JP4971890B2 - 裏面入射型測距センサ及び測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、裏面入射型測距センサ及び測距装置に関する。

従来のアクティブ型の光測距センサは、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの投光用の光源から対象物に光を照射し、対象物における反射光を光検出素子で検出することで、対象物までの距離に応じた信号を出力するものとして知られている。ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）などは、対象物までの距離を簡易に測定することができる光三角測量型の光測距センサとして知られているが、近年、より精密な距離測定を行うため、光ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）型の光測距センサの開発が期待されている。

また、距離情報と画像情報を同時に、同一チップで取得できるイメージセンサが車載用、工場の自動製造システム用などにおいて求められている。車両前方にイメージセンサを設置すれば、先方車両の検知・認識、歩行者などの検知・認識に使用することが期待される。画像情報とは別に、単一の距離情報又は複数の距離情報からなる距離画像を取得するイメージセンサも期待されている。このような測距センサにはＴＯＦ法を用いることが好ましい。

ＴＯＦ法は、投光用の光源から、対象物に向けてパルス光を出射し、対象物で反射されたパルス光を光検出素子で検出することで、パルス光の出射タイミングと検出タイミングの時間差を測定している。この時間差（Δｔ）は、対象物までの距離ｄの２倍の距離（２×ｄ）をパルス光が光速（＝ｃ）で飛行するのに要する時間であるため、ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２が成立する。時間差（Δｔ）は、光源からの出射パルスと検出パルスの位相差と言い換えることもできる。この位相差を検出すれば、対象物までの距離ｄを求めることができる。

投光用の光源には、一般には近赤外帯域の光を出射するものが多く用いられている。近赤外帯域の波長は、遠赤外帯域の波長よりも可視光帯域の波長に近いため、レンズなどの光学系を用いて、集光や結像を行うことも可能である。また、太陽光のスペクトルに含まれる近赤外光成分のエネルギー密度は、可視光成分よりも少ないため、可視光カットフィルタを用いることにより、光検出素子で検出する近赤外光成分の内、太陽光によるものの割合を小さくして、高いＳ／Ｎで検出することが可能となる。

電荷振り分け方式のイメージセンサは、ＴＯＦ法によって測距を行うための光検出素子として着目されている。すなわち、電荷振り分け方式のイメージセンサでは、例えば、検出パルスの入射に応じてイメージセンサ内において発生するパルス的に発生する電荷を、出射パルスのＯＮ期間の間に一方のポテンシャル井戸内に振り分け、ＯＦＦ期間の間に他方のポテンシャル井戸に振り分ける。この場合、左右に振り分けられた電荷量の比率が、検出パルスと出射パルスの位相差、すなわち、対象物までの距離の２倍の距離をパルス光が光速で飛行するのに要する時間に比例することになる。なお、電荷の振り分け方法としては種々のものが考えられる。

なお、下記特許文献１は、光源から投射された繰り返しパルス光が測定対象物によりはね返ってきたときの遅れ時間に依存した信号を取り出すことにより距離測定を行う測距センサを開示している。
特開２００５−２３５８９３号公報

しかしながら、車載の測距センサや軍用の測距センサなどのように、高速移動する動体までの距離を測定する場合、動体の移動に追従するよう、電荷振り分け速度を増加させる必要がある。また、実際の測距においては１回の電荷振り分けのみでなく、繰り返し電荷振り分けを行うことにより、電荷を積分して一つのフレームを構成しており、電荷振り分け速度が低速である場合には、一つのフレームを構成する電荷振り分けの回数を減らさざるをえず、十分なＳ／Ｎが確保できず、精密な距離測定ができないという問題がある。

一方、近赤外光を投光用の光源とするＴＯＦ型の電荷振り分け方式測距センサの場合、光の入射に応じて半導体の深部でキャリアが発生する。例えば、波長８５０ｎｍの光の半分が吸収されるシリコンの厚さは約２０μｍである。この場合、複数のポテンシャル井戸内へのキャリアの引き込み動作を高速に切り替えると、キャリアの大部分が、ポテンシャル井戸に到達することができず、ポテンシャル井戸内の電荷量が測距精度を律則する要因であるのに、電荷量を確保することが出来ず、通常の電荷振り分け方式測距センサでは、高精度の検出ができないという問題が発見された。また、測定する環境は、可視光があるのが基本であるため、近赤外光による高精度の検出のためには、可視光がノイズとなるため、可視光をカットする必要があることも問題である。前述のように可視光カットフィルタを設けることもできるが、余分な部品は省きたいのが、産業上利用する場合の常識である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高精度の距離検出を行うことが可能な裏面入射型測距センサ及び測距装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本願発明者らが鋭意検討を行ったところ、投光用の光の入射に応答して半導体深部で発生したキャリアを、光入射面とは逆側のキャリア発生位置近傍に設けられたポテンシャル井戸に引き込めば、高速で正確な測距が可能となるとの知見を得るに至った。

すなわち、本発明に係る裏面入射型測距センサは、光源から出射された近赤外光が対象物で反射した後入射する光入射面及び光入射面とは逆側の表面を有する半導体基板と、表面上に設けられたフォトゲート電極と、表面上においてフォトゲート電極に隣接して設けられた第１及び第２ゲート電極と、前記フォトゲート電極直下の領域から第１及び第２ゲート電極直下の領域に流れ込むキャリアをそれぞれ読み出すための第１及び第２半導体領域とを備え、前記半導体基板は、Ｓｉからなり、前記半導体基板は、補強用のフレーム部と前記フレーム部と一体化し前記フレーム部よりも薄い薄板部とを有しており、前記薄板部の厚さは、１０μｍ〜１００μｍであり、前記フォトゲート電極及び前記第１及び第２ゲート電極は前記薄板部に設けられていることを特徴とする。

この場合、半導体基板の光入射面（裏面）から入射した対象物からのパルス光は、半導体基板の表面側に設けられたフォトゲート電極直下の領域まで至る。パルス光の入射に伴って半導体基板内で発生したキャリアは、フォトゲート電極直下の領域から、これに隣接する第１及び第２ゲート電極直下の領域に振り分けられる。すなわち、第１及び第２ゲート電極に光源の駆動信号に同期した検出用ゲート信号を交互に与えると、フォトゲート電極直下の領域で発生したキャリアが、それぞれ第１及び第２ゲート電極直下の領域に流れ、これらから第１及び第２半導体領域に流れ込む。

第１又は第２半導体領域内に蓄積されるキャリアの電荷量の全体電荷量に対する比率は、駆動信号を光源に与えることによって出射された出射パルス光と、対象物によって出射パルス光が反射されることによって戻ってきた検出パルス光の位相差に対応する。ゲート電極への駆動信号の周波数を増加させることによって電荷の振り分け速度を増加させても、近赤外光の入射に応じて発生したキャリアの発生領域は、半導体基板の光入射面よりも、逆側の表面に近いため、多くのキャリアはフォトゲート電極直下の領域から第１及び第２半導体領域に流れ込み、これらの領域から読み出すことができる。また、近赤外よりも短い波長の光は、半導体基板の光入射面側の領域において除去される傾向があるため、光入射面側に可視光カットフィルタを設けずとも、測距用の検出パルス光の検出精度を向上させることができる。

また、上述のフォトゲート電極は測距センサ当り１つであってもよいが、フォトゲート電極を含む微小測距センサを画素として１次元又は２次元状に複数配列し、１次元又は２次元の距離画像を得ることができる測距センサとしてもよい。

すなわち、このような裏面入射型測距センサは、複数の画素からなる撮像領域を有し光源から出射された近赤外光が対象物で反射した後入射する光入射面を有する半導体基板を備えた裏面入射型測距センサにおいて、画素のそれぞれは、半導体基板の光入射面とは逆側の表面上に設けられたフォトゲート電極と、上記表面上においてフォトゲート電極に隣接して設けられた第１及び第２ゲート電極と、フォトゲート電極直下の領域から第１及び第２ゲート電極直下の領域に流れ込むキャリアをそれぞれ読み出すための第１及び第２半導体領域とを備え、前記半導体基板は、Ｓｉからなり、前記半導体基板は、補強用のフレーム部と前記フレーム部と一体化し前記フレーム部よりも薄い薄板部とを有しており、前記薄板部の厚さは、１０μｍ〜１００μｍであり、前記フォトゲート電極及び前記第１及び第２ゲート電極は前記薄板部に設けられていることを特徴とする。

各画素は上述の微小測距センサとして対象物までの距離に応じた信号を出力するので、対象物からの反射光を、撮像領域に結像すれば、対象物上の各点までの距離情報の集合体としての対象物の距離画像を得ることができる。

上述の裏面入射型測距センサを備えた測距装置は、上記裏面入射型測距センサと、近赤外光を出射する光源と、この光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、第１及び第２ゲート電極に、パルス駆動信号に同期した検出用ゲート信号を与える制御回路と、第１及び第２半導体領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路とを備えることを特徴とする。

上述のように、第１及び第２半導体領域から読み出された信号、すなわち、第１又は第２半導体領域内に蓄積されるキャリアの電荷量の全体電荷量に対する比率は、上述の位相差、すなわち、対象物までの距離に対応する。演算回路は、この位相差に応じて対象物までの距離を演算する。位相差に対応する時間差をΔｔとすると、距離ｄは、好適にはｄ＝（ｃ×Δｔ）／２で与えられるが、適当な補正演算をこれに加えて行ってもよい。なお、例えば、実際の距離と、演算された距離ｄとが異なる場合、後者を補正する係数βを予め求めておき、出荷後の製品では演算された距離ｄに係数βを乗じたものを最終的な演算距離ｄとしてもよい。また、外気温度を測定しておき、外気温度に応じて光速ｃが異なる場合には、光速ｃを補正する演算を行ってから、距離演算を行うこともできる。また、演算回路に入力された信号と、実際の距離との関係を予めメモリに記憶しておき、ルックアップテーブル方式によって、距離を演算してもよい。また、センサ構造によっても演算方法は変更することができ、従来から知られている演算方法を用いることができる。

また、本発明に係る測距装置は、上述の裏面入射型測距センサの上記表面を、配線基板のマウント面上に固定し、フォトゲート電極、第１ゲート電極、及び第２ゲート電極を、配線基板上の配線にバンプを介して接続したことを特徴とする。この測距装置は、裏面入射型測距センサを配線基板上にマウントすると、各配線を介して、上記信号をそれぞれの電極に与えることができ、装置が小型化される。

本発明の裏面入射型測距センサ及び測距装置によれば、高精度の距離検出を行うことができる。

以下、実施の形態に係る裏面入射型測距センサ及び測距装置について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は測距装置の構成を示す説明図である。

この測距装置は、裏面入射型測距センサ１と、近赤外光を出射する光源３と、光源３にパルス駆動信号Ｓ_Ｐを与える駆動回路４と、裏面入射型測距センサ１の各画素に含まれる第１及び第２ゲート電極（ＴＸ１，ＴＸ２：図５参照）に、パルス駆動信号Ｓ_Ｐに同期した検出用ゲート信号Ｓ_Ｌ、Ｓ_Ｒを与える制御回路２と、裏面入射型測距センサ１の第１及び第２半導体領域（ＦＤ１、ＦＤ２：図５参照）から読み出された距離情報を示す信号ｄ’（ｍ，ｎ）から、歩行者などの対象物Ｈまでの距離を演算する演算回路５を備えている。裏面入射型測距センサ１から対象物Ｈまでの水平方向Ｄの距離をｄとする。

制御回路２は、パルス駆動信号Ｓ_Ｐを駆動回路４のスイッチ４ｂに入力している。ＬＥＤ又はレーザダイオードからなる投光用の光源３は、スイッチ４ｂを介して電源４ａに接続されている。したがって、スイッチ４ｂにパルス駆動信号Ｓ_Ｐが入力されると、パルス駆動信号Ｓ_Ｐと同じ波形の駆動電流が光源３に供給され、光源３からは測距用のプローブ光としてのパルス光Ｌ_Ｐが出力される。

パルス光Ｌ_Ｐが対象物Ｈに照射されると、対象物Ｈによってパルス光が反射され、パルス光Ｌ_Ｄとして、裏面入射型測距センサ１に入射して、パルス検出信号Ｓ_Ｄを出力する。

裏面入射型測距センサ１は、配線基板１０上に固定されており、配線基板１０上の配線を介して、距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）が各画素から出力される。

パルス駆動信号Ｓ_Ｐの波形は、周期Ｔの方形波であり、ハイレベルを「１」、ローレベルを「０」とすると、その電圧Ｖ（ｔ）は以下の式で与えられる。
・パルス駆動信号Ｓ_Ｐ：
・Ｖ（ｔ）＝１（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
・Ｖ（ｔ）＝０（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
・Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）

検出用ゲート信号Ｓ_Ｌ、Ｓ_Ｒの波形は、周期Ｔの方形波であり、その電圧Ｖ（ｔ）は以下の式で与えられる。
・検出用ゲート信号Ｓ_Ｌ：
・Ｖ（ｔ）＝１（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
・Ｖ（ｔ）＝０（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
・Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
・検出用ゲート信号Ｓ_Ｒ（＝Ｓ_Ｌの反転）：
・Ｖ（ｔ）＝０（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
・Ｖ（ｔ）＝１（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
・Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）

上記パルス信号Ｓ_Ｐ，Ｓ_Ｌ、Ｓ_Ｒ、Ｓ_Ｄは、全てパルス周期２×Ｔ_Ｐを有していることとする。検出用ゲート信号Ｓ_Ｌ及びパルス検出信号Ｓ_Ｄが共に「１」のときに裏面入射型測距センサ１内で発生する電荷量をＱ１、検出用ゲート信号Ｓ_Ｒ及びパルス検出信号Ｓ_Ｄが共に「１」のときに裏面入射型測距センサ１内で発生する電荷量をＱ２とする。

裏面入射型測距センサ１における一方の検出用ゲート信号Ｓ_Ｌとパルス検出信号Ｓ_Ｄの位相差は、他方の検出用ゲート信号Ｓ_Ｒとパルス検出信号Ｓ_Ｄが「１」の時の重複期間において、裏面入射型測距センサ１において発生した電荷量Ｑ２に比例する。すなわち、電荷量Ｑ２は、検出用ゲート信号Ｓ_Ｒとパルス検出信号Ｓ_Ｄの論理積が「１」である期間において発生した電荷量である。１画素内において発生する全電荷量をＱ１＋Ｑ２とし、駆動信号Ｓ_Ｐの半周期のパルス幅をＴ_Ｐとすると、Δｔ＝Ｔ_Ｐ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）の期間だけ、駆動信号Ｓ_Ｐに対してパルス検出信号Ｓ_Ｄが遅れていることになる。１つのパルス光の飛行時間Δｔは、対象物までの距離をｄ、光速をｃとすると、Δｔ＝２ｄ／ｃで与えられるため、特定の画素からの距離情報を有する信号ｄ’として２つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力されると、演算回路５は、入力された電荷量Ｑ１，Ｑ２と、予め判明している半周期パルス幅Ｔ_Ｐに基づいて、対象物Ｈまでの距離ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２＝ｃ×Ｔ_Ｐ×Ｑ２／（２×（Ｑ１＋Ｑ２））を演算する。

上述のように、電荷量Ｑ１、Ｑ２を分離して読み出せば、演算回路５は、距離ｄを演算することができる。なお、上述のパルスは繰り返して出射され、その積分値を各電荷量Ｑ１，Ｑ２として出力することができる。

また、電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量に対する比率は、上述の位相差、すなわち、対象物Ｈまでの距離に対応しており、演算回路５は、この位相差に応じて対象物Ｈまでの距離を演算している。上述のように、位相差に対応する時間差をΔｔとすると、距離ｄは、好適にはｄ＝（ｃ×Δｔ）／２で与えられるが、適当な補正演算をこれに加えて行ってもよい。例えば、実際の距離と、演算された距離ｄとが異なる場合、後者を補正する係数βを予め求めておき、出荷後の製品では演算された距離ｄに係数βを乗じたものを最終的な演算距離ｄとしてもよい。また、外気温度を測定しておき、外気温度に応じて光速ｃが異なる場合には、光速ｃを補正する演算を行ってから、距離演算を行うこともできる。また、演算回路に入力された信号と、実際の距離との関係を予めメモリに記憶しておき、ルックアップテーブル方式によって、距離を演算してもよい。また、センサ構造によっても演算方法は変更することができ、これには従来から知られている演算方法を用いることができる。

図２は測距センサの平面図である。

裏面入射型測距センサ１は、二次元状に配列した複数の画素Ｐ（ｍ，ｎ）からなる撮像領域１Ｂを有する半導体基板１Ａを備えている。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）からは、上述の距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）として２つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力される。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は微小測距センサとして対象物Ｈまでの距離に応じた信号ｄ’（ｍ，ｎ）を出力するので、対象物Ｈからの反射光を、撮像領域１Ｂに結像すれば、対象物Ｈ上の各点までの距離情報の集合体としての対象物の距離画像を得ることができる。

図３は図２に示した測距センサのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。

裏面入射型測距センサ１には、光入射面１ＢＫからパルス光Ｌ_Ｄが入射する。裏面入射型測距センサ１の光入射面１ＢＫとは逆側の表面１ＦＴは、接着領域ＡＤを介して配線基板１０に接続されている。接着領域ＡＤは、バンプなどの接着素子を含む領域であり、必要に応じて絶縁性の接着剤やフィラーを有している。裏面入射型測距センサ１を構成する半導体基板１Ａは、補強用のフレーム部Ｆと、フレーム部Ｆよりも薄い薄板部ＴＦを有しており、これらは一体化している。薄板部ＴＦの厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。本例のフレーム部Ｆの厚さは２００μｍ以上６００μｍ以下である。

図４は変形例に係る測距センサの断面図である。

この測距センサは、図３に示したものと半導体基板１Ａの形状のみが異なり、他の構成は同一である。半導体基板１Ａは、ストライプ状又は格子状に形成された補強部ＡＦを更に有しており、補強部ＡＦの間に薄板部ＴＦが形成され、これらは一体化している。本例の補強部ＡＦの厚みは、フレーム部ＡＦの厚さと同じであり、２００μｍ以上６００μｍ以下である。薄板部ＴＦには前述の各画素が形成されている。薄板部ＴＦはＫＯＨ等のアルカリ性エッチング液を用いたウエットエッチングによって形成する。エッチングによって形成された露出表面の粗さは１μｍ以下である。

図５は図３又は図４に示した測距センサの領域Ｖの拡大図である。

裏面入射型測距センサ１は、光入射面１ＢＫ及び光入射面１ＢＫとは逆側の表面１ＦＴを有する半導体基板１Ａと、表面１ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられたフォトゲート電極ＰＧと、表面１ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介してフォトゲート電極ＰＧに隣接して設けられた第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の領域に流れ込むキャリア（電子ｅ）をそれぞれ読み出すための第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２とを備えている。本例の半導体基板１ＡはＳｉからなり、絶縁層１ＥはＳｉＯ_２からなる。

半導体基板１Ａは低不純物濃度のＰ型半導体基板からなり、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は高不純物濃度のＮ型半導体からなるフローティング・ディフュージョン領域であり、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、Ｐ型のウェル領域Ｗ１，Ｗ２内にそれぞれ形成されている。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の周辺は、基板、第１及び第２ゲート電極直下の不純物濃度よりも、さらに高濃度のウェル領域Ｗ１，Ｗ２で囲まれているので、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２からの空乏層の広がりを抑えるとともに、リーク電流の低減を図り、更に、クロストークや迷光による不要キャリアの捕獲を低減することができる。また、ウェル領域Ｗ１，Ｗ２は、フォトゲート電極ＰＧへの電圧の印加によって広がった空乏層と、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２から広がる空乏層との結合を抑制している。

第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の一部は、半導体基板１Ａにおける各ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に接触している。半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫの側には、反射防止膜１Ｄが設けられている。低不純物濃度の半導体基板１Ａの露出面の表面粗さ、すなわち、表面凹凸の最大値と最小値の高さの差は１μｍ以下である。反射防止膜１Ｄの材料は、ＳｉＯ_２やＳｉＮである。

配線基板１０は、Ｓｉからなる半導体基板１０Ａと、半導体基板１０Ａ上に形成された読み出し配線１１ｈ、１５ｈを備えており、これらの読み出し配線１１ｈ、１５ｈは、それぞれ、第１半導体領域ＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２に電気的に接続されている。

第１半導体領域ＦＤ１と読み出し配線１１ｈとの間には、コンタクト電極１１ａ、パッド電極１１ｂ、バンプ１１ｃ、パッド電極１１ｄ、コンタクト電極１１ｅ、中間電極１１ｆ、コンタクト電極１１ｇが介在している。

第２半導体領域ＦＤ２と読み出し配線１５ｈとの間には、コンタクト電極１５ａ、パッド電極１５ｂ、バンプ１５ｃ、パッド電極１５ｄ、コンタクト電極１５ｅ、中間電極１５ｆ、コンタクト電極１５ｇが介在している。

半導体基板１０Ａ上には、第１ゲート配線１２ｇ、第２ゲート配線１４ｇ、フォトゲート配線１３ｇが設けられており、これらはそれぞれ第１ゲート電極ＴＸ１，フォトゲート電極ＰＧ、第２ゲート電極ＴＸ２に電気的に接続されている。

第１ゲート電極ＴＸ１と第１ゲート配線１２ｇとの間には、コンタクト電極１２ａ、パッド電極１２ｂ、バンプ１２ｃ、パッド電極１２ｄ、コンタクト電極１２ｅ、中間電極１２ｆが介在している。

フォトゲート電極ＰＧとフォトゲート配線１３ｇとの間には、コンタクト電極１３ａ、パッド電極１３ｂ、バンプ１３ｃ、パッド電極１３ｄ、コンタクト電極１３ｅ、中間電極１３ｆが介在している。

第２ゲート電極ＴＸ２と第２ゲート配線１４ｇとの間には、コンタクト電極１４ａ、パッド電極１４ｂ、バンプ１４ｃ、パッド電極１４ｄ、コンタクト電極１４ｅ、中間電極１４ｆが介在している。

各コンタクト電極は、図示如く、絶縁層１Ｆ，１０Ｂ，１０Ｃに設けられたコンタクトホール内に埋設されている。

接着領域ＡＤは、樹脂からなる接着層ＡＤ１と、裏面入射型測距センサ１の各電極を配線基板１０上の各種配線に接続するためのバンプ１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃを備えている。

この測距装置は、裏面入射型測距センサ１の表面１ＦＴを、配線基板１０のマウント面Ｍ上に固定し、フォトゲート電極ＰＧ、第１ゲート電極ＴＸ１、及び第２ゲート電極ＴＸ２を、配線基板１０上の配線にバンプを介して接続している。この測距装置は、裏面入射型測距センサ１を配線基板１０上にマウントすると、各配線を介して、上記信号をそれぞれの電極に与えることができ、装置が小型化されている。

なお、配線基板１０のマウント面Ｍ上には、黒色樹脂からなる光吸収層ＳＨが形成されており、裏面入射型測距センサ１を透過した光の配線基板１０への入射を抑制すると共に、配線基板１０上の配線によって反射された光が、裏面入射型測距センサ１に逆戻りしてクロストークを引き起こすのを防止している。また、上述の各種電極又は配線はアルミニウム又はポリシリコンからなる。裏面入射型測距センサ１におけるＳｉからなる半導体基板の厚みｔ１は１０〜１００μｍであり、好適には１５〜５０μｍであり、本例では２０μｍである。

この裏面入射型測距センサ１では、投光用の光の入射に応答して半導体深部で発生したキャリアを、光入射面１ＢＫとは逆側のキャリア発生位置近傍に設けられたポテンシャル井戸に引き込み、高速で正確な測距が可能としている。

半導体基板１Ａの光入射面（裏面）１ＢＫから入射した対象物からのパルス光Ｌ_Ｄは、半導体基板１Ａの表面側に設けられたフォトゲート電極ＰＧ直下の領域まで至る。パルス光の入射に伴って半導体基板１Ａ内で発生したキャリアは、フォトゲート電極ＰＧ直下の領域から、これに隣接する第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に振り分けられる。すなわち、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に光源の駆動信号Ｓ_Ｐに同期した検出用ゲート信号Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｒを、配線基板１０を介して、交互に与えると、フォトゲート電極ＰＧ直下の領域で発生したキャリアが、それぞれ第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の領域に流れ、これらから第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に流れ込む。

第１半導体領域ＦＤ１又は第２半導体領域ＦＤ２内に蓄積されるキャリアの電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する比率は、駆動信号Ｓ_Ｐを光源に与えることによって出射された出射パルス光と、対象物Ｈによって出射パルス光が反射されることによって戻ってきた検出パルス光の位相差に対応する。

ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２への駆動信号（検出用ゲート信号Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｒ）の周波数を増加させることで、この電荷の振り分け速度を増加させても、近赤外光の入射に応じて発生したキャリアの発生領域は、半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫよりも、逆側の表面１ＦＴに近いため、多くのキャリアはフォトゲート電極ＰＧ直下の領域から第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に流れ込み、これらの領域から、配線基板１０の配線１１ｈ、１５ｈを介して、蓄積電荷Ｑ１，Ｑ２を読み出すことができる。また、近赤外よりも短い波長の光は、半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫ側の領域において除去される傾向があるため、光入射面側に可視光カットフィルタを設けずとも、測距用の検出パルス光の検出精度を向上させることができる。

図６は測距センサの画素の平面図である。

上述の裏面入射型測距センサ１において、Ｐ型のウェル領域Ｗ２の外側にＮ型のウェル領域Ｗ３を設けることとしてもよい。ウェル領域Ｗ３は、画素分離を行うと共に迷光に伴って発生した不要キャリアを吸収することができる。なお、各ウェル領域Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の深さは同一である。なお、各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・半導体基板１Ａ：厚さ１０〜１００μｍ／不純物濃度１×１０^１２〜１０^１５ｃｍ^−３
・ウェル領域Ｗ１，Ｗ２：厚さ０．５〜３μｍ／不純物濃度１×１０^１６〜１０^１８ｃｍ^−３
・半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３
・ウェル領域Ｗ３：厚さ０．５〜３μｍ／不純物濃度１×１０^１６〜１０^１８ｃｍ^−３

本例では、半導体基板１Ａとして高抵抗基板（本例では比抵抗１０ｋΩ・ｃｍ）を使用することで、フォトゲート電極ＰＧにバイアス電圧を印加したときにフォトゲート電極ＰＧの直下の領域から空乏層を放射状に広げ、光の利用効率（量子効率）を高め、かつ、第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に直接入り込もうとする電荷を捕獲して、クロストークを低減することができる。

なお、本例の半導体基板１Ａの厚さは２０μｍ、不純物濃度は１×１０^１２ｃｍ^−３、ウェル領域Ｗ１，Ｗ２の不純物濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３、半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の不純物濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３、ウェル領域Ｗ３の不純物濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３とする。

図７はバックゲート近傍の断面図である。なお、低不純物濃度の半導体基板１Ａは、エピタキシャル層からなることとしてもよい。

すなわち、上述の裏面入射型測距センサ１の半導体基板１Ａの電位を基準電位に固定するため、Ｐ型のウェル領域Ｗ１（Ｗ２）内に、高濃度不純物を含有するＰ型のバックゲート半導体領域ＢＧを備えている。信号読み出し回路の設けられた配線基板１０の半導体基板１０Ａ上にはグランド配線１６ｈが設けられている。バックゲート半導体領域ＢＧと、グランド配線１６ｈとの間には、コンタクト電極１６ａ、パッド電極１６ｂ、バンプ１６ｃ、パッド電極１６ｄ、コンタクト電極１６ｅ、中間電極１６ｆ、コンタクト電極１６ｇが介在しており、これらを電気的に接続している。

図８は貫通電極近傍の断面図である。

上述の裏面入射型測距センサ１の半導体基板１Ａの電位を基準電位に固定するため、バックゲート電極の代わりに、Ｐ型の拡散領域Ｗ４などのＰ型半導体層を有し、電気的に接続された貫通電極１７ｘを備えることとしてもよい。配線基板１０の半導体基板１０Ａ上にはグランド配線１７ｈが設けられている。貫通電極１７ｘと、グランド配線１７ｈとの間には、コンタクト電極１７ａ、パッド電極１７ｂ、バンプ１７ｃ、パッド電極１７ｄ、コンタクト電極１７ｅ、中間電極１７ｆ、コンタクト電極１７ｇが介在しており、これらを電気的に接続している。

図９はキャリア蓄積動作を説明するためのポテンシャル図である。

光入射時において、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧは、基板電位よりも若干高く設定されている。このポテンシャル図では、下向きがポテンシャルの正方向であり、同図には、ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ１、ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ２、半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφ_ＦＤ１、半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφ_ＦＤ２が示されている。

検出用ゲート信号Ｓ_Ｌの高電位が、ゲート電極ＴＸ１に入力されると、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生したキャリア（電子ｅ）は、ポテンシャル勾配にしたがって、ゲート電極ＰＸ１の直下の領域を介して、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に蓄積され、このポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ１が蓄積されることとなる。

図１０はキャリア蓄積動作を説明するためのポテンシャル図である。

光入射時において、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧは、基板電位よりも若干高く設定されている。

検出用ゲート信号Ｓ_Ｌに続いて、検出用ゲート信号Ｓ_Ｒの高電位が、ゲート電極ＴＸ２に入力されると、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生したキャリア（電子ｅ）は、ポテンシャル勾配にしたがって、ゲート電極ＰＸ２の直下の領域を介して、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に蓄積され、このポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ２が蓄積されることとなる。

上述のように、各ポテンシャル井戸に蓄積された電荷Ｑ１，Ｑ２は、配線基板１０に設けられた読み出し配線１１ｈ、１５ｈ（図５参照）を介して外部に読み出される。

図１１は入射光の波長（ｎｍ）と吸収係数αの関係を示すグラフである。

光の吸収は、Ｉ（ある深さでの光強度）、Ｉ_ｏ（半導体基板表面付近での光強度）、ｘ（半導体基板表面からの深さ）、α（光の吸収係数）を用いると、Ｉ＝Ｉ_ｏ×ｅｘｐ（−α×ｘ）で表現される。この式より、波長＝７００ｎｍの光の半分が吸収されるＳｉ半導体基板の深さは、およそ３μｍとなる。本形態における半導体基板１Ａの薄板部の厚さｔ１は、１０μｍ〜１００μｍであり、近赤外帯域よりも短い可視帯域の光は吸収され、光入射面側に可視光カットフィルタを設けずとも、高精度の測距が可能となっている。

また、波長８００ｎｍのときの光の吸収係数α＝１．０×１０^３（ｃｍ^−１）、波長９００ｎｍのときの、光の吸収係数α＝２．０×１０^２（ｃｍ^−１）であり、入射光の６３％が吸収される深さ（Ｉ／Ｉ_ｏ＝１／ｅの場合）は、波長８００ｎｍでは１０μｍ、波長９００ｎｍでは５０μｍとなる。これにより、半導体基板の厚みが１０〜５０μｍであれば、近赤外帯域の光を十分に吸収することができる。

図１２は太陽光のエネルギー密度を示すスペクトル（実線）と、近赤外発光ＬＥＤの相対光強度を示すスペクトル（点線）を示すグラフである。

太陽光のスペクトルは可視帯域（５００ｎｍ程度）にピークを有する一方で、近赤外発光ＬＥＤのスペクトルは、例えば８７０ｎｍにピークを有する。したがって、可視帯域の光を適当な可視帯域カットフィルタで除去することにより、光源３からのパルス光を選択的に太陽光から分離し、更に、半導体基板の光入射面とは反対側においてキャリアが発生する構成としたので、高速の振り分け速度に応答して、高い近赤外感度で発生したキャリアを、収集することができ、高精度の測距を行うことができる。また、裏面入射型測距センサの半導体基板の光入射面において近赤外帯域よりも短い可視帯域の光は吸収されるので、光入射面側に可視光カットフィルタを設けずとも、高精度の測距が可能となっている。

図１３は光入射面からの深さ（μｍ）と光強度（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフである。

裏面入射型測距センサの半導体基板の薄板部の厚みは１５μｍである。光強度（ａ．ｕ．）は、その位置で発生する電子数に対応している。

表面入射型の測距センサにおいて、深さ１０μｍまで空乏層が広がりキャリアを捕獲できたとすると、点線斜線領域Ｒ１分のキャリア信号成分となる。

一方、裏面入射型の測距センサの場合では、１０μｍの範囲でキャリアを捕獲したとすると、実線斜線領域Ｒ２分がキャリア信号成分となる。単純にキャリア数（感度）を比較すると、裏面入射型の測距センサの場合、感度の面で表面入射型の測距センサに劣るように思われる。しかしながら、必要な信号は近赤外波長であり、基板濃度、印加電圧等を調整して、フォトゲート電極直下の空乏層を基板厚の厚さまで広げると、表面入射型の測距センサよりも高い感度が得られる。更に、この空乏層を広げることで、斜め入射に対するクロストークを低減させることができる。

また、ゲート電極ＰＧ，ＴＸ１，ＴＸ２を金属とするか、又はポリシリコンとしてその光入射面側に金属膜を形成することとすると、この金属によって半導体基板を一度透過した光が反射されるため、光の利用効率を上げることができる。反射を利用することで、斜線領域Ｒ３において発生したキャリアも捕獲することができるため、感度を向上させることができる。

また、半導体基板の光入射面側に可視帯域カットフィルタを蒸着してもよい。また、上述の測距センサは光源を含めたモジュール化することもできる。

また、駆動信号の周波数と測定距離範囲の関係を検討した結果、１ｍ弱〜２００ｍまでを測定範囲とした場合、駆動信号の動作周波数は０．３７５ＭＨｚ〜１００ＭＨｚが適当であることが分かった。

なお、キャリアの移動度は固有の値であるため、動作周波数依存性はない。また、ゲート電極に印加する電圧、基板濃度およびゲート酸化膜厚等のパラメータを変えることで、電荷の振り分け効率（転送速度）は変化する。例えば、ゲート電圧に高い電圧を印加して、低濃度（高抵抗）基板でゲート酸化膜厚を適度に厚くすると、拡散によるキャリアの移動に加えフリンジング電界の効果が加わり、高速に電荷を転送することが可能となる。上述の絶縁層１Ｅを厚くすることで、フリンジング電界を形成することができる。フリンジング電界を形成するための好適な絶縁層１Ｅの厚みは、５０〜１０００ｎｍである。

なお、上述のフォトゲート電極ＰＧは測距センサ当り１つであってもよく、フォトゲート電極を含む微小測距センサを画素として１次元又は２次元状に複数配列し、１次元又は２次元の距離画像を得ることができる測距センサとしてもよい。なお、フォトゲート電極の上方のみが開口した遮光膜を裏面入射型測距センサ１の光入射面側に設けることも可能であり、これにより半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２への斜め入射によるクロストークを低減することもできる。

図１４は、半導体基板内のポテンシャル分布を示す図である。

ゲート電極ＴＸ１に２Ｖ、フォトゲート電極ＰＧに１Ｖ、ゲート電極ＴＸ２に０Ｖを印加した。フォトゲート電極ＰＧ直下の領域のからゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下のポテンシャルが上昇しており、かかる領域への近赤外光の入射によって、効率的にキャリアを獲得し、周囲よりも著しく高いポテンシャルの半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に転送することが可能である。半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、高不純物濃度を有するＮ型の半導体であり、内部に正にイオン化したドナーが存在しており、ポテンシャルが高くなっている。

測距装置の構成を示す説明図である。 測距センサの平面図である。 図２に示した測距センサのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。 変形例に係る測距センサの断面図である。 図３又は図４に示した測距センサの領域Ｖの拡大図である。 測距センサの画素の平面図である。 バックゲート近傍の断面図である。 貫通電極近傍の断面図である。 キャリア蓄積動作を説明するためのポテンシャル図である。 キャリア蓄積動作を説明するためのポテンシャル図である。 入射光の波長（ｎｍ）と吸収係数αの関係を示すグラフである。 太陽光のスペクトル（実線）と光源のスペクトル（点線）を示すグラフである。 光入射面からの深さ（μｍ）と光強度（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフである。 半導体基板内のポテンシャル分布を示す図である。

符号の説明

１・・・裏面入射型測距センサ、１Ａ・・・・半導体基板、１Ｂ・・・撮像領域、１Ｄ・・・反射防止膜、１Ｅ・・・絶縁層、１ＢＫ・・・光入射面、１ＦＴ・・・表面、２・・・制御回路、３・・・光源、４・・・駆動回路、５・・・演算回路、１０・・・配線基板、１７ｘ・・・貫通電極、ＡＤ１・・・接着層、ＡＤ・・・接着領域、ＡＦ・・・補強部、ＢＧ・・・バックゲート半導体領域、Ｆ・・・フレーム部、ＦＤ１，ＦＤ２・・・半導体領域、Ｈ・・・対象物、Ｍ・・・マウント面、Ｐ・・・画素、ＰＧ・・・フォトゲート電極、ＰＸ１・・・ゲート電極、ＰＸ２・・・ゲート電極、ＳＨ・・・光吸収層、ＴＦ・・・薄板部、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３・・・各ウェル領域。

Claims (4)

1. 光源から出射された近赤外光が対象物で反射した後入射する光入射面及び前記光入射面とは逆側の表面を有する半導体基板と、
   前記表面上に設けられたフォトゲート電極と、
   前記表面上において前記フォトゲート電極に隣接して設けられた第１及び第２ゲート電極と、
   前記フォトゲート電極直下の領域から前記第１及び第２ゲート電極直下の領域に流れ込むキャリアをそれぞれ読み出すための第１及び第２半導体領域と、
   を備え、
   前記半導体基板は、Ｓｉからなり、
   前記半導体基板は、補強用のフレーム部と前記フレーム部と一体化し前記フレーム部よりも薄い薄板部とを有しており、
   前記薄板部の厚さは、１０μｍ〜１００μｍであり、
   前記フォトゲート電極及び前記第１及び第２ゲート電極は前記薄板部に設けられている、
   ことを特徴とする裏面入射型測距センサ。
2. 複数の画素からなる撮像領域を有し光源から出射された近赤外光が対象物で反射した後入射する光入射面を有する半導体基板を備えた裏面入射型測距センサにおいて、
   前記画素のそれぞれは、
   前記半導体基板の前記光入射面とは逆側の表面上に設けられたフォトゲート電極と、
   前記表面上において前記フォトゲート電極に隣接して設けられた第１及び第２ゲート電極と、
   前記フォトゲート電極直下の領域から前記第１及び第２ゲート電極直下の領域に流れ込むキャリアをそれぞれ読み出すための第１及び第２半導体領域と、
   を備え、
   前記半導体基板は、Ｓｉからなり、
   前記半導体基板は、補強用のフレーム部と前記フレーム部と一体化し前記フレーム部よりも薄い薄板部とを有しており、
   前記薄板部の厚さは、１０μｍ〜１００μｍであり、
   前記フォトゲート電極及び前記第１及び第２ゲート電極は前記薄板部に設けられている、
   ことを特徴とする裏面入射型測距センサ。
3. 請求項１又は２に記載の裏面入射型測距センサと、
   近赤外光を出射する前記光源と、
   前記光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、
   前記第１及び第２ゲート電極に、前記パルス駆動信号に同期した検出用ゲート信号を与える制御回路と、
   前記第１及び第２半導体領域から読み出された信号から、前記対象物までの距離を演算する演算回路と、
   を備えることを特徴とする測距装置。
4. 請求項１又は２に記載の裏面入射型測距センサの前記表面を、配線基板のマウント面上に固定し、前記フォトゲート電極、前記第１ゲート電極、及び前記第２ゲート電極を、前記配線基板上の配線にバンプを介して接続したことを特徴とする測距装置。

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