CN102623473A - 背面入射型测距传感器以及测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种背面入射型测距传感器(1)，从该背面入射型测距传感器(1)的各像素(P(m，n))输出2个电荷量(Q1、Q2)作为具有距离信息的信号(d’(m，n))。由于各像素(P(m，n))作为微小测距传感器而输出对应于到对象物(H)为止的距离的信号(d’(m，n))，因此，如果将来自对象物(H)的反射光在摄像区域(1B)成像，则作为到对象物(H)上的各点为止的距离信息的集合体而能够得到对象物的距离图像。将对应投光用的近红外光的入射而在半导体深部产生的载流子引入设置于与光入射面相反一侧的载流子产生位置附近的势阱中，从而能够高速地进行正确的测距。

Description

背面入射型测距传感器以及测距装置
本申请是申请日为2008年7月2日、申请号为200880023309.5、发明名称为背面入射型测距传感器以及测距装置的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及背面入射型测距传感器以及测距装置。
背景技术
已知：现有的主动型光测距传感器从LED(Light Emitting Diode)等的投光用光源向对象物照射光，通过由光检测元件检测对象物的反射光而输出对应于到对象物为止的距离的信号。作为能够简单地测量到对象物为止的距离的光三角测量型光测距传感器已知PSD(PositionSensitive Detector)等，但是，近年来，为了进行更加精密的距离测量，期待着光TOF(Time-Of-Flight)型光测距传感器的开发。
另外，在车载用途、工场的自动制造系统用途等中寻求能够通过同一芯片同时取得距离信息和图像信息的图像传感器。如果在车辆前方设置图像传感器，则期待着用于前方车辆的检测·识别以及步行者等的检测·识别。还期待着一种能够取得与图像信息分开的、由单一的距离信息或者多个距离信息构成的距离图像的图像传感器。优选在这样的测距传感器中使用TOF法。
TOF法从投光用的光源向对象物射出脉冲光，通过由光检测元件检测由对象物反射的脉冲光而测量脉冲光的射出时刻和检测时刻的时间差。该时间差(Δt)是脉冲光以光速(＝c)飞行到对象物为止的距离d的2倍的距离(2×d)所需要的时间，因此，成立d＝(c×Δt)/2。时间差(Δt)换句话来说就是来自光源的射出脉冲与检测脉冲的相位差。只要检测该相位差就能够求得到对象物为止的距离d。
一般来说，投光用光源较多使用射出近红外区域的光的光源。近红外区域的波长比远红外区域的波长更接近于可见光区域，因此，可以使用透镜等的光学系统来进行聚光和成像。另外，太阳光的光谱中含有的近红外光成分的能量密度比可见光成分的少，因此，通过使用可见光截止滤波器而能够使由光检测元件检测的近红外光成分内的、由太阳光得到的比率减小，从而可以以高S/N进行检测。
电荷分配方式的图像传感器作为通过TOF法进行测距的光检测元件而受瞩目。即，在电荷分配方式的图像传感器中，例如，将对应于检测脉冲的入射而在图像传感器内产生的脉冲性的电荷，在射出脉冲的ON期间内分配在一个势阱内，而在OFF期间内分配在另一个势阱内。在该情况下，左右分配的电荷量的比率与检测脉冲和射出脉冲的相位差、即脉冲光以光速飞行到对象物为止的距离的2倍的距离所需要的时间成比例。在此，作为电荷的分配方法，考虑了各种方法。
而且，下述专利文献1公开了通过取出依赖于延迟时间的信号来进行距离测量的测距传感器，该延迟时间是从光源投射的反复脉冲光被测量对象物弹回时的延迟时间。
专利文献1：日本特开2005-235893号公报
发明内容
但是，在如车载的测距传感器或军用的测距传感器等那样的测量到高速移动的运动物体为止的距离的情况下，有必要增加电荷分配速度，以追随运动物体的移动。另外，在实际的测距中通过进行反复的电荷分配而不是仅仅一次的电荷分配，从而对电荷进行积分而构成一个框，在电荷分配速度为低速的情况下，不得不减少构成一个框的电荷分配的次数，从而无法确保足够的S/N，存在无法进行精密的距离测量的问题。
另一方面，在以近红外光作为投光用光源的TOF型电荷分配方式测距传感器的情况下，对应于光的入射而在半导体的深部产生载流子(carrier)。例如，波长850nm的光的一半被吸收的硅的厚度约为20μm。在该情况下，如果高速地切换向多个势阱内的载流子的引入动作，则载流子的大部分都无法到达势阱内，虽然势阱内的电荷量是限制测距精度的主要原因，但是无法确保电荷量，在通常的电荷分配方式测距传感器中，发现无法进行高精度的检测。另外，还存在以下问题：进行测量的环境中基本上都存在可见光，因此，为了通过近红外光进行高精度的检测，由于可见光是噪声，有必要截止可见光。虽然如上所述可以设置可见光截止滤波器，但是，试图省去多余部件是在产业上利用的情况下的常识。
本发明是鉴于这样的课题而完成的，其目的在于提供可以进行高精度的距离检测的背面入射型测距传感器和测距装置。
为了解决上述的课题，本申请的发明者们进行了潜心研究，直至得到了以下的见解：如果将对应于投光用的光的入射而在半导体深部产生的载流子引入到设置于与光入射面相反的一侧的载流子产生位置附近的势阱中，则可以高速地进行正确的测距。
即，本发明所涉及的背面入射型测距传感器，其具有：具有光入射面和与光入射面相反的一侧的表面的半导体基板；设置于表面上的光电栅极；在表面上与光电栅极邻接地设置的第1和第2栅极；以及用于分别读取从所述光电栅极的正下方的区域流入第1和第2栅极的正下方的区域的载流子的第1和第2半导体区域。
另外，在上述构成的情况下，从半导体基板的光入射面(背面)入射的来自对象物的脉冲光到达设置于半导体基板的表面的光电栅极的正下方的区域。伴随着脉冲光的入射而在半导体基板内产生的载流子从光电栅极的正下方的区域向与其邻接的第1和第2栅极的正下方的区域进行分配。即，如果向第1和第2栅极交互地赋予与光源的驱动信号同步的检测用栅极信号，那么在光电栅极的正下方的区域产生的载流子分别流向第1和第2栅极的正下方的区域，并从那里流入到第1和第2半导体区域。
蓄积在第1或第2半导体区域内的载流子的电荷量相对于整体电荷量的比率，对应于通过向光源赋予驱动信号而射出的射出脉冲光与射出脉冲光被对象物反射而回来的检测脉冲光之间的相位差。即使通过增加向栅极的驱动信号的频率而使电荷的分配速度增加，由于对应于近红外光的入射而产生的载流子的产生区域比半导体基板的光入射面更接近于相反的一侧的表面，因此，更多的载流子能够从光电栅极的正下方的区域流入到第1和第2半导体区域，并从这些区域读取。另外，波长比近红外的波长短的光在半导体基板的光入射面侧的区域中有被除去的趋势，因此，即使在光入射面一侧不设置可见光截止滤波器，也能够提高测距用的检测脉冲光的检测精度。
另外，可以是：光电栅极的正下方的区域的导电型与半导体基板的导电型相同，并且，光电栅极的正下方的区域由具有比半导体基板的杂质浓度更高的杂质浓度的电场集中区域构成。
如果使光电栅极的正下方的区域的杂质浓度高于半导体基板的杂质浓度，则在该区域电场集中。由于半导体基板的杂质浓度相对较低，因此，耗尽层扩展。因此，在从光电栅极的正下方的区域朝向低浓度的半导体基板的纵向上耗尽层扩展，但是，向横向的扩展被抑制。因此，抑制了被向横向扩展的耗尽层吸收的载流子，另外，由于能够抑制与从第1和第2半导体区域扩展的耗尽层的结合，因此能够抑制向第1和第2半导体区域内直接流入的载流子，并能够降低串扰(crosstalk)。
另外，优选：第1和第2半导体区域的导电型与半导体基板的导电型不同，第1和第2半导体区域形成在阱(well)区域内，阱区域的导电型是与半导体基板相同的导电型，第1和第2半导体区域具有比所述半导体基板的杂质浓度更高的杂质浓度。
即，第1和第2半导体区域的导电型与半导体基板不同，因此，本来的话，其构成PN接合，耗尽层从其界面朝向低浓度的半导体基板扩展。另一方面，在上述构成的情况下，第1和第2半导体区域形成在阱区域内，阱区域的杂质浓度比半导体基板高，因此，从第1和第2半导体区域与阱区域之间的界面扩展的耗尽层的厚度被抑制，并能够抑制该耗尽层与从光电栅极的正下方扩展的本来的耗尽层相结合的状态，从而能够如上所述地抑制串扰。
另外，可以在半导体基板的光入射面一侧具有由P型半导体层或者缺陷层构成的可见光激励载流子再结合区域。
特别优选：在以半导体基板的可见光的吸收系数为α、以所述半导体基板的厚度为t1、以所述可见光激励载流子再结合区域的厚度为t2的情况下，满足以下的关系式。
例如，如果尝试考虑以可见光的波长为700nm、且向半导体基板入射的光的能量达到50％的深度作为特性量，则如以下所述。
·-(1/α)×ln(0.5)μm≤t2、
·10μm≤t1≤100μm
在该情况下，在可见光激励载流子再结合区域中，其中50％消失，由于没有达到至光电栅极的正下方区域而优选，另外，近红外光被10μm以上100μm以下的深度的区域吸收，因此，在光电栅极的正下方的区域能够以高灵敏度收集应答性优异的载流子。
另外，上述的光电栅极在每个测距传感器中可以是1个，也可以是以包括光电栅极的微小测距传感器作为像素而以一维或者二维形式排列成多个，从而作为能够得到一维或者二维的距离图像的测距传感器。
即，这样的背面入射型测距传感器是具备半导体基板的背面入射型测距传感器，该半导体基板具有由多个像素构成的摄像区域，其中，各个像素分别具备：设置于半导体基板的与光入射面相反一侧的表面上的光电栅极、在上述表面上与光电栅极邻接地设置的第1和第2栅极、用于分别读取从光电栅极的正下方的区域流入第1和第2栅极的正下方的区域的载流子的第1和第2半导体区域。
各像素作为上述的微小测距传感器而输出对应于到对象物为止的距离的信号，因此，如果将来自对象物的反射光在摄像区域成像，则作为到对象物上的各点为止的距离信息的集合体而能够得到对象物的距离图像。
具备上述的背面入射型测距传感器的测距装置的特征在于，具备：上述背面入射型测距传感器、射出近红外光的光源、向该光源赋予脉冲驱动信号的驱动电路、向第1和第2栅极赋予与脉冲驱动信号同步的检测用栅极信号的控制电路、以及由从第1和第2半导体区域读取的信号运算到对象物为止的距离的运算电路。
如上所述，从第1和第2半导体区域读取的信号，即蓄积在第1和第2半导体区域内的载流子的电荷量相对于整体电荷量的比率，对应于上述的相位差即到对象物为止的距离。运算电路根据该相位差运算到对象物为止的距离。如果以对应于相位差的时间差为Δt，那么距离d由d＝(c×Δt)/2适当地进行赋值，但是，也可以对其进行适当的补正运算。在此，例如，在实际的距离和运算的距离d不同的情况下，可以预先求得补正后者的系数β，在上市后的产品中，将运算的距离d乘以系数β后的值作为最终的运算距离d。另外，预先测量室外气体温度，在由于室外气体温度而光速c不同的情况下，进行补正光速c的运算，由此能够进行距离运算。另外，可以预先在存储器中存储输入到运算电路的信号和实际的距离之间的关系，并通过查找表(look-uptable)的方式来运算距离。另外，根据传感器构造也能够改变运算方法，并能够使用现有已知的运算方法。
另外，本发明所涉及的测距装置的特征在于，将上述的背面入射型测距传感器的上述表面固定于配线基板的贴装(mount)面上，使光电栅极、第1栅极和第2栅极经由凸块(bump)而连接于配线基板上的配线。如果将背面入射型测距传感器贴装于配线基板上，则该测距装置能够经由各配线向各个电极赋予上述信号，从而使装置小型化。
根据本发明的背面入射型测距传感器以及测距装置能够进行高精度的距离检测。
附图说明
图1为表示测距装置的构成的说明图。
图2为第1实施方式的测距传感器的平面图。
图3为图2所示的测距传感器的沿III-III箭头的剖面图。
图4为变形例所涉及的测距传感器的剖面图。
图5为图3或图4所示的测距传感器的区域V的放大图。
图6为第1实施方式的测距传感器的像素的平面图。
图7为背栅(backgate)附近的剖面图。
图8为贯通电极附近的剖面图。
图9为用于说明载流子蓄积动作的电势(potential)图。
图10为用于说明载流子蓄积动作的电势图。
图11为表示入射光的波长(nm)和吸收系数α之间的关系的图。
图12为表示太阳光的光谱(实线)和光源的光谱(虚线)的图。
图13为表示距离光入射面的深度(μm)和光强度(a.u.)之间的关系的图。
图14为表示半导体基板内的电势分布的图。
图15为第2实施方式的测距传感器的平面图。
图16为图15所示的测距传感器的沿XVI-XVI箭头的剖面图。
图17为变形例所涉及的测距传感器的剖面图。
图18为图16或图17所示的测距传感器的区域XVIII的放大图。
图19为第2实施方式的测距传感器的像素的平面图。
图20为用于说明载流子蓄积动作的电势图。
图21为用于说明载流子蓄积动作的电势图。
图22为表示第2实施方式的半导体基板内的电势分布的图。
图23为表示第2实施方式的光电栅极PG、2个栅极TX1、TX2以及半导体区域FD1、FD2的正下方的电势的图。
图24为表示第1实施方式的光电栅极PG、2个栅极TX1、TX2以及半导体区域FD1、FD2的正下方的电势的图。
图25为第3实施方式的测距传感器的平面图。
图26为图25所示的测距传感器的沿XXVI-XXVI箭头的剖面图。
图27为变形例所涉及的测距传感器的剖面图。
图28为图26或图27所示的测距传感器的区域XXVIII的放大图。
图29为第3实施方式的测距传感器的像素的平面图。
图30为贯通电极附近的剖面图。
符号说明
1背面入射型测距传感器          1A半导体基板
1B摄像区域                     1D反射防止膜
1E绝缘层                       1BK光入射面
1FT表面                        2控制电路
3光源                          4驱动电路
5运算电路                      10配线基板
17x贯通电极                    AD1粘结层
AD粘结区域                     AF加强部
BG背栅半导体区域               F框部
FD1、FD2半导体区域             H对象物
M贴装面                      P像素
PG光电栅极                   PX1栅极
PX2栅极                      SH光吸收层
TF薄板部                     W1、W2、W3各阱区域
1G电场集中区域               1C可见光激励载流子再结合区域
具体实施方式
以下，对实施方式所涉及的背面入射型测距传感器和测距装置进行说明。对同一要素使用同一符号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
图1为表示测距装置的构成的说明图。
该测距装置具备：背面入射型测距传感器1、射出近红外光的光源3、向光源3赋予脉冲驱动信号SP的驱动电路4、向背面入射型测距传感器1的各像素中所包括的第1和第2栅极(TX1、TX2：参照图5)赋予与脉冲驱动信号SP同步的检测用栅极信号SL、SR的控制电路2、以及由表示从背面入射型测距传感器1的第1和第2半导体区域(FD1、FD2：参照图5)读取的距离信息的信号d’(m，n)来运算到步行者等的对象物H为止的距离的运算电路5。以从背面入射型测距传感器1到对象物H为止的水平方向D的距离为d。
控制电路2向驱动电路4的开关4b输入脉冲驱动信号SP。由LED或者激光二极管构成的投光用的光源3经由开关4b而连接于电源4a。因此，如果向开关4b输入脉冲驱动信号SP，那么向光源3供给与脉冲驱动信号SP相同的波形的驱动电流，并从光源3输出作为测距用的探测(probe)光的脉冲光LP。
如果向对象物H照射脉冲光LP，则脉冲光被对象物H反射，并作为脉冲光LD向背面入射型测距传感器1入射，产生并输出作为电荷的脉冲检测信号SD。
背面入射型测距传感器1固定于配线基板10上，经由配线基板10上的配线而从各像素输出具有距离信息的信号d’(m，n)。
脉冲驱动信号SP的波形为周期T的方形波，如果以高电平为“1”、低电平为“0”，那么该电压V(t)由以下的式进行赋值。
·脉冲驱动信号SP：
·V(t)＝1(0＜t＜(T/2)的情况)
·V(t)＝0((T/2)＜t＜T的情况)
·V(t+T)＝V(t)
检测用栅极信号SL、SR的波形为周期T的方形波，该电压V(t)由以下的式进行赋值。
·检测用栅极信号SL：
·V(t)＝1(0＜t＜(T/2)的情况)
·V(t)＝0((T/2)＜t＜T的情况)
·V(t+T)＝V(t)
·检测用栅极信号SR(＝SL的反转)：
·V(t)＝0(0＜t＜(T/2)的情况)
·V(t)＝1((T/2)＜t＜T的情况)
·V(t+T)＝V(t)
上述脉冲信号SP、SL、SR、SD全部具有脉冲周期2×TP。当检测用栅极信号SL和脉冲检测信号SD均为“1”时在背面入射型测距传感器1内产生的电荷量为Q1，当检测用栅极信号SR和脉冲检测信号SD均为“1”时在背面入射型测距传感器1内产生的电荷量为Q2。
背面入射型测距传感器1中的一个检测用栅极信号SL和脉冲检测信号SD的相位差，在另一个的检测用栅极信号SR和脉冲检测信号SD为“1”时的重复期间，与在背面入射型测距传感器1中产生的电荷量Q2成比例。即，电荷量Q2为在检测用栅极信号SR和脉冲检测信号SD的理论积是“1”的期间内产生的电荷量。以在1个像素内产生的全部电荷量为Q1+Q2，并以驱动信号SP的半周期的脉冲宽度为TP时，仅在Δt＝TP×Q2/(Q1+Q2)的期间，脉冲检测信号SD相对于驱动信号SP延迟。如果设定到对象物为止的距离为d、光速为c，那么1个脉冲光的飞行时间Δt由Δt＝2d/c进行赋值，因此，如果输出2个电荷量(Q1，Q2)作为具有从规定的像素的距离信息的信号d’，那么运算电路5根据输入的电荷量Q1、Q2和预先判明的半周期脉冲宽度TP对到对象物H为止的距离d＝(c×Δt)/2＝c×TP×Q2/(2×(Q1+Q2))进行运算。
如上所述，如果分别读取电荷量Q1、Q2，那么运算电路5能够对距离d进行运算。在此，上述的脉冲反复射出，并能够将其积分值作为各电荷量Q1、Q2予以输出。
另外，电荷量Q1、Q2相对于整体电荷量的比率对应于上述的相位差(即，到对象物H为止的距离)，运算电路5根据该相位差对于到对象物H为止的距离进行运算。如上所述，如果以对应于相位差的时间差为Δt，那么距离d由d＝(c×Δt)/2适当地进行赋值，但是，也可以对其增加适当的修改运算。例如，在实际的距离和运算的距离d不同的情况下，可以预先求得补正后者的系数β，在上市后的产品中，将运算的距离d乘以系数β后的值作为最终的运算距离d。另外，也可以预先测量室外气体温度，在由于室外气体温度而光速c不同的情况下，进行补正光速c的运算，然后进行距离运算。另外，可以预先在存储器中存储输入到运算电路的信号和实际的距离之间的关系，并通过查找表的方式来运算距离。另外，根据传感器的构造也能够改变运算方法，并能够使用现有已知的运算方法。
图2为第1实施方式的测距传感器的平面图。
背面入射型测距传感器1具备半导体基板1A，该半导体基板1A具有由排列成二维状的多个像素P(m，n)构成的摄像区域1B。从各像素P(m，n)输出2个电荷量(Q1、Q2)作为具有上述的距离信息的信号d’(m，n)。由于各像素P(m，n)作为微小测距传感器而输出对应于到对象物H为止的距离的信号d’(m，n)，因此，如果将来自对象物H的反射光在摄像区域1B成像，那么，作为到对象物H上的各点为止的距离信息的集合体而能够得到对象物的距离图像。
图3为图2所示的测距传感器沿III-III箭头的剖面图。
从光入射面1BK向背面入射型测距传感器1入射脉冲光LD。背面入射型测距传感器1的与光入射面1BK相反一侧的表面1FT经由粘结区域AD而连接于配线基板10。粘结区域AD为包含凸块等的粘结元件的区域，必要时具有绝缘性的粘结剂或填充物(filler)。构成背面入射型测距传感器1的半导体基板1A具有加强用的框部F和比框部F更薄的薄板部TF，并且使它们一体化。薄板部TF的厚度为10μm以上100μm以下。本例的框部F的厚度为200μm以上600μm以下。
图4为变形例所涉及的测距传感器的剖面图。
该测距传感器与图3所示的测距传感器的区别只是半导体基板1A的形状，其它的构成相同。半导体基板1A还具有形成为条纹状或格子状的加强部AF，在加强部AF之间形成有薄板部TF，并使它们一体化。本例的加强部AF的厚度与框部AF的厚度相同，为200μm以上600μm以下。在薄板部TF上形成有上述的各像素。薄板部TF由使用KOH等的碱性蚀刻液的湿法蚀刻而形成。通过蚀刻而形成的露出表面的粗糙度为1μm以下。
图5为图3或图4所示的测距传感器的区域V的放大图。
背面入射型测距传感器1具备：具有光入射面1BK和与光入射面1BK相反的一侧的表面1FT的半导体基板1A；经由绝缘层1E而设置于表面1FT上的光电栅极PG；在表面1FT上经由绝缘层1E与光电栅极PG邻接地设置的第1和第2栅极TX1、TX2；以及用于分别读取流入第1和第2栅极TX1、TX2的正下方的区域的载流子(电子e)的第1和第2半导体区域FD1、FD2。本例的半导体基板1A由Si形成，绝缘层1E由SiO2形成。
半导体基板1A由低杂质浓度的P型半导体基板构成，第1和第2半导体区域FD1、FD2为由高杂质浓度的N型半导体形成的浮动扩散(Floating Diffusion)区域，第1和第2半导体区域FD1、FD2分别形成在P型的阱区域W1、W2内。第1和第2半导体区域FD1、FD2的周边被基板以及杂质浓度比第1和第2栅极的正下方的杂质浓度还高的阱区域W1、W2所包围，因此，能够抑制耗尽层(depletion layer)从第1和第2半导体区域FD1、FD2的扩大，并且实现泄漏电流的降低，进而能够降低串扰及由杂散光造成的不需要的载流子的捕获。另外，阱区域W1、W2抑制了由向光电栅极PG施加的电压而扩大的耗尽层与从第1和第2半导体区域FD1、FD2扩大的耗尽层之间的结合。
第1和第2半导体区域FD1、FD2的一部分与半导体基板1A中的各栅极TX1、TX2的正下方的区域接触。在半导体基板1A的光入射面1BK一侧设置有反射防止膜1D。低杂质浓度的半导体基板1A的露出面的表面粗糙度，即表面凹凸的最大值和最小值的高度之差为1μm以下。反射防止膜1D的材料为SiO2或者SiN。
配线基板10具备由Si形成的半导体基板10A和形成于半导体基板10A上的读取配线11h、15h，这些读取配线11h、15h分别电连接于第1半导体区域FD1、第2半导体区域FD2。
在第1半导体区域FD1和读取配线11h之间，存在有接触电极11a、衬垫(pad)电极11b、凸块电极11c、衬垫电极11d、接触电极11e、中间电极11f、接触电极11g。
在第2半导体区域FD2和读取配线15h之间，存在有接触电极15a、衬垫电极15b、凸块电极15c、衬垫电极15d、接触电极15e、中间电极15f、接触电极15g。
在半导体基板10A上设置有第1栅极配线12g、光电栅极配线13g、第2栅极配线14g，它们分别电连接于第1栅极TX1、光电栅极PG、第2栅极TX2。
在第1栅极TX1和第1栅极配线12g之间，存在有接触电极12a、衬垫电极12b、凸块电极12c、衬垫电极12d、接触电极12e、中间电极12f。
在光电栅极PG和光电栅极配线13g之间，存在有接触电极13a、衬垫电极13b、凸块电极13c、衬垫电极13d、接触电极13e、中间电极13f。
在第2栅极TX2和第2栅极配线14g之间，存在有接触电极14a、衬垫电极14b、凸块电极14c、衬垫电极14d、接触电极14e、中间电极14f。
如图所示，各接触电极埋设于设置在绝缘层1F、10B、10C的接触孔内。
粘结区域AD具备由树脂构成的粘结层AD1和用于将背面入射型测距传感器1的各电极连接于配线基板10上的各种配线的凸块11c、12c、13c、14c、15c。
该测距装置将背面入射型测距传感器1的表面1FT固定于配线基板10的贴装面M上，使光电栅极PG、第1栅极TX1和第2栅极TX2经由凸块而连接于配线基板10上的配线。如果将背面入射型测距传感器1贴装于配线基板10上，则该测距装置能够经由各配线向各个电极赋予上述信号，从而使装置小型化。
在此，在配线基板10的贴装面M上形成有由黑色树脂形成的光吸收层SH，抑制了透过背面入射型测距传感器1的光向配线基板10的入射，并且防止了被配线基板10上的配线反射的光返回到背面入射型测距传感器1而引起串扰。另外，上述的各种电极或者配线由铝或者多晶硅形成。背面入射型测距传感器1中的由Si形成的半导体基板的厚度t1为10～100μm，优选为15～50μm，本例中为20μm。
在该背面入射型测距传感器1中，将对应投光用的光的入射而在半导体深部产生的载流子引入设置于与光入射面1BK相反一侧的载流子产生位置附近的势阱(potential well)，可以高速地进行正确的测距。
从半导体基板1A的光入射面(背面)1BK入射的来自对象物的脉冲光LD到达至设置于半导体基板1A的表面一侧的光电栅极PG正下方的区域。伴随着脉冲光的入射而在半导体基板1A内产生的载流子从光电栅极PG正下方的区域向与其邻接的第1和第2栅极TX1、TX2的正下方的区域分配。即，如果经由配线基板10交互地向第1和第2栅极TX1、TX2赋予与光源的驱动信号SP同步的检测用栅极信号SL、SR，那么在光电栅极PG正下方的区域产生的载流子分别流入第1和第2栅极TX1、TX2的正下方的区域，并从这里流入第1和第2半导体区域FD1、FD2。
蓄积在第1半导体区域FD1或第2半导体区域FD2内的载流子的电荷量Q1、Q2相对于整体电荷量(Q1+Q2)的比率对应于，通过向光源赋予驱动信号SP而射出的射出脉冲光、与射出脉冲光被对象物H反射而回来的检测脉冲光之间的相位差。
即使通过增加向栅极TX1、TX2的驱动信号(检测用栅极信号SL、SR)的频率而使该电荷的分配速度增加，由于根据近红外光的入射而产生的载流子的产生区域比半导体基板1A的光入射面1BK更接近于相反的一侧的表面1FT，因此，更多的载流子能够从光电栅极PG的正下方的区域流入到第1和第2半导体区域FD1、FD2，并从这些区域经由配线基板10的配线11h、15h而能够读取蓄积电荷Q1、Q2。另外，波长比近红外短的光在半导体基板1A的光入射面1BK一侧的区域中有被除去的趋势，因此，即使没有在光入射面一侧设置可见光截止滤波器，也能够提高测距用的检测脉冲光的检测精度。
图6为第1实施方式的测距传感器的像素的平面图。
在上述的背面入射型测距传感器1中，可以在P型的阱区域W2的外侧设置N型的阱区域W3。阱区域W3能够进行像素分离，并且能够吸收伴随着杂散光而产生的不需要的载流子。在此，各阱区域W1、W2、W3的深度相同。而且，各半导体区域的厚度/杂质浓度如以下所述。
·半导体基板1A：
厚度10～100μm/杂质浓度1×1012～1015cm-3
·阱区域W1、W2：
厚度0.5～3μm/杂质浓度1×1016～1018cm-3
·半导体区域FD1、FD2：
厚度0.1～0.4μm/杂质浓度1×1018～1020cm-3
·阱区域W3：
厚度0.5～3μm/杂质浓度1×1016～1018cm-3
在本例中，使用高电阻基板(本例中电阻率为10kΩ·cm)作为半导体基板1A，从而在向光电栅极PG施加偏置电压时耗尽层从光电栅极PG的正下方的区域以放射状扩展，提高光的利用效率(量子效率)，并且捕获要直接进入到第1和第2半导体区域FD1、FD2的电荷，从而能够降低串扰。
在此，本例的半导体基板1A的厚度为20μm，杂质浓度为1×1012cm-3，阱区域W1、W2的杂质浓度为1×1017cm-3，半导体区域FD1、FD2的杂质浓度为1×1019cm-3，阱区域W3的杂质浓度为1×1017cm-3。
图7为背栅附近的剖面图。在此，低杂质浓度的半导体基板1A可以由外延层(epitaxial layer)构成。
即，由于将上述的背面入射型测距传感器1的半导体基板1A的电位固定为基准电位，因此，在P型的阱区域W1(W2)内具备含有高浓度杂质的P型的背栅半导体区域BG。在设置有信号读取电路的配线基板10的半导体基板10A上，设置有接地配线16h。在背栅半导体区域BG和接地配线16h之间，存在有接触电极16a、衬垫电极16b、凸块16c、衬垫电极16d、接触电极16e、中间电极16f、接触电极16g，并且使它们电连接。
图8为贯通电极附近的剖面图。
由于将上述的背面入射型测距传感器1的半导体基板1A的电位固定为基准电位，因此，作为背栅电极的替代，具有P型的扩散区域W4等的P型半导体层来，并可以具备电连接的贯通电极17x。在配线基板10的半导体基板10A上设置有接地配线17h。在贯通电极17x和接地配线17h之间，存在有接触电极17a、衬垫电极17b、凸块17c、衬垫电极17d、接触电极17e、中间电极17f、接触电极17g，并且使它们电连接。
图9为用于说明载流子蓄积动作的电势图。
在光入射时，光电栅极PG的正下方区域的电势ΦPG被设定为比基准电位稍高一些。在该电势图中，向下方向为电势的正方向，在该图中表示有栅极TX1的正下方的区域的电势ΦTX1、栅极TX2的正下方的区域的电势ΦTX2、半导体区域FD1的电势ΦFD1、半导体区域FD2的电势ΦFD2。
如果向栅极TX1输入检测用栅极信号SL的高电位，那么在光电栅极PG的正下方产生的载流子(电子e)沿着电势梯度经由栅极PX1的正下方的区域而被蓄积在第1半导体区域FD1的势阱(potential well)内，从而在该势阱内蓄积电荷量Q1。
图10为用于说明载流子蓄积动作的电势图。
在光入射时，光电栅极PG的正下方区域的电势ΦPG被设定为比基准电位稍高一些。
紧接着检测用栅极信号SL，如果向栅极TX2输入检测用栅极信号SR的高电位，那么在光电栅极PG的正下方产生的载流子(电子e)沿着电势梯度(potential gradient)经由栅极PX2的正下方区域而被蓄积在第2半导体区域FD2的势阱内，从而在该势阱内蓄积电荷量Q2。
如上所述，蓄积在各势阱的电荷Q1、Q2经由设置于配线基板10的读取配线11h、15h(参照图5)而被外部读取。
图11为表示入射光的波长(nm)和吸收系数α之间的关系的图。
如果使用I(在某一深度的光强度)、I0(半导体基板表面附近的光强度)、x(距离半导体基板表面的深度)、α(光的吸收系数)，那么光的吸收表现为I＝I0×exp(-α×x)。由该式得出波长为700nm的光的一半被吸收的Si半导体基板的深度为大约3μm。本实施方式中的半导体基板1A的薄板部的厚度t1为10μm～100μm，比近红外区域的波长短的可见光区域的光被吸收，即使在光入射面一侧不设置可见光截止滤波器，也可以进行高精度的测距。
另外，波长800nm时的光的吸收系数α＝1.0×103(cm-1)，波长900nm时的光的吸收系数α＝2.0×102(cm-1)，入射光的63％被吸收的深度(I/I0＝1/e的情况)是：波长800nm时为10μm，波长900nm时为50μm。于是，只要半导体基板的厚度为10μm～50μm，就能够充分地吸收近红外区域的光。
图12为表示显示太阳光的能量密度的光谱(实线)和显示近红外发光LED的相对光强度的光谱(虚线)的图。
太阳光的光谱在可见光区域(500nm左右)具有峰值，而近红外发光LED的光谱例如在870nm具有峰值。因此，通过由适当的可见光区域截止滤波器除去可见光区域的光，从而有选择地从太阳光分离来自光源3的脉冲光，进一步，在半导体基板的与光入射面相反的一侧形成产生载流子的构成，因此，能够对应高速的分配速度以高近红外灵敏度收集所产生的载流子，并能够进行高精度的测距。另外，在背面入射型测距传感器的半导体基板的光入射面，比近红外区域的波长短的可见光区域的光被吸收，因此，即使在光入射面一侧不设置可见光截止滤波器也可以进行高精度的测距。
图13为表示距离光入射面的深度(μm)和光强度(a.u.)之间的关系的图。
背面入射型测距传感器的半导体基板的薄板部的厚度为15μm。光强度(a.u.)对应于在该位置产生的电子数。
在表面入射型的测距传感器中，如果假定耗尽层扩展至深度10μm并能够捕获载流子，则载流子信号成分为虚线的斜线区域R1。
另一方面，在背面入射型的测距传感器的情况下，如果在10μm的范围中捕获载流子，那么实线的斜线区域R2成为载流子信号成分。如果单纯地比较载流子数(灵敏度)，那么就会认为在灵敏度方面背面入射型的测距传感器比表面入射型的测距传感器差。但是，必要的信号是近红外波长，通过调整基板浓度、施加电压等，从而使光栅电极的正下方的耗尽层扩展至基板的厚度为止，那么背面入射型的测距传感器就能够得到比表面入射型的测距传感器更高的灵敏度。并且，通过扩展该耗尽层，能够降低对于倾斜入射的串扰。
另外，如果使栅极PG、TX1、TX2为金属，或是作为多晶硅在其光入射面一侧形成金属膜，那么，透过半导体基板的光会被该金属反射，因此，能够提高光的利用效率。通过利用反射还能够捕获在斜线区域R3中产生的载流子，因此，能够提高灵敏度。
另外，在半导体基板的光入射面一侧可以蒸镀可见光区域截止滤波器。另外，可以将上述的测距传感器(包括光源)模块化。
另外，对驱动信号的频率和测量距离范围之间的关系进行讨论研究的结果已知：在以不足1m～200m为止作为测量范围的情况下，适当的驱动信号的动作频率是0.375MHz～100MHz。
在此，载流子的移动度为固有的值，因此不具有动作频率依赖性。另外，通过改变施加于栅极的电压、基板浓度以及栅极氧化膜的厚度等的参数，电荷的分配效率(转送速度)会发生变化。例如，如果向栅极电压施加高电压，并在低浓度(高电阻)基板上适当地增厚栅极氧化膜的厚度，那么，就会增加由扩散得到的载流子的移动、并会增强边缘电场(fringing electric field)的效应，从而能够高速地转送电荷。通过增厚上述的绝缘层1E而能够形成边缘电场。用于形成边缘电场的适当的绝缘层1E的厚度为50～100nm。
在此，上述的光电栅极PG可以在每个测距传感器中只包括1个，也可以是以包括光电栅极的微小测距传感器作为像素而以一维或者二维形式排列成多个，从而作为能够得到一维或者二维的距离图像的测距传感器。而且，可以在背面入射型测距传感器1的光入射面一侧设置仅在光电栅极的上方开口的遮光膜，由此能够降低由于向半导体区域FD1、FD2倾斜地入射而造成的串扰。
图14为表示半导体基板内的电势分布的图。
向栅极TX1施加2V，向光电栅极PG施加1V，向栅极TX2施加0V。栅极TX1、TX2的正下方的电势从光电栅极PG的正下方的区域上升。通过向该区域入射近红外光，可以高效地获得载流子，并将它转送至具有比其周围显著高的电势的半导体区域FD1、FD2内。半导体区域FD1、FD2为具有高杂质浓度的N型的半导体，在内部存在正离子化的施主(donor)，并且电势很高。
(第2实施方式)
第2实施方式所涉及的测距装置的构造与在图1中说明的构造相同，不同点仅仅是构成测距装置的背面入射型测距传感器1的构成细节。该测距装置也具备在图1中说明的控制电路2、光源3、驱动电路4和运算电路5。
图15为第2实施方式的测距传感器的平面图。
背面入射型测距传感器1具备半导体基板1A，该半导体基板1A具有由排列成二维状的多个像素P(m，n)构成的摄像区域1B。从各像素P(m，n)输出2个电荷量(Q1、Q2)作为具有上述的距离信息的信号d’(m，n)。由于各像素P(m，n)作为微小测距传感器而输出对应于到对象物H为止的距离的信号d’(m，n)，因此，如果将来自对象物H的反射光在摄像区域1B成像，那么，作为到对象物H上的各点为止的距离信息的集合体而能够得到对象物的距离图像。
图16为图15所示的测距传感器的沿XVI-XVI箭头的剖面图。
从光入射面1BK向背面入射型测距传感器1入射脉冲光LD。背面入射型测距传感器1的与光入射面1BK相反一侧的表面1FT经由粘结区域AD而连接于配线基板10。粘结区域AD为包含凸块等的粘结元件的区域，必要时具有绝缘性的粘结剂或填充物。构成背面入射型测距传感器1的半导体基板1A具有加强用的框部F和比框部F更薄的薄板部TF，并且使它们一体化。薄板部TF的厚度为10μm以上100μm以下。本例的框部F的厚度为200μm以上600μm以下。
图17为变形例所涉及的测距传感器的剖面图。
该测距传感器与图16所示的测距传感器的区别只是半导体基板1A的形状，其它的构成相同。半导体基板1A还具有形成为条纹状或格子状的加强部AF，在加强部AF之间形成有薄板部TF，并使它们一体化。本例的加强部AF的厚度与框部AF的厚度相同，为200μm以上600μm以下。在薄板部TF上形成有上述的各像素。薄板部TF由使用KOH等的碱性蚀刻液的湿法蚀刻而形成。通过蚀刻而形成的露出表面的粗糙度为1μm以下。
图18为图16或图17所示的测距传感器的区域XVIII的放大图。
背面入射型测距传感器1的基本构造与图5所示的第1实施方式相同，因此，在此仅说明不同点。
即，在该背面入射型测距传感器1中，光电栅极PG的正下方的区域是与半导体基板1A相同的导电型即P型，由具有比半导体基板1A的杂质浓度更高的杂质浓度的电场集中区域1G构成。电场集中区域1G的杂质浓度比半导体基板1A的杂质浓度高，因此，在耗尽化时的离子化杂质密度变高，从而可以提高电势梯度即电场，使电场集中于该区域。由于半导体基板1A的杂质浓度相对低，因此，耗尽层向半导体基板1A扩展。
因此，耗尽层沿着从光电栅极PG的正下方的电场集中区域1G向着低浓度的半导体基板1A的纵向上进行扩展，但是，向横向上的扩展则得到了抑制。详细内容会在后面叙述，但是，在该构造中，即使在电场集中区域1G的正下方的半导体基板1A，也抑制了耗尽层向横向上的扩展，并抑制了作为信号而蓄积的载流子，另外，能够抑制与从第1和第2半导体区域FD1、FD2扩展的耗尽层的结合，因此，能够抑制向第1和第2半导体区域FD1、FD2内直接流入的载流子，从而能够降低串扰。
电场集中区域1G是通过向硅基板内扩散或注入外延层(epitaxiallayer)或杂质而形成的。如果使电场集中区域1G的厚度变薄成为0.2μm～3μm、优选为1μm～3μm，那么，也会向低浓度的半导体基板1A施加电场，耗尽层向半导体基板1A内进行扩展。
第1和第2半导体区域FD1、FD2的导电型与半导体基板1A的导电型不同，第1和第2半导体区域FD1、FD2形成在阱区域W1、W2内，阱区域W1、W2的导电型与半导体基板1A为相同的导电型，并具有比电场集中区域1G的杂质浓度更高的杂质浓度。
第1和第2半导体区域FD1、FD2的导电型与半导体基板1A不同，因此，原本其构成PN接合，耗尽层从其界面向着低浓度的半导体基板扩展。另一方面，在本实施方式的构成的情况下，第1和第2半导体区域FD1、FD2形成在阱区域W1、W2内，阱区域W1、W2的杂质浓度比半导体基板1A的杂志浓度足够高，因此，从第1和第2半导体区域FD1、FD2和阱区域W1、W2的界面扩展的耗尽层的厚度被抑制，并能够抑制该耗尽层和从光电栅极PG的正下方扩展的原本的耗尽层相结合的状态，从而能够如上所述抑制串扰。
在该背面入射型测距传感器1中，也将对应投光用的光的入射而在半导体深部产生的载流子引入到设置于与光入射面1BK相反的一侧的载流子产生位置附近的势阱中，从而可以高速地进行正确的测距。在此，第2实施方式的测距装置和背面入射型测距传感器1的测距时的动作也与第1实施方式相同。
图19为第2实施方式的测距传感器的像素的平面图。
在上述的背面入射型测距传感器1中，也可以在P型的阱区域W2的外侧设置N型的阱区域W3。阱区域W3能够进行像素分离，并且能够吸收伴随着杂散光而产生的不需要的载流子。在此，各阱区域W1、W2、W3的深度相同。而且，各半导体区域的厚度/杂质浓度如以下所述。
·半导体基板1A：
厚度10～100μm/杂质浓度1×1012～1015cm-3
·阱区域W1、W2：
厚度0.5～3μm/杂质浓度1×1016～1018cm-3
·半导体区域FD1、FD2：
厚度0.1～0.4μm/杂质浓度1×1018～1020cm-3
·阱区域W3：
厚度0.5～3μm/杂质浓度1×1016～1018cm-3
·电场集中区域1G(图18)：
厚度0.2～3μm/杂质浓度1×1013～1016cm-3
在本例中，使用高电阻基板(本例中电阻率为10kΩ·cm)作为半导体基板1A，从而在向光电栅极PG施加偏置电压时耗尽层从光电栅极PG的正下方的区域以放射状扩展，提高光的利用效率(量子效率)，并且能够捕获要直接进入到第1和第2半导体区域FD1、FD2的电荷，从而能够降低串扰。
在此，本例的半导体基板1A的厚度为20μm，杂质浓度为1×1012cm-3，阱区域W1、W2的杂质浓度为1×1017cm-3，半导体区域FD1、FD2的杂质浓度为1×1019cm-3，阱区域W3的杂质浓度为1×1017cm-3，电场集中区域1G的杂质浓度为1×1015cm-3。
在此，背栅附近的构造、贯通电极附近的构造与第1实施方式的图7和图8中说明的构造相同。
图20为用于说明载流子蓄积动作的电势图。
在光入射时，光电栅极PG的正下方的区域的电势ΦPG被设定为比基准电位稍高一些。在该电势图中，向下方向为电势的正方向，在该图中表示有栅极TX1的正下方的区域的电势ΦTX1、栅极TX2的正下方的区域的电势ΦTX2、半导体区域FD1的电势ΦFD1、半导体区域FD2的电势ΦFD2。
如果向栅极TX1输入检测用栅极信号SL的高电位，那么在光电栅极PG的正下方产生的载流子(电子e)沿着电势梯度经由栅极PX1的正下方的区域而被蓄积在第1半导体区域FD1的势阱内，从而在该势阱内蓄积电荷量Q1。
图21为用于说明载流子蓄积动作的电势图。
在光入射时，光电栅极PG的正下方的区域的电势ΦPG被设定为比基准电位稍高一些。
紧接着检测用栅极信号SL，如果向栅极TX2输入检测用栅极信号SR的高电位，那么在光电栅极PG的正下方产生的载流子(电子e)沿着电势梯度经由栅极PX2的正下方的区域而被蓄积在第2半导体区域FD2的势阱内，从而在该势阱内蓄积电荷量Q2。
如上所述，蓄积在各势阱的电荷Q1、Q2经由设置于配线基板10的读取配线11h、15h(参照图18)而被外部读取。
在此，在本例中，如果半导体基板的厚度为10～50μm，那么能够充分地吸收近红外区域的光。另外，在本实施方式中，通过由适当的可见光区域截止滤波器除去可见光区域的光，从而有选择地从太阳光分离来自光源3的脉冲光，进一步，在半导体基板的与光入射面相反的一侧形成产生载流子的构成，因此，能够对应高速的分配速度以高近红外灵敏度收集所产生的载流子，并能够进行高精度的测距。另外，在背面入射型测距传感器的半导体基板的光入射面，比近红外区域的波长短的可见光区域的光被吸收，因此，即使在光入射面一侧不设置可见光截止滤波器也可以进行高精度的测距。在本实施方式中，必要的信号为近红外波长，通过调整基板浓度、施加电压等，从而使光栅电极的正下方的耗尽层扩展至基板的厚度为止，那么背面入射型的测距传感器就能够得到比表面入射型的测距传感器更高的灵敏度。并且，通过扩展该耗尽层，能够降低对于倾斜入射的串扰。
进而，如果使栅极PG、TX1、TX2为金属，或是作为多晶硅在其光入射面一侧形成金属膜，那么，透过半导体基板的光会被该金属反射，因此，能够提高光的利用效率。通过利用反射还能够捕获在斜线区域R3中产生的载流子，因此，能够提高灵敏度。
另外，在半导体基板的光入射面一侧可以蒸镀可见光区域截止滤波器。另外，可以将上述的测距传感器(包括光源)模块化。
另外，对驱动信号的频率和测量距离范围之间的关系进行讨论研究的结果已知：在以不足1m～200m为止作为测量范围的情况下，适当的驱动信号的动作频率是0.375MHz～100MHz。在以动作频率为0.01MHz(50000ps)、0.1MHz(5000ps)、0.375MHz(1333ps)、1MHz(500ps)、10MHz(50ps)、100MHz(5ps)、1000MHz(0.5ps)的情况下，测量距离范围分别为7500m、750m、200m、75m、7.5m、0.75m、0.075m。在此，括号内为动作速度的二分之一，表示脉冲宽度。
在此，载流子的移动度是固有的值，因此不具有动作频率依赖性。另外，通过改变施加于栅极的电压、基板浓度以及栅极氧化膜的厚度等的参数，电荷的分配效率(转送速度)会发生变化。例如，如果向栅极电压施加高电压，并在低浓度(高电阻)基板上适当地增厚栅极氧化膜的厚度，那么，就会增加由扩散得到的载流子的移动、并会增强边缘电场的效应，从而能够高速地转送电荷。通过增厚上述的绝缘层1E而能够形成边缘电场。用于形成边缘电场的适当的绝缘层1E的厚度为50～1000nm。
在此，上述的光电栅极PG可以在每个测距传感器中只包括1个，也可以是以包括光电栅极的微小测距传感器作为像素而以一维或者二维形式排列成多个，从而作为能够得到一维或者二维的距离图像的测距传感器。而且，可以在背面入射型测距传感器1的光入射面一侧设置仅在光电栅极的上方开口的遮光膜，由此能够降低由于向半导体区域FD1、FD2倾斜地入射而造成的串扰。
进行了上述的测距传感器中的电势分布的模拟。如图18所示，第2实施方式的测距传感器具备电场集中区域1G，而第1实施方式的测距传感器不具备电场集中区域1G。
图22为表示第2实施方式所涉及的半导体基板内的电势分布的图。图23为表示第2实施方式所涉及的光电栅极PG、2个栅极TX1、TX2以及半导体区域FD1、FD2的正下方的电势的图。图23的横轴与图22的横轴一致。
向栅极TX1施加2V，向光电栅极PG施加1V，向栅极TX2施加0V。栅极TX1、TX2的正下方的电势从光电栅极PG的正下方的区域上升。通过向该区域入射近红外光，可以高效地获得载流子，并将它转送至具有比其周围显著高的电势的半导体区域FD1、FD2内。半导体区域FD1、FD2为具有高杂质浓度的N型的半导体，在内部存在正离子化的施主，并且电势很高。
第1实施方式所涉及的半导体基板内的电势分布如图14所示，图24为表示第1实施方式的光电栅极PG、2个栅极TX1、TX2以及半导体区域FD1、FD2的正下方的电势的图。图24的横轴与图14的横轴一致。
根据第2实施方式的电势分布可知，相比第1实施方式更加抑制了电势的扩展。电势分布对应于耗尽层的分布。在第2实施方式的测距传感器中，抑制了被向横向扩展的耗尽层吸收的载流子，另外，能够抑制与从第1和第2半导体区域扩展的耗尽层的结合，因此能够抑制向第1和第2半导体区域内直接流入的载流子，并能够降低串扰。
(第3实施方式)
第3实施方式所涉及的测距装置的构造与在图1中说明的构造相同，不同点仅仅是构成测距装置的背面入射型测距传感器1的构成细节。该测距装置也具备在图1中说明的控制电路2、光源3、驱动电路4和运算电路5。
图25为第3实施方式的测距传感器的平面图。
背面入射型测距传感器1具备半导体基板1A，该半导体基板1A具有由排列成二维状的多个像素P(m，n)构成的摄像区域1B。从各像素P(m，n)输出2个电荷量(Q1、Q2)作为具有上述的距离信息的信号d’(m，n)。由于各像素P(m，n)作为微小测距传感器而输出对应于到对象物H为止的距离的信号d’(m，n)，因此，如果将来自对象物H的反射光在摄像区域1B成像，那么，作为到达对象物H上的各点为止的距离信息的集合体而能够得到对象物的距离图像。
图26为图25所示的测距传感器的沿XXVI-XXVI箭头的剖面图。
从光入射面1BK向背面入射型测距传感器1入射脉冲光LD。背面入射型测距传感器1的与光入射面1BK相反一侧的表面1FT经由粘结区域AD而连接于配线基板10。粘结区域AD为包含凸块等的粘结元件的区域，必要时具有绝缘性的粘结剂或填充物。构成背面入射型测距传感器1的半导体基板1A具有加强用的框部F和比框部F更薄的薄板部TF，并且使它们一体化。薄板部TF的厚度为10μm以上100μm以下。本例的框部F的厚度为200μm以上600μm以下。
图27为变形例所涉及的测距传感器的剖面图。
该测距传感器与图26所示的测距传感器的区别只是半导体基板1A的形状，其它的构成相同。半导体基板1A还具有形成为条纹状或格子状的加强部AF，在加强部AF之间形成有薄板部TF，并使它们一体化。本例的加强部AF的厚度与框部AF的厚度相同，为200μm以上600μm以下。在薄板部TF上形成有上述的各像素。薄板部TF由使用KOH等的碱性蚀刻液的湿法蚀刻而形成。通过蚀刻而形成的露出表面的粗糙度为1μm以下。
图28为图26或图27所示的测距传感器的区域XXVIII的放大图。
背面入射型测距传感器1的基本构造与图18所示的第2实施方式相同，因此，在此仅说明不同点。
即，在该背面入射型测距传感器1中，第1和第2半导体区域FD1、FD2的一部分与半导体基板1A中的各栅极TX1、TX2的正下方的区域接触。在半导体基板1A的光入射面1BK一侧，经由可见光激励载流子再结合区域1C而设置有反射防止膜1D。即，在半导体基板1A的光入射面一侧设置有由P型半导体层或者缺陷层构成的可见光激励载流子再结合区域1C。由P型半导体层构成的可见光激励载流子再结合区域1C的厚度为0.1μm～5μm，杂质浓度为1018cm-3～1020cm-3，使通过可见光的入射而产生的载流子再结合并消失。另外，通过去疵(gettering)加工、离子注入等形成的由缺陷层构成的可见光激励载流子再结合区域1C的厚度为0.1μm～5μm，使通过可见光的入射而产生的载流子再结合并消失。
在以半导体基板1A中的可见光的吸收系数为α、以半导体基板1A的厚度(包括再结合区域1C的薄板部整体的厚度)为t1、以可见光激励载流子再结合区域的厚度为t2的情况下，优选满足以下的关系式。
·-(1/α)×ln(0.5)μm≤t2、
·10μm≤t1≤100μm
在该情况下，在可见光激励载流子再结合区域1C中，其中的50％消失，由于没有到达至光电栅极PG的正下方区域而优选，另外，近红外光在10μm以上100μm以下的深度的区域被吸收，因此，在光电栅极PG的正下方的区域能够以高灵敏度收集应答性优异的载流子。
另外，可见光激励载流子再结合区域1C的露出面的表面粗糙度，即表面凹凸的最大值与最小值的高度之差为1μm以下。
反射防止膜1D的材料为SiO2或者SiN。
光电栅极PG的正下方的区域为与半导体基板1A相同的导电型的P型，由具有比半导体基板1A的杂质浓度更高的杂质浓度的电场集中区域1G构成，其以第2实施方式中所说明的那样起作用。
图29为第3实施方式的测距传感器的像素的平面图。
在上述的背面入射型测距传感器1中，也可以在P型的阱区域W2的外侧设置N型的阱区域W3。阱区域W3能够进行像素分离，并且能够吸收伴随着杂散光而产生的不需要的载流子。在此，各阱区域W1、W2、W3的深度相同。而且，各半导体区域的厚度/杂质浓度如以下所述。
·半导体基板1A：
厚度10～100μm/杂质浓度1×1012～1015cm-3
·阱区域W1、W2：
厚度0.5～3μm/杂质浓度1×1016～1018cm-3
·半导体区域FD1、FD2：
厚度0.1～0.4μm/杂质浓度1×1018～1020cm-3
·阱区域W3：
厚度0.5～3μm/杂质浓度1×1016～1018cm-3
·电场集中区域1G(图28)：
厚度0.2～3μm/杂质浓度1×1013～1016cm-3
在本例中，使用高电阻基板(本例中电阻率为10kΩ·cm)作为半导体基板1A，从而在向光电栅极PG施加偏置电压时耗尽层从光电栅极PG的正下方的区域以放射状扩展，提高光的利用效率(量子效率)，并且能够捕获要直接进入到第1和第2半导体区域FD1、FD2的电荷，从而能够降低串扰。
在此，本例的半导体基板1A的厚度为20μm，杂质浓度为1×1012cm-3，阱区域W1、W2的杂质浓度为1×1017cm-3，半导体区域FD1、FD2的杂质浓度为1×1019cm-3，阱区域W3的杂质浓度为1×1017cm-3，电场集中区域1G的杂质浓度为1×1015cm-3。
另外，背栅附近的构造与第1实施方式的图7中所说明的构造相同。
图30为贯通电极附近的剖面图。
由于将上述的背面入射型测距传感器1的半导体基板1A的电位固定为基准电位，因此，作为背栅电极的替代，可以具有电连接于由P型半导体层构成的可见光激励载流子再结合区域1C的贯通电极17x。在配线基板10的半导体基板10A上设置有接地配线17h。在贯通电极17x和接地配线17h之间，存在有接触电极17a、衬垫电极17b、凸块17c、衬垫电极17d、接触电极17e、中间电极17f、接触电极17g，并且使它们电连接。
在此，载流子蓄积动作和读取动作与第2实施方式相同。另外，本实施方式中的半导体基板1A的薄板部的厚度t1为10μm～100μm，比近红外区域的波长短的可见光区域的光被吸收，即使在光入射面一侧不设置可见光截止滤波器也可以进行高精度的测距。换言之，光的感应区域的厚度t＝t1-((-1/α)×ln(I/I0))。另外，由于在背面入射型测距传感器的半导体基板的光入射面中比近红外区域的波长短的可见光区域的光被吸收，因此，即使在光入射面一侧不设置可见光截止滤波器也可以进行高精度的测距。另外，在本例中，必要的信号是近红外波长，通过调整基板浓度、施加电压等，从而使光电栅极的正下方的耗尽层扩展至基板的厚度为止，那么背面入射型的测距传感器就能够得到比表面入射型的测距传感器更高的灵敏度。并且，通过扩展该耗尽层，能够降低对于倾斜入射的串扰。
另外，如果使栅极PG、TX1、TX2为金属，或是作为多晶硅在其光入射面一侧形成金属膜，那么，透过半导体基板的光会被该金属反射，因此，能够提高光的利用效率。通过利用反射还能够捕获在斜线区域R3中产生的载流子，因此，能够提高灵敏度。
另外，在半导体基板的光入射面一侧可以蒸镀可见光区域截止滤波器。另外，可以将上述的测距传感器(包括光源)模块化。
另外，对驱动信号的频率和测量距离范围之间的关系进行讨论研究的结果已知：在以不足1m～200m为止作为测量范围的情况下，适当的驱动信号的动作频率是0.375MHz～100MHz。
在此，载流子的移动度为固有的值，因此不具有动作频率依赖性。另外，通过改变施加于栅极的电压、基板浓度以及栅极氧化膜的厚度等的参数，电荷的分配效率(转送速度)会发生变化。例如，如果向栅极电压施加高电压，并在低浓度(高电阻)基板上适当地增厚栅极氧化膜的厚度，那么，就会增加由扩散得到的载流子的移动、并会增强边缘电场的效应，从而能够高速地转送电荷。通过增厚上述的绝缘层1E而能够形成边缘电场。用于形成边缘电场的适当的绝缘层1E的厚度为50～1000nm。
在此，上述的光电栅极PG可以在每个测距传感器中只包括1个，也可以是以包括光电栅极的微小测距传感器作为像素而以一维或者二维形式排列成多个，从而作为能够得到一维或者二维的距离图像的测距传感器。而且，可以在背面入射型测距传感器1的光入射面一侧设置仅在光电栅极的上方开口的遮光膜，由此能够降低由于向半导体区域FD1、FD2倾斜地入射而造成的串扰。
在此，第3实施方式中的测距传感器的半导体基板内的电势分布基本上与第2实施方式相同。

Claims (5)

1.一种背面入射型测距传感器，其特征在于，
具备：
具有光入射面和与所述光入射面相反的一侧的表面的半导体基板；
设置于所述表面上的光电栅极；
在所述表面上与所述光电栅极邻接地设置的第1和第2栅极；以及
用于分别读取从所述光电栅极的正下方的区域流入所述第1和第2栅极的正下方的区域的载流子的第1和第2半导体区域。
2.如权利要求1所述的背面入射型测距传感器，其特征在于，
所述半导体基板具有由多个像素构成的摄像区域，
所述各个像素具有：
所述光电栅极；
所述第1和第2栅极；和
所述第1和第2半导体区域。
3.如权利要求1所述的背面入射型测距传感器，其特征在于，
所述第1和第2半导体区域的导电型与所述半导体基板的导电型不同，所述第1和第2半导体区域形成在阱区域内，所述阱区域的导电型是与所述半导体基板相同的导电型，所述第1和第2半导体区域具有比所述半导体基板的杂质浓度更高的杂质浓度。
4.一种测距装置，其特征在于，
具备：
如权利要求1～3中任一项所述的背面入射型测距传感器；
射出近红外光的光源；
向所述光源赋予脉冲驱动信号的驱动电路；
向所述第1和第2栅极赋予与所述脉冲驱动信号同步的检测用栅极信号的控制电路；以及
由从所述第1和第2半导体区域读取的信号运算到对象物为止的距离的运算电路。
5.一种测距装置，其特征在于，
将如权利要求1～3中任一项所述的背面入射型测距传感器的所述表面固定于配线基板的贴装面上，使所述光电栅极、所述第1栅极和所述第2栅极经由凸块而连接于所述配线基板上的配线。
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