JP5438476B2 - 距離画像センサ - Google Patents

Description

本発明は、距離センサ及び距離画像センサに関する。

距離画像センサとして、例えば、特許文献１に記載された固体撮像装置が知られている。特許文献１に記載された距離画像センサは、二次元に配列された各画素が、矩形の電荷生成領域と、電荷生成領域の一組の対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられた転送ゲート電極と、転送ゲート電極により転送された信号電荷をそれぞれ蓄積する浮遊ドレイン領域と、電荷生成領域の異なる一組の対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられ、電荷生成領域から背景光電荷を排出する排出ゲート電極と、排出ゲート電極により排出された背景光電荷をそれぞれ受け入れる排出ドレイン領域と、を備えて構成されている。この距離画像センサでは、浮遊ドレイン領域内に振り分けられた電荷量に基づいて、対象物までの距離が演算される。また、電荷生成領域にて生成された背景光電荷が排出されるため、背景光の影響が低減され、ダイナミックレンジが向上する。

国際公開第２００７／０２６７７９号パンフレット

しかしながら、特許文献１に記載された距離画像センサにおいては、各画素において、電荷生成領域の周囲のうち一部ではあるものの、排出ゲート電極で囲む構成となっているため、開口率が悪いという問題点を有している。

本発明は、開口率の向上を図ることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することを目的とする。

本発明に係る距離センサは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する少なくとも２つの信号電荷収集領域と、信号電荷収集領域のそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する少なくとも２つの不要電荷収集領域と、不要電荷収集領域のそれぞれの周囲に該不要電荷収集領域を囲んで設けられ、電荷発生領域から不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を備えることを特徴とする。そして、本発明に係る距離画像センサは、一次元状又は二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、１つのユニットは、上記距離センサであることを特徴とする。

複数のユニットを一次元状又は二次元状に配置すると、電荷発生領域の周辺に複数の不要電荷収集ゲート電極が位置することになるが、逆に、不要電荷収集ゲート電極の周辺にも電荷発生領域が位置することとなる。不要電荷収集ゲート電極は不要電荷収集領域を囲んでいるため、不要電荷収集ゲート電極により不要電荷の流れを開放することで、全方向からの不要電荷を不要電荷収集領域に転送することが可能となる。すなわち、一つの不要電荷収集領域が、当該不要電荷収集領域の周囲に位置する複数の電荷発生領域の不要電荷収集領域として共有化されることとなり、開口率が著しく改善する。

好ましくは、転送電極は、信号電荷収集領域のそれぞれの周囲に該信号電荷収集領域を囲んで設けられている。この場合、複数の転送電極は電荷発生領域の周辺に位置することになるが、逆に、転送電極の周辺にも電荷発生領域が位置することとなる。転送電極は信号電荷収集領域を囲んでいるため、転送電極へ電荷転送信号を与えることで、全方向からの電荷を信号電荷収集領域に転送することが可能となる。すなわち、転送電極の周辺領域を実質的に全て電荷発生領域として機能させることが可能となり、開口率が更に著しく改善する。したがって、信号量を増加させ、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる。１つの距離センサに着目すると、転送電極の外側の全方向から内側の信号電荷収集領域に電荷を転送させることができるので、多くの電荷が収集でき、かかる電荷に基づいて距離を求めると、Ｓ／Ｎ比の良い距離出力を得ることができる。

好ましくは、電荷発生領域から信号電荷収集領域への信号電荷の転送方向と、電荷発生領域から不要電荷収集領域への不要電荷の転送方向と、は直交している。この場合、距離センサの２次元配列を阻害することなく、電荷発生領域に対して、信号電荷収集領域、転送電極、不要電荷収集領域、及び不要電荷収集ゲート電極を容易に配置することができる。

好ましくは、不要電荷収集ゲート電極の形状は、環状である。これにより全方位から不要電荷収集領域に流れる不要電荷を着実に収集し、また、その流入を阻止することが可能となる。

好ましくは、転送電極の形状は、環状である。これにより全方位から信号電荷収集領域に流れる信号電荷を着実に収集し、また、その流入を阻止することが可能となる。

本発明によれば、開口率の向上を図ることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することができる。

第１実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。 図１におけるII−II線に沿った断面構成を示す図である。 図１におけるIII−III線に沿った断面構成を示す図である。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 各種信号のタイミングチャートである。 撮像デバイスの全体の断面図である。 画素の構成を説明するための回路図である。 各種信号のタイミングチャートである。 距離画像測定装置の全体構成を示す図である。 第２実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。 図１１におけるXII−XII線に沿った断面構成を示す図である。 図１１におけるXIII−XIII線に沿った断面構成を示す図である。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 各種信号のタイミングチャートである。 変形例における、各種信号のタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。図２は、撮像領域のII−II線に沿った断面構成を示す図であり、図３は、撮像領域のIII−III線に沿った断面構成を示す図である。

距離画像センサＲＳ１は、互いに対向する第１及び第２主面１ａ，１ｂを有する半導体基板１を備えている。半導体基板１は、第１主面１ａ側に位置するｐ型の第１半導体領域３と、第１半導体領域３よりも不純物濃度が低く且つ第２主面１ｂ側に位置するｐ⁻型の第２半導体領域５と、からなる。半導体基板１は、例えば、ｐ型の半導体基板上に、当該半導体基板よりも不純物濃度が低いｐ⁻型のエピタキシャル層を成長させることにより得ることができる。半導体基板１の第２主面１ｂ（第２半導体領域５）上には、絶縁層７が形成されている。

絶縁層７上には、複数のフォトゲート電極ＰＧが、空間的に離間して一次元状に配置されている。フォトゲート電極ＰＧは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、正方形状を呈している。半導体基板１（第２半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（図２及び図３において、フォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域）は、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域（光感応領域）として機能する。

第２半導体領域５には、フォトゲート電極ＰＧの配置方向に直交する方向にフォトゲート電極ＰＧから離れて位置する領域それぞれに、不純物濃度が高いｎ型の第３半導体領域（信号電荷収集領域）９ａ，９ｂが形成されている。第３半導体領域９ａは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち当該フォトゲート電極ＰＧの配置方向に平行な一辺側に配置され、第３半導体領域９ｂは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち第３半導体領域９ａが配置された側の一辺に対向する一辺側に配置されている。第３半導体領域９ａ，９ｂは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第３半導体領域９ａ，９ｂは、正方形状を呈している。

第２半導体領域５には、隣り合うフォトゲート電極ＰＧの間に位置する領域それぞれに、不純物濃度が高いｎ型の第４半導体領域（不要電荷収集領域）１１が形成されている。第４半導体領域１１は、フォトゲート電極ＰＧにおける当該フォトゲート電極ＰＧの配置方向に直交する辺側に配置されている。第４半導体領域１１は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第４半導体領域１１は、正方形状を呈している。

本実施形態では、「不純物濃度が高い」とは例えば不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示す。「不純物濃度が低い」とは不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^−３程度以下であって、「−」を導電型に付けて示す。

各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
第１半導体領域３：厚さ１０〜１０００μｍ／不純物濃度１×１０^１２〜１０^１９ｃｍ^−３
第２半導体領域５：厚さ１〜５０μｍ／不純物濃度１×１０^１２〜１０^１５ｃｍ^−３
第３半導体領域９ａ，９ｂ及び第４半導体領域１１：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３

半導体基板１（第１及び第２半導体領域３，５）には、バックゲート又は貫通電極などを介してグランド電位などの基準電位が与えられる。

絶縁層７上には、各フォトゲート電極ＰＧに対応して、第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２とがそれぞれ配置されている。第１転送電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域９ａとの間に位置し、フォトゲート電極ＰＧから離れて配置されている。第２転送電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域９ｂとの間に位置し、フォトゲート電極ＰＧから離れて配置されている。第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２とは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２とは、フォトゲート電極ＰＧの配置方向を長辺方向とする長方形状を呈している。

絶縁層７上には、フォトゲート電極ＰＧの間に、不要電荷収集ゲート電極として機能する第３転送電極ＴＸ３がそれぞれ配置されている。第３転送電極ＴＸ３は、第４半導体領域１１のそれぞれの周囲に該第４半導体領域１１を囲んで設けられている。第３転送電極ＴＸ３は、環状を呈しており、本実施形態では角環状を呈している。フォトゲート電極ＰＧの配置方向に見て、フォトゲート電極ＰＧと第４半導体領域１１との間に、第３転送電極ＴＸ３の一辺が位置することとなる。

本実施形態では、それぞれ一つの、フォトゲート電極ＰＧ、半導体基板１におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（光感応領域）、第１転送電極ＴＸ１、第２転送電極ＴＸ２、第３半導体領域９ａ，９ｂ、一対の第３転送電極ＴＸ３、及び、一対の第４半導体領域１１が、距離画像センサＲＳ１における一つの画素（距離センサ）を構成している。一組の第４半導体領域１１及び第３転送電極ＴＸ３は、２つの光感応領域に挟まれて、当該２つの光感応領域の間に位置することとなる。

絶縁層７には、半導体領域３の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第３半導体領域９ａ，９ｂ及び第４半導体領域１１を外部に接続するための導体１３が配置される。図１では、導体１３の図示を省略している。

半導体基板はＳｉからなり、絶縁層７はＳｉＯ２からなり、フォトゲート電極ＰＧ及び第１〜第３転送電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３はポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。

第３半導体領域９ａ，９ｂは、光の入射に応じて半導体基板１における光感応領域で発生した信号電荷を収集するものである。第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号の位相と第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号の位相とは、１８０度ずれている。１つの画素に入射した光は、半導体基板１（第２半導体領域５）内において電荷に変換され、このようにして発生した電荷のうち一部の電荷が、信号電荷として、フォトゲート電極ＰＧ並びに第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第１転送電極ＴＸ１の方向又は第２転送電極ＴＸ２の方向に走行する。

第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、正電位を与えると、第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルが半導体基板１（第２半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧの下の部分のポテンシャルより低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第３半導体領域９ａ又は第３半導体領域９ｂによって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、上記正電位よりも低い電位（グランド電位）を与えると、第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１で発生した電荷は、第３半導体領域９ａ又は第３半導体領域９ｂ内には引き込まれない。

第４半導体領域１１は、光の入射に応じて半導体基板１における光感応領域で発生した不要電荷を収集するものである。１つの画素に入射した光は、半導体基板１（第２半導体領域５）内で発生した電荷のうち一部の電荷が、不要電荷として、フォトゲート電極ＰＧ及び第３転送電極ＴＸ３に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第３転送電極ＴＸ３の方向に走行する。

第３転送電極ＴＸ３に、正電位を与えると、第３転送電極ＴＸ３の下のポテンシャルが半導体基板１（第２半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧの下の部分のポテンシャルより低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第３転送電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、第４半導体領域１１によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第３転送電極ＴＸ３に、上記正電位よりも低い電位（グランド電位）を与えると、第３転送電極ＴＸ３によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１で発生した電荷は、第４半導体領域１１内には引き込まれない。

図４は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１の第２主面１ｂ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図５は、不要電荷の排出動作を説明するための、半導体基板１の第２主面１ｂ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図４及び図５では、下向きがポテンシャルの正方向である。図４において、（ａ）及び（ｂ）は、図２の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｃ）は、図３の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。図５において、（ａ）は、図２の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｂ）は、図３の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。

図４及び図５には、第１転送電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ１、第２転送電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ２、第３転送電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３、フォトゲート電極ＰＧ直下の光感応領域のポテンシャルφ_ＰＧ、第３半導体領域９ａのポテンシャルφ_ＦＤ１、第３半導体領域９ｂのポテンシャルφ_ＦＤ２、第４半導体領域１１のポテンシャルφ_ＯＦＤが示されている。

フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（光感応領域）のポテンシャルφ_ＰＧは、無バイアス時における隣接する第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３直下の領域のポテンシャル（φ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２，φ_ＴＸ３）を基準電位とすると、この基準電位よりも高く設定されている。この光感応領域のポテンシャルφ_ＰＧはポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２，φ_ＴＸ３よりも高くなり、この領域のポテンシャル分布は図面の下向きに凹んだ形状となる。

図４を参照して、信号電荷の蓄積動作を説明する。

第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第１転送電極ＴＸ１には正の電位が与えられ、第２転送電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図４（ａ）に示されるように、光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第１転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１が下がることにより、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内に流れ込む。

一方、第２転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ２は下がらず、第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。第３半導体領域９ａ，９ｂでは、ｎ型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが凹んでいる。

第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第２転送電極ＴＸ２には正の電位が与えられ、第１転送電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図４（ｂ）に示されるように、光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第２転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ２が下がることにより、第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内に流れ込む。一方、第１転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１は下がらず、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。

第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に位相が１８０度ずれた電荷転送信号が印加されている間、第３転送電極ＴＸ３にはグランド電位が与えられている。このため、図４（ｃ）に示されるように、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ３は下がらず、第４半導体領域１１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。

以上により、信号電荷が第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷は、外部に読み出される。

図５を参照して、不要電荷の排出動作を説明する。

第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２には、グランド電位が与えられている。このため、図５（ａ）に示されるように、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２は下がらず、第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。一方、第３転送電極ＴＸ３には正の電位が与えられる。この場合、図５（ｂ）に示されるように、隣接する２つの光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ３が下がることにより、第４半導体領域１１のポテンシャル井戸内に流れ込む。以上により、不要電荷が第４半導体領域１１のポテンシャル井戸に収集される。第４半導体領域１１のポテンシャル井戸に収集された不要電荷は、外部に排出される。

図６は、各種信号のタイミングチャートである。

後述の光源の駆動信号Ｓ_Ｄ、光源が対象物に当たって撮像領域まで戻ってきたときの反射光の強度信号Ｌ_Ｐ、第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号Ｓ_１、及び、第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号Ｓ_２が示されている。電荷転送信号Ｓ_１は、駆動信号Ｓ_Ｄに同期しているので、反射光の強度信号Ｌ_Ｐの電荷転送信号Ｓ_１に対する位相が、光の飛行時間であり、これはセンサから対象物までの距離を示している。反射光の強度信号Ｌ_Ｐと第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号Ｓ_１との重なり合った部分が第３半導体領域９ａで収集される電荷量Ｑ_１に相当し、反射光の強度信号Ｌ_Ｐと第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号Ｓ_２との重なり合った部分が第３半導体領域９ｂで収集される電荷量Ｑ_２に相当する。ここでは、各電荷転送信号Ｓ_１，Ｓ_２の印加時に、第３半導体領域９ａ，９ｂで収集された電荷量Ｑ_１，Ｑ_２の比率を用いて、距離ｄを演算する。すなわち、駆動信号の１つのパルス幅をＴ_Ｐとすると、距離ｄ＝（ｃ／２）×（Ｔ_Ｐ×Ｑ_２／（Ｑ_１＋Ｑ_２））で与えられる。なお、ｃは光速である。

図７は、撮像デバイスの全体の断面図である。

撮像デバイスＩＭは、距離画像センサＲＳ１と、配線基板ＷＢと、を備えている。距離画像センサＲＳ１は、裏面照射型の距離画像センサである。距離画像センサＲＳ１は、その中央部が周辺部と比較して薄化されており、薄化された領域が撮像領域となり、対象物からの反射光が入射する。距離画像センサＲＳ１では、電荷発生部の光入射側に電極が存在しないので、Ｓ／Ｎ比の高い距離出力及び距離画像を得ることができる。

距離画像センサＲＳ１は、半導体基板１の第２主面１ｂ側を配線基板ＷＢに対向させた状態で、多層配線基板Ｍ１と接着剤ＦＬとを介して配線基板ＷＢに貼り付けられている。多層配線基板Ｍ１の内部には、各半導体領域９ａ，９ｂ，１１、各転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３、及びフォトゲート電極ＰＧ等にそれぞれ電気的に接続された貫通電極（不図示）が設けられている。貫通電極は、配線基板ＷＢと多層配線基板Ｍ１との間に介在するバンプ電極（不図示）を介して、配線基板ＷＢの貫通電極（不図示）に接続されており、配線基板ＷＢの貫通電極は配線基板ＷＢの裏面に露出している。配線基板ＷＢを構成する絶縁基板における接着剤ＦＬとの界面側の表面には、遮光層（不図示）が形成されており、距離画像センサＲＳ１を透過した光の配線基板ＷＢへの入射を抑制している。

図８は、画素の構成を説明するための回路図である。図８において、各電極ＰＧ，ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３は、電界効果トランジスタのゲート電極を構成するものであり、説明の簡略化のため、これらの電界効果トランジスタは、対応する電極（ＰＧ，ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３）と同一符号を用いて示すこととする。

フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第１転送電極ＴＸ１に高電位が印加されている場合には、電界効果トランジスタ（ＴＸ１）はＯＮしており（電界効果トランジスタ（ＴＸ２，ＴＸ３）はＯＦＦ）、この電界効果トランジスタ（ＴＸ１）を介して第３半導体領域９ａによって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第２転送電極ＴＸ２に高電位が印加されている場合には、電界効果トランジスタ（ＴＸ２）はＯＮしており（電界効果トランジスタ（ＴＸ１，ＴＸ３）はＯＦＦ）、この電界効果トランジスタ（ＴＸ２）を介して第３半導体領域９ｂによって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第３半導体領域９ａ，９ｂに蓄積された信号電荷はソースフォロア回路を構成する電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲート電極にそれぞれ入力され、ゲート電極に入力された電位に応じた出力（Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２）が得られる。出力（Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２）は、電荷量Ｑ_１，Ｑ_２に対応するものであり、対象物までの距離を演算することができる値である。

フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第３転送電極ＴＸ３に高電位が印加されている場合には、電界効果トランジスタ（ＴＸ３）はＯＮしており（電界効果トランジスタ（ＴＸ１，ＴＸ２）はＯＦＦ）、この電界効果トランジスタ（ＴＸ３）を介して第４半導体領域１１によって構成されるポテンシャル井戸に不要電荷として流れ込み、外部に排出される。

電荷の読み出しが終了すると、リセットゲート電極に高電位が与えられ、電界効果トランジスタ（ＲＧ１，ＲＧ２）がＯＮし、電源電位Ｖｒに接続されたリセットドレイン領域ＲＤ１，ＲＤ２と、第３半導体領域９ａ，９ｂが接続され、第３半導体領域９ａ，９ｂがリセットされる。半導体領域内に電子が蓄積されると、負電荷の増加に伴ってその電位が低下する。

図９は、実際の各種信号のタイミングチャートである。

１フレームの期間Ｔ_Ｆは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔ_ａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔ_ｒｏと、からなる。１つの画素に着目すると、蓄積期間Ｔ_ａｃｃにおいて、複数のパルスを有する駆動信号Ｓ_Ｄが光源に印加され、これに同期して、電荷転送信号Ｓ_１，Ｓ_２が互いに逆位相で第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。なお、距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第３半導体領域９ａ，９ｂに印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、複数の駆動振動パルスが逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われ、第３半導体領域９ａ，９ｂ内に信号電荷が積算して蓄積される。

その後、読み出し期間Ｔ_ｒｏにおいて、第３半導体領域９ａ，９ｂ内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第３転送電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ_３がＯＮして、第３転送電極ＴＸ３に正の電位が与えられ、不要電荷が第４半導体領域１１のポテンシャル井戸に収集される。

図１０は、距離画像測定装置の全体構成を示す図である。

対象物ＯＪまでの距離ｄは、距離画像測定装置によって測定される。上述のように、ＬＥＤなどの光源ＬＳには、駆動信号Ｓ_Ｄが印加され、対象物ＯＪで反射された反射光像の強度信号Ｌ_Ｐが距離画像センサＲＳ１の光感応領域に入射する。距離画像センサＲＳ１からは、画素毎に、電荷転送信号Ｓ_１，Ｓ_２に同期して収集された電荷量Ｑ_１，Ｑ_２が出力され、これは駆動信号Ｓ_Ｄに同期して演算回路ＡＲＴに入力される。演算回路ＡＲＴでは、上述のように画素毎に距離ｄを演算し、演算結果を制御部ＣＯＮＴに転送する。制御部ＣＯＮＴは、光源ＬＳを駆動する駆動回路ＤＲＶを制御すると共に、電荷転送信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３を出力し、演算回路ＡＲＴから入力された演算結果を表示器ＤＳＰに表示する。

以上、説明したように、上述の距離画像センサＲＳ１は、一次元状に配置された複数のユニット（画素）からなる撮像領域を半導体基板１上に備え、ユニットから出力される電荷量Ｑ_１，Ｑ_２に基づいて、距離画像を得る距離画像センサであって、１つのユニットは、入射光に応じて電荷が発生する光感応領域（電荷発生領域）と、空間的に離間して配置され、光感応領域からの信号電荷を収集する少なくとも２つの第３半導体領域（電荷収集領域）９ａ，９ｂと、第３半導体領域９ａ，９ｂのそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２と、空間的に離間して配置され、光感応領域からの不要電荷を収集する少なくとも２つの第４半導体領域（不要電荷収集領域）１１と、第４半導体領域１１のそれぞれの周囲に該第４半導体領域１１を囲んで設けられ、光感応領域から第４半導体領域１１への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う第３転送電極（不要電荷収集ゲート電極）ＴＸ３と、を備えている。

第１実施形態の距離画像センサＲＳ１では、読み出し期間Ｔ_ｒｏにおいて、光感応領域にて発生した電荷が第４半導体領域１１を通して排出される。したがって、読み出し期間Ｔ_ｒｏ中に、強い光が入射する等して発生した電荷が不要電荷として排出されることとなり、このような不要電荷が第３半導体領域９ａ，９ｂに蓄積されるのを防ぐことができる。この結果、距離画像センサＲＳ１での距離検出精度を向上することができる。

ところで、複数の画素を一次元状に配置すると、光感応領域の周辺に複数の第３転送電極ＴＸ３が位置することになるが、逆に、第３転送電極ＴＸ３の周辺にも光感応領域が位置することとなる。第３転送電極ＴＸ３は第４半導体領域１１を囲んでいるため、第３転送電極ＴＸ３により不要電荷の流れを開放することで、全方向からの不要電荷を第４半導体領域１１に転送することが可能となる。すなわち、一つの第４半導体領域１１が、当該第４半導体領域１１の周囲に位置する複数の光感応領域の不要電荷収集領域として共有化されることとなり、開口率が著しく改善する。

第１実施形態の距離画像センサＲＳ１では、光感応領域から第３半導体領域９ａ，９ｂへの信号電荷の転送方向と、光感応領域から第４半導体領域１１への不要電荷の転送方向と、は直交している。このため、各画素（ユニット）の配列を阻害することなく、光感応領域に対して、第３半導体領域９ａ，９ｂ、第４半導体領域１１、及び第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３を容易に配置することができる。

第１実施形態の距離画像センサＲＳ１では、第３転送電極ＴＸ３の形状は、環状である。このため、全方位から第４半導体領域１１に流れる不要電荷を着実に収集し、また、その流入を阻止することが可能となる。

（第２実施形態）
図１１は、第２実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。図１２は、撮像領域のXII−XII線に沿った断面構成を示す図であり、図１３は、撮像領域のXIII−XIII線に沿った断面構成を示す図である。図１１では、導体１３の図示を省略している。

距離画像センサＲＳ２は、第１半導体領域３と第２半導体領域５とからなる半導体基板１を備えている。絶縁層７上には、複数のフォトゲート電極ＰＧが、空間的に離間して二次元状に配置されている。第２半導体領域５には、複数の第３半導体領域９ａ，９ｂ及び複数の第４半導体領域１１が形成されている。第１転送電極ＴＸ１は、第３半導体領域９ａのそれぞれの周囲に該第３半導体領域９ａを囲んで設けられている。第２転送電極ＴＸ２は、第３半導体領域９ｂのそれぞれの周囲に該第３半導体領域９ｂを囲んで設けられている。第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、環状を呈しており、本実施形態では角環状を呈している。

フォトゲート電極ＰＧ及び光感応領域と、第３転送電極ＴＸ３及び第４半導体領域１１とは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って、交互に配置されている。フォトゲート電極ＰＧ及び光感応領域と、転送電極ＴＸ１，ＴＸ２及び第３半導体領域９ａ，９ｂとも、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って、交互に配置されている。すなわち、一組のフォトゲート電極ＰＧ及び光感応領域に着目すると、Ｘ軸に平行な２方向及びＹ軸に平行な２方向の４方向が、第３転送電極ＴＸ３及び第４半導体領域１１と、第１転送電極ＴＸ１及び第３半導体領域９ａと、第２転送電極ＴＸ２及び第３半導体領域９ｂと、に囲まれている。

本実施形態では、それぞれ一つの、フォトゲート電極ＰＧ、光感応領域、第１転送電極ＴＸ１、第２転送電極ＴＸ２、第３半導体領域９ａ，９ｂ、一対の第３転送電極ＴＸ３、及び、一対の第４半導体領域１１が、距離画像センサＲＳ２における一つの画素（距離センサ）を構成している。一組の第４半導体領域１１及び第３転送電極ＴＸ３は、Ｘ軸に平行な２方向及びＹ軸に平行な２方向において、４つの光感応領域に挟まれて、当該４つの光感応領域の間に位置することとなる。

図１４は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１の第２主面１ｂ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図１５は、不要電荷の排出動作を説明するための、半導体基板１の第２主面１ｂ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図１４及び図１５では、下向きがポテンシャルの正方向である。図１４において、（ａ）及び（ｂ）は、図１２の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｃ）は、図１３の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。図１５において、（ａ）は、図１２の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｂ）は、図１３の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。

図１４を参照して、信号電荷の蓄積動作を説明する。

第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第１転送電極ＴＸ１には正の電位が与えられ、第２転送電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図１４（ａ）に示されるように、Ｘ軸方向で隣接する２つの光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第１転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１が下がることにより、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内に流れ込む。図示はしないが、Ｙ軸方向で隣接する２つの光感応領域で発生した負の電荷ｅも、第１転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１が下がることにより、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内に流れ込む。

一方、第２転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ２は下がらず、第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。第３半導体領域９ａ，９ｂでは、ｎ型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが凹んでいる。

第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第２転送電極ＴＸ２には正の電位が与えられ、第１転送電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図１４（ｂ）に示されるように、Ｘ軸方向で隣接する２つの光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第２転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ２が下がることにより、第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内に流れ込む。図示はしないが、Ｙ軸方向で隣接する２つの光感応領域で発生した負の電荷ｅも、第２転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ２が下がることにより、第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内に流れ込む。

一方、第１転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１は下がらず、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。

第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に位相が１８０度ずれた電荷転送信号が印加されている間、第３転送電極ＴＸ３にはグランド電位が与えられている。このため、図１４（ｃ）に示されるように、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ３は下がらず、第４半導体領域１１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。

以上により、信号電荷が第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷は、外部に読み出される。

図１５を参照して、不要電荷の排出動作を説明する。

第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２には、グランド電位が与えられている。このため、図１５（ａ）に示されるように、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２は下がらず、第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。一方、第３転送電極ＴＸ３にはグランド電位が与えられている。このため、図１４（ｃ）に示されるように、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ３は下がらず、第４半導体領域１１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。

第３転送電極ＴＸ３には正の電位が与えられると、図１５（ｂ）に示されるように、Ｘ軸方向で隣接する２つ光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ３が下がることにより、第４半導体領域１１のポテンシャル井戸内に流れ込む。図示はしないが、Ｙ軸方向で隣接する２つの光感応領域で発生した負の電荷ｅも、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ３が下がることにより、第４半導体領域１１のポテンシャル井戸内に流れ込む。以上により、不要電荷が第４半導体領域１１のポテンシャル井戸に収集される。第４半導体領域１１のポテンシャル井戸に収集された不要電荷は、外部に排出される。

各電極ＰＧ，ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３は、第１実施形態と同じく、電界効果トランジスタのゲート電極を構成し、各画素は、図８に示された回路図と同じ構成を備える。

図１６は、実際の各種信号のタイミングチャートである。

１フレームの期間Ｔ_Ｆは、蓄積期間Ｔ_ａｃｃと、読み出し期間Ｔ_ｒｏとからなる。１つの画素に着目すると、蓄積期間Ｔ_ａｃｃにおいて、複数のパルスを有する駆動信号Ｓ_Ｄが光源に印加され、これに同期して、電荷転送信号Ｓ_１，Ｓ_２が互いに逆位相で第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。ここでは、Ｘ軸方向を行方向として、第３半導体領域９ａ，９ｂに蓄積された信号電荷が行毎に蓄積されている。なお、第１実施形態と同様に、距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第３半導体領域９ａ，９ｂに印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。

読み出し期間Ｔ_ｒｏでは、第３半導体領域９ａ，９ｂに蓄積された信号電荷が行毎に順次読み出される。このとき、第３転送電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ_３がＯＮして、第３転送電極ＴＸ３に正の電位が与えられ、不要電荷が第４半導体領域１１のポテンシャル井戸に収集され、排出される。

以上、説明したように、上述の距離画像センサＲＳ２は、二次元状に配置された複数のユニット（画素）からなる撮像領域を半導体基板１上に備え、ユニットから出力される電荷量Ｑ_１，Ｑ_２に基づいて、距離画像を得る距離画像センサであって、１つのユニットは、入射光に応じて電荷が発生する光感応領域（電荷発生領域）と、空間的に離間して配置され、光感応領域からの電荷を収集する少なくとも２つの第３半導体領域（電荷収集領域）９ａ，９ｂと、第３半導体領域９ａ，９ｂのそれぞれの周囲に該第３半導体領域９ａ，９ｂを囲んで設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２と、空間的に離間して配置され、光感応領域からの不要電荷を収集する少なくとも２つの第４半導体領域（不要電荷収集領域）１１と、第４半導体領域１１のそれぞれの周囲に該第４半導体領域１１を囲んで設けられ、光感応領域から第４半導体領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う第３転送電極（不要電荷収集ゲート電極）ＴＸ３と、を備えている。

第２実施形態の距離画像センサＲＳ２でも、読み出し期間Ｔ_ｒｏにおいて、光感応領域にて発生した電荷が第４半導体領域１１を通して排出される。したがって、第１実施形態と同様に、距離画像センサＲＳ２での距離検出精度を向上することができる。

ところで、複数の画素を二次元状に配置すると、光感応領域の周辺に複数の第３転送電極ＴＸ３が位置することになるが、逆に、第３転送電極ＴＸ３の周辺にも複数の光感応領域が位置することとなる。第３転送電極ＴＸ３は第４半導体領域１１を囲んでいるため、第３転送電極ＴＸ３により不要電荷の流れを開放することで、全方向からの不要電荷を第４半導体領域１１に転送することが可能となる。すなわち、一つの第４半導体領域１１が、当該第４半導体領域１１の周囲に位置する複数の光感応領域の不要電荷収集領域として共有化されることとなり、開口率が著しく改善する。

第２実施形態の距離画像センサＲＳ２では、複数の第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２も光感応領域の周辺に位置することになるが、逆に、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の周辺にも複数の光感応領域がそれぞれ位置することとなる。第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は第３半導体領域９ａ，９ｂを囲んでいるため、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２へ電荷転送信号を与えることで、全方向からの電荷を第３半導体領域９ａ，９ｂに転送することが可能となる。すなわち、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の周辺領域を実質的に全て光感応領域として機能させることが可能となり、開口率がより一層著しく改善する。したがって、信号量を増加させ、Ｓ／Ｎ比の良い距離出力及びその集合情報としての距離画像を得ることができる。

第２実施形態の距離画像センサＲＳ２でも、光感応領域から第３半導体領域９ａ，９ｂへの信号電荷の転送方向と、光感応領域から第４半導体領域１１への不要電荷の転送方向と、は直交している。このため、各画素（ユニット）の配列を阻害することなく、光感応領域に対して、第３半導体領域９ａ，９ｂ、第４半導体領域１１、及び第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３を容易に配置することができる。

第２実施形態の距離画像センサＲＳ２でも、第３転送電極ＴＸ３の形状は、環状である。このため、全方位から第４半導体領域１１に流れる不要電荷を着実に収集し、また、その流入を阻止することが可能となる。

第２実施形態の距離画像センサＲＳ２では、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の形状は、環状である。このため、全方位から第３半導体領域９ａ，９ｂに流れる不要電荷を着実に収集し、また、その流入を阻止することが可能となる。

なお、距離画像センサＲＳ２は、距離画像センサＲＳ１の替わりに、図１０に示された距離画像測定装置に適用できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

図１７は、変形例に係る各種信号のタイミングチャートである。

本変形例では、駆動信号Ｓ_Ｄに関し、第１及び第２実施形態に比して、デューティ比（単位時間に対するＯＮ時間）が大きくされている。これにより、光源ＬＳの駆動パワーが増加し、Ｓ／Ｎ比がより一層向上する。本変形例では、駆動信号Ｓ_Ｄの一つのパルス毎に、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３の一つのパルスをそれぞれ発生させており、光源ＬＳの駆動パワーを増加させた場合でも、不要電荷を排出して、距離検出精度を向上することができる。もちろん、開口率も改善される。

第３転送電極ＴＸ３は、連続した環状に限られることなく、不連続、すなわち空隙を有する環状であってもよい。第１及び第２転送電極ＴＸ１，Ｔｘ２も、連続した環状に限られることなく、空隙を有する環状であってもよい。

距離画像センサＲＳ１，ＲＳ２は、表面照射型の距離画像センサであってもよい。

本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタや車両等に搭載される距離センサ及び距離画像センサに利用できる。

１…半導体基板、３…第１半導体領域、５…第２半導体領域、７…絶縁層、９ａ，９ｂ…第３半導体領域、１１…第４半導体領域、ＰＧ…フォトゲート電極、ＲＳ１，ＲＳ２…距離画像センサ、ＴＸ１…第１転送電極、ＴＸ２…第２転送電極、ＴＸ３…第３転送電極。

Claims (6)

1. 一次元状又は二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、前記ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサであって、
   各前記ユニットは、
   入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
   空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの信号電荷を収集する少なくとも２つの信号電荷収集領域と、
   前記信号電荷収集領域のそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、
   空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を収集する少なくとも２つの不要電荷収集領域と、
   前記不要電荷収集領域のそれぞれの周囲に該不要電荷収集領域を囲んで設けられ、前記電荷発生領域から前記不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を備え、
   前記電荷発生領域の周辺に複数の前記不要電荷収集ゲート電極が位置すると共に、前記不要電荷収集ゲート電極の周辺に複数の前記電荷発生領域が位置しており、
   前記不要電荷収集領域が、該不要電荷収集領域の周囲に位置する複数の前記電荷発生領域で共有化されていることを特徴とする距離画像センサ。
2. 前記転送電極は、前記信号電荷収集領域のそれぞれの周囲に該信号電荷収集領域を囲んで設けられていることを特徴とする請求項１に記載の距離画像センサ。
3. 前記電荷発生領域から前記信号電荷収集領域への信号電荷の転送方向と、前記電荷発生領域から前記不要電荷収集領域への不要電荷の転送方向と、は直交していることを特徴とする請求項２に記載の距離画像センサ。
4. 前記不要電荷収集ゲート電極の形状は、環状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離画像センサ。
5. 前記転送電極の形状は、環状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の距離画像センサ。
6. 前記複数のユニットは、二次元状に配置されており、
   前記電荷発生領域と、前記信号電荷収集領域及び前記転送電極と、は、二次元配置におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って交互に配置され、
   前記電荷発生領域と、前記不要電荷収集領域及び前記不要電荷収集ゲート電極と、は、二次元配置におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って交互に配置され、
   前記不要電荷収集領域及び前記不要電荷収集ゲート電極は、Ｘ軸に平行な２方向及びＹ軸に平行な２方向において、４つの前記電荷発生領域に挟まれて位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離画像センサ。

Images