JP2013181890A - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】開口率と電荷の転送効率とを向上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】第一半導体領域ＦＤ１は、画素領域ＰＡ１の中心部で且つ電荷発生領域に囲まれるように電荷発生領域の内側に配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する。第三半導体領域ＦＤ３は、画素領域ＰＡ１の角部で且つ電荷発生領域の外側に配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する。フォトゲート電極ＰＧ１は、電荷発生領域の上に配置される。第一ゲート電極ＴＸ１は、第一半導体領域ＦＤ１と電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて電荷発生領域からの信号電荷を第一半導体領域ＦＤ１に流入させる。第三ゲート電極ＴＸ３は、第三半導体領域ＦＤ３と電荷発生領域との間に配置され、入力信号に応じて電荷発生領域からの不要電荷を第三半導体領域ＦＤ３に流入させる。
【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。
ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の距離画像センサ（距離センサ）が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された距離画像センサは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域に囲まれるように電荷発生領域の内側に配置された電荷収集領域と、電荷発生領域を囲むように電荷発生領域の外側に配置された電荷排出領域と、電荷発生領域の上に配置され、入力信号に応じて電荷発生領域の電荷を電荷収集領域に流入させる内側ゲート電極と、電荷発生領域の上に配置され、入力信号に応じて電荷発生領域の電荷を電荷排出領域に流入させる外側排出ゲート電極と、を備えている。電荷収集領域は、多角形状の画素領域の中心部に配置されており、電荷排出領域は、画素領域の全周にわたって配置されている。内側ゲート電極と外側排出ゲート電極とに与えられる電位差により、内側ゲート電極及び外側排出ゲート電極の直下の領域にはポテンシャルの勾配が形成される。このポテンシャルの勾配にしたがって、電荷発生領域に発生した電荷は、電荷収集領域又は電荷排出領域に移動する。
T. Y. Lee et al., "A 192×108pixel ToF-3D image sensor with single-tap concentric-gate demodulation pixelsin 0.13 μm technology", Proceeding of the 2011 IEEE International ElectronDevices Meeting, December 5-8, 2011, pp.8.7.1-8.7.4
しかしながら、非特許文献１に記載された距離画像センサは、以下のような問題点を有している。
電荷発生領域の外側に位置する電荷排出領域が、多角形状の画素領域の全周にわたって配置されているため、電荷発生領域の面積が狭くならざるを得ない。このため、画素領域の面積に対する電荷発生領域の面積の比である開口率が小さい。
電荷発生領域が画素領域の端まで広がっていると、開口率は大きいものの、電荷排出領域を配置することができない。また、電荷の転送時間は、その移動距離に比例するため、電荷発生領域における画素領域の角近くの領域で発生した電荷は、電荷収集領域までの移動距離が長く、転送時間も長くなってしまう。このため、電荷の電荷収集領域への転送効率が悪い。
本発明は、開口率と電荷の転送効率とを向上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。
一つの観点では、本発明は、距離センサであって、多角形状の画素領域の角部を除く画素領域の各辺まで外縁が延びており、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、画素領域の中心部で且つ電荷発生領域に囲まれるように電荷発生領域の内側に配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する信号電荷収集領域と、画素領域の角部で且つ電荷発生領域の外側に配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する不要電荷収集領域と、電荷発生領域の上に配置されるフォトゲート電極と、信号電荷収集領域と電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて電荷発生領域からの信号電荷を信号電荷収集領域に流入させる転送電極と、不要電荷収集領域と電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて電荷発生領域からの不要電荷を不要電荷収集領域に流入させる不要電荷収集ゲート電極と、を備えている。
本発明では、電荷発生領域の外縁が、多角形状の画素領域の角部を除く画素領域の各辺まで延びているため、電荷発生領域の面積が拡大する。これにより、開口率を向上することができる。
ところで、画素領域の角部にまで電荷発生領域が伸びていると、電荷発生領域における画素領域の角部に対応する領域で発生した電荷は、画素領域の中央部に配置されている信号電荷収集領域までの移動距離が長い。このため、上記角部に対応した領域で発生した電荷の信号電荷収集領域への転送時間が長くなり、信号電荷の電荷収集領域への転送効率が悪化する。これに対して、本発明では、上述したように、画素領域の角部には、電荷発生領域が配置されていないので、移動距離が長くなる領域から信号電荷が転送されることはない。このため、信号電荷の電荷収集領域への転送効率が向上する。
本発明では、電荷発生領域が配置されない、画素領域の角部に不要電荷収集領域が配置されている。このため、開口率と電荷の転送効率との向上を阻害することなく、不要電荷収集領域を配置することができる。
隣り合う複数の画素領域を備えており、複数の画素領域の電荷発生領域同士が、一体的に形成され、複数の画素領域のフォトゲート電極同士が、一体的に形成されていてもよい。また、複数の画素領域の不要電荷収集領域同士が、一体的に形成されていてもよい。いずれの場合でも、センサ面積の利用効率を高めることができる。この結果、空間解像度を向上できる。
複数の画素領域の転送電極には、異なる位相の電荷転送信号がそれぞれ与えられていてもよい。この場合、隣り合う複数の画素領域からの出力に基づいて、距離演算が行われる。
転送電極には、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられた電荷転送信号が与えられてもよい。この場合、一つの画素領域からの出力に基づいて距離が演算される。このため、複数の画素領域からの出力に基づいて距離を演算する構成に比して、距離演算のばらつきを低減できる。センサ面積の利用効率を高めることができ、空間解像度を向上できる。
信号電荷収集領域に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す読出回路が配置される領域が、画素領域の一辺に沿って画素領域の外側に位置していてもよい。また、信号電荷収集領域に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す読出回路が配置される領域が、画素領域の一つの角部に位置していてもよい。いずれの場合でも、開口率と電荷の転送効率との向上を阻害することなく、読出回路を配置することができる。
信号電荷収集領域は、平面視で矩形状であり、転送電極は、略多角形環状を呈していてもよい。
別の観点では、本発明は、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であって、ユニットそれぞれが、上記距離センサである。
本発明では、上述したように、開口率と電荷の転送効率とを向上することができる。
本発明によれば、開口率と電荷の転送効率とを向上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。
図１は、本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。 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。 図３は、距離画像センサの概略平面図である。 図４は、距離画像センサの画素領域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、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。 図７は、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。 図８は、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。 図９は、画素の構成を説明するための模式図である。 図１０は、各種信号のタイミングチャートである。 図１１は、変形例に係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１２は、各種信号のタイミングチャートである。 図１３は、変形例に係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１４は、各種信号のタイミングチャートである。 図１５は、変形例に係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１６は、変形例に係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１７は、変形例に係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。
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、駆動回路４と、制御回路２と、演算回路５と、を備えている。駆動回路４は、光源３にパルス駆動信号ＳＰを与える。制御回路２は、距離画像センサ１の各画素に含まれる第一及び第二ゲート電極（ＴＸ１，ＴＸ２：図４参照）に、パルス駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２を与える。演算回路５は、距離画像センサ１の第一〜第二半導体領域（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。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Ｓ３も出力する。
制御回路２は、パルス駆動信号ＳＰ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。スイッチ４ｂにパルス駆動信号ＳＰが入力されると、パルス駆動信号ＳＰ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ＬＰが出力される。パルス光ＬＰ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る。反射されたパルス光は、パルス光ＬＤとして、距離画像センサ１に入射して、パルス検出信号ＳＤが出力される。
距離画像センサ１は、配線基板１０上に配置されている。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）が距離画像センサ１の各画素から出力される。
パルス駆動信号ＳＰ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ＳＰ：
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Ｓ１、Ｓ２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Ｓ１：
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Ｓ２（＝Ｓ１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ＳＰ，Ｓ１，Ｓ２，ＳＤは、全てパルス周期２×ＴＰを有している。検出用ゲート信号Ｓ１及びパルス検出信号ＳＤ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とする。検出用ゲート信号Ｓ２及びパルス検出信号ＳＤ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。
検出用ゲート信号Ｓ１とパルス検出信号ＳＤの位相差は、検出用ゲート信号Ｓ２とパルス検出信号ＳＤ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Ｓ２とパルス検出信号ＳＤ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、パルス駆動信号ＳＰの半周期のパルス幅をＴＰとすると、Δｔ＝ＴＰ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）の期間だけ、パルス駆動信号ＳＰに対してパルス検出信号ＳＤが遅れている。一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。このため、特定の画素からの距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）として二つの電荷量（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ＴＰとに基づいて、対象物Ｈまでの距離ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２＝ｃ×ＴＰ×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。たとえば、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ＬＤ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）として二つの電荷量（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。
距離画像センサ１は、図２にも示されているように、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型の第一基板領域１Ａａと、光入射面１ＦＴ側に位置するｐ−型の第二基板領域１Ａｂと、を有する。第二基板領域１Ａｂは、第一基板領域１Ａａよりも不純物濃度が低い。半導体基板１Ａは、たとえば、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の各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、行方向又は列方向に隣り合う二つの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２を含んでいる。すなわち、距離画像センサ１では、画素領域ＰＡ１に配置される第一ユニットと、画素領域ＰＡ２に配置される第二ユニットと、が行方向及び列方向に隣り合って配置されている。行方向又は列方向に隣り合って配置された第一及び第二ユニットが一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を形成している。画素領域ＰＡ１，ＰＡ２は、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。画素領域ＰＡ１と画素領域ＰＡ２とは、撮像領域１Ｂにおいて、行方向及び列方向に交互に配置されており、行方向及び列方向に連続している。
距離画像センサ１は、画素領域ＰＡ１において、フォトゲート電極ＰＧ１と、第一ゲート電極ＴＸ１と、複数の第三ゲート電極ＴＸ３と、第一半導体領域ＦＤ１と、複数の第三半導体領域ＦＤ３と、を備えている。また、距離画像センサ１は、画素領域ＰＡ２において、フォトゲート電極ＰＧ２と、第二ゲート電極ＴＸ２と、複数の第三ゲート電極ＴＸ３と、第二半導体領域ＦＤ２と、複数の第三半導体領域ＦＤ３と、を備えている。
フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、光入射面１ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられており、行方向及び列方向に互いに連続して配置されている。第一〜第三ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３は、光入射面１ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介して設けられており、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２に隣接している。各第一〜第三半導体領域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。本実施形態の半導体基板１ＡはＳｉからなり、絶縁層１ＥはＳｉＯ２からなる。
遮光層ＬＩには、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２に対応する領域それぞれにおいて、開口ＬＩａが形成されている。開口ＬＩａは、行方向及び列方向に連続して遮光層ＬＩに形成されている。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、受光領域が規定される。遮光層ＬＩは、たとえば、アルミニウムなどの金属からなる。
フォトゲート電極ＰＧ１は、画素領域ＰＡ１において、開口ＬＩａに対応して配置されている。フォトゲート電極ＰＧ２は、画素領域ＰＡ２において、開口ＬＩａに対応して配置されている。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、開口ＬＩａの形状にも対応している。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部を除く、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の各辺まで外縁が延びている。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、それぞれの外縁が画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の各辺まで延びていることにより、行方向及び列方向に連続している。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、外側の輪郭形状が略「＋」形状を呈し、内側の輪郭形状が略矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２はポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。
第一半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧ１に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ１の内側に配置されている。第一半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第一半導体領域ＦＤ１は、受光領域に囲まれるように受光領域の内側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
第二半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧ２に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ２の内側に配置されている。第二半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第二半導体領域ＦＤ２は、受光領域に囲まれるように受光領域の内側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、信号電荷収集領域として機能する。第一及び第二半導体領域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。
第一ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧ１（受光領域）と第一半導体領域ＦＤ１との間に配置されている。第一ゲート電極ＴＸ１は、第一半導体領域ＦＤ１を囲むように第一半導体領域ＦＤ１の外側に位置していると共に、フォトゲート電極ＰＧ１に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ１の内側に位置している。第一ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧ１と第一半導体領域ＦＤ１とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ１及び第一半導体領域ＦＤ１から空間的に離間して配置されている。
第二ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧ２（受光領域）と第二半導体領域ＦＤ２との間に配置されている。第二ゲート電極ＴＸ２は、第二半導体領域ＦＤ２を囲むように第二半導体領域ＦＤ２の外側に位置していると共に、フォトゲート電極ＰＧ２に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ２の内側に位置している。第二ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧ２と第二半導体領域ＦＤ２とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ２及び第二半導体領域ＦＤ２から空間的に離間して配置されている。
第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で略多角形環状を呈している。本実施形態では、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、矩形環状を呈している。第一及び第二ゲート電極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。第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、転送電極として機能する。
各第三半導体領域ＦＤ３は、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部で且つフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の外側に配置されている。第三半導体領域ＦＤ３は、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第三半導体領域ＦＤ３は、受光領域の外側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
第三半導体領域ＦＤ３は、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、第三半導体領域ＦＤ３は、略矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。行方向及び列方向に隣り合う第三半導体領域ＦＤ３は、一体に形成されている。これにより、行方向及び列方向に隣り合う四つの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、これらの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の中心部に位置する四つの第三半導体領域ＦＤ３は、一つの矩形状（詳細には、一つの正方形状）を呈する。第三半導体領域ＦＤ３は、不要電荷収集領域として機能する。第三半導体領域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。
第三ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２（受光領域）と第三半導体領域ＦＤ３との間に配置されている。第三ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２と第三半導体領域ＦＤ３とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２及び第三半導体領域ＦＤ３から空間的に離間して配置されている。第三ゲート電極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。第三ゲート電極ＴＸ３は、不要電荷収集ゲート電極として機能する。
第三ゲート電極ＴＸ３は、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、平面視で「Ｌ」字形状を呈している。第三ゲート電極ＴＸ３は、それぞれの端部が画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の辺まで延びていることにより、行方向及び列方向に隣り合う第三ゲート電極ＴＸ３と連続する。すなわち、行方向及び列方向に隣り合う四つの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、これらの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の中心部に位置する四つの第三ゲート電極ＴＸ３は、略矩形環状を呈する。全体で略矩形環状を呈する上記四つの第三ゲート電極ＴＸ３は、全体で矩形状を呈する上記四つの第三半導体領域ＦＤ３を囲むように当該四つの第三半導体領域ＦＤ３の外側に位置している。
フォトゲート電極ＰＧ１と第一ゲート電極ＴＸ１とは、第一半導体領域ＦＤ１を中心として、第一半導体領域ＦＤ１側から第一ゲート電極ＴＸ１、フォトゲート電極ＰＧ１の順に同心状に配置されている。フォトゲート電極ＰＧ２と第二ゲート電極ＴＸ２とは、第二半導体領域ＦＤ２を中心として、第二半導体領域ＦＤ２側から第二ゲート電極ＴＸ２、フォトゲート電極ＰＧ２の順に同心状に配置されている。
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の第一基板領域１Ａａ：厚さ５〜７００μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
半導体基板１Ａの第二基板領域１Ａｂ：厚さ３〜５０μｍ／不純物濃度１×１０１３〜１０１６ｃｍ−３
第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
第三半導体領域ＦＤ３：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
絶縁層１Ｅには、第一〜第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３の表面を露出させるためのコンタクトホール（不図示）が設けられている。コンタクトホール内には、第一〜第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３を外部に接続するための導体（不図示）が配置される。
遮光層ＬＩは、半導体基板１Ａにおける第一〜第三ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３及び第一〜第三半導体領域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ＰＧ１，ＰＧ２に対応する領域（フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２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。したがって、電荷発生領域は、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２及び開口ＬＩａの形状に対応している。すなわち、電荷発生領域は、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部を除く、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の各辺まで外縁が延びている。詳細には、電荷発生領域は、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、外側の輪郭形状が略「＋」形状を呈し、内側の輪郭形状が略矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。電荷発生領域は、それぞれの外縁が画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の各辺まで延びていることにより、行方向及び列方向に連続している。
第一ゲート電極ＴＸ１に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第一ゲート電極ＴＸ１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ＰＧ１，ＰＧ２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、第一ゲート電極ＴＸ１の方向に引き込まれ、第一半導体領域ＦＤ１によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第一ゲート電極ＴＸ１は、入力された信号に応じて、信号電荷を第一半導体領域ＦＤ１に流入させる。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。第一ゲート電極ＴＸ１に、ローレベルの信号（たとえば、グランド電位）が与えられると、第一ゲート電極ＴＸ１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、第一半導体領域ＦＤ１内には引き込まれない。
第二ゲート電極ＴＸ２に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第二ゲート電極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ＰＧ１，ＰＧ２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、第二ゲート電極ＴＸ２の方向に引き込まれ、第二半導体領域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。第二ゲート電極ＴＸ２は、入力された信号に応じて、信号電荷を第二半導体領域ＦＤ２に流入させる。第二ゲート電極ＴＸ２に、ローレベルの信号（たとえば、グランド電位）が与えられると、第二ゲート電極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、第二半導体領域ＦＤ２内には引き込まれない。
第三ゲート電極ＴＸ３に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第三ゲート電極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ＰＧ１，ＰＧ２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）は第三ゲート電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、第三半導体領域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。第三ゲート電極ＴＸ３に、ローレベルの信号（たとえば、グランド電位）が与えられると、第三ゲート電極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、第三半導体領域ＦＤ３内には引き込まれない。第三半導体領域ＦＤ３は、光の入射に応じて電荷発生領域で発生した電荷のうち一部の電荷を、不要電荷として収集する。
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ＬＤ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、各電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の各領域）から、対応する電荷発生領域に隣接する第一又は第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に送られる。すなわち、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に光源のパルス駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２を、配線基板１０を介して、交互に与えると、各電荷発生領域で発生した電荷が、それぞれ第一又は第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ、これらから第一又は第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に流れ込む。
第一半導体領域ＦＤ１又は第二半導体領域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、パルス駆動信号ＳＰ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及び図７は、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は、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〜図８では、下向きがポテンシャルの正方向である。図６〜図８は、図４のV−V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ＰＧ１，ＰＧ２に与えられる電位（たとえば、第一及び第二ゲート電極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ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２は、基板電位よりも若干高く設定されている。各図には、第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第二ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第三ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３、第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、第二半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２、及び、第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャルφＦＤ３が示されている。
検出用ゲート信号Ｓ１の高電位が、第一ゲート電極ＴＸ１に入力されると、図６に示されるように、主としてフォトゲート電極ＰＧ１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、第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域を介して、第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に蓄積される。第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ１が蓄積される。第二ゲート電極ＴＸ２には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられる。このため、第二ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２は下がらず、第二半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
検出用ゲート信号Ｓ１に続いて、検出用ゲート信号Ｓ２の高電位が、第二ゲート電極ＴＸ２に入力されると、図７に示されるように、主としてフォトゲート電極ＰＧ２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、第二ゲート電極ＴＸ２の直下の領域を介して、第二半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に蓄積される。第二半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ２が蓄積される。第一ゲート電極ＴＸ１には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられる。このため、第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１は下がらず、第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
第一ゲート電極ＴＸ１に検出用ゲート信号Ｓ１が印加されている間、及び、第二ゲート電極ＴＸ２に検出用ゲート信号Ｓ２が印加されている間、第三ゲート電極ＴＸ３には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられている。このため、第三ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３は下がらず、第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
第三ゲート電極ＴＸ３に正の電位が与えられると、図８に示されるように、電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域）で発生した電荷は、第三ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３が下がることにより、第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内に流れ込む。これにより、電荷発生領域にて発生した電荷が、不要電荷として第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に蓄積される。第三半導体領域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。第三ゲート電極ＴＸ３に正の電位が与えられる間、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２には、ローレベルの電位が与えられる。このため、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２は下がらず、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
図９は、画素の構成を説明するための模式図である。
第一ゲート電極ＴＸ１には、電荷転送信号として検出用ゲート信号Ｓ１が与えられる。第二ゲート電極ＴＸ２には、電荷転送信号として検出用ゲート信号Ｓ２が与えられる。すなわち、第一ゲート電極ＴＸ１と、第二ゲート電極ＴＸ２とには、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。第三ゲート電極ＴＸ３には、電荷転送信号Ｓ３が与えられる。
電荷発生領域（主としてフォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）において発生した電荷は、第一ゲート電極ＴＸ１にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ１が与えられている場合には、第一半導体領域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。第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ１に対応した出力（Ｖｏｕｔ１）として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。電荷発生領域（主としてフォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域）において発生した電荷は、第二ゲート電極ＴＸ２にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ２が与えられている場合には、第二半導体領域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。第二半導体領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ２に対応した出力（Ｖｏｕｔ２）として第二半導体領域ＦＤ２から読み出される。これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
図１０は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
１フレームの期間は、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）と、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）と、からなる。一つの画素に着目すると、蓄積期間において、パルス駆動信号ＳＰ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Ｓ１第一ゲート電極ＴＸ１に印加される。そして、検出用ゲート信号Ｓ２が、検出用ゲート信号Ｓ１に所定の位相差（たとえば、１８０度の位相差）で第二ゲート電極ＴＸ２に印加される。なお、距離測定に先立って、リセット信号が第一及び第二半導体領域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。リセット信号が一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２のパルスが第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われる。そして、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に信号電荷が積算して蓄積される。
その後、読み出し期間において、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第三ゲート電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ３がハイレベルとなり、第三ゲート電極ＴＸ３に正の電位が与えられ、不要電荷が第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集される。第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２が共にローレベルの際に、第三ゲート電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ３がハイレベルとされる。
フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２に与えられる電位ＶＰＧは、電位ＶＴＸ１，ＶＴＸ２，ＶＴＸ３１，ＶＴＸ３２より低く設定されている。これにより、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２がハイレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２はポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも低くなる。電荷転送信号Ｓ３がハイレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ３はポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも低くなる。
電位ＶＰＧは、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２及び電荷転送信号Ｓ３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Ｓ１，Ｓ２がローレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２はポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも高くなる。また、電荷転送信号Ｓ３がローレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ３はポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも高くなる。
以上のように、本実施形態では、電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域）の外縁が、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部を除く画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の各辺まで延びているため、電荷発生領域の面積が拡大する。これにより、開口率を向上することができる。
画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部にまで電荷発生領域が伸びていると、電荷発生領域における画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部に対応する領域で発生した電荷は、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の中央部に配置されている第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２までの移動距離が長い。このため、上記角部に対応した領域で発生した電荷の第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２への転送時間が長くなり、信号電荷の第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２への転送効率が悪化する。これに対して、本実施形態では、上述したように、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部には、電荷発生領域が配置されていないので、移動距離が長くなる領域から信号電荷が転送されることはない。このため、信号電荷の第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２への転送効率が向上する。
第三半導体領域ＦＤ３は、電荷発生領域が配置されない、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部に配置されている。このため、開口率と電荷の転送効率との向上を阻害することなく、第三半導体領域ＦＤ３を配置することができる。
これらにより、本実施形態に係る距離画像センサ１によれば、距離検出精度を向上できる。
ところで、本実施形態では、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の内側に位置しており、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積がフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２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ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域（電荷発生領域）における第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に電荷を転送可能な領域の面積に対し、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が相対的に大きく低減される。第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に転送されて、蓄積された電荷（電荷量Ｑ１，Ｑ２）は、第一及び第二半導体領域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、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が低減されると、第一及び第二半導体領域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。この結果、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
第一ゲート電極ＴＸ１は、第一半導体領域ＦＤ１の全周を囲んでいる。第二ゲート電極ＴＸ２は、第二半導体領域ＦＤ２の全周を囲んでいる。このため、信号電荷は、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の全方位から第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に収集される。この結果、撮像領域の面積効率（開口率）を高めることができる。
本実施形態では、複数の画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の電荷発生領域同士が、一体的に形成され、複数の画素領域ＰＡ１，ＰＡ２のフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２同士が、一体的に形成されている。これにより、センサ面積の利用効率を高めることができる。また、複数の画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の第三半導体領域ＦＤ３同士が、一体的に形成されている。これによっても、センサ面積の利用効率を高めることができる。
続いて、図１１〜図１７を参照して、本実施形態の変形例に係る距離画像センサ１の構成を説明する。
図１１に示された変形例では、一つの画素領域ＰＡ１に配置される第一ユニットが一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成している点が、上述した実施形態と相違する。図１１は、変形例に係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。
本変形例の距離画像センサは、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、フォトゲート電極ＰＧ１と、第一ゲート電極ＴＸ１と、複数の第三ゲート電極ＴＸ３と、第一半導体領域ＦＤ１と、第三半導体領域ＦＤ３と、を備えている。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成する一つの画素領域ＰＡ１の構成は、上述した実施形態の画素領域ＰＡ１の構成と同じである。
各画素領域ＰＡ１のフォトゲート電極ＰＧ１は、それぞれの外縁が画素領域ＰＡ１の各辺まで延びていることにより、行方向及び列方向に連続している。各画素領域ＰＡ１の第三半導体領域ＦＤ３は、行方向及び列方向に隣り合う第三半導体領域ＦＤ３同士と一体に形成されている。これにより、行方向及び列方向に隣り合う四つの画素領域ＰＡ１において、これらの画素領域ＰＡ１の中心部に位置する四つの第三半導体領域ＦＤ３は、矩形状（詳細には、正方形状）を呈する。各画素領域ＰＡ１の第三ゲート電極ＴＸ３は、それぞれの端部が画素領域ＰＡ１の辺まで延びていることにより、行方向及び列方向に連続している。行方向及び列方向に隣り合う四つの画素領域ＰＡ１において、これらの画素領域ＰＡ１の中心部に位置する四つの第三ゲート電極ＴＸ３は、略矩形環状を呈する。
図１２は、図１１に示される変形例における、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、第一ゲート電極ＴＸ１に印加される検出用ゲート信号Ｓ１は、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられている。本変形例では、検出用ゲート信号Ｓ１は、１８０度のタイミングで１８０度の位相シフトが与えられている。検出用ゲート信号Ｓ１は、０度のタイミングでパルス駆動信号ＳＰに同期し、１８０度のタイミングでパルス駆動信号ＳＰに１８０度の位相差を有している。検出用ゲート信号Ｓ１と電荷転送信号Ｓ３とは、逆の位相である。
本変形例では、０度のタイミングで第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷が、出力（Ｖｏｕｔ１）として第一半導体領域ＦＤ１から読み出され、１８０度のタイミングで第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷が、出力（Ｖｏｕｔ２）として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。フォトゲート電極ＰＧ１（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の電荷発生領域）を含む一つの画素領域ＰＡ１が一画素に対応し、同一画素からの出力に基づいて距離が演算される。このため、複数の画素領域ＰＡ１，ＰＡ２が一画素に対応する構成に比して、距離演算のばらつきを低減できる。また、センサ面積の利用効率を高めることができ、空間解像度を向上できる。
検出用ゲート信号Ｓ１は、９０度のタイミングで９０度の位相シフトが与えられ、１８０度のタイミングで１８０度の位相シフトが与えられ、２７０度のタイミングで２７０度の位相シフトが与えられていてもよい。この場合、０度、９０度、１８０度、及び２７０度のタイミングで第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷が、出力として第一半導体領域ＦＤ１から読み出され、これらの出力に基づいて距離が演算される。
図１３に示された変形例では、読出回路ＲＣが配置される領域ＲＥが設定されている点が、上述した実施形態と相違する。図１３は、変形例に係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。
読出回路ＲＣが配置される領域ＲＥが、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２毎に設定されている。読出回路ＲＣは、対応する画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の第一又は第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す。読出回路ＲＣは、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ：Floating Diffusion Amplifier）などから構成される。領域ＲＥは、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の一辺に沿って、対応する画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の外側に位置している。本変形例では、領域ＲＥは、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の行方向に延びる一辺に沿って位置しており、列方向に隣り合う画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の間に位置する。
本変形例では、画素領域ＰＡ１に配置される第三ゲート電極ＴＸ３１と、画素領域ＰＡ２に配置される第三ゲート電極ＴＸ３２と、が空間的に離間している。第三ゲート電極ＴＸ３１には、電荷転送信号Ｓ３１が与えられ、第三ゲート電極ＴＸ３２には、電荷転送信号Ｓ３２が与えられる。
図１４は、図１３に示される変形例における、各種信号のタイミングチャートである。
第一ゲート電極ＴＸ１に検出用ゲート信号Ｓ１が印加されている間、第三ゲート電極ＴＸ３１には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられている。このため、第三ゲート電極ＴＸ３１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３１は下がらず、第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。第二ゲート電極ＴＸ２に検出用ゲート信号Ｓ２が印加されている間、第三ゲート電極ＴＸ３２には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられている。このため、第三ゲート電極ＴＸ３２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３２は下がらず、第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に印加される電荷転送信号Ｓ３１，Ｓ３２がハイレベルとなり、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に正の電位が与えられ、不要電荷が第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集される。検出用ゲート信号Ｓ１と電荷転送信号Ｓ３１とは、逆の位相である。検出用ゲート信号Ｓ２と電荷転送信号Ｓ３２とは、逆の位相である。
本変形例によれば、開口率と電荷の転送効率との向上を阻害することなく、読出回路ＲＣを配置することができる。領域ＲＥは、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の列方向に延びる一辺に沿って位置していてもよい。この場合、領域ＲＥは、行方向に隣り合う画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の間に位置する。
図１５に示された変形例では、読出回路ＲＣが配置される領域ＲＥが設定されている点が、図１１に示された変形例と相違する。図１５は、変形例に係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。
本変形例においても、図１３に示された変形例と同じく、領域ＲＥは、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の行方向に延びる一辺に沿って位置しており、列方向に隣り合う画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の間に位置する。領域ＲＥは、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の列方向に延びる一辺に沿って位置していてもよい。
図１６に示された変形例では、領域ＲＥの位置が、図１３に示された変形例と相違する。図１６は、変形例に係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。
読出回路ＲＣが配置される領域ＲＥが、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の一つの角部に位置している。すなわち、領域ＲＥが位置する角部には、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２及び第三半導体領域ＦＤ３が配置されない。領域ＲＥは、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２内に設定されている。
本変形例によっても、開口率と電荷の転送効率との向上を阻害することなく、読出回路ＲＣを配置することができる。領域ＲＥは、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の他の角部に位置していてもよい。
図１７に示された変形例では、領域ＲＥの位置が、図１５に示された変形例と相違する。図１７は、変形例に係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。
読出回路ＲＣが配置される領域ＲＥが、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の一つの角部に位置している。すなわち、領域ＲＥが位置する角部には、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２及び第三半導体領域ＦＤ３が配置されない。領域ＲＥは、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２内に設定されている。
本変形例によっても、開口率と電荷の転送効率との向上を阻害することなく、読出回路ＲＣを配置することができる。領域ＲＥは、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の他の角部に位置していてもよい。
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。
画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の形状は、矩形状（正方形状）に限られない。画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の形状は、たとえば、三角形状、又は、五以上の多角形状でもよい。
距離画像センサ１は、表面入射型の距離画像センサに限られない。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。
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（たとえば、埋め込み型のフォトダイオードなど）により構成してもよい。距離画像センサ１は、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が２次元状に配置されたものに限られることなく、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が１次元状に配置されたものであってもよい。
本実施形態に係る距離画像センサ１におけるｐ型及びｎ型の各導電型は、上述したものとは逆になるよう入れ替えられていてもよい。
本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタ、又は、車両など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、ＦＤ１…第一半導体領域、ＦＤ２…第二半導体領域、ＦＤ３…第三半導体領域、Ｐ…画素、ＰＡ１，ＰＡ２…画素領域、ＰＧ１，ＰＧ２…フォトゲート電極、ＲＣ…読出回路、ＲＥ…読出回路が配置される領域、ＴＸ１…第一ゲート電極、ＴＸ２…第二ゲート電極、ＴＸ３，ＴＸ３１，ＴＸ３２…第三ゲート電極。

Claims (9)

  1. 多角形状の画素領域の角部を除く前記画素領域の各辺まで外縁が延びており、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
    前記画素領域の中心部で且つ前記電荷発生領域に囲まれるように前記電荷発生領域の内側に配置され、前記電荷発生領域からの信号電荷を収集する信号電荷収集領域と、
    前記画素領域の角部で且つ前記電荷発生領域の外側に配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を収集する不要電荷収集領域と、
    前記電荷発生領域の上に配置されるフォトゲート電極と、
    前記信号電荷収集領域と前記電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて前記電荷発生領域からの信号電荷を前記信号電荷収集領域に流入させる転送電極と、
    前記不要電荷収集領域と前記電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて前記電荷発生領域からの不要電荷を前記不要電荷収集領域に流入させる不要電荷収集ゲート電極と、を備えている、距離センサ。
  2. 隣り合う複数の前記画素領域を備えており、
    前記複数の画素領域の前記電荷発生領域同士が、一体的に形成され、
    前記複数の画素領域の前記フォトゲート電極同士が、一体的に形成されている、請求項１に記載の距離センサ。
  3. 前記複数の画素領域の前記不要電荷収集領域同士が、一体的に形成されている、請求項２に記載の距離センサ。
  4. 前記複数の画素領域の前記転送電極には、異なる位相の電荷転送信号がそれぞれ与えられる、請求項２又は３に記載の距離センサ。
  5. 前記転送電極には、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられた電荷転送信号が与えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離センサ。
  6. 前記信号電荷収集領域に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す読出回路が配置される領域が、前記画素領域の一辺に沿って前記画素領域の外側に位置している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離センサ。
  7. 前記信号電荷収集領域に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す読出回路が配置される領域が、前記画素領域の一つの角部に位置している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離センサ。
  8. 前記信号電荷収集領域は、平面視で矩形状であり、
    前記転送電極は、略多角形環状を呈している、請求項１〜７のいずれか一項に記載の距離センサ。
  9. 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であって、
    前記ユニットそれぞれが、請求項１〜８のいずれか一項に記載の距離センサである、距離画像センサ。
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