单光子雪崩二极管控制电路以及检测系统技术方案

本发明专利技术提供一种能够改善时间轴上的SPAD的光子检测效率的SPAD控制电路。该SPAD控制电路进行光子检测，其特征在于，包括：单光子雪崩二极管(SPAD)；向SPAD的两个端子中的一个端子施加电压的开关(120)；检测SPAD为激活状态还是待机状态的组合电路(130)；以及顺序电路(140)，其具有输入用于将SPAD设定为激活状态的脉冲信号(S1)的端子(141)、输入与复位相关的信号的端子(143)和输出端子(144)，根据从顺序电路(140)的输出端子(144)输出的输出信号(S4)控制开关(120)，并且，将组合电路(130)的输出信号(S3)向顺序电路(140)的输入与复位相关的信号的端子(143)输入。

Single Photon Avalanche Diode Control Circuit and Detection System

【技术实现步骤摘要】
单光子雪崩二极管控制电路以及检测系统
本专利技术涉及单光子雪崩二极管控制电路。
技术介绍
检测光的CMOS传感器是多种多样的。其中能够检测单一光子能级光的单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalancheDiode)(以下也记为“SPAD”)能够测量微弱光的光子数及单一光子的到达时刻。SPAD是检测光的行进距离形成图像的距离图像传感器、或期待作为生物成像的荧光强度检测/荧光寿命检测等应用展开的设备。通常的发光二极管在向阳极、阴极间施加反相偏压状态下使用，但在SPAD中，通过超过二极管的反相偏压击穿电压地施加，提高输入光-输出电流的增益，从而检测单一光子能级的光。这时，若检测单一光子，则在SPAD中发生雪崩击穿。在使用SPAD的情况下，需要实行雪崩击穿的猝熄及进行用于检测下一个光子的再充电，SPAD的控制变得复杂。另一方面，SPAD适合于CMOS工艺，能够实现使用晶体管等的SPAD的复杂控制。SPAD控制电路的一例记载在非专利文献1的Fig.6(a)中。如Fig.6(a)所示，作为通常的现有技术，已知使用数个晶体管和数个逻辑电路的SPAD控制电路。另一方面，作为使用了光的蛋白质的分析装置，存在无镜头ELISA(Enzyme-LinkedImmunoSorbentAssay)。例如，如非专利文献2的图1所示，在搭载有光传感器的IC上，涂布希望分析的样本(荧光试料等)，向该样本照射激光，检测由样本激发的微弱光并进行解析。在非专利文献2记载的技术中，能够实现系统的低成本化和紧凑化，但由于激光向样本和光传感器照射，因此强激光能够使光传感器饱和。因此，在非专利文献2记载的技术中，存在无法检测光传感器希望解析的微弱光的问题。为了解决该技术问题，通常，以不向光传感器照射强激光的方式，在光传感器与样本间设置滤光器。〔现有的SPAD控制电路的构成〕图6中示出通常的SPAD控制电路的一例。图6的(a)是向SPAD110的阳极施加-20V左右的负偏向电压并从SPAD110的阴极读出光子检测的情况下的构成例。图6的(a)的SPAD控制电路由如下单元构成：SPAD110；pch晶体管695(作为高电阻发挥作用)，其使SPAD110的阴极偏向为VDD电压；反相器635，其用于读出基于雪崩击穿的阴极的电压变化，作为数字信号dout向输出端子660输出；晶体管670(671、672A、672B)，其使SPAD110的阴极根据SPAD110的状态而偏向为0V或VDD电压；以及与非门645。图6的(b)是向SPAD110的阴极施加+20V左右的偏向电压，从SPAD110的阳极读出光子检测的情况下的构成例。图6的(b)的SPAD控制电路由如下单元构成：SPAD110；使SPAD110的阳极偏向为0V的nch晶体管690(作为高电阻发挥作用)；缓冲器630，其用于读出基于雪崩击穿的阳极电压变化，作为数字信号dout向输出端子660输出；晶体管670(671、672A、672B)，其用于根据SPAD110的状态使SPAD110的阳极偏向为0V或VDD电压；与门640；以及反相器680。〔现有的SPAD控制电路的动作〕图6的(a)与(b)是彼此互补的，且基本动作相同，因此使用图6的(b)说明动作，省略图6的(a)的动作说明。以下使用图6的(b)及图7的(a)进行动作说明。图7的(a)是表示图6的(b)所示的构成的电路的动作的时序图。在SPAD110刚刚检测到光子后或初始状态下，SPAD110处于待机状态，无法检测光子。这时，输出端子660的数字输出信号dout成为逻辑电平“1”，晶体管672B为导通状态。在这里，在向与门640输入的输入信号set_spad为“0”时(时刻t0以前)，晶体管672A导通，晶体管671截止。由此，通过晶体管672A及672B向SPAD110的阳极施加VDD电压，SPAD110的阴极电压与阳极电压差被设定为低于反相偏压时的击穿电压(待机状态)。为了从该待机状态转入SPAD110能够检测光子的激活状态，如图7的(a)所示，在一定期间(此处为基本时钟mclk一个周期的期间)将输入信号set_spad设定为“1”(置位期间)。从而，在输入信号set_spad刚刚变为“1”后，与门640的输出变为“1”，因此晶体管672A从导通变为截止，晶体管671从截止变为导通。由此，通过晶体管671向SPAD110的阳极施加0V(再充电动作)。之后，在SPAD110的阳极电压变为0V附近时(时刻t2)，缓冲器630检测SPAD110的状态变化，与门640及反相器680的输出发生变化。由此，晶体管672A/晶体管672B/晶体管671分别变为导通/截止/截止，SPAD110的再充电动作完成。这时，SPAD110的阴极电压与阳极电压差被设定为大于反相偏压时的击穿电压的电压(激活状态)。之后，在使输入信号set_spad恢复为“0”后，若SPAD110在某个时刻t3检测光子则发生雪崩击穿，阳极端子的电压从0V向VDD电压变化，同时，输出信号dout也从“0”变为“1”。能够通过对输出信号dout变化的时刻进行时间测量或计数，检测光子到达时刻、光强度。在SPAD110刚刚雪崩击穿后，由于后述的寄生效应降低，因此优选使SPAD110尽可能长地保持待机状态。在图7的(b)示出在置位期间(set_spad＝“1”的期间)光子射入SPAD110的情况下的动作。在输入信号set_spad刚刚被从“0”设定为“1”、再充电动作结束而SPAD110变为激活状态后(时刻t2)，若SPAD110在时刻t3检测光子则发生雪崩击穿。由此，阳极电压从0V变为VDD电压。这时，由于输入信号set_spad＝“1”，因此进行上述的再充电动作，SPAD110不保持为待机状态而立即变为激活状态。但是，在进行基于SPAD的光检测的情况下，由于SPAD的众所周知的寄生效应即寄生脉冲效应、记忆效应降低，因此需要在发生了基于光子检测的雪崩击穿的时刻后的一定期间，将SPAD保持为待机状态。基于该理由，在置位期间(set_spad＝“1”的期间)内，SPAD110不应进行光子检测。需要设法在置位期间内使光不照射到SPAD110(搭载快门功能)、使置位期间缩短、或不使用这种情况下的输出信号dout(搭载置位期间内的SPAD110的雪崩击穿发生检测功能)等。现有技术文献非专利文件非专利文献1：DavidEricSchwartzet.al.，“ASingle-PhotonAvalancheDiodeArrayforFluorescenceLifetimeImagingMicroscopy”,IEEEJSSCvol.43,No.11,Nov.2008.非专利文献2：竹原浩成等，面向无透镜数字ELISA系统的层叠发光二极管CMOS图像传感器的开发，影像信息媒体学会年会，15-7，2013年8月30日
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在现有技术中，存在无法高效地检测微弱光子的问题。本专利技术的一个方式是鉴于上述技术问题而提出的，其目的在于实现能够降低寄生效应并高效地检测微弱光子的SPAD控制电路。解决问题的方案为了解决上述技术问题，本专利技术的一方案的SPAD控制电路是进行光子检测的SP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SPAD控制电路，其为进行光子检测的SPAD控制电路，所述SPAD控制电路的特征在于，包括：单光子雪崩二极管(SPAD)；开关，其向所述SPAD的两个端子中的一个端子施加电压；组合电路，其检测所述SPAD为激活状态还是待机状态；以及顺序电路，其具有输入用于将所述SPAD设定为激活状态的脉冲信号的第一输入端子、输入与复位相关的信号的第二输入端子、和输出端子，根据从所述顺序电路的输出端子输出的输出信号控制所述开关，并且所述组合电路的输出信号被输入到所述顺序电路的所述第二输入端子。

【技术特征摘要】
2018.01.17 JP 2018-0058091.一种SPAD控制电路，其为进行光子检测的SPAD控制电路，所述SPAD控制电路的特征在于，包括：单光子雪崩二极管(SPAD)；开关，其向所述SPAD的两个端子中的一个端子施加电压；组合电路，其检测所述SPAD为激活状态还是待机状态；以及顺序电路，其具有输入用于将所述SPAD设定为激活状态的脉冲信号的第一输入端子、输入与复位相关的信号的第二输入端子、和输出端子，根据从所述顺序电路的输出端子输出的输出信号控制所述开关，并且所述组合电路的输出信号被输入到所述顺序电路的所述第二输入端子。2.根据权利要求1所述的SPAD控制电路，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：藤本义久，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP