CN114585941A - 固态成像装置和距离测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供可以检测高频脉冲光的固态成像装置和距离测量系统。固态成像装置包括：多个像素，每个像素具有用于将接收光转换成电信号的光接收元件；驱动部，用于在偏移光接收元件的操作定时的同时来驱动多个像素；以及时间测量部，基于已输入的电信号，测量直到从光源发射的光在被对象反射后由光接收元件接收的持续时间，该时间测量部被设置为使得从多个像素的每个像素输入电信号。

Description

固态成像装置和距离测量系统
技术领域
本公开涉及具有光接收元件的固态成像装置和使用该固态成像装置的距离测量系统。
背景技术
近年来，通过ToF(飞行时间)技术测量距离的距离图像传感器受到关注。例如，形成为使得通过使用CMOS(互补金属氧化物半导体)半导体集成电路技术平面布置多个SPAD(单光子雪崩二极管)像素的像素阵列可以用作距离图像传感器。在SPAD像素中，当光子进入具有高电场的PN结区域中时发生雪崩放大，该PN结区域具有比所施加的击穿电压大得多的电压。通过检测此时的瞬间的电流流动时间，能够高精度地测定距离(例如参照专利文献1、2)。
[引用列表]
[专利文献]
[专利文献1]
日本专利公开号2013-48278
[专利文献2]
日本专利公开号2015-41746
发明内容
[技术问题]
然而，SPAD像素在雪崩放大结束之后不能检测光，直到SPAD像素被复位。因此，SPAD像素具有难以检测高频脉冲光的问题。
本公开的目的是提供可以检测高频脉冲光的固态成像装置和距离测量系统。
[问题的解决方案]
根据本公开的一方面的固态成像装置包括：多个像素，每个像素具有将接收光转换为电信号的光接收元件；驱动部，被配置为通过偏移光接收元件的操作定时来驱动多个像素；以及时间测量部，被设置为使得电信号从多个像素的每一个被输入并且被设置为基于电信号的输入测量从光源发射的光被对象反射并且被光接收元件接收的时间。
根据本公开的一方面的距离测量系统包括：光源，适于将光发射到对象上；以及固态成像装置，具有多个像素，每个像素具有将接收光转换为电信号的光接收元件；驱动部，适于通过偏移光接收元件的操作定时来驱动多个像素；以及时间测量部，被设置为使得从多个像素的每一个输入电信号，并适于基于电信号的输入测量从光源发射的光由对象反射并由光接收元件接收的时间。
附图说明
[图1A]是描绘根据本公开的实施方式的距离测量系统的配置的实例的示意图。
[图1B]是描述根据本公开的实施方式的距离测量系统的电路配置的实例的框图。
[图2]是示出根据本公开的实施方式的固态成像装置的配置实例的示意图。
[图3]是描绘包括在根据本公开的实施方式的固态成像装置中的像素组的配置的实例的平面图。
[图4]是描绘包括在根据本公开的实施方式的固态成像装置中的像素组的配置的实例的截面图。
[图5]是示出根据本公开的实施方式的固态成像装置的电路配置的实例的框图。
[图6]是描述根据本公开的实施方式的固态成像装置的像素电路的配置的实例的框图。
[图7]是描绘设置在根据本公开的实施方式的固态成像装置中的解码器的配置的实例的电路图。
[图8]是示出了根据本公开的实施方式的设置在固态成像装置中的检测电路的配置的实例的电路图。
[图9]是描绘设置在根据本公开的实施方式的固态成像装置中的选择电路的配置的实例的电路图。
[图10]是描述根据本公开的实施方式的固态成像装置的操作的实例的时序图。
[图11]是描绘包括在根据本公开的实施方式的变形例1的固态成像装置中的像素组的配置的实例的平面图。
[图12]是描绘包括在根据本公开的实施方式的变形例1的固态成像装置中的像素组的配置的实例的截面图。
[图13]是描绘包括在根据本公开的实施方式的变形例2的固态成像装置中的像素组的配置的实例的平面图。
[图14]是描绘包括在根据本公开的实施方式的变形例2的固态成像装置中的像素组的配置的实例的截面图。
[图15]是描绘包括在根据本公开的实施方式的变形例3的固态成像装置中的像素组的配置的实例的平面图。
[图16]是描绘包括在根据本公开的实施方式的变形例3的固态成像装置中的像素组的配置的实例的截面图。
[图17]是描述车辆控制系统的示意性配置的实例的框图。
[图18]是辅助说明车外信息检测部和成像部的安装位置的实例的图。
具体实施方式
下面将参考附图给出用于实施本公开的模式(实施方式)的详细描述。以下给出的描述仅是本公开的具体实例，并且本公开不限于以下给出的实施方式。
<距离测量系统>
根据本公开的实施方式的距离测量系统是用于通过使用结构光技术来测量至对象的距离的系统。此外，根据本实施例的距离测量系统还可以用作获取三维(3D)图像的系统，并且在这种情况下可以被称为三维图像获取系统。在结构光技术中，通过识别点图像的坐标并且通过图案匹配从哪个光源(即，点光源)投影点图像来测量距离。
[系统配置]
图1A是描述根据本实施方式的距离测量系统的配置的实例的示意图。图1B是示出根据本实施方式的距离测量系统的电路配置的实例的框图。
根据本实施例的距离测量系统9包括向对象8发射光的光源91。光源91包括表面发射半导体激光器，诸如垂直谐振器表面发射激光器。距离测量系统9包括根据本实施例的固态成像装置1(稍后详细描述)。固态成像装置1中包括的多个像素20用作距离测量系统9中的光接收部。光源91向对象8照射高频激光。如图1A和图1B所示，根据本实施方式的距离测量系统9不仅包括光源91和多个像素20，还包括控制部31、激光控制部33、距离测量处理部35、光源侧光学器件93和成像装置侧光学器件94。
稍后将详细描述控制部31、激光控制部33、距离测量处理部35以及多个像素20。控制部31经由激光控制部33驱动光源91并且控制多个像素20和距离测量处理部35。更具体地，控制部31通过使这些部同步来控制光源91、多个像素20以及距离测量处理部35。
在根据本实施方式的距离测量系统9中，从光源91发射的高频激光束通过光源侧光学器件93照射在对象8(即，待测目标)上。发射的该光束被对象8反射。由对象8反射的光束通过成像装置侧光学部件94进入多个像素20。距离测量处理部35通过使用TOF(飞行时间)技术来测量固态成像装置1和对象8之间的距离。由距离测量处理部35测量的距离信息被提供给距离测量系统9外部的应用处理器700。应用处理器700对输入的距离信息执行给定处理。
<固态成像装置的示意配置>
接下来将通过使用图2至图4描述根据本实施方式的固态成像装置1的示意性配置。图2是描绘固态成像装置1的平面配置的实例的示意图。
图3是描绘包括在固态成像装置1中的像素组2的配置的实例的平面图。
图4是描述沿着图3中的线L-L切割的像素组2的配置实例的横截面视图。
如图2所示，根据本实施例的固态成像装置1具有传感器芯片10a和逻辑芯片10b(图2中未示出)。在传感器芯片10a上设置有像素区域A1、周边区域A2和焊盘区域A3。逻辑芯片10b被安排在传感器芯片10a的下表面(光进入表面的相反侧的表面)上。像素区域A1例如是从传感器芯片10a的中心向边缘部侧延伸的矩形区域。包围区域A2是以包围像素区域A1的方式设置的环状区域。焊盘区域A3是以包围包围区域A2的方式设置、且设置在传感器芯片10a的最外周侧的环状区域。
像素区域A1具有以阵列模式排列的多个像素20。设置在像素区域A1中的所有像素20具有相同的结构。在图2中，像素20由白色矩形表示。而且，在图2中，参考标号“20a、20b、20c、以及20d”仅被分配给多个像素20中的四个像素，以有助于理解。以下，在不区别说明像素20a、20b、20c、20d的情况、以及说明设于像素区域A1的全部像素20的情况下，总称为像素20。
固态成像装置1包括多个像素组2，每个像素组2具有多个像素20(在本实施例中为四个像素)。在图2中，参考标号“2”仅被分配给具有多个像素组2中的像素20a、20b、20c和20d的那些像素组。
如图2所示，焊盘区域A3以从传感器芯片10a的上边缘延伸到布线层102a(图2中未示出；参照图4)，并且导向电极焊盘(未示出)的布线空穴布置成直线。在图2中，焊盘开口部101由白色矩形表示。而且，在图2中，为了便于理解，参考标号仅被分配给多个焊盘开口部101中的一个。在每个焊盘开口部101的底部设置有布线电极焊盘。该电极焊盘用于与布线层102a中的布线或其他外部装置(例如芯片)连接。另外，传感器芯片10a与逻辑芯片10b的接合面附近的布线层也可以用作电极焊盘。
在传感器芯片10a中形成的布线层102a和在逻辑芯片10b中形成的布线层102b中的每个(图2中未示出；参照图4)，包括绝缘膜和多片布线，并且多片布线和电极焊盘包括例如金属，诸如铜(Cu)或铝(Al)。形成在像素区域A1和周围区域A2中的布线包括与形成在布线层102a和102b中的多个布线和电极焊盘相同的材料。
如图2所示，在像素区域A1和焊盘区域A3之间设置周围区域A2。周边区域A2包括n型半导体区域和p型半导体区域。另外，p型半导体区域通过接触部(未示出)与形成于周边区域A2的布线(未示出)连接。布线接地(GND)。在像素区域A1与周边区域A2之间形成有沟槽(未示出)。设置沟槽以可靠地将像素区域A1与周围区域A2分离。
尽管稍后描述，光接收元件21(图2中未示出；参考图3和图4)，在像素20中设置包括雪崩光子二极管。在光接收元件21的阴极与阳极之间施加高电压。此外，周围区域A2连接到GND。因此，在像素区域A1和周围区域A2之间的区域中，由于将高电压施加至光接收元件21的阳极而出现高电场区域，这可能导致击穿。避免击穿的可能的解决方案是加宽设置在像素区域A1与周围区域A2之间的区域(分离区域)。但是，若扩大分离区域，则传感器芯片10a的尺寸变大。因此，在本实施例中，为了防止这种损坏、传感器芯片10a的大型化，形成沟槽。该沟槽使得可以在不加宽分离区的情况下防止击穿。
如图3所示，像素组2具有以阵列模式排列的四个像素20a、20b、20c和20d。像素20a、20b、20c、20d相邻配置。像素组2具有第一遮光部22和第二遮光部23。第一遮光部22被设置成包围像素组2的外周。第二遮光部23被设置在多个像素20a、20b、20c和20d的边界部分中。第一遮光部22和第二遮光部23包括诸如W(钨)、Al(铝)或Cu(铜)的金属材料或者诸如多晶硅的其他材料。第一遮光部22可防止由对象8反射的光的泄漏(图3中未描绘；参考图1)，形成相邻的像素组2。此外，第二遮光部23可防止由对象8反射的光泄露到相邻像素20中。
像素20a、20b、20c、20d中的每个像素具有将接收光转换成电信号的光接收元件21。光接收元件21例如是通过使用高电场区域使载流子倍增的雪崩光子二极管(APD)。APD具有盖革模式和线性模式。盖革模式使得APD在高于击穿电压的偏置电压下操作。线性模式使得APD在接近并且略高于击穿电压的偏置电压下操作。盖革模式中的雪崩光子二极管也被称为单光子雪崩二极管(SPAD)。SPAD是可以通过在具有为每个像素20提供的高电场的PN结区域中乘以通过光电转换生成的载流子来检测每个像素20的单个光子的器件。在本实施方式中，例如，光接收元件21包括作为APD类型的SPAD。这使得光接收元件21可以提高光检测准确度。稍后将详细描述像素20的配置。
如图4所示，逻辑芯片10b连接并布置在传感器芯片10a的下表面上。外围电路(稍后详细描述)形成在逻辑芯片10b上以处理从像素20输入的信号并向设置在像素20中的像素电路(稍后详细描述)供电。在图4所示的示例中，传感器芯片10a和逻辑芯片10b电连接，使得在像素区域A1中形成于传感器芯片10a和逻辑芯片10b之间的接合表面侧的布线层中，接合表面侧的最外侧的布线层中的一些直接接合在一起。
(像素配置)
接下来将给出包括在根据本实施例的固态成像装置1中的像素的详细配置的描述。固态成像装置1包括背照像素20。即，传感器芯片10a布置在固态成像装置1的后表面侧上，逻辑芯片10b布置在固态成像装置1的前表面侧上。像素20堆叠在光进入的片上透镜(未示出)的顶部上。布线层102a堆叠在像素20的上面。逻辑芯片10b堆叠在布线层102a的顶部上，布线层102b与布线层102a面对面放置。
光从片上透镜侧进入像素20中。在背照像素20的情况下，用于驱动像素20的像素电路例如在设置在逻辑芯片10b上的布线层102a和布线层102b中形成。此外，用于驱动像素电路的外围电路例如形成在设置在逻辑芯片10b上的布线层102b中。此外，可以通过在像素区域之外的区域中布置电路来将电路布置在同一基板中。
根据本实施例的固态成像装置1可应用于图4中所示的后照明像素20和布置在片上透镜下方的前照明像素。以下将通过参考背照像素20的实例给出包括在固态成像装置1中的像素的描述。
如图4所示，像素20具有包括SPAD的光接收元件21。光接收元件21具有导电型为n型(第一导电型)的n型半导体区域211。光接收元件21具有形成在n型半导体区211下方并且其导电类型是p型(第二导电类型)的p型半导体区212。在阱层213中形成n型半导体区211和p型半导体区212。
阱层213可以是导电类型为n型的半导体区域或者导电类型为p型的半导体区域。此外，阱层213易于耗尽，例如，在阱层213是1×1014或更小的数量级的低浓度n型或p型半导体区的情况下。阱层213的耗尽使得有可能改进被称为PDE(光子检测效率)的检测效率。
n型半导体区211包括例如Si(硅)，并且是具有高杂质浓度并且其导电类型是n型的半导体区。p型半导体区212包括例如Si(硅)，并且是具有高杂质浓度并且其导电类型是p型的半导体区。p型半导体区212在与n型半导体区211的界面处形成pn结。p型半导体区212具有通过雪崩倍增来倍增由于待检测光的进入而发生的载流子的倍增区。p型半导体区212可以被耗尽。p型半导体区212的耗尽使得有可能改进PDE。
n型半导体区211用作光接收元件21的阴极。n型半导体区211经由接触件214和布线连接至像素电路(图4中未示出)。与阴极配对的光接收元件21的阳极215形成在与n型半导体区211相同的层中以围绕n型半导体区211(参考图3)。阳极215形成在n型半导体区211与形成在第一遮光部22和第二遮光部23中的每一个的侧壁上的氧化物膜218之间。阳极215经由接触件216和布线连接到设置在外围电路中的电源(未示出)。
不仅第一遮光部22和氧化膜218而且第二遮光部23和氧化膜218用作用于将像素20彼此分离的分离区域。在氧化膜218和阱层213之间形成空穴蓄积区域217。空穴蓄积区域217形成在阳极215下方。空穴蓄积区域217与阳极215电连接。例如，空穴蓄积区域217可以形成为p型半导体区域。空穴蓄积区域217可以通过离子注入、固相扩散、固定电荷膜的诱导或其他手段来形成。
空穴蓄积区域217形成在不同材料接触的部分中。在图4所示的实例中，包括在氧化膜218中的材料和包括在阱层213中的材料不同。因此，如果氧化膜218和阱层213接触，则存在两者之间的界面处可能发生暗电流的可能性。因此，通过在氧化膜218和阱层213之间形成空穴蓄积区域217，能够抑制暗电流。
在背面照明的固态成像装置中使用包括APD的光接收元件21的情况下，片上透镜(未示出)例如堆叠在阱层213下方(与形成n型半导体区211的一侧相对的一侧)。可在与形成片上透镜的一侧上的阱层213的界面处形成空穴蓄积区域。
同时，在正面照明的固态成像装置中使用包括APD的光接收元件21的情况下，例如，硅基板被布置在阱层213下方(与形成n型半导体区211的一侧相对的一侧)。因而，在前照式固态成像装置中使用包括APD的光接收元件21的情况下，可以采用其中不形成空穴蓄积区域的像素配置。不用说，即使在包括APD的光接收元件21用于前照明固态成像装置中的情况下，空穴蓄积区域217也可以形成在阱层213下方。
即，空穴蓄积区域217可以形成在阱层213的上表面以外的表面(形成n型半导体区域211的表面)上。可选地，空穴蓄积区域217可以形成在除了阱层213的上表面或下表面以外的表面上。
第一遮光部22、第二遮光部23和氧化膜218形成在相邻像素20之间以将形成在像素20中的光接收元件21彼此分离。即，第一遮光部22、第二遮光部23和氧化膜218被形成为使得倍增区域形成为与光接收元件21一一对应。第一遮光部22、第二遮光部23和氧化膜218以二维网格图案形成，以便完全包围每个n型半导体区211(即，倍增区域)的周边(参照图3)。第一遮光部22、第二遮光部23和氧化膜218形成为在堆叠方向上从上表面侧穿透阱层213至下表面侧。第一遮光部22、第二遮光部23和氧化膜218可被配置为不仅从上表面侧至下表面侧完全穿透阱层213，而且例如从上表面侧至下表面侧仅部分穿透阱层213并被插入基板的中途。
如图3所示，设置在像素组3中的像素20a、20b、20c和20d通过形成为网格图案的第二遮光部23和氧化膜218分开。阳极215形成在第二遮光部23的内部。阱层213形成在阳极215与n型半导体区211之间。n-型半导体区211形成在光接收元件21的中心部分处。
虽然当从上方观察时空穴蓄积区域217是不可见的，但是空穴蓄积区域217形成在第二遮光部23的内部。换言之，空穴蓄积区域217形成在与阳极215大致相同的区域中。
当从上方看时，n型半导体区211的形状不限于矩形，并且可以是圆形。在n型半导体区211形成为如图3所示的矩形形状的情况下，可以确保大面积作为倍增区域(n型半导体区211)，这使得可以提高被称为PDE的检测效率。在n-型半导体区211形成为圆形形状的情况下，可以抑制在n-型半导体区211的边缘部分处的电场集中，使得可以减少不期望的边缘击穿。
如上所述，通过在界面形成空穴蓄积区域217，能够捕捉在界面产生的电子，能够抑制DCR(暗电流)。另外，本实施例中的像素20通过在空穴蓄积区域217中蓄积空穴来捕捉电子。然而，像素20可被配置为通过积累电子来捕获空穴。即使在像素20被配置为捕获空穴的情况下，也可以抑制DCR。
此外，固态成像装置1可通过包括第一遮光部22、第二遮光部23、氧化膜218和空穴蓄积区域217来减少电串扰和光学串扰中的至少一个。另外，通过在像素20的侧面设置空穴蓄积区域217，形成横向电场，容易回收高电场区域的载流子，能够提高PDE。
<固态成像装置的电路配置>
接下来将参考图2至图4并且通过使用图5至图9给出包括在根据本实施例的固态成像装置1中的外围电路和像素电路的描述。
如图5所示，固态成像装置1包括控制部31，其集成控制包括在固态成像装置1中的外围电路和像素电路。控制部31包括例如中央处理单元(CPU)。固态成像装置1包括连接至控制部31的激光控制部33、像素驱动部(驱动部的实例)26、以及距离测量处理部35。
控制部31被配置为向激光控制部33和距离测量处理部35输出发光控制信号Slc。此外，控制部31被配置为向像素驱动部26输出距离测量开始信号Srs。控制部31使发光控制信号Slc与距离测量开始信号Srs同步，并且将这些信号输出至激光控制部33、距离测量处理部35和像素驱动部26。
包括在固态成像装置1中的像素驱动部26被配置为通过分别偏移设置在像素20a、20b、20c和20d中的光接收元件21的操作定时来驱动像素20a、20b、20c和20d。像素驱动部26具有栅极导通信号生成部(信号生成部的示例)261，所述栅极导通信号生成部261响应于与控制来自光源91的光的发射的发光控制信号Slc同步的距离测量开始信号Srs(同步信号的示例)的输入，生成栅极控制信号Sg1和Sg2(信号的示例)。而且，像素驱动部26具有解码器262，该解码器由栅极导通信号生成部261生成的信号控制以输出控制开关元件25(稍后详细描述)的控制信号Ssc1、Ssc2、Ssc3、以及Ssc4。
包括在固态成像装置1中的距离测量处理部35被设置为使得从像素20a、20b、20c和20d中的每一个输入通过光接收元件21的光电转换获得的电信号，并且该距离测量处理部35包括：时间测量部351，基于电信号的输入来测量直到从光源91发出的光的时间(在图5中未示出；参考图1)由对象8(图5中未描绘；参考图1)并且由光接收元件21接收。时间测量部351包括例如时间-数字转换器，其将基于从光接收元件21输出的电信号的模拟信号的时间信息转换为数字信号的时间信息。发光控制信号Slc被输入到时间测量部351。时间测量部351响应于作为触发的发光控制信号Slc的输入来测量从光源91发出的光被对象8反射并且被光接收元件21接收的时间。此外，时间测量部351基于从光接收元件21输出的电信号作为触发响应于经由选择电路34从检测电路24(稍后详细描述)输入检测信号而结束时间的测量。
包括在固态成像装置1中的距离测量处理部35具有距离计算部352，该距离计算部基于从时间测量部351输出的时间信息计算到对象8的距离。距离测量处理部35被配置为通过使用ToF(飞行时间)技术来测量固态成像装置1和对象8之间的距离。具体地，包含光的飞行时间ΔT的时间信息从时间测量部351被输入到距离计算部352。光的飞行时间ΔT对应于直到从光源91发出的光被对象8反射并且被光接收元件21接收的时间。时间测量部351通过计算直到从光源91发出的光被对象8反射并被光接收元件21接收的时间的测量的时间ts与测量结束的时间te之间的差(te-ts)来获取光的飞行时间ΔT。距离计算部352通过使用以下给出的公式(1)计算固态成像装置1和对象8之间的距离D。应注意，公式(1)中的“c”表示光速。
D＝(c/2)×(te-ts)…(1)
激光控制部33响应于作为触发的发光控制信号Slc的输入向对象8发射激光束。栅极导通信号生成部261根据作为触发的距离测量开始信号Srs的输入，将栅极控制信号Sg1、Sg2输出到解码器262。此外，在后面详细说明像素20，根据作为触发的栅极控制信号Sg1、Sg2的输出，开始光接收元件21的光检测动作。此外，距离测量处理部35响应于作为触发的发光控制信号Slc的输入，开始测量从光源91发出的光被对象8反射并且被光接收元件21接收的时间。这使得固态成像装置1能够使来自光源91的激光束的输出的开始与通过光接收元件21的光的接收的开始和通过距离测量处理部35的时间测量的开始同步。
像素20a、20b、20c、20d中的每一个具有连接在包括在光接收元件21中的雪崩光子二极管的阴极与电源Ve之间的开关元件25。像素驱动部26产生控制开关元件25导通和断开的控制信号Ssc1、Ssc2、Ssc3和Ssc4。在本实施方式中，设置在像素驱动部26中的解码器262生成控制信号Ssc1、Ssc2、Ssc3以及Ssc4。稍后将详细描述开关元件25和解码器262。
像素20a、20b、20c、20d中的每一个具有检测电路24，从光接收元件21输出的电信号被输入到检测电路24。检测电路24例如包括逆变器电路。稍后将详细描述检测电路24。
固态成像装置1包括连接在检测电路24和时间测量部351之间的选择电路34。选择电路34在控制部31的控制下，将设置在像素20a、20b、20c、20d中的任一个的检测电路24的输出信号输出到时间测量部351。稍后将详细描述选择电路34。
控制部31、激光控制部33、栅极导通信号生成部261以及距离测量处理部35形成在周围区域A2和焊盘区域A3中并且包括在外围电路中。而且，解码器262、开关元件25、检测电路24、选择电路34以及电源电路27(图5中未示出；参照图6)，将在后面描述，在像素区域A1中形成并且包括在像素电路中。针对每个像素组2提供解码器262、开关元件25、检测电路24和选择电路34。
如图6所示，包括在像素20a、20b、20c和20d中的每一个中的开关元件25包括P型晶体管。开关元件25的栅极连接至解码器262的输出端子。更具体地，设置在像素20a中的开关元件25的栅极连接至解码器262的输出端子，控制信号Ssc1从该输出端子输出。设置在像素20b中的开关元件25的栅极连接至解码器262的输出端子，控制信号Ssc12从该输出端子输出。设置在像素20c中的开关元件25的栅极连接至解码器262的输出端子，控制信号Ssc3从该输出端子输出。设置在像素20d中的开关元件25的栅极连接至解码器262的输出端子，控制信号Ssc4从该解码器输出。
因此，在控制信号Ssc1处于低电压电平的情况下，设置在像素20a中的开关元件25导通(ON)，并且在控制信号Ssc1处于高电压电平的情况下，开关元件25不导通(OFF)。在控制信号Ssc2处于低电压电平的情况下，设置在像素20b中的开关元件25导通(ON)，并且在控制信号Ssc2处于高电压电平的情况下，开关元件25不导通(OFF)。在控制信号Ssc3处于低电压电平的情况下，设置在像素20c中的开关元件25导通(ON)，并且在控制信号Ssc3处于高电压电平的情况下，开关元件25不导通(OFF)。在控制信号Ssc4处于低电压电平的情况下，设置在像素20d中的开关元件25导通(ON)，并且在控制信号Ssc4处于高电压电平的情况下，开关元件25不导通(OFF)。解码器262被配置为将控制信号Ssc1、Ssc2、Ssc3以及Ssc4中的任一个的电压设置为低电平并且将剩余的电压设置为高电平。因而，像素驱动部26能够驱动像素组2，使得像素组2中设置的像素20a、20b、20c、20d中的任一个像素导通，其余的像素不导通。
设置在像素20a中的开关元件25具有连接到电源电路27(稍后详细描述)的源极和连接到设置在像素20a中的光接收元件21的阴极的漏极。设置在像素20b中的开关元件25具有连接到电源电路27的源极和连接到设置在像素20b中的光接收元件21的阴极的漏极。设置在像素20c中的开关元件25具有连接到电源电路27的源极和连接到设置在像素20c中的光接收元件21的阴极的漏极。设置在像素20d中的开关元件25具有连接到电源电路27的源极和连接到设置在像素20d中的光接收元件21的阴极的漏极。
设置在像素20a中的检测电路24具有输入端子和输出端子。输入端子连接到设置在像素20a中的开关元件25的漏极和光接收元件21的阴极。输出端子连接到选择电路34。设置在像素20b中的检测电路24具有输入端子和输出端子。输入端子连接至设置在像素20b中的开关元件25的漏极并且连接至光接收元件21的阴极。输出端子连接到选择电路34。设置在像素20c中的检测电路24具有输入端子和输出端子。输入端子被连接到设置在像素20c中的开关元件25的漏极和光接收元件21的阴极。输出端子连接到选择电路34。设置在像素20d中的检测电路24具有输入端子和输出端子。输入端子被连接到设置在像素20d中的开关元件25的漏极和光接收元件21的阴极。输出端子连接到选择电路34。
如图6所示，像素组2具有经由开关元件25连接至光接收元件21的电源电路27。电源电路27具有电流镜电路271和恒流源272。恒流源272向电流镜电路271提供恒定电流。电流镜电路271具有连接到恒流源272的P型晶体管271a和连接到P型晶体管271a的四个P型晶体管271b。
恒流源272和P型晶体管271a串联连接在电源Ve与接地(GND)之间。P型晶体管271a的源极连接到恒流源272的输出端子，漏极连接到电源Ve。P型晶体管271a的栅极连接至P型晶体管271a的源极并连接至四个P型晶体管271b的每个栅极。
设置在像素20a中的P型晶体管272b的源极与电源Ve连接，漏极与设置在像素20a中的开关元件25的源极连接。设置在像素20b中的P型晶体管272b的源极连接到电源Ve，漏极连接到设置在像素20b中的开关元件25的源极。设置在像素20c中的P型晶体管272b的源极连接到电源Ve，漏极连接到设置在像素20c中的开关元件25的源极。设置在像素20d中的P型晶体管272b的源极连接到电源Ve，漏极连接到设置在像素20d中的开关元件25的源极。
四个P型晶体管272b具有相同的晶体管尺寸。P型晶体管272a以允许它向四个P型晶体管272b中的每一个传递期望电流的晶体管尺寸形成。这使得电流镜电路271可以分别将相同和期望的电流传递到设置在像素20a、20b、20c和20d中的光接收元件21。
设置在像素20a、20b、20c和20d中的每个像素中的光接收元件21的阳极连接到电源Vbd。电源Vbd被配置为例如输出-20V的电压。例如，电源Ve被配置为输出+3V至+5V的电压。因此，在开关元件25导通的情况下，-20V的电压施加到光接收元件21的阳极，并且+3V到+5V的电压施加到其阴极。这使得高于击穿电压的电压施加到光接收元件21。如果在该状态下光接收元件21接收光，则发生雪崩放大，这导致电流流动。通过光接收元件21的电流流动降低了光接收元件21的阴极电压。
当开关元件25不导通时或者在电流流过光接收元件21之前，与电源Ve的输出电压大致相同的电压例如被输入到检测电路24的输入端子。因此，检测电路24输出低电平电压。同时，当由于电流流过光接收元件21导致阴极电压电平下降到0V以下时，检测电路24输出高电平电压。
四个检测电路24的输出端子连接到选择电路34。因此，四个检测电路24的输出信号被输入到选择电路34。从控制部31向选择电路34输入选择信号。选择电路34基于该选择信号将四个检测电路24的输出信号中的任一个输出至距离测量处理部35。
这里将通过使用图7给出解码器262的具体配置的描述。
如图7所示，解码器262具有设置在其输入侧上的反相器门262a和262b以及设置在其输出侧上的NAND门262c、262d、262e和262f。反相器门262a的输入端子和反相器门262b的输入端子被用作解码器262的输入端子。栅极控制信号Sg1被输入到逆变器门262a的输入端子。栅极控制信号Sg2被输入到反相器门262b的输入端子。
反相器门262a的输入端子连接至NAND门262e和262f中的每一个的输入端子中的一个。反相器门262a的输出端子连接到NAND门262c和262d中的每一个的输入端子之一。反相器门262b的输入端子连接到NAND门262d和262f中的每一个的另一输入端子。反相器门262b的输出端子连接到NAND门262c和262e中的每一个的另一个输入端子。
与非门262c、262d、262e和262f的输出端子用作解码器262的输出端子。例如，输出控制信号Ssc1从与非门262c的输出端子输出。例如，输出控制信号Ssc2从与非门262d的输出端子输出。例如，输出控制信号Ssc3从与非门262e的输出端子输出。例如，输出控制信号Ssc4从与非门262f的输出端子输出。
在栅极控制信号Sg1和Sg2这两者处于低电压电平的情况下，控制信号Ssc1处于低电压电平，并且控制信号Ssc2、Ssc3和Ssc4处于高电压电平。这仅驱动设置在像素20a(参考图6)中的开关元件25导通并且剩余的开关元件25(参考图6)不导通。在栅极控制信号Sg1处于低电压电平并且栅极控制信号Sg2处于高电压电平的情况下，控制信号Ssc2处于低电压电平，并且控制信号Ssc1、Ssc3和Ssc4处于高电压电平。由此，仅驱动设置在像素20b中的开关元件25导通，剩余的开关元件25截止。在栅极控制信号Sg1处于高电压电平并且栅极控制信号Sg2处于低电压电平的情况下，控制信号Ssc3处于低电压电平，并且控制信号Ssc1、Ssc2和Ssc4处于高电压电平。由此，仅使设置于像素20c的开关元件25导通，使其余的开关元件25不导通。在栅极控制信号Sg1和Sg2均处于高电压电平的情况下，控制信号Ssc4处于低电压电平，并且控制信号Ssc1、Ssc2和Ssc3处于高电压电平。由此，仅驱动设置于像素20d的开关元件25导通，剩余的开关元件25不导通。
如上所述，解码器262可控制四个开关元件25中的任一个导通，并且其余的开关元件25不导通。像素驱动部26与激光控制部33同步地进行动作，因此，能够与来自光源91的激光的输出同步地变更栅极控制信号Sg1、Sg2的电压电平。这使得解码器262可以与来自光源91的激光束的输出同步地依次切换控制信号Ssc1、Ssc2以及Ssc4的电压电平。因此，固态成像装置1可顺序地使分别设置在像素20a、20b、20c和20d中的光接收元件21能够检测光。
接着，说明检测电路24的具体结构。
如图8所示，检测电路24具有串联连接在电源VDD与接地之间的P型晶体管241和N型晶体管242。P型晶体管241的栅极和N型晶体管242的栅极彼此连接。P型晶体管241的栅极与N型晶体管242的栅极之间的连接部用作检测电路24的输入端子。P型晶体管241的源极连接到电源VDD。N型晶体管242的源极接地。P型晶体管241的漏极和N型晶体管242的漏极彼此连接。P型晶体管241的漏极与N型晶体管242的漏极之间的连接部用作检测电路24的输出端子。
该配置允许检测电路24在输入低电压电平的电信号的情况下输出高电压电平的电信号，并且在输入高电压电平的电信号的情况下输出低电压电平的电信号。如上所述，在光接收元件21未接收光的情况下，光接收元件21的阴极电压与电源Ve的输出电压大约相同并且处于高电平(例如，3V至5V)。因此，在光接收元件21没有接收光的情况下，检测电路24以低电压电平输出检测信号。同时，在光接收元件21接收光的情况下，光接收元件21的阴极电压与电源Vbd的输出电压大约相同并且处于低电平(例如，-20V)。因此，在光接收元件21接收光的情况下，检测电路24以高电压电平输出检测信号。
接着，说明选择电路34的具体结构。选择电路34具有连接到每个检测电路24的逻辑电路。如图9所示，逻辑电路是例如逻辑和电路。即，选择电路34具有与检测电路24的数量一样多的图9中所示的OR电路(逻辑和电路的示例)341。
OR电路341在电源VDD和与接地处于相同电压电平的参考电位VSS之间具有串联连接的2个P型晶体管341a、341b和1个N型晶体管341c。P型晶体管341a的栅极被用作或电路341的输入端子之一，并且例如连接到检测电路24的输出端子。P型晶体管341b的栅极用作OR电路341的另一个输入端子，并且例如连接至控制部31。P型晶体管341a的源极连接到电源VDD。P型晶体管341a的漏极连接到P型晶体管341b的源极。N型晶体管242的源极连接到参考电位VSS。N型晶体管341c的漏极和P型晶体管341b的漏极彼此连接。
OR电路341具有N型晶体管341d，该N型晶体管341d连接在N型晶体管341c和P型晶体管341b的漏极的连接部与参考电位VSS之间。N型晶体管341d的栅极连接至P型晶体管341b的栅极。
OR电路341具有在电源VDD和参考电位VSS之间连接的P型晶体管341e和N型晶体管341f。P型晶体管341e的栅极和N型晶体管341f的栅极相互连接。P型晶体管341e的栅极和N型晶体管341f的栅极之间的连接部连接到N型晶体管341c的漏极和P型晶体管341b的漏极之间的连接部。P型晶体管341e的源极连接到电源VDD。N型晶体管341f的源极与参考电位VSS连接。P型晶体管341e的漏极与N型晶体管341f的漏极相互连接。使用P型晶体管341e的漏极与N型晶体管341f的漏极的连接部作为OR电路341的输出端子。
在从控制部31输入高电平的选择信号的情况下，OR电路341输出电源VDD的电压电平的信号。另一方面，在从控制部31输入低电压电平的选择信号的情况下，OR电路341输出与从检测电路24输入的检测信号相同的信号。因此，选择电路34可以基于从控制部31输入的选择信号选择四个检测电路24的检测信号中的一个，并且将该检测信号输出至距离测量处理部35。
<固态成像装置的操作>
接下来将参考图5和图6并且通过使用图10来给出根据本实施方式的固态成像装置1的操作的描述。图10是描述固态成像装置1的操作的实例的时序图。图10中的“激光器”表示从光源91输出的激光束的发射图案。发射图案的高水平表示激光束发射的时间段。在图10中的“Ssc1、Ssc2、Ssc3、Ssc4”表示从解码器262输出的控制信号Ssc1、Ssc2、Ssc3、以及Ssc4。
图10中的“SPADa”表示设置在像素20a中的光接收元件21的阴极电压波形。图10中的“SPADb”表示设置在像素20b中的光接收元件21的阴极电压波形。图10中的“SPADc”表示设置在像素20c中的光接收元件21的阴极电压波形。图10中的“SPADd”表示设置在像素20d中的光接收元件21的阴极电压波形。图10中的“检测电路a”表示设置在像素20a中的检测电路24的检测信号电压波形。图10中的“检测电路b”表示设置在像素20b中的检测电路24的检测信号电压波形。图10中的“检测电路c”表示设置在像素20c中的检测电路24的检测信号电压波形。图10中的“检测电路d”表示设置在像素20d中的检测电路24的检测信号电压波形。图10中的“选择电路”表示选择电路34的输出信号。
如图10所示，在时间t1，从解码器262输出的控制信号Ssc1与来自光源91的激光束的输出的开始同步地变为高电压电平。由此，设置于像素20a的开关元件25导通。然后，通过设置于像素20a的光接收元件21接收由对象8反射的激光束，开始在光接收元件21中流过电流，使光接收元件21的阴极电压降低。
在时刻t1以后的规定时间内，当在时刻t2像素20a中设置的光接收元件21的阴极电压达到例如0伏(更准确地说，比检测电路24所包含的晶体管的阈值电压低的电压)时，像素20a中设置的检测电路24的检测信号从低电压电平变化为高电压电平。当从时间t2过去给定的时间段时，光接收元件21的阴极电压下降到作为击穿电压的电源Vbd的电压以下，这停止雪崩放大。在光接收元件21中的雪崩放大已经停止之后，光接收元件21的阴极电压开始再次返回至电源Ve的初始电压(再充电操作)。
当设置在像素20a中的检测电路24的检测信号变为高电平时，选择电路34在控制部31的控制下选择设置在像素20a中的检测电路24的检测信号，并且将该信号输出至设置在距离测量处理部35中的时间测量部351(参考图5)。
来自光源91的激光束的输出在设置在像素20a中的光接收元件21中开始再充电操作之后的时间t3开始。从解码器262输出的控制信号Ssc1变成低电压电平，并且控制信号Ssc2与激光束的输出同步地变成高电压电平。由此，设置于像素20a的开关元件25不导通，设置于非导通的像素20b的开关元件25变为导通。此后，通过设置在像素20b中的光接收元件21接收由对象8反射的激光束开始电流流过光接收元件21，这降低了光接收元件21的阴极电压。
当在时间t3之后的给定时间段内在时间t4处设置在像素20b中的光接收元件21的阴极电压达到例如0伏(更准确地，低于包括在检测电路24中的晶体管的阈值电压的电压)时，设置在像素20b中的检测电路24的检测信号从低电压电平变为高电压电平。当从时间t4过去给定的时间段时，光接收元件21的阴极电压下降到作为击穿电压的电源Vbd的电压以下，这停止雪崩放大。在光接收元件21中的雪崩放大已经停止之后，光接收元件21的阴极电压开始再次返回至电源Ve的初始电压(再充电操作)。当设置在像素20b中的光接收元件21的充电操作开始时，设置在像素20a中的光接收元件21继续其充电操作。
当像素20b中设置的检测电路24的检测信号变为高电平时，选择电路34在控制部31的控制下，代替像素20a中设置的检测电路24的检测信号，选择像素20b中设置的检测电路24的检测信号，并输出到距离测量处理部35中设置的时间测量部351。
在设置在像素20b中的光接收元件21中开始再充电操作之后的时间t5，开始从光源91输出激光束。从解码器262输出的控制信号Ssc2变成低电压电平，并且控制信号Ssc3与激光束的输出同步地变成高电压电平。由此，设置于像素20b的开关元件25不导通，设置于非导通的像素20c的开关元件25导通。此后，通过设置在像素20c中的光接收元件21接收由对象8反射的激光束开始电流流过光接收元件21，这降低了光接收元件21的阴极电压。
当在时间t5之后的给定时间段内在时间t6处设置在像素20c中的光接收元件21的阴极电压达到例如0伏(更准确地，低于包括在检测电路24中的晶体管的阈值电压的电压)时，设置在像素20c中的检测电路24的检测信号从低电压电平变为高电压电平。当从时间t6过去给定的时间段时，光接收元件21的阴极电压下降到作为击穿电压的电源Vbd的电压以下，这停止雪崩放大。在光接收元件21中的雪崩放大已经停止之后，光接收元件21的阴极电压开始再次返回至电源Ve的初始电压(再充电操作)。当开始像素20c中设置的光接收元件21的再充电操作时，像素20a中设置的光接收元件21和像素20b中设置的光接收元件21分别继续它们的再充电操作。
当设置在像素20c中的检测电路24的检测信号变为高电平时，选择电路34在控制部31的控制下，代替设置在像素20b中的检测电路24的检测信号，选择设置在像素20c中的检测电路24的检测信号，并且将该信号输出至设置在距离测量处理部35中的时间测量部351。
在时刻t6以后的规定的期间，在时刻t7，若设置于像素20a的光接收元件21的阴极电压达到设置于像素20a的检测电路24所具有的晶体管的阈值电压以上，则从检测电路24输出的检测信号从低电压电平变化为高电压电平。
在从设置在像素20a中的检测电路24输出的检测信号变为低电压电平的时间t7之后的给定时间段，在时间t8开始从光源91输出激光束。从解码器262输出的控制信号Ssc3变成低电压电平，并且控制信号Ssc4与激光束的输出同步地变成高电压电平。由此，设置于像素20c的开关元件25不导通，设置于非导通的像素20d的开关元件25成为导通。此后，通过设置在像素20d中的光接收元件21接收由对象8反射的激光束，开始电流通过光接收元件21流动，这降低了光接收元件21的阴极电压。
当在时刻t8之后的给定的时间段内设置在像素20d中的光接收元件21的阴极电压在时刻t9达到例如0伏特(更准确地，低于包括在检测电路24中的晶体管的阈值电压的电压)时，设置在像素20d中的检测电路24的检测信号从低电压电平变为高电压电平。当从时间t9过去给定的时间段时，光接收元件21的阴极电压下降到作为击穿电压的电源Vbd的电压以下，这停止雪崩放大。在光接收元件21中的雪崩放大已经停止之后，光接收元件21的阴极电压开始再次返回至电源Ve的初始电压(再充电操作)。当设置在像素20c中的光接收元件21的充电操作开始时，设置在像素20a中的光接收元件21、设置在像素20b中的光接收元件21和设置在像素20c中的光接收元件21继续它们的充电操作。
选择电路34在设置于像素20d的检测电路24的检测信号变为高电平时，在控制部31的控制下，代替设置于像素20c的检测电路24的检测信号，选择设置于像素20d的检测电路24的检测信号，输出至设置于距离测量处理部35的时间测量部351。
当在时间t9之后的给定时间段内在时间t10设置在像素20b中的光接收元件21的阴极电压达到等于或高于设置在像素20b中的检测电路24中所包括的晶体管的阈值电压的电压时，从检测电路24输出的检测信号从低电压电平变为高电压电平。此外，设置在像素20a中的光接收元件21在时刻t10结束其再充电操作。
当在时间t10之后的给定时间段内在时间t11设置在像素20c中的光接收元件21的阴极电压达到等于或高于设置在像素20c中的检测电路24中所包括的晶体管的阈值电压的电压时，从检测电路24输出的检测信号从高电压电平改变到低电压电平。此外，设置在像素20b中的光接收元件21在时刻t11结束其再充电操作。
当在时刻t11之后的给定时间段内在时刻t12设置在像素20d中的光接收元件21的阴极电压达到等于或高于设置在像素20d中的检测电路24中包括的晶体管的阈值电压的电压时，从检测电路24输出的检测信号从高电压电平变为低电压电平。此外，设置在像素20c中的光接收元件21在时刻t12结束其再充电操作。此外，当从时间t12起过去给定的时间段时，设置在像素20d中的光接收元件21结束其再充电操作。固态成像装置1从时间t1至时间t12重复操作。然而，应注意，在设置在像素20c中的光接收元件21的再充电操作开始之后，从解码器262输出的控制信号Ssc4变为低电压电平，并且控制信号Ssc1与来自光源91的激光束的第一输出同步地变为高电压电平。
顺便提及，光接收元件21执行其再充电操作的时间段是光接收元件21不能接收光的时间段。这里，如果关注例如设置在像素20a中的光接收元件21，则设置在像素20a中的光接收元件21的再充电操作时间段从稍微早于时间t3的给定时间到时间t10。因此，在时间t3、时间t5和时间t8，光接收元件21不能接收发射到对象8上并且由此反射的激光束。因此，在传统的固态成像装置在图10所示的定时操作的情况下，固态成像装置不能仅接收四个激光束发射中的一次激光束。因此，传统的固态成像装置不能接收高频激光束，并且对于增加激光束的频率存在限制。因而，传统的固态成像装置不能实现足够的帧速率并且具有距离测量花费长时间的问题。
相反，根据本实施例的固态成像装置1被配置为通过移动像素组2中的像素20a、20b、20c和20d的操作定时来驱动该像素20a、20b、20c和20d。此外，在固态成像装置1中，设置在像素组2中的像素20a、20b、20c和20d连接至单次测量部351。这使得固态成像装置1能够从分别设置在像素20a、20b、20c和20d中的检测电路24向时间测量部351输入定时已经偏移的检测信号。这使得固态成像装置1可检测高频脉冲光。这使得固态成像装置1能够实现足够的帧速率并减少距离测量所需的时间。
(变形例1)
接下来，通过使用图11和图12，将给出根据本实施方式的变形例1的固态成像装置的描述。根据本修改例的固态成像装置的特征在于，与根据以上实施方式的固态成像装置1不同，其不包括第二遮光部23。应注意，将通过相同的参考符号表示具有与根据以上实施方式的固态成像装置1的那些相同的动作和功能的组件，并且将省略其描述。
如图11所示，根据本修改例的固态成像装置包括具有多个像素20a、20b、20c和20d(在本实施例中为四个像素)的像素组4。像素20a、20b、20c、20d相邻配置。如图11和图12所示，像素组4具有设置成围绕像素组4的外周的第一遮光部(遮光部的实例)22，并且在像素20a、20b、20c和20d中的相邻像素之间未设置遮光部。即，在像素20a和20b之间、像素20a和20c之间以及像素20b和20d之间不设置遮光部。
空穴蓄积区域217设置在像素20a与20b之间、像素20a与20c之间以及像素20b与20d之间。像素20a、20b、20c、20d被空穴蓄积区域217分离。
由于在像素20a、20b、20c和20d中的相邻像素之间未设置遮光部的事实，根据本变形例的固态成像装置不需要任何沟槽。由此，能够提高像素20a、20b、20c、20d的开口率，能够提高灵敏度。此外，在根据本变形例的固态成像装置中，在像素20a、20b、20c和20d中的任一个有效的情况下，剩余的像素无效。因此，与传统的固态成像装置相比，根据本修改例的固态成像装置较不容易受到由在像素20a、20b、20c和20d中的相邻像素之间未设置遮光部的事实引起的漏光的影响。
因为根据本变形例的固态成像装置在电路配置和操作上与根据上述实施方式的固态成像装置1相似，所以将省去其描述。此外，因为根据本变形例的距离测量系统的配置与根据上述实施方式的距离测量系统相似，所以将省去其描述。
如上所述，根据本修改例的固态成像装置和距离测量系统提供与根据以上实施例的固态成像装置1和距离测量系统的优点类似的有益效果。
(变形例2)
接下来，通过使用图13和图14，将给出根据本实施方式的变形例2的固态成像装置的描述。根据本修改例的固态成像装置的特征在于，第一遮光部22和第二遮光部23不形成为在堆叠方向上从上表面侧穿透阱层213至下表面侧，并且与根据上述实施方式的固态成像装置1不同，设置在像素组中的多个像素的相应阴极被共享。应注意，具有与根据上述实施方式的固态成像装置1的那些相同的动作和功能的部件将由相同的参考符号表示，并且将省略其描述。
如图12中所示，根据本修改例的固态成像装置包括具有多个像素50a、50b、50c和50d(在本实施方式中为四个像素)的像素组5。像素50a、50b、50c和50d彼此相邻地布置。
如图14所示，设置在像素组5中的第一遮光部52和第二遮光部53不形成为在堆叠方向上从上表面侧穿透阱层213至下表面侧。第一遮光部52、第二遮光部53和氧化膜518从上表面侧至下表面侧仅穿透阱层213的一部分并且插入穿过基板的中间。氧化膜518形成为还覆盖第一遮光部52和第二遮光部53的下表面侧。
空穴蓄积区域517形成为不仅覆盖设置在像素50a、50b、50c和50d中的每一个中的阱层213，而且覆盖第一遮光部52、第二遮光部53和氧化膜518。阳极515形成在与设置在每个像素50a、50b、50c和50d中的n型半导体区211相同的层中。阳极515形成为不仅覆盖设置在像素50a、50b、50c和50d中的每一个中的阱层213，而且覆盖第一遮光部52、第二遮光部53和氧化膜518并且包围空穴蓄积区域517。
因为根据本变形例的固态成像装置在电路配置和操作上与根据上述实施方式的固态成像装置1相似，所以将省去其描述。此外，因为根据本变形例的距离测量系统的配置与根据上述实施方式的距离测量系统相似，所以将省去其描述。
即使第一遮光部52、第二遮光部53和氧化膜518不穿透阱层213并且阳极515被像素50a、50b、50c和50d共享，根据本变形例的固态成像装置和距离测量系统提供与根据上述实施方式的固态成像装置1和距离测量系统相似的有利效果。
(变形例3)
接下来将通过使用图15和图16描述根据本实施方式的修改例3的固态成像装置。根据本修改例的固态成像装置的特征在于，其具有根据上述实施例的修改例1和2的固态成像装置的特性。应注意，具有与根据上述实施方式的变形例1和2的固态成像装置的动作和功能相同的动作和功能的部件将由相同的参考符号表示，并且将省略其描述。
如图15所示，根据本变形例的固态成像装置包括具有多个像素60a、60b、60c和60d(在本实施方式中为四个像素)的像素组6。像素60a、60b、60c、60d相邻配置。如图15和图16所示，像素组6具有设置成包围像素组6的外周的第一遮光部(遮光部的实例)52，并且在像素60a、60b、60c和60d中的相邻像素之间未设置遮光部。即，在像素60a和60b之间、像素60a和60c之间以及像素60b和60d之间不设置遮光部。
空穴蓄积区域517设置在像素60a和60b之间、像素60a和60c之间以及像素60b和60d之间。像素60a、60b、60c和60d被空穴蓄积区域517分开。
如图16所示，设置在像素组6中的第一遮光部52不形成为在堆叠方向上从上表面侧穿透阱层213至下表面侧。第一遮光部52和氧化物膜518从上表面侧至下表面侧仅穿透阱层213的一部分并且插入穿过基板的中间。氧化膜518形成为还覆盖第一遮光部52的下表面侧。
空穴蓄积区域517形成为不仅覆盖设置在像素60a、60b、60c和60d中的每一个中的阱层213，而且覆盖第一遮光部52和氧化物膜518。阳极515形成在与设置在像素50a、50b、50c和50d中的每一个中的n型半导体区211相同的层中。阳极515形成为不仅覆盖设置在像素50a、50b、50c和50d中的每一个中的阱层213，而且覆盖第一遮光部52和氧化物膜518并且围绕空穴蓄积区域517。
因为根据本变形例的固态成像装置在电路配置和操作上与根据上述实施方式的固态成像装置1相似，所以将省去其描述。此外，因为根据本变形例的距离测量系统的配置与根据上述实施方式的距离测量系统相似，所以将省去其描述。
根据本修改例的固态成像装置和距离测量系统提供与根据上述实施例和上述修改例1和2的固态成像装置和距离测量系统的有利效果类似的有利效果。
本公开不限于上述实施方式，并且能够以各种方式进行修改。
虽然在上述实施方式和各变形例中像素组具有四个像素，但是本公开不限于此。像素组可具有两个、三个或五个或更多个像素。
虽然根据上述实施方式和各个修改例的固态成像装置具有选择电路34，但是可不设置选择电路34，并且设置在每个像素中的检测电路24可直接连接至时间测量部351。
虽然根据上述实施方式和各个修改例的固态成像装置被配置为通过使用解码器262控制开关元件25，但是本公开不限于此。例如，像素驱动部可具有信号生成部，该信号生成部响应于与控制来自光源的光的发射的发光控制信号同步的同步信号的输入，生成用于控制设置在每个像素中的开关元件的控制信号。即，像素驱动部26可以被配置为使得栅极导通信号生成部261生成控制信号Ssc1、Ssc2、Ssc3、以及Ssc4并且将这些信号输出至开关元件25。同样在这种情况下，固态成像装置可单独地控制开关元件25导通和断开，这提供了与根据以上实施方式的固态成像装置相似的有利效果。
<应用于移动体的实例>
根据本公开的技术(本技术)可应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可实现为安装在任何类型的移动体(诸如汽车、电动车辆、混合电动车辆、摩托车、自行车、个人运输车、飞机、无人机、船舶或机器人)上的装置。
图17是描绘作为可应用根据本公开的实施方式的技术的移动体控制系统的实例的车辆控制系统的示意性配置的实例的框图。
车辆控制系统12000包括经由通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图17所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车载信息检测单元12040以及集成控制单元12050。另外，作为集成控制单元12050的功能结构，例示了微型计算机12051、声音/图像输出部12052、车载网络接口(I/F)12053。
驱动系统控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动系统相关的装置的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作用于产生车辆的驱动力的驱动力产生装置(诸如内燃机、驱动电机等)、用于将驱动力传递到车轮的驱动力传递机构、用于调节车辆的转向角的转向机构、用于产生车辆的制动力的制动装置等的控制装置。
车身系统控制单元12020根据各种程序来控制设置在车身上的各种装置的操作。例如，车身系统控制单元12020用作用于无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗装置或诸如前照灯、后备灯、制动灯、转向信号、雾灯等的各种灯的控制装置。在这种情况下，从作为按键的替代物的移动装置发送的无线电波或各种开关的信号可以被输入到主体系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收这些输入的无线电波或信号，并且控制车辆的门锁装置、电动车窗装置、灯等。
车外信息检测单元12030检测包含车辆控制系统12000的车外的信息。例如，在车外信息检测单元12030上连接有成像部12031。车外信息检测单元12030使成像部12031拍摄车外的图像，并接收该拍摄图像。另外，车外信息检测单元12030也可以基于接收到的图像，进行检测人、车辆、障碍物、标志、路面上的文字等对象物的处理、或者检测其距离的处理等。
成像部12031是接收光并且输出对应于接收到的光的光量的电信号的光学传感器。成像部12031可以输出电信号作为图像，或者可以输出电信号作为关于测量距离的信息。此外，成像部12031接收的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等不可见光。
车载信息检测单元12040检测关于车辆内部的信息。车载信息检测部12040例如与检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测部12041连接。驾驶员状态检测部12041例如包括拍摄驾驶员的照相机。基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车载信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳度或驾驶员的集中度，或者可以确定驾驶员是否打瞌睡。
微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030或车载信息检测单元12040获得的关于车辆内部或外部的信息来计算驱动力生成装置、转向机构或制动装置的控制目标值，并且向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051可以执行旨在实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能的协作控制，该功能包括用于车辆的防碰撞或减震、基于跟随距离的跟随驾驶、维持驾驶的车辆速度、车辆碰撞的警告、车辆与车道的偏离的警告等。
另外，微型计算机12051通过基于由车外信息检测单元12030或车载信息检测单元12040获得的关于车外或车载信息的信息来控制驱动力产生装置、转向机构、制动装置等，可以执行用于自动驾驶的协作控制，这使得车辆不依赖于驾驶员的操作等而自主行驶。
另外，微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030获得的关于车外的信息，将控制命令输出到车身系统控制单元12020。例如，微型计算机12051可以通过根据由外部车辆信息检测单元12030检测的前方车辆或对面车辆的位置，控制前照灯以从远光改变到近光，来执行旨在防止眩光的协作控制。
声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一个的输出信号发送到输出装置，该输出装置能够视觉地或听觉地将信息通知给车辆的乘员或车辆外部。在图17的实例中，音频扬声器12061、显示部12062和仪表板12063被示出为输出装置。例如，显示部12062可包括板上显示器和平视显示器中的至少一个。
图18是描绘成像部12031的安装位置的实例的图示。
在图18中，成像部12031包括成像部12101、12102、12103、12104和12105。
成像部12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门上的位置以及车辆内部挡风玻璃的上部的位置上。设置在车辆内部内的前鼻部的成像部12101和设置在挡风玻璃的上部的成像部12105主要获得车辆12100的前方的图像。设置到侧视镜的成像部12102和12103主要获得车辆12100的侧面的图像。设置到后保险杠或后门的成像部12104主要获得车辆12100的后部的图像。设置在车辆内部内的挡风玻璃的上部的成像部12105主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号、交通标志、车道等。
顺便提及，图18描述了成像部12101至12104的拍摄范围的实例。成像范围12111表示设置到前鼻的成像部12101的成像范围。成像范围12112和12113分别表示设置到侧视镜的成像部12102和12103的成像范围。成像范围12114表示设置到后保险杠或后门的成像部12104的成像范围。例如，通过叠加由成像部12101至12104成像的图像数据来获得从上方观看的车辆12100的鸟瞰图像。
成像部12101至12104中的至少一个可具有获得距离信息的功能。例如，成像部12101至12104中的至少一个可以是由多个成像元件构成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的成像元件。
例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息确定在成像范围12111至12114内到每个三维物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，并且由此提取最近的三维物体作为前方车辆，该最近的三维物体具体地存在于车辆12100的行驶路径上并且以预定速度(例如，等于或大于0km/小时)在与车辆12100基本相同的方向上行驶。另外，微型计算机12051可以预先设定跟随距离以保持在前行车辆的前方，并且执行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随起动控制)等。因此，可以执行用于自动驾驶的协作控制，该自动驾驶使车辆不依赖于驾驶员的操作等而自主行驶。
例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息将与三维物体有关的三维物体数据分类为二轮车、标准车辆、大型车辆、行人、电线杆和其他三维物体的三维物体数据，提取分类的三维物体数据，并且将所提取的三维物体数据用于自动躲避障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员可以视觉识别的障碍物和车辆12100的驾驶员难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定指示与每个障碍物碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或高于设定值并且因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机12051经由音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并且经由驾驶系统控制单元12010执行强制减速或躲避转向。微型计算机12051可由此辅助驾驶以避免碰撞。
成像部12101至12104中的至少一个可以是检测红外线的红外相机。微型计算机12051例如可以通过确定在成像部12101至12104的拍摄图像中是否存在行人来识别行人。行人的这种识别例如通过提取作为红外照相机的成像部12101至12104的成像图像中的特征点的过程以及通过对表示对象的轮廓的一系列特征点执行图案匹配处理来确定是否是行人的过程来执行。当微型计算机12051确定在成像部12101到12104的成像图像中存在行人并因此识别出行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得用于强调的正方形轮廓线被显示为叠加在识别出的行人上。声音/图像输出部12052还可控制显示部12062，使得在期望位置处显示表示行人的图标等。
上面已经描述了根据本公开的技术可应用的车辆控制系统的实例。根据本公开的技术可应用于上述那些部件的成像部12031。
虽然上面通过给出实施方式的实例描述了本公开，但是本公开不限于上述实施方式等，并且可以各种方式进行修改。应注意，本说明书中描述的有益效果仅是说明性的。本公开的有益效果不限于在本说明书中描述的那些。本公开可具有除本说明书中描述的那些效果之外的有利效果。
而且，本公开可具有以下配置：
(1)
一种固态成像装置，包括：
多个像素，每个像素具有将接收光转换成电信号的光接收元件；
驱动部，用于通过偏移光接收元件的操作定时来驱动多个像素；以及
时间测量部，被设置为从多个像素中的每个像素输入电信号，并且时间测量部适于基于电信号的输入来测量直到从光源发射的光被对象反射并由光接收元件接收的时间。
(2)
根据(1)所述的固态成像装置，其中，
光接收元件包括雪崩光子二极管，雪崩光子二极管通过使用高电场区域使载流子倍增。
(3)
根据(2)所述的固态成像装置，其中，
多个像素中的每个像素具有连接在雪崩光子二极管的阴极与电源之间的开关元件；并且
驱动部生成控制开关元件导通状态和非导通状态的控制信号。
(4)
根据(3)所述的固态成像装置，其中，
驱动部具有：
信号生成部，响应于与控制来自光源的光发射的光发射控制信号同步的同步信号的输入，生成信号，以及
解码器，在由信号生成部生成的信号的控制下输出控制信号。
(5)
根据(3)所述的固态成像装置，其中，
驱动部具有信号生成部，信号生成部响应于与控制来自光源的光发射的光发射控制信号同步的同步信号的输入生成控制信号。
(6)
根据(1)至(5)中任一项所述的固态成像装置，其中，
多个像素中的每个像素具有检测电路，电信号被输入到检测电路。
(7)
根据(6)所述的固态成像装置，其中，
检测电路为逆变电路。
(8)
根据(6)或(7)所述的固态成像装置，包括：
选择电路，连接在检测电路与时间测量部之间。
(9)
根据(8)所述的固态成像装置，其中，
选择电路具有与每个检测电路连接的逻辑电路。
(10)
根据(9)所述的固态成像装置，其中，
逻辑电路是逻辑和电路。
(11)
根据(1)至(10)中任一项所述的固态成像装置，其中，
时间测量部是将基于电信号的模拟信号的时间信息转换为数字信号的时间信息的时间-数字转换器。
(12)
根据(1)至(11)中任一项所述的固态成像装置，包括：
距离计算部，适于基于从时间测量部输出的时间信息计算距对象的距离。
(13)
根据(1)至(12)中任一项所述的固态成像装置，其中，
多个像素被布置为彼此相邻。
(14)
根据(13)所述的固态成像装置，包括：
具有多个像素的像素组，其中，
像素组具有：
第一遮光部，被设置为包围像素组的外周，以及
第二遮光部，设置在多个像素的边界部中。
(15)
根据(13)所述的固态成像装置，包括：
具有多个像素的像素组，其中，
像素组具有设置为围绕像素组的外周的遮光部，并且
在多个像素中的相邻像素之间没有设置遮光部。
(16)
一种距离测量系统，包括：
光源，适于将光发射到对象上；以及
固态成像装置，固态成像装置具有多个像素，每个像素具有将接收光转换为电信号的光接收元件；驱动部，驱动部被配置为通过偏移光接收元件的操作定时来驱动多个像素；以及时间测量部，被设置为使得从多个像素中的每个像素输入电信号，并且时间测量部适于基于电信号的输入来测量直到从光源发射的光被对象反射并由光接收元件接收的时间。
(17)
根据(16)所述的距离测量系统，其中，
光接收元件是通过使用高电场区域使载流子倍增的雪崩光子二极管元件。
[参考标号列表]
1：固态成像装置
2、3、4、5、6：像素组
8：对象
9：距离测量系统
10a：传感器芯片
10b：逻辑芯片
20、20a、20b、20c、20d、50a、50b、50c、50d、60a、60b、60c、60d：像素
21：光接收元件
22、52：第一遮光部
23、53：第二遮光部
24：检测电路
25：开关元件
26：像素驱动部
27：电源电路
31：控制部
33：激光控制部
34：选择电路
35：距离测量处理部
91：光源
93：光源侧光学器件
94：成像装置侧光学部件
101：焊盘开口部
102a：布线层
102b：布线层
211：n型半导体区域
212：p型半导体区域
213：阱层
214、216：接触件
215、515：负极
217、517：空穴蓄积区域
218、518：氧化膜241、271a、271b、341e：P型晶体管242：N型晶体管
261：栅极导通信号生成部262：解码器
262a、262b：反相器门262c、262d、262e、262f：与非门271：电流镜电路
272：恒定电流源
341：OR电路
341c、341d、341f：N型晶体管351：时间测量部
352：距离计算部
700：应用处理器
A1：像素区域
A2：周围区域
A3：焊盘区域。

Claims (17)

1.一种固态成像装置，包括：
多个像素，每个像素具有将接收光转换成电信号的光接收元件；
驱动部，用于通过偏移所述光接收元件的操作定时来驱动所述多个像素；以及
时间测量部，被设置为从所述多个像素中的每个像素输入所述电信号，并且所述时间测量部适于基于所述电信号的输入来测量直到从光源发射的光被对象反射并由所述光接收元件接收的时间。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述光接收元件包括雪崩光子二极管，所述雪崩光子二极管通过使用高电场区域使载流子倍增。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中，
所述多个像素中的每个像素具有连接在所述雪崩光子二极管的阴极与电源之间的开关元件；并且
所述驱动部生成控制所述开关元件导通状态和非导通状态的控制信号。
4.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，
所述驱动部具有：
信号生成部，响应于与控制来自所述光源的光发射的光发射控制信号同步的同步信号的输入，生成信号，以及
解码器，在由所述信号生成部生成的所述信号的控制下输出所述控制信号。
5.根据权利要求3所述的固态成像装置，其中，
所述驱动部具有信号生成部，所述信号生成部响应于与控制来自所述光源的光发射的光发射控制信号同步的同步信号的输入生成所述控制信号。
6.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述多个像素中的每个像素具有检测电路，所述电信号被输入到所述检测电路。
7.根据权利要求6所述的固态成像装置，其中，
所述检测电路为逆变电路。
8.根据权利要求6所述的固态成像装置，包括：
选择电路，连接在所述检测电路与所述时间测量部之间。
9.根据权利要求8所述的固态成像装置，其中，
所述选择电路具有与每个检测电路连接的逻辑电路。
10.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中，
所述逻辑电路是逻辑和电路。
11.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述时间测量部是将基于所述电信号的模拟信号的时间信息转换为数字信号的时间信息的时间-数字转换器。
12.根据权利要求1所述的固态成像装置，包括：
距离计算部，适于基于从所述时间测量部输出的时间信息计算距所述对象的距离。
13.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述多个像素被布置为彼此相邻。
14.根据权利要求13所述的固态成像装置，包括：
具有所述多个像素的像素组，其中，
所述像素组具有：
第一遮光部，被设置为包围所述像素组的外周，以及
第二遮光部，设置在所述多个像素的边界部中。
15.根据权利要求13所述的固态成像装置，包括：
具有所述多个像素的像素组，其中，
所述像素组具有设置为围绕所述像素组的外周的遮光部，并且在所述多个像素中的相邻像素之间没有设置遮光部。
16.一种距离测量系统，包括：
光源，适于将光发射到对象上；以及
固态成像装置，所述固态成像装置具有：多个像素，每个像素具有将接收光转换成电信号的光接收元件；驱动部，被配置为通过偏移所述光接收元件的操作定时来驱动所述多个像素；以及时间测量部，被设置为使得从所述多个像素中的每个像素输入所述电信号，并且所述时间测量部适于基于所述电信号的输入来测量直至从所述光源发射的光被所述对象反射并由所述光接收元件接收的时间。
17.根据权利要求16所述的距离测量系统，其中，
所述光接收元件是通过使用高电场区域使载流子倍增的雪崩光子二极管元件。
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