JP4345693B2 - 光検出素子および光検出素子の制御方法 - Google Patents

光検出素子および光検出素子の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、光検出素子および光検出素子の制御方法に関するものである。
従来から、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤイメージセンサなど各種の光検出素子が知られており、これらの光検出素子は、対象物の有無を受光強度の変化で検出する光電センサ、光を伝送媒体とする光通信、三角測量法や投受光の位相差などを用いて光学的に測距する距離センサ、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像素子など各種用途に広く利用されている。
ところで、これらの用途のうち光源とともに光検出素子を使用する用途であって、自然光のような環境光が入射する環境で用いる場合には（侵入者を監視する光電センサ、光リモコン装置のような光通信、自動焦点カメラやロボットアイに用いる距離センサ、距離画像を得るために光源とともに用いる撮像素子など）、光検出素子に対して光源から放射された光のほかに環境光も併せて入射するから、光源から放射された光のみを受光する場合に比較すると受光強度が増加する。一方、この種の光検出素子では、受光量に応じた量のキャリア（電子あるいは正孔）が素子の内部で生成されるものの、受光量に対するキャリアの生成数には限界があり、受光量が増加すればキャリアの生成数は次第に飽和する。したがって、上述のような用途において目的とする情報を含んだ信号光を環境光とともに光検出素子で受光すると、環境光の光量分だけ光検出素子のダイナミックレンジが低減し、信号光に対して大きな出力を得ることができないという問題が生じる。
また、信号光と環境光とが混在していると、環境光に変動がある場合に環境光と信号光とを区別することができない可能性もある。環境光と信号光とを区別する技術としては信号光に用いる特定波長のみを通過させる光学フィルタを用いることが考えられているが、太陽光のように広範囲に亘るスペクトル成分を有した環境光では、光学フィルタを通しても環境光の影響を十分に除去することはできない。
信号光と環境光とを分離する技術としては、光検出素子の出力から環境光に対応する成分と信号光に対応する成分とを分離することが考えられている。たとえば、光源を間欠的に点灯させ、光源の点灯期間と光源の消灯期間との受光出力の差分を求めることにより、環境光に対する成分を減殺することが考えられている（たとえば、特許文献１参照）。つまり、環境光が変動しない程度の短い時間間隔において、環境光と信号光との成分を含む点灯期間の受光出力から環境光に対応する成分のみを含む消灯期間の受光出力を減算することにより受光出力の差分を求めるから、環境光に対応する成分を抑圧して信号光に対応する成分の割合を大幅に増加させることが可能になる。
特開２００１−３３７１６６号公報（第００２９−００３５段落）
ところで、上述した特許文献１に記載の技術は、光検出素子の受光出力について信号光に対応する成分と環境光に対応する成分とを分離するものであり、光検出素子に対して外部回路を設けて受光出力の差分を求めるものであるから、光検出素子が飽和したときには、信号光に対応する成分を抽出することができなくなるという問題がある。すなわち、環境光の存在下では信号光に対する光検出素子のダイナミックレンジが小さくなり、信号光に対して大きな出力を得ることができないという問題は特許文献１に記載された技術を用いても依然として解決されない。
さらに詳しく説明する。一般に、光検出素子の検出精度の限界は光電変換に伴うショットノイズで決定されるから、ショットノイズの影響を低減するために、光の照射により生成されるキャリアの個数を増やす必要がある。光検出素子で生成されるキャリアの個数は、光検出素子が飽和しない範囲では、受光強度が大きく受光時間が長いほど（つまり、受光量が多いほど）多くなるから、光源からの放射強度を増加させるか、光検出素子の受光時間を長くすることによって、ショットノイズの影響を低減することができる。しかしながら、上述のように環境光の存在下では、光検出素子のダイナミックレンジが低下するから、光源の放射光量を増加させたり光検出素子の受光時間を長くしても、ＳＮ比を十分に大きくとることはできない。
また、特許文献１においては光検出素子としてＣＣＤセンサまたはＭＯＳ型センサからなる撮像素子を用いており、差分をとるための２回の受光出力をそれぞれ撮像素子から一旦取り出さなければならず、撮像素子の出力を少なくとも２回読み出すことが必要になる。つまり、結果が得られるまでに２画面分（２フレーム分）の読出時間を要することになり、それだけ応答速度が低下するという問題が生じる。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、外部回路を設けることなく環境光による飽和を防止して信号光に対応する成分を抽出することができるようにし、信号光に対するダイナミックレンジを向上させることができ、また多数個を配列して撮像素子を構成する場合であっても応答速度の低下がない光検出素子および光検出素子の制御方法を提供することにある。
請求項１の発明は、光源から放射された光を受光可能であって受光量に応じた個数の正孔および電子を生成する半導体からなる感光部と、弁別用制御電極を有し弁別用制御電極に印加する電圧の制御により感光部で生成された正孔と電子とのうちの一方である目的キャリアと他方である非目的キャリアとを分離するキャリア弁別部と、結合用制御電極を有し結合用制御電極に印加する電圧の制御により光源の点灯期間に感光部で生成された目的キャリアと光源の消灯期間に感光部で生成された非目的キャリアとを所定タイミングで再結合させる再結合部と、再結合部において再結合させた後に残留している目的キャリアを外部に取り出す出力部とを１つの半導体装置として構成して成ることを特徴とする。
この構成によれば、光源の点灯期間に感光部で生成された目的キャリアと光源の消灯期間に感光部で生成された非目的キャリアとを再結合部で再結合し、再結合後に残留している目的キャリアを外部に取り出すから、感光部で受光した信号光成分に対応する目的キャリアから環境光成分に相当する目的キャリアを除去することができ、再結合後に残留する目的キャリアから環境光成分を大幅に除去することができる。その結果、再結合部から出力部に引き渡される目的キャリアの環境光成分を低減して環境光成分による出力部の飽和を防止することが可能になる。しかも、１つの半導体装置において上述の機能を実現するから、半導体装置から外部に取り出した信号に対して環境光成分を除去する場合に比較すると、半導体装置自体の飽和が生じないことによって、光源からの光（信号光）に対するダイナミックレンジを大幅に向上させることができる。また、光検出素子に再結合部を設けて異なる２期間の受光量の差分に相当する目的キャリアを受光出力とするから、多数個を配列して撮像素子を構成する場合に、撮像素子から２画面分を読み出す必要がなく、応答速度の低下がない光検出素子を提供することができる。
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記キャリア弁別部は、点灯期間に生成され再結合部での再結合に関与する目的キャリアの個数が消灯期間に生成され再結合部での再結合に関与する非目的キャリアの個数よりも多くなっているように調節することを特徴とする。
この構成によれば、感光部で生成された目的キャリアの個数と非目的キャリアの個数との関係をキャリア弁別部で調節するから、再結合部での再結合後に残留する目的キャリアから消灯期間に生じた環境光成分を除去しやすくなる。
請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記感光部で生成された目的キャリアを集積し再結合まで保持する目的キャリア保持部と、前記感光部で生成された非目的キャリアを集積し再結合まで保持する非目的キャリア保持部とが付加され、前記再結合部は、目的キャリア保持部に保持された目的キャリアと非目的キャリア保持部に保持された非目的キャリアとを再結合させることを特徴とする。
この構成によれば、目的キャリアと非目的キャリアとをそれぞれ目的キャリア保持部と非目的キャリア保持部とに保持させ、目的キャリア保持部に保持された目的キャリアと非目的キャリア保持部に保持された非目的キャリアとを再結合部において再結合させるから、目的キャリアと非目的キャリアとを再結合のタイミングまで各別に分離して保持させておくことができ、異なる２期間においてそれぞれ生成された目的キャリアと非目的キャリアとを再結合しないように分離して保持しておくことができる。
請求項４の発明では、請求項３の発明において、前記キャリア弁別部は、前記目的キャリア保持部に保持された目的キャリアを廃棄させるスイッチ要素を備えることを特徴とする。
この構成によれば、消灯期間と点灯期間との一方において生成された目的キャリアを廃棄することができるから、上記一方の期間において生成された非目的キャリアのみが保持されることになり、再結合部において再結合する際の目的キャリアと非目的キャリアとの個数の差を大きくすることができる。その結果、消灯期間と点灯期間とをそれぞれ比較的短くしながらも、再結合後において比較的多くの目的キャリアを取り出すことが可能になり、感度を高めることができる。
請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４の発明において、前記再結合部での再結合により残留した目的キャリアを積分する出力部が付加されていることを特徴とする。
この構成によれば、１回の点灯期間と１回の消灯期間とに対応して再結合部から取り出される目的キャリアの個数が少ない場合でも、出力部において目的キャリアを積分することによって、出力する目的キャリアの個数を比較的大きくすることが可能になる。
請求項６の発明では、請求項３の発明において、 半導体からなる基板の主表面に形成された第１導電形の素子形成層と、素子形成層の主表面側に設けられた第２導電形のウェル領域と、素子形成層の主表面において少なくともウェル領域に絶縁層を介して対向し光が透過可能な表面電極と、ウェル領域内で素子形成層の主表面側に設けられ前記目的キャリア保持部となる第２導電形の第１保持領域と、第１保持領域内で素子形成層の主表面側に設けられ前記非目的キャリア保持部となる第１導電形の第２保持領域と、素子形成層の主表面のうち第２保持領域に対応する部位において絶縁層を介して対向する電極であって前記弁別用制御電極と前記結合用制御電極とに兼用され光が透過可能な制御電極とを有し、前記感光部は素子形成層において電子および正孔を生成し、前記再結合部として第１保持領域と第２保持領域との少なくとも一方を用いることを特徴とする。
この構成によれば、比較的簡単な構造の半導体装置を用いて請求項３の構成を実現することができる。とくに、第１保持領域と第２保持領域との少なくとも一方が再結合部として兼用されているから小型化につながる。
請求項７の発明では、請求項６の発明において、前記素子形成層の主表面側において前記ウェル領域に隣接して形成され前記目的キャリア保持部から目的キャリアを廃棄することができる第２導電形のドレイン領域と、ドレイン領域にオーミックに接続され第１保持領域からドレイン領域に目的キャリアが廃棄されるように電圧が印加されるドレイン電極とが付加されていることを特徴とする。
この構成によれば、点灯期間と消灯期間との一方の期間において生成された目的キャリアをドレイン領域に廃棄することができるから、非目的キャリア保持部には上記一方の期間において生成された非目的キャリアのみを保持されることになり、再結合させる目的キャリアと非目的キャリアとの個数の差を大きくすることができる。その結果、点灯期間と消灯期間とをそれぞれ比較的短くしながらも、再結合後において比較的多くの目的キャリアを取り出すことが可能になり、感度を高めることができる。
請求項８の発明では、請求項３の発明において、半導体からなる基板の主表面に形成された第１導電形の素子形成層と、素子形成層の主表面側に設けられ前記目的キャリア保持部となる第２導電形のウェル領域と、素子形成層の主表面において少なくともウェル領域に絶縁層を介して対向し光が透過可能な表面電極と、ウェル領域内で素子形成層の主表面側に設けられ前記非目的キャリア保持部となる第１導電形の保持領域と、素子形成層の主表面のうち保持領域の一部に対応する部位において絶縁層を介して対向する電極であって前記弁別用制御電極と前記結合用制御電極とに兼用され光が透過可能な制御電極とを有し、前記感光部は素子形成層において電子および正孔を生成し、前記再結合部としてウェル領域内で保持領域の内外の少なくとも一方を用いることを特徴とする。
この構成によれば、比較的簡単な構造の半導体装置を用いて請求項３の構成を実現することができる。とくに、ウェル領域内で保持領域の内外の少なくとも一方が再結合部として兼用されているから小型化につがる。
請求項９の発明では、請求項３の発明において、第１導電形の中間層を介して第２導電形の半導体からなる基板の主表面に形成された第２導電形の素子形成層と、素子形成層の主表面側に設けられ前記目的キャリア保持部となる第２導電形のウェル領域と、素子形成層の主表面において少なくともウェル領域に絶縁層を介して対向し光が透過可能な表面電極と、ウェル領域内で素子形成層の主表面側に設けられ前記非目的キャリア保持部となる第１導電形の保持領域と、素子形成層の主表面のうち保持領域の一部に対応する部位において絶縁層を介して対向する電極であって前記弁別用制御電極と前記結合用制御電極とに兼用され光が透過可能な制御電極とを有し、前記感光部は素子形成層において電子および正孔を生成し、前記再結合部としてウェル領域内で保持領域の内外の少なくとも一方を用いることを特徴とする。
この構成によれば、比較的簡単な構造の半導体装置を用いて請求項３の構成を実現することができる。とくに、ウェル領域内で保持領域の内外の少なくとも一方が再結合部として兼用されているから小型化につがる。また、ウェル領域と素子形成層とを同導電形の半導体により形成しているから、素子形成層の深部まで目的キャリアと非目的キャリアとを生成する感光部として機能させることができ、かつ基板と素子形成層との間に基板および素子形成層とは異なる導電形の中間層を設けているから、基板と中間層との電位を調節することによって、目的キャリアと非目的キャリアとを容易に弁別することができる。
請求項１０の発明では、請求項６ないし請求項９の発明において、前記ウェル領域は前記素子形成層において前記基板に達しない深さであって、ウェル領域の底にはウェル領域と素子形成層との間のポテンシャル障壁を高くする埋込層が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、ウェル領域の底に埋込層を設けていることによってウェル領域から基板に目的キャリアが漏れるのを防止することができ、埋込層を設けない場合に比較すると出力部に引き渡される目的キャリアの個数が多くなる。
請求項１１の発明は、請求項３記載の光検出素子の制御方法であって、点灯期間には前記目的キャリア保持部に目的キャリアを集積するとともに非目的キャリアを廃棄し、消灯期間には前記非目的キャリア保持部に非目的キャリアを集積するとともに目的キャリアを廃棄するように弁別用制御電極に印加する電圧を制御することを特徴とする。
この方法によれば、点灯期間には目的キャリアを集積し消灯期間には非目的キャリアを集積するから、目的キャリアと非目的キャリアとを再結合させた後には、理想的には点灯期間と消灯期間との受光量の差に相当する個数の目的キャリアが残留することになり、環境光成分を大幅に低減した出力を得ることができる。
請求項１２の発明は、請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光検出素子を制御する方法であって、前記目的キャリア保持部に目的キャリアを保持し前記非目的キャリア保持部に非目的キャリアを保持する電圧を前記制御電極に印加した後、制御電極に印加する電圧を変化させ目的キャリア保持部に保持されている目的キャリアと非目的キャリア保持部に保持されている非目的キャリアとの少なくとも一方を移動させることにより再結合させることを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項８または請求項９記載の光検出素子を制御する方法であって、前記目的キャリア保持部に目的キャリアを保持し前記非目的キャリア保持部に非目的キャリアを保持する電圧を前記制御電極に印加した後、前記制御電極に印加する電圧を複数回変化させることにより、前記目的キャリアを前記ウェル領域内において前記保持領域の内外で往復移動させるとともに前記非目的キャリアを保持領域における制御電極との対向部位と非対向部位との間で往復移動させることによって、目的キャリアと非目的キャリアとを再結合させることを特徴とする。
この方法によれば、ウェル領域内において保持領域の内外で目的キャリアを往復移動させ、かつ保持領域における制御電極との対向部位と非対向部位との間で非目的キャリアを往復移動させるから、保持領域における制御電極との対向部位で目的キャリアと非目的キャリアとを再結合させることができる。ここに、保持領域の界面電位でトラップされている非目的キャリアが目的キャリアと再結合するのであって、目的キャリアを保持領域に１回だけ導入してもすべての非目的キャリアを消滅させることができないから、目的キャリアおよび非目的キャリアの移動を複数回繰り返している。また、制御電極に電圧を印加するタイミングと印加電圧の電位を制御する比較的簡単な電圧制御によって信号光に対応する成分を抽出することができる上に、保持領域とウェル領域との間で目的キャリアが往復移動するだけであるから、外部に電流が流れることがなく低消費電力になる。
請求項１４の発明では、請求項８または請求項９記載の光検出素子を制御する方法であって、消灯期間には前記保持領域に非目的キャリアを集積するとともに目的キャリアを廃棄し、点灯期間には前記保持領域に目的キャリアを集積するとともに非目的キャリアを廃棄するように、前記表面電極と前記制御電極と前記基板とに印加する電圧を制御することを特徴とする。
この方法によれば、点灯期間には目的キャリアを集積し消灯期間には非目的キャリアを集積するから、目的キャリアと非目的キャリアとを再結合させた後には、理想的には点灯期間と消灯期間との受光量の差に相当する個数の目的キャリアが残留することになり、環境光成分を大幅に低減した出力を得ることができる。
請求項１５の発明では、請求項１４の発明において、点灯期間において目的キャリアを集積する状態と消灯期間において非目的キャリアを集積する状態とでは、前記表面電極および前記制御電極に印加する各電圧の極性と前記基板に印加する電圧の極性とを互いに逆極性にし、点灯期間と消灯期間との少なくとも一方において目的キャリアと非目的キャリアとを再結合させる状態では、制御電極に印加する電圧の極性を複数回反転させ、再結合後に前記ウェル領域に残留している目的キャリアを取り出すことを特徴とする。
この方法によれば、点灯期間と消灯期間とにおいて保持領域にそれぞれ目的キャリアと非目的キャリアとを個別に集積することができ、しかも保持領域に目的キャリアと非目的キャリアとを出し入れすることにより、主として保持領域において目的キャリアと非目的キャリアとを再結合させることができる。さらに、保持領域への目的キャリアと非目的キャリアとの出し入れを複数回繰り返すことにより、目的キャリアと非目的キャリアとの再結合確率を高めることができる。
本発明の光検出素子は、感光部で生成された正孔と電子とのうちの一方である目的キャリアと他方である非目的キャリアとをキャリア弁別部え分離し、光源の点灯期間に感光部で生成された目的キャリアと光源の消灯期間に感光部で生成された非目的キャリアとを再結合部で再結合し、再結合後に残留している目的キャリアを外部に取り出すから、キャリア弁別部で目的キャリアと非目的キャリアとを分離する期間を適宜に制御すれば、再結合後に残留する目的キャリアの個数を点灯期間と消灯期間との受光量の差分に対応させることが可能になる。その結果、再結合後に残留する目的キャリアから環境光に相当する成分を大幅に除去することが可能になり、環境光に相当する成分による飽和を防止することが可能になるという利点がある。その結果、再結合部から出力部に引き渡される目的キャリアの環境光成分を低減して環境光成分による出力部の飽和を防止することが可能になるという利点がある。しかも、１つの半導体装置において上述の機能を実現するから、半導体装置から外部に取り出した信号に対して環境光成分を除去する場合に比較すると、半導体装置自体の飽和が生じないことによって、光源からの光（信号光）に対するダイナミックレンジを大幅に向上させることができるという利点がある。また、光検出素子に再結合部を設けて点灯期間と消灯期間との受光量の差分に相当する目的キャリアを受光出力とするから、多数個を配列して撮像素子を構成する場合に、撮像素子から２画面分を読み出す必要がなく、応答速度の低下がない光検出素子を提供することができるという利点がある。
（実施形態１）
図４は本実施形態の光検出素子１を用いて測距を行う装置を構成した例を示している。この装置は、距離を測定する対象物３を含む対象空間に光源２からの光を投光し、対象物３による反射光を含む対象空間からの光を光検出素子１により受光するとともに、対象物３による反射光の光量を反映した受光出力を光検出素子１から得るように構成してある。この種の構成で対象物３までの距離を測定する技術としては、光源２から対象空間に投光した光が光検出素子１で受光されるまでの光の飛行時間を計測する技術が知られている。
すなわち、光源２から対象空間に投光する光の強度を正弦波のような適宜の波形の変調信号で変調しておき、光検出素子１で受光した光と光源２から投光した光との変調信号の波形の位相差を求め、位相差を距離に換算する技術が知られている。光源２としては主として発光ダイオードあるいは半導体レーザを用いる。
光源２から対象空間に投光する光の強度変調はタイミング制御部１０から出力される一定の変調周波数（たとえば、２０ＭＨｚ）の正弦波である変調信号で行っている。また、光源２から対象空間に光を投光する期間と投光しない期間とを交互に設けてあり、変調信号で変調された光を変調周期（変調周波数の逆数）の複数倍（たとえば、１００００倍）の期間に亘って投光する期間と、光を光源２から投光しない期間とを設けてある。対象空間に投光する期間を光源２の点灯期間とし投光しない期間を光源２の消灯期間と呼ぶ。つまり、光源２は間欠的に発光する。
光源２の消灯期間において光検出素子１に入射する光は光源２から対象空間に投光した光を含まない環境光のみであり、光源２の点灯期間において光検出素子１に入射する光は光源２から対象空間に投光した光を含む信号光と環境光との合計になる。点灯期間に光源２から対象空間に投光されている光は強度が変調されているから、点灯期間において光検出素子１に入射する光は微視的には変動している。つまり、強度を高周波で変調した光を間欠的に投光していることになり、光を投光している期間が点灯期間になる。したがって、光検出素子１で受光する光は、消灯期間には主として環境光になり、点灯期間には主として環境光と信号光とを併せたものになる。したがって、光検出素子１による点灯期間の受光量から消灯期間の受光量を減算すれば、理論上では環境光の成分を除去して信号光の成分のみを取り出すことが可能になる。
光検出素子１から出力される受光出力は図示しない距離演算部に与えられ、距離演算部では複数のタイミングで光検出素子１から取り出した受光出力を用い、光源２から照射された光の強度変化の波形と、光検出素子１により受光した光の強度変化の波形との位相差から光の飛行時間を求め、飛行時間から対象物３までの距離を求める。
光検出素子１を１個だけ単独で用いれば光検出素子１から見て特定の方向に存在する対象物３についてのみ距離を検出する構成になり、光検出素子１を複数個配列して撮像素子を構成し、撮像素子の前方に受光光学系を配置して撮像素子から受光光学系を通して対象空間を見る方向を各光検出素子１の位置に対応付ければ、各方向における距離を画素値に持つ距離画像を生成することが可能である。たとえば、矩形状の単位格子からなる平面格子の格子点上に光検出素子１を配列するとともに光検出素子１の受光出力を外部に取り出す出力部１６を設けた撮像素子を構成し、撮像素子を用いて距離画像を生成するように構成することができる。なお、撮像素子を構成する場合に、出力部１６にＣＣＤを用い複数の光検出素子１で出力部１６を兼用する構成を採用することができる。
光検出素子１では後述するように受光量に応じた個数の電子と正孔とが生成されるが、本実施形態では、電子および正孔のうち電子を目的キャリアとして扱い、正孔を非目的キャリアとして扱う。光検出素子１の受光出力の出力値は目的キャリアである電子の個数に対応する。
光検出素子１は、図１に示すように、ｎ形（第１導電形）の半導体（たとえば、シリコン）からなる基板２１の主表面に積層されたｐ形（第２導電形）の素子形成層２２を備える。素子形成層２２は、基板２１に接触する第１層２２ａと、第１層２２ａを介して基板２１に対向する第２層２２ｂとからなり、第１層２２ａの一部には第２層２２ｂに接する部位にｎ形の埋込層２３が形成される。また、第１層２２ａの厚み寸法は、たとえば５μｍに設定される。素子形成層２２の主表面には酸化層（たとえば、シリコン酸化層）である絶縁層２４を介して表面電極２５が対向する。絶縁層２４には素子形成層２２の主表面から離間した制御電極２６およびゲート電極２７が素子形成層２２の表面に沿った異なる部位に埋め込まれる。つまり、制御電極２６およびゲート電極２７は素子形成層２２に絶縁層２４の一部を介して対向する。表面電極２５および制御電極２６は光が透過可能になっている。
素子形成層２２の第２層２２ｂには埋込層２３に対応する部位において、ウェル領域３１が形成される。ウェル領域３１は素子形成層２２の第２層２２ｂと厚みがほぼ等しいｎ−形の領域であり、ウェル領域３１内において素子形成層２２の主表面側にはｎ形の電子保持領域（第１保持領域）３２が形成される。素子形成層２２の主表面側であって電子保持領域３２内にはｐ＋形の正孔保持領域（第２保持領域）３３が形成される。上述した制御電極２６は正孔保持領域３３に対向する形で配置される。
素子形成層２２の主表面側であってウェル領域３１の一側方にはｎ形のドレイン領域３４ａが形成され、他側方にはｎ形のドレイン領域３４ｂが形成される。各ドレイン領域３４ａ，３４ｂの表面にはそれぞれドレイン電極３５ａ，３５ｂがオーミックに接続される。ドレイン領域３４ａ，３４ｂは図１の面に直交する方向の一直線上に延長され、ドレイン領域３４ａはドレイン領域３４ｂよりもウェル領域３１に近接して設けられている。
素子形成層２２の主表面に沿ってウェル領域３１とドレイン領域３４ｂとの間にはドレイン領域３４ｂに沿って延長されたｎ形の電荷転送領域３６が形成され、上述したゲート電極２７はウェル領域３１と電荷転送領域３６とに跨る部位に対応して設けられ、ウェル領域３１と電荷転送領域３６との間はＭＯＳ構造のゲート部を構成している。表面電極２５の表面であって、ゲート電極２７と電荷転送領域３６とドレイン領域３４ｂとに対応する部位には光を遮断する遮光膜３７が形成される。
上述のように、基板２１および素子形成層２２に絶縁層２４を介して表面電極２５を設けているから、ＭＩＳデバイスの構造を有しており、遮光膜３７を設けていない部位は、光の照射により電子および正孔を生成する感光部１１（図４参照）として機能する。ここに、素子形成層２２の電位を接地電位とし、基板２１には接地電位よりも高電位である一定の電圧（以下、接地電位よりも高電位である電圧を「正電圧」という）を印加しておく。光照射により生成された電子や正孔は放置すれば比較的短時間で再結合して消滅するから、受光量に対応した電子と正孔とを分離して集積するために、表面電極２５には正電圧を印加し、制御電極２６には接地電位よりも低電位の電圧（以下、負電圧という）を印加しておく。
各部の電圧を上述のように設定することによって、電子（黒丸）と正孔（白丸）とに対するポテンシャルは図２（ｂ）のようになる。図２（ｂ）において左側の曲線は正孔のポテンシャルエネルギを示し、右側の曲線は電子のポテンシャルエネルギを示しており、正孔は左側ほどポテンシャルが高く、電子は右側ほどポテンシャルが高くなる。つまり、ウェル領域３１（電子保持領域３２および正孔保持領域３３を含む）の近傍において生成される正孔は主として正孔保持領域３３に集積され、電子は主として電子保持領域３２に集積される。電子保持領域３２に集積される電子の個数および正孔保持領域３３に集積される正孔の個数は照射された光量（つまり、受光量）を反映しており、受光量が多くなると集積される電子および正孔の個数も多くなる。また、基板２１には正電圧が印加され、素子形成層２２は接地電位であるから、基板２１と素子形成層２２との間では逆バイアスになり、基板２１および素子形成層２２で生成される電子および正孔は、廃棄および再結合によって短時間で消滅する。
次に点灯期間と消灯期間とに分けて動作を説明する。消灯期間においては、表面電極２５に正電圧を印加するとともに制御電極２６に負電圧を印加する。光検出素子１に光が入射することにより感光部１１で生成された電子は電子保持領域３２に集積され正孔は正孔保持領域３３に集積される。その後、図３のように、ドレイン電極３５ａに正電圧を印加すると、電子保持領域３２に集積された電子（黒丸）はドレイン領域３４ａに移動する。つまり、消灯期間において表面電極２５に正電圧を印加するとともに、制御電極２６に負電圧を印加した状態を継続したままで、消灯期間から点灯期間に移行する際（点灯期間の直前）にドレイン電極３５ａに正電圧を印加すると、消灯期間において生成された正孔を正孔保持領域３３に残し、消灯期間において生成された電子をドレイン領域３４ａに移動させて電子保持領域３２を空にすることができる。なお、ドレイン電極３５ａに正電圧を印加する際に表面電極２５に負電圧を印加するとドレイン領域３４ａに電子を速やかに移動させることができる。
一方、点灯期間においては、消灯期間と同様に、表面電極２５に正電圧を印加するとともに制御電極２６に負電圧を印加する。光検出素子１に光が入射することにより感光部１１で生成された電子は電子保持領域３２に保持され、正孔は正孔保持領域３３に保持される。この状態で、正孔保持領域３３には点灯期間において生成された正孔だけではなく消灯期間において生成された正孔も含まれ、一方、電子保持領域３２の電子は点灯期間の前にドレイン領域３４ａに廃棄しているから、理想的には点灯期間において生成された電子のみが含まれることになる。この時点では、制御電極２６には負電圧が印加されているから、図２（ｂ）に示したように、電子保持領域３２は電子に対して低ポテンシャル（ポテンシャル井戸）であり、正孔保持領域３３は正孔に対して低ポテンシャル（ポテンシャル井戸）であって、電子と正孔とは再結合することなく電子保持領域３２と正孔保持領域３３とに分かれて保持されている。
以上の説明から明らかなように、制御電極２６に適宜の電圧を印加することにより、感光部１１で生成された電子と正孔とを電子保持領域３２と正孔保持領域３３とに振り分けて集積することができる。つまり、制御電極２６と電子保持領域３２と正孔保持領域３３とは電子と正孔とを分離するキャリア弁別部１２（図４参照）として機能し、制御電極２６は弁別用制御電極として機能することになる。
次に、制御電極２６に正電圧を印加すると、電子保持領域３２と正孔保持領域３３との間のポテンシャル差が小さくなり（ポテンシャル障壁が低くなり）、正孔保持領域３３から押し出された正孔がウェル領域３１（主として、電子保持領域３２）において電子と再結合することになる。なお、再結合の条件は、電子および正孔に対するポテンシャルを制御するために制御電極２６に印加する電圧だけではなく、電圧を印加する時間のほか、ウェル領域３１および正孔保持領域３３を形成する半導体の不純物濃度も関与する。つまり、制御電極２６に印加する電圧を制御することにより、電子と正孔とを再結合させるから、制御電極２６は結合用電極として機能する。また、電子と正孔との再結合はウェル領域３１で行われるから、ウェル領域３１が再結合部１５（図４参照）として機能する。電子と正孔との再結合は、正孔保持領域３３から電子保持領域３２に押し出される正孔が電子保持領域３２において再結合するだけではなく、電子保持領域３２から正孔保持領域３３に移動した電子が正孔保持領域３３の界面付近に捕捉されている正孔に結合することによっても生じる。
正孔保持領域３３の正孔と電子保持領域３２の電子とを再結合させる際に、電子の個数が正孔の個数より多くなるように調節されていれば、再結合後には正孔は消滅し電子が残留する。残留した電子は点灯期間においてウェル領域３１で生成された電子であるから、この電子を取り出せば環境光の影響を除去した信号光に比例する個数の電荷（信号電荷）を取り出したことになる。そこで、制御電極２６に正電圧を印加して電子と正孔とを再結合させた後には、制御電極２６に負電圧を印加することにより残留した電子を電子保持領域３２に集積させ、この電子を信号電荷として取り出す。
すなわち、電子保持領域３２に電子が保持された状態においてゲート電極２７に正電圧を印加すれば、ウェル領域３１と電荷転送領域３６との間において素子形成層２２にチャンネルが形成され、このチャンネルを通して電子保持領域３２から電荷転送領域３６に電子が移動する。電荷転送領域３６に転送された電子はＣＣＤイメージセンサなどにおいて電荷の取り出しに用いられている周知の技術を用いて転送され、外部に取り出されることになる。
上述の動作を簡単にまとめる。上述した表面電極２５、制御電極２６、ゲート電極２７、ドレイン電極３４ｂ、ドレイン電極３５ｂに電圧を印加するタイミングはタイミング制御部１０により制御される。まず、光源からの光が入射せず環境光のみが入射する消灯期間においては、表面電極２５に正電圧を印加し、制御電極２６に負電圧を印加する。光が入射すると、基板２１、素子形成領域２２、埋込層２３、ウェル領域３１、正孔保持領域３３において光励起による電子および正孔が生成される。次に、消灯期間において、電子保持領域３２に電子が保持されるとともに正孔保持領域３３に正孔が保持された状態で、ドレイン電極３５ａに正電圧を印加すると、消灯期間において生成された正孔は正孔保持領域３３に残り、消灯期間において生成された電子はドレイン領域３４ａに移動し電子保持領域３２が空になる。
次に、光源からの光が入射する点灯期間では、消灯期間と同様に、表面電極２５に正電圧を印加し、制御電極２６に負電圧を印加する。この場合も、光が入射すると、基板２１、素子形成領域２２、埋込層２３、ウェル領域３１、正孔保持領域３３において光励起による電子および正孔が生成される。点灯期間においては、正孔保持領域３３には点灯期間において生成された正孔だけではなく消灯期間において生成された正孔も含まれ、電子保持領域３２には点灯期間において生成された電子のみが保持される。
その後、制御電極２６に正電圧を印加すると、電子保持領域３２と正孔保持領域３３との間のポテンシャル差が小さくなり、正孔保持領域３３から電子保持領域３２に正孔が移動し電子と再結合する。電子保持領域３２に電子が保持された状態においてゲート電極２７に正電圧を印加すれば、ウェル領域３１と電荷転送領域３６との間において素子形成層２２に形成されるチャンネルを通して電子保持領域３２から電荷転送領域３６に電子が移動する。電荷転送領域３６に移送された電子は電荷転送領域３６を転送されて外部に取り出される。
以下では、上述した光検出素子１を用いた測距装置の構成例を示し、光検出素子１の各部の機能を図４のように表して説明する。図４において感光部１１は、光の照射により電子および正孔を生成する領域であって、基板２１と素子形成層２２（ウェル領域３１を含む）と絶縁層２４と表面電極２５とを含むＭＩＳデバイスの構造を持つ部位に対応する。ただし、上述したように、基板２１および素子形成層２２の電子および正孔は速やかに消滅するから、主としてウェル領域３１で生成される電子および正孔が感光部１１で生成される電子および正孔に相当する。
感光部１１で生成された電子および正孔はキャリア弁別部１２において個数比が調節された後、正孔は正孔保持部１３に集積され、電子は電子保持部１４に集積される。本実施形態では、電子を目的キャリアとし正孔を非目的キャリアとしているから、正孔保持部１３が非目的キャリア保持部であり、電子保持部１４が目的キャリア保持部になる。光検出素子１においては、正孔保持領域３３が正孔保持部１３に対応し、電子保持領域３２が電子保持部１４に対応する。
キャリア弁別部１２は、正孔保持部１３に正孔を集積させ電子保持部１４に電子を集積させるように電子と正孔とを弁別するとともに、正孔保持部１３に集積される正孔の個数と電子保持部１４に集積される電子の個数との比を決める機能を有し、たとえば、非目的キャリアである正孔と目的キャリアである電子との個数比が１対２などになるように調節する。個数比は素子構造（電子保持領域３２と正孔保持領域３３との配置、形状、寸法、不純物濃度）および電子と正孔との移動度の差に依存し、また、制御電極２６に印加する電圧の極性により、正孔保持部１３に正孔が集積され電子保持部１４に電子が集積されるように電子と正孔とを弁別することができる。さらに、表面電極２５や制御電極２６に印加する電圧を変化させることによっても個数比を変化させることが可能である。すなわち、表面電極２５や制御電極２６に印加する電圧の大きさによりポテンシャル障壁の高さやポテンシャル井戸の深さを制御すれば、正孔保持部１３に集積する正孔の個数や電子集積部１４に集積する電子の個数を制御することができる。
また、電子保持部１４に集積された電子の個数は電子保持部１４から電子を廃棄することによっても調節される。すなわち、消灯期間において電子保持部１４に集積された電子を点灯期間の前にドレイン領域３４ａからなる廃棄部１８に廃棄することによって、点灯期間において電子保持部１４に集積される電子との混合を防止することができる。電子保持部１４から廃棄部１８に電子を廃棄するタイミングは、ドレイン電極３５ａで実現されるスイッチ要素１７をオンにするタイミングにより制御される。つまり、ドレイン電極３５ａに正電圧を印加することによりスイッチ要素１７をオンにして電子保持部１４から電子を廃棄することができる。このように、消灯期間に保持された電子をスイッチ要素１７を介して廃棄部１８に廃棄することにより、環境光のみで生じた電子を廃棄することになり、正孔との再結合後に残留する電子における環境光の影響を小さくすることができる。
正孔保持部１３に集積された正孔と電子保持部１４に集積された電子とは再結合部１５において再結合される。再結合部１５は、電子保持領域３２と正孔保持領域３３と制御電極２６とにより構成され、再結合のタイミングは制御電極２６に正電圧を印加するタイミングにより制御される。再結合前において、電子保持部１４に保持されている電子は大部分が点灯期間に生成された電子になるから、再結合部１５で電子と正孔とを再結合させた後に電子が残留するようにすれば、再結合させない場合に比較して、残留した電子のうちで信号光に対応する成分が占める割合を多くすることができる。再結合部１５での再結合後には電子保持部１４（電子保持領域３２）に電子が残留するから、電子保持部１４に残留する電子を、ゲート電極２７および電荷転送領域３６により形成された出力部１６を通して外部に取り出す。キャリア弁別部１２と再結合部１５と出力部１６とスイッチ要素１７との動作のタイミングは、光源２の点灯および消灯を制御するタイミング制御部１０により制御される。つまり、キャリア弁別部１２と再結合部１５と出力部１６とスイッチ要素１７との動作のタイミングは、光源２の点灯および消灯に同期するように制御される。
再結合部１５において電子（目的キャリア）と正孔（非目的キャリア）とを再結合させた後に電子を残留させるには、上述のように、再結合前において電子保持部１４に保持されている電子の個数が、正孔保持部１３に保持されている正孔の個数より多いことが必要であって、この条件を満足させるには、キャリア弁別部１２において電子保持部１４に集積させる電子を正孔保持部１３に集積させる正孔よりも多くする必要がある。また、再結合部１５から取り出される電子から環境光に対応する成分を除去するには、キャリア弁別部１２において電子保持部１４に集積させる電子の個数と正孔保持部１３に集積させる正孔の個数との比率を、消灯期間と点灯期間との比率と関連付けるのが望ましい。
以下に、これらの条件について検討する。いま、消灯期間をｔ１、点灯期間をｔ２、信号光の強度をＩａ、環境光の強度をＩｂ、キャリア弁別部１２から取り出される正孔の個数が電子の個数のｋ倍、感光部１１が強度Ｉの光を時間ｔだけ受光したときに、キャリア弁別部１２から電子保持部１４に渡される電子の個数がαＩｔであるとすれば、点灯期間に電子保持部１４に集積される電子の個数は、α（Ｉａ＋Ｉｂ）ｔ２であり、消灯期間および点灯期間に正孔保持部１３に集積される正孔の個数は、ｋα｛Ｉｂｔ１＋（Ｉａ＋Ｉｂ）ｔ２｝であるから、再結合部１５から取り出される電子の個数Ｎは、以下のように表すことができる。
Ｎ＝α（Ｉａ＋Ｉｂ）ｔ２−ｋα｛Ｉｂｔ１＋（Ｉａ＋Ｉｂ）ｔ２｝
ただし、理想条件として、消灯期間において電子保持部１４に保持された電子は廃棄部１８にすべて廃棄し、かつ正孔保持部１３の正孔のすべてが電子保持部１４の電子と再結合する場合を想定している。電子の個数Ｎは正でなければならないという条件から、ｋ＜１が得られる。
また、上式を信号光の強度Ｉａと環境光の強度Ｉｂとの項に整理し、環境光の強度Ｉｂを０にする条件を求めると、ｔ１＝｛（１−ｋ）／ｋ｝ｔ２であって、キャリア弁別部１２から取り出される電子に対する正孔の個数比ｋに応じて消灯期間ｔ１と点灯期間ｔ２との比を調節すれば、環境光に対応する成分を除去して信号光に対応する成分のみを抽出することが可能になる。たとえば、消灯期間ｔ１と点灯期間ｔ２とを１：１に設定するのであれば、ｋ＝０．５であって、キャリア弁別部１２において電子の個数を正孔の個数の２倍に設定すれば、環境光に対応する成分を除去して信号光に対応する成分のみを抽出することが可能になる。すなわち、この条件では、図５に示すように、点灯期間ｔ２における環境光で生じた電子Ｅ（ｔ２１）の個数が、消灯期間ｔ１における環境光で生じた正孔Ｈ（ｔ１）の個数と点灯期間における環境光で生じた正孔Ｈ（ｔ２１）の個数との合計に一致するから、再結合により両者が相殺され、また、点灯期間ｔ２における信号光で生じた電子Ｅ（ｔ２２）の個数は、点灯期間における信号光で生じた正孔Ｈ（ｔ２２）の個数の２倍になるから、再結合後には、点灯期間ｔ２における信号光で生じた電子Ｅ（ｔ２２）の半分の個数の電子のみが残ることになる。その結果、再結合後には目的キャリアである電子のうち信号光に対応する成分のみが残ることになる。
次に、廃棄部１８を設けた効果を検証する。いま、信号光の強度をＩａ、環境光の強度をＩｂとし、さらに、電子保持部１４に保持された電子の電荷量をＱａとし、正孔保持部１３に保持された正孔の電荷量をＱｂとするときに、Ｑａ＝Ａ・Ｑｂ（Ａは比例定数）の関係が満たされるものとする。ここに、Ｑａ＝β・Ｉａ、Ｑｂ＝β・Ｉｂ（βは比例定数）とする。また、消灯期間と点灯期間との長さが等しく、着目する消灯期間と点灯期間とにおいて環境光の強度は変化しないものとする。
また、光源２を発光させない消灯期間から光源２を発光させる点灯期間に移行するタイミングにおいてスイッチ要素１７をオンにして電子保持部１４から電子を廃棄し、点灯期間においてはスイッチ要素１７をオフにして電子保持部１４に電子を集積するものとする。このような動作により、消灯期間において電子保持部１４に保持された電子は点灯期間への移行時点まで（望ましくは直前）に廃棄され、消灯期間に保持された電子と点灯期間に保持される電子とが混合されることが防止される。なお、点灯期間から消灯期間に移行する際には、点灯期間に保持された電子と消灯期間において保持される電子とは混合されてもよいから、スイッチ要素１７はオフに保っていてもよい。
廃棄部１８を設けない場合には、消灯期間に保持される目的キャリアと非目的キャリアとの電荷量は、それぞれＡ・β・Ｉｂ、β・Ｉｂであり、点灯期間に電子保持部１４に集積される電子と正孔保持部１３に集積される正孔との電荷量は、それぞれＡ・β（Ｉａ＋Ｉｂ）、β（Ｉａ＋Ｉｂ）であるから、再結合後に残留する電子の電荷量は、Ａ・β（Ｉａ＋２Ｉｂ）−β（Ｉａ＋２Ｉｂ）になる。強度Ｉａ，Ｉｂに着目して整理すると、β｛（Ａ−１）Ｉａ＋（２Ａ−２）Ｉｂ｝になる。
一方、廃棄部１８を設ける場合には、点灯期間の開始直前においては正孔保持部１３に正孔が保持されているのみであり、その電荷量はβ・Ｉｂであり、点灯期間に電子保持部１４に集積される電子と正孔との電荷量は、それぞれＡ・β（Ｉａ＋Ｉｂ）、β（Ｉａ＋Ｉｂ）であるから、再結合後に残留する電子の電荷量は、Ａ・β（Ｉａ＋Ｉｂ）−β（Ｉａ＋２Ｉｂ）になる。強度Ｉａ，Ｉｂに着目して整理すると、β｛（Ａ−１）Ｉａ＋（Ａ−２）Ｉｂ｝になる。
以上説明したように、廃棄部１８を設けるほうが環境光に対する係数がＡ・βだけ小さいから、廃棄部１８を設けない場合よりも環境光の影響を低減できることがわかる。なお、Ａ＝２とすれば、廃棄部１８を設けない場合には再結合後に残留する電荷量がβ（Ｉａ＋２Ｉｂ）になるのに対して、廃棄部１８を設ける場合には再結合後に残留する電荷量がβ・Ｉａになる。つまり、Ａ＝２とする条件では、廃棄部１８を設けることにより、環境光の影響を受けない電子を取り出すことができる。ここに、Ａ＝２は、消灯期間と点灯期間とを１：１とする場合において、上述したキャリア弁別部１２での個数比ｋが０．５である場合に相当する。
ところで、再結合部１５において信号光に対応する電子を取り出すには、消灯期間と点灯期間とにおいて環境光の強度は実質的に変動しないという仮定が必要であって、この仮定を満たすために消灯期間と点灯期間とは環境光の強度に変化が生じない程度の時間内で切り換えることが要求される。一方、環境光の強度に変化が生じない程度の時間は比較的短い時間であるから電子および正孔が生成される個数も少なく、消灯期間と点灯期間とを１回ずつ設けた場合において電荷転送領域３６に転送される電子の個数は、点灯期間において環境光に対応する成分を含む電子の個数に比較すると大幅に少なくなる。また、環境光の強度が大きい場合には、電子保持領域３２や正孔保持領域３３が飽和しないように、光を照射する時間（消灯期間および点灯期間）を短くしなければならないから、再結合後に残留する電子の個数が少なくなりショットノイズの影響によってＳＮ比が低下するおそれがある。
信号電荷を増加させるには、電荷転送領域３６に移送された電荷をただちに取り出すのではなく、消灯期間と点灯期間との複数回分の電子を電荷転送領域３６において蓄積（積分）すればよい。つまり、消灯期間および点灯期間の後に再結合を行い、さらに電子を電荷転送領域３６に転送し保持するという一連の動作を複数回繰り返すことによって、電荷転送領域３６に複数回分の電子を保持するのが望ましい。このように、消灯期間および点灯期間と再結合と転送とを複数回繰り返して電子を電荷転送領域３６に保持することで、環境光により生じた成分をほぼ除去し、信号光に対応する電子だけを積分することが可能になる。つまり、入射する光の強度が大きく長時間の露光によって電子保持領域３２や正孔保持領域３３が飽和する可能性のあるときには、消灯期間および点灯期間の１回当たりの時間を短縮し、積分回数（繰り返し回数）を増やすことによって、比較的大きい信号電荷を取り出すことが可能になり、ショットノイズの影響によるＳＮ比の低下を防止することができる。
この動作では、消灯期間と点灯期間とを複数回繰り返して電荷転送領域３６に電子を蓄積している期間に環境光の強度が変化する可能性があるが、再結合部１５において再結合させる電子と正孔とを生成するための１回ずつの消灯期間および点灯期間の期間において環境光の強度に実質的な変化が生じなければ、環境光の変動分は再結合時に相殺されるから、消灯期間と点灯期間とを交互に複数回繰り返しても環境光の強度の変化は出力に影響しない。
本実施形態では、電子保持領域３２の内側に形成した正孔保持領域３３に対向する部位に制御電極２６を設ける例を示したが、図６に示すように、電子保持領域３２に対向する部位に制御電極２６を設けてもよい。つまり、電子保持領域３２の表面において正孔保持領域３３を囲むように制御電極２６を配置してもよい。この構成を用いて、電子保持領域３２に電子を集積し正孔保持領域３３に正孔を集積する際には、制御電極２６に正電圧を印加し、電子と正孔とを再結合させる際には、制御電極２６に負電圧を印加する。
また、本実施形態では、再結合に際して電子保持領域３２と正孔保持領域３３との間のポテンシャル障壁を引き下げるために、制御電極２６への印加電圧を制御する例を示したが、制御電極２６への印加電圧を制御する代わりに、基板２１に印加する電圧をタイミング制御部１０で制御することによっても電子保持領域３２と正孔保持領域３３との間の電子に対するポテンシャル障壁を引き下げることができる。このように、基板２１に印加する電圧を制御してポテンシャル障壁の高さを制御することにより電子と正孔とを再結合させれば、電子保持領域３２を再結合部１５として兼用することができ、しかも基板２１に印加する電圧を制御するだけで電子と正孔とを保持する状態と再結合させる状態とを選択することができ制御が容易である。
なお、電子保持領域３２の内側に正孔保持領域３３を形成する例を示したが、電子を目的キャリアとする場合であっても正孔保持領域３３の内側に電子保持領域３３を形成する構成を採用することが可能である。また、電子と正孔との再結合を目的キャリアである電子を保持する電子保持領域３２で行う例を示したが、非目的キャリアである正孔を保持する正孔保持領域３３で電子と正孔とを再結合させるように構成することも可能である。
ところで、光源２の点灯期間において表面電極２５に印加する電圧を十分に高くすれば、基板２１の深部で発生した正孔に対して電子保持領域３２がポテンシャル障壁になるから、基板２１の深部で発生した正孔が正孔保持領域３３に蓄積されるのを防止することができる。すなわち、制御電極２６だけではなく表面電極２５もキャリア弁別部１２として用いることができ、点灯期間に生じた電子の一部が点灯期間に生じた正孔との再結合によって消滅するのを防止することができる。
また、消灯期間に生じた電子はドレイン領域３４ａに廃棄されるから電子保持領域３２には点灯期間に生じた電子のみが保持され、一方、点灯期間に生じた正孔は電子保持領域３２の電子と再結合しないから消灯期間に生じた正孔のみが再結合に利用されることになる。このことは、実質的に、消灯期間に環境光に対応して生じた正孔Ｈ（ｔ１）と、点灯期間に環境光および信号光に対応して生じた電子（Ｅ（ｔ２１）＋Ｅ（ｔ２２））とを再結合させることになり、感光部１１において発生する正孔と電子との個数比を１：１とすることで、Ｈ（ｔ１）＝Ｈ（ｔ２１）とすれば、再結合によって信号光に対応する電子（ｔ２２）のみを残留させることが可能になる。
ところで、測距装置を用いて対象物３までの距離を計測するには、光源２から対象空間に投光した光の強度変化を用いる。光源２から対象空間に投光する光を変調する変調信号と、光検出素子１により受光した光に含まれる変調成分との位相差を求める。変調信号が正弦波である場合について変調信号と光検出素子１で受光した光に含まれる変調成分との位相差を求める手順について以下に説明する。
図７（ａ）に光源２からの光の強度の変化を示し、図７（ｂ）に光検出素子１により受光する光の強度の変化を示す。図７に示す位相差ψを求めるには、変調信号に同期する複数の位相に対応するタイミングで得られる光検出素子１による受光量を用いる技術と、変調信号には同期しない複数のタイミングで得られる光検出素子１による受光量を用いる技術とがある。
まず、変調信号に同期するタイミングで得られる受光量を用いる技術について説明する。ここでは、変調信号の位相の９０度ごとに１８０度の区間を設定し、各区間ごとに受光量を求めるものとする。つまり、変調信号の位相が０〜１８０度、９０〜２７０度、１８０〜３６０度、２７０〜９０度の４区間についてそれぞれ受光量を求める。各区間の受光量は図７（ｃ）（ｄ）に斜線部で示す図形の面積に相当する。いま、各区間の受光量をそれぞれＡ０〜Ａ３で表し、受光強度の極大値をＡｂ、受光強度が極小値をＡｄで表し、位相差がψであるとする。
ここでは、光検出素子１に入射する光の強さを位相θの関数とし、ｇ（θ）＝（Ａｂ−Ａｄ）ｓｉｎθ＋（Ａｄ＋Ａｂ）／２とおく（図７（ｂ）参照）。この場合、変調信号の位相が０〜１８０度、９０〜２７０度、１８０〜３６０度、２７０〜９０度の各区間における受光量Ａ０〜Ａ３は、図７（ｃ）（ｄ）に斜線で示す面積に相当するから、それぞれ下式のように定積分で表すことができる。
ただし、位相θは時間ｔの関数であり、θ＝ωｔ（ω＝２πｆ；ｆは変調周波数）、ψは投受光の位相差（ψの単位をラジアン、対象物３までの距離Ｌ［ｍ］、光速ｃ［ｍ／ｓ］とすれば、Ｌ＝ψ・ｃ／２ω）、Ａｂは光検出素子１が受光した光の強さの極大値、Ａｄは光検出素子１が受光した光の強さの極小値であり、Ａｄは光検出素子１が受光した環境光に対応する光の強さに相当する。下式において角括弧内のコンマの両側の値は積分の区間を意味する。
Ａ０＝∫ｇ（θ）ｄθ ［−ψ，１８０°−ψ］
Ａ１＝∫ｇ（θ）ｄθ ［９０°−ψ，２７０°−ψ］
Ａ２＝∫ｇ（θ）ｄθ ［１８０°−ψ，３６０°−ψ］
Ａ３＝∫ｇ（θ）ｄθ ［２７０°−ψ，９０°−ψ］
Ａａ＝Ａｂ−Ａｄ，Ａｃ＝（Ａｂ＋Ａｄ）／２と置けば、受光量Ａ０〜Ａ３は下式で表される。
Ａ０＝−２Ａａ・ｃｏｓψ＋Ａｃ・π
Ａ１＝−２Ａａ・ｓｉｎψ＋Ａｃ・π
Ａ２＝２Ａａ・ｃｏｓψ＋Ａｃ・π
Ａ３＝２Ａａ・ｓｉｎψ＋Ａｃ・π
これらの関係から（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２）を求めるとｔａｎψになるから、位相差ψは次式で表すことができる。
ψ＝ｔａｎ−１（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２） …（１）
すなわち、変調信号の波形が正弦波である場合、上式によって位相差ψを求めることができ、対象物３までの距離を求めることができる。本実施形態において説明した光検出素子１を用いて受光量Ａ０〜Ａ３に相当する出力を得るには、１回の点灯期間ごとにそれぞれ受光量Ａ０〜Ａ３のいずれかを取り出す。つまり、各点灯期間において変調信号に同期するタイミングで、受光量Ａ０〜Ａ３のいずれかに相当する目的キャリアを集積する。したがって、点灯期間と消灯期間とを４回繰り返すことが必要である。
各受光量Ａ０〜Ａ３に対応する期間に感光部１１で生成される電子および正孔を他の期間の電子および正孔と区別するには、各受光量Ａ０〜Ａ３に対応する期間にのみ光検出素子１の感度を高くし他の期間には感度を低くするように感度を制御する必要がある。
感度を制御するには、複数個の表面電極２５を紙面に直交する方向に配列し、複数個（望ましくは３個以上）の表面電極２５を一組にして表面電極２５に印加する電圧パターンを制御する。各表面電極２５に印加する電圧を制御すれば、表面電極２５に対向する部位でウェル領域３１に形成されるポテンシャル井戸の深さを制御することができる。そこで、一組にした複数個の表面電極２５のうちの一部に深いポテンシャル井戸を形成する電圧を印加する電圧パターンと、一組にした複数個の表面電極２５の全体に深いポテンシャル井戸を形成する電圧を印加する電圧パターンとを切り換えるようにすれば、実質的に受光面積を変化させることになり、この制御によって感度を変化させることができる。
次に、光源２の点灯および消灯とは非同期に求めた受光量を用いて位相差ψを求める技術について簡単に説明する。この技術は、受光量の変化に対応した信号に変調周波数とは異なる周波数の信号を干渉させると（混合すると）、両者の周波数差に相当する周波数で振幅が変化するビート信号が得られることを利用している。ビート信号の包絡線は位相差ψを内包しており、包絡線に相当する受光量を包絡線の異なる位相で取り出せば、位相差ψを求めることができる。たとえば、包絡線の位相が０〜１８０度、９０〜２７０度、１８０〜３６０度、２７０〜９０度である４区間について受光量を積分して求め、各受光量をＡ０′、Ａ１′、Ａ２′、Ａ３′とすれば、（１）式のＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３をＡ０′、Ａ１′、Ａ２′、Ａ３′に読み替えるだけで、位相差ψを求めることができる。
なお、ビート信号を得るには、表面電極２５への印加電圧を変調信号とは周波数の異なる局発信号で制御し、混合回路の機能を正孔保持部１３と電子保持部１４と再結合部１５とを用いて実現する。要するに、変調信号の変調周波数とは異なる周波数である局発信号を用いて電子および正孔の保持と再結合とを行うことによって、再結合後に残留する電子がビート信号の振幅に相当する量になり、混合回路を用いることなくビート信号の振幅に応じた受光出力を得ることが可能になる。
（実施形態２）
実施形態１においては、光検出素子１を用いて対象物３までの距離を測定する測距装置を構成する例について説明したが、以下に説明する実施形態も測距装置に用いることが可能である。ただし、測距装置として用いる場合の動作は実施形態１と同様であるから、以下では、消灯期間と点灯期間との受光量の差分によって信号光に対応する目的キャリアを取り出す場合を例として説明する。実施形態１では、消灯期間および点灯期間を通して感光部１１で生成された電子と正孔とのうちの非目的キャリアである正孔を、点灯期間において感光部１１で生成された目的キャリアである電子と再結合させることによって、信号光に対応する目的キャリアを取り出す構成を採用している。つまり、消灯期間で生成されるキャリアは非目的キャリアのみを用いているが、点灯期間において生成されるキャリアは目的キャリアと非目的キャリアとの両方を用いている。
本実施形態は、消灯期間においては非目的キャリアのみを保持し、点灯期間においては目的キャリアのみを保持することによって、正孔保持部１３と電子保持部１４とに保持するキャリアの個数比の調節を不要としたものである。
本実施形態の原理図を図８に示す。図示例では正孔を取り出すのに適した構造の第１の感光部１１ａと、電子を取り出すのに適した構造の第２の感光部１１ｂとを設けてある。このような感光部１１ａ，１１ｂは、ｐ−ｎ接合形またはｐｉｎ形のフォトダイオードの構造であれば半導体の導電形を入れ換えた構造により実現することができる。また、ＭＩＳ構造であれば半導体の導電形を入れ換えるとともに、ゲートに印加する電圧の極性を互いに逆極性にすれば実現することができる。
第１の感光部１１ａで生成される正孔はゲート部３８ａを介して正孔保持部１３に保持され、第２の感光部１１ｂで生成される電子はゲート部３８ｂを介して電子保持部１４に保持される。ゲート部３８ａを介して正孔保持部１３に正孔を保持するタイミングと、ゲート部３８ｂを介して電子を電子保持部１４に保持するタイミングとは異ならせてある。これらのタイミングにおいて、それぞれゲート部３８ａ，３８ｂが開いているという表現を用いるとすれば、ゲート部３８ａ，３８ｂは択一的に開くようにタイミング制御部１０により制御される。この種のゲート部３８ａ，３８ｂは実施形態１において説明したゲート電極２７と同様のＭＯＳ構造によって実現することができ、タイミング制御部１０では印加電圧を制御することによって、各ゲート部３８ａ，３８ｂを択一的に開くことができる。実施形態１と同様に、正孔保持部１３に保持された正孔と電子保持部１４に保持された電子とは再結合部１５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１６を通して取り出される。
本実施形態では、実施形態１と比較すると、スイッチ要素１７、廃棄部１８が不要になっており、感光部１１ａ，１１ｂを２個設けるとともに、各感光部１１ａ，１１ｂに対応する２個のゲート部３８ａ，３８ｂが追加された形になっている。つまり、正孔保持部１３と電子保持部１４とゲート部３８ａ，３８ｂとにより正孔保持部１３に集積される正孔の個数と電子保持部１４に集積される電子の個数とが調節される。したがって、本実施形態ではゲート部３８ａ，３８ｂが電子と正孔とを分離するとともに正孔保持部１３に集積される正孔の個数と電子保持部１４に集積される電子の個数とを調節するキャリア弁別部として機能する。なお、感光部１１ａ，１１ｂを２個設けることは必須ではなく、１個の感光部で電子と正孔とを生成し、正孔保持部１３には感光部から正孔のみを集積し、電子保持部１４には感光部から電子のみを集積するようにゲート部３８ａ，３８ｂを制御するようにしてもよい。つまり、正孔保持部１３と電子保持部１４とで感光部を共用する構成としてもよい。
いま、実施形態１と同様に電子を目的キャリアとする場合について動作を説明する。消灯期間には第１および第２の感光部１１ａ，１１ｂには環境光のみが入射しており、目的キャリアの保持は不要であるから、ゲート３８ａを開くとともにゲート３８ｂを閉じておくことにより第１の感光部１１ａで生成した正孔を正孔保持部１３に保持する。一方、点灯期間にはゲート３８ａを閉じるとともにゲート３８ｂを開くことによって第２の感光部１１ｂで生成した電子を電子保持部１４に保持する。すなわち、タイミング制御部１０は光源２の発光に同期するようにゲート３８ａ，３８ｂを開閉する。この動作によって電子保持部１４に保持される電子は、環境光と信号光とを加算した光量に対応することになる。ここで、消灯期間と点灯期間とを１：１に設定しているものとし、また消灯期間と点灯期間とを環境光の光量に変動がない程度の時間に設定しているとすれば、再結合部１５において電子と正孔とを再結合させた後には目的キャリアである電子のみが残り、しかも電子の個数は信号光の光量を反映していることになる。
実施形態１の構成では、感光部１１と正孔保持部１３および電子保持部１４とが一部の構造を共用しているから（電子保持領域３２および正孔保持領域３３を含むウェル領域３１は、感光部１１と正孔保持部１３および電子保持部１４とに共用されている）、複数回の消灯期間および点灯期間において生成される正孔や電子を正孔保持部１３および電子保持部１４に保持することはできず、消灯期間と点灯期間との複数回分のキャリアを保持しようとすれば、１回の消灯期間と１回の点灯期間との後にキャリアの再結合を行い、再結合後の目的キャリアを出力部１６において蓄積（積分）しなければならない。
これに対して、本実施形態の構成では、第１および第２の感光部１１ａ，１１ｂと正孔保持部１３および電子保持部１４との間にゲート部３８ａ，３８ｂが設けられ、感光部１１ａ，１１ｂと正孔保持部１３および電子保持部１４との構造が独立しているから、キャリアの再結合前に正孔および電子をそれぞれ積分することが可能であって、消灯期間と点灯期間とを複数回繰り返し、正孔保持部１３および電子保持部１４にそれぞれ正孔および電子を保持した後に再結合部１５における再結合を行うことが可能になる。
また、実施形態１の構成では、点灯期間において生成される非目的キャリアには信号光に対応する成分が存在し、この成分が目的キャリアと再結合することにより目的キャリアにおいて信号光に対応する成分の一部が消失するから、信号光の光量に対する目的キャリアの個数が少なくなり、結果的に信号光に対する感度がやや低くなっている。これに対して、本実施形態では、点灯期間において生成された目的キャリアと消灯期間において生成された非目的キャリアとを再結合させるから、消灯期間と点灯期間とを１：１に設定しておけば、信号光に対応して生成される目的キャリアが再結合によって消失することがなく、実施形態１の構成よりも信号光に対する感度が高くなる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。また、上述した各実施形態において目的キャリアを電子とし、非目的キャリアを正孔としているが、目的キャリアを正孔とし、非目的キャリアを電子とすることも可能である。
（実施形態３）
実施形態１において説明した光検出素子１は、光源２の消灯期間に生成された目的キャリアをスイッチ要素１７および廃棄部１８により廃棄し、消灯期間に生成された目的キャリアが点灯期間に生成された目的キャリアと混合されないようにしているが、本実施形態はスイッチ要素１７および廃棄部１８を省略している。また、実施形態１では正孔保持領域３３から押し出した正孔をウェル領域３１において電子と再結合させているが、本実施形態では、電子保持領域３２を設けずに、ウェル領域３１から正孔保持領域３３に電子を引き込むことによって正孔に電子を再結合させるように構成してある。
本実施形態の光検出素子１では、図９に示すように、ｐ−形（第１導電形）の半導体（たとえば、シリコン）からなる基板２１の主表面に、ｐ形の素子形成層２２を積層してある。素子形成層２２の主表面には酸化層（たとえば、シリコン酸化層）である絶縁層２４を介して表面電極２５が設けられる。絶縁層２４には素子形成層２２の主表面から離間した制御電極２６およびゲート電極２７が素子形成層２２の表面に沿った異なる部位に埋め込まれる。表面電極２５および制御電極２６は光が透過可能になっている。また、実施形態１と同様に電荷転送領域３６も設けられる。
素子形成層２２にはｎ形のウェル領域３１が形成され、素子形成層２２の主表面側であってウェル領域３１に囲まれる部位には正孔保持部１３として機能するｐ形の正孔保持領域３３が形成される。すなわち、正孔保持領域３３は非目的キャリアである正孔を集積するとともに保持する保持領域になる。制御電極２６は平面視において正孔保持領域３３よりも面積が小さく、制御電極２６の全部は正孔保持領域３３の一部に対向する。正孔保持領域３３のうち制御電極２６に対向する領域は電子を集積する電子保持部１４および再結合部１５として機能する集積結合領域３３ａとなり、正孔保持領域３３のうち集積結合領域３３ａ以外の領域は正孔を一時的に待避させる待避領域３３ｂとなる。ウェル領域３１および正孔保持領域３３には光を照射可能であって、光が照射されると光励起による電子および正孔が生成される。表面電極２５には正電圧（図示例では５Ｖ）を常時印加しており、光照射時には正孔保持領域３３に正孔を保持できるように制御電極２６に負電圧（図示例では−３Ｖ）を印加する。したがって、図１０のように、光照射によって正孔保持領域３３との近傍において生成される正孔は正孔保持領域３３に保持され、ウェル領域３１の近傍で生成される電子はウェル領域３１に保持される。
正孔保持領域３３の厚みおよび面積とウェル領域３１の面積と制御電極２６に印加する電圧との関係によって、再結合の際の電子の個数を正孔の個数よりも多くすることができる。また、素子構造は設計によって決まるから、ウェル領域３１に保持する電子と正孔保持領域３３に保持する正孔との個数は制御電極２６に印加する電圧により調節するのであって、制御電極２６がキャリア弁別部１２として機能する。また、ウェル領域３１に保持される電子および正孔保持領域３３に保持される正孔の大部分は、ウェル領域３１と正孔保持領域３３とにおいて生成されるから、ウェル領域３１と正孔保持領域３３とが感光部１１として機能する。
本実施形態の構成では、光源２の消灯期間と点灯期間と制御電極２６への印加電圧とを適宜に調節することで、再結合前において、ウェル領域３１に保持されている電子の個数を正孔保持領域３３に保持されている正孔の個数よりも多くすることが可能である。本実施形態においては、消灯期間に生成された電子を廃棄していないが、光源２の点灯期間に生成された電子を光源２の消灯期間に生成される電子の個数分以上の正孔と再結合し、かつ再結合される電子の個数を正孔の個数よりも多くするという条件を満たすことは可能である。要するに、再結合後に電子を残留させるようにしながらも、環境光成分を除去することが可能である。図１０の状態は、消灯期間と点灯期間との後に上記条件を満たすように電子と正孔とがそれぞれウェル領域３１と正孔保持領域３３とに保持されている状態を示している。
電子と正孔とを再結合させるために、本実施形態では、図１０のように制御電極２６に負電圧（図示例では−３Ｖ）を印加する状態と、図１１のように正電圧（図示例では＋３Ｖ）を印加する状態とを複数回繰り返す。再結合に要する期間は消灯期間および点灯期間に比較して十分に短い期間であって、たとえば２×１０−８ｓ程度の周期で印加する電圧の極性を数回入れ換える。制御電極２６に正電圧を印加すると、正孔が集積結合領域３３ａから待避領域３３ｂに移動し、電子がウェル領域３１から集積結合領域３３ａに移動する。このとき、正孔の一部は絶縁層２４との間の界面電位にトラップされており、トラップされている正孔は電子と再結合されることにより消滅する。ただし、一部の正孔はｐ形の正孔保持領域３３の中で移動し、待避領域３３ｂに待避して残留する。再結合は、正孔を消滅させることが目的であるから、待避領域３３ｂに待避した正孔も消滅させなければならない。そこで、制御電極２６にふたたび負電圧を印加し、待避領域３３ｂに待避していた正孔を集積結合領域３３ａに引き入れる。このとき、電子は主としてｎ形であるウェル領域３１に移動する。
上述の動作を複数回繰り返すことによって、正孔保持領域３３の正孔を再結合によって消滅させることができる。また、正孔の消滅時点においても電子の一部は残留するから、制御電極２６に正電圧を印加することにより集積結合領域３３ａに残留した電子を引き込み、ゲート電極２７に正電圧を印加することにより集積結合領域３３ａから電荷転送領域３６に電子を転送することができる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
ところで、上述したように、再結合後には集積結合領域３３ａから電荷転送領域３６に電子を転送しており、図９に示した構成のように、集積結合領域３３ａと電荷点灯領域３６との間にｐ形である待避領域３３ｂが存在していると、ゲート電極２７に比較的高い電圧を印加しなければ電子を移動させることができないという問題が生じる。そこで、図１２のように、正孔保持領域３３のうち電荷転送領域３６に対向する部位には待避領域３３ｂを設けないことが臨ましい。図１２の構成例では平面視において待避領域３３ｂはコ字状になる。
さらに、上述した例では集積結合領域３３ａと待避領域３３ｂとの不純物濃度を一定にしているが、集積結合領域３３ａと待避領域３３ｂとの間での正孔の移動度を高めるために、待避領域３３ｂについては不純物濃度を高濃度にすることが望ましい。すなわち、集積結合領域３３ａをｐ形とするとき、待避領域３３ｂはｐ＋形とするのが望ましい。また、待避領域３３ｂをｐ＋形とする代わりに、図１３に示すように、制御電極２６の周囲に待避領域３３ｂと対向する待避用制御電極２８を設け、集積結合領域３３ａと待避領域３３ｂとの間で正孔を移動させる際に、待避領域３３ｂの正孔に対するポテンシャルを制御することで正孔の移動度を高めるようにしてもよい。また、図１３に示す構成であれば、待避領域３３ｂが集積結合領域３３ａの全周を囲むようにして正孔がウェル領域３１に流出するのを防止しながらも、集積結合領域３３ａから電荷転送領域３６に電子を移動させる際には待避領域３３ｂの電子に対するポテンシャルを引き下げて電子の移動度を高めることが可能である。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
（実施形態４）
本実施形態は、図１４に示すように、ｎ形のウェル領域３１に正孔保持部１３として機能するｐ形の正孔保持領域（請求項８、９の保持領域に相当）３３を形成している。この構成は実施形態３と同様である。ただし、実施形態３はｐ−形の基板２１の主表面にｐ形の素子形成層２２を積層しているのに対して、本実施形態では基板２１および素子形成層２２をｎ形とし、基板２１と素子形成層２２との間にｐ形の中間層２９を設けた構成を採用している。中間層２９は接地電位に保たれる。また、正孔保持領域３３のうち制御電極２６に対向する集積結合領域３３ａよりも待避領域３３ｂの不純物濃度を高くし、集積結合領域３３ａがｐ形であるのに対して待避領域３３ｂをｐ＋形としている。
さらに、実施形態３ではウェル領域３１と電荷転送領域３６との間に対応する部位にゲート電極２７を配置しているが、本実施形態ではゲート電極２７を設けず、ウェル領域３１と電荷転送領域３６とを近接させるとともに、電荷転送領域３６に対して絶縁層２４を介して設けた転送電極３９に印加する電圧を変化させることにより、ウェル領域３１から電荷転送領域３６への電子の移送を行う構成を採用している。転送電極３９は図１４の面に直交する方向に複数個配列され、１個のウェル領域３１に対して転送電極３９が２個ずつ対応する。つまり、ウェル領域３１から電子を受け取るためのポテンシャル井戸を形成する転送電極３９と、そのポテンシャル井戸から電子が移送されるポテンシャル井戸を形成する転送電極３９とを、１個のウェル領域３１に対応付けている。この種の構成は、ＩＴ（インターライン・トランスファ）方式のＣＣＤイメージセンサにおける垂直転送レジスタと同様である。また、転送電極３９は表面電極２５とは電気的に分離してある。なお、電荷転送領域３６は遮光膜３７に覆われる。
実施形態３では正孔保持領域３３の厚みおよび面積とウェル領域３１の面積と制御電極２６に印加する電圧との関係によって、再結合の際の電子の個数と正孔の個数とを調節している。一方、本実施形態では、正孔保持領域３３の厚みおよび面積とウェル領域３１の面積と制御電極２６に印加する電圧とのほかに、基板２１に印加する電圧を制御することによって再結合される電子と正孔との個数比を調節する。
以下に動作を説明する。基板２１、表面電極２５、制御電極２６に対しては、それぞれ正電圧と負電圧との両極性の電圧を印加することができ、転送電極３９に対しては、高低２段階の正電圧と負電圧との３種類の電圧が印加可能になっている。以下では２段階の正電圧を区別して「高い正電圧」、「低い正電圧」と呼ぶ。なお、転送電極３９に印加する負電圧は電子の転送に用いる電圧であり、以下に説明する動作には関与しない。
まず、初期状態として、ウェル領域３１の正孔が電子との再結合により消滅し、ウェル領域３１の電子は電荷転送領域３６に転送され、他の領域の電子は基板２１を通して廃棄されるか再結合によって消滅している状態を想定する。つまり、基板２１と素子形成層２２（ウェル領域３１を含む）と中間層２９とには熱平衡状態の電子および正孔のみが存在している状態を初期状態とする。このような初期状態は、実施形態１において示したドレイン領域３４ａ，３４ｂを設け、ドレイン領域３４ａ，３４ｂおよび基板２１を用いて電子および正孔を廃棄することによって実現できる。
上述の初期状態は、ウェル領域３１から電荷転送領域３６に電子を転送した後に設定される状態であり、タイミング制御部１０は初期状態の後に消灯期間となるように光源２などを制御する。消灯期間では、ウェル領域３１から電荷転送領域３６への電子および正孔の移動が生じないように、ウェル領域３１に隣接する転送電極３９には低い正電圧を印加しておく。また、表面電極２５と制御電極２６とには負電圧を印加し、基板２１には正電圧を印加する（第１状態）。第１状態では、環境光のみが照射されており、基板２１、素子形成層２２（ウェル領域３１を含む）、中間層２９において生成される電子および正孔のうち、電子は基板２１を通して廃棄され、正孔は表面電極２５に向かって移動する。ここで、正孔保持領域３３はｐ形ないしｐ＋形であるから、正孔は主として正孔保持領域３３に集積される。すなわち、消灯期間に対応する個数の正孔が正孔保持領域３３に集積される。
その後、点灯期間になると、表面電極２５および制御電極２６に正電圧を印加し、基板２１に負電圧を印加する（第２状態）。第２状態では、正孔保持領域３３に集積されていた正孔の大部分が待避領域３３ｂに集まり、一部の正孔は集積結合領域３３ａの界面電位によってトラップされ集積結合領域３３ａに残留する。また、基板２１、素子形成層２２（ウェル領域３１を含む）、中間層２９において生成される電子および正孔のうち、電子は表面電極２５に向かって移動し、正孔は基板２１を通して廃棄される。正孔保持領域３３と、正孔保持領域３３を除くウェル領域３１と、ウェル領域３１を除く素子形成層２２との導電形の違いによって、電子に対するポテンシャルは正孔保持領域３３を除くウェル領域３１においてもっとも低くなるから、環境光と信号光とに対応する個数の電子は、主としてウェル領域３１に集積される。また、一部の電子は、集積結合領域３３ａに残留する正孔と再結合する。
集積結合領域３３ａに残留する正孔と電子との再結合が終了する程度の時間が経過すると（電子は正孔よりも移動度が大幅に大きいから、この時間はごく短時間である）、表面電極２５に正電圧を印加し、基板２１に負電圧を印加した状態を保ったままで、制御電極２６に印加する電圧の極性のみを負電圧に反転させる（第３状態）。第３状態では、新たな正孔が正孔保持領域３３に集積されることはなく、環境光と信号光とに対応する電子がウェル領域３１に集積されることになる。また、第３状態では、正孔保持領域３３の正孔は集積結合領域３３ａに集まり、電子はウェル領域３１において正孔保持領域３３を除く範囲に集まる。
第３状態において集積結合領域３３ａに正孔が集まる程度の時間が経過すると（正孔保持領域３３はｐ形またはｐ＋形であり距離も短いから、正孔は比較的短い時間で移動する）、制御電極２６に印加する電圧のみを正電圧に変化させる。つまり、第３状態から再び第２状態に切り換える。上述のように、第２状態では集積結合領域３３ａの界面電位にトラップされた正孔と一部の電子とが再結合する。その後、第２状態と第３状態とを交互に繰り返す。繰り返しの回数は、正孔保持領域３３に残留する正孔がほぼ消滅する程度の適宜回数繰り返される（２〜３回程度）。正孔保持領域３３の正孔がほぼ消滅すると、第３状態から表面電極２５に印加する電圧を負電圧に変化させるとともに、転送電極３９に高い正電圧を印加する（第４状態）。高い正電圧はウェル領域３１の電子が電荷転送領域３６に移動するように設定される。第４状態は転送電極３９に印加する電圧のみが第３状態とは異なる。
つまり、第４状態において、ウェル領域３１に残留している電子は、環境光と信号光とを併せた成分から環境光の成分の少なくとも一部を減殺した成分になるから、この電子を信号電荷として電荷転送領域３６に取り出すのである。第４状態の後には光源２を消灯させるとともに、表面電極２５と制御電極２６とに負電圧を印加し、基板２１に正電圧を印加する状態、すなわち第１状態に戻る。表１に第１状態から第４状態までの各部位の電圧の関係を示す。消灯期間には第１状態のみであり、点灯期間には（第２状態→第３状態）×ｎ→第４状態と推移することになる（×ｎは複数回繰り返すことを意味する）。したがって、消灯期間において正孔保持領域３３に集積された正孔の個数と、点灯期間においてウェル領域３１に集積された電子のうちの環境光成分に相当する個数とをほぼ一致させるには、消灯期間と点灯期間との長さを調節したり、各部に印加する電圧を調節したりすることが必要である。また、点灯期間と消灯期間との間には初期状態に戻す動作が必要になる場合がある。
Figure 0004345693
以上説明したように、本実施形態では、表面電極２５と制御電極２６とに印加する電圧のほかに、基板２１に印加する電圧を制御することにより、再結合させる電子および正孔の個数を調節しているから、電子と正孔との個数の調節が容易になる。
本実施形態で説明した構成の光検出素子１を用いて実施形態１と同様に測距装置を構成するとすれば、受光量Ａ０〜Ａ３を求めるために感度を制御する必要がある。感度を制御する技術は実施形態１に説明したように、紙面に直交する方向に配列した複数個の表面電極２５を一組にして、一組の表面電極２５に印加する電圧パターンを制御する。このような感度の制御は、第２状態において電子を集積する間に行う。たとえば、受光量Ａ０に相当する電子を集積するには、受光量Ａ０に相当する期間には高感度になり、受光量Ａ１〜Ａ３に相当する期間には低感度になるように、変調信号に同期するタイミングで表面電極２５に印加する電圧パターンを制御する。第２状態において高感度の状態と低感度の状態とを複数回繰り返した後には、第３状態に移行させて電子と正孔とを再結合させ、さらに、再結合を促すために第２状態と第３状態とを複数回繰り返す。再結合のために第２状態と第３状態とを繰り返す間には、第２状態における感度の制御は行わない。第２状態と第３状態とを繰り返して電子と正孔とを再結合させた後には第４状態に移行する。
なお、上述した例では点灯期間において第２状態と第３状態とを繰り返すことにより電子と正孔とを再結合させているが、第２状態で感度の制御を行うことにより受光量Ａ０〜Ａ３のいずれかに相当する電子を集積した後、光源２を消灯させ、再結合のために第２状態と第３状態との電圧を繰り返して印加してもよい。また、第２状態で感度の制御を行うことにより受光量Ａ０〜Ａ３のいずれかに相当する電子を集積した後、光源２が点灯している状態で第２状態と第３状態とを繰り返す動作と光源２が消灯している状態で第２状態と第３状態とを繰り返す動作とを順に行うようにしてもよい。他の構成および動作は実施形態３と同様である。さらに、実施形態３、実施形態４のいずれにおいても、実施形態１と同様にウェル領域３１の底に埋込層２３を設けるようにしてもよい。
実施形態１を示す概略構成図である。 同上の一動作を示す動作説明図である。 同上の一動作を示す動作説明図である。 同上を用いた測距装置の要部を示すブロック図である。 同上の原理説明図である。 同上の変形例を示す概略構成図である。 同上を用いた測距装置の他の動作例を示す動作説明図である。 実施形態２を用いた測距装置の要部を示すブロック図である。 実施形態３を示す概略構成図である。 同上の一動作を示す動作説明図である。 同上の一動作を示す動作説明図である。 同上の変形例を示す概略構成図である。 同上の他の変形例を示す概略構成図である。 実施形態４を示す概略構成図である。
符号の説明
１ 光検出素子
２ 光源
１０ タイミング制御部
１１ 感光部
１１ａ，１１ｂ 感光部
１２ キャリア弁別部
１３ 正孔保持部
１４ 電子保持部
１５ 再結合部
１６ 出力部
１７ スイッチ要素
１８ 廃棄部
２１ 基板
２２ 素子形成層
２３ 埋込層
２４ 絶縁層
２５ 表面電極
２６ 制御電極
２７ ゲート電極
２８ 待避用制御電極
２９ 中間層
３１ ウェル領域
３２ 電子保持領域
３３ 正孔保持領域
３４ａ，３４ｂ ドレイン領域
３５ａ，３５ｂ ドレイン電極
３６ 電荷転送領域
３８ａ，３８ｂ ゲート部
３９ 転送電極

Claims (15)

  1. 光源から放射された光を受光可能であって受光量に応じた個数の正孔および電子を生成する半導体からなる感光部と、弁別用制御電極を有し弁別用制御電極に印加する電圧の制御により感光部で生成された正孔と電子とのうちの一方である目的キャリアと他方である非目的キャリアとを分離するキャリア弁別部と、結合用制御電極を有し結合用制御電極に印加する電圧の制御により光源の点灯期間に感光部で生成された目的キャリアと光源の消灯期間に感光部で生成された非目的キャリアとを所定タイミングで再結合させる再結合部と、再結合部において再結合させた後に残留している目的キャリアを外部に取り出す出力部とを１つの半導体装置として構成して成ることを特徴とする光検出素子。
  2. 前記キャリア弁別部は、点灯期間に生成され再結合部での再結合に関与する目的キャリアの個数が消灯期間に生成され再結合部での再結合に関与する非目的キャリアの個数よりも多くなっているように調節することを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
  3. 前記感光部で生成された目的キャリアを集積し再結合まで保持する目的キャリア保持部と、前記感光部で生成された非目的キャリアを集積し再結合まで保持する非目的キャリア保持部とが付加され、前記再結合部は、目的キャリア保持部に保持された目的キャリアと非目的キャリア保持部に保持された非目的キャリアとを再結合させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光検出素子。
  4. 前記キャリア弁別部は、前記目的キャリア保持部に保持された目的キャリアを廃棄させるスイッチ要素を備えることを特徴とする請求項３記載の光検出素子。
  5. 前記出力部は、前記再結合部での再結合により残留した目的キャリアを積分する積分機能を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光検出素子。
  6. 半導体からなる基板の主表面に形成された第１導電形の素子形成層と、素子形成層の主表面側に設けられた第２導電形のウェル領域と、素子形成層の主表面において少なくともウェル領域に絶縁層を介して対向し光が透過可能な表面電極と、ウェル領域内で素子形成層の主表面側に設けられ前記目的キャリア保持部となる第２導電形の第１保持領域と、第１保持領域内で素子形成層の主表面側に設けられ前記非目的キャリア保持部となる第１導電形の第２保持領域と、素子形成層の主表面のうち第２保持領域に対応する部位において絶縁層を介して対向する電極であって前記弁別用制御電極と前記結合用制御電極とに兼用され光が透過可能な制御電極とを有し、前記感光部は素子形成層において電子および正孔を生成し、前記再結合部として第１保持領域と第２保持領域との少なくとも一方を用いることを特徴とする請求項３記載の光検出素子。
  7. 前記素子形成層の主表面側において前記ウェル領域に隣接して形成され前記目的キャリア保持部から目的キャリアを廃棄することができる第２導電形のドレイン領域と、ドレイン領域にオーミックに接続され第１保持領域からドレイン領域に目的キャリアが廃棄されるように電圧が印加されるドレイン電極とが付加されていることを特徴とする請求項６記載の光検出素子。
  8. 半導体からなる基板の主表面に形成された第１導電形の素子形成層と、素子形成層の主表面側に設けられ前記目的キャリア保持部となる第２導電形のウェル領域と、素子形成層の主表面において少なくともウェル領域に絶縁層を介して対向し光が透過可能な表面電極と、ウェル領域内で素子形成層の主表面側に設けられ前記非目的キャリア保持部となる第１導電形の保持領域と、素子形成層の主表面のうち保持領域の一部に対応する部位において絶縁層を介して対向する電極であって前記弁別用制御電極と前記結合用制御電極とに兼用され光が透過可能な制御電極とを有し、前記感光部は素子形成層において電子および正孔を生成し、前記再結合部としてウェル領域内で保持領域の内外の少なくとも一方を用いることを特徴とする請求項３記載の光検出素子。
  9. 第１導電形の中間層を介して第２導電形の半導体からなる基板の主表面に形成された第２導電形の素子形成層と、素子形成層の主表面側に設けられ前記目的キャリア保持部となる第２導電形のウェル領域と、素子形成層の主表面において少なくともウェル領域に絶縁層を介して対向し光が透過可能な表面電極と、ウェル領域内で素子形成層の主表面側に設けられ前記非目的キャリア保持部となる第１導電形の保持領域と、素子形成層の主表面のうち保持領域の一部に対応する部位において絶縁層を介して対向する電極であって前記弁別用制御電極と前記結合用制御電極とに兼用され光が透過可能な制御電極とを有し、前記感光部は素子形成層において電子および正孔を生成し、前記再結合部としてウェル領域内で保持領域の内外の少なくとも一方を用いることを特徴とする請求項３記載の光検出素子。
  10. 前記ウェル領域は前記素子形成層において前記基板に達しない深さであって、ウェル領域の底にはウェル領域と素子形成層との間のポテンシャル障壁を高くする埋込層が形成されていることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の光検出素子。
  11. 請求項３記載の光検出素子の制御方法であって、点灯期間には前記目的キャリア保持部に目的キャリアを集積するとともに非目的キャリアを廃棄し、消灯期間には前記非目的キャリア保持部に非目的キャリアを集積するとともに目的キャリアを廃棄するように弁別用制御電極に印加する電圧を制御することを特徴とする光検出素子の制御方法。
  12. 請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光検出素子を制御する方法であって、前記目的キャリア保持部に目的キャリアを保持し前記非目的キャリア保持部に非目的キャリアを保持する電圧を前記制御電極に印加した後、制御電極に印加する電圧を変化させ目的キャリア保持部に保持されている目的キャリアと非目的キャリア保持部に保持されている非目的キャリアとの少なくとも一方を移動させることにより再結合させることを特徴とする光検出素子の制御方法。
  13. 請求項８または請求項９記載の光検出素子を制御する方法であって、前記目的キャリア保持部に目的キャリアを保持し前記非目的キャリア保持部に非目的キャリアを保持する電圧を前記制御電極に印加した後、前記制御電極に印加する電圧を複数回変化させることにより、前記目的キャリアを前記ウェル領域内において前記保持領域の内外で往復移動させるとともに前記非目的キャリアを保持領域における制御電極との対向部位と非対向部位との間で往復移動させることによって、目的キャリアと非目的キャリアとを再結合させることを特徴とする光検出素子の制御方法。
  14. 請求項８または請求項９記載の光検出素子を制御する方法であって、消灯期間には前記保持領域に非目的キャリアを集積するとともに目的キャリアを廃棄し、点灯期間には前記保持領域に目的キャリアを集積するとともに非目的キャリアを廃棄するように、前記表面電極と前記制御電極と前記基板とに印加する電圧を制御することを特徴とする光検出素子の制御方法。
  15. 点灯期間において目的キャリアを集積する状態と消灯期間において非目的キャリアを集積する状態とでは、前記表面電極および前記制御電極に印加する各電圧の極性と前記基板に印加する電圧の極性とを互いに逆極性にし、点灯期間と消灯期間との少なくとも一方において目的キャリアと非目的キャリアとを再結合させる状態では、制御電極に印加する電圧の極性を複数回反転させ、再結合後に前記ウェル領域に残留している目的キャリアを取り出すことを特徴とする請求項１４記載の光検出素子の制御方法。
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