KR20220122646A - 광 검출 장치, 및 광 센서의 구동 방법 - Google Patents

광 검출 장치, 및 광 센서의 구동 방법 Download PDF

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미츠히토 마세
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

광 검출 장치에 있어서, 제어부는, 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 전송 게이트 전극에 전위를 줌으로써, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 전하 축적 영역으로 전송하는 제1 전하 전송 처리와, 전하 축적 영역에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 판독 처리를 실행한다. 제어부는, 제1 전하 전송 처리에 있어서는, 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 오버플로우 게이트 전극에 전위를 준다.

Description

광 검출 장치, 및 광 센서의 구동 방법
본 개시의 일 측면은, 광 센서를 구비하는 광 검출 장치, 및 광 센서의 구동 방법에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 입사광에 따라서 전하를 발생시키는 포토다이오드와, 포토다이오드로부터의 전하를 축적하는 플로팅 영역과, 플로팅 영역으로부터 넘친 전하를 축적하는 축적 용량 소자를 구비하는 광 센서가 기재되어 있다.
국제 공개 2005/083790호
특허문헌 1에 기재된 광 센서에서는, 플로팅 영역으로부터 넘친 전하를 축적 용량 소자에 축적할 수 있지만, 축전 용량 소자로 넘쳐 나올 정도로까지 플로팅 영역에 전하가 축적되었을 경우에는, 전하의 일부가 포토다이오드에 잔존해 버린다. 이 경우, 포토다이오드에 잔존한 전하에 기인하여 광의 검출 정밀도가 저하될 우려가 있다. 특히, 어느 기간 전체에 걸쳐서 광을 검출하는 것이 아니라, 소정의 타이밍에 도래한 광만을 검출하는 게이팅 기능을 광 센서에 갖게 했을 경우에 있어서 상기 사태가 발생하면, 일 기간에 있어서 포토다이오드에 잔존한 전하가 다른 기간에 있어서 발생한 전하로서 읽어내짐으로써, 소정의 타이밍에 발생한 전하량을 정밀도 좋게 검출할 수 없을 우려가 있다.
본 개시의 일 측면은, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있는 광 검출 장치 및 광 센서의 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 측면에 따른 광 검출 장치는, 광 센서와, 광 센서를 제어하는 제어부를 구비하고, 광 센서는, 입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역과, 전하 축적 영역과, 오버플로우 영역과, 전하 발생 영역과 전하 축적 영역 사이의 영역 상에 배치된 전송 게이트 전극과, 전하 축적 영역과 오버플로우 영역 사이의 영역 상에 배치된 오버플로우 게이트 전극을 가지고, 제어부는, 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 전송 게이트 전극에 전위를 줌으로써, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 전하 축적 영역으로 전송하는 제1 전하 전송 처리와, 제1 전하 전송 처리 후에, 전하 축적 영역에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 판독 처리를 실행하고, 제1 전하 전송 처리에 있어서는, 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 오버플로우 게이트 전극에 전위를 준다.
이 광 검출 장치에서는, 광 센서가, 오버플로우 영역과, 전하 축적 영역과 오버플로우 영역 사이의 영역 상에 배치된 오버플로우 게이트 전극을 가지고 있다. 이것에 의해, 전하 축적 영역으로부터 넘친 전하를 오버플로우 영역에 축적할 수 있어, 축적 용량의 포화를 억제할 수 있다. 또한, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 전하 축적 영역으로 전송하는 제1 전하 전송 처리의 실행 중에, 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이, 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 된다. 이것에 의해, 오버플로우 영역으로 넘쳐 나올 정도로까지 전하 축적 영역에 전하가 축적되었을 경우라도, 전하가 전하 발생 영역에 잔존하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 이 광 검출 장치에 의하면, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
제어부는, 제1 전하 전송 처리를 복수 회 실행한 후에, 제1 판독 처리를 실행해도 된다. 이 경우, S/N비를 향상시킬 수 있다.
전하 발생 영역은 애벌란시 증배(增倍) 영역을 포함하고 있어도 된다. 이 경우, 전하 발생 영역에 있어서 애벌란시 증배를 일으킬 수 있어, 광 센서의 검출 감도를 높일 수 있다. 한편, 전하 발생 영역에 애벌란시 증배 영역이 포함되는 경우, 발생하는 전하량이 매우 많아진다. 이 광 검출 장치에서는, 그와 같은 경우라도, 축적 용량의 포화를 충분히 억제할 수 있음과 아울러, 전하 발생 영역에의 전하의 잔존을 충분히 억제할 수 있다.
제어부는, 제1 판독 처리 후에, 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 저하되도록 오버플로우 게이트 전극에 전위를 줌으로써, 전하 축적 영역에 축적된 전하를 오버플로우 영역으로 전송하는 제2 전하 전송 처리와, 제2 전하 전송 처리 후에, 전하 축적 영역 및 오버플로우 영역에 축적된 총 전하량을 읽어내는 제2 판독 처리를 실행해도 된다. 이 경우, 제1 판독 처리에 있어서 전하 축적 영역에 축적된 전하량이 읽어내질 뿐만 아니라, 제2 판독 처리에 있어서 전하 축적 영역 및 오버플로우 영역에 축적된 총 전하량이 읽어내지기 때문에, 전하량의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
광 센서는 불요 전하 배출 영역과, 전하 발생 영역과 불요 전하 배출 영역 사이의 영역 상에 배치된 불요 전하 전송 게이트 전극을 더 가지고, 제어부는, 제1 전하 전송 처리가 실행되는 기간 이외의 기간에, 불요 전하 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 불요 전하 전송 게이트 전극에 전위를 줌으로써, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하 배출 영역으로 전송하는 불요 전하 전송 처리를 실행해도 된다. 이 경우, 제1 전하 전송 처리가 실행되는 기간 이외의 기간에 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하 배출 영역으로 전송할 수 있어, 전하 발생 영역에의 전하의 잔존을 한층 더 억제할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 광 검출 장치는, 검출광을 출사하는 광원을 더 구비하고, 제어부는, 대상물에서의 검출광의 반사광이 전하 발생 영역에 입사하는 기간에, 제1 전하 전송 처리를 실행해도 된다. 이 경우, 대상물에서의 검출광의 반사광이 전하 발생 영역에 입사하는 기간에 전하 발생 영역에서 발생한 전하량을 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 광 검출 장치는, 전하 발생 영역 상에 배치된 포토 게이트 전극을 더 구비하고, 제어부는, 제1 전하 전송 처리에 있어서, 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮고, 또한 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극 및 오버플로우 게이트 전극에 전위를 주어도 된다. 이 경우, 포텐셜의 높이를 정밀도 좋게 조정할 수 있다.
오버플로우 영역은, 전하 축적 영역의 전하 축적 용량보다도 큰 전하 축적 용량을 가지고 있어도 된다. 이 경우, 축적 용량의 포화를 효과적으로 억제할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 광 센서의 구동 방법은, 광 센서의 구동 방법으로서, 광 센서는, 입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역과, 전하 축적 영역과, 오버플로우 영역과, 전하 발생 영역과 전하 축적 영역 사이의 영역 상에 배치된 전송 게이트 전극과, 전하 축적 영역과 오버플로우 영역 사이의 영역 상에 배치된 오버플로우 게이트 전극을 구비하고, 광 센서의 구동 방법은, 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 전송 게이트 전극에 전위를 줌으로써, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 전하 축적 영역으로 전송하는 전하 전송 스텝과, 전하 전송 스텝 후에, 전하 축적 영역에 축적된 전하량을 읽어내는 판독 스텝을 포함하고, 전하 전송 스텝에 있어서는, 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 오버플로우 게이트 전극에 전위를 준다.
이 광 센서의 구동 방법에서는, 광 센서가, 오버플로우 영역과, 전하 축적 영역과 오버플로우 영역 사이의 영역 상에 배치된 오버플로우 게이트 전극을 가지고 있다. 이것에 의해, 전하 축적 영역으로부터 넘친 전하를 오버플로우 영역에 축적할 수 있어, 축적 용량의 포화를 억제할 수 있다. 또한, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 전하 축적 영역으로 전송하는 전하 전송 스텝의 실행 중에, 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이, 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 된다. 이것에 의해, 오버플로우 영역으로 넘쳐 나올 정도로까지 전하 축적 영역에 전하가 축적되었을 경우라도, 전하가 전하 발생 영역에 잔존하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 이 광 센서의 구동 방법에 의하면, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있는 광 검출 장치 및 광 센서의 구동 방법을 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 측거 장치의 구성도이다.
도 2는 측거 센서의 화소부의 평면도이다.
도 3은 도 2에 나타내지는 Ⅲ-Ⅲ선을 따른 단면도이다.
도 4는 측거 센서의 회로도이다.
도 5는 측거 센서의 동작예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 6의 (a)~(d)는, 측거 센서의 동작예를 설명하기 위한 포텐셜 분포도이다.
도 7은 비교예에 따른 이미지 센서의 동작예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 8의 (a)~(d)는, 비교예에 따른 이미지 센서의 동작예를 설명하기 위한 포텐셜 분포도이다.
도 9는 제1 변형예에 따른 측거 센서의 일부분의 평면도이다.
도 10은 제1 변형예에 따른 측거 센서의 동작예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 11은 제2 변형예에 따른 측거 센서의 일부분의 평면도이다.
도 12는 제2 변형예에 따른 측거 센서의 동작예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 13은 제3 변형예에 따른 측거 센서의 회로도이다.
도 14는 제2 실시 형태에 따른 광 검출 장치의 구성도이다.
도 15는 제2 실시 형태에 따른 이미지 센서의 일부분의 평면도이다.
도 16은 제2 실시 형태에 따른 이미지 센서의 동작예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 17은 제2 실시 형태에 따른 광 검출 장치의 게이팅 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 제2 실시 형태의 변형예에 따른 이미지 센서의 동작예를 나타내는 타이밍 차트이다.
이하, 본 개시의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 동일 또는 상당 요소에는 동일 부호를 이용하고, 중복되는 설명을 생략한다.
[제1 실시 형태]
[측거 장치의 구성]
도 1에 나타내지는 바와 같이, 측거 장치(광 검출 장치)(1)는, 광원(2)과, 측거 센서(측거 이미지 센서, 광 센서)(10A)와, 신호 처리부(3)와, 제어부(4)와, 표시부(5)를 구비하고 있다. 측거 장치(1)는 간접 TOF 방식을 이용하여 대상물(OJ)의 거리 화상(대상물(OJ)까지의 거리 d에 관한 정보를 포함하는 화상)을 취득하는 장치이다.
광원(2)은 펄스광(검출광)(L)을 출사한다. 광원(2)은 예를 들면 적외 LED 등에 의해서 구성되어 있다. 펄스광(L)은 예를 들면 근적외광이며, 펄스광(L)의 주파수는, 예를 들면 10kHz 이상이다. 측거 센서(10A)는 광원(2)으로부터 출사되어 대상물(OJ)에서 반사된 펄스광(L)을 검출한다. 측거 센서(10A)는, 화소부(11) 및 CMOS 판독 회로부(12)가 반도체 기판(예를 들면 실리콘 기판)에 모놀리식으로 형성됨으로써, 구성되어 있다. 측거 센서(10A)는 신호 처리부(3) 상에 실장되어 있다.
신호 처리부(3)는 측거 센서(10A)의 화소부(11) 및 CMOS 판독 회로부(12)를 제어한다. 신호 처리부(3)는 측거 센서(10A)로부터 출력된 신호에 소정의 처리를 실시하여 검출 신호를 생성한다. 제어부(4)는 광원(2) 및 신호 처리부(3)를 제어한다. 제어부(4)는 신호 처리부(3)로부터 출력된 검출 신호에 기초하여 대상물(OJ)의 거리 화상을 생성한다. 표시부(5)는 제어부(4)에 의해서 생성된 대상물(OJ)의 거리 화상을 표시한다.
[측거 센서의 구성]
도 2 및 도 3에 나타내지는 바와 같이, 측거 센서(10A)는, 화소부(11)에 있어서, 반도체층(20)과, 전극층(40)을 구비하고 있다. 반도체층(20)은 제1 표면(20a) 및 제2 표면(20b)을 가지고 있다. 제1 표면(20a)은 반도체층(20)의 두께 방향에 있어서의 일방측의 표면이다. 제2 표면(20b)은 반도체층(20)의 두께 방향에 있어서의 타방측의 표면이다. 전극층(40)은 반도체층(20)의 제1 표면(20a)에 마련되어 있다. 반도체층(20) 및 전극층(40)은, 제1 표면(20a)을 따라서 배치된 복수의 화소(11a)를 구성하고 있다. 측거 센서(10A)에서는, 복수의 화소(11a)는, 제1 표면(20a)을 따라서 2차원으로 배열되어 있다. 이하, 반도체층(20)의 두께 방향을 Z방향이라고 하고, Z방향에 수직인 일 방향을 X방향이라고 하며, Z방향 및 X방향 양방향에 수직인 방향을 Y방향이라고 한다. 또한, Z방향에 있어서의 일방측을 제1측이라고 하고, Z방향에 있어서의 타방측(제1측과는 반대측)을 제2측이라고 한다. 또한, 도 2에서는, 후술하는 전하 축적 영역(P1~P4), 오버플로우 영역(Q1~Q4), 불요 전하 배출 영역(R), 포토 게이트 전극(PG), 전송 게이트 전극(TX1~TX4), 오버플로우 게이트 전극(OV1~OV4) 및 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)의 배치가 모식적으로 나타내지고 있고, 그 외의 요소는 적절히 생략되어 있다.
각 화소(11a)는, 반도체층(20)에 있어서, 반도체 영역(21)과, 애벌란시 증배 영역(22)과, 전하 배분 영역(23)과, 제1 전하 축적 영역(P1)과, 제2 전하 축적 영역(P2)과, 제3 전하 축적 영역(P3)과, 제4 전하 축적 영역(P4)과, 제1 오버플로우 영역(Q1)과, 제2 오버플로우 영역(Q2)과, 제3 오버플로우 영역(Q3)과, 제4 오버플로우 영역(Q4)과, 2개의 불요 전하 배출 영역(R)과, 웰 영역(31)과, 배리어 영역(32)을 가지고 있다. 각 영역(21~23, P1~P4, Q1~Q4, R, 31 및 32)은, 반도체 기판(예를 들면 실리콘 기판)에 대해서 각종 처리(예를 들면, 에칭, 성막, 불순물 주입 등)를 실시함으로써 형성되어 있다.
반도체 영역(21)은, p형(제1 도전형)의 영역으로서, 반도체층(20)에 있어서 제2 표면(20b)을 따라서 마련되어 있다. 반도체 영역(21)은 광 흡수 영역(광전 변환 영역)으로서 기능한다. 일례로서, 반도체 영역(21)은 1×1015cm-3 이하의 캐리어 농도를 가지는 p형의 영역이며, 그 두께는 10㎛ 정도이다. 또한, 애벌란시 증배 영역(22) 등도 광 흡수 영역(광전 변환 영역)으로서 기능한다.
애벌란시 증배 영역(22)은 제1 증배 영역(22a) 및 제2 증배 영역(22b)을 포함하고 있다. 제1 증배 영역(22a)은, p형의 영역으로서, 반도체층(20)에 있어서 반도체 영역(21)의 제1측에 형성되어 있다. 일례로서, 제1 증배 영역(22a)은 1×1016cm-3 이상의 캐리어 농도를 가지는 p형의 영역이며, 그 두께는 1㎛ 정도이다. 제2 증배 영역(22b)은, n형(제2 도전형)의 영역으로서, 반도체층(20)에 있어서 제1 증배 영역(22a)의 제1측에 형성되어 있다. 일례로서, 제2 증배 영역(22b)은 1×1016cm-3 이상의 캐리어 농도를 가지는 n형의 영역이며, 그 두께는 1㎛ 정도이다. 제1 증배 영역(22a) 및 제2 증배 영역(22b)은, pn접합을 형성하고 있다. 애벌란시 증배 영역(22)은 애벌란시 증배를 일으키는 영역이다. 소정값의 역방향 바이어스가 인가되었을 경우에 애벌란시 증배 영역(22)에 발생하는 전계 강도는, 예를 들면 3×105~4×105V/cm이다.
전하 배분 영역(23)은, n형의 영역으로서, 반도체층(20)에 있어서 제2 증배 영역(22b)의 제1측에 형성되어 있다. 일례로서, 전하 배분 영역(23)은 5×1015~1×1016cm-3의 캐리어 농도를 가지는 n형의 영역이며, 그 두께는 1㎛ 정도이다.
각 전하 축적 영역(P1~P4)은, n형의 영역으로서, 반도체층(20)에 있어서 제2 증배 영역(22b)의 제1측에 형성되어 있다. 각 전하 축적 영역(P1~P4)은, 전하 배분 영역(23)과 접속되어 있다. 일례로서, 각 제1 전하 축적 영역(P1~P4)은 1×1018cm-3 이상의 캐리어 농도를 가지는 n형의 영역이며, 그 두께는 0.2㎛ 정도이다.
각 오버플로우 영역(Q1~Q4)은, n형의 영역으로서, 반도체층(20)에 있어서 제2 증배 영역(22b)의 제1측에 형성되어 있다. 제1 오버플로우 영역(Q1)의 전하 축적 용량은, 제1 전하 축적 영역(P1)의 전하 축적 용량보다도 크다. 제2 오버플로우 영역(Q2)의 전하 축적 용량은, 제2 전하 축적 영역(P2)의 전하 축적 용량보다도 크다. 제3 오버플로우 영역(Q3)의 전하 축적 용량은, 제3 전하 축적 영역(P3)의 전하 축적 용량보다도 크다. 제4 오버플로우 영역(Q4)의 전하 축적 용량은, 제4 전하 축적 영역(P4)의 전하 축적 용량보다도 크다. 예를 들면, 전하 축적 영역(P1~P4)의 전하 축적 용량은 서로 동일하고, 오버플로우 영역(Q1~Q4)의 전하 축적 용량은 서로 동일하다. 전하 축적 영역(P1~P4)에서는 PN접합 용량이 이용되는 것에 대해, 오버플로우 영역(Q1~Q4)에서는 추가의 용량이 마련됨으로써, 전하 축적 영역(P1~P4)과 비교하여 축적 용량이 크게 되어 있다. 추가되는 용량으로서는, MIM(Metal Insulator Metal) 용량, MOS 용량, 트렌치 용량, PIP 용량 등을 들 수 있다.
각 불요 전하 배출 영역(R)은, n형의 영역으로서, 반도체층(20)에 있어서 제2 증배 영역(22b)의 제1측에 형성되어 있다. 각 불요 전하 배출 영역(R)은, 전하 배분 영역(23)과 접속되어 있다. 불요 전하 배출 영역(R)은 예를 들면 전하 축적 영역(P1~P4)과 마찬가지의 구성을 가지고 있다.
웰 영역(31)은, p형의 영역으로서, 반도체층(20)에 있어서 제2 증배 영역(22b)의 제1측에 형성되어 있다. 웰 영역(31)은 Z방향으로부터 보았을 경우에 전하 배분 영역(23)을 포위하고 있다. 웰 영역(31)은 복수의 판독 회로(예를 들면, 소스 폴로어(source follower) 앰프, 리셋 트랜지스터 등)를 구성하고 있다. 복수의 판독 회로는, 각각, 전하 축적 영역(P1~P4) 및 오버플로우 영역(Q1~Q4)과 전기적으로 접속되어 있다. 일례로서, 웰 영역(31)은 1×1016~5×1017cm-3의 캐리어 농도를 가지는 p형의 영역이며, 그 두께는 1㎛ 정도이다.
배리어 영역(32)은, n형의 영역으로서, 반도체층(20)에 있어서 제2 증배 영역(22b)과 웰 영역(31)의 사이에 형성되어 있다. 배리어 영역(32)은 Z방향으로부터 보았을 경우에 웰 영역(31)을 포함하고 있다. 즉, 웰 영역(31)은 Z방향으로부터 보았을 경우에 배리어 영역(32) 내에 위치하고 있다. 배리어 영역(32)은 전하 배분 영역(23)을 포위하고 있다. 배리어 영역(32)의 n형 불순물의 농도는, 제2 증배 영역(22b)의 n형 불순물의 농도보다도 높다. 일례로서, 배리어 영역(32)은 제2 증배 영역(22b)의 캐리어 농도로부터 제2 증배 영역(22b)의 캐리어 농도의 배(倍) 정도까지의 캐리어 농도를 가지는 n형의 영역이며, 그 두께는 1㎛ 정도이다. 배리어 영역(32)이 제2 증배 영역(22b)과 웰 영역(31)의 사이에 형성되어 있음으로써, 애벌란시 증배 영역(22)에 고전압이 인가됨으로써, 애벌란시 증배 영역(22)에 형성된 공핍층이 웰 영역(31)을 향해 퍼졌다고 해도, 공핍층이 웰 영역(31)에 이르는 것이 방지된다. 즉, 공핍층이 웰 영역(31)에 이르는 것에 기인하여 애벌란시 증배 영역(22)과 웰 영역(31)의 사이에 있어서 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 각 영역의 위치 관계에 대해서 설명한다. 제1 전하 축적 영역(P1)은, 전하 배분 영역(23)을 사이에 두고, X방향에 있어서 제2 전하 축적 영역(P2)과 서로 마주 보고 있다. 제1 오버플로우 영역(Q1)은 제1 전하 축적 영역(P1)에 대해서 전하 배분 영역(23)과는 반대측에 배치되어 있다. 제2 오버플로우 영역(Q2)은 제2 전하 축적 영역(P2)에 대해서 전하 배분 영역(23)과는 반대측에 배치되어 있다.
제3 전하 축적 영역(P3)은, 전하 배분 영역(23)을 사이에 두고, X방향에 있어서 제4 전하 축적 영역(P4)과 서로 마주 보고 있다. 제3 오버플로우 영역(Q3)은 제3 전하 축적 영역(P3)에 대해서 전하 배분 영역(23)과는 반대측에 배치되어 있다. 제4 오버플로우 영역(Q4)은 제4 전하 축적 영역(P4)에 대해서 전하 배분 영역(23)과는 반대측에 배치되어 있다. 제1 전하 축적 영역(P1)과 제4 전하 축적 영역(P4)은, Y방향으로 늘어서 있다. 제2 전하 축적 영역(P2)과 제3 전하 축적 영역(P3)은, Y방향으로 늘어서 있다. 제1 오버플로우 영역(Q1)과 제4 오버플로우 영역(Q4)은, Y방향으로 늘어서 있다. 제2 오버플로우 영역(Q2)과 제3 오버플로우 영역(Q3)은, Y방향으로 늘어서 있다. 2개의 불요 전하 배출 영역(R)은, 전하 배분 영역(23)을 사이에 두고, Y방향에 있어서 서로 마주 보고 있다.
각 화소(11a)는, 전극층(40)에 있어서, 포토 게이트 전극(PG)과, 제1 전송 게이트 전극(TX1)과, 제2 전송 게이트 전극(TX2)과, 제3 전송 게이트 전극(TX3)과, 제4 전송 게이트 전극(TX4)과, 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)과, 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2)과, 제3 오버플로우 게이트 전극(OV3)과, 제4 오버플로우 게이트 전극(OV4)과, 2개의 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)을 가지고 있다. 각 게이트 전극(PG, TX1~TX4, OV1~OV4, RG)은, 절연막(41)을 개재하여 반도체층(20)의 제1 표면(20a) 상에 형성되어 있다. 절연막(41)은 예를 들면 실리콘 질화막, 실리콘 산화막 등이다.
포토 게이트 전극(PG)은 전하 배분 영역(23) 상에 배치되어 있다. 포토 게이트 전극(PG)은 도전성 및 광 투과성을 가지는 재료(예를 들면 폴리 실리콘)에 의해서 형성되어 있다. 일례로서, 포토 게이트 전극(PG)은, Z방향으로부터 보았을 경우에, X방향에 있어서 서로 마주 보는 2변, 및 Y방향에 있어서 서로 마주 보는 2변을 가지는 직사각형 모양을 나타내고 있다. 반도체 영역(21), 애벌란시 증배 영역(22) 및 전하 배분 영역(23) 중, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역은, 입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역(24)으로서 기능한다. 바꿔 말하면, 포토 게이트 전극(PG)은 전하 발생 영역(24) 상에 배치되어 있다. 전하 발생 영역(24)에 있어서는, 반도체 영역(21)에 있어서 발생한 전하가, 애벌란시 증배 영역(22)에 있어서 증배되고, 전하 배분 영역(23)에 있어서 배분된다. 실시 형태와는 달리 대향 전극(50)측으로부터 펄스광(L)이 반도체층(20)에 입사하는 경우(이면 입사의 경우), 포토 게이트 전극(PG)은 광 투과성을 가지고 있지 않아도 된다. 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역은, Z방향으로부터 보았을 경우에 포토 게이트 전극(PG)과 중첩되는 영역이다. 이 점은 다른 게이트 전극(TX1~TX4, OV1~OV4, RG)에 대해서도 마찬가지이다.
제1 전송 게이트 전극(TX1)은 전하 배분 영역(23)에 있어서의 전하 발생 영역(24)과 제1 전하 축적 영역(P1) 사이의 영역 상에 배치되어 있다. 제2 전송 게이트 전극(TX2)은 전하 배분 영역(23)에 있어서의 전하 발생 영역(24)과 제2 전하 축적 영역(P2) 사이의 영역 상에 배치되어 있다. 제3 전송 게이트 전극(TX3)은 전하 배분 영역(23)에 있어서의 전하 발생 영역(24)과 제3 전하 축적 영역(P3) 사이의 영역 상에 배치되어 있다. 제4 전송 게이트 전극(TX4)은 전하 배분 영역(23)에 있어서의 전하 발생 영역(24)과 제4 전하 축적 영역(P4) 사이의 영역 상에 배치되어 있다.
각 전송 게이트 전극(TX1~TX4)은, 도전성을 가지는 재료(예를 들면 폴리 실리콘)에 의해서 형성되어 있다. 일례로서, 각 전송 게이트 전극(TX1~TX4)은, Z방향으로부터 보았을 경우에, X방향에 있어서 서로 마주 보는 2변, 및 Y방향에 있어서 서로 마주 보는 2변을 가지는 직사각형 모양을 나타내고 있다.
제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)은 웰 영역(31)에 있어서의 제1 전하 축적 영역(P1)과 제1 오버플로우 영역(Q1) 사이의 영역 상에 배치되어 있다. 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2)은 웰 영역(31)에 있어서의 제2 전하 축적 영역(P2)과 제2 오버플로우 영역(Q2) 사이의 영역 상에 배치되어 있다. 제3 오버플로우 게이트 전극(OV3)은 웰 영역(31)에 있어서의 제3 전하 축적 영역(P3)과 제3 오버플로우 영역(Q3) 사이의 영역 상에 배치되어 있다. 제4 오버플로우 게이트 전극(OV4)은 웰 영역(31)에 있어서의 제4 전하 축적 영역(P4)과 제4 오버플로우 영역(Q4) 사이의 영역 상에 배치되어 있다.
각 오버플로우 게이트 전극(OV1~OV4)은, 도전성을 가지는 재료(예를 들면 폴리 실리콘)에 의해서 형성되어 있다. 일례로서, 각 오버플로우 게이트 전극(OV1~OV4)은, Z방향으로부터 보았을 경우에, X방향에 있어서 서로 마주 보는 2변, 및 Y방향에 있어서 서로 마주 보는 2변을 가지는 직사각형 모양을 나타내고 있다.
불요 전하 전송 게이트 전극(RG) 중 한쪽은, 전하 배분 영역(23)에 있어서의 전하 발생 영역(24)과 한 쌍의 불요 전하 배출 영역(R) 중 한쪽 사이의 영역 상에 배치되어 있다. 불요 전하 전송 게이트 전극(RG) 중 다른 쪽은, 전하 배분 영역(23)에 있어서의 전하 발생 영역(24)과 한 쌍의 불요 전하 배출 영역(R) 중 다른 쪽 사이의 영역 상에 배치되어 있다. 각 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)은, 도전성을 가지는 재료(예를 들면 폴리 실리콘)에 의해서 형성되어 있다. 일례로서, 각 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)은, Z방향으로부터 보았을 경우에, X방향에 있어서 서로 마주 보는 2변, 및 Y방향에 있어서 서로 마주 보는 2변을 가지는 직사각형 모양을 나타내고 있다.
측거 센서(10A)는, 화소부(11)에 있어서, 대향 전극(50)과, 배선층(60)을 더 구비하고 있다. 대향 전극(50)은 반도체층(20)의 제2 표면(20b) 상에 마련되어 있다. 대향 전극(50)은 Z방향으로부터 보았을 경우에 복수의 화소(11a)를 포함하고 있다. 대향 전극(50)은 Z방향에 있어서 전극층(40)과 서로 마주 보고 있다. 대향 전극(50)은 예를 들면 금속 재료에 의해서 형성되어 있다. 배선층(60)은 전극층(40)을 덮도록 반도체층(20)의 제1 표면(20a)에 마련되어 있다. 배선층(60)은 각 화소(11a) 및 CMOS 판독 회로부(12)(도 1 참조)와 전기적으로 접속되어 있다. 배선층(60) 중 각 화소(11a)의 포토 게이트 전극(PG)과 서로 마주 보는 부분에는, 광 입사 개구(60a)가 형성되어 있다.
도 4에는, 각 화소(11a)의 회로 구성의 예가 나타내져 있다. 도 4에 나타내지는 바와 같이, 각 화소(11a)는, 오버플로우 영역(Q1~Q4)에 각각 접속된 복수의(이 예에서는 4개의) 리셋 트랜지스터(RST)와, 화소(11a)의 선택에 이용되는 복수의(이 예에서는 4개의) 선택 트랜지스터(SEL)를 가지고 있다.
[측거 센서의 구동 방법]
도 5 및 도 6을 참조하면서, 측거 센서(10A)의 동작예를 설명한다. 이하의 동작은, 제어부(4)가 측거 센서(10A)의 구동을 제어함으로써 실현된다. 측거 센서(10A)의 각 화소(11a)에 있어서는, 포토 게이트 전극(PG)의 전위를 기준으로 하여 음의 전압(예를 들면 -50V)이 대향 전극(50)에 인가되어(즉, 애벌란시 증배 영역(22)에 형성된 pn접합에 역방향 바이어스가 인가되어), 애벌란시 증배 영역(22)에 3×105~4×105V/cm의 전계 강도가 발생한다. 이 상태에서, 광 입사 개구(60a) 및 포토 게이트 전극(PG)을 통해서 반도체층(20)에 펄스광(L)이 입사하면, 펄스광(L)의 흡수에 의해서 발생한 전자가, 애벌란시 증배 영역(22)에서 증배되어 전하 배분 영역(23)으로 고속으로 이동한다.
대상물(OJ)(도 1 참조)의 거리 화상의 생성시에는, 먼저, 각 화소(11a)의 각 리셋 트랜지스터(RST)에 리셋 전압을 인가하는 리셋 처리(리셋 스텝)가 실행된다. 리셋 전압은 포토 게이트 전극(PG)의 전위를 기준으로 하여 양의 전압이다. 이것에 의해, 전하 축적 영역(P1~P4) 및 오버플로우 영역(Q1~Q4)에 축적된 전하가 외부로 배출되어, 전하 축적 영역(P1~P4) 및 오버플로우 영역(Q1~Q4)에 전하가 축적되어 있지 않은 상태가 된다(시각 T1, 도 6의 (a)). 전하의 외부로의 배출은, 예를 들면, 웰 영역(31) 등에 의해서 구성된 판독 회로, 및 배선층(60)을 통해서 행해진다. 이하에서는, 선택된 1개의 화소(11a)에 주목하여 동작을 설명한다.
리셋 처리 후에, 축적 기간 T2에 있어서, 전하 축적 영역(P1~P4) 및 오버플로우 영역(Q1~Q4)에 전하가 축적된다(도 6의 (b)). 축적 기간 T2에 있어서는, 서로 다른 위상을 가지는 전하 전송 신호가 전송 게이트 전극(TX1~TX4)에 주어진다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 전하 축적 영역(P1~P4) 사이에서 배분하는 전하 배분 처리(전하 배분 스텝)가 실행된다.
일례로서, 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 인가되는 전하 전송 신호는, 포토 게이트 전극(PG)의 전위를 기준으로 하여 양의 전압 및 음의 전압이 교호로 반복되는 전압 신호로서, 광원(2)(도 1 참조)으로부터 출사되는 펄스광(L)의 강도 신호와 주기, 펄스 폭 및 위상이 동일한 전압 신호이다. 제2 전송 게이트 전극(TX2), 제3 전송 게이트 전극(TX3), 제4 전송 게이트 전극(TX4)에 인가되는 전하 전송 신호는, 위상이 각각 90°, 180°, 270°시프트되어 있는 점을 제외하고, 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 인가되는 펄스 전압 신호와 동일한 전압 신호이다.
제1 전송 게이트 전극(TX1)에 양의 전압이 주어지고 있는 제1 기간에 있어서는, 제1 전송 게이트 전극(TX1) 직하의 영역의 포텐셜 φTX1이, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 된다. 바꿔 말하면, 제1 기간에 있어서는, 포텐셜 φTX1이 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제1 전하 축적 영역(P1)으로 전송된다(제1 전하 전송 처리, 제1 전하 전송 스텝). 도 6의 (b)에서는, 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 양의 전압이 주어지고 있을 때의 포텐셜 φTX1이 파선으로 나타내져 있고, 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 음의 전압이 주어지고 있을 때의 포텐셜 φTX1이 실선으로 나타내져 있다. 또한, 제1 전하 축적 영역(P1) 및 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적된 전하가 해칭으로 나타내져 있다.
또한, 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜의 크기의 조정에 있어서는, 게이트 전극에 주어지는 전위의 크기를 조정해도 되고, 이것에 대신하여 또는 더하여, 게이트 전극 직하의 영역의 캐리어 농도를 조정해도 된다. 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG가 캐리어 농도의 조정에 의해 미리 소정의 높이로 되어 있는 경우, 포토 게이트 전극(PG)은 마련되지 않아도 된다. 이 경우, 상술한 음의 전압은 반드시 가해지지 않아도 된다.
제1 기간에 있어서는, 제2~제4 전송 게이트 전극(TX2~TX4)에는 음의 전압이 주어지고 있어, 제2 전송 게이트 전극(TX2) 직하의 영역의 포텐셜 φTX2, 제3 전송 게이트 전극(TX3) 직하의 영역의 포텐셜 φTX3, 및 제4 전송 게이트 전극(TX4) 직하의 영역의 포텐셜 φTX4가, 포텐셜 φPG 보다도 높게 된다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)과 제2~제4 전하 축적 영역(P2~P4)의 사이에는 포텐셜 장벽이 발생하여, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제2~제4 전하 축적 영역(P2~P4)으로 전송되지 않는다. 바꿔 말하면, 제1 기간에 있어서는, 각 포텐셜 φTX2, φTX3 및 φTX4가 포텐셜 φPG 보다도 높게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제2~제4 전송 게이트 전극(TX2~TX4)에 전위가 주어진다.
또한, 제1 기간에 있어서는, 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1) 직하의 영역의 포텐셜 φOV1이 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)에 전위가 주어진다. 바꿔 말하면, 제1 기간에 있어서 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)에 주어지는 전위는, 포텐셜 φOV1이 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG)의 전위를 기준으로 하여, 설정되어 있다. 이것에 의해, 도 6의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 제1 전하 축적 영역(P1)이 전하로 포화한 경우라도, 제1 전하 축적 영역(P1)으로부터 넘친 전하가, 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 흘러들어, 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적된다.
제2 전송 게이트 전극(TX2)에 양의 전압이 주어지고 있는 제2 기간에 있어서는, 제2 전송 게이트 전극(TX2) 직하의 영역의 포텐셜 φTX2가, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 된다. 바꿔 말하면, 제2 기간에 있어서는, 포텐셜 φTX2가 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제2 전송 게이트 전극(TX2)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제2 전하 축적 영역(P2)으로 전송된다(제1 전하 전송 처리, 제1 전하 전송 스텝). 제2 기간에 있어서는, 각 포텐셜 φTX1, φTX3 및 φTX4가 포텐셜 φPG 보다도 높게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 그리고 제1, 제3 및 제4 전송 게이트 전극(TX1, TX3 및 TX4)에 전위가 주어진다.
또한, 제2 기간에 있어서는, 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2) 직하의 영역의 포텐셜 φOV2가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 제2 전하 축적 영역(P2)이 전하로 포화한 경우라도, 제2 전하 축적 영역(P2)으로부터 넘친 전하가 제2 오버플로우 영역(Q2)으로 흘러들어, 제2 오버플로우 영역(Q2)에 축적된다.
제3 전송 게이트 전극(TX3)에 양의 전압이 주어지고 있는 제3 기간에 있어서는, 제3 전송 게이트 전극(TX3) 직하의 영역의 포텐셜 φTX3가, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 된다. 바꿔 말하면, 제3 기간에 있어서는, 포텐셜 φTX3가 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제3 전송 게이트 전극(TX3)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제3 전하 축적 영역(P3)으로 전송된다(제1 전하 전송 처리, 제1 전하 전송 스텝). 제3 기간에 있어서는, 각 포텐셜 φTX1, φTX2 및 φTX4가 포텐셜 φPG 보다도 높게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 그리고 제1, 제2 및 제4 전송 게이트 전극(TX1, TX2 및 TX4)에 전위가 주어진다.
또한, 제3 기간에 있어서는, 제3 오버플로우 게이트 전극(OV3) 직하의 영역의 포텐셜 φOV3가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제3 오버플로우 게이트 전극(OV3)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 제3 전하 축적 영역(P3)이 전하로 포화한 경우라도, 제3 전하 축적 영역(P3)으로부터 넘친 전하가 제3 오버플로우 영역(Q3)으로 흘러들어, 제3 오버플로우 영역(Q3)에 축적된다.
제4 전송 게이트 전극(TX4)에 양의 전압이 주어지고 있는 제4 기간에 있어서는, 제4 전송 게이트 전극(TX4) 직하의 영역의 포텐셜 φTX4가, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 된다. 바꿔 말하면, 제4 기간에 있어서는, 포텐셜 φTX4가 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제4 전송 게이트 전극(TX4)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제4 전하 축적 영역(P4)으로 전송된다(제1 전하 전송 처리, 제1 전하 전송 스텝). 제4 기간에 있어서는, 각 포텐셜 φTX1~φTX3가 포텐셜 φPG 보다도 높게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1~제3 전송 게이트 전극(TX1~TX3)에 전위가 주어진다.
또한, 제4 기간에 있어서는, 제4 오버플로우 게이트 전극(OV4) 직하의 영역의 포텐셜 φOV4가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제4 오버플로우 게이트 전극(OV4)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 제4 전하 축적 영역(P4)이 전하로 포화한 경우라도, 제4 전하 축적 영역(P4)으로부터 넘친 전하가 제4 오버플로우 영역(Q4)으로 흘러들어, 제4 오버플로우 영역(Q4)에 축적된다.
축적 기간 T2에 있어서의 전하 배분 처리 후에, 각 전하 축적 영역(P1~P4)에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 판독 처리(고감도 판독 처리)(제1 판독 스텝)가 실행된다(시각 T3, 도 6의 (c)). 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제1 전하 축적 영역(P1)으로 전송되는 처리, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제2 전하 축적 영역(P2)으로 전송되는 처리, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제3 전하 축적 영역(P3)으로 전송되는 처리, 및 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제4 전하 축적 영역(P4)으로 전송되는 처리 각각이 복수 회 실행된 후에, 제1 판독 처리가 실행된다.
제1 판독 처리 후에, 상기 제1 기간에 있어서 주어진 전압보다도 큰 전압을 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)에 주어 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1) 직하의 영역의 포텐셜 φOV1을 저하시킴으로써, 제1 전하 축적 영역(P1)에 축적된 전하를 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 전송하는 전하 전송 처리(전하 전송 스텝)(제2 전하 전송 처리, 제2 전하 전송 스텝)가 실행된다(도 6의 (d)). 바꿔 말하면, 전하 전송 처리에 있어서는, 포텐셜 φOV1이 저하되도록 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)에 전위를 줌으로써, 제1 전하 축적 영역(P1)에 축적된 전하가 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 전송된다.
마찬가지로, 전하 전송 처리에 있어서는, 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2) 직하의 영역의 포텐셜 φOV2가 저하되도록 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2)에 전위를 줌으로써, 제2 전하 축적 영역(P2)에 축적된 전하가 제2 오버플로우 영역(Q2)으로 전송된다. 제3 오버플로우 게이트 전극(OV3) 직하의 영역의 포텐셜 φOV3가 저하되도록 제3 오버플로우 게이트 전극(OV3)에 전위를 줌으로써, 제3 전하 축적 영역(P3)에 축적된 전하가 제3 오버플로우 영역(Q3)으로 전송된다. 제4 오버플로우 게이트 전극(OV4) 직하의 영역의 포텐셜 φOV4가 저하되도록 제4 오버플로우 게이트 전극(OV4)에 전위를 줌으로써, 제4 전하 축적 영역(P4)에 축적된 전하가 제4 오버플로우 영역(Q4)으로 전송된다.
전하 전송 처리 후에, 제1 전하 축적 영역(P1) 및 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적된 총 전하량을 읽어내는 제2 판독 처리(저감도 판독 처리)(제2 판독 스텝)가 실행된다(시각 T4, 도 6의 (d)). 마찬가지로, 제2 판독 처리에 있어서는, 제2 전하 축적 영역(P2) 및 제2 오버플로우 영역(Q2)에 축적된 총 전하량이 읽어내진다. 제3 전하 축적 영역(P3) 및 제3 오버플로우 영역(Q3)에 축적된 총 전하량이 읽어내진다. 제4 전하 축적 영역(P4) 및 제4 오버플로우 영역(Q4)에 축적된 총 전하량이 읽어내진다. 제2 판독 처리 후에 상술한 리셋 처리가 다시 실행되어(시각 T1, 도 6의 (a)), 상술한 일련의 처리가 반복 실행된다.
또한, 상기 제1~제4 기간 이외의 기간에 있어서는, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송하는 불요 전하 전송 처리(불요 전하 전송 스텝)가 실행된다. 불요 전하 전송 처리에 있어서는, 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)에 양의 전압을 줌으로써, 불요 전하 전송 게이트 전극(RG) 직하의 영역의 포텐셜 φRG가, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 된다. 바꿔 말하면, 포텐셜 φRG가 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송된다. 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송된 전하는 외부로 배출된다. 예를 들면, 불요 전하 배출 영역(R)은 고정 전위에 접속되어 있어, 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송된 전하는, 판독 회로를 통하는 일 없이 외부로 배출된다.
도 1에 나타내지는 바와 같이, 펄스광(L)이 광원(2)으로부터 출사되어, 대상물(OJ)에서 반사된 펄스광(L)이 측거 센서(10A)로 검출되면, 측거 센서(10A)로 검출되는 펄스광(L)의 강도 신호의 위상은, 광원(2)으로부터 출사되는 펄스광(L)의 강도 신호의 위상에 대해서, 대상물(OJ)까지의 거리 d에 따라 시트프되게 된다. 따라서, 전하 축적 영역(P1~P4) 및 오버플로우 영역(Q1~Q4)에 축적된 전하량(즉, 제1 판독 처리 및 제2 판독 처리에 있어서 읽어내진 전하량)에 기초하는 신호를 화소(11a)마다 취득함으로써, 대상물(OJ)의 거리 화상을 생성할 수 있다.
[제1 실시 형태의 작용 및 효과]
측거 장치(1)에서는, 측거 센서(10A)가, 제1 전하 축적 영역(P1)의 전하 축적 용량보다도 큰 전하 축적 용량을 가지는 제1 오버플로우 영역(Q1)과, 제2 전하 축적 영역(P2)의 전하 축적 용량보다도 큰 전하 축적 용량을 가지는 제2 오버플로우 영역(Q2)과, 제1 전하 축적 영역(P1)과 제1 오버플로우 영역(Q1) 사이의 영역 상에 배치된 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)과, 제2 전하 축적 영역(P2)과 제2 오버플로우 영역(Q2) 사이의 영역 상에 배치된 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2)을 가지고 있다. 이것에 의해, 제1 전하 축적 영역(P1)으로부터 넘친 전하를 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적할 수 있음과 아울러, 제2 전하 축적 영역(P2)으로부터 넘친 전하를 제2 오버플로우 영역(Q2)에 축적할 수 있다. 그 결과, 축적 용량의 포화를 억제할 수 있다. 또한, 전하 배분 처리에 있어서의 제1 기간에, 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1) 직하의 영역의 포텐셜 φOV1이 전하 발생 영역(24)의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되고, 전하 배분 처리에 있어서의 제2 기간에, 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2) 직하의 영역의 포텐셜 φOV2가 전하 발생 영역(24)의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 된다. 이것에 의해, 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 넘쳐 나올 정도로까지 제1 전하 축적 영역(P1)에 전하가 축적되었을 경우, 및 제2 오버플로우 영역(Q2)으로 넘쳐 나올 정도로까지 제2 전하 축적 영역(P2)에 전하가 축적되었을 경우라도, 전하가 전하 발생 영역(24)에 잔존하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 측거 장치(1)에 의하면, 거리 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 고감도화 및 고다이내믹 레인지화를 도모할 수 있다.
이 점에 대해서, 도 7 및 도 8에 나타내지는 비교예를 참조하면서 더 설명한다. 비교예의 이미지 센서에서는, 축적 기간 T2 전체에 걸쳐서, 전송 게이트 전극(TX) 직하의 영역의 포텐셜 φTX가, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 높게 된다(도 8의 (b)). 또한, 축적 기간 T2 전체에 걸쳐서, 오버플로우 게이트 전극(OV) 직하의 영역의 포텐셜 φOV가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 높게 된다. 축적 기간 T2 후에, 전송 게이트 전극(TX) 직하의 영역의 포텐셜 φTX가, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역)의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되어, 전하 발생 영역에 축적된 전하가 전하 축적 영역(P)으로 전송된다. 그 후, 전하 축적 영역(P)에 축적된 전하량이 읽어내진다(시각 T3, 도 8의 (c)).
비교예의 이미지 센서에서는, 축적 기간 T2에 있어서 오버플로우 게이트 전극(OV) 직하의 영역의 포텐셜 φOV가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 높기 때문에, 도 8의 (c)에 나타내지는 바와 같이, 오버플로우 영역(Q)으로 넘쳐 나올 정도로까지 전하 축적 영역(P)에 전하가 축적되었을 경우에, 전하의 일부가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역)에 잔존해 버린다. 이 경우, 전하 축적 영역에 잔존한 전하에 기인하여 거리 측정의 정밀도가 저하될 우려가 있다.
이것에 대해, 상술한 바와 같이, 측거 장치(1)에서는, 전하 배분 처리의 실행 중에, 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1) 직하의 영역의 포텐셜 φOV1 및 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2) 직하의 영역의 포텐셜 φOV2가 전하 발생 영역(24)의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 된다. 이것에 의해, 제1 오버플로우 영역(Q1) 또는 제2 오버플로우 영역(Q2)으로 넘쳐 나올 정도로까지 제1 전하 축적 영역(P1) 또는 제2 전하 축적 영역(P2)에 전하가 축적되었을 경우라도, 전하가 전하 발생 영역(24)에 잔존하는 것을 억제할 수 있다.
제어부(4)가, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 제1 전하 축적 영역(P1)으로 전송하는 제1 전하 전송 처리를 복수 회 실행한 후에, 전하 축적 영역(P1)에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 판독 처리를 실행한다. 이것에 의해, S/N비를 향상시킬 수 있다.
전하 발생 영역(24)이 애벌란시 증배 영역(22)을 포함하고 있다. 이 경우, 전하 발생 영역(24)에 있어서 애벌란시 증배를 일으킬 수 있어, 측거 센서(10A)의 검출 감도를 높일 수 있다. 한편, 전하 발생 영역(24)에 애벌란시 증배 영역(22)이 포함되는 경우, 발생하는 전하량이 매우 많아진다. 측거 장치(1)에서는, 그와 같은 경우라도, 축적 용량의 포화를 충분히 억제할 수 있음과 아울러, 전하 발생 영역(24)에의 전하의 잔존을 충분히 억제할 수 있다.
제어부(4)가, 제1 전하 축적 영역(P1) 및 제2 전하 축적 영역(P2)에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 판독 처리와, 제1 전하 축적 영역(P1)에 축적된 전하를 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 전송함과 아울러 제2 전하 축적 영역(P2)에 축적된 전하를 제2 오버플로우 영역(Q2)으로 전송하는 제2 전하 전송 처리와, 제1 전하 축적 영역(P1) 및 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적된 총 전하량을 읽어냄과 아울러 제2 전하 축적 영역(P2) 및 제2 오버플로우 영역(Q2)에 축적된 총 전하량을 읽어내는 제2 판독 처리를 실행한다. 이것에 의해, 제1 판독 처리에 있어서 제1 및 제2 전하 축적 영역(P2)에 축적된 전하량이 읽어내질 뿐만 아니라, 제2 판독 처리에 있어서 제1 전하 축적 영역(P1) 및 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적된 총 전하량 그리고 제2 전하 축적 영역(P2) 및 제2 오버플로우 영역(Q2)에 축적된 총 전하량이 읽어내지기 때문에, 전하량의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
제어부(4)가, 제1 기간 및 제2 기간 이외의 기간(즉, 제1 전하 전송 처리가 실행되는 기간 이외의 기간)에, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)에 의해서 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송하는 불요 전하 전송 처리를 실행한다. 이것에 의해, 제1 및 제2 기간 이외의 기간에 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송할 수 있어, 전하 발생 영역(24)에의 전하의 잔존을 한층 더 억제할 수 있다. 불요 전하 전송 처리는 외란광이 많은 환경 하에 있어서 특히 유용하다.
제어부(4)가, 제1 기간에 있어서, 제1 전송 게이트 전극(TX1) 직하의 영역의 포텐셜 φTX1이 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮고, 또한 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1) 직하의 영역의 포텐셜 φOV1이 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 전위를 준다. 제어부(4)가, 제2 기간에 있어서, 제2 전송 게이트 전극(TX2) 직하의 영역의 포텐셜 φTX2가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 낮고, 또한 제2 오버플로우 게이트 전극(OV2) 직하의 영역의 포텐셜 φOV2가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제2 전송 게이트 전극(TX2)에 전위를 준다. 제어부(4)가, 제3 기간에 있어서, 제3 전송 게이트 전극(TX3) 직하의 영역의 포텐셜 φTX3가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 낮고, 또한 제3 오버플로우 게이트 전극(OV3) 직하의 영역의 포텐셜 φOV3가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제3 전송 게이트 전극(TX3)에 전위를 준다. 제어부(4)가, 제4 기간에 있어서, 제4 전송 게이트 전극(TX4) 직하의 영역의 포텐셜 φTX4가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 낮고, 또한 제4 오버플로우 게이트 전극(OV4) 직하의 영역의 포텐셜 φOV4가 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제4 전송 게이트 전극(TX4)에 전위를 준다. 이것에 의해, 각 포텐셜의 높이를 정밀도 좋게 조정할 수 있다.
측거 센서(10A)가, 제1 및 제2 전하 축적 영역(P1, P2), 제1 및 제2 오버플로우 영역(Q1, Q2), 제1 및 제2 전송 게이트 전극(TX1, TX2), 그리고 제1 및 제2 오버플로우 게이트 전극(OV1, OV2)만이 아니라, 제3 및 제4 전하 축적 영역(P3, P4), 제3 및 제4 오버플로우 영역(Q3, Q4), 제3 및 제4 전송 게이트 전극(TX3, TX4), 그리고 제3 및 제4 오버플로우 게이트 전극(OV3, OV4)을 가지고 있다. 그리고, 제어부(4)가, 전하 배분 처리에 있어서, 서로 다른 위상을 가지는 전하 전송 신호를 전송 게이트 전극(TX1~TX4)에 줌으로써, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 전하 축적 영역(P1~P4) 사이에서 배분한다. 이것에 의해, 제1~제4 전송 게이트 전극(TX1~TX4)에 의한 전하 배분을 실현할 수 있어, 거리 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
[제1 실시 형태의 변형예]
도 9에 나타내지는 제1 변형예에 따른 측거 센서(10B)에서는, 각 화소부(11)에는, 불요 전하 배출 영역(R) 및 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)이 마련되어 있지 않다. 제3 전하 축적 영역(P3)은, 전하 발생 영역(24)(포토 게이트 전극(PG))을 개재하여, Y방향에 있어서 제4 전하 축적 영역(P4)과 서로 마주 보고 있다. 측거 센서(10B)는 예를 들면 도 10에 나타내지는 바와 같이 구동된다. 이 구동 방법에서는, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송하는 불요 전하 전송 처리가 실행되지 않는다. 제1 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 축적 용량의 포화 및 전하 발생 영역(24)에의 전하의 잔존을 억제하여, 거리 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 11에 나타내지는 제2 변형예에 따른 측거 센서(10C)에서는, 각 화소부(11)에는, 제3 및 제4 전하 축적 영역(P3, P4), 제3 및 제4 오버플로우 영역(Q3, Q4), 제3 및 제4 전송 게이트 전극(TX3, TX4), 그리고 제3 및 제4 오버플로우 게이트 전극(OV3, OV4)이 마련되어 있지 않다. 각 화소부(11)는, 4개의 불요 전하 배출 영역(R1, R2, R3, R4)과, 4개의 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)을 가지고 있다. 불요 전하 배출 영역(R1, R2)은, 전하 발생 영역(24)(포토 게이트 전극(PG))을 개재하여, X방향에 있어서 서로 마주 보고 있다. 불요 전하 배출 영역(R3, R4)은, 전하 발생 영역(24)을 개재하여, X방향에 있어서 서로 마주 보고 있다. 불요 전하 배출 영역(R1, R4)은, 제1 전하 축적 영역(P1)을 개재하여, Y방향에 있어서 서로 마주 보고 있다. 불요 전하 배출 영역(R2, R3)은, 제2 전하 축적 영역(P2)을 개재하여, Y방향에 있어서 서로 마주 보고 있다.
측거 센서(10C)는 예를 들면 도 12에 나타내지는 바와 같이 구동된다. 이 구동 방법에서는, 축적 기간 T2에 있어서는, 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 양의 전압이 주어지는 제1 기간과, 제2 전송 게이트 전극(TX2)에 양의 전압이 주어지는 제2 기간과, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송되는 불요 전하 전송 처리가 실행되는 기간이 이 순서대로 반복된다. 이와 같은 구동 방법에 의해서도, 대상물(OJ)의 거리 화상을 생성할 수 있다. 제2 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 축적 용량의 포화 및 전하 발생 영역(24)에의 전하의 잔존을 억제하여, 거리 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 13에 나타내지는 제3 변형예와 같이, 리셋 트랜지스터(RST)는, 실시 형태와는 다른 위치에 배치되어 있어도 된다. 도 13에서는, 화소(11a)의 일부분의 회로 구성만이 나타내져 있다. 제3 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 축적 용량의 포화 및 전하 발생 영역(24)에의 전하의 잔존을 억제하여, 거리 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
[제2 실시 형태]
도 14에 나타내지는 바와 같이, 광 검출 장치(100)는 광원(2)과, 이미지 센서(10D)와, 제어부(4)와, 광학계(6)를 구비하고 있다. 광 검출 장치(100)는 소정의 타이밍에(소정의 기간에) 도래한 광을 검출하는 게이팅 기능(셔터 기능)을 구비한 레인지 게이트 카메라로서 구성되어 있다. 광학계(6)는 광원(2)으로부터 출사되어 대상물(OJ)에서 반사된 펄스광(L)을 이미지 센서(10D)의 화소부(11)로 도광한다.
도 15에 나타내지는 바와 같이, 이미지 센서(10D)는 제2~제4 전하 축적 영역(P2~P4), 제2~제4 오버플로우 영역(Q2~Q4), 제2~제4 전송 게이트 전극(TX2~TX4), 그리고 제2~제4 오버플로우 게이트 전극(OV2~OV4)이 마련되어 있지 않은 점에서, 상술한 측거 센서(10A)와 상위하다. 이미지 센서(10D)에서는, 제1 전하 축적 영역(P1) 및 불요 전하 배출 영역(R)이 전하 발생 영역(24)(포토 게이트 전극(PG))에 대해서 X방향에 있어서의 일방측에 배치되어 있다. 제1 전하 축적 영역(P1)과 불요 전하 배출 영역(R)은, Y방향으로 늘어서 있다. 제1 전송 게이트 전극(TX1)과 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)은, Y방향으로 늘어서 있다.
광 검출 장치(100)는 예를 들면 도 16에 나타내지는 바와 같이 구동된다. 이 구동 방법에서는, 축적 기간 T2에 있어서, 전하 배분 처리를 대신하여, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 제1 전하 축적 영역(P1)으로 전송하는 제1 전하 전송 처리(제1 전하 전송 스텝)가 반복 실행된다. 일례로서, 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 인가되는 전하 전송 신호는, 포토 게이트 전극(PG)의 전위를 기준으로 하여 양의 전압 및 음의 전압이 교호로 반복되는 전압 신호로서, 위상이 소정량만큼 시프트되어 있는 점을 제외하고, 광원(2)으로부터 출사되는 펄스광(L)의 강도 신호와 주기 및 펄스 폭이 동일한 전압 신호이다.
제1 전송 게이트 전극(TX1)에 양의 전압이 주어지고 있는 기간에 있어서는, 제1 전송 게이트 전극(TX1) 직하의 영역의 포텐셜 φTX1이, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 된다. 바꿔 말하면, 해당 기간에 있어서는, 포텐셜 φTX1이 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제1 전하 축적 영역(P1)으로 전송된다.
한편, 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 음의 전압이 주어지고 있는 기간에 있어서는, 제1 전송 게이트 전극(TX1) 직하의 영역의 포텐셜 φTX1이, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 높게 된다. 바꿔 말하면, 해당 기간에 있어서는, 포텐셜 φTX1이 포텐셜 φPG 보다도 높게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)과 제1 전하 축적 영역(P1)의 사이에는 포텐셜 장벽이 발생하여, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 제1 전하 축적 영역(P1)으로 전송되지 않는다.
또한, 축적 기간 T2에 있어서는, 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1) 직하의 영역의 포텐셜 φOV1이 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 제1 전하 축적 영역(P1)이 전하로 포화한 경우라도, 제1 전하 축적 영역(P1)으로부터 넘친 전하가, 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 흘러들어, 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적된다.
또한, 제1 전하 전송 처리가 실행되는 기간 이외의 기간에 있어서는, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송하는 불요 전하 전송 처리(불요 전하 전송 스텝)가 실행된다. 불요 전하 전송 처리에 있어서는, 불요 전하 전송 게이트 전극(RG) 직하의 영역의 포텐셜 φRG가, 포토 게이트 전극(PG) 직하의 영역(전하 발생 영역(24))의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 되도록, 포토 게이트 전극(PG) 및 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)에 전위가 주어진다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하가 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송된다.
축적 기간 T2에 있어서 전하 전송 처리가 복수 회 실행된 후에, 제1 전하 축적 영역(P1)에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 판독 처리(고감도 판독 처리)(제1 판독 스텝)가 실행된다(시각 T3). 제1 판독 처리 후에, 축적 기간 T2에 있어서 주어진 전압보다도 큰 전압을 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)에 주어 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1) 직하의 영역의 포텐셜 φOV1을 저하시킴으로써, 제1 전하 축적 영역(P1)에 축적된 전하를 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 전송하는 제2 전하 전송 처리(제2 전하 전송 스텝)가 실행된다. 바꿔 말하면, 제2 전하 전송 처리에 있어서는, 포텐셜 φOV1이 저하되도록 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)에 전위를 줌으로써, 제1 전하 축적 영역(P1)에 축적된 전하가 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 전송된다. 제2 전하 전송 처리 후에, 제1 전하 축적 영역(P1) 및 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적된 총 전하량을 읽어내는 제2 판독 처리(저감도 판독 처리)(제2 판독 스텝)가 실행된다(시각 T4).
도 17을 참조하면서, 상기 동작에 의해서 실현 가능한 게이팅 기능에 대해서 설명한다. 도 17에 나타내지는 (1)의 예와 같이, 이미지 센서(10D)로부터 거리 d1만큼 떨어진 대상물(OJ1)의 근방에서 반사한 펄스광(L)을 검출하는 경우, 거리 d1에 대응하는 양만큼 위상이 시프트된 전압 신호가 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 인가된다. 이것에 의해, 대상물(OJ1)의 근방(즉, 이미지 센서(10D)로부터 소정 거리만큼 떨어진 범위)에서 반사한 펄스광(L)이 전하 발생 영역(24)에 입사하는 기간에, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 제1 전하 축적 영역(P1)으로 전송하는 제1 전하 전송 처리를 실행할 수 있다. 그 결과, 대상물(OJ1)의 근방에서 반사한 펄스광(L)만을 검출하는 것이 가능하게 된다. 마찬가지로, 도 17에 나타내지는 (2)~(4)의 예와 같이, 이미지 센서(10D)로부터 소정 거리만큼 떨어진 범위에서 반사한 펄스광(L)을 검출하는 경우, 해당 거리에 대응하는 양만큼 위상이 시프트된 전압 신호가 제1 전송 게이트 전극(TX1)에 인가된다. 이와 같이, 광 검출 장치(100)에 의하면, 소정의 타이밍에 도래한 광만을 검출하는 게이팅 기능을 실현할 수 있다. 게이팅 기능은 예를 들면 형광 수명의 측정 등에 적합하게 이용할 수 있다.
[제2 실시 형태의 작용 및 효과]
광 검출 장치(100)에서는, 이미지 센서(10D)가, 제1 전하 축적 영역(P1)의 전하 축적 용량보다도 큰 전하 축적 용량을 가지는 제1 오버플로우 영역(Q1)과, 제1 전하 축적 영역(P1)과 제1 오버플로우 영역(Q1) 사이의 영역 상에 배치된 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1)을 가지고 있다. 이것에 의해, 제1 전하 축적 영역(P1)으로부터 넘친 전하를 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적할 수 있어, 축적 용량의 포화를 억제할 수 있다. 또한, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 제1 전하 축적 영역(P1)으로 전송하는 제1 전하 전송 처리의 실행 중에, 제1 오버플로우 게이트 전극(OV1) 직하의 영역의 포텐셜 φOV1이, 전하 발생 영역(24)의 포텐셜 φPG 보다도 낮게 된다. 이것에 의해, 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 넘쳐 나올 정도로까지 제1 전하 축적 영역(P1)에 전하가 축적되었을 경우라도, 전하가 전하 발생 영역(24)에 잔존하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 광 검출 장치(100)에 의하면, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
제어부(4)가, 제1 전하 전송 처리를 복수 회 실행한 후에, 제1 판독 처리를 실행한다. 이것에 의해, S/N비를 향상시킬 수 있다.
전하 발생 영역(24)이 애벌란시 증배 영역(22)을 포함하고 있다. 이것에 의해, 전하 발생 영역(24)에 있어서 애벌란시 증배를 일으킬 수 있어, 이미지 센서(10D)의 검출 감도를 높일 수 있다. 한편, 전하 발생 영역(24)에 애벌란시 증배 영역(22)이 포함되는 경우, 발생하는 전하량이 매우 많아지지만, 광 검출 장치(100)에서는, 그 경우라도, 축적 용량의 포화를 충분히 억제할 수 있음과 아울러, 전하 발생 영역(24)에의 전하의 잔존을 충분히 억제할 수 있다.
제어부(4)가, 제1 전하 축적 영역(P1)에 축적된 전하를 제1 오버플로우 영역(Q1)으로 전송하는 제2 전하 전송 처리와, 제1 전하 축적 영역(P1) 및 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적된 총 전하량을 읽어내는 제2 판독 처리를 실행한다. 이것에 의해, 제1 판독 처리에 있어서 제1 전하 축적 영역(P1)에 축적된 전하량이 읽어내질 뿐만 아니라, 제2 판독 처리에 있어서 제1 전하 축적 영역(P1) 및 제1 오버플로우 영역(Q1)에 축적된 총 전하량이 읽어내지기 때문에, 전하량의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
제어부(4)는, 제1 전하 전송 처리가 실행되는 기간 이외의 기간에, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)에 의해서 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송하는 불요 전하 전송 처리를 실행한다. 이것에 의해, 제1 전하 전송 처리가 실행되는 기간 이외의 기간에 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송할 수 있어, 전하 발생 영역(24)에의 전하의 잔존을 한층 더 억제할 수 있다. 불요 전하 전송 처리는 외란광이 많은 환경 하에 있어서 특히 유용하다.
제어부(4)가, 대상물(OJ)에서 반사한 펄스광(L)이 전하 발생 영역(24)에 입사하는 기간에, 제1 전하 전송 처리를 실행한다. 이것에 의해, 대상물(OJ)에서 반사한 펄스광(L)이 전하 발생 영역(24)에 입사하는 기간에 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하량을 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
[제2 실시 형태의 변형예]
변형예로서, 이미지 센서(10D)에 있어서, 각 화소부(11)에는, 불요 전하 배출 영역(R) 및 불요 전하 전송 게이트 전극(RG)이 마련되어 있지 않아도 된다. 이 변형예의 이미지 센서는, 예를 들면 도 18에 나타내지는 바와 같이 구동된다. 이 구동 방법에서는, 전하 발생 영역(24)에서 발생한 전하를 불요 전하 배출 영역(R)으로 전송하는 불요 전하 전송 처리가 실행되지 않는다. 이 변형예에 의해서도, 상기 제2 실시 형태와 마찬가지로, 축적 용량의 포화 및 전하 발생 영역(24)에의 전하의 잔존을 억제하여, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다. 이 변형예의 이미지 센서는, 예를 들면, 제1 전하 전송 처리가 실행되고 있는 기간 이외의 기간에 외란광이 전하 발생 영역(24)에 입사하기 어려운 경우에 적합하게 이용할 수 있다. 그와 같은 경우의 일례로서는, 예를 들면 암실 안에 있어서 광 검출이 행해지는 경우를 들 수 있다.
본 개시는 상술한 실시 형태 및 변형예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 각 구성의 재료 및 형상에는, 상술한 재료 및 형상으로 한정되지 않고, 다양한 재료 및 형상을 채용할 수 있다. 측거 센서(10A, 10C) 및 이미지 센서(10D)에 있어서, 불요 전하 배출 영역(R, R1~R4)으로 전송된 전하가, 외부로 배출되지 않고 축적되어 읽어내져도 된다. 즉, 불요 전하 배출 영역(R, R1~R4)이 전하 축적 영역으로서 기능해도 된다. 이 경우, 신호광 이외의 광(거리 정보를 포함하지 않는 광)을 읽어내어 이용할 수 있다.
반도체층(20)에 애벌란시 증배 영역(22)이 형성되어 있지 않아도 된다. 즉, 전하 발생 영역(24)은 애벌란시 증배 영역(22)을 포함하고 있지 않아도 된다. 반도체층(20)에 웰 영역(31) 및 배리어 영역(32) 중 적어도 한쪽이 형성되어 있지 않아도 된다. 신호 처리부(3)가 생략되고, 제어부(4)가 측거 센서(10A~10C)에 직접 접속되어도 된다. 제2 전하 전송 처리 및 제2 판독 처리는, 실행되지 않아도 된다. 제1 전하 전송 처리가 1회 실행된 후에, 제1 판독 처리가 실행되어도 된다.
측거 센서(10A~10C) 및 이미지 센서(10D)에서는, 제1측 및 제2측 중 어느 쪽으로부터도 반도체층(20)에 광을 입사시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 제2측으로부터 반도체층(20)에 광을 입사시키는 경우에는, 대향 전극(50)이 도전성 및 광 투과성을 가지는 재료(예를 들면 폴리 실리콘)에 의해서 형성되어도 된다. 측거 센서(10A~10C) 및 이미지 센서(10D) 중 어느 것에 있어서도, p형 및 n형의 각 도전형은, 상술한 것에 대해 반대여도 된다. 측거 센서(10A~10C) 및 이미지 센서(10D) 중 어느 것에 있어서도, 복수의 화소(11a)는, 반도체층(20)의 제1 표면(20a)을 따라서 1차원으로 배열된 것이어도 된다. 측거 센서(10A~10C) 및 이미지 센서(10D) 모두, 단일의 화소(11a)만을 가지고 있어도 된다. 제1 오버플로우 영역(Q1)의 전하 축적 용량은, 제1 전하 축적 영역(P1)의 전하 축적 용량 이하여도 된다. 제2 오버플로우 영역(Q2)의 전하 축적 용량은, 제2 전하 축적 영역(P2)의 전하 축적 용량 이하여도 된다.
1…측거 장치(광 검출 장치) 100…광 검출 장치
2…광원 4…제어부
10A, 10B, 10C…측거 센서(이미지 센서, 광 센서)
10D…이미지 센서(광 센서) 22…애벌란시 증배 영역
24…전하 발생 영역 P1…제1 전하 축적 영역
P2…제2 전하 축적 영역 P3…제3 전하 축적 영역
P4…제4 전하 축적 영역 Q1…제1 오버플로우 영역
Q2…제2 오버플로우 영역 Q3…제3 오버플로우 영역
Q4…제4 오버플로우 영역
R, R1, R2, R3, R4…불요 전하 배출 영역
PG…포토 게이트 전극 TX1…제1 전송 게이트 전극
TX2…제2 전송 게이트 전극 TX3…제3 전송 게이트 전극
TX4…제4 전송 게이트 전극 OV1…제1 오버플로우 게이트 전극
OV2…제2 오버플로우 게이트 전극 OV3…제3 오버플로우 게이트 전극
OV4…제4 오버플로우 게이트 전극 RG…불요 전하 전송 게이트 전극

Claims (9)

  1. 광 센서와,
    상기 광 센서를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 광 센서는,
    입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역과,
    전하 축적 영역과,
    오버플로우 영역과,
    상기 전하 발생 영역과 상기 전하 축적 영역 사이의 영역 상에 배치된 전송 게이트 전극과,
    상기 전하 축적 영역과 오버플로우 영역 사이의 영역 상에 배치된 오버플로우 게이트 전극을 가지고,
    상기 제어부는,
    상기 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 상기 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 상기 전송 게이트 전극에 전위를 줌으로써, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 상기 전하 축적 영역으로 전송하는 제1 전하 전송 처리와,
    상기 제1 전하 전송 처리 후에, 상기 전하 축적 영역에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 판독 처리를 실행하고,
    상기 제1 전하 전송 처리에 있어서는, 상기 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 상기 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 상기 오버플로우 게이트 전극에 전위를 주는 광 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 전하 전송 처리를 복수 회 실행한 후에, 상기 제1 판독 처리를 실행하는 광 검출 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전하 발생 영역은 애벌란시 증배 영역을 포함하는 광 검출 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 판독 처리 후에, 상기 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 저하되도록 상기 오버플로우 게이트 전극에 전위를 줌으로써, 상기 전하 축적 영역에 축적된 전하를 상기 오버플로우 영역으로 전송하는 제2 전하 전송 처리와,
    상기 제2 전하 전송 처리 후에, 상기 전하 축적 영역 및 상기 오버플로우 영역에 축적된 총 전하량을 읽어내는 제2 판독 처리를 실행하는 광 검출 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 센서는,
    불요 전하 배출 영역과,
    상기 전하 발생 영역과 상기 불요 전하 배출 영역 사이의 영역 상에 배치된 불요 전하 전송 게이트 전극을 더 가지고,
    상기 제어부는, 상기 제1 전하 전송 처리가 실행되는 기간 이외의 기간에, 상기 불요 전하 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 상기 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 상기 불요 전하 전송 게이트 전극에 전위를 줌으로써, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 상기 불요 전하 배출 영역으로 전송하는 불요 전하 전송 처리를 실행하는 광 검출 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    검출광을 출사하는 광원을 더 구비하고,
    상기 제어부는, 대상물에서의 상기 검출광의 반사광이 상기 전하 발생 영역에 입사하는 기간에, 상기 제1 전하 전송 처리를 실행하는 광 검출 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 발생 영역 상에 배치된 포토 게이트 전극을 더 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 전하 전송 처리에 있어서, 상기 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 상기 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮고, 또한 상기 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 상기 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록, 상기 포토 게이트 전극 및 상기 오버플로우 게이트 전극에 전위를 주는 광 검출 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오버플로우 영역은 상기 전하 축적 영역의 전하 축적 용량보다도 큰 전하 축적 용량을 가지는 광 검출 장치.
  9. 광 센서의 구동 방법으로서,
    상기 광 센서는,
    입사광에 따라서 전하를 발생시키는 전하 발생 영역과,
    전하 축적 영역과,
    오버플로우 영역과,
    상기 전하 발생 영역과 상기 전하 축적 영역 사이의 영역 상에 배치된 전송 게이트 전극과,
    상기 전하 축적 영역과 오버플로우 영역 사이의 영역 상에 배치된 오버플로우 게이트 전극을 구비하고,
    상기 광 센서의 구동 방법은,
    상기 전송 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 상기 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 상기 전송 게이트 전극에 전위를 줌으로써, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 상기 전하 축적 영역으로 전송하는 전하 전송 스텝과,
    상기 전하 전송 스텝 후에, 상기 전하 축적 영역에 축적된 전하량을 읽어내는 판독 스텝을 포함하고,
    상기 전하 전송 스텝에 있어서는, 상기 오버플로우 게이트 전극 직하의 영역의 포텐셜이 상기 전하 발생 영역의 포텐셜보다도 낮게 되도록 상기 오버플로우 게이트 전극에 전위를 주는 광 센서의 구동 방법.
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