光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法

摘要

光电传感器具备：APD(1001)，具有包括光电转换部的倍增区域(1002)、以及与倍增区域(1002)并联连接的第1电容器(1003)；以及第1晶体管(1201)，连接在APD(1001)与第1电源(电压VC)之间，第1晶体管(1201)，在偏置电压设定期间，通过对APD(1001)与第1电源进行连接，从而将比击穿电压VBD大的电源电压(VC‑VA)，以反向偏置的方式施加到APD(1001)的阳极与阴极之间，在曝光期间，通过使APD(1001)与第1电源的连接断开，从而使由雪崩倍增现象产生的电荷蓄积到第1电容器(1003)，据此，使雪崩倍增现象停止。

说明书

技术领域

本公开涉及光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法，尤其涉及对微弱的光进行快速检测的光电传感器。

背景技术

近些年在医疗、通信、生物、化学、监视、车载、放射线检测等各种领域中采用了高灵敏度的光电传感器。作为实现高灵敏度的方法之一，采用了雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode；以下也称为APD)。APD是通过对光电转换所产生的信号电荷利用雪崩击穿来进行倍增，从而提高光的检测灵敏度的光电二极管。到目前为止提出了通过利用APD，即使是微量的光子也能够检测的光子计数型的光检测器(专利文献1)以及高灵敏度图像传感器(专利文献2)。

APD的工作模式根据被施加到APD的电压，而有不同的两个工作模式，一个被称为线性模式，另一个被称为盖革模式。线性模式是被施加到APD的电压比较低的情况下的工作模式，由于在用于传导的电子和空穴中，仅是其中的一方的雪崩倍增为优势，因此在被雪崩倍增的电荷完全穿过倍增区域之前的时间内，雪崩倍增就会结束，这样会停止在有限的倍增率，倍增率最高也只不过是100倍左右(专利文献2)。在这种情况下，不能适用于以高S/N(信噪比)对微弱光进行检测的用途。

另外，盖革模式是被施加到APD的电压比较高的情况下的工作模式，由于电子和空穴这双方的电荷被雪崩倍增，因此，由雪崩倍增而产生的电荷会进一步反复倍增，这样，倍增率成为无限大。以下在本说明书中，将线性模式与盖革模式切换时的工作电压称为击穿电压。在盖革模式中，由于电荷的倍增率非常高，因此即使是1光子的微弱光也能够以高S/N来检测，但是由于1个电荷倍增为无限大，而产生大电流，这样会有元件被损坏的可能性。

在专利文献1中，提出了即使在盖革模式时也不会损坏元件的器件构成。通过这些技术，由于流入到与APD串联连接的电阻器的电流，而产生电压下降，由于被施加到APD的倍增区域的电压降低，因此雪崩倍增停止，从而能够防止元件的损坏。但是，在这种构成中，为了防止大电流，需要使与APD连接的电阻器的值增大。然而，若增大电阻器的值，则直到对APD的电压进行复位的时间就会增长，即产生折衷的关系，这样不适于要求快速性的用途，即不适于要求复位与复位之间的反复周期的用途。并且，为了满足这种折衷，需要对电阻器的值进行控制的特殊的过程。并且，仅针对电阻器进行细分化是困难的。

在专利文献2、专利文献3中，提出了将APD配置成阵列状的器件构成。但是在专利文献2、专利文献3中没有记载使盖革模式的雪崩倍增停止的方法，也没有记载将以盖革模式产生的电荷保留在像素内的方法，而限定在线性模式。

在专利文献2、专利文献4中提出了将APD配置成多个阵列状，作为图像传感器来利用的电路构成。然而，在专利文献2、专利文献4中没有示出使盖革模式的倍增停止的方法，也没有示出能够适用的器件构成。

(现有技术文献)

(专利文献)

专利文献1国际公开第2008/004547号

专利文献2国际公开第2014/097519号

专利文献3日本特开2015-5752号公报

专利文献4国际公开第2017/098710号

发明内容

鉴于上述背景，本公开的目的在于提供一种以高S/N且快速地对微弱光进行检测的光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法。

为了达成上述目的，本公开的一个形态所涉及的光电传感器具备：雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管具有光电转换部、以及与所述光电转换部并联连接的第1电容器；以及第1复位晶体管，连接在所述雪崩光电二极管与第1电源之间，所述第1复位晶体管，在偏置电压设定期间，通过对所述雪崩光电二极管与所述第1电源进行连接，从而将比所述雪崩光电二极管的击穿电压大的电源电压，以反向偏置的方式施加到所述雪崩光电二极管的阳极与阴极之间，在曝光期间，通过将所述雪崩光电二极管与所述第1电源的连接断开，从而使所述雪崩光电二极管中的雪崩倍增现象所产生的电荷蓄积到所述第1电容器，据此，使所述雪崩倍增现象停止。

为了达成上述目的，本公开的一个形态所涉及的图像传感器具备被排列配置成阵列状的上述光电传感器。

为了达成上述目的，在本公开的一个形态所涉及的光电传感器的驱动方法中，所述光电传感器具备雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管具有光电转换部、以及与所述光电转换部并联连接的第1电容器，在偏置电压设定期间，通过对所述雪崩光电二极管与第1电源进行连接，从而将比所述雪崩光电二极管的击穿电压大的电源电压，以反向偏置的方式施加到所述雪崩光电二极管的阳极与阴极之间，在曝光期间，通过使所述雪崩光电二极管与所述第1电源的连接断开，从而使所述雪崩光电二极管中的雪崩倍增现象所产生的电荷蓄积到所述第1电容器，据此，使所述雪崩倍增现象停止。

通过本公开，提供一种对微弱光以高S/N(信噪比)且快速地进行检测的光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法。

附图说明

图1是示出实施方式所涉及的光电传感器的驱动方法的一个例子的流程图。

图2示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的一个例子。

图3是用于说明图2的APD的倍增区域中的电子以及空穴的状态的图。

图4示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图5是示出图4所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图6示出了构成实施方式所涉及的光电传感器的APD的器件构成的一个例子。

图7示出了构成实施方式所涉及的光电传感器的APD的器件构成的另一个例子。

图8示出了构成实施方式所涉及的光电传感器的APD的器件构成的另一个例子。

图9示出了构成实施方式所涉及的光电传感器的APD的器件构成的另一个例子。

图10示出了构成实施方式所涉及的光电传感器的APD的器件构成的另一个例子。

图11示出了将实施方式所涉及的APD配置成阵列状而构成的图像传感器的器件构成的一个例子。

图12示出了包括构成实施方式所涉及的光电传感器的APD、第1晶体管、以及读出电路的器件构成的一个例子。

图13示出了包括构成实施方式所涉及的光电传感器的APD、第1晶体管、以及读出电路的器件构成的另一个例子。

图14示出了将图13所示的APD以及读出电路配置成多个而构成的图像传感器的器件构成的一个例子。

图15示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图16示出了实施方式的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图17示出了实施方式的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图18是示出图15至图17所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图19示出了构成图15至图18所示的光电传感器的APD的器件构成的一个例子。

图20示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图21是示出图20所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图22是示出图20所示的光电传感器的驱动方法的另一个例子的时间图。

图23示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图24是示出图23所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图25是示出图23所示的光电传感器的驱动方法的另一个例子的时间图。

图26示出了图23所示的光电传感器的器件构成的一个例子。

图27示出了图23所示的光电传感器的器件构成的另一个例子。

图28示出了图23所示的光电传感器的器件构成的另一个例子。

图29示出了利用由实施方式所涉及的光电传感器构成的图像传感器拍摄的图像的例子。

图30示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图31是示出图30所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图32示出了利用图30以及图31所示的光电传感器，将光子的检测次数作为直方图来评价的结果。

图33示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图34是示出图33所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图35是示出图33所示的光电传感器的驱动方法的另一个例子的时间图。

图36示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图37是示出图36所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图38示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图39是示出图38所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图40示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图41是示出图40所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图42是示出将图40所示的光电传感器配置成阵列状而构成的图像传感器的一个例子的电路图。

图43示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图44是示出图43所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图45示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。

图46是示出图45所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。

图47是示出利用了实施方式所涉及的光电传感器的图像传感器的构成的一个例子的电路图。

图48是示出利用了实施方式所涉及的光电传感器或者图像传感器的距离测定系统的一个例子的方框图。

具体实施方式

以下参照附图，对本公开所涉及的光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法的实施方式进行具体说明。对于实质上相同的构成赋予相同的编号，并有省略说明的情况。本公开并非受以下的实施方式所限。并且，能够对本公开的多个实施方式进行组合。并且，本公开在以下的实施方式中，并不排除P型与N型反转的结构。

首先，参照图1至图3，对实施方式所涉及的光电传感器的电路构成、驱动方法、以及盖革模式下的光电传感器的工作进行说明。图1是示出本实施方式中的光电传感器的驱动方法的一个例子的流程图。在本实施方式中，针对将电压施加到构成光电传感器的APD的倍增区域的偏置电压设定期间(S10)、与对入射到APD的光进行检测的曝光期间(S11)，反复交替规定次数。在此之后，读出信号(S12)。

图2示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的一个例子。如图2所示，在本实施方式的电路构成中，光电传感器由串联连接APD1001和开关1004构成。APD1001具有包括光电转换部的倍增区域1002、以及与倍增区域1002并联连接的第1电容器1003。APD1001的阳极被设定为基准电源的电位即电压VA。在偏置电压设定期间，开关1004接通，APD1001的阴极被设定第1电源(未图示)的电压即电压VC，在倍增区域1002的两端，以反向偏置的方式被施加大小为VC-VA的电源电压。以下在本说明书中，将通过接通开关1004，以反向偏置的方式将电压施加到APD1001的工作定义为“复位”。在曝光期间，通过将开关1004断开，从而使第1电源与APD1001断开，使APD1001的电位不固定。通过将VC-VA的大小的电压设定为比击穿电压VBD大，从而能够使APD1001以盖革模式来工作。以下在本说明书中，将以反向偏置的方式施加到APD1001的电压(VC-VA)与击穿电压VBD的差，定义为过电压Vov(＝VC-VA-VBD)。在盖革模式中，由于倍增率为无限大，因此能够得到高的S/N(信噪比)的信号。在图2中，在曝光期间中，APD1001的阴极侧被构成为与第1电源(电压VC)断开，阳极侧可以被构成为与基准电源(电压VA)断开，阳极侧以及阴极侧这双方都可以被构成为断开。

通过本实施方式所涉及的光电传感器的驱动方法，即使在盖革模式下，也能够防止大电流的流入，从而能够防止元件的损坏。电子、空穴的碰撞电离率分别由以下的式(1)、(2)来描述。

[数式1]

在此，α是电子的碰撞电离率，α

[数式2]

在此，ΔV是被施加到倍增区域1002的两端的电压的变化量，Q是由雪崩倍增而产生的电荷量，C是第1电容器1003的电容值。在将倍增区域1002中的电子的速度设为ve，将耗尽层中的空穴的速度设为vh时，平均而言，电子在时间t0e＝ve·α上发生一次碰撞离化，空穴在时间t0h＝vh·β上发生一次碰撞离化。并且，在将倍增区域1002的宽度设为W时，电子在时间t1e＝W/ve之间通过倍增区域1002，空穴在时间t1h＝W/vh之间通过倍增区域1002。通过倍增区域1002的电子被蓄积在第1电容器1003，通过倍增区域1002的空穴被排出到VA电源。将上述的关系进行模型化，则成为以下的微分方程，即式(4)、式(5)、式(6)、式(7)。

[数式3]

在此，t是时刻，Ned是倍增区域1002内的电子数，Nhd是倍增区域1002内的空穴数，Nec是通过倍增区域1002，被蓄积在第1电容器1003的电子数。

在此，参照图3，对上述的微分方程式(式(4)至(7))的解析结果进行说明。图3是用于说明图2的APD1001的倍增区域1002中的电子以及空穴的状态的图。在计算中，假设理想的PIN结的APD，电场强度在倍增区域1002内稳定。用于计算的参数如以下所示。即，倍增区域1002的宽度W＝0.5μm、击穿电压VBD＝18.9V、电容值C＝6fF、施加到倍增区域1002的初期电压VC-VA＝20V、过电压Vov＝1.1V、电子与空穴的速度为饱和速度、在倍增区域1002产生的电子数为1、产生电子的时刻t＝0等。图3的(a)示出了电子的碰撞电离率α、以及空穴的碰撞电离率β的时间变化，图3的(b)示出了Ned、Nhd、Nec的时间变化、图3的(c)示出了施加到电子的倍增区域1002的反向偏置电压VC-VA的时间变化。如图3的(a)所示，在t＝0s时，α以及β的值大，如图3的(b)所示，由于雪崩倍增，倍增区域1002内的电子数Ncd与空穴数Nhd、以及蓄积在第1电容器1003的电子数Nec随着时间增加。随着Ned、Nhd、Nec的增加，依照式(7)，如图3的(c)所示，VC-VA降低，由于VC-VA降低，因此如图3的(a)所示，α、β降低。由于α、β降低，因此不容易发生碰撞离化，如图3的(b)所示，倍增区域1002内的电子数Ncd和空穴数Nhd减少。从雪崩倍增开始大约200ps后，倍增区域内的电子以及空穴消失，雪崩倍增停止。此时，如图3的(c)所示，VC-VA为17.9V，电压振幅为2.1V。该电压振幅2.1V是过电压Vov＝1.1V与过冲1.0V的和，与过电压有依存关系。尤其是在过电压小时，过冲成分也小，电压振幅几乎与过电压一致。因此，在由多个APD的阵列构成的图像传感器中，对相邻的APD间进行隔离的势垒、以及对APD与其他的元件进行隔离的势垒优选为在过电压以上。此时由于产生的电子数大约80000个，产生期间大约100ps，因此换算成电流值则为非常小的0.1mA左右，这样不会导致元件的损坏。这样，通过利用本实施方式所涉及的光电传感器，从而在APD1001的倍增区域1002产生的电荷被蓄积到第1电容器1003，通过自身的调整，来使雪崩倍增停止。以下在本说明书中，将第1电容器1003进行的自我调整的雪崩倍增的停止机构称为“电容淬灭(capacitive quenching)”。通过电容淬灭，从而元件不会损坏，这样能够从1个的光子中得到几伏特的大振幅的信号，以高S/N来检测光子。

在专利文献1、专利文献3中提出的机构是，通过流入到与APD串联连接的电阻器的电流，引起电压下降，从而使施加到APD的倍增区域电压降低，来使雪崩倍增停止。然而，在这种构成中，为了防止大电流，则需要使与APD连接的电阻器的值增大。但是，若使电阻器的值增大，到对APD的电压进行复位的时间就会增长，由于出现这种折衷的关系，因此不适于要求快速性的用途。

另外，通过本实施方式所示的电容淬灭，即使产生雪崩倍增，也会因蓄积在电容器中的电荷而引起电压下降，这样，由于在流入大电流之前，雪崩倍增就会停止，因此不必担心大电流的流入。并且，在对APD1001进行复位时，通过使开关1004接通，从而第1电源(电压VC)与APD1001以低电阻连接，因此，能够在短时间内完成复位。这样，通过利用本实施方式提供的电容淬灭的驱动方法，从而能够解消以往的专利文献中的课题，即能够解消大电流与复位延迟的折衷。

在电容淬灭中，先将电荷蓄积到第1电容器1003，然后将蓄积的电荷作为信号来读出。因此，采用了电容淬灭的APD1001能够组装到CMOS传感器的像素电路。通过将APD1001组装到CMOS传感器的像素电路，从而能够将由蓄积在第1电容器1003的电荷产生的信号，在像素电路进行放大并输出，这样，能够降低施加到APD1001的反向偏置电压，不对电荷进行雪崩倍增而输出，通过添加这种正常模式的驱动方法，从而能够以高的S/N来输出与入射光量对应的模拟信号。即，在入射光量少的情况下，利用盖革模式下的电容淬灭，在入射光量比较多的情况下，利用正常模式，这样能够实现大的动态范围。

接着，参照图4以及图5，对本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成以及驱动方法进行说明。

图4示出了本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。在图2所示的光电传感器中，第1电容器1003由APD1001自身的电容(APD电容1101)构成，开关1004由第1晶体管1201实现，第1晶体管1201是被连接在APD1001与第1电源(电压VC)之间的第1复位晶体管的一个例子。APD电容1101是倍增区域1002的结电容以及APD1001的寄生电容等。在这种情况下，第1晶体管1201的栅极与RST端子连接，通过RST端子的电压，从而控制第1晶体管1201的导通与截止。图4所示的电路是作为第1晶体管1201而采用了N型晶体管的情况。第1晶体管1201在RST端子的电压高时导通，在RST端子的电压低时截止。以下在本说明书中，将使晶体管导通的栅极电压定义为高偏置电压，将使晶体管截止的栅极电压定义为低偏置电压。典型的，高偏置电压为晶体管的栅极阈值电压Vth以上，低偏置电压为晶体管的栅极阈值电压Vth以下。并且，图4所示的光电传感器具备读出电路1005，读出APD1001的阴极侧的电压Vout。读出电路1005可以仅由布线构成，也可以采用源跟随电路、或逆变器电路等。并且，由于APD1001的电压振幅成为过电压Vov以上，因此，希望读出电路1005以及晶体管的耐压也在过电压Vov以上。并且，第1电容器1003中可以包括读出电路100的输入电容。

图5是示出图4所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。在此示出了图4中的RST端子的偏置电压(图中的“RST”)、以及APD1001的阴极侧的电压Vout。在偏置电压设定期间，由于RST端子的电压被设定为高偏置电压，因此图4的第1晶体管1201导通，在APD1001的两端设定VC-VA的电压。在曝光期间，由于RST端子的电压被设定为低偏置电压，因此第1晶体管1201截止，APD1001与第1电源(电压VC)断开。图5中的H、L的记号分别表示高偏置电压、低偏置电压，在以后的图中也是同样。在曝光期间，当光子(图中的hν)入射到APD1001时，通过由光电转换产生的电荷、以及由雪崩倍增产生的电荷，从而APD1001的阴极侧的电压发生变化。如上文所述，通过电容淬灭，APD1001的阴极侧的电压Vout的变化为过电压左右。虽然在图5中没有明确示出，Vout端子的高偏置电压与低偏置电压的电压差为过电压左右。据此，仅通过1个光子的信号，就能够检测几百mV至几伏特的大振幅的信号，因此能够以高的S/N来计数入射到APD1001的光子数。

接着，参照图6至图13，对构成本实施方式所涉及的光电传感器的APD1001的器件构成进行说明。另外，在图6的(a)至图13的(a)中，为了明确示出平面视图中的本实施方式所涉及的光电传感器的配置，作为一部分的透视图，省略了一部分的布线层。另外，在本说明书中，“平面视图”是指，从光电转换部的受光面的法线方向看到的光电传感器。并且，在以下的本说明书中，“上”、“浅”是指截面图中的半导体衬底2001的表面侧，“下”、“深”是指截面图中的半导体衬底2001的背面侧。并且，本说明书中的电压的值，以接地作为基准来记载。

图6示出了本构成实施方式所涉及的光电传感器的APD1001的器件构成的一个例子。图6的(a)是APD1001的平面图，图6的(b)是图6的(a)的X-X’中的截面图，图6的(c)示出了图6的(b)中的A-A’截面上的电势。APD1001如图6的(b)所示，具备半导体衬底2001以及布线层2002。半导体衬底2001具有第1主面S1以及第2主面S2。在半导体衬底2001内形成有：具有第1导电型的第1半导体层2101；具有第2导电型的第2半导体层2102，该第2导电型与第1导电型的极性相反；具有第1导电型或第2导电型的第3半导体层2103，该第3半导体层2103被配置在第1半导体层2101与第2半导体层2102之间；以及具有第2导电型的第4半导体层2104，该第4半导体层2104被配置在，第1半导体层2101的平面视图中除配置了第3半导体层2103的区域以外的周边区域。并且，在布线层2002内形成有与第1半导体层2101连接的第1电极2301。在第2半导体层2102连接有第2电极2302。由第1半导体层2101的一部分、第2半导体层2102的一部分、以及第3半导体层2103形成了光电转换部2201。在将第1导电型设为N型、将第2导电型设为P型的情况下，在偏置电压设定期间，经由第1电极2301，使与第1半导体层2101连接的开关1004(图6中未图示)接通，第1半导体层2101被设定电压VC，第2半导体层2102被设定电压VA，在第1半导体层2101的一部分、第2半导体层2102的一部分、以及第3半导体层2103产生电场，形成由于光子(图6的(b)中的hν)的入射，而使被光电转换的电子以及空穴雪崩倍增的倍增区域2202。在图6中，光电转换部2201与倍增区域2202为相同的区域。如图6的(c)所示，倍增区域2202由第4半导体层2104的电势，而与其他的元件电隔离。尤其是在盖革模式中所具有的特点是，由于从一个光子就能够产生过电压左右的电压振幅，为了不会发生电荷向器件内相邻的光电传感器的漏出，从而势垒Vsepa比过电压Vov大。

另外，在图6中虽然将第1导电型设为N型、第2导电型设为P型，也可以是相反的构成。并且，在图6中虽然第1半导体层2101与第4半导体层2104的深度(即厚度)相同，不过第1半导体层2101与第4半导体层2104的深度(即厚度)的关系并非受相同所限。

如专利文献1、3所示，在通过流入到与APD串联连接的电阻器的电流而引起电压下降的构成中，由于是通过流入到APD外部的电阻元件的电荷量，来对产生的电荷量进行控制，因此APD内部的元件隔离用的势垒则不容易成为课题。对此，在本实施方式所涉及的光电传感器的驱动方法中，由于在APD1001内的结电容中蓄积由雪崩倍增产生的电荷，因此接合部的势垒相对于由雪崩倍增产生的电压振幅需要充分大。关于这一点，本实施方式与专利文献1、3明显不同。

专利文献4虽然是将雪崩倍增的电荷蓄积到与APD连接的电容器的构成，但是并没有涉及到本实施方式所记载的在盖革模式下利用电容淬灭，来对光子进行检测所需要的电路构成、器件构成、以及驱动方法，将专利文献4的发明作为盖革模式下的光电传感器的驱动方法来利用是困难的。关于这一点，本实施方式与专利文献4明显不同。

接着，参照图7，对本构成实施方式所涉及的光电传感器的APD1001的器件构成的另一个例子进行说明。图7的(a)是APD1001的平面图，图7的(b)是图7的(a)的X-X’中的截面图，图7的(c)示出了图7的(b)中的A-A’截面的电势。针对图6的构成，进一步具备第2导电型的第5半导体层2105，倍增区域2202与光电转换部2201层叠。在这种情况下，由于产生高电场的倍增区域2202被限定在半导体衬底2001的浅区域，因此具有能够降低击穿电压VBD的优点。

接着，参照图8，对本构成实施方式所涉及的光电传感器的APD1001的器件构成的另一个例子进行说明。图8的(a)是APD1001的平面图，图8的(b)是图8的(a)的X-X’中的截面图，图8的(c)示出了图8的(b)中的A-A’截面的电势。在图8中，除了具备图7的构成以外，在第4半导体层2104的平面视图的周边具备第2导电型的第6半导体层2106。并且，第2电极2302被形成在布线层2002内，与第6半导体层2106连接。经由第2电极2302和第6半导体层2106，第2半导体层2102、第3半导体层2103、第4半导体层2104、以及第5半导体层2105被设定为电压VA。据此，相邻的光电传感器之间的势垒增大，从而能够进一步减少电荷的漏出。并且，在图8中虽然是第1半导体层2101、第4半导体层2104、第6半导体层2106的深度(即厚度)相同，关于第1半导体层2101、第4半导体层2104、以及第6半导体层2106的深度(即厚度)的关系并非受相同所限。

接着，参照图9，对本构成实施方式所涉及的光电传感器的APD1001的器件构成的另一个例子进行说明。图9的(a)是APD1001的平面图，图9的(b)是图9的(a)的X-X’中的截面图，图9的(c)示出了图9的(b)中的A-A’截面的电势。在图9的器件构成中，除了具备图7的构成，还具备第7半导体层2107，该第7半导体层2107是第4半导体层2104的平面视图中的周边的绝缘体层。据此，能够使相邻的光电传感器之间的势垒增大，减少电荷的漏出。并且，在图9中虽然示出了第1半导体层2101、第4半导体层2104、以及第7半导体层2107的深度(即厚度)相同，关于第1半导体层2101、第4半导体层2104、第7半导体层2107的深度(即厚度)的关系并非受相同所限。尤其是，通过使第7半导体层2107比第1半导体层2101和第4半导体层2104的深度(即厚度)大，从而能够增大隔离势垒。

接着，参照图10，对本构成实施方式所涉及的光电传感器的APD1001的器件构成的另一个例子进行说明。图10的(a)是APD1001的平面图，图10的(b)是图10的(a)的X-X’中的截面图，图10的(c)示出了图10的(b)中的A-A’截面的电势。在图10的器件构成中，除了图9的构成以外，还在第7半导体层2107内具备反射板2108。据此，能够防止相邻的光电传感器间的光学的串扰，减少混合色。尤其是在雪崩倍增时，在电荷彼此间的散射时会有产生光子的情况，因此会经由产生的光子而影响到周边的像素，但是由于具备反射板2108，则能够防止这种情况。

另外，图8至图10的器件构成虽然是基于图7的构成，不过也可以是基于图6的构成，相邻的光电传感器之间只要能够由过电压Vov以上的电势隔离即可。

接着，参照图11对本实施方式所涉及的将APD1001排列成阵列状而构成的图像传感器的器件构成的一个例子进行说明。图11的(a)是图像传感器的平面图，图11的(b)是图11的(a)的X-X’中的截面图，图11的(c)示出了图11的(b)中的A-A’截面的电势。在图11所示的构成中，将图7的APD1001排列成多个阵列状，通过第4半导体层2104，在相邻的APD之间，第1半导体层2101隔离。尤其是第4半导体层2104成为完全耗尽化。在这种情况下，势垒Vsepa能够通过第1半导体层2101的杂质浓度、第4半导体层2104的杂质浓度、第4半导体层2104的区域宽度来进行控制，势垒Vsepa成为比过电压Vov大。通过使第4半导体层2104完全耗尽化，从而能够减弱第1半导体层2101与第4半导体层2104之间的横方向的电场，横方向上的击穿不容易发生。据此，能够以短的间隔将倍增区域2202排列成阵列状，这样有利于微细化。

接着，参照图12对包括构成本实施方式所涉及的光电传感器的APD1001、第1晶体管1201、以及读出电路1005的器件构成的一个例子进行说明。图12的(a)是APD1001、第1晶体管1201、读出电路1005的平面图，图12的(b)是图12的(a)的X-X’中的截面图，图12的(c)示出了图12的(b)中的A-A’截面的电势。图12的器件构成中除了图9的构成以外，还具备：与第1晶体管1201的栅极连接的第3电极2303，通过电压对第1晶体管1201的导通与截止进行切换；与第1晶体管1201的漏极连接的第4电极2304，用于将第1晶体管1201的漏极固定为电压VC；经由第1电极2301与APD1001连接的第5电极2305，用于读出APD1001的阴极电压，以及第1阱2401，是用于复位用的第1晶体管1201的阱区。在图12中，读出电路1005是第5电极2305，用于将APD1001产生的电荷或者电压变动直接读出。在这种情况下，如图12的(c)所示，第1半导体层2101与第1阱2401由第4半导体层2104隔离。优选为第4半导体层2104成为完全耗尽化，隔离的势垒是Vsepa。势垒Vsepa需要比过电压Vov大。据此，APD1001与第1阱2401隔离，在APD1001由雪崩倍增产生的电荷经由第1阱2401流出到读出电路1005得到抑制。在图12中虽然相邻的第1半导体层2101彼此间的隔离势垒、和第1半导体层2101与第1阱2401之间的隔离势垒的记载相同，不过也可以不相同。并且，势垒的大小在第4半导体层2104内，可以通过位置的不同而变化。在此，希望第1阱2401的耐压比倍增区域2202的耐压高。据此，在第1阱2401能够防止因雪崩击穿或齐纳击穿等产生的过剩的电流的流动，从而能够固定第1晶体管1201以及读出电路1005的电位，这样可以不依存于衬底背面的电压，而保持读出电路1005的特性。

接着，参照图13对包括构成本实施方式所涉及的光电传感器的APD1001、第1晶体管1201、以及读出电路1005的器件构成的另一个例子进行说明。图13的(a)是APD1001、第1晶体管1201、读出电路1005的平面图，图13的(b)是图13的(a)的X-X’中的截面图，图13的(c)示出了图13的(b)中的A-A’截面的电势。在图13中，图12的构成中的第1阱2401由第2导电型的第2阱2402、第1导电型的第3阱2403构成，第1晶体管1201的导电型为第1导电型。在这种情况下，由于第2阱2402与第2半导体层2102由第3阱2403隔离，因此能够对第2阱2402的电位自由地进行设定，从而能够稳定地使第1晶体管1201工作。

图14示出了将图13所示的APD1001以及读出电路1005配置成多个的图像传感器的器件构成的一个例子。图14的(a)是将APD1001以及读出电路1005配置成多个而构成的图像传感器的平面图，图14的(b)示出了图14的(a)的X-X’截面中的电势。另外，在图14的(a)中虽然示出了针对1个APD1001具备1个读出电路1005，不过也可以由多个APD1001来共享1个读出电路1005。在图14中虽然是与相邻的第1半导体层2101彼此间的隔离宽度相比，第1半导体层2101与第1阱2401之间的隔离宽度短，不过，相邻的第1半导体层2101彼此间的隔离宽度也可以和第1半导体层2101与第1阱2401之间的隔离宽度相同，并且还可以是，第1半导体层2101与第1阱2401之间的隔离宽度比相邻的第1半导体层2101彼此间的隔离宽度长。

接着，参照图15至图18，对本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成以及驱动方法的另一个例子进行说明。

图15示出了本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。除了图4的构成以外，读出电路1005还具备第2晶体管1202、第3晶体管1203，第2晶体管1202的栅极与APD1001的阴极连接。第3晶体管1203与第2晶体管1202串联连接，第3晶体管1203的栅极与SEL端子连接，通过SEL端子的电压，来控制第3晶体管1203的导通与截止。据此，能够有选择地读出将第3晶体管1203导通时的APD的信号。通过将本实施方式的电路配置成阵列状来构成图像传感器，从而能够依次对导通的第3晶体管1203进行变更，通过对Vout进行采样，从而能够将来自APD的信号变换为图像。

图16示出了本实施方式的光电传感器的电路构成的另一个例子。除了图15的构成以外，第1电容器1003还包括与倍增区域1002连接的寄生电容1102。寄生电容1102典型地包括与倍增区域1002连接点的结电容、金属布线与衬底间的电容、金属布线间的电容、第2晶体管1202的栅极电容、栅极边缘电容(fringe capacitance)、第1晶体管1201的源极电容等，不过并非受此所限。并且，在图16中，寄生电容1102之中没有与APD连接的一端虽然是接地，不过也可以不必是接地。据此，能够调整淬灭所涉及的电容器的电容值，并能够控制产生的电荷的量。

图17示出了本实施方式的光电传感器的电路构成的另一个例子。除了图16的构成以外，第1电容器1003还包括通过布线与倍增区域1002连接的PN结1301的结电容1103。PN结1301是第1晶体管1201的源极或漏极与阱的接合等。据此，能够进一步调整淬灭所涉及的电容器的电容值。并且，能够将倍增区域所产生的电荷，经由PN结1301，接地排出。在这种情况下，希望阴极电压VC为正的电压。

通过图15至图17的电路构成，能够将倍增区域1002与信号线或衬垫隔开，从而能够降低第1电容器1003的电容值，并减少由雪崩倍增产生的电荷量。据此，能够减少电力消耗，使读出电路快速化。

图18是示出图15至图17所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。在此，除了图5的电压以外，还示出了图15至图17中的SEL端子的偏置电压(图中的“SEL”)。除了图5的驱动以外，通过在曝光期间使施加到SEL端子的电压增高，从而能够将APD1001的阴极侧的电压输出到Vout端子。据此，能够选择对电压进行输出的APD1001，通过按照坐标来输出选择的APD1001的输出，从而能够将检测到的光子的分布作为图像来输出。

接着，参照图19，对构成图15至图18所示的光电传感器的APD1001的器件构成进行说明。另外，为了防止图示的繁琐，对于第4电极2304、以及第2晶体管1202的漏极电源的布线进行一部分省略。图19的(a)是APD1001、以及第1晶体管1201、以及读出电路1005的平面图，图19的(b)是图19的(a)的X-X’中的截面图，图19的(c)示出了图19的(b)中的A-A’截面的电势。

在图19的器件构成中，除了图13的构成以外，作为读出电路1005还具备第2晶体管1202、第3晶体管1203。经由第1电极2301，APD1001的第1半导体层2101与第1晶体管1201的源极、以及第2晶体管1202的栅极连接。并且，第3晶体管的栅极与第6电极2306连接，经由第6电极2306被施加电压，读出信号的APD1001被选择，经由第5电极2305读出信号。

接着，参照图20至图22，对本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成以及电路驱动方法的另一个例子进行说明。

图20示出了本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。在该电路构成中，除了图17的电路构成以外，还具备被连接在APD1001(更具体而言是倍增区域1002)与第2电源(电压VC2)之间的第4晶体管1204，是栅极与OVF布线连接的第2复位晶体管的一个例子。图21、图22是示出图20所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。在图21、图22中除了图18的电压以外，还示出了OVF布线的偏置电压(图中的“OVF”)。在图21中，在偏置电压设定期间，将RST端子设定为高偏置电压，对APD1001进行复位。在曝光期间，RST端子被设定低偏置电压，OVF布线被设定RST端子的低偏置电压与高偏置电压的中间值。据此，在APD1001产生的过剩电荷经由第4晶体管1204而被排出。在图22中示出了对偏置电压设定期间1与偏置电压设定期间2进行交替反复的驱动方法。在偏置电压设定期间1，经由第1晶体管1201对APD1001进行复位、在偏置电压设定期间2，经由第4晶体管1204对APD1001进行复位。据此，在不同的偏置电压设定期间，APD1001被设定不同的电压，能够对产生的电荷量进行调制。

另外，在所有的偏置电压设定期间，都可以采用经由第4晶体管1204进行复位的驱动方法。并且，在曝光期间，将第4晶体管1204设定为低偏置电压或者高偏置电压的驱动方法也包括在本实施方式中。并且，在本电路构成中，在第1电容器1003可以包括第4晶体管1204的源极或漏极的结电容。

接着，参照图23至图29，对本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成、驱动方法以及器件构成的另一个例子进行说明。

图23示出了本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。在该电路构成中，除了图20的电路构成以外，还具备第5晶体管1205和第2电容器1006，第5晶体管1205是被连接在APD1001与第1晶体管1201以及读出电路1005之间的传输晶体管的一个例子，第2电容器1006经由第5晶体管1205，与倍增区域1002连接。第2电容器1006包括第5晶体管1205的漏极电容、第1晶体管1201的源极电容、第2晶体管1202的栅极电容、栅极边缘电容、布线电容、MIM电容等。另外，第1电容器1003也可以包括第5晶体管1205的源极或漏极的结电容。

图24是示出图23所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。在此，除了图18的电压以外，还示出了TG端子的偏置电压、SEL端子的偏置电压、电压Vapd、以及电压Vfd。电压Vapd、电压Vfd是图23中示出的节点偏置电压，分别与APD1001的阴极侧的电压、第2电容器1006的读出电路1005侧的电压对应。在偏置电压设定期间中，将TG端子以及RST端子设定为高偏置电压，对APD1001进行复位。据此，电压Vapd以及电压Vfd被设定为电压VC。在曝光期间，将TG端子设定为高偏置电压，将RST端子设定为低偏置电压。据此，电压Vapd以及电压Vfd成为与第1电源(电压VC)隔离的电压，APD1001引起电容淬灭。此时，式(7)的电容值C为第1电容器1003与第2电容器1006的和。据此，与仅是第1电容器1003的情况相比，能够使由雪崩倍增产生的电荷量增多，从而能够提高S/N。

图25是示出图23所示的光电传感器的驱动方法的另一个例子的时间图。在此，示出了与图24相同的位置的电压。在这种情况下，使偏置电压设定期间、曝光期间、传输期间交替反复。在偏置电压设定期间中，将TG端子以及RST端子设定为高偏置电压，对APD1001进行复位。据此，Vapd以及Vfd被设定到电压VC。在曝光期间，将TG端子以及RST端子设定为低偏置电压。据此，APD1001与第1电源(电压VC)隔离，APD1001引起电容淬灭。此时，式(7)的电容值C仅为第1电容器1003。在传输期间，将TG端子设定为高偏置电压，将RST端子设定为低偏置电压。据此，由APD1001产生且被蓄积到第1电容器1003的电荷被传输到第2电容器1006，经由读出电路1005而被读出。

另外，图25虽然示出了通过电容分配来传输由第1电容器1003产生的电荷的情况，不过也可以不通过电容分配，而是对由第1电容器1003产生的电荷全部进行传输的完全传输。在对雪崩倍增所产生的电荷，通过电容分配进行传输的情况下，由于雪崩倍增时所产生的电压振幅的噪声由第1电容器1003和第2电容器1006分配，因此能够降低振幅的不均一。另外，在对雪崩倍增所产生的电荷，以完全传输来进行传输的情况下，由于电压振幅仅放大第1电容器1003的电容值与第2电容器1006的电容值的比的部分，因此能够提高S/N。

图26示出了图23所示的光电传感器的器件构成的一个例子。图26的(a)是APD1001、第1晶体管1201、以及读出电路1005的平面图，图26的(b)是图26的(a)的X-X’中的截面图。在图26的器件构成中，除了图19的器件构成以外，还具备第5晶体管1205、对第5晶体管1205与第2晶体管1202的栅极进行连接的电极即第7电极2307、以及作为第5晶体管1205的栅极的第8电极2308。第5晶体管1205经由第1电极2301与APD1001连接，第5晶体管1205经由第7电极2307，与第2晶体管1202的栅极连接。第5晶体管1205的栅极经由第8电极2308而被施加电压，从而进行导通与截止的切换。

图27示出了图23所示的光电传感器的器件构成的另一个例子。图27的(a)是APD1001、第1晶体管1201、以及读出电路1005的平面图，图27的(b)是图27的(a)的X-X’中的截面图。在图27的构成中，与图26的构成中的APD1001连接的第1电极2301包括在第5晶体管1205中，第5晶体管1205的源极成为APD1001的第1半导体层2101。据此，能够消除与APD1001连接的布线的电容。

图28示出了图23所示的光电传感器的器件构成的另一个例子。图28的(a)是APD1001、第1晶体管1201、以及读出电路1005的平面图，图28的(b)是图28的(a)的X-X’中的截面图。在图28的器件构成中，除了图27的构成以外，还在第1半导体层2101的第1主面S1侧具备第2导电型的第9半导体层2109。据此，APD1001的第1半导体层2101被埋在器件内部，从而能够减少产生的暗电流的量。

图29示出了利用由本实施方式的光电传感器构成的图像传感器，拍摄的图像的例子。拍摄是在画面内亮的区域中，针对一个像素使多个光子入射的环境下进行的。如图29的(a)所示，在被施加到倍增区域1002的两端的反向偏置的电压(VC-VA)为击穿电压以下的情况下，确认被摄体是困难的，但是在图29的(b)中，在被施加到倍增区域1002的两端的反向偏置的电压(VC-VA)为击穿电压以上的情况下，能够明确地确认到被摄体。如图29的(b)所示，检测到光子的像素的输出大，没有检测到光子的像素的输出小，被明确地分成了两种情况。

尤其是，在检测到光子的像素的电压振幅平均为2V，由于没有超过2.5V，因此没有发生模糊现象。这是因为通过电容淬灭，电荷的雪崩倍增被抑制的缘故。并且，对于检测到光子的像素，流入到每一个像素的电流值为1nA以下，因此元件不会被破坏。另外，在使第1晶体管1201导通，来进行光应答的评价时，流入到每一个像素的电流值为1mA以上，元件被损坏。通过以上所述，通过利用本实施方式的驱动方法，元件的损坏以及模糊现象的产生都得到了抑制，因此能够以高S/N来检测光子。

接着，参照图30至图35，对本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成以及驱动方法的另一个例子进行说明。

图30示出了本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。在该电路构成中，除了图17的电路以外，还具备第6晶体管1206、以及经由第6晶体管1206，与APD1001连接的第3电容器1007，第6晶体管1206与APD1001连接，且是与读出电路1005并联连接的计数晶体管的一个例子。尤其是，第3电容器1007比第1电容器1003大。

图31是示出图30所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。在此，除了图18的电压以外，还示出了CNT端子的偏置电压(图中的“CNT”)、电压Vapd、以及电压Vcnt。电压Vcnt是图30中所示的节点Vcnt的偏置电压。在这种情况下，对偏置电压设定期间、曝光期间、以及蓄积期间反复多次，所述蓄积期间是指，将蓄积在第1电容器1003的电荷传输到第3电容器1007，并蓄积到第3电容器1007的期间，在对偏置电压设定期间、曝光期间、以及蓄积期间反复多次以后，设置用于将蓄积在第3电容器1007的电荷量读出的读出期间。通过电容淬灭的效果，由于一次的雪崩倍增所产生的电荷数成为与过电压Vov对应的一个固定值，因此在第3电容器1007中蓄积与光子的检测次数对应的离散的电荷，通过读出第3电容器1007的电压，从而能够对光子的检测次数进行计数。

图32示出了利用图30以及图31所示的光电传感器，将光子的检测次数作为直方图来进行评价的结果。横轴表示APD1001的输出(相对的大小)，纵轴表示按照APD1001的每个输出的产生频度(度数)。评价是通过利用将多个APD1001配置成阵列状而构成的图像传感器，在针对各像素平均入射1.5光子左右的环境下，按照APD1001的输出来进行的产生频度(即累积次数)的评价。这样，按照光子的检测次数，APD1001的输出成为离散的值(即在直方图中形成多个峰值)，因此可以知道利用图30以及图31的电路，能够对光子的检测次数进行计数。

在图30以及图31中示出了，针对不具备第5晶体管1205的电路构成，而添加了第6晶体管1206的构成，不过，也可以将第5晶体管1205配置到APD1001与读出电路1005之间。这种情况下的电路构成，成为示出实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子的图33，在APD1001与读出电路1005之间配置了第5晶体管1205。

图34是示出图33所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。在此，除了图31的电压以外，还添加了第5晶体管1205的栅极偏置电压(TG端子的偏置电压；图中的“TG”)和第2电容器1006的电压Vfd。在这种情况下，在偏置电压设定期间、传输期间中，TG端子为高偏置电压，在蓄积期间中，TG端子为低偏置电压。并且，在读出期间的紧前的偏置电压设定期间中，TG端子被设定为低偏置电压。据此，在各蓄积期间被蓄积到第3电容器1007的电荷量，能够由第2电容器1006的电容值来控制，通过增加蓄积次数，从而能够提高S/N。

图35是示出图33所示的光电传感器的驱动方法的另一个例子的时间图。在此示出与图34相同的电压。在曝光期间，TG端子被设定为低偏置电压，在此之后的传输期间，TG端子被设定为高偏置电压。如图25中所述，通过将由APD1001以及第1电容器1003引起电容淬灭而产生的电荷传输到第2电容器1006，从而在电容分配的情况下能够实现低噪声化，而在完全传输的情况下，能够实现电压振幅的放大或暗电流的减少。

接着，参照图36以及图37，对本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成以及驱动方法的另一个例子进行说明。

图36示出了本实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。在该电路构成中，除了图17的电路以外，还具备第7晶体管1207、第7晶体管的栅极(RST2端子)、以及被配置在第1晶体管1201与第7晶体管1207的连接点的第4电容器1008，第7晶体管1207是被连接在第1电源(电压VC)与第1晶体管1201之间的第3复位晶体管的一个例子。在此，第4电容器1008的电容值比第1电容器1003的电容值大。

图37是示出图36所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。在此，除了图18的电压以外，还示出了RST2端子的偏置电压(图中的“RST2”)、电压Vapd、电压Vrst、以及电压VC。电压VC是图36中的节点VC的偏置电压。偏置电压设定期间被分成两个部分，在偏置电压设定期间的前半部分，RST2端子被设定为高偏置电压，RST端子被设定为低偏置电压，第4电容器1008被设定为电压VC。在偏置电压设定期间的后半部分，RST2端子被设定为低偏置电压、RST端子被设定为高偏置电压，通过第4电容器1008与第1电容器1003的电容分配，而设定APD1001的阴极侧的电压。

通过该驱动方法，由于在偏置电压设定期间，第1电源(电压VC)与APD1001通常处于隔离状态，因此，在偏置电压设定期间，即使光子入射到APD1001，发生了雪崩倍增，也能够抑制从APD1001向第1电源(电压VC)流入大的电流，这样，不仅能够提高可靠性，而且能够抑制第1电源的电压VC的变动，因此，能够抑制图像的明暗以及模糊现象等的发生。

图38示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。在该电路构成中，除了图23的电路构成以外，还具备第4晶体管1204a，该第4晶体管1204a被连接在APD1001(更详细而言是倍增区域1002)与第3电源(电压VC)之间，且是栅极与RST2端子连接的第2复位晶体管的一个例子。

图39是示出图38所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。除了图25的电压以外，还示出了RST2端子的偏置电压。如本图所示，在偏置电压设定期间，将RST端子以及RST2端子设定为高偏置电压，对APD1001以及第2电容器1006进行复位。据此，Vapd以及Vfd被设定为电压VC。在曝光期间，将RST端子、RST2端子以及TG端子设定为低偏置电压。据此，APD1001与第3电源(电压VC)隔离，APD1001引起电容淬灭。此时，式(7)的电容值C仅成为第1电容器1003。在传输期间，将TG端子设定为高偏置电压，将RST端子以及RST2端子设定为低偏置电压。据此，在APD1001产生且蓄积到第1电容器1003的电荷被传输到第2电容器1006，经由读出电路1005而被读出。通过本电路构成，由于作为传输晶体管的第5晶体管1205，从而APD1001与第2电容器1006隔离，APD1001与第2电容器1006能够独立地复位。

另外，在图38的电路构成中，第3电源的电压虽然与第1电源的电压相同(电压VC)，不过并非受此所限，也可以与第1电源的电压不同。

图40示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。在该电路构成中，除了图16的电路以外，还具备连接于第1电源(电压VC)与第1晶体管1201之间的电阻器1210、以及被连接在电阻器1210与第1晶体管1201的连接点的第5电容器1009。为了能够使APD1001的雪崩倍增停止，电阻器1210优选为充分大的值，具体而言，虽然取决于APD1001的结构，典型地希望比1kΩ大。第5电容器1009的电容值优选为比第1电容器1003的电容值小。由于使第5电容器1009的电容变小，因此能够缩短淬灭所需要的时间，从而能够更快速地驱动。

图41是示出图40所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。除了图18的电压以外，还示出了图41所示的节点Vapd的电压“Vapd”、节点Vrst的电压“Vrst”、以及、节点VC的电压“VC”。如本图所示，在偏置电压设定期间，在使第1晶体管1201导通时，即使在APD1001发生雪崩击穿，但是由于电阻器1210对电流的限制，因此能够抑制节点VC的电压的变动。

图42是示出将图40所示的光电传感器配置成阵列状而构成的图像传感器的一个例子的电路图。如本电路图所示，由于在多个APD1001，第1电源被共享，因此电阻器1210优选为被配置成对相邻的APD1001进行隔离。电阻器1210能够在光电传感器的制造工序中形成，例如可以采用多晶硅等高电阻材料来形成布线的方法。由于若电阻器1210的电阻值过高，则APD1001的复位时间会增长，为了抑制时间的增长，优选为对电阻值的上限进行设定。例如，电阻器1210的电阻值优选为1MΩ以下。

图43示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。在该电路中所具备的构成是，将图40的电路构成中的电阻器1210替换为P沟道的第8晶体管1208。第8晶体管1208的栅极与被固定为低偏置电压的端子RST2连接。在该电路中，在将第1晶体管1201导通的期间(具体而言为复位期间)，当在APD1001发生雪崩击穿时，由于雪崩倍增所产生的电荷，而节点Vrst的电压发生变动，由于该电压变动，第8晶体管1208的沟道关闭，电流不容易流到第1电源(电压VC)的节点VC(即第8晶体管1208起到高电阻的作用)，电压VC的电压变动小。即使在本电路构成中，也希望第5电容器1009的电容值比第1电容器1003的电容值小。

图44是示出图43所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。除了图41的电压以外，还示出了端子RST2的电压“RST2”。由于第8晶体管1208为P型，因此在端子RST2为高电压(H)时截止(绝缘状态)，在低电压(L)时导通(导通状态)。第8晶体管1208通常在偏置电压设定期间以及曝光期间也为导通状态。另外，端子RST2的H以及L的施加电压没有必要必需与其他的晶体管的H以及L的施加电压相同。

另外在本电路中，由于第8晶体管1208与APD1001的阴极连接，因此是P型，当与APD1001的阳极连接的情况下，需要采用N型的晶体管。也就是说，作为第8晶体管1208只要配置具有与APD1001的连接端子相反的导电型的沟道的晶体管就可以。不过，一般而言，与N型晶体管相比，由于P型晶体管为高电阻，因此如本电路所示，优选为P型晶体管与APD1001的阴极连接的构成。

并且，在图40以及图43中，作为基本的电路图虽然是基于图16的电路图，也可以对本说明书的任一个电路构成进行组合。

图45示出了实施方式所涉及的光电传感器的电路构成的另一个例子。本电路相当于将图23的电路构成中的第1晶体管1201替换为相反的导电型，即替换为P沟道的第9晶体管1209。P沟道的第9晶体管1209具有与APD1001的阳极或阴极之中的、连接于第9晶体管1209的阳极或阴极为相反的极性的导电型。在该电路中，在使第9晶体管1209导通的期间(具体为复位期间)，当在APD1001中发生雪崩击穿时，由于雪崩倍增所产生的电荷，节点Vfd的电压发生变动，通过该电压变动，第9晶体管1209的沟道关闭，电流不容易流到第1电源(电压VC)的节点VC(即第9晶体管1209起到高电阻的作用)，电压VC的电压变动小。

图46是示出图45所示的光电传感器的驱动方法的一个例子的时间图。在该时间图中，对图25的时间图中的RST的电压的H与L进行了反转，并且添加了作为电源电压的节点的VC的电压。在偏置电压设定期间即使光入射，作为电源电压的节点的VC的电压也不发生变化。

图47是示出采用了实施方式所涉及的光电传感器的图像传感器的构成的一个例子的电路图。在该图像传感器中，光电传感器排列成阵列状，具备：垂直扫描电路3000，对第1晶体管1201进行控制；水平读出电路3001，读出来自各光电传感器的信号；放大器3002，对来自水平读出电路3001的信号进行放大；以及对水平读出电路3001进行驱动的水平扫描电路3003。并且，关于APD1001、第1晶体管1201、第2晶体管1202、第3晶体管1203，针对一个光电传感器具备一个。另外，图47的基本的电路图虽然基于图16的电路图，也可以对本说明书的任一个电路构成进行组合。

图48是示出采用了实施方式所涉及的光电传感器或者图像传感器的距离测定系统3100的一个例子的方框图。距离测定系统3100具备：发光部3102，将脉冲光向测定对象物3101发出；受光部3103，接受由测定对象物3101反射的脉冲光；控制电路3104，对发光部3102以及受光部3103进行控制；以及输出部3105，对来自受光部3103的信号进行输出。在该受光部3103能够采用实施方式所涉及的光电传感器或者图像传感器。控制电路3104使发光部3102与受光部3103同步，通过对脉冲光从测定对象物3101反射，并返回到受光部3103的时间进行测定，从而测定与测定对象物3101的距离。输出部3105将与测定对象物3101的距离，以数值数据或者图像等形式来输出。本实施方式所涉及的光电传感器或者图像传感器，通过第1晶体管1201，能够对曝光的定时进行任意地设定，因此通过作为距离测定系统3100来利用，从而能够抑制由于背光导致的距离的误检测，这样能够求出精确度高的到物体的距离。

如以上所述，本实施方式所涉及的光电传感器具备APD1001以及第1晶体管1201，APD1001具有包括光电转换部的倍增区域1002，以及与倍增区域1002并联连接的第1电容器1003，第1晶体管1201是被连接在APD1001与第1电源(电压VC)之间的第1复位晶体管，第1晶体管1201在偏置电压设定期间中，通过对APD1001与第1电源(电压VC)进行连接，从而以反向偏置的方式，向APD1001的阳极与阴极之间施加比APD1001的击穿电压VBD大的电源电压(VC-VA)，在曝光期间中，通过使APD1001与第1电源(电压VC)的连接断开，从而将由APD1001中的雪崩倍增现象产生的电荷蓄积到第1电容器1003，据此使雪崩倍增现象停止。

据此，在APD1001的倍增区域1002产生的电荷被蓄积到第1电容器1003，从而能够自我调整地使雪崩倍增停止。通过这样的电容淬灭，元件不会损坏，从一个光子就能够得到几伏特的大振幅的信号，因此能够以高S/N来对光子进行检测。

并且，光电传感器还可以具备读出电路1005，用于将被蓄积在第1电容器1003的电荷读出。据此，在曝光期间，相当于雪崩倍增现象所产生的电荷的信号被输出。

在此，第1电容器1003可以包括如下(1)至(5)的至少任意一个，(1)APD1001的结电容，(2)APD1001的寄生电容，(3)与APD1001连接的布线的布线电容，(4)第1晶体管1201的源极或漏极的结电容、以及(5)读出电路1005的输入电容。

并且，向读出电路1005的输入信号的振幅依存于过电压Vov，该过电压Vov是电源电压(VC-VA)与击穿电压VBD的差。因此，通过对电源电压进行控制，从而能够对向读出电路1005的输入信号的振幅进行控制。

并且也可以是，读出电路1005具备第1阱2401，通过该第1阱2401，而与电源电压(即与APD1001的阳极以及阴极都电绝缘)电绝缘。据此，APD1001与第1阱2401隔离，在APD1001由于雪崩倍增所产生的电荷经由第1阱2401，流入到读出电路1005得到抑制。

并且也可以是，光电传感器进一步具备第4晶体管1204，该第4晶体管1204是连接于APD1001与第2电源(电压VC2)之间的第2复位晶体管，第4晶体管1204在偏置电压设定期间成为截止状态，在曝光期间成为导通状态。据此，在APD1001产生的过剩的电荷经由第4晶体管1204而被排出。

在此，第1电容器1003也可以包括第4晶体管1204的源极或漏极的结电容。

并且也可以是，光电传感器进一步具备第5晶体管1205以及第2电容器1006，第5晶体管1205是连接于APD1001与第1晶体管1201以及读出电路1005之间的传输晶体管，第2电容器1006对从APD1001经由第5晶体管1205传输的电荷进行蓄积。据此，通过光电传感器的驱动方法，针对第1电容器1003进一步采用第2电容器1006，从而能够提高S/N。

此时，第1电容器1003也可以包括第5晶体管1205的源极或漏极的结电容。

并且，第5晶体管1205在曝光期间可以为导通状态。据此，能够将作用于APD1001的电容淬灭的电容值C，设定为第1电容器1003与第2电容器1006的和，这样，与仅是第1电容器1003的情况相比，能够使雪崩倍增所产生的电荷量增多，从而能够提高S/N。

或者可以是，第5晶体管1205在曝光期间为截止状态。据此，在对由雪崩倍增产生的电荷以电容分配的方式来传输的情况下，雪崩倍增时所产生的电压振幅的噪声被分配到第1电容器1003和第2电容器1006，这样能够减少振幅的不均一。并且，在对雪崩倍增所产生的电荷以完全传输的方式来传输的情况下，电压振幅能够放大第1电容器1003的电容值与第2电容器1006的电容值的比的部分，因此能够提高S/N。

并且可以是，光电传感器进一步具备连接于APD1001与第3电源之间的第4晶体管1204a，在偏置电压设定期间中，第4晶体管1204a为导通状态，第5晶体管1205为截止状态，在曝光期间中，第4晶体管1204a为截止状态，第5晶体管1205为导通状态。

据此，通过作为传输晶体管的第5晶体管1205，APD1001与第2电容器1006隔离，APD1001与第2电容器1006能够独立地进行复位。

并且可以是，光电传感器进一步具备第6晶体管1206以及第3电容器1007，第6晶体管1206是与APD1001连接、且与读出电路1005并联连接的计数晶体管，第3电容器1007经由第6晶体管1206，与APD1001连接，第3电容器1007比第1电容器1003的电容值大。

据此，在对偏置电压设定期间、曝光期间、以及将蓄积在第1电容器1003的电荷传输到第3电容器1007并蓄积到第3电容器1007的蓄积期间反复多次之后，通过读出被蓄积在第3电容器1007的电荷量，从而与光子的检测次数对应的离散的电荷被蓄积在第3电容器1007，通过读出第3电容器1007的电压，从而能够对光子的检测次数进行计数。

并且可以是，光电传感器进一步具备第7晶体管1207以及第4电容器1008，第7晶体管120是连接于7第1电源(电压VC)与第1晶体管1201之间的第3复位晶体管，第4电容器1008连接于第1晶体管1201与第7晶体管1207的连接点，第4电容器1008比第1电容器1003的电容值大。此时，偏置电压设定期间可以包括第1期间和第2期间，在第1期间中，第7晶体管1207为导通状态，第1晶体管1201为截止状态，在第2期间中，第7晶体管1207为截止状态，第1晶体管1201为导通状态。

据此，由于在偏置电压设定期间，第1电源(电压VC)与APD1001通常为隔离状态，因此即使在偏置电压设定期间，光子入射到APD1001产生雪崩倍增，从APD1001也不会有大的电流流入到第1电源(电压VC)，这样不仅能够提高可靠性，而且由于第1电源的电压VC不变动，因此能够防止图像的明暗或模糊现象等的发生。

并且可以是，光电传感器进一步具备电阻器1210以及第5电容器1009，电阻器1210连接于第1电源(电压VC)与第1晶体管1201之间，第5电容器1009连接于第1晶体管1201与电阻器1210的连接点，在偏置电压设定期间，通过将由APD1001中的雪崩倍增现象产生的电荷蓄积到第1电容器1003以及第5电容器1009，从而能够使雪崩倍增现象停止。

据此，在偏置电压设定期间，将第1晶体管1201导通时，即使在APD1001发生雪崩击穿，由于电阻器1210能够对电流进行限制，因此能够抑制节点VC的电压变动。

并且，电阻器1210可以是具有与第1晶体管1201的极性相反的导电型的第8晶体管1208。据此，在使第1晶体管1201导通的期间(具体而言为复位期间)，当在APD1001发生雪崩击穿时，由于雪崩倍增所产生的电荷，节点Vrst的电压发生变动，通过该电压变动，第8晶体管1208的沟道关闭，电流不容易流入到第1电源(电压VC)的节点VC(即第8晶体管1208起到高电阻的作用)，从而电压VC的电压变动小。

并且，第1晶体管1201可以被替换为第9晶体管1209，该第9晶体管1209具有与APD1001的阳极或阴极之中、连接于第1晶体管1201的阳极或阴极的极性相反的导电型。据此，在使第9晶体管1209导通的期间(具体而言为复位期间)，当在APD1001发生雪崩击穿时，由于雪崩倍增所产生的电荷，节点Vfd的电压发生变动，通过该电压变动，第9晶体管1209的沟道关闭，电流不容易流入到第1电源(电压VC)的节点VC(即第9晶体管1209起到高电阻的作用)，从而电压VC的电压变动小。

并且，本公开的一个形态为具备被排列成阵列状的光电传感器的图像传感器。据此，能够实现对微弱光以高S/N、且快速地进行检测的图像传感器。

在此可以是，相邻的APD1001由势垒隔离，势垒比作为电源电压(VC-VA)与击穿电压VBD的差的过电压Vov大。据此，能够抑制相邻的元件间的电荷的漏出，能够将来自多个APD的信号转换为图像。

并且可以是，本公开的一个形态为具备APD1001的光电传感器的驱动方法，所述APD1001具有包括光电转换部的倍增区域1002、以及与倍增区域1002并联连接的第1电容器1003，在偏置电压设定期间中，通过使APD1001与第1电源(电压VC)连接，从而在APD1001的阳极与阴极之间，以反向偏置的方式施加比APD1001的击穿电压VBD大的电源电压(VC-VA)，在曝光期间，通过使APD1001与电源的连接断开，从而将APD1001中的雪崩倍增现象所产生的电荷蓄积到第1电容器1003，来使雪崩倍增现象停止。

据此，在APD1001的倍增区域1002产生的电荷被蓄积到第1电容器1003，从而自我调整地使雪崩倍增停止。通过这种电容淬灭，元件不会损坏，仅通过一个光子就能够得到几伏特的大振幅的信号，从而能够以高S/N对光子进行检测。

以上对本公开所涉及的光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法，基于实施方式以及变形例进行了说明，本公开并非受这些实施方式以及变形例所限。在不脱离本公开的主旨的范围内，将本领域技术人员所能够想到的各种变形执行于实施方式以及变形例而得到的形态、以及对实施方式以及变形例中的一部的构成要素进行组合而构筑的其他的形态均包括在本公开的范围内。

例如，本公开所涉及的图像传感器可以由本公开所涉及的任意的光电传感器被排列成二维来构成，可以在本公开所涉及的任意的驱动方法的定时来读出电荷。

本公开所涉及的光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法能够适用于高灵敏度且快速的光电传感器、图像传感器以及光电传感器的驱动方法，例如能够作为医疗、通信、生物、化学、监视、车载、放射线检测等广泛的领域中的高灵敏度的光电传感器以及图像传感器来利用。

符号说明

1001 APD

1002 倍增区域(包括光电转换部)

1003 第1电容器

1004 开关

1005 读出电路

1006 第2电容器

1007 第3电容器

1008 第4电容器

1009 第5电容器

1101 APD电容

1102 寄生电容

1103 结电容

1201 第1晶体管

1202 第2晶体管

1203 第3晶体管

1204、1204a 第4晶体管

1205 第5晶体管

1206 第6晶体管

1207 第7晶体管

1208 第8晶体管

1209 第9晶体管

1210 电阻器

1301 PN结

2001 半导体衬底

2002 布线层

2101 第1半导体层

2102 第2半导体层

2103 第3半导体层

2104 第4半导体层

2105 第5半导体层

2106 第6半导体层

2107 第7半导体层

2108 反射板

2109 第9半导体层

2201 光电转换部

2202 倍增区域

2301 第1电极

2302 第2电极

2303 第3电极

2304 第4电极

2305 第5电极

2306 第6电极

2307 第7电极

2308 第8电极

2401 第1阱

2402 第2阱

2403 第3阱

3000 垂直扫描电路

3001 水平读出电路

3002 放大器

3003 水平扫描电路

3100 距离测定系统

3101 测定对象物

3102 发光部

3103 受光部

3104 控制电路

3105 输出部