JP2009047661A - Ranging device - Google Patents

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Mitsutaka Takemura
光隆 武村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ranging device capable of measuring the distance to an object, accurately and simply in a short detection time. <P>SOLUTION: When level of a transmission voltage is lowered in proportion to the intensity of external light during transmission, a barrier is set high, and more carriers of the charge quantity remain inside first and second potential wells ϕ<SB>CD1</SB>, ϕ<SB>CD2</SB>. A unit period is set, independently of the intensity of the external light. Many carriers remain, in proportion to the intensity of the external light, and are finally removed from read-out carriers. The number of times of transfer per unit period is increased if it is proportional to the intensity of the external light, and transfer is performed prior to the saturation of the carriers accumulated in the first and second potential wells ϕ<SB>CD1</SB>, ϕ<SB>CD2</SB>; and if the external light is weak, the number of times of transfer per unit period is decreased, extra transfers are avoided, the accumulated charge quantity per unit time can be increased, and detection accuracy can be improved during short detection time. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、測距装置に関する。   The present invention relates to a distance measuring device.

従来の測距装置は、下記特許文献1、特許文献2及び特許文献3に記載されている。   Conventional distance measuring devices are described in Patent Literature 1, Patent Literature 2, and Patent Literature 3.

特許文献1に記載の測距装置は、光源から出射された光を対象物に照射し、対象物からの反射光を光検出素子で測定しており、照射光と反射光の位相差に基づいて対象物までの距離を求めている。ここで、特許文献1に記載の測距装置では、光検出素子が飽和しないように、モニタされた光量に応じてその検出期間を設定している。光検出素子は、長期間と短期間の2つの期間で反射光を検出し、光検出素子が飽和していない期間の電荷量を選択し、他方の期間の電荷量を破棄している。   The distance measuring device described in Patent Document 1 irradiates an object with light emitted from a light source, measures reflected light from the object with a light detection element, and is based on a phase difference between the irradiated light and reflected light. To find the distance to the object. Here, in the distance measuring device described in Patent Document 1, the detection period is set according to the monitored light amount so that the light detection element is not saturated. The photodetection element detects reflected light in two periods, a long period and a short period, selects the amount of charge during a period when the photodetection element is not saturated, and discards the amount of charge during the other period.

特許文献2に記載の測距装置も、特許文献1と同様に、光源から出射された光を対象物に照射し、対象物からの反射光を光検出素子で測定しており、照射光と反射光の位相差に基づいて対象物までの距離を求めている。ここで、特許文献2に記載の測距装置では、光検出素子の露光期間を、初期検出された光量レベルに応じて適切に設定し、光検出素子の飽和を抑制している。   Similarly to Patent Document 1, the distance measuring device described in Patent Document 2 irradiates the object with light emitted from the light source, and measures reflected light from the object with a light detection element. The distance to the object is obtained based on the phase difference of the reflected light. Here, in the distance measuring device described in Patent Document 2, the exposure period of the light detection element is appropriately set according to the initially detected light amount level to suppress saturation of the light detection element.

特許文献3に記載の測距装置は、上記と同様の測距動作を、マイクロプロセッサを用いて実現している。
特開2006−84430号公報 米国特許出願公開2006/0176467号明細書 米国特許6,919,549号明細書
The distance measuring device described in Patent Document 3 realizes a distance measuring operation similar to the above using a microprocessor.
JP 2006-84430 A US Patent Application Publication No. 2006/0176467 US Pat. No. 6,919,549

しかしながら、特許文献1に記載された測距装置では、検出に寄与しない電荷は破棄しているため、必要な電荷量を得るための検出時間が長くなり、検出時間を短くすると距離検出精度が劣化するという問題がある。特許文献2に記載された測距装置では、光検出素子の露光期間が異なるため、光検出素子からの電荷の読み出し時刻を、光量レベル毎に変更する制御が必要であり、後段回路において複雑な信号処理を要するという問題がある。特許文献3に記載の装置における問題も同様である。   However, since the distance measuring device described in Patent Document 1 discards charges that do not contribute to detection, the detection time for obtaining the necessary charge amount becomes longer, and the distance detection accuracy deteriorates if the detection time is shortened. There is a problem of doing. In the distance measuring device described in Patent Document 2, since the exposure period of the light detection element is different, it is necessary to control the time for reading the charge from the light detection element for each light amount level, which is complicated in the subsequent circuit. There is a problem that signal processing is required. The problem with the apparatus described in Patent Document 3 is the same.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、短い検出時間で正確且つ簡単に対象物までの距離を測定可能な測距装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a distance measuring device that can accurately and easily measure the distance to an object in a short detection time.

上述の課題を解決するため、本発明に係る測距装置は、変調した光を対象物に向けて出射する光源と、半導体基板に設けられた第1及び第2ゲート電極に交互に電圧を印加することで、入射光に応じて発生したキャリアを、交互に蓄積する第1及び第2ポテンシャル井戸と、第1及び第2ポテンシャル井戸にそれぞれ隣接した第3及び第4ポテンシャル井戸と、転送電圧が印加されることによって、第1ポテンシャル井戸と第3ポテンシャル井戸との間のキャリアに対する障壁高さを所定値に設定する第3ゲート電極と、転送電圧が印加されることによって、第2ポテンシャル井戸と第4ポテンシャル井戸との間のキャリアに対する障壁高さを所定値に設定する第4ゲート電極とを備え、単位期間の終期以降に第3及び第4ポテンシャル井戸内に累積的に蓄積された電荷をそれぞれ読み出す測距装置であって、外光を検出する検出手段と、転送電圧の印加を行う転送電圧印加手段と、検出手段により検出された外光の強度が高いほど、転送電圧の大きさを小さくし、且つ、単位期間当りの転送電圧印加回数を多くするように転送電圧印加手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a distance measuring device according to the present invention alternately applies a voltage to a light source that emits modulated light toward an object and first and second gate electrodes provided on a semiconductor substrate. Thus, the first and second potential wells that alternately accumulate carriers generated according to the incident light, the third and fourth potential wells adjacent to the first and second potential wells, respectively, and the transfer voltage are A third gate electrode that sets a barrier height for carriers between the first potential well and the third potential well to a predetermined value by being applied; and a transfer voltage that is applied to the second potential well; And a fourth gate electrode for setting a barrier height against carriers between the fourth potential well to a predetermined value, and the third and fourth potential wells after the end of the unit period. A distance measuring device that reads out each of the accumulated charges, a detection unit that detects external light, a transfer voltage application unit that applies a transfer voltage, and an intensity of external light detected by the detection unit. And a control means for controlling the transfer voltage application means so as to decrease the magnitude of the transfer voltage and increase the number of times of transfer voltage application per unit period.

光源から出射された変調光が対象物によって反射されると、この反射光が半導体基板に入射する。反射光と変調光との位相差に応じて、第1及び第2ポテンシャル井戸内に蓄積されるキャリアの電荷量が異なる。この位相差は、対象物までの距離に依存するため、蓄積された電荷量の比率から対象物までの距離を求めることができる。   When the modulated light emitted from the light source is reflected by the object, the reflected light enters the semiconductor substrate. Depending on the phase difference between the reflected light and the modulated light, the amount of charge of carriers accumulated in the first and second potential wells differs. Since this phase difference depends on the distance to the object, the distance to the object can be obtained from the ratio of the accumulated charge amount.

第1及び第2ポテンシャル井戸に蓄積されたキャリアは、第3及び第4ポテンシャル井戸との間の障壁高さが小さくなると、第3及び第4ポテンシャル井戸内にそれぞれ流れ込む。この障壁高さは、第3及び第4ゲート電極に印加される転送電圧の大きさに依存する。大きな転送電圧を印加すれば、障壁高さは小さくなり、多くのキャリアが、第1及び第2ポテンシャル井戸内から、第3及び第4ポテンシャル井戸内に流れ込む。   The carriers accumulated in the first and second potential wells flow into the third and fourth potential wells when the barrier height between the third and fourth potential wells decreases. This barrier height depends on the magnitude of the transfer voltage applied to the third and fourth gate electrodes. When a large transfer voltage is applied, the barrier height becomes small, and many carriers flow from the first and second potential wells into the third and fourth potential wells.

外光の入射に応じて発生するキャリアの電荷量と等しい電荷量のキャリアが、第1及び第2ポテンシャル井戸内に残留するように、障壁高さを設定すれば、転送時において、外光成分が除去されたキャリアが、第1及び第2ポテンシャル井戸内から第3及び第4ポテンシャル井戸内に流入する。第1及び第2ゲート電極には、交互に電圧を印加することで、第1及び第2ポテンシャル井戸内にキャリアを蓄積している。これらのポテンシャル井戸の蓄積されたキャリアのうち、外光成分が除去された電荷量のキャリアが、第3及び第4ポテンシャル井戸内に流れ込み、読み出される。   If the barrier height is set so that carriers having a charge amount equal to the charge amount of carriers generated in response to the incidence of external light remain in the first and second potential wells, the external light component is transferred during transfer. The carriers from which the ions are removed flow into the third and fourth potential wells from the first and second potential wells. By alternately applying a voltage to the first and second gate electrodes, carriers are accumulated in the first and second potential wells. Among the carriers accumulated in these potential wells, carriers having a charge amount from which the external light component has been removed flow into the third and fourth potential wells and are read out.

転送時において、検出手段により検出された外光の強度が高いほど、転送電圧の大きさを小さくすると、障壁高さが高くなり、より多くの電荷量のキャリアが、第1及び第2ポテンシャル井戸内に残留する。すなわち、外光の強度が高いほど、多くのキャリアが残留し、最終的に読み出されるキャリアから除去される。   At the time of transfer, the higher the intensity of the external light detected by the detection means, the lower the transfer voltage, the higher the barrier height, and more charge carriers are transferred to the first and second potential wells. Remains in. That is, the higher the intensity of external light, the more carriers remain and are removed from the carrier that is finally read.

ここで、単位期間当りの転送電圧印加回数は、外光の強度が高いほど、多くなる。すなわち、外光が強ければ、単位期間当りの転送回数が増加し、第1及び第2ポテンシャル井戸内に蓄積されるキャリアが飽和する前に、転送が行われる。外光が弱ければ、単位期間当りの転送回数が減少し、余分な転送を行わないことで、単位時間当たりの蓄積電荷量を増加させ、短い検出時間において検出精度を向上させることができる。   Here, the number of times of application of the transfer voltage per unit period increases as the intensity of external light increases. That is, if the external light is strong, the number of transfers per unit period increases, and transfer is performed before the carriers accumulated in the first and second potential wells are saturated. If the external light is weak, the number of transfers per unit period is reduced, and unnecessary transfer is not performed, thereby increasing the amount of accumulated charges per unit time and improving the detection accuracy in a short detection time.

この単位期間は、外光の強度に依存しないため、単位期間の終期以降に第3及び第4ポテンシャル井戸に蓄積されたキャリアを周期的に読み出せばよく、読み出しには格別の制御を必要としない。すなわち、本発明の測距装置によれば、簡単な構成で距離検出を行うことができる。   Since this unit period does not depend on the intensity of external light, it is only necessary to periodically read out the carriers accumulated in the third and fourth potential wells after the end of the unit period, and reading requires special control. do not do. That is, according to the distance measuring apparatus of the present invention, distance detection can be performed with a simple configuration.

また、本発明に係る測距装置は、光の入射面とは逆側に第1、第2、第3及び第4ゲート電極を設けることが好ましい。この測距装置は、裏面入射型測距センサを構成することとなり、半導体基板の光入射面とは逆側の領域で発生したキャリアを効率的に収集することができるようになり、高精度の測距を行うことが可能となる。   In the distance measuring apparatus according to the present invention, the first, second, third and fourth gate electrodes are preferably provided on the side opposite to the light incident surface. This distance measuring device constitutes a back-illuminated type distance measuring sensor, and carriers generated in a region opposite to the light incident surface of the semiconductor substrate can be efficiently collected. Distance measurement can be performed.

このように、演算手段は、それぞれ読み出された電荷の全体電荷量に対する比率に基づいて、対象物までの距離を演算している。対象物までの距離は、このような比率に依存するため、演算手段は、かかる比率に基づいて距離を演算することができる。   In this way, the calculation means calculates the distance to the object based on the ratio of the read charges to the total charge amount. Since the distance to the object depends on such a ratio, the calculation means can calculate the distance based on the ratio.

本発明の測距装置によれば、短い検出時間で正確且つ簡単に対象物までの距離を測定することが可能である。   According to the distance measuring apparatus of the present invention, it is possible to accurately and easily measure the distance to an object in a short detection time.

以下、実施の形態に係る測距装置について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, the distance measuring apparatus according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.

図1は測距装置の構成を示す説明図である。   FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the distance measuring apparatus.

本例の測距センサ1は、裏面入射型測距センサであるとするが、後述のように表面入射型測距センサとすることもできる。この測距装置は、測距センサ1と、近赤外光を出射する光源3と、光源3にパルス駆動信号Sを与える駆動回路4と、裏面入射型測距センサ1の各画素に含まれる第1及び第2ゲート電極(TX1,TX2:図5参照)に、パルス駆動信号Sに同期した検出用ゲート信号S,Sを与える制御回路2と、測距センサ1の第1及び第2半導体領域(FD1,FD2:図5参照)から読み出された距離情報を示す信号d’(m,n)から、歩行者などの対象物Hまでの距離を演算する演算回路(演算手段)5を備えている。測距センサ1から対象物Hまでの水平方向Dの距離をdとする。 The distance measuring sensor 1 of this example is a back-illuminated distance measuring sensor, but can also be a front-illuminated distance measuring sensor as will be described later. The distance measuring device includes a distance measuring sensor 1, a light source 3 for emitting near-infrared light, a driving circuit 4 for giving a pulse drive signal S P to the light source 3, included in each pixel of the back-illuminated distance measuring sensor 1 first and second gate electrodes (TX1, TX2: see FIG. 5), the pulse drive signal S gate signal detection is synchronous with the P S L, a control circuit 2 to give S R, the first distance measuring sensor 1 And a calculation circuit (calculation) for calculating the distance to the object H such as a pedestrian from the signal d ′ (m, n) indicating the distance information read from the second semiconductor region (FD1, FD2: see FIG. 5). Means) 5 is provided. The distance in the horizontal direction D from the distance measuring sensor 1 to the object H is defined as d.

制御回路2は、パルス駆動信号Sを駆動回路4のスイッチ4bに入力している。LED又はレーザダイオードからなる投光用の光源3は、スイッチ4bを介して電源4aに接続されている。したがって、スイッチ4bにパルス駆動信号Sが入力されると、パルス駆動信号Sと同じ波形の駆動電流が光源3に供給され、光源3からは測距用のプローブ光としてのパルス光Lが出力される。 The control circuit 2 is input to the pulse drive signal S P to the switch 4b of the driving circuit 4. A light projecting light source 3 comprising an LED or a laser diode is connected to a power source 4a via a switch 4b. Therefore, when the pulse drive signal S P is input to the switch 4b, a drive current having the same waveform as the pulse drive signal S P is supplied to the light source 3, the pulse light L P as a probe light for distance measurement from the light source 3 Is output.

パルス光Lが対象物Hに照射されると、対象物Hによってパルス光が反射され、パルス光Lとして、裏面入射型測距センサ1に入射して、パルス検出信号Sを出力する。パルス検出信号Sはパルス光Lの入射に応じて基板内部で発生した総電荷量を示し、立ち上がりと立ち下がりのタイミングはパルス光Lに一致するが、距離dに応じた分だけパルス光Lに対して位相が遅延している。 When the pulse light L P is irradiated on the object H, the pulse light is reflected by the object H, the pulse light L D, and enters the back-illuminated distance measuring sensor 1 outputs a pulse detection signal S D . Pulse detection signal S D represents the total amount of charges generated in the substrate in response to the incidence of pulsed light L D, although the timing of the rising and falling is equal to the pulse light L D, an amount corresponding pulses corresponding to the distance d phase is delayed with respect to the light L P.

測距センサ1は、配線基板10上に固定されており、配線基板10上の配線を介して、距離情報を有する信号d’(m,n)が各画素から出力される。   The distance measuring sensor 1 is fixed on the wiring board 10, and a signal d ′ (m, n) having distance information is output from each pixel via the wiring on the wiring board 10.

パルス駆動信号Sの波形は、周期Tの方形波であり、ハイレベルを「1」、ローレベルを「0」とすると、その電圧V(t)は以下の式で与えられる。
・パルス駆動信号S
・V(t)=1(但し、0<t<(T/2)の場合)
・V(t)=0(但し、(T/2)<t<Tの場合)
・V(t+T)=V(t)
The waveform of the pulse drive signal S P, a square wave of period T, the high level "1", when the low level is "0", the voltage V (t) is given by the following equation.
・ Pulse drive signal S P :
・ V (t) = 1 (provided that 0 <t <(T / 2))
・ V (t) = 0 (provided that (T / 2) <t <T)
・ V (t + T) = V (t)

検出用ゲート信号S、Sの波形は、周期Tの方形波であり、その電圧V(t)は以下の式で与えられる。
・検出用ゲート信号S
・V(t)=1(但し、0<t<(T/2)の場合)
・V(t)=0(但し、(T/2)<t<Tの場合)
・V(t+T)=V(t)
・検出用ゲート信号S(=Sの反転):
・V(t)=0(但し、0<t<(T/2)の場合)
・V(t)=1(但し、(T/2)<t<Tの場合)
・V(t+T)=V(t)
The waveforms of the detection gate signals S L and S R are square waves with a period T, and the voltage V (t) is given by the following equation.
・ Detection gate signal S L :
・ V (t) = 1 (provided that 0 <t <(T / 2))
・ V (t) = 0 (provided that (T / 2) <t <T)
・ V (t + T) = V (t)
· Detection gate signal S R (= S L inversion):
・ V (t) = 0 (provided that 0 <t <(T / 2))
V (t) = 1 (provided that (T / 2) <t <T)
・ V (t + T) = V (t)

上記パルス信号S,S、S、Sは、全てパルス周期2×Tを有していることとする。検出用ゲート信号S及びパルス検出信号Sが共に「1」のときに測距センサ1内で発生する電荷量をQ1、検出用ゲート信号S及びパルス検出信号Sが共に「1」のときに測距センサ1内で発生する電荷量をQ2とする。 The pulse signal S P, S L, S R , S D , it is assumed that has all pulse period 2 × T P. Detection gate signal S L and the pulse detection signal S D are both the amount of charge generated in the distance measuring sensor 1 when "1" Q1, the detection gate signal S R and the pulse detection signal S D are both "1" In this case, the amount of charge generated in the distance measuring sensor 1 is Q2.

測距センサ1における一方の検出用ゲート信号Sとパルス検出信号Sの位相差は、他方の検出用ゲート信号Sとパルス検出信号Sが「1」の時の重複期間において、裏面入射型測距センサ1において発生した電荷量Q2に比例する。すなわち、電荷量Q2は、検出用ゲート信号Sとパルス検出信号Sの論理積が「1」である期間において発生した電荷量である。1画素内において発生する全電荷量をQ1+Q2とし、駆動信号Sの半周期のパルス幅をTとすると、Δt=T×Q2/(Q1+Q2)の期間だけ、駆動信号Sに対してパルス検出信号Sが遅れていることになる。 The phase difference between one detection gate signal S L and the pulse detection signal S D in the distance measuring sensor 1, the other detection gate signal S R and the pulse detection signal S D is the overlap period when the "1", the back surface This is proportional to the amount of charge Q2 generated in the incident type distance measuring sensor 1. That is, the charge amount Q2 is the charge amount for the period logical product of the detection gate signal S R and the pulse detection signal S D is "1". The total charge quantity generated in one pixel is Q1 + Q2, when the pulse width of the half cycle of the drive signal S P and T P, Δt = T P × Q2 / (Q1 + Q2) long enough, with respect to the drive signal S P The pulse detection signal SD is delayed.

1つのパルス光の飛行時間Δtは、対象物までの距離をd、光速をcとすると、Δt=2d/cで与えられるため、特定の画素からの距離情報を有する信号d’として2つの電荷量(Q1,Q2)が出力されると、演算回路5は、入力された電荷量Q1,Q2と、予め判明している半周期パルス幅Tに基づいて、対象物Hまでの距離d=(c×Δt)/2=c×T×Q2/(2×(Q1+Q2))を演算する。 The flight time Δt of one pulsed light is given by Δt = 2d / c, where d is the distance to the object and c is the speed of light. Therefore, two charges are used as a signal d ′ having distance information from a specific pixel. If the amount (Q1, Q2) are output, the arithmetic circuit 5, a charge amount Q1, Q2 input, based on the half cycle pulse width T P that is known in advance, the distance to the object H d = Calculate (c × Δt) / 2 = c × TP × Q2 / (2 × (Q1 + Q2)).

上述のように、電荷量Q1、Q2を分離して読み出せば、演算回路5は、距離dを演算することができる。なお、上述のパルスは繰り返して出射され、その積分値を各電荷量Q1,Q2として出力することができる。   As described above, if the charge amounts Q1 and Q2 are read out separately, the arithmetic circuit 5 can calculate the distance d. The above-described pulse is repeatedly emitted, and the integrated value can be output as the respective charge amounts Q1 and Q2.

また、電荷量Q1,Q2の全体電荷量に対する比率は、上述の位相差、すなわち、対象物Hまでの距離に対応しており、演算回路5は、この位相差に応じて対象物Hまで距離を演算している。上述のように、位相差に対応する時間差をΔtとすると、距離dは、好適にはd=(c×Δt)/2で与えられるが、適当な補正演算をこれに加えて行ってもよい。例えば、実際の距離と、演算された距離dとが異なる場合、後者を補正する係数βを予め求めておき、出荷後の製品では演算された距離dに係数βを乗じたものを最終的な演算距離dとしてもよい。また、外気温度を測定しておき、外気温度に応じて光速cが異なる場合には、光速cを補正する演算を行ってから、距離演算を行うこともできる。また、演算回路に入力された信号と、実際の距離との関係を予めメモリに記憶しておき、ルックアップテーブル方式によって、距離を演算してもよい。また、センサ構造によっても演算方法は変更することができ、これには従来から知られている演算方法を用いることができる。   The ratio of the charge amounts Q1 and Q2 to the total charge amount corresponds to the above-described phase difference, that is, the distance to the object H, and the arithmetic circuit 5 determines the distance to the object H according to this phase difference. Is calculated. As described above, when the time difference corresponding to the phase difference is Δt, the distance d is preferably given by d = (c × Δt) / 2, but an appropriate correction operation may be added to this. . For example, when the actual distance and the calculated distance d are different, a coefficient β for correcting the latter is obtained in advance, and the product after shipping is obtained by multiplying the calculated distance d by the coefficient β. The calculation distance d may be used. In addition, when the outside air temperature is measured and the light speed c varies depending on the outside air temperature, the distance calculation can be performed after performing the calculation for correcting the light speed c. Further, the relationship between the signal input to the arithmetic circuit and the actual distance may be stored in advance in the memory, and the distance may be calculated by a lookup table method. The calculation method can also be changed depending on the sensor structure, and a conventionally known calculation method can be used for this.

このように、演算回路5は、それぞれ読み出された電荷Q1(Q2)の全体電荷量(Q1+Q2)に対する比率に基づいて、対象物Hまでの距離を演算している。対象物Hまでの距離は、このような比率に依存するため、演算回路5は、かかる比率に基づいて距離を演算することができる。   As described above, the arithmetic circuit 5 calculates the distance to the object H based on the ratio of the read charge Q1 (Q2) to the total charge amount (Q1 + Q2). Since the distance to the object H depends on such a ratio, the arithmetic circuit 5 can calculate the distance based on the ratio.

図2は測距センサ1の平面図である。   FIG. 2 is a plan view of the distance measuring sensor 1.

測距センサ1は、二次元状に配列した複数の画素P(m,n)からなる撮像領域1Bを有する半導体基板1Aを備えている。各画素P(m,n)からは、上述の距離情報を有する信号d’(m,n)として2つの電荷量(Q1,Q2)が出力される。各画素P(m,n)は微小測距センサとして対象物Hまでの距離に応じた信号d’(m,n)を出力するので、対象物Hからの反射光を、撮像領域1Bに結像すれば、対象物H上の各点までの距離情報の集合体としての対象物の距離画像を得ることができる。   The distance measuring sensor 1 includes a semiconductor substrate 1A having an imaging region 1B composed of a plurality of pixels P (m, n) arranged in a two-dimensional manner. From each pixel P (m, n), two charge amounts (Q1, Q2) are output as the signal d '(m, n) having the above-described distance information. Since each pixel P (m, n) outputs a signal d ′ (m, n) corresponding to the distance to the object H as a minute distance measuring sensor, the reflected light from the object H is coupled to the imaging region 1B. If an image is obtained, a distance image of the object as a collection of distance information to each point on the object H can be obtained.

図3は図2に示した測距センサのIII−III矢印断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of the distance measuring sensor shown in FIG.

測距センサ1には、光入射面1BKからパルス光Lが入射する。裏面入射型測距センサ1の光入射面1BKとは逆側の表面1FTは、接着領域ADを介して配線基板10に接続されている。接着領域ADは、バンプなどの接着素子を含む領域であり、必要に応じて絶縁性の接着剤やフィラーを有している。裏面入射型測距センサ1を構成する半導体基板1Aは、補強用のフレーム部Fと、フレーム部Fよりも薄い薄板部TFを有しており、これらは一体化している。薄板部TFの厚さは、10μm以上100μm以下である。本例のフレーム部Fの厚さは200μm以上600μm以下である。 The distance measuring sensor 1, the pulse light L D is made incident from the light incident surface 1BK. A surface 1FT opposite to the light incident surface 1BK of the back-illuminated distance measuring sensor 1 is connected to the wiring substrate 10 via an adhesive region AD. The adhesion region AD is a region including an adhesion element such as a bump, and has an insulating adhesive or filler as necessary. The semiconductor substrate 1A constituting the back-illuminated distance measuring sensor 1 has a reinforcing frame portion F and a thin plate portion TF thinner than the frame portion F, and these are integrated. The thickness of the thin plate portion TF is 10 μm or more and 100 μm or less. The thickness of the frame portion F in this example is 200 μm or more and 600 μm or less.

図4は変形例に係る測距センサの断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view of a distance measuring sensor according to a modification.

この測距センサは、図3に示したものと半導体基板1Aの形状のみが異なり、他の構成は同一である。半導体基板1Aは、ストライプ状又は格子状に形成された補強部AFを更に有しており、補強部AFの間に薄板部TFが形成され、これらは一体化している。本例の補強部AFの厚みは、フレーム部AFの厚さと同じであり、200μm以上600μm以下である。薄板部TFには前述の各画素が形成されている。薄板部TFはKOH等のアルカリ性エッチング液を用いたウエットエッチングによって形成する。エッチングによって形成された露出表面の粗さは1μm以下である。   This distance measuring sensor differs from that shown in FIG. 3 only in the shape of the semiconductor substrate 1A, and the other configurations are the same. The semiconductor substrate 1A further includes reinforcing portions AF formed in a stripe shape or a lattice shape, and a thin plate portion TF is formed between the reinforcing portions AF, and these are integrated. The thickness of the reinforcing portion AF in this example is the same as the thickness of the frame portion AF, and is 200 μm or more and 600 μm or less. Each pixel described above is formed in the thin plate portion TF. The thin plate portion TF is formed by wet etching using an alkaline etching solution such as KOH. The roughness of the exposed surface formed by etching is 1 μm or less.

図5は、図3又は図4に示した測距センサの領域Vの拡大図である。   FIG. 5 is an enlarged view of the region V of the distance measuring sensor shown in FIG. 3 or FIG.

裏面入射型測距センサ1は、光入射面1BK及び光入射面1BKとは逆側の表面1FTを有する半導体基板1A,1A’と、表面1FT上において絶縁層1Eを介して設けられたフォトゲート電極PGと、表面1FT上において絶縁層1Eを介しフォトゲート電極PGに隣接して設けられた第1及び第2ゲート電極TX1,TX2とを備えている。   The back-illuminated distance measuring sensor 1 includes a semiconductor substrate 1A, 1A ′ having a light incident surface 1BK and a surface 1FT opposite to the light incident surface 1BK, and a photogate provided on the surface 1FT via an insulating layer 1E. An electrode PG and first and second gate electrodes TX1, TX2 provided adjacent to the photogate electrode PG via the insulating layer 1E on the surface 1FT are provided.

更に、裏面入射型測距センサ1は、表面1FT上において絶縁層1Eを介し第1及び第2ゲート電極TX1,TX2の外側に隣接して設けられた第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’を備えている。   Further, the back-illuminated distance measuring sensor 1 includes third and fourth gate electrodes TX1 ′, TX2 provided adjacent to the outside of the first and second gate electrodes TX1, TX2 via the insulating layer 1E on the surface 1FT. Is equipped with.

第1ゲート電極TX1と第3ゲート電極TX1’との間のエピタキシャル層1A’内の領域には、表面1FT側から高濃度のN型不純物が添加されており、一時的キャリアの蓄積領域CD1が形成されている。また、第2ゲート電極TX2と第4ゲート電極TX2’との間のエピタキシャル層1A’内の領域には、表面1FT側から高濃度のN型不純物が添加されており、一時的キャリアの蓄積領域CD2が形成されている。   A region in the epitaxial layer 1A ′ between the first gate electrode TX1 and the third gate electrode TX1 ′ is doped with high-concentration N-type impurities from the surface 1FT side, so that the temporary carrier accumulation region CD1 is formed. Is formed. Also, a region in the epitaxial layer 1A ′ between the second gate electrode TX2 and the fourth gate electrode TX2 ′ is doped with a high concentration N-type impurity from the surface 1FT side, so that a temporary carrier accumulation region CD2 is formed.

第3ゲート電極TX1’の外側のエピタキシャル層1A’内の領域には、表面1FT側から高濃度のN型不純物が添加されており、N型の半導体領域FD1からなるフローティング・ディフュージョン領域が形成されている。第4ゲート電極TX2’の外側のエピタキシャル層1A’内の領域には、表面1FT側から高濃度のN型不純物が添加されており、N型の半導体領域FD2からなるフローティング・ディフュージョン領域が形成されている。半導体領域FD1,FD2は、第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’をそれぞれ含む電界効果トランジスタのドレインを構成しており、蓄積領域CD1,CD2はソースを構成している。   In the region in the epitaxial layer 1A ′ outside the third gate electrode TX1 ′, a high-concentration N-type impurity is added from the surface 1FT side, and a floating diffusion region composed of the N-type semiconductor region FD1 is formed. ing. In the region in the epitaxial layer 1A ′ outside the fourth gate electrode TX2 ′, a high-concentration N-type impurity is added from the surface 1FT side, and a floating diffusion region composed of the N-type semiconductor region FD2 is formed. ing. The semiconductor regions FD1 and FD2 constitute drains of field effect transistors including the third and fourth gate electrodes TX1 'and TX2', respectively, and the accumulation regions CD1 and CD2 constitute sources.

フォトゲート電極PGの直下の半導体領域内で発生したキャリア(電子e)は、第1及び第2ゲート電極TX1,TX2直下の領域に流れ込み、それぞれ一時的に蓄積領域CD1,CD2内に蓄積される。しかる後、電界効果トランジスタのゲート電極TX1’,TX2’に転送電圧を印加することにより、半導体領域FD1,FD2内に転送される。半導体領域FD1,FD2内に蓄積されたキャリアは、それぞれ電荷量Q1,Q2として読み出される。   Carriers (electrons e) generated in the semiconductor region immediately below the photogate electrode PG flow into regions immediately below the first and second gate electrodes TX1 and TX2, and are temporarily stored in the storage regions CD1 and CD2, respectively. . Thereafter, a transfer voltage is applied to the gate electrodes TX1 'and TX2' of the field effect transistor to transfer the field effect transistors into the semiconductor regions FD1 and FD2. Carriers accumulated in the semiconductor regions FD1 and FD2 are read as charge amounts Q1 and Q2, respectively.

本例の半導体基板1A,1A’はSiからなり、絶縁層1EはSiOからなる。絶縁層1Eを厚くすることで、半導体基板内にフリンジング電界を形成することができる。フリンジング電界を形成するための好適な絶縁層1Eの厚みは、50〜5000nmである。 In this example, the semiconductor substrates 1A and 1A ′ are made of Si, and the insulating layer 1E is made of SiO 2 . By increasing the thickness of the insulating layer 1E, a fringing electric field can be formed in the semiconductor substrate. A preferable thickness of the insulating layer 1E for forming a fringing electric field is 50 to 5000 nm.

なお、本例の半導体基板は、光入射面を有する基板本体1Aと、ゲート電極側のエピタキシャル層1A’とからなるが、エピタキシャル層は省略することも可能である。   The semiconductor substrate of this example includes a substrate body 1A having a light incident surface and an epitaxial layer 1A 'on the gate electrode side, but the epitaxial layer may be omitted.

半導体基板1A,1A’は、低不純物濃度のP型半導体基板からなる。蓄積領域CD1,CD2、半導体領域FD1,FD2は、それぞれ高不純物濃度のN型半導体からなり、エピタキシャル層1A’内に形成されている。   The semiconductor substrates 1A and 1A 'are made of a low impurity concentration P-type semiconductor substrate. The accumulation regions CD1 and CD2 and the semiconductor regions FD1 and FD2 are each made of an N-type semiconductor having a high impurity concentration, and are formed in the epitaxial layer 1A '.

蓄積領域CD1,CD2のフォトゲート電極PG側の部分は、半導体基板のエピタキシャル層1A’における各ゲート電極TX1,TX2の直下の領域に近接又は接触している。第1及び第2半導体領域FD1,FD2のフォトゲート電極PG側の部分は、半導体基板のエピタキシャル層1A’における各ゲート電極TX1’,TX2’の直下の領域に近接又は接触している。半導体基板1A,1A’の光入射面1BKの側には、反射防止膜1Dが設けられている。半導体基板1Aの露出面の表面粗さ、すなわち、表面凹凸の最大値と最小値の高さの差は1μm以下である。反射防止膜1Dの材料は、SiOまたはSiN(窒化シリコン)である。 The portions on the photogate electrode PG side of the storage regions CD1 and CD2 are close to or in contact with regions immediately below the gate electrodes TX1 and TX2 in the epitaxial layer 1A ′ of the semiconductor substrate. The portions of the first and second semiconductor regions FD1, FD2 on the photogate electrode PG side are close to or in contact with regions immediately below the gate electrodes TX1 ′, TX2 ′ in the epitaxial layer 1A ′ of the semiconductor substrate. An antireflection film 1D is provided on the light incident surface 1BK side of the semiconductor substrates 1A and 1A ′. The surface roughness of the exposed surface of the semiconductor substrate 1A, that is, the difference between the maximum height and the minimum height of the surface irregularities is 1 μm or less. The material of the antireflection film 1D is SiO 2 or SiN (silicon nitride).

なお、ゲート電極TX1,TX2間の領域の直下領域は、半導体基板1A,1A’と同一の導電型であるP型であって、半導体基板1A,1A’の不純物濃度よりも、低い不純物濃度又は高い不純物濃度を有することとしてもよい。このような領域は、エピタキシャル成長法を用いるか、或いは不純物拡散法又はイオン注入法を用いて形成することができる。   Note that a region immediately below the region between the gate electrodes TX1 and TX2 is a P-type having the same conductivity type as the semiconductor substrates 1A and 1A ′, and has an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrates 1A and 1A ′. It may have a high impurity concentration. Such a region can be formed using an epitaxial growth method, an impurity diffusion method, or an ion implantation method.

配線基板10は、Siからなる半導体基板10Aと、半導体基板10A上に形成された電荷排出配線11h、15h、信号読み出し配線18h、21hを備えており、配線11h、15hは、それぞれ、蓄積領域CD1、CD2に電気的に接続され、配線18h、21hは、それぞれ、半導体領域FD1、FD2に電気的に接続されている。   The wiring board 10 includes a semiconductor substrate 10A made of Si, charge discharge wirings 11h and 15h formed on the semiconductor substrate 10A, and signal readout wirings 18h and 21h. The wirings 11h and 15h are respectively stored in the storage region CD1. , CD2 and wirings 18h and 21h are electrically connected to semiconductor regions FD1 and FD2, respectively.

領域CD1,CD2,FD1,FD2と、配線11h,15h,18h,21hとの間には、それぞれ、コンタクト電極11a,15a,18a,21a、パッド電極11b、15b,18b,21b、バンプ11c,15c,18c,21c、パッド電極11d、15d、18d、21d、コンタクト電極11e,15e,18e,21e、中間電極11f、15f,18f,21f、コンタクト電極11g,15g,18g,21gが介在している。   Between the regions CD1, CD2, FD1, FD2 and the wirings 11h, 15h, 18h, 21h, contact electrodes 11a, 15a, 18a, 21a, pad electrodes 11b, 15b, 18b, 21b, bumps 11c, 15c, respectively. 18c, 21c, pad electrodes 11d, 15d, 18d, 21d, contact electrodes 11e, 15e, 18e, 21e, intermediate electrodes 11f, 15f, 18f, 21f, and contact electrodes 11g, 15g, 18g, 21g.

半導体基板10A上には、第1ゲート配線12g、第2ゲート配線14g,主ゲート配線13g、第3ゲート配線19g,第4ゲート配線20gが設けられており、これらはそれぞれ、第1ゲート電極TX1、第2ゲート電極TX2、フォトゲート電極PG、第3ゲート電極TX1’、第4ゲート電極TX2’に電気的に接続されている。   A first gate line 12g, a second gate line 14g, a main gate line 13g, a third gate line 19g, and a fourth gate line 20g are provided on the semiconductor substrate 10A, and each of them is a first gate electrode TX1. The second gate electrode TX2, the photogate electrode PG, the third gate electrode TX1 ′, and the fourth gate electrode TX2 ′ are electrically connected.

ゲート電極TX1、TX2,PG,TX1’、TX2’と、ゲート配線12g,14g,13g,19g,20gとの間には、それぞれ、コンタクト電極12a、14a,13a,19a,20a、パッド電極12b、14b,13b,19b,20b、バンプ12c、14c,13c,19c,20c、パッド電極12d,14d,13d,19d,20d、コンタクト電極12e、14e,13e,19e,20e、中間電極12f,14f,13f,19f,20f、が介在している。   Between the gate electrodes TX1, TX2, PG, TX1 ′, TX2 ′ and the gate wirings 12g, 14g, 13g, 19g, 20g, contact electrodes 12a, 14a, 13a, 19a, 20a, pad electrodes 12b, 14b, 13b, 19b, 20b, bumps 12c, 14c, 13c, 19c, 20c, pad electrodes 12d, 14d, 13d, 19d, 20d, contact electrodes 12e, 14e, 13e, 19e, 20e, intermediate electrodes 12f, 14f, 13f , 19f, 20f are interposed.

各コンタクト電極は、図示の如く、絶縁層1F,10B,10Cに設けられたコンタクトホール内に埋設されている。   Each contact electrode is embedded in a contact hole provided in the insulating layers 1F, 10B, and 10C as shown in the figure.

接着領域ADは、樹脂からなる接着層AD1と、裏面入射型測距センサ1の各電極を配線基板10上の各種配線に接続するためのバンプ11c,12c,13c,14c,15c,18c,19c,20c,21cを備えている。   The adhesion area AD includes an adhesion layer AD1 made of resin and bumps 11c, 12c, 13c, 14c, 15c, 18c, and 19c for connecting each electrode of the back-illuminated distance measuring sensor 1 to various wirings on the wiring board 10. , 20c, 21c.

この測距装置では、裏面入射型の測距センサ1の表面1FTを、絶縁層1E及び各種電極及び接着領域ADを介して、配線基板10のマウント面M上に固定し、第1ゲート電極TX1、第2ゲート電極TX2、フォトゲート電極PG、第3ゲート電極TX1’、第4ゲート電極TX2’、各N型の半導体領域CD1,CD2,FD1,FD2を、配線基板10上の配線にバンプを介して接続している。この測距装置では、裏面入射型の測距センサ1を配線基板10上にマウントすると、各配線を介して、上記信号をそれぞれの電極に与えることができ、装置が小型化されている。   In this distance measuring device, the front surface 1FT of the back-illuminated distance measuring sensor 1 is fixed on the mounting surface M of the wiring substrate 10 via the insulating layer 1E, various electrodes, and the adhesion region AD, and the first gate electrode TX1. The second gate electrode TX2, the photogate electrode PG, the third gate electrode TX1 ′, the fourth gate electrode TX2 ′, the N-type semiconductor regions CD1, CD2, FD1, and FD2 are bumped on the wiring on the wiring substrate 10. Connected through. In this distance measuring device, when the back-illuminated distance measuring sensor 1 is mounted on the wiring board 10, the signal can be given to each electrode through each wiring, and the device is miniaturized.

なお、配線基板10のマウント面M上には、黒色樹脂からなる光吸収層SHが形成されており、裏面入射型測距センサ1を透過した光の配線基板10への入射を抑制すると共に、配線基板10上の配線によって反射された光が、裏面入射型測距センサ1に逆戻りしてクロストークを引き起こすのを防止している。また、上述の各種電極又は配線はアルミニウム又はポリシリコンからなる。裏面入射型測距センサ1におけるSiからなる半導体基板の厚みt1は10〜100μmであり、好適には15〜50μmであり、本例では20μmである。   A light absorption layer SH made of a black resin is formed on the mount surface M of the wiring board 10 to suppress the incidence of light transmitted through the back-illuminated distance measuring sensor 1 to the wiring board 10 and The light reflected by the wiring on the wiring board 10 is prevented from returning to the back-illuminated distance measuring sensor 1 and causing crosstalk. The various electrodes or wirings described above are made of aluminum or polysilicon. The thickness t1 of the semiconductor substrate made of Si in the back-illuminated distance measuring sensor 1 is 10 to 100 μm, preferably 15 to 50 μm, and 20 μm in this example.

この裏面入射型測距センサ1では、投光用の光の入射に応答して半導体深部で発生したキャリアを、光入射面1BKとは逆側のキャリア発生位置近傍に設けられたポテンシャル井戸に引き込み、高速で正確な測距を可能としている。   In this back-illuminated distance measuring sensor 1, carriers generated in the deep part of the semiconductor in response to the incidence of light for projection are drawn into a potential well provided in the vicinity of the carrier generation position on the side opposite to the light incident surface 1BK. High speed and accurate distance measurement are possible.

半導体基板1A,1A’の光入射面(裏面)1BKから入射した対象物からのパルス光Lは、半導体基板1A,1A’の表面側のフォトゲート電極PGの直下領域(光感応領域)まで至る。パルス光の入射に伴って半導体基板1A,1A’内で発生したキャリアは、この光感応領域から、これに隣接する第1及び第2ゲート電極TX1,TX2直下の領域に振り分けられる。すなわち、第1及び第2ゲート電極TX1,TX2に光源の駆動信号Sに同期した検出用ゲート信号S,Sを、配線基板10を介して、交互に与えると、光感応領域及びその近傍の半導体領域内で発生したキャリアが、それぞれ第1及び第2ゲート電極TX1,TX2直下の領域に流れ、これらから蓄積領域CD1,CD2に流れ込む。 Semiconductor substrate 1A, 'the pulse light L D from the object incident from the light incident surface (back surface) 1BK of the semiconductor substrate 1A, 1A' 1A to just below the region of the surface side of the photo gate electrode PG of (photosensitive region) It reaches. Carriers generated in the semiconductor substrates 1A and 1A ′ with the incidence of the pulsed light are distributed from the photosensitive region to the regions immediately below the first and second gate electrodes TX1 and TX2. That is, the first and second gate electrodes TX1, TX2 to the light source drive signal S gate signal detection is synchronous with the P S L, the S R, via the wiring board 10, given alternately photosensitive region and Carriers generated in the nearby semiconductor region flow into regions immediately below the first and second gate electrodes TX1 and TX2, respectively, and flow into the storage regions CD1 and CD2.

蓄積領域CD1,CD2に蓄積されたキャリアは、第3及び第4ゲート電極に、転送電圧を印加することで、半導体領域FD1,FD2にそれぞれ転送される。   Carriers stored in the storage regions CD1 and CD2 are transferred to the semiconductor regions FD1 and FD2, respectively, by applying a transfer voltage to the third and fourth gate electrodes.

第1半導体領域FD1又は第2半導体領域FD2内に蓄積されるキャリアの電荷量Q1,Q2の全体電荷量(Q1+Q2)に対する比率は、駆動信号Sを光源に与えることによって出射された出射パルス光と、対象物Hによって出射パルス光が反射されることによって戻ってきた検出パルス光の位相差に対応する。 The ratio of the charge amounts Q1 and Q2 of the carriers accumulated in the first semiconductor region FD1 or the second semiconductor region FD2 to the total charge amount (Q1 + Q2) is the emitted pulse light emitted by applying the drive signal SP to the light source. This corresponds to the phase difference of the detected pulse light that has returned by reflecting the emitted pulse light by the object H.

ゲート電極TX1,TX2への駆動信号(検出用ゲート信号S,S)の周波数を増加させることで、この電荷の振り分け速度を増加させても、近赤外光の入射に応じて発生したキャリアの発生領域は、半導体基板1Aの光入射面1BKよりも、逆側の表面1FTに近いため、多くのキャリアは光感応領域から蓄積領域CD1,CD2に流れ込み、これらの領域から、半導体領域FD1,FD2にキャリアが転送され、配線基板10の配線18h、21hを介して、蓄積電荷Q1,Q2を読み出すことができる。また、近赤外よりも短い波長の光は、半導体基板1A,1A’の光入射面1BK側の領域において除去される傾向があるため、光入射面側に可視光カットフィルタを設けずとも、測距用の検出パルス光の検出精度を向上させることができる。 Even if the charge distribution speed is increased by increasing the frequency of the drive signals (detection gate signals S L and S R ) to the gate electrodes TX1 and TX2, it is generated in response to the incidence of near-infrared light. Since the carrier generation region is closer to the surface 1FT on the opposite side than the light incident surface 1BK of the semiconductor substrate 1A, many carriers flow from the photosensitive region to the storage regions CD1 and CD2, and from these regions, the semiconductor region FD1 , FD2 are transferred, and the stored charges Q1 and Q2 can be read out via the wirings 18h and 21h of the wiring board 10. In addition, since light having a wavelength shorter than near infrared tends to be removed in the region on the light incident surface 1BK side of the semiconductor substrates 1A and 1A ′, a visible light cut filter is not provided on the light incident surface side. The detection accuracy of the detection pulse light for distance measurement can be improved.

フローティング・ディフュージョン領域としてのN型の半導体領域FD1,FD2は、蓄積された電荷の読み出し後にリセットされる。半導体領域FD1,FD2に正電位を与えると、半導体領域FD1,FD2がリセットされる。また、蓄積領域CD1,CD2に残留したキャリアも、転送電圧の印加後に、配線11h、15hを介して外部に排出される。   The N-type semiconductor regions FD1 and FD2 serving as the floating diffusion regions are reset after reading the accumulated charges. When a positive potential is applied to the semiconductor regions FD1 and FD2, the semiconductor regions FD1 and FD2 are reset. The carriers remaining in the storage regions CD1 and CD2 are also discharged to the outside through the wirings 11h and 15h after the transfer voltage is applied.

なお、各半導体領域の厚さ/不純物濃度は以下の通りである。
・基板本体1A:厚さ10〜100μm/不純物濃度1×1012〜1019cm−3
・エピタキシャル層1A’:厚さ1〜5μm/不純物濃度1×1012〜1015cm−3
・半導体領域FD1,FD2:厚さ0.1〜0.4μm/不純物濃度1×1018〜1020cm−3
・蓄積領域CD1,CD2:厚さ0.1〜0.4μm/不純物濃度1×1018〜1020cm−3
The thickness / impurity concentration of each semiconductor region is as follows.
Substrate body 1A: thickness 10 to 100 μm / impurity concentration 1 × 10 12 to 10 19 cm −3
Epitaxial layer 1A ′: thickness 1 to 5 μm / impurity concentration 1 × 10 12 to 10 15 cm −3
Semiconductor regions FD1, FD2: thickness 0.1 to 0.4 μm / impurity concentration 1 × 10 18 to 10 20 cm −3
Storage regions CD1, CD2: thickness 0.1 to 0.4 μm / impurity concentration 1 × 10 18 to 10 20 cm −3

なお、本例の半導体基板の厚さは20μm、不純物濃度は1×1012cm−3、領域FD1,FD2,CD1,CD2の不純物濃度は1×1019cm−3とする。 Note that the thickness of the semiconductor substrate of this example is 20 μm, the impurity concentration is 1 × 10 12 cm −3 , and the impurity concentrations of the regions FD1, FD2, CD1, and CD2 are 1 × 10 19 cm −3 .

なお、半導体基板1A、1A’には、バックゲート又は貫通電極などを介してグランド電位などの基準電位が与えられる。   Note that a reference potential such as a ground potential is applied to the semiconductor substrates 1A and 1A 'via a back gate or a through electrode.

図6は、バックゲート近傍の断面図である。   FIG. 6 is a cross-sectional view in the vicinity of the back gate.

すなわち、上述の裏面入射型測距センサ1の半導体基板1A,1A’の電位を基準電位に固定するため、本実施形態に係る測距センサは、P型のエピタキシャル層1A’内に、高濃度不純物を含有するP型のバックゲート半導体領域BGを備えている。信号読み出し回路の設けられた配線基板10の半導体基板10A上にはグランド配線16hが設けられている。バックゲート半導体領域BGと、グランド配線16hとの間には、コンタクト電極16a、パッド電極16b、バンプ16c、パッド電極16d、コンタクト電極16e、中間電極16f、コンタクト電極16gが介在しており、これらを電気的に接続している。   That is, in order to fix the potentials of the semiconductor substrates 1A and 1A ′ of the back-illuminated distance measuring sensor 1 to the reference potential, the distance measuring sensor according to the present embodiment has a high concentration in the P-type epitaxial layer 1A ′. A P-type back gate semiconductor region BG containing impurities is provided. A ground wiring 16h is provided on the semiconductor substrate 10A of the wiring substrate 10 provided with the signal readout circuit. A contact electrode 16a, a pad electrode 16b, a bump 16c, a pad electrode 16d, a contact electrode 16e, an intermediate electrode 16f, and a contact electrode 16g are interposed between the back gate semiconductor region BG and the ground wiring 16h. Electrically connected.

図7は貫通電極近傍の断面図である。   FIG. 7 is a sectional view of the vicinity of the through electrode.

上述の裏面入射型測距センサ1の半導体基板1Aの電位を基準電位に固定するため、バックゲート電極の代わりに、基板内に埋設されたP型の拡散領域W4などのP型半導体層を有し、これに電気的に接続された貫通電極17xを備えることとしてもよい。配線基板10の半導体基板10A上にはグランド配線17hが設けられている。貫通電極17xと、グランド配線17hとの間には、コンタクト電極17a、パッド電極17b、バンプ17c、パッド電極17d、コンタクト電極17e、中間電極17f、コンタクト電極17gが介在しており、これらを電気的に接続している。   In order to fix the potential of the semiconductor substrate 1A of the back-illuminated distance measuring sensor 1 to the reference potential, a P-type semiconductor layer such as a P-type diffusion region W4 embedded in the substrate is used instead of the back gate electrode. However, the through electrode 17x electrically connected thereto may be provided. A ground wiring 17 h is provided on the semiconductor substrate 10 </ b> A of the wiring substrate 10. A contact electrode 17a, a pad electrode 17b, a bump 17c, a pad electrode 17d, a contact electrode 17e, an intermediate electrode 17f, and a contact electrode 17g are interposed between the through electrode 17x and the ground wiring 17h. Connected to.

図8は、実施形態に係るキャリア蓄積動作を説明するための基板表面近傍のポテンシャル図である。   FIG. 8 is a potential diagram in the vicinity of the substrate surface for explaining the carrier accumulation operation according to the embodiment.

このポテンシャル図では、下向きがポテンシャルの正方向である。光入射時において、フォトゲート電極PGの直下の領域(光感応領域)のポテンシャルφPGは、無バイアス時における隣接するゲート電極直下の領域のポテンシャル(φTX2)を基準電位とすると、この基板電位よりも高く設定されている。この光感応領域のポテンシャルφPGはポテンシャルφTX2よりも高くなり、この領域のポテンシャル図は図面の下向きに凹んだ形状となる。 In this potential diagram, the downward direction is the positive direction of the potential. When light is incident, the potential φ PG of the region immediately below the photogate electrode PG (photosensitive region) is the substrate potential when the potential (φ TX2 ) of the region immediately below the adjacent gate electrode at the time of no bias is used as a reference potential. Is set higher than. The potential φ PG of this photosensitive region is higher than the potential φ TX2 , and the potential diagram of this region has a shape recessed downward in the drawing.

蓄積領域CD1,CD2では、N型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが凹んでおり、ゲート電極TX1に高電位を与えると、光感応領域のポテンシャルφPGは一方の蓄積領域CD1の方向のみに傾斜する。 In the storage area CD1, CD2, since the N-type impurity is added, is concave the potential in the positive direction, given a high potential to the gate electrode TX1, the potential of the photosensitive region phi PG is one of the storage areas CD1 Tilt only in the direction of.

なお、同図には、ゲート電極TX1の直下の領域のポテンシャルφTX1、ゲート電極TX2の直下の領域のポテンシャルφTX2、フォトゲート電極PG直下の光感応領域のポテンシャルφPG、蓄積領域CD1のポテンシャルφCD1、蓄積領域CD2のポテンシャルφCD2、半導体領域FD1のポテンシャルφFD1、半導体領域FD2のポテンシャルφFD2が示されている。 In this figure, the potential phi TX1 in the region immediately below the gate electrode TX1, the region of potential phi TX2 immediately under the gate electrode TX2, the potential phi PG in the photosensitive region immediately under the photo gate electrode PG, the potential of the accumulation region CD1 phi CD1, the potential phi CD2 storage area CD2, the potential phi FD1 of the semiconductor area FD1, potential phi FD2 of the semiconductor area FD2 is shown.

検出用ゲート信号Sの高電位が、ゲート電極TX1に入力されると、光感応領域の近傍で発生したキャリア(電子e)は、ポテンシャル勾配にしたがって、ゲート電極TX1の直下の領域を介して、蓄積領域CD1のポテンシャル井戸内に蓄積され、このポテンシャル井戸内には電荷量Q1+外光成分に対応した電荷量ΔQが蓄積されることとなる。なお、便宜上、複数回のパルス照射によってそれぞれ発生したキャリアの電荷量もQ1,Q2で示すこととする。 High potential of the detection gate signal S L is inputted to the gate electrode TX1, the carriers generated in the vicinity of the photosensitive region (electrons e), according to the potential gradient, through a region immediately below the gate electrode TX1 Then, the charge is accumulated in the potential well of the accumulation region CD1, and the charge amount Q1 corresponding to the charge amount Q1 + external light component is accumulated in the potential well. For the sake of convenience, the charge amounts of carriers generated by a plurality of pulse irradiations are also indicated by Q1 and Q2.

図9はキャリア蓄積動作を説明するための基板表面近傍のポテンシャル図である。   FIG. 9 is a potential diagram in the vicinity of the substrate surface for explaining the carrier accumulation operation.

光入射時において、光感応領域のポテンシャルφPGは、隣接するゲート電極TX1の直下の領域のポテンシャルφTX1よりも若干高く設定される。 During the light incidence, the potential phi PG in the photosensitive region is slightly set higher than the potential phi TX1 in the region immediately below the adjacent gate electrodes TX1.

検出用ゲート信号Sに続いて、検出用ゲート信号Sの高電位が、ゲート電極TX2に入力されると、光感応領域内で発生したキャリア(電子e)は、ポテンシャル勾配にしたがって、ゲート電極TX2の直下の領域を介して、蓄積領域CD2のポテンシャル井戸内に蓄積され、このポテンシャル井戸内には電荷量Q2+外光成分に対応した電荷量ΔQが蓄積されることとなる。 Following detection gate signal S L, the high potential of the detection gate signal S R is inputted to the gate electrode TX2, carriers generated in the light-sensitive area (electrons e), according to the potential gradient, the gate The charge is accumulated in the potential well of the accumulation region CD2 via the region immediately below the electrode TX2, and the charge amount Q2 + corresponding to the external light component is accumulated in the potential well.

検出用ゲート信号S、検出用ゲート信号Sの高電位をそれぞれゲート電極TX1,TX2に交互に複数回印加した後、外光に対応して発生したキャリアが、蓄積領域CD1,CD2内に残留するように、ポテンシャルφTX1’,φTX2’の電子に対する障壁高さを低下させる。すなわち、第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’に高電位を与えると、蓄積領域CD1,CD2内に蓄積されたキャリアのうち、外光成分に対応した電荷量ΔQがポテンシャル障壁(φTX1’,φTX2’)を超えられず、パルス光の入射に対応して発生した電荷量Q1,Q2のキャリアのみが、それぞれポテンシャルφFD1,φFD2内に転送される。 Detection gate signal S L, the high potential of the detection gate signal S R after applying a plurality of times alternately to the gate electrode TX1, TX2, respectively, carriers generated in response to external light, the storage area CD1, the CD2 In order to remain, the barrier height with respect to the electrons of the potentials φ TX1 ′ and φ TX2 ′ is lowered. That is, when a high potential is applied to the third and fourth gate electrodes TX1 ′, TX2 ′, the charge amount ΔQ corresponding to the external light component among the carriers accumulated in the accumulation regions CD1, CD2 is a potential barrier (φ TX1 ', Φ TX2 ') cannot be exceeded, and only the carriers of the charge amounts Q1, Q2 generated corresponding to the incidence of the pulsed light are transferred into the potentials φ FD1 , φ FD2 , respectively.

上述のように、第3ゲート電極TX1’、第4ゲート電極TX2’に、外光成分の電荷量がポテンシャルφCD1,φCD2内に残留する大きさの転送電圧を印加することにより、外光成分が除去された信号を半導体領域FD1、FD2から読み出すことができる。上述のように、各ポテンシャル井戸に蓄積された電荷Q1,Q2は、配線基板10に設けられた読み出し配線18h、21h(図5参照)を介して外部に読み出される。 As described above, the external light is applied to the third gate electrode TX1 ′ and the fourth gate electrode TX2 ′ by applying a transfer voltage having such a magnitude that the charge amount of the external light component remains in the potentials φ CD1 and φ CD2 . The signal from which the component is removed can be read from the semiconductor regions FD1 and FD2. As described above, the charges Q1 and Q2 accumulated in each potential well are read out to the outside through the read wirings 18h and 21h (see FIG. 5) provided on the wiring board 10.

上述のように、第1及び第2ポテンシャル井戸(φCD1,φCD2)に蓄積されたキャリアは、第3及び第4ポテンシャル井戸(φFD1,φFD2)との間の障壁(φTX1’,φTX2’)高さが小さくなると、第3及び第4ポテンシャル井戸(φFD1,φFD2)内にそれぞれ流れ込む。この障壁(φTX1’,φTX2’)の高さは、第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’に印加される転送電圧の大きさに依存する。大きな転送電圧を印加すれば、障壁高さは小さくなり、多くのキャリアが、第1及び第2ポテンシャル井戸(φCD1,φCD2)内から、第3及び第4ポテンシャル井戸(φFD1,φFD2)内に流れ込む。 As described above, the carriers accumulated in the first and second potential wells (φ CD1 , φ CD2 ) are barriers between the third and fourth potential wells (φ FD1 , φ FD2 ) (φ TX1 ′, ( φTX2 ′) When the height is reduced, the gas flows into the third and fourth potential wells ( φFD1 , φFD2 ), respectively. The height of this barrier ( φTX1 ′, φTX2 ′) depends on the magnitude of the transfer voltage applied to the third and fourth gate electrodes TX1 ′, TX2 ′. When a large transfer voltage is applied, the barrier height is reduced, and many carriers are transferred from the first and second potential wells (φ CD1 , φ CD2 ) to the third and fourth potential wells (φ FD1 , φ FD2). ) Flows into.

外光の入射に応じて発生するキャリアの電荷量と等しい電荷量のキャリアが、第1及び第2ポテンシャル井戸(φCD1,φCD2)内に残留するように、障壁(φTX1’,φTX2’)の高さを設定すれば、転送時において、外光成分が除去されたキャリアが、第1及び第2ポテンシャル井戸(φCD1,φCD2)内から第3及び第4ポテンシャル井戸(φFD1,φFD2)内に流入する。第1及び第2ゲート電極TX1,TX2には、交互に電圧を印加することで、第1及び第2ポテンシャル井戸(φCD1,φCD2)内にキャリアを蓄積している。これらのポテンシャル井戸の蓄積されたキャリアのうち、外光成分が除去された電荷量のキャリアが、第3及び第4ポテンシャル井戸(φFD1,φFD2)内に流れ込み、読み出される。 Barriers (φ TX1 ′, φ TX2 ) so that carriers having a charge amount equal to the amount of carriers generated in response to the incidence of external light remain in the first and second potential wells (φ CD1 , φ CD2 ). If the height of ') is set, carriers from which external light components are removed during transfer are transferred from the first and second potential wells (φ CD1 , φ CD2 ) to the third and fourth potential wells (φ FD1). , Φ FD2 ). Carriers are accumulated in the first and second potential wells (φ CD1 , φ CD2 ) by alternately applying a voltage to the first and second gate electrodes TX 1, TX 2 . Among the carriers accumulated in these potential wells, carriers having a charge amount from which the external light component has been removed flow into the third and fourth potential wells (φ FD1 , φ FD2 ) and are read out.

転送時において、図12、図13に示した検出手段(光検出素子PD)により検出された外光の強度が高いほど、転送電圧の大きさを小さくすると、障壁高さ(φTX1’,φTX2’)が高くなり、より多くの電荷量のキャリアが、第1及び第2ポテンシャル井戸(φCD1,φCD2)内に残留する。すなわち、外光の強度が高いほど、多くのキャリアが残留し、最終的に読み出されるキャリアから除去される。 At the time of transfer, the higher the intensity of external light detected by the detection means (photodetecting element PD) shown in FIGS. 12 and 13, the lower the transfer voltage, the higher the barrier height (φ TX1 ′, φ TX2 ′) becomes higher, and more charge carriers remain in the first and second potential wells (φ CD1 , φ CD2 ). That is, the higher the intensity of external light, the more carriers remain and are removed from the carrier that is finally read.

また、ゲート電極PG,TX1,TX2,TX1’,TX2’を金属とするか、又はポリシリコンとしてその光入射面側に金属膜を形成することとすると、この金属によって半導体基板を一度透過した光が反射されるため、光の利用効率を上げることができる。   Further, if the gate electrodes PG, TX1, TX2, TX1 ′, TX2 ′ are made of metal or a metal film is formed on the light incident surface side as polysilicon, the light once transmitted through the semiconductor substrate by this metal. Since the light is reflected, the light use efficiency can be increased.

また、半導体基板の光入射面側に可視帯域カットフィルタを蒸着してもよい。また、上述の測距センサは光源を含めてモジュール化することもできる。   Further, a visible band cut filter may be deposited on the light incident surface side of the semiconductor substrate. Moreover, the above-mentioned distance measuring sensor can also be modularized including a light source.

図10は、上述の実施形態に係る測距センサをゲート電極側からみた測距センサの平面図である。なお、絶縁層は省略して示す。   FIG. 10 is a plan view of the distance measuring sensor when the distance measuring sensor according to the above-described embodiment is viewed from the gate electrode side. Note that the insulating layer is omitted.

この測距センサでは、1つの画素P(m,n)内において、フォトゲート電極PGに隣接してゲート電極TX1,TX2が配置されている。ゲート電極TX1,TX2と、ゲート電極TX1’,TX2’との間には、それぞれ蓄積領域CD1,CD2が位置している。蓄積領域CD1,CD2の外側には、半導体領域FD1,FD2が位置している。蓄積領域CD1,CD2は、電荷排出ゲート電極TBD1,TBD2をゲートとする電界効果トランジスタのソースを構成しており、排出領域CD1’,CD2’はドレインを構成している。電荷排出ゲート電極TBD1,TBD2に転送電圧を印加すると、蓄積領域CD1,CD2内に蓄積されたキャリアが、排出領域CD1’、CD2’にそれぞれ転送され、外部に排出される。なお、1つの画素内には、必要に応じて、ゲート電極(RG1,RG2)を有し、蓄積領域CD1,CD2に接続されたリセット用トランジスタを形成することとしてもよい。   In this distance measuring sensor, gate electrodes TX1 and TX2 are arranged adjacent to the photogate electrode PG in one pixel P (m, n). Accumulation regions CD1 and CD2 are located between the gate electrodes TX1 and TX2 and the gate electrodes TX1 'and TX2', respectively. Semiconductor regions FD1 and FD2 are located outside the accumulation regions CD1 and CD2. The accumulation regions CD1 and CD2 constitute the source of a field effect transistor having the charge discharge gate electrodes TBD1 and TBD2 as gates, and the discharge regions CD1 'and CD2' constitute the drain. When a transfer voltage is applied to the charge discharge gate electrodes TBD1 and TBD2, carriers accumulated in the accumulation regions CD1 and CD2 are transferred to the discharge regions CD1 'and CD2', respectively, and discharged to the outside. Note that a reset transistor having gate electrodes (RG1, RG2) and connected to the storage regions CD1, CD2 may be formed in one pixel as necessary.

図11は、キャリアの読み出し回路を示す回路図である。   FIG. 11 is a circuit diagram showing a carrier reading circuit.

上述の裏面入射型測距センサでは、測距センサはバンプを介して配線基板にマウントしている。この場合、画素P(m,n)に接続されるキャリア読み出し用のトランジスタは、配線基板側に設けられており、測距センサ単体内に含まれる素子数が低減されている。なお、後述のように、測距センサを表面入射型とし、同一半導体基板上にキャリア読み出し用のトランジスタを配置することも可能であるが、この場合には、測距センサの半導体基板内にトランジスタを形成することになるので、単一の画素(P’(m,n)として点線で示す)内に含まれる素子数が多くなる。換言すれば、裏面入射型測距センサの方が、表面入射型測距センサよりも、画素面積が同一であれば、その光感応領域の面積を大きくすることができる。   In the back-illuminated distance measuring sensor described above, the distance measuring sensor is mounted on the wiring board via bumps. In this case, the carrier readout transistor connected to the pixel P (m, n) is provided on the wiring board side, and the number of elements included in the distance measuring sensor alone is reduced. As will be described later, the distance measuring sensor can be a front-illuminated type, and a carrier reading transistor can be disposed on the same semiconductor substrate. In this case, the transistor is provided in the semiconductor substrate of the distance measuring sensor. Therefore, the number of elements included in a single pixel (indicated by a dotted line as P ′ (m, n)) increases. In other words, if the pixel area of the back-illuminated distance measuring sensor is the same as that of the front-illuminated distance measuring sensor, the area of the photosensitive region can be increased.

なお、同図において、ゲート電極TX1,TX2,PG,TX1’,TX2’,TBD1,TBD2,RG1、RG2は、電界効果トランジスタのゲート電極を構成するものであり、説明の簡略化のため、これらの電界効果トランジスタは、対応するゲート電極(TX1,TX2,PG,TX1’,TX2’,TBD1,TBD2,RG1、RG2)と同一符号を用いて示すこととする。   In the figure, gate electrodes TX1, TX2, PG, TX1 ′, TX2 ′, TBD1, TBD2, RG1, and RG2 constitute the gate electrode of the field effect transistor. These field effect transistors are denoted by the same reference numerals as the corresponding gate electrodes (TX1, TX2, PG, TX1 ′, TX2 ′, TBD1, TBD2, RG1, RG2).

フォトゲート電極PGの直下の光感応領域において発生したキャリアは、ゲート電極TX1に高電位が印加されている場合には、電界効果トランジスタ(TX1)はONしており(電界効果トランジスタ(TX2)はOFF)、この電界効果トランジスタ(TX1)を介して蓄積領域CD1によって構成されるポテンシャル井戸に流れ込む。   When the high potential is applied to the gate electrode TX1, carriers generated in the photosensitive region immediately below the photogate electrode PG have the field effect transistor (TX1) turned on (the field effect transistor (TX2) is OFF), it flows into the potential well constituted by the storage region CD1 via this field effect transistor (TX1).

一方、フォトゲート電極PGの直下の光感応領域において発生したキャリアは、ゲート電極TX2に高電位が印加されている場合には、電界効果トランジスタ(TX2)はONしており(電界効果トランジスタ(TX1)はOFF)、この電界効果トランジスタ(TX2)を介して蓄積領域CD2によって構成されるポテンシャル井戸に流れ込む。   On the other hand, when a high potential is applied to the gate electrode TX2, carriers generated in the photosensitive region immediately below the photogate electrode PG have the field effect transistor (TX2) turned on (field effect transistor (TX1)). ) Is OFF), and flows into the potential well formed by the storage region CD2 via the field effect transistor (TX2).

このような蓄積は交互に複数回行われる。   Such accumulation is performed a plurality of times alternately.

蓄積領域CD1,CD2に蓄積されたキャリア(電荷)は、転送用のトランジスタ(TX1’,TX2’)をONさせることにより、半導体領域FD1,FD2に転送され、それぞれ、電界効果トランジスタQFD1のゲート電極(読み出し配線18h:図5参照)、電界効果トランジスタQFD2のゲート電極(読み出し配線21h:図5参照)、に入力される。   The carriers (charges) accumulated in the accumulation regions CD1 and CD2 are transferred to the semiconductor regions FD1 and FD2 by turning on the transfer transistors (TX1 ′, TX2 ′), and the gate electrodes of the field effect transistors QFD1 are respectively supplied. (Readout wiring 18h: see FIG. 5) and the gate electrode of the field effect transistor QFD2 (readout wiring 21h: see FIG. 5).

電界効果トランジスタQFD1,QFD2のゲート電極に入力された電位に応じて、電源電位V+と選択トランジスタSEL1、SEL2のソースが接続され、選択トランジスタSEL1,SEL2のゲート電極に、ハイレベルの読み出し電位が与えられると、垂直読み出し配線LL、RLを介して、サンプルホールド回路S/H(1),S/H(2)に、半導体領域FD1,FD2に蓄積されたキャリアの電荷量に応じた電荷がホールドされる。サンプルホールド回路S/H(1),S/H(2)に蓄積された電荷は、水平シフトレジスタからの水平読み出し信号がスイッチSW1,SW2に入力されることにより、水平読み出しラインH1、H2に出力される。   The power supply potential V + and the sources of the selection transistors SEL1 and SEL2 are connected according to the potential input to the gate electrodes of the field effect transistors QFD1 and QFD2, and a high level read potential is applied to the gate electrodes of the selection transistors SEL1 and SEL2. Then, charges corresponding to the charge amount of carriers accumulated in the semiconductor regions FD1 and FD2 are held in the sample hold circuits S / H (1) and S / H (2) via the vertical read lines LL and RL. Is done. The charges accumulated in the sample hold circuits S / H (1) and S / H (2) are transferred to the horizontal read lines H1 and H2 by inputting the horizontal read signal from the horizontal shift register to the switches SW1 and SW2. Is output.

電荷の読み出しが終了すると、リセットゲート電極RG1,RG2に高電位が与えられ、電界効果トランジスタ(RG1,RG2)がONし、電源電位V++に接続されたリセットドレイン領域RD1、RD2と、蓄積領域CD1,CD2が接続され、蓄積領域CD1.CD2がリセットされる。このときトランジスタ(TX1’,TX2’)をONしておけば、フローティング・ディフュージョン領域としての半導体領域FD1,FD2もリセットされる。なお、半導体領域内に電子が蓄積されると、負電荷の増加に伴ってその電位が低下する。   When the reading of the charge is completed, a high potential is applied to the reset gate electrodes RG1 and RG2, the field effect transistors (RG1 and RG2) are turned on, the reset drain regions RD1 and RD2 connected to the power supply potential V ++, and the storage region CD1. , CD2 are connected to each other, and the storage areas CD1. CD2 is reset. At this time, if the transistors (TX1 ', TX2') are turned on, the semiconductor regions FD1, FD2 as the floating diffusion regions are also reset. Note that when electrons are accumulated in the semiconductor region, the potential thereof decreases as the negative charge increases.

なお、サンプルホールド回路S/H(1),S/H(2)が、選択トランジスタSEL1、SEL2のドレインからの電荷を、上記リセット時と、電荷蓄積終了時においてサンプリングする。すなわち、リセット時の半導体領域FD1,FD2の電位と、電荷蓄積後の半導体領域FD1.FD2の電位の双方をサンプルホールド回路S/H(1)、S/H(2)においてホールドすることで、これらの電位の差分を半導体領域FD1、FD2に蓄積された電荷量として検出し、その差分を蓄積電荷量Q1,Q2として、スイッチSW1、SW2を介して水平読み出しラインH1、H2に出力することができる。なお、キャリア転送後に蓄積領域CD1,CD2内に残留したキャリアは、その後、トランジスタ(TBD1,TBD2)をONすることで、外部に排出することができる。   Note that the sample hold circuits S / H (1) and S / H (2) sample the charges from the drains of the select transistors SEL1 and SEL2 at the time of resetting and at the end of charge accumulation. That is, the potentials of the semiconductor regions FD1 and FD2 at the time of resetting and the semiconductor regions FD1. By holding both potentials of FD2 in the sample hold circuits S / H (1) and S / H (2), the difference between these potentials is detected as the amount of charge accumulated in the semiconductor regions FD1 and FD2, The difference can be output as the accumulated charge amounts Q1 and Q2 to the horizontal readout lines H1 and H2 via the switches SW1 and SW2. Note that carriers remaining in the accumulation regions CD1 and CD2 after carrier transfer can be discharged to the outside by turning on the transistors (TBD1 and TBD2).

以上のようにして、水平読み出しラインH1には電荷量Q1が、水平読み出しラインH2には電荷量Q2が入力され、外部に出力される。   As described above, the charge amount Q1 is input to the horizontal read line H1, and the charge amount Q2 is input to the horizontal read line H2, and is output to the outside.

図12は、第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’への転送電圧の印加回路の回路図である。   FIG. 12 is a circuit diagram of a transfer voltage application circuit to the third and fourth gate electrodes TX1 ', TX2'.

上述の測距センサは、フォトダイオードなどの光検出素子PDを備えている。光検出素子PDは、外光強度を検出するものであって、出力側に反転回路INV及びスイッチSWXが設けられており、外光の強度が高いほど、第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’に印加される転送電圧の大きさは小さくなり、すなわち、キャリア転送時のポテンシャル障壁が高く、外光に対応するキャリア分が、蓄積領域内に残留するようになっている。転送電圧はスイッチSWXをONすることで、第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’に印加される。   The distance measuring sensor described above includes a light detection element PD such as a photodiode. The light detection element PD detects the intensity of external light, and is provided with an inversion circuit INV and a switch SWX on the output side. The higher the intensity of external light, the third and fourth gate electrodes TX1 ′, The magnitude of the transfer voltage applied to TX2 ′ is reduced, that is, the potential barrier at the time of carrier transfer is high, and the amount of carriers corresponding to external light remains in the accumulation region. The transfer voltage is applied to the third and fourth gate electrodes TX1 'and TX2' by turning on the switch SWX.

制御回路CONTには、光検出素子PDの出力が入力されている。光検出素子PDによって検出された外光の強度が高いほど、制御回路CONTは、単位時間当りにスイッチSWXがONする回数を増加させる。   The output of the light detection element PD is input to the control circuit CONT. As the intensity of the external light detected by the light detection element PD is higher, the control circuit CONT increases the number of times the switch SWX is turned ON per unit time.

図13は、第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’への転送電圧の印加回路の回路図である。   FIG. 13 is a circuit diagram of a transfer voltage application circuit to the third and fourth gate electrodes TX1 'and TX2'.

光検出素子PDの出力は、制御回路CONTに入力され、制御回路CONTは入力された光検出素子PDの出力に応じて、転送電圧印加回路TVAから出力される上記転送電圧を制御する。転送電圧は、第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’に入力される。制御回路CONTは、光検出素子PDにおいて検出された外光強度が高いほど、第3及び第4ゲート電極TX1’,TX2’に印加される転送電圧の大きさが小さくなるように、転送電圧印加回路TVAを制御する。   The output of the light detection element PD is input to the control circuit CONT, and the control circuit CONT controls the transfer voltage output from the transfer voltage application circuit TVA according to the input output of the light detection element PD. The transfer voltage is input to the third and fourth gate electrodes TX1 'and TX2'. The control circuit CONT applies the transfer voltage so that the magnitude of the transfer voltage applied to the third and fourth gate electrodes TX1 ′ and TX2 ′ decreases as the external light intensity detected by the light detection element PD increases. Control the circuit TVA.

また、光検出素子PDによって検出された外光の強度が高いほど、制御回路CONTは、単位時間当りに転送電圧を印加する回数を増加させる。   In addition, the higher the intensity of external light detected by the light detection element PD, the greater the number of times that the control circuit CONT applies the transfer voltage per unit time.

以上のように、上記測距装置は、単位期間Tの終期以降に第3及び第4ポテンシャルφTX1’,φTX2’の井戸内に累積的に蓄積された電荷をそれぞれ読み出すが、外光を検出する光検出素子(検出手段)PDを備えている。この光検出素子PDとして、自身の画素の出力、すなわち、上述の蓄積領域CD1,CD2から排出されたキャリアを用いることもできる。 As described above, the distance measuring device reads the charges accumulated in the wells of the third and fourth potentials φ TX1 ′ and φ TX2 ′ after the end of the unit period TF. Is provided with a light detecting element (detecting means) PD. As the light detection element PD, the output of its own pixel, that is, the carrier discharged from the storage regions CD1 and CD2 can be used.

また、上記測距装置は、転送電圧の印加を行う転送電圧印加手段(TVA,SWX)と、検出手段により検出された外光の強度が高いほど、転送電圧の大きさを小さくし、且つ、単位期間T当りの転送電圧印加回数Nを多くするように転送電圧印加手段(TVA,SWX)を制御する制御手段CONTを備えている。 Further, the distance measuring device reduces the magnitude of the transfer voltage as the intensity of external light detected by the transfer voltage application means (TVA, SWX) for applying the transfer voltage and the detection means increases, and Control means CONT is provided for controlling the transfer voltage application means (TVA, SWX) so as to increase the transfer voltage application frequency N per unit period TF .

以上のように、上述の実施形態に係る測距装置は、変調した光を対象物Hに向けて出射する光源3と、半導体基板1A,1A’に設けられた第1及び第2ゲート電極TX1,TX2に交互に電圧を印加することで、入射光に応じて発生したキャリアを、交互に蓄積する第1及び第2ポテンシャル井戸(φCD1,φCD2)と、第1及び第2ポテンシャル井戸(φCD1,φCD2)にそれぞれ隣接した第3及び第4ポテンシャル井戸(φCD3,φCD4)と、転送電圧が印加されることによって、第1ポテンシャル井戸(φCD1)と第3ポテンシャル井戸(φFD1)との間のキャリアに対する障壁(φTX1’)高さを所定値に設定する第3ゲート電極TX1’、転送電圧が印加されることによって、第2ポテンシャル井戸(φCD2)と第4ポテンシャル井戸(φFD2)との間のキャリアに対する障壁(φTX2’)高さを所定値に設定する第4ゲート電極TX2’とを備え、単位期間(T)の終期以降に第3及び第4ポテンシャル井戸(φFD1,φFD2)内に累積的に蓄積された電荷をそれぞれ読み出す測距装置であって、外光を検出する検出手段(PD)と、転送電圧の印加を行う転送電圧印加手段(TVA,SWX)と、検出手段(PD)により検出された外光の強度が高いほど、転送電圧の大きさを小さくし、且つ、単位期間(T)当りの転送電圧印加回数を多くするように転送電圧印加手段(TVA,SWX)を制御する制御手段CONT
とを備えている。
As described above, the distance measuring device according to the above-described embodiment includes the light source 3 that emits the modulated light toward the object H, and the first and second gate electrodes TX1 provided on the semiconductor substrates 1A and 1A ′. , TX2 by alternately applying a voltage, first and second potential wells (φ CD1 , φ CD2 ) for alternately accumulating carriers generated according to incident light, and first and second potential wells ( Third and fourth potential wells (φ CD3 , φ CD4 ) adjacent to φ CD1 , φ CD2 ), respectively, and a transfer voltage is applied, whereby the first potential well (φ CD1 ) and the third potential well (φ barrier to carrier between FD1)TX1 ') third gate electrode TX1 to set the height to a predetermined value', by the transfer voltage is applied, the second potential well (phi C 2) and the fourth barrier (phi TX2 to carrier between the potential well (phi FD2) and a 'a) Height fourth gate electrode TX2 is set to a predetermined value', the unit period (T F) since the end of Are distance measuring devices that respectively read out the charges accumulated cumulatively in the third and fourth potential wells (φ FD1 , φ FD2 ), detecting means (PD) for detecting external light, and application of transfer voltage The transfer voltage application means (TVA, SWX) for performing the transfer and the intensity of the external light detected by the detection means (PD), the smaller the transfer voltage, and the transfer per unit period (T F ) Control means CONT for controlling transfer voltage application means (TVA, SWX) so as to increase the number of times of voltage application
And.

単位期間T当りの転送電圧印加回数Nは、外光の強度が高いほど、多くなる。すなわち、外光が強ければ、単位期間T当りのキャリアの転送回数が増加し、第1及び第2ポテンシャルφTX1,φTX2の井戸内に蓄積されるキャリアが飽和する前に、転送が行われる。外光が弱ければ、単位期間T当りのキャリアの転送回数が減少し、余分な転送を行わないことで、単位時間T当たりの蓄積電荷量を増加させ、短い検出時間において検出精度を向上させることができる。 The transfer voltage application frequency N per unit period TF increases as the intensity of external light increases. That is, if the external light is strong, the number of carrier transfers per unit period TF increases, and the transfer is performed before the carriers accumulated in the wells of the first and second potentials φ TX1 and φ TX2 are saturated. Is called. If the outside light is weak, the number of carrier transfers per unit period TF decreases, and unnecessary transfer is not performed, thereby increasing the amount of accumulated charge per unit time TF and improving detection accuracy in a short detection time. Can be made.

この単位期間Tは、外光の強度に依存しないため、単位期間Tの終期以降に第3及び第4ポテンシャルφTX1’,φTX2’の井戸内に蓄積されたキャリアを、周期的に読み出せばよく、読み出しには格別の制御を必要としない。すなわち、実施形態に係る測距装置によれば、簡単な構成で距離検出を行うことができる。 Since this unit period TF does not depend on the intensity of external light, the carriers accumulated in the wells of the third and fourth potentials φ TX1 ′ and φ TX2 ′ after the end of the unit period TF are periodically transferred. It only needs to be read, and no special control is required for reading. That is, according to the distance measuring apparatus according to the embodiment, distance detection can be performed with a simple configuration.

また、上述の測距装置は、図5に示したように、光の入射面1BKとは逆側に第1、第2、第3及び第4ゲート電極TX1,TX2,TX1’,TX2’を設けており、この測距装置は、裏面入射型測距センサを構成することとなり、半導体基板の光入射面1BKとは逆側の領域で発生したキャリアを効率的に収集することができるようになり、高精度の測距を行うことが可能となる。   Further, as shown in FIG. 5, the distance measuring device described above includes the first, second, third and fourth gate electrodes TX1, TX2, TX1 ′, TX2 ′ on the side opposite to the light incident surface 1BK. This distance measuring device constitutes a back-illuminated distance measuring sensor so that carriers generated in a region opposite to the light incident surface 1BK of the semiconductor substrate can be efficiently collected. Thus, it is possible to perform highly accurate distance measurement.

図14〜図16は、電荷読み出しのタイミングチャートである。   14 to 16 are timing charts of charge reading.

単位期間Tは、時刻t〜t24までの期間で与えられている。パルス駆動信号Sと検出用ゲート信号Sは同位相であり、パルス駆動信号Sと検出用ゲート信号Sは逆位相である。キャリアの振り分け開始前に、時刻t〜tまで、検出用ゲート信号S、S、外光蓄積信号T、キャリア排出信号SEXはハイレベルであり、蓄積領域CD1,CD2内に蓄積されたキャリアは外部に排出され、光検出素子PDの出力が外光として蓄積される。なお、蓄積領域CD1,CD2から排出されたキャリアを外光として用いることもできる。時刻t〜tまでは、転送電圧(転送信号)Sはローレベルであり、蓄積領域CD1,CD2から半導体領域FD1,FD2へのキャリア転送は行われない。 The unit period T F is given in the period up to time t 1 ~t 24. Pulse drive signal S P and the detection gate signal S L are in phase, the gate signal S R for detecting the pulse drive signal S P is antiphase. Before the start of carrier distribution, the detection gate signals S L and S R , the external light accumulation signal T N , and the carrier discharge signal S EX are at a high level from time t 1 to t 2 , and are stored in the accumulation areas CD 1 and CD 2. The accumulated carriers are discharged to the outside, and the output of the light detection element PD is accumulated as external light. Note that carriers discharged from the accumulation regions CD1 and CD2 can be used as external light. Until time t 1 ~t 2, the transfer voltage (transfer signal) S T is at a low level, the carrier transfer is not performed from the storage area CD1, CD2 to the semiconductor regions FD1, FD2.

単位期間T内において、N=4回のキャリア転送を行う場合(図16)の、最初のキャリア転送が終了するまでの期間を所定期間T’とする。単位期間Tは、所定期間T’のX(=N)倍に相当する。なお、図16では、キャリアの振り分け期間Tの半分の期間(T/2)を外光蓄積期間としている。これにより、キャリア振り分け期間T内に一方の蓄積領域内に蓄積されたキャリアと同じ量のキャリアが光検出素子で発生することになるため、転送電圧のレベル調整を外光に比例して行うことが容易となる。 In the unit period TF , when N = 4 carrier transfers are performed (FIG. 16), the period until the first carrier transfer is finished is defined as a predetermined period TF ′. The unit period T F corresponds to X (= N) times the predetermined period T F ′. In FIG. 16, a half period (T M / 2) of the carrier distribution period T M is set as the external light accumulation period. Do this by, to become the same amount of carriers and carriers accumulated in one accumulation region in the carrier distribution within the period T M is generated by the light detecting element, the level adjustment of the transfer voltage in proportion to the ambient light It becomes easy.

なお、図14におけるキャリア振り分け期間は時刻t〜t22までであり、外光蓄積期間は例えばこの期間の半分(T/2)に設定される。また、図15におけるキャリア振り分け期間は時刻t〜t10までであり、外光蓄積期間は例えばこの期間の半分(T/2)に設定される。 Note that the carrier distribution period in FIG. 14 is from time t 3 to t 22 , and the external light accumulation period is set to, for example, half (T M / 2) of this period. Further, the carrier distribution period in FIG. 15 is from time t 3 to t 10 , and the external light accumulation period is set to, for example, half (T M / 2) of this period.

図14のようにN=1回のキャリア転送を行う場合、キャリア振り分け終了後の時刻t23〜t24において、転送信号Sがハイレベルとなり、蓄積領域CD1,CD2内に蓄積されたキャリアが、半導体領域FD1,FD2内に転送され、その後、キャリア排出信号SEXが時刻t23〜t24においてハイレベルとなることにより、蓄積領域CD1,CD2内に残留したキャリアが外部に排出され、その後、蓄積領域CD1,CD2及び半導体領域FD1,FD2のリセットが行われる。キャリア転送直後の半導体領域FD1,FD2の電位と、リセット時の電位をサンプルホールドすれば、半導体領域FD1,FD2内に蓄積された電荷量を検出することができる。 When performing N = 1 single carrier transfer as in FIG. 14, at time t 23 ~t 24 after the carrier sorting ends, the transfer signal S T is at a high level, it is stored in the storage area CD1, the CD2 carrier , are transferred to the semiconductor region FD1, in FD2, then, by the carrier discharging signal S EX is high level at time t 23 ~t 24, residual carriers in the accumulation region CD1, the CD2 is discharged to the outside, then The storage areas CD1 and CD2 and the semiconductor areas FD1 and FD2 are reset. By sampling and holding the potentials of the semiconductor regions FD1 and FD2 immediately after the carrier transfer and the reset potential, the amount of charge accumulated in the semiconductor regions FD1 and FD2 can be detected.

図15のようにN=2回のキャリア転送を行う場合、それぞれのキャリア振り分け終了後の時刻t11〜t12、t23〜t24において、転送信号Sがハイレベルとなり、蓄積領域CD1,CD2内に蓄積されたキャリアが、半導体領域FD1,FD2内に転送され、その後、キャリア排出信号SEXが時刻t13〜t14、t25〜t26においてハイレベルとなることにより、蓄積領域CD1,CD2内に残留したキャリアが外部に排出され、単位期間直後のキャリア排出後、蓄積領域CD1,CD2及び半導体領域FD1,FD2のリセットが行われる。キャリア転送直後の半導体領域FD1,FD2の電位と、リセット時の電位をサンプルホールドすれば、半導体領域FD1,FD2内に蓄積された電荷量を検出することができる。 When performing N = 2 times the carrier transfer as in FIG. 15, in each of the carrier distribution after the end time t 11 ~t 12 of, t 23 ~t 24, the transfer signal S T is at a high level, the storage area CD1, carriers stored in the CD2 is transferred to the semiconductor region FD1, in FD2, then, by the carrier discharging signal S EX is high level at time t 13 ~t 14, t 25 ~t 26, storage area CD1 , The carriers remaining in CD2 are discharged to the outside, and after discharge of the carriers immediately after the unit period, the storage regions CD1, CD2 and the semiconductor regions FD1, FD2 are reset. By sampling and holding the potentials of the semiconductor regions FD1 and FD2 immediately after the carrier transfer and the reset potential, the amount of charge accumulated in the semiconductor regions FD1 and FD2 can be detected.

図16のようにN=4回のキャリア転送を行う場合、それぞれのキャリア振り分け終了後の時刻t〜t、t11〜t12、t17〜t18、t23〜t24において、転送信号Sがハイレベルとなり、蓄積領域CD1,CD2内に蓄積されたキャリアが、半導体領域FD1,FD2内に転送され、その後、キャリア排出信号SEXが時刻t〜t、t13〜t14、t19〜t20、t25〜t26においてハイレベルとなることにより、蓄積領域CD1,CD2内に残留したキャリアが外部に排出され、単位期間直後のキャリア排出後、蓄積領域CD1,CD2及び半導体領域FD1,FD2のリセットが行われる。単位期間最後のキャリア転送直後の半導体領域FD1,FD2の電位と、リセット時の電位をサンプルホールドすれば、半導体領域FD1,FD2内に蓄積された電荷量を検出することができる。 When performing carrier transfer N = 4 times as shown in FIG. 16, transfer is performed at times t 5 to t 6 , t 11 to t 12 , t 17 to t 18 , and t 23 to t 24 after the completion of the carrier allocation. signal S T becomes high level, the accumulated carriers in the accumulation region CD1, the CD2 is transferred to the semiconductor region FD1, in FD2, then, the carrier discharging signal S EX is time t 7 ~t 8, t 13 ~t 14 , t 19 to t 20 , t 25 to t 26 , the carriers remaining in the accumulation regions CD 1 and CD 2 are discharged to the outside, and after discharging the carriers immediately after the unit period, the accumulation regions CD 1 and CD 2 The semiconductor regions FD1 and FD2 are reset. By sampling and holding the potentials of the semiconductor regions FD1 and FD2 immediately after the last carrier transfer in the unit period and the reset potential, the amount of charge accumulated in the semiconductor regions FD1 and FD2 can be detected.

上述の制御によれば、単位期間T当りの転送電圧印加回数は、外光の強度が高いほど、多くなる。すなわち、外光が強ければ、単位期間T当りの転送回数Nが増加し、第1及び第2ポテンシャルφCD1,φCD2の井戸内に蓄積されるキャリアが飽和する前に、転送が行われる。外光が弱ければ、単位期間T当りの転送回数Nが減少し、余分な転送を行わないことで、単位時間T当たりの蓄積電荷量を増加させ、短い検出時間において検出精度を向上させることができる。すなわち、図14では、1回のキャリア転送しか行わないため、図15及び図16の制御よりも、単位期間T当りに多くのキャリアを蓄積することができる。図15は2回のキャリア転送しか行わないため、図16の制御よりも、単位期間T当りに多くのキャリアを蓄積することができる。また、転送回数を減らすことで、転送ノイズを低減することででき、また、ポテンシャルを飽和させずにキャリアの積分回数を増やすことで、光源のパワーを低減させることができる。 According to the control described above, the number of transfer voltage applications per unit period TF increases as the intensity of external light increases. That is, if the external light is strong, the number of transfers N per unit period TF increases, and the transfer is performed before the carriers accumulated in the wells of the first and second potentials φ CD1 and φ CD2 are saturated. . If the outside light is weak, the number of transfers N per unit period T F decreases, and unnecessary transfer is not performed, thereby increasing the accumulated charge amount per unit time T F and improving the detection accuracy in a short detection time. be able to. That is, in FIG. 14, since only one carrier transfer is performed, more carriers can be accumulated per unit period TF than in the control of FIGS. Since only carrier transfer is performed twice in FIG. 15, more carriers can be accumulated per unit period TF than in the control of FIG. Further, it is possible to reduce transfer noise by reducing the number of transfers, and it is possible to reduce the power of the light source by increasing the number of carrier integrations without saturating the potential.

以上、説明したように、上述の測距装置では、蓄積時間と転送期間(外光キャンセル期間)を1サイクルとして、蓄積電荷を読み出すまでの所定の期間(1フレーム)内の最初に照射光をモニタし、モニタした光量に応じて1フレーム内で1サイクルの繰り返し回数を決定し、1フレームの最後に蓄積した電荷を読み出すこととした。   As described above, in the distance measuring apparatus described above, the accumulation time and the transfer period (external light cancellation period) are set as one cycle, and the irradiation light is first applied within a predetermined period (one frame) until the accumulated charge is read. The number of repetitions of one cycle within one frame is determined according to the monitored light amount, and the charge accumulated at the end of one frame is read out.

転送回数(外光キャンセル回数)が4回の場合、10,000回の電荷振り分けを実施したとする。また、外光蓄積期間はT/2期間、外光キャンセル期間をT/2期間と割り当てたとする。この場合、外光蓄積期間に相当する分だけ、電荷振り分け回数が少なくなる。例えば、外光キャンセル回数4回では40000回、外光キャンセル回数2回では60000回、外光キャンセル回数1回では70,000回、外光キャンセルしない場合には80000回の電荷振り分けを行うことができる。 When the number of transfers (external light cancellation) is four, it is assumed that 10,000 charge distributions are performed. Also, the external light accumulation period is set to T M / 2 period, the external light cancel period allocated with T M / 2 period. In this case, the number of times of charge distribution is reduced by an amount corresponding to the external light accumulation period. For example, the charge distribution may be performed 40000 times when the external light cancel count is 4 times, 60000 times when the external light cancel count is 2 times, 70,000 times when the external light cancel count is once, and 80000 times when the external light cancel is not performed. it can.

外光が非常に少ない場合は、図14のように、全蓄積時間を電荷振り分け期間に割り当て、外光が飽和を超える場合は、その光強度に応じて適応的に外光キャンセル回数を、図15、図16のように、変更することで飽和を避けながら外光をキャンセルすることができる。蓄積時間が異なると蓄積する信号量の絶対値が変化するが、上記の測距原理では変調信号の差分を距離測定に用いているため、信号量の絶対値の影響は少なくなる。   When the external light is very small, the total accumulation time is assigned to the charge distribution period as shown in FIG. 14, and when the external light exceeds saturation, the number of external light cancellations is adaptively shown in accordance with the light intensity. 15. As shown in FIG. 16, external light can be canceled while changing to avoid saturation. When the accumulation time is different, the absolute value of the accumulated signal amount changes. However, since the difference in the modulation signal is used for distance measurement in the distance measurement principle, the influence of the absolute value of the signal amount is reduced.

また、外光が強い場合でも、外光キャンセル機能を用いながら、所定期間T’内の信号分のみを画素内のポテンシャル井戸(メモリ)に蓄積させておき、単位期間(フレーム)の最後で信号を読み出すことができている。これにより、外光が強い(すなわち露光時間が短い)場合でも、高S/N信号を取得することができる。 Even when the external light is strong, the signal within the predetermined period T F ′ is accumulated in the potential well (memory) in the pixel while using the external light cancellation function, and at the end of the unit period (frame). The signal can be read out. Thereby, even when the external light is strong (that is, the exposure time is short), a high S / N signal can be acquired.

次に、上記構造の表面入射型の測距センサへの適用例について説明する。なお、回路構造は、裏面入射型測距センサにも適用することができる。   Next, an example of application to the surface incidence type distance measuring sensor having the above structure will be described. The circuit structure can also be applied to a back-illuminated distance measuring sensor.

図17は、表面入射型の測距センサ1の平面図である。   FIG. 17 is a plan view of the surface incidence type distance measuring sensor 1.

測距センサ1は、二次元状に配列した複数の画素P(m,n)からなる撮像領域1Bを有する半導体基板1Aを備えている。なお、各画素P(m,n)は、図11に示した画素P’(m,n)と同一の回路構造を有している。各画素P(m,n)からは、上述の距離情報を有する信号d’(m,n)として2つの電荷量(Q1,Q2)が出力される。各画素P(m,n)は微小測距センサとして対象物Hまでの距離に応じた信号d’(m,n)を出力するので、対象物Hからの反射光を、撮像領域1Bに結像すれば、対象物H上の各点までの距離情報の集合体としての対象物の距離画像を得ることができる。   The distance measuring sensor 1 includes a semiconductor substrate 1A having an imaging region 1B composed of a plurality of pixels P (m, n) arranged in a two-dimensional manner. Each pixel P (m, n) has the same circuit structure as the pixel P ′ (m, n) shown in FIG. From each pixel P (m, n), two charge amounts (Q1, Q2) are output as the signal d '(m, n) having the above-described distance information. Since each pixel P (m, n) outputs a signal d ′ (m, n) corresponding to the distance to the object H as a minute distance measuring sensor, the reflected light from the object H is coupled to the imaging region 1B. If an image is obtained, a distance image of the object as a collection of distance information to each point on the object H can be obtained.

半導体基板1A上には、図11に示したサンプルホールド回路S/Hを各画素列毎に有してなるサンプルホールド回路群SHGを備えており、各サンプルホールド回路S/Hは図11に示したスイッチSW1,SW2を各画素列ごとに有する読み出しスイッチ群RSを介して、水平読み出しラインH1,H2に接続されている。水平読み出しラインH1,H2はアンプAPに入力されている。読み出しスイッチ群RSの各スイッチは、半導体基板1A上(又はその近傍)に形成された水平シフトレジスタHSからの水平読み出し信号によってON/OFFする。   On the semiconductor substrate 1A, there is provided a sample hold circuit group SHG having the sample hold circuit S / H shown in FIG. 11 for each pixel column, and each sample hold circuit S / H is shown in FIG. The switches SW1 and SW2 are connected to the horizontal readout lines H1 and H2 through a readout switch group RS having each pixel column. The horizontal read lines H1 and H2 are input to the amplifier AP. Each switch of the read switch group RS is turned ON / OFF by a horizontal read signal from a horizontal shift register HS formed on (or in the vicinity of) the semiconductor substrate 1A.

半導体基板1A上(又はその近傍)には、垂直シフトレジスタVSが形成されており、図11のトランジスタSEL1(SEL2)に与えられる選択信号SSEL(i),SEL(i+1)・・・を各画素行毎に、各画素行のトランジスタSEL1(SEL2)(図11参照)のゲート電極に順次与える。なお、図11のリセットゲート電極RG1,RG2へ印加されるリセット信号も垂直シフトレジスタVSから与えられる。 A vertical shift register VS is formed on (or in the vicinity of) the semiconductor substrate 1A, and the selection signals S SEL (i), S SEL (i + 1), ... Applied to the transistor SEL1 (SEL2) in FIG. For each pixel row, the voltage is sequentially applied to the gate electrodes of the transistors SEL1 (SEL2) (see FIG. 11) in each pixel row. A reset signal applied to the reset gate electrodes RG1 and RG2 in FIG. 11 is also supplied from the vertical shift register VS.

水平シフトレジスタHS及び垂直シフトレジスタVSには、タイミング発生回路TGからの基準クロック信号が入力されており、水平シフトレジスタHS及び垂直シフトレジスタVSは、基準クロック信号に基づき、水平読み出し信号、選択信号、及びリセット信号を生成している。   The reference clock signal from the timing generation circuit TG is input to the horizontal shift register HS and the vertical shift register VS, and the horizontal shift register HS and the vertical shift register VS receive a horizontal read signal and a selection signal based on the reference clock signal. And a reset signal.

図18は、表面入射型の測距センサ内の1画素の断面図である。   FIG. 18 is a cross-sectional view of one pixel in the surface incidence type distance measuring sensor.

フォトゲート電極PGの上方が開口した遮光膜SHLが光入射面側に配置されている。この構造は、図5に示した裏面入射型の測距センサ1の構造と比較すると、半導体基板1A、1A’の厚さが裏面入射型測距センサよりも厚い点を除いて、同一である。半導体基板1A、1A’の厚さは200μm以上であり、図5に示した基板裏面側の反射防止膜1Dは省略されている。   A light shielding film SHL having an opening above the photogate electrode PG is disposed on the light incident surface side. This structure is the same as that of the back-illuminated distance measuring sensor 1 shown in FIG. 5 except that the semiconductor substrates 1A and 1A ′ are thicker than the back-illuminated distance measuring sensor. . The thickness of the semiconductor substrates 1A and 1A 'is 200 μm or more, and the antireflection film 1D on the back side of the substrate shown in FIG. 5 is omitted.

なお、上述のフォトゲート電極PGは測距センサ当り1つであってもよく、フォトゲート電極PGを含む微小測距センサを画素として1次元又は2次元状に複数配列し、1次元又は2次元の距離画像を得ることができる測距センサとしてもよい。なお、光感応領域の上方のみが開口した遮光膜SHLを裏面入射型測距センサ1の光入射面側に設けることも可能であり、これにより半導体領域FD1,FD2への斜め入射によるクロストークを低減することもできる。   Note that the above-described photogate electrode PG may be one for each distance measuring sensor, and a plurality of minute distance measuring sensors including the photogate electrode PG are arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner as pixels, and then one-dimensional or two-dimensional. It is good also as a ranging sensor which can obtain the distance image. It is also possible to provide a light-shielding film SHL opened only above the photosensitive region on the light incident surface side of the back-illuminated distance measuring sensor 1, thereby causing crosstalk due to oblique incidence on the semiconductor regions FD1 and FD2. It can also be reduced.

次に、各画素P(m,n)が、フォトゲート電極PGの周囲に4つの転送ゲート電極を有している場合について説明する。   Next, a case where each pixel P (m, n) has four transfer gate electrodes around the photogate electrode PG will be described.

図19は、このような画素の平面図である。   FIG. 19 is a plan view of such a pixel.

横方向に配列した電極及び各半導体領域の構造は、図10に示したものと同じであるが、キャリア排出用のゲート電極TBD1,TBD2の位置が、フォトゲート電極PGの重心に対して点対称に配置されている点が上記と異なる。   The structures of the electrodes and the semiconductor regions arranged in the horizontal direction are the same as those shown in FIG. 10, but the positions of the gate electrodes TBD1 and TBD2 for discharging carriers are point-symmetric with respect to the center of gravity of the photogate electrode PG. Is different from the above.

縦方向に配列した電極及び各半導体の構造は、横方向に配列した一群をフォトゲート電極PGの重心を中心として90度回転させたものであり、一端から順番に、半導体領域FD1a、ゲート電極TX1a’、蓄積領域CD1a、ゲート電極TX1a、フォトゲート電極PG、ゲート電極TX2a、蓄積領域CD2a、ゲート電極TX2a、フォトゲート電極FD2aが並んでおり、それぞれの要素は、半導体領域FD1、ゲート電極TX1’、蓄積領域CD1、ゲート電極TX1、フォトゲート電極PG、ゲート電極TX2、蓄積領域CD2、ゲート電極TX2、フォトゲート電極FD2と同じである。   The structure of the electrodes arranged in the vertical direction and the respective semiconductors is a group in which the group arranged in the horizontal direction is rotated 90 degrees around the center of gravity of the photogate electrode PG, and the semiconductor region FD1a and the gate electrode TX1a are sequentially formed from one end. ', The storage region CD1a, the gate electrode TX1a, the photogate electrode PG, the gate electrode TX2a, the storage region CD2a, the gate electrode TX2a, and the photogate electrode FD2a are arranged, and the respective elements are the semiconductor region FD1, the gate electrode TX1', This is the same as the storage region CD1, the gate electrode TX1, the photogate electrode PG, the gate electrode TX2, the storage region CD2, the gate electrode TX2, and the photogate electrode FD2.

なお、蓄積領域CD1a、CD2aには、ゲート電極TBD1a,TBD2aを介して排出領域CD1a’,CD2a’が接続されており、これらの関係は、蓄積領域CD1、CD2、ゲート電極TBD1,TBD2、排出領域CD1’,CD2a’の関係と同じである。   The storage regions CD1a and CD2a are connected to the discharge regions CD1a ′ and CD2a ′ via the gate electrodes TBD1a and TBD2a. The relationship between the storage regions CD1 and CD2, the gate electrodes TBD1 and TBD2, and the discharge regions This is the same as the relationship between CD1 ′ and CD2a ′.

横方向に両端に位置する半導体領域FD1,FD2から電荷量Q1,Q2が出力され、縦方向の両端に位置する半導体領域FD1a,FD2aから電荷量Q3,Q4が出力されるとする。   Assume that charge amounts Q1 and Q2 are output from the semiconductor regions FD1 and FD2 located at both ends in the horizontal direction, and charge amounts Q3 and Q4 are output from the semiconductor regions FD1a and FD2a located at both ends in the vertical direction.

上述の実施形態では、180度の位相差で2つのゲート電極TX1,TX2を駆動した場合の例を説明したが、本例では90度毎の位相差で4つのゲート電極TX1,TX1a,TX2,TX2aを駆動している。この場合、距離d=Φ×c/2×2πfで与えられる。なお、駆動信号が正弦波状の場合には、fは駆動パルス信号Sの繰り返し周波数であり、位相Φ=−arctan((Q2−Q4)/(Q1−Q3))で与えられる。 In the above-described embodiment, an example in which the two gate electrodes TX1 and TX2 are driven with a phase difference of 180 degrees has been described. TX2a is driven. In this case, the distance d = Φ × c / 2 × 2πf is given. Incidentally, when the drive signal is sinusoidal is, f is the repetition frequency of the drive pulse signal S P, is given by the phase Φ = -arctan ((Q2-Q4 ) / (Q1-Q3)).

図20は、図19の画素を有する場合の測距センサ1の平面図である。   FIG. 20 is a plan view of the distance measuring sensor 1 having the pixels of FIG.

この測距センサ1は、図19に示したものに水平シフトレジスタHS2,アンプAP2,水平読み出しラインH1’,H2’、スイッチ群RS2、サンプルホールド回路群SHG2を付加したものであり、それぞれの機能は、水平シフトレジスタHS,アンプAP,水平読み出しラインH1,H2、スイッチ群RS、サンプルホールド回路群SHGと同一でり、各画素から出力される電荷量をQ1,Q2に代えて、Q3,Q4としたものである。   This distance measuring sensor 1 is obtained by adding a horizontal shift register HS2, an amplifier AP2, horizontal readout lines H1 ′ and H2 ′, a switch group RS2, and a sample hold circuit group SHG2 to those shown in FIG. Is the same as the horizontal shift register HS, the amplifier AP, the horizontal readout lines H1 and H2, the switch group RS, and the sample hold circuit group SHG, and the charge amount output from each pixel is replaced by Q3 and Q4. It is what.

すなわち、アンプAPからは信号d(Q1,Q2)が出力され、アンプAP2からは信号d(Q3,Q4)が出力される。   That is, the amplifier AP outputs a signal d (Q1, Q2), and the amplifier AP2 outputs a signal d (Q3, Q4).

以上、説明したように、上述の実施形態に係る測距装置では、短い検出時間で正確且つ簡単に対象物までの距離を測定可能となる。   As described above, with the distance measuring device according to the above-described embodiment, the distance to the object can be measured accurately and easily in a short detection time.

測距装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of a distance measuring device. 測距センサ1の平面図である。2 is a plan view of the distance measuring sensor 1. FIG. 図2に示した測距センサのIII−III矢印断面図である。FIG. 3 is a sectional view of the distance measuring sensor shown in FIG. 2 along arrows III-III. 変形例に係る測距センサの断面図である。It is sectional drawing of the distance measuring sensor which concerns on a modification. 図3又は図4に示した測距センサの領域Vの拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view of a region V of the distance measuring sensor shown in FIG. 3 or FIG. 4. バックゲート近傍の断面図である。It is sectional drawing of the back gate vicinity. 貫通電極近傍の断面図である。It is sectional drawing of the penetration electrode vicinity. キャリア蓄積動作を説明するための基板表面近傍のポテンシャル図である。It is a potential diagram in the vicinity of the substrate surface for explaining the carrier accumulation operation. キャリア蓄積動作を説明するための基板表面近傍のポテンシャル図である。It is a potential diagram in the vicinity of the substrate surface for explaining the carrier accumulation operation. 測距センサをゲート電極側からみた測距センサの画素の平面図である。It is a top view of the pixel of the ranging sensor which looked at the ranging sensor from the gate electrode side. キャリアの読み出し回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the read-out circuit of a carrier. 転送電圧の印加回路の回路図である。It is a circuit diagram of a transfer voltage application circuit. 別の転送電圧の印加回路の回路図である。It is a circuit diagram of the application circuit of another transfer voltage. 電荷読み出しのタイミングチャートである。It is a timing chart of charge reading. 電荷読み出しのタイミングチャートである。It is a timing chart of charge reading. 電荷読み出しのタイミングチャートである。It is a timing chart of charge reading. 測距センサ1の平面図である。2 is a plan view of the distance measuring sensor 1. FIG. 表面入射型の測距センサ内の1画素の断面図である。It is sectional drawing of 1 pixel in a surface incidence type distance measuring sensor. 測距センサをゲート電極側からみた測距センサの画素の平面図である。It is a top view of the pixel of the ranging sensor which looked at the ranging sensor from the gate electrode side. 測距センサ1の平面図である。2 is a plan view of the distance measuring sensor 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1A(1A’)・・・半導体基板、PG・・・フォトゲート電極、TX1,TX2・・・ゲート電極、CD1,CD2・・・蓄積領域、FD1,FD2・・・半導体領域(フローティング・ディフュージョン領域)。   1A (1A ') ... Semiconductor substrate, PG ... Photogate electrode, TX1, TX2 ... Gate electrode, CD1, CD2 ... Storage region, FD1, FD2 ... Semiconductor region (floating diffusion region) ).

Claims (3)

変調した光を対象物に向けて出射する光源と、
半導体基板に設けられた第1及び第2ゲート電極に交互に電圧を印加することで、入射光に応じて発生したキャリアを、交互に蓄積する第1及び第2ポテンシャル井戸と、
前記第1及び第2ポテンシャル井戸にそれぞれ隣接した第3及び第4ポテンシャル井戸と、
転送電圧が印加されることによって、前記第1ポテンシャル井戸と前記第3ポテンシャル井戸との間のキャリアに対する障壁高さを所定値に設定する第3ゲート電極と、
転送電圧が印加されることによって、前記第2ポテンシャル井戸と前記第4ポテンシャル井戸との間のキャリアに対する障壁高さを所定値に設定する第4ゲート電極と、
を備え、
単位期間の終期以降に前記第3及び第4ポテンシャル井戸内に累積的に蓄積された電荷をそれぞれ読み出す測距装置であって、
外光を検出する検出手段と、
前記転送電圧の印加を行う転送電圧印加手段と、
前記検出手段により検出された外光の強度が高いほど、前記転送電圧の大きさを小さくし、且つ、前記単位期間当りの転送電圧印加回数を多くするように前記転送電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする測距装置。
A light source that emits modulated light toward an object;
First and second potential wells that alternately accumulate carriers generated according to incident light by alternately applying a voltage to first and second gate electrodes provided on a semiconductor substrate;
Third and fourth potential wells adjacent to the first and second potential wells, respectively;
A third gate electrode that sets a barrier height for carriers between the first potential well and the third potential well to a predetermined value by applying a transfer voltage;
A fourth gate electrode that sets a barrier height for carriers between the second potential well and the fourth potential well to a predetermined value by applying a transfer voltage;
With
A distance measuring device that reads out charges accumulated in the third and fourth potential wells after the end of a unit period,
Detection means for detecting outside light;
Transfer voltage applying means for applying the transfer voltage;
Control for controlling the transfer voltage application means so that the magnitude of the transfer voltage is reduced and the number of transfer voltage application times per unit period is increased as the intensity of the external light detected by the detection means is higher. Means,
A distance measuring device comprising:
光の入射面とは逆側に前記第1、第2、第3及び第4ゲート電極を設けたことを特徴とする請求項1に記載の測距装置。   2. The distance measuring apparatus according to claim 1, wherein the first, second, third and fourth gate electrodes are provided on the opposite side of the light incident surface. それぞれ読み出された電荷の全体電荷量に対する比率に基づいて、前記対象物までの距離を演算する演算手段を更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の測距装置。   The distance measuring apparatus according to claim 1, further comprising a calculation unit that calculates a distance to the target object based on a ratio of the read charges to the total charge amount.
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