JP5483689B2 - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

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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。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。
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、電荷の振り分け方式としては種々のものが考えられる。
特許文献１には、電荷の振り分け方式の距離センサ（距離画像センサ）として、半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられ、平面形状が互いに対向する２辺を有するフォトゲート電極と、当該表面上においてフォトゲート電極の２辺に隣接してそれぞれ設けられた複数の転送電極と、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域から各転送電極の直下の領域に流れ込む電荷をそれぞれ蓄積する複数の半導体領域と、を備えたものが開示されている。
特許文献２には、同じく電荷の振り分け方式の距離センサ（距離画像センサ）として、半導体基板と、半導体基板上に絶縁体を介して設けられた矩形状の電極と、電極の対向する２辺に隣接して電極上に設けられた４つの電極接点と、電極の上記２辺に隣接し、半導体基板とは異なる導電型を有し且つ電極の直下の領域から流れ込む電荷をそれぞれ蓄積する４つの電荷収集拡散領域と、を備えたものが開示されている。
特表２００７−５２６４４８号公報 特表２００５−５３０１７１号公報
フォトゲート電極の直下の領域から広がる空乏層と、各半導体領域から拡がる空乏層とが結合すると、光の入射により生じた電荷が各半導体領域に直接流れ込み、クロストークが生じる懼れがある。クロストークを抑制するため、各半導体領域と重複するように、半導体基板の導電型と同一の導電型であって、半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するウェル領域を設けることが考えられる。この場合、半導体領域とウェル領域との界面から広がる空乏層の厚みが抑制され、当該空乏層と、フォトゲート電極の直下の領域から広がる空乏層とが結合する状態を抑制することができ、クロストークを抑制することができる。
ところで、半導体領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが、転送電極（半導体領域）の対向方向（電荷がフォトゲート電極の直下の領域から半導体領域に流れ込む方向）で位置ずれしていると、半導体領域とウェル領域との相対位置が上記対向方向にずれてしまい、半導体領域とウェル領域とが重複している領域（以下、単に「重複領域」と称することもある）の上記対向方向での幅が異なってしまう。この場合、半導体領域とウェル領域とが重複している領域の対向方向での幅が広がると、当該半導体領域に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分が形成され、電荷の流れに支障が生じる。すなわち、一方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜と他方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜とが異なり、各半導体領域に生じる蓄積容量に差が生じて、各転送電極に与えられる電荷転送信号に対して感度のずれが生じてしまう。すなわち、電荷を複数の半導体領域に適切に振り分けることが不可能となってしまう。
電荷の振り分け方式の距離センサ（距離画像センサ）では、上述したように、振り分けられた電荷量の比率に基づいてセンサに入射したパルス光の時間遅れを検出するため、電荷が各半導体領域に適切に振り分けられていないと、検出する時間遅れに誤差が生じることとなる。
本発明は、各半導体領域とウェル領域とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を各半導体領域に適切に振り分けることが可能な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。
本発明に係る距離センサは、半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられ、平面形状が互いに対向する第１辺及び第２辺を有するフォトゲート電極と、フォトゲート電極の第１辺側において該第１辺に沿って互いに空間的に離間して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第１及び第２半導体領域と、フォトゲート電極の第２辺側において該第２辺に沿って互いに空間的に離間し且つ第１辺及び第２辺の対向方向でフォトゲート電極を挟んで第１及び第２半導体領域と対向して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第３及び第４半導体領域と、半導体基板の導電型と同一の導電型であって、半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有し且つ第１〜第４半導体領域それぞれと重複するように設けられたウェル領域と、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、表面上において第１及び第３半導体領域とフォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第１転送電極並びに表面上において第２及び第４半導体領域とフォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第２転送電極と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る距離センサでは、フォトゲート電極の第１辺側には第１及び第２半導体領域が配置され、フォトゲート電極と第１半導体領域との間には第１転送電極が設けられ、フォトゲート電極と第２半導体領域との間には第１転送電極とは異なる位相の電荷転送信号が与えられる第２転送電極が設けられている。また、フォトゲート電極の第２辺側には第３及び第４半導体領域が配置され、フォトゲート電極と第３半導体領域との間には上記第１転送電極が設けられ、フォトゲート電極と第４半導体領域との間には上記第２転送電極が設けられている。
第１〜第４半導体領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが上記対向方向で位置ずれしている場合、上述したように、第１〜第４半導体領域とウェル領域との重複領域の上記対向方向での幅が異なってしまう。本発明では、フォトゲート電極の第１辺側及び第２辺側に、第１転送電極により電荷が送られる第１半導体領域と第３半導体領域とが配置されているので、第１半導体領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅が狭くなると、第３半導体領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅は広くなる。逆に、第１半導体領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅が広くなると、第３半導体領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅は狭くなる。このため、各第１転送電極に同期した電荷転送信号が与えられ、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷が第１及び第３半導体領域に転送される際に、第１及び第３半導体領域のうち一方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜の平坦な部分が形成された場合でも、他方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜には平坦な部分は形成されず、当該他方の半導体領域への電荷の転送に支障が生じることはない。
また、本発明では、フォトゲート電極の第１辺側及び第２辺側に、第２転送電極により電荷が送られる第２半導体領域と第４半導体領域とが配置されているので、各第２転送電極に同期した電荷転送信号が与えられ、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷が第２及び第４半導体領域に転送される際に、第２及び第４半導体領域のうち一方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜の平坦な部分が形成された場合でも、他方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜には平坦な部分は形成されず、当該他方の半導体領域への電荷の転送に支障が生じることはない。
以上のことから、第１〜第４半導体領域とウェル領域とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を、第１及び第３半導体領域と、第２及び第４半導体領域と、に適切に振り分けることができる。この結果、第１及び第３半導体領域に蓄積された電荷量と、第２及び第４半導体領域に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。
特許文献２に記載された距離センサでは、矩形状の電極の対向する２辺それぞれに対して、２つの電荷収集拡散領域が設けられている。しかしながら、特許文献２に記載された距離センサでは、４つの電荷収集拡散領域には、それぞれ位相が異なる電圧信号が与えられるため、４つの電荷収集拡散領域それぞれに蓄積されたがマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなる。したがって、特許文献２に記載された距離センサでは、本発明が着目した上記問題点を解決することはできない。
本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサと、光源と、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転送電極に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、第１〜第４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。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、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
本発明では、フォトゲート電極の第１辺側において該第１辺に沿って第１及び第２半導体領域と空間的に離間して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第５半導体領域と、フォトゲート電極の第２辺側において該第２辺に沿って第３及び第４半導体領域と空間的に離間し且つ対向方向でフォトゲート電極を挟んで第５半導体領域と対向して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を収集する第６半導体領域と、を更に備え、ウェル領域は、第５及び第６半導体領域それぞれと重複するように設けられ、表面上において第５半導体領域とフォトゲート電極との間に第１転送電極が更に設けられ、表面上において第６半導体領域とフォトゲート電極との間に第２転送電極が更に設けられていてもよい。この場合、第１辺側及び第２辺側それぞれにおいて、第１転送電極の長さの合計値と第２転送電極の長さの合計値とが同じであることが好ましい。特に、第１転送電極の長さの合計値と第２転送電極の長さの合計値とが同じである場合、この結果、第１、第３、及び第５半導体領域に蓄積された電荷量と、第２、第４、及び第６半導体領域に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのをより一層抑制することができる。
本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサと、光源と、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転送電極に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、第１〜第６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。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、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
本発明では、フォトゲート電極の平面形状は、互いに対向する第３辺及び第４辺を更に有し、フォトゲート電極の第３辺側において該第３辺に沿って互いに空間的に離間して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第７及び第８半導体領域と、電荷発生領域の第４辺側において該第４辺に沿って互いに空間的に離間し且つ第３辺及び第４辺の対向方向でフォトゲート電極を挟んで第７及び第８半導体領域と対向して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第９及び第１０半導体領域と、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、表面上において第７及び第９半導体領域とフォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第３転送電極並びに表面上において第８及び第１０半導体領域とフォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第４転送電極と、を更に備え、ウェル領域は、第７〜第９半導体領域それぞれと重複するように設けられていてもよい。この場合、第７〜第１０半導体領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが上記対向方向に直交する方向で位置ずれしている場合でも、第１〜第４半導体領域の関係と同様に、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を、第７及び第９半導体領域と、第８及び第１０半導体領域と、に適切に振り分けることができる。この結果、第７及び第９半導体領域に蓄積された電荷量と、第８及び第１０半導体領域に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。
本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサと、光源と、光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、第１〜第４転送電極に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、第１〜第４半導体領域並びに第７〜第１０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。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、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
本発明によれば、各半導体領域とウェル領域とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を各半導体領域に適切に振り分けることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することができる。
本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。 距離画像センサの断面構成を説明するための図である。 距離画像センサの概略平面図である。 距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。 図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。 図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。 半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 画素の構成を説明するための模式図である。 半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。 距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。 距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
以下、添付図面を参照して、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、測距装置の構成を示す説明図である。
この測距装置は、距離画像センサ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、距離画像センサ１の各画素に含まれる第１及び第２ゲート電極（ＴＸ１，ＴＸ２：図４参照）に、パルス駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１、Ｓ２を与える制御回路２と、距離画像センサ１の第１〜第４半導体領域（ＦＤ１〜ＦＤ４：図４参照）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。距離画像センサ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。
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、距離画像センサ１に入射して、パルス検出信号ＳＤを出力する。
距離画像センサ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）
検出用ゲート信号Ｓ１、Ｓ２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Ｓ１：
・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Ｓ２（＝Ｓ１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ＳＰ，Ｓ１、Ｓ２、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Ｓ１及びパルス検出信号ＳＤが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ１、検出用ゲート信号Ｓ２及びパルス検出信号ＳＤが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ２とする。
距離画像センサ１における一方の検出用ゲート信号Ｓ１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Ｓ２とパルス検出信号ＳＤが「１」の時の重複期間において、距離画像センサ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Ｓ２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。
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。
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いる。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。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。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。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、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
距離画像センサ１は、半導体基板１Ａを備えている。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１０００μｍ以下である。半導体基板１Ａは、全体が薄化されていてもよい。距離画像センサ１には、光入射面１ＢＫからパルス光ＬＤが入射する。距離画像センサ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、バンプ電極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。
図３は、距離画像センサの概略平面図である。
距離画像センサ１では、半導体基板１Ａが、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を有している。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。したがって、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。一つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、一つの距離センサとして機能する。
図４は、距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図５は、図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図であり、図６は、図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。
距離画像センサ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（第１及び第２転送電極）と、各ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４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。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。
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、互いに対向する第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２と、互いに対向する第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２と、を有する平面形状を呈している。半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（フォトゲート電極ＰＧの直下の領域）は、入射光に応じて電荷が発生する光感応領域として機能する。フォトゲート電極ＰＧはポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。
第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において当該第１長辺ＬＳ１に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第３及び第４半導体領域ＦＤ３，ＦＤ４は、フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側において当該第２長辺ＬＳ２に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第１半導体領域ＦＤ１と第４半導体領域ＦＤ４とは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向（以下、単に「対向方向」と称することもある）で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。第１半導体領域ＦＤ２と第４半導体領域ＦＤ３とは、上記対向方向で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。
第１ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間に設けられている。第２ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に設けられている。第１ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間にも設けられている。第２ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧと第４半導体領域ＦＤ４との間にも設けられている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧの長辺方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の長辺方向での長さは、同じに設定されている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２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。
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〜第２半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４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〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４は、Ｐ型のウェル領域Ｗ１〜Ｗ４と重複し且つ囲まれるようにそれぞれ形成されている。第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４の周辺は、基板、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の不純物濃度よりも、さらに高濃度のウェル領域Ｗ１〜Ｗ４で囲まれているので、各半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４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電荷の捕獲を低減することができる。ウェル領域Ｗ１〜Ｗ４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〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４から広がる空乏層との結合を抑制している。
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１０〜１０００μｍ／不純物濃度１×１０１２〜１０１５ｃｍ−３
・ウェル領域Ｗ１〜Ｗ４：厚さ０．５〜５μｍ／不純物濃度１×１０１６〜１０１８ｃｍ−３
・半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
絶縁層１Ｅには、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４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１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４を外部に接続するための導体１１が配置される。図４では、導体１１の図示を省略している。
第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４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。反射防止膜１Ｄの材料は、ＳｉＯ２やＳｉＮである。
配線基板１０には、接着領域ＡＤ内のバンプ電極等を通して第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２、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る貫通電極（不図示）が設けられている。配線基板１０の貫通電極は配線基板１０の裏面に露出している。配線基板１０を構成する絶縁基板における接着領域ＡＤ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１を透過した光の配線基板１０への入射を抑制している。この測距装置は、距離画像センサ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。
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ハイレベルの信号（正電位）を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下のポテンシャルより高くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４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及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ローレベル（グランド電位）を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下のポテンシャルより低くなり、障壁が形成される。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４内には引き込まれない。
距離画像センサ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電荷を、光入射面１ＢＫとは逆側の電荷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の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内で発生した電荷は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から、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ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２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の直下の領域で発生した電荷が、それぞれ第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ、これらから第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４に流れ込む。
第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３、又は、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４内に蓄積された電荷量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。
第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２への駆動信号（検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２）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電荷の発生領域は、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、多くの電荷はフォトゲート電極ＰＧの直下の領域から第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４に流れ込み、これらの領域から、配線基板１０の配線（不図示）を介して、蓄積電荷Ｑ１，Ｑ２を読み出すことができる。
距離画像センサ１は、図示は省略するが、半導体基板１Ａの電位を基準電位に固定するためのバックゲート半導体領域を備えている。バックゲート半導体領域は、高濃度不純物を含有するＰ型の半導体領域であって、ウェル領域Ｗ１〜Ｗ４内に設けられる。バックゲート半導体領域の代わりに、Ｐ型の拡散領域などのＰ型半導体層を有し、電気的に接続された貫通電極を設けることとしてもよい。
図７及び図８は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図７及び図８では、下向きがポテンシャルの正方向である。図７及び図８において、（ａ）は、図５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７及び図８において、（ｂ）は、図６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。
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。各図には、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャルφＦＤ３、及び、第４半導体領域ＦＤ４のポテンシャルφＦＤ４が示されている。
検出用ゲート信号Ｓ１の高電位が、第１ゲート電極ＴＸ１に入力されると、図７に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域を介して、第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３のポテンシャル井戸内に蓄積される。第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３の各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。
検出用ゲート信号Ｓ１に続いて、検出用ゲート信号Ｓ２の高電位が、第２ゲート電極ＴＸ２に入力されると、図８に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域を介して、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４のポテンシャル井戸内に蓄積される。第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４の各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。
図９は、画素の構成を説明するための模式図である。
第１ゲート電極ＴＸ１には、検出用ゲート信号Ｓ１が与えられる。第２ゲート電極ＴＸ２には、検出用ゲート信号Ｓ２が与えられる。すなわち、第１ゲート電極ＴＸ１と、第２ゲート電極ＴＸ２とには、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。
フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ１が与えられている場合には、第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ１に対応した出力（Ｖｏｕｔ１）として第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３から読み出される。フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第２ゲート電極ＴＸ２にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ２が与えられている場合には、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ２に対応した出力（Ｖｏｕｔ２）として第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４から読み出される。これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）により、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
上述の距離画像センサ１では、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側には第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が配置され、フォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間には第１ゲート電極ＴＸ１が設けられ、フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間には第２ゲート電極ＴＸ２が設けられている。フォトゲート電極ＰＧの第２辺側には第３及び第４半導体領域ＦＤ３，ＦＤ４が配置され、フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間には第１ゲート電極ＴＸ１が設けられ、フォトゲート電極ＰＧと第４半導体領域ＦＤ４との間には第２ゲート電極ＴＸ２が設けられている。
第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４とウェル領域Ｗ１〜Ｗ４とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で位置ずれしている場合、図１０及び図１１に示されるように、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４とウェル領域Ｗ１〜Ｗ４との重複領域の上記対向方向での幅が異なってしまう。図１０及び図１１では、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４に対して、ウェル領域Ｗ１〜Ｗ４が図中右側に距離Ｙ分だけ位置ずれして形成されている。図１０及び図１１中、「Ｘ」は、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４とウェル領域Ｗ１〜Ｗ４との重複領域の対向方向での幅の設計基準値を示す。図１０及び図１１において、（ａ）は、図５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１０及び図１１において、（ｂ）は、図６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。
第３半導体領域ＦＤ３とウェル領域Ｗ３とが重複している領域の対向方向での幅が広がると、図１０（ｂ）に示されるように、第３半導体領域ＦＤ３に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分が形成され、電荷の流れに支障が生じる。しかしながら、図１０（ａ）に示されるように、第１半導体領域ＦＤ１とウェル領域Ｗ１とが重複している領域の対向方向での幅が狭くなり、第１半導体領域ＦＤ１に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分は形成されず、電荷の流れに支障が生じることはない。図１０中、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４に対してウェル領域Ｗ１〜Ｗ４が図中左側に距離Ｙ分だけ位置ずれして形成されている場合では、第３半導体領域ＦＤ３に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分は形成されず、電荷の流れに支障が生じることはない。
第４半導体領域ＦＤ４とウェル領域Ｗ４とが重複している領域の対向方向での幅が広がると、図１１（ａ）に示されるように、第４半導体領域ＦＤ４に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分が形成され、電荷の流れに支障が生じる。しかしながら、図１１（ｂ）に示されるように、第２半導体領域ＦＤ２とウェル領域Ｗ２とが重複している領域の対向方向での幅が狭くなり、第２半導体領域ＦＤ２に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分は形成されず、電荷の流れに支障が生じることはない。図１１中、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４に対してウェル領域Ｗ１〜Ｗ４が図中左側に距離Ｙ分だけ位置ずれして形成されている場合では、第４半導体領域ＦＤ４に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分は形成されず、電荷の流れに支障が生じることはない。
以上のことから、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４とウェル領域Ｗ１〜Ｗ４とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷を、第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３と、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４と、に適切に振り分けることができる。この結果、第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３に蓄積された電荷量Ｑ１と、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４に蓄積された電荷量Ｑ２と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。したがって、距離画像センサ１によれば、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
図１２に示されるように、距離画像センサの各画素において、第１半導体領域ＦＤ１と第３半導体領域ＦＤ３とは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向にフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向していてもよい。第２半導体領域ＦＤ２と第４半導体領域ＦＤ４とは、上記対向方向にフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向していてもよい。
図１３に示されるように、距離画像センサの各画素は、第５及び第６半導体領域ＦＤ５，ＦＤ６を更に備えていてもよい。第５及び第６半導体領域ＦＤ５，ＦＤ６は、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４と同じく、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、Ｐ型のウェル領域Ｗ５，Ｗ６と重複し且つ囲まれるようにそれぞれ形成されている。
第５半導体領域ＦＤ５は、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において当該第１長辺ＬＳ１に沿って第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と空間的に離間して配置されている。第２半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの長辺方向において、第１半導体領域ＦＤ１と第５半導体領域ＦＤ５との間に位置している。フォトゲート電極ＰＧと第５半導体領域ＦＤ５との間には、第１ゲート電極ＴＸ１が設けられている。
第６半導体領域ＦＤ６は、フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側において当該第２長辺ＬＳ２に沿って第３及び第４半導体領域ＦＤ３，ＦＤ４と空間的に離間して配置されている。第３半導体領域ＦＤ３は、フォトゲート電極ＰＧの長辺方向において、第４半導体領域ＦＤ４と第６半導体領域ＦＤ６との間に位置している。フォトゲート電極ＰＧと第６半導体領域ＦＤ６との間には、第２ゲート電極ＴＸ２が設けられている。第５半導体領域ＦＤ５と第６半導体領域ＦＤ６とは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。
フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置する第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さは、フォトゲート電極ＰＧと第１及び第５半導体領域ＦＤ１，ＦＤ５との間に位置する第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さの２倍に設定されている。
フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に位置する第２ゲート電極ＴＸ２の長辺方向の長さは、フォトゲート電極ＰＧと第４及び第６半導体領域ＦＤ４，ＦＤ６との間に位置する第２ゲート電極ＴＸ２の長辺方向の長さの２倍に設定されており、フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置する第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さと同じに設定されている。
フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において、フォトゲート電極ＰＧと各半導体領域ＦＤ１，ＦＤ５との間に位置する各第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さの合計値と、フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に位置する第２ゲート電極ＴＸ２の長辺方向の長さと、は同じである。フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側において、フォトゲート電極ＰＧと各半導体領域ＦＤ４，ＦＤ６との間に位置する各第２ゲート電極ＴＸ２の長辺方向の長さの合計値と、フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置する第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さと、は同じである。この場合、第１、第３、及び第５半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３，ＦＤ５に蓄積された電荷量と、第２、第４、及び第６半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４，ＦＤ６に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのをより一層抑制することができる。
図１４に示されるように、距離画像センサの各画素は、第７〜第１０半導体領域ＦＤ７〜ＦＤ１０、及び、第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４を更に備えていてもよい。第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４は、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と同じく、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ている。
フォトゲート電極ＰＧは、平面視で正方形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、互いに対向する第１及び第２辺と、互いに対向する第３及び第４辺と、を有する平面形状を呈している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第１辺側において当該第１辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第３及び第４半導体領域ＦＤ３，ＦＤ４は、フォトゲート電極ＰＧの第２辺側において当該第２辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。
第７及び第８半導体領域ＦＤ７，ＦＤ８は、フォトゲート電極ＰＧの第３辺側において当該第３辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第９及び第１０半導体領域ＦＤ９，ＦＤ１０は、フォトゲート電極ＰＧの第４辺側において当該第４辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第７半導体領域ＦＤ７と第１０半導体領域ＦＤ１０とは、第３及び第４辺の対向方向（以下、単に「対向方向」と称することもある）で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。第８半導体領域ＦＤ８と第９半導体領域ＦＤ９とは、上記対向方向で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。
第３ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧと第７半導体領域ＦＤ７との間に設けられている。第４ゲート電極ＴＸ４は、フォトゲート電極ＰＧと第８半導体領域ＦＤ８との間に設けられている。第３ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧと第９半導体領域ＦＤ９との間にも設けられている。第４ゲート電極ＴＸ４は、フォトゲート電極ＰＧと第１０半導体領域ＦＤ１０との間にも設けられている。第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４は、フォトゲート電極ＰＧの第３辺（第４辺）が伸びる方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。第１〜第４ゲート電極ＴＸ１〜ＴＸ４の長辺方向での長さは、同じに設定されている。第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４も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ゲート電極ＴＸ３には、検出用ゲート信号Ｓ３が与えられる。第４ゲート電極ＴＸ４には、検出用ゲート信号Ｓ４が与えられる。第１〜第４ゲート電極ＴＸ１〜ＴＸ４には、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。
第７〜第１０半導体領域ＦＤ７〜ＦＤ１０は、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４と同じく、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７〜第１０半導体領域ＦＤ７〜ＦＤ１０は、Ｐ型のウェル領域Ｗ７〜Ｗ１０と重複し且つ囲まれるようにそれぞれ形成されている。第７〜第１０半導体領域ＦＤ７〜ＦＤ１０の周辺は、基板、第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４直下の不純物濃度よりも、さらに高濃度のウェル領域Ｗ７〜Ｗ１０で囲まれているので、各半導体領域ＦＤ７〜ＦＤ１０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電荷の捕獲を低減することができる。ウェル領域Ｗ７〜Ｗ１０は、ウェル領域Ｗ１〜Ｗ４と同じく、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７〜第１０半導体領域ＦＤ７〜ＦＤ１０から広がる空乏層との結合を抑制している。
図１４に示された画素を有する距離画像センサでは、第７〜第１０半導体領域ＦＤ７〜ＦＤ１０とウェル領域Ｗ７〜Ｗ１０とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが第３及び第４辺の対向方向で位置ずれしている場合でも、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４の関係と同様に、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷を、第７及び第９半導体領域ＦＤ７，ＦＤ９と、第８及び第１０半導体領域ＦＤ８，ＦＤ１０と、に適切に振り分けることができる。この結果、第７及び第９半導体領域ＦＤ７，ＦＤ９に蓄積された電荷量と、第８及び第１０半導体領域ＦＤ８，ＦＤ１０に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。
図１４に示された画素を有する距離画像センサでは、制御回路２は、第１〜第４ゲート電極ＴＸ１〜ＴＸ４に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える。演算回路５は、第１〜第４半導体領域ＦＤ１〜ＦＤ４並びに第７〜第１０半導体領域ＦＤ７〜ＦＤ１０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。
本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタや車両等に搭載される距離センサ及び距離画像センサに利用できる。
１…距離画像センサ、１Ａ…半導体基板、２…制御回路、３…光源、４…駆動回路、５…演算回路、ＦＤ１〜ＦＤ１０…第１〜第１０半導体領域、ＬＳ１…第１長辺、ＬＳ２…第２長辺、Ｐ…画素、ＰＧ…フォトゲート電極、Ｓ１〜Ｓ４…検出用ゲート信号、ＴＸ１〜ＴＸ４…第１〜第４ゲート電極、Ｗ１〜Ｗ１０…ウェル領域。

Claims (7)

  1. 半導体基板と、
    半導体基板の表面上に設けられ、平面形状が互いに対向する第１辺及び第２辺を有するフォトゲート電極と、
    前記フォトゲート電極の前記第１辺側において該第１辺に沿って互いに空間的に離間して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第１及び第２半導体領域と、
    前記フォトゲート電極の前記第２辺側において該第２辺に沿って互いに空間的に離間し且つ前記第１辺及び前記第２辺の対向方向で前記フォトゲート電極を挟んで前記第１及び第２半導体領域と対向して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第３及び第４半導体領域と、
    前記半導体基板の導電型と同一の導電型であって、前記半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有し且つ前記第１〜第４半導体領域それぞれと重複するように設けられたウェル領域と、
    異なる位相の電荷転送信号が与えられ、前記表面上において前記第１及び第３半導体領域と前記フォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第１転送電極並びに前記表面上において前記第２及び第４半導体領域と前記フォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第２転送電極と、を備え、
    各前記第１転送電極は、各前記第１転送電極に与えられる前記電荷転送信号に基づいて、前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を前記第１及び第３半導体領域に送り、各前記第２転送電極は、各前記第１転送電極に与えられる前記電荷転送信号と位相が異なり且つ各前記第２転送電極に与えられる前記電荷転送信号に基づいて、前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を前記第２及び第４半導体領域に送ることを特徴とする距離センサ。
  2. 前記フォトゲート電極の前記第１辺側において該第１辺に沿って前記第１及び第２半導体領域と空間的に離間して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第５半導体領域と、
    前記フォトゲート電極の前記第２辺側において該第２辺に沿って前記第３及び第４半導体領域と空間的に離間し且つ前記対向方向で前記フォトゲート電極を挟んで前記第５半導体領域と対向して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を収集する第６半導体領域と、を更に備え、
    前記ウェル領域は、前記第５及び第６半導体領域それぞれと重複するように設けられ、
    前記表面上において前記第５半導体領域と前記フォトゲート電極との間に前記第１転送電極が更に設けられ、
    前記表面上において前記第６半導体領域と前記フォトゲート電極との間に前記第２転送電極が更に設けられ、
    各前記第１転送電極は、各前記第１転送電極に与えられる前記電荷転送信号に基づいて、前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を前記第５半導体領域に送り、各前記第２転送電極は、各前記第２転送電極に与えられる前記電荷転送信号に基づいて、前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を前記第６半導体領域に送ることを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
  3. 前記第１辺側及び前記第２辺側それぞれにおいて、前記第１転送電極の長さの合計値と前記第２転送電極の長さの合計値とが同じであることを特徴とする請求項２に記載の距離センサ。
  4. 前記フォトゲート電極の平面形状は、互いに対向する第３辺及び第４辺を更に有し、
    前記フォトゲート電極の前記第３辺側において該第３辺に沿って互いに空間的に離間して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第７及び第８半導体領域と、
    前記フォトゲート電極の前記第４辺側において該第４辺に沿って互いに空間的に離間し且つ前記第３辺及び前記第４辺の対向方向で前記フォトゲート電極を挟んで前記第７及び第８半導体領域と対向して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第９及び第１０半導体領域と、
    異なる位相の電荷転送信号が与えられ、前記表面上において前記第７及び第９半導体領域と前記フォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第３転送電極並びに前記表面上において前記第８及び第１０半導体領域と前記フォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第４転送電極と、を更に備え、
    各前記第３転送電極は、各前記第１転送電極及び各前記第２転送電極に与えられる前記電荷転送信号と位相が異なり且つ各前記第３転送電極に与えられる前記電荷転送信号に基づいて、前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を前記第７及び第９半導体領域に送り、各前記第４転送電極は、各前記第１転送電極、各前記第２転送電極及び各前記第３転送電極に与えられる前記電荷転送信号と位相が異なり且つ各前記第４転送電極に与えられる前記電荷転送信号に基づいて、前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を前記第８及び第１０半導体領域に送り、
    前記ウェル領域は、前記第７〜第１０半導体領域それぞれと重複するように設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離センサ。
  5. 請求項１に記載の距離センサと、
    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転送電極に、前記パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、
    前記第１〜第４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距離画像センサ。
  6. 請求項２又は３に記載の距離センサと、
    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転送電極に、前記パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、
    前記第１〜第６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距離画像センサ。
  7. 請求項４に記載の距離センサと、
    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〜第４転送電極に、前記パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、
    前記第１〜第４半導体領域並びに前記第７〜第１０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距離画像センサ。
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