JP4971891B2 - Back-illuminated distance measuring sensor and distance measuring device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a back-illuminated distance measuring sensor and a distance measuring device.
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。 A conventional active optical distance measuring sensor irradiates light from a light source for light projection such as an LED (Light Emitting Diode), and detects reflected light from the object with a light detection element. It is known to output a signal corresponding to the distance up to. A PSD (Position Sensitive Detector) or the like is known as an optical triangulation type optical distance measuring sensor that can easily measure the distance to an object, but in recent years, in order to perform more precise distance measurement, Development of an optical distance measuring sensor of the TOF (Time-Of-Flight) type is expected.
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。 In addition, an image sensor that can simultaneously acquire distance information and image information with the same chip is required for in-vehicle use, factory automatic manufacturing system, and the like. If an image sensor is installed in front of the vehicle, it is expected to be used for detection / recognition of the vehicle ahead and detection / recognition of pedestrians. Apart from image information, an image sensor that acquires a distance image composed of a single distance information or a plurality of distance information is also expected. It is preferable to use the TOF method for such a distance measuring sensor.
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。 The TOF method emits pulsed light from a light source for projection toward an object, and detects the pulsed light reflected by the object with a light detection element, thereby making the time difference between the emission timing of the pulsed light and the detection timing. Is measuring. This time difference (Δt) is the time required for the pulsed light to fly at the speed of light (= c) twice as much as the distance d to the object (2 × d), so d = (c × Δt) / 2 is established. The time difference (Δt) can be rephrased as the phase difference between the emission pulse from the light source and the detection pulse. If this phase difference is detected, the distance d to the object can be obtained.
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。 In general, many light sources for emitting light that emit light in the near-infrared band are used. Since the wavelength in the near-infrared band is closer to the wavelength in the visible light band than the wavelength in the far-infrared band, it is possible to perform condensing and imaging using an optical system such as a lens. Moreover, since the energy density of the near-infrared light component contained in the spectrum of sunlight is less than the visible light component, by using a visible light cut filter, among the near-infrared light components detected by the light detection element, It becomes possible to detect with a high S / N by reducing the ratio of solar light.
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。 The charge distribution type image sensor has attracted attention as a light detection element for performing distance measurement by the TOF method. That is, in the charge distribution type image sensor, for example, the charge generated in the image sensor in response to the incident detection pulse is distributed in one potential well during the ON period of the emission pulse, and OFF. Distribute to the other potential well during the period. In this case, the ratio of the amount of charge distributed to the left and right is proportional to the phase difference between the detection pulse and the emission pulse, that is, the time required for the pulsed light to fly at the speed of light over twice the distance to the object. It will be. Various methods can be considered as the charge distribution method.
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。
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。 However, when measuring the distance to a moving object that moves at high speed, such as an in-vehicle ranging sensor or a military ranging sensor, it is necessary to increase the charge distribution speed so as to follow the movement of the moving object. Further, in the actual distance measurement, not only one charge distribution but also repeated charge distribution constitutes one frame by integrating charges, and when the charge distribution speed is low, There is a problem that the number of charge distributions constituting one frame must be reduced, sufficient S / N cannot be secured, and precise distance measurement cannot be performed.
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。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。 On the other hand, in the case of a TOF type charge distribution type distance measuring sensor using near infrared light as a light source for projection, carriers are generated in the deep part of the semiconductor in response to the incidence of light. For example, the thickness of silicon that absorbs half of light having a wavelength of 850 nm is about 20 μm. In this case, if the operation of attracting carriers into a plurality of potential wells is switched at high speed, most of the carriers cannot reach the potential well, and the amount of charge in the potential well regulates the distance measurement accuracy. The problem was that the charge amount could not be secured, but the normal charge distribution type distance measuring sensor could not detect with high accuracy. Since the measurement environment is basically visible light, visible light becomes noise for high-precision detection using near-infrared light, and it is also necessary to cut off visible light. is there. Although it is possible to provide a visible light cut filter as described above, it is common sense in the industrial use that it is desirable to omit extra parts.
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。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a back-illuminated distance measuring sensor and a distance measuring device capable of performing highly accurate distance detection.
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。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have made extensive studies and found that carriers generated in the deep part of the semiconductor in response to the incidence of light for projection are carriers generated on the side opposite to the light incident surface. We have come to the knowledge that high-speed and accurate distance measurement can be achieved by drawing into a potential well provided in the vicinity.
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、半導体基板の光入射面側には、P型半導体層又は欠陥層からなる可視光励起キャリア再結合領域を備えている。 That is, the back- illuminated distance measuring sensor according to the present invention includes a light incident surface that is incident after near-infrared light emitted from a light source is reflected by an object, and a semiconductor substrate having a surface opposite to the light incident surface. A photogate electrode provided on the surface, first and second gate electrodes provided adjacent to the photogate electrode on the surface, and immediately below the first and second gate electrodes from a region immediately below the photogate electrode First and second semiconductor regions for reading out carriers flowing into the region, respectively, and a visible light excited carrier recombination region comprising a P-type semiconductor layer or a defect layer is provided on the light incident surface side of the semiconductor substrate. .
特に、半導体基板における可視光の吸収係数をα、前記半導体基板の厚みをt1、前記可視光励起キャリア再結合領域の厚みをt2とした場合、以下の関係式を満たすことが好ましい。例えば、可視光の波長を700nmとして半導体基板に入射した光のパワーが50%になる深さを特性量として考えてみると以下のようになる。
・−(1/α)×ln(0.5)μm≦t2、
・10μm≦t1≦100μm
In particular, when the visible light absorption coefficient in the semiconductor substrate is α, the thickness of the semiconductor substrate is t1, and the thickness of the visible light excited carrier recombination region is t2, the following relational expression is preferably satisfied. For example, when the wavelength of visible light is set to 700 nm and the depth at which the power of light incident on the semiconductor substrate is 50% is considered as the characteristic amount, the following is obtained.
-(1 / α) × ln (0.5) μm ≦ t2,
・ 10μm ≦ t1 ≦ 100μm
この場合、可視光励起キャリア再結合領域において、その50%が消滅し、フォトゲート電極の直下領域にまで至らないため好ましく、また、近赤外光は10μm以上100μm以下の深さの領域で吸収されるため、フォトゲート電極直下の領域で応答性に優れたキャリアを高感度で収集することができる。 In this case, 50% of the visible light excited carrier recombination region disappears and does not reach the region immediately below the photogate electrode, and near infrared light is absorbed in a region having a depth of 10 μm or more and 100 μm or less. Therefore, carriers with excellent responsiveness can be collected with high sensitivity in the region immediately below the photogate electrode.
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。 In this case, the pulsed light from the object incident from the light incident surface (back surface) of the semiconductor substrate reaches a region directly below the photogate electrode provided on the front surface side of the semiconductor substrate. Carriers generated in the semiconductor substrate with the incidence of the pulsed light are distributed from the region directly under the photogate electrode to the region directly under the first and second gate electrodes adjacent thereto. That is, when the detection gate signal synchronized with the drive signal of the light source is alternately applied to the first and second gate electrodes, the carriers generated in the region immediately below the photogate electrode are the regions immediately below the first and second gate electrodes, respectively. And flows from these into the first and second semiconductor regions.
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。 The ratio of the charge amount of carriers accumulated in the first or second semiconductor region to the total charge amount is that the emitted pulse light emitted by applying a drive signal to the light source and the emitted pulse light reflected by the object are reflected. This corresponds to the phase difference of the detection pulse light that has returned. Even if the charge distribution speed is increased by increasing the frequency of the drive signal to the gate electrode, the generation region of carriers generated in response to the incidence of near-infrared light is opposite to the light incident surface of the semiconductor substrate. Since it is close to the surface on the side, many carriers flow into the first and second semiconductor regions from the region immediately below the photogate electrode, and can be read from these regions. In addition, since light with a wavelength shorter than near infrared tends to be removed in the region on the light incident surface side of the semiconductor substrate, detection for distance measurement is possible without providing a visible light cut filter on the light incident surface side. The detection accuracy of pulsed light can be improved.
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。 The above-mentioned photogate electrode may be one for each distance measuring sensor, but a plurality of micro distance measuring sensors including the photogate electrode are arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner as pixels, and the one-dimensional or two-dimensional A distance measuring sensor capable of obtaining a distance image may be used.
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、半導体基板の光入射面側には、P型半導体層又は欠陥層からなる可視光励起キャリア再結合領域を備えている。 That is, such back-illuminated distance measuring sensor comprises a semiconductor substrate having a light incident surface of the near-infrared light emitted from possess an imaging region including a plurality of pixels light source enters after being reflected by the object In the back-illuminated distance measuring sensor, each of the pixels is provided adjacent to the photogate electrode on the surface and the photogate electrode provided on the surface opposite to the light incident surface of the semiconductor substrate. First and second gate electrodes, and first and second semiconductor regions for reading out carriers flowing from the region immediately below the photogate electrode into the region immediately below the first and second gate electrodes, respectively. On the surface side, a visible light excited carrier recombination region made of a P-type semiconductor layer or a defect layer is provided.
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。 Since each pixel outputs a signal corresponding to the distance to the object as the above-mentioned minute distance measuring sensor, if the reflected light from the object is imaged in the imaging region, distance information to each point on the object It is possible to obtain a distance image of the object as a collection of
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。 A distance measuring device including the back-illuminated distance measuring sensor described above includes a back-illuminated distance measuring sensor, a light source that emits near-infrared light, a drive circuit that provides a pulse drive signal to the light source, A control circuit for providing a detection gate signal in synchronization with the pulse drive signal to the second gate electrode; and an arithmetic circuit for calculating a distance to the object from signals read from the first and second semiconductor regions. It is characterized by that.
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。 As described above, the signal read from the first and second semiconductor regions, that is, the ratio of the charge amount of carriers accumulated in the first or second semiconductor region to the total charge amount is the above-described phase difference, That is, it corresponds to the distance to the object. The arithmetic circuit calculates the distance to the object according to the phase difference. Assuming that the time difference corresponding to the phase difference is Δt, the distance d is preferably given by d = (c × Δt) / 2, but an appropriate correction operation may be added to this. For example, when the actual distance is different from the calculated distance d, a coefficient β for correcting the latter is obtained in advance, and the product obtained by multiplying the calculated distance d by the coefficient β is finally obtained in the product after shipment. It is good also as a general calculation distance d. In addition, when the outside air temperature is measured and the light speed c varies depending on the outside air temperature, the distance calculation can be performed after performing the calculation for correcting the light speed c. Further, the relationship between the signal input to the arithmetic circuit and the actual distance may be stored in advance in the memory, and the distance may be calculated by a lookup table method. The calculation method can be changed depending on the sensor structure, and a conventionally known calculation method can be used.
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。 In the distance measuring device according to the present invention, the surface of the back-illuminated distance measuring sensor is fixed on the mounting surface of the wiring board, and the photogate electrode, the first gate electrode, and the second gate electrode are It is characterized in that it is connected to the wiring on the wiring board via a bump. In this distance measuring device, when a back-illuminated distance measuring sensor is mounted on a wiring board, the signal can be given to each electrode via each wiring, and the device is miniaturized.
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。 According to the back-illuminated distance measuring sensor and distance measuring device of the present invention, highly accurate distance detection can be performed.
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。 Hereinafter, the back-illuminated distance measuring sensor and the distance measuring device according to the embodiment will be described. The same reference numerals are used for the same elements, and duplicate descriptions are omitted.
図1は測距装置の構成を示す説明図である。 FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the distance measuring apparatus.
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SP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SPに同期した検出用ゲート信号SL、SR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。
The distance measuring device includes a back-illuminated
制御回路2は、パルス駆動信号SP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SPが入力されると、パルス駆動信号SP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LPが出力される。
The
パルス光LP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LD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SDを出力する。
When the pulse light L P is irradiated on the object H, the pulse light is reflected by the object H, the pulse light L D, and enters the back-illuminated
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。
The back-illuminated
パルス駆動信号SP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SP:
・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)
The waveform of the pulse drive signal S P, a square wave of period T, the high level "1", when the low level is "0", the voltage V (t) is given by the following equation.
・ Pulse drive signal S P :
・ V (t) = 1 (provided that 0 <t <(T / 2))
・ V (t) = 0 (provided that (T / 2) <t <T)
・ V (t + T) = V (t)
検出用ゲート信号SL、SR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SL:
・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SR(=SL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)
The waveforms of the detection gate signals S L and S R are square waves with a period T, and the voltage V (t) is given by the following equation.
・ Detection gate signal S L :
・ V (t) = 1 (provided that 0 <t <(T / 2))
・ V (t) = 0 (provided that (T / 2) <t <T)
・ V (t + T) = V (t)
· Detection gate signal S R (= S L inversion):
・ V (t) = 0 (provided that 0 <t <(T / 2))
V (t) = 1 (provided that (T / 2) <t <T)
・ V (t + T) = V (t)
上記パルス信号SP,SL、SR、SDは、全てパルス周期2×TPを有していることとする。検出用ゲート信号SL及びパルス検出信号SD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SR及びパルス検出信号SD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。
The pulse signal S P, S L, S R , S D , it is assumed that has all
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SLとパルス検出信号SDの位相差は、他方の検出用ゲート信号SRとパルス検出信号SD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SRとパルス検出信号SD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SPの半周期のパルス幅をTPとすると、Δt=TP×Q2/(Q1+Q2)の期間だけ、駆動信号SPに対してパルス検出信号SD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TPに基づいて、対象物Hまでの距離d=(c×Δt)/2=c×TP×Q2/(2×(Q1+Q2))を演算する。
The phase difference between one detection gate signal S L and the pulse detection signal S D in the back-illuminated
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。
As described above, if the charge amounts Q1 and Q2 are read out separately, the
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。
Further, the ratio of the charge amounts Q1 and Q2 to the total charge amount corresponds to the above-described phase difference, that is, the distance to the object H, and the
図2は測距センサの平面図である。 FIG. 2 is a plan view of the distance measuring sensor.
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。
The back-illuminated
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。 FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of the distance measuring sensor shown in FIG.
裏面入射型測距センサ1には、光入射面1BKからパルス光LD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。
The back-illuminated
図4は変形例に係る測距センサの断面図である。 FIG. 4 is a cross-sectional view of a distance measuring sensor according to a modification.
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。
This distance measuring sensor differs from that shown in FIG. 3 only in the shape of the
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。 FIG. 5 is an enlarged view of the region V of the distance measuring sensor shown in FIG. 3 or FIG.
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SiO2からなる。
The back-illuminated
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。
The
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、可視光励起キャリア再結合領域1Cを介して、反射防止膜1Dが設けられている。すなわち、半導体基板1Aの光入射面側には、P型半導体層又は欠陥層からなる可視光励起キャリア再結合領域1Cが設けられている。P型半導体層からなる可視光励起キャリア再結合領域1Cの厚さは0.1μm〜5μm、不純物濃度は1018cm−3〜1020cm−3であり、可視光の入射によって発生したキャリアを再結合させて消滅させる。また、ゲッタリング加工、イオン注入等によって形成される欠陥層からなる可視光励起キャリア再結合領域1Cの厚さは0.1μm〜5μmであり、可視光の入射によって発生したキャリアを再結合させて消滅させる。
Part of the first and second semiconductor regions FD1, FD2 is in contact with a region immediately below the gate electrodes TX1, TX2 in the
半導体基板1Aにおける可視光の吸収係数をα、半導体基板1Aの厚み(再結合領域1Cを含む薄板部全体の厚み)をt1、可視光励起キャリア再結合領域の厚みをt2とした場合、以下の関係式を満たすことが好ましい。
・−(1/α)×ln(0.5)μm≦t2、
・10μm≦t1≦100μm
When the absorption coefficient of visible light in the
-(1 / α) × ln (0.5) μm ≦ t2,
・ 10μm ≦ t1 ≦ 100μm
この場合、可視光励起キャリア再結合領域1Cにおいて、その50%が消滅し、フォトゲート電極PGの直下領域にまで至らないため好ましく、また、近赤外光は10μm以上100μm以下の深さの領域で吸収されるため、フォトゲート電極PGの直下領域で応答性に優れたキャリアを高感度で収集することができる。
In this case, 50% of the visible light excited
また、可視光励起キャリア再結合領域1C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。
Further, the surface roughness of the exposed surface of the visible light excited
反射防止膜1Dの材料は、SiO2またはSiNである。
The material of the
フォトゲート電極PGの直下の領域は、半導体基板1Aと同一の導電型であるP型であって、半導体基板1Aの不純物濃度よりも、高い不純物濃度を有する電界集中領域1Gからなる。電界集中領域1Gは、不純物濃度が半導体基板1Aよりも相対的に高いため、空乏化したときのイオン化不純物密度が高くなることにより、ポテンシャルの勾配、すなわち電界を高くすることが可能であり、この領域に電界が集中する。半導体基板1Aの不純物濃度は相対的に低いため、半導体基板1Aに空乏層が広がる。したがって、フォトゲート電極PG直下の電界集中領域1Gから低濃度の半導体基板1Aへ向かう縦方向には空乏層は広がるが、横方向への広がりは抑制される。詳しくは後述するが、この構造では、電界集中領域1G直下の半導体基板1Aにおいても空乏層が横方向へ広がることを抑制して信号として蓄積されるキャリアを抑制し、また、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することができるため、第1及び第2半導体領域FD1,FD2内へ直接流れ込むキャリアを抑制することができ、クロストークを低減することができる。
A region immediately below the photogate electrode PG is a P-type having the same conductivity type as that of the
電界集中領域1Gは、シリコン基板内にエピタキシャル層又は不純物を拡散又は注入して形成する。電界集中領域1Gの厚みを0.2μm〜3μm、好ましくは1μm〜3μmと薄くすると、低濃度の半導体基板1Aにも電界がかかるようになり、半導体基板1A内に空乏層が広がる。
The electric
第1及び第2半導体領域FD1,FD2の導電型は、半導体基板1Aの導電型とは異なり、第1及び第2半導体領域FD1,FD2は、ウェル領域W1,W2内に形成されており、ウェル領域W1,W2の導電型は、半導体基板1Aと同一の導電型であって、電界集中領域1Gの不純物濃度よりも、高い不純物濃度を有している。
The conductivity types of the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are different from the conductivity type of the
第1及び第2半導体領域FD1,FD2の導電型は、半導体基板1Aとは異なるので、本来であれば、これらはPN接合を構成し、その界面から低濃度の半導体基板に向けて空乏層が広がる。一方、本実施形態の構成の場合、第1及び第2半導体領域FD1,FD2は、ウェル領域W1,W2内に形成されており、ウェル領域W1,W2の不純物濃度は半導体基板1Aよりも十分に高いので、第1及び第2半導体領域FD1,FD2とウェル領域W1,W2との界面から広がる空乏層の厚みは抑制され、かかる空乏層と、フォトゲート電極PGの直下から広がる本来の空乏層とが結合する状態を抑制することができ、上述のようにクロストークを抑制することができる。
Since the conductivity types of the first and second semiconductor regions FD1 and FD2 are different from those of the
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。
The
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。
A
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。
A
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。
A
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。
A
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。
A
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。
A
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。
Each contact electrode is embedded in a contact hole provided in the insulating
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。
The adhesive region AD includes an adhesive layer AD1 made of resin, and bumps 11c, 12c, 13c, 14c, and 15c for connecting each electrode of the back-illuminated
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。
In this distance measuring device, the front surface 1FT of the back-illuminated
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。
A light absorption layer SH made of a black resin is formed on the mount surface M of the
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。
In this back-illuminated
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LD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ゲート電極直TX1,TX2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SPに同期した検出用ゲート信号SL,SR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。
Pulse light L D from the object incident from the light incident surface (back surface) 1BK of the
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SP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。 The ratio of the charge amounts Q1 and Q2 of the carriers accumulated in the first semiconductor region FD1 or the second semiconductor region FD2 to the total charge amount (Q1 + Q2) is the emitted pulse light emitted by applying the drive signal SP to the light source. This corresponds to the phase difference of the detected pulse light that has returned by reflecting the emitted pulse light by the object H.
ゲート電極TX1,TX2への駆動信号(検出用ゲート信号SL,SR)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。
Even if the charge distribution speed is increased by increasing the frequency of the drive signals (detection gate signals S L and S R ) to the gate electrodes TX1 and TX2, it is generated in response to the incidence of near-infrared light. Since the carrier generation region is closer to the surface 1FT on the opposite side of the light incident surface 1BK of the
図6は測距センサの画素の平面図である。 FIG. 6 is a plan view of a pixel of the distance measuring sensor.
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1×1012〜1015cm−3
・ウェル領域W1,W2:厚さ0.5〜3μm/不純物濃度1×1016〜1018cm−3
・半導体領域FD1,FD2:厚さ0.1〜0.4μm/不純物濃度1×1018〜1020cm−3
・ウェル領域W3:厚さ0.5〜3μm/不純物濃度1×1016〜1018cm−3
・電界集中領域1G(図5):厚さ0.2〜3μm/不純物濃度1×1013〜1016cm−3
In the back-illuminated
Well regions W1, W2: thickness 0.5 to 3 μm /
Semiconductor regions FD1, FD2: thickness 0.1 to 0.4 μm /
Well region W3: thickness 0.5 to 3 μm /
Electric
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。
In this example, by using a high resistance substrate (
なお、本例の半導体基板1Aの厚さは20μm、不純物濃度は1×1012cm−3、ウェル領域W1,W2の不純物濃度は1×1017cm−3、半導体領域FD1,FD2の不純物濃度は1×1019cm−3、ウェル領域W3の不純物濃度は1×1017cm−3 、電界集中領域1Gの不純物濃度は1×1015cm−3とする。
In addition, the thickness of the
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。
FIG. 7 is a cross-sectional view in the vicinity of the back gate. Note that the
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。
That is, in order to fix the potential of the
図8は貫通電極近傍の断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view of the vicinity of the through electrode.
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型半導体層からなる可視光励起キャリア再結合領域1Cに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。
In order to fix the potential of the
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。 FIG. 9 is a potential diagram for explaining the carrier accumulation operation.
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φPG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φTX1、ゲート電極TX2の直下の領域のポテンシャルφTX2、半導体領域FD1のポテンシャルφFD1、半導体領域FD2のポテンシャルφFD2が示されている。 At the time of light incidence, the potential φPG in the region immediately below the photogate electrode PG is set slightly higher than the substrate potential. In this potential diagram, the downward direction is the positive direction of the potential. In the figure, the potential φ TX1 in the region immediately below the gate electrode TX1 , the potential φ TX2 in the region immediately below the gate electrode TX2, and the potential φ FD1 in the semiconductor region FD1 are shown. , potential phi FD2 of the semiconductor area FD2 is shown.
検出用ゲート信号SL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。 High potential of the detection gate signal S L is inputted to the gate electrode TX1, the carriers generated immediately under the photo gate electrode PG (electrons e), according to the potential gradient, through a region immediately below the gate electrode PX1 Thus, the charge is accumulated in the potential well of the first semiconductor region FD1, and the charge amount Q1 is accumulated in the potential well.
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。 FIG. 10 is a potential diagram for explaining the carrier accumulation operation.
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φPGは、基板電位よりも若干高く設定されている。 At the time of light incidence, the potential φPG in the region immediately below the photogate electrode PG is set slightly higher than the substrate potential.
検出用ゲート信号SLに続いて、検出用ゲート信号SR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。 Following detection gate signal S L, the high potential of the detection gate signal S R is inputted to the gate electrode TX2, carriers generated immediately under the photo gate electrode PG (electrons e), according to potential gradient Then, it accumulates in the potential well of the second semiconductor region FD2 through the region immediately below the gate electrode PX2, and the charge amount Q2 is accumulated in this potential well.
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。
As described above, the charges Q1 and Q2 accumulated in each potential well are read out to the outside through the
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。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the wavelength (nm) of incident light and the absorption coefficient α.
光の吸収は、I(ある深さでの光強度)、Io(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=Io×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。換言すれば、光の感応領域の厚みt=t1−((−1/α)×ln(I/IO))である。
For light absorption, I (light intensity at a certain depth), I o (light intensity near the semiconductor substrate surface), x (depth from the semiconductor substrate surface), α (light absorption coefficient) are used. , I = I o × exp (−α × x). From this equation, the depth of the Si semiconductor substrate that absorbs half of the light of wavelength = 700 nm is about 3 μm. The thickness t1 of the thin plate portion of the
また、波長800nmのときの光の吸収係数α=1.0×103(cm−1)、波長900nmのときの、光の吸収係数α=2.0×102(cm−1)であり、入射光の63%が吸収される深さ(I/Io=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。 Also, the light absorption coefficient α = 1.0 × 10 3 (cm −1 ) when the wavelength is 800 nm, and the light absorption coefficient α = 2.0 × 10 2 (cm −1 ) when the wavelength is 900 nm. The depth at which 63% of the incident light is absorbed (when I / I o = 1 / e) is 10 μm at a wavelength of 800 nm and 50 μm at a wavelength of 900 nm. Thereby, if the thickness of the semiconductor substrate is 10 to 50 μm, light in the near-infrared band can be sufficiently absorbed.
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。 FIG. 12 is a graph showing a spectrum (solid line) indicating the energy density of sunlight and a spectrum (dotted line) indicating the relative light intensity of the near-infrared light emitting LED.
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。
The spectrum of sunlight has a peak in the visible band (about 500 nm), while the spectrum of a near infrared light emitting LED has a peak at, for example, 870 nm. Therefore, by removing the visible band light with an appropriate visible band cut filter, the pulsed light from the
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。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the depth (μm) from the light incident surface and the light intensity (au).
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。 The thickness of the thin plate portion of the semiconductor substrate of the back-illuminated distance measuring sensor is 15 μm. The light intensity (au) corresponds to the number of electrons generated at that position.
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。 In the front-illuminated distance measuring sensor, if the depletion layer expands to a depth of 10 μm and carriers can be captured, a carrier signal component corresponding to the dotted hatched region R1 is obtained.
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。 On the other hand, in the case of a back-illuminated distance measuring sensor, assuming that carriers are captured in a range of 10 μm, the solid line hatched region R2 is a carrier signal component. If the number of carriers (sensitivity) is simply compared, the back-illuminated distance measuring sensor seems to be inferior to the front-illuminated distance measuring sensor in terms of sensitivity. However, the necessary signal is near-infrared wavelength, and if the substrate concentration, applied voltage, etc. are adjusted and the depletion layer just below the photogate electrode is expanded to the thickness of the substrate, it is higher than the surface incidence type distance measuring sensor Sensitivity is obtained. Furthermore, by expanding the depletion layer, crosstalk with respect to oblique incidence can be reduced.
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。 Also, if the gate electrodes PG, TX1, TX2 are made of metal, or if a metal film is formed on the light incident surface side as polysilicon, the light once transmitted through the semiconductor substrate is reflected by this metal. Light utilization efficiency can be increased. By utilizing reflection, carriers generated in the hatched region R3 can also be captured, so that sensitivity can be improved.
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。 Further, a visible band cut filter may be deposited on the light incident surface side of the semiconductor substrate. The distance measuring sensor described above can be modularized including a light source.
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。 Further, as a result of examining the relationship between the frequency of the drive signal and the measurement distance range, it was found that when the measurement range is a little less than 1 m to 200 m, the operation frequency of the drive signal is appropriately 0.375 MHz to 100 MHz.
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。
Since carrier mobility is a unique value, there is no operating frequency dependency. Further, by changing parameters such as the voltage applied to the gate electrode, the substrate concentration, and the gate oxide film thickness, the charge distribution efficiency (transfer rate) changes. For example, when a high voltage is applied to the gate voltage and the gate oxide film thickness is increased appropriately on a low-concentration (high-resistance) substrate, the effect of a fringing electric field is added in addition to the movement of carriers due to diffusion, and charges are transferred at high speed. It becomes possible to do. By increasing the thickness of the insulating
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。
Note that the above-described photogate electrode PG may be one for each distance measuring sensor, and a plurality of micro distance measuring sensors including a photogate electrode are arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner as pixels. A distance measuring sensor capable of obtaining a distance image may be used. It is also possible to provide a light-shielding film opened only above the photogate electrode on the light incident surface side of the back-illuminated
上記の測距センサにおけるポテンシャル分布のシミュレーションを行った。 The potential distribution in the distance measuring sensor was simulated.
図14は、半導体基板内のポテンシャル分布を示す図であり、図15はフォトゲート電極PG、2ゲート電極TX1,TX2及び半導体領域FD1,FD2直下のポテンシャルを示す。図15の横軸は図14の横軸に一致する。 FIG. 14 is a diagram showing the potential distribution in the semiconductor substrate, and FIG. 15 shows the potential immediately below the photogate electrode PG, the two gate electrodes TX1, TX2, and the semiconductor regions FD1, FD2. The horizontal axis in FIG. 15 corresponds to the horizontal axis in FIG.
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。 2V was applied to the gate electrode TX1, 1V was applied to the photogate electrode PG, and 0V was applied to the gate electrode TX2. The potential immediately below the gate electrodes TX1 and TX2 rises from the region immediately below the photogate electrode PG. By the incidence of near-infrared light to these regions, carriers are efficiently acquired and the potential is significantly higher than the surroundings. Can be transferred into the semiconductor regions FD1 and FD2. The semiconductor regions FD1 and FD2 are N-type semiconductors having a high impurity concentration, and there are positively ionized donors inside, and the potential is high.
1・・・裏面入射型測距センサ、1A・・・・半導体基板、1B・・・撮像領域、1C・・・可視光励起キャリア再結合領域、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、1G・・・電界集中領域。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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、
前記半導体基板の前記光入射面側には、P型半導体層又は欠陥層からなる可視光励起キャリア再結合領域を備えている、
ことを特徴とする裏面入射型測距センサ。 A semiconductor substrate having a light incident surface incident after the near infrared light emitted from the light source is reflected by the object and a surface opposite to the light incident surface;
A photogate electrode provided on the surface;
First and second gate electrodes provided adjacent to the photogate electrode on the surface;
First and second semiconductor regions for reading out carriers flowing from the region immediately below the photogate electrode into the regions immediately below the first and second gate electrodes, respectively;
With
The light incident surface side of the semiconductor substrate is provided with a visible light excited carrier recombination region composed of a P-type semiconductor layer or a defect layer,
A back-illuminated distance measuring sensor.
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、
前記半導体基板の前記光入射面側には、P型半導体層又は欠陥層からなる可視光励起キャリア再結合領域を備えている、
ことを特徴とする裏面入射型測距センサ。 In the back-illuminated distance measuring sensor having a semiconductor substrate having a light incident surface of the near-infrared light emitted from possess an imaging region including a plurality of pixels light source enters after being reflected by the object,
Each of the pixels
A photo gate electrode provided on a surface of the opposite side to the light incident surface of the semiconductor substrate,
First and second gate electrodes provided adjacent to the photogate electrode on the surface;
First and second semiconductor regions for reading out carriers flowing from the region immediately below the photogate electrode into the regions immediately below the first and second gate electrodes, respectively;
With
The light incident surface side of the semiconductor substrate is provided with a visible light excited carrier recombination region composed of a P-type semiconductor layer or a defect layer,
A back-illuminated distance measuring sensor.
−(1/α)×ln(0.5)μm≦t2、
10μm≦t1≦100μm
を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の裏面入射型測距センサ。 When the absorption coefficient of visible light in the semiconductor substrate is α, the thickness of the semiconductor substrate is t1, and the thickness of the visible light excited carrier recombination region is t2, the following relationship:
− (1 / α) × ln (0.5) μm ≦ t2,
10 μm ≦ t1 ≦ 100 μm
The back-illuminated distance measuring sensor according to claim 1 or 2, wherein:
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。 The back-illuminated distance measuring sensor according to any one of claims 1 to 3,
A light source for emitting near-infrared light,
A drive circuit for applying a pulse drive signal to the light source;
A control circuit for providing a detection gate signal in synchronization with the pulse drive signal to the first and second gate electrodes;
From the read signal from said first and second semiconductor regions, and the arithmetic circuit for calculating a distance to the object,
A distance measuring device comprising:
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