(57)【要約】【課題】  弱い光信号又は電気信号のような弱いか又は低レベルの信号を好ましくは信号マグニチュードの高い分解能で検出する技術を提供する。【解決手段】  入力信号を独立に増幅される独立信号成分に分配することにより入力信号の検出を提供するシステム及び方法。入力信号の検出は、各成分がそれぞれの既知数の素電荷を有する複数の空間的に分離した素電荷成分を入力信号から生成する段階を含み、複数の空間的に分離した素電荷成分の数は、その入力信号のマグニチュードの既知の単調関数であり、各パケットがそれぞれの既知数よりもそれぞれの増幅係数だけ大きい第２の数の素電荷を有するそれぞれの複数の信号電荷パケットを形成するために、複数の空間的に分割された素電荷成分の各々を独立に増幅する段階を更に含む。
2005539372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の検出を行う方法であって、
各成分がそれぞれ既知数の素電荷を有し、該素電荷成分の数が前記入力信号のマグニチュードの既知の単調関数である、複数の空間的に分離した素電荷成分を、入力信号から生成する段階と、
前記複数の空間的に分割された素電荷成分の各々を独立に増幅して、各パケットが前記既知数のそれぞれよりもそれぞれの増幅係数だけ大きい第２の数の素電荷を有する複数の信号電荷パケットをそれぞれ形成する段階と、
を含むことを特徴とする、入力信号の検出を行う方法。
【請求項２】
前記複数の空間的に分離した素電荷成分の数は、前記入力信号のマグニチュードに比例することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の信号電荷パケットの各々は、素電荷の検出をもたらすのに十分な第２の数の素電荷を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の空間的に分割された素電荷成分の独立した増幅が、前記複数の信号電荷パケットの各々に実質的に同数の前記第２の数の素電荷をもたらすことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の空間的に分離した素電荷成分の各々は、実質的に同じ第１の数の素電荷を有し、それによって前記それぞれの既知数の各々は、実質的に前記第１の数に等しいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
各空間的に分離した素電荷成分に含まれる素電荷の前記同じ第１の数は、統計的に有意な測定基準内で１であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記入力信号は、光信号であり、
前記空間的に分離した素電荷成分は、前記光信号を複数の光子信号パケットに分割することにより形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
各光子信号パケットは、統計的に有意な測定基準内で１つの光子を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の光子信号パケットの各々は、実質的に等しい数の光子を有し、前記空間的に分離した素電荷成分のそれぞれの成分に変換されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
各光子信号パケットは、統計的に有意な測定基準内で１つの光子を有し、各光子は、前記空間的に分離した素電荷成分の各々が約１の素電荷を有するように１つの素電荷に変換されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数の光子信号パケットは、前記空間的に分離した素電荷成分に分配される複数の光−電荷信号にそれぞれ変換されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の光子信号パケットの各々は、実質的に等しい数の光子を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
各光子信号パケットは、統計的に有意な測定基準内で１つの光子を有し、各光子は、前記光−電荷信号の各々が複数の素電荷を有するように複数の素電荷に変換され、
前記光−電荷信号の各々は、前記空間的に分離した素電荷成分の各々が約１の素電荷を有するように分割される、
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記入力信号は、光信号であり、
前記空間的に分割された素電荷成分は、前記光信号を変換して電気信号を形成し、該電気信号を該空間的に分割された素電荷成分の各々に分割することによって形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記入力信号は、電気信号であり、
前記空間的に分割された素電荷成分は、前記電気信号を該空間的に分割された素電荷成分の各々に分割することによって形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
空間的に分割された素電荷成分の各々は、統計的に有意な測定基準内で１つの素電荷を有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電気信号は、センサ又はトランスデューサの出力として供給されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記電気信号は、粒子又はＸ線センサの出力として供給されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の信号電荷パケットの全ての合計を表す出力信号を生成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記出力信号は、前記複数の信号電荷パケットの各々を共通電極上へ容量結合することにより形成されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の信号電荷パケットの各々を個々に読出す段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の信号電荷パケットの各々は、所定量の電荷を有する該複数の信号電荷パケットの各々をもたらすドース電荷蓄積機構によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ドース電荷蓄積機構は、前記所定量の電荷が蓄積した時に前記独立した増幅を終結させる段階を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ドース電荷蓄積機構は、前記所定量の電荷を超える過剰電荷のいずれをも除去する段階を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記複数の空間的に分割された素電荷成分の各々の独立した増幅は、アバランシェ増倍により提供されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記所定量の電荷が蓄積された後に前記複数の信号電荷パケットの各々を除去する段階を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記複数の空間的に分割された素電荷成分の各々の独立した増幅は、多段アバランシェ増倍により提供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
各成分がそれぞれの既知数の素電荷を有し、該素電荷成分の数が前記入力信号のマグニチュードの既知の単調関数である、複数の空間的に分離した素電荷成分を、入力信号から生成するための手段と、
前記複数の空間的に分割された素電荷成分の各々を独立に増幅して、各パケットが前記既知の数のそれぞれよりもそれぞれの増幅係数だけ大きい第２の数の素電荷を有する複数の信号電荷パケットをそれぞれ形成するための手段と、
を含むことを特徴とする、入力信号の検出を行う装置。
【請求項２９】
前記複数の空間的に分離した素電荷成分の数は、前記入力信号のマグニチュードに比例することを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記複数の信号電荷パケットの各々は、素電荷の検出をもたらすのに十分な第２の数の素電荷を有することを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記複数の空間的に分割された素電荷成分の独立した増幅が、前記複数の信号電荷パケットの各々に実質的に同数の前記第２の数の素電荷をもたらすことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記生成する手段は、電荷結合スプリッタを含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３３】
前記生成する手段は、光ファイバプレートを含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３４】
前記増幅する手段は、アバランシェ増倍装置を含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３５】
前記アバランシェ増倍装置は、多段アバランシェ増倍を含むことを特徴とする請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記増幅する手段は、半導体素子として提供されることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３７】
前記複数の信号電荷パケットの各々を蓄積するための手段を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３８】
前記複数の信号電荷パケットの各々が所定量の電荷を有するようにドース電荷蓄積のための手段を更に含むことを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記所定量の電荷が蓄積した後に前記複数の電荷パケットを除去するための手段を更に含むことを特徴とする請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記複数の信号電荷パケットを読取るための手段を更に含むことを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記複数の空間的に分離した素電荷成分の各々は、実質的に同じ第１の数の素電荷を有し、それによって前記それぞれの既知数の各々は、実質的に前記第１の数に等しいことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項４２】
入力信号の検出のための装置であって、各成分が入力信号のマグニチュードと無関係のそれぞれの既知数の基本核種を有し、数が前記入力信号のマグニチュードの既知の単調関数である複数の個別信号成分を、該入力信号から生成する分配器と、
前記分配器に結合した複数の独立増幅器チャンネルを有し、そのために、前記複数の個別信号成分によりそれぞれの複数の独立増幅器チャンネルがそれぞれの複数の素電荷成分によって刺激されるようになったマルチチャンネル電荷増幅器と、
を含み、
各刺激された独立増幅器チャンネルは、前記複数の素電荷成分の各々を独立に増幅してそれぞれの複数の信号電荷パケットを形成し、
各信号電荷パケットは、前記それぞれの既知数よりもそれぞれの増幅係数だけ大きい第２の数の素電荷を有する、
ことを特徴とする装置。
【請求項４３】
前記入力信号は光信号であり、
前記基本核種は光子であり、そのために前記複数の個別信号成分の各々は少なくとも１つの光子から成り、
前記複数の信号成分から前記それぞれの複数の素電荷成分を生成する光電変換器を更に含む、
ことを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記分配器は光ファイバプレートを含み、
前記光電変換器は半導体層によって構成される、
ことを特徴とする請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
各信号成分は、統計的に有意な測定基準内で１つの光子を有することを特徴とする請求項４３に記載の装置。
【請求項４６】
前記入力信号は光信号であり、
前記基本核種は荷電核種である、
ことを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項４７】
前記独立増幅器チャンネルを刺激する前記素電荷成分は、前記個別信号成分であることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記独立増幅器チャンネルを刺激する前記素電荷成分は、前記個別信号成分によって構成され、
前分配器は、前記入力光信号を複数の光子信号パケットに分割し、該複数の光子信号パケットをそれぞれの複数の光−電荷信号に変換し、該それぞれの複数の光−電荷信号を分配して前記素電荷成分を形成する、
ことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】
前記入力信号は光信号であり、
前記基本核種は荷電核種であり、
前記独立増幅器チャンネルを刺激する前記素電荷成分は、前記個別信号成分によって構成され、
前記分配器は、前記光信号を電気信号に変換し、該電気信号を分配して前記素電荷成分を形成する、
ことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５０】
前記分配器は、光学スプリッタ及び電荷結合スプリッタを含むことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５１】
前記入力信号は電気信号であり、
前記基本核種は荷電核種であり、
前記分配器は、前記電気信号を分配して前記素電荷成分を形成する、
ことを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項５２】
各個別信号成分に含まれる基本核種の数は、統計的に有意な測定基準内で１であることを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項５３】
前記マルチチャンネル増幅器は、アバランシェ増倍を用いることを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項５４】
前記アバランシェ増倍は、多段アバランシェ増倍を含むことを特徴とする請求項５３に記載の装置。
【請求項５５】
前記マルチチャンネル増幅器は、半導体素子として構成されることを特徴とする請求項５３に記載の装置。
【請求項５６】
前記複数の信号電荷パケットを読取るために結合した読出要素を更に含むことを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項５７】
（ｉ）前記複数の信号電荷パケットを蓄積するために前記独立増幅器チャンネルと（ｉｉ）前記読出要素とにそれぞれ結合した複数の独立積分器チャンネルを有するマルチチャンネル積分器を更に含むことを特徴とする請求項５６に記載の装置。
【請求項５８】
各チャンネルが、
前記マルチチャンネル積分器と前記マルチチャンネル増幅器とに結合されて、該マルチチャンネル積分器によって蓄積された電荷量に応じて該マルチチャンネル増幅器の作動をゲート制御するマルチチャンネル定量化要素、
を更に含むことを特徴とする請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記読出要素は、前記マルチチャンネル積分器によって蓄積された前記複数の信号電荷パケットを合計するために結合されたことを特徴とする請求項５８に記載の装置。
【請求項６０】
前記積分器に結合され、前記マルチチャンネル積分器によって蓄積された電荷を除去するように作動するマルチチャンネル調整器要素を更に含むことを特徴とする請求項５８に記載の装置。
【請求項６１】
前記マルチチャンネル増幅器は、電源に対する接続のために設けられた２つの電極間に配置される集積平面構造として実施される個体装置の一部であることを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項６２】
前記個体装置は、半導体として実施されることを特徴とする請求項６１に記載の装置。
【請求項６３】
前記マルチチャンネル増幅器は第３の層内に実装され、
前記集積平面装置は、前記第３の層と前記２つの電極の第１のものとの間に第４の層を更に含み、
前記第４の層は、該第３の層の方向から該第４の層内への前記第３の層の少数キャリアの移送に対する第１のエネルギ障壁を形成し、かつ、前記２つの電極の前記第１のものの方向から該第４の層内への該少数キャリアとは反対の導電型のキャリアの移送に対する第２のエネルギ障壁を形成する材料により構成された、
ことを特徴とする請求項６２に記載の装置。
【請求項６４】
前記マルチチャンネル増幅器は、アバランシェ増倍を用いることを特徴とする請求項６３に記載の装置。
【請求項６５】
前記集積平面装置は、前記第４の層と前記第３の層の間に配置された導電材料の第５の層を更に含み、該第５の層は、前記マルチチャンネル増幅器のチャンネルにそれぞれ対応する別々の集積領域のパターンに形成されることを特徴とする請求項６４に記載の装置。
【請求項６６】
前記第４の層は、別々の第４の領域のパターンに形成され、その各々は、前記第１の電極と前記集積電極の少なくとも１つとに接触することを特徴とする請求項６５に記載の装置。
【請求項６７】
前記集積電極は、前記第１の電極に対して並列に容量結合されることを特徴とする請求項６６に記載の装置。
【請求項６８】
前記第３の層と前記第５の層の間に配置された複数の局所的導電領域を更に含み、該局所的導電領域の少なくとも１つは、前記集積領域の各々と該第３の層との間に配置されることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項６９】
前記複数の局所的導電領域は、前記集積領域の各々と前記第３の層との間に配置されることを特徴とする請求項６８に記載の装置。
【請求項７０】
前記集積領域の各々は、それぞれの導電性プラグを通じて前記複数の局所的導電領域に接触することを特徴とする請求項６９に記載の装置。
【請求項７１】
前記集積領域及び前記導電性プラグは、前記第３の層の多数キャリアに対するエネルギ障壁を構成する共通の材料で形成されることを特徴とする請求項７０に記載の装置。
【請求項７２】
前記複数の局所的導電領域は、前記第３の層に該第３の層の導電型と反対の導電型を有する領域として形成され、それによって該第３の層の多数キャリアに対するエネルギ障壁を構成することを特徴とする請求項６８に記載の装置。
【請求項７３】
前記集積領域上に蓄積した電荷量が所定の量に達する時、前記導電領域を通じて結合された前記第３の層の最大電界は、該第３の層におけるアバランシェ増倍による増幅をサポートするには不十分であり、この第３の層の電界は、該蓄積した電荷の放電を開始するのに十分であることを特徴とする請求項６８に記載の装置。
【請求項７４】
前記分配器によって供給された光子を素電荷に変換する第１の層と、
前記第１の層と前記第３の層の間に配置され、各素電荷を該第３の層に移送するように作動する第２の層と、
を更に含むことを特徴とする請求項６１に記載の装置。
【請求項７５】
前記複数の空間的に分離した素電荷成分の各々は、実質的に同数の第１の数の素電荷を有し、それによって前記それぞれの既知数の各々は、実質的に該第１の数に等しいことを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項７６】
前記マルチチャンネル増幅器は、アバランシェ増倍を用いることを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項７７】
前記マルチチャンネル増幅器は、多段増幅を含むことを特徴とする請求項４２に記載の装置。
【請求項７８】
前記入力信号が光信号であり、
前記基本核種が光子であり、そのために前記複数の個別信号成分の各々が少なくとも１つの光子から成り、
前記分配器が、前記光信号を受信するための入力導光部と、各チャンネルに対して該入力導光部と光学的に結合した別の出力導光部とを有する光学スプリッタである、
請求項４２に記載の装置であって、
前記装置は、
上面及び反対側の下面を有し、第１の導電型の領域と、前記チャンネルの各々に対応し、該第１の導電型の領域との間で別個のｐ−ｎ接合を形成する複数の空間的に分離した反対の導電型の領域とを含むモノリシック半導体構造を更に含み、
前記モノリシック半導体構造は、第１の導電性電極と第２の導電性電極との間に配置され、該第１の導電性電極は、前記第１の導電型の領域と導電的に結合して前記ｐ−ｎ接合の各々に共通の端子を構成しており、
各チャンネルに対するそれぞれの導電性集積電極が設けられ、
各導電性集積電極は、各チャンネルが少なくとも１つのｐ−ｎ接合と関連付けられるように、前記空間的に分離した反対の導電型の領域の少なくとも１つと導電的に結合し、
前記複数の導電性集積電極と前記第２の導電性電極との間の絶縁層を更に含み、前記複数の導電性集積電極の各々は、そのために前記第２の導電性電極に容量結合され、
各々が前記導電性集積電極のそれぞれのものと前記第２の導電性電極とに接触する複数の導電性プラグを更に含み、前記導電性プラグを作製する材料は、前記空間的に分離した領域から該導電性プラグ内への前記反対の導電型のキャリアの移送に対する第１のエネルギ障壁を形成し、かつ、反対に前記第２の電極から該導電性プラグ内への前記第１の導電型のキャリアの移送に対する第２のエネルギ障壁を形成する材料から形成され、
前記光学スプリッタは、前記出力導光部によって出力された前記信号成分が、前記上面に入射して前記モノリシック半導体構造の空間的に分離した部分に吸収されて、該複数の信号成分から前記それぞれの複数の素電荷成分をもたらすように配置される、
ことを特徴とする装置。
【請求項７９】
前記光学スプリッタの前記出力導光部と前記上面との間に配置され、これらと接触する反射防止材料層を更に含むことを特徴とする請求項７８に記載の装置。
【請求項８０】
前記上面は凹部領域を含み、
前記光学スプリッタは前記凹部領域に挿入される、
ことを特徴とする請求項７９に記載の装置。
【請求項８１】
前記第１の電極は、前記上面の前記凹部領域内でない一部分上に形成されることを特徴とする請求項８０に記載の装置。
【請求項８２】
前記半導体はシリコンであり、
前記第１の導電型はｐ型である、
ことを特徴とする請求項８１に記載の装置。
【請求項８３】
前記接触プラグの材料は、炭化珪素であることを特徴とする請求項８２に記載の装置。
【請求項８４】
作動において、前記それぞれの複数の素電荷成分は、該素電荷成分が前記空間的に分離した反対の導電型の領域に移送されると、前記ｐ−ｎ接合近くの前記第１の導電型の局所的半導体領域においてアバランシェ増倍により増幅されることを特徴とする請求項７８に記載の装置。
【請求項８５】
前記入力信号が光信号であり、
前記基本核種が光子であり、そのために前記複数の個別信号成分の各々が少なくとも１つの光子から成り、
前記分配器が、前記光信号を受信するための入力導光部と、各チャンネルに対して該入力導光部と光学的に結合した別の出力導光部とを有する光学スプリッタである、請求項４２に記載の装置であって、
前記装置は、
上面及び第１の導電型の横方向に形成された領域と、前記チャンネルの各々に対応し、前記第１の導電型の領域との間に別個のｐ−ｎ接合を形成する複数の空間的に分離した反対の導電型の領域とを有する半導体層と、
前記上面に配置された絶縁層と、
各々の電極が前記別々の出力導光部のそれぞれに対応し、かつ各電極が前記半導体領域の下に重なる部分にポテンシャル井戸を形成するように作動する、前記絶縁体上に配置された導電性ストレージ電極の線形アレイと、
各電極が、前記ストレージ電極のそれぞれのものから離して横方向に間隔を置いて配置され、前記半導体領域の下に重なる部分の静電ポテンシャルを制御するように作動して、対応する前記それぞれのストレージ電極の下に形成されたポテンシャル井戸からの電荷の電荷結合移動をもたらす、前記絶縁体上に配置された導電性分割電極の線形アレイと、
前記上面の上に配置された導電性集積電極の線形アレイと、
を更に含み、
前記導電性集積電極の各々は、各導電性集積電極が少なくとも１つのｐ−ｎ接合と関連付けられるように、前記空間的に分離した反対の導電型の領域の少なくとも１つに導電的に結合され、前記分割電極の各々は、複数の該導電性集積電極に対応し、それらから離れて横方向に間隔を置いて配置されて、該分割電極の下に重なる半導体領域から前記対応する導電性集積電極の下に重なる半導体領域への電荷の移動及び分割をもたらし、
前記装置は、各々が前記導電性集積電極のそれぞれのものと前記絶縁体上に配置された読出導電性電極とに接触する複数の導電性プラグを更に含み、
前記導電性プラグは、前記空間的に分離した領域から該導電性プラグ内への前記反対の導電型のキャリアの移送に対する第１のエネルギ障壁を形成し、かつ、反対に前記読出導電性電極から該導電性プラグ内への前記第１の導電型のキャリアの移送に対する第２のエネルギ障壁を形成する材料から形成され、
前記光学スプリッタは、前記出力導光部によって出力された前記信号成分が、それぞれの前記ストレージ電極の下に重なる前記半導体層のそれぞれの部分に入射してそこに吸収され、該複数の信号成分から前記それぞれの複数の素電荷成分をもたらすように配置される、
ことを特徴とする装置。
【請求項８６】
前記導電性プラグの各々は、同じ前記読出導電性電極に接触することを特徴とする請求項８５に記載の装置。
【請求項８７】
前記半導体はシリコンであり、
前記第１の導電型はｐ型である、
ことを特徴とする請求項８５に記載の装置。
【請求項８８】
前記接触プラグの材料は、炭化珪素であることを特徴とする請求項８７に記載の装置。
【請求項８９】
作動において、前記それぞれの複数の素電荷成分は、該素電荷成分が前記空間的に分離した反対の導電型の領域に移送されると、前記ｐ−ｎ接合近くの前記第１の導電型の局所的半導体領域においてアバランシェ増倍により増幅されることを特徴とする請求項８５に記載の装置。
【請求項９０】
前記入力信号は光信号であり、
前記基本核種は電子又は正孔であり、そのために前記複数の個別信号成分の各々は、少なくとも１つの電子又は正孔から成る、
請求項４２に記載の装置であって、
前記装置は、
上面及び第１の導電型の横方向に形成された領域と、前記チャンネルの各々に対応し、前記第１の導電型の領域との間に別個のｐ−ｎ接合を形成する複数の空間的に分離した反対の導電型の領域とを有する半導体層と、
前記上面に配置された絶縁層と、
前記半導体領域の下に重なる部分にポテンシャル井戸を形成するように作動する、前記絶縁体上に配置された導電性ストレージ電極と、
前記ストレージ電極から離れて横方向に間隔を置いて配置され、前記半導体領域の下に重なる部分の静電ポテンシャルを制御するように作動して、該ストレージ電極の下に形成されたポテンシャル井戸からの電荷の電荷結合移動をもたらす、前記絶縁体上に配置された導電性分割電極と、
各電極がそれぞれのチャンネルに対応する、前記上面の上に配置された導電性集積電極の線形アレイと、
を更に含み、
前記導電性集積電極の各々は、各導電性集積電極が少なくとも１つのｐ−ｎ接合と関連付けられるように前記空間的に分離した反対の導電型の領域の少なくとも１つに導電的に結合され、前記導電性集積電極の各々はまた、前記分割電極から横方向に間隔を置いて配置され、該分割電極の下に重なる前記半導体領域から該導電性集積電極の下に重なる半導体領域への電荷の移送及び分割をもたらして前記それぞれの複数の素電荷成分を形成し、
前記装置は、各々が前記導電性集積電極のそれぞれのものと前記絶縁体上に配置された読出電極とに接触する複数の導電性プラグを更に含み、
前記導電性プラグは、前記空間的に分離した領域から該導電性プラグ内への前記反対の導電型のキャリアの移送に対する第１のエネルギ障壁を形成し、かつ、反対に前記読出電極から該導電性プラグ内への前記第１の導電型のキャリアの移送に対する第２のエネルギ障壁を形成する材料から形成され、
前記入力光信号は、前記ストレージ電極の下に重なる前記半導体層の一部分に入射してそこに吸収され、該吸収した入力光信号に実質的に比例するマグニチュードを有する電荷を生成する、
ことを特徴とする装置。
【請求項９１】
前記導電性プラグの各々は、同じ前記読出導電性電極に接触することを特徴とする請求項９０に記載の装置。
【請求項９２】
前記半導体はシリコンであり、
前記第１の導電型はｐ型である、
ことを特徴とする請求項９０に記載の装置。
【請求項９３】
前記接触プラグの材料は、炭化珪素であることを特徴とする請求項９２に記載の装置。
【請求項９４】
作動において、前記それぞれの複数の素電荷成分は、該素電荷成分が前記空間的に分離した反対の導電型の領域に移送されると、前記ｐ−ｎ接合近くの前記第１の導電型の局所的半導体領域においてアバランシェ増倍により増幅されることを特徴とする請求項９０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には信号検出に関し、より詳細には、弱い光信号又は電気信号のような弱いか又は低レベルの信号の検出に関し、好ましくは、そのような弱い信号を信号マグニチュードの高い分解能で検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、１から数ダースの素電荷キャリアによって表される弱い信号の記録及び測定は、科学技術の広範な分野における多くの用途のための最新のセンサ及びトランスデューサの設計者に対して困難で緊急な問題を提示する。これらのセンサ及びトランスデューサにおいては、様々な一次信号（光、超音波、機械的、化学的、放射線、その他）は、この目的に対して開発中の装置の特定のタイプ及びバージョンにより電子、正孔、又はイオンのような素電荷キャリアに変形される。このような素電荷キャリアの信号電荷パケットは、増幅されて信号（例えば、電圧信号）に変換され、この信号は、記録又は解析装置それ自体に供給され、及び／又は、フィードバック信号として、センサ又はトランスデューサによってモニタされている機構又は工程のコントローラ内に供給される。
【０００３】
多くの用途において、レーザ情報及び計測装置、記録及び画像転送システム、物理学及び原子力工学分野での放射線又は粒子検出システム、及び臨界閾値パラメータを有する高速センサ装置に関するようなものが緊急に要求されている。そのような用途は、弱い（例えば、僅か１個又は数個の素電荷キャリア）だけでなく、持続時間もまた短く及び／又は急速に変動する（すなわち、大きい帯域幅を有する）電気信号の検出及び記録が可能なセンサを要求する。従って、これらの用途は、そのような電気信号を広い帯域幅に亘って低ノイズレベルで増幅することができるセンサを必要とする。信号増幅の第１段がセンサ装置の基本的パラメータ及び特性、例えば、その閾値感度、信号分解能、及び応答速度（例えば、帯域幅）を主として判断することは公知であり、現在では、一般的に２つのパラダイム又は手法に従って、弱い電気信号の検出及び記録に適する信号増幅特性を有するセンサが開発されている。
【０００４】
１つの広く知られた手法は、従来的なアナログ増幅器を「完全化」又は最適化することにあり、入力電荷キャリアの全ての組が同時に増幅される。閾値感度を同時に改善するノイズ低減は、主として、装置の増幅器段の幾何学的な大きさの縮小によって達成される。例えば、このようなスケーリング手法を電荷結合素子（ＣＣＤ）ビデオ増幅器に適用することにより、数ダース電子の閾値感度を達成することが可能である。しかし、このようなスケーリング手法は、数個の電子から成る信号を記録する問題を解決しない。
【０００５】
弱い電気的信号を感知する別の手法は、一般的に当業技術で公知の最も感度が良くて高速の増幅方法である信号キャリアのアバランシェ増幅（増倍）の使用である。公知のように、アバランシェ増幅は、強電界内で生じる衝撃イオン化に基づいており、電界内で加速する信号キャリアは、増幅器の作業媒体の原子をイオン化し、従って、信号キャリアの増倍（例えば、複製）をもたらす。しかし、大きな増倍係数では、アバランシェ増幅動作基点を安定化することが困難である。更に、内部（過度）ノイズレベル及び応答時間は、増倍係数が大きくなると急激に増大する。大きな増倍係数の使用に伴うこれらの問題のために、従来のアバランシェフォトダイオードは、典型的に１０3よりも小さい比較的低い増倍係数Ｍを用いており、これは、数個の電子から成る信号の広帯域での検出及び記録を考慮していない。
【０００６】
アバランシェ増倍はまた、ガイガー・ミューラー計数菅を用いる個々の電離粒子の記録にも応用されてきた。このような装置に入る粒子は、必要な記録レベルまで信号キャリアの増倍のアバランシェ様の処理を開始させる。より最近になって、半導体アバランシェ型フォトダイオードにおける単一電荷キャリアの記録に対して、この原理が使用されて成功している。しかし、この増幅のガイガー・ミューラー原理は、１個及び数個の入力電荷キャリアの信号間の区別を考慮しない（すなわち、電荷キャリアの数の高い分解能をもたらさない）。
従って、弱い信号の検出において、特に、信号の高感度及び高分解能による検出並びに高帯域幅を有する弱い信号のそのような高分解能検出のためのシステム及び方法を提供することにおいて、更なる進歩及び改良の必要性が残っていることが認められるであろう。
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、入力信号を独立に増幅される独立信号成分に分配することによって入力信号の検出を行うシステム及び方法を提供することにより、そのような進歩をもたらし、背景技術及び従来技術の上述の問題及び他の限界を克服する。本発明の一態様によれば、入力信号の検出を行うシステム及び方法は、各成分がそれぞれ既知数の素電荷を有し、素電荷成分の数が、その入力信号のマグニチュードの既知の単調関数である、複数の空間的に分離した素電荷成分を入力信号から生成する段階と、複数の空間的に分割された素電荷成分の各々を独立に増幅して、各パケットが既知数のそれぞれよりもそれぞれの増幅係数だけ大きい第２の数の素電荷を有する複数の信号電荷パケットをそれぞれ形成する段階を含む。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、複数の空間的に分離した素電荷成分の数は、上述の入力信号のマグニチュードに比例する。また、複数の信号電荷パケットの各々は、素電荷の検出をもたらすのに十分な第２の数の素電荷を有する。
本発明の更に別の態様によれば、複数の空間的に分割された素電荷成分の独立した増幅は、実質的に同数の上述の第２の数の素電荷を有する上述の複数の信号電荷パケットの各々を形成する。
本発明の更に別の態様によれば、複数の空間的に分離した素電荷成分の各々は、実質的に同数の第１の数の素電荷を有し、そのために、それぞれの既知数の各々は、実質的にこの第１の数に等しい。この第１の数は、統計的に有意な測定基準内で実質的に１に等しいとすることができる。
【０００９】
本発明によれば、入力信号は、光信号又は電気信号とすることができる。入力信号が光信号である場合、空間的に分離した素電荷成分は、光信号を複数の光子信号パケットに分割することによって形成することができる。入力信号が電気信号の場合、空間的に分割された素電荷成分は、電気信号を空間的に分割された素電荷成分の各々に分割することによって形成することができる。
本発明の更に別の態様によれば、複数の空間的に分割された素電荷成分の各々の独立した増幅は、アバランシェ増倍によって与えられ、これには、多段アバランシェ増倍を含むことができる。
本発明の付加的な態様、特徴、及び利点は、添付図面に関連して為される以下の説明によって本発明を考える時に理解されて更に容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施形態による個別増幅器１０の例示的な機能ブロック図を示す。図示のように、個別増幅器１０は、マルチチャンネル増幅器であり、各チャンネル（添字ｉによって参照され、ｉ＝１，２，３，４．．．ｎ）は、増幅器１６iを含み、これは、定量化装置２０iに応答し、定量化装置２０iと調整器２２iとに結合された積分器１８iに結合される。分配器１２は、入力信号１１に応答し、各チャンネル増幅器１６iの入力に結合された出力を提供する。読取器２４は、各積分器１８に結合され、入力信号１１を表す増幅出力信号２５を提供する。従って、個別増幅器１０は、増幅器段１６に結合された分配器１２を有するマルチチャンネル増幅器として見ることができ、増幅器段１６は、定量化装置段２０に応答して積分器段１８に結合され、次に、積分器段１８は、定量化装置段２０、調整器段２２、及び読取器２４に結合される。更に認められるように、機能要素の相互接続として概略的に描かれた線／矢印は、機能的結合又は機能的関係を示し、相互接続された機能要素又はこの機能要素に対応する構造要素が、導電的に結合されるか又は構造的に直接接続されることは必ずしも示さない。更に、個別増幅器１０は、様々な技術で実施することができ、例えば、それは、用途により個体、半導体、又は真空素子とすることができる。
【００１１】
入力信号１１は、任意の光学的又は電気的な関連の信号とすることができ、関連の一次信号を直接又は間接に表すことができる。より具体的には、入力信号１１は、測定された一次光信号又は電気信号とすることができ、又は一次信号（例えば、音響、圧力、又は他の機械的信号、非荷電の粒子／核種、荷電した粒子／核種又は他の電気信号、磁気信号、光信号又は他の電磁信号（例えば、Ｘ線））を変換、転化、又は変形するセンサの出力とすることができる。従って、本明細書で用いられる入力信号は、いかなる特定の用途又はセンサに限定されるものではなく、検出されるか又は測定された粒子／核種を直接又は間接に表す光信号又は電気信号である。
【００１２】
分配器１２は、独立増幅チャンネルを励起又は刺激する既知のそれぞれのマグニチュード（例えば、実質的に等しいマグニチュード）のいくつかの独立信号成分（光子又は電荷成分）に入力信号１１を空間的に分配する（例えば、分離、分割、分散、又は結合する）。ｎ個の増幅チャンネル入力の各々に結合されている分配器１２の図１の図解は、分配器が各チャンネルの入力に信号成分を提供することができることを図式的に表しているが、意図された作動条件の下では、全ての増幅チャンネル入力は、そのような信号成分を必ずしも受信しない。その代わりに、信号成分を受信する増幅チャンネル入力の数は、入力信号１１のマグニチュードで変化する。より詳細には、分配器１２によって生成された信号成分の既知のそれぞれのマグニチュード（例えば、実質的に等しいマグニチュード）（信号成分の各々の「大きさ」）は、入力信号１１のマグニチュードと実質的に無関係であり、同時に、信号成分の数（及び、従って励起又は刺激される独立増幅チャンネルの数）は、入力信号１１のマグニチュードを表す。本発明の実施形態では、信号成分のマグニチュードは、入力信号１１の１つの基本単位（例えば、１光子又は１電子荷電核種）に対応するが、代替実施形態では、信号成分のマグニチュードは、入力信号の基本単位の倍数に対応するように設定することができる。更に、分配器１２は、各信号成分それ自体のマグニチュードが入力信号１１のマグニチュードと実質的に無関係であるという条件で、１単位（例えば、１光子又は１電子荷電核種）又は１単位を超えることができるように設計することができる。本発明は、任意の既知の大きさの出力信号成分（しかし、必ずしも等しくなく、単位サイズでもない）を提供する分配器１２を有することによって実施することができるが、説明を容易かつ明確にするために、この後の説明は、一般的に１基本単位の大きさの等しい出力信号成分（例えば、分配器の出力チャンネル当り１光子又は１電子）を提供する分配器を有する例示的な実施例に従って説明する。
【００１３】
本発明によれば、入力信号１１のそのような分配は、光学ドメイン及び／又は電子ドメイン内で提供することができる。入力信号が光信号である場合、光学スプリッタは、入力信号が空間的に独立した光子パケットのいくつかに分割されて、各パケットが実質的に同数の光子を有することを保証することができるような（例えば、統計的測定基準内）十分な数の出力チャンネルを有して実施することができる。これらの光子パケットは、分配器１２によって出力されて対応する増幅器段１６の入力に入射する信号成分として提供することができ、対応する電荷が生成され、この電荷はそこで増幅される。代替的に、分配器１２内でこれらの光子パケットが実質的に等しいマグニチュードの電荷パケットに変換され、このパケットは、電荷ドメイン内で電気信号成分への分割を受け、この成分は、増幅器段１６の対応する入力に結合される。別の実施形態では、光学入力信号１１は、最初にその全体が電気信号に変換され、次に、信号は、電荷ドメイン内で電気信号成分に分割され、この成分は、増増幅器段１６の対応する入力に結合される。電気（例えば、電荷）入力信号１１の場合、分配器１２は、電気（例えば、電荷）ドメイン内で入力信号を分割し、実質的に等しい大きさの電荷パケット（それらの大きさは、入力信号のマグニチュードに無関係である）を電気信号成分として提供し、この成分は、増幅器段１６の対応する入力に結合される。認められるように、光信号の光子パケットへの分割は、１つの光分割段又は一連の光分割段において実行することができる。同様に、任意の電気信号（又は、電荷パケット）の電荷パケット（又は、より小さい電荷パケット）への分割は、１つ又は一連の電荷分割段において実行することができる。しかし、一般的に、速度及び／又は効率又は信号損失（例えば、ＣＣＤスプリッタにおける電荷移動の非効率性による損失）に関しては、単段での分割が有利である。
【００１４】
分配器１２が信号成分を提供することができるチャンネルの数ｎは、検知される入力信号１１のダイナミックレンジに基づいて選択される。入力信号の望ましい分解能又は弁別（又は、量子化誤差）は、分配器１２の設計を左右する別のパラメータである。例えば、ある収集期間に亘って１から１００光子を有する入力信号１１を１光子の分解能で検出することが望ましいと仮定すれば、分配器１２（及び、一般的に個別増幅器１０）は、最大入力信号（すなわち、１００光子）が１光子のみをそれぞれ含む独立光子パケット内に分割されることを統計的測定基準内で保証する十分な数のチャンネルｎを有するように設計されるべきである。一例として、望ましい分解能（すなわち、入力信号のマグニチュードの弁別）が約２光子以内であるならば、同様に、分配器１２は、最大入力信号（すなわち、１００光子）が２光子をそれぞれ含む独立光子パケットに分割されることを統計的測定基準内で保証する十分な数のチャンネルｎを有するように設計されるべきである。
【００１５】
従って、分配器１２の作動により、入力信号は、何らかの設計された又は判断可能な統計的許容値又は測定基準の範囲内で実質的に等しい数（例えば、１）の信号成分（例えば、電荷成分又は光子成分）が各独立増幅チャンネルに入力されることが保証されるようないくつかの独立増幅チャンネルの間に直接的に分配され（すなわち、いかなる物理的変換又は変形の前にも分配され、例えば、光学入力信号が独立光子パケットに分割され、又は、電気入力信号が独立電荷パケットに分割される）、又は間接的に分配され（すなわち、物理的変換又は変形の後に分配され、例えば、光学入力信号が電気信号に変換され、電気信号が独立電荷パケットに分割される）、又は直接的及び間接的に分配される（例えば、光学入力信号が空間的に分離した実質的に等しい大きさの光子パケットに分配され、このパケットがそれぞれ電気信号パケットに変換され、この信号パケットの各々は、独立で実質的に等しい大きさの電荷パケットに分配される）。従って、刺激される増幅器チャンネル１６iの数は、入力信号のマグニチュードの単調関数（例えば、比例関数であり、任意の滑らかな又は階段状の単調関数を含む）であり、従って、更に以下で説明するように、入力信号は、分配された入力信号の成分によって励起又は刺激された増幅器チャンネルを示す増幅信号を提供する増幅器チャンネルの数に従って定量化又は測定することができる。
【００１６】
従って、入力信号のそのような分配は、例えば、１次元又は２次元検出器アレイ（例えば、ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサ）を用いる従来の画像化によっては達成されないことが理解され、その理由は、そのような従来型画像化装置は、任意の画像信号について、実質的に同数の光子が所定の取得又は集積時間に亘って各励起ピクセルに衝突することを保証するような方式でピクセル上に画像を分配させないからである（例えば、刺激されるピクセルの平均又は公称光子束は、実質的に入力信号のマグニチュード並びに時間に無関係であり、刺激されるピクセルの数は、入力信号のマグニチュードの単調関数である）。より具体的には、そのような画像アレイの一例では、２次元画像を提供するために、各アレイ素子は、その領域内の画像強度に対応する光子束を受光し、アレイ素子に亘る全体の画像強度を全体の画像強度と無関係の共通のマグニチュードを有する成分に分配する機構又は作動は存在しない。ランダム又は任意の時間間隔に対して、画像が概略同じ数の光子で、いかなる他のアレイ素子も励起せず、いくつかのアレイ素子を励起することができることは、仮説的には可能であるが、そのような励起アレイの数は、変化又は変動する可能性があり、それでも従来型の画像化アレイ及びそのような画像を検出する手法は、統計的に有意な測定基準内でそのような分配を保証するいかなる機構又は作動も含まないので画像を分配しない。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、各増幅器１６iは、便宜上ＯＮ及びＯＦＦと呼ばれる２つの状態を有し、それらの状態は、定量化装置２０iの出力電圧に基づいて設定又は制御される。本発明の実施形態の特徴によれば、積分器１８iの作動と共に定量化装置２０iの制御の下での増幅器１６iの２状態作動は、刺激されたチャンネルから読取器２４に結合された信号のマグニチュードが、（１）そのチャンネルの増幅器１６iに入力される信号成分の大きさの変動に基本的に無関係であり、（２）全ての他の刺激されるチャンネルについて実質的に同じマグニチュードであることを保証する。ＯＮ状態において、増幅器１６iは、その入力に分配器１２から結合される何れかの信号成分を待ち、その入力でのそのような信号の出現は、増幅器１６iを所定の確率Ｐampで入力信号成分の増幅を始めることを開始又は刺激する。この増幅過程は、増幅器１６iが定量化装置２０iの出力電圧に応答してＯＦＦ状態に移ると停止される。従って、増幅器１６iは、Ｐampと、増幅器１６iにそれぞれＯＮ及びＯＦＦへの移行を起させる定量化装置出力電圧に対応する２つの電圧Ｕｏｎ及びＵｏｆｆとによって特徴付けることができる。以下で更に説明するように、増幅器１６iは、アバランシェ増倍増幅器（例えば、アバランシェダイオード）とすることができ、この増幅器は、自己制御利得を用いる閾値増幅器として実施することができる。また、認められるように、実施例によっては、分配器によって出力される信号成分は、電荷成分又は光子成分の何れかとすることができるので、増幅器１６iは、信号成分に有効に結合するように適切に設計される。例えば、分配器によって出力される信号成分が光信号のものである場合、増幅器１６iは、入射光子パケットを有効に吸収して対応する電荷信号を生成する光子吸収／光子変換領域を有利に含み又はこの領域と一体化され、生成した電荷信号を増幅する。
【００１８】
明確にするために、ここで注意すべきことは、光子信号成分（すなわち、更に分配／分割されない成分）の光変換は、分配器機能及び増幅器機能から分れた機能であり、分配器及び増幅器とは別の要素として一般的に実施されることである。しかし、実際には、光変換素子は、一般的に、分配器素子及び／又は増幅器素子と一体化することができるので、便宜上かつ説明を簡略化するために、光変換素子を増幅器又は分配器内部に集積されるものと見なすことができ、本明細書では増幅器と一体化されるとみなして（すなわち、増幅器のための機能ブロック内に）分配器の分配（分割）機能を強調した。光変換素子が分配器と一体化されると見なされるならば、入力信号が光信号である場合、分配器機能ブロックは、電荷信号成分のみを出力し（すなわち、電荷又は光子信号成分とは対照的に）、同時に、増幅器１６iは、それに一体化された光変換を有するとは見なされないであろう。更に、分配器又は増幅器に結合する光変換は、任意的かつ便宜上のものであり、信号成分の光変換は、分配器及び増幅器の必要な機能ではなく、光変換素子がそれらに一体化されている場合でも機能的及び構造的に別々のものである。
【００１９】
上述のように、定量化装置２０iは、積分器にもたらされた電圧に従って増幅器１６iの状態を制御するように作動する要素である。従って、定量化装置２０iは、電圧変換率ｋｑ＝Ｕ定量化装置-出力／Ｕ定量化装置-入力、すなわち、定量化装置出力電圧（すなわち、Ｕ定量化装置-出力）の定量化装置入力電圧（すなわち、Ｕ定量化装置-入力）に対する比率によって特徴付けることができ、後者の電圧は、積分器１８の電位の関数である。電圧変換率は、増幅器１６iの適正なスイッチングを保証するための適切な極性でのものである。典型的な実現形態において、例えば、増幅過程が進行する時に、増幅器１６iによって生成された増大する電荷は、積分器に結合されてその出力電圧（及び、従ってＵ定量化装置-入力）を高め、従って、増幅器１６iを停止させるために負又は低電圧を要すると仮定すれば、Ｕ定量化装置-出力は、増加するＵ定量化装置-入力に伴って低下すべきである。
【００２０】
増幅器１６iによって生成された電荷は、積分器１８iに結合され、生成電荷が増加する時に高まる出力電圧Ｕｉｎｔを積分器１８iにもたらす。例示的な実施形態では、この結合は、積分器１８iに付随するキャパシタンスＣｉｎｔを通じた容量性のものであり、増幅器１６iが増幅過程によって電荷を生成すると、電荷Ｑａｃｃが容量結合を通じて蓄積され、それによってＵｉｎｔ＝Ｑａｃｃ／Ｃｉｎｔとなる。この電圧Ｕｉｎｔは、定量化装置２０i及び調整器２２i入力の両方に同時に結合又は印加される。同時に、本発明の実施形態によれば、積分器１８iに蓄積された電荷Ｑａｃｃは、読取器２４内に同量の電荷の生成を誘起する（例えば、キャパシタンスＣｉｎｔを通じて）。
【００２１】
調整器２２は、積分器１８iが増幅器１６iを定量化装置２０iを通じてＯＦＦに切り替えるのに十分な出力電圧Ｕｉｎｔを得た後、積分器１８iから蓄積電荷Ｑａｃｃを消去する。図１の例示的な実施形態で考慮される簡略的な実施例では、調整器２２は、蓄積電荷Ｑａｃｃを接地部に誘導することによって電荷を消去する。代替実施形態では、読取器２４に例えば出力信号２５の生成に寄与させるためにこの蓄積電荷を移動させることにより、調整器２２が電荷を消去することができる。調整器２２は、２つのモード、すなわち、抵抗Ｒｏｐによって特徴付けられる開（非阻止）モードと、抵抗Ｒｃｉによって特徴付けられる閉（阻止）モードとを有することによって実施することができ、Ｒｃｉ≫Ｒｏｐである。例示的な実施形態では、調整器２２は、閾値電圧Ｕｒ＿ｏｎによって特徴付けられ、それにより、調整器２２に入力される（例えば、積分器１８iから結合される）電圧が閾値電圧Ｕｒ＿ｏｎに到達するか又はこれを超える時に、調整器２２は、いくらかの遅延を伴って開となり（すなわち、開モードに切り替え）、調整器２２に入力される電圧が閾値電圧Ｕｒ＿ｏｎよりも低下すると、調整器２２は、閉モードに移るようになっている。適切な閾値Ｕｒ＿ｏｎへの到達の後に開モードに切り替える時の遅延時間（τr）は、一般的に、積分器１８iにおける電荷蓄積のための最大可能時間よりも長くなければならない。また、閾値電圧Ｕｒ＿ｏｎは、閉モードに入る前に積分器に蓄積された電荷のほぼ完全な消去がもたらされるために幾分低いことが好ましい。
【００２２】
読取器２４は、各積分器１８iに結合され、出力信号を提供する（及び、従って分配器１２によって刺激されている）増幅器チャンネルの数に基づいて入力信号１１を表す増幅信号２５を提供する。より具体的には、励起された増幅器チャンネルの数、及び、従って蓄積電荷パケットを有する積分器の数は入力信号に対応するので、読取器２４は、蓄積電荷パケットを読取るように作動し、入力信号の測定値である出力信号を提供する。ここで注意すべきことは、有利な実施例において、積分器１２によって生成される信号成分の数が、入力信号内の素単位（すなわち、光子又は電荷単位）の数に等しい時は、蓄積電荷パケットの数は、入力信号内の基本単位の数に等しく、従って、増幅信号成分に対応する積分電荷パケットの数の正確な読取値は、入力信号の単一の素単位の分解能をもたらすことである。
【００２３】
読取器２４は、「不連続」モード又は「アナログ」モードで機能するように実施することができる。より詳細には、「不連続」モードでは、読取器２４は、個別の検知により、出力電荷パケットを提供する増幅チャンネルを基本的に個別に計数する。「アナログ」モードでは、蓄積電荷パケットの個別計数又は個別検知に代わり、読取器２４は、基本的に個別の蓄積電荷パケットを結合（例えば、加算）して、測定又は検知される結合電圧パケットを形成する（例えば、電流又は電圧信号への変換により）。
【００２４】
「不連続」モードの読取に関して、読取器２４は、例えば、マルチプレクサ回路として実施することができ、この回路は、個別出力信号（例えば、パルス）を提供する各増幅器チャンネル出力を個別かつ連続的に選択し、この信号は、引き続き処理される（例えば、計数される）。別の例として、各増幅器チャンネルは、別のコンパレータ（例えば、電荷コンパレータ）に結合され、復号器又は加算回路が全てのコンパレータからの出力を受信し、蓄積電荷の数に比例する出力信号を生成する。更に別の例として、読取器２４は、蓄積電荷パケットを読出すためのＣＣＤシフトレジスタとして実施することができる（例えば、蓄積電荷は、別のＣＣＤポテンシャル井戸内に並列的に直接落とし込むことができ、又は別のＣＣＤポテンシャル井戸内で対応する電荷パケットを並列的に生成するために使用することができる）。認められるように、蓄積電荷パケットの個別検知の特徴は、増幅チャンネルが各蓄積電荷パケットを検出するのに十分な増幅を提供するという条件で、この手法が増幅された電荷パケットのマグニチュードの変動に敏感ではないことである。
【００２５】
「アナログ」読取を達成するために、読取器２４は、所定の積分器１８iの帯電が読取器２４出力キャパシタンス内に等しいマグニチュードの帯電を誘起し、積分器に対応して誘起される電荷の全てが付加的なものであり、従って結合された電荷パケットがもたらされるように、例えば、各積分器１８iに容量結合したキャパシタンスとして実施することができる。この結合電荷パケットのマグニチュード（及び、従って対応する電流信号又は電圧信号のマグニチュード）は、蓄積電荷パケットの数に比例し、従って、入力信号内の素単位又は基本単位（すなわち、電荷又は光子）の数に比例する。しかし、そのようなアナログ読取の実施例では、例えば、読取器２４は、各チャンネルの出力を加算し、各励起チャンネルによって読取器２４内に誘起される電荷は、入力信号の高感度及び高分解能をもたらす電荷であることが好ましいことが認められる。すなわち、増幅ノイズは、電荷パケットの均等化により、入力信号内の基礎単位（電荷又は光子）の数を検出する（好ましくは、単一電荷／光子の分解能で）のに必要な最低レベルまで低下されることが好ましい。
【００２６】
この目的のために、結合電荷パケットに寄与する各蓄積電荷パケットの形成は、定量化装置２０iと共に積分器１８iの作動によるこのパケット内の所定量（ドース）の素電荷のドース蓄積によって実行される。これらの構成要素は協働し、積分器１８iによって蓄積された電荷パケット内に素電荷の所定量（ドース）が生成した時に増幅器１６iにおける増幅過程を終結させる。代替的に、又はそれに加えて（例えば、増幅過程が均等化に望ましいほど急速及び／又は正確に終結できない場合）、そのようなドース蓄積は、増幅器によって生成される全ての過剰電荷（すなわち、望ましいドースを超える電荷）を消去することにより達成することができる。そのような消去は、望ましいドースが蓄積される時に達成して望ましいドースを超えるいかなる電荷の蓄積も回避することができ（例えば、望ましいドースが蓄積される時に過剰電荷の分路を提供することにより）、又は望ましいドースを超える電荷が蓄積した後に達成することができる。
【００２７】
ここで、図１の個別増幅器実施形態の作動を図２Ａ−図２Ｅを参照して説明するが、これらの図は、説明を明確にするために個別増幅器の２つのチャンネルのみの機能的構成要素を表している。
図２Ａは、入力信号１１が分配器１２に刺激（電子又は光子）を与えた瞬間の初期状態を表し、分配器１２は、その刺激を個別のチャンネル化された信号成分３０i及び３０i+1に分配又は分割し、これらの成分は、増幅器１６i及び１６i+1のそれぞれの入力を入力信号成分３２i及び３２i+1によって刺激するために供給される。増幅器１６i及び１６i+1が入力信号成分３２i及び３２i+1の増幅をまだ開始しないような不十分な時間が経過し、一方、増幅器１０の他の機能的要素がそれらの休止状態にあるように、入力信号１１からの以前の刺激の到着からは十分な時間が経過している。より具体的には、積分器１８i及び１８i+1内には電荷が存在せず、従って、それぞれの各積分器出力電圧Ｕｉｎｔはゼロであり、定量化装置２０i及び２０i+1は、各々、それぞれの増幅器への電圧をサポートし、そのために増幅器はＯＮであって信号電荷を待ち（すなわち、Ｕamp＞Ｕｏｎ）、調整器の入射電圧は０であり、調整器は、電流のない閉モードであり、加算器上に電荷はない。
【００２８】
図２Ａにおいて、これらの増幅器入力信号成分３２i及び３２i+1は、信号成分３０i及び３０i+1とは別々に参照され、これらの前者及び後者は、物理的に必ずしも同じ成分でないことが示される（しかし、これらは同じ成分とすることもできる）。例えば、信号成分３２i及び３２i+1は、荷電核種（例えば、電子）とすることができ、これらは、荷電（例えば、電子）信号成分３０i及び３０i+1とは物理的に別個であり、それらへの非導電結合（例えば、容量性）によって生成される。代替的に、荷電信号成分３２i及び３２i+1は、信号成分３０i及び３０i+1と物理的に同じ荷電成分とすることができるが、これらの成分が増幅器１６i及び１６i+1に移送（例えば、注入又は導電）された後のこれらの成分を表すものである。更に別の実施例において、信号成分３０i及び３０i+1は、個別の光子とすることができるが、入力信号成分３２i及び３２i+1は、それらに対応する光電子とすることができる。上述のように、実際には、光電子変換は、増幅器入力又は分配器と一体化することができ、又は介在要素内に別々に設けることが可能であり、いずれにしても、そのような光電子変換は、分配器１２又は増幅器１６の必要な機能ではなく、この光変換を提供する要素又は構造が分配器１２又は増幅器１６と一体化されているか否かに関わらず、別の機能であると見なすことができる。
【００２９】
上述のように、各チャンネル化された信号成分（成分３０i及び３０i+1の各々、及び、同様に、成分３２i及び３２i+1の各々）は、実質的に同じマグニチュードを有し（しかし、成分３２i及び３２i+1は、成分３０i及び３０i+1と必ずしも同じマグニチュードを持たない）、そのマグニチュードは、入力信号のマグニチュードに無関係であり、入力信号１１を構成する基本単位又は基本核種（例えば、光子又は電荷単位）の任意の倍数とすることができる。しかし、様々な実施例において、信号成分のマグニチュードは、入力信号の１単位（例えば、光学入力信号については１光子、又は電荷入力信号については１荷電核種（例えば、１電子））に等しいものとして有利に実施される。更に、入力信号１１が光信号であり、この信号が成分３０i及び３０i+1及び／又は成分３２i及び３２i+1に対応する電荷単位（例えば、電子）に変換される場合は、一般的に１つのみの電荷が生成されるが、様々な用途においては、各光子は、１を超える電荷を生成することができる。いくらか一般論として、分配器内の損失又は非効率性がないと仮定すれば、入力信号１１が分配器１２の入力にある整数Ｎ個の基本単位又は核種を提供するとして、Γ＝αＮ個の核種が整数Ｋ個の信号成分に分配されることになり、各信号成分は、等しい数β個の基本核種又は基本単位を有し、従って、ＮはＫに比例する。αは一般的に１に等しいが、１を超えてもよく、それは、例えば入力光信号の各光子が光変換で２つの電子を生成する場合である。また、上述のように、典型的な実施例においては、βは１に等しく、従ってＫ＝Ｎであり、刺激される増幅器チャンネルの数は、入力信号内の基本核種の数に等しいことが示される。
【００３０】
ここで図２Ｂを参照すると、増幅器１６i及び１６i+1は、入力信号成分３２i及び３２i+1の増幅を開始しており、電荷パケット３４i及び３４i+1として積分器１８i及び１８i+1内に蓄積する電荷が生成され、このパケットは積分器の電圧を上昇させる。蓄積電荷パケット３４i及び３４i+1の各々及びその関連する増加積分器出力電圧は、読取器２４内の荷電を誘起し（例えば、容量結合により）、本発明の例示的な作動的実施形態では、読取器２４は、蓄積電荷を「アナログ」モードで読取り又は検知するように実施される。すなわち、図式的に示すように、読取器２４内の電荷３６は、蓄積電荷パケット３４i及び３４i+1の合計に等しい。
【００３１】
図２Ｃに示すように、増幅器１６i及び１６i+1は増幅を継続し、従って、定量化装置２０i及び２０i+1（これは、任意の必要な電圧変換を提供する）を通じて、増幅器１６i及び１６i+1の供給電圧を低減して増幅器１６i及び増幅器１６i+1をそのそれぞれのＯＦＦ状態に切り替えるようなレベルまで蓄積電荷パケット３４i及び３４i+1及びそれらの関連積分器の出力電圧を高める。蓄積電荷パケット３４i及び３４i+1と、その関連積分器の調整器２２i及び２２i+1への出力電圧との結合は、それらの調整器への入力電圧を調整器が開モードに切り替えるのに必要な閾値電圧を超過させるが、内蔵された開放遅延時間のために、調整器２２i及び２２i+1は閉モードのままであり、従って、少しの漏れ電流のみがそれを通過することを可能にする。この時間間隔の間、読取器２４内の蓄積電荷パケット３４i及び３４i+1の合計に等しい電荷３６はその最大値に達する。
【００３２】
図２Ｄによって表される時間間隔に亘って調整器２２i及び２２i+1は開となり、それらの各々を通過する電流が急に増大し、従って、蓄積電荷パケット３４i及び３４i+1を放電させ、それらの関連積分器出力電圧を低下させる。
図２Ｅに示すように、調整器２２i及び２２i+1が電荷パケット３４i及び３４i+1内の全ての電荷を消去（すなわち、完全に放電）した後に、個別増幅器の全ての要素は、入力信号１１が分配器１２に刺激を与える前であることを除いて図２Ａに対応する初期状態となる。いかなる蓄積電荷もなく、積分器１８i及び１８i+1は、定量化装置２０i及び２０i+1を通じて十分な供給電圧が増幅器１６i及び１６i+1に印加されるゼロ電圧出力をもたらし、従って、これらの増幅器は、そのそれぞれのＯＮ状態に切り替えられ、各増幅器１６i及び１６i+1がそのそれぞれの入力に供給される場合があるいかなる次の信号をも増幅することを可能にする。また、積分器１８i及び１８i+1内に蓄積電荷がないので、読取器２４内には電荷はない。
【００３３】
ここで図３を参照すると、本発明の例示的な実施形態により半導体素子として実施される個別増幅器の一部分の概略断面図が示されている。より具体的には、図３は、２つの隣接する増幅器チャンネル（及び、関連読取器構造）のみを全体でＮ個のそのようなチャンネルのなかから示しており、分配器構造は示していない。上述のように、実際に導入されるそのようなチャンネルの数Ｎは、入力信号内の核種（例えば、電子）の最大数に依存する。
【００３４】
図示のように、個別増幅器は、ｐ型Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）層１００（例えば、基板又はエピタキシャル層）を含み、この層内にｎ＋（すなわち、濃密ドープｎ型）Ｓｉ導電領域１０２i及び１０２i+1（添字が関連増幅器チャンネルを意味する上述の表示法を用いる）が形成され、従って、ｐ−ｎ接合が形成される。公知のように、ｎ＋Ｓｉ導電領域１０２i及び１０２i+1は、例えば、拡散又はイオン注入によって形成することができ、代替実施形態では、その代りに金属又はケイ化物をそのような領域に用いることができる。導電性チャンネル電極１０３i及び１０３i+1（例えば、濃密ドープ（ｎ＋）多結晶シリコン）は、それぞれのｎ＋Ｓｉ領域１０２i及び１０２i+1に導電性プラグ１０８i及び１０８i+1（例えば、金属又は濃密ドープ（ｎ＋）多結晶シリコン）によって導電的に接続され、このプラグは、絶縁体１０４（すなわち、二酸化珪素）を通過して形成され、絶縁体１０４もまた電極１０３i及び１０３i+1を共通（すなわち、共用）導電性電極１０６（例えば、金属）から分離させ、電極１０６もまた、電極１０３i及び１０３i+1に半導体プラグ１０５i及び１０５i+1（例えば、ＳｉＣ）によってそれぞれ結合され、このプラグは、チャンネル電極１０３i及び１０３i+1に付随するバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する。
【００３５】
認められるように、図３は、本発明の実施形態による個別電荷増幅器を実施するために使用することができる構成要素及び要素を説明するために装置要素とそれらの構造的関係及び電気特性とを図式的に描いており、そのような装置構造及びその構成要素層を形成するための様々な半導体製造技術及び処理含む、これらの要素並びに装置設計を実施する多くの方法が存在する。例えば、図３は、チャンネル電極１０３i及び１０３i+1を実質的に取り囲む連続絶縁体１０４を示すが、実際には、絶縁体１０４は、異なる酸化物形成処理（例えば、Ｓｉの熱酸化、化学蒸着（ＣＶＤ）技術）及び／又は異なる絶縁材料（例えば、二酸化珪素、窒化珪素など）を可能性として用いる１つよりも多い絶縁層として形成することができる。同様に、チャンネル電極１０３i及び１０３i+1は、ウェットエッチング又はドライエッチングにより、又はダマスク模様又は二重ダマスク模様によるなどの（この技術によって導電性プラグ１０８i及び１０８i+1もまた形成することができると考えられる）既知の技術に従ってパターン形成することができる。
【００３６】
上述のように、図３は、個別増幅器の一部分のみを示し、例えば、分配器は示されず、第２の電極もまた示されていないが、この電極は、作動の間に個別増幅器チャンネルに適切なバイアスを掛けるために、電極１０６に対してｐ−Ｓｉ層１００に亘る電位を印加するために配置されて使用されるであろう。このようなバイアスが掛けられた時、Ｐ−Ｓｉ層における最大電界強度の領域であるアバランシェ領域１０１i及び１０１i+1によって増幅器が設けられる。本発明のこの実施形態では、電荷キャリアのアバランシェ増倍が増幅機構として用いられており、この分配器のデザインは、励起されるチャンネルあたり単一電荷キャリアをもたらすと推測される。増幅器の基本的特性は、単電荷キャリアに応答して増幅器が作動する（すなわち、アバランシェ増倍を開始する）確率である。この確率を高めるために、印加電圧は、アバランシェ領域１０１i及び１０１i+1両側の電位差が少なくとも１ボルトだけ降伏電圧を超えるように設定される。アバランシェ降伏開始確率は、図４に関連して更に以下で説明するように、増幅器（すなわち、アバランシェ領域１０１i及び１０１i+1）を多重カスケード構造として実施することによっても更に高めることができる。
【００３７】
図３の実施形態では、定量化装置は、導電領域１０２i及び１０２i+1から実施され、増幅器半導体材料の多数キャリア（すなわち、この実施例では正孔）に対する遮断接点（この実施形態では、ｐ−ｎ＋接合）をｐ−Ｓｉ層１０１と共に形成する。この実施形態では、ｎ＋導電領域１０２i及び１０２i+1の濃密ドーピングは、これらの領域内における低い少数キャリア（正孔）濃度をもたらし、これらの領域からｐ−Ｓｉ層１０１の増幅領域内に入る正孔（例えば、接合の拡散長さの範囲内の正孔）により暗電流を最小限にする。定量化装置によって提供される基本的機能は、チャンネル電極１０３i及び１０３i+1によってもたらされた積分器による所要の電荷パッケージの蓄積時のアバランシェ領域１０１i及び１０１i+1によって設けられた増幅器を最小誤差で（例えば、ターンオフをもたらす時の蓄積電荷の量の最小変動で）ＯＦＦに切り替えることである。従って、このスイッチング制御をより正確に達成するためには、例示的な実施形態で示すように、導電領域１０２i及び１０２i+1は、領域が各々小さいアバランシェ増幅領域を制御するように、小さな面積で大きな曲率半径の領域として形成される。更に、小面積定量化装置の実施は、増幅器からの電子の取得に対してチャンネル電極からの正孔電流を緩和する。更に、それらの小さな面積により、信号キャリアを有効に捕捉するために、各チャンネルは、そのチャンネルのために積分器に結合された１つよりも多い定量化装置（例えば、図３に示すように２つであり、各々が別々の増幅領域を制御する）を実施することができる。
【００３８】
上述のように、図３の実施形態では、積分器は、チャンネル電極１０３i及び１０３i+1によって形成される。積分器は、従って、定量化装置が積分器の静電電位に直接応答して増幅器のスイッチングを制御することができるように、定量化装置に直接接続される。認められるように、積分器のキャパシタンス（Ｃｉｎｔ）、従って積分器面積は、積分器の容量によって判断される設計利得Ｍ（すなわち、増幅器領域が定量化装置を通じてＯＦＦに切り替えられる前に積分器内に蓄積する電子の数）に関係するパラメータである。
【００３９】
この例示的な実施形態では、調整器は、広帯域半導体プラグ１０５i及び１０５i+1とチャンネル電極１０３i及び１０３i+1（すなわち、これは積分器を形成する）との間に形成されたヘテロ接合によって形成される。上述のように、調整器は、蓄積電荷を適切に放電し、望ましい利得に達する蓄積電荷に応答する定量化装置の作動により増幅器領域がＯＦＦにされた後に、そのＯＮ状態への復帰をその領域にもたらす。同じく上述のように、閉モードから開モードへのそのようなスイッチングは、増幅領域の電界強度が臨界（すなわち、降伏）値以下に低下する瞬間の後である遅延を伴って発生し、増幅器がＯＦＦになる十分な時間を有するのを保証し、それによって増幅器がＯＦＦにならなかった場合に発生するであろう制御不能なマイクロプラズマモードを回避する。積分器内に電荷がない時は、この例示的な実施形態の調整器は、増幅器半導体のｐ−Ｓｉ１００の空間電荷領域内に生成される暗い（すなわち、無信号）少数キャリア（すなわち、電子）が暗電流として電極１０６に流れることを可能にすることにより増幅器作動を容易にするので有利である（すなわち、増幅器領域内におけるアバランシェ降伏のための十分な電界強度を維持する）。ここで注意すべきことは、そのようなモード（閉）においては、調整器の導電度は十分に低く、それによって少数キャリア（すなわち、この実施形態では電子）は、アバランシェ電流の発生に際して調整器を通じて電極１０６に導電するのではなく、主として積分器によって蓄積されることである。
認められるように、電極１０６は、絶縁体１０４を通じてチャンネル電極１０３i及び１０３i+1（すなわち、チャンネル積分器）に容量結合され、従って「アナログ」モードにある読取器を提供する。
【００４０】
上述のように、多重カスケード増幅は、単電荷キャリア刺激に応答するアバランシェ増倍確率を高めるのに使用される。そのような多重カスケードの例として、図４は、本発明の代替実施形態による２段カスケード増幅を示す。図示のように、ｐ−Ｓｉ層１００内部には、周囲のｐ−Ｓｉ層１００半導体材料の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料のクラスター１２６が埋め込まれている。従って、クラスター１２６の間の領域１２７は、この領域に入る電子のアバランシェ増倍に十分の高められた電界強度を有し、そのために最初の電荷パッケージが作り出され、このパッケージは、領域１０１に流れると更に別のアバランシェ増倍を受け、すなわち、最初の電荷パッケージが２度目に増幅され、その結果、チャンネル電極１０３によって形成された積分器内に蓄積された電荷パッケージがもたらされる。従って、認められるように、領域１２７及び領域１０１は、第１及び第２の増幅段にそれぞれ対応する。そのような多重カスケード増幅器は、図３における各チャンネルの増幅器領域の対の各々に対して実施することができるが、代替的に、図４に示すように、各増幅チャンネルは、１つのみの増幅領域を用いることもでき、従って、１つのみの関連定量化装置ｎ＋Ｓｉ領域１０２を有し、この領域は、チャンネル電極１０３を直接（すなわち、絶縁層及び接触プラグの介在なしに）上に重ねることができる。
【００４１】
ここで、図５Ａ−図５Ｄを参照すると、図３のような例示的な個別電荷増幅器の作動が、様々な作動条件下におけるこの構造に関するエネルギバンド図に関して説明されている。より具体的には、図５Ａは、図３の構造に対応する一連の材料層を示し、更に、ｐ−Ｓｉ層１００、及びｐ＋層（図示せず）に通常結合される第２の電極１０７もまた示すが、他の中間層もこの実施例に基づいて使用することができる。供給電圧Ｕｓｕｐは、電極１０６及び１０７の間に印加され、図示のような極性を用いてｐ−Ｓｉ層１００と導電領域１０２ｉとの間に形成されたｐ−ｎ＋接合に逆バイアスを掛ける。図５Ｂ−図５Ｄの各々には、図５Ａに示す一連の材料層に沿ったエネルギバンド図が描かれ、層に沿う描かれた位置及び変位は、材料層に関連するエネルギバンド特性に関する説明を明確にするために、図５Ａ−図５Ｄを通じて同じである。
【００４２】
ここで図５Ｂを参照すると、個別増幅器が図２Ｅに関して上述したものに対応する初期状態にある時のエネルギバンド図が示されている。理解されるように、Ｅｃは導電帯エネルギを特定し、Ｅｖは価電子帯エネルギを特定し、Ｅｆはフェルミ準位エネルギを特定し、ΔＥｃは導電帯オフセットを示し、ΔＥ１は、半導体プラグ１０５iの価電子帯と電極１０６内のフェルミ準位とのエネルギ差を示す（すなわち、ΔＥ１は、電極１０６内の正孔に関するエネルギ障壁高さである）。印加電圧Ｕｓｕｐは、主として、ｐ−Ｓｉ層１００（これは、Ｕａｍｐの大部分をサポートする空乏増幅器領域１０１iを含む）の前後における低下Ｕａｍｐと、半導体プラグ１０５i（これは、調整器を提供する）の前後の低下Ｕｒとに分配されて示され、その理由は、電極１０３i（すなわち、積分器）及び導電性（ｎ＋）領域１０２i（すなわち、定量化装置）が高い導電度を有し、従って、これらの要素での電圧低下は無視できると見なすことができるからである。この初期状態においては、便宜上、Ｕａｍｐは、Ｕｏｎに等しいとして示され、Ｕｒは、Ｕｒ０に等しいとして示されている。
【００４３】
調整器は、ＣＬＯＳＥＤ状態にあり、電極１０３i（すなわち、積分器）と電極１０６との間の電位差Ｕｒは、調整器を通過する概略一定の漏れ電流のために概略一定レベルに維持される。また、この電圧低下Ｕｒは、一般的に小さく（例えば、約ゼロ）、これは、漏れ電流が主としてｐ−Ｓｉ層（これは、増幅器領域１０１を含む）からの暗電流に相当するので、積分器１０３iに流入する漏れ電流が非常に小さいことによる。従って、電極１０６に印加される正電位は、ほとんど変化せずに導電性（ｎ＋）領域１０２i（すなわち、定量化装置）に移され、従って、定量化装置は、増幅器領域１０１iに亘って強い電界をもたらし、そのために増幅器は、そのＯＮ状態にあり、アバランシェ開始イベントを待ち受ける。
【００４４】
広バンドギャップ半導体プラグ１０５i（これは、調整器を提供する）を通過する漏れ電流は、積分器電極１０３iから広バンドギャップ半導体プラグ１０５ｉ内への電子熱イオン放出（ΔＥｃに打ち勝つ電子６０によって表される）並びに広バンドギャップ半導体プラグ１０５i内の電子／正孔熱生成のような２つの異なる機構に基づいている。これらの機構は、電圧Ｕｒに対する弱い非オーミック依存性を有し、従って、調整器を通過する漏れ電流に上限を与える。上述のように、この上限は、ｐ−Ｓｉ１００からの弱い熱生成暗電流を吸収するには十分であるが、積分器電極１０３i内に流入する電流のいかなる有意な増加も積分器内に電荷蓄積をもたらす。従って、この例示的な実施形態では、ヘテロ障壁ΔＥｃ及び障壁ΔＥ1は、調整器を実施するための重要な設計パラメータであることが認められる。
【００４５】
ここで図５Ｃを参照すると、図２Ｂ及び図２Ｃに関して説明された状態に対応する、最初の電荷が増幅器領域１０１内でのアバランシェ増倍によって増幅されている期間中におけるエネルギバンド図が示されている。このアバランシェ過程は、電子−正孔対の生成をもたらし、電子６２は、導電性（ｎ＋）領域１０２i（すなわち、定量化装置）の方向に移動して積分器電極１０３i（例えば、電子６６）内に蓄積し、正孔６４は、電極１０７の方向に移動する。より具体的には、調整器によって維持される電流（漏れ）は、積分器に流入する電流よりも非常に小さく、従って、電子は積分器電極１０３i内に蓄積する。
【００４６】
積分器の帯電は、調整器が遅延の後でそのＯＰＥＮモードに切り替わるのに十分な閾値（Ｕｒ＿ｏｎ）までの電圧Ｕｒの増大をひき起こす。電圧低下Ｕｒの増大は、等しい（すなわち、他の電圧低下は無視する）増幅器電圧Ｕａｍｐの低下に対応するが、増幅器電圧は、それにも関わらず臨界値よりも高く保たれ、そのために増幅器は、電荷生成を継続する。ここで注意すべきことは、Ｕｏｎの大きい値は、それが所定の増倍Ｍをもたらすために要する平均アバランシェ時間を短縮させるので、一般的に有利であることである。一例として、図３に示すものに基づく装置設計の実際面においては、Ｕｏｎは、臨界値を５から１０ボルトだけ超えるように選択することができる。
【００４７】
電圧低下ＵｒのＵｒ＿ｏｎへの増大は、電極１０６に隣接する（電極１０６からの電子トンネリング距離の範囲内で）半導体プラグ１０５iの領域内における正孔生成をもたらす。より具体的には、正孔生成は、広バンドギャップ半導体プラグ１０５iの価電子帯から電極１０６内への電子の電界アシスト（すなわち、電界が障壁の幅を狭くする）トンネリングによって引き起こされる。この過程は、同等に、電極１０６から広バンドギャップ半導体プラグ１０５iの価電子帯へのエネルギ障壁ΔＥｔを通過する正孔の電界アシストトンネル注入として理解することができる。ヘテロ接合障壁ΔＥｃはΔＥ1よりも大きいので、障壁ΔＥｃに亘る熱イオン放出によって（又は、電界アシスト放出によって）積分器電極１０３i内に蓄積された電子の流出は無視することができ、増幅器からの電子による積分器の帯電は継続する。
【００４８】
半導体プラグ１０５i（これは、調整器を提供する）領域内の正孔注入の開始と積分器放電の開始との間の遅延は、半導体プラグ１０５iを通過して移動するこれらの正孔（例えば、正孔６８）に対する時間によって与えられる。この遅延の結果、積分器の帯電は、ＵａｍｐがＵｏｆｆ値に低下するまで継続する。調整器がそのＯＰＥＮ状態に入る前に、増幅器領域１０１をＯＦＦにすることを考慮するこの遅延は、各チャンネルで実質的に等しい大きさの電荷パケットが蓄積されることを保証するために重要である。
【００４９】
認められるように、障壁ΔＥｃの高さは、増幅器がＯＦＦに切り替わる時の調整器の最大電圧まで（すなわち、Ｕｒ＝Ｕｒ０＋Ｕｏｎ−Ｕｏｆｆまで）の障壁を通る電界誘導電子注入（すなわち、熱イオン電界放出又はファウラー−ノルドハイムトンネリング）を防ぐのに十分なほど高くあるべきであり、従って、作動中の任意の調整器電圧における積分器内の電子の蓄積をもたらす。エネルギ障壁ΔＥ1は、十分に小さく選択され、そのためにＵｒ＿ｏｎは小さい。また、半導体プラグ１０５i（調整器）の領域内の正孔注入過程は、増幅器領域１０１がその閾値モード（すなわち、Ｕｒ＿ｏｎ＜Ｕｏｎ−Ｕｃｒ，ここで、Ｕｒは臨界電圧）から出る前に開始されることが重要であることが理解されるであろう。
積分器と電極１０６が絶縁体１０４を通じて容量結合されているので（例えば、図３を参照）、積分器内に蓄積された電子は、電極１０６上に正の「映像」電荷をもたらし、これは、電荷１０６から外部回路へ電子が流れることを示しており、従って、出力電流Ｉｏｕｔをもたらす。
【００５０】
図５Ｄは、蓄積された電荷が放電を開始して、個別増幅器がその初期状態に復帰する時のエネルギバンド図を示し、図２Ｃ及び図２Ｄに関連して説明された状態に対応する。より具体的には、Ｕａｍｐは、上述の遅延時間中にＵｏｆｆの値まで低下しており、注入された正孔が調整器を横断して積分器電極１０３iに到達すると遅延時間が終了し、従って、ＯＰＥＮモードにある調整器に対応する蓄積された電荷との再結合による放電が開始される。増幅器がそのＯＦＦ状態に切り替えられる時と放電開始の直前との間の時間間隔の間、半導体プラグ１０５i（調整器）に亘って掛かる電圧は、Ｕｒ＝Ｕr0＋Ｕｏｎ−Ｕｏｆｆの値で実質的に一定のままである。積分器放電の程度は、エネルギ障壁高さΔＥ1によって判断される正孔注入電流に依存する。
【００５１】
放電過程の間、電圧Ｕｒは低下し、Ｕｒ＿ｏｎにほぼ達すると、正孔注入は停止するが、半導体プラグ１０５i（調整器）内に既に注入された正孔は、積分器への移動を継続し、従って蓄積された電荷を急速かつ完全に放電し、同時に電圧ＵｒをＵr0に復帰させ、導電領域１０２i（定量化装置）を通じてＵａｍｐを計画量による臨界電圧よりも大きいＵｏｎに回復させる（すなわち、増幅器をそのＯＮ状態に復帰させる）。従って、図５Ｂのバンド図及び図２Ｅの作動説明に関連して上述したように、個別電荷増幅器は、その初期状態に回復する。
【００５２】
ここで更に注意すべきことは、この例示的な実施形態では、積分器が完全に放電する前に、増幅器領域１０１の電界強度がアバランシェ増倍に対して十分なレベルまで復帰することが重要であるということである。しかし、チャンネルが十分に回復する前に（すなわち、積分器が完全に放電して電圧Ｕｏｎが増幅器領域１０１に印加される前に）自由キャリアが増幅器領域１０１内に出現する場合は、この自由キャリアは、（関連するアバランシェ確率に従って）増幅されることになるが、アバランシェ増倍係数は設計されたものよりも小さい。そのような完全回復前の増幅は、増幅器ノイズ源を意味する。従って、この影響を弱めるためには、積分器放電過程は、ＵｒがＵr0に達するための時間を最小にすべきである（すなわち、増幅器領域１０１のＯＮ状態からその設計ＯＮ状態までの増幅器領域１０１の迅速な移行がなければならない）。認められるように、ＯＰＥＮモードからＣＬＯＳＥＤモードへの調整器スイッチングを遅延させるために設けられた機構は、そのような迅速な放電を可能にする。
【００５３】
認められるように、用途により、図３に示す個別電荷増幅器の例示的な部分は、電極１０７とｐ−Ｓｉ層１００の間の様々な材料層構造、及び／又は所定数Ｋの増幅器チャンネルに電子刺激を与える様々な分配器構造を用いて実施することができる。従って、その説明は、分配器を詳細に示すことなく行われ、電荷増幅、蓄積、読取（例えば、加算）、及び放電／リセット作動を説明することに集中してきた。しかしながら、それに加えて、図３に表された個別電荷増幅器の機能的部分の実施に関してさえも無数の代替の半導体素子設計が存在することを当業者は認識している。以下の説明は、一例として、電荷及び光学入力信号の分配と、この分配された信号の増幅器チャンネル内への結合とを示し、並びに個別電荷増幅器を実施するための代替装置設計を示す例示的実施形態を提供する。
【００５４】
最初に、図６Ａ（平面図）及び図６Ｂ（断面図）を参照すると、本発明の様々な実施形態による分配器機能をもたらす電荷分割の例示的な方法を説明する電荷結合装置（ＣＣＤ）電荷スプリッタが示されている。この例示的なＣＣＤ電荷スプリッタは、以下のように説明することができ、この説明は、分り易くするために材料、いかなるドープ領域又は層、電極間絶縁又は間隙なども明示的には特定していない。図式的に示すように、電極８０及び８２及び多段電極８４が絶縁体８６上に形成され、絶縁体８６は、半導体材料８８の上に重なる。多段電極８４は、複数の独立した共通に駆動されるゲート、又は同様に複数の静電的に隔離されたチャンネル（例えば、電極間間隙ポテンシャル障壁によって隔離された）から成る。代替的に、多段電極８４は、電極８４によって形成された共通ポテンシャル井戸内に移される電荷を増幅器チャンネルの作動によってチャンネル化することができるように、独立増幅器チャンネルの上に重なる単一の共通電極とすることができる。
【００５５】
最初に、入力電荷信号は、電極８０の下のポテンシャル井戸に局在化される。ゲートを適切にクロッキング（駆動）することにより、この電荷は、電荷９０及びポテンシャル井戸９２によって図６Ｂに図式的に示すように、最初に、電極８２の下方に配置されたポテンシャル井戸の半導体材料に局在化するように移される。この電荷は広がり、それ自体を電極８２の全面積の及ぶ範囲に亘ってこのポテンシャル井戸内に均等に分配する。次に、更に別のクロッキング作動に際して、この電荷は、マルチチャンネル電極８４を構成するチャンネル電極の各々の下に位置する独立ポテンシャル井戸内に移され、従って、入力電荷信号の均等な分割がもたらされる。電極８４に付随する独立チャンネルの十分な数が存在する場合、所定の最大の大きさの入力電荷パケットに対して、分割がＫチャンネルの個々の電子をもたらすことを統計的測定基準内で保証することが可能である。従って、上述のように、スプリッタ／増幅器チャンネルの必要な数は、信号のレジストレーションの必要なダイナミックレンジ及びノイズレベル（すなわち、弁別レベル）によって定められる。
【００５６】
電荷結合スプリッタは、多くの個別電荷増幅器設計に適用することができ、例えば、図３に表される個別電荷増幅器の構造に一体化して、入力信号のマグニチュードに比例する個数Ｋの増幅器チャンネルに電子入力信号を供給することができることが理解される。当業者は、電荷結合スプリッタ設計に関連して、図５Ａの電極１０７を実施する様々な方法が存在することを理解している。例えば、電荷結合スプリッタは、電荷結合スプリッタの周縁に接触して電極１０７をもたらすｐ＋層の上に重なる軽度又は中程度ドープｐ層内の電荷を移動させることができる。
【００５７】
電荷結合スプリッタは、様々な半導体ベースの設計において電荷を分割するのに適するが、より小さい領域からより大きい領域に入力電荷信号を結合し（例えば、電荷移送により又は容量結合により）、従って、次に個別増幅器チャンネル内に誘導することができる電荷を空間的に分配する基本となる原理は、本発明による個別増幅器の真空及び半導体実施形態を含む広い範囲の実施において様々な方法で実現することができる。
【００５８】
図７Ａ及び図７Ｂは、ＣＣＤ技術に基づく個別増幅器の平面図及び断面図をそれぞれ示している。１つの増幅器チャンネルの領域の断面図（すなわち、図７Ｂ）に示すように、個別増幅器のこの例示的な実施形態は、Ｓｉのｐ層１００の増幅器領域１０１におけるアバランシェ増倍の間、ほぼ横方向の電荷移送をもたらすように設計される。
この例示的な実施形態は、３つの電荷結合領域、すなわち、ストレージ電極１１５に関連する電荷ストレージ域、分割電極１１６に関連する電荷分割域、及び増幅電極１１７に関連する電荷増幅域を一般的に含む。増幅電極１１７に関連する増幅域は、個別の増幅を提供し、共通増幅電極１１７の下に位置するＮ個のチャンネルを含む。個別増幅器は、個別電荷増幅器の電極の１つとして使用される濃密ドープｐ＋シリコン（Ｓｉ）基板１１０に基づいている。このＳｉ基板１１０の上には、エピタキシャル低ドープ（ｐ−）層１０９（例えば、増幅域１０１の外側の寄生アバランシェ降伏を防止するように、約１０13〜１０14ｃｍ-3の濃度にドープされ、約５〜１０ミクロンの厚みを有する）が重ねられる。ストレージ域及び分割域、及び増幅域の一部においては、低ドープ（ｐ−）層１０２の上には、ｐ型層１００（例えば、約１０１5〜１０１6ｃｍ-3の濃度にドープされ、約２〜３ミクロンの厚みを有する）が重ねられる。図３の個別増幅器の実施形態におけるものに対応する材料及び／又は構造は、同じ番号によって参照されている。より具体的には、図７Ａ及び図７Ｂの個別電荷増幅器は、図３において同等的に参照される構造／材料に対応するアバランシェ増幅域１０１、定量化装置１０２、積分器１０３、及び調整器１０５を含む。図７Ａにおいては、増幅電極１１７は、説明を明確にするために部分的に除去して（切り取って）表され、下に重なる積分器１０３が露出している。
【００５９】
図６Ａ及び図６Ｂの電荷結合スプリッタに関して上述したように、検出される（増幅及び記録される）電荷信号は、ストレージ電極１１５の下に形成されたポテンシャル井戸内に格納される。理解されるように、この信号は、多くの異なる方法で発生させることができる。例えば、この信号は、同じ半導体基板上の他の電子回路構成によって生成された電荷を表す（直接又は間接に）ことができ、又は、代替的に光信号の光変換からもたらすことができる（例えば、電極１１５の下のポテンシャル井戸内で直接検出される）。一例として、図７Ｂに示すように、光信号１２３は、電極１１５上に直接入射し、電極１１５を通過して投射され（従って、この電極は透明電極として作製され、代替的に、後方照明を使用することもできる）、従って、ストレージ電極１１５によって制御されたポテンシャル井戸内に電荷パケットを生成する。
【００６０】
このように電極１１５の下に格納された電荷パケットは、最初に、分割電極１１５の下に形成されたポテンシャル井戸に電荷結合によって移動され、従って、電荷は空間的に分配される。次に、電荷パケットは、増幅器電極の下に配置された個別の増幅チャンネルに移動され、電荷結合によって個別の電子に分割される。増幅器電極１１７を用いるこの移動の達成する際に、作動アバランシェ電圧が電極１１７を通じて印加され、従って、個別のチャンネル化された電子は、増幅器領域１０１内のアバランシェ増倍を受け、全てのチャンネルの積分器に共通に容量結合された電極１１７を用いて読出すことができる積分器１０３内の電荷蓄積をもたらす。上述の実施形態に関して上述したように、調整器１０５は、積分器１０３を放電するように作動する。
【００６１】
上述の実施形態は、電荷ドメイン内の光学入力信号又は電気入力信号の分配を示しているが、本発明の代替実施形態は、光学ドメイン内全体又はその少なくとも一部の光信号の分割もまた提供することができる。本発明に従って、図８は、光学ドメイン内の分配を用いる個別増幅器の例示的実施形態を示している。
濃密ドープシリコン（ｐ＋）基板２１０は、電極の１つとして使用され、エピタキシャルＳｉ層は、基板２１０上に配置されて個別増幅器チャンネルを形成する。この実施形態では、入力光信号は、濃密ドープシリコン（ｐ+）基板２１０から入射されるので、光損失を低下させるために、チャンネル域内の半導体基板は、約１又は数ミクロンを超えない幅に有利にエッチングされる。導電性（例えば、金属）電極１０７は、濃密ドープ基板２１０の厚い縁部分に形成される。第２の電極接点は、絶縁体１０４上に形成された電極１０６によってもたらされる。光信号は、基板上に形成された介在反射防止コーティング１１１を通じて隣接した光学スプリッタ（分配器）１１２を通り、個別増幅器上に入射する。
【００６２】
図９は、スプリッタの狭い入力部分上に投射された光信号を個々の個別増幅器（ＤＡ）チャンネル１１３間に割り当てる光ファイバプレートの形態で作製されたスプリッタ１１２の実施形態を示す。より具体的には、図示のように、スプリッタ１１２のそれぞれの導光部（例えば、スプリッタ１１４として示すそれぞれの光ファイバ）は、各個別増幅器チャンネル１１３に結合され、入力光信号（例えば、光）を誘導する単一の光ファイバの出力は、スプリッタチャンネル１１４を構成するこのそれぞれの導光部間に平行に分配される。図式的に示すように、この例示的な実施形態では、スプリッタチャンネルは、単一光子１２５をもたらす。
【００６３】
図１０は、図８の個別増幅器の断面図であるが、２つの隣接するチャンネルの領域に焦点を絞って拡大されている。図示のように、希薄ドープｐ−Ｓｉエピタキシャル層２０９は、濃密ドープＳｉ基板２１０に隣接し、層２０９は、光変換器として機能する（すなわち、入射光子の吸収によって電子を生成する）。一例として、層２０９は、約１０13〜１０14ｃｍ-3の濃度でドープされ、検出される光信号のスペクトル範囲の長波境界に対する吸収深さに基づいて選択された、一般的に１０ミクロンよりも小さくない幅を有する。シリコン層２０８は、トランスポータとして機能し（すなわち、光生成電子を増幅領域に移送する）、この実施形態では、光変換器層２０９と同様のドープレベル及び厚みを有し、従って高い量子効率をもたらす。
【００６４】
作動において、検出される光信号は、スプリッタ１１２の狭い前方部分に入射し、スプリッタ１１２は、この光信号を１つよりも多くない光子が各ＤＡチャンネルに割り当てられる方式で個別のスプリッタ出力チャンネル１１４に亘って分配する。これらの光子は、反射防止コーティング１１１及び濃密ドープＳｉ基板２１０層を通過し、次に、光変換器２０９内及び移送Ｓｉ層２０８内で吸収され、このようにして電子−正孔対が生成される。電界が電子と正孔を引き離し、正孔は、Ｓｉ基板を経由し、更に金属電極１０７を通じて外部回路に導かれ、電子は、移送層２０８を通じてｐ−Ｓｉ層１００内部の増幅域内に運ばれる。
【００６５】
ここで、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照すると、電荷を増幅器チャンネル（図７Ａ及び図７Ｂの装置と同様の）内に移動して分配するためにＣＣＤ型構造を用い、同じく光学スプリッタ１１２を使用する光学ドメイン分割も用いる個別増幅器の実施形態が示されている。より具体的には、図１１Ａは、ＣＣＤ型分割を用いる個別増幅器の平面図を示し（光学スプリッタ１１２は示されていない）、この個別増幅器は、図１１Ｂで光学スプリッタ１１２と共に断面で示されている。図１２は、スプリッタの狭い入力部分上に投射された光信号を電極１１５に関連するストレージ域の別々のチャンネル（すなわち、１１５1、１１５2．．．１１５i．．．１１５n）上に分割する光ファイバ線形アレイとして作製された光学スプリッタ１１２の実施形態を示す。別のストレージ域内の光電子は、次に、電荷ドメイン内で信号分割を受け、すなわち、２段階の信号分割が提供される。
【００６６】
この実施形態では、分割が光学ドメインで起こるので、ストレージ電極１１５と分割電極１１６及び関連の下に重なる領域とは、マルチチャンネル（１１５1、１１５2．．．１１５i．．．１１５nで示す個別のストレージ電極チャンネル、及び１１６1、１１６2．．．１１６i．．．１１６nで示す個別の分割電極チャンネル）であり、チャンネルの数は、光学スプリッタのチャンネル数に等しい。そのような個別増幅器の例示的実施形態では、記録される光信号は、最初にスプリッタ１１２によって各光子に分割される。上述のように、光学スプリッタの数は、検出される光信号の必要なダイナミックレンジ、すなわち、光パルス内の光子の最大数に基づいて判断される。光子が光子当り１つよりも多い光電子の生成を可能にするエネルギを有することができると仮定すると、電荷ストレージ域１１６のいくつかは、１つよりも多い電子を有することができる。これらの異なる電子の組の各々（すなわち、光学スプリッタの出力チャンネルに関連する各組）の電荷ドメイン分割は、この電子の組を電荷スプリッタの出力（別の電荷増幅器チャンネル及び積分器１０３に関連する各電荷スプリッタ出力）で分配して別々の（個々の）電子にする。図１１Ａに示すように（この図は、説明を明確にするために、下に重なる積分器１０３が露出するように部分的に取り外された（切り取った）電極１１７を表す）、この例示的実施形態では、各光学スプリッタ出力チャンネルには、３つの電荷ドメインスプリッタ出力チャンネルが関連する。より具体的には、ｎ番目の光学スプリッタ出力チャンネルに関して示すように、ストレージ電極チャンネル１１５nは、分割電極チャンネル１１６nに結合され、このチャンネル１１６nは、積分器１０３n1、１０３n2、１０３n3にそれぞれ関連する３つの独立増幅チャンネル間に電荷を分割するように電荷結合されており、これらの積分器は集合的に積分器１０３nとして参照され、これらがｎ番目の光学チャンネルに関連することを示している。（同様の表示は、図１１Ｂにおいて、ｉ番目の光学チャンネルに関連する第２の（３つのうちの）独立増幅器チャンネルに関連する要素、すなわち、積分器１０１n1、積分器１０２n1、積分器１０３n1、積分器１０５n1を参照するために使用される。）
【００６７】
光子検知式個別増幅器のこの例示的な出力信号の実施例における出力信号の大きさは、光子のエネルギの関数であるから、この実施形態は、スペクトル装置を用いることなく光検出器自体に基づく光子エネルギの評価を可能にする。例えば、単一光学スプリッタ出力チャンネルに関連する電荷スプリッタ出力チャンネルが、２つ（３つのうちの）の増幅器が励起されたことを示す信号を提供する場合、その光学チャンネルは、バンドギャップエネルギの２倍よりも大きいエネルギを有する光子によって励起されたものである。代替的に、単一光学スプリッタ出力チャンネルに関連する電荷スプリッタ出力チャンネルが、１つ（３つのうちの）の増幅器が励起されたことを示す信号を提供する場合、その光学チャンネルは、バンドギャップエネルギの２倍よりも少ない（しかし、少なくともバンドギャップエネルギに等しい）エネルギを有する光子によって励起されたものである。
【００６８】
すなわち、例えば「デジタル」読取モードを使用することにより、入力信号のスペクトル測定がもたらされる。また、この実施例は、単一光子が十分なエネルギを室温又は更により高い作動温度で有する場合の熱ノイズの影響の完全な排除も可能にする。代替的に、入力光子が１つよりも多い電子を生成するのに十分なエネルギを持たない実施例においてさえも、光学ドメイン及び電荷ドメインの両方におけるそのような分割は、増幅器チャンネルを励起し、例えば、個別電子への十分な全体的分割（入力信号のダイナミックレンジに基づく）を保証するのに有利に使用することができる。すなわち、光学スプリッタは、個別光子への分割を保証する（統計的測定基準内で）のに十分な数のチャンネルを有する必要はなく、それでも、光電子の電荷ドメイン分割は、個別電子への分割を保証する（すなわち、光学スプリッタの１つの出力チャンネルが１つよりも多い光子を提供する場合においても）。
【００６９】
本発明の例示的実施形態の上述の説明において、所定の（例えば、特定の、既知の、又は設計の）統計的測定基準内で所定数の基本信号成分を各々有する光信号成分を提供する分配器に対して言及されている。同じく上述したように、分配器１２が信号成分を提供することができるチャンネル数ｎは、検知される入力信号１１のダイナミックレンジに基づいて選択される。説明を明確にするために、一例として、ｎをセル（例えば、分配器の出力チャンネル）の数とし、ｋを入射光子の数として、２つ又はそれ以上の光子が同じセルに衝突すると考えられる入力確率Ｐｎが分割係数λ＝ｋ／ｎに依存するということを考察する。ある所定の確率Ｐｎが与えられた時のλの値は、Ｐｎ（λ）＝１−ｅλ（１＋λ）という式から数値的に計算することができる。すなわち、用途により、ｋの特定の値に対して、セルの数ｎは、望ましいＰｎをもたらすのに必要なだけ大きく選択されるであろう。
【００７０】
上述のように、本発明の上述の例示的実施形態は、説明の明確化を容易にするために等しい大きさの出力信号成分（一般的に１基本単位）を提供する分配器によって示されているが、本発明は、任意の既知の大きさの出力信号成分（すなわち、等しい必要もなく、単位サイズある必要もない）を提供する分配器１２を用いて実施することができる。例えば、分配器１２によって出力される各信号成分は、等しい大きさであるが、大きさが１基本単位よりも大きいとすることができる。代替的に、例えば、分配器の異なる出力は、異なる既知の大きさの出力信号成分を提供することができる（例えば、分配器出力チャンネルｊは、２ｊを出力し、全ての出力分配器チャンネルに亘る合計は、入力信号マグニチュードに等しいか又は比例する）。有利な態様においては、分配器チャンネルが所定の大きさの信号を出力する場合、その分配器チャンネルが結合した対応する増幅器（すなわち、その分配器チャンネルによって励起された増幅器チャンネル）は、対応する分配器チャンネルによって出力された所定の大きさの信号に等しい増幅を開始するための閾値を有する閾値増幅器として設計される。
【００７１】
図１３Ａ−図１３Ｄは、異なる既知大きさの信号成分をその出力の各々で提供する電荷分配器の例示的実施形態を表す。電荷分配器は、最初の信号電荷パッケージを収容する関連ポテンシャル井戸を有するバッファ電界電極１３０、２電子の容量を備えた関連ポテンシャル井戸を有する電界電極１３１、４電子の容量を備えた関連ポテンシャル井戸を有する電界電極１３２、及び８電子の容量を備えた関連ポテンシャル井戸を各々有する電界電極１３３及び１３４を含む（各電界電極及びその関連ポテンシャル井戸は、今後共通に参照される）。電荷分配器はまた、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を含み、この抵抗は、電源１３７によって供給された電圧を分割して電界電極に必要な電圧を供給する。
【００７２】
図１３Ａを参照すると、最初に電源１３７がＯＦＦに切り替えられ、１６電子から成る最初の電荷パッケージは、バッファ電極１３０の下のバッファポテンシャル井戸内にある。電源１３７の電圧を電界電極に印加するためのスイッチングの後、関連ポテンシャル井戸１３１、１３２、及び１３３は、それらの容量に従って順次充たされる（図１３Ｂ、図１３Ｃ、図１３Ｄ）。最初の信号パッケージ全体がポテンシャル井戸１３１，１３２、及び１３３間に再分配される時、ポテンシャル井戸１３４は空のままである。すなわち、認められるように、分配器は、異なる容量のポテンシャル井戸内への電荷の分配又は移送により、入力信号を異なる既知の大きさの信号成分に分配することができる。同じく認められるように、異なるポテンシャル井戸（及び、可能性としては全ての井戸）は、等しい（しかし、単位サイズである必要はない）容量を備えることができる。
【００７３】
本発明の例示的かつ好ましい実施形態の上述の説明、その様々な例示的な変形又は修正、及び様々な背景技術を鑑みて、本発明が多くの特徴、利点、及び付帯的利点を有することを認めることができる。例えば、本発明の実施形態に付随する１つの特徴は、ほぼ同数の入力電荷で励起又は刺激され、出力信号に同等に寄与する独立増幅器チャンネルの各々の利得を自己制御することにより、雑音指数が実質的に改善され、同時に、暗電流で誘起されるアバランシェ増倍のような疑似イベントに対する耐性が高まることである。
【００７４】
更に、上述の例示的実施形態は、明確にするために単一入力信号の検出を説明したが、当業者は、本発明が単一入力信号検出に限定されず、例えば、マルチチャンネル入力信号の並列及び／又は同時の検出に適用することができ、並びに画像検出に適用することができることを理解している。例えば、波長分割の多重化用途において、各波長チャンネルの光信号は、本発明による別の個別電荷増幅器を用いて検出することができる。同様に、例えば１次元又は２次元画像を検出するために、画像に対応する各ピクセルは、別の個別電荷増幅器に関連させることができる。そのようなマルチチャンネル用途又は画像化用途において、各チャンネル又はピクセルに対応する光子は、光子ドメイン又は電荷ドメインの何れかにおいて、個別電荷増幅器チャンネル内に分割される。一例として、波長チャンネル又は画像は、光ファイバ束（例えば、ファイバ映像ガイド）内に結合することができ、各光ファイバは、波長チャンネル又はピクセルを表し、そのチャンネル又はピクセルに対応する光子を別の個別電荷増幅器に誘導し、所定のチャンネル又はピクセルに対する光子信号（すなわち、所定の光ファイバにより導かれた）は、光学ドメイン内で（例えば、光ファイバの端部での光学スプリッタの使用により）及び／又は電気ドメイン内で（例えば、電荷結合スプリッタを用いて、光ファイバにより導かれた光子パケット全体の光変換に対応する電気信号を分割することにより）分割される。
【００７５】
以上の説明は多くの具体的事項を提供するが、実現のためのこれらの詳細は、本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではなく、当業者は、本発明の範囲を逸脱せずかつその付帯的利点を弱めることなく、多くの修正、適応、及び同等実施例が本発明にもたらされることを容易に理解するであろう。従って、本発明は、開示された実施形態に限定されず、特許請求の範囲により規定されるべきであることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施形態による個別増幅器の例示的な機能ブロック図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による個別増幅器の様々な作動条件の間の個別増幅器の２つのチャンネルの機能的構成要素を表す図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による個別増幅器の様々な作動条件の間の個別増幅器の２つのチャンネルの機能的構成要素を表す図である。
【図２Ｃ】本発明の実施形態による個別増幅器の様々な作動条件の間の個別増幅器の２つのチャンネルの機能的構成要素を表す図である。
【図２Ｄ】本発明の実施形態による個別増幅器の様々な作動条件の間の個別増幅器の２つのチャンネルの機能的構成要素を表す図である。
【図２Ｅ】本発明の実施形態による個別増幅器の様々な作動条件の間の個別増幅器の２つのチャンネルの機能的構成要素を表す図である。
【図３】本発明の例示的実施形態により半導体素子として実施された個別増幅器の一部分の概略断面図である。
【図４】本発明の代替実施形態による２段カスケード型増幅器を示す図である。
【図５Ａ】図３の構造に対応する一連の材料層を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による個別増幅器の様々な作動条件の間の図５Ａに描かれた材料層構造に対応するエネルギバンド図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態による個別増幅器の様々な作動条件の間の図５Ａに描かれた材料層構造に対応するエネルギバンド図である。
【図５Ｄ】本発明の実施形態による個別増幅器の様々な作動条件の間の図５Ａに描かれた材料層構造に対応するエネルギバンド図である。
【図６Ａ】本発明の様々な実施形態による分配機能を達成するために電荷を分割する例示的な方法を明らかにするための電荷結合素子（ＣＣＤ）電荷スプリッタの概略平面図である。
【図６Ｂ】本発明の様々な実施形態による分配機能を達成するために電荷を分割する例示的な方法を明らかにするための電荷結合素子（ＣＣＤ）電荷スプリッタの概略断面図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態によるＣＣＤ技術に基づく個別増幅器の平面図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態によるＣＣＤ技術に基づく個別増幅器の断面図である。
【図８】本発明の実施形態により光学ドメイン内の分配を用いる個別増幅器を説明する図である。
【図９】本発明の実施形態により光ファイバプレートの形態に作製された光学スプリッタを説明する図である。
【図１０】本発明の実施形態による図８の個別増幅器の２つの隣接チャンネルの区域に着目して拡大した断面図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態により光分割及び電荷ドメイン分割の両方を用いる個別増幅器の実施形態を示す図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態により光分割及び電荷ドメイン分割の両方を用いる個別増幅器の実施形態を示す図である。
【図１２】図１１Ａ及び図１１Ｂに描かれた本発明の実施形態により、スプリッタの狭い入力分に投射された光信号を電荷結合スプリッタの電極に付随するストレージ領域の別々のチャンネル上に分割する光ファイバ線形アレイとして作製された光学スプリッタの実施形態を示す図である。
【図１３Ａ】本発明の様々な代替実施形態の１つにより各出力で異なる既知の大きさの信号成分を供給する電荷分配器の例示的実施形態を示す図である。
【図１３Ｂ】本発明の様々な代替実施形態の１つにより各出力で異なる既知の大きさの信号成分を供給する電荷分配器の例示的実施形態を示す図である。
【図１３Ｃ】本発明の様々な代替実施形態の１つにより各出力で異なる既知の大きさの信号成分を供給する電荷分配器の例示的実施形態を示す図である。
【図１３Ｄ】本発明の様々な代替実施形態の１つにより各出力で異なる既知の大きさの信号成分を供給する電荷分配器の例示的実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０  個別増幅器
１１  入力信号
１２  分配器
１６i  増幅器
１８i  積分器
２０i  定量化装置
２２i  調整器
２４  読取器
２５  増幅出力信号
【図１】
2005539372.tif 000003
【図２Ａ】
2005539372.tif 000004
【図２Ｂ】
2005539372.tif 000005
【図２Ｃ】
2005539372.tif 000006
【図２Ｄ】
2005539372.tif 000007
【図２Ｅ】
2005539372.tif 000008
【図３】
2005539372.tif 000009
【図４】
2005539372.tif 000010
【図５Ａ−Ｄ】
2005539372.tif 000011
2005539372.tif 000012
2005539372.tif 000013
【図８】
2005539372.tif 000014
【図９】
2005539372.tif 000015
【図１０】
2005539372.tif 000016
2005539372.tif 000017
【図１１Ｂ】
2005539372.tif 000018
【図１２】
2005539372.tif 000019
2005539372.tif 000020
【国際調査報告】
2005539372.tif 000021