KR100784417B1 - 광검출 소자 및 광검출 소자의 제어 방법 - Google Patents

광검출 소자 및 광검출 소자의 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100784417B1
KR100784417B1 KR1020067000522A KR20067000522A KR100784417B1 KR 100784417 B1 KR100784417 B1 KR 100784417B1 KR 1020067000522 A KR1020067000522 A KR 1020067000522A KR 20067000522 A KR20067000522 A KR 20067000522A KR 100784417 B1 KR100784417 B1 KR 100784417B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carrier
region
recombination
holding
light
Prior art date
Application number
KR1020067000522A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20060031855A (ko
Inventor
유스케 하시모토
유지 다카다
후미카즈 구리하라
후미 쓰네사다
Original Assignee
마츠시다 덴코 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 마츠시다 덴코 가부시키가이샤 filed Critical 마츠시다 덴코 가부시키가이샤
Publication of KR20060031855A publication Critical patent/KR20060031855A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100784417B1 publication Critical patent/KR100784417B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4913—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4914—Circuits for detection, sampling, integration or read-out of detector arrays, e.g. charge-transfer gates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/36—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

광검출 소자(1). 상기 소자(1)는 웰 영역(31)을 포함하는 소자 형성층(22)을 포함한다. 상기 소자 형성층(22) 위에는 절연층(24)을 통해 표면 전극(25)이 형성된다. 상기 영역(31)은 전자 유지 영역(32)을 포함한다. 전자 유지 영역(32)은 정공 유지 영역(33)을 포함한다. 절연층(24)은 제어 전극(26)을 포함하며 상기 제어 전극(26)은 상기 절연층(24)을 통해 정공 유지 영역(33)과 대향한다. 소자 형성층(22)에서 전자 및 정공이 생성한다. 선택되는 상황이 2가지가 있다. 한 상태에서는, 전극(25, 26)에 인가되는 전위를 각각 제어함으로써 전자 유지 영역(32)에서 전자가 수집되는 반면 정공 유지 영역(33)에서는 정공이 유지된다. 다른 상태에서는, 전자와 정공을 재결합시킨다. 재결합 후, 잔류하고 있는 전자들이 수광 출력으로서 구별된다.
광검출 소자, 웰 영역, 소자 형성층, 절연층, 표면 전극, 전자 유지 영역, 정공 유지 영역, 재결합

Description

광검출 소자 및 광검출 소자의 제어 방법{LIGHT DETECTING ELEMENT AND CONTROL METHOD OF LIGHT DETECTING ELEMENT}
본 발명은 광검출 소자 및 광검출 소자의 제어 방법에 관한 것이다.
종래의 광검출 소자로서 포토다이오드, 포토트랜지스터, CCD 이미지 센서 등과 같은 다양한 소자가 알려져 있다. 이러한 광검출 소자는 수광 강도의 변동에 기초하여 물리적 대상물의 존재를 검출하는 포토센서, 광을 전송 매체로서 사용하는 광통신, 삼각측량법이나 또는 투광과 수광 간의 위상차를 사용하여 거리를 광학적으로 측정하는 거리 센서(레인지파인더), 또는 비디오 카메라나 디지털 카메라와 같은 촬상 장치 등의 여러 응용분야에서 폭넓게 활용되고 있다.
이러한 응용분야에서는, 침입자를 감시하는 포토센서나, (적외선) 광 원격 제어기와 같은 광 통신 기기, 자동 초점 카메라나 로봇 눈에서 사용되는 거리 센서나, 거리 영상을 얻기 위해 광원과 함께 사용되는 촬상 장치 등과 같은 광검출 소자와 함께 광원을 사용하는 경우가 있다. 이 경우, 광검출 소자는 광원으로부터 광을 수신할 뿐만 아니라 자연광과 같은 환경 광을 수신하여, 광원으로부터의 광만을 수신하는 경우에 비해, 수광의 강도를 증가시킨다.
이러한 종류의 광검출 소자에서는, 그 수광량만큼 광검출 소자에서 캐리어( 전자 또는 정공)가 생성된다. 그렇지만, 생성된 캐리어의 양은 수광량이 증가함에 따라 점진적으로 포화 상태에 이르게 된다. 그 이유는 그 수광량에 따라 생성되는 캐리어의 양에 한계가 있기 때문이다. 그러므로 전술한 바와 같은 응용분야에서 대상 정보를 포함하는 신호 광과 함께 수신되는 환경 광이 수신될 때는, 광검출 소자의 동적 범위가 환경 광만큼 감소하기 때문에 신호 광으로부터 큰 출력을 얻을 수 없다는 문제가 있다.
또한, 신호 광이 환경 광과 혼합되는 경우에는, 환경 광이 변동할 때 신호 광을 혼합된 광과 구별할 수 없게 될 우려가 있다. 신호 광에 포함된 특정한 파장 성분을 통과하는 광학 필터를 사용하면 혼합된 광과 신호 광을 구별할 수는 있다. 그렇지만, 환경 광이 태양 광과 같이 넓은 범위로 확산하는 스펙트럼 성분을 가질 때는 상기 광학 필터를 사용하더라도 환경 광에 대한 영향을 충분히 제거하지 못한다.
신호 광과 환경 광을 분리하는 다른 종래 기술에 있어서는, 광검출 소자의 출력을 신호 광의 성분과 환경 광의 성분으로 분리한다. 예를 들어, 일본 공개 특허 공보 제2001-337166호에는 점등 기간 동안에 수광과 소등 기간 동안에 수광 간의 차분을, 광원이 간헐적으로 동작하는 동안에 찾아내어 환경 광의 성분을 감소시키거나 제거하는 것에 대해 개시하고 있다. 점등 기간은 광원이 작동하고 있는 시간이며 소등 기간은 광원이 절멸되어 있는 시간이다. 즉, 상기 환경 광이 요동하지 않는 짧은 기간에서는, 점등 기간에 환경 광과 신호 광의 성분들을 가진 수광에 대응하는 출력에서 소등 기간에 환경 광의 성분만을 가진 수광에 대응하는 출력을 공 제하여 차분을 산출한다. 그 결과, 상기 환경 광의 성분을 억압하여 신호 광의 성분의 비율을 대폭 감소시킬 수 있다.
그렇지만, 일본 공개 특허 공보 제2001-337166호에 기재된 종래 기술에는, 광검출 소자가 포화 상태일 때 신호 광의 성분을 검출할 수 없다는 문제가 있다. 왜냐하면, 이 종래 기술에서는 광검출 소자의 출력을 신화 광의 성분과 환경 광의 성분으로 분리하기 위해 광검출 소자의 외부 회로에서 차분을 산출하기 때문이다. 즉, 광검출 소자의 신호 광의 동적 범위가 환경 광 때문에 좁아지고 이에 따라 종래 기술로서는 신호 광에 따라 광검출 소자로부터 큰 출력을 얻을 수 없다는 문제를 해결하지 못한다.
게다가, 샷 노이즈의 영향을 줄이기 위해서는 광 조사에 의해 생성되는 캐리어의 개수를 증가시킬 필요가 있다. 왜냐하면 광검출 소자의 검출 정밀도의 한계가 일반적으로 광전 변환(photoelectric conversion)에 따른 샷 노이즈에 의해 결정되기 때문이다. 포화 상태 하에서는, 수광의 강도가 강할수록 그리고 광 수신 시간이 길수록(즉, 수광량이 많을수록) 캐리어의 개수가 많아진다. 그러므로 광원의 조사 강도를 증가시키거나 광검출 소자의 광 수신 시간을 길게 하면 샷 노이즈의 영향을 줄일 수 있다. 그렇지만, 광원의 조사량을 증가시키거나 광 검출 소자의 광 수신 시간을 길게 하여도 SN 비를 충분히 크게 할 수는 없다. 광 검출 소자의 동적 범위는 환경 광이 존재할 때 감소하기 때문이다.
또한, 종래 기술에서는 CCD 센서나 MOS형 센서(즉, 광검출 소자)와 같은 촬상 장치로부터 적어도 2회 판독하는 것을 필요로 한다. 왜냐하면, 차분을 얻기 위 해서는 수광에 대응하는 출력을 촬상 장치로부터 2회 구별하여야 하기 때문이다.
본 발명의 목적은 외부 회로 없이 환경 광에 의한 포화를 방지하여 신호 광의 동적 범위를 크게 할 수 있는 신호 광의 성분을 검출하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 촬상 장치가 어레이 구성을 가져도 응답 속도가 감소하지 않도록 하는 것이다.
광검출 소자는 반도체 장치 내에 형성되며 감광부, 캐리어 분리부, 재결합부 및 출력부를 포함한다. 감광부는 광원에서 조사되는 광을 수신하여 전자 및 정공을 생성하도록 구성되어 있으며 상기 전자 및 정공 각각은 감광부에서 수광량에 따라 수가 변한다. 캐리어 분리부는 분리용 제어 전극을 갖는다. 캐리어 분리부는 또한 분리용 제어 전극에 인가되는 전위를 제어하여, 감광부에서 생성되는 전자 및 정공을 목적 캐리어 및 비목적 캐리어로 분리하도록 구성되어 있다. 목적 캐리어는 전자나 정공 중 하나이며, 비목적 캐리어는 전자나 정공 중 다른 하나이다. 재결합부는 재결합 제어 전극을 갖는다. 재결합부는 또한 재결합 제어 전극에 인가되는 전위를 제어하여, 점등 시에 감광부에서 생성된 목적 캐리어와 소등 시에 감광부에서 생성된 비목적 캐리어 간의 재결합을 자극하도록 구성되어 있다. 점등 기간은 광원이 작동하고 있는 기간이며, 소등 기간은 광원이 작동하고 있지 않은 기간이다. 출력부는 재결합 후에 잔류하고 있는 목적 캐리어를 인출하도록 구성되어 있다.
이 구성에 의하면, 광원의 점등 기간에 감광부에서 생성된 목적 캐리어와 광원의 소등 기간에 감광부에서 생성된 비목적 캐리어를 재결합부에서 재결합한다. 재결합 후에 잔류하고 있는 목적 캐리어를 외부로 인출하고 나서, 감광부에서 수광하는 광원으로부터의 광(이하 "입력 신호 광"이라 함)에 상당하는 목적 캐리어로부터 환경 광 성분에 상당하는 목적 캐리어를 제거할 수 있고, 재결합 후에 잔류하는 목적 캐리어로부터 환경 광 성분을 대폭 제거할 수 있다. 그 결과, 재결합부로부터 출력부에 인도되는 목적 캐리어의 환경 광 성분이 저감되어 환경 광 성분에 의한 출력부의 포화를 방지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 1개의 반도체 장치에 있어서 전술한 기능을 실현하기 때문에, 반도체 장치의 출력 신호에 대하여 환경 광 성분을 제거하는 경우와 비교하면, 출력부의 포화가 양호하게 방지되므로, 입력 신호 광에 대한 동적 범위를 대폭 향상시킬 수 있다. 또, 광검출 소자에 재결합부를 설치하여 상이한 2기간의 수광량의 차에 상당하는 목적 캐리어를 수광 출력으로 하기 때문에, 다수 개의 광검출 소자를 배열해 촬상 소자를 구성하는 경우에, 촬상 소자로부터 2 화면분을 판독할 필요가 없어, 응답 속도의 저하가 없는 광검출 소자를 제공할 수 있다.
상기 캐리어 분리부는 점등 기간에 생성되고 재결합부에서의 재결합에 관여하는 목적 캐리어의 개수가 소등 기간에 생성되고 재결합부에서의 재결합에 관여하는 비목적 캐리어의 개수보다 많게 되도록 조절하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 감광부에서 생성된 목적 캐리어의 개수와 비목적 캐리어의 개수와의 관계를 캐리어 분리부에서 조절하기 때문에, 재결합부에서의 재결합 후에 잔류하는 목적 캐리어로부터 소등 기간에 생긴 환경 광 성분을 간단히 제거한다.
양호하게, 광검출 소자는 상기 감광부에서 생성된 목적 캐리어를 수집해 재결합까지 유지하는 목적 캐리어 유지부와, 상기 감광부에서 생성된 비목적 캐리어를 수집해 재결합까지 유지하는 비목적 캐리어 유지부를 더 포함한다. 상기 재결합부는, 목적 캐리어 유지부에 유지된 목적 캐리어와 비목적 캐리어 유지부에 유지된 비목적 캐리어를 재결합하도록 구성되어 있다.
이 구성(이하 "제3의 구성"이라 함)에 의하면, 캐리어를 목적 캐리어와 비목적 캐리어로 분리하여 재결합 때까지 유지하므로, 상이한 2기간에서 각각 생성된 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 재결합하지 않도록 분리하여 유지할 수 있다.
양호하게, 상기 캐리어 분리부는 상기 목적 캐리어 유지부에 유지된 목적 캐리어를 폐기시키는 스위치 요소를 더 포함한다. 이 구성에 의하면, 소등 기간과 점등 기간의 한쪽에서 생성된 목적 캐리어를 폐기할 수 있다. 그러므로 상기 한쪽의 기간에서 생성된 비목적 캐리어만이 유지되는 것으로 되어, 재결합부에서 재결합할 때의 목적 캐리어와 비목적 캐리어와의 개수의 차를 크게 할 수 있다. 그 결과, 소등 기간과 점등 기간을 각각 비교적 짧게 하면서도, 재결합 후에 비교적 많은 목적 캐리어를 인출하는 것이 가능하게 되어, 감도를 높일 수 있다.
상기 출력부는 상기 재결합부에서의 재결합 후에 잔류하는 목적 캐리어를 적분하는 적분 기능을 포함한다. 이 구성에 의하면, 1회의 점등 기간과 1회의 소등 기간에 대응하여 재결합부로부터 얻어지는 목적 캐리어의 개수가 적은 경우라도, 출력부에 있어서 목적 캐리어를 적분함으로써, 출력하는 목적 캐리어의 개수를 비교적 크게 할 수 있다.
상기 광검출 소자는 반도체로 이루어지는 기판의 주 표면 측에 형성된 제1 도전형의 소자 형성층과, 소자 형성층의 주 표면 측에 설치된 제2 도전형의 웰 영역과, 소자 형성층의 주 표면 측에서 적어도 웰 영역에 절연층을 통하여 대향해서 광이 투과 가능한 표면 전극과, 상기 웰 영역 내에서 소자 형성층의 주 표면 측에 설치되어 상기 목적 캐리어 유지부로 되는 제2 도전형의 제1 유지 영역과, 상기 제1 유지 영역 내에서 소자 형성층의 주 표면 측에 설치되어 상기 비목적 캐리어 유지부로 되는 제1 도전형의 제2 유지 영역과, 상기 소자 형성층의 주 표면 중 제2 유지 영역에 대응하는 부위에서 절연층을 통하여 대향하는 전극으로서 상기 분리용 제어 전극과 상기 결합용 제어 전극으로서 겸용되고 광이 투과 가능한 공통 제어 전극을 포함하며, 상기 감광부는 소자 형성층에서 전자 및 정공을 생성하고, 상기 재결합부는 제1 유지 영역과 제2 유지 영역 중 적어도 한쪽을 포함한다.
이 구성(이하 "제6의 구성"이라 함)에 의하면, 비교적 간단한 구조의 반도체 장치를 사용하여 상기 제3의 구성의 광검출 소자를 실현하는 것이 가능하다. 특히, 상기 결합부가 제1 유지 영역과 제2 유지 영역 중 적어도 한쪽을 포함하기 때문에 소형화가 가능하다.
양호하게, 상기 광검출 소자는 상기 소자 형성층의 주 표면 측에 있어서 상기 웰 영역에 인접하여 형성되고 상기 목적 캐리어 유지부로부터 목적 캐리어를 폐기할 수 있는 제2 도전형의 드레인 영역과, 드레인 영역에 오믹 커플링에 의해 접속되고 제1 유지 영역으로부터 드레인 영역에 목적 캐리어가 폐기되도록 전압이 인가되는 드레인 전극을 더 포함한다.
이 구성(이하 "제7의 구성"이라 함)에 의하면, 점등 기간과 소등 기간의 한쪽의 기간에서 생성된 목적 캐리어를 드레인 영역에 폐기할 수 있기 때문에 비목적 캐리어 유지부에는 상기 한쪽의 기간에서 생성된 비목적 캐리어만을 유지되는 것으로 되어, 재결합시키는 목적 캐리어와 비목적 캐리어와의 개수의 차를 크게 할 수 있다. 그 결과, 점등 기간과 소등 기간을 각각 비교적 짧게 하면서도, 재결합 후에 비교적 많은 목적 캐리어를 인출하는 것이 가능하게 되어, 감도를 높일 수 있다.
상기 광검출 소자는 반도체로 이루어지는 기판의 주 표면 측에 형성된 제1 도전형의 소자 형성층과, 상기 소자 형성층의 주 표면 측에 설치되어 상기 목적 캐리어 유지부로 되는 제2 도전형의 웰 영역과, 상기 소자 형성층의 주 표면 측에서 적어도 웰 영역에 절연층을 통하여 대향해 광이 투과 가능한 표면 전극과, 상기 웰 영역 내에서 소자 형성층의 주 표면 측에 설치되어 상기 비목적 캐리어 유지부로 되는 제1 도전형의 유지 영역과, 상기 소자 형성층의 주 표면 중 유지 영역의 일부에 대응하는 부위에서 절연층을 통하여 대향하는 전극으로서 상기 분리용 제어 전극과 상기 결합용 제어 전극으로 겸용되고 광이 투과 가능한 공통 제어 전극을 포함하고, 상기 감광부는 소자 형성층에서 전자 및 정공을 생성하고, 상기 재결합부는 웰 영역 내에서 유지 영역의 내외 중 적어도 한쪽을 포함한다.
이 구성(이하 "제8의 구성"이라 함)에 의하면, 비교적 간단한 구조의 반도체 장치를 사용하여 제3의 구성의 광검출 소자를 실현할 수 있다. 특히, 웰 영역 내에서 유지 영역의 내외 중 적어도 한쪽이 재결합부로서 겸용되고 있기 때문에 소형화가 가능하다.
상기 광검출 소자는 제1 도전형의 중간층을 통하여 제2 도전형의 반도체로 이루어지는 기판의 주 표면 측에 형성된 제2 도전형의 소자 형성층과, 상기 소자 형성층의 주 표면 측에 설치되어 상기 목적 캐리어 유지부로 되는 제2 도전형의 웰 영역과, 소자 형성층의 주 표면 측에 있어서 적어도 웰 영역에 절연층을 통하여 대향해 광이 투과 가능한 표면 전극과, 상기 웰 영역 내에서 소자 형성층의 주 표면 측에 설치되어 상기 비목적 캐리어 유지부로 되는 제1 도전형의 유지 영역과, 상기 소자 형성층의 주 표면 중 유지 영역의 일부에 대응하는 부위에서 절연층을 통하여 대향하는 전극으로서 상기 분리용 제어 전극과 상기 결합용 제어 전극으로 겸용되고 광이 투과 가능한 공통 제어 전극을 포함하며, 상기 감광부는 소자 형성층에서 전자 및 정공을 생성하고, 상기 재결합부는 상기 웰 영역 내에서 유지 영역의 내외 중 적어도 한쪽을 포함한다.
이 구성(이하 "제9의 구성"이라 함)에 의하면, 비교적 간단한 구조의 반도체 장치를 사용하여 제3의 구성의 광검출 소자를 실현할 수 있다. 특히, 웰 영역 내에서 유지 영역의 내외 중 적어도 한쪽이 재결합부로서 겸용되고 있기 때문에 소형화가 가능하다. 또, 웰 영역과 소자 형성층을 동 도전형의 반도체에 의해 형성하고 있기 때문에, 소자 형성층의 심부까지 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 생성하는 감광부로서 기능하게 할 수 있고, 또한 기판과 소자 형성층 사이에 기판 및 소자 형성층과는 상이한 도전형의 중간층을 설치하고 있기 때문에, 기판과 중간층의 전위를 조절함으로써, 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 용이하게 분리할 수 있다.
양호하게, 상기 광검출 소자는 매립층을 더 포함한다. 상기 매립층은 상기 웰 영역의 바닥에 형성되어 웰 영역과 소자 형성층 사이의 전위 장벽을 증가시킨다. 상기 웰 영역은 상기 소자 형성층에서 상기 기판에 이르지 않게 형성되어 있다.
이 구성(이하 "제10의 구성"이라 함)에 의하면, 웰 영역의 바닥에 매립층을 설치하고 있는 것에 의해 웰 영역으로부터 기판에 목적 캐리어가 새는 것을 방지할 수 있고, 매립층을 설치하지 않는 경우와 비교하면 출력부에 인도되는 목적 캐리어의 개수가 많아진다.
제3의 구성의 광검출 소자의 제어 방법은, 점등 기간에는 상기 목적 캐리어 유지부에 목적 캐리어를 수집하는 동시에 비목적 캐리어를 폐기하고, 소등 기간에는 상기 비목적 캐리어 유지부에 비목적 캐리어를 수집하는 동시에 목적 캐리어를 폐기하도록 분리용 제어 전극에 인가하는 전압을 제어하는 단계를 포함한다.
이 방법에 의하면, 점등 기간에는 목적 캐리어를 수집하고 소등 기간에는 비목적 캐리어를 수집하기 때문에, 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 재결합시킨 후에는, 이상적으로는 점등 기간과 소등 기간과의 수광량의 차에 상당하는 개수의 목적 캐리어가 잔류하게 되어, 환경 광 성분을 대폭 저감한 출력을 얻을 수 있다.
제6 내지 제10의 구성 중 한 구성의 광검출 소자의 제어 방법은, 상기 목적 캐리어 유지부에 목적 캐리어를 유지하고 상기 비목적 캐리어 유지부에 비목적 캐리어를 유지하는 전압을 상기 제어 전극에 인가한 후, 제어 전극에 인가하는 전압을 변화시키고 목적 캐리어 유지부에 유지되어 있는 목적 캐리어와 비목적 캐리어 유지부에 유지되어 있는 비목적 캐리어 중 적어도 한쪽을 이동시킴으로써 재결합시킨다.
제8 또는 제9의 구성의 광검출 소자를 제어하는 방법은, 상기 목적 캐리어 유지부에 목적 캐리어를 유지하고 상기 비목적 캐리어 유지부에 비목적 캐리어를 유지하는 전압을 상기 제어 전극에 인가한 후, 상기 제어 전극에 인가하는 전압을 복수회 변화시킴으로써, 상기 목적 캐리어를 상기 웰 영역 내에서 상기 유지 영역의 내외로 왕복 이동시키는 동시에 상기 비목적 캐리어를 유지 영역에서 제어 전극과의 대향 부위와 비대향 부위 사이에서 왕복 이동시킴으로써, 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 재결합시키는 것을 특징으로 한다.
이 방법에 의하면, 웰 영역 내에 있어서 유지 영역의 내외로 목적 캐리어를 왕복 이동시키고, 또한 유지 영역에서의 공통 제어 전극과의 대향 부위와 비대향 부위 사이에서 비목적 캐리어를 왕복 이동시킴으로써, 유지 영역에서의 공통 제어 전극과의 대향 부위에서 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 재결합시킬 수 있다. 여기서, 유지 영역의 계면 전위로 트랩되어 있는 비목적 캐리어가 목적 캐리어와 재결합하는 것으로서, 목적 캐리어를 유지 영역에 1회만큼 도입하여도 모든 비목적 캐리어를 소멸시킬 수가 없기 때문에, 목적 캐리어 및 비목적 캐리어의 이동을 복수회 반복하고 있다. 또, 제어 전극에 전압을 인가하는 타이밍과 인가 전압의 전위를 제어하는 비교적 간단한 전압 제어에 의해 신호 광에 대응하는 성분을 추출할 수 있을 뿐만 아니라, 유지 영역과 웰 영역 사이에 목적 캐리어가 왕복 이동하는 것만으로, 외부로 전류가 흐르지 않고 저소비 전력이 된다.
제8 또는 제9의 구성의 광검출 소자를 제어하는 방법은 소등 기간에는 상기 유지 영역에 비목적 캐리어를 수집하는 동시에 목적 캐리어를 폐기하고, 점등 기간에는 상기 유지 영역에 목적 캐리어를 수집하는 동시에 비목적 캐리어를 폐기하도록, 상기 표면 전극과 상기 제어 전극과 상기 기판에 인가하는 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이 방법(이하 "제14의 구성"이라 함)에 의하면, 점등 기간에는 목적 캐리어를 수집하고 소등 기간에는 비목적 캐리어를 수집하기 때문에, 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 재결합시킨 후에는, 이상적으로는 점등 기간과 소등 기간과의 수광량의 차에 상당하는 개수의 목적 캐리어가 잔류하게 되어, 환경 광 성분을 대폭 저감한 출력을 얻을 수 있다.
제14의 구성의 광검출 소자의 제어 방법은, 점등 기간에 있어서 목적 캐리어를 수집하는 상태와 소등 기간에 있어서 비목적 캐리어를 수집하는 상태에서, 상기 표면 전극 및 상기 제어 전극에 인가하는 각 전압의 극성과 상기 기판에 인가하는 전압의 극성을 서로 역극성으로 하고, 점등 기간과 소등 기간 중 적어도 한쪽에 있어서 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 재결합시키는 상태에서는, 제어 전극에 인가하는 전압의 극성을 복수회 반전시켜, 재결합 후에 상기 웰 영역에 잔류하고 있는 목적 캐리어를 인출하는 것을 특징으로 한다.
이 방법에 의하면, 점등 기간과 소등 기간에 있어서 유지 영역에 각각 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 개별적으로 수집할 수 있고, 또한 유지 영역에 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 전달함으로써, 주로 유지 영역에 있어서 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 재결합시킬 수 있다. 또한, 유지 영역으로의 목적 캐리어와 비목적 캐리어의 전달을 복수회 반복함으로써, 목적 캐리어와 비목적 캐리어의 재결합 확률을 높일 수 있다.
이하에 본 발명의 양호한 실시예를 서술한다. 본 발명의 다른 특징이나 이점에 대해서는 첨부된 도면과 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 이해하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1을 나타낸 개략 구성도이다.
도 2a 및 2b는 도 1의 광검출 소자의 동작을 나타낸 동작 설명도이다.
도 3은 도 1의 광검출 소자의 동작을 나타낸 동작 설명도이다.
도 4는 도 1의 광검출 소자를 사용한 거리 센서의 주요부를 나타낸 블록도이다.
도 5는 도 1의 광검출 소자의 동작 원리 설명도이다.
도 6은 본 발명에 따른 광검출 소자의 변형예를 나타낸 개략 구성도이다.
도 7a 내지 7d는 본 발명에 따른 광검출 소자를 사용한 거리 센서의 다른 동작예를 나타낸 동작 설명도이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 2를 사용한 거리 센서의 주요부를 나타낸 블록도이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예 3을 나타낸 개략 구성도이다.
도 10은 도 9의 광검출 소자의 동작을 나타낸 동작 설명도이다.
도 11은 도 9의 광검출 소자의 동작을 나타낸 동작 설명도이다.
도 12는 본 발명에 따른 광검출 소자의 변형예를 나타낸 개략 구성도이다.
도 13은 본 발명에 따른 광검출 소자의 다른 변형예를 나타낸 개략 구성도이다.
도 14는 본 발명에 따른 실시예 4를 나타낸 개략 구성도이다.
(실시예 1)
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 실시예 1의 광검출 장치(1)를 나타내며 도 4는 상기 광검출 소자(1)를 사용하여 거리 측정을 행하는 거리 센서를 구성한 예를 나타내고 있다. 이 센서는 광원(2), 광검출 소자(1) 및 타이밍 제어 회로(10)로 구성되어 있다. 상기 광원(2)은 광을 대상 공간에 출력 신호 광으로서 투광한다. 이 대상 공간은 상기 센서로부터 떨어진 (거리를 측정할) 대상물(3)을 포함한다. 광검출 소자(1)는 상기 대상 공간으로부터 광(이하 "입력 광"이라 함)을 수신한다. 상기 입력 광은 상황에 따라 대상물(3)에 의해 반사되는 광원(2)으로부터의 광(이하 "입력 신호 광"이라 함)을 포함한다. 또한, 상기 센서는 광검출 소자(1)로부터의 수광에 상당하는 출력을 얻는다. 상기 출력은 대상 공간으로부터의 입력 광의 양을 나타낸다.
일반적인 방법으로, 전술한 거리를 측정하는 기술로서는, 광원(2)으로부터 대상 공간에 투광한 출력 신호 광이 광검출 소자(1)로 입력 신호 광이 수광될 때까지의 광의 비행 시간을 계측하는 기술이 알려져 있다. 상기 센서는 광원(2)으로부터 대상 공간에 투광하는 출력 신호 광의 강도를 정현파와 같은 적당한 파형의 변조 신호로 변조한 다음, 광검출 소자(1)로부터의 입력 신호 광과 광원(2)으로부터 투광한 출력 신호 광과의 변조 신호의 파형의 위상차를 구하여, 그 위상차를 거리로 환산한다. 광원(2)으로서는 주로 발광 다이오드 또는 반도체 레이저를 사용한다.
광원(2)으로부터 대상 공간에 투광하는 출력 신호 광의 강도 변조는 타이밍 제어부(10)으로부터 출력되는 일정한 변조 주파수(예를 들면, 20MHz)의 정현파인 변조 신호로 행하고 있다. 또, 광원(2)으로부터 대상 공간에 광을 투광하는 기간(이하 "점등 기간"이라 함)과 투광하지 않는 기간(이하 "소등 기간"이라 함)을 교대로 설정한다. 점등 기간에 있어서, 변조 신호의 변조 주기의 복수 배(예를 들면, 10,000배)의 기간에 걸쳐 출력 신호 광이 투광하는 기간과 출력 신호 광을 광원(2)으로부터 투광하지 않는 기간을 설정하고 있다. 즉, 광원(2)은 간헐적으로 발광(동작)한다.
소등 기간에 있어서, 광검출 소자(1)에 입사하는 광은 광원(2)으로부터 대상 공간에 투광한 광을 포함하지 않는 환경 광뿐이며, 점등 기간에 있어서 광검출 소자(1)에 입사하는 광은 광원(2)으로부터 대상 공간에 투광한 광을 포함하는 신호 광과 환경 광의 합계가 된다. 점등 기간에 광원(2)으로부터 대상 공간에 투광되어 있는 출력 신호 광은 강도가 변조되어 있기 때문에, 점등 기간에 있어서 광검출 소자(1)에 입사하는 입력 신호 광은 미시적으로 변동되어 있다. 즉, 강도를 고주파로 변조한 출력 신호 광을 간헐적으로 투광하고 있는 것으로 되어, 출력 신호 광을 투광하고 있는 기간이 점등 기간이 된다. 즉, 광검출 소자(1)로 수광하는 광은, 소등 기간에는 주로 환경 광이 되고, 점등 기간에는 주로 환경 광과 신호 광을 합친 것 이 된다. 따라서, 광검출 소자(1)에 의한 점등 기간의 수광량으로부터 소등 기간의 수광량을 감산하면, 이론상으로는 환경 광의 성분을 제거하여 신호 광의 성분만을 인출하는 것이 가능하게 된다.
상기 센서는 광검출 소자(1)로부터 출력되는 수광 출력은 거리 연산부(도시하지 않음)에 제공된다. 상기 거리 연산부에서는 복수의 타이밍에서 광검출 소자(1)로부터 인출한 수광 출력을 사용하고, 광원(2)으로부터 조사된 광의 강도 변화의 파형과 광검출 소자(1)에 의해 수광하고 광의 강도 변화의 파형과의 위상차로부터 광의 비행 시간을 구하고, 비행 시간으로부터 대상물(3)까지의 거리를 구한다.
광검출 소자(1)를 1개만을 단독으로 이용하면, 센서와 이 센서 주위의 특정한 방향으로 존재하는 대상물(3) 간의 거리를 검출할 수 있다.
또한, 광검출 소자(1)를 복수 배열해 촬상 소자를 구성하고, 촬상 소자의 전방에 수광 광학계를 배치하여 촬상 소자로부터 수광 광학계를 통해 대상 공간을 볼 방향을 각 광검출 소자(1)의 위치에 대응시키면, 각 방향에 있어서의 거리를 화소값에 가지는 거리 화상을 생성할 수 있다. 예를 들면, 직사각형의 단위 격자로 이루어지는 평면 격자의 격자 점 상에 광검출 소자(1)를 배열하는 동시에 광검출 소자(1)의 수광 출력을 외부로 인출하는 출력부(16)를 설치한 촬상 소자를 구성하고, 촬상 소자를 사용하여 거리 화상을 생성하도록 구성할 수 있다. 그리고 촬상 소자를 구성하는 경우에, 출력부(16)에 CCD(전하 결합 소자)를 이용하고 복수의 광검출 소자(1)로 출력부(16)를 겸용하는 구성을 채용할 수 있다.
광검출 소자(1)에서는 수광량에 따른 개수의 전자와 전자 정공(이하에서는 " 정공(들)"이라 함)이 생성되지만, 본 실시예에서는, 전자 및 정공 중 전자를 목적 캐리어로서 취급하고, 정공을 비목적 캐리어로서 취급한다. 광검출 소자(1)의 수광 출력의 출력값은 목적 캐리어(즉, 전자)의 개수에 대응한다.
광검출 소자(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, n형(제1 도전형)의 반도체(예를 들면, 실리콘)로 이루어지는 기판(21)의 주 표면 측에 적층된 p형(제2 도전형)의 소자 형성층(22)을 구비한다. 소자 형성층(22)은, 기판(21)에 접촉하는 제1 층(22a)과 제1 층(22a)을 통하여 기판(21)에 대향하는 제2 층(22b)으로 이루어지고, 제1 층(22a)의 일부에는 제2 층(22b)에 접하는 부위에 n형의 매립층(23)이 형성된다. 또, 제1 층(22a)의 두께 치수는 예를 들면 5μm에 설정된다. 소자 형성층(22)의 주 표면 측에는 산화층(예를 들면, 실리콘 산화층)인 절연층(24)을 통하여 표면 전극(25)이 대향한다. 절연층(24)에는 소자 형성층(22)의 주 표면으로부터 이격된 제어 전극(26) 및 게이트 전극(27)이 소자 형성층(22)의 표면을 따른 상이한 부위에 매립된다. 즉, 제어 전극(26) 및 게이트 전극(27)은 소자 형성층(22)에 절연층(24)의 일부를 통하여 대향한다. 표면 전극(25) 및 제어 전극(26)은 광이 투과 가능하게 되어 있다.
소자 형성층(22)의 제2 층(22b)에는 매립층(23)에 대응하는 부위에 있어서, 웰 영역(31)이 형성된다. 웰 영역(31)은 소자 형성층(22)의 제2 층(22b)과 두께가 대략 같은 n-형의 영역에 있으므로, 웰 영역(31) 내에 있어서 소자 형성층(22)의 주 표면 측에는 n형의 전자 유지 영역(제1 유지 영역)(32)이 형성된다. 소자 형성층(22)의 주 표면 측에서 있어 전자 유지 영역(32) 내에는 p＋형의 정공 유지 영역 (제2 유지 영역)(33)이 형성된다. 전술한 제어 전극(26)은 정공 유지 영역(33)에 대향하는 형태로 배치된다.
소자 형성층(22)의 주 표면 측에서 있어 웰 영역(31)의 일측에는 n형의 드레인 영역(34a)이 형성되고, 타측에는 n형의 드레인 영역(34b)이 형성된다. 각 드레인 영역(34a, 34b)의 표면에는 각각 드레인 전극(35a, 35b)이 오믹 커플링에 의해 결합된다. 드레인 영역(34a, 34b)은 도 1의 면에 직교하는 방향의 일직선상에 연장되고 드레인 영역(34a)은 드레인 영역(34b)보다 웰 영역(31)에 근접하여 형성되어 있다.
또한, 소자 형성층(22)의 주 표면을 따라 웰 영역(31)과 드레인 영역(34b) 사이에는 드레인 영역(34b)에 따라 연장된 n형의 전하 전송 영역(36)이 형성되고, 전술한 게이트 전극(27)은 웰 영역(31)과 전하 전송 영역(36)에 걸치는 부위에 대응하여 설치되고, 웰 영역(31)과 전하 전송 영역(36) 사이는 MOS 구조의 게이트부를 구성하고 있다. 표면 전극(25)의 표면으로서, 게이트 전극(27)과 전하 전송 영역(36)과 드레인 영역(34b)에 대응하는 부위에는 광을 차단하는 차광막(37)이 형성된다.
전술한 바와 같이, 기판(21) 및 소자 형성층(22)에 절연층(24)을 통하여 표면 전극(25)을 설치하고 있기 때문에, MIS 디바이스의 구조를 가지고 있고, 차광막(37)을 설치하고 있지 않은 부위는, 광의 조사에 의해 전자 및 정공을 생성하는 감광부(11)(도 4 참조)로서 기능한다. 여기서, 소자 형성층(22)의 전위를 접지 전위로 하고, 기판(21)에는 접지 전위보다 고전위인 일정한 전압(이하, 접지 전위보다 고전위인 전압을 "정전압"이라 함)을 인가한다. 광 조사에 의해 생성된 전자나 정공은 방치하면 비교적 단시간에 재결합하여 소멸하기 때문에, 수광량에 대응한 전자와 정공을 분리하여 수집하기 위하여, 표면 전극(25)에는 정전압을 인가하고, 제어 전극(26)에는 접지 전위보다 저전위인 전압(이하, "부전압"이라 함)을 인가한다.
각 부의 전압을 전술한 바와 같이 설정함으로써, 전자(검은 원)와 정공(흰 원)과에 대한 전위는 도 2(b)와 같이 된다. 도 2(b)에 있어서 좌측의 곡선은 정공의 전위 에너지를 나타내고, 우측의 곡선은 전자의 전위 에너지를 나타내고, 정공은 좌측만큼 전위가 높고, 전자는 우측만큼 전위가 높아진다. 즉, 전자 유지 영역(32) 및 정공 유지 영역(33)을 포함하는 웰 영역(31)의 근방에서 생성되는 정공은 주로 정공 유지 영역(33)에 수집되고 전자는 주로 전자 유지 영역(32)에 수집된다. 전자 유지 영역(32)에 수집되는 전자의 개수 및 정공 유지 영역(33)에 수집되는 정공의 개수는 조사된 광량(즉, 수광량)을 반영하여 수광량이 많아지면 수집되는 전자 및 정공의 개수도 많아진다. 또, 기판(21)에는 정전압이 인가되고 소자 형성층(22)은 접지 전위이므로, 기판(21)과 소자 형성층(22) 사이는 역바이어스가 되어, 기판(21) 및 소자 형성층(22)으로 생성되는 전자 및 정공은 폐기 및 재결합에 의해 단시간에 소멸한다.
다음에 점등 기간과 소등 기간으로 나누어 동작을 설명한다. 소등 기간에 있어서는, 표면 전극(25)에 정전압을 인가하는 동시에 제어 전극(26)에 부전압을 인가한다. 광검출 소자(1)에 입력 광이 입사함으로써 감광부(11)에서 생성된 전자는 전자 유지 영역(32)에 수집되고 정공은 정공 유지 영역(33)에 수집된다.
그 후, 도 3과 같이, 드레인 전극(35a)에 정전압을 인가하면, 전자 유지 영역(32)에 수집된 전자(검은 원)는 드레인 영역(34a)으로 이동한다. 즉, 소등 기간에 있어서 표면 전극(25)에 정전압을 인가하는 동시에, 제어 전극(26)에 부전압을 인가한 상태를 계속한 채로, 점등 기간의 직전에 드레인 전극(35a)에 정전압을 인가하면, 소등 기간에서 생성된 정공을 정공 유지 영역(33)에 남겨, 소등 기간에서 생성된 전자를 드레인 영역(34a)으로 이동시켜 전자 유지 영역(32)을 비울 수 있다. 다른 예에서는, 드레인 전극(35a)에 정전압을 인가할 때 표면 전극(25)에 부전압을 인가하면 드레인 영역(34a)에 전자를 신속하게 이동시킬 수 있다.
점등 기간에 있어서는, 소등 기간과 마찬가지로, 표면 전극(25)에 정전압을 인가하는 동시에 제어 전극(26)에 부전압을 인가한다. 광검출 소자(1)에 입력 광이 입사함으로써 감광부(11)에서 생성된 전자는 전자 유지 영역(32)에 유지되고, 정공은 정공 유지 영역(33)에 유지된다. 이 상태에서, 정공 유지 영역(33)에는 점등 기간에서 생성된 정공만이 아니라 소등 기간에서 생성된 정공도 포함된다. 한편, 전자 유지 영역(32)의 전자는 점등 기간의 전에 드레인 영역(34a)에 폐기하고 있으므로, 이상적으로는 점등 기간에서 생성된 전자만이 포함되게 된다. 이 시점에서는, 제어 전극(26)에는 부전압이 인가되어 있기 때문에, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 전자 유지 영역(32)은 전자에 대하여 저전위(전위 웰)이며, 정공 유지 영역(33)은 정공에 대하여 저전위(전위 웰)로서, 전자와 정공과는 재결합하지 않고 전자 유지 영역(32)과 정공 유지 영역(33)으로 나누어져 유지되어 있다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 제어 전극(26)에 적당한 전압을 인가함으로써, 감광부(11)에서 생성된 전자와 정공을 전자 유지 영역(32)과 정공 유지 영역(33)으로 나누어 수집할 수 있다. 즉, 제어 전극(26)과 전자 유지 영역(32)과 정공 유지 영역(33)은 전자와 정공을 분리하는 캐리어 분리부(또는 캐리어 변별부(12))(도 4 참조)로서 기능하고, 제어 전극(26)은 분리용 제어 전극으로서 기능하게 된다.
다음에, 제어 전극(26)에 정전압을 인가하면, 전자 유지 영역(32)과 정공 유지 영역(33) 사이의 전위 차가 작아져(즉, 전위 장벽이 낮아져), 정공 유지 영역(33)으로부터 밀려나온 정공이 웰 영역(31)(주로, 전자 유지 영역(32))에서 전자와 재결합하게 된다. 그리고, 재결합의 조건은, 전자 및 정공에 대한 전위를 제어하기 위해 제어 전극(26)에 인가하는 전압만이 아니라, 전압을 인가하는 시간 외에, 웰 영역(31) 및 정공 유지 영역(33)을 형성하는 반도체의 불순물 농도도 관여한다. 즉, 제어 전극(26)에 인가하는 전압을 제어함으로써, 전자와 정공을 재결합시키므로, 제어 전극(26)은 결합용 전극으로서 기능한다. 또, 전자와 정공의 재결합은 웰 영역(31)에서 행해지기 때문에, 웰 영역(31)이 재결합부(15)로서 기능한다(도 4 참조).
설명을 보충하면, 실시예 1에서, 정공 유지 영역(33)의 정공과 전자 유지 영역(32)의 전자를 재결합시킬 때, 전자의 개수가 정공의 개수로부터 많아지도록 조절되어 있으면, 재결합 후에는 정공은 소멸해 전자가 잔류한다. 잔류한 전자는 점등 기간에 있어서 웰 영역(31)으로 생성된 전자이므로, 이 전자를 꺼내면 환경 광의 영향을 제거한 신호 광에 비례하는 개수의 전하(신호 전하)를 인출한 것으로 된 다. 그래서, 제어 전극(26)에 정전압을 인가하여 전자와 정공을 재결합시킨 후에는, 제어 전극(26)에 부전압을 인가함으로써 잔류한 전자를 전자 유지 영역(32)에 수집시켜, 이 전자를 신호 전하로서 인출한다.
그런 다음, 전자 유지 영역(32)에 전자가 유지된 상태에 있어서 게이트 전극(27)에 정전압을 인가하면, 웰 영역(31)으로 전하 전송 영역(36) 사이에 소자 형성층(22)에 채널이 형성되고, 이 채널을 통해 전자 유지 영역(32)으로부터 전하 전송 영역(36)에 전자가 이동한다. 전하 전송 영역(36)에 전송된 전자는 CCD 이미지 센서 등에 있어서 전하의 인출에 이용되고 있는 주지의 기술을 사용하여 전송되고, 외부로 꺼내지게 된다.
요약하면, 타이밍 제어부(10)는 표면 전극(25), 제어 전극(26), 게이트 전극(27), 드레인 전극(34b), 드레인 전극(35b)에 전압을 인가하는 타이밍을 제어한다. 먼저, 소등 기간에 있어서는, 표면 전극(25)에 정전압을 인가하고, 제어 전극(26)에 부전압을 인가한다. 광이 입사하면 기판(21), 소자 형성 영역(22), 매립층(23), 웰 영역(31), 정공 유지 영역(33)에 있어서 광 여기서 의한 전자 및 정공이 생성된다. 다음에, 소등 기간에 있어서, 전자 유지 영역(32)에 전자가 유지되는 동시에 정공 유지 영역(33)에 정공이 유지된 상태에서, 드레인 전극(35a)에 정전압을 인가하면, 소등 기간에서 생성된 정공은 정공 유지 영역(33)에 남고, 소등 기간에서 생성된 전자는 드레인 영역(34a)으로 이동해 전자 유지 영역(32)이 비워진다.
다음에, 광원으로부터의 광이 입사하는 점등 기간에서는, 소등 기간과 마찬가지로, 표면 전극(25)에 정전압을 인가하고, 제어 전극(26)에 부전압을 인가한다. 이 경우도, 광이 입사하면 기판(21), 소자 형성 영역(22), 매립층(23), 웰 영역(31), 정공 유지 영역(33)에 있어서 광 여기서 의한 전자 및 정공이 생성된다. 점등 기간에 있어서는, 정공 유지 영역(33)에는 점등 기간에서 생성된 정공만이 아니라 소등 기간에서 생성된 정공도 포함되고, 전자 유지 영역(32)에는 점등 기간에서 생성된 전자만이 유지된다.
그 후, 제어 전극(26)에 정전압을 인가하면, 전자 유지 영역(32)과 정공 유지 영역(33) 사이의 전위 차가 작아져, 정공 유지 영역(33)으로부터 전자 유지 영역(32)에 정공이 이동하고 전자와 재결합한다. 전자 유지 영역(32)에 전자가 유지된 상태에서 게이트 전극(27)에 정전압을 인가하면, 웰 영역(31)과 전하 전송 영역(36) 사이에 소자 형성층(22)에 형성되는 채널을 통해 전자 유지 영역(32)으로부터 전하 전송 영역(36)에 전자가 이동한다. 전하 전송 영역(36)에 이송된 전자는 전하 전송 영역(36)을 전송되어 외부로 꺼내진다.
도 4를 참조하여, 전술한 광검출 소자(1)를 사용한 거리 측정 장치의 구성예를 나타내고, 광검출 소자(1)의 각 부의 기능을 나타내고 설명한다. 도 4에 있어서 감광부(11)는, 광의 조사에 의해 전자 및 정공을 생성하는 영역으로서, 기판(21)과, 소자 형성층(22)(웰 영역(31)을 포함함)과, 절연층(24)과, 표면 전극(25)을 포함하는 MIS 디바이스의 구조를 가지는 부위에 대응한다. 단, 전술한 바와 같이, 기판(21) 및 소자 형성층(22)의 전자 및 정공은 신속하게 소멸하기 때문에, 주로 웰 영역(31)에서 생성되는 전자 및 정공이 감광부(11)에서 생성되는 전자 및 정공에 상당한다.
감광부(11)에서 생성된 전자 및 정공은 캐리어 분리부(12)에서 개수 비가 조절된 후, 정공은 정공 유지부(13)에 수집되고 전자는 전자 유지부(14)에 수집된다. 본 실시예에서는, 전자를 목적 캐리어로 하고 정공을 비목적 캐리어로 하고 있기 때문에, 정공 유지부(13)가 비목적 캐리어 유지부이며, 전자 유지부(14)가 목적 캐리어 유지부가 된다. 광검출 소자(1)에 있어서는, 정공 유지 영역(33)이 정공 유지부(13)에 대응하고, 전자 유지 영역(32)이 전자 유지부(14)에 대응한다.
캐리어 분리부(12)는 정공 유지부(13)에 정공을 수집시키고 전자 유지부(14)에 전자를 수집시키도록 전자와 정공을 분리하는 동시에 정공 유지부(13)에 수집되는 정공의 개수와 전자 유지부(14)에 수집되는 전자의 개수와의 비를 결정하는 기능을 가지며, 예를 들면, 비목적 캐리어인 정공과 목적 캐리어인 전자와의 개수 비가 1 대 2("정공":"전자" = 1:2)로 되도록 조절한다. 개수 비는 소자 구조(전자 유지 영역(32)과 정공 유지 영역(33)의 배치, 형상, 치수, 불순물 농도) 및 전자와 정공과의 이동도의 차에 의존하고, 또, 제어 전극(26)에 인가하는 전압의 극성에 의하여, 정공 유지부(13)에 정공이 수집되고 전자 유지부(14)에 전자가 수집되도록 전자와 정공을 분리할 수 있다. 또한, 표면 전극(25)이나 제어 전극(26)에 인가하는 전압을 변화시킴으로써 개수 비를 변화시키는 것도 가능하다. 즉, 표면 전극(25)이나 제어 전극(26)에 인가하는 전압의 크기로부터 전위 장벽의 높이나 전위 웰의 깊이를 제어하면, 정공 유지부(13)에 수집되는 정공의 개수나 전자 수집부(14)에 수집되는 전자의 개수를 제어할 수 있다.
또, 전자 유지부(14)에 수집된 전자의 개수는 전자 유지부(14)로부터 전자를 폐기함으로써도 조절된다. 즉, 소등 기간에 있어서 전자 유지부(14)에 수집된 전자를 점등 기간의 전에 드레인 영역(34a)으로 이루어지는 폐기부(18)에 폐기함으로써, 점등 기간에 있어서 전자 유지부(14)에 수집되는 전자와의 혼합을 방지할 수 있다. 전자 유지부(14)로부터 폐기부(18)에 전자를 폐기하는 타이밍은, 드레인 전극(35a)으로 실현되는 스위치 요소(17)를 온으로 하는 타이밍에 의해 제어된다. 즉, 드레인 전극(35a)에 정전압을 인가함으로써 스위치 요소(17)를 온으로 하여 전자 유지부(14)로부터 전자를 폐기할 수 있다. 이와 같이, 소등 기간에 유지된 전자를 스위치 요소(17)를 통하여 폐기부(18)에 폐기함으로써, 환경 광으로만 생긴 전자를 폐기하게 되어, 정공과의 재결합 후에 잔류하는 전자에 있어서의 환경 광의 영향을 작게 할 수 있다.
정공 유지부(13)에 수집된 정공과 전자 유지부(14)에 수집된 전자는 재결합부(15)에 있어서 재결합된다. 재결합부(15)는, 전자 유지 영역(32)과 정공 유지 영역(33)과 제어 전극(26)에 의해 구성되며, 재결합의 타이밍은 제어 전극(26)에 정전압을 인가하는 타이밍에 의해 제어된다. 재결합 전에 있어서, 전자 유지부(14)에 유지되어 있는 전자는 대부분 점등 기간에 생성된 전자가 되기 때문에, 재결합부(15)에서 전자와 정공을 재결합시킨 후에 전자가 잔류하도록 하면, 재결합시키지 않는 경우와 비교하여, 잔류한 전자 중으로 신호 광에 대응하는 성분이 차지하는 비율을 크게 할 수 있다. 재결합부(15)에서의 재결합 후에는 전자 유지부(14)(전자 유지 영역(32))에 전자가 잔류하기 때문에, 전자 유지부(14)에 잔류하는 전자를, 게이트 전극(27) 및 전하 전송 영역(36)에 의해 형성된 출력부(16)를 통해 외부로 인출한다. 캐리어 분리부(12)와 재결합부(15)와 출력부(16)와 스위치 요소(17)의 동작 타이밍은, 광원(2)의 점등 및 소등을 제어하는 타이밍 제어부(10)에 의해 제어된다. 즉, 캐리어 분리부(12)와 재결합부(15)와 출력부(16)와 스위치 요소(17)의 동작 타이밍은 광원(2)의 ON(점등)/OFF(소등)에 동기하도록 제어된다.
재결합부(15)에 있어서 전자(목적 캐리어)와 정공(비목적 캐리어)을 재결합시킨 후에 전자를 잔류시키려면, 전술한 바와 같이, 재결합 전에 전자 유지부(14)에 유지되어 있는 전자의 개수가, 정공 유지부(13)에 유지되어 있는 정공의 개수보다 많이 필요하며, 이 조건을 만족시키려면, 캐리어 분리부(12)에 있어서 전자 유지부(14)에 수집시키는 전자를 정공 유지부(13)에 수집시키는 정공보다 많게 할 필요가 있다. 또, 재결합부(15)로부터 꺼내지는 전자로부터 환경 광에 대응하는 성분을 제거하는 데는, 캐리어 분리부(12)에 있어서 전자 유지부(14)에 수집시키는 전자의 개수와 정공 유지부(13)에 수집시키는 정공의 개수의 비율을, 소등 기간과 점등 기간의 비율에 관련시키는 것이 바람직하다.
이하에, 이들 조건에 대하여 검토한다. 지금, 소등 기간을 t1, 점등 기간을 t2, 입력 신호 광의 강도를 Ia, 환경 광의 강도를 Ib, 캐리어 분리부(12)로부터 꺼내지는 정공의 개수가 전자의 개수의 k배, 감광부(11)가 강도 I의 광을 시간 t만큼 수광할 때, 캐리어 분리부(12)로부터 전자 유지부(14)에 건네지는 전자의 개수를 αIt인 것으로 하면, 점등 기간에 전자 유지부(14)에 수집되는 전자의 개수 NE는,
NE=α(Ia＋Ib)t2
이며, 소등 기간 및 점등 기간에 정공 유지부(13)에 수집되는 정공의 개수 NH는,
NH=kα{Ibt1＋(Ia＋Ib)t2｝
이므로, 재결합부(15)로부터 꺼내지는 전자의 개수 N은 다음과 같이 나타낼 수가 있다.
N=α(Ia＋Ib)t2－kα{Ibt1＋(Ia＋Ib)t2｝ (1)
단, 이상 조건으로서, 소등 기간에 있어서 전자 유지부(14)에 유지된 전자는 폐기부(18)에 모두 폐기하고, 또한 정공 유지부(13)의 정공의 모든 것이 전자 유지부(14)의 전자와 재결합하는 경우를 상정하고 있다.
전자의 개수 N은 양수이어야만 된다는 조건으로부터, k는 1보다 작다(k＜1).
또, 위 식을 신호 광의 강도 Ia와 환경 광의 강도 Ib의 항에 정리하고, 환경 광의 강도 Ib를 0으로 하는 조건을 구하면,
t1={(1-k)/k}t2
로서, 캐리어 분리부(12)로부터 꺼내지는 전자에 대한 정공의 개수 비 k에 따라 소등 기간 t1과 점등 기간 t2의 비를 조절하면, 환경 광에 대응하는 성분을 제거하여 신호 광에 대응하는 성분만을 추출하는 것이 가능하게 된다. 예를 들면, 소등 기간 t1과 점등 기간 t2를 t1:t2=1:1로 설정한다면, k = 0이다. 이 경우, 캐리어 분리부(12)에 있어서 전자의 개수를 정공의 개수의 2배로 설정하면, 환경 광에 대 응하는 성분을 제거하여 신호 광에 대응하는 성분만을 추출하는 것이 가능하게 된다. 즉, 이 조건에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 점등 기간 t2에 있어서의 환경 광으로 생긴 전자 E(t21)의 개수가, 소등 기간 t1에 있어서의 환경 광으로 생긴 정공 H(t1)의 개수와 점등 기간에 있어서 환경 광으로 생긴 정공 H(t21)의 개수와의 합계에 일치하기 때문에, 재결합에 의해 양자가 상쇄되고, 또, 점등 기간 t2에 있어서 입력 신호 광으로 생긴 전자 E(t22)의 개수는, 점등 기간에 있어서의 신호 광으로 생긴 정공 H(t22)의 개수의 2배가 되기 때문에, 재결합 후에는, 점등 기간 t2에 있어서 입력 신호 광으로 생긴 전자 E(t22)의 반의 개수의 전자만이 남게 된다. 그 결과, 재결합 후에는 목적 캐리어인 전자 중 입력 신호 광에 대응하는 성분만이 남게 된다.
다음에, 폐기부(18)를 설치한 효과를 검증한다. 지금, 신호 광의 강도를 Ia, 환경 광의 강도를 Ib으로 하고, 또한 전자 유지부(14)에 유지된 전자의 전하량을 Qa으로 하고, 정공 유지부(13)에 유지된 정공의 전하량을 Qb로 할 때,
Qa=A·Qb(A는 비례 정수)
의 관계가 채워지는 것으로 한다. 여기서, Qa=β·Ia, Qb=β·Ib(β는 비례 정수)로 한다. 또, 소등 기간과 점등 기간과의 길이가 동등하게, 주목하는 소등 기간과 점등 기간에 있어서 환경 광의 강도는 변화하지 않는 것으로 한다.
또, 광원(2)을 발광시키지 않는 소등 기간부터 광원(2)을 발광시키는 점등 기간으로 이행하는 타이밍에 있어서 스위치 요소(2)를 온으로 하여 전자 유지부(14)로부터 전자를 폐기하고, 점등 기간에 있어서는 스위치 요소(2)를 오프로 하여 전자 유지부(14)에 전자를 수집하는 것으로 한다.
이와 같은 동작에 의하여, 소등 기간에 있어서 전자 유지부(14)에 유지된 전자는 점등 기간으로의 이행 시점까지(바람직하게는 직전)에 폐기되어 소등 기간에 유지된 전자와 점등 기간에 유지되는 전자가 혼합되는 것이 방지된다. 그리고 점등 기간부터 소등 기간으로 이행하려면, 점등 기간에 유지된 전자와 소등 기간에 있어서 유지되는 전자는 혼합되고 나서부터, 스위치 요소(17)는 오프(off)로 유지하게 된다.
폐기부(18)를 설치하지 않는 경우에는, 소등 기간에 유지되는 목적 캐리어와 비목적 캐리어의 전하량은, 각각 A·β·Ib 및 β·Ib이며, 점등 기간에 전자 유지부(14)에 수집되는 전자와 정공 유지부(13)에 수집되는 정공과의 전하량은, 각각 A·β(Ia＋Ib) 및 β(Ia＋Ib)이므로, 재결합 후에 잔류하는 전자의 전하량은, A·β(Ia+2Ib)-β(Ia+2Ib)가 된다. 강도 Ia, Ib에 착안하여 정리하면, β{(A-1)Ia+(2A-2)Ib｝가 된다.
한편, 폐기부(18)를 설치하는 경우에는, 점등 기간의 개시 직전에 있어서는 정공 유지부(13)에 정공이 유지되어 있을 뿐이며, 그 전하량은 β·Ib이며, 점등 기간에 전자 유지부(14)에 수집되는 전자와 정공의 전하량은, 각각 A·β(Ia＋Ib) 및 β(Ia＋Ib)이므로, 재결합 후에 잔류하는 전자의 전하량은, A·β(Ia＋Ib)-β(Ia+2Ib)가 된다. 강도 Ia, Ib에 착안하여 정리하면, β{(A-1)Ia+(A-2)Ib}가 된다.
그러므로 폐기부(18)를 설치하는 편이 환경 광에 대한 계수가 A·β만큼 작기 때문에, 폐기부(18)를 설치하지 않는 경우보다 환경 광의 영향을 저감할 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, A=2인 경우, 폐기부(18)를 설치하지 않는 경우에는 재결합 후에 잔류하는 전하량이 β(Ia+2Ib)가 되지만, 폐기부(18)를 설치하는 경우에는 재결합 후에 잔류하는 전하량이β·Ia가 된다. 즉, A=2로 하는 조건에서는, 폐기부(18)를 형성함으로써, 환경 광의 영향을 받지 않는 전자를 인출할 수 있다. 여기서 "소등 기간":"점등 기간" = 1:1이면, A=2는 전술한 캐리어 분리부(12)에서의 개수 비 k가 0.5인 경우에 상당한다.
그런데 재결합부(15)에 있어서 신호 광에 대응하는 전자를 인출하는 데는, 소등 기간과 점등 기간에 있어서 환경 광의 강도는 실질적으로 변동하지 않는다는 가정이 필요하고, 이 가정을 만족시키는 위해 소등 기간과 점등 기간은 환경 광의 강도에 변화가 생기지 않는 정도의 시간 내에서 전환하는 것이 요구된다. 한편, 환경 광의 강도에 변화가 생기지 않는 정도의 시간은 비교적 짧은 시간이기 때문에 전자 및 정공이 생성되는 개수도 적고, 소등 기간과 점등 기간을 1회씩 설치한 경우에 있어서 전하 전송 영역(36)에 전송되는 전자의 개수는, 점등 기간에 있어서 환경 광에 대응하는 성분을 포함하는 전자의 개수와 비교하면 대폭 적어진다. 또, 환경 광의 강도가 큰 경우에는, 전자 유지 영역(32)이나 정공 유지 영역(33)이 포화하지 않도록, 광을 조사하는 시간(소등 기간 및 점등 기간)을 짧게 해야 하기 때문에, 재결합 후에 잔류하는 전자의 개수가 적게 되어 샷 노이즈의 영향에 의해 SN비가 저하될 우려가 있다.
신호 전하를 증가시키려면, 전하 전송 영역(36)에 이송된 전하를 즉시 인출하지 말고, 소등 기간과 점등 기간의 복수회 분의 전자를 전하 전송 영역(36)에 축적(적분)하면 된다. 즉, 소등 기간 및 점등 기간 후에 재결합을 행하고, 또한 전자를 전하 전송 영역(36)에 전송하고 유지하는 일련의 동작을 복수회 반복함으로써, 전하 전송 영역(36)에 복수회 분의 전자를 유지하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 소등 기간 및 점등 기간과, 재결합과 전송을 복수회 반복하여 전자를 전하 전송 영역(36)으로 유지하기 때문에, 환경 광에 의해 생긴 성분을 대략 제거하고, 신호 광에 대응하는 전자만큼을 적분하는 것이 가능하게 된다. 즉, 입사하는 광의 강도가 크고 장시간의 노광에 의해 전자 유지 영역(32)이나 정공 유지 영역(33)이 포화할 가능성이 있을 때는, 소등 기간 및 점등 기간의 1회당의 시간을 단축하고, 적분 회수(반복 회수)를 증가시킴으로써, 비교적 큰 신호 전하를 인출하는 것이 가능하게 되어, 샷 노이즈의 영향에 의한 SN비의 저하를 방지할 수 있다.
이 동작에서는, 소등 기간과 점등 기간을 복수회 반복하여 전하 전송 영역(36)에 전자를 축적하고 있는 기간에 환경 광의 강도가 변화할 가능성이 있지만, 재결합부(15)에 있어서 재결합시키는 전자와 정공을 생성하기 위한 1회씩의 소등 기간 및 점등 기간의 기간에 있어서 환경 광의 강도에 실질적인 변화가 생기지 않으면, 환경 광의 변동분은 재결합 시에 상쇄되므로, 소등 기간과 점등 기간을 교대로 복수회 반복하여도 환경 광의 강도의 변화는 출력에 영향을 주지 않는다.
본 실시예에서는, 전자 유지 영역(32)의 내측에 형성한 정공 유지 영역(33)에 대향하는 부위에 제어 전극(26)을 설치하는 예를 나타냈으나, 도 6에 나타낸 바 와 같이, 전자 유지 영역(32)에 대향하는 부위에 제어 전극(26)을 설치해도 된다. 즉, 도 6에서는 전자 유지 영역(32)의 표면에 있어서 정공 유지 영역(33)을 에워싸도록 제어 전극(26)을 배치한다. 이 구성을 사용하여, 전자 유지 영역(32)에 전자를 수집하고 정공 유지 영역(33)에 정공을 수집할 때는, 제어 전극(26)에 정전압을 인가하고, 전자와 정공을 재결합시키려면, 제어 전극(26)에 부전압을 인가한다.
또, 본 실시예에서는, 재결합에 즈음하여 전자 유지 영역(32)과 정공 유지 영역(33) 사이의 전위 장벽을 낮추기 위해서, 제어 전극(26)으로의 인가 전압을 제어하는 예를 나타냈으나, 제어 전극(26)으로의 인가 전압을 제어하는 대신에, 기판(21)에 인가하는 전압을 타이밍 제어부(10)에서 제어함으로써 전자 유지 영역(32)과 정공 유지 영역(33) 사이의 전자에 대한 전위 장벽을 낮출 수 있다. 이와 같이, 기판(21)에 인가하는 전압을 제어하여 전위 장벽의 높이를 제어함으로써 전자와 정공을 재결합시키면, 전자 유지 영역(32)을 재결합부(15)로서 겸용할 수 있고, 또한 기판(21)에 인가하는 전압을 제어하는 만큼으로 전자와 정공을 유지하는 상태와 재결합시키는 상태를 선택할 수 있어 제어가 용이하다.
그리고 전자 유지 영역(32)의 내측에 정공 유지 영역(33)을 형성하는 예를 나타냈으나, 전자를 목적 캐리어로 하는 경우라도 정공 유지 영역(33)의 내측에 전자 유지 영역(33)을 형성하는 구성을 채용할 수 있다.
또, 전자와 정공과의 재결합을 목적 캐리어인 전자를 유지하는 전자 유지 영역(32)에서 행하는 예를 나타냈으나, 정공(비목적 캐리어)을 유지하는 정공 유지 영역(33)에서 전자와 정공을 재결합시키도록 구성하는 것도 가능하다.
그런데 광원(2)의 점등 기간에 있어서 표면 전극(25)에 인가하는 전압을 충분히 높게 하면, 기판(21)의 심부에서 생성한 정공에 대하여 전자 유지 영역(32)이 전위 장벽이 되기 때문에, 기판(21)의 심부에서 생성한 정공이 정공 유지 영역(33)에 축적되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제어 전극(26)만이 아니라 표면 전극(25)도 캐리어 분리부(12)로서 사용할 수 있고, 점등 기간에 생긴 전자의 일부가 점등 기간에 생긴 정공과의 재결합에 의해 소멸하는 것을 방지할 수 있다.
광검출 소자의 다른 실시예에서 광감부(11)에서 생성된 "정공":"전자"는 1:1로 한다. 소등 기간에 생긴 전자는 드레인 영역(34a)에 폐기되므로 전자 유지 영역(32)에는 점등 기간에 생긴 전자만이 유지되고, 한편, 점등 기간에 생긴 정공은 전자 유지 영역(32)의 전자와 재결합하지 않기 때문에 소등 기간에 생긴 정공만이 재결합에 이용되게 된다. 이것은, 실질적으로, 소등 기간에 환경 광에 대응하여 생긴 정공 H(t1)와 점등 기간에 환경 광 및 신호 광에 대응하여 생긴 전자(E(t21)+E(t22))를 재결합시키게 되어, 감광부(11)에 있어서 생성하는 "정공":"전자"의 개수 비를 1:1로 함으로써, H(t1)=H(t21)일 때, 재결합에 의해 신호 광에 대응하는 전자(t22)만을 잔류시키는 것이 가능하게 된다.
거리 센서에 대해 설명한다. 거리 센서를 사용하여 대상물(3)까지의 거리를 계측하는 데는, 광원(2)으로부터 대상 공간에 투광한 광의 강도 변화를 사용한다. 거리 센서는 광원(2)으로부터 대상 공간에 투광하는 광을 변조하는 변조 신호와, 광검출 소자(1)에 의해 수광하고 광에 포함되는 변조 성분과의 위상차를 구한다. 변조 신호가 정현파인 경우에 대하여 변조 신호와 광검출 소자(1)로 수광하고 광에 포함되는 변조 성분과의 위상차를 구하는 스텝에 대하여 이하에 설명한다.
도 7에 나타낸 위상차 ψ를 구하는 2가지 방법에 대해 설명한다. 첫 번째 방법에서는, 변조 신호에 동기하는 복수의 위상에 대응하는 타이밍에서 얻어지는 광검출 소자(1)에 의한 수광량을 사용한다. 두 번째 방법에서는, 변조 신호에 동기 하지 않는 복수의 타이밍에서 얻어지는 광검출 소자(1)에 의한 수광량을 사용한다.
먼저, 변조 신호에 동기하는 타이밍에서 얻어지는 수광량을 사용하는 첫 번째 방법에 대하여 설명한다. 여기서는, 변조 신호의 위상의 90°마다 180°의 구간을 설정하고, 각 구간마다 수광량을 구하는 것으로 한다. 즉, 변조 신호의 위상이 0°~ 180°(A0), 90°~ 270°(A1), 180°~ 360°(A2), 270°~ 90°(A3)의 4구간 사이에서 각각 수광량을 구한다. 각 구간 사이의 수광량은 도 7(c), 도 7(d)에 사선부에서 나타낸 도면 형태의 면적에 상당한다. 지금, 각 구간 사이의 수광량을 각각 "A0"~"A3"로 나타내고, 도 7(b)에서, 수광 강도의 극 대치를 Ab, 수광 강도가 극 소치를 Ad로 나타내고, 위상차가 ψ인 것으로 한다.
도 7(b)에서, 광검출 소자(1)에 입사하는 광의 힘을 위상 θ의 함수로 하고, g(θ)=(Ab－Ad)sinθ+(Ad＋Ab)/2로 주어진다. 이 경우, 변조 신호의 위상이 0°~ 180°, 90°~ 270°, 180°~ 360°, 270°~ 90°의 각 구간 사이에서의 수광량 "A0"~"A3"는, 도 7(c), 도 7(d)에 사선으로 나타낸 면적에 상당하기 때문에, 각각 하기식과 같이 정적분으로 나타낼 수가 있다. 단, 위상 "θ"는 시간 "t"의 함수이며, θ=ωt(ω=2πf, f는 변조 주파수), ψ는 투수 광의 위상차(ψ의 단위는 라디안, 대상물(3)까지의 거리가 L[m], 광속 c[m/s인 경우, L=ψ·c/2Ω)이다. "Ab"는 광검출 소자(1)가 수광하는 광의 힘의 극대치, "Ad"는 광검출 소자(1)가 수광하는 광의 힘의 극소치이며, Ad는 광검출 소자(1)가 수광하고 환경 광에 대응하는 광의 힘에 상당한다.
아래 식에 있어서 각 괄호 내의 콤마의 양쪽의 값은 적분의 구간을 의미한다.
A0=∫g(θ)dθ ［－ψ, 180°－ψ］
A1=∫g(θ)dθ [90°－ψ, 270°－ψ］
A2=∫g(θ)dθ [180°－ψ, 360°－ψ］
A3=∫g(θ)dθ [270°－ψ, 90°－ψ］
"Aa"를 Ab－Ad, "Ac"를 (Ab＋Ad)/2라 하면, 수광량 "A0", "A1", "A2", 및 "A3"는 아래 식에 의해 표현된다.
A0 = －2Aa·cosψ＋Ac·π
A1 = －2Aa·sinψ＋Ac·π
A2 = 2Aa·cosψ＋Ac·π
A3 = 2Aa·sinψ＋Ac·π
그러므로 이들 관계로부터 (A1－A3)/(A0－A2)를 구하면 tanψ가 얻어지기 때문에, 위상차 ψ는 다음 식으로 나타낼 수가 있다.
ψ=tan-1(A1－A3)/(A0－A2) (2)
즉, 변조 신호의 파형이 정현파인 경우, 위 식에 의해 위상차 ψ를 구할 수 있고, 대상물(3)까지의 거리를 구할 수 있다.
본 실시예에 있어서 설명한 광검출 소자(1)를 사용하여 수광량 "A0"~"A3"에 상당하는 출력을 얻으려면, 1회의 점등 기간마다 각각 수광량 "A0"~"A3" 중 어느 하나를 인출한다. 즉, 각 점등 기간에 있어서 변조 신호에 동기하는 타이밍에서, 수광량 "A0"~"A3" 중 어느 하나에 상당하는 목적 캐리어를 수집한다. 따라서, 점등 기간과 소등 기간을 4회 반복하는 것이 필요하다. 각 수광량 "A0"~"A3"에 대응하는 기간에 감광부(11)에서 생성되는 전자 및 정공을 다른 기간의 전자 및 정공과 구별하는 데는, 각 수광량 "A0"~"A3"에 대응하는 기간에만 광검출 소자(1)의 감도를 높이고 다른 기간에는 감도를 낮게 하도록 감도를 제어할 필요가 있다. 감도를 제어하는 데는, 복수의 표면 전극(25)을 지면에 직교하는 방향으로 배열하고, 복수(바람직하게는 3개 이상)의 표면 전극(25)을 1세트로 하여 표면 전극(25)에 인가하는 전압 패턴을 제어한다. 각 표면 전극(25)에 인가하는 전압을 제어하면, 표면 전극(25)에 대향하는 부위로 웰 영역(31)에 형성되는 전위 웰의 깊이를 제어할 수 있다. 그래서, 1세트로 한 복수의 표면 전극(25) 중 일부에 깊은 전위 웰을 형성하는 전압을 인가하는 전압 패턴과, 1세트로 한 복수의 표면 전극(25)의 전체에 깊은 전위 웰을 형성하는 전압을 인가하는 전압 패턴을 전환할 수 있도록 하면, 실질적으로 수광 면적을 조정하여(변화시켜), 이 제어에 의해 감도를 변화시킬 수 있다.
다음에, 광원(2)의 점등 및 소등과는 비동기로 구한 수광량을 사용하여 위상차 ψ를 구하는 두 번째 방법에 대하여 간단하게 설명한다. 이 방법은, 수광량의 변화에 대응한 신호에 변조 주파수와는 상이한 주파수의 신호를 혼합하면, 양자의 주파수 차에 상당하는 주파수로 진폭이 변화하는 비트 신호가 얻어지는 것을 이용하고 있다. 비트 신호의 포락선은 위상차 ψ를 내 포함하고 있고, 포락선에 상당하는 수광량을 포락선의 상이한 위상으로 꺼내면, 위상차 ψ를 구할 수 있다. 예를 들면, 포락선의 위상이 0°~ 180°, 90°~ 270°, 180°~ 360°, 270°~ 90°인 4구간 사이에 수광량을 적분하여 구하고, 각 수광량을 A0', A1', A2', A3'라 하면, (2)식의 A0, A1, A2, A3를 A0', A1', A2', A3'에 대체하는 것만으로, 위상차 ψ를 구할 수 있다.
그리고 비트 신호를 얻으려면, 표면 전극(25)으로의 인가 전압을 변조 신호와는 주파수가 상이한 국부 발진 신호로 제어하고, 혼합 회로의 기능을 정공 유지부(13)와 전자 유지부(14)와 재결합부(15)를 사용하여 실현된다. 요컨대, 변조 신호의 변조 주파수와는 상이한 주파수인 국부 발진 신호를 사용하여 전자 및 정공의 유지와 재결합을 행함으로써, 재결합 후에 잔류하는 전자가 비트 신호의 진폭에 상당하는 양이 되어, 혼합 회로를 사용하지 않고 비트 신호의 진폭에 따른 수광 출력을 얻는 것이 가능하게 된다.
실시예 1에 있어서는, 광검출 소자(1)를 사용하여 대상물(3)까지의 거리를 측정하는 거리 센서를 구성하는 예에 대하여 설명하였으나, 이하에 설명하는 실시예 2도 거리 센서로 사용할 수 있다. 단, 거리 센서로서 사용하는 경우의 동작은 실시예 1과 같으므로, 이하에서는, 소등 기간과 점등 기간의 수광량의 차분에 의해 신호 광에 대응하는 목적 캐리어를 인출하는 경우를 예로서 설명한다. 실시예 1에서는, 소등 기간 및 점등 기간을 통해 감광부(11)에서 생성된 전자와 정공과의 중 비목적 캐리어인 정공을, 점등 기간에 있어서 감광부(11)에서 생성된 목적 캐리어인 전자와 재결합시킴으로써, 신호 광에 대응하는 목적 캐리어를 인출하는 구성을 채용하고 있다. 즉, 소등 기간에 생성되는 캐리어는 비목적 캐리어만을 사용하고 있지만, 점등 기간에 있어서 생성되는 캐리어는 목적 캐리어와 비목적 캐리어 양쪽을 사용하고 있다. 실시예 2는, 소등 기간에 있어서는 비목적 캐리어만을 유지하고, 점등 기간에 있어서는 목적 캐리어만을 유지함으로써, 정공 유지부(13)와 전자 유지부(14)로 유지하는 캐리어의 개수 비의 조절을 필요 없게 한 것이다.
실시예 2의 원리도를 도 8에 나타낸다. 도시한 예에서는 정공을 인출하는데 적절한 구조의 제1 감광부(11a)와 전자를 인출하는데 적절한 구조의 제2 감광부(11b)를 설치되어 있다. 이와 같은 감광부(11a, 11b)는, PN 접합형 또는 PIN형의 포토 다이오드의 구조이면 반도체의 도전형을 바꿔 넣은 구조에 의해 실현할 수 있다. 또, MIS 구조이면 반도체의 도전형을 바꿔 넣는 것과 동시에, 게이트에 인가하는 전압의 극성을 서로 역극성으로 하면 실현할 수 있다.
제1 감광부(11a)에서 생성되는 정공은 게이트부(38a)를 통하여 정공 유지부(13)에 유지되고, 제2 감광부(11b)에서 생성되는 전자는 게이트부(38b)를 통하여 전자 유지부(14)에 유지된다. 게이트부(38a)를 통하여 정공 유지부(13)에 정공을 유지하는 타이밍과 게이트부(38b)를 통하여 전자를 전자 유지부(14)에 유지하는 타이밍을 상이하게 하고 있다. 이들 타이밍에 있어서, 각각 게이트부(38a, 38b)가 열려 있다는 표현을 사용하면, 게이트부(38a, 38b)는 택일적으로 열도록 타이밍 제어부(10)에 의해 제어된다. 이러한 종류의 게이트부(38a, 38b)는 실시예 1에 있어서 설명한 게이트 전극(27)과 마찬가지의 MOS 구조에 의해 실현될 수가 있어 타이밍 제어부(10)에서는 인가 전압을 제어함으로써, 각 게이트부(38a, 38b)를 택일적으로 열 수가 있다. 실시예 1과 마찬가지로, 정공 유지부(13)에 유지된 정공과 전자 유지부(14)에 유지된 전자와는 재결합부(15)에 있어서 재결합되어 재결합 후에 잔류하는 캐리어가 목적 캐리어로서 출력부(16)를 통해 꺼내진다.
실시예 2에서는, 실시예 1과 비교하면, 스위치 요소(17), 폐기부(18)가 불필요하게 되어 있고, 감광부(11a, 11b)를 2개 설치하는 동시에, 각 감광부(11a, 11b)에 대응하는 2개의 게이트부(38a, 38b)가 추가된 형태로 되어 있다. 즉, 정공 유지부(13)와 전자 유지부(14)와 게이트부(38a, 38b)에 의해 정공 유지부(13)에 수집되는 정공의 개수와 전자 유지부(14)에 수집되는 전자의 개수가 조절된다. 따라서, 본 실시예에서는 게이트부(38a, 38b)가 전자와 정공을 분리하는 동시에 정공 유지부(13)에 수집되는 정공의 개수와 전자 유지부(14)에 수집되는 전자의 개수를 조절하는 캐리어 분리부로서 기능한다.
그리고 감광부(11a, 11b)를 2개 설치하는 것은 필수가 아니고, 1개의 감광부에서 전자와 정공을 생성하고, 정공 유지부(13)에는 감광부로부터 정공만을 수집하고, 전자 유지부(14)에는 감광부로부터 전자만을 수집하도록 게이트부(38a, 38b)를 제어하도록 해도 된다. 즉, 정공 유지부(13)와 전자 유지부(14)로 감광부를 공용하는 구성으로 해도 된다.
지금, 실시예 2의 동작을 설명한다. 먼저, 소등 기간에는 제1 및 제2 감광부(11a, 11b)에는 환경 광만이 입사하고 있고 목적 캐리어의 유지는 불필요하며, 게 이트(38a)를 여는 것과 동시에 게이트(38b)를 닫아 둠으로써 제1 감광부(11a)에서 생성한 정공을 정공 유지부(13)에서 유지한다. 한편, 점등 기간에는 게이트(38a)를 닫고 동시에 게이트(38b)를 여는 것에 의해 제2 감광부(11b)에서 생성한 전자를 전자 유지부(14)에서 유지한다. 즉, 타이밍 제어부(10)는 광원(2)의 발광에 동기하도록 게이트(38a, 38b)를 개폐한다. 이 동작에 의해 전자 유지부(14)에 유지되는 전자는 환경 광과 신호 광을 가산한 광량에 대응하게 된다. 여기서, "소등 기간":"점등 기간" = 1:1로 설정하고 있는 것으로 하고, 또 소등 기간과 점등 기간을 환경 광의 광량에 변동이 없는 정도의 시간에 설정하고 있는 것으로 하면, 재결합부(15)에 있어서 전자와 정공을 재결합시킨 후에는 목적 캐리어인 전자만이 남고, 또한 전자의 개수는 신호 광의 광량을 반영하게 된다.
실시예 1의 구성에서는, 감광부(11)와 정공 유지부(13) 및 전자 유지부(14)가 일부의 구조를 공용하고 있으므로 (전자 유지 영역(32) 및 정공 유지 영역(33)을 포함하는 웰 영역(31)은, 감광부(11)와 정공 유지부(13) 및 전자 유지부(14)에 공용되고 있다) 복수회의 소등 기간 및 점등 기간에 있어서 생성되는 정공이나 전자를 정공 유지부(13) 및 전자 유지부(14)에 유지하지 못하고, 소등 기간과 점등 기간과의 복수회 분의 캐리어를 유지하도록 하지 않으면, 1회의 소등 기간과 1회의 점등 기간 후에 캐리어의 재결합을 행하고, 재결합 후의 목적 캐리어를 출력부(16)에 있어서 축적(적분)해야한다. 이에 대하여, 실시예 2의 구성에서는, 제1 및 제2 감광부(11a, 11b)와 정공 유지부(13) 및 전자 유지부(14) 사이에 게이트부(38a, 38b)가 설치되고, 감광부(11a, 11b)와 정공 유지부(13) 및 전자 유지부(14)의 구조 가 독립적으로 있기 때문에, 캐리어의 재결합 전에 정공 및 전자를 각각 적분하는 것이 가능하며, 소등 기간과 점등 기간을 복수회 반복하고, 정공 유지부(13) 및 전자 유지부(14)에 각각 정공 및 전자를 유지한 후에 재결합부(15)에 있어서의 재결합을 행하는 것이 가능하게 된다.
또, 실시예 1의 구성에서는, 점등 기간에 있어서 생성되는 비목적 캐리어에는 신호 광에 대응하는 성분이 존재하고, 이 성분이 목적 캐리어와 재결합함으로써 목적 캐리어에 있어서 신호 광에 대응하는 성분의 일부가 소실하기 때문에, 신호 광의 광량에 대한 목적 캐리어의 개수가 적게 되어, 결과적으로 신호 광에 대한 감도가 약간 낮아지고 있다. 이에 대하여, 실시예 2에서는, 점등 기간에서 생성된 목적 캐리어와 소등 기간에서 생성된 비목적 캐리어를 재결합시킨다. "소등 기간":"점등 기간" = 1:1로 설정하여 두면, 신호 광에 대응하여 생성되는 목적 캐리어가 재결합에 의해 소실하는 것이 없고 실시예 1의 구성보다 신호 광에 대한 감도가 높아진다.
다른 구성 및 동작은 실시예 1과 같다. 또, 전술한 각 실시예에 있어서 목적 캐리어를 전자로 하고, 비목적 캐리어를 정공으로 하고 있지만, 목적 캐리어를 정공으로 하고, 비목적 캐리어를 전자로 할 수도 있다.
실시예 1에 있어서 설명한 광검출 소자(1)는, 광원(2)의 소등 기간에 생성된 목적 캐리어를 스위치 요소(17) 및 폐기부(18)에 의해 폐기하고, 소등 기간에 생성된 목적 캐리어가 점등 기간에 생성된 목적 캐리어와 혼합되지 않도록 하고 있지만, 실시예 2는 스위치 요소(17) 및 폐기부(18)를 생략하고 있다. 또, 실시예 1에 서는 정공 유지 영역(33)으로부터 밀어낸 정공을 웰 영역(31)에 있어서 전자와 재결합시키지만, 실시예 2에서는, 전자 유지 영역(32)을 마련하지 않고, 웰 영역(31)으로부터 정공 유지 영역(33)에 전자를 끌어들이는 것에 의해 정공에 전자를 재결합시키도록 구성하고 있다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예 3의 광검출 소자(1)를 도시한다. 실시예 3에서는, 실시예 1과 비교하면 스위치 요소(17), 폐기부(18) 및 전자 유지 영역(32)이 생략되어 있고, 웰 영역(31)으로부터 정공 유지 영역(33)으로 전자를 끌어냄으로써 전자와 정공을 결합시킨다.
실시예 3의 광검출 소자(1)에서는, 도 9에 나타낸 바와 같이, P형(제1 도전형)의 반도체(예를 들면, 실리콘)로 이루어지는 기판(21)의 주 표면 측에, P형의 소자 형성층(22)이 적층되어 있다. 소자 형성층(22)의 주 표면 측에는 산화층(예를 들면, 실리콘 산화층)인 절연층(24)을 통하여 표면 전극(25)이 설치된다. 절연층(24)에는 소자 형성층(22)의 주 표면으로부터 이격된 제어 전극(26) 및 게이트 전극(27)이 소자 형성층(22)의 표면을 따르는 상이한 부위에 매립된다. 표면 전극(25) 및 제어 전극(26)은 광이 투과 가능하게 되어 있다. 또, 실시예 1과 마찬가지로 전하 전송 영역(36)도 설치된다.
소자 형성층(22)에는 n형의 웰 영역(31)이 형성되고, 소자 형성층(22)의 주 표면 측에서 있어 웰 영역(31)에 둘러싸이는 부위에는 정공 유지부(13)로서 기능하는 p형의 정공 유지 영역(33)이 형성된다. 즉, 정공 유지 영역(33)은 비목적 캐리어인 정공을 수집하는 동시에 유지하는 유지 영역이 된다. 제어 전극(26)은 평면에 서 볼 때 정공 유지 영역(33)보다 면적이 작고, 제어 전극(26)의 전부는 정공 유지 영역(33)의 일부에 대향한다. 정공 유지 영역(33) 중 제어 전극(26)에 대향하는 영역은 전자를 수집하는 전자 유지부(14) 및 재결합부(15)로서 기능하는 수집 결합 영역(33a)으로 되고, 정공 유지 영역(33) 중 수집 결합 영역(33a) 이외의 영역은 정공을 일시적으로 대피시키는 대피 영역(33b)으로 된다. 웰 영역(31) 및 정공 유지 영역(33)에는 광을 조사 가능하며, 광이 조사되면 광 여기에 의한 전자 및 정공이 생성된다. 표면 전극(25)에는 정전압(도시한 예에서는, 5V)을 항상 인가하고 있고, 광 조사 시에는 정공 유지 영역(33)에 정공을 유지할 수 있도록 제어 전극(26)에 부전압(도시한 예에서는 -3V)을 인가한다. 따라서, 도 10과 같이, 광 조사에 의해 정공 유지 영역(33)의 근방에서 생성되는 정공은 정공 유지 영역(33)에 유지되고, 웰 영역(31)의 근방에서 생성되는 전자는 웰 영역(31)에 유지된다.
정공 유지 영역(33)의 두께 및 면적과 웰 영역(31)의 면적과 제어 전극(26)에 인가하는 전압과의 관계에 의하여, 재결합 때의 전자의 개수를 정공의 개수보다 많이 할 수 있다. 또, 소자 구조는 설계에 의해 정해지기 때문에, 웰 영역(31)에 유지하는 전자와 정공 유지 영역(33)에 유지하는 정공의 개수는 제어 전극(26)에 인가하는 전압에 의해 조절하는 것으로서, 제어 전극(26)이 캐리어 분리부(12)로서 기능한다. 또, 웰 영역(31)에 유지되는 전자 및 정공 유지 영역(33)에 유지되는 정공의 대부분은, 웰 영역(31)과 정공 유지 영역(33)에서 생성되므로, 웰 영역(31)과 정공 유지 영역(33)이 감광부(11)로서 기능한다.
실시예 3의 구성에서는, 광원(2)의 소등 기간과 점등 기간과 제어 전극(26) 으로의 인가 전압을 적당히 조절함으로써, 재결합 전에 있어서, 웰 영역(31)에 유지되어 있는 전자의 개수를 정공 유지 영역(33)에 유지되어 있는 정공의 개수보다 많이 할 수 있다.
실시예 3에 있어서는, 소등 기간에 생성된 전자를 폐기하고 있지 않지만, 광원(2)의 점등 기간에 생성된 전자를 광원(2)의 소등 기간에 생성되는 전자의 개수분 이상의 정공과 재결합하고, 또한 재결합되는 전자의 개수를 정공의 개수보다 많이 한다는 조건을 만족시키는 것은 가능하다. 요컨대, 재결합 후에 전자를 잔류시키도록 하면서도, 환경 광 성분을 제거할 수 있다. 도 10은, 소등 기간과 점등 기간 후에 상기 조건을 만족시키도록 전자와 정공이 각각 웰 영역(31)과 정공 유지 영역(33)에 유지되어 있는 상태를 나타내고 있다.
전자와 정공을 재결합시키기 위하여, 본 실시예에서는, 도 10과 같이 제어 전극(26)에 부전압(도시한 예에서는 -3V)을 인가하는 상태와 도 11과 같이 정전압(도시한 예에서는 +3V)을 인가하는 상태를 복수회 반복한다. 재결합에 필요한 기간은 소등 기간 및 점등 기간과 비교하여 충분히 짧은 기간으로서, 예를 들면 2×10-8 정도의 주기로 인가하는 전압의 극성을 수회 바꿔 넣는다. 제어 전극(26)에 정전압을 인가하면, 정공이 수집 결합 영역(33a)으로부터 대피 영역(33b)으로 이동하여, 전자가 웰 영역(31)으로부터 수집 결합 영역(33a)으로 이동한다. 이때, 정공의 일부는 절연층(24) 사이의 계면 전위에 트랩되어 있고, 트랩되어 있는 정공은 전자와 재결합되는 것에 의해 소멸한다. 단, 일부의 정공은 p형의 정공 유지 영역(33) 중 으로 이동하여, 대피 영역(33b)에 대피해 잔류한다.
재결합의 목적은 정공을 소멸시키는 것이므로, 대피 영역(33b)에 대피한 정공도 소멸시키지 않으면 안 된다. 그래서, 제어 전극(26)에 다시 부전압을 인가하고, 대피 영역(33b)에 대피하고 있던 정공을 수집 결합 영역(33a)으로 끌어들인다. 이때, 전자는 주로 n형인 웰 영역(31)으로 이동한다. 전술한 동작을 복수회 반복함으로써, 정공 유지 영역(33)의 정공을 재결합에 의해 소멸시킬 수 있다. 또, 정공의 소멸 시점에 있어서도 전자의 일부는 잔류하기 때문에, 제어 전극(26)에 정전압을 인가함으로써 수집 결합 영역(33a)으로 잔류한 전자를 인입시키고, 게이트 전극(27)에 정전압을 인가함으로써 수집 결합 영역(33a)으로부터 전하 전송 영역(36)에 전자를 전송할 수 있다. 다른 구성 및 동작은 실질적으로 실시예 1과 같다.
그런데 전술한 바와 같이, 재결합 후에는 수집 결합 영역(33a)으로부터 전하 전송 영역(36)에 전자를 전송하고 있고, 도 9에 나타낸 구성과 같이, 수집 결합 영역(33a)과 전하 점등 영역(36) 사이에 p형인 대피 영역(33b)이 존재하고 있으면 게이트 전극(27)에 비교적 높은 전압을 인가하지 않으면 전자를 이동시킬 수가 없다는 문제가 생긴다. 그래서, 도 12와 같이, 정공 유지 영역(33) 중 전하 전송 영역(36)에 대향하는 부위에는 대피 영역(33b)을 설치하지 않는 것이 도시되어 있다. 도 12의 구성예에서는 평면에서 볼 때에 있어서 대피 영역(33b)은 C형 또는 사각형으로 되어 있다.
또한, 전술한 예에서는 수집 결합 영역(33a)과 대피 영역(33b)의 불순물 농도를 일정하게 하고 있지만, 수집 결합 영역(33a)과 대피 영역(33b) 사이에서의 정 공의 이동도를 높이기 위하여, 대피 영역(33b)에 대하여는 불순물 농도를 고농도로 하는 것이 바람직하다. 즉, 수집 결합 영역(33a)을 p형으로 할 때, 대피 영역(33b)은 p＋형으로 하는 것이 바람직하다.
또, 대피 영역(33b)을 p＋형으로 하는 대신에, 도 13에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(26)의 주위에 대피 영역(33b)과 대향하는 대피용 제어 전극(28)을 설치하고, 수집 결합 영역(33a)과 대피 영역(33b) 사이에 정공을 이동시킬 때, 대피 영역(33b)의 정공에 대한 전위를 제어함으로써 정공의 이동도를 높이도록 해도 된다. 또, 도 13에 나타낸 구성이면, 대피 영역(33b)이 수집 결합 영역(33a)의 모든 주위를 에워싸도록 해서 정공이 웰 영역(31)으로 유출하는 것을 방지하면서도, 수집 결합 영역(33a)으로부터 전하 전송 영역(36)에 전자를 이동시킬 때 대피 영역(33b)의 전자에 대한 전위를 인하해 전자의 이동도를 높이는 것이 가능하다. 다른 구성 및 동작은 실시예 1과 같다.
도 14는 본 발명에 따른 실시예 4의 광검출 소자(1)를 도시한다. 실시예 4의 광검출 소자(1)에서는, n형의 웰 영역(31)에 정공 유지부(13)로서 기능하는 p형의 정공 유지 영역(33)을 형성하고 있다. 이 구성은 실시예 3과 같다. 단, 실시예 3은 p－형의 기판(21)의 주 표면 측에 p형의 소자 형성층(22)을 적층하고 있는 것에 대하여, 실시예 4에서는 기판(21) 및 소자 형성층(22)을 n형으로 하고, 기판(21)과 소자 형성층(22) 사이에 p형의 중간층(29)을 설치한 구성을 채용하고 있다. 중간층(29)은 접지 전위로 유지된다. 또, 정공 유지 영역(33) 중, 제어 전극(26)에 대향하는 수집 결합 영역(33a)보다 대피 영역(33b)의 불순물 농도를 높게 하고, 수집 결합 영역(33a)이 p형인데 대하여 대피 영역(33b)을 p＋형으로 하고 있다.
또한, 실시예 3에서는 웰 영역(31)과 전하 전송 영역(36) 사이에 대응하는 부위에 게이트 전극(27)을 배치하고 있지만, 실시예 4에서는 게이트 전극(27)을 마련하지 않고, 웰 영역(31)에 전하 전송 영역(36)을 근접시키는 동시에, 전하 전송 영역(36)에 대하여 절연층(24)을 통하여 설치한 전송 전극(39)에 인가하는 전압을 변화시킴으로써, 웰 영역(31)으로부터 전하 전송 영역(36)으로의 전자의 이송을 행하는 구성을 채용하고 있다.
전송 전극(39)은 도 14의 면에 직교하는 방향으로 복수 배열되어 1개의 웰 영역(31)에 대하여 전송 전극(39)이 2개씩 대응한다. 즉, 웰 영역(31)으로부터 전자를 받기 위한 전위 웰을 형성하는 전송 전극(39)과 그 전위 웰로부터 전자가 이송되는 전위 웰을 형성하는 전송 전극(39)을, 1개의 웰 영역(31)에 대응시키고 있다. 이 종류의 구성은 IT(인터라인 트랜스퍼) 방식의 CCD 이미지 센서에 있어서의 수직 전송 레지스터와 같다. 또, 전송 전극(39)은 표면 전극(25)과는 전기적으로 분리하고 있다. 그리고 전하 전송 영역(36)은 차광막(37)에 덮인다.
실시예 3에서는 정공 유지 영역(33)의 두께 및 면적과 웰 영역(31)의 면적과 제어 전극(26)에 인가하는 전압과의 관계에 의하여, 재결합 때의 전자의 개수와 정공의 개수를 조절하고 있다. 실시예 4에서는, 정공 유지 영역(33)의 두께 및 면적과 웰 영역(31)의 면적과 제어 전극(26)에 인가하는 전압 외에, 기판(21)에 인가하는 전위(전압)을 제어함으로써 재결합되는 전자와 정공과의 개수 비를 조절한다.
이하에 동작을 설명한다. 기판(21), 표면 전극(25), 제어 전극(26)에 대하여 는, 각각 정전압과 부전압의 양 극성의 전압을 인가할 수 있고, 전송 전극(39)에 대하여는, 높은 정전압과 낮은 정전압의 2단계의 정전압과, 부전압의 3종류의 전압이 인가 가능하게 되어 있다. 이하에서는 2단계의 정전압을 구별하여 "높은 정전압", "낮은 정전압"으로 부른다. 그리고 전송 전극(39)에 인가하는 부전압은 전자의 전송에 사용하는 전압이며, 이하에 설명하는 동작에는 관여하지 않는다.
먼저, 초기 상태에 대해 설명한다. 초기 상태에서는, 웰 영역(31)의 정공이 전자와의 재결합에 의해 소멸하고, 웰 영역(31)의 전자는 전하 전송 영역(36)에 전송되고, 다른 영역의 전자는 기판(21)을 통해 폐기되거나, 인가 재결합에 의해 소멸하고 있는 상태를 상정한다. 즉, 기판(21)과, 소자 형성층(22)(웰 영역(31)을 포함함)과, 중간층(29)에는 열평형 상태의 전자 및 정공만이 존재하고 있는 상태를 초기 상태로 한다. 이와 같은 초기 상태는, 실시예 1에서 나타낸 드레인 영역(34a, 34b)을 설치하고, 드레인 영역(34a, 34b) 및 기판(21)을 사용하여 전자 및 정공을 폐기함으로써 실현할 수 있다.
다음, 초기 상태 후의 동작에 대해 설명한다. 전술한 초기 상태는, 웰 영역(31)으로부터 전하 전송 영역(36)에 전자를 전송한 후에 설정되는 상태에서 있으므로, 타이밍 제어부(10)는 초기 상태 후에 소등 기간으로 되도록 광원(2) 등을 제어한다. 소등 기간에서는, 웰 영역(31)으로부터 전하 전송 영역(36)로의 전자 및 정공의 이동이 생기지 않도록, 웰 영역(31)에 인접하는 전송 전극(39)에는 낮은 정전압을 인가하여 둔다.
또, 표면 전극(25)과 제어 전극(26)에는 부전압을 인가하고, 기판(21)에는 정전압을 인가하여 제1 상태로 이동한다. 제1 상태에서는, 환경 광만이 조사되어 있고, 기판(21), 소자 형성층(22)(웰 영역(31)을 포함함), 중간층(29)에서 생성되는 전자 및 정공 중, 전자는 기판(21)을 통해 폐기되고 정공은 표면 전극(25)으로 향해 이동한다. 여기서, 정공 유지 영역(33)은 p형 내지 p＋형이므로, 정공은 주로 정공 유지 영역(33)에 수집된다. 즉, 소등 기간에 대응하는 개수의 정공이 정공 유지 영역(33)에 수집된다.
그 후, 소등 기간이 점등 기간으로 전환되면, 표면 전극(25) 및 제어 전극(26)에 정전압을 인가하고, 기판(21)에 부전압을 인가하여 제2 상태로 이동한다. 제2 상태에서는, 정공 유지 영역(33)에 수집되어 있던 정공의 대부분이 대피 영역(33b)에 모이고, 일부의 정공은 수집 결합 영역(33a)의 계면 전위에 의해 트랩되어 수집 결합 영역(33a)에 잔류한다. 또, 기판(21), 소자 형성층(22)(웰 영역(31)을 포함함), 중간층(29)에 있어서 생성되는 전자 및 정공 중, 전자는 표면 전극(25)으로 향해 이동하고, 정공은 기판(21)을 통해 폐기된다. 정공 유지 영역(33)과 정공 유지 영역(33)을 제외한 웰 영역(31)과 웰 영역(31)을 제외한 소자 형성층(22)의 도전형의 상위에 따라, 전자에 대한 전위는 정공 유지 영역(33)을 제외한 웰 영역(31)에 있어서도 낮아지기 때문에, 환경 광과 신호 광에 대응하는 개수의 전자는, 주로 웰 영역(31)에 수집된다. 또, 일부의 전자는, 수집 결합 영역(33a)에 잔류하는 정공과 재결합한다. 전자는 정공보다 이동도가 대폭 크기 때문에, 재결합은 매우 단시간에 이루어진다.
정해진 시간(수집 결합 영역(33a)에 잔류하는 정공과 전자의 재결합이 종료 하는데 걸리는 시간)이 경과하면, 표면 전극(25)에 정전압을 인가하고, 기판(21)에 부전압을 인가한 상태를 유지한 채, 제어 전극(26)에 인가하는 전압의 극성만을 부전압에 반전시켜 제3 상태로 이동한다. 제3 상태에서는, 새로운 정공이 정공 유지 영역(33)에 수집되는 것은 없고, 환경 광과 신호 광에 대응하는 전자가 웰 영역(31)에 수집 되게 된다. 또, 제3 상태에서는, 정공 유지 영역(33)의 정공은 수집 결합 영역(33a)에 모이고, 전자는 웰 영역(31)에 있어서 정공 유지 영역(33)을 제외한 범위에 모인다. 정공 유지 영역(33)은 p형 또는 p＋형이며 거리도 짧기 때문에, 정공은 비교적 짧은 시간으로 이동한다.
정해진 시간(수집 결합 영역(33a)에 정공이 모이는데 걸리는 시간)이 경과하면, 제어 전극(26)에 인가하는 전압만을 정전압으로 변화시킨다. 즉, 제3 상태로부터 다시 제2 상태로 전환한다. 전술한 바와 같이, 제2 상태에서는 수집 결합 영역(33a)의 계면 전위에 트랩된 정공과 일부의 전자가 재결합한다.
그 후, 제2 상태와 제3 상태를 교대로 반복한다(2 ~ 3회 정도). 반복의 회수는 정공 유지 영역(33)에 잔류하는 정공이 대략 소멸하는 정도의 적당한 회수가 반복된다.
정공 유지 영역(33)의 정공이 대략 소멸하면, 제3 상태로부터 표면 전극(25)에 인가하는 전압을 부전압에 변화시키는 동시에, 전송 전극(39)에 높은 정전압을 인가하여 제4 상태로 이동한다. 높은 정전압은 웰 영역(31)의 전자가 전하 전송 영역(36)으로 이동하도록 설정된다. 제4 상태는 전송 전극(39)에 인가하는 전압만이 제3 상태와 상이하다. 즉, 제4 상태에 있어서, 웰 영역(31)에 잔류하고 있는 전자 는, 환경 광과 신호 광을 합친 성분으로부터 환경 광의 성분 중 적어도 일부를 감쇄한 성분이 되기 때문에, 이 전자를 신호 전하로서 전하 전송 영역(36)에 인출하는 것이다.
제4 상태의 후에는 광원(2)을 소등시키는 동시에, 표면 전극(25)과 제어 전극(26)에 부전압을 인가하고, 기판(21)에 정전압을 인가하는 상태, 즉 제1 상태로 돌아온다. 다른 구성이나 동작은 실시예 3과 실질적으로 동일하다.
표 1에 제1 상태로부터 제4 상태까지 각 부위에 인가되는 전압의 관계를 나타낸다. 표 1에서, "High-P"는 높은 양의 전압이고 "Low-P"는 낮은 양의 전압이다.
표 1
상태 기간 표면 전극 제어 전극 기판 전달 전극
제1 상태 소등 기간 음 음 양 Low-P
제2 상태 점등 기간 양 양 음 Low-P
제3 상태 점등 기간 양 음 음 Low-P
제4 상태 점등 기간 음 음 음 High-P
소등 기간에는 제1 상태만이 존재하며, 점등 기간에는 제2 상태에서 제4 상태가 존재하는데, 제4 상태 전의 제2 상태 및 제3 상태가 n회 반복된다(n＞1). 따라서, 소등 기간에 있어서 정공 유지 영역(33)에 수집된 정공의 개수와 점등 기간에 있어서 웰 영역(31)에 수집된 전자 중 환경 광 성분에 상당하는 개수를 대략 일치시키려면, 소등 기간과 점등 기간의 길이를 조절하거나, 각 부위에 인가하는 전압을 조절하는 것이 필요하다. 또, 점등 기간과 소등 기간 사이에는 초기 상태로 되돌리는 동작이 필요한 경우가 있다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예 4에서는, 표면 전극(25)과 제어 전극(26)에 인가하는 전압 이외에, 기판(21)에 인가하는 전압을 제어함으로써, 재결합시키는 전자 및 정공의 개수를 조절하고 있으므로, 전자와 정공과의 개수의 조절이 용이하게 된다.
실시예 4에서 설명한 구성의 광검출 소자(1)를 사용하여 실시예 1과 마찬가지로 거리 센서를 구성하면, 수광량 "A0"~"A3"를 구하기 위해 감도를 제어할 필요가 있다. 감도를 제어하는 기술은 실시예 1에 설명한 바와 같이, 지면에 직교하는 방향으로 배열한 복수의 표면 전극(25)을 1세트로 하여, 1세트의 표면 전극(25)에 인가하는 전압 패턴을 제어한다. 이와 같은 감도의 제어는, 제2 상태에 있어서 전자를 수집하는 사이에 행한다. 예를 들면, 수광량 "A0"에 상당하는 전자를 수집하는 데는, 수광량 "A0"에 상당하는 기간에는 고감도로 되고, 수광량 "A1"~"A3"에 상당하는 기간에는 저감도로 되도록, 변조 신호에 동기하는 타이밍에서 표면 전극(25)에 인가하는 전압 패턴을 제어한다. 제2 상태에 있어서 고감도 상태와 저감도 상태를 복수회 반복 후에는, 제3 상태로 이행시켜 전자와 정공을 재결합시키고, 또한 재결합을 재촉하기 위해서 제2 상태와 제3 상태를 복수회 반복한다. 재결합을 위해 제2 상태와 제3 상태를 반복하는 사이에는, 제2 상태에서의 감도의 제어를 행하지 않는다. 제2 상태와 제3 상태를 반복하여 전자와 정공을 재결합시킨 후에는 제4 상태로 이행한다.
전술한 예에서는 점등 기간에 있어서 제2 상태와 제3 상태를 반복함으로써 전자와 정공을 재결합시키고 있지만, 제2 상태에서 감도의 제어를 행함으로써 수광량 "A0"~"A3" 중 어느 하나에 상당하는 전자를 수집한 후, 광원(2)을 소등시켜, 재결합을 위해 제2 상태와 제3 상태의 전압을 반복하여 인가하여도 된다.
또 다른 예에서, 제2 상태에서 감도의 제어를 행함으로써 수광량 "A0"~"A3" 중 어느 하나에 상당하는 전자를 수집한 후, 광원(2)이 점등되어 있는 상태에서 제2 상태와 제3 상태를 반복하는 동작과 광원(2)이 소등하고 있는 상태에서 제2 상태와 제3 상태를 반복하는 동작을 차례로 행하도록 해도 된다.
본 발명을 양호한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신 및 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 실시예 3 및 실시예 4에 있어서, 실시예 1과 마찬가지로 웰 영역(31)의 바닥에 매립층(23)을 설치하도록 해도 된다.

Claims (21)

  1. 반도체 장치 내에 형성된 광검출 소자에 있어서,
    광원으로부터 조사된 광을 수신하고, 수광량에 따라 수(數)가 변하는 전자 및 정공을 생성하는 감광부;
    분리용 제어 전극을 가지고, 상기 분리용 제어 전극에 인가되는 전위를 제어하여 상기 감광부에서 생성된 전자 및 정공을 목적 캐리어 및 비목적 캐리어로 분리하는 캐리어 분리부로서, 상기 목적 캐리어는 전자 및 정공 중 하나이고 상기 비목적 캐리어는 상기 전자 및 정공 중 다른 하나인, 캐리어 분리부;
    재결합 제어 전극을 가지고, 상기 재결합 제어 전극에 인가되는 전위를 제어하여 점등 기간 동안 상기 감광부에서 생성된 목적 캐리어와 소등 기간 동안 상기 감광부에서 생성된 비목적 캐리어를 재결합시키는 재결합부로서, 상기 점등 기간은 상기 광원이 작동하고 있는 기간이고 상기 소등 기간은 상기 광원이 작동하고 있지 않은 기간인, 재결합부; 및
    상기 재결합부에서의 재결합 후에 잔류하고 있는 목적 캐리어를 인출하는 출력부
    를 포함하는 광검출 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 분리부는 상기 목적 캐리어의 개수가 상기 비목적 캐리어의 개 수보다 크게 되도록 조정하며, 상기 목적 캐리어는 점등 기간 동안 생성되어 상기 재결합부에서의 재결합에 관여하며, 상기 비목적 캐리어는 소등 기간 동안 생성되어 상기 재결합부에서의 상기 재결합에 관여하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 감광부에서 생성된 상기 목적 캐리어를 수집하여 상기 재결합이 수행될 때까지 상기 목적 캐리어를 유지하는 목적 캐리어 유지부; 및
    상기 감광부에서 생성된 상기 비목적 캐리어를 수집하여 상기 재결합이 수행될 때까지 상기 비목적 캐리어를 유지하는 비목적 캐리어 유지부
    를 포함하며,
    상기 재결합부는, 상기 목적 캐리어 유지부에 유지된 목적 캐리어와 상기 비목적 캐리어 유지부에 유지된 비목적 캐리어를 재결합시키는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 캐리어 분리부는, 상기 목적 캐리어 유지부에 유지된 목적 캐리어를 폐기하는 스위치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력부는, 상기 재결합부에서의 재결합 후에 잔류하고 있는 목적 캐리어를 적분하는 적분 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  6. 제3항에 있어서,
    반도체 기판의 주 표면 상에 형성된 제1 도전형의 소자 형성층;
    상기 소자 형성층 내의 주 표면 측에 형성된 제2 도전형의 웰 영역;
    절연층을 통해 적어도 상기 웰 영역에 대향하도록 상기 소자 형성층의 주 표면 상에 형성되고, 광 투과성을 가진 표면 전극;
    상기 웰 영역 내에 그리고 상기 소자 형성층의 주 표면 측에 상기 목적 캐리어 유지부로서 형성된 상기 제2 도전형의 제1 유지 영역;
    상기 제1 유지 영역 내에 그리고 상기 소자 형성층의 주 표면 측에 상기 비목적 캐리어 유지부로서 형성된 상기 제1 도전형의 제2 유지 영역; 및
    상기 절연층을 통해 상기 제2 유지 영역에 대향하도록 위치하며 광 투과성을 가진, 상기 분리용 제어 전극 및 상기 재결합 제어 전극으로서의 공통 제어 전극
    을 포함하되,
    상기 감광부는, 상기 반도체 기판, 상기 소자 형성층, 상기 웰 영역, 상기 절연층 및 상기 표면 전극을 포함하는 디바이스 구조 영역에 대응되고, 상기 소자 형성층은 전자 및 정공을 생성하고,
    상기 재결합부는, 상기 제1 유지 영역과 상기 제2 유지 영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 목적 캐리어 유지부로부터의 목적 캐리어를 폐기하기 위해, 상기 소자 형성층 내의 그리고 상기 웰 영역 근처의 주 표면 측에 형성되는 제2 도전형의 드레인 영역; 및
    오믹 커플링(ohmic coupling)에 의해 상기 드레인 영역에 결합되며, 목적 캐리어가 상기 제1 유지 영역으로부터 상기 드레인 영역으로 폐기되도록 전위가 인가되는 드레인 전극
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  8. 제3항에 있어서,
    반도체 기판의 주 표면 상에 형성되는 제1 도전형의 소자 형성층;
    상기 소자 형성층 내의 주 표면 측에 상기 목적 캐리어 유지부로서 형성되는 제2 도전형의 웰 영역;
    절연층을 통해 적어도 상기 웰 영역에 대향하도록 상기 소자 형성층의 주 표면 상에 형성되며 광 투과성을 가진 표면 전극;
    상기 웰 영역 내에 그리고 상기 소자 형성층의 주 표면 측에 상기 비목적 캐리어 유지부로서 형성되는 상기 제1 도전형의 유지 영역;
    상기 절연층을 통해 상기 유지 영역의 일부에 대향하도록 위치하며 광 투과성을 가진, 상기 분리용 제어 전극 및 상기 재결합 제어 전극으로서의 공통 제어 전극
    을 포함하되,
    상기 감광부는, 상기 반도체 기판, 상기 소자 형성층, 상기 웰 영역, 상기 절연층 및 상기 표면 전극을 포함하는 디바이스 구조 영역에 대응되고, 상기 소자 형성층은 전자 및 정공을 생성하고,
    상기 재결합부는, 상기 웰 영역 내의 상기 유지 영역의 내측 및 외측 중 적어도 한쪽을 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  9. 제3항에 있어서,
    제1 도전형의 중간층을 통해 제2 도전형의 반도체 기판의 주 표면 상에 형성되는 제2 도전형의 소자 형성층;
    상기 소자 형성층 내의 주 표면 측에 상기 목적 캐리어 유지부로서 형성되는 제2 도전형의 웰 영역;
    절연층을 통해 적어도 상기 웰 영역에 대향하도록 상기 소자 형성층의 주 표면 상에 형성되며 광 투과성을 가진 표면 전극;
    상기 웰 영역 내에 그리고 상기 소자 형성층의 주 표면 측에 상기 비목적 캐리어 유지부로서 형성되는 상기 제1 도전형의 유지 영역;
    상기 절연층을 통해 상기 유지 영역의 일부에 대향하도록 위치하며 광 투과성을 가진, 상기 분리용 제어 전극 및 상기 재결합 제어 전극으로서의 공통 제어 전극
    을 포함하되,
    상기 감광부는, 상기 반도체 기판, 상기 소자 형성층, 상기 웰 영역, 상기 절연층, 상기 표면 전극 및 상기 중간층을 포함하는 디바이스 구조 영역에 대응되고, 상기 소자 형성층은 전자 및 정공을 생성하고,
    상기 재결합부는, 상기 웰 영역 내의 상기 유지 영역의 내측 및 외측 중 적어도 한쪽을 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 웰 영역의 하부에 형성되며, 상기 웰 영역과 상기 소자 형성층 사이의 전위 장벽을 증가시키는 매립층을 더 포함하며,
    상기 소자 형성층 내의 상기 웰 영역은 상기 기판과 떨어져 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 웰 영역의 하부에 형성되며, 상기 웰 영역과 상기 소자 형성층 사이의 전위 장벽을 증가시키는 매립층을 더 포함하며,
    상기 소자 형성층 내의 상기 웰 영역은 상기 기판과 떨어져 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 웰 영역의 하부에 형성되며, 상기 웰 영역과 상기 소자 형성층 사이의 전위 장벽을 증가시키는 매립층을 더 포함하며,
    상기 소자 형성층 내의 상기 웰 영역은 상기 기판과 떨어져 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
  13. 제3항에 따른 광검출 소자를 제어하는 방법에 있어서,
    점등 기간에 비목적 캐리어를 폐기하는 동안 상기 목적 캐리어 유지부에 목 적 캐리어를 수집하고, 또한 소등 기간에 목적 캐리어를 폐기하는 동안 상기 비목적 캐리어 유지부에 비목적 캐리어를 수집하도록, 상기 분리용 제어 전극에 인가되는 전위를 제어하는 단계를 포함하는 광검출 소자의 제어 방법.
  14. 제6항에 따른 광검출 소자를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 목적 캐리어 유지부와 상기 비목적 캐리어 유지부에 각각 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 유지하기 위한 전위를 상기 공통 제어 전극에 인가하는 단계; 및
    상기 목적 캐리어 유지부에 유지되는 목적 캐리어와 상기 비목적 캐리어 유지부에 유지되는 비목적 캐리어 중 적어도 하나가 상기 목적 캐리어와 상기 비목적 캐리어 간의 재결합에 관여하기 위해 이동하도록 상기 공통 제어 전극에 인가되는 전위를 변화시키는 단계
    를 포함하는 광검출 소자의 제어 방법.
  15. 제8항에 따른 광검출 소자를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 목적 캐리어 유지부와 상기 비목적 캐리어 유지부에 각각 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 유지하기 위한 전위를 상기 공통 제어 전극에 인가하는 단계; 및
    상기 목적 캐리어 유지부에 유지되는 목적 캐리어와 상기 비목적 캐리어 유지부에 유지되는 비목적 캐리어 중 적어도 하나가 상기 목적 캐리어와 상기 비목적 캐리어 간의 재결합에 관여하기 위해 이동하도록 상기 공통 제어 전극에 인가되는 전위를 변화시키는 단계
    를 포함하는 광검출 소자의 제어 방법.
  16. 제9항에 따른 광검출 소자를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 목적 캐리어 유지부와 상기 비목적 캐리어 유지부에 각각 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 유지하기 위한 전위를 상기 공통 제어 전극에 인가하는 단계; 및
    상기 목적 캐리어 유지부에 유지되는 목적 캐리어와 상기 비목적 캐리어 유지부에 유지되는 비목적 캐리어 중 적어도 하나가 상기 목적 캐리어와 상기 비목적 캐리어 간의 재결합에 관여하기 위해 이동하도록 상기 공통 제어 전극에 인가되는 전위를 변화시키는 단계
    를 포함하는 광검출 소자의 제어 방법.
  17. 제8항에 따른 광검출 소자를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 목적 캐리어 유지부와 상기 비목적 캐리어 유지부에 각각 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 유지하기 위한 전위를 상기 공통 제어 전극에 인가하는 단계; 및
    상기 웰 영역 내의 상기 유지 영역의 내측과 외측 사이에서 상기 목적 캐리어를 왕복 이동시키고, 또한 상기 유지 영역 내의 상기 공통 제어 전극과의 대향 부위와 비대향 부위 사이에서 비목적 캐리어를 왕복 이동시킴으로써, 상기 목적 캐리어와 상기 비목적 캐리어 간에 재결합이 일어나도록 상기 공통 제어 전극에 인가되는 전위를 복수 회 변화시키는 단계
    를 포함하는 광검출 소자의 제어 방법.
  18. 제9항에 따른 광검출 소자를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 목적 캐리어 유지부와 상기 비목적 캐리어 유지부에 각각 목적 캐리어와 비목적 캐리어를 유지하기 위한 전위를 상기 공통 제어 전극에 인가하는 단계; 및
    상기 웰 영역 내의 상기 유지 영역의 내측과 외측 사이에서 목적 캐리어를 왕복 이동시키고, 또한 상기 유지 영역 내의 상기 공통 제어 전극과의 대향 부위와 비대향 부위 사이에서 비목적 캐리어를 왕복 이동시킴으로써, 상기 목적 캐리어와 상기 비목적 캐리어 간에 재결합이 이루어지도록 상기 공통 제어 전극에 인가되는 전위를 복수회 변화시키는 단계
    를 포함하는 광검출 소자의 제어 방법.
  19. 제8항에 따른 광검출 소자를 제어하는 방법에 있어서,
    소등 기간에 목적 캐리어를 폐기하는 동안 상기 유지 영역에 비목적 캐리어를 수집하고, 또한 점등 기간에 비목적 캐리어를 폐기하는 동안 상기 유지 영역에 목적 캐리어를 수집하기 위해, 상기 표면 전극, 상기 공통 제어 전극 및 상기 기판 각각에 인가되는 전위를 제어하는 단계를 포함하는 광검출 소자의 제어 방법.
  20. 제9항에 따른 광검출 소자를 제어하는 방법에 있어서,
    소등 기간에 목적 캐리어를 폐기하는 동안 상기 유지 영역에 비목적 캐리어를 수집하고, 또한 점등 기간에 비목적 캐리어를 폐기하는 동안 상기 유지 영역에 목적 캐리어를 수집하기 위해, 상기 표면 전극, 상기 공통 제어 전극 및 상기 기판 각각에 인가되는 전위를 제어하는 단계를 포함하는 광검출 소자의 제어 방법.
  21. 제14항에 따른 광검출 소자를 제어하는 방법에 있어서,
    점등 기간 동안 목적 캐리어를 수집하는 상태와 소등 기간 동안 비목적 캐리어를 수집하는 상태에서, 상기 표면 전극과 상기 공통 제어 전극 각각에 인가되는 전위와 상기 기판에 인가되는 전위 사이에서 극성을 반전시키는 단계;
    상기 점등 기간과 상기 소등 기간 중 적어도 하나의 기간 동안 목적 캐리어와 비목적 캐리어 간의 재결합을 일으키는 상태에서 상기 공통 제어 전극에 인가된 전위의 극성을 복수 회 반전시키는 단계; 및
    상기 재결합 후 상기 웰 영역에 잔류하고 있는 목적 캐리어를 인출하는 단계
    를 포함하는 광검출 소자의 제어 방법.
KR1020067000522A 2004-03-17 2005-03-17 광검출 소자 및 광검출 소자의 제어 방법 KR100784417B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004077098 2004-03-17
JPJP-P-2004-00077098 2004-03-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060031855A KR20060031855A (ko) 2006-04-13
KR100784417B1 true KR100784417B1 (ko) 2007-12-11

Family

ID=34962584

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067000522A KR100784417B1 (ko) 2004-03-17 2005-03-17 광검출 소자 및 광검출 소자의 제어 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7601992B2 (ko)
EP (1) EP1647059A2 (ko)
KR (1) KR100784417B1 (ko)
CN (1) CN100440545C (ko)
TW (1) TWI296704B (ko)
WO (1) WO2005088720A2 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101760444B1 (ko) 2016-03-17 2017-07-21 연세대학교 산학협력단 초광대역광원 기반의 이종접합체의 전자-정공쌍 분리 현상의 분석시스템 및 방법

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006073120A1 (ja) 2005-01-05 2006-07-13 Matsushita Electric Works, Ltd. 光検出器、同光検出器を用いた空間情報検出装置、および光検出方法
US7876422B2 (en) * 2005-11-14 2011-01-25 Panasonic Electric Works Co., Ltd. Spatial information detecting device and photodetector suitable therefor
KR100879013B1 (ko) * 2007-05-22 2009-01-19 (주)실리콘화일 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터
JP5171158B2 (ja) * 2007-08-22 2013-03-27 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置及び距離画像測定装置
TWI400678B (zh) * 2008-05-02 2013-07-01 Richtek Technology Corp Ｌｅｄ驅動拓樸結構、以其為基礎的光源模組、及使用該ｌｅｄ驅動拓樸結構的數位相機
JP5356726B2 (ja) * 2008-05-15 2013-12-04 浜松ホトニクス株式会社 距離センサ及び距離画像センサ
TWI382554B (zh) * 2008-10-30 2013-01-11 Au Optronics Corp 光感測元件及其製作方法
JP5185205B2 (ja) 2009-02-24 2013-04-17 浜松ホトニクス株式会社 半導体光検出素子
JP5185208B2 (ja) 2009-02-24 2013-04-17 浜松ホトニクス株式会社 フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ
JP5185207B2 (ja) 2009-02-24 2013-04-17 浜松ホトニクス株式会社 フォトダイオードアレイ
JP4798254B2 (ja) * 2009-05-13 2011-10-19 株式会社デンソー 受光デバイス及びその制御方法
JP5513326B2 (ja) 2010-09-07 2014-06-04 キヤノン株式会社 撮像素子及び撮像装置
CN102222678A (zh) * 2011-06-22 2011-10-19 格科微电子（上海）有限公司 Cmos图像传感器及其形成方法
US8736728B2 (en) 2011-07-29 2014-05-27 Truesense Imaging, Inc. Image sensor with controllable vertically integrated photodetectors
US8730362B2 (en) 2011-07-29 2014-05-20 Truesense Imaging, Inc. Image sensor with controllable vertically integrated photodetectors
US8829637B2 (en) 2011-07-29 2014-09-09 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensor with controllable vertically integrated photodetectors using a buried layer
US9070611B2 (en) * 2011-07-29 2015-06-30 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensor with controllable vertically integrated photodetectors
US8946612B2 (en) 2011-07-29 2015-02-03 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensor with controllable vertically integrated photodetectors
TWI458998B (zh) * 2012-08-29 2014-11-01 Chroma Ate Inc 具有量測持續時間功能之功率計以及功率量測系統
KR102007275B1 (ko) 2012-12-27 2019-08-05 삼성전자주식회사 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀 및 이를 포함하는 3차원 이미지 센서
KR102003496B1 (ko) 2013-03-06 2019-10-01 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이미지 픽업 장치
KR102146145B1 (ko) * 2013-07-05 2020-08-20 액트라이트 에스 에이 근접 센서 시스템 및 그 동작 방법
CN105529340A (zh) * 2014-10-21 2016-04-27 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 传导控制晶体管及其制备方法以及cis芯片结构
TWI608244B (zh) * 2015-08-07 2017-12-11 佳能股份有限公司 光電轉換設備、測距裝置、及資訊處理系統
JP2017037938A (ja) * 2015-08-07 2017-02-16 キヤノン株式会社 光電変換素子およびそれを用いた光電変換装置、距離検出用センサ並びに情報処理システム
US9876047B2 (en) * 2015-12-15 2018-01-23 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion apparatus and information processing apparatus
JP2017135168A (ja) * 2016-01-25 2017-08-03 キヤノン株式会社 光電変換装置及び情報処理装置
JP2017135167A (ja) 2016-01-25 2017-08-03 キヤノン株式会社 半導体装置及び情報処理システム
CN108231744B (zh) * 2016-12-20 2019-11-12 上海新微技术研发中心有限公司 一种单片集成距离传感器及其制造方法
CN108088656A (zh) * 2018-01-12 2018-05-29 深圳奥比中光科技有限公司 一种光学元件完整性的监测装置及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3435236A (en) 1967-03-21 1969-03-25 Us Air Force High ohmic semiconductor tuned narrow bandpass barrier photodiode
EP1028470A2 (en) * 1999-02-09 2000-08-16 Sony Corporation Solid-state image-sensing device and method for producing the same
US6150676A (en) 1998-03-31 2000-11-21 Kabushiki Kaisha Toshiba MOS type image sensor
KR20020084397A (ko) * 2001-04-30 2002-11-07 주식회사 하이닉스반도체 전하의 이동량을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그제조 방법
KR20030090871A (ko) * 2002-05-22 2003-12-01 삼성전자주식회사 씨모스 이미지 센서의 및 그 제조방법

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09246514A (ja) * 1996-03-12 1997-09-19 Sharp Corp 増幅型固体撮像装置
DE19704496C2 (de) 1996-09-05 2001-02-15 Rudolf Schwarte Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und/oder Amplitudeninformation einer elektromagnetischen Welle
JP2001337166A (ja) 2000-05-26 2001-12-07 Minolta Co Ltd ３次元入力方法および３次元入力装置
JP3702854B2 (ja) * 2002-03-06 2005-10-05 ソニー株式会社 固体撮像素子
US6906302B2 (en) * 2002-07-30 2005-06-14 Freescale Semiconductor, Inc. Photodetector circuit device and method thereof
JP4439888B2 (ja) * 2003-11-27 2010-03-24 イノテック株式会社 Ｍｏｓ型固体撮像装置及びその駆動方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3435236A (en) 1967-03-21 1969-03-25 Us Air Force High ohmic semiconductor tuned narrow bandpass barrier photodiode
US6150676A (en) 1998-03-31 2000-11-21 Kabushiki Kaisha Toshiba MOS type image sensor
EP1028470A2 (en) * 1999-02-09 2000-08-16 Sony Corporation Solid-state image-sensing device and method for producing the same
KR20020084397A (ko) * 2001-04-30 2002-11-07 주식회사 하이닉스반도체 전하의 이동량을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그제조 방법
KR20030090871A (ko) * 2002-05-22 2003-12-01 삼성전자주식회사 씨모스 이미지 센서의 및 그 제조방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101760444B1 (ko) 2016-03-17 2017-07-21 연세대학교 산학협력단 초광대역광원 기반의 이종접합체의 전자-정공쌍 분리 현상의 분석시스템 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
CN1839484A (zh) 2006-09-27
CN100440545C (zh) 2008-12-03
US7601992B2 (en) 2009-10-13
TWI296704B (en) 2008-05-11
WO2005088720A3 (en) 2005-11-24
TW200533898A (en) 2005-10-16
EP1647059A2 (en) 2006-04-19
KR20060031855A (ko) 2006-04-13
WO2005088720A2 (en) 2005-09-22
US20070103748A1 (en) 2007-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100784417B1 (ko) 광검출 소자 및 광검출 소자의 제어 방법
JP4345693B2 (ja) 光検出素子および光検出素子の制御方法
JP3832441B2 (ja) 強度変調光を用いた空間情報の検出装置
CN104081528B (zh) 多光谱传感器
Han et al. A time-of-flight range image sensor with background canceling lock-in pixels based on lateral electric field charge modulation
JP5638490B2 (ja) 三次元及び色彩検出における電荷管理のための方法及び装置
CN101997054B (zh) 半导体光电探测器元件和半导体装置
CN105810775B (zh) 一种基于cmos图像传感器工艺的np型单光子雪崩二极管
Keel et al. A VGA Indirect Time-of-Flight CMOS Image Sensor With 4-Tap 7-$\mu $ m Global-Shutter Pixel and Fixed-Pattern Phase Noise Self-Compensation
US20090224139A1 (en) Drift Field Demodulation Pixel with Pinned Photo Diode
CN102187658A (zh) 具有菊花链电荷存储位点的解调像素以及其操作方法
US11131758B2 (en) Demodulator with a carrier generating pinned photodiode and a method for operating it
CN110431441B (zh) 用于调制的图像捕获的系统和方法
US7476841B2 (en) Photodetector, spatial information detecting device using the photodetector, and photo detection method
JP4466319B2 (ja) 空間情報の検出装置
CN109804267B (zh) 一种具有生成钉扎光电二极管的载波的解调器
JP5122728B2 (ja) 光検出素子、光検出素子の制御方法、空間情報検出装置
US11796386B2 (en) Optical sensor and apparatus comprising an optical sensor having a readout circuit to determine an ambient light level based on voltage across a photodetector at the end of an exposure time
CN109863604A (zh) 具有相位敏感像素的图像传感器
KR20210127153A (ko) 비행시간 디바이스 및 3d 광 검출기
JP4407606B2 (ja) 光検出素子、光検出素子の制御方法、空間情報検出装置
JP2007093620A (ja) 受光素子の感度制御方法、強度変調光を用いた空間情報の検出装置
Seo et al. Development of a two-tap time-resolved CMOS lock-in pixel image sensor with high charge storability and low temporal noise
KR20230156694A (ko) 촬상 장치 및 측거 시스템
CN116583959A (zh) 用于红外感测的方法和系统

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121119

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131119

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141117

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151118

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161123

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee