JP2008270675A

JP2008270675A - 受光素子、受光素子の感度制御方法、空間情報の検出装置

Info

Publication number: JP2008270675A
Application number: JP2007114896A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Hashimoto; 裕介橋本; Yuji Takada; 裕司高田; Fumikazu Kurihara; 史和栗原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: JP5185562B2

Abstract

【課題】感光部の占有面積を小さくすることを可能とした受光素子を提供する。
【解決手段】受光強度に応じた量の電荷を生成する感光部２が半導体基板１０に形成される。感光部２の受光面に配置される感度制御電極１３を有し、感度制御電極１３に印加する制御電圧の電圧値に応じて感光部２のポテンシャルが調節される。感光部２は、感度制御電極１３に制御電圧が印加されない状態でポテンシャル井戸を形成する保持領域１４と、感光部２の受光面に沿う面内で保持領域１４とは異なる部位に設けられ感度制御電極１３に制御電圧を印加した状態で保持領域１４とともにポテンシャル井戸を形成する調節領域１５とを備える。したがって、感度制御電極１３への制御電圧の印加の有無により、感光部２に形成されるポテンシャル井戸の開口面積を変化させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気的に感度を制御することができる受光素子、この受光素子の感度制御方法、この受光素子を用いた空間情報の検出装置に関するものである。

従来から、受光素子の感度を外部信号によって制御しようとする場合に、受光素子の前方に外部信号によって通過光量を調節することができる光学部材を配置する構成が広く採用されている。また、受光素子に入射する光量を制御するのではなく、受光素子で受光強度に対応して発生した電荷のうち実際に信号電荷として外部に取り出す割合を制御することによって、実質的に受光素子の感度を制御する技術も知られている（たとえば、特許文献１参照）。

すなわち、特許文献１に記載の技術では、感光部の受光面に複数個の制御電極を配置し、制御電極に制御電圧を印加することにより感光部にポテンシャル井戸を形成して電荷の集積および保持を行っている。制御電圧を印加する制御電極の個数を変化させると、受光面に沿ったポテンシャル井戸の開口面積が変化するから、開口面積を大きくして電荷を集積し、開口面積を小さくして電荷の保持を行っている。

受光素子の感度を制御する技術は、たとえば、強度変調した光を発光源から対象空間に放射し、対象空間に存在する物体により反射された反射光を受光素子で受光し、発光源から放射した光と受光素子で受光した光との関係に基づいて、対象空間に存在する物体までの距離、物体の反射率、対象空間の透過率など、対象空間に関する各種情報を検出するために採用される。
特開２００４−３０９３１０号公報

ところで、特許文献１に記載の技術では、１個の感光部に設ける制御電極の個数に応じて開口率を大きくとることができるという利点があるが、１個の感光部について複数個の制御電極が必要になるから、１個の感光部が占有する面積が大きくなるという問題がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、感光部の占有面積を小さくすることを可能とした受光素子を提供することにある。また、この受光素子の感度制御方法、この受光素子を用いた空間情報の検出装置の提供も目的としている。

請求項１の発明は、半導体により形成され受光強度に応じた量の電荷を生成する感光部と、感光部の受光面に配置され印加する制御電圧の電圧値に応じて感光部のポテンシャルを調節する感度制御電極と、感光部に形成したポテンシャル井戸に集積した電荷を感光部から取り出す電荷取出部とを備え、感光部は、感度制御電極に印加される制御電圧が第１の電圧値である状態で電荷を保持するポテンシャル井戸を形成する保持領域と、感光部の受光面に沿う面内で保持領域とは異なる部位に設けられ感度制御電極に印加される制御電圧が第２の電圧値である状態で保持領域とともに電荷を集積するポテンシャル井戸を形成する調節領域とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記保持領域は不純物濃度が前記調節領域よりも高濃度であることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記保持領域は前記調節領域と同じ導電形であることを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記保持領域は前記調節領域の中に包含されていることを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記保持領域は、感度制御電極の投影面内に配置されていることを特徴とする。

請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明において、前記感光部と前記感度制御電極との間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の受光素子の感度制御方法であって、前記保持領域と前記調節領域とに形成されるポテンシャル井戸を併せて電荷の集積に用いる集積期間と、調節領域にポテンシャル井戸を形成せずに保持領域のみで電荷を保持する保持期間とを設けるように、前記感度制御電極への制御電圧を変化させることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の受光素子を用いて、所定の変調信号で強度変調した光が投光されている対象空間からの光を受光し、前記保持領域と前記調節領域とに形成されるポテンシャル井戸を併せて電荷の集積に用いる集積期間と、調節領域にポテンシャル井戸を形成せずに保持領域のみで電荷を保持する保持期間とを、変調信号に関連付けた特定のタイミングで設けるように前記感度制御電極への制御電圧を変化させる制御部と、電荷取出部により取り出した電荷を用いて対象空間に関する情報を評価する評価部とを備えることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、感光部の受光面に沿う面内で互いに異なる部位に保持領域と調節領域とを設け、感度制御電極に印加する制御電圧の電圧値に応じて、保持領域に電荷を保持するポテンシャル井戸を形成する状態と、保持領域と調節領域とに電荷を集積するポテンシャル井戸を形成する状態と選択可能にしているから、感光部の受光面に沿う面内で電荷を集積する領域の面積を制御電圧の電圧値に応じて変化させ、感光部で生成された電荷のうち利用に供する電荷の割合を１個の感度制御電極に印加する制御電圧の電圧値によって調節することができる。つまり、感光部で電荷を集積する領域の面積を変化させることによって感光部の感度調節を可能にしながらも、感光部に複数個の制御電極を設ける構成に比較すると、感光部の占有面積を小さくすることが可能になる。その結果、半導体に多数個の感光部を配列した受光素子（撮像素子）を形成する場合には、感光部の配列密度を高めることが可能になり、受光素子の小型化につながる。また、１個の感光部に１個の感度制御電極を設けているから、１個の感光部に複数個の制御電極を設ける構成に比較すると構造が簡単であり、感度制御電極に印加する制御電圧の制御も簡単になる。

請求項２の発明の構成によれば、保持領域は不純物濃度が調節領域よりも高濃度であるから、感度制御電極に印加する制御電圧の電圧値を変えることにより、保持領域と調節領域とを併せて電荷の集積を行う状態と、保持領域で電荷を保持する状態との制御を容易に行うことができる。また、感度制御電極に制御電圧を印加しない状態、すなわち、第１の電圧値をゼロボルトにした状態で保持領域に電荷を保持させることが可能になるから、電界の保持に際しては実質的に電力の消費がなく、低消費電力の受光素子を提供することができる。

請求項３の発明の構成によれば、保持領域と調節領域とを同じ導電形としているから、調節領域と周辺領域とのポテンシャル差によって境界部分でのポテンシャルの変化が大きくなり、電荷を集積するポテンシャル井戸が側面の立ち上がりが急峻なバスタブ状になり、結果として電荷の集積効率が高くなる。なお、集積する電荷を電子とする場合にはｎ形を選択し、集積する電荷をホールとする場合にはｐ形を選択する。

請求項４の発明の構成によれば、保持領域を調節領域に包含し保持領域を調節領域で包んでいることにより、暗電流の発生を抑制することができる。とくに、保持領域の不純物濃度を調節領域よりも高濃度にし、かつ調節領域の周囲と保持領域との導電形が異なっている場合には、保持領域と周囲とが直接接触しているとｐｎ接合が形成されて電位勾配がきわめて大きくなるから、暗電流が発生しやすくなる。受光素子を撮像素子の画素に用いる場合には、暗電流が発生すると画質の劣化につながり、また画素の飽和限界が低下するという問題を生じる。これに対して、保持領域を調節領域に包含することによって、暗電流が低減されることになる。

請求項５の発明の構成によれば、保持領域が感度制御電極の投影面内に配置されているので、感度制御電極に印加する電圧を第２の電圧値として電荷を集積する期間から第１の電圧値として電荷を保持する期間に切り換える際に、電荷の移動範囲が感度制御電極の範囲内程度になり、電荷の移動距離が小さいことによって保持効率が高くなる。つまり、保持領域からの電荷の漏れ出しを抑制することができる。

請求項６の発明の構成によれば、感光部がＭＩＳ構造になるから、感度制御電極に印加する電圧値を制御することにより感光部の感度を制御するだけではなく、生成された電荷の転送も感度制御電極に印加する電圧値の制御によって行うことが可能になる。つまり、感光部に電荷取出部の機能を兼用させているから、受光素子の構造が簡単になる。

請求項７の発明の構成によれば、集積期間には保持領域と調節領域とに形成されるポテンシャル井戸を併せて電荷の集積に用い、保持期間には保持領域のみで電荷を保持するから、集積期間には電荷の集積効率を保持期間よりも高めることで効率よく電荷を集積し、保持期間には電荷の集積効率を集積期間よりも下げることで主として電荷の保持を行うことができる。つまり、目的とする期間に集積期間を対応させ、目的外の期間に保持期間を対応させることにより、目的とする期間の受光光量に相当する電荷を選択的に集積することが可能になる。しかも、集積期間と保持期間とは、１個の感度制御電極に印加する制御電圧を変化させるだけで選択することができるから、感光部の占有面積を小さくすることが可能である上に、感度制御電極に印加する制御電圧の制御が簡単になる。

請求項８の発明の構成によれば、請求項７の発明の効果に加えて、変調信号の周期に関連付けたタイミングで制御電圧を変化させることにより、集積期間と保持期間とを設けているから、既知の変調信号と受光素子で受光した光との関係によって、対象物までの距離や対象物の反射率など種々の対象空間情報を得ることが可能になる。なお、距離を求める場合には、変調信号を周期的に変化する正弦波などとし、反射率などを求める場合には、変調信号に周期性は不要であって投光期間と非投光期間とを設ければよい。

（実施形態１）
本実施形態では、図１に示す構成の受光素子１を用いる。この受光素子１は、半導体基板１０の主表面に半導体基板１０とは導電形の異なるウェル領域１１を備え、ウェル領域１１の表面を含む半導体基板１０の表面が酸化膜からなる絶縁膜１２により覆われ、ウェル領域１１の一部に絶縁膜１２を介して感度制御電極１３を設けた構成を有する。この受光素子１の構造はＭＩＳ構造として知られている。絶縁膜１２および感度制御電極１３は光が透過するように材料が選択され、絶縁膜１２を通してウェル領域１１に光が入射すると、ウェル領域１１の内部に電荷が生成される。図示例のウェル領域１１の導電形はｎ形（またはｎ⁻形）であり、光の照射により生成される電荷のうち電子を利用に供するものとする。また、半導体基板１０の導電形はｐ形とする。

ウェル領域１１の主表面には、感度制御電極１３の一部に重複する形でウェル領域１１よりも不純物濃度が高濃度である保持領域１４が形成される。本実施形態では、ウェル領域１１のうち保持領域１４を除く部位を調節領域１５として用いる。保持領域１４と調節領域１５とは不純物濃度に差があればよい。ただし、以下の説明では保持領域１４がｎ^＋形であり、調節領域１５がｎ形である場合を想定する。すなわち、調節領域１５は、ウェル領域１１の一部に形成されることになる。言い換えると、半導体基板１０としてｎ形のものを用いれば、ウェル領域１１を設けることなく調節領域１５を形成することが可能である。

また、本実施形態では、保持領域１４を包含する形で調節領域１５を設けているが、この関係は必須ではなく、他の実施形態では調節領域１５が保持領域１４を包含していない構成例を示す。保持領域１４と調節領域１５とは光照射により電荷を生成する感光部２を構成し、各感光部２に１個ずつの感度制御電極１３が配置される。受光素子１は、１枚の半導体基板１０に複数個の感光部２を配列した撮像素子であってもよいが、以下の説明では、まず１個の感光部２について説明する。

いま、感度制御電極１３に印加する制御電圧の電圧値がゼロボルトである状態、言い換えると感度制御電極１３に制御電圧を印加しない状態における調節領域１５のポテンシャルを基準ポテンシャルとする。図２（ｂ）のように、基準ポテンシャルでは、感光部２に光が照射されることにより調節領域１５で電荷Ｑが生成されても、その電荷Ｑの大部分はウェル領域１１の深部で再結合して消滅する。また、保持領域１４は、調節領域１５よりもポテンシャルが深く、調節領域１５に対して相対的にポテンシャル井戸が形成されるから、保持領域１４に存在する電荷Ｑは散逸することなく保持領域１４に保持され、また、感光部２への光照射により生成された電荷Ｑは保持領域１４に集積される。

一方、半導体基板１０の基板電圧に対して正極性となる制御電圧を感度制御電極１３に印加すると、図２（ａ）のように、制御電圧を印加していない状態に比較して保持領域１４と調節領域１５とのポテンシャルがともに深くなり、保持領域１４だけではなく調節領域１５にもポテンシャル井戸が形成される。つまり、感光部２への光照射により生成された電荷Ｑは保持領域１４と調節領域１５との両方に集積される。図２（ａ）と図２（ｂ）とを比較すればわかるように、感度制御電極１３に制御電圧を印加するか正極性の制御電圧を印加するかに応じて、感光部２の受光面に沿う面内でのポテンシャル井戸（電荷を集積する領域）の開口面積が変化し、結果的に電荷Ｑの集積効率を変化させることができる。

言い換えると、感光部２の感度が変化することになる。保持領域１４と調節領域１５とに併せてポテンシャル井戸を形成する期間には、電荷Ｑの集積効率が高くなり高感度になるから、以下ではこの期間を集積期間と呼ぶ（図２（ａ）の状態の期間）。また、保持領域１４のみにポテンシャル井戸を形成する期間には、電荷の集積効率が低くなり低感度になって主として保持領域１４の電荷Ｑを保持するから、以下ではこの期間を保持期間と呼ぶ（図２（ｂ）の状態の期間）。本実施形態の動作では、保持期間に感度制御電極１３の電圧をゼロボルトとしているが、ゼロボルトでなくとも保持期間に印加する電圧が集積期間に印加する電圧よりも相対的に低ければよい。

集積期間と保持期間とは１回ずつ設けてから電荷を読み出すことも可能ではあるが、保持領域１４と調節領域１５とに合わせてポテンシャル井戸を形成することにより、感光部２の受光面に沿ったポテンシャル井戸の面積を大きくする集積期間と、保持領域１４にのみポテンシャル井戸を形成することにより、ポテンシャル井戸の面積を小さくする保持期間とを、複数回ずつ繰り返して電荷を蓄積した後に、電荷を取り出すようにすれば、電荷の蓄積によってショットノイズの影響を軽減することができる。

なお、図２（ｃ）のように、半導体基板１０の基板電圧に対して負極性となる適宜の制御電圧を感度制御電極１３に印加すると、保持領域１４のポテンシャルが浅くなり、調節領域１５のポテンシャルは基準ポテンシャルよりも浅くなってポテンシャル障壁を形成する。この関係を利用すれば、保持領域１４に保持した電荷Ｑを感光部２から取り出すことが可能になる。

たとえば、インターライントランスファ方式のＣＣＤ撮像素子のように、感光部２から垂直転送部に電荷を取り出す構成を採用すれば、図２（ｃ）の状態で、垂直転送部のポテンシャルを保持領域１４よりも深くしておくことにより、保持領域１４から垂直転送部に電荷を取り出すことができる。

あるいは、フレームトランスファ方式のＣＣＤ撮像素子のように、感光部２が垂直転送部と兼用されている場合には、図３に示すように、保持領域１４と調節領域１５とが並ぶ方向（図１の左右方向）とは直交する方向に、複数個の感光部２を配列しておき、図４に示すように、隣接する感光部２の一方（図４の左側の感光部２）で図２（ｃ）の状態とし、他方（図４の右側の感光部２）で図２（ａ）または図２（ｂ）の状態とすれば、図２（ｃ）の状態の感光部２から図２（ａ）または図２（ｂ）の状態の感光部２に電荷を転送することができる。図４における矢印は電荷Ｑの移動を示している。

上述のように、感度制御電極１３に印加する制御電圧を制御することにより、感光部２に形成したポテンシャル井戸に集積した電荷を感光部２から取り出すことができる。つまり、感度制御電極１３は電荷取出部として機能する。半導体基板１０から電荷を取り出す技術については、インターライントランスファ方式のＣＣＤ撮像素子やフレームトランスファ方式のＣＣＤ撮像素子と同様の技術を採用する。

上述したように、感度制御電極１３に印加する制御電圧の印加パターンを制御することにより、各感光部２の感度を制御して集積期間と保持期間とを設けるから、受光光量を検出しようとする所望期間を集積期間に一致させることにより所望期間における受光光量に相当する電荷を集積し、この電荷を保持して所望期間の受光光量を反映した量の電荷を感光部２から取り出すことができる。また、感光部２から電荷を取り出すまでに集積期間と保持期間とを複数回繰り返すことによって、複数回の集積期間の電荷を蓄積してから感光部２に取り出す動作も可能になる。

ところで、上述したように保持領域１４と調節領域１５とは導電形を同じにして不純物濃度を異ならせており、半導体基板１０と保持領域１４および調節領域１５とは異種導電形であるから、半導体基板１０と調節領域１５との境界部分においてポテンシャルが急激に変化しポテンシャル井戸の側面をバスタブ状に立ち上げることができる。その結果、ポテンシャル井戸を深部まで形成することができ、電荷の集積効率が高くなる。

また、本実施形態では、保持領域１４を調節領域１５に包含させてあり、保持領域１４が半導体基板１０に直接接触しないようにしてある。このことによって、不純物濃度が高濃度である保持領域１４と、保持領域１４とは導電形の異なる半導体基板１０との間のｐｎ接合による大きな電位勾配によって、多くの暗電流が生じるのを防止することができる。しかも、上述の構成例では、保持領域１４が感度制御電極１３の投影面内に配置されているから、感度制御電極１３に印加する電圧を変化させて集積期間から保持期間に移行させる際に、調節領域１５から保持領域１４への電荷の水平移動距離が小さく、このことによって保持領域１４への電荷の集積効率が高くなる。

以下では、上述した受光素子１の応用例として空間情報の検出装置を示す。空間情報の検出装置には、対象空間に存在する物体までの距離を計測する検出装置、対象空間における物体の存否や物体の反射率を検出する検出装置、対象空間の媒質の透過率を検出する検出装置などがある。

受光素子１は１個の感光部２を備えるものを用いてもよいが、以下に説明する空間情報の検出装置では、水平方向と垂直方向とに複数個ずつ（たとえば、１００×１００個）感光部２を配列した受光素子１を用いるものとする。つまり、受光素子１は、２次元格子の格子点上に感光部２を配列し、対象空間を撮像する撮像素子として構成される。

空間情報の検出装置は、基本的には図５に示すように、対象空間に投光する発光源３を用いたアクティブ型の検出装置であり、対象空間を受光素子１により撮像し、受光素子１の受光出力を評価部４に与え、後述する演算を行うことにより、対象空間に存在する物体６までの距離などを求める。また、受光素子１と発光源３との動作のタイミングは制御部５が制御する。制御部５は評価部４にも演算のタイミングを指示する。

したがって、物体の反射率や媒質の透過率を求める検出装置では、物体までの距離が既知であるときに、発光源３の消灯時の受光強度と発光源３の点灯時の受光強度との差分を求めれば、反射率が既知であるときには透過率を求めることができ、透過率が既知であるときには反射率を求めることができる。

以下では、上述した構成の受光素子１を用いて対象空間に存在する物体までの距離を求める空間情報の検出装置（つまり、測距装置）について説明する。

発光源３は複数個の赤外線発光ダイオードを並設して構成し、受光素子１へは赤外線透過フィルタを通して対象空間からの光を入射させる。つまり、距離の計測に用いる光として赤外線を用いることにより、受光素子１に可視光領域の光が入射するのを抑制している。評価部４および制御部５は、適宜のプログラムを実行するマイクロコンピュータによって構成する。

発光源３からは、一定周波数（たとえば、２０ＭＨｚの正弦波）で強度を変調した光（強度変調光）を対象空間に投光し、対象空間に存在する物体６で反射され受光素子１に入射した光の強度変化の位相と発光源３からの光の強度変化の位相との位相差を求め、この位相差を距離に換算する技術を用いている。つまり、発光源３から図６（ａ）のように強度変調光を対象空間に投光し、受光素子１の１つの感光部２に入射する光の強度が図６（ｂ）のように変化しているとすると、同位相の時間差Δｔは物体６までの距離Ｌを反映しているから、光速をｃ［ｍ／ｓ］として、時間差Δｔ［ｓ］を用いると、物体６までの距離Ｌは、Ｌ＝ｃ・Δｔ／２で表される。光の強度を変調する変調信号の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、位相差をφ［ｒａｄ］とすれば、時間差Δｔは、Δｔ＝φ／２πｆであるから、位相差φを求めることにより距離Ｌを求めることができる。

この位相差φは、発光源３を駆動する変調信号と受光素子１の各感光部２への入射光との位相差とみなしてよい。そこで、感光部２への入射光の受光強度を変調信号の複数の異なる位相について求め、求めた位相の関係と受光強度とから入射光と変調信号との位相差φを求めることが考えられている。実際には、受光素子１の各感光部２において所定の位相幅（時間幅）を有する位相区間ごとの受光光量を検出し、この受光光量に相当する受光出力を位相差φの演算に用いる。各位相区間を９０度間隔とすれば、変調信号の１周期について等位相間隔の４つの位相区間が周期的に得られ、各位相区間の受光光量Ａ０〜Ａ３を用いることによって、位相差φは、φ＝ｔａｎ^−１｛（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）｝と表すことができる。なお、受光光量Ａ０〜Ａ３を変調信号のどの位相に対応させるかによって、位相差φの符号は変化する。また、図６に示す例では、各位相区間を９０度の位相幅に設定しているが、位相幅は適宜に設定することができる。

上述の演算を行うには、変調信号の各位相区間ごとの受光光量に応じた電子を感光部２で生成する必要がある。各位相区間ごとの受光光量を求めるには、感度制御電極１３に印加する電圧を変調信号に同期させて制御する。

この動作について説明する。制御部５は、各感度制御電極１３に対してそれぞれ電圧の印加の有無を制御することができる。上述したように、基板電圧に対して正極性となる制御電圧を感度制御電極１３に印加して集積期間とすれば、保持領域１４と調節領域１５とを併せた範囲にポテンシャル井戸が形成されるから電荷が高効率で集積され、基板電圧と同電位の制御電圧を感度制御電極１３に印加して保持期間とすれば、保持領域１４にのみポテンシャル井戸が形成されるから集積期間に集積した電荷が保持領域１４に集められ保持される。保持期間であっても保持領域１４に電荷が集積されることになるが、保持期間に形成されるポテンシャル井戸は、感光部２の受光面に沿う面内での開口面積が集積期間よりも小さく、保持期間には集積期間よりも電荷の集積効率が低下しているから、保持期間に保持された電荷の量は集積期間の受光光量を反映していることになる。なお、感光部２の受光面に沿う面内で集積領域１５の面積を保持領域１４の面積よりも大きくし、保持領域１４を遮光すれば、電荷を保持している期間における電荷の集積をさらに抑制することができる。

感光部２において、変調信号の特定の位相区間における受光光量に相当する電荷を集積するには、当該位相区間を集積期間に一致させ、他の位相区間を保持期間とするように感度制御電極１３に制御電圧を印加すればよい。制御部５は、感度制御電極１３への電圧の印加パターンを時間経過に伴って変化させる。たとえば、変調信号の各周期の同じ位相区間が集積期間となるように感度制御電極１３に電圧を印加することにより、当該位相区間に生成される電荷を複数周期に亘って蓄積する動作が可能である。この動作では、変調信号の１周期の位相区間で得られる受光光量が少ない場合であっても、感光部２において電荷を蓄積して電荷の量を増加させることができる。もっとも、受光強度が高い場合には電荷を累積させると飽和しやすくなるから、電荷を累積させるか否かは使用環境に応じて適宜に定める。

評価部４では、各感光部２ごとに得られる各位相区間に対応する受光出力を用い、上述した演算により位相差を求め、各感光部２ごとに距離を計測する。つまり、各感光部２の画素値を距離とした距離画像を生成する。

なお、図示例では受光光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求める４個の位相区間を、変調信号の１周期内で９０度ごとに異なる位相区間としているが、変調信号に対する位相区間が規定されていれば９０度ごとに異なる位相区間でなくてもよい。

（実施形態２）
実施形態１は、調節領域１５が保持領域１４を包含している構成を例示したが、本実施形態は、図７に示すように、感光部２において、保持領域１４の一部が調節領域１５の外側に形成されている例を示す。ただし、実施形態１と同様に、保持領域１４は感度制御電極１３の一部に重複している。言い換えると、感度制御電極１３はその一部が調節領域１５に重複しないように配置される。保持領域１４は実施形態１と同様に調節領域１５よりも不純物濃度が高濃度であって、保持領域１４は調節領域１５よりもポテンシャルが深くなっている。

基本的な動作は実施形態１と同様であり、図８（ｂ）のように、感度制御電極１３に印加する制御電圧の電圧値を基板電圧とすると（つまり、ゼロボルトとすると）、保持領域１４にはポテンシャル井戸が形成されるが、調整領域１５は基準ポテンシャルであるから、感光部２に光が照射されても電荷Ｑの集積効率が低く、主として電荷Ｑの保持が行われる。

一方、図８（ａ）のように、基板電圧に対して正極性となる制御電圧を感度制御電極１３に印加すると、制御電圧を印加していない状態に比べて保持領域１４および調節領域１５のポテンシャルが深くなり、保持領域１４と調節領域１５との両方に電荷Ｑを集積するポテンシャル井戸が形成される。したがって、電荷Ｑを効率よく集積することが可能になる。

また、図８（ｃ）のように、半導体基板１０の基板電圧に対して負極性となる適宜の制御電圧を感度制御電極１３に印加すると、保持領域１４のポテンシャルが浅くなり、調節領域１５のポテンシャルは基準ポテンシャルよりも浅くなってポテンシャル障壁を形成する。ここに、保持領域１４の一部は調節領域１５に含まれずウェル領域１１の外側に設けられており、保持領域１４と半導体基板１０との境界のポテンシャル差によるポテンシャル障壁が形成される。したがって、図７の右側に隣接する感光部２が存在する場合に、ウェル領域１１の距離が遠くなることにより、隣接する感光部２への電荷の流出を抑制することができる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態は、図９に示すように、感光部２において、保持領域１４の一部が調節領域１５の外側に形成されているだけではなく、保持領域１４の一部に感度制御電極１３と重複しない部位が形成されている例を示す。ただし、実施形態１と同様に、感度制御電極１３は調節領域１５の一部に重複している。つまり、感度制御電極１３は調節領域１５の一部に重複するが、保持領域１４はその一部が感度制御電極１３に重複しないように形成されている。保持領域１４は実施形態１と同様に調節領域１５よりも不純物濃度が高濃度であって、保持領域１４は調節領域１５よりもポテンシャルが深くなっている。

この構成では、図１０（ｂ）のように、感度制御電極１３に印加する制御電圧の電圧値を基板電圧とすると（つまり、ゼロボルトとすると）、保持領域１４にはポテンシャル井戸が形成されるが、調整領域１５は基準ポテンシャルであるから、感光部２に光が照射されても電荷Ｑの集積効率が低く、主として電荷Ｑの保持が行われる。

一方、図１０（ａ）のように、基板電圧に対して正極性となる制御電圧を感度制御電極１３に印加すると、制御電圧を印加していない状態に比べて保持領域１４の一部と調節領域１５とのポテンシャルが深くなり、保持領域１４と調節領域１５との両方に電荷Ｑを集積するポテンシャル井戸が形成される。ただし、保持領域１４の一部は感度制御電極１３とは重複していないから、この部位については図１０（ｂ）の状態に対するポテンシャルの変化は少ない。

また、図１０（ｃ）のように、半導体基板１０の基板電圧に対して負極性となる適宜の制御電圧を感度制御電極１３に印加すると、保持領域１４において感度制御電極１３に重複している部位のポテンシャルが浅くなり、調節領域１５のポテンシャルは基準ポテンシャルよりも浅くなってポテンシャル障壁を形成する。

本実施形態の構成では、保持領域１４の一部が感度制御電極１３と重複していないことによって、保持領域１４の内部でポテンシャル差が生じている。他の構成および動作は実施形態１と同様である。

なお、実施形態２、３において調節領域１５の右側にのみ保持領域１４を設けているが、左右両側に保持領域１４を設ける構成を採用してもよい。また、上述の構成例では、保持領域１４と調節領域１５とを２段階の不純物濃度で区分しているが、保持領域１４と調節領域１５との不純物濃度を複数段階に変化させたり連続的に変化させる構成を採用することも可能である。半導体の導電形は利用に供する電荷の極性に応じて適宜に選択することができる。さらに、保持領域１４と調節領域１５とを異種導電形とすることにより、ポテンシャルに差を設けるようにすることも可能である。この場合であっても、保持領域１４よりも調節領域１５の不純物濃度を低濃度にしておく。たとえば、保持領域１４をｎ^＋形とすれば、調節領域１５をｐ⁻形とすることによって、上述した各実施形態と同様の動作が可能になる。この構成の場合は、導電形がｐ⁻形である半導体基板１０を用いることによりウェル領域１１を形成することなく、半導体基板１０の一部を調節領域１５として用いるようにしてもよい。

実施形態１を示す要部断面図である。同上の動作説明図である。同上の正面図である。同上の動作説明図である。同上を用いた測距装置のブロック図である。図５に示した測距装置の動作説明図である。実施形態２を示す要部断面図である。同上の動作説明図である。実施形態３を示す要部断面図である。同上の動作説明図である。

符号の説明

１受光素子
２感光部
３発光源
４評価部
５制御部
１０半導体基板
１１ウェル領域
１２絶縁膜
１３感度制御電極（電荷取出部）
１４保持領域
１５調節領域

Claims

半導体により形成され受光強度に応じた量の電荷を生成する感光部と、感光部の受光面に配置され印加する制御電圧の電圧値に応じて感光部のポテンシャルを調節する感度制御電極と、感光部に形成したポテンシャル井戸に集積した電荷を感光部から取り出す電荷取出部とを備え、感光部は、感度制御電極に印加される制御電圧が第１の電圧値である状態で電荷を保持するポテンシャル井戸を形成する保持領域と、感光部の受光面に沿う面内で保持領域とは異なる部位に設けられ感度制御電極に印加される制御電圧が第２の電圧値である状態で保持領域とともに電荷を集積するポテンシャル井戸を形成する調節領域とを備えることを特徴とする受光素子。
前記保持領域は不純物濃度が前記調節領域よりも高濃度であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
前記保持領域は前記調節領域と同じ導電形であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の受光素子。
前記保持領域は前記調節領域の中に包含されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の受光素子。
前記保持領域は、感度制御電極の投影面内に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の受光素子。
前記感光部と前記感度制御電極との間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれれか１項に記載の受光素子。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の受光素子の感度制御方法であって、前記保持領域と前記調節領域とに形成されるポテンシャル井戸を併せて電荷の集積に用いる集積期間と、調節領域にポテンシャル井戸を形成せずに保持領域のみで電荷を保持する保持期間とを設けるように、前記感度制御電極への制御電圧を変化させることを特徴とする受光素子の感度制御方法。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の受光素子を用いて、所定の変調信号で強度変調した光が投光されている対象空間からの光を受光し、前記保持領域と前記調節領域とに形成されるポテンシャル井戸を併せて電荷の集積に用いる集積期間と、調節領域にポテンシャル井戸を形成せずに保持領域のみで電荷を保持する保持期間とを、変調信号に関連付けた特定のタイミングで設けるように前記感度制御電極への制御電圧を変化させる制御部と、電荷取出部により取り出した電荷を用いて対象空間に関する情報を評価する評価部とを備えることを特徴とする空間情報の検出装置。