DE112012006401T5

DE112012006401T5 - Bereichssensor und Bereichsbildsensor

Info

Publication number: DE112012006401T5
Application number: DE201211006401
Authority: DE
Inventors: c/o Hamamatsu Photonics K.K. Hiramitsu Jun; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Mase Mitsuhito; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Suzuki Takashi
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2032-11-14
Also published as: KR20140138625A; DE112012006401B4; US9134401B2; JP6006514B2; WO2013145420A1; CH708171B1; JP2013206903A; US20130258311A1; KR102028224B1

Abstract

Ein erster Halbleiterbereich FD1 ist angeordnet an einem zentralen Abschnitt eines Pixelbereichs PA1 an der Innenseite des Ladungserzeugungsbereichs, um durch den Ladungserzeugungsbereich umgeben zu sein, und sammelt Signalladungen von dem Ladungserzeugungsbereich. Eine erste Gate-Elektrode TX1 ist angeordnet zwischen dem ersten Halbleiterbereich FD1 und dem Ladungserzeugungsbereich, und bewirkt, dass die Signalladungen von dem Ladungserzeugungsbereich in den ersten Halbleiterbereich FD1 fließen, ansprechend auf ein Eingangssignal. Ein vierter Halbleiterbereich SR weist einen Abschnitt auf, der sich an dem Eckabschnitt des Pixelbereichs PA1 befindet, und den verbleibenden Abschnitt, der sich an der Außenseite des Pixelbereichs PA1 befindet, und weist einen Leitfähigkeitstyp auf, der entgegengesetzt ist zu dem des ersten Halbleiterbereichs FD1, sowie eine Störstellenkonzentration, die höher ist als die der diesbezüglichen Umgebung. Eine Ausleseschaltung RC1 ist in dem vierten Halbleiterbereich SR angeordnet, und liest ein Signal entsprechend einer Ladungsgröße aus, die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 akkumuliert ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bereichssensor und einen Bereichsbildsensor.
Hintergrund
TOF-(engl. Time-Of-Flight)Bereichsbildsensoren (Bereichssensoren) sind bekannt (siehe zum Beispiel Nicht-Patentliteratur 1). Der Bereichsbildsensor, der in dieser Literatur offenbart ist, umfasst einen Ladungserzeugungsbereich, der ansprechend auf ein darauf einfallendes Licht eine Ladung erzeugt, sowie einen Ladungssammlungsbereich, der an der Innenseite des Ladungserzeugungsbereichs angeordnet ist, um durch den Ladungserzeugungsbereich umgeben zu sein, einen Ladungsentladungsbereich, der angeordnet ist an der Außenseite des Ladungserzeugungsbereichs, um den Ladungserzeugungsbereich zu umgeben, eine innere Gate-Elektrode, die angeordnet ist an dem Ladungserzeugungsbereich, und ermöglicht, dass die Ladung des Ladungserzeugungsbereichs in den Ladungssammlungsbereich fließt, ansprechend auf ein Eingabesignal, und eine äußere Entladungs-Gate-Elektrode, die angeordnet ist an dem Ladungserzeugungsbereich und ermöglicht, dass die Ladung des Ladungserzeugungsbereichs in den Ladungsentladungsbereich fließt, ansprechend auf ein Eingangssignal. Der Ladungssammlungsbereich ist angeordnet an einem zentralen Abschnitt eines polygonalen Pixelbereichs, während der Ladungsentladungsbereich insgesamt um die Peripherie des Pixelbereichs angeordnet ist. Eine elektrische Potentialdifferenz, die bereitgestellt ist zwischen der inneren Gate-Elektrode und der äußeren Entladungsgate-Elektrode bildet einen Potentialgradienten in einem Bereich unmittelbar unter der inneren Gate-Elektrode und der äußeren Entladungsgate-Elektrode aus. Die Ladung, die in dem Ladungserzeugungsbereich generiert wird, wandert in den Ladungssammlungsbereich oder Ladungsentladungsbereich gemäß dem Potentialgradienten.
Liste der Nicht-Patentliteratur

Nicht-Patentliteratur 1: T. Y. Lee et al., ”A 192×108 Pixel ToF-3D image sensor with single-tap concentric-gate demodulation pixels in 0.13 μm technology,” Proceedings of the 2011 IEEE International Electron Devices Meeting, December 5–8, 2011, Seiten 8.7.1–8.7.4

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Ein derartiger Bereichsbildsensor (Bereichssensor) erfordert eine Ausleseschaltung zum Auslesen eines Signals entsprechend der Ladungsgröße, die in dem Signalladungssammlungsbereich akkumuliert ist. Der Bereichsbildsensor, der in der oben erwähnten Literatur offenbart ist, schlägt jedoch keine spezielle Anordnung der Ausleseschaltung vor.
Wenn die Ausleseschaltung in dem Pixelbereich angeordnet ist, wird die Fläche des Ladungserzeugungsbereichs durch die Fläche der Ausleseschaltung reduziert, wodurch das Aperturverhältnis verringert wird.
Wenn die Ausleseschaltung an der Außenseite des Pixelbereichs angeordnet ist, wird verhindert, dass das Aperturverhältnis verringert wird. Ein Bereich zum Anordnen der Ausleseschaltung muss jedoch unabhängig von dem Pixelbereich eingestellt sein, wodurch die Sensorflächenverwendungs-Effizienz verringert wird. Es kann auch notwendig werden, einen Chip für den Pixelbereich und einen Chip für die Ausleseschaltung separat voneinander zu präparieren und diese durch Kontaktierhügel (engl. bumps) und dergleichen zu verbinden. Dies kann darin problematisch sein, dass das System voluminös wird, die Herstellungsschritte erhöht, höhere Kosten verursacht usw.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bereichssensor und einen Bereichsbildsensor bereitzustellen, die eine Ausleseschaltung geeignet anordnen können, während verhindert wird, dass das Aperturverhältnis und die Sensorflächen-Verwendungseffizienz verringert wird.
Lösung des Problems
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Bereichssensor bereit, umfassend: einen Ladungserzeugungsbereich, angeordnet in einem Bereich eines polygonalen Pixelbereichs, der einen Eckabschnitt davon ausschießt, zum Erzeugen einer Ladung ansprechend auf ein darauf einfallendes Licht; einen Signalladungssammlungsbereich, angeordnet an einem zentralen Abschnitt des Pixelbereichs an der Innenseite des Ladungserzeugungsbereichs, um durch den Ladungserzeugungsbereich umgeben zu sein, zum Sammeln einer Signalladung von dem Ladungserzeugungsbereich; eine Photogate-Elektrode, angeordnet an dem Ladungserzeugungsbereich; eine Transfer-Elektrode, angeordnet zwischen dem Signalladungssammlungsbereich und dem Ladungserzeugungsbereich, so dass die Signalladung von dem Ladungserzeugungsbereich in den Signalladungssammlungsbereich fließen kann, ansprechend auf ein Eingangssignal; einen Halbleiterbereich mit einem Abschnitt, der sich an dem Eckabschnitt des Pixelbereichs und dem verbleibenden Abschnitt befindet, der sich an der Außenseite des Pixelbereichs befindet, und einen Leitfähigkeitstyp aufweist, der entgegengesetzt ist zu dem des Signalladungssammlungsbereichs, und eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher ist als eine diesbezügliche Umgebung; und eine Ausleseschaltung, angeordnet an dem Halbleiterbereich, zum Auslesen eines Signals entsprechend einer Ladungsgröße, die in dem Signalladungssammlungsbereich akkumuliert ist.
In der vorliegenden Erfindung weist der Halbleiterbereich, in dem die Ausleseschaltung angeordnet ist, den Abschnitt auf, der sich an dem Eckabschnitt des Pixelbereichs befindet. D. h., dass der Pixelbereich und der Halbleiterbereich (der Bereich, in dem die Ausleseschaltung angeordnet ist), derart eingestellt sind, dass diese partiell miteinander überlappen. Dies kann verhindern, dass das Aperturverhältnis und die Sensorflächenverwendungs-Effizienz verringert werden, während die Ausleseschaltung geeignet angeordnet ist.
Wenn der Ladungserzeugungsbereich sich in den Eckabschnitt des Pixelbereichs erstreckt, wandert eine Ladung, die in einem Bereich entsprechend dem Eckabschnitt des Pixelbereichs erzeugt wird, um einen langen Abstand in den Signalladungssammlungsbereich, der an dem zentralen Abschnitt des Pixelbereichs angeordnet ist. In diesem Fall dauert es eine lange Zeit, um die Ladung zu transferieren, die in dem Bereich entsprechend dem Eckabschnitt erzeugt wird, in den Signalladungssammlungsbereich, wodurch die Effizienz beim Transfer der Signalladung in den Ladungssammlungsbereich verschlechtert wird. In der vorliegenden Erfindung ist, im Gegensatz dazu, kein Ladungserzeugungsbereich an dem Eckabschnitt des Pixelbereichs angeordnet, wie oben erwähnt, so dass keine Signalladung von einem Bereich transferiert wird, bei dem die Migrationslänge länger ist. Dies verbessert die Effizienz beim Transfer der Signalladung in den Ladungssammlungsbereich.
Der Halbleiterbereich erhöht das Potential in einem Bereich unmittelbar unter dem Halbleiterbereich. Wenn daher eine Signalladung in den Ladungssammlungsbereich transferiert wird, wird der Potentialgradient größer, wodurch die Migrationsgeschwindigkeit der Signalladung erhöht wird, die von dem Ladungserzeugungsbereich in den Ladungssammlungsbereich transferiert wird. Dies verbessert die Effizienz beim Transfer der Signalladung in den Ladungssammlungsbereich.
Der Halbleiterbereich kann an allen Eckabschnitten des Pixelbereichs angeordnet sein. Dies kann die Effizienz beim Transfer der Signalladung in den Ladungssammlungsbereich weiter erhöhen.
Eine Vielzahl der benachbarten Pixelbereiche kann bereitgestellt werden, während der verbleibende Abschnitt des Halbleiterbereichs an einem Eckabschnitt des Pixelbereichs angeordnet sein kann, der benachbart dazu ist. Dies kann verhindern, dass das Aperturverhältnis und die Sensorflächenverwendungs-Effizienz verringert werden, selbst dann, wenn die Vielzahl der benachbarten Pixelbereiche bereitgestellt ist.
Der Bereichssensor kann ferner einen Entladungsbereich für nicht erforderliche Ladungen umfassen, der angeordnet ist an der Außenseite des Ladungserzeugungsbereichs entlang einer Seite des Pixelbereichs, zum Entladen einer nicht erforderlichen Ladung von dem Ladungserzeugungsbereich, sowie eine Entladungs-Gate-Elektrode für nicht erforderliche Ladungen, angeordnet zwischen dem Entladungsbereich für nicht erforderliche Ladungen und dem Ladungserzeugungsbereich, um zu ermöglichen, dass die nicht erforderliche Ladung von dem Ladungserzeugungsbereich in den Entladungsbereich für nicht erforderliche Ladungen fließt, ansprechend auf ein Eingabesignal. In diesem Fall kann der Entladungsbereich für nicht erforderliche Ladungen angeordnet werden, während verhindert wird, dass das Aperturverhältnis verringert wird.
Ein Ladungstransfersignal, dem intermittierend eine Phasenverschiebung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt gegeben wird, kann an die Transfer-Elektrode geliefert werden. In diesem Fall wird ein Abstand gemäß einer Ausgabe von einem Pixelbereich berechnet. Die Abstandsberechnung kann daher weniger fluktuieren, verglichen mit einer Konfiguration, in der der Abstand gemäß Ausgaben von einer Vielzahl von Pixelbereichen berechnet wird. Dies kann ferner die Sensorflächenverwendungs-Effizienz erhöhen.
Eine Vielzahl der benachbarten Pixelbereiche kann bereitgestellt werden, wobei die jeweiligen Ladungserzeugungsbereiche der Vielzahl von Pixelbereichen integral miteinander ausgebildet werden kann, und die jeweiligen Photogate-Elektroden der Vielzahl von Pixelbereichen können integral miteinander ausgebildet werden. Dies kann die Sensorflächenverwendungs-Effizienz weiter erhöhen.
Den Transfer-Elektroden der Vielzahl von Pixelbereichen können Ladungstransfersignale bereitgestellt werden, die Phasen aufweisen, die sich jeweils voneinander unterscheiden. In diesem Fall wird der Abstand gemäß Ausgaben von einer Vielzahl der benachbarten Pixelbereiche berechnet.
Der Signalladungssammlungsbereich kann rechteckig geformt sein, wenn dieser in einer Draufsicht betrachtet wird, wobei die Transfer-Elektrode im Wesentlichen polygonal ringförmig sein kann.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Bereichsbildsensor bereit, der einen Bildgebungsbereich mit einer Vielzahl von Einheiten aufweist, die eindimensional oder zweidimensional auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, um ein Bereichsbild gemäß Ladungsgrößen zu erhalten, die von den Einheiten ausgegeben werden, wobei jede der Einheiten der oben erwähnte Bereichssensor ist.
Wie oben erwähnt, kann die vorliegende Erfindung eine Ausleseschaltung geeignet anordnen und verhindern, dass das Aperturverhältnis und die Sensorflächenverwendungs-Effizienz verringert werden.
Vorteilhafter Effekt der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt den Bereichssensor und den Bereichsbildsensor bereit, die eine Ausleseschaltung geeignet anordnen können, während verhindert wird, dass das Aperturverhältnis und die Sensorflächenverwendungs-Effizienz verringert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung einer Konfiguration einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Querschnittskonfiguration eines Bereichsbildsensors.
3 ist eine schematische Draufsicht des Bereichsbildsensors.
4 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Konfiguration von Pixelbereichen des Bereichsbildsensors.
5 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Querschnittskonfiguration entlang der Linie V-V von 4.
6 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Querschnittskonfiguration entlang der Linie VI-VI von 4.
7 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Potentialprofils zur Erläuterung eines Ladungsakkumulationsbetriebs.
8 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Potentialprofils zur Erläuterung eines Ladungsakkumulationsbetriebs.
9 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Potentialprofils zur Erläuterung eines Ladungsentladungsbetriebs.
10 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Potentialprofils zur Erläuterung eines Ladungsentladungsbetriebs.
11 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Konfiguration eines Pixels.
12 ist ein Zeitdiagramm verschiedener Signale.
13 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Konfiguration von Pixeln in dem Bereichsbildsensor gemäß einem modifizierten Beispiel.
14 ist ein Programm zur Darstellung einer Querschnittskonfiguration entlang der Linie XIV-XIV von 13.
15 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Konfiguration eines Pixels.
16 ist ein Zeitdiagramm verschiedener Signale.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden detailliert in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. In der Beschreibung werden die gleichen Elemente oder Elemente mit der gleichen Funktionalität durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, ohne eine redundante Beschreibung.
1 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung einer Konfiguration einer Abstandsmessvorrichtung.
Diese Abstandsmessvorrichtung umfasst einen Bereichsbildsensor 1, eine Lichtquelle 3 zum Emittieren eines nahinfraroten Lichts, eine Ansteuerschaltung 4, eine Steuerschaltung 2 und eine Arithmetikschaltung 5. Die Ansteuerschaltung 4 stellt die Lichtquelle 3 mit einem Pulsansteuersignal S bereit. An eine erste Gate-Elektrode (TX1, siehe 4), die in jedem Pixel des Bereichsbildsensors 1 enthalten ist, speist die Steuerschaltung 2 ein Erfassungsgatesignal S₁ synchron mit de Pulsansteuersignal S_P ein. Aus einem Signal d'(m, n), das eine Abstandsinformation anzeigt, gelesen von einem ersten Halbleiterbereich (FD1, siehe 4) des Bereichsbildsensors 1, berechnet die Arithmetikschaltung 5 den Abstand zu einem Objekt H, wie zum Beispiel einem Fußgänger oder dergleichen. d soll hier der Abstand von dem Bereichsbildsensor 1 zu dem Objekt H in einer horizontalen Richtung D sein. Die Steuerschaltung 2 gibt auch ein Ladungstransfersignal S₃ aus, das später erläutert werden wird.
Die Steuerschaltung 2 speist das Pulsansteuersignal S_P in einen Schalter 4b der Ansteuerschaltung 4 ein. Die Lichtquelle 3, die durch eine LED oder Laserdiode ausgebildet wird, um Licht zu projizieren, ist über den Schalter 4b mit einer Stromversorgung 4a verbunden. Wenn das Pulsansteuersignal S_P an den Schalter 4b geliefert wird, wird ein Ansteuerstrom, der die gleiche Wellenform aufweist wie das Pulsansteuersignal S_F, an die Lichtquelle 3 geliefert, wodurch die Lichtquelle 3 gepulstes Licht L_P als Testlicht zur Abstandsmessung emittiert. Wenn das gepulste Licht L_P auf das Objekt H eingestrahlt wird, wird das gepulste Licht von dem Objekt H reflektiert. Das reflektierte gepulste Licht fällt als gepulstes Licht L_D auf den Bereichsbildsensor 1 ein, und es wird ein Pulserfassungssignal S_D ausgegeben.
Der Bereichsbildsensor 1 ist auf einer Verdrahtungsplatte 10 angeordnet. Durch eine Verdrahtung auf der Verdrahtungsplatte 10 wird das Signal d'(m, n), das die Abstandsinformation aufweist, von jedem Pixel des Bereichsbildsensors 1 ausgegeben.
2 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Querschnittskonfiguration des Bereichsbildsensors.
Der Bereichsbildsensor 1 ist ein von vorn beleuchteter Bereichsbildsensor mit einem Halbleitersubstrat 1A. Das gepulste Licht L_D fällt auf den Bereichsbildsensor 1 von einer Lichteinfallsoberfläche 1FT des Halbleitersubstrats 1A ein. Eine rückseitige Oberfläche 1BK des Bereichsbildsensors 1 an der gegenüberliegenden Seite der Lichteinfallsoberfläche 1FT ist über einen Haftbereich AD mit der Verdrahtungsplatte 10 verbunden. Der Haftbereich AD enthält ein isolierendes Haftmittel und eine Füllmasse. Der Bereichsbildsensor 1 enthält eine Lichtabschirmschicht LI mit Öffnungen, die an vorbestimmten Positionen ausgebildet sind. Die Lichtabschirmschicht LI ist vor der Lichteinfallsoberfläche 1FT angeordnet.
3 ist eine schematische Draufsicht des Bereichsbildsensors.
In dem Bereichsbildsensor 1 weist das Halbleitersubstrat 1A einen Bildgebungsbereich 1B auf, der durch eine Vielzahl von Pixeln P(m, n) ausgebildet ist, die zweidimensional angeordnet sind. Jedes Pixel P(m, n) gibt zwei Ladungsgrößen Q1, Q2 als das Signal d'(m, n) aus, das die oben erwähnte Abstandsinformation aufweist. Als ein mikroskopischer Abstandsmesssensor gibt jedes Pixel P(m, n) das Signal d'(m, n) entsprechend dem Abstand zu dem Objekt H aus. Wenn daher das reflektierte Licht von dem Objekt H ein Bild an dem Bildgebungsbereich 1B ausbildet, kann ein Bereichsbild bzw. ein Entfernungsbild des Objekts als eine Ansammlung der Abstandsinformation für jeweilige Punkte an dem Objekt H erfasst werden. Ein Pixel P(m, n) arbeitet als ein Bereichs- bzw. Entfernungssensor.
4 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Konfiguration von Pixeln des Bereichsbildsensors. 5 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Querschnittskonfiguration entlang der Linie V-V von 4. 6 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Querschnittskonfiguration entlang der Linie VI-VI von 4.
Wie ebenfalls in 2 dargestellt, ist der Bereichsbildsensor 1 mit dem Halbleitersubstrat 1A bereitgestellt, das die Lichteinfallsoberfläche 1FT und die rückseitige Oberfläche 1BK aufweist, die gegenüberliegend voneinander sind. Das Halbleitersubstrat 1A weist einen p-artigen ersten Substratbereich 1Aa auf, der an der rückseitigen Oberfläche 1BK positioniert ist, und einen p^–-artigen zweiten Substratbereich 1Ab, der sich an der Seite der Lichteinfallsoberfläche 1FT befindet. Der zweite Substratbereich 1Ab weist eine Störstellenkonzentration auf, die geringer ist als der erste Substratbereich 1Aa. Das Halbleitersubstrat 1A kann zum Beispiel dadurch erhalten werden, dass auf einem p-artigen Halbleitersubstrat eine p^–-artige Epitaxie-Schicht aufgewachsen wird, die eine Störstellenkonzentration aufweist, die geringer ist als in dem Halbleitersubstrat.
Jedes Pixel P(m, n) des Bereichsbildsensors 1 enthält einen Pixelbereich PA1. D. h., dass eine Einheit, die in einem Pixelbereich PA1 angeordnet ist, ein Pixel P(m, n) ausbildet. In dem Bereichsbildsensor 1 sind eine Vielzahl von Pixelbereichen PA1 zweidimensional in einer Reihen- und Spaltenrichtung angeordnet. Jeder der Pixelbereiche PA1 ist im Wesentlichen polygon-geformt, wenn dieser in einer Draufsicht betrachtet wird. In dieser Ausführungsform ist jeder Pixelbereich PA1 rechteckförmig (insbesondere, quadratförmig). Die Vielzahl von Pixelbereichen PA1 ist in der Reihen- und Spaltenrichtung kontinuierlich.
In jedem Pixelbereich PA1 umfasst der Bereichsbildsensor 1 eine Photogate-Elektrode PG1, eine erste Gate-Elektrode TX1, eine Vielzahl von dritten Gate-Elektroden TX3, einen ersten Halbleiterbereich FD1, eine Vielzahl von dritten Halbleiterbereichen FD3 und eine Vielzahl von vierten Halbleiterbereichen SR.
Die Photogate-Elektrode PG1 ist über einer Isolationsschicht 1E der Lichteinfallsoberfläche 1FT bereitgestellt und in einem Bereich in dem Pixelbereich PA1 angeordnet. Die erste und dritte Gate-Elektrode TX1, TX3 sind über der Isolationsschicht 1E an der Lichteinfallsquelle 1FT bereitgestellt und benachbart zu dem Photogate PG1. Jeder von dem ersten und dritten Halbleiterbereich FD1, FD3 akkumuliert Ladungen, die in Bereiche unmittelbar unter deren entsprechenden Gate-Elektroden TX1, TX3 fließen. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Halbleitersubstrat 1A Si, und die Isolationsschicht 1E umfasst SiO₂.
In der Lichtabschirmschicht LI sind im Wesentlichen polygonal ringförmige Öffnungen LIa an jeweiligen Bereichen entsprechend den Pixelbereichen PA1 ausgebildet. Licht (reflektiertes Licht von dem Objekt H) fällt über die Öffnungen LIa der Lichtabschirmschicht LI auf das Halbleitersubstrat 1A ein. Die Öffnungen LIa definieren daher einen rechteckig-ringförmigen Lichtempfangsbereich in dem Halbleitersubstrat 1A. Die Lichtabschirmschicht LI besteht aus einem Metall, wie zum Beispiel Aluminium oder dergleichen.
In jedem Pixelbereich PA1 ist die Photogate-Elektrode PG1 derart angeordnet, dass diese der Öffnung LIa entspricht. Die Form der Photogate-Elektrode PG1 entspricht der der Öffnung LIa und ist im Wesentlichen polygonal ringförmig, wenn diese in einer Draufsicht betrachtet wird. Die Photogate-Elektrode PG1 ist in einem Bereich angeordnet, der durch einen vorbestimmten Abstand nach innen von jeder Seite (äußere Kante) des Pixelbereichs PA1 separiert ist. D. h., dass die Photogate-Elektrode PG1 in einem Bereich des Pixelbereichs PA1 angeordnet ist, der die diesbezüglichen Eckabschnitte ausschließt. Die äußere Kontur der Photogate-Elektrode PG1 ist im Wesentlichen achteckförmig, und die diesbezügliche innere Kontur ist im Wesentlichen rechteckförmig (insbesondere quadratisch). Die Photogate-Elektrode PG1 besteht aus Polysilizium, kann jedoch auch andere Materialien verwenden.
Der erste Halbleiterbereich FD1 ist an der Innenseite der Photogate-Elektrode PG1 angeordnet, so dass die Photogate-Elektrode PG1 umgeben ist. Der erste Halbleiterbereich FD1 ist räumlich separat von einem Bereich unmittelbar unterhalb der Photogate-Elektrode PG1 angeordnet. D. h., dass der erste Halbleiterbereich FD1 an der Innenseite des Lichtempfangsbereichs angeordnet ist, um durch den Lichtempfangsbereich umgeben zu sein, und ist von dem Lichtempfangsbereich räumlich separiert angeordnet.
Der erste Halbleiterbereich FD1 ist im Wesentlichen polygonförmig, wenn dieser in einer Draufsicht betrachtet wird. In dieser Ausführungsform ist der erste Halbleiterbereich FD1 rechteckförmig (insbesondere quadratförmig). Der erste Halbleiterbereich FD1 weist die Funktion eines Signal-Ladungssammlungsbereichs auf. Der erste Halbleiterbereich FD1 ist ein Bereich, der aus einem n-artigen Halbleiter besteht, der eine hohe Störstellenkonzentration aufweist, und ist ein Floating-Diffusions-Bereich.
Die erste Gate-Elektrode TX1 ist zwischen der Photogate-Elektrode PG1 (Lichtempfangsbereich) und dem ersten Halbleiterbereich FD1 angeordnet. Die erste Gate-Elektrode TX1 befindet sich an der Außenseite des ersten Halbleiterbereichs FD1, um den ersten Halbleiterbereich FD1 zu umgehen, und befindet sich an der Innenseite der Photogate-Elektrode PG1, um durch die Photogate-Elektrode PG1 umgeben zu sein. Die erste Gate-Elektrode TX1 ist räumlich separiert von der Photogate-Elektrode PG1 und dem ersten Halbleiterbereich FD1 angeordnet, um zwischen der Photogate-Elektrode PG1 und dem ersten Halbleiterbereich FD1 eingefügt zu sein.
Die erste Gate-Elektrode TX1 ist im Wesentlichen polygonal ringförmig, wenn diese in einer Draufsicht betrachtet wird. In dieser Ausführungsform ist die erste Gate-Elektrode TX1 rechteckig ringförmig. Die erste Gate-Elektrode TX1 besteht aus Polysilizium, kann jedoch auch andere Materialien verwenden. Die erste Gate-Elektrode TX1 weist die Funktion als eine Transfer-Elektrode auf.
Jeder dritte Halbleiterbereich FD3 ist an der Außenseite der Photogate-Elektrode PG1 entlang deren entsprechender Seite des Pixelbereichs PA1 angeordnet. Der dritte Halbleiterbereich FD3 ist angeordnet, um räumlich separiert von dem Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1 zu sein. D. h., dass der dritte Halbleiterbereich FD3 an der Außenseite des Lichtempfangsbereichs angeordnet ist, während räumlich separiert von dem Lichtempfangsbereich zu sein.
In jedem Pixelbereich PA ist der dritte Halbleiterbereich FD3 im Wesentlichen rechteckförmig, wenn dieser in einer Draufsicht betrachtet wird. In dieser Ausführungsform ist der dritte Halbleiterbereich FD3 im Wesentlichen rechteckförmig (insbesondere länglich geformt, wobei die Richtung der längeren Seite in einer Richtung liegt, in der sich eine entsprechende Seite des Pixelbereichs PA1 erstreckt). Die dritten Halbleiterbereiche FD3, die benachbart in der Reihen- oder Spaltenrichtung sind, sind integral miteinander ausgebildet. Als Konsequenz sind in zwei Pixelbereichen PA1, die in der Reihen- oder Spaltenrichtung benachbart sind, zwei dritte Halbleiterbereiche FD3, die sich zwischen den Pixelbereichen PA1 befinden, einfach rechteckförmig (insbesondere einfach länglich geformt). Die dritten Halbleiterbereiche FD3 arbeiten als ein nicht erforderlicher Ladungsentladungsbereich. D. h., dass der dritte Halbleiterbereich FD3 als nicht erforderlicher Ladungsentladungsdrain funktioniert und zum Beispiel mit einem festen elektrischen Potential Vdd verbunden ist.
Jede dritte Gate-Elektrode TX3 ist zwischen der Photogate-Elektrode PG1 (Lichtempfangsbereich) und dem dritten Halbleiterbereich FD3 angeordnet. Die dritte Gate-Elektrode TX3 ist räumlich separat von der Photogate-Elektrode PG1 und dem dritten Halbleiterbereich FD3 angeordnet, um zwischen der Photogate-Elektrode PG1 und dem dritten Halbleiterbereich FD3 eingeschoben zu sein. Die dritte Gate-Elektrode TX3 besteht aus Polysilizium, kann jedoch auch andere Materialien verwenden. Die dritte Gate-Elektrode TX3 weist die Funktion einer nicht erforderlichen Ladungsentladungsgate-Elektrode auf.
In jedem Pixelbereich PA1 ist die dritte Gate-Elektrode FD3 im Wesentlichen polygon-förmig, wenn diese in einer Draufsicht betrachtet wird. In dieser Ausführungsform ist die dritte Gate-Elektrode FD3 im Wesentlichen rechteckförmig (insbesondere länglich geformt, wobei deren längere Seitenrichtung in einer Richtung liegt, in der sich eine entsprechende Seite des Pixelbereichs PA1 erstreckt).
Die Photogate-Elektrode PG1, die erste Gate-Elektrode TX1 und die dritte Gate-Elektrode TX3 sind konzentrisch um den ersten Halbleiterbereich FD1 in der Reihenfolge der ersten Gate-Elektrode TX1, der Photogate-Elektrode PG1 und der dritten Gate-Elektrode TX3 von der Seite des Halbleiterbereichs FD1 angeordnet.
Jeder vierte Halbleiterbereich SR ist in dem Eckenabschnitt des Pixelbereichs PA1 und außerhalb der Photogate-Elektrode PG1 angeordnet. In jedem Pixelbereich PA1 sind die vierten Halbleiterbereiche SR, angeordnet an zwei benachbarten Eckabschnitten, derart angeordnet, um den dritten Halbleiterbereich FD3 und die dritte Gate-Elektrode TX3 dazwischen in der Reihen- oder Spaltenrichtung eingefügt zu sein.
In jedem Pixelbereich PA1 ist jeder vierte Halbleiterbereich SR im Wesentlichen polygonförmig, wenn dieser in einer Draufsicht betrachtet wird. In dieser Ausführungsform ist der vierte Halbleiterbereich SR im Wesentlichen fünfeckförmig. Die vierten Halbleiterbereiche SR, die in Reihen- und Spaltenrichtungen benachbart sind, werden integral ausgebildet. D. h., dass der vierte Halbleiterbereich SR, der einen Abschnitt aufweist, der sich an einem Eckabschnitt von einem Pixelbereich PA1 befindet, den verbleibenden Abschnitt aufweist, der sich an den jeweiligen Eckabschnitten von drei Pixelbereichen PA1 befindet, die benachbart zu dem einen Pixelbereich PA1 sind. Als Konsequenz sind in vier Pixelbereichen PA1, die in der Reihen- und Spaltenrichtung benachbart sind, die vier vierten Halbleiterbereiche SR, die sich an dem zentralen Abschnitt der Pixelbereiche PA1 befinden, einfach achteckförmig.
Die vier vierten Halbleiterbereiche SR, die in der Reihen- und Spaltenrichtung benachbart sind, sind an jeweiligen Eckabschnitten eines Vierecks (Quadrat in dieser Ausführungsform) angeordnet, das diagonale Linien aufweist, die orthogonal zueinander sind und den ersten Halbleiterbereich FD1 enthält, der sich an dem Schnittpunkt der diagonalen Linien befindet. Die ersten Halbleiterbereiche FD1, die in der Reihen- und Spaltenrichtung benachbart sind, sind an jeweiligen Eckabschnitten eines Vierecks (Quadrat in dieser Ausführungsform) angeordnet, das diagonale Linien aufweist, die orthogonal zueinander sind, und die integral ausgebildet sind, vier vierte Halbleiterbereiche SR enthält, die sich an dem Schnittpunkt der diagonalen Linien befinden.
Der vierte Halbleiterbereich SR ist ein Bereich, der den gleichen Leitungstyp aufweist wie der des Halbleitersubstrats 1A, und eine Störstellenkonzentration, die höher ist als der zweite Halbleiterbereich 1Ab, d. h., ein Bereich, der durch einen p-artigen Halbleiter mit einer hohen Störstellenkonzentration ausgebildet ist. Der vierte Halbleiterbereich SR kann ebenso ein p-artiger Grabenbereich oder ein p-artiger Diffusionsbereich sein.
Eine Ausleseschaltung RC1 ist in dem vierten Halbleierbereich SR angeordnet. Die Ausleseschaltung RC1 ist für jeden Pixelbereich PA1 bereitgestellt. Die Ausleseschaltung RC1 liest ein Signal entsprechend der Ladungsmenge aus, die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 des entsprechenden Pixelbereichs PA1 akkumuliert ist. Die Ausleseschaltung RC1 besteht aus einem Floating-Diffusionsverstärker (FDA) oder dergleichen.
Die oben erwähnten Bereiche weisen Dicken und Störstellenkonzentrationen wie folgt auf:
erster Substratbereich 1Aa des Halbleitersubstrats 1A: Dicke von 5–700 μm/Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁸–10²⁰ cm^–3
zweiter Substratbereich 1Ab des Halbleitersubstrats 1A: Dicke von 3–50 μm/Störstellenkonzentration von 1 × 10¹³–10¹⁶ cm^–3
erster Halbleiterbereich FD1: Dicke von 0.1–0.4 μm/Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁸–10²⁰ cm^–3
dritter Halbleiterbereich FD3: Dicke von 0.1–0.4 μm/Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁸–10²⁰ cm^–3
vierter Halbleiterbereich SR: Dicke von 1–5 μm/Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁶–10¹⁸ cm^–3
Die Isolationsschicht 1E ist mit Kontaktlöchern (nicht dargestellt) bereitgestellt, um die Oberflächen der ersten und dritten Halbleiterbereiche FD1, FD3 freizulegen. Elektrische Leiter (nicht dargestellt) zum Verbinden des ersten und dritten Halbleiterbereichs FD1, FD3 mit der Außenseite sind mit deren entsprechenden Kontaktlöchern angeordnet.
Die Lichtabschirmschicht LI deckt die Bereiche ab, in denen die ersten und dritte Gate-Elektrode TX1, TX3 und der ersten, dritte und vierte Halbleiterbereich FD1, FD3, SR in dem Halbleitersubstrat 1A angeordnet sind, um zu verhindern, dass Licht auf diese Bereiche einfällt. Dies kann verhindern, dass Licht, das auf die oben erwähnten Bereiche einfällt, nicht erforderliche Ladungen erzeugt.
Die Bereiche entsprechend den Photogate-Elektroden PG1 in dem Halbleitersubstrat 1A (Bereiche unmittelbar unter den Photogate-Elektroden PG1) weisen eine Funktion auf als Ladungserzeugungsbereiche zum Erzeugen von Ladungen, ansprechend auf Licht, das darauf einfällt. Die Ladungserzeugungsbereiche entsprechen somit den Formen der Photogate-Elektroden PG1 und Öffnungen LIa, d. h., dass in jedem Pixelbereich PA1 ein Ladungserzeugungsbereich in einem Bereich angeordnet ist, der durch einen vorbestimmten Abstand innerhalb von jeder Seite (äußere Kante) des Pixelbereichs PA1 separiert ist, so dass Eckabschnitte des Pixelbereichs PA1 ausgenommen sind. Die äußere Kontur des Ladungserzeugungsbereichs ist im Wesentlichen achteckförmig, und die diesbezügliche innere Kontur ist im Wesentlichen rechteckförmig (insbesondere quadratförmig).
Wenn ein Signal mit einem hohen Pegel (positives elektrisches Potential) an die erste Gate-Elektrode TX1 geliefert wird, wird ein Potential unterhalb der ersten Gate-Elektrode TX1 geringer als ein Potential in einem Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1 in dem Halbleitersubstrat 1A. Als Konsequenz werden negative Ladungen (Elektronen) in Richtung der ersten Gate-Elektrode TX1 gezogen, um in einem Potentialgraben zu akkumulieren, der durch den ersten Halbleiterbereich FD1 ausgebildet ist. Die erste Gate-Elektrode TX1 ermöglicht einen Signalladungsfluss in den ersten Halbleiterbereich FD1, ansprechend auf ein Eingangssignal. Ein n-artiger Halbleiter enthält einen positiv ionisierten Donator und weist ein positives Potential auf, um Elektronen anzuziehen. Wenn ein Signal mit einem niedrigen Pegel (zum Beispiel ein elektrisches Massepotential) an die erste Gate-Elektrode TX1 angelegt wird, wird eine Potentialbarriere durch die erste Gate-Elektrode TX1 erzeugt. Die in dem Halbleitersubstrat 1A erzeugten Ladungen werden daher nicht in den ersten Halbleiterbereich FD1 gezogen.
Wenn ein Signal mit einem hohen Pegel (positives elektrisches Potential) an die dritte Gate-Elektrode TX3 geliefert wird, wird ein Bereich unmittelbar unter der dritten Gate-Elektrode TX3 geringer als das Potential in einem Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1 in dem Halbleitersubstrat 1A. Als Konsequenz werden negative Ladungen (Elektronen) in Richtung der dritten Gate-Elektrode TX3 gezogen, um in einen Potentialgraben entladen zu werden, der durch den dritten Halbleiterbereich FD3 ausgebildet ist. Wenn ein Signal mit einem geringen Pegel (zum Beispiel ein elektrisches Massepotential) an die dritte Gate-Elektrode TX3 geliefert wird, wird eine Potentialbarriere durch die dritte Gate-Elektrode TX3 erzeugt. Die Ladungen, die in dem Halbleitersubstrat 1A erzeugt werden, werden daher nicht in den dritten Halbleiterbereich FD3 gezogen. Ein Teil der Ladungen, die in dem Ladungserzeugungsbereich ansprechend auf das darauf einfallende Licht erzeugt werden, werden als nicht erforderliche Ladungen an den dritten Halbleiterbereich FD3 entladen.
In dem Bereichsbildsensor 1 werden Ladungen, die in dem tiefen Halbleiterabschnitt ansprechend auf einen Lichteinfall zur Projektion erzeugt werden, in einen Potentialgraben gezogen, der an der Seite der Lichteinfallsoberfläche 1FT bereitgestellt ist, wodurch eine genaue Abstandsmessung mit hoher Geschwindigkeit möglich ist.
Das gepulste Licht L_D von dem Objekt, das durch die Lichteinfallsoberfläche 1FT des Halbleitersubstrats 1A einfällt, erreicht die Lichtempfangsbereiche (Ladungserzeugungsbereiche), die an einer Oberflächenseite des Halbleitersubstrats 1A angeordnet sind. Die Ladungen, die in dem Halbleitersubstrat 1A erzeugt werden, wenn das gepulste Licht darauf einfällt, werden von jedem Ladungserzeugungsbereich (jeder Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1) in einen Bereich unmittelbar unter der ersten Gate-Elektrode TX1 transferiert, was benachbart zu dem entsprechenden Ladungserzeugungsbereich ist. D. h., dass, wenn das Erfassungsgatesignal S₁ synchron mit dem Pulsansteuersignal S_P für die Lichtquelle über die Verdrahtungsplatte 10 an die erste Gate-Elektrode TX1 geliefert wird, die in jedem Ladungserzeugungsbereich erzeugten Ladungen in einen Bereich unmittelbar unter der ersten Gate-Elektrode TX1 fließen, und dann daher in den ersten Halbleiterbereich FD1 fließen.
Das Verhältnis einer Ladungsgröße Q1, Q2, die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt akkumuliert wurden, zu der Gesamtladungsgröße (Q1 + Q2) entspricht der Phasendifferenz zwischen dem emittierten gepulsten Licht, das mit der Bereitstellung des Pulsansteuersignals S_P an die Lichtquelle emittiert wird, und dem erfassten Pulslicht, das nach einer Reflektion des emittierten gepulsten Lichts an dem Objekt H zurückkehrt.
Obwohl in den Diagrammen nicht gezeigt, ist der Bereichsbildsensor 1 mit einem Back-Gate-Halbleiterbereich bereitgestellt, um das elektrische Potential des Halbleitersubstrats 1A auf ein elektrisches Referenzpotential zu fixieren.
Die 7 und 8 sind Diagramme zur Darstellung von Potentialprofilen in der Nähe der Lichteinfallsoberfläche 1FT des Halbleitersubstrats 1A zur Erläuterung eines Ladungsakkumulationsbetriebs. Die 9 und 10 sind Diagramme zur Darstellung von Potentialprofilen in der Nähe der Lichteinfallsoberfläche 1FT des Halbleitersubstrats 1A zur Erläuterung eines Ladungsentladungsbetriebs. In den 7 bis 10 ist eine Richtung nach unten eine positive Potentialrichtung. Die 7 und 9 stellen die Potentialprofile entlang der Linie V-V von 4 dar. Die 8 und 10 stellen die Potentialprofile entlang der Linie VI-VI von 4 dar.
Wenn Licht einfällt, wird ein Potential ϕ_PG1 Bereichen unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1 etwas höher als das elektrische Substratpotential eingestellt, aufgrund eines elektrischen Potentials (zum Beispiel einem dazwischenliegenden elektrischen Potential zwischen einem höheren elektrischen Potential und einem niedrigeren elektrischen Potential, das an die erste Gate-Elektrode TX1 geliefert wird), das an die Photogate-Elektrode PG1 geliefert wird. In jedem der Diagramme ist ein Potential ϕ_TX1 in dem Bereich unmittelbar unter der ersten Gate-Elektrode TX1, ein Potential ϕ_TX3 in dem Bereich unmittelbar unter der dritten Gate-Elektrode TX3, ein Potential ϕ_FD1 in dem ersten Halbleiterbereich FD1, ein Potential ϕ_FD3 in dem dritten Halbleiterbereich FD3 und ein Potential ϕ_SR in dem vierten Halbleiterbereich SR gezeigt.
Wenn ein hohes elektrisches Potential des Erfassungsgatesignals S₁ in die erste Gate-Elektrode Tx1 eingegeben wird, akkumulieren Ladungen, die unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1 erzeugt werden, in dem Potentialgraben des ersten Halbleiterbereichs FD1 durch den Bereich unmittelbar unter der ersten Gate-Elektrode TX1 gemäß einem Potentialgradienten, wie in 7 dargestellt. Ansprechend auf den Pulszeitpunkt des Erfassungsgatesignals S₁ wird die Ladungsgröße Q1 oder Q2 in dem Potentialgraben des ersten Halbleiterbereichs FD1 akkumuliert.
Zu diesem Zeitpunkt wird, wie in 8 dargestellt, das Potential ϕ_PG1 in dem Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1 an der Eckabschnittsseite des Pixelbereichs PA1 erhöht, aufgrund der vierten Halbleiterbereiche SR, die da angeordnet sind. Ein größerer Gradient eines Potentials, das von der Eckabschnittsseite des Pixelbereichs PA1 zu dem ersten Halbleiterbereich FD1 verringert wird, wird in dem Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1 ausgebildet. Ladungen, die in den Eckabschnitten des Pixelbereichs PA1 in dem Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1 erzeugt werden, werden gemäß dem oben erwähnten Potentialgradienten beschleunigt, der durch die vierten Halbleiterbereiche SR ausgebildet wird, um schnell in den ersten Halbleiterbereich FD1 zu wandern.
Während das Erfassungsgatesignal S₁ an die erste Gate-Elektrode TX1 angelegt ist, wird ein elektrisches Potential mit einem geringen Pegel (zum Beispiel ein elektrisches Massepotential) an die dritte Gate-Elektrode TX3 geliefert. Das Potential ϕ_TX3 in dem Bereich unmittelbar unter der dritten Gate-Elektrode TX3 wird daher nicht verringert, so dass keine Ladungen in den Potentialgraben des dritten Halbleiterbereichs FD3 fließen.
Wenn ein positives elektrisches Potential an die dritte Gate-Elektrode TX3 geliefert wird, wie in 9 dargestellt, wird das Potential ϕ_TX3 in dem Bereich unmittelbar unter der dritten Gate-Elektrode TX3 verringert, wodurch die Ladungen, die in dem Ladungserzeugungsabschnitt erzeugt werden (Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1), in den Potentialgraben des dritten Halbleiterbereichs FD3 fließen. Die Ladungen, die in dem Ladungserzeugungsabschnitt erzeugt werden, fließen daher als nicht erforderliche Ladungen in den Potentialgraben des dritten Halbleiterbereichs FD3. Die nicht erforderlichen Ladungen, die in den Potentialgraben des dritten Halbleiterbreichs FD3 geflossen sind, werden nach außen entladen. Während ein positives elektrisches Potential an die dritte Gate-Elektrode TX3 geliefert wird, wird ein elektrisches Potential mit einem geringen Pegel an die erste Gate-Elektrode TX1 geliefert. Wie auch in 10 dargestellt, wird daher das Potential ϕ_TX1 in dem Bereich unmittelbar unter der ersten Gate-Elektrode TX1 nicht verringert, wodurch keine Ladungen in dem Potentialgraben des ersten Halbleiterbereichs FD1 fließen.
11 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern einer Konfiguration eines Pixels.
Als ein Ladungstransfersignal wird das Erfassungsgatesignal S₁ an die ersten Gate-Elektrode TX1 geliefert. Ein Ladungstransfersignal S₃ wird an die dritte Gate-Elektrode TX3 geliefert. Wenn das Erfassungsgatesignal S₁ mit einem hohen Pegel an die erste Gate-Elektrode TX1 geliefert wird, fließen Ladungen, die in dem Ladungserzeugungsabschnitt (im Wesentlichen den Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1) erzeugt werden, als Signalladungen in den Potentialgraben, der durch den ersten Halbleiterbereich FD1 aufgebaut wird. Die Signalladungen, die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 akkumulieren, werden als eine Spannungsausgabe V_out1 entsprechend der akkumulierten Ladungsgröße Q1 ausgelesen, oder als eine Spannungsausgabe V_out2 entsprechend der akkumulierten Ladungsgröße Q2 von dem ersten Halbleiterbereich FT1 durch die Ausleseschaltung RC1. Die Spannungsausgaben V_out1, V_out2 entsprechen dem oben erwähnten Signal d'(m, n).
Wie in 11 dargestellt, umfasst die Ausleseschaltung RC1 einen Quellenfolgetransistor TR1, Auswahltransistoren TR1, TR2 und einen Reset-Transistor TR3. Der erste Halbleiterbereich FD1 ist mit einer Gate-Elektrode des Quellenfolgetransistors TR1 verbunden. Eine Quelle (engl. source) des Quellenfolgetransistors TR1 ist mit einem elektrischen Stromversorgungspotential Vdd verbunden, während dessen Drain mit dem Auswahltransistor TR2 verbunden ist. Ein Drain des Auswahltransistors TR2 ist mit einer Signalausleseleitung RL verbunden. Eine Spannung entsprechend der Ladungsgröße Q1 oder Q2, die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 akkumuliert ist, wird an die Signalausleseleitung RL ausgegeben. Ein Auswahlsignal S_S wird an eine Gate-Elektrode des Auswahltransistors TR2 angelegt.
Der erste Halbleiterbereich FD1 ist ebenfalls mit einem Drain des Reset-Transistors TR3 verbunden. Wenn der Reset-Transistor TR3 eingeschaltet wird, wird der erste Halbleiterbereich FD1 mit einem Reset-Potential Vr verbunden, wodurch die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 akkumulierten Ladungen zurückgesetzt werden. Ein Reset-Signal S_r wird an eine Gate-Elektrode des Reset-Transistors TR3 angelegt. Das elektrische Stromversorgungspotential Vdd und Reset-Potential Vr unterscheiden sich voneinander in deren Größen in Abhängigkeit der Ausbildungen.
12 ist ein Zeitdiagramm verschiedener tatsächlicher Signale.
Die Periode eines Rahmens besteht aus einer Periode zum Akkumulieren von Signalladungen (Akkumulierungsperiode) in einer Periode zum Auslesen der Signalladungen (Ausleseperiode). Mit der Fokussierung auf ein einzelnes Pixel wird in der Akkumulierungsperiode ein Signal auf Grundlage des Pulsansteuersignals S_P an der Lichtquelle angelegt, und, synchron damit, das Erfassungsgatesignal S₁ an die ersten Gate-Elektrode TX1 angelegt. Vor der Messung des Abstands wird, wie oben erwähnt, das Reset-Signal an den Reset-Transistor TR3 angelegt, wodurch die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 akkumulierten Ladungen auf das Reset-Potential Vr zurückgesetzt werden. Nachdem das Reset-Signal für einen Moment eingeschaltet ist und dann ausgeschaltet wird, werden Pulse des Erfassungsgatesignals S₁ an die erste Gate-Elektrode TX1 angelegt, und es wird ferner ein Ladungstransfer sequentiell synchron mit den Pulsen durchgeführt. Die Signalladungen werden daher in dem ersten Halbleiterbereich FD1 integriert und akkumuliert.
Wie in 12 dargestellt, wird dem Erfassungsgatesignal S₁, das an die erste Gate-Elektrode TX1 angelegt wird, intermittierend eine Phasenverschiebung zu vorbestimmten Zeitpunkten gegeben. In dieser Ausführungsform wird der erste und zweite Rahmen alternierend fortgesetzt. In dem ersten Rahmen weist das Erfassungsgatesignal S₁ eine Phasendifferenz von 0° bezüglich des Pulsansteuersignals S_P in der Akkumulationsperiode auf. In dem zweiten Rahmen weist das Erfassungsgatesignal S₁ eine Phasendifferenz von 180° bezüglich des Pulsansteuersignals S_P in der Akkumulationsperiode auf. D. h., dass eine Phasenverschiebung von 180° dem Erfassungsgatesignal S₁ in jedem zweiten Rahmen gegeben wird. In jedem Rahmen erreicht das Erfassungsgatesignal S₁ den hohen Pegel für eine Vielzahl von Malen in der Akkumulationsperiode.
In der Ausleseperiode werden danach die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 akkumulierten Signalladungen ausgelesen. Das Ladungstransfersignal S₃, das für das dritte Gate-Signal TX3 angewendet wird, ist zu diesem Zeitpunkt auf dem hohen Pegel und daher wird das positive elektrische Potential an die dritte Gate-Elektrode TX3 geliefert, wodurch nicht erforderliche Ladungen in den Potentialgraben des dritten Halbleiterbereichs FD3 fließen und von dem dritten Halbleiterbereich F3 entladen werden. Wenn das Erfassungsgatesignal S₁, das an der ersten Gate-Elektrode TX1 angelegt wird, auf dem niedrigen Pegel ist, wird das Ladungstransfersignal S3, das an die dritte Gate-Elektrode TX3 geliefert wird (den hohen Pegel eingestellt). D. h., dass das Erfassungsgatesignal S₁ und das Ladungstransfersignal S₃ in Phasen sind, die im Gegensatz zueinander sind.
Das elektrische Potential V_PG, das an die Photogate-Elektrode PG1 geliefert wird, wird geringer eingestellt als jedes der elektrischen Potentiale V_TX1, V_TX3. Wenn das Erfassungsgatesignal S₁ auf dem hohen Pegel ist, ist das Potential ϕ_TX1 als Konsequenz geringer als das Potential ϕ_PG1. Wenn das Ladungstransfersignal S₃ auf dem hohen Pegel ist, ist das Potential ϕ_TX3 geringer als das Potential ϕ_PG1
Das elektrische Potential V_PG ist höher als das elektrische Potential eingestellt, das sich ergibt, wenn das Erfassungsgatesignal S₁ und das Ladungstransfersignal S₃ auf dem niedrigen Pegel sind. Wenn das Erfassungsgatesignal S₁ auf dem niedrigen Pegel ist, ist das Potential ϕ_TX1 höher als das Potential ϕ_PG1. Wenn ferner das Ladungstransfersignal S₃ auf dem niedrigen Pegel ist, ist das Potential ϕ_TX3 höher als das Potential ϕ_PG1
Im Folgenden sei T die Pulsbreite von jedem der oben erwähnten Pulssignale S_P, S₁, S_D. Die oben erwähnte Ladungsgröße Q₁ oder Q₂ wird in dem Bereichsbildsensor 1 erhalten, wenn sowohl das Erfassungsgatesignal S₁ und das Pulserfassungssignal S_D auf dem hohen Pegel sind. Die Ladungsgröße Q₁ wird insbesondere in dem Bereichsbildsensor 1 (Ladungserzeugungsbereich) erhalten, wenn das Erfassungsgatesignal S₁ synchron mit dem Pulsansteuersignal S_P auf dem hohen Pegel ist, während das Pulserfassungssignal S_D auf dem hohen Pegel ist. Die Ladungsgröße Q2 wird in dem Bereichsbildsensor 1 (Ladungserzeugungsbereich) erhalten, wenn das Erfassungsgatesignal S₁ mit einer Phasendifferenz von 180° von dem Pulsansteuersignal S_P auf dem hohen Pegel ist, während das Pulserfassungssignal S_D auf dem hohen Pegel ist.
Die Phasendifferenz zwischen dem Erfassungsgatesignal S₁ und dem Pulserfassungssignal S_D ist proportional zu der Ladungsgröße Q2. Wenn Q1 + Q2 die Gesamtladungsgröße ist, die in einem Pixel auftritt, ist das Pulserfassungssignal S_D später als das Pulsansteuersignal S_P um eine Periode von Δt = T_P × Q2/(Q1 + Q2). Die Laufzeit (engl. time of flight) Δt von einem Puls des Lichts ist durch Δt = 2d/c gegeben, wobei d der Abstand zu dem Objekt ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Wenn daher zwei Ladungsgrößen (Q1, Q2) als das Signal d'(m, n), das Abstandsinformationen aufweist, von einem bestimmten Pixel ausgegeben werden, berechnet die Arithmetikschaltung 5 den Abstand zu dem Objekt H aus d = (c × Δt)/2 = c × T_P × Q2/(2 × (Q1 + Q2)) gemäß der Ladungsgrößen (Q1, Q2), die darin eingespeist werden und der davor bekannten Pulsbreite T_P.
Die Arithmetikschaltung 5 kann den Abstand d berechnen, wenn die Ladungsgrößen Q1, Q2 separat voneinander ausgelesen werden, wie oben erläutert. Die oben erwähnten Pulse können wiederholt emittiert werden, und deren integrierte Werte können als die Ladungsgrößen Q1, Q2 ausgegeben werden.
Das Verhältnis der Ladungsgröße Q1, Q2 zu der Gesamtladungsgröße entspricht der oben erwähnten Phasendifferenz, d. h. dem Abstand zu dem Objekt H. Die Arithmetikschaltung 5 berechnet den Abstand zu dem Objekt H gemäß der Phasendifferenz. Während der Abstand d bevorzugt durch d = (c × Δt)/2 gegeben ist, wobei Δt die Zeitdifferenz entsprechend der Phasendifferenz ist, können geeignete Berechnungen zur Korrektur zusätzlich durchgeführt werden. Wenn zum Beispiel der tatsächliche Abstand und der berechnete Abstand d sich voneinander unterscheiden, kann ein Faktor β zur Korrektur des letzteren vorab bestimmt werden, und der berechnete Abstand d, der durch den Faktor β multipliziert wird, kann als endgültig berechneter Abstand d in dem Produkt nach der Lieferung genommen werden. Eine andere mögliche Korrektur ist derart, dass eine Umgebungstemperatur gemessen wird, ein Betrieb zur Korrektur der Lichtgeschwindigkeit c durchgeführt wird, wenn die Lichtgeschwindigkeit c sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert, und dann die Abstandsberechnung durchgeführt wird. Es ist auch möglich, vorab in einem Speicher eine Beziehung zwischen Signalen, die in die Arithmetikschaltung eingegeben werden, und tatsächlichen Abständen zu speichern und den Abstand durch ein Nachschlagtabellen-Verfahren zu bestimmen. Das Berechnungsverfahren kann in Abhängigkeit der Sensorstruktur modifiziert werden, und die herkömmlich bekannten Berechnungsverfahren können darauf angewendet werden.
In dieser Ausführungsform, wie in dem oben Stehenden, weist der vierte Halbleiterbereich SR, in dem die Ausleseschaltung RC1 angeordnet ist, den Abschnitt auf, der sich an dem Eckabschnitt des Pixelbereichs PA1 befindet. D. h., dass der Pixelbereich PA1 und der vierte Halbleiterbereich SR (der Bereich, in dem die Ausleseschaltung RC1 angeordnet ist), derart eingestellt sind, dass diese partiell einander überlappen. Der Bereichsbildsensor 1 kann daher verhindern, dass das Aperturverhältnis und die Sensorflächen-Verwendungseffizienz verringert werden, während die Ausleseschaltung RC1 geeignet angeordnet wird.
Wenn sich der Ladungserzeugungsabschnitt in den Eckabschnitt des Pixelbereichs PA1 erstreckt, wandert die Ladung, die in dem Bereich entsprechend dem Eckabschnitt des Pixelbereichs PA1 erzeugt wird, über einen langen Abstand zu dem ersten Halbleiterbereich FD1, der an dem zentralen Abschnitt des Pixelbereichs PA1 angeordnet ist. In diesem Fall ist eine längere Zeit erforderlich, um die Ladung, die in dem Bereich entsprechend dem Eckabschnitt erzeugt wird, in den ersten Halbleiterbereich FD1 zu transferieren, wodurch die Effizienz beim Transfer der Signalladung in den ersten Halbleiterbereich FD1 verschlechtert wird. In dieser Ausführungsform ist, im Gegensatz dazu, kein Ladungserzeugungsbereich an den Eckabschnitten des Pixelbereichs PA1 angeordnet, wie oben erläutert, so dass keine Signalladung von Bereichen transferiert wird, bei denen die Migrationslänge länger ist. Dies verbessert die Effizienz beim Transfer der Signalladung zu dem ersten Halbleiterbereich FD1.
Der vierte Halbleiterbereich SR erhöht das Potential in dem Bereich unmittelbar unter dem vierten Halbleiterbereich SR. Wenn daher die Signalladung an den ersten Halbleiterbereich FD1 transferiert wird, wird der Potentialgradient daher größer, wodurch die Migrationsgeschwindigkeit der Signalladung erhöht wird, die von dem Ladungserzeugungsbereich (den Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1) in den ersten Halbleiterbereich FD1 transferiert wird. Dies verbessert die Effizienz des Transfers der Signalladung in den ersten Halbleiterbereich FD1 weiter.
Dies ermöglicht, dass der Bereichsbildsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform eine Genauigkeit der Abstandserfassung verbessert.
In dieser Ausführungsform ist der erste Halbleiterbereich FD1 an der Innenseite der Photogate-Elektrode PG1 positioniert und weist eine Fläche auf, die geringer eingestellt ist als die der Photogate-Elektrode PG1. Die Fläche des ersten Halbleiterbereichs FD1 ist daher weitaus geringer als die eines Bereichs, der Ladungen in den ersten Halbleiterbereich FD1 in den Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1 (Ladungserzeugungsbereich) transferieren kann. Die Ladungen (Ladungsgrößen Q1, Q2), die in den ersten Halbleiterbereich FD1 transferiert und akkumuliert werden, erzeugen deren entsprechenden Spannungsänderungen (ΔV), die durch die folgenden Beziehungen gemäß der Kapazität (Cfd) des ersten Halbleiterbereichs FD1 gegeben werden. ΔV = Q1/Cfd. ΔV = Q2/Cfd.
Wenn daher die Fläche des ersten Halbleiterbereichs FD1 verringert wird, wird die Kapazität (Cfd) des ersten Halbleiterbereichs FD1 geringer, wodurch eine größere Spannungänderung (ΔV) erzeugt wird. D. h., dass eine höhere Ladungs-zu-Spannungs-Wandlerverstärkung folgt. Als Resultat kann der Bereichsbildsensor 1 eine höhere Empfindlichkeit erreichen.
Die Halbleiterbereiche SR sind in allen den Eckabschnitten des Pixelbereichs PA1 angeordnet. Dies kann ferner die Effizienz beim Transfer von Signalladungen in den ersten Halbleiterbereich FD1 verbessern.
Der vierte Halbleiterbereich SR, der den Abschnitt aufweist, der sich an dem Eckabschnitt von einem Pixelbereich PA1 befindet, weist den verbleibenden Abschnitt auf, der sich an Eckabschnitten der Pixelbereiche PA1 benachbart zu dem einen gegebenen Pixelbereich PA1 befindet. Selbst dann, wenn die Vielzahl von benachbarten Pixelbereichen PA1 bereitgestellt sind, kann daher verhindert werden, dass das Aperturverhältnis und die Sensorflächen-Verwendungseffizienz abnimmt.
Die Signalladungen, die in dieser Ausführungsform in dem ersten Halbleiterbereich FD1 zu 0°-Zeitpunkten akkumulieren, werden als Spannungsausgabe V_out1 von dem ersten Halbleiterbereich FD1 ausgelesen. Die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 akkumulierten Signalladungen zu 180°-Zeitpunkten werden als die Spannungsausgabe V_out2 von dem ersten Halbleiterbereich FD1 ausgelesen. Ein Pixelbereich PA1, der die Photogate-Elektrode PG1 enthält (den Ladungserzeugungsbereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1) entspricht einem Pixel, und der Abstand wird gemäß der Ausgabe von dem gleichen Pixel berechnet. Die Abstandsberechnung kann daher weniger fluktuieren als in einer Konfiguration, bei der der Abstand gemäß von Ausgaben von einer Vielzahl von Pixelbereichen berechnet wird. Dies kann ebenso die Sensorflächen-Verwendungseffizienz erhöhen und die räumliche Auflösung verbessern.
Das Erfassungsgatesignal S₁ kann eine Phasenverschiebung von 90° zu einem Zeitpunkt von 90°, eine Phasenverschiebung von 180° zu einem Zeitpunkt von 180° oder eine Phasenverschiebung von 270° zu einem Zeitpunkt von 270° gegeben werden. In diesem Fall werden Signalladungen, die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 zu dem Zeitpunkt von 0°, 90°, 180° und 270° akkumuliert sind, als Ausgaben von dem ersten Halbleiterbereich FD1 ausgelesen, und der Abstand wird gemäß diesen Ausgaben berechnet.
Der dritte Halbleiterbereich FD3 und die dritte Gate-Elektrode TX3 sind an der Außenseite des Ladungserzeugungsbereichs (Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1) entlang einer Seite des Pixelbereichs PA1 angeordnet. Dies kann einen Entladungsbereich für nicht erforderliche Ladungen anordnen, während verhindert wird, dass das Aperturverhältnis verringert wird.
Da die erste Gate-Elektrode TX1 die gesamte Peripherie des ersten Halbleiterbreichs FD1 umgibt, werden Signalladungen in den ersten Halbleiterbereich FD1 von allen Richtungen des ersten Halbleiterbereichs FD1 gesammelt. Als ein Ergebnis kann die Flächeneffizienz des Bildgebungsbereichs (Aperturverhältnis) erhöht werden.
Der dritte Halbleiterbereich FD3 ist zwischen den Ladungserzeugungsbereichen (Bereich unmittelbar unter den Photogate-Elektroden PG1) benachbart in der Reihen- oder Spaltenrichtung lokalisiert. D. h., dass die Ladungserzeugungsbereiche, die in der Reihen- oder Spaltenrichtung benachbart sind, elektrisch voneinander durch den dritten Halbleiterbereich FD3 separiert werden. Dies kann verhindern, dass ein Crosstalk zwischen den Pixelbereichen PA1 auftritt. Der vierte Halbleiterbereich SR befindet sich zwischen den Ladungserzeugungsbereichen, die in einer Richtung benachbart sind, die die Reihen- und Spaltenrichtung schneidet. Die Ladungserzeugungsbereiche, die benachbart in der Richtung sind, die die Reihen- und Spaltenrichtung schneidet, sind daher durch den vierten Halbleiterbereich SR elektrisch voneinander separiert. Dies kann ebenso verhindern, dass ein Crosstalk zwischen den Pixelbereichen PA1 auftritt.
Die Konfiguration des Bereichsbildsensors 1 gemäß einem modifizierten Beispiel dieser Ausführungsform wird nun mit Bezug auf die 13 bis 15 erläutert.
Das in 13 dargestellte modifizierte Beispiel unterscheidet sich von der oben erwähnten Ausführungsform darin, dass jedes Pixel P(m, n) des Bereichsbildsensors 1 zwei Pixelbereiche PA1, PA2 enthält, die in der Reihen- oder Spaltenrichtung benachbart sind. 13 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Konfiguration von Pixeln in dem Bildbereichssensor gemäß dem modifizierten Beispiel. 14 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Querschnittskonfiguration entlang der Linie XIV-XIV von 13.
In dem modifizierten Beispiel sind eine erste Einheit, angeordnet in dem Pixelbereich PA1, und eine zweite Einheit, angeordnet in dem Pixelbereich PA2, benachbart in der Reihen- und Spaltenrichtung angeordnet. Ein Paar aus der ersten und zweiten Einheit, die in der Reihen- oder Spaltenrichtung benachbart angeordnet sind, bilden ein Pixel P(m, n) aus. Jeder der Pixelbereiche PA1, PA2 ist im Wesentlichen polygonförmig, wenn dieser in einer Draufsicht betrachtet wird. In diesem Beispiel ist jeder der Pixelbereiche PA1, PA2 rechteckförmig (insbesondere quadratisch geformt). In dem Bildgebungsbereich 1B sind die Pixelbereiche PA1, PA2 in der Reihen- und Spaltenrichtung alternierend angeordnet und setzen sich in der Reihen- und Spaltenrichtung kontinuierlich fort.
In jedem Pixelbereich PA1 umfasst der Bildbereichssensor gemäß dem modifizierten Beispiel eine Photogate-Elektrode PG1, eine erste Gate-Elektrode TX1, einen ersten Halbleiterbereich FD1 und eine Vielzahl von vierten Halbleiterbereichen SR. In jedem Pixelbereich PA2 umfasst der Bildbereichssensor 1 eine Photogate-Elektrode PG2, eine zweite Gate-Elektrode TX2, einen zweiten Halbleiterbreich FD2 und eine Vielzahl von vierten Halbleiterbereichen SR.
In dem Pixelbereich PA1 ist die Photogate-Elektrode PG1 derart angeordnet, dass diese einer Öffnung LIa entspricht. In dem Pixelbereich PA2 ist die Photogate-Elektrode PG2 derart angeordnet, dass diese einer Öffnung LIa entspricht. Die Photogate-Elektroden PG1, PG2 weisen äußere Kanten auf, die sich in deren entsprechenden Seiten der Pixelbereiche PA1, PA2 erstrecken, mit Ausnahme der Eckabschnitte der Pixelbereiche PA1, PA2. Durch das Erstrecken der äußeren Kanten zu den Seiten der Pixelbereiche PA1, PA2 sind die Photogate-Elektroden PG1, PG2 in der Reihen- und Spaltenrichtung kontinuierlich miteinander. In den Pixelbereichen PA1, PA2, sind die äußeren Konturen der Photogate-Elektroden PG1, PG2 ungefähr „+”-geformt und die inneren Konturen davon sind ungefähr rechteckförmig (insbesondere quadratisch geformt). Die Photogate-Elektroden PG1, PG2 bestehen aus Polysilizium, es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden.
Der zweite Halbleiterbereich FD2 ist an der Innenseite der Photogate-Elektrode PG2 angeordnet, um durch die Photogate-Elektrode PG2 umgeben zu sein. Der zweite Halbleiterbereich FD2 ist räumlich separat von einem Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG2 angeordnet. D. h., dass der zweite Halbleiterbereich FD2 an der Innenseite des Lichtempfangsbereichs angeordnet ist, um durch den Lichtempfangsbereich umgeben zu sein, und ist räumlich separat von dem Lichtempfangsbereich angeordnet.
Der zweite Halbleiterbereich FD2 ist im Wesentlichen polygonförmig, wenn dieser in einer Draufsicht betrachtet wird. In diesem modifizierten Beispiel ist der zweite Halbleiterbereich FD2 rechteckförmig (insbesondere quadratisch geformt). Der zweite Halbleiterbereich FD2 weist eine Funktion auf, als ein Signalladungssammelbereich. Der zweite Halbleiterbereich FD2 ist ein Bereich, der einen n-artigen Halbleiter umfasst, der eine hohe Störstellenkonzentration aufweist, und ist ein Floating-Diffusionsbereich.
Die zweite Gate-Elektrode TX2 ist zwischen der Photogate-Elektrode PG2 (Lichtempfangsabschnitt) und dem zweiten Halbleiterbereich FD2 angeordnet. Die zweite Gate-Elektrode TX2 befindet sich an der Außenseite des zweiten Halbleiterbereichs FD2, um den zweiten Halbleiterbereich FD2 zu umgeben, und befindet sich an der Innenseite der Photogate-Elektrode PG2, um durch die Photogate-Elektrode PG2 umgeben zu sein. Die zweite Gate-Elektrode TX2 ist räumlich separat von der Photogate-Elektrode PG2 und dem zweiten Halbleiterbereich FD2 angeordnet, um zwischen der Photogate-Elektrode PG2 und dem zweiten Halbleiterbereich FD2 eingeschoben zu sein. Die Photogate-Elektrode PG2 und die zweite Gate-Elektrode TX2 sind konzentrisch um den zweiten Halbleiterbereich FD2 in der Reihenfolge der zweiten Gate-Elektrode TX2 und der Photogate-Elektrode PG2 von der Seite des zweiten Halbleiterbereichs FD2 angeordnet.
Die zweite Gate-Elektrode TX2 ist im Wesentlichen polygonal ringförmig, wenn diese in einer Draufsicht betrachtet wird. In dieser Ausführungsform ist die zweite Gate-Elektrode TX2 rechteckig ringförmig. Die zweite Gate-Elektrode TX2 besteht aus Polysilizium, es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden. Die zweite Gate-Elektrode TX2 weist eine Funktion auf als eine Transferelektrode.
Jeder vierte Halbleiterbereich SR ist in dem Eckabschnitt des Pixelbereichs PA2 und außerhalb der Photogate-Elektrode PG2 angeordnet. Die vierten Halbleiterbereiche SR, die in der Reihen- und Spaltenrichtung benachbart sind, sind integral ausgebildet. D. h., dass der vierte Halbleiterbereich SR, der einen Abschnitt aufweist, der sich an dem Eckabschnitt von einem Pixelbereich PA1 befindet, den verbleibenden Abschnitt aufweist, der sich an den jeweiligen Eckabschnitten der drei Pixelbereiche PA1, PA2 befindet, die benachbart zu dem einen Pixelbereich PA1 sind. Der vierte Halbleiterbereich SR, der einen Abschnitt aufweist, der sich an dem Eckabschnitt von einem Pixelbereich PA2 befindet, weist den verbleibenden Abschnitt auf, der sich an den jeweiligen Eckabschnitten von drei Pixelbereichen PA1, PA2 befindet, die benachbart zu dem einen Pixelbereich PA2 sind. In vier Pixelbereichen PA1, PA2, die in der Reihen- und Spaltenrichtung benachbart sind, sind die vier Halbleiterbereiche SR, die sich an dem zentralen Abschnitt der Pixelbereiche PA1, PA2 befinden, daher achteckförmig.
Ausleseschaltungen RC1, RC2 sind in den vierten Halbleiterbereichen SR angeordnet. Die Ausleseschaltung RC1 ist für jeden Pixelbereich PA1 bereitgestellt, während die Ausleseschaltung RC2 für jeden Pixelbereich PA2 bereitgestellt ist. Die Ausleseschaltung RC1 liest ein Signal entsprechend der Ladungsgröße aus, die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 des entsprechenden Pixelbereichs PA1 akkumuliert ist. Die Ausleseschaltung RC2 liest ein Signal entsprechend der Ladungsgröße aus, die in dem zweiten Halbleiterbereich FD2 des entsprechenden Pixelbereichs PA2 akkumuliert ist.
Der zweiten Halbleiterbereich FD2 weist Dicken und Störstellenkonzentrationen wie folgt auf:
Dicke von 0.1–0.4 μm/Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁸-10²⁰ cm^–3.
Die Isolationsschicht 1E ist ebenso mit Kontaktlöchern (nicht gezeigt) bereitgestellt, um die Oberflächen der zweiten Halbleiterbereiche FD2 freizulegen. Elektrische Leiter (nicht dargestellt) zum Verbinden der zweiten Halbleiterbereiche FD2 mit der Außenseite sind in deren entsprechenden Kontaktlöchern angeordnet.
Die Bereiche entsprechend der Photogate-Elektroden PG1, PG2 in dem Halbleitersubstrat 1A (Bereiche unmittelbar unter den Photogate-Elektroden PG1, PG2) weisen eine Funktion auf als Ladungserzeugungsbereiche zum Erzeugen von Ladungen, ansprechend auf ein darauf einfallendes Licht. Die Ladungserzeugungsbereiche entsprechen somit den Formen der Photogate-Elektroden PG1, PG2 und Öffnungen LIa. D. h., dass in jedem der Pixelbereiche PA1, PA2 der Ladungserzeugungsbereich äußere Kanten aufweist, die sich in deren entsprechenden Seiten der Pixelbereiche PA1, PA2 erstrecken, mit Ausnahme der Eckabschnitte der Pixelbereiche PA1, PA2. Insbesondere sind in jedem der Pixelbereiche PA1, PA2 die äußeren Konturen des Ladungserzeugungsbereichs ungefähr „+”-geformt, und die inneren Konturen davon sind ungefähr rechteckig formt (insbesondere quadratisch geformt). Durch ein Erstrecken der äußeren Kanten zu den Seiten der Pixelbereiche PA1, PA2 setzen sich die Ladungserzeugungsbereiche in der Reihen- und Spaltenrichtung miteinander kontinuierlich fort.
15 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Konfiguration eines Pixels. 16 ist ein Zeitdiagramm verschiedener tatsächlicher Signale.
Mit einem Hauptaugenmerk auf ein einzelnes Pixel wird in einer Akkumulationsperiode ein Signal auf Grundlage eines Pulsansteuersignals S_P an der Lichtquelle angelegt, und das Erfassungsgatesignal S₁ wird an der ersten Gate-Elektrode TX1 angelegt, synchron miteinander. Ein Erfassungsgatesignal S₂ wird dann an die zweite Gate-Elektrode TX2 bei einer vorbestimmten Phasendifferenz (zum Beispiel einer Phasendifferenz von 180°) von dem Erfassungsgatesignal S₁ angelegt. D. h., dass Ladungstransfersignale, die Phasen aufweisen, die sich voneinander unterscheiden, an der ersten bzw. zweiten Gate-Elektrode TX1, TX2 angelegt werden. Wie in 15 dargestellt, umfasst die Ausleseschaltung RC2 einen Quellenfolgetransistor TR1, einen Auswahltransistor TR2 und einen Reset-Transistor TR3 wie die Ausleseschaltung RC1.
Wenn das Reset-Signal eingeschaltet wird und dann ausgeschaltet wird, werden die Pulse der Erfassungsgatesignale S₁, S₂ sequentiell an die erste und zweite Gate-Elektrode TX1, TX2 angelegt, und es werden ferner Ladungen sequentiell synchron mit den Pulsen transferiert. Die Signalladungen werden in dem ersten und zweiten Halbleiterbereich FD1 und FD2 integriert und akkumuliert. In einer Ausleseperiode werden anschließend die Signalladungen ausgelesen, die in den ersten Halbleiterbereichen FD1, FD2 akkumuliert sind.
Die erste und zweite Gate-Elektrode TX1, TX2 werden jeweils mit den Ladungstransfersignalen versorgt, die Phasen aufweisen, die sich voneinander unterscheiden. Wenn ein Signal mit einem hohen Pegel (positives elektrisches Potential) an der zweiten Gate-Elektrode TX2 angelegt wird, wird ein Potential unter der zweiten Gate-Elektrode TX2 geringer als das Potential in den Bereichen unmittelbar unter den Photogate-Elektroden PG1, PG2 in dem Halbleitersubstrat 1A. Als Konsequenz werden negative Ladungen (Elektronen) in Richtung der zweiten Gate-Elektrode TX2 gezogen, um in einen Potentialgraben akkumuliert zu werden, der durch den zweiten Halbleiterbereich FD2 ausgebildet wird. Die zweite Gate-Elektrode TX2 ermöglicht einen Signalladungsfluss in den zweiten Halbleiterbereich FD2, ansprechend auf ein Eingabesignal. Wenn ein Signal mit einem geringen Pegel (zum Beispiel ein elektrisches Massepotential) an der zweiten Gate-Elektrode TX2 anliegt, wird eine Potentialbarriere durch die zweite Gate-Elektrode TX2 erzeugt. Die in dem Halbleitersubstrat 1A erzeugten Ladungen werden daher nicht in den zweiten Halbleiterbereich FD2 gezogen.
Die Ladungen, die in einem Ladungserzeugungsbereich (im Wesentlichen in dem Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG1) erzeugt werden, fließen als Signalladungen in den Potentialgraben, der durch den ersten Halbleiterbereich FD1 ausgebildet wird, während das Erfassungsgatesignal S₁ mit einem hohen Pegel an der ersten Gate-Elektrode TX1 geliefert wird. Die in dem ersten Halbleiterbereich FD1 akkumulierten Ladungen werden als eine Spannungsausgabe V_out1 entsprechend der akkumulierten Ladungsgröße Q₁ von dem ersten Halbleiterbereich FD1 ausgelesen. Die Ladungen, die in einem Ladungserzeugungsbereich (im Wesentlichen der Bereich unmittelbar unter der Photogate-Elektrode PG2) erzeugt werden, fließen als Signalladungen in dem Potentialgraben, der durch den zweiten Halbleiterbereich FD2 ausgebildet wird, während das Erfassungsgatesignal S₂ mit einem hohen Pegel an die zweite Gate-Elektrode TX2 geliefert wird. Die in dem zweiten Halbleiterbereich FD2 akkumulierten Signalladungen werden als eine Spannungsausgabe V_out2 entsprechend der akkumulierten Ladungsgröße Q2 von dem zweiten Halbleiterbereich FD2 ausgelesen.
Das elektrische Potential V_PG, das an die Photogate-Elektroden PG1, PG2 geliefert wird, wird geringer eingestellt als jedes der elektrischen Potentiale V_TX1, V_TX2. Das elektrische Potential V_PG wird andererseits höher eingestellt als das elektrische Potential, das sich ergibt, wenn die Erfassungsgatesignale S₁, S₂ auf dem niedrigen Pegel sind.
Dieses modifizierte Beispiel kann, wie die oben erwähnte Ausführungsform, verhindern, dass das Aperturverhältnis und die Sensorflächen-Verwendungseffizienz verringert wird, während die Ausleseschaltung geeignet angeordnet wird.
Da kein Ladungserzeugungsbereich an den Eckabschnitten des Pixelbereichs PA2 angeordnet ist, wird keine Signalladung von Bereichen transferiert, in denen die Migrationslänge länger ist. Dies verbessert die Effizienz beim Transfer der Signalladung in den zweiten Halbleiterbereich FD2. Wenn die Signalladung in den zweiten Halbleiterbereich FD2 transferiert wird, wird der Potentialgradient durch den vierten Halbleiterbereich SR größer, wodurch die Migrationsgeschwindigkeit der Signalladung erhöht wird, die in den zweiten Halbleiterbereich FD2 transferiert wird. Dies verbessert die Effizienz beim Transfer der Signalladung in den zweiten Halbleiterbereich FD2 weiter.
In dieser Ausführungsform befinden sich der erste und zweite Halbleiterbereich FD1, FD2 an der Innenseite der Photogate-Elektroden PG1, PG2, und weisen eine jeweilige Fläche auf, die kleiner eingestellt ist als die der Photogate-Elektroden PG1, PG2. Dies kann die Ladungs-zu-Spannungswandlungsverstärkung erhöhen und eine höhere Empfindlichkeit in dem Bereichsbildsensor 1 verglichen mit der oben erwähnten Ausführungsform erreichen.
Eine Vielzahl von Pixelbereichen PA1, PA2 haben deren Ladungserzeugungsbereiche integral miteinander ausgebildet und die Photogate-Elektroden PG1, PG2 sind integral miteinander ausgebildet. Dies kann die Sensorflächen-Verwendungseffizienz erhöhen. Eine Vielzahl von Pixelbereichen PA1, PA2 haben deren vierte Halbleiterbereiche SR integral miteinander ausgebildet. Dies kann ebenso die Sensorflächen-Verwendungseffizienz erhöhen.
Die zweite Gate-Elektrode TX2 umgibt die gesamte Peripherie des ersten Halbleiterbereichs FD2. Signalladungen werden daher in dem zweiten Halbleiterbereich FD2 von allen Richtungen des zweiten Halbleiterbereichs FD2 gesammelt. Als Ergebnis kann die Flächeneffizienz des Bildgebungsbereichs (Aperturverhältnis) erhöht werden.
Das oben Stehende beschreib die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, es wird jedoch vermerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht immer auf die obigen Ausführungsformen beschränkt ist, jedoch auf verschiedene Art und Weisen modifiziert werden kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Die Form der Pixelbereiche PA1 und PA2 ist nicht auf eine Rechteckform (quadratische Form) beschränkt. Die Form der Pixelbereiche PA1, PA2 kann zum Beispiel eine Dreiecksform oder ein Polygon mit fünf oder mehr Vertices sein.
Der Bereichsbildsensor 1 ist nicht auf einen von vorn beleuchteten Bereichsbildsensor beschränkt. Der Bereichsbildsensor 1 kann auch ein von hinten beleuchteter Bereichsbildsensor sein.
Der Ladungserzeugungsbereich, in dem Ladungen erzeugt werden, ansprechend auf ein einfallendes Licht, kann durch eine Photodiode (eine implantierte Photodiode oder dergleichen) ausgebildet sein. Der Bereichsbildsensor 1 ist nicht auf eine Konfiguration beschränkt, in der Pixel P(m, n) in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind, kann jedoch eine Konfiguration aufweisen, in der Pixel P(m, n) in einer eindimensionalen Anordnung angeordnet sind.
Die p- und n-artigen elektrischen Leitungsvorgänge in dem Bereichsbildsensor 1 gemäß der oben erwähnten Ausführungsform sind untereinander auswechselbar.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist für Bereichssensoren und Bereichsbildsensoren anwendbar, die an Produktmonitoren in Herstellungslinien in Fabriken, an Fahrzeugen oder dergleichen angebracht sind.
Liste der Bezugszeichen

1 Bereichsbildsensor; 1A Halbleitersubstrat; 1B Bildgebungsbereich; FD1 erster Halbleiterbereich; FD2 zweiter Halbleiterbereich; FD3 dritter Halbleiterbereich; P Pixel; PA1, PA2 Pixelbereiche; PG1, PG2 Photogate-Elektroden; RC1, RC2 Ausleseschaltungen; SR vierter Halbleiterbereich; TX1 erste Gate-Elektrode; TX2 zweite Gate-Elektrode; TX3 dritte Gate-Elektrode.

Claims

Bereichssensor, umfassend: einen Ladungserzeugungsbereich, angeordnet in einem Bereich eines polygonalen Pixelbereichs, der einen Eckabschnitt davon ausschießt, zum Erzeugen einer Ladung ansprechend auf ein darauf einfallendes Licht; einen Signalladungssammlungsbereich, angeordnet an einem zentralen Abschnitt des Pixelbereichs an der Innenseite des Ladungserzeugungsbereichs, um durch den Ladungserzeugungsbereich umgeben zu sein, zum Sammeln einer Signalladung von dem Ladungserzeugungsbereich; eine Photogate-Elektrode, angeordnet an dem Ladungserzeugungsbereich; eine Transfer-Elektrode, angeordnet zwischen dem Signalladungssammlungsbereich und dem Ladungserzeugungsbereich, so dass die Signalladung von dem Ladungserzeugungsbereich in den Signalladungssammlungsbereich fließen kann, ansprechend auf ein Eingangssignal; einen Halbleiterbereich mit einem Abschnitt, der sich an dem Eckabschnitt des Pixelbereichs und dem verbleibenden Abschnitt befindet, der sich an der Außenseite des Pixelbereichs befindet, und einen Leitfähigkeitstyp aufweist, der entgegengesetzt ist zu dem des Signalladungssammlungsbereichs, und eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher ist als eine diesbezügliche Umgebung; und eine Ausleseschaltung, angeordnet an dem Halbleiterbereich, zum Auslesen eines Signals entsprechend einer Ladungsgröße, die in dem Signalladungssammlungsbereich akkumuliert ist.
Bereichssensor nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterbereiche an allen den Eckabschnitten des Pixelbereichs angeordnet sind.
Bereichssensor nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Vielzahl von benachbarten der Pixelbereiche; wobei der verbleibende Abschnitt des Halbleiterbereichs sich an einem Eckabschnitt des Pixelbereichs befindet, der benachbart dazu ist.
Bereichssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen Nicht-Erforderlichen-Ladungs-Entladungsbereich, angeordnet an der Außenseite des Ladungserzeugungsbereichs entlang einer Seite des Pixelbereichs, zum Entladen einer nicht erforderlichen Ladung von dem Ladungserzeugungsbereich; und eine Nicht-Erforderliche-Ladungs-Entladungs-Gate-Elektrode, angeordnet zwischen dem Nicht-Erforderlichen-Ladungs-Entladungsbereich und dem Ladungserzeugungsbereich, so dass die nicht erforderliche Ladung von dem Ladungserzeugungsbereich in den Nicht-Erforderlichen-Ladungs-Entladungsbereich fließen kann, ansprechend auf ein Eingabesignal.
Bereichssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Ladungstransfersignal, dem intermittierend eine Phasenverschiebung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt gegeben ist, an die Transfer-Elektrode geliefert wird.
Bereichssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Vielzahl von benachbarten der Pixelbereiche; wobei die jeweiligen Ladungserzeugungsbereiche der Vielzahl von Pixelbereichen integral miteinander ausgebildet sind; und wobei die jeweiligen Photogate-Elektroden der Vielzahl von Pixelbereichen integral miteinander ausgebildet sind.
Bereichssensor nach Anspruch 6, wobei den Transfer-Elektroden der Vielzahl von Pixelbereichen Ladungstransfersignale geliefert werden, die Phasen aufweisen, die sich jeweils voneinander unterscheiden.
Bereichssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Signalladungssammlungsbereich rechteckig geformt ist, wenn dieser in einer Draufsicht betrachtet wird; und wobei die Transferelektrode im Wesentlichen polygonal ringförmig ist.
Bereichsbildsensor mit einem Bildgebungsbereich, der eine Vielzahl von Einheiten umfasst, die eindimensional oder zweidimensional auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, zum Erhalten eines Bereichssensors gemäß Ladungsgrößen, die von den Einheiten ausgegeben werden; wobei jede der Einheiten der Bereichssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.