JP5270835B2 - 光検出素子、空間情報の検出装置 - Google Patents
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Description
請求項6の発明では、請求項1ないし請求項5のいずれかの発明において、前記廃棄部は、前記電荷分離部および前記光電変換部に隣接して配置され、前記不要電荷に加えて光電変換部の余剰電荷を廃棄することを特徴とする。
請求項7の発明では、請求項1ないし請求項6のいずれかの発明において、前記光電変換部は、前記半導体の主表面に複数個の感度制御電極を備え、各感度制御電極に印加する電圧が制御されることにより、半導体に形成されるポテンシャル井戸の開口面積が変化することを特徴とする。
請求項6の発明の構成によれば、廃棄部を電荷分離部および光電変換部に隣接させて設けているから、電荷分離部の不要電荷および光電変換部の余剰電荷を適宜のタイミングで廃棄することにより、電荷分離部において不要電荷を正確に秤量することが可能になるだけではなく、受光光量に応じて光電変換部で生成された余剰電荷も廃棄して、受光光量の変化を受光出力により正確に反映させることができる。
請求項7の発明の構成によれば、光電変換部において複数個の感度制御電極を設け、感度制御電極に印加する電圧を制御することによってポテンシャル井戸の開口面積を変化させるから、光電変換部において生成される電荷がポテンシャル井戸に集積される際の集積の容易度を変化させることになり、実質的に光電変換部の感度を制御することが可能になる。つまり、感度制御電極に電圧を印加するタイミングと印加する電圧値とを制御すれば、目的とする期間の受光光量に対応する電荷が光電変換部のポテンシャル井戸に容易に集積され、かつ他の期間に生成される電荷がポテンシャル井戸に集積され難くなる制御が可能になる。しかも、目的以外の期間にはポテンシャル井戸の開口面積を小さくすることによって、目的とする期間に集積した電荷をポテンシャル井戸に保持することが可能になる。このような動作により、電荷の集積と保持とを繰り返して光電変換部において電荷を累積させることが可能になる。たとえば、光電変換部に入射する光の強度が周期的に変化する場合には、目的とする位相区間に生成される電荷を周期毎に集積することによって、当該位相区間の受光光量に対応した電荷を積分することが可能になる。
〔構造〕
図1に1個の画素Pxの構成を示す。画素Pxは、図1(b)(c)に示すように、第1導電形(図示例ではp形)の半導体(図示例ではシリコンを想定している)からなる素子形成層11の主表面側に、第2導電形(図示例ではn形)の半導体からなるウェル12を形成し、ウェル12の主表面に絶縁層(たとえば、酸化シリコンあるいは窒化シリコン)13を介して感度制御電極21と分離電極22と蓄積電極23と障壁制御電極24とを配列した構成を有する。また、素子形成層11においてウェル12の範囲内には、第2導電形であって不純物濃度がウェル12よりも高濃度(つまり、n++形)である保持用ウェル14が形成される。保持用ウェル14には接続線26の一端部25がオーミックに接続され、接続線26の他端部には障壁制御電極24が接続される。ただし、接続線の一端部26に電極を設け、当該電極を保持用ウェル14に対して絶縁層13を介して配置してもよい。
以下に、上述した光検出素子の動作を説明する。いま、ウェル12の中の電子を空乏化した状態で光を照射するものとする。ウェル12の中の電子を空乏化するには、オーバーフロードレイン15を通して光電変換部D1および電荷分離部D2に残留する電子を廃棄し、リセットゲート電極28にリセット電圧を印加して保持用ウェル14とリセットドレイン17との間にチャンネルを形成し、電荷保持部D4に残留する電子をリセットドレイン17を通して廃棄する。
以下では、空間情報として撮像空間(つまり、対象空間)に存在する物体までの距離を計測する検出装置に、上述した光検出素子を用いる例を示す。以下に説明する空間情報の検出装置は、図5に示すように、対象空間に投光する発光源2を用いたアクティブ型の検出装置であり、対象空間を上述した光検出素子1により撮像し、光検出素子1の受光出力を信号処理部3に与えて後述する演算を行うことにより、対象空間に存在する物体5までの距離を求める。また、光検出素子1と発光源2との動作のタイミングは制御部4が制御する。また、制御部4は信号処理部3にも演算のタイミングを指示する。
実施形態1では、各画素Pxにおいて、光電変換部D1の側方に1本のオーバーフロードレイン15を配置した構成を採用しているが、オーバーフロードレイン15は、電荷分離部D2で秤量した不要電荷を廃棄する機能のほかに、光電変換部D1の受光光量が増加したときに生じる余剰電荷を廃棄する機能も兼ね備えている。イメージセンサでは、オーバーフロードレイン15により余剰電荷を廃棄しなければ、余剰電荷が他の画素Pxに溢れ出してブルーミングという現象を生じる。
本実施形態は、図8に示すように、ウェル12において分離電極22と障壁制御電極24とに跨る部位であって、分離電極22および障壁制御電極24の長手方向(水平方向Dh)の両端部に一対のスリット領域32を形成したものである。スリット領域32は、n形であるウェル12に対して不純物濃度を高濃度に設定したn+形としてある。スリット領域32はイオン注入などの技術を用いて形成される。
本実施形態は、図10に示すように、ウェル12において保持用ウェル14の直下に、p形のバリア層33を埋め込んでいる。バリア層33を形成したことにより、光照射などによってサブストレート10や素子形成層11の深部で発生した電子が保持用ウェル14に移動するのを阻止することができる。つまり、電荷分離部D2ではない領域からの電子が電荷保持部D4に保持する電子に混入することが防止され、結果的に光電変換部D1で生成された電子の量を正確に反映したポテンシャル障壁を、障壁制御電極24の直下に形成することができる。
本実施形態は、図12に示すように、ウェル12の主表面において、障壁制御電極24と蓄積電極23との間にバッファ電極35を形成したものである。バッファ電極35は、障壁制御電極24の直下よりも電子に対するポテンシャルを低くし、かつ蓄積電極23の直下よりも電子に対するポテンシャルを高くするように一定電圧が印加される。
2 発光源
3 信号処理部
4 制御部
5 物体
10 サブストレート
11 素子形成層
12 ウェル
13 絶縁層
14 保持用ウェル
15 オーバーフロードレイン(廃棄部)
15a,15b オーバーフロードレイン(廃棄部)
16 絶縁層
17 リセットドレイン
21 感度制御電極
22 分離電極
23 蓄積電極
24 障壁制御電極
25 接続線の一端部
26 接続線
27a,27b 電源配線
28 リセットゲート電極
29 転送ゲート電極
30 遮光膜
31 開口窓
32 スリット領域
33 バリア層
34 ポテンシャル調節部
35 バッファ電極
D1 光電変換部
D2 電荷分離部
D3 電荷蓄積部
D4 電荷保持部
Px 画素
Claims (11)
- 半導体の主表面に分離電極と蓄積電極とを障壁制御電極を挟んで配置し、障壁制御電極の直下に形成されるポテンシャル障壁を用いることにより、前記半導体に形成された光電変換部において受光光量に応じて生成された電荷のうちの規定量を不要電荷として秤量し残りの有効電荷を受光出力として取り出す光検出素子であって、分離電極を有し光電変換部で生成された電荷を集積するとともにポテンシャル障壁に応じた一定量の不要電荷を秤量して分離する電荷分離部と、蓄積電極を有し電荷分離部において秤量されポテンシャル障壁を越えて流れ込む有効電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷を保持し保持した電荷量により障壁制御電極に印加する電圧を決める電荷保持部と、電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部と、電荷分離部で秤量された不要電荷を廃棄する廃棄部とを前記半導体に備え、前記障壁制御電極は前記半導体との間に絶縁層を介して配置され、前記光電変換部と前記電荷分離部と前記障壁制御電極と前記電荷蓄積部とは一直線上に配列され、前記電荷保持部は当該直線に交差する方向において前記電荷分離部に隣接して配置され、前記廃棄部は電荷分離部に対して電荷保持部と同じ側で光電変換部に沿って配置されていることを特徴とする光検出素子。
- 前記廃棄部は前記光電変換部に沿う方向において複数個に分割された領域を有し、各領域ごとに異なるタイミングで不要電荷と余剰電荷とを廃棄することを特徴とする請求項1記載の光検出素子。
- 前記半導体において前記分離電極と前記障壁制御電極とに跨る領域であって前記直線に直交する方向の両端部に、当該領域の他の部位と同じ導電形で不純物濃度が高濃度である一対のスリット領域を形成してい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。
- 前記半導体の主表面における前記障壁制御電極と前記蓄積電極との間に、障壁制御電極の直下のポテンシャルと蓄積電極の直下のポテンシャルとの間のポテンシャルとなるように一定電圧が印加されるバッファ電極が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光検出素子。
- 前記半導体内であって前記電荷保持部の直下には半導体の深部から前記電荷保持部への電荷の移動を阻止する導電形のバリア層が埋め込まれていることを特徴とする請求項1記載の光検出素子。
- 前記廃棄部は、前記電荷分離部および前記光電変換部に隣接して配置され、前記不要電荷に加えて光電変換部の余剰電荷を廃棄することを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の光検出素子。
- 前記光電変換部は、前記半導体の主表面に複数個の感度制御電極を備え、各感度制御電極に印加する電圧が制御されることにより、半導体に形成されるポテンシャル井戸の開口面積が変化することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の光検出素子。
- 前記半導体の主表面における前記電荷分離部と前記電荷保持部との間に転送ゲート電極が配置され、転送ゲート電極に印加する電圧の制御により電荷分離部と電荷保持部との間で半導体内にチャンネルを形成したときにチャンネル内で電荷保持部側の端部に向かって電荷が移動するように不純物濃度を調整したポテンシャル調節部を電荷保持部に隣接させて設けたことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の光検出素子。
- 前記光電変換部と前記電荷分離部と前記電荷蓄積部と前記電荷保持部と前記障壁制御電極とを備える領域を1画素として、前記半導体に複数画素を設けていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の光検出素子。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の光検出素子と、空間情報を検出する対象空間に光を間欠的に投光する発光源と、発光源の発光を制御するとともに光検出素子の前記分離電極と前記蓄積電極と廃棄部とに印加する電圧を制御する制御部と、光検出素子の受光出力から空間情報を抽出する信号処理部とを備え、制御部は、発光源が消灯した消灯期間に前記光電変換部が生成した電荷を前記電荷保持部に移動させることにより、電荷保持部に保持した電荷量に応じた高さのポテンシャル障壁を前記障壁制御電極の直下に形成し、次に、発光源が点灯した点灯期間に光電変換部で生成された電荷のうち電荷分離部に集積された後にポテンシャル障壁を越えて前記電荷蓄積部に流入した有効電荷を、前記電荷取出部を通して受光出力として取り出し、消灯期間の前には、電荷分離部の不要電荷を廃棄部を通して廃棄することを特徴とする空間情報の検出装置。
- 前記光電変換部は、前記半導体の主表面に複数個の感度制御電極を備え、前記制御部は、前記発光源の点灯期間において強度を一定周期で変調した光を対象空間に投光するように発光源に変調信号を与え、かつ前記光電変換部において電荷を集積する領域として半導体に形成されるポテンシャル井戸の開口面積を変調信号に同期するタイミングで変化させるように前記感度制御電極のそれぞれに印加する電圧を制御することにより変調信号の特定の位相区間に対応した電荷を集積し、前記信号処理部は、変調信号の複数の位相区間の受光出力を用いて対象空間に存在する物体までの距離を空間情報として求めることを特徴とする請求項10記載の空間情報の検出装置。
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