JP2012083221A - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度化を図りつつ、電荷の高速転送を実現す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。
【解決手段】受光領域は、平面形状が第１方向で対向する一対の長辺と第２方向で対向する一対の短辺とを有する長方形状である。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、各長辺に沿って互いに空間的に離間して配置される。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、対応する半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と受光領域との間に配置される。第３ゲート電極ＴＸ３は、長辺に沿って配置された第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の間に空間的に離間してそれぞれ配置される。ポテンシャル調整電極ＥＬは、受光領域における第３ゲート電極ＴＸ３の間に位置する領域に重複し、第３ゲート電極ＴＸ３に与えられる電荷転送信号と同じ位相であり且つ当該電荷転送信号より電位が低いポテンシャル調整信号が与えられる。
【選択図】図４

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、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する一対の信号電荷収集領域と、信号電荷収集領域のそれぞれに設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、を備えているＴＯＦ型の距離センサ（距離画像センサ）が開示されている。

国際公開第２００７／１１９６２６号パンフレット

ところで、電荷発生領域の平面形状として、電荷発生領域の面積を増加させて高感度化を図る、及び、信号電荷収集領域の対向方向での電荷の転送速度を高める、などの観点から、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短辺とを有する長方形状が採用されることがある。この場合、信号電荷収集領域は、第１及び第２長辺の対向方向で電荷発生領域を挟んで対向するように配置される。

しかしながら、電荷発生領域の平面形状が上記長方形状とされ、信号電荷収集領域が、第１及び第２長辺の対向方向で電荷発生領域を挟んで対向するように配置された場合、以下のような問題点が生じる懼れがあることが新たに判明した。

第１及び第２長辺の対向方向では、転送電極及び信号電荷収集領域による電界が作用することから、電荷発生領域に発生した電荷を高速に転送することが可能であるものの、第１及び第２短辺の対向方向では、転送電極及び信号電荷収集領域による電界が十分に作用し難く、特に、電荷発生領域の第１及び第２短辺近くで発生した電荷を高速で転送することは困難となる。

信号電荷収集領域及び転送電極を、それぞれ第１及び第２短辺の対向方向に伸ばすことにより、電荷発生領域の第１及び第２短辺近くで発生した電荷を高速で転送することは可能となる。しかしながら、信号電荷収集領域を第１及び第２短辺の対向方向に伸ばすことにより、信号電荷収集領域の面積が大きくなると、下記の理由により、距離センサの感度が低下してしまう。信号電荷収集領域に転送された電荷（Ｑ）は、信号電荷収集領域の静電容量（Ｃｆｄ）により、下記関係式で示される電圧変化（ΔＶ）を発生させる。
ΔＶ＝Ｑ／Ｃｆｄ
信号電荷収集領域の面積が増加すると、信号電荷収集領域の静電容量も増加し、発生する電圧変化が小さくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが低くなる。このため、距離センサの感度が低下することとなる。

上述したように、距離センサの高感度化を図るためには、信号電荷収集領域の面積は小さくせざるを得ず、信号電荷収集領域の第１及び第２短辺の対向方向での長さは、電荷発生領域の第１及び第２短辺の対向方向での長さよりも短く設定することが求められる。このため、転送電極を第１及び第２短辺の対向方向で伸ばしたとしても、転送電極直下の領域を第１及び第２短辺の対向方向に電荷を転送することは困難であり、依然として、電荷の転送速度が低いという問題点は解決できない。

本発明は、高感度化を図りつつ、電荷の高速転送を実現す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。

本発明に係る距離センサは、平面形状が第１方向で対向する一対の長辺と第２方向で対向する一対の短辺とを有する長方形状である受光領域と、第１方向で受光領域を挟んで対向し且つ第２方向に沿って互いに空間的に離間して配置され、入射光に応じて発生した信号電荷を収集する複数の信号電荷収集領域と、信号電荷収集領域と受光領域との間にそれぞれ配置され、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、発生した不要電荷を収集する不要電荷収集領域と、第１方向で受光領域を挟んで対向し且つ各長辺に沿って配置された転送電極の間に空間的に離間してそれぞれ配置され、不要電荷収集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、各長辺側から第１方向に伸び且つ受光領域における不要電荷収集ゲート電極の間に位置する領域に重複し、不要電荷収集ゲート電極に与えられる電荷転送信号と同じ位相であり且つ該電荷転送信号より電位が低いポテンシャル調整信号が与えられるポテンシャル調整電極と、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、不要電荷収集ゲート電極の直下の領域では、入射光に応じて発生した電荷が信号電荷収集領域に送られる際には、当該電荷が不要電荷として不要電荷収集領域に送られないようにポテンシャルが高められている。ポテンシャル調整電極には、不要電荷収集ゲート電極に与えられる電荷転送信号と同じ位相のポテンシャル調整信号が与えられる。したがって、入射光に応じて発生した電荷が信号電荷収集領域に送られる際には、ポテンシャル調整電極の直下の領域も、ポテンシャルが高められることとなる。そして、ポテンシャル調整電極による電界は、ポテンシャル調整電極から第２方向に拡がり、この電界の拡がりに対応してポテンシャルの勾配が第２方向に向けて形成される。

このため、ポテンシャル調整電極の直下の領域近くで発生した電荷は、ポテンシャルの高低差により、受光領域における第１方向で対向する信号電荷収集領域の間に位置する領域に向かって移動し易くなる。信号電荷収集領域の間に位置する上記領域に向かって移動してきた電荷は、転送電極及び信号電荷収集領域による電界により、高速に転送される。したがって、信号電荷収集領域の対向方向（第１方向）での長さよりも当該対向方向に直交する方向（第２方向）での長さを長く設定することにより大面積化を図る、すなわち、受光領域の平面形状を上記長方形状とすること、及び、信号電荷収集領域の面積を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、入射光に応じて発生した電荷を信号電荷として高速に転送することができる。

本発明では、ポテンシャル調整電極には、不要電荷収集ゲート電極に与えられる電荷転送信号より電位が低いポテンシャル調整信号が与えられる。このため、ポテンシャル調整電極の直下の領域のポテンシャルは、不要電荷収集ゲート電極の直下の領域のポテンシャルよりも高められ、ポテンシャル調整電極の直下の領域から不要電荷収集ゲート電極の直下の領域に向けてポテンシャルの勾配が形成される。したがって、不要電荷が、ポテンシャル調整電極の直下の領域に留まることなく、不要電荷収集ゲート電極の直下の領域に移動し、不要電荷が適切に排出されることとなる。この結果、距離検出精度の向上が阻害されることはない。

ポテンシャル調整電極は、第２方向での幅が不要電荷収集ゲート電極よりも狭くてもよい。この場合、ポテンシャル調整電極の直下の領域の面積が比較的狭くなり、ポテンシャル調整電極の直下の領域に留まり移動し難くなる電荷の量は極めて少ない。この結果、ポテンシャル調整電極が高感度化を阻害するのを抑制することができる。また、不要電荷も、ポテンシャル調整電極の直下の領域に留まり移動し難くなる量が極めて少ない。したがって、不要電荷がより一層適切に排出されることとなる。

ポテンシャル調整電極は、第２方向での幅が長辺から離れるにしたがい狭くなっていてもよい。この場合、ポテンシャル調整電極の直下の領域の面積がより一層狭くなり、ポテンシャル調整電極の直下の領域に留まり移動し難くなる電荷の量が更に少なくなる。この結果、ポテンシャル調整電極が高感度化及び距離検出精度の向上を阻害するのをより一層抑制することができる。

ポテンシャル調整電極は、第１方向で対向する同士が連続していてもよい。この場合、ポテンシャル調整電極の直下の領域近くで且つ受光領域における第１方向での中央部分に発生した電荷が、信号電荷収集領域の間に位置する上記領域に移動し易くなる。このため、高感度化をより一層図ることができる。特に、各ポテンシャル調整電極の連続部分の第２方向での幅が、各長辺から離れるにしたがい狭くされていると、連続部分の直下の領域に留まる電荷の量が少なく、高感度化及び距離検出精度の向上が阻害されるのを抑制することができる。

受光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、ポテンシャル調整信号は、フォトゲート電極に与えられる電位よりも高い電位であってもよい。この場合、ポテンシャル調整電極の直下の領域でのポテンシャルを安定して形成することができる。

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、受光領域の平面形状を上記長方形状とすること、及び、信号電荷収集領域の面積を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、入射光に応じて発生した電荷を信号電荷として高速に転送することができる。

本発明によれば、高感度化を図りつつ、電荷の高速転送を実現す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。 図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。 図４におけるVII−VII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。 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。 不要電荷の排出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。 各種信号のタイミングチャートである。 各種信号のタイミングチャートである。 距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。

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、後述する電荷転送信号Ｓ_３及びポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬも出力する。

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６は、図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。図７は、図４におけるVII−VII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基板領域１Ａａと、第１基板領域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基板領域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、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、フォトゲート電極ＰＧと、それぞれ複数（本実施形態では、２つ）の第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、複数（本実施形態では、２つ）の第３ゲート電極ＴＸ３と、複数（本実施形態では、２つ）のポテンシャル調整電極ＥＬと、それぞれ複数（本実施形態では、２つ）の第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数（本実施形態では、２つ）の第３半導体領域ＦＤ３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〜第３ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３及びポテンシャル調整電極ＥＬ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。各第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、対応するゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する。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。

遮光層ＬＩには、長方形状の開口ＬＩａが形成されている。光（対象物Ｈからの反射光）は、遮光層ＬＩの開口ＬＩａを通して、半導体基板１Ａに入射する。したがって、開口ＬＩａにより、半導体基板１Ａには、平面形状が互いに対向する一対の長辺と互いに対向する一対の短辺とを有する長方形状である受光領域が規定されることとなる。遮光層ＬＩは、例えば、アルミニウムなどのメタル（金属）等からなる。

フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａに対応して配置されている。フォトゲート電極ＰＧは、平面形状が互いに対向する第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とを有する略長方形状を呈している。本実施形態では、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の長さと、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の長さとの比の値は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。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。

フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２と、上記受光領域の各長辺とは平行である。したがって、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向と、受光領域の各長辺の対向方向とは、一致する。フォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２と、上記受光領域の各短辺とは平行である。したがって、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向と、受光領域の各短辺の対向方向とは、一致する。

各第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に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第１半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域からも空間的に離間して配置されている。すなわち、第１半導体領域ＦＤ１は、受光領域の一方の長辺側に、受光領域から空間的に離間して配置されている。

各第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に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第２半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域からも空間的に離間して配置されている。すなわち、第２半導体領域ＦＤ２は、受光領域の他方の長辺側に、受光領域から空間的に離間して配置されている。

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の対向方向で、フォトゲート電極ＰＧ（受光領域）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の、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向の長さと第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さとの比の値は、例えば１：０．５〜１：２程度に設定される。本実施形態では、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及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、信号電荷収集領域として機能する。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１ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧ（受光領域）と第１半導体領域ＦＤ１との間にそれぞれ設けられている。第２ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧ（受光領域）と第２半導体領域ＦＤ２との間にそれぞれ設けられている。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、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２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１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さと第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向での長さ（幅）との比の値は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。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１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、転送電極として機能する。

各第３半導体領域ＦＤ３は、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に第１半導体領域ＦＤ１に挟まれるように、第１半導体領域ＦＤ１と空間的に離間して配置されている。同様に、第３半導体領域ＦＤ３は、フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側においても、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に第２半導体領域ＦＤ２に挟まれるように、第１半導体領域ＦＤ２と空間的に離間して配置されている。第３半導体領域ＦＤ３同士は、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で、フォトゲート電極ＰＧ（受光領域）を挟んで対向している。

第３半導体領域ＦＤ３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ＦＤ３は、長方形状を呈している。第３半導体領域ＦＤ３は、不要電荷収集領域として機能する。第３半導体領域ＦＤ３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ゲート電極ＴＸ３は、対応する第３半導体領域ＦＤ３とフォトゲート電極ＰＧ（受光領域）との間にそれぞれ設けられている。第３ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧの各長辺ＬＳ１，ＬＳ２側において、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に第１又は第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に挟まれるように、第１又は第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と離間して配置されている。

第３ゲート電極ＴＸ３は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第３ゲート電極ＴＸ３は、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２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３ゲート電極ＴＸ３の、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での幅（長さ）と第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向での幅（長さ）との比の値は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。第３ゲート電極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ゲート電極ＴＸ３は、不要電荷収集ゲート電極として機能する。

各ポテンシャル調整電極ＥＬは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向に第３ゲート電極ＴＸ３に挟まれるように配置されており、受光領域における第３ゲート電極ＴＸ３の間に位置する領域と重複している。ポテンシャル調整電極ＥＬは、遮光層ＬＩの開口ＬＩａから露出している。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は、受光領域の長辺側から第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向に伸びている。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ＬＳ１，ＬＳ２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ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向での長さと、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さ（幅）との比の値は、例えば１：２〜１：１５程度に設定される。

フォトゲート電極ＰＧは、各長辺ＬＳ１，ＬＳ２側において、ポテンシャル調整電極ＥＬを避けるように、平面視で、一部が窪んだ形状を呈している。ポテンシャル調整電極ＥＬは、平面視で、フォトゲート電極ＰＧに囲まれている。具体的には、ポテンシャル調整電極ＥＬは、当該ポテンシャル調整電極ＥＬの縁に含まれる３辺にわたって、フォトゲート電極ＰＧに囲まれている。

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基板領域１Ａａ：厚さ５〜７００μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３
・半導体基板１Ａの第２基板領域１Ａｂ：厚さ３〜３０μｍ／不純物濃度１×１０^１３〜１０^１６ｃｍ^−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ＦＤ３：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〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３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〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３を外部に接続するための導体１１が配置される。

遮光層ＬＩは、半導体基板１Ａにおける第１〜第３ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３及び第１〜第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３が配置された領域を覆っており、当該領域に光が入射するのを防止している。これにより、上記領域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。

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電荷発生領域として機能する。ポテンシャル調整電極ＥＬはポリシリコンからなるため、光はポテンシャル調整電極ＥＬを透過して半導体基板１Ａに入射する。したがって、半導体基板１Ａにおけるポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域も電荷発生領域として機能する。このため、電荷発生領域は互いに対向する一対の長辺と互いに対向する一対の短辺とを有する長方形状を呈することとなり、受光領域の形状と電荷発生領域の形状とが一致することとなる。ポテンシャル調整電極ＥＬは、電荷発生領域とも重複して位置する。ポテンシャル調整電極ＥＬが光を透過しない材料からなる場合は、電荷発生領域は、フォトゲート電極ＰＧにて規定されることとなり、受光領域の形状と電荷発生領域の形状は一致しない。

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。

第３半導体領域ＦＤ３は、光の入射に応じて電荷発生領域で発生した不要電荷を収集する。１つの画素に入射した光は、電荷発生領域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、ポテンシャル調整電極ＥＬ、及び第３ゲート電極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ゲート電極ＴＸ３の方向に走行する。

第３ゲート電極ＴＸ３に、ハイレベルの信号（正電位）を与えると、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域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３ゲート電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、第３半導体領域ＦＤ３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ゲート電極ＴＸ３に、ローレベルの信号（グランド電位）を与えると、第３ゲート電極ＴＸ３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３半導体領域ＦＤ３内には引き込まれない。

同様に、ポテンシャル調整電極ＥＬに、ハイレベルの信号（正電位）を与えると、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域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）はポテンシャル調整電極ＥＬの方向に引き込まれる。ポテンシャル調整電極ＥＬに、ローレベルの信号（グランド電位）を与えると、ポテンシャル調整電極ＥＬによるポテンシャル障壁が生じる。

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受光領域（電荷発生領域）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、電荷発生領域（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、電荷発生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８及び図９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８及び図９では、下向きがポテンシャルの正方向である。図８は、図４のV−V線に沿ったポテンシャル分布を示す。図９において、（ａ）は図４のVI−VI線に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｂ）は図４のVII−VII線に沿ったポテンシャル分布を示す。

光入射時において、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位（例えば、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に与えられる高い方の電位と低い方の電位の中間の電位）により、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３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域のポテンシャルφ_ＥＬ、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφ_ＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφ_ＦＤ２、及び、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャルφ_ＦＤ３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８（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８（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。

ところで、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に検出用ゲート信号Ｓ_１，Ｓ_２が印加されている間、第３ゲート電極ＴＸ３及びポテンシャル調整電極ＥＬにはローレベルの電位、例えばグランド電位が与えられている。このため、図９（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３及びポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域のポテンシャルφ_ＥＬは下がらず、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。

このとき、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向では、ポテンシャル調整電極ＥＬが受光領域（電荷発生領域）と重複して位置していることにより、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、ポテンシャル調整電極ＥＬ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ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向において、ポテンシャル調整電極ＥＬ側から第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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ポテンシャル調整電極ＥＬ近くで発生した電荷は、上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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、上述したように、第１ゲート電極ＴＸ１及び第１半導体領域ＦＤ１の電界又は第２ゲート電極ＴＸ２及び第２半導体領域ＦＤ２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１又は第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域を介して、第１又は第２半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に蓄積される。したがって、電荷発生領域にて発生した電荷が信号電荷として第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に蓄積される。

図１０は、不要電荷の排出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１０では、下向きがポテンシャルの正方向である。図１０において、（ａ）は図４のVI−VI線に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｂ）は図４のVII−VII線に沿ったポテンシャル分布を示す。

第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２にグランド電位が与えられていると、上述したように、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルは下がらない。このため、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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ゲート電極ＴＸ３及びポテンシャル調整電極ＥＬは正の電位が与えられると、図１０（ａ）及び（ｂ）に示されるように、電荷発生領域で発生した電荷は、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３とポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域のポテンシャルφ_ＥＬが下がることにより、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内に流れ込む。このとき、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３は、後述するように、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域のポテンシャルφ_ＥＬよりも低くなる。以上により、電荷発生領域にて発生した電荷が不要電荷として第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に蓄積される。第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に蓄積された不要電荷は、外部に排出される。

図１１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。第３ゲート電極ＴＸ３には、電荷転送信号Ｓ_３が与えられる。ポテンシャル調整電極ＥＬには、ポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬが与えられる。

電荷発生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。電荷発生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。

図１２及び図１３は、実際の各種信号のタイミングチャートである。

図１２に示されるように、１フレームの期間Ｔ_Ｆは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔ_ａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔ_ｒｏと、からなる。１つの画素に着目すると、蓄積期間Ｔ_ａｃｃにおいて、複数のパルスを有するパルス駆動信号Ｓ_Ｐに基づいた信号が光源に印加され、これに同期して、検出用ゲート信号Ｓ_１，Ｓ_２が互いに逆位相で第１及び第２ゲート電極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１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。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１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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Ｔ_ｒｏにおいて、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第３ゲート電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ_３及びポテンシャル調整電極ＥＬに印加されるポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬがハイレベルとなり、第３ゲート電極ＴＸ３及びポテンシャル調整電極ＥＬに正の電位が与えられ、不要電荷が第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集される。電荷転送信号Ｓ_３とポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬとは、同じ位相である。

図１３に示されるように、ポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬがハイレベルであるときの電位Ｖ_ＥＬは、検出用ゲート信号Ｓ_１，Ｓ_２がハイレベルであるときの電位Ｖ_ＴＸ１，Ｖ_ＴＸ２よりも低く設定されている。また、ポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬがハイレベルであるときの電位Ｖ_ＥＬは、電荷転送信号Ｓ_３がハイレベルであるときの電位Ｖ_ＴＸ３よりも低く設定されている。これにより、電荷転送信号Ｓ_３とポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬとがハイレベルとなった際に、ポテンシャルφ_ＴＸ３はポテンシャルφ_ＥＬよりも低くなる。

フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位Ｖ_ＰＧは、電位Ｖ_ＴＸ１，Ｖ_ＴＸ２，Ｖ_ＴＸ３，電位Ｖ_ＥＬより低く設定されている。これにより、検出用ゲート信号Ｓ_１，Ｓ_２がハイレベルとなった際に、ポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２はポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなる。また、電荷転送信号Ｓ_３とポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬとがハイレベルとなった際に、ポテンシャルφ_ＴＸ３，φ_ＥＬはポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなる。

電位Ｖ_ＰＧは、検出用ゲート信号Ｓ_１，Ｓ_２、電荷転送信号Ｓ_３、及びポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬがローレベルであるときの電位より高く設定されている。検出用ゲート信号Ｓ_１，Ｓ_２がローレベルとなった際に、ポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２はポテンシャルφ_ＰＧよりも高くなる。また、電荷転送信号Ｓ_３とポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬとがローレベルとなった際に、ポテンシャルφ_ＴＸ３，φ_ＥＬはポテンシャルφ_ＰＧよりも高くなる。

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、グランド電位）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。

以上のように、本実施形態では、電荷発生領域（受光領域）の平面形状が長方形状に設定されている。これにより、電荷発生領域の面積を増加させて距離画像センサ１の高感度化を図りつつ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２での電荷の転送速度を高めることができる。

そして、本実施形態では、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での長さよりも極めて小さく設定され、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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（電荷発生領域）における第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に電荷を転送可能な領域の面積に対し、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が相対的に大きく低減されることとなる。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に転送されて、蓄積された電荷（電荷量Ｑ１，Ｑ２）は、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が低減されると、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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１の高感度化を図ることができる。

ところで、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域では、入射光に応じて発生した電荷が第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に送られる際には、当該電荷が不要電荷として第３半導体領域ＦＤ３に送られないようにポテンシャルが高められている。ポテンシャル調整電極ＥＬには、電荷転送信号Ｓ_３と同じ位相のポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬが与えられる。したがって、入射光に応じて発生した電荷が第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に送られる際には、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域も、ポテンシャルが高められることとなる。そして、ポテンシャル調整電極ＥＬによる電界は、ポテンシャル調整電極ＥＬから第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に拡がり、この電界の拡がりに対応してポテンシャルの勾配が第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に向けて形成される。

このため、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域近くで発生した電荷は、ポテンシャルの高低差により、受光領域（電荷発生領域）における第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の間に位置する領域に向かって移動し易くなる。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の間に位置する上記領域に向かって移動してきた電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１及び第１半導体領域ＦＤ１による電界、又は、第２ゲート電極ＴＸ２及び第２半導体領域ＦＤ２による電界により、高速に転送される。したがって、受光領域（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１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２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電荷発生領域にて生じた電荷を信号電荷として高速に転送することができる。

ポテンシャル調整電極ＥＬには、電荷転送信号Ｓ_３より電位が低いポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬが与えられる。このため、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域のポテンシャルφ_ＥＬは、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３よりも高められ、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域から第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域に向けてポテンシャルの勾配が形成される。したがって、不要電荷が、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域に留まることなく、第３ゲート電極ＴＸ３の直下の領域に移動し、不要電荷が適切に排出されることとなる。この結果、距離検出精度の向上が阻害されることはない。

ポテンシャル調整電極ＥＬの第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での幅は、第３ゲート電極ＴＸ３の第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での幅よりも狭くされている。これにより、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域の面積が比較的狭くなり、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域に留まり移動し難くなる電荷の量は極めて少ない。この結果、ポテンシャル調整電極ＥＬが高感度化を阻害するのを抑制することができる。また、不要電荷も、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域に留まり移動し難くなる量が極めて少ない。したがって、不要電荷がより一層適切に排出されることとなる。

ポテンシャル調整電極ＥＬには、第３半導体領域ＦＤ３への不要電荷の流れを遮断する際に、ポテンシャル調整信号Ｓ_ＥＬとして、フォトゲート電極に与えられる電位Ｖ_ＰＧよりも高い電位が与えられている。この場合、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域でのポテンシャルを安定して形成することができる。

本実施形態では、各ポテンシャル調整電極ＥＬが、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で互いに対向している。これにより、受光領域（電荷発生領域）で発生した電荷を信号電荷として適切に第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に転送することができると共に、不要電荷として適切に第３半導体領域ＦＤ３に転送することができる。

次に、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１４は、距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。本変形例は、ポテンシャル調整電極ＥＬの形状が、上記実施形態と相違する。図１４でも、導体１１の図示を省略している。

本変形例では、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で対向するポテンシャル調整電極ＥＬ同士が連続して一体化している。ポテンシャル調整電極ＥＬ同士が連続していることから、本変形例では、フォトゲート電極ＰＧが複数（本変形例では、２つ）に分割されている。

ポテンシャル調整電極ＥＬは、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での幅が第３半導体領域ＦＤ３（長辺ＬＳ１，ＬＳ２）から離れるにしたがい狭くなっている。一体化したポテンシャル調整電極ＥＬは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向での中央部分で、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での幅が最も狭く、当該中央部分から徐々に拡がっている。

本変形例では、ポテンシャル調整電極ＥＬ同士が、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向に連続しているので、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域近くで且つ受光領域における第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向での中央部分に発生した電荷が、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の間に位置する領域に移動し易くなる。このため、高感度化をより一層図ることができる。

そして、ポテンシャル調整電極ＥＬにおける第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での幅が、第３半導体領域ＦＤ３から離れるにしたがい狭くされているので、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域の面積がより一層狭くなり、ポテンシャル調整電極ＥＬの直下の領域に留まり移動し難くなる電荷の量が更に少なくなる。この結果、一体化したポテンシャル調整電極ＥＬが距離検出精度の向上及び高感度化を阻害するのをより一層抑制することができる。

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。

入射光に応じて電荷が発生する電荷発生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１は、裏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１は、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が２次元に配列されたものに限られることなく、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が１次元に配列されたものであってもよい。

第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の数は、それぞれ２つに限られることなく、３つ以上であってもよい。

ポテンシャル調整電極ＥＬの形状は、上述した矩形形状に限られない。たとえば、ポテンシャル調整電極ＥＬの形状は、半円形状、三角形状、台形形状などであってもよく、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向での幅が段階的に変化する形状であってもよい。

半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、同じ長辺ＬＳ１，ＬＳ２側において、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向にそれぞれ併置されているが、これに限られない。第１半導体領域ＦＤ１と第２半導体領域ＦＤ２とが、同じ長辺ＬＳ１，ＬＳ２側において、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に併置されていてもよい。この場合、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の配置に対応して、第１ゲート電極ＴＸ１と第２ゲート電極ＴＸ２とが、同じ長辺ＬＳ１，ＬＳ２側において、第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２の対向方向に併置される。

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、ＥＬ…ポテンシャル調整電極、ＦＤ１…第１半導体領域、ＦＤ２…第２半導体領域、ＦＤ３…第３半導体領域、ＬＳ１…第１長辺、ＬＳ２…第２長辺、Ｐ…画素、ＰＧ…フォトゲート電極、ＳＳ１…第１短辺、ＳＳ２…第２短辺、ＴＸ１…第１ゲート電極、ＴＸ２…第２ゲート電極、ＴＸ３…第３ゲート電極。

Claims (6)

1. 平面形状が第１方向で対向する一対の長辺と第２方向で対向する一対の短辺とを有する長方形状である受光領域と、
   前記第１方向で前記受光領域を挟んで対向し且つ前記第２方向に沿って互いに空間的に離間して配置され、入射光に応じて発生した信号電荷を収集する複数の信号電荷収集領域と、
   前記信号電荷収集領域と前記受光領域との間にそれぞれ配置され、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極と、
   発生した不要電荷を収集する不要電荷収集領域と、
   前記第１方向で前記受光領域を挟んで対向し且つ各前記長辺に沿って配置された前記転送電極の間に空間的に離間してそれぞれ配置され、前記不要電荷収集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、
   各前記長辺側から前記第１方向に伸び且つ前記受光領域における前記不要電荷収集ゲート電極の間に位置する領域に重複し、前記不要電荷収集ゲート電極に与えられる電荷転送信号と同じ位相であり且つ該電荷転送信号より電位が低いポテンシャル調整信号が与えられるポテンシャル調整電極と、を備えていることを特徴とする距離センサ。
2. 前記ポテンシャル調整電極は、前記第２方向での幅が前記不要電荷収集ゲート電極よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
3. 前記ポテンシャル調整電極は、前記第２方向での幅が前記長辺から離れるにしたがい狭くなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の距離センサ。
4. 前記ポテンシャル調整電極は、前記第１方向で対向する同士が連続していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離センサ。
5. 前記受光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信号は、前記フォトゲート電極に与えられる電位よりも高い電位であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項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１〜５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。

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