具有高时间分辨率的LIDAR检测器

摘要

用于确定入射光子的到达时间的方法和设备。可基于跨通过从入射光子所生成的载流子所充电的电容器的电压、电压分别达到多个阈值(V1,V2,V3)的时间以及电压的稳定值(Vs)以高时间精度来确定到达时间。

权利要求

1.一种方法，包括：

使用包括电容器的光子检测器来接收光子；

采用从所述光子所生成的载流子对所述电容器进行充电；

得到跨所述电容器的电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的第一时间；

在自所述第一时间的时间延迟的到期之前确定跨所述电容器的所述电压的所述绝对值等于或超过第二阈值的绝对值时，得到跨所述电容器的所述电压的所述绝对值等于或超过所述第二阈值的所述绝对值的第二时间；

得到跨所述电容器的所述电压的所述绝对值等于或超过第三阈值的绝对值的第三时间；

得到跨所述电容器的所述电压稳定时的跨所述电容器的所述电压的稳定值；

基于所述第三时间、所述第三阈值以及跨所述电容器的所述电压的所述稳定值来确定所述光子到达所述光子检测器的时间。

2.如权利要求第1项所述的方法，还包括在得到跨所述电容器的所述电压的所述稳定值之后重置跨所述电容器的所述电压。

3.如权利要求第1项所述的方法，还包括：在所述时间延迟到期之后确定跨所述电容器的所述电压的所述绝对值小于所述第二阈值的所述绝对值时，重置跨所述电容器的所述电压。

4.如权利要求第1项所述的方法，还包括发射光脉冲。

5.如权利要求第4项所述的方法，还包括允许所述电容器在发射所述光脉冲时被充电。

6.如权利要求第4项所述的方法，其中，由所述光子检测器所接收的所述光子属于物体所反射的所述光脉冲。

7.如权利要求第6项所述的方法，还包括基于所述光子到达所述光子检测器的所述时间来确定所述物体与所述光子检测器的距离。

8.一种光子检测器，包括：

光子吸收层，包括电极，所述光子吸收层配置成接收光子，并且从所述光子来生成载流子；

电容器，电连接到所述电极，并且配置成通过所述载流子来充电；

控制器；

其中所述控制器配置成：

得到跨所述电容器的电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的第一时间；

在自所述第一时间的时间延迟的到期之前确定跨所述电容器的所述电压的所述绝对值等于或超过第二阈值的绝对值时，得到跨所述电容器的所述电压的所述绝对值等于或超过所述第二阈值的所述绝对值的第二时间；

得到跨所述电容器的所述电压的所述绝对值等于或超过第三阈值的绝对值的第三时间；

得到跨所述电容器的所述电压稳定时的跨所述电容器的所述电压的稳定值；以及基于所述第三时间、所述第三阈值以及跨所述电容器的所述电压的所述稳定值来确定所述光子到达所述光子检测器的时间。

9.如权利要求第8项所述的光子检测器，其中，所述控制器配置成在得到跨所述电容器的所述电压的所述稳定值之后重置跨所述电容器的所述电压。

10.如权利要求第8项所述的光子检测器，其中，所述控制器配置成在所述时间延迟到期之后确定跨所述电容器的所述电压的所述绝对值小于所述第二阈值的所述绝对值时，重置跨所述电容器的所述电压。

11.如权利要求第8项所述的光子检测器，其中，所述光子吸收层包括二极管。

12.如权利要求第8项所述的光子检测器，其中，所述光子吸收层包括电阻器。

13.如权利要求第8项所述的光子检测器，其中，所述光子吸收层包括放大区，其包括结，所述结中具有电场；其中所述电场处于引起所述放大区中的载流子的雪崩的充分强度。

14.如权利要求第8项所述的光子检测器，其中，所述光子吸收层包括硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合。

15.如权利要求第8项所述的光子检测器，还包括伏特计，其配置成测量跨所述电容器的所述电压的所述稳定值。

16.如权利要求第8项所述的光子检测器，还包括像素阵列。

17.如权利要求第8项所述的光子检测器，其中，所述光子被物体反射到所述光子检测器，其中所述控制器配置成基于所述光子到达所述光子检测器的时间来确定所述物体与所述光子检测器的距离。

18.一种LIDAR系统，包括如权利要求第8项所述的光子检测器以及配置成发射光脉冲的光源。

说明书

具有高时间分辨率的LIDAR检测器

【技术领域】

[0001] 本公开涉及LIDAR检测器，具体来说涉及具有高时间分辨率的LIDAR检测器。【背景技术】

[0002] 光检测和测距(LIDAR)是一种物体检测、测距和映射的方法。LIDAR使用与雷达相似的技术。存在LIDAR系统的若干主要组件：光源(例如激光器)、光学器件、光子检测器以及用于信号处理的电子器件。例如，通过对扫描激光束的可控导向并且处理从远处物体(例如大楼和景观)所反射的光，可得到这些物体的距离及形状。

[0003] LIDAR的一种应用是在自主车辆(例如无人驾驶汽车)中。自主车辆中的LIDAR系统(“车载LIDAR”)可用于障碍检测和碰撞避免，这帮助车辆安全地通过环境。车载LIDAR可安装在自主车辆的车顶上，以及来自LIDAR系统的光不断旋转，以监测车辆周围的环境。LIDAR系统提供必要数据以用于确定潜在障碍物在环境中存在的位置，用于识别障碍物的空间结构，用于区分障碍物，并且用于估计行驶经过障碍物的碰撞。LIDAR系统与雷达相比的一个优点在于，LIDAR系统能够提供更精确测距并且覆盖更大视场。【发明内容】

[0004] 本文所公开的是一种方法，包括：使用光子检测器(其包括电容器)来接收光子；采用从光子所生成的载流子对电容器进行充电；得到跨电容器的电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的第一时间；在自第一时间的时间延迟的到期之前确定跨电容器的电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值时，得到跨电容器的电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值的第二时间；得到跨电容器的电压的绝对值等于或超过第三阈值的绝对值的第三时间；当跨电容器的电压稳定时得到跨电容器的电压的稳定值；基于第三时间、第三阈值以及跨电容器的电压的稳定值来确定光子到达光子检测器的时间。

[0005] 按照实施例，该方法还包括在得到跨电容器的电压的稳定值之后重置跨电容器的电压。

[0006] 按照实施例，该方法还包括：在时间延迟到期之后确定跨电容器的电压的绝对值小于第二阈值的绝对值时，重置跨电容器的电压。

[0007] 按照实施例，该方法还包括发射光脉冲。

[0008] 按照实施例，该方法还包括允许电容器在发射光脉冲时被充电。

[0009] 按照实施例，由光子检测器所接收的光子属于物体所反射的光脉冲。

[0010] 按照实施例，该方法还包括基于光子到达光子检测器的时间来确定物体与光子检测器的距离。

[0011] 本文所公开的是一种光子检测器，包括：光子吸收层，包括电极，光子吸收层配置成接收光子，并且从光子来生成载流子；电容器，电连接到电极，并且配置成通过载流子来充电；控制器；其中控制器配置成：得到跨电容器的电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的第一时间；在自第一时间的时间延迟的到期之前确定跨电容器的电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值时，得到跨电容器的电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值的第二时间；得到跨电容器的电压的绝对值等于或超过第三阈值的绝对值的第三时间；当跨电容器的电压稳定时得到跨电容器的电压的稳定值；并且基于第三时间、第三阈值以及跨电容器的电压的稳定值来确定光子到达光子检测器的时间。

[0012] 按照实施例，控制器配置成在得到跨电容器的电压的稳定值之后重置跨电容器的电压。

[0013] 按照实施例，控制器配置成在时间延迟到期之后确定跨电容器的电压的绝对值小于第二阈值的绝对值时，重置跨电容器的电压。

[0014] 按照实施例，光子吸收层包括二极管。

[0015] 按照实施例，光子吸收层包括电阻器。

[0016] 按照实施例，光子吸收层包括放大区，其包括结，结中具有电场；其中电场处于引起放大区中的载流子的雪崩的充分强度。

[0017] 按照实施例，光子吸收层包括硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合。

[0018] 按照实施例，光子检测器还包括伏特计，其配置成测量跨电容器的电压的稳定值。

[0019] 按照实施例，光子检测器还包括像素阵列。

[0020] 按照实施例，光子被物体反射到光子检测器，其中控制器配置成基于光子到达光子检测器的时间来确定物体与光子检测器的距离。

[0021] 本文所公开的是一种LIDAR系统，其包括上述光子检测器的任一种以及配置成发射光脉冲的光源。【附图说明】

[0022] 图1示意示出按照实施例的光子检测器。

[0023] 图2A示意示出按照实施例的光子检测器的截面图。

[0024] 图2B示意示出按照实施例的光子检测器的详细截面图。

[0025] 图2C示意示出按照实施例的光子检测器的备选详细截面图。

[0026] 图3A和图3B各示出按照实施例、图2B或图2C中的光子检测器的电子系统的组件图。

[0027] 图4示意示出按照实施例、通过入射到二极管或电阻器上的一个或多个光子所生成的载流子所引起的光子检测器的光子吸收层中的二极管的电极或电阻器的电触点的电压的时间变化。

[0028] 图5示出按照实施例、确定光脉冲到达光子检测器的时间的方法的流程图。

[0029] 图6示意示出包括本文所述光子检测器的系统。

[0030] 图7A、图7B和图7C示意示出按照实施例的APD的操作。

[0031] 图8A示意示出基于APD阵列的光子检测器的截面。

[0032] 图8B示出图8A的图像传感器的变体。

[0033] 图8C示出图8A的图像传感器的变体。

[0034] 图8D示出图8A的图像传感器的变体。【具体实施方式】

[0035] 图1作为示例示意示出光子检测器100，其可以是LIDAR系统的组成部分。光子检测器100具有像素150的阵列。阵列可以是矩形阵列、蜂窝阵列、六边形阵列或者任何其他适当阵列。每个像素150配置成检测光子(例如从场景反射回并且入射到其上的光子)，并且可配置成测量光子的特性(例如能量、波长和频率)。例如，每个像素150配置成对某个时间段之内入射到其上、其能量落入多个格中的光子的数量进行计数。全部像素150可配置成对相同时间段之内在能量的多个格内入射到其上的光子的数量进行计数。在一个实施例中，在入射光子可属于反射光脉冲并且具有相同能量的情况下，像素150可配置成对某个时间段之内入射到其上的光子的数量进行计数，而无需测量单独光子的能量。每个像素150可具有其自己的模数转换器(ADC)，其配置成将代表入射光子的能量的模拟信号数字化为数字信号，或者将代表多个入射光子的总能量的模拟信号数字化为数字信号。像素150可配置成并行地操作。像素150不一定同步。例如，当一个像素150测量入射光子时，另一个像素150可等待光子到达。像素150可以是单独可寻址的。

[0036] 图2A示意示出按照实施例的光子检测器100的截面图。光子检测器100可包括光子吸收层110和电子层120(例如ASIC)，以用于处理或分析入射光子在光子吸收层110中生成的电信号。光子检测器100可以或者可以不包括闪烁器。光子吸收层110可包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合。半导体对感兴趣光子可具有高质量衰减系数。

[0037] 如图2B中的光子检测器100的详细截面图所示，按照实施例，光子吸收层110可包括一个或多个二极管(例如p-i-n或p-n)，其通过第一掺杂区111以及第二掺杂区113的一个或多个离散区114所形成。第二掺杂区113可通过可选本征区112与第一掺杂区111分隔。离散区114通过第一掺杂区111或本征区112相互分隔。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，区域111为p型，而区域113为n型，或者区域111为n型，而区域113为p型)。在图2B的示例中，第二掺杂区113的离散区114的每个形成具有第一掺杂区111和可选本征区112的二极管。即，在图2B的示例中，光子吸收层110具有多个二极管，其具有作为共享电极的第一掺杂区111。第一掺杂区111还可具有离散部分。

[0038] 当光子(例如进入光子检测器100的反射光脉冲的光子)照射光子吸收层110(包括二极管)时，光子可被吸收并且通过多种机制来生成一个或多个载流子。载流子可在电场下漂移到二极管之一的电极。该电场可以是外部电场。电触点119B可包括离散部分，其每个与离散区114进行电接触。术语“电触点”可与词语“电极”可互换地使用。在实施例中，载流子可沿这样的方向漂移，使得单个光子所生成的载流子基本上没有由两个不同离散区114所共享(“基本上没有共享”在这里表示这些载流子的不到2％、不到0.5％、不到0.1％或者不到0.01％流动到离散区114中与载流子的其余部分不同的离散区114)。通过在这些离散区114之一的占用面积周围入射的光子所生成的载流子基本上没有与这些离散区114的另一个共享。与离散区114关联的像素150可以是离散区114周围的一个区域，其中入射到其上的光子所生成的基本上全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或者超过99.99％)载流子流动到离散区114。即，这些载流子的不到2％、不到1％、不到0.1％或者不到0.01％流动到像素之外。

[0039] 如图2C的光子检测器100的备选详细截面图所示，按照实施例，光子吸收层110可包括半导体材料(例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合)的电阻器，但是没有包括二极管。半导体对感兴趣光子可具有高质量衰减系数。

[0040] 当(例如进入光子检测器100的反射光脉冲的)光子照射光子吸收层110(包括电阻器，但没有包括二极管)时，它们可被吸收并且通过多种机制来生成一个或多个载流子。光子可生成一个或多个载流子。载流子可在电场下漂移到电触点119A和119B。该电场可以是外部电场。电触点119B包括离散部分。在实施例中，载流子可沿这样的方向漂移，使得光子所生成的载流子基本上没有由电触点119B的两个不同离散部分所共享(“基本上没有共享”在这里表示这些载流子的不到2％、不到0.5％、不到0.1％或者不到0.01％流动到离散部分中与载流子的其余部分不同的离散部分)。通过在电触点119B的这些离散部分之一的占用面积周围入射的光子所生成的载流子基本上没有与电触点119B的这些离散部分的另一个共享。与电触点119B的离散部分关联的像素150可以是离散部分周围的一个区域，其中入射到其上的光子所生成的基本上全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或者超过99.99％)载流子流动到电触点119B的离散部分。即，这些载流子的不到2％、不到0.5％、不到0.1％或者不到0.01％流动到与电触点119B的一个离散部分关联的像素之外。

[0041] 电子层120可包括电子系统121，其适合于处理或解释入射到光子吸收层110上的光子所生成的信号。电子系统121可包括模拟电路(例如滤波器网络、放大器、积分器和比较器)或者数字电路(例如微处理器和内存)。电子系统121可包括一个或多个ADC。电子系统121可包括像素所共享的组件或者专用于单个像素的组件。例如，电子系统121可包括专用于每个像素的放大器以及在全部像素之间共享的微处理器。电子系统121可通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可填充有填充材料130，其可增加电子层120到光子吸收层110的连接的机械稳定性。将电子系统121连接到像素而没有使用通孔的其他接合技术是可能的。

[0042] 图3A和图3B各示出按照实施例的电子系统121的组件图。电子系统121可包括电压比较器301、开关305、伏特计306、控制器310以及可选的一个或多个附加电压比较器302。

[0043] 电压比较器301配置成将二极管的电极的电压与一个或多个阈值进行比较。二极管可以是通过第一掺杂区111、第二掺杂区113的离散区114之一以及可选本征区112所形成的二极管。备选地，电压比较器301配置成将电阻器的电触点(例如电触点119B的离散部分)的电压与一个或多个阈值进行比较。电压比较器301可配置成直接监测电压，或者通过对某个时间段对流经二极管或电触点的电流求积分来计算电压。电压比较器301可由控制器310可控地启动或停用。电压比较器301可以是连续比较器。即，电压比较器301可配置成连续被启动，并且连续监测电压。配置为连续比较器的电压比较器301降低系统121错过入射光子所生成的信号的机会。当入射光子通量较高时，配置为连续比较器的电压比较器301是特别适合的。电压比较器301可以是钟控比较器，其具有更低功率消耗的有益效果。配置为钟控比较器的电压比较器301可能使电子系统121错过一些入射光子所生成的信号。当入射光子通量较低时，错过入射光子的机会较低，因为两个连续光子之间的时间间隔较长。因此，当入射光子通量较低时，配置为钟控比较器的电压比较器301是特别适合的。

[0044] 电压比较器301可包括一个或多个运算放大器或者任何其他适当电路。电压比较器301可具有高速度，以允许电子系统121在入射光子的高通量下操作。但是，具有高速度常常以功率消耗为代价。

[0045] 电子系统121可包括电容器模块309，其电连接到电极或电触点，其中电容器模块配置成收集来自电极或电触点的载流子。电容器模块309能够包括电容器。在一个实施例中，电容器可处于放大器的反馈路径中。这样配置的放大器称作电容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通过阻止放大器饱和而具有高动态范围，并且通过限制信号路径中的带宽来改进信噪比。来自电极或电触点的载流子对某个时间段在电容器上累积，此后，电容器电压(即，跨电容器的两个端子的电压)被取样并且然后由复位开关来重置。电容器模块能够包括直接连接到电极或电触点的电容器。

[0046] 控制器310可以是硬件组件，例如微控制器或者微处理器。在一个实施例中，回应光源所发射的光脉冲，控制器310可配置成控制电容器模块309的电容器，以开始在电容器上累积从光子吸收层110所接收的光脉冲的光子所生成的载流子(即，采用从光子吸收层110中的光子所生成的载流子对电容器进行充电)。例如，控制器310可在光脉冲从光源发射时或者备选地在这种光脉冲的发射之后的某个时间(例如在校准之后所确定或指定的可配置时间)控制电容器从接地断开。在一个实施例中，控制器310还可配置成控制光源。此外，在一个实施例中，电压比较器301可在电容器开始被充电时(例如由控制器310)可控地被启动。

[0047] 此后，控制器310可配置记录电压(例如跨电容器的电压)的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从低于第一阈值的绝对值增加到等于或高于第一阈值的绝对值的值)的第一时间t1。在这里为了便于说明而使用绝对值，因为电压可以为负或正，这取决于是二极管的阴极还是阳极的电压或者使用哪一个电触点。时间t1例如可确定为电容器上的电压达到第一阈值V1时的时间。在一个实施例中，这个时间t1可通过对振荡器的循环进行计数来计数。

[0048] 例如“电压的绝对值等于或超过阈值的绝对值”的词语意在包含当电压和阈值为正时电压的值等于或超过阈值的值，以及当电压和阈值为负时电压的值的加性逆元(即，求反)等于或超过阈值的值的加性逆元(即，求反)。确定是否“电压的绝对值等于或超过阈值的绝对值”不一定涉及确定电压的绝对值或阈值的绝对值，因为电压和阈值的符号(即，正或负)通常是给定系统中已知的。

[0049] 控制器310可配置成在自第一时间t1的时间延迟TD1的到期之前确定电压的绝对值是否等于或超过第二阈值V2的绝对值。在自第一时间t1的时间延迟TD1的到期之前确定电压的绝对值等于或超过第二阈值V2的绝对值时，控制器310可记录电压的绝对值等于或超过第二阈值V2的绝对值(例如，电压的绝对值从低于第二阈值的绝对值增加到等于或高于第二阈值的绝对值的值)的时间t2。时间t2例如可确定为电压达到第二阈值V2时的时间。在一个实施例中，如果电压在时间延迟TD1到期之前没有达到V2，则电压可被认为是噪声，并且重置电压(例如通过将电容器的两个端子连接到接地)。在一个实施例中，时间延迟TD1可在校准之后指定。

[0050] 在记录第二时间t2之后，控制器310可继续记录电压的绝对值等于或超过第三阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从低于第三阈值的绝对值增加到等于或高于第三阈值的绝对值的值)的第三时间t3。时间t3例如可确定为电压达到第三阈值V3时的时间。控制器310可配置成记录电压的绝对值分别等于或超过一个或多个阈值的绝对值的时间ti。此后，控制器310可配置成在电压稳定(即，电压的变化率基本上为零)之后将电压Vs记录为电压的“稳定值”。词语“电压的变化率基本上为零”表示电压的时间变化小于0.1％/ns。词语“电压的变化率基本上为非零”表示电压的时间变化至少为0.1％/ns。控制器310可配置成确定光的脉冲的光子到达光子检测器的时间，其中从那些光子所生成的载流子使电压由控制器
310基于V3、t3和Vs来处理。在一个实施例中，电压比较器301可在确定电压稳定时(例如由控制器310)可控地停用。

[0051] 在一个实施例中，控制器310可配置成在电压比较器301确定电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值的时间之前保持停用电压比较器301的操作不要求的任何电路。此外，在一个实施例中，控制器310可在电压的绝对值等于或超过阈值的绝对值的时间之后开始时间延迟，并且将该时间延迟到期之后的电压记录为电压Vs。也就是说，所记录电压Vs可以不是那个实际稳定电压，因为时间延迟可在电压实际变成稳定、即电压的变化率基本上为零之前或之后到期。

[0052] 术语“启动”表示使组件进入操作状态(例如通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平之类的信号、通过提供电力等)。术语“停用”表示使组件进入非操作状态(例如通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平之类的信号、通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态要高的功率消耗(例如高10倍、高100倍、高1000倍)。

[0053] 在一个实施例中，控制器310可配置成使伏特计306测量电压Vs，例如继续测量电压，并且确定电压变稳定的时间，或者在时间延迟到期时进行一个测量。控制器310可配置成重置电压(例如通过将电极或电触点连接到电接地)。在实施例中，电极或电触点在得到电压Vs之后连接到电接地。在实施例中，电极或电触点连接到电接地有限重置时间段。控制器310可通过控制开关305将电极或电触点连接到电接地。开关可以是晶体管(例如场效应晶体管(FET))。

[0054] 在实施例中，电子系统121没有模拟滤波器网络(例如RC网络)。在实施例中，电子系统121没有模拟电路。此外，在实施例中，伏特计306可将所测量的电压作为模拟或数字信号来馈送给控制器310。

[0055] 图4示意示出按照实施例、入射到二极管或电阻器上的(例如反射光脉冲的)光子所生成的载流子所引起的电极或电触点的电压或者跨连接到电极或电触点的电容器模块309的电容器的电压的时间变化。电压可以是电流相对时间的积分。在时间t0，载流子可开始对电容器充电，以及跨电容器的电压的绝对值可开始增加。在一个实施例中，反射光脉冲的光子可进入二极管或电阻器，并且载流子可在二极管或电阻器中生成。在一个实施例中，时间t0可以是光脉冲由光源所发射的时间。在另一个实施例中，时间t0可以是自光脉冲由光源所发射的时间的延迟之后的时间。

[0056] 在时间t1，电压比较器301可确定电压的绝对值等于或超过第一阈值V1的绝对值，以及控制器310可记录电压的绝对值等于或超过第一阈值V1的绝对值的时间t1。在时间延迟TD1之内的后来时间，电压比较器301可确定电压的绝对值等于或超过第二阈值V2的绝对值，以及控制器310可记录电压的绝对值等于或超过第二阈值V2的绝对值的时间t2。在一个实施例中，如果电压在时间延迟TD1到期之前没有达到V2，则电压可被认为是噪声，并且可重置电压。在没有重置电压(例如，将电容器的两个端子接地)的情况下，电压的绝对值可继续增加。电压比较器301可确定电压的绝对值等于或超过第三阈值V3的绝对值，以及控制器310可记录电压的绝对值等于或超过第三阈值V3的绝对值的时间t3。在时间ts，电压可被认为是稳定的，并且可记录电压的稳定值Vs。

[0057] 图5示出按照实施例、确定反射光脉冲的光子到达光子检测器100的时间的方法的流程图。在过程5010，光子由光子检测器100来接收，并且载流子从光子来生成。例如，光子可由光子吸收层110来吸收，以及载流子可从光子吸收层110中的光子来生成。在过程5020，电容器(例如电容器模块309中的电容器)通过载流子来充电。在过程5030，得到跨电容器的电压的绝对值等于或超过第一阈值(例如V1)的绝对值的第一时间(例如t1)。在过程5030，在自第一时间的时间延迟(例如TD1)的到期之前确定跨电容器的电压的绝对值等于或超过第二阈值(例如V2)的绝对值时，得到跨电容器的电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值的第二时间(例如t2)。在过程5040，得到跨电容器的电压的绝对值等于或超过第三阈值(例如V3)的绝对值的第三时间(例如t2)。可得到跨电容器的电压的绝对值分别等于或超过附加阈值的绝对值的附加时间。在过程5050，得到跨电容器的电压稳定时的跨电容器的电压的稳定值(例如Vs)。跨电容器的电压可在得到跨电容器的电压的稳定值之后重置。在过程5060，基于第三时间、第三阈值以及跨电容器的电压的稳定值来确定光子到达光子检测器100的时间。在实施例中，在时间延迟到期之后确定跨电容器的电压的绝对值小于第二阈值的绝对值时，重置跨电容器的电压。该方法还包括在过程5005发射光脉冲。可允许电容器在发射光脉冲时或者仅在自光脉冲的发射的某个时间之后被充电。由光子检测器100所接收的光子可在物体所反射的光脉冲的光子之中。光子到达光子检测器100的时间可用来确定物体与光子检测器100的距离。

[0058] 按照实施例，光子检测器100可使用Δ-∑(∑-Δ、ΔΣ或ΣΔ)调制。Δ-∑调制中的第一步骤是Δ调制。在Δ调制中，对信号的变化(其增量)而不是绝对值进行编码。结果是脉冲流，如与数字流相反。数字输出(即，脉冲)经过1位DAC，并且所产生模拟信号(∑)加入ADC的输入信号。在模拟信号的积分期间，当模拟信号达到增量时，将计数器增加一，并且从模拟信号中扣除增量。在积分结束时，计数器的所记录值是数字信号，以及比增量要小的其余模拟信号是残留模拟信号。

[0059] 图6示意示出按照实施例、包括本文所述光子检测器100的LIDAR系统600。LIDAR系统600可安装在车辆(例如汽车或无人机)上，并且用作车载LIDAR。LIDAR系统600可包括光源602，其配置成发射光脉冲。光源602可以是激光源。光源602可配置成生成光脉冲，以及光子检测器100可用来检测场景604中的物体(例如大楼、人、障碍物或景观)对光脉冲的反射。在一个实施例中，物体的特性(例如距离、形状或运动)可基于物体所反射的光子到达光子检测器100的时间来得到。在一个实施例中，LIDAR系统600可具有光子检测器100上游的一个或多个滤波器，以减少环境光的影响。LIDAR系统600可配置成执行图5或者本文所述的方法。

[0060] 在一些实施例中，光子吸收层110可包括雪崩光电二极管(APD)。上述电子系统121以及确定光子到达光子检测器的时间的方法仍然可适用于具有APD的光子检测器。

[0061] 雪崩光电二极管(APD)是一种光电二极管，其在暴露于光时使用雪崩效应来生成电流。雪崩效应是一种过程，其中材料中的自由载流子经受电场的强加速，并且随后与材料的其他原子碰撞，由此将它们电离(碰撞电离)，并且释放附加载流子，其进行加速并且与其他原子碰撞，从而释放更多载流子—链式反应。碰撞电离是材料中的一种过程，通过其，具有能量的载流子能够通过其他载流子的创建而失去能量。例如，在半导体中，具有足够动能的电子(或空穴)能够将束缚电子撞出其束缚态(在价带中)，并且将它促进到导带中的状态，从而创建电子-空穴对。包括APD的光子检测器100的示例可以是如本文所述的光子检测器800。

[0062] APD可工作在盖革模式或线性模式。当APD工作在盖革模式时，它可称作单光子雪崩二极管(SPAD)(又称作盖革模式APD或G-APD)。SPAD是工作在高于击穿电压的反偏压下的APD。在这里，词语“高于”表示反偏压的绝对值大于击穿电压的绝对值。SPAD可用来检测低强度光(例如低至单光子)，并且发信号通知关于具有数十微微秒的抖动的光子的到达时间。SAPD可采取高于p-n结的击穿电压的反偏压下的p-n结的形式(即，p-n结的p型区在比n型区要低的电位下偏压)。p-n结的击穿电压是反偏压，高于其，p-n结中的电流的指数增加发生。工作在低于击穿电压的反偏压的APD工作在线性模式，因为APD中的电流与入射到APD上的光的强度成比例。

[0063] 图7A、图7B和图7C示意示出按照实施例的APD的操作。图7A示出，当光子(例如X射线光子)由吸收区710来吸收时，可生成多个(例如，对于X射线光子为100至10000个)电子-空穴对。吸收区710具有充分厚度并且因而具有对入射光子的充分吸收率(例如>80％或者>90％)。对于软X射线光子，吸收区710可以是厚度为10微米或以上的硅层。吸收区710中的电场不是足够高以引起吸收区710中的雪崩效应。图7B示出电子和空穴在吸收区710中沿相反方向漂移。图7C示出，当电子(或空穴)进入放大区720时，雪崩效应在那个放大区720中发生，由此生成更多电子和空穴。放大区720中的电场足够高以引起进入放大区720的载流子的雪崩，但不是过高以使雪崩效应是自持的。自持雪崩是一种雪崩，其在外部触发(例如入射到APD上的光子或者漂移到APD中的载流子)消失之后持续存在。放大区720中的电场可以是放大区720中的掺杂剖面的结果。例如，放大区720可包括p-n结或者其耗尽区中具有电场的异质结。雪崩效应的阈值电场(即，一种电场，高于其，雪崩发生，而低于其，雪崩效应不发生)是放大区720的材料的性质。放大区720可处于吸收区710的一侧或两个相对侧。

[0064] 图8A示意示出基于APD 850的阵列的光子检测器800的截面。APD 850的每个可具有作为图7A、图7B和图7C所示的710和720的示例的吸收区810和放大区820。光子检测器800中的APD 850的至少部分或全部可具有结合在一起的吸收区810。即，光子检测器800可具有采取吸收层811(其在APD 850的至少部分或全部之间共享)的形式的结合吸收区810。APD 850的放大区820是离散区。即，APD 850的放大区820没有结合在一起。在实施例中，吸收层
811可采取半导体晶圆(例如硅晶圆)的形式。吸收区810可以是本征半导体或极轻掺杂半导体(例如<1012掺杂剂/cm3、<1011掺杂剂/cm3、<1010掺杂剂/cm3、<109掺杂剂/cm3)，其中具有充分厚度，并且因而对感兴趣入射光子(例如X射线光子)具有充分吸收率(例如>80％或者>
90％)。放大区820可具有结815，其通过至少两个层812和813所形成。结815可以是p-n结的异质结。在实施例中，层812是p型半导体(例如硅)，以及层813是重掺杂n型层(例如硅)。词语“重掺杂”不是程度术语。重掺杂半导体具有与金属相当的电导率，并且呈现基本上线性正热系数。在重掺杂半导体中，掺杂剂能级合并到能带中。重掺杂半导体又称作简并半导体。层812可具有1013至1017掺杂剂/cm3的掺杂级。层813可具有1018掺杂剂/cm3或以上的掺杂级。层812和813可通过外延生长、掺杂剂注入或掺杂剂扩散来形成。层812和813的带结构和掺杂级能够选择成使得结815的耗尽区电场比层812和813的材料中的电子(或空穴)的雪崩效应的阈值电场要大，但是不会过高以引起自持雪崩。即，结815的耗尽区电场应当在吸收区810中存在入射光子时引起雪崩，但是雪崩应当在吸收区810中没有进一步的入射光子的情况下停止。

[0065] 光子检测器800还可包括与APD 850的层813分别电接触的电触点119B。电触点119B配置成收集流经APD 850的电流。

[0066] 光子检测器800还可包括钝化材料803，其配置成钝化吸收区810的表面和APD 850的层813，以降低在这些表面的重组。

[0067] 光子检测器800还可包括重掺杂层802(其与放大区820相对地设置在吸收区810上)以及重掺杂层802上的电触点119A。APD 850的至少部分或全部的电触点119A可结合在一起。APD 850的至少部分或全部的重掺杂层802可结合在一起。

[0068] 当光子进入光子检测器800时，它可由APD 850的吸收区810来吸收，以及载流子可作为结果在吸收区810中生成。一种类型(电子或空穴)的载流子朝那一个APD的放大区820漂移。当载流子进入放大区820时，雪崩效应发生，并且引起载流子的放大。放大载流子能够经过那一个APD的电触点119B作为电流来收集。当那一个APD处于线性模式时，电流与吸收区810中每单位时间的入射光子的数量成比例(即，与在那一个APD的光强度成比例)。可编制APD处的电流，以表示光的空间强度分布、即图像。放大载流子备选地可经过那一个APD的电触点119B来收集，以及光子的数量可从载流子来确定(例如通过使用电流的时间特性)。

[0069] APD 850的结815应当是分立的，即，APD之一的结815不应当与APD的另一个的结815相结合。在APD 850的结815之一所放大的载流子不应当与结815的另一个所共享。APD之一的结815可通过卷绕结的吸收区的材料、通过卷绕结的层812或813的材料、通过卷绕结的绝缘体材料或者通过掺杂半导体的保护环与相邻APD的结815分隔。如图8A所示，APD 850的每个的层812可以是分立的，即，没有与APD的另一个的层812相结合；APD 850的每个的层
813可以是分立的，即，没有与APD的另一个的层813相结合。图8B示出光子检测器800的变体，其中APD的部分或全部的层812结合在一起。图8C示出光子检测器800的变体，其中结815通过保护环816来包围。保护环816可以是绝缘体材料或掺杂半导体。例如，当层813是重掺杂n型半导体时，保护环816可以是与层813相同的材料但是没有重掺杂的n型半导体。保护环816可存在于图8A或图8B所示的光子检测器800中。图8D示出光子检测器800的变体，其中结815具有本征半导体层817，其夹合在层812与813之间。APD 850的每个中的本征半导体层
817可以是分立的，即，没有与另一个APD的另一本征半导体层817相结合。APD 850的部分或全部的本征半导体层817可结合在一起。

[0070] 光子检测器800可以是光子检测器100的实施例。虽然未示出，但是光子检测器800的实施例还可包括如这里所述的电子系统121(例如电连接到放大区)，并且可作为光子检测器100用于系统600中。

[0071] 虽然本文公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对本领域的技术人员将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是为了便于说明而不是要进行限制，其真实范围和精神通过以下权利要求书来指示。