JP2017037936A - 光電変換デバイス、測距装置および情報処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】 電子および正孔に基づいて生成される信号の精度を高められる光電変換デバイスを提供する。【解決手段】 電子を生成する第１光電変換部と、正孔を生成する第２光電変換部と、前記第１光電変換部で生成された電子をＮ型の第１半導体領域に転送する第１転送部と、前記第２光電変換部で生成された正孔をＰ型の第２半導体領域に転送する第２転送部と、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とが共通に接続された信号生成部と、を備え、前記第１転送部と前記第２転送部は共通のノードに接続されており、前記ノードに第１電位を供給することで前記第１転送部がＯＮ状態となり、かつ、前記第２転送部がＯＦＦ状態となり、前記ノードに第２電位を供給することで前記第１転送部がＯＦＦ状態となり、かつ、前記第２転送部がＯＮ状態となる。【選択図】 図３

Description

本技術は、光電変換デバイスに関する。

ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法を用いた測距装置（距離センサー）が知られている。ＴＯＦ法では、距離を測定する対象物に光源から光を照射し、対象物で反射した光を受光する。そして、照射から受光までの時間と光速の関係に基づいて、対象物までの距離を算出する。ここで、測距用の光源からの照射および対象物からの反射を経た光を信号光と称する。しかし、受光した光には、自然光や人工光などの、測距用の光源とは異なる光源に起因する光（環境光）が信号光以外に含まれる。測距精度を高める上では、環境光と信号光を分離することが有効である。

特許文献１には、光検出素子を用いて測距を行う装置において環境光に相当する成分を除去することが開示されている。特許文献１の実施形態２では、正孔を取り出すのに適した構造の第１の感光部と、電子を取り出すのに適した構造の第２の感光部とを設けてある。第１の感光部で生成される正孔はゲート部を介して正孔保持部に保持され、第２の感光部で生成される電子はゲート部を介して電子保持部に保持される。正孔保持部に保持された正孔と電子保持部に保持された電子とは再結合部において再結合され、再結合後に残留するキャリアが目的キャリアとして出力部を通して取り出される。つまり、特許文献１では、電子と正孔の電荷量の差に応じた信号が出力部を通して取り出される。

特開２００５−３０３２６８号公報

特許文献１では、タイミング制御部で印加電圧を制御することによって、各ゲート部を択一的に開くことができるとしているが、印加電圧を高速に精度よく制御することは難しい。特に、２つのゲート部のそれぞれのＯＮ状態とＯＦＦ状態の切り替わりのタイミングのズレが大きくなると、電子および正孔に基づいて生成される信号の精度が低くなってしまう可能性がある。

そこで本発明は、電子および正孔に基づいて生成される信号の精度を高められる光電変換デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、光電変換デバイスであって、電子を生成する第１光電変換部と、正孔を生成する第２光電変換部と、前記第１光電変換部で生成された電子をＮ型の第１半導体領域に転送する第１転送部と、前記第２光電変換部で生成された正孔をＰ型の第２半導体領域に転送する第２転送部と、を備え、前記第１転送部と前記第２転送部は共通のノードに接続されており、前記ノードに第１電位を供給することで前記第１転送部がＯＮ状態となり、かつ、前記第２転送部がＯＦＦ状態となり、前記ノードに第２の電位を供給することで前記第１転送部がＯＦＦ状態となり、かつ、前記第２転送部がＯＮ状態となることを特徴とする。

本発明によれば、電子および正孔に基づいて生成される信号の精度を高められる光電変換デバイスを提供することができる。

光電変換デバイス、測距装置および情報処理システムを説明する模式図。 光電変換デバイスの回路を説明する模式図。 光電変換デバイスの動作を説明する模式図。 光電変換デバイスの動作を説明する模式図。 光電変換デバイスの構造を説明する模式図。 光電変換デバイスの構造を説明する模式図。 光電変換デバイスの回路を説明する模式図。 光電変換デバイスの動作を説明する模式図。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の説明および図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。

図１（ａ）を用いて、光電変換デバイス１１および光電変換デバイス１１を備えた情報処理システムＳＹＳを説明する。情報処理システムＳＹＳは測距装置１を備え、さらに情報処理装置２、制御装置３、駆動装置４、撮像装置５、表示装置６、通信装置７の少なくともいずれかを備えることができる。情報処理システムＳＹＳにおいて、光電変換デバイス１１は測距装置１に含まれる。撮像装置５は測距装置１の光電変換デバイス１１とは別の光電変換デバイスを含む。ただし、光電変換デバイス１１が測距装置１と撮像装置５の機能を兼ね備えることもできる。情報処理システムＳＹＳの適用例は後述する。

測距装置１は受光ユニット１０と発光ユニット２０とを備える。受光ユニット１０は、光電変換デバイス１１と、光電変換デバイス１１への入射光を制御する光学系１２を含む。発光ユニット２０は、光源としての発光デバイス２１と発光デバイス２１からの出射光を制御する光学系２２を含む。発光デバイス２１としては、高速に点滅を繰り返すことが可能であることから、発光ダイオードが好適である。また、発光デバイス２１の発光波長としては、可視光線を主に含む環境光との混色を低減する上で、赤外線が好適である。赤外線であれば、ヒトに視認され難いため、快適に使用できるという利点もある。しかしながら、本例は赤外光に限定されるものではない。光学系１２、２２には、レンズ、絞り、機械的シャッター、散乱板、光学的ローパスフィルタや波長選択フィルタなどが含まれる。例えば光学系１２は可視光よりも赤外光の透過率が高いフィルタを含みうる。図１（ａ）で示す測距装置１では光学系１２、２２を用いているが、少なくともいずれか一方の光学系を省略することもできる。尚、光源としてレーザー光を用いる場合には、発光ユニットから照射される光を所定の領域に向けて走査するための走査光学系を光学系２２に含ませることができる。

発光ユニット２０から発せられた光８１は、対象物９に照射され、対象物９で反射して信号光８２として受光ユニット１０で受光される。発光ユニット２０での発光時刻と受光ユニット１０での受光時刻との間には、測距装置１から対象物９までの距離と光速（３×１０^８ｍ／ｓ）に基づいた差異が生じる。この時刻の差異の大きさに対応する物理量を検出することにより、測距装置１から対象物９までの距離、あるいは、測距装置１から対象物９までの距離に基づいた情報を、例えば画像データとして得ることができる。このように、測距装置１は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法を用いた測距装置である。上述した時刻の差異の大きさは、周期的に変化する光の位相差、または、光のパルスの数を測定することで検出できる。発光ユニット２０と受光ユニット１０の間隔が大きいと測距アルゴリズムが複雑になるため、発光ユニット２０と受光ユニット１０の間隔は所望の測距精度よりも短く設定することが好ましい。発光ユニット２０と受光ユニット１０の間隔は例えば１ｍ以下に設定する。

受光ユニット１０には信号光８２だけでなく、光源としての発光デバイス２１から発光された光以外の光源に起因する環境光８３も入射する。環境光８３の光源は自然光や人工光である。測距を行う上では、この環境光８３がノイズ成分となる。そのため、受光量に占める環境光８３の割合が高いと、信号光８２による信号のダイナミックレンジが小さくなったり、Ｓ／Ｎが低下したりして、信号光８２から精度よく距離情報を得ることが難しくなる。本実施形態の光電変換デバイス１１は、光電変換デバイス１１での受光によって生成した信号から環境光８３に起因した成分の少なくとも一部を除去することが可能である。そのため、測距精度を上げることが可能となる。

詳しくは後述するが、本実施形態では、複数の光電変換部で生成された信号電荷の電荷量の差に応じた信号を用いることで、環境光８３に起因した成分の少なくとも一部を除去する。そして、信号電荷として電子と正孔を用いることで、簡単な構造で精度よく電荷量の差を検出できるようにしている。これにより測距精度を上げることが可能となる。

図１（ｂ）を用いて、本実施形態の一例の光電変換デバイス１１の概要を説明する。光電変換デバイス１１は、半導体基板１００上に、セルアレイ１１０を備える。セルアレイ１１０には、複数の光電変換セル１１１が複数行と複数列に渡ってマトリックス状に配列されている。また、光電変換デバイス１１は、半導体基板１００上に、行配線１２０、列配線１３０、駆動部１４０、制御部１５０、信号処理部１６０、走査部１７０、出力部１８０を備えることができる。セルアレイ１１０における複数の光電変換セル１１１の各々は、その行毎に、半導体基板１００上に配置された行配線１２０を介して駆動部１４０に接続されている。駆動部１４０は、複数の光電変換セル１１１のそれぞれに、或いは複数の光電変換セル１１１に同時に、転送信号やリセット信号などの駆動信号を選択的に入力する。セルアレイ１１０における複数の光電変換セル１１１の各々は、その列毎に、半導体基板１００上に配置された列配線１３０を介して信号処理部１６０に接続されている。信号処理部１６０は、列配線１３０を介して光電変換セル１１１から出力された信号を処理する。信号処理部１６０は、セルアレイ１１０の列毎にＣＤＳ回路や増幅回路、ＡＤ変換回路を有することができる。走査部１７０は、列配線１３０の各々を介してセルアレイ１１０から信号処理部１６０に出力され、信号処理部１６０で処理された、各列に対応する信号を、信号処理部１６０から出力部１８０へ順次出力させる。出力部１８０は信号処理部１６０から出力された信号を光電変換デバイス１１の外部に出力するもので、増幅回路や保護回路、光電変換デバイス１１の外部の回路との接続用の電極を有することができる。制御部１５０は制御信号を生成し、この制御信号によって、駆動部１４０、信号処理部１６０、走査部１７０および出力部１８０の動作のタイミングを制御する。

半導体基板１００の光入射面側にはオンチップレンズアレイ（マイクロレンズアレイ）や波長フィルタを設けることができる。半導体基板１００に対して行配線１２０と列配線１３０が設けられた側（表面側）と同じ側を光入射面側とすることで表面照射型の光電変換デバイスが得られる。半導体基板１００に対して行配線１２０と列配線１３０が設けられた側とは反対側（裏面側）を光入射面側とすることで裏面照射型の光電変換デバイスが得られる。

図２にはセルアレイ１１０が８行の光電変換セル１１１を有する場合における８行分の動作を示している。ここでは１行目Ｒ１から８行目Ｒ８までプログレッシブ走査を行う例を示すが、インターレース走査を行ってもよい。

１つの光電変換セル１１１の駆動期間Ｔｄｒは、リセット動作を行うリセット期間Ｔｒｓと、信号光８２に基づく電荷の蓄積動作を行う蓄積期間Ｔａｃと、蓄積された電荷に基づく信号の読み出し動作を行う読み出し期間Ｔｓｒとを含む。尚、読み出し期間Ｔｓｒは、光電変換セルから列配線への出力を行う期間ということもできる。駆動期間Ｔｄｒは他の所望の動作を行うための期間をさらに含むことができる。ここで示す例では、同じ行に属する複数の光電変換セル１１１が単一の駆動期間Ｔｄｒ内に同時に駆動される。セルアレイ１１０の同じ行に属する複数の光電変換セル１１１から出力された信号は、図１（ｂ）を用いて説明したように、信号処理部１６０で処理され、出力部１８０に出力される。

フレーム期間は、セルアレイ１１０を構成する全ての光電変換セル１１１の行でリセット動作、蓄積動作、読み出し動作が行われる期間である。例えば、第１フレーム期間Ｆ１の始点は、１行目Ｒ１のリセット動作を開始した時点であり、第１フレーム期間Ｆ１の終点は、８行目Ｒ８の光電変換セル１１１の読み出し動作を終了した時点である。また、第２フレーム期間Ｆ２の始点は、第１フレーム期間Ｆ１において１行目Ｒ１の読み出し動作が終了した後、最初に１行目Ｒ１のリセット動作が開始した時点である。第２フレーム期間Ｆ２の終点は、第１フレーム期間Ｆ１において８行目Ｒ８の読み出し動作が終了した後、最初に８行目Ｒ８の読み出し動作が終了した時点である。

図２のように、複数行（本例では３〜４行）の蓄積動作を並行して行うことで、蓄積期間の延長が可能となり、蓄積期間に得られる信号の出力を増大することができる。複数行の蓄積動作を並行して行っても、各行の読み出し動作のタイミングを異ならせることで、複数行の信号を分離することができる。

また、図２のように第１フレーム期間Ｆ１の一部と第２フレーム期間Ｆ２の一部とが重なるように、一連の動作を行うことで、フレームレートの向上あるいは１フレーム期間の延長が可能となる。すなわち、図２では、第１フレーム期間Ｆ１のうち、１〜４行目の読み出しが終わった時点で、１行目のリセット動作および蓄積動作を開始している。

本例に限らず、１行分のリセット動作、蓄積動作、読み出し動作が全て終わってから次の行のリセット動作、蓄積動作、読み出し動作を開始してもよい。また、最後の行（８行目）の読み出し動作が終わってから、最初の行（１行目）のリセット動作を開始してもよい。

次に、光電変換セル１１１の構造の一例を説明する。図３は光電変換セル１１１の等価回路を示している。図３においてマトリックス状の繰り返し単位としての光電変換セル１１１に含まれる要素を鎖線で囲んでいるが、点線で囲んだ要素については、セルアレイ１１０の外（例えば駆動部１４０）にその一部が配される。

光電変換セル１１１は、光電変換部３０１と、光電変換部３０２とを有する。光電変換部３０１は光電変換により信号電荷としての電子を生成し、光電変換部３０２は光電変換により信号電荷としての正孔を生成する。つまり、光電変換部３０１と光電変換部３０２では信号電荷の正負が逆である。ただし、光電変換部３０１では電子だけでなく正孔も生成されるし、光電変換部３０２では正孔だけでなく電子も生成される。本例の光電変換部３０１、３０２はそれぞれがＰＮ型あるいはＰＩＮ型のフォトダイオードであり、暗電流を低減する上で埋め込み型のフォトダイオードを採用することが好ましい。光電変換部３０１、３０２として埋め込み型のフォトダイオードを用いることは、光電変換部３０１、３０２にフォトゲートを用いる場合に比べて暗電流を低減でき、微小な信号光の受光において重要となるＳ／Ｎを向上する上で有利である。光電変換部３０１としてのフォトダイオードは、電子を多数キャリアとするＮ型の半導体領域であるカソード２０１と、電子を少数キャリアとするＰ型の半導体領域であるアノード２１１を有する。光電変換部３０２としてのフォトダイオードは、正孔を多数キャリアとするＰ型の半導体領域であるアノード２０２と、正孔を少数キャリアとするＮ型の半導体領域であるカソード２１２とを有する。

光電変換セル１１１は、光電変換部３０１で生成された信号電荷としての電子を保持可能な容量部３０７と、光電変換部３０２で生成された信号電荷としての正孔を保持可能な容量部３１０と、を有する。

容量部３０７は基準ノード２１７と収集ノード２０７を有する。収集ノード２０７には光電変換部３０１で生成された信号電荷としての電子が収集される。容量部３０７は、容量部３０７に保持された電荷の量に応じた電位差が収集ノード２０７と基準ノード２１７の間に現れるように構成されている。つまり、容量部３０７は電荷量を電圧に変換する電荷電圧変換部として機能する。容量部３１０は基準ノード２００と収集ノード２１０を有する。収集ノード２１０には光電変換部３０２で生成された信号電荷としての正孔が収集される。容量部３１０は、容量部３１０に保持された電荷の量に応じた電位差が収集ノード２１０と基準ノード２００の間に現れるように構成されている。つまり、容量部３１０は電荷量を電圧に変換する電荷電圧変換部として機能する。

容量部３０７、３１０はそれぞれ、ＰＮ接合型のダイオード構造を有する。基準ノード２１７と収集ノード２１０はＰ型の半導体領域であり、基準ノード２００と収集ノード２０７はＮ型の半導体領域である。信号電荷を保持する収集ノード２０７、２１０は、それぞれ電気的に浮遊状態となった浮遊ノードであり、収集ノード２０７、２１０を構成する半導体領域は、浮遊状態の不純物拡散領域、すなわち、フローティングディフュージョンである。Ｎ型の半導体領域である収集ノード２０７に信号電荷としての電子が収集され、収集ノード２０７にこの電子が保持されうる。また、Ｐ型の半導体領域である収集ノード２１０に信号電荷としての正孔が収集され、収集ノード２１０にこの正孔が保持されうる。詳細は後述するが、光電変換デバイス１１は収集ノード２０７と収集ノード２１０の一方に選択的に信号電荷が保持されるように動作することができる。

光電変換部３０１で生成された電子と正孔のうち、電子を容量部３０７の収集ノード２０７に効率的に収集するために、光電変換セル１１１は転送部３０３を有する。同様に、光電変換部３０１で生成された電子と正孔のうち、正孔を容量部３１０の収集ノード２１０に効率的に収集するために、光電変換セル１１１は転送部３０６を有する。したがって、収集ノード２０７、２１０はそれぞれ、光電変換部３０１、３０２から信号電荷が転送されるノードと言い換えることができる。収集ノード２０７、２１０では、光電変換部３０１、３０２から転送された電荷が保持可能であるので、収集ノード（容量部）は、電荷保持部と言い換えることもできる。

転送部３０３、転送部３０６はそれぞれＭＩＳ型のゲート構造を有している。つまり、転送部３０３は、半導体領域（チャネル領域）とゲート絶縁膜とゲート電極の積層構造を有する。そのため、転送部３０３、３０６を転送ゲートと称することもできる。転送部３０３はＯＮ状態（導通状態）では反転によって半導体領域にＮ型のチャネルが形成され、転送部３０６はＯＮ状態では反転によって半導体領域にＰ型のチャネルが形成される。このように転送部３０３と転送部３０６は互いに導電型が異なる。

本例では、転送部３０３のゲート電極と転送部３０６のゲート電極が、転送ノード２１８に共通に接続されている。また、転送ノード２１８には転送信号出力部４２８が接続されており、転送信号出力部４２８から転送ノード２１８に転送信号ＴＸ１が入力される。転送部３０３と転送部３０６は互いに導電型が異なり、相補的に動作するように構成されている。つまり、転送信号ＴＸ１によって転送部３０３がＯＮ状態である期間は転送部３０６がＯＦＦ状態（非導通状態）となり、転送信号ＴＸ１によって転送部３０３がＯＦＦ状態である期間は転送部３０６がＯＮ状態となる。

転送部３０３と転送部３０６は、転送ノード２１８を所定の電位にすることにより、両方ともＯＦＦ状態となるように閾値が設定されているとよい。この所定の電位は、転送部３０３がＯＮ状態となり転送部３０６がＯＦＦ状態となる電位と、転送部３０３がＯＦＦ状態となり転送部３０６がＯＮ状態となる電位の間の電位であるとよい。このような所定の電位は、ＭＩＳ型のゲート構造における半導体領域の電位とＭＩＳ型のゲート構造の閾値に応じて決定される。転送部３０３がＯＮ状態となる電位レベルＨｉｇｈと転送部３０３がＯＦＦ状態となる電位レベルＭｉｄとの差は例えば１Ｖ〜５Ｖである。転送部３０６がＯＮ状態となる電位レベルＬｏｗと転送部３０３がＯＦＦ状態となる電位レベルＭｉｄとの差は例えば１Ｖ〜５Ｖである。電位レベルＨｉｇｈを接地電位ＧＮＤ（０Ｖ）よりも高い電位（正電位）、電位レベルＬｏｗを接地電位ＧＮＤよりも低い電位（負電位）に設定することが好適である。例えば電位レベルＭｉｄを接地電位ＧＮＤに設定することができる。電位レベルＨｉｇｈと電位レベルＬｏｗの両方を正電位にしたり、電位レベルＨｉｇｈと電位レベルＬｏｗの両方を負電位にしたりすることもで、回路規模を小さくすることも可能である。

なお、転送部３０３と転送部３０６とを別々の転送ノードに接続して、互いに独立した転送信号によって転送部３０３と転送部３０６のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御することもできる。しかし、転送部３０３と転送部３０６を共通の転送ノード２１８に接続して、転送部３０３と転送部３０６のゲート電極に同一の転送信号ＴＸ１を入力する様にすることが好ましい。このようにすることで、転送部３０３と転送部３０６のＯＮ／ＯＦＦ状態のタイミング制御の精度を高めることができる。また、共通の駆動回路や配線で転送部３０３、３０６を駆動できるため、光電変換デバイス１１の構成を簡略化できる。

このようにして、収集ノード２０７は、転送部３０３を介して、カソード２０１に接続されている。また、同様に、収集ノード２１０は、転送部３０６を介して、アノード２０２に接続されている。

なお、収集ノード２０７を転送部３０３のような能動素子を介さずに、カソード２０１に接続することもできる。また、同様に、収集ノード２１０を転送部３０６のような能動素子を介さずに、アノード２０２に接続することもできる。例えば、光電変換部３０１と容量部３０７の電位を適切な関係にしておくことで、転送部３０３を省略しても光電変換部３０１で生成された電子を収集ノード２０７に収集できる。同様に、光電変換部３０２と容量部３１０の電位を適切な関係にしておくことで、転送部３０６を省略しても、光電変換部３０２で生成された正孔を収集ノード２１０に収集することができる。さらに、光電変換部３０２自体がその接合容量に応じた容量を持った容量部３０７としても機能し、光電変換部３０２自体がその接合容量に応じた容量を持った容量部３１０としても機能するように構成してもよい。例えば、フォトダイオードのＮ型の半導体領域の一部に、Ｎ型の不純物濃度を他の部分よりも高くした高濃度部を設けておいて、当該高濃度部を収集ノードとして用いることもできる。また、転送部３０３、３０６によって光電変換部３０１、３０２からの電荷の転送と非転送を切替えることの代用として、光電変換部３０１、３０２に接続された排出部による光電変換部３０１、３０２からの電荷の非排出と排出とを切替えることもできる。しかし、転送部３０３、３０６を用いて電荷の転送と非転送を切替えることで、転送部３０３、３０６を用いない場合に比べて、電荷を精度よく制御することができる。

光電変換部３０１のアノード２１１と容量部３０７の基準ノード２１７には基準電位供給部４１１が接続されている。光電変換部３０１のアノード２１１と容量部３０７の基準ノード２１７には、基準電位供給部４１１から基準電位ＶＦ１が共通に供給されている。光電変換部３０２のカソード２１２と容量部３１０の基準ノード２００には基準電位供給部４１２が接続されている。光電変換部３０２のカソード２１２と容量部３１０の基準ノード２００には、基準電位供給部４１２から基準電位ＶＦ２が共通に供給されている。

上述したように光電変換部３０１では正孔も生成されるが、その正孔はアノード２１１側へ排出される。同様に、光電変換部３０２では電子も生成されるが、その電子はカソード２１２側へ排出される。

容量部３０７の収集ノード２０７および容量部３１０の収集ノード２１０は共に検出ノード２２０に接続されている。光電変換部３０１から容量部３０７に転送された電子の量と容量部３１０の容量に応じた電位が収集ノード２０７および検出ノード２２０に現れる。同様に、光電変換部３０２から容量部３１０に転送された正孔の量と容量部３１０の容量に応じた電位が収集ノード２１０および検出ノード２２０に現れる。その結果、検出ノード２２０には、収集ノード２０７に収集された電子によって検出ノード２２０に現れうる電位と、収集ノード２１０に収集された正孔によって検出ノード２２０に現れうる電位とを足し合わせた電位が現れることとなる。

また、収集ノード２０７と収集ノード２１０が互いに電気的に接続されている。収集ノード２０７と収集ノード２１０の電気的接続は、導電体（電気伝導体）によって成される。即ち、典型的には、収集ノード２０７と収集ノード２１０が、導電体によって直接接続されている。導電体は１０^４Ｓ／ｍ以上の導電率（１０^−４Ω・ｍ以下の抵抗率）を有する。なお、絶縁体は１０^−７Ｓ／ｍ以下の導電率（１０^７Ω・ｍ以上の抵抗率）を有する。また、半導体は１０^−７Ｓ／ｍと１０^４Ｓ／ｍの間の導電率（１０^−４Ω・ｍと１０^７Ω・ｍの間の抵抗率）を有する。導電体としては、金属、金属化合物、グラファイト、多結晶シリコンなどが挙げられる。また、高不純物濃度（１０^１９／ｃｍ^３以上）のシリコンも、導電体的な振る舞いをすると云える。収集ノード２０７と収集ノード２１０が導電体で接続されていることで、収集ノード２０７と収集ノード２１０の間での電荷の授受がスムーズである。そのため、収集ノード２０７と収集ノード２１０の電位が静定するまでの時間を短くすることができる。

過渡的には次のような現象が生じると考えられる。まず、収集ノード２０７で収集された電子と収集ノード２１０で収集された正孔の量の差が生じる。この差に応じて、収集ノード２０７と収集ノード２１０の間に電位差が生じる。この電位差を小さくするように、電子が導電体を介して収集ノード２０７と収集ノード２１０の間を移動する。そして、収集ノード２１０で電子と正孔が再結合（対消滅）する。そして、検出ノード２２０には、収集ノード２０７に収集された電子の量と収集ノード２１０に収集された正孔の量の差分の電荷の量に応じた電位が現れる。

本例では、収集ノード２０７と収集ノード２１０が、導電体によって直接接続されているので、収集ノード２０７、収集ノード２１０および検出ノード２２０は互いに同じ電位とみなすことができる。なお、例えば収集ノード２０７と検出ノード２２０との間、および／または、収集ノード２１０と検出ノード２２０との間にスイッチを設けることができる。これによって、一時的に、収集ノード２０７、収集ノード２１０および検出ノード２２０の少なくとも２つが互いに異なる電位となるように駆動することもできる。

検出ノード２２０の電位をＶＮ、収集ノード２０７の電位をＶＮ１、収集ノード２１０の電位をＶＮ２とする。ここで、電位ＶＮ、ＶＮ１、ＶＮ２はそれぞれ可変の電位である。上述したように、本実施形態は検出ノード２２０に収集ノード２０７と収集ノード２１０が共通に接続されていることで、ＶＮ≒ＶＮ１≒ＶＮ２が成立する。ここで、光電変換部３０１のカソード２０１の電子を収集ノード２０７で収集することの容易さを考えると、ＶＦ１＜ＶＮ１とすることが好ましい。また、光電変換部３０２のアノード２０２の正孔を収集ノード２１０で収集することの容易さを考えると、ＶＮ２＜ＶＦ２とすることが好ましい。ＶＦ１＜ＶＮ１、ＶＮ２＜ＶＦ２に対して、ＶＮ１＝ＶＮ２であるから、ＶＦ１＜ＶＦ２となる。このように、基準電位ＶＦ２が基準電位ＶＦ１よりも高いこと（ＶＦ１＜ＶＦ２）が、基準電位ＶＦ２が基準電位ＶＦ１以下であること（ＶＦ１≧ＶＦ２）に比べて、測距精度を高める上で有利である。このようにすることで、電荷の収集効率が高まり、高速な動作と精度の高い信号の取得が可能となるからである。実用的には、基準電位ＶＦ１と基準電位ＶＦ２の電位差は０．１０Ｖ以上であることが好ましい。そのために、本例では基準電位供給部４１１と基準電位供給部４１２とを別々に設けている。基準電位ＶＦ１と基準電位ＶＦ２の電位差は典型的には１Ｖ以上５Ｖ以下である。基準電位ＶＦ１は接地電位ＧＮＤ（０Ｖ）よりも低く（ＶＦ１＜ＧＮＤ）し、基準電位ＶＦ２は接地電位ＧＮＤ（０Ｖ）よりも高くする（ＧＮＤ＜ＶＦ２）ことができる。つまり、基準電位ＶＦ１は負電位、基準電位ＶＦ２は正電位であってもよい。

検出ノード２２０は信号生成部３１５に接続されている。本例では、信号生成部３１５はゲート、ソース、ドレインを有するＭＯＳトランジスタ（増幅トランジスタ）であり、検出ノード２２０は信号生成部３１５（増幅トランジスタ）のゲートに接続されている。

信号生成部３１５のドレインは電源供給部４３２に接続されており、電源供給部４３２から電源電位ＶＤＤが供給される。信号生成部３１５のソースはＭＯＳトランジスタ（選択トランジスタ）３１６を介して定電流源４３０に接続されており、信号生成部３１５は定電流源４３０と共にソースフォロワ回路を構成している。読み出し動作時には、選択トランジスタ３１６のゲートに接続された選択信号供給部４２６から選択信号ＳＬを出力して選択トランジスタ３１６をＯＮ状態にする。これにより、信号生成部３１５は、検出ノード２２０の電位に応じた画素信号を生成し、この画素信号を、図１（ｂ）の列配線１３０の一部である出力線４３１に出力する。

本例では、検出ノード２２０と信号生成部３１５との間には電気的ローパスフィルタ４３３が設けられている。電気的ローパスフィルタ４３３を設けることで、検出ノード２２０の電位が振動しても信号生成部３１５からの出力を安定させ、測距精度を向上できる。電気的ローパスフィルタ４３３は増幅トランジスタのゲートに直列に接続した抵抗とゲートに並列に接続した容量で構成できるが、これに限ったものではない。また、電気的ローパスフィルタ４３３を省略することもできる。

収集ノード２０７および収集ノード２１０にはＭＯＳトランジスタ（リセットトランジスタ）３１３を介してリセット電位供給部４１３が共通に接続されている。リセット電位供給部４１３はリセット電位ＶＳ１を出力する。リセット信号出力部４２３からリセットトランジスタのゲートに出力されたリセット信号ＲＳ１によってリセットトランジスタ３１３をＯＮ状態にする。これにより、リセット電位供給部４１３から収集ノード２０７にリセット電位ＶＳ１に応じた電位ＶＳ１１が供給される。つまり、収集ノード２０７の電位ＶＮ１は電位ＶＳ１１になる（ＶＮ１＝ＶＳ１１）。また、同様に、リセット電位供給部４１３から収集ノード２１０にリセット電位ＶＳ１に応じた電位ＶＳ１２が供給される。つまり、収集ノード２１０の電位ＶＮ１は電位ＶＳ１１になる（ＶＮ２＝ＶＳ１２）。

リセット動作時に、電位ＶＳ１１を容量部３０７の収集ノード２０７に供給することで、容量部３０７に保持された電子はリセット電位供給部４１３へ排出される。電位ＶＳ１２を容量部３１０の収集ノード２１０に供給することで、容量部３１０に保持された正孔はリセット電位供給部４１３へ排出される。

電位ＶＳ１１と電位ＶＳ１２の電位差は、０．１０Ｖ未満であることが、電位ＶＳ１１と電位ＶＳ１２の電位差が０．１０Ｖ以上であることに比べて、測距精度を高める上で有利である。検出ノード２２０に共通に接続された収集ノード２０７と収集ノード２１０に関して、電位ＶＳ１１と電位ＶＳ１２の電位差を０．１０Ｖ未満とすることで、リセット期間Ｔｒｓ後の蓄積期間Ｔａｃの動作を安定化することができる。電位ＶＳ１１と電位ＶＳ１２の電位差を０．１０Ｖ未満とするためには、高い導電率を有する導電体で収集ノード２０７と収集ノード２１０とを接続すればよい。また、電位ＶＳ１１と電位ＶＳ１２の電位差を０．１０Ｖ未満とするためには、収集ノード２０７と収集ノード２１０との間に、電位ＶＳ１１と電位ＶＳ１２との差が０．１０Ｖ以上となるような抵抗などを配置しなければよい。なお、不可避的に生じる抵抗や製造時の誤差などによる、０．１０Ｖ未満のわずかな電位差は許容できる。

本例では、電位ＶＳ１１が収集ノード２０７に与えられるのと同時に、電位ＶＳ１２が収集ノード２１０に与えられる。リセット信号出力部４２３と収集ノード２０７との間と、リセット信号出力部４２３と収集ノード２１０との間にそれぞれスイッチを設けることもできる。その場合には、収集ノード２０７に電位ＶＳ１１を与えるタイミングと収集ノード２１０に電位ＶＳ１２を与えるタイミングとを異ならせることもできる。

電位ＶＳ１１は基準電位ＶＦ１よりも高いこと（ＶＦ１＜ＶＳ１１）が好ましい。このようにすることで、リセット期間Ｔｒｓ後の収集ノード２０７での電子の収集効率を高めることができる。また、電位ＶＳ１２は基準電位ＶＦ２よりも低いこと（ＶＳ１２＜ＶＦ２）が好ましい。このようにすることで、リセット期間Ｔｒｓ後の収集ノード２１０での正孔の収集効率を高めることができる。上述したようにＶＳ１１＝ＶＳ１２＝ＶＳ１とするならば、ＶＦ１＜ＶＳ１１およびＶＳ１２＜ＶＦ２とを両立する上では、リセット電位ＶＳ１は基準電位ＶＦ１と基準電位ＶＦ２の間の電位とすること（ＶＦ１＜ＶＳ１＜ＶＦ２）が好ましい。

電位ＶＳ１１は例えば−５Ｖ〜＋５Ｖ、好適には−２Ｖ〜＋２Ｖの範囲から選択することができる。電位ＶＳ１２も例えば−５Ｖ〜＋５Ｖ、好適には−２Ｖ〜＋２Ｖの範囲から選択することができる。電位ＶＳ１１と電位ＶＳ１２の差は０であることが好ましい。上述した基準電位ＶＦ１、ＶＦ２の好適な範囲内、および、電位ＶＳ１１、ＶＳ１２の好適な範囲内で、ＶＦ１＜ＶＳ１１およびＶＳ１２＜ＶＦ２を満たすように回路を設計すればよい。

図３の例では、光電変換部３０１には、転送部３０３および容量部３０７と同様にして、転送部３０４および容量部３０８が接続されている。つまり、転送部３０３および容量部３０７と転送部３０４および容量部３０８とが、光電変換部３０１に対して並列に接続されている。同様に、光電変換部３０２には、転送部３０６および容量部３１０と同様にして、転送部３０５および容量部３０９が接続されている。つまり、転送部３０６および容量部３１０と転送部３０４および転送部３０５および容量部３０９とが、光電変換部３０１に対して並列に接続されている。なお、転送部３０４および容量部３０８は、転送部３０３および容量部３０７と同様の構成にすることができ、また、転送部３０５および容量部３０９は、転送部３０６および容量部３１０と同様の構成にすることができる。

そして、本例では、転送部３０４と転送部３０５がそれぞれ備えるＭＩＳ型のゲート構造の各ゲート電極が、転送ノード２１９に共通に接続されている。また、転送ノード２１９には転送信号出力部４２９が接続されている。そして、転送信号出力部４２９から転送ノード２１９に転送信号ＴＸ２が入力される。転送部３０４と転送部３０５は互いに導電型が異なり、相補的に設けられている。そのため、転送信号ＴＸ２によって転送部３０４がＯＮ状態（導通状態）である期間は転送部３０５がＯＦＦ状態（非導通状態）であり、転送信号ＴＸ２によって転送部３０４がＯＦＦ状態である期間は転送部３０５がＯＮ状態となる。なお、転送部３０４と転送部３０５は、転送ノード２１９を所定の電位にすることにより、両方ともＯＦＦ状態となるように閾値が設定されていることが望ましい。このような所定の電位は、ＭＩＳ型のゲート構造における半導体領域の電位とＭＩＳ型のゲート構造の閾値に応じて決定される。転送部３０４がＯＮ状態となる電位レベルＨｉｇｈと転送部３０４がＯＦＦ状態となる電位レベルＭｉｄとの差は例えば１Ｖ〜５Ｖである。転送部３０５がＯＮ状態となる電位レベルＬｏｗと転送部３０５がＯＦＦ状態となる電位レベルＭｉｄとの差は例えば１Ｖ〜５Ｖである。電位レベルＨｉｇｈを接地電位ＧＮＤ（０Ｖ）よりも高い電位（正電位）、電位レベルＬｏｗを接地電位ＧＮＤよりも低い電位（負電位）に設定することが好適である。例えば電位レベルＭｉｄを接地電位ＧＮＤに設定することができる。電位レベルＨｉｇｈと電位レベルＬｏｗの両方を正電位にしたり、電位レベルＨｉｇｈと電位レベルＬｏｗの両方を負電位にしたりすることもで、回路規模を小さくすることも可能である。なお、転送部３０４と転送部３０５とを別々の転送ノードに接続して、互いに独立した転送信号によって転送部３０４と転送部３０５のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御することもできる。また、光電変換部３０１に接続された転送部３０３と転送部３０４は互いにＯＮ状態とＯＦＦ状態が逆になるように動作させること、つまり相補的に動作させることが好ましい。すなわち、転送信号ＴＸ１によって転送部３０３がＯＮ状態である期間は転送信号ＴＸ２によって転送部３０４がＯＦＦ状態である。また、転送信号ＴＸ１によって転送部３０３がＯＦＦ状態である期間は転送信号ＴＸ２によって転送部３０４がＯＮ状態となる。同様に、光電変換部３０２に接続された転送部３０５と転送部３０６は互いにＯＮ状態とＯＦＦ状態が逆になるように動作させること、つまり相補的に動作させることが好ましい。すなわち、転送信号ＴＸ１によって転送部３０６がＯＮ状態である期間は転送信号ＴＸ２によって転送部３０５がＯＦＦ状態である。また、転送信号ＴＸ１によって転送部３０６がＯＦＦ状態である期間は転送信号ＴＸ２によって転送部３０５がＯＮ状態となる。このようにすることで、１つの光電変換部からの信号電荷の転送を、その１つの光電変換部に接続された２つの転送部との間に交互に行うことができる。

容量部３０８は、転送部３０４を介して光電変換部３０１から転送された電子を収集ノード２０８に収集する。容量部３０９は、転送部３０５を介して光電変換部３０２から転送された正孔を収集ノード２０９に収集する。容量部３０８、３０９はそれぞれ、ＰＮ接合型のダイオード構造を有する。容量部３０８の収集ノード２０８はＮ型の半導体領域であり、容量部３０９の収集ノード２０９はＰ型の半導体領域である。容量部３０８の基準ノード２２８はＰ型の半導体領域であり、容量部３０９の基準ノード２２９はＮ型の半導体領域である。基準ノード２２８には基準電位供給部４１１が接続されて基準電位ＶＦ１が供給されている。基準ノード２２９には基準電位供給部４１２が接続されて基準電位ＶＦ２が供給されている。

収集ノード２０８および収集ノード２０９は、ＭＯＳトランジスタ（リセットトランジスタ）３１４を介してリセット電位供給部４１４が共通に接続されている。リセット電位供給部４１４はリセット電位ＶＳ２を出力する。リセット信号出力部４２４から出力されたリセット信号ＲＳ２によってリセットトランジスタ３１４をＯＮ状態にする。これにより、収集ノード２０８と収集ノード２０９の電位を所定のリセット電位に設定することができる。

図３の例では、容量部３０８、３０９において収集ノード２０８、２０９に光電変換部から転送された電荷は排出される。しかし、信号生成部３１５と同様に、容量部３０８、３０９にも信号生成部を接続して、容量部３０８、３０９の電荷に基づく信号を読み出す構成にすることもできる。そして、このような構成の場合には、容量部３０８、３０９の電荷に基づいて信号生成部で生成された信号と、容量部３０７、３１０の電荷に基づいて信号生成部で生成された信号を合成することもできる。このようにすることで、画素信号の強度を高めることが可能となる。

上述した回路に用いられる電位を例示する。なお、接地電位ＧＮＤを０Ｖとする。第１例としては、ＶＳ１，ＶＳ２＝０Ｖ、ＶＦ１＝−１Ｖ、ＶＦ２＝＋１Ｖ、Ｈｉｇｈ＝＋２Ｖ、Ｍｉｄ＝０Ｖ、Ｌｏｗ＝−２Ｖである。第２例としては、ＶＳ１，ＶＳ２＝＋１Ｖ、ＶＦ１＝０Ｖ、ＶＦ２＝＋２Ｖ、Ｈｉｇｈ＝＋３Ｖ、Ｍｉｄ＝＋１Ｖ、Ｌｏｗ＝−１Ｖである。第２例は第１例の各電位をＳ（Ｖ）だけシフトした例であり、Ｓ＝−１の場合に相当する。第３例としては、ＶＳ１，ＶＳ２＝＋０Ｖ、ＶＦ１＝−２Ｖ、ＶＦ２＝＋２Ｖ、Ｈｉｇｈ＝＋４Ｖ、Ｍｉｄ＝＋０Ｖ、Ｌｏｗ＝−４Ｖである。第３例は第１例の電位をＴ倍にした例であり、Ｔ＝２の場合に相当する。上述した値Ｓは正の値でも負の値でもよく、上述した値Ｔは１未満でもよい。第２例と第２例を組み合わせて、第１例をＳ（Ｖ）シフトした上でＴ倍してもよい。上述した３例における各電位から把握される電位の大小関係、電位の差、電位の差の大小関係を維持しつつ、適宜に電位の実際の値を調整することができる。

次に、図４を用いて測距装置１の１つの光電変換セル１１１の駆動時間Ｔｄｒあたりの動作を説明する。なお、図４を用いた説明において、期間ｐ１〜期間ｐ１０は、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの期間である。

図４（ａ）は、発光デバイス２１の発光レベルＬｅおよび光電変換デバイス１１の受光レベルＬｒ１、Ｌｒ２を示している。発光レベルＬｅが光量Ｌｏｆｆである期間ｐ１、ｐ４、ｐ５、ｐ７、ｐ９には発光デバイス２１は消灯している。発光レベルＬｅがＬｏｎである期間ｐ２、ｐ３、ｐ６、ｐ８には発光デバイス２１は点灯している。このように、発光デバイス２１は時刻ｔ１からｔ５までの時間Ｔｃｙを１周期として、点滅を繰り返す。ここでは、説明の簡略化のために３回の点滅を繰り返すものとしているが、現実的には、１回の測距につき、蓄積期間Ｔａｃ内に例えば１００〜１００００回の点滅を繰り返すことで、十分な精度を確保することができる。

光速をｃ（ｍ／ｓ）として、測距装置１から対象物９までのｄ（ｍ）の距離に基づく発光から受光までの遅延時間は２×ｄ／ｃ（ｓ）である。１周期Ｔｃｙ中に発光から受光までの遅延時間を検出できればよい。光速は３×１０^８ｍ／ｓすなわち０．３ｍ／ｎｓであるから、１周期Ｔｃｙは、例えば１ｎｓ〜１０００ｎｓ、好適には１０ｎｓ〜１００ｎｓに設定される。例えば、０．３ｍの距離差に相当する発光から受光までの遅延は２ｎｓである。従って、１周期Ｔｃｙを１０ｎｓとすれば、この１０ｎｓ中において、この遅延時間に対応する物理量を検出することで、０．３ｍの距離差を検出することができる。周期Ｔｃｙと点滅の繰り返し回数からすると、１回の測距は、せいぜい１μｓ〜１０ｍｓの短時間で終了する。そのため、セルアレイ１１０を１秒間に１０〜１０００行程度、１〜１０００フレーム程度読み込むことができる。例えば、１行分の駆動期間Ｔｄｒを１μｓとすれば１秒間に１０００行を１０００フレーム読み出すことができるし、１行分の駆動期間Ｔｄｒを１０ｍｓとすれば１秒間に１００行を１フレーム読み出すことができる。

発光デバイス２１の発光に対応して、光電変換デバイス１１が受光する光量をＬｒａ、Ｌｒｂとする。受光レベルＬｒ１が示す波形は、測距装置１から対象物までの距離に応じて、発光開始時刻ｔ１から時間Ｔｄａ後の時刻ｔ２に受光を開始し、発光終了時刻ｔ３から時間Ｔｄａ後の時刻ｔ４に受光を終了することを示している。受光レベルＬｒ２が示す波形は、測距装置１から対象物までの距離に応じて、発光開始時刻ｔ１から時間Ｔｄｂ後の時刻ｔ２’に受光を開始し、発光終了時刻ｔ３から時間Ｔｄｂ後の時刻ｔ４’に受光を終了することを示している。本例では、Ｔｄａ＜Ｔｄｂであるため、受光レベルＬｒ１で示される信号光は、受光レベルＬｒ２で示される信号光よりも、測距装置１から近い位置の対象物で反射したものであることが分かる。また、本例では、Ｌｒｂ＜Ｌｒａであるため、受光レベルＬｒ１で示される信号光は、受光レベルＬｒ２で示される信号光よりも、反射率が高い可能性があることも分かる。

ここで、発光デバイス２１の発光に対応して光電変換デバイス１１が受光する期間において、光電変換デバイス１１が受光する光量Ｌｒａ、Ｌｒｂには、図１（ａ）で示した信号光８２だけでなく、環境光８３も含まれる。この環境光分の受光量をＬａｍとする。受光量Ｌｒａ、Ｌｒｂのうち、Ｌａｍを差し引いた光量が実際の距離情報を持った信号光となる。

図４（ｂ）はリセット信号ＲＳ１、ＲＳ２（点線）、選択信号ＳＬ（実線）および転送信号ＴＸ１（一点鎖線）、転送信号ＴＸ２（二点鎖線）の時間的な変化を示している。なお、電位レベルＨｉｇｈは電位レベルＬｏｗよりも高い電位であり、電位レベルＭｉｄは電位レベルＨｉｇｈと電位レベルＬｏｗの間の電位である。電位レベルＨｉｇｈ、電位レベルＭｉｄおよび電位レベルＬｏｗは、それぞれある程度の範囲の電位を含むことができる。例えば電位レベルＭｉｄは接地電位（０Ｖ）を含む一定の範囲の電位である。図４（ｂ）では、時刻を示す横軸が位置する部分の電位を電位レベルＭｉｄとしている。なお、図４（ｂ）では、便宜的に、電位レベルＭｉｄと電位レベルＨｉｇｈの間の過渡的な電位（立上がり、立下りの電位）では、トランジスタは電位レベルＨｉｇｈと同じ動作をするものとみなして説明する。同様に、電位レベルＭｉｄと電位レベルＨｉｇｈの間の過渡的な電位（立上がり、立下りの電位）では電位レベルＬｏｗと電位レベルＨｉｇｈと同じ動作をするものとみなして説明する。なお、それぞれのトランジスタに対して、ＯＮ状態となる電位レベルとＯＦＦ状態となる電位レベルは共通の電位である必要はなく、互いに異なる電位であってもよい。

リセット信号ＲＳ１，ＲＳ２は同時に電位レベルＨｉｇｈになっているが、リセット信号ＲＳ１，ＲＳ２が電位レベルＨｉｇｈになる期間は異なっていてもよい。転送信号ＴＸ１と転送信号ＴＸ２は、典型的には正負が反転した同一周期の矩形波または正弦波である。転送信号ＴＸ１と転送信号ＴＸ２の周期は、発光デバイス２１が発光する周期Ｔｃｙと一致することが好ましいが、測距精度が低くなることを厭わなければ、転送信号の周期と発光周期がわずかに異なっていてもよい。

リセット信号ＲＳ１、ＲＳ２が電位レベルＭｉｄより高い電位（典型的には電位レベルＨｉｇｈ）である期間ｐ１は、リセットトランジスタ３１３、３１４はＯＮ状態である。リセット信号ＲＳ１、ＲＳ２が電位レベルＭｉｄとなる電位の期間である時刻ｔ１〜ｔ１０には、リセットトランジスタ３１３、３１４はＯＦＦ状態である。なお、図４（ａ）では、リセット信号ＲＳ１とリセット信号ＲＳ２は同じであるものとして記載しているが、図示しない期間において、必要に応じて異ならせてもよい。

転送信号ＴＸ１が電位レベルＭｉｄより高い電位（典型的には電位レベルＨｉｇｈ）である、期間ｐ２、ｐ３、ｐ６、ｐ８には、転送部３０３がＯＮ状態、転送部３０６がＯＦＦ状態である。転送信号ＴＸ１が電位レベルＭｉｄより低い電位（典型的には電位レベルＬｏｗ）である、期間ｐ４、ｐ５、ｐ７、ｐ９には転送部３０３がＯＦＦ状態、転送部３０６がＯＮ状態である。リセットトランジスタ３１３、３１４がＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化してから、転送部３０３と転送部３０６の一方がＯＮ状態になるまでの時間は極力短い方が良い。

転送信号ＴＸ２が電位レベルＭｉｄより低い電位（典型的には電位レベルＬｏｗ）である期間ｐ２、ｐ３、ｐ６、ｐ８には、転送部３０５がＯＮ状態、転送部３０４がＯＦＦ状態である。転送信号ＴＸ２が電位レベルＭｉｄより高い電位（典型的には電位レベルＨｉｇｈ）である期間ｐ４、ｐ５、ｐ７、ｐ９には転送部３０５がＯＦＦ状態、転送部３０４がＯＮ状態である。リセットトランジスタ３１３、３１４がＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化してから、転送部３０４と転送部３０５の一方がＯＮ状態になるまでの時間は極力短い方が良い。

転送信号ＴＸ１が電位レベルＭｉｄである期間（あるいは時刻）には、転送部３０３および転送部３０６がＯＦＦ状態であり、転送信号ＴＸ２が電位レベルＭｉｄである期間（あるいは時刻）には、転送部３０４および転送部３０４がＯＦＦ状態である。このような電位レベルＭｉｄは、上述したように、転送部３０３、３０４、３０５、３０６の特性に応じて決定される。

図４（ｃ）には、検出ノード２２０の電位の変化を示している。電位変化Ｓ１は受光レベルＬｒ１による電位の変化を、電位変化Ｓ２は受光レベルＬｒ２による電位の変化を、示している。

期間ｐ１では、リセット電位供給部４１３により、収集ノード２０７、２１０および検出ノード２２０はリセット電位ＶＳ１に応じた電位（電位ＶＳ１１、ＶＳ１２）に設定されている。

期間ｐ２では、環境光８３の光量Ｌａｍに応じて光電変換部３０１で生成された電子が容量部３０７へ転送される。光電変換部３０１で電子が生成されると、カソード２０１の電位がアノード２１１の電位より高くなる。アノード２１１の電位が例えばＶＦ１＝−２Ｖであれば、カソード２０１の電位は−１Ｖ程度になる。リセット電位ＶＳ１により収集ノード２０７の電位はアノード２１１の電位より高くなっている（ＶＦ１＜ＶＳ１）。そのため、転送部３０３がＯＮ状態であれば、生成された電子は、カソード２０１の電位より電位の高い収集ノード２０７へ速やかに移動する。電子の転送に伴って、収集ノード２０７に接続された検出ノード２２０の電位は低下する。

期間ｐ３では、環境光８３の光量Ｌａｍよりも強い、信号光８２を含んだ光量Ｌｒａに応じて光電変換部３０１で生成された電子が容量部３０７へ転送される。電子の転送に伴って、収集ノード２０７に接続された検出ノード２２０の電位は、期間ｐ２に比べて大きい勾配で低下する。これは、信号光８２の分だけ、単位時間当たりの受光量が増加するためである。

期間ｐ４では、環境光８３の光量Ｌａｍよりも強い、信号光８２を含んだ光量Ｌｒａに応じて光電変換部３０２で生成された正孔が容量部３１０へ転送される。正孔の転送に伴って、収集ノード２１０に接続された検出ノード２２０の電位は上昇する。

ここで、期間ｐ２、ｐ３では転送部３０５がＯＮ状態である。そのため、期間ｐ２、ｐ３において光電変換部３０２で生成された正孔は、期間ｐ２、ｐ３の間、容量部３０９に転送される。そのため、時刻ｔ３において転送部３０６がＯＮ状態に切り替わった後、例えば期間ｐ４において容量部３１０へ転送される正孔は、期間ｐ２、ｐ３に光電変換部３０２で生成された正孔よりも、期間ｐ４で生成された正孔の方が多くなる。理想的には期間ｐ２、ｐ３に光電変換部３０２で生成された正孔は期間ｐ４において容量部３１０へ転送されない。

期間ｐ５では、環境光８３の光量Ｌａｍに応じて光電変換部３０２で生成された正孔が容量部３１０へ転送される。正孔の転送に伴って、収集ノード２１０に接続された検出ノード２２０の電位は上昇する。

同様のことが期間ｐ６、ｐ７、ｐ８、ｐ９と繰り返される。ここで、期間ｐ４、ｐ５では転送部３０４がＯＮ状態である。そのため、期間ｐ４、ｐ５において光電変換部３０１で生成された電子は、期間ｐ４、ｐ５の間、容量部３０８に転送される。そのため、時刻ｔ５において転送部３０３がＯＮ状態に切り替わった後、例えば期間ｐ６において容量部３０７へ転送される電子は、期間ｐ４、ｐ５に光電変換部３０１で生成された電子よりも、期間ｐ６で生成された電子の方が多くなる。理想的には期間ｐ４、ｐ５に光電変換部３０１で生成された電子は期間ｐ６において容量部３０７へ転送されない。

このような周期Ｔｃｙを多数回繰り返すことで、環境光８３の成分が除去され、信号光８２の成分が積算された、測距に適した信号を得ることができる。

受光レベルＬｒ１は遅延時間Ｔｄａが周期Ｔｃｙの１／４未満である（Ｔｄａ＜Ｔｃｙ／４）。そのため、検出ノード２２０の電位は、期間ｐ３に転送された電子によって実効的に支配され、検出ノード２２０の電位はリセット電位ＶＳ１よりも低くなる（絶対値が大きくなる）。受光レベルＬｒ２のように、遅延時間Ｔｄｂが周期Ｔｃｙの１／４である（Ｔｄｂ＝Ｔｃｙ／４）と、１周期Ｔｃｙ内に収集ノード２０７、２１０に転送される電子と正孔の量が等しくなるため、検出ノード２２０の電位はリセット電位ＶＳ１に等しくなる。遅延時間Ｔｄａ＞Ｔ／ｃｙ４であれば、検出ノード２２０の電位は期間ｐ４に転送された正孔によって実効的に支配され、検出ノード２２０の電位はリセット電位ＶＳ１よりも高くなる（絶対値が大きくなる）。

なお、ここでは１周期Ｔｃｙ中の発光デバイス２１の点灯期間と消灯期間を等しくしたが、点灯期間と消灯期間は異なっていてもよい。点灯期間と消灯期間は異なっている場合には、点灯期間と消灯期間の違いに基づいて、信号生成部３１５から出力された信号を補正すればよい。また、ここでは１周期Ｔｃｙ中の転送ゲートのＯＮとＯＦＦの期間を等しくしたが、ＯＮ期間とＯＦＦ期間が異なっていても、ＯＮ期間とＯＦＦ期間の違いに基づいて、信号生成部３１５から出力された信号を補正すればよい。

検出ノード２２０に現れる電位について定量的に説明する。信号電荷としての電子の量のうち、環境光８３に起因する成分を（−Ｎ）、信号光８２に起因する成分を（−Ｓ）とし、信号電荷としての正孔の量のうち、環境光８３に起因する成分を（＋Ｎ）、信号光８２に起因する成分を（＋Ｓ）とする。期間ｐ２の長さに比例する係数をａ、期間ｐ３の長さに比例する係数をｂ、期間ｐ４の長さに比例する係数をｃ、期間ｐ５の長さに比例する係数をｄとする。

まず、検出ノード２２０での電子と正孔の再結合が生じないと仮定して収集ノード２０７、２１０の電荷量を計算する。期間ｐ２における収集ノード２０７の電荷量の増分はａ×（−Ｎ）であり、時刻ｔ２における収集ノード２０７の電荷量はａ×（−Ｎ）である。一方、期間ｐ２における収集ノード２１０の電荷量の増分は０であり、時刻ｔ２における収集ノード２１０の電荷量は０である。期間ｐ３における収集ノード２０７の電荷量の増分はｂ×（−Ｎ−Ｓ）であり、時刻ｔ３における収集ノード２０７の電荷量はａ×（−Ｎ）＋ｂ×（−Ｎ−Ｓ）である。一方、期間ｐ３における収集ノード２１０の電荷量の増分は０であり、時刻ｔ３における収集ノード２１０の電荷量は０である。期間ｐ４における収集ノード２０７の電荷量の増分は０であり、時刻ｔ４における収集ノード２０７の電荷量はａ×（−Ｎ）＋ｂ×（−Ｎ−Ｓ）である。期間ｐ４における収集ノード２１０の電荷量の増分はｃ×（＋Ｎ＋Ｓ）であり、一方、時刻ｔ４における収集ノード２１０の電荷量はｃ×（＋Ｎ＋Ｓ）である。期間ｐ５における収集ノード２０７の電荷量の増分は０であり、時刻ｔ５における収集ノード２１０の電荷量はａ×（−Ｎ）＋ｂ×（−Ｎ−Ｓ）である。一方、期間ｐ５における収集ノード２１０の電荷量の増分はｄ×（＋Ｎ）であり、時刻ｔ５における収集ノード２１０の電荷量はｃ×（＋Ｎ＋Ｓ）＋ｄ×（＋Ｎ）である。

時刻ｔ５における検出ノード２２０の実際の電荷量は電子と正孔を差し引いたものに相当する。つまり、ａ×（−Ｎ）＋ｂ×（−Ｎ−Ｓ）＋ｃ×（＋Ｎ＋Ｓ）＋ｄ×（＋Ｎ）＝（ａ＋ｂ）×（−Ｎ）＋（ｃ＋ｄ）×（＋Ｎ）＋ｂ×（−Ｓ）＋ｃ×（＋Ｓ）＝（（ｃ＋ｄ）−（ａ＋ｂ））×Ｎ＋（ｃ−ｂ）×Ｓとなる。ここで、時刻ｔ１〜ｔ５の期間において、環境光８３は一定であり、転送部３０３と転送部３０６がそれぞれ相補的にＯＮ状態になっている時間が同じであるとするならば、（ｃ＋ｄ）−（ａ＋ｂ）＝０である。したがって、時刻ｔ５の時点で検出ノード２２０に現れる電位は、環境光８３の成分の少なくとも一部が除去され、信号光８２の成分のみを示す（ｃ−ｂ）×Ｓが信号として得られることが分かる。

図５に光電変換セル１１１のレイアウトの一例を示す。図５［ａ］は光電変換セル１１１の平面模式図である。図５［ｂ］は図５［ａ］の線Ａ−Ａ’における断面模式図、図５［ｃ］は図５［ａ］の線Ｂ−Ｂ’における断面模式図、図５［ｄ］は図５［ａ］の線Ｃ−Ｃ’における断面模式図である。

半導体基板１００にはＰ型のウェルとしてのＰ型の半導体領域５１１とＮ型のウェルとしてのＮ型の半導体領域５１２が設けられている。例えばＮ型の半導体領域５１２はＮ型のエピタキシャル層であり、半導体領域５１１はＮ型のエピタキシャル層中にＰ型の不純物をイオン注入して形成されたＰ型の不純物拡散領域である。なお単一の半導体領域５１１、５１２を構成する複数の部分が同じ導電型であり、かつ、それらが互いに連続しているものである。ここでいう複数の部分とはＸ、Ｙ、Ｚ方向の少なくとも何れかにおける位置が互いに異なる部分である。単一の半導体領域５１１、５１２を構成する複数の部分の不純物濃度は互いに異なっていてもよい。例えば、Ｐ型の半導体領域５１１は半導体基板１００の深さ方向（Ｚ方向）において傾斜した不純物濃度を有していてもよい。

光電変換セル１１１には、半導体基板１００の主たる表面１０００に沿って光電変換部３０１と光電変換部３０２が並んで設けられている。光電変換部３０１と光電変換部３０２が並ぶ方向をＸ方向とし、表面１０００に平行でＸ方向に垂直な方向をＹ方向とし、表面１０００に垂直な方向をＺ方向とする。

図５に示した構造とは異なる構造として、光電変換部３０１と光電変換部３０２をＺ方向に沿って並べることもできる。つまり、光電変換部３０１と光電変換部３０２の一方を、他方よりも半導体基板１００の深い位置に配置することもできる。例えば、表面１０００からＺ方向に光電変換部３０１のカソード（Ｎ型の半導体領域）と光電変換部３０２のアノード（Ｐ型の半導体領域）とを配置する。そして、これらの間に、光電変換部３０１のアノード（Ｐ型の半導体領域）と光電変換部３０２のカソード（Ｎ型の半導体領域）とをＰＮ接合分離されるように配置する。光電変換部３０２のアノードに連続する電荷移動経路としてのＰ型の半導体領域を表面１０００に向かって延在させることで、この電荷移動経路を介して深い位置に配された光電変換部３０２の信号電荷を収集することができる。しかし、このようにすると、浅い位置に配置された光電変換部と深い位置に配置された光電変換部とで光電変換される光量が異なり、生成される信号電荷量にも大きな差異が生じる。これは、半導体基板１００内での光の吸収によって、光が減衰するためである。したがって、光電変換部３０１と光電変換部３０２の受光量の差異を小さくする上では、光電変換部３０１と光電変換部３０２は半導体基板１００の主たる表面１０００に沿って並べることが好ましい。

図５中、太線は光電変換セル１１１内に配されたローカル配線である。また、○印はローカル配線あるいは図１（ｂ）で説明した行配線１２０や列配線１３０などのグローバル配線（不図示）と半導体基板１００との接続を取るためのコンタクト部の位置を示している。典型的なコンタクト部ではコンタクトプラグと半導体基板１００との接合がなされている。ここで、ローカル配線とは、光電変換セル１１１内の構成要素同士を電気的に接続するための配線である。一方、グローバル配線とは光電変換セル１１１同士あるいは光電変換セル１１１と、セルアレイ１１０外の回路とを接続するための配線である。図１（ｂ）において説明した行配線１２０と列配線１３０は典型的なグローバル配線である。なお、配線とは、電気的接続のために導電体で構成された部材である。なお、半導体領域と接続するためのコンタクト部においては、半導体領域のうちのコンタクトプラグ等の導電体と接続する一部の領域をその他の領域に比べて高濃度の不純物領域とすることで良好な電気的接続を確保することが好ましい。

図５［ｂ］に示すように、Ｙ方向において、線Ａ−Ａ’上では、Ｎ型の半導体領域５０７、転送ゲート電極５０３、Ｎ型の半導体領域５０１、転送ゲート電極５０４、Ｎ型の半導体領域５０８がこの順に配されている。

図５［ｃ］に示すように、Ｙ方向において、線Ｂ−Ｂ’上では、Ｐ型の半導体領域５１０、転送ゲート電極５０５、Ｐ型の半導体領域５０２、転送ゲート電極５０６、Ｐ型の半導体領域５０９がこの順に配されている。

図５［ａ］に示すように、Ｘ方向において、リセットトランジスタ３１３のゲート電極５１３、リセットトランジスタ３１４のゲート電極５１４、増幅トランジスタのゲート電極５１５、選択トランジスタ３１６のゲート電極５１６がこの順に配されている。信号生成部３１５を構成する増幅トランジスタのゲート電極５１５は信号生成部３１５の入力ノードであり、直接あるいは電気的ローパスフィルタ４３３を介して検出ノード２２０に接続される。

Ｎ型の半導体領域５０７は、容量部３０７の一部として、収集ノード２０７を構成する。即ち、Ｎ型の半導体領域５０７は第１フローティングディフュージョンである。半導体領域５１１は、半導体領域５０７とＰＮ接合を成しており、半導体領域５１１は容量部３０７の基準ノード２１７を構成する。

Ｐ型の半導体領域５１０は、容量部３１０の一部として、収集ノード２１０を構成する。即ち、Ｐ型の半導体領域５０７は第２フローティングディフュージョンである。半導体領域５１２は、半導体領域５１０とＰＮ接合を成しており、半導体領域５１２は容量部３１０の基準ノード２００を構成する。

Ｎ型の半導体領域５０１は光電変換部３０１の一部として、フォトダイオードのカソード２０１を構成する。半導体領域５０１は、半導体領域５１１とＰＮ接合を成しており、半導体領域５１１はフォトダイオードのアノード２１１を構成する。Ｎ型の半導体領域５０１の不純物濃度は、内蔵電位で空乏化する程度に低いことが好ましい。このようにすると、光電変換部３０１で生じた電子正孔対のうち信号電荷として生成された電子を光電変換部３０１に蓄積しにくい構成になる。このようにすることで、光電変換部３０１から半導体領域５０７への電子の転送効率が上がる。また、光により発生した電子を常に半導体領域５０７に完全転送することができ、転送効率が低いことに起因するノイズを低減することができる。なお、光電変換部３０１において信号電荷として用いない正孔はＰ型の半導体領域５１１を介して排出される。Ｎ型の半導体領域５０１と半導体基板１００の表面１０００との間にはＰ型の半導体領域である表面領域が設けられており、Ｎ型の半導体領域５０１が表面１０００から離れて配置されている。これにより光電変換部３０１が埋め込み型のフォトダイオードとなっている。なお、図５では表面領域としてのＰ型の半導体領域をＰ型の半導体領域５１１として一体的に記載している。

Ｐ型の半導体領域５０２は光電変換部３０２の一部として、フォトダイオードのアノード２０２を構成する。半導体領域５０２は、半導体領域５１２とＰＮ接合を成しており、半導体領域５１２はフォトダイオードのカソード２１２を構成する。Ｐ型の半導体領域５０２の不純物濃度は、内蔵電位で空乏化する程度に低いことが好ましい。このようにすると、光電変換部３０２で生じた電子正孔対のうち信号電荷として生成された正孔を光電変換部３０２に蓄積しにくい構成になる。このようにすることで、光電変換部３０２から半導体領域５１０への正孔の転送効率が上がる。また、光により発生した電子を常に半導体領域５１０に完全転送することができ、転送効率が低いことに起因するノイズを低減することができる。なお、光電変換部３０２において信号電荷として用いない正孔はＰ型の半導体領域５１１を介して排出される。Ｐ型の半導体領域５０２と半導体基板１００の表面１０００との間にはＮ型の半導体領域である表面領域が設けられており、Ｐ型の半導体領域５０２が表面１０００から離れて配置されている。これにより光電変換部３０２が埋め込み型のフォトダイオードとなっている。なお、図５では表面領域としてのＮ型の半導体領域をＮ型の半導体領域５１２として一体的に記載している。

Ｎ型の半導体領域５０８は半導体領域５１１とＰＮ接合を成しており、半導体領域５０８は容量部３０８の一部として、収集ノード２０８を構成する。Ｐ型の半導体領域５０９は半導体領域５１２とＰＮ接合を成しており、半導体領域５０９は容量部３０９の一部として、収集ノード２０９を構成する。Ｎ型の半導体領域５０１とＰ型の半導体領域５０２は、表面１０００に沿ってＸ方向に並んで設けられている。Ｎ型の半導体領域５０１とＰ型の半導体領域５０２は接していてもよいが、分離されていることが好ましい。本例では、Ｎ型の半導体領域５０１とＰ型の半導体領域５０２との間において、Ｎ型の半導体領域５１１とＰ型の半導体領域５１２がＰＮ接合を成している。これによって半導体領域５０１と半導体領域５０２とが電気的に分離（ＰＮ接合分離）されている。

基準電位供給部４１１を構成するコンタクトプラグ６１１から半導体領域５１１に基準電位ＶＦ１が供給される。そして、基準電位供給部４１２を構成するコンタクトプラグ６１２から半導体領域５１２に基準電位ＶＦ２が供給される。基準電位ＶＦ１が基準電位ＶＦ２より低いことで、半導体領域５１１と半導体領域５１２との間には逆バイアス電圧が印加されることになる。そのため、半導体領域５１１と半導体領域５１２の間に発生する空乏層により、半導体領域５１１と半導体領域５１２が電気的に分離される。このようにすることで、Ｎ型の半導体領域５０１で生成された電子とＰ型の半導体領域５０２で生成された正孔を電気的に分離できる。そのため、適切なタイミングで対応する収集ノードで電荷を収集し、測距に必要な信号電荷を選択的に再結合させることができる。また、光電変換部３０１と光電変換部３０２との間の分離をＰＮ接合分離で行うことで、光電変換部３０１と光電変換部３０２との間の間隔を小さくできる（例えば１μｍ未満）ため、光電変換部３０１と光電変換部３０２とで受光される光量の差を小さくできる。また、ＰＮ接合分離は絶縁体分離に比べて暗電流の発生を抑止することができる。

セルアレイ１１０においては、図５の［ａ］の構造がマトリックス状に配列される。Ｐ型の半導体領域５１２は共通ウェルとして、複数の光電変換セル１１１の間で連続に配される。一方、Ｎ型の半導体領域５１１は孤立ウェルとして、複数の光電変換セル１１１の間で不連続に配される。すなわち、或る光電変換セル１１１のＮ型の半導体領域５１１は、Ｐ型の半導体領域５１２とのＰＮ接合分離等の分離手段によって、隣接する少なくとも１つの光電変換セル１１１のＮ型の半導体領域５１１と電気的に分離されうる。なお、上述した例とは逆に、Ｐ型の半導体領域５１２を孤立ウェルとし、Ｎ型の半導体領域５１１を共通ウェルとすることもできる。このように、Ｐ型の半導体領域５１２とＮ型の半導体領域５１１の一方を共通ウェルとすることで、光電変換セル１１１の構成を簡易にすることができる。

平面視において、Ｎ型の半導体領域５０１とＮ型の半導体領域５０７の間に配された部分を少なくとも有する転送ゲート電極５０３は、転送部３０３を構成する。なお、本例では、転送ゲート電極５０３は、半導体領域５０１の一部と半導体領域５０７の一部の上に位置している。平面視においてＮ型の半導体領域５０１とＮ型の半導体領域５０８の間に配された部分を少なくとも有する転送ゲート電極５０４は、転送部３０４を構成する。尚、本例では、転送ゲート電極５０４も、半導体領域５０２の一部と半導体領域５０８の一部の上に位置している。

一方、平面視においてＰ型の半導体領域５０２とＰ型の半導体領域５１０の間に配された部分を少なくとも有する転送ゲート電極５０５は、転送部３０５を構成する。尚、本例では、転送ゲート電極５０５は、半導体領域５０２の一部と半導体領域５１０の一部の上に位置している。平面視において、Ｐ型の半導体領域５０２とＰ型の半導体領域５０９の間に配された部分を少なくとも有する転送ゲート電極５０６は、転送部３０６を構成する。尚、本例では、転送ゲート電極５０６も、半導体領域５０２の一部と半導体領域５０９の一部の上に位置している。

転送ゲート電極５０３、５０４、５０５、５０６と半導体基板１００との間には絶縁膜５００が設けられている。絶縁膜５００はゲート絶縁膜として機能する。

転送ゲート電極５０３と転送ゲート電極５０５には、同一の転送信号ＴＸ１が供給されるように、コンタクトプラグ６０３、６０５を介してローカル配線６１８が共通に接続される。ここでは、転送ゲート電極５０３と転送ゲート電極５０５とを別々のゲート電極として設けている。ゲート電極は駆動する度に電荷を充放電するため、スイッチングの度に、ＭＯＳ容量に応じた電流が流れる。高速の駆動をする場合、トランジスタのゲート電極が小さいほど、ＭＯＳ容量が小さくなるため、電流が少なく、省電力になる。そのため、転送ゲート電極５０３と転送ゲート電極５０５とを別々に設けることで、ゲート電極をなるべく小さくできる。

一方、転送部３０３を構成する部分と転送部３０５を構成する部分とを有する一体のゲート電極として設けることもできる。そのようにすることで、配線を減らし、配線容量や抵抗の低減をすることで、転送部３０３、３０５の相補的な制御の精度を高めることができる。また、配線を減らすことで開口率を上げ、感度を向上することもできる。転送ゲート電極５０３と転送ゲート電極５０５も同様である。

半導体領域５０７と半導体領域５１０にはコンタクトプラグ６０７、６１０とローカル配線６２０およびコンタクトプラグ６１３を介して、ゲート電極５１３を有するリセットトランジスタが接続されている。本例では、ローカル配線６２０が検出ノード２２０を構成する。ゲート電極５１３はコンタクトプラグ、ローカル配線およびグローバル配線を介してセルアレイ外のリセット信号出力部４２３に接続されている。コンタクトプラグ６１３はリセットトランジスタの一方のソース・ドレイン領域である半導体領域５２３に接続されている。リセットトランジスタの他方のソース・ドレイン領域はグローバル配線を介してセルアレイ外のリセット電位供給部４１３に接続されている。同様に、半導体領域５０８と半導体領域５０９にはローカル配線およびコンタクトプラグを介して、ゲート電極５１４を有するリセットトランジスタが接続されている。

半導体領域５０７と半導体領域５１０にはローカル配線６２０およびコンタクトプラグ６１５を介して、ゲート電極５１３を有する増幅トランジスタが接続されている。コンタクトプラグ６１５は増幅トランジスタのゲート電極５１５に接続されている。増幅トランジスタのドレインはコンタクトプラグおよびグローバル配線を介して電源供給部４３２に接続されている。増幅トランジスタのソースは、ゲート電極５１６を有する選択トランジスタ３１６のドレインに接続されている。選択トランジスタ３１６のソースはコンタクトプラグを介してグローバル配線（列配線１３０）に接続されている。

半導体領域５１１にはコンタクトプラグ６１１が接続されている。コンタクトプラグ６１１はグローバル配線を介してセルアレイ１１０外の基準電位供給部４１１に接続されている。半導体領域５１２にはコンタクトプラグ６１２が接続されている。コンタクトプラグ６１２はグローバル配線を介してセルアレイ１１０外の基準電位供給部４１２に接続されている。このように、配線を介して半導体領域５１１、半導体領域５１２に基準電位を供給することで、セルアレイ１１０内の光電変換セル１１１の各々における基準電位のばらつきを低減することができる。なお、光電変換セル１１１にコンタクトプラグ６１１やコンタクトプラグ６１２を配置せずに基準電位を供給することも可能である。その場合には、セルアレイ１１０内からセルアレイ１１０外に延在する不純物拡散層を半導体基板１００に設けて、セルアレイ１１０外で不純物拡散層に配線やコンタクトプラグを介して基準電位を供給すればよい。ただし、上述したように、Ｎ型の半導体領域５１１が孤立ウェルであると、Ｎ型の半導体領域５１１をセルアレイ１１０外に延在させることは困難である。したがって、少なくとも孤立ウェルについてはグローバル配線やローカル配線、コンタクトプラグなどの半導体基板１００の上に配された導電体を介して、基準電位を供給するのがよい。Ｐ型の半導体領域５１２が孤立ウェルとなる場合も同様である。

半導体領域５０７と半導体領域５１０は導電体を介して相互に接続されている。本例では、半導体領域５０７と半導体領域５１０を相互に接続する導電体をローカル配線６２０、コンタクトプラグ６０７、６１０として示している。半導体領域５０７と半導体領域５１０を接続する導電体は、金属材料や金属化合物材料、多結晶シリコンなど、半導体基板１００よりも電気伝導率の高い材料で構成される。金属材料や金属化合物材料は配線やコンタクトプラグに用いられる材料であり、多結晶シリコンはゲート電極に用いられる材料である。金属化合物材料としては、シリサイドなどの半導体−金属化合物材料であってもよい。これらの材料を単独あるいは組み合わせて、半導体領域５０７と半導体領域５１０が接続されている。このように、半導体領域５０７と半導体領域５１０が導電体を介して接続されているため、半導体領域５０７と半導体領域５１０とをＰＮ接合を介さずに接続することができる。典型的には半導体領域５０７と半導体領域５１０とをオーミック接合を介して接続することができる。半導体領域５０７と半導体領域５１０は導電体を介して接続することで、半導体領域５０７と半導体領域５１０が互いにＰＮ接合を成していない構成となる。そのため、電子と正孔を再結合させる際の、半導体領域５０７と半導体領域５１０との電位差の緩和時間を短縮できる。その結果、検出ノード２２０の出力を安定させ、精度の高い測距を実現することができる。

図６は半導体領域５０７と半導体領域５１０との電気的接続を得るための構造を例示している。図６（ａ）〜（ｄ）は、図５（ａ）の転送ゲート電極５０３、５０５および半導体領域５０７、５１０を含む断面に対応している。図６（ａ）が図５における半導体領域５０７と半導体領域５１０との電気的接続を得るための構造を示している。図６（ｂ）〜（ｄ）は、半導体領域５０７と半導体領域５１０との電気的接続を得るための、図６（ａ）の形態とは異なる形態を示している。なお、図６（ａ）〜（ｄ）において、転送ゲート電極５０３と転送ゲート電極５０５は、ローカル配線６１８によって電気的に接続されている。ローカル配線６１８は、転送ゲート電極５０３上のコンタクトプラグ６０３と、転送ゲート電極５０５上のコンタクトプラグ６０５と、コンタクトプラグ６０３とコンタクトプラグ６０５に接する。コンタクトプラグ６０３とコンタクトプラグ６０５は層間絶縁膜５２６を貫通し、ローカル配線６１８は層間絶縁膜５２６上に配されている。なお、ローカル配線６１８は、例えば、アルミニウムを主成分とする導電部と、チタン層および／または窒化チタン層を含むバリアメタル部とを有する、アルミニウム配線を用いることができる。あるいは、ローカル配線６１８は、銅を主成分とする導電部と、タンタル層および／または窒化タンタル層を含むバリアメタル部とを有する、銅配線を用いることができる。銅配線はシングルダマシン構造あるいはデュアルダマシン構造を有する。他のローカル配線も同様にアルミニウム配線または銅配線である。

図６（ａ）の形態では、コンタクトプラグ６０７と、コンタクトプラグ６１０と、コンタクトプラグ６０７とコンタクトプラグ６１０を接続するローカル配線６２０と、によって、半導体領域５０７と半導体領域５１０が接続されている。コンタクトプラグ６０７は層間絶縁膜５２６を通して半導体領域５０７に接続されており、コンタクトプラグ６１０は層間絶縁膜５２６を通して半導体領域５１０に接続されている。コンタクトプラグ６０７、６１０はタングステンを主成分とする導電部と、導電部と層間絶縁膜５２６との間に配された、チタン層および／または窒化チタン層を有するバリアメタル部とを有する。ローカル配線６２０は、アルミニウムを主成分とする導電部と、導電部と層間絶縁膜５２６との間に位置する、チタン層および／または窒化チタン層を含むバリアメタル部とを有するアルミニウム配線である。あるいは、ローカル配線６２０は、銅を主成分とする導電部と、導電部と層間絶縁膜５２６との間に位置する、タンタル層および／または窒化タンタル層を含むバリアメタル部とを有する銅配線である。

図６（ｂ）の形態では、半導体領域５０７と半導体領域５１０の双方に接触する導電体であるコンタクトプラグ６２３を介して、半導体領域５０７と半導体領域５１０が接続されている。コンタクトプラグ６２３はタングステンを主成分とする導電部と、導電部と層間絶縁膜５２６との間に配された、チタン層および／または窒化チタン層を含むバリアメタル部とを有する。コンタクトプラグ６２３と半導体基板１００との間には、絶縁膜５２７が絶縁膜５００や層間絶縁膜５２６とは別に設けられている。絶縁膜５２７は、コンタクトプラグ６２３とＮ型の半導体領域５１１とを絶縁し、コンタクトプラグ６２３とＰ型の半導体領域５１２とを絶縁する。これにより、Ｎ型の半導体領域５１１とＰ型の半導体領域５１２とが導通することを抑制できる。

図６（ｃ）の形態では、半導体領域５０７と半導体領域５１０の双方に接触する導電体であるローカル配線６２４を介して、半導体領域５０７と半導体領域５１０が接続されている。ローカル配線６２４はタングステン膜やシリサイド膜をパターニングして形成することができる。ローカル配線６２４は層間絶縁膜５２６と半導体基板１００との間に位置している。転送ゲート電極５０３と転送ゲート電極５０５を形成した後に、ローカル配線６２４を形成し、その後に層間絶縁膜５２６およびコンタクトプラグ６０３、６０５を形成すればよい。ローカル配線６２４と半導体基板１００との間には、絶縁膜５２８が絶縁膜５００や層間絶縁膜５２６とは別に設けられている。絶縁膜５２８はローカル配線６２４とＮ型の半導体領域５１１を絶縁し、ローカル配線６２４とＰ型の半導体領域５１２とを絶縁する。これにより、Ｎ型の半導体領域５１１とＰ型の半導体領域５１２とが導通することを抑制できる。

図６（ｄ）の形態では、半導体領域５０７と半導体領域５１０の双方に接触する導電体であるローカル配線６２５を介して、半導体領域５０７と半導体領域５１０が接続されている。ローカル配線６２５はポリシリコン膜をパターニングして形成することができ、転送ゲート電極５０３と転送ゲート電極５０５と同時に形成できる。ローカル配線６２５は層間絶縁膜５２６と半導体基板１００との間に位置している。ローカル配線６２５と半導体基板１００との間には、ローカル配線６２５とＮ型の半導体領域５１１の絶縁およびローカル配線６２５とＰ型の半導体領域５１２の絶縁を取るために、絶縁膜５００が設けられている。

なお、上述した各ローカル配線およびグローバル配線は、半導体基板１００の表面１０００に垂直な方向に積層された複数の配線層を互いにビアプラグを介して接続して構成することができる。

次に、図７を用いて、図３を用いて説明した光電変換セル１１１の等価回路の変形例を示す。

容量部３０７の収集ノード２０７は、スイッチトランジスタ３１８を介して検出ノード２２０に接続されている。スイッチ信号出力部４３８から出力されたスイッチ信号ＳＷ１によってスイッチトランジスタ３１８をＯＮ状態にすることにより、収集ノード２０７の電位に応じた電位が検出ノード２２０に現れる。容量部３１０の収集ノード２１０は、スイッチトランジスタ３１９を介して検出ノード２２０に接続されている。スイッチ信号出力部４３９から出力されたスイッチ信号ＳＷ２によってスイッチトランジスタ３１９をＯＮ状態にすることにより、収集ノード２０７の電位に応じた電位が検出ノード２２０に現れる。このように本例では、収集ノード２０７と収集ノード２１０との電気的な接続のＯＮとＯＦＦを切替えることが可能となっている。換言すれば、収集ノード２０７と収集ノード２１０はスイッチトランジスタ３１８、３１９を介して電気的に接続されている。なお、スイッチトランジスタ３１８とスイッチトランジスタ３１９の一方を省略することも可能である。

容量部３０７の収集ノード２０７には、リセットトランジスタ３１３を介してリセット電位供給部４１３が接続されている。リセット信号出力部４２３から出力されたリセット信号ＲＳ１によってリセットトランジスタ３１３をＯＮ状態にする。これにより、リセット電位供給部４１３から容量部３０７の収集ノード２０７にリセット電位ＶＳ１が供給される。容量部３１０の収集ノード２１０には、リセットトランジスタ３１７を介してリセット電位供給部４１７が接続されている。リセット信号出力部４２７から出力されたリセット信号ＲＳ３によってリセットトランジスタ３１７をＯＮ状態にする。これにより、リセット電位供給部４１７から容量部３１０の収集ノード２１０にリセット電位ＶＳ３が供給される。

リセット電位ＶＳ１とリセット電位ＶＳ３の電位差が０．１０Ｖ未満であることが好ましい。リセット電位ＶＳ１とリセット電位ＶＳ３の電位差は０Ｖであることが望ましいが、不可避的に生じる抵抗や製造時の誤差などによる、０．１０Ｖ未満のわずかな電位差はあってもよい。リセット電位ＶＳ３とリセット電位ＶＳ３は基準電位ＶＦ１と基準電位ＶＦ２の間の電位とすることが好ましい。例えば、リセット電位ＶＳ１は基準電位ＶＦ１よりも高くすること（ＶＦ１＜ＶＳ１）ができる。また、リセット電位ＶＳ３は基準電位ＶＦ２よりも低くすること（ＶＳ３＜ＶＦ２）ができる。リセット電位ＶＳ１は例えば−１〜＋１Ｖ、好適には−０．５〜＋０．５Ｖである。リセット電位ＶＳ３も例えば−１〜＋１Ｖ、好適には−０．５〜＋０．５Ｖである。

リセット電位ＶＳ１を容量部３０７に供給することで、容量部３０７に保持された電子はリセット電位供給部４１３へ排出される。リセット電位ＶＳ３を容量部３１０に供給することで、容量部３１０に保持された正孔はリセット電位供給部４１７へ排出される。本例によれば、検出ノード２２０から光電変換部３０１で光電変換された電荷（電子）に基づく信号と、光電変換部３０２で光電変換された電荷（正孔）に基づく信号と、の一方を選択的に読み出すことができる。このような動作モードを実現することで、撮像と測距の両方を実行できる光電変換デバイス１１を得ることができる。

また、本例では、容量部３０８、３０９を省略して、転送部３０４、３０５のＯＮ／ＯＦＦにより速やかに不要な電荷を排出できる構成とすることもできる。このようにすることで、配線による開口率や光電変換部の面積を高めて、感度を向上することが可能となる。

図８は、図７に示した回路の動作の一例を示している。図３、図４に示した蓄積期間Ｔａｃと読み出し期間Ｔｓｒとの間に、環境光８３を読み出す読み出し期間Ｔｎｒと、環境光８３の成分を除去する除去期間Ｔｃｌを有する。リセット期間Ｔｒｓの後、蓄積期間Ｔａｃ中は、スイッチトランジスタ３１８をＯＮ状態とし、スイッチトランジスタ３１９をＯＦＦ状態とする。読み出し期間Ｔｎｒには、スイッチトランジスタ３１８をＯＮ状態とし、スイッチトランジスタ３１９をＯＦＦ状態としたまま、選択トランジスタ３１６をＯＮ状態にする。これにより、収集ノード２０７の電位に対応した電位が現れた検出ノード２２０の信号を読み出す。読み出し期間Ｔｎｒの後に、環境光８３の成分の少なくとも一部を除去する除去期間Ｔｃｌを有する。除去期間Ｔｃｌでは選択トランジスタ３１６をＯＦＦ状態にして、図７におけるスイッチトランジスタ３１８とスイッチトランジスタ３１９をＯＮ状態にする。これにより、電子と正孔の再結合によって環境光８３の成分が電子と正孔によって相殺される。そして、環境光８３の成分が除去された電位が検出ノード２２０に現れる。読み出し期間Ｔｓｒでは選択トランジスタ３１６をＯＮ状態にして、環境光８３の成分が除去された信号を読み出す。このように環境光８３を読み出すことにより、距離情報を含む画像だけでなく、環境光８３に基づく画像をも得ることができる。

図１（ａ）を用いて情報処理システムＳＹＳの適用例を説明する。

情報処理システムＳＹＳの第１の適用例は、撮像装置を備えるカメラに適用した例である。まず、フォーカス制御部（例えばフォーカスボタン）などの入力部を含む制御装置３から情報処理装置２に測距を指示する信号が送られると、情報処理装置２は測距装置１を動作させる。そして、測距装置１は被写体である対象物９までの距離情報を含む信号を情報処理装置２へ出力する。情報処理装置２は当該信号を処理して、対象物９の撮影に適した条件となるようにレンズや絞り、シャッターなどの機械部品を駆動するための駆動信号を生成する。そして、この駆動信号をレンズや絞り、シャッターなどを駆動するモーター等の駆動装置４に出力する。駆動装置４は駆動信号に基づいて上述した機械部品を駆動する。制御装置３から情報処理装置２に撮影を指示する信号が送られると、情報処理装置２は撮像装置５に撮像を指示し、撮像装置５は対象物９の撮像を行う。情報処理装置２は撮像装置５から得られた画像を表示装置６に表示する。情報処理装置２は、得られた画像に、距離情報を付加して表示装置６に表示することもできる。また、通信装置７は記憶装置やネットワークとの通信を行って、画像を記憶装置やネットワーク上のストレージに保存する。

情報処理システムＳＹＳの第２の適用例は、ユーザーに複合現実感を提供する映像情報処理システムに適用した例である。情報処理装置２が測距装置１と撮像装置５を動作させると、撮像装置５は被写体である対象物９を撮影して現実画像を出力する。一方、測距装置１は対象物９である被写体までの距離情報を含む信号を出力する。情報処理装置２は当該信号を処理して、コンピュータグラフィックス等による仮想画像と、撮像装置５の撮影によって得られた現実画像とを、距離情報に基づいて合成し、合成画像を生成する。情報処理装置２は合成画像をヘッドマウントディスプレイなどの表示装置６に表示する。

情報処理システムＳＹＳの第３の適用例は、動力を備える輸送機器（例えば自動車や電車など）に適用した例である。エンジンを始動させるための信号を発生させる装置（例えば始動ボタン）やハンドルやアクセルなどの入力部を含む制御装置３から情報処理装置２に輸送機器の移動や移動準備を指示する信号が送られると、情報処理装置２は測距装置１を動作させる。そして、測距装置１は対象物９である被写体までの距離情報を含む信号を出力する。情報処理装置２は当該信号を処理して、例えば対象物９との距離が短くなると、表示装置６に警告を表示する。情報処理装置２は表示装置６に対象物９との距離を示す情報を表示させることもできる。また、情報処理装置２は、距離情報に基づいてブレーキやエンジンなどの駆動装置４を駆動して、輸送機器の速度を減速させたり加速させたりすることもできる。また、情報処理装置２は、距離情報に基づいてブレーキやエンジンなどの駆動装置４を駆動して、前方を走行する輸送機器との相対距離を調整することもできる。

情報処理システムＳＹＳの第４の適用例は、ゲームシステムに適用した例である。ユーザーがコントローラーなどの入力部を含む制御装置３を用いて、ゲーム機本体にジェスチャーモードを使用することを指示する。ユーザーからーの指示を受けて、情報処理装置２は測距装置１を動作させると、測距装置１はユーザーの動作（ジェスチャー）を距離情報として検出する。情報処理装置２は得られた距離情報に基づいて、ゲーム内の仮想的なキャラクターをユーザーの動作に合わせて操作した映像を作成する。情報処理装置２は、この映像をゲーム機本体（情報処理装置２）に接続された表示装置６に表示する。

以上説明したように、本実施形態に係る光電変換デバイス１１は、電子を生成する光電変換部３０１と、正孔を生成する光電変換部３０２と、を備える。また、光電変換部３０１で生成された電子をＮ型の半導体領域５０７に転送する転送部３０３と、光電変換部３０２で生成された正孔をＰ型の半導体領域５１０に転送する転送部３０６と、を備える。さらに、半導体領域５０７と半導体領域５１０とが共通に接続された信号生成部３１５を備える。そして、転送部３０３と転送部３０６は共通の転送ノード２１８に接続されている。転送ノード２１８に電位レベルＨｉｇｈを供給することで転送部３０３がＯＮ状態となり、かつ、転送部３０６がＯＦＦ状態となる。また、転送ノード２１８に電位レベルＬｏｗを供給することで転送部３０６がＯＦＦ状態となり、かつ、転送部３０６がＯＮ状態となる。

このような光電変換デバイスは、電子と正孔に基づく信号を精度よく得ることができる。また、電子と正孔に基づく信号を簡易な構成で得ることができる。

光電変換デバイスは上述した例に限らず、様々な情報処理システムＳＹＳに適用することができる。また、上述の実施形態では、測距のための駆動を行うために最適化した光電変換デバイスおよびそれを備えた測距装置、撮像システムの例を説明したが、光電変換デバイスを測距のための駆動に限らず、測距以外を目的とする駆動を行ってもよい。例えば、複数の光電変換部の信号電荷の差に対応する信号を用いて、人間の顔など物体の輪郭を検出するエッジ検出や位相差検出方式による焦点検出や測距を行うこともできる。信号電荷の差に応じて信号生成部から出力される信号の大小によって、複数の光電電変換部で受光される光量の違いを検出することができるからである。一般的に、信号電荷をソースフォロワ回路のような信号生成部によって電気信号に変換してから電気信号の差分を得るには差動回路等の複雑な構造が必要である。しかし、本実施形態の光電変換デバイスは、電子と正孔の再結合によって簡単に複数の光電変換部の信号電荷の差分を得ることができる。そして、信号電荷の差分を、単純な構造を有する信号生成部、例えばソースフォロワ回路によって電気信号に変換ることで、複数の光電変換部の信号電荷の差分に相当する信号を得ることができる。なお、図７で示した形態のように収集ノードと検出ノードとの間にスイッチトランジスタを設けることができる。これによって、複数の光電変換部の各々の電荷量の差に応じた信号ではない本来の信号電荷量に応じた信号を、電荷量の差に応じた信号とは別に読み出して、撮像動作を行うこともできる。

３０１ 光電変換部
３０２ 光電変換部
５０７ 半導体領域
５１０ 半導体領域
３０３ 転送部
３０６ 転送部
２１８ 転送ノード

Claims (20)

1. 電子を生成する第１光電変換部と、
   正孔を生成する第２光電変換部と、
   前記第１光電変換部で生成された電子をＮ型の第１半導体領域に転送する第１転送部と、
   前記第２光電変換部で生成された正孔をＰ型の第２半導体領域に転送する第２転送部と、
   前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とが共通に接続された信号生成部と、を備え、
   前記第１転送部と前記第２転送部は共通のノードに接続されており、
   前記ノードに第１電位を供給することで前記第１転送部がＯＮ状態となり、かつ、前記第２転送部がＯＦＦ状態となり、前記ノードに第２電位を供給することで前記第１転送部がＯＦＦ状態となり、かつ、前記第２転送部がＯＮ状態となることを特徴とする光電変換デバイス。
2. 前記第１電位が接地電位よりも高く、前記第２電位が接地電位よりも低い、請求項１に記載の光電変換デバイス。
3. 前記ノードに前記第１電位と前記第２電位の間の電位を供給することで、前記第１転送部および前記第２転送部がＯＦＦ状態となる、請求項１または２に記載の光電変換デバイス。
4. 前記第１転送部と前記第２転送部は、共通のゲート電極で構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
5. 前記第１転送部と前記第２転送部は、導電体を介して接続された別々のゲート電極で構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
6. 前記第１光電変換部は第１フォトダイオードで構成され、
   前記第２光電変換部は第２フォトダイオードで構成され、
   前記第１フォトダイオードのアノードに第３電位を供給する第１電位供給部と、
   前記第２フォトダイオードのカソードに第４電位を供給する第２電位供給部と、を備え、
   前記第３電位と前記第４電位との差が０．１０Ｖ以上である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
7. 前記第１半導体領域とＰＮ接合を成すＰ型の第３半導体領域と、
   前記第２半導体領域とＰＮ接合を成すＮ型の第４半導体領域と、を有し、
   前記第３半導体領域は前記第１電位供給部に接続されており、
   前記第４半導体領域は前記第２電位供給部に接続されている、請求項６に記載の光電変換デバイス。
8. 前記アノードを構成するＰ型の半導体領域と前記カソードを構成するＮ型の半導体領域とがＰＮ接合を成す、請求項６または７に記載の光電変換デバイス。
9. 前記第１光電変換部で生成された電子を前記第１半導体領域とは別のＮ型の半導体領域へ転送する第３転送部と、前記第２光電変換部で生成された正孔を前記第２半導体領域とは別のＰ型の半導体領域へ転送する第４転送部と、を備える、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
10. 前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とが、導電体を介して接続されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
11. 前記信号生成部はソースフォロワ回路を構成するトランジスタを含み、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域は、前記信号生成部の前記トランジスタのゲート電極に接続されている、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
12. 前記第１半導体領域は、電気的ローパスフィルタを介して前記信号生成部に接続されている、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
13. 前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の少なくとも一方が、トランジスタを介して前記信号生成部に接続されている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
14. 前記第１光電変換部と前記第２光電変換部は、前記第１光電変換部および前記第２光電変換部が配された半導体基板の表面に沿った方向に並んでいる、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
15. 前記第１光電変換部、前記第１半導体領域、前記第２光電変換部および前記第２半導体領域を含むセルがマトリックス状に配列された、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換デバイス。
16. 発光デバイスと、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換デバイスとを備え、前記発光デバイスが発した光を前記光電変換デバイスが受光する測距装置。
17. 前記発光デバイスが点滅を繰り返す、請求項１６に記載の測距装置。
18. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換デバイスを備えた測距装置と、前記測距装置から得られた情報を処理する情報処理装置とを備える、請求項１に記載の情報処理システム。
19. 前記情報処理装置は、前記情報処理装置によって処理された情報を表示装置に表示する、請求項１８に記載の情報処理システム。
20. 前記情報処理装置は、前記情報処理装置によって処理された情報に基づいて駆動装置を駆動する、請求項１８に記載の情報処理システム。

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