光検出素子、光検出素子の制御方法
【課題】光電変換部での飽和の可能性を低減して光電変換部の小型化を可能にし、全体としてのサイズの小型化を可能にする。
【解決手段】分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとが障壁制御電極１４ｃを挟んで配置される。分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとに正極性の電圧が印加されてウェル１２にポテンシャル井戸が形成された状態で光照射による電子が集積される。その後、障壁制御電極１４ｃに印加された電圧に応じて形成されるポテンシャル障壁の高さが調節されることにより、規定した一定量の不要電荷が電荷分離部で分離される。電子の集積と不要電荷の分離とが複数回繰り返された後、蓄電電極１４ｂに対応して形成された電荷蓄積部に流れ込んだ有効電荷が受光出力として取り出される。
【解決手段】分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとが障壁制御電極１４ｃを挟んで配置される。分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとに正極性の電圧が印加されてウェル１２にポテンシャル井戸が形成された状態で光照射による電子が集積される。その後、障壁制御電極１４ｃに印加された電圧に応じて形成されるポテンシャル障壁の高さが調節されることにより、規定した一定量の不要電荷が電荷分離部で分離される。電子の集積と不要電荷の分離とが複数回繰り返された後、蓄電電極１４ｂに対応して形成された電荷蓄積部に流れ込んだ有効電荷が受光出力として取り出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出素子、光検出素子の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光照射による電荷を生成し受光光量に応じた受光出力を取り出す光検出素子においては、受光光量の多寡に応じて受光出力も変化する。しかしながら、生成された電荷を受光出力として取り出す部位のサイズによって受光出力の最大値が制限される。
【０００３】
生成された電荷を受光出力として取り出す経路のダイナミックレンジの拡大を図るために、ＣＣＤを用いて電荷を転送する経路において、一定量の電荷を秤量して不要電荷とし、不要電荷を除いた残りの電荷を転送して受光出力に用いることが考えられている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
この構成では、転送する電荷から入力信号とは無関係の一定量の不要電荷を除くことができ、結果的に転送する電荷量を低減することができるから、電荷を転送する経路のサイズを小さくすることが可能になる。
【特許文献１】特開平７−２２４３６号公報
【特許文献２】特開平７−２２４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載の構成では、電荷の秤量を電荷の転送過程において行っているものであるから、光照射により生成される電荷量が生成可能な電荷量の制限を越えているときには、転送過程に与えられる電荷からすでに受光光量の情報が失われていることになる。すなわち、特許文献１、特許文献２に記載の技術を採用すれば、電荷を転送する経路のサイズを小型化することができるとしても、光照射により電子を生成する部位のサイズは小さくすることができないという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、光電変換部での飽和の可能性を低減して光電変換部の小型化を可能にし、ひいては電荷取出部の容量を小さくし、全体としてのサイズの小型化を可能にした光検出素子を提供し、さらにその光検出素子の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光検出素子は、光照射により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしバイアス成分に相当する規定した一定量の不要電荷を分離する電荷分離部と、前記光電変換部で生成された電荷から不要電荷を分離した残りを有効電荷として蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部とを備え、前記光電変換部で電荷が生成される動作と前記光電変換部で生成された電荷から前記不要電荷が分離されて前記電荷蓄積部に有効電荷が蓄積される動作とが複数回繰り返された後に、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が電荷取出部から受光出力として取り出される光検出素子において、第１導電形の半導体からなる素子形成層と、前記素子形成層の主表面に形成された第２導電形のウェルと、前記電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、前記ウェルの前記主表面に配置された制御電極とを備え、前記ウェルへの光照射による電荷の生成を行う受光期間と、一定量の不要電荷を分離する秤量期間とに対応付けて、前記制御電極に印加する電圧が制御され、前記制御電極はウェルの主表面に並べて複数個配置され、秤量期間に、前記ウェルにおいて前記制御電極のいずれかに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、かつ前記制御電極の他のいずれかに対応する領域に前記電荷分離部となるポテンシャル井戸および前記電荷蓄積部となるポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成する構成であって、前記制御電極は複数個を１単位として配列され、受光期間には、異なる２種類のタイミングで電荷を生成するとともに生成した電荷を１単位内の互いに異なる前記制御電極に対応して形成されるポテンシャル井戸に一旦集め、秤量期間には、前記２種類の各タイミングで生成した電荷に対して形成する前記電荷分離部と前記電荷蓄積部とポテンシャル障壁とが１単位内の互いに異なる領域に設けられることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、光電変換部で生成した電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしており、バイアス成分に相当する一定量を不要電荷として分離するから、受光光量の変化を受光出力の変化に反映させて取り出すにあたって、受光光量の変化を反映している変動成分の電荷（有効電荷）を残し、受光光量の変化を反映していない一定量の電荷（不要電荷）を分離することができ、受光出力として取り出す有効電荷は光電変換部で生成された電荷の増減を反映しながらも電荷量の総量が減少することによって飽和を生じる可能性を低減することができる。しかも、光電変換部で生成された電荷が飽和する前に不要電荷を分離することが繰り返されるので、光電変換部での飽和の可能性を低減することができ、光電変換部の小型化につながる。また、光電変換部が小型化されれば、電荷取出部の容量も小さくすることができるから、電荷取出部のサイズを小型化することができ、光検出素子の全体としての小型化につながる。言い換えると、電荷生成部および電荷取出部で扱う電荷量の受光光量に対する割合を低減することができ、電荷生成部および電荷取出部の小型化につながる。また、不要電荷を分離する対象の電荷について着目すると、従来構成では光電変換部で生成され受光出力として取り出すことが確定している電荷であるのに対して、本発明では光電変換部で生成されてから電荷取出部に与えるまでの電荷であるから、不要電荷を分離することによって飽和の生じる可能性を大幅に低減することができる。
【０００９】
なお、電子シャッタに用いるオーバーフロードレインを用いて飽和を防止するとすれば、受光光量に対応する電荷を一定割合で減らすことになるから、変動成分が全体的に圧縮され、変動成分の差分が小さくなるが、本発明では、バイアス成分である不要電荷を分離するから、変動成分の差分はそのまま保存される。
【００１０】
ここに、バイアス成分に相当する一定量の電荷は、以下の各場合の電荷を意味する。すなわち、第一には、着目する期間に光電変換部で生成された電荷のうち、当該期間内において、時間経過に伴う実質的な変化を生じない成分あるいは位置変化に伴う実質的な変化が生じない成分、つまり時間や空間に依存しない安定した成分を意味する。このことは、信号光を投光する発光源と組み合わせてアクティブ型のセンサを構成する場合には、信号光を除いた環境光の受光光量に相当する電荷に含まれる成分を意味する。第二には、環境光の受光光量に相当する電荷量に一致する成分を意味し、第三には、環境光の受光光量に相当する電荷量よりも少ない成分を意味する。また、第四の場合として、信号光の強度を変調している場合であって、信号光の最小の受光光量が０ではない場合には、環境光の受光光量に信号光の最小の受光光量を加算した受光光量に相当する電荷量もしくはそれ以下の成分を意味する。変動成分は、主として時間経過に伴う変動を想定しているが、複数個の光電変換部が存在する場合には、隣接する複数個の光電変換部での受光光量の相違を意味する場合もある。
【００１１】
加えて、受光期間において生成した電荷から秤量期間において不要電荷を分離する構成を半導体を用いて容易に実現することができ、しかも、電圧を印加するタイミングの制御によって受光期間と秤量期間とを容易に実現することができる。また、複数個の制御電極を用いて電荷分離部および電荷蓄積部となるポテンシャル井戸を形成し、また制御電極を用いてポテンシャル障壁を形成するから、複数個の制御電極を配列しただけの単純な構成になる。さらに、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部を設けているから、電荷分離部で不要電荷を秤量する前に電荷分離部の電荷を廃棄しておくことにより、不要電荷を秤量する際の精度が高くなる。
【００１２】
その上、受光期間には電荷を集積する領域を大きくとることができ、秤量期間には２種類のタイミングで得た電荷から不要電荷を分離する処理に用いる制御電極が独立して制御されるから、２種類のタイミングで生成した電荷の混合が防止され、かつ制御電極に印加する電圧の制御も簡単になる。
【００１３】
本発明に係る光検出素子は、光照射により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしバイアス成分に相当する規定した一定量の不要電荷を分離する電荷分離部と、前記光電変換部で生成された電荷から不要電荷を分離した残りを有効電荷として蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部とを備え、前記光電変換部で電荷が生成される動作と前記光電変換部で生成された電荷から前記不要電荷が分離されて前記電荷蓄積部に前記有効電荷が蓄積される動作とが複数回繰り返された後に、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記電荷取出部から受光出力として取り出される光検出素子において、第１導電形の半導体からなる素子形成層と、前記素子形成層の前記主表面に形成された第２導電形のウェルと、前記電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、前記ウェルの前記主表面に配置された制御電極とを備え、前記ウェルへの光照射による電荷の生成を行う受光期間と、一定量の不要電荷を分離する秤量期間とに対応付けて、前記制御電極に印加する電圧が制御され、前記制御電極はウェルの主表面に並べて複数個配置され、秤量期間に、前記ウェルにおいて前記制御電極のいずれかに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、かつ前記制御電極の他のいずれかに対応する領域に前記電荷分離部となるポテンシャル井戸および前記電荷蓄積部となるポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成する構成であって、前記制御電極は複数個を１単位として配列され、受光期間には、異なる２種類のタイミングで電荷を生成するとともに生成した電荷を１単位内の互いに異なる前記制御電極に対応して形成されるポテンシャル井戸に一旦集め、秤量期間には、前記２種類のタイミングのうちの一方のタイミングにおいて生成した電荷を保持するポテンシャル井戸を両タイミングの電荷に対する前記電荷分離部として用い、前記電荷分離部に対応した前記制御電極の両側に隣接する前記制御電極のそれぞれを用いて各タイミングの電荷に対するポテンシャル障壁を形成することを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、光電変換部で生成した電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしており、バイアス成分に相当する一定量を不要電荷として分離するから、受光光量の変化を受光出力の変化に反映させて取り出すにあたって、受光光量の変化を反映している変動成分の電荷（有効電荷）を残し、受光光量の変化を反映していない一定量の電荷（不要電荷）を分離することができ、受光出力として取り出す有効電荷は光電変換部で生成された電荷の増減を反映しながらも電荷量の総量が減少することによって飽和を生じる可能性を低減することができる。しかも、光電変換部で生成された電荷が飽和する前に不要電荷を分離することが繰り返されるので、光電変換部での飽和の可能性を低減することができ、光電変換部の小型化につながる。また、光電変換部が小型化されれば、電荷取出部の容量も小さくすることができるから、電荷取出部のサイズを小型化することができ、光検出素子の全体としての小型化につながる。言い換えると、電荷生成部および電荷取出部で扱う電荷量の受光光量に対する割合を低減することができ、電荷生成部および電荷取出部の小型化につながる。また、不要電荷を分離する対象の電荷について着目すると、従来構成では光電変換部で生成され受光出力として取り出すことが確定している電荷であるのに対して、本発明では光電変換部で生成されてから電荷取出部に与えるまでの電荷であるから、不要電荷を分離することによって飽和の生じる可能性を大幅に低減することができる。
【００１５】
なお、電子シャッタに用いるオーバーフロードレインを用いて飽和を防止するとすれば、受光光量に対応する電荷を一定割合で減らすことになるから、変動成分が全体的に圧縮され、変動成分の差分が小さくなるが、本発明では、バイアス成分である不要電荷を分離するから、変動成分の差分はそのまま保存される。
【００１６】
ここに、バイアス成分に相当する一定量の電荷は、以下の各場合の電荷を意味する。すなわち、第一には、着目する期間に光電変換部で生成された電荷のうち、当該期間内において、時間経過に伴う実質的な変化を生じない成分あるいは位置変化に伴う実質的な変化が生じない成分、つまり時間や空間に依存しない安定した成分を意味する。このことは、信号光を投光する発光源と組み合わせてアクティブ型のセンサを構成する場合には、信号光を除いた環境光の受光光量に相当する電荷に含まれる成分を意味する。第二には、環境光の受光光量に相当する電荷量に一致する成分を意味し、第三には、環境光の受光光量に相当する電荷量よりも少ない成分を意味する。また、第四の場合として、信号光の強度を変調している場合であって、信号光の最小の受光光量が０ではない場合には、環境光の受光光量に信号光の最小の受光光量を加算した受光光量に相当する電荷量もしくはそれ以下の成分を意味する。変動成分は、主として時間経過に伴う変動を想定しているが、複数個の光電変換部が存在する場合には、隣接する複数個の光電変換部での受光光量の相違を意味する場合もある。
【００１７】
加えて、受光期間において生成した電荷から秤量期間において不要電荷を分離する構成を半導体を用いて容易に実現することができ、しかも、電圧を印加するタイミングの制御によって受光期間と秤量期間とを容易に実現することができる。また、複数個の制御電極を用いて電荷分離部および電荷蓄積部となるポテンシャル井戸を形成し、また制御電極を用いてポテンシャル障壁を形成するから、複数個の制御電極を配列しただけの単純な構成になる。さらに、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部を設けているから、電荷分離部で不要電荷を秤量する前に電荷分離部の電荷を廃棄しておくことにより、不要電荷を秤量する際の精度が高くなる。
【００１８】
その上、秤量期間において２種類のタイミングの電荷が電荷分離部とする領域を共用するから、１単位の制御電極の占有する領域を小さくすることができ、２種類のタイミングで電荷を生成しながらも全体としての占有面積を小さくすることができる。
【００１９】
本発明に係る光検出素子の制御方法は、前記受光期間には、１単位の領域内に異なる２種類のタイミングで互いに一部が重複する光電変換部としての２個のポテンシャル井戸を交互に形成する状態と、光電変換部で生成された電荷を両ポテンシャル井戸の重複しない部位に一旦集める状態とを繰り返すように各制御電極に電圧を印加し、前記秤量期間には、両ポテンシャル井戸の重複しない部位に電荷分離部と電荷蓄積部としてのポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成するように各制御電極に電圧を印加することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る光検出素子の制御方法は、前記受光期間には、１単位の領域内に異なる２種類のタイミングで互いに一部が重複する光電変換部としての２個のポテンシャル井戸を交互に形成する状態と、光電変換部で生成された電荷を両ポテンシャル井戸の重複しない部位に一旦集める状態とを繰り返すように各制御電極に電圧を印加し、前記秤量期間には、前記２種類のタイミングにおいて生成した電荷を保持するポテンシャル井戸を両タイミングの電荷に対する電荷分離部として用い、電荷分離部に対応した制御電極の両側に隣接する各制御電極を用いてそれぞれ前記各タイミングの電荷に対するポテンシャル障壁を形成するように各制御電極に電圧を印加することを特徴とする。
【００２１】
この光検出素子の制御方法において、前記光電変換部は複数個配列され、秤量期間において分離する不要電荷の量を各光電変換部で同じにしたことが好ましい。
【００２２】
この方法によれば、秤量期間において分離する不要電荷の量を複数の光電変換部で共通にしているから、不要電荷の量を光電変換部ごとに個々に決定する場合に比較すると、不要電荷の量を制御する電路を共通化することで制御が容易になる。
【００２３】
なお、以下の実施形態で説明するように、電荷保持部を設けてもよい。すなわち、この光検出素子において、所定のタイミングで光電変換部に光が照射されることにより生成された電荷を保持する電荷保持部を備え、当該電荷保持部に保持した電荷量に応じて電荷分離部において不要電荷として分離される電荷の量が調節されることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、光電変換部で所定のタイミングで受光することにより生成された電荷を電荷保持部に保持すれば、不要電荷として分離する電荷量を所定のタイミングにおいて受光した受光光量に対応付けることができる。たとえば、発光源と併用し、発光源から投光する点灯期間と投光しない消灯期間とを設けるとすれば、消灯期間において環境光のみを受光して不要電荷の量を決定し、点灯期間において生成された電荷から不要電荷を分離すれば、環境光の成分に応じた量の不要電荷を分離できることになる。
【００２５】
また、この光検出素子において、電荷分離部は、半導体の主表面側に設けた保持用ウェルと、保持用ウェルに絶縁層を介して配置され障壁制御電極と分離電極との一方が電気的に接続される保持電極とを備え、電荷保持部に保持した電荷量に応じた電圧を前記一方
この構成によれば、保持用ウェルに蓄積した電荷量に応じた電圧が保持電極に生じ、保持電極には障壁制御電極と分離電極との一方が電気的に接続されているから、保持用ウェルに適宜量の電荷を蓄積すれば障壁制御電極または分離電極に対応する部位のポテンシャルを決定して分離すべき不要電荷の量を自動的に決定することができる。
【００２６】
あるいはまた、この光検出素子において、半導体の主表面側に電荷保持部としての保持用ウェルを備え、障壁制御電極と分離電極との一方を保持用ウェルと電気的に接続し、電荷保持部に保持した電荷量に応じた電圧を一方の電極に印加することが好ましい。
【００２７】
この構成によれば、保持用ウェルに蓄積した電荷量に応じた電圧を障壁制御電極と分離電極との一方に印加するから、保持用ウェルに適宜量の電荷を蓄積すれば障壁制御電極または分離電極に対応する部位のポテンシャルを決定して分離すべき不要電荷の量を自動的に決定することができる。しかも、障壁制御電極あるいは分離電極と保持用ウェルとが電気的に接続されているから、保持用ウェルの電荷を廃棄すると障壁制御電極あるいは分離電極などに残留する電荷も同時に廃棄することができ、保持用ウェルに蓄積した電荷量が不要電荷の量に正確に反映され、秤量の精度を高めることができる。
【００２８】
この光検出素子において、光電変換部と電荷保持部との間の部位で半導体の主表面に設けられ光電変換部で生成された電荷を電荷保持部に転送するタイミングを制御するゲート電極を備えることが好ましい。
【００２９】
この構成によれば、光電変換部から電荷保持部への電荷の転送タイミングをゲート電極によって制御するから、所望のタイミングの電荷を電荷保持部に転送することができる。
【００３０】
この光検出素子において、電荷分離部および電荷蓄積部は複数個ずつ設けられ、かつ電荷保持部は隣接する２個の障壁制御電極で共用することが好ましい。
【００３１】
この構成は、環境光の受光光量が実質的に変化しない程度の２種類のタイミングで受光光量を検出する場合に適した構成であって、環境光の受光光量に相当する量の電荷を電荷保持部に保持しておけば、２種類のタイミングで得られる受光光量に対して電荷保持部を共用することで、電荷保持部を独立して設ける場合よりも素子面積を小さくすることができる。
【００３２】
この光検出素子において、第１導電形の半導体からなる素子形成層と、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、素子形成層の主表面に形成された第２導電形のウェルと、ウェルの主表面に一直線上に並べて配置された複数個の感度制御電極とを有し、電荷分離部と電荷蓄積部と電荷保持部とが、感度制御電極が並ぶ方向とは直交する方向において感度制御電極に並設されていることが好ましい。
【００３３】
この構成によれば、電荷分離部と電荷蓄積部と電荷保持部とを感度制御電極の側方に配置しているから、感度制御電極を等間隔で配列することができ、感度制御電極に沿った電荷の転送制御が容易になる。さらに、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部を設けているから、電荷分離部で不要電荷を秤量する前に電荷分離部の電荷を廃棄しておくことにより、不要電荷を秤量する際の精度が高くなる。
【００３４】
この光検出素子において、第１導電形の半導体からなる素子形成層と、素子形成層の主表面に形成された第２導電形のウェルと、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、ウェルの主表面に一直線上に並べて配置された複数個の感度制御電極とを有し、電荷分離部と電荷保持部とは感度制御電極が並ぶ方向とは直交する方向において電荷分離部および電荷蓄積部に並設されていることが好ましい。
【００３５】
この構成によれば、電荷分離部と電荷蓄積部とが感度制御電極が並ぶ直線上に並んでいるから、感度制御電極に沿って電荷を転送する方向と同じ方向で不要電荷の分離を行うことができ、不要電荷の分離に要する手順を減らすことができる。また、電荷保持部は電荷分離部および電荷蓄積部の側方に配置されるが、電荷分離部および電荷蓄積部は感度制御電極の間に配置されるから、感度制御電極が並ぶ方向とは異なる方向に電荷を転送する動作が少なく、かつ制御用の配線が簡単になるとともに動作が単純になる。さらに、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部を設けているから、電荷分離部で不要電荷を秤量する前に電荷分離部の電荷を廃棄しておくことにより、不要電荷を秤量する際の精度が高くなる。
【００３６】
電荷保持部を備える光検出素子を用いる場合、光検出素子の制御方法は、光電変換部で電荷を生成した後にゲート電極に印加する電圧を制御することにより光電変換部から電荷保持部に電荷を転送し、電荷を電荷保持部に転送した後に光電変換部で生成された電荷から電荷保持部の電荷量に応じて決定される不要電荷を分離することが好ましい。
【００３７】
この方法によれば、光電変換部で生成した電荷を電荷保持部に転送するタイミングがゲート電極に印加する電圧により制御されるから、所望の期間の受光光量に相当する電荷を電荷保持部に転送し、転送後の期間の受光光量に相当する電荷から電荷保持部に転送した電荷の電荷量に応じた不要電荷を分離することができる。すなわち、電荷保持部に転送した電荷が生成された期間における受光光量と、その後の適宜の期間における受光光量との差分を反映した有効電荷を受光出力として取り出すことが可能になる。
【００３８】
電荷保持部を備える光検出素子を用いる場合、空間情報の検出装置は、光検出素子と、変調信号により強度を変調した光を対象空間に信号光として投光する発光源と、光検出素子の受光光量のうち変調信号に同期するタイミングで検出した受光光量に相当する量の電荷から一定量のバイアス成分を分離することにより得られる信号光の変動成分を反映した受光出力を用いて対象空間の空間情報を検出する信号処理部とを備え、発光源から投光する点灯期間と投光しない消灯期間とを設け、消灯期間で光電変換部に光が照射されることにより生成された電荷を電荷保持部に保持し、点灯期間には電荷保持部に保持した電荷量に応じて電荷分離部において不要電荷として分離される電荷の量が調節されることが好ましい。
【００３９】
この構成によれば、発光源の消灯期間における受光光量により点灯期間において分離する不要電荷の量を決めるから、光電変換部で消灯期間に受光することにより生成された電荷を電荷保持部に保持すれば、不要電荷として分離する電荷量を消灯期間において受光した受光光量に対応付けることができる。つまり、消灯期間において環境光のみを受光して不要電荷の量を決定し、点灯期間において生成された電荷から不要電荷を分離すれば、環境光の成分に応じた量の不要電荷を分離できることになる。
【００４０】
この空間情報の検出装置において、光検出素子は、変調信号の位相の異なる２区間の一方の区間において光電変換部で生成された電荷を保持する電荷保持部を備え、信号処理部は、電荷保持部に保持した電荷量に応じた電圧を障壁制御電極に印加することにより、他方の区間において光電変換部で生成された電荷から前記一方の区間において光電変換部で生成された電荷量に相当する不要電荷を分離することが好ましい。
【００４１】
この構成によれば、変調信号の位相の異なる２区間の一方における受光光量によって不要電荷の量が自動的に決まり、有効電荷は両区間の差に相当する電荷量になる。つまり、両区間の受光光量の差に相当する受光出力を得ることができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の構成によれば、光電変換部での飽和の可能性を低減して光電変換部の小型化を可能にし、ひいては電荷取出部の容量が小さくなり、全体としてのサイズの小型化につながるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態１を示す断面図である。
【図２】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図３】同上の電圧の関係を示す動作説明図である。
【図４】同上を用いた検出装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】同上の動作例を示す動作説明図である。
【図６】同上の他の動作例を示す動作説明図である。
【図７】同上のさらに他の動作例を示す動作説明図である。
【図８】同上の別の動作例を示す動作説明図である。
【図９】（ａ）（ｂ）は実施形態２の２種類の構成例を示す断面図である。
【図１０】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図１１】同上の電圧の関係を示す動作説明図である。
【図１２】実施形態３を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は図（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は図（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【図１３】実施形態４を示す平面図である。
【図１４】同上の動作説明図である。
【図１５】実施形態５を示す平面図である。
【図１６】実施形態６を示す断面図である。
【図１７】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図１８】実施形態７を示す断面図である。
【図１９】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図２０】実施形態８を示す断面図である。
【図２１】実施形態９を示す断面図である。
【図２２】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図２３】同上の電圧の関係を示す動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
（実施形態１）
本実施形態は最小構成のセルであり、このようなセルを多数個配列すればイメージセンサを構成することができる。
【００４５】
図１に示すように、１個のセル１は、第１導電形（図示例ではｐ形）の半導体（図示例ではシリコンを想定している）からなる素子形成層１１の主表面側に、第２導電形（図示例ではｎ形）の半導体からなるウェル１２を形成し、ウェル１２の主表面に絶縁層（たとえば、酸化シリコンあるいは窒化シリコン）１３を介して分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとを配置した構成を有する。素子形成層１１は、第２導電形のサブストレート１０の上に形成されている。分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとは透光性を有しているものとする。本実施形態では、光照射により生成される電荷のうち電子を利用する例について説明するが、ホールを利用する場合には、半導体の導電形を入れ換え、また後述する電圧の極性を入れ換えればよい。
【００４６】
分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとでは、蓄積電極１４ｂがもっとも広幅に形成される。図示例では、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとの幅寸法を異ならせているが、同幅の電極を多数個配列しておき、隣り合う複数個の電極に同じ電圧を印加することにより広幅の電極と等価に扱うようにしてもよい。たとえば、分離電極１４ａには隣り合う２個の電極を用い、蓄積電極１４ｂには隣り合う３個の電極を用い、障壁制御電極１４ｃには１個の電極を用いるようにすれば、同幅の電極を６個用いることで分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃの機能を実現することができる。
【００４７】
ウェル１２はｎ形であってｐ形の素子形成層１１に囲まれているから、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃのいずれにも電圧（分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃにそれぞれ印加する電圧をＶａ、Ｖｂ、Ｖｃで表す）を印加しない状態では、電子に対するポテンシャルは、素子形成層１１に対してウェル１２のほうが低くなる。つまり、ウェル１２の形成されている領域は電子に対するポテンシャル井戸を形成している。図において斜線部は電子を表している。ウェル１２の内部のポテンシャルは、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃにより制御することができる。
【００４８】
いま、ウェル１２の中の電荷を空にした状態で光を照射するものとする。ウェル１２の中の電子を空にするには、ウェル１２に隣接して設けた廃棄部となるドレイン２３（図１５参照）を通して電子を廃棄するか、ウェル１２の中の電子を図示しない電荷取出部を通して受光出力として外部に取り出す。電荷取出部は、ＣＣＤイメージセンサの垂直転送部あるいは水平転送部と同様の構成を採用することができる。
【００４９】
図３の期間Ｔａのように分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃのいずれにも電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを印加しない状態で光を照射すると、ウェル１２を含む素子形成層１１において電子とホールとが生成され、図２（ａ）のように生成された電子はウェル１２に集積される。つまり、ウェル１２は光電変換部Ｄ１として機能する。なお、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃのいずれかに対して、素子形成層１１の電位である基準電位よりも高電位となる電圧（つまり、正極性の電圧）を印加すれば、ポテンシャル井戸をより深く設定することができ、電子の集積効率を高めることができる。
【００５０】
光照射による電子が光電変換部Ｄ１に集積された後には、図３の期間Ｔｂのように障壁制御電極１４ｃに負極性の電圧Ｖｃを印加することにより、図２（ｂ）のように、ウェル１２の中にポテンシャル障壁Ｂ１を形成する。ポテンシャル障壁Ｂ１は、ウェル１２の内部のポテンシャル井戸を、分離電極１４ａに対応する領域である電荷分離部Ｄ２と、蓄積電極１４ｂに対応する領域である電荷蓄積部Ｄ３との２個のポテンシャル井戸に分割する。
【００５１】
ポテンシャル障壁Ｂ１を形成し電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とを仕切った状態で（図３の期間Ｔｃ）、ウェル１２に近接して設けた廃棄部としてのドレイン２３（図１５参照）を通して電荷分離部Ｄ２の中の電子を廃棄すれば、図２（ｃ）のように、電荷蓄積部Ｄ３にのみ電子が残留することになる。電荷蓄積部Ｄ３に残留する電子の量は、図３の期間Ｔａにおける受光光量を反映している。
【００５２】
次に、図３の期間Ｔｄのように、分離電極１４ａに対して正極性の電圧Ｖａを印加し、また障壁制御電極１４ｃに印加していた電圧Ｖｃを取り除く。このとき、図２（ｄ）のように電荷分離部Ｄ２は電荷蓄積部Ｄ３よりも深いポテンシャル井戸になり、また電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３との間のポテンシャル障壁Ｂ１が取り除かれるから、電荷蓄積部Ｄ３に集積されていたすべての電子が電荷分離部Ｄ２に流入する。つまり、電荷蓄積部Ｄ３に集積されていたすべての電子を電荷分離部Ｄ２に転送する。
【００５３】
ウェル１２の中のすべての電子が電荷分離部Ｄ２に移動すると、図３の期間Ｔｅのように障壁制御電極１４ｃに負極性の規定の一定電圧Ｖｃを印加し、その後、分離電極１４ａに印加していた電圧Ｖａを取り除く。つまり、図２（ｅ）のように、ウェル１２の中にポテンシャル障壁Ｂ１を形成して電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とを再び分割し、さらに電荷分離部Ｄ２としてのポテンシャル井戸を浅くする。ここで、電荷分離部Ｄ２の容量（容積）は、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さを変数として決定される。つまり、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧Ｖｃに応じて電荷分離部Ｄ２の容量が決まる。なお、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧Ｖｃは、ポテンシャル障壁Ｂ１のポテンシャルが素子形成層１１のポテンシャルを越えないように設定される。
【００５４】
図２（ｄ）の状態において電荷分離部Ｄ２に流入した電子の量が、図２（ｅ）の状態で電荷分離部Ｄ２の容量を超える場合には、電荷分離部Ｄ２からポテンシャル障壁Ｂ１を越えて電荷蓄積部Ｄ３に電子が流れ込む。図２（ｄ）の状態で電荷分離部Ｄ２に流れ込んだ電子の量は、光照射により生成された電子の量（実際には図２（ｃ）の電子の量）に対応しているから、図２（ｅ）の状態で電荷蓄積部Ｄ３に流入する電子の量は、光照射により生成された電子から図２（ｅ）の状態で設定された電荷分離部Ｄ２の容量分の電子を除いた量になる。
【００５５】
以下では、電荷分離部Ｄ２で分離した電子を不要電荷、電荷蓄積部Ｄ３に流入させた電子を有効電荷と呼ぶ。通常、不要電荷は廃棄し、有効電荷は受光出力として取り出す。これは、光電変換部Ｄ１において光照射により生成された電子を、環境光などによる一定量のバイアス成分と、着目する情報を含み受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしているからであり、バイアス成分は着目する情報を含んでいないから不要電荷として廃棄する。このようにして得られた有効電荷は受光光量に相当する量の電子から、単純に一定量の電子を廃棄しただけであるから、受光光量の変化分そのものは保存されており、受光光量において着目する情報量には変化が生じない。
【００５６】
なお、図２（ａ）から図２（ｅ）までの期間においてウェル１２の中で電子を移動させている間にも光は照射され、ウェル１２に電子が集積され続けているから、図２（ａ）のように光電変換部Ｄ１で生成された電子の量に対して、図２（ｂ）から図２（ｅ）までの期間において光照射で生成される電子の量を無視できる程度に少なくする必要がある。図２（ａ）の期間はたとえばｍｓのオーダになり、図２（ｂ）から図２（ｅ）までの期間はμｓのオーダとすることができるから、誤差分は無視することができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態では、光電変換部Ｄ１で光照射により生成された電子のうち規定の一定量を電荷分離部Ｄ２で秤量するとともに、秤量後の残りの電子を電荷蓄積部Ｄ３に移送し、有効電荷として利用に供する。したがって、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された有効電荷の量は、受光光量（＝受光光束の時間積分）に対応する電子の量よりも少なくなるが、光照射による受光光量を反映していることになる。このように、受光光量が多い場合でも生成された電荷のうちの一定量を電荷分離部Ｄ２で不要電荷として取り除くから、飽和が生じにくくなる。
【００５８】
また、本実施形態では光電変換部Ｄ１をウェル１２に形成しているが、ウェル１２とは別に設けた光電変換部で生成した電子をウェル１２に転送し、その後、上述した手順で電子の一部を秤量してもよい。この場合、ウェル１２を遮光することが可能であるから、図２（ａ）から図２（ｅ）までの期間における光照射で生じる誤差を低減することができる。
【００５９】
さらに、上述の例では、図２（ｄ）の期間で電子蓄積部Ｄ３のポテンシャルは変化させずに、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルとポテンシャル障壁Ｂ１のポテンシャルとを引き下げているが、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルを変化させずに、ポテンシャル障壁Ｂ１のポテンシャルを引き下げる（図２（ｅ）のポテンシャル障壁Ｂ１よりは高くする）とともに電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルを引き上げる（ポテンシャル障壁Ｂ１以上にする）ことによって、電荷蓄積部Ｄ３から電荷分離部Ｄ２に電子を流入させるようにしてもよい。
【００６０】
ところで、図２（ｅ）の状態において、電荷分離部Ｄ２で一定量の電子を不要電荷として秤量するには、ポテンシャル障壁Ｂ１を越えて電荷蓄積部Ｄ３に流れ込む電子を電荷蓄積部Ｄ３にすべて流入させる必要がある。仮に、電荷蓄積部Ｄ３に流れ込む電子の量が電荷蓄積部Ｄ３の容量を超える場合には、電子分離部Ｄ２で一定量の不要電荷を秤量することができなくなるという問題が生じる。この問題を解決するために、電荷蓄積部Ｄ３の深さを変えずに容量を大きく設定しようとすると素子形成層１１に対するウェル１２の占有面積が大きくなるから、光検出素子の大型化につながる。したがって、上述の問題を解決するには、電荷蓄積部Ｄ３の深さを調節する技術が採用される。
【００６１】
電荷蓄積部Ｄ３の深さはポテンシャル障壁Ｂ１の高さが関与しており、不要電荷の電荷量は電荷分離部Ｄ２の底のポテンシャルに対するポテンシャル障壁Ｂ１の相対高さで決まるから、電荷分離部Ｄ２の底のポテンシャルに対するポテンシャル障壁Ｂ１の相対高さを変化させずに、電荷分離部Ｄ２の底のポテンシャルを調節することによって、受光光量が増減しても電子分離部Ｄ２で一定量の不要電荷を秤量することが可能になる。
【００６２】
電荷分離部Ｄ２の底のポテンシャルを適正に設定するには、受光光量を評価しなければならない。受光光量の評価には、光電変換部Ｄ１に集積した電子を光検出素子の外部に取り出し、光検出素子の外部回路で評価する技術を用いることができる。この場合、外部回路での評価結果を、分離電極１４ａへの印加電圧に反映させる。なお、受光光量の評価結果によっては電荷分離部Ｄ２で電子を秤量する必要がない場合も生じる。その場合には、図２（ｃ）の状態で電荷蓄積部Ｄ３に残留する電子を受光出力として取り出せばよい。
【００６３】
すなわち、光検出素子が、受光光量の評価を行うための受光出力を取り出す動作と、秤量後の受光出力を取り出す動作との２動作を行うように、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとに与える電圧を外部回路によって制御する。受光光量の評価を行うための受光出力を得る期間には電荷の秤量を行わず、光電変換部Ｄ１に蓄積された電荷をそのまま受光出力として取り出し、この受光出力によって、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとに与える電圧を決定し、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さと電荷蓄積部Ｄ３の深さとの一方を決定する。次に、受光光量に対応した電荷について、上述した手順で不要電荷の秤量を行い、残留した電子を受光出力として取り出す。
【００６４】
ところで、秤量後の受光出力は受光光量の情報を保存していなければならない。したがって、発光源を用いないパッシブ型のセンサを構成する場合には、受光光量の評価後に秤量する不要電荷の量を一定に保つことによって受光光量の変動分が秤量後の受光出力に反映される構成を採用する。また、発光源を用いたアクティブ型のセンサを構成する場合には、発光源が点灯する期間（以下、「点灯期間」という）と消灯する期間（以下、「消灯期間」という）とを設け、消灯期間における受光光量を評価し、点灯期間に得られた電荷から不要電荷を除去する。この動作により、点灯期間において得られた電荷から自然光や照明光のような環境光に応じた量の不要電荷を取り除くことができ、発光源から投光された光に対するダイナミックレンジが実質的に拡大されることになる。
【００６５】
上述の動作では、不要電荷の秤量動作を１回だけ行うことを想定し、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さによってのみ不要電荷の量を決めているが、不要電荷の量は、電荷分離部Ｄ２で秤量する回数を変化させることによっても調節することができる。つまり、電荷分離部Ｄ２の容量は一定にしておき、図２（ｅ）の状態で電荷分離部Ｄ２において秤量した後、電荷分離部Ｄ２の電子を廃棄し、さらに、図２（ｄ）の状態として電荷蓄積部Ｄ３の電子を電荷分離部Ｄ２に戻し、図２（ｅ）の状態で電荷分離部Ｄ２において電子を秤量するという動作を必要回数だけ繰り返すことにより、不要電荷の量を調節することが可能である。
【００６６】
図２に示した動作では、電荷分離部Ｄ２で不要電荷を秤量する際に、電荷分離部Ｄ２に電荷を流入させた後に、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧または分離電極１４ａに印加する電圧を調節しているが、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧または分離電極１４ａに印加する電圧を調節することにより電荷分離部Ｄ２の容量を決定した後に、電荷分離部Ｄ２に電荷を流入させてもよい。
【００６７】
以下では、アクティブ型のセンサを構成する場合の例として、図４に示すように、対象空間に発光源２から投光し、対象空間からの光を信号光として光検出素子１で受光する構成を例として採用し、光検出素子１で受光する光に自然光や照明光のような環境光が混入する場合において、環境光の成分を低減して受光出力を得る場合を想定する。したがって、不要電荷として秤量する電子の量は環境光の受光光量を反映するように設定する。光検出素子１の受光出力は受光処理回路３に与えられ、受光出力から所望の情報が取り出される。光検出素子１、発光源２、受光処理回路３の動作はタイミング制御回路４から出力されるタイミング信号により制御される。すなわち、タイミング制御回路４は、発光源２を点灯させる点灯期間と消灯させる消灯期間とを交互に繰り返し、点灯期間と消灯期間とにおいて光検出素子１および受光処理回路３が以下の動作を行うようにタイミング信号を与える。つまり、図示する構成では、受光処理回路３とタイミング制御回路４とにより信号処理部が構成されている。信号処理部は、適宜のプログラムを実行するマイクロコンピュータによって構成してもよい。
【００６８】
以下では、所望量の不要電荷を１回で秤量せず、複数回の合計で秤量する動作について説明する。この動作では、廃棄しようとする不要電荷の量をＱｇとするとき、１回でＱｇを廃棄するのではなく、Ｑｇ／ｋ（ｋは正の整数）ずつｋ回で廃棄する。不要電荷の廃棄は、時間を開けずに複数回繰り返す動作と、時間を開けて複数回繰り返す動作とがあり、以下の説明では両者を混在させた場合を例示する。
【００６９】
つまり、不要電荷を秤量し廃棄する１回の秤量を連続してｍ回繰り返す期間を廃棄期間とし、点灯期間において廃棄期間をｎ回繰り返すのである（ｍは２以上の正の整数、ｎは１以上の正の整数）。この関係を図５に示す。図５では消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとを１回ずつ記載しているが、消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとは交互に繰り返される。また、図５（ａ）に示す動作では、点灯期間Ｐｂにはｎ回（図示例では２回）の廃棄期間Ｐｔが設けられ、各廃棄期間Ｐｔにはそれぞれｍ回（図示例では５回）ずつ不要電荷の秤量動作Ｗ（不要電荷を分離して廃棄する動作を以下では秤量動作Ｗと呼ぶ）が行われている。つまり、点灯期間Ｐｂにおいてｎ×ｍ回の秤量動作Ｗを行っている。各廃棄期間Ｐｔでは信号光の受光光量に対応する量の電子のみが残留するように不要電荷を廃棄する。したがって、１回の秤量動作Ｗによって廃棄する不要電荷の量は廃棄期間Ｐｔにおいて廃棄する量の不要電荷をｍ等分した量になる。また、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量は消灯期間Ｐｄでの受光光量に応じて設定される。すなわち、以下に説明する動作ではｋ＝ｍになる。
【００７０】
まず、不要電荷の秤量を１回で行う代わりに、不要電荷を複数回に分割して秤量を行う場合の利点について説明する。一般に、光検出素子の受光光量に対応して蓄積される電荷量（電子の量）Ｑは、光電変換部Ｄ１（電荷蓄積部Ｄ３）の面積Ｓと受光する時間ｔとに比例する。単位面積で単位時間に蓄積される電荷量をｑとすれば、Ｑ＝ｑ×Ｓ×ｔになる。ポテンシャル障壁Ｂ１の高さを消灯期間Ｐｂに蓄積した電荷量で決める構成を採用しているから、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さΔＶは、消灯期間Ｐｂに蓄積した電荷量Ｑの関数であって、たとえば、ΔＶ（Ｑ）＝α×ｑ×Ｓ×ｔの関係によって算出することができる。ただし、αは電荷量Ｑをポテンシャル障壁Ｂ１の高さΔＶ（Ｑ）に変換する係数である。１回で秤量される不要電荷の量は、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さΔＶ（Ｑ）を変化させることにより調節することができる。
【００７１】
ポテンシャル障壁Ｂ１の高さΔＶ（Ｑ）を変化させるには、４個の変数のいずれかを変化させればよいことがわかる。ここで、時間ｔは実施形態１において説明したようにｍｓのオーダであり、秤量に必要な時間はμｓのオーダであるから、不要電荷の量を決める時間ｔを短くすることができれば、消灯期間Ｐｄを短縮し空間情報の収集に利用できる時間の割合を増加させることができる。ただし、時間ｔを短くすると１回で秤量できる電荷量Ｑが少なくなるから、秤量する回数を増やすことによって所望量の不要電荷を廃棄するのである。
【００７２】
なお、時間ｔを短くしながらも１回で秤量できる電荷量Ｑを減らさないようにしようとすれば、係数αと電荷量ｑと面積Ｓとの少なくとも１要素を大きくすることが考えられるが、係数αを大きくするとショットノイズなどのノイズ成分を増加させることになるから誤差の増加につながり、また電荷量ｑは光検出素子の仕様と受光する光の強度とにより決まるから調節が困難であり、面積Ｓを大きくすれば大型化するという問題が生じる。したがって、係数αと電荷量ｑと面積Ｓとは変更しない。
【００７３】
１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量は、上述のように消灯期間Ｐｄに蓄積された電荷量によって決まり、この電荷量は環境光の受光強度と消灯期間Ｐｄの長さ（時間ｔ）との関数である。つまり、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量は、消灯期間Ｐｄが長いほど多くするように規定される（実際は、１次関数あるいは３次関数で規定する）。したがって、上述したように、廃棄期間Ｐｔで廃棄しようとする不要電荷の量をＱｇとし、１回で秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量をＱｇ／ｍとすると、１回で電荷量Ｑｇを秤量する際に必要な消灯期間の長さに対して、消灯期間Ｐｄの長さは１／ｍになる。つまり、秤量動作Ｗをｍ回行う構成を採用することにより、所望量の不要電荷を秤量する際の消灯期間Ｐｄの長さが１／ｍに短縮されるのである。
【００７４】
上述の動作によれば、消灯期間Ｐｄが短縮され、その一方で秤量動作Ｗに要する時間が秤量動作Ｗの回数分だけ増加するが、消灯期間はｍｓのオーダであり、秤量動作Ｗの時間はμｓのオーダであるから、消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとを合計した時間は１回で秤量する場合よりも短縮することができる。たとえば、不要電荷の秤量を１回で行う場合に消灯期間が７ｍｓ必要であったとすれば、不要電荷の秤量を７回で行う場合には消灯期間を１ｍｓに短縮することができる。つまり、１回の秤量動作Ｗに１００μｓかかったとしても消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとの合計は２ｍｓ未満であるから、大幅な時間短縮が可能になる。
【００７５】
上述のように、不要電荷を１回で秤量する場合よりも消灯期間Ｐｄを短縮し、かつ複数回の秤量動作Ｗによって所望量の不要電荷を秤量することにより、受光出力を取り出すまでの時間を短縮することが可能になるのである。その上、消灯期間Ｐｄに受光する環境光の強度が比較的大きい場合でも、消灯期間Ｐｄを短くすることによって光電変換部Ｄ１で生成される電子の量を低減させ、結果的に光検出素子１が飽和するのを防止することになる。
【００７６】
上述の動作では、廃棄期間Ｐｔにｍ回の秤量動作Ｗを行っており、点灯期間Ｐｂにはｎ回の廃棄期間Ｐｔを設けている。ここにおいて、点灯期間Ｐｂは毎回一定時間とする。各廃棄期間Ｐｔごとに複数回の秤量動作Ｗを行うことによって、消灯期間Ｐｄを短縮する効果が高まるが、点灯期間Ｐｂにおける秤量動作Ｗの回数は適宜に設定すればよい。たとえば、点灯期間Ｐｂにおいて廃棄期間Ｐｔを１回だけ設け、廃棄期間Ｐｔの間に複数回の秤量動作Ｗを行うことが可能である。また、各廃棄期間Ｐｔに秤量動作Ｗを１回ずつ行う動作とすることも可能である。
【００７７】
ただし、環境光の受光強度の観点から言えば、点灯期間Ｐｂにおいて廃棄期間Ｐｔを複数回設けることが望ましい。とくに、消灯期間Ｐｄにおける受光光量が多い場合（つまり環境光の受光強度が大きい場合）には、点灯期間Ｐｂにおける廃棄期間Ｐｔの回数を増加させることが望ましい。この理由について図６を用いて説明する。
【００７８】
いま、点灯期間Ｐｂにおいて廃棄期間Ｐｔを４回設けているとすると、図６（ａ）のように時刻ｔ０から時刻ｔ２までの点灯期間Ｐｂにおいて各廃棄期間Ｐｔに一定量の不要電荷が廃棄されるから、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電子は、廃棄期間Ｐｔごとに減少を繰り返しながら、全体としては電子の蓄積によって増加することになる。
【００７９】
このような動作において、１回の廃棄期間Ｐｔで廃棄する不要電荷の量と廃棄期間Ｐｔの回数とが適正であれば、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電子の量は光検出素子１の飽和レベルＬ１を超えることがないが、環境光が想定よりも多い場合には、時刻ｔ２において点灯期間Ｐｂが終了するまでに、電荷蓄積部Ｄ３の電子の量が飽和レベルＬ１を超えるという現象が生じる（図６（ａ）では時刻ｔ３において飽和レベルＬ１を超えている）。飽和レベルＬ１を超えると、光検出素子１から取り出された受光出力からは信号光の情報が失われる。
【００８０】
そこで、点灯期間Ｐｂにおいて飽和レベルＬ１に達したか否かを検出する必要がある。飽和レベルＬ１に達したことを検出するには、たとえば、点灯期間Ｐｂにおける最後の廃棄期間Ｐｔから一定時間が経過した後に点灯期間Ｐｂが終了するように廃棄期間Ｐｔを設定しておけばよい。最後の廃棄期間Ｐｔから点灯期間Ｐｂの終了までの時間は、隣り合う廃棄期間Ｐｔの間の時間に設定する。
【００８１】
いま、上述の例のように点灯期間Ｐｂにおいて４回の廃棄期間Ｐｔを設定しているものとすると、３回目の廃棄期間Ｐｔから４回目の廃棄期間Ｐｔの間に飽和が生じた場合に、４回目の廃棄期間Ｐｔにおいて不要電荷が廃棄されるから、廃棄期間Ｐｔの終了時点で受光出力を取り出すと受光出力が飽和レベルＬ１よりも小さくなり、飽和を検出することができない。これに対して、上述のように廃棄期間Ｐｔの終了から一定時間が経過した後に点灯期間Ｐｂを終了し、その時点で受光出力を取り出すようにすれば、受光出力は飽和レベルＬ１に達しているから点灯期間Ｐｂにおいて飽和に達したことを検出することが可能になる。
【００８２】
電荷蓄積部Ｄ３の電子の量が時刻ｔ２までに飽和レベルＬ１を超える場合でも、廃棄期間Ｐｔの回数を増加させると、点灯時間Ｐｂを変更することなく飽和レベルＬ１を超えないように調節できる場合がある。たとえば、図６（ａ）のように、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの点灯期間Ｐｂにおいて秤量期間Ｐｔを４回設けているときに、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電子の量が４回目の秤量期間Ｐｔに達する直前で飽和レベルＬ１を超える場合でも、図６（ｂ）のように、点灯期間Ｐｂにおける秤量期間Ｐｔを５回に増やせば、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電子の量が時刻ｔ３にまでに飽和レベルＬ１を超えないようにすることが可能なことがある。言い換えると、廃棄期間Ｐｔの時間間隔を比較的短く設定することによって、光検出素子１が飽和するまでに不要電荷を廃棄すれば、環境光が多い環境下においても信号光に対応する電子の受光出力に占める割合を高めることが可能になり、結果的に環境光の受光強度が大きい場合でも信号光の情報を持った受光出力を取り出すことが可能になる。
【００８３】
受光期間Ｐｂにおける秤量期間Ｐｔの回数は、光検出素子１から得られる消灯期間Ｐｄの受光光量と受光出力とのうち少なくとも受光出力を用いて決定する。秤量期間Ｐｔの回数を決定する手順について説明する。なお、秤量期間Ｐｔには複数回の秤量動作Ｗをまとめて行っているから、１回の秤量期間Ｐｔにおける動作もまた不要電荷を廃棄する動作であって、点灯期間において秤量期間Ｐｔを複数回設け、秤量期間Ｐｔに時間間隔を開けていることは、不要電荷を廃棄する動作を時間間隔を開けて複数回行っていることに相当する。
【００８４】
消灯期間Ｐｄの受光光量は、環境光の受光強度を反映しているから、消灯期間Ｐｄの受光光量が決まれば受光期間Ｐｂにおいて蓄積される不要電荷の量を見積もることができる。また、消灯期間Ｐｂの受光光量によって１回の秤量期間Ｐｔで廃棄する電荷量が決まる。したがって、消灯期間Ｐｂの受光光量を求めると、受光期間Ｐｂにおいて蓄積される電子の量の時間変化の傾向を知ることができる。この時点では信号光に対応する電子の量は不明であるが、信号光に対応する電子の量は受光期間Ｐｂにおいてほぼ一様に増加すると考えることができるから、飽和レベルＬ１を考慮して廃棄すべき不要電荷の量を見積もることができ、秤量期間Ｐｔの回数について候補値を求めることができる。
【００８５】
候補値が決まれば、候補値で動作させた場合の受光出力の大きさを受光処理回路３において監視することによって、秤量期間Ｐｔの回数が適正に設定されているか否かを評価する。この評価には受光出力と比較する上限値と下限値とを設定しておき、受光出力と上限値および下限値との比較によって秤量期間Ｐｔの回数を調節する。
【００８６】
たとえば、受光出力が上限値を超えていると秤量期間Ｐｔの回数を候補値に対して１回増やして新たな候補値とし、下限値を下回っていると秤量期間Ｐｔの回数を候補値に対して１回減らして新たな候補値に用いる。この処理を繰り返すことにより、受光出量を上限値と下限値との間の適正な値に維持することができる。受光出力が上限値と下限値との間ではない場合には、その受光出力は採用せず、当該期間の受光出力は、他の期間の受光出力で補間あるいは代用する。
【００８７】
なお、秤量期間Ｐｔの回数について候補値を消灯期間Ｐｄの受光光量で決めるのではなく、あらかじめ定めたデフォルト値を候補値に用いるようにしてもよい。この場合、消灯期間Ｐｄの受光光量は、１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量の決定にのみ用いられる。なお、１回の秤量期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数は変更しない。
【００８８】
受光期間Ｐｂにおける秤量期間Ｐｔの回数を決定するために、受光処理回路３では、消灯期間Ｐｄにおける受光光量と受光出力とに基づいて上述の処理を行い、受光処理回路３において決定した秤量期間Ｐｔの回数に応じてタイミング制御回路４が光検出素子１の動作を制御する。なお、受光出力が上限値と下限値との間に収まるように秤量期間Ｐｔの回数を調節する処理は、受光期間Ｐｂごとに行う必要はなく、使用環境に応じて適数回の受光期間Ｐｂごとに行うようにすればよい。つまり、標準的な頻度をデフォルト値として設定しておき、環境光の変化が大きい場所では調節の頻度を上げ、環境光の変化が少ない場所では調節の頻度を下げればよい。
【００８９】
点灯期間Ｐｂにおいて受光出力が飽和レベルに達した場合には、当該点灯期間Ｐｂに得られた受光出力は空間情報の検出には用いることができない。したがって、この受光出力は破棄し、次回の点灯期間Ｐｂにおいて分離する不要電荷の量を変更することによって、次回以降の点灯期間Ｐｂで適正な受光出力が得られるようにする。ここで、不要電荷の量を変更する技術として、上述の例では秤量期間Ｐｔの回数を変更する例を示しているが、消灯期間Ｐｄを長くすれば１回の秤量期間Ｐｔで廃棄される電荷量が増加する。また後述する感度制御電極１７ａ〜１７ｈ（図１２参照）を設けている場合には、消灯期間Ｐｄにおいて光電変換部Ｄ１として電荷を集積するポテンシャル井戸を形成するための電圧を印加する感度制御電極１７ａ〜１７ｈの個数を変化させれば、実質的に受光面積を変化させることになるから、消灯期間Ｐｄにおいて受光面積を大きくすることで、秤量期間Ｐｔに廃棄される電荷量が増加させることができる。
【００９０】
上述した原理から明らかなように、飽和レベルＬ１を超えないように秤量動作Ｗを行うという目的では、複数回の秤量動作Ｗを秤量期間Ｐｔにおいてまとめて行うよりも、１回ずつの秤量動作Ｗを点灯期間Ｐｂの全体に分散させて行うほうが望ましい。つまり、図５（ｂ）のように、点灯期間Ｐｂにおいて毎回の秤量動作Ｗを行う間に時間間隔を設けておくのが望ましい。また、時間間隔は消灯期間Ｐｄにおける受光出力が大きいほど短くなるように設定するのが望ましい。この技術を採用すれば、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電荷量の増加速度が低下し、蓄積される電荷量が飽和レベルＬに達しにくくなる。つまり、電荷蓄積部Ｄ３の飽和を抑制する効果が高くなる。
【００９１】
ところで、１回の廃棄期間Ｐｔにおいて廃棄する不要電荷の量は、信号光により生成された量の電子の全部を残すように算出されるが、１回の廃棄期間Ｐｔに複数回の秤量動作Ｗを行い、かつ１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量は消灯期間Ｐｂにおける受光光量によって決まるから、信号光に対応した量の電子の全体でかつその量の電子のみを残すことは困難である。したがって、信号光に対応した量の電子の全体よりもやや多い量の電子を余裕分として残すことになる。ただし、信号光に対するダイナミックレンジを大きくとるには、余裕分の電子はできるだけ少なくすることが必要である。
【００９２】
１回の秤量動作Ｗで廃棄される不要電荷の量は消灯期間Ｐｄにおける受光光量により決められ、この受光光量は消灯期間Ｐｄの長さ（継続する時間）の関数であるから、１回の廃棄期間Ｐｔにおいて廃棄する不要電荷の総量を算出すれば、消灯期間Ｐｄの長さを変化させることによって、余裕分が少なくなるように１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量を決めることが可能である。
【００９３】
消灯期間Ｐｄを短くすれば１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量が少ないから余裕分も少なくなり、また１回の廃棄期間Ｐｔに１回の秤量動作Ｗを行うように消灯期間Ｐｄを長くすることによっても余裕分を少なくすることが可能である。しかしながら、前者の動作を採用すると、秤量動作Ｗの回数が増加することによって、点灯期間Ｐｂにおいて秤量動作Ｗの処理の占める割合が大きくなり、後者の動作を採用すると、消灯期間Ｐｂが長くなるから、いずれの構成を採用したとしても、単位時間当たりに信号光から得られる情報量が低減する。
【００９４】
これに対して、１回の廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数に上限と下限とを設定するとともに、消灯期間Ｐｂの上限と下限とを設定しておき、これらの上限と下限との範囲内で余裕分が最小になるように、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量と１回の廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数とを決めることで、消灯期間Ｐｄを比較的短くしながらも秤量動作Ｗの回数が極端に多くならないように、廃棄期間Ｐｔにおける条件を設定することが可能になる。
【００９５】
ところで、廃棄期間Ｐｔで廃棄する不要電荷の量は、廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数と、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量との積として算出され、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量は消灯期間Ｐｄにおける受光光量により決まる。また、消灯期間Ｐｄにおける受光光量は、環境光の受光強度と消灯期間Ｐｄの長さ（継続時間）により決まる。
【００９６】
廃棄期間Ｐｔの条件を設定するには、消灯期間Ｐｄの長さにデフォルト値を設定しておき、まずデフォルト値の時間の消灯期間Ｐｄでの受光光量を用いて環境光の受光強度を推定し、廃棄期間Ｐｔごとに廃棄すべき不要電荷の総量を決定する。また、デフォルト値の長さの消灯期間Ｐｄにおける受光光量を用いて１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量を決定する。
【００９７】
次に、廃棄期間Ｐｔごとに廃棄すべき不要電荷の総量を１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量で除算して商と剰余とを求める。商が廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数の上限と下限との間の回数であれば、剰余を低減するように１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量を決め、この量に応じた消灯期間Ｐｄの長さを逆算する。逆算結果により得られた消灯期間Ｐｄの長さが上限と下限との範囲内であれば、消灯期間Ｐｄを逆算結果の長さに設定する。
【００９８】
なお、秤量動作Ｗの回数あるいは消灯期間Ｐｄの長さが上限と下限との範囲から逸脱しているときには、回数あるいは長さを調節することにより、上限と下限との範囲内に収まるように調節する。
【００９９】
また、光電変換部Ｄ１を複数設けてイメージセンサを構成しており、すべての光電変換部Ｄ１について上述の制御を行うと処理負荷が大きくなるから、あらかじめ１回の秤量動作Ｗにおいて分離する不要電荷が、すべての光電変換部Ｄ１に亘って規定値よりも小さくなるように、消灯期間Ｐｄを短くし、秤量動作Ｗの回数を多くする設定が有効である。１回の秤量動作Ｗにより秤量する不要電荷の量を少なくすれば、秤量動作Ｗの回数は多くなるが、１回の秤量動作Ｗに要する時間は微小であるから、光電変換部Ｄ１において光を受光し不要電荷を廃棄して受光出力を得るまでの全体の時間の増加は少ない。むしろ消灯期間Ｐｄが短縮されるから、点灯期間Ｐｂにおいて空間情報を検出する時間を相対的に増加させることになる。
【０１００】
複数個の光電変換部Ｄ１を備えるイメージセンサでは、タイミング制御回路４の出力による動作タイミングの制御を簡単にするために、秤量動作Ｗの回数は各光電変換部Ｄ１において等しく設定しておくことが望ましい。したがって、上述のように１回の秤量動作Ｗで分離する不要電荷の量を少なくするには、廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数を可及的に多く設定しておくことが望ましい。
【０１０１】
ところで、上述のように不要電荷を秤量して廃棄すると、受光出力の大部分は信号光に対応した成分になるが、信号光の受光強度が大きいと光検出素子１が飽和し、逆に信号光の受光強度が小さいとショットノイズなどの内部雑音の影響によってＳＮ比が低下する。上述の動作例では点灯期間Ｐｂの長さを一定にして廃棄する不要電荷の量を調節していたが、受光側において信号光の受光光量を調節しようとすれば、点灯期間Ｐｂの長さを調節することが必要である。
【０１０２】
そこで、図７（ａ）に示すように、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さを複数種類から選択可能とし、適正な受光出力が得られるように点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さを選択することにより信号光に対するダイナミックレンジを広げることが考えられる。つまり、光検出素子１が飽和しない範囲内でできるだけ大きい受光出力が得られるように、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さを決めるのである。この技術を採用する場合、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さが変化するから廃棄すべき不要電荷の量も変化する。
【０１０３】
いま、環境光と信号光とが同条件である環境下で点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さを変化させるものとすれば、不要電荷を廃棄しないときには、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３が長いほど環境光および信号光に対応する電荷の量も増加する。したがって、上述した他の動作例と同様に、不要電荷の廃棄までに飽和が生じないように不要電荷を廃棄する必要がある。
【０１０４】
１回の秤量動作Ｗにおける不要電荷の量は、消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３に得られる環境光の受光光量に応じて増減するから、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さを変化させれば、１回で秤量される不要電荷の量を点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３に応じて調節することができる。
【０１０５】
つまり、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３において集積される不要電荷の量は点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに比例し、また１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量は消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の受光光量に比例するから、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さによらず、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３中に同数回ずつの廃棄期間Ｐｔを設ける場合は、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さと消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さとを比例関係で設定すれば、廃棄すべき不要電荷の量を適正に調節することができる。ただし、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３が異なっても点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３中の廃棄期間Ｐｔの回数は等しくする必要があるから、廃棄期間Ｐｔの時間間隔を点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて調節する。
【０１０６】
上述の動作では、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さを変化させているが、図７（ｂ）のように、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さにかかわらず消灯期間Ｐｄの長さを一定に保ち、１回の秤量期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数を点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて変化させてもよい。秤量動作Ｗの際に廃棄する不要電荷の量は、消灯期間Ｐｄにおける受光光量で決まるから、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３が異なっていても変化しない。そこで、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３ごとに廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数を変化させるのである。
【０１０７】
この動作は、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて１回の廃棄期間Ｐｔにおいて廃棄する不要電荷の量を調節しているから、実質的に消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さを調節した動作と同様に機能する。ただし、廃棄期間Ｐｔに廃棄する不要電荷の量が、１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量の整数倍になるから、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さを調節する動作と比較すると、受光出力において信号光以外の成分の量がやや増加する可能性がある。
【０１０８】
点灯期間Ｐｂにおいて複数回の秤量動作Ｗを行う動作では、点灯期間Ｐｂにおいて１回だけ秤量動作Ｗを行う動作に比較して、１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量を少なくすることができ、結果的に消灯期間Ｐｄが短くなるから、消灯期間Ｐｂと点灯期間Ｐｂとを合計した時間を短縮することができる。また、点灯期間Ｐｂにおいて複数回の廃棄期間Ｐｔを設けることによって、環境光が多い場合でも飽和レベルＬ１を超えない状態を保ちながら信号光に対応する電子を蓄積することが可能になる。
【０１０９】
その一方で、点灯期間Ｐｂにおいて複数回の廃棄期間Ｐｔを設けている場合には、１回の廃棄期間Ｐｔで廃棄する不要電荷の量を、信号光に対応する成分が不要電荷として廃棄されないように設定するから、複数回の廃棄期間Ｐｔを繰り返す間に、残留した不要電荷が蓄積される可能性がある。つまり、１回の廃棄期間Ｐｔで廃棄する不要電荷の量は、理想的には信号光に対応した量の電子のみが残留するように規定されるが、実際には信号光に対応した量の電子以外の残留電子が生じるから、廃棄期間Ｐｔごとに生じる残留電子が廃棄期間Ｐｔを繰り返す間に蓄積され、受光出力には、信号光に対応する成分以外に残留電子の成分が含まれるのである。
【０１１０】
つまり、図８のように、点灯期間Ｐｂにおいて毎回の廃棄期間Ｐｔまでに蓄積される電子の量Ｖ１は、廃棄する不要電荷の量Ｖ２と信号光に対応する電子の量Ｖ３とを加算した量よりも多くなり、不要電荷を廃棄した後の電子には、信号光に対応した電子のほかに雑音である残留電子（電荷量Ｖ４）が含まれるのである。残留電子は、ショットノイズのような内部雑音により生成される電子が多く、消灯期間Ｐｄにおける受光光量から見積もることができない。ただし、ショットノイズなどに起因した１回の廃棄期間Ｐｔごとの残留電子の量は時間経過に伴って変動するものの平均すればほぼ一定量になる。
【０１１１】
上述のような残留電子は、廃棄期間Ｐｔごとに生じ、点灯期間Ｐｂの間に累積される。したがって、点灯期間Ｐｂにおいて廃棄期間Ｐｔを繰り返すと、やがては残留電子の量が１回の秤量動作Ｗで廃棄される不要電荷の量に達すると考えられる。上述のように残留電子の量の平均値は推定可能であるから、残留電子の量が１回の秤量動作Ｗで廃棄される不要電荷の量に達するまでの廃棄期間Ｐｔの回数を推定することができる。
【０１１２】
そこで、廃棄期間Ｐｔの回数が推定した回数に達するたびに秤量動作Ｗの回数を１回増やすことにより、残留電子を大幅に低減することができる。また、この動作により、残留電子の影響による信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制することができる。
【０１１３】
なお、点灯期間Ｐｂにおいて複数回の秤量動作Ｗを行う動作は、消灯期間Ｐｄにおける受光光量を用いて廃棄する不要電荷の量を見積もるから、消灯期間Ｐｄにおける受光光量に対応する電子を光検出素子１の外部に取り出すことが必要であって、本実施形態の構成において採用するのが最適ではあるが、以下に説明する各実施形態であっても消灯期間Ｐｄにおける受光光量に対応した電子を光検出素子１の外部に取り出す構成を付加すれば、採用可能である。
【０１１４】
また、不要電荷の量を見積もるための消灯期間Ｐｄは点灯期間Ｐｂと交互に設けなくてもよく、１回の消灯期間Ｐｄにおいて見積もった不要電荷の量を複数回の点灯期間Ｐｂにおいて適用してもよい。この場合、隣接する点灯期間Ｐｂの時間間隔は消灯期間Ｐｂよりも短くすることができるから、信号光を受光する期間が単位時間に占める割合を増加させることになり、結果的に対象空間の空間情報を検出する期間を増加させることができる。消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとの関係は、以下に説明する実施形態においても同様に設定することが可能である。
【０１１５】
（実施形態２）
実施形態１では受光光量に応じて不要電荷として秤量する電子の量を調節する技術について説明したが、実施形態１で説明した技術では、光検出素子の外部回路で受光光量を評価しなければならないから、外部回路においてポテンシャル障壁Ｂ１を制御するための回路が必要になる。つまり、外部回路の規模が大きくなる。本実施形態は、不要電荷として秤量する電子の量を受光光量に応じて自動的に変化させる機能を光検出素子に設けることにより、ポテンシャル障壁Ｂ１を制御するための外部回路を不要にしたものである。
【０１１６】
不要電荷の量を光検出素子１が自動的に変化させるための構成として、本実施形態では、図９（ａ）に示すように、素子形成層１１の主表面に、ウェル１２とは別にウェル１２と同じ導電形で不純物濃度が高濃度である保持用ウェル１５を設け（つまり、保持用ウェル１５の導電形はｎ＋である）、保持用ウェル１５に絶縁層１３を介して保持電極１４ｄを対向させてある。また、素子形成層１１においてウェル１２と保持用ウェル１５との間の領域には絶縁層１３を介してゲート電極１４ｅを対向させてある。保持電極１４ｄは障壁制御電極１４ｃと電気的に接続され、また、素子形成層１１において保持電極１４ｄおよびゲート電極１４ｅに対応する領域は遮光膜１６で遮光される。
【０１１７】
ところで、ｎ＋形である保持用ウェル１５はｐ形の素子形成層１１に囲まれているから、保持用ウェル１５にはウェル１２と同様に電子に対するポテンシャル井戸が形成される。ただし、保持用ウェル１５はウェル１２よりも不純物濃度が高濃度であるから、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃ、保持電極１４ｄのいずれにも電圧を印加しない状態では、保持用ウェル１５にはウェル１２よりも深いポテンシャル井戸が形成される。保持用ウェル１５に形成されるポテンシャル井戸は電子を保持する電荷保持部Ｄ４として機能する。
【０１１８】
保持用ウェル１５に保持した電子の量が増加すると保持電極１４ｄの電位が低下し、保持電極１４ｄに接続された障壁制御電極１４ｃの電位も低下する。障壁制御電極１４ｃの電位が低下すれば、ポテンシャル障壁Ｂ１が高くなり、電荷分離部Ｄ２の容量が大きくなる。つまり、環境光が増加するほど保持用ウェル１５に保持される電子の量を増加させれば、不要電荷として分離できる電子の量を環境光に応じて増加させることができるから、環境光の増減にかかわらず、信号光に対するダイナミックレンジをほぼ一定に保つことが可能になる。
【０１１９】
環境光の増減に応じて保持用ウェル１５に保持される電子の量を増減させるために、光電変換部Ｄ１において環境光の照射時に生成された電子を保持用ウェル１５に転送して保持させる動作が必要になる。つまり、光電変換部で生成した電荷を、保持用ウェル１５に転送する期間を設ける。なお、保持用ウェル１５は遮光膜１６により遮光されているから、素子形成層１１やウェル１２に光が照射されても保持用ウェル１５に保持された電子の量は変化しない。
【０１２０】
ところで、本実施形態では、障壁制御電極１４ｃが保持電極１４ｄに接続されているから、障壁制御電極１４ｃに対応するポテンシャル障壁Ｂ１の高さを任意に制御することはできず、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さは、保持用ウェル１５に保持された電子の量によって決定される。このように、障壁制御電極１４ｃに対応するポテンシャル障壁Ｂ１の高さは任意に制御することができないから、実施形態１において説明した図２（ａ）〜（ｄ）のようにポテンシャル障壁Ｂ１の高さを調節することができない。したがって、本実施形態では電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とのポテンシャルを調節する技術を採用し、実施形態１と同様の手順で電子を移動させる。
【０１２１】
さらに詳しく説明する。実施形態１と同様に、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとに電圧を印加していない状態でウェル１２に形成されるポテンシャル井戸を光電変換部Ｄ１として用いるものとする。また、保持用ウェル１５に隣接してドレイン２３（図１５参照）を設けてあり、保持用ウェル１５に集積された電子を廃棄することができるものとする。まず、ウェル１２および保持用ウェル１５に残留する電子が廃棄される。この状態では、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとゲート電極１４ｅとのいずれにも電圧が印加されず、ウェル１２には図２（ａ）と同様のポテンシャル井戸が形成され、このポテンシャル井戸が光電変換部Ｄ１として機能する。このとき、発光源は点灯させず、環境光のみを光電変換部Ｄ１に入射させる。したがって、この期間に光電変換部Ｄ１において生成された電子は環境光の受光光量に対応する。
【０１２２】
ウェル１２および保持用ウェル１５の電子を廃棄してから規定の一定時間が経過するまでの期間の電子が環境光の受光光量に対応する量の電子として光電変換部Ｄ１に集積されると、この電子は保持用ウェル１５に転送される。つまり、保持用ウェル１５には発光源から投光しない消灯期間における環境光に対応した量の電子が保持される。光電変換部Ｄ１から保持用ウェル１５への電子の転送の際にはゲート電極１４ｅに正極性の電圧を印加し、光電変換部Ｄ１と保持用ウェル１５との間のポテンシャル障壁Ｂ２を引き下げる。また、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとに正極性の電圧を印加し、光電変換部Ｄ１のポテンシャルを保持用ウェル１５のポテンシャルよりも引き上げる。この動作により、ウェル１２から保持用ウェル１５に電子を移動させることができる。
【０１２３】
なお、保持用ウェル１５に転送する電子の量は発光源の消灯期間の受光光量に対応していればよいから、光電変換部Ｄ１で生成されたすべての電子を保持用ウェル１５に流入させる必要はなく、ウェル１２から保持用ウェル１５に移動させる電子の量が、発光源の消灯期間における光電変換部Ｄ１での受光光量に対応していればよい。発光源の消灯期間に対応した電荷を保持用ウェル１５に保持させると、図１０（ａ）のように、障壁制御電極１４ｃに対応して形成されるポテンシャル障壁Ｂ１の高さが決まる。つまり、電荷分離部Ｄ２の容量が決まる。保持用ウェル１５に流入する電子の量が多くなれば保持用ウェル１５の表面電位が低下するから、表面電位の低下に追従して保持電極１４ｄの電位も低下し、結果的に障壁制御電極１４ｃに印加される電圧が低下してポテンシャル障壁Ｂ１が高くなるのである。図１１の期間Ｔａのように、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとゲート電極１４ｅとには電圧は印加されていないから、障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとの電位は、電荷保持部Ｄ４に保持されている電子の量で決まる。
【０１２４】
光電変換部Ｄ１から電荷保持部Ｄ４に電子を移動させた後に光電変換部Ｄ１に残留する電子は不要であるから、ウェル１２に隣接して設けたドレイン２３（図１５参照）を用いて光電変換部Ｄ１に残留する電子を廃棄する。
【０１２５】
次に、発光源を点灯させると、環境光と信号光とを加算した光が光電変換部Ｄ１に入射する。ここで、光電変換部Ｄ１には電荷保持部Ｄ４に保持された電子の量に応じたポテンシャル障壁Ｂ１が形成されているから、このポテンシャル障壁Ｂ１の高さを超えない量の電子を集積する。つまり、ウェル１２のうち分離電極１４ａに対応する領域と蓄積電極１４ｂに対応する領域とは、ともに光電変換部Ｄ１として機能するが、実施形態１の図２（ｂ）に示した動作と同様に、ウェル１２はポテンシャル障壁Ｂ１を挟んで２つの領域に分割される。
【０１２６】
２つの領域のうち分離電極１４ａに対応する電荷分離部Ｄ２に集積された電子は利用しないから廃棄し、蓄積電極１４ｂに対応する電荷蓄積部Ｄ３に集積された電子を利用する。したがって、本実施形態では発光源から投光する点灯期間には、実質的に、ウェル１２のうち蓄積電極１４ｂに対応する領域が光電変換部Ｄ１として機能するのであって、電荷蓄積部Ｄ３が光電変換部Ｄ１に兼用されていることになる。
【０１２７】
図１１の期間Ｔｂのように分離電極１４ａに印加する電圧は期間Ｔａとは変化させないが、ドレイン２３（図１５参照）を用いて図１０（ｂ）のように電荷分離部Ｄ２の電子を廃棄する。その後、図１１の期間Ｔｃのように分離電極１４ａに正極性の電圧を印加するとともに蓄積電極１４ｂに負極性の電圧を印加し、図１０（ｃ）のように、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルを引き下げる。このとき、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルを大きく引き下げれば、ポテンシャル障壁Ｂ１も引き下げられ、電荷蓄積部Ｄ３（光電変換部Ｄ１）から電荷分離部Ｄ２に電子を流入させることが可能になる。
【０１２８】
なお、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルの引き下げに代えて、電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルを引き上げてもよい。ただし、電荷蓄積部Ｄ３のすべての電子を電荷分離部Ｄ２に流入させるには、電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルをポテンシャル障壁Ｂ１のポテンシャル以上に設定する必要がある。また、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルの引き下げと電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルの引き上げとを同時に行ってもよい。
【０１２９】
電荷蓄積部Ｄ３の電子が電荷分離部Ｄ２にすべて流入した後には、図１１の期間Ｔｄのように分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとに印加していた電圧を取り除く。このとき、電荷分離部Ｄ２の容量が決まり、図１０（ｄ）のように、電荷分離部Ｄ２に集積された電子のうち電荷分離部Ｄ２の容量を超える電子は、ポテンシャル障壁Ｂ１を越えて電荷蓄積部Ｄ３に流入する。すなわち、光電変換部Ｄ１で生成された電子のうち、電荷保持部Ｄ４に保持された電子の量（つまり、発光源の消灯期間に対応する電子の量）に応じて決まる電荷分離部Ｄ２の容量に対応する一定量の電子が不要電荷として分離され、電荷蓄積部Ｄ３に戻された電子が有効電荷として利用に供される。
【０１３０】
上述したように本実施形態では、外部回路を用いることなく光検出素子の内部でポテンシャル障壁Ｂ１の高さが自動的に調節され、しかも環境光の受光光量に応じて不要電荷の量が決定されるから、環境光の受光光量にかかわらず、信号光に対する受光出力のダイナミックレンジをほぼ一定に保つことができる。
【０１３１】
光電変換部Ｄ１を多数個配列した撮像素子を構成する場合に、不要電荷の量を決めるポテンシャルを各画素毎に外部回路で制御すると外部回路の構成が非常に複雑になるが、本実施形態のように不要電荷の量を環境光の受光光量に応じて自動的に調節する技術を採用すれば、不要電荷の量を決めるための外部回路は実質的に不要になる。また、半導体基板に撮像素子とともに外部回路を集積する場合に、半導体基板に占める光電変換部Ｄ１の相対面積が減少してＳ／Ｎが劣化するが、本実施形態では外部回路が実質的に不要であるから、高Ｓ／Ｎが得られる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【０１３２】
本実施形態では、ウェル１２に形成される光電変換部Ｄ１としてのポテンシャル井戸から、保持用ウェル１５に形成される電荷保持部Ｄ４としてのポテンシャル井戸に電子を転送するタイミングの制御にゲート電極１４ｅを用いたが、ゲート電極１４ｅを省略した構成とし、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとに印加する電圧を制御することによって光電変換部Ｄ１から電荷保持部Ｄ４に電子を転送するようにしてもよい。
【０１３３】
たとえば、分離電極１４ａおよび蓄積電極１４ｂに正極性の電圧を印加してポテンシャル井戸を形成し、光電変換部Ｄ１に電子を集積した後、分離電極１４ａおよび蓄積電極１４ｂに負極性の電圧を印加すると、ウェル１２に集積された電子は保持ウェル１５に向かって移動する。なお、蓄積電極１４ｂに負極性の電圧を印加することによって、ウェル１２と保持用ウェル１５との間のポテンシャル障壁が崩され、ウェル１２から保持用ウェル１５への電子の移動が容易になる。また、分離電極１４ａに負極性の電圧が印加されているから、ウェル１２に集積された電子は図９（ａ）の左向きへの移動が防止される。
【０１３４】
ウェル１２から保持用ウェル１５に電子が移動した後は、分離電極１４ａおよび蓄積電極１４ｂに正極性の電圧を印加し、ウェル１２にポテンシャル井戸を形成する。このような動作によって、ゲート電極１４ｅを用いることなく、光電変換部Ｄ１から電荷保持部Ｄ４への電子の移動が可能になる。
【０１３５】
また、図９（ａ）の構成に代えて、図９（ｂ）のように、電荷保持部Ｄ４としてウェル１２に形成される保持用ウェル１５に障壁制御電極１４ｃを直接電気的に接続する構成を採用するとさらに望ましい。図９（ａ）のように、保持用ウェル１５に絶縁層１３を介して保持電極１４ｄを設けると、障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとはともに他の構成とは電気的に分離されるから、時間経過に伴って障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄと両者を接続する配線とに電荷が蓄積する。このような電荷が存在すると、障壁制御電極１４ｃに印加される電圧が保持用ウェル１５の電荷量を正確に反映しなくなる可能性がある。この種の電荷を除去するには、障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとの間の電荷を除去するためのリセットスイッチを設ける構成が考えられるが、リセットスイッチを設けると、装置の大型化と製造コストの上昇を招くおそれがある。
【０１３６】
そこで、図９（ｂ）に示す構成では、保持用ウェル１５に障壁制御電極１４ｃを直接電気的に接続する構成を採用している。保持用ウェル１５と障壁制御電極１４ｃとの間を直接接続する配線は、拡散配線により形成することができる。また、保持用ウェル１５に絶縁層１３を介さずに保持電極１４ｄをオーミックに接続する構成を採用する場合には、金属配線を用いてもよい。
【０１３７】
ウェル１２には、保持用ウェル１５に隣接してリセットドレイン１００を設け、ウェル１２の主表面において保持用ウェル１５とリセットドレイン１００との間の部位にはリセット電極１４ｒを設けてある。リセットドレイン１００には接続線１１０を通して電子を引き抜く一定電圧を印加してあり、リセット電極１４ｒに電圧を印加して保持用ウェル１５とリセットドレイン１００との間にチャンネルを形成すると、保持用ウェル１５に蓄積された電子がリセットドレイン１００を通して廃棄される。
【０１３８】
上述したように、保持用ウェル１５に障壁制御電極１４ｃを直接電気的に接続した構成を採用すれば、リセット電極１４ｒに適宜の電圧を印加して保持用ウェル１５の電子を破棄する際に、障壁制御電極１４ｃおよび配線の電荷も同時に廃棄されるから、障壁制御電極１４ｃおよび配線に蓄積される電荷の影響を除去し、結果的に不要電荷の秤量精度を高めることが可能になる。なお、以下に説明する実施形態３〜５においてもこの構成を採用することができる。また、上述の構成では、電荷保持部Ｄ４により障壁制御電極１４ｃに印加する電圧を制御しているが、電荷保持部Ｄ４により分離電極１４ａの印加電圧を制御する構成を採用することも可能である。
【０１３９】
（実施形態３）
本実施形態は、実施形態２の構成と同様に電荷保持部Ｄ４を設けることにより、電荷分離部Ｄ２の容量を環境光の受光光量に応じて自動的に設定するものである。ただし、発光源の点灯期間において発光源から投光する光の強度を一定周波数の変調信号で変調し、変調信号における位相の異なる２区間に同期するタイミングの受光光量に対応した受光出力をそれぞれ取り出すことができるようにした光検出素子について説明する。本実施形態では、変調信号の波形を正弦波とし、位相が０〜１８０度に同期する区間（以下、区間Ｐ０と呼ぶ）の受光光量と、位相が１８０〜３６０度に同期する区間（以下、区間Ｐ２と呼ぶ）の受光光量とに対応する受光出力を取り出すものとする。なお、変調信号の波形は、矩形波や三角波や鋸歯状波を用いることも可能であり、受光光量を検出する区間は、上述の範囲以外でもよいのはもちろんのことである。
【０１４０】
また、本実施形態は多数個のセル１を配列したイメージセンサを構成しており、イメージセンサから１フレームの受光出力を取り出すたびに、上述した２区間の受光出力を同時に取り出すことができるように構成してある。１フレームで２区間の受光出力を取り出すために、１個のセル１について、各区間ごとの受光光量を検出する構成と、各区間ごとの受光出力を蓄積する構成とが必要である。そこで、光電変換部Ｄ１を電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３とは別に設けている。
【０１４１】
さらに詳しく説明する。光電変換部Ｄ１は、素子形成層１１の主表面に形成したウェル（図示せず）に絶縁層１３を介して複数個（図示例では８個）の感度制御電極１７ａ〜１７ｈを配列した構成を有する。ウェルは、素子形成層１１とは異なる導電形であって、電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３として機能するウェル１２とは分離して形成しゲートを介してウェル１２に電荷を転送するのが望ましいが、ウェル１２と連続に形成しポテンシャルを制御することによって電荷を転送するようにしてもよい。８個の感度制御電極１７ａ〜１７ｈのうち４個の感度制御電極１７ａ〜１７ｄは一方の区間に対応するグループになり、残りの４個の感度制御電極１７ｅ〜１７ｈは他方の区間に対応するグループになる。各感度制御電極１７ａ〜１７ｈには、それぞれ制御線２１ａが接続され、感度制御電極１７ａ〜１７ｈごとに電圧を個別に印加することができる。なお、接続線２１ａと各感度制御電極１７ａ〜１７ｈとが接続されている部位を×印で示している。
【０１４２】
図１２（ａ）の縦方向はイメージセンサにおける垂直方向に相当し、図では垂直方向には１個のセル１のみを示している。つまり、垂直方向における１個のセル１は、８個の感度制御電極１７ａ〜１７ｈを備える。また、図では１個のセル１に対して水平方向に隣接するセル１の一部も示している。感度制御電極１７ａ〜１７ｈは、水平方向においては２個のセル１に跨って連続している。水平方向に隣接するセル１の間に、セル分離部２０が設けられ、水平方向におけるセル１間のクロストークが防止されている。セル分離部２０は、素子形成層１１とは異種導電形の半導体を用いて素子形成層１１の主表面側に形成される。制御線２１ａは、図示例ではセル分離部２０を挟んで４本ずつ配置されている。したがって、水平方向に隣接する２個のセル１において光電変換部Ｄ１に占める制御線２１ａの面積を等しくすることができ、隣接する２個のセル１における光電変換部Ｄ１の感度を等しくすることができる。また、垂直方向においては各セル１の中で同じ位置である感度制御電極１７ａ〜１７ｈは同じ制御線２１ａに接続される。
【０１４３】
本実施形態では、上述したように、感度制御電極１７ａ〜１７ｈを備えた光電変換部Ｄ１を、電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３とは別に設けてあり、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４とは、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに対して水平方向に並べて配置されている。図１２では示していないが、水平方向に２個隣接しているセル１のうち右側のセル１では、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４とが光電変換部Ｄ１の右側に配置され、左側のセル１では左側に配置される。また、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とは感度制御電極１７ａ〜１７ｈのグループごとに設けられ、電荷保持部Ｄ４は１個のセル１を構成する両グループで共用される。これは、電荷保持部Ｄ４は環境光に相当する量の電子を保持するものであり、環境光は両グループでは変化しないとみなせるからである。この構成から障壁制御電極１４ｃに印加される電圧も両グループで等しくなり、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さは両グループで同じ高さになる。
【０１４４】
各グループにおいて蓄積電極１４ｂは感度制御電極１７ｃ，１７ｆに隣接して設けられており、光電変換部Ｄ１で生成された電子を感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する部位から電荷蓄積部Ｄ３に転送できるようにしてある。ここに、光電変換部Ｄ１と電荷蓄積部Ｄ３とのポテンシャルの関係を調節することにより、電荷蓄積部Ｄ３から光電変換部Ｄ１への電子の移動も可能になる。なお、光電変換部Ｄ１と電荷蓄積部Ｄ３との間の部位にゲート電極（図示せず）を配置し、光電変換部Ｄ１と電荷蓄積部Ｄ３との間の電荷の流れを制御してもよい。
【０１４５】
また、各グループにおいて分離電極１４ａは感度制御電極１７ａ，１７ｈに隣接して設けられる。さらに、両グループで共用される保持電極１４ｄは感度制御電極１７ｄ，１７ｅに跨る部位に配置される。分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとゲート電極１４ｅとはそれぞれ制御線２１ｂに接続され、障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとは接続線２２を介して接続される。つまり、各グループに設けた分離電極１４ａ同士、蓄積電極１４ｂ同士、ゲート電極１４ｅ同士はそれぞれ制御線２１ｂに接続され、３本の制御線２１ｂを用いて電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４との間での電子の移動が制御される。なお、制御線２１ｂと接続線２２とについて分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃ、保持電極１４ｄ、ゲート電極１４ｅとの接続部位を×印で示している。
【０１４６】
感度制御電極１７ａ〜１７ｈに印加する電圧は、発光源から投光する光の強度を変調する変調信号に同期するように制御される。たとえば、区間Ｐ０には感度制御電極１７ａ〜１７ｄと感度制御電極１７ｆとに正極性の電圧を印加し、区間Ｐ２には感度制御電極１７ｃと感度制御電極１７ｅ〜１７ｈとに正極性の電圧を印加する。各感度制御電極１７ａ〜１７ｈに正極性の電圧を印加すると、セルにおいて各感度制御電極１７ａ〜１７ｈにそれぞれ対応する部位に、電子を集積するポテンシャル井戸が形成される。
【０１４７】
そこで、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに印加する電圧を上述のように制御すると、区間Ｐ０では、ウェルのうち感度制御電極１７ａ〜１７ｄに対応する部位で光照射による電子が集積される。また、区間Ｐ２では、ウェルのうち感度制御電極１７ｅ〜１７ｈに対応する部位で光照射による電子が集積される。つまり、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに印加する電圧パターンを制御することにより、光照射によって電子が生成される面積を変化させていることになり、実質的に光検出素子の感度を制御していることと等価である。
【０１４８】
区間Ｐ０では、感度制御電極１７ｆに対応する部位にもポテンシャル井戸が形成されるから、区間Ｐ２において集積された電子がこのポテンシャル井戸に保持され、区間Ｐ２では、感度制御電極１７ｃに対応する部位に形成されたポテンシャル井戸には区間Ｐ０において集積された電子が保持される。
【０１４９】
したがって、変調信号の複数周期（たとえば、変調信号を１０ＭＨｚとし光電変換部Ｄ１で電子を生成する期間を１５ｍｓとすれば、１５００００周期）に亘って光照射による電子を区間別に集積することができる。感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する部位に電子を保持している期間にも、感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する部位では電子が生成されるが、電子を集積する期間と電子を保持する期間とでは電子を集積する面積比が４：１になるので、保持した電子の量は変調信号の各区間における受光光量を反映していることになる。要するに、区間Ｐ０と区間Ｐ２とに対応する量の電子を、感度制御電極１７ｃ，１７ｆにそれぞれ保持することができる。
【０１５０】
感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する部位に保持された電子は、電荷蓄積部Ｄ３に転送される。転送にあたっては、蓄積電極１４ｂに正極性の電圧を印加し、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに負極性の電圧を印加する。電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４との間で電子を移動させる間には、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに負極性の電圧を印加しておくことにより、光電変換部Ｄ１への電子の移動を防止することができる。なお、感度制御電極１７ｃは区間Ｐ２における電子を保持し、感度制御電極１７ｆは区間Ｐ０における電子を保持するから、各グループの電荷蓄積部Ｄ３が光電変換部Ｄ１から電子を受け取るタイミングは異なる。
【０１５１】
発光源の消灯期間において光電変換部Ｄ１で生成された電子は、電荷蓄積部Ｄ３からゲート電極１４ｅに対応する部位を通して電荷保持部Ｄ４に転送される。ここに、発光源の消灯期間には変調信号は不要であるが、発光源の点灯期間と同じタイミングで感度制御電極１７ａ〜１７ｈに印加する電圧を制御し、光電変換部Ｄ１において環境光の受光光量に対応した量の電子を生成する。したがって、１個のセル１における両グループで環境光に対応する電子が電荷蓄積部Ｄ３に転送される。電荷保持部Ｄ４にはどちらか一方の電荷蓄積部Ｄ３から電子を転送すればよいが、両方から電子を転送してもよい。環境光の光量に対応する量の電子が電荷保持部Ｄ４に転送されると、保持電極１４ｄに接続線２２を介して接続された障壁制御電極１４ｃに電圧が印加され、ウェル１２には環境光の光量に応じたポテンシャル障壁Ｂ１が形成される。
【０１５２】
その後、発光源の点灯期間において光電変換部Ｄ１では各グループごとに電子を集積することにより、区間Ｐ０と区間Ｐ２との電子をそれぞれ感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する領域に保持する。次に、光電変換部Ｄ１から電荷蓄積部Ｄ３に電子を移動させる。以後は実施形態２の動作と同様であって、電荷蓄積部Ｄ３から電荷分離部Ｄ２に電子を移動させ、電荷分離部Ｄ２の容量分の不要電荷を秤量して廃棄するとともに有効電荷を電荷蓄積部Ｄ３に戻す。この動作によって、電荷蓄積部Ｄ３には、発光源の点灯期間において光電変換部Ｄ１で集積した電子のうち発光源の消灯期間の受光光量で規定された量の不要電荷を分離した有効電荷が残る。
【０１５３】
本実施形態は、電荷蓄積部Ｄ３に残留した有効電荷を光電変換部Ｄ１に戻して転送する構成を採用している。つまり、蓄積電極１４ｂに負極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ｃ，１７ｆに正極性の電圧を印加することにより、電荷蓄積部Ｄ３から光電変換部Ｄ１に有効電荷としての電子を転送する。光電変換部Ｄ１に転送された電子は、感度制御電極１７ａ〜１７ｈを垂直転送用の電極として用いることにより垂直方向に転送され、ＣＣＤイメージセンサと同様にして光検出素子の外部に受光出力として取り出される。
【０１５４】
本実施形態の構成では、光電変換部Ｄ１を除く部位は遮光しても動作するから、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４とを遮光することにより、不要電荷を分離する処理の間に光照射で生じた電子が誤差分として有効電荷に混入するのを防止することができる。ただし、上述した各実施形態と同様に光電変換部Ｄ１で光照射による電荷を集積する受光期間に比較して、不要電荷を分離して有効電荷を取り出す秤量期間は十分に短いから、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とは遮光していなくともよい。その場合でも電荷保持部Ｄ４は遮光することが必要である。
【０１５５】
また、本実施形態では、不要電荷を秤量する動作を行っている期間には、光電変換部Ｄ１では光照射による電子を集積しないから、電荷蓄積部Ｄ３が光電変換部Ｄ１と兼用されている構成に比較して誤差を小さくすることができる。他の構成および動作は実施形態２と同様である。
【０１５６】
ところで、実施形態２、３においては、電荷保持部Ｄ４を設けた光検出素子を発光源と組み合わせて用いた空間情報の検出装置を示し、発光源の消灯期間における受光光量（つまり、環境光の受光光量）に応じた量の電子を電荷保持部Ｄ４に保持させる場合について説明した。この装置では、光検出素子の受光出力と発光源から投光する光との関係を用いることによって、発光源から光を投光した対象空間に関する情報を得ることができる。対象空間に関する空間情報としては、物体の存否のほか、物体の反射率や、物体までの距離などがあり、対象空間に関するどのような情報が必要かに応じて受光出力を扱う回路（図示せず）を様々に構成することができる。
【０１５７】
対象空間における物体の存否や反射率を求める場合には、発光源の点灯期間において光の強度を変調しなくてもよいが、対象空間に存在する物体までの距離を求めるには、発光源から投光する光の強度を所定周波数の変調信号で変調し、光検出素子では、変調信号に同期した複数のタイミングでの受光光量を検出する。これは、発光源から投光した光が光検出素子に入射するまでの飛行時間を、変調した光の位相差として検出する技術であって、位相差を求める演算には変調信号の位相の異なる２区間の受光光量の差分を用いる。
【０１５８】
実施形態３の構成例では２つの区間Ｐ０，Ｐ２についてそれぞれ有効電荷が得られるから、有効電荷の差分を求めることによって距離の演算に用いることが可能である。また、実施形態２の構成例では、２つの区間Ｐ０，Ｐ２のうちの一方の区間で得られた電子を電荷保持部Ｄ４に保持すれば、この区間の受光光量に対応した量の電子が不要電荷になり、他方の区間で得られた電子から減算することになるから、得られた有効電荷の量は２つの区間Ｐ０，Ｐ２の受光光量の差分に相当することになる。つまり、距離の演算を外部回路で行う際に、光検出素子の受光出力に対する演算量を低減することができる。
【０１５９】
また、有効電荷が２つの区間Ｐ０，Ｐ２の受光光量の差分に相当する量になる構成では、２つの区間Ｐ０，Ｐ２の電子を電荷保持部Ｄ４に交互に保持させれば、どちらを保持するかに応じて誤差が交互に異なる方向に発生することになる。したがって、２回の受光出力を平均すれば、不要電荷の分離に伴って発生する誤差を相殺することができ、受光出力に基づいて得られる対象空間の情報を精度よく求めることが可能になる。
【０１６０】
（実施形態４）
本実施形態は、実施形態３と同様に、発光源から投光する光の強度を一定周波数の変調信号で変調し、変調信号における位相の異なる２区間に同期するタイミングの受光光量に対応した受光出力をそれぞれ取り出すことができるようにした光検出素子を示す。ただし、実施形態３では変調信号の位相が０〜１８０度に同期する区間Ｐ０の受光光量と、位相が１８０〜３６０度に同期する区間Ｐ２の受光光量とのそれぞれに対応付けて、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とを設けた構成を採用したが、本実施形態では、区間Ｐ０と区間Ｐ２との受光光量について電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とを共用する構成を示す。
【０１６１】
図１３に示すように、光電変換部Ｄ１において１個のセル１について８個の感度制御電極１７ａ〜１７ｈを設けている点では、実施形態３と同様であるが、電荷分離部Ｄ２、電荷蓄積部Ｄ３、電荷保持部Ｄ４については、実施形態３の構成では垂直方向において対称であったのに対し、本実施形態では非対称になっている。光電変換部Ｄ１において感度制御電極１７ａ〜１７ｄが配置された領域Ｅ１の側方には電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３を形成する領域Ｅ３が設けられ、後述するように光電変換部Ｄ１は電荷蓄積部Ｄ３としても共用される。また、電荷保持部Ｄ４を形成する領域Ｅ４は感度制御電極１７ｅ〜１７ｈが配置された領域Ｅ２の側方に設けられる。
【０１６２】
電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３を形成する領域Ｅ３には、光電変換部Ｄ１における感度制御電極１７ａに隣接する受取電極１４ｆが設けられ、受取電極１４ｆの下に形成されるポテンシャル井戸を感度制御電極１７ａの下に形成されるポテンシャル井戸に対して相対的に深くすることによって、感度制御電極１７ａの下に形成されるポテンシャル井戸に蓄積された電荷を光電変換部Ｄ１から受け取ることができるようにしてある。
【０１６３】
また、領域Ｅ３において感度制御電極１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの側方には、分離電極１４ａ、障壁制御電極１４ｃ、蓄積電極１４ｂがそれぞれ配置される。図示例では、障壁制御電極１４ｃのみの寸法が小さくなっているが、この構成のような寸法関係は必須というわけではない。
【０１６４】
一方、電荷保持部Ｄ４を形成する領域Ｅ４には、光電変換部Ｄ１における感度制御電極１７ｅ〜１７ｇに跨る部位にゲート電極１４ｅが設けられ、ゲート電極１４ｅの下に形成されるポテンシャル井戸を感度制御電極１７ｆの下に形成されるポテンシャル井戸に対して相対的に深くすることによって感度制御電極１７ｆの下に形成されるポテンシャル井戸に蓄積された電荷を光電変換部Ｄ１から受け取ることができるようにしてある。
【０１６５】
領域Ｅ４において、ゲート電極１４ｅに対して光電変換部Ｄ１の反対側には保持電極１４ｄが配置される。したがって、実施形態２、３と同様にして保持電極１４ｄの下にポテンシャル井戸を形成しておけば、ゲート電極１４ｅの下のポテンシャルを適宜に調節することで、感度制御電極１７ｆの下のポテンシャル井戸に蓄積された電荷を保持電極１４ｄの下のポテンシャル井戸に流し込むことができる。
【０１６６】
保持電極１４ｄの下のポテンシャル井戸である電荷保持部Ｄ４に電荷を移動させた後には、障壁制御電極１４ｃの電位は電荷保持部Ｄ４に保持されている電荷の量で決まり、障壁制御電極１４ｃの下に形成されるポテンシャル障壁の高さが決定される。
【０１６７】
なお、素子形成層１１（図１参照）にはウェル１２（図１参照）に隣接してドレイン（オーバーフロードレイン）２３が形成される。
【０１６８】
以下に本実施形態の動作を図１４を用いて説明する。実施形態３と同様に発光源に消灯期間を設けており、本実施形態の光検出素子を用いるには、まず、消灯期間において（Ｓ１）、光電変換部Ｄ１のうち感度制御電極１７ｅ〜１７ｈに正極性の電圧を印加し、感度制御電極１７ａ〜１７ｄは基準電位とする（負極性の電圧を印加してもよい。以下同様に、基準電位とする状態は負極性の電圧を印加する状態と置き換え可能である）。また、領域Ｅ３，Ｅ４に設けた分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、保持電極１４ｄ、ゲート電極１４ｅ、受取電極１４ｆについても基準電位とする。
【０１６９】
上述の動作により、光電変換部Ｄ１のうち感度制御電極１７ｅ〜１７ｈに対応する領域Ｅ２には、環境光の受光光量に相当する電子が集積される（Ｓ２）。環境光の受光光量に相当する電子が領域Ｅ２に集積された後には、感度制御電極１７ｆにのみ正極性の電圧を印加し、他の感度制御電極１７ａ〜１７ｅ，１７ｇ，１７ｈは基準電位とする。この動作により、感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸に環境光の受光光量に相当する電子が集積される。
【０１７０】
次に、ゲート電極１４ｅに正極性の電圧を印加することにより、ゲート電極１４ｅの下にチャンネルを形成し、感度制御電極１７ｆの下のポテンシャル井戸から保持電極１４ｄの下の保持部Ｄ４に電子を転送する（Ｓ３）。保持部Ｄ４に電子が転送されると、保持電極１４ｄの電位は環境光の受光光量に応じた電位になり、障壁制御電極１４ｃの電位も同電位なる。つまり、障壁制御電極１４ｃの下に形成されるポテンシャル障壁の高さが決まる。
【０１７１】
次に発光源から投光する点灯期間に移行する（Ｓ４）。点灯期間では、変調信号により強度が変調された信号光を投光するから、区間Ｐ０と区間Ｐ２との受光光量に対応する受光出力を個別に取り出すために以下の動作を行う。ここでは、区間Ｐ０の受光光量に対応する電子を領域Ｅ１で集積し、区間Ｐ２の受光光量に対応する電子を領域Ｅ２で集積するものとする。
【０１７２】
まず、領域Ｅ１の感度制御電極１７ａ〜１７ｄと領域Ｅ２の感度制御電極１７ｆとに正極性の電圧を印加し、領域Ｅ２の残りの感度制御電極１７ｅ，１７ｇ，１７ｈを基準電位とする動作と（Ｓ５）、領域Ｅ１の感度制御電極１７ｂと領域Ｅ２の感度制御電極１７ｅ〜１７ｈとに正極性の電圧を印加し、領域Ｅ１の残りの感度制御電極１７ａ，１７ｃ，１７ｄを基準電位とする動作とを（Ｓ６）、変調信号に同期する周期で１回ずつ（もしくは複数回ずつ）行う。この動作により、感度制御電極１７ｂに対応するポテンシャル井戸には区間Ｐ０の受光光量に対応する電子が集積され、感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸には区間Ｐ２の受光光量に対応する電子が集積される。
【０１７３】
次に、区間Ｐ０，Ｐ２の受光光量に対応する電子から不要電荷を分離し有効電荷を取り出す処理を行う。区間Ｐ０の受光光量に対応する電子は、感度制御電極１７ｂに対応するポテンシャル井戸に集積されているから、感度制御電極１７ａに正極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ｂを基準電位として感度制御電極１７ａに対応するポテンシャル井戸に電子を転送する。さらに、受取電極１４ｆに正極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ａを基準電位として受取電極１４ｆの下のポテンシャル井戸に電子を転送する。つまり、領域Ｅ１で集積した区間Ｐ０の受光光量に対応する電子を領域Ｅ３に転送する。
【０１７４】
領域Ｅ３に転送された電子は、受取電極１４ｆに対応するポテンシャル井戸から分離電極１４ａに対応して形成される電荷分離部Ｄ２に流し込まれる。ここで、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３との間のポテンシャル障壁の高さが決まっているから、一定量の不要電荷が電荷分離部Ｄ２に残り、それ以外の有効電荷が電荷蓄積部Ｄ３に流れ込む。電荷分離部Ｄ２の不要電荷は、ドレイン２３を通して廃棄される。このようにして、区間Ｐ０の受光光量に対応する電子から不要電荷が秤量され有効電荷が取り出される（Ｓ８）。
【０１７５】
上述のようにして得られた有効電荷は、蓄積電極１４ｂに隣接して設けられた感度制御電極１７ｄの下に形成されるポテンシャル井戸に転送される。つまり、区間Ｐ０の受光光量から環境光の受光光量に相当する不要電荷を分離した有効電荷が領域Ｅ３から領域Ｅ１に転送される（Ｓ９）。
【０１７６】
ところで、領域Ｅ２において集積された電子についても同様にして不要電荷を分離する必要がある。領域Ｅ２では感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸に区間Ｐ２の受光光量に対応する電子が集積されているから、この電子を領域Ｅ３に転送するために、感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸から感度制御電極１７ａに対応して形成されるポテンシャル井戸まで電子を転送する必要がある。また、このとき区間Ｐ０の受光光量から得られた有効電荷と混合されることがないように、ステップＳ９で領域Ｅ１に転送された電荷も垂直方向に転送する必要がある。そこで、感度制御電極１７ｄの下のポテンシャル井戸からは隣接するセル１の感度制御電極１７ｇの下のポテンシャル井戸まで電子（区間Ｐ０の有効電荷）を転送し、感度制御電極１７ｆの下のポテンシャル井戸からは感度制御電極１７ａの下のポテンシャル井戸まで電子（区間Ｐ２の電子）を転送する（Ｓ１０）。
【０１７７】
区間Ｐ２の受光光量に対応した電子が感度制御電極１７ａの下のポテンシャル井戸まで転送された後には、領域Ｅ１から領域Ｅ３に電子を転送し、この電子から不要電荷を分離して有効電荷を電荷蓄積部Ｄ３に取り出す（Ｓ１１〜Ｓ１３）。つまり、ステップＳ７〜Ｓ９と同様の処理を行うことにより区間Ｐ２の有効電荷を取り出すことができる。この有効電荷は感度制御電極１７ｄの下のポテンシャル井戸に転送され、領域Ｅ３から領域Ｅ１に有効電荷が戻される（Ｓ１４）。
【０１７８】
上述の動作により区間Ｐ０と区間Ｐ２との有効電荷が得られると、各有効電荷は垂直方向に転送されて感度制御電極１７ｂ，１７ｆの位置に一旦戻される（Ｓ１５）。このような動作を点灯期間において規定回数だけ繰り返し（Ｓ１６）、最終的に感度制御電極１７ｂ，１７ｆに対応するポテンシャル井戸に残った電子を受光出力として取り出す（Ｓ１７）。
【０１７９】
なお、分離電極１４ａとドレイン２３との間、および保持電極１４ｄとドレイン２３との間には、それぞれ廃棄電極１４ｇ，１４ｈが設けられており、領域Ｅ１から領域Ｅ３への電荷の転送毎に廃棄電極１４ｇに印加する電圧の制御によって不要電荷が廃棄され、また、領域Ｅ２から領域Ｅ４への電荷の転送毎に廃棄電極１４ｈに印加する電圧の制御によって保持部Ｄ４に保持されている環境光に対応した電子が廃棄される。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【０１８０】
（実施形態５）
実施形態４の構成では、不要電荷を分離する機能を備えた領域Ｅ３を感度制御電極１７ａ〜１７ｈが配列されている領域Ｅ１の側方（水平方向における異なる部位）に配置した構成を示したが、本実施形態では、図１５に示すように、不要電荷を分離する機能を備えた領域Ｅ３を、光電変換部Ｄ１を設けている領域Ｅ１，Ｅ２に対して垂直方向に並べた構成例について説明する。
【０１８１】
本実施形態では、１個のセル１について６個の感度制御電極１７ａ〜１７ｆを設けてあり、３個ずつの感度制御電極１７ａ〜１７ｃ，１７ｄ〜１７ｆが、それぞれ区間Ｐ０，Ｐ２における受光光量に対応する電荷を集積する領域Ｅ１，Ｅ２を形成するようにしている。また、垂直方向において隣り合うセル１の間に不要電荷を分離するための領域Ｅ３を設け、この領域Ｅ３の側方（水平方向に離れた部位）に環境光の受光光量に対応する電荷を保持する領域Ｅ４を設けている。
【０１８２】
すなわち、一つのセル１の感度制御電極１７ｆに対して垂直方向に隣接して領域受取電極１４ｆが配置され、受取電極１４ｆに対して感度制御電極１７ｆと反対には分離電極１４ａと障壁制御電極１４ｃと蓄積電極１４ｂとが順に並んで配置される。蓄積電極１４ｂに対して障壁制御電極１４ｃの反対側には別のセル１の感度制御電極１７ａが配置される。
【０１８３】
また、受取電極１４ｆと分離電極１４ａと障壁制御電極１４ｃと蓄積電極１４ｂとが並ぶ領域Ｅ３に対して、受取電極１４ｆと分離電極１４ａと障壁制御電極１４ｃとの側方にはゲート電極１４ｅを挟んで保持電極１４ｄが配置される。ここに、障壁制御電極１４ｃは保持電極１４ｄとは接続線２２を介して接続されている。領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の周囲はドレイン２３により囲まれており、保持電極１４ｄに対応して形成される保持部Ｄ４とドレイン２３との間には廃棄電極１４ｇが配置される。なお、上述した各電極はｐ形の素子形成層１１に形成されたｎ形のウェル１２の表面に配置される。
【０１８４】
本実施形態の動作は基本的には実施形態４の動作と同様であって、消灯期間において光電変換部Ｄ１のうち領域Ｅ２に対応する感度制御電極１７ｄ〜１７ｆに正極性の電圧を印加し、領域Ｅ１の感度制御電極１７ａ〜１７ｃは基準電位とする。また、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃ、保持電極１４ｄ、ゲート電極１４ｅ、受取電極１４ｆも基準電位とする。したがって、光電変換部Ｄ１のうち領域Ｅ２には環境光の受光光量に相当する電子が集積される。環境光の受光光量に相当する電子が領域Ｅ２に集積された後には、領域Ｅ１，Ｅ２のうちの各感度制御電極１７ａ〜１７ｆのうち感度制御電極１７ｆにのみ正極性の電圧を印加し、集積された電子を感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸に集積する。
【０１８５】
感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸に集積された電子は、受取電極１４ｆおよびゲート電極１４ｅを介して保持電極１４ｄの下の保持部Ｄ４に転送される。この段階で障壁制御電極１４ｃの下に形成されるポテンシャル障壁の高さが環境光に対応するように設定される。
【０１８６】
次に発光源から投光する点灯期間に移行させると、変調信号に同期した区間Ｐ０と区間Ｐ２とに対応付けて、感度制御電極１７ａ〜１７ｃ，１７ｅに正極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ｄ，１７ｆを基準電位とする動作と、感度制御電極１７ｂ，１７ｄ〜１７ｆに正極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ａ，１７ｂを基準電位とする動作とを、変調信号に同期する周期で少なくとも１回ずつ行う。この動作によって、区間Ｐ０の受光光量に応じた電子が感度制御電極１７ｂに集積され、区間Ｐ２の受光光量に応じた電子が感度制御電極１７ｅに集積される。
【０１８７】
ここで、感度制御電極１７ｅに集積された電子を垂直方向に転送し、分離電極１４ａの下のポテンシャル井戸である電荷分離部Ｄ１に転送すれば、障壁制御電極１４ｃの下のポテンシャル障壁の高さに応じて不要電荷が分離され、有効電荷のみが蓄積電極１４ｂの下の電荷蓄積部Ｄ２に蓄積される。つまり、区間Ｐ２に対応する有効電荷が電荷蓄積部Ｄ２に蓄積される。ここで、電荷分離部Ｄ１の不要電荷は図示しない経路でドレイン２３を通して廃棄する。
【０１８８】
図示例では、分離電極１４ａよりも上流側（図の上方から下方に電子を転送する場合を想定している）と下流側とでドレイン２３を連続させて記述しているが、上流側と下流側とにおいてドレイン２３を分離させるのが望ましい。この構成を採用する場合には、上流側のドレイン２３に隣接するいずれかの感度制御電極１７ａ〜１７ｆ（たとえば感度制御電極１７ｅ）の下に廃棄する不要電荷を転送し、ドレイン２３には電子を引き込む電圧（たとえば、＋１５Ｖ）を印加し、不要電荷を転送した部位の感度制御電極１７ｅには電子を押し出す電圧（たとえば、−５Ｖ）を印加する。また、不要電荷を転送した部位の感度制御電極１７ｅに隣接する感度制御電極１７ｃ，１７ｄ，１７ｆ，１７ｇにも電子を押し出す電圧を印加しておく。この動作によって、不要電荷は感度制御電極１７ｃ，１７ｄ，１７ｆ，１７ｇのほうに流れることなくドレイン２３に流れて廃棄される。
【０１８９】
次に、感度制御電極１７ｂの下に形成されたポテンシャル井戸に集積されている区間Ｐ０の受光光量に対応した電子を垂直方向に転送し、分離電極１４ａの下のポテンシャル井戸である電荷分離部Ｄ１に転送する。このとき、蓄積電極１４ｂの下の電荷蓄積部Ｄ２に蓄積されている区間Ｐ２の有効電荷も垂直方向に転送し、垂直方向に隣接するセル１の感度制御電極１７ｂの下に形成されるポテンシャル井戸に待避させる。
【０１９０】
上述のようにして区間Ｐ０の受光光量に対応した電子を電荷分離部Ｄ１に転送すれば、不要電荷が分離され、電荷蓄積部Ｄ２には区間Ｐ０の有効電荷が蓄積される。
【０１９１】
電荷蓄積部Ｄ２に蓄積された区間Ｐ０の有効電荷および感度制御電極１４ｂの下のポテンシャル井戸に蓄積された区間Ｐ２の有効電荷は、垂直方向において図１５の上方に向かって転送される。なお、蓄積電極１４ｂに印加する電圧を制御することによって、電荷蓄積部Ｄ２に蓄積された有効電荷は、障壁制御電極１４ｃの下のポテンシャル障壁を乗り越えることができる。このように有効電荷を逆向きに転送することにより、感度制御電極１４ｂ，１４ｅの下のポテンシャル井戸に区間Ｐ０，Ｐ２の各有効電荷を蓄積することができる。
【０１９２】
点灯期間において上述した動作を規定回数繰り返した後に、有効電荷は受光出力として取り出される。本実施形態の動作では、実施形態４の動作に比較すると手順が少なくなり、動作が容易になる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【０１９３】
（実施形態６）
上述した実施形態では、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとゲート電極１４ｅとが個々に異なる幅寸法を有していたが、本実施形態は、同幅の電極を複数個配列し、電極を適宜に組み合わせることによって実質的に異なる幅の電極を用いた構成と同様の動作を行うものである。また、本実施形態では、実施形態３と同様に発光源から投光する光の強度を正弦波状の変調信号により変調し、区間Ｐ０と区間Ｐ２とに集積した電荷を受光出力として取り出す場合を想定する。ただし、光電変換部Ｄ１は電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３と兼用されており、また電荷保持部Ｄ４は設けていない。
【０１９４】
図１６に示すように、本実施形態における１個のセル１は、素子形成層１１の主表面に設けたウェル１２に絶縁層１３を介して同じ幅の制御電極１８ａ〜１８ｌを等間隔で配列してある。本実施形態では、１２個の制御電極１８ａ〜１８ｌによって１個のセル１を構成している。１個のセル１の中では、各制御電極１８ａ〜１８ｌに印加する電圧を個別に制御することができるように配線している。
【０１９５】
光電変換部Ｄ１としての動作は実施形態３の感度制御電極１７ａ〜１７ｈを用いた動作とほぼ同様の動作になる。ただし、本実施形態では受光期間において、制御電極１８ａ〜１８ｉを用いて区間Ｐ０における受光光量に対応した電子を集積し、制御電極１８ｄ〜１８ｌを用いて区間Ｐ２における受光光量に対応した電子を集積する。この動作を図１７により説明する。なお、図１７において横に並ぶ（ａ）〜（ｌ）の符号は制御電極１８ａ〜１８ｌに対応する。
【０１９６】
まず、受光期間において、光電変換部Ｄ１としての動作を行う間は、区間Ｐ０では図１７（ａ）に示すように制御電極１８ａ〜１８ｉに正極性の電圧を印加し、９個の制御電極１８ａ〜１８ｉに対応する領域で電子を集積する。また、区間Ｐ２では図１７（ｂ）に示すように制御電極１８ｄ〜１８ｌに正極性の電圧を印加し、９個の制御電極１８ｄ〜１８ｌに対応する領域で電子を集積する。各区間Ｐ０，Ｐ２で光照射により集積した電子は、電子を集積する領域以外の領域で保持する。つまり、制御電極１８ａ〜１８ｉに対応する領域で電子を集積している区間Ｐ０においては、区間Ｐ２の電子を制御電極１８ｋに対応する領域に保持し、制御電極１８ｄ〜１８ｌに対応する電子を集積している区間Ｐ２においては、区間Ｐ０の電子を制御電極１８ｂに対応する領域に保持する。区間Ｐ０，Ｐ２の動作を何度も繰り返すことにより、ウェル１２において制御電極１８ｂに対応する領域には受光光量に応じた量の電子が保持される。
【０１９７】
受光期間が終了し、区間Ｐ０における受光光量に対応した量の電子が制御電極１８ｂに対応する領域に集積されるか、区間Ｐ２における受光光量に対応した量の電子が制御電極１８ｋに対応する領域に集積されると、秤量期間に移行し、不要電荷を分離して有効電荷を残す動作が開始される。
【０１９８】
たとえば、制御電極１８ｂに対応する領域に保持している電子から不要電荷を分離するには、区間Ｐ０で集積した電子を制御電極１８ｂに対応する領域に形成したポテンシャル井戸に保持させた状態で、制御電極１８ａには負極性の電圧を印加してポテンシャル障壁を形成する。また、制御電極１８ｄ，１８ｅに対応する領域を電荷蓄積部として利用するために、区間Ｐ２で集積された電子を転送する。つまり、図１７（ｃ）（ｄ）のように制御電極１８ｃ〜１８ｈに対応するポテンシャル障壁を順に形成して、区間Ｐ２に集積した電子を転送する。
【０１９９】
次に、図１７（ｅ）のように、制御電極１８ｄ，１８ｅに正極性の電圧を印加して電荷蓄積部Ｄ３となるポテンシャル井戸を形成するとともに、制御電極１８ｃに印加する電圧を制御して規定の高さのポテンシャル障壁Ｂ３を形成する。この動作によって、制御電極１８ｂに対応するポテンシャル井戸には不要電荷が残り、ポテンシャル障壁Ｂ３を超えて制御電極１８ｄ，１８ｅに対応するポテンシャル井戸に流入した電子は有効電荷として利用される。
【０２００】
次に、図１７（ｆ）のように、制御電極１８ｃに対応するポテンシャルを高くし期間Ｐ０に対応する有効電荷の漏れを防止し、同時に、期間Ｐ２に集積した電子を、制御電極１８ｋに対応するポテンシャル井戸に集積する。この状態では、制御電極１８ｇ〜１８ｉに対応する領域に電荷蓄積部Ｄ３となるポテンシャル井戸が形成され、制御電極１８ｊに対応するポテンシャル障壁が形成される。
【０２０１】
制御電極１８ｋに対応するポテンシャル井戸に保持している電子から不要電荷を分離するには、図１７（ｇ）に示すように、制御電極１８ｊに印加する電圧を制御してポテンシャル障壁Ｂ４を引き下げる。このときのポテンシャル障壁Ｂ４の高さにより区間Ｐ２に集積した電子のうちの不要電荷の量が決まる。つまり、制御電極１８ｋに対応する領域が電荷分離部Ｄ２として機能する。
【０２０２】
不要電荷を分離した後には、図１７（ｈ）のように、制御電極１８ｊに対応するポテンシャル障壁を高くし、制御電極１８ｇ〜１８ｉに対応するポテンシャル井戸に蓄積された区間Ｐ２の有効電荷の漏れを防止する。なお、制御電極１８ｂ，１８ｋに残留する不要電荷は廃棄される。
【０２０３】
上述した動作により、区間Ｐ０，Ｐ２における光照射により生成された電子から不要電荷を分離し、有効電荷を取り出すことができる。本実施形態では、制御電極１８ａ〜１８ｌが一列に配列されているから、制御電極１８ａ〜１８ｌにＣＣＤイメージセンサの垂直転送レジスタと同様に適宜のタイミングで電圧を印加すれば、有効電荷である電子を制御電極１８ａ〜１８ｌの配列方向に転送することができる。この電子を光検出素子の外部に取り出すことにより受光出力が得られる。すなわち、本実施形態の構成では、光電変換部Ｄ１が電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３と兼用され、さらに電荷取出部としても兼用されることになる。また、２つの区間Ｐ０，Ｐ２に対応して生成された電子について、不要電荷を分離する処理を同時に行うことが可能であるから、不要電荷を分離する処理時間を短くすることができる。
【０２０４】
上述した構成例では実施形態１と同様の動作を行う例を示したが、制御電極１８ｂ，１８ｋに印加する電圧を別に設けた電荷分離部Ｄ４に保持される電子の量で制御するようにすれば、実施形態２あるいは実施形態３と同様に、不要電荷の量を自動的に調節することが可能になる。他の構成および動作は上述した各実施形態と同様である。
【０２０５】
（実施形態７）
本実施形態は、実施形態６と同様に、同じ幅の複数個の制御電極１９ａ〜１９ｉを配列した構成を有するものである。ただし、実施形態６では１個のセル１を１２個の制御電極１８ａ〜１８ｌで構成していたのに対して本実施形態では、図１８に示すように、１個のセル１を９個の制御電極１９ａ〜１９ｉで構成した例を示す（図１９において横に並ぶ（ａ）〜（ｉ）はそれぞれ制御電極１９ａ〜１９ｉに対応する）。実施形態６において説明したように、変調信号の位相の１区間に対応する電子を集積するとともに不要電荷を分離するためには６個の制御電極を用いるから、９個の制御電極１９ａ〜１９ｉでは、変調信号の位相の２つの区間に対応する電子の集積と不要電荷の分離とを個々独立した領域で行うことはできない。つまり、両区間で一部の領域を重複させて使用することになる。また、実施形態６では、両区間において集積した電子から不要電荷を分離する動作を同時進行で行うことができるが、本実施形態の構成では一部領域が重複して使用されるから、両区間において集積した電子から不要電荷を分離する動作は異なる時間に行うことになる。
【０２０６】
具体的には、図１９に示す動作になるのであって、光照射により生成される電子を集積するように光電変換部Ｄ１として機能させる期間には、図１９（ａ）（ｂ）に示すように、制御電極１９ｇ，１９ｉに負極性の電圧を印加する期間と、制御電極１９ａ，１９ｃに負極性の電圧を印加する期間とを交互に設ける。両期間は変調信号に同期させて設定されており、たとえば図１９（ａ）の状態を区間Ｐ０に対応させ、図１９（ｂ）の状態を区間Ｐ２に対応させる。この場合、図１９（ａ）の状態では区間Ｐ０に対して制御電極１９ａ〜１９ｆに対応する領域が光電変換部Ｄ１として機能し、図１９（ｂ）の状態では区間Ｐ２に対して制御電圧１９ｄ〜１９ｉに対応する領域が光電変換部Ｄ１として機能する。また、区間Ｐ０に集積した電子は制御電極１９ｂに対応する領域に保持され、区間Ｐ２に集積した電子は制御電極１９ｈに対応する領域に保持される。
【０２０７】
図１９（ａ）（ｂ）の状態を交互に繰り返す動作を十分に長い時間行った後、制御電極１９ｂ，１９ｈに対応する領域に保持されている電子から不要電荷を分離し、制御電極１９ｂ，１９ｈに対応する領域に有効電荷を残す動作を行う。制御電極１９ｂ，１９ｈに対応する領域は有効電荷を残す領域であるから、電荷蓄積部Ｄ３として機能する。
【０２０８】
図示例では、図１９（ｂ）に示す区間Ｐ２で集積した電子から不要電荷を分離した後、図１９（ａ）に示す区間Ｐ０で集積した電子から不要電荷を分離している。区間Ｐ２で集積した電子から不要電荷を分離する間には、制御電極１９ｂに対応する領域に区間Ｐ０で集積した電子を保持させ、区間Ｐ２で集積した電子から不要電荷を分離した有効電荷を制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に保持させる。
【０２０９】
さらに具体的に説明する。まず、光電変換部Ｄ１において光照射による電子を集積した後、図１９（ｃ）のように、区間Ｐ０で集積した電子を制御電極１９ｂに対応する領域に形成したポテンシャル井戸に保持させる。また、制御電極１９ｇには負極性の電圧を印加してポテンシャル障壁を形成する。この状態は区間Ｐ２で集積した電子から不要電荷を分離するまで継続される。また、図１９（ｃ）の状態では区間Ｐ２で集積された電子を制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に形成したポテンシャル井戸に保持させる。つまり、区間Ｐ２で集積され制御電極１９ｄ〜１９ｉに対応する領域に集積された電子を制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に集める。
【０２１０】
この動作は、図１９（ｄ）に示すように、制御電極１９ｈに対応する領域に電子のない空のポテンシャル井戸を形成するための前置動作である。すなわち、光照射による電子の集積が終了した段階では、制御電極１９ｈに対応する領域には区間Ｐ２で集積した電子が存在しているから、図１９（ｃ）のように制御電極１９ｇ〜１９ｉに負極性の電圧を印加することにより、図１９（ｄ）のように制御電極１９ｈに対応する領域にポテンシャル井戸を形成したときに、電子の存在しないポテンシャル井戸を形成することができる。
【０２１１】
次に、図１９（ｅ）（ｆ）のように、制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に保持した電子を制御電極１９ｈに対応する領域に移動させる。この際、まず制御電極１９ｆ〜１９ｈに対応する領域にポテンシャル井戸を形成するとともに、制御電極１９ｃ〜１９ｅに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、さらに制御電極１９ｆに対応する領域、制御電極１９ｇに対応する領域に順次ポテンシャル障壁を形成し、制御電極１９ｈに対応する領域に電子を集積させる。この段階で制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に空のポテンシャル井戸を形成する。つまり、図１９（ｅ）の状態と図１９（ｆ）の状態との間には複数の状態が存在するが、図では省略している。また、ポテンシャルに関して、図１９（ｆ）の状態と図１９（ｄ）の状態とは同じであるが、図１９（ｄ）の状態では制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域にのみ電子が存在するのに対して、図１９（ｆ）の状態では制御電極１９ｈに対応する領域にのみ電子が存在する点で相違している。なお、図において図１９（ｅ）の状態から図１９（ｆ）の状態に至る途中過程は省略してある。
【０２１２】
ここまでの過程で、区間Ｐ２で集積された電子が制御電極１９ｈに対応する領域に集積される。次に、図１９（ｇ）のように制御電極１９ｇに対応するポテンシャル障壁Ｂ５を引き下げる。このポテンシャル障壁Ｂ５は、実施形態１において説明したポテンシャル障壁Ｂ１と同様の機能を有しており、制御電極１９ｈに対応する領域を電荷分離部Ｄ２としてポテンシャル障壁Ｂ５の高さで決まる容量分の電子が秤量される。電荷分離部Ｄ２の容量を超える電子は、ポテンシャル障壁Ｂ５を乗り越えて制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域である電荷蓄積部Ｄ３に流入する。
【０２１３】
電子が電荷蓄積部Ｄ３に流入した後に、図１９（ｈ）のように、制御電極１９ｇに印加する電圧を負極性にしてポテンシャル障壁Ｂ５を高くすると、電荷分離部Ｄ２の不要電荷と電荷蓄積部Ｄ３の有効電荷とを完全に分離することができ、図１９（ｉ）のように電荷分離部Ｄ２となる制御電極１９ｈに対応したポテンシャル井戸の不要電荷を廃棄すれば、制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に有効電荷を残留させることができる。この有効電荷は、区間Ｐ２の受光光量に対応した量になる。
【０２１４】
一方、制御電極１９ｂに対応する領域に保持されている電子の量は、区間Ｐ０の受光光量に対応している。この電子は、図１９（ｊ）〜図１９（ｏ）の手順で不要電荷が分離される。この期間には、制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に区間Ｐ２の有効電荷を保持した状態が維持される。本実施形態の特徴は、制御電極１９ｈに対応する領域が、区間Ｐ２の電子に対する電荷分離部Ｄ２として機能するだけではなく、区間Ｐ０の電子に対する電荷分離部Ｄ２としても兼用されている点にある。
【０２１５】
すなわち、不要電荷の廃棄後に、まず図１９（ｊ）（ｋ）のように、制御電極１９ｂに対応する領域に保持されていた区間Ｐ０の電子を制御電極１９ｈに対応する領域に移動させる。この際、制御電極１９ａ，１９ｉに対応する領域のポテンシャルを引き下げて制御電極１９ａ，１９ｂ，１９ｈ，１９ｉに対応する領域のポテンシャルを等しくし、その後、制御電極１９ｈに対応する領域に電子を寄せる。図１９（ｊ）（ｋ）の間の状態は図では省略しているが、制御電極１９ｂ，１９ａ，１９ｉの順に対応する領域のポテンシャルを高くし、制御電極１９ｈに対応する領域にのみ電子が集積された状態で、制御電極１９ａ，１９ｂに対応する領域のポテンシャルを下げる。
【０２１６】
上述の動作により、制御電極１９ｈに対応する領域に区間Ｐ０の電子が保持され、制御電極１９ｈに対応する領域が電荷分離部Ｄ２として機能することになる。つまり、図１９（ｌ）のように、制御電極１９ｉに対応する領域のポテンシャルによるポテンシャル障壁Ｂ６が形成され、このポテンシャル障壁Ｂ６を乗り越える電子が、有効電荷として制御電極１９ａ，１９ｂに対応する領域に流入する。つまり、制御電極１９ａ，１９ｂに対応する領域が電荷蓄積部Ｄ３として機能する。
【０２１７】
その後、図１９（ｍ）のように、制御電極１９ｉに対応するポテンシャル障壁Ｂ６を高くし、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３との電子を分離した状態で、図１９（ｎ）のように、電荷分離部Ｄ２となる制御電極１９ｈに対応するポテンシャル井戸に集積された不要電荷である電子を廃棄すれば、制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に区間Ｐ２の受光光量に対応する電子が保持され、制御電極１９ａ，１９ｂに対応する領域に区間Ｐ０の受光光量に対応する電子が保持されることになる。なお、これらの電子を取り出した後には、図１９（ａ）（ｂ）の動作に復帰し光照射による電子を集積する。
【０２１８】
本実施形態の構成を採用すれば、実施形態６の構成に比較して制御電極の個数が少なくなり、それだけ１個のセル１が占める面積を小さくすることができる。複数個のセル１を配列し１個のセル１を１画素として撮像素子を構成する場合には、１画素の占有面積が小さくなり、結果的に解像度の向上につながる。他の構成および動作は上述した各実施形態と同様である。
【０２１９】
（実施形態８）
上述した各実施形態では、ポテンシャル井戸を利用して規定した一定量の不要電荷を秤量する構成を示したが、本実施形態では光照射により生成された電子のうち規定した一定量の不要電荷を秤量するる方法として、規定した一定量の不要電荷を廃棄する技術を説明する。
【０２２０】
本実施形態では、図２０に示すように、素子形成層１１の主表面側に形成した光電変換部Ｄ１となるウェル１２とは別に、素子形成層１１の主表面側に廃棄用ウェル２５を形成し、ウェル１２と廃棄用ウェル２５との間の部位には素子形成層１１の主表面に絶縁層１３を介して廃棄ゲート電極２６を設けてある。さらに、廃棄用ウェル２５には廃棄電極２７をオーミックに接合してある。廃棄用ウェル２５は、ウェル１２と同じ導電形とし、不純物濃度をウェル１２よりも高くしてある。
【０２２１】
廃棄電極２７には正極性の一定電圧を常時印加しておき、廃棄用ウェル２５に集積された電子が廃棄電極２７を通して廃棄されるようにする。また、廃棄ゲート電極２６に正極性の電圧を印加すると、ウェル１２と廃棄用ウェル２５との間に電子の移動が可能になるチャンネルが形成される。ウェル１２の中の電子はこのチャンネルを通して廃棄用ウェル２５に向かって移動する。ここで、廃棄ゲート電極２６と廃棄電極２７とに印加する電圧を一定にしておけば、ウェル１２から廃棄用ウェル２５に向かう電子の移動度はほぼ一定になる。
【０２２２】
そこで、ウェル１２に設けた光電変換部Ｄ１において光照射により電子が集積された後に、廃棄ゲート電極２６に規定の一定時間だけ規定の一定電圧を印加してウェル１２から廃棄用ウェル２５に電子を移動させる。上述のように、移動する電子の移動度は一定であるから、廃棄ゲート電極２６に電圧を印加した時間にほぼ比例した量の電子を廃棄用ウェル２５に移動させることができる。つまり、ウェル１２で生成された電子のうち、廃棄用ウェル２５に移動させた電子を不要電荷とし、ウェル１２に残留した電子を有効電荷とすれば、規定した一定量の不要電荷を分離したことになる。ウェル１２に残留した有効電荷は受光出力として取り出される。
【０２２３】
本実施形態の構成では、廃棄ゲート電極２６と廃棄電極２７とに印加する電圧と、廃棄ゲート電極２６に電圧を印加する時間とによって不要電荷の量が決まるが、上述したように廃棄ゲート電極２６と廃棄電極２７とに印加する電圧は一定に保つから、不要電荷の量は廃棄ゲート電極２６に電圧を印加する時間の関数になる。本実施形態の構成では、ウェル１２が光電変換部Ｄ１として機能するのはもちろんのこと、ウェル１２には有効電荷が残留するからウェル１２は電荷蓄積部Ｄ３としても機能する。また、廃棄用ウェル２５と廃棄ゲート電極２６と廃棄電極２７とが電荷分離部Ｄ２として機能する。他の構成および動作は上述した実施形態と同様である。ただし、廃棄する電荷の量が時間の関数であって電圧ではないから、実施形態２、実施形態３のように環境光の受光光量に応じて廃棄する電荷の量を自動的に決定する構成は採用できない。
【０２２４】
（実施形態９）
上述した各実施形態では、素子形成層１１の主表面に配列した複数個の電極に印加する電圧を制御することにより、不要電荷を分離する構成を採用したが、本実施形態は、不要電荷の秤量を行う電荷分離部Ｄ２には電子の移動を制御する電極を設けず、受光出力を取り出すための電荷転送部に設けた転送制御電極３１に印加する電圧を制御することにより、電荷転送部を電荷蓄積部Ｄ３として用いる例を示す。すなわち、上述した各実施形態では、ＣＣＤイメージセンサにおけるフレームトランスファ方式の電極構成と同様の電極配置を採用していたが、本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサにおけるインターライントランスファ（ＩＴ）方式の電極構成と同様の電極配置を採用した例を示す。
【０２２５】
図２１に示すように、ｐ形の素子形成層１１はｎ形のサブストレート１０の上に形成されており、素子形成層１１の主表面側には、ｎ＋形のウェル１２とｎ形の転送用ウェル３２とがｐ＋形の障壁ウェル３３を介して配置される。転送用ウェル３２は、ＩＴ方式のＣＣＤイメージセンサと同様の構成を有し、転送用ウェル３２の主表面には絶縁層３４を介して転送制御電極３１が配置される。また、転送用ウェル３２は遮光膜３５により覆われている。転送制御電極３１は、図２１の面に直交する方向に多数個配列され、電子を転送する際には従来周知のように各転送制御電極３１に電圧を印加する順序を制御する。不要電荷の秤量には、転送制御電極３１のほかに、サブストレート１０にオーミックに接続されたドレイン電極３６を併用する。また、ウェル１２は光電変換部Ｄ１と電荷分離部Ｄ２とに兼用される。
【０２２６】
本実施形態では、ウェル１２には電極が設けられておらず、素子形成層１１とウェル１２とが異種導電形であることによって、図２２（ｃ）のように、ウェル１２にポテンシャル井戸が形成される。障壁ウェル３３はウェル１２と転送用ウェル３２との間にポテンシャル障壁Ｂ７を形成する。この状態において、転送用ウェル３２の電子はすべて排出されているものとする。また、転送制御電極３１には電圧を印加せず、ドレイン電極３６には正極性の電圧（たとえば、５ボルト）を印加しておく。
【０２２７】
光電変換部Ｄ１において光照射による電子が生成された後、転送制御電極３１には比較的大きい正極性の電圧（たとえば、１０ボルト）を印加する。障壁ウェル３３に形成されているポテンシャル障壁Ｂ７は、転送制御電極３１に印加された電圧が高いほどポテンシャルを下げる。転送制御電極３１に電子の転送時の電圧よりも高い適宜の電圧を印加すれば、図２２（ｄ）のように、光照射によりウェル１２に集積された電子の一部はポテンシャル障壁Ｂ７を越えて転送用ウェル３２に流入する。ポテンシャル障壁Ｂ７の高さは転送制御電極３１に印加した電圧によって決まるから、ウェル１２には規定した一定量の電子が残留することになる。つまり、ウェル１２は電荷分離部Ｄ２として機能し、転送用ウェル３２は電荷蓄積部Ｄ３として機能する。
【０２２８】
ウェル１２に不要電荷を残し、転送用ウェル３２に有効電荷が流入した時点で、転送制御電極３１への電圧印加を停止し、ドレイン電極３６には比較的高い正極性の電圧（たとえば、１５ボルト）を印加する。この状態では、図２２（ｅ）のように、ポテンシャル障壁Ｂ７が高くなり、転送用ウェル３２に形成されるポテンシャル井戸が浅くなる。つまり、転送用ウェル３２に流入した有効電荷が電荷蓄積部Ｄ３に保持される。また、ウェル１２に残留した不要電荷はドレイン電極３６を通して廃棄される。
【０２２９】
上述の動作によって、光照射により生成された電子のうち規定の一定量の電子を不要電荷として分離し、残された有効電荷を転送用ウェル３２に残留させることができる。有効電荷は、転送制御電極３１への印加電圧を制御し、ＣＣＤイメージセンサの垂直転送レジスタと同様の動作を行うことにより、図の面に直交する方向に転送することができる。他の構成および動作は上述した他の実施形態と同様である。
【０２３０】
ところで、図２１に示した本実施形態の構成の光検出素子と、変調信号により強度を変調した光を投光する発光源とを組み合せることによって対象空間の情報を検出する場合には、変調信号の位相の所定区間に対応する受光光量を抽出する必要がある。このような場合には、たとえば図２３（ａ）のように、受光期間Ｔ１において、転送制御電極３１には正極性の比較的高い電圧（たとえば、１５ボルト）を印加して転送用ウェル３２に深いポテンシャル井戸を形成することによって、光照射により光電変換部Ｄ１（ウェル１２）で生成された電子が、転送用ウェル３２に流れ込むようにしておき、図２３（ｂ）のように、廃棄電極３６に印加する電圧を変調信号に同期させて高低２段階（たとえば、１５ボルトと５ボルト）に変化させることにより、電子を廃棄する状態と、転送用ウェル３２に形成されるポテンシャル井戸に電子を流入させる状態とを交互に作り出す。光電変換部Ｄ１で生成される電荷のうち受光出力に用いる電荷を取り出すタイミングにおいて、廃棄電極３６に印加する電圧を低電圧にすれば、当該電荷を転送用ウェル３２に流入させることができる。受光期間Ｔ１におけるポテンシャル井戸の変化を図２２（ａ）（ｂ）に示している。
【０２３１】
上述の動作を行う受光期間において廃棄電極３６に印加する電圧変化を多数回行った後には秤量期間Ｔ２に移行させる。秤量期間Ｔ２においては、まず転送用ウェル３２におけるポテンシャル井戸を浅くするように転送制御電極３１に負極性の電圧（たとえば、−５ボルト）を印加し、またウェル１２から電子が廃棄されないように廃棄電極３６に印加する電圧を比較的低くする（たとえば、５ボルト）。この関係によって、転送用ウェル３２からウェル１２に電子を戻すことができる。ウェル１２に電子を戻した後に秤量する動作は上述した通りである。
【符号の説明】
【０２３２】
１１ 素子形成層
１２ ウェル
１４ａ 分離電極
１４ｂ 蓄積電極
１４ｃ 障壁制御電極
１４ｄ 保持電極
１４ｅ ゲート電極
１７ａ〜１７ｈ 感度制御電極
１８ａ〜１８ｌ 制御電極
１９ａ〜１９ｉ 制御電極
Ｂ１〜Ｂ７ ポテンシャル障壁
Ｄ１ 光電変換部
Ｄ２ 電荷分離部
Ｄ３ 電荷蓄積部
Ｄ４ 電荷保持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出素子、光検出素子の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光照射による電荷を生成し受光光量に応じた受光出力を取り出す光検出素子においては、受光光量の多寡に応じて受光出力も変化する。しかしながら、生成された電荷を受光出力として取り出す部位のサイズによって受光出力の最大値が制限される。
【０００３】
生成された電荷を受光出力として取り出す経路のダイナミックレンジの拡大を図るために、ＣＣＤを用いて電荷を転送する経路において、一定量の電荷を秤量して不要電荷とし、不要電荷を除いた残りの電荷を転送して受光出力に用いることが考えられている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
この構成では、転送する電荷から入力信号とは無関係の一定量の不要電荷を除くことができ、結果的に転送する電荷量を低減することができるから、電荷を転送する経路のサイズを小さくすることが可能になる。
【特許文献１】特開平７−２２４３６号公報
【特許文献２】特開平７−２２４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載の構成では、電荷の秤量を電荷の転送過程において行っているものであるから、光照射により生成される電荷量が生成可能な電荷量の制限を越えているときには、転送過程に与えられる電荷からすでに受光光量の情報が失われていることになる。すなわち、特許文献１、特許文献２に記載の技術を採用すれば、電荷を転送する経路のサイズを小型化することができるとしても、光照射により電子を生成する部位のサイズは小さくすることができないという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、光電変換部での飽和の可能性を低減して光電変換部の小型化を可能にし、ひいては電荷取出部の容量を小さくし、全体としてのサイズの小型化を可能にした光検出素子を提供し、さらにその光検出素子の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光検出素子は、光照射により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしバイアス成分に相当する規定した一定量の不要電荷を分離する電荷分離部と、前記光電変換部で生成された電荷から不要電荷を分離した残りを有効電荷として蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部とを備え、前記光電変換部で電荷が生成される動作と前記光電変換部で生成された電荷から前記不要電荷が分離されて前記電荷蓄積部に有効電荷が蓄積される動作とが複数回繰り返された後に、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が電荷取出部から受光出力として取り出される光検出素子において、第１導電形の半導体からなる素子形成層と、前記素子形成層の主表面に形成された第２導電形のウェルと、前記電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、前記ウェルの前記主表面に配置された制御電極とを備え、前記ウェルへの光照射による電荷の生成を行う受光期間と、一定量の不要電荷を分離する秤量期間とに対応付けて、前記制御電極に印加する電圧が制御され、前記制御電極はウェルの主表面に並べて複数個配置され、秤量期間に、前記ウェルにおいて前記制御電極のいずれかに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、かつ前記制御電極の他のいずれかに対応する領域に前記電荷分離部となるポテンシャル井戸および前記電荷蓄積部となるポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成する構成であって、前記制御電極は複数個を１単位として配列され、受光期間には、異なる２種類のタイミングで電荷を生成するとともに生成した電荷を１単位内の互いに異なる前記制御電極に対応して形成されるポテンシャル井戸に一旦集め、秤量期間には、前記２種類の各タイミングで生成した電荷に対して形成する前記電荷分離部と前記電荷蓄積部とポテンシャル障壁とが１単位内の互いに異なる領域に設けられることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、光電変換部で生成した電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしており、バイアス成分に相当する一定量を不要電荷として分離するから、受光光量の変化を受光出力の変化に反映させて取り出すにあたって、受光光量の変化を反映している変動成分の電荷（有効電荷）を残し、受光光量の変化を反映していない一定量の電荷（不要電荷）を分離することができ、受光出力として取り出す有効電荷は光電変換部で生成された電荷の増減を反映しながらも電荷量の総量が減少することによって飽和を生じる可能性を低減することができる。しかも、光電変換部で生成された電荷が飽和する前に不要電荷を分離することが繰り返されるので、光電変換部での飽和の可能性を低減することができ、光電変換部の小型化につながる。また、光電変換部が小型化されれば、電荷取出部の容量も小さくすることができるから、電荷取出部のサイズを小型化することができ、光検出素子の全体としての小型化につながる。言い換えると、電荷生成部および電荷取出部で扱う電荷量の受光光量に対する割合を低減することができ、電荷生成部および電荷取出部の小型化につながる。また、不要電荷を分離する対象の電荷について着目すると、従来構成では光電変換部で生成され受光出力として取り出すことが確定している電荷であるのに対して、本発明では光電変換部で生成されてから電荷取出部に与えるまでの電荷であるから、不要電荷を分離することによって飽和の生じる可能性を大幅に低減することができる。
【０００９】
なお、電子シャッタに用いるオーバーフロードレインを用いて飽和を防止するとすれば、受光光量に対応する電荷を一定割合で減らすことになるから、変動成分が全体的に圧縮され、変動成分の差分が小さくなるが、本発明では、バイアス成分である不要電荷を分離するから、変動成分の差分はそのまま保存される。
【００１０】
ここに、バイアス成分に相当する一定量の電荷は、以下の各場合の電荷を意味する。すなわち、第一には、着目する期間に光電変換部で生成された電荷のうち、当該期間内において、時間経過に伴う実質的な変化を生じない成分あるいは位置変化に伴う実質的な変化が生じない成分、つまり時間や空間に依存しない安定した成分を意味する。このことは、信号光を投光する発光源と組み合わせてアクティブ型のセンサを構成する場合には、信号光を除いた環境光の受光光量に相当する電荷に含まれる成分を意味する。第二には、環境光の受光光量に相当する電荷量に一致する成分を意味し、第三には、環境光の受光光量に相当する電荷量よりも少ない成分を意味する。また、第四の場合として、信号光の強度を変調している場合であって、信号光の最小の受光光量が０ではない場合には、環境光の受光光量に信号光の最小の受光光量を加算した受光光量に相当する電荷量もしくはそれ以下の成分を意味する。変動成分は、主として時間経過に伴う変動を想定しているが、複数個の光電変換部が存在する場合には、隣接する複数個の光電変換部での受光光量の相違を意味する場合もある。
【００１１】
加えて、受光期間において生成した電荷から秤量期間において不要電荷を分離する構成を半導体を用いて容易に実現することができ、しかも、電圧を印加するタイミングの制御によって受光期間と秤量期間とを容易に実現することができる。また、複数個の制御電極を用いて電荷分離部および電荷蓄積部となるポテンシャル井戸を形成し、また制御電極を用いてポテンシャル障壁を形成するから、複数個の制御電極を配列しただけの単純な構成になる。さらに、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部を設けているから、電荷分離部で不要電荷を秤量する前に電荷分離部の電荷を廃棄しておくことにより、不要電荷を秤量する際の精度が高くなる。
【００１２】
その上、受光期間には電荷を集積する領域を大きくとることができ、秤量期間には２種類のタイミングで得た電荷から不要電荷を分離する処理に用いる制御電極が独立して制御されるから、２種類のタイミングで生成した電荷の混合が防止され、かつ制御電極に印加する電圧の制御も簡単になる。
【００１３】
本発明に係る光検出素子は、光照射により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしバイアス成分に相当する規定した一定量の不要電荷を分離する電荷分離部と、前記光電変換部で生成された電荷から不要電荷を分離した残りを有効電荷として蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部とを備え、前記光電変換部で電荷が生成される動作と前記光電変換部で生成された電荷から前記不要電荷が分離されて前記電荷蓄積部に前記有効電荷が蓄積される動作とが複数回繰り返された後に、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記電荷取出部から受光出力として取り出される光検出素子において、第１導電形の半導体からなる素子形成層と、前記素子形成層の前記主表面に形成された第２導電形のウェルと、前記電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、前記ウェルの前記主表面に配置された制御電極とを備え、前記ウェルへの光照射による電荷の生成を行う受光期間と、一定量の不要電荷を分離する秤量期間とに対応付けて、前記制御電極に印加する電圧が制御され、前記制御電極はウェルの主表面に並べて複数個配置され、秤量期間に、前記ウェルにおいて前記制御電極のいずれかに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、かつ前記制御電極の他のいずれかに対応する領域に前記電荷分離部となるポテンシャル井戸および前記電荷蓄積部となるポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成する構成であって、前記制御電極は複数個を１単位として配列され、受光期間には、異なる２種類のタイミングで電荷を生成するとともに生成した電荷を１単位内の互いに異なる前記制御電極に対応して形成されるポテンシャル井戸に一旦集め、秤量期間には、前記２種類のタイミングのうちの一方のタイミングにおいて生成した電荷を保持するポテンシャル井戸を両タイミングの電荷に対する前記電荷分離部として用い、前記電荷分離部に対応した前記制御電極の両側に隣接する前記制御電極のそれぞれを用いて各タイミングの電荷に対するポテンシャル障壁を形成することを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、光電変換部で生成した電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしており、バイアス成分に相当する一定量を不要電荷として分離するから、受光光量の変化を受光出力の変化に反映させて取り出すにあたって、受光光量の変化を反映している変動成分の電荷（有効電荷）を残し、受光光量の変化を反映していない一定量の電荷（不要電荷）を分離することができ、受光出力として取り出す有効電荷は光電変換部で生成された電荷の増減を反映しながらも電荷量の総量が減少することによって飽和を生じる可能性を低減することができる。しかも、光電変換部で生成された電荷が飽和する前に不要電荷を分離することが繰り返されるので、光電変換部での飽和の可能性を低減することができ、光電変換部の小型化につながる。また、光電変換部が小型化されれば、電荷取出部の容量も小さくすることができるから、電荷取出部のサイズを小型化することができ、光検出素子の全体としての小型化につながる。言い換えると、電荷生成部および電荷取出部で扱う電荷量の受光光量に対する割合を低減することができ、電荷生成部および電荷取出部の小型化につながる。また、不要電荷を分離する対象の電荷について着目すると、従来構成では光電変換部で生成され受光出力として取り出すことが確定している電荷であるのに対して、本発明では光電変換部で生成されてから電荷取出部に与えるまでの電荷であるから、不要電荷を分離することによって飽和の生じる可能性を大幅に低減することができる。
【００１５】
なお、電子シャッタに用いるオーバーフロードレインを用いて飽和を防止するとすれば、受光光量に対応する電荷を一定割合で減らすことになるから、変動成分が全体的に圧縮され、変動成分の差分が小さくなるが、本発明では、バイアス成分である不要電荷を分離するから、変動成分の差分はそのまま保存される。
【００１６】
ここに、バイアス成分に相当する一定量の電荷は、以下の各場合の電荷を意味する。すなわち、第一には、着目する期間に光電変換部で生成された電荷のうち、当該期間内において、時間経過に伴う実質的な変化を生じない成分あるいは位置変化に伴う実質的な変化が生じない成分、つまり時間や空間に依存しない安定した成分を意味する。このことは、信号光を投光する発光源と組み合わせてアクティブ型のセンサを構成する場合には、信号光を除いた環境光の受光光量に相当する電荷に含まれる成分を意味する。第二には、環境光の受光光量に相当する電荷量に一致する成分を意味し、第三には、環境光の受光光量に相当する電荷量よりも少ない成分を意味する。また、第四の場合として、信号光の強度を変調している場合であって、信号光の最小の受光光量が０ではない場合には、環境光の受光光量に信号光の最小の受光光量を加算した受光光量に相当する電荷量もしくはそれ以下の成分を意味する。変動成分は、主として時間経過に伴う変動を想定しているが、複数個の光電変換部が存在する場合には、隣接する複数個の光電変換部での受光光量の相違を意味する場合もある。
【００１７】
加えて、受光期間において生成した電荷から秤量期間において不要電荷を分離する構成を半導体を用いて容易に実現することができ、しかも、電圧を印加するタイミングの制御によって受光期間と秤量期間とを容易に実現することができる。また、複数個の制御電極を用いて電荷分離部および電荷蓄積部となるポテンシャル井戸を形成し、また制御電極を用いてポテンシャル障壁を形成するから、複数個の制御電極を配列しただけの単純な構成になる。さらに、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部を設けているから、電荷分離部で不要電荷を秤量する前に電荷分離部の電荷を廃棄しておくことにより、不要電荷を秤量する際の精度が高くなる。
【００１８】
その上、秤量期間において２種類のタイミングの電荷が電荷分離部とする領域を共用するから、１単位の制御電極の占有する領域を小さくすることができ、２種類のタイミングで電荷を生成しながらも全体としての占有面積を小さくすることができる。
【００１９】
本発明に係る光検出素子の制御方法は、前記受光期間には、１単位の領域内に異なる２種類のタイミングで互いに一部が重複する光電変換部としての２個のポテンシャル井戸を交互に形成する状態と、光電変換部で生成された電荷を両ポテンシャル井戸の重複しない部位に一旦集める状態とを繰り返すように各制御電極に電圧を印加し、前記秤量期間には、両ポテンシャル井戸の重複しない部位に電荷分離部と電荷蓄積部としてのポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成するように各制御電極に電圧を印加することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る光検出素子の制御方法は、前記受光期間には、１単位の領域内に異なる２種類のタイミングで互いに一部が重複する光電変換部としての２個のポテンシャル井戸を交互に形成する状態と、光電変換部で生成された電荷を両ポテンシャル井戸の重複しない部位に一旦集める状態とを繰り返すように各制御電極に電圧を印加し、前記秤量期間には、前記２種類のタイミングにおいて生成した電荷を保持するポテンシャル井戸を両タイミングの電荷に対する電荷分離部として用い、電荷分離部に対応した制御電極の両側に隣接する各制御電極を用いてそれぞれ前記各タイミングの電荷に対するポテンシャル障壁を形成するように各制御電極に電圧を印加することを特徴とする。
【００２１】
この光検出素子の制御方法において、前記光電変換部は複数個配列され、秤量期間において分離する不要電荷の量を各光電変換部で同じにしたことが好ましい。
【００２２】
この方法によれば、秤量期間において分離する不要電荷の量を複数の光電変換部で共通にしているから、不要電荷の量を光電変換部ごとに個々に決定する場合に比較すると、不要電荷の量を制御する電路を共通化することで制御が容易になる。
【００２３】
なお、以下の実施形態で説明するように、電荷保持部を設けてもよい。すなわち、この光検出素子において、所定のタイミングで光電変換部に光が照射されることにより生成された電荷を保持する電荷保持部を備え、当該電荷保持部に保持した電荷量に応じて電荷分離部において不要電荷として分離される電荷の量が調節されることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、光電変換部で所定のタイミングで受光することにより生成された電荷を電荷保持部に保持すれば、不要電荷として分離する電荷量を所定のタイミングにおいて受光した受光光量に対応付けることができる。たとえば、発光源と併用し、発光源から投光する点灯期間と投光しない消灯期間とを設けるとすれば、消灯期間において環境光のみを受光して不要電荷の量を決定し、点灯期間において生成された電荷から不要電荷を分離すれば、環境光の成分に応じた量の不要電荷を分離できることになる。
【００２５】
また、この光検出素子において、電荷分離部は、半導体の主表面側に設けた保持用ウェルと、保持用ウェルに絶縁層を介して配置され障壁制御電極と分離電極との一方が電気的に接続される保持電極とを備え、電荷保持部に保持した電荷量に応じた電圧を前記一方
この構成によれば、保持用ウェルに蓄積した電荷量に応じた電圧が保持電極に生じ、保持電極には障壁制御電極と分離電極との一方が電気的に接続されているから、保持用ウェルに適宜量の電荷を蓄積すれば障壁制御電極または分離電極に対応する部位のポテンシャルを決定して分離すべき不要電荷の量を自動的に決定することができる。
【００２６】
あるいはまた、この光検出素子において、半導体の主表面側に電荷保持部としての保持用ウェルを備え、障壁制御電極と分離電極との一方を保持用ウェルと電気的に接続し、電荷保持部に保持した電荷量に応じた電圧を一方の電極に印加することが好ましい。
【００２７】
この構成によれば、保持用ウェルに蓄積した電荷量に応じた電圧を障壁制御電極と分離電極との一方に印加するから、保持用ウェルに適宜量の電荷を蓄積すれば障壁制御電極または分離電極に対応する部位のポテンシャルを決定して分離すべき不要電荷の量を自動的に決定することができる。しかも、障壁制御電極あるいは分離電極と保持用ウェルとが電気的に接続されているから、保持用ウェルの電荷を廃棄すると障壁制御電極あるいは分離電極などに残留する電荷も同時に廃棄することができ、保持用ウェルに蓄積した電荷量が不要電荷の量に正確に反映され、秤量の精度を高めることができる。
【００２８】
この光検出素子において、光電変換部と電荷保持部との間の部位で半導体の主表面に設けられ光電変換部で生成された電荷を電荷保持部に転送するタイミングを制御するゲート電極を備えることが好ましい。
【００２９】
この構成によれば、光電変換部から電荷保持部への電荷の転送タイミングをゲート電極によって制御するから、所望のタイミングの電荷を電荷保持部に転送することができる。
【００３０】
この光検出素子において、電荷分離部および電荷蓄積部は複数個ずつ設けられ、かつ電荷保持部は隣接する２個の障壁制御電極で共用することが好ましい。
【００３１】
この構成は、環境光の受光光量が実質的に変化しない程度の２種類のタイミングで受光光量を検出する場合に適した構成であって、環境光の受光光量に相当する量の電荷を電荷保持部に保持しておけば、２種類のタイミングで得られる受光光量に対して電荷保持部を共用することで、電荷保持部を独立して設ける場合よりも素子面積を小さくすることができる。
【００３２】
この光検出素子において、第１導電形の半導体からなる素子形成層と、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、素子形成層の主表面に形成された第２導電形のウェルと、ウェルの主表面に一直線上に並べて配置された複数個の感度制御電極とを有し、電荷分離部と電荷蓄積部と電荷保持部とが、感度制御電極が並ぶ方向とは直交する方向において感度制御電極に並設されていることが好ましい。
【００３３】
この構成によれば、電荷分離部と電荷蓄積部と電荷保持部とを感度制御電極の側方に配置しているから、感度制御電極を等間隔で配列することができ、感度制御電極に沿った電荷の転送制御が容易になる。さらに、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部を設けているから、電荷分離部で不要電荷を秤量する前に電荷分離部の電荷を廃棄しておくことにより、不要電荷を秤量する際の精度が高くなる。
【００３４】
この光検出素子において、第１導電形の半導体からなる素子形成層と、素子形成層の主表面に形成された第２導電形のウェルと、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、ウェルの主表面に一直線上に並べて配置された複数個の感度制御電極とを有し、電荷分離部と電荷保持部とは感度制御電極が並ぶ方向とは直交する方向において電荷分離部および電荷蓄積部に並設されていることが好ましい。
【００３５】
この構成によれば、電荷分離部と電荷蓄積部とが感度制御電極が並ぶ直線上に並んでいるから、感度制御電極に沿って電荷を転送する方向と同じ方向で不要電荷の分離を行うことができ、不要電荷の分離に要する手順を減らすことができる。また、電荷保持部は電荷分離部および電荷蓄積部の側方に配置されるが、電荷分離部および電荷蓄積部は感度制御電極の間に配置されるから、感度制御電極が並ぶ方向とは異なる方向に電荷を転送する動作が少なく、かつ制御用の配線が簡単になるとともに動作が単純になる。さらに、電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部を設けているから、電荷分離部で不要電荷を秤量する前に電荷分離部の電荷を廃棄しておくことにより、不要電荷を秤量する際の精度が高くなる。
【００３６】
電荷保持部を備える光検出素子を用いる場合、光検出素子の制御方法は、光電変換部で電荷を生成した後にゲート電極に印加する電圧を制御することにより光電変換部から電荷保持部に電荷を転送し、電荷を電荷保持部に転送した後に光電変換部で生成された電荷から電荷保持部の電荷量に応じて決定される不要電荷を分離することが好ましい。
【００３７】
この方法によれば、光電変換部で生成した電荷を電荷保持部に転送するタイミングがゲート電極に印加する電圧により制御されるから、所望の期間の受光光量に相当する電荷を電荷保持部に転送し、転送後の期間の受光光量に相当する電荷から電荷保持部に転送した電荷の電荷量に応じた不要電荷を分離することができる。すなわち、電荷保持部に転送した電荷が生成された期間における受光光量と、その後の適宜の期間における受光光量との差分を反映した有効電荷を受光出力として取り出すことが可能になる。
【００３８】
電荷保持部を備える光検出素子を用いる場合、空間情報の検出装置は、光検出素子と、変調信号により強度を変調した光を対象空間に信号光として投光する発光源と、光検出素子の受光光量のうち変調信号に同期するタイミングで検出した受光光量に相当する量の電荷から一定量のバイアス成分を分離することにより得られる信号光の変動成分を反映した受光出力を用いて対象空間の空間情報を検出する信号処理部とを備え、発光源から投光する点灯期間と投光しない消灯期間とを設け、消灯期間で光電変換部に光が照射されることにより生成された電荷を電荷保持部に保持し、点灯期間には電荷保持部に保持した電荷量に応じて電荷分離部において不要電荷として分離される電荷の量が調節されることが好ましい。
【００３９】
この構成によれば、発光源の消灯期間における受光光量により点灯期間において分離する不要電荷の量を決めるから、光電変換部で消灯期間に受光することにより生成された電荷を電荷保持部に保持すれば、不要電荷として分離する電荷量を消灯期間において受光した受光光量に対応付けることができる。つまり、消灯期間において環境光のみを受光して不要電荷の量を決定し、点灯期間において生成された電荷から不要電荷を分離すれば、環境光の成分に応じた量の不要電荷を分離できることになる。
【００４０】
この空間情報の検出装置において、光検出素子は、変調信号の位相の異なる２区間の一方の区間において光電変換部で生成された電荷を保持する電荷保持部を備え、信号処理部は、電荷保持部に保持した電荷量に応じた電圧を障壁制御電極に印加することにより、他方の区間において光電変換部で生成された電荷から前記一方の区間において光電変換部で生成された電荷量に相当する不要電荷を分離することが好ましい。
【００４１】
この構成によれば、変調信号の位相の異なる２区間の一方における受光光量によって不要電荷の量が自動的に決まり、有効電荷は両区間の差に相当する電荷量になる。つまり、両区間の受光光量の差に相当する受光出力を得ることができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の構成によれば、光電変換部での飽和の可能性を低減して光電変換部の小型化を可能にし、ひいては電荷取出部の容量が小さくなり、全体としてのサイズの小型化につながるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態１を示す断面図である。
【図２】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図３】同上の電圧の関係を示す動作説明図である。
【図４】同上を用いた検出装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】同上の動作例を示す動作説明図である。
【図６】同上の他の動作例を示す動作説明図である。
【図７】同上のさらに他の動作例を示す動作説明図である。
【図８】同上の別の動作例を示す動作説明図である。
【図９】（ａ）（ｂ）は実施形態２の２種類の構成例を示す断面図である。
【図１０】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図１１】同上の電圧の関係を示す動作説明図である。
【図１２】実施形態３を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は図（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は図（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【図１３】実施形態４を示す平面図である。
【図１４】同上の動作説明図である。
【図１５】実施形態５を示す平面図である。
【図１６】実施形態６を示す断面図である。
【図１７】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図１８】実施形態７を示す断面図である。
【図１９】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図２０】実施形態８を示す断面図である。
【図２１】実施形態９を示す断面図である。
【図２２】同上のポテンシャルの関係を示す動作説明図である。
【図２３】同上の電圧の関係を示す動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
（実施形態１）
本実施形態は最小構成のセルであり、このようなセルを多数個配列すればイメージセンサを構成することができる。
【００４５】
図１に示すように、１個のセル１は、第１導電形（図示例ではｐ形）の半導体（図示例ではシリコンを想定している）からなる素子形成層１１の主表面側に、第２導電形（図示例ではｎ形）の半導体からなるウェル１２を形成し、ウェル１２の主表面に絶縁層（たとえば、酸化シリコンあるいは窒化シリコン）１３を介して分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとを配置した構成を有する。素子形成層１１は、第２導電形のサブストレート１０の上に形成されている。分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとは透光性を有しているものとする。本実施形態では、光照射により生成される電荷のうち電子を利用する例について説明するが、ホールを利用する場合には、半導体の導電形を入れ換え、また後述する電圧の極性を入れ換えればよい。
【００４６】
分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとでは、蓄積電極１４ｂがもっとも広幅に形成される。図示例では、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとの幅寸法を異ならせているが、同幅の電極を多数個配列しておき、隣り合う複数個の電極に同じ電圧を印加することにより広幅の電極と等価に扱うようにしてもよい。たとえば、分離電極１４ａには隣り合う２個の電極を用い、蓄積電極１４ｂには隣り合う３個の電極を用い、障壁制御電極１４ｃには１個の電極を用いるようにすれば、同幅の電極を６個用いることで分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃの機能を実現することができる。
【００４７】
ウェル１２はｎ形であってｐ形の素子形成層１１に囲まれているから、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃのいずれにも電圧（分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃにそれぞれ印加する電圧をＶａ、Ｖｂ、Ｖｃで表す）を印加しない状態では、電子に対するポテンシャルは、素子形成層１１に対してウェル１２のほうが低くなる。つまり、ウェル１２の形成されている領域は電子に対するポテンシャル井戸を形成している。図において斜線部は電子を表している。ウェル１２の内部のポテンシャルは、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃにより制御することができる。
【００４８】
いま、ウェル１２の中の電荷を空にした状態で光を照射するものとする。ウェル１２の中の電子を空にするには、ウェル１２に隣接して設けた廃棄部となるドレイン２３（図１５参照）を通して電子を廃棄するか、ウェル１２の中の電子を図示しない電荷取出部を通して受光出力として外部に取り出す。電荷取出部は、ＣＣＤイメージセンサの垂直転送部あるいは水平転送部と同様の構成を採用することができる。
【００４９】
図３の期間Ｔａのように分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃのいずれにも電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを印加しない状態で光を照射すると、ウェル１２を含む素子形成層１１において電子とホールとが生成され、図２（ａ）のように生成された電子はウェル１２に集積される。つまり、ウェル１２は光電変換部Ｄ１として機能する。なお、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃのいずれかに対して、素子形成層１１の電位である基準電位よりも高電位となる電圧（つまり、正極性の電圧）を印加すれば、ポテンシャル井戸をより深く設定することができ、電子の集積効率を高めることができる。
【００５０】
光照射による電子が光電変換部Ｄ１に集積された後には、図３の期間Ｔｂのように障壁制御電極１４ｃに負極性の電圧Ｖｃを印加することにより、図２（ｂ）のように、ウェル１２の中にポテンシャル障壁Ｂ１を形成する。ポテンシャル障壁Ｂ１は、ウェル１２の内部のポテンシャル井戸を、分離電極１４ａに対応する領域である電荷分離部Ｄ２と、蓄積電極１４ｂに対応する領域である電荷蓄積部Ｄ３との２個のポテンシャル井戸に分割する。
【００５１】
ポテンシャル障壁Ｂ１を形成し電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とを仕切った状態で（図３の期間Ｔｃ）、ウェル１２に近接して設けた廃棄部としてのドレイン２３（図１５参照）を通して電荷分離部Ｄ２の中の電子を廃棄すれば、図２（ｃ）のように、電荷蓄積部Ｄ３にのみ電子が残留することになる。電荷蓄積部Ｄ３に残留する電子の量は、図３の期間Ｔａにおける受光光量を反映している。
【００５２】
次に、図３の期間Ｔｄのように、分離電極１４ａに対して正極性の電圧Ｖａを印加し、また障壁制御電極１４ｃに印加していた電圧Ｖｃを取り除く。このとき、図２（ｄ）のように電荷分離部Ｄ２は電荷蓄積部Ｄ３よりも深いポテンシャル井戸になり、また電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３との間のポテンシャル障壁Ｂ１が取り除かれるから、電荷蓄積部Ｄ３に集積されていたすべての電子が電荷分離部Ｄ２に流入する。つまり、電荷蓄積部Ｄ３に集積されていたすべての電子を電荷分離部Ｄ２に転送する。
【００５３】
ウェル１２の中のすべての電子が電荷分離部Ｄ２に移動すると、図３の期間Ｔｅのように障壁制御電極１４ｃに負極性の規定の一定電圧Ｖｃを印加し、その後、分離電極１４ａに印加していた電圧Ｖａを取り除く。つまり、図２（ｅ）のように、ウェル１２の中にポテンシャル障壁Ｂ１を形成して電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とを再び分割し、さらに電荷分離部Ｄ２としてのポテンシャル井戸を浅くする。ここで、電荷分離部Ｄ２の容量（容積）は、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さを変数として決定される。つまり、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧Ｖｃに応じて電荷分離部Ｄ２の容量が決まる。なお、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧Ｖｃは、ポテンシャル障壁Ｂ１のポテンシャルが素子形成層１１のポテンシャルを越えないように設定される。
【００５４】
図２（ｄ）の状態において電荷分離部Ｄ２に流入した電子の量が、図２（ｅ）の状態で電荷分離部Ｄ２の容量を超える場合には、電荷分離部Ｄ２からポテンシャル障壁Ｂ１を越えて電荷蓄積部Ｄ３に電子が流れ込む。図２（ｄ）の状態で電荷分離部Ｄ２に流れ込んだ電子の量は、光照射により生成された電子の量（実際には図２（ｃ）の電子の量）に対応しているから、図２（ｅ）の状態で電荷蓄積部Ｄ３に流入する電子の量は、光照射により生成された電子から図２（ｅ）の状態で設定された電荷分離部Ｄ２の容量分の電子を除いた量になる。
【００５５】
以下では、電荷分離部Ｄ２で分離した電子を不要電荷、電荷蓄積部Ｄ３に流入させた電子を有効電荷と呼ぶ。通常、不要電荷は廃棄し、有効電荷は受光出力として取り出す。これは、光電変換部Ｄ１において光照射により生成された電子を、環境光などによる一定量のバイアス成分と、着目する情報を含み受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしているからであり、バイアス成分は着目する情報を含んでいないから不要電荷として廃棄する。このようにして得られた有効電荷は受光光量に相当する量の電子から、単純に一定量の電子を廃棄しただけであるから、受光光量の変化分そのものは保存されており、受光光量において着目する情報量には変化が生じない。
【００５６】
なお、図２（ａ）から図２（ｅ）までの期間においてウェル１２の中で電子を移動させている間にも光は照射され、ウェル１２に電子が集積され続けているから、図２（ａ）のように光電変換部Ｄ１で生成された電子の量に対して、図２（ｂ）から図２（ｅ）までの期間において光照射で生成される電子の量を無視できる程度に少なくする必要がある。図２（ａ）の期間はたとえばｍｓのオーダになり、図２（ｂ）から図２（ｅ）までの期間はμｓのオーダとすることができるから、誤差分は無視することができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態では、光電変換部Ｄ１で光照射により生成された電子のうち規定の一定量を電荷分離部Ｄ２で秤量するとともに、秤量後の残りの電子を電荷蓄積部Ｄ３に移送し、有効電荷として利用に供する。したがって、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された有効電荷の量は、受光光量（＝受光光束の時間積分）に対応する電子の量よりも少なくなるが、光照射による受光光量を反映していることになる。このように、受光光量が多い場合でも生成された電荷のうちの一定量を電荷分離部Ｄ２で不要電荷として取り除くから、飽和が生じにくくなる。
【００５８】
また、本実施形態では光電変換部Ｄ１をウェル１２に形成しているが、ウェル１２とは別に設けた光電変換部で生成した電子をウェル１２に転送し、その後、上述した手順で電子の一部を秤量してもよい。この場合、ウェル１２を遮光することが可能であるから、図２（ａ）から図２（ｅ）までの期間における光照射で生じる誤差を低減することができる。
【００５９】
さらに、上述の例では、図２（ｄ）の期間で電子蓄積部Ｄ３のポテンシャルは変化させずに、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルとポテンシャル障壁Ｂ１のポテンシャルとを引き下げているが、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルを変化させずに、ポテンシャル障壁Ｂ１のポテンシャルを引き下げる（図２（ｅ）のポテンシャル障壁Ｂ１よりは高くする）とともに電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルを引き上げる（ポテンシャル障壁Ｂ１以上にする）ことによって、電荷蓄積部Ｄ３から電荷分離部Ｄ２に電子を流入させるようにしてもよい。
【００６０】
ところで、図２（ｅ）の状態において、電荷分離部Ｄ２で一定量の電子を不要電荷として秤量するには、ポテンシャル障壁Ｂ１を越えて電荷蓄積部Ｄ３に流れ込む電子を電荷蓄積部Ｄ３にすべて流入させる必要がある。仮に、電荷蓄積部Ｄ３に流れ込む電子の量が電荷蓄積部Ｄ３の容量を超える場合には、電子分離部Ｄ２で一定量の不要電荷を秤量することができなくなるという問題が生じる。この問題を解決するために、電荷蓄積部Ｄ３の深さを変えずに容量を大きく設定しようとすると素子形成層１１に対するウェル１２の占有面積が大きくなるから、光検出素子の大型化につながる。したがって、上述の問題を解決するには、電荷蓄積部Ｄ３の深さを調節する技術が採用される。
【００６１】
電荷蓄積部Ｄ３の深さはポテンシャル障壁Ｂ１の高さが関与しており、不要電荷の電荷量は電荷分離部Ｄ２の底のポテンシャルに対するポテンシャル障壁Ｂ１の相対高さで決まるから、電荷分離部Ｄ２の底のポテンシャルに対するポテンシャル障壁Ｂ１の相対高さを変化させずに、電荷分離部Ｄ２の底のポテンシャルを調節することによって、受光光量が増減しても電子分離部Ｄ２で一定量の不要電荷を秤量することが可能になる。
【００６２】
電荷分離部Ｄ２の底のポテンシャルを適正に設定するには、受光光量を評価しなければならない。受光光量の評価には、光電変換部Ｄ１に集積した電子を光検出素子の外部に取り出し、光検出素子の外部回路で評価する技術を用いることができる。この場合、外部回路での評価結果を、分離電極１４ａへの印加電圧に反映させる。なお、受光光量の評価結果によっては電荷分離部Ｄ２で電子を秤量する必要がない場合も生じる。その場合には、図２（ｃ）の状態で電荷蓄積部Ｄ３に残留する電子を受光出力として取り出せばよい。
【００６３】
すなわち、光検出素子が、受光光量の評価を行うための受光出力を取り出す動作と、秤量後の受光出力を取り出す動作との２動作を行うように、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとに与える電圧を外部回路によって制御する。受光光量の評価を行うための受光出力を得る期間には電荷の秤量を行わず、光電変換部Ｄ１に蓄積された電荷をそのまま受光出力として取り出し、この受光出力によって、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃとに与える電圧を決定し、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さと電荷蓄積部Ｄ３の深さとの一方を決定する。次に、受光光量に対応した電荷について、上述した手順で不要電荷の秤量を行い、残留した電子を受光出力として取り出す。
【００６４】
ところで、秤量後の受光出力は受光光量の情報を保存していなければならない。したがって、発光源を用いないパッシブ型のセンサを構成する場合には、受光光量の評価後に秤量する不要電荷の量を一定に保つことによって受光光量の変動分が秤量後の受光出力に反映される構成を採用する。また、発光源を用いたアクティブ型のセンサを構成する場合には、発光源が点灯する期間（以下、「点灯期間」という）と消灯する期間（以下、「消灯期間」という）とを設け、消灯期間における受光光量を評価し、点灯期間に得られた電荷から不要電荷を除去する。この動作により、点灯期間において得られた電荷から自然光や照明光のような環境光に応じた量の不要電荷を取り除くことができ、発光源から投光された光に対するダイナミックレンジが実質的に拡大されることになる。
【００６５】
上述の動作では、不要電荷の秤量動作を１回だけ行うことを想定し、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さによってのみ不要電荷の量を決めているが、不要電荷の量は、電荷分離部Ｄ２で秤量する回数を変化させることによっても調節することができる。つまり、電荷分離部Ｄ２の容量は一定にしておき、図２（ｅ）の状態で電荷分離部Ｄ２において秤量した後、電荷分離部Ｄ２の電子を廃棄し、さらに、図２（ｄ）の状態として電荷蓄積部Ｄ３の電子を電荷分離部Ｄ２に戻し、図２（ｅ）の状態で電荷分離部Ｄ２において電子を秤量するという動作を必要回数だけ繰り返すことにより、不要電荷の量を調節することが可能である。
【００６６】
図２に示した動作では、電荷分離部Ｄ２で不要電荷を秤量する際に、電荷分離部Ｄ２に電荷を流入させた後に、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧または分離電極１４ａに印加する電圧を調節しているが、障壁制御電極１４ｃに印加する電圧または分離電極１４ａに印加する電圧を調節することにより電荷分離部Ｄ２の容量を決定した後に、電荷分離部Ｄ２に電荷を流入させてもよい。
【００６７】
以下では、アクティブ型のセンサを構成する場合の例として、図４に示すように、対象空間に発光源２から投光し、対象空間からの光を信号光として光検出素子１で受光する構成を例として採用し、光検出素子１で受光する光に自然光や照明光のような環境光が混入する場合において、環境光の成分を低減して受光出力を得る場合を想定する。したがって、不要電荷として秤量する電子の量は環境光の受光光量を反映するように設定する。光検出素子１の受光出力は受光処理回路３に与えられ、受光出力から所望の情報が取り出される。光検出素子１、発光源２、受光処理回路３の動作はタイミング制御回路４から出力されるタイミング信号により制御される。すなわち、タイミング制御回路４は、発光源２を点灯させる点灯期間と消灯させる消灯期間とを交互に繰り返し、点灯期間と消灯期間とにおいて光検出素子１および受光処理回路３が以下の動作を行うようにタイミング信号を与える。つまり、図示する構成では、受光処理回路３とタイミング制御回路４とにより信号処理部が構成されている。信号処理部は、適宜のプログラムを実行するマイクロコンピュータによって構成してもよい。
【００６８】
以下では、所望量の不要電荷を１回で秤量せず、複数回の合計で秤量する動作について説明する。この動作では、廃棄しようとする不要電荷の量をＱｇとするとき、１回でＱｇを廃棄するのではなく、Ｑｇ／ｋ（ｋは正の整数）ずつｋ回で廃棄する。不要電荷の廃棄は、時間を開けずに複数回繰り返す動作と、時間を開けて複数回繰り返す動作とがあり、以下の説明では両者を混在させた場合を例示する。
【００６９】
つまり、不要電荷を秤量し廃棄する１回の秤量を連続してｍ回繰り返す期間を廃棄期間とし、点灯期間において廃棄期間をｎ回繰り返すのである（ｍは２以上の正の整数、ｎは１以上の正の整数）。この関係を図５に示す。図５では消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとを１回ずつ記載しているが、消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとは交互に繰り返される。また、図５（ａ）に示す動作では、点灯期間Ｐｂにはｎ回（図示例では２回）の廃棄期間Ｐｔが設けられ、各廃棄期間Ｐｔにはそれぞれｍ回（図示例では５回）ずつ不要電荷の秤量動作Ｗ（不要電荷を分離して廃棄する動作を以下では秤量動作Ｗと呼ぶ）が行われている。つまり、点灯期間Ｐｂにおいてｎ×ｍ回の秤量動作Ｗを行っている。各廃棄期間Ｐｔでは信号光の受光光量に対応する量の電子のみが残留するように不要電荷を廃棄する。したがって、１回の秤量動作Ｗによって廃棄する不要電荷の量は廃棄期間Ｐｔにおいて廃棄する量の不要電荷をｍ等分した量になる。また、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量は消灯期間Ｐｄでの受光光量に応じて設定される。すなわち、以下に説明する動作ではｋ＝ｍになる。
【００７０】
まず、不要電荷の秤量を１回で行う代わりに、不要電荷を複数回に分割して秤量を行う場合の利点について説明する。一般に、光検出素子の受光光量に対応して蓄積される電荷量（電子の量）Ｑは、光電変換部Ｄ１（電荷蓄積部Ｄ３）の面積Ｓと受光する時間ｔとに比例する。単位面積で単位時間に蓄積される電荷量をｑとすれば、Ｑ＝ｑ×Ｓ×ｔになる。ポテンシャル障壁Ｂ１の高さを消灯期間Ｐｂに蓄積した電荷量で決める構成を採用しているから、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さΔＶは、消灯期間Ｐｂに蓄積した電荷量Ｑの関数であって、たとえば、ΔＶ（Ｑ）＝α×ｑ×Ｓ×ｔの関係によって算出することができる。ただし、αは電荷量Ｑをポテンシャル障壁Ｂ１の高さΔＶ（Ｑ）に変換する係数である。１回で秤量される不要電荷の量は、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さΔＶ（Ｑ）を変化させることにより調節することができる。
【００７１】
ポテンシャル障壁Ｂ１の高さΔＶ（Ｑ）を変化させるには、４個の変数のいずれかを変化させればよいことがわかる。ここで、時間ｔは実施形態１において説明したようにｍｓのオーダであり、秤量に必要な時間はμｓのオーダであるから、不要電荷の量を決める時間ｔを短くすることができれば、消灯期間Ｐｄを短縮し空間情報の収集に利用できる時間の割合を増加させることができる。ただし、時間ｔを短くすると１回で秤量できる電荷量Ｑが少なくなるから、秤量する回数を増やすことによって所望量の不要電荷を廃棄するのである。
【００７２】
なお、時間ｔを短くしながらも１回で秤量できる電荷量Ｑを減らさないようにしようとすれば、係数αと電荷量ｑと面積Ｓとの少なくとも１要素を大きくすることが考えられるが、係数αを大きくするとショットノイズなどのノイズ成分を増加させることになるから誤差の増加につながり、また電荷量ｑは光検出素子の仕様と受光する光の強度とにより決まるから調節が困難であり、面積Ｓを大きくすれば大型化するという問題が生じる。したがって、係数αと電荷量ｑと面積Ｓとは変更しない。
【００７３】
１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量は、上述のように消灯期間Ｐｄに蓄積された電荷量によって決まり、この電荷量は環境光の受光強度と消灯期間Ｐｄの長さ（時間ｔ）との関数である。つまり、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量は、消灯期間Ｐｄが長いほど多くするように規定される（実際は、１次関数あるいは３次関数で規定する）。したがって、上述したように、廃棄期間Ｐｔで廃棄しようとする不要電荷の量をＱｇとし、１回で秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量をＱｇ／ｍとすると、１回で電荷量Ｑｇを秤量する際に必要な消灯期間の長さに対して、消灯期間Ｐｄの長さは１／ｍになる。つまり、秤量動作Ｗをｍ回行う構成を採用することにより、所望量の不要電荷を秤量する際の消灯期間Ｐｄの長さが１／ｍに短縮されるのである。
【００７４】
上述の動作によれば、消灯期間Ｐｄが短縮され、その一方で秤量動作Ｗに要する時間が秤量動作Ｗの回数分だけ増加するが、消灯期間はｍｓのオーダであり、秤量動作Ｗの時間はμｓのオーダであるから、消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとを合計した時間は１回で秤量する場合よりも短縮することができる。たとえば、不要電荷の秤量を１回で行う場合に消灯期間が７ｍｓ必要であったとすれば、不要電荷の秤量を７回で行う場合には消灯期間を１ｍｓに短縮することができる。つまり、１回の秤量動作Ｗに１００μｓかかったとしても消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとの合計は２ｍｓ未満であるから、大幅な時間短縮が可能になる。
【００７５】
上述のように、不要電荷を１回で秤量する場合よりも消灯期間Ｐｄを短縮し、かつ複数回の秤量動作Ｗによって所望量の不要電荷を秤量することにより、受光出力を取り出すまでの時間を短縮することが可能になるのである。その上、消灯期間Ｐｄに受光する環境光の強度が比較的大きい場合でも、消灯期間Ｐｄを短くすることによって光電変換部Ｄ１で生成される電子の量を低減させ、結果的に光検出素子１が飽和するのを防止することになる。
【００７６】
上述の動作では、廃棄期間Ｐｔにｍ回の秤量動作Ｗを行っており、点灯期間Ｐｂにはｎ回の廃棄期間Ｐｔを設けている。ここにおいて、点灯期間Ｐｂは毎回一定時間とする。各廃棄期間Ｐｔごとに複数回の秤量動作Ｗを行うことによって、消灯期間Ｐｄを短縮する効果が高まるが、点灯期間Ｐｂにおける秤量動作Ｗの回数は適宜に設定すればよい。たとえば、点灯期間Ｐｂにおいて廃棄期間Ｐｔを１回だけ設け、廃棄期間Ｐｔの間に複数回の秤量動作Ｗを行うことが可能である。また、各廃棄期間Ｐｔに秤量動作Ｗを１回ずつ行う動作とすることも可能である。
【００７７】
ただし、環境光の受光強度の観点から言えば、点灯期間Ｐｂにおいて廃棄期間Ｐｔを複数回設けることが望ましい。とくに、消灯期間Ｐｄにおける受光光量が多い場合（つまり環境光の受光強度が大きい場合）には、点灯期間Ｐｂにおける廃棄期間Ｐｔの回数を増加させることが望ましい。この理由について図６を用いて説明する。
【００７８】
いま、点灯期間Ｐｂにおいて廃棄期間Ｐｔを４回設けているとすると、図６（ａ）のように時刻ｔ０から時刻ｔ２までの点灯期間Ｐｂにおいて各廃棄期間Ｐｔに一定量の不要電荷が廃棄されるから、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電子は、廃棄期間Ｐｔごとに減少を繰り返しながら、全体としては電子の蓄積によって増加することになる。
【００７９】
このような動作において、１回の廃棄期間Ｐｔで廃棄する不要電荷の量と廃棄期間Ｐｔの回数とが適正であれば、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電子の量は光検出素子１の飽和レベルＬ１を超えることがないが、環境光が想定よりも多い場合には、時刻ｔ２において点灯期間Ｐｂが終了するまでに、電荷蓄積部Ｄ３の電子の量が飽和レベルＬ１を超えるという現象が生じる（図６（ａ）では時刻ｔ３において飽和レベルＬ１を超えている）。飽和レベルＬ１を超えると、光検出素子１から取り出された受光出力からは信号光の情報が失われる。
【００８０】
そこで、点灯期間Ｐｂにおいて飽和レベルＬ１に達したか否かを検出する必要がある。飽和レベルＬ１に達したことを検出するには、たとえば、点灯期間Ｐｂにおける最後の廃棄期間Ｐｔから一定時間が経過した後に点灯期間Ｐｂが終了するように廃棄期間Ｐｔを設定しておけばよい。最後の廃棄期間Ｐｔから点灯期間Ｐｂの終了までの時間は、隣り合う廃棄期間Ｐｔの間の時間に設定する。
【００８１】
いま、上述の例のように点灯期間Ｐｂにおいて４回の廃棄期間Ｐｔを設定しているものとすると、３回目の廃棄期間Ｐｔから４回目の廃棄期間Ｐｔの間に飽和が生じた場合に、４回目の廃棄期間Ｐｔにおいて不要電荷が廃棄されるから、廃棄期間Ｐｔの終了時点で受光出力を取り出すと受光出力が飽和レベルＬ１よりも小さくなり、飽和を検出することができない。これに対して、上述のように廃棄期間Ｐｔの終了から一定時間が経過した後に点灯期間Ｐｂを終了し、その時点で受光出力を取り出すようにすれば、受光出力は飽和レベルＬ１に達しているから点灯期間Ｐｂにおいて飽和に達したことを検出することが可能になる。
【００８２】
電荷蓄積部Ｄ３の電子の量が時刻ｔ２までに飽和レベルＬ１を超える場合でも、廃棄期間Ｐｔの回数を増加させると、点灯時間Ｐｂを変更することなく飽和レベルＬ１を超えないように調節できる場合がある。たとえば、図６（ａ）のように、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの点灯期間Ｐｂにおいて秤量期間Ｐｔを４回設けているときに、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電子の量が４回目の秤量期間Ｐｔに達する直前で飽和レベルＬ１を超える場合でも、図６（ｂ）のように、点灯期間Ｐｂにおける秤量期間Ｐｔを５回に増やせば、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電子の量が時刻ｔ３にまでに飽和レベルＬ１を超えないようにすることが可能なことがある。言い換えると、廃棄期間Ｐｔの時間間隔を比較的短く設定することによって、光検出素子１が飽和するまでに不要電荷を廃棄すれば、環境光が多い環境下においても信号光に対応する電子の受光出力に占める割合を高めることが可能になり、結果的に環境光の受光強度が大きい場合でも信号光の情報を持った受光出力を取り出すことが可能になる。
【００８３】
受光期間Ｐｂにおける秤量期間Ｐｔの回数は、光検出素子１から得られる消灯期間Ｐｄの受光光量と受光出力とのうち少なくとも受光出力を用いて決定する。秤量期間Ｐｔの回数を決定する手順について説明する。なお、秤量期間Ｐｔには複数回の秤量動作Ｗをまとめて行っているから、１回の秤量期間Ｐｔにおける動作もまた不要電荷を廃棄する動作であって、点灯期間において秤量期間Ｐｔを複数回設け、秤量期間Ｐｔに時間間隔を開けていることは、不要電荷を廃棄する動作を時間間隔を開けて複数回行っていることに相当する。
【００８４】
消灯期間Ｐｄの受光光量は、環境光の受光強度を反映しているから、消灯期間Ｐｄの受光光量が決まれば受光期間Ｐｂにおいて蓄積される不要電荷の量を見積もることができる。また、消灯期間Ｐｂの受光光量によって１回の秤量期間Ｐｔで廃棄する電荷量が決まる。したがって、消灯期間Ｐｂの受光光量を求めると、受光期間Ｐｂにおいて蓄積される電子の量の時間変化の傾向を知ることができる。この時点では信号光に対応する電子の量は不明であるが、信号光に対応する電子の量は受光期間Ｐｂにおいてほぼ一様に増加すると考えることができるから、飽和レベルＬ１を考慮して廃棄すべき不要電荷の量を見積もることができ、秤量期間Ｐｔの回数について候補値を求めることができる。
【００８５】
候補値が決まれば、候補値で動作させた場合の受光出力の大きさを受光処理回路３において監視することによって、秤量期間Ｐｔの回数が適正に設定されているか否かを評価する。この評価には受光出力と比較する上限値と下限値とを設定しておき、受光出力と上限値および下限値との比較によって秤量期間Ｐｔの回数を調節する。
【００８６】
たとえば、受光出力が上限値を超えていると秤量期間Ｐｔの回数を候補値に対して１回増やして新たな候補値とし、下限値を下回っていると秤量期間Ｐｔの回数を候補値に対して１回減らして新たな候補値に用いる。この処理を繰り返すことにより、受光出量を上限値と下限値との間の適正な値に維持することができる。受光出力が上限値と下限値との間ではない場合には、その受光出力は採用せず、当該期間の受光出力は、他の期間の受光出力で補間あるいは代用する。
【００８７】
なお、秤量期間Ｐｔの回数について候補値を消灯期間Ｐｄの受光光量で決めるのではなく、あらかじめ定めたデフォルト値を候補値に用いるようにしてもよい。この場合、消灯期間Ｐｄの受光光量は、１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量の決定にのみ用いられる。なお、１回の秤量期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数は変更しない。
【００８８】
受光期間Ｐｂにおける秤量期間Ｐｔの回数を決定するために、受光処理回路３では、消灯期間Ｐｄにおける受光光量と受光出力とに基づいて上述の処理を行い、受光処理回路３において決定した秤量期間Ｐｔの回数に応じてタイミング制御回路４が光検出素子１の動作を制御する。なお、受光出力が上限値と下限値との間に収まるように秤量期間Ｐｔの回数を調節する処理は、受光期間Ｐｂごとに行う必要はなく、使用環境に応じて適数回の受光期間Ｐｂごとに行うようにすればよい。つまり、標準的な頻度をデフォルト値として設定しておき、環境光の変化が大きい場所では調節の頻度を上げ、環境光の変化が少ない場所では調節の頻度を下げればよい。
【００８９】
点灯期間Ｐｂにおいて受光出力が飽和レベルに達した場合には、当該点灯期間Ｐｂに得られた受光出力は空間情報の検出には用いることができない。したがって、この受光出力は破棄し、次回の点灯期間Ｐｂにおいて分離する不要電荷の量を変更することによって、次回以降の点灯期間Ｐｂで適正な受光出力が得られるようにする。ここで、不要電荷の量を変更する技術として、上述の例では秤量期間Ｐｔの回数を変更する例を示しているが、消灯期間Ｐｄを長くすれば１回の秤量期間Ｐｔで廃棄される電荷量が増加する。また後述する感度制御電極１７ａ〜１７ｈ（図１２参照）を設けている場合には、消灯期間Ｐｄにおいて光電変換部Ｄ１として電荷を集積するポテンシャル井戸を形成するための電圧を印加する感度制御電極１７ａ〜１７ｈの個数を変化させれば、実質的に受光面積を変化させることになるから、消灯期間Ｐｄにおいて受光面積を大きくすることで、秤量期間Ｐｔに廃棄される電荷量が増加させることができる。
【００９０】
上述した原理から明らかなように、飽和レベルＬ１を超えないように秤量動作Ｗを行うという目的では、複数回の秤量動作Ｗを秤量期間Ｐｔにおいてまとめて行うよりも、１回ずつの秤量動作Ｗを点灯期間Ｐｂの全体に分散させて行うほうが望ましい。つまり、図５（ｂ）のように、点灯期間Ｐｂにおいて毎回の秤量動作Ｗを行う間に時間間隔を設けておくのが望ましい。また、時間間隔は消灯期間Ｐｄにおける受光出力が大きいほど短くなるように設定するのが望ましい。この技術を採用すれば、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電荷量の増加速度が低下し、蓄積される電荷量が飽和レベルＬに達しにくくなる。つまり、電荷蓄積部Ｄ３の飽和を抑制する効果が高くなる。
【００９１】
ところで、１回の廃棄期間Ｐｔにおいて廃棄する不要電荷の量は、信号光により生成された量の電子の全部を残すように算出されるが、１回の廃棄期間Ｐｔに複数回の秤量動作Ｗを行い、かつ１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量は消灯期間Ｐｂにおける受光光量によって決まるから、信号光に対応した量の電子の全体でかつその量の電子のみを残すことは困難である。したがって、信号光に対応した量の電子の全体よりもやや多い量の電子を余裕分として残すことになる。ただし、信号光に対するダイナミックレンジを大きくとるには、余裕分の電子はできるだけ少なくすることが必要である。
【００９２】
１回の秤量動作Ｗで廃棄される不要電荷の量は消灯期間Ｐｄにおける受光光量により決められ、この受光光量は消灯期間Ｐｄの長さ（継続する時間）の関数であるから、１回の廃棄期間Ｐｔにおいて廃棄する不要電荷の総量を算出すれば、消灯期間Ｐｄの長さを変化させることによって、余裕分が少なくなるように１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量を決めることが可能である。
【００９３】
消灯期間Ｐｄを短くすれば１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量が少ないから余裕分も少なくなり、また１回の廃棄期間Ｐｔに１回の秤量動作Ｗを行うように消灯期間Ｐｄを長くすることによっても余裕分を少なくすることが可能である。しかしながら、前者の動作を採用すると、秤量動作Ｗの回数が増加することによって、点灯期間Ｐｂにおいて秤量動作Ｗの処理の占める割合が大きくなり、後者の動作を採用すると、消灯期間Ｐｂが長くなるから、いずれの構成を採用したとしても、単位時間当たりに信号光から得られる情報量が低減する。
【００９４】
これに対して、１回の廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数に上限と下限とを設定するとともに、消灯期間Ｐｂの上限と下限とを設定しておき、これらの上限と下限との範囲内で余裕分が最小になるように、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量と１回の廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数とを決めることで、消灯期間Ｐｄを比較的短くしながらも秤量動作Ｗの回数が極端に多くならないように、廃棄期間Ｐｔにおける条件を設定することが可能になる。
【００９５】
ところで、廃棄期間Ｐｔで廃棄する不要電荷の量は、廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数と、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量との積として算出され、１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量は消灯期間Ｐｄにおける受光光量により決まる。また、消灯期間Ｐｄにおける受光光量は、環境光の受光強度と消灯期間Ｐｄの長さ（継続時間）により決まる。
【００９６】
廃棄期間Ｐｔの条件を設定するには、消灯期間Ｐｄの長さにデフォルト値を設定しておき、まずデフォルト値の時間の消灯期間Ｐｄでの受光光量を用いて環境光の受光強度を推定し、廃棄期間Ｐｔごとに廃棄すべき不要電荷の総量を決定する。また、デフォルト値の長さの消灯期間Ｐｄにおける受光光量を用いて１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量を決定する。
【００９７】
次に、廃棄期間Ｐｔごとに廃棄すべき不要電荷の総量を１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量で除算して商と剰余とを求める。商が廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数の上限と下限との間の回数であれば、剰余を低減するように１回の秤量動作Ｗで廃棄する不要電荷の量を決め、この量に応じた消灯期間Ｐｄの長さを逆算する。逆算結果により得られた消灯期間Ｐｄの長さが上限と下限との範囲内であれば、消灯期間Ｐｄを逆算結果の長さに設定する。
【００９８】
なお、秤量動作Ｗの回数あるいは消灯期間Ｐｄの長さが上限と下限との範囲から逸脱しているときには、回数あるいは長さを調節することにより、上限と下限との範囲内に収まるように調節する。
【００９９】
また、光電変換部Ｄ１を複数設けてイメージセンサを構成しており、すべての光電変換部Ｄ１について上述の制御を行うと処理負荷が大きくなるから、あらかじめ１回の秤量動作Ｗにおいて分離する不要電荷が、すべての光電変換部Ｄ１に亘って規定値よりも小さくなるように、消灯期間Ｐｄを短くし、秤量動作Ｗの回数を多くする設定が有効である。１回の秤量動作Ｗにより秤量する不要電荷の量を少なくすれば、秤量動作Ｗの回数は多くなるが、１回の秤量動作Ｗに要する時間は微小であるから、光電変換部Ｄ１において光を受光し不要電荷を廃棄して受光出力を得るまでの全体の時間の増加は少ない。むしろ消灯期間Ｐｄが短縮されるから、点灯期間Ｐｂにおいて空間情報を検出する時間を相対的に増加させることになる。
【０１００】
複数個の光電変換部Ｄ１を備えるイメージセンサでは、タイミング制御回路４の出力による動作タイミングの制御を簡単にするために、秤量動作Ｗの回数は各光電変換部Ｄ１において等しく設定しておくことが望ましい。したがって、上述のように１回の秤量動作Ｗで分離する不要電荷の量を少なくするには、廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数を可及的に多く設定しておくことが望ましい。
【０１０１】
ところで、上述のように不要電荷を秤量して廃棄すると、受光出力の大部分は信号光に対応した成分になるが、信号光の受光強度が大きいと光検出素子１が飽和し、逆に信号光の受光強度が小さいとショットノイズなどの内部雑音の影響によってＳＮ比が低下する。上述の動作例では点灯期間Ｐｂの長さを一定にして廃棄する不要電荷の量を調節していたが、受光側において信号光の受光光量を調節しようとすれば、点灯期間Ｐｂの長さを調節することが必要である。
【０１０２】
そこで、図７（ａ）に示すように、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さを複数種類から選択可能とし、適正な受光出力が得られるように点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さを選択することにより信号光に対するダイナミックレンジを広げることが考えられる。つまり、光検出素子１が飽和しない範囲内でできるだけ大きい受光出力が得られるように、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さを決めるのである。この技術を採用する場合、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さが変化するから廃棄すべき不要電荷の量も変化する。
【０１０３】
いま、環境光と信号光とが同条件である環境下で点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さを変化させるものとすれば、不要電荷を廃棄しないときには、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３が長いほど環境光および信号光に対応する電荷の量も増加する。したがって、上述した他の動作例と同様に、不要電荷の廃棄までに飽和が生じないように不要電荷を廃棄する必要がある。
【０１０４】
１回の秤量動作Ｗにおける不要電荷の量は、消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３に得られる環境光の受光光量に応じて増減するから、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さを変化させれば、１回で秤量される不要電荷の量を点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３に応じて調節することができる。
【０１０５】
つまり、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３において集積される不要電荷の量は点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに比例し、また１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量は消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の受光光量に比例するから、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さによらず、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３中に同数回ずつの廃棄期間Ｐｔを設ける場合は、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さと消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さとを比例関係で設定すれば、廃棄すべき不要電荷の量を適正に調節することができる。ただし、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３が異なっても点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３中の廃棄期間Ｐｔの回数は等しくする必要があるから、廃棄期間Ｐｔの時間間隔を点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて調節する。
【０１０６】
上述の動作では、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さを変化させているが、図７（ｂ）のように、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さにかかわらず消灯期間Ｐｄの長さを一定に保ち、１回の秤量期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数を点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて変化させてもよい。秤量動作Ｗの際に廃棄する不要電荷の量は、消灯期間Ｐｄにおける受光光量で決まるから、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３が異なっていても変化しない。そこで、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３ごとに廃棄期間Ｐｔにおける秤量動作Ｗの回数を変化させるのである。
【０１０７】
この動作は、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて１回の廃棄期間Ｐｔにおいて廃棄する不要電荷の量を調節しているから、実質的に消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さを調節した動作と同様に機能する。ただし、廃棄期間Ｐｔに廃棄する不要電荷の量が、１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量の整数倍になるから、点灯期間Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３の長さに応じて消灯期間Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３の長さを調節する動作と比較すると、受光出力において信号光以外の成分の量がやや増加する可能性がある。
【０１０８】
点灯期間Ｐｂにおいて複数回の秤量動作Ｗを行う動作では、点灯期間Ｐｂにおいて１回だけ秤量動作Ｗを行う動作に比較して、１回の秤量動作Ｗにおいて廃棄する不要電荷の量を少なくすることができ、結果的に消灯期間Ｐｄが短くなるから、消灯期間Ｐｂと点灯期間Ｐｂとを合計した時間を短縮することができる。また、点灯期間Ｐｂにおいて複数回の廃棄期間Ｐｔを設けることによって、環境光が多い場合でも飽和レベルＬ１を超えない状態を保ちながら信号光に対応する電子を蓄積することが可能になる。
【０１０９】
その一方で、点灯期間Ｐｂにおいて複数回の廃棄期間Ｐｔを設けている場合には、１回の廃棄期間Ｐｔで廃棄する不要電荷の量を、信号光に対応する成分が不要電荷として廃棄されないように設定するから、複数回の廃棄期間Ｐｔを繰り返す間に、残留した不要電荷が蓄積される可能性がある。つまり、１回の廃棄期間Ｐｔで廃棄する不要電荷の量は、理想的には信号光に対応した量の電子のみが残留するように規定されるが、実際には信号光に対応した量の電子以外の残留電子が生じるから、廃棄期間Ｐｔごとに生じる残留電子が廃棄期間Ｐｔを繰り返す間に蓄積され、受光出力には、信号光に対応する成分以外に残留電子の成分が含まれるのである。
【０１１０】
つまり、図８のように、点灯期間Ｐｂにおいて毎回の廃棄期間Ｐｔまでに蓄積される電子の量Ｖ１は、廃棄する不要電荷の量Ｖ２と信号光に対応する電子の量Ｖ３とを加算した量よりも多くなり、不要電荷を廃棄した後の電子には、信号光に対応した電子のほかに雑音である残留電子（電荷量Ｖ４）が含まれるのである。残留電子は、ショットノイズのような内部雑音により生成される電子が多く、消灯期間Ｐｄにおける受光光量から見積もることができない。ただし、ショットノイズなどに起因した１回の廃棄期間Ｐｔごとの残留電子の量は時間経過に伴って変動するものの平均すればほぼ一定量になる。
【０１１１】
上述のような残留電子は、廃棄期間Ｐｔごとに生じ、点灯期間Ｐｂの間に累積される。したがって、点灯期間Ｐｂにおいて廃棄期間Ｐｔを繰り返すと、やがては残留電子の量が１回の秤量動作Ｗで廃棄される不要電荷の量に達すると考えられる。上述のように残留電子の量の平均値は推定可能であるから、残留電子の量が１回の秤量動作Ｗで廃棄される不要電荷の量に達するまでの廃棄期間Ｐｔの回数を推定することができる。
【０１１２】
そこで、廃棄期間Ｐｔの回数が推定した回数に達するたびに秤量動作Ｗの回数を１回増やすことにより、残留電子を大幅に低減することができる。また、この動作により、残留電子の影響による信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制することができる。
【０１１３】
なお、点灯期間Ｐｂにおいて複数回の秤量動作Ｗを行う動作は、消灯期間Ｐｄにおける受光光量を用いて廃棄する不要電荷の量を見積もるから、消灯期間Ｐｄにおける受光光量に対応する電子を光検出素子１の外部に取り出すことが必要であって、本実施形態の構成において採用するのが最適ではあるが、以下に説明する各実施形態であっても消灯期間Ｐｄにおける受光光量に対応した電子を光検出素子１の外部に取り出す構成を付加すれば、採用可能である。
【０１１４】
また、不要電荷の量を見積もるための消灯期間Ｐｄは点灯期間Ｐｂと交互に設けなくてもよく、１回の消灯期間Ｐｄにおいて見積もった不要電荷の量を複数回の点灯期間Ｐｂにおいて適用してもよい。この場合、隣接する点灯期間Ｐｂの時間間隔は消灯期間Ｐｂよりも短くすることができるから、信号光を受光する期間が単位時間に占める割合を増加させることになり、結果的に対象空間の空間情報を検出する期間を増加させることができる。消灯期間Ｐｄと点灯期間Ｐｂとの関係は、以下に説明する実施形態においても同様に設定することが可能である。
【０１１５】
（実施形態２）
実施形態１では受光光量に応じて不要電荷として秤量する電子の量を調節する技術について説明したが、実施形態１で説明した技術では、光検出素子の外部回路で受光光量を評価しなければならないから、外部回路においてポテンシャル障壁Ｂ１を制御するための回路が必要になる。つまり、外部回路の規模が大きくなる。本実施形態は、不要電荷として秤量する電子の量を受光光量に応じて自動的に変化させる機能を光検出素子に設けることにより、ポテンシャル障壁Ｂ１を制御するための外部回路を不要にしたものである。
【０１１６】
不要電荷の量を光検出素子１が自動的に変化させるための構成として、本実施形態では、図９（ａ）に示すように、素子形成層１１の主表面に、ウェル１２とは別にウェル１２と同じ導電形で不純物濃度が高濃度である保持用ウェル１５を設け（つまり、保持用ウェル１５の導電形はｎ＋である）、保持用ウェル１５に絶縁層１３を介して保持電極１４ｄを対向させてある。また、素子形成層１１においてウェル１２と保持用ウェル１５との間の領域には絶縁層１３を介してゲート電極１４ｅを対向させてある。保持電極１４ｄは障壁制御電極１４ｃと電気的に接続され、また、素子形成層１１において保持電極１４ｄおよびゲート電極１４ｅに対応する領域は遮光膜１６で遮光される。
【０１１７】
ところで、ｎ＋形である保持用ウェル１５はｐ形の素子形成層１１に囲まれているから、保持用ウェル１５にはウェル１２と同様に電子に対するポテンシャル井戸が形成される。ただし、保持用ウェル１５はウェル１２よりも不純物濃度が高濃度であるから、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃ、保持電極１４ｄのいずれにも電圧を印加しない状態では、保持用ウェル１５にはウェル１２よりも深いポテンシャル井戸が形成される。保持用ウェル１５に形成されるポテンシャル井戸は電子を保持する電荷保持部Ｄ４として機能する。
【０１１８】
保持用ウェル１５に保持した電子の量が増加すると保持電極１４ｄの電位が低下し、保持電極１４ｄに接続された障壁制御電極１４ｃの電位も低下する。障壁制御電極１４ｃの電位が低下すれば、ポテンシャル障壁Ｂ１が高くなり、電荷分離部Ｄ２の容量が大きくなる。つまり、環境光が増加するほど保持用ウェル１５に保持される電子の量を増加させれば、不要電荷として分離できる電子の量を環境光に応じて増加させることができるから、環境光の増減にかかわらず、信号光に対するダイナミックレンジをほぼ一定に保つことが可能になる。
【０１１９】
環境光の増減に応じて保持用ウェル１５に保持される電子の量を増減させるために、光電変換部Ｄ１において環境光の照射時に生成された電子を保持用ウェル１５に転送して保持させる動作が必要になる。つまり、光電変換部で生成した電荷を、保持用ウェル１５に転送する期間を設ける。なお、保持用ウェル１５は遮光膜１６により遮光されているから、素子形成層１１やウェル１２に光が照射されても保持用ウェル１５に保持された電子の量は変化しない。
【０１２０】
ところで、本実施形態では、障壁制御電極１４ｃが保持電極１４ｄに接続されているから、障壁制御電極１４ｃに対応するポテンシャル障壁Ｂ１の高さを任意に制御することはできず、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さは、保持用ウェル１５に保持された電子の量によって決定される。このように、障壁制御電極１４ｃに対応するポテンシャル障壁Ｂ１の高さは任意に制御することができないから、実施形態１において説明した図２（ａ）〜（ｄ）のようにポテンシャル障壁Ｂ１の高さを調節することができない。したがって、本実施形態では電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とのポテンシャルを調節する技術を採用し、実施形態１と同様の手順で電子を移動させる。
【０１２１】
さらに詳しく説明する。実施形態１と同様に、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとに電圧を印加していない状態でウェル１２に形成されるポテンシャル井戸を光電変換部Ｄ１として用いるものとする。また、保持用ウェル１５に隣接してドレイン２３（図１５参照）を設けてあり、保持用ウェル１５に集積された電子を廃棄することができるものとする。まず、ウェル１２および保持用ウェル１５に残留する電子が廃棄される。この状態では、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとゲート電極１４ｅとのいずれにも電圧が印加されず、ウェル１２には図２（ａ）と同様のポテンシャル井戸が形成され、このポテンシャル井戸が光電変換部Ｄ１として機能する。このとき、発光源は点灯させず、環境光のみを光電変換部Ｄ１に入射させる。したがって、この期間に光電変換部Ｄ１において生成された電子は環境光の受光光量に対応する。
【０１２２】
ウェル１２および保持用ウェル１５の電子を廃棄してから規定の一定時間が経過するまでの期間の電子が環境光の受光光量に対応する量の電子として光電変換部Ｄ１に集積されると、この電子は保持用ウェル１５に転送される。つまり、保持用ウェル１５には発光源から投光しない消灯期間における環境光に対応した量の電子が保持される。光電変換部Ｄ１から保持用ウェル１５への電子の転送の際にはゲート電極１４ｅに正極性の電圧を印加し、光電変換部Ｄ１と保持用ウェル１５との間のポテンシャル障壁Ｂ２を引き下げる。また、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとに正極性の電圧を印加し、光電変換部Ｄ１のポテンシャルを保持用ウェル１５のポテンシャルよりも引き上げる。この動作により、ウェル１２から保持用ウェル１５に電子を移動させることができる。
【０１２３】
なお、保持用ウェル１５に転送する電子の量は発光源の消灯期間の受光光量に対応していればよいから、光電変換部Ｄ１で生成されたすべての電子を保持用ウェル１５に流入させる必要はなく、ウェル１２から保持用ウェル１５に移動させる電子の量が、発光源の消灯期間における光電変換部Ｄ１での受光光量に対応していればよい。発光源の消灯期間に対応した電荷を保持用ウェル１５に保持させると、図１０（ａ）のように、障壁制御電極１４ｃに対応して形成されるポテンシャル障壁Ｂ１の高さが決まる。つまり、電荷分離部Ｄ２の容量が決まる。保持用ウェル１５に流入する電子の量が多くなれば保持用ウェル１５の表面電位が低下するから、表面電位の低下に追従して保持電極１４ｄの電位も低下し、結果的に障壁制御電極１４ｃに印加される電圧が低下してポテンシャル障壁Ｂ１が高くなるのである。図１１の期間Ｔａのように、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとゲート電極１４ｅとには電圧は印加されていないから、障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとの電位は、電荷保持部Ｄ４に保持されている電子の量で決まる。
【０１２４】
光電変換部Ｄ１から電荷保持部Ｄ４に電子を移動させた後に光電変換部Ｄ１に残留する電子は不要であるから、ウェル１２に隣接して設けたドレイン２３（図１５参照）を用いて光電変換部Ｄ１に残留する電子を廃棄する。
【０１２５】
次に、発光源を点灯させると、環境光と信号光とを加算した光が光電変換部Ｄ１に入射する。ここで、光電変換部Ｄ１には電荷保持部Ｄ４に保持された電子の量に応じたポテンシャル障壁Ｂ１が形成されているから、このポテンシャル障壁Ｂ１の高さを超えない量の電子を集積する。つまり、ウェル１２のうち分離電極１４ａに対応する領域と蓄積電極１４ｂに対応する領域とは、ともに光電変換部Ｄ１として機能するが、実施形態１の図２（ｂ）に示した動作と同様に、ウェル１２はポテンシャル障壁Ｂ１を挟んで２つの領域に分割される。
【０１２６】
２つの領域のうち分離電極１４ａに対応する電荷分離部Ｄ２に集積された電子は利用しないから廃棄し、蓄積電極１４ｂに対応する電荷蓄積部Ｄ３に集積された電子を利用する。したがって、本実施形態では発光源から投光する点灯期間には、実質的に、ウェル１２のうち蓄積電極１４ｂに対応する領域が光電変換部Ｄ１として機能するのであって、電荷蓄積部Ｄ３が光電変換部Ｄ１に兼用されていることになる。
【０１２７】
図１１の期間Ｔｂのように分離電極１４ａに印加する電圧は期間Ｔａとは変化させないが、ドレイン２３（図１５参照）を用いて図１０（ｂ）のように電荷分離部Ｄ２の電子を廃棄する。その後、図１１の期間Ｔｃのように分離電極１４ａに正極性の電圧を印加するとともに蓄積電極１４ｂに負極性の電圧を印加し、図１０（ｃ）のように、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルを引き下げる。このとき、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルを大きく引き下げれば、ポテンシャル障壁Ｂ１も引き下げられ、電荷蓄積部Ｄ３（光電変換部Ｄ１）から電荷分離部Ｄ２に電子を流入させることが可能になる。
【０１２８】
なお、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルの引き下げに代えて、電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルを引き上げてもよい。ただし、電荷蓄積部Ｄ３のすべての電子を電荷分離部Ｄ２に流入させるには、電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルをポテンシャル障壁Ｂ１のポテンシャル以上に設定する必要がある。また、電荷分離部Ｄ２のポテンシャルの引き下げと電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルの引き上げとを同時に行ってもよい。
【０１２９】
電荷蓄積部Ｄ３の電子が電荷分離部Ｄ２にすべて流入した後には、図１１の期間Ｔｄのように分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとに印加していた電圧を取り除く。このとき、電荷分離部Ｄ２の容量が決まり、図１０（ｄ）のように、電荷分離部Ｄ２に集積された電子のうち電荷分離部Ｄ２の容量を超える電子は、ポテンシャル障壁Ｂ１を越えて電荷蓄積部Ｄ３に流入する。すなわち、光電変換部Ｄ１で生成された電子のうち、電荷保持部Ｄ４に保持された電子の量（つまり、発光源の消灯期間に対応する電子の量）に応じて決まる電荷分離部Ｄ２の容量に対応する一定量の電子が不要電荷として分離され、電荷蓄積部Ｄ３に戻された電子が有効電荷として利用に供される。
【０１３０】
上述したように本実施形態では、外部回路を用いることなく光検出素子の内部でポテンシャル障壁Ｂ１の高さが自動的に調節され、しかも環境光の受光光量に応じて不要電荷の量が決定されるから、環境光の受光光量にかかわらず、信号光に対する受光出力のダイナミックレンジをほぼ一定に保つことができる。
【０１３１】
光電変換部Ｄ１を多数個配列した撮像素子を構成する場合に、不要電荷の量を決めるポテンシャルを各画素毎に外部回路で制御すると外部回路の構成が非常に複雑になるが、本実施形態のように不要電荷の量を環境光の受光光量に応じて自動的に調節する技術を採用すれば、不要電荷の量を決めるための外部回路は実質的に不要になる。また、半導体基板に撮像素子とともに外部回路を集積する場合に、半導体基板に占める光電変換部Ｄ１の相対面積が減少してＳ／Ｎが劣化するが、本実施形態では外部回路が実質的に不要であるから、高Ｓ／Ｎが得られる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【０１３２】
本実施形態では、ウェル１２に形成される光電変換部Ｄ１としてのポテンシャル井戸から、保持用ウェル１５に形成される電荷保持部Ｄ４としてのポテンシャル井戸に電子を転送するタイミングの制御にゲート電極１４ｅを用いたが、ゲート電極１４ｅを省略した構成とし、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとに印加する電圧を制御することによって光電変換部Ｄ１から電荷保持部Ｄ４に電子を転送するようにしてもよい。
【０１３３】
たとえば、分離電極１４ａおよび蓄積電極１４ｂに正極性の電圧を印加してポテンシャル井戸を形成し、光電変換部Ｄ１に電子を集積した後、分離電極１４ａおよび蓄積電極１４ｂに負極性の電圧を印加すると、ウェル１２に集積された電子は保持ウェル１５に向かって移動する。なお、蓄積電極１４ｂに負極性の電圧を印加することによって、ウェル１２と保持用ウェル１５との間のポテンシャル障壁が崩され、ウェル１２から保持用ウェル１５への電子の移動が容易になる。また、分離電極１４ａに負極性の電圧が印加されているから、ウェル１２に集積された電子は図９（ａ）の左向きへの移動が防止される。
【０１３４】
ウェル１２から保持用ウェル１５に電子が移動した後は、分離電極１４ａおよび蓄積電極１４ｂに正極性の電圧を印加し、ウェル１２にポテンシャル井戸を形成する。このような動作によって、ゲート電極１４ｅを用いることなく、光電変換部Ｄ１から電荷保持部Ｄ４への電子の移動が可能になる。
【０１３５】
また、図９（ａ）の構成に代えて、図９（ｂ）のように、電荷保持部Ｄ４としてウェル１２に形成される保持用ウェル１５に障壁制御電極１４ｃを直接電気的に接続する構成を採用するとさらに望ましい。図９（ａ）のように、保持用ウェル１５に絶縁層１３を介して保持電極１４ｄを設けると、障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとはともに他の構成とは電気的に分離されるから、時間経過に伴って障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄと両者を接続する配線とに電荷が蓄積する。このような電荷が存在すると、障壁制御電極１４ｃに印加される電圧が保持用ウェル１５の電荷量を正確に反映しなくなる可能性がある。この種の電荷を除去するには、障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとの間の電荷を除去するためのリセットスイッチを設ける構成が考えられるが、リセットスイッチを設けると、装置の大型化と製造コストの上昇を招くおそれがある。
【０１３６】
そこで、図９（ｂ）に示す構成では、保持用ウェル１５に障壁制御電極１４ｃを直接電気的に接続する構成を採用している。保持用ウェル１５と障壁制御電極１４ｃとの間を直接接続する配線は、拡散配線により形成することができる。また、保持用ウェル１５に絶縁層１３を介さずに保持電極１４ｄをオーミックに接続する構成を採用する場合には、金属配線を用いてもよい。
【０１３７】
ウェル１２には、保持用ウェル１５に隣接してリセットドレイン１００を設け、ウェル１２の主表面において保持用ウェル１５とリセットドレイン１００との間の部位にはリセット電極１４ｒを設けてある。リセットドレイン１００には接続線１１０を通して電子を引き抜く一定電圧を印加してあり、リセット電極１４ｒに電圧を印加して保持用ウェル１５とリセットドレイン１００との間にチャンネルを形成すると、保持用ウェル１５に蓄積された電子がリセットドレイン１００を通して廃棄される。
【０１３８】
上述したように、保持用ウェル１５に障壁制御電極１４ｃを直接電気的に接続した構成を採用すれば、リセット電極１４ｒに適宜の電圧を印加して保持用ウェル１５の電子を破棄する際に、障壁制御電極１４ｃおよび配線の電荷も同時に廃棄されるから、障壁制御電極１４ｃおよび配線に蓄積される電荷の影響を除去し、結果的に不要電荷の秤量精度を高めることが可能になる。なお、以下に説明する実施形態３〜５においてもこの構成を採用することができる。また、上述の構成では、電荷保持部Ｄ４により障壁制御電極１４ｃに印加する電圧を制御しているが、電荷保持部Ｄ４により分離電極１４ａの印加電圧を制御する構成を採用することも可能である。
【０１３９】
（実施形態３）
本実施形態は、実施形態２の構成と同様に電荷保持部Ｄ４を設けることにより、電荷分離部Ｄ２の容量を環境光の受光光量に応じて自動的に設定するものである。ただし、発光源の点灯期間において発光源から投光する光の強度を一定周波数の変調信号で変調し、変調信号における位相の異なる２区間に同期するタイミングの受光光量に対応した受光出力をそれぞれ取り出すことができるようにした光検出素子について説明する。本実施形態では、変調信号の波形を正弦波とし、位相が０〜１８０度に同期する区間（以下、区間Ｐ０と呼ぶ）の受光光量と、位相が１８０〜３６０度に同期する区間（以下、区間Ｐ２と呼ぶ）の受光光量とに対応する受光出力を取り出すものとする。なお、変調信号の波形は、矩形波や三角波や鋸歯状波を用いることも可能であり、受光光量を検出する区間は、上述の範囲以外でもよいのはもちろんのことである。
【０１４０】
また、本実施形態は多数個のセル１を配列したイメージセンサを構成しており、イメージセンサから１フレームの受光出力を取り出すたびに、上述した２区間の受光出力を同時に取り出すことができるように構成してある。１フレームで２区間の受光出力を取り出すために、１個のセル１について、各区間ごとの受光光量を検出する構成と、各区間ごとの受光出力を蓄積する構成とが必要である。そこで、光電変換部Ｄ１を電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３とは別に設けている。
【０１４１】
さらに詳しく説明する。光電変換部Ｄ１は、素子形成層１１の主表面に形成したウェル（図示せず）に絶縁層１３を介して複数個（図示例では８個）の感度制御電極１７ａ〜１７ｈを配列した構成を有する。ウェルは、素子形成層１１とは異なる導電形であって、電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３として機能するウェル１２とは分離して形成しゲートを介してウェル１２に電荷を転送するのが望ましいが、ウェル１２と連続に形成しポテンシャルを制御することによって電荷を転送するようにしてもよい。８個の感度制御電極１７ａ〜１７ｈのうち４個の感度制御電極１７ａ〜１７ｄは一方の区間に対応するグループになり、残りの４個の感度制御電極１７ｅ〜１７ｈは他方の区間に対応するグループになる。各感度制御電極１７ａ〜１７ｈには、それぞれ制御線２１ａが接続され、感度制御電極１７ａ〜１７ｈごとに電圧を個別に印加することができる。なお、接続線２１ａと各感度制御電極１７ａ〜１７ｈとが接続されている部位を×印で示している。
【０１４２】
図１２（ａ）の縦方向はイメージセンサにおける垂直方向に相当し、図では垂直方向には１個のセル１のみを示している。つまり、垂直方向における１個のセル１は、８個の感度制御電極１７ａ〜１７ｈを備える。また、図では１個のセル１に対して水平方向に隣接するセル１の一部も示している。感度制御電極１７ａ〜１７ｈは、水平方向においては２個のセル１に跨って連続している。水平方向に隣接するセル１の間に、セル分離部２０が設けられ、水平方向におけるセル１間のクロストークが防止されている。セル分離部２０は、素子形成層１１とは異種導電形の半導体を用いて素子形成層１１の主表面側に形成される。制御線２１ａは、図示例ではセル分離部２０を挟んで４本ずつ配置されている。したがって、水平方向に隣接する２個のセル１において光電変換部Ｄ１に占める制御線２１ａの面積を等しくすることができ、隣接する２個のセル１における光電変換部Ｄ１の感度を等しくすることができる。また、垂直方向においては各セル１の中で同じ位置である感度制御電極１７ａ〜１７ｈは同じ制御線２１ａに接続される。
【０１４３】
本実施形態では、上述したように、感度制御電極１７ａ〜１７ｈを備えた光電変換部Ｄ１を、電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３とは別に設けてあり、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４とは、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに対して水平方向に並べて配置されている。図１２では示していないが、水平方向に２個隣接しているセル１のうち右側のセル１では、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４とが光電変換部Ｄ１の右側に配置され、左側のセル１では左側に配置される。また、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とは感度制御電極１７ａ〜１７ｈのグループごとに設けられ、電荷保持部Ｄ４は１個のセル１を構成する両グループで共用される。これは、電荷保持部Ｄ４は環境光に相当する量の電子を保持するものであり、環境光は両グループでは変化しないとみなせるからである。この構成から障壁制御電極１４ｃに印加される電圧も両グループで等しくなり、ポテンシャル障壁Ｂ１の高さは両グループで同じ高さになる。
【０１４４】
各グループにおいて蓄積電極１４ｂは感度制御電極１７ｃ，１７ｆに隣接して設けられており、光電変換部Ｄ１で生成された電子を感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する部位から電荷蓄積部Ｄ３に転送できるようにしてある。ここに、光電変換部Ｄ１と電荷蓄積部Ｄ３とのポテンシャルの関係を調節することにより、電荷蓄積部Ｄ３から光電変換部Ｄ１への電子の移動も可能になる。なお、光電変換部Ｄ１と電荷蓄積部Ｄ３との間の部位にゲート電極（図示せず）を配置し、光電変換部Ｄ１と電荷蓄積部Ｄ３との間の電荷の流れを制御してもよい。
【０１４５】
また、各グループにおいて分離電極１４ａは感度制御電極１７ａ，１７ｈに隣接して設けられる。さらに、両グループで共用される保持電極１４ｄは感度制御電極１７ｄ，１７ｅに跨る部位に配置される。分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂとゲート電極１４ｅとはそれぞれ制御線２１ｂに接続され、障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとは接続線２２を介して接続される。つまり、各グループに設けた分離電極１４ａ同士、蓄積電極１４ｂ同士、ゲート電極１４ｅ同士はそれぞれ制御線２１ｂに接続され、３本の制御線２１ｂを用いて電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４との間での電子の移動が制御される。なお、制御線２１ｂと接続線２２とについて分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃ、保持電極１４ｄ、ゲート電極１４ｅとの接続部位を×印で示している。
【０１４６】
感度制御電極１７ａ〜１７ｈに印加する電圧は、発光源から投光する光の強度を変調する変調信号に同期するように制御される。たとえば、区間Ｐ０には感度制御電極１７ａ〜１７ｄと感度制御電極１７ｆとに正極性の電圧を印加し、区間Ｐ２には感度制御電極１７ｃと感度制御電極１７ｅ〜１７ｈとに正極性の電圧を印加する。各感度制御電極１７ａ〜１７ｈに正極性の電圧を印加すると、セルにおいて各感度制御電極１７ａ〜１７ｈにそれぞれ対応する部位に、電子を集積するポテンシャル井戸が形成される。
【０１４７】
そこで、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに印加する電圧を上述のように制御すると、区間Ｐ０では、ウェルのうち感度制御電極１７ａ〜１７ｄに対応する部位で光照射による電子が集積される。また、区間Ｐ２では、ウェルのうち感度制御電極１７ｅ〜１７ｈに対応する部位で光照射による電子が集積される。つまり、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに印加する電圧パターンを制御することにより、光照射によって電子が生成される面積を変化させていることになり、実質的に光検出素子の感度を制御していることと等価である。
【０１４８】
区間Ｐ０では、感度制御電極１７ｆに対応する部位にもポテンシャル井戸が形成されるから、区間Ｐ２において集積された電子がこのポテンシャル井戸に保持され、区間Ｐ２では、感度制御電極１７ｃに対応する部位に形成されたポテンシャル井戸には区間Ｐ０において集積された電子が保持される。
【０１４９】
したがって、変調信号の複数周期（たとえば、変調信号を１０ＭＨｚとし光電変換部Ｄ１で電子を生成する期間を１５ｍｓとすれば、１５００００周期）に亘って光照射による電子を区間別に集積することができる。感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する部位に電子を保持している期間にも、感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する部位では電子が生成されるが、電子を集積する期間と電子を保持する期間とでは電子を集積する面積比が４：１になるので、保持した電子の量は変調信号の各区間における受光光量を反映していることになる。要するに、区間Ｐ０と区間Ｐ２とに対応する量の電子を、感度制御電極１７ｃ，１７ｆにそれぞれ保持することができる。
【０１５０】
感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する部位に保持された電子は、電荷蓄積部Ｄ３に転送される。転送にあたっては、蓄積電極１４ｂに正極性の電圧を印加し、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに負極性の電圧を印加する。電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４との間で電子を移動させる間には、感度制御電極１７ａ〜１７ｈに負極性の電圧を印加しておくことにより、光電変換部Ｄ１への電子の移動を防止することができる。なお、感度制御電極１７ｃは区間Ｐ２における電子を保持し、感度制御電極１７ｆは区間Ｐ０における電子を保持するから、各グループの電荷蓄積部Ｄ３が光電変換部Ｄ１から電子を受け取るタイミングは異なる。
【０１５１】
発光源の消灯期間において光電変換部Ｄ１で生成された電子は、電荷蓄積部Ｄ３からゲート電極１４ｅに対応する部位を通して電荷保持部Ｄ４に転送される。ここに、発光源の消灯期間には変調信号は不要であるが、発光源の点灯期間と同じタイミングで感度制御電極１７ａ〜１７ｈに印加する電圧を制御し、光電変換部Ｄ１において環境光の受光光量に対応した量の電子を生成する。したがって、１個のセル１における両グループで環境光に対応する電子が電荷蓄積部Ｄ３に転送される。電荷保持部Ｄ４にはどちらか一方の電荷蓄積部Ｄ３から電子を転送すればよいが、両方から電子を転送してもよい。環境光の光量に対応する量の電子が電荷保持部Ｄ４に転送されると、保持電極１４ｄに接続線２２を介して接続された障壁制御電極１４ｃに電圧が印加され、ウェル１２には環境光の光量に応じたポテンシャル障壁Ｂ１が形成される。
【０１５２】
その後、発光源の点灯期間において光電変換部Ｄ１では各グループごとに電子を集積することにより、区間Ｐ０と区間Ｐ２との電子をそれぞれ感度制御電極１７ｃ，１７ｆに対応する領域に保持する。次に、光電変換部Ｄ１から電荷蓄積部Ｄ３に電子を移動させる。以後は実施形態２の動作と同様であって、電荷蓄積部Ｄ３から電荷分離部Ｄ２に電子を移動させ、電荷分離部Ｄ２の容量分の不要電荷を秤量して廃棄するとともに有効電荷を電荷蓄積部Ｄ３に戻す。この動作によって、電荷蓄積部Ｄ３には、発光源の点灯期間において光電変換部Ｄ１で集積した電子のうち発光源の消灯期間の受光光量で規定された量の不要電荷を分離した有効電荷が残る。
【０１５３】
本実施形態は、電荷蓄積部Ｄ３に残留した有効電荷を光電変換部Ｄ１に戻して転送する構成を採用している。つまり、蓄積電極１４ｂに負極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ｃ，１７ｆに正極性の電圧を印加することにより、電荷蓄積部Ｄ３から光電変換部Ｄ１に有効電荷としての電子を転送する。光電変換部Ｄ１に転送された電子は、感度制御電極１７ａ〜１７ｈを垂直転送用の電極として用いることにより垂直方向に転送され、ＣＣＤイメージセンサと同様にして光検出素子の外部に受光出力として取り出される。
【０１５４】
本実施形態の構成では、光電変換部Ｄ１を除く部位は遮光しても動作するから、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４とを遮光することにより、不要電荷を分離する処理の間に光照射で生じた電子が誤差分として有効電荷に混入するのを防止することができる。ただし、上述した各実施形態と同様に光電変換部Ｄ１で光照射による電荷を集積する受光期間に比較して、不要電荷を分離して有効電荷を取り出す秤量期間は十分に短いから、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とは遮光していなくともよい。その場合でも電荷保持部Ｄ４は遮光することが必要である。
【０１５５】
また、本実施形態では、不要電荷を秤量する動作を行っている期間には、光電変換部Ｄ１では光照射による電子を集積しないから、電荷蓄積部Ｄ３が光電変換部Ｄ１と兼用されている構成に比較して誤差を小さくすることができる。他の構成および動作は実施形態２と同様である。
【０１５６】
ところで、実施形態２、３においては、電荷保持部Ｄ４を設けた光検出素子を発光源と組み合わせて用いた空間情報の検出装置を示し、発光源の消灯期間における受光光量（つまり、環境光の受光光量）に応じた量の電子を電荷保持部Ｄ４に保持させる場合について説明した。この装置では、光検出素子の受光出力と発光源から投光する光との関係を用いることによって、発光源から光を投光した対象空間に関する情報を得ることができる。対象空間に関する空間情報としては、物体の存否のほか、物体の反射率や、物体までの距離などがあり、対象空間に関するどのような情報が必要かに応じて受光出力を扱う回路（図示せず）を様々に構成することができる。
【０１５７】
対象空間における物体の存否や反射率を求める場合には、発光源の点灯期間において光の強度を変調しなくてもよいが、対象空間に存在する物体までの距離を求めるには、発光源から投光する光の強度を所定周波数の変調信号で変調し、光検出素子では、変調信号に同期した複数のタイミングでの受光光量を検出する。これは、発光源から投光した光が光検出素子に入射するまでの飛行時間を、変調した光の位相差として検出する技術であって、位相差を求める演算には変調信号の位相の異なる２区間の受光光量の差分を用いる。
【０１５８】
実施形態３の構成例では２つの区間Ｐ０，Ｐ２についてそれぞれ有効電荷が得られるから、有効電荷の差分を求めることによって距離の演算に用いることが可能である。また、実施形態２の構成例では、２つの区間Ｐ０，Ｐ２のうちの一方の区間で得られた電子を電荷保持部Ｄ４に保持すれば、この区間の受光光量に対応した量の電子が不要電荷になり、他方の区間で得られた電子から減算することになるから、得られた有効電荷の量は２つの区間Ｐ０，Ｐ２の受光光量の差分に相当することになる。つまり、距離の演算を外部回路で行う際に、光検出素子の受光出力に対する演算量を低減することができる。
【０１５９】
また、有効電荷が２つの区間Ｐ０，Ｐ２の受光光量の差分に相当する量になる構成では、２つの区間Ｐ０，Ｐ２の電子を電荷保持部Ｄ４に交互に保持させれば、どちらを保持するかに応じて誤差が交互に異なる方向に発生することになる。したがって、２回の受光出力を平均すれば、不要電荷の分離に伴って発生する誤差を相殺することができ、受光出力に基づいて得られる対象空間の情報を精度よく求めることが可能になる。
【０１６０】
（実施形態４）
本実施形態は、実施形態３と同様に、発光源から投光する光の強度を一定周波数の変調信号で変調し、変調信号における位相の異なる２区間に同期するタイミングの受光光量に対応した受光出力をそれぞれ取り出すことができるようにした光検出素子を示す。ただし、実施形態３では変調信号の位相が０〜１８０度に同期する区間Ｐ０の受光光量と、位相が１８０〜３６０度に同期する区間Ｐ２の受光光量とのそれぞれに対応付けて、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とを設けた構成を採用したが、本実施形態では、区間Ｐ０と区間Ｐ２との受光光量について電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とを共用する構成を示す。
【０１６１】
図１３に示すように、光電変換部Ｄ１において１個のセル１について８個の感度制御電極１７ａ〜１７ｈを設けている点では、実施形態３と同様であるが、電荷分離部Ｄ２、電荷蓄積部Ｄ３、電荷保持部Ｄ４については、実施形態３の構成では垂直方向において対称であったのに対し、本実施形態では非対称になっている。光電変換部Ｄ１において感度制御電極１７ａ〜１７ｄが配置された領域Ｅ１の側方には電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３を形成する領域Ｅ３が設けられ、後述するように光電変換部Ｄ１は電荷蓄積部Ｄ３としても共用される。また、電荷保持部Ｄ４を形成する領域Ｅ４は感度制御電極１７ｅ〜１７ｈが配置された領域Ｅ２の側方に設けられる。
【０１６２】
電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３を形成する領域Ｅ３には、光電変換部Ｄ１における感度制御電極１７ａに隣接する受取電極１４ｆが設けられ、受取電極１４ｆの下に形成されるポテンシャル井戸を感度制御電極１７ａの下に形成されるポテンシャル井戸に対して相対的に深くすることによって、感度制御電極１７ａの下に形成されるポテンシャル井戸に蓄積された電荷を光電変換部Ｄ１から受け取ることができるようにしてある。
【０１６３】
また、領域Ｅ３において感度制御電極１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの側方には、分離電極１４ａ、障壁制御電極１４ｃ、蓄積電極１４ｂがそれぞれ配置される。図示例では、障壁制御電極１４ｃのみの寸法が小さくなっているが、この構成のような寸法関係は必須というわけではない。
【０１６４】
一方、電荷保持部Ｄ４を形成する領域Ｅ４には、光電変換部Ｄ１における感度制御電極１７ｅ〜１７ｇに跨る部位にゲート電極１４ｅが設けられ、ゲート電極１４ｅの下に形成されるポテンシャル井戸を感度制御電極１７ｆの下に形成されるポテンシャル井戸に対して相対的に深くすることによって感度制御電極１７ｆの下に形成されるポテンシャル井戸に蓄積された電荷を光電変換部Ｄ１から受け取ることができるようにしてある。
【０１６５】
領域Ｅ４において、ゲート電極１４ｅに対して光電変換部Ｄ１の反対側には保持電極１４ｄが配置される。したがって、実施形態２、３と同様にして保持電極１４ｄの下にポテンシャル井戸を形成しておけば、ゲート電極１４ｅの下のポテンシャルを適宜に調節することで、感度制御電極１７ｆの下のポテンシャル井戸に蓄積された電荷を保持電極１４ｄの下のポテンシャル井戸に流し込むことができる。
【０１６６】
保持電極１４ｄの下のポテンシャル井戸である電荷保持部Ｄ４に電荷を移動させた後には、障壁制御電極１４ｃの電位は電荷保持部Ｄ４に保持されている電荷の量で決まり、障壁制御電極１４ｃの下に形成されるポテンシャル障壁の高さが決定される。
【０１６７】
なお、素子形成層１１（図１参照）にはウェル１２（図１参照）に隣接してドレイン（オーバーフロードレイン）２３が形成される。
【０１６８】
以下に本実施形態の動作を図１４を用いて説明する。実施形態３と同様に発光源に消灯期間を設けており、本実施形態の光検出素子を用いるには、まず、消灯期間において（Ｓ１）、光電変換部Ｄ１のうち感度制御電極１７ｅ〜１７ｈに正極性の電圧を印加し、感度制御電極１７ａ〜１７ｄは基準電位とする（負極性の電圧を印加してもよい。以下同様に、基準電位とする状態は負極性の電圧を印加する状態と置き換え可能である）。また、領域Ｅ３，Ｅ４に設けた分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、保持電極１４ｄ、ゲート電極１４ｅ、受取電極１４ｆについても基準電位とする。
【０１６９】
上述の動作により、光電変換部Ｄ１のうち感度制御電極１７ｅ〜１７ｈに対応する領域Ｅ２には、環境光の受光光量に相当する電子が集積される（Ｓ２）。環境光の受光光量に相当する電子が領域Ｅ２に集積された後には、感度制御電極１７ｆにのみ正極性の電圧を印加し、他の感度制御電極１７ａ〜１７ｅ，１７ｇ，１７ｈは基準電位とする。この動作により、感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸に環境光の受光光量に相当する電子が集積される。
【０１７０】
次に、ゲート電極１４ｅに正極性の電圧を印加することにより、ゲート電極１４ｅの下にチャンネルを形成し、感度制御電極１７ｆの下のポテンシャル井戸から保持電極１４ｄの下の保持部Ｄ４に電子を転送する（Ｓ３）。保持部Ｄ４に電子が転送されると、保持電極１４ｄの電位は環境光の受光光量に応じた電位になり、障壁制御電極１４ｃの電位も同電位なる。つまり、障壁制御電極１４ｃの下に形成されるポテンシャル障壁の高さが決まる。
【０１７１】
次に発光源から投光する点灯期間に移行する（Ｓ４）。点灯期間では、変調信号により強度が変調された信号光を投光するから、区間Ｐ０と区間Ｐ２との受光光量に対応する受光出力を個別に取り出すために以下の動作を行う。ここでは、区間Ｐ０の受光光量に対応する電子を領域Ｅ１で集積し、区間Ｐ２の受光光量に対応する電子を領域Ｅ２で集積するものとする。
【０１７２】
まず、領域Ｅ１の感度制御電極１７ａ〜１７ｄと領域Ｅ２の感度制御電極１７ｆとに正極性の電圧を印加し、領域Ｅ２の残りの感度制御電極１７ｅ，１７ｇ，１７ｈを基準電位とする動作と（Ｓ５）、領域Ｅ１の感度制御電極１７ｂと領域Ｅ２の感度制御電極１７ｅ〜１７ｈとに正極性の電圧を印加し、領域Ｅ１の残りの感度制御電極１７ａ，１７ｃ，１７ｄを基準電位とする動作とを（Ｓ６）、変調信号に同期する周期で１回ずつ（もしくは複数回ずつ）行う。この動作により、感度制御電極１７ｂに対応するポテンシャル井戸には区間Ｐ０の受光光量に対応する電子が集積され、感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸には区間Ｐ２の受光光量に対応する電子が集積される。
【０１７３】
次に、区間Ｐ０，Ｐ２の受光光量に対応する電子から不要電荷を分離し有効電荷を取り出す処理を行う。区間Ｐ０の受光光量に対応する電子は、感度制御電極１７ｂに対応するポテンシャル井戸に集積されているから、感度制御電極１７ａに正極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ｂを基準電位として感度制御電極１７ａに対応するポテンシャル井戸に電子を転送する。さらに、受取電極１４ｆに正極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ａを基準電位として受取電極１４ｆの下のポテンシャル井戸に電子を転送する。つまり、領域Ｅ１で集積した区間Ｐ０の受光光量に対応する電子を領域Ｅ３に転送する。
【０１７４】
領域Ｅ３に転送された電子は、受取電極１４ｆに対応するポテンシャル井戸から分離電極１４ａに対応して形成される電荷分離部Ｄ２に流し込まれる。ここで、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３との間のポテンシャル障壁の高さが決まっているから、一定量の不要電荷が電荷分離部Ｄ２に残り、それ以外の有効電荷が電荷蓄積部Ｄ３に流れ込む。電荷分離部Ｄ２の不要電荷は、ドレイン２３を通して廃棄される。このようにして、区間Ｐ０の受光光量に対応する電子から不要電荷が秤量され有効電荷が取り出される（Ｓ８）。
【０１７５】
上述のようにして得られた有効電荷は、蓄積電極１４ｂに隣接して設けられた感度制御電極１７ｄの下に形成されるポテンシャル井戸に転送される。つまり、区間Ｐ０の受光光量から環境光の受光光量に相当する不要電荷を分離した有効電荷が領域Ｅ３から領域Ｅ１に転送される（Ｓ９）。
【０１７６】
ところで、領域Ｅ２において集積された電子についても同様にして不要電荷を分離する必要がある。領域Ｅ２では感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸に区間Ｐ２の受光光量に対応する電子が集積されているから、この電子を領域Ｅ３に転送するために、感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸から感度制御電極１７ａに対応して形成されるポテンシャル井戸まで電子を転送する必要がある。また、このとき区間Ｐ０の受光光量から得られた有効電荷と混合されることがないように、ステップＳ９で領域Ｅ１に転送された電荷も垂直方向に転送する必要がある。そこで、感度制御電極１７ｄの下のポテンシャル井戸からは隣接するセル１の感度制御電極１７ｇの下のポテンシャル井戸まで電子（区間Ｐ０の有効電荷）を転送し、感度制御電極１７ｆの下のポテンシャル井戸からは感度制御電極１７ａの下のポテンシャル井戸まで電子（区間Ｐ２の電子）を転送する（Ｓ１０）。
【０１７７】
区間Ｐ２の受光光量に対応した電子が感度制御電極１７ａの下のポテンシャル井戸まで転送された後には、領域Ｅ１から領域Ｅ３に電子を転送し、この電子から不要電荷を分離して有効電荷を電荷蓄積部Ｄ３に取り出す（Ｓ１１〜Ｓ１３）。つまり、ステップＳ７〜Ｓ９と同様の処理を行うことにより区間Ｐ２の有効電荷を取り出すことができる。この有効電荷は感度制御電極１７ｄの下のポテンシャル井戸に転送され、領域Ｅ３から領域Ｅ１に有効電荷が戻される（Ｓ１４）。
【０１７８】
上述の動作により区間Ｐ０と区間Ｐ２との有効電荷が得られると、各有効電荷は垂直方向に転送されて感度制御電極１７ｂ，１７ｆの位置に一旦戻される（Ｓ１５）。このような動作を点灯期間において規定回数だけ繰り返し（Ｓ１６）、最終的に感度制御電極１７ｂ，１７ｆに対応するポテンシャル井戸に残った電子を受光出力として取り出す（Ｓ１７）。
【０１７９】
なお、分離電極１４ａとドレイン２３との間、および保持電極１４ｄとドレイン２３との間には、それぞれ廃棄電極１４ｇ，１４ｈが設けられており、領域Ｅ１から領域Ｅ３への電荷の転送毎に廃棄電極１４ｇに印加する電圧の制御によって不要電荷が廃棄され、また、領域Ｅ２から領域Ｅ４への電荷の転送毎に廃棄電極１４ｈに印加する電圧の制御によって保持部Ｄ４に保持されている環境光に対応した電子が廃棄される。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【０１８０】
（実施形態５）
実施形態４の構成では、不要電荷を分離する機能を備えた領域Ｅ３を感度制御電極１７ａ〜１７ｈが配列されている領域Ｅ１の側方（水平方向における異なる部位）に配置した構成を示したが、本実施形態では、図１５に示すように、不要電荷を分離する機能を備えた領域Ｅ３を、光電変換部Ｄ１を設けている領域Ｅ１，Ｅ２に対して垂直方向に並べた構成例について説明する。
【０１８１】
本実施形態では、１個のセル１について６個の感度制御電極１７ａ〜１７ｆを設けてあり、３個ずつの感度制御電極１７ａ〜１７ｃ，１７ｄ〜１７ｆが、それぞれ区間Ｐ０，Ｐ２における受光光量に対応する電荷を集積する領域Ｅ１，Ｅ２を形成するようにしている。また、垂直方向において隣り合うセル１の間に不要電荷を分離するための領域Ｅ３を設け、この領域Ｅ３の側方（水平方向に離れた部位）に環境光の受光光量に対応する電荷を保持する領域Ｅ４を設けている。
【０１８２】
すなわち、一つのセル１の感度制御電極１７ｆに対して垂直方向に隣接して領域受取電極１４ｆが配置され、受取電極１４ｆに対して感度制御電極１７ｆと反対には分離電極１４ａと障壁制御電極１４ｃと蓄積電極１４ｂとが順に並んで配置される。蓄積電極１４ｂに対して障壁制御電極１４ｃの反対側には別のセル１の感度制御電極１７ａが配置される。
【０１８３】
また、受取電極１４ｆと分離電極１４ａと障壁制御電極１４ｃと蓄積電極１４ｂとが並ぶ領域Ｅ３に対して、受取電極１４ｆと分離電極１４ａと障壁制御電極１４ｃとの側方にはゲート電極１４ｅを挟んで保持電極１４ｄが配置される。ここに、障壁制御電極１４ｃは保持電極１４ｄとは接続線２２を介して接続されている。領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の周囲はドレイン２３により囲まれており、保持電極１４ｄに対応して形成される保持部Ｄ４とドレイン２３との間には廃棄電極１４ｇが配置される。なお、上述した各電極はｐ形の素子形成層１１に形成されたｎ形のウェル１２の表面に配置される。
【０１８４】
本実施形態の動作は基本的には実施形態４の動作と同様であって、消灯期間において光電変換部Ｄ１のうち領域Ｅ２に対応する感度制御電極１７ｄ〜１７ｆに正極性の電圧を印加し、領域Ｅ１の感度制御電極１７ａ〜１７ｃは基準電位とする。また、分離電極１４ａ、蓄積電極１４ｂ、障壁制御電極１４ｃ、保持電極１４ｄ、ゲート電極１４ｅ、受取電極１４ｆも基準電位とする。したがって、光電変換部Ｄ１のうち領域Ｅ２には環境光の受光光量に相当する電子が集積される。環境光の受光光量に相当する電子が領域Ｅ２に集積された後には、領域Ｅ１，Ｅ２のうちの各感度制御電極１７ａ〜１７ｆのうち感度制御電極１７ｆにのみ正極性の電圧を印加し、集積された電子を感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸に集積する。
【０１８５】
感度制御電極１７ｆに対応するポテンシャル井戸に集積された電子は、受取電極１４ｆおよびゲート電極１４ｅを介して保持電極１４ｄの下の保持部Ｄ４に転送される。この段階で障壁制御電極１４ｃの下に形成されるポテンシャル障壁の高さが環境光に対応するように設定される。
【０１８６】
次に発光源から投光する点灯期間に移行させると、変調信号に同期した区間Ｐ０と区間Ｐ２とに対応付けて、感度制御電極１７ａ〜１７ｃ，１７ｅに正極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ｄ，１７ｆを基準電位とする動作と、感度制御電極１７ｂ，１７ｄ〜１７ｆに正極性の電圧を印加するとともに感度制御電極１７ａ，１７ｂを基準電位とする動作とを、変調信号に同期する周期で少なくとも１回ずつ行う。この動作によって、区間Ｐ０の受光光量に応じた電子が感度制御電極１７ｂに集積され、区間Ｐ２の受光光量に応じた電子が感度制御電極１７ｅに集積される。
【０１８７】
ここで、感度制御電極１７ｅに集積された電子を垂直方向に転送し、分離電極１４ａの下のポテンシャル井戸である電荷分離部Ｄ１に転送すれば、障壁制御電極１４ｃの下のポテンシャル障壁の高さに応じて不要電荷が分離され、有効電荷のみが蓄積電極１４ｂの下の電荷蓄積部Ｄ２に蓄積される。つまり、区間Ｐ２に対応する有効電荷が電荷蓄積部Ｄ２に蓄積される。ここで、電荷分離部Ｄ１の不要電荷は図示しない経路でドレイン２３を通して廃棄する。
【０１８８】
図示例では、分離電極１４ａよりも上流側（図の上方から下方に電子を転送する場合を想定している）と下流側とでドレイン２３を連続させて記述しているが、上流側と下流側とにおいてドレイン２３を分離させるのが望ましい。この構成を採用する場合には、上流側のドレイン２３に隣接するいずれかの感度制御電極１７ａ〜１７ｆ（たとえば感度制御電極１７ｅ）の下に廃棄する不要電荷を転送し、ドレイン２３には電子を引き込む電圧（たとえば、＋１５Ｖ）を印加し、不要電荷を転送した部位の感度制御電極１７ｅには電子を押し出す電圧（たとえば、−５Ｖ）を印加する。また、不要電荷を転送した部位の感度制御電極１７ｅに隣接する感度制御電極１７ｃ，１７ｄ，１７ｆ，１７ｇにも電子を押し出す電圧を印加しておく。この動作によって、不要電荷は感度制御電極１７ｃ，１７ｄ，１７ｆ，１７ｇのほうに流れることなくドレイン２３に流れて廃棄される。
【０１８９】
次に、感度制御電極１７ｂの下に形成されたポテンシャル井戸に集積されている区間Ｐ０の受光光量に対応した電子を垂直方向に転送し、分離電極１４ａの下のポテンシャル井戸である電荷分離部Ｄ１に転送する。このとき、蓄積電極１４ｂの下の電荷蓄積部Ｄ２に蓄積されている区間Ｐ２の有効電荷も垂直方向に転送し、垂直方向に隣接するセル１の感度制御電極１７ｂの下に形成されるポテンシャル井戸に待避させる。
【０１９０】
上述のようにして区間Ｐ０の受光光量に対応した電子を電荷分離部Ｄ１に転送すれば、不要電荷が分離され、電荷蓄積部Ｄ２には区間Ｐ０の有効電荷が蓄積される。
【０１９１】
電荷蓄積部Ｄ２に蓄積された区間Ｐ０の有効電荷および感度制御電極１４ｂの下のポテンシャル井戸に蓄積された区間Ｐ２の有効電荷は、垂直方向において図１５の上方に向かって転送される。なお、蓄積電極１４ｂに印加する電圧を制御することによって、電荷蓄積部Ｄ２に蓄積された有効電荷は、障壁制御電極１４ｃの下のポテンシャル障壁を乗り越えることができる。このように有効電荷を逆向きに転送することにより、感度制御電極１４ｂ，１４ｅの下のポテンシャル井戸に区間Ｐ０，Ｐ２の各有効電荷を蓄積することができる。
【０１９２】
点灯期間において上述した動作を規定回数繰り返した後に、有効電荷は受光出力として取り出される。本実施形態の動作では、実施形態４の動作に比較すると手順が少なくなり、動作が容易になる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【０１９３】
（実施形態６）
上述した実施形態では、分離電極１４ａと蓄積電極１４ｂと障壁制御電極１４ｃと保持電極１４ｄとゲート電極１４ｅとが個々に異なる幅寸法を有していたが、本実施形態は、同幅の電極を複数個配列し、電極を適宜に組み合わせることによって実質的に異なる幅の電極を用いた構成と同様の動作を行うものである。また、本実施形態では、実施形態３と同様に発光源から投光する光の強度を正弦波状の変調信号により変調し、区間Ｐ０と区間Ｐ２とに集積した電荷を受光出力として取り出す場合を想定する。ただし、光電変換部Ｄ１は電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３と兼用されており、また電荷保持部Ｄ４は設けていない。
【０１９４】
図１６に示すように、本実施形態における１個のセル１は、素子形成層１１の主表面に設けたウェル１２に絶縁層１３を介して同じ幅の制御電極１８ａ〜１８ｌを等間隔で配列してある。本実施形態では、１２個の制御電極１８ａ〜１８ｌによって１個のセル１を構成している。１個のセル１の中では、各制御電極１８ａ〜１８ｌに印加する電圧を個別に制御することができるように配線している。
【０１９５】
光電変換部Ｄ１としての動作は実施形態３の感度制御電極１７ａ〜１７ｈを用いた動作とほぼ同様の動作になる。ただし、本実施形態では受光期間において、制御電極１８ａ〜１８ｉを用いて区間Ｐ０における受光光量に対応した電子を集積し、制御電極１８ｄ〜１８ｌを用いて区間Ｐ２における受光光量に対応した電子を集積する。この動作を図１７により説明する。なお、図１７において横に並ぶ（ａ）〜（ｌ）の符号は制御電極１８ａ〜１８ｌに対応する。
【０１９６】
まず、受光期間において、光電変換部Ｄ１としての動作を行う間は、区間Ｐ０では図１７（ａ）に示すように制御電極１８ａ〜１８ｉに正極性の電圧を印加し、９個の制御電極１８ａ〜１８ｉに対応する領域で電子を集積する。また、区間Ｐ２では図１７（ｂ）に示すように制御電極１８ｄ〜１８ｌに正極性の電圧を印加し、９個の制御電極１８ｄ〜１８ｌに対応する領域で電子を集積する。各区間Ｐ０，Ｐ２で光照射により集積した電子は、電子を集積する領域以外の領域で保持する。つまり、制御電極１８ａ〜１８ｉに対応する領域で電子を集積している区間Ｐ０においては、区間Ｐ２の電子を制御電極１８ｋに対応する領域に保持し、制御電極１８ｄ〜１８ｌに対応する電子を集積している区間Ｐ２においては、区間Ｐ０の電子を制御電極１８ｂに対応する領域に保持する。区間Ｐ０，Ｐ２の動作を何度も繰り返すことにより、ウェル１２において制御電極１８ｂに対応する領域には受光光量に応じた量の電子が保持される。
【０１９７】
受光期間が終了し、区間Ｐ０における受光光量に対応した量の電子が制御電極１８ｂに対応する領域に集積されるか、区間Ｐ２における受光光量に対応した量の電子が制御電極１８ｋに対応する領域に集積されると、秤量期間に移行し、不要電荷を分離して有効電荷を残す動作が開始される。
【０１９８】
たとえば、制御電極１８ｂに対応する領域に保持している電子から不要電荷を分離するには、区間Ｐ０で集積した電子を制御電極１８ｂに対応する領域に形成したポテンシャル井戸に保持させた状態で、制御電極１８ａには負極性の電圧を印加してポテンシャル障壁を形成する。また、制御電極１８ｄ，１８ｅに対応する領域を電荷蓄積部として利用するために、区間Ｐ２で集積された電子を転送する。つまり、図１７（ｃ）（ｄ）のように制御電極１８ｃ〜１８ｈに対応するポテンシャル障壁を順に形成して、区間Ｐ２に集積した電子を転送する。
【０１９９】
次に、図１７（ｅ）のように、制御電極１８ｄ，１８ｅに正極性の電圧を印加して電荷蓄積部Ｄ３となるポテンシャル井戸を形成するとともに、制御電極１８ｃに印加する電圧を制御して規定の高さのポテンシャル障壁Ｂ３を形成する。この動作によって、制御電極１８ｂに対応するポテンシャル井戸には不要電荷が残り、ポテンシャル障壁Ｂ３を超えて制御電極１８ｄ，１８ｅに対応するポテンシャル井戸に流入した電子は有効電荷として利用される。
【０２００】
次に、図１７（ｆ）のように、制御電極１８ｃに対応するポテンシャルを高くし期間Ｐ０に対応する有効電荷の漏れを防止し、同時に、期間Ｐ２に集積した電子を、制御電極１８ｋに対応するポテンシャル井戸に集積する。この状態では、制御電極１８ｇ〜１８ｉに対応する領域に電荷蓄積部Ｄ３となるポテンシャル井戸が形成され、制御電極１８ｊに対応するポテンシャル障壁が形成される。
【０２０１】
制御電極１８ｋに対応するポテンシャル井戸に保持している電子から不要電荷を分離するには、図１７（ｇ）に示すように、制御電極１８ｊに印加する電圧を制御してポテンシャル障壁Ｂ４を引き下げる。このときのポテンシャル障壁Ｂ４の高さにより区間Ｐ２に集積した電子のうちの不要電荷の量が決まる。つまり、制御電極１８ｋに対応する領域が電荷分離部Ｄ２として機能する。
【０２０２】
不要電荷を分離した後には、図１７（ｈ）のように、制御電極１８ｊに対応するポテンシャル障壁を高くし、制御電極１８ｇ〜１８ｉに対応するポテンシャル井戸に蓄積された区間Ｐ２の有効電荷の漏れを防止する。なお、制御電極１８ｂ，１８ｋに残留する不要電荷は廃棄される。
【０２０３】
上述した動作により、区間Ｐ０，Ｐ２における光照射により生成された電子から不要電荷を分離し、有効電荷を取り出すことができる。本実施形態では、制御電極１８ａ〜１８ｌが一列に配列されているから、制御電極１８ａ〜１８ｌにＣＣＤイメージセンサの垂直転送レジスタと同様に適宜のタイミングで電圧を印加すれば、有効電荷である電子を制御電極１８ａ〜１８ｌの配列方向に転送することができる。この電子を光検出素子の外部に取り出すことにより受光出力が得られる。すなわち、本実施形態の構成では、光電変換部Ｄ１が電荷分離部Ｄ２および電荷蓄積部Ｄ３と兼用され、さらに電荷取出部としても兼用されることになる。また、２つの区間Ｐ０，Ｐ２に対応して生成された電子について、不要電荷を分離する処理を同時に行うことが可能であるから、不要電荷を分離する処理時間を短くすることができる。
【０２０４】
上述した構成例では実施形態１と同様の動作を行う例を示したが、制御電極１８ｂ，１８ｋに印加する電圧を別に設けた電荷分離部Ｄ４に保持される電子の量で制御するようにすれば、実施形態２あるいは実施形態３と同様に、不要電荷の量を自動的に調節することが可能になる。他の構成および動作は上述した各実施形態と同様である。
【０２０５】
（実施形態７）
本実施形態は、実施形態６と同様に、同じ幅の複数個の制御電極１９ａ〜１９ｉを配列した構成を有するものである。ただし、実施形態６では１個のセル１を１２個の制御電極１８ａ〜１８ｌで構成していたのに対して本実施形態では、図１８に示すように、１個のセル１を９個の制御電極１９ａ〜１９ｉで構成した例を示す（図１９において横に並ぶ（ａ）〜（ｉ）はそれぞれ制御電極１９ａ〜１９ｉに対応する）。実施形態６において説明したように、変調信号の位相の１区間に対応する電子を集積するとともに不要電荷を分離するためには６個の制御電極を用いるから、９個の制御電極１９ａ〜１９ｉでは、変調信号の位相の２つの区間に対応する電子の集積と不要電荷の分離とを個々独立した領域で行うことはできない。つまり、両区間で一部の領域を重複させて使用することになる。また、実施形態６では、両区間において集積した電子から不要電荷を分離する動作を同時進行で行うことができるが、本実施形態の構成では一部領域が重複して使用されるから、両区間において集積した電子から不要電荷を分離する動作は異なる時間に行うことになる。
【０２０６】
具体的には、図１９に示す動作になるのであって、光照射により生成される電子を集積するように光電変換部Ｄ１として機能させる期間には、図１９（ａ）（ｂ）に示すように、制御電極１９ｇ，１９ｉに負極性の電圧を印加する期間と、制御電極１９ａ，１９ｃに負極性の電圧を印加する期間とを交互に設ける。両期間は変調信号に同期させて設定されており、たとえば図１９（ａ）の状態を区間Ｐ０に対応させ、図１９（ｂ）の状態を区間Ｐ２に対応させる。この場合、図１９（ａ）の状態では区間Ｐ０に対して制御電極１９ａ〜１９ｆに対応する領域が光電変換部Ｄ１として機能し、図１９（ｂ）の状態では区間Ｐ２に対して制御電圧１９ｄ〜１９ｉに対応する領域が光電変換部Ｄ１として機能する。また、区間Ｐ０に集積した電子は制御電極１９ｂに対応する領域に保持され、区間Ｐ２に集積した電子は制御電極１９ｈに対応する領域に保持される。
【０２０７】
図１９（ａ）（ｂ）の状態を交互に繰り返す動作を十分に長い時間行った後、制御電極１９ｂ，１９ｈに対応する領域に保持されている電子から不要電荷を分離し、制御電極１９ｂ，１９ｈに対応する領域に有効電荷を残す動作を行う。制御電極１９ｂ，１９ｈに対応する領域は有効電荷を残す領域であるから、電荷蓄積部Ｄ３として機能する。
【０２０８】
図示例では、図１９（ｂ）に示す区間Ｐ２で集積した電子から不要電荷を分離した後、図１９（ａ）に示す区間Ｐ０で集積した電子から不要電荷を分離している。区間Ｐ２で集積した電子から不要電荷を分離する間には、制御電極１９ｂに対応する領域に区間Ｐ０で集積した電子を保持させ、区間Ｐ２で集積した電子から不要電荷を分離した有効電荷を制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に保持させる。
【０２０９】
さらに具体的に説明する。まず、光電変換部Ｄ１において光照射による電子を集積した後、図１９（ｃ）のように、区間Ｐ０で集積した電子を制御電極１９ｂに対応する領域に形成したポテンシャル井戸に保持させる。また、制御電極１９ｇには負極性の電圧を印加してポテンシャル障壁を形成する。この状態は区間Ｐ２で集積した電子から不要電荷を分離するまで継続される。また、図１９（ｃ）の状態では区間Ｐ２で集積された電子を制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に形成したポテンシャル井戸に保持させる。つまり、区間Ｐ２で集積され制御電極１９ｄ〜１９ｉに対応する領域に集積された電子を制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に集める。
【０２１０】
この動作は、図１９（ｄ）に示すように、制御電極１９ｈに対応する領域に電子のない空のポテンシャル井戸を形成するための前置動作である。すなわち、光照射による電子の集積が終了した段階では、制御電極１９ｈに対応する領域には区間Ｐ２で集積した電子が存在しているから、図１９（ｃ）のように制御電極１９ｇ〜１９ｉに負極性の電圧を印加することにより、図１９（ｄ）のように制御電極１９ｈに対応する領域にポテンシャル井戸を形成したときに、電子の存在しないポテンシャル井戸を形成することができる。
【０２１１】
次に、図１９（ｅ）（ｆ）のように、制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に保持した電子を制御電極１９ｈに対応する領域に移動させる。この際、まず制御電極１９ｆ〜１９ｈに対応する領域にポテンシャル井戸を形成するとともに、制御電極１９ｃ〜１９ｅに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、さらに制御電極１９ｆに対応する領域、制御電極１９ｇに対応する領域に順次ポテンシャル障壁を形成し、制御電極１９ｈに対応する領域に電子を集積させる。この段階で制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に空のポテンシャル井戸を形成する。つまり、図１９（ｅ）の状態と図１９（ｆ）の状態との間には複数の状態が存在するが、図では省略している。また、ポテンシャルに関して、図１９（ｆ）の状態と図１９（ｄ）の状態とは同じであるが、図１９（ｄ）の状態では制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域にのみ電子が存在するのに対して、図１９（ｆ）の状態では制御電極１９ｈに対応する領域にのみ電子が存在する点で相違している。なお、図において図１９（ｅ）の状態から図１９（ｆ）の状態に至る途中過程は省略してある。
【０２１２】
ここまでの過程で、区間Ｐ２で集積された電子が制御電極１９ｈに対応する領域に集積される。次に、図１９（ｇ）のように制御電極１９ｇに対応するポテンシャル障壁Ｂ５を引き下げる。このポテンシャル障壁Ｂ５は、実施形態１において説明したポテンシャル障壁Ｂ１と同様の機能を有しており、制御電極１９ｈに対応する領域を電荷分離部Ｄ２としてポテンシャル障壁Ｂ５の高さで決まる容量分の電子が秤量される。電荷分離部Ｄ２の容量を超える電子は、ポテンシャル障壁Ｂ５を乗り越えて制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域である電荷蓄積部Ｄ３に流入する。
【０２１３】
電子が電荷蓄積部Ｄ３に流入した後に、図１９（ｈ）のように、制御電極１９ｇに印加する電圧を負極性にしてポテンシャル障壁Ｂ５を高くすると、電荷分離部Ｄ２の不要電荷と電荷蓄積部Ｄ３の有効電荷とを完全に分離することができ、図１９（ｉ）のように電荷分離部Ｄ２となる制御電極１９ｈに対応したポテンシャル井戸の不要電荷を廃棄すれば、制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に有効電荷を残留させることができる。この有効電荷は、区間Ｐ２の受光光量に対応した量になる。
【０２１４】
一方、制御電極１９ｂに対応する領域に保持されている電子の量は、区間Ｐ０の受光光量に対応している。この電子は、図１９（ｊ）〜図１９（ｏ）の手順で不要電荷が分離される。この期間には、制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に区間Ｐ２の有効電荷を保持した状態が維持される。本実施形態の特徴は、制御電極１９ｈに対応する領域が、区間Ｐ２の電子に対する電荷分離部Ｄ２として機能するだけではなく、区間Ｐ０の電子に対する電荷分離部Ｄ２としても兼用されている点にある。
【０２１５】
すなわち、不要電荷の廃棄後に、まず図１９（ｊ）（ｋ）のように、制御電極１９ｂに対応する領域に保持されていた区間Ｐ０の電子を制御電極１９ｈに対応する領域に移動させる。この際、制御電極１９ａ，１９ｉに対応する領域のポテンシャルを引き下げて制御電極１９ａ，１９ｂ，１９ｈ，１９ｉに対応する領域のポテンシャルを等しくし、その後、制御電極１９ｈに対応する領域に電子を寄せる。図１９（ｊ）（ｋ）の間の状態は図では省略しているが、制御電極１９ｂ，１９ａ，１９ｉの順に対応する領域のポテンシャルを高くし、制御電極１９ｈに対応する領域にのみ電子が集積された状態で、制御電極１９ａ，１９ｂに対応する領域のポテンシャルを下げる。
【０２１６】
上述の動作により、制御電極１９ｈに対応する領域に区間Ｐ０の電子が保持され、制御電極１９ｈに対応する領域が電荷分離部Ｄ２として機能することになる。つまり、図１９（ｌ）のように、制御電極１９ｉに対応する領域のポテンシャルによるポテンシャル障壁Ｂ６が形成され、このポテンシャル障壁Ｂ６を乗り越える電子が、有効電荷として制御電極１９ａ，１９ｂに対応する領域に流入する。つまり、制御電極１９ａ，１９ｂに対応する領域が電荷蓄積部Ｄ３として機能する。
【０２１７】
その後、図１９（ｍ）のように、制御電極１９ｉに対応するポテンシャル障壁Ｂ６を高くし、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３との電子を分離した状態で、図１９（ｎ）のように、電荷分離部Ｄ２となる制御電極１９ｈに対応するポテンシャル井戸に集積された不要電荷である電子を廃棄すれば、制御電極１９ｄ〜１９ｆに対応する領域に区間Ｐ２の受光光量に対応する電子が保持され、制御電極１９ａ，１９ｂに対応する領域に区間Ｐ０の受光光量に対応する電子が保持されることになる。なお、これらの電子を取り出した後には、図１９（ａ）（ｂ）の動作に復帰し光照射による電子を集積する。
【０２１８】
本実施形態の構成を採用すれば、実施形態６の構成に比較して制御電極の個数が少なくなり、それだけ１個のセル１が占める面積を小さくすることができる。複数個のセル１を配列し１個のセル１を１画素として撮像素子を構成する場合には、１画素の占有面積が小さくなり、結果的に解像度の向上につながる。他の構成および動作は上述した各実施形態と同様である。
【０２１９】
（実施形態８）
上述した各実施形態では、ポテンシャル井戸を利用して規定した一定量の不要電荷を秤量する構成を示したが、本実施形態では光照射により生成された電子のうち規定した一定量の不要電荷を秤量するる方法として、規定した一定量の不要電荷を廃棄する技術を説明する。
【０２２０】
本実施形態では、図２０に示すように、素子形成層１１の主表面側に形成した光電変換部Ｄ１となるウェル１２とは別に、素子形成層１１の主表面側に廃棄用ウェル２５を形成し、ウェル１２と廃棄用ウェル２５との間の部位には素子形成層１１の主表面に絶縁層１３を介して廃棄ゲート電極２６を設けてある。さらに、廃棄用ウェル２５には廃棄電極２７をオーミックに接合してある。廃棄用ウェル２５は、ウェル１２と同じ導電形とし、不純物濃度をウェル１２よりも高くしてある。
【０２２１】
廃棄電極２７には正極性の一定電圧を常時印加しておき、廃棄用ウェル２５に集積された電子が廃棄電極２７を通して廃棄されるようにする。また、廃棄ゲート電極２６に正極性の電圧を印加すると、ウェル１２と廃棄用ウェル２５との間に電子の移動が可能になるチャンネルが形成される。ウェル１２の中の電子はこのチャンネルを通して廃棄用ウェル２５に向かって移動する。ここで、廃棄ゲート電極２６と廃棄電極２７とに印加する電圧を一定にしておけば、ウェル１２から廃棄用ウェル２５に向かう電子の移動度はほぼ一定になる。
【０２２２】
そこで、ウェル１２に設けた光電変換部Ｄ１において光照射により電子が集積された後に、廃棄ゲート電極２６に規定の一定時間だけ規定の一定電圧を印加してウェル１２から廃棄用ウェル２５に電子を移動させる。上述のように、移動する電子の移動度は一定であるから、廃棄ゲート電極２６に電圧を印加した時間にほぼ比例した量の電子を廃棄用ウェル２５に移動させることができる。つまり、ウェル１２で生成された電子のうち、廃棄用ウェル２５に移動させた電子を不要電荷とし、ウェル１２に残留した電子を有効電荷とすれば、規定した一定量の不要電荷を分離したことになる。ウェル１２に残留した有効電荷は受光出力として取り出される。
【０２２３】
本実施形態の構成では、廃棄ゲート電極２６と廃棄電極２７とに印加する電圧と、廃棄ゲート電極２６に電圧を印加する時間とによって不要電荷の量が決まるが、上述したように廃棄ゲート電極２６と廃棄電極２７とに印加する電圧は一定に保つから、不要電荷の量は廃棄ゲート電極２６に電圧を印加する時間の関数になる。本実施形態の構成では、ウェル１２が光電変換部Ｄ１として機能するのはもちろんのこと、ウェル１２には有効電荷が残留するからウェル１２は電荷蓄積部Ｄ３としても機能する。また、廃棄用ウェル２５と廃棄ゲート電極２６と廃棄電極２７とが電荷分離部Ｄ２として機能する。他の構成および動作は上述した実施形態と同様である。ただし、廃棄する電荷の量が時間の関数であって電圧ではないから、実施形態２、実施形態３のように環境光の受光光量に応じて廃棄する電荷の量を自動的に決定する構成は採用できない。
【０２２４】
（実施形態９）
上述した各実施形態では、素子形成層１１の主表面に配列した複数個の電極に印加する電圧を制御することにより、不要電荷を分離する構成を採用したが、本実施形態は、不要電荷の秤量を行う電荷分離部Ｄ２には電子の移動を制御する電極を設けず、受光出力を取り出すための電荷転送部に設けた転送制御電極３１に印加する電圧を制御することにより、電荷転送部を電荷蓄積部Ｄ３として用いる例を示す。すなわち、上述した各実施形態では、ＣＣＤイメージセンサにおけるフレームトランスファ方式の電極構成と同様の電極配置を採用していたが、本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサにおけるインターライントランスファ（ＩＴ）方式の電極構成と同様の電極配置を採用した例を示す。
【０２２５】
図２１に示すように、ｐ形の素子形成層１１はｎ形のサブストレート１０の上に形成されており、素子形成層１１の主表面側には、ｎ＋形のウェル１２とｎ形の転送用ウェル３２とがｐ＋形の障壁ウェル３３を介して配置される。転送用ウェル３２は、ＩＴ方式のＣＣＤイメージセンサと同様の構成を有し、転送用ウェル３２の主表面には絶縁層３４を介して転送制御電極３１が配置される。また、転送用ウェル３２は遮光膜３５により覆われている。転送制御電極３１は、図２１の面に直交する方向に多数個配列され、電子を転送する際には従来周知のように各転送制御電極３１に電圧を印加する順序を制御する。不要電荷の秤量には、転送制御電極３１のほかに、サブストレート１０にオーミックに接続されたドレイン電極３６を併用する。また、ウェル１２は光電変換部Ｄ１と電荷分離部Ｄ２とに兼用される。
【０２２６】
本実施形態では、ウェル１２には電極が設けられておらず、素子形成層１１とウェル１２とが異種導電形であることによって、図２２（ｃ）のように、ウェル１２にポテンシャル井戸が形成される。障壁ウェル３３はウェル１２と転送用ウェル３２との間にポテンシャル障壁Ｂ７を形成する。この状態において、転送用ウェル３２の電子はすべて排出されているものとする。また、転送制御電極３１には電圧を印加せず、ドレイン電極３６には正極性の電圧（たとえば、５ボルト）を印加しておく。
【０２２７】
光電変換部Ｄ１において光照射による電子が生成された後、転送制御電極３１には比較的大きい正極性の電圧（たとえば、１０ボルト）を印加する。障壁ウェル３３に形成されているポテンシャル障壁Ｂ７は、転送制御電極３１に印加された電圧が高いほどポテンシャルを下げる。転送制御電極３１に電子の転送時の電圧よりも高い適宜の電圧を印加すれば、図２２（ｄ）のように、光照射によりウェル１２に集積された電子の一部はポテンシャル障壁Ｂ７を越えて転送用ウェル３２に流入する。ポテンシャル障壁Ｂ７の高さは転送制御電極３１に印加した電圧によって決まるから、ウェル１２には規定した一定量の電子が残留することになる。つまり、ウェル１２は電荷分離部Ｄ２として機能し、転送用ウェル３２は電荷蓄積部Ｄ３として機能する。
【０２２８】
ウェル１２に不要電荷を残し、転送用ウェル３２に有効電荷が流入した時点で、転送制御電極３１への電圧印加を停止し、ドレイン電極３６には比較的高い正極性の電圧（たとえば、１５ボルト）を印加する。この状態では、図２２（ｅ）のように、ポテンシャル障壁Ｂ７が高くなり、転送用ウェル３２に形成されるポテンシャル井戸が浅くなる。つまり、転送用ウェル３２に流入した有効電荷が電荷蓄積部Ｄ３に保持される。また、ウェル１２に残留した不要電荷はドレイン電極３６を通して廃棄される。
【０２２９】
上述の動作によって、光照射により生成された電子のうち規定の一定量の電子を不要電荷として分離し、残された有効電荷を転送用ウェル３２に残留させることができる。有効電荷は、転送制御電極３１への印加電圧を制御し、ＣＣＤイメージセンサの垂直転送レジスタと同様の動作を行うことにより、図の面に直交する方向に転送することができる。他の構成および動作は上述した他の実施形態と同様である。
【０２３０】
ところで、図２１に示した本実施形態の構成の光検出素子と、変調信号により強度を変調した光を投光する発光源とを組み合せることによって対象空間の情報を検出する場合には、変調信号の位相の所定区間に対応する受光光量を抽出する必要がある。このような場合には、たとえば図２３（ａ）のように、受光期間Ｔ１において、転送制御電極３１には正極性の比較的高い電圧（たとえば、１５ボルト）を印加して転送用ウェル３２に深いポテンシャル井戸を形成することによって、光照射により光電変換部Ｄ１（ウェル１２）で生成された電子が、転送用ウェル３２に流れ込むようにしておき、図２３（ｂ）のように、廃棄電極３６に印加する電圧を変調信号に同期させて高低２段階（たとえば、１５ボルトと５ボルト）に変化させることにより、電子を廃棄する状態と、転送用ウェル３２に形成されるポテンシャル井戸に電子を流入させる状態とを交互に作り出す。光電変換部Ｄ１で生成される電荷のうち受光出力に用いる電荷を取り出すタイミングにおいて、廃棄電極３６に印加する電圧を低電圧にすれば、当該電荷を転送用ウェル３２に流入させることができる。受光期間Ｔ１におけるポテンシャル井戸の変化を図２２（ａ）（ｂ）に示している。
【０２３１】
上述の動作を行う受光期間において廃棄電極３６に印加する電圧変化を多数回行った後には秤量期間Ｔ２に移行させる。秤量期間Ｔ２においては、まず転送用ウェル３２におけるポテンシャル井戸を浅くするように転送制御電極３１に負極性の電圧（たとえば、−５ボルト）を印加し、またウェル１２から電子が廃棄されないように廃棄電極３６に印加する電圧を比較的低くする（たとえば、５ボルト）。この関係によって、転送用ウェル３２からウェル１２に電子を戻すことができる。ウェル１２に電子を戻した後に秤量する動作は上述した通りである。
【符号の説明】
【０２３２】
１１ 素子形成層
１２ ウェル
１４ａ 分離電極
１４ｂ 蓄積電極
１４ｃ 障壁制御電極
１４ｄ 保持電極
１４ｅ ゲート電極
１７ａ〜１７ｈ 感度制御電極
１８ａ〜１８ｌ 制御電極
１９ａ〜１９ｉ 制御電極
Ｂ１〜Ｂ７ ポテンシャル障壁
Ｄ１ 光電変換部
Ｄ２ 電荷分離部
Ｄ３ 電荷蓄積部
Ｄ４ 電荷保持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射により電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部で生成された電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしバイアス成分に相当する規定した一定量の不要電荷を分離する電荷分離部と、
前記光電変換部で生成された電荷から不要電荷を分離した残りを有効電荷として蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部とを備え、
前記光電変換部で電荷が生成される動作と前記光電変換部で生成された電荷から前記不要電荷が分離されて前記電荷蓄積部に前記有効電荷が蓄積される動作とが複数回繰り返された後に、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記電荷取出部から受光出力として取り出される光検出素子において、
第１導電形の半導体からなる素子形成層と、
前記素子形成層の主表面に形成された第２導電形のウェルと、
前記電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、
前記ウェルの前記主表面に配置された制御電極とを備え、
前記ウェルへの光照射による電荷の生成を行う受光期間と、一定量の不要電荷を分離する秤量期間とに対応付けて、前記制御電極に印加する電圧が制御され、
前記制御電極はウェルの主表面に並べて複数個配置され、秤量期間に、前記ウェルにおいて前記制御電極のいずれかに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、かつ前記制御電極の他のいずれかに対応する領域に前記電荷分離部となるポテンシャル井戸および前記電荷蓄積部となるポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成する構成であって、
前記制御電極は複数個を１単位として配列され、
受光期間には、異なる２種類のタイミングで電荷を生成するとともに生成した電荷を１単位内の互いに異なる前記制御電極に対応して形成されるポテンシャル井戸に一旦集め、
秤量期間には、前記２種類の各タイミングで生成した電荷に対して形成する前記電荷分離部と前記電荷蓄積部とポテンシャル障壁とが１単位内の互いに異なる領域に設けられる
ことを特徴とする光検出素子。
【請求項２】
光照射により電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部で生成された電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしバイアス成分に相当する規定した一定量の不要電荷を分離する電荷分離部と、
前記光電変換部で生成された電荷から不要電荷を分離した残りを有効電荷として蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部とを備え、
前記光電変換部で電荷が生成される動作と前記光電変換部で生成された電荷から前記不要電荷が分離されて前記電荷蓄積部に前記有効電荷が蓄積される動作とが複数回繰り返された後に、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記電荷取出部から受光出力として取り出される光検出素子において、
第１導電形の半導体からなる素子形成層と、
前記素子形成層の前記主表面に形成された第２導電形のウェルと、
前記電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、
前記ウェルの前記主表面に配置された制御電極とを備え、
前記ウェルへの光照射による電荷の生成を行う受光期間と、一定量の不要電荷を分離する秤量期間とに対応付けて、前記制御電極に印加する電圧が制御され、
前記制御電極はウェルの主表面に並べて複数個配置され、秤量期間に、前記ウェルにおいて前記制御電極のいずれかに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、かつ前記制御電極の他のいずれかに対応する領域に前記電荷分離部となるポテンシャル井戸および前記電荷蓄積部となるポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成する構成であって、
前記制御電極は複数個を１単位として配列され、
受光期間には、異なる２種類のタイミングで電荷を生成するとともに生成した電荷を１単位内の互いに異なる前記制御電極に対応して形成されるポテンシャル井戸に一旦集め、
秤量期間には、前記２種類のタイミングのうちの一方のタイミングにおいて生成した電荷を保持するポテンシャル井戸を両タイミングの電荷に対する前記電荷分離部として用い、前記電荷分離部に対応した前記制御電極の両側に隣接する前記制御電極のそれぞれを用いて各タイミングの電荷に対するポテンシャル障壁を形成する
ことを特徴とする光検出素子。
【請求項３】
請求項１記載の光検出素子の制御方法であって、
受光期間には、１単位の領域内に異なる２種類のタイミングで互いに一部が重複する前記光電変換部としての２個のポテンシャル井戸を交互に形成する状態と、前記光電変換部で生成された電荷を両ポテンシャル井戸の重複しない部位に一旦集める状態とを繰り返すように前記制御電極のそれぞれに電圧を印加し、
秤量期間には、両ポテンシャル井戸の重複しない部位に前記電荷分離部と前記電荷蓄積部としてのポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成するように前記制御電極のそれぞれに電圧を印加する
ことを特徴とする光検出素子の制御方法。
【請求項４】
請求項２記載の光検出素子の制御方法であって、
受光期間には、１単位の領域内に異なる２種類のタイミングで互いに一部が重複する前記光電変換部としての２個のポテンシャル井戸を交互に形成する状態と、前記光電変換部で生成された電荷を両ポテンシャル井戸の重複しない部位に一旦集める状態とを繰り返すように前記制御電極のそれぞれに電圧を印加し、
秤量期間には、前記２種類のタイミングのうちの一方のタイミングにおいて生成した電荷を保持するポテンシャル井戸を両タイミングの電荷に対する前記電荷分離部として用い、前記電荷分離部に対応した前記制御電極の両側に隣接する前記制御電極のそれぞれを用いて各タイミングの電荷に対するポテンシャル障壁を形成することを特徴とする光検出素子の制御方法。
【請求項５】
前記光電変換部は複数個配列され、秤量期間において分離する不要電荷の量を前記各光電変換部で同じにしたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の光検出素子の制御方法。
【請求項１】
光照射により電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部で生成された電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしバイアス成分に相当する規定した一定量の不要電荷を分離する電荷分離部と、
前記光電変換部で生成された電荷から不要電荷を分離した残りを有効電荷として蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部とを備え、
前記光電変換部で電荷が生成される動作と前記光電変換部で生成された電荷から前記不要電荷が分離されて前記電荷蓄積部に前記有効電荷が蓄積される動作とが複数回繰り返された後に、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記電荷取出部から受光出力として取り出される光検出素子において、
第１導電形の半導体からなる素子形成層と、
前記素子形成層の主表面に形成された第２導電形のウェルと、
前記電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、
前記ウェルの前記主表面に配置された制御電極とを備え、
前記ウェルへの光照射による電荷の生成を行う受光期間と、一定量の不要電荷を分離する秤量期間とに対応付けて、前記制御電極に印加する電圧が制御され、
前記制御電極はウェルの主表面に並べて複数個配置され、秤量期間に、前記ウェルにおいて前記制御電極のいずれかに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、かつ前記制御電極の他のいずれかに対応する領域に前記電荷分離部となるポテンシャル井戸および前記電荷蓄積部となるポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成する構成であって、
前記制御電極は複数個を１単位として配列され、
受光期間には、異なる２種類のタイミングで電荷を生成するとともに生成した電荷を１単位内の互いに異なる前記制御電極に対応して形成されるポテンシャル井戸に一旦集め、
秤量期間には、前記２種類の各タイミングで生成した電荷に対して形成する前記電荷分離部と前記電荷蓄積部とポテンシャル障壁とが１単位内の互いに異なる領域に設けられる
ことを特徴とする光検出素子。
【請求項２】
光照射により電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部で生成された電荷を一定量のバイアス成分と受光光量の増減に追随して変動する変動成分との総和とみなしバイアス成分に相当する規定した一定量の不要電荷を分離する電荷分離部と、
前記光電変換部で生成された電荷から不要電荷を分離した残りを有効電荷として蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部とを備え、
前記光電変換部で電荷が生成される動作と前記光電変換部で生成された電荷から前記不要電荷が分離されて前記電荷蓄積部に前記有効電荷が蓄積される動作とが複数回繰り返された後に、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記電荷取出部から受光出力として取り出される光検出素子において、
第１導電形の半導体からなる素子形成層と、
前記素子形成層の前記主表面に形成された第２導電形のウェルと、
前記電荷分離部の電荷が廃棄される廃棄部と、
前記ウェルの前記主表面に配置された制御電極とを備え、
前記ウェルへの光照射による電荷の生成を行う受光期間と、一定量の不要電荷を分離する秤量期間とに対応付けて、前記制御電極に印加する電圧が制御され、
前記制御電極はウェルの主表面に並べて複数個配置され、秤量期間に、前記ウェルにおいて前記制御電極のいずれかに対応する領域にポテンシャル障壁を形成し、かつ前記制御電極の他のいずれかに対応する領域に前記電荷分離部となるポテンシャル井戸および前記電荷蓄積部となるポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成する構成であって、
前記制御電極は複数個を１単位として配列され、
受光期間には、異なる２種類のタイミングで電荷を生成するとともに生成した電荷を１単位内の互いに異なる前記制御電極に対応して形成されるポテンシャル井戸に一旦集め、
秤量期間には、前記２種類のタイミングのうちの一方のタイミングにおいて生成した電荷を保持するポテンシャル井戸を両タイミングの電荷に対する前記電荷分離部として用い、前記電荷分離部に対応した前記制御電極の両側に隣接する前記制御電極のそれぞれを用いて各タイミングの電荷に対するポテンシャル障壁を形成する
ことを特徴とする光検出素子。
【請求項３】
請求項１記載の光検出素子の制御方法であって、
受光期間には、１単位の領域内に異なる２種類のタイミングで互いに一部が重複する前記光電変換部としての２個のポテンシャル井戸を交互に形成する状態と、前記光電変換部で生成された電荷を両ポテンシャル井戸の重複しない部位に一旦集める状態とを繰り返すように前記制御電極のそれぞれに電圧を印加し、
秤量期間には、両ポテンシャル井戸の重複しない部位に前記電荷分離部と前記電荷蓄積部としてのポテンシャル井戸をポテンシャル障壁を挟んで形成するように前記制御電極のそれぞれに電圧を印加する
ことを特徴とする光検出素子の制御方法。
【請求項４】
請求項２記載の光検出素子の制御方法であって、
受光期間には、１単位の領域内に異なる２種類のタイミングで互いに一部が重複する前記光電変換部としての２個のポテンシャル井戸を交互に形成する状態と、前記光電変換部で生成された電荷を両ポテンシャル井戸の重複しない部位に一旦集める状態とを繰り返すように前記制御電極のそれぞれに電圧を印加し、
秤量期間には、前記２種類のタイミングのうちの一方のタイミングにおいて生成した電荷を保持するポテンシャル井戸を両タイミングの電荷に対する前記電荷分離部として用い、前記電荷分離部に対応した前記制御電極の両側に隣接する前記制御電極のそれぞれを用いて各タイミングの電荷に対するポテンシャル障壁を形成することを特徴とする光検出素子の制御方法。
【請求項５】
前記光電変換部は複数個配列され、秤量期間において分離する不要電荷の量を前記各光電変換部で同じにしたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の光検出素子の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１３−７００９０（Ｐ２０１３−７００９０Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２７５１２４（Ｐ２０１２−２７５１２４）
【出願日】平成２４年１２月１７日（２０１２．１２．１７）
【分割の表示】特願２０１１−２４９０４０（Ｐ２０１１−２４９０４０）の分割
【原出願日】平成１８年１１月１４日（２００６．１１．１４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月１７日（２０１２．１２．１７）
【分割の表示】特願２０１１−２４９０４０（Ｐ２０１１−２４９０４０）の分割
【原出願日】平成１８年１１月１４日（２００６．１１．１４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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