JP2012057987A - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

Abstract

【課題】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可能な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、光入射面１ＦＴと裏面１ＢＫとを有する半導体基板１Ａ、フォトゲート電極ＰＧ、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、並びに第３半導体領域ＳＲ１を備えている。フォトゲート電極ＰＧは、光入射面１ＦＴ上に設けられる。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧに隣接して設けられる。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。第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から裏面１ＢＫ側に離れて設けられ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と逆の導電型である。
【選択図】図５

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。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

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。

本発明は、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。

本発明に係る距離センサは、光入射面と当該光入射面に対向する裏面とを有する半導体基板と、光入射面上に設けられたフォトゲート電極と、光入射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、フォトゲート電極の直下の領域から第１及び第２ゲート電極の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、第１及び第２半導体領域から裏面側に離れて設けられ、第１及び第２半導体領域と逆の導電型である第３半導体領域と、を備え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１及び第２半導体領域と逆の導電型である第３半導体領域が、第１及び第２半導体領域から上記裏面側に離れて設けられている。このため、第１及び第２半導体領域から拡がる空乏層は、その裏面側への拡がりが第３半導体領域により抑えられ、第３半導体領域を超えて裏面側に伸びていくことはない。この結果、発生した電荷が第１及び第２半導体領域から拡がる空乏層に直接取り込まれるのが抑制されることとなり、不要なノイズ成分が生じるのを抑制することができる。

なお、フォトゲート電極の直下の領域から拡がる空乏層は、その拡がりが第３半導体領域により抑えられることはなく、光入射面の裏面側へ向けて拡がることとなる。したがって、第３半導体領域が、フォトゲート電極の直下の領域から拡がる空乏層への電荷の取り込みを阻害することはない。また、第３半導体領域は、第１及び第２半導体領域から離れて設けられているため、フォトゲート電極の直下の領域から第１及び第２半導体領域の領域に向うポテンシャルの傾斜に障壁が形成されるようなことはなく、電荷の転送に支障が生じることもない。

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。本発明では、上述したように、発生した電荷が第１及び第２半導体領域から拡がる空乏層に直接取り込まれるのが抑制されることとなり、不要なノイズ成分が生じるのを抑制することができる。

第１及び第２ゲート電極は、第１及び第２半導体領域のそれぞれの周囲に該第１及び第２半導体領域を囲んで設けられていてもよい。この場合、第１及び第２ゲート電極は第１及び第２半導体領域の周辺に位置することになるが、逆に、第１及び第２ゲート電極の周辺にも第１及び第２半導体領域が位置することとなる。第１及び第２ゲート電極は第１及び第２半導体領域を囲んでいるため、第１及び第２ゲート電極へ電荷を転送するための信号を与えることで、全方向からの電荷を第１及び第２半導体領域に転送することが可能となる。すなわち、第１及び第２ゲート電極の周辺領域を実質的に全て電荷発生領域として機能させることが可能となり、開口率が更に著しく改善する。したがって、信号量を増加させ、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる。１つの距離センサに着目すると、第１及び第２ゲート電極の外側の全方向から内側の第１及び第２半導体領域に電荷を転送させることができるので、多くの電荷が収集でき、かかる電荷に基づいて距離を求めると、Ｓ／Ｎ比の良い距離出力を得ることができる。

第１及び第２ゲート電極の形状は、環状であってもよい。この場合、全方位から第１及び第２ゲート電極の直下の領域に流れ込む電荷を着実に収集し、また、その流入を阻止することが可能となる。

本発明によれば、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可能な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。

本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。 距離画像センサの断面構成を説明するための図である。 距離画像センサの概略平面図である。 距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。 図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。 信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。 画素の構成を説明するための模式図である。 空乏層の拡がりを模式的に示す図である。 第１及び第２半導体領域が設けられた位置での半導体基板の厚み方向でのポテンシャル分布を示す図である。 空乏層の拡がりを模式的に示す図である。 第１及び第２半導体領域が設けられた位置での半導体基板の厚み方向でのポテンシャル分布を示す図である。 信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。 距離画像センサの変形例の概略平面図である。 図１３におけるXIV−XIV線に沿った断面構成を示す図である。 空乏層の拡がりを模式的に示す図である。

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、測距装置の構成を示す説明図である。

この測距装置は、距離画像センサ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_Ｐを与える駆動回路４と、距離画像センサ１の各画素に含まれる第１及び第２ゲート電極（ＴＸ１，ＴＸ２：図４参照）に、パルス駆動信号Ｓ_Ｐに同期した検出用ゲート信号Ｓ_１、Ｓ_２を与える制御回路２と、距離画像センサ１の第１〜第２半導体領域（ＦＤ１〜ＦＤ２：図４参照）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５を備えている。距離画像センサ１から対象物Ｈまでの水平方向Ｄの距離をｄとする。

制御回路２は、パルス駆動信号Ｓ_Ｐ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_Ｐが入力されると、パルス駆動信号Ｓ_Ｐ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_Ｐが出力される。

パルス光Ｌ_Ｐ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_Ｄとして、距離画像センサ１に入射して、パルス検出信号Ｓ_Ｄを出力する。

距離画像センサ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。

パルス駆動信号Ｓ_Ｐ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_Ｐ：
・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_１、Ｓ_２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_１：
・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_２（＝Ｓ_１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）

上記パルス信号Ｓ_Ｐ，Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_Ｄは、全てパルス周期２×Ｔ_Ｐを有していることとする。検出用ゲート信号Ｓ_１及びパルス検出信号Ｓ_Ｄが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ１、検出用ゲート信号Ｓ_２及びパルス検出信号Ｓ_Ｄが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ２とする。

距離画像センサ１における一方の検出用ゲート信号Ｓ_１とパルス検出信号Ｓ_Ｄの位相差は、他方の検出用ゲート信号Ｓ_２とパルス検出信号Ｓ_Ｄが「１」の時の重複期間において、距離画像センサ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_２とパルス検出信号Ｓ_Ｄ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_Ｐの半周期のパルス幅をＴ_Ｐとすると、Δｔ＝Ｔ_Ｐ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）の期間だけ、駆動信号Ｓ_Ｐに対してパルス検出信号Ｓ_Ｄが遅れていることになる。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’（ｍ，ｎ）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_Ｐに基づいて、対象物Ｈまでの距離ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２＝ｃ×Ｔ_Ｐ×Ｑ２／（２×（Ｑ１＋Ｑ２））を演算する。

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。

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いる。演算回路５は、この位相差に応じて対象物Ｈまでの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。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。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。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。

図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。

距離画像センサ１は、表面入射型の距離画像センサであって、半導体基板１Ａを備えている。距離画像センサ１には、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴからパルス光Ｌ_Ｄが入射する。距離画像センサ１の光入射面１ＦＴとは逆側の裏面１ＢＫ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、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。距離画像センサ１は、所定の位置に開口が形成された遮光層ＬＩを備えている。遮光層ＬＩは、光入射面１ＦＴの前方に配置されている。

図３は、距離画像センサの概略平面図である。

距離画像センサ１では、半導体基板１Ａが、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。したがって、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。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４は、距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図５は、図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。図４では、導体１１の図示を省略している。

距離画像センサ１は、互いに対向する光入射面１ＦＴと裏面１ＢＫとを有する半導体基板１Ａを備えている。半導体基板１Ａは、裏面１ＢＫ側に位置するｐ型の第１領域１Ａａと、第１領域１Ａａよりも不純物濃度が低く且つ光入射面１ＦＴ側に位置するｐ⁻型の第２領域１Ａｂと、からなる。半導体基板１Ａ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。

距離画像センサ１は、フォトゲート電極ＰＧと、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、第３半導体領域ＳＲ１と、を備えている。フォトゲート電極ＰＧは、光入射面１ＦＴ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、光入射面１ＦＴ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。第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から裏面１ＢＫ側に離れて設けられ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と逆の導電型である。本例の半導体基板１ＡはＳｉからなり、絶縁層１ＥはＳｉＯ_２からなる。

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、互いに対向する第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２と、互いに対向する第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２と、を有する平面形状を呈している。半導体基板１Ａ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長辺ＬＳ１側において当該第１長辺ＬＳ１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長辺ＬＳ２側において当該第２長辺ＬＳ２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長辺ＬＳ１，ＬＳ２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。本実施形態では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの長辺方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。

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。本実施形態では、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧの長辺方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の長辺方向での長さは、同じに設定されている。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。

第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と裏面１ＢＫとの間に位置し、裏面１ＢＫに直交する方向から見て、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２を覆うように形成されている。第３半導体領域ＳＲ１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ＳＲ１は、フォトゲート電極ＰＧの長辺方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。

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３半導体領域ＳＲ１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３半導体領域ＳＲ１は、ｐ型拡散領域であってもよく、また、ｐ型ウエル領域であってもよい。

各領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・半導体基板１Ａの第１領域１Ａａ：厚さ１０〜７００μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３
・半導体基板１Ａの第２領域１Ａｂ：厚さ３〜５０μｍ／不純物濃度１×１０^１２〜１０^１５ｃｍ^−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
・第３半導体領域ＳＲ１：厚さ０．５〜５μｍ／不純物濃度１×１０^１５〜１０^１９ｃｍ^−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導体１１が配置される。

遮光層ＬＩには、フォトゲート電極ＰＧに対応する位置に開口ＬＩａが形成されている。したがって、遮光層ＬＩの開口ＬＩａを通して、半導体基板１Ａ（フォトゲート電極ＰＧの直下の領域）に入射する。半導体基板１Ａにおける第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が配置された領域は、遮光層ＬＩに覆われており、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に光が入射するのを防止している。これにより、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に入射した光による不要電荷の発生を防止することができる。遮光層ＬＩは、例えば、金属（Ａｌ、Ｃｕ等）製の配線等からなる。

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１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。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、ローレベルの信号（グランド電位）を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１Ａ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１ＦＴ側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１Ａの光入射面１ＦＴから入射した対象物からのパルス光Ｌ_Ｄは、半導体基板１Ａの表面側に設けられたフォトゲート電極ＰＧの直下の領域に至る。パルス光の入射に伴って半導体基板１Ａ内で発生した電荷は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から、これに隣接する第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の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_Ｐに同期した検出用ゲート信号Ｓ_１，Ｓ_２を、配線基板１０を介して、交互に与えると、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域で発生した電荷が、それぞれ第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ、これらから第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に流れ込む。

第１半導体領域ＦＤ１又は第２半導体領域ＦＤ２内に蓄積された電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する比率は、駆動信号Ｓ_Ｐ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。

距離画像センサ１は、図示は省略するが、半導体基板１Ａの電位を基準電位に固定するためのバックゲート半導体領域を備えている。

図６は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図６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の直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧは、基板電位よりも若干高く設定されている。図には、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ１、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ２、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφ_ＦＤ１、及び、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφ_ＦＤ２が示されている。

検出用ゲート信号Ｓ_１の高電位が、第１ゲート電極ＴＸ１に入力されると、図６（ａ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域を介して、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に蓄積される。第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ１が蓄積されることとなる。

検出用ゲート信号Ｓ_１に続いて、検出用ゲート信号Ｓ_２の高電位が、第２ゲート電極ＴＸ２に入力されると、図６（ｂ）に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域を介して、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に蓄積される。第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ２が蓄積されることとなる。

図７は、画素の構成を説明するための模式図である。

第１ゲート電極ＴＸ１には、検出用ゲート信号Ｓ_１が与えられる。第２ゲート電極ＴＸ２には、検出用ゲート信号Ｓ_２が与えられる。すなわち、第１ゲート電極ＴＸ１と、第２ゲート電極ＴＸ２とには、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。

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電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ_１が与えられている場合には、第１半導体領域ＦＤ１によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第１半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ_１に対応した出力（Ｖ_ｏｕｔ１）として第１半導体領域ＦＤ１から読み出される。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電荷は、第２ゲート電極ＴＸ２にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ_２が与えられている場合には、第２半導体領域ＦＤ２によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第２半導体領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ_２に対応した出力（Ｖ_ｏｕｔ２）として第２半導体領域ＦＤ２から読み出される。これらの出力（Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。

ところで、距離画像センサ１では、距離測定に先立ってリセットするために、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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ＤＬ１，ＤＬ２は、図８に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域からだけでなく、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２からも拡がることとなる。

しかしながら、距離画像センサ１では、第３半導体領域ＳＲ１が、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から裏面１ＢＫ側に離れて設けられているため、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から拡がる空乏層ＤＬ２は、裏面１ＢＫ側への拡がりが第３半導体領域ＳＲ１により抑えられる。すなわち、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から拡がる空乏層ＤＬ２は、第３半導体領域ＳＲ１を超えて裏面１ＢＫ側に拡がっていくことはない。この結果、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ＤＬ２に直接取り込まれるのが抑制されることとなり、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。

電荷を振分ける際には、第１ゲート電極ＴＸ１と第２ゲート電極ＴＸ２のうち、通常は、一方のゲート電極（例えば、第１ゲート電極ＴＸ１）に正のハイレベルの検出用信号が与えられると共に、他方のゲート電極（例えば、第２ゲート電極ＴＸ２）には１８０度位相が異なった検出用信号が与えられる。このとき、他方のゲート電極（例えば、第２ゲート電極ＴＸ２）に印加する検出用信号をよりローレベル（例えば、負のバイアス電圧）を印加すると、第２ゲート電極ＴＸ２の直下のポテンシャルが上がり、ポテンシャルの山が形成される。これにより、電荷がフォトゲート電極ＰＧ側から第２半導体領域ＦＤ２へ流れ難くなり、不要なノイズ成分の発生を抑制することができる。

図９は、半導体基板１Ａにおいて第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が設けられた位置での半導体基板１Ａの厚み方向でのポテンシャル分布を示す図である。図９では、下向きがポテンシャルの正方向である。図９に示されるように、第３半導体領域ＳＲ１が設けられることにより、半導体基板１Ａの厚み方向での裏面１ＢＫ側から第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に向うポテンシャルの傾斜が形成されることはない。このことからも、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ＤＬ２に直接取り込まれるのが抑制されることが理解できる。

一方、第３半導体領域ＳＲ１が設けられていない場合には、図１０に示されるように、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から拡がる空乏層ＤＬは、フォトゲート電極ＰＧから拡がる空乏層ＤＬと同様に、裏面１ＢＫに向けて拡がる。このため、図１１に示されるように、半導体基板１Ａの厚み方向での裏面１ＢＫ側から第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に向うポテンシャルの傾斜が形成されることとなり、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ＤＬに直接取り込まれてしまう。特に、近赤外光を出射する光源を用いる場合、近赤外光の入射に応じて発生した電荷の発生領域は、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴより深い位置となるため、空乏層ＤＬに取り込まれやすい。

フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から拡がる空乏層ＤＬ１は、その拡がりが第３半導体領域ＳＲ１により抑えられることはなく、図８に示されるように、裏面１ＢＫ側へ向けて拡がることとなる。したがって、第３半導体領域ＳＲ１が、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から拡がる空乏層ＤＬ１への電荷の取り込みを阻害することはない。近赤外光を出射する光源３を用いる場合、上述したように、近赤外光の入射に応じて発生した電荷の発生領域は半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴより深い位置となるが、第３半導体領域ＳＲ１により空乏層ＤＬ２の拡がりが抑制されるため、空乏層ＤＬ２に電荷が取り込まれるのを抑制することができる。

第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から離れて設けられているため、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に対応する領域に向うポテンシャルの傾斜に障壁が形成されるようなことはなく、電荷の転送に支障が生じることもない。これに対して、第３半導体領域ＳＲ１が、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の直下に接して設けられている場合、図１２に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に対応する領域に向うポテンシャルの傾斜に障壁が形成されることとなり、電荷の転送に支障が生じてしまう。上記観点から、半導体基板１Ａの厚み方向での第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と第３半導体領域ＳＲ１との間隔は、０〜３μｍに設定することが好ましい。

次に、図１３〜図１４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１３は、距離画像センサの変形例の概略平面図である。図１４は、図１３におけるXIV−XIV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。遮光層ＬＩの開口ＬＩａは、フォトゲート電極ＰＧの形状に対応させて、遮光層ＬＩが格子形状となるように形成されている。

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。

第３半導体領域ＳＲ１は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と裏面１ＢＫとの間に位置し、裏面１ＢＫに直交する方向から見て、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の全体を覆うように形成されている。第３半導体領域ＳＲ１は、平面視で正方形状を呈している。

本変形例においても、図１５に示されるように、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から拡がる空乏層ＤＬ２は、裏面１ＢＫ側への拡がりが第３半導体領域ＳＲ１により抑えられる。この結果、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ＤＬ２に直接取り込まれるのが抑制されることとなり、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、本変形例によっても、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。

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。

例えば、半導体基板１Ａの裏面１ＢＫ側に半導体基板１Ａと同じ導電型であり且つ半導体基板１Ａよりも高い不純物濃度を有する高濃度層が形成されていると共に、裏面１ＢＫに不規則な凹凸が形成され、当該裏面１ＢＫが光学的に露出していてもよい。この不規則な凹凸は、半導体基板１Ａの裏面１ＢＫにパルスレーザ光としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射することにより形成することができる。

上記構成によれば、半導体基板１Ａの裏面１ＢＫに不規則な凹凸が形成されていると、半導体基板１Ａに入射した光は当該領域にて反射、散乱、又は拡散されて、半導体基板１Ａ内を長い距離進む。これにより、半導体基板１Ａに入射した光は、その大部分が半導体基板１Ａを透過することなく、半導体基板１Ａで吸収されることとなる。したがって、半導体基板１Ａ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分光感度特性が向上する。

半導体基板１Ａに入射した光は、半導体基板１Ａの裏面１ＢＫに形成された不規則な凹凸により反射、散乱、又は拡散されるため、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の下の領域に至り、当該領域で電荷を発生させる可能性がある。しかしながら、第３半導体領域ＳＲ１により空乏層ＤＬ２の拡がりが抑制されるため、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の下の領域で電荷が発生したとしても、当該電荷が空乏層ＤＬ２に取り込まれるのを防ぐことができる。

上記高濃度層が形成されているため、裏面１ＢＫ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、高濃度層は、半導体基板１Ａの裏面１ＢＫ付近で光により発生したキャリアが該裏面１ＢＫでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、光感応領域へ効率的に移動し、光検出感度が向上する。

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、１Ａ…半導体基板、１Ｂ…撮像領域、１ＢＫ…裏面、１ＦＴ…光入射面、ＤＬ１，ＤＬ２…空乏層、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、ＳＲ１…第３半導体領域、ＴＸ１…第１ゲート電極、ＴＸ２…第２ゲート電極。

Claims (4)

1. 光入射面と前記光入射面に対向する裏面とを有する半導体基板と、
   前記光入射面上に設けられたフォトゲート電極と、
   前記光入射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、
   前記第１及び第２半導体領域から前記裏面側に離れて設けられ、前記第１及び第２半導体領域と逆の導電型である第３半導体領域と、を備えていることを特徴とする距離センサ。
2. 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。
3. 前記第１及び第２ゲート電極は、前記第１及び第２半導体領域のそれぞれの周囲に該第１及び第２半導体領域を囲んで設けられていることを特徴とする請求項２に記載の距離画像センサ。
4. 前記第１及び第２ゲート電極の形状は、環状であることを特徴とする請求項３に記載の距離画像センサ。

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