JP2017037937A - Photoelectric conversion device, ranging device and information processing system - Google Patents

Photoelectric conversion device, ranging device and information processing system Download PDF

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Yoichi Wada
洋一 和田
一 池田
Hajime Ikeda
一 池田
達人 郷田
Tatsuto Goda
達人 郷田
径介 太田
Keisuke Ota
径介 太田
長谷川 利則
Toshinori Hasegawa
利則 長谷川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion device having a simple configuration that generates a signal based on electrons and holes.SOLUTION: A photoelectric conversion device includes: a first photodiode for generating electrons; a second photodiode for generating holes; an N-type first semiconductor region for collecting the electrons generated by the first photodiode; a P-type second semiconductor region for collecting the holes generated by the second photodiode; and a signal generator to which the first semiconductor region and the second semiconductor region are commonly connected. A P-type third semiconductor region constituting the anode of the first photodiode and an N-type fourth semiconductor region constituting the cathode of the second photodiode are electrically separated from each other by a PN junction.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本技術は、光電変換デバイスに関する。   The present technology relates to a photoelectric conversion device.

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。   A distance measuring device (distance sensor) using a TOF (Time Of Flight) method is known. In the TOF method, an object whose distance is to be measured is irradiated with light from a light source, and light reflected by the object is received. Then, the distance to the object is calculated based on the relationship between the time from irradiation to light reception and the speed of light. Here, the light that has been irradiated from the light source for distance measurement and reflected from the object is referred to as signal light. However, the received light includes light (environment light) derived from a light source different from the light source for distance measurement, such as natural light and artificial light, in addition to the signal light. In order to increase the distance measurement accuracy, it is effective to separate ambient light and signal light.

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。   Patent Document 1 discloses that a component corresponding to ambient light is removed in an apparatus that performs distance measurement using a light detection element. In Embodiment 2 of Patent Document 1, a first photosensitive portion having a structure suitable for extracting holes and a second photosensitive portion having a structure suitable for extracting electrons are provided. The holes generated in the first photosensitive part are held in the hole holding part through the gate part, and the electrons generated in the second photosensitive part are held in the electron holding part through the gate part. The holes held in the hole holding unit and the electrons held in the electron holding unit are recombined in the recombination unit, and carriers remaining after the recombination are taken out as target carriers through the output unit.

特開2005−303268号公報JP 2005-303268 A

特許文献1の技術では、正孔用の光電変換部(感光部)と電子用の光電変換部(感光部)を用いた場合の、光電変換部の配置の仕方について検討が十分になされていない。そこで本発明は、電子および正孔に基づく信号を生成する、簡易な構成の光電変換デバイスを提供することを目的とする。   In the technique of Patent Document 1, in the case of using the photoelectric conversion section for hole photoelectric conversion portion (exposed portion) and electronic (photosensitive unit), studied how the arrangement of the photoelectric conversion unit has not been sufficiently . Therefore, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device having a simple configuration that generates a signal based on electrons and holes.

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フォトダイオードと、正孔を生成する第2フォトダイオードと、前記第1フォトダイオードで生成された電子を収集するN型の第1半導体領域と、前記第2フォトダイオードで生成された正孔を収集するP型の第2半導体領域と、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域が共通に接続された信号生成部と、を備え、前記第1フォトダイオードのアノードを構成するP型の第3半導体領域と、前記第2フォトダイオードのカソードを構成するN型の第4半導体領域と、がPN接合によって電気的に分離されていることを特徴とする。   Means for solving the above-described problem is a photoelectric conversion device that collects electrons generated by a first photodiode that generates electrons, a second photodiode that generates holes, and the first photodiode. An N-type first semiconductor region, a P-type second semiconductor region that collects holes generated by the second photodiode, and the first semiconductor region and the second semiconductor region are connected in common A P-type third semiconductor region constituting the anode of the first photodiode and an N-type fourth semiconductor region constituting the cathode of the second photodiode by a PN junction. It is electrically isolated.

本発明によれば、電子および正孔に基づく信号を生成する、簡易な構成の光電変換デバイスを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion device of a simple structure which produces | generates the signal based on an electron and a hole can be provided.

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。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a photoelectric conversion device, a distance measuring device, and an information processing system. 光電変換デバイスの回路を説明する模式図。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a circuit of a photoelectric conversion device. 光電変換デバイスの動作を説明する模式図。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the operation of a photoelectric conversion device. 光電変換デバイスの動作を説明する模式図。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the operation of a photoelectric conversion device. 光電変換デバイスの構造を説明する模式図。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a structure of a photoelectric conversion device. 光電変換デバイスの構造を説明する模式図。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a structure of a photoelectric conversion device. 光電変換デバイスの回路を説明する模式図。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a circuit of a photoelectric conversion device. 光電変換デバイスの動作を説明する模式図。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the operation of a photoelectric conversion device.

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。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in the following description and drawings, common reference numerals are given to common configurations over a plurality of drawings. Therefore, a common configuration is described with reference to a plurality of drawings, and a description of a configuration with a common reference numeral is omitted as appropriate.

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。   An information processing system SYS including the photoelectric conversion device 11 and the photoelectric conversion device 11 will be described with reference to FIG. The information processing system SYS includes a distance measuring device 1, and can further include at least one of an information processing device 2, a control device 3, a driving device 4, an imaging device 5, a display device 6, and a communication device 7. In the information processing system SYS, the photoelectric conversion device 11 is included in the distance measuring apparatus 1. The imaging device 5 includes a photoelectric conversion device different from the photoelectric conversion device 11 of the distance measuring device 1. However, the photoelectric conversion device 11 can also have the functions of the distance measuring device 1 and the imaging device 5. An application example of the information processing system SYS will be described later.

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。   The distance measuring device 1 includes a light receiving unit 10 and a light emitting unit 20. The light receiving unit 10 includes a photoelectric conversion device 11 and an optical system 12 that controls incident light to the photoelectric conversion device 11. The light emitting unit 20 includes a light emitting device 21 as a light source and an optical system 22 that controls light emitted from the light emitting device 21. The light emitting device 21 is preferably a light emitting diode because it can be repeatedly blinked at high speed. In addition, the emission wavelength of the light emitting device 21 is preferably infrared in order to reduce color mixing with ambient light mainly including visible light. Infrared rays are not easily seen by humans, so there is an advantage that they can be used comfortably. However, this example is not limited to infrared light. The optical systems 12 and 22 include a lens, a diaphragm, a mechanical shutter, a scattering plate, an optical low-pass filter, a wavelength selection filter, and the like. For example, the optical system 12 may include a filter that has a higher transmittance of infrared light than visible light. In the distance measuring device 1 shown in FIG. 1A, the optical systems 12 and 22 are used, but at least one of the optical systems may be omitted. When laser light is used as the light source, the optical system 22 can include a scanning optical system for scanning light emitted from the light emitting unit toward a predetermined region.

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(3×10m/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。 Light 81 emitted from the light emitting unit 20 is irradiated onto the object 9, reflected by the object 9, and received by the light receiving unit 10 as signal light 82. There is a difference between the light emission time at the light emitting unit 20 and the light reception time at the light receiving unit 10 based on the distance from the distance measuring apparatus 1 to the object 9 and the speed of light (3 × 10 8 m / s). By detecting a physical quantity corresponding to the magnitude of the difference in time, information based on the distance from the distance measuring device 1 to the object 9 or the distance from the distance measuring device 1 to the object 9 is obtained by, for example, an image. It can be obtained as data. As described above, the distance measuring device 1 is a distance measuring device using a TOF (Time Of Flight) method. The magnitude of the time difference described above can be detected by measuring the phase difference of light that changes periodically or the number of light pulses. If the distance between the light emitting unit 20 and the light receiving unit 10 is large, the distance measurement algorithm becomes complicated. Therefore, the distance between the light emitting unit 20 and the light receiving unit 10 is preferably set shorter than the desired distance measuring accuracy. The interval between the light emitting unit 20 and the light receiving unit 10 is set to 1 m or less, for example.

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。   Not only the signal light 82 but also ambient light 83 caused by a light source other than the light emitted from the light emitting device 21 as a light source is incident on the light receiving unit 10. The light source of the ambient light 83 is natural light or artificial light. In the distance measurement, the ambient light 83 becomes a noise component. For this reason, when the ratio of the ambient light 83 to the amount of received light is high, the dynamic range of the signal by the signal light 82 is reduced or the S / N is lowered, and distance information can be obtained from the signal light 82 with high accuracy. It becomes difficult. The photoelectric conversion device 11 of the present embodiment can remove at least a part of the component due to the ambient light 83 from the signal generated by the light reception by the photoelectric conversion device 11. Therefore, it is possible to increase the distance measurement accuracy. As will be described in detail later, in the present embodiment, at least a part of the component due to the ambient light 83 is removed by using a signal corresponding to the difference in the amount of signal charges generated by a plurality of photoelectric conversion units. . By using electrons and holes as signal charges, the difference in charge amount can be accurately detected with a simple structure. This makes it possible to increase the distance measurement accuracy.

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。   An outline of the photoelectric conversion device 11 as an example of the present embodiment will be described with reference to FIG. The photoelectric conversion device 11 includes a cell array 110 on a semiconductor substrate 100. In the cell array 110, a plurality of photoelectric conversion cells 111 are arranged in a matrix over a plurality of rows and a plurality of columns. In addition, the photoelectric conversion device 11 can include the row wiring 120, the column wiring 130, the driving unit 140, the control unit 150, the signal processing unit 160, the scanning unit 170, and the output unit 180 on the semiconductor substrate 100. Each of the plurality of photoelectric conversion cells 111 in the cell array 110 is connected to the drive unit 140 via a row wiring 120 arranged on the semiconductor substrate 100 for each row. The drive unit 140 selectively inputs drive signals such as a transfer signal and a reset signal to each of the plurality of photoelectric conversion cells 111 or simultaneously to the plurality of photoelectric conversion cells 111. Each of the plurality of photoelectric conversion cells 111 in the cell array 110 is connected to the signal processing unit 160 via a column wiring 130 disposed on the semiconductor substrate 100 for each column. The signal processing unit 160 processes a signal output from the photoelectric conversion cell 111 via the column wiring 130. The signal processing unit 160 can include a CDS circuit, an amplifier circuit, and an AD conversion circuit for each column of the cell array 110. The scanning unit 170 outputs a signal corresponding to each column, which is output from the cell array 110 to the signal processing unit 160 via each column wiring 130 and processed by the signal processing unit 160, from the signal processing unit 160 to the output unit 180. Output sequentially. The output unit 180 outputs a signal output from the signal processing unit 160 to the outside of the photoelectric conversion device 11, and includes an amplifier circuit, a protection circuit, and an electrode for connection to a circuit outside the photoelectric conversion device 11. it can. The control unit 150 generates a control signal, and controls the operation timing of the driving unit 140, the signal processing unit 160, the scanning unit 170, and the output unit 180 by using the control signal.

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。   An on-chip lens array (microlens array) or a wavelength filter can be provided on the light incident surface side of the semiconductor substrate 100. A surface irradiation type photoelectric conversion device can be obtained by setting the same side as the side (surface side) on which the row wiring 120 and the column wiring 130 are provided with respect to the semiconductor substrate 100 as the light incident surface side. A back-illuminated photoelectric conversion device can be obtained by setting the side opposite to the side where the row wiring 120 and the column wiring 130 are provided (back side) to the light incident surface side with respect to the semiconductor substrate 100.

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。   FIG. 2 shows an operation for eight rows when the cell array 110 has eight rows of photoelectric conversion cells 111. Here, an example of performing progressive scanning from the first line R1 to the eighth line R8 is shown, but interlaced scanning may be performed.

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。   The driving period Tdr of one photoelectric conversion cell 111 includes a reset period Trs in which a reset operation is performed, an accumulation period Tac in which a charge accumulation operation based on the signal light 82 is performed, and a readout operation in which a signal is read out based on the accumulated charge. Period Tsr. Note that the reading period Tsr can also be referred to as a period in which output from the photoelectric conversion cell to the column wiring is performed. The driving period Tdr can further include a period for performing another desired operation. In the example shown here, a plurality of photoelectric conversion cells 111 belonging to the same row are driven simultaneously within a single drive period Tdr. Signals output from the plurality of photoelectric conversion cells 111 belonging to the same row of the cell array 110 are processed by the signal processing unit 160 and output to the output unit 180 as described with reference to FIG.

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。   The frame period is a period in which the reset operation, the accumulation operation, and the read operation are performed in all the rows of the photoelectric conversion cells 111 constituting the cell array 110. For example, the start point of the first frame period F1 is the time when the reset operation of the first row R1 is started, and the end point of the first frame period F1 is the time when the read operation of the photoelectric conversion cell 111 of the eighth row R8 is finished. It is. The start point of the second frame period F2 is the time when the reset operation for the first row R1 is first started after the read operation for the first row R1 is completed in the first frame period F1. The end point of the second frame period F2 is the time when the read operation of the eighth row R8 is first completed after the read operation of the eighth row R8 is completed in the first frame period F1.

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。   As shown in FIG. 2, the accumulation operation of a plurality of rows (3 to 4 rows in this example) is performed in parallel, so that the accumulation period can be extended and the output of signals obtained during the accumulation period can be increased. . Even when the accumulation operations for a plurality of rows are performed in parallel, the signals for the plurality of rows can be separated by changing the timing of the read operation for each row.

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。   In addition, as shown in FIG. 2, the frame rate can be improved or one frame period can be extended by performing a series of operations so that a part of the first frame period F1 and a part of the second frame period F2 overlap. It becomes. That is, in FIG. 2, the reset operation and the accumulation operation of the first row are started at the time when reading of the first to fourth rows is completed in the first frame period F1.

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。   Not limited to this example, the reset operation, storage operation, and read operation for the next row may be started after all the reset operation, storage operation, and read operation for one row are completed. Further, the reset operation of the first row (first row) may be started after the read operation of the last row (eighth row) is completed.

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。   Next, an example of the structure of the photoelectric conversion cell 111 will be described. FIG. 3 shows an equivalent circuit of the photoelectric conversion cell 111. In FIG. 3, elements included in the photoelectric conversion cell 111 as a matrix-like repeating unit are surrounded by a chain line. Is done.

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。   The photoelectric conversion cell 111 includes a photoelectric conversion unit 301 and a photoelectric conversion unit 302. The photoelectric conversion unit 301 generates electrons as signal charges by photoelectric conversion, and the photoelectric conversion unit 302 generates holes as signal charges by photoelectric conversion. That is, the sign of the signal charge is reversed between the photoelectric conversion unit 301 and the photoelectric conversion unit 302. However, the photoelectric conversion unit 301 generates not only electrons but also holes, and the photoelectric conversion unit 302 generates not only holes but also electrons. Each of the photoelectric conversion units 301 and 302 in this example is a PN-type or PIN-type photodiode, and it is preferable to use an embedded type photodiode in order to reduce dark current. Using embedded photodiodes as the photoelectric conversion units 301 and 302 can reduce dark current as compared with the case where a photogate is used for the photoelectric conversion units 301 and 302, and is important in receiving a small amount of signal light. This is advantageous in improving N. The photodiode as the photoelectric conversion unit 301 includes a cathode 201 that is an N-type semiconductor region that uses electrons as a majority carrier, and an anode 211 that is a P-type semiconductor region that uses electrons as a minority carrier. The photodiode as the photoelectric conversion unit 302 includes an anode 202 that is a P-type semiconductor region using holes as a majority carrier, and a cathode 212 that is an N-type semiconductor region using holes as a minority carrier.

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。   The photoelectric conversion cell 111 includes a capacitor unit 307 capable of holding electrons as signal charges generated by the photoelectric converter 301, and a capacitor unit 310 capable of holding holes as signal charges generated by the photoelectric converter 302. Have.

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。   The capacity unit 307 includes a reference node 217 and a collection node 207. The collection node 207 collects electrons as signal charges generated by the photoelectric conversion unit 301. The capacitor unit 307 is configured such that a potential difference corresponding to the amount of charge held in the capacitor unit 307 appears between the collection node 207 and the reference node 217. That is, the capacitor unit 307 functions as a charge-voltage conversion unit that converts a charge amount into a voltage. The capacity unit 310 includes a reference node 200 and a collection node 210. The collection node 210 collects holes as signal charges generated by the photoelectric conversion unit 302. The capacitor unit 310 is configured such that a potential difference corresponding to the amount of charge held in the capacitor unit 310 appears between the collection node 210 and the reference node 200. That is, the capacitor 310 functions as a charge-voltage converter that converts the amount of charge into a voltage.

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。   Each of the capacitor portions 307 and 310 has a PN junction type diode structure. The reference node 217 and the collection node 210 are P-type semiconductor regions, and the reference node 200 and the collection node 207 are N-type semiconductor regions. The collection nodes 207 and 210 that hold signal charges are floating nodes that are electrically floating, and the semiconductor regions that constitute the collection nodes 207 and 210 are floating impurity diffusion regions, that is, floating diffusions. is there. Electrons as signal charges can be collected at the collection node 207 which is an N-type semiconductor region, and the electrons can be held at the collection node 207. Further, holes as signal charges can be collected in the collection node 210 which is a P-type semiconductor region, and the holes can be held in the collection node 210. Although details will be described later, the photoelectric conversion device 11 can operate so that the signal charge is selectively held in one of the collection node 207 and the collection node 210.

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。   Among the electrons and holes generated by the photoelectric conversion unit 301, the photoelectric conversion cell 111 includes a transfer unit 303 in order to efficiently collect electrons in the collection node 207 of the capacitor unit 307. Similarly, the photoelectric conversion cell 111 includes a transfer unit 306 in order to efficiently collect holes among the electrons and holes generated by the photoelectric conversion unit 301 in the collection node 210 of the capacitor unit 310. Therefore, the collection nodes 207 and 210 can be rephrased as nodes to which signal charges are transferred from the photoelectric conversion units 301 and 302, respectively. Since the collection nodes 207 and 210 can hold the charges transferred from the photoelectric conversion units 301 and 302, the collection node (capacitance unit) can also be referred to as a charge holding unit.

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。   Each of the transfer unit 303 and the transfer unit 306 has a MIS type gate structure. That is, the transfer unit 303 has a stacked structure of a semiconductor region (channel region), a gate insulating film, and a gate electrode. Therefore, the transfer units 303 and 306 can also be referred to as transfer gates. In the ON state (conductive state), the transfer unit 303 is inverted to form an N-type channel in the semiconductor region, and in the ON state, the transfer unit 306 is inverted to form a P-type channel in the semiconductor region. Thus, the transfer unit 303 and the transfer unit 306 have different conductivity types.

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。   In this example, the gate electrode of the transfer unit 303 and the gate electrode of the transfer unit 306 are commonly connected to the transfer node 218. In addition, a transfer signal output unit 428 is connected to the transfer node 218, and the transfer signal TX 1 is input from the transfer signal output unit 428 to the transfer node 218. The transfer unit 303 and the transfer unit 306 have different conductivity types and are configured to operate complementarily. That is, the transfer unit 306 is in an OFF state (non-conducting state) while the transfer unit 303 is in the ON state by the transfer signal TX1, and the transfer unit 306 is in the ON state during the period in which the transfer unit 303 is in the OFF state by the transfer signal TX1. Become.

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。   The transfer unit 303 and the transfer unit 306 may have thresholds set so that both are set to an OFF state by setting the transfer node 218 to a predetermined potential. The predetermined potential may be a potential between a potential at which the transfer unit 303 is turned on and the transfer unit 306 is turned off and a potential at which the transfer unit 303 is turned off and the transfer unit 306 is turned on. Such a predetermined potential is determined in accordance with the potential of the semiconductor region in the MIS type gate structure and the threshold value of the MIS type gate structure. The difference between the potential level High at which the transfer unit 303 is turned on and the potential level Mid at which the transfer unit 303 is turned off is, for example, 1V to 5V. The difference between the potential level Low at which the transfer unit 306 is turned on and the potential level Mid at which the transfer unit 303 is turned off is, for example, 1V to 5V. It is preferable to set the potential level High to a potential (positive potential) higher than the ground potential GND (0 V) and the potential level Low to a potential (negative potential) lower than the ground potential GND. For example, the potential level Mid can be set to the ground potential GND. It is also possible to reduce the circuit scale by setting both the potential level High and the potential level Low to a positive potential, or setting both the potential level High and the potential level Low to a negative potential.

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。   Note that the transfer unit 303 and the transfer unit 306 may be connected to different transfer nodes, and the ON / OFF states of the transfer unit 303 and the transfer unit 306 may be controlled by independent transfer signals. However, it is preferable that the transfer unit 303 and the transfer unit 306 are connected to a common transfer node 218 so that the same transfer signal TX1 is input to the gate electrodes of the transfer unit 303 and the transfer unit 306. By doing in this way, the precision of the timing control of the ON / OFF state of the transfer part 303 and the transfer part 306 can be improved. In addition, since the transfer units 303 and 306 can be driven by a common drive circuit and wiring, the configuration of the photoelectric conversion device 11 can be simplified.

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。   In this way, the collection node 207 is connected to the cathode 201 via the transfer unit 303. Similarly, the collection node 210 is connected to the anode 202 via the transfer unit 306.

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。   Note that the collection node 207 can be connected to the cathode 201 without using an active element such as the transfer unit 303. Similarly, the collection node 210 can be connected to the anode 202 without using an active element such as the transfer unit 306. For example, by setting the potentials of the photoelectric conversion unit 301 and the capacitor unit 307 in an appropriate relationship, electrons generated by the photoelectric conversion unit 301 can be collected in the collection node 207 even if the transfer unit 303 is omitted. Similarly, by setting the potentials of the photoelectric conversion unit 302 and the capacitor unit 310 in an appropriate relationship, holes generated by the photoelectric conversion unit 302 can be collected in the collection node 210 even if the transfer unit 306 is omitted. Can do. Further, the photoelectric conversion unit 302 itself functions as a capacitor unit 307 having a capacity corresponding to the junction capacitance, and the photoelectric conversion unit 302 itself functions as a capacitor unit 310 having a capacity corresponding to the junction capacitance. You may comprise. For example, a high-concentration portion in which an N-type impurity concentration is higher than other portions may be provided in a part of the N-type semiconductor region of the photodiode, and the high-concentration portion may be used as a collection node. Further, as an alternative to switching between transfer and non-transfer of charges from the photoelectric conversion units 301 and 302 by the transfer units 303 and 306, the discharge units connected to the photoelectric conversion units 301 and 302 from the photoelectric conversion units 301 and 302 It is also possible to switch between charge non-discharge and discharge. However, by switching between charge transfer and non-transfer using the transfer units 303 and 306, it is possible to control charges with higher accuracy than when the transfer units 303 and 306 are not used.

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。   A reference potential supply unit 411 is connected to the anode 211 of the photoelectric conversion unit 301 and the reference node 217 of the capacitor unit 307. The reference potential VF1 is commonly supplied from the reference potential supply unit 411 to the anode 211 of the photoelectric conversion unit 301 and the reference node 217 of the capacitor unit 307. A reference potential supply unit 412 is connected to the cathode 212 of the photoelectric conversion unit 302 and the reference node 200 of the capacitor unit 310. The reference potential VF <b> 2 is commonly supplied from the reference potential supply unit 412 to the cathode 212 of the photoelectric conversion unit 302 and the reference node 200 of the capacitor unit 310.

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。   As described above, holes are also generated in the photoelectric conversion unit 301, but the holes are discharged to the anode 211 side. Similarly, electrons are also generated in the photoelectric conversion unit 302, but the electrons are discharged to the cathode 212 side.

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。   The collection node 207 of the capacity unit 307 and the collection node 210 of the capacity unit 310 are both connected to the detection node 220. A potential corresponding to the amount of electrons transferred from the photoelectric conversion unit 301 to the capacitor unit 307 and the capacitance of the capacitor unit 310 appears at the collection node 207 and the detection node 220. Similarly, a potential corresponding to the amount of holes transferred from the photoelectric conversion unit 302 to the capacitor unit 310 and the capacitance of the capacitor unit 310 appears at the collection node 210 and the detection node 220. As a result, the potential at the detection node 220 is the sum of the potential that can appear at the detection node 220 due to the electrons collected at the collection node 207 and the potential that can appear at the detection node 220 due to the holes collected at the collection node 210. Will appear.

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10S/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(10Ω・m以上の抵抗率)を有する。また、半導体は10−7S/mと10S/mの間の導電率(10−4Ω・mと10Ω・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(1019/cm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。 Further, the collection node 207 and the collection node 210 are electrically connected to each other. The electrical connection between the collection node 207 and the collection node 210 is made by a conductor (electric conductor). That is, typically, the collection node 207 and the collection node 210 are directly connected by a conductor. The conductor has a conductivity of 10 4 S / m or more (a resistivity of 10 −4 Ω · m or less). Note that the insulator has a conductivity of 10 −7 S / m or less (a resistivity of 10 7 Ω · m or more). Further, the semiconductor has a conductivity between 10 −7 S / m and 10 4 S / m (a resistivity between 10 −4 Ω · m and 10 7 Ω · m). Examples of the conductor include metals, metal compounds, graphite, and polycrystalline silicon. Further, silicon with a high impurity concentration (10 19 / cm 3 or more) can also be said to behave like a conductor. Since the collection node 207 and the collection node 210 are connected by a conductor, charge transfer between the collection node 207 and the collection node 210 is smooth. Therefore, the time until the potentials of the collection node 207 and the collection node 210 are stabilized can be shortened.

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。   The following phenomena are considered to occur transiently. First, a difference occurs between the amount of electrons collected by the collection node 207 and the amount of holes collected by the collection node 210. In accordance with this difference, a potential difference is generated between the collection node 207 and the collection node 210. Electrons move between the collection node 207 and the collection node 210 through the conductor so as to reduce this potential difference. Then, electrons and holes are recombined (pair annihilation) at the collection node 210. Then, a potential corresponding to the amount of charge that is the difference between the amount of electrons collected by the collection node 207 and the amount of holes collected by the collection node 210 appears at the detection node 220.

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。   In this example, since the collection node 207 and the collection node 210 are directly connected by a conductor, the collection node 207, the collection node 210, and the detection node 220 can be regarded as the same potential. For example, a switch can be provided between the collection node 207 and the detection node 220 and / or between the collection node 210 and the detection node 220. Accordingly, at least two of the collection node 207, the collection node 210, and the detection node 220 can be temporarily driven so as to have different potentials.

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を接地電位GND(0V)よりも低く(VF1<GND)し、基準電位VF2を接地電位GND(0V)よりも高くする(GND<VF2)こともできる。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。   The potential of the detection node 220 is VN, the potential of the collection node 207 is VN1, and the potential of the collection node 210 is VN2. Here, the potentials VN, VN1, and VN2 are variable potentials. As described above, in the present embodiment, the collection node 207 and the collection node 210 are commonly connected to the detection node 220, so that VN≈VN1≈VN2. Here, considering the ease of collecting the electrons of the cathode 201 of the photoelectric conversion unit 301 by the collection node 207, it is preferable that VF1 <VN1. Considering the ease of collecting the holes of the anode 202 of the photoelectric conversion unit 302 by the collection node 210, it is preferable that VN2 <VF2. Since VN1 = VN2 for VF1 <VN1 and VN2 <VF2, VF1 <VF2. As described above, the fact that the reference potential VF2 is higher than the reference potential VF1 (VF1 <VF2) is advantageous in improving the distance measurement accuracy compared with the case where the reference potential VF2 is equal to or lower than the reference potential VF1 (VF1 ≧ VF2). It is. This is because the charge collection efficiency is increased, and high-speed operation and high-accuracy signal acquisition are possible. Practically, the potential difference between the reference potential VF1 and the reference potential VF2 is preferably 0.10V or more. Therefore, in this example, the reference potential supply unit 411 and the reference potential supply unit 412 are provided separately. The potential difference between the reference potential VF1 and the reference potential VF2 is typically 1V or more and 5V or less. The reference potential VF1 can be set lower than the ground potential GND (0V) (VF1 <GND), and the reference potential VF2 can be set higher than the ground potential GND (0V) (GND <VF2). That is, the reference potential VF1 may be a negative potential and the reference potential VF2 may be a positive potential.

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。   The detection node 220 is connected to the signal generation unit 315. In this example, the signal generation unit 315 is a MOS transistor (amplification transistor) having a gate, a source, and a drain, and the detection node 220 is connected to the gate of the signal generation unit 315 (amplification transistor).

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。   The drain of the signal generation unit 315 is connected to the power supply unit 432, and the power supply potential VDD is supplied from the power supply unit 432. The source of the signal generation unit 315 is connected to the constant current source 430 via the MOS transistor (selection transistor) 316, and the signal generation unit 315 constitutes a source follower circuit together with the constant current source 430. During the read operation, the selection signal SL is output from the selection signal supply unit 426 connected to the gate of the selection transistor 316 to turn on the selection transistor 316. As a result, the signal generation unit 315 generates a pixel signal corresponding to the potential of the detection node 220, and outputs this pixel signal to the output line 431 that is a part of the column wiring 130 in FIG.

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。   In this example, an electrical low-pass filter 433 is provided between the detection node 220 and the signal generation unit 315. By providing the electrical low-pass filter 433, the output from the signal generation unit 315 can be stabilized even when the potential of the detection node 220 vibrates, and the ranging accuracy can be improved. The electrical low-pass filter 433 can be configured by a resistor connected in series to the gate of the amplification transistor and a capacitor connected in parallel to the gate, but is not limited thereto. Further, the electrical low-pass filter 433 can be omitted.

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)。   The collection node 207 and the collection node 210 reset potential supply section 413 via the MOS transistor (reset transistor) 313 are commonly connected. The reset potential supply unit 413 outputs a reset potential VS1. The reset transistor 313 is turned on by the reset signal RS1 output from the reset signal output unit 423 to the gate of the reset transistor. As a result, the potential VS11 corresponding to the reset potential VS1 is supplied from the reset potential supply unit 413 to the collection node 207. That is, the potential VN1 of the collection node 207 becomes the potential VS11 (VN1 = VS11). Similarly, the potential VS12 corresponding to the reset potential VS1 is supplied from the reset potential supply unit 413 to the collection node 210. That is, the potential VN1 of the collection node 210 becomes the potential VS11 (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。   By supplying the potential VS11 to the collection node 207 of the capacitor 307 during the reset operation, electrons held in the capacitor 307 are discharged to the reset potential supplier 413. By supplying the potential VS12 to the collection node 210 of the capacitor unit 310, holes held in the capacitor unit 310 are discharged to the reset potential supply unit 413.

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。   The potential difference between the potential VS11 and the potential VS12 is less than 0.10 V, which is advantageous in improving the distance measurement accuracy compared to the potential difference between the potential VS11 and the potential VS12 being 0.10 V or more. With respect to the collection node 207 and the collection node 210 connected in common to the detection node 220, the operation of the accumulation period Tac after the reset period Trs is stabilized by setting the potential difference between the potential VS11 and the potential VS12 to be less than 0.10V. Can do. In order to set the potential difference between the potential VS11 and the potential VS12 to be less than 0.10 V, the collection node 207 and the collection node 210 may be connected by a conductor having high conductivity. Further, in order to make the potential difference between the potential VS11 and the potential VS12 less than 0.10V, the resistance between the collection node 207 and the collection node 210 is such that the difference between the potential VS11 and the potential VS12 is 0.10V or more. If it is not arranged. It should be noted that a slight potential difference of less than 0.10 V due to inevitable resistances or manufacturing errors is acceptable.

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。   In this example, the potential VS12 is applied to the collection node 210 at the same time as the potential VS11 is applied to the collection node 207. Switches may be provided between the reset signal output unit 423 and the collection node 207 and between the reset signal output unit 423 and the collection node 210, respectively. In that case, the timing at which the potential VS11 is applied to the collection node 207 and the timing at which the potential VS12 is applied to the collection node 210 can be different.

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。   The potential VS11 is preferably higher than the reference potential VF1 (VF1 <VS11). By doing so, it is possible to increase the electron collection efficiency at the collection node 207 after the reset period Trs. The potential VS12 is preferably lower than the reference potential VF2 (VS12 <VF2). By doing in this way, the collection efficiency of the hole in the collection node 210 after the reset period Trs can be improved. As described above, if VS11 = VS12 = VS1, in order to satisfy both VF1 <VS11 and VS12 <VF2, the reset potential VS1 is set to a potential between the reference potential VF1 and the reference potential VF2 (VF1 <VS1). <VF2) is preferred.

電位VS11は例えば−5〜+5V、好適には−2〜+2Vの範囲から選択することができる。電位VS12も例えば−5〜+5V、好適には−2〜+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。   The potential VS11 can be selected from a range of, for example, -5 to + 5V, preferably -2 to + 2V. The potential VS12 can also be selected from the range of, for example, -5 to + 5V, preferably -2 to + 2V. The difference between the potential VS11 and the potential VS12 is preferably 0. A circuit may be designed so as to satisfy VF1 <VS11 and VS12 <VF2 within the preferable ranges of the reference potentials VF1 and VF2 and within the preferable ranges of the potentials VS11 and VS12.

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。   In the example of FIG. 3, the transfer unit 304 and the capacitor unit 308 are connected to the photoelectric conversion unit 301 in the same manner as the transfer unit 303 and the capacitor unit 307. That is, the transfer unit 303 and the capacitor unit 307, the transfer unit 304, and the capacitor unit 308 are connected in parallel to the photoelectric conversion unit 301. Similarly, the transfer unit 305 and the capacitor unit 309 are connected to the photoelectric conversion unit 302 in the same manner as the transfer unit 306 and the capacitor unit 310. That is, the transfer unit 306, the capacitor unit 310, the transfer unit 304, the transfer unit 305, and the capacitor unit 309 are connected in parallel to the photoelectric conversion unit 301. Note that the transfer unit 304 and the capacity unit 308 can have the same configuration as the transfer unit 303 and the capacity unit 307, and the transfer unit 305 and the capacity unit 309 have the same configuration as the transfer unit 306 and the capacity unit 310. Can be.

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。   In this example, each gate electrode of the MIS type gate structure included in each of the transfer unit 304 and the transfer unit 305 is commonly connected to the transfer node 219. A transfer signal output unit 429 is connected to the transfer node 219. Then, the transfer signal TX <b> 2 is input from the transfer signal output unit 429 to the transfer node 219. The transfer unit 304 and the transfer unit 305 have different conductivity types and are provided in a complementary manner. Therefore, the transfer unit 305 is in the OFF state (non-conduction state) during the period in which the transfer unit 304 is in the ON state (conducting state) by the transfer signal TX2, and the transfer unit is in the period in which the transfer unit 304 is in the OFF state by the transfer signal TX2. 305 is turned on. Note that it is desirable that the transfer unit 304 and the transfer unit 305 have thresholds set so that both are set to an OFF state by setting the transfer node 219 to a predetermined potential. Such a predetermined potential is determined in accordance with the potential of the semiconductor region in the MIS type gate structure and the threshold value of the MIS type gate structure. The difference between the potential level High at which the transfer unit 304 is turned on and the potential level Mid at which the transfer unit 304 is turned off is, for example, 1V to 5V. The difference between the potential level Low at which the transfer unit 305 is turned on and the potential level Mid at which the transfer unit 305 is turned off is, for example, 1V to 5V. It is preferable to set the potential level High to a potential (positive potential) higher than the ground potential GND (0 V) and the potential level Low to a potential (negative potential) lower than the ground potential GND. For example, the potential level Mid can be set to the ground potential GND. It is also possible to reduce the circuit scale by setting both the potential level High and the potential level Low to a positive potential, or setting both the potential level High and the potential level Low to a negative potential. Note that the transfer unit 304 and the transfer unit 305 can be connected to different transfer nodes, and the ON / OFF states of the transfer unit 304 and the transfer unit 305 can be controlled by independent transfer signals. In addition, it is preferable that the transfer unit 303 and the transfer unit 304 connected to the photoelectric conversion unit 301 are operated so that the ON state and the OFF state are opposite to each other, that is, operate in a complementary manner. That is, during the period in which the transfer unit 303 is in the ON state by the transfer signal TX1, the transfer unit 304 is in the OFF state by the transfer signal TX2. Further, during a period in which the transfer unit 303 is in the OFF state by the transfer signal TX1, the transfer unit 304 is in the ON state by the transfer signal TX2. Similarly, it is preferable to operate the transfer unit 305 and the transfer unit 306 connected to the photoelectric conversion unit 302 so that the ON state and the OFF state are opposite to each other, that is, operate in a complementary manner. That is, during a period in which the transfer unit 306 is in the ON state by the transfer signal TX1, the transfer unit 305 is in the OFF state by the transfer signal TX2. Further, during a period in which the transfer unit 306 is in the OFF state by the transfer signal TX1, the transfer unit 305 is in the ON state by the transfer signal TX2. By doing in this way, the transfer of signal charges from one photoelectric conversion unit can be performed alternately between two transfer units connected to the one photoelectric conversion unit.

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。   The capacitor unit 308 collects the electrons transferred from the photoelectric conversion unit 301 via the transfer unit 304 in the collection node 208. The capacitor unit 309 collects the holes transferred from the photoelectric conversion unit 302 via the transfer unit 305 in the collection node 209. Each of the capacitor portions 308 and 309 has a PN junction type diode structure. The collection node 208 of the capacitor unit 308 is an N-type semiconductor region, and the collection node 209 of the capacitor unit 309 is a P-type semiconductor region. The reference node 228 of the capacitor 308 is a P-type semiconductor region, and the reference node 229 of the capacitor 309 is an N-type semiconductor region. A reference potential supply unit 411 is connected to the reference node 228 to supply a reference potential VF1. A reference potential supply unit 412 is connected to the reference node 229 and supplied with a reference potential VF2.

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。   The collection node 208 and the collection node 209 are commonly connected to a reset potential supply unit 414 via a MOS transistor (reset transistor) 314. The reset potential supply unit 414 outputs a reset potential VS2. The reset transistor 314 is turned on by the reset signal RS2 output from the reset signal output unit 424. Thereby, the potentials of the collection node 208 and the collection node 209 can be set to a predetermined reset potential.

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。   In the example of FIG. 3, the charges transferred from the photoelectric conversion unit to the collection nodes 208 and 209 in the capacitor units 308 and 309 are discharged. However, similarly to the signal generation unit 315, a signal generation unit may be connected to the capacitor units 308 and 309 so that signals based on the charges of the capacitor units 308 and 309 are read out. In such a configuration, the signal generated by the signal generator based on the charges of the capacitors 308 and 309 and the signal generated by the signal generator based on the charges of the capacitors 307 and 310 are It can also be synthesized. In this way, it is possible to increase the intensity of the pixel signal.

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。   The potential used for the circuit mentioned above is illustrated. The ground potential GND is set to 0V. As a first example, VS1, VS2 = 0V, VF1 = −1V, VF2 = + 1V, High = + 2V, Mid = 0V, and Low = −2V. As a second example, VS1, VS2 = + 1V, VF1 = 0V, VF2 = + 2V, High = + 3V, Mid = + 1V, and Low = −1V. The second example is an example in which each potential of the first example is shifted by S (V), and corresponds to the case of S = -1. As a third example, VS1, VS2 = + 0V, VF1 = -2V, VF2 = + 2V, High = + 4V, Mid = + 0V, Low = -4V. The third example is an example in which the potential of the first example is T times, and corresponds to the case of T = 2. The value S described above may be a positive value or a negative value, and the value T described above may be less than 1. The second example may be combined with the second example, and the first example may be shifted S (V) and multiplied by T. The actual value of the potential can be adjusted as appropriate while maintaining the magnitude relationship of the potential, the potential difference, and the magnitude difference of the potential difference obtained from each potential in the three examples described above.

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。   Next, the operation per driving time Tdr of one photoelectric conversion cell 111 of the distance measuring device 1 will be described with reference to FIG. In the description using FIG. 4, the periods p1 to p10 are periods from time t0 to time t10.

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。   4A shows the light emission level Le of the light emitting device 21 and the light receiving levels Lr1 and Lr2 of the photoelectric conversion device 11. FIG. In the periods p1, p4, p5, p7, and p9 where the light emission level Le is the light amount Loff, the light emitting device 21 is turned off. During the periods p2, p3, p6, and p8 where the light emission level Le is Lon, the light emitting device 21 is lit. In this way, the light emitting device 21 repeats blinking with the time Tcy from time t1 to t5 as one cycle. Here, for simplification of explanation, it is assumed that the blinking is repeated three times. However, in reality, by repeating blinking, for example, 100 to 10,000 times within the accumulation period Tac for one distance measurement, Sufficient accuracy can be ensured.

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3×10m/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。 When the light speed is c (m / s), the delay time from light emission to light reception based on the distance d (m) from the distance measuring device 1 to the object 9 is 2 × d / c (s). It is only necessary to detect the delay time from light emission to light reception during one cycle Tcy. Since the speed of light is 3 × 10 8 m / s, that is, 0.3 m / ns, one cycle Tcy is set to, for example, 1 ns to 1000 ns, preferably 10 ns to 100 ns. For example, the delay from light emission to light reception corresponding to a distance difference of 0.3 m is 2 ns. Therefore, if one cycle Tcy is 10 ns, a distance difference of 0.3 m can be detected by detecting a physical quantity corresponding to this delay time in 10 ns. From the period Tcy and the number of repetitions of blinking, one distance measurement is completed in a short time of 1 μs to 10 ms at most. Therefore, the cell array 110 can be read about 10 to 1000 rows and about 1 to 1000 frames per second. For example, if the driving period Tdr for one row is 1 μs, 1000 frames can be read out for 1000 frames per second, and if the driving period Tdr for one row is 10 ms, 100 frames are read out for 1 frame per second. Can do.

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。   Corresponding to the light emission of the light emitting device 21, the light amounts received by the photoelectric conversion device 11 are Lra and Lrb. The waveform indicated by the light reception level Lr1 starts light reception at a time t2 after the time Tda from the light emission start time t1 and a time t4 after the time Tda from the light emission end time t3 according to the distance from the distance measuring device 1 to the object. Indicates that light reception is terminated. The waveform indicated by the light reception level Lr2 starts light reception at a time t2 ′ after the time Tdb from the light emission start time t1 and a time after the time Tdb from the light emission end time t3 according to the distance from the distance measuring device 1 to the object. The light reception is terminated at t4 ′. In this example, since Tda <Tdb, the signal light indicated by the light reception level Lr1 is reflected by an object closer to the distance measuring device 1 than the signal light indicated by the light reception level Lr2. I understand. Further, in this example, since Lrb <Lra, the signal light indicated by the light reception level Lr1 may have a higher reflectance than the signal light indicated by the light reception level Lr2.

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。   Here, in the period when the photoelectric conversion device 11 receives light corresponding to the light emission of the light emitting device 21, the light amounts Lra and Lrb received by the photoelectric conversion device 11 include not only the signal light 82 shown in FIG. Ambient light 83 is also included. The amount of light received for this ambient light is Lam. Of the received light amounts Lra and Lrb, the light amount obtained by subtracting Lam is signal light having actual distance information.

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。   FIG. 4B shows temporal changes in the reset signals RS1 and RS2 (dotted lines), the selection signal SL (solid line), the transfer signal TX1 (one-dot chain line), and the transfer signal TX2 (two-dot chain line). Note that the potential level High is a potential higher than the potential level Low, and the potential level Mid is a potential between the potential level High and the potential level Low. The potential level High, the potential level Mid, and the potential level Low can each include a certain range of potentials. For example, the potential level Mid is a certain range of potential including the ground potential (0 V). In FIG. 4B, the potential at the portion where the horizontal axis indicating the time is located is the potential level Mid. In FIG. 4B, for convenience, it is assumed that the transistor operates in the same manner as the potential level High at a transient potential (rising and falling potential) between the potential level Mid and the potential level High. I will explain. Similarly, a transitional potential (rising or falling potential) between the potential level Mid and the potential level High will be described assuming that the same operation as the potential level Low and the potential level High is performed. Note that the potential level at which the transistor is turned on and the potential level at which the transistor is turned off need not be a common potential, and may be different from each other.

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。   The reset signals RS1 and RS2 are simultaneously at the potential level High, but the period during which the reset signals RS1 and RS2 are at the potential level High may be different. The transfer signal TX1 and the transfer signal TX2 are typically rectangular waves or sine waves having the same period with the polarity reversed. The cycle of the transfer signal TX1 and the transfer signal TX2 is preferably the same as the cycle Tcy of light emission from the light emitting device 21, but the cycle of the transfer signal and the light emission cycle are slightly different unless the accuracy of distance measurement is low. It may be.

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であ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。   During the period p1 in which the reset signals RS1 and RS2 are higher than the potential level Mid (typically, the potential level High), the reset transistors 313 and 314 are in the ON state. The reset transistors 313 and 314 are in the OFF state at times t1 to t10 during which the reset signals RS1 and RS2 are at the potential level Mid. In FIG. 4A, the reset signal RS1 and the reset signal RS2 are described as being the same, but may be different as necessary in a period not shown.

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。   In periods p2, p3, p6, and p8 where the transfer signal TX1 is higher than the potential level Mid (typically, the potential level High), the transfer unit 303 is in the ON state and the transfer unit 306 is in the OFF state. During periods p4, p5, p7, and p9 where the transfer signal TX1 is lower than the potential level Mid (typically, the potential level Low), the transfer unit 303 is in the OFF state and the transfer unit 306 is in the ON state. It is preferable that the time from when the reset transistors 313 and 314 change from the ON state to the OFF state until one of the transfer unit 303 and the transfer unit 306 becomes ON is as short as possible.

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。   In the periods p2, p3, p6, and p8 when the transfer signal TX2 is lower than the potential level Mid (typically, the periods p2, p3, p6, and p8, the transfer unit 305 is in the ON state and the transfer unit 304 is in the OFF state. In the periods p4, p5, p7, and p9 during which p is higher than the potential level Mid (typically, the potential level High), the transfer unit 305 is in the OFF state and the transfer unit 304 is in the ON state. It is better that the time from when the ON state is changed to the OFF state until one of the transfer unit 304 and the transfer unit 305 becomes ON is as short as possible.

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。   During the period (or time) when the transfer signal TX1 is at the potential level Mid, the transfer unit 303 and the transfer unit 306 are in the OFF state, and during the period (or time) when the transfer signal TX2 is at the potential level Mid. The transfer unit 304 is in an OFF state. Such a potential level Mid is determined according to the characteristics of the transfer units 303, 304, 305, and 306 as described above.

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。   FIG. 4C shows a change in the potential of the detection node 220. The potential change S1 indicates a change in potential due to the light reception level Lr1, and the potential change S2 indicates a change in potential due to the light reception level Lr2.

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。   In the period p1, the collection nodes 207 and 210 and the detection node 220 are set to potentials (potentials VS11 and VS12) corresponding to the reset potential VS1 by the reset potential supply unit 413.

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。   In the period p <b> 2, electrons generated by the photoelectric conversion unit 301 according to the light amount Lam of the ambient light 83 are transferred to the capacitor unit 307. When electrons are generated by the photoelectric conversion unit 301, the potential of the cathode 201 becomes higher than the potential of the anode 211. If the potential of the anode 211 is, for example, VF1 = -2V, the potential of the cathode 201 is about -1V. Due to the reset potential VS1, the potential of the collection node 207 is higher than the potential of the anode 211 (VF1 <VS1). For this reason, if the transfer unit 303 is in the ON state, the generated electrons quickly move to the collection node 207 having a higher potential than the potential of the cathode 201. As the electrons are transferred, the potential of the detection node 220 connected to the collection node 207 decreases.

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。   In the period p <b> 3, electrons generated by the photoelectric conversion unit 301 according to the light amount Lra including the signal light 82 that is stronger than the light amount Lam of the ambient light 83 are transferred to the capacitor unit 307. As the electrons are transferred, the potential of the detection node 220 connected to the collection node 207 decreases with a larger gradient than the period p2. This is because the amount of light received per unit time increases by the amount of the signal light 82.

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。   In the period p <b> 4, holes generated by the photoelectric conversion unit 302 according to the light amount Lra including the signal light 82, which is stronger than the light amount Lam of the ambient light 83, are transferred to the capacitor unit 310. As the holes are transferred, the potential of the detection node 220 connected to the collection node 210 increases.

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。   Here, in the periods p2 and p3, the transfer unit 305 is in the ON state. Therefore, holes generated by the photoelectric conversion unit 302 in the periods p2 and p3 are transferred to the capacitor unit 309 during the periods p2 and p3. Therefore, after the transfer unit 306 is switched to the ON state at time t3, for example, the holes transferred to the capacitor unit 310 in the period p4 are longer than the holes generated in the photoelectric conversion unit 302 in the periods p2 and p3. More holes are generated at p4. Ideally, holes generated by the photoelectric conversion unit 302 in the periods p2 and p3 are not transferred to the capacitor unit 310 in the period p4.

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。   In the period p <b> 5, holes generated by the photoelectric conversion unit 302 according to the light amount Lam of the ambient light 83 are transferred to the capacitor unit 310. As the holes are transferred, the potential of the detection node 220 connected to the collection node 210 increases.

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。   The same is repeated for periods p6, p7, p8, and p9. Here, in the periods p4 and p5, the transfer unit 304 is in the ON state. Therefore, electrons generated by the photoelectric conversion unit 301 in the periods p4 and p5 are transferred to the capacitor unit 308 during the periods p4 and p5. Therefore, after the transfer unit 303 is switched to the ON state at time t5, for example, electrons transferred to the capacitor unit 307 in the period p6 are in the period p6, compared to electrons generated in the photoelectric conversion unit 301 in the periods p4 and p5. More electrons are generated. Ideally, electrons generated by the photoelectric conversion unit 301 in the periods p4 and p5 are not transferred to the capacitor unit 307 in the period p6.

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。   By repeating such a cycle Tcy many times, it is possible to obtain a signal suitable for distance measurement in which the components of the ambient light 83 are removed and the components of the signal light 82 are integrated.

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)。   The light reception level Lr1 is such that the delay time Tda is less than ¼ of the cycle Tcy (Tda <Tcy / 4). Therefore, the potential of the detection node 220 is effectively controlled by the electrons transferred in the period p3, and the potential of the detection node 220 is lower than the reset potential VS1 (the absolute value is increased). When the delay time Tdb is ¼ of the cycle Tcy (Tdb = Tcy / 4) as in the light reception level Lr2, the amounts of electrons and holes transferred to the collection nodes 207 and 210 within one cycle Tcy are equal. Therefore, the potential of the detection node 220 is equal to the reset potential VS1. When the delay time Tda> T / cy4, the potential of the detection node 220 is effectively controlled by the holes transferred in the period p4, and the potential of the detection node 220 becomes higher than the reset potential VS1 (the absolute value is large). Become).

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。   Here, the lighting period and the extinguishing period of the light emitting device 21 in one cycle Tcy are made equal, but the lighting period and the extinguishing period may be different. In the case where the lighting period and the extinguishing period are different, the signal output from the signal generation unit 315 may be corrected based on the difference between the lighting period and the extinguishing period. Here, the ON and OFF periods of the transfer gate in one cycle Tcy are made equal, but even if the ON period and the OFF period are different, the output from the signal generator 315 is based on the difference between the ON period and the OFF period. The corrected signal may be corrected.

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。   The potential appearing at the detection node 220 will be quantitatively described. Of the amount of electrons as signal charge, the component due to ambient light 83 is (−N), the component due to signal light 82 is (−S), and the amount of holes as signal charge is ambient light. The component due to 83 is (+ N), and the component due to the signal light 82 is (+ S). A coefficient proportional to the length of the period p2 is a, a coefficient proportional to the length of the period p3 is b, a coefficient proportional to the length of the period p4 is c, and a coefficient proportional to the length of the period p5 is d.

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。   First, the charge amounts of the collection nodes 207 and 210 are calculated on the assumption that recombination of electrons and holes at the detection node 220 does not occur. The increment of the charge amount of the collection node 207 in the period p2 is a × (−N), and the charge amount of the collection node 207 at the time t2 is a × (−N). On the other hand, the increment of the charge amount of the collection node 210 in the period p2 is 0, and the charge amount of the collection node 210 at the time t2 is 0. The increment of the charge amount of the collection node 207 in the period p3 is b × (−N−S), and the charge amount of the collection node 207 at the time t3 is a × (−N) + b × (−N−S). On the other hand, the increase in the charge amount of the collection node 210 in the period p3 is 0, and the charge amount of the collection node 210 at time t3 is 0. The increment of the charge amount of the collection node 207 in the period p4 is 0, and the charge amount of the collection node 207 at the time t4 is a × (−N) + b × (−N−S). The increment of the charge amount of the collection node 210 in the period p4 is c × (+ N + S), while the charge amount of the collection node 210 at the time t4 is c × (+ N + S). The increment of the charge amount of the collection node 207 in the period p5 is 0, and the charge amount of the collection node 210 at time t5 is a × (−N) + b × (−N−S). On the other hand, the increment of the charge amount of the collection node 210 in the period p5 is d × (+ N), and the charge amount of the collection node 210 at the time t5 is c × (+ N + S) + d × (+ N).

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。   The actual charge amount of the detection node 220 at time t5 corresponds to a value obtained by subtracting electrons and holes. That is, a × (−N) + b × (−N−S) + c × (+ N + S) + d × (+ N) = (a + b) × (−N) + (c + d) × (+ N) + b × (−S) + c X (+ S) = ((c + d)-(a + b)) * N + (c-b) * S. Here, if the ambient light 83 is constant during the period from time t1 to time t5 and the time during which the transfer unit 303 and the transfer unit 306 are complementarily turned on is the same, (c + d) -(A + b) = 0. Therefore, the potential appearing at the detection node 220 at time t5 is such that at least a part of the component of the ambient light 83 is removed and (c−b) × S indicating only the component of the signal light 82 is obtained as a signal. I understand.

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。   FIG. 5 shows an example of the layout of the photoelectric conversion cell 111. FIG. 5A is a schematic plan view of the photoelectric conversion cell 111. 5B is a schematic cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 5A, FIG. 5C is a schematic cross-sectional view taken along line BB ′ in FIG. 5A, and FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along line CC ′ of FIG.

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。   The semiconductor substrate 100 is provided with a P-type semiconductor region 511 as a P-type well and an N-type semiconductor region 512 as an N-type well. For example, the N-type semiconductor region 512 is an N-type epitaxial layer, and the semiconductor region 511 is a P-type impurity diffusion region formed by ion-implanting P-type impurities into the N-type epitaxial layer. Note that a plurality of portions constituting the single semiconductor regions 511 and 512 have the same conductivity type and are continuous with each other. Here, the plurality of portions are portions having positions different from each other in at least one of the X, Y, and Z directions. The impurity concentrations of a plurality of portions constituting the single semiconductor regions 511 and 512 may be different from each other. For example, the P-type semiconductor region 511 may have an impurity concentration that is inclined in the depth direction (Z direction) of the semiconductor substrate 100.

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。   In the photoelectric conversion cell 111, a photoelectric conversion unit 301 and a photoelectric conversion unit 302 are provided side by side along the main surface 1000 of the semiconductor substrate 100. A direction in which the photoelectric conversion unit 301 and the photoelectric conversion unit 302 are arranged is an X direction, a direction parallel to the surface 1000 and perpendicular to the X direction is a Y direction, and a direction perpendicular to the surface 1000 is a Z direction.

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。   As a structure different from the structure illustrated in FIG. 5, the photoelectric conversion unit 301 and the photoelectric conversion unit 302 can be arranged along the Z direction. That is, one of the photoelectric conversion unit 301 and the photoelectric conversion unit 302 can be arranged at a deeper position on the semiconductor substrate 100 than the other. For example, the cathode (N-type semiconductor region) of the photoelectric conversion unit 301 and the anode (P-type semiconductor region) of the photoelectric conversion unit 302 are arranged in the Z direction from the surface 1000. Between them, the anode (P-type semiconductor region) of the photoelectric conversion unit 301 and the cathode (N-type semiconductor region) of the photoelectric conversion unit 302 are arranged so as to be separated by PN junction. By extending a P-type semiconductor region as a charge transfer path continuous to the anode of the photoelectric conversion section 302 toward the surface 1000, a signal of the photoelectric conversion section 302 disposed at a deep position through the charge transfer path Charges can be collected. However, if this is done, the amount of photoelectrically converted light differs between the photoelectric conversion unit disposed at a shallow position and the photoelectric conversion unit disposed at a deep position, and a large difference also occurs in the amount of signal charge generated. This is because light is attenuated by absorption of light in the semiconductor substrate 100. Therefore, in order to reduce the difference in the amount of received light between the photoelectric conversion unit 301 and the photoelectric conversion unit 302, it is preferable that the photoelectric conversion unit 301 and the photoelectric conversion unit 302 are arranged along the main surface 1000 of the semiconductor substrate 100.

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。   In FIG. 5, a thick line is a local wiring arranged in the photoelectric conversion cell 111. In addition, a circle indicates the position of a contact portion for connecting the local wiring or global wiring (not shown) such as the row wiring 120 and the column wiring 130 described in FIG. . In a typical contact portion, the contact plug and the semiconductor substrate 100 are joined. Here, the local wiring is a wiring for electrically connecting the components in the photoelectric conversion cell 111 to each other. On the other hand, the global wiring is wiring for connecting the photoelectric conversion cells 111 or between the photoelectric conversion cells 111 and a circuit outside the cell array 110. The row wiring 120 and the column wiring 130 described in FIG. 1B are typical global wirings. The wiring is a member made of a conductor for electrical connection. Note that in a contact portion for connecting to a semiconductor region, it is preferable that a part of the semiconductor region connected to a conductor such as a contact plug is an impurity region having a higher concentration than other regions. It is preferable to ensure electrical connection.

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。   As shown in FIG. 5B, in the Y direction, on the line AA ′, an N-type semiconductor region 507, a transfer gate electrode 503, an N-type semiconductor region 501, a transfer gate electrode 504, and an N-type semiconductor. Regions 508 are arranged in this order.

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。   As shown in FIG. 5C, in the Y direction, on the line BB ′, a P-type semiconductor region 510, a transfer gate electrode 505, a P-type semiconductor region 502, a transfer gate electrode 506, and a P-type semiconductor. Regions 509 are arranged in this order.

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。   As shown in FIG. In the X direction, the gate electrode 513 of the reset transistor 313, the gate electrode 514 of the reset transistor 314, the gate electrode 515 of the amplification transistor, and the gate electrode 516 of the selection transistor 316 are arranged in this order. The gate electrode 515 of the amplification transistor that constitutes the signal generation unit 315 is an input node of the signal generation unit 315 and is connected to the detection node 220 directly or through an electrical low-pass filter 433.

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。   The N-type semiconductor region 507 forms a collection node 207 as part of the capacitor unit 307. That is, the N-type semiconductor region 507 is the first floating diffusion. The semiconductor region 511 forms a PN junction with the semiconductor region 507, and the semiconductor region 511 forms a reference node 217 of the capacitor 307.

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。   The P-type semiconductor region 510 forms a collection node 210 as a part of the capacitor unit 310. That is, the P-type semiconductor region 507 is the second floating diffusion. The semiconductor region 512 forms a PN junction with the semiconductor region 510, and the semiconductor region 512 constitutes the reference node 200 of the capacitor portion 310.

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。   The N-type semiconductor region 501 constitutes a cathode 201 of the photodiode as a part of the photoelectric conversion unit 301. The semiconductor region 501 forms a PN junction with the semiconductor region 511, and the semiconductor region 511 constitutes an anode 211 of the photodiode. The impurity concentration of the N-type semiconductor region 501 is preferably low enough to be depleted by the built-in potential. With this configuration, electrons generated as signal charges among the electron-hole pairs generated in the photoelectric conversion unit 301 are difficult to accumulate in the photoelectric conversion unit 301. By doing so, the transfer efficiency of electrons from the photoelectric conversion unit 301 to the semiconductor region 507 is increased. Further, electrons generated by light can always be completely transferred to the semiconductor region 507, and noise caused by low transfer efficiency can be reduced. Note that holes that are not used as signal charges in the photoelectric conversion unit 301 are discharged through the P-type semiconductor region 511. A surface region which is a P-type semiconductor region is provided between the N-type semiconductor region 501 and the surface 1000 of the semiconductor substrate 100, and the N-type semiconductor region 501 is arranged away from the surface 1000. Thus, the photoelectric conversion unit 301 is an embedded photodiode. In FIG. 5, a P-type semiconductor region as a surface region is integrally described as a P-type semiconductor region 511.

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。   The P-type semiconductor region 502 forms the anode 202 of the photodiode as a part of the photoelectric conversion unit 302. The semiconductor region 502 forms a PN junction with the semiconductor region 512, and the semiconductor region 512 constitutes the cathode 212 of the photodiode. The impurity concentration of the P-type semiconductor region 502 is preferably low enough to be depleted by the built-in potential. With this configuration, the holes generated as signal charges among the electron-hole pairs generated in the photoelectric conversion unit 302 are difficult to accumulate in the photoelectric conversion unit 302. By doing so, the transfer efficiency of holes from the photoelectric conversion unit 302 to the semiconductor region 510 is increased. In addition, electrons generated by light can always be completely transferred to the semiconductor region 510, and noise resulting from low transfer efficiency can be reduced. Note that holes that are not used as signal charges in the photoelectric conversion unit 302 are discharged through the P-type semiconductor region 511. A surface region which is an N-type semiconductor region is provided between the P-type semiconductor region 502 and the surface 1000 of the semiconductor substrate 100, and the P-type semiconductor region 502 is disposed away from the surface 1000. Thus, the photoelectric conversion unit 302 is an embedded photodiode. In FIG. 5, an N-type semiconductor region as a surface region is integrally described as an N-type semiconductor region 512.

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、半導体基板100の表面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。   The N-type semiconductor region 508 forms a PN junction with the semiconductor region 511, and the semiconductor region 508 forms a collection node 208 as a part of the capacitor portion 308. The P-type semiconductor region 509 forms a PN junction with the semiconductor region 512, and the semiconductor region 509 forms a collection node 209 as part of the capacitor portion 309. The N-type semiconductor region 501 and the P-type semiconductor region 502 are provided along the surface 1000 of the semiconductor substrate 100 in the X direction. The N-type semiconductor region 501 and the P-type semiconductor region 502 may be in contact with each other, but are preferably separated.

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)。そのため、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ため、S/Nを向上することができる。   In this example, the N-type semiconductor region 511 and the P-type semiconductor region 512 form a PN junction between the N-type semiconductor region 501 and the P-type semiconductor region 502. As a result, the semiconductor region 501 and the semiconductor region 502 are electrically separated (PN junction separation). A reference potential VF <b> 1 is supplied to the semiconductor region 511 from the contact plug 611 constituting the reference potential supply unit 411. Then, the reference potential VF <b> 2 is supplied from the contact plug 612 constituting the reference potential supply unit 412 to the semiconductor region 512. When the reference potential VF1 is lower than the reference potential VF2, a reverse bias voltage is applied between the semiconductor region 511 and the semiconductor region 512. Therefore, the semiconductor region 511 and the semiconductor region 512 are electrically separated by a depletion layer generated between the semiconductor region 511 and the semiconductor region 512. By doing so, electrons generated in the N-type semiconductor region 501 and holes generated in the P-type semiconductor region 502 can be electrically separated. Therefore, charges can be collected at a corresponding collection node at an appropriate timing, and signal charges necessary for distance measurement can be selectively recombined. In addition, by performing separation between the photoelectric conversion unit 301 and the photoelectric conversion unit 302 by PN junction separation, the interval between the photoelectric conversion unit 301 and the photoelectric conversion unit 302 can be reduced (for example, less than 1 μm). Therefore, the difference in the amount of light received by the photoelectric conversion unit 301 and the photoelectric conversion unit 302 can be reduced. Further, the PN junction isolation can suppress the generation of dark current compared to the insulator isolation, so that the S / N can be improved.

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。   In the cell array 110, the structure [a] in FIG. 5 is arranged in a matrix. The P-type semiconductor region 512 is continuously arranged between the plurality of photoelectric conversion cells 111 as a common well. On the other hand, the N-type semiconductor region 511 is discontinuously arranged between the plurality of photoelectric conversion cells 111 as an isolated well. That is, the N-type semiconductor region 511 of a certain photoelectric conversion cell 111 is separated from the N-type semiconductor region 511 of at least one adjacent photoelectric conversion cell 111 by separation means such as PN junction separation from the P-type semiconductor region 512. And can be electrically separated. Contrary to the above-described example, the P-type semiconductor region 512 can be an isolated well and the N-type semiconductor region 511 can be a common well. In this manner, by using one of the P-type semiconductor region 512 and the N-type semiconductor region 511 as a common well, the configuration of the photoelectric conversion cell 111 can be simplified.

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。   The transfer gate electrode 503 having at least a portion disposed between the N-type semiconductor region 501 and the N-type semiconductor region 507 in the plan view constitutes the transfer unit 303. Note that in this example, the transfer gate electrode 503 is located on part of the semiconductor region 501 and part of the semiconductor region 507. The transfer gate electrode 504 having at least a portion disposed between the N-type semiconductor region 501 and the N-type semiconductor region 508 in plan view constitutes the transfer unit 304. In this example, the transfer gate electrode 504 is also located on part of the semiconductor region 502 and part of the semiconductor region 508.

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。   On the other hand, the transfer gate electrode 505 having at least a portion disposed between the P-type semiconductor region 502 and the P-type semiconductor region 510 in plan view constitutes the transfer unit 305. In this example, the transfer gate electrode 505 is located on part of the semiconductor region 502 and part of the semiconductor region 510. The transfer gate electrode 506 having at least a portion disposed between the P-type semiconductor region 502 and the P-type semiconductor region 509 in the plan view constitutes the transfer unit 306. In this example, the transfer gate electrode 506 is also located on part of the semiconductor region 502 and part of the semiconductor region 509.

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。   An insulating film 500 is provided between the transfer gate electrodes 503, 504, 505 and 506 and the semiconductor substrate 100. The insulating film 500 functions as a gate insulating film.

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。   A local wiring 618 is commonly connected to the transfer gate electrode 503 and the transfer gate electrode 505 via contact plugs 603 and 605 so that the same transfer signal TX1 is supplied. Here, the transfer gate electrode 503 and the transfer gate electrode 505 are provided as separate gate electrodes. Since the gate electrode charges and discharges every time it is driven, a current corresponding to the MOS capacitance flows every time switching is performed. When driving at high speed, the smaller the gate electrode of the transistor is, the smaller the MOS capacitance is. Therefore, by providing the transfer gate electrode 503 and the transfer gate electrode 505 separately, the gate electrode can be made as small as possible.

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。   On the other hand, it can also be provided as an integral gate electrode having a portion constituting the transfer portion 303 and a portion constituting the transfer portion 305. By doing so, it is possible to increase the accuracy of complementary control of the transfer units 303 and 305 by reducing the wiring and reducing the wiring capacity and resistance. Further, by reducing the wiring, the aperture ratio can be increased and the sensitivity can be improved. The same applies to the transfer gate electrode 503 and the transfer gate electrode 505.

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。   A reset transistor having a gate electrode 513 is connected to the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 through contact plugs 607 and 610, a local wiring 620 and a contact plug 613. In this example, the local wiring 620 constitutes the detection node 220. The gate electrode 513 is connected to a reset signal output unit 423 outside the cell array via a contact plug, local wiring, and global wiring. The contact plug 613 is connected to the semiconductor region 523 which is one source / drain region of the reset transistor. The other source / drain region of the reset transistor is connected to a reset potential supply unit 413 outside the cell array via a global wiring. Similarly, a reset transistor having a gate electrode 514 is connected to the semiconductor region 508 and the semiconductor region 509 through a local wiring and a contact plug.

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。   An amplification transistor having a gate electrode 513 is connected to the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 through a local wiring 620 and a contact plug 615. The contact plug 615 is connected to the gate electrode 515 of the amplification transistor. The drain of the amplification transistor is connected to the power supply unit 432 through a contact plug and a global wiring. The source of the amplification transistor is connected to the drain of the selection transistor 316 having the gate electrode 516. The source of the selection transistor 316 is connected to the global wiring (column wiring 130) through a contact plug.

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。   A contact plug 611 is connected to the semiconductor region 511. The contact plug 611 is connected to a reference potential supply unit 411 outside the cell array 110 via a global wiring. A contact plug 612 is connected to the semiconductor region 512. The contact plug 612 is connected to a reference potential supply unit 412 outside the cell array 110 via a global wiring. In this manner, by supplying the reference potential to the semiconductor region 511 and the semiconductor region 512 through the wiring, variation in the reference potential in each of the photoelectric conversion cells 111 in the cell array 110 can be reduced. Note that the reference potential can be supplied without the contact plug 611 and the contact plug 612 being provided in the photoelectric conversion cell 111. In that case, an impurity diffusion layer extending from the cell array 110 to the outside of the cell array 110 may be provided in the semiconductor substrate 100, and a reference potential may be supplied to the impurity diffusion layer outside the cell array 110 via a wiring or a contact plug. However, as described above, if the N-type semiconductor region 511 is an isolated well, it is difficult to extend the N-type semiconductor region 511 outside the cell array 110. Therefore, at least for the isolated well, it is preferable to supply the reference potential via a conductor arranged on the semiconductor substrate 100 such as a global wiring, a local wiring, or a contact plug. The same applies when the P-type semiconductor region 512 becomes an isolated well.

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。   The semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 are connected to each other through a conductor. In this example, a conductor that connects the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 to each other is shown as a local wiring 620 and contact plugs 607 and 610. A conductor that connects the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 is formed using a material having higher electrical conductivity than the semiconductor substrate 100, such as a metal material, a metal compound material, or polycrystalline silicon. Metal materials and metal compound materials are materials used for wiring and contact plugs, and polycrystalline silicon is a material used for gate electrodes. The metal compound material may be a semiconductor-metal compound material such as silicide. The semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 are connected by using these materials alone or in combination. Thus, since the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 are connected via the conductor, the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 can be connected without passing through the PN junction. Typically, the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 can be connected to each other through an ohmic junction. The semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 are connected via a conductor, whereby the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 do not form a PN junction with each other. Therefore, the relaxation time of the potential difference between the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 when recombining electrons and holes can be shortened. As a result, the output of the detection node 220 can be stabilized, and highly accurate distance measurement can be realized.

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。   FIG. 6 illustrates a structure for obtaining electrical connection between the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510. 6A to 6D correspond to a cross section including the transfer gate electrodes 503 and 505 and the semiconductor regions 507 and 510 in FIG. FIG. 6A shows a structure for obtaining electrical connection between the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 in FIG. FIGS. 6B to 6D show a form different from the form of FIG. 6A for obtaining an electrical connection between the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510. 6A to 6D, the transfer gate electrode 503 and the transfer gate electrode 505 are electrically connected by a local wiring 618. The local wiring 618 is in contact with the contact plug 603 over the transfer gate electrode 503, the contact plug 605 over the transfer gate electrode 505, the contact plug 603, and the contact plug 605. The contact plug 603 and the contact plug 605 penetrate the interlayer insulating film 526, and the local wiring 618 is disposed on the interlayer insulating film 526. As the local wiring 618, for example, an aluminum wiring having a conductive portion containing aluminum as a main component and a barrier metal portion including a titanium layer and / or a titanium nitride layer can be used. Alternatively, the local wiring 618 can be a copper wiring having a conductive portion mainly composed of copper and a barrier metal portion including a tantalum layer and / or a tantalum nitride layer. The copper wiring has a single damascene structure or a dual damascene structure. Other local wirings are similarly aluminum wirings or copper wirings.

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。   In the form of FIG. 6A, the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 are connected by the contact plug 607, the contact plug 610, and the local wiring 620 that connects the contact plug 607 and the contact plug 610. The contact plug 607 is connected to the semiconductor region 507 through the interlayer insulating film 526, and the contact plug 610 is connected to the semiconductor region 510 through the interlayer insulating film 526. Contact plugs 607 and 610 each have a conductive portion mainly composed of tungsten, and a barrier metal portion having a titanium layer and / or a titanium nitride layer disposed between the conductive portion and interlayer insulating film 526. The local wiring 620 is an aluminum wiring having a conductive portion mainly composed of aluminum and a barrier metal portion including a titanium layer and / or a titanium nitride layer located between the conductive portion and the interlayer insulating film 526. Alternatively, the local wiring 620 is a copper wiring having a conductive portion containing copper as a main component and a barrier metal portion including a tantalum layer and / or a tantalum nitride layer located between the conductive portion and the interlayer insulating film 526. is there.

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。   In the form of FIG. 6B, the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 are connected through a contact plug 623 that is a conductor that contacts both the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510. Contact plug 623 includes a conductive portion mainly composed of tungsten, and a barrier metal portion including a titanium layer and / or a titanium nitride layer disposed between the conductive portion and interlayer insulating film 526. An insulating film 527 is provided separately from the insulating film 500 and the interlayer insulating film 526 between the contact plug 623 and the semiconductor substrate 100. The insulating film 527 insulates the contact plug 623 from the N-type semiconductor region 511 and insulates the contact plug 623 from the P-type semiconductor region 512. Thereby, it is possible to suppress conduction between the N-type semiconductor region 511 and the P-type semiconductor region 512.

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。   In the form of FIG. 6C, the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 are connected through a local wiring 624 that is a conductor in contact with both the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510. The local wiring 624 can be formed by patterning a tungsten film or a silicide film. The local wiring 624 is located between the interlayer insulating film 526 and the semiconductor substrate 100. After forming the transfer gate electrode 503 and the transfer gate electrode 505, the local wiring 624 may be formed, and then the interlayer insulating film 526 and the contact plugs 603 and 605 may be formed. An insulating film 528 is provided separately from the insulating film 500 and the interlayer insulating film 526 between the local wiring 624 and the semiconductor substrate 100. The insulating film 528 insulates the local wiring 624 from the N-type semiconductor region 511 and insulates the local wiring 624 from the P-type semiconductor region 512. Thereby, it is possible to suppress conduction between the N-type semiconductor region 511 and the P-type semiconductor region 512.

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。   In the form of FIG. 6D, the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510 are connected through a local wiring 625 which is a conductor that contacts both the semiconductor region 507 and the semiconductor region 510. The local wiring 625 can be formed by patterning a polysilicon film, and can be formed simultaneously with the transfer gate electrode 503 and the transfer gate electrode 505. The local wiring 625 is located between the interlayer insulating film 526 and the semiconductor substrate 100. An insulating film 500 is provided between the local wiring 625 and the semiconductor substrate 100 in order to insulate the local wiring 625 from the N-type semiconductor region 511 and insulate the local wiring 625 from the P-type semiconductor region 512. Yes.

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。   Each local wiring and global wiring described above can be configured by connecting a plurality of wiring layers stacked in a direction perpendicular to the surface 1000 of the semiconductor substrate 100 to each other via via plugs.

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。   Next, a modification of the equivalent circuit of the photoelectric conversion cell 111 described with reference to FIG. 3 will be described with reference to FIG.

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。   The collection node 207 of the capacitor unit 307 is connected to the detection node 220 via the switch transistor 318. When the switch transistor 318 is turned on by the switch signal SW1 output from the switch signal output unit 438, a potential corresponding to the potential of the collection node 207 appears at the detection node 220. The collection node 210 of the capacitor unit 310 is connected to the detection node 220 via the switch transistor 319. When the switch transistor 319 is turned on by the switch signal SW2 output from the switch signal output unit 439, a potential corresponding to the potential of the collection node 207 appears at the detection node 220. As described above, in this example, the electrical connection between the collection node 207 and the collection node 210 can be switched ON and OFF. In other words, the collection node 207 and the collection node 210 are electrically connected via the switch transistors 318 and 319. Note that one of the switch transistor 318 and the switch transistor 319 can be omitted.

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。   A reset potential supply unit 413 is connected to the collection node 207 of the capacitor unit 307 via a reset transistor 313. The reset transistor 313 is turned on by the reset signal RS1 output from the reset signal output unit 423. As a result, the reset potential VS <b> 1 is supplied from the reset potential supply unit 413 to the collection node 207 of the capacitor unit 307. A reset potential supply unit 417 is connected to the collection node 210 of the capacitor unit 310 via a reset transistor 317. The reset transistor 317 is turned on by the reset signal RS3 output from the reset signal output unit 427. As a result, the reset potential VS3 is supplied from the reset potential supply unit 417 to the collection node 210 of the capacitor unit 310.

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。   The potential difference between the reset potential VS1 and the reset potential VS3 is preferably less than 0.10V. The potential difference between the reset potential VS1 and the reset potential VS3 is desirably 0 V, but there may be a slight potential difference of less than 0.10 V due to inevitable resistance, manufacturing errors, and the like. The reset potential VS3 and the reset potential VS3 are preferably set to a potential between the reference potential VF1 and the reference potential VF2. For example, the reset potential VS1 can be higher than the reference potential VF1 (VF1 <VS1). Further, the reset potential VS3 can be made lower than the reference potential VF2 (VS3 <VF2). The reset potential VS1 is, for example, −1 to + 1V, preferably −0.5 to + 0.5V. The reset potential VS3 is also, for example, −1 to + 1V, preferably −0.5 to + 0.5V.

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。   By supplying the reset potential VS <b> 1 to the capacitor portion 307, electrons held in the capacitor portion 307 are discharged to the reset potential supply portion 413. By supplying the reset potential VS3 to the capacitor portion 310, holes held in the capacitor portion 310 are discharged to the reset potential supply portion 417. According to this example, one of the signal based on the charge (electrons) photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit 301 from the detection node 220 and the signal based on the charges (holes) photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit 302 are obtained. It can be read selectively. By realizing such an operation mode, it is possible to obtain the photoelectric conversion device 11 that can perform both imaging and ranging.

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。   In this example, the capacity units 308 and 309 can be omitted, and unnecessary charges can be quickly discharged by turning the transfer units 304 and 305 on and off. By doing in this way, it becomes possible to raise the aperture ratio by wiring and the area of a photoelectric conversion part, and to improve a sensitivity.

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。   FIG. 8 shows an example of the operation of the circuit shown in FIG. Between the accumulation period Tac and the readout period Tsr shown in FIGS. 3 and 4, there are a readout period Tnr for reading the ambient light 83 and a removal period Tcl for removing the components of the ambient light 83. After the reset period Trs, during the accumulation period Tac, the switch transistor 318 is turned on and the switch transistor 319 is turned off. In the read period Tnr, the selection transistor 316 is turned on while the switch transistor 318 is turned on and the switch transistor 319 is turned off. As a result, the signal of the detection node 220 in which the potential corresponding to the potential of the collection node 207 appears is read out. After the readout period Tnr, a removal period Tcl for removing at least a part of the components of the ambient light 83 is provided. In the removal period Tcl, the selection transistor 316 is turned off, and the switch transistor 318 and the switch transistor 319 in FIG. 7 are turned on. Thereby, the component of the ambient light 83 is canceled by the electrons and holes due to recombination of the electrons and holes. The potential from which the component of the ambient light 83 is removed appears at the detection node 220. In the reading period Tsr, the selection transistor 316 is turned on to read a signal from which the component of the ambient light 83 is removed. By reading out the ambient light 83 in this way, not only an image including distance information but also an image based on the ambient light 83 can be obtained.

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。   An application example of the information processing system SYS will be described with reference to FIG.

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。   The first application example of the information processing system SYS is an example applied to a camera including an imaging device. First, when a signal for instructing distance measurement is sent from the control device 3 including an input unit such as a focus control unit (for example, a focus button) to the information processing device 2, the information processing device 2 operates the distance measuring device 1. Then, the distance measuring device 1 outputs a signal including distance information to the object 9 that is a subject to the information processing device 2. The information processing apparatus 2 processes the signal and generates a drive signal for driving mechanical parts such as a lens, an aperture, and a shutter so as to satisfy conditions suitable for photographing the object 9. Then, this drive signal is output to a drive device 4 such as a motor for driving a lens, a diaphragm, a shutter and the like. The driving device 4 drives the mechanical parts described above based on the driving signal. When a signal for instructing photographing is transmitted from the control device 3 to the information processing device 2, the information processing device 2 instructs the imaging device 5 to perform imaging, and the imaging device 5 performs imaging of the object 9. The information processing device 2 displays an image obtained from the imaging device 5 on the display device 6. The information processing device 2 can also add distance information to the obtained image and display it on the display device 6. Further, the communication device 7 communicates with a storage device or a network, and stores the image in a storage device or a storage on the network.

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。   The second application example of the information processing system SYS is an example applied to a video information processing system that provides mixed reality to the user. When the information processing apparatus 2 operates the distance measuring apparatus 1 and the imaging apparatus 5, the imaging apparatus 5 captures an object 9 that is a subject and outputs a real image. On the other hand, the distance measuring device 1 outputs a signal including distance information to the subject that is the object 9. The information processing device 2 processes the signal, and synthesizes a virtual image obtained by computer graphics or the like and a real image obtained by photographing by the imaging device 5 based on the distance information to generate a synthesized image. The information processing device 2 displays the composite image on a display device 6 such as a head mounted display.

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。   The third application example of the information processing system SYS is an example in which the information processing system SYS is applied to a transportation device having power (for example, an automobile or a train). When a signal for instructing movement or preparation of transportation equipment is sent to the information processing device 2 from the control device 3 including a device (for example, a start button) for generating a signal for starting the engine and an input unit such as a handle or an accelerator. The information processing apparatus 2 operates the distance measuring apparatus 1. Then, the distance measuring device 1 outputs a signal including distance information to the subject that is the object 9. The information processing device 2 processes the signal, and displays a warning on the display device 6 when the distance from the object 9 becomes short, for example. The information processing device 2 can also display information indicating the distance from the object 9 on the display device 6. In addition, the information processing device 2 can drive the driving device 4 such as a brake or an engine based on the distance information to decelerate or accelerate the speed of the transportation device. Further, the information processing device 2 can also adjust the relative distance from the transport equipment traveling ahead by driving the drive device 4 such as a brake or an engine based on the distance information.

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。   The fourth application example of the information processing system SYS is an example applied to a game system. The user instructs the game machine body to use the gesture mode using the control device 3 including an input unit such as a controller. When the information processing apparatus 2 operates the distance measuring apparatus 1 in response to an instruction from the user, the distance measuring apparatus 1 detects the user's operation (gesture) as distance information. Based on the obtained distance information, the information processing apparatus 2 creates an image in which a virtual character in the game is operated in accordance with the user's action. The information processing device 2 displays this video on the display device 6 connected to the game machine main body (information processing device 2).

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、電子を生成する第1フォトダイオード(光電変換部301)と、正孔を生成する第2フォトダイオード(光電変換部301)と、を備える。また、第1フォトダイオード(光電変換部301)で生成された電子を収集するN型の第1半導体領域507と、第2フォトダイオード(光電変換部302)で生成された正孔を収集するP型の第2半導体領域510と、を備える。さらに、第1半導体領域507と第2半導体領域510が共通に接続された信号生成部315を備える。そして、第1フォトダイオード(光電変換部301)のアノード311を構成するP型の半導体領域511と、第2フォトダイオード(光電変換部302)のカソード212を構成するN型の半導体領域512と、がPN接合によって電気的に分離されている。   As described above, the photoelectric conversion device 11 according to this embodiment includes the first photodiode (photoelectric conversion unit 301) that generates electrons, the second photodiode (photoelectric conversion unit 301) that generates holes, Is provided. In addition, an N-type first semiconductor region 507 that collects electrons generated by the first photodiode (photoelectric conversion unit 301) and a P that collects holes generated by the second photodiode (photoelectric conversion unit 302). A second semiconductor region 510 of a type. Further, a signal generation unit 315 in which the first semiconductor region 507 and the second semiconductor region 510 are connected in common is provided. Then, a P-type semiconductor region 511 constituting the anode 311 of the first photodiode (photoelectric conversion unit 301), an N-type semiconductor region 512 constituting the cathode 212 of the second photodiode (photoelectric conversion unit 302), Are electrically separated by a PN junction.

このような光電変換デバイスは、複数の光電変換部の信号電荷の差に対応する信号を簡易な構成で得ることができる。また、複数の光電変換部の信号電荷の差に対応する信号を精度よく得ることができる。   Such a photoelectric conversion device can obtain a signal corresponding to a difference in signal charges of a plurality of photoelectric conversion units with a simple configuration. In addition, a signal corresponding to the difference between signal charges of a plurality of photoelectric conversion units can be obtained with high accuracy.

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あるいは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で、複数の光電変換部の各々から、本来の信号電荷の電荷量に応じた信号を、信号電荷の電荷量の差に応じた信号とは別に読み出すことも可能である。これによって、撮像動作を行うことができる。   The photoelectric conversion device is not limited to the example described above, and can be applied to various information processing systems SYS. In the above-described embodiment, an example of a photoelectric conversion device optimized for performing driving for distance measurement, a distance measuring device including the photoelectric conversion device, and an imaging system has been described. However, the photoelectric conversion device is used for distance measurement. In addition to driving, driving other than distance measurement may be performed. For example, it is possible to perform focus detection or distance measurement by edge detection or phase difference detection method for detecting the contour of an object such as a human face, using a signal corresponding to the difference between signal charges of a plurality of photoelectric conversion units. This is because the difference in the amount of light received by the plurality of photoelectric conversion units can be detected based on the magnitude of the signal output from the signal generation unit in accordance with the difference in signal charge. In general, a complex structure such as a differential circuit is required to obtain a difference between electrical signals after a signal charge is converted into an electrical signal by a signal generator such as a source follower circuit. However, the photoelectric conversion device of the present embodiment can easily obtain the difference between the signal charges of a plurality of photoelectric conversion units by recombination of electrons and holes. Then, a signal corresponding to the difference between the signal charges of the plurality of photoelectric conversion units can be obtained by converting the difference between the signal charges into an electric signal by a signal generation unit having a simple structure, for example, a source follower circuit. In addition, by providing a switch transistor between the collection node and the detection node as in the form shown in FIG. 7, a signal corresponding to the charge amount of the original signal charge is transmitted from each of the plurality of photoelectric conversion units to the signal. It is also possible to read the signal separately from the signal corresponding to the difference in charge amount. Thereby, an imaging operation can be performed.

301 光電変換部
302 光電変換部
507 半導体領域
510 半導体領域
511 半導体領域
512 半導体領域
315 信号生成部
301 Photoelectric conversion unit 302 Photoelectric conversion unit 507 Semiconductor region 510 Semiconductor region 511 Semiconductor region 512 Semiconductor region 315 Signal generation unit

Claims (20)

電子を生成する第1フォトダイオードと、
正孔を生成する第2フォトダイオードと、
前記第1フォトダイオードで生成された電子を収集するN型の第1半導体領域と、
前記第2フォトダイオードで生成された正孔を収集するP型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域と前記第2半導体領域が共通に接続された信号生成部と、を備え、
前記第1フォトダイオードのアノードを構成するP型の第3半導体領域と、前記第2フォトダイオードのカソードを構成するN型の第4半導体領域と、がPN接合によって電気的に分離されていることを特徴とする光電変換デバイス。
A first photodiode for generating electrons;
A second photodiode for generating holes;
An N-type first semiconductor region for collecting electrons generated by the first photodiode;
A P-type second semiconductor region for collecting holes generated by the second photodiode;
A signal generator in which the first semiconductor region and the second semiconductor region are connected in common;
The P-type third semiconductor region constituting the anode of the first photodiode and the N-type fourth semiconductor region constituting the cathode of the second photodiode are electrically separated by a PN junction. A photoelectric conversion device characterized by
前記第1フォトダイオードと前記第2フォトダイオードは、前記第1フォトダイオードおよび前記第2フォトダイオード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に記載の光電変換デバイス。   2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the first photodiode and the second photodiode are arranged in a direction along a surface of a semiconductor substrate on which the first photodiode and the second photodiode are arranged. . 前記第1フォトダイオードのカソードを構成するN型の第5半導体領域と、前記第2フォトダイオードのアノードを構成するP型の第6半導体領域と、の間にて、前記第3半導体領域と前記第4半導体領域とがPN接合を成している、請求項1または2に記載の光電変換デバイス。   Between the N-type fifth semiconductor region constituting the cathode of the first photodiode and the P-type sixth semiconductor region constituting the anode of the second photodiode, the third semiconductor region and the The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the fourth semiconductor region forms a PN junction. 前記第1フォトダイオードおよび前記第2フォトダイオード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3のいずれか1項に記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein cells including the first photodiode and the second photodiode are arranged in a matrix. 前記第3半導体領域および前記第4半導体領域の一方は、前記マトリックス状に配列されたセルのうちの複数のセルの間で連続であり、前記第3半導体領域および前記第4半導体領域の他方は、前記複数のセルの間で不連続である、請求項4に記載の光電変換デバイス。   One of the third semiconductor region and the fourth semiconductor region is continuous between the plurality of cells arranged in the matrix, and the other of the third semiconductor region and the fourth semiconductor region is The photoelectric conversion device according to claim 4, which is discontinuous between the plurality of cells. 前記第3半導体領域は前記第1半導体領域とPN接合を成し、
前記第4半導体領域は前記第2半導体領域とPN接合を成す、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。
The third semiconductor region forms a PN junction with the first semiconductor region;
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the fourth semiconductor region forms a PN junction with the second semiconductor region.
前記第3半導体領域に第1電位を供給する第1電位供給部と、
前記第4半導体領域に第2電位を供給する第2電位供給部と、を備え、
前記第1電位と前記第2電位との差が0.10V以上である、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光電変換デバイス。
A first potential supply unit for supplying a first potential to the third semiconductor region;
A second potential supply unit for supplying a second potential to the fourth semiconductor region,
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a difference between the first potential and the second potential is 0.10 V or more.
前記第1電位が前記第2電位よりも低い、請求項7に記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion device according to claim 7, wherein the first potential is lower than the second potential. 前記第1フォトダイオードで生成された電子を前記第1半導体領域へ転送する第1転送部と、前記第2フォトダイオードで生成された正孔を前記第2半導体領域へ転送する第2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。   A first transfer unit for transferring electrons generated by the first photodiode to the first semiconductor region; and a second transfer unit for transferring holes generated by the second photodiode to the second semiconductor region; A photoelectric conversion device according to claim 1, comprising: 前記第1フォトダイオード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フォトダイオード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9に記載の光電変換デバイス。   A third transfer unit for transferring electrons generated by the first photodiode to an N-type semiconductor region different from the first semiconductor region; and holes generated by the second photodiode by the second semiconductor. The photoelectric conversion device according to claim 9, further comprising: a fourth transfer unit that transfers to a P-type semiconductor region different from the region. 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。   The signal generation unit includes a transistor constituting a source follower circuit, and the first semiconductor region and the second semiconductor region are connected to a gate electrode of the transistor of the signal generation unit. The photoelectric conversion device according to any one of claims. 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。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the first semiconductor region is connected to the signal generation unit via an electrical low-pass filter. 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。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein at least one of the first semiconductor region and the second semiconductor region is connected to the signal generation unit via a transistor. 前記第1フォトダイオードで生成された電子を前記第1半導体領域へ転送する第1転送部と、前記第2フォトダイオードで生成された正孔を前記第2半導体領域へ転送する第2転送部と、を備える、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。   A first transfer unit for transferring electrons generated by the first photodiode to the first semiconductor region; and a second transfer unit for transferring holes generated by the second photodiode to the second semiconductor region; The photoelectric conversion device according to claim 1, comprising: 前記第1フォトダイオード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フォトダイオード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14に記載の光電変換デバイス。   A third transfer unit for transferring electrons generated by the first photodiode to an N-type semiconductor region different from the first semiconductor region; and holes generated by the second photodiode by the second semiconductor. The photoelectric conversion device according to claim 14, further comprising: a fourth transfer unit that transfers to a P-type semiconductor region different from the region. 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。   A ranging apparatus comprising a light emitting device and the photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device receives light emitted by the light emitting device. 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。   The distance measuring device according to claim 16, wherein the light emitting device repeats blinking. 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、を備える情報処理システム。   An information processing system comprising: a distance measuring device including the photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 15; and an information processing device that processes information obtained from the distance measuring device. 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。   The information processing system according to claim 18, wherein the information processing device displays information processed by the information processing device on a display device. 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。   The information processing system according to claim 18, wherein the information processing device drives a drive device based on information processed by the information processing device.
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