KR101957545B1 - 거리 센서 및 거리 화상 센서 - Google Patents

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Abstract

제1 반도체 영역(FD1)은 입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역에 둘러싸이도록 전하 발생 영역의 내측에 배치되어, 전하 발생 영역으로부터의 신호 전하를 수집한다. 제3 반도체 영역(FD31)은 전하 발생 영역을 둘러싸도록 전하 발생 영역의 외측에 배치되어, 전하 발생 영역으로부터의 불요 전하를 수집한다. 포토 게이트 전극(PG1)은 전하 발생 영역의 위에 배치된다. 제1 게이트 전극(TX1)은 제1 반도체 영역(FD1)과 전하 발생 영역의 사이에 배치되어, 입력 신호에 따라 전하 발생 영역으로부터의 신호 전하를 제1 반도체 영역(FD1)에 유입시킨다. 제3 게이트 전극(TX31)은 제3 반도체 영역(FD31)과 전하 발생 영역의 사이에 배치되어, 입력 신호에 따라 전하 발생 영역으로부터의 불요 전하를 제3 반도체 영역(FD31)에 유입시킨다.

Description

거리 센서 및 거리 화상 센서{RANGE SENSOR AND RANGE IMAGE SENSOR}
본 발명은 거리 센서 및 거리 화상 센서에 관한 것이다.
TOF(Time-Of-Flight) 형의 거리 화상 센서(거리 센서)가 알려져 있다(예를 들어, 비특허 문헌 1 참조). 비특허 문헌 1에 기재된 거리 화상 센서는, 입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과, 전하 발생 영역에 둘러싸이도록 전하 발생 영역의 내측에 배치된 전하 수집 영역과, 전하 발생 영역을 둘러싸도록 전하 발생 영역의 외측에 배치된 전하 배출 영역과, 전하 발생 영역의 위에 배치되어, 입력 신호에 따라 전하 발생 영역의 전하를 전하 수집 영역에 유입(流入)시키는 내측 게이트 전극과, 전하 발생 영역의 위에 배치되어, 입력 신호에 따라 전하 발생 영역의 전하를 전하 배출 영역에 유입시키는 외측 배출 게이트 전극을 구비하고 있다. 내측 게이트 전극과 외측 배출 게이트 전극에 주어지는 전위차에 의해, 내측 게이트 전극 및 외측 배출 게이트 전극의 바로 아래 영역에는 포텐셜의 구배(句配)가 형성된다. 이 포텐셜의 구배에 따라서, 전하 발생 영역에 발생한 전하는 전하 수집 영역 또는 전하 배출 영역으로 이동한다.
비특허 문헌 1: T. Y. Lee et al. ,"A192×108 pixel ToF-3D image sensor with single-tap concentric-gate demodulation pixels in 0.13㎛ technology", Proceeding of the 2011 IEEE International Electron Devices Meeting, December 5-8, 2011, pp.8.7.1-8.7.4
그렇지만, 비특허 문헌 1에 기재된 거리 화상 센서는, 이하와 같은 문제점을 가지고 있다.
외측 배출 게이트 전극측으로부터 내측 게이트 전극측을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성되면, 전하는 전하 수집 영역으로 이동한다. 이때, 외측 배출 게이트 전극의 바로 아래 영역에 형성되는 포텐셜은, 전하 배출 영역측에 있어서, 전하 배출 영역을 향해 낮아지는 구배를 가지기 때문에, 전하 발생 영역에 발생한 전하의 일부는, 전하 배출 영역으로 이동한다. 따라서 전하 수집 영역으로의 전하의 전송 효율이 열화되어, 거리 검출 정밀도가 열화된다. 특히, 외측 배출 게이트 전극은, 전하 발생 영역의 위에 배치되면서 또한 내측 게이트 전극의 외측에 위치하여 면적이 비교적 크기 때문에, 전하 발생 영역에 발생한 전하의 일부가 전하 배출 영역으로 이동하기 쉽다.
내측 게이트 전극측으로부터 외측 배출 게이트 전극측을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성되면, 전하는 전하 배출 영역으로 이동한다. 이때, 내측 게이트 전극의 바로 아래 영역에 형성되는 포텐셜은, 전하 수집 영역측에 있어서, 전하 수집 영역을 향해 낮아지는 구배를 가지기 때문에, 전하 발생 영역에 발생한 전하의 일부는, 전하 수집 영역으로 이동한다. 따라서 전하 배출 영역으로의 전하의 전송 효율이 열화되어, 배경광(외란광)에 유래하는 전하가 배출되지 않고, 전하 배출 영역에 축적된다. 배출해야 할 전하가 전하 배출 영역에 축적되면, 신호를 판독하기 전에, 축적 용량이 포화된다. 이 결과, 거리 검출 정밀도가 열화된다.
본 발명은 거리 검출 정밀도를 향상하는 것이 가능한 거리 센서 및 거리 화상 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
하나의 관점에서는, 본 발명은 거리 센서로서, 입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과, 전하 발생 영역에 둘러싸이도록 전하 발생 영역의 내측에 배치되어, 전하 발생 영역으로부터의 신호 전하를 수집하는 신호 전하 수집 영역과, 전하 발생 영역을 둘러싸도록 전하 발생 영역의 외측에 배치되어, 전하 발생 영역으로부터의 불요(不要) 전하를 수집하는 불요 전하 수집 영역과, 전하 발생 영역의 위에 배치되는 포토 게이트 전극과, 신호 전하 수집 영역과 전하 발생 영역의 사이에 배치되어, 입력된 신호에 따라 전하 발생 영역으로부터의 신호 전하를 신호 전하 수집 영역에 유입시키는 전송 전극과, 불요 전하 수집 영역과 전하 발생 영역의 사이에 배치되어, 입력된 신호에 따라 전하 발생 영역으로부터의 불요 전하를 불요 전하 수집 영역에 유입시키는 불요 전하 수집 게이트 전극을 구비하고 있다.
본 발명에서는, 포토 게이트 전극이 전하 발생 영역의 위에 배치되고, 전송 전극이 신호 전하 수집 영역과 전하 발생 영역의 사이에 배치되고, 불요 전하 수집 게이트 전극이 전하 발생 영역과 불요 전하 수집 영역의 사이에 배치되어 있다. 신호 전하가 신호 전하 수집 영역에 보내질 때에는, 포토 게이트 전극, 전송 전극, 및 불요 전하 수집 게이트 전극의 바로 아래 영역에는, 불요 전하 수집 게이트 전극측으로부터 전송 전극측을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성된다. 따라서 포토 게이트 전극 아래의 전하 발생 영역에 발생한 전하는, 신호 전하 수집 영역으로 확실히 이동하고, 불요 전하 수집 영역으로는 이동하기 어렵다. 이 결과, 신호 전하의 전송 효율이 향상된다. 불요 전하가 불요 전하 수집 영역에 보내질 때에는, 포토 게이트 전극, 전송 전극, 및 불요 전하 수집 게이트 전극의 바로 아래 영역에는, 전송 전극측으로부터 불요 전하 수집 게이트 전극측을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성된다. 따라서 포토 게이트 전극 아래의 전하 발생 영역에 발생한 전하는, 불요 전하로서 불요 전하 수집 영역으로 확실히 이동하고, 신호 전하 수집 영역으로는 이동하기 어렵다. 이 결과, 불요 전하의 전송 효율이 향상된다. 이것에 의해, 본 발명에 의하면, 거리 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
복수의 전하 발생 영역과, 복수의 신호 전하 수집 영역과, 복수의 불요 전하 수집 영역과, 복수의 포토 게이트 전극과, 복수의 전송 전극과, 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극을 구비하고 있고, 복수의 전송 전극에는, 서로 다른 위상의 전하 전송 신호가 각각 주어져도 좋다. 이 경우, 복수의 전하 발생 영역이 한 화소에 대응하고, 당해 한 화소로부터의 출력에 기초하여, 거리 연산이 행해진다.
서로 이웃하는 불요 전하 수집 영역끼리가, 일체적(一體的)으로 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 서로 이웃하는 전하 발생 영역 사이의 거리가 짧아져, 센서 면적의 이용 효율을 높일 수 있다. 이 결과, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.
복수의 전하 발생 영역이, 공간적으로 이간되어 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 서로 이웃하는 전하 발생 영역의 사이에 불요 전하 수집 영역이 위치하기 때문에, 불요 전하가 불요 전하 수집 영역으로 확실히 이동한다. 따라서 불요 전하의 전송 효율을 보다 한층 향상시킬 수 있다.
서로 이웃하는 전하 발생 영역끼리가 일체적으로 형성되고, 서로 이웃하는 포토 게이트 전극끼리가 일체적으로 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 하나의 전하 수집 영역에 대해서 전하 발생 영역이 확대되어, 당해 전하 수집 영역으로 이동하는 신호 전하가 증가한다. 따라서 신호 전하의 전송 효율을 보다 한층 향상시킬 수 있다.
전송 전극에는, 소정의 타이밍에서 간헐적으로 위상 시프트가 주어진 전하 전송 신호가 주어져도 좋다. 이 경우, 하나의 전하 발생 영역이 한 화소에 대응하고, 동일 화소로부터의 출력에 기초하여 거리가 연산된다. 이 때문에, 복수의 전하 발생 영역이 한 화소에 대응하는 구성에 비하여, 거리 연산의 편차를 저감시킬 수 있다. 센서 면적의 이용 효율을 높일 수 있어, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.
포토 게이트 전극과 전송 전극과 불요 전하 수집 게이트 전극은, 신호 전하 수집 영역을 중심으로 하여, 신호 전하 수집 영역측으로부터 전송 전극, 포토 게이트 전극, 불요 전하 수집 게이트 전극의 순으로 동심(同心) 모양으로 배치되어 있어도 좋다. 신호 전하 수집 영역은, 평면에서 볼 때 구형상(矩形狀)이고, 포토 게이트 전극과 전송 전극과 불요 전하 수집 게이트 전극은, 대략 다각형 환상(環狀)을 나타내고 있어도 좋다. 신호 전하 수집 영역은, 평면에서 볼 때 원형상이고, 포토 게이트 전극과 전송 전극과 불요 전하 수집 게이트 전극은, 대략 환상을 나타내고 있어도 좋다.
다른 관점에서는, 본 발명은 일차원 모양 또는 이차원 모양으로 배치된 복수의 유닛으로 이루어진 촬상 영역을 반도체 기판상에 구비하고, 유닛으로부터 출력되는 전하량에 기초하여, 거리 화상을 얻는 거리 화상 센서로서, 유닛 각각이, 상기 거리 센서이다.
본 발명에서는, 상술한 것처럼, 신호 전하 및 불요 전하의 전송 효율이 향상됨으로써, 거리 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
복수의 유닛 중 서로 이웃하는 2개의 유닛이, 촬상(撮像) 영역의 한 화소를 구성하고 있어도 좋다.
복수의 유닛 중 임의의 하나의 유닛과, 임의의 하나의 유닛과 서로 이웃하는 복수의 유닛에 있어서, 임의의 하나의 유닛과 복수의 유닛 중 하나의 유닛씩이 촬상 영역의 한 화소를 각각 구성하고 있어도 좋다. 이 경우, 센서 면적의 이용 효율을 높일 수 있어, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.
유닛 각각이, 촬상 영역의 한 화소를 구성하고 있어도 좋다. 이 경우, 동일 화소로부터의 출력에 기초하여 거리가 연산되므로, 거리 연산의 편차를 저감시킬 수 있다. 센서 면적의 이용 효율을 높일 수 있어, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 거리 검출 정밀도를 향상하는 것이 가능한 거리 센서 및 거리 화상 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 측거(測距) 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2는 거리 화상 센서의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 거리 화상 센서의 개략 평면도이다.
도 4는 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 도 4에 있어서의 V-V선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 전하의 축적 및 배출 동작을 설명하기 위한, 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 7은 전하의 축적 및 배출 동작을 설명하기 위한, 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 각종 신호의 타이밍 차트이다.
도 10은 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 12는 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 13은 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 14는 도 13에 있어서의 XIV－XIV선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 15는 각종 신호의 타이밍 차트이다.
도 16은 신호 전하의 축적 동작을 설명하기 위한, 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 17은 신호 전하의 축적 동작을 설명하기 위한, 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 18은 불요 전하의 배출 동작을 설명하기 위한, 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 19는 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 20은 각종 신호의 타이밍 차트이다.
도 21은 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 22는 도 21에 있어서의 XXII－XXII선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 매우 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 가지는 요소에는, 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 측거 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
이 측거 장치는 거리 화상 센서(1)와, 근적외광을 출사하는 광원(3)과, 구동 회로(4)와, 제어 회로(2)와, 연산 회로(5)를 구비하고 있다. 구동 회로(4)는 광원(3)에 펄스 구동 신호 SP를 준다. 제어 회로(2)는 거리 화상 센서(1)의 각 화소에 포함되는 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2：도 4 참조)에, 펄스 구동 신호 SP에 동기한 검출용 게이트 신호 S1, S2를 준다. 연산 회로(5)는, 거리 화상 센서(1)의 제1~제2 반도체 영역(FD1~FD2：도 4 참조)으로부터 판독된 거리 정보를 나타내는 신호 d＇(m, n)으로부터, 보행자 등의 대상물 H까지의 거리를 연산한다. 거리 화상 센서(1)로부터 대상물 H까지의 수평 방향 D의 거리를 d라고 한다. 제어 회로(2)는 후술하는 전하 전송 신호 S3도 출력한다.
제어 회로(2)는 펄스 구동 신호 SP를 구동 회로(4)의 스위치(4b)에 입력하고 있다. LED 또는 레이저 다이오드로 이루어진 투광용의 광원(3)은, 스위치(4b)를 통해서 전원(4a)에 접속되어 있다. 스위치(4b)에 펄스 구동 신호 SP가 입력되면, 펄스 구동 신호 SP와 같은 파형의 구동 전류가 광원(3)에 공급되고, 광원(3)으로부터는 측거용의 프로브(probe)광으로서의 펄스광 LP가 출력된다. 펄스광 LP가 대상물 H에 조사되면, 대상물 H에 의해서 펄스광이 반사된다. 반사된 펄스광은, 펄스광 LD로서, 거리 화상 센서(1)에 입사되고, 펄스 검출 신호 SD가 출력된다.
거리 화상 센서(1)는 배선 기판(10)상에 배치되어 있다. 배선 기판(10)상의 배선을 통해서, 거리 정보를 가지는 신호 d＇(m, n)이 거리 화상 센서(1)의 각 화소로부터 출력된다.
펄스 구동 신호 SP의 파형은, 주기 T의 방형파(方形波)이다. 하이 레벨을 「1」, 로우 레벨을 「0」이라고 하면, 펄스 구동 신호 SP의 전압 V(t)는 이하의 식으로 주어진다.
펄스 구동 신호 SP：
V(t)=1(단, 0＜t＜(T/2)인 경우)
V(t)=0(단, (T/2)＜t＜T인 경우)
V(t＋T)=V(t)
검출용 게이트 신호 S1, S2의 파형은, 주기 T의 방형파이다. 검출용 게이트 신호 S1, S2의 전압 V(t)는 이하의 식으로 주어진다.
검출용 게이트 신호 S1：
V(t)=1(단, 0＜t＜(T/2)인 경우)
V(t)=0(단, (T/2)＜t＜T인 경우)
V(t＋T)=V(t)
검출용 게이트 신호 S2(=S1의 반전)：
V(t)=0(단, 0＜t＜(T/2)인 경우)
V(t)=1(단, (T/2)＜t＜T인 경우)
V(t＋T)=V(t)
상기 펄스 신호 SP, S1, S2, SD는, 모두 펄스 주기 2×TP를 가지고 있다. 검출용 게이트 신호 S1 및 펄스 검출 신호 SD가 함께 「1」일 때에 거리 화상 센서(1) 내에서 발생하는 전하량을 Q1이라고 한다. 검출용 게이트 신호 S2 및 펄스 검출 신호 SD가 함께 「1」일 때에 거리 화상 센서(1) 내에서 발생하는 전하량을 Q2라고 한다.
검출용 게이트 신호 S1과 펄스 검출 신호 SD의 위상차는, 검출용 게이트 신호 S2와 펄스 검출 신호 SD가 「1」일 때의 중복 기간에 있어서, 거리 화상 센서(1)에서 발생한 전하량 Q2에 비례한다. 즉, 전하량 Q2는, 검출용 게이트 신호 S2와 펄스 검출 신호 SD의 논리곱이 「1」인 기간에서 발생한 전하량이다. 1화소 내에서 발생하는 전(全)전하량을 Q1＋Q2라고 하고, 펄스 구동 신호 SP의 반주기의 펄스 폭을 TP라고 하면, Δt=TP×Q2/(Q1＋Q2)의 기간만큼, 펄스 구동 신호 SP에 대해서 펄스 검출 신호 SD가 지연되어 있다. 하나의 펄스광의 비행 시간 Δt는, 대상물까지의 거리를 d, 광속을 c라고 하면, Δt=2d/c로 주어진다. 이 때문에, 특정의 화소로부터의 거리 정보를 가지는 신호 d＇(m, n)로서 2개의 전하량(Q1, Q2)이 출력되면, 연산 회로(5)는 입력된 전하량 Q1, Q2과, 미리 판명되어 있는 반주기 펄스폭 TP에 기초하여, 대상물 H까지의 거리 d=(c×Δt)/2=c×TP×Q2/(2×(Q1＋Q2))를 연산한다.
상술한 바와 같이, 전하량 Q1, Q2를 분리하여 판독하면, 연산 회로(5)는 거리 d를 연산할 수 있다. 상술한 펄스는 반복하여 출사되고, 그 적분치(積分値)를 각 전하량 Q1, Q2로서 출력할 수 있다.
전하량 Q2의 전체 전하량에 대한 비율은, 상술한 위상차, 즉, 대상물 H까지의 거리에 대응하고 있다. 연산 회로(5)는 이 위상차에 따라 대상물 H까지의 거리를 연산하고 있다. 상술한 바와 같이, 위상차에 대응하는 시간차를 Δt라고 하면, 거리 d는 매우 적합하게는 d=(c×Δt)/2로 주어지지만, 적당한 보정 연산을 이것에 더하여 행해도 좋다. 예를 들어, 실제 거리와 연산된 거리 d가 서로 다른 경우, 후자를 보정하는 계수 β를 미리 구해 두고, 출하 후의 제품에서는 연산된 거리 d에 계수 β를 곱한 것을 최종적인 연산 거리 d라고 해도 좋다. 외기 온도를 측정해 두고, 외기 온도에 따라 광속 c가 다른 경우에는, 광속 c를 보정하는 연산을 행하고 나서, 거리 연산을 행할 수도 있다. 연산 회로에 입력된 신호와 실제 거리의 관계를 미리 메모리에 기억해 두고, 룩업 테이블 방식에 의해서, 거리를 연산해도 좋다. 센서 구조에 따라서도 연산 방법은 변경할 수 있으며, 이것에는 종래부터 알려져 있는 연산 방법을 이용할 수 있다.
도 2는 거리 화상 센서의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
거리 화상 센서(1)는 표면 입사형의 거리 화상 센서로서, 반도체 기판(1A)을 구비하고 있다. 거리 화상 센서(1)에는, 반도체 기판(1A)의 광입사면(1FT)으로부터 펄스광 LD가 입사된다. 거리 화상 센서(1)의 광입사면(1FT)과는 반대측인 이면(1BK)은, 접착 영역(AD)을 통해서 배선 기판(10)에 접속되어 있다. 접착 영역(AD)은 절연성의 접착제나 필러를 가지고 있다. 거리 화상 센서(1)는 소정의 위치에 개구(開口)가 형성된 차광층(LI)을 구비하고 있다. 차광층(LI)은 광입사면(1FT)의 전방(前方)에 배치되어 있다.
도 3은 거리 화상 센서의 개략 평면도이다.
거리 화상 센서(1)에서는, 반도체 기판(1A)이 이차원 모양으로 배열된 복수의 화소 P(m, n)로 이루어진 촬상 영역(1B)을 가지고 있다. 각 화소 P(m, n)로부터는, 상술한 거리 정보를 가지는 신호 d＇(m, n)로서 2개의 전하량(Q1, Q2)이 출력된다. 각 화소 P(m, n)은 미소(微小) 측거 센서로서 대상물 H까지의 거리에 따른 신호 d＇(m, n)를 출력한다. 따라서 대상물 H로부터의 반사광이, 촬상 영역(1B)에 결상 되면, 대상물 H상의 각 점까지의 거리 정보의 집합체로서의 대상물의 거리 화상을 얻을 수 있다. 하나의 화소 P(m, n)은, 하나의 거리 센서로서 기능한다.
도 4는 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다. 도 5는 도 4에 있어서의 V-V선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
거리 화상 센서(1)는, 도 2에도 도시되어 있는 것처럼, 서로 대향하는 광입사면(1FT)과 이면(1BK)를 가지는 반도체 기판(1A)을 구비하고 있다. 반도체 기판(1A)은, 이면(1BK)측에 위치하는 p형의 제1 기판 영역(1Aa)과, 광입사면(1FT)측에 위치하는 p－형의 제2 기판 영역(1Ab)을 가진다. 제2 기판 영역(1Ab)은 제1 기판 영역(1Aa)보다도 불순물 농도가 낮다. 반도체 기판(1A)은, 예를 들어, p형의 반도체 기판상에, 당해 반도체 기판보다도 불순물 농도가 낮은 p－형의 애피택셜층을 성장시킴으로써 얻을 수 있다.
거리 화상 센서(1)는, 각 화소 P(m, n)에 있어서, 복수의 포토 게이트 전극(본 실시 형태에서는, 2개의 포토 게이트 전극)(PG1, PG2)과, 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)과, 복수의 제3 게이트 전극(본 실시 형태에서는, 2개의 제3 게이트 전극(TX31, TX32)과, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)과, 복수의 제3 반도체 영역(본 실시 형태에서는, 2개의 제3 반도체 영역)(FD31, FD32)을 구비하고 있다.
2개의 포토 게이트 전극(PG1, PG2)은, 광입사면(1FT)상에 절연층(1E)을 통해서 마련되어 있고, 서로 공간적으로 이간되어 배치되어 있다. 제1 및 제3 게이트 전극(TX1, TX31)은, 광입사면(1FT)상에서 절연층(1E)을 통해서 마련되어 있고, 포토 게이트 전극(PG1)에 인접해 있다. 제2 및 제3 게이트 전극(TX2, TX32)은, 광입사면(1FT)상에서 절연층(1E)을 통해서 마련되어 있고, 포토 게이트 전극(PG2)에 인접해 있다. 각 제1~제3 반도체 영역(FD1, FD2)은, 대응하는 게이트 전극(TX1, TX2)의 바로 아래 영역으로 유입되는 전하를 축적한다. 본 실시 형태의 반도체 기판(1A)은 Si로 이루어지고, 절연층(1E)는 SiO2로 이루어진다.
차광층(LI)에는, 대략 다각형 환상의 개구(LI1, LI2)가 형성되어 있다. 개구(LI1, LI2)는, 구형 환상을 나타내고 있다. 광(대상물 H로부터의 반사광)은, 차광층(LI)의 개구(LI1, LI2)를 통해서, 반도체 기판(1A)에 입사된다. 따라서 개구(LI1, LI2)에 의해, 반도체 기판(1A)에는, 구형 환상인 수광 영역이 규정된다. 차광층(LI)은, 예를 들어, 알루미늄 등의 금속으로 이루어진다.
포토 게이트 전극(PG1, PG2)은, 개구(LI1, LI2)에 대응해서 배치되어 있다. 포토 게이트 전극(PG1, PG2)은, 개구(LI1, LI2)의 형상에도 대응하고 있으며, 평면에서 볼 때 대략 다각형 환상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 포토 게이트 전극(PG1, PG2)은, 구형 환상을 나타내고 있다. 포토 게이트 전극(PG1, PG2)은 폴리 실리콘으로 이루어지지만, 다른 재료를 이용해도 좋다.
제1 반도체 영역(FD1)은, 포토 게이트 전극(PG1)에 둘러싸이도록 포토 게이트 전극(PG1)의 내측에 배치되어 있다. 제1 반도체 영역(FD1)은, 포토 게이트 전극(PG1)의 바로 아래 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다. 즉, 제1 반도체 영역(FD1)은, 수광 영역에 둘러싸이도록 수광 영역의 내측이면서 또한 수광 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다.
제2 반도체 영역(FD2)은, 포토 게이트 전극(PG2)에 둘러싸이도록 포토 게이트 전극(PG2)의 내측에 배치되어 있다. 제2 반도체 영역(FD2)은 포토 게이트 전극(PG2)의 바로 아래 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다. 즉, 제2 반도체 영역(FD2)은 수광 영역에 둘러싸이도록 수광 영역의 내측이면서 또한 수광 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다.
제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)은, 평면에서 볼 때 대략 다각형상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)은, 구형상(상세하게는, 정사각형상)을 나타내고 있다. 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)은, 신호 전하 수집 영역으로서 기능한다. 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)은 고불순물 농도의 n형 반도체로 이루어진 영역으로, 플로팅·디퓨전 영역이다.
제1 게이트 전극(TX1)은, 포토 게이트 전극(PG1)(수광 영역)과 제1 반도체 영역(FD1)의 사이에 배치되어 있다. 제1 게이트 전극(TX1)은, 제1 반도체 영역(FD1)을 둘러싸도록 제1 반도체 영역(FD1)의 외측에 위치하고 있음과 아울러, 포토 게이트 전극(PG1)에 둘러싸이도록 포토 게이트 전극(PG1)의 내측에 위치하고 있다. 제1 게이트 전극(TX1)은, 포토 게이트 전극(PG1)과 제1 반도체 영역(FD1)의 사이에 끼도록, 포토 게이트 전극(PG1) 및 제1 반도체 영역(FD1)으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다.
제2 게이트 전극(TX2)은, 포토 게이트 전극(PG2)(수광 영역)과 제2 반도체 영역(FD2)의 사이에 배치되어 있다. 제2 게이트 전극(TX2)은, 제2 반도체 영역(FD2)을 둘러싸도록 제2 반도체 영역(FD2)의 외측에 위치하고 있음과 아울러, 포토 게이트 전극(PG2)에 둘러싸이도록 포토 게이트 전극(PG2)의 내측에 위치하고 있다. 제2 게이트 전극(TX2)은, 포토 게이트 전극(PG2)과 제2 반도체 영역(FD2)의 사이에 끼도록, 포토 게이트 전극(PG2) 및 제2 반도체 영역(FD2)으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다.
제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)은, 평면에서 볼 때 대략 다각형 환상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)은, 구형 환상을 나타내고 있다. 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)은 폴리 실리콘으로 이루어지지만, 이것들은 다른 재료를 이용해도 좋다. 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)은 전송 전극으로서 기능한다.
제3 반도체 영역(FD31)은, 포토 게이트 전극(PG1)을 둘러싸도록 포토 게이트 전극(PG1)의 외측에 배치되어 있다. 제3 반도체 영역(FD31)은, 포토 게이트 전극(PG1)의 바로 아래 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다. 즉, 제3 반도체 영역(FD31)은, 수광 영역을 둘러싸도록 수광 영역의 외측이면서 또한 수광 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다.
제3 반도체 영역(FD32)은, 포토 게이트 전극(PG2)을 둘러싸도록 포토 게이트 전극(PG2)의 외측에 배치되어 있다. 제3 반도체 영역(FD32)은, 포토 게이트 전극(PG2)의 바로 아래 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다. 즉, 제3 반도체 영역(FD32)은, 수광 영역을 둘러싸도록 수광 영역의 외측이면서 또한 수광 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다.
제3 반도체 영역(FD31, FD32)은, 평면에서 볼 때 대략 다각형 환상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제3 반도체 영역(FD31, FD32)은, 구형 환상을 나타내고 있다. 또, 본 실시 형태에서는, 서로 이웃하는 제3 반도체 영역(FD31, FD32)은, 일체로 형성되어 있다. 즉, 제3 반도체 영역(FD31)과 제3 반도체 영역(FD32)은, 포토 게이트 전극(PG1)(수광 영역)과 포토 게이트 전극(PG2)(수광 영역)의 사이에 끼는 영역이 공통화되어 있다. 제3 반도체 영역(FD31, FD32)은, 불요 전하 수집 영역으로서 기능한다. 제3 반도체 영역(FD31, FD32)은 고불순물 농도의 n형 반도체로 이루어진 영역으로, 플로팅·디퓨전 영역이다.
제3 게이트 전극(TX31)은, 포토 게이트 전극(PG1)(수광 영역)과 제3 반도체 영역(FD31)의 사이에 배치되어 있다. 제3 게이트 전극(TX31)은, 포토 게이트 전극(PG1)을 둘러싸도록 포토 게이트 전극(PG1)의 외측에 위치하고 있음과 아울러, 제3 반도체 영역(FD31)에 둘러싸이도록 제3 반도체 영역(FD31)의 내측에 위치하고 있다. 제3 게이트 전극(TX31)은, 포토 게이트 전극(PG1)과 제3 반도체 영역(FD31)의 사이에 끼도록, 포토 게이트 전극(PG1) 및 제3 반도체 영역(FD31)으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다.
제3 게이트 전극(TX32)은, 포토 게이트 전극(PG2)(수광 영역)과 제3 반도체 영역(FD32)의 사이에 배치되어 있다. 제3 게이트 전극(TX32)은, 포토 게이트 전극(PG2)을 둘러싸도록 포토 게이트 전극(PG2)의 외측에 위치하고 있음과 아울러, 제3 반도체 영역(FD32)에 둘러싸이도록 제3 반도체 영역(FD32)의 내측에 위치하고 있다. 제3 게이트 전극(TX32)은, 포토 게이트 전극(PG2)과 제3 반도체 영역(FD32)의 사이에 끼도록, 포토 게이트 전극(PG2) 및 제3 반도체 영역(FD32)으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다.
제3 게이트 전극(TX31, TX32)은, 평면에서 볼 때 대략 다각형 환상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제3 게이트 전극(TX31, TX32)은, 구형 환상을 나타내고 있다. 제3 게이트 전극(TX31, TX32)은 폴리 실리콘으로 이루어지지만, 이것들은 다른 재료를 이용해도 좋다. 제3 게이트 전극(TX31, TX32)은, 불요 전하 수집 게이트 전극으로서 기능한다.
포토 게이트 전극(PG1)과 제1 게이트 전극(TX1)과 제3 게이트 전극(TX31)은, 제1 반도체 영역(FD1)을 중심으로 하여, 제1 반도체 영역(FD1)측으로부터 제1 게이트 전극(TX1), 포토 게이트 전극(PG1), 제3 게이트 전극(TX31)의 순으로 동심 모양으로 배치되어 있다. 포토 게이트 전극(PG2)과 제2 게이트 전극(TX2)과 제3 게이트 전극(TX32)은, 제2 반도체 영역(FD2)을 중심으로 하여, 제2 반도체 영역(FD2)측으로부터 제2 게이트 전극(TX2), 포토 게이트 전극(PG2), 제3 게이트 전극(TX32)의 순으로 동심 모양으로 배치되어 있다.
각 영역의 두께/불순물 농도는 이하와 같다.
반도체 기판(1A)의 제1 기판 영역(1Aa)：두께 5~700㎛/불순물 농도 1×1018~1020cm－3
반도체 기판(1A)의 제2 기판 영역(1Ab)：두께 3~50㎛/불순물 농도 1×1013~1016cm－3
제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)：두께 0.1~0.4㎛/불순물 농도 1×1018~1020cm－3
제3 반도체 영역(FD31, FD32)：두께 0.1~0.4㎛/불순물 농도 1×1018~1020cm－3
절연층(1E)에는, 제1~제3 반도체 영역(FD1, FD2, FD31, FD32)의 표면을 노출시키기 위한 컨택트홀(도시하지 않음)이 마련되어 있다. 컨택트홀 내에는, 제1~제3 반도체 영역(FD1, FD2, FD31, FD32)을 외부에 접속하기 위한 도체(도시하지 않음)가 배치된다.
차광층(LI)은, 반도체 기판(1A)에 있어서의 제1~제3 게이트 전극(TX1, TX2, TX31, TX32) 및 제1~제3 반도체 영역(FD1, FD2, FD31, FD32)이 배치된 영역을 덮고 있어, 당해 영역에 광이 입사하는 것을 방지하고 있다. 이것에 의해, 상기 영역에 입사된 광에 의한 불요 전하의 발생을 방지할 수 있다.
반도체 기판(1A)에 있어서의 포토 게이트 전극(PG1, PG2)에 대응하는 영역(포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 바로 아래 영역)은, 입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역으로서 기능한다. 따라서 전하 발생 영역은, 포토 게이트 전극(PG1, PG2) 및 개구(LI1, LI2)의 형상에 대응하여, 구형 환상을 나타내고 있다. 거리 화상 센서(1)에서는, 포토 게이트 전극(PG1)(포토 게이트 전극(PG1)의 바로 아래의 전하 발생 영역)을 포함하는 제1 유닛과, 포토 게이트 전극(PG2)(포토 게이트 전극(PG2)의 바로 아래의 전하 발생 영역)을 포함하는 제2 유닛이 서로 이웃하여 배치되어 있다. 서로 이웃하여 배치된 제1 유닛과 제2 유닛이 한 화소 P(m, n)을 형성하고 있다.
제1 게이트 전극(TX1)에, 하이 레벨의 신호(양(positive) 전위)가 주어지면, 제1 게이트 전극(TX1) 아래의 포텐셜이 반도체 기판(1A)에 있어서의 포토 게이트 전극(PG1)의 바로 아래 영역의 포텐셜에 비해서 낮아진다. 이것에 의해, 음(negative)의 전하(전자)는, 제1 게이트 전극(TX1)의 방향으로 끌어 당겨져, 제1 반도체 영역(FD1)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 축적된다. 제1 게이트 전극(TX1)은 입력된 신호에 따라서, 신호 전하를 제1 반도체 영역(FD1)에 유입시킨다. n형의 반도체는, 양으로 이온화된 도너를 포함하고 있어, 양의 포텐셜을 가져, 전자를 끌어당긴다. 제1 게이트 전극(TX1)에, 로우 레벨의 신호(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어지면, 제1 게이트 전극(TX1)에 의한 포텐셜 장벽이 생긴다. 따라서 반도체 기판(1A)에서 발생한 전하는, 제1 반도체 영역(FD1) 내에는 끌어 당겨지지 않다.
제2 게이트 전극(TX2)에, 하이 레벨의 신호(양 전위)가 주어지면, 제2 게이트 전극(TX2) 아래의 포텐셜이 반도체 기판(1A)에 있어서의 포토 게이트 전극(PG2)의 바로 아래 영역의 포텐셜에 비해서 낮아진다. 이것에 의해, 음의 전하(전자)는, 제2 게이트 전극(TX2)의 방향으로 끌어 당겨져, 제2 반도체 영역(FD2)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 축적된다. 제2 게이트 전극(TX2)은, 입력된 신호에 따라서, 신호 전하를 제2 반도체 영역(FD2)에 유입시킨다. 제2 게이트 전극(TX2)에, 로우 레벨의 신호(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어지면, 제2 게이트 전극(TX2)에 의한 포텐셜 장벽이 생긴다. 따라서 반도체 기판(1A)에서 발생한 전하는, 제2 반도체 영역(FD2)내에는 끌어 당겨지지 않다.
제3 게이트 전극(TX31, TX32)에, 하이 레벨의 신호(양 전위)가 주어지면, 제3 게이트 전극(TX31, TX32)의 바로 아래 영역의 포텐셜이 반도체 기판(1A)에 있어서의 포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 바로 아래 영역의 포텐셜에 비해서 낮아진다. 이것에 의해, 음의 전하(전자)는 제3 게이트 전극(TX31, TX32)의 방향으로 끌어 당겨져, 제3 반도체 영역(FD31, FD32)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 유입된다. 제3 게이트 전극(TX31, TX32)에, 로우 레벨의 신호(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어지면, 제3 게이트 전극(TX31, TX32)에 의한 포텐셜 장벽이 생긴다. 따라서 반도체 기판(1A)에서 발생한 전하는, 제3 반도체 영역(FD31, FD32) 내에는 끌어 당겨지지 않다. 제3 반도체 영역(FD31, FD32)은 광의 입사에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하 중 일부의 전하를, 불요 전하로서 수집한다.
거리 화상 센서(1)에서는, 투광용의 광의 입사에 응답하여 반도체 심부(深部)에서 발생한 전하가, 광입사면(1FT)측에 마련된 포텐셜 우물로 끌어 당겨진다. 이 때문에, 고속으로 정확한 측거가 가능하다.
반도체 기판(1A)의 광입사면(1FT)으로부터 입사된 대상물로부터의 펄스광 LD는, 반도체 기판(1A)의 표면측에 마련된 수광 영역(전하 발생 영역)에 이른다. 펄스광의 입사에 수반하여 반도체 기판(1A) 내에서 발생한 전하는, 각 전하 발생 영역(포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 바로 아래의 각 영역)으로부터, 대응하는 전하 발생 영역에 인접하는 제1 또는 제2 게이트 전극(TX1, TX2)의 바로 아래 영역으로 보내진다. 즉, 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)에 광원의 펄스 구동 신호 SP에 동기한 검출용 게이트 신호 S1, S2가, 배선 기판(10)을 통해서, 교호로 주어지면, 각 전하 발생 영역에서 발생한 전하가, 각각 제1 또는 제2 게이트 전극(TX1, TX2)의 바로 아래 영역으로 흐르고, 이것들로부터 제1 또는 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 유입된다.
제2 반도체 영역(FD2) 내에 축적된 전하량 Q2의 전체 전하량(Q1＋Q2)에 대한 비율은, 펄스 구동 신호 SP를 광원에 줌으로써 출사된 출사 펄스광과, 대상물 H에 의해서 출사 펄스광이 반사됨으로써 되돌아온 검출 펄스광의 위상차에 대응한다.
거리 화상 센서(1)는, 도시는 생략하지만, 반도체 기판(1A)의 전위를 기준 전위로 고정하기 위한 백 게이트 반도체 영역을 구비하고 있다.
도 6 및 도 7은, 전하의 축적 및 배출 동작을 설명하기 위한, 반도체 기판(1A)의 광입사면(1FT) 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다. 도 6및 도 7에서는, 하향이 포텐셜의 양방향이다. 도 6 및 도 7은, 도 4의 V－V선을 따른 포텐셜 분포를 나타낸다.
광입사시에 있어서, 포토 게이트 전극(PG1, PG2)에 주어지는 전위(예를 들어, 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)에 주어지는 높은 쪽의 전위와 낮은 쪽의 전위의 중간 전위)에 의해, 포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φPG1, φPG2는, 기판 전위보다도 약간 높게 설정되어 있다. 각 도면에는, 제1 게이트 전극(TX1)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX1, 제2 게이트 전극(TX2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX2, 제3 게이트 전극(TX31, TX32)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φ TX31, φT X 32, 제1 반도체 영역(FD1)의 포텐셜 φFD1, 제2 반도체 영역(FD2)의 포텐셜 φFD2, 및 제3 반도체 영역(FD31, FD32)의 포텐셜 φFD31, φFD32가 도시되어 있다.
검출용 게이트 신호 S1의 고전위가, 제1 게이트 전극(TX1)에 입력되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 포토 게이트 전극(PG1)의 바로 아래에서 발생한 전하는, 포텐셜 구배에 따라서, 제1 게이트 전극(TX1)의 바로 아래 영역을 통해서, 제1 반도체 영역(FD1)의 포텐셜 우물 내에 축적된다. 제1 반도체 영역(FD1)의 포텐셜 우물 내에는 전하량 Q1가 축적된다. 제1 게이트 전극(TX1)에 검출용 게이트 신호 S1이 인가되고 있는 동안, 제3 게이트 전극(TX31)에는 로우 레벨의 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어져 있다. 이 때문에, 제3 게이트 전극(TX31)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX31은 낮아지지 않아, 제3 반도체 영역(FD31)의 포텐셜 우물 내에는, 전하가 유입되지 않는다.
제2 게이트 전극(TX2)에는, 로우 레벨의 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 이 때문에, 제2 게이트 전극(TX2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX2는 낮아지지 않아, 제2 반도체 영역(FD2)의 포텐셜 우물 내에는, 전하가 유입되지 않는다. 제3 게이트 전극(TX32)에 양 전위가 주어지면, 전하 발생 영역(포토 게이트 전극(PG2)의 바로 아래 영역)에서 발생한 전하는, 제3 게이트 전극(TX32)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX32가 낮아짐으로써, 제3 반도체 영역(FD32)의 포텐셜 우물 내에 유입된다. 이것에 의해, 전하 발생 영역에서 발생한 전하가, 불요 전하로서 제3 반도체 영역(FD32)의 포텐셜 우물에 수집된다. 제3 반도체 영역(FD32)의 포텐셜 우물에 수집된 불요 전하는, 외부로 배출된다.
검출용 게이트 신호 S1에 이어서, 검출용 게이트 신호 S2의 고전위가, 제2 게이트 전극(TX2)에 입력되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 포토 게이트 전극(PG2)의 바로 아래에서 발생한 전하는, 포텐셜 구배에 따라서, 제2 게이트 전극(TX2)의 바로 아래 영역을 통해서, 제2 반도체 영역(FD2)의 포텐셜 우물 내에 축적된다. 제2 반도체 영역(FD2)의 포텐셜 우물 내에는 전하량 Q2가 축적된다. 제2 게이트 전극(TX2)에 검출용 게이트 신호 S2가 인가되고 있는 동안, 제3 게이트 전극(TX32)에는, 로우 레벨의 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어져 있다. 이 때문에, 제3 게이트 전극(TX32)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX32는 낮아지지 않아, 제3 반도체 영역(FD32)의 포텐셜 우물 내에는, 전하가 유입되지 않는다.
제1 게이트 전극(TX1)에는, 로우 레벨의 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 이 때문에, 제1 게이트 전극(TX1)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX1은 낮아지지 않아, 제1 반도체 영역(FD1)의 포텐셜 우물 내에는, 전하가 유입되지 않는다. 한편, 제3 게이트 전극(TX31)에 양 전위가 주어지면, 전하 발생 영역(포토 게이트 전극(PG1)의 바로 아래 영역)에서 발생한 전하는, 제3 게이트 전극(TX31)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX31가 낮아짐으로써, 제3 반도체 영역(FD31)의 포텐셜 우물 내에 유입된다. 이것에 의해, 전하 발생 영역에서 발생한 전하가, 불요 전하로서, 제3 반도체 영역(FD31)의 포텐셜 우물에 수집된다. 제3 반도체 영역(FD31)의 포텐셜 우물에 수집된 불요 전하는, 외부로 배출된다.
도 8은 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
제1 게이트 전극(TX1)에는, 전하 전송 신호로서 검출용 게이트 신호 S1이 주어진다. 제2 게이트 전극(TX2)에는, 전하 전송 신호로서 검출용 게이트 신호 S2가 주어진다. 즉, 제1 게이트 전극(TX1)과 제2 게이트 전극(TX2)에는, 서로 다른 위상의 전하 전송 신호가 주어진다. 제3 게이트 전극(TX31, TX32)에는, 전하 전송 신호 S31, S32가 주어진다.
전하 발생 영역(포토 게이트 전극(PG1)의 바로 아래 영역)에서 발생한 전하는, 제1 게이트 전극(TX1)에 하이 레벨의 검출용 게이트 신호 S1이 주어지고 있는 경우에는, 제1 반도체 영역(FD1)에 의해서 구성되는 포텐셜 우물에 신호 전하로서 유입된다. 제1 반도체 영역(FD1)에 축적된 신호 전하는, 축적된 전하량 Q1에 대응한 출력(Vout1)으로서 제1 반도체 영역(FD1)으로부터 판독된다. 전하 발생 영역(포토 게이트 전극(PG2)의 바로 아래 영역)에서 발생한 전하는, 제2 게이트 전극(TX2)에 하이 레벨의 검출용 게이트 신호 S2가 주어지고 있는 경우에는, 제2 반도체 영역(FD2)에 의해서 구성되는 포텐셜 우물에 신호 전하로서 유입된다. 제2 반도체 영역(FD2)에 축적된 신호 전하는, 축적된 전하량 Q2에 대응한 출력(Vout2)으로서 제2 반도체 영역(FD2)으로부터 판독된다. 이들 출력(Vout1, Vout2)은, 상술한 신호 d＇(m, n)에 상당한다.
도 9는 실제의 각종 신호의 타이밍 차트이다.
1 프레임의 기간은, 신호 전하를 축적하는 기간(축적 기간)과, 신호 전하를 판독하는 기간(판독 기간)으로 이루어진다. 하나의 화소에 주목하면, 축적 기간에 있어서, 펄스 구동 신호 SP에 기초한 신호가 광원에 인가되고, 이것에 동기하여, 검출용 게이트 신호 S1이 제1 게이트 전극(TX1)에 인가된다. 그리고 검출용 게이트 신호 S2가, 검출용 게이트 신호 S1에 소정의 위상차(예를 들어, 180도의 위상차)로 제2 게이트 전극(TX2)에 인가된다. 거리 측정에 앞서, 리셋 신호가 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 인가되어, 내부에 축적된 전하가 외부로 배출된다. 리셋 신호가 순간적으로 ON되고, 확실히 이동 OFF된 후, 검출용 게이트 신호 S1, S2의 펄스가 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)에 순서대로 인가되고, 추가로, 이것에 동기하여 전하 전송이 순차적으로 행해진다. 그리고 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2) 내에 신호 전하가 적산(積算)되어 축적된다.
그 후, 판독 기간에 있어서, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2) 내에 축적된 신호 전하가 판독된다. 이때, 제3 게이트 전극(TX31, TX32)에 인가되는 전하 전송 신호 S31, S32가 하이 레벨이 되어, 제3 게이트 전극(TX31, TX32)에 양 전위가 주어져, 불요 전하가 제3 반도체 영역(FD31, FD32)의 포텐셜 우물에 수집된다. 검출용 게이트 신호 S1과 전하 전송 신호 S31은, 반대 위상이다. 검출용 게이트 신호 S2와 전하 전송 신호 S32는, 반대 위상이다.
포토 게이트 전극(PG1, PG2)에 주어지는 전위 VPG는, 전위 VTX1, VTX2, VTX31, VTX32보다 낮게 설정되어 있다. 이것에 의해, 검출용 게이트 신호 S1, S2가 하이 레벨이 되었을 때에, 포텐셜 φTX1, φTX2는 포텐셜 φPG1, φPG2 보다도 낮아진다. 전하 전송 신호 S31, S32가 하이 레벨이 되었을 때에, 포텐셜 φTX31, φTX32는 포텐셜 φPG1, φPG2 보다도 낮아진다.
전위 VPG는, 검출용 게이트 신호 S1, S2 및 전하 전송 신호 S31, S32가 로우 레벨일 때의 전위보다 높게 설정되어 있다. 검출용 게이트 신호 S1, S2가 로우 레벨이 되었을 때에, 포텐셜 φTX1, φTX2는 포텐셜 φPG1, φPG2 보다도 높아진다. 또, 전하 전송 신호 S31, S32가 로우 레벨이 되었을 때에, 포텐셜 φTX31, φTX32는 포텐셜 φPG1, φPG2 보다도 높아진다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 포토 게이트 전극(PG1)이 전하 발생 영역의 위에 배치되고, 제1 게이트 전극(TX1)이 제1 반도체 영역(FD1)과 전하 발생 영역의 사이에 배치되고, 제3 게이트 전극(TX31)이 전하 발생 영역과 제3 반도체 영역(FD31)의 사이에 배치되어 있다. 또, 포토 게이트 전극(PG2)이 전하 발생 영역의 위에 배치되고, 제2 게이트 전극(TX2)이 제2 반도체 영역(FD2)과 전하 발생 영역의 사이에 배치되고, 제3 게이트 전극(TX32)이 전하 발생 영역과 제3 반도체 영역(FD32)의 사이에 배치되어 있다.
신호 전하가 제1 반도체 영역(FD1)에 보내질 때에는, 포토 게이트 전극(PG1), 제1 게이트 전극(TX1), 및 제3 게이트 전극(TX31)의 바로 아래 영역에는, 제3 게이트 전극(TX31)측으로부터 제1 게이트 전극(TX1)측을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성된다. 신호 전하가 제2 반도체 영역(FD2)에 보내질 때에는, 포토 게이트 전극(PG2), 제2 게이트 전극(TX2), 및 제3 게이트 전극(TX32)의 바로 아래 영역에는, 제3 게이트 전극(TX32)측으로부터 제2 게이트 전극(TX2)측을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성된다. 따라서 포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 바로 아래 영역(전하 발생 영역)에 발생한 전하는, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)으로 확실히 이동하고, 제3 반도체 영역(FD31, FD32)으로는 이동하기 어렵다. 특히, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 신호 전하를 전송할 때에는, 제3 게이트 전극(TX31, TX32)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX31, φTX32가, 포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φPG1, φPG2 보다도 높아지기 때문에, 제3 반도체 영역(FD31, FD32)으로는 이동하기 어렵다. 이 결과, 거리 화상 센서(1)에서는, 신호 전하의 전송 효율이 향상된다.
불요 전하가 제3 반도체 영역(FD31)에 보내질 때에는, 포토 게이트 전극(PG1), 제1 게이트 전극(TX1), 및 제3 게이트 전극(TX31)의 바로 아래 영역에는, 제1 게이트 전극(TX1)측으로부터 제3 게이트 전극(TX31)측을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성된다. 불요 전하가 제3 반도체 영역(FD32)에 보내질 때에는, 포토 게이트 전극(PG2), 제2 게이트 전극(TX2), 및 제3 게이트 전극(TX32)의 바로 아래 영역에는, 제2 게이트 전극(TX2)측으로부터 제3 게이트 전극(TX32)측을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성된다. 따라서 포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 바로 아래 영역(전하 발생 영역)에 발생한 전하는, 불요 전하로서 제3 반도체 영역(FD31, FD32)으로 확실히 이동하고, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)으로는 이동하기 어렵다. 특히, 제3 반도체 영역(FD31, FD32)에 신호 전하를 전송할 때에는, 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX1, φTX2가, 포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φPG1, φPG2 보다도 높아지기 때문에, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)으로는 이동하기 어렵다. 이 결과, 거리 화상 센서(1)에서는, 불요 전하의 전송 효율이 향상된다.
이것들에 의해, 본 실시 형태에 따른 거리 화상 센서(1)에 의하면, 거리 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
그런데, 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)은, 포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 내측에 위치하고 있어, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 면적이 포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 면적에 비해서 작게 설정되어 있다. 이 때문에, 포토 게이트 전극(PG1, PG2)의 바로 아래 영역(전하 발생 영역)에 있어서의 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 전하를 전송 가능한 영역의 면적에 비해, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 면적이 상대적으로 크게 저감된다. 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)으로 전송되어서, 축적된 전하(전하량 Q1, Q2)는, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 정전 용량(Cfd)에 의해, 하기 관계식으로 표현되는 전압 변화(ΔV)를 각각 발생시킨다.
ΔV=Q1/Cfd
ΔV=Q2/Cfd
따라서 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 면적이 저감되면, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 정전 용량(Cfd)도 저감되어, 발생하는 전압 변화(ΔV)가 커진다. 즉, 전하 전압 변환 게인이 높아진다. 이 결과, 거리 화상 센서(1)의 고감도화를 도모할 수 있다.
제1 게이트 전극(TX1)은, 제1 반도체 영역(FD1)의 둘레 전체(全周)를 둘러싸고 있다. 제2 게이트 전극(TX2)은, 제2 반도체 영역(FD2)의 둘레 전체를 둘러싸고 있다. 이 때문에, 신호 전하는 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 전방위로부터 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 수집된다. 이 결과, 촬상 영역의 면적 효율(개구율)을 높일 수 있다.
제3 반도체 영역(FD31, FD32)은, 전하 발생 영역(포토 게이트 전극(PG1, PG2))의 둘레 전체를 둘러싸고 있다. 이것에 의해, 전하 발생 영역이 분리되어, 누화(crosstalk)의 발생을 억제할 수 있다. 또, 서로 이웃하는 전하 발생 영역이, 공간적으로 이간되어 형성되어 있고, 서로 이웃하는 전하 발생 영역의 사이에 제3 반도체 영역(FD31, FD32)이 위치하고 있다. 이 때문에, 불요 전하가 제3 반도체 영역(FD31, FD32)으로 확실히 이동하여, 불요 전하의 전송 효율을 보다 한층 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태에서는, 서로 이웃하는 제3 반도체 영역(FD31, FD32)끼리가, 일체적으로 형성되어 있다. 이것에 의해, 서로 이웃하는 전하 발생 영역 사이의 거리가 짧아져, 센서 면적의 이용 효율을 높일 수 있다. 이 결과, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 10~도 20을 참조하여, 본 실시 형태의 변형예에 따른 거리 화상 센서(1)의 구성을 설명한다.
도 10에 도시된 변형예에서는, 포토 게이트 전극(PG1, PG2), 제3 게이트 전극(TX31, TX32), 및 제3 반도체 영역(FD31, FD32)의 형상, 및 포토 게이트 전극(PG1, PG2)을 포함하는 각 유닛의 배치가, 상술한 실시 형태와 상위하다. 도 10은 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
포토 게이트 전극(PG1, PG2)은, 내측의 윤곽이 구형상(상세하게는, 정사각형상)을 나타내고, 외측의 윤곽이 팔각형상을 나타내고 있다. 제3 게이트 전극(TX31, TX32) 및 제3 반도체 영역(FD31, FD32)은, 팔각형 환상을 나타내고 있다. 복수의 제1 반도체 영역(본 변형예에서는, 4개의 제1 반도체 영역)(FD1)은, 가상의 다각형(본 변형예에서는, 정사각형)의 꼭지점에 배치되어 있다. 제2 반도체 영역(FD2)은, 각 제1 반도체 영역(FD1)을 꼭지점으로 하는 정사각형의 중심에 배치되어 있다. 가상의 다각형은 사각형 외, 삼각형 또는 5각형 이상의 다각형이어도 좋다.
본 변형예에서는, 포토 게이트 전극(PG2)(포토 게이트 전극(PG2)의 바로 아래의 전하 발생 영역)을 포함하는 하나의 제2 유닛에 대해서, 포토 게이트 전극(PG1)(포토 게이트 전극(PG1)의 바로 아래의 전하 발생 영역)을 포함하는 복수의 제1 유닛(본 변형예에서는, 4개의 제1 유닛)이 서로 이웃하여 배치되어 있다. 포토 게이트 전극(PG1)을 포함하는 제1 유닛 한 개씩이, 포토 게이트 전극(PG2)을 포함하는 하나의 제2 유닛과 한 화소 P(m, n)을 구성하고 있다. 즉, 도 10에서는, 4개의 제1 유닛과 하나의 제2 유닛이, 4개의 화소 P(m, n), P(m, n＋1), P(m＋1, n), P(m＋1, n＋1)을 구성하고 있다. 이것에 의해, 본 변형예에서는, 센서 면적의 이용 효율을 높일 수 있어, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 11에 도시된 변형예에서는, 포토 게이트 전극(PG1)을 포함하는 복수의 제1 유닛과 포토 게이트 전극(PG2)을 포함하는 복수의 제2 유닛이, 행방향 및 열방향으로 교호(交互)로 배치되어 있다. 도 11은 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
하나의 제1 유닛에 주목하면, 당해 하나의 제1 유닛은, 서로 이웃하는 복수의 제2 유닛 한 개씩과 한 화소 P(m, n)을 구성하고 있다. 마찬가지로, 하나의 제2 유닛에 주목하면, 당해 하나의 제2 유닛은, 서로 이웃하는 복수의 제1 유닛 한 개씩과 한 화소 P(m, n)을 구성하고 있다. 즉, 도 11에서는, 여덟 개의 제1 유닛과 여덟 개의 제2 유닛이, 24개의 화소 P(m, n)을 구성하고 있다. 이것에 의해, 본 변형예에서도, 센서 면적의 이용 효율을 높일 수 있어, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 12에 도시된 변형예에서는, 포토 게이트 전극(PG1, PG2), 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2), 제3 게이트 전극(TX31, TX32), 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2), 및 제3 반도체 영역(FD31, FD32)의 형상이, 상술한 실시 형태와 상위하다. 도 12는 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)은 원형상을 나타내고 있다. 포토 게이트 전극(PG1, PG2), 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2), 제3 게이트 전극(TX31, TX32), 및 제3 반도체 영역(FD31, FD32)은, 환상을 나타내고 있다.
도 13~도 14에 도시된 변형예에서는, 포토 게이트 전극(PG), 제3 게이트 전극(TX3), 및 제3 반도체 영역(FD3)의 형상이, 상술한 실시 형태와 상위하다. 도 13은 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다. 도 14는 도 13에 있어서의 XIV－XIV선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
본 변형예의 거리 화상 센서는, 각 화소 P(m, n)에 있어서, 하나의 포토 게이트 전극(PG)과, 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)과, 하나 제3 게이트 전극(TX3)과, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)과, 하나의 제3 반도체 영역(FD3)을 구비하고 있다.
포토 게이트 전극(PG)은, 상술한 실시 형태에 있어서의 포토 게이트 전극(PG1)과 포토 게이트 전극(PG2)이 일체적으로 형성된 형상을 나타내고 있다. 즉, 포토 게이트 전극(PG)은, 제1 유닛(제1 반도체 영역(FD1)을 포함하는 유닛)과 제2 유닛(제2 반도체 영역(FD2)을 포함하는 유닛)에서 공용된다. 이것에 의해, 서로 이웃하는 제1 유닛과 제2 유닛의 전하 발생 영역끼리가, 일체적으로 형성된다.
제3 반도체 영역(FD3)은, 포토 게이트 전극(PG)을 둘러싸도록 포토 게이트 전극(PG)의 외측에 배치되어 있다. 제3 반도체 영역(FD3)은, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다. 즉, 제3 반도체 영역(FD3)은 수광 영역을 둘러싸도록 수광 영역의 외측이면서 또한 수광 영역으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다. 제3 반도체 영역(FD3)은, 평면에서 볼 때 구형 환상을 나타내고 있다.
제3 게이트 전극(TX3)은, 포토 게이트 전극(PG)과 제3 반도체 영역(FD3)의 사이에 배치되어 있다. 제3 게이트 전극(TX3)은 포토 게이트 전극(PG)을 둘러싸도록 포토 게이트 전극(PG)의 외측에 위치하고 있음과 아울러, 제3 반도체 영역(FD3)에 둘러싸이도록 제3 반도체 영역(FD3)의 내측에 위치하고 있다. 제3 게이트 전극(TX3)은, 포토 게이트 전극(PG)과 제3 반도체 영역(FD3)의 사이에 끼도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제3 반도체 영역(FD3)으로부터 공간적으로 이간되어 배치되어 있다. 제3 게이트 전극(TX3)은, 평면에서 볼 때 구형 환상을 나타내고 있다.
도 15는 도 13 ~ 도 14에 도시된 변형예에 있어서의, 각종 신호의 타이밍 차트이다. 도 16 및 도 17은, 신호 전하의 축적 동작을 설명하기 위한, 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다. 도 18은 불요 전하의 배출 동작을 설명하기 위한, 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
본 변형예에서는, 도 15에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)에 인가되는 검출용 게이트 신호 S1, S2가 함께 로우 레벨일 때, 제3 게이트 전극(TX3)에 인가되는 전하 전송 신호 S3가 하이 레벨이 된다.
도 16에 도시된 바와 같이, 제1 게이트 전극(TX1)에, 하이 레벨의 신호(양 전위)가 주어지면, 제1 게이트 전극(TX1) 아래의 포텐셜 φTX1이 반도체 기판(1A)에 있어서의 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φPG에 비해서 낮아진다. 이것에 의해, 음의 전하(전자)는 제1 게이트 전극(TX1)의 방향으로 끌어 당겨져, 제1 반도체 영역(FD1)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 축적된다. 이때, 제2 게이트 전극(TX2)에, 로우 레벨의 신호(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어지면, 제2 게이트 전극(TX2)에 의한 포텐셜 장벽이 생긴다. 따라서 반도체 기판(1A)에서 발생한 전하는, 제2 반도체 영역(FD2) 내에는 끌어 당겨지지 않다.
도 17에 도시된 바와 같이, 제2 게이트 전극(TX2)에, 하이 레벨의 신호가 주어지면, 제2 게이트 전극(TX2) 아래의 포텐셜 φTX2가 반도체 기판(1A)에 있어서의 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φPG에 비해서 낮아진다. 이것에 의해, 음의 전하(전자)는, 제2 게이트 전극(TX2)의 방향으로 끌어 당겨져, 제2 반도체 영역(FD2)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 축적된다. 제1 게이트 전극(TX1)에, 로우 레벨의 신호가 주어지면, 제1 게이트 전극(TX1)에 의한 포텐셜 장벽이 생긴다. 따라서 반도체 기판(1A)에서 발생한 전하는, 제1 반도체 영역(FD1) 내에는 끌어 당겨지지 않다.
제1 게이트 전극(TX1)에 검출용 게이트 신호 S1이 인가되고 있는 동안, 및 제2 게이트 전극(TX2)에 검출용 게이트 신호 S2가 인가되고 있는 동안, 제3 게이트 전극(TX3)에는, 로우 레벨의 신호가 주어져 있다. 이 때문에, 제3 게이트 전극(TX3)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX3는 낮아지지 않아, 제3 반도체 영역(FD3)의 포텐셜 우물 내에는, 전하가 유입되지 않는다.
도 18에 도시된 바와 같이, 제3 게이트 전극(TX3)에, 하이 레벨의 신호가 주어지면, 제3 게이트 전극(TX3)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX3이 반도체 기판(1A)에 있어서의 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φPG에 비해서 낮아진다. 이것에 의해, 음의 전하(전자)는 제3 게이트 전극(TX3)의 방향으로 끌어 당겨져, 제3 반도체 영역(FD3)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 수집된다.
본 변형예에서는, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 비해서 전하 발생 영역이 확대되어, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2) 각각으로 이동하는 신호 전하가 증가한다. 이 결과, 신호 전하의 전송 효율을 보다 한층 향상시킬 수 있다.
도 19에 도시된 변형예에서는, 포토 게이트 전극(PG)을 포함하는 하나의 유닛이 한 화소 P(m, n)을 구성하고 있다는 점이, 상술한 실시 형태와 상위하다. 도 19는 변형예에 따른 거리 화상 센서의 화소의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
본 변형예의 거리 화상 센서는, 각 화소 P(m, n)에 있어서, 포토 게이트 전극(PG)과, 제1 게이트 전극(TX1)과, 제3 게이트 전극(TX3)과, 제1 반도체 영역(FD1)과, 제3 반도체 영역(FD3)을 구비하고 있다. 각 화소 P(m, n)을 구성하는 하나의 유닛의 구성은, 상술한 실시 형태의 제1 유닛(또는 제2 유닛)의 구성과 같다.
도 20은 도 19에 도시된 변형예에 있어서의, 각종 신호의 타이밍 차트이다. 도 20에 도시된 바와 같이, 제1 게이트 전극(TX1)에 인가되는 검출용 게이트 신호 S1은, 소정의 타이밍에서 간헐적으로 위상 시프트가 주어져 있다. 본 변형예에서는, 검출용 게이트 신호 S1은, 180도의 타이밍에서 180도의 위상 시프트가 주어져 있다. 검출용 게이트 신호 S1은 0도의 타이밍에서 펄스 구동 신호 SP에 동기하고, 180도의 타이밍에서 펄스 구동 신호 SP에 180도의 위상차를 가지고 있다. 검출용 게이트 신호 S1과 전하 전송 신호 S3은, 반대 위상이다.
본 변형예에서는, 0도의 타이밍에서 제1 반도체 영역(FD1)에 축적된 신호 전하가, 출력(Vout1)으로서 제1 반도체 영역(FD1)으로부터 판독되고, 180도의 타이밍에서 제1 반도체 영역(FD1)에 축적된 신호 전하가, 출력(Vout2)으로서 제1 반도체 영역(FD1)으로부터 판독된다. 이들 출력(Vout1, Vout2)은, 상술한 신호 d＇(m, n)에 상당한다. 포토 게이트 전극(PG)(포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래의 전하 발생 영역)을 포함하는 하나의 유닛이 한 화소에 대응하여, 동일 화소로부터의 출력에 기초하여 거리가 연산된다. 이 때문에, 복수의 유닛이 한 화소에 대응하는 구성에 비하여, 거리 연산의 편차를 저감시킬 수 있다. 또, 센서 면적의 이용 효율을 높일 수 있어, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.
검출용 게이트 신호 S1은, 90도의 타이밍에서 90도의 위상 시프트가 주어지고, 180도의 타이밍에서 180도의 위상 시프트가 주어지고, 270도의 타이밍에서 270도의 위상 시프트가 주어져 있어도 좋다. 이 경우, 0도, 90도, 180도, 및 270도의 타이밍에서 제1 반도체 영역(FD1)에 축적된 신호 전하가, 출력으로서 제1 반도체 영역(FD1)으로부터 판독되어, 이들 출력에 기초하여 거리가 연산된다.
이상, 본 발명의 매우 적합한 실시 형태에 대해 설명해 왔지만, 본 발명은 반드시 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변경이 가능하다.
거리 화상 센서(1)는, 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이, 이면(裏面) 조사형의 거리 화상 센서여도 좋다. 반도체 기판(1A)은 원하는 두께가 되도록, 이면(1BK)측으로부터 박화되어 있다. 이것에 의해, 제1 기판 영역(1Aa)이 제거되어, 제2 기판 영역(1Ab)이 노출된다.
입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역을 포토 다이오드(예를 들어, 매립형의 포토 다이오드 등)에 의해 구성해도 좋다. 거리 화상 센서(1)는 화소 P(m, n)이 2차원 모양으로 배치된 것으로 한정되지 않고, 화소 P(m, n)이 1차원 모양으로 배치된 것이어도 좋다.
본 실시 형태에 따른 거리 화상 센서(1)에 있어서의 p형 및 n형의 각 도전형은, 상술한 것과는 반대로 되도록 바꿔 넣어져 있어도 좋다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 공장의 제조 라인에 있어서의 제품 모니터, 또는 차량 등에 탑재되는 거리 센서 및 거리 화상 센서에 이용할 수 있다.
1: 거리 화상 센서, 1A: 반도체 기판,
1B: 촬상 영역, FD1: 제1 반도체 영역,
FD2: 제2 반도체 영역, FD3, FD31, FD32: 제3 반도체 영역,
P: 화소, PG, PG1, PG2: 포토 게이트 전극,
TX1: 제1 게이트 전극, TX2: 제2 게이트 전극,
TX3, TX31, TX32: 제3 게이트 전극.

Claims (13)

  1. 입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과,
    상기 전하 발생 영역에 둘러싸이도록 상기 전하 발생 영역의 내측에 배치되어, 상기 전하 발생 영역으로부터의 신호 전하를 수집하는 신호 전하 수집 영역과,
    상기 전하 발생 영역을 둘러싸도록 상기 전하 발생 영역의 외측에 배치되어, 상기 전하 발생 영역으로부터의 불요 전하를 수집하는 불요 전하 수집 영역과,
    상기 전하 발생 영역의 위에 배치되는 포토 게이트 전극과,
    상기 신호 전하 수집 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 배치되어, 입력된 신호에 따라 상기 전하 발생 영역으로부터의 신호 전하를 상기 신호 전하 수집 영역에 유입시키는 전송 전극과,
    상기 불요 전하 수집 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 배치되어, 입력된 신호에 따라 상기 전하 발생 영역으로부터의 불요 전하를 상기 불요 전하 수집 영역에 유입시키는 불요 전하 수집 게이트 전극을 구비하고 있는 거리 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    복수의 상기 전하 발생 영역과, 복수의 상기 신호 전하 수집 영역과, 복수의 상기 불요 전하 수집 영역과, 복수의 상기 포토 게이트 전극과, 복수의 상기 전송 전극과, 복수의 상기 불요 전하 수집 게이트 전극을 구비하고 있고,
    상기 복수의 전송 전극에는, 서로 다른 위상의 전하 전송 신호가 각각 주어지는 거리 센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    서로 이웃하는 상기 불요 전하 수집 영역끼리가, 일체적(一體的)으로 형성되어 있는 거리 센서.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 전하 발생 영역이, 공간적으로 이간되어 형성되어 있는 거리 센서.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    서로 이웃하는 상기 전하 발생 영역끼리가, 일체적으로 형성되고,
    서로 이웃하는 상기 포토 게이트 전극끼리가, 일체적으로 형성되어 있는 거리 센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송 전극에는, 소정의 타이밍에서 간헐적으로 위상 시프트가 주어진 전하 전송 신호가 주어지는 거리 센서.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3, 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포토 게이트 전극과 상기 전송 전극과 상기 불요 전하 수집 게이트 전극은, 상기 신호 전하 수집 영역을 중심으로 하여, 상기 신호 전하 수집 영역측으로부터 상기 전송 전극, 상기 포토 게이트 전극, 상기 불요 전하 수집 게이트 전극의 순으로 동심(同心) 모양으로 배치되어 있는 거리 센서.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3, 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 전하 수집 영역은, 평면에서 볼 때 구형상(矩形狀)이고,
    상기 포토 게이트 전극과 상기 전송 전극과 상기 불요 전하 수집 게이트 전극은, 다각형 환상(環狀)을 나타내고 있는 거리 센서.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3, 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 전하 수집 영역은, 평면에서 볼 때 원형상이고,
    상기 포토 게이트 전극과 상기 전송 전극과 상기 불요 전하 수집 게이트 전극은, 환상을 나타내고 있는 거리 센서.
  10. 일차원 모양 또는 이차원 모양으로 배치된 복수의 유닛으로 이루어진 촬상 영역을 반도체 기판 위에 구비하고, 상기 유닛으로부터 출력되는 전하량에 기초하여, 거리 화상을 얻는 거리 화상 센서로서,
    상기 유닛 각각이, 청구항 1 내지 청구항 3, 및 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 거리 센서인 거리 화상 센서.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 복수의 유닛 중 서로 이웃하는 2개의 유닛이, 상기 촬상 영역의 한 화소를 구성하고 있는 거리 화상 센서.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 유닛 중 임의의 하나의 유닛과, 상기 임의의 하나의 유닛과 서로 이웃하는 복수의 유닛에 있어서, 상기 임의의 하나의 유닛과, 상기 복수의 유닛 중 하나의 유닛씩이 상기 촬상 영역의 한 화소를 각각 구성하고 있는 거리 화상 센서.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 유닛 각각이, 상기 촬상 영역의 한 화소를 구성하고 있는 거리 화상 센서.
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