受光デバイス及びその制御方法
【課題】外光による画素蓄積領域の飽和を防止し信号光のみ分離抽出できるようにすることで、信号光に対するダイナミックレンジを向上させる受光デバイス及びその制御方法を提供し、特殊プロセスを用いず安価で構造が単純な受光デバイスを提供する。
【解決手段】ウェル領域２０３の表面に電子保持領域２０４を有し、電子保持領域２０４に２つの独立した等価な第１、第２正孔保持領域２０５、２０６を備える。第１、第２正孔保持領域２０５、２０６上に絶縁層２１５を介して第１、第２制御電極２０７、２０８を有し、光に応じてウェル領域２０３に発生した電子正孔対を、第１、第２制御電極２０７、２０８の電圧操作によって、電子保持領域２０４及び第１、第２正孔保持領域２０５、２０６に電子及び正孔を分離し保持させる。第１、第２制御電極２０７、２０８に印加する電圧を反転させて電子と正孔を再結合し、残存する電子を信号光の受光出力として取り出す。
【解決手段】ウェル領域２０３の表面に電子保持領域２０４を有し、電子保持領域２０４に２つの独立した等価な第１、第２正孔保持領域２０５、２０６を備える。第１、第２正孔保持領域２０５、２０６上に絶縁層２１５を介して第１、第２制御電極２０７、２０８を有し、光に応じてウェル領域２０３に発生した電子正孔対を、第１、第２制御電極２０７、２０８の電圧操作によって、電子保持領域２０４及び第１、第２正孔保持領域２０５、２０６に電子及び正孔を分離し保持させる。第１、第２制御電極２０７、２０８に印加する電圧を反転させて電子と正孔を再結合し、残存する電子を信号光の受光出力として取り出す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光デバイス及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、受光デバイスとして、フォトトランジスタ、ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサ等が知られている。これらの受光デバイスは、光の受光強度を電圧変化として読み出すビデオカメラやデジタルカメラ等の撮像素子として、又は、光を伝送媒体とする光通信として、又は、アクティブ光を用いて被写体までの距離に応じた画素値を配列して距離画像データを生成する画像データ生成装置用センサとして、多岐多様にわたって幅広く用いられている。
【０００３】
なお、距離画像とは、撮像された被写体までの距離を、画像の濃淡（画素値）にて表したものであり、距離画像を用いることで、広い範囲に位置する複数の被写体までの距離を一度に測定することが可能となる。
【０００４】
ところで、これらの用途において、光源による信号光を検出する場合、例えば、周辺監視用センサや、赤外線通信、ロボットビジョン用の距離センサなど、光源による信号光に加えて外光も同時に入射する。このような状況においては、受光強度が外光の分だけ大きくなり、本来得られる信号光出力に上乗せされてしまい、信号光出力が正確に得られなくなる。
【０００５】
一方、この種の受光デバイスでは、受光量に応じた電荷を発生蓄積させているが、蓄積できる受光量には限界があるため、受光量が増加するとともに飽和する。すなわち、信号光に加えて強烈な外光が入射した場合には、背景光による受光量だけで、受光デバイスが飽和してしまい、信号光を取り出せなくなってしまう。
【０００６】
また、信号光と外光とが混在していると、外光が時間的に変動する場合は、上乗せされる受光強度も変動する。この結果、信号光と外光を分離できなくなってしまう。
以上のような問題を解決するために、受光デバイスの出力から信号光と外光を分離する技術（特許文献１、２参照）が提案されている。
【０００７】
特許文献１の技術では、光源を間欠的に点灯させ、光源の点灯期間と光源の消灯期間との受光出力の差分をとることにより、外光のみの成分を除去することが考えられている。つまり、外光が変動しない微少期間において、信号光と外光との成分を含む点灯期間の受光出力から、外光に対応する成分のみを含む消灯期間の受光出力を減算することにより、受光出力の差分を求める。これにより、外光の成分の割合を落として、信号光の成分の割合を高めることが可能になる。
【０００８】
特許文献２の技術では、受光デバイス内部で、電子及び正孔を目的キャリア、非目的キャリアとして別々に蓄積させ、光源の点灯期間と消灯期間との受光出力の差分を選択的に再結合させることによって、外光のみの成分を除去することが考えられている。この技術では、電子正孔対レベルで電荷をキャンセルさせることが可能であると同時に、受光デバイスの外に読み出す前に外光の成分の除去を完了させることが可能であるため、外光による飽和を防止して信号光の成分を抽出することができ、光のダイナミックレンジを大幅に向上させることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２９４４２０号公報
【特許文献２】特開２００５−３０３２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の受光デバイスでは、信号光と光源本来の位相差を検出するためには、１個の受光デバイスに対して最低でも２つの電荷蓄積ノードを必要とするので、画素内部の処理回路が大きくなってしまう。
【００１１】
また、信号光と外光とを分離し、外光の影響を除去するためには、外光による電荷を蓄積するための電荷蓄積ノードがもう一つ余分に必要となり、さらに画素内部の処理回路が大きくなってしまう。この結果、１画素あたりに占めるトランジスタ数が大幅に増大し、高画素化には不向きな構成となることが予想される。
【００１２】
更に、外光の影響を除去するためには、信号光と外光の成分を含む、光源の点灯期間の受光出力と、外光のみの成分を含む、光源の消灯期間の受光出力というように、最低２回の出力動作を要するため、１回の信号光成分を検出するまでの応答性が低下する。
【００１３】
しかも、遠方からの反射光や、黒の被写体又は反射率の低い被写体からの反射光のように、微弱な信号を取り扱う場合には、信号の受光量を増加させるために、受光デバイスへの受光における積分時間を増加させなければならない。この場合、１回の信号光成分を検出するまでの応答性がさらに低下するだけでなく、外光成分の受光出力の時間遅れが大きくなってしまい、外光の受光強度が変動してしまう可能性がある。この結果、正確に外光の成分を除去できなくなることが予想される。
【００１４】
更に、外光の成分を効率よく除去するためには、各電荷蓄積ノードは飽和してはいけない。つまり、受光した電荷を各電荷蓄積ノードに転送させ、その時の受光出力を電圧値として画素の外へ読み出すため、強烈な光が入射した場合は、転送後に電荷蓄積ノード自体が飽和してしまい、本来の正しい受光出力が得られなくなる。この結果、各電荷蓄積ノードの飽和限界を超える外光のもとでは、信号光の成分の検出ができなくなってしまう。
【００１５】
そこで、前記特許文献１に記載の受光デバイスの問題を解決するために、特許文献２に記載の受光デバイスでは、画素内の電荷蓄積ノードの飽和を防止するために、受光部内に電子正孔対を別々に保持させ、受光部内の制御電極を制御することによって、電子と正孔を別々に保持、廃却、再結合といった操作を与えることが可能な構成をとっている。
【００１６】
つまり、光源の消灯期間である外光の成分の電荷を電子と正孔に分けて保持させ、一旦、電子のみを廃却した後、続いて、光源の点灯期間である信号光と外光の成分の電子と正孔に分けて保持させ、その後、電子正孔対を再結合させて残った残存電荷を信号光の成分のみである受光強度として電荷蓄積ノードへ転送させることによって、外光の成分が存在しない本来の信号光成分として出力可能としている。
【００１７】
しかしながら、特許文献２に記載の受光デバイスでは、上記の再結合後の残存電荷を信号光とするためには、光強度による電子正孔対の発生個数比を２：１に調整しなければならず、これをデバイスの機能として追加しなければ成立しない。この発生個数比は、素子構造（例えば、電子保持領域と正孔保持領域との配置関係、形状、寸法、不純物濃度など）及び電子と正孔との移動度の差に依存するため、プロセスの荒さ精度で決まってくる。
【００１８】
また、電子正孔対を制御するための制御電極の配置や印加する電圧の大きさによっても、ポテンシャル障壁の高さやポテンシャル井戸の深さが変化するため、発生個数比が変化してしまい、そのため、電子正孔対の発生個数をデバイス上で正確に２：１とすることは現実的にきわめて困難である。
【００１９】
更に、受光デバイス自体の断面構造が複雑であり、特殊プロセスを用いないと形成できない。このため、工程が複雑になり開発コスト及び開発期間が増大してしまい、競争力が低下する。また、自社プロセスを有しないメーカがデバイスのチューニングを実施することは極めて困難であり、敷居が高く市場発展の妨げとなる。
【００２０】
本発明は、かかる問題を鑑みてなされたもので、外光による画素蓄積ノードの飽和を防止して、信号光のみ分離抽出できるようにすることで、信号光に対するダイナミックレンジを向上させる受光デバイス及びその制御方法を提供するとともに、特殊プロセスを用いず、安価で構造が単純なデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
請求項１の発明では、導電型の半導体基板表面に形成された導電型の素子形成領域と、前記素子形成領域の表面に設けられた逆導電型のウェル領域と、前記ウェル領域の表面に設けられ、前記ウェル領域内に発生した電子又は正孔を保持する逆導電型の電荷保持領域と、前記電荷保持領域内の表面に設けられ、電子又は正孔を保持する導電型の第１電荷保持領域と、前記第１電荷保持領域とは別に、前記電荷保持領域内の表面に設けられ、電子又は正孔を保持する導電型の第２電荷保持領域と、前記素子形成領域の表面に設けられ、電子又は正孔を蓄積する、少なくとも１つ以上の逆導電型の電荷蓄積領域と、前記素子形成領域の表面に設けられ、電子又は正孔の排出に用いられる、少なくとも１つ以上の逆導電型の電荷排出領域と、前記第１電荷保持領域における電子又は正孔の保持を制御するために、前記第１電荷保持領域上に光を透過可能な絶縁膜を介して設けられた光を透過可能な第１制御電極と、前記第２電荷保持領域における電子又は正孔の保持を制御するために、前記第２電荷保持領域上に光を透過可能な絶縁膜を介して設けられた光を透過可能な第２制御電極と、前記ウェル領域と電荷蓄積領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する少なくとも１つ以上の電荷転送電極と、前記ウェル領域と電荷排出領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する電荷排出電極と、前記電荷蓄積領域と電荷排出領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する電荷リセット電極と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
ここで、素子形成領域とは、МОＳトランジスタなどの半導体素子を形成するための領域のことであり、ウェル領域とは、極性の異なる半導体素子を同一基板上に形成するために設けられた領域のことである。
【００２３】
また、導電性及び逆導電性とは、半導体の極性が異なることを示しており、例えばｐ型を導電性とした場合は、その逆導電性とはｎ型のことであり、逆に、ｎ型を導電性とした場合は、その逆導電性とはｐ型のことである。従って、例えば逆導電型の電荷保持領域をｎ型とした場合、保持する電荷は電子（−）であり、導電型の第１、第２電荷保持領域をｐ型とした場合、保持する電荷は正孔（＋）である。
【００２４】
この構成によれば、光源の点灯及び消灯期間で生じる信号光及び外光が半導体基板表面に入射した場合、第１制御電極及び第２制御電極、電荷保持領域、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域を備えることで、例えば、電荷保持領域に電子を、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に正孔をそれぞれ分離して保持又は再結合することが可能となる。よって、必要な信号光成分の電荷のみ分離できるので、外光成分によるノイズ電荷を極力排除できるようになる。
【００２５】
また、電荷排出電極及び電荷排出領域を備えることによって、外光で生じる電荷を電荷排出領域へ排出することが可能となり、外光による飽和を極力抑えられるから、高照度環境下においても精度の良い信号光を得ることが可能となる。
【００２６】
更に、電荷転送電極及び電荷転送領域を備えることによって、電荷保持領域で分離した信号光成分の例えば電子を電荷転送領域へ取り出すことを可能とすることで、たった１つの蓄積ノードで外光成分を取り除いた信号光成分を検出可能となり、画素の回路規模を抑えることが可能である。
【００２７】
しかも、光源の点灯及び消灯期間を連続して受光デバイス内で処理できるため、たった１回の出力動作で信号光出力を得られるので、応答性が向上し、高速移動体のような変動の大きい対象物の信号出力を精度よく得ることが可能となる。
【００２８】
その上、受光デバイスの構造が単純で、かつ困難なデバイスのチューニングを施す必要が無いため、工程数減少による開発期間の短縮及び低コスト化を実現できる。
この様に、本発明によれば、外光による画素蓄積ノードの飽和を防止して、信号光のみ分離抽出できるようにすることで、信号光に対するダイナミックレンジを向上させる受光デバイスを実現できるとともに、特殊プロセスを用いず、安価で構造が単純なデバイスを実現できる。
【００２９】
請求項２の発明では、前記導電型の第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域は、等価に形成されることを特徴とする。
ここで、等価とは、各領域の平面形状や深さ等の領域の寸法形状が同一で、同様に電荷を保持できる機能を有することをいう。
【００３０】
この構成によれば、第１及び第２電荷保持領域の大きさや深さを等価にすることによって、電荷の蓄積容量が同じとなるため、光源の点灯及び消灯期間に生じる信号光及び外光成分の正孔を１：１で振り分けることが可能となる。そのため、複雑な受光デバイスのチューニングがなくとも発生電荷を等価に振り分けられるから、複雑なプロセス開発を必要とせず開発期間を短縮できる。
【００３１】
請求項３の発明では、前記第１制御電極及び第２制御電極は、等価に形成されることを特徴とする。
この構成によれば、第１及び第２制御電極の大きさや深さを等価にし、更には第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域との配置関係を等価（即ち、対応する各電極と各領域との配置を同じ）にすることで、それぞれの制御電極に加える電圧（印加電圧）をまったく同じように制御できる。よって、光源の点灯及び消灯期間に生じた信号光及び外光成分の電子正孔対を１：１で分離及び保持できるから、複雑な受光デバイスのチューニングがなくとも発生電荷を等価に振り分けられ、複雑なプロセス開発を必要とせず開発期間を短縮できる。
【００３２】
請求項４の発明では、前記受光デバイスを、１次元又は２次元状に複数配置してなることを特徴とする。
この構成によれば、受光デバイスを複数配列するから、外光を取り除いた信号光出力を複数得られることになり、高画素数の画像表示や領域内の測距センサの出力として扱うことが可能となる。
【００３３】
請求項５の発明では、前記導電型はＰ型又はＮ型からなり、逆導電型はＮ型又はＰ型からなることを特徴とする。
この構成によれば、半導体基板の導電型を選ぶことなく受光デバイスを形成することができるから、使用分野の用途に合った受光デバイスを選択することができ、半導体基板の制約なく幅広く取り扱うことが可能となる。
【００３４】
請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、光源の消灯期間にウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極を制御した後、電荷排出電極を反転することで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄させた後、電荷排出電極を反転させ、光源の点灯期間にウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極を制御した後、第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ反転させることで、電荷保持領域に保持された電子又は正孔と反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子とを再結合させた後、電荷転送電極を反転することで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００３５】
この方法によれば、光源の消灯期間で生じる外光が半導体基板表面に入射した場合、第１制御電極及び第２制御電極を制御することで、電荷保持領域に電子又は正孔を、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に正孔又は電子をそれぞれ分離して保持した後に、電荷排出電極を反転して電荷保持領域の電子又は正孔を電荷排出領域に排出できる。よって、外光成分の電子正孔対のうち一方を保持しながら、もう一方を効率よく除去することが可能となり、外光電荷の情報を記憶しながら外光による飽和を極力防止することが可能となる。
【００３６】
続いて、光源の点灯期間で生じる信号光及び外光が半導体基板表面に入射した場合、制御電極のどちらか一方のみを反転制御することで、保持された電子正孔対が２：１の比率で再結合される。よって、消灯期間に保持された外光成分の正孔又は電子と合わさって、外光成分の電子正孔対を効率よく除去しながら信号光成分の電子又は正孔を残存させることができるため、効率よく信号電荷を受光出力して取り出すことが可能となる。
【００３７】
また、たった１つの蓄積ノードで、外光成分を取り除いた信号光成分を検出可能となり、画素の回路規模を抑えることが可能である。
更に、光源の点灯及び消灯期間を連続して受光デバイス内で処理できるため、たった１回の出力動作で信号光出力を得られる。よって、応答性が向上し、高速移動体のような変動の大きい対象物の信号出力を精度よく得られることが可能となる。
【００３８】
その上、受光デバイスの構造が単純で、かつ困難なデバイスのチューニングを施す必要が無いため、工程数減少による開発期間の短縮及び低コスト化を実現できる。
請求項７の発明では、請求項６に記載の受光デバイスの制御方法であって、前記ウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が前記電荷保持領域に、もう一方が前記第１電荷保持領域及び前記第２電荷保持領域の少なくとも一方に分離されることを特徴とする。
【００３９】
この方法によれば、第１制御電極又は第２制御電極に印加する電圧制御のみで電子又は正孔を別々に保持又は再結合することが可能となるため、受光デバイス内に２つの独立したメモリ機能と消去機能を両立させることが可能となるので、電圧として出力することなく受光デバイス内で電荷レベルの演算を実現できる。よって、周辺回路として余分なメモリが不要で、回路規模を抑えることが可能である。
【００４０】
請求項８の発明では、請求項６又は７に記載の受光デバイスの制御方法であって、前記第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に光に応じた同個数の電子又は正孔を発生させるように、前記第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御することを特徴とする。
【００４１】
この方法によれば、それぞれの制御電極の電圧制御のみで、同個数の電子又は正孔を発生させることが可能となり、複雑な受光デバイスのチューニングがなくとも発生電荷を等価に振り分けられるから、複雑なプロセス開発を必要とせず開発期間を短縮できる。
【００４２】
請求項９の発明では、請求項６〜８のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、前記第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子のうち、少なくともどちらか一方が、前記電荷保持領域に保持された電子又は正孔と再結合するように、前記第１制御電極又は第２制御電極を制御することを特徴とする。
【００４３】
この方法によれば、それぞれの制御電極を独立制御することで、メモリ機能と消去機能を独立に扱うことが可能となり、電圧として出力することなく受光デバイス内で電荷レベルの演算を実現できる。よって、周辺回路として余分なメモリが不要で、回路規模を抑えることが可能である。
【００４４】
請求項１０の発明では、請求項６〜９のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、前記光源の消灯期間と点灯期間を同期間にし、光源の点灯期間中に前記電荷保持領域に保持された電子又は正孔の個数から、光源の消灯期間及び点灯期間中に第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子の個数のうち、どちらか一方のみを再結合させることで、光源の点灯期間中に発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させることを特徴とする。
【００４５】
この方法によれば、それぞれの制御電極を等価（即ち同じ様に）に制御することで、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に生じる正孔又は電子と、電荷保持領域に生じる電子又は正孔の発生個数は、１：１：２の比率となる。よって、２回の受光動作で外光成分の電子正孔対の発生個数を同個数にしながら、信号光成分の電子正孔対の発生個数を２：１にすることができる。そのため、外光を効率よく除去しながら、信号光の電子又は正孔の個数の１／２を残存させることが可能となり、かつ外光の飽和を極力抑えることが可能となる。
【００４６】
請求項１１の発明では、請求項６〜１０のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、前記光源の消灯期間と点灯期間を同期間にし、光源の消灯期間に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔が完全に廃棄された後、電荷排出電極に印加する電圧を反転させ、光源の点灯期間に、外光及び光源に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び光源に応じた電子又は正孔と、光源の消灯期間及び点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び光源に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の消灯期間及び点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の点灯期間中に光源に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００４７】
この方法によれば、それぞれの制御電極を等価（即ち同様）に制御することで、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に生じる正孔又は電子と、電荷保持領域に生じる電子又は正孔の発生個数は、１：１：２の比率となる。よって、２回の受光動作で外光成分の電子正孔対の発生個数を同個数にしながら、信号光成分の電子正孔対の発生個数を２：１にすることができる。そのため、外光を効率よく除去しながら、信号光の電子あるは正孔の個数の１／２を残存させることが可能となり、かつ外光の飽和を極力抑えることが可能となる。
【００４８】
また、精度よく信号光成分の電子又は正孔を受光出力として取り出すことが可能となるため、Ｓ／Ｎ向上につなげられる。
更に、たった１つの蓄積ノードで、外光成分を取り除いた信号光成分を検出可能となり、画素の回路規模を抑えることが可能である。
【００４９】
しかも、光源の点灯及び消灯期間を連続して受光デバイス内で処理できるため、たった１回の出力動作で信号光出力を得られる。よって、応答性が向上し、高速移動体のような変動の大きい対象物の信号出力を精度よく得られることが可能となる。
【００５０】
その上、受光デバイスの構造が単純で、かつ困難なデバイスのチューニングを施す必要が無いため、工程数減少による開発期間の短縮及び低コスト化を実現できる。
請求項１２の発明では、前記請求項６〜１１のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、１次元又は２次元に複数配置してなる受光デバイス群のうち、各々隣接する２つの受光デバイスをセットとして、それぞれを第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスと定義した時、測定対象物との距離を測定する測距モードでは、第１の受光デバイスは、光源の第１消灯期間中に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域にもう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄し、電荷排出電極に印加する電圧を反転させた後、光源からパルス変調されたパルス光を照射し、光源の第１点灯期間中に、外光及び対象物からの反射光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の第１点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた電子又は正孔と、光源の第１消灯期間及び第１点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の第１消灯期間及び第１点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の第１点灯期間中に対象物からの反射光に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを第１受光出力として取り出すことを特徴とし、第２の受光デバイスは、光源の第２消灯期間に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域にもう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄し、電荷排出電極に印加する電圧を反転させた後、光源からパルス変調されたパルス光を照射し、光源の第２点灯期間に、外光及び対象物からの反射光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の第２点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた電子又は正孔と、光源の第２消灯期間及び第２点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の第２消灯期間及び第２点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の第２点灯期間中に対象物からの反射光に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを第２受光出力として取り出すことを特徴とし、第１受光出力及び第２受光出力をもとに、光源から対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００５１】
この方法によれば、受光デバイスを測距センサとして扱うことが可能となり、利用分野の幅を広げることが可能となる。また、外光による飽和を極力抑えることが可能になるから、測距センサの大きな技術課題である、高照度環境下での測距にも適用することができ、使用範囲の拡大が期待できる。更に、信号光電荷を精度よく検出できるため、Ｓ／Ｎを向上させることができるから、測距センサの検知距離の拡大又は距離分解能の向上が期待できる。しかも、１フレーム期間で測距動作を完了させることができるから、高応答な測距センサが実現でき、高速移動体のような対象物の測距にも適用できるので、使用用途を拡大できる。
【００５２】
請求項１３の発明では、前記請求項１２に記載の受光デバイスの制御方法であって、前記第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さは等価（等しい）であり、第１点灯期間及びパルス光の照射期間は一致しており、前記第２消灯期間と第２点灯期間の長さは等価（等しい）であり、第２消灯期間及び第２点灯期間の長さは、第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さよりも長いことを特徴とする。
【００５３】
この方法によれば、外光成分の電荷を効率よく除去しながら、信号光成分の電荷のみ残存させるとともに、第１点等期間に発生した信号光成分の電荷と、第２点等期間に発生した信号光成分の電荷の比率から、対象物の距離を精度よく計測することができる。
【００５４】
なお、第２消灯期間及び第２点灯期間の長さは、第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さよりも長いが、その程度は、例えば第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さに対して、第２消灯期間及び第２点灯期間の長さが２倍以上のように、測定対象物との距離によるパルス光の時間遅れを包含できるぐらい、十分に長いことが好ましい。
【００５５】
請求項１４の発明では、請求項６〜１３のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、１次元又は２次元に複数配置してなる受光デバイス群のうち、各々隣接する２つの受光デバイスをセットとして、それぞれを第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスと定義した時、測定対象物を撮像する撮像モードでは、第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスともに、光源の消灯期間中に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に保持された電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００５６】
この方法によれば、受光デバイスを撮像画像センサとして扱うことが可能となり、利用分野の幅を広げることが可能となる。
請求項１５の発明では、請求項１２又は１３に測距モードと前記請求項１４に記載の撮像モードとは、選択的に切り替え可能であることを特徴とする。
【００５７】
この方法によれば、受光デバイスの構造を変更しなくても、測距センサ又は撮像画像センサとして選択的に扱うことが可能になり、利用分野の幅が拡大するとともに、２つの機能を１チップで実現できるから、低コストかつ省スペースなセンサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第１の実施形態に係わる、距離画像生成装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】撮像部の概略構成を示す説明図である。
【図３】単位２画素アレイ回路の構成を示す回路図である。
【図４】単位画素回路の構成を示す回路図である。
【図５】第１の実施形態に係わる、受光デバイス（Ｐ型半導体基板）の全体構造を破断して示す説明図である。
【図６】第１の実施形態に係わる、制御信号生成部の動作等を示すタイミングチャート図である。
【図７】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図８】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図９】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図１０】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図１１】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図１２】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図１３】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作の要部を示す説明図である。
【図１４】隣り合う２画素単位回路８０−１、８０−２を用いた距離の算出方法を示す説明図である。
【図１５】（ａ）パルス光を示す説明図、（ｂ）パルス光の刻み時間幅Δｔを示す説明図、（ｃ）補正係数テーブルを示す説明図である。
【図１６】パルス光の理想と実測との違いを示す説明図である。
【図１７】距離ｄの補正処理を示すフローチャートである。
【図１８】第２の実施形態に係わる、制御信号生成部の動作等を示すタイミングチャート図である。
【図１９】第３の実施形態に係わる、受光デバイス（ｎ型半導体基板）の全体構造である。
【図２０】単位２画素アレイ回路の構成を示す回路図である。
【図２１】単位画素回路の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
以下、本発明の受光デバイス及びその制御方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１に、本実施形態の受光デバイス２００を用いた画像生成装置（ここでは距離画像生成装置）１の全体構成を表すブロック図を示す。
【００６０】
同図に示すように、画像生成装置１は、測定対象物Ｍを撮像して距離画像を生成する装置であり、発光信号ＦＬに従って周波数変調された光を発生させる発光部２と、電荷転送信号ＴＧと電荷排出信号ＤＥＧに従って測定エリア内を撮像する撮像部３と、発光信号ＦＬ、４本の独立した電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２、２本の独立した電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２及び２本の独立した電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２を生成する制御信号生成部４と、制御信号生成部４で画素毎に発光信号ＦＬと電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２と電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２の開始タイミングや継続時間を制御することにより、撮像部３から得られる画素出力に基づいて距離画像又は通常画像を生成したり、測距手段又は撮像手段を選択的に切替えるモード切替え信号を生成する画像生成部５とを備えている。
【００６１】
このうち、発光部２は、近赤外線光を発生させる発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ＬＤ）からなり、発光信号ＦＬに従って駆動される発光素子６と、発光素子６の放射光を拡散して、ある測定エリアを照射する拡散レンズ７とを備えている。
【００６２】
また、撮像部３は、入射された光を電気信号に変換する光電センサ８と、測定エリア内から到来する光を集光して光電センサ８に入射する集光レンズ９とを備えている。
そして、光電センサ８は、図２〜図４に示すように、後述する画素回路１１０、１２０の２画素を単位回路として、受光面がアレイ状に配置されるように設けられた複数の２画素単位回路８０と、各２画素単位回路８０から出力される複数の出力を順番に読み出して、画像生成部５に供給する読出し制御回路８２とからなる。
【００６３】
ここで、図３は２画素単位回路８１の構成を示す回路図である。図３に示すように、２画素単位回路８０は、画素回路１１０、１２０の２つの画素回路から構成される。便宜上、２画素単位回路８０にある画素回路１１０、１２０を別名で記載しているが、それぞれの画素回路１１０、１２０の回路構成は同じものである。
【００６４】
また、２画素単位回路８０内にある画素回路１１０には、２本の電荷保持信号ＰＬ１とＰＲ１、電荷転送信号ＴＧ１と電荷排出信号ＤＥＧ１が供給され、画素回路１２０には、２本の電荷保持信号ＰＬ２とＰＲ２、電荷転送信号ＴＧ２と電荷排出信号ＤＥＧ２が供給されることにより、それぞれの画素回路に独立した電荷保持信号、電荷転送信号及び電荷排出信号のセットが供給される。
【００６５】
ここで、図４は、画素回路１１０の構成を示す回路図である。上述したように、画素回路１１０、１２０の回路構成は同じであるため、ここでは、代表して画素回路１１０について説明する。
【００６６】
図４に示すように、画素回路１１０は、受光強度に応じた電荷を発生させる光電変換素子１１１と、トランジスタ１１２、１１３、１１４、１１５、１１６と、フローティングディフュージョン１１７とを含んでいる。光電変換素子１１１は、カソード側がＧＮＤに接続され、アノード側がトランスファトランジスタ１１２のソースに接続されている。トランスファトランジスタ１１２のドレインは、リセットトランジスタ１１３のソース及びソースフォロワトランジスタ１１４のゲートに接続されている。リセットトランジスタ１１３及びソースフォロワトランジスタ１１４のドレインは、ＶＤＤに接続されている。ソースフォロワトランジスタ１１４のソースは、行選択トランジスタ１１５のドレインに接続されている。また、光電変換素子１１１のアノード側は、エキゾーストトランジスタ１１６のソースとも接続されている。エキゾーストトランジスタ１１６のドレインは、ＶＤＤに接続されている。ここで、画素回路１１０の中で、破線で示した回路を受光デバイス２００と呼ぶことにする。
【００６７】
図５は、受光デバイス２００の断面構造を示している。この受光デバイス２００は、同図に示すように、ｐ形の半導体（例えば、シリコン）からなる基板２０１の表面に積層されたｐ形の素子形成領域２０２を備える。また、素子形成領域２０２の表面には、ｎ−形のウェル領域２０３が形成される。ウェル領域は、素子形成領域２０２とほぼ厚みが等しいｎ−形の領域であり、ウェル領域２０３内の表面にｎ形の電子保持領域２０４（電荷保持領域）が形成される。
【００６８】
さらに、電子保持領域２０４の表面に、２つの等価な（即ち平面形状や深さが全く等しい）ｐ形の第１正孔保持領域２０５（第１電荷保持領域）及び第２正孔保持領域２０６（第２電荷保持領域）が形成される。第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６の表面には、酸化膜（例えば、シリコン酸化膜）からなる絶縁層２１５を介して、それぞれ２つの等価で透明な第１制御電極２０７及び第２制御電極２０８が形成される。第１制御電極２０７には電荷保持信号ＰＬが接続されており、第２制御電極２０８には電荷保持信号ＰＲが接続されている。ウェル領域２０３を除く素子形成領域２０２の上方には、遮光層２１６が形成されている。ウェル領域２０３には遮光層２１６が形成されていないため、感光部として作用する。
【００６９】
なお、ウェル領域２０３、電子保持領域２０４、第１正孔保持領域２０５、第２正孔保持領域２０６、絶縁層２１５を介した第１制御電極２０７及び第２制御電極２０８の全体の構成は、前記図４に示す光電変換素子１１１と対応している。
【００７０】
素子形成領域２０２の表面において、ウェル領域２０３の一方（図５左側）には、ｎ形のドレイン領域２０９（電荷排出領域）が形成され、ウェル領域２０３及びドレイン領域２０９の間の素子形成領域２０２の表面には、絶縁層２１５を介して電荷排出電極２１０が形成される。電荷排出電極２１０には電荷排出信号ＤＥＧが接続されている。ドレイン領域２０９の表面には、コンタクトを介してＶＤＤに接続されている。これは前記図４に示すエキゾーストトランジスタ１１６と対応している。
【００７１】
また、素子形成領域２０２の表面において、ウェル領域のもう一方（図５左側）には、ｎ形のドレイン−ソース領域２１１（電荷蓄積領域）が形成され、ウェル領域２０３及びドレイン−ソース領域２１１の間の素子形成領域２０２の表面には、絶縁層２１５を介して電荷転送電極２１２が形成される。電荷転送電極２１２には電荷転送信号ＴＧが接続されている。これは前記図４に示すトランスファトランジスタ１１２と対応している。
【００７２】
また、素子形成領域２０２の表面において、ドレイン−ソース領域２１１の一方（図５右側）には、ｎ形のドレイン領域２１４（電荷排出領域）が形成され、ドレイン−ソース領域２１１とドレイン領域２１４の間の素子形成領域２０２の表面には、絶縁層２１５を介して電荷リセット電極２１３が形成される。電荷リセット電極２１３には、電荷リセット信号ＲＳＴが接続されている。ドレイン領域２１４の表面には、コンタクトを介してＶＤＤに接続されている。これは、前記図４に示すリセットトランジスタ１１３に対応している。また、ドレイン−ソース領域２１１は、前記図４に示すフローティングディフュージョン１１７と対応している。
【００７３】
なお、ドレイン領域２０９及びドレイン領域２１４は、便宜上、別々の領域として定義したが、コンタクトを介して共通で接続するため、デバイス面積の最適化のため、ドレイン領域２０９及びドレイン領域２１４は一つのドレイン領域として取り扱ってもよい。
【００７４】
また、本実施形態では、ｐ形の半導体基板からなるｎ形素子を形成することを例として挙げたが、後述する様に、ｎ形の半導体基板からなるｐ形素子を形成しても、本実施形態は実現できるため、導電型はｐ形又はｎ形どちらで形成してもよい。
【００７５】
次に、第１の実施形態の画像生成装置１の動作について説明する。
図６は、画像生成装置１の測距モードにおける、制御信号生成部４から生成される発光信号ＦＬと、４本の独立した電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２、２本の独立した電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２、及び２本の独立した電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２の動作タイミングの例を簡単に示したチャートである。
【００７６】
図６に示すように、ここでは、制御信号生成部４から生成される発光信号ＦＬに従って、パルス幅Ｔflを有するパルス光を測定対象物Ｍに向かって照射し、光源から測定対象物Ｍまでの距離に応じてある時間遅れＴdで返ってくる反射光、及び定常的に存在する外光があると考える。
【００７７】
図６に従って、動作タイミングを説明する。
まず、電荷リセット信号ＲＳＴ及び電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２をアクティブレベル（＋）にし、電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２及び電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２を非アクティブレベル（−）にすることで、電荷蓄積領域２１１に蓄積された電荷をＶＤＤにリセットする。電荷リセット信号ＲＳＴは画素回路１１０、１２０に共通で信号を与えても良いし、それぞれ独立して信号を与えても良い。
【００７８】
また、外光によって電子保持領域２０４に発生した電子、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に発生した正孔は、電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２がアクティブレベルであるため、再結合され、ただちに消失する。
【００７９】
時刻ｔ１になると、電荷リセット信号ＲＳＴを非アクティブレベルにすることで、電荷蓄積領域２１１がフローティング状態となる。電荷リセット信号ＲＳＴは、便宜上、時刻ｔ１を境に非アクティブレベルに設定したが、電子保持領域２０４から電子が転送される直前までＶＤＤにリセットしていてもよい。
【００８０】
時刻ｔ２になると、画素回路１２０の電荷保持信号ＰＬ２、ＰＲ２を非アクティブレベルにすることで、外光の強さに応じた個数で、画素回路１２０の第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には正孔が、電子保持領域２０４には電子が別々に保持される（図７の状態）。この時、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に保持されるそれぞれの正孔の個数と、電子保持領域２０４に保持される電子の個数比は１：１：２となる。
【００８１】
時刻ｔ３になると、今度は画素回路１１０の電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１を非アクティブレベルにすることで、外光の強さに応じた個数で、画素回路１１０の第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には正孔が、電子保持領域２０４には電子が別々に保持される。同様に、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に保持されるそれぞれの正孔の個数と、電子保持領域２０４に保持される電子の個数比は１：１：２となる。
【００８２】
時刻ｔ４になると、画素回路１１０、１２０の電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０それぞれの電子保持領域２０４に保持されていた電子が、電荷排出電極２１０下に形成されたチャネルを通って電荷排出領域２０９へ排出される。この時、画素回路１１０、１２０の第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６にそれぞれ保持されている正孔は保持され続けた状態であり、変動しない（図８の状態）。
【００８３】
時刻ｔ５になると、画素回路１１０、１２０の電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２を非アクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０の電子保持領域２０４にそれぞれ保持されていた電子の排出を完了する。さらに、発光信号ＦＬをアクティブレベルにすることで、光源であるパルス光の照射を開始する。なお、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間を、第１消灯期間、時刻ｔ２から時刻ｔ５までの期間を第２消灯期間と定義する。
【００８４】
時刻ｔ６は、光源と測定対象物Ｍとの距離に応じた時間遅れＴｄでパルス光の反射光が返ってくる時刻とする。つまり、時刻ｔ６以降は、外光と同時に光源であるパルス光の反射光も加算された光が画素回路１１０、１２０に入射することになる（図９の状態）。
【００８５】
時刻ｔ７になると、発光信号ＦＬを非アクティブレベルにすることで、光源であるパルス光の照射を終了する。なお、時刻ｔ５から時刻ｔ７までの期間を、第１点灯期間と定義する。それと同時に、画素回路１１０の電荷保持信号ＰＲ１をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０の第２正孔保持領域２０６に保持された正孔及び電子保持領域２０４に保持された電子が再結合する（図１０の状態）。
【００８６】
この時、第２正孔保持領域２０６に発生した正孔の個数は、第１消灯期間及び第１点灯期間に入射した外光と、第１点灯期間に入射したパルス光の反射光の一部の和で決まる。また、電子保持領域２０４に発生した電子の個数は、第１点灯期間に入射した外光と、第１点灯期間に入射したパルス光の反射光の和で決まる。今、第１消灯期間及び第１点灯期間を同じ長さとすると、外光により発生した正孔及び電子の個数は等価となるため、再結合により完全に相殺されることになる。
【００８７】
また、パルス光の反射光により第２正孔保持領域２０６及び電子保持領域２０４に発生した正孔及び電子の個数比は１：２であるため、再結合により、電子保持領域２０４には、第１点灯期間に入射したパルス光の反射光で決まる電子の個数の１／２が残存する（図１１の状態）。
【００８８】
さらに、画素回路１１０の電荷転送信号ＴＧ１をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０の電子保持領域２０４に保持されていた電子に対して、電荷転送電極２１２下に形成されたチャネルを通って電荷蓄積領域２１１への転送を開始する。
【００８９】
時刻ｔ８になると、画素回路１１０の電荷転送信号ＴＧ１を非アクティブレベルにすることで、画素回路１１０の電子保持領域２０４に保持されていた電子の転送を完了する（図１２の状態）。さらに、電荷保持信号ＰＬ１をアクティブレベルにすることで、第１正孔保持領域２０５に保持されていた正孔が電子保持領域２０４へ押し出され自然消滅する。
【００９０】
時刻ｔ９は、光源と測定対象物Ｍとの距離に応じた時間遅れＴｄで返ってくるパルス光の反射光が終了する時刻とする。つまり、時刻ｔ９以降は、外光のみが画素回路１１０及び１２０に入射することになる。
【００９１】
時刻ｔ１０になると、画素回路１２０の電荷保持信号ＰＲ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１２０の第２正孔保持領域２０６に保持された正孔及び電子保持領域２０４に保持された電子が再結合する。なお、時刻ｔ５から時刻ｔ１０までの期間を、第２点灯期間と定義する。
【００９２】
この時、第２消灯期間及び第２点灯期間を第１消灯期間及び第１点灯期間に対してパルス光の時間遅れＴｄよりも十分長く設定しておけば、第２点灯期間中にすべてのパルス光の反射光が返ってくるようになる。第２正孔保持領域２０６に発生した正孔の個数は、第２消灯期間及び第２点灯期間に入射した外光と、第２点灯期間に入射したパルス光の反射光の全ての和で決まる。また、電子保持領域２０４に発生した電子の個数は、第２点灯期間に入射した外光と、第２点灯期間に入射したパルス光の反射光の全ての和で決まる。
【００９３】
今、第２消灯期間及び第２点灯期間を同じ長さとすると、外光により発生した正孔及び電子の個数は等価となるため、再結合により完全に相殺されることになる。また、パルス光の反射光により第２正孔保持領域２０６及び電子保持領域２０４に発生した正孔及び電子の個数比は１：２であるため、再結合により、電子保持領域２０４には、第２点灯期間に入射したパルス光の反射光で決まる電子の個数の１／２が残存する。
【００９４】
さらに、画素回路１２０の電荷転送信号ＴＧ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１２０の電子保持領域２０４に保持されていた電子に対して、電荷転送電極２１２下に形成されたチャネルを通って電荷蓄積領域２１１への転送を開始する。
【００９５】
時刻ｔ１１になると、画素回路１２０の電荷転送信号ＴＧ２を非アクティブレベルにすることで、画素回路１２０の電子保持領域２０４に保持されていた電子の転送を完了する。さらに、電荷保持信号ＰＬ２をアクティブレベルにすることで、第１正孔保持領域２０５に保持されていた正孔が電子保持領域２０４へ押し出され自然消滅する。
【００９６】
以上の時刻ｔ１〜時刻ｔ１１までの操作が、当該装置１における、それぞれの画素回路１１０、１２０のフローティングディフュージョン１１７（電荷蓄積領域２１１）へ電荷を蓄積するための１サイクルである。なお、微弱信号を取り扱う場合は、１サイクルあたりの電荷量が小さいため、この１サイクルを基準として、複数回にわたって同様の操作を実行し、フローティングディフュージョン１１７へ電荷を積算してもよい。
【００９７】
ここで、時刻ｔ１〜時刻ｔ１１までの操作の要部を、図１３に基づいて簡単に説明する。
まず、光電変換素子１１１に外光が入力すると、その外光に対応して、電子保持領域２０４には電子が保持されるとともに、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には正孔が保持される。このとき、第１正孔保持領域２０５と第２正孔保持領域２０６とでは正孔が等しく分割されるので、電子保持領域２０４と第１正孔保持領域２０５と第２正孔保持領域２０６とおける電荷の割合（電子と各正孔の個数比）は、２：１：１である。
【００９８】
次に、電子保持領域２０４に保持された電子は、電荷排出領域２０９に排出される。従って、この時の電荷の割合（電子：正孔：正孔）は、０：１：１となる。
次に、光電変換素子１１１に外光及び信号光が入力すると、その外光及び信号光に対応して、電子保持領域２０４には（外光及び信号光に対応した）電子が保持されるとともに、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には（外光及び信号光の合計の半分に対応した）正孔が加算される。従って、この時の電荷の割合（電子：正孔：正孔）は、（２＋信号）：（２＋信号／２）：（２＋信号／２）となる。
【００９９】
次に、電子保持領域２０４に保持された電子と第２正孔保持領域２０６との電荷が再結合することにより、結合した電荷が消失するので、第２正孔保持領域２０６の近傍の電子保持領域２０４内には、信号光の１／２に対応した電荷（電子）のみが残留する。
【０１００】
従って、この残余の電子を電荷蓄積領域２１１へ転送するのである。
以上のタイミング動作により、それぞれの画素回路１１０、１２０のそれぞれのフローティングディフュージョン１１７に蓄積される電荷量をもとに、ソースフォロワトランジスタ１１４にて電圧変換され、リードトランジスタ１１５を介して読み出される受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０（図４参照）は、以下の（１）、（２）式に比例した値で簡単に表すことが可能である。
【０１０１】
Ｖ１１０∝Ｔｆｌ−Ｔｄ ・・・（１）
Ｖ１２０∝Ｔｆｌ ・・・（２）
但し、パルス光の時間遅れＴｄはパルス光のパルス幅Ｔｆｌ以下のもとで成立するものとする。受光出力Ｖ１１０は、光源となるパルス光と測定対象物Ｍとの距離に応じて反射したパルス光の時間遅れＴｄによって決まり、受光出力Ｖ１２０は、パルス光の全反射光で決まる。
【０１０２】
上式の関係から、光源から測定対象物Ｍまでの距離ｄは、光の速度ｃ、光源のパルス幅Ｔfl、受光出力Ｖ１１０及びＶ１２０を用いて、以下の式で求めることができる。
ｄ＝ｃ×（Ｔｆｌ／２）×（１−Ｖ１１０／Ｖ１２０） ・・・（３）
前記（３）式の計算は、画像生成部５にて行われる。画像生成部５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭからなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成されている。読出し制御回路８２より出力された受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０が画像生成部５に入力される。画像生成部５では、この受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０から、外光やパルス光の反射光の振幅に関係なく、距離ｄの計算が実行される。
【０１０３】
また、上記実施形態では、電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２、電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２及び電荷保持信号ＰＬ１，ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２を、因果関係がはっきりと分かるように、左右方向に隣接した画素回路１１０、１２０に対応させたが、与える信号と画素回路の位置関係や順番は自由に変更してもよい（上下方向に隣接した画素回路など）。
【０１０４】
更に、上記実施形態では、２画素単位回路８０内にある画素回路１１０、１２０のみで距離ｄの計算を実行するように示したが、これに制限されるものではなく、例えば、隣り合う２画素単位回路８０に備わった、別の画素回路１１０、１２０を用いて距離ｄの計算を実行するように、読出し制御回路８８で読み出し方を変更しても同様の計算が実行できるように工夫してもよい。
【０１０５】
例えば図１４に示す様に、隣り合う任意の２つの２画素単位回路８０−１、８０−２があったとする。それぞれには、画素回路１１０、１２０がある。
この場合、２画素単位回路８０−１内の画素回路１２０と２画素単位回路８０−２内の画素回路１１０とを使用して、距離ｄの計算を行ってもよい。
【０１０６】
つまり、上述した実施形態で示した様な動作は、光電センサ８内の全ての２画素単位回路８０で同時に行われるので、本例の様に、空間的に隣り合う画素単位であれば、計算精度を損なわずに、距離ｄを算出できる。
【０１０７】
また、２つの２画素単位回路８０−１、８０−２から得られる距離値は、２つ（距離値ｄ1、距離値ｄ2）であるが、本例による方法を加味すると、両２画素単位回路８０−１、８０−２間の位置に対応する距離値ｄ12も算出できるため、距離の空間的な分解能が向上するという効果もある。
【０１０８】
また、上記（３）式において、精度よく距離ｄを算出するためには、発光パルスの形状が理想的な方形波をとっていなければならない。しかしながら、パルスの光源として用いられる発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子は、寄生素子の影響や、発光素子を駆動するためのパワーＭＯＳＦＥＴの電流能力等の制約により、高速性を犠牲にすることなく出力パワーを増大させることは困難であるため、画像生成部５に、パルス光の立ち上がり時間及び立ち下がり時間に考慮した、距離ｄの補正処理を追加してもよい。
【０１０９】
以下、この補正処理について説明する。
図１５（ａ）に示す様に、パルス幅をＴｆｌとしたとき、実際には、立ち上がり時間Ｔｒ、立ち下がり時間Ｔｆをもっている。
【０１１０】
従って、下記に示す様な、補正係数テーブルを使った距離ｄの補正処理を行うことができる。
＜事前準備＞
・予め発光波形をモニタする（最初の１回のみで可）
・図１５（ｂ）に示す様に、発光パルス幅Ｔｆｌ＋立ち下がり時間Ｔｆを、刻み時間幅Δｔでｎ分割する。
【０１１１】
・理想パルスの場合の時間遅れΔｔｎそれぞれについて、受光出力の比（Ｖ１１０／Ｖ１２０＝理想値Ａｎ）を求める。
・０〜ｎ番目までの微小時間Δｔｎの全ての出力電圧ΔＶｎをチェックする。
【０１１２】
・測定値を基にした受光出力の比（Ｖ１１０／Ｖ１２０＝測定値Ｂｎ）を求める。
・補正係数α＝Ａｎ／Ｂｎを求め、図１５（ｃ）に示す様な補正係数テーブルを得る。
つまり、理想のパルス光と実測されるパルス光との間には、図１６に示す様なずれがあるので、そのズレを補正する補正係数αを求めるのである。
【０１１３】
＜補正処理＞
図１７のフローチャートは、距離ｄの補正処理を示すものである。同図に示す様に、ステップ（Ｓ）１１では、受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０を取得する。
【０１１４】
続くステップ２２では、Ｖ１１０／Ｖ１２０を算出する。
続くステップ２３では、算出したＶ１１０／Ｖ１２０を、補正係数テーブルの測定値Ｂｎ（ｎ＝０・・ｎ）と比較し、最も近い値を採用する。なお、最も近い値は、正負反転でも何でも良い。
【０１１５】
続くステップ２４では、前記比較の結果得られた測定値Ｂｎの補正係数Ａｎ／Ｂｎを補正係数αとする。
続くステップ２５では、下記（４）式を用いて、距離ｄを算出する。
【０１１６】
ｄ＝ｃ×（Ｔｆｌ／２）×（１−（Ｖ１１０／Ｖ１２０）×α）） ・・・（４）
本実施形態では、上述した構成を備えるとともに上述した制御を行うことによって、光源の時間遅れを検出に際して、１つの受光デバイス２００に対し、たった１つの電荷蓄積領域２１１のみしか必要としないため、受光デバイス２００を含む画素回路規模を小さくさせることが可能となる。
【０１１７】
また、外光による電荷を蓄積するための余分な電荷蓄積領域も必要としないため、さらに画素回路を小さくすることが可能となり、高画素化に有利な回路構成とすることが可能となる。
【０１１８】
しかも、光源の消灯期間及び点灯期間に対し、１回の受光出力動作しか必要としないため、距離計算を完了するまでの応答性が飛躍的に向上する。さらに、微弱信号を取り扱う場合に問題となった、外光成分の受光出力の時間遅れも解消され、外光成分の時間による変動を受けることなく、全て受光デバイス２００内部でほぼ同時に外光成分をキャンセルさせることが可能となる。
【０１１９】
その上、電荷蓄積領域２１１へは、一切の外光成分による電荷が転送されず信号光成分のみが転送されることにより電荷蓄積領域２１１が非常に飽和しにくい構成となるため、強烈な外光のもとでの信号光成分の検出が可能となる。
【０１２０】
さらに、電子保持領域１個に対して、正孔保持領域を２つ設けることにより、光強度による電子正孔対の発生個数比を２：１に簡単に調整することが可能となり、受光デバイス２００内部の素子構造（例えば、電子保持領域と正孔保持領域との配置関係、形状、寸法不純物濃度など）及び電子と正孔との移動度の差や、デバイスの荒さ精度などを厳密に制御する必要がないため、特殊なプロセス操作に要する時間やコストがかからず、非常に簡単に形作ることが可能となる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
【０１２１】
第２の実施形態は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分についての詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
第１の実施形態は、測距モードにおける距離画像生成手段について言及したが、第２の実施形態は、撮像モードにおける通常画像生成手段に関して示している。本実施形態は、第１の実施形態にそれぞれ共通に包括されるべき内容である。
【０１２２】
図１８は、第２の実施形態である画像生成装置（ここでは通常画像生成装置）１の撮像モードにおける、制御信号生成部４から生成される発光信号ＦＬと、４本の独立した電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２、２本の独立した電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２、及び２本の独立した電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２の動作タイミングの例を簡単に示したチャートである。
【０１２３】
図１８に示すように、撮像モード時は、制御信号生成部４から出力される発光信号ＦＬは常時非アクティブレベルに保ち、光源からのパルス光は全域にわたって照射しないため、全ての画素回路１１０、１２０を構成する各々の受光デバイス２００の電子保持領域２０４、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に保持される電子及び正孔には、パルス光の反射光に依存した電子及び正孔は一切蓄積されないものと考える。
【０１２４】
図１８に基づいて、動作タイミングを説明する。
まず、電荷リセット信号ＲＳＴ及び電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２をアクティブレベルに設定し、電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２及び電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２を非アクティブレベルに設定することで、電荷蓄積領域２１１に蓄積された電荷をＶＤＤにリセットする。電荷リセット信号ＲＳＴは画素回路１１０、１２０に共通で信号を与えても良いし、それぞれ独立して信号を与えても良い。
【０１２５】
また、外光によって電子保持領域２０４に発生した電子、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に発生した正孔は、電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２がアクティブレベルであるため、再結合され、ただちに消失する。
【０１２６】
時刻ｔ１になると、電荷リセット信号ＲＳＴを非アクティブレベルにすることで、電荷蓄積領域２１１がフローティング状態となる。電荷リセット信号ＲＳＴは、便宜上、時刻ｔ１を境に非アクティブレベルに設定したが、電子保持領域２０４から電子が転送される直前までＶＤＤにリセットしていてもよい。
【０１２７】
時刻ｔ２になると、画素回路１１０、１２０の電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２を非アクティブレベルにすることで、外光の強さに応じた個数で、画素回路１１０、１２０の第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には正孔が、電子保持領域２０４には電子が別々に保持される。この時、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に保持されるそれぞれの正孔の個数と、電子保持領域２０４に保持される電子の個数比は１：１：２となる。
【０１２８】
時刻ｔ３になると、画素回路１１０、１２０の電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０の電子保持領域２０４に保持されていた電子に対して、電荷転送電極２１２下に形成されたチャネルを通って電荷蓄積領域２１１への転送を開始する。
【０１２９】
時刻ｔ４になると、画素回路１１０、１２０の電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２を非アクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０の電子保持領域２０４に保持されていた電子の転送を完了する。さらに、電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２をアクティブレベルにすることで、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域にそれぞれ保持されていた正孔が電子保持領域２０４へ押し出され自然消滅する。なお、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間が、撮像モードにおける露光期間と定義する。
【０１３０】
以上の時刻ｔ１〜時刻ｔ４までの操作が、この画像生成装置１における、それぞれの画素回路１１０、１２０のフローティングディフュージョン１１７（電荷蓄積領域２１１）へ電荷を蓄積するための１サイクルである。
【０１３１】
以上のタイミング動作により、それぞれの画素回路１１０、１２０のそれぞれのフローティングディフュージョン１１７に蓄積される電荷量をもとに、ソースフォロワトランジスタ１１４にて電圧変換され、リードトランジスタ１１５を介し、これを受光出力として読み出される。
【０１３２】
本実施形態では、簡単のため、制御信号生成部４から生成される電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２及び電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２を同タイミングで制御したが、これだけに制限されることはなく、例えば、ローリングシャッタ動作のように、ある時間差をもって電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２及び電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２をずらして動作させるように制御してもよい。
【０１３３】
また、本実施形態では、画素回路１１０、１２０を構成するそれぞれの電子保持領域２０４に発生した電荷を、それぞれのフローティングディフュージョン１１７を通過してＶＤＤへ排出するように動作させたが、これだけに制限されることはなく、例えば、電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０のエキゾーストトランジスタ１１６（電荷排出電極２１０）を通じて、電子保持領域２０４で発生した電子をＶＤＤへ排出するように制御してもよい。
【０１３４】
そして、このように構成される第１及び第２の実施形態において、測距モード時は、２画素単位回路８０を１セットとして、パルス光の反射光に依存した電荷に比例した受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０を出力し、これをもとに１つの距離画素値を生成することができ、撮像モード時は、２画素単位回路８０を構成する単位画素を単独で利用して、外光に依存した電荷に比例した受光出力を単位画素毎に１つ出力する。そして、これをそのまま１つの通常画素値として扱うことで、測距モード時は、画素分解能は１／２になるが、１回の撮影で距離画像を生成できるため、高速移動体等、高応答性を要する測距に好適である。
【０１３５】
また、撮像モード時は、単位画素を単独で利用するため、高画素数の通常画像を出力することが可能になるため、従来のように、距離画像の取得には、単位あたりの画素サイズを大きくするために、高画素数の配置は困難で、かつ通常画像の画素分解能まで落ちるという問題を回避できる。
【０１３６】
さらに、第１及び第２の実施形態において、画像生成部５から制御信号生成部４へモード切替え信号を自在に与えるようにしておけば、測距モード及び撮像モードを選択的に切替えることが可能になるため、当実施形態を同じ受光デバイスで共有することができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
【０１３７】
第３の実施形態は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分についての詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
本実施形態は、前記第１の実施形態の図５に示す受光デバイス２００において、半導体の極性を逆にしたものである。即ち、Ｐ形の半導体に代わりにｎ形の半導体を使用し、ｎ形の半導体の代わりにｐ形の半導体を使用したものである。なお、第１の実施形態の部材と対応する部材には、同じ番号を付した。
【０１３８】
本実施形態では、受光デバイス２００は、図１９に示すように、ｎ形の半導体からなる基板２０１の表面に積層されたｎ形の素子形成領域２０２を備える。また、素子形成領域２０２の表面には、ｐ−形のウェル領域２０３が形成される。ウェル領域は、素子形成領域２０２とほぼ厚みが等しいｐ−形の領域であり、ウェル領域２０３内の表面にｐ形の正孔保持領域２０４（電荷保持領域）が形成される。
【０１３９】
さらに、正孔保持領域２０４の表面に、２つの等価なｎ形の第１電子保持領域２０５（第１電荷保持領域）及び第２電子保持領域２０６（第２電荷保持領域）が形成される。第１電子保持領域２０５及び第２電子保持領域２０６の表面には、酸化膜からなる絶縁層２１５を介して、それぞれ２つの等価で透明な第１制御電極２０７及び第２制御電極２０８が形成される。第１制御電極２０７には電荷保持信号ＰＬが接続されており、第２制御電極２０８には電荷保持信号ＰＲが接続されている。ウェル領域２０３を除く素子形成領域２０２の上方には、遮光層２１６が形成されている。
【０１４０】
なお、受光デバイス２００が変更になると、第１の実施形態における図３及び図４も、ＰとＮが逆の図２０及び図２１に示す様に変更になる（ＮＭＯＳがＰＭＯＳとなる）。
ここで、図２１は、画素回路１１０の構成を示す回路図である。上述したように、画素回路１１０及び１２０の回路構成は同じであるため、ここでは、代表して画素回路１１０について説明する。
【０１４１】
図２１に示すように、画素回路１１０は、受光強度に応じた電荷を発生させる光電変換素子１１１と、トランジスタ１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６と、フローティングディフュージョン１１７とを含んでいる。光電変換素子１１１は、アノード側がＶＤＤに接続され、カソード側がトランスファトランジスタ１１２のソースに接続されている。トランスファトランジスタ１１２のドレインは、リセットトランジスタ１１３のソース及びソースフォロワトランジスタ１１４のゲートに接続されている。リセットトランジスタ１１３のドレインはＧＮＤに接続されている。ソースフォロワトランジスタ１１４のソースは、ＶＤＤに接続されている。ソースフォロワトランジスタ１１４のドレインは、行選択トランジスタ１１５のソースに接続されている。また、光電変換素子１１１のカソード側は、エキゾーストトランジスタ１１６のソースとも接続されている。エキゾーストトランジスタ１１６のドレインは、ＧＮＤに接続されている。
【０１４２】
なお、電子と正孔は極性をもっているので、各電極に印加する電圧動作も下記に様に全て正負反対となる。
アクティブレベル →非アクティブレベル
非アクティブレベル→アクティブレベル
ＶＤＤ →ＧＮＤ
ＧＮＤ →ＶＤＤ
本実施形態においても、前記第１の実施形態と同様な効果を奏する。
【０１４３】
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１４４】
１…画像生成装置、２…発光部、３…撮像部、４…制御信号生成部、
５…距離画像データ生成部、６…発光素子、７…拡散レンズ、８…光電センサ、
９…集光レンズ、８０…単位２画素アレイ回路、８２…読出し制御回路、
１１０…第１単位画素回路、１１１…光電変換素子、
１１２…トランスファトランジスタ、１１３…リセットトランジスタ、
１１４…ソースフォロワトランジスタ、１１５…リードトランジスタ、
１１６…エキゾーストトランジスタ、１１７…フローティングディフュージョン、
１２０…第２単位画素回路、２００…受光デバイス、２０１…半導体基板、
２０２…素子形成領域、２０３…ウェル領域、
２０４…電子（正孔）保持領域（電荷保持領域）、
２０５…第１正孔（電子）保持領域（第１電荷保持領域）、
２０６…第２正孔（電子）保持領域（第２電荷保持領域）、
２０７…第１制御電極、２０８…第２制御電極、
２０９…ドレイン領域（電荷排出領域）、２１０…電荷排出電極、
２１１…ドレイン−ソース領域（電荷蓄積領域）、２１２…電荷転送電極、
２１３…電荷リセット電極、２１４…ドレイン領域（電荷排出領域）、
２１５…絶縁層、２１６…遮光層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光デバイス及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、受光デバイスとして、フォトトランジスタ、ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサ等が知られている。これらの受光デバイスは、光の受光強度を電圧変化として読み出すビデオカメラやデジタルカメラ等の撮像素子として、又は、光を伝送媒体とする光通信として、又は、アクティブ光を用いて被写体までの距離に応じた画素値を配列して距離画像データを生成する画像データ生成装置用センサとして、多岐多様にわたって幅広く用いられている。
【０００３】
なお、距離画像とは、撮像された被写体までの距離を、画像の濃淡（画素値）にて表したものであり、距離画像を用いることで、広い範囲に位置する複数の被写体までの距離を一度に測定することが可能となる。
【０００４】
ところで、これらの用途において、光源による信号光を検出する場合、例えば、周辺監視用センサや、赤外線通信、ロボットビジョン用の距離センサなど、光源による信号光に加えて外光も同時に入射する。このような状況においては、受光強度が外光の分だけ大きくなり、本来得られる信号光出力に上乗せされてしまい、信号光出力が正確に得られなくなる。
【０００５】
一方、この種の受光デバイスでは、受光量に応じた電荷を発生蓄積させているが、蓄積できる受光量には限界があるため、受光量が増加するとともに飽和する。すなわち、信号光に加えて強烈な外光が入射した場合には、背景光による受光量だけで、受光デバイスが飽和してしまい、信号光を取り出せなくなってしまう。
【０００６】
また、信号光と外光とが混在していると、外光が時間的に変動する場合は、上乗せされる受光強度も変動する。この結果、信号光と外光を分離できなくなってしまう。
以上のような問題を解決するために、受光デバイスの出力から信号光と外光を分離する技術（特許文献１、２参照）が提案されている。
【０００７】
特許文献１の技術では、光源を間欠的に点灯させ、光源の点灯期間と光源の消灯期間との受光出力の差分をとることにより、外光のみの成分を除去することが考えられている。つまり、外光が変動しない微少期間において、信号光と外光との成分を含む点灯期間の受光出力から、外光に対応する成分のみを含む消灯期間の受光出力を減算することにより、受光出力の差分を求める。これにより、外光の成分の割合を落として、信号光の成分の割合を高めることが可能になる。
【０００８】
特許文献２の技術では、受光デバイス内部で、電子及び正孔を目的キャリア、非目的キャリアとして別々に蓄積させ、光源の点灯期間と消灯期間との受光出力の差分を選択的に再結合させることによって、外光のみの成分を除去することが考えられている。この技術では、電子正孔対レベルで電荷をキャンセルさせることが可能であると同時に、受光デバイスの外に読み出す前に外光の成分の除去を完了させることが可能であるため、外光による飽和を防止して信号光の成分を抽出することができ、光のダイナミックレンジを大幅に向上させることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２９４４２０号公報
【特許文献２】特開２００５−３０３２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の受光デバイスでは、信号光と光源本来の位相差を検出するためには、１個の受光デバイスに対して最低でも２つの電荷蓄積ノードを必要とするので、画素内部の処理回路が大きくなってしまう。
【００１１】
また、信号光と外光とを分離し、外光の影響を除去するためには、外光による電荷を蓄積するための電荷蓄積ノードがもう一つ余分に必要となり、さらに画素内部の処理回路が大きくなってしまう。この結果、１画素あたりに占めるトランジスタ数が大幅に増大し、高画素化には不向きな構成となることが予想される。
【００１２】
更に、外光の影響を除去するためには、信号光と外光の成分を含む、光源の点灯期間の受光出力と、外光のみの成分を含む、光源の消灯期間の受光出力というように、最低２回の出力動作を要するため、１回の信号光成分を検出するまでの応答性が低下する。
【００１３】
しかも、遠方からの反射光や、黒の被写体又は反射率の低い被写体からの反射光のように、微弱な信号を取り扱う場合には、信号の受光量を増加させるために、受光デバイスへの受光における積分時間を増加させなければならない。この場合、１回の信号光成分を検出するまでの応答性がさらに低下するだけでなく、外光成分の受光出力の時間遅れが大きくなってしまい、外光の受光強度が変動してしまう可能性がある。この結果、正確に外光の成分を除去できなくなることが予想される。
【００１４】
更に、外光の成分を効率よく除去するためには、各電荷蓄積ノードは飽和してはいけない。つまり、受光した電荷を各電荷蓄積ノードに転送させ、その時の受光出力を電圧値として画素の外へ読み出すため、強烈な光が入射した場合は、転送後に電荷蓄積ノード自体が飽和してしまい、本来の正しい受光出力が得られなくなる。この結果、各電荷蓄積ノードの飽和限界を超える外光のもとでは、信号光の成分の検出ができなくなってしまう。
【００１５】
そこで、前記特許文献１に記載の受光デバイスの問題を解決するために、特許文献２に記載の受光デバイスでは、画素内の電荷蓄積ノードの飽和を防止するために、受光部内に電子正孔対を別々に保持させ、受光部内の制御電極を制御することによって、電子と正孔を別々に保持、廃却、再結合といった操作を与えることが可能な構成をとっている。
【００１６】
つまり、光源の消灯期間である外光の成分の電荷を電子と正孔に分けて保持させ、一旦、電子のみを廃却した後、続いて、光源の点灯期間である信号光と外光の成分の電子と正孔に分けて保持させ、その後、電子正孔対を再結合させて残った残存電荷を信号光の成分のみである受光強度として電荷蓄積ノードへ転送させることによって、外光の成分が存在しない本来の信号光成分として出力可能としている。
【００１７】
しかしながら、特許文献２に記載の受光デバイスでは、上記の再結合後の残存電荷を信号光とするためには、光強度による電子正孔対の発生個数比を２：１に調整しなければならず、これをデバイスの機能として追加しなければ成立しない。この発生個数比は、素子構造（例えば、電子保持領域と正孔保持領域との配置関係、形状、寸法、不純物濃度など）及び電子と正孔との移動度の差に依存するため、プロセスの荒さ精度で決まってくる。
【００１８】
また、電子正孔対を制御するための制御電極の配置や印加する電圧の大きさによっても、ポテンシャル障壁の高さやポテンシャル井戸の深さが変化するため、発生個数比が変化してしまい、そのため、電子正孔対の発生個数をデバイス上で正確に２：１とすることは現実的にきわめて困難である。
【００１９】
更に、受光デバイス自体の断面構造が複雑であり、特殊プロセスを用いないと形成できない。このため、工程が複雑になり開発コスト及び開発期間が増大してしまい、競争力が低下する。また、自社プロセスを有しないメーカがデバイスのチューニングを実施することは極めて困難であり、敷居が高く市場発展の妨げとなる。
【００２０】
本発明は、かかる問題を鑑みてなされたもので、外光による画素蓄積ノードの飽和を防止して、信号光のみ分離抽出できるようにすることで、信号光に対するダイナミックレンジを向上させる受光デバイス及びその制御方法を提供するとともに、特殊プロセスを用いず、安価で構造が単純なデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
請求項１の発明では、導電型の半導体基板表面に形成された導電型の素子形成領域と、前記素子形成領域の表面に設けられた逆導電型のウェル領域と、前記ウェル領域の表面に設けられ、前記ウェル領域内に発生した電子又は正孔を保持する逆導電型の電荷保持領域と、前記電荷保持領域内の表面に設けられ、電子又は正孔を保持する導電型の第１電荷保持領域と、前記第１電荷保持領域とは別に、前記電荷保持領域内の表面に設けられ、電子又は正孔を保持する導電型の第２電荷保持領域と、前記素子形成領域の表面に設けられ、電子又は正孔を蓄積する、少なくとも１つ以上の逆導電型の電荷蓄積領域と、前記素子形成領域の表面に設けられ、電子又は正孔の排出に用いられる、少なくとも１つ以上の逆導電型の電荷排出領域と、前記第１電荷保持領域における電子又は正孔の保持を制御するために、前記第１電荷保持領域上に光を透過可能な絶縁膜を介して設けられた光を透過可能な第１制御電極と、前記第２電荷保持領域における電子又は正孔の保持を制御するために、前記第２電荷保持領域上に光を透過可能な絶縁膜を介して設けられた光を透過可能な第２制御電極と、前記ウェル領域と電荷蓄積領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する少なくとも１つ以上の電荷転送電極と、前記ウェル領域と電荷排出領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する電荷排出電極と、前記電荷蓄積領域と電荷排出領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する電荷リセット電極と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
ここで、素子形成領域とは、МОＳトランジスタなどの半導体素子を形成するための領域のことであり、ウェル領域とは、極性の異なる半導体素子を同一基板上に形成するために設けられた領域のことである。
【００２３】
また、導電性及び逆導電性とは、半導体の極性が異なることを示しており、例えばｐ型を導電性とした場合は、その逆導電性とはｎ型のことであり、逆に、ｎ型を導電性とした場合は、その逆導電性とはｐ型のことである。従って、例えば逆導電型の電荷保持領域をｎ型とした場合、保持する電荷は電子（−）であり、導電型の第１、第２電荷保持領域をｐ型とした場合、保持する電荷は正孔（＋）である。
【００２４】
この構成によれば、光源の点灯及び消灯期間で生じる信号光及び外光が半導体基板表面に入射した場合、第１制御電極及び第２制御電極、電荷保持領域、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域を備えることで、例えば、電荷保持領域に電子を、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に正孔をそれぞれ分離して保持又は再結合することが可能となる。よって、必要な信号光成分の電荷のみ分離できるので、外光成分によるノイズ電荷を極力排除できるようになる。
【００２５】
また、電荷排出電極及び電荷排出領域を備えることによって、外光で生じる電荷を電荷排出領域へ排出することが可能となり、外光による飽和を極力抑えられるから、高照度環境下においても精度の良い信号光を得ることが可能となる。
【００２６】
更に、電荷転送電極及び電荷転送領域を備えることによって、電荷保持領域で分離した信号光成分の例えば電子を電荷転送領域へ取り出すことを可能とすることで、たった１つの蓄積ノードで外光成分を取り除いた信号光成分を検出可能となり、画素の回路規模を抑えることが可能である。
【００２７】
しかも、光源の点灯及び消灯期間を連続して受光デバイス内で処理できるため、たった１回の出力動作で信号光出力を得られるので、応答性が向上し、高速移動体のような変動の大きい対象物の信号出力を精度よく得ることが可能となる。
【００２８】
その上、受光デバイスの構造が単純で、かつ困難なデバイスのチューニングを施す必要が無いため、工程数減少による開発期間の短縮及び低コスト化を実現できる。
この様に、本発明によれば、外光による画素蓄積ノードの飽和を防止して、信号光のみ分離抽出できるようにすることで、信号光に対するダイナミックレンジを向上させる受光デバイスを実現できるとともに、特殊プロセスを用いず、安価で構造が単純なデバイスを実現できる。
【００２９】
請求項２の発明では、前記導電型の第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域は、等価に形成されることを特徴とする。
ここで、等価とは、各領域の平面形状や深さ等の領域の寸法形状が同一で、同様に電荷を保持できる機能を有することをいう。
【００３０】
この構成によれば、第１及び第２電荷保持領域の大きさや深さを等価にすることによって、電荷の蓄積容量が同じとなるため、光源の点灯及び消灯期間に生じる信号光及び外光成分の正孔を１：１で振り分けることが可能となる。そのため、複雑な受光デバイスのチューニングがなくとも発生電荷を等価に振り分けられるから、複雑なプロセス開発を必要とせず開発期間を短縮できる。
【００３１】
請求項３の発明では、前記第１制御電極及び第２制御電極は、等価に形成されることを特徴とする。
この構成によれば、第１及び第２制御電極の大きさや深さを等価にし、更には第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域との配置関係を等価（即ち、対応する各電極と各領域との配置を同じ）にすることで、それぞれの制御電極に加える電圧（印加電圧）をまったく同じように制御できる。よって、光源の点灯及び消灯期間に生じた信号光及び外光成分の電子正孔対を１：１で分離及び保持できるから、複雑な受光デバイスのチューニングがなくとも発生電荷を等価に振り分けられ、複雑なプロセス開発を必要とせず開発期間を短縮できる。
【００３２】
請求項４の発明では、前記受光デバイスを、１次元又は２次元状に複数配置してなることを特徴とする。
この構成によれば、受光デバイスを複数配列するから、外光を取り除いた信号光出力を複数得られることになり、高画素数の画像表示や領域内の測距センサの出力として扱うことが可能となる。
【００３３】
請求項５の発明では、前記導電型はＰ型又はＮ型からなり、逆導電型はＮ型又はＰ型からなることを特徴とする。
この構成によれば、半導体基板の導電型を選ぶことなく受光デバイスを形成することができるから、使用分野の用途に合った受光デバイスを選択することができ、半導体基板の制約なく幅広く取り扱うことが可能となる。
【００３４】
請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、光源の消灯期間にウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極を制御した後、電荷排出電極を反転することで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄させた後、電荷排出電極を反転させ、光源の点灯期間にウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極を制御した後、第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ反転させることで、電荷保持領域に保持された電子又は正孔と反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子とを再結合させた後、電荷転送電極を反転することで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００３５】
この方法によれば、光源の消灯期間で生じる外光が半導体基板表面に入射した場合、第１制御電極及び第２制御電極を制御することで、電荷保持領域に電子又は正孔を、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に正孔又は電子をそれぞれ分離して保持した後に、電荷排出電極を反転して電荷保持領域の電子又は正孔を電荷排出領域に排出できる。よって、外光成分の電子正孔対のうち一方を保持しながら、もう一方を効率よく除去することが可能となり、外光電荷の情報を記憶しながら外光による飽和を極力防止することが可能となる。
【００３６】
続いて、光源の点灯期間で生じる信号光及び外光が半導体基板表面に入射した場合、制御電極のどちらか一方のみを反転制御することで、保持された電子正孔対が２：１の比率で再結合される。よって、消灯期間に保持された外光成分の正孔又は電子と合わさって、外光成分の電子正孔対を効率よく除去しながら信号光成分の電子又は正孔を残存させることができるため、効率よく信号電荷を受光出力して取り出すことが可能となる。
【００３７】
また、たった１つの蓄積ノードで、外光成分を取り除いた信号光成分を検出可能となり、画素の回路規模を抑えることが可能である。
更に、光源の点灯及び消灯期間を連続して受光デバイス内で処理できるため、たった１回の出力動作で信号光出力を得られる。よって、応答性が向上し、高速移動体のような変動の大きい対象物の信号出力を精度よく得られることが可能となる。
【００３８】
その上、受光デバイスの構造が単純で、かつ困難なデバイスのチューニングを施す必要が無いため、工程数減少による開発期間の短縮及び低コスト化を実現できる。
請求項７の発明では、請求項６に記載の受光デバイスの制御方法であって、前記ウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が前記電荷保持領域に、もう一方が前記第１電荷保持領域及び前記第２電荷保持領域の少なくとも一方に分離されることを特徴とする。
【００３９】
この方法によれば、第１制御電極又は第２制御電極に印加する電圧制御のみで電子又は正孔を別々に保持又は再結合することが可能となるため、受光デバイス内に２つの独立したメモリ機能と消去機能を両立させることが可能となるので、電圧として出力することなく受光デバイス内で電荷レベルの演算を実現できる。よって、周辺回路として余分なメモリが不要で、回路規模を抑えることが可能である。
【００４０】
請求項８の発明では、請求項６又は７に記載の受光デバイスの制御方法であって、前記第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に光に応じた同個数の電子又は正孔を発生させるように、前記第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御することを特徴とする。
【００４１】
この方法によれば、それぞれの制御電極の電圧制御のみで、同個数の電子又は正孔を発生させることが可能となり、複雑な受光デバイスのチューニングがなくとも発生電荷を等価に振り分けられるから、複雑なプロセス開発を必要とせず開発期間を短縮できる。
【００４２】
請求項９の発明では、請求項６〜８のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、前記第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子のうち、少なくともどちらか一方が、前記電荷保持領域に保持された電子又は正孔と再結合するように、前記第１制御電極又は第２制御電極を制御することを特徴とする。
【００４３】
この方法によれば、それぞれの制御電極を独立制御することで、メモリ機能と消去機能を独立に扱うことが可能となり、電圧として出力することなく受光デバイス内で電荷レベルの演算を実現できる。よって、周辺回路として余分なメモリが不要で、回路規模を抑えることが可能である。
【００４４】
請求項１０の発明では、請求項６〜９のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、前記光源の消灯期間と点灯期間を同期間にし、光源の点灯期間中に前記電荷保持領域に保持された電子又は正孔の個数から、光源の消灯期間及び点灯期間中に第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子の個数のうち、どちらか一方のみを再結合させることで、光源の点灯期間中に発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させることを特徴とする。
【００４５】
この方法によれば、それぞれの制御電極を等価（即ち同じ様に）に制御することで、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に生じる正孔又は電子と、電荷保持領域に生じる電子又は正孔の発生個数は、１：１：２の比率となる。よって、２回の受光動作で外光成分の電子正孔対の発生個数を同個数にしながら、信号光成分の電子正孔対の発生個数を２：１にすることができる。そのため、外光を効率よく除去しながら、信号光の電子又は正孔の個数の１／２を残存させることが可能となり、かつ外光の飽和を極力抑えることが可能となる。
【００４６】
請求項１１の発明では、請求項６〜１０のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、前記光源の消灯期間と点灯期間を同期間にし、光源の消灯期間に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔が完全に廃棄された後、電荷排出電極に印加する電圧を反転させ、光源の点灯期間に、外光及び光源に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び光源に応じた電子又は正孔と、光源の消灯期間及び点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び光源に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の消灯期間及び点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の点灯期間中に光源に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００４７】
この方法によれば、それぞれの制御電極を等価（即ち同様）に制御することで、第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に生じる正孔又は電子と、電荷保持領域に生じる電子又は正孔の発生個数は、１：１：２の比率となる。よって、２回の受光動作で外光成分の電子正孔対の発生個数を同個数にしながら、信号光成分の電子正孔対の発生個数を２：１にすることができる。そのため、外光を効率よく除去しながら、信号光の電子あるは正孔の個数の１／２を残存させることが可能となり、かつ外光の飽和を極力抑えることが可能となる。
【００４８】
また、精度よく信号光成分の電子又は正孔を受光出力として取り出すことが可能となるため、Ｓ／Ｎ向上につなげられる。
更に、たった１つの蓄積ノードで、外光成分を取り除いた信号光成分を検出可能となり、画素の回路規模を抑えることが可能である。
【００４９】
しかも、光源の点灯及び消灯期間を連続して受光デバイス内で処理できるため、たった１回の出力動作で信号光出力を得られる。よって、応答性が向上し、高速移動体のような変動の大きい対象物の信号出力を精度よく得られることが可能となる。
【００５０】
その上、受光デバイスの構造が単純で、かつ困難なデバイスのチューニングを施す必要が無いため、工程数減少による開発期間の短縮及び低コスト化を実現できる。
請求項１２の発明では、前記請求項６〜１１のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、１次元又は２次元に複数配置してなる受光デバイス群のうち、各々隣接する２つの受光デバイスをセットとして、それぞれを第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスと定義した時、測定対象物との距離を測定する測距モードでは、第１の受光デバイスは、光源の第１消灯期間中に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域にもう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄し、電荷排出電極に印加する電圧を反転させた後、光源からパルス変調されたパルス光を照射し、光源の第１点灯期間中に、外光及び対象物からの反射光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の第１点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた電子又は正孔と、光源の第１消灯期間及び第１点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の第１消灯期間及び第１点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の第１点灯期間中に対象物からの反射光に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを第１受光出力として取り出すことを特徴とし、第２の受光デバイスは、光源の第２消灯期間に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域にもう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄し、電荷排出電極に印加する電圧を反転させた後、光源からパルス変調されたパルス光を照射し、光源の第２点灯期間に、外光及び対象物からの反射光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の第２点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた電子又は正孔と、光源の第２消灯期間及び第２点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の第２消灯期間及び第２点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の第２点灯期間中に対象物からの反射光に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを第２受光出力として取り出すことを特徴とし、第１受光出力及び第２受光出力をもとに、光源から対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００５１】
この方法によれば、受光デバイスを測距センサとして扱うことが可能となり、利用分野の幅を広げることが可能となる。また、外光による飽和を極力抑えることが可能になるから、測距センサの大きな技術課題である、高照度環境下での測距にも適用することができ、使用範囲の拡大が期待できる。更に、信号光電荷を精度よく検出できるため、Ｓ／Ｎを向上させることができるから、測距センサの検知距離の拡大又は距離分解能の向上が期待できる。しかも、１フレーム期間で測距動作を完了させることができるから、高応答な測距センサが実現でき、高速移動体のような対象物の測距にも適用できるので、使用用途を拡大できる。
【００５２】
請求項１３の発明では、前記請求項１２に記載の受光デバイスの制御方法であって、前記第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さは等価（等しい）であり、第１点灯期間及びパルス光の照射期間は一致しており、前記第２消灯期間と第２点灯期間の長さは等価（等しい）であり、第２消灯期間及び第２点灯期間の長さは、第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さよりも長いことを特徴とする。
【００５３】
この方法によれば、外光成分の電荷を効率よく除去しながら、信号光成分の電荷のみ残存させるとともに、第１点等期間に発生した信号光成分の電荷と、第２点等期間に発生した信号光成分の電荷の比率から、対象物の距離を精度よく計測することができる。
【００５４】
なお、第２消灯期間及び第２点灯期間の長さは、第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さよりも長いが、その程度は、例えば第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さに対して、第２消灯期間及び第２点灯期間の長さが２倍以上のように、測定対象物との距離によるパルス光の時間遅れを包含できるぐらい、十分に長いことが好ましい。
【００５５】
請求項１４の発明では、請求項６〜１３のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、１次元又は２次元に複数配置してなる受光デバイス群のうち、各々隣接する２つの受光デバイスをセットとして、それぞれを第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスと定義した時、測定対象物を撮像する撮像モードでは、第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスともに、光源の消灯期間中に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に保持された電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００５６】
この方法によれば、受光デバイスを撮像画像センサとして扱うことが可能となり、利用分野の幅を広げることが可能となる。
請求項１５の発明では、請求項１２又は１３に測距モードと前記請求項１４に記載の撮像モードとは、選択的に切り替え可能であることを特徴とする。
【００５７】
この方法によれば、受光デバイスの構造を変更しなくても、測距センサ又は撮像画像センサとして選択的に扱うことが可能になり、利用分野の幅が拡大するとともに、２つの機能を１チップで実現できるから、低コストかつ省スペースなセンサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第１の実施形態に係わる、距離画像生成装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】撮像部の概略構成を示す説明図である。
【図３】単位２画素アレイ回路の構成を示す回路図である。
【図４】単位画素回路の構成を示す回路図である。
【図５】第１の実施形態に係わる、受光デバイス（Ｐ型半導体基板）の全体構造を破断して示す説明図である。
【図６】第１の実施形態に係わる、制御信号生成部の動作等を示すタイミングチャート図である。
【図７】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図８】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図９】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図１０】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図１１】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図１２】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作等を示す説明図である。
【図１３】第１の実施形態に係わる、受光デバイスの動作の要部を示す説明図である。
【図１４】隣り合う２画素単位回路８０−１、８０−２を用いた距離の算出方法を示す説明図である。
【図１５】（ａ）パルス光を示す説明図、（ｂ）パルス光の刻み時間幅Δｔを示す説明図、（ｃ）補正係数テーブルを示す説明図である。
【図１６】パルス光の理想と実測との違いを示す説明図である。
【図１７】距離ｄの補正処理を示すフローチャートである。
【図１８】第２の実施形態に係わる、制御信号生成部の動作等を示すタイミングチャート図である。
【図１９】第３の実施形態に係わる、受光デバイス（ｎ型半導体基板）の全体構造である。
【図２０】単位２画素アレイ回路の構成を示す回路図である。
【図２１】単位画素回路の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
以下、本発明の受光デバイス及びその制御方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１に、本実施形態の受光デバイス２００を用いた画像生成装置（ここでは距離画像生成装置）１の全体構成を表すブロック図を示す。
【００６０】
同図に示すように、画像生成装置１は、測定対象物Ｍを撮像して距離画像を生成する装置であり、発光信号ＦＬに従って周波数変調された光を発生させる発光部２と、電荷転送信号ＴＧと電荷排出信号ＤＥＧに従って測定エリア内を撮像する撮像部３と、発光信号ＦＬ、４本の独立した電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２、２本の独立した電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２及び２本の独立した電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２を生成する制御信号生成部４と、制御信号生成部４で画素毎に発光信号ＦＬと電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２と電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２の開始タイミングや継続時間を制御することにより、撮像部３から得られる画素出力に基づいて距離画像又は通常画像を生成したり、測距手段又は撮像手段を選択的に切替えるモード切替え信号を生成する画像生成部５とを備えている。
【００６１】
このうち、発光部２は、近赤外線光を発生させる発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ＬＤ）からなり、発光信号ＦＬに従って駆動される発光素子６と、発光素子６の放射光を拡散して、ある測定エリアを照射する拡散レンズ７とを備えている。
【００６２】
また、撮像部３は、入射された光を電気信号に変換する光電センサ８と、測定エリア内から到来する光を集光して光電センサ８に入射する集光レンズ９とを備えている。
そして、光電センサ８は、図２〜図４に示すように、後述する画素回路１１０、１２０の２画素を単位回路として、受光面がアレイ状に配置されるように設けられた複数の２画素単位回路８０と、各２画素単位回路８０から出力される複数の出力を順番に読み出して、画像生成部５に供給する読出し制御回路８２とからなる。
【００６３】
ここで、図３は２画素単位回路８１の構成を示す回路図である。図３に示すように、２画素単位回路８０は、画素回路１１０、１２０の２つの画素回路から構成される。便宜上、２画素単位回路８０にある画素回路１１０、１２０を別名で記載しているが、それぞれの画素回路１１０、１２０の回路構成は同じものである。
【００６４】
また、２画素単位回路８０内にある画素回路１１０には、２本の電荷保持信号ＰＬ１とＰＲ１、電荷転送信号ＴＧ１と電荷排出信号ＤＥＧ１が供給され、画素回路１２０には、２本の電荷保持信号ＰＬ２とＰＲ２、電荷転送信号ＴＧ２と電荷排出信号ＤＥＧ２が供給されることにより、それぞれの画素回路に独立した電荷保持信号、電荷転送信号及び電荷排出信号のセットが供給される。
【００６５】
ここで、図４は、画素回路１１０の構成を示す回路図である。上述したように、画素回路１１０、１２０の回路構成は同じであるため、ここでは、代表して画素回路１１０について説明する。
【００６６】
図４に示すように、画素回路１１０は、受光強度に応じた電荷を発生させる光電変換素子１１１と、トランジスタ１１２、１１３、１１４、１１５、１１６と、フローティングディフュージョン１１７とを含んでいる。光電変換素子１１１は、カソード側がＧＮＤに接続され、アノード側がトランスファトランジスタ１１２のソースに接続されている。トランスファトランジスタ１１２のドレインは、リセットトランジスタ１１３のソース及びソースフォロワトランジスタ１１４のゲートに接続されている。リセットトランジスタ１１３及びソースフォロワトランジスタ１１４のドレインは、ＶＤＤに接続されている。ソースフォロワトランジスタ１１４のソースは、行選択トランジスタ１１５のドレインに接続されている。また、光電変換素子１１１のアノード側は、エキゾーストトランジスタ１１６のソースとも接続されている。エキゾーストトランジスタ１１６のドレインは、ＶＤＤに接続されている。ここで、画素回路１１０の中で、破線で示した回路を受光デバイス２００と呼ぶことにする。
【００６７】
図５は、受光デバイス２００の断面構造を示している。この受光デバイス２００は、同図に示すように、ｐ形の半導体（例えば、シリコン）からなる基板２０１の表面に積層されたｐ形の素子形成領域２０２を備える。また、素子形成領域２０２の表面には、ｎ−形のウェル領域２０３が形成される。ウェル領域は、素子形成領域２０２とほぼ厚みが等しいｎ−形の領域であり、ウェル領域２０３内の表面にｎ形の電子保持領域２０４（電荷保持領域）が形成される。
【００６８】
さらに、電子保持領域２０４の表面に、２つの等価な（即ち平面形状や深さが全く等しい）ｐ形の第１正孔保持領域２０５（第１電荷保持領域）及び第２正孔保持領域２０６（第２電荷保持領域）が形成される。第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６の表面には、酸化膜（例えば、シリコン酸化膜）からなる絶縁層２１５を介して、それぞれ２つの等価で透明な第１制御電極２０７及び第２制御電極２０８が形成される。第１制御電極２０７には電荷保持信号ＰＬが接続されており、第２制御電極２０８には電荷保持信号ＰＲが接続されている。ウェル領域２０３を除く素子形成領域２０２の上方には、遮光層２１６が形成されている。ウェル領域２０３には遮光層２１６が形成されていないため、感光部として作用する。
【００６９】
なお、ウェル領域２０３、電子保持領域２０４、第１正孔保持領域２０５、第２正孔保持領域２０６、絶縁層２１５を介した第１制御電極２０７及び第２制御電極２０８の全体の構成は、前記図４に示す光電変換素子１１１と対応している。
【００７０】
素子形成領域２０２の表面において、ウェル領域２０３の一方（図５左側）には、ｎ形のドレイン領域２０９（電荷排出領域）が形成され、ウェル領域２０３及びドレイン領域２０９の間の素子形成領域２０２の表面には、絶縁層２１５を介して電荷排出電極２１０が形成される。電荷排出電極２１０には電荷排出信号ＤＥＧが接続されている。ドレイン領域２０９の表面には、コンタクトを介してＶＤＤに接続されている。これは前記図４に示すエキゾーストトランジスタ１１６と対応している。
【００７１】
また、素子形成領域２０２の表面において、ウェル領域のもう一方（図５左側）には、ｎ形のドレイン−ソース領域２１１（電荷蓄積領域）が形成され、ウェル領域２０３及びドレイン−ソース領域２１１の間の素子形成領域２０２の表面には、絶縁層２１５を介して電荷転送電極２１２が形成される。電荷転送電極２１２には電荷転送信号ＴＧが接続されている。これは前記図４に示すトランスファトランジスタ１１２と対応している。
【００７２】
また、素子形成領域２０２の表面において、ドレイン−ソース領域２１１の一方（図５右側）には、ｎ形のドレイン領域２１４（電荷排出領域）が形成され、ドレイン−ソース領域２１１とドレイン領域２１４の間の素子形成領域２０２の表面には、絶縁層２１５を介して電荷リセット電極２１３が形成される。電荷リセット電極２１３には、電荷リセット信号ＲＳＴが接続されている。ドレイン領域２１４の表面には、コンタクトを介してＶＤＤに接続されている。これは、前記図４に示すリセットトランジスタ１１３に対応している。また、ドレイン−ソース領域２１１は、前記図４に示すフローティングディフュージョン１１７と対応している。
【００７３】
なお、ドレイン領域２０９及びドレイン領域２１４は、便宜上、別々の領域として定義したが、コンタクトを介して共通で接続するため、デバイス面積の最適化のため、ドレイン領域２０９及びドレイン領域２１４は一つのドレイン領域として取り扱ってもよい。
【００７４】
また、本実施形態では、ｐ形の半導体基板からなるｎ形素子を形成することを例として挙げたが、後述する様に、ｎ形の半導体基板からなるｐ形素子を形成しても、本実施形態は実現できるため、導電型はｐ形又はｎ形どちらで形成してもよい。
【００７５】
次に、第１の実施形態の画像生成装置１の動作について説明する。
図６は、画像生成装置１の測距モードにおける、制御信号生成部４から生成される発光信号ＦＬと、４本の独立した電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２、２本の独立した電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２、及び２本の独立した電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２の動作タイミングの例を簡単に示したチャートである。
【００７６】
図６に示すように、ここでは、制御信号生成部４から生成される発光信号ＦＬに従って、パルス幅Ｔflを有するパルス光を測定対象物Ｍに向かって照射し、光源から測定対象物Ｍまでの距離に応じてある時間遅れＴdで返ってくる反射光、及び定常的に存在する外光があると考える。
【００７７】
図６に従って、動作タイミングを説明する。
まず、電荷リセット信号ＲＳＴ及び電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２をアクティブレベル（＋）にし、電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２及び電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２を非アクティブレベル（−）にすることで、電荷蓄積領域２１１に蓄積された電荷をＶＤＤにリセットする。電荷リセット信号ＲＳＴは画素回路１１０、１２０に共通で信号を与えても良いし、それぞれ独立して信号を与えても良い。
【００７８】
また、外光によって電子保持領域２０４に発生した電子、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に発生した正孔は、電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２がアクティブレベルであるため、再結合され、ただちに消失する。
【００７９】
時刻ｔ１になると、電荷リセット信号ＲＳＴを非アクティブレベルにすることで、電荷蓄積領域２１１がフローティング状態となる。電荷リセット信号ＲＳＴは、便宜上、時刻ｔ１を境に非アクティブレベルに設定したが、電子保持領域２０４から電子が転送される直前までＶＤＤにリセットしていてもよい。
【００８０】
時刻ｔ２になると、画素回路１２０の電荷保持信号ＰＬ２、ＰＲ２を非アクティブレベルにすることで、外光の強さに応じた個数で、画素回路１２０の第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には正孔が、電子保持領域２０４には電子が別々に保持される（図７の状態）。この時、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に保持されるそれぞれの正孔の個数と、電子保持領域２０４に保持される電子の個数比は１：１：２となる。
【００８１】
時刻ｔ３になると、今度は画素回路１１０の電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１を非アクティブレベルにすることで、外光の強さに応じた個数で、画素回路１１０の第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には正孔が、電子保持領域２０４には電子が別々に保持される。同様に、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に保持されるそれぞれの正孔の個数と、電子保持領域２０４に保持される電子の個数比は１：１：２となる。
【００８２】
時刻ｔ４になると、画素回路１１０、１２０の電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０それぞれの電子保持領域２０４に保持されていた電子が、電荷排出電極２１０下に形成されたチャネルを通って電荷排出領域２０９へ排出される。この時、画素回路１１０、１２０の第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６にそれぞれ保持されている正孔は保持され続けた状態であり、変動しない（図８の状態）。
【００８３】
時刻ｔ５になると、画素回路１１０、１２０の電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２を非アクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０の電子保持領域２０４にそれぞれ保持されていた電子の排出を完了する。さらに、発光信号ＦＬをアクティブレベルにすることで、光源であるパルス光の照射を開始する。なお、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間を、第１消灯期間、時刻ｔ２から時刻ｔ５までの期間を第２消灯期間と定義する。
【００８４】
時刻ｔ６は、光源と測定対象物Ｍとの距離に応じた時間遅れＴｄでパルス光の反射光が返ってくる時刻とする。つまり、時刻ｔ６以降は、外光と同時に光源であるパルス光の反射光も加算された光が画素回路１１０、１２０に入射することになる（図９の状態）。
【００８５】
時刻ｔ７になると、発光信号ＦＬを非アクティブレベルにすることで、光源であるパルス光の照射を終了する。なお、時刻ｔ５から時刻ｔ７までの期間を、第１点灯期間と定義する。それと同時に、画素回路１１０の電荷保持信号ＰＲ１をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０の第２正孔保持領域２０６に保持された正孔及び電子保持領域２０４に保持された電子が再結合する（図１０の状態）。
【００８６】
この時、第２正孔保持領域２０６に発生した正孔の個数は、第１消灯期間及び第１点灯期間に入射した外光と、第１点灯期間に入射したパルス光の反射光の一部の和で決まる。また、電子保持領域２０４に発生した電子の個数は、第１点灯期間に入射した外光と、第１点灯期間に入射したパルス光の反射光の和で決まる。今、第１消灯期間及び第１点灯期間を同じ長さとすると、外光により発生した正孔及び電子の個数は等価となるため、再結合により完全に相殺されることになる。
【００８７】
また、パルス光の反射光により第２正孔保持領域２０６及び電子保持領域２０４に発生した正孔及び電子の個数比は１：２であるため、再結合により、電子保持領域２０４には、第１点灯期間に入射したパルス光の反射光で決まる電子の個数の１／２が残存する（図１１の状態）。
【００８８】
さらに、画素回路１１０の電荷転送信号ＴＧ１をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０の電子保持領域２０４に保持されていた電子に対して、電荷転送電極２１２下に形成されたチャネルを通って電荷蓄積領域２１１への転送を開始する。
【００８９】
時刻ｔ８になると、画素回路１１０の電荷転送信号ＴＧ１を非アクティブレベルにすることで、画素回路１１０の電子保持領域２０４に保持されていた電子の転送を完了する（図１２の状態）。さらに、電荷保持信号ＰＬ１をアクティブレベルにすることで、第１正孔保持領域２０５に保持されていた正孔が電子保持領域２０４へ押し出され自然消滅する。
【００９０】
時刻ｔ９は、光源と測定対象物Ｍとの距離に応じた時間遅れＴｄで返ってくるパルス光の反射光が終了する時刻とする。つまり、時刻ｔ９以降は、外光のみが画素回路１１０及び１２０に入射することになる。
【００９１】
時刻ｔ１０になると、画素回路１２０の電荷保持信号ＰＲ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１２０の第２正孔保持領域２０６に保持された正孔及び電子保持領域２０４に保持された電子が再結合する。なお、時刻ｔ５から時刻ｔ１０までの期間を、第２点灯期間と定義する。
【００９２】
この時、第２消灯期間及び第２点灯期間を第１消灯期間及び第１点灯期間に対してパルス光の時間遅れＴｄよりも十分長く設定しておけば、第２点灯期間中にすべてのパルス光の反射光が返ってくるようになる。第２正孔保持領域２０６に発生した正孔の個数は、第２消灯期間及び第２点灯期間に入射した外光と、第２点灯期間に入射したパルス光の反射光の全ての和で決まる。また、電子保持領域２０４に発生した電子の個数は、第２点灯期間に入射した外光と、第２点灯期間に入射したパルス光の反射光の全ての和で決まる。
【００９３】
今、第２消灯期間及び第２点灯期間を同じ長さとすると、外光により発生した正孔及び電子の個数は等価となるため、再結合により完全に相殺されることになる。また、パルス光の反射光により第２正孔保持領域２０６及び電子保持領域２０４に発生した正孔及び電子の個数比は１：２であるため、再結合により、電子保持領域２０４には、第２点灯期間に入射したパルス光の反射光で決まる電子の個数の１／２が残存する。
【００９４】
さらに、画素回路１２０の電荷転送信号ＴＧ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１２０の電子保持領域２０４に保持されていた電子に対して、電荷転送電極２１２下に形成されたチャネルを通って電荷蓄積領域２１１への転送を開始する。
【００９５】
時刻ｔ１１になると、画素回路１２０の電荷転送信号ＴＧ２を非アクティブレベルにすることで、画素回路１２０の電子保持領域２０４に保持されていた電子の転送を完了する。さらに、電荷保持信号ＰＬ２をアクティブレベルにすることで、第１正孔保持領域２０５に保持されていた正孔が電子保持領域２０４へ押し出され自然消滅する。
【００９６】
以上の時刻ｔ１〜時刻ｔ１１までの操作が、当該装置１における、それぞれの画素回路１１０、１２０のフローティングディフュージョン１１７（電荷蓄積領域２１１）へ電荷を蓄積するための１サイクルである。なお、微弱信号を取り扱う場合は、１サイクルあたりの電荷量が小さいため、この１サイクルを基準として、複数回にわたって同様の操作を実行し、フローティングディフュージョン１１７へ電荷を積算してもよい。
【００９７】
ここで、時刻ｔ１〜時刻ｔ１１までの操作の要部を、図１３に基づいて簡単に説明する。
まず、光電変換素子１１１に外光が入力すると、その外光に対応して、電子保持領域２０４には電子が保持されるとともに、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には正孔が保持される。このとき、第１正孔保持領域２０５と第２正孔保持領域２０６とでは正孔が等しく分割されるので、電子保持領域２０４と第１正孔保持領域２０５と第２正孔保持領域２０６とおける電荷の割合（電子と各正孔の個数比）は、２：１：１である。
【００９８】
次に、電子保持領域２０４に保持された電子は、電荷排出領域２０９に排出される。従って、この時の電荷の割合（電子：正孔：正孔）は、０：１：１となる。
次に、光電変換素子１１１に外光及び信号光が入力すると、その外光及び信号光に対応して、電子保持領域２０４には（外光及び信号光に対応した）電子が保持されるとともに、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には（外光及び信号光の合計の半分に対応した）正孔が加算される。従って、この時の電荷の割合（電子：正孔：正孔）は、（２＋信号）：（２＋信号／２）：（２＋信号／２）となる。
【００９９】
次に、電子保持領域２０４に保持された電子と第２正孔保持領域２０６との電荷が再結合することにより、結合した電荷が消失するので、第２正孔保持領域２０６の近傍の電子保持領域２０４内には、信号光の１／２に対応した電荷（電子）のみが残留する。
【０１００】
従って、この残余の電子を電荷蓄積領域２１１へ転送するのである。
以上のタイミング動作により、それぞれの画素回路１１０、１２０のそれぞれのフローティングディフュージョン１１７に蓄積される電荷量をもとに、ソースフォロワトランジスタ１１４にて電圧変換され、リードトランジスタ１１５を介して読み出される受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０（図４参照）は、以下の（１）、（２）式に比例した値で簡単に表すことが可能である。
【０１０１】
Ｖ１１０∝Ｔｆｌ−Ｔｄ ・・・（１）
Ｖ１２０∝Ｔｆｌ ・・・（２）
但し、パルス光の時間遅れＴｄはパルス光のパルス幅Ｔｆｌ以下のもとで成立するものとする。受光出力Ｖ１１０は、光源となるパルス光と測定対象物Ｍとの距離に応じて反射したパルス光の時間遅れＴｄによって決まり、受光出力Ｖ１２０は、パルス光の全反射光で決まる。
【０１０２】
上式の関係から、光源から測定対象物Ｍまでの距離ｄは、光の速度ｃ、光源のパルス幅Ｔfl、受光出力Ｖ１１０及びＶ１２０を用いて、以下の式で求めることができる。
ｄ＝ｃ×（Ｔｆｌ／２）×（１−Ｖ１１０／Ｖ１２０） ・・・（３）
前記（３）式の計算は、画像生成部５にて行われる。画像生成部５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭからなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成されている。読出し制御回路８２より出力された受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０が画像生成部５に入力される。画像生成部５では、この受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０から、外光やパルス光の反射光の振幅に関係なく、距離ｄの計算が実行される。
【０１０３】
また、上記実施形態では、電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２、電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２及び電荷保持信号ＰＬ１，ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２を、因果関係がはっきりと分かるように、左右方向に隣接した画素回路１１０、１２０に対応させたが、与える信号と画素回路の位置関係や順番は自由に変更してもよい（上下方向に隣接した画素回路など）。
【０１０４】
更に、上記実施形態では、２画素単位回路８０内にある画素回路１１０、１２０のみで距離ｄの計算を実行するように示したが、これに制限されるものではなく、例えば、隣り合う２画素単位回路８０に備わった、別の画素回路１１０、１２０を用いて距離ｄの計算を実行するように、読出し制御回路８８で読み出し方を変更しても同様の計算が実行できるように工夫してもよい。
【０１０５】
例えば図１４に示す様に、隣り合う任意の２つの２画素単位回路８０−１、８０−２があったとする。それぞれには、画素回路１１０、１２０がある。
この場合、２画素単位回路８０−１内の画素回路１２０と２画素単位回路８０−２内の画素回路１１０とを使用して、距離ｄの計算を行ってもよい。
【０１０６】
つまり、上述した実施形態で示した様な動作は、光電センサ８内の全ての２画素単位回路８０で同時に行われるので、本例の様に、空間的に隣り合う画素単位であれば、計算精度を損なわずに、距離ｄを算出できる。
【０１０７】
また、２つの２画素単位回路８０−１、８０−２から得られる距離値は、２つ（距離値ｄ1、距離値ｄ2）であるが、本例による方法を加味すると、両２画素単位回路８０−１、８０−２間の位置に対応する距離値ｄ12も算出できるため、距離の空間的な分解能が向上するという効果もある。
【０１０８】
また、上記（３）式において、精度よく距離ｄを算出するためには、発光パルスの形状が理想的な方形波をとっていなければならない。しかしながら、パルスの光源として用いられる発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子は、寄生素子の影響や、発光素子を駆動するためのパワーＭＯＳＦＥＴの電流能力等の制約により、高速性を犠牲にすることなく出力パワーを増大させることは困難であるため、画像生成部５に、パルス光の立ち上がり時間及び立ち下がり時間に考慮した、距離ｄの補正処理を追加してもよい。
【０１０９】
以下、この補正処理について説明する。
図１５（ａ）に示す様に、パルス幅をＴｆｌとしたとき、実際には、立ち上がり時間Ｔｒ、立ち下がり時間Ｔｆをもっている。
【０１１０】
従って、下記に示す様な、補正係数テーブルを使った距離ｄの補正処理を行うことができる。
＜事前準備＞
・予め発光波形をモニタする（最初の１回のみで可）
・図１５（ｂ）に示す様に、発光パルス幅Ｔｆｌ＋立ち下がり時間Ｔｆを、刻み時間幅Δｔでｎ分割する。
【０１１１】
・理想パルスの場合の時間遅れΔｔｎそれぞれについて、受光出力の比（Ｖ１１０／Ｖ１２０＝理想値Ａｎ）を求める。
・０〜ｎ番目までの微小時間Δｔｎの全ての出力電圧ΔＶｎをチェックする。
【０１１２】
・測定値を基にした受光出力の比（Ｖ１１０／Ｖ１２０＝測定値Ｂｎ）を求める。
・補正係数α＝Ａｎ／Ｂｎを求め、図１５（ｃ）に示す様な補正係数テーブルを得る。
つまり、理想のパルス光と実測されるパルス光との間には、図１６に示す様なずれがあるので、そのズレを補正する補正係数αを求めるのである。
【０１１３】
＜補正処理＞
図１７のフローチャートは、距離ｄの補正処理を示すものである。同図に示す様に、ステップ（Ｓ）１１では、受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０を取得する。
【０１１４】
続くステップ２２では、Ｖ１１０／Ｖ１２０を算出する。
続くステップ２３では、算出したＶ１１０／Ｖ１２０を、補正係数テーブルの測定値Ｂｎ（ｎ＝０・・ｎ）と比較し、最も近い値を採用する。なお、最も近い値は、正負反転でも何でも良い。
【０１１５】
続くステップ２４では、前記比較の結果得られた測定値Ｂｎの補正係数Ａｎ／Ｂｎを補正係数αとする。
続くステップ２５では、下記（４）式を用いて、距離ｄを算出する。
【０１１６】
ｄ＝ｃ×（Ｔｆｌ／２）×（１−（Ｖ１１０／Ｖ１２０）×α）） ・・・（４）
本実施形態では、上述した構成を備えるとともに上述した制御を行うことによって、光源の時間遅れを検出に際して、１つの受光デバイス２００に対し、たった１つの電荷蓄積領域２１１のみしか必要としないため、受光デバイス２００を含む画素回路規模を小さくさせることが可能となる。
【０１１７】
また、外光による電荷を蓄積するための余分な電荷蓄積領域も必要としないため、さらに画素回路を小さくすることが可能となり、高画素化に有利な回路構成とすることが可能となる。
【０１１８】
しかも、光源の消灯期間及び点灯期間に対し、１回の受光出力動作しか必要としないため、距離計算を完了するまでの応答性が飛躍的に向上する。さらに、微弱信号を取り扱う場合に問題となった、外光成分の受光出力の時間遅れも解消され、外光成分の時間による変動を受けることなく、全て受光デバイス２００内部でほぼ同時に外光成分をキャンセルさせることが可能となる。
【０１１９】
その上、電荷蓄積領域２１１へは、一切の外光成分による電荷が転送されず信号光成分のみが転送されることにより電荷蓄積領域２１１が非常に飽和しにくい構成となるため、強烈な外光のもとでの信号光成分の検出が可能となる。
【０１２０】
さらに、電子保持領域１個に対して、正孔保持領域を２つ設けることにより、光強度による電子正孔対の発生個数比を２：１に簡単に調整することが可能となり、受光デバイス２００内部の素子構造（例えば、電子保持領域と正孔保持領域との配置関係、形状、寸法不純物濃度など）及び電子と正孔との移動度の差や、デバイスの荒さ精度などを厳密に制御する必要がないため、特殊なプロセス操作に要する時間やコストがかからず、非常に簡単に形作ることが可能となる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
【０１２１】
第２の実施形態は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分についての詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
第１の実施形態は、測距モードにおける距離画像生成手段について言及したが、第２の実施形態は、撮像モードにおける通常画像生成手段に関して示している。本実施形態は、第１の実施形態にそれぞれ共通に包括されるべき内容である。
【０１２２】
図１８は、第２の実施形態である画像生成装置（ここでは通常画像生成装置）１の撮像モードにおける、制御信号生成部４から生成される発光信号ＦＬと、４本の独立した電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２、２本の独立した電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２、及び２本の独立した電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２の動作タイミングの例を簡単に示したチャートである。
【０１２３】
図１８に示すように、撮像モード時は、制御信号生成部４から出力される発光信号ＦＬは常時非アクティブレベルに保ち、光源からのパルス光は全域にわたって照射しないため、全ての画素回路１１０、１２０を構成する各々の受光デバイス２００の電子保持領域２０４、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に保持される電子及び正孔には、パルス光の反射光に依存した電子及び正孔は一切蓄積されないものと考える。
【０１２４】
図１８に基づいて、動作タイミングを説明する。
まず、電荷リセット信号ＲＳＴ及び電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２をアクティブレベルに設定し、電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２及び電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２を非アクティブレベルに設定することで、電荷蓄積領域２１１に蓄積された電荷をＶＤＤにリセットする。電荷リセット信号ＲＳＴは画素回路１１０、１２０に共通で信号を与えても良いし、それぞれ独立して信号を与えても良い。
【０１２５】
また、外光によって電子保持領域２０４に発生した電子、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に発生した正孔は、電荷保持信号ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２がアクティブレベルであるため、再結合され、ただちに消失する。
【０１２６】
時刻ｔ１になると、電荷リセット信号ＲＳＴを非アクティブレベルにすることで、電荷蓄積領域２１１がフローティング状態となる。電荷リセット信号ＲＳＴは、便宜上、時刻ｔ１を境に非アクティブレベルに設定したが、電子保持領域２０４から電子が転送される直前までＶＤＤにリセットしていてもよい。
【０１２７】
時刻ｔ２になると、画素回路１１０、１２０の電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２を非アクティブレベルにすることで、外光の強さに応じた個数で、画素回路１１０、１２０の第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６には正孔が、電子保持領域２０４には電子が別々に保持される。この時、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域２０６に保持されるそれぞれの正孔の個数と、電子保持領域２０４に保持される電子の個数比は１：１：２となる。
【０１２８】
時刻ｔ３になると、画素回路１１０、１２０の電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０の電子保持領域２０４に保持されていた電子に対して、電荷転送電極２１２下に形成されたチャネルを通って電荷蓄積領域２１１への転送を開始する。
【０１２９】
時刻ｔ４になると、画素回路１１０、１２０の電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２を非アクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０の電子保持領域２０４に保持されていた電子の転送を完了する。さらに、電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２をアクティブレベルにすることで、第１正孔保持領域２０５及び第２正孔保持領域にそれぞれ保持されていた正孔が電子保持領域２０４へ押し出され自然消滅する。なお、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間が、撮像モードにおける露光期間と定義する。
【０１３０】
以上の時刻ｔ１〜時刻ｔ４までの操作が、この画像生成装置１における、それぞれの画素回路１１０、１２０のフローティングディフュージョン１１７（電荷蓄積領域２１１）へ電荷を蓄積するための１サイクルである。
【０１３１】
以上のタイミング動作により、それぞれの画素回路１１０、１２０のそれぞれのフローティングディフュージョン１１７に蓄積される電荷量をもとに、ソースフォロワトランジスタ１１４にて電圧変換され、リードトランジスタ１１５を介し、これを受光出力として読み出される。
【０１３２】
本実施形態では、簡単のため、制御信号生成部４から生成される電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２及び電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２を同タイミングで制御したが、これだけに制限されることはなく、例えば、ローリングシャッタ動作のように、ある時間差をもって電荷転送信号ＴＧ１、ＴＧ２及び電荷保持信号ＰＬ１、ＰＲ１、ＰＬ２、ＰＲ２をずらして動作させるように制御してもよい。
【０１３３】
また、本実施形態では、画素回路１１０、１２０を構成するそれぞれの電子保持領域２０４に発生した電荷を、それぞれのフローティングディフュージョン１１７を通過してＶＤＤへ排出するように動作させたが、これだけに制限されることはなく、例えば、電荷排出信号ＤＥＧ１、ＤＥＧ２をアクティブレベルにすることで、画素回路１１０、１２０のエキゾーストトランジスタ１１６（電荷排出電極２１０）を通じて、電子保持領域２０４で発生した電子をＶＤＤへ排出するように制御してもよい。
【０１３４】
そして、このように構成される第１及び第２の実施形態において、測距モード時は、２画素単位回路８０を１セットとして、パルス光の反射光に依存した電荷に比例した受光出力Ｖ１１０、Ｖ１２０を出力し、これをもとに１つの距離画素値を生成することができ、撮像モード時は、２画素単位回路８０を構成する単位画素を単独で利用して、外光に依存した電荷に比例した受光出力を単位画素毎に１つ出力する。そして、これをそのまま１つの通常画素値として扱うことで、測距モード時は、画素分解能は１／２になるが、１回の撮影で距離画像を生成できるため、高速移動体等、高応答性を要する測距に好適である。
【０１３５】
また、撮像モード時は、単位画素を単独で利用するため、高画素数の通常画像を出力することが可能になるため、従来のように、距離画像の取得には、単位あたりの画素サイズを大きくするために、高画素数の配置は困難で、かつ通常画像の画素分解能まで落ちるという問題を回避できる。
【０１３６】
さらに、第１及び第２の実施形態において、画像生成部５から制御信号生成部４へモード切替え信号を自在に与えるようにしておけば、測距モード及び撮像モードを選択的に切替えることが可能になるため、当実施形態を同じ受光デバイスで共有することができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
【０１３７】
第３の実施形態は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分についての詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
本実施形態は、前記第１の実施形態の図５に示す受光デバイス２００において、半導体の極性を逆にしたものである。即ち、Ｐ形の半導体に代わりにｎ形の半導体を使用し、ｎ形の半導体の代わりにｐ形の半導体を使用したものである。なお、第１の実施形態の部材と対応する部材には、同じ番号を付した。
【０１３８】
本実施形態では、受光デバイス２００は、図１９に示すように、ｎ形の半導体からなる基板２０１の表面に積層されたｎ形の素子形成領域２０２を備える。また、素子形成領域２０２の表面には、ｐ−形のウェル領域２０３が形成される。ウェル領域は、素子形成領域２０２とほぼ厚みが等しいｐ−形の領域であり、ウェル領域２０３内の表面にｐ形の正孔保持領域２０４（電荷保持領域）が形成される。
【０１３９】
さらに、正孔保持領域２０４の表面に、２つの等価なｎ形の第１電子保持領域２０５（第１電荷保持領域）及び第２電子保持領域２０６（第２電荷保持領域）が形成される。第１電子保持領域２０５及び第２電子保持領域２０６の表面には、酸化膜からなる絶縁層２１５を介して、それぞれ２つの等価で透明な第１制御電極２０７及び第２制御電極２０８が形成される。第１制御電極２０７には電荷保持信号ＰＬが接続されており、第２制御電極２０８には電荷保持信号ＰＲが接続されている。ウェル領域２０３を除く素子形成領域２０２の上方には、遮光層２１６が形成されている。
【０１４０】
なお、受光デバイス２００が変更になると、第１の実施形態における図３及び図４も、ＰとＮが逆の図２０及び図２１に示す様に変更になる（ＮＭＯＳがＰＭＯＳとなる）。
ここで、図２１は、画素回路１１０の構成を示す回路図である。上述したように、画素回路１１０及び１２０の回路構成は同じであるため、ここでは、代表して画素回路１１０について説明する。
【０１４１】
図２１に示すように、画素回路１１０は、受光強度に応じた電荷を発生させる光電変換素子１１１と、トランジスタ１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６と、フローティングディフュージョン１１７とを含んでいる。光電変換素子１１１は、アノード側がＶＤＤに接続され、カソード側がトランスファトランジスタ１１２のソースに接続されている。トランスファトランジスタ１１２のドレインは、リセットトランジスタ１１３のソース及びソースフォロワトランジスタ１１４のゲートに接続されている。リセットトランジスタ１１３のドレインはＧＮＤに接続されている。ソースフォロワトランジスタ１１４のソースは、ＶＤＤに接続されている。ソースフォロワトランジスタ１１４のドレインは、行選択トランジスタ１１５のソースに接続されている。また、光電変換素子１１１のカソード側は、エキゾーストトランジスタ１１６のソースとも接続されている。エキゾーストトランジスタ１１６のドレインは、ＧＮＤに接続されている。
【０１４２】
なお、電子と正孔は極性をもっているので、各電極に印加する電圧動作も下記に様に全て正負反対となる。
アクティブレベル →非アクティブレベル
非アクティブレベル→アクティブレベル
ＶＤＤ →ＧＮＤ
ＧＮＤ →ＶＤＤ
本実施形態においても、前記第１の実施形態と同様な効果を奏する。
【０１４３】
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１４４】
１…画像生成装置、２…発光部、３…撮像部、４…制御信号生成部、
５…距離画像データ生成部、６…発光素子、７…拡散レンズ、８…光電センサ、
９…集光レンズ、８０…単位２画素アレイ回路、８２…読出し制御回路、
１１０…第１単位画素回路、１１１…光電変換素子、
１１２…トランスファトランジスタ、１１３…リセットトランジスタ、
１１４…ソースフォロワトランジスタ、１１５…リードトランジスタ、
１１６…エキゾーストトランジスタ、１１７…フローティングディフュージョン、
１２０…第２単位画素回路、２００…受光デバイス、２０１…半導体基板、
２０２…素子形成領域、２０３…ウェル領域、
２０４…電子（正孔）保持領域（電荷保持領域）、
２０５…第１正孔（電子）保持領域（第１電荷保持領域）、
２０６…第２正孔（電子）保持領域（第２電荷保持領域）、
２０７…第１制御電極、２０８…第２制御電極、
２０９…ドレイン領域（電荷排出領域）、２１０…電荷排出電極、
２１１…ドレイン−ソース領域（電荷蓄積領域）、２１２…電荷転送電極、
２１３…電荷リセット電極、２１４…ドレイン領域（電荷排出領域）、
２１５…絶縁層、２１６…遮光層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電型の半導体基板表面に形成された導電型の素子形成領域と、
前記素子形成領域の表面に設けられた逆導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の表面に設けられ、前記ウェル領域内に発生した電子又は正孔を保持する逆導電型の電荷保持領域と、
前記電荷保持領域内の表面に設けられ、電子又は正孔を保持する導電型の第１電荷保持領域と、
前記第１電荷保持領域とは別に、前記電荷保持領域内の表面に設けられ、電子又は正孔を保持する導電型の第２電荷保持領域と、
前記素子形成領域の表面に設けられ、電子又は正孔を蓄積する、少なくとも１つ以上の逆導電型の電荷蓄積領域と、
前記素子形成領域の表面に設けられ、電子又は正孔の排出に用いられる、少なくとも１つ以上の逆導電型の電荷排出領域と、
前記第１電荷保持領域における電子又は正孔の保持を制御するために、前記第１電荷保持領域上に光を透過可能な絶縁膜を介して設けられた光を透過可能な第１制御電極と、
前記第２電荷保持領域における電子又は正孔の保持を制御するために、前記第２電荷保持領域上に光を透過可能な絶縁膜を介して設けられた光を透過可能な第２制御電極と、
前記ウェル領域と電荷蓄積領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する少なくとも１つ以上の電荷転送電極と、
前記ウェル領域と電荷排出領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する電荷排出電極と、
前記電荷蓄積領域と電荷排出領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する電荷リセット電極と、
を備えたことを特徴とする受光デバイス。
【請求項２】
前記導電型の第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域は、等価に形成されることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
【請求項３】
前記第１制御電極及び第２制御電極は、等価に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の受光デバイス。
【請求項４】
前記受光デバイスを、１次元又は２次元状に複数配置してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の受光デバイス。
【請求項５】
前記導電型はＰ型又はＮ型からなり、逆導電型はＮ型又はＰ型からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の受光デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
光源の消灯期間にウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極を制御した後、
電荷排出電極を反転することで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄させた後、電荷排出電極を反転させ、
光源の点灯期間にウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極を制御した後、
第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ反転させることで、電荷保持領域に保持された電子又は正孔と反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子とを再結合させた後、
電荷転送電極を反転することで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記ウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が前記電荷保持領域に、もう一方が前記第１電荷保持領域及び前記第２電荷保持領域の少なくとも一方に分離されることを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に光に応じた同個数の電子又は正孔を発生させるように、前記第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御することを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子のうち、少なくともどちらか一方が、前記電荷保持領域に保持された電子又は正孔と再結合するように、前記第１制御電極又は第２制御電極を制御することを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記光源の消灯期間と点灯期間を同期間にし、光源の点灯期間中に前記電荷保持領域に保持された電子又は正孔の個数から、光源の消灯期間及び点灯期間中に第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子の個数のうち、どちらか一方のみを再結合させることで、光源の点灯期間中に発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させることを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記光源の消灯期間と点灯期間を同期間にし、光源の消灯期間に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔が完全に廃棄された後、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させ、光源の点灯期間に、外光及び光源に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び光源に応じた電子又は正孔と、光源の消灯期間及び点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び光源に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の消灯期間及び点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の点灯期間中に光源に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、
電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１２】
前記請求項６〜１１のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
１次元又は２次元に複数配置してなる受光デバイス群のうち、各々隣接する２つの受光デバイスをセットとして、それぞれを第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスと定義した時、
測定対象物との距離を測定する測距モードでは、
第１の受光デバイスは、光源の第１消灯期間中に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域にもう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄し、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させた後、光源からパルス変調されたパルス光を照射し、光源の第１点灯期間中に、外光及び対象物からの反射光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の第１点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた電子又は正孔と、光源の第１消灯期間及び第１点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の第１消灯期間及び第１点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の第１点灯期間中に対象物からの反射光に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、
電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを第１受光出力として取り出すことを特徴とし、
第２の受光デバイスは、光源の第２消灯期間に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域にもう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄し、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させた後、光源からパルス変調されたパルス光を照射し、光源の第２点灯期間に、外光及び対象物からの反射光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の第２点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた電子又は正孔と、光源の第２消灯期間及び第２点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の第２消灯期間及び第２点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の第２点灯期間中に対象物からの反射光に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、
電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを第２受光出力として取り出すことを特徴とし、
第１受光出力及び第２受光出力をもとに、光源から対象物までの距離を算出することを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１３】
前記請求項１２に記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さは等価であり、第１点灯期間及びパルス光の照射期間は一致しており、前記第２消灯期間と第２点灯期間の長さは等価であり、第２消灯期間及び第２点灯期間の長さは、第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さよりも長いことを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１４】
請求項６〜１３のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
１次元又は２次元に複数配置してなる受光デバイス群のうち、各々隣接する２つの受光デバイスをセットとして、それぞれを第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスと定義した時、
測定対象物を撮像する撮像モードでは、
第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスともに、光源の消灯期間中に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に保持された電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１５】
請求項１２又は１３に測距モードと前記請求項１４に記載の撮像モードとは、選択的に切り替え可能であることを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１】
導電型の半導体基板表面に形成された導電型の素子形成領域と、
前記素子形成領域の表面に設けられた逆導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の表面に設けられ、前記ウェル領域内に発生した電子又は正孔を保持する逆導電型の電荷保持領域と、
前記電荷保持領域内の表面に設けられ、電子又は正孔を保持する導電型の第１電荷保持領域と、
前記第１電荷保持領域とは別に、前記電荷保持領域内の表面に設けられ、電子又は正孔を保持する導電型の第２電荷保持領域と、
前記素子形成領域の表面に設けられ、電子又は正孔を蓄積する、少なくとも１つ以上の逆導電型の電荷蓄積領域と、
前記素子形成領域の表面に設けられ、電子又は正孔の排出に用いられる、少なくとも１つ以上の逆導電型の電荷排出領域と、
前記第１電荷保持領域における電子又は正孔の保持を制御するために、前記第１電荷保持領域上に光を透過可能な絶縁膜を介して設けられた光を透過可能な第１制御電極と、
前記第２電荷保持領域における電子又は正孔の保持を制御するために、前記第２電荷保持領域上に光を透過可能な絶縁膜を介して設けられた光を透過可能な第２制御電極と、
前記ウェル領域と電荷蓄積領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する少なくとも１つ以上の電荷転送電極と、
前記ウェル領域と電荷排出領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する電荷排出電極と、
前記電荷蓄積領域と電荷排出領域とにわたって設けられ、前記両領域間の電子又は正孔の通過を制御する電荷リセット電極と、
を備えたことを特徴とする受光デバイス。
【請求項２】
前記導電型の第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域は、等価に形成されることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
【請求項３】
前記第１制御電極及び第２制御電極は、等価に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の受光デバイス。
【請求項４】
前記受光デバイスを、１次元又は２次元状に複数配置してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の受光デバイス。
【請求項５】
前記導電型はＰ型又はＮ型からなり、逆導電型はＮ型又はＰ型からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の受光デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
光源の消灯期間にウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極を制御した後、
電荷排出電極を反転することで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄させた後、電荷排出電極を反転させ、
光源の点灯期間にウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極を制御した後、
第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ反転させることで、電荷保持領域に保持された電子又は正孔と反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子とを再結合させた後、
電荷転送電極を反転することで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記ウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が前記電荷保持領域に、もう一方が前記第１電荷保持領域及び前記第２電荷保持領域の少なくとも一方に分離されることを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に光に応じた同個数の電子又は正孔を発生させるように、前記第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御することを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子のうち、少なくともどちらか一方が、前記電荷保持領域に保持された電子又は正孔と再結合するように、前記第１制御電極又は第２制御電極を制御することを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記光源の消灯期間と点灯期間を同期間にし、光源の点灯期間中に前記電荷保持領域に保持された電子又は正孔の個数から、光源の消灯期間及び点灯期間中に第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された正孔又は電子の個数のうち、どちらか一方のみを再結合させることで、光源の点灯期間中に発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させることを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記光源の消灯期間と点灯期間を同期間にし、光源の消灯期間に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔が完全に廃棄された後、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させ、光源の点灯期間に、外光及び光源に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び光源に応じた電子又は正孔と、光源の消灯期間及び点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び光源に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の消灯期間及び点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の点灯期間中に光源に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、
電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１２】
前記請求項６〜１１のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
１次元又は２次元に複数配置してなる受光デバイス群のうち、各々隣接する２つの受光デバイスをセットとして、それぞれを第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスと定義した時、
測定対象物との距離を測定する測距モードでは、
第１の受光デバイスは、光源の第１消灯期間中に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域にもう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄し、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させた後、光源からパルス変調されたパルス光を照射し、光源の第１点灯期間中に、外光及び対象物からの反射光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の第１点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた電子又は正孔と、光源の第１消灯期間及び第１点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の第１消灯期間及び第１点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の第１点灯期間中に対象物からの反射光に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、
電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを第１受光出力として取り出すことを特徴とし、
第２の受光デバイスは、光源の第２消灯期間に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域にもう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させることで電荷保持領域から電荷排出領域に電子又は正孔を完全に廃棄し、
電荷排出電極に印加する電圧を反転させた後、光源からパルス変調されたパルス光を照射し、光源の第２点灯期間に、外光及び対象物からの反射光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電荷保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、再び第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、
第１制御電極又は第２制御電極のどちらか一方のみ印加する電圧を反転させることで、光源の第２点灯期間中に、電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた電子又は正孔と、光源の第２消灯期間及び第２点灯期間中に、電圧が反転された電極が備わった第１電荷保持領域又は第２電荷保持領域に保持された外光及び対象物からの反射光に応じた正孔又は電子とを再結合させることで、光源の第２消灯期間及び第２点灯期間中に外光に応じて発生した電子又は正孔の個数を相殺し、光源の第２点灯期間中に対象物からの反射光に応じて発生した電子又は正孔の個数の１／２を電荷保持領域に残存させ、
電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に残存した電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを第２受光出力として取り出すことを特徴とし、
第１受光出力及び第２受光出力をもとに、光源から対象物までの距離を算出することを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１３】
前記請求項１２に記載の受光デバイスの制御方法であって、
前記第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さは等価であり、第１点灯期間及びパルス光の照射期間は一致しており、前記第２消灯期間と第２点灯期間の長さは等価であり、第２消灯期間及び第２点灯期間の長さは、第１消灯期間、第１点灯期間及びパルス光の長さよりも長いことを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１４】
請求項６〜１３のいずれかに記載の受光デバイスの制御方法であって、
１次元又は２次元に複数配置してなる受光デバイス群のうち、各々隣接する２つの受光デバイスをセットとして、それぞれを第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスと定義した時、
測定対象物を撮像する撮像モードでは、
第１の受光デバイス及び第２の受光デバイスともに、光源の消灯期間中に、外光に応じた個数でウェル領域に発生した電子又は正孔のどちらか一方が電子保持領域に、もう一方が均等に第１電荷保持領域及び第２電荷保持領域に分離されるように、第１制御電極及び第２制御電極に印加する電圧を完全に一致させるように制御した後、電荷転送電極に印加する電圧を反転させることで、電荷保持領域に保持された電子又は正孔を、電荷保持領域から電荷蓄積領域に完全に移動させ、これを受光出力として取り出すことを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【請求項１５】
請求項１２又は１３に測距モードと前記請求項１４に記載の撮像モードとは、選択的に切り替え可能であることを特徴とする受光デバイスの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−２６７７２０（Ｐ２０１０−２６７７２０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１６６８２（Ｐ２００９−１１６６８２）
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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