JP2021193719A - 受光素子および電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】距離測定の感度の低下を軽減する受光素子およびおよび当該受光素子を使用する電子機器を提供する。
【解決手段】受光素子は、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４と、第１の電荷検出部１２１と、第２の電荷検出部１２２とを具備する。第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、入射光の光電変換を行う半導体基板１２０の表面において同一方向に伸長される線状に構成されて互いに離隔して配置されるとともに近接部１２８，１２９を備えてそれぞれ異なる電圧が印加される。第１の電荷検出部１２１は、半導体基板１２０の表面における第１の電圧印加部１０３の周囲に配置されて光電変換により生成される電荷を検出する。第２の電荷検出部１２２は、半導体基板１２０の表面における第２の電圧印加部１０４の周囲に配置されて光電変換により生成される電荷を検出する。
【選択図】図３

Description

本開示は、受光素子および電子機器に関する。詳しくは、対象物からの光を受光する受光素子および当該受光素子を使用する電子機器に関する。
従来、対象物に光を照射しながら照射した光が対象物との間を往復する時間を測定することにより、対象物との距離を測定する測距装置が使用されている。このような測距方法は、飛行時間（ＴｏＦ：Time of Flight）法と称され、直接ＴｏＦ法および間接ＴｏＦ法が使用されている。このうち、直接ＴｏＦ法は、光が対象物との間を往復する時間を直接計時する方法である。この直接ＴｏＦ法は、比較的遠方の対象物との距離の測定に使用される方法である。
これに対し間接ＴｏＦ法は、光が対象物との間を往復する時間を間接的に計時する方法であり、比較的近距離の測定に適用される方法である。この間接ＴｏＦ法においては、一定の周波数のパルス状に光を出射し、対象物からの反射光を受光するとともに出射時と同一の周波数の信号により変調する。この変調を複数の位相差にて行い、複数の変調信号の相互の演算を行う。この演算により、光が対象物との間を往復する時間に相当する出射光と反射光との位相差を計測することができる。この反射光の変調は、光を電気信号に変換する光電変換部を有する画素を備える受光素子により行うことができる。具体的には、画素毎に２つの光電変換部が配置され、矩形波の変調信号により反射光を２つの光電変換部に振り分けて光電変換を行うことにより変調を行う。振り分けられた光電変換部によりそれぞれ生成される画像信号は、出射光に対する反射光の位相差に応じてパルス幅が変化する信号となる。異なる位相における複数の変調を行うとともにそれぞれの変調後の画像信号を取得することにより、光が対象物との間を往復する時間が計時される。
このような間接ＴｏＦ法の測距を行う受光素子として、光電変換を行う半導体基板の表面側に第１の電圧印加部および第２の電圧印加部ならびに第１の電荷検出部および第２の電荷検出部を備える受光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。第１の電荷検出部は第１の電圧印加部の周囲に配置され、第２の電荷検出部は第２の電圧印加部の周囲に配置される。対象物からの反射光は半導体基板の裏面側に照射され、光電変換により電荷が生成される。この生成された電荷が第１および第２の電荷検出部にて検出される。この検出の際、第１および第２の電圧印加部に異なる電圧の信号を印加することにより、第１および第２の電圧印加部の間に電界を形成する。この形成された電荷により、光電変換により生成された電荷が第１の電荷検出部および第２の電荷検出部分に振り分けられる。
特開２０１８−１１７１１７号公報
上述の従来技術では、距離測定の感度が低いという問題がある。上述の第１の電圧印加部および第２の電圧印加部は、それぞれ円形や矩形に構成され、画素の表側の表面の比較的狭い領域に形成される。このため、十分な強度の電界を半導体基板中に形成することができず、光電変換により生成された電荷の第１および第２の電荷検出部への転送効率が低下するという問題がある。このため、距離測定の感度が低下するという問題がある。
本開示は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、半導体基板中の電荷の転送効率を向上させて、距離測定の感度の低下を軽減することを目的としている。
本開示は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の態様は、入射光の光電変換を行う半導体基板の表面において同一方向に伸長される線状に構成されて互いに離隔して配置されるとともに近接部を備えてそれぞれ異なる電圧が印加される第１の電圧印加部および第２の電圧印加部と、上記半導体基板の表面における上記第１の電圧印加部の周囲に配置されて上記光電変換により生成される電荷を検出する第１の電荷検出部と、上記半導体基板の表面における上記第２の電圧印加部の周囲に配置されて上記光電変換により生成される電荷を検出する第２の電荷検出部とを具備する受光素子である。
また、この第１の態様において、上記第１の電圧印加部および上記第２の電圧印加部は、突出部を上記近接部として備えてもよい。
また、この第１の態様において、上記第１の電圧印加部および上記第２の電圧印加部は、折れ線状に構成されてもよい。
また、この第１の態様において、上記第１の電圧印加部および上記第２の電圧印加部は、湾曲する線状に構成されてもよい。
また、この第１の態様において、上記第１の電圧印加部および上記第２の電圧印加部は、上記半導体基板の上記入射光が入射される面とは異なる面に配置されてもよい。
また、本開示の第２の態様は、入射光の光電変換を行う半導体基板の表面において同一方向に伸長される線状に構成されて互いに離隔して配置されるとともに近接部を備えてそれぞれ異なる電圧が印加される第１の電圧印加部および第２の電圧印加部と、上記半導体基板の表面における上記第１の電圧印加部の周囲に配置されて上記光電変換により生成される電荷を検出する第１の電荷検出部と、上記半導体基板の表面における上記第２の電圧印加部の周囲に配置されて上記光電変換により生成される電荷を検出する第２の電荷検出部と、上記第１の電荷検出部および上記第２の電荷検出部により検出された電荷に基づいて生成される信号の処理を行う処理回路とを具備する電子機器である。
また、この第２の態様において、上記半導体基板は、光源から出射された光が対象物により反射された反射光の光電変換を行い、上記処理回路は、上記光源からの光の出射から上記反射光の入射までの時間を計時することにより上記対象物までの距離を計測する上記処理を行ってもよい。
本開示の態様により、線状に構成される第１の電圧印加部および第２の電圧印加部の一部が互いに近接するという作用をもたらす。近接部近傍の電界強度の向上が想定される。
本開示の実施の形態に係る受光素子の構成例を示す図である。 本開示の実施の形態に係る画素の構成例を示す断面図である。 本開示の第１の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。 本開示の第１の実施の形態に係る画素の他の構成例を示す平面図である。 本開示の第２の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。 本開示の第２の実施の形態に係る画素の他の構成例を示す平面図である。 本開示の第２の実施の形態に係る画素の構成の変形例を示す平面図である。 本開示の第３の実施の形態に係る画素の構成例を示す図である。 本開示の実施の形態に係る画素の構成例を示す図である。 本開示に係る技術が適用され得る測距装置の構成例を示す図である。 本開示に係る技術が適用され得る測距装置に係る測距の一例を示す図である。
次に、図面を参照して、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）を説明する。以下の図面において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。また、以下の順序で実施の形態の説明を行う。
１．第１の実施の形態
２．第２の実施の形態
３．第３の実施の形態
４．測距装置への応用例
＜１．第１の実施の形態＞
［受光素子の構成］
図１は、本開示の実施の形態に係る受光素子の構成例を示す図である。同図の受光素子２０は、画素アレイ部２１と、垂直駆動部２２と、カラム信号処理部２３と、制御部２４とを備える。なお、同図には、受光素子２０の他に受光信号処理部３０を記載した。
画素アレイ部２１は、画素１００が２次元格子状に配置されて構成されたものである。ここで、画素１００は、照射された光に応じた画像信号を生成するものである。この画素１００は、照射された光に応じた電荷を生成する光電変換部を有する。また画素１００は、画素回路をさらに有する。この画素回路は、光電変換部により生成された電荷に基づく画像信号を生成する。画像信号の生成は、後述する垂直駆動部２２により生成された制御信号により制御される。画素アレイ部２１には、信号線２６および２７がＸＹマトリクス状に配置される。信号線２６は、画素１００における画素回路の制御信号を伝達する信号線であり、画素アレイ部２１の行毎に配置され、各行に配置される画素１００に対して共通に配線される。信号線２７は、画素１００の画素回路により生成された画像信号を伝達する信号線であり、画素アレイ部２１の列毎に配置され、各列に配置される画素１００に対して共通に配線される。これら光電変換部および画素回路は、半導体基板（後述する半導体基板１２０）に形成される。
垂直駆動部２２は、画素１００の画素回路の制御信号を生成するものである。この垂直駆動部２２は、生成した制御信号を同図の信号線２６を介して画素１００に伝達する。カラム信号処理部２３は、画素１００により生成された画像信号を処理するものである。このカラム信号処理部２３は、同図の信号線２７を介して画素１００から伝達された画像信号の処理を行う。カラム信号処理部２３における処理には、例えば、画素１００において生成されたアナログの画像信号をデジタルの画像信号に変換するアナログデジタル変換が該当する。カラム信号処理部２３により処理された画像信号は、受光素子２０の画像信号として出力される。制御部２４は、受光素子２０の全体を制御するものである。この制御部２４は、垂直駆動部２２およびカラム信号処理部２３を制御する制御信号を生成して出力することにより、受光素子２０の制御を行う。制御部２４により生成された制御信号は、信号線２８および２４により垂直駆動部２２およびカラム信号処理部２３に対してそれぞれ伝達される。
同図の画素１００には、光電変換により生成される電荷を検出する２つの電荷検出部を備える光電変換部が配置される。光電変換により生成される電荷を２つの電荷検出部により交互に検出し、それぞれの電荷検出部毎に配置される画素回路にて２つの画像信号が生成される。これにより、反射光の変調が行われる。この画素１００において生成された２つの画像信号は、カラム信号処理部２３に伝達されてデジタルの画像信号に変換され、受光信号処理部３０に出力される。受光信号処理部３０は、受光素子２０により生成された画像信号に基づいて、対象物との間の距離を測定する処理である測距処理を行う。受光素子２０および受光信号処理部３０は、後述する測距センサ２に配置される。
［画素の構成］
図２は、本開示の実施の形態に係る画素の構成例を示す断面図である。同図は、画素１００の構成例を表す断面図である。画素１００は、半導体基板１２０と、配線領域１４０と、保護膜１５１と、遮光部１５２と、オンチップレンズ１６１とを備える。
半導体基板１２０は、画素１００等の半導体素子の拡散領域が形成される半導体の基板である。この半導体基板１２０には、例えば、シリコン（Ｓｉ）の基板を使用することができる。画素１００等の半導体素子は、半導体基板１２０に形成されたウェル領域に配置される。便宜上、同図の半導体基板１２０は、ｐ型のウェル領域を構成するものと想定する。このｐ型のウェル領域にｎ型の半導体領域を配置することにより、光電変換部等の素子を構成することができる。同図には、光電変換部１０１および１０２を例として記載した。
光電変換部１０１は、第１の電荷検出部１２１およびウェル領域により構成される。この第１の電荷検出部１２１は、ｎ型の半導体領域に構成され、ｐ型のウェル領域との間にｐｎ接合を形成する。このｐｎ接合により構成されるフォトダイオードが光電変換部１０１に該当する。また、光電変換部１０２は、第２の電荷検出部１２２およびウェル領域により構成される。この第２の電荷検出部１２２は、ｎ型の半導体領域に構成され、ｐ型のウェル領域との間にｐｎ接合を形成してフォトダイオードを構成する。このフォトダイオードが光電変換部１０２を表す。このように、光電変換部１０１および１０２は、ウェル領域を共通のアノード領域とし、２つのｎ型の半導体領域を個別のカソード領域とするフォトダイオードである。
これら第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２は、光電変換により生成される電荷を検出する。同図の画素１００において、入射光は、半導体基板１２０の裏面側からｐ型のウェル領域に照射され、光電変換される。この光電変換により生成される電荷のうちの電子がｎ型の半導体領域に構成される第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２に移動して蓄積される。この蓄積された電荷が不図示の画素回路に転送され、画像信号が生成される。このように、第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２により、電荷が検出される。なお、第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２は、比較的高い不純物濃度に構成することができる。後述する配線を接続する際にオーミック接触を得るためである。
第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、それぞれ異なる電圧を半導体基板１２０に印加するものである。この第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、例えば、半導体基板１２０と同じ導電型の半導体領域により構成することができる。同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、比較的高い不純物濃度のｐ型の半導体領域に構成される例を表したものである。また、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、それぞれ第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２の近傍に配置される。同図は、半導体基板１２０の表面側において、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４が第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２にそれぞれ内設される例を表したものである。すなわち、同図の第１の電荷検出部１２１は第１の電圧印加部１０３の周囲に配置され、第２の電荷検出部１２２は第２の電圧印加部１０４の周囲に配置される例を表したものである。
このような構成の画素１００において、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４に異なる電圧を印加すると、半導体基板１２０に電位勾配および電界が形成される。同図の点線の矢印は、第２の電圧印加部１０４より高い電圧を第１の電圧印加部１０３に印加した場合の電界（電気力線）を表したものである。半導体基板１２０の電荷は、この電界に沿って移動する。第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２の近傍に第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４がそれぞれ配置される。さらに、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４にそれぞれ異なる電圧を印加して電界および電位勾配を形成する。これにより、光電変換により生成された電荷を第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２の何れかに導くことができる。電荷の検出を第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２に振り分けることが可能となる。
同図に表したように、第１の電圧印加部１０３の方に高い電圧を印加した場合には、光電変換により生成された電子が第１の電圧印加部１０３の近傍に移動し、第１の電荷検出部１２１に到達して検出される。一方、第２の電圧印加部１０４の方に高い電圧を印加した場合には、光電変換により生成された電子が第２の電圧印加部１０４の近傍に移動し、第２の電荷検出部１２２に到達して検出される。
第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４ならびに第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２の境界における半導体基板１２０の表側の表面には、これらの領域を分離する分離部が配置される。第１の電圧印加部１０３および第１の電荷検出部１２１の間には分離部１３１が配置され、第２の電圧印加部１０４および第２の電荷検出部１２２の間には分離部１３３が配置される。また、第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２とウェル領域との間には、それぞれ分離部１３２および分離部１３４が配置される。この分離部１３１乃至１３４は、絶縁物により構成することができる。例えば、分離部１３１乃至１３４は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）により構成することができる。同図の分離部１３１乃至１３４は、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）に構成される例を表したものである。
配線領域１４０は、画素１００の素子等の配線が形成される領域である。この配線領域１４０は、半導体基板１２０の表面側に配置される。配線領域１４０は、配線層１４２と、絶縁層１４１とを備える。配線層１４２は、画素１００の半導体素子に電気信号を伝達するものである。この配線層１４２は、銅（Ｃｕ）等の金属により構成することができる。絶縁層１４１は、配線層１４２を絶縁するものである。この絶縁層１４１は、例えば、ＳｉＯ２や窒化シリコン（ＳｉＮ）により構成することができる。この配線層１４２および絶縁層１４１は、多層に構成することができる。配線層１４２および半導体基板１２０の半導体領域の接続は、不図示のコンタクトプラグにより行うことができる。このコンタクトプラグは、柱状の金属により構成され、配線層１４２と半導体領域とを電気的に接続するものである。
保護膜１５１は、半導体基板１２０の裏面側を保護するものである。この保護膜１５１は、例えば、ＳｉＯ２により構成することができる。
遮光部１５２は、入射光を遮光するものである。この遮光部１５２は、画素１００の境界の半導体基板１２０の裏面側に配置され、隣接する画素１００から斜めに入射する入射光を遮光する。遮光部１５２は、例えば、タングステン（Ｗ）により構成することができる。
オンチップレンズ１６１は、半球形状に構成されて、入射光を集光するレンズである。このオンチップレンズ１６１は、半導体基板１２０の裏面側に配置されて入射光を半導体基板１２０の光電変換を行う領域に集光する。同図のオンチップレンズ１６１は、第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２の間の半導体基板１２０に集光する例を表したものである。オンチップレンズ１６１は、ＳｉＮ等の無機材料やアクリル樹脂等の有機材料により構成することができる。なお、オンチップレンズ１６１の下層の領域は、遮光部１５２等が配置された半導体基板１２０の裏面側を平坦化するとともに保護する膜として作用する。
［画素の平面の構成］
図３は、本開示の第１の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。同図は、画素１００の構成例を表す平面図であり、半導体基板１２０の表面側の構成を表す平面図である。なお、図２は、同図のａ−ａ’線に沿う断面図である。第１の電圧印加部１０３は線状に構成され、第１の電荷検出部１２１が第１の電圧印加部１０３の周囲に配置される。第１の電圧印加部１０３および第１の電荷検出部１２１の間には分離部１３１が配置され、第１の電荷検出部１２１の周囲には分離部１３２が配置される。同様に、第２の電圧印加部１０４も線状に構成され、第２の電荷検出部１２２が第２の電圧印加部１０４の周囲に配置される。第２の電圧印加部１０４および第２の電荷検出部１２２の間には分離部１３３が配置され、第２の電荷検出部１２２の周囲には分離部１３４が配置される。
同図に表したように、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、同一方向に伸長される線状に構成され、互いに離隔して配置される。第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を線状に構成することにより、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４の専有面積を縮小することができる。前述のように、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４にそれぞれ異なる電圧を印加すると、当該領域から正孔が注入され、電位差に応じてｐ型のウェル領域を正孔が移動する。すなわち電流が流れる。第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４の領域を拡張すると電流が増大し、消費電力が増加する。第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を線状に構成して表面積を縮小することにより、電流の増加を低減することができ、消費電力の増加を低減することができる。
また、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を画素１００の端部近傍に伸長することにより、画素１００の広い範囲において、均質な電界を形成することができ、画素１００の端部近傍の電荷の移動距離を短縮することができる。高速な電荷の検出が可能となる。
同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４には、それぞれ近接部１２８および１２９が配置される。同図の近接部１２８および１２９は、線状の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４の中央部にそれぞれ配置された突出部により構成される例を表したものである。これら近接部１２８および１２９を配置することにより、当該領域において第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４の間の距離を短くすることができる。このため、近接部１２８および１２９の近傍に比較的高い電界を形成することができる。同図の点線の矢印は、図２と同様に電気力線を表す。これらは、近接部１２８および１２９の近傍において電気力線の密度が高くなり、高い電界が形成される様子を表したものである。
第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４の間に、比較的高い電界の領域を形成することにより、光電変換により生成される電荷の移動速度を向上させることができ、電荷の転送効率を向上させることができる。また、同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、近接部１２８および１２９が画素１００の中央部の近傍に配置される。当該領域は、オンチップレンズ１６１により入射光が集光される領域であり、多くの電荷が生成される領域である。この領域に高電界領域を形成することにより、電荷の転送効率をさらに向上させることができる。
このように、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を線状に構成するとともに近接部１２８および１２９を配置する。これにより、半導体基板１２０の広い範囲において電荷の移動距離を短縮することができ、一部の領域において電荷の移動を高速化することができる。消費電力の増加を軽減しながら電荷の転送効率を向上させることができる。
なお、同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、非対称な形状に構成された領域と捉えることもできる。例えば、第１の電圧印加部１０３は、同図の上下方向には対称な形状であるが、左右方向には非対称な形状に構成される。同図のｂ−ｂ’は第１の電圧印加部１０３のうちの線状に構成される部分の中心線を表したものである。第１の電圧印加部１０３は、この中心線に対して第２の電圧印加部１０４に向かう方向に非対称な部分が付加された形状と捉えることができる。この非対称な部分を付加することにより、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４の電界強度を部分的に高くすることができる。
［画素の平面の他の構成］
図４は、本開示の第１の実施の形態に係る画素の他の構成例を示す平面図である。同図は、図３と同様に、画素１００の構成例を表す平面図である。第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４の端部に近接部が配置される点で、図３の画素１００と異なる。なお、以降の図において、光電変換部１０１および１０２ならびに分離部１３１乃至１３４の符号の記載を省略した。
同図におけるＡは、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４のそれぞれの近接部１２８および１２９が画素１００の端部近傍に配置される例を表したものである。同図におけるＡの第１の電圧印加部１０３は、近接部１２８ａおよび１２８ｂを備える。また、同図におけるＡの第２の電圧印加部１０４は、近接部１２９ａおよび１２９ｂを備える。この近接部１２８ａおよび近接部１２９ａは、互いに対向する位置に配置される。同様に、近接部１２８ｂおよび近接部１２９ｂも互いに対向する位置に配置される。これら近接部１２８ａおよび１２８ｂならびに近接部１２９ａおよび１２９ｂを配置することにより、画素１００端部近傍における半導体基板１２０の電界を高くすることができる。当該領域の電荷の転送効率を向上させることができる。
同図におけるＢは、突出部１３８および１３９をさらに配置する例を表したものである。同図におけるＢの第１の電圧印加部１０３は、突出部１３８ａおよび突出部１３８ｂをさらに備える。この突出部１３８ａおよび１３８ｂは、第２の電圧印加部１０４に向かう方向とは異なる方向に突出する。また、同図におけるＢの第２の電圧印加部１０４は、突出部１３９ａおよび突出部１３９ｂをさらに備える。この突出部１３９ａおよび１３９ｂにおいても、第１の電圧印加部１０３に向かう方向とは異なる方向に突出する。このような突出部１３８および１３９を配置することにより、画素１００の隅部等に比較的高い電界が及ぶ領域を伸張させることができる。当該領域の電荷の転送効率を向上させることができる。
以上説明したように、本開示の第１の実施の形態の受光素子２０は、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を線状に構成するとともに近接部１２８および１２９を付加する。これにより、消費電力の増加を防ぎながら光電変換により生成される電荷の転送効率を向上させることができる。距離測定の感度の向上が可能となる。
＜２．第２の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態の受光素子２０は、突出部を有する線状に構成される第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を備えていた。これに対し、本開示の第２の実施の形態の受光素子２０は、折れ線状に構成される第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を備える点で、上述の第１の実施の形態と異なる。
［画素の平面の構成］
図５は、本開示の第２の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。同図は、図３と同様に、画素１００の構成例を表す平面図である。折れ線状の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を備える点で、図３において説明した画素１００と異なる。
同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、中央部に折曲部を有する折れ線状に構成される。同図におけるＡは、それぞれの曲折部同士が近接する方向に第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４が配置される例を表したものである。同図におけるＡの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、この曲折部がそれぞれの近接部１２８および１２９を構成する。
これに対し、同図におけるＢの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、曲折部同士が離隔する方向に配置される。同図におけるＢの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、それぞれの端部が近接部１２８および１２９を構成する。同図におけるＢの第１の電圧印加部１０３は、２つの端部が近接部１２８ａおよび１２８ｂを構成する。同様に、同図におけるＢの第２の電圧印加部１０４は、２つの端部が近接部１２９ａおよび１２９ｂを構成する。
このように、同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、折れ線状に構成されるとともに近接部１２８および１２９が配置される。これにより、半導体基板１２０の広い範囲において電荷の移動距離を短縮することができ、一部の領域において電荷の移動を高速化することができる。消費電力の増加を軽減しながら電荷の転送効率を向上させることができる。
［画素の平面の他の構成］
図６は、本開示の第２の実施の形態に係る画素の他の構成例を示す平面図である。同図は、図５と同様に、画素１００の構成例を表す平面図である。第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４に２つの曲折部が配置される点で、図５において説明した画素１００と異なる。
同図におけるＡの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４では、２つの曲折部の間の線形状の領域がそれぞれの近接部１２８および１２９を構成する。また、同図におけるＢの第１の電圧印加部１０３は２つの端部が近接部１２８ａおよび１２８ｂを構成し、同図におけるＢの第２の電圧印加部１０４は２つの端部が近接部１２９ａおよび１２９ｂを構成する。
［変形例］
図７は、本開示の第２の実施の形態に係る画素の構成の変形例を示す平面図である。同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、図６におけるＡの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４と同様に、２つの曲折部が配置される。この曲折部が画素１００の端部近傍に配置される点で、図６におけるＡの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４と異なる。
同図における第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４においても、中央部に近接部１２８および１２９が配置される。
これ以外の受光素子２０の構成は本開示の第１の実施の形態において説明した受光素子２０の構成と同様であるため、説明を省略する。
以上説明したように、本開示の第２の実施の形態の受光素子２０は、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を折れ線状に構成するとともに近接部１２８および１２９を付加する。これにより、消費電力の増加を防ぎながら光電変換により生成される電荷の転送効率を向上させることができる。
＜３．第３の実施の形態＞
上述の第２の実施の形態の受光素子２０は、折れ線状に構成される第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を備えていた。これに対し、本開示の第３の実施の形態の受光素子２０は、湾曲する線状に構成される第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を備える点で、上述の第１の実施の形態と異なる。
［画素の構成］
図８は、本開示の第３の実施の形態に係る画素の構成例を示す図である。同図は、図５と同様に、画素１００の構成例を表す平面図である。湾曲する線状の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を備える点で、図５において説明した画素１００と異なる。
同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、中央部から端部に亘って湾曲する線状に構成される。同図におけるＡは、それぞれの中央部同士が近接する方向に第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４が配置される例を表したものである。同図におけるＡの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、この中央部がそれぞれの近接部１２８および１２９を構成する。
これに対し、同図におけるＢの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、中央部同士が離隔する方向に配置される。同図におけるＢの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、それぞれの端部が近接部１２８および１２９を構成する。同図におけるＢの第１の電圧印加部１０３は、２つの端部が近接部１２８ａおよび１２８ｂを構成する。同様に、同図におけるＢの第２の電圧印加部１０４は、２つの端部が近接部１２９ａおよび１２９ｂを構成する。
このように、同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、湾曲する線状に構成されるとともに近接部１２８および１２９が配置される。これにより、半導体基板１２０の広い範囲において電荷の移動距離を短縮することができ、一部の領域において電荷の移動を高速化することができる。消費電力の増加を軽減しながら電荷の転送効率を向上させることができる。
これ以外の受光素子２０の構成は本開示の第２の実施の形態において説明した受光素子２０の構成と同様であるため、説明を省略する。
以上説明したように、本開示の第３の実施の形態の受光素子２０は、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４を湾曲する線状に構成するとともに近接部１２８および１２９を付加する。これにより、消費電力の増加を防ぎながら光電変換により生成される電荷の転送効率を向上させることができる。
なお、第１の実施の形態の画素１００の構成は、他の実施の形態と組み合わせることができる。具体的には、図３の近接部１２８および１２９を構成する突出部は、図５におけるＡ、図６におけるＡ、図７および図８におけるＡの第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４に適用することができる。
＜４．測距装置への応用例＞
本開示に係る技術は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、測距装置に適用されてもよい。
［画素の構成］
図９は、本開示の実施の形態に係る画素の構成例を示す図である。同図は、画素１００の構成例を表す回路図である。同図の画素１００は、光電変換部１０１および１０２と、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４と、電荷保持部１０５および１０６と、ＭＯＳトランジスタ１１１乃至１１８とを備える。同図のＭＯＳトランジスタ１１１乃至１１８には、ｎチャネルＭＯＳトランジスタを使用することができる。
光電変換部１０１のアノードは接地され、カソードはＭＯＳトランジスタ１１１のソースおよびＭＯＳトランジスタ１１２のソースに接続される。ＭＯＳトランジスタ１１１のドレインは電源線Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタ１１２のドレインはＭＯＳトランジスタ１１３のゲートおよび電荷保持部１０５の一端に接続される。電荷保持部１０５の他の一端は、接地される。ＭＯＳトランジスタ１１３のドレインは電源線Ｖｄｄに接続され、ソースはＭＯＳトランジスタ１１４のドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタ１１４のソースは、出力信号線Ｖｏ１に接続される。
光電変換部１０２のアノードは接地され、カソードはＭＯＳトランジスタ１１５のソースおよびＭＯＳトランジスタ１１６のソースに接続される。ＭＯＳトランジスタ１１５のドレインは電源線Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタ１１６のドレインはＭＯＳトランジスタ１１７のゲートおよび電荷保持部１０６の一端に接続される。電荷保持部１０６の他の一端は、接地される。ＭＯＳトランジスタ１１７のドレインは電源線Ｖｄｄに接続され、ソースはＭＯＳトランジスタ１１８のドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタ１１８のソースは、出力信号線Ｖｏ２に接続される。
第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、それぞれバイアス信号線Ｖｂ１およびバイアス信号線Ｖｂ２に接続される。ＭＯＳトランジスタ１１１のゲートおよびＭＯＳトランジスタ１１５ゲートは、リセット信号線ＲＳＴに共通に接続される。ＭＯＳトランジスタ１１２のゲートおよびＭＯＳトランジスタ１１６ゲートは、転送信号線ＴＲに共通に接続される。ＭＯＳトランジスタ１１４のゲートおよびＭＯＳトランジスタ１１８ゲートは、選択信号線ＳＥＬに共通に接続される。
なお、バイアス信号線Ｖｂ１、バイアス信号線Ｖｂ２、リセット信号線ＲＳＴ、転送信号線ＴＲおよび選択信号線ＳＥＬは、信号線１１を構成する。出力信号線Ｖｏ１および出力信号線Ｖｏ２は、信号線１２を構成する。
光電変換部１０１および１０２は、前述のように照射された光に応じた電荷を生成するものであり、フォトダイオードにより構成される。また、光電変換部１０１および１０２は、共通のアノード領域を備える。
第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、光電変換部１０１および１０２の近傍の半導体基板に電圧を印加するものである。同図の第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４は、バイアス信号線Ｖｂ１およびＶｂ２を介して互いに異なる電圧のバイアス電圧が印加される。
ＭＯＳトランジスタ１１２は、光電変換部１０１の光電変換により生成される電荷を電荷保持部１０５に転送するトランジスタである。また、ＭＯＳトランジスタ１１６は、光電変換部１０２の光電変換により生成される電荷を電荷保持部１０６に転送するトランジスタである。ＭＯＳトランジスタ１１２および１１６における電荷の転送は、転送信号線ＴＲにより伝達される信号により制御される。
電荷保持部１０５および１０６は、それぞれＭＯＳトランジスタ１１２および１１６により転送された電荷を保持するキャパシタである。ＭＯＳトランジスタ１１３および１１７は、それぞれ電荷保持部１０５および１０６に保持された電荷に基づく信号を生成するトランジスタである。ＭＯＳトランジスタ１１４は、ＭＯＳトランジスタ１１３により生成された信号を画像信号として出力信号線Ｖｏ１に出力するトランジスタである。また、ＭＯＳトランジスタ１１８は、ＭＯＳトランジスタ１１７により生成された信号を画像信号として出力信号線Ｖｏ２に出力するトランジスタである。このＭＯＳトランジスタ１１４および１１８は、選択信号線ＳＥＬにより伝達される信号により制御される。
ＭＯＳトランジスタ１１１および１１５は、それぞれ光電変換部１０１および１０２をリセットするトランジスタである。このＭＯＳトランジスタ１１１および１１５は、光電変換部１０１および１０２に保持された電荷を電源線Ｖｄｄに排出することによりリセットを行う。ＭＯＳトランジスタ１１１および１１５によるリセットは、リセット信号線ＲＳＴにより伝達される信号により制御される。なお、このリセットの際、ＭＯＳトランジスタ１１２および１１６を導通させることにより、電荷保持部１０５および１０６のリセットも行うことができる。
同図の画素１００における画像信号の生成は、次のように行うことができる。まず、ＭＯＳトランジスタ１１２および１１６を導通させるとともにＭＯＳトランジスタ１１１および１１５を導通させる。これにより、光電変換部１０１および１０２ならびに電荷保持部１０５および１０６のリセットを行う。次に、ＭＯＳトランジスタ１１２、１１６、１１１および１１５を非導通の状態にする。これにより、光電変換部１０１および１０２において光電変換により生成される電荷の蓄積を開始させる。
この際、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４にそれぞれ異なる電圧を交互に印加する。例えば、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４にそれぞれ１．５Ｖおよび０Ｖを印加する。これにより、第１の電圧印加部１０３が高電位となる。光電変換により生成された電荷（電子）は、光電変換部１０１の第１の電荷検出部１２１に移動して蓄積される。次に、印加する電圧を入れ替えて、第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４にそれぞれ０Ｖおよび１．５Ｖを印加する。第２の電圧印加部１０４が高電位となり、光電変換により生成された電荷（電子）は、光電変換部１０２の第２の電荷検出部１２２に移動して蓄積される。この２度の電圧の印加を１つのサイクルとして複数回繰り返し、第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２に電荷を蓄積させる。
次に、ＭＯＳトランジスタ１１２および１１６を導通させて、光電変換部１０１の第１の電荷検出部１２１および光電変換部１０２の第２の電荷検出部１２２に蓄積された電荷を電荷保持部１０５および１０６にそれぞれ転送し、保持させる。ＭＯＳトランジスタ１１３および１１７は、それぞれ電荷保持部１０５および１０６に保持された電荷に応じた画像信号を生成する。その後、ＭＯＳトランジスタ１１４および１１８を導通させると、ＭＯＳトランジスタ１１３および１１７により生成された画像信号が信号線Ｖｏ１およびＶｏ２にそれぞれ出力される。なお、ＭＯＳトランジスタ１１１乃至１１８ならびに電荷保持部１０５および１０６は、前述の画素回路を構成する。
［測距装置の構成］
図１０は、本開示に係る技術が適用され得る測距装置の構成例を示す図である。同図は、測距装置１の構成例を表すブロック図である。同図の測距装置１は、測距センサ２と、制御部３と、光源装置４と、レンズ５とを備える。なお、同図には、距離測定の対象物９０１を記載した。また、測距センサ２は、図１において説明した受光素子２０および受光信号処理部３０を備える。
レンズ５は、測距センサ２に対象物を結像するレンズである。
光源装置４は、距離測定の対象物に光を出射するものである。この光源装置４は、例えば、赤外光を出射するレーザ光源を使用することができる。
制御部３は、測距装置１の全体制御するものである。
測距センサ２は、対象物までの距離を測定するセンサである。この測距センサ２は、光源装置４を制御して出射光９０２を対象物９０１に出射させる。出射光９０２が対象物９０１から反射されて反射光９０３となる。測距センサ２は、反射光９０３を検出した際に、出射光９０２の出射から反射光９０３の検出までの時間を計時し、対象物９０１までの距離を測定する。この測定された距離は、距離データとして測距装置１の外部に出力される。
［測距処理］
図１１は、本開示に係る技術が適用され得る測距装置に係る測距の一例を示す図である。同図におけるＡは、光源装置４から出射された出射光と対象物により反射された反射光との関係を表す図である。同図におけるＡにおいて、正のｘ軸の方向が出射光の位相に対応する。同図におけるＡの「Ｒ」は反射光を表す。出射光および反射光Ｒの間には、距離に応じた位相差θを生じる。この位相差θを検出することにより、対象物までの距離を測定することができる。ここで、Ｉは出射光と同相の成分を表し、Ｑは出射光と直交する成分を表す。位相差θは次式により表すことができる。
θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ／Ｉ）
ここで、Ｉは出射光と同相の反射光の波高値を表す。Ｑは直交する反射光の波高値を表す。同図におけるＡは、正弦波の出射光等を想定したものであるが、パルス波の出射光等においても上述の式によりθを算出することができる。ＱおよびＩは、反射光を変調することにより得ることができる。具体的には、出射光に対して９０度位相が異なる複数のタイミングにおいて反射光を検出することにより行うことができる。同図におけるＢは、この様子を表したものである。
同図におけるＢの「出射光」および「反射光」は、それぞれ出射光および反射光の波形を表す。反射光は、出射光に対してΔＴ遅れた波形となる。このΔＴが対象物との間を往復する時間となる。対象物までの距離Ｄは、次式により表すことができる。
Ｄ＝ｃ×ΔＴ／２＝ｃ×θ／（４π×ｆ）
ここで、ｃは光速を表す。ｆは出射光の周波数を表す。
また、同図におけるＢの「Ｑ０」、「Ｑ１８０」、「Ｑ９０」、および「Ｑ２７０」は、それぞれ、出射光に対して、０、１８０、９０および２７０度ずれた位相において反射光を検出する場合を表したものである。「Ｑ０」等の波形の値「１」の期間に反射光の検出が行われる。「Ｑ０」等の波形において斜線のハッチングを付した部分が検出される反射光を表す。この「Ｑ０」等により、ＩおよびＱは、次のように表すことができる。
Ｉ＝Ｑ０−Ｑ１８０
Ｑ＝Ｑ９０−Ｑ２７０
これにより、θは、次式により表すことができる。
θ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｑ９０−Ｑ２７０）／（Ｑ０−Ｑ１８０））
このθを上記の式に代入することにより、対象物までの距離Ｄを算出することができる。
上述のＱ０およびＱ１８０ならびにＱ９０およびＱ２７０における反射光の検出は、図２において説明した画素１００により行うことができる。具体的には、前述した画素１００の第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２の振り分けをＱ０およびＱ１８０における反射光の検出期間に対応させることにより行う。Ｑ０における反射光の検出期間に第２の電圧印加部１０４より高い電圧を第１の電圧印加部１０３に印加し、次のＱ１８０における反射光の検出期間に第１の電圧印加部１０３および第２の電圧印加部１０４の印加電圧を入れ替える。これにより、それぞれの期間において光電変換により生成された電荷を第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２に振り分けて転送する。その後、第１の電荷検出部１２１および第２の電荷検出部１２２に転送されて蓄積された電荷に基づく画像信号をそれぞれ生成することにより、Ｑ９０およびＱ１８０に対応する画像信号を生成することができる。
Ｑ９０およびＱ２７０においても同様の手順により画像信号を生成することができる。これらの画像信号に基づいて図１において説明した受光信号処理部３０が位相差θを算出し、距離Ｄを算出する。
このように、受光素子２０および受光信号処理部３０により距離の測定を行うことができる。なお、受光信号処理部３０は、特許請求の範囲に記載の処理回路の一例である。測距センサ２は、特許請求の範囲に記載の電子機器の一例である。
最後に、上述した各実施の形態の説明は本開示の一例であり、本開示は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本開示に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無い。また、他の効果があってもよい。
また、上述の実施の形態における図面は、模式的なものであり、各部の寸法の比率等は現実のものとは必ずしも一致しない。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれることは勿論である。
また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）およびメモリカード等を用いることができる。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）入射光の光電変換を行う半導体基板の表面において同一方向に伸長される線状に構成されて互いに離隔して配置されるとともに近接部を備えてそれぞれ異なる電圧が印加される第１の電圧印加部および第２の電圧印加部と、
前記半導体基板の表面における前記第１の電圧印加部の周囲に配置されて前記光電変換により生成される電荷を検出する第１の電荷検出部と、
前記半導体基板の表面における前記第２の電圧印加部の周囲に配置されて前記光電変換により生成される電荷を検出する第２の電荷検出部と
を具備する受光素子。
（２）前記第１の電圧印加部および前記第２の電圧印加部は、突出部を前記近接部として備える前記（１）に記載の受光素子。
（３）前記第１の電圧印加部および前記第２の電圧印加部は、折れ線状に構成される前記（１）または（２）に記載の受光素子。
（４）前記第１の電圧印加部および前記第２の電圧印加部は、湾曲する線状に構成される前記（１）または（２）に記載の受光素子。
（５）前記第１の電圧印加部および前記第２の電圧印加部は、前記半導体基板の前記入射光が入射される面とは異なる面に配置される前記（１）から（４）の何れかに記載の受光素子。
（６）入射光の光電変換を行う半導体基板の表面において同一方向に伸長される線状に構成されて互いに離隔して配置されるとともに近接部を備えてそれぞれ異なる電圧が印加される第１の電圧印加部および第２の電圧印加部と、
前記半導体基板の表面における前記第１の電圧印加部の周囲に配置されて前記光電変換により生成される電荷を検出する第１の電荷検出部と、
前記半導体基板の表面における前記第２の電圧印加部の周囲に配置されて前記光電変換により生成される電荷を検出する第２の電荷検出部と、
前記第１の電荷検出部および前記第２の電荷検出部により検出された電荷に基づいて生成される信号の処理を行う処理回路と
を具備する電子機器。
（７）前記半導体基板は、光源から出射された光が対象物により反射された反射光の光電変換を行い、
前記処理回路は、前記光源からの光の出射から前記反射光の入射までの時間を計時することにより前記対象物までの距離を計測する前記処理を行う
前記（６）に記載の電子機器。
１ 測距装置
２ 測距センサ
４ 光源装置
２０ 受光素子
２１ 画素アレイ部
２３ カラム信号処理部
３０ 受光信号処理部
１００ 画素
１０１、１０２ 光電変換部
１０３ 第１の電圧印加部
１０４ 第２の電圧印加部
１２０ 半導体基板
１２１ 第１の電荷検出部
１２２ 第２の電荷検出部
１２８、１２８ａ、１２８ｂ、１２９、１２９ａ、１２９ｂ 近接部
１３８、１３８ａ、１３８ｂ、１３９、１３９ａ、１３９ｂ 突出部

Claims (7)

  1. 入射光の光電変換を行う半導体基板の表面において同一方向に伸長される線状に構成されて互いに離隔して配置されるとともに近接部を備えてそれぞれ異なる電圧が印加される第１の電圧印加部および第２の電圧印加部と、
    前記半導体基板の表面における前記第１の電圧印加部の周囲に配置されて前記光電変換により生成される電荷を検出する第１の電荷検出部と、
    前記半導体基板の表面における前記第２の電圧印加部の周囲に配置されて前記光電変換により生成される電荷を検出する第２の電荷検出部と
    を具備する受光素子。
  2. 前記第１の電圧印加部および前記第２の電圧印加部は、突出部を前記近接部として備える請求項１記載の受光素子。
  3. 前記第１の電圧印加部および前記第２の電圧印加部は、折れ線状に構成される請求項１記載の受光素子。
  4. 前記第１の電圧印加部および前記第２の電圧印加部は、湾曲する線状に構成される請求項１記載の受光素子。
  5. 前記第１の電圧印加部および前記第２の電圧印加部は、前記半導体基板の前記入射光が入射される面とは異なる面に配置される請求項１記載の受光素子。
  6. 入射光の光電変換を行う半導体基板の表面において同一方向に伸長される線状に構成されて互いに離隔して配置されるとともに近接部を備えてそれぞれ異なる電圧が印加される第１の電圧印加部および第２の電圧印加部と、
    前記半導体基板の表面における前記第１の電圧印加部の周囲に配置されて前記光電変換により生成される電荷を検出する第１の電荷検出部と、
    前記半導体基板の表面における前記第２の電圧印加部の周囲に配置されて前記光電変換により生成される電荷を検出する第２の電荷検出部と、
    前記第１の電荷検出部および前記第２の電荷検出部により検出された電荷に基づいて生成される信号の処理を行う処理回路と
    を具備する電子機器。
  7. 前記半導体基板は、光源から出射された光が対象物により反射された反射光の光電変換を行い、
    前記処理回路は、前記光源からの光の出射から前記反射光の入射までの時間を計時することにより前記対象物までの距離を計測する前記処理を行う
    請求項６記載の電子機器。
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