前記照射光に対する反射光を受光する撮像装置と
を備え、
前記撮像装置は、
ＳＰＡＤ（単一光子アバランシェフォトダイオード）（３１１）と、
前記ＳＰＡＤに直列に接続されている抵抗成分（３１２）と、
前記ＳＰＡＤへの光子の入射を示す受光信号を出力する出力部（３１３）と、
前記受光信号の出力に同期してパルス信号を出力するパルス生成部（３１４）と
をそれぞれ有する画素部が配置されている画素アレイ部（２０１）を備え、
前記画素部は、
前記ＳＰＡＤ（３１１）と前記抵抗成分（３１２）との間に接続され、前記パルス信号に同期してオフするスイッチ（３１５）と、
前記パルス信号に同期して、前記抵抗成分（３１２）を介して前記ＳＰＡＤ（３１１）に流れる入力電流を引き込むことにより、前記ＳＰＡＤ（３１１）への前記入力電流の流れを抑制する引き込み部（３１６）と
のうち少なくとも１つを有する
撮像システム。
【０１８６】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
【符号の説明】
【０１８７】
１０１  撮像システム，  １１１  照明装置，  １１２  撮像装置，  １２１  照明制御部，  １２２  光源，  １３１  撮像部，  １３２  制御部，  １４２  撮像素子，  １４３  信号処理回路，  ２０１  画素アレイ部，  ３０１  画素，  ３１１  ＳＰＡＤ，  ３１２  トランジスタ，  ３１３  出力部，  ３１４  パルス生成部，  ３１５  スイッチ，  ３１６  トランジスタ，  ３２１，３２２  インバータ
【図１】
2020061558.tif 000003
【図２】
2020061558.tif 000004
【図３】
2020061558.tif 000005
【図４】
2020061558.tif 000006
【図５】
2020061558.tif 000007
【図６】
2020061558.tif 000008
【図７】
2020061558.tif 000009
【図８】
2020061558.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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