KR20230015329A - 거리 측정 장치 - Google Patents

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KR20230015329A
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요타로 야스
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 양자 효율 및 해상도를 개선할 수 있는 거리 측정 장치를 제공한다. [해결 수단] 본 개시에 의한 거리 측정 장치는, 제1 면 및 그 제1 면에 대해 반대측에 있는 제2 면을 갖는 반도체층과, 제2 면측에 마련된 렌즈와, 제1 면측에서 반도체층 내에 마련된 제1 및 제2 전하 축적부와, 제1 면측에서 상기 반도체층과 접촉하고, 그 반도체층과 다른 재료로 이루어지는 광전 변환부와, 제1 및 제2 전하 축적부와 광전 변환부 사이의 반도체층에 전압을 인가하는 제1 및 제2 전압 인가부와, 제1 면측에 마련되고, 광전 변환부에 전기적으로 접속된 제1 배선을 구비하고 있다.

Description

거리 측정 장치
본 개시는 거리 측정 장치에 관한 것이다.
간접 ToF(indirect Time of Flight: iToF) 방식을 이용한 거리 측정 장치가 개발되어 있다. 간접 ToF의 거리 측정 장치는 거리 측정 장치로부터 대상물까지의 거리를 조사광과 반사광의 위상차에 의거하여 간접적으로 산출한다.
일본 특개2020-013909호 공보
그러나, 종래의 간접 ToF 방식을 이용한 거리 측정 장치는 실리콘 기판 내에 포토 다이오드를 갖고 있어, 충분한 양자 효율(Qe)(감도)을 얻을 수가 없었다. 또한, 적외선의 투과율이 높은 실리콘 기판을 이용한 거리 측정 장치에서는, 양자 효율을 올리기 위해서는, 실리콘 기판을 후막화할 필요가 있다. 그러나, 실리콘 기판을 두껍게 하면, 인접하는 화소 사이에서의 전기적 또는 광학적인 분리가 곤란해지고, SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 열화시켜 해상도가 저하되어 버린다는 문제도 있었다.
그래서, 본 개시는 이와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 양자 효율 및 해상도를 개선할 수 있는 거리 측정 장치를 제공한다.
본 개시의 한 측면의 거리 측정 장치는 제1 면 및 그 제1 면에 대해 반대측에 있는 제2 면을 갖는 반도체층과, 제2 면측에 마련된 렌즈와, 제1 면측에서 반도체층 내에 마련된 제1 및 제2 전하 축적부와, 제1 면측에서 반도체층과 접촉하고, 그 반도체층과 다른 재료로 이루어지는 광전 변환부와, 제1 및 제2 전하 축적부와 광전 변환부 사이의 반도체층에 전압을 인가하는 제1 및 제2 전압 인가부와, 제1 면측에 마련되고, 광전 변환부에 전기적으로 접속된 제1 배선을 구비한다.
광전 변환부는 반도체층의 제2 면의 상방에서 본 때에, 렌즈로부터 반도체층에 입사광을 통과시키는 개구부보다도 면적에 있어서 작아도 좋다.
제1 면측에서 반도체층 내에 마련되고, 광전 변환부와 접촉하는 불순물층을 더 구비하고, 광전 변환부는 반도체층의 제2 면의 상방에서 본 때에, 불순물층보다도 면적에 있어서 작아도 좋다.
반도체층으로는, 실리콘이 이용되고 있고, 광전 변환부로는, 게르마늄, InGaAs, CIGS, Qdot가 이용되고 있어도 좋다.
도전성이면서 광을 반사하는 재료로 이루어지고, 광전 변환부와 반도체층 사이의 접촉부 이외에서 그 광전 변환부의 주위를 피복하고 있는 금속층을 더 구비하여도 좋다.
금속층은 광전 변환부와 제1 배선 사이를 전기적으로 접속하는 전극이라도 좋다.
금속층은 광전 변환부를 향하여 돌출 또는 우묵한 요철부를 가져도 좋다.
광전 변환부와 반도체층 사이에 마련되고, 광전 변환부의 재료와 반도체층의 재료가 혼합된 혼합층을 더 구비하여도 좋다.
제1 배선과 전기적으로 접속하는 광전 변환부의 콘택트 부분에 마련되고, 광전 변환부보다도 불순물 농도가 높은 고농도 불순물층을 더 구비하여도 좋다.
제1 전압 인가부는 제1 전하 축적부와 광전 변환부 사이의 제1 면상에 마련되고, 반도체층부터 절연된 제1 게이트 전극이고, 제2 전압 인가부는 제2 전하 축적부와 광전 변환부 사이의 제1 면상에 마련되고, 반도체층부터 절연된 제2 게이트 전극이고, 제1 면측에 마련되고, 제1 전압 인가부에 접속된 제2 배선과, 제1 면측에 마련되고, 제2 전압 인가부에 접속된 제3 배선을 더 구비하여도 좋다.
제1 및 제2 전압 인가부는 반도체층의 제1 면상에 절연막을 통하여 마련되어도 좋다.
제1 및 제2 전압 인가부는 반도체층의 제1 면으로부터 그 반도체층 내에 매입되어 있어도 좋다.
제1 전압 인가부는 제1 면에서 제1 전하 축적부에 인접하고, 그 제1 전하 축적부에 대해 도전형이 다른 제1 불순물층이고, 제2 전압 인가부는 제1 면에서 제2 전하 축적부에 인접하고, 그 제2 전하 축적부에 대해 도전형이 다른 제2 불순물층이고, 제1 면측에 마련되고, 제1 전압 인가부에 접속된 제2 배선과, 제1 면측에 마련되고, 제2 전압 인가부에 접속된 제3 배선을 더 구비하여도 좋다.
반도체층 내에 제2 면으로부터 광전 변환부로 늘어나고, 반도체층과 다른 재료로 이루어지는 도파부를 더 구비하여도 좋다.
도파부는 제2 면측에서 렌즈로부터 반도체층에 입사광을 통과시키는 개구부와 동등하든지 그 이상의 면적을 가지고, 제1 면측에서 광전 변환부와 동등하든지 그 이하의 면적을 가지고, 제1 면과 제2 면 사이에 있는 측면이 테이퍼 형상을 가져도 좋다.
도파부의 굴절률은 반도체층의 굴절률보다도 높아도 좋다.
도파부의 굴절률은 렌즈의 굴절률보다도 낮아도 좋다.
도파부의 측면에 마련된 금속막을 더 구비하여도 좋다.
도 1은 제1 실시 형태에 의한 거리 측정 장치의 구성례를 도시하는 블록도.
도 2는 제1 실시 형태에 의한 거리 측정 장치의 수광 소자의 개략 구성례를 도시하는 블록도.
도 3은 화소의 회로 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 4는 도 3에 도시한 화소 회로의 배치례를 도시한 평면도.
도 5는 제1 실시 형태에 의한 화소의 구성례를 도시하는 단면도.
도 6은 제1 실시 형태에 의한 거리 측정 장치의 동작의 한 예를 도시하는 타이밍도.
도 7은 제2 실시 형태에 의한 화소의 구성례를 도시하는 단면도.
도 8은 제3 실시 형태에 의한 화소의 구성례를 도시하는 단면도.
도 9는 제4 실시 형태에 의한 화소의 구성례를 도시하는 단면도.
도 10은 제5 실시 형태에 의한 화소의 구성례를 도시하는 단면도.
도 11은 제6 실시 형태에 의한 화소의 구성례를 도시하는 단면도.
도 12는 제7 실시 형태에 의한 화소의 구성례를 도시하는 단면도.
도 13은 제8 실시 형태에 의한 수광 소자의 구성례를 도시하는 단면도.
도 14는 제9 실시 형태에 의한 화소의 구성례를 도시하는 단면도.
도 15는 도파부의 측면에 금속막을 구비한 수광 소자의 단면도.
도 16은 본 개시에 의한 화소의 레이아웃의 한 예를 도시한 평면도.
도 17은 본 개시에 의한 화소의 레이아웃의 다른 예를 도시한 평면도.
도 18은 본 기술을 적용한 전자 기기로서의, 스마트폰의 구성례를 도시하는 블록도.
도 19는 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 한 예인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성례를 도시하는 블록도.
도 20은 촬상부의 설치 위치의 예를 도시하는 도면.
이하, 본 기술을 적용한 구체적인 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 도면은 모식적 또는 개념적인 것이고, 각 부분의 비율 등은, 반드시 현실의 것과 동일하다고는 한하지 않는다. 명세서와 도면에 있어서, 이미 제출한 도면에 관해 전술한 것과 같은 요소에는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 적절히 생략한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태에 의한 거리 측정 장치의 구성례를 도시하는 블록도이다. 거리 측정 장치(100)는 간접 ToF(이하, iToF라고도 하다) 방식에 의한 거리 측정 장치이고, 예를 들면, 차량에 탑재되어, 차외에 있는 대상물까지의 거리를 측정하는 차량탑재용의 시스템 등에 이용한다. 또한, 거리 측정 장치(100)는 예를 들면 얼굴 인증 등의 개인을 특정하는 시스템 등에도 이용해도 좋다.
거리 측정 장치(100)는 수광 소자(1)와, 발광 소자(2)와, 변조기(3)와, PLL(Phase Locked Loop)(4)을 구비하고 있다. PLL(4)은 펄스 신호를 생성한다. 변조기(3)는 PLL(4)로부터의 펄스 신호를 변조하여, 제어 신호를 생성한다. 제어 신호의 주파수는 예를 들면 5메가㎐∼20메가㎐면 좋고. 발광 소자(2)는, 변조기로부터의 제어 신호에 따라 발광한다. 발광 소자(2)는 광원으로서, 파장이 780nm∼1000nm 범위의 적외광을 발하는 발광 다이오드를 가지고, 구형파 또는 사인파의 제어 신호에 동기하여, 조사광을 발생한다. 발광 소자(2)에서 생성되는 광은 예를 들면 단파 적외광(SWIR(Short Wave Infrared Radiometer)) 등이면 좋다. 발광 소자(2)로부터 발광된 조사광은 물체(M)에 반사하여 수광 소자(1)에서 수광된다.
수광 소자(1)에서 수광되는 반사광은 발광 소자(2)가 발광한 타이밍부터, 물체(M)까지의 거리에 응하여 지연된다. 조사광에 대한 반사광의 지연 시간에 의해, 조사광과 반사광 사이에 위상차가 생긴다. iToF 방식에서는, 거리 측정 장치(100)는 이 조사광과 반사광 사이의 위상차를 연산하여, 이 위상차에 의거하여 거리 측정 장치(100)로부터 물체(M)까지의 거리(뎁스 정보)를 구한다.
도 2는 제1 실시 형태에 의한 거리 측정 장치의 수광 소자의 개략 구성례를 도시하는 블록도이다. 수광 소자(1)는 도 1의 iToF 방식에 의한 거리 측정 장치(100)에 이용되는 소자이다.
수광 소자(1)는 광원으로서의 발광 소자(2)에서 생성된 조사광이 물체에 닿아 반사하여 되돌아온 광(반사광)을 수광하고, 물체까지의 거리 정보를 뎁스값으로서 표현한 뎁스 화상을 출력한다.
수광 소자(1)는 도시하지 않은 반도체 기판상에 마련된 화소 어레이부(21)와, 같은 반도체 기판상에 마련된 주변 회로부를 갖는다. 주변 회로부는 예를 들면 수직 구동부(22), 칼럼 처리부(23), 수평 구동부(24), 및 시스템 제어부(25), 신호 처리부(26) 및 데이터 격납부(27) 등으로 구성되어 있다. 또한, 주변 회로부의 전부 또는 일부는 수광 소자(1)와 같은 반도체 기판상에 마련해도 좋고, 수광 소자(1)와는 별개의 기판상에 마련해도 좋다.
화소 어레이부(21)는 행방향 및 열방향의 행렬형상으로 2차원 배치된 복수의 화소(10)를 갖는다. 화소(10)는 수광한 광량에 응한 전하를 생성하고, 그 전하에 응한 신호를 출력한다. 즉, 화소(10)는 입사한 광을 광전 변환하고, 그 결과 얻어진 전하에 응한 신호를 출력한다. 화소(10)의 상세에 관해서는, 후술한다. 또한, 행방향은 도 2에서 횡방향이고, 열방향은 종방향이다.
화소 어레이부(21)에서는, 행렬형상의 화소 배열에 대해, 화소행마다 화소 구동선(28)이 행방향에 따라 배선됨과 함께, 각 화소 열에 2개의 수직 신호선(29)이 열방향에 따라 배선되어 있다. 예를 들면, 화소 구동선(28)은, 화소(10)로부터 신호를 판독할 때의 구동을 행하기 위한 구동 신호를 전송한다. 또한, 도 2에서는, 화소 구동선(28)에 관해 1개의 배선으로서 나타내고 있는데, 1개로 한정되는 것이 아니다. 화소 구동선(28)의 일단은 수직 구동부(22)의 각 행에 대응한 출력단에 접속되어 있다.
수직 구동부(22)는 시프트 레지스터, 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 화소 어레이부(21)의 각 화소(10)를 전 화소 동시 또는 행 단위 등으로 구동한다. 즉, 수직 구동부(22)는 수직 구동부(22)를 제어하는 시스템 제어부(25)와 함께, 화소 어레이부(21)의 각 화소(10)의 동작을 제어하는 구동부를 구성하고 있다.
수직 구동부(22)에 의한 구동 제어에 응하여 화소행의 각 화소(10)로부터 출력되는 검출 신호는 수직 신호선(29)을 통하여 칼럼 처리부(23)에 입력된다. 칼럼 처리부(23)는 각 화소(10)로부터 수직 신호선(29)을 통하여 출력되는 검출 신호에 대해 소정의 신호 처리를 행함과 함께, 신호 처리 후의 검출 신호를 일시적으로 유지한다. 구체적으로는, 칼럼 처리부(23)는 신호 처리로서 노이즈 제거 처리나 AD(Analog-to-Digital) 변환 처리 등을 행한다.
수평 구동부(24)는 시프트 레지스터, 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 칼럼 처리부(23)의 화소 열에 대응하는 단위 회로를 순번대로 선택한다. 수평 구동부(24)에 의한 선택 주사에 의해, 칼럼 처리부(23)에서 단위 회로마다 신호 처리된 검출 신호가 순번대로 출력된다.
시스템 제어부(25)는 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터 등에 의해 구성되고, 그 타이밍 제너레이터에서 생성된 각종의 타이밍 신호를 기초로, 수직 구동부(22), 칼럼 처리부(23) 및 수평 구동부(24) 등의 구동 제어를 행한다.
신호 처리부(26)는 연산 처리 기능을 가지고, 칼럼 처리부(23)로부터 출력된 검출 신호에 의거하여 연산 처리 등의 여러 가지의 신호 처리를 행한다. 데이터 격납부(27)는 신호 처리부(26)에서의 신호 처리에 필요한 데이터를 일시적으로 격납한다.
이상과 같이 구성된 수광 소자(1)는 물체까지의 거리 정보를 뎁스값으로서 화소치에 포함하고, 이 화소치를 뎁스 화상으로서 출력한다. 수광 소자(1)는 예를 들면 차량에 탑재되어, 차외에 있는 대상물까지의 거리를 측정하는 차량탑재용의 시스템 등에 탑재할 수 있다.
도 3은 화소(10)의 회로 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 화소(10)는 포토 다이오드(PD)와, 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)와, 부유 확산 영역(FD1, FD2)과, 부가 용량(FDL1, FDL2)과, 전환 트랜지스터(FDG1, FDG2)와, 증폭 트랜지스터(AMP1, AMP2)와, 리셋 트랜지스터(RST1, RST2)와, 선택 트랜지스터(SEL1, SEL2)와, 전하 배출 트랜지스터(OFG)를 구비한다.
포토 다이오드(PD)는 받은 광에 응하여 전하를 생성하는 광전 변환 소자이다.
전송 트랜지스터(TRG1, TRG2), 전환 트랜지스터(FDG1, FDG2), 증폭 트랜지스터(AMP1, AMP2), 선택 트랜지스터(SEL1, SEL2), 리셋 트랜지스터(RST1, RST2) 및 전하 배출 트랜지스터(OFG)는 예를 들면 N형 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 구성된다.
전송 트랜지스터(TRG1)는 게이트 전극(TRG1g)에 인가되는 전송 신호가 액티브 상태(예를 들면, 하이 레벨)가 되면 도통 상태가 되어, 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 전하를 부유 확산 영역(FD1)에 전송한다. 전송 트랜지스터(TRG2)는 게이트 전극(TRG2g)에 인가되는 전송 신호가 액티브 상태가 되면 도통 상태가 되어, 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 전하를 부유 확산 영역(FD2)에 전송한다.
부유 확산 영역(FD1 및 FD2)은 포토 다이오드(PD)로부터 전송된 전하를 축적 가능한 전하 축적부이다.
전환 트랜지스터(FDG1)는 전환 신호(FDG1g)가 액티브 상태가 되면 도통 상태가 되어, 부가 용량(FDL1)을 부유 확산 영역(FD1)에 접속한다. 전환 트랜지스터(FDG2)는 전환 신호(FDG2g)가 액티브 상태가 되면 도통 상태가 되어, 부가 용량(FDL2)을 부유 확산 영역(FD2)에 접속한다. 부가 용량(FDL1 및 FDL2)은 예를 들면 MoM(Metal-on-Metal), MIM (Metal-Insulator-Metal) 또는 MOS 커패시터 등의 용량 소자로 구성하면 좋다. 또한, 전환 트랜지스터(FDG1, FDG2)는 iToF에서, 입사광에 의한 전하를 축적할 때에는 도통 상태로 되어 있고, 각각 부유 확산 영역(FD1, FD2)과 전기적으로 접속되어 있다. 이에 의해, 화소(10)는 부유 확산 영역(FD1, FD2)에서의 신호 전하의 포화를 억제할 수 있고, 전하를 축적할 수 있다.
리셋 트랜지스터(RST1)는 리셋 구동 신호(RSTg)가 액티브 상태가 되면 도통 상태가 되어, 부유 확산 영역(FD1)의 전위를 리셋한다. 리셋 트랜지스터(RST2)는 리셋 구동 신호(RSTg)가 액티브 상태가 되면 도통 상태가 되어, 부유 확산 영역(FD2)의 전위를 리셋한다. 또한, 리셋 트랜지스터(RST1 및 RST2)가 액티브 상태가 될 때, 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)도 동시에 액티브 상태가 되어, 부가 용량(FDL1 및 FDL2)도 리셋된다.
예를 들면, iToF에서, 입사광에 의한 전하를 축적하는 경우, 수직 구동부(22)는 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)를 도통 상태로 하여, 부유 확산 영역(FD1)과 부가 용량(FDL1)을 접속함과 함께, 부유 확산 영역(FD2)과 부가 용량(FDL2)을 접속한다. 이에 의해, 많은 전하를 축적할 수 있다.
한편, 양자 효율을 올리는 경우에는, 수직 구동부(22)는 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)를 비도통 상태로 하여, 부가 용량(FDL1 및 FDL2)을 각각 부유 확산 영역(FD1 및 FD2)로부터 절리(切離)하여도 좋다. 이와 같이, 전환 트랜지스터(FDG1, FDG2)를 전환함에 의해, 수광 소자(1)의 다이내믹 레인지를 크게 할 수 있다.
전하 배출 트랜지스터(OFG)는 배출 신호(OFG1g)가 액티브 상태가 되면 도통 상태가 되어, 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하를 배출한다. 강한 입사광에 의해 포토 다이오드(PD)의 전하가 오버플로 하는 경우에, 전하 배출 트랜지스터(OFG)가 이용된다.
증폭 트랜지스터(AMP1)의 소스 전극은 선택 트랜지스터(SEL1)를 통하여 수직 신호선(29A)에 접속된다. 이에 의해, 증폭 트랜지스터(AMP1)는 도시하지 않은 정전류원과 접속하고, 소스 팔로워 회로를 구성한다. 증폭 트랜지스터(AMP2)의 소스 전극은 선택 트랜지스터(SEL2)를 통하여 수직 신호선(29B)에 접속된다. 이에 의해, 증폭 트랜지스터(AMP2)는 도시하지 않은 정전류원과 접속하고, 소스 팔로워 회로를 구성한다.
선택 트랜지스터(SEL1)는 증폭 트랜지스터(AMP1)의 소스 전극과 수직 신호선(29A) 사이에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(SEL1)는 선택 신호(SEL1g)가 액티브 상태가 되면 도통 상태가 되어, 증폭 트랜지스터(AMP1)로부터 출력되는 검출 신호(VSL1)를 수직 신호선(29A)에 출력한다.
선택 트랜지스터(SEL2)는 증폭 트랜지스터(AMP2)의 소스 전극과 수직 신호선(29B) 사이에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(SEL2)는 선택 신호(SEL2g)가 액티브 상태가 되면 도통 상태가 되어, 증폭 트랜지스터(AMP2)로부터 출력되는 검출 신호(VSL2)를 수직 신호선(29B)에 출력한다.
화소(10)의 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2), 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2), 증폭 트랜지스터(AMP1 및 AMP2), 선택 트랜지스터(SEL1 및 SEL2) 및 전하 배출 트랜지스터(OFG)는 수직 구동부(22)에 의해 제어된다.
또한, 상술한 바와 같이, iToF에서 입사광에 의한 전하를 축적하는 경우, 부가 용량(FDL1 및 FDL2)은 부유 확산 영역(FD1, FD2)에 각각 접속되어 있다. 따라서, iToF의 화소(10)에서는, 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)는 생략해도 좋다.
다음에, 화소(10)의 동작에 관해 간단히 설명한다.
우선, 수광을 시작하기 전에, 화소(10)의 전하를 리셋하는 리셋 동작이 전 화소에서 행해진다. 즉, 전하 배출 트랜지스터(OFG)와, 리셋 트랜지스터(RST1 및 RST2) 및 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)가 도통 상태가 되어, 포토 다이오드(PD), 부유 확산 영역(FD1 및 FD2) 및 부가 용량(FDL1 및 FDL2)의 축적 전하를 배출한다.
축적 전하의 배출 후, 수광이 시작된다.
수광 기간에서는, 전송 트랜지스터(TRG1과 TRG2)가 교대로 구동된다. 예를 들면, 제1 기간에서, 전송 트랜지스터(TRG1)가 도통 상태(이하, 온)가 되고, 전송 트랜지스터(TRG2)가 비도통 상태(이하, 오프)가 된다. 이때, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하는, 부유 확산 영역(FD1) 및 부가 용량(FDL1)에 전송된다. 제1 기간 다음의 제2 기간에서, 전송 트랜지스터(TRG1)가 오프가 되고, 전송 트랜지스터(TRG2)가 온이 된다. 제2 기간에서는, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하는 부유 확산 영역(FD2) 및 부가 용량(FDL2)에 전송된다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하가 부유 확산 영역(FD1과 FD2)에 배분되어, 축적된다.
제1 및 제2 기간은 발광 소자(2)로부터의 조사광과 동기하여 주기적으로 교대로 반복된다. 이에 의해, 부유 확산 영역(FD1, FD2) 및 부가 용량(FDL1, FDL2)은 발광 소자(2)로부터의 조사광과 수광 소자(1)에서 수광된 반사광의 위상차에 응한 전하를 축적할 수 있다. 위상차와, 부유 확산 영역(FD1, FD2) 및 부가 용량(FDL1, FDL2)에 축적되는 전하와의 관계에 관해서는 후술한다.
그리고, 수광 기간이 종료되면, 화소 어레이부(21)의 각 화소(10)가 순차적으로 선택된다. 선택된 화소(10)에서는, 선택 트랜지스터(SEL1 및 SEL2)가 온 한다. 이에 의해, 부유 확산 영역(FD1) 및 부가 용량(FDL1)에 축적된 전하가 검출 신호(VSL1)로서 수직 신호선(29A)을 통하여 칼럼 처리부(23)에 출력된다. 부유 확산 영역(FD2) 및 부가 용량(FDL2)에 축적된 전하는 검출 신호(VSL2)로서 수직 신호선(29B)을 통하여 칼럼 처리부(23)에 출력된다.
이와 같이 1회의 수광 동작이 종료되면, 리셋 동작부터 시작되는 다음의 수광 동작이 실행된다.
화소(10)가 수광하는 반사광은 광원이 조사한 타이밍부터 대상물까지의 거리에 응하여 지연된다. 대상물까지의 거리에 응한 지연 시간에 의해, 조사광과 반사광 사이에 위상차가 생기고, 부가 용량(FDL1)과 부가 용량(FDL2)(또는 부유 확산 영역(FD1)과 부유 확산 영역(FD2))에 축적되는 전하의 배분비가 변화한다. 이에 의해, 부유 확산 영역(FD1, FD2)의 전위를 검출함에 의해, 조사광과 반사광 사이의 위상차가 산출되고, 이 위상차에 의거하여 물체까지의 거리를 구할 수 있다.
도 4는, 도 3에 도시한 화소 회로의 배치례를 도시한 평면도이다. 도 4에서 횡방향은 도 2의 행방향(수평 방향)에 대응하고, 종방향은 도 2의 열방향(수직 방향)에 대응한다.
도 4에 도시되는 바와 같이, N형의 반도체층(51) 내에 N+형의 불순물층(52)이 마련되어 있다. 불순물층(52) 내에 포토 다이오드(PD)가 마련되어 있다. 반도체층(51)의 표면 상방에서 본 때에, 불순물층(52) 및 포토 다이오드(PD)는 개략 사각형의 외형을 가지고, 포토 다이오드(PD)는 불순물층(52)의 내측에 마련되어 있다.
불순물층(52)의 외측으로서, 사각형의 화소(10)의 4변의 소정의 1변에 따라, 전송 트랜지스터(TRG1), 전환 트랜지스터(FDG1), 리셋 트랜지스터(RST1), 증폭 트랜지스터(AMP1) 및 선택 트랜지스터(SEL1)가 직선적으로 나란히 배치되어 있다. 또한, 사각형의 화소(10)의 4변의 다른 1변에 따라, 전송 트랜지스터(TRG2), 전환 트랜지스터(FDG2), 리셋 트랜지스터(RST2), 증폭 트랜지스터(AMP2) 및 선택 트랜지스터(SEL2)가 직선적으로 나란히 배치되어 있다. 또한, 전하 배출 트랜지스터(OFG)는 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2) 등이 마련된 화소(10)의 2변과는 다른 변에 배치되어 있다. 예를 들면, 전하 배출 트랜지스터(OFG)는 전송 트랜지스터(TRG1, FDG1, RST1, AMP1, SEL1)가 마련된 화소(10)의 변에 대해 대향하는 변에 배치되어 있다. 또한, 도 4에 도시한 화소 회로의 배치는 이 예로 한정되지 않고, 그 밖의 배치로 하여도 좋다.
도 5는 제1 실시 형태에 의한 화소(10)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 도 5에는, 하나의 화소(10)를 나타내고 있는데, 화소 어레이부(21)에는, 복수의 화소(10)가 병렬로 2차원 배치되어 있다.
화소(10)는 반도체층(51)과, 온 칩 렌즈(47)와, 반사 방지막(43)과, 차광막(45)과, 화소 사이 분리부(61)와, 불순물층(52)과, 부유 확산 영역(FD1, FD2)과, 포토 다이오드(PD)와, 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)와, 비아(V1∼V4, Vbias)와, 배선(M1∼M4, Mbias)과, 부가 용량(FDL1, FDL2)을 구비하고 있다.
반도체층(51)은 예를 들면 실리콘으로 구성되고, 예를 들면 1㎛∼6㎛의 두께를 갖고 있다. 반도체층(51)은 예를 들면 N형 반도체층이다. 반도체층(51)은 제1 면으로서의 표면(F1)과, 표면(F1)에 대해 반대측에 있는 제2 면으로서의 이면(F2)을 갖는다. 표면(F1)측에는, 배선(M1∼M4, Mbias)을 포함하는 다층 배선 구조가 마련되어 있다. 이면(F2)측에는, 광을 받기 위한 온 칩 렌즈(47)가 마련되어 있다. 따라서, 본 개시에 의한 수광 소자(1)는 이면 조사형 소자이고, 배선(M1∼M4, Mbias)이 마련되어 있는 표면(F1)과는 반대측의 이면(F2)에서 수광한다. 반도체층(51)의 이면(F2)이 광의 입사면이 된다.
반도체층(51)의 이면(F2)상에는, 반사 방지막(43)이 마련되어 있다. 반사 방지막(43)은 고정 전하막 및 산화막을 적층한 적층 구조면 좋다. 예를 들면, 반사 방지막(43)은 ALD(Atomic Layer Deposition)법에 의한 고 유전율(High-k) 절연막이면 좋다. 보다 상세하게는, 반사 방지막(43)으로는, 예를 들면, 산화 하프늄(HfO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 티탄(TiO2), 산화 탄탈(Ta2O5), STO(Strontium Titan Oxide) 등의 금속 산화막을 이용할 수 있다.
반도체층(51)의 이면(F2)상의 반사 방지막(43) 이외의 영역에는, 차광막(45)이 마련되어 있다. 차광막(45)은 반사 방지막(43)의 주위에 인접하여 마련되어 있고, 반사 방지막(43) 이외의 영역부터 입사광이 들어오는 것을 억제한다. 즉, 차광막(45)은 온 칩 렌즈(47)로부터 반도체층(51)에 입사광을 통과시키는 개구부(OP)를 규정한다. 차광막(45)은 차광 재료로 구성되고, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등의 금속재료로 구성될 수 있다.
화소 사이 분리부(61)는 반도체층(51) 내에서 인접하는 복수의 화소(10) 사이의 경계부에 마련되어 있고, 인접하는 복수의 화소(10) 사이를 분리한다. 화소 사이 분리부(61)는 입사광이 인접 화소에 누설되는 것(즉, 크로스토크)을 억제한다. 화소 사이 분리부(61)도 차광 재료로 구성되고, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등의 금속재료로 구성될 수 있다. 또한, 도시하지 않지만, 화소 사이 분리부(61)의 저면 및 측면은 광을 반사하는 재료로 피복되어도 좋다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)에 입사하는 광이 많아지고, 화소(10)의 양자 효율이 향상한다.
반사 방지막(43) 및 차광막(45)상에는, 평탄화막(46)이 마련되어 있다. 평탄화막(46)으로는, 예를 들면, 산화 실리콘(SiO2), 질화 실리콘(SiN), 산질화 실리콘(SiON) 등의 절연막, 또는, 수지 등의 유기 재료를 이용하고 있다.
평탄화막(46)상에는, 온 칩 렌즈(47)가 화소(10)마다 마련되어 있다. 온 칩 렌즈(47)는 반도체층(51)의 이면(F2)상에 마련되어 있고, 온 칩 렌즈(47)로는, 예를 들면, 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴 공중합계 수지, 또는 실록산계 수지 등의 수지계 재료를 이용하고 있다. 온 칩 렌즈(47)에 의해 집광된 광은 반사 방지막(43) 및 반도체층(51)을 통하여 포토 다이오드(PD)에 입사된다.
한편, 반도체층(51)의 표면(F1)측에는, 광전 변환부의 한 예로서 포토 다이오드(PD)가 마련되어 있다. 포토 다이오드(PD)는 반도체층(51)의 표면(F1)상에 반도체층(51)에 접촉하도록 마련되고, 반도체층(51)과는 다른 재료로 구성되어 있다. 포토 다이오드(PD)로는, 실리콘보다도 양자 효율(광전 변환 효율)이 높은 재료가 이용되고, 예를 들면, 게르마늄, InGaAs, CIGS(Copper Indium Gallium DiSelenide) 또는 Qdot(Quantum dot)가 이용되고 있다. 포토 다이오드(PD)는 수광한 광량에 응한 전하를 생성한다. 또한, 포토 다이오드(PD)는 표면(F1)부터 이면(F2)을 향하여 반도체층(51) 또는 불순물층(52) 내로 일부분 돌출하여 파들어가 있다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)로부터 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)를 경유하여 부유 확산 영역(FD1, FD2)까지의 경로가 단축되고, 전하의 전송 효율 및 전송 속도가 향상한다.
포토 다이오드(PD)는 제1 배선으로서의 비아(Vbias)를 통하여 배선(Mbias)에 접속되어 있다. 배선(Mbias)은 표면(F1)측에 마련되고, 소정의 바이어스 전압을 포토 다이오드(PD)에 인가하기 위해, 포토 다이오드(PD)에 전기적으로 접속되어 있다. 예를 들면, 배선(Mbias)에 정전압(예를 들면, 약 +0.5V)을 인가함에 의해, 포토 다이오드(PD)에서 광전 변환된 전하(예를 들면, 전자)가 불순물층(52)에 취입되기 쉽게 된다.
포토 다이오드(PD)는 도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 반도체층(51)의 이면(F2)의 상방에서 본 때에, 개구부(OP) 및 불순물층(52)보다도 면적에 있어서 작다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51)과의 접촉 면적이 작아져서, 후술하는 바와 같이, 암전류를 작게 할 수 있다.
불순물층(52)은 반도체층(51) 내의 표면(F1)측에 마련되어 있고, 포토 다이오드(PD)와 접촉하고 있다. 불순물층(52)은 예를 들면 반도체층(51)보다도 불순물 농도에 있어서 높은 N형 불순물층이고, 포토 다이오드(PD)에서 광전 변환된 전하를 취입한다.
제1 및 제2 전하 축적부의 한 예로서 부유 확산 영역(FD1, FD2)이 불순물층(52)의 양측에 마련되어 있다. 부유 확산 영역(FD1, FD2)은 표면(F1)측에서 반도체층(51) 내에 마련되어 있고, 포토 다이오드(PD)로부터 전송된 전하를 일시 유지 또는 축적한다. 부유 확산 영역(FD1, FD2)은 예를 들면 N형 불순물층이고, 반도체층(51)보다도 불순물 농도가 높은 고농도의 불순물을 포함한다.
제1 전압 인가부의 한 예로서 전송 트랜지스터(TRG1)의 게이트 전극(TRG1g)이 부유 확산 영역(FD1)과 포토 다이오드(PD) 또는 불순물층(52) 사이의 표면(F1)상에 마련되어 있다. 게이트 전극(TRG1g)은 표면(F1)상에 게이트 절연막을 통하여 마련되어 있고, 반도체층(51)으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 게이트 전극(TRG1g)은 부유 확산 영역(FD1)과 포토 다이오드(PD) 또는 불순물층(52) 사이의 반도체층(51)에 전압을 인가하여, 전송 트랜지스터(TRG1)를 도통 상태 또는 비도통 상태로 할 수 있다. 게이트 전극(TRG1g)으로는, 예를 들면, 금속 또는 억셉터 또는 도너가 되는 불순물이 도프된 폴리실리콘 등의 도전성 재료가 이용된다.
제2 전압 인가부의 한 예로서 전송 트랜지스터(TRG2)의 게이트 전극(TRG2g)이 부유 확산 영역(FD2)과 포토 다이오드(PD) 또는 불순물층(52) 사이의 표면(F1)상에 마련되어 있다. 게이트 전극(TRG2g)은 표면(F1)상에 게이트 절연막을 통하여 마련되어 있고, 반도체층(51)으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 게이트 전극(TRG2g)은 부유 확산 영역(FD2)과 포토 다이오드(PD) 또는 불순물층(52) 사이의 반도체층(51)에 전압을 인가하여, 전송 트랜지스터(TRG2)를 도통 상태 또는 비도통 상태로 할 수 있다. 게이트 전극(TRG2g)으로는, 예를 들면, 금속 또는 도프드 실리콘 등의 도전성 재료가 이용된다.
게이트 전극(TRG1g), 불순물층(52) 및 부유 확산 영역(FD1)은 전송 트랜지스터(TRG1)를 구성하고, 게이트 전극(TRG1g)에 인가되는 게이트 전압에 의해, 불순물층(52)으로부터 부유 확산 영역(FD1)에 전하를 전송할 수 있다.
게이트 전극(TRG2g), 불순물층(52) 및 부유 확산 영역(FD2)은 전송 트랜지스터(TRG2)를 구성하고, 게이트 전극(TRG2g)에 인가되는 게이트 전압에 의해, 불순물층(52)으로부터 부유 확산 영역(FD2)에 전하를 전송할 수 있다.
부유 확산 영역(FD1, FD2)에 전송된 전하는 부유 확산 영역(FD1) 및 도 3의 부가 용량(FDL1) 또는 부유 확산 영역(FD2) 및 도 3의 부가 용량(FDL2)에 축적된다.
게이트 전극(TRG1g)은 비아(V11, V21, V31, V41) 및 배선(M11, M21, M31)을 통하여 제2 배선으로서의 배선(M41)에 전기적으로 접속된다. 즉, 배선(M41)은 표면(F1)측에 마련되고, 게이트 전극(TRG1g)에 접속되어 있다. 게이트 전극(TRG2g)은 비아(V12, V22, V32, V42) 및 배선(M12, M22, M32)을 통하여 제3 배선으로서의 배선(M42)에 전기적으로 접속된다. 즉, 배선(M42)은 표면(F1)측에 마련되고, 게이트 전극(TRG2g)에 접속되어 있다. 도 2의 수직 구동부(22)가 배선(M41, M42)에 접속되어 있고, 배선(M41, M42)을 통하여 게이트 전극(TRG1g, TRG2g)의 전위를 제어한다. 이에 의해, 수직 구동부(22)는 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)를 구동시킬 수 있다. 배선(M11∼M42, Mbias), 비아(V11∼42, Vbias)로는, 예를 들면, 구리 등의 도전성 금속이 이용된다. 도 5에서, 배선(M11∼M42)은, 4층 구조로 되어 있는데, 배선층의 수는 한정되지 않고, 4층보다 적어도, 많아도 상관없다.
또한, 배선(M11, M12, Mbias)은 동일 배선층에 구성되고, 배선(M21, M22)은 동일 배선층에 구성된다. 배선(M31, M32)은 동일 배선층에 구성되고, 배선(M41, M42)은 동일 배선층에 구성된다. 배선(M11, M12)은, 각각 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)의 게이트 전극(TRG1g, TRG2g)에 비아(V11, V12)를 통하여 전기적으로 접속된 배선이다.
부가 용량(FDL1, FDL2)은 예를 들면 배선(M21, M22) 또는 배선(M31, 32)과 동일층의 배선으로 구성된 MoM, MIM 또는 MOS 커패시터면 좋다. 부가 용량(FDL1, FDL2)은 여기서는 도시하지 않지만, 각각 부유 확산 영역(FD1, FD2)에 전기적으로 접속되고, 전하를 부유 확산 영역(FD1, FD2)과 함께 축적할 수 있다. 또한, 부가 용량(FDL1, FDL2)은 표면(F1)측으로부터의 평면에서 볼 때, 포토 다이오드(PD)와 오버랩하고 있다. 이에 의해, 화소(10)의 배치 면적을 작게 할 수 있다. 물론, 부가 용량(FDL1, FDL2)은 배선(M21, M22) 및 배선(M31, 32)과는 다른 도전층으로 구성되어 있어도 좋다.
층간 절연막(62)은 반도체층(51)의 표면(F1)상에 마련되고, 배선(M11∼M42, Mbias), 비아(V11∼42, Vbias) 등을 피복하고 있다. 층간 절연막(62)으로는, 예를 들면, 실리콘 산화막 등의 절연막이 이용된다.
다음에, 거리 측정 장치(100)의 동작에 관해 설명한다.
도 6은 제1 실시 형태에 의한 거리 측정 장치의 동작의 한 예를 도시하는 타이밍도이다. 횡축은 시간을 나타낸다. 종축은 조사광의 신호 레벨(강도), 반사광의 신호 레벨(강도), 게이트 신호(STRG1, STRG2), 및 부유 확산 영역(FD1, FD2) 또는 부가 용량(FDL1, FLD2)에 축적되는 전하량(QFD1, QFD2)를 나타낸다. 또한, 게이트 신호(STRG1, STRG2)는 각각 도 3 또는 도 5에 도시하는 게이트 전극(TRG1g, TRG2g)에 인가되는 신호이다.
우선, 수광 소자(1)는 리셋 상태에 있는 것으로 한다. 발광 소자(2)가 조사광을 발광한다. 조사광의 주파수는 Fmod로 한다. 조사광은 물체(M)에 반사하여 수광 소자(1)에서 수광된다. 반사광의 주파수는 조사광의 그것과 같고, Fmod 그대로다. 한편, 조사광이 발광되고 나서 물체(M)에 반사하여 반사광으로서 돌아올 때까지 걸리는 시간(Δt)이 조사광에 대한 반사광의 지연 시간(ToF)이 된다. 지연 시간(Δt)이 판명되면, 광속(c)에 의거하여, 거리 측정 장치(100)로부터 물체(M)까지의 거리는 계산될 수 있다. 그러나, 지연 시간(Δt)(t1∼t2)에 응하여, 조사광과 반사광 사이에는 위상차가 생기기 때문에, iToF에서는, 조사광과 반사광과의 위상차(α)를 이용하여 거리 측정 장치(100)로부터 물체(M)까지의 거리(뎁스 정보)(D)를 산출한다.
거리(D)는 식 1로 표시된다.
D=(c×Δt)/2=(c×α)/(4π×Fmod) (식 1)
위상차(α)를 알면, 식 1에 의해 거리(D)를 산출할 수 있다.
또한, 위상차(α)는 식 2로 표시된다.
α=arctan((Q90-Q270)/(Q0-Q180)) (식 2)
Qθ(θ=0, 90, 180, 270)는 조사광에 대해 게이트 신호(STRG1, STRG2)의 위상을 θ만큼 어긋낸 때에, 부유 확산 영역(FD1, FD2) 또는 부가 용량(FDL1, FDL2)에 축적되는 전하량의 차(전위차)를 나타낸다. 즉, iToF 방식에서는, 조사광에 대한 게이트 신호(STRG1, STRG2)의 위상을 소정치(예를 들면, 0도, 90도, 180도, 270도) 어긋낸 때에 얻어지는 4개의 화상 데이터를 이용하여 위상차(α)를 연산한다. 그리고, 이 위상차(α)를 이용하여 거리(D)를 산출한다. 이 연산은 도 2의 신호 처리부(26)에서 실행하면 좋다.
이하, 도 6을 참조하여, Qθ의 산출에 관해 설명한다.
전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)의 게이트 전극(TRG1g, TRG2g)에는, 게이트 신호(STRG1, STRG2)가 인가된다. 게이트 신호(STRG1, STRG2)는 조사광과 같은 주파수(Fmod)의 펄스 신호이다. 게이트 신호(STRG1)와 게이트 신호(STRG2)는 서로 180도 어긋난 역상의 신호이고, 조사광으로부터 소정의 위상(θ)(0도, 90도, 180도 및 270도의 어느 하나)만큼 시프트하도록 설정된다. 예를 들면, 도 6에서는, 게이트 신호(STRG1)의 위상은 조사광의 위상으로부터 90도(θ=90)만큼 시프트하도록 설정되어 있다. 게이트 신호(STRG2)는 게이트 신호(STRG1)의 역상 신호이기 때문에, 게이트 신호(STRG2)의 위상도 게이트 신호(STRG1)의 위상과 함께 시프트하고 있다.
게이트 신호(STRG1, STRG2)는 서로 역상 신호이기 때문에, 도 3, 도 5의 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)는 교대로 도통 상태가 된다. 예를 들면, t0∼t3에서, 게이트 신호(STRG1)가 하이 레벨이기 때문에, 전송 트랜지스터(TRG1)가 도통 상태가 된다. 한편, 게이트 신호(STRG2)가 저레벨이기 때문에, 전송 트랜지스터(TRG2)가 비도통 상태가 된다. 이때, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하(qa)는 전송 트랜지스터(TRG1)를 통하여 부유 확산 영역(FD1) 및 부가 용량(FDL1)에 전송된다. 한편, 전하(qa)는 부유 확산 영역(FD2) 및 부가 용량(FDL2)에는 전송되지 않는다. 부유 확산 영역(FD1) 및 부가 용량(FDL1)의 전하량을 QFD1이라고 하면, 전하량(QFD1)은 전하량(qa)의 분만큼 변화(저하)한다. 한편, 전하는 부유 확산 영역(FD2) 및 부가 용량(FDL2)에는 전송되지 않는다. 따라서, 부유 확산 영역(FD2) 및 부가 용량(FDL2)의 전하량을 QFD2라고 하면, 전하량(QFD2)은 변화하지 않는다.
다음에, t3∼t4에서, 게이트 신호(STRG2)가 하이 레벨이 되고, 전송 트랜지스터(TRG2)가 도통 상태가 된다. 한편, 게이트 신호(STRG1)가 저레벨이 되고, 전송 트랜지스터(TRG1)가 비도통 상태가 된다. 이때, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하(qb)는, 전송 트랜지스터(TRG2)를 통하여 부유 확산 영역(FD2) 및 부가 용량(FDL2)에 전송된다. 한편, 전하(qb)는, 부유 확산 영역(FD1) 및 부가 용량(FDL1)에는 전송되지 않는다. 따라서, 전하량(QFD2)은 전하량(qb)의 분만큼 변화(저하)한다. 한편, 전하는 부유 확산 영역(FD1) 및 부가 용량(FDL1)에는 전송되지 않는다. 따라서, 전하량(QFD1)은 변화하지 않는다.
t4∼t5, t6∼t7에서의 수광 소자(1)의 동작은 t0∼t3에서의 수광 소자(1)의 동작과 마찬가지이다. 또한, t5∼t6, t7∼t8에서의 수광 소자(1)의 동작은 t3∼t4에서의 수광 소자(1)의 동작과 마찬가지이다. 이와 같이, 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)는 도통 상태와 비도통 상태를 엇갈리게 주기적으로 반복한다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하(qa)는 부유 확산 영역(FD1) 및 부가 용량(FDL1)에 점차로 축적(적분)되고, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하(qb)는 부유 확산 영역(FD2) 및 부가 용량(FDL2)에 점차로 축적(적분)된다. 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하(qa, qb)를 조사광 및 반사광의 주파수(Fmod)에 의거하여 배분함에 의해, 조사광에 대한 반사광의 위상차(α)에 응한 전하량의 차(Q90)가 커진다. 전하량 차(Q90)가 충분히 커진 시점에서, 수광 소자(1)는 도 3의 수직 신호선(29A, 29B)을 통하여 부유 확산 영역(FD1, FD2)의 전위를 출력한다.
상기 수광 처리는 θ=0, 90, 180, 270의 각각에 관해 실행되어, 전하량 차(Q0, Q90, Q180, Q270)를 검출한다. 이에 의해, 조사광에 대한 게이트 신호(STRG1, STRG2)의 위상을 어긋낸 때에 얻어지는 4개의 화상 데이터(즉, Q0, Q90, Q180, Q270)를 얻을 수 있다. 신호 처리부(26)는 이 4개의 화상 데이터(Q0, Q90, Q180, Q270)를 이용하여 식 2로부터 위상차(α)를 연산한다. 또한, 신호 처리부(26)는 위상차(α)를 이용하여 식 1로부터 거리(D)를 산출한다.
이와 같이 하여, 본 개시에 의한 거리 측정 장치(100)는 iToF 방식을 이용하여 거리(D)(뎁스 정보)를 얻는다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 의한 수광 소자(1)는 배선 구조를 반도체층(51)의 표면(F1)에 가지고, 온 칩 렌즈(47)를 이면(F2)에 가지는 이면 조사형 구조로 되어 있다. 따라서, 입사광은 배선(M11∼M42, Mbias) 등에 의해 저지되지 않고, 고투과율의 온 칩 렌즈(47) 및 반도체층(51)을 통해 그다지 감쇠되지 않고 포토 다이오드(PD)에 도달한다. 따라서, 반도체층(51) 내에서 광전 변환된 광량을 보다 많게 하여, 양자 효율(Qe), 즉, 화소(10)의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 포토 다이오드(PD)는 반도체층(51)(예를 들면, 실리콘 기판) 내의 불순물 확산층으로 구성되지 않고, 반도체층(51)의 이면(F2)에 접촉하는 반도체층(51)과는 별도 재료로 구성되어 있다. 포토 다이오드(PD)로서, 실리콘보다도 양자 효율(광전 변환 효율)이 높은 재료(예를 들면, 게르마늄, InGaAs, CIGS 또는 Qdot)를 이용함에 의해, 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51)과의 접촉 면적을 작게 할 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시하는 바와 같이, 반도체층(51)의 이면(F2)의 상방에서 본 때에, 포토 다이오드(PD)의 면적은 개구부(OP)의 면적 또는 불순물층(52)의 면적보다도 작다. 이 경우, 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51)과의 접촉 면적은 포토 다이오드(PD)와 개구부(OP) 또는 불순물층(52)과의 중복 영역이고, 포토 다이오드(PD)의 면적에 의존한다. 따라서, 포토 다이오드(PD)의 레이아웃 면적을 작게 함에 의해, 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51)의 접촉 면적도 작아진다. 이에 의해, 각 화소(10)의 레이아웃 면적이 작아지고, 수광 소자(1)의 소형화에 연결된다. 또한, 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51)과의 계면은 서로의 재료의 격자정수의 상위에 의해, 암전류를 발생시키는 원인이 될 수 있다. 그러나, 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51)과의 접촉 면적을 작게 함에 의해, 암전류를 저감시킬 수 있다.
또한, 포토 다이오드(PD)가 반도체층(51)과는 별개로 마련되어 있기 때문에, 양자 효율의 향상을 고려하여 반도체층(51)을 두껍게 할 필요가 없다. 반도체층(51)을 얇게 할 수 있기 때문에, 화소 사이 분리부(61)를 깊게 형성할 필요가 없어지고, 화소 사이 분리부(61)의 형성이 용이해진다. 또한, 화소 사이 분리부(61)는 비교적 얕아도 인접 화소에의 입사광의 누설을 효율적으로 억제하고, 크로스토크를 효과적으로 억제할 수 있다. 이에 의해, SNR을 향상시키고, 해상도를 개선할 수 있다.
또한, 포토 다이오드(PD)에는, 배선(Mbias) 및 비아(Vbias)를 통하여 바이어스 전압이 인가되어 있다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)에서 광전 변환된 전하는 불순물층(52)에 용이하게 취입되어, 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)를 통하여 부유 확산 영역(FD1, FD2)에 재빠르게 전송된다. 즉, 본 실시 형태에 의하면, 포토 다이오드(PD)로부터 부유 확산 영역(FD1, FD2)에의 전하의 전송 속도를 높일 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 7은 제2 실시 형태에 의한 화소(10)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 제2 실시 형태에 의한 화소(10)는, 금속층(65)을 더 구비하고 있다. 금속층(65)으로는, 도전성이면서 광을 반사하는 금속재료가 이용되고, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등의 금속재료가 이용된다. 금속층(65)은 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51) 사이의 접촉부 이외에서, 포토 다이오드(PD)의 주위를 피복하고 있다. 즉, 금속층(65)은 포토 다이오드(PD)의 상면 이외의 저면 및 4방의 측면을 피복하고 있고, 사각형상의 그릇형(器形)의 형상을 갖는다. 또한, 금속층(65)은 포토 다이오드(PD)와 비아(Vbias) 또는 배선(Mbias) 사이에 마련되어 있고, 포토 다이오드(PD)와 배선(Mbias) 사이를 전기적으로 접속하는 전극으로서도 기능한다.
금속층(65)은 포토 다이오드(PD)에 입사한 광을 포토 다이오드(PD) 내에서 반사시켜, 포토 다이오드(PD) 내에서의 광로를 가능한 한 길게 한다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)에서의 양자 효율을 상승시킬 수 있다. 즉, 금속층(65)은 포토 다이오드(PD) 내에서의 광 가두기 효과를 가지고, 양자 효율(감도)을 상승시킬 수 있다.
또한, 금속층(65)은 포토 다이오드(PD)의 전극으로서도 기능한다. 따라서, 배선(Mbias)으로부터의 바이어스 전압은 금속층(65)을 통하여 포토 다이오드(PD)의 저면 및 측면의 전체로부터 포토 다이오드(PD)에 인가된다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)의 전하가 불순물층(52)에 더욱 용이하게 취입되고, 전하의 전송 속도도 더욱 고속화된다.
제2 실시 형태의 그 밖의 구성은 제1 실시 형태의 대응하는 구성과 같으면 좋다. 따라서, 제2 실시 형태는, 제1 실시 형태의 구성을 더 가진다.
(제3 실시 형태)
도 8은 제3 실시 형태에 의한 화소(10)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 제3 실시 형태에 의한 화소(10)는 금속층(65)의 내부의 저면에, 포토 다이오드(PD)를 향하여 돌출하는 돌출부(65a)를 갖는다. 돌출부(65a)는 금속층(65)과 같은 재료로 형성되어 있다. 또한, 돌출부(65a)는 금속층(65)과 일체 형성되어 있어도 좋다.
돌출부(65a)는 포토 다이오드(PD)에 입사한 광을 포토 다이오드(PD) 내에서 더욱 난반사시켜, 포토 다이오드(PD) 내에서의 광로를 더욱 길게 할 수 있다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)에서의 양자 효율을 더욱 상승시킬 수 있다. 즉, 돌출부(65a)는 포토 다이오드(PD) 내에서의 금속층(65)의 광 가두기 효과를 더욱 향상시켜, 감도를 상승시킬 수 있다.
제3 실시 형태에서는, 돌출부(65a)가 금속층(65)의 내부의 저면에 마련되어 있는데, 오목부(도시 생략)가 금속층(65)의 내부의 저면에 마련되어 있어도 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 금속층(65)의 내부의 저면에는, 포토 다이오드(PD)를 향하여 돌출 또는 우묵한 요철부는 규칙적으로 마련되어 있어도 좋으며, 또는, 불규칙하게 마련되어 있어도 좋다. 또한, 포토 다이오드(PD)를 향하여 돌출 또는 우묵한 요철부는, 금속층(65)의 저면뿐만 아니라, 내측면에도 마련되어 있어도 좋다.
(제4 실시 형태)
도 9는 제4 실시 형태에 의한 화소(10)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 제4 실시 형태에 의하면, 게이트 전극(TGR1g, TGR2g)이 표면(F1)으로부터 반도체층(51) 내에 매입되어, 종형 게이트 구조로 되어 있다. 이에 의해, 전송 트랜지스터(TRG1, TRG2)가 낮은 게이트 전압이라도 도통 상태가 될 수 있고, 전하의 전송 속도를 더욱 높일 수 있다.
또한, 게이트 전극(TGR1g, TGR2g)은 불순물층(52) 또는 포토 다이오드(PD)와 부유 확산 영역(FD1, FD2) 사이에 마련되기 때문에, 입사광이 부유 확산 영역(FD1, FD2)에 직접 진입하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, PLS(Parasitic Light Sensitivity)를 저감할 수 있다.
(제5 실시 형태)
도 10은 제5 실시 형태에 의한 화소(10)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 제5 실시 형태에 의한 화소(10)는 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51) 사이에 마련되고, 포토 다이오드(PD)의 재료와 반도체층(51)의 재료가 혼합된 혼합층(66)을 더 구비하고 있다. 예를 들면, 반도체층(51)이 실리콘이고, 포토 다이오드(PD)가 게르마늄인 경우, 혼합층(66)은 SiGe층이 된다. 이와 같이, 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51) 사이에 혼합층(66)이 마련되어 있어도, 본 개시의 효과는 잃어버리지 않는다. 제5 실시 형태에 의하면, 혼합층(66)으로서 SiGe층이 마련되어 있는 경우, 게르마늄(Ge)의 첨가 비율을 제어함에 의해, 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51) 사이의 밴드 갭을 연속적으로 변화시킬 수 있다는 효과가 있다.
(제6 실시 형태)
도 11은 제6 실시 형태에 의한 화소(10)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 제6 실시 형태에 의한 화소(10)는 포토 다이오드(PD)의 상부가 반도체층(51)의 표면(F1)으로부터 불순물층(52)에 매입되어 있다. 포토 다이오드(PD)의 상부가 불순물층(52)에 매입되어 있음에 의해, 전하가 포토 다이오드(PD)로부터 불순물층(52)에 취입되기 쉽게 된다. 이에 의해, 전하의 전송 속도가 더욱 고속화된다.
(제7 실시 형태)
도 12는 제7 실시 형태에 의한 화소(10)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 제7 실시 형태에 의한 화소(10)는 포토 다이오드(PD) 내에 마련된 고농도 불순물층(67)을 구비하고 있다. 고농도 불순물층(67)은 배선(Mbias), 비아(Vbias) 또는 금속층(65)과 포토 다이오드(PD) 사이의 영역에 마련되고, 포토 다이오드(PD)보다도 고농도의 불순물을 포함한다. 고농도 불순물층(67)은 배선(Mbias), 비아(Vbias) 또는 금속층(65)이 접촉하는 포토 다이오드(PD)의 부분(예를 들면, 비아(Vbias)의 콘택트 부분)이면 좋다. 고농도 불순물층(67)에 포함되는 불순물은 고농도의 P형 불순물(예를 들면, 붕소 등)이면 좋다. 고농도 불순물층(67)에 의해, 배선(Mbias)과 포토 다이오드(PD)의 접촉 저항이 저하되어, 전하의 전송 속도가 더욱 고속화된다.
(제8 실시 형태)
도 13은 제8 실시 형태에 의한 수광 소자(1)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 제8 실시 형태에 의한 수광 소자(1)는 화소(10)의 반도체 칩과, 다른 주변 회로의 반도체 칩(20)을 구비하고 있다. 반도체 칩(20)은 예를 들면 화소(10)의 컨트롤러면 좋고, 반도체 기판상에 마련된 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 로직 회로 등을 갖는다. 화소(10)의 반도체 칩과 반도체 칩(20)은 배선끼리가 직접 접합(Cu-Cu 접합)되어 있고, 하나의 디바이스(모듈)로서 기능한다. 이와 같이, 수광 소자(1)는 복수의 반도체 칩을 적층한 모듈이라도 좋다.
또한, 도시하지 않지만, 상기 실시 형태에서, 제1 전압 인가부의 한 예로서, 게이트 전극(TGR1g)이 개시되어 있다. 그러나, 제1 전압 인가부는 표면(F1)에서 부유 확산 영역(FD1)에 인접하고, 부유 확산 영역(FD1)에 대해 역도전형의 제1 불순물층(도시 생략)이라도 좋다. 제2 전압 인가부의 한 예로서, 게이트 전극(TGR2g)이 개시되어 있다. 그러나, 제2 전압 인가부는 표면(F1)에서 부유 확산 영역(FD2)에 인접하고, 부유 확산 영역(FD2)에 대해 역도전형의 제2 불순물층(도시 생략)이라도 좋다. 이 경우, 제1 전압 인가부로서의 제1 불순물층에는, 제1 면측에 마련된 제2 배선(예를 들면, 배선(M41))이 전기적으로 접속된다. 제2 전압 인가부로서의 제2 불순물층에는, 제1 면측에 마련된 제3 배선(예를 들면, 배선(M42))이 접속된다. 제1 및 제2 불순물층에 흐르는 전류의 방향을 주기적으로 전환함에 의해, 부유 확산 영역(FD1, FD2)에 전하를 배분할 수 있다. 이에 의해, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 거리 측정 장치(100)는 iToF 방식으로 거리(D)를 측정할 수 있다.
(제9 실시 형태)
도 14는 제9 실시 형태에 의한 화소(10)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 제9 실시 형태에 의한 화소(10)는, 반도체층(51) 내에 도파부(55)를 더 구비하고 있다. 도파부(55)는 반도체층(51)의 이면(F2)으로부터 표면(F1)측의 포토 다이오드(PD)를 향하여 점차로 가늘어지도록 연신하고 있다. 도파부(55)는 불순물층(52)의 표면 근방까지 마련되어 있는데, 포토 다이오드(PD)까지는 도달하고 있지 않다. 즉, 도파부(55)와 포토 다이오드(PD)의 사이에는, 전하 전송을 위해 불순물층(52)이 존재하고 있다. 도파부(55)는 반도체층(51)과는 다른 재료로 이루어진다. 도파부(55)로는, 온 칩 렌즈(47)와 마찬가지로, 예를 들면, 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴 공중합계 수지, 또는 실록산계 수지 등의 수지계 재료가 이용된다. 또한, 도파부(55)로는, 저굴절률 재료로서, SiO2, MgF, SiOC 등이라도 좋고, 고굴절률 재료로서, a-Si, PolySi, SiN, Ta2O5, Al2O3, TiO2, HfO2, Nb2O25 등이라도 좋다.
도파부(55)는 반도체층(51)과의 계면에서 입사광의 적어도 일부를 반사하여, 포토 다이오드(PD)에 입사광을 안내한다.
도파부(55)는 반도체층(51)의 이면(F2)측에서, 개구부(OP)와 동등하든지 그 이상의 면적을 가지고, 표면(F1)측에서, 포토 다이오드(PD)와 동등하든지 그 이하의 면적을 갖는다. 즉, 도파부(55)는 이면(F2)으로부터 표면(F1)으로 점차로 가늘어지도록 형성되어 있고, 표면(F1)과 이면(F2) 사이에 있는 측면에서 테이퍼 형상을 갖는다. 이에 의해, 도파부(55)는 비교적 큰 개구부(OP)로부터 그것보다도 작은 포토 다이오드(PD)에 입사광을 안내할 수 있다.
도파부(55)가 입사광을 포토 다이오드(PD)에 안내함에 의해, 포토 다이오드(PD)에서의 양자 효율을 상승시킬 수 있다. 또한, 제9 실시 형태에서는, 금속층(65)이 포토 다이오드(PD)의 저면 및 측면에 마련되어 있다. 따라서, 도파부(55) 및 금속층(65)의 상승 효과에 의해, 수광 소자(1)의 양자 효율을 비약적으로 상승시킬 수 있다.
또한, 도파부(55)가 입사광을 안내함에 의해, 포토 다이오드(PD)의 표면(F1)상에서의 레이아웃 면적을 작게 해도, 포토 다이오드(PD)는 많은 입사광을 받을 수 있다. 따라서, 도파부(55)가 마련되어 있음에 의해, 포토 다이오드(PD)는 레이아웃 면적을 작게 해도, 높은 양자 효율 및 양자 효율을 유지할 수 있다. 포토 다이오드(PD)의 레이아웃 면적이 작으면, 포토 다이오드(PD)와 반도체층(51)과의 접촉 면적도 작아지기 때문에, 암전류도 억제할 수 있다. 즉, 제9 실시 형태에 의한 화소(10)는 포토 다이오드(PD)의 양자 효율을 유지하면서 암전류를 억제하고, 고감도 및 고해상도의 양립을 도모할 수 있다.
도파부(55)의 굴절률은 반도체층(51)의 굴절률보다도 높은 것이 바람직하다. 이 경우, 도파부(55) 내의 입사광이, 도파부(55)와 반도체층(51)의 계면에서 전반사 가능해지기 때문이다. 바람직하게는, 도파부(55)의 측면의 테이퍼의 각도(θt)는 도파부(55)와 반도체층(51)의 계면의 임계각보다 작다. 이에 의해, 이면(F2)에 대해 수직 방향에서 입사하는 광이 도파부(55)와 반도체층(51)의 계면에서 전반사하기 쉽게 되기 때문이다.
또한, 도파부(55)의 굴절률이 반도체층(51)의 굴절률 이하인 경우, 금속막(56)을 도파부(55)의 측면에 마련하면 좋다. 도 15는 도파부(55)의 측면에 금속막(56)을 구비한 수광 소자(1)의 단면도이다. 금속막(56)으로는, 광을 반사하는 금속재료를 이용하면 좋으며, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등의 금속재료가 이용된다. 도파부(55)가 저굴절률이라도, 금속막(56)이 도파부(55) 내의 입사광을 반사하기 때문에, 도파부(55)는 입사광을 포토 다이오드(PD)에 안내할 수 있다.
반사 방지막(43)이 마련되어 있지 않은 경우, 도파부(55)의 굴절률은 온 칩 렌즈(47) 및 평탄화막(46)의 굴절률에 대해 낮은 쪽이 바람직하다. 이에 의해, 온 칩 렌즈(47) 또는 평탄화막(46)과 도파부(55)의 계면에서, 입사광이 반사되지 않고, 도파부(55)에 입사할 수 있다.
상기 제1∼제9 실시 형태는 그 중 적어도 2형태를 서로 조합해도 좋다.
다음에, 본 개시에 의한 화소(10)의 평면 레이아웃의 구체례에 관해 설명한다.
도 16은 본 개시에 의한 화소(10)의 레이아웃의 한 예를 도시한 평면도이다. 도 16에서는, 불순물층(52)의 중심부에, 하나의 포토 다이오드(PD)가 마련되어 있다. 포토 다이오드(PD)의 중심부에 비아(Vbias)가 마련되어 있다.
도 17은 본 개시에 의한 화소(10)의 레이아웃의 다른 예를 도시한 평면도이다. 도 17에서는, 불순물층(52)의 중심부에, 복수의 포토 다이오드(PD)가 분할하여 마련되어 있다. 각 포토 다이오드(PD)의 부분의 중심부에 비아(Vbias)가 마련되어 있다. 따라서, 비아(Vbias)는 포토 다이오드(PD)와 동수만큼 마련되어 있다. 도 17에서, 포토 다이오드(PD)는 4개로 분할되어 있는데, 3개 이하로 분할되어도 좋고, 5개 이상으로 분할되어도 상관없다.
포토 다이오드(PD) 사이의 슬릿의 폭은 조사광의 파장보다도 좁게 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 슬릿의 폭을 파장에 대해 최적화함에 의해, 공진 효과를 얻어 광전 변환을 촉진시키는 효과를 기대할 수 있다.
<전자 기기의 구성례>
수광 소자(1)는 거리 측정 장치에 적용할 수 있는 외에, 예를 들면, 거리 측정 기능을 구비하는 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 촬상 장치, 거리 측정 기능을 구비한 스마트폰이라는 각종의 전자 기기에 적용할 수 있다.
도 18은 본 기술을 적용한 전자 기기로서의, 스마트폰의 구성례를 도시하는 블록도이다.
스마트폰(601)은 도 18에 도시되는 바와 같이, 거리 측정 모듈(602), 촬상 장치(603), 디스플레이(604), 스피커(605), 마이크로폰(606), 통신 모듈(607), 센서 유닛(608), 터치 패널(609) 및 제어 유닛(610)이, 버스(611)를 통하여 접속되어 구성된다. 또한, 제어 유닛(610)에서는, CPU가 프로그램을 실행함에 의해, 어플리케이션 처리부(621) 및 오퍼레이션 시스템 처리부(622)로서의 기능을 구비한다.
거리 측정 모듈(602)로는, 거리 측정 장치(100)가 적용될 수 있다. 예를 들면, 거리 측정 모듈(602)은 스마트폰(601)의 전면(前面)에 배치되고, 스마트폰(601)의 유저를 대상으로 한 거리 측정을 행함에 의해, 그 유저의 얼굴이나 손, 손가락 등의 표면 형상의 뎁스값을 거리 측정 결과로서 출력할 수 있다.
촬상 장치(603)는 스마트폰(601)의 전면에 배치되고, 스마트폰(601)의 유저를 피사체로 한 촬상을 행함에 의해, 그 유저가 찍힌 화상을 취득한다. 또한, 도시하지 않지만, 스마트폰(601)의 배면에도 촬상 장치(603)가 배치된 구성으로 해도 좋다.
디스플레이(604)는 어플리케이션 처리부(621) 및 오퍼레이션 시스템 처리부(622)에 의한 처리를 행하기 위한 조작 화면이나, 촬상 장치(603)가 촬상한 화상 등을 표시한다. 스피커(605) 및 마이크로폰(606)은 예를 들면 스마트폰(601)에 의해 통화를 행할 때에, 상대측의 음성의 출력 및 유저의 음성의 수음(收音)을 행한다.
통신 모듈(607)은 인터넷, 공중전화 회선망, 이른바 4G 회선이나 5G 회선 등의 무선 이동체용의 광역 통신망, WAN(Wide Area Network), LAN(Local Area Network) 등의 통신망을 통한 네트워크 통신, Bluetooth(등록상표), NFC(Near Field Communication) 등의 근거리 무선 통신 등을 행한다. 센서 유닛(608)은 속도나 가속도, 근접 등을 센싱하고, 터치 패널(609)은 디스플레이(604)에 표시되어 있는 조작 화면에 대한 유저에 의한 터치 조작을 취득한다.
어플리케이션 처리부(621)는 스마트폰(601)에 의해 다양한 서비스를 제공하기 위한 처리를 행한다. 예를 들면, 어플리케이션 처리부(621)는 거리 측정 모듈(602)로부터 공급되는 뎁스값에 의거하여, 유저의 표정을 버추얼로 재현한 컴퓨터 그래픽스에 의한 얼굴을 작성하고, 디스플레이(604)에 표시하는 처리를 행할 수가 있다. 또한, 어플리케이션 처리부(621)는 거리 측정 모듈(602)로부터 공급되는 뎁스값에 의거하여, 예를 들면, 임의의 입체적인 물체의 3차원 형상 데이터를 작성하는 처리를 행할 수가 있다.
오퍼레이션 시스템 처리부(622)는 스마트폰(601)의 기본적인 기능 및 동작을 실현하기 위한 처리를 행한다. 예를 들면, 오퍼레이션 시스템 처리부(622)는 거리 측정 모듈(602)로부터 공급되는 뎁스값에 의거하여, 유저의 얼굴을 인증하고, 스마트폰(601)의 로크를 해제하는 처리를 행할 수가 있다. 또한, 오퍼레이션 시스템 처리부(622)는 거리 측정 모듈(602)로부터 공급되는 뎁스값에 의거하여, 예를 들면, 유저의 제스처를 인식하는 처리를 행하여, 그 제스처에 따른 각종의 조작을 입력하는 처리를 행할 수가 있다.
이와 같이 구성되어 있는 스마트폰(601)에서는, 거리 측정 모듈(602)로서, 상술한 거리 측정 장치(100)를 적용함으로써, 예를 들면, 소정의 물체까지의 거리를 측정하여 표시하거나, 소정의 물체의 3차원 형상 데이터를 작성하여 표시하는 처리 등을 행할 수가 있다.
<이동체에의 응용례>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동 이륜차, 자전거, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어느 한 종류의 이동체에 탑재된 장치로서 실현되어도 좋다.
도 19는 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 한 예인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성례를 도시하는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은 통신 네트워크(12001)를 통하여 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 19에 도시한 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은 구동계 제어 유닛(12010), 바디계 제어 유닛(12020), 차외 정보 검출 유닛(12030), 차내 정보 검출 유닛(12040) 및 통합 제어 유닛(12050)을 구비한다. 또한, 통합 제어 유닛(12050)의 기능 구성으로서, 마이크로 컴퓨터(12051), 음성 화상 출력부(12052) 및 차량탑재 네트워크 I/F(interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은 각종 프로그램에 따라 차량의 구동계에 관련되는 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 구동계 제어 유닛(12010)은 내연 기관 또는 구동용 모터 등의 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력 발생 장치, 구동력을 차륜에 전달하기 위한 구동력 전달 기구, 차량의 타각을 조절하는 스티어링 기구 및 차량의 제동력을 발생시키는 제동 장치 등의 제어 장치로서 기능한다.
바디계 제어 유닛(12020)은 각종 프로그램에 따라 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 바디계 제어 유닛(12020)은 키레스 엔트리 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 장치, 또는, 헤드 램프, 백 램프, 브레이크 램프, 윙커 또는 포그 램프 등의 각종 램프의 제어 장치로서 기능한다. 이 경우, 바디계 제어 유닛(12020)에는, 키를 대체하는 휴대기로부터 발신되는 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 바디계 제어 유닛(12020)은 이들의 전파 또는 신호의 입력을 접수하여, 차량의 도어 로크 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차외 정보 검출 유닛(12030)은 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량의 외부의 정보를 검출한다. 예를 들면, 차외 정보 검출 유닛(12030)에는, 촬상부(12031)가 접속된다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은 촬상부(12031)에 차외의 화상을 촬상시킴과 함께, 촬상된 화상을 수신한다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 상기 거리 측정 장치(100)를 구비하고, 수신한 화상에 의거하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행해도 좋다.
촬상부(12031)는 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 응한 전기 신호를 출력하는 광센서이다. 촬상부(12031)는 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 거리 측정의 정보로서 출력할 수도 있다. 또한, 촬상부(12031)가 수광하는 광은 가시광이라도 좋고, 적외선 등의 비가시광이라도 좋다.
차내 정보 검출 유닛(12040)은 차내의 정보를 검출한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)에는, 예를 들면, 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는 예를 들면 운전자를 촬상하는 카메라를 포함하고, 차내 정보 검출 유닛(12040)은 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력되는 검출 정보에 의거하여, 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출해도 좋고, 운전자가 앉아서 졸고 있지 않는지를 판별해도 좋다.
마이크로 컴퓨터(12051)는 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차내외의 정보에 의거하여, 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치의 제어 목표치를 연산하고, 구동계 제어 유닛(12010)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는 차량의 충돌 회피 또는 충격 완화, 차간 거리에 의거한 추종 주행, 차속 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 레인 일탈 경고 등을 포함하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차량의 주위의 정보에 의거하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함에 의해, 운전자의 조작에 근거하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득되는 차외의 정보에 의거하여, 바디계 제어 유닛(12020)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 검지한 선행차 또는 대향차의 위치에 응하여 헤드 램프를 제어하여, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 방현(防眩)을 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
음성 화상 출력부(12052)는 차량의 탑승자 또는 차외에 대해, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력 장치에 음성 및 화상 중의 적어도 일방의 출력 신호를 송신한다. 도 19의 예에서는, 출력 장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062) 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되어 있다. 표시부(12062)는, 예를 들면, 온 보드 디스플레이 및 헤드 업 디스플레이의 적어도 하나를 포함하고 있어도 좋다.
도 20은 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 도시하는 도면이다.
도 20에서는, 차량(12100)은, 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는 예를 들면 차량(12100)의 프런트 노우즈, 사이드 미러, 리어 범퍼, 백 도어 및 차실내의 프런트글라스의 상부 등의 위치에 마련된다. 프런트 노우즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실내의 프런트글라스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는 주로 차량(12100)의 전방의 화상을 취득한다. 사이드 미러에 구비되는 촬상부(12102, 12103)는 주로 차량(12100)의 측방의 화상을 취득한다. 리어 범퍼 또는 백 도어에 구비되는 촬상부(12104)는 주로 차량(12100)의 후방의 화상을 취득한다. 촬상부(12101 및 12105)에서 취득된 전방의 화상은 주로 선행 차량 또는, 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 이용된다.
또한, 도 20에는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 한 예가 도시되어 있다. 촬상 범위(12111)는 프런트 노우즈에 마련된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12112, 12113)는 각각 사이드 미러에 마련된 촬상부(12102, 12103)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12114)는 리어 범퍼 또는 백 도어에 마련된 촬상부(12104)의 촬상 범위를 나타낸다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)에서 촬상된 화상 데이터가 중합됨에 의해, 차량(12100)을 상방에서 본 부감(俯瞰) 화상이 얻어진다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는 거리 정보를 취득하는 기능을 갖고 있어도 좋다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는 복수의 촬상 소자로 이루어지는 스테레오 카메라라도 좋고, 위상차 검출용의 화소를 갖는 촬상 소자라도 좋다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대 속도)를 구함에 의해, 특히 차량(12100)의 진행로상에 있는 가장 가까운 입체물로, 차량(12100)과 개략 같은 방향으로 소정의 속도(예를 들면, 0㎞/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는 선행차와 내차와의 사이에 미리 확보해야 할 차간 거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함한다)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함한다) 등을 행할 수가 있다. 이와 같이 운전자의 조작에 근거하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 입체물에 관한 입체물 데이터를 이륜차, 보통 차량, 대형 차량, 보행자, 전신주 등 그 밖의 입체물로 분류하여 추출하고, 장애물의 자동 회피에 이용할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는 차량(12100)의 주변의 장애물을 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로 컴퓨터(12051)는 각 장애물과의 충돌의 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하고, 충돌 리스크가 설정치 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황인 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통하여 드라이버에게 경보를 출력하는 것이나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통하여 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수가 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는 적외선을 검출하는 적외선 카메라라도 좋다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지의 여부를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은 예를 들면 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에서의 특징점을 추출하는 순서와, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행하여 보행자인지의 여부를 판별하는 순서에 의해 행해진다. 마이크로 컴퓨터(12051)가 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하고, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는 당해 인식된 보행자에게 강조를 위한 사각형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(12052)는 보행자를 나타내는 아이콘 등을 소망하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어해도 좋다.
본 기술에 관한 실시 형태는 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다. 또한, 본 기술은 이하와 같은 구성을 취할 수 있다.
(1)
제1 면 및 그 제1 면에 대해 반대측에 있는 제2 면을 갖는 반도체층과,
상기 제2 면측에 마련된 렌즈와,
상기 제1 면측에서 상기 반도체층 내에 마련된 제1 및 제2 전하 축적부와,
상기 제1 면측에서 상기 반도체층과 접촉하고, 그 반도체층과 다른 재료로 이루어지는 광전 변환부와,
상기 제1 및 제2 전하 축적부와 상기 광전 변환부 사이의 상기 반도체층에 전압을 인가하는 제1 및 제2 전압 인가부와,
상기 제1 면측에 마련되고, 상기 광전 변환부에 전기적으로 접속된 제1 배선을 구비한 거리 측정 장치.
(2)
상기 광전 변환부는 상기 반도체층의 상기 제2 면의 상방에서 본 때에, 상기 렌즈로부터 상기 반도체층에 입사광을 통과시키는 개구부보다도 면적에 있어서 작은 (1)에 기재된 거리 측정 장치.
(3)
상기 제1 면측에서 상기 반도체층 내에 마련되고, 상기 광전 변환부와 접촉하는 불순물층을 더 구비하고,
상기 광전 변환부는 상기 반도체층의 상기 제2 면의 상방에서 본 때에, 상기 불순물층보다도 면적에 있어서 작은 (1) 또는 (2)에 기재된 거리 측정 장치.
(4)
상기 반도체층으로는 실리콘이 이용되고 있고,
상기 광전 변환부로는 게르마늄, InGaAs, CIGS(Copper Indium Gallium DiSelenide), Qdot(Quantum dot)가 이용되고 있는 (1)부터 (3)의 어느 한 항에 기재된 거리 측정 장치.
(5)
도전성이면서 광을 반사하는 재료로 이루어지고, 상기 광전 변환부와 상기 반도체층 사이의 접촉부 이외에서 그 광전 변환부의 주위를 피복하고 있는 금속층을 더 구비한 (1)부터 (4)의 어느 한 항에 기재된 거리 측정 장치.
(6)
상기 금속층은 상기 광전 변환부와 상기 제1 배선 사이를 전기적으로 접속하는 전극인 (5)에 기재된 거리 측정 장치.
(7)
상기 금속층은 상기 광전 변환부를 향하여 돌출 또는 우묵한 요철부를 갖는 (5) 또는 (6)에 기재된 거리 측정 장치.
(8)
상기 광전 변환부와 상기 반도체층 사이에 마련되고, 상기 광전 변환부의 재료와 상기 반도체층의 재료가 혼합된 혼합층을 더 구비하는 (1)부터 (7)의 어느 한 항에 기재된 거리 측정 장치.
(9)
상기 제1 배선과 전기적으로 접속하는 상기 광전 변환부의 콘택트 부분에 마련되고, 상기 광전 변환부보다도 불순물 농도가 높은 고농도 불순물층을 더 구비하는 (1)부터 (8)의 어느 한 항에 기재된 거리 측정 장치.
(10)
상기 제1 전압 인가부는 상기 제1 전하 축적부와 상기 광전 변환부 사이의 상기 제1 면상에 마련되고, 상기 반도체층부터 절연된 제1 게이트 전극이고,
상기 제2 전압 인가부는 상기 제2 전하 축적부와 상기 광전 변환부 사이의 상기 제1 면상에 마련되고, 상기 반도체층부터 절연된 제2 게이트 전극이고,
상기 제1 면측에 마련되고, 상기 제1 전압 인가부에 접속된 제2 배선과,
상기 제1 면측에 마련되고, 상기 제2 전압 인가부에 접속된 제3 배선을 더 구비하는 (1)부터 (9)의 어느 한 항에 기재된 거리 측정 장치.
(11)
상기 제1 및 제2 전압 인가부는 상기 반도체층의 상기 제1 면상에 절연막을 통하여 마련되어 있는 (10)에 기재된 거리 측정 장치.
(12)
상기 제1 및 제2 전압 인가부는 상기 반도체층의 상기 제1 면으로부터 그 반도체층 내에 매입되어 있는 (10)에 기재된 거리 측정 장치.
(13)
상기 제1 전압 인가부는 상기 제1 면에서 상기 제1 전하 축적부에 인접하고, 그 제1 전하 축적부에 대해 도전형이 다른 제1 불순물층이고,
상기 제2 전압 인가부는 상기 제1 면에서 상기 제2 전하 축적부에 인접하고, 그 제2 전하 축적부에 대해 도전형이 다른 제2 불순물층이고,
상기 제1 면측에 마련되고, 상기 제1 전압 인가부에 접속된 제2 배선과,
상기 제1 면측에 마련되고, 상기 제2 전압 인가부에 접속된 제3 배선을 더 구비하는 (1)부터 (9)의 어느 한 항에 기재된 거리 측정 장치.
(14)
상기 반도체층 내에 상기 제2 면으로부터 상기 광전 변환부로 늘어나고, 상기 반도체층과 다른 재료로 이루어지는 도파부를 더 구비하는 (1)부터 (13)의 어느 한 항에 기재된 거리 측정 장치.
(15)
상기 도파부는 상기 제2 면측에서, 상기 렌즈로부터 상기 반도체층에 입사광을 통과시키는 개구부와 동등하든지 그 이상의 면적을 가지고, 상기 제1 면측에서, 상기 광전 변환부와 동등하든지 그 이하의 면적을 가지고, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 있는 측면이 테이퍼 형상을 갖는 (14)에 기재된 거리 측정 장치.
(16)
상기 도파부의 굴절률은 상기 반도체층의 굴절률보다도 높은 (14) 또는 (15)에 기재된 거리 측정 장치.
(17)
상기 도파부의 굴절률은 상기 렌즈의 굴절률보다도 낮은 (16)에 기재된 거리 측정 장치.
(18)
상기 도파부의 측면에 마련된 금속막을 더 구비하는 (14)부터 (17)의 어느 한 항에 기재된 거리 측정 장치.
또한, 본 개시는 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다. 또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이고 한정되는 것이 아니며, 다른 효과가 있어도 좋다.
100: 거리 측정 장치
1: 수광 소자
10: 화소
PD: 포토 다이오드
TRG1, TRG2: 전송 트랜지스터
FD1, FD2: 부유 확산 영역
FDL1, FDL2: 부가 용량
51: 반도체층
47: 온 칩 렌즈
43: 반사 방지막
45: 차광막
61: 화소 사이 분리부
52: 불순물층
V1∼V4, Vbias: 비아
M1∼M4, Mbias: 배선
65: 금속층
55: 도파부

Claims (18)

  1. 제1 면 및 그 제1 면에 대해 반대측에 있는 제2 면을 갖는 반도체층과,
    상기 제2 면측에 마련된 렌즈와,
    상기 제1 면측에서 상기 반도체층 내에 마련된 제1 및 제2 전하 축적부와,
    상기 제1 면측에서 상기 반도체층과 접촉하고, 그 반도체층과 다른 재료로 이루어지는 광전 변환부와,
    상기 제1 및 제2 전하 축적부와 상기 광전 변환부 사이의 상기 반도체층에 전압을 인가하는 제1 및 제2 전압 인가부와,
    상기 제1 면측에 마련되고, 상기 광전 변환부에 전기적으로 접속된 제1 배선을 구비한 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환부는 상기 반도체층의 상기 제2 면의 상방에서 본 때에, 상기 렌즈로부터 상기 반도체층에 입사광을 통과시키는 개구부보다도 면적에 있어서 작은 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 면측에서 상기 반도체층 내에 마련되고, 상기 광전 변환부와 접촉하는 불순물층을 더 구비하고,
    상기 광전 변환부는 상기 반도체층의 상기 제2 면의 상방에서 본 때에, 상기 불순물층보다도 면적에 있어서 작은 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층으로는 실리콘이 이용되고 있고,
    상기 광전 변환부로는 게르마늄, InGaAs, CIGS(Copper Indium Gallium DiSelenide), Qdot(Quantum dot)가 이용되고 있는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    도전성이면서 광을 반사하는 재료로 이루어지고, 상기 광전 변환부와 상기 반도체층 사이의 접촉부 이외에서 그 광전 변환부의 주위를 피복하고 있는 금속층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 광전 변환부와 상기 제1 배선 사이를 전기적으로 접속하는 전극인 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 광전 변환부를 향하여 돌출 또는 우묵한 요철부를 갖는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환부와 상기 반도체층 사이에 마련되고, 상기 광전 변환부의 재료와 상기 반도체층의 재료가 혼합된 혼합층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배선과 전기적으로 접속하는 상기 광전 변환부의 콘택트 부분에 마련되고, 상기 광전 변환부보다도 불순물 농도가 높은 고농도 불순물층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압 인가부는 상기 제1 전하 축적부와 상기 광전 변환부 사이의 상기 제1 면상에 마련되고, 상기 반도체층부터 절연된 제1 게이트 전극이고,
    상기 제2 전압 인가부는 상기 제2 전하 축적부와 상기 광전 변환부 사이의 상기 제1 면상에 마련되고, 상기 반도체층부터 절연된 제2 게이트 전극이고,
    상기 제1 면측에 마련되고, 상기 제1 전압 인가부에 접속된 제2 배선과,
    상기 제1 면측에 마련되고, 상기 제2 전압 인가부에 접속된 제3 배선을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전압 인가부는 상기 반도체층의 상기 제1 면상에 절연막을 통하여 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전압 인가부는 상기 반도체층의 상기 제1 면으로부터 그 반도체층 내에 매입되어 있는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압 인가부는 상기 제1 면에서 상기 제1 전하 축적부에 인접하고, 그 제1 전하 축적부에 대해 도전형이 다른 제1 불순물층이고,
    상기 제2 전압 인가부는 상기 제1 면에서 상기 제2 전하 축적부에 인접하고, 그 제2 전하 축적부에 대해 도전형이 다른 제2 불순물층이고,
    상기 제1 면측에 마련되고, 상기 제1 전압 인가부에 접속된 제2 배선과,
    상기 제1 면측에 마련되고, 상기 제2 전압 인가부에 접속된 제3 배선을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층 내에 상기 제2 면으로부터 상기 광전 변환부로 늘어나고, 상기 반도체층과 다른 재료로 이루어지는 도파부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 도파부는 상기 제2 면측에서, 상기 렌즈로부터 상기 반도체층에 입사광을 통과시키는 개구부와 동등하든지 그 이상의 면적을 가지고, 상기 제1 면측에서, 상기 광전 변환부와 동등하든지 그 이하의 면적을 가지고, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에 있는 측면이 테이퍼 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 도파부의 굴절률은 상기 반도체층의 굴절률보다도 높은 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 도파부의 굴절률은 상기 렌즈의 굴절률보다도 낮은 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 도파부의 측면에 마련된 금속막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020013909A (ja) 2018-07-18 2020-01-23 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子、測距モジュール、および、電子機器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004356246A (ja) * 2003-05-28 2004-12-16 Sony Corp 固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子
JP2006120845A (ja) * 2004-10-21 2006-05-11 Canon Inc 光電変換装置およびその製造方法
JP2006128383A (ja) * 2004-10-28 2006-05-18 Canon Inc 固体撮像素子及びその製造方法
JP4826111B2 (ja) * 2005-03-17 2011-11-30 ソニー株式会社 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法および画像撮影装置
JP5089289B2 (ja) * 2007-08-22 2012-12-05 浜松ホトニクス株式会社 測距センサ及び測距装置
JP5999402B2 (ja) * 2011-08-12 2016-09-28 ソニー株式会社 固体撮像素子および製造方法、並びに電子機器
KR20130052986A (ko) * 2011-11-14 2013-05-23 삼성전자주식회사 3차원 이미지 센서의 단위 화소 및 이를 포함하는 3차원 이미지 센서
JP2014154834A (ja) * 2013-02-13 2014-08-25 Panasonic Corp 固体撮像素子
JP2015029013A (ja) * 2013-07-30 2015-02-12 ソニー株式会社 撮像素子、電子機器、および撮像素子の製造方法
JP2017183636A (ja) * 2016-03-31 2017-10-05 ソニー株式会社 固体撮像素子、センサ装置、および電子機器
TWI741157B (zh) * 2017-02-28 2021-10-01 美商光程研創股份有限公司 高速光偵測裝置
EP3913673B1 (en) * 2017-04-04 2023-03-22 Artilux Inc. Method and circuit to operate a high-speed light sensing apparatus
TWI793002B (zh) * 2017-04-13 2023-02-11 美商光程研創股份有限公司 耦接一多閘極光電二極體的電路

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020013909A (ja) 2018-07-18 2020-01-23 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子、測距モジュール、および、電子機器

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