JP2021097301A - 間接ｔｏｆカメラ用画素、間接ｔｏｆカメラ用固体撮像装置、および間接ｔｏｆカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】画素サイズが小型で、かつ、測定誤差の小さい間接ＴＯＦカメラ用画素、間接ＴＯＦカメラ用固体体撮像装置、および間接ＴＯＦカメラを提供する。【解決手段】間接ＴＯＦカメラ用画素７０は、入射光の光量に応じた電荷を発生するフォトダイオード１０と、一端がフォトダイオード１０に接続されるＭ個の変調トランジスタ２１−２３、または２１−２４と、一端が変調トランジスタのそれぞれの他端に接続されるＭ個の蓄積ゲート３１−３３、または３１−３４と、一端が蓄積ゲートのそれぞれの他端に接続されるＭ個の転送トランジスタ４１−４３、または４１−４４と、転送トランジスタの他端に共通に接続される１つの共有ＦＤ５０と、を含み、Ｍは１より大きい整数である。【選択図】図１

Description

本発明は、間接ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）カメラ用画素、間接ＴＯＦカメラ用固体体撮像装置、および間接ＴＯＦカメラに関する。

特許文献１（再表２０１６／１５８４３９号公報）には、入射光より所定の波長の光を抽出するOCCF（OＭ Chip Color Filter）、および、入射光を集光するOCL（OＭ Chip LeＭs）の少なくともそのいずれかと、OCCFにより抽出された所定の波長の光、および、OCLにより集光された光の少なくともそのいずれかを入射光とし、画素単位で光電効果により入射光の光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードと、フォトダイオードにより発生された電荷を蓄積し、蓄積された電荷に応じた電圧を増幅トランジスタのゲートに印加するフローティングディフュージョン（FD）とを含み、１のOCCF、および、１のOCLの少なくともそのいずれかに対して複数の画素が配置される構成であって、異なるOCCF、および、異なるOCLの少なくともそのいずれかの画素を含む、複数の画素からなる共有単位で、１のFDが共有され る固体撮像素子が記載されている。

特許文献２（特開２０１１−１７１７１５号公報）には、半導体基板上に形成され、それぞれが、第１フォトゲートと第２フォトゲートとを含む複数のフォトゲート対と、半導体基板内に形成された第１共有フローティングディフュージョン領域と、半導体基板上に形成された複数の第１伝送トランジスタと、を含み、複数の第１伝送トランジスタのそれぞれは、第１制御信号に応答して、複数のフォトゲート対のそれぞれの第１フォトゲート下に形成された複数の電荷を第１共有フローティングディフュージョン領域に伝送するセンサー系が記載されている。

非特許文献１（Min-Sun Keel他著、A 640×480 Indirect Time-of-Flight CMOS Image Sensor with 4-tap 7-μm Global-Shutter Pixel and Fixed-Pattern Phase Noise Self-Compensation Scheme、2019 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers C21-3)には、６５ｎｍの裏面照射（ＢＳＩ）プロセスで４タップ７μｍグローバルシャッターピクセルを使用して設計された６４０×４８０間接ＴＯＦＣＭＯＳイメージセンサが記載されている。このイメージセンサでは、クロックの遅延伝搬経路を交互に切り替えることによって列間の固定パターンノイズを減少させている。

非特許文献２（川人祥二他著、A CMOS Time-of-Flight Range Image Sensor With Gates-on-Field-Oxide Structure : IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 7, NO. 12, DECEMBER 2007）には、光変換と電荷転送のためにフィールド酸化膜構造上の単層ゲートを使用する新しいタイプのＣＭＯＳ飛行時間（ＴＯＦ）距離画像センサが記載されている。この距離撮像センサでは、背景光の影響を減らすために、小さなデューティサイクルの光パルスが使用され、電荷排出構造が各ピクセルに含まれている。

再表２０１６／１５８４３９号公報 特開２０１１−１７１７１５号公報

Min-Sun Keel,他著、A 640×480 Indirect Time-of-Flight CMOS Image Sensor with 4-tap 7-μm Global-Shutter Pixel and Fixed-Pattern Phase Noise Self-Compensation Scheme、2019 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers C21-3 川人祥二他著、A CMOS Time-of-Flight Range Image Sensor With Gates-on-Field-Oxide Structure、IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 7, NO. 12, DECEMBER 2007

Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）カメラは、光源から放射された光が対象物で反射し、カメラに帰ってくるまでの時間を計測し、既知である光の速度をもとに距離を算出する手法である。ＴＯＦ法による距離計測は、当初はフォトダイオード、短パルスレーザおよび時間計測回路がディスクリートで構成された点計測であった。しかし、近年、ＣＭＯＳイメージセンサの発展に伴い、時間計測が可能なイメージセンサ（時間分解イメージセンサ）が開発された。
ＴＯＦ法では光源から発せられた光がセンサに到達する時間を計測することで、距離を算出する。この時間を計測する方法として、時間を直接計測する直接ＴＯＦ法と、光源に同期した複数の時間窓（クロック）でサンプリングした光電荷の量を用いて時間に換算する間接ＴＯＦ法がある。間接ＴＯＦ法は画素内に時間算出回路が不要で、画素内の素子数を比較的少なくできるため、多画素化が容易という利点がある。
しかし、小型で高分解能のＴＯＦイメージセンサを実現するためには、複数の時間窓の間のゲイン誤差を小さくすること、画素のサイズを小さくすること、および、暗電流の影響を減らし、低雑音で読み出すことが必要である。

非特許文献１に記載の間接ＴＯＦＣＭＯＳイメージセンサでは、図７に示すように、フォトダイオードから、ＰＧＡ−ＴＧＡ−ＳＧ１−ＴＧ１−画素アンプなどの４つの経路を通じて光電荷が出力されている。そして、これらの４つの経路のクロックを互いに９０度ずつ異なる位相で駆動し、時間窓とすることにより、間接ＴＯＦ法による距離計測を実現している。
しかし、図７の回路の場合、１画素に４つの画素アンプ（ソースフォロワー：ＳＦ）を備えることにより、以下の不利な点が生じる。
１）間接ＴＯＦ法の場合、距離推定アルゴリズムは４つの画素アンプからの出力電圧の比率を使用するため、４つの画素アンプのゲイン誤差に起因する距離推定誤差が発生する。
２）また、４つの経路の、電荷から電圧への変換ゲイン（ＣＦＤｘ）が異なるため、さらに各画素アンプ出力のゲイン誤差が増大する。
３）４個の画素アンプを実装する必要があるため、画素の微細化が困難である。

また、非特許文献２に記載のＣＭＯＳＴＯＦセンサでは、図８に示すように、光変換用のトランジスタＰＧに対して、ＴＸ１−Ｍ３、およびＴＸ２−Ｍ２からなる２つの経路を通じて光電荷が出力されている。図８には直接記載されてはいないが、Ｍ１およびＭ３のゲートにはフローティングディフュージョン（ＦＤ）が接続されており、ＴＸ１、ＴＸ２を通じて転送された電荷が電圧に変換される。
しかし、図８の回路の場合、以下の不利な点が生じる。
４）ＰＧで発生した電子をＦＤに蓄積するため、蓄積期間の間にＦＤに発生する暗電流が信号に混入し、暗時の雑音が大きくなる。
５）非特許文献１と同様にソースフォロワーのゲインと電荷から電圧への変換ゲインがばらつき、ゲイン誤差が増大する。

また、複数の画素でＦＤを共有化することで、画素をより微細化するすることができる固体撮像素子は以前から知られている。特許文献１には、２つないし８つの画素で１つのＦＤを共有する回路が記載されている（図９参照）。特許文献１の固体撮像素子では、ＴＲ１２を多相クロックで駆動することにより複数のフォトダイオードの電荷を共有ＦＤ、および共有画素アンプを経由して出力することができる。特許文献１は、複数の画素でＦＤを共有することを必須とする発明であって、ＴＯＦを前提としたものではないため、光源の反射光を高精度に時間分解するという思想が無い。

また、特許文献２に記載の距離測定システムのセンサー系は、第１フォトゲート１１０−１、１１０−２、１１０−３、および１１０−４がＦＤ＿Ａを共有している。しかし、第１フォトゲートのゲート、および第１フォトゲートとＦＤ＿Ａの間の第１伝送トランジスタ１１２−１、１１２−２、１１２−３、および１１２−４のゲートはそれぞれ共通接続されており、したがって、複数の第１フォトゲートおよび第１転送ゲートは場所的に分散しているだけで回路としては１つの第１フォトゲートおよび第１転送ゲートである（図１０参照）。したがって、特許文献２に記載の距離測定システムのセンサー系のＦＤ共有を用いることによって小型のＴＯＦセンサを実現することはできない。

本発明の目的は、画素サイズが小型で、かつ、測定誤差の小さい間接ＴＯＦカメラ用画素、間接ＴＯＦカメラ用固体体撮像装置、および間接ＴＯＦカメラを提供することにある。

（１）
一局面に従う間接ＴＯＦカメラ用画素は、入射光の光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードと、一端がフォトダイオードに接続されるＭ個の変調トランジスタと、一端がＭ個の変調トランジスタのそれぞれの他端に接続されるＭ個の蓄積ゲートと、一端がＭ個の蓄積ゲートのそれぞれの他端に接続されるＭ個の転送トランジスタと、転送トランジスタの他端に共通に接続される１つの共有ＦＤと、を含み、Ｍは１より大きい整数である。
なお、変調トランジスタおよび転送トランジスタの一端および他端とは、ＭＯＳトランジスタのソースまたはドレインを意味し、蓄積ゲートの一端または他端とは蓄積ゲート直下のチャンネル領域の一端または他端を意味する。

非特許文献１、２および特許文献２に記載されている通り、従来の間接ＴＯＦカメラ用画素ではＭ相の時間窓（クロック）を用いる場合、１つの画素に、Ｍ個のＦＤと各ＦＤに接続されるＭ個の増幅トランジスタが必要であった。しかし、増幅トランジスタは、低雑音化するために大きなゲート面積が必要であり、特に分解能を上げるためにＭを３または４とした場合には、増幅トランジスタの占める面積が大きくなり画素の小型化が困難であった。
一方で、例えば特許文献１に記載のＦＤ共有回路を参考に、画素とＦＤとの間にＭ個の転送トランジスタを設け、Ｍ相のクロックで駆動した場合には、各クロックでサンプリングされた電荷を複数回蓄積することができないため、間接ＴＯＦ用画素としては使用できない。
これに対して、一局面に従う間接ＴＯＦカメラ用画素では、フォトダイオードと共有ＦＤとの間の経路の途中にＭ個の蓄積ゲートを設け、Ｍ相のクロックでサンプリングした電荷をＭ個の蓄積ゲートのそれぞれに蓄積することにより、間接ＴＯＦカメラ用画素で必要な複数回サンプリングしたデータの蓄積を可能としている。そして、このような構成をとることによって、面積の大きな増幅トランジスタを各画素ごとに１つのみとし、画素の小型化を実現している。
また、一局面に従う間接ＴＯＦカメラ用画素では、Ｍ相のクロックでＦＤと増幅トランジスタを共有することができるため、ＦＤの変換利得、および増幅トランジスタのゲインのばらつきがなくなり、距離測定誤差の少ないＴＯＦ画素にすることができる。

（２）
第２の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素は、一局面に従う間接ＴＯＦカメラ用画素において、蓄積期間と読み出し期間とを備え、蓄積期間において、Ｍ個の変調トランジスタが複数回順次導通して、フォトダイオードの電荷がＭ個の蓄積ゲートにそれぞれ複数回蓄積され、読み出し期間において、Ｍ個の転送トランジスタが順次導通して、対応するＭ個の蓄積ゲートに蓄積された電荷が共有ＦＤへ順次転送されて読み出されてもよい。

この場合、蓄積期間では、Ｍ個の変調トランジスタをＭ相クロックで駆動し、交互に導通させることにより、それぞれの時間窓（クロック）において入射光に応じて発生した電荷をそれぞれの変調トランジスタを介してそれぞれの蓄積ゲートに転送する。そして、上記蓄積ゲートへの電荷の転送を複数回繰り返すことで、各蓄積ゲートに蓄積される電荷の量を増加させる。なお、蓄積期間では、Ｍ個の転送トランジスタはすべて非導通である。
一方で、読み出し期間では、Ｍ個の転送トランジスタを順次導通させ、対応するＭ個の蓄積ゲートに蓄積された電荷を共有ＦＤに転送する。電荷が共有ＦＤに転送されると、電荷の量に比例した電圧が共有ＦＤおよび共有ＦＤに接続された増幅トランジスタのゲートに発生し、増幅トランジスタを通じて出力される。なお、読み出し期間では、Ｍ個の変調トランジスタはすべて非導通である。

第２の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素は、以下の効果を有する。
ａ）ＦＤ共有構造による時間窓（クロック）の各相間のゲイン誤差の低減
イメージセンサでは、ＦＤにおいて電荷を電圧に変換するが、この変換利得はＦＤの容量と増幅トランジスタのゲート容量との合計の値に逆比例するため、各相のＦＤおよび増幅トランジスタの容量のばらつきによって各相間のゲイン誤差が発生する。しかし、第２の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素では、時間窓（クロック）の各相でＦＤおよび増幅トランジスタが共有されるため、変換利得のばらつきが少ない。
また、第２の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素では、時間窓（クロック）の各相で増幅トランジスタが共有されるため、増幅アンプのゲイン誤差がない。
ｂ）ＦＤ共有構造による画素サイズの小型化
第２の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素では、画素読み出し経路が１個になり、その結果、大きな面積を必要とする増幅トランジスタも画素当たり１個となり、画素サイズの小型化が実現できる。
ｃ）制御信号数の削減による画素サイズの小型化
画像読み出しアンプが１系統となるため、それに必要な制御信号の数も減少し、レイアウトパターンの配線数が少なくなるため、画素のさらなる小型化を実現できる。
ｄ）蓄積ゲートによる低雑音化
非特許文献２の場合、ＦＤに電荷を蓄積することになるが、第２の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素では、暗電流の少ない蓄積ゲートに電荷を蓄積するため、低雑音での読み出しが可能となる。

（３）
第３の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素は、第２の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素において、間接ＴＯＦカメラ用画素は、パルス波変調、または連続波変調された光源からの光を入射光とし、変調トランジスタの導通／非導通の周期は、光源のパルス波変調または連続波変調の周期と同一であり、かつ、変調トランジスタの導通期間は、光源のパルス波変調または連続波変調信号に同期してもよい。

この場合、パルス波変調された光源を用いる場合には、各時間窓（クロック）における出力の大きさの比率を用いて入射光の遅延時間、および対象物との距離を求めることができる。
また、連続波変調された光源を用いる場合には、各時間窓（クロック）における出力の大きさの比率を用いて入射光の遅れ位相の大きさから入射光の遅延時間、および対象物との距離を求めることができる。

（４）
第４の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素は、第２の発明から第３の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素において、さらに、一端が共有ＦＤに接続されるリセットトランジスタと、ゲートが共有ＦＤに接続される増幅トランジスタとを含み、リセットトランジスタは転送トランジスタのいずれかが導通する前に導通して共有ＦＤの電圧が所定値に設定され、転送トランジスタのいずれかが導通すると、対応する蓄積ゲートから転送される電荷の量に応じて共有ＦＤの電圧が所定値から変化してもよい。
なお、リセットトランジスタの一端とは、ＭＯＳトランジスタのソースまたはドレインを意味する。

この場合、転送トランジスタが導通して蓄積ゲートの蓄積電荷がＦＤに転送される前に、リセットトランジスタがＦＤおよび増幅トランジスタのゲートの電圧を所定値に設定し、その後、転送トランジスタが導通して蓄積ゲートから転送される電荷の量に応じて共有ＦＤの電圧、すなわち、増幅トランジスタのゲート電圧を変化させることができる。これにより、間接ＴＯＦカメラ用画素を相関２重サンプリング（ＣＤＳ）に用いることができるため、ｋＴ／Ｃノイズを除去してより測定誤差の小さい間接ＴＯＦカメラ用画素とすることができる。

（５）
第５の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素は、第４の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素において、リセットトランジスタの導通期間と転送トランジスタの導通期間との間には、リセットトランジスタおよび転送トランジスタのすべてが非導通となる期間が設けられてもよい。

この場合、ＣＤＳの動作において、リセット時の共有ＦＤの電圧と電荷転送後の共有ＦＤの電圧を確実に分離して読み出し部に伝えることができる。

（６）第６の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素は、第２の発明から第５の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素において、フォトダイオードに接続される排出トランジスタを含み、読み出し期間において、排出トランジスタが導通してフォトダイオードの電荷が排出されてもよい。

この場合、読み出し期間中に発生する電荷を排出することによって、蓄積期間開始時のフォトダイオードの電荷を零とすることができる。

（７）
第７の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素は、一局面から第６の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素において、Ｍは３または４であってもよい。

Ｍ＝３の場合、パルス波変調された光源と組み合わせ、３つの時間窓（クロック）のそれぞれで蓄積した信号の大きさを用いて、背景光除去処理機能を有する間接ＴＯＦカメラ用画素を構成することができる。なお、背景光の影響を無視できる場合には、Ｍ＝２としてもよい。
Ｍ＝４の場合、連続波変調された光源と組み合わせ、４つの時間窓（クロック）のそれぞれで蓄積した信号の大きさを用いて、背景光の影響を受けない間接ＴＯＦカメラ用画素を構成することができる。

（８）
第８の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素は、一局面から第７の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素において、間接ＴＯＦカメラ用画素が裏面より照射された光を入射光とする裏面照射型画素であってもよい。

この場合、入射光が裏面から照射されるため、入射光が配線によって遮られることがなく、画素の微細化および高開口率化が可能となる。

（９）
第９の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置は、一局面から第８の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用画素を複数備えた画素アレイと、画素アレイからの画素出力を順次読み出す読み出し部と、画素アレイおよび読み出し部を制御する制御部とを備えている。

この場合、それぞれＭ個の、変調トランジスタ、蓄積ゲート、および転送トランジスタの間でＦＤおよび増幅トランジスタを共有することができるため、画素アレイおよび固体撮像装置全体を小型化し、かつ、測定誤差の小さい間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置とすることができる。

（１０）
第１０の発明にかかる間接ＴＯＦカメラは、第９の発明にかかる間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置と、パルス波変調、または連続波変調される光源と、間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置の出力信号を入力する信号処理回路とを含み、光源から放射された光が対象物で反射し間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置に帰ってくるまでの時間を計測する。

この場合、測定誤差が小さく精度の高い間接ＴＯＦカメラを構成することができる。

第１の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素の等価回路図である。 第１の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素の模式的タイミング図である。 第１の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素の縦構造の模式的断面図である。 第２の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素の等価回路図である。 間接ＴＯＦカメラ用撮像装置のブロック図である。 間接ＴＯＦカメラの模式的システム図である。 非特許文献１に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素の等価回路図である。 非特許文献２に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素の等価回路図である。 特許文献１に記載のカメラ用画素の等価回路図である。 特許文献２に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素の等価回路図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付す。また、同符号の場合には、それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さないものとする。

［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素７０の等価回路図であり、図２は間接ＴＯＦカメラ用画素７０の模式的タイミング図であり、図３は間接ＴＯＦカメラ用画素７０の縦構造の模式的断面図である。

図１において、間接ＴＯＦカメラ用画素７０は、フォトダイオード１０と、一端がフォトダイオード１０に接続された３個の変調トランジスタ２１−２３と、一端が３個の変調トランジスタ２１−２３の他端にそれぞれ接続される３個の蓄積ゲート３１−３３と、一端が３個の蓄積ゲート３１−３３の他端にそれぞれ接続される３個の転送トランジスタ４１−４３と、３個の転送トランジスタ４１−４３の他端に共通に接続される１つの共有ＦＤ５０とを含む。
共有ＦＤ５０にはさらに、リセットトランジスタ５１の一端と増幅トランジスタ５２のゲートが接続され、リセットトランジスタ５１および増幅トランジスタ５２の他端は電源６０に接続されている。増幅トランジスタ５２の一端は選択トランジスタ５３を介して画素出力５４に接続されている。
また、フォトダイオード１０にはさらに排出トランジスタ１１の一端が接続され、排出トランジスタ１１の他端は電源６０に接続されている。
なお、変調トランジスタ２１−２３、転送トランジスタ４１−４３、リセットトランジスタ５１、排出トランジスタ１１、および増幅トランジスタ５２の一端および他端とは、ＭＯＳトランジスタのソースまたはドレインを意味し、蓄積ゲート３１−３３の一端または他端とは蓄積ゲート直下のチャンネル領域の一端または他端を意味する。

図２を参照して、間接ＴＯＦカメラ用画素７０の動作を説明する。間接ＴＯＦカメラ用画素７０は蓄積期間（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と読み出し期間（Ｒｅａｄｏｕｔ）とを交互に繰り返す。図２において、ＬＯＮは間接ＴＯＦカメラ１５０に含まれる光源１１０の動作波形を示す（図６参照）。第１の実施形態では、光源１１０はパルス波変調されており、したがって、蓄積期間中、光源１１０はパルス状の出力波形を示す。
図２において、ＬＯＮは光源１１０の出力波形を示し、ＤＲＮは排出トランジスタ１１のゲート電圧を示し、ＭＧ１−ＭＧ３はそれぞれ、変調トランジスタ２１−２３のゲート電圧を示し、ＳＧは蓄積ゲート３１−３３のゲート電圧を示す。また、ＲＳＴはリセットトランジスタ５１のゲート電圧を示し、ＴＧ１−ＴＧ３はそれぞれ、転送トランジスタ４１−４３のゲート電圧を示し、ＳＥＬは選択トランジスタ５３のゲート電圧を示す。

蓄積期間中、光源１１０は図２のＴＰＷの期間発光し、２×ＴＰＷの期間発光を停止する（図２のＬＯＮ参照）。変調トランジスタ２１は光源１１０の発光期間に同期してＴＰＷの期間導通し（ＭＧ１参照）、その間入射光の光量に応じて発生する電荷を蓄積ゲート３１に蓄積する。変調トランジスタ２２は、光源１１０の発光終了直後からＴＰＷの期間導通し（ＭＧ２参照）、その間入射光の光量に応じて発生する電荷を蓄積ゲート３２に蓄積する。同様に変調トランジスタ２３は、光源１１０の発光終了後ＴＰＷから２×ＴＰＷの期間導通し（ＭＧ３参照）、その間入射光の光量に応じて発生する電荷を蓄積ゲート３３に蓄積する。
蓄積期間中は、光源１１０および間接ＴＯＦカメラ用画素７０は上記動作を複数回繰り返し、その結果、蓄積ゲート３１−３３に電荷が上記動作を繰り返した回数分蓄積される。

読み出し期間中には、リセットトランジスタ５１を導通することによって（図２のＲＳＴ参照）、共有ＦＤ５０の電圧を所定値（通常、電源６０の電圧からリセットトランジスタ５１のしきい値電圧を引き算した値に相当）に設定し、その後、転送トランジスタ４１を導通することによって（ＴＧ１参照）、蓄積ゲート３１に蓄積された電荷を共有ＦＤ５０に転送し、転送された電荷に対応する電圧変化ΔＶを共有ＦＤ５０に発生させる。そして、リセットトランジスタ５１導通時の電圧と、転送トランジスタ４１導通時の電圧とを、増幅トランジスタ５２と選択トランジスタ５３とを介して画素出力５４に出力し、２つの電圧の差分を読み出し部８０（図５参照）で演算することによって蓄積ゲート３１に蓄積された電荷を求めることができる。上記動作は、いわゆる相関２重サンプリング（ＣＤＳ）に相当する。
同様にして、蓄積ゲート３２および蓄積ゲート３３に蓄積された電荷を求めることができる。
なお、蓄積された電荷の読み出しに用いられる画素出力５４は、画素アレイ７５（図５参照）の同一列で他の行の画素と共有されているため、選択トランジスタ５３は画素７０の電荷を読み出している間は導通し（図２のＳＥＬ参照）、その他の期間は非導通となる。
また、上記所定の値の電圧と電荷転送後の電圧を読み出し部８０で正確に読み出すため、リセットトランジスタ５１の導通期間と転送トランジスタ４１−４３の導通期間の間には一定の間隔が設けられている。
また、読み出し期間中は排出トランジスタ１１を常に導通させることによって（図２のＤＲＮ参照）、フォトダイオード１０に発生する電荷を排出している。

共有ＦＤ５０に転送された電荷をＱ、共有ＦＤ５０と増幅トランジスタ５２のゲート容量との合計容量をＣとしたとき、この電荷転送による共有ＦＤ５０の電圧変化ΔＶは、近似的にΔＶ＝Ｑ／Ｃで表すことができる。従来の、例えば非特許文献１に記載の回路（図７参照）では、蓄積ゲートＳＧ１−ＳＧ４に蓄積された電荷は、それぞれ、別々のＦＤと別々の増幅トランジスタのゲート容量との合計容量によって電荷が電圧に変換されるため、この電荷から電圧への変換利得（１／Ｃ）が異なり、このばらつきによってゲイン誤差が発生する。これに対して、本実施形態では、蓄積ゲート３１―３３に蓄積された電荷が共有ＦＤ５０と増幅トランジスタ５２のゲート容量との合計容量によって電荷が電圧に変換されるため、電荷から電圧への変換利得（１／Ｃ）のばらつきによるゲイン誤差が発生しない。
また、増幅トランジスタ５０は、いわゆるソースフォロワーであり、同様に非特許文献１に記載の回路（図７参照）では、増幅トランジスタのサイズのばらつき等により増幅トランジスタのゲインがばらつき、このばらつきによって蓄積ゲートＳＧ１−ＳＧ４の間でゲイン誤差が発生する。これに対して、本実施形態では、蓄積ゲート３１―３３に蓄積された電荷が同一の増幅トランジスタ５２で増幅されて出力されるため、ゲイン誤差が発生しない。

間接ＴＯＦカメラ１５０では、光源１１０から対象物１３０に向けて照射された光１１５が対象物１３０で反射され、映像としてレンズ１４０を経由して間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００に入射する（図６参照）。本実施形態の場合、光源１１０の発光期間（図２のＬＯＮ）と変調トランジスタ２１の導通期間（図２のＭＧ１）とが一致しており、光源１１０からの光１１５が反射して間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００へ戻るまでの時間（以下、飛行時間ともいう）に応じて、間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００への光１１５の入射期間が遅延する。したがってフォトダイオード１０から供給される電荷は、変調トランジスタ２１の導通期間（図２のＭＧ１）と変調トランジスタ２２の導通期間（図２のＭＧ２）とにまたがる。一方、変調トランジスタ２３の導通期間（図２のＭＧ３）には、光１１５は入射しないため、蓄積ゲート３３に蓄積された電荷は光源１１０からの光による電荷ではなく、いわゆる背景光による電荷である。
したがって、蓄積ゲート３１の電荷をＮ_１、蓄積ゲート３２の電荷をＮ_２、蓄積ゲート３３の電荷をＮ_３、とすると、光源１１０から各間接ＴＯＦカメラ用画素７０への飛行時間Ｔは近似的に（式１）で計算することができる。

Ｔ＝（Ｎ_２−Ｎ_３）×ＴＰＷ／（Ｎ_１＋Ｎ_２−２×Ｎ_３） ・・・（式１）

上記式（式１）からも明らかなように、飛行時間ＴはＮ_１、Ｎ_２、Ｎ_３の比に依存しており、したがって、蓄積ゲート３１−３３の電荷の量と画素出力５４の電圧との間のゲイン誤差が蓄積ゲート３１−３３の間で発生した場合には、飛行時間Ｔの誤差となる。これに対して、本実施形態では、共有ＦＤ５０と増幅トランジスタ５２が共有されているため、ゲイン誤差による飛行時間Ｔの誤差は発生しない。

また、ＭＯＳトランジスタの１／ｆ雑音のパワーは近似的にゲート面積の逆数に比例するため、増幅トランジスタの雑音を減少させるためには、増幅トランジスタの面積を大きくする必要がある。そして、１つの画素に複数の増幅トランジスタを配置する場合には、この複数の増幅トランジスタの面積が画素全体の面積を増大させる。一方で、本実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素７０では増幅トランジスタ５２が１個であるため、画素の面積を小さくすることができる。

図３には間接ＴＯＦカメラ用画素７０の縦構造の模式的断面図の一例を示した。図３は間接ＴＯＦカメラ用画素７０が裏面より照射された光１１５を入射光とする裏面照射型画素の場合である。図３の構造は図１の等価回路のうち、フォトダイオード１０、変調トランジスタ２１、蓄積ゲート３１、転送トランジスタ４１、共有ＦＤ５０、リセットトランジスタ５１を示したものである。図１の等価回路の各トランジスタを図３に対応させると以下のようになる。なお、本発明の間接ＴＯＦカメラ用画素７０は、裏面照射型画素だけではなく、表面照射型画素にも適用できる。

（フォトダイオード１０）
フォトダイオード１０は、ｎ−層２１０１、ｎ層２１０３およびｐ＋層２１０６で構成され、光１１５はｐ＋層２１０６側から入射される。なお、フォトダイオード１０の酸化膜２１０８の界面にはｐ＋層２１０４が形成されており、したがって、図３で示すフォトダイオード１０は埋め込みフォトダイオードである。
フォトダイオード１０は、入射光量に応じた量の信号電荷（電子）を発生し、蓄積する。

（変調トランジスタ２１）
変調トランジスタ２１は、ｎ層２１０３およびｎ層３００２をソースおよびドレインとし、ＭＧをゲートとし、ｐ層２１０７をバックゲートとする埋め込みチャンネル型のｎチャンネルＭＯＳトランジスタである。
変調トランジスタ２１は、フォトダイオード１０で発生する電荷を（例えば図２のＭＧ１−３ように）Ｍ個の時間窓で分解して、蓄積ゲート３１に送る。

（蓄積ゲート３１）
蓄積ゲート３１は、ＳＧをゲートとし、ｐ層３００４およびｎ層３００２を基板とする埋め込みチャンネル型ＭＯＳゲートである。
蓄積ゲート３１は、変調トランジスタ２１から送られた電荷を蓄積する。Ｍ個の変調トランジスタ２１がそれぞれ複数回導通を繰り返すことによって、蓄積ゲート３１には特定の時間窓で分解された電荷が複数回分蓄積される。

（転送トランジスタ４１）
転送トランジスタ４１は、ｎ層３００２およびｎ＋層３００６をソースおよびドレインとし、ＴＧをゲートとし、ｐ層２１０７をバックゲートとする埋め込みチャンネル型のｎチャンネルＭＯＳトランジスタである。
読出期間にＭ個の転送トランジスタ４１を順次導通することによって、Ｍ個の蓄積ゲート３１に蓄積された電荷は、順次共有ＦＤ５０に転送される。

（共有ＦＤ５０）
共有ＦＤ５０は、ｎ＋層３００６からなるフローティング拡散層である。
転送トランジスタ４１から転送された電荷は、対応する電圧変化ΔＶを共有ＦＤ５０に発生させる。そして、この電圧から上述のように飛行時間Ｔを算出することができる。

（リセットトランジスタ５１）
ｎ＋層３００６、ｎ＋層３００８をソースおよびドレイン、ＲＳＴをゲート、ｐ層３００９をバックゲートとするｎチャンネルＭＯＳトランジスタである。ｎ＋層３００８は電源６０に接続されている。

図３に記載の構造を備えた間接ＴＯＦカメラ用画素７０では、フォトダイオード１０で発生した電荷が蓄積ゲート３１−３３に蓄積される。蓄積ゲート３１−３３は酸化膜２１０８との界面にｐ層３００４が拡散されて埋め込みチャンネル型ＭＯＳゲート構造が形成されており、蓄積される電荷が、界面準位の多い酸化膜２１０８との界面よりもシリコン側に蓄積されるため、暗電流の発生が少なく、低雑音読み出しが可能となる。
なお、図３では変調トランジスタ−蓄積ゲート−転送トランジスタの経路が１経路のみであるが、実際には、図１に記載のように上記経路が３経路存在する。

［第２の実施形態］
図４に第２の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素７０の等価回路図を示す。第２の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素７０においても、フォトダイオード１０、排出トランジスタ１１、変調トランジスタ２１−２４、蓄積ゲート３１−３４、転送トランジスタ４１−４４、共有ＦＤ５０、リセットトランジスタ５１、増幅トランジスタ５２、選択トランジスタ５３の動作は第１の実施形態と同じである。
第２の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素７０の、第１の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素７０との差異は、変調トランジスタ−蓄積ゲート−転送トランジスタの経路が４経路存在し、したがって、フォトダイオード１０で発生する電荷を４つの時間窓（クロック）で検出できる点にある。

第２の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素７０は、例えば、連続波変調信号で変調された光源１１０、より具体的には振幅が正弦波変調された光源１１０と組み合わせて使用され、変調トランジスタ２１−２４はそれぞれ、光源１１０を変調する正弦波の位相が０−９０度、９０−１８０度、１８０−２７０度、２７０−３６０度の期間に導通するように設定される。
この場合、光源１１０を変調する変調信号の周波数をＦ_Ｍ、蓄積ゲート３１の電荷をＮ_１、蓄積ゲート３２の電荷をＮ_２、蓄積ゲート３３の電荷をＮ_３、蓄積ゲート３４の電荷をＮ_４とすると、各間接ＴＯＦカメラ用画素７０への入射光の位相の、変調信号の位相に対する位相遅れφは近似的に（式２）で計算することができる。

φ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｎ_１−Ｎ_３）／（Ｎ_２−Ｎ_４）） ・・・（式２）

そして、光源１１０から各間接ＴＯＦカメラ用画素７０への飛行時間Ｔは近似的に（式３）で計算することができる。

Ｔ＝φ／（２×π×Ｆ_Ｍ） ・・・（式３）

上記式（式２および式３）からも明らかなように、飛行時間ＴはＮ_１、Ｎ_２、Ｎ_３、Ｎ_４の比に依存しており、したがって、蓄積ゲート３１−３４の電荷の量と画素出力５４の電圧との間のゲイン誤差が蓄積ゲート３１−３４の間で発生した場合には、飛行時間Ｔの誤差となる。これに対して、第２の実施形態においても、共有ＦＤ５０と増幅トランジスタ５２が共有されているため、ゲイン誤差による飛行時間Ｔの誤差は発生しない。

［間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００の構成］
図５に間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００の構成を示す。間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００は第１または第２の実施形態の間接ＴＯＦカメラ用画素７０が２次元に配列された画素アレイ７５、各画素７０の画素出力５４を順次読み出し、出力する読み出し部８０、および、画素アレイ７５および読み出し部８０に制御信号を送出する制御部９０から構成されている。
さらに、読み出し部８０は相関ダブルサンプリングおよびＡＤ変換の機能を備えるＡＤ変換回路８１と出力回路８２とを備える。
また、制御部９０は、タイミング制御回路９１と垂直走査回路９２と垂直駆動回路９３とを備える。
画素アレイ７５の中において２次元に配列された間接ＴＯＦカメラ用画素７０の画素出力５４は、列方向（図５の縦方向）で共有されており、各行ごとに順次、リセットトランジスタ５１、転送トランジスタ４１−４３、および選択トランジスタ５３を駆動することにより、時分割で読みだされる。また、行方向には複数の画素出力ラインを通じて並行して読み出される。
また、間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００は光源１１０を変調するための変調信号１０５を出力する（図示せず）。

［間接ＴＯＦカメラ１５０の構成と動作］
図６に間接ＴＯＦカメラ１５０の構成を示す。間接ＴＯＦカメラ１５０は間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００、パルス波変調、または連続波変調された光源１１０、間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００の出力信号を入力する信号処理回路１２０、およびレンズ１４０を備える。
図６において、間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００は光源１１０を変調するための変調信号１０５を出力し、光源１１０は変調信号１０５に同期してパルス波変調、または連続波変調された光１１５を放射する。光源１１０から放射された光１１５は対象物１３０で反射され、映像となってレンズ１４０を介して間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００に入射する。

入射した光１１５は画素アレイ７５の各画素７０に入射し、各画素７０の蓄積ゲート３１−３３（第１の実施形態）または蓄積ゲート３１−３４（第２の実施形態）に電荷が蓄積される。蓄積された電荷Ｎ１−Ｎ３（第１の実施形態）または電荷Ｎ１−Ｎ４（第２の実施形態）は各間接ＴＯＦカメラ用画素７０ごとに順次読み出され、信号処理回路１２０に入力されて、光源１１０から各間接ＴＯＦカメラ用画素７０への飛行時間Ｔは、第１の実施形態の場合（式１）で、第２の実施形態の場合（式３）で計算することができる。また、各間接ＴＯＦカメラ用画素７０に入射する光１１５が反射された対象物１３０と間接ＴＯＦカメラ１５０との距離Ｌは、光１１５の飛行時間をＴ、光速をｃとして、（式４）で計算することができる。

Ｌ＝ｃ×Ｔ／２ ・・・（式４）

本発明において、フォトダイオード１０が『フォトダイオード』に相当し、変調トランジスタ２１−２３、または２１−２４が『変調トランジスタ』に相当し、蓄積ゲート３１−３３、または３１−３４が『蓄積ゲート』に相当し、転送トランジスタ４１−４３、または４１−４４が『転送トランジスタ』に相当し、共有ＦＤ５０が『共有ＦＤ』に相当し、間接ＴＯＦカメラ用画素７０が『間接ＴＯＦカメラ用画素』に相当し、光源１１０が『光源』に相当し、リセットトランジスタ５１が『リセットトランジスタ』に相当し、増幅トランジスタ５２が『増幅トランジスタ』に相当し、排出トランジスタ１１が『排出トランジスタ』に相当し、画素アレイ７５が『画素アレイ』に相当し、読み出し部８０が『読み出し部』に相当し、制御部９０が『制御部』に相当し、間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置１００が『間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置』に相当し、信号処理回路１２０が『信号処理回路』に相当し、対象物１３０が『対象物』に相当し、間接ＴＯＦカメラ１５０が『間接ＴＯＦカメラ』に相当する。

本発明の好ましい実施形態は上記の通りであるが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

１０ フォトダイオード
１１ 排出トランジスタ
２１、２２、２３、２４ 変調トランジスタ
３１、３２、３３、３４ 蓄積ゲート
４１、４２、４３、４４ 転送トランジスタ
５０ 共有ＦＤ
５１ リセットトランジスタ
５２ 増幅トランジスタ
６０ 電源
７０ 間接ＴＯＦカメラ用画素
７５ 画素アレイ
８０ 読み出し部
９０ 制御部
１００ 間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置
１１０ 光源
１２０ 信号処理回路
１３０ 対象物
１５０ 間接ＴＯＦカメラ

Claims (10)

1. 入射光の光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードと、
   一端が前記フォトダイオードに接続されるＭ個の変調トランジスタと、
   一端がＭ個の前記変調トランジスタの他端にそれぞれ接続されるＭ個の蓄積ゲートと、
   一端がＭ個の前記蓄積ゲートの他端にそれぞれ接続されるＭ個の転送トランジスタと、
   Ｍ個の前記転送トランジスタの他端に共通に接続される１つの共有ＦＤと、を含み、
   前記Ｍは１より大きい整数である、間接ＴＯＦカメラ用画素。
2. 前記間接ＴＯＦカメラ用画素は蓄積期間と読み出し期間とを備え、
   前記蓄積期間において、Ｍ個の前記変調トランジスタが複数回順次導通して、フォトダイオードの電荷がＭ個の前記蓄積ゲートにそれぞれ複数回蓄積され、
   前記読み出し期間において、Ｍ個の前記転送トランジスタが順次導通して対応するＭ個の前記蓄積ゲートに蓄積された電荷が共有ＦＤへ順次転送されて読み出される、請求項１に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素。
3. 前記間接ＴＯＦカメラ用画素は、パルス波変調、または連続波変調された光源からの光を入射光とし、
   前記変調トランジスタの導通／非導通の周期は、前記光源のパルス波変調または連続波変調の周期と同一であり、かつ、前記変調トランジスタの導通期間は、前記光源のパルス波変調または連続波変調信号に同期する、請求項２に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素。
4. さらに、一端が前記共有ＦＤに接続されるリセットトランジスタと、ゲートが前記共有ＦＤに接続される増幅トランジスタとを含み、
   前記リセットトランジスタは前記転送トランジスタのいずれかが導通する前に導通して前記共有ＦＤの電圧が所定値に設定され、
   前記転送トランジスタのいずれかが導通すると、対応する前記蓄積ゲートから転送される電荷の量に応じて前記共有ＦＤの電圧が前記所定値から変化する、請求項２または３に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素。
5. 前記読み出し期間において、前記リセットトランジスタの導通期間と前記転送トランジスタの導通期間との間には、前記リセットトランジスタおよび前記転送トランジスタのすべてが非導通となる期間が設けられる、請求項４に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素。
6. さらに、前記フォトダイオードに接続される排出トランジスタを含み、
   前記読み出し期間において、前記排出トランジスタが導通して前記フォトダイオードの電荷が排出される、請求項２から５のいずれか１項に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素。
7. 前記Ｍは３または４である、請求項１から６のいずれか１項に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素。
8. 前記間接ＴＯＦカメラ用画素は、裏面より照射された光を入射光とする裏面照射型画素である、請求項１から７のいずれか１項に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の間接ＴＯＦカメラ用画素を複数備えた画素アレイと、
   前記画素アレイからの画素出力を順次読み出す読み出し部と、
   前記画素アレイおよび前記読み出し部を制御する制御部と、を備えた、間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置。
10. 請求項９に記載の間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置と、
    パルス波変調、または連続波変調される光源と、
    前記間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置の出力信号を入力する信号処理回路と、を含み、
    前記光源から放射された光が対象物で反射し前記間接ＴＯＦカメラ用固体撮像装置に帰ってくるまでの時間を計測する、間接ＴＯＦカメラ。

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