KR20100033368A - 이면 입사형 측거 센서 및 측거 장치 - Google Patents

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Abstract

이면 입사형 측거 센서(1)의 각 화소 P(m, n)으로부터는 거리 정보를 가지는 신호 d'(m, n)으로서 2개의 전하량(Q1, Q2)이 출력된다. 각 화소 P(m, n)은 미소 측거 센서로서 대상물 H까지의 거리에 따른 신호 d'(m, n)을 출력하므로, 대상물 H로부터의 반사광을 촬상 영역(1B)에 결상하면, 대상물 H 상의 각 점까지의 거리 정보의 집합체로서의 대상물의 거리 화상을 얻을 수 있다. 투광용의 근적외광의 입사에 응답하여 반도체 심부에서 발생한 캐리어를, 광입사면과는 반대측의 캐리어 발생 위치 근방에 마련된 포텐셜 우물에 끌어넣으면, 고속으로 정확한 측거가 가능하게 된다.

Description

이면 입사형 측거 센서 및 측거 장치{BACK SURFACE INCIDENT TYPE DISTANCE MEASURING SENSOR AND DISTANCE MEASURING DEVICE}
본 발명은 이면(裏面) 입사형 측거(測距) 센서 및 측거 장치에 관한 것이다.
종래 액티브형의 광측거 센서는 LED(Light Emitting Diode) 등의 투광용 광원으로부터 대상물에 광을 조사하고, 대상물에 있어서 반사광을 광검출 소자로 검출함으로써, 대상물까지의 거리에 따른 신호를 출력하는 것으로 알려져 있다. PSD(Position Sensitive Detector) 등은 대상물까지의 거리를 간이(簡易)하게 측정할 수 있는 광삼각측량형의 광측거 센서로서 알려져 있으나, 최근 보다 정밀한 거리 측정을 행하기 위해, 광 TOF(Time-Of-Flight)형 광측거 센서의 개발이 기대되고 있다.
또, 거리 정보와 화상 정보를 동시에, 동일 칩으로 취득할 수 있는 이미지 센서가 차량탑재(이하, 차재라 함)용, 공장의 자동 제조 시스템용 등에서 요구되고 있다. 차량 전방에 이미지 센서를 설치하면, 앞쪽 차량의 검지ㆍ인식, 보행자 등의 검지ㆍ인식에 이용하는 것이 기대된다. 화상 정보와는 별도로, 단일 거리 정보 또는 복수의 거리 정보로 구성된 거리 화상을 취득하는 이미지 센서도 기대되고 있다. 이와 같은 측거 센서에는 TOF법을 이용하는 것이 바람직하다.
TOF법은 투광용 광원으로부터 대상물을 향해 펄스광을 출사하고, 대상물에서 반사된 펄스광을 광검출 소자로 검출함으로써, 펄스광의 출사 타이밍과 검출 타이밍의 시간차를 측정하고 있다. 이 시간차(△t)는 대상물까지의 거리 d의 2배 거리(2×d)를 펄스광이 광속(=c)으로 비행하는데 필요로 하는 시간이기 때문에, d=(c×△t)/2가 성립한다. 시간차(△t)는 광원으로부터의 출사 펄스와 검출 펄스의 위상차라고 바꿔 말할 수도 있다. 위상차를 검출하면, 대상물까지의 거리 d를 구할 수 있다.
투광용의 광원에는 일반적으로는 근적외 대역의 광을 출사하는 것이 많이 이용되고 있다. 근적외 대역의 파장은 원적외 대역의 파장보다 가시광 대역의 파장에 가깝기 때문에, 렌즈 등의 광학계를 이용하여 집광이나 결상(結像)을 실시하는 것도 가능하다. 또, 태양광의 스펙트럼에 포함되는 근적외광 성분의 에너지 밀도는 가시광 성분보다 적기 때문에, 가시광 컷 필터를 이용함으로써, 광검출 소자로 검출하는 근적외광 성분 중, 태양광에 의한 것의 비율을 작게 하여, 높은 S/N으로 검출하는 것이 가능하게 된다.
전하 배분 방식의 이미지 센서는 TOF법에 따라 측거를 행하기 위한 광검출 소자로서 주목받고 있다. 즉, 전하 배분 방식의 이미지 센서에서는, 예를 들어 검출 펄스의 입사에 따라 이미지 센서 내에서 발생하는 펄스적으로 발생하는 전하를, 출사 펄스의 온(ON) 기간 동안에 일방의 포텐셜 우물(potential well) 내에 배분하고，오프(OFF) 기간 동안에 타방의 포텐셜 우물에 배분한다. 이 경우, 좌우에 배분된 전하량의 비율이 검출 펄스와 출사 펄스의 위상차, 즉 대상물까지 거리의 2배 거리를 펄스광이 광속으로 비행하는데 필요로 하는 시간과 비례하게 된다. 또한, 전하의 배분 방법으로는 여러 가지를 생각할 수 있다．
또한, 하기 특허 문헌 1은 광원으로부터 투사된 반복 펄스광이 측정 대상물에 의해 되돌아왔을 때의 지연 시간에 의존한 신호를 취출하는 것에 의해 거리 측정을 행하는 측거 센서를 공개하고 있다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2005-235893호 공보
그러나 차재의 측거 센서나 군용의 측거 센서 등과 같이, 고속 이동하는 동체(動體)까지의 거리를 측정하는 경우, 동체의 이동을 추종하도록, 전하 배분 속도를 증가시킬 필요가 있다. 또, 실제 측거에 있어서는 1회의 전하 배분만이 아니라, 반복 전하 배분을 행함으로써, 전하를 적분하여 하나의 프레임을 구성하고 있고, 전하 배분 속도가 저속인 경우에는 하나의 프레임을 구성하는 전하 배분의 횟수를 줄여야 해서, 충분한 S/N이 확보되지 못해 정밀한 거리 측정이 불가능한 문제가 있다.
한편, 근적외광을 투광용 광원으로 하는 TOF형 전하 배분 방식 측거 센서의 경우, 광의 입사에 따라 반도체의 심부(深部)에서 캐리어가 발생한다. 예를 들어 파장 850㎚ 광의 절반이 흡수되는 실리콘의 두께는 약 20㎛이다. 이 경우, 복수의 포텐셜 우물 내로의 캐리어 끌어들임 동작을 고속으로 전환하면, 캐리어의 대부분이 포텐셜 우물에 도달하지 못하여, 포텐셜 우물 내의 전하량이 측거 정밀도를 율칙(律則)하는 요인임에도 불구하고, 전하량을 확보하지 못하여, 일반적인 전하 배분 방식 측거 센서에서는 고정밀도의 검출이 불가능한 문제가 발견되었다. 또, 측 정하는 환경은 가시광이 있는 것이 기본이므로, 근적외광에 의한 고정밀도의 검출을 위해서는 가시광이 노이즈로 되기 때문에, 가시광을 컷할 필요가 있는 것도 문제이다. 전술한 바와 같이 가시광 컷 필터를 마련하는 것도 가능하지만, 여분의 부품은 생략하고 싶은 것이 산업상 이용하는 경우의 상식이다.
본 발명은 이와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 고정밀도의 거리 검출을 행하는 것이 가능한 이면 입사형 측거 센서 및 측거 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본원 발명자들이 주의깊게 검토한 바, 투광용 광의 입사에 응답하여 반도체 심부에서 발생한 캐리어를, 광입사면과는 반대측의 캐리어 발생 위치 근방에 마련된 포텐셜 우물로 끌어들이면, 고속으로 정확한 측거가 가능하게 된다는 지견을 얻기에 이르렀다.
즉, 본 발명에 관한 이면 입사형 측거 센서는, 광입사면 및 광입사면과는 반대측의 표면을 가지는 반도체 기판과; 표면 상에 마련된 포토게이트 전극과; 표면 상에 있어서 포토게이트 전극에 인접하여 마련된 제1 및 제2게이트 전극과; 상기 포토게이트 전극 바로 아래의 영역으로부터 제1 및 제2 게이트 전극 바로 아래의 영역에 흘러들어간 캐리어를 각각 독출(讀出)하기 위한 제1 및 제2 반도체 영역을 구비하고 있다.
또, 상술한 구성의 경우, 반도체 기판의 광입사면(이면)으로부터 입사한 대상물로부터의 펄스광은 반도체 기판의 표면측에 마련된 포토게이트 전극 바로 아래의 영역까지 도달한다. 펄스광의 입사에 수반하여 반도체 기판 내에서 발생한 캐리어는 포토게이트 전극 바로 아래의 영역으로부터, 이와 인접한 제1 및 제2 게이트 전극 바로 아래의 영역에 배분된다. 즉, 제1 및 제2 게이트 전극에 광원의 구동 신호에 동기한 검출용 게이트 신호를 번갈아 주면, 포토게이트 전극 바로 아래의 영역에서 발생한 캐리어가 각각 제1 및 제2 게이트 전극 바로 아래의 영역으로 흘러, 이들로부터 제1 및 제2 반도체 영역에 흘러든다.
제1 또는 제2 반도체 영역 내에 축적되는 캐리어 전하량의 전체 전하량에 대한 비율은 구동 신호를 광원에 주는 것에 의해 출사된 출사 펄스광과, 대상물에 의해 출사 펄스광이 반사되는 것에 의해 되돌아온 검출 펄스광의 위상차에 대응된다. 게이트 전극으로의 구동 신호의 주파수를 증가시키는 것에 의해 전하의 배분 속도를 증가시켜도, 근적외광의 입사에 따라 발생한 캐리어의 발생 영역은 반도체 기판의 광입사면보다 반대측의 표면과 가깝기 때문에, 많은 캐리어는 포토게이트 전극 바로 아래의 영역으로부터 제1 및 제2 반도체 영역에 흘러들어, 이러한 영역에서 독출할 수 있다. 또, 근적외보다 짧은 파장의 광은 반도체 기판의 광입사면측의 영역에 있어서 제거되는 경향이 있기 때문에, 광입사면측에 가시광 컷 필터를 마련하지 않고서도, 측거용 검출 펄스광의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다．
또, 포토게이트 전극 바로 아래의 영역은 반도체 기판과 동일한 도전형이고, 반도체 기판의 불순물 농도보다도 높은 불순물 농도를 가지는 전계 집중 영역으로 이루어지게 할 수도 있다.
포토게이트 전극 바로 아래 영역의 불순물 농도를 반도체 기판과 비교해서 상대적으로 증가시키면, 이 영역에 전계가 집중한다. 반도체 기판의 불순물 농도는 상대적으로 낮기 때문에, 공핍층이 넓어진다. 따라서, 포토게이트 전극 바로 아래의 영역으로부터 저농도 반도체 기판으로 향하는 세로 방향으로 공핍층은 넓어지지만, 가로 방향으로 확대되는 것은 억제된다. 따라서, 가로 방향으로 확대된 공핍층에 의해 흡수되는 캐리어를 억제하고, 또 제1 및 제2 반도체 영역으로부터 확대되는 공핍층과의 결합을 억제할 수 있기 때문에, 제1 및 제2 반도체 영역 내에 직접 흘러드는 캐리어를 억제할 수 있고, 크로스 토크를 저감시킬 수 있다.
또, 제1 및 제2 반도체 영역의 도전형은 반도체 기판의 도전형과는 달리, 제1 및 제2 반도체 영역은 웰 영역 내에 형성되어 있고, 웰 영역의 도전형은 반도체 기판과 동일한 도전형이고, 상기 반도체 기판의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도를 가지는 것이 바람직하다.
즉, 제1 및 제2 반도체 영역의 도전형은 반도체 기판과는 다르기 때문에, 본래라면, 이들은 PN 접합을 구성하고, 그 계면(界面)으로부터 저농도 반도체 기판을 향해서 공핍층이 확대된다. 한편, 상기 구성의 경우, 제1 및 제2 반도체 영역은 웰 영역 내에 형성되어 있고, 웰 영역의 불순물 농도는 반도체 기판보다 높기 때문에, 제1 및 제2 반도체 영역과 웰 영역의 계면으로부터 확대되는 공핍층의 두께는 억제되고, 이러한 공핍층과 포토게이트 전극 바로 아래로부터 확대되는 본래의 공핍층이 결합하는 상태를 억제할 수 있고, 상술한 바와 같이 크로스 토크를 억제할 수 있다.
또, 반도체 기판의 광입사면측에는 P형 반도체층 또는 결함층으로 이루어진 가시광 여기 캐리어 재결합 영역을 구비하는 것도 가능하다.
특히, 반도체 기판에 있어서 가시광의 흡수 계수를
Figure 112009066613128-PCT00001
, 상기 반도체 기판의 두께를 t1, 상기 가시광 여기 캐리어 재결합 영역의 두께를 t2로 한 경우, 이하의 관계식을 만족시키는 것이 바람직하다．
예를 들어, 가시광의 파장을 700㎚로 하여 반도체 기판에 입사한 광의 파워가 50%로 되는 깊이를 특성량으로 생각해서 보면 이하와 같이 같다.
ㆍ -(1/
Figure 112009066613128-PCT00002
)×ln(0.5)㎛
Figure 112009066613128-PCT00003
t2,
ㆍ 10㎛
Figure 112009066613128-PCT00004
t1
Figure 112009066613128-PCT00005
100㎛
이 경우, 가시광 여기 캐리어 재결합 영역에 있어서, 50%가 소멸되어, 포토게이트 전극의 바로 아래 영역까지 도달하지 않기 때문에 바람직하고, 또 근적외광은 10㎛ 이상 100㎛ 이하 깊이의 영역에서 흡수되기 때문에, 포토게이트 전극 바로 아래의 영역에서 응답성이 우수한 캐리어를 고감도로 수집할 수 있다.
또, 상술한 포토게이트 전극은 측거 센서당 1개이어도 되지만, 포토게이트 전극을 포함하는 미소(微小) 측거 센서를 화소로 하여 1차원 또는 2차원 상태로 복수 배열하여, 1차원 또는 2차원 거리 화상을 얻을 수 있는 측거 센서로 해도 된다.
즉, 이와 같은 이면 입사형 측거 센서는, 복수의 화소로 이루어진 촬상 영역을 가지는 반도체 기판을 구비한 이면 입사형 측거 센서에 있어서, 화소의 각각은 반도체 기판의 광입사면과는 반대측의 표면 상에 마련된 포토게이트 전극과; 상기 표면 상에 있어서 포토게이트 전극과 인접하여 마련된 제1 및 제2 게이트 전극과; 포토게이트 전극 바로 아래의 영역으로부터 제1 및 제2 게이트 전극 바로 아래의 영역에 흘러드는 캐리어를 각각 독출하기 위한 제1 및 제2 반도체 영역을 구비하고 있다.
각 화소는 상술한 미소 측거 센서로서 대상물까지의 거리에 따른 신호를 출력하므로, 대상물로부터의 반사광을 촬상 영역에 결상하면, 대상물 상의 각 점까지의 거리 정보의 집합체로서의 대상물의 거리 화상을 얻을 수 있다.
상술한 이면 입사형 측거 센서를 구비한 측거 장치는, 상기 이면 입사형 측서 센서와; 근적외광을 출사하는 광원과; 이 광원에 펄스 구동 신호를 주는 구동 회로와; 제1 및 제2 게이트 전극에 펄스 구동 신호에 동기한 검출용 게이트 신호를 주는 제어 회로와; 제1 및 제2 반도체 영역으로부터 독출된 신호로부터 대상물까지의 거리를 연산하는 연산 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 제1 및 제2 반도체 영역으로부터 독출된 신호, 즉 제1 또는 제2 반도체 영역 내에 축적되는 캐리어 전하량의 전체 전하량에 대한 비율은 상술한 위상차, 즉 대상물까지의 거리에 대응된다. 연산 회로는 이 위상차에 따라 대상물까지의 거리를 연산한다. 위상차에 대응된는 시간차를 △t로 하면, 거리 d는 바람직하게는 d=(c×△t)/2로 주어지지만, 적당한 보정 연산을 이에 덧붙여 행해도 된다. 또한, 예를 들어 실제의 거리와, 연산된 거리 d가 다른 경우, 후자를 보정하는 계수 β를 미리 구하고, 출하 후의 제품에서는 연산된 거리 d에 계수 β를 곱한 것을 최종적인 연산 거리 d로 해도 된다. 또, 외기(外氣) 온도를 측정하고, 외기 온도에 따라 광속 c가 다른 경우에는 광속 c를 보정하는 연산을 하고 나서, 거리 연산을 할 수도 있다. 또, 연산 회로에 입력된 신호와 실제 거리의 관계를 미리 메모리에 기억하고, 룩업 테이블 방식에 의해, 거리를 연산해도 된다. 또, 센서 구조에 의해도 연산 방법은 변경할 수 있고, 종래부터 알려져 있는 연산 방법을 이용할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 측거 장치는 상술한 이면 입사형 측거 센서의 상기 표면을, 배선 기판의 마운트면 상에 고정하고, 포토게이트 전극, 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극을 배선 기판 상의 배선에 범프를 통하여 접속하는 것을 특징으로 한다. 이 측거 장치는 이면 입사형 측거 센서를 배선 기판 상에 마운트하면, 각 배선을 통하여, 상기 신호를 각각의 전극에게 줄 수 있어, 장치가 소형화된다.
본 발명의 이면 입사형 측거 센서 및 측거 장치에 의하면, 고정밀도의 거리 검출을 할 수 있다.
도 1은 측거 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 측거 센서의 평면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 측거 센서의 III-III 화살표 단면도이다.
도 4는 변형예에 관한 측거 센서의 단면도이다.
도 5는 도 3 또는 도 4에 나타낸 측거 센서의 영역 V의 확대도이다.
도 6은 제1 실시 형태의 측거 센서 화소의 평면도이다.
도 7은 백 게이트 근방의 단면도이다.
도 8은 관통 전극 근방의 단면도이다.
도 9는 캐리어 축적 동작을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
도 10은 캐리어 축적 동작을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
도 11은 입사광의 파장(㎚)과 흡수 계수
Figure 112009066613128-PCT00006
의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 태양광의 스펙트럼(실선)과 광원의 스펙트럼(점선)을 나타내는 그래프이다.
도 13은 광입사면으로부터의 깊이(㎛)와 광 강도(a.u.)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 반도체 기판 내의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 15는 제2 실시 형태의 측거 센서의 평면도이다.
도 16은 도 15에 나타낸 측거 센서의 XVI-XVI 화살표 단면도이다.
도 17은 변형예에 관한 측거 센서의 단면도이다.
도 18은 도 16 또는 도 17에 나타낸 측거 센서의 영역 XVIII의 확대도이다.
도 19는 제2 실시 형태의 측거 센서 화소의 평면도이다.
도 20은 캐리어 축적 동작을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
도 21은 캐리어 축적 동작을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
도 22는 제2 실시 형태의 반도체 기판 내의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 23은 제2 실시 형태의 포토게이트 전극(PG), 2 게이트 전극 TX1, TX2 및 반도체 영역(FD1, FD2) 바로 아래의 포텐셜을 나타내는 그래프이다.
도 24는 제1 실시 형태의 포토게이트 전극(PG), 2 게이트 전극 TX1, TX2 및 반도체 영역(FD1, FD2) 바로 아래의 포텐셜을 나타내는 그래프이다.
도 25는 제3 실시 형태의 측거 센서 평면도이다.
도 26은 도 25에 나타낸 측거 센서의 XXVI-XXVI 화살표 단면도이다.
도 27은 변형예에 관한 측거 센서 단면도이다.
도 28은 도26 또는 도27에 나타낸 측거 센서 영역 XXVIII의 확대도이다.
도 29는 제3 실시 형태의 측거 센서 화소의 평면도이다.
도 30은 관통 전극 근방의 단면도이다.
<부호의 설명>
1 이면 입사형 측거 센서
1A 반도체 기판
1B 촬상 영역
1D 반사 방지막
1E 절연층
1BK 광 입사면
1FT 표면
2 제어 회로
3 광원
4 구동 회로
5 연산 회로
10 배선 기판
17x 관통 전극
AD1 접착층
AD 접착 영역
AF 보강부
BG 백 게이트 반도체 영역
F 프레임부
FD1, FD2 반도체 영역
H 대상물
M 마운트면
P 화소
PG 포토게이트 전극
PX1 게이트 전극
PX2 게이트 전극
SH 광 흡수층
TF 박판부
W1, W2, W3 각 웰 영역
1G 전계 집중 영역
1C 가시광 여기 캐리어 재결합 영역
이하, 실시 형태에 관한 이면 입사형 측거 센서 및 측거 장치에 대해 설명하 기로 한다. 동일 요소에는 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복되는 설명은 생략한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 측거 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
이 측거 장치는 이면 입사형 측거 센서(1)와, 근적외광을 출사하는 광원(3)과, 광원(3)에 펄스 구동 신호 SＰ를 주는 구동 회로(4)와, 이면 입사형 측거 센서(1)의 각 화소에 포함되는 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2: 도 5 참조)에 펄스 구동 신호 SＰ에 동기한 검출용 게이트 신호 SＬ, SＲ을 주는 제어 회로(2)와, 이면 입사형 측거 센서(1)의 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2: 도 5 참조)으로부터 독출된 거리 정보를 나타내는 신호 d'(m, n)으로부터, 보행자 등의 대상물 H까지의 거리를 연산하는 연산 회로(5)를 구비하고 있다. 이면 입사형 측거 센서(1)로부터 대상물 H까지의 수평 방향 D의 거리를 d로 한다.
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 통하여 전원(4a)에 접속되어 있다. 따라서, 스위치(4b)에 펄스 구동 신호 SＰ가 입력되면, 펄스 구동 신호 SＰ와 같은 파형의 구동 전류가 광원(3)에 공급되어, 광원(3)으로부터는 측거용 프로브 광(probe light)으로서의 펄스광 LＰ가 출력된다.
펄스광 LＰ가 대상물 H에 조사되면, 대상물 H에 의해 펄스광이 반사되어, 펄 스광 LD로서 이면 입사형 측거 센서(1)에 입사하고, 전하로서의 펄스 검출 신호 SD를 발생시켜 출력한다.
이면 입사형 측거 센서(1)는 배선 기판(10) 상에 고정되어 있고, 배선 기판(10) 상의 배선을 통하여, 거리 정보를 가지는 신호 d'(m, n)가 각 화소로부터 출력된다.
펄스 구동 신호 SＰ의 파형은 주기 T의 방형파이고, 하이 레벨을 「1」, 로 레벨을 「０」으로 하면, 그 전압 V(t)는 이하의 식으로 주어진다.
ㆍ 펄스 구동 신호 SＰ:
ㆍ V(t)=1(단, 0<t<(T/2)의 경우)
ㆍ V(t)=０(단, (T/2)<t<T의 경우)
ㆍ V(t+T)=V(t)
검출용 게이트 신호 SＬ, SＲ의 파형은 주기 T의 방형파이고, 그 전압 V(t)는 이하의 식으로 주어진다.
ㆍ 검출용 게이트 신호 SＬ:
ㆍ V(t)=1(단, 0<t<(T/2)의 경우)
ㆍ V(t)=0(단, (T/2)<t<T의 경우)
ㆍ V(t+T)=V(t)
ㆍ 검출용 게이트 신호 SＲ(=SＬ의 반전):
ㆍ V(t)=0(단, 0<t<(T/2)의 경우)
ㆍ V(t)=1(단, (T/2)<t<T의 경우)
ㆍ V(t+T)=V(t)
상기 펄스 신호 SP, SL, SR, SD는 모두 펄스 주기 2×TP를 가지고 있는 것으로 한다. 검출용 게이트 신호 SL 및 펄스 검출 신호 SD 모두 「1」일 때에 이면 입사형 측거 센서(1) 내에서 발생하는 전하량을 Q1, 검출용 게이트 신호 SR 및 펄스 검출 신호 SD가 모두 「1」일 때에 이면 입사형 측거 센서(1) 내에서 발생하는 전하량을 Q2로 한다.
이면 입사형 측거 센서(1)에 있어서 일방의 검출용 게이트 신호 SL과 펄스 검출 신호 SD의 위상차는 타방의 검출용 게이트 신호 SR과 펄스 검출 신호 SD가 「1」일 때의 중복 기간에 있어서, 이면 입사형 측거 센서(1)에 있어서 발생한 전하량 Q2에 비례한다. 즉, 전하량 Q2는 검출용 게이트 신호 SR과 펄스 검출 신호 SD의 논리곱이 「1」인 기간에 있어서 발생한 전하량이다. 1 화소 내에 있어서 발생하는 전체 전하량을 Q1+Q2로 하고, 구동 신호 SP의 반주기의 펄스폭을 TP로 하면, △t=TP×Q2/(Q1+Q2)의 기간만, 구동 신호 SP에 대해 펄스 검출 신호 SD가 늦어지게 된다. 1개의 펄스광의 비행 시간 △t는 대상물까지의 거리를 d, 광속을 c로 하면, △t=2d/c로 주어지기 때문에, 특정 화소로부터의 거리 정보를 가지는 신호 d'로서 2 개의 전하량(Q1, Q2)이 출력되면, 연산 회로(5)는 입력된 전하량 Q1, Q2와, 미리 판명된 반주기 펄스폭 TP에 기초하여 대상물 H까지의 거리 d=(c×△t)/2=c×TP×Q2/(2×(Q1+Q2))를 연산한다.
상술한 바와 같이, 전하량 Q1, Q2를 분리하여 독출하면, 연산 회로(5)는 거리 d를 연산할 수 있다. 또한, 상술한 펄스는 반복해서 출사되어, 그 적분값을 각 전하량 Q1, Q2로서 출력할 수 있다.
또, 전하량 Q1, Q2의 전체 전하량에 대한 비율은 상술한 위상차, 즉 대상물 H까지의 거리와 대응되고 있고, 연산 회로(5)는 이 위상차에 따라 대상물 H까지의 거리를 연산하고 있다. 상술한 바와 같이, 위상차에 대응된는 시간차를 △t로 하면, 거리 d는 바람직하게는 d＝(c×△t)/2로 주어지지만, 적당한 보정 연산을 이에 가해도 된다. 예를 들어, 실제 거리와 연산된 거리 d가 다른 경우, 후자를 보정하는 계수 β를 미리 구하고, 출하 후의 제품에서는 연산된 거리 d에 계수 β를 곱한 것을 최종적인 연산 거리 d로 해도 된다. 또, 외기 온도를 측정하고, 외기 온도에 따라 광속 c가 다른 경우에는 광속 c를 보정하는 연산을 행하고 나서, 거리 연산을 할 수도 있다. 또, 연산 회로에 입력된 신호와 실제 거리의 관계를 미리 메모리에 기억하고, 룩업 테이블 방식에 의해 거리를 연산해도 된다. 또, 센서 구조에 따라서도 연산 방법은 변경할 수 있고, 이것에는 종래부터 알려져 있는 연산 방법을 이용할 수 있다.
도 2는 제1 실시 형태의 측거 센서 평면도이다.
이면 입사형 측거 센서(1)는 2차원 상태로 배열한 복수의 화소 P(m, n)으로 이루어진 촬상 영역(1B)을 가지는 반도체 기판(1A)을 구비하고 있다. 각 화소 P(m, n)으로부터는 상술한 거리 정보를 가지는 신호 d'(m, n)으로서 2개의 전하량(Q1, Q2)이 출력된다. 각 화소 P(m, n)은 미소 측거 센서로서 대상물 H까지의 거리에 따른 신호 d'(m, n)을 출력하므로, 대상물 H로부터의 반사광을 촬상 영역(1B)에 결상하면, 대상물 H 상의 각 점까지의 거리 정보 집합체로서의 대상물의 거리 화상을 얻을 수 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 측거 센서의 III-III 화살표 단면도이다.
이면 입사형 측거 센서(1)에는 광입사면(1BK)으로부터 펄스광 LD가 입사한다. 이면 입사형 측거 센서(1)의 광입사면(1BK)과는 반대측의 표면(1FT)은 접착 영역(AD)을 통하여 배선 기판(10)에 접속되어 있다. 접착 영역(AD)은 범프 등의 접착 소자를 포함하는 영역이고, 필요에 따라 절연성의 접착제나 필러를 가지고 있다. 이면 입사형 측거 센서(1)를 구성하는 반도체 기판(1A)은 보강용의 프레임부(F)와, 프레임부(F)보다 얇은 박판부(TF)를 가지고 있고, 이들은 일체화되어 있다. 박판부(TF)의 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하이다. 본 예의 프레임부(F)의 두께는 200㎛ 이상 600㎛ 이하이다.
도4는 변형예에 관한 측거 센서의 단면도이다.
이 측거 센서는 도3에 나타낸 것과 반도체 기판(1A)의 형상만 다르며, 다른 구성은 동일하다. 반도체 기판(1A)은 스트라이프 형상 또는 격자 형상으로 형성된 보강부(AF)를 추가로 가지고 있고, 보강부(AF) 사이에 박판부(TF)가 형성되어, 이들은 일체화되어 있다. 본 예의 보강부(AF)의 두께는 프레임부(AF)의 두께와 같으며, 200㎛ 이상 600㎛ 이하이다. 박판부(TF)에는 전술한 각 화소가 형성되어 있다. 박판부(TF)는 KOH 등의 알칼리성 에칭액을 이용한 웨트 에칭에 의해 형성한다. 에칭에 의해 형성된 노출 표면의 조도는 1㎛ 이하이다.
도 5는 도 3 또는 도 4에 나타낸 측거 센서 영역 V의 확대도이다.
이면 입사형 측거 센서(1)는 광입사면(1BK) 및 광입사면(1BK)과는 반대측의 표면(1FT)을 가지는 반도체 기판(1A)과, 표면(1FT) 상에 절연층(1E)을 통하여 마련된 포토게이트 전극(PG)과, 표면(1FT) 상에 있어서 절연층(1E)을 통하여 포토게이트 전극(PG)에 인접하여 마련된 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)과, 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2) 바로 아래의 영역에 흘러드는 캐리어(전자 e)를 각각 독출하기 위한 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)을 구비하고 있다. 본 예의 반도체 기판(1A)은 Si로 이루어지고, 절연층(1E)은 SiO２로 이루어진다.
반도체 기판(1A)은 저불순물 농도의 P형 반도체 기판으로 이루어지고, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)은 고불순물 농도의 N형 반도체로 이루어진 플로팅 디퓨젼 영역이고, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)은 P형 웰 영역(W1, W2) 내에 각각 형성되어 있다. 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 주변은 기판, 제1 및 제2 게이트 전극 바로 아래의 불순물 농도보다 더 고농도인 웰 영역(W1, W2)으로 둘러싸여 있으므로, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)으로부터의 공핍층의 확대를 억제함과 아울러, 리크 전류의 저감을 도모하고, 나아가 크로스 토크이나 미광(迷光)에 의한 불필요 캐리어의 포획을 저감시킬 수 있다. 또, 웰 영역(W1, W2)은 포토게이트 전극(PG)으로의 전압 인가에 의해 확대된 공핍층과, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)으로부터 확대되는 공핍층과의 결합을 억제하고 있다.
제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 일부는 반도체 기판(1A)에 있어서 각 게이트 전극(TX1, TX2)의 바로 아래 영역에 접촉하고 있다. 반도체 기판(1A)의 광입사면(1BK)측에는 반사 방지막(1D)이 마련되어 있다. 저불순물 농도의 반도체 기판(1A) 노출면의 표면 조도, 즉 표면 요철(凹凸)의 최대값과 최소값의 높이 차는 1㎛ 이하이다. 반사 방지막(1D)의 재료는 SiO２ 또는 SiN이다.
배선 기판(10)은 Si로 이루어진 반도체 기판(10A)과, 반도체 기판(10A) 상에 형성된 독출 배선(11h, 15h)을 구비하고 있고, 이러한 독출 배선(11h, 15h)은 각각 제1 반도체 영역(FD1), 제2 반도체 영역(FD2)에 전기적으로 접속되어 있다.
제1 반도체 영역(FD1)과 독출 배선(11h) 사이에는 컨택트 전극(11A), 패드 전극(11B), 범프(11c), 패드 전극(11d), 컨택트 전극(11E), 중간 전극(11f), 컨택트 전극(11g)이 개재되어 있다.
제2 반도체 영역(FD2)과 독출 배선(15h) 사이에는 컨택트 전극(15a), 패드 전극(15b), 범프(15c), 패드 전극(15d), 컨택트 전극(15e), 중간 전극(15f), 컨택트 전극(15g)이 개재되어 있다.
반도체 기판(10A) 상에는 제1 게이트 배선(12g), 포토게이트 배선(13g), 제2 게이트 배선(14g)이 마련되어 있고, 이들은 각각 제1 게이트 전극(TX1), 포토게이트 전극(PG), 제2 게이트 전극(TX2)에 전기적으로 접속되어 있다.
제1 게이트 전극(TX1)과 제1 게이트 배선(128) 사이에는 컨택트 전극(12a), 패드 전극(12b), 범프(12c), 패드 전극(12d), 컨택트 전극(12e), 중간 전극(12f)이 개재되어 있다.
포토게이트 전극(PG)과 포토게이트 배선(13g) 사이에는 컨택트 전극(13a), 패드 전극(13b), 범프(13c), 패드 전극(13d), 컨택트 전극(13e), 중간 전극(13f)이 개재되어 있다.
제2 게이트 전극(TX2)과 제2 게이트 배선(14g) 사이에는 컨택트 전극(14a), 패드 전극(14b), 범프(14c), 패드 전극(14d), 컨택트 전극(14e), 중간 전극(14f)이 개재되어 있다.
각 컨택트 전극은 도시와 같이, 절연층(1F, 10B, 10c)에 마련된 컨택트 홀 내에 매설되어 있다.
접착 영역(AD)은 수지 이루어진 접착층(AD1)과, 이면 입사형 측거 센서(1)의 각 전극을 배선 기판(10) 상의 각종 배선에 접속하기 위한 범프(11c, 12c, 13c, 14c, 15c)를 구비하고 있다.
이 측거 장치는 이면 입사형 측거 센서(1)의 표면(1FT)을 배선 기판(10)의 마운트면(M) 상에 고정하고, 포토게이트 전극(PG), 제1 게이트 전극(TX1) 및 제2 게이트 전극(TX2)을 배선 기판(10) 상의 배선에 범프를 통해 접속하고 있다. 이 측거 장치는 이면 입사형 측거 센서(1)를 배선 기판(10) 상에 마운트하면, 각 배선을 통하여, 상기 신호를 각각의 전극에 줄 수 있고, 장치가 소형화되고 있다.
또한, 배선 기판(10)의 마운트면(M) 상에는 흑색 수지로 이루어진 광 흡수층(SH)이 형성되어 있고, 이면 입사형 측거 센서(1)를 투과한 광의 배선 기판(10)으로의 입사를 억제함과 아울러, 배선 기판(10) 상의 배선에 의해 반사된 광이, 이면 입사형 측거 센서(1)로 다시 돌아와 크로스 토크을 일으키는 것을 방지하고 있다. 또, 상술한 각종 전극 또는 배선은 알루미늄 또는 폴리실리콘으로 이루어진다. 이면 입사형 측거 센서(1)에 있어서 Si로 이루어진 반도체 기판의 두께 t1은 10 ~ 100㎛이고, 바람직하게는 15 ~ 50㎛이고, 본 예에서는 20㎛이다.
이 이면 입사형 측거 센서(1)에서는 투광용 광의 입사에 응답하여 반도체 심부에서 발생한 캐리어를, 광입사면(1BK)과는 반대측의 캐리어 발생 위치 근방에 마련된 포텐셜 우물로 끌어들여, 고속으로 정확한 측거가 가능하게 하고 있다.
반도체 기판(1A)의 광입사면(이면; 1BK)으로부터 입사한 대상물로부터의 펄스광 LD는 반도체 기판(1A)의 표면측에 마련된 포토게이트 전극(PG) 바로 아래의 영역까지 도달한다. 펄스광의 입사에 수반하여 반도체 기판(1A) 내에서 발생한 캐리어는 포트게이트 전극(PG) 바로 아래의 영역으로부터, 이에 인접한 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)의 바로 아래의 영역에 배분된다. 즉, 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2)에 광원의 구동 신호 SP에 동기한 검출용 게이트 신호 SL, SR을, 배선 기판(10)을 통하여 번갈아 주면, 포토게이트 전극(PG) 바로 아래의 영역에서 발생한 캐리어가, 각각 제1 및 제2 게이트 전극(TX1, TX2) 바로 아래 영역에 흘러, 이 들로부터 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 흘러든다.
제1 반도체 영역(FD1) 또는 제2 반도체 영역(FD2) 내에 축적되는 캐리어의 전하량(Q1, Q2)의 전체 전하량(Q1+Q2)에 대한 비율은 구동 신호 SP를 광원에게 줌으로써 출사된 출사 펄스광과, 대상물 H에 의해 출사 펄스광이 반사되는 것에 의해 되돌아온 검출 펄스광의 위상차에 대응된다.
게이트 전극(TX1, TX2)으로의 구동 신호(검출용 게이트 신호 SL, SR)의 주파수를 증가시킴으로써, 이 전하의 배분 속도를 증가시켜도, 근적외광의 입사에 따라 발생한 캐리어의 발생 영역은 반도체 기판(1A)의 광입사면(1BK)보다도 반대측의 표면(1FT)에 가깝기 때문에, 많은 캐리어는 포토게이트 전극(PG) 바로 아래의 영역으로부터 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)으로 흘러들어, 이들 영역으로부터, 배선 기판(10)의 배선(11h, 15h)을 통해 축적 전하(Q1, Q2)를 독출할 수 있다. 또, 근적외보다 짧은 파장의 광은 반도체 기판(1A)의 광입사면(1BK)측의 영역에 있어서 제거되는 경향이 있기 때문에, 광입사면측에 가시광 컷 필터를 마련하지 않아도, 측거용 검출 펄스광의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 6은 제1 실시 형태의 측거 센서 화소의 평면도이다.
상술한 이면 입사형 측거 센서(1)에 있어서, P형의 웰 영역(W2)의 외측에 N형의 웰 영역(W3)을 마련하는 것으로 해도 된다. 웰 영역(W3)은 화소 분리를 행함과 아울러 미광에 수반하여 발생한 불필요 캐리어를 흡수할 수 있다. 또한, 각 웰 영역(W1, W2, W3)의 깊이는 동일하다. 또한, 각 반도체 영역의 두께/불순물 농도는 이하와 같다.
ㆍ 반도체 기판(1A):
두께 10 ~ 100㎛/불순물 농도 1×1012 ~ 1015㎝－３
ㆍ 웰 영역(W1, W2);
두께 0.5 ~ 3㎛/불순물 농도 1×1016 ~ 1018㎝－３
ㆍ 반도체 영역(FD1, FD2):
두께 0.1 ~ 0.4㎛/불순물 농도 1×1018 ~ 1020㎝－３
.웰 영역(W3):
두께 0.5 ~ 3㎛/불순물 농도 1×1016 ~ 1018㎝－３
본 예에서는 반도체 기판(1A)으로서 고저항 기판(본 예에서는 비저항 10kΩㆍcm)을 이용함으로써, 포토게이트 전극(PG)에 바이어스 전압을 인가한 때에 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래의 영역으로부터 공핍층을 방사(放射) 형상으로 확대하여, 광의 이용 효율(양자 효율)을 높이고, 또한 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 직접 들어가려고 하는 전하를 포획하여 크로스 토크을 저감시킬 수 있다．
또한, 본 예의 반도체 기판(1A)의 두께는 20㎛, 불순물 농도는 1×1012㎝－３, 웰 영역(W1, W2)의 불순물 농도는 1×1017㎝－３, 반도체 영역(FD1, FD2)의 불순물 농도는 1×1019㎝－３, 웰 영역(W3)의 불순물 농도는 1×1017㎝－３으로 한다.
도 7은 백 게이트 근방의 단면도이다. 또한, 저불순물 농도의 반도체 기판(1A)은 에피택셜층으로 이루어진 것으로 해도 된다.
즉, 상술한 이면 입사형 측거 센서(1)의 반도체 기판(1A)의 전위를 기준 전위에 고정하기 때문에, P형의 웰 영역(W1(W2)) 내에, 고농도 불순물을 함유하는 P형의 백 게이트 반도체 영역(BG)을 구비하고 있다. 신호 독출 회로가 마련된 배선 기판(10)의 반도체 기판(10A) 상에는 그랜드 배선(16h)이 마련되어 있다. 백 게이트 반도체 영역(BG)과 그랜드 배선(16h) 사이에는 컨택트 전극(16a), 패드 전극(16b), 범프(716c), 패드 전극(16d), 컨택트 전극(16e), 중간 전극(16f), 컨택트 전극(16g)이 개재되어 있고, 이들을 전기적으로 접속하고 있다.
도 8은 관통 전극 근방의 단면도이다.
상술한 이면 입사형 측거 센서(1)의 반도체 기판(1A)의 전위를 기준 전위에 고정하기 위해, 백 게이트 전극 대신에 P형의 확산 영역(W4) 등의 P형 반도체층을 가져, 전기적으로 접속된 관통 전극(17x)을 구비하는 것으로 해도 된다. 배선 기판(10)의 반도체 기판(10A) 상에는 그랜드 배선(17h)이 마련되어 있다. 관통 전극(17x)과 그랜드 배선(17h) 사이에는 컨택트 전극(17a), 패드 전극(17b), 범프(17c), 패드 전극(17d), 컨택트 전극(17e), 중간 전극(17f), 컨택트 전극(17g)이 개재되어 있고, 이들을 전기적으로 접속하고 있다.
도 9는 캐리어 축적 동작을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
광 입사시에 있어서, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래의 영역의 포텐셜 Φ PG는 기판 전위보다 약간 높게 설정되어 있다. 이 포텐셜도에서는 하향이 포텐셜의 정방향이고, 동 도면에는 게이트 전극(TX1)의 바로 아래 영역의 포텐셜 Φ TX1，게이트 전극(TX2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 Φ TX２, 반도체 영역(FD1)의 포텐셜 Φ FD1, 반도체 영역(FD2)의 포텐셜 Φ FD２가 나타나 있다.
검출용 게이트 신호 SL의 고전위가 게이트 전극(TX1)에 입력되면, 포토게이트(PG)의 바로 아래에서 발생한 캐리어(전자 e)는 포텐셜 기울기에 따라 게이트 전극(PX1)의 바로 아래 영역을 통하여, 제1 반도체 영역(FD1)의 포텐셜 우물 내에 축적되고, 이 포텐셜 우물 내에는 전하량(Q1)이 축적되게 된다.
도 10은 캐리어 축적 동작을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
광 입사시에 있어서, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역의 포텐셜 Φ PG는 기판 전위보다 약간 높게 설정되어 있다.
검출용 게이트 신호 SL에 이어, 검출용 게이트 신호 SR의 고전위가 게이트 전극(TX2)에 입력되면, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래에서 발생한 캐리어(전자 e)는 포텐셜 기울기에 따라 게이트 전극(PX2)의 바로 아래 영역을 통해, 제2 반도체 영역(FD2)의 포텐셜 우물 내에 축적되고, 이 포텐셜 우물 내에는 전하량(Q2)이 축적되게 된다.
상술한 바와 같이, 각 포텐셜 우물에 축적된 전하(Q1, Q2)는 배선 기판(10)에 마련된 독출 배선(11h, 15h; 도 5 참조)을 통하여 외부에 독출된다.
도 11은 입사광의 파장(㎚)과 흡수 계수
Figure 112009066613128-PCT00007
의 관계를 나타내는 그래프이다.
광의 흡수는 I(일정 깊이에서의 광 강도), Io(반도체 기판 표면 부근에서의 광 강도), x(반도체 기판 표면으로부터의 깊이),
Figure 112009066613128-PCT00008
(광의 흡수 계수)를 이용하면, I=Io×exp(－
Figure 112009066613128-PCT00009
×x)로 표현된다. 이 식에서 파장=700㎚ 광의 절반이 흡수되는 Si 반도체 기판의 깊이는 거의 3㎛로 된다. 본 형태에 있어서 반도체 기판(1A)의 박판부(薄板部)의 두께 t1은 10㎛ ~ 100㎛이고, 근적외 대역보다 짧은 가시 대역의 광은 흡수되어, 광입사면측에 가시광 컷 필터를 마련하지 않아도 고정밀도의 측거가 가능하게 되어 있다.
또, 파장 800㎚일 때 광의 흡수 계수
Figure 112009066613128-PCT00010
=1.0×103(cm－l), 파장 900㎚일 때의, 광의 흡수 계수
Figure 112009066613128-PCT00011
=2.0×102(cm－l)이고, 입사광의 63%가 흡수되는 깊이(I/Io=1/e의 경우)는 파장 800㎚에서 10㎛, 파장 900㎚에서 50㎛로 된다. 이에 따라 반도체 기판의 두께가 10 ~ 50㎛이면, 근적외 대역의 광을 충분히 흡수할 수 있다.
도 12는 태양광의 에너지 밀도를 나타내는 스펙트럼(실선)과, 근적외 발광 LED의 상대 광 강도를 나타내는 스펙트럼(점선)을 나타내는 그래프이다.
태양광의 스펙트럼은 가시 대역(500㎚ 정도)에 피크를 가지는 한편, 근적외 발광 LED의 스펙트럼은, 예를 들어 870㎚에 피크를 가진다. 따라서, 가시 대역의 광을 적당한 가시 대역 컷 필터로 제거하는 것에 의해, 광원(3)으로부터의 펄스광 을 선택적으로 태양광으로부터 분리하고, 또한 반도체 기판의 광입사면과는 반대측에 있어서 캐리어가 발생하는 구성으로 했기 때문에, 고속의 배분 속도에 응답하여, 높은 근적외 감도에서 발생한 캐리어를 수집할 수 있고, 고정밀도의 측거를 행할 수 있다. 또, 이면 입사형 측거 센서의 반도체 기판의 광입사면에 있어서 근적외 대역보다 짧은 가시 대역의 광은 흡수되므로, 광입사면측에 가시광 컷 필터를 마련하지 않아도, 고정밀도의 측거가 가능하게 되어 있다.
도 13은 광입사면으로부터의 깊이(㎛)와 광 강도(a.u.)의 관계를 나타내는 그래프이다.
이면 입사형 측거 센서의 반도체 기판의 박판부의 두께는 15㎛이다. 광 강도(a.u.)는 그 위치에서 발생하는 전자 수에 대응하고 있다.
표면 입사형의 측거 센서에 있어서, 깊이 10㎛까지 공핍층이 확대되어 캐리어를 포획할 수 있었다고 하면, 점선 사선 영역(R1)분의 캐리어 신호 성분으로 된다.
한편, 이면 입사형의 측거 센서의 경우에서는 10㎛의 범위에서 캐리어를 포획했다고 하면, 실선 사선 영역(R2)분이 캐리어 신호 성분으로 된다. 단순히 캐리어 수(감도)를 비교하면, 이면 입사형의 측거 센서의 경우, 감도의 면에서 표면 입사형의 측거 센서에 뒤떨어지는 것처럼 생각된다. 그러나 필요한 신호는 근적외 파장이고, 기판 농도, 인가 전압 등을 조정하여, 포토게이트 전극 바로 아래의 공핍층을 기판 두께의 두께까지 넓히면, 표면 입사형의 측거 센서보다 높은 감도를 얻을 수 있다. 또한, 이 공핍층을 확대함으로써 기울기 입사에 대한 크로스 토크를 저감시킬 수 있다.
또, 게이트 전극(PG, TX1, TX2)을 금속으로 하거나, 또는 폴리실리콘으로서 그 광입사면측에 금속막을 형성하는 것으로 하면, 이 금속에 의해 반도체 기판을 한번 투과한 광이 반사되기 때문에, 광의 이용 효율을 높일 수 있다. 반사를 이용함으로써, 사선 영역(R3)에 있어서 발생한 캐리어도 포획할 수 있기 때문에, 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 반도체 기판의 광입사면측에 가시 대역 컷 필터를 증착해도 된다. 또, 상술한 측거 센서는 광원을 포함하여 모듈화할 수도 있다.
또, 구동 신호의 주파수와 측정 거리 범위의 관계를 검토한 결과, 1m 정도 ~ 200m까지를 측정 범위로 한 경우, 구동 신호의 동작 주파수는 0.375 MHz ~ 100MHz가 적당하다는 것을 알 수 있었다.
또한, 캐리어의 이동도는 고유의 값이기 때문에, 동작 주파수 의존성은 없다. 또, 게이트 전극에 인가하는 전압, 기판 농도 및 게이트 산화막 등의 패라미터를 바꿈으로써, 전하의 배분 효율(전송 속도)은 변화한다. 예를 들어, 게이트 전압에 높은 전압을 인가하고, 저농도(고저항) 기판으로 게이트 산화막 두께를 적당히 두껍게 하면, 확산에 의한 캐리어의 이동에다가 프린징 전계의 효과가 더해져, 고속으로 전하를 전송하는 것이 가능하게 된다. 상술한 절연층(1E)을 두껍게 함으로써, 프린징 전계를 형성할 수 있다. 프린징 전계를 형성하기 위한 바람직한 절연층(1E)의 두께는 50 ~ 1000㎚이다.
또한, 상술한 포토게이트 전극(PG)은 측거 센서당 1개이어도 되고, 포토게이 트 전극을 포함하는 미소 측거 센서를 화소로서 1차원 또는 2차원 상태로 복수 배열하여, 1차원 또는 2차원의 거리 화상을 얻을 수 있는 측거 센서로 해도 된다. 또한, 포토게이트 전극의 윗쪽만 열린 차광막을 이면 입사형 측거 센서(1)의 광입사면측에 마련하는 것도 가능하고, 이에 의해 반도체 영역(FD1, FD2)으로의 기울기 입사에 의한 크로스 토크를 저감시킬 수도 있다.
도 14는 반도체 기판 내의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
게이트 전극(TX1)에 2V, 포토게이트 전극(PG)에 1V, 게이트 전극(TX2)에 ０V를 인가하였다. 포토게이트 전극(PG) 바로 아래의 영역으로부터 게이트 전극(TX1, TX2) 바로 아래의 포텐셜이 상승하고 있고, 이러한 영역에서의 근적외광의 입사에 의해, 효율적으로 캐리어를 획득하여, 주위보다 현저하게 높은 포텐셜의 반도체 영역(FD1, FD2) 내에 전송하는 것이 가능하다. 반도체 영역(FD1, FD2)은 고불순물 농도를 가지는 N형의 반도체이고, 내부에 정(正)으로 이온화한 도너가 존재하고 있어 포텐셜이 높아져 있다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태에 관한 측거 장치의 구조는 도 1에 있어서 설명한 것과 동일하고, 측거 장치를 구성하는 이면 입사형 측거 센서(1)의 세부 구성만 다르다. 이 측거 장치도, 도 1에서 설명한 제어 회로(2), 광원(3), 구동 회로(4) 및 연산 회로(5)를 구비하고 있다.
도 15는 제2 실시 형태의 측거 센서의 평면도이다.
이면 입사형 측거 센서(1)는 2차원 형상으로 배열한 복수의 화소 P(m, n)으 로 이루어진 촬상 영역(1B)을 가지는 반도체 기판(1A)을 구비하고 있다. 각 화소 P(m, n)으로부터는 상술한 거리 정보를 가지는 신호 d'(m, n)으로서 2개의 전하량(Q1, Q2)이 출력된다. 각 화소 P(m, n)은 미소 측거 센서로서 대상물 H까지의 거리에 따른 신호 d'(m, n)을 출력하므로, 대상물 H로부터의 반사광을 촬상 영역(1B)에 결상하면, 대상물 H 상의 각 점까지의 거리 정보의 집합체로서의 대상물의 거리 화상을 얻을 수 있다.
도 16은 도 15에 나타낸 측거 센서의 XVI-XVI 화살표 단면도이다.
이면 입사형 측거 센서(1)에는 광입사면(1BK)으로부터 펄스광 LD가 입사한다. 이면 입사형 측거 센서(1)의 광입사면(1BK)과는 반대측의 표면(1FT)은 접착 영역(AD)을 통하여 배선 기판(10)에 접속되어 있다. 접착 영역(AD)은 범프 등의 접착 소자를 포함하는 영역이고, 필요에 따라 절연성의 접착제나 필러를 가지고 있다. 이면 입사형 측거 센서(1)를 구성하는 반도체 기판(1A)은 보강용의 프레임부(F)와, 프레임부(F)보다 얇은 박판부(TF)를 가지고 있고, 이들은 일체화되어 있다. 박판부(TF)의 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하이다. 본 예의 프레임부(F)의 두께는 200㎛ 이상 600㎛ 이하이다.
도 17은 변형예에 관한 측거 센서의 단면도이다.
이 측거 센서는 도 16에 나타낸 것과 반도체 기판(1A)의 형상만이 다르며, 다른 구성은 동일하다. 반도체 기판(1A)은 스트라이프 형상 또는 격자 형상으로 형성된 보강부(AF)를 추가로 가지고 있고, 보강부(AF)의 사이에 박판부(TF)가 형성되 어, 이들은 일체화되어 있다. 본 예의 보강부(AF)의 두께는 프레임부(AF)의 두께와 같으며, 200㎛ 이상 600㎛ 이하이다. 박판부(TF)에는 전술한 각 화소가 형성되어 있다. 박판부(TF)는 KOH 등의 알카리성 에칭액을 이용한 웨트 에칭에 의해 형성한다. 에칭에 의해 형성된 노출 표면의 조도는 1㎛ 이하이다.
도 18은 도 16 또는 도 17에 나타낸 측거 센서의 영역 XVIII의 확대도이다.
이면 입사형 측거 센서(1)의 기본 구조는 도 5에 나타낸 제1 실시 형태의 것과 동일하므로, 여기에서는 차이점만을 설명한다.
즉, 이 이면 입사형 측거 센서(1)에 있어서, 포트게이트 전극(PG)의 바로 아래의 영역은 반도체 기판(1A)과 동일한 도전형인 P형으로서, 반도체 기판(1A)의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도를 가지는 전계 집중 영역(1G)으로 이루어진다. 전계 집중 영역(1G)은 불순물 농도가 반도체 기판(1A)보다 상대적으로 높기 때문에, 공핍화한 때의 이온화 불순물 밀도가 높아지는 것에 의해, 포텐셜의 기울기, 즉 전계를 높게 하는 것이 가능하여, 이 영역에 전계가 집중한다. 반도체 기판(1A)의 불순물 농도는 상대적으로 낮기 때문에, 반도체 기판(1A)에 공핍층이 확대된다.
따라서, 포토게이트 전극(PG) 바로 아래의 전계 집중 영역(1G)으로부터 저농도의 반도체 기판(1A)을 향하는 세로 방향에는 공핍층은 확대되지만, 가로 방향으로의 확대는 억제된다. 자세한 것은 후술하겠으나, 이 구조에서는 전계 집중 영역(1G) 바로 아래의 반도체 기판(1A)에 있어서도 공핍층이 가로 방향으로 확대되는 것을 억제하여 신호로서 축적되는 캐리어를 억제하고, 또 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)으로부터 확대되는 공핍층과의 결합을 억제할 수 있기 때문에, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2) 내로 직접 흘러드는 캐리어를 억제할 수 있고, 크로스 토크를 저감시킬 수 있다.
전계 집중 영역(1G)은 실리콘 기판 내에 에피택셜층 또는 불순물을 확산 또는 주입하여 형성한다. 전계 집중 영역(1G)의 두께를 0.2㎛ ~ 3㎛, 바람직하게는 1㎛ ~ 3㎛로 얇게 하면, 저농도의 반도체 기판(1A)에도 전계가 가해지게 되어, 반도체 기판(1A) 내에 공핍층이 확대된다.
제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 도전형은 반도체 기판(1A)의 도전형과는 달리, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1,FD2)은 웰 영역(W1, W2) 내에 형성되어 있고, 웰 영역(W1, W2)의 도전형은 반도체 기판(1A)과 동일한 도전형으로서, 전계 집중 영역(1G)의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도를 가지고 있다.
제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 도전형은 반도체 기판(1A)과는 다르므로, 본래라면, 이들은 PN 접합을 구성하고, 그 계면으로부터 저농도의 반도체 기판을 향해서 공핍층이 확대된다. 한편, 본 실시 형태의 구성의 경우, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)은 웰 영역(W1, W2)내에 형성되어 있고, 웰 영역(W1, W2)의 불순물 농도는 반도체 기판(1A)보다 충분히 높기 때문에, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)과 웰 영역(W1, W2)의 계면으로부터 확대되는 공핍층의 두께는 억제되고, 이러한 공핍층과, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래로부터 확대되는 본래의 공핍층이 결합하는 상태를 억제할 수 있고, 상술한 바와 같이 크로스 토크를 억제할 수 있다.
이 이면 입사형 측거 센서(1)에 있어서도, 투광용 광의 입사에 응답하여 반 도체 심부에서 발생한 캐리어를, 광입사면(1BK)과는 반대측의 캐리어 발생 위치 근방에 마련된 포텐셜 우물로 끌어들여, 고속으로 정확한 측거가 가능하게 하고 있다. 또한, 제2 실시 형태의 측거 장치 및 이면 입사형 측거 센서(1)의 측거시의 동작도, 제1 실시 형태의 것과 동일하다.
도 19는 제2 실시 형태의 측거 센서의 화소의 평면도이다.
상술한 이면 입사형 측거 센서(1)에 있어서도, P형의 웰 영역(W2)의 외측에 N형의 웰 영역(W3)을 마련하는 것으로 해도 된다. 웰 영역(W3)은 화소 분리를 행함과 아울러 미광에 수반하여 발생한 불필요 캐리어를 흡수할 수 있다. 또한, 각 웰 영역(W1, W2, W3)의 깊이는 동일하다. 또한, 각 반도체 영역의 두께/불순물 농도는 이하와 같다.
ㆍ 반도체 기판(1A):
두께 10 ~ 100㎛/불순물 농도 1×1012 ~ 1015㎝－３
ㆍ 웰 영역(W1, W2);
두께 0.5 ~ 3㎛/불순물 농도 1×1016 ~ 1018㎝－３
ㆍ 반도체 영역(FD1, FD2):
두께 0.1 ~ 0.4㎛/불순물 농도 1×1018 ~ 1020㎝－３
ㆍ 웰 영역(W3):
두께 0.5 ~ 3㎛/불순물 농도 1×1016 ~ 1018㎝－３
ㆍ 전계 집중 영역(1G)(도 18):
두께 0.2 ~ 3㎛/불순물 농도 1×1013 ~ 1016㎝－３
본 예에 있어서도, 반도체 기판(1A)으로서 고저항 기판(본 예에서는 비저항 10kΩㆍ㎝)을 이용함으로써, 포토게이트 전극(PG)에 바이어스 전압을 인가한 때에 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래의 영역으로부터 공핍층을 방사 형상으로 넓혀, 광의 이용 효율(양자 효율)을 높이고, 또한 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 직접 들어가려고 하는 전하를 포획하여 크로스 토크를 저감시킬 수 있다.
또한, 본 예의 반도체 기판(1A)의 두께는 20㎛, 불순물 농도는 1×1012㎝－３, 웰 영역(W1, W2)의 불순물 농도는 1×1017㎝－３, 반도체 영역(FD1, FD2)의 불순물 농도는 1×1019㎝－３, 웰 영역(W3)의 불순물 농도는 1×1017㎝－３, 전계 집중 영역(1G)의 불순물 농도는 1×1015㎝－３으로 한다.
또한, 백 게이트 근방의 구조, 관통 전극 근방의 구조는 제1 실시 형태의 도 7 및 도 8에 있어서 설명한 것과 동일하다.
도 20은 캐리어 축적 동작을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
광입사시에 있어서, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래의 영역의 포텐셜 φ PG 는 기판 전위보다 약간 높게 설정되어 있다. 이 포텐셜도에서는 하향이 포텐셜의 정방향이고, 동 도면에는 게이트 전극(TX1)의 바로 아래의 영역의 포텐셜 φ TX1, 게 이트 전극(TX2)의 바로 아래의 영역의 포텐셜 φ TX2, 반도체 영역(FD1)의 포덴셜 φ FD1, 반도체 영역(FD2)의 포텐셜 φ FD2이 나타나 있다.
검출용 게이트 신호 SL의 고전위가 게이트 전극(TX1)에 입력되면, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래에서 발생한 캐리어(전자 e)는 포텐셜 기울기에 따라, 게이트 전극(PX1)의 바로 아래의 영역을 통하여, 제1 반도체 영역(FD1)의 포텐셜 우물 내에 축적되어, 이 포텐셜 우물 내에는 전하량 Q1이 축적되게 된다.
도 21은 캐리어 축적 동작을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
광입사시에 있어서, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래의 영역의 포텐셜 φ PG는 기판 전위보다 약간 높게 설정되어 있다.
검출용 게이트 신호 SL에 이어서, 검출용 게이트 신호 SR의 고전위가 게이트 전극(TX2)에 입력되면, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래에서 발생한 캐리어(전자 e)는 포텐셜 기울기에 따라서, 게이트 전극(PX2)의 바로 아래의 영역을 통하여, 제2 반도체 영역(FD2)의 포텐셜 우물 내에 축적되어, 이 포텐셜 우물 내에는 전하량 Q2가 축적되게 된다.
상술한 바와 같이, 각 포텐셜 우물에 축적된 전하 Q1, Q2는 배선 기판(10)에 마련된 독출 배선(11h, 15h; 도 18 참조)을 통하여 외부에 독출된다.
또한, 본 예에 있어서도, 반도체 기판의 두께가 10 ~ 50㎛이면, 근적외 대역의 광을 충분히 흡수할 수 있다. 또, 본 실시 형태에 있어서도, 가시 대역의 광을 적당한 가시 대역 컷 필터로 제거하는 것에 의해, 광원(3)으로부터의 펄스광을 선택적으로 태양광으로부터 분리하고, 또한 반도체 기판의 광입사면과는 반대측에 있어서 캐리어가 발생하는 구성으로 했기 때문에, 고속의 배분 속도에 응답하여, 높은 근적외 감도로 발생한 캐리어를 수집할 수 있고, 고정밀도의 측거를 행할 수 있다. 또, 이면 입사형 측거 센서의 반도체 기판의 광입사면에 있어서 근적외 대역보다 짧은 가시 대역의 광은 흡수되므로, 광입사면측에 가시광 컷 필터를 마련하지 않고도, 고정밀도의 측거가 가능하게 되어 있다. 본 실시 형태에 있어서도, 필요한 신호는 근적외 파장이고, 기판 농도, 인가 전압 등을 조정하여, 포토게이트 전극 바로 아래의 공핍층을 기판 두께의 두께까지 넓히면, 표면 입사형의 측거 센서보다 높은 감도를 얻을 수 있다. 또한, 이 공핍층을 확대함으로써, 기울기 입사에 대한 크로스 토크를 저감시킬 수 있다.
또한, 게이트 전극(PG, TX1, TX2)을 금속으로 하거나, 또는 폴리 실리콘으로서 그 광입사면측에 금속막을 형성하는 것으로 하면, 이 금속에 의해 반도체 기판을 한 번 투과한 광이 반사되기 때문에, 광의 이용 효율을 올릴 수 있다. 반사를 이용함으로써, 사선 영역(R3)에 있어서 발생한 캐리어도 포획할 수 있기 때문에, 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 반도체 기판의 광입사면측에 가시 대역 컷 필터를 증착해도 된다. 또, 상술한 측거 센서는 광원을 포함하여 모듈화할 수도 있다.
또, 구동 신호의 주파수와 측정 거리 범위의 관계를 검토한 결과, 1m 정도 ~ 200m까지를 측정 범위로 한 경우, 구동 신호의 동작 주파수는 0.375MHz ~ 100MHz가 적당함을 알 수 있었다. 동작 주파수를 0.01MHz(500OOps), 0.1MHz(5000ps), 0.375MHz(1333ps), 1MHz(5OOps), 10MHz(50ps), 100MHz(5ps), 1000MHz(0.5ps)로 한 경우, 측정 거리 범위는 각각 7500m, 750m, 200m, 75m, 7.5m, 0.75m, 0.075m이다. 또한, 괄호 내는 동작 속도의 2분의 1이고, 펄스폭을 나타내고 있다.
또한, 캐리어의 이동도는 고유의 값이기 때문에, 동작 주파수 의존성은 없다. 또, 게이트 전극에 인가하는 전압, 기판 농도 및 게이트 산화막 두께 등의 파라미터를 바꾸는 것으로, 전하의 배분 효율(전송 속도)은 변화한다. 예를 들어 게이트 전압에 높은 전압을 인가하고, 저농도(고저항) 기판으로 게이트 산화막 두께를 적당히 두껍게 하면, 확산에 의한 캐리어의 이동에다가 프린징 전계의 효과가 더해져서, 고속으로 전하를 전송하는 것이 가능하게 된다. 상술한 절연층(1E)을 두껍게 함으로써, 프린징 전계를 형성할 수 있다. 프린징 전계를 형성하기 위한 바람직한 절연층(1E)의 두께는 50 ~ 1000㎚이다.
또한, 상술한 포토게이트 전극(PG)은 측거 센서당 1개이어도 되고, 포토게이트 전극을 포함하는 미소 측거 센서를 화소로서 1차원 또는 2차원 형상으로 복수 배열하고, 1차원 또는 2차원의 거리 화상을 얻을 수 있는 측거 센서로 해도 된다. 또한, 포토게이트 전극의 윗쪽만이 개구된 차광막을 이면 입사형 측거 센서(1)의 광입사면측에 마련하는 것도 가능하고, 이에 의해 반도체 영역(FD1, FD2)으로의 기울기 입사에 의한 크로스 토크를 저감시킬 수도 있다.
상기의 측거 센서에 있어서 포텐셜 분포의 시뮬레이션을 행하였다. 제2 실시 형태의 측거 센서는 도 18에 나타낸 바와 같이, 전계 집중 영역(1G)을 구비하고 있 고, 제1 실시 형태의 측거 센서는 구비하고 있지 않다.
도 22는 제2 실시 형태에 관한 반도체 기판 내의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이고, 도 23은 제2 실시 형태에 관한 포토게이트 전극(PG), 2 게이트 전극(TX1, TX2) 및 반도체 영역(FD1, FD2) 바로 아래의 포텐셜을 나타낸다. 도 23의 가로 축은 도 22의 가로 축에 일치한다.
게이트 전극(TX1)에 2V, 포토게이트 전극(PG)에 1V, 게이트 전극(TX2)에 0V를 인가하였다. 포토게이트 전극(PG) 바로 아래의 영역으로부터 게이트 전극(TX1, TX2)의 바로 아래의 포텐셜이 상승하고 있고, 이러한 영역으로의 근적외광의 입사에 의해 효율적으로 캐리어를 획득하여, 주위보다 현저하게 높은 포텐셜의 반도체 영역(FD1, FD2) 내에 전송하는 것이 가능하다. 반도체 영역(FD1, FD2)은 고불순물 농도를 가지는 N형의 반도체이고, 내부에 정(+)으로 이온화한 도너가 존재하고 있고, 포텐셜이 높아져 있다.
제1 실시 형태에 관한 반도체 기판 내의 포텐셜 분포는 도 14에 나타낸 대로이고, 도 24는 제1 실시 형태에 관한 포토게이트 전극(PG), 2 게이트 전극(TX1, TX2) 및 반도체 영역(FD1, FD2) 바로 아래의 포텐셜을 나타낸다. 도 24의 가로 축은 도 14의 가로 축에 일치한다.
제2 실시 형태의 포텐셜 분포에 의하면, 포텐셜의 확대가 제1 실시 형태보다 억제되고 있음을 알 수 있었다. 포텐셜 분포는 공핍층의 분포에 대응된다. 제2 실시 형태의 측거 센서에서는 가로 방향으로 퍼진 공핍층에 의해 흡수되는 캐리어를 억제하고, 또 제1 및 제2 반도체 영역으로부터 퍼지는 공핍층과의 결합을 억제할 수 있기 때문에, 제1 및 제2 반도체 영역 내로 직접 흘러드는 캐리어를 억제할 수 있고, 크로스 토크를 저감시킬 수 있다.
(제3 실시 형태)
제3 실시 형태에 관한 측거 장치의 구조는 도 1에 있어서 설명한 것과 동일하고, 측거 장치를 구성하는 이면 입사형 측거 센서(1)의 세부 구성만이 다르다. 이 측거 장치도, 도 1에 있어서 설명한 제어 회로(2), 광원(3), 구동 회로(4) 및 연산 회로(5)를 구비하고 있다.
도 25는 제3 실시 형태의 측거 센서의 평면도이다.
이면 입사형 측거 센서(1)는 2차원 형상으로 배열한 복수의 화소 P(m, n)으로 이루어진 촬상 영역(1B)을 가지는 반도체 기판(1A)을 구비하고 있다. 각 화소 P(m, n)으로부터는 상술한 거리 정보를 가지는 신호 d'(m, n)으로서 2개의 전하량(Q1, Q2)이 출력된다. 각 화소 P(m, n)은 미소 측거 센서로서 대상물 H까지의 거리에 따른 신호 d'(m, n)을 출력하므로, 대상물 H로부터의 반사광을, 촬상 영역(1B)에 결상하면, 대상물 H 상의 각 점까지의 거리 정보의 집합체로서의 대상물의 거리 화상을 얻을 수 있다.
도 26은 도 25에 나타낸 측거 센서의 XXVI-XXVI 화살표 단면도이다.
이면 입사형 측거 센서(1)에는 광입사면(1BK)으로부터 펄스광 LD가 입사 한다. 이면 입사형 측거 센서(1)의 광입사면(1BK)과는 반대측의 표면(1FT)은 접착 영역(AD)을 통하여 배선 기판(10)에 접속되어 있다. 접착 영역(AD)은 범프 등의 접착 소자를 포함하는 영역이고, 필요에 따라 절연성의 접착제나 필러를 가지고 있다. 이면 입사형 측거 센서(1)를 구성하는 반도체 기판(1A)은 보강용의 프레임부(F)와, 프레임부(F)보다 얇은 박판부(TF)를 가지고 있고, 이들은 일체화되어 있다. 박판부(TF)의 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하이다. 본 예의 프레임부(F)의 두께는 200㎛이상 600㎛ 이하이다.
도 27은 변형예에 관한 측거 센서의 단면도이다.
이 측거 센서는 도 26에 나타낸 것과 반도체 기판(1A)의 형상만이 다르며, 다른 구성은 동일하다. 반도체 기판(1A)은 스트라이프 형상 또는 격자 형상으로 형성된 보강부(AF)를 추가로 가지고 있고, 보강부(AF)의 사이에 박판부(TF)가 형성되어, 이들은 일체화되어 있다. 본 예의 보강부(AF)의 두께는 프레임부(AF)의 두께와 같고, 200㎛ 이상 600㎛ 이하이다. 박판부(TF)에는 전술한 각 화소가 형성되어 있다. 박판부(TF)는 KOH 등의 알칼리성 에칭액을 이용한 웨트 에칭에 의해 형성한다. 에칭에 의해 형성된 노출 표면의 조도는 1㎛ 이하이다.
도 28은 도 26 또는 도 27에 나타낸 측거 센서의 영역 XXVIII의 확대도이다.
이면 입사형 측거 센서(1)의 기본 구조는 도 18에 나타낸 제2 실시 형태의 것과 동일하므로, 여기에서는 차이점만을 설명한다.
즉, 이 이면 입사형 측거 센서(1)에 있어서, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 일부는 반도체 기판(1A)에 있어서 각 게이트 전극(TX1, TX2)의 바로 아래의 영역에 접촉해 있다. 반도체 기판(1A)의 광입사면(1BK)의 측에는 가시광 여기 캐리어 재결합 영역(1C)을 통하여 반사 방지막(1D)이 마련되어 있다. 즉, 반도체 기 판(1A)의 광입사면측에는 P형 반도체층 또는 결함층으로 이루어진 가시광 여기 캐리어 재결합 영역(1C)이 마련되어 있다. P형 반도체층으로 이루어진 가시광 여기 캐리어 재결합 영역(1C)의 두께는 0.1㎛ ~ 5㎛, 불순물 농도는 1018㎝－３ ~ 1020㎝－３이고, 가시광의 입사에 의해 발생한 캐리어를 재결합시켜 소멸시킨다. 또, 게터링(gettering) 가공, 이온 주입 등에 의해 형성되는 결함층으로 이루어진 가시광 여기 캐리어 재결합 영역(1C)의 두께는 0.1㎛ ~ 5㎛이고, 가시광의 입사에 의해 발생한 캐리어를 재결합시켜 소멸시킨다.
반도체 기판(1A)에 있어서 가시광의 흡수 계수를
Figure 112009066613128-PCT00012
, 반도체 기판(1A)의 두께(재결합 영역(1C)을 포함하는 박판부 전체의 두께)를 t1, 가시광 여기 캐리어 재결합 영역의 두께를 t2로 한 경우, 이하의 관계식을 만족하는 것이 바람직하다.
ㆍ -(1/
Figure 112009066613128-PCT00013
)×ln(0.5)㎛
Figure 112009066613128-PCT00014
t2,
ㆍ 10㎛
Figure 112009066613128-PCT00015
t1
Figure 112009066613128-PCT00016
100㎛
이 경우, 가시광 여기 캐리어 재결합 영역(1C)에 있어서, 그 50%가 소멸되어, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에까지 도달하지 않기 때문에 바람직하고, 또 근적외광은 10㎛ 이상 100㎛ 이하 깊이의 영역에서 흡수되기 때문에, 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에서 응답성이 뛰어난 캐리어를 고감도로 수집할 수 있다.
또, 가시광 여기 캐리어 재결합 영역(1C)의 노출면의 표면 조도, 즉 표면 요철의 최대값과 최소값의 높이 차는 1㎛ 이하이다.
반사 방지막(1D)의 재료는 SiO2 또는 SiN이다.
포토게이트 전극(PG)의 바로 아래의 영역은 반도체 기판(1A)과 동일한 도전형인 P형으로서, 반도체 기판(1A)의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도를 가지는 전계 집중 영역(1G)으로 이루어지고, 이는 제2 실시 형태에 있어서 설명한 것처럼 기능한다.
도 29는 제3 실시 형태의 측거 센서의 화소의 평면도이다.
상술한 이면 입사형 측거 센서(1)에 있어서, P형의 웰 영역(W2)의 외측에 N형의 웰 영역(W3)을 마련하는 것으로 해도 된다. 웰 영역(W3)은 화소 분리를 행함과 아울러 미광에 수반하여 발생한 불필요 캐리어를 흡수할 수 있다. 또한, 각 웰 영역(W1, W2, W3)의 깊이는 동일하다. 또한, 각 반도체 영역의 두께/불순물 농도는 이하와 같다.
ㆍ 반도체 기판(1A):
두께 10 ~ 100㎛/불순물 농도 1×1012 ~ 1015㎝－３
ㆍ 웰 영역(W1, W2);
두께 0.5 ~ 3㎛/불순물 농도 1×1016 ~ 1018㎝－３
ㆍ 반도체 영역(FD1, FD2):
두께 0.1 ~ 0.4㎛/불순물 농도 1×1018 ~ 1020㎝－３
ㆍ 웰 영역(W3):
두께 0.5 ~ 3㎛/불순물 농도 1×1016 ~ 1018㎝－３
ㆍ 전계 집중 영역(1G)(도 28):
두께 0.2 ~ 3㎛/불순물 농도 1×1013 ~ 1016㎝－３
본 예에서는 반도체 기판(1A)으로서 고저항 기판(본 예에서는 비저항 10kΩㆍ㎝)을 이용함으로써, 포토게이트 전극(PG)에 바이어스 전압을 인가한 때에 포토게이트 전극(PG)의 바로 아래의 영역으로부터 공핍층을 방사 형상으로 넓혀, 광의 이용 효율(양자 효율)을 높이고, 또한 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)에 직접 들어가려고 하는 전하를 포획하여 크로스 토크를 저감시킬 수 있다.
또한, 본 예의 반도체 기판(1A)의 두께는 20㎛, 불순물 농도는 1×1012㎝－３, 웰 영역(W1, W2)의 불순물 농도는 1×1017㎝－３, 반도체 영역(FD1, FD2)의 불순물 농도는 1×1019㎝－３, 웰 영역(W3)의 불순물 농도는 1×1017㎝－３, 전계 집중 영역(1G)의 불순물 농도는 1×1015㎝－３으로 한다.
또, 백 게이트 근방의 구조는 제1 실시 형태의 도 7에 있어서 설명한 것과 동일하다.
도 30은 관통 전극 근방의 단면도이다.
상술한 이면 입사형 측거 센서(1)의 반도체 기판(1A)의 전위를 기준 전위에 고정하기 위해, 백 게이트 전극 대신에, P형 반도체층으로 이루어진 가시광 여기 캐리어 재결합 영역(1C)에 전기적으로 접속된 관통 전극(17x)을 구비하는 것으로 해도 된다. 배선 기판(10)의 반도체 기판(10A) 상에는 그랜드 배선(17h)이 마련되어 있다. 관통 전극(17x)과 그랜드 배선(17h) 사이에는 컨택트 전극(17a), 패드 전극(17b), 범프(17c), 패드 전극(17d), 컨택트 전극(17e), 중간 전극(17f), 컨택트 전극(17g)이 개재되어 있고, 이들을 전기적으로 접속하고 있다.
또한, 캐리어 축적 동작이나 독출 동작은 제2 실시 형태와 동일하다. 또, 본 형태에 있어서 반도체 기판(1A)의 박판부의 두께 t1은 10㎛ ~ 100㎛이고, 근적외 대역보다 짧은 가시 대역의 광은 흡수되어, 광입사면측에 가시광 컷 필터를 마련하지 않아도, 고정밀도의 측거가 가능하게 되어 있다. 환언하면, 광의 감응 영역의 두께 t=t1-((-1/
Figure 112009066613128-PCT00017
)×ln(I/I0))이다. 또, 이면 입사형 측거 센서의 반도체 기판의 광입사면에 있어서 근적외 대역보다 짧은 가시 대역의 광은 흡수되므로, 광입사면측에 가시광 컷 필터를 마련하지 않아도, 고정밀도의 측거가 가능하게 되어 있다. 또, 본 예에서도, 필요한 신호는 근적외 파장이고, 기판 농도, 인가 전압 등을 조정하여, 포토게이트 전극 바로 아래의 공핍층을 기판 두께의 두께까지 넓히면, 표면 입사형의 측거 센서보다 높은 감도를 얻을 수 있다. 또한, 이 공핍층을 넓힘으로써, 기울기 입사에 대한 크로스 토크를 저감시킬 수 있다.
또, 게이트 전극(PG, TX1, TX2)을 금속으로 하거나, 또는 폴리실리콘으로서 그 광입사면측에 금속막을 형성하는 것으로 하면, 이 금속에 의해 반도체 기판을 한번 투과한 광이 반사되기 때문에, 광의 이용 효율을 올릴 수 있다. 반사를 이용함으로써, 사선 영역(R3)에 있어서 발생한 캐리어도 포획할 수 있기 때문에 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 반도체 기판의 광 입사면측에 가시 대역 컷 필터를 증착해도 된다. 또, 상술한 측거 센서는 광원을 포함하여 모듈화할 수도 있다.
또, 구동 신호의 주파수와 측정 거리 범위의 관계를 검토한 결과, 1m 정도 ~ 200m까지를 측정 범위로 한 경우, 구동 신호의 동작 주파수는 0.375 MHz ~ 100MHz가 적당하다는 것을 알 수 있었다.
또한, 캐리어의 이동도는 고유의 값이기 때문에, 동작 주파수 의존성은 없다. 또, 게이트 전극에 인가하는 전압, 기판 농도 및 게이트 산화막 두께 등의 파라미터를 바꾸는 것으로, 전하의 배분 효율(전송 속도)은 변화한다. 예를 들어, 게이트 전압에 높은 전압을 인가하고, 저농도(고저항) 기판으로 게이트 산화막 두께를 적당히 두껍게 하면, 확산에 의한 캐리어의 이동에다가 프린징 전계의 효과가 더해져서, 고속으로 전하를 전송하는 것이 가능하게 된다. 상술한 절연층(1E)을 두껍게 함으로써, 프린징 전계를 형성할 수 있다. 프린징 전계를 형성하기 위한 바람직한 절연층(1E)의 두께는 50 ~ 1000㎚이다.
또한, 상술한 포토게이트 전극(PG)은 측거 센서당 1개이어도 되고, 포토게이트 전극을 포함하는 미소 측거 센서를 화소로서 1차원 또는 2차원 형상으로 복수 배열하고, 1차원 또는 2차원의 거리 화상을 얻을 수 있는 측거 센서로 해도 된다. 또한, 포토게이트 전극의 윗쪽만이 개구된 차광막을 이면 입사형 측거 센서(1)의 광입사면측에 마련하는 것도 가능하고, 이에 의해 반도체 영역(FD1, FD2)으로의 기울기 입사에 의한 크로스 토크를 저감시킬 수도 있다.
또한, 제3 실시 형태에 있어서 측거 센서의 반도체 기판 내의 포텐셜 분포는 기본적으로는 제2 실시 형태의 것과 동일하다.
본 발명에 의하면, 고정밀도의 거리 검출을 행하는 것이 가능한 이면 입사형 측거 센서 및 측거 장치를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 광입사면 및 상기 광입사면과는 반대측의 표면을 가지는 반도체 기판과,
    상기 표면 상에 마련된 포토게이트 전극과,
    상기 표면 상에 있어서 상기 포토게이트 전극에 인접하여 마련된 제1 및 제2 게이트 전극과,
    상기 포토게이트 전극 바로 아래의 영역으로부터 상기 제1 및 제2 게이트 전극 바로 아래의 영역에 흘러드는 캐리어를 각각 독출하기 위한 제1 및 제2 반도체 영역을 구비한 이면(裏面) 입사형 측거(測距) 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 기판은 복수의 화소로 이루어진 촬상 영역을 가지고,
    상기 화소의 각각은
    상기 포토게이트 전극과,
    상기 제1 및 제2 게이트 전극과,
    상기 제1 및 제2 반도체 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 이면 입사형 측거 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 포토게이트 전극 바로 아래의 영역은 상기 반도체 기판과 동일한 도전 형으로서, 상기 반도체 기판의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도를 가지는 전계 집중 영역으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이면 입사형 측거 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체 영역의 도전형은 상기 반도체 기판의 도전형과는 달리, 상기 제1 및 제2 반도체 영역은 웰 영역 내에 형성되어 있고, 상기 웰 영역의 도전형은 상기 반도체 기판과 동일한 도전형으로서, 상기 반도체 기판의 불순물 농도보다 높은 불순물 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 이면 입사형 측거 센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 광입사면측에는 P형 반도체층 또는 결함층으로 이루어진 가시광 여기 캐리어 재결합 영역을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 이면 입사형 측거 센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    반도체 기판에 있어서 가시광의 흡수 계수를
    Figure 112009066613128-PCT00018
    , 상기 반도체 기판의 두께를 t1, 상기 가시광 여기 캐리어 재결합 영역의 두께를 t2로 한 경우, 이하의 관계:
    ㆍ -(1/
    Figure 112009066613128-PCT00019
    )×ln(0.5)㎛
    Figure 112009066613128-PCT00020
    t2,
    ㆍ 10㎛
    Figure 112009066613128-PCT00021
    t1
    Figure 112009066613128-PCT00022
    100㎛
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 이면 입사형 측거 센서.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 이면 입사형 측거 센서와,
    근적외광을 출사하는 광원과,
    상기 광원에 펄스 구동 신호를 주는 구동 회로와,
    상기 제1 및 제2 게이트 전극에, 상기 펄스 구동 신호에 동기한 검출용 게이트 신호를 주는 제어 회로와,
    상기 제1 및 제2 반도체 영역으로부터 독출된 신호로부터, 대상물까지의 거리를 연산하는 연산 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 측거 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 이면 입사형 측거 센서의 상기 표면을 배선 기판의 마운트면 상에 고정하고, 상기 포토게이트 전극, 상기 제1 게이트 전극, 및 상기 제2 게이트 전극을, 상기 배선 기판 상의 배선에 범프를 통하여 접속한 것을 특징으로 하는 측거 장치.
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