JP6026755B2 - 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。
ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の距離画像センサ（距離センサ）が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された距離画像センサは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域に囲まれるように電荷発生領域の内側に配置された電荷収集領域と、電荷発生領域を囲むように電荷発生領域の外側に配置された電荷排出領域と、電荷発生領域の上に配置され、入力信号に応じて電荷発生領域の電荷を電荷収集領域に流入させる内側ゲート電極と、電荷発生領域の上に配置され、入力信号に応じて電荷発生領域の電荷を電荷排出領域に流入させる外側排出ゲート電極と、を備えている。内側ゲート電極と外側排出ゲート電極とに与えられる電位差により、内側ゲート電極及び外側排出ゲート電極の直下の領域にはポテンシャルの勾配が形成される。このポテンシャルの勾配にしたがって、電荷発生領域に発生した電荷は、電荷収集領域又は電荷排出領域に移動する。
T. Y. Lee et al., "A 192×108pixel ToF-3D image sensor with single-tap concentric-gate demodulation pixelsin 0.13 μm technology", Proceeding of the 2011 IEEE International ElectronDevices Meeting, December 5-8, 2011, pp.8.7.1-8.7.4
しかしながら、非特許文献１に記載された距離画像センサは、以下のような問題点を有している。
外側排出ゲート電極側から内側ゲート電極側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されると、電荷は電荷収集領域に移動する。このとき、外側排出ゲート電極の直下の領域に形成されるポテンシャルは、電荷排出領域側において、電荷排出領域に向かって低くなる勾配を有してしまうため、電荷発生領域に発生した電荷の一部は、電荷排出領域に移動する。したがって、電荷収集領域への電荷の転送効率が劣化して、距離検出精度が劣化する。特に、外側排出ゲート電極は、電荷発生領域の上に配置され且つ内側ゲート電極の外側に位置し面積が比較的大きいことから、電荷発生領域に発生した電荷の一部が電荷排出領域に移動し易い。
内側ゲート電極側から外側排出ゲート電極側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成されると、電荷は電荷排出領域に移動する。このとき、内側ゲート電極の直下の領域に形成されるポテンシャルは、電荷収集領域側において、電荷収集領域に向かって低くなる勾配を有してしまうため、電荷発生領域に発生した電荷の一部は、電荷収集領域に移動する。したがって、電荷排出領域への電荷の転送効率が劣化して、背景光（外乱光）に由来する電荷が排出されずに、電荷排出領域に蓄積される。排出すべき電荷が電荷排出領域に蓄積されると、信号を読み出す前に、蓄積容量が飽和してしまい、距離検出精度が劣化する。
本発明は、距離検出精度を向上す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。
一つの観点では、本発明は、距離センサであって、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域に囲まれるように電荷発生領域の内側に配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する信号電荷収集領域と、電荷発生領域を囲むように電荷発生領域の外側に配置され、電荷発生領域からの不要電荷を収集する不要電荷収集領域と、電荷発生領域の上に配置されるフォトゲート電極と、信号電荷収集領域と電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて電荷発生領域からの信号電荷を信号電荷収集領域に流入させる転送電極と、不要電荷収集領域と電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて電荷発生領域からの不要電荷を不要電荷収集領域に流入させる不要電荷収集ゲート電極と、を備えている。
本発明では、フォトゲート電極が電荷発生領域の上に配置され、転送電極が信号電荷収集領域と電荷発生領域との間に配置され、不要電荷収集ゲート電極が電荷発生領域と不要電荷収集領域との間に配置されている。信号電荷が信号電荷収集領域に送られる際には、フォトゲート電極、転送電極、及び不要電荷収集ゲート電極の直下の領域には、不要電荷収集ゲート電極側から転送電極側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成される。したがって、フォトゲート電極下の電荷発生領域に発生した電荷は、信号電荷収集領域に確実に移動し、不要電荷収集領域には移動し難い。この結果、信号電荷の転送効率が向上する。不要電荷が不要電荷収集領域に送られる際には、フォトゲート電極、転送電極、及び不要電荷収集ゲート電極の直下の領域には、転送電極側から不要電荷収集ゲート電極側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成される。したがって、フォトゲート電極下の電荷発生領域に発生した電荷は、不要電荷として不要電荷収集領域に確実に移動し、信号電荷収集領域には移動し難い。この結果、不要電荷の転送効率が向上する。これらにより、本発明によれば、距離検出精度を向上できる。
複数の電荷発生領域と、複数の信号電荷収集領域と、複数の不要電荷収集領域と、複数のフォトゲート電極と、複数の転送電極と、複数の不要電荷収集ゲート電極と、を備えており、複数の転送電極には、異なる位相の電荷転送信号がそれぞれ与えられてもよい。この場合、複数の電荷発生領域が一画素に対応し、当該一画素からの出力に基づいて、距離演算が行われる。
隣り合う不要電荷収集領域同士が、一体的に形成されていてもよい。この場合、隣り合う電荷発生領域間の距離が短くなり、センサ面積の利用効率を高めることができる。この結果、空間解像度を向上できる。
複数の電荷発生領域が、空間的に離間して形成されていてもよい。この場合、隣り合う電荷発生領域の間に不要電荷収集領域が位置するため、不要電荷が不要電荷収集領域に確実に移動する。したがって、不要電荷の転送効率をより一層向上できる。
隣り合う電荷発生領域同士が、一体的に形成され、隣り合うフォトゲート電極同士が、一体的に形成されていてもよい。この場合、一つの電荷収集領域に対して電荷発生領域が拡大し、当該電荷収集領域に移動する信号電荷が増加する。したがって、信号電荷の転送効率をより一層向上できる。
転送電極には、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられた電荷転送信号が与えられてもよい。この場合、一つの電荷発生領域が一画素に対応し、同一画素からの出力に基づいて距離が演算される。このため、複数の電荷発生領域が一画素に対応する構成に比して、距離演算のばらつきを低減できる。センサ面積の利用効率を高めることができ、空間解像度を向上できる。
フォトゲート電極と転送電極と不要電荷収集ゲート電極とは、信号電荷収集領域を中心として、信号電荷収集領域側から転送電極、フォトゲート電極、不要電荷収集ゲート電極の順に同心状に配置されていてもよい。なお、信号電荷収集領域は、平面視で矩形状であり、フォトゲート電極と転送電極と不要電荷収集ゲート電極とは、略多角形環状を呈していてもよい。また、信号電荷収集領域は、平面視で円形状であり、フォトゲート電極と転送電極と不要電荷収集ゲート電極とは、略円環状を呈していてもよい。
別の観点では、本発明は、一次元状又は二次元状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であって、ユニットそれぞれが、上記距離センサである。
本発明では、上述したように、信号電荷及び不要電荷の転送効率が向上することにより、距離検出精度を向上できる。
複数のユニットのうち隣り合う二つのユニットが、撮像領域の一画素を構成していてもよい。
複数のユニットのうち任意の一つのユニットと任意の一つのユニットと隣り合う複数のユニットとにおいて、任意の一つのユニットと複数のユニットのうちの一つのユニットずつとが撮像領域の一画素をそれぞれ構成していてもよい。この場合、センサ面積の利用効率を高めることができ、空間解像度を向上できる。
ユニットそれぞれが、撮像領域の一画素を構成していてもよい。この場合、同一画素からの出力に基づいて距離が演算されるので、距離演算のばらつきを低減できる。センサ面積の利用効率を高めることができ、空間解像度を向上できる。
本発明によれば、距離検出精度を向上す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。
図１は、本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。 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。 図３は、距離画像センサの概略平面図である。 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る。 図６は、電荷の蓄積及び排出動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。 図７は、電荷の蓄積及び排出動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。 図８は、画素の構成を説明するための模式図である。 図９は、各種信号のタイミングチャートである。 図１０は、変形例に係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１１は、変形例に係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１２は、変形例に係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１３は、変形例に係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１４は、図１３におけるXIV−XIV線に沿った断面構成を示す図である。 図１５は、各種信号のタイミングチャートである。 図１６は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。 図１７は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。 図１８は、不要電荷の排出動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。 図１９は、変形例に係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２０は、各種信号のタイミングチャートである。 図２１は、変形例に係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２２は、図２１におけるXXII−XXII線に沿った断面構成を示す図である。
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、駆動回路４と、制御回路２と、演算回路５と、を備えている。駆動回路４は、光源３にパルス駆動信号ＳＰを与える。制御回路２は、距離画像センサ１の各画素に含まれる第一及び第二ゲート電極（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。演算回路５は、距離画像センサ１の第一〜第二半導体領域（ＦＤ１〜ＦＤ２：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。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、後述する電荷転送信号Ｓ３も出力する。
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。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る。反射されたパルス光は、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が出力される。
距離画像センサ１は、配線基板１０上に配置されている。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）が距離画像センサ１の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の方形波である。ハイレベルを「１」、ローレベルを「０」とすると、パルス駆動信号ＳＰ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の方形波である。検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２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。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とする。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。
検出用ゲート信号Ｓ１とパルス検出信号ＳＤの位相差は、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、パルス駆動信号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、パルス駆動信号ＳＰに対してパルス検出信号ＳＤが遅れている。一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。このため、特定の画素からの距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）として二つの電荷量（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とに基づいて、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。たとえば、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、表面入射型の距離画像センサであって、半導体基板１Ａを備えている。距離画像センサ１には、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ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１ＦＴとは逆側の裏面１ＢＫ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、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。距離画像センサ１は、所定の位置に開口が形成された遮光層ＬＩを備えている。遮光層ＬＩは、光入射面１ＦＴの前方に配置されている。
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）として二つの電荷量（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る。
距離画像センサ１は、図２にも示されているように、互いに対向する光入射面１ＦＴと裏面１ＢＫとを有する半導体基板１Ａを備えている。半導体基板１Ａは、裏面１ＢＫ側に位置するｐ型の第一基板領域１Ａａと、光入射面１ＦＴ側に位置するｐ−型の第二基板領域１Ａｂと、を有する。第二基板領域１Ａｂは、第一基板領域１Ａａよりも不純物濃度が低い。半導体基板１Ａは、たとえば、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。
距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、複数のフォトゲート電極（本実施形態では、二つのフォトゲート電極）ＰＧ１，ＰＧ２と、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、複数の第三ゲート電極（本実施形態では、二つの第三ゲート電極）ＴＸ３１，ＴＸ３２と、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、複数の第三半導体領域（本実施形態では、二つの第三半導体領域）ＦＤ３１，ＦＤ３２と、を備えている。
二つのフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、光入射面１ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられており、互いに空間的に離間して配置されている。第一及び第三ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ３１は、光入射面１ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介して設けられており、フォトゲート電極ＰＧ１に隣接している。第二及び第三ゲート電極ＴＸ２，ＴＸ３２は、光入射面１ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介して設けられており、フォトゲート電極ＰＧ２に隣接している。各第一〜第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３１，ＦＤ３２は、対応するゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３１，ＴＸ３２の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する。本実施形態の半導体基板１ＡはＳｉからなり、絶縁層１ＥはＳｉＯ２からなる。
遮光層ＬＩには、略多角形環状の開口ＬＩ１，ＬＩ２が形成されている。開口ＬＩ１，ＬＩ２は、矩形環状を呈している。光（対象物Ｈからの反射光）は、遮光層ＬＩの開口ＬＩ１，ＬＩ２を通して、半導体基板１Ａに入射する。したがって、開口ＬＩ１，ＬＩ２により、半導体基板１Ａには、矩形環状である受光領域が規定される。遮光層ＬＩは、たとえば、アルミニウムなどの金属からなる。
フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、開口ＬＩ１，ＬＩ２に対応して配置されている。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、開口ＬＩ１，ＬＩ２の形状にも対応しており、平面視で略多角形環状を呈している。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、矩形環状を呈している。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。
第一半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧ１に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ１の内側に配置されている。第一半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第一半導体領域ＦＤ１は、受光領域に囲まれるように受光領域の内側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
第二半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧ２に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ２の内側に配置されている。第二半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第二半導体領域ＦＤ２は、受光領域に囲まれるように受光領域の内側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、信号電荷収集領域として機能する。第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は高不純物濃度のｎ型半導体からなる領域であり、フローティング・ディフュージョン領域である。
第一ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧ１（受光領域）と第一半導体領域ＦＤ１との間に配置されている。第一ゲート電極ＴＸ１は、第一半導体領域ＦＤ１を囲むように第一半導体領域ＦＤ１の外側に位置していると共に、フォトゲート電極ＰＧ１に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ１の内側に位置している。第一ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧ１と第一半導体領域ＦＤ１とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ１及び第一半導体領域ＦＤ１から空間的に離間して配置されている。
第二ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧ２（受光領域）と第二半導体領域ＦＤ２との間に配置されている。第二ゲート電極ＴＸ２は、第二半導体領域ＦＤ２を囲むように第二半導体領域ＦＤ２の外側に位置していると共に、フォトゲート電極ＰＧ２に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ２の内側に位置している。第二ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧ２と第二半導体領域ＦＤ２とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ２及び第二半導体領域ＦＤ２から空間的に離間して配置されている。
第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で略多角形環状を呈している。本実施形態では、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、矩形環状を呈している。第一及び第二ゲート電極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。第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、転送電極として機能する。
第三半導体領域ＦＤ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１を囲むようにフォトゲート電極ＰＧ１の外側に配置されている。第三半導体領域ＦＤ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第三半導体領域ＦＤ３１は、受光領域を囲むように受光領域の外側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
第三半導体領域ＦＤ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２を囲むようにフォトゲート電極ＰＧ２の外側に配置されている。第三半導体領域ＦＤ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第三半導体領域ＦＤ３２は、受光領域を囲むように受光領域の外側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、平面視で略多角形環状を呈している。本実施形態では、第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、矩形環状を呈している。また、本実施形態では、隣り合う第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、一体に形成されている。すなわち、第三半導体領域ＦＤ３１と第三半導体領域ＦＤ３２とは、フォトゲート電極ＰＧ１（受光領域）とフォトゲート電極ＰＧ２（受光領域）とで挟まれる領域が共通化されている。第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、不要電荷収集領域として機能する。第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は高不純物濃度のｎ型半導体からなる領域であり、フローティング・ディフュージョン領域である。
第三ゲート電極ＴＸ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１（受光領域）と第三半導体領域ＦＤ３１との間に配置されている。第三ゲート電極ＴＸ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１を囲むようにフォトゲート電極ＰＧ１の外側に位置していると共に、第三半導体領域ＦＤ３１に囲まれるように第三半導体領域ＦＤ３１の内側に位置している。第三ゲート電極ＴＸ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１と第三半導体領域ＦＤ３１とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ１及び第三半導体領域ＦＤ３１から空間的に離間して配置されている。
第三ゲート電極ＴＸ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２（受光領域）と第三半導体領域ＦＤ３２との間に配置されている。第三ゲート電極ＴＸ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２を囲むようにフォトゲート電極ＰＧ２の外側に位置していると共に、第三半導体領域ＦＤ３２に囲まれるように第三半導体領域ＦＤ３２の内側に位置している。第三ゲート電極ＴＸ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２と第三半導体領域ＦＤ３２とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ２及び第三半導体領域ＦＤ３２から空間的に離間して配置されている。
第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２は、平面視で略多角形環状を呈している。本実施形態では、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２は、矩形環状を呈している。第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２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。第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２は、不要電荷収集ゲート電極として機能する。
フォトゲート電極ＰＧ１と第一ゲート電極ＴＸ１と第三ゲート電極ＴＸ３１とは、第一半導体領域ＦＤ１を中心として、第一半導体領域ＦＤ１側から第一ゲート電極ＴＸ１、フォトゲート電極ＰＧ１、第三ゲート電極ＴＸ３１の順に同心状に配置されている。フォトゲート電極ＰＧ２と第二ゲート電極ＴＸ２と第三ゲート電極ＴＸ３２とは、第二半導体領域ＦＤ２を中心として、第二半導体領域ＦＤ２側から第二ゲート電極ＴＸ２、フォトゲート電極ＰＧ２、第三ゲート電極ＴＸ３２の順に同心状に配置されている。
各領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
半導体基板１Ａの第一基板領域１Ａａ：厚さ５〜７００μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
半導体基板１Ａの第二基板領域１Ａｂ：厚さ３〜５０μｍ／不純物濃度１×１０１３〜１０１６ｃｍ−３
第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
絶縁層１Ｅには、第一〜第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３１，ＦＤ３２の表面を露出させるためのコンタクトホール（不図示）が設けられている。コンタクトホール内には、第一〜第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３１，ＦＤ３２を外部に接続するための導体（不図示）が配置される。
遮光層ＬＩは、半導体基板１Ａにおける第一〜第三ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３１，ＴＸ３２及び第一〜第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３１，ＦＤ３２が配置された領域を覆っており、当該領域に光が入射するのを防止している。これにより、上記領域に入射した光による不要電荷の発生を防止することができる。
半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２に対応する領域（フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域）は、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域として機能する。したがって、電荷発生領域は、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２及び開口ＬＩ１，ＬＩ２の形状に対応して、矩形環状を呈している。距離画像センサ１では、フォトゲート電極ＰＧ１（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の電荷発生領域）を含む第一ユニットと、フォトゲート電極ＰＧ２（フォトゲート電極ＰＧ２の直下の電荷発生領域）を含む第二ユニットと、が隣り合って配置されている。隣り合って配置された第一ユニットと第二ユニットとが一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を形成している。
第一ゲート電極ＴＸ１に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第一ゲート電極ＴＸ１の下のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第一ゲート電極ＴＸ１の方向に引き込まれ、第一半導体領域ＦＤ１によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第一ゲート電極ＴＸ１は、入力された信号に応じて、信号電荷を第一半導体領域ＦＤ１に流入させる。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。第一ゲート電極ＴＸ１に、ローレベルの信号（グランド電位）が与えられると、第一ゲート電極ＴＸ１によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第一半導体領域ＦＤ１内には引き込まれない。
第二ゲート電極ＴＸ２に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第二ゲート電極ＴＸ２の下のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第二ゲート電極ＴＸ２の方向に引き込まれ、第二半導体領域ＦＤ２によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第二ゲート電極ＴＸ２は、入力された信号に応じて、信号電荷を第二半導体領域ＦＤ２に流入させる。第二ゲート電極ＴＸ２に、ローレベルの信号（グランド電位）が与えられると、第二ゲート電極ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第二半導体領域ＦＤ２内には引き込まれない。
第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２の直下の領域のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２の方向に引き込まれ、第三半導体領域ＦＤ３によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に、ローレベルの信号（グランド電位）が与えられると、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２内には引き込まれない。第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、光の入射に応じて電荷発生領域で発生した電荷のうち一部の電荷を、不要電荷として収集する。
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１ＦＴ側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１ＦＴ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受光領域（電荷発生領域）に至る。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、各電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の各領域）から、対応する電荷発生領域に隣接する第一又は第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に送られる。すなわち、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に光源のパルス駆動信号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、各電荷発生領域で発生した電荷が、それぞれ第一又は第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ、これらから第一又は第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に流れ込む。
第一半導体領域ＦＤ１又は第二半導体領域ＦＤ２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、パルス駆動信号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。
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。
図６及び図７は、電荷の蓄積及び排出動作を説明するための、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図６及び図７では、下向きがポテンシャルの正方向である。図６及び図７は、図４のV−V線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ＰＧ１，ＰＧ２に与えられる電位（たとえば、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に与えられる高い方の電位と低い方の電位の中間の電位）により、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２は、基板電位よりも若干高く設定されている。各図には、第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第二ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３１，φＴＸ３２、第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、第二半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２、及び、第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２のポテンシャルφＦＤ３１，φＦＤ３２が示されている。
検出用ゲート信号Ｓ１の高電位が、第一ゲート電極ＴＸ１に入力されると、図６に示されるように、フォトゲート電極ＰＧ１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、第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域を介して、第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に蓄積される。第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ１が蓄積される。第一ゲート電極ＴＸ１に検出用ゲート信号Ｓ１が印加されている間、第三ゲート電極ＴＸ３１には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられている。このため、第三ゲート電極ＴＸ３１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３１は下がらず、第三半導体領域ＦＤ３１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
第二ゲート電極ＴＸ２には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられる。このため、第二ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２は下がらず、第二半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。一方、第三ゲート電極ＴＸ３２に正の電位が与えられると、電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域）で発生した電荷は、第三ゲート電極ＴＸ３２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３２が下がることにより、第三半導体領域ＦＤ３２のポテンシャル井戸内に流れ込む。これにより、電荷発生領域にて発生した電荷が、不要電荷として第三半導体領域ＦＤ３２のポテンシャル井戸に蓄積される。第三半導体領域ＦＤ３２のポテンシャル井戸に蓄積された不要電荷は、外部に排出される。
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、第二ゲート電極ＴＸ２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ＰＧ２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、第二ゲート電極ＴＸ２の直下の領域を介して、第二半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に蓄積される。第二半導体領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ２が蓄積される。第二ゲート電極ＴＸ２に検出用ゲート信号Ｓ２が印加されている間、第三ゲート電極ＴＸ３２には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられている。このため、第三ゲート電極ＴＸ３２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３２は下がらず、第三半導体領域ＦＤ３２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
第一ゲート電極ＴＸ１には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられる。このため、第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１は下がらず、第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。一方、第三ゲート電極ＴＸ３１に正の電位が与えられると、電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）で発生した電荷は、第三ゲート電極ＴＸ３１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３１が下がることにより、第三半導体領域ＦＤ３１のポテンシャル井戸内に流れ込む。これにより、電荷発生領域にて発生した電荷が、不要電荷として第三半導体領域ＦＤ３１のポテンシャル井戸に蓄積される。第三半導体領域ＦＤ３１のポテンシャル井戸に蓄積された不要電荷は、外部に排出される。
図８は、画素の構成を説明するための模式図である。
第一ゲート電極ＴＸ１には、電荷転送信号として検出用ゲート信号Ｓ１が与えられる。第二ゲート電極ＴＸ２には、電荷転送信号として検出用ゲート信号Ｓ２が与えられる。すなわち、第一ゲート電極ＴＸ１と、第二ゲート電極ＴＸ２とには、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２には、電荷転送信号Ｓ３１，Ｓ３２が与えられる。
電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）において発生した電荷は、第一ゲート電極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、第一半導体領域ＦＤ１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。第一半導体領域ＦＤ１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）として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域）において発生した電荷は、第二ゲート電極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、第二半導体領域ＦＤ２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。第二半導体領域ＦＤ２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）として第二半導体領域ＦＤ２から読み出される。これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
図９は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
１フレームの期間は、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）と、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）と、からなる。一つの画素に着目すると、蓄積期間において、パルス駆動信号ＳＰに基づいた信号が光源に印加され、これに同期して、検出用ゲート信号Ｓ１第一ゲート電極ＴＸ１に印加される。そして、検出用ゲート信号Ｓ２が、検出用ゲート信号Ｓ１に所定の位相差（たとえば、１８０度の位相差）で第二ゲート電極ＴＸ２に印加される。なお、距離測定に先立って、リセット信号が第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。リセット信号が一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２のパルスが第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われる。そして、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に信号電荷が積算して蓄積される。
その後、読み出し期間において、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に印加される電荷転送信号Ｓ３１，Ｓ３２がハイレベルとなり、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に正の電位が与えられ、不要電荷が第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２のポテンシャル井戸に収集される。検出用ゲート信号Ｓ１と電荷転送信号Ｓ３１とは、逆の位相である。検出用ゲート信号Ｓ２と電荷転送信号Ｓ３２とは、逆の位相である。
フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２に与えられる電位ＶＰＧは、電位ＶＴＸ１，ＶＴＸ２，ＶＴＸ３１，ＶＴＸ３２より低く設定されている。これにより、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２がハイレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２はポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも低くなる。電荷転送信号Ｓ３１，Ｓ３２がハイレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ３１，φＴＸ３２はポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも低くなる。
電位ＶＰＧは、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２及び電荷転送信号Ｓ３１，Ｓ３２がローレベルであるときの電位より高く設定されている。検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２がローレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２はポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも高くなる。また、電荷転送信号Ｓ３１，Ｓ３２がローレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ３１，φＴＸ３２はポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも高くなる。
以上のように、本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧ１が電荷発生領域の上に配置され、第一ゲート電極ＴＸ１が第一半導体領域ＦＤ１と電荷発生領域との間に配置され、第三ゲート電極ＴＸ３１が電荷発生領域と第三半導体領域ＦＤ３１との間に配置されている。また、フォトゲート電極ＰＧ２が電荷発生領域の上に配置され、第二ゲート電極ＴＸ２が第二半導体領域ＦＤ２と電荷発生領域との間に配置され、第三ゲート電極ＴＸ３２が電荷発生領域と第三半導体領域ＦＤ３２との間に配置されている。
信号電荷が第一半導体領域ＦＤ１に送られる際には、フォトゲート電極ＰＧ１、第一ゲート電極ＴＸ１、及び第三ゲート電極ＴＸ３１の直下の領域には、第三ゲート電極ＴＸ３１側から第一ゲート電極ＴＸ１側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成される。信号電荷が第二半導体領域ＦＤ２に送られる際には、フォトゲート電極ＰＧ２、第二ゲート電極ＴＸ２、及び第三ゲート電極ＴＸ３２の直下の領域には、第三ゲート電極ＴＸ３２側から第二ゲート電極ＴＸ２側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成される。したがって、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域（電荷発生領域）に発生した電荷は、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に確実に移動し、第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２には移動し難い。特に、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に信号電荷を転送する際には、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３１，φＴＸ３２が、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも高くなるため、第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２には移動し難い。この結果、距離画像センサ１では、信号電荷の転送効率が向上する。
不要電荷が第三半導体領域ＦＤ３１に送られる際には、フォトゲート電極ＰＧ１、第一ゲート電極ＴＸ１、及び第三ゲート電極ＴＸ３１の直下の領域には、第一ゲート電極ＴＸ１側から第三ゲート電極ＴＸ３１側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成される。不要電荷が第三半導体領域ＦＤ３２に送られる際には、フォトゲート電極ＰＧ２、第二ゲート電極ＴＸ２、及び第三ゲート電極ＴＸ３２の直下の領域には、第二ゲート電極ＴＸ２側から第三ゲート電極ＴＸ３２側に向かって低くなるポテンシャルの勾配が形成される。したがって、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域（電荷発生領域）に発生した電荷は、不要電荷として第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２に確実に移動し、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２には移動し難い。特に、第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２に信号電荷を転送する際には、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２が、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルφＰＧ１，φＰＧ２よりも高くなるため、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２には移動し難い。この結果、距離画像センサ１では、不要電荷の転送効率が向上する。
これらにより、本実施形態に係る距離画像センサ１によれば、距離検出精度を向上できる。
ところで、本実施形態では、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の内側に位置しており、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積がフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の面積に比して小さく設定されている。このため、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域（電荷発生領域）における第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に電荷を転送可能な領域の面積に対し、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が相対的に大きく低減される。第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に転送されて、蓄積された電荷（電荷量Ｑ１，Ｑ２）は、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の静電容量（Ｃｆｄ）により、下記関係式で示される電圧変化（ΔＶ）をそれぞれ発生させる。
ΔＶ＝Ｑ１／Ｃｆｄ
ΔＶ＝Ｑ２／Ｃｆｄ
したがって、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積が低減されると、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の静電容量（Ｃｆｄ）も低減され、発生する電圧変化（ΔＶ）が大きくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが高くなる。この結果、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
第一ゲート電極ＴＸ１は、第一半導体領域ＦＤ１の全周を囲んでいる。第二ゲート電極ＴＸ２は、第二半導体領域ＦＤ２の全周を囲んでいる。このため、信号電荷は、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の全方位から第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に収集される。この結果、撮像領域の面積効率（開口率）を高めることができる。
第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２）の全周を囲んでいる。これにより、電荷発生領域が分離され、クロストークの発生を抑制することができる。また、隣り合う電荷発生領域が、空間的に離間して形成されており、隣り合う電荷発生領域の間に第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２が位置している。このため、不要電荷が第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２に確実に移動して、不要電荷の転送効率をより一層向上できる。
本実施形態では、隣り合う第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２同士が、一体的に形成されている。これにより、隣り合う電荷発生領域間の距離が短くなり、センサ面積の利用効率を高めることができる。この結果、空間解像度を向上できる。
続いて、図１０〜図２０を参照して、本実施形態の変形例に係る距離画像センサ１の構成を説明する。
図１０に示された変形例では、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２、及び第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２の形状、並びに、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２を含む各ユニットの配置が、上述した実施形態と相違する。図１０は、変形例に係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。
フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、内側の輪郭が矩形状（詳細には、正方形状）を呈し、外側の輪郭が八角形状を呈している。第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２及び第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、八角形環状を呈している。複数の第一半導体領域（本変形例では、四つの第一半導体領域）ＦＤ１は、仮想の多角形（本変形例では、正方形）の頂点に配置されている。第二半導体領域ＦＤ２は、各第一半導体領域ＦＤ１を頂点とする正方形の中心に配置されている。仮想の多角形は、四角形のほか、三角形又は五角形以上の多角形であってもよい。
本変形例では、フォトゲート電極ＰＧ２（フォトゲート電極ＰＧ２の直下の電荷発生領域）を含む一つの第二ユニットに対して、フォトゲート電極ＰＧ１（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の電荷発生領域）を含む複数の第一ユニット（本変形例では、四つの第一ユニット）が隣り合って配置されている。フォトゲート電極ＰＧ１を含む第一ユニット一つずつが、フォトゲート電極ＰＧ２を含む一つの第二ユニットと一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成している。すなわち、図１０では、四つの第一ユニットと一つの第二ユニットとが、四つの画素Ｐ（ｍ，ｎ），Ｐ（ｍ，ｎ＋１），Ｐ（ｍ＋１，ｎ），Ｐ（ｍ＋１，ｎ＋１）を構成している。これにより、本変形例では、センサ面積の利用効率を高めることができ、空間解像度を向上できる。
図１１に示された変形例では、フォトゲート電極ＰＧ１を含む複数の第一ユニットとフォトゲート電極ＰＧ２を含む複数の第二ユニットとが、行方向及び列方向に交互に配置されている。図１１は、変形例に係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。
一つの第一ユニットに着目すると、当該一つの第一ユニットは、隣り合う複数の第二ユニット一つずつと一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成している。同様に、一つの第二ユニットに着目すると、当該一つの第二ユニットは、隣り合う複数の第一ユニット一つずつと一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成している。すなわち、図１１では、八つの第一ユニットと八つの第二ユニットとが、二十四つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成している。これにより、本変形例でも、センサ面積の利用効率を高めることができ、空間解像度を向上できる。
図１２に示された変形例では、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２、及び第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２の形状が、上述した実施形態と相違する。図１２は、変形例に係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。
第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、円形状を呈している。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２、第三ゲート電極ＴＸ３１，ＴＸ３２、及び第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、円環状を呈している。
図１３〜図１４に示された変形例では、フォトゲート電極ＰＧ、第三ゲート電極ＴＸ３、及び第三半導体領域ＦＤ３の形状が、上述した実施形態と相違する。図１３は、変形例に係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１４は、図１３におけるXIV−XIV線に沿った断面構成を示す図である。
本変形例の距離画像センサは、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、一つのフォトゲート電極ＰＧと、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と、一つ第三ゲート電極ＴＸ３と、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と、一つの第三半導体領域ＦＤ３と、を備えている。
フォトゲート電極ＰＧは、上述した実施形態におけるフォトゲート電極ＰＧ１とフォトゲート電極ＰＧ２とが一体的に形成された形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、第一ユニット（第一半導体領域ＦＤ１を含むユニット）と第二ユニット（第二半導体領域ＦＤ２を含むユニット）とで共用される。これにより、隣り合う第一ユニットと第二ユニットとの電荷発生領域同士が、一体的に形成される。
第三半導体領域ＦＤ３は、フォトゲート電極ＰＧを囲むようにフォトゲート電極ＰＧの外側に配置されている。第三半導体領域ＦＤ３は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第三半導体領域ＦＤ３は、受光領域を囲むように受光領域の外側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。第三半導体領域ＦＤ３は、平面視で矩形環状を呈している。
第三ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧと第三半導体領域ＦＤ３との間に配置されている。第三ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧを囲むようにフォトゲート電極ＰＧの外側に位置していると共に、第三半導体領域ＦＤ３に囲まれるように第三半導体領域ＦＤ３の内側に位置している。第三ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧと第三半導体領域ＦＤ３とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第三半導体領域ＦＤ３から空間的に離間して配置されている。第三ゲート電極ＴＸ３は、平面視で矩形環状を呈している。
図１５は、図１３〜図１４に示される変形例における、各種信号のタイミングチャートである。図１６及び図１７は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。図１８は、不要電荷の排出動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
本変形例では、図１５に示されるように、第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２が共にローレベルの際に、第三ゲート電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ３がハイレベルとされる。
図１６に示されるように、第一ゲート電極ＴＸ１に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第一ゲート電極ＴＸ１の下のポテンシャルφＴＸ１が半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧに対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第一ゲート電極ＴＸ１の方向に引き込まれ、第一半導体領域ＦＤ１によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。このとき、第二ゲート電極ＴＸ２に、ローレベルの信号（グランド電位）が与えられると、第二ゲート電極ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第二半導体領域ＦＤ２内には引き込まれない。
図１７に示されるように、第二ゲート電極ＴＸ２に、ハイレベルの信号が与えられると、第二ゲート電極ＴＸ２の下のポテンシャルφＴＸ２が半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧに対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第二ゲート電極ＴＸ２の方向に引き込まれ、第二半導体領域ＦＤ２によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第一ゲート電極ＴＸ１に、ローレベルの信号が与えられると、第一ゲート電極ＴＸ１によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第一半導体領域ＦＤ１内には引き込まれない。
第一ゲート電極ＴＸ１に検出用ゲート信号Ｓ１が印加されている間、及び、第二ゲート電極ＴＸ２に検出用ゲート信号Ｓ２が印加されている間、第三ゲート電極ＴＸ３には、ローレベルの信号が与えられている。このため、第三ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３は下がらず、第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
図１８に示されるように、第三ゲート電極ＴＸ３に、ハイレベルの信号が与えられると、第三ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３が半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧに対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は第三ゲート電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、第三半導体領域ＦＤ３によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。
本変形例では、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に対して電荷発生領域が拡大し、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれに移動する信号電荷が増加する。この結果、信号電荷の転送効率をより一層向上できる。
図１９に示された変形例では、フォトゲート電極ＰＧを含む一つのユニットが一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成している点が、上述した実施形態と相違する。図１９は、変形例に係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。
本変形例の距離画像センサは、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、フォトゲート電極ＰＧと、第一ゲート電極ＴＸ１と、第三ゲート電極ＴＸ３と、第一半導体領域ＦＤ１と、第三半導体領域ＦＤ３と、を備えている。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成する一つのユニットの構成は、上述した実施形態の第一ユニット（又は第二ユニット）の構成と同じである。
図２０は、図１９に示される変形例における、各種信号のタイミングチャートである。図２０に示されるように、第一ゲート電極ＴＸ１に印加される検出用ゲート信号Ｓ１は、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられている。本変形例では、検出用ゲート信号Ｓ１は、１８０度のタイミングで１８０度の位相シフトが与えられている。検出用ゲート信号Ｓ１は、０度のタイミングでパルス駆動信号ＳＰに同期し、１８０度のタイミングでパルス駆動信号ＳＰに１８０度の位相差を有している。検出用ゲート信号Ｓ１と電荷転送信号Ｓ３とは、逆の位相である。
本変形例では、０度のタイミングで第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷が、出力（Ｖｏｕｔ１）として第一半導体領域ＦＤ１から読み出され、１８０度のタイミングで第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷が、出力（Ｖｏｕｔ２）として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。フォトゲート電極ＰＧ（フォトゲート電極ＰＧの直下の電荷発生領域）を含む一つのユニットが一画素に対応し、同一画素からの出力に基づいて距離が演算される。このため、複数のユニットが一画素に対応する構成に比して、距離演算のばらつきを低減できる。また、センサ面積の利用効率を高めることができ、空間解像度を向上できる。
検出用ゲート信号Ｓ１は、９０度のタイミングで９０度の位相シフトが与えられ、１８０度のタイミングで１８０度の位相シフトが与えられ、２７０度のタイミングで２７０度の位相シフトが与えられていてもよい。この場合、０度、９０度、１８０度、及び２７０度のタイミングで第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷が、出力として第一半導体領域ＦＤ１から読み出され、これらの出力に基づいて距離が演算される。
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。
距離画像センサ１は、図２１及び図２２に示されるように、裏面照射型の距離画像センサであってもよい。半導体基板１Ａは、所望の厚みとなるように、裏面１ＢＫ側から薄化されている。これにより、第一基板領域１Ａａが除去され、第二基板領域１Ａｂが露出する。
入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域をフォトダイオード（たとえば、埋め込み型のフォトダイオードなど）により構成してもよい。距離画像センサ１は、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が２次元状に配置されたものに限られることなく、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が１次元状に配置されたものであってもよい。
本実施形態に係る距離画像センサ１におけるｐ型及びｎ型の各導電型は、上述したものとは逆になるよう入れ替えられていてもよい。
本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタ、又は、車両など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、１Ｂ…撮像領域、ＦＤ１…第一半導体領域、ＦＤ２…第二半導体領域、ＦＤ３，ＦＤ３１，ＦＤ３２…第三半導体領域、Ｐ…画素、ＰＧ，ＰＧ１，ＰＧ２…フォトゲート電極、ＴＸ１…第一ゲート電極、ＴＸ２…第二ゲート電極、ＴＸ３，ＴＸ３１，ＴＸ３２…第三ゲート電極。

Claims (14)

  1. 入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
    前記電荷発生領域に囲まれるように前記電荷発生領域の内側に配置され、前記電荷発生領域からの信号電荷を収集する信号電荷収集領域と、
    前記電荷発生領域を囲むように前記電荷発生領域の外側に配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を収集する不要電荷収集領域と、
    前記電荷発生領域の上に配置されるフォトゲート電極と、
    前記信号電荷収集領域と前記電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて前記電荷発生領域からの信号電荷を前記信号電荷収集領域に流入させる転送電極と、
    前記不要電荷収集領域と前記電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて前記電荷発生領域からの不要電荷を前記不要電荷収集領域に流入させる不要電荷収集ゲート電極と、を備えている、距離センサ。
  2. 複数の前記電荷発生領域と、複数の前記信号電荷収集領域と、複数の前記不要電荷収集領域と、複数の前記フォトゲート電極と、複数の前記転送電極と、複数の前記不要電荷収集ゲート電極と、を備えており、
    前記複数の転送電極には、異なる位相の電荷転送信号がそれぞれ与えられる、請求項１に記載の距離センサ。
  3. 隣り合う前記不要電荷収集領域同士が、一体的に形成されている、請求項２に記載の距離センサ。
  4. 前記複数の電荷発生領域が、空間的に離間して形成されている、請求項２又は３に記載の距離センサ。
  5. 隣り合う前記電荷発生領域同士が、一体的に形成され、
    隣り合う前記フォトゲート電極同士が、一体的に形成されている、請求項２又は３に記載の距離センサ。
  6. 前記転送電極には、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられた電荷転送信号が与えられる、請求項１に記載の距離センサ。
  7. 前記フォトゲート電極と前記転送電極と前記不要電荷収集ゲート電極とは、前記信号電荷収集領域を中心として、前記信号電荷収集領域側から前記転送電極、前記フォトゲート電極、前記不要電荷収集ゲート電極の順に同心状に配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の距離センサ。
  8. 前記信号電荷収集領域は、平面視で矩形状であり、
    前記フォトゲート電極と前記転送電極と前記不要電荷収集ゲート電極とは、略多角形環状を呈している、請求項１〜７のいずれか一項に記載の距離センサ。
  9. 前記信号電荷収集領域は、平面視で円形状であり、
    前記フォトゲート電極と前記転送電極と前記不要電荷収集ゲート電極とは、略円環状を呈している、請求項１〜７のいずれか一項に記載の距離センサ。
  10. 前記電荷発生領域にて発生した電荷を前記信号電荷として前記信号電荷収集領域に送る場合、前記転送電極の直下の領域のポテンシャルが前記フォトゲート電極の直下の領域のポテンシャルよりも下がり、かつ、前記不要電荷収集ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが前記フォトゲート電極の直下の領域のポテンシャルよりも上がるように、前記転送電極と前記不要電荷収集ゲート電極とに信号が与えられ、
    前記電荷発生領域にて発生した電荷を前記不要電荷として前記不要電荷収集領域に送る場合、前記転送電極の直下の領域のポテンシャルが前記フォトゲート電極の直下の領域のポテンシャルよりも上がり、かつ、前記不要電荷収集ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが前記フォトゲート電極の直下の領域のポテンシャルよりも下がるように、前記転送電極と前記不要電荷収集ゲート電極とに信号が与えられる、請求項１に記載の距離センサ。
  11. 一次元状又は二次元状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であって、
    前記ユニットそれぞれが、請求項１に記載の距離センサである、距離画像センサ。
  12. 前記複数のユニットのうち隣り合う二つのユニットが、前記撮像領域の一画素を構成している、請求項１１に記載の距離画像センサ。
  13. 前記複数のユニットのうち任意の一つのユニットと前記任意の一つのユニットと隣り合う複数のユニットとにおいて、前記任意の一つのユニットと前記複数のユニットのうちの一つのユニットずつとが前記撮像領域の一画素をそれぞれ構成している、請求項１２に記載の距離画像センサ。
  14. 前記ユニットそれぞれが、前記撮像領域の一画素を構成している、請求項１１に記載の距離画像センサ。
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