KR101087565B1

KR101087565B1 - 광검출기 및 이를 이용한 공간 정보 검출 장치

Info

Publication number: KR101087565B1
Application number: KR1020097013646A
Authority: KR
Inventors: 유스케 하시모토; 후미 쓰네사다; 겐지 이마이; 유지 다카다
Original assignee: 파나소닉 전공 주식회사
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2011-11-30
Also published as: WO2008081997A2; US20100141927A1; CN102157539B; KR20090087940A; WO2008081997A3; JP5270835B2; CN101573796A; JP2008164538A; EP2126973B1; HK1136690A1; CN101573796B; CN102157539A; US8441619B2; TW200834941A; EP2126973A2; TWI373146B; ATE543216T1

Abstract

입력 신호에 대한 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있는 광검출 소자가 제공된다. 광검출 소자는 광전 변환부, 전하 분리부, 전하 축적부, 전하 분리부와 전하 축적부 사이에 형성된 장벽 전극, 및 장벽 전극에 전기적으로 접속된 장벽 높이 조정부를 포함한다. 광전 변환부에 환경 광이 입사될 때에 생성된 것과 같은 불필요 전하가 전하 분리부에 의해 제거된다. 전하 분리부로부터 장벽 높이 조정부로 공급된 전하량에 따라 장벽 전극에 전압을 인가함으로써 장벽 전극 아래에 적합한 높이의 포텐셜 장벽이 형성된다. 전하 분리부로부터 포텐셜 장벽을 넘어 전하 축적부로 유입하는 전하가 광검출 소자의 출력으로서 제공된다.

광전 변환부, 전하 분리부, 전하 축적부, 장벽 전극, 포텐셜 웰, 포텐셜 장벽

Description

광검출기 및 이를 이용한 공간 정보 검출 장치{PHOTODETECTOR AND SPATIAL INFORMATION DETECTING DEVICE USING THE SAME}

본 발명은, 광검출 소자 및 광검출 소자를 이용하여 대상 공간 내의 물체까지의 거리와 같은 공간 정보를 검출하기 위한 공간 정보 검출 장치에 관한 것이다.

광검출 소자는 대상 공간으로부터 광을 수광하고, 수광 광량에 대응하는 전하를 생성하여, 그 전하를 수광 출력으로서 인출하는 소자이다. 이러한 종류의 광검출 소자의 다이나믹 레인지를 확대시키기 위하여, CCD 소자의 전하 전송 채널에 있어서 일정량의 전하를 불필요한 전하로 하여 제거하고, 불필요 전하를 제외한 나머지의 전하를 수광 출력을 위한 유효 전하로서 사용하는 것이 제안되어 있다.

예컨대, 일본 특허출원 공개 1995-22436호 공보 및 일본 특허출원 공개 1995-22437호 공보는 전압-전하 변환 특성의 선형성을 유지하면서 다이나믹 레인지를 확장시킬 수 있는 전하 전송 소자를 개시하고 있다. 이 소자는, 주기적인 펄스 신호의 사이클마다 입력 전압을 그에 대응하는 양의 전하로 변환하는 전압-전하 변환 수단, 변환된 전하를 축적하기 위한 복수의 축적 영역, 하나의 축적 영역으로부터의 전기 전하를 인접한 축적 영역으로 전송하기 위한 전하 전송 수단이 제공된다. 이 소자는 또한 일정량의 전하를 축적하기 위한 제1 저장 영역, 및 제1 저장 영역으로부터 넘치는 전하를 축적하고, 그 전하를 전하 전송 수단에 전송하기 위한 제2 저장 영역을 갖는다. 제1 저장 영역은 하나의 축적 영역에 인접하여 형성된 포텐셜 웰, 및 제2 저장 영역과 포텐셜 웰 사이에 제공된 포텐셜 장벽을 갖는다.

이 전하 전송 소자에 따르면, 전압-전하 변환 수단에 의해 주기적인 펄스 신호의 사이클마다 변환된 전하 중의 일정량의 전하가 포텐셜 웰 및 포텐셜 장벽의 사용에 의해 분리되며, 그 후 전압-전하 변환 수단으로 복귀된다. 이때, 전압-전하 변환 수단에 의해 변환된 전하 중의 나머지 전하는 전하 전송 수단에 의해 전송된다. 그러나, 이러한 전하 전송 소자는 일정량의 전기 전하가 불필요 전하로서 전압-전하 변환 수단에 복귀되는 메카니즘을 이용하므로, 불필요 전하의 양은 수광 광량의 변화를 고려하여 조절될 수 없다.

그런데, 광검출 소자를 공간 정보 검출 소자로 이용하는 것은 과거에도 알려져 있다. 공간 정보 검출 장치에서, 광은 발광원으로부터 대상 공간으로 투사되고, 대상 공간으로부터 반사된 광이 광검출 소자에 의해 수광된다. 광검출 소자의 수광 출력에 따라, 대상 공간에서의 물체까지의 거리, 물체의 반사율, 및 대상 공간에서의 광투과율 등의 공간 정보가 검출될 수 있다. 이 광검출 소자가 시간에 따라 환경 광(environment light)이 변동하는 대상 공간으로부터 공간 정보를 검출하도록 이용될 때, 환경 광의 변동 성분이 광검출 소자의 수광 출력에 포함된다. 이것은 요구되지 않은 전하의 양이 환경 광 조건에 따라 변화된다는 것을 의미하므로, 전술한 종래 기술의 경우에서와 같이, 불필요 전하로서 일정량의 전하만을 분리함으로써 광검출 소자의 수광 출력으로부터 공간 정보를 결정하기 위해 요구되는 유효 전하를 정확하게 취출하는 것이 불가능하다.

그러므로, 시간에 따라 변동하는 환경 광 하에서도 다이나믹 레인지를 안정하게 확장하고 검출 정확도를 향상시키는 관점에서, 종래의 광검출 소자는 충분한 향상의 여지가 있다.

따라서, 본 발명의 주요 목적은 주변의 환경 광을 고려하여 폐기될 불필요 전하의 양을 조정할 수 있고, 이에 의해 입력 신호에 대한 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있는 광검출 소자를 제공하는 것이다.

즉, 본 발명의 광검출 소자는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 형성되어 수신 광량에 대응하는 전하를 생성하는 광전 변환부; 상기 반도체 기판의 주표면 상에 형성된 분리 전극을 갖는 전하 분리부; 상기 반도체 기판의 주표면 상에 형성된 축적 전극을 갖는 전하 축적부; 상기 분리 전극과 상기 축적 전극 사이에서 상기 반도체 기판의 주표면 상에 형성된 장벽 전극; 상기 장벽 전극에 전기 접속되는 장벽 높이 조정부; 및 전하 폐기부를 포함한다. 상기 전하 분리부는, 상기 장벽 전극에 전압을 인가함으로써 상기 장벽 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성되는 포텐셜 장벽에 의해 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요 전하를 분리하도록 구성된다. 상기 장벽 높이 조정부는 상기 광전 변환부로부터 공급된 전하량에 따라 상기 장벽 전극에 인가되는 전압을 결정하여 상기 포텐셜 장벽의 높이를 조정한다. 상기 전하 축적부는 상기 전하 분리부로부터 상기 포텐셜 장벽을 넘어 상기 전하 축적부 내로 흘러들어가는 전하인 유효 전하를 축적하도록 구성된다. 상기 전하 폐기부는 상기 전하 분리부에 의해 분리된 불필요 전하를 폐기하도록 구성된다. 상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하는 상기 광검출 소자의 출력(수광 출력)으로서 제공된다. 광전 변환부, 전하 분리부, 장벽 높이 조정부, 및 전하 폐기부의 효율적인 레이아웃을 달성하고 그에 따라 광검출 소자의 크기를 축소하는 관점에서, 상기 장벽 높이 조정부는 상기 전하 분리부를 통해 상기 광전 변환부로부터 공급된 전하량에 따라 상기 장벽 전극에 인가되는 전압을 결정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 장벽 전극 아래에 형성된 포텐셜 장벽의 높이가 광전 변환부로부터 바람직하게는 전하 분리부를 통해 장벽 높이 조정부로 공급된 전하량에 따라 결정되므로, 불필요 전하로서 분리될 전하량을 조절하는 것이 가능하다. 예컨대, 환경 광만이 광검출 소자에 입사될 때, 수광된 환경 광에 대응하는 전하의 양이 광전 변환부에 의해 생성된다. 전하의 생성량은 환경 광 조건에 따라 변화된다. 장벽 높이 조정부는 광전 변환부에 의해 환경 광으로부터 생성된 전하를 바람직하게는 전하 분리부를 통해 수신하며, 포텐셜 장벽이 환경 광 조건에 적합한 높이를 갖도록 장벽 전극에 인가되는 전압을 결정한다. 그러므로, 광검출 소자는 환경 광 조건에 따라 불필요 전하의 양을 제어함으로써 포화되는 것이 방지될 수 있다. 또한, 광검출 소자가 전하 폐기부를 갖기 때문에, 전하 분리부에 의해 불필요 전하를 항상 정확하게 분리하는 것이 가능하다. 그 결과, 본 발명의 광검출 소자는 입력 신호에 대해 넓은 다이나믹 레인지를 확보하고 또한 수광 출력을 신뢰적으로 제공하는 성능을 갖는다.

상기 광전 변환부는 상기 반도체 기판의 주표면 상에 형성된 복수의 감도 제어 전극을 포함하며, 각각의 상기 감도 제어 전극에 인가되는 전압을 제어함으로써 요구된 개구 면적을 갖는 포텐셜 웰이 상기 반도체 기판에 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 포텐셜 웰의 개구 면적에 따라 광전 변환부의 감도를 제어하는 것이 가능하게 된다. 즉, 각각의 감도 제어 전극에 전압을 인가하는 타이밍 및 인가되는 전압값을 제어할 때에, 소정의 기간에 획득된 수광 광량에 대응하는 전하가 광전 변환부의 포텐셜 웰에 용이하게 집속되고, 또한 다른 기간에 획득된 수광 광량에 대응하는 전하가 포텐셜 웨에 거의 집속되지 않도록, 광검출 소자를 제어하는 것이 가능하다. 또한, 포텐셜 웰이 다른 기간에서 작은 개구 면적을 갖도록 제어될 때, 소정 기간에 집속된 전하는 다른 기간에서는 포텐셜 웰에 유지될 수 있다. 따라서, 전하 축적 기간과 전하 유지 기간을 교번적으로 반복함으로써, 소정 기간의 수광 광량에 대응하는 전하가 광전 변환부에 의해 누적 방식으로 집적될 수 있다. 구체적으로, 광전 변환부에 입사된 광의 강도가 주기적으로 변경될 때, 매기간 마다 특정한 구간에서 생성된 전하를 축적함으로써 특정한 위상 구간에서의 수광 광량에 대응하는 전하를 집적하는 것이 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 장벽 전극은 상기 반도체 기판 상에 절연층을 사이에 두고 배치된다. 상기 광전 변환부, 상기 전하 분리부, 상기 장벽 전극, 및 상기 전하 축적부는 일직선으로 배열된다. 상기 장벽 높이 조정부 및 상기 전하 폐기부는, 상기 장벽 높이 조정부가 상기 전하 분리부에 인접하여 위치되고, 상기 전하 폐기부가 상기 광전 변환부에 인접하여 위치되도록, 상기 일직선의 일측에 제공된다. 이 경우, 전하 분리부, 장벽 높이 조정부 및 전하 폐기부 간의 전위 관계에 따라, 전하 분리부로부터 장벽 높이 조정부를 향해 전하가 흐르는 방향으로 전위 기울기가 형성될 수 있다. 그 결과, 전하 분리부로부터 장벽 높이 조정부로 전하를 신뢰적으로 공급하고 또한 장벽 높이 조정부 내의 전하량에 따라 포텐셜 장벽의 높이를 정확하게 결정하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 상기 광검출 소자는 상기 분리 전극과 상기 장벽 전극 사이에 걸치도록 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 일직선에 직각을 이루는 방향으로 서로 이격되어 있는 한 쌍의 슬릿 영역을 더 포함한다. 상기 슬릿 영역은 상기 분리 전극과 상기 장벽 전극 사이에 걸치는 상기 슬릿 영역 이외의 또 다른 영역과 동일한 도전 유형을 가지며, 상기 또 다른 영역보다 더 높은 불순물 농도를 갖는다. 이 경우, 일직선에 직각을 이루는 방향에서의 포텐셜 장벽의 양단부, 즉 포텐셜 장벽의 상승 에지가 슬릿 영역에 의해 날카롭게 형성되므로, 전하 분리부로부터 전하 축적부로의 전하의 바람직하지 않은 누설을 방지하고, 그 결과 불필요 전하를 전하 분리부에 의해 정확하게 분리하는 것이 가능하게 된다. 또한, 인가된 전압에 관련한 체적 변화의 비선형성이 슬릿 영역의 형성에 의해 완화되어, 장벽 높이 조정부 내의 전하량이 불필요 전하의 양에 실질적으로 비례하게 된다는 또 다른 이점이 있다.

상기 광검출 소자는, 상기 반도체의 주표면에서 상기 장벽 전극과 상기 축적 전극 사이에 형성되는 버퍼 전극을 더 포함하며, 상기 버퍼 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성된 포텐셜이 장벽 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성된 포텐셜과 상기 축적 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성된 포텐셜 사이의 포텐셜로 되도록 상기 버퍼 전극에 인가되는 전압이 제어된다. 이 경우, 포텐셜 장벽의 높이가 전하 축적부에 축적된 전하량에 의해 영향을 받는 것을 방지할 수 있다. 즉, 포텐셜 장벽 부근에서의 전위가 버퍼 전극에 의해 안정하게 유지될 수 있다. 따라서, 전하 축적부 내의 전하량이 변동할 때에도, 포텐셜 장벽에 대한 영향이 방지될 수 있다.

본 발명의 광검출 소자는, 상기 장벽 높이 조정부 아래의 상기 반도체 기판에 형성되어, 상기 반도체 기판의 심부(deep portion)로부터 상기 장벽 높이 조정부로의 전하의 이동을 저지하는 장벽층을 더 포함한다. 이 경우, 광조사에 의해 반도체 기판의 심부에서 생성된 전하와 같은 잡음성 전하가 장벽 높이 조정부에 혼입되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 상기 광검출 소자는, 상기 반도체 기판의 주표면에서 상기 전하 분리부와 상기 장벽 높이 조정부 사이에 형성된 전송 게이트 전극과, 상기 장벽 높이 조정부에 인접하여 형성된 포텐셜 조정부를 더 포함한다. 상기 전송 게이트 전극에 인가되는 전압을 제어함으로써, 상기 전송 게이트 전극 아래 및 상기 전하 분리부와 상기 장벽 높이 조정부 사이의 상기 반도체 기판에 전하 전송 채널이 형성된다. 상기 포텐셜 조정부는 상기 전하 전송 채널 내에서 상기 전하 분리부로부터 상기 장벽 높이 조정부를 향해 전하가 이동하도록 제어된 불순물 농도를 갖는다. 이 경우, 전하 분리부로부터의 장벽 높이 조정부로의 전하의 이동이 전송 게이트 전극에 인가된 전압을 변경함으로써 제어되므로, 전하 분리부에 의해 불필요 전하를 분리하는 때에, 전하 분리부로부터 장벽 높이 조정부로의 전하의 바람직하지 않은 누설을 방지할 수 있다. 또한, 포텐셜 조정부는, 전하 분리부로부터 장벽 높이 조정부로 전하의 이동을 방지하기 위해 전하 전송 채널에서 전위 변경이 발생하는 것을 방지한다. 그 결과, 전하 분리부로부터 전하 전송 패널을 통해 장벽 높이 조정부로 전하를 원활하게 이동시키기 위한 전위 기울기를 안정하게 획득할 수 있다.

또한, 상기 전하 폐기부는 상기 광전 변환부와 상기 전하 분리부에 인접하여 위치되어, 상기 전하 분리부로부터 불필요 전하를 폐기하고 또한 상기 광전 변환부로부터 잉여 전하를 폐기하는 것이 바람직하다. 잉여 전하를 폐기함으로써, 수광 광량의 변경에 대응하는 수광 출력을 더욱 정확하게 획득할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 전하 폐기부는, 잉여 전하를 폐기하도록 구성된 제1 전하 폐기부와, 불필요 전하를 폐기하도록 구성된 제2 전하 폐기부를 포함한다. 이 경우, 상기 전하 폐기부는, 상기 제1 전하 폐기부를 통해 상기 광전 변환부로부터 잉여 전하를 폐기하는 타이밍이 상기 제2 전하 폐기부를 통해 상기 전하 분리부로부터 불필요 전하를 폐기하는 타이밍과 상이하도록 제어되는 것이 더욱 바람직하다. 광전 변환부의 잉여 전하를 폐기하는 동작은 전하 분리부의 불필요 전하를 폐기하는 동작과 별도로 수행될 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 광검출 소자에서는, 상기 광전 변환부, 상기 전하 분리부, 상기 전하 축적부, 상기 장벽 높이 조정부, 및 상기 장벽 전극을 각각 포함하는 복수의 화소가 상기 반도체 기판에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 각각의 화소에 대하여 불필요 전하의 양을 제어하는 것이 가능하며, 이에 의해 각각의 화소가 포화되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따라, 전술한 광검출 소자를 이용하는 공간 정보 검출 장치가 제공된다. 즉, 본 발명의 공간 정보 검출 장치는, 대상 공간에 광을 간헐적으로 투사하도록 구성된 발광원; 상기 대상 공간으로부터 광을 수광하도록 배치된 청구항 1에 기재된 광검출 소자; 상기 발광원의 발광을 제어하고, 또한 상기 광검출 소자의 상기 분리 전극, 상기 축적 전극 및 상기 전하 폐기부에 인가되는 전압을 제어하도록 구성된 제어부; 및 상기 광검출 소자의 출력으로부터 상기 대상 공간의 공간 정보를 추출하도록 구성된 신호 처리부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 발광원으로부터 상기 대상 공간에 광이 투사되지 않는 리셋 기간 내에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 상기 장벽 높이 조정부에 이동시켜, 상기 장벽 높이 조정부 내의 전하량에 따라 결정된 높이의 포텐셜 장벽을 형성한다. 상기 전하 분리부는 상기 발광원으로부터 상기 대상 공간에 광이 투사되는 점등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요 전하를 제거한다. 상기 전하 분리부로부터 상기 포텐셜 장벽을 넘어 상기 전하 축적부에 유입된 전하가 상기 전하 축적부에 유효 전하로서 축적된다. 상기 전하 분리부에 의해 분리된 불필요 전하가 상기 리셋 기간 전에 상기 전하 폐기부를 통해 폐기된다. 상기 전하 축적부에 축적된 유효 전하가 상기 광검출 소자의 출력으로서 제공된다.

본 발명의 광검출 소자를 이용한 공간 정보 검출 장치에 의하면, 전하 분리부에 의해 분리될 불필요 전하의 양이 환경 광 조건에 따라 자동으로 설정될 수 있다. 즉, 점등 기간에 획득된 수광 광량이 발광원의 광(즉, 신호 광)에서 비롯된 수광 광량과 환경 광에서 비롯된 수광 광량의 총계에 동등하게 된다. 한편으로는, 리셋 기간에 획득된 수광 광량은 환경 광에서 비롯된 수광 광량에 동등하게 된다. 따라서, 불필요 전하로서 리셋 기간에 획득된 수광 광량에 대응하는 전하를 점등 기간에 획득된 수광 광량에 대응하는 전하로부터 제거함으로써, 환경 광의 영향을 제거할 수 있고, 신호 광의 수광 광량에 대응하는 유효 전하를 효율적으로 획득할 수 있다. 그러므로, 신호 광의 다이나믹 레인지가 증가될 수 있다. 또한, 리셋 기간 전에 전하 폐기부에 의해 전하 분리부로부터 불필요 전하가 폐기되므로, 환경 광에 대응하는 전하 이외의 전하가 장벽 높이 조정부에 우연히 혼입되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 공간 정보 검출 장치의 바람직한 실시예에 따라, 상기 광전 변환부는 상기 반도체 기판의 주표면 상에 복수의 감도 제어 전극을 갖는다. 상기 제어부는, 상기 점등 기간에 변조 신호의 강도 변조 광이 대상 공간에 투사되도록 상기 발광원에 변조 신호를 부여하고, 또한 각각의 상기 감도 제어 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성된 포텐셜 웰의 개구 면적이 상기 변조 신호에 동기된 타이밍에서 변화하도록 상기 감도 제어 전극에 인가되는 전압을 제어함으로써, 상기 광전 변환부에 의해 상기 변조 신호의 위상 구간에 대응한 전하를 생성하도록 한다. 상기 신호 처리부는, 상기 변조 신호의 복수의 위상 구간에서 획득된 상기 광검출 소자의 출력으로부터, 상기 대상 공간 내의 물체까지의 거리를 공간 정보로서 검출한다. 이 경우, 복수의 위상 구간으로부터 취출된 수광 출력을 이용함으로써 대상 공간 내의 물체까지의 거리를 공간 정보로서 결정하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 추가의 특징 및 그에 따른 이점은 이하에 설명되는 본 발명을 실행하기 위한 최상의 모드로부터 명확하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광검출 소자의 관련 부분의 평면도이다.

도 2는 도 1의 A-A 라인을 따라 절취한 광검출 소자의 단면도이다.

도 3은 도 1의 B-B 라인을 따라 절취한 광검출 소자의 단면도이다.

도 4의 (A) 내지 (F)는 광검출 소자의 동작 설명도이다.

도 5의 (A) 내지 (C)는 광검출 소자의 전위 변화를 나타내는 도면이다.

도 6의 (A)는 제1 실시예의 광검출 소자에서의 전위 변화를 나타내는 도면이고, (B)는 다른 광검출 소자에서의 전위 변화를 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 광검출 소자를 이용하는 공간 정보 검출 장치의 블록도이다.

도 8의 (A) 및 (B)는 공간 정보 검출 장치의 동작 설명도이다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광검출 소자의 관련 부분의 평면도이다.

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광검출 소자의 관련 부분의 평면도이다.

도 11의 (A)는 제3 실시예의 광검출 소자에서의 전위 변화를 나타내는 도면 이고, (B)는 다른 광검출 소자에서의 전위 변화를 나타내는 도면이다.

도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광검출 소자의 관련 부분의 평면도이다.

도 13의 (A)는 제4 실시예의 광검출 소자에서의 전위 변화를 나타내는 도면이고, (B)는 다른 광검출 소자에서의 전위 변화를 나타내는 도면이다.

도 14는 본 발명의 제5 실시예에 따른 광검출 소자의 관련 부분의 평면도이다.

도 15의 (A)는 제5 실시예의 광검출 소자에서의 전위 변화를 나타내는 도면이고, (B)는 다른 광검출 소자에서의 전위 변화를 나타내는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 광검출 소자 및 이 광검출 소자를 이용한 공간 정보 검출 장치를 바람직한 실시예에 따라 상세하게 설명한다.

즉, 본 발명의 광검출 소자로서, 이하의 실시예에서는 2차원 이미지 센서가 설명된다. 이 이미지 센서에서는, 복수의 화소를 수직 방향 Dv를 따라 배열하여 화소열을 형성하는 동시에, 복수의 화소열을 수평 방향 Dh로 배열함으로써, 화소의 매트릭스형 배열을 획득한다. 이하의 실시예에서는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해, 하나의 화소에 상당하는 범위가 설명된다. 2차원 이미지 센서의 하나의 화소에 상당하는 구성을 요구하는 장치 또는 복수의 화소가 하나의 행으로 배치된 1차원(선형) 이미지 센서에도 본 발명의 기술 사상을 적용할 수 있다.

또한, 이하의 실시예에서는, 본 발명의 공간 정보 검출 장치로서, 대상 공간 내의 물체까지의 거리를 결정하는 거리 측정 장치가 설명된다. 이 거리 측정 장치는 주로 발광원, 본 발명의 광검출 소자, 및 광검출 소자의 수광 출력에 대한 신호 처리부로 이루어진다. 물체의 반사율 또는 대상 공간의 광투과율 등의 다른 공간 정보를 결정하는 장치 등에도 본 발명의 공간 정보 검출 장치의 기술 사상을 적용할 수도 있다.

(제1 실시예)

도 1은 광검출 소자의 1개의 화소 Px에 대응하는 영역을 나타낸다. 화소 Px는, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 기판(10), 제1 도전 형태(예컨대, p형)의 반도체 재료(예컨대, 실리콘)에 의해 기판(10) 상에 형성된 소자 형성층(11), 소자 형성층(11)의 주표면으로부터 요구된 깊이에 걸쳐 제2 도전 형태(예컨대, n형)의 반도체 재료로 형성된 웰(12), 웰(12)의 주표면 및 소자 형성층(11)의 주표면 상에 형성된 산화 실리콘 또는 질화 실리콘 등의 절연층(13), 및 절연층(13) 상에 형성된 전극이 제공된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전극은 감도 제어 전극(21), 분리 전극(22), 축적 전극(23) 및 장벽 전극(24)을 포함하는 구성을 가진다. 본 실시예에서, 기판(10)은 제2 도전 유형(즉, n형)의 반도체 재료에 의해 형성된다. 웰(12) 내에는, 제2 도전 유형으로서 불순물 농도가 웰(12)보다 고농도(즉, n^＋＋형)인 전하 유지 웰(14)이 형성된다. 전하 유지 웰(14)과 접속 라인(26)의 일단부(25)의 사이에 오믹(ohmic) 접속이 형성되고, 접속 라인(26)의 타단부에는 장벽 전극(24)이 접속된다. 이와 달리, 접속 라인(26)의 일단부에 전극을 설치하고, 이 전극을 절연층(13)을 사이에 두고 전하 유지 웰(14) 위에 배치해도 된다.

감도 제어 전극(21), 분리 전극(22), 축적 전극(23) 및 장벽 전극(24)의 각각은 평면에서 볼 때 실질적으로 직사각형으로 구성된다. 또한, 이들 전극은 실질적으로 동일한 치수로 형성되고, 각각의 전극의 폭방향을 따라 일직선으로 배열된다. 즉, 이들 전극은 폭 방향에 직교하는 길이 방향으로 서로 실질적으로 평행하게 배열된다. 본 실시예에서, 폭방향은 화소 배열의 수직 방향 Dv가 되고, 길이 방향은 화소 배열의 수평 방향 Dh이 된다. 또한, 본 실시예의 광검출 소자의 하나의 화소 Px는 6개의 감도 제어 전극(21), 3개의 분리 전극(22), 1개의 장벽 전극(24), 및 3개의 축적 전극(23)으로 구성된다. 이들 전극은 상이한 형상으로 형성되거나 또는 서로 상이한 치수로 형성되어도 된다. 일례로서, 길이 방향(즉, 수평 방향 Dh)에서의 장벽 전극(24)의 사이즈는 분리 전극(22) 및 축적 전극(23)의 사이즈보다 크게 하여도 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 감도 제어 전극(21)을 갖는 영역은 광을 수광하여 수광 광량에 대응하는 전하를 발생하기 위해 광전 변환부(D1)로서 기능한다. 분리 전극(22)을 갖는 영역은, 장벽 전극(24)에 전압을 인가함으로써 장벽 전극(24) 아래에 형성되는 포텐셜 장벽의 사용에 의해 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전기 전하로부터 불필요 전하를 분리하기 위한 전하 분리부(D2)로서 기능한다. 축적 전극(23)을 갖는 영역은 전하 분리부(D2)로부터 포텐셜 장벽을 넘어 전하 축적부(D3) 내로 흐르는 전하인 유효 전하를 축적하기 위한 전하 축적부(D3)로서 기능한다. 또한, 접속 라인(26)의 일단부(25) 아래의 전하 유지 웰(14)을 포함하는 영역은, 후술하는 바와 같이 포텐셜 장벽의 높이를 조정하기 위해 전하 분리부(D2)로부터 공급된 전하량에 따라 장벽 전극(24)에 인가되는 전압을 결정하기 위한 장벽 높이 조정부(D4)로서 기능한다.

감도 제어 전극(21)은 투광성을 가지고 있다. 분리 전극(22), 축적 전극(23), 및 장벽 전극(24)은 투광성을 갖고 있지 않은 것이 바람직하다. 이들 전극을 동시에 형성하는 경우에는, 이들 모두가 투광성을 가질 수도 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 각각의 화소 Px에 대하여 광전 변환부(D1)를 노출시키기 위해 이용된 개구부 이외의 영역은 차광막(도시하지 않음)에 의해 덮여진다. 이하의 설명에서는, 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전하로서 전자가 이용된다. 정공을 전하로 이용하는 경우에는, 전술한 도전 유형 및 추후에 설명된 전압의 극성의 각각을 반전시킬 필요가 있다.

본 실시예에서, 전하 유지 웰(14)은 3개의 분리 전극(22) 중의 중앙의 분리 전극(22)에 인접하여 배치된다. 즉, 전하 유지 웰(14)은 중앙의 분리 전극(22)의 길이 방향의 일측에 인접하여 제공된다.

또한, 감도 제어 전극(21)에 인접하여 전하 폐기부로서의 오버플로우 드레인(15)이 형성된다. 예컨대, 오버플로 드레인(15)은 웰(12)보다 높은 불순물 농도를 갖는 제2 도전 유형의 가늘고 긴 영역으로서 형성된다. 오버플로우 드레인(15)은 절연층(13)을 통하지 않고 접촉 패드 등의 드레인 전극(50)에 직접 접속된다. 본 실시예에서, 드레인 전극(50)은 오버플로 드레인(15)의 양측의 단부에 배치되어, 버스 배선 방식으로 인접한 화소의 오버플로우 드레인 상의 드레인 전극(도시 하지 않음)에 직접 접속된다. 예컨대, 도 1의 경우에, 오버플로우 드레인(15)의 상위측 단부 상에 배치된 드레인 전극(50)은 위쪽의 인접한 화소의 오버플로우 드레인의 하위측 단부 상에 배치된 드레인 전극에 전기 접속되며, 오버플로우 드레인(15)의 하위측 단부 상에 배치된 드레인 전극(50)은 아래쪽의 인접한 화소의 오버플로우 드레인의 상위측 단부 상에 배치된 드레인 전극에 전기 접속된다.

또한, 오버플로우 드레인(15) 및 전하 유지 웰(14) 모두가 수직 방향 Dv에서의 전극 배열의 일측(즉, 도 1에서의 우측)에 형성된다. 또한, 중앙의 분리 전극(22) 아래에 형성된 웰(12)은 도 2에 도시된 바와 같이 수평 방향 Dh으로 길게 둘출하여 있어, 전하 유지 영역(14)이 웰(12) 내에 배치되어 있지만, 오버플로우 드레인(15)에 대응하는 영역에는 웰(12)이 형성되지 않는다.

그러므로, 차광막을 제외한 광전 변환부(D1), 전하 분리부(D2) 및 전하 축적부(D3)로 구성된 전술한 구조는 실질적으로 종래의 FT(frame transfer) 방식의 CCD 이미지 센서와 동일한 구조이다. 따라서, 감도 제어 전극(21), 분리 전극(22), 축적 전극(23), 및 장벽 전극(24)에 인가된 전압을 적절하게 제어함으로써, 전하를 전송할 수 있다. 간략하면, 감도 제어 전극(21), 분리 전극(22), 축적 전극(23), 및 장벽 전극(24)은 전하를 인출하는 경우에는 수직 전송 라인을 구성한다.

또한, FT 방식의 CCD 이미지 센서의 경우와 마찬가지로, 화소 Px의 배열을 갖는 촬상 영역에 의해 생성된 전하를 유지하기 위해, 전하 축적부(D3)와는 상이한 축적 영역이 형성된다. 또한, 축적 영역으로부터의 전하를 판독하여 수평 방향 Dh으로 전송하는 수평 레지스터도 형성되어 있다. 따라서, 축적 영역 및 수평 레지 스터는 전하 인출부로서 기능한다. 수평 레지스터의 출력은 수광 출력으로서 제공된다.

전술한 바와 같이, 장벽 전극(24)은 접속 라인(26)을 통하여 전하 유지 웰(14)에 전기적으로 접속되어 있다. 접속 라인(26)은 금속 배선으로 형성되며, 장벽 전극(24)은 전하 유지 웰(14)과 동일한 전위를 갖는다. 따라서, 전하 유지 웰(14)에 전하를 유지할 때, 전하 유지 웰(14)의 전하량에 따른 전압이 장벽 전극(24)에 인가된다. 즉, 장벽 전극(24)은 전하 유지 웰(14)의 전하량에 따라 대전된다.

본 실시예에서, 전하 유지 웰(14)에 전자가 유지될 때, 장벽 전극(24)에 마이너스 전압이 인가되어, 장벽 전극 아래에 형성된 포텐셜 장벽은 전자에 대해서는 높아지게 된다. 즉, 장벽 전극(24)에 대응하는 영역은, 분리 전극(22)에 대응하는 전하 분리부(D2) 및 축적 전극(23)에 대응하는 전하 축적부(D3)보다 전자에 대한 포텐셜 장벽이 높아지게 된다. 그러므로, 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3) 사이에 포텐셜 장벽이 형성된다. 장벽 전극(24) 아래에 형성된 포텐셜 장벽의 높이는 전하 유지 웰(14)(즉, 장벽 높이 조정부 D4)에 유지된 전하량에 따라 변화한다.

장벽 전극(24) 및 전하 유지 웰(14)의 전위는 장벽 높이 조정부(D4)에 유지된 전하량에 의해 결정된다. 한편, 감도 제어 전극(21), 분리 전극(22) 및 축적 전극(23)에 인가되는 전압은 개별적으로 제어된다. 예컨대, 플러스와 마이너스의 2종류의 전압(+10V, -5V)이 적합한 타이밍에 인가된다. 감도 제어 전극(21), 분리 전극(22) 및 축적 전극(23)에 2개의 전원 배선(27a, 27b) 중의 어느 하나가 오믹 접속될 때, 전원 배선(27a, 27b)으로서 금속 배선을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 감도 제어 전극(21), 분리 전극(22) 및 축적 전극(23)에 전원 배선(27a, 27b)이 접속되지 않은 경우에는, 이들 전극은 산화 실리콘 또는 질화 실리콘 등의 절연층(16)에 의해 전원 배선(27a, 27b)과 절연된다.

또한, 장벽 높이 조정부(D4)에 인접하여 수직 방향 Dv으로 리셋 게이트 전극(28)이 위치되고, 리셋 게이트 전극(28)에 인접하여 리셋 전극(17)이 형성된다. 평면에서 볼 때, 리셋 게이트 전극(28)은 리셋 전극(17)에 대응하는 영역에 형성된 리셋 드레인과 장벽 높이 조정부(D4)의 전하 유지 웰(14) 사이에 배치된다. 또한, 리셋 게이트 전극(28)과 리셋 전극(17) 모두는 장벽 높이 조정부(D4)의 일측에 수직 방향 Dv으로 제공된다. 도 1에서, 이들은 장벽 높이 조정부(D4)의 상위측에 배치된다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 리셋 전극(17)은 수평 방향 Dh에서의 6개의 감도 제어 전극(21) 중의 최하위의 것, 즉 3개의 분리 전극(22) 중의 최상위의 것에 인접한 감도 제어 전극으로부터 수평 방향 Dh으로 이격되어 있다. 한편, 리셋 게이트 전극(28)은 3개의 분리 전극(22) 중의 최상위의 것, 즉 6개의 감도 제어 전극(21) 중의 최하위의 것에 인접한 분리 전극(22)으로부터 수평 방향 Dh으로 이격되어 있다. 리셋 드레인은 높은 불순물 농도를 갖는 제2 도전 형태(즉, n^＋＋)의 영역으로서 형성되고, 리셋 전극(17)에 절연층(13)을 통하지 않고 직접 접속된다. 리셋 전극(17)에는 일정한 리셋 전압이 인가된다.

또한, 평면도로 볼 때, 3개의 분리 전극(22) 중의 중앙의 분리 전극과 전하 유지 웰(14) 위에 위치된 접속 라인(26)의 단부(25)의 사이에는 전송 게이트 전극(29)이 배치된다. 전송 게이트 전극(29)에 적합한 전압을 인가하면, 전송 게이트 전극(29)의 아래에 채널이 형성되어, 전하 분리부(D2)로부터 장벽 높이 조정부(D4)로의 전하의 이동이 가능하게 된다.

이하에서는, 전술한 본 실시에의 광검출 소자의 동작을 설명한다. 먼저, 장벽 전극(24) 아래에 형성된 포텐셜 장벽의 적합한 높이를 광검출 소자가 이용되는 환경 광 조건에 따라 결정한다. 즉, 웰(12) 내의 전자가 공핍화된 후, 환경 광만이 광검출 소자에 조사된다. 이때, 광검출 소자의 수광 출력을 얻기 위해 요구되는 신호 광이 조사되지 않는다. 웰(12)을 전자 공핍 상태로 하기 위해, 광전 변환부(D1) 및 전하 분리부(D2)에 잔류하는 전자를 전하 폐기부, 즉 드레인 전극(50)을 갖는 오버플로 드레인(15)을 통해 폐기한다. 또한, 리셋 게이트 전극(28)에 리셋 전압을 인가하여 전하 유지 웰(14)과 리셋 전극(17) 사이에 채널을 형성함으로써, 장벽 높이 조정부(D4)에 잔류하는 전자는 리셋 드레인을 통해 폐기된다.

또한, 화소 Px의 전하 축적부(D3)의 전하는 수직 방향 Dv에서 인접 화소 Px의 광전 변환부(D1)에 인접하여 형성된 오버플로우 드레인(15)을 통해 폐기될 수 있다. 도 1에서, 광전 변환부(D1)로부터 전하 축적부(D3)를 향해, 즉 수직 방향 Dv에서의 상위측에서 하위측으로 전하가 전송되므로, 화소 Px의 상위측을 전하 전송 방향에서 상류측으로 정의하고, 화소 Px의 하위측을 전하 전송 방향에서 하류측으로 정의한다.

웰(12)의 전자를 공핍화 한 후에, 광전 변환부(D1)의 감도 제어 전극(21)에 적합한 전압을 인가하는 조건 하에서 광을 조사하면, 수광 광량에 대응하는 양의 전자 및 정공이 웰(12)을 포함하는 소자 형성층(11)에 생성된다. 본 실시예에서, 전자는 포텐셜 웰에 집속되고, 정공은 기판(10)을 통해 폐기된다. 즉, 수광 광량에 대응하는 양의 전자가 포텐셜 웰에 집속된다. 감도 제어 전극(21)에 인가되는 전압을 제어하는 방법은 후술된다.

수광 광량에 대응하는 양의 전자를 광전 변환부(D1)에 집속한 후, 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이 기간 Ta에서 분리 전극(22)에 적합한 전압을 인가하여 전하 분리부(D2)에 포텐셜 웰을 형성하고, 전자를 광전 변환부(D1)로부터 전하 분리부(D2)로 이동시킨다. 또한, 도 4의 (B)에 도시된 바와 같이, 전송 게이트 전극(29)에 적합한 전압을 인가하여, 전하 분리부(D2)와 장벽 높이 조정부(D4)의 전하 유지 웰(14) 사이에 채널을 형성하여, 전자를 전하 분리부(D2)로부터 전하 유지 웰(14) 내로 이동시킨다.

n형의 웰(12)에 에워싸인 n＋＋형의 전하 유지 웰(14)의 포텐셜은 웰(12)의 포텐셜보다 높다. 즉, 전하 유지 웰(14)은 전자에 대한 포텐셜이 낮다. 그러므로, 포텐셜은 전하 분리부(D2)보다 장벽 높이 조정부(D4) 쪽이 더 높다. 따라서, 전송 게이트 전극(29)에 적합한 전압을 인가하여 채널을 형성함으로써, 전하 분리부(D2)로부터 장벽 높이 조정부(D4)의 전하 유지 웰(14) 내로 전자가 흘러든다.

전하 유지 웰(14)에 전자가 흘러들어옴에 따라, 전하 유지 웰(14)의 전위가 저하된다. 즉, 전하 유지 웰(14)에 전기적으로 접속된 장벽 전극(24)의 전위가 도 4의 (D)에 도시된 바와 같이 저하된다. 그 결과, 장벽 전극(24)의 아래에 포텐셜 장벽이 형성된다. 또한, 전하 유지 웰(14)의 전자가 장벽 전극(24)으로 이동하기 때문에, 장벽 전극(24)으로 이동된 전자의 양에 따라 결정되는 높이의 포텐셜 장벽이 형성된다. 그리고, 전하 유지 웰(14)에 대응하는 위치에 절연층(13)을 통하여 유지 전극을 형성하는 경우에, 전하 유지 웰(14) 내의 전자의 양에 따라 결정되는 전압이 유지 전극에서 발생한다. 이때, 장벽 전극(24)에도 동일한 전압이 인가되어 장벽 전극(24)의 아래에 포텐셜 장벽이 형성된다.

기간 Ta에서, 축적 전극(23)에는 전압을 인가하지 않고, 전하 축적부(D3)에는 전자가 축적되지 않도록 해둔다. 전송 게이트 전극(29)에 전압을 인가하는 타이밍에 대해서는, 도 4의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이 분리 전극(22)과 전송 게이트 전극(29)에 동시에 전압을 인가하는 제1 타이밍 제어 모드와, 분리 전극(22)에 전압을 인가한 후에 전송 게이트 전극(29)에 전압을 인가하는 제2 타이밍 제어 모드 중의 하나를 적당히 선택할 수 있다.

장벽 높이 조정부(D4)에 전자가 이동한 후, 기간 Tb에서는 전송 게이트 전극(29)에의 전압 인가를 정지하여 전하 유지 웰(14)에 전자를 유지시킨다. 또한, 도 4의 (C)에 도시된 바와 같이 드레인 전극(50)에 전압을 인가하여, 전하 분리부(D2)의 전자가 오버플로 드레인(15)을 통해 폐기되도록 한다. 전하로서의 전자를 폐기하는 경우에는, 분리 전극(22)에의 전압 인가를 정지함으로써 전자의 폐기를 원활하게 행할 수 있다.

전술한 바와 같이, 광(즉, 환경 광)을 수광함으로써 광전 변환부(D1)에서 생성된 전하는, 장벽 전극(24) 아래에 형성된 포텐셜 장벽의 높이를 결정하기 위해 이용된다. 간략하면, 포텐셜 장벽의 높이는 환경 광을 방해 성분으로서 고려하여 적절하게 결정된다. 따라서, 전술한 단계는 전위-장벽 조정 단계 또는 광검출 소자의 사전 조정 단계로서 간주할 수 있다.

다음으로, 아래에 설명되는 실제의 측정에 의해 광검출 소자의 수광 출력이 얻어질 수 있다. 즉, 광검출 소자가 목적 광(즉, 신호 광) 및 환경 광을 포함하는 광을 수신하고, 수광 광량에 대응하는 전하로부터 환경 광량에 대응하는 전하를 제거하여 신호 광에 대한 실제 수광 출력을 제공한다.

실제의 측정 전에, 도 4의 (C)에 도시된 바와 같이, 기간 Tc에서 오버플로 드레인(15)을 통하여 웰(12) 중의 장벽 높이 조정부(D4)를 제외한 부위의 전자를 공핍화한다. 그러므로, 광전 변환부(D1) 및 전하 분리부(D2)로부터 전자가 사전에 제거된다.

또한, 도 5의 (A)에 도시된 바와 같이, 장벽 전극(24)의 아래에 포텐셜 장벽(B1)이 이미 형성되어 있다. 포텐셜 장벽(B1)은 전술한 장벽 높이 조정 단계에서 환경 광 조건에 따라 결정된 적합한 높이를 갖는다. 광검출 소자가 대상 공간으로부터 신호 광을 포함한 광을 수신한 후, 수광 광량에 대응하는 전자가 광전 변환부(D1)에 집적된다. 그 후, 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이 기간 Td에서 분리 전극(22)에 적합한 전압을 인가하여 전하 분리부(D2)에 전자를 집속하기 위한 포텐셜 웰을 형성한다. 감도 제어 전극(21)의 인가 전압을 제어함으로써, 도 5의 (B)에 도시된 바와 같이 광전 변환부(D1)로부터 전하 분리부(D2)로 전자가 이동된다.

그 후, 도 4의 (E)에 도시된 바와 같이, 기간 Te에서 축적 전극(23)에 적합 한 전압을 인가하여 전하 축적부(D3)에 포텐셜 웰을 형성한다. 이 상태에서, 분리 전극(22)에의 전압 인가를 정지하면, 도 5의 (C)에 도시된 바와 같이, 포텐셜 장벽의 높이에 의해 결정된 전자의 양이 전하 분리부(D2)로부터 포텐셜 장벽을 넘어 전하 축적부(D3) 내로 흐르게 된다. 한편, 포텐셜 장벽의 높이로 인해 전차 축적부(D3) 내로 흘러들어 갈 수 없는 나머지 양의 전자가 도의 (C)에 나타낸 바와 같이 전하 분리부(D2)에 불필요 전하로서 유지된다. 불필요 전하의 양은 포텐셜 장벽(24)의 높이와 전하 분리부(D2)의 사이즈에 따라 결정된다. 분리 전극(22)에의 전압 인가를 정지하기 전에, 전하 분리부(D2)와 광전 변환부(D1) 사이에는 장벽 전극(24) 아래에 형성된 포텐셜 장벽(24)보다 높은 포텐셜 장벽이 형성되도록, 감도 제어 전극(21)에의 인가 전압이 제어된다.

전술한 동작에 의하면, 광전 변환부(D1)에서의 수광 광량에 대응하는 전자로부터 일정량의 불필요 전하가 분리되고, 불필요 전하 이외의 전자가 유효 전하로서 전하 축적부(D3)에 축적된다.

유효 전하가 전하 축적부(D3)에 축적된 후에는, 도 4의 (C)에 나타낸 바와 같이 기간 Tf에서 드레인 전극(50)에 적합한 전입이 인가되어, 전하 분리부(D2) 내의 불필요 전하가 오버플로 드레인(15)을 통해 폐기된다. 또한, 장벽 높이 조정부(D4) 내의 전하(즉, 전자)를 폐기하기 위하여, 도 4의 (F)에 나타낸 바와 같이 리셋 게이트 전극(28)에 적합한 전압을 인가하여, 전하 유지 웰(14)과 리셋 드레인 사이에 채널을 형성한다. 전하 유지 웰(14)로부터 전자가 폐기된 후에, 리셋 게이트 전극(28)에의 전압 인가를 정지한다. 그 후, 전하 축적부(D3)에 축적된 유효 전하는, 전술한 전하 인출부를 통해 광검출 소자의 수광 출력으로서 외부에 취출된다.

이상 설명한 일련의 동작에 의하여, 1프레임의 화상에 대응한 수광 출력을 얻을 수 있다. 따라서, 1프레임마다 전하 유지 웰(14) 내의 전자가 폐기된다. 이와 달리, 복수의 프레임마다 전하 유지 웰(14) 내의 전자가 폐기될 수도 있다. 이 경우에는, 장벽 전극(24)의 아래에 포텐셜 장벽이 연속으로 형성되어 있으므로, 포텐셜 장벽의 전후에서 전자가 이동할 수 있도록, 분리 전극(22) 및 축적 전극(23)에 인가하는 전압을 조절할 필요가 있다.

그런데, 전술한 바와 같이, 장벽 높이 조정 단계에서, 전하 분리부(D2)로부터 장벽 높이 조정부(D4)로 전자를 이동시킬 필요가 있다. 오버플로 드레인(15)이 전하 분리부(D2)로부터 불필요 전하를 폐기하는 기능을 갖기 때문에, 오버플로 드레인(15)의 포텐셜은 전하 분리부(D2)의 전위보다 높도록 설정된다. 즉, 오버플로 드레인(15)은 전자에 대하여 낮은 전위를 갖는다.

따라서, 오버플로 드레인(15)이 광전 변환부(D1)의 일측(예컨대, 도 1에서 좌측)에 형성되고, 장벽 높이 조정부(D4)가 광전 변환부(D1)의 반대측(예컨대, 도 1에서 우측)에 형성되면, 전하 분리부(D2)에서 전위 기울기가 도 6의 (B)에서의 화살표 β로 나타낸 바와 같이 형성된다. 전위 기울기 β는 전하 분리부(D2)로부터 장벽 높이 조정부(D4)로 전자가 원활히 이동하지 못하게 한다. 도 6의 (B)에서, 일점 쇄선은 전송 게이트 전극(29)에 전압을 인가함으로써 장벽 높이 조정부(D4) 내로 전자를 이동시킬 때에 형성된 전위 기울기를 나타내고 있다.

이에 대하여, 본 실시예의 구성에 의하면, 광전 변환부(D1)의 일측(예컨대, 도 1에서의 우측)에 장벽 높이 조정부(D4)와 오버플로 드레인(15) 모두가 배치되고 있기 때문에, 전하 분리부(D2)에서는 도 6의 (A)에서 화살표 α로 나타낸 바와 같이 전위 기울기가 형성된다. 전위 기울기 α는 전하 분리부(D2)로부터 장벽 높이 조정부(D4)로 전자가 원할하게 이동하는 것을 용이하게 한다. 그러므로, 전하 분리부(D2)로부터 장벽 높이 조정부(D4)로 전자가 효율적으로 이동되므로, 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3) 사이에 형성되는 포텐셜 장벽의 높이를 정확하게 결정할 수 있다.

(공간 정보 검출 장치)

전술한 바와 같이, 본 실시예의 광검출 소자는 대상 공간에 존재하는 물체까지의 거리를 공간 정보로서 계측하는 거리 측정 장치에 사용된다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 거리 측정 장치는 액티브형의 거리 측정 장치이며, 주로 대상 공간에 광을 투사하는 발광원(2), 대상 공간으로부터의 광을 수광하는 전술한 광검출 소자(1), 광검출 소자(1)의 수광 출력에 따라 대상 공간 내의 물체(5)까지의 거리를 결정하는 신호 처리부(3), 및 광검출 소자(1) 및 발광원(2)의 동작을 제어하는 제어부(4)로 형성된다. 제어부(4)는 또한 신호 처리부(3)에서의 연산을 수행하는 타이밍을 제어한다.

발광원(2)은 복수의 적외선 발광 다이오드를 배열함으로써 형성될 수 있다. 대상 공간으로부터 제공된 광, 즉 물체(5)로부터 반사된 광이 적외선 투과 필터를 통해 광검출 소자(1)에 입사된다. 거리 계측을 위한 광으로서 적외선광을 사용하 는 경우, 광검출 소자(1)에 가시광 영역의 광이 입사하는 것을 적외선 투과 필터에 의해 억제할 수 있다. 신호 처리부(3) 및 제어부(4)는 적합한 프로그램을 실행하는 마이크로 컴퓨터에 의해 구성될 수 있다.

거리의 계측을 위해, 발광원(2)으로부터 강도 변조광이 대상 공간에 투사된 후에 대상 공간에 존재하는 물체(5)로 반사되어, 반사광이 광검출 소자(1)에 입사된다. 광검출 소자(1)에 입사된 반사광의 위상과 발광원(2)으로부터 방출된 광의 위상 간의 위상차를 구하고, 이 위상차를 물체(5)까지의 거리로 변환시킨다.

예컨대, 도 8의 (A)에 나타낸 강도 변조광이 발광원(2)으로부터 대상 공간에 투사되고, 광검출 소자(1)의 하나의 화소 Px에 입사하는 광의 강도가 도 8의 (B)와 같이 변화할 때에, 대상 공간 내의 물체(5)까지의 거리 L은 투사광과 수신광 간의 시간차 Δt가 반영된다. 따라서, 광속(m/s)을 c라 하면, 물체(5)까지의 거리 L은 아래와 같은 수식으로 표현된다:

L = c·Δt/2

또한, 강도 변조 광을 생성하기 위해 사용된 변조 신호의 주파수를 f(Hz)라 하고, 위상차를 φ(rad)라 하면, 시간차Δt는 아래와 같은 수식으로 표현된다:

Δt = φ／2π·f

그러므로, 위상차 φ를 이용함으로써 거리 L을 구할 수 있다.

이 위상차 φ는 발광원(2)을 구동하기 위한 변조 신호와 광검출 소자(1)의 각 화소 Px에의 입사광 간의 위상차로 간주될 수 있다. 그러므로, 광검출 소자(1)에의 입사광의 수광 강도가 변조 신호의 상이한 위상에 대하여 결정될 때, 그 결과 의 위상과 수광 강도 간의 관계로부터 입사광과 변조 신호 간의 위상차 φ를 구하는 것이 고려되어 있다.

실제로는, 광검출 소자(1)에 의해 소정의 위상폭(시간폭)을 갖는 위상 구간마다에서 수광 광량을 검출하고, 이 수광 광량에 상당하는 수광 출력을 위상차 φ의 연산에 사용한다. 구체적으로, 각 위상 구간이 90도의 위상폭을 가질 때, 변조 신호의 1주기마다 4개의 위상 구간이 얻어진다. 예컨대, 4개의 위상 구간(즉, 0∼90도, 90∼180도, 180∼270도, 270∼360도)에서 얻어진 수광 광량은 도 8의 (B)에 나타낸 바와 같이 각각 A0, A1, A2 및 A3로 정의된다. 이 경우, 위상차 φ는 아래의 수식에 의해 표현된다:

φ = tan^-1{(A0－A2)/(A1－A3)}

변조 신호의 위상 구간과 수광 광량 간의 대응관계는 상기한 경우의 것으로 한정되지 않는다. 위상 구간의 위상폭은 적절하게 설정될 수 있다. 예컨대, 위상 구간은 180도의 위상폭을 가질 수도 있다. 이들 간의 대응관계에 따라, 위상차 φ의 부호가 변화한다.

전술한 연산을 행하기 위해서는, 변조 신호의 각 위상 구간마다의 수광 광량에 대응하는 전자를 광검출 소자(1)의 광전 변환부(D1)에 의해 생성할 필요가 있다. 각 위상 구간 마다의 수광 광량을 구하기 위해서는, 감도 제어 전극(21)에 인가하는 전압을 변조 신호에 동기시켜 제어한다.

제어부(4)는 각각의 감도 제어 전극(21)에 대한 전압 인가를 제어할 수 있 다. 전압이 인가된 감도 제어 전극(21) 아래에는 포텐셜 웰이 형성된다. 즉, 전압이 인가되는 감도 제어 전극의 수를 제어함으로써, 광전 변환부(D1)에 요구된 개구 면적을 갖는 포텐셜 웰을 얻을 수 있다. 그러므로, 광전 변환부(D1)는 감도 제어 기능을 갖는다.

광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자는 포텐셜 웰에 집적된다. 따라서, 포텐셜 웰의 개구 면적(즉, 포텐셜 웰의 체적)이 클수록, 전자를 집적하는 효율이 높아진다. 반대로, 1개의 감도 제어 전극(21)에만 전압을 인가하고 있을 때에는, 전자를 집적하는 효율이 낮아진다. 즉, 1개의 감도 제어 전극(21)에만 전압을 인가하고 있을 때에는, 포텐셜 웰(21)에 집적되는 전자가 현저하게 감소한다. 따라서, 복수의 감도 제어 전극(21)에 전압이 인가되는 전하 집적 기간에서는, 큰 개구 면적을 갖는 포텐셜 웰에는 전자가 효율적으로 집적될 수 있다. 그 후, 감소된 수의 감도 제어 전극(21)에 전압이 인가되는 전하 유지 구간에서는, 전하 집적 기간에 집적된 전자를 유지하는 것이 가능하다. 전술한 과정에 따라 전자를 집속하여 유지하는 경우, 전하 유지 기간에 집속된 전자의 양이 매우 작기 때문에, 전하 유지 기간에 유지된 전자는 실질적으로 전하 축적 기간에 획득된 수광 광량을 반영하게 된다. 또한, 전하 유지 기간에 전자를 유지하기 위한 포텐셜 웰을 형성하기 위해 이용되는 감도 제어 전극(21)을 차광하면, 전하를 유지하고 있는 기간에서의 전자의 집적을 추가로 억제할 수 있다.

전술한 동작으로부터 명백한 바와 같이, 광전 변환부(D1)에 의해 변조 신호의 특정한 위상 구간에서의 수광 광량에 대응하는 전자를 집적하는 것이 필요한 때 에는, 전하 집속 기간에서는 전압이 인가되는 감도 제어 전극(21)의 개수를 증가시키고, 전하 유지 기간에서는 전압이 인가되는 감도 제어 전극(21)의 개수를 감소시킨다. 전하 유지 기간에서는, 1개의 감도 제어 전극(21)에 전압이 인가되는 것이 특히 바람직하다. 제어부(4)는 변조 신호의 주기 마다에서 감도 제어 전극(21)에의 전압 인가 패턴을 변화시킨다. 즉, 제어부(4)는 변조 신호의 특정의 위상 구간 마다에서 복수의 감도 제어 전극(21)에 전압을 인가하여, 변조 신호의 복수의 기간에 걸쳐 상기 특정의 위상 구간에서 생성된 전자를 집적시킨다. 이 경우, 변조 신호의 1주기의 특정의 위상 구간에서 얻어지는 수광 광량이 적은 경우에도, 변조 신호의 복수의 기간에 걸쳐 특정의 위상 구간에서 생성된 전자를 집속함으로써 충분한 수광 광량을 얻을 수 있다. 한편, 수광 광량이 충분히 큰 때에는, 변조 신호의 복수의 기간에 걸쳐 전자를 집속함으로로써 포화가 초래될 수도 있다. 이러한 경우, 감도 제어 전극(21)에의 전압의 인가는 사용 환경에 따라 적절하게 조절된다.

신호 처리부(3)에서는, 각 화소 Px에 대하여 각 위상 구간에 대응하는 수광 출력을 사용하여 전술한 연산에 의해 위상차를 구하고 있다. 즉, 각 화소 Px의 화소값이 거리를 제공하는 거리 화상을 얻는 것이 가능하다.

그런데, 전술한 원리에 따라 거리를 계측하기 위해서는, 발광원(2)으로부터 대상 공간에 투사된 신호 광만을 광검출 소자(1)에 의해 검출하는 것이 이상적이다. 그러나, 대부분의 경우, 환경 광 또한 광검출 소자(1)에 입사된다. 환경 광과 신호 광의 전체 광량이 광검출 소자(1)의 광전 변환 성능의 상한치를 초과할 때에는, 전하의 생성량이 포화되어, 계측 정확도가 저하된다. 따라서, 사용 환경에 관계없이 광검출 소자의 동작 신뢰도를 향상시키기 위해서는, 광검출 소자(1)의 포화를 방지하고, 신호 광에 대응하는 전하의 양을 증가시키는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 광검출 소자(1)는, 환경 광에 대응하는 불필요 전하를 폐기하는 성능을 가지며, 그 양은 장벽 높이 조정부(D4) 내의 전하량에 따라 결정된다. 즉, 장벽 전극(24) 아래에 형성된 포텐셜 장벽의 높이가 환경 광만의 수광 광량에 따라 결정될 때, 환경 광에 대응하는 불필요 전하가 전하 분리부(D2)에 의해 분리될 수 있다. 그 결과, 광전 변환부(D1)에 의해 생성되는 신호 광 및 환경 광 양자의 수광 광량에 대응하는 전자에 대한, 전하 축적부(D3)에 축적되는 신호 광만의 수광 광량에 대응하는 유효 전자의 비율을 증가시키는 것이 가능하다. 또한, 전하 폐기부로서의 오버플로우 드레인(15)을 통해 불필요 전하가 폐기되므로, 전하 축적부(D3)에 축적된 전자가 포화되는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같은 이유에 기초하여, 본 실시예에서는, 발광원(2)으로부터 광이 투사되지 않는 리셋 기간과 강도 변조 광이 대상 공간에 투사되는 점등 기간이 교번적으로 반복되도록, 발광원(2)으로부터 대상 공간에 강도 변조 광이 간헐적으로 투사된다. 리셋 기간에서 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자를 장벽 높이 조정부(D4)에 공급함으로써, 포텐셜 장벽의 높이는 환경 광에 대응하는 불필요 전하(즉, 전자)의 양과 관련된다.

한편, 점등 기간에서는, 리셋 기간에서 획득된 수광 광량에 따라 결정된 높이를 갖는 포텐셜 장벽이 장벽 전극(24) 아래에 형성되므로, 환경 광에 대응하는 불필요 전하가 전하 분리부(D2)에 의해 점등 기간에 생성된 전자로부터 분리되며, 나머지 전자(즉, 유효 전자)가 포텐셜 장벽을 넘어 전하 축적부(D3) 내로 흘러들어가 축적된다. 따라서, 환경 광이 변동하고, 불필요 전하의 양이 환경 광의 수광 광량으로 실질적으로 변화하는 경우에도, 전하 축적부(D3)에 신호 광에 대응하는 충분한 양의 유효 전하를 안정하게 축적하는 것이 가능하다. 간략하면, 광전 변환부(D1)에 의해 점등 기간에 생성된 전하로부터 불필요 전하를 분리함으로써, 신호대 잡음비를 증가시키는 것이 가능하다.

전술한 바와 같이, 변조 신호의 1주기에서 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자의 양이 적은 경우에, 변조 신호의 복수의 주기에 걸쳐 광전 변환부(D1)에 의해 전자가 집적될 수도 있다. 그러나, 광전 변환부(D1)에 전자가 포화될 가능성도 있다. 이러한 경우에, 전하 축적부(D3)에 충분한 양의 유효 전하를 축적하기 위해 전하 축적부(D2)에 의해 불필요 전하를 분리(계체(計體))하는 동작이 복수 회 수행된다. 그 후, 전하 축적부(D3)에 축적된 유효 전자가 수광 출력으로서 취출된다.

전하 축적부(D3)에 축적된 전자는, 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자로부터 불필요 전하를 제거함으로써 획득된 전자에 대응한다. 따라서, 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자를 전하 축적부(D3)에 직접 축적하는 경우에 비해, 포화가 발생할 가능성을 현저하게 감소시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 신호대 잡음비가 증가되므로, 거리의 계측 정확도의 향상이 달성될 수 있다.

제어부(4)에서는, 전하 축적부(D3)에 전자를 유입시킨 후, 오버플로 드레인(15)을 통해 전하 분리부(D2)로부터 불필요 전하를 폐기시킨다. 이 동작은 전하 축적부(D3)에 전자를 유입시킬 때마다 행한다. 또한, 장벽 높이 조정부(D4) 내의 전하의 양을 갱신할 필요가 있을 때에는, 리셋 게이트 전극(28)에 전압을 인가하여, 전하 유지 웰(14)에 유지된 전하를 리셋 드레인을 통해 폐기한다. 전하 유지 웰(14)로부터 전하를 폐기하는 타이밍은, 환경 광의 변동 타이밍과 같은 사용 환경에 따라 적합하게 결정될 수 있다. 이와 달리, 전하 유지 웰(14)로부터 전하를 폐기하는 동작은 수광 출력을 취출할 때마다 행해질 수도 있다. 즉, 거리 화상의 1프레임마다 포텐셜 장벽의 높이가 조정될 수 있다.

전술한 바와 같이, 불필요 전하는 전하 축적부(D3)에 전하를 유입시킬 때마다 폐기된다. 또한, 광전 변환부(D1)에 의해 리셋 구간에 생성된 전자가 전하 분리부(D2)로부터 장벽 높이 조정부(D4)로 공급되는 때에, 전자의 일부가 전하 분리부(D2)에 잔류할 가능성이 있다. 따라서, 점등 기간 전에 오버플로 드레인(15)을 통해 전하 분리부(D2) 내의 전자를 폐기시키는 것이 바람직하다.

(제2 실시예)

제2 실시예의 광검출 소자에서는, 오버플로 드레인(15)(즉, 전하 폐기부)은, 전하 분리부(D2)에 의해 분리된 불필요 전하를 폐기하는 기능 이외에, 수광 광량이 과도하게 증가한 때에 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 잉여 전하를 폐기하는 기능도 겸비하고 있는 것을 특징으로 한다. 잉여 전하가 폐기되지 않으면, 잉여 전하가 다른 화소 Px 내로 누출되는 소위 블루밍(blooming) 현상이 발생할 수도 있다.

그런데, 제1 실시예의 경우와 같이, 오버플로 드레인(15)이 형성되어 있을 때, 전하 분리부(D2)로부터 불필요 전하를 폐기할 시에, 잉여 전하가 아닌 전하도 광전 변환부(D1)로부터 손실될 가능성이 있다. 예컨대, 감도 제어 전극(21)에 인 가되는 전압을 제어함으로써, 광전 변환부(D1)에서 전자를 집적하고 있는 기간에 불필요 전하를 폐기하면, 광전 변환부(D1)에 집적된 전하량과 수광 광량 간에 어긋남이 발생하여, 수광 출력을 정확하게 획득할 수 없다는 문제가 생긴다.

본 실시예에서는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 광전 변환부(D1)의 잉여 전하를 폐기하기 위한 제1 오버플로 드레인(15a)이 전하 분리부(D2)로부터 이격된 위치에서 감도 제어 전극(21)에 인접하여 제1 전하 폐기부로서 형성되며, 전하 분리부(D2)의 불필요 전하를 폐기하기 위한 제2 오버플로 드레인(15b)이 전하 분리부(D2)에 더 근접한 위치에서 감도 제어 전극(21)에 인접하여 제2 전하 폐기부로서 형성된다. 또한, 접촉 패드와 같은 제1 드레인 전극(50a)이 제1 오버플로 드레인(15a)의 양측 단부에 배치되며, 접촉 패드와 같은 제2 드레인 전극(50b)이 제2 오버플로 드레인(15b)의 양측 단부에 배치된다. 제1 실시예의 경우에서와 같이, 제1 드레인 전극(50a)은 버스 배선 방식으로 인접 화소의 제1 오버플로우 드레인의 제1 드레인 전극(도시하지 않음)에 전기 접속된다. 마찬가지로, 제2 드레인 전극(50b)은 버스 배선 방식으로 인접 화소의 제2 오버플로우 드레인의 제2 드레인 전극(도시하지 않음)에 전기적으로 접속된다.

이 경우, 불필요 전하를 폐기하는 타이밍과 무관하게 잉여 전하를 폐기하는 타이밍을 결정하고, 각 오버플로 드레인(15a, 15b)의 포텐셜을 제어하는 것이 가능하게 된다. 그 외의 구성 및 동작은 제1 실시예와 동일하므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

(제3 실시예)

제3 실시예의 광검출 소자에서는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 웰(12)에서 장벽 전극(24)과 인접 분리 전극(22) 사이에 걸치도록 한 쌍의 슬릿 영역(32)이 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 슬릿 영역(32)은 수평 방향 Dh으로 서로 이격되어 있다. 즉, 슬릿 영역 중의 하나가 장벽 전극(24)과 인접 분리 전극(22)의 일단에 근접하여 형성되고, 다른 슬릿 영역(32)이 장벽 전극(24)과 인접 분리 전극(22)의 대향단에 인접하여 형성된다. 예컨대, 각각의 슬릿 영역(32)은 이온 주입을 통해 n형 웰(12)보다 높은 불순물 농도를 갖는 n＋의 도전형으로 형성된다.

슬릿 영역(32)이 형성되어 있지 않은 경우에는, 웰(12)의 경계부에서 포텐셜이 완만하게 변화한다. 즉, 웰(12)의 경계 부분은 도 11의 (B)에 도시된 바와 같이 완만한 상승 에지의 포텐셜을 갖는다. 한편, 슬릿 영역(32)이 형성되면, 전술한 바와 같이, 웰(12)의 경계부에서 포텐셜이 급속하게 변화한다. 즉, 웰(12)의 경계부는 도 11의 (A)에 도시된 바와 같이 예리한 상승 에지의 포텐셜을 갖는다. 따라서, 장벽 전극(24) 아래에 형성되는 포텐셜 장벽의 경계부도 예리한 상승 에지의 포텐셜을 갖게 된다. 그 결과, 전하 분리부(D2)로부터 전하 축적부(D3)에의 전하의 바람직하지 않은 누출이 감소될 수 있다. 간략하면, 장벽 전극(24)에 인가된 전압과 전하 분리부(D2)에 의해 분리된 불필요 전하의 양 간의 비선형적 관계(장벽 전극(24)에 인가되는 전압에 대하여 포텐셜 장벽의 체적이 3차 특성이 된다)를 완화시킴으로써, 장벽 높이 조정부(D4)의 전하량과 불필요 전하의 양을 대략 비례 관계로 할 수 있다.

본 실시예의 구성은 제1 실시예에서도 이용 가능하다. 다른 구성 및 동작은 제2 실시예와 동일하므로, 그 구체적인 설명을 생략한다.

(제4 실시예)

본 실시예의 광검출 소자는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 웰(12)에 있어서 전하 유지 웰(14) 아래의 위치에 p형의 장벽층(33)이 형성되는 것을 특징으로 한다. 장벽층(33)을 형성함으로써, 광조사에 의해 기판(10) 또는 소자 형성층(11)의 심부에서 발생한 전자가 전하 유지 웰(14)로 이동하는 것을 저지할 수 있다. 즉, 전하 분리부(D2) 이외의 영역으로부터 제공된 잡음성 전하가 장벽 높이 조정부(D4)의 전하 유지 웰(14)에 혼입되지 않으므로, 전하 분리부(D2)로부터 공급된 전하량에 따라 포텐셜 장벽이 장벽 전극(24) 아래에 정확하게 형성될 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 웰(12)에서 전송 게이트 전극(29) 아래의 전하 유지 웰(14)에 근접한 위치에 웰(12)보다 불순물 농도가 높은 n＋형의 포텐셜 조정부(34)가 형성된다. 이 포텐셜 조정부(34)는 이온 주입 등의 기술을 이용하여 형성되고, 웰(12)보다 전자에 대한 포텐셜이 낮아진다.

따라서, 전송 게이트 전극(29)에 적합한 전압을 인가함으로써, 전하 분리부(D2)와 장벽 높이 조정부(D4) 사이에 채널을 형성한 때, 전하 분리부(D2)로부터 장벽 높이 조정부(D4)를 향한 전자의 이동을 용이하게 하는 방향으로 전위 기울기가 형성된다. 전위 기울기의 도움에 의해, 전하 분리부(D2)로부터 장벽 높이 조정부(D4)로 전자가 효율적으로 공급될 수 있다. 포텐셜 조정부(34)가 형성되어 있지 않은 경우에는, 도 13의 (B)에 나타낸 바와 같이, 전송 게이트 전극(29)과 전하 유지 웰(14) 사이의 영역에서 포텐셜의 상승을 나타내는 산부(山部; boss) M1가 발생 한다. 반대로, 적합한 포텐셜 조정부(34)를 형성함으로써, 도 13의 (A)와 같이, 산부 M1의 형성을 방지할 수 있다.

본 실시예의 구성은 제1 실시예에도 이용 가능하다. 다른 구성 및 동작은 제2 실시예와 동일하므로, 구체적인 설명을 생략한다.

(제5 실시예)

제5 실시예의 광검출 소자는, 도 14에 나타낸 바와 같이, 웰(12)의 주표면 상에 및 장벽 전극(24)과 축적 전극(23) 사이에 버퍼 전극(35)을 형성한 것을 특징으로 한다. 버퍼 전극(35) 아래의 영역을 장벽 전극(24) 아래의 영역보다 전자에 대한 포텐셜을 낮게 하고, 또한 축적 전극(23) 아래의 영역보다 전자에 대한 포텐셜을 높게 하도록, 버퍼 전극(35)에는 일정 전압이 인가된다.

버퍼 전극(35)을 설치하지 않은 경우에는, 전하 축적부(D3)(즉, 축적 전극(23) 아래의 영역)에 전자가 축적되면, 장벽 전극(24) 아래에 형성된 포텐셜 장벽(B1)의 높이가 전자의 축적량에 따라 변화될 수도 있다. 예컨대, 도 15의 (B)에 나타낸 바와 같이, 전자의 축적량이 증가함에 따라, 포텐 장벽(B1)의 높이가 높아지게 될 것이다. 이 경우, 전하 분리부(D2)에 의해 분리된 불필요 전하의 양이 전하 축적부(D3)에 축적된 전하량에 의해 변동할 가능성이 있다.

한편, 본 실시예에서, 버퍼 전극(35)를 설치하는 동시에, 버퍼 전극(35)에 인가되는 전압을 전술한 바와 같이 제어하면, 도 15의 (A)에 나타낸 바와 같이, 전하 축적부(D3)에서의 전자의 축적량의 변동에 의해 야기되는 포텐셜 장벽(B1)의 높이의 변화를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 포텐셜 장벽(B1)의 사용에 의해 불필요 전하를 안정하게 계체(計體) 및 분리할 수 있고, 전하 축적부(D3)에 유효 전하를 정확하게 축적할 수 있다.

상기한 각 실시예에서는, 포텐셜 장벽의 높이를 조정하기 위해 광전 변환부에 의해 생성된 전하가 광전 변환부와 전하 폐기부 간의 위치 관계를 고려하여 전하 분리부를 통해 장벽 높이 조정부 내로 간접적으로 공급되는 경우에 대하여 설명하였다. 이와 달리, 전하를 광전 변환부로부터 장벽 높이 조정부로 직접 공급하는 다른 레이아웃이 이용될 수도 있다.

상기한 각 실시예에서는, 불필요 전하의 양이 장벽 전극(24) 아래에 형성된 전위 장벽의 높이를 조정함으로써 결정된다. 이와 달리, 불필요 전하의 양은 분리 전극(22) 아래에 형성된 전하 분리부의 전위를 변경함으로써 조절될 수도 있다.

상기한 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하면, 포텐셜 장벽의 높이가 광전 변환부로부터 바람직하게는 전하 분리부를 통해 장벽 높이 조정부로 공급된 전하량에 따라 결정되므로, 불필요 전하의 양을 환경 광 조건에 따라 분리되도록 적합하게 제어할 수 있다. 또한, 불필요 전하가 전하 폐기부에 의해 적합한 타이밍에서 전하 분리부로부터 폐기될 수 있으므로, 광전 변환부에서 생성된 전하로부터 불필요 전하를 제거하는 동작을 전하 분리부에 의해 신뢰적으로 수행할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 광검출 소자는 입력 신호에 대해 다이나믹 레인지 를 안정하게 넓힐 수 있는 성능을 갖는다. 또한, 본 발명의 광검출 소자가 공간 정보 검출 장치에 이용될 때, 환경 광이 시간에 따라 변동하는 조건 하에서도 대상 공간으로부터 공간 정보를 정확하게 검출할 수 있다.

따라서, 본 발명의 광검출 소자 및 이러한 광검출 소자를 이용한 공간 정보 검출 장치는 범죄 예방 시스템 및 공장 자동화 시스템과 같은 다양한 응용 분야에 활용될 것으로 기대된다.

Claims

광검출 소자에 있어서,

반도체 기판;

상기 반도체 기판에 형성되어 수신 광량에 대응하는 전하를 생성하는 광전 변환부;

상기 반도체 기판의 주표면 상에 형성된 분리 전극을 갖는 전하 분리부;

상기 반도체 기판의 주표면 상에 형성된 축적 전극을 갖는 전하 축적부;

상기 분리 전극과 상기 축적 전극 사이에서 상기 반도체 기판의 주표면 상에 형성된 장벽 전극;

상기 장벽 전극에 전기 접속되는 장벽 높이 조정부; 및

전하 폐기부

를 포함하며,

상기 전하 분리부는, 상기 장벽 전극에 전압을 인가함으로써 상기 장벽 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성되는 포텐셜 장벽에 의해 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요 전하를 분리하도록 구성되며,

상기 장벽 높이 조정부는 상기 광전 변환부로부터 공급된 전하량에 따라 상기 장벽 전극에 인가되는 전압을 결정하여 상기 포텐셜 장벽의 높이를 조정하며,

상기 전하 축적부는 상기 전하 분리부로부터 상기 포텐셜 장벽을 넘어 상기 전하 축적부 내로 흘러들어가는 전하인 유효 전하를 축적하도록 구성되며,

상기 전하 폐기부는 상기 전하 분리부에 의해 분리된 불필요 전하를 폐기하도록 구성되며,

상기 광전 변환부는 상기 반도체 기판의 주표면 상에서 상기 전하 분리부, 상기 전하 축적부 및 상기 장벽 전극이 형성되어 있지 않은 영역에 형성되어 있고,

상기 장벽 높이 조정부 및 상기 전하 폐기부는 상기 반도체 기판 상에 형성되어 있으며,

상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하는 상기 광검출 소자의 출력으로서 제공되는,

광검출 소자.
제1항에 있어서,

상기 장벽 높이 조정부는, 상기 전하 분리부를 통해 상기 광전 변환부로부터 공급된 전하량에 따라 상기 장벽 전극에 인가되는 전압을 결정하는, 광검출 소자.
제1항에 있어서,

상기 광전 변환부는 상기 반도체 기판의 주표면 상에 형성된 복수의 감도 제어 전극을 포함하며, 각각의 상기 감도 제어 전극에 인가되는 전압을 제어함으로써 요구된 개구 면적을 갖는 포텐셜 웰이 상기 반도체 기판에 형성되는, 광검출 소자.
제2항에 있어서,

상기 장벽 전극은 상기 반도체 기판 상에 절연층을 사이에 두고 배치되고,

상기 광전 변환부, 상기 전하 분리부, 상기 장벽 전극, 및 상기 전하 축적부는 일직선으로 배열되고,

상기 장벽 높이 조정부 및 상기 전하 폐기부는, 상기 장벽 높이 조정부가 상 기 전하 분리부에 인접하여 위치되고, 또한 상기 전하 폐기부가 상기 광전 변환부에 인접하여 위치되도록, 상기 일직선의 일측에 제공되어 있는,

광검출 소자.
제4항에 있어서,

상기 분리 전극과 상기 장벽 전극 사이에 걸치도록 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 일직선에 직각을 이루는 방향으로 서로 이격되어 있는 한 쌍의 슬릿 영역을 더 포함하며,

상기 슬릿 영역은 상기 분리 전극과 상기 장벽 전극 사이에 걸치는 상기 슬릿 영역 이외의 또 다른 영역과 동일한 도전 유형을 가지며, 상기 또 다른 영역보다 더 높은 불순물 농도를 갖는,

광검출 소자.
제1항에 있어서,

상기 반도체 기판의 주표면에서 상기 장벽 전극과 상기 축적 전극 사이에 형성되는 버퍼 전극을 더 포함하며, 상기 버퍼 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성된 포텐셜이 장벽 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성된 포텐셜과 상기 축적 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성된 포텐셜 사이의 포텐셜로 되도록 상기 버퍼 전극에 인가되는 전압이 제어되는, 광검출 소자.
제1항에 있어서,

상기 장벽 높이 조정부 아래의 상기 반도체 기판에 형성되어, 상기 반도체 기판의 심부로부터 상기 장벽 높이 조정부로의 전하의 이동을 저지하는 장벽층을 더 포함하는, 광검출 소자.
제2항에 있어서,

상기 반도체 기판의 주표면에서 상기 전하 분리부와 상기 장벽 높이 조정부 사이에 형성된 전송 게이트 전극과, 상기 장벽 높이 조정부에 인접하여 형성된 포텐셜 조정부를 더 포함하며,

상기 전송 게이트 전극에 인가되는 전압을 제어함으로써, 상기 전송 게이트 전극 아래 및 상기 전하 분리부와 상기 장벽 높이 조정부 사이의 상기 반도체 기판에 전하 전송 채널이 형성되어 있으며,

상기 포텐셜 조정부는 상기 전하 전송 채널 내에서 상기 전하 분리부로부터 상기 장벽 높이 조정부를 향해 전하가 이동하도록 제어된 불순물 농도를 갖는,

광검출 소자.
제1항에 있어서,

상기 전하 폐기부는, 상기 광전 변환부와 상기 전하 분리부에 인접하여 위치되어, 상기 전하 분리부로부터 불필요 전하를 폐기하고 또한 상기 광전 변환부로부터 잉여 전하를 폐기하는, 광검출 소자.
제9항에 있어서,

상기 전하 폐기부는, 잉여 전하를 폐기하도록 구성된 제1 전하 폐기부와, 불필요 전하를 폐기하도록 구성된 제2 전하 폐기부를 포함하는, 광검출 소자.
제10항에 있어서,

상기 전하 폐기부는, 상기 제1 전하 폐기부를 통해 상기 광전 변환부로부터 잉여 전하를 폐기하는 타이밍이 상기 제2 전하 폐기부를 통해 상기 전하 분리부로부터 불필요 전하를 폐기하는 타이밍과 상이하도록 제어되는, 광검출 소자.
제1항에 있어서,

상기 광전 변환부, 상기 전하 분리부, 상기 전하 축적부, 상기 장벽 높이 조정부, 및 상기 장벽 전극을 각각 포함하는 복수의 화소가 상기 반도체 기판에 형성되어 있는, 광검출 소자.
공간 정보 검출 장치에 있어서,

대상 공간에 광을 간헐적으로 투사하도록 구성된 발광원;

상기 대상 공간으로부터 광을 수광하도록 배치된 청구항 1에 기재된 광검출 소자;

상기 발광원의 발광을 제어하고, 또한 상기 광검출 소자의 상기 분리 전극, 상기 축적 전극 및 상기 전하 폐기부에 인가되는 전압을 제어하도록 구성된 제어부; 및

상기 광검출 소자의 출력으로부터 상기 대상 공간의 공간 정보를 추출하도록 구성된 신호 처리부

를 포함하며,

상기 제어부는, 상기 발광원으로부터 상기 대상 공간에 광이 투사되지 않는 리셋 기간 내에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 상기 장벽 높이 조정부에 이동시켜, 상기 장벽 높이 조정부 내의 전하량에 따라 결정된 높이의 포텐셜 장벽을 형성하며,

상기 전하 분리부는 상기 발광원으로부터 상기 대상 공간에 광이 투사되는 점등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요 전하를 제거하며,

상기 전하 분리부로부터 상기 포텐셜 장벽을 넘어 상기 전하 축적부에 유입된 전하가 상기 전하 축적부에 유효 전하로서 축적되며,

상기 전하 분리부에 의해 분리된 불필요 전하가 상기 리셋 기간 전에 상기 전하 폐기부를 통해 폐기되며,

상기 전하 축적부에 축적된 유효 전하가 상기 광검출 소자의 출력으로서 제공되는,

공간 정보 검출 장치.
제13항에 있어서,

상기 광전 변환부는 상기 반도체 기판의 주표면 상에 복수의 감도 제어 전극을 가지며,

상기 제어부는, 상기 점등 기간에 변조 신호의 강도 변조 광이 대상 공간에 투사되도록 상기 발광원에 변조 신호를 부여하고, 또한 각각의 상기 감도 제어 전극 아래의 상기 반도체 기판에 형성된 포텐셜 웰의 개구 면적이 상기 변조 신호에 동기된 타이밍에서 변화하도록 상기 감도 제어 전극에 인가되는 전압을 제어함으로써 상기 광전 변환부에 의해 상기 변조 신호의 위상 구간에 대응한 전하를 생성하도록 하며,

상기 신호 처리부는, 상기 변조 신호의 복수의 위상 구간에서 획득된 상기 광검출 소자의 출력으로부터, 상기 대상 공간 내의 물체까지의 거리를 공간 정보로서 검출하는,

공간 정보 검출 장치.