JP2022064851A - 光電変換装置、光検出システム及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＰＤの温度に対応する値を取得する光電変換装置において、ＡＰＤの特性を容易に最適化することができる光電変換装置を提供する。【解決手段】光電変換装置は、アバランシェフォトダイオードを含む第１の基板と、第２の基板と、を備え、前記第１の基板と前記第２の基板とは積層されており、第１の基板及び第２の基板の少なくとも一方に配置され、温度に依存する出力特性を有する温度検出手段と、第１の基板の外部に配置され、温度検出手段の出力を、温度情報を示す信号である温度値信号に変換する温度値生成回路とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、光電変換装置、光検出システム及び移動体に関する。

従来より、アバランシェ（電子なだれ）増倍を利用し、単一光子レベルの微弱光を検出可能にしたアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が知られている。アバランシェ増倍を引き起こす降伏電圧（ブレークダウン電圧）は、ＡＰＤの温度に依存し、温度変化に応じてＡＰＤの出力特性は変化しうる。

特許文献１には、基板上に形成されたＡＰＤのアレイであるシリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）のマトリクスと、ＳｉＰＭのマトリクスに接続されたバイアス電源と、バイアス電源に結合された補償回路とを有するＳｉＰＭデバイスが記載されている。特許文献１に記載のデバイスにおいて、補償回路は、基板の温度変化に応答してＳｉＰＭマトリクスに印加されるバイアス電圧を調整する。

米国特許第９９７８８８５号明細書

特許文献１に記載のデバイスにおいて、現実的に温度変化を検出しようとすると、ＡＰＤおよび／またはその周辺の温度に対応する値を生成する回路を形成する必要がある。この場合は、ＡＰＤが配された基板に対して金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）用の製造プロセスを実施する必要がある。このため、特許文献１に記載のデバイスでは、本来ＡＰＤを形成するのに不要なプロセスを経る結果、ＡＰＤの特性を最適化することが困難となる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、ＡＰＤおよび／またはその周辺の温度に対応する値を生成する光電変換装置において、ＡＰＤの特性を容易に最適化することができる光電変換装置、光検出システム及び移動体を提供することにある。

本発明の一観点によれば、アバランシェダイオードを含む第１の基板と、第２の基板と、を備え、前記第１の基板と前記第２の基板とは積層されており、前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方に配置され、温度に依存する出力特性を有する温度検出手段と、前記第１の基板の外部に配置され、前記温度検出手段の出力を、温度情報を示す信号である温度値信号に変換する温度値生成回路とを有することを特徴とする光電変換装置が提供される。

本発明によれば、ＡＰＤの温度に対応する値を取得する光電変換装置において、ＡＰＤの特性を容易に最適化することができる。

本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置における画素を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置を示す平面図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置における温度検出手段、温度値生成回路及び温度補償回路を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による光電変換装置を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による光電変換装置を示す平面図である。 本発明の第３実施形態による光電変換装置を示す断面図である。 本発明の第３実施形態による光電変換装置を示す平面図である。 本発明の第４実施形態による光電変換装置を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による光電変換装置を示す平面図である。 本発明の第５実施形態による光電変換装置を示す断面図である。 本発明の第５実施形態による光電変換装置を示す平面図である。 本発明の第６実施形態による光電変換装置を示す平面図である。 本発明の第７実施形態による光電変換装置を示す平面図である。 本発明の第８実施形態による光電変換装置を示す平面図である。 本発明の第９実施形態における補償回路によるアバランシェフォトダイオードの電源電圧制御特性を示す。 本発明の第１０実施形態における補償回路によるアバランシェフォトダイオードの電源電圧制御特性を示す。 本発明の第１１実施形態による光検出システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第１２実施形態による光検出システム及び移動体の構成例を示す図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光電変換装置について図１乃至図６を用いて説明する。

まず、本実施形態による光電変換装置の概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態による光電変換装置１０１０の概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、光電変換装置１０１０は、垂直選択回路１０３、水平選択回路１０４、列回路１０５、画素部１０６、信号線１０７、出力回路１０８及び制御回路１０９を有している。

画素部１０６は、行列状に配された複数の画素１００を有している。画素１００は、光電変換素子１０１及び画素から出力された信号を処理する信号処理部１０２を含む。光電変換素子１０１は入射された光を光電変換して電気信号に変換する。信号処理部１０２は、変換された電気信号を列回路１０５に出力する。

なお、本明細書において、「光」とはあらゆる波長の電磁波を含み得る。すなわち、「光」は、可視光に限定されるものではなく、赤外線、紫外線、Ｘ線、ガンマ線等の不可視光を含み得る。

制御回路１０９は、垂直選択回路１０３、水平選択回路１０４及び列回路１０５を駆動する制御パルスを生成し、これらの各部に供給する。これにより、制御回路１０９は、各部の駆動タイミング等の制御を行う。なお、垂直選択回路１０３、水平選択回路１０４及び列回路１０５は、光電変換装置１０１０の外部から供給された制御パルスによって駆動されてもよい。

垂直選択回路１０３は、制御回路１０９から供給された制御信号に基づいて、複数の画素１００の各々に制御信号を供給する。図１に示されているように、垂直選択回路１０３は、画素部１０６の行ごとに設けられている制御信号線を介して各画素１００に対して行ごとに制御信号を供給する。垂直選択回路１０３にはシフトレジスタ、アドレスデコーダ等の論理回路が用いられ得る。

信号線１０７は、画素部１０６の列ごとに設けられ、垂直選択回路１０３により選択された行の画素１００から出力された信号をデジタル信号として画素１００の後段の列回路１０５に伝送する。列回路１０５は、信号線１０７を介して入力された各画素１００の信号に対して所定の処理を行う。所定の処理とは、例えば、入力された信号のノイズ除去、増幅、出力形式の変換等の処理である。これらの機能を実現するため、列回路１０５は、パラレル－シリアル変換回路等を有し得る。

水平選択回路１０４は、制御回路１０９から供給された制御パルスに基づいて、所定の処理が行われた信号を出力回路１０８へ順次出力するための制御パルスを列回路１０５に供給する。出力回路１０８は、バッファアンプ、差動増幅器等を含み、列回路１０５から出力された信号を光電変換装置１０１０の外部の記録部又は信号処理回路に出力する。

図１において、画素部１０６内における画素１００の配列は一次元状であってもよく、画素１００が１つのみであってもよい。画素部１０６内における画素１００がいくつかのブロックに分割されている場合には、垂直選択回路１０３、水平選択回路１０４及び列回路１０５は、各ブロックに対応して複数個配置されていてもよい。また、水平選択回路１０４及び列回路１０５は、列ごとに配置されていてもよい。

信号処理部１０２は、必ずしもすべての画素１００に１つずつ設けられていなくてもよい。例えば、複数の画素１００によって１つの信号処理部１０２が共有されていてもよい。この場合、信号処理部１０２は、各光電変換素子１０１から出力された信号を順次処理することにより、各画素に対して信号処理の機能を提供する。

また、信号処理部１０２は、光電変換素子１０１が設けられている半導体基板とは異なる半導体基板に設けられてもよい。この場合、光電変換素子１０１が受光可能な面積の割合（開口率）を向上させることにより、感度を向上させることができる。光電変換素子１０１と信号処理部１０２とは、画素１００ごとに設けられた接続配線を介して信号線１０７に電気的に接続される。信号線１０７のそれぞれは、ｎビットのデジタル信号を伝送するｎ本の信号線を含み得る。なお、垂直選択回路１０３、水平選択回路１０４、列回路１０５は、信号処理部１０２と同様に、光電変換素子１０１が設けられている半導体基板とは異なる半導体基板に設けられていてもよい。

次に、本実施形態による光電変換装置１０１０における画素１００の構成について図２を用いて説明する。図２は、本実施形態による光電変換装置１０１０における画素１００を示すブロック図である。

図２に示すように、画素１００は、光電変換素子１０１及び信号処理部１０２を有している。光電変換素子１０１は、光電変換部２０１及び制御部２０２を有している。なお、図２では、光電変換部２０１及び制御部２０２の双方が同じ半導体基板に設けられているが、制御部２０２は光電変換部２０１とは異なる半導体基板に設けられていてもよい。

光電変換部２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。光電変換部２０１には、後述のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１３が用いられる。光電変換部２０１のアノード及びカソードにはそれぞれ所定の電位が供給される。光電変換部２０１のカソードに供給される電位ＶＨは、アノードに供給される電位ＶＬよりも高い。

ここで、光電変換部２０１のアノードとカソードには、光電変換部２０１に生じた電荷がアバランシェ増倍を起こしうるような逆バイアスの電位差が印加される電位が供給される。このような逆バイアスの電位差を供給した状態で、入射光によって電荷が生じると、アバランシェ増倍によりアバランシェ電流が発生する。

なお、逆バイアスの電位差が供給される場合において、アノードとカソードとの間の電位差がアバランシェダイオードの降伏電圧より大きいときには、アバランシェダイオードはガイガーモードで動作する。ガイガーモードにおいて単一光子レベルの微弱信号を検出するフォトダイオードは単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と呼ばれる。

また、光電変換部２０１のアノードとカソードとの間の電位差が、光電変換部２０１に生じた電荷がアバランシェ増倍を起こす電位差以上かつ降伏電圧以下である場合には、アバランシェダイオードは線形モードで動作する。線形モードにおいて光検出を行うアバランシェダイオードはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と呼ばれる。本実施形態においては、光電変換部２０１は、ＳＰＡＤとＡＰＤのどちらのアバランシェダイオードとして動作してもよい。

制御部２０２は、高い電位ＶＨを供給する電源電圧及び光電変換部２０１に接続される。光電変換部２０１においてアバランシェ増倍により電荷が増倍されると、増倍した電荷によって得られる電流が、光電変換部２０１と制御部２０２との接続ノードに流れる。この電流による電圧降下により、光電変換部２０１のカソードの電位が下がり、光電変換部２０１は、電子なだれを形成しなくなる。これにより、光電変換部２０１のアバランシェ増倍が停止する。その後、電源の電位ＶＨが制御部２０２を介して光電変換部２０１のカソードに供給されるため、光電変換部２０１のカソードに供給される電位が電位ＶＨに戻る。このように、制御部２０２は、アバランシェ増倍による電荷の増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、光電変換部２０１に供給する電圧を低減して、アバランシェ増倍を低減する働きを持つ（クエンチ動作）。制御部２０２を構成する回路素子の具体例としては、抵抗素子又はクエンチ回路が挙げられる。クエンチ回路は、パッシブクエンチ回路であってもよいし、アバランシェ電流の増加を検出してフィードバック制御を行うことによりアバランシェ増倍を能動的に抑制するアクティブクエンチ回路であってもよい。

信号処理部１０２は、波形整形部２０３、カウンタ回路２０４及び選択回路２０６を有している。波形整形部２０３は、光電変換素子１０１から単一光子レベルの信号電圧が入力されたときに、電圧変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部２０３を構成する回路素子の具体例としては、インバータ回路が挙げられる。図２には、波形整形部２０３として、１つのインバータ回路が設けられている回路構成が示されているが、波形整形効果があればその他の回路を用いてもよい。例えば、波形整形部２０３は、複数のインバータ回路を直列接続した回路であってもよい。

カウンタ回路２０４は、波形整形部２０３から出力されたパルス信号のパルスの個数をカウントする。カウンタ回路２０４は、例えば、Ｎ－ｂｉｔカウンタ（Ｎ：正の整数）であり得る。この場合、カウンタ回路２０４はパルスの個数を最大で約２のＮ乗個までカウントすることが可能である。カウント数は、検出信号としてカウンタ回路２０４に保持される。また、カウンタ回路２０４には、図１に示されている垂直選択回路１０３から駆動線２０７を介して制御パルスｐＲＥＳが供給され得る。制御パルスｐＲＥＳがカウンタ回路２０４に供給されると、保持されているカウント数がリセットされる。

選択回路２０６は、カウンタ回路２０４と信号線１０７との間の電気的な接続・非接続を切り替える。選択回路２０６には、図１に示されている垂直選択回路１０３から駆動線２０８を介して制御パルスｐＳＥＬが供給される。制御パルスｐＳＥＬが選択回路２０６に供給されると、制御パルスｐＳＥＬのレベルに応じてカウンタ回路２０４と信号線１０７との間の電気的な接続・非接続が切り替わる。選択回路２０６には、例えば、トランジスタ、画素１００の外部に信号を出力するためのバッファ回路等が含まれ得る。カウンタ回路２０４と信号線１０７との間が電気的に接続されると、カウンタ回路２０４に保持されている検出信号のカウント値を示すデジタル信号が信号線１０７に伝達される。

なお、選択回路２０６に代えて、制御部２０２と光電変換部２０１との間、光電変換素子１０１と信号処理部１０２との間等のノードにトランジスタ等のスイッチが設けられていてもよい。この場合も、スイッチの接続・非接続を切り替えることにより、選択回路２０６と同様の機能が実現され得る。同様に、制御部２０２又は光電変換素子１０１に供給される電位の供給の有無をトランジスタ等のスイッチを用いて切り替えることによっても、選択回路２０６と同様の機能が実現され得る。

画素部１０６の各画素１００は、ローリングシャッタ動作又はグローバル電子シャッタ動作により駆動され得る。各画素１００から取得された信号は、画素部１０６への入射光に基づく画像の生成に用いられ得る。

ローリングシャッタ動作とは、カウンタ回路２０４におけるカウント値のリセットとカウンタ回路２０４からの信号の出力とを行ごとに異なるタイミングで順次行う動作である。グローバル電子シャッタ動作とは、すべての行のカウンタ回路２０４におけるカウントのリセットを同時に行い、その後、カウンタ回路２０４に保持された信号を行ごとに順次出力する動作である。

なお、グローバル電子シャッタ動作を行う場合には、パルスのカウントを行う時間を各行で同一にするため、カウンタ回路２０４のカウントを実行するか否かを切り替える手段を更に追加することが好ましい。カウントを実行するか否かを切り替える手段は、例えば、トランジスタ等のスイッチであり得る。

また、カウンタ回路２０４に代えて時間・デジタル変換回路（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下、ＴＤＣと呼称する）及びメモリが設けられていてもよい。この場合、光電変換装置１０１０は、パルスを検出したタイミングを取得することができる。

この変形例において、波形整形部２０３から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定に用いる参照信号として、垂直選択回路１０３から駆動線を介して、制御パルスｐＲＥＦが供給される。ＴＤＣは、制御パルスｐＲＥＦを時刻の基準として、波形整形部２０３からのパルスの入力時刻に相当するデジタル信号を取得する。

ＴＤＣの回路には、例えば、バッファ回路を直列接続したＤｅｌａｙ Ｌｉｎｅを用いて遅延回路を形成するＤｅｌａｙ Ｌｉｎｅ方式、Ｄｅｌａｙ Ｌｉｎｅをループ状に繋いだ回路を用いるＬｏｏｐｅｄ ＴＤＣ方式等が用いられ得る。ＴＤＣの回路には、その他の方式を用いてもよいが、十分な時間分解能を確保するため、光電変換部２０１の時間分解能と同等以上の時間分解能を達成できる方式であることが好ましい。

ＴＤＣにより取得されたデジタル信号は、１つ又は複数のメモリに保持される。メモリの個数が複数である場合には、選択回路２０６に複数の制御パルスｐＳＥＬを供給することにより、複数のメモリのいずれかから信号線１０７に選択的に信号を出力させることが可能である。

次に、本実施形態による光電変換装置１０１０の積層構造について図３を用いて説明する。図３は、本実施形態における光電変換装置１０１０を示す斜視図である。

光電変換装置１０１０は、複数の基板を積層して構成されている。例えば、光電変換装置１０１０は、複数の光電変換部２０１が形成された第１の基板１１と、複数の信号処理部１０２が形成された第２の基板１２とを含む。第１の基板１１および第２の基板１２のそれぞれは、半導体基板と配線層とを有する。配線層は、酸化膜等の絶縁体と銅などの金属とを有する。光電変換部２０１は、第１の基板１１の半導体基板の内部に配置される。また、カウンタ回路２０４等は第２の基板１２の半導体基板に配置される。第１の基板１１と第２の基板１２とは、接合面において貼り合わされている。接合面は、銅等の金属と酸化膜等の絶縁体とによって構成されている。接合面を成す金属は、第１の基板１１に配される光電変換部２０１と、カウンタ回路２０４等の第２の基板１２に配される回路とを接続する配線を構成してもよい。

第１の基板１１の第１の主面、すなわち光入射面には、カラーフィルタ、マイクロレンズ等の光学部材が配されている。第２の基板１２は、第１の基板１１の第２の主面上に積層されている。１つの画素１００を構成する回路群が、第１の基板１１と第２の基板１２とに分かれて形成されている。これにより、カウンタ回路を含むデジタル回路の高速化あるいは大規模化を実現しながら、平面視における光電変換装置の面積が大きくなることを防ぐことができる。なお、１つの基板に、光電変換部２０１及び信号処理部１０２が並んで配置されてもよい。

また、第１の基板１１には、後述の温度検出手段１４が形成されている。また、第２の基板１２には、後述の温度値生成回路１５が形成されている。

次に、本実施形態による光電変換装置１０１０のＡＰＤ１３、温度検出手段１４、温度値生成回路１５及び信号処理回路１６を含む構成について図４乃至図６を用いて説明する。

図４（ａ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０の第１の基板１１及び第２の基板１２を含む構成を示す断面図である。図４（ｂ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０の第１の基板１１のデバイス構造を示す断面図である。

図４（ａ）に示すように、本実施形態による光電変換装置１０１０は、第１の基板１１と第２の基板１２とを含み、第１の基板１１と第２の基板１２とが互いに積層されて回路間、回路素子間等が電気的に接続された積層構造を有している。第１の基板１１の半導体基板は、ＡＰＤ１３と温度検出手段１４とを含む。第２の基板１２の半導体基板は、温度値生成回路１５と信号処理回路１６とを含む。図４（ａ）および図４（ｂ）では、配線層の図示を省略しているが、第１基板の第２基板の側には配線層が配され、第２基板の第１基板の側には配線層が配されている。

ＡＰＤ１３は、第１の基板１１の半導体基板に形成されて配置されている。ＡＰＤ１３は、図２に示す光電変換素子１０１の光電変換部２０１として機能する。ＡＰＤ１３のカソードは、信号処理回路１６に電気的に接続されている。ＡＰＤ１３に到来した光子は、ＡＰＤ１３にて光電変換されてアバランシェ増倍されたのち、信号処理回路１６で信号処理される。信号処理回路１６は、クエンチ抵抗、リセット機構等を含んでもよい。このようにＡＰＤ１３の出力信号を処理する信号処理回路１６は、図２に示す制御部２０２として機能する。

温度検出手段１４は、第１の基板１１に形成されて配置されている。温度検出手段１４は、ＡＰＤ１３が形成された第１の基板１１の温度を検出して第１の基板１１の温度に応じた出力を行う。温度検出手段１４は、例えば、ＡＰＤ１３が形成された第１の基板１１の温度に依存する出力特性を有する素子又は回路であり、具体的にはダイオード、リングオシレーター等である。温度検出手段１４により検出される第１の基板１１の温度は、ＡＰＤ１３の温度と実質的に同一の温度又は所定の関係を有する温度であり、ＡＰＤ１３の温度に対応する値を示す。温度検出手段１４は、温度値生成回路１５に電気的に接続されている。なお、温度検出手段１４は、第１の基板１１及び第２の基板１２の少なくとも一方に配置されていればよい。

温度値生成回路１５は、第１の基板１１の外部である第２の基板１２に形成されて配置されている。温度値生成回路１５は、温度検出手段１４からの出力を、第１の基板１１の温度に相当する温度情報を示す信号である温度値信号に変換して温度値信号を出力する回路である。例えば温度検出手段１４がダイオードである場合、温度値生成回路１５は、ダイオードに定電流を入力したときのダイオード両端の電圧を測定し、測定された電圧を温度値信号に変換する。この場合、温度値生成回路１５は、例えば、アナログ出力であれば抵抗素子や増幅回路であり、デジタル出力であればＡＤ変換回路を含む。また、例えば温度検出手段１４がリングオシレーターの場合、温度値生成回路１５は、リングオシレーターの発振周波数をカウントし、カウントされた発振周波数を温度値信号に変換する。この場合、温度値生成回路１５は、例えば、カウンタ回路である。なお、温度値信号は、温度検出手段１４により検出される第１の基板１１の温度に相当するものに限らず、第１の基板１１の温度から推定されるＡＰＤ１３の温度に相当するものであてもよい。温度値生成回路１５は、高精度の温度補償を実現するため、例えば、５℃以下の温度精度を有する温度値信号を出力するように構成することができる。

図４には、温度検出手段１４がダイオードである場合を例示している。この場合、温度値生成回路１５は、ダイオードである温度検出手段１４に一定電流を流した際のアノード電圧Ｖｔ１とカソード電圧Ｖｔ２との電圧差を温度値信号に変換して出力する。

ここで、温度検出手段１４と同じ第１の基板１１に形成されたＡＰＤ１３の電源電圧ＶＬは、アバランシェ増倍を実現するために信号電圧ＶＨと高い電圧差を有する必要がある。したがって、ＡＰＤ１３の電源電圧ＶＬは、温度検出手段１４の動作電圧（Ｖｔ１、Ｖｔ２）と電圧範囲が異なる。

このため、図４（ａ）に示すように、温度検出手段１４は第１の不純物領域１７内に形成され、ＡＰＤ１３は第２の不純物領域１８内に形成されている。これにより、温度検出手段１４とＡＰＤ１３とは、互いに異なるウェル領域に分離されて配置されている。すなわち、図４（ｂ）に示すように、温度検出手段１４は、第１の不純物領域１７と、第１の不純物領域１７内に形成された第３の不純物領域１９とのｐｎ接合を含むダイオードとして形成されている。一方、ＡＰＤ１３は、第２の不純物領域１８と、第２の不純物領域１８内に形成された第４の不純物領域２０とのｐｎ接合を含むダイオードとして形成されている。こうして、温度検出手段１４とＡＰＤ１３とは、互いにウェル分離されている。

例えば、第１の基板１１をＮ型半導体基板として電源電圧１［Ｖ］を印加する場合、温度検出手段１４において、アノードは０～１［Ｖ］のＰ型の第１の不純物領域１７、カソードは０［Ｖ］のＮ型の第３の不純物領域１９とすることができる。また、この場合、ＡＰＤ１３において、アノードは－数十［Ｖ］のＰ型の第２の不純物領域１８、カソードは０～１［Ｖ］のＮ型の第４の不純物領域２０とすることができる。

図５（ａ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第１の基板１１を示す平面図である。図５（ｂ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第２の基板１２を示す平面図である。図５（ａ）に示す第１の基板１１の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ図５（ｂ）に示す第２の基板１２の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと重なるように対応している。

図５（ａ）に示すように、ＡＰＤ１３は、第１の基板１１においてアレイ状に複数個配置されている。なお、ＡＰＤ１３は、第１の基板において１個だけ配置されていてもよいし、アレイ状のほか、ライン状に複数個配置されていてもよい。

図５（ｂ）に示すように、ＡＰＤ１３の信号を処理する信号処理回路１６は、第２の基板１２において、ＡＰＤ１３の平面位置と対応するように配置されてＡＰＤ１３と電気的に接続されている。信号処理回路１６は、各ＡＰＤ１３の出力をそれぞれ個別に処理するように構成されていている。また、信号処理回路１６は、ＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）のように複数のＡＰＤ１３の出力をまとめて１つの信号として処理するように構成されていてもよい。

温度検出手段１４及び温度値生成回路１５は、それぞれ第１の基板１１及び第２の基板１２の平面上で互いに電気的に接続しやすい近接した位置に配置されている。

図６は、本実施形態による光電変換装置１０１０における温度検出手段１４、温度値生成回路１５及び補償回路２３を示すブロック図である。本実施形態による光電変換装置１０１０は、補償回路２３を更に有している。温度検出手段１４、温度値生成回路１５及び補償回路２３の構成は、図６に示す構成に限定されるものではなく、種々の構成を採用することができる。

図６に示すように、温度値生成回路１５は、温度検出手段１４に電気的に接続されている。温度値生成回路１５は、電流源１５１、抵抗素子１５２及び増幅器１５３を有している。温度値生成回路１５は、補償回路２３に電気的に接続されている。補償回路２３は、アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）２３１、プロセッサ２３２、デジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）２３３及び増幅器２３４を有している。

電流源１５１は、温度検出手段１４であるダイオードに流す一定電流を供給する。抵抗素子１５２は、その一端及び他端が温度検出手段１４のアノード及びカソードに接続されている。増幅器１５３は、温度検出手段１４のアノード電圧とカソード電圧との電圧差に相当する抵抗素子１５２にかかる電圧Ｖｔｅｍｐを増幅して出力する。電圧Ｖｔｅｍｐは、ＡＰＤ１３が形成された第１の基板１１の温度に依存する温度依存性を有する。これにより、増幅器１５３は、電圧Ｖｔｅｍｐを増幅した電圧信号を、ＡＰＤ１３が形成された第１の基板１１の温度に相当する温度値信号として出力する。

補償回路２３には、温度値生成回路１５の増幅器１５３から温度値信号が入力される。補償回路２３は、温度値生成回路１５からの温度値信号に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償する補償手段である。ＡＤＣ２３１は、増幅器１５３からの温度値信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して出力する。プロセッサ２３２は、ＡＤＣ２３１によりデジタル信号に変換された温度値信号に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償するための信号を出力する。具体的には、プロセッサ２３２は、例えば、温度値信号に基づき、ＡＰＤ１３に印加される電源電圧ＶＬ又はＶＨに相当する電圧信号を出力することができる。電圧信号は、ＤＡＣ２３３によるデジタル信号からアナログ信号への変換及び増幅器２３４による増幅を経て、電源電圧ＶＬ又はＶＨとしてＡＰＤ１３に印加される。こうして、プロセッサ２３２は、温度値信号に基づきＡＰＤ１３に印加される電源電圧ＶＬ又はＶＨを制御することにより、ＡＰＤ１３の温度変化に対する増幅率の変化を補償して、ＡＰＤ１３の出力特性の変化を補償することができる。また、プロセッサ２３２は、例えば、温度値信号に基づき、温度に応じてＡＰＤ１３の光子検出頻度が変化したことによるＡＰＤ１３からの出力を補正する補正信号を出力することができる。これにより、プロセッサ２３２は、温度値信号に基づきＡＰＤ１３からの出力を補正して、ＡＰＤ１３の出力特性の変化を補償することもできる。

なお、補償回路２３は、温度値生成回路１５とともに第２の基板１２に形成されていてもよいし、第１の基板１１及び第２の基板１２とは異なる他の基板等の外部に形成されていてもよい。また、温度値生成回路１５、信号処理回路１６等の光電変換装置１０１０に含まれる回路を、補償回路２３としても機能するように構成することもできる。例えば、信号処理回路１６は、温度値信号に基づいて、ＡＰＤ１３で電荷を蓄積する蓄積時間を変更する、カウンタ回路２０４によるカウント数を間引く等の感度補正処理を行うことにより、補償回路２３として機能することができる。

上述した特許文献１に記載のデバイスでは、温度変化に応じてバイアス電圧を調整するため、ＡＰＤの温度に対応する値を取得する必要がある。すなわち、特許文献１に記載のデバイスでは、ＡＰＤ自体又はその周辺の温度を検出してその温度値に対応する値を出力する温度値生成回路が必要である。かかる温度値生成回路をＡＰＤが形成される基板であるＡＰＤ基板に配置する場合、ＡＰＤ基板に対して金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）用の製造プロセスを実施する必要があるため、工程数が増加することになる。また、この場合、ＡＰＤ基板に対してゲート酸化膜の形成プロセス等のＭＯＳＦＥＴ特有の熱処理プロセスを実施する必要があるため、本体ＡＰＤを形成するのに不要なプロセスを経る結果、ＡＰＤの特性を最適化することが困難となる可能性がある。

一方、本実施形態では、温度値生成回路１５が、ＡＰＤ１３が配置された第１の基板１１とは異なる第１の基板１１の外部である第２の基板１２に配置されているため、ＡＰＤ１３を含む第１の基板１１は、ＭＯＳＦＥＴを形成する工程を経る必要がない。したがって、ＡＰＤ１３と温度値生成回路１５とが同一基板に配置された場合と比較して、本実施形態による光電変換装置１０１０は、ＡＰＤ１３の特性に最適化された製造プロセスにより製造することができる。したがって、本実施形態によれば、ＡＰＤ１３の特性を容易に向上して最適化することができる。

このように、本実施形態によれば、ＡＰＤ１３の温度に対応する値を取得する光電変換装置１０１０において、ＡＰＤ１３の特性を容易に最適化することができる。

また、本実施形態では、温度検出手段１４がＡＰＤ１３と同一の第１の基板１１に配置されているため、両者が互いに異なる基板に配置された場合と比較して、ＡＰＤ１３の温度変化を高い精度で検出することができる。したがって、本実施形態によれば、ＡＰＤ１３の特性に対する温度補償の精度を向上することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光電変換装置について図７及び図８を用いて説明する。なお、上記第１実施形態による光電変換装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

本実施形態による光電変換装置は、温度検出手段１４が第１の基板１１に含まれず、第２の基板１２に含まれる点で第１実施形態と異なる。

図７は、本実施形態による光電変換装置１０１０の第１の基板１１及び第２の基板１２を含む構成を示す断面図である。図７に示すように、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、温度検出手段１４が、ＡＰＤ１３が配置された第１の基板１１とは異なる第２の基板１２に配置されている。

このように、本実施形態では、ＡＰＤ１３及び温度検出手段１４が、第１実施形態と異なり、互いに別の基板である第１の基板１１及び第２の基板１２にそれぞれ配置されている。このため、本実施形態において、温度検出手段１４は、ＭＯＳＦＥＴを含むためその形成を必要とするリングオシレーター等の出力特性に温度依存性を持つ回路であってもよいし、ＭＯＳＦＥＴの形成を必要としないダイオード等の温度依存素子であってもよい。温度検出手段１４がリングオシレーターである場合、例えば、温度値生成回路１５は、Ｖｔ１を入力端子電圧、Ｖｔ２を出力端子電圧としてモニタして発振周波数をカウントし、発振周波数のカウント値から温度値信号を生成する。

図８（ａ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第１の基板１１を示す平面図である。図８（ｂ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第２の基板１２を示す平面図である。図８（ａ）に示す第１の基板１１の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ図８（ｂ）に示す第２の基板１２の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと重なるように対応している。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、温度検出手段１４が、ＡＰＤ１３が形成された第１の基板１１ではなく第２の基板１２に形成されて配置されている。第２の基板１２に配置された温度検出手段１４は、同じく第２の基板１２に配置された温度値生成回路１５と第２の基板１２の内部で電気的に接続されている。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、ＡＰＤ１３を含む第１の基板１１がＭＯＳＦＥＴを形成する工程を経る必要がない。このため、本実施形態では、ＡＰＤ１３と温度値生成回路１５とが同一基板に配置された場合と比較して、ＡＰＤ１３の特性に最適化された製造プロセスにより光電変換装置１０１０を製造することができる。したがって、本実施形態によれば、ＡＰＤ１３の特性を容易に向上して最適化することができる。

さらに、本実施形態では、ＡＰＤ１３が形成された第１の基板１１には温度検出手段１４が形成されていない。このため、本実施形態によれば、第１実施形態と比較して第１の基板１１におけるＡＰＤ１３の専有面積を拡大することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光電変換装置について図９及び図１０を用いて説明する。なお、上記第１及び第２実施形態による光電変換装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

本実施形態による光電変換装置は、温度検出手段１４が第１の基板１１に加えて第２の基板１２にも配置されている点で第１実施形態と異なる。

図９は、本実施形態における光電変換装置１０１０の第１の基板１１及び第２の基板１２を含む構成を示す断面図である。図９に示すように、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、第１の基板１１に温度検出手段１４が形成されて配置されているとともに、第２の基板１２にも温度検出手段１４が形成されて配置されている。第１の基板１１に配置された温度検出手段１４は、第１の基板１１の温度を検出する。第２の基板１２に配置された温度検出手段１４は、第２の基板１２の温度を検出する。

なお、第１の基板１１に配置された温度検出手段１４及び第２の基板１２に形成された温度検出手段１４とは、互いに同じ素子又は回路であってもよいし、互いに異なる素子又は回路であってもよい。例えば、第１の基板１１に配置された温度検出手段１４及び第２の基板１２に形成された温度検出手段１４は、ともに同じダイオードであってもよいし、前者がダイオード、後者がリングオシレーターであってもよい。

第１の基板１１及び第２の基板１２の各基板に配置された温度検出手段１４は、各々独立した出力端子を有する。このため、本実施形態では、各基板に配置された温度検出手段１４により、第１の基板１１及び第２の基板１２の各基板の温度を個別に検出することができる。

例えば、第１の基板１１及び第２の基板１２の各基板に配置された温度検出手段１４は、ともにダイオードであってもよい。この場合、第１の基板１１の温度は、第１の基板１１の温度検出手段１４であるダイオードのアノード電圧Ｖｔ１とカソード電圧Ｖｔ２との電圧差の変化により検出される。また、第２の基板１２の温度は、第２の基板１２の温度検出手段１４であるダイオードのアノード電圧Ｖｔ３とカソード電圧Ｖｔ４との電圧差の変化により検出される。このため、Ｖｔ１とＶｔ２との電圧差及びＶｔ３とＶｔ４との電圧差は、各基板の温度に対応して互いに異なりうる。

温度値生成回路１５は、第１の基板１１に配置された温度検出手段１４からの出力を、第１の基板１１の温度に相当する温度情報を示す信号である温度値信号に変換して温度値信号を出力する。また、温度値生成回路１５は、第２の基板１２に配置された温度検出手段１４からの出力を、第２の基板１２の温度に相当する温度情報を示す信号である温度値信号に変換して温度値信号を出力する。補償回路２３には、第１の基板１１の温度に相当する温度値信号及び第２の基板１２の温度に相当する温度値信号がそれぞれ入力される。

図１０（ａ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第１の基板１１を示す平面図である。図１０（ｂ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第２の基板１２を示す平面図である。図１０（ａ）に示す第１の基板１１の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ図１０（ｂ）に示す第２の基板１２の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと重なるように対応している。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、温度検出手段１４が、第１の基板１１に加えて第２の基板１２にも形成されて配置されている。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、ＡＰＤ１３を含む第１の基板１１がＭＯＳＦＥＴを形成する工程を経る必要がない。このため、本実施形態では、ＡＰＤ１３と温度値生成回路１５とが同一基板に配置された場合と比較して、ＡＰＤ１３の特性に最適化された製造プロセスにより光電変換装置１０１０を製造することができる。したがって、本実施形態によれば、ＡＰＤ１３の特性を容易に向上して最適化することができる。

さらに、本実施形態では、第１の基板１１に加えて第２の基板１２の温度も各基板に配置された温度検出手段１４により同時に計測することができるため、第１の基板１１及び第２の基板１２の温度変化を互いに比較することができる。第１の基板１１と第２の基板１２とが積層された構成では、例えば、信号処理回路１６の消費電力の増大により、第２の基板１２の発熱が第１の基板１１の発熱より大きく、第２の基板１２の温度変化に追従して第１の基板１１が温度変化する場合がありうる。この場合、補償回路２３は、第２の基板１２の温度に相当する温度値信号に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償する。したがって、本実施形態によれば、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を迅速に補償することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による光電変換装置について図１１及び図１２を用いて説明する。なお、上記第１乃至第３実施形態による光電変換装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

本実施形態における光電変換装置は、互いに異なる半導体部品である第１の部品２１及び第２の部品２２を有する点で第１実施形態とは異なる。

図１１は、本実施形態による光電変換装置１０１０の第１の部品２１及び第２の部品２２を含む構成を示す断面図である。図１１に示すように、本実施形態による光電変換装置１０１０は、新たに定義された第１の部品２１及び第２の部品２２を有している。第１の部品２１は、第１の基板１１と第２の基板１２とを含む半導体チップである。第２の部品は、第１の部品２１とは異なる半導体部材である。

また、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、温度値生成回路１５が、第２の基板１２に含まれず、第１の基板１１の外部である第２の部品２２に形成されて配置されている。第２の部品２２に配置された温度値生成回路１５は、第１の基板１１に配置された温度検出手段１４と電気的に接続されている。

図１２（ａ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第１の基板１１及び第２の部品２２を示す平面図である。図１２（ｂ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第２の基板１２を示す平面図である。図１２（ａ）に示す第１の基板１１の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ図１２（ｂ）に示す第２の基板１２の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと重なるように対応している。

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、温度値生成回路１５が、第２の基板１２ではなく、第２の部品２２に形成されて配置されている。

本実施形態では、第１の基板１１の外部である第２の部品２２に温度値生成回路１５が配置されているため、第１実施形態と同様に、ＡＰＤ１３を含む第１の基板１１がＭＯＳＦＥＴを形成する工程を経る必要がない。このため、本実施形態では、ＡＰＤ１３と温度値生成回路１５とが同一基板に配置された場合と比較して、ＡＰＤ１３の特性に最適化された製造プロセスにより光電変換装置１０１０を製造することができる。したがって、本実施形態によれば、ＡＰＤ１３の特性を容易に向上して最適化することができる。

さらに、本実施形態では、温度値生成回路１５が第２の基板１２に配置されていないため、第２の基板１２に必要とする素子数を削減することができる。したがって、本実施形態によれば、第２の基板１２における余剰面積を他の用途に活用することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による光電変換装置について図１３及び図１４を用いて説明する。なお、上記第１乃至第４実施形態による光電変換装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

本実施形態における光電変換装置は、互いに異なる半導体チップである第１の部品２１及び第２の部品２２を有する点で第２実施形態とは異なる。

図１３は、本実施形態による光電変換装置１０１０の第１の部品２１及び第２の部品２２を含む構成を示す断面図である。図１３に示すように、本実施形態による光電変換装置１０１０は、新たに定義された第１の部品２１及び第２の部品２２を有している。第１の部品２１は、第１の基板１１と第２の基板１２とを含む半導体チップである。第２の部品２２は、第１の部品２１とは異なる半導体部材である。

また、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、温度値生成回路１５が、第２の基板１２に含まれず、第１の基板１１の外部である第２の部品２２に形成されて配置されている。第２の部品２２に配置された温度値生成回路１５は、第２の基板１２に配置された温度検出手段１４と電気的に接続されている。

図１４（ａ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第１の基板１１を示す平面図である。図１４（ｂ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第２の基板１２及び第２の部品２２を示す平面図である。図１４（ａ）に示す第１の基板１１の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ図１４（ｂ）に示す第２の基板１２の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと重なるように対応している。

図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、温度値生成回路１５が、第２の基板１２ではなく、第２の部品２２に形成されて配置されている。

本実施形態では、第１の基板１１の外部である第２の部品２２に温度値生成回路１５が配置されているため、第２実施形態と同様に、ＡＰＤ１３を含む第１の基板１１がＭＯＳＦＥＴを形成する工程を経る必要がない。このため、本実施形態では、ＡＰＤ１３と温度値生成回路１５とが同一基板に配置された場合と比較して、ＡＰＤ１３の特性に最適化された製造プロセスにより光電変換装置１０１０を製造することができる。したがって、本実施形態によれば、ＡＰＤ１３の特性を容易に向上して最適化することができる。

さらに、本実施形態では、温度値生成回路１５が第２の基板１２に配置されていないため、第２の基板１２に必要とする素子数を削減することができる。したがって、本実施形態によれば、第２の基板１２における余剰面積を他の用途に活用することができる。

［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による光電変換装置について図１５を用いて説明する。なお、上記第１乃至第５実施形態による光電変換装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

本実施形態による光電変換装置は、複数の温度検出手段１４及び複数の温度値生成回路１５を含む点で第１実施形態と異なる。

図１５（ａ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第１の基板１１を示す平面図である。図１５（ｂ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第２の基板１２を示す平面図である。図１５（ａ）に示す第１の基板１１の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ図１５（ｂ）に示す第２の基板１２の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと重なるように対応している。

図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、温度検出手段１４及び温度値生成回路１５が、それぞれ平面上の複数箇所に複数配置されている。すなわち、第１の基板１１には、複数の温度検出手段１４が形成されて配置されている。複数の温度検出手段１４は、第１の基板１１の平面上の異なる位置に分散されて配置されている。第２の基板１２には、複数の温度検出手段１４に対応して、複数の温度値生成回路１５が形成されて配置されている。各温度検出手段１４は、対応する温度値生成回路１５と電気的に接続されている。なお、温度値生成回路１５は、図１５（ｂ）に示すように、第２の基板１２の平面上の異なる位置に分散されて配置されていてもよいし、平面上の１か所に隣接して配置されていてもよい。

補償回路２３には、複数の温度値生成回路１５から温度値信号が入力される。これにより、補償回路２３には、複数の温度検出手段１４による複数の温度値信号、すなわち第１の基板１１の基板内温度分布を取得することができる。補償回路２３は、取得した第１の基板１１の基板内温度分布に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。

例えば、補償回路２３は、複数の温度検出手段１４による複数の温度値信号のうちの代表値、すなわち第１の基板１１の基板内温度分布における複数の温度の代表値に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。また、例えば、補償回路２３は、複数の温度検出手段１４による複数の温度値信号に示される複数の温度について平均等の演算を行った結果等に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。この際、補償回路２３は、第１の基板１１に形成されたＡＰＤ１３について、一括して温度補償を行うこともできるし、基板内温度分布における位置情報に応じて領域ごとに分けて温度補償を行うこともできる。

このように、本実施形態によれば、第１の基板１１の基板内温度分布に基づきＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができるので、詳細な温度補償を実現することができる。

［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による光電変換装置について図１６を用いて説明する。なお、上記第１乃至第６実施形態による光電変換装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

本実施形態による光電変換装置は、複数の温度検出手段１４及び複数の温度値生成回路１５を含む点で第２実施形態とは異なる。

図１６（ａ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第１の基板１１を示す平面図である。図１６（ｂ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第２の基板１２を示す平面図である。図１６（ａ）に示す第１の基板１１の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ図１６（ｂ）に示す第２の基板１２の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと重なるように対応している。

図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、本実施形態では、第２実施形態とは異なり、温度検出手段１４及び温度値生成回路１５が、それぞれ平面上の複数箇所に複数配置されている。すなわち、第２の基板１２には、複数の温度検出手段１４が形成されて配置されている。複数の温度検出手段１４は、第２の基板１２の平面上の異なる位置に分散されて配置されている。第２の基板１２には、複数の温度検出手段１４に対応して、複数の温度値生成回路１５が形成されて配置されている。各温度検出手段１４は、対応する温度値生成回路１５と電気的に接続されている。なお、温度値生成回路１５は、図１６（ｂ）に示すように、温度検出手段１４と同様に、第２の基板１２の平面上の異なる位置に分散されて配置されていてもよいし、平面上の１か所に隣接して配置されていてもよい。

補償回路２３には、複数の温度値生成回路１５から温度値信号が入力される。これにより、補償回路２３には、複数の温度検出手段１４による複数の温度値信号、すなわち第２の基板１２の基板内温度分布を取得することができる。補償回路２３は、取得した第２の基板１２の基板内温度分布に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。

例えば、補償回路２３は、複数の温度検出手段１４による複数の温度値信号のうちの代表値、すなわち第２の基板１２の基板内温度分布における複数の温度の代表値に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。また、例えば、補償回路２３は、複数の温度検出手段１４による複数の温度値信号に示される複数の温度について平均等の演算を行った結果等に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。この際、補償回路２３は、第１の基板１１に形成されたＡＰＤ１３について、一括して温度補償を行うこともできるし、基板内温度分布における位置情報に応じて領域ごとに分けて温度補償を行うこともできる。

このように、本実施形態によれば、第２の基板１２の基板内温度分布に基づきＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができるので、詳細な温度補償を実現することができる。

［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による光電変換装置について図１７を用いて説明する。なお、上記第１乃至第７実施形態による光電変換装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

本実施形態による光電変換装置は、複数の温度検出手段１４及び複数の温度値生成回路１５を含む点で第４実施形態と異なる。

図１７（ａ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第１の基板１１及び第２の部品２２を示す平面図である。図１７（ｂ）は、本実施形態による光電変換装置１０１０における第２の基板１２を示す平面図である。図１７（ａ）に示す第１の基板１１の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ図１７（ｂ）に示す第２の基板１２の頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと重なるように対応している。

図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に示すように、本実施形態では、第４実施形態とは異なり、温度検出手段１４及び温度値生成回路１５が、それぞれ平面上の複数箇所に複数配置されている。すなわち、第１の基板１１には、複数の温度検出手段１４が形成されて配置されている。複数の温度検出手段１４は、第１の基板１１の平面上の異なる位置に分散されて配置されている。第２の部品２２には、複数の温度検出手段１４に対応して、複数の温度値生成回路１５が形成されて配置されている。各温度検出手段１４は、対応する温度値生成回路１５と電気的に接続されている。なお、温度値生成回路１５は、図１７（ａ）に示すように、第２の部品２２の平面上の異なる位置に分散されて配置されていてもよいし、平面上の１か所に隣接して配置されていてもよい。

補償回路２３には、複数の温度値生成回路１５から温度値信号が入力される。これにより、補償回路２３には、第１の基板１１の基板内温度分布を取得することができる。補償回路２３は、取得した第１の基板１１の基板内温度分布に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。例えば、補償回路２３は、第１の基板１１の基板内温度分布における複数の温度の代表値、複数の温度について平均等の演算を行った結果等に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。この際、補償回路２３は、第１の基板１１に形成されたＡＰＤ１３について、一括して温度補償を行うこともできるし、基板内温度分布における位置情報に応じて領域ごとに分けて温度補償を行うこともできる。

補償回路２３には、複数の温度値生成回路１５から温度値信号が入力される。これにより、補償回路２３には、複数の温度検出手段１４による複数の温度値信号、すなわち第１の基板１１の基板内温度分布を取得することができる。補償回路２３は、取得した第１の基板１１の基板内温度分布に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。

例えば、補償回路２３は、複数の温度検出手段１４による複数の温度値信号のうちの代表値、すなわち第１の基板１１の基板内温度分布における複数の温度の代表値に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。また、例えば、補償回路２３は、複数の温度検出手段１４による複数の温度値信号に示される複数の温度について平均等の演算を行った結果等に基づき、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができる。この際、補償回路２３は、第１の基板１１に形成されたＡＰＤ１３について、一括して温度補償を行うこともできるし、基板内温度分布における位置情報に応じて領域ごとに分けて温度補償を行うこともできる。

このように、本実施形態によれば、第１の基板１１の基板内温度分布に基づきＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性の変化を補償することができるので、詳細な温度補償を実現することができる。

なお、本実施形態では、複数の温度検出手段１４及び複数の温度値生成回路１５を含む点で第４実施形態と異なる場合について説明したが、複数の温度検出手段１４及び複数の温度値生成回路１５を含む点で第５実施形態と異なるように構成することもできる。

［第９実施形態］
本発明の第９実施形態による温度補償方法に関して、図１８を用いて説明する。図１８は本実施形態における補償回路２３によるアバランシェフォトダイオードの電源電圧制御特性を示す。

図１８では横軸に温度値生成回路１５により算出される温度値である温度Ｔ、縦軸にＡＰＤ１３の電源電圧ＶＬを示す。温度値生成回路１５が示す温度Ｔが変化した際には電源電圧ＶＬを補償回路２３により制御することで、ＡＰＤ１３の温度変化に応じた出力特性を補償することができる。まず、温度補償の基準温度をＴｉ、ＡＰＤ１３の電源電圧ＶＬにおける理想の電源電圧値をＶｉとする。ここで、基準温度Ｔｉにおける理想の電源電圧値Ｖｉに対して、ＡＰＤ１３のブレイクダウン電圧値は個体毎にばらつきうる。このため、実際に電源電圧ＶＬに与える電圧値Ｖは理想の電源電圧値Ｖｉに対して、ブレイクダウン電圧のずれΔＶｂｄをオフセットとして考慮する必要がある。つまり基準温度Ｔｉにおける電源電圧ＶＬの値はＶｉ＋ΔＶｂｄで制御される。このとき、ブレイクダウン電圧の理想値に対する個体値のずれであるΔＶｂｄは個体により正の値、負の値、あるいは０の値も取りうる。

また、基準温度Ｔｉに対する温度変化をΔＴとしたとき、電源電圧ＶＬの単位温度あたりの補償量（補償値）をαとする。すなわち、ＡＰＤ１３の電源電圧ＶＬは、
ＶＬ＝α×ΔＴ＋Ｖｉ＋ΔＶｂｄ
で制御する。

このように制御を行うことで、ＡＰＤ１３のブレイクダウン電圧の個体ばらつき（ずれ）ΔＶｂｄを考慮しながら、電源電圧ＶＬの温度補償を実現することができる。このとき、個体ばらつきΔＶｂｄは複数のアバランシェフォトダイオードの個体ばらつきの平均も良いし、単一のアバランシェフォトダイオードに対する値でも良い。

また、この電源電圧制御を行う際、温度値生成回路１５により算出されている温度Ｔは温度検出手段１４の個体値を考慮した値でありうる。温度検出手段１４の個体値は、温度検出手段１４の出力としての、電圧値や電流値や発振周波数の個体毎の特性値である。例えば、温度検出手段１４がダイオードであった場合は、ダイオードに定電流を流した際の電圧値の個体毎のばらつきを考慮して温度値生成回路１５の温度算出過程に反映しても良い。このように温度検出手段１４の個体値を考慮することで、温度値信号をより正確に補償回路２３に伝えることができ、正確な電源電圧ＶＬの温度補償が可能になりうる。

［第１０実施形態］
本発明の第１０実施形態による温度補償方法に関して図１９を用いて説明する。上記第９実施形態による温度補償との違いは、温度Ｔの範囲によって電源電圧ＶＬの温度補償が異なることである。

図１９に示す第一温度Ｔ１と第二温度Ｔ２の間を第一温度範囲とする。また、第一温度範囲以外の温度範囲として、第二温度Ｔ２より高い温度を第二温度範囲とする。第一温度範囲における温度変化ΔＴについて、単位温度あたりの電源電圧補償量をα１とし、第二温度範囲における温度変化ΔＴについて、単位温度あたりの電源電圧補償量をα２とする。このとき、α２はα１よりも小さい。また、基準温度Ｔｉは第一温度範囲に含まれる。

第一温度範囲における電源電圧ＶＬはＶＬ＝α１×ΔＴ＋Ｖｉ＋ΔＶｂｄで表される。第二温度範囲における電源電圧ＶＬはＶＬ＝α２×ΔＴ＋Ｖ２で表すことができる。このときＶ２は第二温度Ｔ２のときの電源電圧ＶＬであり、Ｖ２＝α１×（Ｔ２－Ｔｉ）＋Ｖｉ＋ΔＶｂｄで表すことができる。

このように第一温度範囲より高温の第二温度範囲で単位温度あたりの電源電圧補償量を小さくすることで、高照度時にＡＰＤ１３および信号処理回路１６の駆動頻度が上がることで昇温した際のさらなる消費電力増加を抑制することができる。温度変化に伴う電源電圧ＶＬの温度補償を行う場合、温度上昇に対してＡＰＤ１３のＶＨとＶＬ間のバイアス電圧が上昇し、バイアス電圧の上昇がさらに消費電力増大に伴う温度上昇につながるため、高照度において正のフィードバックがかかり続けうる。消費電力や温度が上昇し続けると、デバイスの保証範囲を超えた動作により、デバイス破壊が引き起こされる懸念がある。本実施形態はこれを抑制することで、信頼性上優位に使用することができる。また、α２はα１より小さくてもよく、更には０の値であっても良い。

［第１１実施形態］
本発明の第１１実施形態による光検出システムについて図２０を用いて説明する。図２０は、本実施形態による光検出システムの構成例を示すブロック図である。

本実施形態では、図２０を参照しつつ、第１乃至第８実施形態による光電変換装置１０１０を用いた光検出システムの一例を説明する。図１乃至図１７と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、説明を省略又は簡略化する。

まず、図２０を参照して、光検出システムの一例である距離検出システムについて説明する。なお、本実施形態の画素１００は、図２のカウンタ回路２０４に代えてＴＤＣ２０９およびメモリ２１０を有する。

図２０は、距離検出システムのブロック図である。距離検出システムは、光源制御部１３０１、発光部１３０２、光学部材１３０３、光電変換装置１０１０及び距離算出部１３０９を有している。

光源制御部１３０１は発光部１３０２の駆動を制御する。発光部１３０２は、光源制御部１３０１からの信号に応じて、撮影方向に対して短パルス（列）の光を照射する発光装置である。

発光部１３０２から照射された光は、被写体１３０４において反射される。反射光は、レンズなどの光学部材１３０３を通して、光電変換装置１０１０の光電変換部２０１で受光される。光電変換部２０１は、入射光に基づく信号を出力し、当該信号は、インバータ回路である波形整形部２０３を介してＴＤＣ２０９に入力される。

ＴＤＣ２０９は、光源制御部１３０１から発光部１３０２からの光照射のタイミングを示す信号を取得する。ＴＤＣ２０９は、光源制御部１３０１から取得した信号と、波形整形部２０３から入力された信号とを比較する。これにより、ＴＤＣ２０９は、発光部１３０２がパルス光を発光してから被写体１３０４で反射された反射光を受光するまでの時間をデジタル信号として出力する。ＴＤＣ２０９から出力されたデジタル信号は、メモリ２１０に保持される。この処理は複数回繰り返し行われ、メモリ２１０が複数回分のデジタル信号を保持することができる。

距離算出部１３０９は、メモリ２１０に保持された複数のデジタル信号に基づいて、光電変換装置１０１０から被写体１３０４までの距離を算出する。この距離検出システムは例えば、車載用の距離検出装置に適用することができる。なお、距離算出部１３０９で行われる処理はデジタル信号の処理であることから、より一般的に信号処理手段と呼ばれることもある。

［第１２実施形態］
本発明の第１２実施形態による撮像システム及び移動体について図２１を用いて説明する。図２１（ａ）および図２１（ｂ）は、本実施形態による光検出システム１０００及び移動体の構成を示す図である。

図２１（ａ）は、車載カメラに関する光検出システム１０００の一例を示したブロック図である。光検出システム１０００は、第１実施形態に係る光電変換装置１０１０を有する。光検出システム１０００は、光電変換装置１０１０により取得された複数のデジタル信号に対し、画像処理を行う画像処理部１０３０を有する。更に、光検出システム１０００は、画像処理部１０３０により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部１０４０を有する。

また、光検出システム１０００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部１０５０と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部１０６０と、を有する。ここで、視差算出部１０４０及び距離計測部１０５０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。

衝突判定部１０６０はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよい。更に、これらの組合せによって実現されてもよい。

光検出システム１０００は車両情報取得装置１３１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光検出システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ１４１０と接続されている。

また、光検出システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置１４２０とも接続されている。例えば、衝突判定部１０６０の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ１４１０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１４２０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光検出システム１０００で撮像する。図２１（ｂ）に、車両前方（撮像範囲１５１０）を撮像する場合の光検出システム１０００を示す。車両情報取得装置１３１０は、所定の動作を行うように光検出システム１０００又は光電変換装置１０１０に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。車両はさらに距離情報に基づいて移動体である車両を制御する制御手段を備え得る。

上述の例では他の車両と衝突しない制御を説明したが、光検出システム１０００は、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、光検出システム１０００は、車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

本実施形態によれば、検出性能が向上された光電変換装置１０１０を用いることにより、より高性能な光検出システム及び移動体を提供することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１１ 第１の基板
１２ 第２の基板
１４ 温度検出手段
１５ 温度値生成回路
１６ 信号処理回路
１７ 第１の不純物領域
１８ 第２の不純物領域
１９ 第３の不純物領域
２０ 第４の不純物領域
２１ 第１の部品
２２ 第２の部品
２３ 補償回路
１０１０ 光電変換装置

Claims (29)

1. アバランシェフォトダイオードを含む第１の基板と、
   第２の基板と、を備え、前記第１の基板と前記第２の基板とは積層されており、
   前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方に配置され、温度に依存する出力特性を有する温度検出手段と、
   前記第１の基板の外部に配置され、前記温度検出手段の出力を、温度情報を示す信号である温度値信号に変換する温度値生成回路と
   を有することを特徴とする光電変換装置。
2. 前記温度値生成回路は、前記第２の基板に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
3. 前記第１の基板と前記第２の基板とを含む第１の部品と、
   前記第１の部品と電気的に接続され、前記第１の部品とは異なる第２の部品とを有し、
   前記温度値生成回路は、前記第２の部品に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
4. 前記温度検出手段は、前記第１の基板に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記温度検出手段は、前記第２の基板に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記温度検出手段は、前記第１の基板及び前記第２の基板に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記アバランシェフォトダイオードと前記温度検出手段とは、互いにウェル分離されている
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記第２の基板に配置され、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号を処理する信号処理回路を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記温度値信号は、５℃以下の温度精度を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 前記温度検出手段は、前記第１の基板又は前記第２の基板の平面上の異なる位置に複数配置されている
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
11. 前記温度値信号に基づき、前記アバランシェフォトダイオードの出力特性の変化を補償する補償手段を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
12. 前記温度検出手段は、前記第１の基板又は前記第２の基板の平面上の異なる位置に複数配置され、
    複数の前記温度検出手段の出力による複数の前記温度値信号に基づき、前記アバランシェフォトダイオードの出力特性の変化を補償する補償手段を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
13. 前記補償手段は、前記複数の温度検出手段の平面上の位置に対応した領域ごとに前記アバランシェフォトダイオードの出力特性の変化を補償する
    ことを特徴とする請求項１２記載の光電変換装置。
14. 前記補償手段は、前記複数の温度値信号のうちの代表値に基づき、前記アバランシェフォトダイオードの出力特性の変化を補償する
    ことを特徴とする請求項１２記載の光電変換装置。
15. 前記補償手段は、前記複数の温度値信号を演算した結果に基づき、前記アバランシェフォトダイオードの出力特性の変化を補償する
    ことを特徴とする請求項１２記載の光電変換装置。
16. 前記補償手段は、前記アバランシェフォトダイオードの電源電圧を制御することにより、前記アバランシェフォトダイオードの出力特性の変化を補償する
    ことを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
17. 前記補償手段は、前記アバランシェフォトダイオードの出力を補正することにより、前記アバランシェフォトダイオードの出力特性の変化を補償する
    ことを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
18. 前記温度検出手段は、ダイオードまたはリングオシレーターであり、
    前記温度値生成回路は、カウンタ回路、抵抗素子、増幅回路、またはＡＤ変換回路である
    ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
19. 前記温度値生成回路は、前記温度検出手段の個体値に合わせて補正した温度値信号を生成する
    ことを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
20. 前記温度検出手段の個体値は、前記温度検出手段の出力としての、電圧値や電流値や発振周波数の個体毎の特性値である
    ことを特徴とする請求項１９に記載の光電変換装置。
21. 前記補償手段は、前記アバランシェフォトダイオードの個体値を反映して、前記アバランシェフォトダイオードの出力特性の変化を補償する
    ことを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
22. 前記アバランシェフォトダイオードの個体値は、前記アバランシェフォトダイオードのブレイクダウン電圧値である
    ことを特徴とする請求項２１記載の光電変換装置。
23. 前記補償手段は、前記アバランシェフォトダイオードのブレイクダウン電圧の個体値に合わせて前記アバランシェフォトダイオードの電源電圧を補正して制御する
    ことを特徴とする請求項１６記載の光電変換装置。
24. 前記アバランシェフォトダイオードの電源電圧値をＶ、前記温度値信号で表される温度値の変化をΔＴ、前記アバランシェフォトダイオードの電源電圧の単位温度あたりの補償値をα、基準とする温度における理想の前記電源電圧値をＶｉ、前記ブレイクダウン電圧の理想値に対する個体値のずれをΔＶｂｄとすると、
    Ｖ＝α１×ΔＴ＋Ｖｉ＋ΔＶｂｄ
    で表される式に基づく前記補償手段による前記アバランシェフォトダイオードの電源電圧の制御を特徴とする請求項２３記載の光電変換装置。
25. 前記補償手段は、前記温度値信号の第一の温度範囲における単位温度あたりの補償値に対して第一の温度範囲以外の温度における単位温度あたりの補償値が異なる
    ことを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
26. 前記第一の温度範囲の前記補償値に対して、前記第一の温度範囲より高温である第二の温度範囲の前記補償値が小さい
    ことを特徴とする請求項２５記載の光電変換装置。
27. 前記第一の温度範囲より高温である第二の温度範囲において補償を行わない
    ことを特徴とする請求項２５記載の光電変換装置。
28. 請求項１乃至２７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部と
    を有することを特徴とする光検出システム。
29. 移動体であって、
    請求項１乃至２７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。

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