DE112020006361T5 - Lichtdetektionsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben von Photosensor - Google Patents

Lichtdetektionsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben von Photosensor Download PDF

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Akihiro Shimada
Mitsuhito Mase
Jun Hiramitsu
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Abstract

In einer Licht-Detektionsvorrichtung führt eine Steuereinheit einen ersten Ladungstransferprozess zum Transferieren von in einer Ladungserzeugungsregion erzeugten Ladung an eine Ladungsspeicherregion durch, durch Anlegen eines elektrischen Potentials an eine Transfer-Gatterelektrode so, dass eine potentielle Energie einer Region unmittelbar unter der Transfer-Gatterelektrode niedriger als eine potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist, und einen ersten Leseprozess zum Auslesen einer in der Ladungsspeicherregion gespeicherten Ladungsmenge. In dem ersten Ladungstransferprozess legt die Steuereinheit ein elektrisches Potential an eine Überfluss-Gatterelektrode so an, dass eine potentielle Energie einer Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Lichtdetektionsvorrichtung, die einen Photosensor enthält, und ein Verfahren zum Antreiben eines Photosensors.
  • HINTERGRUND
  • Patentliteratur 1 beschreibt einen Photosensor, der eine Photodiode zum Erzeugen von Ladung in Reaktion auf Einfalllicht, eine Flottier-Region zum Speichern der Ladung aus der Photodiode und ein Speicherkapazitätselement zum Speichern der aus der Flottier-Region überfließenden Ladung beinhaltet.
  • ZITATELISTE
  • Patentliteratur 1: Internationale Veröffentlichung WO 2005/083790 A
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHES PROBLEM
  • In dem in Patentliteratur 1 beschriebenen Photosensor kann die aus der Flottier-Region überfließende Ladung in dem Speicherkapazitätselement gespeichert werden. Wenn jedoch die Ladung in der Flottier-Region in dem Ausmaß gespeichert wird, dass die Ladung in das Speicherkapazitätselement überfließt, verbleibt ein Teil der Ladung in der Photodiode. In diesem Fall kann die Lichtdetektions-Genauigkeit aufgrund der in der Photodiode verbleibenden Ladung reduziert werden. Insbesondere, falls die obige Situation auftritt, wenn der Photosensor eine Schleusenfunktion des Detektierens nur des Lichts aufweist, das bei einem vorbestimmten Zeitpunkt eintritt, statt Licht über die gesamte Periode zu detektieren, wird die in der Photodiode in einer Periode verbleibende Ladung als in einer anderen Periode erzeugte Ladung gelesen und entsprechend kann es sein, dass es nicht möglich ist, die in dem vorbestimmten Zeitpunkt erzeugte Ladungsmenge genau zu detektieren.
  • Es ist eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung, eine Licht-Detektionsvorrichtung und ein Verfahren zum Antreiben eines Photosensors bereitzustellen, welche die Detektionsgenauigkeit verbessern können.
  • PROBLEMLÖSUNG
  • Eine Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet: einen Photosensor und eine Steuereinheit, die den Photosensor steuert. Der Photosensor beinhaltet eine Ladungs-Erzeugungsregion, die Ladung in Reaktion auf Einfallslicht erzeugt, eine Ladungs-Speicherregion, eine Überflussregion, eine Transfer-Gatterelektrode, die auf einer Region zwischen der Ladungs-Erzeugungsregion und der Ladungs-Speicherregion angeordnet ist, und eine Überfluss-Gatterelektrode, die auf einer Region zwischen der Ladungs-Speicherregion und der Überflussregion angeordnet ist. Die Steuereinheit führt einen ersten Ladungstransfer-Prozess durch, der zum Transferieren von in der Ladungs-Erzeugungsregion erzeugter Ladung an die Ladungs-Speicherregion dient, durch Anlegen eines elektrischen Potentials an der Transfer-Gatterelektrode so, dass eine Potentialenergie einer Region unmittelbar unter der Transfer-Gatterelektrode niedriger als eine Potentialenergie der Ladungs-Erzeugungsregion ist, und einen ersten Leseprozess, der zum Auslesen einer in der Ladungsspeicherregion nach dem ersten Ladungs-Transferprozess gespeicherten Ladungsmenge dient. In dem ersten Ladungstransferprozess wird ein elektrisches Potential an die Überfluss-Gatterelektrode so angelegt, dass eine potentielle Energie eine Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist.
  • In der Licht-Detektionsvorrichtung beinhaltet der Photosensor die Überflussregion und die Überfluss-Gatterelektrode, die auf der Region zwischen der Ladungs-Speicherregion und der Überflussregion angeordnet ist. Daher, da die aus der Ladungsspeicherregion überfließende Ladung in der Überflussregion gespeichert werden kann, ist es möglich, die Sättigung der Ladungs-Kapazität zu unterdrücken. Zusätzlich ist während der Ausführung des ersten Ladungs-Transferprozesses zum Transferieren der in der Ladungs-Erzeugungsregion erzeugten Ladung an die Ladungs-Speicherregion die potentielle Energie der Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion. Daher ist es, selbst wenn die Ladung in der Ladungs-Speicherregion in dem Ausmaß gespeichert wird, dass die Ladung in die Überflussregion überfließt, möglich, die Ladung daran zu hindern, in der Ladungserzeugungsregion zu verbleiben. Daher ist es gemäß der Licht-Detektionsvorrichtung möglich, die Detektionsgenauigkeit zu verbessern.
  • Die Steuereinheit kann den ersten Leseprozess nach mehrmals Durchführen des ersten Ladungs-Transferprozesses durchführen. In diesem Fall ist es möglich, das S/N-Verhältnis zu verbessern.
  • Die Ladungserzeugungsregion kann eine Lawinen-Multiplikationsregion beinhalten. In diesem Fall, da die Lawinen-Multiplikation in der Ladungserzeugungsregion verursacht werden kann, ist es möglich, die Detektions-Sensitivität des Photosensors zu erhöhen. Wenn andererseits die Lawinen-Multiplikationsregion in der Ladungserzeugungsregion enthalten ist, ist die erzeugte Ladungsmenge extrem groß. In der Licht-Detektionsvorrichtung ist es selbst in einem solchen Fall möglich, ausreichend die Sättigung der Speicherkapazität zu unterdrücken und ist es möglich, ausreichend zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion verbleibt.
  • Die Steuereinheit kann einen zweiten Ladungs-Transferprozess durchführen, der zum Transferieren der in der Ladungsspeicherregion gespeicherten Ladung an die Überflussregion dient, durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die Überfluss-Gatterelektrode, so dass die Potential-Energie der Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode nach dem ersten Leseprozess reduziert wird, und einen zweiten Leseprozess, der zum Auslesen einer in der Ladungs-Speicherregion und der Überflussregion nach dem zweiten Ladungs-Transferprozess gespeicherten Gesamt-Ladungsmenge dient. In diesem Fall wird nicht nur die in der Ladungsspeicherregion gespeicherte Ladungsmenge im ersten Leseprozess gelesen, sondern auch die in der Ladungsspeicherregion und der Überflussregion gespeicherte Gesamt-Ladungsmenge wird im zweiten Leseprozess gelesen. Als Ergebnis ist es möglich, die Ladungsmengen-Detektionsgenauigkeit zu verbessern.
  • Der Photosensor kann weiter eine unnötige Ladungs-Entlade-Region und eine unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode enthalten, die an einer Region zwischen der Ladungserzeugungsregion und der unnötigen Ladungs-Entlade-Region angeordnet ist. Die Steuereinheit kann einen unnötigen Ladungstransferprozess zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion erzeugten Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region durchführen, durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode, so dass eine potentielle Energie einer Region unmittelbar unter der unnötigen Ladungstransfer-Gatterelektrode niedriger als die Potential-Energie der Ladungserzeugungsregion in einer anderen Periode als einer Periode ist, während welcher der erste Ladungstransfer-Prozess durchgeführt wird. In diesem Fall, da die in der Ladungserzeugungsregion erzeugte Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region in einer anderen Periode als der Periode transferiert werden kann, während welcher der erste Ladungstransfer-Prozess durchgeführt wird, ist es möglich, weiter zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion bleibt.
  • Die Licht-Detektionsvorrichtung gemäß eine Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann weiter eine Lichtquelle beinhalten, die Detektionslicht emittiert, und die Steuereinheit kann den ersten Ladungstransfer-Prozess in einer Periode durchführen, während welcher reflektiertes Licht des Detektionslichts auf ein Objekt auf die Ladungserzeugungsregion einfällt. In diesem Fall ist es möglich, die in der Ladungserzeugungsregion in einer Periode, während welcher das reflektierte Licht des Detektionslichts auf ein Objekt auf die Ladungserzeugungsregion einfällt, erzeugte Ladungsmenge genau zu detektieren.
  • Die Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann weiter beinhalten eine Photo-Gatterelektrode, die auf der Ladungserzeugungsregion angeordnet ist. Im ersten Ladungstransferprozess kann die Steuereinheit ein elektrisches Potential an die Photo-Gatterelektrode und die Überfluss-Gatterelektrode so anlegen, dass die potentielle Energie der Region unmittelbar unter der Transfer-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist und die potentielle Energie der Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist. In diesem Fall ist es möglich, die Größe der potentiellen Energie genau zu justieren.
  • Die Überflussregion kann eine größere Ladungs-Speicherkapazität als eine Ladungs-Speicherkapazität der Ladungsspeicherregion aufweisen. In diesem Fall ist es möglich, die Sättigung der Speicherkapazität effektiv zu unterdrücken.
  • Ein Verfahren zum Betreiben eines Photosensors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Antreiben eines Photosensors. Der Photosensor beinhaltet eine Ladungserzeugungsregion, die Ladung in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugt, eine Ladungsspeicherregion, eine Überflussregion, eine Transfer-Gatterelektrode, die an einer Region zwischen der Ladungserzeugungsregion und der Ladungsspeicherregion angeordnet ist, und eine Überfluss-Gatterelektrode, die an einer Region zwischen der Ladungsspeicherregion und der Überflussregion angeordnet ist. Das Verfahren zum Antreiben des Photosensors beinhaltet: einen Ladungstransfer-Schritt zum Transferieren von in der Ladungserzeugungsregion erzeugter Ladung an die Ladungsspeicherregion durch Anlegen eines elektrischen Potentials an der Transfer-Gatterelektrode, so dass eine potentielle Energie einer Region unmittelbar unter der Transfer-Gatterelektrode niedriger als eine potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist; und ein Leseschritt zum Auslesen einer in der Ladungsspeicherregion nach dem Ladungstransfer-Schritt gespeicherten Ladungsmenge. Im Ladungstransfer-Schritt wird ein elektrisches Potential an die Überfluss-Gatterelektrode so angelegt, dass eine potentielle Energie einer Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist.
  • Im Verfahren zum Betreiben des Photosensors beinhaltet der Photosensor die Überflussregion und die auf der Region zwischen der Ladungsspeicherregion und der Überflussregion angeordnete Überfluss-Gatterelektrode. Daher, da die aus der Ladungsspeicherregion überfließende Ladung in der Überflussregion gespeichert werden kann, ist es möglich, die Sättigung der Speicherkapazität zu unterdrücken. Zusätzlich ist während der Ausführung des Ladungstransfer-Schrittes zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion erzeugten Ladung an die Ladungsspeicherregion die potentielle Energie der Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion. Daher, selbst wenn die Ladung in der Ladungsspeicherregion in dem Ausmaß gespeichert wird, dass die Ladung in die Überflussregion überfließt, ist es möglich, zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion verbleibt. Daher ist es gemäß dem Verfahren zum Antreiben des Photosensors möglich, die Detektionsgenauigkeit zu verbessern.
  • VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
  • Gemäß einem Effekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Licht-Detektionsvorrichtung und ein Verfahren zum Antreiben eines Photosensors, der zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit fähig ist, bereitzustellen.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Distanzmessvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
    • 2 ist eine Aufsicht einer Pixel-Einheit eines Distanz-Messsensors.
    • 3 ist eine Querschnittsansicht längs der in 2 gezeigten Linie III-III.
    • 4 ist ein Schaltungsdiagramm des Distanzmess-Sensors.
    • 5 ist ein Timing-Diagramm, das ein Betriebsbeispiel des Distanzmess-Sensors zeigt.
    • 6(a) bis 6(d) sind Verteilungsdiagramme potentieller Energie zum Erläutern eines Betriebsbeispiels des Distanzmess-Sensors.
    • 7 ist ein Timing-Diagramm, das ein Betriebsbeispiel eines Bildsensors gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt.
    • 8(a) bis 8(d) sind des Verteilungsdiagramme potentieller Energie zum Erläutern eines Betriebsbeispiels des Bildsensors gemäß dem Vergleichsbeispiel.
    • 9 ist eine Aufsicht eines Teils eines Distanzmess-Sensors gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel.
    • 10 ist ein Timing-Diagramm, das ein Betriebsbeispiel des Distanzmess-Sensors gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel zeigt.
    • 11 ist eine Aufsicht eines Teils eines Distanzmess-Sensors gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel.
    • 12 ist ein Timing-Diagramm, das ein Betriebsbeispiel des Distanzmess-Sensors gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel zeigt.
    • 13 ist ein Schaltungsdiagramm eines Distanzmess-Sensors gemäß einem dritten Modifikationsbeispiel.
    • 14 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
    • 15 ist eine Aufsicht eines Teils eines Bildsensors gemäß der zweiten Ausführungsform.
    • 16 ist ein Timing-Diagramm, das ein Betriebsbeispiel des Bildsensors gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
    • 17 ist ein Diagramm zum Erläutern einer Schleusenfunktion der Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform.
    • 18 ist ein Timing-Diagramm, das ein Betriebsbeispiel eines Bildsensors gemäß einem Modifikationsbeispiel der zweiten Ausführungsform zeigt.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die Diagramme beschrieben. Zusätzlich werden in der nachfolgenden Beschreibung die gleichen oder äquivalente Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und deren wiederholte Beschreibung wird weggelassen.
  • [Erste Ausführungsform]
  • [Konfiguration von Distanzmessvorrichtung]
  • Wie in 1 gezeigt, beinhaltet eine Distanzmessvorrichtung (Licht-Detektionsvorrichtung) 1 eine Lichtquelle 2, einen Distanzmess-Sensor (Distanzmessbildsensor, Photosensor) 10A, eine Signalverarbeitungseinheit 3, eine Steuereinheit 4 und eine Anzeigeeinheit 5. Die Distanzmessvorrichtung 1 ist eine Vorrichtung, die ein Distanzbild eines Objekts OJ (ein Bild, das Information hinsichtlich einer Distanz d zum Objekt OJ enthält) unter Verwendung eines indirekten TOF-Verfahrens erfasst.
  • Die Lichtquelle 2 emittiert gepulstes Licht (Detektionslicht) L. Die Lichtquelle 2 wird beispielsweise durch eine Infrarot-LED gebildet. Das gepulste Licht L ist beispielsweise nahes Infrarotlicht und die Frequenz des gepulsten Lichts L ist beispielsweise 10 kHz oder höher. Der Distanzmess-Sensor 10A detektiert das gepulste Licht L, das aus der Lichtquelle 2 emittiert und durch das Objekt OJ reflektiert wird. Der Distanzmess-Sensor 10A ist durch monolithisches Bilden einer Pixeleinheit 11 und eine CMOS-Leseschaltungseinheit 12 auf einem Halbleitersubstrat (beispielsweise einem Siliziumsubstrat) konfiguriert. Der Distanzmess-Sensor 10A ist auf der Signalverarbeitungseinheit 3 montiert.
  • Die Signalverarbeitungseinheit 3 steuert die Pixeleinheit 11 und die CMOS-Leseschaltungseinheit 12 des Distanzmess-Sensors 10A. Die Signalverarbeitungseinheit 3 führt vorbestimmte Verarbeitung am aus dem Distanzmess-Sensor 10A ausgegebenen Signal durch, um ein Detektionssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit 4 steuert die Lichtquelle 2 und die Signalverarbeitungseinheit 3. Die Steuereinheit 4 erzeugt ein Distanzbild des Objekts OJ auf Basis des aus der Signalverarbeitungseinheit 3 ausgegebenen Detektionssignals. Die Anzeigeeinheit 5 zeigt das Distanzbild des durch die Steuereinheit 4 erzeugten Objekts OJ an.
  • [Konfiguration von Distanzmess-Sensor]
  • Wie in 2 und 3 gezeigt, beinhaltet der Distanzmess-Sensor 10A eine Halbleiterschicht 20 und eine Elektrodenschicht 40 in der Pixeleinheit 11. Die Halbleiterschicht 20 weist eine erste Oberfläche 20A und eine zweite Oberfläche 20B auf. Die erste Oberfläche 20A ist eine Oberfläche auf einer Seite der Halbleiterschicht 20 in der Dickenrichtung. Die zweite Oberfläche 20B ist eine Oberfläche auf der anderen Seite der Halbleiterschicht 20 in der Dickenrichtung. Die Elektrodenschicht 40 ist auf der ersten Oberfläche des Verbrenners 20 vorgesehen. Die Halbleiterschicht 20 und die Elektrodenschicht 40 bilden eine Vielzahl von Pixeln 11a, die entlang der ersten Oberfläche 20A angeordnet sind. Im Distanzmess-Sensor 10A sind die Vielzahl von Pixeln 11a in einer zweidimensionalen Weise entlang der ersten Oberfläche 20A angeordnet. Nachfolgend wird die Dickenrichtung der Halbleiterschicht 20 als eine Z-Richtung bezeichnet, wird eine Richtung rechtwinklig zur Z-Richtung als eine X-Richtung bezeichnet und wird eine Richtung rechtwinklig sowohl zur Z-Richtung als auch der X-Richtung als eine Y-Richtung bezeichnet. Zusätzlich wird eine Seite in der Z-Richtung als eine erste Seite bezeichnet und wird die andere Seite in der Z-Richtung (Seite entgegengesetzt zur ersten Seite) als eine zweite Seite bezeichnet. Zusätzlich ist in 2 die Anordnung von Ladungs-Speicherregion P1 bis P4, Übergangsregion Q1 bis Q4, einer unnötigen Ladungs-Entlade-Region R, einer Photogatterelektrode PG, Transfer-Gatterelektroden TX1 bis TX4, Überfluss-Gatterelektroden OV1 bis OV4 und eine unnötige Ladungs-Transfer-Gatterelektrode RG, die später beschrieben wird, schematisch gezeigt und werden andere Elemente je nachdem weggelassen.
  • In der Halbleiterschicht 20 weist jedes Pixel 11a eine Halbleiterregion 21, eine Lawinen-Multiplikationsregion 22, eine Ladungsverteilungsregion 23, eine erste Ladungs-Speicherregion P1, eine Ladungs-Speicherregion P2, eine dritte Ladungs-Speicherregion P3, eine vierte Ladungs-Speicherregion P4, eine erste Überflussregion Q1, eine zweite Überflussregion Q2, eine dritte Überflussregion Q3, eine vierte Überflussregion Q4, zwei unnötige Ladungs-Entladeregionen R, eine Napfregion 31 und eine Barriereregion 32 auf. Jede der Regionen 21 bis 23, P1 bis P4, Q1 bis Q4, R, und 31 und 32 sind durch Durchführen verschiedener Prozesse (beispielsweise Ätzen, Filmbildung, Verunreinigungs-Injektion und dergleichen) auf einem Halbleitersubstrat (beispielsweise einem Siliziumsubstrat) gebildet.
  • Die Halbleiterregion 21 ist eine p-Typ (erster Leitfähigkeitstyp)-Region und ist entlang der zweiten Oberfläche 20b in der Halbleiterschicht 20 vorgesehen. Die Halbleiterregion 21 fungiert als eine Licht-Absorptionsregion photoelektrische Umwandlungsregion). Als ein Beispiel ist die Halbleiterregion 21 eine p-Typ-Region mit einer TrägerKonzentration von 1 × 1015 cm-3 oder weniger und ist die Dicke der Halbleiterregion 21 etwa 10 µm. Zusätzlich fungieren die Lawinen-Multiplikationsregion 22 und dergleichen auch als eine Licht-Absorptionsregion (photoelektrische Umwandlungsregion).
  • Die Lawinen-Multiplikationsregion 22 beinhaltet eine erste Multiplikationsregion 22a und eine zweite Multiplikationsregion 22b. Die erste Multiplikationsregion 22a ist eine p-Typ-Region und ist auf der ersten Seite der Halbleiterregion 21 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Als Beispiel ist die erste Multiplikationsregion 22a eine p-Typ-Region mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1016 cm-3 oder mehr und beträgt die Dicke der ersten Multiplikationsregion 22a etwa 1 µm. Die zweite Multiplikationsregion 22b ist eine n-Typ- (zweiter Leitfähigkeitstyp) Region und auf der ersten Seite der ersten Multiplikationsregion 22a in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Als ein Beispiel ist die zweite Multiplikationsregion 22b eine n-Typ-Region mit eine Trägerkonzentration von 1 × 1016 cm-3 oder mehr und ist die Dicke der zweiten Multiplikationsregion 22b etwa 1 µm. Die erste Multiplikationsregion 22a und die zweite Multiplikationsregion 22b formen einen pn-Übergang. Die Lawinen-Multiplikationsregion 22 ist eine Region, die Lawinen-Multiplikation verursacht. Die elektrische Feldstärke, die in der Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine reverse Vorspannung mit einem vorbestimmten Wert angelegt wird, ist beispielsweise 3 × 305 bis 4 × 105 V/cm.
  • Die Ladungsverteilungsregion 23 ist eine n-Typ-Region und ist auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 22b in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Als ein Beispiel ist die Ladungsverteilungsregion 23 eine n-Typ-Region mit einer Trägerkonzentration von 5 × 1015 bis 1 × 1016 cm-3, und ist die Dicke der Ladungsverteilungsregion 23 etwa 1 µm.
  • Jede der Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 ist eine n-Typ-Region und ist auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 22b in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Jede der Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 ist mit der Ladungsverteilungsregion 23 verbunden. Als ein Beispiel ist jede der ersten Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 eine n-Typ-Region mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1918 cm-3 oder mehr und ist die Dicke jeder der ersten Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 etwa 0,2 µm.
  • Jede der Überflussregionen Q1 bis Q4 ist eine n-Typ-Region und ist auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 22b in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Die Ladungsspeicherkapazität der ersten Überflussregion Q1 ist größer als die Ladungsspeicherkapazität der ersten Ladungsspeicherregion P1. Die Ladungsspeicherkapazität der zweiten Überflussregion Q2 ist größer als die Ladungsspeicherkapazität der zweiten Ladungs-Speicherregion P2. Die Ladungsspeicherkapazität der dritten Überflussregion Q3 ist größer als die Ladungsspeicherkapazität der dritten Ladungs-Speicherregion P3. Die Ladungsspeicherkapazität der vierten Überflussregion Q4 ist größer als die Ladungsspeicherkapazität der vierten Ladungs-Speicherregion P4. Beispielsweise sind die Ladungsspeicherkapazitäten der Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 gleich und sind die Ladungsspeicherkapazitäten der Überflussregionen Q1 bis Q4 gleich. Ein PN-Übergangskondensator wird in den Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 verwendet, während ein zusätzlicher Kondensator in den Überflussregionen Q1 bis Q4 vorgesehen ist. Daher sind die Speicherkapazitäten der Überflussregionen Q1 bis Q4 größer als die Speicherkapazitäten der Ladungsspeicherregionen P1 bis P4. Beispiele des hinzuzufügenden Kondensators beinhalten einen MIM- (Metall Isolator Metall) Kondensator, einen MOS-Kondensator, einen Graben-Kondensator, einen PIP-Kondensator, und dergleichen.
  • Jede unnötige Ladungs-Entlade-Region R ist eine n-Typ-Region und ist auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 22b in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Jede unnötige Ladungs-Entlade-Region R ist mit der Ladungsverteilungsregion 23 verbunden. Die unnötige Ladungs-Entlade-Region R weist dieselbe Konfiguration wie beispielsweise die Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 auf.
  • Die Napfregion 31 ist eine p-Typ-Region und ist auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 22b in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Die Napfregion 31 umgibt die Ladungsverteilungsregion 23 bei Sicht aus der Z-Richtung. Die Napfregion 31 bildet eine Vielzahl von Leseschaltungen (beispielsweise einen Quellen-Folgerverstärker (source follower), einen Rücksetz-Transistor und dergleichen). Die Vielzahl von Leseschaltungen sind elektrisch mit den Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 bzw. den Überflussregionen Q1 bis Q4 verbunden. Als ein Beispiel ist die Napfregion 31 eine p-Typ-Region mit einer Trägerkonzentration von 1 × 1016 bis 5 × 1017 cm-3, und beträgt die Dicke der Napfregion 31 etwa 1 µm.
  • Die Barriere-Region 32 ist eine n-Typ-Region und ist zwischen der zweiten Multiplikationsregion 22b und der Napfregion 31 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Die Barriere-Region 32 beinhaltet die Napfregion 31 bei Sicht aus der Z-Richtung. Das heißt, dass die Napfregion 31 innerhalb der Barriere-Region 32 bei Sicht aus der Z-Richtung lokalisiert ist. Die Barriere-Region 32 umgibt die Ladungsverteilungsregion 23. Die n-Typ-Störstellenkonzentration in der Barriere-Region 32 ist höher als die n-Typ-Störstellenkonzentration in der zweiten Multiplikationsregion 22b. Als ein Beispiel ist die Barriere-Region 32 eine n-Typ-Region mit einer Trägerkonzentration ab der Trägerkonzentration der zweiten Multiplikationsregion 22b bis zum etwa 2-fachen der Trägerkonzentration der zweiten Multiplikationsregion 22b und beträgt die Dicke der Barriere-Region 32 etwa 1 µm. Da die Barriere-Region 32 zwischen der zweiten Multiplikationsregion 22b und der Napfregion 31 gebildet ist, selbst falls eine Erschöpfungsschicht, die in der Lavinen-Multiplikationsregion 22 gebildet ist, sich zur Napfregion 31 ausbreitet, aufgrund des Anlegens einer Hochspannung an die LAvinen-Multiplikationsregion 22, wird verhindert, dass die Erschöpfungsschicht die Napfregion 31 erreicht. Das heißt, dass es möglich ist, zu verhindern, dass der Strom zwischen der Lavinen-Multiplikationsregion 22 und der Napfregion 31 aufgrund dessen, dass die Erschöpfungsschicht die Napfregion 31 erreicht, fließt.
  • Hier wird die Positionsbeziehung der jeweiligen Regionen beschrieben. Die erste Ladungs-Speicherregion P1 weist zur zweiten Ladungs-Speicherregion P2 in der X-Richtung, wobei die Ladungsverteilungsregion 23 dazwischen eingefügt ist. Die erste Überflussregion Q1 ist auf einer Seite entgegengesetzt der Ladungsverteilungsregion 23 in Bezug auf die erste Ladungs-Speicherregion P1 angeordnet. Die zweite Überflussregion Q2 ist auf einer Seite entgegengesetzt zur Ladungsverteilungsregion 23 in Bezug auf die zweite Ladungs-Speicherregion P2 angeordnet.
  • Die dritte Ladungs-Speicherregion P3 weist zur vierten Ladungs-Speicherregion P4 in der X-Richtung, mit der dazwischen eingefügten Ladungsverteilungsregion 23. Die dritte Überflussregion Q3 ist auf einer Seite entgegengesetzt zur Ladungsverteilungsregion 23 in Bezug auf die dritte Ladungs-Speicherregion P3 angeordnet. Die vierte Überflussregion Q4 ist auf einer Seite entgegengesetzt zur Ladungsverteilungsregion 23 in Bezug auf die vierte Ladungs-Speicherregion P4 angeordnet. Die erste Ladungs-Speicherregion P1 und die vierte Ladungs-Speicherregion P4 sind in der Y-Richtung ausgerichtet. Die zweite Ladungs-Speicherregion P2 und die dritte Ladungs-Speicherregion P3 sind in der Y-Richtung ausgerichtet. Die erste Überflussregion Q1 und die vierte Überflussregion Q4 sind in der Y-Richtung ausgerichtet. Die zweite Überflussregion Q2 und die dritte Überflussregion Q3 sind in der Y-Richtung ausgerichtet. Die zwei unnötigen Ladungs-Entladeregionen R weisen in Y-Richtung zueinander hin, wobei die Ladungsverteilungsregion 23 dazwischen eingefügt ist.
  • In der Elektrodenschicht 40 beinhaltet jedes Pixel 11a eine Photo-Gatterelektrode PG, eine erste Transfer-Gatterelektrode TX1, eine zweite Transfer-Gatterelektrode TX2, eine dritte Transfer-Gatterelektrode TX3, eine vierte Transfer-Gatterelektrode TX4, eine erste Überfluss-Gatterelektrode OV1, eine zweite Überfluss-Gatterelektrode OV2, eine dritte Überfluss-Gatterelektrode OV3, eine vierte Überfluss-Gatterelektrode OV4 und zwei unnötige Ladungstransfer-Gatterelektroden RG. Jede der Gatterelektroden PG, TX1 bis TX4, OV1 bis OV4 und RG ist auf der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 gebildet, wobei ein Isolationsfilm 41 dazwischen eingefügt ist. Der Isolationsfilm 41 ist beispielsweise ein Siliziumnitridfilm oder ein Siliziumoxidfilm.
  • Die Photo-Gatterelektrode PG ist auf der Ladungsverteilungsregion 23 angeordnet. Die Photo-Gatterelektrode PG ist aus einem Material gebildet, das Leitfähigkeit und Lichttransmission (beispielsweise Polysilizium) aufweist. Als ein Beispiel weist die Photo-Gatterelektrode PG eine rechtwinklige Form mit zwei Seiten, die zueinander in X-Richtung weisen und zwei Seiten, die zueinander in Y-Richtung weisen, bei Sicht aus der Z-Richtung, auf. Von der Halbleiterregion 21, der Multiplikationsregion 22 und der Ladungsverteilungsregion 23 fungiert eine Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG als eine Ladungserzeugungsregion 24, die Ladung entsprechend einfallendem Licht erzeugt. Mit anderen Worten ist die Photo-Gatterelektrode PG auf der Ladungserzeugungsregion 24 angeordnet. In der Ladungserzeugungsregion 24 wird eine in der Halbleiterregion 21 erzeugte Ladung in der Multiplikationsregion 22 multipliziert und in der Ladungsverteilungsregion 23 verteilt. Anders als in der Ausführungsform, wenn das gepulste Licht L auf die Halbleiterschicht 20 von der Seite einer Gegenelektrode 50 (im Falle eines Rückoberflächeneinfallens) einfällt, muss die Photo-Gatterelektrode PG keine Lichttransmission aufweisen. Die Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist eine Region, welche die Photo-Gatterelektrode PG überlappt, bei Sicht aus der Z-Richtung. Dieser Punkt ist der gleiche für die anderen Gatterelektroden TX1 bis TX4, OV1 bis Ov4 und RG.
  • Die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 ist auf einer Region zwischen der ersten Ladungs-Speicherregion P1 und der Ladungserzeugungsregion 24 in der Ladungsverteilungsregion 23 angeordnet. Die zweite Transfer-Gatterelektrode TX2 ist auf einer Region zwischen der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 und der Ladungserzeugungsregion 24 in der Ladungsverteilungsregion 23 angeordnet. Die dritte Transfer-Gatterelektrode TX3 ist auf einer Region zwischen der dritten Ladungs-Speicherregion P3 und der Ladungserzeugungsregion 24 in der Ladungsverteilungsregion 23 angeordnet. Die vierte Transfer-Gatterelektrode TX4 ist auf einer Region zwischen der vierten Ladungs-Speicherregion P4 und der Ladungserzeugungsregion 24 in der Ladungsverteilungsregion 23 angeordnet.
  • Jede der Transfer-Gatterelektroden TX1 bis TX4 ist aus einem leitfähigen Material (beispielsweise Polysilizium) gebildet. Als ein Beispiel weist jede der Transfer-Gatterelektroden TX1 bis TX4 eine rechtwinklige Form auf, bei der zwei Seiten in der X-Richtung zueinander weisen und zwei Seiten in der Y-Richtung zueinander weisen, bei Sicht aus der Z-Richtung.
  • Eine der unnötigen Ladungstransfer-Gatterelektroden RG ist auf einer Region zwischen dem einen Paar von unnötigen Ladungs-Entlade-Regionen R und der Ladungserzeugungsregion 24 in der Ladungsverteilungsregion 23 angeordnet. Die andere der unnötigen Ladungstransfer-Gatterelektroden RG ist auf einer Region zwischen der anderen des Paars von unnötigen Ladungs-Entladeregionen R und der Ladungserzeugungsregion 24 in der Ladungsverteilungsregion 23 angeordnet. Jede unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode RG ist aus einem leitfähigen Material (beispielsweise Polysilizium) gebildet. Als ein Beispiel weist die unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode RG eine rechteckige Form auf mit zwei Seiten, die in X-Richtung zueinander weisen und zwei Seiten, die in Y-Richtung zueinander weisen, bei Sicht aus der Z-Richtung.
  • Der Distanzmess-Sensor 10A beinhaltet weiter eine Gegenelektrode 50 und eine Verdrahtungsschicht 60 in der Pixeleinheit 11. Die Gegenelektrode 50 ist auf der zweiten Oberfläche 20b der Halbleiterschicht 20 vorgesehen. Die Gegenelektrode 50 beinhaltet eine Vielzahl von Pixeln 11a bei Sicht aus der Z-Richtung. Die Gegenelektrode 50 weist zur Elektrodenschicht 40 in der Z-Richtung. Die Gegenelektrode 50 ist aus beispielsweise einem Metallmaterial gebildet. Die Verdrahtungsschicht 60 ist auf der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 so vorgesehen, dass sie die Elektrodenschicht 40 abdeckt. Die Verdrahtungsschicht 60 ist elektrisch mit jedem Pixel 11a und der CMOS-Leseschaltungseinheit 12 verbunden (siehe 1). Eine Lichteinfallsöffnung 60a ist in einem Bereich der Verdrahtungsschicht 60 gebildet, der zur Photo-Gatterelektrode PG jedes Pixels 11a weist.
  • 4 zeigt ein Beispiel der Schaltungskonfiguration jedes Pixels 11a. Wie in 4 gezeigt, weist jedes Pixel 11a eine Vielzahl von (in diesem Beispiel vier) Rücksetztransistoren RST auf, die mit den Überflussregionen Q1 bis Q4 und einer Vielzahl von (in diesem Beispiel vier) Auswahltransistoren SEL, die zum Auswählen des Pixel 11a verwendet werden, verbunden sind.
  • [Verfahren zum Betreiben von Distanzmess-Sensor]
  • Ein Betriebsbeispiel des Distanzmess-Sensors 10A wird unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben. Die nachfolgende Operation wird durch die Steuereinheit 4, die den Antrieb des Distanzmess-Sensors 10A steuert, realisiert. In jedem Pixel 11a des Distanzmess-Sensors 10A wird eine negative Spannung (beispielsweise -50 V) an die Gegenelektrode 50 angelegt, mit dem elektrischen Potential der Photo-Gatterelektrode PG als einer Referenz (das heißt eine reverse Vorspannung wird an den pn Übergang angelegt, der in der Multiplikationsregion 22 gebildet ist), so dass eine elektrische Feldstärke von 3 × 105 bis 4 × 105 V/cm in der Multiplikationsregion 22 erzeugt wird. In diesem Zustand, wenn das gepulste Licht L auf die Halbleiterschicht 20 durch die Lichteinfallsöffnung 60a und die Photo-Gatterelektrode PG einfällt, werden durch die Absorption des gepulsten Lichts L erzeugte Elektronen in der Multiplikationsregion 22 multipliziert und bewegen sich zur Ladungsverteilungsregion 23 bei hoher Geschwindigkeit.
  • Wenn ein Distanzbild des Objekts OJ erzeugt wird (siehe 1), wird zuerst ein Rücksetzprozess (Rücksetzschritt) zum Anlegen einer Rücksetzspannung an jeden Rücksetz-Transistor RST jedes Pixels 11a durchgeführt. Die Rücksetzspannung ist eine positive Spannung mit dem elektrischen Potential der Photo-Gatterelektrode PG als einer Referenz. Dann wird die in den Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 und den Überflussregionen Q1 bis Q4 gespeicherte Ladung nach außen entladen, so dass keine Ladung in den Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 und den Überflussregionen Q1 bis Q4 gespeichert ist (Zeit T1, 6(a)). Die Ladung wird nach außerhalb durch beispielsweise eine Leseschaltung entladen, welche durch die Napfregion 31 und die Verdrahtungsschicht 60 konfiguriert ist. Nachfolgend wird die Operation unter Fokussierung auf ein ausgewähltes Pixel 11a beschrieben.
  • Nach dem Rücksetzprozess wird die Ladung in den Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 und den Überflussregionen Q1 bis Q4 in einer Speicherperiode T2 gespeichert ( 6(b)). In der Speicherperiode T2 werden Ladungstransfersignale mit unterschiedlichen Phasen an die Transfer-Gatterelektroden TX1 bis TX4 angelegt. Als Ergebnis wird ein Ladungsverteilungsprozess (Ladungsverteilungsschritt) zum Verteilen der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung zwischen den Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 durchgeführt.
  • Als ein Beispiel ist das an die erste Transfer-Gatterelektroden TX1 angelegte Transfersignal ein Spannungssignal, bei welchem eine positive Spannung und eine negative Spannung abwechselnd wiederholt werden, mit dem elektrischen Potential der Merkmalspunkte P_i Merkmalspunkte P_i als eine Referenz, und ist ein Spannungssignal mit derselben Periode, Impulsbreite und Phase wie das Intensitätssignal des aus der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts L (siehe 1). Die an die zweite Transfer-Gatterelektrode TX2, die dritte Transfer-Gatterelektrode TX3 und die vierte Transfer-Gatterelektrode TX4 angelegten Ladungstransfersignale sind dieselben Spannungssignale wie das an die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegte Impuls-Spannungssignal, außer dass die Phasen 90°, 180° bzw. 270° betragen.
  • In einer ersten Periode, während welcher eine positive Spannung an die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegt wird, ist die potentielle Energie ϕTX1 eine Region unmittelbar unter der ersten Transfer-Gatterelektrode TX1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG eine Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG. Mit anderen Worten wird in der ersten Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕTX1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG ist. Als Ergebnis wird die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die erste Ladungsspeicherregion P1 transferiert (erster Ladungstransferprozess, erster Ladungstransferschritt). In 6(b) ist die potentielle Energie ϕTX1, wenn eine Positivspannung an die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegt wird, durch die unterbrochene Linie gezeigt, und ist die potentielle Energie ϕTX1, wenn eine negative Spannung an die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegt wird, durch die durchgezogenen Linie gezeigt. Zusätzlich ist die in der ersten Ladungsspeicherregion P1 und der ersten Überflussregion Q1 gespeicherte Ladung durch Schraffur gezeichnet.
  • Zum Justieren der Größe der potentiellen Energie einer Region unmittelbar unter der Gatterelektrode kann die Größe des an die Gatterelektrode angelegten elektrischen Potentials justiert werden oder kann stattdessen oder zusätzlich dazu die Trägerkonzentration in der Region unmittelbar unter der Gatterelektrode justiert werden. Wenn die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG auf eine vorbestimmte Größe eingestellt wird, durch Justieren der Trägerkonzentration, kann es sein, dass die Photo-Gatterelektrode PG nicht vorgesehen ist. In diesem Fall muss die oben beschriebene negative Spannung nicht notwendigerweise angelegt werden.
  • In der ersten Periode wird eine negative Spannung an die zweiten bis vierten Transfer-Gatterelektroden TX2 bis TX4 angelegt und sind die potentielle Energie Energie ϕTX2 an der Region unmittelbar unter der zweiten Transfer-Gatterelektrode TX2, die potentielle Energie Energie ϕTX3 einer Region unmittelbar unter der dritten Transfer-Gatterelektrode TX3 und die potentielle Energie Energie ϕTX4 einer Region unmittelbar unter der vierten Transfer-Gatterelektrode TX4 höher als die potentielle Energie ϕPG. Als Ergebnis wird eine potentielle Energiebarriere zwischen der Ladungserzeugungsregion 24 und den zweiten bis vierten Ladungsspeicher-Regionen P2 bis P4 erzeugt, so dass die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung nicht an die zweiten bis vierten Ladungsspeicher-Regionen P2 bis P4 übertragen wird. Mit anderen Worten ist in der ersten Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die zweiten bis vierten Transfer-Gatterelektroden TX2 bis TX4 so angelegt, dass die potentiellen Energien ϕTX2, ϕTX3 und ϕTX4 höher als die potentielle Energie ϕPG sind.
  • Zusätzlich wird in der ersten Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die erste Überfluss-Gatterelektrode OV1 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕOV1 an der Region unmittelbar unter der ersten Überfluss-Gatterelektrode OV1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. Mit anderen Worten wird das an die erste Überfluss-Gatterelektrode OV1 in der ersten Periode angelegte elektrische Potential mit dem elektrischen Potential der Photo-Gatterelektrode PG als eine Referenz so eingestellt, dass die potentielle Energie ϕOV1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG ist. Als Ergebnis, wie in 6(b) gezeigt, selbst wenn die erste Ladungsspeicherregion P1 mit Ladung gesättigt ist, fließt die aus der ersten Ladungsspeicherregion P1 überfließende Ladung in die erste Überflussregion Q1, und in der ersten Überflussregion Q1 gespeichert.
  • In einer zweiten Periode, während welcher eine positive Spannung an die zweite Transfer-Gatterelektrode TX2 angelegt wird, ist die potentielle Energie ϕTX2 der Region unmittelbar unter der zweiten Transfer-Gatterelektrode TX2 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG. Mit anderen Worten wird in der zweiten Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die zweite Transfer-Gatterelektrode TX2 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕTX2 niedriger als die potentielle Energie ϕPG ist. Als Ergebnis wird die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die zweite Ladungsspeicher-Region P2 (erster Ladungstransfer-Prozess, erster Ladungstransfer-Schritt) transferiert. In der zweiten Periode wird das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die ersten, dritten und vierten Transfer-Gatterelektroden TX1, TX3 und TX4 so angelegt, dass die potentiellen Energien Energie ϕTX1, ϕTX3 und ϕTX4 höher sind als die potentielle Energie ϕPG.
  • Zusätzlich wird in der zweiten Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die zweite Überfluss-Gatterelektrode OV2 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕOV2 einer Region unmittelbar unter der zweiten Überfluss-Gatterelektrode OV2 niedriger als die potentielle Energie ϕPG bei der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. Als Ergebnis, selbst wenn die zweite Ladungsspeicher-Region P2 mit Ladung gesättigt ist, fließt die aus der zweiten Ladungsspeicher-Region P2 überfließende Ladung in die zweite Überflussregion Q2, und gespeichert in der zweiten Überflussregion Q2.
  • In einer dritten Periode, während welcher eine positive Spannung an die dritte Transfer-Gatterelektrode TX3 angelegt wird, ist die potentielle Energie Energie ϕTX3 der Region unmittelbar unter der dritten Transfer-Gatterelektrode TX3 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG. Mit anderen Worten wird in der dritten Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die dritte Transfer-Gatterelektrode TX3 so angelegt, dass die potentielle Energie Energie ϕTX3 niedriger als die potentielle Energie ϕPG ist. Als Ergebnis wird die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die dritte Ladungs-Speicherregion P3 transferiert (erster Ladungstransfer-Prozess, erster Ladungstransfer-Schritt). In der dritten Periode wird das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die ersten, zweiten und vierten Transfer-Gatterelektroden TX1, TX2 und TX4 so angelegt, dass die potentiellen Energien Energie ϕTX1, Energie ϕTX2, Energie ϕTX4 höher als die potentielle Energie ϕPG sind.
  • Zusätzlich wird in der dritten Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die dritte Überfluss-Gatterelektrode OV3 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕOV3 unmittelbar unter einer Region unmittelbar unter der dritten Überfluss-Gatterelektrode OV3 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. Als Ergebnis, selbst wenn die dritte Ladungs-Speicherregion P3 mit Ladung gesättigt ist, fließt die aus der dritten Ladungs-Speicherregion P3 überfließende Ladung in die dritte Überflussregion Q3, und gespeichert in der dritten Überflussregion Q3.
  • In einer vierten Periode, während welcher eine positive Spannung an die vierte Transfer-Gatterelektrode TX4 angelegt wird, ist die potentielle Energie ϕTX4 der Region unmittelbar unter der vierten Transfer-Gatterelektrode TX4 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG. Mit anderen Worten wird in der vierten Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die vierte Transfer-Gatterelektrode TX4 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕTX4 niedriger als die potentielle Energie ϕPG ist. Als Ergebnis wird die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die vierte Ladungs-Speicherregion P4 transferiert (erster Ladungstransferprozess, erster Ladungstransfer-Schritt). In der vierten Periode wird das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die ersten bis dritten Transfer-Gatterelektroden TX1 bis TX3 so angelegt, dass die potentiellen Energien ϕTX1 bis ϕTX3 höher sind als die potentielle Energie ϕPG.
  • Zusätzlich wird in der vierten Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die vierte Überfluss-Gatterelektrode OV4 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕOV4 eine Region unmittelbar unter der vierten Überfluss-Gatterelektrode OV4 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. Als Ergebnis, selbst wenn die vierte Ladungs-Speicherregion P4 mit Ladung gesättigt ist, fließt die aus der vierten Ladungs-Speicherregion P4 überfließende Ladung in die vierte Überflussregion Q4, und gespeichert in der vierten Überflussregion Q4.
  • Nach dem Ladungsverteilungsprozess in der Speicherperiode T2 wird ein erster Leseprozess (Hochsensitivitätsprozess) (erster Leseschritt) zum Auslesen der in jeder der Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 gespeicherten Ladungsmenge durchgeführt (Zeit T3, 6(c)). Nachdem sowohl der Prozess, in welchem die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die erste Ladungs-Speicherregion P1 transferiert wird, der Prozess, in welchem die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die zweite Ladungs-Speicherregion P2 transferiert wird, der Prozess, in welchem die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die dritte Ladungs-Speicherregion P3 transferiert wird, als auch der Prozess, in welchem die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die vierte Ladungs-Speicherregion P4 übertragen wird, mehrere Male durchgeführt wird, wird der erste Leseprozess durchgeführt.
  • Nach dem ersten Leseprozess wird eine höhere Spannung als die in der ersten Periode angelegte Spannung an die erste Überfluss-Gatterelektrode OV1 angelegt, um die potentielle Energie ϕOV1 der Region unmittelbar unter der ersten Überfluss-Gatterelektrode OV1 zu reduzieren, wodurch ein Ladungstransferprozess (Ladungstransfer-Schritt) durchgeführt wird (zweiter Ladungstransfer-Prozess, zweiter Ladungstransfer-Schritt) zum Transferieren der in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 gespeicherten Ladung an die erste Überflussregion Q1 (6(d)). Mit anderen Worten wird im Ladungstransferprozess die in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 gespeicherte Ladung an die erste Überflussregion Q1 transferiert, durch Anlegen des elektrischen Potentials an die erste Überfluss-Gatterelektrode OV1, so dass die potentielle Energie ϕOV1 reduziert wird.
  • Ähnlich wird im Ladungstransferprozess die in der zweiten Ladungsspeicher-Region P2 gespeicherte Ladung an die zweite Überflussregion Q2 transferiert, durch Anlegen des elektrischen Potentials an die zweite Überfluss-Gatterelektrode OV2, so dass die potentielle Energie ϕOV2 der Region unmittelbar unter der zweiten Überfluss-Gatterelektrode OV2 reduziert wird. Durch Anlegen des elektrischen Potentials an die dritte Überfluss-Gatterelektrode OV3, so dass die potentielle Energie ϕOV3 der Region unmittelbar unter der dritten Überfluss-Gatterelektrode OV3 reduziert wird, wird die in der dritten Ladungs-Speicherregion P3 gespeicherte Ladung an die dritte Überflussregion Q3 transferiert. Durch Anlegen des elektrischen Potentials an die vierte Überfluss-Gatterelektrode OV4 so, dass die potentielle Energie ϕOV4 der Region unmittelbar unter der vierten Überfluss-Gatterelektrode OV4 reduziert wird, wird die in der vierten Ladungs-Speicherregion P4 gespeicherte Ladung an die vierte Überflussregion Q4 transferiert.
  • Nach dem Ladungstransferprozess wird ein zweiter Leseprozess (Niedersensitivitäts-Leseprozess) (zweiter Leseschritt) zum Auslesen der gesamten in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 und der ersten Überflussregion Q1 gespeicherten Ladungsmenge durchgeführt (Zeit T4, 6(d)). Ähnlich wird im zweiten Leseprozess die in der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 und der zweiten Überflussregion Q2 gespeicherte gesamte Ladungsmenge eingelesen. Die gesamte Ladungsmenge, die in der dritten Ladungs-Speicherregion P3 und der dritten Überflussregion Q3 gespeichert wird, wird gelesen. Die in der vierten Ladungs-Speicherregion P4 und der vierten Überflussregion Q4 gespeicherte gesamte Ladungsmenge wird gelesen. Nach dem zweiten Leseprozess wird wieder der oben beschriebene Rücksetzprozess durchgeführt (Zeit T1, 6a)), so dass die Reihe von oben beschriebenen Prozessen wiederholt durchgeführt werden.
  • Zusätzlich wird in einer anderen Periode als den ersten bis vierten Perioden ein unnötiger Ladungstransferprozess (unnötiger Ladungstransfer-Schritt) zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R durchgeführt. In dem unnötigen Ladungstransferprozess, durch Anlegen einer positiven Spannung an die unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode RG, wird die potentielle Energie ϕRG einer Region unmittelbar unter der unnötigen Ladungstransfer-Gatterelektrode RG dazu gebracht, niedriger als die potentielle Energie ϕRG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG zu sein. Mit anderen Worten wird das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode RG so angelegt, dass die potentielle Energie ϕRG niedriger als die potentielle Energie ϕPG ist. Als Ergebnis wird die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R transferiert. Die an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R transferierte Ladung wird nach außen entladen. Beispielsweise ist die unnötige Ladungs-Entlade-Region R mit dem festen elektrischen Potential verbunden, so dass die an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R transferierte Ladung nach außen entladen wird, ohne die Leseschaltung zu passieren.
  • Wie in 1 gezeigt, wenn das gepulste Licht L aus der Lichtquelle 2 emittiert wird und das durch das Objekt OJ reflektierte gepulste Licht L durch den Distanzmess-Sensor 10A detektiert wird, wird die Phase des Intensitätssignals des durch den Distanzmess-Sensor 10A detektierten gepulsten Lichts L von der Phase des Intensitätssignals des aus der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts L gemäß der Distanz d zum Objekt OJ verschoben. Daher, indem ein Signal auf Basis der in den Ladungsspeicherregionen P1 bis P4 und den Überflussregionen Q1 bis Q4 gespeicherte Ladungsmenge (das heißt die Ladungsmenge, die im ersten Leseprozess und dem zweiten Leseprozess gelesen wird) für jedes Pixel 11a erfasst wird, ist es möglich, das Distanzbild des Objekts OJ zu erzeugen.
  • [Funktionen und Effekte der ersten Ausführungsform]
  • In der Distanzmessvorrichtung 1 weist der Distanzmess-Sensor 10A die erste Überflussregion Q1 mit einer Ladungsspeicherkapazität größer als die Ladungsspeicherkapazität der ersten Ladungs-Speicherregion P1 auf, wobei die zweite Überflussregion Q2 eine größere Ladungsspeicherkapazität als die Ladungsspeicherkapazität der zweiten Ladungsspeicher-Region P2 aufweist, die erste Überfluss-Gatterelektrode OV1 an einer Region zwischen der ersten Ladungs-Speicherregion P1 und der ersten Überflussregion Q1 angeordnet ist, und die zweite Überfluss-Gatterelektrode OV2 auf einer Region zwischen der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 und der zweiten Überflussregion Q2 angeordnet ist. Daher kann die aus der ersten Ladungs-Speicherregion P1 überfließende Ladung in der ersten Überflussregion Q1 gespeichert werden, und kann die aus der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 überfließende Ladung in der zweiten Überflussregion Q2 gespeichert werden. Als Ergebnis ist es möglich, die Sättigung der Speicherkapazität zu unterdrücken. Zusätzlich ist in der ersten Periode des Ladungsteilungsprozesses die potentielle Energie ϕOV1 der Region unmittelbar unter der ersten Überfluss-Gatterelektrode OV1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Ladungserzeugungsregion 24 und ist in der zweiten Periode des Ladungsverteilungsprozesses die potentielle Energie ϕOV2 der Region unmittelbar unter der zweiten Überfluss-Gatterelektrode OV2 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Ladungserzeugungsregion 24. Als Ergebnis, selbst wenn die Ladung in der ersten Ladungsspeicherregion P1 in dem Ausmaß gespeichert wird, dass die Ladung in die erste Überflussregion Q1 überfließt, und wenn die Ladung in der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 in dem Ausmaß gespeichert wird, dass die Ladung in die zweite Überflussregion Q2 überfließt, ist es möglich, zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 bleibt. Daher ist es gemäß der Distanzmessvorrichtung 1 möglich, die Genauigkeit von Distanzmessung zu verbessern. Zusätzlich ist es möglich, hohe Sensitivität und hohen Dynamikbereich zu erzielen.
  • Dieser Punkt wird weiter unter Bezugnahme auf ein in 7 und 8 gezeigtes Vergleichsbeispiel beschrieben. Im Bildsensor des Vergleichsbeispiels ist die potentielle Energie ϕTX1 einer Region unmittelbar unter der Transfer-Gatterelektrode TX höher als die potentielle Energie ϕPG einer Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG über die gesamte Speicherperiode T2 (8(b)). Zusätzlich ist die potentielle Energie ϕOV einer Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode OV höher als die potentielle Energie ϕPG der Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG über die gesamte Speicherperiode T2. Nach der Speicherperiode T2 ist die potentielle Energie ϕTX der Region unmittelbar unter der Transfer-Gatterelektrode TX niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG, so dass die in der Ladungserzeugungsregion gespeicherte Ladung an die Ladungs-Speicherregion P transferiert wird. Danach wird die in der Ladungs-Speicherregion P gespeicherte Ladungsmenge gelesen (Zeit t3, 8(c)).
  • Im Bildsensor des Vergleichsbeispiels ist in der Speicherperiode T2 die potentielle Energie ϕOV der Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode OV höher als die potentielle Energie ϕPG der Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG. Daher, wie in 8(c) gezeigt, wenn die Ladung in der Ladungs-Speicherregion P in dem Ausmaß gespeichert wird, dass die Ladung in die Überflussregion Q überfließt, verbleibt ein Teil der Ladung in der Region (Ladungs-Erzeugungsregion) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG. In diesem Fall kann die Genauigkeit der Distanzmessung aufgrund der in der Ladungs-Speicherregion verbleibenden Ladung sinken.
  • Im Gegensatz dazu, wie oben beschrieben, sind in der Distanzmessvorrichtung 1 die potentielle Energie ϕOV1 der Region unmittelbar unter der ersten Überfluss-Gatterelektrode OV1 und die potentielle Energie ϕOV2 der Region unmittelbar unter der zweiten Überfluss-Gatterelektrode OV2 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Ladungserzeugungsregion 24 während der Ausführung des Ladungsverteilungsprozesses. Als Ergebnis, selbst wenn die Ladung in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 oder der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 in dem Ausmaß gespeichert wird, dass die Ladung in die erste Überflussregion Q1 oder die zweite Überflussregion Q2 überfließt, ist es möglich, zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 bleibt.
  • Nach Durchführen des ersten Ladungstransferprozesses zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die erste Ladungs-Speicherregion P1, führt die Steuereinheit 4 einen erste Leseprozess zum Lesen der in der Ladungs-Speicherregion P1 gespeicherten Ladung durch. Auf diese Weise ist es möglich, das S/N-Verhältnis zu verbessern.
  • Die Ladungserzeugungsregion 24 beinhaltet die Lawinen-Multiplikationsregion 22. In diesem Fall, da die Lawinen-Multiplikation in der Ladungserzeugungsregion 24 verursacht werden kann, ist es möglich, die Detektionssensitivität des Distanzmess-Sensors 10A zu erhöhen. Wenn andererseits die Lawinen-Multiplikationsregion 22 in der Ladungserzeugungsregion 24 enthalten ist, ist die erzeugte Ladungsmenge extrem groß. In der Distanzmessvorrichtung 1, selbst in einem solchen Fall, ist es möglich, ausreichend die Sättigung der Speicherkapazität zu verhindern und ist es möglich, zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 bleibt.
  • Die Steuereinheit 4 führt einen ersten Leseprozess zum Lesen der in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 und der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 gespeicherten Ladungsmenge, einen zweiten Ladungstransferprozess zum Transferieren der in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 gespeicherten Ladung an die erste Überflussregion Q1 und Transferieren der in der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 gespeicherten Ladung an die zweite Überflussregion Q2, und einen zweiten Leseprozess zum Lesen der in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 gespeicherten Gesamt-Ladungsmenge und der ersten Überflussregion Q1, und Lesen der in der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 und der zweiten Überflussregion Q2 gespeicherten Gesamtladungsmenge durch. Daher wird nicht nur die in den ersten und zweiten Ladungs-Speicherregionen P2 gespeicherte Ladung, die im ersten Leseprozess gelesen wird, sondern auch die in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 und der ersten Überflussregion Q1 gespeicherte Gesamtladungsmenge und die in der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 und der zweiten Überflussregion Q2 gespeicherte Gesamtladungsmenge im zweiten Leseprozess gelesen. Als Ergebnis ist es möglich, die Ladungsmengen-Detektionsgenauigkeit zu verbessern.
  • Die Steuereinheit 4 führt einen unnötigen Ladungstransferprozess zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R unter Verwendung der unnötigen Ladungstransfer-Gatterelektrode RG in einer anderen Periode als der ersten Periode und der zweiten Periode (das heißt einer anderen Periode als der Periode, während welcher der erste Ladungstransferprozess durchgeführt wird) durch. Daher, da die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R in einer anderen Periode als den ersten und zweiten Perioden transferiert werden kann, ist es möglich, zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 bleibt. Der unnötige Ladungstransferprozess ist insbesondere in einer Umgebung nützlich, in der es viel Umgebungslicht gibt.
  • In der ersten Periode legt die Steuereinheit 4 das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 so an, dass die potentielle Energie ϕTX1 der Region unmittelbar unter der ersten Transfer-Gatterelektrode TX1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist, und die potentielle Energie ϕOV1 der Region unmittelbar unter der ersten Überfluss-Gatterelektrode OV1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. In der zweiten Periode legt die Steuereinheit 4 das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die zweite Transfer-Gatterelektrode TX2 so an, dass die potentielle Energie ϕTX2 der Region unmittelbar unter der zweiten Transfer-Gatterelektrode TX2 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist und die potentielle Energie ϕOV2 der Region unmittelbar unter der zweiten Überfluss-Gatterelektrode OV2 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. In der dritten Periode legt die Steuereinheit 4 das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die dritte Transfer-Gatterelektrode TX3 so an, dass die potentielle Energie ϕTX3 der Region unmittelbar unter der dritten Transfer-Gatterelektrode TX3 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist und die potentielle Energie ϕOV3 der Region unmittelbar unter der dritten Überfluss-Gatterelektrode OV3 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. In der vierten Periode legt die Steuereinheit 4 das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die vierte Transfer-Gatterelektrode TX4 so an, dass die potentielle Energie ϕTX4 der Region unmittelbar unter der vierten Transfer-Gatterelektrode TX4 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist und die potentielle Energie ϕOV4 der Region unmittelbar unter der vierten Überfluss-Gatterelektrode OV4 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. Als Ergebnis ist es möglich, die Größe jeder potentiellen Energie genau zu justieren.
  • Der Distanzmess-Sensor 10A hat nicht nur die ersten und zweiten Ladungsspeicherregionen P1 und P2, die ersten und zweiten Überflussregionen Q1 und Q2, die ersten und zweiten Transfer-Gatterelektroden TX1 und TX2 und die ersten und zweiten Überfluss-Gatterelektroden OV1 und OV2, sondern auch die dritten und vierten Ladungs-Speicherregionen P3 und P4, die dritten und vierten Überflussregionen Q3 und Q4, die dritten und vierten Transfer-Gatterelektroden TX3 und TX4 und die dritten und vierten Überfluss-Gatterelektroden OV3 und OV4. Dann legt im Ladungsverteilungsprozess die Steuereinheit 4 Ladungstransfer-Signale mit unterschiedlichen Phasen an die Transfer-Gatterelektroden TX1 bis TX4 an, so dass die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung zwischen den Ladungs-Speicherregionen P1 bis P4 verteilt wird. Daher, da Ladungsverteilung durch die ersten bis vierten Transfer-Gatterelektroden TX1 bis TX4 realisiert werden kann, ist es möglich, die Genauigkeit von Distanzmessung zu verbessern.
  • [Modifikationsbeispiele erster Ausführungsform]
  • In einem Distanzmess-Sensor 10B gemäß einem ersten in 9 gezeigten Modifikationsbeispiel sind die unnötige Ladungs-Entlade-Region R und die unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode RG nicht in jeder Pixeleinheit 11 vorgesehen. Die dritte Ladungs-Speicherregion P3 weist zur vierten Ladungs-Speicherregion P4 in der Y-Richtung, wobei die Ladungserzeugungsregion 24 (Photo-Gatterelektrode PG) dazwischen eingefügt ist. Der Distanzmess-Sensor 10B wird beispielsweise wie in 10 gezeigt, angetrieben. Bei diesem Antriebs-Verfahren wird der unnötige Ladungstransferprozess zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R nicht durchgeführt. Auch im ersten Modifikationsbeispiel, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, ist es möglich, die Genauigkeit der Distanzmessung zu verbessern, indem die Sättigung der Speicherkapazität unterdrückt wird und verhindert wird, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 bleibt.
  • In einem Distanzmess-Sensor 10C gemäß einem in 11 gezeigten zweiten Modifikationsbeispiel sind die dritten und vierten Ladungs-Speicherregionen P3 und P4, die dritten und vierten Überflussregionen Q3 und Q4, die dritten und vierten Transfer-Gatterelektroden TX3 und TX4 und die dritten Überfluss-Gatterelektroden OV3 und OV4 nicht in jeder Pixeleinheit 11 vorgesehen. Jede Pixeleinheit 11 weist vier unnötige Ladungs-Entlade-Regionen R1, R2, R3 und R4 und vier unnötige Ladungstransfer-Gatterelektroden RG auf. Die unnötigen Ladungs-Entlade-Regionen R1 und R2 weisen in X-Richtung zueinander hin, wobei die Ladungserzeugungsregion 24 (Photo-Gatterelektrode PG) dazwischen eingefügt ist. Die unnötigen Ladungs-Entlade-Regionen R3 und R4 weisen in X-Richtung zueinander hin, wobei die Ladungserzeugungsregion 24 dazwischen eingefügt ist. Die unnötigen Ladungs-Entlade-Regionen R1 und R4 weisen in Y-Richtung zueinander hin, wobei die erste Ladungs-Speicherregion P1 dazwischen eingefügt ist. Die unnötigen Ladungs-Entlade-Regionen R2 und R3 weisen zueinander in der Y-Richtung hin, wobei die zweite Ladungs-Speicherregion P2 dazwischen eingefügt ist.
  • Der Distanzmess-Sensor 10C wird beispielsweise wie in 12 gezeigt angetrieben. In diesem Antriebsverfahren werden in der Speicherperiode T2 eine erste Periode, während welcher eine positive Spannung an der ersten Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegt wird, eine zweite Periode, während welcher eine positive Spannung an der zweiten Transfer-Gatterelektrode TX2 angelegt wird, und eine Periode, während welcher ein unnötiger Ladungstransferprozess zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R in dieser Reihenfolge wiederholt werden. Ein Distanzbild des Objekts OJ kann auch durch solch ein Antriebsverfahren erzeugt werden. Auch im zweiten Modifikationsbeispiel, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, ist es möglich, die Genauigkeit der Distanzmessung durch Unterdrücken der Sättigung der Speicherkapazität, und Unterdrücken, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 bleibt, zu verbessern.
  • Wie im in 13 gezeigten dritten Modifikationsbeispiel, kann der Rücksetztransistor RST an einer anderen Position als derjenigen in der Ausführungsform angeordnet sein. In 13 ist nur die Schaltungskonfiguration eines Teils des Pixels 11a gezeigt. Auch im dritten Modifikationsbeispiel, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, ist es möglich, die Genauigkeit der Distanzmessung durch Unterdrücken der Sättigung der Speicherkapazität und verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 bleibt, zu verbessern.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • Wie in 14 gezeigt, beinhaltet eine Licht-Detektionsvorrichtung 100 eine Lichtquelle 2, einen Bildsensor 10D, eine Steuereinheit 4 und ein optisches System 6. Die Licht-Detektionsvorrichtung 100 ist konfiguriert als eine Bereichsschleusenkamera mit einer Schleusenfunktion (Verschlussfunktion) zum Detektieren von zu einem vorbestimmten Zeitpunkt (in einer vorbestimmten Periode) eintreffendem Licht. Das optische System 6 führt das gepulste Licht L, welches aus der Lichtquelle 2 emittiert und durch das Objekt OJ reflektiert wird, zur Pixeleinheit 11 des Bildsensors 10D.
  • Wie in 15 gezeigt, unterscheidet sich der Bildsensor 10D von dem oben beschriebenen Distanzmess-Sensor 10A darin, dass die zweiten bis vierten Ladungs-Speicherregionen P2 bis P4, die zweiten bis vierten Überflussregionen Q2 bis Q4, die zweiten bis vierten Transfer-Gatterelektroden TX2 bis TX4 und die zweiten bis vierten Überfluss-Gatterelektroden OV2 bis OV4 nicht vorgesehen sind. Im Bildsensor 10D sind die erste Ladungsspeicherregion P1 und die unnötige Ladungs-Entlade-Region R an einer Seite in der X-Richtung in Bezug auf die Ladungserzeugungsregion 24 (Photo-Gatterelektrode PG) angeordnet. Die erste Ladungsspeicherregion P1 und die unnötige Ladungs-Entlade-Region R werden in der Y-Richtung ausgerichtet. Die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 und die unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode RG sind in der Y-Richtung ausgerichtet.
  • Die Licht-Detektionsvorrichtung 100 wird beispielsweise wie in 16 gezeigt angetrieben. Bei diesem Antriebsverfahren wird in der Sprechperiode T2 statt des LadungsverteilungsProzesses ein erster Ladungstransferprozess (erster Ladungstransfer-Schritt) zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die erste Ladungsspeicherregion P1 wiederholt durchgeführt. Als ein Beispiel ist das an die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegte Ladungstransfersignal ein Spannungssignal, in welchem eine positive Spannung und eine negative Spannung abwechselnd wiederholt werden, mit dem elektrischen Potential der Photo-Gatterelektrode PG als einer Referenz, und ist ein Spannungssignal mit derselben Periode und Impulsbreite wie das Intensitätssignal des aus der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts L, außer dass die Phasen um einen vorbestimmten Betrag verschoben sind.
  • In einer Periode, während welcher eine positive Spannung an die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegt wird, ist die potentielle Energie ϕTX1 der Region unmittelbar unter der ersten Transfer-Gatterelektrode TX1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG. Mit anderen Worten wird in der Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕTX1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG ist. Als Ergebnis wird die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die erste Ladungsspeicherregion P1 transferiert.
  • Andererseits ist in einer Periode, während welcher eine negative Spannung an die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegt wird, die potentielle Energie ϕTX1 der Region unmittelbar unter der ersten Transfer-Gatterelektrode TX1 höher als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG. Mit anderen Worten wird in der Periode das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕTX1 höher als die potentielle Energie ϕPG ist. Als Ergebnis wird eine Potentialenergie-Barriere zwischen der Ladungserzeugungsregion 24 und der ersten Ladungsspeicherregion P1 erzeugt, so dass die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung nicht an die erste Ladungsspeicherregion P1 transferiert wird.
  • Zusätzlich wird in der Speicherperiode T2 das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die erste Überfluss-Gatterelektrode OV1 so angelegt, dass die potentielle Energie ϕOV1 der Region unmittelbar unter der ersten Überfluss-Gatterelektrode OV1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. Als Ergebnis, selbst wenn die erste Ladungsspeicherregion P1 mit Ladung gesättigt ist, die aus der ersten Ladungsspeicherregion P1 überfließende Ladung in die erste Überflussregion Q1 fließt und in der erste Überflussregion Q1 gespeichert wird.
  • Zusätzlich wird in einer anderen Periode als der Periode, während welcher der erste Ladungstransferprozess durchgeführt wird, ein unnötiger Ladungstransferprozess (unnötiger Ladungstransfer-Schritt) zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R durchgeführt. In dem unnötigen Ladungstransferprozess wird das elektrische Potential an die Photo-Gatterelektrode PG und die unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode RG so angelegt, dass die potentielle Energie ϕRG der Region unmittelbar unter der unnötigen Ladungstransfer-Gatterelektrode RG niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Region (Ladungserzeugungsregion 24) unmittelbar unter der Photo-Gatterelektrode PG ist. Als Ergebnis wird die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R transferiert.
  • Nachdem der Ladungstransferprozess mehrfach in der Speicherperiode T2 durchgeführt ist, wird ein erster Leseprozess (Hochsensitivitäts-Leseprozess) (erster Leseschritt) zum Lesen der in der ersten Ladungsspeicherregion P1 gespeicherten Ladungsmenge durchgeführt (Zeit T3). Nach dem ersten Leseprozess wird eine höhere Spannung als die in der Speicherperiode T2 angelegte Spannung an die erste Überfluss-Gatterelektrode OV1 angelegt, um die potentielle Energie ϕOV1 der Region unmittelbar unter der ersten Überfluss-Gatterelektrode OV1 zu reduzieren, wodurch ein zweiter Ladungstransferprozess (zweiter Ladungstransfer-Schritt) zum Transferieren der in der ersten Ladungsspeicherregion P1 gespeicherten Ladung an die erste Überflussregion Q1 durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird in dem zweiten Ladungstransferprozess die in der ersten Ladungsspeicherregion P1 gespeicherte Ladung an die erste Überflussregion Q1 transferiert, durch Anlegen des elektrischen Potentials an die erste Überfluss-Gatterelektrode OV1, so dass die potentielle Energie ϕOV1 reduziert wird. Nach dem zweiten Ladungstransferprozess wird ein zweiter Leseprozess (Niedersensitivitäts-Leseprozess) (zweiter Leseschritt) zum Lesen der in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 und der ersten Überflussregion Q1 gespeicherten Gesamtladungsmenge durchgeführt (Zeit T4).
  • Die Schleusenfunktion, welche durch die obige Operation realisiert werden kann, wird unter Bezugnahme auf 17 beschrieben. Wie im Beispiel von (1), gezeigt in 17, wenn das in der Nähe des Objekts OJ1 weg vom Bildsensor 10D um eine Distanz d1 reflektierte gepulste Licht detektiert wird, wird ein Spannungssignal mit einer um einen Betrag entsprechend der Distanz d1 verschobenen Phase an die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegt. Daher kann in einer Periode, während welcher das in der Nähe des Objekts OJ1 (das heißt ein Bereich weg von dem Bildsensor 10D um eine vorbestimmte Distanz) reflektierte gepulste Licht L auf die Ladungserzeugungsregion 24 einfällt, der erste Ladungstransferprozess zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die erste Ladungsspeicherregion P1 durchgeführt werden. Als Ergebnis ist es möglich, nur das in der Nähe des Objekts OJ1 reflektierte gepulste Licht L zu detektieren. Ähnlich, wie im Beispiel von (2) bis (4), gezeigt in 17, wenn das gepulste Licht L, das in einem Bereich weg vom Bildsensor 10D um eine vorbestimmte Distanz reflektiert wird, detektiert wird, wird ein Spannungssignal mit einer um einen Betrag entsprechend der Distanz verschobenen Phase an die erste Transfer-Gatterelektrode TX1 angelegt. Wie oben beschrieben, ist es gemäß der Licht-Detektionsvorrichtung 100 möglich, die Schleusenfunktion zum Detektieren nur des zu einem vorbestimmten Timing eintreffenden Lichts zu realisieren. Die Schleusenfunktion kann geeigneter Weise beispielsweise zum Messen der Fluoreszenz-Lebensdauer verwendet werden.
  • [Funktionen und Effekte von zweiter Ausführungsform]
  • In der Licht-Detektionsvorrichtung 100 weist der Bildsensor 10D die erste Überflussregion Q1 mit einer größeren Ladungsspeicherkapazität als der Ladungsspeicherkapazität der ersten Ladungsspeicherregion P1 und der an einer Region zwischen der ersten Ladungsspeicherregion P1 und der ersten Überflussregion Q1 angeordneten ersten Überfluss-Gatterelektrode OV1. Daher, da die aus der ersten Ladungs-Speicherregion P1 überfließende Ladung in der ersten Überflussregion Q1 gespeichert werden kann, ist es möglich, die Sättigung der Speicherkapazität zu unterdrücken. Zusätzlich, während der Ausführung des ersten Ladungstransferprozesses zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die erste Ladungsspeicherregion P1, ist die potentielle Energie ϕOV1 der Region unmittelbar unter der ersten Überfluss-Gatterelektrode OV1 niedriger als die potentielle Energie ϕPG der Ladungserzeugungsregion 24. Daher, selbst wenn die Ladung in der ersten Ladungsspeicherregion P1 in dem Ausmaß gespeichert wird, dass die Ladung in die erste Überflussregion Q1 überfließt, ist es möglich, zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 bleibt. Daher ist es gemäß der Licht-Detektionsvorrichtung 100 möglich, die Detektionsgenauigkeit zu verbessern.
  • Die Steuereinheit 4 führt den ersten Leseprozess nach Durchführen des ersten Ladungstransferprozesses mehrmalig durch. Auf diese Weise ist es möglich, das S/N-Verhältnis zu verbessern.
  • Die Ladungserzeugungsregion 24 beinhaltet die Lawinen-Multiplikationsregion 22. Daher, da die Lawinen-Multiplikation in der Ladungserzeugungsregion 24 veranlasst werden kann, ist es möglich, die Detektions-Sensitivität des Bildsensors 10D zu erhöhen. Andererseits, wenn die Lawinen-Multiplikationsregion 22 in der Ladungserzeugungsregion 24 enthalten ist, ist die erzeugte Ladungsmenge extrem groß. Jedoch ist es selbst in diesem Fall in der Detektionsvorrichtung 100 möglich, die Sättigung der Speicherkapazität ausreichend zu unterdrücken und ist es möglich, ausreichend zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 bleibt.
  • Die Steuereinheit 4 führt den zweiten Ladungstransferprozess zum Transferieren der in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 gespeicherten Ladung an die erste Überflussregion Q1 und den zweiten Leseprozess zum Lesen der in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 und der ersten Überflussregion Q1 gespeicherten Gesamtladungsmenge durch. Daher wird nicht nur die in der im ersten Leseprozess gelesenen ersten Ladungsspeicherregion P1 gespeicherten Ladungsmenge, sondern auch die in der ersten Ladungs-Speicherregion P1 und der ersten Überflussregion Q1 gespeicherte Gesamt-Ladungsmenge im zweiten Leseprozess eingelesen. Als Ergebnis ist es möglich, die Ladungsmengen-Detektionsgenauigkeit zu verbessern.
  • Die Steuereinheit 4 führt einen unnötigen Ladungstransfer-Prozess zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R unter Verwendung der unnötigen Ladungstransfer-Gatterelektrode RG in einer anderen Periode als der Periode durch, in welcher der erste Ladungstransferprozess durchgeführt wird. Daher, da die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R in einer anderen Periode als der Periode, während welcher der erste Ladungstransferprozess durchgeführt wird, transferiert werden kann, ist es möglich, weiter zu verhindern, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 verbleibt. Der unnötige Ladungstransferprozess ist insbesondere nützlich in einer Umgebung, in der es viel Umgebungslicht gibt.
  • Die Steuereinheit 4 führt den ersten Ladungstransferprozess in einer Periode durch, während welcher das vom Objekt OJ reflektierte gepulste Licht L auf die Ladungserzeugungsregion 24 einfällt. Daher ist es möglich, die in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugte Ladungsmenge genau zu detektieren, in der Periode, während welcher das durch das Objekt OJ reflektierte gepulste Licht L auf die Ladungserzeugungsregion 24 einfällt.
  • [Modifikationsbeispiele der zweiten Ausführungsform]
  • Als ein Modifikationsbeispiel kann es sein, dass im Bildsensor 10D die unnötige Ladungs-Entlade-Region R und die unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode RG nicht in jeder Pixeleinheit 11 vorgesehen sind. Der Bildsensor dieses Modifikationsbeispiels wird beispielsweise wie in 18 gezeigt angetrieben. Bei diesem Antriebsverfahren wird der unnötige Ladungstransferprozess zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion 24 erzeugten Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region R nicht durchgeführt. Auch ist es in diesem Modifikationsbeispiel, wie in der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform, möglich, die Detektionsgenauigkeit durch Unterdrücken der Sättigung der Speicherkapazität und Unterdrücken, dass die Ladung in der Ladungserzeugungsregion 24 verbleibt, zu verbessern. Der Bildsensor dieses Modifikationsbeispiels kann geeigneter Weise beispielsweise verwendet werden, wenn es schwierig ist, dass Umgebungslicht auf die Ladungserzeugungsregion 24 in einer anderen Periode als der Periode einfällt, während welcher der erste Ladungstransferprozess durchgeführt wird. Als ein Beispiel eines solchen Falls gibt es einen Fall, bei dem Lichtdetektion in einer Dunkelkammer durchgeführt wird.
  • Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und Modifikationsbeispiele beschränkt. Beispielsweise sind Material und Form jeder Komponente nicht auf die Materialien und Formen, die oben beschrieben sind, beschränkt, und es können verschiedene Materialien und Formen angewendet werden. In den Distanzmess-Sensoren 10A und 10C und dem Bildsensor 10D kann die an die unnötigen Ladungs-Entlade-Region R und R1 bis R4 transferierte Ladung gespeichert und gelesen werden, ohne nach außen entladen zu werden. Das heißt, dass die unnötigen Ladungs-Entlade-Regionen R und R1 bis R4 als Ladungsspeicherregionen fungieren können. In diesem Fall kann anderes Licht (Licht das keine Distanzinformation enthält) als Signallicht gelesen und verwendet werden.
  • Es kann sein, dass die Lawinen-Multiplikationsregion 22 nicht in der Halbleiterschicht 20 gebildet ist. Das heißt, dass die Ladungserzeugungsregion 24 nicht die Lawinen-Multiplikationsregion 22 enthalten kann. Zumindest eines von der Napfregion 31 und der Barriere-Region 32 mögen nicht in der Halbleiterschicht 20 gebildet sein. Die Signalverarbeitungseinheit 3 kann weggelassen werden und die Steuereinheit 4 kann direkt mit den Distanzmess-Sensoren 10A bis 10C verbunden werden. Es kann sein, dass der zweite Ladungstransferprozess und der zweite Leseprozess nicht durchgeführt werden. Es kann sein, dass der erste Leseprozess durchgeführt wird, nachdem der erste Ladungstransferprozess einmal durchgeführt ist.
  • In den Distanzmess-Sensoren 10A und 10C und dem Bildsensor 10D ist es möglich, Licht auf die Halbleiterschicht 20 von entweder der ersten Seite oder der zweiten Seite einfallen zu lassen. Wenn beispielsweise Licht auf die Halbleiterschicht 20 von der zweiten Seite aus einfällt, kann die Gegenelektrode 50 aus einem Material mit Leitfähigkeit und Lichttransmission gebildet sein (beispielsweise Polysilizium). In einem der Distanzmess-Sensoren 10A bis 10B und dem Bildsensor 10D können die p-Typ- und n-Typ-Leitfähigkeitstypen entgegengesetzt jenen sein, die oben beschrieben sind. In jeglichem der Distanzmess-Sensoren 10A bis 10C und dem Bildsensor 10D kann die Anzahl von Pixeln 11a in einer eindimensionalen Weise entlang der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 ausgerichtet sein. Es kann sein, dass jeder der Distanzmess-Sensoren 10A bis 10C und des Bildsensors 10D nur ein einzelnes Pixel 11a aufweisen. Die Ladungsspeicherkapazität der ersten Überflussregion Q1 kann gleich oder kleiner als die Ladungsspeicherkapazität der ersten Ladungsspeicherregion P1 sein. Die Ladungsspeicherkapazität der Überflussregion Q2 kann gleich oder kleiner als die Ladungsspeicherkapazität der zweiten Ladungs-Speicherregion P2 sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Distanzmessvorrichtung (Licht-Detektionsvorrichtung)
    100
    Licht-Detektionsvorrichtung
    2
    Lichtquelle
    4
    Steuereinheit
    10A, 10B, 10C
    Distanzmess-Sensor (Bildsensor, Photosensor)
    10D
    Bildsensor (Photosensor)
    22
    Lawinen-Multiplikationsregion
    24
    Ladungserzeugungsregion
    P1
    Erste Ladungsspeicherregion
    P2
    Zweite Ladungsspeicherregion
    P3
    Dritte Ladungsspeicherregion
    P4
    Vierte Ladungsspeicherregion
    Q1
    Erste Überflussregion
    Q2
    Zweite Überflussregion
    Q3
    Dritte Überflussregion
    Q4
    Vierte Überflussregion
    R, R1, R2, R3, R4
    Unnötige Ladungs-Entlade-Region
    PG
    Photo-Gatterelektrode
    TX1
    Erste Transfer-Gatterelektrode
    TX2
    Zweite Transfer-Gatterelektrode
    TX3
    Dritte Transfer-Gatterelektrode
    TX4
    Vierte Transfer-Gatterelektrode
    OV1
    Erste Überfluss-Gatterelektrode
    OV2
    Zweite Überfluss-Gatterelektrode
    OV3
    Dritte Überfluss-Gatterelektrode
    OV4
    Vierte Überfluss-Gatterelektrode
    RG
    Unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2005/083790 A [0003]

Claims (9)

  1. Licht-Detektionsvorrichtung, umfassend: einen Photosensor; und eine Steuereinheit, die den Photosensor steuert, wobei der Photosensor eine Ladungs-Erzeugungsregion, die Ladung in Reaktion auf Einfallslicht erzeugt, eine Ladungs-Speicherregion, eine Überflussregion, eine Transfer-Gatterelektrode, die auf einer Region zwischen der Ladungs-Erzeugungsregion und der Ladungs-Speicherregion angeordnet ist, und eine Überfluss-Gatterelektrode, die auf einer Region zwischen der Ladungs-Speicherregion und der Überflussregion angeordnet ist, beinhaltet, die Steuereinheit einen ersten Ladungstransfer-Prozess durchführt, der zum Transferieren von in der Ladungs-Erzeugungsregion erzeugter Ladung an die Ladungs-Speicherregion dient, durch Anlegen eines elektrischen Potentials an der Transfer-Gatterelektrode so, dass eine Potentialenergie einer Region unmittelbar unter der Transfer-Gatterelektrode niedriger als eine Potentialenergie der Ladungs-Erzeugungsregion ist, und einen ersten Leseprozess, der zum Auslesen einer in der Ladungsspeicherregion nach dem ersten Ladungs-Transferprozess gespeicherten Ladungsmenge dient, und in dem ersten Ladungstransferprozess ein elektrisches Potential an die Überfluss-Gatterelektrode so angelegt wird, dass eine potentielle Energie eine Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist.
  2. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit den ersten Leseprozess nach mehrmals Durchführen des ersten Ladungs-Transferprozesses durchführt.
  3. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Ladungserzeugungsregion eine Lawinen-Multiplikationsregion beinhaltet.
  4. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit einen zweiten Ladungs-Transferprozess, der zum Transferieren der in der Ladungsspeicherregion gespeicherten Ladung an die Überflussregion dient, durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die Überfluss-Gatterelektrode, so dass die Potential-Energie der Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode nach dem ersten Leseprozess reduziert wird, und einen zweiten Leseprozess durchführt, der zum Auslesen einer in der Ladungs-Speicherregion und der Überflussregion nach dem zweiten Ladungs-Transferprozess gespeicherten Gesamt-Ladungsmenge dient.
  5. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Photosensor weiter eine unnötige Ladungs-Entlade-Region und eine unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode enthält, die an einer Region zwischen der Ladungserzeugungsregion und der unnötigen Ladungs-Entlade-Region angeordnet ist, und die Steuereinheit einen unnötigen Ladungstransferprozess zum Transferieren der in der Ladungserzeugungsregion erzeugten Ladung an die unnötige Ladungs-Entlade-Region durchführt, durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die unnötige Ladungstransfer-Gatterelektrode, so dass eine potentielle Energie einer Region unmittelbar unter der unnötigen Ladungstransfer-Gatterelektrode niedriger als die Potential-Energie der Ladungserzeugungsregion in einer anderen Periode als einer Periode ist, während welcher der erste Ladungstransfer-Prozess durchgeführt wird.
  6. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend: eine Lichtquelle, die Detektionslicht emittiert, wobei die Steuereinheit den ersten Ladungstransfer-Prozess in einer Periode durchführt, während welcher reflektiertes Licht des Detektionslichts auf ein Objekt auf die Ladungserzeugungsregion einfällt.
  7. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter umfassend: eine Photo-Gatterelektrode, die auf der Ladungserzeugungsregion angeordnet ist, wobei im ersten Ladungstransferprozess die Steuereinheit ein elektrisches Potential an die Photo-Gatterelektrode und die Überfluss-Gatterelektrode so anlegen, dass die potentielle Energie der Region unmittelbar unter der Transfer-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist und die potentielle Energie der Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist.
  8. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Überflussregion eine größere Ladungs-Speicherkapazität als eine Ladungs-Speicherkapazität der Ladungsspeicherregion aufweist.
  9. Verfahren zum Antreiben eines Photosensors, wobei der Photosensor eine Ladungserzeugungsregion, die Ladung in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugt, eine Ladungsspeicherregion, eine Überflussregion, eine Transfer-Gatterelektrode, die an einer Region zwischen der Ladungserzeugungsregion und der Ladungsspeicherregion angeordnet ist, und eine Überfluss-Gatterelektrode, die an einer Region zwischen der Ladungsspeicherregion und der Überflussregion angeordnet ist, beinhaltet, das Verfahren zum Antreiben des Photosensors umfasst: einen Ladungstransfer-Schritt zum Transferieren von in der Ladungserzeugungsregion erzeugter Ladung an die Ladungsspeicherregion durch Anlegen eines elektrischen Potentials an der Transfer-Gatterelektrode, so dass eine potentielle Energie einer Region unmittelbar unter der Transfer-Gatterelektrode niedriger als eine potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist; und einen Leseschritt zum Auslesen einer in der Ladungsspeicherregion nach dem Ladungstransfer-Schritt gespeicherten Ladungsmenge, und im Ladungstransfer-Schritt ein elektrisches Potential an die Überfluss-Gatterelektrode so angelegt wird, dass eine potentielle Energie einer Region unmittelbar unter der Überfluss-Gatterelektrode niedriger als die potentielle Energie der Ladungserzeugungsregion ist.
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