CN115516635A - 光检测装置和光传感器的驱动方法 - Google Patents

光检测装置和光传感器的驱动方法 Download PDF

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岛田明洋
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Abstract

本发明的光检测装置具备光传感器和控制部。光传感器具有电荷产生区域、电荷蓄积区域、电荷传送区域、配置在电荷蓄积区域上的电荷收集电极和配置在电荷蓄积区域与电荷传送区域之间的区域上的传送栅极电极。控制部以在第1期间以电荷收集电极的正下方的区域的电势成为第1电平，且传送栅极电极的正下方的区域的电势高于电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，在第1期间之后的第2期间以使电荷收集电极的正下方的区域的电势成为高于第1电平的第2电平，且传送栅极电极的正下方的区域的电势低于电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，控制电荷收集电极和传送栅极电极的电位。

Description

光检测装置和光传感器的驱动方法
技术领域
本发明的一个方面涉及光检测装置和光传感器的驱动方法。
背景技术
作为光传感器，已知有包含根据入射光而产生电荷的电荷产生区域、蓄积在电荷产生区域产生的电荷的电荷蓄积区域、从电荷蓄积区域传送电荷的电荷传送区域和配置在电荷蓄积区域与电荷传送区域之间的区域上的传送栅极电极的结构。(例如参照专利文献1)。在这样的光传感器中，能够高速地从电荷蓄积区域向电荷传送区域传送电荷。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-5752号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在上述那样的光传感器中，要求不仅增加电荷蓄积区域的饱和电荷量，而且通过从电荷蓄积区域向电荷传送区域的电荷传送的效率。
本发明的一个方面的目的在于，提供能够实现饱和电荷量的增加和电荷传送效率的提高的两者的光检测装置和光传感器的驱动方法。
用于解决问题的方式
本发明的一个方面所涉及的光检测装置光检测装置，其中，包括：光传感器；和控制光传感器的控制部，光传感器包括：根据入射光而产生电荷的电荷产生区域；蓄积在电荷产生区域产生的电荷的电荷蓄积区域；从电荷蓄积区域传送电荷的电荷传送区域；配置在电荷蓄积区域上的电荷收集电极；和配置在电荷蓄积区域与电荷传送区域之间的区域上的传送栅极电极，控制部在第1期间以使得电荷收集电极的正下方的区域的电势成为第1电平，且使得传送栅极电极的正下方的区域的电势高于电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，控制电荷收集电极和传送栅极电极的电位，在第1期间之后的第2期间，以使得电荷收集电极的正下方的区域的电势成为高于第1电平的第2电平，且使得传送栅极电极的正下方的区域的电势低于电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，控制电荷收集电极和传送栅极电极的电位。
在该光检测装置中，在第1期间，传送栅极电极的正下方的区域的电势高于电荷收集电极的正下方的区域的电势，在电荷产生区域产生的电荷蓄积在电荷蓄积区域。在第2期间，传送栅极电极的正下方的区域的电势低于电荷收集电极的正下方的区域的电势，电荷被从电荷蓄积区域向电荷传送区域传送。在该光检测装置中，在第1期间，电荷收集电极的正下方的区域的电势为低于第2电平的第1电平。由此，能够加深电荷蓄积区域的电势阱，能够使电荷蓄积区域的饱和电荷量增加。另一方面，在第2期间，电荷收集电极的正下方的区域的电势为高于第1电平的第2电平。由此，能够加大电荷蓄积区域与电荷传送区域之间的电势之差，能够提高电荷传送效率。由此，根据该光检测装置，能够实现饱和电荷量的增加和电荷传送效率的提高的两者。
电荷产生区域也可以饱和雪崩倍增区域。在这种情况下，能够在电荷产生区域引起雪崩倍增，能够提高检测灵敏度。另一方面，在这种情况下，在电荷产生区域产生的电荷量变得极多，而因为在该光检测装置中，如上所述饱和电荷量增加，所以即使在这样的情况下，也能够抑制电容的饱和。
光传感器也可以还包括：溢出区域；和配置电荷蓄积区域与溢出区域之间的区域上的溢出栅极电极，控制部在第1期间，以使得溢出栅极电极的正下方的区域的电势高于电荷收集电极的正下方的区域的电势且低于传送栅极电极的正下方的区域的电势的方式，控制电荷收集电极、传送栅极电极和溢出栅极电极的电位。在这种情况下，能够使在第1期间从电荷蓄积区域外溢的电荷移动至溢出区域。
光传感器也可以还具有介入区域，其具有与电荷蓄积区域不同的导电型，并配置在电荷蓄积区域与电荷收集电极之间的。在这种情况下，能够抑制电荷收集电极的附近的暗电流的产生。
在本发明的一个方面所涉及的光传感器的驱动方法中，光传感器包括：根据入射光而产生电荷的电荷产生区域；蓄积在电荷产生区域产生的电荷的电荷蓄积区域；从电荷蓄积区域传送电荷的电荷传送区域；配置在电荷蓄积区域上的电荷收集电极；和配置在电荷蓄积区域与电荷传送区域之间的区域上的传送栅极电极，光传感器的驱动方法包括：以使得电荷收集电极的正下方的区域的电势成为第1电平，且使得传送栅极电极的正下方的区域的电势高于电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，控制电荷收集电极和传送栅极电极的电位的第1步骤；和在第1步骤之后，以使得电荷收集电极的正下方的区域的电势成为高于第1电平的第2电平，且使得传送栅极电极的正下方的区域的电势低于电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，控制电荷收集电极和传送栅极电极的电位的第2步骤。
在该光传感器的驱动方法的第1步骤，传送栅极电极的正下方的区域的电势高于电荷收集电极的正下方的区域的电势，在电荷蓄积区域蓄积电荷。在第2步骤，传送栅极电极的正下方的区域的电势低于电荷收集电极的正下方的区域的电势，电荷被从电荷蓄积区域向电荷传送区域传送。在第1步骤，电荷收集电极的正下方的区域的电势为低于第2电平的第1电平。由此，能够加深电荷蓄积区域的电势阱，能够使电荷蓄积区域的饱和电荷量增加。另一方面，在第2步骤，电荷收集电极的正下方的区域的电势为高于第1电平的第2电平。由此，能够加大电荷蓄积区域与电荷传送区域之间的电势之差，能够提高电荷传送效率。由此，根据该光传感器的驱动方法，能够实现饱和电荷量的增加和电荷传送效率的提高的两者。
发明的效果
根据本发明的一个方面，能够提供能够实现饱和电荷量的增加和电荷传送效率的提高的两者的光检测装置和光传感器的驱动方法。
附图说明
图1是实施方式所涉及的光检测装置的结构图。
图2是沿图1所示的II-II线的图像传感器的截面图。
图3是表示图像传感器的连接方式的图。
图4是图像传感器的电路图。
图5是表示图像传感器的动作例的时序图。
图6的(a)和(b)是用于说明图像传感器的动作例的电势分布图。
图7的(a)和(b)是用于说明图像传感器的动作例的电势分布图。
图8的(a)和(b)是用于说明图像传感器的动作例的电势分布图。
图9是用于说明图像传感器的动作例的电势分布图。
图10的(a)和(b)是用于说明比较例所涉及的图像传感器的第1动作例的电势分布图。
图11的(a)和(b)是用于说明比较例所涉及的图像传感器的第2动作例的电势分布图。
图12的(a)和(b)是用于说明实施方式所涉及的图像传感器的动作例的电势分布图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方进行详细说明。在以下的说明中，对相同或相当的要素使用相同的附图标记，省略重复的说明。
[光检测装置的结构]
如图1所示，光检测装置100包括图像传感器(光传感器)1和控制部60。控制部60控制图像传感器1。控制部60例如由搭载在构成图像传感器1的半导体基板上的片上(on-chip)集成电路构成。
如图1和图2所示，图像传感器1包括半导体层2和电极层4。半导体层2具有第1表面2a和第2表面2b。第2表面2b是半导体层2的与第1表面2a相反侧的表面。半导体层2包含沿第1表面2a配置的多个像素20。多个像素20沿第1表面2a呈二维排列。以下，将半导体层2的厚度方向称为Z方向，将与Z方向垂直的一个方向称为X方向，将与Z方向和X方向两者垂直的方向称为Y方向。此外，将Z方向的一侧称为第1侧，将Z方向的另一侧(与第1侧相反侧)称为第2侧。在图1中，省略电极层4的一部分图示。
各像素20在半导体层2，具有半导体区域21、半导体区域22、雪崩倍增区域23、电荷蓄积区域24、介入区域25、电荷传送区域26、溢出区域27和阱区域31。各区域21～27、31通过对半导体基板(例如硅基板)实施各种处理(例如蚀刻、成膜、杂质注入等)的形成。
半导体区域21是p型(第1导电型)的区域，在半导体层2沿第2表面2b呈层状形成。半导体区域21的载流子浓度高于半导体区域22的载流子浓度。优选半导体区域21的厚度尽量薄。作为一个例子，半导体区域21是具有1×1016cm-3以上的载流子浓度的p型的区域，其厚度为1μm左右。另外，半导体区域21也可以通过在第2表面2b上隔着绝缘膜形成的透明电极的累加而形成。
半导体区域22是p型的区域，在半导体层2呈层状形成，相对于半导体区域21位于第1侧。作为一个例子，半导体区域22是具有1×1015cm-3以下的载流子浓度的p型的区域，其厚度为2μm以上，作为一个例子为10μm左右。
雪崩倍增区域23包含第1增倍区域23a和第2增倍区域23b。第1增倍区域23a为p型的区域，在半导体层2呈层状形成，相对于半导体区域22位于第1侧。作为一个例子，第1增倍区域23a是具有1×1016cm-3以上的载流子浓度的p型的区域，其厚度为1μm左右。第2增倍区域23b是n型(第2导电型)的区域，在半导体层2呈层状形成，相对于第1增倍区域23a位于第1侧。作为一个例子，第2增倍区域23b是具有1×1016cm-3以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度为1μm左右。第1增倍区域23a和第2增倍区域23b形成有pn结。半导体区域21、22和雪崩倍增区域23作为根据入射光而产生电荷的电荷产生区域(光吸收区域，光电转换区域)29而发挥作用。
电荷蓄积区域24是n型的区域，在半导体层2呈层状形成，相对于第2增倍区域23b位于第1侧。在本例子中，电荷蓄积区域24沿与Z方向垂直的平面延伸。作为一个例子，电荷蓄积区域24是具有5×1015～1×1016cm-3的载流子浓度的n型的区域，其厚度为1μm左右。
介入区域25是p型的区域，在半导体层2沿第1表面2a呈层状形成。介入区域25配置在电荷蓄积区域24与后述的电荷收集电极41之间。半导体区域21、半导体区域22、第1增倍区域23a、第2增倍区域23b、电荷蓄积区域24和介入区域25沿Z方向按该顺序排列。作为一个例子，介入区域25是具有1×1015cm-3以上的载流子浓度的p型的区域，其厚度为0.2μm左右。
电荷传送区域26是n型的区域，在半导体层2沿第1表面2a形成。电荷传送区域26配置在阱区域31内，相对于第2增倍区域23b位于第1侧。电荷传送区域26在X方向与电荷蓄积区域24并列。作为一个例子，电荷传送区域26是具有1×1018cm-3以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度为0.2μm左右。
溢出区域27是n型的区域，在半导体层2沿第1表面2a形成。溢出区域27配置在阱区域31内，相对于第2增倍区域23b位于第1侧。溢出区域27在X方向上相对于电荷蓄积区域24位于与电荷传送区域26相反侧。作为一个例子，溢出区域27是具有1×1018cm-3以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度为0.2μm左右。
阱区域31是p型的区域，在半导体层2沿第1表面2a呈层状形成。阱区域31相对于第2增倍区域23b位于第1侧。作为一个例子，阱区域31是具有1×1016～5×1017cm-3的载流子浓度的p型的区域，其厚度为1μm左右。
在阱区域31，不仅形成有电荷传送区域26和溢出区域27，而且形成有沟道区域32、33、34、接地区域35、36和LOCOS(Local Oxidation of Silicon：硅的局部氧化)区域37。沟道区域32～34是n型的区域，接地区域35、36是p型的区域。电荷传送区域26、沟道区域32～34、接地区域35沿X方向按该顺序排列。接地区域36在X方向上相对于溢出区域27位于与电荷蓄积区域24相反侧。LOCOS区域37是绝缘区域，以包围接地区域35、36的方式设置。
电极层4设置在半导体层2的第1表面2a上。各像素20在电极层4具有电荷收集电极41、传送栅极电极42和溢出栅极电极43。电荷收集电极41和栅极电极42、43在电极层4形成，隔着绝缘膜49配置在半导体层2的第1表面2a上。绝缘膜49例如是硅氮化膜、硅氧化膜等。
电荷收集电极41和栅极电极42、43由具有导电性和透光性的材料(例如多晶硅)形成。作为一个例子，电荷收集电极41和栅极电极42、43各自在从Z方向看时呈具有在X方向相对的2个边和在Y方向上相对的2个边的矩形。
电荷收集电极41配置在电荷蓄积区域24上。更具体而言，电荷收集电极41隔着介入区域25和绝缘膜49配置在电荷蓄积区域24上。电荷收集电极41在Z方向上与电荷蓄积区域24重叠。传送栅极电极42配置在阱区域31的电荷蓄积区域24与电荷传送区域26之间的区域上。溢出栅极电极43配置在阱区域31的电荷蓄积区域24与溢出区域27之间的区域上。
在阱区域31上，进一步设置有栅极电极44、45、46。栅极电极44配置在阱区域31的电荷传送区域26与沟道区域32之间的区域上。栅极电极45配置在阱区域31的沟道区域32、33之间的区域上。栅极电极46配置在阱区域31的沟道区域33、34之间的区域上。
如图3和图4所示，对电荷收集电极41和栅极电极42～44、46施加控制电压S1～S5。栅极电极45与电荷传送区域26电连接。溢出区域27和沟道区域32与电源电压电连接。沟道区域34与输出端子电连接。接地区域35、36接地。阱区域31的电位为0V。第2增倍区域23b通过电荷蓄积区域24、溢出栅极电极43的正下方的区域和溢出区域27在高于0V的电位固定。通过使得第2增倍区域23b固定在高于0V的电位，第1增倍区域23a与阱区域31电分离。
栅极电极44将蓄积在电荷传送区域26的电荷通过沟道区域32向外部排出，构成用于将电荷传送区域26复位的复位晶体管R1。栅极电极45构成由于将蓄积在电荷传送区域26的电荷读出的读出晶体管(源极跟随器)R2。栅极电极46构成用于选择进行电荷的读出的像素20的选择晶体管R3。
[图像传感器的驱动方法]
参照图5～图9，说明图像传感器1的动作例。以下的动作通过控制部60控制图像传感器1来实现。更具体而言，通过控制部60控制控制电压S1～S5来实现。另外，在以下的说明中，“电极的正下方的区域”是指在Z方向上与该电极重叠的区域。
首先，执行将电荷蓄积区域24复位的第1复位处理(时刻T1，图6的(a))。在第1复位处理中，以使得电荷收集电极41的正下方的区域(电荷蓄积区域24)的电势
Figure BDA0003929402160000081
成为高电平(第2电平)，且使得溢出栅极电极43的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000082
低于电势
Figure BDA0003929402160000083
的方式，控制电荷收集电极41和溢出栅极电极43的电位。由此，在电荷蓄积区域24残留的电荷经溢出区域27排出至外部，电荷蓄积区域24复位。在第1复位处理中，以使得传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000084
和栅极电极44的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000085
高于电势
Figure BDA0003929402160000086
的方式，控制电荷收集电极41、传送栅极电极42和栅极电极44的电位。
另外，如图5所示，对电荷收集电极41施加高电平的控制电压S2和低电平的控制电压S2。例如，高电平的控制电压S2为正电压，低电平的控制电压S2为低于高电平的控制电压S2的电位。低电平的控制电压S2既可以为正电位，也可以为负电位。在向电荷收集电极41施加高电平的控制电压S2的情况下，电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000087
成为低电平，在向电荷收集电极41施加低电平的控制电压S2的情况下，电势
Figure BDA0003929402160000088
成为高电平。这样，电势的大小关系与控制电压的大小关系相反。这些在传送栅极电极42、溢出栅极电极43和栅极电极44也一样。另外，在调整电极的正下方的区域的电势(耗尽电位)的大小时，既可以调整施加于电极的电位的大小，也可以调整电极的正下方的区域的杂质浓度。
在时刻T1之后的第1期间M1，执行将在电荷产生区域29产生的电荷蓄积在电荷蓄积区域24的电荷蓄积处理(第1步骤)(时刻T2，图6的(b))。在第1期间M1，以使得电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000091
成为低于上述的高电平(第2电平)的低电平(第1电平)，且使得传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000092
高于电势
Figure BDA0003929402160000093
的方式，控制电荷收集电极41和传送栅极电极42的电位。
在第1期间M1，对半导体区域21施加以阱区域31的电位为基准负的电压(例如最大-60V)。即，对在雪崩倍增区域23形成的pn结施加反向偏压。由此，在雪崩倍增区域23产生3×105～4×105V/cm的电场强度。在该状态下，光从第2表面2b向半导体层2入射时，在半导体区域21、22通过光的吸收产生电子。所产生的电子在雪崩倍增区域23倍增，以高速向电位最高的电荷蓄积区域24移动。
如上所述，在第1期间M1，传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000094
高于传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000095
因此，移动至电荷蓄积区域24的电荷不会向电荷传送区域26移动，而是蓄积在电荷蓄积区域24。
此外，在第1期间M1，以使得溢出栅极电极43的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000096
高于电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000097
且低于传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000098
的方式，控制电荷收集电极41、传送栅极电极42和溢出栅极电极43的电位。即，电势
Figure BDA0003929402160000099
成为电势
Figure BDA00039294021600000910
与电势
Figure BDA00039294021600000911
之间的大小。由此，能够如图7的(a)所示那样，使从电荷蓄积区域24外溢的电荷向溢出区域27移动。传送至溢出区域27的电荷向外部排出。
在第1期间M1，执行选择读出电荷的像素20的像素选择处理(时刻T3)。在像素选择处理中，使用选择晶体管R3选择进行电荷的读出的像素20。
在第1期间M1，接着像素选择处理，执行使电荷传送区域26复位的第2复位处理(时刻T4，图7的(b))。第2复位处理使用复位晶体管R1执行。在第2复位处理中，以使得栅极电极44的正下方的区域的电势
Figure BDA00039294021600000912
下降的方式控制栅极电极44的电位。电势
Figure BDA00039294021600000913
例如下降至成为与电荷传送区域26的电势
Figure BDA0003929402160000101
相同程度为止。由此，在电荷传送区域26残留的电荷经沟道区域32向外部排出，电荷传送区域26复位。第2复位处理完成后，电势
Figure BDA0003929402160000102
复原。
在第1期间M1，接着第2复位处理，执行噪声取得处理(时刻T5)。在噪声取得处理中，取得电荷传送区域26的kTC噪声。由此，能够考虑kTC噪声地计算输出，能够提高检测精度。
在第1期间M1之后的第2期间M2，执行从电荷蓄积区域24向电荷传送区域26传送电荷的电荷传送处理(第2步骤)(时刻T6，图8的(a))。在第2期间M2，以使得电荷收集电极41的正下方的区域(电荷蓄积区域24)的电势
Figure BDA0003929402160000103
成为高电平，且使得传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000104
低于电势
Figure BDA0003929402160000105
且使得溢出栅极电极43的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000106
高于电势
Figure BDA0003929402160000107
的方式，控制电荷收集电极41、传送栅极电极42和溢出栅极电极43的电位。由此，蓄积在电荷蓄积区域24的电荷传送至电荷传送区域26。
接着，执行将蓄积在电荷传送区域26的电荷读出的读出处理(时刻T7，图8的(b))。在读出处理中，使用读出晶体管R2读出蓄积在电荷传送区域26的电荷。在读出处理中，以使得电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000108
成为高电平，且使得传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000109
高于电势
Figure BDA00039294021600001010
且使得溢出栅极电极43的正下方的区域的电势
Figure BDA00039294021600001011
低于电势
Figure BDA00039294021600001012
的方式，控制电荷收集电极41、传送栅极电极42和溢出栅极电极43的电位。
接着，执行使电荷传送区域26复位的第3复位处理(时刻T8，图9)。第3复位处理使用复位晶体管R1执行。在第3复位处理中，以使得栅极电极44的正下方的区域的电势
Figure BDA00039294021600001013
下降的方式控制栅极电极44的电位。电势
Figure BDA00039294021600001014
例如下降至成为与电荷传送区域26的电势
Figure BDA00039294021600001015
相同程度为止。由此，在电荷传送区域26残留的电荷经沟道区域32向外部排出，电荷传送区域26复位。第3复位处理完成后，电势
Figure BDA00039294021600001016
复原。
接着，执行解除选择中的像素20的选择解除处理(时刻T9)。选择解除处理使用选择晶体管R3执行。选择解除处理之后，至开始下一次电荷蓄积处理为止的期间，图像传感器1为与第1复位处理时相同的状态(时刻T10)。即，以使得电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000111
成为高电平，且使得传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000112
高于电势
Figure BDA0003929402160000113
且使得溢出栅极电极43的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000114
低于电势
Figure BDA0003929402160000115
的方式，控制电荷收集电极41、传送栅极电极42和溢出栅极电极43的电位。由此，流入电荷蓄积区域24的电荷经溢出区域27向外部排出。
[作用和效果]
在光检测装置100中，在第1期间M1，传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000116
高于电荷收集电极41的正下方的区域(电荷蓄积区域24)的电势
Figure BDA0003929402160000117
在电荷产生区域29产生的电荷蓄积在电荷蓄积区域24。在第2期间M2，传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000118
低于电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000119
从电荷蓄积区域24电荷传送至电荷传送区域26。在光检测装置100中，在第1期间M1，电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA00039294021600001110
为低于高电平(第2电平)的低电平(第1电平)。由此，能够加深电荷蓄积区域24的电势阱，能够增加电荷蓄积区域24的饱和电荷量。另一方面，在第2期间M2，电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA00039294021600001111
为高于低电平的高电平。由此，能够加大电荷蓄积区域24与电荷传送区域26之间的电势之差，能够提高电荷传送效率。由此，根据光检测装置100，能够实现饱和电荷量的增加和电荷传送效率的提高的两者。
即，在光检测装置100中，通过在电荷蓄积区域24上设置电荷收集电极41，在第1期间M1与第2期间M2之间使电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA00039294021600001112
的大小变化，实现饱和电荷量的增加和电荷传送效率的提高的两者。关于这一点，参照图10～图12进行进一步说明。在图10和图11中，作为比较例，表示电势
Figure BDA00039294021600001113
恒定的情况下的图像传感器的动作例。在图10的(a)和图10的(b)表示比较例中电势
Figure BDA00039294021600001114
恒定在低电平的第1动作例。在图11的(a)和图11的(b)中，表示比较例中电势
Figure BDA00039294021600001115
恒定在高电平的第2动作例。在图12的(a)和图12的(b)表示光检测装置100的图像传感器1的动作例。另外，在图10～图12中，省略溢出区域和溢出栅极电极的图示。
在比较例中电势
Figure BDA0003929402160000121
恒定在低电平的第1动作例中，如图10的(a)所示，在电荷蓄积时，能够加深电荷蓄积区域24的电势阱。另一方面，如图10的(b)所示，在电荷传送时，电荷蓄积区域24与电荷传送区域26之间的电势之差变小，电荷传送效率变低。能够将电荷从电荷蓄积区域24完全传送到电荷传送区域26的量为在电荷蓄积区域24与电荷传送区域26之间的电势之差乘以电荷传送区域26的电容得到的值的程度。因此，当电势之差小时，可完全传送的量降低，检测灵敏度下降。此外，当电势之差小时，在传送路径上容易产生障碍，由此也使得传送效率下降。
在比较例电势
Figure BDA0003929402160000122
恒定在高电平的第2动作例中，如图11的(b)所示，在电荷传送时，电荷蓄积区域24与电荷传送区域26之间的电势之差变大，能够确保电荷传送效率。另一方面，如图11的(a)所示，在电荷蓄积时，电荷蓄积区域24的电势阱变浅，电荷蓄积区域24的饱和电荷量变少。这样，在比较例中，由于电势
Figure BDA0003929402160000123
恒定，所以会不能实现饱和电荷量的增加和电荷传送效率的提高的其中一者。
与此相对，在上述的图像传感器1的驱动方法中，如图12的(a)所示，在电荷蓄积时，由于电势
Figure BDA0003929402160000124
为低电平，所以能够加深电荷蓄积区域24的电势阱，能够使电荷蓄积区域24的饱和电荷量增加。此外，能够扩大在电荷蓄积区域24的缘部形成的电位梯度范围A，其结果是，能够加快流入电荷蓄积区域24的电荷的移动速度。此外，如图12的(b)所示，在电荷传送时，由于电势
Figure BDA0003929402160000125
为高电平，所以能够加大电荷蓄积区域24与电荷传送区域26之间的电势之差，能够提高电荷传送效率。这样，在上述的图像传感器1的驱动方法中，同步地控制电荷收集电极41的电位与传送栅极电极42的电位。其结果是，能够实现饱和电荷量的增加和电荷传送效率的提高的两者。
电荷产生区域29包含雪崩倍增区域23。由此，能够在电荷产生区域29引起雪崩倍增，能够提高检测灵敏度。另一方面，在这种情况下，在电荷产生区域29产生的电荷量变得极多，在光检测装置100中，如上所述饱和电荷量增加，因此在这样的情况下也能够抑制电容的饱和。
在第1期间M1，以使得溢出栅极电极43的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000131
高于电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000132
且低于传送栅极电极42的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000133
的方式，控制电荷收集电极41、传送栅极电极42和溢出栅极电极43的电位。由此，能够使在第1期间M1从电荷蓄积区域24外溢的电荷向溢出区域27移动。
图像传感器1具有介入区域25，其具有与电荷蓄积区域24不同的导电型，配置在电荷蓄积区域24与电荷收集电极41之间。由此，能够抑制电荷收集电极41的附近的暗电流的产生。
此外，在以使得电荷收集电极41的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000134
成为高电平的方式对电荷收集电极41赋予电位的状态(对电荷收集电极41施加低电平的控制电压S2的状态)下，能够通过介入区域25有效地抑制电荷收集电极41的附近的暗电流的产生。其理由如下。介入区域25的界面(与电荷收集电极41相对的表面)的空穴浓度越高，暗电流越低。在通过离子注入形成介入区域25的情况下，介入区域25的空穴浓度在离开界面的位置成为峰。通过如上述那样对电荷收集电极41赋予电位，能够通过累加效果提高介入区域25的界面正下方的区域的空穴浓度，能够有效地抑制暗电流的产生。
另外，作为使用传送栅极电极进行电荷的传送的图像传感器，有测距传感器。在测距传感器中，使用多个传送栅极电极，在多个电荷传送区域之间分配电荷。在测距传感器中，为了吸引电荷，在电荷分配区域上配置光栅电极。光栅电极的电位保持恒定。即，测距传感器的光栅电极并不像上述的图像传感器1的电荷收集电极41那样，电位根据期间变化。在测距传感器中，由于流入电荷分配区域的电荷立即向电荷传送区域传送，所以在电荷分配区域不蓄积电荷。因此，不要求使电荷分配区域的饱和电荷量增加。
本发明并不限定于上述实施方式。例如在各结构的材料和形状中，并不限定于上述的材料和形状，而能够采用各种各样的材料和形状。传送至溢出区域27的电荷也并非一定排出。例如也可以在溢出区域27蓄积电荷，所蓄积的电荷不读出。在这种情况下，也可以在溢出区域27之外，设置用于将在电荷蓄积区域24残留的电荷向外部排出的电荷排出区域。介入区域25也可以不设置。在这种情况下，电荷蓄积区域24也可以达到半导体层2的第1表面2a。
在图像传感器1中，也可以使光从第1侧和第2侧的任一侧向半导体层2入射。p型和n型的各导电型也可以与上述相反。多个像素20也可以沿半导体层2的第1表面2a呈1维排列。或者，也可以仅设置单一的像素20。
附图标记的说明
1……图像传感器(光传感器)
23……雪崩倍增区域
24……电荷蓄积区域
25……介入区域
26……电荷传送区域
27……溢出区域
29……电荷产生区域
41……电荷收集电极
42……传送栅极电极
43……溢出栅极电极
60……控制部
100……光检测装置
M1……第1期间
M2……第2期间
Figure BDA0003929402160000141
……电荷收集电极的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000142
……栅极电极的正下方的区域的电势
Figure BDA0003929402160000143
……溢出栅极电极的正下方的区域的电势。

Claims (5)

1.一种光检测装置，其中：
具备：
光传感器；和
控制部，其控制所述光传感器，
所述光传感器具有：
电荷产生区域，其根据入射光而产生电荷；
电荷蓄积区域，其蓄积在所述电荷产生区域产生的电荷；
电荷传送区域，其从所述电荷蓄积区域传送电荷传送；
电荷收集电极，其配置在所述电荷蓄积区域上；和
传送栅极电极，其配置在所述电荷蓄积区域与所述电荷传送区域之间的区域上传送，
所述控制部在第1期间，以所述电荷收集电极的正下方的区域的电势成为第1电平，且所述传送栅极电极的正下方的区域的电势高于所述电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，控制所述电荷收集电极和所述传送栅极电极的电位；
所述控制部在所述第1期间之后的第2期间，以所述电荷收集电极的正下方的区域的电势成为高于所述第1电平的第2电平，且所述传送栅极电极的正下方的区域的电势低于所述电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，控制所述电荷收集电极和所述传送栅极电极的电位。
2.如权利要求1所述的光检测装置，其中：
所述电荷产生区域包含雪崩倍增区域。
3.如权利要求1或2所述的光检测装置，其中：
所述光传感器还具有：
溢出区域；和
溢出栅极电极，其配置在所述电荷蓄积区域与所述溢出区域之间的区域上，
所述控制部在所述第1期间，以所述溢出栅极电极的正下方的区域的电势高于所述电荷收集电极的正下方的区域的电势且低于所述传送栅极电极的正下方的区域的电势的方式，控制所述电荷收集电极、所述传送栅极电极和所述溢出栅极电极的电位。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光检测装置，其中：
所述光传感器还具有：
介入区域，其具有与所述电荷蓄积区域不同的导电型，配置在所述电荷蓄积区域与所述电荷收集电极之间。
5.一种光传感器的驱动方法，其中：
所述光传感器具备：
电荷产生区域，其根据入射光而产生电荷；
电荷蓄积区域，其蓄积在所述电荷产生区域产生的电荷；
电荷传送区域，其从所述电荷蓄积区域传送电荷传送；
电荷收集电极，其配置在所述电荷蓄积区域上；和
传送栅极电极，其配置在所述电荷蓄积区域与所述电荷传送区域之间的区域上传送，
所述光传感器的驱动方法包括：
第1步骤，以所述电荷收集电极的正下方的区域的电势成为第1电平，且所述传送栅极电极的正下方的区域的电势高于所述电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，控制所述电荷收集电极和所述传送栅极电极的电位；和
第2步骤，在所述第1步骤之后，以所述电荷收集电极的正下方的区域的电势成为高于所述第1电平的第2电平，且所述传送栅极电极的正下方的区域的电势低于所述电荷收集电极的正下方的区域的电势的方式，控制所述电荷收集电极和所述传送栅极电极的电位。
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