JP2011215073A - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板を用いた距離センサ及び距離画像センサであって、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する距離センサ及び距離画像センサを提供すること。
【解決手段】距離画像センサ１は、互いに対向する第１主面及び第２主面を有する半導体基板２と、第１主面上に設けられたフォトゲート電極ＰＧ及び第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、フォトゲート電極ＰＧ直下の領域から第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２直下に流れ込む電荷をそれぞれ読み出すための第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、を備えている。半導体基板２は、第２主面側に高濃度層２１を有し、第２主面における少なくともフォトゲート電極ＰＧ直下の領域に対向する領域には、不規則な凹凸２２が形成されている。第２主面におけるフォトゲート電極ＰＧ直下の領域に対向する領域は、光学的に露出している。
【選択図】図３

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 EmittingDiode）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（PositionSensitive 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。車両前方にイメージセンサを設置すれば、先方車両の検知・認識、歩行者などの検知・認識に使用することが期待される。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も期待されている。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。

ＴＯＦ法は、投光用の光源から、対象物に向けてパルス光を出射し、対象物で反射されたパルス光を光検出素子で検出することで、パルス光の出射タイミングと検出タイミングの時間差を測定している。この時間差（Δｔ）は、対象物までの距離ｄの２倍の距離（２×ｄ）をパルス光が光速（＝ｃ）で飛行するのに要する時間であるため、ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２が成立する。時間差（Δｔ）は、光源からの出射パルスと検出パルスの位相差と言い換えることもできる。この位相差を検出すれば、対象物までの距離ｄを求めることができる。

電荷振り分け方式のイメージセンサは、ＴＯＦ法によって測距を行うための光検出素子として着目されている。すなわち、電荷振り分け方式のイメージセンサでは、例えば、検出パルスの入射に応じてイメージセンサ内において発生するパルス的に発生する電荷を、出射パルスのＯＮ期間の間に一方のポテンシャル井戸内に振り分け、ＯＦＦ期間の間に他方のポテンシャル井戸に振り分ける。この場合、左右に振り分けられた電荷量の比率が、検出パルスと出射パルスの位相差、すなわち、対象物までの距離の２倍の距離をパルス光が光速で飛行するのに要する時間に比例することになる。なお、電荷の振り分け方法としては種々のものが考えられる。

特許文献１には、電荷振り分け方法の距離センサ（距離画像センサ）として、半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられ、平面形状が互いに対向する２辺を有するフォトゲート電極と、当該表面上においてフォトゲート電極の２辺に隣接してそれぞれ設けられた複数のゲート電極と、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域から各ゲート電極の直下の領域に流れ込む電荷をそれぞれ読み出すための複数の半導体領域と、を備えたものが開示されている。

特表２００７−５２６４４８号公報

ところで、半導体基板としてシリコン基板を用いる場合、一般に、基板の厚みを大きく設定することにより、長波長側での感度特性を高めることは可能である。しかしながら、シリコン基板の厚みを十分に大きく設定した場合でも（例えば、２０μｍ程度）、１１００ｎｍといった近赤外の波長帯域において、十分な感度特性を得ることは困難であった。これは、シリコンによる近赤外の波長帯域の光の吸収長が長い（例えば、１１００ｎｍの光では、シリコンの吸収長は５０μｍ以上である）ために、シリコン基板の奥深くで光電変換される確率が高く、この奥深くで光電変換された電荷をフォトゲート電極の直下の領域に集めることが難しいことによる。このため、シリコン基板を用いて、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する距離画像センサを実現することは困難であるとされてきた。

本発明は、シリコン基板を用いた距離センサ及び距離画像センサであって、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する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。

本発明に係る距離センサは、互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板と、第１主面上に設けられたフォトゲート電極と、第１主面上においてフォトゲート電極に隣接して設けられた第１及び第２ゲート電極と、フォトゲート電極直下の領域から第１及び第２ゲート電極直下に流れ込む電荷をそれぞれ読み出すための第１及び第２半導体領域と、を備え、シリコン基板は、第２主面側に高濃度層を有し、シリコン基板の第２主面における少なくともフォトゲート電極直下の領域に対向する領域には、不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面におけるフォトゲート電極直下の領域に対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。

本発明に係る距離センサでは、第２主面における少なくともフォトゲート電極直下の領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されているために、近赤外を含む長波長帯域の光は、シリコン基板に入射すると、不規則な凹凸が形成されている領域にて散乱、拡散、又は反射されて、シリコン基板内を長い距離進む。これにより、近赤外を含む長波長帯域の光は、その大部分がシリコン基板を透過することなく、シリコン基板で吸収されて、電荷を発生させる。近赤外を含む長波長帯域の光により発生した電荷は、フォトゲート電極直下の領域へ移動し、第１及び第２半導体領域を通して読み出される。したがって、上記距離センサでは、シリコン基板に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。

本発明に係る距離センサでは、シリコン基板が第２主面側に高濃度層を有している。このため、第２主面側で光によらずに発生する不要電荷が再結合され、暗電流を低減できる。また、高濃度層は、シリコン基板の第２主面付近で光により発生した電荷が該第２主面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生した電荷は、フォトゲート電極直下の領域へ効率的に移動し、距離センサの光検出感度を向上することができる。

ところで、上述したような電荷振り分け方法の距離センサ（距離画像センサ）では、距離測定に先立ってリセットするために、各半導体領域にバイアス電圧（例えば、５Ｖ）を印加している。このとき、空乏層が、フォトゲート電極の直下の領域からだけでなく、各半導体領域からも拡がることとなる。空乏層が各半導体領域から拡がってしまうと、発生した電荷は、フォトゲート電極の直下の領域から拡がる空乏層に取り込まれることなく、各半導体領域から拡がる空乏層に直接取り込まれてしまうことがある。電荷振り分け方法の距離センサ（距離画像センサ）では、フォトゲート電極の直下に到達し且つゲート電極により振り分けられた電荷に基づく信号が距離情報に寄与することとなるため、各半導体領域から拡がる空乏層に直接取り込まれて、各半導体領域に蓄積された電荷は、不要なノイズ成分（ＤＣ成分）となってしまう。

上記不規則な凹凸に入射した光が散乱、拡散、又は反射すると、光は、シリコン基板におけるフォトゲート電極に対応する基板部分だけでなく、当該基板部分以外の基板部分（例えば、各半導体領域に対応する領域）に進む可能性がある。このため、第２主面に不規則な凹凸が形成されていると、上記不要なノイズ成分の発生が顕著となる懼れがある。

そこで、第１及び第２半導体領域間に電気的に接続されたキャパシタと、キャパシタの第１端子と第１半導体領域との間に介在する第１のスイッチと、キャパシタの第２端子と第２半導体領域との間に介在する第２のスイッチと、キャパシタの第２端子と基準電位との間に介在する第３のスイッチと、キャパシタの第１端子と基準電位との間に介在する第４のスイッチと、駆動回路と、を更に備え、駆動回路は、第１、第２、第３及び第４のスイッチを一周期の初めの時刻において全てＯＮさせるリセット期間を設定し、一周期内において、第１の期間及び第２の期間を交互に設定し、第１の期間では、第１及び第３のスイッチの双方をＯＮし、第２及び第４スイッチの双方をＯＦＦし、第２の期間では、第１及び第３のスイッチの双方をＯＦＦし、第２及び第４スイッチの双方をＯＮし、一周期内において、第１及び第２ゲート電極に、出射光の変調信号に同期し、互いに逆相の変調信号を与えることが好ましい。

光の量子性に基づくノイズ（フォトンショットノイズ）は、露光光量の２乗根で増加し、信号成分は比例で増加するので、露光時間を増加させるほど信号成分の割合が増加し、信号雑音比は向上する。したがって、第１及び第２ゲート電極によって、第１及び第２半導体領域内に振り分けられた電荷を積分するほど、信号雑音比が改善し、正確な距離情報を得ることができる。すなわち、ゲート電極に変調信号を与えることで、第１及び第２半導体領域において、一定期間の電荷積分を行い、これと同時に或いは積分後に、第１半導体領域で積分された電荷を、第１の期間では、キャパシタの第１端子に接続し、第２半導体領域で積分された電荷を、第２の期間では、キャパシタの第２端子に接続し、キャパシタ内において、双方の半導体領域に含まれる電荷成分、すなわち、ノイズ成分を相殺する。

それぞれの半導体領域は単一のキャパシタにしか接続されていないため、画素の大きさを小さくして空間分解能を向上させることができ、また、第１及び第２半導体領域内に転送された電荷を積分するため、信号雑音比が向上すると共に、第１及び第２のスイッチのキャパシタへの電荷転送時のスイッチング回数が減少するため、スイッチング・ノイズも低減し、キャパシタ内に距離に応じた電荷が蓄積され、かかる電荷量（これに応じた電圧）を検出することで、正確な距離を算出することができる。

しかしながら、半導体領域に積分した電荷のキャパシタへの転送時のスイッチング回数に差があると、片側の接続回数が多いことによって生じるオフセットを相殺することができず、更に正確な距離情報を得ることが困難である。

そこで、駆動回路は、一周期内におけるリセット期間終了時以後の第１及び第２のスイッチのスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチを付加的にスイッチングすることが好ましい。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。

好ましくは、駆動回路は、（ａ）特定の一周期内において、出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｂ）別の一周期内において、出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｃ）更に別の一周期内において、出射光の変調信号と１８０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｄ）上記とは異なる別の一周期内において、出射光の変調信号と２７０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ａ）〜（ｄ）の一周期内における第１の期間と第２の期間の順序は同一である。

ダミースイッチングを用いない場合、キャパシタに転送される電荷のスイッチング回数がキャパシタの各端子において異なるが、この発明では、上記（ａ）〜（ｄ）の４つの位相において、各半導体領域に蓄積された電荷（に応じた電圧）の差分をとることで、背景光成分と共にオフセット成分を相殺することができる。これにより、正確な距離を算出することができる。

好ましくは、駆動回路は、（ａ）特定の一周期内において、出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｂ）別の一周期内において、出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｃ）更に別の一周期内において、出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｄ）上記とは異なる別の一周期内において、出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ａ）及び（ｂ）の一周期内における第１の期間と第２の期間の順序は同一であり、（ｃ）及び（ｄ）の一周期内における第１の期間と第２の期間の順序は、（ａ）及び（ｂ）の場合とは逆である。

上記（ａ）、（ｂ）の２つの位相と、これとはキャパシタへの電荷転送の順番が異なる（ｃ）、（ｄ）の場合の位相において、各半導体領域に蓄積された電荷（に応じた電圧）の差分をとることで、背景光成分と共にオフセット成分を相殺することができる。これにより、正確な距離を算出することができる。

そして、本発明に係る距離画像センサは、一次元状又は二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シリコン基板上に備え、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。本発明では、上述したように、シリコン基板に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。また、同じく上述したように、暗電流を低減できると共に、光により発生した電荷が、フォトゲート電極直下の領域へ効率的に移動し、距離画像センサの光検出感度を向上することができる。

本発明によれば、シリコン基板を用いた距離センサ及び距離画像センサであって、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する距離センサ及び距離画像センサを提供することができる。

本実施形態に係る距離画像センサの平面図である。 光源ユニットを示す図である。 図１に示した距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。 半導体基板に形成された不規則な凹凸を観察したＳＥＭ画像である。 図３に示した距離画像センサの画素毎の回路図である。 本実施形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 本実施形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 本実施形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 本実施形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 本実施形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 本実施形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 本実施形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 本実施形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 本実施形態に係る距離画像センサの第1のタイミングチャートである。 本実施形態に係る距離画像センサの第２のタイミングチャートである。 本実施形態に係る距離画像センサの第３のタイミングチャートである。 本実施形態に係る距離画像センサの第４のタイミングチャートである。 本実施形態に係る距離画像センサの第５のタイミングチャートである。 本実施形態に係る距離画像センサの第６のタイミングチャートである。 本実施形態に係る距離画像センサの第７のタイミングチャートである。 本実施形態に係る距離画像センサの第８のタイミングチャートである。 距離画像センサの変形例の概略平面図である。 図２２におけるXXIII−XXIII線に沿った断面構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、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、実施の形態に係る距離画像センサの平面図である。

この距離画像センサ１は、半導体基板２上に形成された撮像領域ＩＭＲと、撮像領域ＩＭＲを駆動するセンサ駆動回路ＤＲＶと、撮像領域ＩＭＲの出力を増幅する増幅回路ＡＭＰとを備えている。撮像領域ＩＭＲは、半導体基板２上に一次元又は二次元状に配置された複数の画素Ｐ（ｍ，ｎ）を備えている。同図では、ｍ行ｎ列の画素Ｐ（ｍ，ｎ）が示されている（ｍ，ｎは自然数）。撮像領域ＩＭＲは、対象物への出射光の反射光を画素毎に検出するものであり、出射光と反射光の画素毎の位相差から、対象物の画像の画素毎の距離が求められる。この距離画像センサ１は、電荷振り分け型の距離画像センサであり、距離に対応した位相差を、各画素内で２箇所に振り分けられた電荷量の比率に応じて求めるものである。一つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、一つの距離センサとして機能する。

図２は、光源ユニットを示す図である。

光源ユニットは、レーザや発光ダイオードなどの光源１０と、光源１０を高周波駆動する光源駆動回路１１と、光源駆動回路１１の駆動クロックを出力する制御回路１２とを備えている。光源１０からは、方形波又は正弦波の光強度変調が行われた変調信号が出射される。なお、制御回路１２からの駆動クロックに同期して、図１に示したセンサ駆動回路ＤＲＶからも方形波又は正弦波の変調信号が出力され、センサ駆動回路ＤＲＶからの変調信号が後述する第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に互いに逆相で与えられる。

光源１０からの出射光ＬＥＤは、近赤外を含む長波長帯域の光であって、対象物ＯＢＪに照射され、対象物ＯＢＪの表面で反射される。対象物ＯＢＪの表面で反射された光は、反射光ＲＬＴＤとして、距離画像センサ１の撮像領域ＩＭＲ内の各画素Ｐ（ｍ，ｎ）に基板裏面側から入射する。なお、光入射面の手前には図示しない結像レンズが配置される。また、本例では、半導体基板２は薄板化され、好適には５０μｍ以下の厚みであり、裏面入射型の距離画像センサを構成されている。もちろん、半導体基板２の厚みを薄板化せずに、本発明を表面入射型の距離画像センサ１に適用することも可能である。

図３は、距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。

距離画像センサ１は、半導体基板２と、フォトゲート電極ＰＧと、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２（転送電極）と、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２（蓄積領域）と、を備えている。半導体基板２は、光入射面２ＢＫ（第２主面）と、光入射面２ＢＫと対向する、すなわち光入射面２ＢＫとは逆側の表面２ＦＴ（第１主面）を有している。本例の半導体基板２はシリコン（Ｓｉ）からなり、絶縁層１ＥはＳｉＯ_２からなる。半導体基板２は、表面２ＦＴ側に、低不純物濃度のｐ型（第２導電型）の半導体領域２０を有し、光入射面２ＢＫ側に、高濃度層２１を有している。高濃度層２１は、半導体領域２０よりも高い不純物濃度を有し、本例では、ｐ型の半導体領域である。半導体基板２は、エピウエハやＳＯＩエピウエハを用いて構成することができる。

フォトゲート電極ＰＧは、表面２ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、表面２ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介してフォトゲート電極ＰＧに隣接して設けられている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、各ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する。

フォトゲート電極ＰＧは、平面視で矩形状を呈している。フォトゲート電極ＰＧは、互いに対向する第１及び第２辺を有する平面形状を呈している。半導体基板２におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（フォトゲート電極ＰＧの直下の領域）は、入射光に応じて電荷が発生する光感応領域として機能する。フォトゲート電極ＰＧはポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。

第１半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧの第１辺側において当該第１辺に沿って配置されている。第２半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第２辺側において当該第２辺に沿って配置されている。第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とは、第１及び第２辺の対向方向（以下、単に「対向方向」と称することもある）で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で矩形状を呈している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は高不純物濃度のｎ型（第１導電型）半導体からなる領域であり、フローティング・ディフュージョン領域である。

第１ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間に設けられている。第２ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に設けられている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で矩形状を呈している。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２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。

各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・半導体領域２０：厚さ５〜１００μｍ／不純物濃度１×１０^１２〜１０^１５ｃｍ^−３
・高濃度層２１：厚さ０．５〜１．５μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１０^２１ｃｍ^−３
・第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３

絶縁層１Ｅには、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２を外部に接続するための信号取出電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２が配置される。

第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ハイレベルの信号（正電位）を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルが半導体基板１（第２半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧの下の部分のポテンシャルより低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ローレベルを与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２により構成されるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板２で発生した電荷は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内には引き込まれない。

距離画像センサ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電荷を、光入射面２ＢＫとは逆側の電荷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、高速で正確な測距が可能としている。

半導体基板２の光入射面２ＢＫには、不規則な凹凸２２が形成されている。光入射面２ＢＫは光学的に露出している。光入射面２ＢＫが光学的に露出しているとは、光入射面２ＢＫが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、光入射面２ＢＫ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。

不規則な凹凸２２は、半導体基板２の光入射面２ＢＫ側にパルスレーザ光を照射することにより、形成される。例えば、半導体基板２をガス導入部及びガス排出部を有するチャンバ内に配置し、チャンバの外側に配置されたパルスレーザ発生装置からパルスレーザ光を半導体基板２に照射する。チャンバ内には、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部から導入してガス排出部から排出することにより、不活性ガス流が形成される。これにより、パルスレーザ光を照射した際に生じる塵などが不活性ガス流によりチャンバ外に排出され、半導体基板２への加工屑や塵などの付着を防ぐことができる。

本実施形態では、パルスレーザ発生装置としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、光入射面２ＢＫの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。光入射面２ＢＫはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図４に示されるように、不規則な凹凸２２が光入射面２ＢＫの全面に形成される。不規則な凹凸２２は、光入射面２ＢＫ（表面２ＦＴ）に直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸２２の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸２２における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０^１１〜２．５×１０^１３（Ｗ／ｃｍ^２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ^２）程度である。図４は、光入射面２ＢＫに形成された不規則な凹凸２２を観察したＳＥＭ画像である。

距離画像センサ１では、光入射面２ＢＫに不規則な凹凸２２が形成されている。このため、半導体基板２の光入射面２ＢＫ側から半導体基板２に入射した光は、凹凸２２にて散乱、拡散、又は反射されて、半導体基板２内を長い距離進む。

通常、Ｓｉの屈折率ｎ＝３．５に対して、空気の屈折率ｎ＝１．０である。光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、シリコン基板内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分とシリコン基板を透過する光成分に分かれる。シリコン基板を透過した光は、感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、シリコン基板内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。

距離画像センサ１では、光入射面（光入射面２ＢＫ）に垂直な方向から光が入射した場合、光入射面２ＢＫに形成された不規則な凹凸２２にて、散乱又は拡散されて様々な方向に進む。そして、表面２ＦＴに到達すると、表面２ＦＴからの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、表面２ＦＴにて全反射される。半導体基板２内を進む光成分は、凹凸２２での拡散等により様々な方向に進むため、表面２ＦＴにて全反射する可能性は極めて高い。

表面２ＦＴにて全反射された光成分は、半導体基板２内を再び進む。そして、不規則な凹凸２２に到達すると、凹凸２２からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸２２にて全反射される。凹凸２２は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は半導体基板２内を様々な方向に進む。

表面２ＦＴや光入射面２ＢＫ（不規則な凹凸２２）にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返すことにより、その走行距離が更に長くなる。このように、距離画像センサ１に入射した光は、半導体基板２の内部を長い距離進むうちに、半導体基板２で吸収され、電荷を生じさせる。したがって、距離画像センサ１に入射した光は、その大部分が距離画像センサ１を透過することなく、走行距離が長くされて、半導体基板２で吸収されることとなる。したがって、距離画像センサ１では、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。

光入射面２ＢＫに規則的な凹凸を形成した場合、表面２ＦＴに到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、表面２ＦＴに到達した光成分が全反射する可能性は低くなる。このため、表面２ＦＴ、更には光入射面２ＢＫにて透過する光成分が増加し、距離画像センサ１に入射した光の走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での感度特性を向上することは困難となる。

距離画像センサ１では、半導体基板２が光入射面２ＢＫ側に高濃度層２１を有している。これにより、光入射面２ＢＫ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、高濃度層２１は、光入射面２ＢＫ付近で光により発生した電荷が当該光入射面２ＢＫでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生した電荷は、フォトゲート電極ＰＧ直下の領域へ効率的に移動し、距離画像センサ１の光検出感度を更に向上することができる。

なお、以下の説明では、説明の明瞭化を目的として、符号Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ１は、信号取出電極であると共に、これらの電極とグランド電位との間に与えられる電圧も示すこととし、符号ＴＸ１，ＴＸ２はゲート電極であると共に、これらとグランド電位との間に加えられる転送電圧も示すこととする。符号ＰＧはフォトゲート電極であると共に、これらとグランド電位との間に加えられる直流電圧も示すこととする。半導体領域２０は、グランド電位に接続されている。信号取出電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２から取り出された電荷は、半導体領域２０内に形成された読出回路（不図示）によって読み出される。

図５は、図３に示した距離画像センサの画素毎の回路図である。

個々の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、反射光の入射に応じて電荷を発生する受光領域(フォトダイオードＰＤ)と、フォトダイオードＰＤに隣接した第１半導体領域ＦＤ１及び第２半導体領域ＦＤ２を備えている。第１ゲート電極ＴＸ１及び第２ゲート電極ＴＸ２は、それぞれ第１半導体領域ＦＤ１及び第２半導体領域ＦＤ２への電荷の流入をそれぞれ制御している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２間には、トランジスタからなるスイッチΦ１、Φ２をそれぞれ介して、キャパシタＣ１が電気的に接続されている。

第１のスイッチΦ１は、キャパシタＣ１の第１端子（図面の右側端子：節点ＶＡ）と第１半導体領域ＦＤ１との間に介在し、第２のスイッチΦ２は、キャパシタＣ１の第２端子（図面の左側端子：節点ＶＢ）と第２半導体領域ＦＤ２との間に介在している。キャパシタＣ１の第２端子（図面左側端子：節点ＶＢ）と正の基準電位Ｖｒとの間には、トランジスタからなる第３のスイッチΦ１ｒが介在している。キャパシタＣ１の第１端子（図面の右側端子：節点ＶＡ）と基準電位Ｖｒとの間には、第４のスイッチΦ２ｒが介在している。これらの素子より、１つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）内に読出回路（図５中、破線で囲まれた範囲）が構成されている。ここでいう基準電位とは、電源電位でもよいし、電源電位から作られた電位でもよい。

説明の明瞭化を目的として、符号Φ１、Φ２、Φ１ｒ、Φ２ｒは、スイッチを示すと共に、各スイッチとグランド間に与えられる電圧も示すものとする。符号ＶＡ，ＶＢは、節点を示すと共に、キャパシタＣ１の両端に位置するこれらの節点とグランド電位との間の電圧も示すものとする。

半導体領域ＦＤ１、ＦＤ２には、寄生容量Ｃｆｄ１，Ｃｆｄ２がグランド電位との間に介在している。センサ駆動回路ＤＲＶからは、各種の信号電圧Φ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒ、ＴＸ１、ＴＸ２、ＰＧが出力されている。信号電圧Φ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒは、それぞれ、トランジスタからなるスイッチΦ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒの制御端子（電界効果トランジスタにあってはゲート電極、バイポーラトランジスタにあってはベース電極）に印加される。逆相信号である転送電圧ＴＸ１，ＴＸ２は、ＭＯＳトランジスタのゲート電極を構成するゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２にそれぞれ与えられる。直流電圧ＰＧは、フォトゲート電極ＰＧに与えられる。転送電圧ＴＸ１，ＴＸ２がハイレベルの場合、ゲート（ベース）電極直下にはフォトゲート電極ＰＧ直下の領域よりもポテンシャルが低い領域が形成されるので、ゲート（ベース）電極直下の領域よりもポテンシャルが低い半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２には、フォトダイオードＰＤで発生した電子が転送されて流入する。

半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に、電荷が蓄積されると、この電荷は、キャパシタＣ１に転送される。半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２には、背景光由来の電荷も蓄積されているが、背景光由来の電荷量は、双方の半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内において同一であると見做せるので、これをキャパシタＣ１の両端子にそれぞれ転送した場合には、これらの電荷は相殺される。したがって、信号成分の電荷量を求めるためには、単一のキャパシタＣ１に、半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２で蓄積された電荷を転送すればよい。

キャパシタＣ１の両端子の電圧ＶＡ，ＶＢは、増幅回路ＡＭＰに入力され、増幅回路ＡＭＰの出力は制御回路１２に入力される。増幅回路ＡＭＰ又は制御回路１２では、入力された電圧ＶＡ，ＶＢの差分ＶＯＵＴ（＝ＶＡ−ＶＢ＝Ｖｆｄ１−Ｖｆｄ２）を演算する。この差分は、出射タイミングから遅れて戻ってくることで、振り分け比率が変更した蓄積電荷量の比率、すなわち、対象物までの距離に比例する。

次に、回路動作について説明する。

図６〜図１３は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図であり、動作説明に必要な箇所のみを模式的に示してある。

図６は、リセット後に全てのスイッチがΦ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒがＯＦＦしている状態を示しており、画素内には如何なる電荷も存在していない。

図７は、フォトゲート電極ＰＧの直下に光が入射し、キャリアとしての電子が発生した場合に、スイッチΦ１、Φ１ｒをＯＮし、Φ２、Φ２ｒをＯＦＦした状態を示している。図中の黒丸は右側の半導体領域ＦＤ１に流れ込む電子を示し、図中の白丸は左側の半導体領域ＦＤ２に流れ込む電子を示している。同図では、出射タイミングよりも戻り光のタイミングが遅延したため、右側には１２個の電荷が、左側には６個の電荷が流れ込んだとする。なお、これらの電荷量は、背景光由来の成分も含んでいる。右側の半導体領域ＦＤ１に流入した電荷は、スイッチΦ１を介して、キャパシタＣ１の一方の端子にも流れ込み、電荷が分割されることになる。この状態で、図８に示すように、全てのスイッチΦ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒをＯＦＦし、キャパシタＣ１の一方の端子に電荷を残留させる。

図９は、その後、スイッチΦ１、Φ１ｒをＯＦＦし、Φ２、Φ２ｒをＯＮした状態を示している。左側の半導体領域ＦＤ２に蓄積されていた電荷は、分割されてキャパシタＣ１の他方の端子に流れ込み、電荷が分割されることになる。キャパシタＣ１の右側に蓄積されていた電荷は、逆の端子に蓄積された逆極性の電荷となる。すなわち、図８に示すように、キャパシタＣ１の右側に蓄積されていた電荷と、左側の半導体領域ＦＤ２に蓄積されていた電荷は相殺して消滅し、右側の半導体領域ＦＤ１に６個の電荷のみが残留する。

図１０は、その後、光の入射に応じて、右側の半導体領域ＦＤ１に追加で１２個の電荷が流れ込み、左側の半導体領域ＦＤ２に６個の電荷が流れ込んだ状態を示している。右側の合計蓄積電荷数は１８個になっている。スイッチΦ２は接続されているので、電荷は分割され、３個の電荷がキャパシタＣ１の左側の端子に流れ込む。図１２は、図１１の状態からスイッチΦ２ｒをＯＦＦした状態を示しており、図１１の状態が保持されている。図１３は、その後、スイッチΦ１及びΦ２をＯＮし、右側の半導体領域ＦＤ１に蓄積された電荷を、キャパシタＣ１に転送した状態を示しており、蓄積電荷量が、キャパシタ容量に応じて再配分されている。同図では、左側と右側の電荷量の比率は２：６になっている。この状態で、キャパシタＣ１の両端の電圧ＶＡ，ＶＢ（Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２）をそれぞれ読み出す。各キャパシタＣ１、Ｃｆｄ１，Ｃｆｄ２の容量が等しい（容量＝Ｃ）とし、Ｔ秒間の間に、右の半導体領域ＦＤ１に蓄積された電荷量をＱ１、左の半導体領域ＦＤ２に蓄積された電荷量をＱ２とすると、ｎ×Ｔ秒間後のこれらの電圧は以下の式で与えられる。但し、ｎ＝２ｍとし、ｍは自然数であるとする。
・Ｖｆｄ１＝（１／（３×Ｃ））・（（５／２）×Ｑ１＋２×Ｑ２）
・Ｖｆｄ２＝（１／（３×Ｃ））・（（１／２）×Ｑ１＋４×Ｑ２）
・ＶＯＵＴ＝Ｖｆｄ１−Ｖｆｄ２＝ｎ（Ｑ１−Ｑ２）／３Ｃ

図１４は、実施の形態に係る距離画像センサの第１のタイミングチャートである。

今回のリセット開始時刻ｔ１から、次回のリセットの開始時刻ｔ９までの期間を、１単位の検出期間（１Ｐｈａｓｅ）とする。時刻ｔ１〜ｔ２の間において、全てのスイッチΦ１ｒ、Φ２ｒ、Φ１、Φ２がＯＮされ、キャパシタＣ１及び半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が初期状態にリセットが行われる。

しかる後、時刻ｔ２以降、時刻ｔ５までの間を、キャパシタへの一転送期間Ｔとし、逆相の方形波からなる転送電圧ＴＸ１、ＴＸ２をゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加しながら、スイッチΦ１ｒ、Φ１をＯＮ（ハイレベル）とし、スイッチΦ２ｒ、Φ２をＯＦＦ（ローレベル）とすることで、右側の半導体領域ＦＤ１に蓄積された電荷をキャパシタＣ１の右側の端子に転送する。次に、時刻ｔ５以降、時刻ｔ６までの転送期間Ｔにおいても、逆相の方形波からなる転送電圧ＴＸ１、ＴＸ２をゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加しながら、スイッチΦ１ｒ、Φ１をＯＦＦ（ローレベル）とし、スイッチΦ２ｒ、Φ２をＯＮ（ハイレベル）とすることで、左側の半導体領域ＦＤ２に蓄積された電荷をキャパシタＣ１の他方の端子に転送する。なお、このスイッチの切り替えの際に、重複する電荷成分は相殺される。

以下、同様に、時刻ｔ６〜ｔ７までの転送期間Ｔ、時刻ｔ７〜ｔ８までの転送期間Ｔにおいて、キャパシタＣ１への電荷転送を行った後、時刻ｔ８〜ｔ９の期間において、信号の読出しを行い、次の時刻ｔ９〜ｔ１０において再びリセットを行う。信号の読出しにおいては、スイッチΦ１及びΦ２をＯＮしておき、Φ１ｒ、Φ２ｒをＯＦＦしておく。

同図には、光源からの出射光の強度信号ＬＥＤと、反射光の強度信号ＲＬＴＤが示されている。なお、同図では簡略化のため、これらの波形を方形波で示す。出射光に対する反射光の遅延時間が、対象物までの距離に相当する。すなわち、時刻ｔ２〜ｔ３までの期間が、光源から対象物までの距離の往復距離を光が進む時間である。もちろん、光源への駆動信号は方形波であり、その立ち上がり及び立ち下り時刻は、転送電圧ＴＸ１の立ち上がり及び立ち下り時刻に一致している。

転送電圧ＴＸ１がハイレベルの期間に右側の半導体領域ＦＤ１内に転送された電荷量をＱ１とし、転送電圧ＴＸ２がハイレベルの期間に左側の半導体領域ＦＤ２内に転送された電荷量をＱ２とすると、全体の電荷量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する電荷量Ｑ２の比率分だけ、出射光と反射光の間に遅延時間が生じており、これが対象物までの距離Ｌの２倍に相当する。電荷の積分によって検出精度は向上する。

全電荷量Ｑ１＋Ｑ２（積分した場合を含む）は、各画素における輝度に比例するため、制御回路によってＶｆｄ１＋Ｖｆｄ２（＝ＶＡ＋ＶＢ）を求めれば、通常の輝度画像を得ることができる。

ここで、駆動回路ＤＲＶは、スイッチ（Φ１、Φ２、Φ１ｒ、Φ２ｒ）を一周期（１Ｐｈａｓｅ）の初めの時刻において全てＯＮさせるリセット期間（時刻ｔ１〜ｔ２）を設定しており、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内において、第１の期間（時刻ｔ２〜ｔ５、時刻ｔ６〜ｔ７：Ｔ１とする）及び第２の期間（時刻ｔ５〜ｔ６、時刻ｔ７〜ｔ８：Ｔ２とする）を交互に設定している。

そして、第１の期間（Ｔ１）では、スイッチ（Φ１、Φ１ｒ）の双方をＯＮし、スイッチ（Φ２、Φ２ｒ）の双方をＯＦＦし、第２の期間（Ｔ２）では、スイッチ（Φ１、Φ１ｒ）の双方をＯＦＦし、第２及び第４スイッチ（Φ２、Φ２ｒ）の双方をＯＮし、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内において、ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、出射光の変調信号ＬＥＤに同期し、互いに逆相の変調信号ＴＸ１，ＴＸ２を与えている。

光の量子性に基づくノイズ（フォトンショットノイズ）は、露光光量の２乗根で増加し、信号成分は比例で増加するので、露光時間を増加させるほど信号成分の割合が増加し、信号雑音比は向上する。したがって、ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２によって、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に振り分けられた電荷を積分するほど、信号雑音比が改善し、正確な距離画像（輝度画像）を得ることができる。ゲート電極ＴＸ１、ＴＸ２に変調信号ＴＸ１，ＴＸ２を与えることで、半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２において、一定期間の電荷積分を行い、これと同時に或いは積分後に、半導体領域ＦＤ１で積分された電荷を、第１の期間（Ｔ１）では、キャパシタＣ１の右側の端子ＶＡに接続し、半導体領域ＦＤ２で積分された電荷を、第２の期間（Ｔ２）では、キャパシタＣ１の左側の端子ＶＢに接続し、キャパシタＣ１内において、双方の半導体領域ＦＤ１、ＦＤ２に含まれる電荷成分、すなわち、背景光成分を相殺している。

ここで、それぞれの半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は単一のキャパシタＣ１にしか接続されていないため、画素の大きさを小さくして空間分解能を向上させることができ、また、半導体領域ＦＤ１、ＦＤ２内に転送された電荷は積分されているため、信号雑音比が向上すると共に、スイッチＱ１，Ｑ２のキャパシタＣ１への電荷転送時のスイッチング回数が減少するため、スイッチング・ノイズも低減し、キャパシタＣ１内に距離に応じた電荷が蓄積され、かかる電荷量（これに応じた電圧）を検出することで、正確な距離を算出することができる。

図１５は、実施の形態に係る距離画像センサの第２のタイミングチャートである。

このタイミングチャートでは、信号の読出しを、時刻ｔ９と時刻ｔ１０との間の期間に行っており、その他の構成は、第１のタイミングチャートと同一である。すなわち、信号の読出しを、全てのスイッチΦ１、Φ２、Φ１ｒ、Φ２ｒをＯＦＦした状態で、行っている。

図１６は、実施の形態に係る距離画像センサの第３のタイミングチャートである。

このタイミングチャートでは、転送電圧ＴＸ１、ＴＸ２の双方をＯＦＦする期間を、時刻ｔ８と時刻ｔ９の間に設定し、この期間に、信号の読出しを行うものであり、その他の構成は、第１のタイミングチャートと同一である。

図１７は、実施の形態に係る距離画像センサの第４のタイミングチャートである。このタイミングチャートは、第１のタイミングチャートの変形であり、ダミースイッチング期間を備えている。

上述の距離画像センサでは、半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に積分した電荷のキャパシタＣ１への転送時のスイッチング回数に差がある。この場合、片側の接続回数が多いことによって生じるオフセットを十分に相殺することができない。

そこで、駆動回路ＤＲＶが、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内におけるリセット期間終了時以後の期間（時刻ｔ２から時刻ｔ１１）の第１及び第２のスイッチ（Φ１、Φ２）のスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチ(Φ１、Φ２)を付加的にスイッチングすることとした（本例では、時刻ｔ９、時刻ｔ１０において、スイッチΦ１をＯＦＦ，ＯＮしている）。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。

同様に、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内におけるリセット期間終了時以後の期間（時刻ｔ２から時刻ｔ１１）の第３及び第４のスイッチ（Φ１ｒ、Φ２ｒ）のスイッチング回数が等しくなるように、第３又は第４のスイッチ(Φ１ｒ、Φ２ｒ)を付加的にスイッチングしている（本例では、時刻ｔ８、時刻ｔ９において、スイッチΦ１ｒをＯＮ，ＯＦＦしている）。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。

図１８は、実施の形態に係る距離画像センサの第５のタイミングチャートである。このタイミングチャートは、第２のタイミングチャートの変形であり、ダミースイッチング期間を備えている。

上記と同様に、駆動回路ＤＲＶが、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内におけるリセット期間終了時以後の期間（時刻ｔ２から時刻ｔ１０）の第１及び第２のスイッチ（Φ１、Φ２）のスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチ(Φ１、Φ２)を付加的にスイッチングすることとした（本例では、時刻ｔ９、時刻ｔ１０において、スイッチΦ１をＯＦＦ，ＯＮしている）。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。

図１９は、実施の形態に係る距離画像センサの第６のタイミングチャートである。このタイミングチャートは、第１のタイミングチャートの変形であり、ダミースイッチング期間を備えている。

上記と同様に、駆動回路ＤＲＶが、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内におけるリセット期間終了時以後の期間（時刻ｔ２から時刻ｔ９）の第１及び第２のスイッチ（Φ１、Φ１ｒ）のスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチ(Φ１、Φ１ｒ)を付加的にスイッチングすることとした（本例では、リセット期間（ｔ１〜ｔ２）の直後の時刻において、スイッチΦ１とΦ１ｒをＯＦＦ，ＯＮしている）。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。時刻ｔ８〜ｔ９は信号の読出し期間、時刻ｔ９〜ｔ１０は次のリセット期間であり、最初に全てのスイッチをリセットしてから蓄積を開始する。

図２０は、実施の形態に係る距離画像センサの第７のタイミングチャートであり、時刻ｔ１〜ｔ２、ｔ５〜ｔ６、ｔ９〜ｔ１０、ｔ１３〜ｔ１４、ｔ１７〜ｔ１８がリセット期間であり、時刻ｔ４〜ｔ５、ｔ８〜ｔ９、ｔ１２〜ｔ１３、ｔ１６〜ｔ１７が信号の読出期間である。

ダミースイッチングを用いない場合、キャパシタＣ１に転送される電荷のスイッチング回数がキャパシタＣ１の各端子において異なるが、この発明では、以下の（ａ）〜（ｄ）の４つの位相において、各半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積された電荷（に応じた電圧）の差分をとることで、背景光成分と共にオフセット成分を相殺することができる。これにより、正確な距離を算出することができる。

すなわち、この距離画像センサにおいては、駆動回路ＤＲＶは、以下のように信号を与えている。
（ａ）特定の一周期（時刻ｔ１〜ｔ５）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。（ｂ）別の一周期（時刻ｔ５〜ｔ９）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと９０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
（ｃ）更に別の一周期（時刻ｔ９〜ｔ１３）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと１８０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
（ｄ）上記とは異なる別の一周期（時刻ｔ１３〜ｔ１７）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと２７０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。

上記（ａ）〜（ｄ）の一周期内における第１の期間（Ｔ１：Φ１、Φ１ｒがＯＮとなる期間）と第２の期間（Ｔ２：Φ２、Φ２ｒがＯＮとなる期間）の順序は同一である。

このように、４つの位相（０°、９０°、１８０°、２７０°）と、各位相における電圧Ｖｆｄ１、Ｖｆｄ２（ＶＡ，ＶＢ）を用いることで、オフセットをキャンセルして距離を求めることができる。すなわち、各位相の電圧Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２に、同量のオフセットが重畳しているとすると、電圧Ｖｆｄ１同士、Ｖｆｄ２同士の差を取れば、オフセットの影響を低減できる。

各位相における電圧Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２を、Ｖｆｄ１（位相），Ｖｆｄ２（位相）として示すと、オフセットと直流成分を除去するため、以下のような差分値を求める。
Ｖｆｄ（０°）＝Ｖｆｄ１（０°）−Ｖｆｄ１（１８０°）
Ｖｆｄ（９０°）＝Ｖｆｄ１（９０°）−Ｖｆｄ１（２７０°）
Ｖｆｄ（１８０°）＝Ｖｆｄ２（０°）−Ｖｆｄ２（１８０°）
Ｖｆｄ（２７０°）＝Ｖｆｄ２（９０°）−Ｖｆｄ２（２７０°）

Ｖｆｄ１とＶｆｄ２のばらつきを除去するため、以下のように、差分値を求める。
Ｖ１＝｜Ｖｆｄ（０°）-Ｖｆｄ（１８０°）｜
Ｖ２＝｜Ｖｆｄ（９０°）-Ｖｆｄ（２７０°）｜

信号の総量ＶｔｏｔａｌをＶ１＋Ｖ２として、４つの位相を含む期間（ｔ１〜ｔ１７）に光が進む距離はＶ１／Ｖｔｏｔａｌで与えられる。

図２１は、実施の形態に係る距離画像センサの第８のタイミングチャートであり、時刻ｔ１〜ｔ２、ｔ５〜ｔ６、ｔ９〜ｔ１０、ｔ１３〜ｔ１４、ｔ１７〜ｔ１８がリセット期間であり、時刻ｔ４〜ｔ５、ｔ８〜ｔ９、ｔ１２〜ｔ１３、ｔ１６〜ｔ１７が信号の読出期間である。このタイミングチャートでは、０°と９０°の２つの位相差のみを用いるが、Φ１、Φ２の順序が検出期間（ｔ１〜ｔ１８）の前半と後半で逆転している。

すなわち、この距離画像センサの駆動回路ＤＲＶは、以下のように信号を与えている。
（ａ）特定の一周期（時刻ｔ１〜ｔ５）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。（ｂ）別の一周期（時刻ｔ５〜ｔ９）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと９０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
（ｃ）更に別の一周期（時刻ｔ９〜ｔ１３）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
（ｄ）上記とは異なる別の一周期（時刻ｔ１３〜ｔ１７）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと９０°の位相差を有するタイミングで、第１ゲート電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２ゲート電極に、第１ゲート電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。

そして、本例では、上記（ａ）及び（ｂ）の一周期内における第１の期間（Ｔ１：Φ１、Φ１ｒがＯＮの期間）と第２の期間（Ｔ２：Φ２、Φ２がＯＮの期間）の順序は同一であり、上記（ｃ）及び（ｄ）の一周期内における第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２の順序は、上記（ａ）及び（ｂ）の場合とは逆である。

本例では、上記（ａ）、（ｂ）の２つの位相と、これとはキャパシタＣ１への電荷転送の順番が異なる（ｃ）、（ｄ）の場合の位相において、各半導体領域に蓄積された電荷（に応じた電圧）の差分をとることで、背景光成分と共にオフセット成分を相殺することができる。これにより、正確な距離を算出することができる。

上述のように、各画素において正確な距離を算出することができるので、本発明の距離画像センサでは、正確な距離画像を得ることができる。

各位相における電圧Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２を、Ｖｆｄ１（位相），Ｖｆｄ２（位相）として示すと、これらのばらつきと直流成分を除去するため、以下のような差分値を求める。なお、Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２は前半の期間（ａ），（ｂ）における電圧を示し、Ｖｆｄ１’，Ｖｆｄ２’は後半の期間（ｃ），（ｄ）におけるこれらの電圧を示すものとする。
Ｖｆｄ（０°）＝Ｖｆｄ１（０°）−Ｖｆｄ２（０°）
Ｖｆｄ（９０°）＝Ｖｆｄ１（９０°）−Ｖｆｄ２（９０°）
Ｖｆｄ’（０°）＝Ｖｆｄ１’（０°）−Ｖｆｄ２’（０°）
Ｖｆｄ’（９０°）＝Ｖｆｄ１’（９０°）−Ｖｆｄ２’（９０°）

４つの位相を含む期間（ｔ１〜ｔ１７）に光が進む距離は、以下の距離Ｌ１，Ｌ２の平均（＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２）で与えられる。
Ｌ１＝Ｖｆｄ（０°）／（Ｖｆｄ（０°）＋Ｖｆｄ（９０°））
Ｌ２＝Ｖｆｄ’（０°）／（Ｖｆｄ’（０°）＋Ｖｆｄ’（９０°））

本実施形態では、発生した電荷が第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から拡がる空乏層に直接取り込まれた場合でも、これらの電荷が相殺されるので、不要なノイズ成分が生じるのを抑制することができる。したがって、距離画像センサ１によれば、不要なノイズ成分の発生を抑制し、高精度な距離検出を行なうことができる。

次に、図２２〜図２３を参照して、距離画像センサ１の変形例について説明する。図２２は、距離画像センサの変形例の概略平面図である。図２３は、図２２におけるXXIII−XXIII線に沿った断面構成を示す図である。

フォトゲート電極ＰＧは、平面視で格子形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、Ｘ軸方向に伸びる電極部分と、Ｙ軸方向に伸びる電極部分と、を有している。

第１半導体領域ＦＤ１及び第２半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧのＸ軸方向に伸びる電極部分とＹ軸方向に伸びる電極部分とで囲まれるように位置しており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に交互に配置されている。本変形例では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、正方形状を呈している。

第１ゲート電極ＴＸ１は、第１半導体領域ＦＤ１のそれぞれの周囲に当該第１半導体領域ＦＤ１を囲んで設けられている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向に見て、フォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間に、第１ゲート電極ＴＸ１の一辺が位置することとなる。第２ゲート電極ＴＸ２は、第２半導体領域ＦＤ２のそれぞれの周囲に当該第２半導体領域ＦＤ２を囲んで設けられている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向に見て、フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に、第２ゲート電極ＴＸ２の一辺が位置することとなる。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、環状を呈しており、本変形例では、角環状を呈している。

本変形例においても、距離画像センサ１では、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

本実施形態では、不規則な凹凸２２が光入射面２ＢＫの全面にわたって形成されているが、これに限られない。不規則な凹凸２２は、例えば、光入射面２ＢＫにおけるフォトゲート電極ＰＧ直下の領域に対向する領域のみに形成されていてもよい。

本実施形態に係る距離画像センサ１におけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。

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。

１…距離画像センサ、２…半導体基板、２ＢＫ…光入射面、２ＦＴ…表面、２０…半導体領域、２１…高濃度層、２２…凹凸、ＩＭＲ…撮像領域、ＰＤ…受光領域、ｆｄ１，ｆｄ２…蓄積領域、ＴＸ１，ＴＸ２…転送電極、Ｃ１…キャパシタ、Φ１…第１のスイッチ、Φ２…第２のスイッチ、Φ１ｒ…第３のスイッチと、Φ２ｒ…第４のスイッチ、ＤＲＶ…駆動回路、ＦＤ１…第１半導体領域、ＦＤ２…第２半導体領域、ＰＧ…フォトゲート電極、ＴＸ１…第１ゲート電極、ＴＸ２…第２ゲート電極。

Claims (6)

1. 互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板と、
   前記第１主面上に設けられたフォトゲート電極と、
   前記第１主面上において前記フォトゲート電極に隣接して設けられた第１及び第２ゲート電極と、
   前記フォトゲート電極直下の領域から前記第１及び第２ゲート電極直下に流れ込む電荷をそれぞれ読み出すための第１及び第２半導体領域と、を備え、
   前記シリコン基板は、前記第２主面側に高濃度層を有し、
   前記シリコン基板の前記第２主面における少なくとも前記フォトゲート電極直下の領域に対向する領域には、不規則な凹凸が形成されており、
   前記シリコン基板の前記第２主面における前記フォトゲート電極直下の領域に対向する前記領域は、光学的に露出していることを特徴とする距離センサ。
2. 前記第１及び第２半導体領域間に電気的に接続されたキャパシタと、
   前記キャパシタの第１端子と前記第１半導体領域との間に介在する第１のスイッチと、
   前記キャパシタの第２端子と前記第２半導体領域との間に介在する第２のスイッチと、
   前記キャパシタの前記第２端子と電源電位との間に介在する第３のスイッチと、
   前記キャパシタの前記第１端子と前記電源電位との間に介在する第４のスイッチと、
   駆動回路と、を更に備え、
   前記駆動回路は、
   前記第１、第２、第３及び第４のスイッチを一周期の初めの時刻において全てＯＮさせるリセット期間を設定し、一周期内において、第１の期間及び第２の期間を交互に設定し、
   前記第１の期間では、前記第１及び第３のスイッチの双方をＯＮし、第２及び第４スイッチの双方をＯＦＦし、
   前記第２の期間では、前記第１及び第３のスイッチの双方をＯＦＦし、第２及び第４スイッチの双方をＯＮし、
   前記一周期内において、前記第１及び第２ゲート電極に、前記出射光の変調信号に同期し、互いに逆相の変調信号を与えることを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
3. 前記駆動回路は、前記一周期内における前記リセット期間終了時以後の第１及び第２のスイッチのスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチを付加的にスイッチングすることを特徴とする請求項２に記載の距離センサ。
4. 前記駆動回路は、
   （ａ）特定の一周期内において、前記出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、前記第１ゲート電極に変調信号を与え、前記第２ゲート電極に、前記第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
   （ｂ）別の一周期内において、前記出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、前記第１ゲート電極に変調信号を与え、前記第２ゲート電極に、前記第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
   （ｃ）更に別の一周期内において、前記出射光の変調信号と１８０°の位相差を有するタイミングで、前記第１ゲート電極に変調信号を与え、前記第２ゲート電極に、前記第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
   （ｄ）上記とは異なる別の一周期内において、前記出射光の変調信号と２７０°の位相差を有するタイミングで、前記第１ゲート電極に変調信号を与え、前記第２ゲート電極に、前記第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
   前記（ａ）〜（ｄ）の一周期内における前記第１の期間と前記第２の期間の順序は同一であることを特徴とする請求項２に記載の距離センサ。
5. 前記駆動回路は、
   （ａ）特定の一周期内において、前記出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、前記第１ゲート電極に変調信号を与え、前記第２ゲート電極に、前記第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
   （ｂ）別の一周期内において、前記出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、前記第１ゲート電極に変調信号を与え、前記第２ゲート電極に、前記第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
   （ｃ）更に別の一周期内において、前記出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、前記第１ゲート電極に変調信号を与え、前記第２ゲート電極に、前記第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
   （ｄ）上記とは異なる別の一周期内において、前記出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、前記第１ゲート電極に変調信号を与え、前記第２ゲート電極に、前記第１ゲート電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
   前記（ａ）及び（ｂ）の一周期内における前記第１の期間と前記第２の期間の順序は同一であり、
   前記（ｃ）及び（ｄ）の一周期内における前記第１の期間と前記第２の期間の順序は、前記（ａ）及び（ｂ）の場合とは逆であることを特徴とする請求項２に記載の距離センサ。
6. 一次元状又は二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シリコン基板上に備え、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１〜５のいずれか一項に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。