WO2023238860A1 - 距離画像撮像素子および距離画像撮像装置 - Google Patents

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WO2023238860A1
WO2023238860A1 PCT/JP2023/020995 JP2023020995W WO2023238860A1 WO 2023238860 A1 WO2023238860 A1 WO 2023238860A1 JP 2023020995 W JP2023020995 W JP 2023020995W WO 2023238860 A1 WO2023238860 A1 WO 2023238860A1
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photoelectric conversion
conversion element
charge
distance image
mos transistor
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優 大久保
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凸版印刷株式会社
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    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures

Definitions

  • the present invention relates to a range image sensor.
  • a distance image imaging device using this distance image imaging device will also be mentioned.
  • time of flight is a method that uses the fact that the speed of light is known to measure the distance between a measuring instrument and an object based on the flight time of light in space (measurement space).
  • a distance image sensor hereinafter referred to as "TOF" type has been realized.
  • TOF distance image sensor a pulse of light (for example, near-infrared light) is irradiated onto the measurement target, and the time of irradiation of the light pulse and the return of the light pulse (reflected light) reflected by the target in the measurement space are calculated.
  • the distance between the measuring device and the target object is measured based on the difference in time between the measuring device and the target object, that is, the flight time of light between the measuring device and the target object (for example, see Patent Document 1).
  • the amount of charge generated by light reflected from the object from the pixel is transferred through multiple gates. It is necessary to read out with high accuracy.
  • a photoelectric conversion element converts the amount of incident light into an electric charge
  • the converted electric charge is stored in a charge storage section, and an analog signal corresponding to the amount of electric charge accumulated by an AD converter is used. Converts voltage to digital value.
  • the TOF distance image sensor uses information about the flight time of light between the measuring device and the object, which is included in the analog voltage corresponding to the amount of charge and the digital value, to determine the distance between the measuring device and the object. I'm looking for.
  • the charge generated by the photoelectric conversion element is accumulated in each of the charge accumulation parts at predetermined intervals, and a light pulse is irradiated depending on the amount of charge accumulated in each charge accumulation part.
  • a transfer gate transistor
  • a discharge gate transistor
  • a discharge failure may occur in which the charges cannot be discharged.
  • the discharge gate is laid out at a position far from the center of the photoelectric conversion element, the potential gradient of the potential that is formed when the discharge gate is turned on will cause the discharge gate to be laid out at a position close to the center of the photoelectric conversion element. This will be more gradual than in the case where In this case, for example, if a large amount of external light is received during the drain period, charges may not be fully discharged from the discharge gate. If the charge that cannot be discharged by the discharge gate enters the transfer gate, and if the charge that has entered the transfer gate is accumulated in the charge storage section, it becomes a factor that deteriorates the accuracy of distance measurement.
  • Aspect (1) of the present invention is a distance image imaging device formed on a semiconductor substrate, which includes a photoelectric conversion element that generates charges, a charge storage section that accumulates charges, and a charge storage unit that accumulates charges from the photoelectric conversion element.
  • the distance image imaging device includes a transfer MOS transistor provided on a transfer path for transferring charges to the photoelectric conversion element, and a charge discharge MOS transistor provided on a discharge path for discharging charges from the photoelectric conversion element.
  • a pixel circuit including at least an element, the charge storage section, the transfer MOS transistor, and the charge discharge MOS transistor is formed on a semiconductor substrate.
  • the photoelectric conversion element is formed on a semiconductor substrate in the shape of an N-gon (N is an integer of 4 or more) when viewed from above.
  • the transfer MOS transistor and the charge discharge MOS transistor are arranged on either side of the photoelectric conversion element. At least one of the transfer MOS transistor and the charge discharge MOS transistor has a tapered shape in which the width dimension, which is a dimension in a direction parallel to the side on which it is arranged, gradually decreases as it moves away from the side within the photoelectric conversion element.
  • the planar view shape of the photoelectric conversion element is a rectangle having a long side and a short side
  • the transfer MOS transistor 2M M is an integer of 2 or more
  • 2n n is an integer of 1 or more
  • charge discharge MOS transistors and M transfer MOS transistors are arranged on each of the long sides
  • M transfer MOS transistors are arranged on each of the long sides.
  • the charge discharging MOS transistors are arranged parallel to the sides and symmetrical with respect to the x-axis passing through the center of the photoelectric conversion element, and n charge discharge MOS transistors are arranged on each of the short sides.
  • the transfer MOS transistor is arranged in a line parallel to the short side and with respect to the y-axis passing through the center of the photoelectric conversion element. They are arranged symmetrically.
  • the N is an integer of 5 or more, and the sum of the transfer MOS transistor and the charge discharge MOS transistor is N. This is the above, and at least one transfer MOS transistor is provided on each of the sides of the photoelectric conversion element other than the side where the charge discharge MOS transistor is provided.
  • the transfer MOS transistor is perpendicular to any side of the N-gon. They are arranged at positions that are line symmetrical with respect to an axis passing through the center of the N-gon.
  • aspect (6) of the present invention provides that, in the distance image pickup device according to any one of aspects (1) to (5), the pixel circuit is arranged on a surface side of the pixel circuit on which the light is incident;
  • the photoelectric conversion device further includes a microlens whose axis is perpendicular to the incident surface of the photoelectric conversion element and coincides with the center of the incident surface.
  • Aspect (7) of the present invention provides a light receiving unit having a distance image sensor according to any one of aspects (1) to (6) above, and a distance image based on a distance image captured by the distance image sensor.
  • the present invention is a distance image imaging device including a distance image processing unit configured to be able to calculate a distance from an image sensor to a subject.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance image capturing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance image sensor used in the same distance image capturing device.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a pixel circuit arranged in a distance image capturing device used in a same distance image capturing device.
  • FIG. 3 is a diagram showing the arrangement of transistors in the same pixel circuit.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the difference in potential between the photoelectric conversion element and the transfer transistor depending on the shape of the gate, and is a diagram for explaining the state of the potential in each region.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the difference in potential between the photoelectric conversion element and the transfer transistor depending on the shape of the gate, and is a diagram for explaining the state of the potential in each region. It is a figure which shows the other example of the shape of a gate. It is a figure which shows the other example of the shape of a gate. It is a figure which shows the other example of the shape of a gate. It is a figure which shows the photoelectric conversion element and transistor based on the modification of this invention. It is a figure which shows the distance image imaging device based on the modification of this invention. It is a figure which shows the photoelectric conversion element and transistor based on the modification of this invention. It is a figure which shows the photoelectric conversion element and transistor based on the other modification of this invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance image capturing device 1.
  • the distance image imaging device 1 includes a light source section 2, a light receiving section 3, and a distance image processing section 4. Note that FIG. 1 also shows a subject S, which is an object whose distance is to be measured in the distance image capturing device 1.
  • the distance image imaging device is, for example, a distance image sensor 32 (described later) in the light receiving section 3.
  • the light source section 2 irradiates the space of the object to be photographed in which the object S whose distance is to be measured in the distance image imaging device 1 exists, with a light pulse PO, according to the control from the distance image processing section 4.
  • the light source unit 2 is, for example, a surface-emitting semiconductor laser module such as a vertical cavity surface-emitting laser (VCSEL).
  • the light source section 2 includes a light source device 21 and a diffusion plate 22.
  • the light source device 21 is a light source that emits laser light in a near-infrared wavelength band (for example, a wavelength band of 850 nm to 940 nm) that becomes a light pulse PO that is irradiated onto the subject S.
  • the light source device 21 is, for example, a semiconductor laser light emitting device.
  • the light source device 21 emits pulsed laser light under control from the timing control section 41.
  • the diffuser plate 22 is an optical component that diffuses the laser light in the near-infrared wavelength band emitted by the light source device 21 over a surface onto which the subject S is irradiated.
  • the pulsed laser light diffused by the diffusion plate 22 is emitted as a light pulse PO, and is irradiated onto the subject S.
  • the light receiving unit 3 receives the reflected light RL of the optical pulse PO reflected by the subject S whose distance is to be measured in the distance image capturing device 1, and outputs a pixel signal according to the received reflected light RL.
  • the light receiving section 3 includes a lens 31 and a distance image sensor 32.
  • the lens 31 is an optical lens that guides the incident reflected light RL to the distance image sensor 32.
  • the lens 31 emits the incident reflected light RL to the distance image sensor 32 side, and causes the light to be received (incident) by a pixel circuit provided in a light receiving area of the distance image sensor 32.
  • the distance image sensor 32 is a distance image sensor according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the distance image sensor 32 includes a plurality of pixels in a two-dimensional light receiving area. Each pixel circuit (pixel circuit 321) of the distance image sensor 32 includes one photoelectric conversion element, a plurality of charge storage units corresponding to this one photoelectric conversion element, and charges are distributed to the respective charge storage units. A component is provided.
  • the distance image sensor 32 distributes the charges generated by the photoelectric conversion elements to the respective charge storage sections according to control from the timing control section 41 provided in the distance image processing section 4. Further, the distance image sensor 32 outputs a pixel signal according to the amount of charge distributed to the charge storage section.
  • a plurality of pixel circuits are arranged in a two-dimensional matrix, and each pixel circuit outputs a corresponding pixel signal for one frame.
  • the distance image processing unit 4 controls the distance image capturing device 1 and calculates the distance to the subject S.
  • the distance image processing section 4 includes a timing control section 41 and a distance calculation section 42.
  • the timing control unit 41 controls the timing of outputting various control signals required for distance measurement.
  • the various control signals here include, for example, a signal that controls the irradiation of the optical pulse PO, a signal that distributes the reflected light RL to a plurality of charge storage units, a signal that controls the number of times of distribution per frame, and the like.
  • the number of times of distribution is the number of times that the process of distributing charges to the charge storage section CS (see FIG. 3) is repeated.
  • the distance calculation unit 42 outputs distance information that calculates the distance to the subject S based on the pixel signal output from the distance image sensor 32.
  • the distance calculation unit 42 calculates a delay time Td from irradiation of the optical pulse PO to reception of the reflected light RL based on the amount of charge accumulated in the plurality of charge storage units CS.
  • the distance calculation unit 42 calculates the distance from the distance image capturing device 1 to the subject S according to the calculated delay time Td.
  • the light receiving unit 3 receives the reflected light RL, which is the light pulse PO in the near-infrared wavelength band that is irradiated onto the subject S by the light source unit 2, and is reflected by the subject S.
  • the distance image processing unit 4 outputs distance information obtained by measuring the distance between the subject S and the distance image capturing device 1. Note that although FIG. 1 shows the distance image capturing device 1 having a configuration including the distance image processing unit 4 inside, the distance image processing unit 4 is a component provided outside the distance image capturing device 1. It's okay.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the image sensor (distance image sensor 32).
  • the distance image sensor 32 includes, for example, a light receiving area 320 in which a plurality of pixel circuits 321 are arranged, a control circuit 322, a vertical scanning circuit 323 having a distribution operation, and a horizontal scanning circuit 324. , and a pixel signal processing circuit 325.
  • the light receiving area 320 is an area in which a plurality of pixel circuits 321 are arranged, and FIG. 2 shows an example in which they are arranged in a two-dimensional matrix of 8 rows and 8 columns.
  • the pixel circuit 321 accumulates charges corresponding to the amount of received light.
  • the control circuit 322 controls the operations of the components of the distance image sensor 32, for example, in accordance with instructions from the timing control section 41 of the distance image processing section 4.
  • the vertical scanning circuit 323 is a circuit that controls the pixel circuits 321 arranged in the light receiving area 320 row by row in accordance with the control from the control circuit 322.
  • the vertical scanning circuit 323 causes the pixel signal processing circuit 325 to output a voltage signal corresponding to the amount of charge accumulated in each of the charge accumulation sections CS of the pixel circuit 321.
  • the pixel signal processing circuit 325 performs predetermined signal processing (for example, noise suppression processing or A/D conversion) on the voltage signal output from the pixel circuit 321 of each column under control from the control circuit 322. processing, etc.).
  • the horizontal scanning circuit 324 is a circuit that sequentially outputs the signals output from the pixel signal processing circuit 325 in time series according to the control from the control circuit 322. As a result, pixel signals corresponding to the amount of charge accumulated for one frame are sequentially output to the distance image processing section 4. In the following description, it is assumed that the pixel signal processing circuit 325 performs A/D conversion processing and the pixel signal is a digital signal.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the pixel circuit 321.
  • the pixel circuit 321 in FIG. 3 is a configuration example including four pixel signal readout sections.
  • the pixel circuit 321 includes one photoelectric conversion element PD, charge discharge transistors GD (GD1 and GD2 described later), and four pixel signal readout units RU (RU1 to RU4) that output voltage signals from corresponding output terminals O. Equipped with.
  • Each of the pixel signal readout units RU includes a transfer transistor G, a floating diffusion FD, a charge storage capacitor C, a reset transistor RT, a source follower transistor SF, and a selection transistor SL.
  • the floating diffusion FD and the charge storage capacitor C constitute a charge storage section CS.
  • the pixel signal readout unit RU1 that outputs a voltage signal from the output terminal O1 includes a transfer transistor (transfer MOS transistor) G1, a floating diffusion FD1, a charge storage capacitor C1, and a reset transistor RT1. , a source follower transistor SF1, and a selection transistor SL1.
  • a charge storage section CS1 is configured by a floating diffusion FD1 and a charge storage capacitor C1.
  • Pixel signal readout units RU2, RU3, and RU4 also have a similar configuration.
  • the photoelectric conversion element PD is an embedded photodiode that photoelectrically converts incident light, generates charges according to the incident light (incident light), and stores the generated charges.
  • the incident light enters from the space to be measured.
  • the photoelectric conversion element PD photoelectrically converts incident light and distributes the generated charge to each of the four charge storage sections CS (CS1 to CS4), and stores each charge according to the amount of the distributed charge.
  • the voltage signal is output to the pixel signal processing circuit 325.
  • the configuration of the pixel circuit arranged in the distance image sensor 32 is not limited to the configuration including four pixel signal readout units RU (RU1 to RU4) as shown in FIG.
  • the pixel circuit may have a configuration in which the readout unit RU includes a plurality of pixel signal readout units RU of 2M (M is an integer, M ⁇ 2) or more. That is, the pixel circuit may have a configuration including 2M (M is an integer, M ⁇ 2) or more transfer transistors G.
  • the vertical scanning circuit 323 In driving the pixel circuit 321 of the distance image imaging device 1, the light pulse PO is emitted during the irradiation time To, and the reflected light RL is received by the distance image sensor 32 after a delay time Td.
  • the vertical scanning circuit 323 transfers the charges generated in the photoelectric conversion element PD to the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 in this order, and stores them in each charge storage unit CS1, CS2, CS3, and CS4.
  • the vertical scanning circuit 323 turns on the transfer transistor G1 provided on the transfer path that transfers the charge from the photoelectric conversion element PD to the charge storage section CS1.
  • the charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element PD is accumulated in the charge storage section CS1 via the transfer transistor G1.
  • the vertical scanning circuit 323 turns off the transfer transistor G1.
  • the transfer of charges to the charge storage section CS1 is stopped.
  • the vertical scanning circuit 323 causes the charge storage section CS1 to accumulate charges.
  • the vertical scanning circuit 323 removes charges from the photoelectric conversion element PD after the transfer (transfer) of charges to the charge storage unit CS4 is completed.
  • the charge discharge transistor GD provided on the discharge path is turned on.
  • the charge discharging transistor GD discards the charge generated in the photoelectric conversion element PD after the previous accumulation cycle of the charge storage unit CS4 (i.e., the charge discharged from the photoelectric conversion element (reset the element PD).
  • the vertical scanning circuit 323 sequentially sends voltage signals from each of all the pixel circuits 321 arranged in the light receiving area 320 to the pixel signal processing circuit 325 in units of rows (horizontal arrangement) of the pixel circuits 321. Output.
  • the pixel signal processing circuit 325 performs signal processing such as A/D conversion processing on each input voltage signal, and outputs the processed signal to the horizontal scanning circuit 324 .
  • the horizontal scanning circuit 324 sequentially outputs the voltage signal after signal processing to the distance calculation unit 42 in the order of the columns of the light receiving areas 320.
  • the accumulation of charges in the charge storage section CS by the vertical scanning circuit 323 and the discarding of the charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion element PD are repeatedly performed over one frame.
  • charges corresponding to the amount of light received by the distance image capturing device 1 during a predetermined time interval are accumulated in each of the charge accumulation sections CS.
  • the horizontal scanning circuit 324 outputs an electric signal corresponding to the amount of charge for one frame accumulated in each of the charge storage sections CS to the distance calculation section 42.
  • the charge storage section CS1 is exposed to background light etc. before being irradiated with the light pulse PO.
  • the amount of charge corresponding to the external light component is retained.
  • charge amounts corresponding to the reflected light RL and external light components are distributed and held in the charge storage units CS2, CS3, and CS4.
  • the distribution (distribution ratio) of the amount of charge distributed to the charge storage units CS2 and CS3 or the charge storage units CS3 and CS4 is determined by the delay time from when the optical pulse PO is reflected by the subject S until it is input to the distance image capturing device 1. The ratio corresponds to Td.
  • the distance calculation unit 42 uses this principle to calculate the delay time Td using the following equation (1) or (2).
  • Td To ⁇ (Q3-Q1)/(Q2+Q3-2 ⁇ Q1)...(1)
  • Td To+To ⁇ (Q4-Q1)/(Q3+Q4-2 ⁇ Q1)...(2)
  • To is the period during which the optical pulse PO was irradiated Q1 is the amount of charge accumulated in the charge storage section CS1, Q2 is the amount of charge accumulated in the charge accumulation section CS2, and Q3 is the amount of charge accumulated in the charge accumulation section CS3.
  • equation (1) charges generated by reflected light are accumulated in the charge accumulation sections CS2 and CS3, but are not accumulated in the charge accumulation section CS4.
  • equation (2) charges generated by reflected light are accumulated in the charge accumulation sections CS3 and CS4, but are not accumulated in the charge accumulation section CS2. Note that in equation (1) or equation (2), of the amount of charge accumulated in charge storage units CS2, CS3, and CS4, the component corresponding to the external light component is equal to the amount of charge accumulated in charge accumulation unit CS1. It is assumed that the amounts are the same.
  • the distance calculation unit 42 calculates the round trip distance to the subject S by multiplying the delay time obtained by equation (1) or equation (2) by the speed of light (velocity). Then, the distance calculation unit 42 calculates the distance to the subject S by dividing the round trip distance calculated above by 2.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the arrangement (layout pattern) of each transistor of the pixel circuit 321 in this embodiment.
  • FIG. 4 shows a layout pattern of the pixel circuit 321.
  • transfer transistors G1, G2, G3 and G4, source follower transistors SF1, SF2, SF3 and SF4, selection transistors SL1, SL2, SL3 and SL4, and reset transistors RT1, RT2, RT3 and RT4 the arrangement of patterns of charge discharge transistors (charge discharge MOS transistors) GD1 and GD2, and photoelectric conversion element PD.
  • Each of the transistors described above is an n-channel MOS transistor formed on a p-type semiconductor substrate.
  • the reset transistor RT1 is formed of a drain RT1_D (n-diffusion layer (n-type impurity diffusion layer)), a source RT1_S (n-diffusion layer), and a gate RT1_G on a p-type semiconductor substrate.
  • the contact RT1_C is a pattern indicating a contact connected to a wiring (not shown) provided in each diffusion layer of the drain RT1_D (n diffusion layer) and the source RT1_S (n diffusion layer) of the reset transistor RT1.
  • Other transfer transistors G1 to G4, source follower transistors SF1 to SF4, selection transistors SL1 to SL4, reset transistors RT2 to RT4, and charge discharge transistors GD1 and GD2 have similar basic configurations.
  • the photoelectric conversion element PD has a rectangular shape in plan view, and has a long side PDL1, a long side PDL2 parallel to the long side PDL1, a short side PDS1, and a short side PDS2 parallel to the short side PDS1.
  • the x-axis shown in FIG. 4 is an axis that is perpendicular to the short side PDS1 (and PDS2) of the rectangle and passes through the center O of the rectangle in the rectangular pattern of the photoelectric conversion elements PD. That is, the x-axis is an axis that is parallel to the long sides PDL1 and PDL2 of the rectangle and passes through the center O of the rectangle.
  • the y-axis is an axis that is perpendicular to the x-axis, that is, perpendicular to the long side PDL1 (and PDL2) of the rectangle, and passes through the center O of the rectangle. That is, the y-axis is an axis that is parallel to the short sides PDS1 and PDS2 of the rectangle and passes through the center O of the rectangle.
  • the charge discharging transistor GD1 is arranged on the x-axis on the short side PDS1 and perpendicular to the short side PDS1.
  • the charge discharging transistor GD2 is arranged on the x-axis on the short side PDS2 and perpendicular to the short side PDS2. That is, the pixel circuit 321 has two charge discharging transistors GD1 and GD2, and the charge discharging transistor GD2 is arranged so as to be line symmetrical with the charge discharging transistor GD1 with respect to the y-axis.
  • each of the charge drain transistors GD1 and GD2 is arranged on the x-axis and at the same distance from the y-axis. Therefore, each of charge discharge transistors GD1 and GD2 is arranged at the same distance from the center O of photoelectric conversion element PD.
  • the transfer transistor G1 and the transfer transistor G2 are arranged on the long side PDL1 so as to be line symmetrical with respect to the y-axis.
  • the transfer transistor G3 and the transfer transistor G4 are arranged on the long side PDL2 at positions symmetrical with respect to the y-axis. That is, the pixel circuit 321 has four transfer transistors, and the set of transfer transistors G3 and G4 is arranged at a position that is line symmetrical to the set of transfer transistors G1 and G2 with respect to the x-axis.
  • each of the transfer transistors G1, G2, G3, and G4 is arranged at the same distance from the x-axis, and also at the same distance from the center O of the photoelectric conversion element PD. Furthermore, each of the transfer transistors G1 to G4 has the same shape and size in a plan view shown in FIG. 4, and has similar transistor characteristics. As a result, the transfer efficiency (transfer characteristics) of the charges generated by the photoelectric conversion element PD can be made the same, and it becomes possible to store charges in each of the charge storage sections CS1 to CS4 with the same transfer characteristics. . Therefore, the distance between the subject and the distance image capturing device can be determined with high accuracy.
  • Reset transistors RT1 and RT2 are arranged line-symmetrically with reset transistors RT3 and RT4, respectively, with respect to the x-axis.
  • Source follower transistors SF1 and SF2 are also arranged line-symmetrically with respect to the x-axis with source follower transistors SF3 and SF4, respectively.
  • selection transistors SL1 and SL2 are also arranged line-symmetrically with selection transistors SL3 and SL4, respectively, with respect to the x-axis.
  • FIG. 4 only shows the arrangement of each transistor on the semiconductor substrate of the pixel circuit 321, and the wiring pattern and charge storage capacitors (C1 to C4) are omitted.
  • Each of the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 is arranged at the position of each of the floating diffusions FD1, FD2, FD3, and FD4.
  • Each charge discharge transistor GD1, GD2 has a drain, a gate, and a source (n diffusion layer of photoelectric conversion element PD).
  • the drain is connected to a power supply VDD via contacts and wiring.
  • the charge discharge transistors GD1 and GD2 transfer charges (electrons) generated in the photoelectric conversion element PD to the drains by applying an "H" level gate voltage to their gates. The drain then discharges the charges transferred from the photoelectric conversion element PD to the power supply VDD.
  • Each transfer transistor G1, G2, G3, and G4 has a floating diffusion (FD1, FD2, etc. shown in FIG. 3) as a drain, a gate, and a source (n diffusion layer of photoelectric conversion element PD).
  • a charge storage portion is formed in the floating diffusion.
  • the drain is connected to each of the gates of the source follower transistors (SF1, SF2, etc. shown in FIG. 3) and the sources of the reset transistors (RT1, RT2, etc. shown in FIG. 3) via contacts and wiring.
  • the transfer transistor transfers charges (electrons) generated in the photoelectric conversion element PD to a floating diffusion serving as a drain by applying an "H" level gate voltage to the gate.
  • the floating diffusion then accumulates the charge transferred from the photoelectric conversion element PD.
  • the gates of the transfer transistors G1 to G4 and the charge discharge transistors GD1 and GD2 are all pentagonal in plan view. More specifically, the part from the floating diffusion to the photoelectric conversion element PD is rectangular, and after overlapping with the photoelectric conversion element PD, it extends by a predetermined dimension toward the inside of the photoelectric conversion element PD with a constant width. After that, the width gradually decreases, forming a roughly triangular shape. In each transistor, the tip of the gate is located at the center in the width direction of the transistor. The tips of the charge discharge transistors GD1 and GD2 are located on the X axis.
  • the inventor found that as a result of the transfer and discharge of charge not being carried out smoothly, the transfer and discharge were not completed within a predetermined period of time, resulting in the transfer and discharge of charges being carried out in areas where they were not supposed to be. I encountered a phenomenon where electric charge moves. Upon further investigation, the inventor found that the shape of the gate in plan view was partially responsible for this phenomenon. For example, the pixel circuit 321 in the case where the width direction dimension (i.e., the width in the y direction) of the portion of the gate of the charge discharge transistor GD overlapping with the photoelectric conversion element PD is constant at any position in the x-axis direction.
  • FIG. 5A shows the potential state in a cross section along the x-axis of the formed semiconductor.
  • FIG. 5A shows the potential state in each region of the charge discharging transistor GD1, the photoelectric conversion element PD, and the charge discharging transistor GD2, which have a constant dimension in the y direction, and the horizontal axis indicates the region. Indicates the position in .
  • the vertical axis indicates the height of the potential (the lower the potential, the higher the potential).
  • shoulder portions PS with a shallow potential gradient are formed in the regions of gates GD1_G and GD2_G, and it becomes difficult for charges to move in the region including the shoulder portions PS. This phenomenon was more noticeable in the charge discharging transistors GD1 and GD2 where the distance between the transistors was longer.
  • the inventor solved this problem by making the gates of the charge discharging transistors GD1 and GD2 tapered in width direction as they approach the tips of the gates GD1_G and GD2_G. That is, the width dimension (i.e., the width in the y direction) of the charge discharging transistors GD1 and GD2, which is a dimension in a direction parallel to the sides PDS1 and PDS2 on which they are arranged, is equal to that of the photoelectric conversion element PD within the photoelectric conversion element PD. It has a tapered shape that gradually shrinks as it moves away from the sides PDS1 and PDS2.
  • FIG. 5B shows simulation results of potential gradients at the gates GD1_G and GD2_G of the charge discharging transistors GD1 and GD2 according to this embodiment.
  • GD1_D and GD2_D indicate the drains of the charge discharge transistors GD1 and GD2, respectively.
  • PS As indicated by the symbol PS, it can be seen that the gradient at a portion (shoulder portion PS) where the gradient is blunt in FIG. 5A becomes stronger in FIG. 5B, and it can be expected that the charge will move more smoothly.
  • FIGS. 5A and 5B show an example of a charge discharge transistor, it is expected that a similar effect will occur in the transfer transistors G1 to G4, and that the charge will move more smoothly. That is, as shown in FIG.
  • the width dimension (i.e., the width in the x direction) of the transfer transistors G1 to G4 which is the dimension in the direction parallel to the side PDL1 or PDL2 on which they are arranged, is the same as that of the photoelectric It has a tapered shape that gradually shrinks as it moves away from the side PDL1 or PDL2 of the photoelectric conversion element PD within the conversion element PD. It is thought that this allows the charge to move more smoothly.
  • the distance image sensor 32 (distance image imaging device) according to the present embodiment includes a photoelectric conversion element PD that generates a charge according to light incident from the space of the measurement target, and a charge storage that accumulates the charge.
  • transfer MOS transistors (transfer transistors G1, G2, G3, G4) provided on the transfer path that transfers charges from the photoelectric conversion element PD to the charge storage section CS, and discharges charges from the photoelectric conversion element PD.
  • the photoelectric conversion element PD is formed on a semiconductor substrate in a rectangular shape in plan view, and the transfer MOS transistor and the charge discharge MOS transistor are formed on either side (PDL1, PDL2, PDS1, PDS2) of the photoelectric conversion element PD.
  • the width dimension of the arranged transfer MOS transistor and charge discharge MOS transistor which is a dimension parallel to the side on which they are arranged, gradually decreases as the distance from the side of the photoelectric conversion element PD increases within the photoelectric conversion element PD. It has a tapered shape. This provides a structure in which the occurrence of defects in charge discharge and transfer is suppressed. As a result, it becomes possible to arrange transistors even with distance relationships that would make it difficult to operate well in the conventional configuration, and the degree of freedom in transistor layout is improved.
  • the distance image capturing device 1 calculates the distance from the distance image capturing element to the subject S based on the light receiving unit 3 having the above-described distance image capturing element and the distance image captured by the distance image capturing element. and a distance image processing section 4 configured to be capable of processing. Thereby, the accuracy of distance measurement in the distance image capturing device can be improved.
  • the gate of the transistor according to this embodiment achieves the above effect if the width dimension decreases as it moves away from the side forming the periphery of the photoelectric conversion element within the photoelectric conversion element PD, so its specific shape is as described above. It is not limited to the aspect. Therefore, the tip may be rounded like the gate Ga shown in FIG. 6A, or the tip may be flat like the gate Gb shown in FIG. 6B. Alternatively, like the gate Gc shown in FIG. 6C, the gate may have a substantially triangular shape that does not have a constant width dimension within the photoelectric conversion element.
  • the gate shape according to this embodiment can be relatively easily realized using known techniques by changing the mask during manufacturing, etc.
  • tapered gate is that it is less likely to interfere with other gates placed around it when placed. For example, when placing transistors on adjacent long and short sides near the corners of a rectangular photoelectric conversion element, if the shape of the gate in plan view is rectangular, the tips tend to interfere, resulting in restrictions on placement. . However, when the gate has a tapered shape, the widthwise dimension of the tip becomes small and a slope is formed at the widthwise end of the gate, making it difficult for adjacent gates to interfere with each other. As a result, it is possible to arrange two transistors closer together than in the case where the gates are rectangular, and the degree of freedom in transistor layout is further increased.
  • the tapered shape of the gate does not necessarily have to be symmetrical in the width direction.
  • the transfer transistors G1 to G4 in the modified example shown in FIG. 7 may have a tapered shape having a slope only on the side facing the charge discharge transistor across the corner of the photoelectric conversion element PD.
  • the present invention is not limited to a specific embodiment, and includes modifications and combinations of configurations within a range that does not depart from the gist of the present invention. Some changes are illustrated below, but these are not all, and other changes are also possible. Two or more of these changes may be combined as appropriate.
  • the number of charge discharging transistors GD is not limited to two, but may be 2n (n is an integer greater than or equal to 1), and n may be arranged on each short side.
  • the number of transfer transistors is not limited to four, but is 2M (M is an integer of 2 or more), and M transfer transistors are arranged on each long side, and M transfer transistors arranged on one long side are , may be arranged line-symmetrically with respect to the x-axis.
  • the width dimension which is a dimension in a direction parallel to the side on which it is arranged, gradually decreases as it moves away from the side of the photoelectric conversion element PD within the photoelectric conversion element PD. It may also have a tapered shape. Even in this case, charge discharge and transfer discharge failures can be suppressed.
  • the distance image imaging device may have a microlens on the surface side of the pixel circuit onto which light is incident. As shown in FIG. 8, by aligning the optical axis of the microlens ML with the center O of the photoelectric conversion element and making the optical axis perpendicular to the light incident surface, the incident light can be suitably photoconverted by the microlens ML. It is possible to improve the sensitivity by guiding the light to the conversion element PD.
  • FIG. 9A shows a configuration example when the planar view shape of the photoelectric conversion element PD is a regular hexagon
  • FIG. 9B shows a configuration example when the planar view shape of the photoelectric conversion element PD is a regular pentagon. show.
  • the regular hexagonal configuration example has a total of six transistors: four transfer MOS transistors G1 to G4 and two charge discharge MOS transistors GD1 and GD2.
  • the four transfer MOS transistors are arranged one each on the sides where the charge discharge MOS transistors GD1 and GD2 are not provided, and are perpendicular to the side where the charge discharge MOS transistors are provided and with the center O of the photoelectric conversion element The positional relationship is symmetrical with respect to the axis (indicated by a broken line in the figure).
  • the regular pentagonal configuration example has a total of five transistors: four transfer MOS transistors G1 to G4 and one charge discharge MOS transistor GD.
  • the four transfer MOS transistors are arranged one each on the side where the charge discharge MOS transistor GD is not provided, and the axis is perpendicular to the side where the charge discharge MOS transistor is provided and passes through the center O of the photoelectric conversion element. (indicated by a broken line in the figure).
  • the photoelectric conversion element has an N-gon shape (N is an integer of 5 or more) in plan view, the sum of transfer MOS transistors and charge discharge MOS transistors GD is N or more, and on the sides of the photoelectric conversion element PD, At least one transfer MOS transistor may be provided on each side other than the side where the charge discharge MOS transistor GD is provided. Further, the transfer MOS transistor is arranged at a position that is perpendicular to either side of an N-gon, which is the shape of the photoelectric conversion element PD in plan view, and is symmetrical with respect to an axis passing through the center of the N-gon. Good too. Even with such a configuration, the same effects as the distance image sensor according to the embodiment described above can be achieved.
  • the specific shape is not limited to a rectangle but may be a square or the like. In the case of a square, all sides have the same length and there are no long sides and short sides, so the charge discharge MOS transistor may be provided on either of the pair of two opposing sides.

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Abstract

本発明は、電荷の排出や転送の不良が抑制された距離画像撮像素子を提供することを目的とする。　本発明は、半導体基板上に形成された距離画像撮像素子（３２）であって、電荷を発生する光電変換素子（ＰＤ）と、電荷を蓄積する電荷蓄積部（ＣＳ）と、光電変換素子から電荷を電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた転送ＭＯＳトランジスタ（Ｇ）と、光電変換素子から電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出ＭＯＳトランジスタ（ＧＤ）とを少なくとも備える画素回路（３２１）が半導体基板上に形成されており、光電変換素子（ＰＤ）は、平面視においてＮ角形（Ｎは４以上の整数）の形状で半導体基板上に形成されている。転送ＭＯＳトランジスタ（Ｇ）および電荷排出ＭＯＳトランジスタ（ＧＤ）は、光電変換素子（ＰＤ）のいずれかの辺上に配置され、転送ＭＯＳトランジスタ（Ｇ）および電荷排出ＭＯＳトランジスタ（ＧＤ）の少なくとも一方は、配置される辺に対して平行な方向の寸法である幅寸法が、光電変換素子内において辺から離間するにつれて徐々に縮小する先細り形状である。

Description

距離画像撮像素子および距離画像撮像装置
　本発明は、距離画像撮像素子に関する。この距離画像撮像素子を用いた距離画像撮像装置についても言及する。
　本願は、２０２２年６月６日に日本に出願された特願２０２２－０９１６９６号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来から、光の速度が既知であることを利用し、空間（測定空間）における光の飛行時間に基づいて測定器と対象物との距離を測定する、タイム・オブ・フライト（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ、以下「ＴＯＦ」という）方式の距離画像センサが実現されている。ＴＯＦ方式の距離画像センサでは、測定対象に光（例えば、近赤外光など）パルスを照射し、光パルスを照射した時間と、測定空間における対象物によって反射した光パルス（反射光）が戻ってくる時間との差、つまり、測定器と対象物との間における光の飛行時間に基づいて、測定器と対象物との距離を測定している（例えば、特許文献１参照）。
　このような距離画像撮像装置を用いて、所定の距離にある物体までの距離を精度良く測定しようとする場合、上記画素から被写体からの反射光により発生した電荷量を、複数のゲートにより振り替えて精度良く読み出す必要がある。
　ＴＯＦ方式の距離画像センサは、光電変換素子が入射される光の光量を電荷に変換し、変換した電荷を電荷蓄積部に蓄積し、ＡＤ変換器により蓄積された電荷の電荷量に対応したアナログ電圧をデジタル値に変換している。
　また、ＴＯＦ方式の距離画像センサは、電荷量に対応したアナログ電圧や、デジタル値に含まれる、測定器と対象物との間における光の飛行時間の情報により、測定器と対象物との距離を求めている。
　ここで、距離画像撮像装置においては、光電変換素子が発生した電荷を所定の周期毎に電荷蓄積部の各々に蓄積し、それぞれの電荷蓄積部に蓄積された電荷量によって、光パルスを照射した時点から被写体で反射した光パルスが戻ってくるまでの遅延時間を求めている。そして、この遅延時間と光速とを用いて、距離撮像画像装置から被写体までの距離を求めている。
　光電変換素子から電荷蓄積部へ電荷を転送するため、光電変換素子と電荷蓄積部の各々とには電荷を転送する転送ゲート（トランジスタ）が設けられている。また、電荷を蓄積させることなく排出する期間（ドレイン期間）において光電変換素子が変換した電荷を排出する排出ゲート（トランジスタ）が設けられている。
日本国特許第４２３５７２９号公報
　しかしながら、排出ゲートのレイアウトに起因して電荷を排出しきれない排出不良が発生する場合がある。
　例えば、排出ゲートが光電変換素子の中心から離れた位置にレイアウトされていると、排出ゲートをＯＮした場合に形成される電位のポテンシャル勾配が、光電変換素子の中心から近い位置に排出ゲートをレイアウトした場合と比較して緩やかとなる。この場合、例えば、ドレイン期間に光量が大きい外光を受光すると排出ゲートから電荷を排出しきれない可能性がある。排出ゲートで排出できなかった電荷が転送ゲートに入り込み、転送ゲートに入り込んだ電荷が電荷蓄積部に蓄積されてしまうと距離を測定する精度が劣化する要因となる。
　上記事情を踏まえ、本発明は、電荷の排出や転送の不良が抑制された距離画像撮像素子を提供することを目的とする。
　本発明の他の目的は、距離測定の精度が向上された距離画像撮像装置を提供することである。
　本発明の態様（１）は、半導体基板上に形成された距離画像撮像素子であって、電荷を発生する光電変換素子と、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、光電変換素子から電荷を電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた転送ＭＯＳトランジスタと、光電変換素子から電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出ＭＯＳトランジスタと、を備え、前記距離画像撮像素子では、前記光電変換素子と、前記電荷蓄積部と、前記転送ＭＯＳトランジスタと、前記電荷排出ＭＯＳトランジスタと、を少なくとも備える画素回路が半導体基板上に形成されている。
　光電変換素子は、平面視においてＮ角形（Ｎは４以上の整数）の形状で半導体基板上に形成されている。
　転送ＭＯＳトランジスタおよび電荷排出ＭＯＳトランジスタは、光電変換素子のいずれかの辺上に配置されている。
　転送ＭＯＳトランジスタおよび電荷排出ＭＯＳトランジスタの少なくとも一方は、配置される辺に対して平行な方向の寸法である幅寸法が、光電変換素子内において辺から離間するにつれて徐々に縮小する先細り形状である。
　また、本発明の態様（２）は、上記の態様（１）の距離画像撮像素子において、前記光電変換素子の平面視形状は、長辺と短辺とを有する長方形であり、前記転送ＭＯＳトランジスタを２Ｍ（Ｍは２以上の整数）個、および前記電荷排出ＭＯＳトランジスタを２ｎ（ｎは１以上の整数）個有し、前記転送ＭＯＳトランジスタは、前記長辺のそれぞれにＭ個ずつ、前記長辺に平行かつ前記光電変換素子の中心を通るｘ軸に対して線対称となるように配置され、前記電荷排出ＭＯＳトランジスタは、前記短辺のそれぞれにｎ個ずつ配置されている。
　また、本発明の態様（３）は、上記の態様（２）の距離画像撮像素子において、前記転送ＭＯＳトランジスタは、前記短辺に平行かつ前記光電変換素子の中心を通るｙ軸に対して線対称となるように配置されている。
　また、本発明の態様（４）は、上記の態様（１）の距離画像撮像素子において、前記Ｎは５以上の整数であり、前記転送ＭＯＳトランジスタと前記電荷排出ＭＯＳトランジスタとの和がＮ個以上であり、前記光電変換素子の辺において、前記電荷排出ＭＯＳトランジスタが設けられた辺を除く他の辺のそれぞれに、前記転送ＭＯＳトランジスタが少なくとも１つ設けられている。
　また、本発明の態様（５）は、上記の態様（１）から態様（４）のいずれか１つの距離画像撮像素子において、前記転送ＭＯＳトランジスタは、前記Ｎ角形のいずれかの辺に垂直かつ前記Ｎ角形の中心を通る軸に対して、線対称となる位置に配置されている。
　また、本発明の態様（６）は、上記の態様（１）から態様（５）のいずれか１つの距離画像撮像素子において、前記画素回路の前記光が入射される面側に配置され、光軸が前記光電変換素子の入射面に垂直かつ前記入射面の中心と一致するマイクロレンズをさらに備える。
　本発明の態様（７）は、上記の態様（１）から態様（６）のいずれか１つの距離画像撮像素子を有する受光部と、距離画像撮像素子が撮像した距離画像に基づいて、距離画像撮像素子から被写体までの距離を算出可能に構成された距離画像処理部とを備える距離画像撮像装置である。
　本発明によれば、電荷の排出や転送の排出不良が抑制された距離画像撮像素子を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る距離画像撮像装置の概略構成を示したブロック図である。 同距離画像撮像装置に用いられる距離画像センサの概略構成を示したブロック図である。 同距離画像撮像装置に用いられる距離画像撮像装置に配置された画素回路を示す回路図である。 同画素回路におけるトランジスタの配置を示す図である。 光電変換素子および転送トランジスタの、ゲート形状によるポテンシャルの違いを説明するための図であり、各々の領域におけるポテンシャルの状態を説明する図である。 光電変換素子および転送トランジスタの、ゲート形状によるポテンシャルの違いを説明するための図であり、各々の領域におけるポテンシャルの状態を説明する図である。 ゲートの形状の他の例を示す図である。 ゲートの形状のその他の例を示す図である。 ゲートの形状のその他の例を示す図である。 本発明の変形例に係る光電変換素子およびトランジスタを示す図である。 本発明の変形例に係る距離画像撮像素子を示す図である。 本発明の変形例に係る光電変換素子およびトランジスタを示す図である。 本発明のその他の変形例に係る光電変換素子およびトランジスタを示す図である。
　以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、距離画像撮像装置１の概略構成を示したブロック図である。距離画像撮像装置１は、光源部２と、受光部３と、距離画像処理部４とを備える。なお、図１には、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象物である被写体Ｓも併せて示している。距離画像撮像素子は、例えば、受光部３における距離画像センサ３２（後述）である。
　光源部２は、距離画像処理部４からの制御に従って、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象の被写体Ｓが存在する撮影対象の空間に光パルスＰＯを照射する。光源部２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）などの面発光型の半導体レーザーモジュールである。光源部２は、光源装置２１と、拡散板２２とを備える。
　光源装置２１は、被写体Ｓに照射する光パルスＰＯとなる近赤外の波長帯域（例えば、波長が８５０ｎｍ～９４０ｎｍの波長帯域）のレーザー光を発光する光源である。光源装置２１は、例えば、半導体レーザー発光素子である。光源装置２１は、タイミング制御部４１からの制御に応じて、パルス状のレーザー光を発光する。
　拡散板２２は、光源装置２１が発光した近赤外の波長帯域のレーザー光を、被写体Ｓに照射する面の広さに拡散する光学部品である。拡散板２２が拡散したパルス状のレーザー光が、光パルスＰＯとして出射され、被写体Ｓに照射される。
　受光部３は、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象の被写体Ｓによって反射された光パルスＰＯの反射光ＲＬを受光し、受光した反射光ＲＬに応じた画素信号を出力する。受光部３は、レンズ３１と、距離画像センサ３２とを備える。
　レンズ３１は、入射した反射光ＲＬを距離画像センサ３２に導く光学レンズである。レンズ３１は、入射した反射光ＲＬを距離画像センサ３２側に出射して、距離画像センサ３２の受光領域に備えた画素回路に受光（入射）させる。
　距離画像センサ３２は、本実施形態に係る距離画像撮像素子である。図２に示すように、距離画像センサ３２は、二次元の受光領域に複数の画素を備える。距離画像センサ３２のそれぞれの画素回路（画素回路３２１）の中に、１つの光電変換素子と、この１つの光電変換素子に対応する複数の電荷蓄積部と、それぞれの電荷蓄積部に電荷を振り分ける構成要素とが設けられる。
　距離画像センサ３２は、距離画像処理部４に設けられたタイミング制御部４１からの制御に応じて、光電変換素子が発生した電荷をそれぞれの電荷蓄積部に振り分ける。また、距離画像センサ３２は、電荷蓄積部に振り分けられた電荷量に応じた画素信号を出力する。距離画像センサ３２には、複数の画素回路が二次元の行列状に配置されており、それぞれの画素回路の対応する１フレーム分の画素信号を出力する。
　距離画像処理部４は、距離画像撮像装置１を制御し、被写体Ｓまでの距離を演算する。距離画像処理部４は、タイミング制御部４１と、距離演算部４２とを備える。
　タイミング制御部４１は、距離の測定に要する様々な制御信号を出力するタイミングを制御する。ここでの様々な制御信号とは、例えば、光パルスＰＯの照射を制御する信号や、反射光ＲＬを複数の電荷蓄積部に振り分ける信号、１フレームあたりの振り分け回数を制御する信号などである。振り分け回数とは、電荷蓄積部ＣＳ（図３参照）に電荷を振り分ける処理を繰返す回数である。
　距離演算部４２は、距離画像センサ３２から出力された画素信号に基づいて、被写体Ｓまでの距離を演算した距離情報を出力する。距離演算部４２は、複数の電荷蓄積部ＣＳに蓄積された電荷量に基づいて、光パルスＰＯを照射してから反射光ＲＬを受光するまでの遅延時間Ｔｄを算出する。距離演算部４２は、算出した遅延時間Ｔｄに応じて、距離画像撮像装置１から被写体Ｓまでの距離を演算する。
　このような構成によって、距離画像撮像装置１では、光源部２が被写体Ｓに照射した近赤外の波長帯域の光パルスＰＯが被写体Ｓによって反射された反射光ＲＬを受光部３が受光し、距離画像処理部４が、被写体Ｓと距離画像撮像装置１との距離を測定した距離情報を出力する。
　なお、図１においては、距離画像処理部４を内部に備えた構成の距離画像撮像装置１を示しているが、距離画像処理部４は、距離画像撮像装置１の外部に備える構成要素であってもよい。
　次に、距離画像撮像装置１において撮像素子として用いられる距離画像センサ３２の構成について説明する。図２は、撮像素子（距離画像センサ３２）の概略構成を示したブロック図である。
　図２に示すように、距離画像センサ３２は、例えば、複数の画素回路３２１が配置された受光領域３２０と、制御回路３２２と、振り分け動作を有した垂直走査回路３２３と、水平走査回路３２４と、画素信号処理回路３２５とを備える。
　受光領域３２０は、複数の画素回路３２１が配置された領域であって、図２では、８行８列に二次元の行列状に配置された例を示している。画素回路３２１は、受光した光量に相当する電荷を蓄積する。制御回路３２２は、例えば、距離画像処理部４のタイミング制御部４１からの指示に応じて、距離画像センサ３２の構成要素の動作を制御する。
　垂直走査回路３２３は、制御回路３２２からの制御に応じて、受光領域３２０に配置された画素回路３２１を行ごとに制御する回路である。垂直走査回路３２３は、画素回路３２１の電荷蓄積部ＣＳそれぞれに蓄積された電荷量に応じた電圧信号を画素信号処理回路３２５に出力させる。
　画素信号処理回路３２５は、制御回路３２２からの制御に応じて、それぞれの列の画素回路３２１から出力された電圧信号に対して、予め定めた信号処理（例えば、ノイズ抑圧処理やＡ／Ｄ変換処理など）を行う。
　水平走査回路３２４は、制御回路３２２からの制御に応じて、画素信号処理回路３２５から出力される信号を、順次、時系列に出力させる回路である。これにより、１フレーム分蓄積された電荷量に相当する画素信号が、距離画像処理部４に順次出力される。以下の説明においては、画素信号処理回路３２５がＡ／Ｄ変換処理を行い、画素信号がデジタル信号であるものとして説明する。
　ここで、距離画像センサ３２に備える受光領域３２０内に配置された画素回路３２１の構成について説明する。図３は、画素回路３２１の構成の一例を示した回路図である。図３の画素回路３２１は、４つの画素信号読み出し部を備えた構成例である。
　画素回路３２１は、１つの光電変換素子ＰＤと、電荷排出トランジスタＧＤ（後述するＧＤ１、ＧＤ２）と、対応する出力端子Ｏから電圧信号を出力する４つの画素信号読み出し部ＲＵ（ＲＵ１からＲＵ４）とを備える。画素信号読み出し部ＲＵのそれぞれは、転送トランジスタＧと、フローティングディフュージョンＦＤと、電荷蓄積容量Ｃと、リセットトランジスタＲＴと、ソースフォロアトランジスタＳＦと、選択トランジスタＳＬとを備える。フローティングディフュージョンＦＤと電荷蓄積容量Ｃとは、電荷蓄積部ＣＳを構成している。
　図３に示した画素回路３２１において、出力端子Ｏ１から電圧信号を出力する画素信号読み出し部ＲＵ１は、転送トランジスタ（転送ＭＯＳトランジスタ）Ｇ１と、フローティングディフュージョンＦＤ１と、電荷蓄積容量Ｃ１と、リセットトランジスタＲＴ１と、ソースフォロアトランジスタＳＦ１と、選択トランジスタＳＬ１とを備える。画素信号読み出し部ＲＵ１では、フローティングディフュージョンＦＤ１と電荷蓄積容量Ｃ１とによって電荷蓄積部ＣＳ１が構成されている。画素信号読み出し部ＲＵ２、ＲＵ３およびＲＵ４も同様の構成である。
　光電変換素子ＰＤは、入射した光を光電変換して、入射した光（入射光）に応じた電荷を発生させ、発生させた電荷を蓄積する埋め込み型のフォトダイオードである。本実施形態においては、入射光は測定対象の空間から入射される。
　画素回路３２１では、光電変換素子ＰＤが入射光を光電変換して発生させた電荷を４つの電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１からＣＳ４）のそれぞれに振り分け、振り分けられた電荷の電荷量に応じたそれぞれの電圧信号を、画素信号処理回路３２５に出力する。
　また、距離画像センサ３２に配置される画素回路の構成は、図３に示したような、４つの画素信号読み出し部ＲＵ（ＲＵ１からＲＵ４）を備えた構成に限定されるものではなく、画素信号読み出し部ＲＵが２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個以上の複数の画素信号読み出し部ＲＵを備えた構成の画素回路でもよい。すなわち、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個以上の転送トランジスタＧが備えられた構成の画素回路でもよい。
　上記距離画像撮像装置１の画素回路３２１の駆動において、光パルスＰＯが照射時間Ｔｏで照射され、遅延時間Ｔｄ遅れて反射光ＲＬが距離画像センサ３２に受光される。垂直走査回路３２３は、光パルスＰＯの照射に同期させて、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３およびＣＳ４の順に、光電変換素子ＰＤに発生する電荷を振り替えて、それぞれに蓄積させる。
　このとき、垂直走査回路３２３は、光電変換素子ＰＤから電荷を電荷蓄積部ＣＳ１に転送する転送経路上に設けられた転送トランジスタＧ１をオン状態にする。これにより、光電変換素子ＰＤにより光電変換された電荷が、転送トランジスタＧ１を介して電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積される。その後、垂直走査回路３２３は、転送トランジスタＧ１をオフ状態にする。これにより、電荷蓄積部ＣＳ１への電荷の転送が停止される。このようにして、垂直走査回路３２３は、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させる。他の電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３およびＣＳ４においても同様である。
　このとき、電荷蓄積部ＣＳに電荷の振り分けを行なう電荷蓄積期間において、蓄積駆動信号ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４の各々が、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４それぞれに供給される蓄積周期が繰返される。
　そして、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３およびＧ４の各々を介して、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに、光電変換素子ＰＤから入射光に対応した電荷が転送される。電荷蓄積期間に複数の蓄積周期が繰返される。
　これにより、電荷蓄積期間における電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３およびＣＳ４の各々の蓄積周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに電荷が蓄積される。
　また、垂直走査回路３２３は、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３およびＣＳ４の各々の蓄積周期を繰返す際、電荷蓄積部ＣＳ４に対する電荷の転送（振替）が終了した後、光電変換素子ＰＤから電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタＧＤをオンさせる。
　これにより、電荷排出トランジスタＧＤは、電荷蓄積部ＣＳ１に対する蓄積周期が開始される前に、直前の電荷蓄積部ＣＳ４の蓄積周期の後に光電変換素子ＰＤに発生した電荷を破棄する（すなわち、光電変換素子ＰＤをリセットさせる）。
　そして、垂直走査回路３２３は、受光領域３２０内に配置された全ての画素回路３２１の各々から、それぞれ電圧信号を画素信号処理回路３２５に、画素回路３２１の行（横方向の配列）単位で順次出力させる。
　そして、画素信号処理回路３２５は、入力される電圧信号の各々に対してＡ／Ｄ変換処理などの信号処理を行い、水平走査回路３２４に対して出力する。
　水平走査回路３２４は、信号処理を行った後の電圧信号を、受光領域３２０の列の順番に、順次、距離演算部４２に出力させる。
　上述したような、垂直走査回路３２３による電荷蓄積部ＣＳへ電荷の蓄積と光電変換素子ＰＤが光電変換した電荷の破棄とが、１フレームに渡って繰り返し行われる。これにより、所定の時間区間に距離画像撮像装置１に受光された光量に相当する電荷が、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積される。水平走査回路３２４は、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積された、１フレーム分の電荷量に相当する電気信号を、距離演算部４２に出力する。
　光パルスＰＯを照射するタイミングと、電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１からＣＳ４）のそれぞれに電荷を蓄積させるタイミングとの関係から、電荷蓄積部ＣＳ１には、光パルスＰＯを照射する前の背景光などの外光成分に相当する電荷量が保持される。また、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３およびＣＳ４には、反射光ＲＬ、および外光成分に相当する電荷量が振り分けられて保持される。電荷蓄積部ＣＳ２およびＣＳ３、あるいは電荷蓄積部ＣＳ３およびＣＳ４に振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となる。
　距離演算部４２は、この原理を利用して、以下の（１）あるいは（２）式により、遅延時間Ｔｄを算出する。
　Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ３－Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３－２×Ｑ１）　　　　…（１）
　Ｔｄ＝Ｔｏ＋Ｔｏ×（Ｑ４－Ｑ１）／（Ｑ３＋Ｑ４－２×Ｑ１）　…（２）
　上記式において、Ｔｏは光パルスＰＯが照射された期間、Ｑ１は電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積された電荷量、Ｑ２は電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積された電荷量、Ｑ３は電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積された電荷量、Ｑ４は電荷蓄積部ＣＳ４に蓄積された電荷量を示す。距離演算部４２は、例えば、Ｑ４＝Ｑ１である場合、（１）式で遅延時間Ｔｄを算出し、一方、Ｑ２＝Ｑ１である場合、（２）式で遅延時間Ｔｄを算出する。
　（１）式においては、電荷蓄積部ＣＳ２およびＣＳ３には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部ＣＳ４には蓄積されない。一方、（２）式においては、電荷蓄積部ＣＳ３およびＣＳ４には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部ＣＳ２には蓄積されない。
　なお、（１）式あるいは（２）式では、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３およびＣＳ４に蓄積される電荷量のうち、外光成分に相当する成分が、電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積された電荷量と同量であることを前提とする。
　距離演算部４２は、（１）式あるいは（２）式で求めた遅延時間に、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の距離を算出する。
　そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を２で除することにより、被写体Ｓまでの距離を求める。
　図４は、本実施形態における画素回路３２１の各トランジスタの配置（レイアウトパターン）の一例を示す図である。
　この図４は、画素回路３２１のレイアウトパターンを示している。
　また、図４においては、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３およびＧ４と、ソースフォロアトランジスタＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ３およびＳＦ４と、選択トランジスタＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３およびＳＬ４と、リセットトランジスタＲＴ１、ＲＴ２、ＲＴ３およびＲＴ４と、電荷排出トランジスタ（電荷排出ＭＯＳトランジスタ）ＧＤ１およびＧＤ２と、光電変換素子ＰＤとの各々のパターンの配置が示されている。上述したトランジスタの各々は、すべて、ｐ型の半導体基板上に形成されたｎチャネル型のＭＯＳトランジスタである。
　例えば、リセットトランジスタＲＴ１は、ｐ型の半導体基板上において、ドレインＲＴ１＿Ｄ（ｎ拡散層（ｎ型不純物の拡散層））と、ソースＲＴ１＿Ｓ（ｎ拡散層）とゲートＲＴ１＿Ｇとの各々で構成されている。
　また、コンタクトＲＴ１＿Ｃは、リセットトランジスタＲＴ１のドレインＲＴ１＿Ｄ（ｎ拡散層）と、ソースＲＴ１＿Ｓ（ｎ拡散層）との各々の拡散層に設けられた、不図示の配線と接続するコンタクトを示すパターンである。他の転送トランジスタＧ１からＧ４、ソースフォロアトランジスタＳＦ１からＳＦ４、選択トランジスタＳＬ１からＳＬ４、リセットトランジスタＲＴ２からＲＴ４、電荷排出トランジスタＧＤ１およびＧＤ２も同様の基本構成を有する。
　光電変換素子ＰＤは、平面視形状が長方形であり、長辺ＰＤＬ１と、長辺ＰＤＬ１に平行な長辺ＰＤＬ２と、短辺ＰＤＳ１と、短辺ＰＤＳ１に平行な短辺ＰＤＳ２とを有する。
　図４に示すｘ軸は、光電変換素子ＰＤの長方形のパターンにおいて、当該長方形の短辺ＰＤＳ１（およびＰＤＳ２）に対して直交し長方形の中心Ｏを通る軸である。すなわち、ｘ軸は、長方形の長辺ＰＤＬ１、ＰＤＬ２に平行であり、長方形の中心Ｏを通る軸である。
　また、ｙ軸は、ｘ軸に直交し、すなわち長方形の長辺ＰＤＬ１（およびＰＤＬ２）に直交し、長方形の中心Ｏを通る軸である。すなわち、ｙ軸は、長方形の短辺ＰＤＳ１、ＰＤＳ２に平行であり、長方形の中心Ｏを通る軸である。
　電荷排出トランジスタＧＤ１は、短辺ＰＤＳ１におけるｘ軸上に、短辺ＰＤＳ１に対して垂直に配置される。
　電荷排出トランジスタＧＤ２は、短辺ＰＤＳ２におけるｘ軸上に、短辺ＰＤＳ２に対して垂直に配置される。
　すなわち、画素回路３２１は２個の電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２を有し、電荷排出トランジスタＧＤ２は、ｙ軸に対して電荷排出トランジスタＧＤ１と線対称となるように配置されている。
　上述したように、電荷排出トランジスタＧＤ１およびＧＤ２の各々は、ｘ軸上に配置され、かつｙ軸から同一の距離に配置される。したがって、電荷排出トランジスタＧＤ１およびＧＤ２の各々は、光電変換素子ＰＤの中心Ｏから同一の距離に配置されている。
　転送トランジスタＧ１および転送トランジスタＧ２は、長辺ＰＤＬ１上に、ｙ軸に対して線対称となるように配置されている。
　転送トランジスタＧ３および転送トランジスタＧ４は、長辺ＰＤＬ２上に、ｙ軸に対して線対称となる位置に配置されている。
　すなわち、画素回路３２１は４個の転送トランジスタを有し、転送トランジスタＧ３およびＧ４の組は、転送トランジスタＧ１およびＧ２の組と、ｘ軸に対して線対称となる位置に配置されている。
　上述した配置により、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、およびＧ４の各々は、いずれもｘ軸から同一の距離に配置され、かつ光電変換素子ＰＤの中心Ｏからも同一の距離に配置されている。
　また、転送トランジスタＧ１からＧ４の各々は、図４に示す平面視において同形同大であり、同様のトランジスタ特性を有している。
　これにより、光電変換素子ＰＤが生成した電荷の転送効率（転送特性）を同一とすることができ、電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４の各々に同一の転送特性にて電荷を蓄積させることが可能となる。したがって、被写体と距離画像撮像装置との間の距離を高い精度で求めることができる。
　リセットトランジスタＲＴ１およびＲＴ２は、それぞれリセットトランジスタＲＴ３およびＲＴ４と、ｘ軸に対して線対称となるように配置されている。
　ソースフォロアトランジスタＳＦ１およびＳＦ２も、それぞれソースフォロアトランジスタＳＦ３およびＳＦ４と、ｘ軸に対して線対称に配置されている。
　さらに、選択トランジスタＳＬ１およびＳＬ２も、それぞれ選択トランジスタＳＬ３およびＳＬ４と、ｘ軸に対して線対称に配置されている。
　なお、図４は、画素回路３２１の半導体基板上における各トランジスタの各々の配置のみを示すものであり、配線パターンや電荷蓄積容量（Ｃ１からＣ４）は省略している。電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３およびＣＳ４の各々は、フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３、ＦＤ４それぞれの位置に配置されている。
　各電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２は、ドレインと、ゲートと、ソース（光電変換素子ＰＤのｎ拡散層）とを有する。ドレインは、コンタクトおよび配線を介して電源ＶＤＤと接続されている。
　電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２は、ゲートに「Ｈ」レベルのゲート電圧が印加されることにより、光電変換素子ＰＤに生成された電荷（電子）を、ドレインに転送する。そして、ドレインは、光電変換素子ＰＤから転送された電荷を電源ＶＤＤに排出する。
　各転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、およびＧ４は、ドレインとしてのフローティングディフュージョン（図３に示すＦＤ１、ＦＤ２等）と、ゲートと、ソース（光電変換素子ＰＤのｎ拡散層）とを有する。フローティングディフュージョンには、電荷蓄積部が形成され。ドレインは、コンタクトおよび配線を介して、ソースフォロアトランジスタ（図３に示すＳＦ１、ＳＦ２等）のゲート、およびリセットトランジスタ（図３に示すＲＴ１、ＲＴ２等）のソースの各々に接続されている。
　転送トランジスタは、ゲートに「Ｈ」レベルのゲート電圧が印加されることにより、光電変換素子ＰＤに生成された電荷（電子）を、ドレインとしてのフローティングディフュージョンに転送する。そして、フローティングディフュージョンは、光電変換素子ＰＤから転送された電荷を蓄積する。
　図４に示すように、本実施形態において、転送トランジスタＧ１～Ｇ４および電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２のゲートは、いずれも平面視形状が五角形に形成されている。より具体的には、フローティングディフュージョンから光電変換素子ＰＤに至るまでの部分は長方形であり、光電変換素子ＰＤと重なってからは、所定の寸法だけ光電変換素子ＰＤの内側に向かって一定幅で伸びた後に徐々に幅が減少する略三角形状となっている。各々のトランジスタにおいて、ゲートの先端はトランジスタの幅方向中央に位置している。電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２の先端は、Ｘ軸上に位置している。
　発明者は、画素回路におけるトランジスタの好適なレイアウトについて検討を重ねる過程において、電荷の転送や排出が円滑に行われない結果、転送や排出が所定の期間に完了されず、本来行くべきでない部位に電荷が移動してしまう現象に遭遇した。発明者がさらに検討を進めたところ、ゲートの平面視形状がこの現象に一部関与していることを突き止めた。
　例えば、電荷排出トランジスタＧＤのゲートにおいて光電変換素子ＰＤと重なっている部位の幅方向寸法（すなわち、ｙ方向の幅）がｘ軸方向のいずれの位置においても一定である場合における、画素回路３２１が形成された半導体のｘ軸に沿った断面におけるポテンシャルの状態を図５Ａに示す。図５Ａは、ｙ方向の寸法が一定である電荷排出トランジスタＧＤ１、光電変換素子ＰＤ、及びｙ方向の寸法が一定である電荷排出トランジスタＧＤ２の各々の領域におけるポテンシャルの状態を示し、横軸が領域における位置を示す。図５Ａでは、縦軸がポテンシャルの高さ（下に行くほどポテンシャル（電位）が高い）を示している。図５Ａに示すように、ゲートＧＤ１＿Ｇ、ＧＤ２＿Ｇの領域には、ポテンシャルにおける勾配が鈍いショルダ部ＰＳが形成され、ショルダ部ＰＳを含む領域では電荷が移動しにくくなることが分かった。この現象は、トランジスタ間の距離がより長い電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２においてより顕著であった。
　発明者はこの知見を踏まえ、電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２のゲートの平面視形状を、ゲートＧＤ１＿Ｇ、ＧＤ２＿Ｇの先端に近づくにつれて幅方向寸法が縮小する先細り形状にすることにより、この問題を解決した。すなわち、電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２は、配置される辺ＰＤＳ１、ＰＤＳ２に対して平行な方向の寸法である幅寸法（すなわち、ｙ方向の幅）が、光電変換素子ＰＤ内において光電変換素子ＰＤの辺ＰＤＳ１、ＰＤＳ２から離間するにつれて徐々に縮小する先細り形状となっている。
　図５Ｂに、本実施形態に係る電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２のゲートＧＤ１＿Ｇ、ＧＤ２＿Ｇにおけるポテンシャル勾配のシミュレーション結果を示す。ＧＤ１＿Ｄ、ＧＤ２＿Ｄは、それぞれ電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２のドレインを示している。符号ＰＳで示すように、図５Ａで勾配が鈍っている部位（ショルダ部ＰＳ）における勾配が、図５Ｂでは強くなっていることが分かり、電荷の移動がより円滑になることが期待できる。
　なお、図５Ａおよび図５Ｂでは電荷排出トランジスタの例を示しているが、転送トランジスタＧ１ないしＧ４においても同様の作用が生じ、電荷の移動がより円滑になることが期待できる。すなわち、図４に示すように、平面視において、転送トランジスタＧ１ないしＧ４は、配置される辺ＰＤＬ１またはＰＤＬ２に対して平行な方向の寸法である幅寸法（すなわち、ｘ方向の幅）が、光電変換素子ＰＤ内において光電変換素子ＰＤの辺ＰＤＬ１またはＰＤＬ２から離間するにつれて徐々に縮小する先細り形状である。これにより、電荷の移動がより円滑になると考えられる。
　以上説明したように、本実施形態に係る距離画像センサ３２（距離画像撮像素子）は、測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子ＰＤと、電荷を蓄積する電荷蓄積部ＣＳと、光電変換素子ＰＤから電荷を電荷蓄積部ＣＳに転送する転送経路上に設けられた転送ＭＯＳトランジスタ（転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４）と、光電変換素子ＰＤから電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出ＭＯＳトランジスタ（電荷排出トランジスタＧＤ１、ＧＤ２）とを少なくとも備える画素回路３２１が半導体基板上に形成されている。
　光電変換素子ＰＤは、平面視において四角形の形状で半導体基板上に形成され、転送ＭＯＳトランジスタおよび電荷排出ＭＯＳトランジスタは、光電変換素子ＰＤのいずれかの辺（ＰＤＬ１、ＰＤＬ２、ＰＤＳ１、ＰＤＳ２）上に配置され、転送ＭＯＳトランジスタおよび電荷排出ＭＯＳトランジスタは、配置される辺に対して平行な方向の寸法である幅寸法が、光電変換素子ＰＤ内において光電変換素子ＰＤの辺から離間するにつれて徐々に縮小する先細り形状である。
　これにより、電荷の排出や転送における不良の発生が抑制された構造になっている。その結果、従来構成では良好な動作が難しい距離関係等でもトランジスタの配置が可能となり、トランジスタのレイアウトの自由度が向上されている。
　本実施形態に係る距離画像撮像装置１は、上述の距離画像撮像素子を有する受光部３と、距離画像撮像素子が撮像した距離画像に基づいて、距離画像撮像素子から被写体Ｓまでの距離を算出可能に構成された距離画像処理部４と、を備える。
　これにより、距離画像撮像装置において距離測定の精度が向上することができる。
　本実施形態に係るトランジスタのゲートは、光電変換素子ＰＤ内において光電変換素子の周縁を構成する辺から離れるにつれて幅寸法が減少していれば上記効果を奏するため、その具体的形状は、上述した態様には限定されない。したがって、図６Ａに示すゲートＧａのように先端が丸まっていたり、図６Ｂに示すゲートＧｂのように、先端がフラットであったりしてもよい。あるいは、図６Ｃに示すゲートＧｃのように、光電変換素子内において幅寸法が一定となる部位を有さない、略三角形状であってもよい。
　本実施形態に係るゲート形状は、作製時のマスクを変更する等により、公知技術を用いて比較的簡便に実現できる。
　先細り形状のゲートの他の利点として、配置の際に周囲に配置された他のゲートと干渉しにくい点が挙げられる。
　例えば、長方形の光電変換素子の隅部付近において、隣り合う長辺と短辺にトランジスタを配置する場合、ゲートの平面視形状が長方形であると、先端部分が干渉しやすく、配置に制限が生じる。しかし、ゲートが先細り形状であると、先端部の幅方向寸法が小さくなるとともに、ゲートの幅方向端部に斜面が形成されるため、隣接するゲート同士が干渉しにくくなる。その結果、ゲートが長方形である場合に比して２つのトランジスタをより接近して配置することが可能になり、トランジスタのレイアウトの自由度がさらに高まる。
　上述した観点に鑑みると、ゲートの先細り形状の態様は、必ずしも幅方向において対称性を有さなくてもよい。例えば、図７に示す変形例における転送トランジスタＧ１ないしＧ４のように、光電変換素子ＰＤの隅部を挟んで電荷排出トランジスタと対向する側のみに斜面を有するような先細り形状であってもよい。
　以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。以下にいくつか変更を例示するが、これらはすべてではなく、それ以外の変更も可能である。これらの変更が２以上適宜組み合わされてもよい。
　例えば、電荷排出トランジスタＧＤの数は、２個に限定されず、２ｎ（ｎは１以上の整数）個であり、短辺それぞれにｎ個ずつ配置されていてもよい。転送トランジスタの数は、４個に限定されず、２Ｍ（Ｍは２以上の整数）個であり、長辺それぞれにＭ個ずつ配置され、１つの長辺に配置されたＭ個の転送トランジスタは、ｘ軸に対して線対称となるように配置されていてもよい。
　転送ＭＯＳトランジスタおよび電荷排出ＭＯＳトランジスタの少なくとも一方において、配置される辺に対して平行な方向の寸法である幅寸法が、光電変換素子ＰＤ内において光電変換素子ＰＤの辺から離間するにつれて徐々に縮小する先細り形状であってもよい。この場合においても、電荷の排出や転送の排出不良が抑制することができる。
・本発明に係る距離画像撮像素子は、画素回路の光が入射される面側にマイクロレンズを有してもよい。図８に示すように、マイクロレンズＭＬの光軸を光電変換素子の中心Ｏと一致させ、かつ光軸を光の入射面に垂直とすることにより、入射する光をマイクロレンズＭＬによって好適に光電変換素子ＰＤに導き、感度を向上させることができる。
・本発明に係る光電変換素子の平面視形状は上述した長方形には限られず、Ｎ角形（Ｎは４以上の整数）であればよい。他の例として、図９Ａに光電変換素子ＰＤの平面視形状が正六角形である場合の構成例を、図９Ｂに光電変換素子ＰＤの平面視形状が正五角形である場合の構成例を、それぞれ示す。
　正六角形の構成例は、Ｇ１ないしＧ４の４つの転送ＭＯＳトランジスタと、２つの電荷排出ＭＯＳトランジスタＧＤ１、ＧＤ２との、計６つのトランジスタを有する。４つの転送ＭＯＳトランジスタは、電荷排出ＭＯＳトランジスタＧＤ１、ＧＤ２が設けられていない辺に、それぞれ一つずつ配置されており、電荷排出ＭＯＳトランジスタが設けられた辺に垂直かつ光電変換素子の中心Ｏを通る軸（図に破線で示す）に対して線対称な位置関係となっている。
　正五角形の構成例は、Ｇ１ないしＧ４の４つの転送ＭＯＳトランジスタと、１つの電荷排出ＭＯＳトランジスタＧＤとの、計５つのトランジスタを有する。４つの転送ＭＯＳトランジスタは、電荷排出ＭＯＳトランジスタＧＤが設けられていない辺に、それぞれ一つずつ配置されており、電荷排出ＭＯＳトランジスタが設けられた辺に垂直かつ光電変換素子の中心Ｏを通る軸（図に破線で示す）に対して線対称な位置関係となっている。
　すなわち、光電変換素子は、平面視においてＮ角形（Ｎは５以上の整数）であり、転送ＭＯＳトランジスタと電荷排出ＭＯＳトランジスタＧＤとの和がＮ個以上であり、光電変換素子ＰＤの辺において、電荷排出ＭＯＳトランジスタＧＤが設けられた辺を除く他の辺のそれぞれに、転送ＭＯＳトランジスタが少なくとも１つ設けられていてもよい。
　また、転送ＭＯＳトランジスタは、光電変換素子ＰＤの平面視における形状であるＮ角形のいずれかの辺に垂直かつ前記Ｎ角形の中心を通る軸に対して、線対称となる位置に配置されていてもよい。
　このような構成であっても、上述した実施形態に係る距離画像撮像素子と同様の効果を奏する。
・光電変換素子の平面視形状が四角形である場合でも、その具体的形状は長方形には限られず、正方形等であってもよい。正方形の場合、すべての辺の長さが同一であり長辺と短辺は存在しないため、電荷排出ＭＯＳトランジスタは対向する２辺の組のいずれに設けられてもよい。
１　距離画像撮像装置
３　受光部
４　距離画像処理部
３２　距離画像センサ（距離画像撮像素子）
３２１　画素回路
ＣＳ　電荷蓄積部
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４　転送トランジスタ（転送ＭＯＳトランジスタ）
ＧＤ、ＧＤ１、ＧＤ２　電荷排出トランジスタ（電荷排出ＭＯＳトランジスタ）
ＭＬ　マイクロレンズ
ＰＤ　光電変換素子

Claims (7)

  1. 　半導体基板上に形成された距離画像撮像素子であって、
    　測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、
    　前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    　前記光電変換素子から前記電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた転送ＭＯＳトランジスタと、
    　前記光電変換素子から前記電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出ＭＯＳトランジスタと、を備え、
    　前記距離画像撮像素子では、前記光電変換素子と、前記電荷蓄積部と、前記転送ＭＯＳトランジスタと、前記電荷排出ＭＯＳトランジスタと、を少なくとも備える画素回路が半導体基板上に形成されており、
    　前記光電変換素子は、平面視においてＮ角形（Ｎは４以上の整数）の形状で前記半導体基板上に形成され、
    　前記転送ＭＯＳトランジスタおよび前記電荷排出ＭＯＳトランジスタは、前記光電変換素子のいずれかの辺上に配置され、
    　前記転送ＭＯＳトランジスタおよび前記電荷排出ＭＯＳトランジスタの少なくとも一方は、配置される辺に対して平行な方向の寸法である幅寸法が、前記光電変換素子内において前記光電変換素子の辺から離間するにつれて徐々に縮小する先細り形状である、
    　距離画像撮像素子。
  2. 　前記光電変換素子の平面視形状は、長辺と短辺とを有する長方形であり、
    　前記転送ＭＯＳトランジスタを２Ｍ（Ｍは２以上の整数）個、および前記電荷排出ＭＯＳトランジスタを２ｎ（ｎは１以上の整数）個有し、
    　前記転送ＭＯＳトランジスタは、前記長辺のそれぞれにＭ個ずつ、前記長辺に平行かつ前記光電変換素子の中心を通るｘ軸に対して線対称となるように配置され、
    　前記電荷排出ＭＯＳトランジスタは、前記短辺のそれぞれにｎ個ずつ配置されている、
    　請求項１に記載の距離画像撮像素子。
  3. 　前記転送ＭＯＳトランジスタは、前記短辺に平行かつ前記光電変換素子の中心を通るｙ軸に対して線対称となるように配置されている、
    　請求項２に記載の距離画像撮像素子。
  4. 　前記Ｎは５以上の整数であり、
    　前記転送ＭＯＳトランジスタと前記電荷排出ＭＯＳトランジスタとの和がＮ個以上であり、
    　前記光電変換素子の辺において、前記電荷排出ＭＯＳトランジスタが設けられた辺を除く他の辺のそれぞれに、前記転送ＭＯＳトランジスタが少なくとも１つ設けられている、
    　請求項１に記載の距離画像撮像素子。
  5. 　前記転送ＭＯＳトランジスタは、前記Ｎ角形のいずれかの辺に垂直かつ前記Ｎ角形の中心を通る軸に対して、線対称となる位置に配置されている、
    　請求項４に記載の距離画像撮像素子。
  6. 　前記画素回路の前記光が入射される面側に配置され、光軸が前記光電変換素子の入射面に垂直かつ前記入射面の中心と一致するマイクロレンズをさらに備える、
    　請求項１に記載の距離画像撮像素子。
  7. 　請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の距離画像撮像素子を有する受光部と、
    　前記距離画像撮像素子が撮像した距離画像に基づいて、前記距離画像撮像素子から被写体までの距離を算出可能に構成された距離画像処理部と、
    　を備える、
    　距離画像撮像装置。
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