JP5244076B2 - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

Description

本発明は、距離センサ及び距離画像センサに関する。

従来のアクティブ型の光測距センサは、ＬＥＤ（Light EmittingDiode）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（PositionSensitive 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。

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。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が期待されている。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。

上記ＴＯＦ法による距離画像センサとして、例えば、特許文献１に記載された固体撮像装置が知られている。特許文献１に記載された距離画像センサは、二次元に配列された各画素が、矩形の電荷生成領域と、電荷生成領域の一組の対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられた転送ゲート電極と、転送ゲート電極により転送された信号電荷をそれぞれ蓄積する浮遊ドレイン領域と、電荷生成領域の異なる一組の対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられ、電荷生成領域から背景光電荷を排出する排出ゲート電極と、排出ゲート電極により排出された背景光電荷をそれぞれ受け入れる排出ドレイン領域と、を備えて構成されている。この距離画像センサでは、浮遊ドレイン領域内に振り分けられた電荷量に基づいて、対象物までの距離が演算される。また、電荷生成領域にて生成された背景光電荷が排出されるため、背景光の影響が低減され、ダイナミックレンジが向上する。

上述のような距離画像センサにおいては、高感度化すなわち信号雑音（Ｓ／Ｎ）比の向上が望まれている。そこで、高感度化を実現するための対応の一つとして、電荷生成領域の面積比率（以下、開口率）を高くすることが挙げられる。

国際公開第２００７／０２６７７９号パンフレット

しかしながら、上記特許文献１に記載の距離画像センサにおいては、電荷生成領域を囲うように転送ゲート電極及び排出ゲート電極が配置されているため、開口率の向上を図るべく受光ゲート電極を拡大した場合には、転送ゲート電極と受光ゲート電極の中心、又は排出ゲート電極と受光ゲート電極の中心との間の距離が大きくなり、高速転送が困難になるといった問題が生じる。

本発明は、上記課題解決のためになされたものであり、開口率の向上を図ることができ、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる距離センサ及び距離画像センサを提供することを目的とする。

上記課題解決を解決するために、本発明に係る距離センサは、入射光に応じて電荷を発生し、且つその平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する光感応領域と、第１及び第２長辺の対向方向で光感応領域を挟んで対向して配置され、光感応領域からの信号電荷を収集する少なくとも二対の信号電荷収集領域と、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、信号電荷収集領域と記光感応領域との間にそれぞれ設けられた転送電極と、第１及び第２長辺の対向方向で光感応領域を挟んで対向し且つ第１及び第２短辺の対向方向において信号電荷収集領域の間に配置され、光感応領域からの不要電荷を収集する不要電荷収集領域と、不要電荷収集領域と光感応領域との間にそれぞれ設けられ、光感応領域から不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を備えることを特徴とする。

この距離センサでは、第１及び第２長辺の対向方向において光感応領域を挟んで対向する信号電荷収集領域が少なくとも二対配置され、この信号電荷収集領域と光感応領域との間に転送電極がそれぞれ設けられている。また、第１及び第２長辺の対向方向で光感応領域を挟んで対向し且つ第１及び第２短辺の対向方向において信号電荷収集領域の間に不要電荷収集領域が配置され、この不要電荷収集領域と光感応領域との間にそれぞれ不要電荷収集ゲート電極が設けられている。このような配置により、光感応領域で発生した信号電荷及び不要電荷は、転送電極及び不要電荷収集ゲート電極により第１及び第２長辺の対向方向に転送される。そのため、光感応領域を第１及び第２短辺の対向方向に拡大して形成した場合であっても、第１及び第２長辺の対向方向の距離は一定に保たれるので、転送電極及び不要電荷収集ゲート電極における電荷の転送速度を十分に確保することができる。従って、転送速度を確保しつつ、開口率の向上を図ることができる。その結果、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることが可能となる。

また、転送電極の第１及び第２長辺方向の長さ寸法は、不要電荷収集ゲート電極の第１及び第２長辺方向の長さ寸法よりも大きくしてもよい。このように、転送電極の第１及び第２長辺方向の長さ寸法、すなわち転送電極のゲート幅を不要電荷収集ゲート電極のゲート幅よりも長くすることにより、転送電極における信号電荷の転送速度の向上を図ることができる。

また、転送電極は、異なる位相の電荷転送信号が与えられる複数の第１転送電極及び複数の第２転送電極を有し、複数の第１転送電極は、光感応領域の第１長辺側において第１長辺に沿って複数の信号電荷収集領域と光感応領域との間に配置され、複数の第２転送電極は、光感応領域の第１長辺に対向する第２長辺側において第２長辺に沿って複数の信号電荷収集領域と光感応領域との間に配置されてもよい。

また、転送電極は、異なる位相の電荷転送信号が与えられる複数の第１転送電極及び複数の第２転送電極を有し、複数の第１転送電極は、第１及び第２長辺の対向方向で光感応領域を挟んで複数の信号電荷収集領域と光感応領域との間に配置され、複数の第２転送電極は、第１及び第２長辺の対向方向で光感応領域を挟んで複数の信号電荷収集領域と光感応領域との間に配置されてもよい。

また、転送電極は、異なる位相の電荷転送信号が与えられる複数の第１転送電極及び複数の第２転送電極を有し、複数の第１転送電極と複数の第２転送電極とは、第１及び第２長辺の対向方向において光感応領域を挟んで複数の信号電荷収集領域と光感応領域との間に配置されてもよい。

また、本発明に係る距離画像センサは、一次元又は二次元に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、１つのユニットは、上記距離センサであることを特徴とする。本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサを備えることで、開口率の向上を図ることができ、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる。

本発明によれば、開口率の向上を図ることができ、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。 図１におけるII−II線に沿った断面構成を示す図である。 図１におけるIII−III線に沿った断面構成を示す図である。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 半導体基板の第２主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 各種信号のタイミングチャートである。 撮像デバイスの全体の断面図である。 各種信号のタイミングチャートである。 距離画像測定装置の全体構成を示す図である。 変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素を示す概略平面図である。 変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素を示す概略平面図である。 変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素を示す概略平面図である。 変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素を示す概略平面図である。 変形例に係る各種信号のタイミングチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、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、本発明の一実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の概略平面図である。図２は、撮像領域のII−II線に沿った断面構成を示す図であり、図３は、撮像領域のIII−III線に沿った断面構成を示す図である。

距離画像センサＲＳは、互いに対向する第１及び第２主面１ａ，１ｂを有する半導体基板１を備えている。半導体基板１は、第１主面１ａ側に位置するｐ型の第１半導体領域３と、第１半導体領域３よりも不純物濃度が低く且つ第２主面１ｂ側に位置するｐ⁻型の第２半導体領域５と、からなる。半導体基板１は、例えば、ｐ型の半導体基板上に、当該半導体基板よりも不純物濃度が低いｐ⁻型のエピタキシャル層を成長させることにより得ることができる。半導体基板１の第２主面１ｂ（第２半導体領域５）上には、絶縁層７が形成されている。

絶縁層７上には、複数のフォトゲート電極ＰＧが、空間的に離間して一次元状に配置されている。フォトゲート電極ＰＧは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、長方形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、フォトゲート電極ＰＧの配置方向と平行で且つ互いに対向する第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２と、第１及び第２の長辺Ｌ１，Ｌ２に直交し且つ互いに対向する第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２とを有する平面形状を有している。半導体基板１（第２半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（図２及び図３において、フォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域）は、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域（光感応領域）として機能する。

第２半導体領域５には、フォトゲート電極ＰＧの配置方向に直交する方向にフォトゲート電極から離れて位置する領域それぞれに、不純物濃度が高いｎ型の第３半導体領域（信号電荷収集領域）９ａ，９ｂが対向して形成されている。すなわち、第３半導体領域９ａ，９ｂは、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向でフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向して配置されている。本実施形態では、第３半導体領域９ａ，９ｂは、二対形成されている。第３半導体領域９ａは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち当該フォトゲート電極ＰＧの配置方向に平行な第１長辺Ｌ１側でこの第１長辺Ｌ１に沿って配置され、第３半導体領域９ｂは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち第３半導体領域９ａが配置された第１長辺Ｌ１に対向する第２長辺Ｌ２側でこの第２長辺Ｌ２に沿って配置されている。第３半導体領域９ａ，９ｂは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第３半導体領域９ａ，９ｂは、正方形状を呈している。

第２半導体領域５には、フォトゲート電極ＰＧの配置方向に直交する方向にフォトゲート電極から離れて位置する領域それぞれに、不純物濃度が高いｎ型の第４半導体領域（不要電荷収集領域）１１ａ，１１ｂが形成されている。第４半導体領域１１ａは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち当該フォトゲート電極ＰＧの配置方向に平行な第１長辺Ｌ１側において第３半導体領域９ａ，９ａの間に配置され、第４半導体領域１１ｂは、フォトゲート電極ＰＧの四辺のうち第４半導体領域１１ａが配置された側の第１長辺Ｌ１に対向する第２長辺Ｌ２側において第３半導体領域９ｂ，９ｂの間に配置されている。第４半導体領域１１ａ，１１ｂは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第４半導体領域１１ａ，１１ｂは、正方形状を呈している。

本実施形態では、「不純物濃度が高い」とは例えば不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示す。一方、「不純物濃度が低い」とは例えば１０×１０^１５ｃｍ^−３程度以下のことであって、「−」を導電型に付けて示す。

各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
第１半導体領域３：厚さ１０〜１０００μｍ／不純物濃度１×１０^１２〜１０^１９ｃｍ^−３
第２半導体領域５：厚さ１〜５０μｍ／不純物濃度１×１０^１２〜１０^１５ｃｍ^−３
第３半導体領域９ａ，９ｂ及び第４半導体領域１１ａ，１１ｂ：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３

半導体基板１（第１及び第２半導体領域３，５）には、バックゲート又は貫通電極などを介してグランド電位などの基準電位が与えられる。

絶縁層７上には、各フォトゲート電極ＰＧに対応して、第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２がそれぞれ配置されている。本実施形態では、第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２とは、それぞれ６つ配置されている。第１転送電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧの配置方向に平行な第１長辺Ｌ１側において第１長辺Ｌ１に沿ってフォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域９ａとの間に位置し、フォトゲート電極ＰＧから離れて配置されている。第２転送電極ＴＸ２は、第１長辺Ｌ１に対向する第２長辺Ｌ２側において第２長辺Ｌ２に沿ってフォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域９ｂとの間に位置し、フォトゲート電極ＰＧから離れて配置されている。第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２とは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２とは、フォトゲート電極ＰＧの配置方向を長辺方向とする長方形状を呈している。

絶縁層７上には、第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２との間に、不要電荷収集ゲート電極として機能する第３転送電極ＴＸ３がそれぞれ配置されている。本実施形態では、第３転送電極ＴＸ３は、６つ配置されている。第３転送電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧと第４半導体領域１１ａ，１１ｂとの間に位置し、フォトゲート電極ＰＧから離れて配置されている。すなわち、第３転送電極ＴＸ３は、第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向において、第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２との間に配置されている。第３転送電極ＴＸ３は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第３転送電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧの配置方向を長辺方向とする長方形状を呈しており、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２と同形状を成している。

本実施形態では、一つのフォトゲート電極ＰＧ、半導体基板１におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（光感応領域）、二対の第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２、二対の第３半導体領域９ａ，９ｂ、一対の第３転送電極ＴＸ３、及び、一対の第４半導体領域１１ａ，１１ｂが、距離画像センサＲＳにおける一つの画素（距離センサ）を構成している。

絶縁層７には、第１半導体領域３の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第３半導体領域９ａ，９ｂ及び第４半導体領域１１ａ，１１ｂを外部に接続するための導体１３が配置される。

半導体基板はＳｉからなり、絶縁層７はＳｉＯ_２からなり、フォトゲート電極ＰＧ及び第１〜３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３はポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。

第３半導体領域９ａ，９ｂは、光の入射に応じて半導体基板１における光感応領域で発生した信号電荷を収集するものである。第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号の位相と第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号の位相とは、１８０度ずれている。１つの画素に入射した光は、半導体基板１（第２半導体領域５）内において電荷に変換され、このようにして発生した電荷のうち一部の電荷が、信号電荷として、フォトゲート電極ＰＧ並びに第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第１転送電極ＴＸ１又は第２転送電極ＴＸ２の方向、すなわちフォトゲート電極ＰＧの第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２に平行な方向に走行する。

第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、正電位を与えると、第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１（第２半導体領域５）のポテンシャルより電子に対して低くなり、負の電荷（電子）は、第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第３半導体領域９ａ又は第３半導体領域９ｂによって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、上記正電位よりも低い電位（グランド電位）を与えると、第１又は第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じ、半導体基板１で発生した電荷は、第３半導体領域９ａ又は第３半導体領域９ｂには引き込まれない。

第４半導体領域１１ａ，１１ｂは、光の入射に応じて半導体基板１における光感応領域で発生した不要電荷を収集するものである。１つの画素に入射した光は、半導体基板１（第２半導体領域５）内で発生した電荷のうち一部の電荷が、不要電荷として、フォトゲート電極ＰＧ及び第３転送電極ＴＸ３に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第３転送電極ＴＸ３の方向に走行する。

第３転送電極ＴＸ３に、正電位を与えると、第３転送電極ＴＸ３によるゲートの下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１（第２半導体領域５）のポテンシャルより電子に対して低くなり、負の電荷（電子）は、第３転送電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、第４半導体領域１１ａ，１１ｂによって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第３転送電極ＴＸ３に、上記正電位よりも低い電位（グランド電位）を与えると、第３転送電極ＴＸ３によるポテンシャル障壁が生じ、半導体基板１で発生した電荷は、第４半導体領域１１ａ，１１ｂ内には引き込まれない。

図４は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１の第２主面１ｂ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図５は、不要電荷の排出動作を説明するための、半導体基板１の第２主面１ｂ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図４及び図５では、下向きがポテンシャルの正方向である。図４において、（ａ）及び（ｂ）は、図２の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｃ）は、図３の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。図５において、（ａ）は、図２の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示し、（ｂ）は、図３の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。

図４及び図５には、第１転送電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ１、第２転送電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ２、第３転送電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３、フォトゲート電極ＰＧ直下の光感応領域のポテンシャルφ_ＰＧ、第３半導体領域９ａのポテンシャルφ_ＦＤ１、第３半導体領域９ｂのポテンシャルφ_ＦＤ２、第４半導体領域１１ａのポテンシャルφ_ＯＦＤ１、第４半導体領域１１ｂのポテンシャルφ_ＯＦＤ２が示されている。

フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（光感応領域）のポテンシャルφ_ＰＧは、無バイアス時における隣接する第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３直下の領域のポテンシャル（φ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２，φ_ＴＸ３）を基準電位とすると、この基準電位よりも高く設定されている。この光感応領域のポテンシャルφ_ＰＧはポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２，φ_ＴＸ３よりも高くなり、この領域のポテンシャル分布は図面の下向きに凹んだ形状となる。

図４を参照して、信号電荷の蓄積動作を説明する。

第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第１転送電極ＴＸ１には正の電位が与えられ、第２転送電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図４（ａ）に示されるように、光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第１転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１が下がることにより、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内に流れ込む。

一方、第２転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ２は下がらず、第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。第３半導体領域９ａ，９ｂでは、ｎ型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが凹んでいる。

第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号の位相が０度のとき、第２転送電極ＴＸ２には正の電位が与えられ、第１転送電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、図４（ｂ）に示されるように、光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第２転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ２が下がることにより、第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸内に流れ込む。一方、第１転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１は下がらず、第３半導体領域９ａのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第３半導体領域９ｂのポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。

第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に位相が１８０度ずれた電荷転送信号が印加されている間、第３転送電極ＴＸ３にはグランド電位が与えられている。このため、図４（ｃ）に示されるように、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ３は下がらず、第４半導体領域１１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。

以上により、信号電荷が第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷は、外部に読み出される。

図５を参照して、不要電荷の排出動作を説明する。

第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２には、グランド電位が与えられている。このため、図５（ａ）に示されるように、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２は下がらず、第３半導体領域９ａ，９ｂのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。一方、第３転送電極ＴＸ３には正の電位が与えられる。この場合、図５（ｂ）に示されるように、光感応領域で発生した負の電荷ｅは、第３転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ３が下がることにより、第４半導体領域１１ａ，１１ｂのポテンシャル井戸内に流れ込む。以上により、不要電荷が第４半導体領域１１ａ，１１ｂのポテンシャル井戸に収集される。第４半導体領域１１ａ，１１ｂのポテンシャル井戸に収集された不要電荷は、外部に排出される。

図６は、各種信号のタイミングチャートである。

後述の光源の駆動信号Ｓ_Ｄ、光源が対象物に当たって撮像領域まで戻ってきたときの反射光の強度信号Ｌ_Ｐ、第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号Ｓ_１、及び、第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号Ｓ_２が示されている。電荷転送信号Ｓ_１は、駆動信号Ｓ_Ｄに同期しているので、反射光の強度信号Ｌ_Ｐの電荷転送信号Ｓ_１に対する位相が、光の飛行時間であり、これはセンサから対象物までの距離を示している。反射光の強度信号Ｌ_Ｐと第１転送電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号Ｓ_１の重なり合った部分が第３半導体領域９ａで収集される電荷量Ｑ_１に当たり、反射光の強度信号Ｌ_Ｐと第２転送電極ＴＸ２に印加される電荷転送信号Ｓ_２の重なり合った部分が第３半導体領域９ｂで収集される電荷量Ｑ_２に当たる。ここでは、各電荷転送信号Ｓ_１，Ｓ_２の印加時に、第３半導体領域９ａ，９ｂで収集された電荷量Ｑ_１，Ｑ_２の比率を用いて、距離ｄを演算する。すなわち、駆動信号の１つのパルス幅をＴ_Ｐとすると、距離ｄ＝（ｃ／２）×（Ｔ_Ｐ×Ｑ_２／（Ｑ_１＋Ｑ_２））で与えられる。なお、ｃは光速である。

図７は、撮像デバイスの全体の断面図である。

撮像デバイスＩＭは、距離画像センサＲＳと、配線基板ＷＢと、を備えている。距離画像センサＲＳは、裏面照射型の距離画像センサである。距離画像センサＲＳは、その中央部が周辺部と比較して薄化されており、薄化された領域が撮像領域となり、対象物からの反射光が入射する。距離画像センサＲＳでは、電荷発生部の光入射側に電極が存在しないので、Ｓ／Ｎ比の高い距離出力及び距離画像を得ることができる。

距離画像センサＲＳは、半導体基板１の第２主面１ｂ側を配線基板ＷＢに対向させた状態で、多層配線基板Ｍ１と接着剤ＦＬとを介して配線基板ＷＢに貼り付けられている。多層配線基板Ｍ１の内部には、各半導体領域９ａ，９ｂ，１１ａ，１１ｂ、各転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３、及びフォトゲート電極ＰＧ等にそれぞれ電気的に接続された貫通電極（不図示）が設けられている。貫通電極は、配線基板ＷＢと多層配線基板Ｍ１との間に介在するバンプ電極（不図示）を介して、配線基板ＷＢの貫通電極（不図示）に接続されており、配線基板ＷＢの貫通電極は配線基板ＷＢの裏面に露出している。配線基板ＷＢを構成する絶縁基板における接着剤ＦＬとの界面側の表面には、遮光層（不図示）が形成されており、距離画像センサＲＳを透過した光の配線基板ＷＢへの入射を抑制している。

図８は、実際の各種信号のタイミングチャートである。

１フレームの期間Ｔ_Ｆは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔ_ａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔ_ｒｏと、からなる。１つの画素に着目すると、蓄積期間Ｔ_ａｃｃにおいて、複数のパルスを有する駆動信号Ｓ_Ｄが光源に印加され、これに同期して、電荷転送信号Ｓ_１，Ｓ_２が互いに逆位相で第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。なお、距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第３半導体領域９ａ，９ｂに印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、複数の駆動振動パルスが逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われ、第３半導体領域９ａ，９ｂ内に信号電荷が積算して蓄積される。

その後、読み出し期間Ｔ_ｒｏにおいて、第３半導体領域９ａ，９ｂ内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第３転送電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ_３がＯＮして、第３転送電極ＴＸ３に正の電位が与えられ、不要電荷が第４半導体領域１１ａ，１１ｂのポテンシャル井戸に収集される。

図９は、距離画像測定装置の全体構成を示す図である。

対象物ＯＪまでの距離ｄは、距離画像測定装置によって測定される。上述のように、ＬＥＤなどの光源ＬＳには、駆動信号Ｓ_Ｄが印加され、対象物ＯＪで反射された反射光像の強度信号Ｌ_Ｐが距離画像センサＲＳの光感応領域に入射する。距離画像センサＲＳからは、画素毎に、電荷転送信号Ｓ_１，Ｓ_２に同期して収集された電荷量Ｑ_１，Ｑ_２が出力され、これは駆動信号Ｓ_Ｄに同期して演算回路ＡＲＴに入力される。演算回路ＡＲＴでは、上述のように画素毎に距離ｄを演算し、演算結果を制御部ＣＯＮＴに転送する。制御部ＣＯＮＴは、光源ＬＳを駆動する駆動回路ＤＲＶを制御すると共に、電荷転送信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３を出力し、演算回路ＡＲＴから入力された演算結果を表示器ＤＳＰに表示する。

以上説明したように、距離画像センサＲＳでは、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向においてフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向する第３半導体領域９ａ，９ｂが二対配置され、この第３半導体領域９ａ，９ｂとフォトゲート電極ＰＧとの間に第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２がそれぞれ設けられている。また、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向でフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向し且つ第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向において第３半導体領域９ａ，９ｂの間に第４半導体領域１１ａ，１１ｂが配置され、この第４半導体領域１１ａ，１１ｂとフォトゲート電極ＰＧとの間にそれぞれ第３転送電極ＴＸ３が設けられている。

このような配置により、光感応領域で発生した信号電荷及び不要電荷は、第１〜第３転送電ＴＸ１〜ＴＸ３により第１及び第２長辺Ｌ１、Ｌ２の対向方向に転送される。そのため、光感応領域（フォトゲート電極ＰＧ）を第１及び第２短辺Ｓ１，Ｓ２の対向方向に拡大して形成した場合であっても、第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２の対向方向の距離は一定に保たれるので、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３における電荷の転送速度を十分に確保することができる。従って、転送速度を確保しつつ、開口率の向上を図ることができる。その結果、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、第１長辺Ｌ１側において第１長辺Ｌ１に沿って第１転送電極ＴＸ１が配置されており、第１長辺Ｌ１に対向する第２長辺Ｌ２側において第２長辺Ｌ２に沿って第２転送電極ＴＸ２が配置されているが、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、図１０に示すように配置されてもよい。

図１０は、変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素を示す概略平面図である。同図に示すように、画素（距離センサ）Ｇ１では、第３半導体領域９ａ，９ｂとフォトゲート電極ＰＧとの間に第１転送電極ＴＸ１がフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向して配置されていると共に、第３半導体領域９ａ，９ｂとフォトゲート電極ＰＧとの間に第２転送電極ＴＸ２がフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向して配置されている。このような構成の画素Ｇ１を備える距離画像センサであっても、上記の距離画像センサＲＳと同様の作用・効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、一つのフォトゲート電極ＰＧ、半導体基板１におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する光感応領域、二対の第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２、二対の第３半導体領域９ａ，９ｂ、一対の第３転送電極ＴＸ３、及び、一対の第４半導体領域１１ａ，１１ｂが、距離画像センサＲＳにおける一つの画素を構成しているが、画素は図１１に示すような構成であってもよい。

図１１は、変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素を示す概略平面図である。同図に示すように、画素Ｇ２は、一つのフォトゲート電極ＰＧ、フォトゲート電極ＰＧに対応する光感応領域、三対の第１転送電極ＴＸ１及び第２転送電極ＴＸ２、三対の第３半導体領域９ａ，９ｂ、二対の第３転送電極ＴＸ３、及び、二対の第４半導体領域１１ａ，１１ｂによって構成されている。第１転送電極ＴＸ１は、第１長辺Ｌ１側において第１長辺Ｌ１に沿って第３半導体領域９ａとフォトゲート電極ＰＧとの間に配置され、第２転送電極ＴＸ２は、第１長辺Ｌ１に対向する第２長辺Ｌ２側において第２長辺Ｌ２に沿って第３半導体領域９ａとフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。そして、第１転送電極ＴＸ１の間に第３転送電極ＴＸ３が配置され、第２転送電極ＴＸ２の間に第３転送電極ＴＸ３が配置されている。このような構成の画素Ｇ２を備える距離画像センサであっても、上記の距離画像センサＲＳと同様の作用・効果を得ることができる。

また、図１１の構成において、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、図１２に示すような配置であってもよい。すなわち、図１２に示すように、画素Ｇ３では、第１長辺Ｌ１側において第１長辺Ｌ１に沿って、第１転送電極ＴＸ１、第２転送電極ＴＸ２、第１転送電極ＴＸ１がこの順に配置されている。そして、第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２との間に、第３転送電極ＴＸ３が配置されている。また、画素Ｇ３では、第２長辺Ｌ２側において第２長辺Ｌ２に沿って、第２転送電極ＴＸ２、第１転送電極ＴＸ１、第２転送電極ＴＸ２がこの順に配置されている。そして、第１転送電極ＴＸ１と第２転送電極ＴＸ２との間に、第３転送電極ＴＸ３が配置されている。このような構成の画素Ｇ３を備える距離画像センサであっても、上記の距離画像センサＲＳと同様の作用・効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３の第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２方向の長さ寸法が全て同等（第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３が同形状）となっているが、例えば図１３に示すような構成であってもよい。

図１３は、変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素を示す概略平面図である。同図に示すように、画素Ｇ４では、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２方向の長さ寸法、すなわちゲート幅Ｄ１が、第３転送電極ＴＸ３の第１及び第２長辺Ｌ１，Ｌ２方向のゲート幅Ｄ２よりも大きくなっている。この場合には、第１及び第２転送電極ＴＸ１，ＴＸ２における信号電荷の転送速度の向上を図ることができる。

図１４は、変形例に係る各種信号のタイミングチャートである。

本変形例では、駆動信号Ｓ_Ｄに関し、上記実施形態に比して、デューティ比（単位時間に対するＯＮ時間）が大きくされている。これにより、光源ＬＳ（図９参照）の駆動パワーが増加し、Ｓ／Ｎ比がより一層向上する。本変形例では、駆動信号Ｓ_Ｄの一つのパルス毎に、第１〜第３転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３の一つのパルスをそれぞれ発生させており、光源ＬＳの駆動パワーを増加させた場合でも、不要電荷を排出して、距離検出精度を向上することができる。もちろん、開口率も改善される。

なお、上記実施形態では、複数のフォトゲート電極ＰＧが空間的に離間して一次元状に配置、つまり画素が一次元状に配置されている様態を示したが、もちろん二次元状に配置されてもよい。

９ａ，９ｂ…第３半導体領域（信号電荷収集領域）、１１ａ，１１ｂ…第４半導体領域（不要電荷収集領域）、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…画素（距離センサ）、Ｌ１…第１長辺、Ｌ２…第２長辺、ＲＳ…距離画像センサ、Ｓ１…第１短辺、Ｓ２…第２短辺、Ｓ_１、Ｓ_２…電荷転送信号、ＴＸ１…第１転送電極、ＴＸ２…第２転送電極、ＴＸ３…第３転送電極（不要電荷収集ゲート電極）。

Claims (6)

1. 入射光に応じて電荷を発生し、且つその平面形状が互いに対向する第１及び第２長辺と互いに対向する第１及び第２短辺とを有する光感応領域と、
   前記第１及び第２長辺の対向方向で前記光感応領域を挟んで対向して配置され、前記光感応領域からの信号電荷を収集する少なくとも二対の信号電荷収集領域と、
   異なる位相の電荷転送信号が与えられ、前記信号電荷収集領域と前記光感応領域との間にそれぞれ設けられた転送電極と、
   前記第１及び第２長辺の対向方向で前記光感応領域を挟んで対向し且つ前記第１及び第２短辺の対向方向において前記信号電荷収集領域の間に配置され、前記光感応領域からの不要電荷を収集する不要電荷収集領域と、
   前記不要電荷収集領域と前記光感応領域との間にそれぞれ設けられ、前記光感応領域から前記不要電荷収集領域への不要電荷の流れの遮断及び開放を選択的に行う不要電荷収集ゲート電極と、を備えることを特徴とする距離センサ。
2. 前記転送電極の前記第１及び第２長辺方向の長さ寸法は、前記不要電荷収集ゲート電極の前記第１及び第２長辺方向の長さ寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の距離センサ。
3. 前記転送電極は、異なる位相の電荷転送信号が与えられる複数の第１転送電極及び複数の第２転送電極を有し、
   前記複数の第１転送電極は、前記光感応領域の前記第１長辺側において該第１長辺に沿って前記複数の信号電荷収集領域と前記光感応領域との間に配置され、
   前記複数の第２転送電極は、前記光感応領域の前記第１長辺に対向する前記第２長辺側において該第２長辺に沿って前記複数の信号電荷収集領域と前記光感応領域との間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の距離センサ。
4. 前記転送電極は、異なる位相の電荷転送信号が与えられる複数の第１転送電極及び複数の第２転送電極を有し、
   前記複数の第１転送電極は、前記第１及び第２長辺の対向方向で前記光感応領域を挟んで前記複数の信号電荷収集領域と前記光感応領域との間に配置され、
   前記複数の第２転送電極は、前記第１及び第２長辺の対向方向で前記光感応領域を挟んで前記複数の信号電荷収集領域と前記光感応領域との間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の距離センサ。
5. 前記転送電極は、異なる位相の電荷転送信号が与えられる複数の第１転送電極及び複数の第２転送電極を有し、
   前記複数の第１転送電極と前記複数の第２転送電極とは、前記第１及び第２長辺の対向方向において前記光感応領域を挟んで前記複数の信号電荷収集領域と前記光感応領域との間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の距離センサ。
6. 一次元又は二次元に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、前記ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、
   １つの前記ユニットは、請求項１〜５のいずれか一項記載の距離センサであることを特徴とする距離画像センサ。
   

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