固体撮像装置
【課題】光電変換素子で発生した光電子の転送の際に、光電変換素子に残留する光電子数を軽減させるとともに、光電子の転送の高速化を図る固体撮像装置を提供する。
【解決手段】光を検知して光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素と、前記単位画素を駆動する画素駆動部と、を備え、前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、前記画素駆動部は、３値の電圧のうち、いずれかの電圧を前記光電変換素子のフォトゲートに印加させることで、前記光電子の発生、転送を行い、前記３値の電圧は、少なくとも、第１電圧と、前記第１電圧より高い第２電圧と、前記第１電圧より大きく且つ前記第２電圧より小さい第３電圧とを有する。
【解決手段】光を検知して光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素と、前記単位画素を駆動する画素駆動部と、を備え、前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、前記画素駆動部は、３値の電圧のうち、いずれかの電圧を前記光電変換素子のフォトゲートに印加させることで、前記光電子の発生、転送を行い、前記３値の電圧は、少なくとも、第１電圧と、前記第１電圧より高い第２電圧と、前記第１電圧より大きく且つ前記第２電圧より小さい第３電圧とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置において、光電変換素子で発生する光電子の受光・転送効率向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置の応用例として、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いて、測距対象までの距離を非接触に測定する技術が知られている。ＴＯＦ法を用いる場合においては、1個の光電変換素子で発生した光電子を複数の光電子保持部に振り分け、累積し、読み出す技術が知られている。下記非特許文献１及び２には、発光素子から照射するパルス光の照射期間と照射停止期間を同じ時間（発光素子の駆動デューティが５０％）で繰り返すと共に、パルス光の照射期間と照射停止期間とに同期して、光電変換素子のシャッタ制御を行い、発生した光電子を２方向に振り分けることが記載されている。この２方向に振り分けた光電子により測距対象までの距離を計測している。また、下記特許文献１には、光電変換素子で発生した光電子を４方向に振り分けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３２４２５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】宮川良平、金出武雄「ＣＣＤ−Ｂａｓｅｄ Ｒａｎｇｅ−Ｆｉｎｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ， ＶＯＬ． ４４， ＮＯ． １０、１９９７年１０月、ｐ．１６４８〜１６５２
【非特許文献２】宮川良平、金出武雄、ＩＴＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．６５、ＰＰ３７−４１（Ｎｏｖ．１９９５）
【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、原理的にＴＯＦにおいては、発光素子が光を照射するタイミングと、照射した光が被写体で反射して固体撮像装置まで帰ってくるまでのタイミングの時間遅れを検知する必要がある。光は非常に高速に伝播する。そのため、光電変換素子で発生する光電子を光の速度に対応した非常に高速な制御で振り分け、有用な情報（光電子）のみを得る技術が、正確な測距結果を得るために重要となる。
【０００６】
そこで本発明は、係る従来からの課題に鑑みてなされたものであり、光電変換素子で発生した光電子を転送するの際に、光電変換素子に残留する光電子数を軽減するとともに、正確な測距結果を得るために有用な光電子の受光効率向上を図る固体撮像装置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】
【０００７】
上記目的を達成するために、光を検知して光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素と、前記単位画素を駆動させる画素駆動部と、を備え、前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、前記画素駆動部は、３値の電圧のうち、いずれかの電圧を前記光電変換素子のフォトゲートに印加することで、前記光電子の蓄積、転送を行い、前記３値の電圧は、少なくとも、第１電圧と、前記第１電圧より高い第２電圧と、前記第１電圧より高く且つ前記第２電圧より低い第３電圧とを有することを特徴とする。
【０００８】
前記光電変換素子で発生した前記光電子を排出する排出期間を有し、前記画素駆動部が、前記第３電圧を前記フォトゲートに印加することで、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する。
【０００９】
前記単位画素は、前記光電子を排出する光電子排出部に、前記光電変換素子で発生した該光電子を転送するための第３転送部をさらに有し、
前記画素駆動部は、前記排出期間においては、さらに前記第３転送部をオンして前記光電子を前記光電子排出部に転送する。
【００１０】
前記排出期間終了後に前記光電変換素子で発生した前記光電子を蓄積する蓄積期間をもち、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第２電圧又は第３電圧を印加することで、前記光電変換素子で発生した前記光電子を蓄積する。
【００１１】
前記蓄積期間終了後に、前記光電変換素子に蓄積した前記光電子を光電子保持部に転送する第１転送期間を有し、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第３電圧を印加させた後、前記第１電圧を印加する。
【００１２】
前記単位画素は、前記光電子の集積と保持とを繰り返して光電子を累積する前記光電子保持部に、前記光電変換素子で発生した該光電子を転送するための第１転送部をさらに有し、前記画素駆動部は、前記第１転送期間のみもしくは蓄積期間と第１転送期間においては、さらに前記第１転送部をオンして前記光電変換素子で発生した前記光電子を前記光電子保持部に転送し、前記第１転送期間以外もしくは蓄積期間と第１転送期間以外においては、該第１転送部をオフして前記光電変換素子で発生した該光電子を前記光電子保持部に転送しない。
【００１３】
前記排出期間終了後、前記蓄積期間前に、前記光電変換素子で発生した前記光電子を排出する直前排出期間を有し、前記画素駆動部は、前記第２電圧を前記フォトゲートに印加してから前記第３電圧を印加し、その後前記第１電圧を印加することで、前記光電変換素子に残存する前記光電子を排出する。
【００１４】
前記画素駆動部は、前記第１電圧を前記フォトゲートに印加する第１スイッチと、前記第２電圧を前記フォトゲートに印加する第２スイッチと、前記第３電圧を前記フォトゲートに印加する第３スイッチと、をさらに有し、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチのオンオフを切り換えることで、前記光電変換素子で発生した前記光電子の排出、蓄積、転送、保持のいずれかの動作を行う。
【００１５】
前記第１スイッチは、並列に接続された複数のＭＯＳトランジスタにより構成され、前記画素駆動部は、オンするＭＯＳトランジスタの数を変更することで、前記第１スイッチの抵抗値を変えて、画素部のゲートに印加される電圧が前記第３電圧から、もしくは前記第２電圧から前記第１電圧に移行するまでの時間を調整する。
【００１６】
オンオフ指示信号を第１信号入力とし、前記第１スイッチの抵抗値調整用の設定信号を第２信号入力とする論理回路を介して、前記複数のＭＯＳトランジスタのうち、少なくとも１つ以上の前記ＭＯＳトランジスタの該オンオフを制御する。
【発明の効果】
【００１７】
本願発明によれば、光電変換素子で発生した光電子の転送の際に、光電変換素子に残留する光電子の量を軽減することができるとともに、正確な測距結果を得るために有用な光電子の受光効率を向上することができる。
【００１８】
前記光電変換素子で発生する前記光電子を排出する排出期間においては、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第３電圧を印加することで、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出するので、効率よく光電変換素子で発生した光電子を排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＴＯＦの原理を説明するための図である。
【図２】実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。
【図３】固体撮像装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【図７】図３に示すゲート駆動回路の構成図である。
【図８】単位画素の回路構成の一例を示す図である。
【図９】図４に対応して、図８に示す受光装置１００を複数用いて単位画素を構成したときの回路図である。
【図１０】図８と別の単位画素の回路構成例を示す図である。
【図１１】図４とは別の単位画素の一部平面図である。
【図１２】フォトゲート、第１転送ゲート、第３転送ゲートに印加されるゲート駆動信号を示すタイムチャートの例である。
【図１３】図１２に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子及び光電子振分部の基板表面におけるポテンシャル図である。
【図１４】変形例１のフォトゲート、第１転送ゲート、第３転送ゲートに印加されるゲート駆動信号を示すタイムチャートである。
【図１５】図１４に示すタイムチャートの各タイミングにおける受光装置の基板表面におけるポテンシャル図である。
【図１６】変形例２の第１スイッチ、第２スイッチ、及び第３スイッチの構成図である。
【図１７】変形例２のフォトゲート、第１転送ゲート、第３転送ゲートに印加されるゲート駆動信号を示すタイムチャートである。
【図１８】フォトゲートに印加される電圧信号が、第３電圧から瞬時に第１電圧に切り換えられた場合の、図１７に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子の基板表面から深さ方向におけるポテンシャル図の一例である。
【図１９】第１スイッチの抵抗値を変える本変形例２の場合の、図１７に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子の基板表面から深さ方向におけるポテンシャル図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る単位画素及び該単位画素を有する固体撮像装置について、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２１】
初めに、図１を用いてＴＯＦの原理の一例を簡単に説明する。光（例えば、レーザー光）を被写体に照射する図示しない照射装置が光を照射しない状態で、且つ、環境光のみを一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）蓄積する第１蓄積期間および、第２蓄積期間のときに、各単位画素が有する受光部は、入射光に応じた光電変換により光電子を生成し、各単位画素が有する複数の光電子保持部は、各蓄積期間に発生した光電子を取り込む。第１蓄積期間に前記受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＣＢとし、第２蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＣＡとする。
【００２２】
また、前記照射装置から照射された光の反射光が入射するタイミングと全体あるいは一部でオーバラップするように設けた第３蓄積期間、および第４蓄積期間をもち、各単位画素が有する複数の光電子保持部は、各蓄積期間に発生した光電子を取り込む。ここでは、前記単位画素は、照射装置が光を照射した光の反射光を常に受光するタイミングで、反射光及び環境光を一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）蓄積する第３蓄積期間と、前記照射装置の光の照射後のタイミングから一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）光を蓄積する第４蓄積期間で発生した光電子を各光電子保持部に取り込む。第３蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＢとし、第４蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＡとする。なお、Ｉｌａｓｅｒは、前記照射された光の反射光の強度を示し、Ｉｂａｃｋは、環境光の強度を示す。
【００２３】
したがって、ＱＡ−ＱＣＡ∝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｄｅｌａｙ，ＱＢ−ＱＣＢ∝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｓｅｎｓｅ，の関係式が成り立つ。Ｔｄｅｌａｙは、照射した光が被写体に反射して戻ってくるまでの時間である。
【００２４】
上述した式から、Ｔｄｅｌａｙ＝Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／（ＱＢ−ＱＣＢ）の関係式が導き出せ、被写体までの距離Ｚは、Ｚ＝ｃ×Ｔｄｅｌａｙ／２＝ｃ×Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／２（ＱＢ−ＱＣＢ）、の関係式によって求めることができる。なお、ｃは光速を示す。
【００２５】
図２は、実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システム１０の概略構成を示す図である。図２に示すように、測距システム１０は、照射装置１２、撮像部１４、演算部１６、制御部１８、及び電源２０を備える。
【００２６】
電源２０は、測距システム１０の各部に所定の電源電圧を供給するものであり、図２においては、簡単のため、電源２０から各装置への電源線の表示を省略する。
【００２７】
照射装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、照射装置１２は、制御部１８の制御下で、パルス光Ｌｐを出力する発光部２４を有する。この測距システム１０において、照射装置１２の発光部２４は、発光点（エミッタ）を直線状に持つ半導体レーザバーを積層（直列接続）して、面発光が可能とされたものでもよい。
【００２８】
発光部２４は、赤外光を発光する。例えば、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で照射可能である。発光部２４は、パルス光Ｌｐを１００（ナノ秒）の出力時間（パルス幅）で出力する。
【００２９】
なお、発光部２４は、リニアアレイ状の複数の発光点を有していてもよく、あるいは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。
【００３０】
この測距システム１０では、照射装置１２から照射されたパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、照射装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐを照射光Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００３１】
撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、固体撮像装置２８に集光され、固体撮像装置２８によって受光される。固体撮像装置２８は、照射装置１２が照射するパルス光Ｌｐ及び環境光Ｌｓに対して感度を有する。演算部１６は、固体撮像装置２８が前記各蓄積期間で取り込んだ光電子の電荷量情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離を、図１で説明した手法によって算出する。
【００３２】
図３は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、マトリックス状に単位画素３０が配置された画素アレイ３２と、画素駆動回路（画素駆動部）３４と、画素出力信号を読み出すためのサンプルホールド回路３６と、水平選択回路３８と、出力バッファ４０と、Ａ／Ｄ変換器４２とを有する。
【００３３】
電源２０は、画素アレイ３２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加するとともに、リセット電圧Ｖｒｅｆを印加する。画素駆動回路３４は、ゲート駆動回路４４と、垂直選択回路４６を有し、ゲート駆動回路４４は、各種ゲート駆動信号電圧（画素駆動信号電圧）を出力することにより画素アレイ３２の各単位画素３０の光電子の発生（蓄積）、保持、転送、及び排出等を行う。垂直選択回路４６は、マルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する行に対して選択的に、該単位画素３０が保持した光電子に対応する電圧信号（画素信号）を出力させる。水平選択回路３８は、別のマルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する列を選択する。読み出された画素信号は、サンプルホールド回路３６で一端保持された後、水平選択回路３８を介して出力される。そして、出力バッファ４０及びＡ／Ｄ変換器４２を介して演算部１６に出力される。なお、制御部１８及び演算部１６は、固体撮像装置２８の中に実装してもよい。
【００３４】
図４は、図３に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す平面図である。単位画素３０は、複数の受光装置１００を有する。本実施の形態では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。図５及び図６は、図４に示す受光装置１００の断面図であり、詳しくは、図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視断面図であり、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【００３５】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有する。受光装置１００は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６と、２つの光電子排出部１０８とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲートと呼ぶ）１１０を有するフォトゲート構造を有している。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子（負電荷）を発生する（検知した光を光電子に変換する）フォトダイオードである。フォトゲート１１０には、光電変換素子１０４を駆動するゲート信号Ｓａがゲート駆動回路４４から印加される。
【００３６】
光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び浮遊拡散層１１８を有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に振り分け、転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第１転送ゲート）１２０を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第１転送ゲート１２０には、ゲート駆動回路４４から第１転送部１１２を駆動するゲート信号Ｓｂが入力される。光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転送部１１２を挟んで反対側に配置され、光電変換素子１０４で発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（保持ゲート）１２２を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。保持ゲート１２２には、ゲート駆動回路４４から光電子保持部１１４を駆動するゲート信号Ｓｃが入力される。
【００３７】
第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して、光電子保持部１１４を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４で集積された光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第２転送ゲート）１２４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第２転送ゲート１２４には、ゲート駆動回路４４から第２転送部１１６を駆動するゲート信号Ｓｄが印加される。浮遊拡散層（ＦＤ；フローティングディフュージョン）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４から転送されてくる光電子を取り込み、電圧に変換させるためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型（第２導電型）不純物が形成されたものである。
【００３８】
図４に示すように、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向（左右方向）に対称に２つずつ設けられており、左右にそれぞれ上下に１つずつ設けられている。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている２つの浮遊拡散層１１８を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有している。
【００３９】
図５に示すように、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ１２６が接続されている。リセット用トランジスタ１２６のソースは浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加され、ゲートには、ゲート駆動回路４４からリセット信号Ｒが供給される。ハイのリセット信号Ｒがリセット用トランジスタ１２６のゲートに供給されると、リセット用トランジスタがオンとなり、浮遊拡散層１１８の電位が基準電位にリセットされる。
【００４０】
また、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８に蓄積された光電子に応じた電圧信号を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０が接続される。信号読出用トランジスタ１３０には、該信号読出用トランジスタ１３０によって読み出された電圧信号を信号読出線１３２に出力するかを選択するための選択用トランジスタ１３４が接続されている。信号読出用トランジスタ１３０のドレインは、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加され、ゲートには、浮遊拡散層１１８に接続され、ソースは、選択用トランジスタ１３４のドレインに接続される。選択用トランジスタ１３４に垂直選択回路４６からハイの選択信号Ｓｓが供給されると、選択用トランジスタがオンになり、浮遊拡散層１１８に蓄積された光電子に対応する電圧が信号読出線１３２から読み出される。選択用トランジスタ１３４のソースは、信号読出線１３２が接続されている。
【００４１】
光電子排出部１０８は、第３転送部１４０と、拡散層１４２とを有する。第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図６参照）。
【００４２】
拡散層１４２は、光電変換素子１０４に対して第３転送部１４０を挟んで反対側に配置され、拡散層１４２には、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力されると、光電変換素子１０４が発生した光電子は、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００４３】
図４に示すように、２つの光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４を挟んで垂直方向（上下方向）に対称的に１つずつ設けられている。また、互いに上下方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の拡散層１４２の一部を互いに共有している。
【００４４】
図７は、ゲート駆動回路４４の構成図である。第１電圧源１５０は、第１電圧を画素アレイ３２の単位画素３０の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０に供給する電圧源であり、第２電圧源１５２は、第２電圧を画素アレイ３２の単位画素３０の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０に供給する電圧源であり、第３電圧源１５４は、第３電圧を画素アレイ３２の単位画素３０の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０に供給する電圧源である。第１電圧源１５０は、基準電圧（例えば、０Ｖ）をフォトゲート１１０に供給するものであり、本実施の形態では、グランドである。第２電圧源１５２は、第１電圧より高い第２電圧をフォトゲート１１０に供給するためのものであり、本実施の形態では、電源２０に内蔵されている。第３電圧源１５４は、第１電圧より高く第２電圧より低い中間電圧である第３電圧をフォトゲート１１０に供給するためのものであり、本実施の形態では、電源２０に内蔵されている。
【００４５】
ゲート駆動回路４４は、光電変換素子に与えられる電圧を切り換えるための第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０を有し、第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０のいずれかをオンにさせることで、第１電圧、第２電圧、及び第３電圧を選択的にフォトゲート１１０に印加させるかを切り換える。第１スイッチ１５６は、第１電圧をフォトゲート１１０に印加させるかを切り換えるスイッチであり、第２スイッチ１５８は、第２電圧をフォトゲート１１０に印加させるかを切り換えるスイッチであり、第３スイッチ１６０は、第３電圧をフォトゲート１１０に印加させるかを切り換えるスイッチである。
【００４６】
フォトゲート１１０に第１電圧、第２電圧、及び第３電圧を選択的に印加（供給）することでゲート駆動信号Ｓａをフォトゲート１１０に印加させて、光電変換素子１０４を駆動させる。
【００４７】
なお、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０、保持ゲート１２２、第２転送ゲート１２４、第３転送ゲート１４４、リセット用トランジスタ１２６のゲートにゲート駆動信号（電圧）Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄ、Ｓｅ、リセット信号（電圧）Ｒを印加させる。
【００４８】
図８は、単位画素の回路構成の一例を示す図である。受光装置１００の光電変換素子１０４に蓄積された光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送される。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、図４及び図５で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成される。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、１つのリセット用トランジスタ１２６のソースが接続されるとともに、１つの信号読出用ゲート１３１が接続される。
【００４９】
各浮遊拡散層１１８に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各光電子保持部１１４が保持した光電子が転送される前に、リセット用トランジスタ１２６がオンになることによって各浮遊拡散層１１８が基準電位にリセットされ、そのときの各浮遊拡散層１１８の電圧（以下、黒レベル）が読み出される。その後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４に保持された光電子が順次浮遊拡散層１１８に転送される。各浮遊拡散層１１８に転送された光電子が順次信号読出用トランジスタ１３０によって電圧信号（信号レベル）に変換されて、選択用トランジスタ１３４を介して信号読出線１３２から読み出される。
【００５０】
詳しくは、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。
【００５１】
このように、受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、同一の信号読出線１３２から読み出されることになる。なお、図８では、光電子排出部１０８の図示を省略している。
【００５２】
図９は、図８に示す受光装置１００を用いて図４に示す単位画素３０を構成したときの回路図である。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、図４で示したように、１つの光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄと、２つの光電子排出部１０８とを有する。全受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８は、リセット用トランジスタ１２６のソース、及び、信号読出用トランジスタ１３０のゲートに接続されている。
【００５３】
リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算（加算）した光電子の電荷量（光電子数）に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５４】
次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５５】
最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。このように、単位画素３０の受光装置１００の光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、全て同一の信号読出線１３２から読み出される。
【００５６】
ここで、図９に示すように、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの転送方向は異なる。例えば、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右上となり、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右下となり、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は左上となり、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は、左下となる。
【００５７】
また、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｃ、光電子振分部１０６ｄと、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｂ、光電子振分部１０６ｄとは互いに浮遊拡散層１１８を共有しており、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｂと、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｃとは互いに浮遊拡散層１１８を共有している。
【００５８】
なお、図１０に示すように受光装置１００は、２つの信号読出線１３２ａ、１３２ｂを有してもよい。この場合は、例えば、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ａから、光電子振分部１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ｂからそれぞれ読み出される。図１０に示す受光装置１００では、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのソースが光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのゲートには、リセット信号Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が供給される。また、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、信号読出用トランジスタ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄのゲートが接続されており、選択用トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄのゲートには、選択信号Ｓｓ１、Ｓｓ２、Ｓｓ３、Ｓｓ４が供給される。要は、信号読出線１３２が受光装置１００の複数の浮遊拡散層１１８に接続されていればよい。
【００５９】
また、図１０に示す受光装置１００を用いて、光電子保持部１１４が保持している光電子を独立した信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出してもよい。
【００６０】
受光装置１００は、このように光電子保持部１１４を有する４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄを有するので、測距システム１０は、測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。詳しく説明すると、第１蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送し、第２蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送し、第３蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に転送し、第４蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に転送する。
【００６１】
なお、図４の各受光装置１００の光電変換素子１０４に図示した矢印は、図１に記載の４つの蓄積期間の内１つの期間における光電子の転送方向を示したものである。詳しくは、左上の光電変換素子１０４に発生した光電子は左上の光電子振分部１０６に転送され、左下の光電変換素子１０４は、左下の光電子振分部１０６に転送され、右上の光電変換素子１０４は、右上の光電子振分部１０６に転送され、右上の光電変換素子１０４は、右上の光電子振分部１０６に転送され、右下の光電変換素子１０４は、右下の光電子振分部１０６に転送される。
【００６２】
本実施の形態では、単位画素３０は、複数の受光装置１００を有し、単位画素３０の各受光装置１００の転送方向の異なる光電子振分部１０６により振り分けられた光電子を加算して出力するので、振分方向に依存せず、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができる。
【００６３】
詳しくは、光電子振分部１０６に転送された光電子は、複数回の受光と転送とが繰り返された後、浮遊拡散層１１８に転送されるが、上下左右に転送蓄積された光電子が浮遊拡散層１１８で接続されているため、光電変換素子１０４及び第１転送部１１２に転送速度の左右上下のバラツキに関して平均化することができる。これにより、図１に記載の４つの蓄積期間のうち、何れの期間においても同様に、４つの光電変換素子１０４の転送方向を上下左右に設定することで、単位画素３０の光電子の転送速度が振分方向に依存せず、後段の信号処理において、精度良く演算が可能となる。
【００６４】
単位画素３０が１つの受光装置１００のみを有する場合は、該受光装置１００の製造起因や結晶方向起因によって転送速度が遅くなる方向が生じ、振分方向によっては、正確な光電子情報（光電子に応じた電圧信号）を得ることができない。つまり、光電変換素子１０４に発生した光電子の振分時間（第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６にゲート信号Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄを供給するタイミング）は決まっているので、転送速度が遅い振り分け方向に光電子を転送すると、光電変換素子１０４が発生した光電子の全て転送することができない。
【００６５】
このように、上記実施の形態においては、単位画素３０の受光装置１００は、光電変換素子１０４に発生した光電子を転送するための第１転送部１１２と、光電子を一時的に蓄積する光電子保持部１１４と、光電子保持部１１４が保持した光電子を転送するための第２転送部１１６と、転送された光電子を蓄積して該転送された光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層１１８とを含む光電子振分部１０６とを有するので、光電変換素子が発生した光電子を複数方向に振り分けて読み出すことができるとともに、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００６６】
つまり、光電子振分部１０６によって振り分けられた光電変換素子１０４に発生した光電子は、該光電子振分部１０６の光電子保持部１１４が保持するので、光電子保持部１１４が保持した光電子を読み出したい場合は、該光電子振分部１０６の浮遊拡散層１１８の電位をリセットした後、黒レベルが読み出される。その後、該光電子保持部１１４が保持した光電子を該浮遊拡散層１１８に転送して光電子に応じた電圧信号を読み出せばよいので、浮遊拡散層１１８の電位のリセットタイミングと、読み出しタイミングとのズレを最小限に抑えることができる。したがって、正確な黒レベルを得ることができ、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００６７】
単位画素３０は、複数の受光装置１００を有するので、受光装置の製造起因や結晶方向起因による振分方向の転送速度のバラツキによって生じる、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができ、受光精度を向上させることができる。また、単位画素３０の複数の前記受光装置１００は、少なくとも、複数の受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６８】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を４つ有し、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられ、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６９】
単位画素３０が１次元又は２次元に配列された画素アレイ３２を有する固体撮像装置２８は、複数の浮遊拡散層１１８の電位を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０と信号読出用トランジスタ１３０を介して信号を読み出す信号読出線１３２とを備え、単位画素３０の浮遊拡散層１１８の各々の電位は１つの信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出されるので、信号読み出し回路の共通化が可能となり、読み出し回路の製造バラツキに起因する出力バラツキを抑制することができるとともに、固体撮像装置２８を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００７０】
なお、測距対象Ｗまでの距離を得るために、環境光Ｌｓのみを受光する期間における第１蓄積期間及び第２蓄積期間と、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒを受光する期間である第３蓄積期間及び第４蓄積期間との蓄積期間のタイミング幅が一定の場合は、第１蓄積期間と第２蓄積期間における受光量は同一であるから第２蓄積期間を第１蓄積期間に置き換えてもよい。このとき、前記ＱＣＡと前記ＱＣＢは、ＱＣＡ＝ＱＣＢとして取り扱うことで、被写体までの距離を求めることができる。したがって、単位画素３０は、図１２に示す構成であってもよい。
【００７１】
図１１は、図３に示す固体撮像装置２８を構成する別形態の単位画素３０の一部を示す平面図である。なお、図４に示す構成と同様の構成については同一の符号を付している。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。受光装置１００は、光電変換素子１０４と、３つの光電子振分部１０６と、１つの光電子排出部１０８を有する。３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に１つずつ設けられ、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられている。また、光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４の下側、又は上側に設けられ、光電子振分部１０６が設けられていない側に設けられる。単位画素３０の上側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の上側に光電子振分部１０６が設けられ、下側に光電子排出部１０８が設けられる。単位画素３０の下側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の下側に光電子振分部１０６が設けられ、上側に光電子排出部１０８が設けられる。このような構成を有することで、互いに上下方向で隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有する。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有している。
【００７２】
このように、単位画素３０は、行列状に配置された４つの前記受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を３つ有し、３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられており、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００７３】
次に、単位画素３０の撮像動作について説明する。単位画素の１枚の輝度画像を撮像する１フレーム期間は、露光期間と読出期間とを有し、露光期間は、光電変換素子１０４に受光を行わせ、読出期間は、露光期間によって得られた光電子を信号読出線１３２から読み出すための期間である。
【００７４】
露光期間に照射装置１２が照射光を測距対象Ｗに照射し、光電変換素子１０４が第１蓄積期間、第２蓄積期間、第３蓄積期間、及び第４蓄積期間で光を受光した光電子を蓄積する。１フレーム期間の露光期間中に、照射光が所定の周期で所定回数（例えば、１００回）照射され、光電変換素子１０４は、第１蓄積期間、第２蓄積期間、第３蓄積期間、第４蓄積期間での受光を所定回数（例えば、１００回）行う。
【００７５】
第１蓄積期間の受光により光電変換素子１０４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送され、第２蓄積期間の受光により光電変換素子１０４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送され、第３蓄積期間の受光により光電変換素子１０４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４で転送され、第４蓄積期間の受光により光電変換素子１０４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に転送される。１フレーム期間の露光期間中に、第１蓄積期間、第２蓄積期間、第３蓄積期間、及び第４蓄積期間での受光が所定回数行われるので、１フレーム期間の露光期間中に光電変換素子１０４で発生した光電子が、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４に所定回数振り分けられることになる。このように、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４で発生した光電子を保持していく。
【００７６】
そして、露光期間が終了し、読出期間に入ると、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４に蓄積された光電子が、信号読出線１３２から順次読み出される。
【００７７】
これにより、ＱＣＢ、ＱＣＡ、ＱＢ、ＱＡに対応する光電子を得ることができ、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８から得られた光電子に対応する電圧信号を読み出すことで、測距対象Ｗまでの距離を得ることができる。
【００７８】
なお、蓄積期間以外の期間に、光電変換素子１０４に入射した光により発生した光電子は、ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力され、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００７９】
次に、光電変換素子１０４の駆動方法について説明する。図１２は、光電変換素子１０４のフォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、第３転送ゲート１４４に印加されるゲート駆動信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｅを示すタイムチャートであり、図１３は、図１２に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子１０４及び光電子振分部１０６の基板表面におけるポテンシャル図である。なお、図１３は、図４のＡ−Ａ線断面図におけるポテンシャル図を示す。
【００８０】
図１２に示すように、光電変換素子１０４の光電子ｅ−を排出する排出期間であるタイミングＡ時には、ゲート駆動回路４４は、第３スイッチ１６０をオン、第１スイッチ１５６及び第２スイッチ１５８をオフすることで、フォトゲート１１０に第３電圧信号を印加させる。また、このとき、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０がオフするように電圧を印加させるとともに、第３転送ゲート１４４がオンするように電圧を印加させる。
【００８１】
これにより、図１３に示すように、タイミングＡ時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、フォトゲート１１０に第３電圧を印加している分だけ低下するとともに、第３転送部１４０のポテンシャル障壁は１４４に第１電圧を印加した分、低くなる（第３転送部１４０の電位障壁がなくなる）。これにより、光電変換素子１０４で発生した光電子ｅ−にバイアスが掛かり拡散層１４２に排出することができる。
【００８２】
なお、第１転送部１１２のポテンシャル障壁は、第１転送ゲート１２０に第２電圧を印加した分高くなる（第１転送部１１２の電位障壁が高くなる）。なお、タイミングＡ時に、フォトゲート１１０に第２電圧を印加させて、光電変換素子１０４のポテンシャルを低下させてしまうと、ポテンシャルの勾配が得られず、光電変換素子１０４の表面に光電子が残留しやすくなり、十分なリセット性能が得られなくなる可能性がある。また、タイミングＡ時に、フォトゲート１１０に第１電圧を印加させて、光電変換素子１０４のポテンシャルを高くしてしまうと、光電変換素子１０４の基板深くで発生した光電子を光電変換素子１０４の基板表面に集めることができず排出することができ難くなり、光電子保持部１１４へのリーク電流の原因になる可能性がある。
【００８３】
図１２に示すように、光電変換素子１０４の蓄積期間中のタイミングＢ時には、ゲート駆動回路４４は、第２スイッチ１５８をオン、第１スイッチ１５６及び第３スイッチ１６０をオフにすることで、フォトゲート１１０に第２電圧を印加する。このとき、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０及び第３転送ゲート１４４をオフするように電圧を印加させる。
【００８４】
これにより、図１３に示すように、タイミングＢ時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、第２電圧を印加までする分低下するとともに、第３転送部１４０のポテンシャル障壁は高くなる（第３転送部１４０はオンからオフの状態に変わる）。なお、第１転送部１１２のポテンシャル障壁は継続して高い位置にある（第１転送部１１２はオフの状態にある）。
【００８５】
図１２に示すように、光電変換素子１０４の蓄積期間が終了した後、光電変換素子１０４に溜まった光電子ｅ−を光電子保持部１１４に転送させる第１転送期間中のタイミングＣ時には、ゲート駆動回路４４は、第３スイッチ１６０をオン、第１スイッチ１５６及び第２スイッチ１５８をオフにすることで、フォトゲート１１０に第３電圧を印加させる。このとき、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０がオンになるように電圧を印加し、第３転送ゲート１４４にオフの電圧を印加させる。
【００８６】
これにより、図１３に示すように、タイミングＣ時には、光電変換素子１０４のポテンシャル位置は、第３電圧を印加した分高くなるとともに、第１転送部１１２のポテンシャル障壁は第２電圧を印加した分低くなり（第１転送部１１２はオフからオンの状態に変わる）、光電変換素子１０４で発生した光電子は光電子保持部１１４に転送される。なお、光電変換素子１０４のポテンシャルが、第３電圧を印加した分高い場合は、光電変換素子１０４は基板深くで生成した光電子を基板表面に集めるとともに光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に転送する。したがって、フォトゲート１１０に第３電圧が印加され、且つ、第１転送ゲート１２０にオンの電圧が印加されている状態時は、転送期間であるとともに蓄積期間であるともいえる。
【００８７】
図１２に示すように、第１転送期間であり、且つ、タイミングＣの後であるタイミングＤ時には、ゲート駆動回路４４は、第１スイッチ１５６をオン、第２スイッチ１５８及び第３スイッチ１６０をオフにすることで、フォトゲート１１０に第１電圧を印加させる。このとき、ゲート駆動回路４４は、継続して、第１転送ゲート１２０にオンの電圧を印加させ、第３転送ゲート１４４にオフの電圧を印加させる。
【００８８】
これにより、図１３に示すように、タイミングＤ時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、第２電圧を印加する分高くなるとともに、第１転送部１１２のポテンシャル障壁は、低いままである。
【００８９】
このように、第１転送期間においては、光電変換素子１０４のポテンシャルを第１電圧から第３電圧、第３電圧から第２電圧に印加して段階的に高くするので、、第１転送の際に、光電変換素子１０４に残留する光電子ｅ−の量を軽減させることができるとともに、効率よく光電子ｅ−を光電子保持部１１４に転送させることができる。なお、第１転送期間が終了すると次の蓄積期間が到来するまでの間、排出期間となり、光電変換素子１０４で発生した光電子ｅ−を排出し続ける。
【００９０】
光電子保持部で光電子保持する期間中、図１２、図１３に示すような動作を所定回数（例えば、１００回）繰り返す。その後読出期間に入ると、ゲート駆動回路４４は、光電子振分部１０６の第２転送ゲート１２４にオンのゲート駆動信号Ｓｄを印加させて、光電子保持部１１４に集められ、保持された光電子ｅ−を浮遊拡散層１１８に転送し、信号読出線１３２から、該光電子ｅ−に応じた電圧信号が読み出す。なお、図１３に示すように、ゲート駆動回路４４は、排出期間、蓄積期間、及び第１転送期間においては、オンの電圧を保持ゲート１２２に印加している。
【００９１】
上記実施の形態は、以下のように変形してもよい。
【００９２】
（変形例１）変形例１では、蓄積期間が開始される前に、光電変換素子１０４に存在する光電子ｅ−を確実に排出するため、排出期間と蓄積期間との間に、直前排出期間を設け、該直前排出期間にも、光電子ｅ−の排出動作を行うというものである。
【００９３】
図１４は、変形例１の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、第３転送ゲート１４４に印加されるゲート駆動信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｅを示すタイムチャートであり、図１５は、図１４に示すタイムチャートの各タイミングにおける受光装置１００の表面におけるポテンシャル図である。図１５は、図４のＡ−Ａ線断面図における基板表面のポテンシャル図を示す。
【００９４】
図１４及び図１５に示すタイミングＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける受光装置１００の動作は、図１２及び図１３に示すタイミングＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける受光装置１００の動作と同様であるので、説明を省略する。なお、直前排出期間においては、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０に継続してオンの電圧を印加し、第３転送ゲート１４４に継続してオフの電圧を印加する。これにより、直前排出期間においては、第１転送部１１２のポテンシャル障壁が低くに保たれ、第３転送部１４０のポテンシャル障壁は、高く保たれる。
【００９５】
図１４に示すように、光電変換素子１０４の排出期間終了後、蓄積期間前に光電変換素子１０４にある光電子ｅ−を排出する直前排出期間であるタイミングａ１時には、ゲート駆動回路４４は、第２スイッチ１５８をオン、第１スイッチ１５６及び第２スイッチ１５８をオフにすることで、フォトゲート１１０に第２電圧を印加させる。これにより、図１５に示すように、タイミングａ１時には、光電変換素子１０４のポテンシャル障壁は低くなる。
【００９６】
図１４に示すように、直前排出期間であり、タイミングａ１の後のタイミングａ２時には、ゲート駆動回路４４は、第３スイッチ１６０をオン、第１スイッチ１５６及び第２スイッチ１５８をオフにすることで、フォトゲート１１０に第３電圧を印加させる。これにより、図１５に示すように、タイミングａ２時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、第３電圧を印加した分高くなる。
【００９７】
図１４に示すように、直前排出期間であり、タイミングａ２の後に到来するタイミングａ３時には、ゲート駆動回路４４は、第１スイッチ１５６をオン、第２スイッチ１５８及び第３スイッチ１６０をオフにすることで、フォトゲート１１０に第１電圧を印加させる。これにより、図１５に示すように、タイミングａ３時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、高くなる。
【００９８】
このように、直前排出期間においては、光電変換素子１０４のポテンシャルを第３電圧から第１電圧を印加する分、低下させた後、第１電圧から第３電圧、第３電圧から第２電圧のように段階的に高くしていくので、光電変換素子１０４に存在する光電子ｅ−を基板表面に効率よく集積し、拡散層１４２に効率よく排出することができ、光電変換素子１０４に残留する光電子ｅ−の量を軽減させることができる。
【００９９】
（変形例２）上記した第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０は、以下のような構成を有していてもよい。図１６は、変形例２の第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０の構成図である。
【０１００】
第２スイッチ１５８及び第３スイッチ１６０は、トランスファーゲートによって構成し、トランスファーゲートは、Ｎチャネル型のトランジスタＮとＰ型チャネルのトランジスタＰとからなるＣＭＯＳスイッチで構成する。第２スイッチ１５８に、第２スイッチ１５８のオンオフを指示するオンオフ指示信号ｒ２が、第３スイッチ１６０に、第３スイッチ１６０のオンオフを指示するオンオフ指示信号ｒ３が印加される。
【０１０１】
ゲート駆動回路４４は、フォトゲート１１０に第２電圧を印加させる場合は、第２スイッチ１５８にオンのオンオフ指示信号ｒ２を印加させる。ゲート駆動回路４４は、フォトゲート１１０に第３電圧を印加させる場合は、第３スイッチ１６０オンのオンオフ指示信号ｒ３を印加させる。
【０１０２】
第１スイッチ１５６は、並列に接続された複数のＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタ１６２を有する。複数のＭＯＳトランジスタ１６２のゲートには、第１スイッチ１５６のオンオフを指示するオンオフ指示信号ｒ１が印加される。複数のＭＯＳトランジスタ１６２のドレインはフォトゲート１１０に接続され、ソースは、第１電圧が印加されている。
【０１０３】
複数のＭＯＳトランジスタ１６２のうち、少なくとも１つ以上のＭＯＳトランジスタ１６２には、論理回路１６４を介して、オンオフ指示信号ｒ１が入力される。論理回路１６４の第１入力端子に、オンオフ指示信号ｒ１が第１信号として入力され、論理回路１６４の第２入力端子には、フォトゲート１１０に印加される電圧を第３電圧あるいは第２電圧から第１電圧に遷移させる場合の時間を第１スイッチのオン抵抗値を調整するための設定値が第２信号Ｋとして入力される。
【０１０４】
本実施の形態では、第１スイッチ１５６は、３つのＭＯＳトランジスタ１６２（以下、ＭＯＳトランジスタ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃと呼ぶ）と２つの論理回路１６４（以下、論理回路１６４ｂ、１６４ｃ）を有し、ＭＯＳトランジスタ１６２ｂには論理回路１６４ｂを介して、ＭＯＳトランジスタ１６２ｃには論理回路１６４ｃを介してオンオフ指示信号ｒ１が入力されるように構成している。本実施の形態では、論理回路１６４としてアンド回路を用いている。
【０１０５】
ゲート駆動回路４４は、論理回路１６４ｂの第２入力端子に入力される第２信号Ｋ（以下、第２信号Ｋｂ）と、論理回路１６４ｃの第２入力端子に入力される第２信号Ｋ（以下、第２信号Ｋｃ）とを予め設定することで、第１スイッチ１５６のオン抵抗の値を変えることができる。
【０１０６】
例えば、論理回路１６４ｂに入力される第２信号Ｗｂをハイ、論理回路１６４ｃに入力される第２信号Ｗｃをローとしておくことで、ハイのオンオフ指示信号ｒ１が第１スイッチ１５６に入力されると、ＭＯＳトランジスタ１６２ａ及びＭＯＳトランジスタ１６２ｂがオンになり（ＭＯＳトランジスタ１６２ｃはオフのまま）、第１電圧は、並列に接続されたＭＯＳトランジスタ１６２ａ及びＭＯＳトランジスタ１６２ｂを介してフォトゲート１１０に印加されることになる。
【０１０７】
また、例えば、論理回路１６４ｂに入力される第２信号Ｗｂ、及び、論理回路１６４ｃに入力される第２信号Ｗｃを共にハイにしておくことで、オンのオンオフ指示信号ｒ１が第１スイッチ１５６に入力されると、ＭＯＳトランジスタ１６２ａ、ＭＯＳトランジスタ１６２ｂ、及びＭＯＳトランジスタ１６２ｃの全てがオンになり、第１電圧は、並列に接続されたＭＯＳトランジスタ１６２ａ、ＭＯＳトランジスタ１６２ｂ、及びＭＯＳトランジスタ１６２ｃを介してフォトゲート１１０に印加されることになる。
【０１０８】
このように、論理回路１６４ｂ、１６４ｃに入力される第２信号Ｗｂ、Ｗｃの値を変えることで、並列に接続されたＭＯＳトランジスタ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃがオンになる数を変えることができるので、第１スイッチ１５６のオン抵抗の値を変えることができる。
【０１０９】
この第１スイッチ１５６の抵抗値を所望の抵抗値（所定の抵抗値）に変えることで、図１７に示すように、フォトゲート１１０に印加する電圧信号を第３電圧から第１電圧に切り換える場合、印加する電圧が第３電圧から徐々に第１電圧に近づくことになり、転送の際に光電変換素子１０４に残留する光電子ｅ−の量を可能な限り軽減させることができるとともに、光電子ｅ−の転送効率の向上を図ることができる。このフォトゲート１１０に印加される電圧が、第３電圧から第１電圧に近づく度合いは、第１スイッチ１５６の抵抗値によって変わる。なお、図１７は、変形例２の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、第３転送ゲート１４４に印加されるゲート駆動信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｅを示すタイムチャートであり、図１７に示す点線は、フォトゲート１１０に印加される電圧信号が、第３電圧から瞬時に第１電圧に切り換わった場合のゲート駆動信号Ｓａを示す。
【０１１０】
次に、第１スイッチ１５６の抵抗値を所望の抵抗値に変えることで、転送の際に光電変換素子１０４に残留する光電子ｅ−の量が可能な限り低減される理由を説明する。図１８は、フォトゲート１１０に印加する電圧信号が、第３電圧から瞬時に第１電圧に切り換えられた場合の、図１７に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子１０４の基板深さ方向のポテンシャル図の一例である。
【０１１１】
フォトゲート１１０に第３電圧が印加されているタイミングＡ時には、光電変換素子１０４で発生した光電子ｅ−は、バイアスによりｐ型半導体基板１０２の表面側に集まる。その後、フォトゲート１１０に印加される電圧が第３電圧から瞬時に第１電圧に切り換わった直後であるタイミングＢ時には、光電変換素子１０４の表面のポテンシャルが急激に高くなるため、光電変換素子１０４の表面に集まっていた光電子ｅ−の一部はｐ型半導体基板１０２の深さ方向も移動し、タイミングＣ時でも、ｐ型半導体基板１０２の深さ方向に移動した光電子ｅ−が光電変換素子１０４に残留する。このとき、第１転送ゲート１２０には、オンのゲート駆動信号Ｓｂが印加されているが、フォトゲート１１０の表面のポテンシャル障壁が急激に高くなるため、一旦光電変換素子１０４の基板深さ方向に移動した光電子ｅ−は転送期間中に再び表面に集めることができないため、光電子保持部１１４にあるいは光電子排出部に転送、排出する効率が低下してしまう。
【０１１２】
図１９は、第１スイッチ１５６を所望の抵抗値で駆動した場合の本変形例２の場合の、図１７に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子１０４の深さ方向のポテンシャル図の一例である。
【０１１３】
フォトゲート１１０に第３電圧が印加されているタイミングＡ時には、光電変換素子１０４で発生した光電子ｅ−は、ｐ型半導体基板１０２の表面に集まる。その後、フォトゲート１１０に印加される電圧が第３電圧から徐々に第１電圧に変化し遷移する途中であるタイミングＢ時には、光電変換素子１０４の表面のポテンシャルが徐々に高くなり、光電変換素子１０４の表面に集った光電子ｅ−は、ｐ型半導体基板１０２の深さ方向に拡散せず、表面に留まるため、光電変換素子１０４と光電子保持部の間の表面ポテンシャル勾配により光電子保持部１１４に移動することができる。その後、フォトゲート１１０に第１電圧を完全に印加しているタイミングＣ時には、光電変換素子１０４の光電子ｅ−は既に光電子保持部１１４に転送されているので、光電子ｅ−は光電変換素子１０４に残留しない。
【０１１４】
このように、第１スイッチ１５６のオン抵抗を所望の抵抗値にすることで、フォトゲート１１０に印加される電圧が、第１電圧より高い電圧から第１電圧に徐々に近づくことになり、転送の際に光電変換素子１０４に残留してしまう光電子ｅ−の量を可能なかぎり軽減させることができるとともに、光電子ｅ−の転送の効率向上を図ることができる。
【０１１５】
（変形例３）上記実施の形態及び変形例１及び２では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有するようにしたが、単位画素３０は、２つ、３つ、５つ等の複数の受光装置１００を有してもよく、受光装置１００を１つのみ有してもよい。また、受光装置１００は、４つの光電子振分部１０６を有するようにしたが、２つ、３つ、５つ等の複数の光電子振分部１０６を有してもよく、光電子振分部１０６を１つのみ有してもよい。
【０１１６】
また、第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０を、ゲート駆動回路４４内に設けるようにしたが、ゲート駆動回路４４の外部に設けるようにしてもよい。
【０１１７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【０１１８】
１０…測距システム １２…照射装置
１４…撮像部 １６…演算部
１８…制御部 ２０…電源
２８…固体撮像装置 ３０…単位画素
３２…画素アレイ ３４…画素駆動回路
４４…ゲート駆動回路 １００…受光装置 光電子振分部
１０２…ｐ型半導体基板 １０４…光電変換素子 受光部
１０６…光電子転送部 振分部 １０８…光電子排出部
１１０…フォトゲート １１２…第１転送部
１１４…光電子保持部 １１６…第２転送部
１１８…浮遊拡散層１１８ １２０…第１転送ゲート
１２２…保持ゲート １２４…第２転送ゲート
１２６…リセット用トランジスタ １３０…信号読出用トランジスタ
１３２…信号読出線 １３４…選択用トランジスタ
１４０…第３転送部 １４２…拡散層
１４４…第３転送ゲート １５０…第１電圧源
１５２…第２電圧源 １５４…第３電圧源
１５６…第１スイッチ １５８…第２スイッチ
１６０…第３スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置において、光電変換素子で発生する光電子の受光・転送効率向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置の応用例として、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いて、測距対象までの距離を非接触に測定する技術が知られている。ＴＯＦ法を用いる場合においては、1個の光電変換素子で発生した光電子を複数の光電子保持部に振り分け、累積し、読み出す技術が知られている。下記非特許文献１及び２には、発光素子から照射するパルス光の照射期間と照射停止期間を同じ時間（発光素子の駆動デューティが５０％）で繰り返すと共に、パルス光の照射期間と照射停止期間とに同期して、光電変換素子のシャッタ制御を行い、発生した光電子を２方向に振り分けることが記載されている。この２方向に振り分けた光電子により測距対象までの距離を計測している。また、下記特許文献１には、光電変換素子で発生した光電子を４方向に振り分けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３２４２５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】宮川良平、金出武雄「ＣＣＤ−Ｂａｓｅｄ Ｒａｎｇｅ−Ｆｉｎｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ， ＶＯＬ． ４４， ＮＯ． １０、１９９７年１０月、ｐ．１６４８〜１６５２
【非特許文献２】宮川良平、金出武雄、ＩＴＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．６５、ＰＰ３７−４１（Ｎｏｖ．１９９５）
【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、原理的にＴＯＦにおいては、発光素子が光を照射するタイミングと、照射した光が被写体で反射して固体撮像装置まで帰ってくるまでのタイミングの時間遅れを検知する必要がある。光は非常に高速に伝播する。そのため、光電変換素子で発生する光電子を光の速度に対応した非常に高速な制御で振り分け、有用な情報（光電子）のみを得る技術が、正確な測距結果を得るために重要となる。
【０００６】
そこで本発明は、係る従来からの課題に鑑みてなされたものであり、光電変換素子で発生した光電子を転送するの際に、光電変換素子に残留する光電子数を軽減するとともに、正確な測距結果を得るために有用な光電子の受光効率向上を図る固体撮像装置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】
【０００７】
上記目的を達成するために、光を検知して光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素と、前記単位画素を駆動させる画素駆動部と、を備え、前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、前記画素駆動部は、３値の電圧のうち、いずれかの電圧を前記光電変換素子のフォトゲートに印加することで、前記光電子の蓄積、転送を行い、前記３値の電圧は、少なくとも、第１電圧と、前記第１電圧より高い第２電圧と、前記第１電圧より高く且つ前記第２電圧より低い第３電圧とを有することを特徴とする。
【０００８】
前記光電変換素子で発生した前記光電子を排出する排出期間を有し、前記画素駆動部が、前記第３電圧を前記フォトゲートに印加することで、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する。
【０００９】
前記単位画素は、前記光電子を排出する光電子排出部に、前記光電変換素子で発生した該光電子を転送するための第３転送部をさらに有し、
前記画素駆動部は、前記排出期間においては、さらに前記第３転送部をオンして前記光電子を前記光電子排出部に転送する。
【００１０】
前記排出期間終了後に前記光電変換素子で発生した前記光電子を蓄積する蓄積期間をもち、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第２電圧又は第３電圧を印加することで、前記光電変換素子で発生した前記光電子を蓄積する。
【００１１】
前記蓄積期間終了後に、前記光電変換素子に蓄積した前記光電子を光電子保持部に転送する第１転送期間を有し、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第３電圧を印加させた後、前記第１電圧を印加する。
【００１２】
前記単位画素は、前記光電子の集積と保持とを繰り返して光電子を累積する前記光電子保持部に、前記光電変換素子で発生した該光電子を転送するための第１転送部をさらに有し、前記画素駆動部は、前記第１転送期間のみもしくは蓄積期間と第１転送期間においては、さらに前記第１転送部をオンして前記光電変換素子で発生した前記光電子を前記光電子保持部に転送し、前記第１転送期間以外もしくは蓄積期間と第１転送期間以外においては、該第１転送部をオフして前記光電変換素子で発生した該光電子を前記光電子保持部に転送しない。
【００１３】
前記排出期間終了後、前記蓄積期間前に、前記光電変換素子で発生した前記光電子を排出する直前排出期間を有し、前記画素駆動部は、前記第２電圧を前記フォトゲートに印加してから前記第３電圧を印加し、その後前記第１電圧を印加することで、前記光電変換素子に残存する前記光電子を排出する。
【００１４】
前記画素駆動部は、前記第１電圧を前記フォトゲートに印加する第１スイッチと、前記第２電圧を前記フォトゲートに印加する第２スイッチと、前記第３電圧を前記フォトゲートに印加する第３スイッチと、をさらに有し、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチのオンオフを切り換えることで、前記光電変換素子で発生した前記光電子の排出、蓄積、転送、保持のいずれかの動作を行う。
【００１５】
前記第１スイッチは、並列に接続された複数のＭＯＳトランジスタにより構成され、前記画素駆動部は、オンするＭＯＳトランジスタの数を変更することで、前記第１スイッチの抵抗値を変えて、画素部のゲートに印加される電圧が前記第３電圧から、もしくは前記第２電圧から前記第１電圧に移行するまでの時間を調整する。
【００１６】
オンオフ指示信号を第１信号入力とし、前記第１スイッチの抵抗値調整用の設定信号を第２信号入力とする論理回路を介して、前記複数のＭＯＳトランジスタのうち、少なくとも１つ以上の前記ＭＯＳトランジスタの該オンオフを制御する。
【発明の効果】
【００１７】
本願発明によれば、光電変換素子で発生した光電子の転送の際に、光電変換素子に残留する光電子の量を軽減することができるとともに、正確な測距結果を得るために有用な光電子の受光効率を向上することができる。
【００１８】
前記光電変換素子で発生する前記光電子を排出する排出期間においては、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第３電圧を印加することで、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出するので、効率よく光電変換素子で発生した光電子を排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＴＯＦの原理を説明するための図である。
【図２】実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。
【図３】固体撮像装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【図７】図３に示すゲート駆動回路の構成図である。
【図８】単位画素の回路構成の一例を示す図である。
【図９】図４に対応して、図８に示す受光装置１００を複数用いて単位画素を構成したときの回路図である。
【図１０】図８と別の単位画素の回路構成例を示す図である。
【図１１】図４とは別の単位画素の一部平面図である。
【図１２】フォトゲート、第１転送ゲート、第３転送ゲートに印加されるゲート駆動信号を示すタイムチャートの例である。
【図１３】図１２に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子及び光電子振分部の基板表面におけるポテンシャル図である。
【図１４】変形例１のフォトゲート、第１転送ゲート、第３転送ゲートに印加されるゲート駆動信号を示すタイムチャートである。
【図１５】図１４に示すタイムチャートの各タイミングにおける受光装置の基板表面におけるポテンシャル図である。
【図１６】変形例２の第１スイッチ、第２スイッチ、及び第３スイッチの構成図である。
【図１７】変形例２のフォトゲート、第１転送ゲート、第３転送ゲートに印加されるゲート駆動信号を示すタイムチャートである。
【図１８】フォトゲートに印加される電圧信号が、第３電圧から瞬時に第１電圧に切り換えられた場合の、図１７に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子の基板表面から深さ方向におけるポテンシャル図の一例である。
【図１９】第１スイッチの抵抗値を変える本変形例２の場合の、図１７に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子の基板表面から深さ方向におけるポテンシャル図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る単位画素及び該単位画素を有する固体撮像装置について、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２１】
初めに、図１を用いてＴＯＦの原理の一例を簡単に説明する。光（例えば、レーザー光）を被写体に照射する図示しない照射装置が光を照射しない状態で、且つ、環境光のみを一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）蓄積する第１蓄積期間および、第２蓄積期間のときに、各単位画素が有する受光部は、入射光に応じた光電変換により光電子を生成し、各単位画素が有する複数の光電子保持部は、各蓄積期間に発生した光電子を取り込む。第１蓄積期間に前記受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＣＢとし、第２蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＣＡとする。
【００２２】
また、前記照射装置から照射された光の反射光が入射するタイミングと全体あるいは一部でオーバラップするように設けた第３蓄積期間、および第４蓄積期間をもち、各単位画素が有する複数の光電子保持部は、各蓄積期間に発生した光電子を取り込む。ここでは、前記単位画素は、照射装置が光を照射した光の反射光を常に受光するタイミングで、反射光及び環境光を一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）蓄積する第３蓄積期間と、前記照射装置の光の照射後のタイミングから一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）光を蓄積する第４蓄積期間で発生した光電子を各光電子保持部に取り込む。第３蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＢとし、第４蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＡとする。なお、Ｉｌａｓｅｒは、前記照射された光の反射光の強度を示し、Ｉｂａｃｋは、環境光の強度を示す。
【００２３】
したがって、ＱＡ−ＱＣＡ∝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｄｅｌａｙ，ＱＢ−ＱＣＢ∝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｓｅｎｓｅ，の関係式が成り立つ。Ｔｄｅｌａｙは、照射した光が被写体に反射して戻ってくるまでの時間である。
【００２４】
上述した式から、Ｔｄｅｌａｙ＝Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／（ＱＢ−ＱＣＢ）の関係式が導き出せ、被写体までの距離Ｚは、Ｚ＝ｃ×Ｔｄｅｌａｙ／２＝ｃ×Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／２（ＱＢ−ＱＣＢ）、の関係式によって求めることができる。なお、ｃは光速を示す。
【００２５】
図２は、実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システム１０の概略構成を示す図である。図２に示すように、測距システム１０は、照射装置１２、撮像部１４、演算部１６、制御部１８、及び電源２０を備える。
【００２６】
電源２０は、測距システム１０の各部に所定の電源電圧を供給するものであり、図２においては、簡単のため、電源２０から各装置への電源線の表示を省略する。
【００２７】
照射装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、照射装置１２は、制御部１８の制御下で、パルス光Ｌｐを出力する発光部２４を有する。この測距システム１０において、照射装置１２の発光部２４は、発光点（エミッタ）を直線状に持つ半導体レーザバーを積層（直列接続）して、面発光が可能とされたものでもよい。
【００２８】
発光部２４は、赤外光を発光する。例えば、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で照射可能である。発光部２４は、パルス光Ｌｐを１００（ナノ秒）の出力時間（パルス幅）で出力する。
【００２９】
なお、発光部２４は、リニアアレイ状の複数の発光点を有していてもよく、あるいは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。
【００３０】
この測距システム１０では、照射装置１２から照射されたパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、照射装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐを照射光Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００３１】
撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、固体撮像装置２８に集光され、固体撮像装置２８によって受光される。固体撮像装置２８は、照射装置１２が照射するパルス光Ｌｐ及び環境光Ｌｓに対して感度を有する。演算部１６は、固体撮像装置２８が前記各蓄積期間で取り込んだ光電子の電荷量情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離を、図１で説明した手法によって算出する。
【００３２】
図３は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、マトリックス状に単位画素３０が配置された画素アレイ３２と、画素駆動回路（画素駆動部）３４と、画素出力信号を読み出すためのサンプルホールド回路３６と、水平選択回路３８と、出力バッファ４０と、Ａ／Ｄ変換器４２とを有する。
【００３３】
電源２０は、画素アレイ３２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加するとともに、リセット電圧Ｖｒｅｆを印加する。画素駆動回路３４は、ゲート駆動回路４４と、垂直選択回路４６を有し、ゲート駆動回路４４は、各種ゲート駆動信号電圧（画素駆動信号電圧）を出力することにより画素アレイ３２の各単位画素３０の光電子の発生（蓄積）、保持、転送、及び排出等を行う。垂直選択回路４６は、マルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する行に対して選択的に、該単位画素３０が保持した光電子に対応する電圧信号（画素信号）を出力させる。水平選択回路３８は、別のマルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する列を選択する。読み出された画素信号は、サンプルホールド回路３６で一端保持された後、水平選択回路３８を介して出力される。そして、出力バッファ４０及びＡ／Ｄ変換器４２を介して演算部１６に出力される。なお、制御部１８及び演算部１６は、固体撮像装置２８の中に実装してもよい。
【００３４】
図４は、図３に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す平面図である。単位画素３０は、複数の受光装置１００を有する。本実施の形態では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。図５及び図６は、図４に示す受光装置１００の断面図であり、詳しくは、図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視断面図であり、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【００３５】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有する。受光装置１００は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６と、２つの光電子排出部１０８とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲートと呼ぶ）１１０を有するフォトゲート構造を有している。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子（負電荷）を発生する（検知した光を光電子に変換する）フォトダイオードである。フォトゲート１１０には、光電変換素子１０４を駆動するゲート信号Ｓａがゲート駆動回路４４から印加される。
【００３６】
光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び浮遊拡散層１１８を有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に振り分け、転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第１転送ゲート）１２０を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第１転送ゲート１２０には、ゲート駆動回路４４から第１転送部１１２を駆動するゲート信号Ｓｂが入力される。光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転送部１１２を挟んで反対側に配置され、光電変換素子１０４で発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（保持ゲート）１２２を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。保持ゲート１２２には、ゲート駆動回路４４から光電子保持部１１４を駆動するゲート信号Ｓｃが入力される。
【００３７】
第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して、光電子保持部１１４を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４で集積された光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第２転送ゲート）１２４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第２転送ゲート１２４には、ゲート駆動回路４４から第２転送部１１６を駆動するゲート信号Ｓｄが印加される。浮遊拡散層（ＦＤ；フローティングディフュージョン）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４から転送されてくる光電子を取り込み、電圧に変換させるためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型（第２導電型）不純物が形成されたものである。
【００３８】
図４に示すように、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向（左右方向）に対称に２つずつ設けられており、左右にそれぞれ上下に１つずつ設けられている。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている２つの浮遊拡散層１１８を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有している。
【００３９】
図５に示すように、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ１２６が接続されている。リセット用トランジスタ１２６のソースは浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加され、ゲートには、ゲート駆動回路４４からリセット信号Ｒが供給される。ハイのリセット信号Ｒがリセット用トランジスタ１２６のゲートに供給されると、リセット用トランジスタがオンとなり、浮遊拡散層１１８の電位が基準電位にリセットされる。
【００４０】
また、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８に蓄積された光電子に応じた電圧信号を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０が接続される。信号読出用トランジスタ１３０には、該信号読出用トランジスタ１３０によって読み出された電圧信号を信号読出線１３２に出力するかを選択するための選択用トランジスタ１３４が接続されている。信号読出用トランジスタ１３０のドレインは、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加され、ゲートには、浮遊拡散層１１８に接続され、ソースは、選択用トランジスタ１３４のドレインに接続される。選択用トランジスタ１３４に垂直選択回路４６からハイの選択信号Ｓｓが供給されると、選択用トランジスタがオンになり、浮遊拡散層１１８に蓄積された光電子に対応する電圧が信号読出線１３２から読み出される。選択用トランジスタ１３４のソースは、信号読出線１３２が接続されている。
【００４１】
光電子排出部１０８は、第３転送部１４０と、拡散層１４２とを有する。第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図６参照）。
【００４２】
拡散層１４２は、光電変換素子１０４に対して第３転送部１４０を挟んで反対側に配置され、拡散層１４２には、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力されると、光電変換素子１０４が発生した光電子は、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００４３】
図４に示すように、２つの光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４を挟んで垂直方向（上下方向）に対称的に１つずつ設けられている。また、互いに上下方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の拡散層１４２の一部を互いに共有している。
【００４４】
図７は、ゲート駆動回路４４の構成図である。第１電圧源１５０は、第１電圧を画素アレイ３２の単位画素３０の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０に供給する電圧源であり、第２電圧源１５２は、第２電圧を画素アレイ３２の単位画素３０の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０に供給する電圧源であり、第３電圧源１５４は、第３電圧を画素アレイ３２の単位画素３０の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０に供給する電圧源である。第１電圧源１５０は、基準電圧（例えば、０Ｖ）をフォトゲート１１０に供給するものであり、本実施の形態では、グランドである。第２電圧源１５２は、第１電圧より高い第２電圧をフォトゲート１１０に供給するためのものであり、本実施の形態では、電源２０に内蔵されている。第３電圧源１５４は、第１電圧より高く第２電圧より低い中間電圧である第３電圧をフォトゲート１１０に供給するためのものであり、本実施の形態では、電源２０に内蔵されている。
【００４５】
ゲート駆動回路４４は、光電変換素子に与えられる電圧を切り換えるための第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０を有し、第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０のいずれかをオンにさせることで、第１電圧、第２電圧、及び第３電圧を選択的にフォトゲート１１０に印加させるかを切り換える。第１スイッチ１５６は、第１電圧をフォトゲート１１０に印加させるかを切り換えるスイッチであり、第２スイッチ１５８は、第２電圧をフォトゲート１１０に印加させるかを切り換えるスイッチであり、第３スイッチ１６０は、第３電圧をフォトゲート１１０に印加させるかを切り換えるスイッチである。
【００４６】
フォトゲート１１０に第１電圧、第２電圧、及び第３電圧を選択的に印加（供給）することでゲート駆動信号Ｓａをフォトゲート１１０に印加させて、光電変換素子１０４を駆動させる。
【００４７】
なお、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０、保持ゲート１２２、第２転送ゲート１２４、第３転送ゲート１４４、リセット用トランジスタ１２６のゲートにゲート駆動信号（電圧）Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄ、Ｓｅ、リセット信号（電圧）Ｒを印加させる。
【００４８】
図８は、単位画素の回路構成の一例を示す図である。受光装置１００の光電変換素子１０４に蓄積された光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送される。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、図４及び図５で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成される。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、１つのリセット用トランジスタ１２６のソースが接続されるとともに、１つの信号読出用ゲート１３１が接続される。
【００４９】
各浮遊拡散層１１８に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各光電子保持部１１４が保持した光電子が転送される前に、リセット用トランジスタ１２６がオンになることによって各浮遊拡散層１１８が基準電位にリセットされ、そのときの各浮遊拡散層１１８の電圧（以下、黒レベル）が読み出される。その後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４に保持された光電子が順次浮遊拡散層１１８に転送される。各浮遊拡散層１１８に転送された光電子が順次信号読出用トランジスタ１３０によって電圧信号（信号レベル）に変換されて、選択用トランジスタ１３４を介して信号読出線１３２から読み出される。
【００５０】
詳しくは、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。
【００５１】
このように、受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、同一の信号読出線１３２から読み出されることになる。なお、図８では、光電子排出部１０８の図示を省略している。
【００５２】
図９は、図８に示す受光装置１００を用いて図４に示す単位画素３０を構成したときの回路図である。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、図４で示したように、１つの光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄと、２つの光電子排出部１０８とを有する。全受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８は、リセット用トランジスタ１２６のソース、及び、信号読出用トランジスタ１３０のゲートに接続されている。
【００５３】
リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算（加算）した光電子の電荷量（光電子数）に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５４】
次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５５】
最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。このように、単位画素３０の受光装置１００の光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、全て同一の信号読出線１３２から読み出される。
【００５６】
ここで、図９に示すように、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの転送方向は異なる。例えば、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右上となり、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右下となり、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は左上となり、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は、左下となる。
【００５７】
また、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｃ、光電子振分部１０６ｄと、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｂ、光電子振分部１０６ｄとは互いに浮遊拡散層１１８を共有しており、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｂと、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｃとは互いに浮遊拡散層１１８を共有している。
【００５８】
なお、図１０に示すように受光装置１００は、２つの信号読出線１３２ａ、１３２ｂを有してもよい。この場合は、例えば、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ａから、光電子振分部１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ｂからそれぞれ読み出される。図１０に示す受光装置１００では、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのソースが光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのゲートには、リセット信号Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が供給される。また、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、信号読出用トランジスタ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄのゲートが接続されており、選択用トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄのゲートには、選択信号Ｓｓ１、Ｓｓ２、Ｓｓ３、Ｓｓ４が供給される。要は、信号読出線１３２が受光装置１００の複数の浮遊拡散層１１８に接続されていればよい。
【００５９】
また、図１０に示す受光装置１００を用いて、光電子保持部１１４が保持している光電子を独立した信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出してもよい。
【００６０】
受光装置１００は、このように光電子保持部１１４を有する４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄを有するので、測距システム１０は、測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。詳しく説明すると、第１蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送し、第２蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送し、第３蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に転送し、第４蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に転送する。
【００６１】
なお、図４の各受光装置１００の光電変換素子１０４に図示した矢印は、図１に記載の４つの蓄積期間の内１つの期間における光電子の転送方向を示したものである。詳しくは、左上の光電変換素子１０４に発生した光電子は左上の光電子振分部１０６に転送され、左下の光電変換素子１０４は、左下の光電子振分部１０６に転送され、右上の光電変換素子１０４は、右上の光電子振分部１０６に転送され、右上の光電変換素子１０４は、右上の光電子振分部１０６に転送され、右下の光電変換素子１０４は、右下の光電子振分部１０６に転送される。
【００６２】
本実施の形態では、単位画素３０は、複数の受光装置１００を有し、単位画素３０の各受光装置１００の転送方向の異なる光電子振分部１０６により振り分けられた光電子を加算して出力するので、振分方向に依存せず、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができる。
【００６３】
詳しくは、光電子振分部１０６に転送された光電子は、複数回の受光と転送とが繰り返された後、浮遊拡散層１１８に転送されるが、上下左右に転送蓄積された光電子が浮遊拡散層１１８で接続されているため、光電変換素子１０４及び第１転送部１１２に転送速度の左右上下のバラツキに関して平均化することができる。これにより、図１に記載の４つの蓄積期間のうち、何れの期間においても同様に、４つの光電変換素子１０４の転送方向を上下左右に設定することで、単位画素３０の光電子の転送速度が振分方向に依存せず、後段の信号処理において、精度良く演算が可能となる。
【００６４】
単位画素３０が１つの受光装置１００のみを有する場合は、該受光装置１００の製造起因や結晶方向起因によって転送速度が遅くなる方向が生じ、振分方向によっては、正確な光電子情報（光電子に応じた電圧信号）を得ることができない。つまり、光電変換素子１０４に発生した光電子の振分時間（第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６にゲート信号Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄを供給するタイミング）は決まっているので、転送速度が遅い振り分け方向に光電子を転送すると、光電変換素子１０４が発生した光電子の全て転送することができない。
【００６５】
このように、上記実施の形態においては、単位画素３０の受光装置１００は、光電変換素子１０４に発生した光電子を転送するための第１転送部１１２と、光電子を一時的に蓄積する光電子保持部１１４と、光電子保持部１１４が保持した光電子を転送するための第２転送部１１６と、転送された光電子を蓄積して該転送された光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層１１８とを含む光電子振分部１０６とを有するので、光電変換素子が発生した光電子を複数方向に振り分けて読み出すことができるとともに、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００６６】
つまり、光電子振分部１０６によって振り分けられた光電変換素子１０４に発生した光電子は、該光電子振分部１０６の光電子保持部１１４が保持するので、光電子保持部１１４が保持した光電子を読み出したい場合は、該光電子振分部１０６の浮遊拡散層１１８の電位をリセットした後、黒レベルが読み出される。その後、該光電子保持部１１４が保持した光電子を該浮遊拡散層１１８に転送して光電子に応じた電圧信号を読み出せばよいので、浮遊拡散層１１８の電位のリセットタイミングと、読み出しタイミングとのズレを最小限に抑えることができる。したがって、正確な黒レベルを得ることができ、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００６７】
単位画素３０は、複数の受光装置１００を有するので、受光装置の製造起因や結晶方向起因による振分方向の転送速度のバラツキによって生じる、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができ、受光精度を向上させることができる。また、単位画素３０の複数の前記受光装置１００は、少なくとも、複数の受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６８】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を４つ有し、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられ、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６９】
単位画素３０が１次元又は２次元に配列された画素アレイ３２を有する固体撮像装置２８は、複数の浮遊拡散層１１８の電位を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０と信号読出用トランジスタ１３０を介して信号を読み出す信号読出線１３２とを備え、単位画素３０の浮遊拡散層１１８の各々の電位は１つの信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出されるので、信号読み出し回路の共通化が可能となり、読み出し回路の製造バラツキに起因する出力バラツキを抑制することができるとともに、固体撮像装置２８を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００７０】
なお、測距対象Ｗまでの距離を得るために、環境光Ｌｓのみを受光する期間における第１蓄積期間及び第２蓄積期間と、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒを受光する期間である第３蓄積期間及び第４蓄積期間との蓄積期間のタイミング幅が一定の場合は、第１蓄積期間と第２蓄積期間における受光量は同一であるから第２蓄積期間を第１蓄積期間に置き換えてもよい。このとき、前記ＱＣＡと前記ＱＣＢは、ＱＣＡ＝ＱＣＢとして取り扱うことで、被写体までの距離を求めることができる。したがって、単位画素３０は、図１２に示す構成であってもよい。
【００７１】
図１１は、図３に示す固体撮像装置２８を構成する別形態の単位画素３０の一部を示す平面図である。なお、図４に示す構成と同様の構成については同一の符号を付している。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。受光装置１００は、光電変換素子１０４と、３つの光電子振分部１０６と、１つの光電子排出部１０８を有する。３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に１つずつ設けられ、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられている。また、光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４の下側、又は上側に設けられ、光電子振分部１０６が設けられていない側に設けられる。単位画素３０の上側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の上側に光電子振分部１０６が設けられ、下側に光電子排出部１０８が設けられる。単位画素３０の下側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の下側に光電子振分部１０６が設けられ、上側に光電子排出部１０８が設けられる。このような構成を有することで、互いに上下方向で隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有する。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有している。
【００７２】
このように、単位画素３０は、行列状に配置された４つの前記受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を３つ有し、３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられており、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００７３】
次に、単位画素３０の撮像動作について説明する。単位画素の１枚の輝度画像を撮像する１フレーム期間は、露光期間と読出期間とを有し、露光期間は、光電変換素子１０４に受光を行わせ、読出期間は、露光期間によって得られた光電子を信号読出線１３２から読み出すための期間である。
【００７４】
露光期間に照射装置１２が照射光を測距対象Ｗに照射し、光電変換素子１０４が第１蓄積期間、第２蓄積期間、第３蓄積期間、及び第４蓄積期間で光を受光した光電子を蓄積する。１フレーム期間の露光期間中に、照射光が所定の周期で所定回数（例えば、１００回）照射され、光電変換素子１０４は、第１蓄積期間、第２蓄積期間、第３蓄積期間、第４蓄積期間での受光を所定回数（例えば、１００回）行う。
【００７５】
第１蓄積期間の受光により光電変換素子１０４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送され、第２蓄積期間の受光により光電変換素子１０４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送され、第３蓄積期間の受光により光電変換素子１０４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４で転送され、第４蓄積期間の受光により光電変換素子１０４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に転送される。１フレーム期間の露光期間中に、第１蓄積期間、第２蓄積期間、第３蓄積期間、及び第４蓄積期間での受光が所定回数行われるので、１フレーム期間の露光期間中に光電変換素子１０４で発生した光電子が、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４に所定回数振り分けられることになる。このように、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４で発生した光電子を保持していく。
【００７６】
そして、露光期間が終了し、読出期間に入ると、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４に蓄積された光電子が、信号読出線１３２から順次読み出される。
【００７７】
これにより、ＱＣＢ、ＱＣＡ、ＱＢ、ＱＡに対応する光電子を得ることができ、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８から得られた光電子に対応する電圧信号を読み出すことで、測距対象Ｗまでの距離を得ることができる。
【００７８】
なお、蓄積期間以外の期間に、光電変換素子１０４に入射した光により発生した光電子は、ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力され、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００７９】
次に、光電変換素子１０４の駆動方法について説明する。図１２は、光電変換素子１０４のフォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、第３転送ゲート１４４に印加されるゲート駆動信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｅを示すタイムチャートであり、図１３は、図１２に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子１０４及び光電子振分部１０６の基板表面におけるポテンシャル図である。なお、図１３は、図４のＡ−Ａ線断面図におけるポテンシャル図を示す。
【００８０】
図１２に示すように、光電変換素子１０４の光電子ｅ−を排出する排出期間であるタイミングＡ時には、ゲート駆動回路４４は、第３スイッチ１６０をオン、第１スイッチ１５６及び第２スイッチ１５８をオフすることで、フォトゲート１１０に第３電圧信号を印加させる。また、このとき、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０がオフするように電圧を印加させるとともに、第３転送ゲート１４４がオンするように電圧を印加させる。
【００８１】
これにより、図１３に示すように、タイミングＡ時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、フォトゲート１１０に第３電圧を印加している分だけ低下するとともに、第３転送部１４０のポテンシャル障壁は１４４に第１電圧を印加した分、低くなる（第３転送部１４０の電位障壁がなくなる）。これにより、光電変換素子１０４で発生した光電子ｅ−にバイアスが掛かり拡散層１４２に排出することができる。
【００８２】
なお、第１転送部１１２のポテンシャル障壁は、第１転送ゲート１２０に第２電圧を印加した分高くなる（第１転送部１１２の電位障壁が高くなる）。なお、タイミングＡ時に、フォトゲート１１０に第２電圧を印加させて、光電変換素子１０４のポテンシャルを低下させてしまうと、ポテンシャルの勾配が得られず、光電変換素子１０４の表面に光電子が残留しやすくなり、十分なリセット性能が得られなくなる可能性がある。また、タイミングＡ時に、フォトゲート１１０に第１電圧を印加させて、光電変換素子１０４のポテンシャルを高くしてしまうと、光電変換素子１０４の基板深くで発生した光電子を光電変換素子１０４の基板表面に集めることができず排出することができ難くなり、光電子保持部１１４へのリーク電流の原因になる可能性がある。
【００８３】
図１２に示すように、光電変換素子１０４の蓄積期間中のタイミングＢ時には、ゲート駆動回路４４は、第２スイッチ１５８をオン、第１スイッチ１５６及び第３スイッチ１６０をオフにすることで、フォトゲート１１０に第２電圧を印加する。このとき、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０及び第３転送ゲート１４４をオフするように電圧を印加させる。
【００８４】
これにより、図１３に示すように、タイミングＢ時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、第２電圧を印加までする分低下するとともに、第３転送部１４０のポテンシャル障壁は高くなる（第３転送部１４０はオンからオフの状態に変わる）。なお、第１転送部１１２のポテンシャル障壁は継続して高い位置にある（第１転送部１１２はオフの状態にある）。
【００８５】
図１２に示すように、光電変換素子１０４の蓄積期間が終了した後、光電変換素子１０４に溜まった光電子ｅ−を光電子保持部１１４に転送させる第１転送期間中のタイミングＣ時には、ゲート駆動回路４４は、第３スイッチ１６０をオン、第１スイッチ１５６及び第２スイッチ１５８をオフにすることで、フォトゲート１１０に第３電圧を印加させる。このとき、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０がオンになるように電圧を印加し、第３転送ゲート１４４にオフの電圧を印加させる。
【００８６】
これにより、図１３に示すように、タイミングＣ時には、光電変換素子１０４のポテンシャル位置は、第３電圧を印加した分高くなるとともに、第１転送部１１２のポテンシャル障壁は第２電圧を印加した分低くなり（第１転送部１１２はオフからオンの状態に変わる）、光電変換素子１０４で発生した光電子は光電子保持部１１４に転送される。なお、光電変換素子１０４のポテンシャルが、第３電圧を印加した分高い場合は、光電変換素子１０４は基板深くで生成した光電子を基板表面に集めるとともに光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に転送する。したがって、フォトゲート１１０に第３電圧が印加され、且つ、第１転送ゲート１２０にオンの電圧が印加されている状態時は、転送期間であるとともに蓄積期間であるともいえる。
【００８７】
図１２に示すように、第１転送期間であり、且つ、タイミングＣの後であるタイミングＤ時には、ゲート駆動回路４４は、第１スイッチ１５６をオン、第２スイッチ１５８及び第３スイッチ１６０をオフにすることで、フォトゲート１１０に第１電圧を印加させる。このとき、ゲート駆動回路４４は、継続して、第１転送ゲート１２０にオンの電圧を印加させ、第３転送ゲート１４４にオフの電圧を印加させる。
【００８８】
これにより、図１３に示すように、タイミングＤ時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、第２電圧を印加する分高くなるとともに、第１転送部１１２のポテンシャル障壁は、低いままである。
【００８９】
このように、第１転送期間においては、光電変換素子１０４のポテンシャルを第１電圧から第３電圧、第３電圧から第２電圧に印加して段階的に高くするので、、第１転送の際に、光電変換素子１０４に残留する光電子ｅ−の量を軽減させることができるとともに、効率よく光電子ｅ−を光電子保持部１１４に転送させることができる。なお、第１転送期間が終了すると次の蓄積期間が到来するまでの間、排出期間となり、光電変換素子１０４で発生した光電子ｅ−を排出し続ける。
【００９０】
光電子保持部で光電子保持する期間中、図１２、図１３に示すような動作を所定回数（例えば、１００回）繰り返す。その後読出期間に入ると、ゲート駆動回路４４は、光電子振分部１０６の第２転送ゲート１２４にオンのゲート駆動信号Ｓｄを印加させて、光電子保持部１１４に集められ、保持された光電子ｅ−を浮遊拡散層１１８に転送し、信号読出線１３２から、該光電子ｅ−に応じた電圧信号が読み出す。なお、図１３に示すように、ゲート駆動回路４４は、排出期間、蓄積期間、及び第１転送期間においては、オンの電圧を保持ゲート１２２に印加している。
【００９１】
上記実施の形態は、以下のように変形してもよい。
【００９２】
（変形例１）変形例１では、蓄積期間が開始される前に、光電変換素子１０４に存在する光電子ｅ−を確実に排出するため、排出期間と蓄積期間との間に、直前排出期間を設け、該直前排出期間にも、光電子ｅ−の排出動作を行うというものである。
【００９３】
図１４は、変形例１の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、第３転送ゲート１４４に印加されるゲート駆動信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｅを示すタイムチャートであり、図１５は、図１４に示すタイムチャートの各タイミングにおける受光装置１００の表面におけるポテンシャル図である。図１５は、図４のＡ−Ａ線断面図における基板表面のポテンシャル図を示す。
【００９４】
図１４及び図１５に示すタイミングＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける受光装置１００の動作は、図１２及び図１３に示すタイミングＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける受光装置１００の動作と同様であるので、説明を省略する。なお、直前排出期間においては、ゲート駆動回路４４は、第１転送ゲート１２０に継続してオンの電圧を印加し、第３転送ゲート１４４に継続してオフの電圧を印加する。これにより、直前排出期間においては、第１転送部１１２のポテンシャル障壁が低くに保たれ、第３転送部１４０のポテンシャル障壁は、高く保たれる。
【００９５】
図１４に示すように、光電変換素子１０４の排出期間終了後、蓄積期間前に光電変換素子１０４にある光電子ｅ−を排出する直前排出期間であるタイミングａ１時には、ゲート駆動回路４４は、第２スイッチ１５８をオン、第１スイッチ１５６及び第２スイッチ１５８をオフにすることで、フォトゲート１１０に第２電圧を印加させる。これにより、図１５に示すように、タイミングａ１時には、光電変換素子１０４のポテンシャル障壁は低くなる。
【００９６】
図１４に示すように、直前排出期間であり、タイミングａ１の後のタイミングａ２時には、ゲート駆動回路４４は、第３スイッチ１６０をオン、第１スイッチ１５６及び第２スイッチ１５８をオフにすることで、フォトゲート１１０に第３電圧を印加させる。これにより、図１５に示すように、タイミングａ２時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、第３電圧を印加した分高くなる。
【００９７】
図１４に示すように、直前排出期間であり、タイミングａ２の後に到来するタイミングａ３時には、ゲート駆動回路４４は、第１スイッチ１５６をオン、第２スイッチ１５８及び第３スイッチ１６０をオフにすることで、フォトゲート１１０に第１電圧を印加させる。これにより、図１５に示すように、タイミングａ３時には、光電変換素子１０４のポテンシャルは、高くなる。
【００９８】
このように、直前排出期間においては、光電変換素子１０４のポテンシャルを第３電圧から第１電圧を印加する分、低下させた後、第１電圧から第３電圧、第３電圧から第２電圧のように段階的に高くしていくので、光電変換素子１０４に存在する光電子ｅ−を基板表面に効率よく集積し、拡散層１４２に効率よく排出することができ、光電変換素子１０４に残留する光電子ｅ−の量を軽減させることができる。
【００９９】
（変形例２）上記した第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０は、以下のような構成を有していてもよい。図１６は、変形例２の第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０の構成図である。
【０１００】
第２スイッチ１５８及び第３スイッチ１６０は、トランスファーゲートによって構成し、トランスファーゲートは、Ｎチャネル型のトランジスタＮとＰ型チャネルのトランジスタＰとからなるＣＭＯＳスイッチで構成する。第２スイッチ１５８に、第２スイッチ１５８のオンオフを指示するオンオフ指示信号ｒ２が、第３スイッチ１６０に、第３スイッチ１６０のオンオフを指示するオンオフ指示信号ｒ３が印加される。
【０１０１】
ゲート駆動回路４４は、フォトゲート１１０に第２電圧を印加させる場合は、第２スイッチ１５８にオンのオンオフ指示信号ｒ２を印加させる。ゲート駆動回路４４は、フォトゲート１１０に第３電圧を印加させる場合は、第３スイッチ１６０オンのオンオフ指示信号ｒ３を印加させる。
【０１０２】
第１スイッチ１５６は、並列に接続された複数のＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタ１６２を有する。複数のＭＯＳトランジスタ１６２のゲートには、第１スイッチ１５６のオンオフを指示するオンオフ指示信号ｒ１が印加される。複数のＭＯＳトランジスタ１６２のドレインはフォトゲート１１０に接続され、ソースは、第１電圧が印加されている。
【０１０３】
複数のＭＯＳトランジスタ１６２のうち、少なくとも１つ以上のＭＯＳトランジスタ１６２には、論理回路１６４を介して、オンオフ指示信号ｒ１が入力される。論理回路１６４の第１入力端子に、オンオフ指示信号ｒ１が第１信号として入力され、論理回路１６４の第２入力端子には、フォトゲート１１０に印加される電圧を第３電圧あるいは第２電圧から第１電圧に遷移させる場合の時間を第１スイッチのオン抵抗値を調整するための設定値が第２信号Ｋとして入力される。
【０１０４】
本実施の形態では、第１スイッチ１５６は、３つのＭＯＳトランジスタ１６２（以下、ＭＯＳトランジスタ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃと呼ぶ）と２つの論理回路１６４（以下、論理回路１６４ｂ、１６４ｃ）を有し、ＭＯＳトランジスタ１６２ｂには論理回路１６４ｂを介して、ＭＯＳトランジスタ１６２ｃには論理回路１６４ｃを介してオンオフ指示信号ｒ１が入力されるように構成している。本実施の形態では、論理回路１６４としてアンド回路を用いている。
【０１０５】
ゲート駆動回路４４は、論理回路１６４ｂの第２入力端子に入力される第２信号Ｋ（以下、第２信号Ｋｂ）と、論理回路１６４ｃの第２入力端子に入力される第２信号Ｋ（以下、第２信号Ｋｃ）とを予め設定することで、第１スイッチ１５６のオン抵抗の値を変えることができる。
【０１０６】
例えば、論理回路１６４ｂに入力される第２信号Ｗｂをハイ、論理回路１６４ｃに入力される第２信号Ｗｃをローとしておくことで、ハイのオンオフ指示信号ｒ１が第１スイッチ１５６に入力されると、ＭＯＳトランジスタ１６２ａ及びＭＯＳトランジスタ１６２ｂがオンになり（ＭＯＳトランジスタ１６２ｃはオフのまま）、第１電圧は、並列に接続されたＭＯＳトランジスタ１６２ａ及びＭＯＳトランジスタ１６２ｂを介してフォトゲート１１０に印加されることになる。
【０１０７】
また、例えば、論理回路１６４ｂに入力される第２信号Ｗｂ、及び、論理回路１６４ｃに入力される第２信号Ｗｃを共にハイにしておくことで、オンのオンオフ指示信号ｒ１が第１スイッチ１５６に入力されると、ＭＯＳトランジスタ１６２ａ、ＭＯＳトランジスタ１６２ｂ、及びＭＯＳトランジスタ１６２ｃの全てがオンになり、第１電圧は、並列に接続されたＭＯＳトランジスタ１６２ａ、ＭＯＳトランジスタ１６２ｂ、及びＭＯＳトランジスタ１６２ｃを介してフォトゲート１１０に印加されることになる。
【０１０８】
このように、論理回路１６４ｂ、１６４ｃに入力される第２信号Ｗｂ、Ｗｃの値を変えることで、並列に接続されたＭＯＳトランジスタ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃがオンになる数を変えることができるので、第１スイッチ１５６のオン抵抗の値を変えることができる。
【０１０９】
この第１スイッチ１５６の抵抗値を所望の抵抗値（所定の抵抗値）に変えることで、図１７に示すように、フォトゲート１１０に印加する電圧信号を第３電圧から第１電圧に切り換える場合、印加する電圧が第３電圧から徐々に第１電圧に近づくことになり、転送の際に光電変換素子１０４に残留する光電子ｅ−の量を可能な限り軽減させることができるとともに、光電子ｅ−の転送効率の向上を図ることができる。このフォトゲート１１０に印加される電圧が、第３電圧から第１電圧に近づく度合いは、第１スイッチ１５６の抵抗値によって変わる。なお、図１７は、変形例２の光電変換素子１０４のフォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、第３転送ゲート１４４に印加されるゲート駆動信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｅを示すタイムチャートであり、図１７に示す点線は、フォトゲート１１０に印加される電圧信号が、第３電圧から瞬時に第１電圧に切り換わった場合のゲート駆動信号Ｓａを示す。
【０１１０】
次に、第１スイッチ１５６の抵抗値を所望の抵抗値に変えることで、転送の際に光電変換素子１０４に残留する光電子ｅ−の量が可能な限り低減される理由を説明する。図１８は、フォトゲート１１０に印加する電圧信号が、第３電圧から瞬時に第１電圧に切り換えられた場合の、図１７に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子１０４の基板深さ方向のポテンシャル図の一例である。
【０１１１】
フォトゲート１１０に第３電圧が印加されているタイミングＡ時には、光電変換素子１０４で発生した光電子ｅ−は、バイアスによりｐ型半導体基板１０２の表面側に集まる。その後、フォトゲート１１０に印加される電圧が第３電圧から瞬時に第１電圧に切り換わった直後であるタイミングＢ時には、光電変換素子１０４の表面のポテンシャルが急激に高くなるため、光電変換素子１０４の表面に集まっていた光電子ｅ−の一部はｐ型半導体基板１０２の深さ方向も移動し、タイミングＣ時でも、ｐ型半導体基板１０２の深さ方向に移動した光電子ｅ−が光電変換素子１０４に残留する。このとき、第１転送ゲート１２０には、オンのゲート駆動信号Ｓｂが印加されているが、フォトゲート１１０の表面のポテンシャル障壁が急激に高くなるため、一旦光電変換素子１０４の基板深さ方向に移動した光電子ｅ−は転送期間中に再び表面に集めることができないため、光電子保持部１１４にあるいは光電子排出部に転送、排出する効率が低下してしまう。
【０１１２】
図１９は、第１スイッチ１５６を所望の抵抗値で駆動した場合の本変形例２の場合の、図１７に示すタイムチャートの各タイミングにおける光電変換素子１０４の深さ方向のポテンシャル図の一例である。
【０１１３】
フォトゲート１１０に第３電圧が印加されているタイミングＡ時には、光電変換素子１０４で発生した光電子ｅ−は、ｐ型半導体基板１０２の表面に集まる。その後、フォトゲート１１０に印加される電圧が第３電圧から徐々に第１電圧に変化し遷移する途中であるタイミングＢ時には、光電変換素子１０４の表面のポテンシャルが徐々に高くなり、光電変換素子１０４の表面に集った光電子ｅ−は、ｐ型半導体基板１０２の深さ方向に拡散せず、表面に留まるため、光電変換素子１０４と光電子保持部の間の表面ポテンシャル勾配により光電子保持部１１４に移動することができる。その後、フォトゲート１１０に第１電圧を完全に印加しているタイミングＣ時には、光電変換素子１０４の光電子ｅ−は既に光電子保持部１１４に転送されているので、光電子ｅ−は光電変換素子１０４に残留しない。
【０１１４】
このように、第１スイッチ１５６のオン抵抗を所望の抵抗値にすることで、フォトゲート１１０に印加される電圧が、第１電圧より高い電圧から第１電圧に徐々に近づくことになり、転送の際に光電変換素子１０４に残留してしまう光電子ｅ−の量を可能なかぎり軽減させることができるとともに、光電子ｅ−の転送の効率向上を図ることができる。
【０１１５】
（変形例３）上記実施の形態及び変形例１及び２では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有するようにしたが、単位画素３０は、２つ、３つ、５つ等の複数の受光装置１００を有してもよく、受光装置１００を１つのみ有してもよい。また、受光装置１００は、４つの光電子振分部１０６を有するようにしたが、２つ、３つ、５つ等の複数の光電子振分部１０６を有してもよく、光電子振分部１０６を１つのみ有してもよい。
【０１１６】
また、第１スイッチ１５６、第２スイッチ１５８、及び第３スイッチ１６０を、ゲート駆動回路４４内に設けるようにしたが、ゲート駆動回路４４の外部に設けるようにしてもよい。
【０１１７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【０１１８】
１０…測距システム １２…照射装置
１４…撮像部 １６…演算部
１８…制御部 ２０…電源
２８…固体撮像装置 ３０…単位画素
３２…画素アレイ ３４…画素駆動回路
４４…ゲート駆動回路 １００…受光装置 光電子振分部
１０２…ｐ型半導体基板 １０４…光電変換素子 受光部
１０６…光電子転送部 振分部 １０８…光電子排出部
１１０…フォトゲート １１２…第１転送部
１１４…光電子保持部 １１６…第２転送部
１１８…浮遊拡散層１１８ １２０…第１転送ゲート
１２２…保持ゲート １２４…第２転送ゲート
１２６…リセット用トランジスタ １３０…信号読出用トランジスタ
１３２…信号読出線 １３４…選択用トランジスタ
１４０…第３転送部 １４２…拡散層
１４４…第３転送ゲート １５０…第１電圧源
１５２…第２電圧源 １５４…第３電圧源
１５６…第１スイッチ １５８…第２スイッチ
１６０…第３スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を検知して光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素と、
前記単位画素を駆動させる画素駆動部と、
を備え、
前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、
前記画素駆動部は、３値の電圧のうち、いずれかの電圧を前記光電変換素子のフォトゲートに印加することで、前記光電子の蓄積、転送を行い、
前記３値の電圧は、少なくとも、第１電圧と、前記第１電圧より高い第２電圧と、前記第１電圧より高く且つ前記第２電圧より低い第３電圧とを有する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置であって、
前記光電変換素子で発生した前記光電子を排出する排出期間を有し、前記画素駆動部が、前記第３電圧を前記フォトゲートに印加することで、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像装置であって、
前記単位画素は、前記光電子を排出する光電子排出部に、前記光電変換素子で発生した該光電子を転送するための第３転送部をさらに有し、
前記画素駆動部は、前記排出期間においては、さらに前記第３転送部をオンして前記光電子を前記光電子排出部に転送する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の固体撮像装置であって、
前記排出期間終了後に前記光電変換素子で発生した前記光電子を蓄積する蓄積期間をもち、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第２電圧又は第３電圧を印加することで、前記光電変換素子で発生した前記光電子を蓄積する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項４に記載の固体撮像装置であって、
前記蓄積期間終了後に、前記光電変換素子に蓄積した前記光電子を光電子保持部に転送する第１転送期間を有し、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第３電圧を印加させた後、前記第１電圧を印加する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の固体撮像装置であって、
前記単位画素は、前記光電子の集積と保持とを繰り返して光電子を累積する前記光電子保持部に、前記光電変換素子で発生した該光電子を転送するための第１転送部をさらに有し、
前記画素駆動部は、前記第１転送期間のみもしくは蓄積期間と第１転送期間においては、さらに前記第１転送部をオンして前記光電変換素子で発生した前記光電子を前記光電子保持部に転送し、前記第１転送期間以外もしくは蓄積期間と第１転送期間以外においては、該第１転送部をオフして前記光電変換素子で発生した該光電子を前記光電子保持部に転送しない
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置であって、
前記排出期間終了後、前記蓄積期間前に、前記光電変換素子で発生した前記光電子を排出する直前排出期間を有し、前記画素駆動部は、前記第２電圧を前記フォトゲートに印加してから前記第３電圧を印加し、その後前記第１電圧を印加することで、前記光電変換素子に残存する前記光電子を排出する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置であって、
前記画素駆動部は、前記第１電圧を前記フォトゲートに印加する第１スイッチと、前記第２電圧を前記フォトゲートに印加する第２スイッチと、前記第３電圧を前記フォトゲートに印加する第３スイッチと、をさらに有し、
前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチのオンオフを切り換えることで、前記光電変換素子で発生した前記光電子の排出、蓄積、転送、保持のいずれかの動作を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
請求項８に記載の固体撮像装置であって、
前記第１スイッチは、並列に接続された複数のＭＯＳトランジスタにより構成され、
前記画素駆動部は、オンするＭＯＳトランジスタの数を変更することで、前記第１スイッチの抵抗値を変えて、画素部のゲートに印加される電圧が前記第３電圧から、もしくは前記第２電圧から前記第１電圧に移行するまでの時間を調整する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の固体撮像装置であって、
オンオフ指示信号を第１信号入力とし、前記第１スイッチの抵抗値調整用の設定信号を第２信号入力とする論理回路を介して、前記複数のＭＯＳトランジスタのうち、少なくとも１つ以上の前記ＭＯＳトランジスタの該オンオフを制御する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１】
光を検知して光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素と、
前記単位画素を駆動させる画素駆動部と、
を備え、
前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、
前記画素駆動部は、３値の電圧のうち、いずれかの電圧を前記光電変換素子のフォトゲートに印加することで、前記光電子の蓄積、転送を行い、
前記３値の電圧は、少なくとも、第１電圧と、前記第１電圧より高い第２電圧と、前記第１電圧より高く且つ前記第２電圧より低い第３電圧とを有する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置であって、
前記光電変換素子で発生した前記光電子を排出する排出期間を有し、前記画素駆動部が、前記第３電圧を前記フォトゲートに印加することで、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像装置であって、
前記単位画素は、前記光電子を排出する光電子排出部に、前記光電変換素子で発生した該光電子を転送するための第３転送部をさらに有し、
前記画素駆動部は、前記排出期間においては、さらに前記第３転送部をオンして前記光電子を前記光電子排出部に転送する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の固体撮像装置であって、
前記排出期間終了後に前記光電変換素子で発生した前記光電子を蓄積する蓄積期間をもち、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第２電圧又は第３電圧を印加することで、前記光電変換素子で発生した前記光電子を蓄積する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項４に記載の固体撮像装置であって、
前記蓄積期間終了後に、前記光電変換素子に蓄積した前記光電子を光電子保持部に転送する第１転送期間を有し、前記画素駆動部は、前記フォトゲートに前記第３電圧を印加させた後、前記第１電圧を印加する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の固体撮像装置であって、
前記単位画素は、前記光電子の集積と保持とを繰り返して光電子を累積する前記光電子保持部に、前記光電変換素子で発生した該光電子を転送するための第１転送部をさらに有し、
前記画素駆動部は、前記第１転送期間のみもしくは蓄積期間と第１転送期間においては、さらに前記第１転送部をオンして前記光電変換素子で発生した前記光電子を前記光電子保持部に転送し、前記第１転送期間以外もしくは蓄積期間と第１転送期間以外においては、該第１転送部をオフして前記光電変換素子で発生した該光電子を前記光電子保持部に転送しない
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置であって、
前記排出期間終了後、前記蓄積期間前に、前記光電変換素子で発生した前記光電子を排出する直前排出期間を有し、前記画素駆動部は、前記第２電圧を前記フォトゲートに印加してから前記第３電圧を印加し、その後前記第１電圧を印加することで、前記光電変換素子に残存する前記光電子を排出する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置であって、
前記画素駆動部は、前記第１電圧を前記フォトゲートに印加する第１スイッチと、前記第２電圧を前記フォトゲートに印加する第２スイッチと、前記第３電圧を前記フォトゲートに印加する第３スイッチと、をさらに有し、
前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチのオンオフを切り換えることで、前記光電変換素子で発生した前記光電子の排出、蓄積、転送、保持のいずれかの動作を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
請求項８に記載の固体撮像装置であって、
前記第１スイッチは、並列に接続された複数のＭＯＳトランジスタにより構成され、
前記画素駆動部は、オンするＭＯＳトランジスタの数を変更することで、前記第１スイッチの抵抗値を変えて、画素部のゲートに印加される電圧が前記第３電圧から、もしくは前記第２電圧から前記第１電圧に移行するまでの時間を調整する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の固体撮像装置であって、
オンオフ指示信号を第１信号入力とし、前記第１スイッチの抵抗値調整用の設定信号を第２信号入力とする論理回路を介して、前記複数のＭＯＳトランジスタのうち、少なくとも１つ以上の前記ＭＯＳトランジスタの該オンオフを制御する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【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】
【公開番号】特開２０１２−２１７０５９（Ｐ２０１２−２１７０５９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１３２５（Ｐ２０１１−８１３２５）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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