JP2011133464A - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】開口率の向上を図ることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供する。
【解決手段】距離画像センサＲＳは、２次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板１上に備え、ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る。１つのユニットは、光感応領域と、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向でフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向する第３半導体領域９ａ，９ｂと、第３半導体領域９ａ，９ｂとフォトゲート電極ＰＧとの間に設けられる第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２と、第３半導体領域９ａ、９ｂを第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向において挟んで配置される第４半導体領域１１ａ，１１ｂと、第４半導体領域１１ａ，１１ｂとフォトゲート電極ＰＧとの間にそれぞれ設けられる第３転送電極ＴＸ３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、距離センサ及び距離画像センサに関する。
従来のアクティブ型の光測距センサは、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの投光用の光源から対象物に光を照射し、対象物における反射光を光検出素子で検出することで、対象物までの距離に応じた信号を出力するものとして知られている。ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）などは、対象物までの距離を簡易に測定することができる光三角測量型の光測距センサとして知られているが、近年、より精密な距離測定を行うため、光ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の光測距センサの開発が期待されている。
距離情報と画像情報を同時に、同一チップで取得できるイメージセンサが車載用、工場の自動製造システム用などにおいて求められている。画像情報とは別に、単一の距離情報又は複数の距離情報からなる距離画像を取得するイメージセンサが期待されている。このような測距センサにはＴＯＦ法を用いることが好ましい。
上記ＴＯＦ法による距離画像センサとして、例えば、特許文献１に記載された固体撮像装置が知られている。特許文献１に記載された距離画像センサは、二次元に配列された各画素が、矩形の電荷生成領域と、電荷生成領域の一組の対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられた転送ゲート電極と、転送ゲート電極により転送された信号電荷をそれぞれ蓄積する浮遊ドレイン領域と、電荷生成領域の異なる一組の対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられ、電荷生成領域から背景光電荷を排出する排出ゲート電極と、排出ゲート電極により排出された背景光電荷をそれぞれ受け入れる排出ドレイン領域と、を備えて構成されている。この距離画像センサでは、浮遊ドレイン領域内に振り分けられた電荷量に基づいて、対象物までの距離が演算される。また、電荷生成領域にて生成された背景光電荷が排出されるため、背景光の影響が低減され、ダイナミックレンジが向上する。
国際公開第２００７／０２６７７９号パンフレット
しかしながら、上記特許文献１に記載の距離画像センサにおいては、各画素において、電荷生成領域の周囲のうち一部ではあるものの、排出ゲート電極で囲む構成となっているため、開口率が悪いという問題点を有している。
本発明は、上記課題解決のためになされたものであり、開口率の向上を図ることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る距離センサは、入射光に応じて電荷を発生し、且つその平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する光感応領域と、第１及び第２長辺の対向方向で光感応領域を挟んで対向して配置され、光感応領域からの信号電荷を収集する信号電荷収集領域と、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、信号電荷収集領域と光感応領域との間にそれぞれ設けられる転送電極と、第１長辺側において第１長辺に沿って信号電荷収集領域を挟むように互いに空間的に離間して配置され、光感応領域からの不要電荷を収集する第１不要電荷収集領域と、第１及び第２長辺の対向方向で光感応領域を挟んで第１不要電荷収集領域と対向すると共に、第２長辺側において第２長辺に沿って信号電荷収集領域を挟むように互いに空間的に離間して配置され、光感応領域からの不要電荷を収集する第２不要電荷収集領域と、第１及び第２不要電荷収集領域と光感応領域との間にそれぞれ設けられ、光感応領域から第１及び第２不要電荷領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を備えることを特徴とする。
この距離センサでは、第１及び第２長辺の対向方向において光感応領域を挟んで信号電荷収集領域が対向して配置され、この信号電荷収集領域と光感応領域との間に転送電極がそれぞれ設けられている。また、第１長辺側において第１長辺に沿って信号電荷収集領域を挟むように互いに空間的に離間して第１不要電荷収集領域が配置され、この第１不要電荷収集領域に対向して第２長辺側に第２不要電荷収集領域が配置され、第１及び第２不要電荷収集領域と光感応領域との間にそれぞれ不要電荷収集ゲート電極が設けられている。このような構成により、光感応領域の第１及び第２短辺の対向方向には電極が配置されないので、光感応領域を囲うように転送電極及び不要電荷収集ゲート電極が配置される場合に比べて、開口率が著しく改善する。
また、本発明に係る距離センサでは、光感応領域で発生した信号電荷及び不要電荷は、転送電極及び不要電荷収集ゲート電極により第１及び第２長辺の対向方向に転送される。そのため、光感応領域を第１及び第２短辺の対向方向に拡大して形成した場合であっても、第１及び第２長辺の対向方向の距離は一定に保たれるので、転送電極及び不要電荷収集ゲート電極における電荷の転送速度を十分に確保することができる。従って、転送速度を確保しつつ、開口率の向上を図ることができる。その結果、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる。
また、第１及び第２転送電極の第１及び第２長辺方向の長さ寸法は、不要電荷収集ゲート電極の第１及び第２長辺方向の長さ寸法よりも大きいことが好ましい。このように、第１及び第２転送電極の第１及び第２長辺方向の長さ寸法、すなわち第１及び第２転送電極のゲート幅を不要電荷収集ゲート電極のゲート幅よりも長くすることにより、第１及び第２転送電極における信号電荷の転送速度の向上を図ることができる。
また、不要電荷収集ゲート電極における第１及び第２短辺の対向方向の外側の端部は、光感応領域の第１及び第２短辺の対向方向の両端部と略面一となっていることが好ましい。また、不要電荷収集ゲート電極における第１及び第２短辺の対向方向の外側の端部は、光感応領域の第１及び第２短辺の対向方向の両端部よりも内側となっていることが好ましい。これにより、例えば距離センサが２次元状に配置される場合には、第１及び第２短辺の対向方向において隣接する距離センサ同士を近接して配置することができる。
また、本発明に係る距離画像センサは、一次元又は二次元に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、１つのユニットは、上記距離センサであることを特徴とする。本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサを備えることで、開口率の向上を図ることができる。
また、不要電荷収集ゲート電極における第１及び第２短辺の対向方向の外側の端部は、光感応領域の第１及び第２短辺の対向方向の両端部よりも外側に突出するようにしてもよい。そして、光感応領域は、半導体基板上において光感応領域の第１及び第２短辺の対向方向に複数配置されており、不要電荷収集ゲート電極は、隣接する２つの光感応領域に亘って配置されていることが好ましい。この場合には、不要電荷収集ゲート電極が隣接する２つの光感応領域で共有化されることになる。また、第１及び第２不要電荷収集領域も隣接する２つの光感応領域で共有化されることになる。そのため、距離画像センサにおけるユニットの製造を簡易化することができる。
本発明によれば、開口率の向上を図ることが可能となる。
本発明の一実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。 撮像領域のII−II線に沿った断面構成を示す図である。 撮像領域のIII−III線に沿った断面構成を示す図である。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 各種信号のタイミングチャートである。 撮像デバイスの全体の断面図である。 各種信号のタイミングチャートである。 距離画像測定装置の全体構成を示す図である。 従来の距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。 本発明の距離画像センサの撮像領域の一例を示す概略平面図である。 変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素の概略平面図である。 変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素の概略平面図である。 変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素の概略平面図である。 変形例に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。 変形例に係る各種信号のタイミングチャートである。 本実施形態の変形例に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。 撮像領域のXVIII−XVIII線に沿った断面構成を示す図である。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 本実施形態の変形例に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。 撮像領域のXXI−XXI線に沿った断面構成を示す図である。 各種信号のタイミングチャートである。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。図２は、撮像領域のII−II線に沿った断面構成を示す図であり、図３は、撮像領域のIII−III線に沿った断面構成を示す図である。
距離画像センサＲＳは、互いに対向する第１及び第２主面１ａ，１ｂを有する半導体基板１を備えている。半導体基板１は、第１主面１ａ側に位置するｐ型の第１半導体領域３と、第１半導体領域３よりも不純物濃度が低く且つ第２主面１ｂ側に位置するｐ−型の第２半導体領域５と、からなる。半導体基板１は、例えば、ｐ型の半導体基板上に、当該半導体基板よりも不純物濃度が低いｐ−型のエピタキシャル層を成長させることにより得ることができる。半導体基板１の第２主面１ｂ（第２半導体領域５）上には、絶縁層７が形成されている。
絶縁層７上には、複数のフォトゲート電極ＰＧが、空間的に離間して二次元状に配置されている。フォトゲート電極ＰＧは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、長方形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、フォトゲート電極ＰＧの配置方向と平行で且つ互いに対向する第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２と、第１及び第２の長辺Ｌ１，Ｌ２に直交し且つ互いに対向する第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２とを、を有する平面形状を有している。半導体基板１（第２半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（図２及び図３において、フォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域）は、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域（光感応領域）として機能する。
第２半導体領域５には、各フォトゲート電極ＰＧから離れて位置する領域それぞれに、不純物濃度が高いｎ型の第３半導体領域（信号電荷収集領域）９ａ，９ｂが対向して形成されている。すなわち、第３半導体領域９ａ，９ｂは、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向でフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向して配置されている。第３半導体領域９ａは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち第１長辺Ｌ１側に配置され、第３半導体領域９ｂは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち第３半導体領域９ａが配置された第１長辺Ｌ１に対向する第２長辺Ｌ２側に配置されている。第３半導体領域９ａ，９ｂは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第３半導体領域９ａ，９ｂは、正方形状を呈している。
第２半導体領域５には、各フォトゲート電極ＰＧから離れて位置する領域それぞれに、不純物濃度が高いｎ型の第４半導体領域（第１及び第２不要電荷収集領域）１１ａ，１１ｂが形成されている。本実施形態では、第４半導体領域１１ａ，１１ｂは、各フォトゲート電極ＰＧそれぞれに二対配置されている。第４半導体領域１１ａは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち第１長辺Ｌ１側において第１長辺Ｌ１に沿い、且つ第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向において第３半導体領域９ａを間に挟んで配置され、第４半導体領域１１ｂは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち第４半導体領域１１ａが配置された第１長辺Ｌ１に対向する第２長辺Ｌ２側において第２長辺Ｌ２に沿い、且つ第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向において第３半導体領域９ｂを間に挟んで配置されている。第４半導体領域１１ａ，１１ｂは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第４半導体領域１１ａ，１１ｂは、正方形状を呈している。
本実施形態では、「不純物濃度が高い」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示す。一方、「不純物濃度が低い」とは例えば１０×１０１５ｃｍ−３程度以下のことであって、「−」を導電型に付けて示す。
各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・第１半導体領域３：厚さ１０〜１０００μｍ／不純物濃度１×１０１２〜１０１９ｃｍ−３
・第２半導体領域５：厚さ１〜５０μｍ／不純物濃度１×１０１２〜１０１５ｃｍ−３
・第３半導体領域９ａ，９ｂ及び第４半導体領域１１ａ，１１ｂ：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
半導体基板１（第１及び第２半導体領域３，５）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。
絶縁層７上には、各フォトゲート電極ＰＧに対応して、第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２がそれぞれ配置されている。第１転送電極ＴＸ１は、第１長辺Ｌ１側においてフォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域９ａとの間に位置し、フォトゲート電極ＰＧから離れて配置されている。第２転送電極ＴＸ２は、第１長辺Ｌ１に対向する第２長辺Ｌ２側においてフォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域９ｂとの間に位置し、フォトゲート電極ＰＧから離れて配置されている。第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２とは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２とは、フォトゲート電極ＰＧの配置方向を長辺方向とする長方形状を呈している。
絶縁層７上には、各フォトゲート電極ＰＧに対応して、不要電荷収集ゲート電極として機能する第３転送電極ＴＸ３がそれぞれ配置されている。第３転送電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧと第４半導体領域１１ａ，１１ｂとの間に位置し、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向において、第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２を挟んでフォトゲート電極ＰＧから離れて配置されている。第３転送電極ＴＸ３は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第３転送電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧの配置方向を長辺方向とする長方形状を呈しており、その長さ寸法が第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の長さ寸法よりも短くなっている。なお、第３転送電極ＴＸ３の第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向における外側の端部ＴＸ３ａは、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向における両端部ＰＧａ，ＰＧｂと略面一となっている。
なお、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３の第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向の長さ寸法、すなわち第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３のゲート幅は、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３において信号電荷及び不要電荷の高速転送が可能となるフォトゲート電極ＰＧの領域をカバーするように、信号電荷及び不要電荷の転送可能な距離に応じて決定される。
本実施形態では、一つのフォトゲート電極ＰＧ、半導体基板１におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（光感応領域）、一対の第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２、一対の第３半導体領域９ａ，９ｂ、二対の第３転送電極ＴＸ３、及び、二対の第４半導体領域１１ａ，１１ｂが、距離画像センサＲＳにおける一つの画素（距離センサ）を構成している。
絶縁層７には、第１半導体領域３の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第３半導体領域９ａ，９ｂ及び第４半導体領域１１ａ，１１ｂを外部に接続するための導体１３が配置される。
半導体基板はＳｉからなり、絶縁層７はＳｉＯ２からなり、フォトゲート電極ＰＧ及び第１〜３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３はポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。
第３半導体領域９ａ，９ｂは、光の入射に応じて半導体基板１における光感応領域で発生した信号電荷を収集するものである。第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号の位相と第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号の位相とは、１８０度ずれている。１つの画素に入射した光は、半導体基板１（第２半導体領域５）内において電荷に変換され、このようにして発生した電荷のうち一部の電荷が、信号電荷として、フォトゲート電極ＰＧ並びに第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第１転送電極ＴＸ１又は第２転送電極ＴＸ２の方向、すなわちフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２に平行な方向に走行する。
第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、正電位を与えると、第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１（第２半導体領域５）のポテンシャルより電子に対して低くなり、負の電荷（電子）は、第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第３半導体領域９ａ又は第３半導体領域９ｂによって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、上記正電位よりも低い電位（グランド電位）を与えると、第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じ、半導体基板１で発生した電荷は、第３半導体領域９ａ又は第３半導体領域９ｂには引き込まれない。
第４半導体領域１１ａ，１１ｂは、光の入射に応じて半導体基板１における光感応領域で発生した不要電荷を収集するものである。１つの画素に入射した光は、半導体基板１（第２半導体領域５）内で発生した電荷のうち一部の電荷が、不要電荷として、フォトゲート電極ＰＧ及び第３転送電極ＴＸ３に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第３転送電極ＴＸ３の方向に走行する。
第３転送電極ＴＸ３に、正電位を与えると、第３転送電極ＴＸ３の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１（第２半導体領域５）のポテンシャルより電子に対して低くなり、負の電荷（電子）は、第３転送電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、第４半導体領域１１ａ，１１ｂによって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第３転送電極ＴＸ３に、上記正電位よりも低い電位（グランド電位）を与えると、第３転送電極ＴＸ３によるポテンシャル障壁が生じ、半導体基板１で発生した電荷は、第４半導体領域１１ａ，１１ｂ内には引き込まれない。
図４は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１の第２主面１ｂ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図５は、不要電荷の排出動作を説明するための、半導体基板１の第２主面１ｂ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図４及び図５では、下向きがポテンシャルの正方向である。図４において、（ａ）及び（ｂ）は、図２の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｃ）は、図３の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。図５において、（ａ）は、図２の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｂ）は、図３の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。
図４及び図５には、第１転送電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第２転送電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第３転送電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３、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、第３半導体領域９ａのポテンシャルφＦＤ１、第３半導体領域９ｂのポテンシャルφＦＤ２、第４半導体領域１１ａのポテンシャルφＯＦＤ１、第４半導体領域１１ｂのポテンシャルφＯＦＤ２が示されている。
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第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３直下の領域のポテンシャル（φＴＸ１，φＴＸ２，φＴＸ３）を基準電位とすると、この基準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φＴＸ１，φＴＸ２，φＴＸ３よりも高くなり、この領域のポテンシャル分布は図面の下向きに凹んだ形状となる。
図４を参照して、信号電荷の蓄積動作を説明する。
第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第１転送電極ＴＸ１には正の電位が与えられ、第２転送電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図４（ａ）に示されるように、光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第１転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１が下がることにより、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内に流れ込む。
一方、第２転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２は下がらず、第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。第３半導体領域９ａ，９ｂ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いる。
第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第２転送電極ＴＸ２には正の電位が与えられ、第１転送電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図４（ｂ）に示されるように、光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第２転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２が下がることにより、第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内に流れ込む。一方、第１転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１は下がらず、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。
第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に位相が１８０度ずれた電荷転送信号が印加されている間、第３転送電極ＴＸ３にはグランド電位が与えられている。このため、図４（ｃ）に示されるように、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφＴＸ３は下がらず、第４半導体領域１１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
以上により、信号電荷が第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷は、外部に読み出される。
図５を参照して、不要電荷の排出動作を説明する。
第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２には、グランド電位が与えられている。このため、図５（ａ）に示されるように、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２は下がらず、第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。一方、第３転送電極ＴＸ３には正の電位が与えられる。この場合、図５（ｂ）に示されるように、光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφＴＸ３が下がることにより、第４半導体領域１１ａ，１１ｂのポテンシャル井戸内に流れ込む。以上により、不要電荷が第４半導体領域１１ａ，１１ｂのポテンシャル井戸に収集される。第４半導体領域１１ａ，１１ｂのポテンシャル井戸に収集された不要電荷は、外部に排出される。
図６は、各種信号のタイミングチャートである。
後述の光源の駆動信号ＳＤ、光源が対象物に当たって撮像領域まで戻ってきたときの反射光の強度信号ＬＰ、第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号Ｓ１、及び、第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号Ｓ２が示されている。電荷転送信号Ｓ１は、駆動信号ＳＤに同期しているので、反射光の強度信号ＬＰの電荷転送信号Ｓ１に対する位相が、光の飛行時間であり、これはセンサから対象物までの距離を示している。反射光の強度信号ＬＰと第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号Ｓ１の重なり合った部分が第３半導体領域９ａで収集される電荷量Ｑ１に当たり、反射光の強度信号ＬＰと第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号Ｓ２の重なり合った部分が第３半導体領域９ｂで収集される電荷量Ｑ２に当たる。ここでは、各電荷転送信号Ｓ１，Ｓ２の印加時に、第３半導体領域９ａ，９ｂで収集された電荷量Ｑ１，Ｑ２の比率を用いて、距離ｄを演算する。すなわち、駆動信号の１つのパルス幅をＴＰとすると、距離ｄ＝（ｃ／２）×（ＴＰ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２））で与えられる。なお、ｃは光速である。
図７は、撮像デバイスの全体の断面図である。
撮像デバイスＩＭは、距離画像センサＲＳと、配線基板ＷＢと、を備えている。距離画像センサＲＳは、裏面照射型の距離画像センサである。距離画像センサＲＳは、その中央部が周辺部と比較して薄化されており、薄化された領域が撮像領域となり、対象物からの反射光が入射する。距離画像センサＲＳでは、電荷発生部の光入射側に電極が存在しないので、Ｓ／Ｎ比の高い距離出力及び距離画像を得ることができる。
距離画像センサＲＳは、半導体基板１の第２主面１ｂ側を配線基板ＷＢに対向させた状態で、多層配線基板Ｍ１と接着剤ＦＬとを介して配線基板ＷＢに貼り付けられている。多層配線基板Ｍ１の内部には、各半導体領域９ａ，９ｂ，１１ａ，１１ｂ、各転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３、及びフォトゲート電極ＰＧ等にそれぞれ電気的に接続された貫通電極（不図示）が設けられている。貫通電極は、配線基板ＷＢと多層配線基板Ｍ１との間に介在するバンプ電極（不図示）を介して、配線基板ＷＢの貫通電極（不図示）に接続されており、配線基板ＷＢの貫通電極は配線基板ＷＢの裏面に露出している。配線基板ＷＢを構成する絶縁基板における接着剤ＦＬとの界面側の表面には、遮光層（不図示）が形成されており、距離画像センサＲＳを透過した光の配線基板ＷＢへの入射を抑制している。
図８は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
１フレームの期間ＴＦは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔｒｏと、からなる。１つの画素に着目すると、蓄積期間Ｔａｃｃにおいて、複数のパルスを有する駆動信号ＳＤが光源に印加され、これに同期して、電荷転送信号Ｓ１，Ｓ２が互いに逆位相で第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。なお、距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第３半導体領域９ａ，９ｂに印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、複数の駆動振動パルスが逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われ、第３半導体領域９ａ，９ｂ内に信号電荷が積算して蓄積される。
その後、読み出し期間Ｔｒｏにおいて、第３半導体領域９ａ，９ｂ内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第３転送電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ３がＯＮして、第３転送電極ＴＸ３に正の電位が与えられ、不要電荷が第４半導体領域１１ａ，１１ｂのポテンシャル井戸に収集される。
図９は、距離画像測定装置の全体構成を示す図である。
対象物ＯＪまでの距離ｄは、距離画像測定装置によって測定される。上述のように、ＬＥＤなどの光源ＬＳには、駆動信号ＳＤが印加され、対象物ＯＪで反射された反射光像の強度信号ＬＰが距離画像センサＲＳの光感応領域に入射する。距離画像センサＲＳからは、画素毎に、電荷転送信号Ｓ１，Ｓ２に同期して収集された電荷量Ｑ１，Ｑ２が出力され、これは駆動信号ＳＤに同期して演算回路ＡＲＴに入力される。演算回路ＡＲＴでは、上述のように画素毎に距離ｄを演算し、演算結果を制御部ＣＯＮＴに転送する。制御部ＣＯＮＴは、光源ＬＳを駆動する駆動回路ＤＲＶを制御すると共に、電荷転送信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を出力し、演算回路ＡＲＴから入力された演算結果を表示器ＤＳＰに表示する。
図１０は、従来の距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。
図１０に示されるように、距離画像センサＲＳ１では、矩形の電荷生成領域ＥＡと、電荷生成領域ＥＡの一組の対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられた転送ゲート電極（第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に相当）ｔｘ１，ｔｘ２と、転送ゲート電極ｔｘ１，ｔｘ２により転送された信号電荷をそれぞれ蓄積する浮遊ドレイン領域（不図示）と、電荷生成領域の異なる一組の対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられた排出ゲート電極（第３転送電極ＴＸ３に相当）ｔｘ３と、排出ゲート電極ｔｘ３により排出された背景光電荷をそれぞれ受け入れる排出ドレイン領域（不図示）が一つの画素（距離センサ）を構成している。
上記の距離画像センサＲＳ１においては、半導体基板１Ａが、３行３列（３×３）に配列された９個の画素からなる撮像領域１Ｂを有している。この距離画像センサＲＳ１では、コ字状の排出ゲート電極ｔｘ３が電荷生成領域ＥＡの周囲を囲う（図示上下方向から挟む）ように配置されているため、開口率が悪いといった問題がある。
これに対し、本発明に係る距離画像センサＲＳでは、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向においてフォトゲート電極ＰＧ（光感応領域）を挟んで第３半導体領域９ａ，９ｂが対向して配置され、この第３半導体領域９ａ，９ｂとフォトゲート電極ＰＧとの間に第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２がそれぞれ設けられている。また、第１長辺Ｌ１側において第１長辺Ｌ１に沿って互いに空間的に離間し且つ第３半導体領域９ａを挟むように第４半導体領域１１ａが配置され、この第４半導体領域１１ａに対向して第４半導体領域１１ｂが配置され、第４半導体領域１１ａ，１１ｂとフォトゲート電極ＰＧとの間にそれぞれ第３転送電極ＴＸ３が設けられている。
このような構成により、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向には電極が配置されないので、フォトゲート電極ＰＧの一部を第３転送電極ＴＸ３で囲うように配置する従来の構成に比べて、開口率が著しく改善する。
また、上記の構成により、光感応領域で発生した信号電荷及び不要電荷は、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３により第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向に転送される。そのため、フォトゲート電極ＰＧを第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向に拡大して形成した場合であっても、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向の距離は一定に保たれるので、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３における電荷の転送速度を十分に確保することができる。従って、転送速度を確保しつつ、開口率の向上を図ることができる。その結果、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる。
また、本発明に係る距離画像センサＲＳでは、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向に第３転送電極ＴＸ３を配置せずに、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２に沿って第３転送電極ＴＸ３を分割して複数配置しているため、図１０に示す排出ゲート電極ｔｘ３よりも第３転送電極ＴＸ３の面積を小さくすることができる。そのため、距離画像センサＲＳにおける画素は、従来の距離画像センサＲＳ１の画素よりも画素面積を小さくすることができる。従って、距離画像センサＲＳ１では、半導体基板１Ｂ上に画素を３行３列しか配列することができないが、本発明の距離画像センサＲＳでは、図１１に示すように、距離画像センサＲＳ１の半導体基板１Ｂと同じ面積（点線で囲んだ領域）の半導体基板上に画素を３行４列（３×４）で配列することができる。従って、本発明の距離画像センサＲＳは、従来の距離画像センサＲＳ１に比べて、開口率が著しく向上する。
また、第１及び第２転送電極ＴＸ１、ＴＸ２のゲート幅は、第３転送電極ＴＸ３のゲート幅よりも長くなっているので、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２における信号電荷の転送速度の向上を図ることができる。
また、第３転送電極ＴＸ３の第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向における外側の端部ＴＸ３ａは、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向における両端部ＰＧａ，ＰＧｂと略面一となっているので、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向において、フォトゲート電極ＰＧ同士を近接して配置することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２のゲート幅を第３転送電極ＴＸ３のゲート幅よりも大きく形成しているが、例えば図１２に示す画素Ｇ１のように、第１及び第２転送電極ＴＸ１、ＴＸ２のゲート幅と第３転送電極ＴＸ３のゲート幅とが同じ幅となるように、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３を同形状に形成してもよい。このような構成の画素Ｇ１を備える距離画像センサであっても、上記の距離画像センサＲＳと同様の作用・効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、第３転送電極ＴＸ３におけるフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向の外側の端部ＴＸ３ａと、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向の両端部ＰＧａ，ＰＧｂとが略面一となっているが、図１３，１４に示すような構成であってもよい。
図１３に示されるように、画素Ｇ２においては、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向の両端部ＰＧａ，ＰＧｂは、第３転送電極ＴＸ３におけるフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向の外側の端部ＴＸ３ａよりも外側に向けて突出している。言い換えれば、第３転送電極ＴＸ３におけるフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向の外側の端部ＴＸ３ａは、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向の両端部ＰＧａ，ＰＧｂよりも内側になっている。このような構成の画素Ｇ２を備える距離画像センサであっても、上記の距離画像センサＲＳと同様の作用・効果を得ることができる。
図１４に示されるように、画素Ｇ３においては、第３転送電極ＴＸ３におけるフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向の外側の端部ＴＸ３ａは、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向の両端部ＰＧａ，ＰＧｂよりも外側に突出している。このような構成の画素Ｇ３を備える距離画像センサであっても、上記の距離画像センサＲＳと同様の作用・効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、一つのフォトゲート電極ＰＧ、半導体基板１におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域、一対の第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２、一対の第３半導体領域９ａ，９ｂ、二対の第３転送電極ＴＸ３、及び、二対の第４半導体領域１１ａ，１１ｂが、距離画像センサＲＳにおける一つの画素（距離センサ）を構成しているが、例えば図１５に示すような構成であってもよい。
図１５に示されるように、距離画像センサＲＳ３では、点線で囲われた部分が一つの画素を示している。距離画像センサＲＳ３では、距離画像センサＲＳと同様に、一つのフォトゲート電極ＰＧ、半導体基板１におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域、一対の第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２、一対の第３半導体領域９ａ，９ｂ、二対の第３転送電極ＴＸ３、及び、二対の第４半導体領域１１ａ，１１ｂが一つの画素を構成している。ここで、二対の第３転送電極ＴＸ３及び二対の第４半導体領域１１ａ，１１ｂは、隣接する他の画素も構成している。すなわち、第３転送電極ＴＸ３は、図１４に示すように第３転送電極ＴＸ３の端部ＴＸ３ａがフォトゲート電極ＰＧの両端部ＰＧａ，ＰＧｂよりも外側に突出することで、隣接する２つのフォトゲート電極ＰＧ，ＰＧに亘って配置されており、第４半導体領域１１ａ，１１ｂは、第３転送電極ＴＸ３に対応してフォトゲート電極ＰＧ，ＰＧの境界に配置されている。従って、距離画像センサＲＳ３では、第３転送電極ＴＸ３及び第４半導体領域１１ａ，１１ｂが共有化されることにより一つの画素が構成されている。これにより、距離画像センサにおける画素の製造を簡易化することができる。
図１６は、変形例に係る各種信号のタイミングチャートである。
本変形例では、駆動信号ＳＤに関し、上記実施形態に比して、デューティ比（単位時間に対するＯＮ時間）が大きくされている。これにより、光源ＬＳ（図９参照）の駆動パワーが増加し、Ｓ／Ｎ比がより一層向上する。本変形例では、駆動信号ＳＤの一つのパルス毎に、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３の一つのパルスをそれぞれ発生させており、光源ＬＳの駆動パワーを増加させた場合でも、不要電荷を排出して、距離検出精度を向上することができる。もちろん、開口率も改善される。
続いて、図１７及び図１８を参照して、更なる変形例を説明する。図１７は、本変形例に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。図１８は、撮像領域のXVIII−XVIII線に沿った断面構成を示す図である。本変形例に係る距離画像センサＲＳ４は、第５半導体領域１２を備える点で、上述した距離画像センサＲＳと相違する。
第５半導体領域１２は、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側において、当該第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ沿って配置されている。すなわち、第５半導体領域１２は、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向でフォトゲート電極ＰＧ（光感応領域）を挟んで対向して配置されている。第５半導体領域１２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第５半導体領域１２は、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。
第５半導体領域１２は、半導体基板１Ａと同じ導電型であり且つ半導体基板１Ａよりも不純物濃度が高い、すなわち高不純物濃度のｐ型半導体からなる領域である。第５半導体領域１２は、ｐ型ウエル領域であってもよく、また、ｐ型拡散領域であってもよい。第５半導体領域１２の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・第５半導体領域１２：厚さ１〜５μｍ／不純物濃度１×１０１６〜１０１８ｃｍ−３
本変形例では、第５半導体領域１２が配置されているので、図１９に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側で高められている。したがって、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域には、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側から第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されている。
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２近くで発生した電荷は、ポテンシャル調整電極ＥＬにより形成される上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域に向かって速やかに移動する。そして、移動してきた電荷は、上記距離画像センサＲＳと同じく、第１転送電極ＴＸ１及び第３半導体領域９ａの電界により形成されるポテンシャルの勾配、又は、第２転送電極ＴＸ２及び第３半導体領域９ｂの電界により形成されるポテンシャルの勾配にしたがって、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内又は第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内に蓄積される。
以上のように、本変形例では、フォトゲート電極ＰＧの平面形状が長方形状に設定されている。これにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（光感応領域）の面積を増加させて距離画像センサＲＳ４の高感度化を図りつつ第３半導体領域９ａ，９ｂに向かう電荷の転送速度を高めることができる。
そして、本変形例では、第３半導体領域９ａ，９ｂは、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さがフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向での長さよりも極めて小さく設定され、第３半導体領域９ａ，９ｂの面積もフォトゲート電極ＰＧの面積に比して小さく設定されている。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（光感応領域）における第３半導体領域９ａ，９ｂに電荷を転送可能な領域の面積に対し、第３半導体領域９ａ，９ｂの面積が相対的に大きく低減されることとなる。第３半導体領域９ａ，９ｂに転送されて、蓄積された電荷（電荷量Ｑ１，Ｑ２）は、第３半導体領域９ａ，９ｂの静電容量（Ｃｆｄ）により、下記関係式で示される電圧変化（ΔＶ）をそれぞれ発生させる。
ΔＶ＝Ｑ１／Ｃｆｄ
ΔＶ＝Ｑ２／Ｃｆｄ
したがって、第３半導体領域９ａ，９ｂの面積が低減されると、第３半導体領域９ａ，９ｂの静電容量（Ｃｆｄ）も低減され、発生する電圧変化（ΔＶ）が大きくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが高くなる。このことからも、距離画像センサＲＳ４の高感度化を図ることができる。
ところで、本変形例では、第５半導体領域１２により、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（光感応領域）の第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側でのポテンシャルが、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の間に位置する領域でのポテンシャルよりも高められており、第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域に向かって低くされたポテンシャルの勾配が形成されている。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２近くで発生した電荷は、上記ポテンシャルの勾配により、第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域に向かって第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向に移動し易くなる。第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側から第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域に向かって第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向に移動してきた電荷は、第１転送電極ＴＸ１及び第３半導体領域９ａによる電界、又は、第２転送電極ＴＸ２及び第３半導体領域９ｂによる電界により、高速に転送される。したがって、フォトゲート電極ＰＧ（光感応領域）の平面形状を長方形状に設定することにより大面積化を図る、及び、第３半導体領域９ａ，９ｂの面積を極めて小さく設定することにより、高感度化を図った場合であってもフォトゲート電極ＰＧの直下の領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
本実施形態では、半導体基板１の不純物濃度を調整することにより第５半導体領域１２を形成している。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側でのポテンシャルを第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域でのポテンシャルよりも高めるための構成を簡易に実現することができる。
次に、図２０及び図２１を参照して、距離画像センサＲＳ４の変形例について説明する。図２０は、本変形例に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。図２１は、撮像領域のXXI−XXI線に沿った断面構成を示す図である。本変形例は、第５半導体領域１２の代わりに、ポテンシャル調整電極ＥＬを備える点で上記変形例と相違する。
ポテンシャル調整電極ＥＬは、フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側において、当該第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ沿って配置されている。すなわち、ポテンシャル調整電極ＥＬは、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向でフォトゲート電極ＰＧ（光感応領域）を挟んで対向して配置されている。
ポテンシャル調整電極ＥＬは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、ポテンシャル調整電極ＥＬは、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。ポテンシャル調整電極ＥＬの第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向での長さは、例えばフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の長さ程度に設定される。ポテンシャル調整電極ＥＬはポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。
ポテンシャル調整電極ＥＬには、図２２に示されるように、ポテンシャル調整信号Ｓ４により、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位（ＰＰＧ）よりも低い電位が与えられている。図１４は、実際の各種信号のタイミングチャートであり、ポテンシャル調整信号Ｓ４を除く他の信号は図８に示された信号と同じである。ポテンシャル調整信号Ｓ４は、制御部ＣＯＮＴから与えられる。
本変形例では、ポテンシャル調整電極ＥＬに、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位よりも低い電位が与えられているので、図２３に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側で高められている。したがって、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域には、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側から第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されている。
フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２近くで発生した電荷は、ポテンシャル調整電極ＥＬにより形成される上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域に向かって速やかに移動する。そして、移動してきた電荷は、上記実施形態と同じく、第１転送電極ＴＸ１及び第３半導体領域９ａの電界により形成されるポテンシャルの勾配、又は、第２転送電極ＴＸ２及び第３半導体領域９ｂの電界により形成されるポテンシャルの勾配にしたがって、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内又は第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内に蓄積される。
以上のように、本変形例においても、上記実施形態と同様に、フォトゲート電極ＰＧ（電荷発生領域）の平面形状が長方形状に設定することにより大面積化を図る、及び、第３半導体領域９ａ，９ｂの面積を極めて小さく設定することにより、高感度化を図った場合であってもフォトゲート電極ＰＧの直下の領域にて生じた電荷を高速に転送することができる。
本変形例では、ポテンシャル調整電極ＥＬにより、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側でのポテンシャルを第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域でのポテンシャルよりも高めている。このため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側でのポテンシャルを第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域でのポテンシャルよりも高めるための構成を簡易に実現することができる。
更なる変形例として、入射光に応じて電荷が発生する光感応領域をフォトダイオード（例えば、埋め込み型のフォトダイオード等）により構成してもよい。距離画像センサＲＳ〜ＲＳ４は、表面照射型の距離画像センサであってもよい。距離画像センサＲＳ〜ＲＳ４は、画素が２次元に配列されたものに限られることなく、画素が１次元に配列されたものであってもよい。
第５半導体領域１２及びポテンシャル調整電極ＥＬの、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向での長さは、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域における第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２側でのポテンシャルを第３半導体領域９ａ，９ｂの間に位置する領域でのポテンシャルよりも高めることができるのであれば、例えば、第２短辺Ｓ１，Ｓ２の長さよりも短く設定されていてもよい。
本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタや車両等に搭載される距離センサ及び距離画像センサに利用できる。
９ａ，９ｂ…第３半導体領域（信号電荷収集領域）、１１ａ，１１ｂ…第４半導体領域（第１不要電荷収集領域、第２不要電荷収集領域）、１２…第５半導体領域、ＥＬ…ポテンシャル調整電極、Ｌ１…第１長辺、Ｌ２…第２長辺、ＰＧ…フォトゲート電極、ＰＧａ、ＰＧｂ…両端部、ＲＳ、ＲＳ２，ＲＳ３…距離画像センサ、Ｓ１…第１短辺、Ｓ２…第２短辺、Ｓ１，Ｓ２…電荷転送信号、ＴＸ１…第１転送電極、ＴＸ２…第２転送電極、ＴＸ３…第３転送電極（不要電荷収集ゲート電極）、ＴＸ３ａ…端部。

Claims (10)

  1. 入射光に応じて電荷を発生し、且つその平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する光感応領域と、
    前記第１及び第２長辺の対向方向で前記光感応領域を挟んで対向して配置され、前記光感応領域からの信号電荷を収集する信号電荷収集領域と、
    異なる位相の電荷転送信号が与えられ、前記信号電荷収集領域と前記光感応領域との間にそれぞれ設けられる転送電極と、
    前記第１長辺側において該第１長辺に沿って前記信号電荷収集領域を挟むように互いに空間的に離間して配置され、前記光感応領域からの不要電荷を収集する第１不要電荷収集領域と、
    前記第１及び第２長辺の対向方向で前記光感応領域を挟んで前記第１不要電荷収集領域と対向すると共に、前記第２長辺側において該第２長辺に沿って前記信号電荷収集領域を挟むように互いに空間的に離間して配置され、前記光感応領域からの不要電荷を収集する第２不要電荷収集領域と、
    前記第１及び第２不要電荷収集領域と前記光感応領域との間にそれぞれ設けられ、前記光感応領域から前記第１及び第２不要電荷領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を備えることを特徴とする距離センサ。
  2. 前記転送電極の前記第１及び第２長辺方向の長さ寸法は、前記不要電荷収集ゲート電極の前記第１及び第２長辺方向の長さ寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の距離センサ。
  3. 前記不要電荷収集ゲート電極における前記第１及び第２短辺の対向方向の外側の端部は、前記光感応領域の前記第１及び第２短辺の対向方向の両端部と略面一となっていることを特徴とする請求項１又２記載の距離センサ。
  4. 前記不要電荷収集ゲート電極における前記第１及び第２短辺の対向方向の外側の端部は、前記光感応領域の前記第１及び第２短辺の対向方向の両端部よりも内側となっていることを特徴とする請求項１又は２記載の距離センサ。
  5. 前記不要電荷収集ゲート電極における前記第１及び第２短辺の対向方向の外側の端部は、前記光感応領域の前記第１及び第２短辺の対向方向の両端部よりも外側に突出していることを特徴とする請求項１又は２記載の距離センサ。
  6. 前記第１及び第２短辺の対向方向で前記光感応領域を挟んで対向して配置され、前記光感応領域の前記第１及び第２短辺側でのポテンシャルを前記光感応領域における前記信号電荷収集領域の間に位置する領域でのポテンシャルよりも高めるポテンシャル調整手段を更に備えていることを特徴とする請求項１記載の距離センサ。
  7. 前記ポテンシャル調整手段は、前記光感応領域と同じ導電型であり、前記光感応領域よりも不純物濃度が高い半導体領域であることを特徴とする請求項６に記載の距離センサ。
  8. 前記光感応領域上に配置されるフォトゲート電極を更に備えており、
    前記ポテンシャル調整手段は、前記フォトゲート電極に与えられる電位よりも低い電位が与えられる電極であることを特徴とする請求項６に記載の距離センサ。
  9. 一次元又は二次元に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、前記ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、
    １つの前記ユニットは、請求項１〜８のいずれか一項記載の距離センサであることを特徴とする距離画像センサ。
  10. 前記光感応領域は、前記半導体基板上において前記光感応領域の前記第１及び第２短辺の対向方向に複数配置されており、
    前記不要電荷収集ゲート電極は、隣接する２つの光感応領域に亘って配置されていることを特徴とする請求項９記載の距離画像センサ。
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