距離センサ及び距離画像センサ
【課題】高感度化を図ることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供すること。
【解決手段】電荷発生領域は、矩形形状を呈し且つ第１の方向Ｄ１に伸びる第１の領域Ｒ１内に配置される。信号電荷収集領域は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ側に設けられ且つ第１の方向Ｄ１での位置が互いにずれている複数の第２の領域Ｒ２内に配置される。第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１と重複する部分の縁が第１の方向Ｒ１と交差する方向に伸びる２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを含む。信号電荷収集領域は、その縁が辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿って伸びる辺ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂを含む。転送電極は、信号電荷収集領域の辺ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂに沿って伸びる部分を有する。電荷発生領域は、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿って伸びる２辺を含む。
【解決手段】電荷発生領域は、矩形形状を呈し且つ第１の方向Ｄ１に伸びる第１の領域Ｒ１内に配置される。信号電荷収集領域は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ側に設けられ且つ第１の方向Ｄ１での位置が互いにずれている複数の第２の領域Ｒ２内に配置される。第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１と重複する部分の縁が第１の方向Ｒ１と交差する方向に伸びる２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを含む。信号電荷収集領域は、その縁が辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿って伸びる辺ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂを含む。転送電極は、信号電荷収集領域の辺ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂに沿って伸びる部分を有する。電荷発生領域は、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿って伸びる２辺を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離センサ及び距離画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のアクティブ型の光測距センサは、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの投光用の光源から対象物に光を照射し、対象物における反射光を光検出素子で検出することで、対象物までの距離に応じた信号を出力するものとして知られている。ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）などは、対象物までの距離を簡易に測定することができる光三角測量型の光測距センサとして知られているが、近年、より精密な距離測定を行うため、光ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の光測距センサの開発が期待されている。
【０００３】
距離情報と画像情報を同時に、同一チップで取得できるイメージセンサが車載用、工場の自動製造システム用などにおいて求められている。車両前方にイメージセンサを設置すれば、先方車両の検知・認識、歩行者などの検知・認識に使用することが期待される。画像情報とは別に、単一の距離情報又は複数の距離情報からなる距離画像を取得するイメージセンサも期待されている。このような測距センサにはＴＯＦ法を用いることが好ましい。
【０００４】
ＴＯＦ法は、投光用の光源から、対象物に向けてパルス光を出射し、対象物で反射されたパルス光を光検出素子で検出することで、パルス光の出射タイミングと検出タイミングの時間差を測定している。この時間差（Δｔ）は、対象物までの距離ｄの２倍の距離（２×ｄ）をパルス光が光速（＝ｃ）で飛行するのに要する時間であるため、ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２が成立する。時間差（Δｔ）は、光源からの出射パルスと検出パルスの位相差と言い換えることもできる。この位相差を検出すれば、対象物までの距離ｄを求めることができる。
【０００５】
電荷振り分け方式のイメージセンサは、ＴＯＦ法によって測距を行うための光検出素子として着目されている。すなわち、電荷振り分け方式のイメージセンサでは、例えば、検出パルスの入射に応じてイメージセンサ内において発生するパルス的に発生する電荷を、出射パルスのＯＮ期間の間に一方のポテンシャル井戸内に振り分け、ＯＦＦ期間の間に他方のポテンシャル井戸に振り分ける。この場合、左右に振り分けられた電荷量の比率が、検出パルスと出射パルスの位相差、すなわち、対象物までの距離の２倍の距離をパルス光が光速で飛行するのに要する時間に比例することになる。なお、電荷の振り分け方法としては種々のものが考えられる。
【０００６】
特許文献１には、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する複数の信号電荷収集領域と、信号電荷収集領域のそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、を備えているＴＯＦ型の距離センサ（距離画像センサ）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−８５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のような距離センサ（距離画像センサ）においては、対象物が遠距離に位置している場合、対象物で反射された光が弱く、距離検出精度が低下する。また、反射率が低い対象物の距離検出に関しても、対象物で反射された光が弱いため、距離検出精度が低下する。このため、ＴＯＦ型の距離センサ（距離画像センサ）では、距離検出精度を改善するために、高感度化が望まれている。
【０００９】
本発明は、高感度化を図ることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る距離センサは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する複数の信号電荷収集領域と、信号電荷収集領域のそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、を備えており、電荷発生領域は、矩形形状を呈し且つ第１の方向に伸びる第１の領域内に配置され、信号電荷収集領域は、第１の領域の第１の方向に伸びる辺側に設けられ且つ第１の方向での位置が互いにずれている複数の第２の領域内に配置され、第２の領域は、第１の領域と重複する部分を有し且つ第１の領域と重複する部分の縁が第１の方向と交差する方向に伸びる２辺、又は、円弧を含み、信号電荷収集領域は、その縁が第２の領域の縁に含まれる辺に沿って伸びる辺、又は、第２の領域の縁に含まれる円弧に沿って伸びる円弧を含み、転送電極は、第２の領域内における電荷発生領域と信号電荷収集領域との間に位置すると共に、信号電荷収集領域の縁に含まれる辺又は円弧に沿って伸びる部分を有し、電荷発生領域は、その縁が第２の領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる２辺、又は、第２の領域の縁に含まれる円弧に沿って伸びる円弧を含んでいることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る距離センサでは、転送電極が、上記第２の領域内における電荷発生領域と信号電荷収集領域との間に位置していることから、電荷発生領域が配置される第１の領域内に入り込むように配置されることとなる。また、転送電極が、信号電荷収集領域の縁に含まれる辺又は円弧、すなわち第２の領域における第１の領域と重複する部分の縁に含まれる上記辺又は円弧に沿って伸びる部分を有することとなる。このため、本発明では、転送電極が第１の方向に沿って伸びるように第１の領域の外側に配置された構成を採用した距離センサに比して、第１の方向における単位長さ当たりの光利用効率が高くなる。したがって、電荷発生領域の面積を増加させ、高感度化を図ることができる。
【００１２】
転送電極が、第２の領域における第１の領域と重複する部分の縁に含まれる上記辺又は円弧に沿って伸びる部分を有することから、転送電極が第１の方向に沿って伸びるように第１の領域の外側に配置された構成を採用した距離センサに比して、その電極長さが長くなり、電極面積が大きくなる。このため、電荷発生領域に発生した電荷が移動し易くなり、電荷の転送効率が向上する。このことからも、距離センサの高感度化を図ることができる。
【００１３】
ところで、信号電荷収集領域に転送された電荷（Ｑ）は、信号電荷収集領域の静電容量（Ｃｆｄ）により、下記関係式で示される電圧変化（ΔＶ）を発生させる。
ΔＶ＝Ｑ／Ｃｆｄ
本発明では、信号電荷収集領域の縁が第２の領域の縁に含まれる辺に沿って伸びる辺、又は、第２の領域の縁に含まれる円弧に沿って伸びる円弧を含んでいることから、信号電荷収集領域の面積を低減することが可能となる。信号電荷収集領域の面積が低減されると、信号電荷収集領域の静電容量も低減され、発生する電圧変化が大きくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが高くなる。このことからも、距離センサの高感度化を図ることができる。
【００１４】
複数の信号電荷収集領域が、第１及び第２の信号電荷収集領域を含み、第１の信号電荷収集領域と第２の信号電荷収集領域とが、それぞれ異なる第２の領域に配置され、第１及び第２の信号電荷収集領域の縁が、第２の領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる２辺を含んでおり、転送電極は、各信号電荷収集領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる部分を有している。
【００１５】
この場合、転送電極が、各信号電荷収集領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる部分を有していることから、転送電極の電極長さを確実に長くし、電極面積を大きくできる。したがって、距離センサの高感度化をより一層図ることができる。また、信号電荷収集領域の縁が第２の領域の縁に含まれる辺に沿って伸びる２辺を含み且つ転送電極が各信号電荷収集領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる部分を有していることから、各信号電荷収集領域における転送電極に沿う部分の長さが長くなり、信号電荷収集領域の面積をより一層低減することが可能となる。このことからも、距離センサの高感度化をより一層図ることができる。
【００１６】
第１の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた第２の領域に配置され、第２の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた第２の領域に配置されていてもよい。
【００１７】
空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、電荷発生領域から不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、不要電荷収集領域は、第１の信号電荷収集領域が配置された複数の第２の領域の間に位置する第２の領域に配置されると共に、第２の信号電荷収集領域が配置された複数の第２の領域の間に位置する第２の領域に配置されていてもよい。この場合、不要電荷が各信号電荷収集領域に蓄積されるのが抑制される。このため、距離センサでの距離検出精度を向上することができる。
【００１８】
第１及び第２の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されていてもよい。
【００１９】
電荷発生領域から広がる空乏層と、各信号電荷収集領域から拡がる空乏層とが結合すると、光の入射により生じた電荷が各信号電荷収集領域に直接流れ込み、クロストークが生じる懼れがある。クロストークを抑制するため、各信号電荷収集領域と重複するように、電荷発生領域及び信号電荷収集領域が設けられる半導体基板の導電型と同一の導電型であって、半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するウェル領域を設けることが考えられる。この場合、信号電荷収集領域とウェル領域との界面から広がる空乏層の厚みが抑制され、当該空乏層と、電荷発生領域から広がる空乏層とが結合する状態を抑制することができ、クロストークを抑制することができる。
【００２０】
ところで、信号電荷収集領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが、例えば第１の領域における第１の辺と第２の辺との対向方向で位置ずれしていると、信号電荷収集領域とウェル領域との相対位置が上記対向方向にずれてしまい、信号電荷収集領域とウェル領域とが重複している領域（以下、単に「重複領域」と称することもある）の上記対向方向での幅にばらつきが生じてしまう。例えば、重複領域の対向方向での幅が広がると、信号電荷収集領域に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分が形成され、電荷の流れに支障が生じる。この場合、第１及び第２の辺側それぞれに信号電荷収集領域が配置されていると、第１の辺側に向うポテンシャルの傾斜と第２の辺側に向うポテンシャルの傾斜とが異なることから、各信号電荷収集領域に生じる蓄積容量に差が生じて、各転送電極に与えられる電荷転送信号に対して感度のずれが生じてしまう。すなわち、電荷を複数の信号電荷収集領域に適切に振り分けることが不可能となってしまう。
【００２１】
電荷の振り分け方式の距離センサ（距離画像センサ）では、上述したように、振り分けられた電荷量の比率に基づいてセンサに入射したパルス光の時間遅れを検出する。このため、電荷が各半導体領域に適切に振り分けられていないと、検出する時間遅れに誤差が生じることとなる。
【００２２】
第１及び第２の信号電荷収集領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが上記対向方向で位置ずれしている場合、上述したように、第１及び第２の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の上記対向方向での幅にばらつきが生じてしまう。しかしながら、第１及び第２の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されているので、第１の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅が狭くなると、第２の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅も狭くなる。逆に、第１の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅が広くなると、第２の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅も広くなる。したがって、第１の信号電荷収集領域に向かうポテンシャルの傾斜と第２の信号電荷収集領域に向かうポテンシャルの傾斜とが同じとなり、第１及び第２の信号電荷収集領域への電荷の転送に支障が生じることはない。すなわち、第１及び第２の信号電荷収集領域とウェル領域とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、電荷発生領域に発生した電荷を、第１の信号電荷収集領域と第２の信号電荷収集領域とに適切に振り分けることができる。この結果、第１の信号電荷収集領域に蓄積された電荷量と、第２の信号電荷収集領域に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。
【００２３】
空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、電荷発生領域から不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、不要電荷収集領域は、第１の領域の第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されていてもよい。この場合、不要電荷が各信号電荷収集領域に蓄積されるのが抑制される。このため、距離センサでの距離検出精度を向上することができる。
【００２４】
第１及び第２の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されていてもよい。
【００２５】
空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、電荷発生領域から不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、不要電荷収集領域は、第１の領域の第１及び第２の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されていてもよい。この場合、不要電荷が各信号電荷収集領域に蓄積されるのが抑制される。このため、距離センサでの距離検出精度を向上することができる。
【００２６】
不要電荷収集領域の縁が、第２の領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる２辺を含み、不要電荷収集ゲート電極が、第２の領域内における電荷発生領域と不要電荷収集領域との間に位置すると共に、不要電荷収集領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びていてもよい。この場合、不要電荷の排出を効率よく行なうことができる。
【００２７】
複数の信号電荷収集領域が、第１及び第２の信号電荷収集領域を含み、第１の信号電荷収集領域と第２の信号電荷収集領域とが、一つの第２の領域に配置され、第１の信号電荷収集領域の縁が、第２の領域の縁に含まれる２辺のうちの一方の辺に沿って伸びる辺を含み、第２の信号電荷収集領域の縁が、第２の領域の縁に含まれる２辺のうちの他方の辺に沿って伸びる辺を含んでいてもよい。
【００２８】
電荷発生領域が、第１の方向に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈していてもよい。また、電荷発生領域が、異なる方向に交互に湾曲した形状を呈していてもよい。これらの場合、第１の領域に配置され且つ縁が第２の領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる２辺、又は、第２の領域の縁に含まれる円弧に沿って伸びる円弧を含んだ電荷発生領域を確実に且つ簡易に実現することができる。
【００２９】
本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサと、光源と、光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、転送電極に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、信号電荷収集領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備えていることを特徴とする。
【００３０】
本発明に係る距離画像センサでは、上記距離センサを備えていることから、高感度化を図ることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、高感度化を図ることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】測距装置の構成を示す説明図である。
【図２】距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
【図３】距離画像センサの概略平面図である。
【図４】距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図５】図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。
【図６】半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
【図７】画素の構成を説明するための模式図である。
【図８】比較例としての距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図９】比較例としての距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図１０】第１の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図１１】図１０におけるXI−XI線に沿った断面構成を示す図である。
【図１２】半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
【図１３】半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
【図１４】各種信号のタイミングチャートである。
【図１５】各種信号の変形例を示すタイミングチャートである。
【図１６】第２の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図１７】図１６におけるXVII−XVII線に沿った断面構成を示す図である。
【図１８】図１６におけるXVIII−XVIII線に沿った断面構成を示す図である。
【図１９】第３の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図２０】図１９におけるXX−XX線に沿った断面構成を示す図である。
【図２１】図１９におけるXXI−XXI線に沿った断面構成を示す図である。
【図２２】第４の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図２３】第５の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図２４】第６の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００３４】
図１は、測距装置の構成を示す説明図である。
【００３５】
この測距装置は、距離画像センサ１と、近赤外光を出射する光源３と、光源３にパルス駆動信号ＳＰを与える駆動回路４と、距離画像センサ１の各画素に含まれる第１及び第２ゲート電極（ＴＸ１，ＴＸ２：図４参照）に、パルス駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１、Ｓ２を与える制御回路２と、距離画像センサ１の第１及び第２半導体領域（ＦＤ１，ＦＤ２：図４参照）から読み出された距離情報を示す信号ｄ’（ｍ，ｎ）から、歩行者などの対象物Ｈまでの距離を演算する演算回路５を備えている。距離画像センサ１から対象物Ｈまでの水平方向Ｄの距離をｄとする。
【００３６】
制御回路２は、パルス駆動信号ＳＰを駆動回路４のスイッチ４ｂに入力している。ＬＥＤ又はレーザダイオードからなる投光用の光源３は、スイッチ４ｂを介して電源４ａに接続されている。したがって、スイッチ４ｂにパルス駆動信号ＳＰが入力されると、パルス駆動信号ＳＰと同じ波形の駆動電流が光源３に供給され、光源３からは測距用のプローブ光としてのパルス光ＬＰが出力される。
【００３７】
パルス光ＬＰが対象物Ｈに照射されると、対象物Ｈによってパルス光が反射され、パルス光ＬＤとして、距離画像センサ１に入射して、パルス検出信号ＳＤを出力する。
【００３８】
距離画像センサ１は、配線基板１０上に固定されており、配線基板１０上の配線を介して、距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）が各画素から出力される。
【００３９】
パルス駆動信号ＳＰの波形は、周期Ｔの方形波であり、ハイレベルを「１」、ローレベルを「０」とすると、その電圧Ｖ（ｔ）は以下の式で与えられる。
パルス駆動信号ＳＰ：
Ｖ（ｔ）＝１（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
Ｖ（ｔ）＝０（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
【００４０】
検出用ゲート信号Ｓ１、Ｓ２の波形は、周期Ｔの方形波であり、その電圧Ｖ（ｔ）は以下の式で与えられる。
検出用ゲート信号Ｓ１：
Ｖ（ｔ）＝１（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
Ｖ（ｔ）＝０（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
検出用ゲート信号Ｓ２（＝Ｓ１の反転）：
Ｖ（ｔ）＝０（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
Ｖ（ｔ）＝１（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
【００４１】
上記パルス信号ＳＰ，Ｓ１、Ｓ２、ＳＤは、全てパルス周期２×ＴＰを有していることとする。検出用ゲート信号Ｓ１及びパルス検出信号ＳＤが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ１、検出用ゲート信号Ｓ２及びパルス検出信号ＳＤが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ２とする。
【００４２】
距離画像センサ１における一方の検出用ゲート信号Ｓ１とパルス検出信号ＳＤの位相差は、他方の検出用ゲート信号Ｓ２とパルス検出信号ＳＤが「１」の時の重複期間において、距離画像センサ１において発生した電荷量Ｑ２に比例する。すなわち、電荷量Ｑ２は、検出用ゲート信号Ｓ２とパルス検出信号ＳＤの論理積が「１」である期間において発生した電荷量である。１画素内において発生する全電荷量をＱ１＋Ｑ２とし、駆動信号ＳＰの半周期のパルス幅をＴＰとすると、Δｔ＝ＴＰ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）の期間だけ、駆動信号ＳＰに対してパルス検出信号ＳＤが遅れていることになる。１つのパルス光の飛行時間Δｔは、対象物までの距離をｄ、光速をｃとすると、Δｔ＝２ｄ／ｃで与えられるため、特定の画素からの距離情報を有する信号ｄ’として２つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力されると、演算回路５は、入力された電荷量Ｑ１，Ｑ２と、予め判明している半周期パルス幅ＴＰに基づいて、対象物Ｈまでの距離ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２＝ｃ×ＴＰ×Ｑ２／（２×（Ｑ１＋Ｑ２））を演算する。
【００４３】
上述のように、電荷量Ｑ１、Ｑ２を分離して読み出せば、演算回路５は、距離ｄを演算することができる。なお、上述のパルスは繰り返して出射され、その積分値を各電荷量Ｑ１，Ｑ２として出力することができる。
【００４４】
電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量に対する比率は、上述の位相差、すなわち、対象物Ｈまでの距離に対応している。演算回路５は、この位相差に応じて対象物Ｈまでの距離を演算している。上述のように、位相差に対応する時間差をΔｔとすると、距離ｄは、好適にはｄ＝（ｃ×Δｔ）／２で与えられるが、適当な補正演算をこれに加えて行ってもよい。例えば、実際の距離と、演算された距離ｄとが異なる場合、後者を補正する係数βを予め求めておき、出荷後の製品では演算された距離ｄに係数βを乗じたものを最終的な演算距離ｄとしてもよい。外気温度を測定しておき、外気温度に応じて光速ｃが異なる場合には、光速ｃを補正する演算を行ってから、距離演算を行うこともできる。演算回路に入力された信号と、実際の距離との関係を予めメモリに記憶しておき、ルックアップテーブル方式によって、距離を演算してもよい。センサ構造によっても演算方法は変更することができ、これには従来から知られている演算方法を用いることができる。
【００４５】
図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
【００４６】
距離画像センサ１は、半導体基板１Ａを備えている。半導体基板１Ａは、補強用のフレーム部Ｆと、フレーム部Ｆよりも薄い薄板部ＴＦを有しており、これらは一体化している。薄板部ＴＦの厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。本例のフレーム部Ｆの厚さは２００μｍ以上１０００μｍ以下である。半導体基板１Ａは、全体が薄化されていてもよい。距離画像センサ１には、光入射面１ＢＫからパルス光ＬＤが入射する。距離画像センサ１の光入射面１ＢＫとは逆側の表面１ＦＴは、接着領域ＡＤを介して配線基板１０に接続されている。接着領域ＡＤは、バンプ電極などの接着素子を含む領域であり、必要に応じて絶縁性の接着剤やフィラーを有している。
【００４７】
図３は、距離画像センサの概略平面図である。
【００４８】
距離画像センサ１では、半導体基板１Ａが、二次元状に配列した複数の画素Ｐ（ｍ，ｎ）からなる撮像領域１Ｂを有している。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）からは、上述の距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）として２つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力される。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は微小測距センサとして対象物Ｈまでの距離に応じた信号ｄ’（ｍ，ｎ）を出力する。したがって、対象物Ｈからの反射光を、撮像領域１Ｂに結像すれば、対象物Ｈ上の各点までの距離情報の集合体としての対象物の距離画像を得ることができる。一つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、一つの距離センサとして機能する。
【００４９】
図４は、距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図５は、図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。
【００５０】
距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２（転送電極）と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２（信号電荷収集領域）と、を備えている。半導体基板１Ａは、光入射面１ＢＫと、光入射面１ＢＫとは逆側の表面１ＦＴと、を有している。フォトゲート電極ＰＧは、表面１ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、表面１ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介してフォトゲート電極ＰＧに隣接して設けられている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、各ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する。本例の半導体基板１ＡはＳｉからなり、絶縁層１ＥはＳｉＯ２からなる。半導体基板１Ａは、エピタキシャル層からなることとしてもよい。
【００５１】
フォトゲート電極ＰＧは、第１の領域Ｒ１内に配置されている。第１の領域Ｒ１は、矩形形状を呈し且つ第１の方向Ｄ１に伸びている。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、第１の方向Ｄ１に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈している。半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（フォトゲート電極ＰＧの直下の領域）は、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域（光感応領域）として機能する。フォトゲート電極ＰＧはポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。
【００５２】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、それぞれ異なる第２の領域Ｒ２内に配置されている。第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１の第１の方向Ｄ１に伸びる２辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ側にそれぞれ複数設けられている。複数の第２の領域Ｒ２は、第１の方向Ｄ１での位置が互いにずれている。第１の領域Ｒ１の各辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ側に配置された第２の領域Ｒ２は、第１の方向Ｄ１に、所定のピッチで並んでいる。第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１と重複する部分を有し且つ第１の領域Ｒ１と重複する部分の縁が第１の方向と交差する方向に伸びる２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを含んでいる。本実施形態では、第２の領域Ｒ２は、矩形形状を呈している。第１の方向Ｄ１で隣り合う第２の領域Ｒ２は、その一部が重複してもよい。
【００５３】
フォトゲート電極ＰＧは、その縁が第２の領域Ｒ２の縁に含まれる２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿って伸びる２辺ＰＧａ，ＰＧｂを含んでいる。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、その縁が２辺ＰＧａ，ＰＧｂを含むように形成されることで、交互に屈曲した形状を呈することとなる。
【００５４】
第１半導体領域ＦＤ１は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側に設けられた第２の領域Ｒ２に配置されている。第１半導体領域ＦＤ１は、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿ってそれぞれ伸びる２辺ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂを含んでいる。本実施形態では、第１半導体領域ＦＤ１は、矩形形状を呈している。
【００５５】
第２半導体領域ＦＤ２は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２に配置されている。第２半導体領域ＦＤ２は、第１半導体領域ＦＤ１と同様に、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿ってそれぞれ伸びる２辺ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂを含んでいる。本実施形態では、第２半導体領域ＦＤ２は、矩形形状を呈している。
【００５６】
第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とは、第１の領域Ｒ１の２辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの対向方向で、空間的に離間して配置されている。すなわち、第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とは、第１の領域Ｒ１の２辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの対向方向でフォトゲート電極ＰＧを挟むように配置されている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、必ずしも、第１の領域Ｒ１に重複するように配置されている必要はない。
【００５７】
第１ゲート電極ＴＸ１は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間に位置している。このため、第１ゲート電極ＴＸ１は、その一部が第１の領域Ｒ１内に入り込むように配置されることとなる。第１ゲート電極ＴＸ１は、第１半導体領域ＦＤ１の辺ＦＤ１ａ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧａ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ａと、第１半導体領域ＦＤ１の辺ＦＤ１ｂ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧｂ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ｂと、を有している。第１ゲート電極ＴＸ１は、平面視で略Ｖ字形状を呈している。
【００５８】
第２ゲート電極ＴＸ２は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に位置している。このため、第２ゲート電極ＴＸ２は、その一部が第１の領域Ｒ１内に入り込むように配置されることとなる。第２ゲート電極ＴＸ２は、第２半導体領域ＦＤ２の辺ＦＤ２ａ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧａ）に沿って伸びる部分ＴＸ２ａと、第２半導体領域ＦＤ２の辺ＦＤ２ｂ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧｂ）に沿って伸びる部分ＴＸ２ｂと、を有している。第２ゲート電極ＴＸ２も、第１ゲート電極ＴＸ１と同じく、平面視でＶ字形状を呈している。
【００５９】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の電極長さ並びに電極面積は、同じに設定されている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２はポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。
【００６０】
半導体基板１Ａは低不純物濃度のｐ型半導体基板からなり、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は高不純物濃度のｎ型半導体からなるフローティング・ディフュージョン領域である。各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・半導体基板１Ａ：厚さ１０〜１０００μｍ／不純物濃度１×１０１２〜１０１５ｃｍ−３
・半導体領域ＦＤ１及びＦＤ２：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
【００６１】
絶縁層１Ｅには、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２を外部に接続するための導体１１が配置される。図４では、導体１１の図示を省略している。
【００６２】
半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫの側には、反射防止膜１Ｄが設けられている。反射防止膜１Ｄの材料は、ＳｉＯ２やＳｉＮである。
【００６３】
配線基板１０には、接着領域ＡＤ内のバンプ電極等を通して第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２、及びフォトゲート電極ＰＧ等にそれぞれ電気的に接続される貫通電極（不図示）が設けられている。配線基板１０の貫通電極は配線基板１０の裏面に露出している。配線基板１０を構成する絶縁基板における接着領域ＡＤとの界面側の表面には、遮光層（不図示）が形成されており、距離画像センサ１を透過した光の配線基板１０への入射を抑制している。この測距装置は、距離画像センサ１を配線基板１０上にマウントすると、各配線を介して、上記信号をそれぞれの電極に与えることができ、装置が小型化されている。
【００６４】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ハイレベルの信号（正電位）を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下のポテンシャルより高くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ローレベルの信号（グランド電位）を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下のポテンシャルより低くなり、障壁が形成される。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内には引き込まれない。
【００６５】
距離画像センサ１では、投光用の光の入射に応答して半導体深部で発生した電荷を、光入射面１ＢＫとは逆側の電荷発生位置近傍に設けられたポテンシャル井戸に引き込み、高速で正確な測距が可能としている。
【００６６】
半導体基板１Ａの光入射面（裏面）１ＢＫから入射した対象物からのパルス光ＬＤは、半導体基板１Ａの表面側に設けられたフォトゲート電極ＰＧの直下の領域まで至る。パルス光の入射に伴って半導体基板１Ａ内で発生した電荷は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から、これに隣接する第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に振り分けられる。すなわち、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に光源の駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２を、配線基板１０を介して、交互に与えると、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域で発生した電荷が、それぞれ第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ、これらから第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に流れ込む。
【００６７】
第１半導体領域ＦＤ１又は第２半導体領域ＦＤ２内に蓄積された電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する比率は、駆動信号ＳＰを光源に与えることによって出射された出射パルス光と、対象物Ｈによって出射パルス光が反射されることによって戻ってきた検出パルス光の位相差に対応する。
【００６８】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２への駆動信号（検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２）の周波数を増加させることで、この電荷の振り分け速度を増加させても、近赤外光の入射に応じて発生した電荷の発生領域は、半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫよりも、逆側の表面１ＦＴに近いため、多くの電荷はフォトゲート電極ＰＧの直下の領域から第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に流れ込み、これらの領域から、配線基板１０の配線（不図示）を介して、蓄積電荷Ｑ１，Ｑ２を読み出すことができる。
【００６９】
距離画像センサ１は、図示は省略するが、半導体基板１Ａの電位を基準電位に固定するためのバックゲート半導体領域を備えている。バックゲート半導体領域は、高濃度不純物を含有するｐ型の半導体領域である。バックゲート半導体領域の代わりに、ｐ型の拡散領域などのｐ型半導体層を有し、電気的に接続された貫通電極を設けることとしてもよい。
【００７０】
図６は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図６では、下向きがポテンシャルの正方向である。図６において、（ａ）及び（ｂ）は、図５の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。
【００７１】
光入射時において、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、基板電位よりも若干高く設定されている。各図には、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、及び、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２が示されている。
【００７２】
検出用ゲート信号Ｓ１の高電位が、第１ゲート電極ＴＸ１に入力されると、図６（ａ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域を介して、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に蓄積される。第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ１が蓄積されることとなる。
【００７３】
検出用ゲート信号Ｓ１に続いて、検出用ゲート信号Ｓ２の高電位が、第２ゲート電極ＴＸ２に入力されると、図６（ｂ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域を介して、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に蓄積される。第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ２が蓄積されることとなる。
【００７４】
図７は、画素の構成を説明するための模式図である。
【００７５】
第１ゲート電極ＴＸ１には、検出用ゲート信号Ｓ１が与えられる。第２ゲート電極ＴＸ２には、検出用ゲート信号Ｓ２が与えられる。すなわち、第１ゲート電極ＴＸ１と、第２ゲート電極ＴＸ２とには、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。
【００７６】
フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ１が与えられている場合には、第１半導体領域ＦＤ１によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第１半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ１に対応した出力（Ｖｏｕｔ１）として第１半導体領域ＦＤ１から読み出される。フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第２ゲート電極ＴＸ２にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ２が与えられている場合には、第２半導体領域ＦＤ２によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第２半導体領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ２に対応した出力（Ｖｏｕｔ２）として第２半導体領域ＦＤ２から読み出される。これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）が、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
【００７７】
以上のように、本実施形態では、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２が、第１の領域Ｒ１内に入り込むように配置されている。また、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２が、対応する半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の辺ＦＤ１ａ，ＦＤ２ａ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧａ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ａ，ＴＸ２ａと、対応する半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の辺ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ｂ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧｂ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ｂ，ＴＸ２ｂと、を有している。
【００７８】
このため、図８に示された、第１及び第２ゲート電極１０１，１０２が第１の方向Ｄ１に沿って伸びるように第１の領域Ｒ１の外側に配置された画素構成を備える距離画像センサに比して、第１の方向Ｄ１における単位長さ当たりの光利用効率が高くなる。すなわち、フォトゲート電極ＰＧの面積を同じとした場合、距離画像センサ１が、図８に示された距離画像センサよりも開口率が高い。したがって、距離画像センサ１では、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）の面積を増加させ、高感度化を図ることができる。図８に示された距離画像センサでは、フォトゲート電極１００は、第１の方向Ｄ１を長辺方向とする長方形状を呈している。
【００７９】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２それぞれが、上述した二つの部分ＴＸ１ａ，ＴＸ２ａ，ＴＸ１ｂ，ＴＸ２ｂを有することから、図８に示された距離画像センサに比して、その電極長さが長くなり、電極面積が大きくなる。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷が移動し易くなり、電荷の転送効率が向上する。このことからも、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。また、図８に示された距離画像センサにおける各ゲート電極１０１，１０２の長さを距離画像センサ１における各ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と同じに設定する場合、各ゲート電極１０１，１０２の長さが第１の方向Ｄ１に長くなるため、図９に示されるように、デッドスペースＤＳが増加してしまう。
【００８０】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に転送されて、蓄積された電荷（電荷量Ｑ１，Ｑ２）は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の静電容量（Ｃｆｄ）により、下記関係式で示される電圧変化（ΔＶ）をそれぞれ発生させる。
ΔＶ＝Ｑ１／Ｃｆｄ
ΔＶ＝Ｑ２／Ｃｆｄ
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、その縁が２辺ＦＤ１ａ，ＦＤ２ａ，ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ｂを含んでいることから、各半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２におけるゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に沿う部分の長さが長くなり、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積を低減することが可能となる。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が低減されると、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の静電容量（Ｃｆｄ）も低減され、発生する電圧変化（ΔＶ）が大きくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが高くなる。このことからも、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【００８１】
本実施形態では、第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とが、第１の方向Ｄ１に対して斜めに対向して配置されている。このため、フォトゲート電極ＰＧの第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２との対向方向での幅を、フォトゲート電極１００の第１の方向Ｄ１に直交する方向での幅と同じに設定することにより、図８に示された距離画像センサと同等の転送時間で、電荷を確実に転送することが可能となる。この場合、距離画像センサ１では、図８に示された距離画像センサに比して、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）の第１の方向Ｄ１に直交する方向での幅を狭く設定することが可能となり、狭ピッチ化を実現することができる。
【００８２】
本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧが、第１の方向Ｄ１に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈している。これにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域である電荷発生領域も第１の方向Ｄ１に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈することとなる。これにより、第１の領域Ｒ１に配置され且つその縁が第２の領域Ｒ２の縁に含まれる２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿って伸びる２辺を含んだ電荷発生領域を確実に且つ簡易に実現することができる。
【００８３】
続いて、図１０〜図１４を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第１の変形例を説明する。図１０は、第１の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図１１は、図１０におけるXI−XI線に沿った断面構成を示す図である。
【００８４】
第１の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、図４及び図５に示された画素Ｐ（ｍ，ｎ）に対して、不要電荷収集領域と不要電荷収集ゲート電極とを備えている点で相違する。第１の変形例に係る距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数の第３半導体領域ＦＤ３（不要電荷収集領域）と、複数の第３ゲート電極ＴＸ３（不要電荷収集ゲート電極）と、を備えている。
【００８５】
第３半導体領域ＦＤ３は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が配置された第２の領域Ｒ２とは異なる第２の領域Ｒ２内に配置されている。具体的には、第３半導体領域ＦＤ３は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側において、第１半導体領域ＦＤ１が配置された複数の第２の領域Ｒ２の間、もしくは第１半導体領域ＦＤ１が配置された第２の領域Ｒ２の隣、に位置する第２の領域Ｒ２に配置されている。また、第３半導体領域ＦＤ３は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側において、第２半導体領域ＦＤ２が配置された複数の第２の領域Ｒ２の間、もしくは第１半導体領域ＦＤ１が配置された第２の領域Ｒ２の隣、に位置する第２の領域Ｒ２にも配置されている。第３半導体領域ＦＤ３は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とは、空間的に離間して配置されている。
【００８６】
第３半導体領域ＦＤ３は、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿ってそれぞれ伸びる２辺ＦＤ３ａ，ＦＤ３ｂを含んでいる。本変形例では、第３半導体領域ＦＤ３は、矩形形状を呈している。第３半導体領域ＦＤ３は、必ずしも、第１の領域Ｒ１に重複するように配置されている必要はない。第３半導体領域ＦＤ３は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と同じく、高不純物濃度のｎ型半導体からなるフローティング・ディフュージョン領域である。第３半導体領域ＦＤ３の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・半導体領域ＦＤ３：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
【００８７】
第３ゲート電極ＴＸ３は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置している。このため、第３ゲート電極ＴＸ３は、その一部が第１の領域Ｒ１内に入り込むように配置されることとなる。第３ゲート電極ＴＸ３は、第３半導体領域ＦＤ３の辺ＦＤ３ａ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧａ）に沿って伸びる部分ＴＸ３ａと、第３半導体領域ＦＤ３の辺ＦＤ３ｂ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧｂ）に沿って伸びる部分ＴＸ３ｂと、を有している。第３ゲート電極ＴＸ３は、平面視でＶ字形状を呈している。
【００８８】
第１〜第３ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３の電極長さ並びに電極面積は、同じに設定されている。第３ゲート電極ＴＸ３は、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と同じく、ポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。
【００８９】
絶縁層１Ｅには、第３半導体領域ＦＤ３の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第３半導体領域ＦＤ３を外部に接続するための導体１１が配置される。図１０では、導体１１の図示を省略している。
【００９０】
第３半導体領域ＦＤ３は、半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの直下の領域で発生した不要電荷を収集する。フォトゲート電極ＰＧの直下の領域で発生した電荷のうち一部の電荷が、不要電荷として、フォトゲート電極ＰＧ及び第３ゲート電極ＴＸ３に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第３ゲート電極ＴＸ３の方向に走行する。
【００９１】
第３ゲート電極ＴＸ３に、ハイレベルの信号（正電位）を与えると、第３ゲート電極ＴＸ３によるゲートの下のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの下の部分のポテンシャルより高くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第３ゲート電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、第３半導体領域ＦＤ３によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第３ゲート電極ＴＸ３に、ローレベルの信号（上記正電位よりも低い電位、例えばグランド電位）を与えると、第３ゲート電極ＴＸ３によるゲートの下のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの下の部分のポテンシャルより高くなり、障壁が形成される。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第３半導体領域ＦＤ３内には引き込まれない。
【００９２】
図１２は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図１３は、不要電荷の排出動作を説明するための、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図１２及び図１３では、下向きがポテンシャルの正方向である。図１２において、（ａ）及び（ｂ）は、図５の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｃ）は、図１１の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。図１３において、（ａ）は、図５の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｂ）は、図１１の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。
【００９３】
図１２及び図１３には、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧ、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャルφＯＦＤが示されている。
【００９４】
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、無バイアス時における隣接する第１〜第３ゲート電極ＴＸ１〜ＴＸ３の直下の領域のポテンシャル（φＴＸ１，φＴＸ２，φＴＸ３）を基準電位とすると、この基準電位よりも高く設定されている。フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧはポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２，φＴＸ３よりも高くなり、この領域のポテンシャル分布は図面の下向きに窪んだ形状となる。
【００９５】
図１２を参照して、信号電荷の蓄積動作を説明する。
【００９６】
第１ゲート電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第１ゲート電極ＴＸ１には正の電位が与えられ、第２ゲート電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図１２（ａ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１が下がることにより、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に流れ込む。
【００９７】
一方、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２は下がらず、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２では、ｎ型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが窪んでいる。
【００９８】
第２ゲート電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第２ゲート電極ＴＸ２には正の電位が与えられ、第１ゲート電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図１２（ｂ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２が下がることにより、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に流れ込む。一方、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１は下がらず、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。
【００９９】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に位相が１８０度ずれた電荷転送信号が印加されている間、第３ゲート電極ＴＸ３にはグランド電位が与えられている。このため、図１２（ｃ）に示されるように、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ３は下がらず、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
【０１００】
以上により、信号電荷が第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷は、外部に読み出される。
【０１０１】
図１３を参照して、不要電荷の排出動作を説明する。
【０１０２】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２には、グランド電位が与えられている。このため、図１３（ａ）に示されるように、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の領域のポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２は下がらず、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。一方、第３ゲート電極ＴＸ３には正の電位が与えられる。この場合、図１３（ｂ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ３が下がることにより、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内に流れ込む。以上により、不要電荷が第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集される。第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集された不要電荷も、外部に排出される。
【０１０３】
図１４は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
【０１０４】
１フレームの期間ＴＦは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔｒｏと、からなる。１つの画素に着目すると、蓄積期間Ｔａｃｃにおいて、パルス駆動信号ＳＰ複数のパルスに同期した駆動信号が光源に印加され、これに同期して、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２が互いに逆位相で第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。なお、距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、複数の駆動振動パルスが逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に信号電荷が積算して蓄積される。
【０１０５】
その後、読み出し期間Ｔｒｏにおいて、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第３ゲート電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ３がＯＮして、第３ゲート電極ＴＸ３に正の電位が与えられ、不要電荷が第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集される。
【０１０６】
図１５は、各種信号の変形例を示すタイミングチャートである。
【０１０７】
図１５に示された変形例では、駆動信号ＳＤに関し、上述の実施形態に比して、デューティ比（単位周期に対するＯＮの割合）が小さく設定されている。これにより、光源のＯＮ時の駆動パワーが増加し、Ｓ／Ｎ比がより一層向上する。本変形例では、駆動信号ＳＤの一つのパルス毎に、第１〜第３ゲート電極ＴＸ１〜ＴＸ３の一つのパルスをそれぞれ発生させている。これにより、光源の駆動パワーを増加させた場合でも、不要電荷を排出して、距離検出精度を向上することができる。
【０１０８】
第１の変形例においては、不要電荷が第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積されるのが抑制される。このため、距離画像センサ１での距離検出精度を向上することができる。もちろん、第１の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【０１０９】
第１の変形例では、第３半導体領域ＦＤ３は、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿ってそれぞれ伸びる２辺ＦＤ３ａ，ＦＤ３ｂを含んでいる。第３ゲート電極ＴＸ３は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置し、第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａに沿って伸びる部分ＴＸ３ａと、第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂに沿って伸びる部分ＴＸ３ｂと、を有している。これにより、不要電荷の排出を効率よく行なうことができる。
【０１１０】
続いて、図１６〜図１８を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第２の変形例を説明する。図１６は、第２の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図１７は、図１６におけるXVII−XVII線に沿った断面構成を示す図である。図１８は、図１６におけるXVIII−XVIII線に沿った断面構成を示す図である。
【０１１１】
第２の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、第１の変形例に対して、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３及び第１〜第３ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３の位置の点で相違する。第２の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数の第３半導体領域ＦＤ３と、複数の第３ゲート電極ＴＸ３と、を備えている。
【０１１２】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２に配置されている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１の方向Ｄ１に沿って、空間的に離間し且つ交互に配置されている。第３半導体領域ＦＤ３は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側に設けられた第２の領域Ｒ２に配置されている。
【０１１３】
第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、ｐ型のウェル領域Ｗと重複し且つ第１の領域Ｒ１側とは反対側の部分がウェル領域Ｗに囲まれるようにそれぞれ形成されている。第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３の周辺は、基板、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の不純物濃度よりも、さらに高濃度のウェル領域Ｗで囲まれているので、各半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３からの空乏層の広がりを抑えるとともに、リーク電流の低減を図り、更に、クロストークや迷光による不要電荷の捕獲を低減することができる。ウェル領域Ｗは、フォトゲート電極ＰＧへの電圧の印加によって広がった空乏層と、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３から広がる空乏層との結合を抑制している。
【０１１４】
ウェル領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・ウェル領域Ｗ：厚さ０．５〜５μｍ／不純物濃度１×１０１６〜１０１８ｃｍ−３
【０１１５】
第２の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができると共に、距離画像センサ１での距離検出精度を向上することができる。
【０１１６】
第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３とウェル領域Ｗとを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが第１の領域Ｒ１の２辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの対向方向（第１の方向Ｄ１に直交する方向）で位置ずれしている場合、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とウェル領域Ｗとの重複領域の上記対向方向での幅にばらつきが生じてしまう。例えば、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とウェル領域Ｗとが重複している領域の上記対向方向での幅が広がると、ポテンシャルのバリア（障壁）が形成され、電荷の流れに支障が生じる。
【０１１７】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２にそれぞれ配置されているので、第１半導体領域ＦＤ１とウェル領域Ｗとの重複領域の上記対向方向での幅が狭くなると、第２半導体領域ＦＤ２とウェル領域Ｗとの重複領域の上記対向方向での幅も狭くなる。逆に、第１半導体領域ＦＤ１とウェル領域Ｗとの重複領域の上記対向方向での幅が広くなると、第２半導体領域ＦＤ２とウェル領域Ｗとの重複領域の対向方向での幅も広くなる。したがって、第１半導体領域ＦＤ１に向かうポテンシャルの傾斜と第２半導体領域ＦＤ２に向かうポテンシャルの傾斜とが同じとなり、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２への電荷の転送に支障が生じることはない。すなわち、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とウェル領域Ｗとを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷を、第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とに適切に振り分けることができる。この結果、第１半導体領域ＦＤ１に蓄積された電荷量Ｑ１と、第２半導体領域ＦＤ２に蓄積された電荷量Ｑ２と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。したがって、第２の変形例に係る距離画像センサ１によれば、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
【０１１８】
続いて、図１９〜図２１を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第３の変形例を説明する。図１９は、第３の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図２０は、図１９におけるXX−XX線に沿った断面構成を示す図である。図２１は、図１９におけるXXI−XXI線に沿った断面構成を示す図である。
【０１１９】
第３の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、第１及び第２の変形例に対して、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３及び第１〜第３ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３の位置の点で相違する。第３の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数の第３半導体領域ＦＤ３と、複数の第３ゲート電極ＴＸ３と、を備えている。
【０１２０】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側に設けられた第２の領域Ｒ２と第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２とに配置されている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、辺Ｒ１ａ側及び辺Ｒ１ｂ側それぞれにおいて、第１の方向Ｄ１に沿って、空間的に離間し且つ交互に配置されている。
【０１２１】
第３半導体領域ＦＤ３も、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側に設けられた第２の領域Ｒ２と第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２とにそれぞれ配置されている。具体的には、第３半導体領域ＦＤ３は、第１の方向Ｄ１に見て、辺Ｒ１ａ側又は辺Ｒ１ｂ側において第１の方向Ｄ１に隣り合う第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が配置された二つの第２の領域Ｒ２の間に位置すると共に、当該二つの第２の領域Ｒ２それぞれに第１の方向Ｄ１に交差する方向で対向する第２の領域Ｒ２に配置されている。図１９において、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、上から第１半導体領域ＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３の順に配置されており、辺Ｒ１ａ側では、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、第３半導体領域ＦＤ３、第１半導体領域ＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３の順に配置されている。また、辺Ｒ１ｂ側では、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、第１半導体領域ＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３、第１半導体領域ＦＤ１の順に配置されている。
【０１２２】
第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、ｐ型のウェル領域Ｗと重複し且つ第１の領域Ｒ１側とは反対側の部分がウェル領域Ｗに囲まれるようにそれぞれ形成されている。したがって、各半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３からの空乏層の広がりを抑えるとともに、リーク電流の低減を図り、更に、クロストークや迷光による不要電荷の捕獲を低減することができる。ウェル領域Ｗは、フォトゲート電極ＰＧへの電圧の印加によって広がった空乏層と、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３から広がる空乏層との結合を抑制している。
【０１２３】
第３の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができると共に、距離画像センサ１での距離検出精度を向上することができる。
【０１２４】
第３の変形例では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側及び辺Ｒ１ｂ側それぞれに設けられた異なる第２の領域Ｒ２に配置されている。このため、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とウェル領域Ｗとを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、上述したように、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷を、第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とに適切に振り分けることができる。この結果、第３の変形例に係る距離画像センサ１においても、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
【０１２５】
続いて、図２２を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第４の変形例を説明する。図２２は、第４の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【０１２６】
第４の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、図４及び図５に示された画素Ｐ（ｍ，ｎ）に対して、第２の領域Ｒ２、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、並びに第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の形状の点で相違する。第４の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、を備えている。
【０１２７】
第２の領域Ｒ２は、２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂをそれぞれ斜辺とする台形形状を呈している。第２の領域Ｒ２は、２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを含む三角形形状や多角形形状を呈していてもよい。第１半導体領域ＦＤ１は、２辺ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂをそれぞれ斜辺とする台形形状を呈している。第２半導体領域ＦＤ２も、２辺ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂをそれぞれ斜辺とする台形形状を呈している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２も、２辺ＦＤ１ａ，ＦＤ２ａ，ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ｂを含む三角形形状や多角形形状を呈していてもよい。第１ゲート電極ＴＸ１は、二つの部分ＴＸ１ａ，ＴＸ１ｂと、二つの部分ＴＸ１ａ，ＴＸ１ｂを連結する部分ＴＸ１ｃと、を有している。第２ゲート電極ＴＸ２も、二つの部分ＴＸ２ａ，ＴＸ２ｂと、二つの部分ＴＸ２ａ，ＴＸ２ｂを連結する部分ＴＸ２ｃと、を有している。
【０１２８】
第４の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【０１２９】
続いて、図２３を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第５の変形例を説明する。図２３は、第５の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【０１３０】
第５の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、図４及び図５に示された画素Ｐ（ｍ，ｎ）に対して、第２の領域Ｒ２、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、並びに第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の形状の点で相違する。第５の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、を備えている。
【０１３１】
第２の領域Ｒ２は、２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを含む三角形形状を呈している。第１半導体領域ＦＤ１は、辺ＦＤ１ａを含む三角形形状を呈している。第２半導体領域ＦＤ２も、辺ＦＤ２ｂを含む三角形形状を呈している。第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とは、一つの第２の領域Ｒ２内に配置されている。
【０１３２】
第１ゲート電極ＴＸ１は、一つの部分ＴＸ１ａを有している。すなわち、第１ゲート電極ＴＸ１は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間に位置すると共に、フォトゲート電極ＰＧの一つの辺ＰＧａに沿って伸びている。第２ゲート電極ＴＸ２も、一つの部分ＴＸ２ｂを有している。すなわち、第２ゲート電極ＴＸ２は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に位置すると共に、フォトゲート電極ＰＧの一つの辺ＰＧｂに沿って伸びている。
【０１３３】
第５の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【０１３４】
続いて、図２４を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第６の変形例を説明する。図２４は、第６の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【０１３５】
第６の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、図４及び図５に示された画素Ｐ（ｍ，ｎ）に対して、第２の領域Ｒ２、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、並びに第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の形状の点で相違する。第６の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、を備えている。
【０１３６】
第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１と重複する部分の縁が円弧Ｒ２ｃを含んでいる。フォトゲート電極ＰＧは、その縁が第２の領域Ｒ２の縁に円弧Ｒ２ｃに沿って円弧ＰＧｃを含んでいる。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、その縁が円弧ＰＧｃを含むように形成されることで、異なる方向に交互に湾曲した形状を呈することとなる。
【０１３７】
第１半導体領域ＦＤ１は、その縁が第２の領域Ｒ２の円弧Ｒ２ｃに沿って伸びる円弧ＦＤ１ｃを含んでいる。第２半導体領域ＦＤ２も、第１半導体領域ＦＤ１と同様に、その縁が第２の領域Ｒ２の円弧Ｒ２ｃに沿って伸びる円弧ＦＤ２ｃを含んでいる。本実施形態では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、円形形状を呈している。
【０１３８】
第１ゲート電極ＴＸ１は、第１半導体領域ＦＤ１の円弧ＦＤ１ｃ、すなわち第２の領域Ｒ２の円弧Ｒ２ｃ（フォトゲート電極ＰＧの円弧ＰＧｃ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ｃを有している。第２ゲート電極ＴＸ２は、第２半導体領域ＦＤ２の円弧ＦＤ２ｃ、すなわち第２の領域Ｒ２の円弧Ｒ２ｃ（フォトゲート電極ＰＧの円弧ＰＧｃ）に沿って伸びる部分ＴＸ２ｃを有している。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で略Ｃ字形状を呈している。
【０１３９】
第６の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【０１４０】
第６の変形例では、フォトゲート電極ＰＧが、異なる方向に交互に湾曲した形状を呈している。これにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域である電荷発生領域も異なる方向に交互に湾曲した形状を呈することとなる。これにより、第１の領域Ｒ１に配置され且つその縁が第２の領域Ｒ２の縁に含まれる円弧Ｒ２ｃに沿って伸びる円弧を含んだ電荷発生領域を確実に且つ簡易に実現することができる。
【０１４１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【０１４２】
入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域をフォトダイオード（例えば、埋め込み型のフォトダイオード等）により構成してもよい。第２の領域Ｒ２の第１の方向Ｄ１での数は、上述した実施形態及び各変形例に示された数に限られない。距離画像センサ１は、表面照射型の距離画像センサであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタや車両等に搭載される距離センサ及び距離画像センサに利用できる。
【符号の説明】
【０１４４】
１…距離画像センサ、１Ａ…半導体基板、Ｄ１…第１の方向、ＦＤ１…第１半導体領域、ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂ…辺、ＦＤ１ｃ…円弧、ＦＤ２…第２半導体領域、ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂ…辺、ＦＤ２ｃ…円弧、ＦＤ３…第３半導体領域、ＦＤ３ａ，ＦＤ３ｂ…辺、ＰＧ…フォトゲート電極、ＰＧａ，ＰＧｂ…辺、ＰＧｃ…円弧、Ｒ１…第１の領域、Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ…辺、Ｒ２…第２の領域、Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ…辺、Ｒ２ｃ…円弧、ＴＸ１…第１ゲート電極、ＴＸ１ａ，ＴＸ１ｂ，ＴＸ１ｃ…部分、ＴＸ２…第２ゲート電極、ＴＸ２ａ，ＴＸ２ｂ，ＴＸ１ｃ…部分、ＴＸ３ 第３ゲート電極、ＴＸ３ａ，ＴＸ３ｂ…部分、Ｗ…ウェル領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離センサ及び距離画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のアクティブ型の光測距センサは、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの投光用の光源から対象物に光を照射し、対象物における反射光を光検出素子で検出することで、対象物までの距離に応じた信号を出力するものとして知られている。ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）などは、対象物までの距離を簡易に測定することができる光三角測量型の光測距センサとして知られているが、近年、より精密な距離測定を行うため、光ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の光測距センサの開発が期待されている。
【０００３】
距離情報と画像情報を同時に、同一チップで取得できるイメージセンサが車載用、工場の自動製造システム用などにおいて求められている。車両前方にイメージセンサを設置すれば、先方車両の検知・認識、歩行者などの検知・認識に使用することが期待される。画像情報とは別に、単一の距離情報又は複数の距離情報からなる距離画像を取得するイメージセンサも期待されている。このような測距センサにはＴＯＦ法を用いることが好ましい。
【０００４】
ＴＯＦ法は、投光用の光源から、対象物に向けてパルス光を出射し、対象物で反射されたパルス光を光検出素子で検出することで、パルス光の出射タイミングと検出タイミングの時間差を測定している。この時間差（Δｔ）は、対象物までの距離ｄの２倍の距離（２×ｄ）をパルス光が光速（＝ｃ）で飛行するのに要する時間であるため、ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２が成立する。時間差（Δｔ）は、光源からの出射パルスと検出パルスの位相差と言い換えることもできる。この位相差を検出すれば、対象物までの距離ｄを求めることができる。
【０００５】
電荷振り分け方式のイメージセンサは、ＴＯＦ法によって測距を行うための光検出素子として着目されている。すなわち、電荷振り分け方式のイメージセンサでは、例えば、検出パルスの入射に応じてイメージセンサ内において発生するパルス的に発生する電荷を、出射パルスのＯＮ期間の間に一方のポテンシャル井戸内に振り分け、ＯＦＦ期間の間に他方のポテンシャル井戸に振り分ける。この場合、左右に振り分けられた電荷量の比率が、検出パルスと出射パルスの位相差、すなわち、対象物までの距離の２倍の距離をパルス光が光速で飛行するのに要する時間に比例することになる。なお、電荷の振り分け方法としては種々のものが考えられる。
【０００６】
特許文献１には、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する複数の信号電荷収集領域と、信号電荷収集領域のそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、を備えているＴＯＦ型の距離センサ（距離画像センサ）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−８５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のような距離センサ（距離画像センサ）においては、対象物が遠距離に位置している場合、対象物で反射された光が弱く、距離検出精度が低下する。また、反射率が低い対象物の距離検出に関しても、対象物で反射された光が弱いため、距離検出精度が低下する。このため、ＴＯＦ型の距離センサ（距離画像センサ）では、距離検出精度を改善するために、高感度化が望まれている。
【０００９】
本発明は、高感度化を図ることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る距離センサは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する複数の信号電荷収集領域と、信号電荷収集領域のそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、を備えており、電荷発生領域は、矩形形状を呈し且つ第１の方向に伸びる第１の領域内に配置され、信号電荷収集領域は、第１の領域の第１の方向に伸びる辺側に設けられ且つ第１の方向での位置が互いにずれている複数の第２の領域内に配置され、第２の領域は、第１の領域と重複する部分を有し且つ第１の領域と重複する部分の縁が第１の方向と交差する方向に伸びる２辺、又は、円弧を含み、信号電荷収集領域は、その縁が第２の領域の縁に含まれる辺に沿って伸びる辺、又は、第２の領域の縁に含まれる円弧に沿って伸びる円弧を含み、転送電極は、第２の領域内における電荷発生領域と信号電荷収集領域との間に位置すると共に、信号電荷収集領域の縁に含まれる辺又は円弧に沿って伸びる部分を有し、電荷発生領域は、その縁が第２の領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる２辺、又は、第２の領域の縁に含まれる円弧に沿って伸びる円弧を含んでいることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る距離センサでは、転送電極が、上記第２の領域内における電荷発生領域と信号電荷収集領域との間に位置していることから、電荷発生領域が配置される第１の領域内に入り込むように配置されることとなる。また、転送電極が、信号電荷収集領域の縁に含まれる辺又は円弧、すなわち第２の領域における第１の領域と重複する部分の縁に含まれる上記辺又は円弧に沿って伸びる部分を有することとなる。このため、本発明では、転送電極が第１の方向に沿って伸びるように第１の領域の外側に配置された構成を採用した距離センサに比して、第１の方向における単位長さ当たりの光利用効率が高くなる。したがって、電荷発生領域の面積を増加させ、高感度化を図ることができる。
【００１２】
転送電極が、第２の領域における第１の領域と重複する部分の縁に含まれる上記辺又は円弧に沿って伸びる部分を有することから、転送電極が第１の方向に沿って伸びるように第１の領域の外側に配置された構成を採用した距離センサに比して、その電極長さが長くなり、電極面積が大きくなる。このため、電荷発生領域に発生した電荷が移動し易くなり、電荷の転送効率が向上する。このことからも、距離センサの高感度化を図ることができる。
【００１３】
ところで、信号電荷収集領域に転送された電荷（Ｑ）は、信号電荷収集領域の静電容量（Ｃｆｄ）により、下記関係式で示される電圧変化（ΔＶ）を発生させる。
ΔＶ＝Ｑ／Ｃｆｄ
本発明では、信号電荷収集領域の縁が第２の領域の縁に含まれる辺に沿って伸びる辺、又は、第２の領域の縁に含まれる円弧に沿って伸びる円弧を含んでいることから、信号電荷収集領域の面積を低減することが可能となる。信号電荷収集領域の面積が低減されると、信号電荷収集領域の静電容量も低減され、発生する電圧変化が大きくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが高くなる。このことからも、距離センサの高感度化を図ることができる。
【００１４】
複数の信号電荷収集領域が、第１及び第２の信号電荷収集領域を含み、第１の信号電荷収集領域と第２の信号電荷収集領域とが、それぞれ異なる第２の領域に配置され、第１及び第２の信号電荷収集領域の縁が、第２の領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる２辺を含んでおり、転送電極は、各信号電荷収集領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる部分を有している。
【００１５】
この場合、転送電極が、各信号電荷収集領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる部分を有していることから、転送電極の電極長さを確実に長くし、電極面積を大きくできる。したがって、距離センサの高感度化をより一層図ることができる。また、信号電荷収集領域の縁が第２の領域の縁に含まれる辺に沿って伸びる２辺を含み且つ転送電極が各信号電荷収集領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる部分を有していることから、各信号電荷収集領域における転送電極に沿う部分の長さが長くなり、信号電荷収集領域の面積をより一層低減することが可能となる。このことからも、距離センサの高感度化をより一層図ることができる。
【００１６】
第１の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた第２の領域に配置され、第２の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた第２の領域に配置されていてもよい。
【００１７】
空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、電荷発生領域から不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、不要電荷収集領域は、第１の信号電荷収集領域が配置された複数の第２の領域の間に位置する第２の領域に配置されると共に、第２の信号電荷収集領域が配置された複数の第２の領域の間に位置する第２の領域に配置されていてもよい。この場合、不要電荷が各信号電荷収集領域に蓄積されるのが抑制される。このため、距離センサでの距離検出精度を向上することができる。
【００１８】
第１及び第２の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されていてもよい。
【００１９】
電荷発生領域から広がる空乏層と、各信号電荷収集領域から拡がる空乏層とが結合すると、光の入射により生じた電荷が各信号電荷収集領域に直接流れ込み、クロストークが生じる懼れがある。クロストークを抑制するため、各信号電荷収集領域と重複するように、電荷発生領域及び信号電荷収集領域が設けられる半導体基板の導電型と同一の導電型であって、半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するウェル領域を設けることが考えられる。この場合、信号電荷収集領域とウェル領域との界面から広がる空乏層の厚みが抑制され、当該空乏層と、電荷発生領域から広がる空乏層とが結合する状態を抑制することができ、クロストークを抑制することができる。
【００２０】
ところで、信号電荷収集領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが、例えば第１の領域における第１の辺と第２の辺との対向方向で位置ずれしていると、信号電荷収集領域とウェル領域との相対位置が上記対向方向にずれてしまい、信号電荷収集領域とウェル領域とが重複している領域（以下、単に「重複領域」と称することもある）の上記対向方向での幅にばらつきが生じてしまう。例えば、重複領域の対向方向での幅が広がると、信号電荷収集領域に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分が形成され、電荷の流れに支障が生じる。この場合、第１及び第２の辺側それぞれに信号電荷収集領域が配置されていると、第１の辺側に向うポテンシャルの傾斜と第２の辺側に向うポテンシャルの傾斜とが異なることから、各信号電荷収集領域に生じる蓄積容量に差が生じて、各転送電極に与えられる電荷転送信号に対して感度のずれが生じてしまう。すなわち、電荷を複数の信号電荷収集領域に適切に振り分けることが不可能となってしまう。
【００２１】
電荷の振り分け方式の距離センサ（距離画像センサ）では、上述したように、振り分けられた電荷量の比率に基づいてセンサに入射したパルス光の時間遅れを検出する。このため、電荷が各半導体領域に適切に振り分けられていないと、検出する時間遅れに誤差が生じることとなる。
【００２２】
第１及び第２の信号電荷収集領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが上記対向方向で位置ずれしている場合、上述したように、第１及び第２の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の上記対向方向での幅にばらつきが生じてしまう。しかしながら、第１及び第２の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されているので、第１の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅が狭くなると、第２の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅も狭くなる。逆に、第１の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅が広くなると、第２の信号電荷収集領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅も広くなる。したがって、第１の信号電荷収集領域に向かうポテンシャルの傾斜と第２の信号電荷収集領域に向かうポテンシャルの傾斜とが同じとなり、第１及び第２の信号電荷収集領域への電荷の転送に支障が生じることはない。すなわち、第１及び第２の信号電荷収集領域とウェル領域とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、電荷発生領域に発生した電荷を、第１の信号電荷収集領域と第２の信号電荷収集領域とに適切に振り分けることができる。この結果、第１の信号電荷収集領域に蓄積された電荷量と、第２の信号電荷収集領域に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。
【００２３】
空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、電荷発生領域から不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、不要電荷収集領域は、第１の領域の第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されていてもよい。この場合、不要電荷が各信号電荷収集領域に蓄積されるのが抑制される。このため、距離センサでの距離検出精度を向上することができる。
【００２４】
第１及び第２の信号電荷収集領域が、第１の領域の第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されていてもよい。
【００２５】
空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、電荷発生領域から不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、不要電荷収集領域は、第１の領域の第１及び第２の辺側に設けられた第２の領域にそれぞれ配置されていてもよい。この場合、不要電荷が各信号電荷収集領域に蓄積されるのが抑制される。このため、距離センサでの距離検出精度を向上することができる。
【００２６】
不要電荷収集領域の縁が、第２の領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる２辺を含み、不要電荷収集ゲート電極が、第２の領域内における電荷発生領域と不要電荷収集領域との間に位置すると共に、不要電荷収集領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びていてもよい。この場合、不要電荷の排出を効率よく行なうことができる。
【００２７】
複数の信号電荷収集領域が、第１及び第２の信号電荷収集領域を含み、第１の信号電荷収集領域と第２の信号電荷収集領域とが、一つの第２の領域に配置され、第１の信号電荷収集領域の縁が、第２の領域の縁に含まれる２辺のうちの一方の辺に沿って伸びる辺を含み、第２の信号電荷収集領域の縁が、第２の領域の縁に含まれる２辺のうちの他方の辺に沿って伸びる辺を含んでいてもよい。
【００２８】
電荷発生領域が、第１の方向に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈していてもよい。また、電荷発生領域が、異なる方向に交互に湾曲した形状を呈していてもよい。これらの場合、第１の領域に配置され且つ縁が第２の領域の縁に含まれる２辺に沿って伸びる２辺、又は、第２の領域の縁に含まれる円弧に沿って伸びる円弧を含んだ電荷発生領域を確実に且つ簡易に実現することができる。
【００２９】
本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサと、光源と、光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、転送電極に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、信号電荷収集領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備えていることを特徴とする。
【００３０】
本発明に係る距離画像センサでは、上記距離センサを備えていることから、高感度化を図ることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、高感度化を図ることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】測距装置の構成を示す説明図である。
【図２】距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
【図３】距離画像センサの概略平面図である。
【図４】距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図５】図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。
【図６】半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
【図７】画素の構成を説明するための模式図である。
【図８】比較例としての距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図９】比較例としての距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図１０】第１の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図１１】図１０におけるXI−XI線に沿った断面構成を示す図である。
【図１２】半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
【図１３】半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
【図１４】各種信号のタイミングチャートである。
【図１５】各種信号の変形例を示すタイミングチャートである。
【図１６】第２の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図１７】図１６におけるXVII−XVII線に沿った断面構成を示す図である。
【図１８】図１６におけるXVIII−XVIII線に沿った断面構成を示す図である。
【図１９】第３の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図２０】図１９におけるXX−XX線に沿った断面構成を示す図である。
【図２１】図１９におけるXXI−XXI線に沿った断面構成を示す図である。
【図２２】第４の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図２３】第５の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図２４】第６の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００３４】
図１は、測距装置の構成を示す説明図である。
【００３５】
この測距装置は、距離画像センサ１と、近赤外光を出射する光源３と、光源３にパルス駆動信号ＳＰを与える駆動回路４と、距離画像センサ１の各画素に含まれる第１及び第２ゲート電極（ＴＸ１，ＴＸ２：図４参照）に、パルス駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１、Ｓ２を与える制御回路２と、距離画像センサ１の第１及び第２半導体領域（ＦＤ１，ＦＤ２：図４参照）から読み出された距離情報を示す信号ｄ’（ｍ，ｎ）から、歩行者などの対象物Ｈまでの距離を演算する演算回路５を備えている。距離画像センサ１から対象物Ｈまでの水平方向Ｄの距離をｄとする。
【００３６】
制御回路２は、パルス駆動信号ＳＰを駆動回路４のスイッチ４ｂに入力している。ＬＥＤ又はレーザダイオードからなる投光用の光源３は、スイッチ４ｂを介して電源４ａに接続されている。したがって、スイッチ４ｂにパルス駆動信号ＳＰが入力されると、パルス駆動信号ＳＰと同じ波形の駆動電流が光源３に供給され、光源３からは測距用のプローブ光としてのパルス光ＬＰが出力される。
【００３７】
パルス光ＬＰが対象物Ｈに照射されると、対象物Ｈによってパルス光が反射され、パルス光ＬＤとして、距離画像センサ１に入射して、パルス検出信号ＳＤを出力する。
【００３８】
距離画像センサ１は、配線基板１０上に固定されており、配線基板１０上の配線を介して、距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）が各画素から出力される。
【００３９】
パルス駆動信号ＳＰの波形は、周期Ｔの方形波であり、ハイレベルを「１」、ローレベルを「０」とすると、その電圧Ｖ（ｔ）は以下の式で与えられる。
パルス駆動信号ＳＰ：
Ｖ（ｔ）＝１（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
Ｖ（ｔ）＝０（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
【００４０】
検出用ゲート信号Ｓ１、Ｓ２の波形は、周期Ｔの方形波であり、その電圧Ｖ（ｔ）は以下の式で与えられる。
検出用ゲート信号Ｓ１：
Ｖ（ｔ）＝１（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
Ｖ（ｔ）＝０（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
検出用ゲート信号Ｓ２（＝Ｓ１の反転）：
Ｖ（ｔ）＝０（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
Ｖ（ｔ）＝１（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
【００４１】
上記パルス信号ＳＰ，Ｓ１、Ｓ２、ＳＤは、全てパルス周期２×ＴＰを有していることとする。検出用ゲート信号Ｓ１及びパルス検出信号ＳＤが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ１、検出用ゲート信号Ｓ２及びパルス検出信号ＳＤが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ２とする。
【００４２】
距離画像センサ１における一方の検出用ゲート信号Ｓ１とパルス検出信号ＳＤの位相差は、他方の検出用ゲート信号Ｓ２とパルス検出信号ＳＤが「１」の時の重複期間において、距離画像センサ１において発生した電荷量Ｑ２に比例する。すなわち、電荷量Ｑ２は、検出用ゲート信号Ｓ２とパルス検出信号ＳＤの論理積が「１」である期間において発生した電荷量である。１画素内において発生する全電荷量をＱ１＋Ｑ２とし、駆動信号ＳＰの半周期のパルス幅をＴＰとすると、Δｔ＝ＴＰ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）の期間だけ、駆動信号ＳＰに対してパルス検出信号ＳＤが遅れていることになる。１つのパルス光の飛行時間Δｔは、対象物までの距離をｄ、光速をｃとすると、Δｔ＝２ｄ／ｃで与えられるため、特定の画素からの距離情報を有する信号ｄ’として２つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力されると、演算回路５は、入力された電荷量Ｑ１，Ｑ２と、予め判明している半周期パルス幅ＴＰに基づいて、対象物Ｈまでの距離ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２＝ｃ×ＴＰ×Ｑ２／（２×（Ｑ１＋Ｑ２））を演算する。
【００４３】
上述のように、電荷量Ｑ１、Ｑ２を分離して読み出せば、演算回路５は、距離ｄを演算することができる。なお、上述のパルスは繰り返して出射され、その積分値を各電荷量Ｑ１，Ｑ２として出力することができる。
【００４４】
電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量に対する比率は、上述の位相差、すなわち、対象物Ｈまでの距離に対応している。演算回路５は、この位相差に応じて対象物Ｈまでの距離を演算している。上述のように、位相差に対応する時間差をΔｔとすると、距離ｄは、好適にはｄ＝（ｃ×Δｔ）／２で与えられるが、適当な補正演算をこれに加えて行ってもよい。例えば、実際の距離と、演算された距離ｄとが異なる場合、後者を補正する係数βを予め求めておき、出荷後の製品では演算された距離ｄに係数βを乗じたものを最終的な演算距離ｄとしてもよい。外気温度を測定しておき、外気温度に応じて光速ｃが異なる場合には、光速ｃを補正する演算を行ってから、距離演算を行うこともできる。演算回路に入力された信号と、実際の距離との関係を予めメモリに記憶しておき、ルックアップテーブル方式によって、距離を演算してもよい。センサ構造によっても演算方法は変更することができ、これには従来から知られている演算方法を用いることができる。
【００４５】
図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
【００４６】
距離画像センサ１は、半導体基板１Ａを備えている。半導体基板１Ａは、補強用のフレーム部Ｆと、フレーム部Ｆよりも薄い薄板部ＴＦを有しており、これらは一体化している。薄板部ＴＦの厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。本例のフレーム部Ｆの厚さは２００μｍ以上１０００μｍ以下である。半導体基板１Ａは、全体が薄化されていてもよい。距離画像センサ１には、光入射面１ＢＫからパルス光ＬＤが入射する。距離画像センサ１の光入射面１ＢＫとは逆側の表面１ＦＴは、接着領域ＡＤを介して配線基板１０に接続されている。接着領域ＡＤは、バンプ電極などの接着素子を含む領域であり、必要に応じて絶縁性の接着剤やフィラーを有している。
【００４７】
図３は、距離画像センサの概略平面図である。
【００４８】
距離画像センサ１では、半導体基板１Ａが、二次元状に配列した複数の画素Ｐ（ｍ，ｎ）からなる撮像領域１Ｂを有している。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）からは、上述の距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）として２つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力される。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は微小測距センサとして対象物Ｈまでの距離に応じた信号ｄ’（ｍ，ｎ）を出力する。したがって、対象物Ｈからの反射光を、撮像領域１Ｂに結像すれば、対象物Ｈ上の各点までの距離情報の集合体としての対象物の距離画像を得ることができる。一つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、一つの距離センサとして機能する。
【００４９】
図４は、距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図５は、図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。
【００５０】
距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２（転送電極）と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２（信号電荷収集領域）と、を備えている。半導体基板１Ａは、光入射面１ＢＫと、光入射面１ＢＫとは逆側の表面１ＦＴと、を有している。フォトゲート電極ＰＧは、表面１ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、表面１ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介してフォトゲート電極ＰＧに隣接して設けられている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、各ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する。本例の半導体基板１ＡはＳｉからなり、絶縁層１ＥはＳｉＯ２からなる。半導体基板１Ａは、エピタキシャル層からなることとしてもよい。
【００５１】
フォトゲート電極ＰＧは、第１の領域Ｒ１内に配置されている。第１の領域Ｒ１は、矩形形状を呈し且つ第１の方向Ｄ１に伸びている。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、第１の方向Ｄ１に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈している。半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（フォトゲート電極ＰＧの直下の領域）は、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域（光感応領域）として機能する。フォトゲート電極ＰＧはポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。
【００５２】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、それぞれ異なる第２の領域Ｒ２内に配置されている。第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１の第１の方向Ｄ１に伸びる２辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ側にそれぞれ複数設けられている。複数の第２の領域Ｒ２は、第１の方向Ｄ１での位置が互いにずれている。第１の領域Ｒ１の各辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ側に配置された第２の領域Ｒ２は、第１の方向Ｄ１に、所定のピッチで並んでいる。第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１と重複する部分を有し且つ第１の領域Ｒ１と重複する部分の縁が第１の方向と交差する方向に伸びる２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを含んでいる。本実施形態では、第２の領域Ｒ２は、矩形形状を呈している。第１の方向Ｄ１で隣り合う第２の領域Ｒ２は、その一部が重複してもよい。
【００５３】
フォトゲート電極ＰＧは、その縁が第２の領域Ｒ２の縁に含まれる２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿って伸びる２辺ＰＧａ，ＰＧｂを含んでいる。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、その縁が２辺ＰＧａ，ＰＧｂを含むように形成されることで、交互に屈曲した形状を呈することとなる。
【００５４】
第１半導体領域ＦＤ１は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側に設けられた第２の領域Ｒ２に配置されている。第１半導体領域ＦＤ１は、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿ってそれぞれ伸びる２辺ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂを含んでいる。本実施形態では、第１半導体領域ＦＤ１は、矩形形状を呈している。
【００５５】
第２半導体領域ＦＤ２は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２に配置されている。第２半導体領域ＦＤ２は、第１半導体領域ＦＤ１と同様に、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿ってそれぞれ伸びる２辺ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂを含んでいる。本実施形態では、第２半導体領域ＦＤ２は、矩形形状を呈している。
【００５６】
第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とは、第１の領域Ｒ１の２辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの対向方向で、空間的に離間して配置されている。すなわち、第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とは、第１の領域Ｒ１の２辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの対向方向でフォトゲート電極ＰＧを挟むように配置されている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、必ずしも、第１の領域Ｒ１に重複するように配置されている必要はない。
【００５７】
第１ゲート電極ＴＸ１は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間に位置している。このため、第１ゲート電極ＴＸ１は、その一部が第１の領域Ｒ１内に入り込むように配置されることとなる。第１ゲート電極ＴＸ１は、第１半導体領域ＦＤ１の辺ＦＤ１ａ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧａ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ａと、第１半導体領域ＦＤ１の辺ＦＤ１ｂ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧｂ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ｂと、を有している。第１ゲート電極ＴＸ１は、平面視で略Ｖ字形状を呈している。
【００５８】
第２ゲート電極ＴＸ２は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に位置している。このため、第２ゲート電極ＴＸ２は、その一部が第１の領域Ｒ１内に入り込むように配置されることとなる。第２ゲート電極ＴＸ２は、第２半導体領域ＦＤ２の辺ＦＤ２ａ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧａ）に沿って伸びる部分ＴＸ２ａと、第２半導体領域ＦＤ２の辺ＦＤ２ｂ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧｂ）に沿って伸びる部分ＴＸ２ｂと、を有している。第２ゲート電極ＴＸ２も、第１ゲート電極ＴＸ１と同じく、平面視でＶ字形状を呈している。
【００５９】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の電極長さ並びに電極面積は、同じに設定されている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２はポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。
【００６０】
半導体基板１Ａは低不純物濃度のｐ型半導体基板からなり、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は高不純物濃度のｎ型半導体からなるフローティング・ディフュージョン領域である。各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・半導体基板１Ａ：厚さ１０〜１０００μｍ／不純物濃度１×１０１２〜１０１５ｃｍ−３
・半導体領域ＦＤ１及びＦＤ２：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
【００６１】
絶縁層１Ｅには、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２を外部に接続するための導体１１が配置される。図４では、導体１１の図示を省略している。
【００６２】
半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫの側には、反射防止膜１Ｄが設けられている。反射防止膜１Ｄの材料は、ＳｉＯ２やＳｉＮである。
【００６３】
配線基板１０には、接着領域ＡＤ内のバンプ電極等を通して第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２、及びフォトゲート電極ＰＧ等にそれぞれ電気的に接続される貫通電極（不図示）が設けられている。配線基板１０の貫通電極は配線基板１０の裏面に露出している。配線基板１０を構成する絶縁基板における接着領域ＡＤとの界面側の表面には、遮光層（不図示）が形成されており、距離画像センサ１を透過した光の配線基板１０への入射を抑制している。この測距装置は、距離画像センサ１を配線基板１０上にマウントすると、各配線を介して、上記信号をそれぞれの電極に与えることができ、装置が小型化されている。
【００６４】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ハイレベルの信号（正電位）を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下のポテンシャルより高くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ローレベルの信号（グランド電位）を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下のポテンシャルより低くなり、障壁が形成される。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内には引き込まれない。
【００６５】
距離画像センサ１では、投光用の光の入射に応答して半導体深部で発生した電荷を、光入射面１ＢＫとは逆側の電荷発生位置近傍に設けられたポテンシャル井戸に引き込み、高速で正確な測距が可能としている。
【００６６】
半導体基板１Ａの光入射面（裏面）１ＢＫから入射した対象物からのパルス光ＬＤは、半導体基板１Ａの表面側に設けられたフォトゲート電極ＰＧの直下の領域まで至る。パルス光の入射に伴って半導体基板１Ａ内で発生した電荷は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から、これに隣接する第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に振り分けられる。すなわち、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に光源の駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２を、配線基板１０を介して、交互に与えると、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域で発生した電荷が、それぞれ第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ、これらから第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に流れ込む。
【００６７】
第１半導体領域ＦＤ１又は第２半導体領域ＦＤ２内に蓄積された電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する比率は、駆動信号ＳＰを光源に与えることによって出射された出射パルス光と、対象物Ｈによって出射パルス光が反射されることによって戻ってきた検出パルス光の位相差に対応する。
【００６８】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２への駆動信号（検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２）の周波数を増加させることで、この電荷の振り分け速度を増加させても、近赤外光の入射に応じて発生した電荷の発生領域は、半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫよりも、逆側の表面１ＦＴに近いため、多くの電荷はフォトゲート電極ＰＧの直下の領域から第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に流れ込み、これらの領域から、配線基板１０の配線（不図示）を介して、蓄積電荷Ｑ１，Ｑ２を読み出すことができる。
【００６９】
距離画像センサ１は、図示は省略するが、半導体基板１Ａの電位を基準電位に固定するためのバックゲート半導体領域を備えている。バックゲート半導体領域は、高濃度不純物を含有するｐ型の半導体領域である。バックゲート半導体領域の代わりに、ｐ型の拡散領域などのｐ型半導体層を有し、電気的に接続された貫通電極を設けることとしてもよい。
【００７０】
図６は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図６では、下向きがポテンシャルの正方向である。図６において、（ａ）及び（ｂ）は、図５の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。
【００７１】
光入射時において、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、基板電位よりも若干高く設定されている。各図には、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、及び、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２が示されている。
【００７２】
検出用ゲート信号Ｓ１の高電位が、第１ゲート電極ＴＸ１に入力されると、図６（ａ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域を介して、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に蓄積される。第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ１が蓄積されることとなる。
【００７３】
検出用ゲート信号Ｓ１に続いて、検出用ゲート信号Ｓ２の高電位が、第２ゲート電極ＴＸ２に入力されると、図６（ｂ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域を介して、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に蓄積される。第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ２が蓄積されることとなる。
【００７４】
図７は、画素の構成を説明するための模式図である。
【００７５】
第１ゲート電極ＴＸ１には、検出用ゲート信号Ｓ１が与えられる。第２ゲート電極ＴＸ２には、検出用ゲート信号Ｓ２が与えられる。すなわち、第１ゲート電極ＴＸ１と、第２ゲート電極ＴＸ２とには、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。
【００７６】
フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ１が与えられている場合には、第１半導体領域ＦＤ１によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第１半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ１に対応した出力（Ｖｏｕｔ１）として第１半導体領域ＦＤ１から読み出される。フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第２ゲート電極ＴＸ２にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ２が与えられている場合には、第２半導体領域ＦＤ２によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第２半導体領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ２に対応した出力（Ｖｏｕｔ２）として第２半導体領域ＦＤ２から読み出される。これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）が、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
【００７７】
以上のように、本実施形態では、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２が、第１の領域Ｒ１内に入り込むように配置されている。また、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２が、対応する半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の辺ＦＤ１ａ，ＦＤ２ａ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧａ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ａ，ＴＸ２ａと、対応する半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の辺ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ｂ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧｂ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ｂ，ＴＸ２ｂと、を有している。
【００７８】
このため、図８に示された、第１及び第２ゲート電極１０１，１０２が第１の方向Ｄ１に沿って伸びるように第１の領域Ｒ１の外側に配置された画素構成を備える距離画像センサに比して、第１の方向Ｄ１における単位長さ当たりの光利用効率が高くなる。すなわち、フォトゲート電極ＰＧの面積を同じとした場合、距離画像センサ１が、図８に示された距離画像センサよりも開口率が高い。したがって、距離画像センサ１では、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）の面積を増加させ、高感度化を図ることができる。図８に示された距離画像センサでは、フォトゲート電極１００は、第１の方向Ｄ１を長辺方向とする長方形状を呈している。
【００７９】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２それぞれが、上述した二つの部分ＴＸ１ａ，ＴＸ２ａ，ＴＸ１ｂ，ＴＸ２ｂを有することから、図８に示された距離画像センサに比して、その電極長さが長くなり、電極面積が大きくなる。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷が移動し易くなり、電荷の転送効率が向上する。このことからも、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。また、図８に示された距離画像センサにおける各ゲート電極１０１，１０２の長さを距離画像センサ１における各ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と同じに設定する場合、各ゲート電極１０１，１０２の長さが第１の方向Ｄ１に長くなるため、図９に示されるように、デッドスペースＤＳが増加してしまう。
【００８０】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に転送されて、蓄積された電荷（電荷量Ｑ１，Ｑ２）は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の静電容量（Ｃｆｄ）により、下記関係式で示される電圧変化（ΔＶ）をそれぞれ発生させる。
ΔＶ＝Ｑ１／Ｃｆｄ
ΔＶ＝Ｑ２／Ｃｆｄ
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、その縁が２辺ＦＤ１ａ，ＦＤ２ａ，ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ｂを含んでいることから、各半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２におけるゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に沿う部分の長さが長くなり、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積を低減することが可能となる。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が低減されると、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の静電容量（Ｃｆｄ）も低減され、発生する電圧変化（ΔＶ）が大きくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが高くなる。このことからも、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【００８１】
本実施形態では、第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とが、第１の方向Ｄ１に対して斜めに対向して配置されている。このため、フォトゲート電極ＰＧの第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２との対向方向での幅を、フォトゲート電極１００の第１の方向Ｄ１に直交する方向での幅と同じに設定することにより、図８に示された距離画像センサと同等の転送時間で、電荷を確実に転送することが可能となる。この場合、距離画像センサ１では、図８に示された距離画像センサに比して、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）の第１の方向Ｄ１に直交する方向での幅を狭く設定することが可能となり、狭ピッチ化を実現することができる。
【００８２】
本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧが、第１の方向Ｄ１に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈している。これにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域である電荷発生領域も第１の方向Ｄ１に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈することとなる。これにより、第１の領域Ｒ１に配置され且つその縁が第２の領域Ｒ２の縁に含まれる２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿って伸びる２辺を含んだ電荷発生領域を確実に且つ簡易に実現することができる。
【００８３】
続いて、図１０〜図１４を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第１の変形例を説明する。図１０は、第１の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図１１は、図１０におけるXI−XI線に沿った断面構成を示す図である。
【００８４】
第１の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、図４及び図５に示された画素Ｐ（ｍ，ｎ）に対して、不要電荷収集領域と不要電荷収集ゲート電極とを備えている点で相違する。第１の変形例に係る距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数の第３半導体領域ＦＤ３（不要電荷収集領域）と、複数の第３ゲート電極ＴＸ３（不要電荷収集ゲート電極）と、を備えている。
【００８５】
第３半導体領域ＦＤ３は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が配置された第２の領域Ｒ２とは異なる第２の領域Ｒ２内に配置されている。具体的には、第３半導体領域ＦＤ３は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側において、第１半導体領域ＦＤ１が配置された複数の第２の領域Ｒ２の間、もしくは第１半導体領域ＦＤ１が配置された第２の領域Ｒ２の隣、に位置する第２の領域Ｒ２に配置されている。また、第３半導体領域ＦＤ３は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側において、第２半導体領域ＦＤ２が配置された複数の第２の領域Ｒ２の間、もしくは第１半導体領域ＦＤ１が配置された第２の領域Ｒ２の隣、に位置する第２の領域Ｒ２にも配置されている。第３半導体領域ＦＤ３は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とは、空間的に離間して配置されている。
【００８６】
第３半導体領域ＦＤ３は、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿ってそれぞれ伸びる２辺ＦＤ３ａ，ＦＤ３ｂを含んでいる。本変形例では、第３半導体領域ＦＤ３は、矩形形状を呈している。第３半導体領域ＦＤ３は、必ずしも、第１の領域Ｒ１に重複するように配置されている必要はない。第３半導体領域ＦＤ３は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と同じく、高不純物濃度のｎ型半導体からなるフローティング・ディフュージョン領域である。第３半導体領域ＦＤ３の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・半導体領域ＦＤ３：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
【００８７】
第３ゲート電極ＴＸ３は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置している。このため、第３ゲート電極ＴＸ３は、その一部が第１の領域Ｒ１内に入り込むように配置されることとなる。第３ゲート電極ＴＸ３は、第３半導体領域ＦＤ３の辺ＦＤ３ａ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧａ）に沿って伸びる部分ＴＸ３ａと、第３半導体領域ＦＤ３の辺ＦＤ３ｂ、すなわち第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂ（フォトゲート電極ＰＧの辺ＰＧｂ）に沿って伸びる部分ＴＸ３ｂと、を有している。第３ゲート電極ＴＸ３は、平面視でＶ字形状を呈している。
【００８８】
第１〜第３ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３の電極長さ並びに電極面積は、同じに設定されている。第３ゲート電極ＴＸ３は、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と同じく、ポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。
【００８９】
絶縁層１Ｅには、第３半導体領域ＦＤ３の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第３半導体領域ＦＤ３を外部に接続するための導体１１が配置される。図１０では、導体１１の図示を省略している。
【００９０】
第３半導体領域ＦＤ３は、半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの直下の領域で発生した不要電荷を収集する。フォトゲート電極ＰＧの直下の領域で発生した電荷のうち一部の電荷が、不要電荷として、フォトゲート電極ＰＧ及び第３ゲート電極ＴＸ３に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第３ゲート電極ＴＸ３の方向に走行する。
【００９１】
第３ゲート電極ＴＸ３に、ハイレベルの信号（正電位）を与えると、第３ゲート電極ＴＸ３によるゲートの下のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの下の部分のポテンシャルより高くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第３ゲート電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、第３半導体領域ＦＤ３によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第３ゲート電極ＴＸ３に、ローレベルの信号（上記正電位よりも低い電位、例えばグランド電位）を与えると、第３ゲート電極ＴＸ３によるゲートの下のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの下の部分のポテンシャルより高くなり、障壁が形成される。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第３半導体領域ＦＤ３内には引き込まれない。
【００９２】
図１２は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図１３は、不要電荷の排出動作を説明するための、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図１２及び図１３では、下向きがポテンシャルの正方向である。図１２において、（ａ）及び（ｂ）は、図５の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｃ）は、図１１の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。図１３において、（ａ）は、図５の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｂ）は、図１１の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。
【００９３】
図１２及び図１３には、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧ、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャルφＯＦＤが示されている。
【００９４】
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、無バイアス時における隣接する第１〜第３ゲート電極ＴＸ１〜ＴＸ３の直下の領域のポテンシャル（φＴＸ１，φＴＸ２，φＴＸ３）を基準電位とすると、この基準電位よりも高く設定されている。フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧはポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２，φＴＸ３よりも高くなり、この領域のポテンシャル分布は図面の下向きに窪んだ形状となる。
【００９５】
図１２を参照して、信号電荷の蓄積動作を説明する。
【００９６】
第１ゲート電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第１ゲート電極ＴＸ１には正の電位が与えられ、第２ゲート電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図１２（ａ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１が下がることにより、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に流れ込む。
【００９７】
一方、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２は下がらず、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２では、ｎ型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが窪んでいる。
【００９８】
第２ゲート電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第２ゲート電極ＴＸ２には正の電位が与えられ、第１ゲート電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図１２（ｂ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２が下がることにより、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に流れ込む。一方、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１は下がらず、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。
【００９９】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に位相が１８０度ずれた電荷転送信号が印加されている間、第３ゲート電極ＴＸ３にはグランド電位が与えられている。このため、図１２（ｃ）に示されるように、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ３は下がらず、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
【０１００】
以上により、信号電荷が第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷は、外部に読み出される。
【０１０１】
図１３を参照して、不要電荷の排出動作を説明する。
【０１０２】
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２には、グランド電位が与えられている。このため、図１３（ａ）に示されるように、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の領域のポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２は下がらず、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。一方、第３ゲート電極ＴＸ３には正の電位が与えられる。この場合、図１３（ｂ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の半導体のポテンシャルφＴＸ３が下がることにより、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内に流れ込む。以上により、不要電荷が第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集される。第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集された不要電荷も、外部に排出される。
【０１０３】
図１４は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
【０１０４】
１フレームの期間ＴＦは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔｒｏと、からなる。１つの画素に着目すると、蓄積期間Ｔａｃｃにおいて、パルス駆動信号ＳＰ複数のパルスに同期した駆動信号が光源に印加され、これに同期して、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２が互いに逆位相で第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。なお、距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、複数の駆動振動パルスが逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に信号電荷が積算して蓄積される。
【０１０５】
その後、読み出し期間Ｔｒｏにおいて、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第３ゲート電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ３がＯＮして、第３ゲート電極ＴＸ３に正の電位が与えられ、不要電荷が第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集される。
【０１０６】
図１５は、各種信号の変形例を示すタイミングチャートである。
【０１０７】
図１５に示された変形例では、駆動信号ＳＤに関し、上述の実施形態に比して、デューティ比（単位周期に対するＯＮの割合）が小さく設定されている。これにより、光源のＯＮ時の駆動パワーが増加し、Ｓ／Ｎ比がより一層向上する。本変形例では、駆動信号ＳＤの一つのパルス毎に、第１〜第３ゲート電極ＴＸ１〜ＴＸ３の一つのパルスをそれぞれ発生させている。これにより、光源の駆動パワーを増加させた場合でも、不要電荷を排出して、距離検出精度を向上することができる。
【０１０８】
第１の変形例においては、不要電荷が第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積されるのが抑制される。このため、距離画像センサ１での距離検出精度を向上することができる。もちろん、第１の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【０１０９】
第１の変形例では、第３半導体領域ＦＤ３は、その縁が第２の領域Ｒ２の２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂに沿ってそれぞれ伸びる２辺ＦＤ３ａ，ＦＤ３ｂを含んでいる。第３ゲート電極ＴＸ３は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置し、第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ａに沿って伸びる部分ＴＸ３ａと、第２の領域Ｒ２の辺Ｒ２ｂに沿って伸びる部分ＴＸ３ｂと、を有している。これにより、不要電荷の排出を効率よく行なうことができる。
【０１１０】
続いて、図１６〜図１８を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第２の変形例を説明する。図１６は、第２の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図１７は、図１６におけるXVII−XVII線に沿った断面構成を示す図である。図１８は、図１６におけるXVIII−XVIII線に沿った断面構成を示す図である。
【０１１１】
第２の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、第１の変形例に対して、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３及び第１〜第３ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３の位置の点で相違する。第２の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数の第３半導体領域ＦＤ３と、複数の第３ゲート電極ＴＸ３と、を備えている。
【０１１２】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２に配置されている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１の方向Ｄ１に沿って、空間的に離間し且つ交互に配置されている。第３半導体領域ＦＤ３は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側に設けられた第２の領域Ｒ２に配置されている。
【０１１３】
第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、ｐ型のウェル領域Ｗと重複し且つ第１の領域Ｒ１側とは反対側の部分がウェル領域Ｗに囲まれるようにそれぞれ形成されている。第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３の周辺は、基板、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の不純物濃度よりも、さらに高濃度のウェル領域Ｗで囲まれているので、各半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３からの空乏層の広がりを抑えるとともに、リーク電流の低減を図り、更に、クロストークや迷光による不要電荷の捕獲を低減することができる。ウェル領域Ｗは、フォトゲート電極ＰＧへの電圧の印加によって広がった空乏層と、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３から広がる空乏層との結合を抑制している。
【０１１４】
ウェル領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・ウェル領域Ｗ：厚さ０．５〜５μｍ／不純物濃度１×１０１６〜１０１８ｃｍ−３
【０１１５】
第２の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができると共に、距離画像センサ１での距離検出精度を向上することができる。
【０１１６】
第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３とウェル領域Ｗとを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが第１の領域Ｒ１の２辺Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの対向方向（第１の方向Ｄ１に直交する方向）で位置ずれしている場合、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とウェル領域Ｗとの重複領域の上記対向方向での幅にばらつきが生じてしまう。例えば、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とウェル領域Ｗとが重複している領域の上記対向方向での幅が広がると、ポテンシャルのバリア（障壁）が形成され、電荷の流れに支障が生じる。
【０１１７】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２にそれぞれ配置されているので、第１半導体領域ＦＤ１とウェル領域Ｗとの重複領域の上記対向方向での幅が狭くなると、第２半導体領域ＦＤ２とウェル領域Ｗとの重複領域の上記対向方向での幅も狭くなる。逆に、第１半導体領域ＦＤ１とウェル領域Ｗとの重複領域の上記対向方向での幅が広くなると、第２半導体領域ＦＤ２とウェル領域Ｗとの重複領域の対向方向での幅も広くなる。したがって、第１半導体領域ＦＤ１に向かうポテンシャルの傾斜と第２半導体領域ＦＤ２に向かうポテンシャルの傾斜とが同じとなり、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２への電荷の転送に支障が生じることはない。すなわち、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とウェル領域Ｗとを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷を、第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とに適切に振り分けることができる。この結果、第１半導体領域ＦＤ１に蓄積された電荷量Ｑ１と、第２半導体領域ＦＤ２に蓄積された電荷量Ｑ２と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。したがって、第２の変形例に係る距離画像センサ１によれば、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
【０１１８】
続いて、図１９〜図２１を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第３の変形例を説明する。図１９は、第３の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図２０は、図１９におけるXX−XX線に沿った断面構成を示す図である。図２１は、図１９におけるXXI−XXI線に沿った断面構成を示す図である。
【０１１９】
第３の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、第１及び第２の変形例に対して、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３及び第１〜第３ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３の位置の点で相違する。第３の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数の第３半導体領域ＦＤ３と、複数の第３ゲート電極ＴＸ３と、を備えている。
【０１２０】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側に設けられた第２の領域Ｒ２と第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２とに配置されている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、辺Ｒ１ａ側及び辺Ｒ１ｂ側それぞれにおいて、第１の方向Ｄ１に沿って、空間的に離間し且つ交互に配置されている。
【０１２１】
第３半導体領域ＦＤ３も、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側に設けられた第２の領域Ｒ２と第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ｂ側に設けられた第２の領域Ｒ２とにそれぞれ配置されている。具体的には、第３半導体領域ＦＤ３は、第１の方向Ｄ１に見て、辺Ｒ１ａ側又は辺Ｒ１ｂ側において第１の方向Ｄ１に隣り合う第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が配置された二つの第２の領域Ｒ２の間に位置すると共に、当該二つの第２の領域Ｒ２それぞれに第１の方向Ｄ１に交差する方向で対向する第２の領域Ｒ２に配置されている。図１９において、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、上から第１半導体領域ＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３の順に配置されており、辺Ｒ１ａ側では、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、第３半導体領域ＦＤ３、第１半導体領域ＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３の順に配置されている。また、辺Ｒ１ｂ側では、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、第１半導体領域ＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３、第１半導体領域ＦＤ１の順に配置されている。
【０１２２】
第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、ｐ型のウェル領域Ｗと重複し且つ第１の領域Ｒ１側とは反対側の部分がウェル領域Ｗに囲まれるようにそれぞれ形成されている。したがって、各半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３からの空乏層の広がりを抑えるとともに、リーク電流の低減を図り、更に、クロストークや迷光による不要電荷の捕獲を低減することができる。ウェル領域Ｗは、フォトゲート電極ＰＧへの電圧の印加によって広がった空乏層と、第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３から広がる空乏層との結合を抑制している。
【０１２３】
第３の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができると共に、距離画像センサ１での距離検出精度を向上することができる。
【０１２４】
第３の変形例では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が、第１の領域Ｒ１の辺Ｒ１ａ側及び辺Ｒ１ｂ側それぞれに設けられた異なる第２の領域Ｒ２に配置されている。このため、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とウェル領域Ｗとを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、上述したように、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷を、第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とに適切に振り分けることができる。この結果、第３の変形例に係る距離画像センサ１においても、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
【０１２５】
続いて、図２２を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第４の変形例を説明する。図２２は、第４の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【０１２６】
第４の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、図４及び図５に示された画素Ｐ（ｍ，ｎ）に対して、第２の領域Ｒ２、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、並びに第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の形状の点で相違する。第４の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、を備えている。
【０１２７】
第２の領域Ｒ２は、２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂをそれぞれ斜辺とする台形形状を呈している。第２の領域Ｒ２は、２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを含む三角形形状や多角形形状を呈していてもよい。第１半導体領域ＦＤ１は、２辺ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂをそれぞれ斜辺とする台形形状を呈している。第２半導体領域ＦＤ２も、２辺ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂをそれぞれ斜辺とする台形形状を呈している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２も、２辺ＦＤ１ａ，ＦＤ２ａ，ＦＤ１ｂ，ＦＤ２ｂを含む三角形形状や多角形形状を呈していてもよい。第１ゲート電極ＴＸ１は、二つの部分ＴＸ１ａ，ＴＸ１ｂと、二つの部分ＴＸ１ａ，ＴＸ１ｂを連結する部分ＴＸ１ｃと、を有している。第２ゲート電極ＴＸ２も、二つの部分ＴＸ２ａ，ＴＸ２ｂと、二つの部分ＴＸ２ａ，ＴＸ２ｂを連結する部分ＴＸ２ｃと、を有している。
【０１２８】
第４の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【０１２９】
続いて、図２３を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第５の変形例を説明する。図２３は、第５の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【０１３０】
第５の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、図４及び図５に示された画素Ｐ（ｍ，ｎ）に対して、第２の領域Ｒ２、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、並びに第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の形状の点で相違する。第５の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、を備えている。
【０１３１】
第２の領域Ｒ２は、２辺Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを含む三角形形状を呈している。第１半導体領域ＦＤ１は、辺ＦＤ１ａを含む三角形形状を呈している。第２半導体領域ＦＤ２も、辺ＦＤ２ｂを含む三角形形状を呈している。第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とは、一つの第２の領域Ｒ２内に配置されている。
【０１３２】
第１ゲート電極ＴＸ１は、一つの部分ＴＸ１ａを有している。すなわち、第１ゲート電極ＴＸ１は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間に位置すると共に、フォトゲート電極ＰＧの一つの辺ＰＧａに沿って伸びている。第２ゲート電極ＴＸ２も、一つの部分ＴＸ２ｂを有している。すなわち、第２ゲート電極ＴＸ２は、第２の領域Ｒ２内におけるフォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に位置すると共に、フォトゲート電極ＰＧの一つの辺ＰＧｂに沿って伸びている。
【０１３３】
第５の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【０１３４】
続いて、図２４を参照して、距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）の構成に関する第６の変形例を説明する。図２４は、第６の変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【０１３５】
第６の変形例に係る距離画像センサ１の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、図４及び図５に示された画素Ｐ（ｍ，ｎ）に対して、第２の領域Ｒ２、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、並びに第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の形状の点で相違する。第６の変形例に係る距離画像センサ１も、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、半導体基板１Ａに設けられた、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、を備えている。
【０１３６】
第２の領域Ｒ２は、第１の領域Ｒ１と重複する部分の縁が円弧Ｒ２ｃを含んでいる。フォトゲート電極ＰＧは、その縁が第２の領域Ｒ２の縁に円弧Ｒ２ｃに沿って円弧ＰＧｃを含んでいる。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、その縁が円弧ＰＧｃを含むように形成されることで、異なる方向に交互に湾曲した形状を呈することとなる。
【０１３７】
第１半導体領域ＦＤ１は、その縁が第２の領域Ｒ２の円弧Ｒ２ｃに沿って伸びる円弧ＦＤ１ｃを含んでいる。第２半導体領域ＦＤ２も、第１半導体領域ＦＤ１と同様に、その縁が第２の領域Ｒ２の円弧Ｒ２ｃに沿って伸びる円弧ＦＤ２ｃを含んでいる。本実施形態では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、円形形状を呈している。
【０１３８】
第１ゲート電極ＴＸ１は、第１半導体領域ＦＤ１の円弧ＦＤ１ｃ、すなわち第２の領域Ｒ２の円弧Ｒ２ｃ（フォトゲート電極ＰＧの円弧ＰＧｃ）に沿って伸びる部分ＴＸ１ｃを有している。第２ゲート電極ＴＸ２は、第２半導体領域ＦＤ２の円弧ＦＤ２ｃ、すなわち第２の領域Ｒ２の円弧Ｒ２ｃ（フォトゲート電極ＰＧの円弧ＰＧｃ）に沿って伸びる部分ＴＸ２ｃを有している。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で略Ｃ字形状を呈している。
【０１３９】
第６の変形例においても、上述したように、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【０１４０】
第６の変形例では、フォトゲート電極ＰＧが、異なる方向に交互に湾曲した形状を呈している。これにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域である電荷発生領域も異なる方向に交互に湾曲した形状を呈することとなる。これにより、第１の領域Ｒ１に配置され且つその縁が第２の領域Ｒ２の縁に含まれる円弧Ｒ２ｃに沿って伸びる円弧を含んだ電荷発生領域を確実に且つ簡易に実現することができる。
【０１４１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【０１４２】
入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域をフォトダイオード（例えば、埋め込み型のフォトダイオード等）により構成してもよい。第２の領域Ｒ２の第１の方向Ｄ１での数は、上述した実施形態及び各変形例に示された数に限られない。距離画像センサ１は、表面照射型の距離画像センサであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタや車両等に搭載される距離センサ及び距離画像センサに利用できる。
【符号の説明】
【０１４４】
１…距離画像センサ、１Ａ…半導体基板、Ｄ１…第１の方向、ＦＤ１…第１半導体領域、ＦＤ１ａ，ＦＤ１ｂ…辺、ＦＤ１ｃ…円弧、ＦＤ２…第２半導体領域、ＦＤ２ａ，ＦＤ２ｂ…辺、ＦＤ２ｃ…円弧、ＦＤ３…第３半導体領域、ＦＤ３ａ，ＦＤ３ｂ…辺、ＰＧ…フォトゲート電極、ＰＧａ，ＰＧｂ…辺、ＰＧｃ…円弧、Ｒ１…第１の領域、Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ…辺、Ｒ２…第２の領域、Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ…辺、Ｒ２ｃ…円弧、ＴＸ１…第１ゲート電極、ＴＸ１ａ，ＴＸ１ｂ，ＴＸ１ｃ…部分、ＴＸ２…第２ゲート電極、ＴＸ２ａ，ＴＸ２ｂ，ＴＸ１ｃ…部分、ＴＸ３ 第３ゲート電極、ＴＸ３ａ，ＴＸ３ｂ…部分、Ｗ…ウェル領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの信号電荷を収集する複数の信号電荷収集領域と、
前記信号電荷収集領域のそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、を備えており、
前記電荷発生領域は、矩形形状を呈し且つ第１の方向に伸びる第１の領域内に配置され、
前記信号電荷収集領域は、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる辺側に設けられ且つ前記第１の方向での位置が互いにずれている複数の第２の領域内に配置され、
前記第２の領域は、前記第１の領域と重複する部分を有し且つ前記第１の領域と重複する前記部分の縁が前記第１の方向と交差する方向に伸びる２辺、又は、円弧を含み、
前記信号電荷収集領域は、その縁が前記第２の領域の前記縁に含まれる前記辺に沿って伸びる辺、又は、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記円弧に沿って伸びる円弧を含み、
前記転送電極は、前記第２の領域内における前記電荷発生領域と前記信号電荷収集領域との間に位置すると共に、前記信号電荷収集領域の前記縁に含まれる前記辺又は前記円弧に沿って伸びる部分を有し、
前記電荷発生領域は、その縁が前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びる２辺、又は、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記円弧に沿って伸びる円弧を含んでいることを特徴とする距離センサ。
【請求項２】
前記複数の信号電荷収集領域が、第１及び第２の信号電荷収集領域を含み、
前記第１の信号電荷収集領域と前記第２の信号電荷収集領域とが、それぞれ異なる前記第２の領域に配置され、
前記第１及び第２の信号電荷収集領域の前記縁が、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びる２辺を含んでおり、
前記転送電極は、各前記信号電荷収集領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びる部分を有していることを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
【請求項３】
前記第１の信号電荷収集領域が、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた前記第２の領域に配置され、
前記第２の信号電荷収集領域が、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる前記第２の辺側に設けられた前記第２の領域に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の距離センサ。
【請求項４】
空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、
前記電荷発生領域から前記不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、
前記不要電荷収集領域は、前記第１の信号電荷収集領域が配置された前記複数の第２の領域の間に位置する前記第２の領域に配置されると共に、前記第２の信号電荷収集領域が配置された前記複数の第２の領域の間に位置する前記第２の領域に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の距離センサ。
【請求項５】
前記第１及び第２の信号電荷収集領域が、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた前記第２の領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項２に記載の距離センサ。
【請求項６】
空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、
前記電荷発生領域から前記不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、
前記不要電荷収集領域は、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた前記第２の領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項５に記載の距離センサ。
【請求項７】
前記第１及び第２の信号電荷収集領域が、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた前記第２の領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項５に記載の距離センサ。
【請求項８】
空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、
前記電荷発生領域から前記不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、
前記不要電荷収集領域は、前記第１の領域の前記第１及び第２の辺側に設けられた前記第２の領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項７に記載の距離センサ。
【請求項９】
前記不要電荷収集領域の縁が、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びる２辺を含み、
前記不要電荷収集ゲート電極が、前記第２の領域内における前記電荷発生領域と前記不要電荷収集領域との間に位置すると共に、前記不要電荷収集領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びていることを特徴とする請求項４、６、又は８に記載の距離センサ。
【請求項１０】
前記複数の信号電荷収集領域が、第１及び第２の信号電荷収集領域を含み、
前記第１の信号電荷収集領域と前記第２の信号電荷収集領域とが、一つの前記第２の領域に配置され、
前記第１の信号電荷収集領域の前記縁が、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺のうちの一方の辺に沿って伸びる辺を含み、
前記第２の信号電荷収集領域の前記縁が、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺のうちの他方の辺に沿って伸びる辺を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
【請求項１１】
前記電荷発生領域が、前記第１の方向に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の距離センサ。
【請求項１２】
前記電荷発生領域が、異なる方向に交互に湾曲した形状を呈していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の距離センサ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の距離センサと、
光源と、
前記光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、
前記転送電極に、前記パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、
前記信号電荷収集領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備えていることを特徴とする距離画像センサ。
【請求項１】
入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの信号電荷を収集する複数の信号電荷収集領域と、
前記信号電荷収集領域のそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、を備えており、
前記電荷発生領域は、矩形形状を呈し且つ第１の方向に伸びる第１の領域内に配置され、
前記信号電荷収集領域は、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる辺側に設けられ且つ前記第１の方向での位置が互いにずれている複数の第２の領域内に配置され、
前記第２の領域は、前記第１の領域と重複する部分を有し且つ前記第１の領域と重複する前記部分の縁が前記第１の方向と交差する方向に伸びる２辺、又は、円弧を含み、
前記信号電荷収集領域は、その縁が前記第２の領域の前記縁に含まれる前記辺に沿って伸びる辺、又は、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記円弧に沿って伸びる円弧を含み、
前記転送電極は、前記第２の領域内における前記電荷発生領域と前記信号電荷収集領域との間に位置すると共に、前記信号電荷収集領域の前記縁に含まれる前記辺又は前記円弧に沿って伸びる部分を有し、
前記電荷発生領域は、その縁が前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びる２辺、又は、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記円弧に沿って伸びる円弧を含んでいることを特徴とする距離センサ。
【請求項２】
前記複数の信号電荷収集領域が、第１及び第２の信号電荷収集領域を含み、
前記第１の信号電荷収集領域と前記第２の信号電荷収集領域とが、それぞれ異なる前記第２の領域に配置され、
前記第１及び第２の信号電荷収集領域の前記縁が、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びる２辺を含んでおり、
前記転送電極は、各前記信号電荷収集領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びる部分を有していることを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
【請求項３】
前記第１の信号電荷収集領域が、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた前記第２の領域に配置され、
前記第２の信号電荷収集領域が、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる前記第２の辺側に設けられた前記第２の領域に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の距離センサ。
【請求項４】
空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、
前記電荷発生領域から前記不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、
前記不要電荷収集領域は、前記第１の信号電荷収集領域が配置された前記複数の第２の領域の間に位置する前記第２の領域に配置されると共に、前記第２の信号電荷収集領域が配置された前記複数の第２の領域の間に位置する前記第２の領域に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の距離センサ。
【請求項５】
前記第１及び第２の信号電荷収集領域が、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる第１の辺側に設けられた前記第２の領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項２に記載の距離センサ。
【請求項６】
空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、
前記電荷発生領域から前記不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、
前記不要電荷収集領域は、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた前記第２の領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項５に記載の距離センサ。
【請求項７】
前記第１及び第２の信号電荷収集領域が、前記第１の領域の前記第１の方向に伸びる第２の辺側に設けられた前記第２の領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項５に記載の距離センサ。
【請求項８】
空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を収集する複数の不要電荷収集領域と、
前記電荷発生領域から前記不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を更に備えており、
前記不要電荷収集領域は、前記第１の領域の前記第１及び第２の辺側に設けられた前記第２の領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項７に記載の距離センサ。
【請求項９】
前記不要電荷収集領域の縁が、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びる２辺を含み、
前記不要電荷収集ゲート電極が、前記第２の領域内における前記電荷発生領域と前記不要電荷収集領域との間に位置すると共に、前記不要電荷収集領域の前記縁に含まれる前記２辺に沿って伸びていることを特徴とする請求項４、６、又は８に記載の距離センサ。
【請求項１０】
前記複数の信号電荷収集領域が、第１及び第２の信号電荷収集領域を含み、
前記第１の信号電荷収集領域と前記第２の信号電荷収集領域とが、一つの前記第２の領域に配置され、
前記第１の信号電荷収集領域の前記縁が、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺のうちの一方の辺に沿って伸びる辺を含み、
前記第２の信号電荷収集領域の前記縁が、前記第２の領域の前記縁に含まれる前記２辺のうちの他方の辺に沿って伸びる辺を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
【請求項１１】
前記電荷発生領域が、前記第１の方向に交差する２方向に交互に屈曲した形状を呈していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の距離センサ。
【請求項１２】
前記電荷発生領域が、異なる方向に交互に湾曲した形状を呈していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の距離センサ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の距離センサと、
光源と、
前記光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、
前記転送電極に、前記パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、
前記信号電荷収集領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備えていることを特徴とする距離画像センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
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【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１２−８３２１３（Ｐ２０１２−８３２１３Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２９７７６（Ｐ２０１０−２２９７７６）
【出願日】平成２２年１０月１２日（２０１０．１０．１２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１２日（２０１０．１０．１２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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