JP2022026845A - 撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】後段の光センサの感度を向上させることができる撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置１Ａは、第１光センサ１０と、第１光センサ１０に対して光の入射側とは反対側に配置され、第１光センサ１０と接合された第２光センサ２０と、を備える。第１光センサ１０は、二次元に配置された複数の第１画素１５を有する。第２光センサ２０は、二次元に配置された複数の第２画素２５を有する。各第１画素１５は、可視光Ｌ１の入射に応じて電荷を発生させる埋め込み型フォトダイオード１５１を含む。各第２画素２５は、近赤外光Ｌ２の入射に応じて電荷を発生させる電荷発生領域２５１と、電荷発生領域２５１で発生した電荷が転送される電荷収集領域２５２と、電荷発生領域２５１で発生した電荷を引き寄せるフォトゲート電極２５５と、フォトゲート電極２５５によって引き寄せされた電荷を電荷収集領域２５２に転送する転送ゲート電極２５６と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置に関する。
対象物の距離画像（対象物までの距離に関する情報を含む画像）を取得するための撮像装置として、可視光を検出するイメージセンサと、近赤外光を検出する測距センサと、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような撮像装置では、測距センサが、光の入射方向においてイメージセンサに対して光の入射側とは反対側に配置される場合がある。
特開２０１７－１１２１６９号公報
上述したような撮像装置では、例えば測距レンジを広げる観点から、２つの光センサのうち、光の入射方向において光の入射側とは反対側に配置された光センサ（以下、「後段の光センサ」という）において、いかに感度を向上させ得るかが重要である。
本発明は、後段の光センサの感度を向上させることができる撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の撮像装置は、第１波長帯の光を検出する第１光センサと、光の入射方向において第１光センサに対して光の入射側とは反対側に配置され、第１光センサと接合されており、第１波長帯よりも長波長側の第２波長帯の光を検出する第２光センサと、を備え、第１光センサは、入射方向と交差する第１面に沿って二次元に配置された複数の第１画素を有し、第２光センサは、入射方向と交差する第２面に沿って二次元に配置された複数の第２画素を有し、複数の第１画素のそれぞれは、第１波長帯の光の入射に応じて電荷を発生させる埋め込み型フォトダイオードを含み、複数の第２画素のそれぞれは、第２波長帯の光の入射に応じて電荷を発生させる電荷発生領域と、電荷発生領域で発生した電荷が転送される電荷収集領域と、電荷発生領域で発生した電荷を引き寄せるフォトゲート電極と、フォトゲート電極によって引き寄せされた電荷を電荷収集領域に転送する転送ゲート電極と、を含む。
この撮像装置では、後段の光センサである第２光センサにおいて、複数の第２画素のそれぞれが、電荷発生領域、電荷収集領域、フォトゲート電極及び転送ゲート電極を含んでいる。これにより、複数の第２画素のそれぞれでは、電荷発生領域で発生した電荷がフォトゲート電極によって引き寄せられ、引き寄せされた電荷が転送ゲート電極によって電荷収集領域に転送される。したがって、電荷発生領域で発生した電荷が僅かであったとしても、当該電荷が高速で且つ確実に電荷収集領域に転送される。よって、この撮像装置によれば、後段の光センサの感度を向上させることができる。
本発明の撮像装置では、入射方向から見た場合における複数の第２画素のそれぞれの大きさは、入射方向から見た場合における複数の第１画素のそれぞれの大きさよりも大きくてもよい。これによれば、例えば、複数の第２画素のそれぞれの大きさが複数の第１画素のそれぞれの大きさと同じである場合に比べ、複数の第２画素のそれぞれの感度を向上させることができる。
本発明の撮像装置は、入射方向において第１光センサに対して光の入射側に、複数の第１画素及び複数の第２画素に対応するように配置され、それぞれが第１波長帯の光及び第２波長帯の光を第１光センサ内に集光させる複数のレンズを更に備えてもよい。これによれば、複数の第２画素のそれぞれに、第２波長帯の光が発散した状態で入射することになる。このとき、複数の第２画素のそれぞれの大きさが複数の第１画素のそれぞれの大きさよりも大きいため、複数の第２画素のそれぞれにおいて第２波長帯の光を効率良く受光することができる。
本発明の撮像装置は、入射方向において第１光センサに対して光の入射側に、複数の第２画素に対応するように配置された複数のテクスチャ構造を更に備え、第１光センサは、入射方向から見た場合に複数のテクスチャ構造のそれぞれに対応する領域を包囲する反射部を更に有してもよい。これによれば、テクスチャ構造において反射が抑制されつつ第１光センサに様々な角度で入射した第２波長帯の光が、反射部で反射されつつ第２画素に様々な角度で入射することになる。しかも、入射方向から見た場合における第２画素の大きさが、入射方向から見た場合における第１画素の大きさよりも大きい。したがって、第２画素において第２波長帯の光の光路が長くなり、第２画素の電荷発生領域において第２波長帯の光が吸収され易くなる。したがって、複数の第２画素のそれぞれにおいて第２波長帯の光を効率良く受光することができる。
本発明の撮像装置では、第１光センサは、第１面に沿って二次元に配置された複数の光通過部を更に有し、複数の第２画素のそれぞれは、入射方向から見た場合に複数の光通過部の少なくとも１つと重なっていてもよい。これによれば、光通過部を介して第２画素に第２波長帯の光を効率良く入射させることができる。
本発明の撮像装置では、複数の光通過部のそれぞれは、導波路構造を含んでもよい。これによれば、導波路構造を介して第２画素に第２波長帯の光をより効率良く入射させることができる。
本発明の撮像装置では、電荷発生領域は、アバランシェ増倍領域を含んでもよい。これによれば、電荷発生領域で発生した電荷がアバランシェ増倍されるため、第２光センサの感度をより一層向上させることができる。
本発明の撮像装置は、入射方向において第１光センサに対して光の入射側に、複数の第１画素に対応するように配置され、第１波長帯の光である可視光を選択的に透過させる複数のカラーフィルタを更に備えてもよい。これによれば、第１光センサから出力される信号に基づいて、可視光による対象物の像を取得することができる。
本発明の撮像装置は、第１光センサと第２光センサとの間に配置され、第２波長帯の光である近赤外光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを更に備えてもよい。これによれば、第２光センサにおいて近赤外光を精度良く検出することができる。
本発明の撮像装置は、入射方向において第１光センサに対して光の入射側に、複数の第２画素に対応するように配置され、第２波長帯の光である近赤外光を選択的に透過させる複数のプラズモンフィルタを更に備えてもよい。これによれば、第２光センサにおいて近赤外光を精度良く検出することができる。
本発明の撮像装置では、電荷収集領域は、入射方向から見た場合に複数の第１画素の１つと重なっていてもよい。これによれば、第２波長帯の光が電荷収集領域に入射することに起因する寄生感度の発生を抑制することができる。
本発明の撮像装置では、埋め込み型フォトダイオードは、シリコンからなり、電荷発生領域及び電荷収集領域は、シリコンからなってもよい。これによれば、第２光センサを容易に製造することができる。
本発明の撮像装置では、埋め込み型フォトダイオードは、シリコンからなり、電荷発生領域及び電荷収集領域は、ゲルマニウムからなってもよい。これによれば、例えば近赤外光に対する第２光センサの感度をより一層向上させることができる。
本発明の撮像装置では、第１光センサは、入射方向において複数の第１画素に対して光の入射側とは反対側に配置された第１配線層を更に有し、第２光センサは、入射方向において複数の第２画素に対して光の入射側に配置された第２配線層を更に有し、第２配線層は、第１配線層と電気的且つ物理的に接続されていてもよい。これによれば、撮像装置において配線構造の集約化を図ることができる。
本発明の撮像装置では、第１光センサは、信号読出し部を更に有し、信号読出し部は、複数の第１画素のそれぞれから第１信号を読み出し、複数の第２画素のそれぞれから第２信号を読み出してもよい。これによれば、信号読出し部の共通化を図ることができる。
本発明の撮像装置では、信号読出し部は、交互に繰り返される第１期間及び第２期間のうち、第１期間において、複数の第１画素のそれぞれに電荷を蓄積させると共に複数の第２画素のそれぞれから第２信号を読み出し、第２期間において、複数の第２画素のそれぞれに電荷を蓄積させると共に複数の第１画素のそれぞれから第１信号を読み出してもよい。これによれば、第２波長帯の光を出射する光源と共に撮像装置を用いた場合に、複数の第１画素のそれぞれに電荷を蓄積させる第１期間に、光源から第２波長帯の光が出射されることが防止される。したがって、複数の第１画素のそれぞれから出力される第１信号に、第２波長帯の光の影響が及ぶのを防止することができる。
本発明の撮像装置では、信号読出し部は、交互に繰り返される第１期間及び第２期間のうち、第１期間において、複数の第１画素のそれぞれに電荷を蓄積させると共に複数の第２画素のそれぞれに電荷を蓄積させ、第２期間において、複数の第１画素のそれぞれから第１信号を読み出すと共に複数の第２画素のそれぞれから第２信号を読み出してもよい。これによれば、前段の第１光センサで取得したイメージに、後段の第２光センサで取得された距離情報を、位置的にだけでなく時間的にも、容易に且つ高精度に対応付けることが可能となる。
本発明によれば、後段の光センサの感度を向上させることができる撮像装置を提供することが可能となる。
第１実施形態の撮像装置の側面図である。 図１に示される撮像装置の一部分の断面図である。 （ａ）図１に示される第１光センサの第１画素部の平面図、及び（ｂ）図１に示される第２光センサの第２画素部の平面図である。 変形例の撮像装置の一部分の断面図である。 第２実施形態の撮像装置の一部分の断面図である。 第３実施形態の撮像装置の一部分の断面図である。 第４実施形態の撮像装置の一部分の断面図である。 第５実施形態の撮像装置の一部分の断面図である。 （ａ）図８に示される第１光センサの第１画素部の平面図、及び（ｂ）図８に示される第２光センサの第２画素部の平面図である。 第６実施形態の撮像装置の一部分の断面図である。 第７実施形態の撮像装置の一部分の断面図である。 （ａ）変形例の第１画素部の平面図、及び（ｂ）変形例の第２光センサの第２画素部の平面図である。 （ａ）変形例の第１画素部の平面図、及び（ｂ）変形例の第２光センサの第２画素部の平面図である。 （ａ）変形例の第１画素部の平面図、及び（ｂ）変形例の第２光センサの第２画素部の平面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
図１に示されるように、撮像装置１Ａは、第１光センサ１０と、第２光センサ２０と、を備えている。第１光センサ１０は、可視光（第１波長帯の光）Ｌ１を検出する。第２光センサ２０は、可視光Ｌ１と同じ側から入射する近赤外光（第２波長帯の光）Ｌ２を検出する。第２光センサ２０は、光（可視光Ｌ１及び近赤外光Ｌ２）の入射方向において第１光センサ１０に対して光の入射側とは反対側に配置されており、第１光センサ１０と接合されている。一例として、第２光センサ２０は、樹脂接合又は直接接合によって第１光センサ１０と接合されている。以下、光の入射方向をＺ方向といい、Ｚ方向に垂直な一方向をＸ方向といい、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に垂直な方向をＹ方向という。
第１光センサ１０は、第１半導体層１１と、第１配線層１２と、を有している。第１半導体層１１は、第１画素部１３と、信号読出し部１４と、を含んでいる。第１半導体層１１の厚さは、例えば、３～１０μｍ程度である。第１配線層１２は、第１半導体層１１における光の入射側の表面１１ａ及びその反対側の表面１１ｂのうち、表面１１ｂに配置されている。つまり、第１配線層１２は、Ｚ方向において複数の第１画素１５（図２参照）に対して光の入射側とは反対側に配置されている。第１画素部１３は、第１配線層１２を介して信号読出し部１４と電気的に接続されている。信号読出し部１４は、電圧信号生成回路、ＣＭＯＳ読出し回路、垂直走査回路、列回路、水平走査回路、アンプ、タイミング発生回路等によって構成されている。
第２光センサ２０は、第２半導体層２１と、第２配線層２２と、を有している。第２半導体層２１は、第２画素部２３を含んでいる。第２半導体層２１の厚さは、例えば、１００～７００μｍ程度である。第２配線層２２は、第２半導体層２１における光の入射側の表面２１ａ及びその反対側の表面２１ｂのうち、表面２１ａに配置されている。つまり、第２配線層２２は、Ｚ方向において複数の第２画素２５（図２参照）に対して光の入射側に配置されている。第２配線層２２は、第１配線層１２と電気的且つ物理的に接続されている。第２画素部２３は、第２配線層２２及び第１配線層１２を介して信号読出し部１４と電気的に接続されている。
図２に示されるように、第１画素部１３は、複数の第１画素１５及び複数の光通過部１６を含んでいる。複数の第１画素１５及び複数の光通過部１６は、第１半導体層１１において、表面（入射方向と交差する第１面）１１ａに沿って二次元に配置されている。一例として、図３の（ａ）に示されるように、複数の第１画素１５及び複数の光通過部１６は、複数の光通過部１６が１列の第１画素１５を介して配置され且つ１行の第１画素１５を介して配置されるように、マトリックス状に配置されている。Ｚ方向から見た場合における第１画素１５及び光通過部１６のそれぞれの形状は、例えば、一片の長さが数μｍ程度の正方形状である。複数の第１画素１５及び複数の光通過部１６は、例えば、１０００行１０００列でマトリックス状に配置されている。
図２に示されるように、各第１画素１５は、埋め込み型フォトダイオード１５１と、電荷収集領域１５２と、転送ゲート電極１５３と、を含んでいる。埋め込み型フォトダイオード１５１及び電荷収集領域１５２は、シリコン基板に対して各種処理（例えば、エッチング、成膜、不純物注入等）を実施することで形成されている。つまり、埋め込み型フォトダイオード１５１及び電荷収集領域１５２は、シリコンからなっている。
埋め込み型フォトダイオード１５１は、表面１１ｂに沿ってｐ型半導体領域１５０内に形成されている。埋め込み型フォトダイオード１５１は、ｐ型半導体領域１５０よりも高い不純物濃度を有する表面１１ｂ側のｐ型半導体領域１５１ａと、表面１１ａ側のｎ型半導体領域１５１ｂと、を含んでいる。埋め込み型フォトダイオード１５１と表面１１ｂとの間には、ｐ型半導体領域１５０の一部が存在している。埋め込み型フォトダイオード１５１において、ｐ型半導体領域１５１ａ及びｎ型半導体領域１５１ｂは、ｐｎ接合を形成している。埋め込み型フォトダイオード１５１は、可視光Ｌ１の入射に応じて電荷を発生させる光電変換領域として機能する。ｐ型半導体領域１５０の不純物濃度は、例えば、１×１０１３～１×１０１６ｃｍ－３程度である。埋め込み型フォトダイオード１５１のｐ型半導体領域１５１ａの不純物濃度は、例えば、１×１０１６～１×１０１９ｃｍ－３程度である。埋め込み型フォトダイオード１５１のｎ型半導体領域１５１ｂの不純物濃度は、例えば、１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３程度である。
電荷収集領域１５２は、Ｘ方向における埋め込み型フォトダイオード１５１の一方の側において、表面１１ｂに沿ってｐ型半導体領域１５０内に形成されている。電荷収集領域１５２は、埋め込み型フォトダイオード１５１のｎ型半導体領域１５１ｂよりも高い不純物濃度を有するｎ型半導体領域である。電荷収集領域１５２は、埋め込み型フォトダイオード１５１で発生した電荷が信号電荷として転送される電荷蓄積領域として機能する。電荷収集領域１５２の不純物濃度は、例えば、１×１０１８～１×１０２０ｃｍ－３程度である。
転送ゲート電極１５３は、Ｚ方向から見た場合に埋め込み型フォトダイオード１５１と電荷収集領域１５２との間に位置するように、絶縁膜（図示省略）を介して、表面１１ｂに配置されている。転送ゲート電極１５３は、導電性、及び近赤外光Ｌ２に対する光透過性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。転送ゲート電極１５３は、埋め込み型フォトダイオード１５１で発生した電荷を電荷収集領域１５２に転送する電極として機能する。
光通過部１６は、導波路構造１６１を含んでいる。導波路構造１６１は、ｐ型半導体領域１５０の一部によって構成されている。つまり、光通過部１６は、埋め込み型フォトダイオード１５１、電荷収集領域１５２及び転送ゲート電極１５３を含んでいない点で、第１画素１５と相違している。光通過部１６は、近赤外光Ｌ２を透過させる光透過部として機能する。なお、導波路構造１６１に代えて、第１半導体層１１に光通過孔が形成されていてもよい。
第１半導体層１１には、第１画素１５及び光通過部１６のそれぞれを互いに分離するようにトレンチ１１ｃが形成されている。トレンチ１１ｃ内には、シリコン酸化物等の絶縁部材１７が配置されている。なお、絶縁部材１７の代わりに、タングステン等の金属部材がトレンチ１１ｃ内に配置されていてもよい。
図２、及び図３の（ｂ）に示されるように、第２画素部２３は、複数の第２画素２５を含んでいる。複数の第２画素２５は、第２半導体層２１において、表面（入射方向と交差する第２面）２１ａに沿って二次元に配置されている。Ｚ方向から見た場合における第２画素２５の形状は、例えば、一片の長さが十数μｍ程度の正方形である。複数の第２画素２５は、例えば、２５０行２５０列でマトリックス状に配置されている。
各第２画素２５は、Ｘ方向において隣り合う第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂによって構成されている。第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂのそれぞれは、電荷発生領域２５１と、一対の電荷収集領域２５２と、二対の電荷収集領域２５３と、フォトゲート電極２５５と、一対の転送ゲート電極２５６と、二対の転送ゲート電極２５７と、を含んでいる。電荷発生領域２５１、一対の電荷収集領域２５２、及び二対の電荷収集領域２５３は、シリコン基板に対して各種処理（例えば、エッチング、成膜、不純物注入等）を実施することで形成されている。つまり、電荷発生領域２５１、一対の電荷収集領域２５２、及び二対の電荷収集領域２５３は、シリコンからなっている。
電荷発生領域２５１は、ｐ型半導体領域である。電荷発生領域２５１は、近赤外光Ｌ２の入射に応じて電荷を発生させる光電変換領域として機能する。電荷発生領域２５１の不純物濃度は、例えば、１×１０１３～１×１０１６ｃｍ－３程度である。
なお、近赤外光Ｌ２は、第１半導体層１１、第１配線層１２及び第２配線層２２を透過して、電荷発生領域２５１に入射する。近赤外光Ｌ２は、第１半導体層１１において、第１画素１５及び光通過部１６を透過し得るが、導波路構造１６１を含む光通過部１６を特に透過する。第１配線層１２及び第２配線層２２のそれぞれは、Ｚ方向から見た場合に各光通過部１６と重なる導波路構造又は光通過孔を含んでいてもよい。
一対の電荷収集領域２５２は、電荷発生領域２５１のうちの表面２１ａ側の部分を挟んで、Ｘ方向において向かい合っている。各電荷収集領域２５２は、ｎ型半導体領域である。各電荷収集領域２５２は、電荷発生領域２５１で発生した電荷が信号電荷として転送される電荷蓄積領域として機能する。各電荷収集領域２５２の不純物濃度は、例えば、１×１０１８～１×１０２０ｃｍ－３程度である。
二対の電荷収集領域２５３のうちの一方の対の電荷収集領域２５３は、Ｙ方向における一対の電荷収集領域２５２の一方の側において、電荷発生領域２５１のうちの表面２１ａ側の部分を挟んで、Ｘ方向において向かい合っている。二対の電荷収集領域２５３のうちの他方の対の電荷収集領域２５３は、Ｙ方向における一対の電荷収集領域２５２の他方の側において、電荷発生領域２５１のうちの表面２１ａ側の部分を挟んで、Ｘ方向において向かい合っている。各電荷収集領域２５３は、ｎ型半導体領域である。各電荷収集領域２５３は、電荷発生領域２５１で発生した電荷が排出電荷として転送される電荷排出領域として機能する。各電荷収集領域２５３の不純物濃度は、例えば、１×１０１８～１×１０２０ｃｍ－３程度である。
フォトゲート電極２５５は、電荷発生領域２５１における光の入射側の表面２５１ａに、絶縁膜（図示省略）を介して配置されている。フォトゲート電極２５５は、導電性、及び近赤外光Ｌ２に対する光透過性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。フォトゲート電極２５５は、電荷発生領域２５１で発生した電荷を引き寄せる電極として機能する。Ｚ方向から見た場合におけるフォトゲート電極２５５の形状は、例えば、Ｘ方向において向かい合う長辺及びＹ方向において向かい合う短辺を有する長方形状である。
一対の転送ゲート電極２５６は、電荷発生領域２５１の表面２５１ａに、絶縁膜（図示省略）を介して配置されている。一対の転送ゲート電極２５６は、フォトゲート電極２５５を挟んで、Ｘ方向において向かい合っている。各転送ゲート電極２５６は、導電性、及び近赤外光Ｌ２に対する光透過性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。各転送ゲート電極２５６は、フォトゲート電極２５５によって引き寄せされた電荷を、隣接する各電荷収集領域２５２に転送する電極として機能する。Ｚ方向から見た場合における各転送ゲート電極２５６の形状は、例えば、Ｘ方向において向かい合う長辺及びＹ方向において向かい合う短辺を有する長方形状である。
二対の転送ゲート電極２５７は、電荷発生領域２５１の表面２５１ａに、絶縁膜（図示省略）を介して配置されている。二対の転送ゲート電極２５７のうちの一方の対の転送ゲート電極２５７は、Ｙ方向における一対の転送ゲート電極２５６の一方の側において、フォトゲート電極２５５を挟んで、Ｘ方向において向かい合っている。二対の転送ゲート電極２５７のうちの他方の対の転送ゲート電極２５７は、Ｙ方向における一対の転送ゲート電極２５６の他方の側において、フォトゲート電極２５５を挟んで、Ｘ方向において向かい合っている。各転送ゲート電極２５７は、導電性、及び近赤外光Ｌ２に対する光透過性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。各転送ゲート電極２５７は、フォトゲート電極２５５によって引き寄せされた電荷を、隣接する電荷収集領域２５３に転送する電極として機能する。Ｚ方向から見た場合における各転送ゲート電極２５７の形状は、例えば、Ｘ方向において向かい合う長辺及びＹ方向において向かい合う短辺を有する長方形状である。
図３の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、Ｚ方向から見た場合における各第２画素２５の大きさは、Ｚ方向から見た場合における各第１画素１５の大きさよりも大きい。各第２画素２５は、Ｚ方向から見た場合に少なくとも１つの光通過部１６と重なっている。本実施形態では、各第２画素２５において、電荷発生領域２５１が、Ｚ方向から見た場合に一対の光通過部１６（Ｙ方向において並ぶ一対の光通過部１６）と重なっており、各電荷収集領域２５２，２５３が、Ｚ方向から見た場合に各第１画素１５と重なっている。
以上のように構成された撮像装置１Ａの動作について説明する。まず、対象物に対して近赤外光Ｌ２をパルス発振する光源（図示省略）が、撮像装置１Ａと共に準備される。当該光源からは、交互に繰り返される第１期間及び第２期間のうち、各第２期間において、対象物に対して近赤外光Ｌ２がパルス発振される。この状態で、各第１期間においては、第１光センサ１０の信号読出し部１４が、第１光センサ１０の各第１画素１５に電荷を蓄積させると共に、第２光センサ２０の各第２画素２５から第２信号を読み出す。各第２期間においては、第１光センサ１０の信号読出し部１４が、第２光センサ２０の各第２画素２５に電荷を蓄積させると共に、第１光センサ１０の各第１画素１５から第１信号を読み出す。第１信号は、可視光Ｌ１の入射に応じて埋め込み型フォトダイオード１５１で発生し、電荷収集領域１５２に蓄積された電荷に基づく電気信号である。第２信号は、近赤外光Ｌ２の入射に応じて電荷発生領域２５１で発生し、一対の電荷収集領域２５２に蓄積された電荷に基づく電気信号である。このように第１信号及び第２信号を読み出すことで、対象物の距離画像を生成することができる。
第２光センサ２０の動作について、より詳細に説明する。第２光センサ２０の各第２画素２５では、フォトゲート電極２５５に電圧が印加されると、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂのそれぞれの電荷発生領域２５１において空乏層が発生する。この状態で、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂのそれぞれの電荷発生領域２５１に近赤外光Ｌ２が入射すると、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂのそれぞれの電荷発生領域２５１では、近赤外光Ｌ２の入射に応じて発生した電子がフォトゲート電極２５５側に高速で移動する。
各第２画素２５では、各第２期間において、まず、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂのそれぞれの二対の転送ゲート電極２５７にリセット電圧が印加される。リセット電圧は、フォトゲート電極２５５の電位を基準として正の電圧である。これにより、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂのそれぞれにおいて、フォトゲート電極２５５側に移動した電子が二対の電荷収集領域２５３から排出される。
続いて、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂのそれぞれの一対の転送ゲート電極２５６にパルス電圧信号が印加される。一例として、一対の転送ゲート電極２５６の一方に印加されるパルス電圧信号は、フォトゲート電極２５５の電位を基準として正の電圧及び負の電圧が交互に繰り返される電圧信号であって、光源からパルス発振される近赤外光Ｌ２の強度信号と周期、パルス幅及び位相が同一の電圧信号である。一方、一対の転送ゲート電極２５６の他方に印加されるパルス電圧信号は、位相が１８０°ずれている点を除き、一対の転送ゲート電極２５６の一方に印加されるパルス電圧信号と同一の電圧信号である。
これにより、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂのそれぞれにおいて、フォトゲート電極２５５側に移動した電子が一対の電荷収集領域２５２に交互に高速で転送される。各第２期間において一対の電荷収集領域２５２のそれぞれに蓄積された電子は、第１光センサ１０の信号読出し部１４によって、第２信号として読み出される。光源からパルス発振されて対象物で反射された近赤外光Ｌ２が第２光センサ２０で検出されると、第２光センサ２０で検出される近赤外光Ｌ２の強度信号の位相は、光源からパルス発振される近赤外光Ｌ２の強度信号の位相に対して、対象物までの距離に応じてずれることになる。したがって、各第２期間において一対の電荷収集領域２５２のそれぞれに蓄積された電子を第２信号として読み出すことで、対象物までの距離に関する情報を取得することができる。
以上説明したように、撮像装置１Ａでは、後段の第２光センサ２０において、各第２画素２５が、電荷発生領域２５１、一対の電荷収集領域２５２、フォトゲート電極２５５、及び一対の転送ゲート電極２５６を含んでいる。これにより、各第２画素２５では、電荷発生領域２５１で発生した電荷がフォトゲート電極２５５によって引き寄せられ、引き寄せされた電荷が各転送ゲート電極２５６によって各電荷収集領域２５２に転送される。したがって、電荷発生領域２５１で発生した電荷が僅かであったとしても、当該電荷が高速で且つ確実に各電荷収集領域２５２に転送される。よって、撮像装置１Ａによれば、後段の第２光センサ２０の感度を向上させることができる。なお、撮像装置１Ａは、車載等の高温環境下で用いられることが想定され、その場合には暗電流の影響が顕著になる傾向があるが、前段の第１光センサ１０の各第１画素１５において埋め込み型フォトダイオード１５１が採用されているため、暗電流の発生を抑制することができる。撮像装置１Ａによれば、暗電流の発生を抑制した信号検出を実現し得るイメージセンサとしての第１光センサ１０と、高速且つ高感度の信号検出を実現し得るフォトゲートタイプの測距センサとしての第２光センサ２０との組み合わせによって、車載等の過酷な環境でも十分な性能を発揮し得る測距イメージセンサを実現することができる。
撮像装置１Ａでは、Ｚ方向から見た場合における各第２画素２５の大きさが、Ｚ方向から見た場合における各第１画素１５の大きさよりも大きい。これにより、例えば、各第２画素２５の大きさが各第１画素１５の大きさと同じである場合に比べ、各第２画素２５の感度を向上させることができる。
撮像装置１Ａでは、第１光センサ１０が、二次元に配置された複数の光通過部１６を有しており、各第２画素２５が、Ｚ方向から見た場合に複数の光通過部１６の少なくとも１つと重なっている。これにより、光通過部１６を介して第２画素２５に近赤外光Ｌ２を効率良く入射させることができる。
撮像装置１Ａでは、各光通過部１６が導波路構造１６１を含んでいる。これにより、導波路構造１６１を介して第２画素２５に近赤外光Ｌ２をより効率良く入射させることができる。
撮像装置１Ａでは、埋め込み型フォトダイオード１５１がシリコンからなり、電荷発生領域２５１及び電荷収集領域２５２，２５３がシリコンからなっている。これにより、第２光センサ２０を容易に製造することができる。
撮像装置１Ａでは、第１光センサ１０が、Ｚ方向において複数の第１画素１５に対して光の入射側とは反対側に配置された第１配線層１２を有しており、第２光センサ２０が、Ｚ方向において複数の第２画素２５に対して光の入射側に配置された第２配線層２２を有しており、第２配線層２２が、第１配線層１２と電気的且つ物理的に接続されている。これにより、撮像装置１Ａにおいて配線構造の集約化を図ることができる。
撮像装置１Ａでは、第１光センサ１０が信号読出し部１４を有しており、信号読出し部１４が、各第１画素１５から第１信号を読み出し、各第２画素２５から第２信号を読み出す。これにより、信号読出し部１４の共通化を図ることができる。
撮像装置１Ａでは、信号読出し部１４が、交互に繰り返される第１期間及び第２期間のうち、第１期間において、各第１画素１５に電荷を蓄積させると共に各第２画素２５から第２信号を読み出し、第２期間において、各第２画素２５に電荷を蓄積させると共に各第１画素１５から第１信号を読み出す。これにより、近赤外光Ｌ２を出射する光源と共に撮像装置１Ａを用いた場合に、各第１画素１５に電荷を蓄積させる第１期間に、光源から近赤外光Ｌ２が出射されることが防止される。したがって、各第１画素１５から出力される第１信号に、近赤外光Ｌ２の影響が及ぶのを防止することができる。
また、第１光センサ１０の第１半導体層１１において光通過部１６が設けられた部分には、図４に示されるように、光通過部１６に代えて第１画素１５が設けられていてもよい。この場合にも、近赤外光Ｌ２は、各第１画素１５を透過して第２光センサ２０の各第２画素２５に入射する。光通過部１６に代えて第１画素１５が設けられていてもよいことは、以下に述べる全ての実施形態及び変形例において同様である。なお、図４においては、ｐ型半導体領域１５１ａ及びｎ型半導体領域１５１ｂの図示が省略されているが、図４に示される撮像装置１Ａにおいても、図２に示される撮像装置１Ａと同様に、埋め込み型フォトダイオード１５１は、ｐ型半導体領域１５１ａと、ｎ型半導体領域１５１ｂと、を含んでいる。
［第２実施形態］
図５に示される撮像装置１Ｂは、第２光センサ２０の各第２画素２５がアバランシェ増倍領域２５４を含んでいる点で、上述した撮像装置１Ａと相違している。図５に示されるように、撮像装置１Ｂでは、各第２画素２５において電荷発生領域２５１がアバランシェ増倍領域２５４を含んでいる。アバランシェ増倍領域２５４は、上述した撮像装置１Ａの電荷発生領域２５１において、ｐ型半導体領域内に位置するように形成されており、複数の第２画素２５に渡って広がっている。アバランシェ増倍領域２５４は、第１増倍領域２５４ａ及び第２増倍領域２５４ｂを含んでいる。第１増倍領域２５４ａは、表面２１ｂ側のｐ型半導体領域である。第２増倍領域２５４ｂは、表面２１ａ側のｎ型半導体領域である。第１増倍領域２５４ａ及び第２増倍領域２５４ｂは、ｐｎ接合を形成している。アバランシェ増倍領域２５４は、アバランシェ増倍を引き起こす領域である。アバランシェ増倍領域２５４は、所定値の逆方向バイアスが印加された場合に３×１０５～４×１０５Ｖ／ｃｍの電界強度を発生し得る。第１増倍領域２５４ａの不純物濃度は、例えば、１×１０１６ｃｍ－３以上であり、第１増倍領域２５４ａの厚さは、０．５～２．０μｍ程度である。第２増倍領域２５４ｂの不純物濃度は、例えば、１×１０１６ｃｍ－３以上であり、第２増倍領域２５４ｂの厚さは、０．５～２．０μｍ程度である。なお、図５においては、ｐ型半導体領域１５１ａ及びｎ型半導体領域１５１ｂの図示が省略されているが、図５に示される撮像装置１Ｂにおいても、図２に示される撮像装置１Ａと同様に、埋め込み型フォトダイオード１５１は、ｐ型半導体領域１５１ａと、ｎ型半導体領域１５１ｂと、を含んでいる。
撮像装置１Ｂによれば、上述した撮像装置１Ａと同様に、後段の第２光センサ２０の感度を向上させることができる。
撮像装置１Ｂでは、電荷発生領域２５１がアバランシェ増倍領域２５４を含んでいる。これにより、電荷発生領域２５１で発生した電荷がアバランシェ増倍されるため、第２光センサ２０の感度をより一層向上させることができる。
［第３実施形態］
図６に示される撮像装置１Ｃは、複数のレンズ２を備えている点で、上述した撮像装置１Ａと相違している。図６に示されるように、複数のレンズ２は、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第１画素１５及び複数の第２画素２５に対応するように配置されている。各レンズ２は、Ｚ方向から見た場合に第１画素１５又は光通過部１６と重なるように、第１半導体層１１の表面１１ａに配置されている。各レンズ２は、可視光Ｌ１及び近赤外光Ｌ２を第１画素１５内又は光通過部１６内（すなわち、第１光センサ１０内）に集光させる。なお、図６においては、ｐ型半導体領域１５１ａ及びｎ型半導体領域１５１ｂの図示が省略されているが、図６に示される撮像装置１Ｃにおいても、図２に示される撮像装置１Ａと同様に、埋め込み型フォトダイオード１５１は、ｐ型半導体領域１５１ａと、ｎ型半導体領域１５１ｂと、を含んでいる。
撮像装置１Ｃによれば、上述した撮像装置１Ａと同様に、後段の第２光センサ２０の感度を向上させることができる。
撮像装置１Ｃでは、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第１画素１５及び複数の第２画素２５に対応するように、複数のレンズ２が配置されており、各レンズ２が、可視光Ｌ１及び近赤外光Ｌ２を第１光センサ１０内に集光させる。これにより、各第２画素２５に、近赤外光Ｌ２が発散した状態で入射することになる。このとき、各第２画素２５の大きさが各第１画素１５の大きさよりも大きいため、各第２画素２５において近赤外光Ｌ２を効率良く受光することができる。
［第４実施形態］
図７に示される撮像装置１Ｄは、複数のテクスチャ構造３を備えている点で、上述した撮像装置１Ａと相違している。図７に示されるように、複数のテクスチャ構造３は、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第２画素２５に対応するように配置されている。各テクスチャ構造３は、Ｚ方向から見た場合に光通過部１６と重なるように、第１半導体層１１の表面１１ａに配置されている。テクスチャ構造３は、例えば、シリコンからなる層であり、エッチングによって０．１～１．０μｍ程度の凹凸が表面に形成された層である。撮像装置１Ｄでは、トレンチ１１ｃ内に金属部材１８が配置されている。金属部材１８は、Ｚ方向から見た場合に各テクスチャ構造３に対応する領域（すなわち、光通過部１６）を包囲する反射部として機能する。なお、図７においては、ｐ型半導体領域１５１ａ及びｎ型半導体領域１５１ｂの図示が省略されているが、図７に示される撮像装置１Ｄにおいても、図２に示される撮像装置１Ａと同様に、埋め込み型フォトダイオード１５１は、ｐ型半導体領域１５１ａと、ｎ型半導体領域１５１ｂと、を含んでいる。
撮像装置１Ｄによれば、上述した撮像装置１Ａと同様に、後段の第２光センサ２０の感度を向上させることができる。
撮像装置１Ｄでは、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第２画素２５に対応するように、複数のテクスチャ構造３が配置されており、第１光センサ１０が、Ｚ方向から見た場合に各テクスチャ構造３に対応する領域を包囲する金属部材１８を有している。これにより、テクスチャ構造３において反射が抑制されつつ第１光センサ１０に様々な角度で入射した近赤外光Ｌ２が、金属部材１８で反射されつつ第２画素２５に様々な角度で入射することになる。しかも、Ｚ方向から見た場合における第２画素２５の大きさが、Ｚ方向から見た場合における第１画素１５の大きさよりも大きい。したがって、第２画素２５において近赤外光Ｌ２の光路が長くなり、第２画素２５の電荷発生領域２５１において近赤外光Ｌ２が吸収され易くなる。したがって、各第２画素２５において近赤外光Ｌ２を効率良く受光することができる。
［第５実施形態］
図８に示される撮像装置１Ｅは、複数のレンズ２と、複数のカラーフィルタ４と、バンドパスフィルタ５と、を備えている点で、上述した撮像装置１Ａと相違している。図８に示されるように、複数のカラーフィルタ４は、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第１画素１５に対応するように配置されている。各カラーフィルタ４は、Ｚ方向から見た場合に第１画素１５と重なるように、第１半導体層１１の表面１１ａに配置されている。各カラーフィルタ４は、可視光Ｌ１を選択的に透過させる。つまり、各カラーフィルタ４は、近赤外光Ｌ２をカットする。なお、図８においては、ｐ型半導体領域１５１ａ及びｎ型半導体領域１５１ｂの図示が省略されているが、図８に示される撮像装置１Ｅにおいても、図２に示される撮像装置１Ａと同様に、埋め込み型フォトダイオード１５１は、ｐ型半導体領域１５１ａと、ｎ型半導体領域１５１ｂと、を含んでいる。
複数のレンズ２は、Ｚ方向において複数のカラーフィルタ４に対して光の入射側に、複数のカラーフィルタ４に対応するように配置されている。各レンズ２は、Ｚ方向から見た場合にカラーフィルタ４と重なるように、カラーフィルタ４に配置されている。各レンズ２は、可視光Ｌ１及び近赤外光Ｌ２を第１画素１５内（すなわち、第１光センサ１０内）に集光させる。
図９の（ａ）に示されるように、複数のカラーフィルタ４は、複数のカラーフィルタ４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを含んでいる。複数のカラーフィルタ４Ｒは、赤色の光を選択的に通過させる。複数のカラーフィルタ４Ｇは、緑色の光を選択的に通過させる。複数のカラーフィルタ４Ｂは、青色の光を選択的に通過させる。一例として、複数のカラーフィルタ４Ｒは、Ｚ方向から見た場合に、カラーフィルタ４Ｒと光通過部１６とが「Ｘ方向に対して＋４５°の角度を成す方向」及び「Ｘ方向に対して－４５°の角度を成す方向」のそれぞれの方向に沿って交互に並ぶように、配置されている。複数のカラーフィルタ４Ｇは、Ｚ方向から見た場合に、カラーフィルタ４Ｇと光通過部１６とがＹ方向に沿って交互に並ぶように、配置されている。複数のカラーフィルタ４Ｂは、Ｚ方向から見た場合に、カラーフィルタ４Ｂと光通過部１６とがＸ方向に沿って交互に並ぶように、配置されている。
図９の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、各第２画素２５において、各電荷収集領域２５２，２５３は、Ｚ方向から見た場合に各カラーフィルタ４（すなわち、各第１画素１５）と重なっている。本実施形態では、各第２画素２５において、電荷発生領域２５１が、Ｚ方向から見た場合に一対の光通過部１６（Ｙ方向において並ぶ一対の光通過部１６）と重なっており、各電荷収集領域２５２，２５３が、Ｚ方向から見た場合に各カラーフィルタ４（すなわち、各第１画素１５）と重なっている。なお、図９の（ｂ）では、複数のレンズ２の図示が省略されている。
図８に示されるように、バンドパスフィルタ５は、第１光センサ１０と第２光センサ２０との間に配置されている。バンドパスフィルタ５は、近赤外光Ｌ２を選択的に透過させる。バンドパスフィルタ５は、例えば、誘電体多層膜を含んでいる。
撮像装置１Ｅによれば、上述した撮像装置１Ａと同様に、後段の第２光センサ２０の感度を向上させることができる。
撮像装置１Ｅでは、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第１画素１５に対応するように、複数のカラーフィルタ４が配置されており、各カラーフィルタ４が、可視光Ｌ１を選択的に透過させる。これにより、第１光センサ１０から出力される信号に基づいて、可視光Ｌ１による対象物の像を取得することができる。
撮像装置１Ｅでは、Ｚ方向において複数のカラーフィルタ４に対して光の入射側に、複数のカラーフィルタ４に対応するように、複数のレンズ２が配置されており、各レンズ２が、可視光Ｌ１を第１画素１５内に集光させる。これにより、可視光Ｌ１による対象物の像をより確実に取得することができる。
撮像装置１Ｅでは、第１光センサ１０と第２光センサ２０との間に、近赤外光Ｌ２を選択的に透過させるバンドパスフィルタ５が配置されている。これにより、第２光センサ２０において近赤外光Ｌ２を精度良く検出することができる。
撮像装置１Ｅでは、各電荷収集領域２５２が、Ｚ方向から見た場合に複数の第１画素１５の１つと重なっている。これにより、近赤外光Ｌ２が各電荷収集領域２５２に入射することに起因する寄生感度の発生を抑制することができる。
［第６実施形態］
図１０に示される撮像装置１Ｆは、複数のテクスチャ構造３を備えている点で、上述した撮像装置１Ｅと相違している。図１０に示されるように、複数のテクスチャ構造３は、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第２画素２５に対応するように配置されている。各テクスチャ構造３は、Ｚ方向から見た場合に光通過部１６と重なるように、第１半導体層１１の表面１１ａに配置されている。テクスチャ構造３は、例えば、シリコンからなる層であり、エッチングによって０．１～１．０μｍ程度の凹凸が表面に形成された層である。撮像装置１Ｆでは、トレンチ１１ｃ内に金属部材１８が配置されている。金属部材１８は、Ｚ方向から見た場合に各テクスチャ構造３に対応する領域（すなわち、光通過部１６）を包囲する反射部として機能する。なお、図１０においては、ｐ型半導体領域１５１ａ及びｎ型半導体領域１５１ｂの図示が省略されているが、図１０に示される撮像装置１Ｆにおいても、図２に示される撮像装置１Ａと同様に、埋め込み型フォトダイオード１５１は、ｐ型半導体領域１５１ａと、ｎ型半導体領域１５１ｂと、を含んでいる。
撮像装置１Ｆによれば、上述した撮像装置１Ａと同様に、後段の第２光センサ２０の感度を向上させることができる。
撮像装置１Ｆでは、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第１画素１５に対応するように、複数のカラーフィルタ４が配置されており、各カラーフィルタ４が、可視光Ｌ１を選択的に透過させる。これにより、第１光センサ１０から出力される信号に基づいて、可視光Ｌ１による対象物の像を取得することができる。
撮像装置１Ｆでは、Ｚ方向において複数のカラーフィルタ４に対して光の入射側に、複数のカラーフィルタ４に対応するように、複数のレンズ２が配置されており、各レンズ２が、可視光Ｌ１を第１画素１５内に集光させる。これにより、可視光Ｌ１による対象物の像をより確実に取得することができる。
撮像装置１Ｆでは、第１光センサ１０と第２光センサ２０との間に、近赤外光Ｌ２を選択的に透過させるバンドパスフィルタ５が配置されている。これにより、第２光センサ２０において近赤外光Ｌ２を精度良く検出することができる。
撮像装置１Ｆでは、各電荷収集領域２５２が、Ｚ方向から見た場合に複数の第１画素１５の１つと重なっている。これにより、近赤外光Ｌ２が各電荷収集領域２５２に入射することに起因する寄生感度の発生を抑制することができる。
撮像装置１Ｆでは、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第２画素２５に対応するように、複数のテクスチャ構造３が配置されており、第１光センサ１０が、Ｚ方向から見た場合に各テクスチャ構造３に対応する領域を包囲する金属部材１８を有している。これにより、テクスチャ構造３において反射が抑制されつつ第１光センサ１０に様々な角度で入射した近赤外光Ｌ２が、金属部材１８で反射されつつ第２画素２５に様々な角度で入射することになる。しかも、Ｚ方向から見た場合における第２画素２５の大きさが、Ｚ方向から見た場合における第１画素１５の大きさよりも大きい。したがって、第２画素２５において近赤外光Ｌ２の光路が長くなり、第２画素２５の電荷発生領域２５１において近赤外光Ｌ２が吸収され易くなる。したがって、各第２画素２５において近赤外光Ｌ２を効率良く受光することができる。
［第７実施形態］
図１１に示される撮像装置１Ｇは、複数のプラズモンフィルタ６を備えており、バンドパスフィルタ５を備えていない点で、上述した撮像装置１Ｅと相違している。図１１に示されるように、複数のプラズモンフィルタ６は、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第２画素２５に対応するように配置されている。各プラズモンフィルタ６は、Ｚ方向から見た場合に光通過部１６と重なるように、第１半導体層１１の表面１１ａに配置されている。各プラズモンフィルタ６は、近赤外光Ｌ２を選択的に透過させる。プラズモンフィルタ６は、所定ピッチで二次元に配置された複数のナノホールを有する膜体である。所定ピッチ及びナノホールの直径は、透過させる波長に応じて適宜設定され得る。所定ピッチは、例えば、１μｍ以下である。ナノホールの直径は、例えば、１μｍ以下である。膜体の材料は、例えば、金、アルミニウム等である。なお、図１１においては、ｐ型半導体領域１５１ａ及びｎ型半導体領域１５１ｂの図示が省略されているが、図１１に示される撮像装置１Ｇにおいても、図２に示される撮像装置１Ａと同様に、埋め込み型フォトダイオード１５１は、ｐ型半導体領域１５１ａと、ｎ型半導体領域１５１ｂと、を含んでいる。
撮像装置１Ｇによれば、上述した撮像装置１Ａと同様に、後段の第２光センサ２０の感度を向上させることができる。
撮像装置１Ｇでは、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第１画素１５に対応するように、複数のカラーフィルタ４が配置されており、各カラーフィルタ４が、可視光Ｌ１を選択的に透過させる。これにより、第１光センサ１０から出力される信号に基づいて、可視光Ｌ１による対象物の像を取得することができる。
撮像装置１Ｇでは、Ｚ方向において複数のカラーフィルタ４に対して光の入射側に、複数のカラーフィルタ４に対応するように、複数のレンズ２が配置されており、各レンズ２が、可視光Ｌ１を第１画素１５内に集光させる。これにより、可視光Ｌ１による対象物の像をより確実に取得することができる。
撮像装置１Ｇでは、Ｚ方向において第１光センサ１０に対して光の入射側に、複数の第２画素２５に対応するように、複数のプラズモンフィルタ６が配置されており、各プラズモンフィルタ６が、近赤外光Ｌ２を選択的に透過させる。これにより、第２光センサ２０において近赤外光Ｌ２を精度良く検出することができる。
撮像装置１Ｇでは、各電荷収集領域２５２が、Ｚ方向から見た場合に複数の第１画素１５の１つと重なっている。これにより、近赤外光Ｌ２が各電荷収集領域２５２に入射することに起因する寄生感度の発生を抑制することができる。
［変形例］
本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、図１２の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第２画素２５は、Ｚ方向から見た場合に４つの光通過部１６（２行２列に配置された４つの光通過部１６）と重なるように円環状に形成された電荷発生領域２５１を含んでいてもよい。図１２の（ａ）及び（ｂ）に示される第２画素２５では、電荷収集領域２５２は、電荷発生領域２５１の内側に円形状に形成されている。フォトゲート電極２５５は、Ｚ方向から見た場合に電荷発生領域２５１と重なるように円環状に形成されている。転送ゲート電極２５６は、Ｚ方向から見た場合に電荷発生領域２５１と電荷収集領域２５２との間に位置するように円環状に形成されている。図１２の（ａ）及び（ｂ）に示される第２画素２５では、第１フレームにおいて電荷収集領域２５２に第１タイミングで電荷を転送させて電荷収集領域２５２から電荷を取り出し、第１フレームとは異なる第２フレームにおいて電荷収集領域２５２に第１タイミングとは異なる第２タイミングで電荷を転送させて電荷収集領域２５２から電荷を取り出すことができる。
図１３の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第２画素２５は、Ｚ方向から見た場合に４つの光通過部１６（２行２列に配置された４つの光通過部１６）と重なるように配置された４つの電荷発生領域２５１を含んでいてもよい。図１３の（ａ）及び（ｂ）に示される第２画素２５では、各電荷発生領域２５１に対して、一対の電荷収集領域２５２及び当該一対の電荷収集領域２５２に対応する一対の転送ゲート電極２５６、並びに、１つの電荷収集領域２５３及び当該１つの電荷収集領域２５３に対応する１つの転送ゲート電極２５７が形成されている。図１３の（ａ）及び（ｂ）に示される第２画素２５では、上述した撮像装置１Ａと同様に、各電荷発生領域２５１に対応する一対の転送ゲート電極２５６にパルス電圧信号が印加される。一例として、一対の転送ゲート電極２５６の一方及び他方には、位相が１８０°ずれたパルス電圧信号が印加される。図１３の（ａ）及び（ｂ）に示される第２画素２５では、各電荷発生領域２５１に対応する一方の電荷収集領域２５２に転送された電荷を合算して取り出し、各電荷発生領域２５１に対応する他方の電荷収集領域２５２に転送された電荷を合算して取り出すことができる。
図１４の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第２画素２５は、Ｚ方向から見た場合に４つの光通過部１６（２行２列に配置された４つの光通過部１６）と重なるように配置された４つの電荷発生領域２５１を含んでいてもよい。図１４の（ａ）及び（ｂ）に示される第２画素２５では、各電荷発生領域２５１に対して、１つの電荷収集領域２５２及び当該１つの電荷収集領域２５２に対応する一対の転送ゲート電極２５６が形成されている。図１４の（ａ）及び（ｂ）に示される第２画素２５では、第１フレームにおいて各電荷収集領域２５２に第１タイミングで電荷を転送させて各電荷収集領域２５２から電荷を取り出し、第１フレームとは異なる第２フレームにおいて各電荷収集領域２５２に第１タイミングとは異なる第２タイミングで電荷を転送させて各電荷収集領域２５２から電荷を取り出すことができる。
各撮像装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇは、第１光センサ１０が可視光Ｌ１を検出し、第２光センサ２０が近赤外光Ｌ２を検出するもの限定されず、第１光センサ１０が第１波長帯の光を検出し、第２光センサ２０が第１波長帯よりも長波長側の第２波長帯の光を検出するものであればよい。その場合、第１波長帯に対して第２波長帯の全部が長波長側にシフトしていてもよいし、第１波長帯に対して第２波長帯の一部が長波長側にシフトしていてもよい。つまり、第１波長帯の中心波長に対して第２波長帯の中心波長が長波長側にシフトしていれば、第１波長帯の一部と第２波長帯の一部とが重複していてもよい。
第１画素１５において、埋め込み型フォトダイオード１５１は、埋め込み型であれば、どのような種類のフォトダイオードであってもよい。例えば、埋め込み型フォトダイオード１５１は、ＰＮ型フォトダイオードに限定されず、ＰＩＮ型フォトダイオード、ＡＰＤ等であってもよい。
第２画素２５において、電荷発生領域２５１及び電荷収集領域２５２，２５３は、ゲルマニウムからなっていてもよい。これによれば、近赤外光Ｌ２に対する第２光センサ２０の感度をより一層向上させることができる。
各撮像装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇでは、信号読出し部１４は、交互に繰り返される第１期間及び第２期間のうち、第１期間において、各第１画素１５に電荷を蓄積させると共に各第２画素２５に電荷を蓄積させ、第２期間において、各第１画素１５から第１信号を読み出すと共に各第２画素２５から第２信号を読み出してもよい。これによれば、前段の第１光センサ１０で取得したイメージに、後段の第２光センサ２０で取得された距離情報を、位置的にだけでなく時間的にも、容易に且つ高精度に対応付けることが可能となる。
第１光センサ１０及び第２光センサ２０のそれぞれにおいて、ｐ型及びｎ型の各導電型は、上述したものに対して逆であってもよい。また、上述した各撮像装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇの各構成には、上述した材料及び形状に限定されず、様々な材料及び形状を適用することができる。また、上述した一の実施形態又は変形例における各構成は、他の実施形態又は変形例における各構成に任意に適用することができる。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ…撮像装置、２…レンズ、３…テクスチャ構造、４…カラーフィルタ、５…バンドパスフィルタ、６…プラズモンフィルタ、１０…第１光センサ、１２…第１配線層、１４…信号読出し部、１５…第１画素、１５１…埋め込み型フォトダイオード、１６…光通過部、１６１…導波路構造、１８…金属部材（反射部）、２０…第２光センサ、２２…第２配線層、２５…第２画素、２５１…電荷発生領域、２５２，２５３…電荷収集領域、２５４…アバランシェ増倍領域、２５５…フォトゲート電極、２５６，２５７…転送ゲート電極、Ｌ１…可視光（第１波長帯の光）、Ｌ２…近赤外光（第２波長帯の光）。

Claims (17)

  1. 第１波長帯の光を検出する第１光センサと、
    光の入射方向において前記第１光センサに対して前記光の入射側とは反対側に配置され、前記第１光センサと接合されており、前記第１波長帯よりも長波長側の第２波長帯の光を検出する第２光センサと、を備え、
    前記第１光センサは、前記入射方向と交差する第１面に沿って二次元に配置された複数の第１画素を有し、
    前記第２光センサは、前記入射方向と交差する第２面に沿って二次元に配置された複数の第２画素を有し、
    前記複数の第１画素のそれぞれは、前記第１波長帯の光の入射に応じて電荷を発生させる埋め込み型フォトダイオードを含み、
    前記複数の第２画素のそれぞれは、
    前記第２波長帯の光の入射に応じて電荷を発生させる電荷発生領域と、
    前記電荷発生領域で発生した前記電荷が転送される電荷収集領域と、
    前記電荷発生領域で発生した前記電荷を引き寄せるフォトゲート電極と、
    前記フォトゲート電極によって引き寄せされた前記電荷を前記電荷収集領域に転送する転送ゲート電極と、を含む、撮像装置。
  2. 前記入射方向から見た場合における前記複数の第２画素のそれぞれの大きさは、前記入射方向から見た場合における前記複数の第１画素のそれぞれの大きさよりも大きい、請求項１に記載の撮像装置。
  3. 前記入射方向において前記第１光センサに対して前記光の入射側に、前記複数の第１画素及び前記複数の第２画素に対応するように配置され、それぞれが前記第１波長帯の光及び前記第２波長帯の光を前記第１光センサ内に集光させる複数のレンズを更に備える、請求項２に記載の撮像装置。
  4. 前記入射方向において前記第１光センサに対して前記光の入射側に、前記複数の第２画素に対応するように配置された複数のテクスチャ構造を更に備え、
    前記第１光センサは、前記入射方向から見た場合に前記複数のテクスチャ構造のそれぞれに対応する領域を包囲する反射部を更に有する、請求項２に記載の撮像装置。
  5. 前記第１光センサは、前記第１面に沿って二次元に配置された複数の光通過部を更に有し、
    前記複数の第２画素のそれぞれは、前記入射方向から見た場合に前記複数の光通過部の少なくとも１つと重なっている、請求項１～４のいずれか一項に記載の撮像装置。
  6. 前記複数の光通過部のそれぞれは、導波路構造を含む、請求項５に記載の撮像装置。
  7. 前記電荷発生領域は、アバランシェ増倍領域を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の撮像装置。
  8. 前記入射方向において前記第１光センサに対して前記光の入射側に、前記複数の第１画素に対応するように配置され、前記第１波長帯の光である可視光を選択的に透過させる複数のカラーフィルタを更に備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の撮像装置。
  9. 前記第１光センサと前記第２光センサとの間に配置され、前記第２波長帯の光である近赤外光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを更に備える、請求項８に記載の撮像装置。
  10. 前記入射方向において前記第１光センサに対して前記光の入射側に、前記複数の第２画素に対応するように配置され、前記第２波長帯の光である近赤外光を選択的に透過させる複数のプラズモンフィルタを更に備える、請求項８に記載の撮像装置。
  11. 前記電荷収集領域は、前記入射方向から見た場合に前記複数の第１画素の１つと重なっている、請求項８～１０のいずれか一項に記載の撮像装置。
  12. 前記埋め込み型フォトダイオードは、シリコンからなり、
    前記電荷発生領域及び前記電荷収集領域は、シリコンからなる、請求項１～１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
  13. 前記埋め込み型フォトダイオードは、シリコンからなり、
    前記電荷発生領域及び前記電荷収集領域は、ゲルマニウムからなる、請求項１～１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
  14. 前記第１光センサは、前記入射方向において前記複数の第１画素に対して前記光の入射側とは反対側に配置された第１配線層を更に有し、
    前記第２光センサは、前記入射方向において前記複数の第２画素に対して前記光の入射側に配置された第２配線層を更に有し、
    前記第２配線層は、前記第１配線層と電気的且つ物理的に接続されている、請求項１～１３のいずれか一項に記載の撮像装置。
  15. 前記第１光センサは、信号読出し部を更に有し、
    前記信号読出し部は、前記複数の第１画素のそれぞれから第１信号を読み出し、前記複数の第２画素のそれぞれから第２信号を読み出す、請求項１４に記載の撮像装置。
  16. 前記信号読出し部は、
    交互に繰り返される第１期間及び第２期間のうち、前記第１期間において、前記複数の第１画素のそれぞれに電荷を蓄積させると共に前記複数の第２画素のそれぞれから前記第２信号を読み出し、
    前記第２期間において、前記複数の第２画素のそれぞれに電荷を蓄積させると共に前記複数の第１画素のそれぞれから前記第１信号を読み出す、請求項１５に記載の撮像装置。
  17. 前記信号読出し部は、
    交互に繰り返される第１期間及び第２期間のうち、前記第１期間において、前記複数の第１画素のそれぞれに電荷を蓄積させると共に前記複数の第２画素のそれぞれに電荷を蓄積させ、
    前記第２期間において、前記複数の第１画素のそれぞれから前記第１信号を読み出すと共に前記複数の第２画素のそれぞれから前記第２信号を読み出す、請求項１５に記載の撮像装置。
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