距離センサ及び距離画像センサ
【課題】高感度化を図りつつ、電荷の高速転送を実現す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】フォトゲート電極ＰＧは、平面形状が第１方向で互いに対向する第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２と第２方向で互いに対向する第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２とを有する長方形状である。複数の半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１方向でフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向し且つ第２方向に沿って互いに空間的に離間して配置されている。フォトゲート電極ＰＧの直下の領域は、第１方向で対向する半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の間に位置する第１領域ＣＧ１と、第１領域ＣＧ１に第２方向で挟まれる第２領域ＣＧ２と、を含む。第３半導体領域ＳＲ１は、第２領域ＣＧ２に配置されている。第３半導体領域ＳＲ１は、第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めている。
【解決手段】フォトゲート電極ＰＧは、平面形状が第１方向で互いに対向する第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２と第２方向で互いに対向する第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２とを有する長方形状である。複数の半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１方向でフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向し且つ第２方向に沿って互いに空間的に離間して配置されている。フォトゲート電極ＰＧの直下の領域は、第１方向で対向する半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の間に位置する第１領域ＣＧ１と、第１領域ＣＧ１に第２方向で挟まれる第２領域ＣＧ２と、を含む。第３半導体領域ＳＲ１は、第２領域ＣＧ２に配置されている。第３半導体領域ＳＲ１は、第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めている。
【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一対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】国際公開第２００７／１１９６２６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、電荷発生領域の平面形状として、電荷発生領域の面積を増加させて高感度化を図る、及び、信号電荷収集領域の対向方向での電荷の転送速度を高める、などの観点から、互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状が採用されることがある。この場合、信号電荷収集領域は、第１及び第２長辺の対向方向で電荷発生領域を挟んで対向するように配置される。
【０００９】
しかしながら、電荷発生領域の平面形状が上記長方形状とされ、信号電荷収集領域が、第１及び第２長辺の対向方向で電荷発生領域を挟んで対向するように配置された場合、以下のような問題点が生じる懼れがあることが新たに判明した。
【００１０】
第１及び第２長辺の対向方向では、転送電極及び信号電荷収集領域による電界が作用することから、電荷発生領域に発生した電荷を高速に転送することが可能であるものの、第１及び第２短辺の対向方向では、転送電極及び信号電荷収集領域による電界が十分に作用し難く、特に、電荷発生領域の第１及び第２短辺近くで発生した電荷を高速で転送することは困難となる。
【００１１】
信号電荷収集領域及び転送電極を、それぞれ第１及び第２短辺の対向方向に伸ばすことにより、電荷発生領域の第１及び第２短辺近くで発生した電荷を高速で転送することは可能となる。しかしながら、信号電荷収集領域を第１及び第２短辺の対向方向に伸ばすことにより、信号電荷収集領域の面積が大きくなると、下記の理由により、距離センサの感度が低下してしまう。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
信号電荷収集領域の面積が増加すると、信号電荷収集領域の静電容量も増加し、発生する電圧変化が小さくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが低くなる。このため、距離センサの感度が低下することとなる。
【００１２】
上述したように、距離センサの高感度化を図るためには、信号電荷収集領域の面積は小さくせざるを得ず、信号電荷収集領域の第１及び第２短辺の対向方向での長さは、電荷発生領域の第１及び第２短辺の対向方向での長さよりも短く設定することが求められる。このため、転送電極を第１及び第２短辺の対向方向で伸ばしたとしても、転送電極直下の領域を第１及び第２短辺の対向方向に電荷を転送することは困難であり、依然として、電荷の転送速度が低いという問題点は解決できない。
【００１３】
本発明は、高感度化を図りつつ、電荷の高速転送を実現す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】
【００１４】
本発明に係る距離センサは、入射光に応じて電荷を発生し、且つその平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状である電荷発生領域と、第１長辺と第２長辺とが対向する第１方向で電荷発生領域を挟んで対向し且つ第１短辺と第２短辺とが対向する第２方向に沿って互いに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、信号電荷収集領域と電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、電荷発生領域における第１方向で対向する電荷収集領域の間に位置する第１領域同士に第２方向で挟まれる第２領域に配置され、電荷発生領域の第２領域でのポテンシャルを第１領域でのポテンシャルよりも高めるポテンシャル調整手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る距離センサでは、ポテンシャル調整手段により、電荷発生領域の第２領域でのポテンシャルが、第１領域でのポテンシャルよりも高められている。このため、電荷発生領域の第２領域近くで発生した電荷は、ポテンシャルの高低差により、第１領域に向かって第２方向に移動し易くなる。電荷発生領域の第１領域に向かって第２方向に移動してきた電荷は、転送電極及び信号電荷収集領域による電界により、高速に転送される。したがって、信号電荷収集領域の対向方向（第１方向）での長さよりも当該対向方向に直交する方向（第２方向）での長さを長く設定することにより電荷発生領域の大面積化を図る、すなわち、電荷発生領域の平面形状を上記長方形状とすること、及び、信号電荷収集領域の面積を小さく設定することにより、高感度化を図った場合であっても、電荷発生領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
【００１６】
ポテンシャル調整手段は、電荷発生領域と同じ導電型であり、電荷発生領域よりも不純物濃度が高い半導体領域であってもよい。この場合、第２方向で電荷発生領域を挟んで対向して配置される半導体領域の不純物濃度が電荷発生領域よりも高いので、ポテンシャルの高低差を大きくすることができる。不純物濃度を調整することにより上記半導体領域を形成することができるため、ポテンシャル調整手段を簡易に実現することができる。
【００１７】
電荷発生領域上に配置されるフォトゲート電極を更に備えており、ポテンシャル調整手段は、フォトゲート電極に与えられる電位よりも低い電位が与えられる電極であってもよい。この場合、第２方向で電荷発生領域を挟んで対向して配置される電極に与えられる電位がフォトゲート電極に与えられる電位よりも低いので、ポテンシャルの高低差を大きくすることができる。電極といった簡易な構成により、ポテンシャル調整手段を容易に実現することができる。
【００１８】
本発明に係る距離画像センサは、一次元状又は二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、１つのユニットは、上記距離センサであることを特徴とする。本発明では、上述したように、電荷発生領域の平面形状を上記長方形状とすること、及び、信号電荷収集領域の面積を小さく設定することにより、高感度化を図った場合であっても、電荷発生領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高感度化を図りつつ、電荷の高速転送を実現す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】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る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】図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。
【図７】信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図８】信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図９】画素の構成を説明するための模式図である。
【図１０】各種信号のタイミングチャートである。
【図１１】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図１２】図１１におけるXII−XII線に沿った断面構成を示す図である。
【図１３】画素の構成を説明するための模式図である。
【図１４】各種信号のタイミングチャートである。
【図１５】信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図１６】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図１７】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図１８】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図１９】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図２０】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図２１】距離画像センサの変形例における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】
【００２１】
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。
【００２２】
図１は、測距装置の構成を示す説明図である。
【００２３】
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〜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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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）
【００２８】
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）
【００２９】
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。
【００３０】
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’（ｍ，ｎ）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
距離画像センサ１は、表面入射型の距離画像センサであって、半導体基板１Ａを備えている。距離画像センサ１には、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ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１ＦＴとは逆側の裏面１ＢＫ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、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。距離画像センサ１は、所定の位置に開口が形成された遮光層ＬＩを備えている。遮光層ＬＩは、光入射面１ＦＴの前方に配置されている。
【００３５】
図３は、距離画像センサの概略平面図である。
【００３６】
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。
【００３７】
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。図６は、図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。図４では、導体１１の図示を省略している。
【００３８】
距離画像センサ１は、互いに対向する光入射面１ＦＴと裏面１ＢＫとを有する半導体基板１Ａを備えている。半導体基板１Ａは、裏面１ＢＫ側に位置するｐ型の第１基板領域１Ａａと、第１基板領域１Ａａよりも不純物濃度が低く且つ光入射面１ＦＴ側に位置するｐ−型の第２基板領域１Ａｂと、からなる。半導体基板１Ａは、例えば、ｐ型の半導体基板上に、当該半導体基板よりも不純物濃度が低いｐ−型のエピタキシャル層を成長させることにより得ることができる。
【００３９】
距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数（本実施形態では、３つ）の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数（本実施形態では、３つ）の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数（本実施形態では、２つ）の第３半導体領域ＳＲ１と、を備えている。フォトゲート電極ＰＧは、光入射面１ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられている。各第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、光入射面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。各第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、対応するゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する。第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と逆の導電型である。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。
【００４０】
フォトゲート電極ＰＧは、平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２と互いに対向する第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２とを有する長方形状を呈している。本実施形態では、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の長さと、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の長さとの比は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。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。
【００４１】
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として機能する。したがって、電荷発生領域はフォトゲート電極ＰＧに対応した平面形状、すなわち互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状を呈することとなる。
【００４２】
各第１半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において当該第１長辺ＬＳ１に沿って互いに空間的に離間して配置されている。各第２半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側において当該第２長辺ＬＳ２に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で矩形状を呈している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さと、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の長さとの比は、例えば１：０．５〜１：２程度に設定される。本実施形態では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、正方形状を呈している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、信号電荷収集領域として機能する。
【００４３】
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）は、複数（本実施形態では、３つ）の第１領域ＣＧ１と、複数（本実施形態では、２つ）の第２領域ＣＧ２と、を含んでいる。第１領域ＣＧ１は、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で対向する第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の間に位置している。第２領域ＣＧ２は、第１領域ＣＧ１同士に第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向で挟まれている。
【００４４】
第１ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間にそれぞれ設けられている。第２ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間にそれぞれ設けられている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の長辺方向、すなわち、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さと、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の短辺方向での長さとの比は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。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。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、転送電極として機能する。
【００４５】
第３半導体領域ＳＲ１は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）の第２領域ＣＧ２に配置されている。第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向で第１領域ＣＧ１を挟んで対向して配置されている。第３半導体領域ＳＲ１は、平面視で矩形状を呈している。第３半導体領域ＳＲ１は、第１短辺ＳＳ１と第２短辺ＳＳ２との間にわたって設けられている。本実施形態では、第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。
【００４６】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は高不純物濃度のｎ型半導体からなる領域であり、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ＳＲ１は、半導体基板１Ａと同じ導電型であり且つ半導体基板１Ａよりも不純物濃度が高い、すなわち高不純物濃度のｐ型半導体からなる領域である。第３半導体領域ＳＲ１は、ｐ型ウエル領域であってもよく、また、ｐ型拡散領域であってもよい。
【００４７】
各領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・半導体基板１Ａの第１基板領域１Ａａ：厚さ５〜７００μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
・半導体基板１Ａの第２基板領域１Ａｂ：厚さ３〜３０μｍ／不純物濃度１×１０１３〜１０１６ｃｍ−３
・第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
・第３半導体領域ＳＲ１：厚さ１〜５μｍ／不純物濃度１×１０１６〜１０１８ｃｍ−３
【００４８】
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。
【００４９】
遮光層ＬＩには、フォトゲート電極ＰＧに対応する位置に開口ＬＩａが形成されている。したがって、遮光層ＬＩの開口ＬＩａを通して、半導体基板１Ａ（フォトゲート電極ＰＧの直下の領域）に光が入射する。半導体基板１Ａにおける第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が配置された領域は、遮光層ＬＩに覆われており、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に光が入射するのを防止している。これにより、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に入射した光による不要電荷の発生を防止することができる。遮光層ＬＩは、例えば、アルミニウムなどのメタル（金属）等からなる。
【００５０】
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の直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。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によるポテンシャル障壁が生じる。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。
【００５１】
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１ＦＴ側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。
【００５２】
半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ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の直下の領域に至る。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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
図７及び図８は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図７及び図８では、下向きがポテンシャルの正方向である。
【００５６】
光入射時において、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位（第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に与えられる高い方の電位と低い方の電位の中間の電位）により、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。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。
【００５７】
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７（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。
【００５８】
このとき、図８に示されるように、第３半導体領域ＳＲ１が配置されていることにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、第２領域ＣＧ２側で高められている。したがって、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域には、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向において、第２領域ＣＧ２側から第１領域ＣＧ１側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されている。
【００５９】
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第２領域ＣＧ２近くで発生した電荷は、第３半導体領域ＳＲ１により形成される上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第１領域ＣＧ１に向かって速やかに移動する。そして、移動してきた電荷は、上述したように、第１ゲート電極ＴＸ１及び第１半導体領域ＦＤ１の電界により形成されるポテンシャルの勾配にしたがって、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。
【００６０】
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７（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。
【００６１】
このときも、図８に示されるように、第３半導体領域ＳＲ１が配置されていることにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、第２領域ＣＧ２側で高められている。したがって、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域には、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向において、第２領域ＣＧ２側から第１領域ＣＧ１に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されている。
【００６２】
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第２領域ＣＧ２近くで発生した電荷は、第３半導体領域ＳＲ１により形成される上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第１領域ＣＧ１に向かって速やかに移動する。そして、移動してきた電荷は、上述したように、第２ゲート電極ＴＸ２及び第２半導体領域ＦＤ２の電界により形成されるポテンシャルの勾配にしたがって、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。
【００６３】
図９は、画素の構成を説明するための模式図である。
【００６４】
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。
【００６５】
フォトゲート電極ＰＧの直下の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）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
【００６６】
図１０は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
【００６７】
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、複数のパルスを有するパルス駆動信号ＳＰに基づいた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。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。
【００６８】
電荷を振分ける際には、第１ゲート電極ＴＸ１と第２ゲート電極ＴＸ２のうち、通常は、一方のゲート電極（例えば、第１ゲート電極ＴＸ１）に正のハイレベルの検出用信号が与えられると共に、他方のゲート電極（例えば、第２ゲート電極ＴＸ２）には１８０度位相が異なった検出用信号が与えられる。このとき、他方のゲート電極（例えば、第２ゲート電極ＴＸ２）に印加する検出用信号をよりローレベル（例えば、グランド電位）を印加すると、第２ゲート電極ＴＸ２の直下のポテンシャルが上がり、ポテンシャルの山が形成される。これにより、電荷がフォトゲート電極ＰＧ側から第２半導体領域ＦＤ２へ流れ難くなり、不要なノイズ成分の発生を抑制することができる。
【００６９】
以上のように、本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧの平面形状が長方形状に設定されている。これにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）の面積を増加させて距離画像センサ１の高感度化を図りつつ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２での電荷の転送速度を高めることができる。
【００７０】
そして、本実施形態では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さがフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さよりも極めて小さく設定され、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積もフォトゲート電極ＰＧの面積に比して小さく設定されている。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）における第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に電荷を転送可能な領域の面積に対し、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が相対的に大きく低減されることとなる。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
したがって、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。
【００７１】
ところで、本実施形態では、第３半導体領域ＳＲ１により、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）の第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルが、第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高められており、第１領域ＣＧ１に向かって低くされたポテンシャルの勾配が形成されている。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第２領域ＣＧ２近くで発生した電荷は、上記ポテンシャルの勾配により、第１領域ＣＧ１に向かって第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に移動し易くなる。第２領域ＣＧ２側から第１領域ＣＧ１に向かって第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に移動してきた電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１及び第１半導体領域ＦＤ１による電界、又は、第２ゲート電極ＴＸ２及び第２半導体領域ＦＤ２による電界により、高速に転送される。したがって、フォトゲート電極ＰＧ（電荷発生領域）の平面形状が長方形状に設定することにより大面積化を図る、及び、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積を極めて小さく設定することにより、高感度化を図った場合であってもフォトゲート電極ＰＧの直下の領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
【００７２】
本実施形態では、半導体基板１Ａの不純物濃度を調整することにより第３半導体領域ＳＲ１を形成している。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めるための構成を簡易に実現することができる。
【００７３】
次に、図１１及び図１２を参照して、距離画像センサ１の変形例について説明する。図１１は、距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。図１２は、図１１におけるXII−XII線に沿った断面構成を示す図である。本変形例は、第３半導体領域ＳＲ１の代わりに、ポテンシャル調整電極ＥＬを備える点で上記実施形態と相違する。図１１では、導体１１の図示を省略している。
【００７４】
距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数（本変形例では、３つ）の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数（本変形例では、３つ）の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数（本変形例では、２つ）のポテンシャル調整電極ＥＬと、を備えている。ポテンシャル調整電極ＥＬは、光入射面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。
【００７５】
本変形例では、上述した実施形態と同じく、電荷発生領域は、その平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状を呈している。電荷発生領域は、複数（本実施形態では、３つ）の第１領域ＣＧ１と、複数（本実施形態では、２つ）の第２領域ＣＧ２と、を含んでいる。
【００７６】
ポテンシャル調整電極ＥＬは、電荷発生領域の第２領域ＣＧ２上に配置されている。ポテンシャル調整電極ＥＬは、電荷発生領域の第１及び第２短辺の対向方向で第１領域ＣＧ１を挟んで対向して配置されている。ポテンシャル調整電極ＥＬは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、ポテンシャル調整電極ＥＬは、電荷発生領域の第１及び第２長辺の対向方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。電荷発生領域の第１及び第２長辺の対向方向でのポテンシャル調整電極ＥＬの長さと、電荷発生領域の第１及び第２短辺の対向方向でのポテンシャル調整電極ＥＬの長さとの比は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。ポテンシャル調整電極ＥＬ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。
【００７７】
ポテンシャル調整電極ＥＬは、電荷発生領域の第１短辺と第２短辺との間にわたって設けられている。このため、本変形例では、フォトゲート電極ＰＧは、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域の第１領域ＣＧ１毎に、複数分割されて設けられている。ポテンシャル調整電極ＥＬがポリシリコンからなるため、光はポテンシャル調整電極ＥＬを透過して半導体基板１Ａに入射する。したがって、半導体基板１Ａにおけるポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域も電荷発生領域として機能する。
【００７８】
ポテンシャル調整電極ＥＬには、図１３及び図１４に示されるように、ポテンシャル調整信号Ｓ３により、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位（ＰＰＧ）よりも低い電位（第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に与えられる高い方の電位と低い方の電位の中間の電位）が与えられている。図１３は、画素の構成を説明するための模式図である。図１４は、実際の各種信号のタイミングチャートであり、ポテンシャル調整信号Ｓ３を除く他の信号は図１０に示された信号と同じである。ポテンシャル調整信号Ｓ３は、制御回路２から与えられる。
【００７９】
本変形例では、ポテンシャル調整電極ＥＬに、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位よりも低い電位が与えられているので、図１５に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、第２領域ＣＧ２側で高められている。したがって、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域には、第２領域ＣＧ２側から第１領域ＣＧ１に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されている。
【００８０】
電荷発生領域の第２領域ＣＧ２近くで発生した電荷は、ポテンシャル調整電極ＥＬにより形成される上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第１領域ＣＧ１に向かって速やかに移動する。そして、移動してきた電荷は、上記実施形態と同じく、第１ゲート電極ＴＸ１及び第１半導体領域ＦＤ１の電界により形成されるポテンシャルの勾配、又は、第２ゲート電極ＴＸ２及び第２半導体領域ＦＤ２の電界により形成されるポテンシャルの勾配にしたがって、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内又は第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に蓄積される。
【００８１】
以上のように、本変形例においても、上記実施形態と同様に、電荷発生領域の平面形状が長方形状に設定することにより大面積化を図る、及び、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積を極めて小さく設定することにより、高感度化を図った場合であっても電荷発生領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
【００８２】
本変形例では、ポテンシャル調整電極ＥＬにより、電荷発生領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めている。このため、電荷発生領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めるための構成を簡易に実現することができる。
【００８３】
次に、図１６及び図１７を参照して、距離画像センサ１の変形例について説明する。図１６及び図１７は、距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。本変形例では、第３半導体領域ＳＲ１又はポテンシャル調整電極ＥＬの形状が、上記実施形態と相違する。図１６及び図１７でも、上述した導体１１の図示を省略している。
【００８４】
第３半導体領域ＳＲ１は、図１６に示されるように、平面視で円形状を呈している。ポテンシャル調整電極ＥＬも、図１６に示されるように、平面視で円形状を呈している。本変形例においても、電荷発生領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルが第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高められる。
【００８５】
次に、図１８及び図１９を参照して、距離画像センサ１の変形例について説明する。図１８及び図１９は、距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。本変形例では、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の形状が、上記実施形態と相違する。図１８及び図１９でも、上述した導体１１の図示を省略している。
【００８６】
図１８及び図１９に示されるように、第１ゲート電極ＴＸ１は、複数の第１半導体領域ＦＤ１にわたるように、第１長辺ＬＳ１に沿って伸びていてもよい。同様に、第２ゲート電極ＴＸ２も、複数の第２半導体領域ＦＤ２にわたるように、第２長辺ＬＳ２に沿って伸びていてもよい。このように、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２毎に分割して設けられていてもよく、また、複数の半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２にわたって一体的に設けられていてもよい。
【００８７】
次に、図２０及び図２１を参照して、距離画像センサ１の変形例について説明する。図２０及び図２１は、距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。本変形例では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の配置が、上記実施形態と相違する。図２０及び図２１でも、上述した導体１１の図示を省略している。
【００８８】
図２０に示された変形例では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において当該第１長辺ＬＳ１に沿って互いに空間的に離間し且つ交互に配置されている。フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側においても、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２に沿って互いに空間的に離間し且つ交互に配置されている。
【００８９】
図２１に示された変形例では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、電荷発生領域の一方の長辺側において当該長辺に沿って互いに空間的に離間し且つ交互に配置されている。電荷発生領域の他方の長辺側においても、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、電荷発生領域の他方の長辺に沿って互いに空間的に離間し且つ交互に配置されている。
【００９０】
図２０と及び図２１に示された変形例では、対向する２つの長辺に第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２がそれぞれ配置されている。製造工程において、例えば、フォトマスクが一方の長辺側に位置ずれした場合、一方の長辺側に配置された第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、一方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積される電荷量が減少する。これに対して、他方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２へは電荷が転送され易くなることから、他方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積される電荷量が増加する。この結果、一方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２にて蓄積される電荷量の減少分が、他方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積される電荷量の増加分で補われることとなり、電荷量のアンバランスが相殺される。このように、図２０と及び図２１に示された変形例では、フォトマスクの位置ずれに対して、特性が変化するのを抑制できるという有利な効果を奏する。
【００９１】
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。
【００９２】
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。距離画像センサ１は、裏面照射型の距離画像センサであってもよい。距離画像センサ１は、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が２次元に配列されたものに限られることなく、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が１次元に配列されたものであってもよい。
【００９３】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の数は、３つに限られることなく、図２０及び図２１にも示されるように２つでもよく、また４つ以上であってもよい。
【００９４】
第３半導体領域ＳＲ１及びポテンシャル調整電極ＥＬの平面視での形状は、上述した矩形状や円形状に限られることなく、他の形状でもよい。また、第３半導体領域ＳＲ１及びポテンシャル調整電極ＥＬの、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向での長さは、上述した値に限られない。電荷発生領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めることができるのであれば、例えば、第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の長さよりも短く設定されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
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】
【００９６】
１…距離画像センサ、１Ａ…半導体基板、１Ａａ…第１基板領域、１Ａｂ…第２基板領域、ＣＧ１…第１領域、ＣＧ２…第２領域、ＥＬ…ポテンシャル調整電極、ＦＤ１…第１半導体領域、ＦＤ２…第２半導体領域、ＬＳ１…第１長辺、ＬＳ２…第２長辺、Ｐ…画素、ＰＧ…フォトゲート電極、ＳＲ１…第３半導体領域、ＳＳ１…第１短辺、ＳＳ２…第２短辺、ＴＸ１…第１ゲート電極、ＴＸ２…第２ゲート電極。
【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一対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】国際公開第２００７／１１９６２６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、電荷発生領域の平面形状として、電荷発生領域の面積を増加させて高感度化を図る、及び、信号電荷収集領域の対向方向での電荷の転送速度を高める、などの観点から、互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状が採用されることがある。この場合、信号電荷収集領域は、第１及び第２長辺の対向方向で電荷発生領域を挟んで対向するように配置される。
【０００９】
しかしながら、電荷発生領域の平面形状が上記長方形状とされ、信号電荷収集領域が、第１及び第２長辺の対向方向で電荷発生領域を挟んで対向するように配置された場合、以下のような問題点が生じる懼れがあることが新たに判明した。
【００１０】
第１及び第２長辺の対向方向では、転送電極及び信号電荷収集領域による電界が作用することから、電荷発生領域に発生した電荷を高速に転送することが可能であるものの、第１及び第２短辺の対向方向では、転送電極及び信号電荷収集領域による電界が十分に作用し難く、特に、電荷発生領域の第１及び第２短辺近くで発生した電荷を高速で転送することは困難となる。
【００１１】
信号電荷収集領域及び転送電極を、それぞれ第１及び第２短辺の対向方向に伸ばすことにより、電荷発生領域の第１及び第２短辺近くで発生した電荷を高速で転送することは可能となる。しかしながら、信号電荷収集領域を第１及び第２短辺の対向方向に伸ばすことにより、信号電荷収集領域の面積が大きくなると、下記の理由により、距離センサの感度が低下してしまう。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
信号電荷収集領域の面積が増加すると、信号電荷収集領域の静電容量も増加し、発生する電圧変化が小さくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが低くなる。このため、距離センサの感度が低下することとなる。
【００１２】
上述したように、距離センサの高感度化を図るためには、信号電荷収集領域の面積は小さくせざるを得ず、信号電荷収集領域の第１及び第２短辺の対向方向での長さは、電荷発生領域の第１及び第２短辺の対向方向での長さよりも短く設定することが求められる。このため、転送電極を第１及び第２短辺の対向方向で伸ばしたとしても、転送電極直下の領域を第１及び第２短辺の対向方向に電荷を転送することは困難であり、依然として、電荷の転送速度が低いという問題点は解決できない。
【００１３】
本発明は、高感度化を図りつつ、電荷の高速転送を実現す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】
【００１４】
本発明に係る距離センサは、入射光に応じて電荷を発生し、且つその平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状である電荷発生領域と、第１長辺と第２長辺とが対向する第１方向で電荷発生領域を挟んで対向し且つ第１短辺と第２短辺とが対向する第２方向に沿って互いに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、信号電荷収集領域と電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、電荷発生領域における第１方向で対向する電荷収集領域の間に位置する第１領域同士に第２方向で挟まれる第２領域に配置され、電荷発生領域の第２領域でのポテンシャルを第１領域でのポテンシャルよりも高めるポテンシャル調整手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る距離センサでは、ポテンシャル調整手段により、電荷発生領域の第２領域でのポテンシャルが、第１領域でのポテンシャルよりも高められている。このため、電荷発生領域の第２領域近くで発生した電荷は、ポテンシャルの高低差により、第１領域に向かって第２方向に移動し易くなる。電荷発生領域の第１領域に向かって第２方向に移動してきた電荷は、転送電極及び信号電荷収集領域による電界により、高速に転送される。したがって、信号電荷収集領域の対向方向（第１方向）での長さよりも当該対向方向に直交する方向（第２方向）での長さを長く設定することにより電荷発生領域の大面積化を図る、すなわち、電荷発生領域の平面形状を上記長方形状とすること、及び、信号電荷収集領域の面積を小さく設定することにより、高感度化を図った場合であっても、電荷発生領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
【００１６】
ポテンシャル調整手段は、電荷発生領域と同じ導電型であり、電荷発生領域よりも不純物濃度が高い半導体領域であってもよい。この場合、第２方向で電荷発生領域を挟んで対向して配置される半導体領域の不純物濃度が電荷発生領域よりも高いので、ポテンシャルの高低差を大きくすることができる。不純物濃度を調整することにより上記半導体領域を形成することができるため、ポテンシャル調整手段を簡易に実現することができる。
【００１７】
電荷発生領域上に配置されるフォトゲート電極を更に備えており、ポテンシャル調整手段は、フォトゲート電極に与えられる電位よりも低い電位が与えられる電極であってもよい。この場合、第２方向で電荷発生領域を挟んで対向して配置される電極に与えられる電位がフォトゲート電極に与えられる電位よりも低いので、ポテンシャルの高低差を大きくすることができる。電極といった簡易な構成により、ポテンシャル調整手段を容易に実現することができる。
【００１８】
本発明に係る距離画像センサは、一次元状又は二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、１つのユニットは、上記距離センサであることを特徴とする。本発明では、上述したように、電荷発生領域の平面形状を上記長方形状とすること、及び、信号電荷収集領域の面積を小さく設定することにより、高感度化を図った場合であっても、電荷発生領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高感度化を図りつつ、電荷の高速転送を実現す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】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る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】図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。
【図７】信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図８】信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図９】画素の構成を説明するための模式図である。
【図１０】各種信号のタイミングチャートである。
【図１１】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図１２】図１１におけるXII−XII線に沿った断面構成を示す図である。
【図１３】画素の構成を説明するための模式図である。
【図１４】各種信号のタイミングチャートである。
【図１５】信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図１６】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図１７】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図１８】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図１９】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図２０】距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
【図２１】距離画像センサの変形例における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】
【００２１】
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。
【００２２】
図１は、測距装置の構成を示す説明図である。
【００２３】
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〜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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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）
【００２８】
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）
【００２９】
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。
【００３０】
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’（ｍ，ｎ）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
距離画像センサ１は、表面入射型の距離画像センサであって、半導体基板１Ａを備えている。距離画像センサ１には、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ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１ＦＴとは逆側の裏面１ＢＫ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、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。距離画像センサ１は、所定の位置に開口が形成された遮光層ＬＩを備えている。遮光層ＬＩは、光入射面１ＦＴの前方に配置されている。
【００３５】
図３は、距離画像センサの概略平面図である。
【００３６】
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。
【００３７】
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。図６は、図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。図４では、導体１１の図示を省略している。
【００３８】
距離画像センサ１は、互いに対向する光入射面１ＦＴと裏面１ＢＫとを有する半導体基板１Ａを備えている。半導体基板１Ａは、裏面１ＢＫ側に位置するｐ型の第１基板領域１Ａａと、第１基板領域１Ａａよりも不純物濃度が低く且つ光入射面１ＦＴ側に位置するｐ−型の第２基板領域１Ａｂと、からなる。半導体基板１Ａは、例えば、ｐ型の半導体基板上に、当該半導体基板よりも不純物濃度が低いｐ−型のエピタキシャル層を成長させることにより得ることができる。
【００３９】
距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数（本実施形態では、３つ）の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数（本実施形態では、３つ）の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数（本実施形態では、２つ）の第３半導体領域ＳＲ１と、を備えている。フォトゲート電極ＰＧは、光入射面１ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられている。各第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、光入射面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。各第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、対応するゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する。第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と逆の導電型である。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。
【００４０】
フォトゲート電極ＰＧは、平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２と互いに対向する第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２とを有する長方形状を呈している。本実施形態では、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の長さと、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の長さとの比は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。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。
【００４１】
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として機能する。したがって、電荷発生領域はフォトゲート電極ＰＧに対応した平面形状、すなわち互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状を呈することとなる。
【００４２】
各第１半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において当該第１長辺ＬＳ１に沿って互いに空間的に離間して配置されている。各第２半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側において当該第２長辺ＬＳ２に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で矩形状を呈している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さと、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の長さとの比は、例えば１：０．５〜１：２程度に設定される。本実施形態では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、正方形状を呈している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、信号電荷収集領域として機能する。
【００４３】
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）は、複数（本実施形態では、３つ）の第１領域ＣＧ１と、複数（本実施形態では、２つ）の第２領域ＣＧ２と、を含んでいる。第１領域ＣＧ１は、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で対向する第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の間に位置している。第２領域ＣＧ２は、第１領域ＣＧ１同士に第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向で挟まれている。
【００４４】
第１ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間にそれぞれ設けられている。第２ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間にそれぞれ設けられている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の長辺方向、すなわち、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さと、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の短辺方向での長さとの比は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。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。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、転送電極として機能する。
【００４５】
第３半導体領域ＳＲ１は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）の第２領域ＣＧ２に配置されている。第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向で第１領域ＣＧ１を挟んで対向して配置されている。第３半導体領域ＳＲ１は、平面視で矩形状を呈している。第３半導体領域ＳＲ１は、第１短辺ＳＳ１と第２短辺ＳＳ２との間にわたって設けられている。本実施形態では、第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。
【００４６】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は高不純物濃度のｎ型半導体からなる領域であり、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ＳＲ１は、半導体基板１Ａと同じ導電型であり且つ半導体基板１Ａよりも不純物濃度が高い、すなわち高不純物濃度のｐ型半導体からなる領域である。第３半導体領域ＳＲ１は、ｐ型ウエル領域であってもよく、また、ｐ型拡散領域であってもよい。
【００４７】
各領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・半導体基板１Ａの第１基板領域１Ａａ：厚さ５〜７００μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
・半導体基板１Ａの第２基板領域１Ａｂ：厚さ３〜３０μｍ／不純物濃度１×１０１３〜１０１６ｃｍ−３
・第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
・第３半導体領域ＳＲ１：厚さ１〜５μｍ／不純物濃度１×１０１６〜１０１８ｃｍ−３
【００４８】
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。
【００４９】
遮光層ＬＩには、フォトゲート電極ＰＧに対応する位置に開口ＬＩａが形成されている。したがって、遮光層ＬＩの開口ＬＩａを通して、半導体基板１Ａ（フォトゲート電極ＰＧの直下の領域）に光が入射する。半導体基板１Ａにおける第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が配置された領域は、遮光層ＬＩに覆われており、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に光が入射するのを防止している。これにより、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に入射した光による不要電荷の発生を防止することができる。遮光層ＬＩは、例えば、アルミニウムなどのメタル（金属）等からなる。
【００５０】
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の直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。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によるポテンシャル障壁が生じる。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。
【００５１】
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１ＦＴ側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。
【００５２】
半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ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の直下の領域に至る。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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
図７及び図８は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図７及び図８では、下向きがポテンシャルの正方向である。
【００５６】
光入射時において、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位（第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に与えられる高い方の電位と低い方の電位の中間の電位）により、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。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。
【００５７】
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７（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。
【００５８】
このとき、図８に示されるように、第３半導体領域ＳＲ１が配置されていることにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、第２領域ＣＧ２側で高められている。したがって、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域には、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向において、第２領域ＣＧ２側から第１領域ＣＧ１側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されている。
【００５９】
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第２領域ＣＧ２近くで発生した電荷は、第３半導体領域ＳＲ１により形成される上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第１領域ＣＧ１に向かって速やかに移動する。そして、移動してきた電荷は、上述したように、第１ゲート電極ＴＸ１及び第１半導体領域ＦＤ１の電界により形成されるポテンシャルの勾配にしたがって、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。
【００６０】
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７（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。
【００６１】
このときも、図８に示されるように、第３半導体領域ＳＲ１が配置されていることにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、第２領域ＣＧ２側で高められている。したがって、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域には、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向において、第２領域ＣＧ２側から第１領域ＣＧ１に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されている。
【００６２】
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第２領域ＣＧ２近くで発生した電荷は、第３半導体領域ＳＲ１により形成される上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第１領域ＣＧ１に向かって速やかに移動する。そして、移動してきた電荷は、上述したように、第２ゲート電極ＴＸ２及び第２半導体領域ＦＤ２の電界により形成されるポテンシャルの勾配にしたがって、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。
【００６３】
図９は、画素の構成を説明するための模式図である。
【００６４】
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。
【００６５】
フォトゲート電極ＰＧの直下の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）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
【００６６】
図１０は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
【００６７】
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、複数のパルスを有するパルス駆動信号ＳＰに基づいた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。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。
【００６８】
電荷を振分ける際には、第１ゲート電極ＴＸ１と第２ゲート電極ＴＸ２のうち、通常は、一方のゲート電極（例えば、第１ゲート電極ＴＸ１）に正のハイレベルの検出用信号が与えられると共に、他方のゲート電極（例えば、第２ゲート電極ＴＸ２）には１８０度位相が異なった検出用信号が与えられる。このとき、他方のゲート電極（例えば、第２ゲート電極ＴＸ２）に印加する検出用信号をよりローレベル（例えば、グランド電位）を印加すると、第２ゲート電極ＴＸ２の直下のポテンシャルが上がり、ポテンシャルの山が形成される。これにより、電荷がフォトゲート電極ＰＧ側から第２半導体領域ＦＤ２へ流れ難くなり、不要なノイズ成分の発生を抑制することができる。
【００６９】
以上のように、本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧの平面形状が長方形状に設定されている。これにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）の面積を増加させて距離画像センサ１の高感度化を図りつつ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２での電荷の転送速度を高めることができる。
【００７０】
そして、本実施形態では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さがフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さよりも極めて小さく設定され、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積もフォトゲート電極ＰＧの面積に比して小さく設定されている。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）における第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に電荷を転送可能な領域の面積に対し、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が相対的に大きく低減されることとなる。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
したがって、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。
【００７１】
ところで、本実施形態では、第３半導体領域ＳＲ１により、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）の第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルが、第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高められており、第１領域ＣＧ１に向かって低くされたポテンシャルの勾配が形成されている。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第２領域ＣＧ２近くで発生した電荷は、上記ポテンシャルの勾配により、第１領域ＣＧ１に向かって第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に移動し易くなる。第２領域ＣＧ２側から第１領域ＣＧ１に向かって第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に移動してきた電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１及び第１半導体領域ＦＤ１による電界、又は、第２ゲート電極ＴＸ２及び第２半導体領域ＦＤ２による電界により、高速に転送される。したがって、フォトゲート電極ＰＧ（電荷発生領域）の平面形状が長方形状に設定することにより大面積化を図る、及び、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積を極めて小さく設定することにより、高感度化を図った場合であってもフォトゲート電極ＰＧの直下の領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
【００７２】
本実施形態では、半導体基板１Ａの不純物濃度を調整することにより第３半導体領域ＳＲ１を形成している。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めるための構成を簡易に実現することができる。
【００７３】
次に、図１１及び図１２を参照して、距離画像センサ１の変形例について説明する。図１１は、距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。図１２は、図１１におけるXII−XII線に沿った断面構成を示す図である。本変形例は、第３半導体領域ＳＲ１の代わりに、ポテンシャル調整電極ＥＬを備える点で上記実施形態と相違する。図１１では、導体１１の図示を省略している。
【００７４】
距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数（本変形例では、３つ）の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、それぞれ複数（本変形例では、３つ）の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数（本変形例では、２つ）のポテンシャル調整電極ＥＬと、を備えている。ポテンシャル調整電極ＥＬは、光入射面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。
【００７５】
本変形例では、上述した実施形態と同じく、電荷発生領域は、その平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状を呈している。電荷発生領域は、複数（本実施形態では、３つ）の第１領域ＣＧ１と、複数（本実施形態では、２つ）の第２領域ＣＧ２と、を含んでいる。
【００７６】
ポテンシャル調整電極ＥＬは、電荷発生領域の第２領域ＣＧ２上に配置されている。ポテンシャル調整電極ＥＬは、電荷発生領域の第１及び第２短辺の対向方向で第１領域ＣＧ１を挟んで対向して配置されている。ポテンシャル調整電極ＥＬは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、ポテンシャル調整電極ＥＬは、電荷発生領域の第１及び第２長辺の対向方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。電荷発生領域の第１及び第２長辺の対向方向でのポテンシャル調整電極ＥＬの長さと、電荷発生領域の第１及び第２短辺の対向方向でのポテンシャル調整電極ＥＬの長さとの比は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。ポテンシャル調整電極ＥＬ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。
【００７７】
ポテンシャル調整電極ＥＬは、電荷発生領域の第１短辺と第２短辺との間にわたって設けられている。このため、本変形例では、フォトゲート電極ＰＧは、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域の第１領域ＣＧ１毎に、複数分割されて設けられている。ポテンシャル調整電極ＥＬがポリシリコンからなるため、光はポテンシャル調整電極ＥＬを透過して半導体基板１Ａに入射する。したがって、半導体基板１Ａにおけるポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域も電荷発生領域として機能する。
【００７８】
ポテンシャル調整電極ＥＬには、図１３及び図１４に示されるように、ポテンシャル調整信号Ｓ３により、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位（ＰＰＧ）よりも低い電位（第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に与えられる高い方の電位と低い方の電位の中間の電位）が与えられている。図１３は、画素の構成を説明するための模式図である。図１４は、実際の各種信号のタイミングチャートであり、ポテンシャル調整信号Ｓ３を除く他の信号は図１０に示された信号と同じである。ポテンシャル調整信号Ｓ３は、制御回路２から与えられる。
【００７９】
本変形例では、ポテンシャル調整電極ＥＬに、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位よりも低い電位が与えられているので、図１５に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、第２領域ＣＧ２側で高められている。したがって、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域には、第２領域ＣＧ２側から第１領域ＣＧ１に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されている。
【００８０】
電荷発生領域の第２領域ＣＧ２近くで発生した電荷は、ポテンシャル調整電極ＥＬにより形成される上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第１領域ＣＧ１に向かって速やかに移動する。そして、移動してきた電荷は、上記実施形態と同じく、第１ゲート電極ＴＸ１及び第１半導体領域ＦＤ１の電界により形成されるポテンシャルの勾配、又は、第２ゲート電極ＴＸ２及び第２半導体領域ＦＤ２の電界により形成されるポテンシャルの勾配にしたがって、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内又は第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に蓄積される。
【００８１】
以上のように、本変形例においても、上記実施形態と同様に、電荷発生領域の平面形状が長方形状に設定することにより大面積化を図る、及び、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積を極めて小さく設定することにより、高感度化を図った場合であっても電荷発生領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
【００８２】
本変形例では、ポテンシャル調整電極ＥＬにより、電荷発生領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めている。このため、電荷発生領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めるための構成を簡易に実現することができる。
【００８３】
次に、図１６及び図１７を参照して、距離画像センサ１の変形例について説明する。図１６及び図１７は、距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。本変形例では、第３半導体領域ＳＲ１又はポテンシャル調整電極ＥＬの形状が、上記実施形態と相違する。図１６及び図１７でも、上述した導体１１の図示を省略している。
【００８４】
第３半導体領域ＳＲ１は、図１６に示されるように、平面視で円形状を呈している。ポテンシャル調整電極ＥＬも、図１６に示されるように、平面視で円形状を呈している。本変形例においても、電荷発生領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルが第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高められる。
【００８５】
次に、図１８及び図１９を参照して、距離画像センサ１の変形例について説明する。図１８及び図１９は、距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。本変形例では、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の形状が、上記実施形態と相違する。図１８及び図１９でも、上述した導体１１の図示を省略している。
【００８６】
図１８及び図１９に示されるように、第１ゲート電極ＴＸ１は、複数の第１半導体領域ＦＤ１にわたるように、第１長辺ＬＳ１に沿って伸びていてもよい。同様に、第２ゲート電極ＴＸ２も、複数の第２半導体領域ＦＤ２にわたるように、第２長辺ＬＳ２に沿って伸びていてもよい。このように、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２毎に分割して設けられていてもよく、また、複数の半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２にわたって一体的に設けられていてもよい。
【００８７】
次に、図２０及び図２１を参照して、距離画像センサ１の変形例について説明する。図２０及び図２１は、距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。本変形例では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の配置が、上記実施形態と相違する。図２０及び図２１でも、上述した導体１１の図示を省略している。
【００８８】
図２０に示された変形例では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において当該第１長辺ＬＳ１に沿って互いに空間的に離間し且つ交互に配置されている。フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側においても、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２に沿って互いに空間的に離間し且つ交互に配置されている。
【００８９】
図２１に示された変形例では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、電荷発生領域の一方の長辺側において当該長辺に沿って互いに空間的に離間し且つ交互に配置されている。電荷発生領域の他方の長辺側においても、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、電荷発生領域の他方の長辺に沿って互いに空間的に離間し且つ交互に配置されている。
【００９０】
図２０と及び図２１に示された変形例では、対向する２つの長辺に第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２がそれぞれ配置されている。製造工程において、例えば、フォトマスクが一方の長辺側に位置ずれした場合、一方の長辺側に配置された第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、一方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積される電荷量が減少する。これに対して、他方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２へは電荷が転送され易くなることから、他方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積される電荷量が増加する。この結果、一方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２にて蓄積される電荷量の減少分が、他方の長辺側に配置された第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積される電荷量の増加分で補われることとなり、電荷量のアンバランスが相殺される。このように、図２０と及び図２１に示された変形例では、フォトマスクの位置ずれに対して、特性が変化するのを抑制できるという有利な効果を奏する。
【００９１】
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。
【００９２】
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。距離画像センサ１は、裏面照射型の距離画像センサであってもよい。距離画像センサ１は、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が２次元に配列されたものに限られることなく、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が１次元に配列されたものであってもよい。
【００９３】
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の数は、３つに限られることなく、図２０及び図２１にも示されるように２つでもよく、また４つ以上であってもよい。
【００９４】
第３半導体領域ＳＲ１及びポテンシャル調整電極ＥＬの平面視での形状は、上述した矩形状や円形状に限られることなく、他の形状でもよい。また、第３半導体領域ＳＲ１及びポテンシャル調整電極ＥＬの、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向での長さは、上述した値に限られない。電荷発生領域における第２領域ＣＧ２側でのポテンシャルを第１領域ＣＧ１でのポテンシャルよりも高めることができるのであれば、例えば、第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の長さよりも短く設定されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
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】
【００９６】
１…距離画像センサ、１Ａ…半導体基板、１Ａａ…第１基板領域、１Ａｂ…第２基板領域、ＣＧ１…第１領域、ＣＧ２…第２領域、ＥＬ…ポテンシャル調整電極、ＦＤ１…第１半導体領域、ＦＤ２…第２半導体領域、ＬＳ１…第１長辺、ＬＳ２…第２長辺、Ｐ…画素、ＰＧ…フォトゲート電極、ＳＲ１…第３半導体領域、ＳＳ１…第１短辺、ＳＳ２…第２短辺、ＴＸ１…第１ゲート電極、ＴＸ２…第２ゲート電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に応じて電荷を発生し、且つその平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状である電荷発生領域と、
前記第１長辺と前記第２長辺とが対向する第１方向で前記電荷発生領域を挟んで対向し且つ前記第１短辺と前記第２短辺とが対向する第２方向に沿って互いに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と前記電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、
前記電荷発生領域における前記第１方向で対向する前記電荷収集領域の間に位置する第１領域同士に前記第２方向で挟まれる第２領域に配置され、前記電荷発生領域の前記第２領域でのポテンシャルを前記第１領域でのポテンシャルよりも高めるポテンシャル調整手段と、を備えていることを特徴とする距離センサ。
【請求項２】
前記ポテンシャル調整手段は、前記電荷発生領域と同じ導電型であり、前記電荷発生領域よりも不純物濃度が高い半導体領域であ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】
前記電荷発生領域上に配置されるフォトゲート電極を更に備えており、
前記ポテンシャル調整手段は、前記フォトゲート電極に与えられる電位よりも低い電位が与えられる電極であ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４】
一次元状又は二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、前記ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、
１つの前記ユニットは、請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離センサであ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を発生し、且つその平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する長方形状である電荷発生領域と、
前記第１長辺と前記第２長辺とが対向する第１方向で前記電荷発生領域を挟んで対向し且つ前記第１短辺と前記第２短辺とが対向する第２方向に沿って互いに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と前記電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、
前記電荷発生領域における前記第１方向で対向する前記電荷収集領域の間に位置する第１領域同士に前記第２方向で挟まれる第２領域に配置され、前記電荷発生領域の前記第２領域でのポテンシャルを前記第１領域でのポテンシャルよりも高めるポテンシャル調整手段と、を備えていることを特徴とする距離センサ。
【請求項２】
前記ポテンシャル調整手段は、前記電荷発生領域と同じ導電型であり、前記電荷発生領域よりも不純物濃度が高い半導体領域であ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】
前記電荷発生領域上に配置されるフォトゲート電極を更に備えており、
前記ポテンシャル調整手段は、前記フォトゲート電極に与えられる電位よりも低い電位が与えられる電極であ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４】
一次元状又は二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、前記ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、
１つの前記ユニットは、請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離センサであ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】
【公開番号】特開２０１２−８３２１９（Ｐ２０１２−８３２１９Ａ）
【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２０１０−２２９９０４（Ｐ２０１０−２２９９０４）
【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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