JP2012185174A - Distance sensor and distance image sensor - Google Patents

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Inventor
Mitsuto Mase
Takashi Suzuki
高志 鈴木
光人 間瀬
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Hamamatsu Photonics Kk
浜松ホトニクス株式会社
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distance sensor and a distance image sensor capable of accurately performing distance detection while restraining an occurrence of unnecessary noise component.SOLUTION: A distance detection sensor 1 comprises: a semiconductor substrate 1A with a light incident surface 1FT as well as a rear surface 1BK; electrodes TX1 and TX2; semiconductor regions FD1 and FD2; and another semiconductor region SR1. The semiconductor substrate 1A has a light sensitive region which generates electric charge in accordance with incident light at a side of the light incident surface 1FT. The semiconductor regions FD1 and FD2 store electric charge generated by the light sensitive region. The electrodes TX1 and TX2 transmit the electric charge generated by the light sensitive region to the semiconductor regions FD1 and FD2. The another semiconductor region SR1 is: arranged between the semiconductor regions FD1 and FD2 and the rear surface 1BK; formed so as to cover the semiconductor regions FD1 and FD2 when viewed from a direction normal to the rear surface 1BK; and a conductivity type opposite to the semiconductor regions FD1 and FD2.

Description

本発明は、距離センサ及び距離画像センサに関する。 The present invention relates to a distance sensor and a range image sensor.

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。 Light distance measuring sensor of a conventional active type, by LED (Light Emitting Diode) light is irradiated to the object from a light source for emitting light, such as is detected by the light detecting element reflected light in the object, the object It is known for outputting a signal corresponding to the distance to the. 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。 Such as PSD (Position Sensitive Detector) is known as an optical distance measuring sensor for optical triangulation type that is capable of measuring the distance to an object easily, recently, for more precise distance measurement, light TOF development (Time-of-Flight) type optical distance measuring sensor is expected.

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。 Distance information and image information at the same time, automotive an image sensor that can be obtained in the same chip, it has been required in such a plant automated manufacturing system. 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。 By installing the image sensor to the front vehicle, the detection and recognition of groups of the preceding vehicle, it is expected to be used for detection and recognition such as pedestrians. 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。 Apart from the image information but also image sensor for acquiring a distance image consisting of single distance information or distance information are expected. 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。 It is preferable to use a TOF method is such a distance measuring sensor.

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。 TOF method is a light source for projecting light, pulsed light emitted toward an object, and detects the pulse light reflected by the object by the light detecting element, the time difference between the detection timing and the emission timing of the pulsed light the are measured. 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。 The time difference (Delta] t) is twice the distance of the distance d to the object for (2 × d) the pulsed light is the time required to fly at the speed of light (= c), d = (c × Δt) / 2 is established. 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。 Time difference (Delta] t) can also be called a phase difference of the outgoing pulse and the detection pulse from the light source. 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。 By detecting this phase difference, it is possible to determine the distance d to the object.

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。 The image sensor of a charge distribution system, is attracting attention as a light-detecting element for measuring a distance by TOF method. 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。 That is, the image sensor of a charge distribution system, for example, distributes the pulse when generated charges generated in the image sensor, during the ON period of emission pulses in one the potential well in response to incidence of the detection pulse, OFF during the period allocating to the other potential wells. 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。 In this case, the ratio of the amount of charge distributed to right and left, the phase difference of the detection pulse and the emission pulse, i.e., a distance twice the distance to the object is pulsed light in proportion to the time required to fly at the speed of light It will be. 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。 Incidentally, it can be considered a variety of such distribution method of charge.

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。 Patent Document 1, as the distance sensor of the charge distribution method (range image sensor), and the semiconductor substrate is provided on a surface of a semiconductor substrate, a photogate electrode having two sides planar shape facing each other, on the surface Photos and a plurality of gate electrodes provided respectively adjacent to the two sides of the gate electrode, the charge flowing into the region directly below the gate electrodes from the area immediately under the different conductivity type having and photo gate electrode and the semiconductor substrate in the those and a plurality of semiconductor regions for reading each is disclosed.

特表2007−526448号公報 JP-T 2007-526448 JP

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。 In the distance sensor of the charge distribution method described above (the range image sensor), to reset prior to the distance measuring, and applying a bias voltage (eg, 5V) to the semiconductor region. 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。 At this time, a depletion layer, not only from the region immediately below the photogate electrode, so that the spreading from the semiconductor regions. 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。 When the depletion layer will spread from the semiconductor region, the generated charge, which may become incorporated directly without being incorporated into the depletion layer that spreads from the region immediately below the photogate electrode, the depletion layer that spreads from the semiconductor regions . 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。 In the distance sensor of the charge distribution method (range image sensor), since so that the signal based on the electric charges distributed by and the gate electrode to reach directly under the photo gate electrode contributes to distance information, the depletion layer extending from the semiconductor region to be incorporated directly, charges accumulated in the semiconductor region, becomes unnecessary noise component (DC component).

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。 The present invention can suppress the generation of unwanted noise components, and an object thereof is to provide a distance sensor and a range image sensor capable of performing highly accurate distance detection.

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。 Distance sensor according to the present invention includes a semiconductor substrate having a back surface facing the light incident surface and the light incident surface, a photo gate electrode provided on the light incident surface, adjacent to the photo gate electrode on the light incident surface first and second gate electrode provided in a first and second semiconductor regions for reading each electrical charge flowing from the region immediately below the photogate electrode immediately below the first and second gate electrode, the first and provided apart on the back side from the second semiconductor region, characterized in that it comprises a third semiconductor region are first and second semiconductor regions of a conductivity type opposite to the.

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。 The distance sensor according to the present invention, the third semiconductor region are first and second semiconductor regions and the opposite conductivity type is provided from the first and second semiconductor regions apart the back side. 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。 Therefore, depletion layer that spreads from the first and second semiconductor regions, spread to the rear surface side is suppressed by the third semiconductor region, never go extends to the back side beyond the third semiconductor region. 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。 As a result, it becomes possible to charge generated is taken directly to the depletion layer that spreads from the first and second semiconductor regions is suppressed, it is possible to suppress the unnecessary noise component occurs.

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。 Incidentally, the depletion layer that spreads from the region immediately below the photogate electrode, not that the spread is suppressed by the third semiconductor region, so that the spread toward the rear surface side of the light incident surface. 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。 Accordingly, the third semiconductor region, does not hinder the charge incorporation into depletion layer that spreads from the region immediately below the photogate electrode. 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。 The third semiconductor region, because it is provided apart from the first and second semiconductor regions, barrier potential gradient toward the region of the first and second semiconductor regions from the region immediately below the photogate electrode is formed never as, it does not cause trouble in the transfer of charge.

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。 The range image sensor according to the present invention includes an imaging region including a plurality of units arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a semiconductor substrate, on the basis of the amount of charge outputted from the unit, a distance image in obtaining the distance image sensor, one unit is characterized in that it is the distance sensor. 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。 In the present invention, as described above, electric charge generated becomes possible to is taken directly to the depletion layer that spreads from the first and second semiconductor regions is suppressed, it is possible to suppress the unnecessary noise component occurs.

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。 The first and second gate electrode, may be provided to surround the first and second semiconductor regions around each of the first and second semiconductor regions. 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。 In this case, the first and second gate electrode is made to be located on the periphery of the first and second semiconductor regions, conversely, the first and second semiconductor regions in the periphery of the first and second gate electrode It is to be positioned. 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。 Since the first and second gate electrode surrounds the first and second semiconductor regions, to provide a signal for transferring the charge to the first and second gate electrodes, the first and the charge from all directions It can be transferred to the second semiconductor region. 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。 That is, the peripheral region of the first and second gate electrodes becomes possible to function as substantially all charge generation region, the aperture ratio is further significantly improved. 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。 Therefore, increasing the signal amount, it is possible to get a good range image S / N ratio. 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。 Focusing on one distance sensor, since the charges from all directions outside the first and second gate electrodes in the first and second semiconductor regions of the inner can be transferred, it can be collected a lot of charge, in such a charge When determining the distance based, it is possible to obtain a good distance output S / N ratio.

第1及び第2ゲート電極の形状は、環状であってもよい。 Shapes of the first and second gate electrode may be annular. 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。 In this case, the charges from all directions flow into the region immediately below the first and second gate electrodes steadily collected, also, it is possible to prevent the inflow.

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。 According to the present invention, it is possible to provide a distance sensor and a range image sensor capable of suppressing the occurrence of unwanted noise components, perform highly accurate distance detection.

本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。 It is an explanatory view showing a configuration of the distance measuring apparatus according to the present embodiment. 距離画像センサの断面構成を説明するための図である。 Distance is a diagram for explaining a sectional configuration of an image sensor. 距離画像センサの概略平面図である。 Distance is a schematic plan view of an image sensor. 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。 Distance is a schematic view for explaining a configuration of a pixel of an image sensor. 図4におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。 It is a diagram showing a cross-sectional view taken along the line V-V in FIG. 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。 For explaining an accumulation operation of the signal charges is a diagram showing the potential distribution. 画素の構成を説明するための模式図である。 It is a schematic diagram for explaining a configuration of a pixel. 空乏層の拡がりを模式的に示す図である。 The spread of the depletion layer is a diagram schematically illustrating. 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。 Is a diagram showing the potential distribution in the first and second semiconductor substrate in the thickness direction at a position where the semiconductor region is provided. 空乏層の拡がりを模式的に示す図である。 The spread of the depletion layer is a diagram schematically illustrating. 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。 Is a diagram showing the potential distribution in the first and second semiconductor substrate in the thickness direction at a position where the semiconductor region is provided. 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。 For explaining an accumulation operation of the signal charges is a diagram showing the potential distribution. 距離画像センサの変形例の概略平面図である。 Distance is a schematic plan view of a modification of the image sensor. 図13におけるXIV−XIV線に沿った断面構成を示す図である。 It is a diagram showing a cross-sectional view taken along line XIV-XIV in FIG. 13. 空乏層の拡がりを模式的に示す図である。 The spread of the depletion layer is a diagram schematically illustrating.

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。 Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail preferred embodiments of the present invention. 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。 In the description, identical elements or elements with identical functionality will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.

図1は、測距装置の構成を示す説明図である。 Figure 1 is an explanatory view showing a configuration of the distance measuring apparatus.

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 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 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、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。 The distance measuring device, a distance image sensor 1, a light source 3 for emitting near-infrared light, a driving circuit 4 to be supplied to the light source 3 a pulse drive signal S P, first included in each pixel of the range image sensor 1 and a second gate electrode (TX1, TX2: see FIG. 4), the pulsed driving signal S and the control circuit 2 to provide a detection gate signals S 1, S 2 in synchronization with the P, the distance the first and second image sensors 1 semiconductor region: from (FD1~FD2 see FIG. 4) signal indicative of the distance information read out from the d '(m, n), and a calculation circuit 5 for calculating a distance to the object H such as a pedestrian . 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。 The horizontal distance D from the range image sensor 1 to the object H to 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。 The control circuit 2 is input to the pulse drive signal S P to the switch 4b of the driving circuit 4. 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。 LED or light source for projecting light comprising laser diode 3 is connected to the power source 4a via a switch 4b. 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。 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 There 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、距離画像センサ1に入射して、パルス検出信号S を出力する。 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, the distance is incident on the image sensor 1 outputs a pulse detection signal S D.

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。 Range image sensor 1 is fixed on the wiring board 10, via the wiring on the wiring board 10, the signal having the distance information d '(m, n) are output from each pixel.

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。 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.
パルス駆動信号S Pulse drive signal S P:
・V(t)=1(但し、0<t<(T/2)の場合) · V (t) = 1 (However, in the case of 0 <t <(T / 2))
・V(t)=0(但し、(T/2)<t<Tの場合) · V (t) = 0 (however, (T / 2) <t <the case of T)
・V(t+T)=V(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。 Waveform of the detection gate signal S 1, S 2 is the square wave of period T, the voltage V (t) is given by the following equation.
検出用ゲート信号S The detection gate signal S 1:
・V(t)=1(但し、0<t<(T/2)の場合) · V (t) = 1 (However, in the case of 0 <t <(T / 2))
・V(t)=0(但し、(T/2)<t<Tの場合) · V (t) = 0 (however, (T / 2) <t <the case of T)
・V(t+T)=V(t) · V (t + T) = V (t)
検出用ゲート信号S (=S の反転): Detection gate signal S 2 (= the S 1 inversion):
・V(t)=0(但し、0<t<(T/2)の場合) · V (t) = 0 (However, in the case of 0 <t <(T / 2))
・V(t)=1(但し、(T/2)<t<Tの場合) · V (t) = 1 (however, (T / 2) In the case of <t <T)
・V(t+T)=V(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。 The pulse signal S P, S 1, S 2 , S D , it is assumed that has all pulse period 2 × T P. 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 及びパルス検出信号S 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。 Detection gate signal S 1 and the pulse detection signal S D are both the amount of charge generated by the distance image sensor within 1 when "1" Q1, the detection gate signal S 2 and the pulse detection signal S D are both "1" and Q2 the amount of charge generated by the distance image sensor within 1 when.

距離画像センサ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、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。 The phase difference between one detection gate signals S 1 and the pulse detection signal S D in the range image sensor 1, the other detection gate signal S 2 and the pulse detection signal S D is the overlap period when the "1", the distance proportional to the charge amount Q2 generated in the image sensor 1. 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。 That is, the charge amount Q2 is the charge amount for the period logical product of the detection gate signal S 2 and the pulse detection signal S D is "1". 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 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 pulse detection signal S D would have been 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'(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 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。 Flight time Delta] t of one pulse light is the distance to the object d, when the velocity of light is c, since given by Δt = 2d / c, signal d '(m having distance information from certain pixels, n two charge amount as) (Q1, Q2) when is outputted, 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 object H to a distance d = calculates the (c × Δt) / 2 = c × T P × Q2 / (2 × (Q1 + Q2)) of.

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。 As described above, it is read to separate the charge amount Q1, Q2, the arithmetic circuit 5 can calculate the distance d. 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。 Incidentally, the above-described pulse is repeatedly emitted, it is possible to output the integrated value as the charge amount Q1, Q2.

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。 The ratio to the total amount of charge amount Q1, Q2, the phase difference described above, i.e., corresponds to the distance to the object H. 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。 Calculation circuit 5 calculates the distance to the object H in accordance with the phase difference. 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。 As described above, when a time difference corresponding to the phase difference to Delta] t, the distance d is preferably given by d = (c × Δt) / 2, may be carried out by adding an appropriate correction calculation thereto . 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。 For example, the actual distance, if the calculated distance d is different, the latter is obtained in advance a coefficient for correcting β and the product after shipment ultimate are multiplied by coefficient β to the distance d which is calculated may calculation distance d. 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。 Leave measured outside air temperature, when the speed of light c in accordance with the outside temperature different can also be performed after performing the operation for correcting the speed of light c, the distance calculation. 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。 And inputted to the arithmetic circuit signals, previously stored in the memory of the actual relationship between the distance, by a look-up table method, the distance may be calculated. 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。 Calculation method by the sensor structure can be changed, this can be used a calculation method known in the art.

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。 Figure 2 is a drawing for explaining a sectional configuration of the range image sensor.

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。 Range image sensor 1 is an distance image sensor surface incident type, and a semiconductor substrate 1A. 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 が入射する。 The range image sensor 1, a pulse light L D from the light incident surface 1FT of the semiconductor substrate 1A is incident. 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。 Distance back surface 1BK opposite to the light incident surface 1FT of the image sensor 1 is connected to the wiring substrate 10 via an adhesive area AD. 接着領域ADは、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。 Adhesive area AD has an insulating adhesive and a filler. 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。 Range image sensor 1 includes a light-shielding layer LI having an opening at a predetermined position. 遮光層LIは、光入射面1FTの前方に配置されている。 Shielding layer LI is disposed in front of the light incident surface 1FT.

図3は、距離画像センサの概略平面図である。 Figure 3 is a schematic plan view of the range image sensor.

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。 In the range image sensor 1, the semiconductor substrate 1A is, has an imaging region 1B composed of a plurality of pixels P which are arranged two-dimensionally (m, n). 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。 From each pixel P (m, n), signal d '(m, n) having distance information above two charge amount as (Q1, Q2) are output. 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。 Each pixel P (m, n) and outputs a signal d '(m, n) corresponding to the distance to the object H as micro distance measuring sensors. 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。 Therefore, the reflected light from the object H, if focused on the imaging region 1B, it is possible to obtain a distance image of the object as a collection of distance information to respective points on the object H. 一つの画素P(m,n)は、一つの距離センサとして機能する。 One pixel P (m, n), which functions as a distance sensor.

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。 Figure 4 is a schematic view for explaining a configuration of a pixel of the range image sensor. 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。 Figure 5 is a diagram showing a cross-sectional view taken along the line V-V in FIG. 図4では、導体11の図示を省略している。 In Figure 4, it is not shown of the conductor 11.

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。 Range image sensor 1 includes a semiconductor substrate 1A having a light incident surface 1FT and back 1BK facing each other. 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。 The semiconductor substrate 1A includes a first region 1Aa of p-type which is positioned on the back 1BK side, p located and the light incident surface 1FT side lower impurity concentration than the first region 1Aa - from a type of the second region 1Ab, Become. 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。 The semiconductor substrate 1A is, for example, on a p-type semiconductor substrate, an impurity concentration than the semiconductor substrate is low p - can be obtained by growing the type epitaxial layer.

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。 Range image sensor 1 is provided with a photo gate electrode PG, the first and second gate electrodes TX1, TX2, and first and second semiconductor regions FD1, FD2, and third semiconductor regions SR1, the. 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。 Photo gate electrode PG is provided on the light incident surface 1FT through the insulating layer 1E. 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。 First and second gate electrodes TX1, TX2 are provided adjacent to the photo gate electrode PG via the insulative layer 1E on the light incident surface 1FT. 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。 First and second semiconductor regions FD1, FD2 accumulates charges flowing into the region directly below the respective gate electrodes TX1, TX2. 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。 Third semiconductor regions SR1 is provided from the first and second semiconductor regions FD1, FD2 apart on the back 1BK side, a first and second semiconductor regions FD1, FD2 opposite conductivity type. 本例の半導体基板1AはSiからなり、絶縁層1EはSiO からなる。 The semiconductor substrate 1A of the present embodiment is made of Si, the insulating layer 1E is made of SiO 2.

フォトゲート電極PGは、平面視で矩形状を呈している。 Photo gate electrode PG has a rectangular shape in plan view. 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。 In the present embodiment, the photo gate electrode PG is a rectangular shape. 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。 That is, the photo gate electrode PG has the shape a planar shape having a first and second long sides LS1, LS2 opposed to each other, the first and second short sides SS1, SS2, which are opposite to each other, the. 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。 A region corresponding to the photo gate electrode PG of the semiconductor substrate 1A (region immediately below the photogate electrode PG) functions as the photosensitive region where charge is generated in response to incident light. 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。 Consists photogate electrode PG polysilicon, other materials may be used.

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。 The first semiconductor region FD1 is disposed along the first long side LS1 in the first long side LS1 side of the photo gate electrode PG. 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。 The second semiconductor region FD2 is arranged along the second long side LS2 in the second long side LS2 side of the photo gate electrode PG. 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。 A first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2, the first and second long sides LS1, LS2 opposing direction at (hereinafter, may be simply referred to as "opposing direction"), across the photo gate electrode PG It is opposed. 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。 First and second semiconductor regions FD1, FD2 has a rectangular shape in plan view. 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。 In the present embodiment, the first and second semiconductor regions FD1, FD2 has a rectangular shape to the longitudinal direction of the photo gate electrode PG and the long side direction.

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。 The first gate electrode TX1 is provided between the photo gate electrode PG and the first semiconductor region FD1. 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。 The second gate electrode TX2 is provided between the photo gate electrode PG and the second semiconductor region FD2. 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。 First and second gate electrodes TX1, TX2 has a rectangular shape in plan view. 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。 In this embodiment, first and second gate electrodes TX1, TX2 has a rectangular shape to the longitudinal direction of the photo gate electrode PG and the long side direction. 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。 The length of the first and second long side direction of the gate electrode TX1, TX2 is set to the same. 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。 First and second gate electrodes TX1, TX2 is made of polysilicon, these other materials may be used.

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。 Third semiconductor regions SR1 is located between the first and second semiconductor regions FD1, FD2 and back 1BK, when viewed from the direction perpendicular to the back surface 1BK, so as to cover the first and second semiconductor regions FD1, FD2 It is formed in. 第3半導体領域SR1は、平面視で矩形状を呈している。 Third semiconductor regions SR1 has a rectangular shape in plan view. 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。 In this embodiment, the third semiconductor region SR1 is a rectangular shape that the longitudinal direction of the photo gate electrode PG and the long side direction.

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。 First and second semiconductor regions FD1, FD2 is a region consisting of n-type semiconductor having a high impurity concentration, a floating diffusion region. 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。 Third semiconductor regions SR1 has a higher impurity concentration than the semiconductor substrate 1A of the same conductivity type as and the semiconductor substrate 1A, that is, a region made of p-type semiconductor having a high impurity concentration. 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。 Third semiconductor regions SR1 may be a p-type diffusion region, or may be a p-type well region.

各領域の厚さ/不純物濃度は以下の通りである。 Thickness / impurity density of each region is as follows.
・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 20 cm −3 · A first region 1Aa semiconductor substrate 1A: thickness 10~700Myuemu / impurity concentration 1 × 10 18 ~10 20 cm -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 15 cm −3 The second region 1Ab of-the semiconductor substrate 1A: thickness 3 to 50 [mu] m / impurity concentration 1 × 10 12 ~10 15 cm -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1×1 18 〜10 20 cm −3 - first and second semiconductor regions FD1, FD2: thickness 0.1 to 0.4 [mu] m / impurity concentration 1 × 1 18 ~10 20 cm -3
・第3半導体領域SR1:厚さ0.5〜5μm/不純物濃度1×10 15 〜10 19 cm −3 Third semiconductor region SR1: thickness 0.5 to 5 [mu] m / impurity concentration 1 × 10 15 ~10 19 cm -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。 The insulating layer 1E, a contact hole for exposing the first and second semiconductor regions FD1, FD2 surface is provided. 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。 In the contact hole, the conductor 11 for connecting the first and second semiconductor regions FD1, FD2 to the outside are disposed.

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。 The light-shielding layer LI, an opening LIa is formed at a position corresponding to the photo gate electrode PG. 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。 Thus, through the opening LIa light-shielding layer LI, incident on the semiconductor substrate 1A (region immediately below the photogate electrode PG). 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。 Region in which the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are disposed in the semiconductor substrate 1A is covered with the light shielding layer LI, the light in the first and second semiconductor regions FD1, FD2 is prevented from entering there. 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。 Thus, it is possible to prevent the occurrence of unnecessary charges by light incident on the first and second semiconductor regions FD1, FD2. 遮光層LIは、例えば、金属(Al、Cu等)製の配線等からなる。 Shielding layer LI, for example, made of metal (Al, Cu, etc.) made of wire or the like.

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。 The first and second gate electrodes TX1, TX2, a high level signal when giving the (positive potential), the potential under the first and second gate electrodes TX1, TX2 is directly under the photo gate electrode PG of the semiconductor substrate 1A It becomes lower than the potential of the region. 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。 Accordingly, negative charges (electrons) is drawn in the direction of the first and second gate electrodes TX1, TX2, is accumulated in the potential well formed by the first and second semiconductor regions FD1, FD2. 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。 n-type semiconductor includes a positively ionized donors, has a positive potential, attracts electrons. 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。 The first and second gate electrodes TX1, TX2, given a low-level signal (ground potential), the potential barrier by the first and second gate electrodes TX1, TX2 occurs. 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。 Therefore, charges generated in the semiconductor substrate 1A is, the first and second semiconductor regions FD1, the FD2 not drawn.

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。 In the range image sensor 1, the charges generated in the semiconductor deep in response to incidence of light for projection, drawn into a potential well provided in the light incident surface 1FT side, thereby enabling accurate distance measurement at high speed.

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 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。 Pulse light L D from the object incident from the light incident surface 1FT of the semiconductor substrate 1A leads to the region immediately below the photogate electrode PG provided on the surface side of the semiconductor substrate 1A. 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。 Charges generated in the semiconductor substrate 1A in accordance with the incidence of the pulse light from the region immediately below the photogate electrode PG, is distributed to the region immediately below the first and second gate electrodes TX1, TX2 adjacent thereto. 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、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。 That is, the detection gate signal S 1, S 2 in synchronization with the drive signal S P output light source to the first and second gate electrodes TX1, TX2, via the wiring board 10, given alternating, the photo gate electrode PG charges generated in the area immediately below, respectively flows in the area immediately below the first and second gate electrodes TX1, TX2, flows from these first and second semiconductor regions FD1, FD2.

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 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。 Ratio, the emission pulse light emitted by giving a drive signal S P to the light source to the total charge amount of the first semiconductor region FD1 or the second semiconductor region accumulated charge amount in the FD2 Q1, Q2 (Q1 + Q2 ), emitting pulsed light by the object H corresponds to the phase difference of the detection pulse light returned by being reflected.

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。 Range image sensor 1 is not shown, and a back gate semiconductor area for fixing the potential of the semiconductor substrate 1A to the reference potential.

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。 Figure 6 is a diagram showing for explaining an accumulation operation of the signal charge, the potential distribution in the light incident surface 1FT vicinity of the semiconductor substrate 1A. 図6では、下向きがポテンシャルの正方向である。 In Figure 6, the downward is a positive direction of the potential.

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。 During the light incidence, the potential phi PG in the region immediately below the photogate electrode PG, is slightly set higher than the substrate potential. 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。 The figure potential phi TX1 in the region immediately below the first gate electrode TX1, the region of potential phi TX2 immediately below the second gate electrode TX2, the first semiconductor region FD1 of the potential phi FD1, and the second semiconductor region FD2 potential phi FD2 is shown.

検出用ゲート信号S 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。 High potential of the detection gate signals S 1 is inputted to the first gate electrode TX1, as shown in FIG. 6 (a), charges generated immediately below the photogate electrode PG, according to the potential gradient, through the region immediately below the first gate electrode TX1, it is accumulated in the first semiconductor region FD1 in the potential well. 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。 The first semiconductor region FD1 in the potential well so that the charge amount Q1 is accumulated.

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、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。 Following the detection gate signal S 1, the high potential of the detection gate signal S 2 is inputted to the second gate electrode TX2, as shown in FIG. 6 (b), immediately below the photogate electrode PG charges generated in accordance with the potential gradient, through a region directly below the second gate electrode TX2, is accumulated in the potential well of the second semiconductor region FD2. 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。 The the potential well of the second semiconductor region FD2 so that the charge amount Q2 are accumulated.

図7は、画素の構成を説明するための模式図である。 Figure 7 is a schematic diagram for explaining a configuration of a pixel.

第1ゲート電極TX1には、検出用ゲート信号S が与えられる。 The first gate electrode TX1, the detection gate signals S 1 supplied. 第2ゲート電極TX2には、検出用ゲート信号S が与えられる。 The second gate electrode TX2, the detection gate signal S 2 is applied. 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。 That is, the first gate electrode TX1, the second gate electrode TX2, given charge transfer signals having different phases.

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 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。 Charge generated in the photosensitive region immediately below the photogate electrode PG, when the detection gate signals S 1 at a high level to the first gate electrode TX1 is given, the potential formed by a first semiconductor region FD1 well to flow as a signal charge. 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 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。 The signal charges accumulated in the first semiconductor region FD1 is read from the first semiconductor region FD1 as an output corresponding to the accumulated charge amount Q 1 (V out1). 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 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。 Charge generated in the photosensitive region immediately below the photogate electrode PG, when the second gate electrode TX2 detection gate signal S 2 of the high level is given, the potential formed by the second semiconductor region FD2 well to flow as a signal charge. 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 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。 The signal charges accumulated in the second semiconductor region FD2 is read from the second semiconductor region FD2 as an output corresponding to the accumulated charge amount Q 2 (V out2). 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。 These outputs (V out1, V out2) is equivalent to the above-described signal d '(m, n).

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。 Incidentally, the range image sensor 1, prior to the distance measuring to reset, applies a first and second semiconductor regions FD1, FD2 to a bias voltage (e.g., 5V). 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。 At this time, the depletion layer DL1, DL2, as shown in FIG. 8, not only from the region immediately below the photogate electrode PG, and thus spreads from the first and second semiconductor regions FD1, FD2.

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。 However, the range image sensor 1, the third semiconductor region SR1 is, because it is provided apart rear surface 1BK side of the first and second semiconductor regions FD1, FD2, extends from the first and second semiconductor regions FD1, FD2 depletion DL2 is spread on the back 1BK side is suppressed by the third semiconductor region SR1. 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。 That is, the depletion layers DL2 spreading from the first and second semiconductor regions FD1, FD2, never go spread on the back 1BK side beyond the third semiconductor region SR1. 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。 As a result, it becomes possible to charge generated is taken directly to the depletion layers DL2 spreading from the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are suppressed, it is possible to suppress the unnecessary noise component occurs. 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。 Therefore, according to the range image sensor 1, it is possible to suppress the generation of unwanted noise components, perform highly accurate distance detection.

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。 When distributes the charge, a first gate electrode TX1 of the second gate electrode TX2, typically, the detection signal of the positive high level is applied to one gate electrode (e.g., the first gate electrode TX1) with the other gate electrode (e.g., the second gate electrode TX2) to be given detection signal different 180 degrees out of phase. 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。 At this time, the other gate electrode (e.g., the second gate electrode TX2) more low level detection signal to be applied to (e.g., a negative bias voltage) is applied to, up potential immediately below the second gate electrode TX2 is, mountain of potential is formed. 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。 Thus, the charge does not easily flow from the photo gate electrode PG side to the second semiconductor region FD2, it is possible to suppress the occurrence of unnecessary noise components.

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。 Figure 9 is a diagram showing the potential distribution in the first and second semiconductor regions FD1, the thickness direction of the semiconductor substrate 1A in a position where FD2 are provided in the semiconductor substrate 1A. 図9では、下向きがポテンシャルの正方向である。 In Figure 9, the downward is a positive direction of the potential. 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。 As shown in FIG. 9, by the third semiconductor region SR1 is provided, the slope of the potential toward the first and second semiconductor regions FD1, FD2 from the back 1BK side in the thickness direction of the semiconductor substrate 1A is formed it is not. 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。 This also can be seen that the charge generated is taken directly to the depletion layers DL2 spreading from the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are suppressed.

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。 On the other hand, when the third semiconductor region SR1 is not provided, as shown in FIG. 10, a depletion layer DL extending from the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are depletion DL extending from the photo gate electrode PG Like the spreads toward the rear surface 1BK. 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。 Therefore, as shown in FIG. 11, it becomes possible potential gradient toward the first and second semiconductor regions FD1, FD2 from the back 1BK side in the thickness direction of the semiconductor substrate 1A is formed, the generated charges are first thus it is taken directly to the depletion layer DL extending from the first and second semiconductor regions FD1, FD2. 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。 In particular, when using a light source for emitting near-infrared light, generating region of the charges generated in response to incidence of near-infrared light, since the deeper position the light incident surface 1FT of the semiconductor substrate 1A, the depletion layer DL easily taken.

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。 Depletion layer DL1 extending from the region immediately below the photogate electrode PG is not that the spread is suppressed by the third semiconductor region SR1, as shown in FIG. 8, so that the spread toward the rear surface 1BK side. 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。 Accordingly, the third semiconductor region SR1 is, does not hinder the charge incorporation into the depletion layer DL1 extending from the region immediately below the photogate electrode PG. 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。 When using a light source 3 for emitting near-infrared light, as described above, the occurrence region of the charges generated in response to incidence of near-infrared light is deeper than the light incident surface 1FT of the semiconductor substrate 1A, the 3 for the semiconductor regions SR1 spreads of the depletion layer DL2 is suppressed, it is possible to suppress the electric charge in a depletion layer DL2 is captured.

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。 Third semiconductor regions SR1, the first and second semiconductor regions FD1, because it is provided apart from FD2, in a region corresponding from the region immediately below the photogate electrode PG into the first and second semiconductor regions FD1, FD2 directed not like that barrier potential gradient is formed, it does not cause trouble in the transfer of charge. 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。 In contrast, the third semiconductor region SR1 is, if provided in contact immediately below the first and second semiconductor regions FD1, FD2, as shown in FIG. 12, the region immediately below the photogate electrode PG becomes the barrier is formed on the inclined potential toward the areas corresponding to the first and second semiconductor regions FD1, FD2, trouble occurs in the transfer of charge. 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。 In view of the above, first and second semiconductor regions FD1 in the thickness direction of the semiconductor substrate 1A, interval FD2 and the third semiconductor region SR1 it is preferably set to 0~3Myuemu.

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。 Next, with reference to FIGS. 13 14, a modification of the range image sensor 1 will be described. 図13は、距離画像センサの変形例の概略平面図である。 Figure 13 is a schematic plan view of a modification of the range image sensor. 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。 Figure 14 is a diagram showing a cross-sectional view taken along line XIV-XIV in FIG. 13.

フォトゲート電極PGは、平面視で格子形状を呈している。 Photo gate electrode PG is, and has a lattice shape in plan view. 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。 That is, the photo gate electrode PG has an electrode portion extending in the X-axis direction, and an electrode portion extending in the Y-axis direction. 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。 Opening LIa light-shielding layer LI is to correspond to the shape of the photo gate electrode PG, the light-shielding layer LI is formed to have a lattice shape.

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。 The first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 is located surrounded by the X-axis electrode portion extending in the direction and the Y-axis electrode portion extending in the direction of the photo gate electrode PG, the X and Y directions They are alternately arranged. 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。 In this modification, the first and second semiconductor regions FD1, FD2 has the shape of a square shape.

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。 The first gate electrode TX1 is provided surrounding the first semiconductor region FD1 around each of the first semiconductor region FD1. 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。 Viewed in the X-axis direction and the Y-axis direction, between the photo gate electrode PG and the first semiconductor region FD1, so that the side of the first gate electrode TX1 is located. 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。 The second gate electrode TX2 is provided surrounding the second semiconductor region FD2 around each of the second semiconductor region FD2. 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。 Viewed in the X-axis direction and the Y-axis direction, between the photo gate electrode PG and the second semiconductor region FD2, so that the side of the second gate electrode TX2 is located. 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。 First and second gate electrodes TX1, TX2 has an annular shape, in this modification and has a square ring.

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。 Third semiconductor regions SR1 is located between the first and second semiconductor regions FD1, FD2 and back 1BK, when viewed from the direction perpendicular to the back surface 1BK, the entire first and second semiconductor regions FD1, FD2 It is formed to cover. 第3半導体領域SR1は、平面視で正方形状を呈している。 Third semiconductor regions SR1 is, and has a square shape in plan view.

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。 In this modification, as shown in FIG. 15, the depletion layer DL2 spreading from the first and second semiconductor regions FD1, FD2, spread to the rear surface 1BK side it is suppressed by the third semiconductor region SR1. 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。 As a result, it becomes possible to charge generated is taken directly to the depletion layers DL2 spreading from the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are suppressed, it is possible to suppress the unnecessary noise component occurs. 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。 Accordingly, the present modification also, it is possible to suppress the generation of unwanted noise components, perform highly accurate distance detection.

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。 Having thus described the preferred embodiments of the present invention, the present invention is not necessarily limited to the embodiments described above, but can be modified in various ways without departing from the scope of the invention.

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。 For example, the high-concentration layer having an impurity concentration higher than the back surface 1BK of the same conductivity type as the semiconductor substrate 1A in side and the semiconductor substrate 1A of the semiconductor substrate 1A is formed, irregular unevenness is formed on the back surface 1BK , the back surface 1BK may be optically exposed. 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。 The irregular asperity can be formed by irradiating a picosecond to femtosecond pulsed laser beam on the back surface 1BK of the semiconductor substrate 1A as a pulse laser beam.

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。 According to the above arrangement, when the irregular unevenness on the back surface 1BK of the semiconductor substrate 1A is formed, reflected by the light that area incident on the semiconductor substrate 1A, scattered, or diffused inside the semiconductor substrate 1A travel through a long distance. 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。 Thus, light incident on the semiconductor substrate 1A, without most part passes through the semiconductor substrate 1A, and thus is absorbed by the semiconductor substrate 1A. 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。 Therefore, the travel distance of the light incident on the semiconductor substrate 1A is increased, the light becomes longer distance to be absorbed, is improved in the spectral sensitivity characteristic in the near-infrared wavelength band.

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。 The light incident on the semiconductor substrate 1A is reflected by the irregular irregularities formed on the back surface 1BK of the semiconductor substrate 1A, scattering, or to be diffused and reaches the region under the first and second semiconductor regions FD1, FD2 , there is a possibility of generating a charge in the region. 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。 However, since the expansion of the depletion layer DL2 is suppressed by the third semiconductor region SR1, even as a charge in a region under the first and second semiconductor regions FD1, FD2 occurs, the charge is captured in the depletion layer DL2 it is possible to prevent the.

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。 Since the high concentration layer is formed, unnecessary carriers generated independent of light at the back surface 1BK side are recombined, it can reduce dark current. 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。 The high concentration layer, the carriers generated by light near the back surface 1BK of the semiconductor substrate 1A inhibits from being trapped in the back surface 1BK. 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。 Therefore, the carriers generated by light efficiently migrate to the photosensitive region, the light detection sensitivity can be improved.

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。 The present invention is applicable to the distance sensor and the range image sensor is mounted on a product monitoring and vehicles or the like in a factory production line.

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。 1 ... distance image sensor, 1A ... Semiconductor substrate, 1B ... imaging region, 1BK ... backside, 1FT ... light incident surface, DL1, DL2 ... depletion layer, FD1 ... first semiconductor region, FD2 ... second semiconductor region, PG ... Images gate electrode, SR1 ... third semiconductor region, TX1 ... first gate electrode, TX2 ... second gate electrode.

Claims (5)

  1. 光入射面と前記光入射面に対向する裏面とを有し、入射光に応じて電荷が発生する光感応領域が前記光入射面側に設けられている半導体基板と、 A semiconductor substrate and a back surface opposite to the light incident surface and the light incident surface, the light sensitive region where charge is generated in response to incident light is provided on the light incident side,
    前記半導体基板の前記光入射面側に設けられ、前記光感応領域にて発生した電荷を蓄積する半導体領域と、 Provided on the light incident surface side of the semiconductor substrate, a semiconductor region for accumulating charge generated by the light sensitive region,
    前記光入射面上に設けられ、前記光感応領域にて発生した電荷を前記半導体領域に転送する電極と、 Provided on the light incident surface, an electrode for transferring charges generated by the light sensitive region in the semiconductor region,
    前記半導体基板における前記半導体領域と前記裏面との間に位置すると共に、前記裏面に直交する方向から見て、前記半導体領域を覆うように形成されており、前記半導体領域と逆の導電型である半導体領域と、を備えていることを特徴とする距離センサ。 Together positioned between the semiconductor region and the back surface of the semiconductor substrate, when viewed from the direction perpendicular to the back surface, the is formed so as to cover the semiconductor region, is the semiconductor region opposite conductivity type distance sensor, characterized in that it comprises a semiconductor region.
  2. 前記光感応領域にて発生した電荷を蓄積する前記半導体領域は、前記光感応領域に囲まれて設けられていることを特徴とする請求項1に記載の距離センサ。 Distance sensor according to claim 1 wherein the semiconductor region, characterized in that provided is surrounded by the light sensitive region storing a charge generated by the light sensitive region.
  3. 前記電極は、前記光感応領域にて発生した電荷を蓄積する前記半導体領域の周囲に該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に記載の距離センサ。 The electrodes, the distance sensor according to claim 2, characterized in that provided surrounding the semiconductor region around the semiconductor region for accumulating charge generated by the light sensitive region.
  4. 前記電極の形状は、環状であることを特徴とする請求項3に記載の距離センサ。 The shape of the electrodes, the distance sensor according to claim 3, characterized in that the annular.
  5. 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、 An imaging area including a plurality of units arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a semiconductor substrate, based on the amount of charge output from the unit, the distance image sensor to obtain a distance image,
    1つの前記ユニットは、請求項1〜4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。 One of the units, range image sensor, which is a distance sensor according to any one of claims 1-4.
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