WO2006073120A1

WO2006073120A1 - 光検出器、同光検出器を用いた空間情報検出装置、および光検出方法

Info

Publication number: WO2006073120A1
Application number: PCT/JP2005/024109
Authority: WO
Inventors: Yusuke Hashimoto; Yuji Takada
Original assignee: Matsushita Electric Works, Ltd.
Priority date: 2005-01-05
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2006-07-13
Also published as: US7476841B2; EP1835549A4; EP1835549A1; US20080029690A1

Abstract

　環境光の多い条件下でも、信号光に対するダイナミックレンジの低下を防いで安定した受光出力が得られる光検出器を提供する。この光検出器は、光電変換部上に絶縁層を介して設けられる集積電極と保持電極、およびこれらの電極に電圧を印加するタイミングおよび電圧の極性を制御する制御部を有する。光電変換部で生成された電子およびホールの一方は、集積電極に電圧を印加して形成される集積領域に集積され、他方は保持電極に電圧を印加して形成される保持領域に集積され、次いで、保持領域と集積領域の電子とホールを再結合させ、再結合されずに残留した電子とホールの一方を出力する。

Description

明細書

光検出器、同光検出器を用いた空間情報検出装置、および光検出方法技術分野

[0001] 本発明は、環境光 (太陽から自然光や室内の照明光)が多い条件下でも、検出対象である信号光の受光出力を安定して得るための技術に関するものである。

背景技術

[0002] 従来から、フォトダイオード、フォトトランジスタ、 CCDイメージセンサなど各種の光検出素子が知られており、これらの光検出素子は、対象物の有無を受光光量の変化で検出する光電センサ、光を伝送媒体とする光通信、投受光の時間差または位相差を用いたり三角測量法の原理を用いて光学的に測距する距離センサ、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像素子などの用途に広く利用されている。

[0003] この種の光検出素子では、受光光量が適正であれば受光光量に応じた大きさの受光出力を得ることができるが、受光光量が過剰になると、受光出力が飽和するという問題がある。例えば、太陽光のような環境光が入射する環境下で、侵入者を監視する光電センサ、光リモコン装置のような光通信、自動焦点カメラやロボットアイに用いる距離センサ、距離画像を得るために発光源とともに用いる撮像素子として用いる場合、光検出素子に対して発光源力放射された光のほかに環境光も併せて入射するため、発光源力放射された光のみを受光する場合に比較すると受光光量が増加する。し力しながら、光検出素子におけるキャリアの生成数には限界があるので、受光光量が過剰に増加すればキャリアの生成数は飽和し、結果的に、環境光の光量分だけ光検出素子のダイナミックレンジが低減して、信号光の受光出力を安定して得ることができなくなる。この問題は、 CCDイメージセンサにおいて、ブルーミング現象としても知られている。

[0004] 上記問題点を解消するため、例えば、特願昭 62— 272773号公報では、 p形シリコン基板に絶縁層を介して設けた電極に大きな正の電圧を印加することにより、ポテンシャル井戸を反転状態とすることにより、絶縁層との界面に集まる多数キャリアと過剰キャリアとを再結合させることで、電極下に蓄積される小数キャリアを所定量以下に制御することが提案されている。しカゝしながら、この方法では、基板の基準電位を提供する外部回路から補充される電荷、すなわち、基板内に予め充満している多数キヤリァ（P基板ならホール、 N基板なら電子）を用いて受光により生成された過剰キャリアを再結合させており、また表面電荷再結合を行うための動作周波数を露光時間に応じて変化させることを本質として、るので、受光光量のダイナミックレンジを抑圧して適正範囲の受光出力を得るための制御が複雑になるという問題がある。

[0005] 一方、信号光と環境光とが混在して!/、ると、環境光に変動がある場合に環境光と信号光とを区別することが困難になる。環境光と信号光とを区別する技術としては、信号光に用いる特定波長のみを通過させる光学フィルタを用いることが考えられるが、太陽光のように広範囲に亘るスペクトル成分を有した環境光では、光学フィルタを通しても環境光の影響を十分に排除することができな、。

[0006] 上記問題点を解消するため、例えば、特開 2001— 337166号公報では、信号光が得られない期間であって発光源力光が放射されていない消灯期間における光検出素子の受光出力を環境光のみに対応する成分とし、信号光が得られる期間であつて発光源から光が放射される点灯期間における光検出素子の受光出力を環境光と信号光とを重ね合わせた成分として、点灯期間における光検出素子の受光出力から消灯期間における光検出素子の受光出力を減算することにより、信号光のみに対応した成分を抽出することが提案されている。し力しながら、環境光の存在下では信号光に対する光検出素子のダイナミックレンジが小さくなるため、光検出素子が飽和すれば、信号光に関して大きな受光出力を抽出することができないという問題が残る。要するに、環境光の存在下では、発光源の放射光量を増加させたり、光検出素子の受光時間を長くしても、光検出素子の信号光に対するダイナミックレンジの低下のため、十分に大きな SN比を得ることは困難である。

発明の開示

[0007] そこで、本発明の主たる目的は、受光光量に応じてキャリアの再結合確率が決まり、環境光による飽和を防いで、信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制し、結果的に信号光の受光出力を安定して得ることのできる光検出器を提供することにある [0008] すなわち、本発明の光検出器は以下の構成を含む：

光の照射により電子およびホールを生成する光電変換部；

光電変換部上に絶縁層を介して配置される少なくとも一つの電極；

電極に電圧を印加することによって光電変換部内に形成され、光の照射により光電変換部内に生成される電子およびホールの一方を集積するポテンシャル井戸でなる第 1集積領域；

光電変換部内に形成され、光の照射により光電変換部に生成される電子およびホールの他方を集積する第 2集積領域；

電極に電圧を印加するタイミングおよび前記電圧の極性の少なくとも一方を制御する制御部；

第 1集積領域と第 2集積領域の間での電子とホールの移送により、第 1集積領域と第 2集積領域に集積された電子とホールを再結合させた後に、再結合されずに残留した電子とホールの少なくとも一方を出力する出力部。

[0009] 上記光検出器において、少なくとも一つの電極は、光電変換部上に絶縁層を介して設けられる一対の第 1および第 2電極でなり、制御部は、第 1集積領域を形成するために第 1電極に電圧を印加し、ポテンシャル井戸でなる第 2集積領域を形成するために第 2電極に電圧を印加することが好ましい。この場合、制御部は、光の照射により光電変換部に生成される電子とホールの一方が第 1集積領域に集積され、光の照射により異なる時刻に光電変換部に生成される電子とホールの他方が第 2集積領域に集積されるように、第 1および第 2電極に電圧を印加するタイミングおよび電圧の極性を制御することが特に好まし、。

[0010] この構成によれば、 1つの光電変換部に第 1電極 (後述の実施形態における「集積電極」に相当）と第 2電極 (後述の実施形態における「保持電極」に相当）とを設けて、光電変換部に第 1集積領域 (後述の実施形態における「集積領域」に相当）と第 2集積領域 (後述の実施形態における「保持領域」に相当）の 2個のポテンシャル井戸を形成することができる。たとえば、発光源とともに光検出器を用い、信号光と環境光とを受光する期間に第 1集積領域に電子が集積され、集積した電子は第 2集積領域に移送され、保持される。この時、第 1集積領域の絶縁層との界面部には、ダングリングボンドないし界面電位により電子の一部が安定に捕獲されるため、実際には、第 1集積領域に電子の一部が残留し、残りが第 2集積領域に移送して保持される。次に、環境光のみを受光する期間に第 1集積領域にホールを集積する。この時、第 1集積領域に入ってきたホールの一部は、第 1集積領域の絶縁層との界面部に捕獲された電子との再結合に使用され、消滅する。次いで、第 1集積領域と第 2集積領域との間で相互に電子とホールを移送させれば、第 1集積領域および第 2集積領域内で集積された電子とホールの再結合が起こる。第 1集積領域および第 2集積領域内で再結合が起こる確率は、移送過程で再結合が起こる確率より高いと考えられる。このように、信号光と環境光とを受光する期間に集積された電子を、環境光のみを受光する期間に集積されたホールと再結合させることで、環境光の成分を減殺することが可能になる。すなわち、基板内に予め充満している多数キャリアを用いて再結合を行うのではなぐ受光によって生成された電子とホール同士を再結合させて環境光の成分を減殺するのである。結果として、光検出器自体の飽和が生じに《なり、光検出器の信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制することができる。

[0011] また、信号光と環境光とを受光したときの受光出力と、環境光のみを受光したときの受光出力とをそれぞれ光検出器力外部に取り出した後に、 2つの受光出力の差分を演算する場合に比較して、信号光と環境光の受光時にぉ、て電子とホールの再結合によって環境光の成分を減殺する方が、光検出器自体の飽和が生じにくぐ光検出器の信号光に対するダイナミックレンジの低下をより効果的に抑制することができる

[0012] また、制御部は、光の照射により光電変換部で生成される電子とホールの一方が第 1集積領域に集積されると同時に、他方が第 2集積領域に集積されるように、前記第 1および第 2電極 (後述の第 6実施形態における分配電極に相当）に互いに異なる極性の電圧を印加することも好ましい。この場合は、第 1電極および第 2電極に印加する電圧を逆極性とすることによって光電変換部で生成された電子とホールをポテンシャル井戸でなる第 1集積領域と第 2集積領域とに振り分けて集積した後、第 1集積領域と第 2集積領域の間で電子とホールを移送して再結合させる。したがって、前記の場合と同様に、電子とホールとの再結合によって環境光の成分を減殺することが可能になり、結果的に、光検出器自体の飽和が生じにくくなり、光検出器の信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制することができる。また、受光光量に応じて再結合に関与するキャリア量が変化するから、外部的な制御を行わなくても受光光量の変動幅を抑圧な、し圧縮することができると、う効果もある。

[0013] 尚、 CCD撮像素子のような光検出器では、光の照射により生成される電子とホールとの発生確率 (発生数）に起因して各画素の出力レベル (受光出力のレベル）に揺らぎが生じること (ショットノイズ)が知られており、ショットノイズの影響を軽減するためにキャリア (電子またはホール)を積分して受光出力を得ている。しかしながら、積分時間を長くすると、ショットノイズの影響を軽減できるが応答速度が遅くなる。これに対して、本発明においては、電子とホールとの発生数が減少するほど再結合確率も低くなるから、再結合確率は受光出力の揺らぎを抑制する方向に変動することになり、結果的にショットノイズを軽減できるという利点もある。

[0014] また、光検出器は、前記第 2電極上に遮光膜を有することが好ましい。この場合、制御部は、電子およびホールの一方が第 1集積領域に集積された後、第 2集積領域に移送して保持され、電子およびホールの他方が第 1集積領域に集積されるように、前記第 1および第 2電極に電圧を印加するタイミングおよび電圧の極性を制御する。第 2電極に対応する第 2集積領域が遮光されるので、光電変換部で生成される電子とホールが第 2集積領域に直接集積されるのを防止できる。また、第 2集積領域に保持されているキャリアに光電変換部からのキャリアが混入して電荷量に誤差 (すなわち、受光出力の誤差)が生じるのを防止できる。この効果は、前記第 1電極上に入射光を収束させるレンズを設けることによつても得ることができる。尚、レンズを設ける場合は、入射光を収束させるので開口率が大きくなる（高感度になる）という利点もある。

[0015] また、上記光検出器において、第 1電極は一対の第 1電極でなり、前記第 2電極は一対の第 2電極でなり、第 1電極間および前記第 2電極間に、光電変換部上に絶縁層を介して転送用電極を設け、制御部は、残留した電子とホールの少なくとも一方が出力部に転送されるように、第 1電極、第 2電極および転送用電極に印加される電圧を制御することが好ましい。この構成によれば、隣接する集積電極の距離を比較的大きくとつて光電変換部で生成される電子とホールとの分離性を高めることができる上に、受光出力を取り出すときには転送用電極を用いて光電変換部にポテンシャル井戸を形成し、受光出力を構成するキャリア (電子またはホール)の移送を容易に行えるという長所がある。尚、転送用電極に印加する電圧を制御することにより、電子ゃホールの集積効率を調節することも可能である。

[0016] また、第 1電極が一対の第 1電極でなり、第 2電極が一対の第 2電極でなる場合において、第 1電極の間および第 2電極の間の少なくとも一方において、光電変換部上に絶縁層を介して少なくとも一つの制御電極を設け、制御部は、制御電極に電圧を印カロしてポテンシャル井戸カゝらなる待避領域を形成し、第 1集積領域と第 2集積領域の間での電子とホールの移送が待避領域を経由して行われることが好ましい。特に、制御部は、第 1集積領域、第 2集積領域および待避領域との間に一定方向の電位勾配が形成されるように第 1電極と第 2電極および制御電極への印加電圧を制御することが好ましい。この構成によれば、第 1集積領域 (集積領域)または第 2集積領域 (保持領域）となるポテンシャル井戸に電子またはホールを保持することができな、期間が生じても、その期間においては電子またはホールを待避領域に待避させておくことによって、電子な、しホールの拡散を防止することができる。

[0017] また、光電変換部は、基板と、基板上に形成される中間層と、中間層上に形成される主機能層とで構成され、前記制御部は、基板に印加される基板電圧と、中間層に印加されるリセット電圧が逆ノィァスになるようにリセット電圧の極性を制御し、光電変換部に残留する電子およびホールを中間層と基板の一方を介して廃棄することが好ましい。この場合は、光電変換部に残留する電子とホールとの両方を廃棄することができるから、光電変換部に残留する不要キャリアを除去することによって、光電変換部から取り出す受光出力の誤差を抑制できる。

[0018] 本発明のさらなる目的は、上記光検出器を用いた空間情報検出装置を提供することにあり、この空間情報検出装置は以下の構成を含む：

所定周波数の変調信号で強度変調した光を対象空間に照射する投光手段；上記光検出器の光電変換部には、対象空間からの光により電子およびホールが生成され、上記光検出器の制御部は、第 1集積領域に電子が集積され、第 2集積領域にホールが集積されるように第 1および第 2電極に電圧が印加される状態と、第 1集積領域にホールが集積され、第 2集積領域に電子が集積されるように第 1および第 2 電極に電圧が印加される状態とを切り換えることにより、第 1集積領域と第 2集積領域の電子とホールを再結合させ、再結合されずに残留した電子とホールの少なくとも一方を出力する；

前記光検出器の出力に基づ!、て対象空間を評価する評価部。

[0019] この装置によれば、第 1集積領域に電荷を集積するタイミングを信号光の強度の異なる 2期間とすれば、受光出力は 2期間に対応する受光光量の差分を反映するから、両期間における信号光の変化分に相当する受光出力が得られる。要するに、光検出器の外部で差分の演算をする必要がなくなり、対象空間の情報を得るために評価部において差分を必要とする場合に評価部の構成を簡単にできるという長所がある。尚、ここに、空間情報としては、対象空間に存在する物体までの距離のほか、対象空間に存在する物体の反射率、対象空間における媒質の透過率などを挙げることができる。

[0020] また、上記空間情報検出装置において、制御部は、第 1集積領域に電子が集積され、第 2集積領域にホールが集積されるように第 1および第 2電極に電圧が印加される状態と、第 1集積領域にホールが集積され、第 2集積領域に電子が集積されるように第 1および第 2電極に電圧が印加される状態とを、変調信号の位相の 180度ごとに交互に切り換えることにより、第 1集積領域と第 2集積領域の電子とホールを再結合させ、前記評価部は、変調信号の位相の異なる 2区間の各々において、光検出器の第 1集積領域に再結合後に残留した電子とホールの一方でなる出力と、第 2集積領域に再結合後に残留した電子とホールの一方でなる出力との間の差分を求め、前記 2 区間で求めた差分力対象空間を評価することが好ましい。さらに、評価部は、前記 2区間の一方で求めた差分を他方で求めた差分で除算した値を距離に換算する距離演算部であることが好ましい。これらの構成によれば、位相が 180度異なる期間で得られた受光出力の差分を用いるとともに、位相が 90度異なる 2つの期間で得られた受光出力の差分の一方で他方を除算した値を距離に換算するから、以下の実施形態において詳述するように、集積領域への電子とホールの集積効率の相違と、電子とホールの再結合確率とが消去され、数式演算によって距離を正確に求めることが可能になる。

[0021] 本発明は、さらに以下の構成でなる光検出器を提供する：

光の照射により電子およびホールを生成する光電変換部と、

光電変換部上に絶縁層を介して配置される電極と、

前記電極に電圧を印加することにより光電変換部に形成されるポテンシャル井戸でなる電荷集積領域と、

光の照射により光電変換部に生成される電子とホールの一方を電荷集積領域内で、且つ光電変換部と絶縁層との界面部に保持し、次いで光の照射により光電変換部に生成される電子とホールの他方を電荷集積領域に集積して、前記界面部で電子とホ一ルが再結合するように、前記電極に電圧を印加するタイミングおよび電圧の極性を制御する制御部と、

再結合されずに残留した電子とホールとの少なくとも一方を出力する出力部。

[0022] この光検出器によれば、絶縁層を介して配置した電極に印加する電圧を制御すること〖こよって、光電変換部で生成された電子とホールを電荷集積領域に集積するから、電子とホールの一方が界面部のダングリングボンドないし界面電位によって捕捉される。一方、電子とホールの他方は、電圧の極性を逆転させることによって電荷集積領域に異なる時刻において集積されるから、光電変換部に形成されたポテンシャル井戸でなる電荷集積領域に異なる時刻に生成された電子とホール^^積領域に集積すること〖こなる。要するに、電子とホールの一方の一部が電荷集積領域に捕捉されている状態で、電子とホールの他方を電荷集積領域に集積するので、電子とホ一ルが再結合されて減殺される。したがって、この再結合後に残留した電子とホールとの少なくとも一方を受光出力とすることにより、光電変換部において異なる時刻に生成された電子とホールとの差分に対応した受光出力を提供することができる。

[0023] 本発明のさらに別の目的は、上記した光検出器の技術思想に共通する光検出方法を提供することにあり、以下のステップを含むことを特徴とする。

光の照射により電子およびホールを生成する光電変換部と、光電変換部上に絶縁層を介して配置される一対の電極を有する受光素子を用意する；

一方の電極に電圧を印加することによって光電変換部内に形成されるポテンシャル井戸でなる第 1集積領域に、光の照射により光電変換部内に生成される電子およびホールの一方を集積する；

他方の電極に電圧を印加することによって光電変換部内に形成されるポテンシャル井戸でなる第 2集積領域に、光の照射により光電変換部内に生成される電子およびホールの他方を集積する；

前記一対の電極に印加する電圧のタイミングおよび電圧の極性を制御することにより、第 1集積領域と第 2集積領域の間で電子とホールを移送させて、第 1集積領域と第 2集積領域に集積された電子とホールを再結合させた後に、再結合されずに残留した電子とホールの少なくとも一方を出力する。

[0024] この方法によれば、信号光と環境光とを受光する期間に第 1集積領域に電子 (もしくはホール)を集積するとともに、第 1集積領域に集積した電子を第 2集積領域に移送した後、環境光のみを受光する期間に第 1集積領域にホール (もしくは電子)を集積することができ、次いで、一対の電極に印加する電圧のタイミングおよび電圧の極性を制御することにより、第 1集積領域と第 2集積領域に集積された電子とホールを再結合させ、環境光の成分を減殺することができる。

[0025] 本発明のさらなる特徴およびそれによつてもたらされる効果は、以下の発明を実施するための最良の形態力より明確に理解されるだろう。

図面の簡単な説明

[0026] [図 1]本発明の第 1実施形態にかかる光検出器を用いた空間情報検出装置の構成を示すブロック図である。

[図 2]本実施形態の光検出器の概略断面図である。

[図 3] (A)〜 (C)は、電圧の印加タイミングを示す動作説明図である。

圆 4] (A)〜 (F)は、空間情報検出装置における測距原理を示す動作説明図である。

[図 5] (A)〜 (D)は、空間情報検出装置における測距の原理を示す動作説明図である。

[図 6]本発明の第 2実施形態に力かる光検出器の概略構成図である。

[図 7]遮光膜を有する光検出器の要部断面図である。

[図 8]収束レンズを有する光検出器の要部断面図である。 [図 9] (A)および (B)は、本発明の第 3実施形態に力かる光検出器の要部断面図、および動作説明図である。

[図 10]本発明の第 4実施形態に力かる光検出器を示す正面図である。

[図 11]図 10の A— A線断面図である。

[図 12]光検出器の変更例を示す要部断面図である。

[図 13]本発明の第 5実施形態に力かる光検出器を示す腰部断面図である。

[図 14] (A)〜 (H)は、電圧の印加タイミングを示す動作説明図である。

[図 15]本発明の第 6実施形態に力かる光検出器の概略断面図である。

[図 16]本発明の光検出器の動作原理を説明する図である。

発明を実施するための最良の形態

[0027] (動作原理）

まず、本発明の動作原理について説明する。本発明に係る光検出器は、図 16に示すように、光電変換部 1を構成する主機能層 11 (たとえば、 n形シリコン層）の表面に絶縁層 14 (たとえば、シリコン酸ィ匕膜)を介して集積電極 12を形成した構造を有する。集積電極 12には集積電圧が印加され、主機能層 11の電位を基準電位として (または、主機能層 11が積層された後述の中間層（図 2参照)の電位を基準電位として)、集積電極 12には正極性と負極性との集積電圧を印加することが可能になっている。集積電極 12に正極性の集積電圧を印加すると、電子を集積することができるポテンシャル井戸である集積領域 1 lbが主機能層 11に形成され、集積電極 12に負極性の集積電圧を印加すると、ホールを集積することができるポテンシャル井戸である集積領域 1 lbが主機能層 11に形成される。

[0028] 主機能層 11にお、て集積電極 12の近傍であって光が入射する部位は、光の入射により電子およびホールを生成する感光部 1 laとして機能する。感光部 1 laにお、て生成された電子およびホールは、集積電極 12に印加される集積電圧の極性に応じて、集積領域 l ibに集積される。つまり、集積電圧が正極性であれば集積領域 l ib に電子が集積され、集積電圧が負極性であれば集積領域 l ibにホールが集積される。

[0029] 以下の説明では、ある発光源（図示せず）により強度を変調した信号光を投光し、光電変換部 1では信号光を受光できるものとする。また、信号光の強度は矩形波で変調され、発光源が点灯と消灯とを交互に繰り返すものとする。すなわち、発光源が点灯していると光電変換部 1には信号光と環境光とがともに入射し、発光源が消灯していると光電変換部 1には環境光のみが入射する。したがって、発光源が点灯している期間に集積領域 1 lbに電子を集積し、発光源が消灯して!/ヽる期間に集積領域 1 lb にホールを集積することができる。また、種々の条件を無視して単純なモデルで考えるため、信号光と環境光とを合わせた受光光量に対応する個数の電子と、環境光のみの受光光量に対応する個数のホールとを再結合させることになり、再結合後に残留した電子の個数は信号光の受光光量に対応する個数になるものとする。尚、実際には再結合後に電子が残留するとは限らず、ホールが残留する場合があり、あるいは電子とホールとがともに残留する場合もある力いずれにしても、残留したキャリア（電子およびホール)を受光出力として取り出せば、再結合を行わずに取り出す場合に比較すると、環境光の成分を低減した受光出力を得ることができると言える。

[0030] 図 16では、（e)が電子を表し、（h)がホールを表しており、集積電極 12に正極性の集積電圧を印力 tlして電子を集積した後に、集積電極 12に印加する集積電圧を負極性に切り換えてホールを集積する瞬間が示されている。このとき、集積領域 l ibに集積されていた電子は、集積電圧が負極性になることによって集積領域 l ibから排出される力主機能層 11の表面付近にぉ、てダングリングボンドな!/、し界面電位により捕捉されている電子は集積領域 l ibに留まる。また、光の照射により主機能層 11において生成された電子は主機能層 11から排出され、生成されたホールは集積領域 1 lb に集積される。つまり、集積領域 l ibから排出される電子と集積領域 l ibに集積されるホールとの一部が再結合して消滅し、また集積領域 l ibに捕捉されている電子は集積領域 l ibに集積されたホールと再結合して消滅する。再結合後には、電子とホールとの少なくとも一方が集積領域 1 lbに残留するから、残留して!/ヽるキャリアを受光出力として取り出すことができる。

[0031] 上記においては、光電変換部 1において 1つの集積電極 12のみを設けた構成を例示し、光電変換部 1において異なる時刻に生成された電子とホールとを再結合させることによって、再結合後に残留するキャリアを受光出力として取り出す場合について説明したが、集積領域 l ibを 1つだけ設けた構成では、集積電圧の極性を切り換えるときに集積領域 l ibから排出されるキャリアを効率よく再結合に関与させることができない恐れがある。そこで、以下の実施形態では、集積領域 l ibから排出されるキヤリアを保持する保持領域 11c (図 1参照)魏積領域 l ibとは別に設け、集積領域 11 bと保持領域 11cとの間でキャリアを交換することにより、効率よくキャリアを再結合に関与させるための構成について説明する。

(第 1実施形態）

図 1は、本実施形態の光検出器 6を用いて空間情報検出装置の一種である測距装置を構成した場合を示しており、この測距装置は、距離を測定する対象物 3を含む対象空間に発光源 2からの光を投光し、対象物 3による反射光を含む対象空間からの光を光検出器 6で受光するとともに、対象物 3による反射光の光量を反映した受光出力を光検出器 6から得るように構成されてヽる。この種の構成で対象物 3までの距離を計測する技術としては、三角測量法の原理を用いる技術と、発光源 2から投光された光が光検出器 6で受光されるまでの光の飛行時間を計測する技術が主に用いられる。

三角測量法の原理を用いる場合は、発光源 2から所定パターンの平行光線を対象空間に投光し、対象物 3に形成されたパターンが受光光学系（図示せず)を通して光検出器 6に投影される位置を距離に換算する。一方、光の飛行時間を計測する場合は、発光源 2から対象空間に投光する光の強度を適宜の変調波形で変調しておき、光検出器 6で受光した光と発光源 2から投光した光との変調波形の時間差または位相差を求めることによって、時間差を飛行時間として用いる力位相差を飛行時間に換算し、飛行時間から距離を求める。以下の実施形態では、強度を変調した光を発光源 2から投光して光の飛行時間によって対象物 3までの距離を計測する技術を採用するが、三角測量法の原理を用いる場合でも環境光の影響を軽減するために本発明の技術を適用可能であり、また本発明の技術思想の適用範囲は測距の目的に限らず、微粒子 (煙、埃、汚れなどのセンサ）による光の拡散あるいは減衰による受光光量の変化を利用して微粒子を検出する微粒子センサなど受光光量を検出する必要がある種々の目的に適用可能である。 [0033] 本実施形態では、発光源 2を制御回路 4から出力される一定の変調周波数 (たとえば、 10MHz)である変調信号により駆動し、対象空間に投光する光の強度を変調信号により変調している。本実施形態では、変調信号の波形として矩形波を用い、発光源 2が点灯と消灯とを繰り返すものとする。尚、変調信号の波形には、正弦波や鋸歯状波や三角波など他の波形も用いてもよい。以下では、発光源 2が点灯している期間を点灯期間とし、消灯している期間を消灯期間とする。発光源 2が消灯していれば、光検出器 6に入射する光は発光源 2から対象空間に投光した光を含まない環境光のみであり、発光源 2が点灯していれば光検出器 6に入射する光は、発光源 2から対象空間に投光した光を含む信号光と環境光との合計になる。したがって、光検出器 6 で受光する光は、消灯期間には主として環境光になり、点灯期間には主として環境光と信号光とを併せたものになる。点灯期間と消灯期間との長さが一対一であれば、点灯期間の受光光量から消灯期間の受光光量を減算することにより、理論上では環境光の成分を除去して信号光の成分のみを取り出すことが可能になる。

[0034] 光検出器 6から出力される受光出力は評価部としての距離演算回路 5に送られ、距離演算回路 5では複数のタイミングで光検出器 6から取り出した受光出力を用い、発光源 2から照射された光の強度変化の波形と、光検出器 6により受光した光の強度変化の波形との時間差または位相差力光の飛行時間を求め、飛行時間力対象物 3 までの距離を求める。

[0035] 光検出器 6は、光を電気信号に変換する光電変換部 1を備え、光電変換部 1を 1個だけ単独で用いれば光電変換部 1から見て特定の方向に存在する対象物 3につ、てのみ距離を検出する構成になり、図 1のように光電変換部 1を複数個配列して光検出器 6を構成し、光検出器 6の前方に受光光学系を配置して光検出器 6から受光光学系を通して対象空間を見る方向を各光電変換部 1の位置に対応付ければ、各方向における距離を画素値に持つ距離画像を生成することができる。本実施形態では、矩形状の単位格子力なる平面格子の格子点上に光電変換部 1を配列するとともに光電変換部 1からの出力を外部に取り出す電荷取出部 7を設けた光検出器 6を構成し、この光検出器 6を用いて距離画像を生成する場合について説明する。すなわち、光検出器 6は距離画像を生成するための撮像素子として機能する。なお、光検出器の出力部である電荷取出部 7は後述するように CCDであり、光電変換部 1は電荷取出部 7の一部としても機能する。また、本実施形態の光検出器の制御部である制御回路 4は、後述する各電極に印加される電圧および電荷取出部 7の制御を行うとともに、投光手段である発光源 2および評価部である距離演算回路 5に前記した変調信号を出力する。

[0036] 光電変換部 1の各々は、図 2に示す構成を有し、 n形シリコン層である基板 10に p形シリコン層である中間層 16を介して n形シリコン層からなる主機能層 11を設けてなる。主機能層 11の一表面（主機能層 11の厚み方向にぉ、て基板 10とは反対側である主表面）は、シリコン酸ィ匕膜からなる絶縁層 14によって覆われている。尚、基板 10、主機能層 11、中間層 16は複数個の光電変換部 1で共用される。主機能層 11の主表面には絶縁層 14を介して集積電極 12と保持電極 13とが対向し、保持電極 13の全体と集積電極 12の一部とは遮光膜 15により覆われる。集積電極 12および保持電極 13は、集積電圧な!/、し保持電圧の印加によりそれぞれ主機能層 11にポテンシャル井戸としての集積領域 1 lbな、し保持領域 1 lcを形成する。

[0037] 集積電極 12および絶縁層 14は透光性を有し、遮光膜 15で覆われてヽな、部位に入射する光が集積電極 12を通して主機能層 11に達するように構成してある。すなわち、基板 10、主機能層 11、中間層 16のうち遮光膜 15に覆われていない部位が光電変換部 1にお、て電子およびホールを生成する感光部 1 la (図 1参照）として機能する。図示例では遮光膜 15の一部が集積電極 12に跨っているが、これは主機能層 11にお、て光励起によって生じた電子あるいはホール力保持電極 13に対応する主機能層 11の領域に形成される保持領域 1 lcに直接集積されるのを防止するためである。

[0038] 上述した光電変換部 1では、遮光膜 15に覆われていない部位である感光部 11aに光が入射すると電子およびホールが生成される。また、集積電極 12に集積電圧を印加すると主機能層 11にポテンシャル井戸として集積領域 1 lbが形成され、保持電極 13に保持電圧を印加すると主機能層 11にポテンシャル井戸として保持領域 1 lcが形成される。集積電極 12と保持電極 13との距離および集積電圧と保持電圧との大きさは、ポテンシャル井戸として形成される集積領域 1 lbと保持領域 1 lcとの間で電子とホールとが移動可能になるように設定される。

[0039] 感光部 11aに入射する光量に応じた受光出力を得るための電子およびホールを感光部 11aで生成する期間には、中間層 16を基準電位 (接地電位）に保ち、基板 10を基準電位よりも高電位に保つ。つまり、基板 10と中間層 16との間では逆バイアスになる。基板 10に印加する基板電圧と中間層 16に印加するリセット電圧とは、それぞれ 3段階に切換可能としている。すなわち、基板電圧は、 2段階の高電位と接地電位とに切換可能とし、リセット電圧は、低電位と接地電位と高電位とに切換可能としてある。基板電圧が接地電位のときリセット電圧を低電位とし、基板電圧が高いほうの高電位のときリセット電圧を高電位とし、基板電圧が低いほうの高電圧のときリセット電圧を接地電位とするように、基板電圧とリセット電圧とが制御回路 4により制御される。以下では、基準電位に対して高電位である場合を正極性と言い、低電位である場合を負極性と言う。

[0040] 図 2に示す構成においては、直流電源 E3, E4と切換スィッチ SW3, SW4との組合せによって基板電圧およびリセット電圧が切換可能である。つまり、直流電源 E4は高低 2段階の正極性の電圧と接地電位の電圧との 3段階の電圧を出力し、直流電源 E 3は正負両極性の電圧と接地電位の電圧との 3段階の電圧を出力する。切換スイツチ SW3, SW4はともに 3接点スィッチであり、各直流電源 E3, E4の出力電圧を択一的に選択して供給する。基板電圧およびリセット電圧を切り換えるタイミングは、制御回路 4により制御される。つまり、制御回路 4が基板電圧とリセット電圧とを選択することは、切換スィッチ SW3, SW4を切り換えることに相当する。なお、リセット電圧に対する基板電圧の電位差が一定になるように SW3, SW4を連動させ、基板電圧をリセット電圧に合わせて 3段階に切り換えているが、基板電圧はリセット電圧に対して高電位であれば基板 10と中間層 16とが逆バイアスになるから、リセット電圧にかかわらずリセット電圧よりも高電位になるような一定電圧を基板電圧に用いてもよい。

[0041] 集積電極 12に印加する集積電圧と保持電極 13に印加する保持電圧とは、いずれも正極性と負極性との 2段階に切換可能であり、集積電圧および保持電圧を切り換えるタイミングは、基板電圧およびリセット電圧と同様に、制御回路 4により制御される。図 2においては、制御回路 4において集積電圧と保持電圧とを印加する機能を、直流電池 El, E2と切換スィッチ SW1, SW2との組合せによって模式化して表している。集積電圧と保持電圧とを印加する直流電源 El, E2はそれぞれ正負両極性の電圧を出力可能であり、切換スィッチ SW1, SW2により極性の切換が可能になっている。つまり、制御回路 4が集積電圧と保持電圧とを選択することは、切換スィッチ SW1, S W2を切り換えることに相当する。

[0042] 集積電圧を正極性にすると集積領域 l ibに電子を集めることができ、集積電圧を負極性にすると集積領域 l ibにホールを集めることができる。同様に、保持電圧を正極性にすると保持領域 11cに電子を集めることができ、保持電圧を負極性にすると保持領域 11cにホールを集めることができる。本実施形態では、感光部 11aにおいて生成されるキャリアである電子とホールとのうち電子を受光出力として用いる。

[0043] さて、上記した光検出器 6を用いて、感光部 11aに入射した光量に応じて感光部 11 aに生成される電子とホールを異なるタイミングで集積し、集積した電子とホールを再結合させた後に残留する電子を取り出す。したがって、感光部 11aに目的とする光が入射する前に電子あるいはホールが感光部 1 laに残留して、ると、感光部 1 laから取り出す電子に不要成分が含まれ、感光部 1 laから取り出す電子の個数が感光部 1 laでの受光光量に対応しないことになる。そこで、電子とホールと ^^積領域 l ibに集積する前に、まず光電変換部 1に残留している電子およびホールを廃棄する必要がある。

[0044] 光電変換部 1に残留している電子およびホールを廃棄する際には、電子とホールを個別に廃棄する。たとえば、ホール力先に廃棄する場合には、まずホール魏積領域 1 lbおよび保持領域 1 lcから押し出すために、集積電圧と保持電圧をともに正極性にする。このとき同時にリセット電圧を負極性にする。この状態では、ホールは中間層 16に向力つて移動するから、ホールの移動度を考慮し、この状態をホールが光電変換部 1から消滅する程度の期間継続する。ホールを廃棄した後には光電変換部 1には主として電子が残留するから、次に、電子を廃棄するために、集積電圧および保持電圧を負極性にするとともに、リセット電圧を正極性にし、基板電圧をリセット電圧よりも高くする。光電変換部 1に残留する電子は中間層 16に向力つて移動し、一部の電子は中間層 16から廃棄され、中間層 16を通過した残りの電子は基板 10から廃棄される。上述のように光電変換部 1からホールおよび電子を廃棄して光検出器 6のリセットを行った後には、光電変換部 1に残留する電子およびホールの量は熱平衡状態に応じた量になる。光検出器 6のリセットは、受光出力を光検出器 6から取り出すたびに行う。

[0045] 光検出器 6のリセット後には、まず集積領域 l ibに電子を集積するために、集積電極 12に正極性の集積電圧を印加し、このとき保持領域 11cに電子が集積されないように保持電極 1 lbには負極性の保持電圧を印加する。感光部 1 laでは光の入射により電子とホールとが生成されるが、集積電圧が正極性であり保持電圧が負電圧であるから、主機能層 11には集積領域 1 lbから保持領域 1 lcに向カゝぅ電位勾配が生じ、また中間層 16に印加するリセット電圧を接地電位にすることによって、主機能層 11 において光が照射される部位の近傍では集積領域 l ibから中間層 16に向力電位勾配が生じる。なお、主機能層 11において遮光膜 15で覆われている部位には中間層 16から保持領域 1 lcに向力電位勾配が生じている力この部位には光が照射されな、から、保持領域 1 lcにはホールはほとんど集積されな、。

[0046] 集積領域 l ibに電子が集積された後には、リセット電圧を接地電位に保ったままで、集積電圧を負極性とし、保持電圧を正極性とする。このとき、主機能層 11には中間層 16から集積領域 l ibに向カゝぅ電位勾配が生じるとともに、保持領域 11cから集積領域 l ibに向力う電位勾配が生じる。さらに、保持領域 11cから中間層 16に向力ぅ電位勾配も生じる。したがって、集積領域 l ibに集積されていた電子は保持領域 11c に移動する。また、感光部 11aで光の照射により生成された電子とホールとのうち電子は中間層 16に向かい、ホールは集積領域 l ibに向かって移動する。このような動作によって感光部 1 laで生成された電子とホールとを保持領域 1 lcと集積領域 1 lb とに振り分けることができる。

[0047] ここで、保持領域 11cにホールが存在している場合には、そのホールも集積領域 1 lbに向力つて移動することになる。電子は集積領域 l ibから保持領域 11cに向かい、ホールは感光部 11aまたは保持領域 11cから集積領域 l ibに向力うから、電子とホールとが出会い再結合する。一方、電子の一部は集積領域 l ibの表面のダングリングボンド (ないし界面電位）により捕捉されており、捕捉されている電子は、集積領域 1 lbに集積されたホールと再結合して消滅する。また同様に、ホールの一部は保持領域 11cの表面のダングリングボンド (ないし界面電位）により捕捉されており、捕捉されて、るホールは、保持領域 1 lcに移送された電子と再結合して消滅する。

[0048] その後、集積電圧と保持電圧の極性を入れ換えると (つまり、集積電圧を正極性にし、保持電圧を負極性にすると)保持領域 11cの電子が集積領域 l ibに向かい、集積領域 1 lbのホールが保持領域 1 lcに向力うから、電子とホールとが出会、再結合することによって消滅する。また、感光部 11aで生成された電子も集積領域 l ibに集積され、感光部 11aから集積部 l ibに集積された電子の一部もホールとの再結合に寄与する。ここで、集積領域 l ibに存在していたホールの一部は集積領域 l ibの表面のダングリングボンド (ないし界面電位）により捕捉されているから、集積領域 l ib に感光部 1 laから集積または保持領域 1 lcから移送された電子と再結合して消滅し、同様にして、保持領域 11cに存在していた電子の一部は保持領域 11cの表面のダングリングボンド (ないし界面電位）により捕捉されているから、保持領域 11cに移送されたホールと再結合して消滅する。

[0049] 集積電圧と保持電圧との極性をそれぞれ入れ換える動作を多数回繰り返すと、上述の動作で電子とホールとが再結合し、ホールはほぼ完全に消滅し、電子のみが残留すること〖こなる。ここに、集積電圧と保持電圧との極性を 1回入れ換えるだけでは電子とホールとが出会う確率が低いが、極性を多数回入れ換えることによって、電子とホールとが出会って再結合する確率を高めることができる。つまり、集積電圧と保持電圧との極性を多数回入れ換えると、再結合に関与する電子およびホールの密度が増加して再結合確率が高くなるのである。

[0050] 本実施形態では、集積電圧および保持電圧を切り換えるタイミングを発光源 2の点灯期間および消灯期間に一致させることは必然ではないが、集積電圧および保持電圧を切り換えるタイミングを点灯期間と消灯期間とに一致させると動作の理解が容易であるから、まず、発光源 2の点灯期間および消灯期間と集積電圧および保持電圧を切り換えるタイミングとを一致させる場合について説明する。すなわち、図 3 (A)に示すように、発光源 2の点灯と消灯とを交互に繰り返し、点灯期間 Pbには集積電極 1 2に正の集積電圧を印加するとともに（図 3 (B) )、保持電極 13に負の保持電圧を印カロし（図 3 (C) )、消灯期間 Pdには集積電極 12に負の集積電圧を印加するとともに（図 3 (B) )、保持電極 13に正の保持電圧を印加する（図 3 (C) )。

[0051] 点灯期間 Pbと消灯期間 Pdとのいずれにおいても感光部 11aでは電子とホールとが一対一に生成されるが、点灯期間 Pbにお、ては感光部 1 laで生成される電子が集積領域 1 lbに集積され、消灯期間 Pdにお、ては感光部 1 laで生成されるホールが集積領域 l ibに集積されるとともに、集積領域 l ibに存在していた電子が集積領域 1 lbから保持領域 11cに移動しょうとする。ただし、集積領域 l ibと絶縁層 14との界面にはダングリングボンドが存在して、るから、点灯期間 Pbにお、て集積領域 1 lbに集積された電子の一部は、ダングリングボンド (ないし界面電位）により捕捉されて保持領域 11cに移動することができず、消灯期間 Pdにおいて集積領域 l ibに集積されたホールと再結合して消滅する。

[0052] 点灯期間 Pbにおいて集積領域 l ibに集積された電子の量は発光源 2の点灯による信号光と信号光以外の環境光とを併せた光量に対応しており、消灯期間 Pdにお V、て集積領域 1 lbに集積されたホールの量は環境光のみの光量に対応して、るから、消灯期間 Pdにおいて集積領域 l ibで電子がホールと再結合して消滅することは、電子のうち環境光の光量に対応する量の少なくとも一部を消滅させたことになり、保持領域 11cに保持される電子の量は、信号光と環境光とを併せた光量に対応する電子の量よりも少なくなる。つまり、保持領域 11cに保持された電子の量は、信号光と環境光とを併せた光量に対して環境光の一部光量を減殺した光量に対応する。

[0053] 次の点灯期間 Pbにおいては、保持領域 11cに保持された電子が集積領域 l ib〖こ移動しようとし、また感光部 11aで生成された電子が集積領域 l ibに集積される。一方、前の消灯期間 Pdにお、て電子と再結合せずに集積領域 1 lbに残留して、たホールは、集積領域 l ibに集積される電子と出会うことによって再結合する。また、再結合せずに残留するホールは、主として保持領域 11cに移動する。これは、保持領域 11cの周辺では、主機能層 11の深部に向力う電位勾配よりも保持領域 11cに向かう電位勾配のほうが大きいからである。

[0054] 上述の動作により、環境光により生成されたホールは大部分が電子との再結合により消滅するから、点灯期間 Pbと消灯期間 Pdとを複数回繰り返すことによって、信号光に対応する電子の量に対する環境光に対応する電子の量の割合を低減することができる。したがって、再結合後に保持領域 l ieに残留する電子を光検出器 6から取り出して受光出力に用いることにより、環境光の成分をある程度除去した受光出力を得ることがでさる。

[0055] ところで、上述の動作によってホールとの再結合後に保持領域 11cに残留する電子を光検出器 6から取り出すには、集積電極 12と保持電極 13とに印加する電圧を調節することにより主機能層 11に形成されるポテンシャル井戸を制御し、保持領域 1 lc に保持している電子を転送する。つまり、主機能層 11と集積電極 12と保持電極 13とを用いて CCDとして動作させるのであって、図 1の左右の一方向に電子を転送することができる。図 1に示す電荷取出部 7には主機能層 11のこの機能が含まれる。

[0056] 上述のように、発光源 2の点灯と消灯とを繰り返して電子とホールとを再結合させることにより信号光に対応する量の電子を保持領域 11cに残留させる期間と、保持領域 11cに残留する電子を光検出器 6から取り出す期間とが必要である。以下では、前者の期間を受光期間と呼び、後者の期間を取出期間と呼ぶ。制御部 4は、受光期間において、集積電極 12に印加する集積電圧と保持電極 13とに印加する保持電圧とは互いに異なる極性であって、し力も交互に極性を切り換える力取出期間においては、電子が一方向に転送されるように電圧を印加するタイミングを制御する。また、タイミングと併せて電圧値も制御してもよ、。

[0057] 取出期間において集積電極 12および保持電極 13に印加する電圧の制御は、 CC Dにおける転送ゲートに印加する電圧の制御と同様である。すなわち、本実施形態では、フレームトランスファ方式の CCDイメージセンサと同様に、主機能層 11がキヤリァを転送する垂直転送レジスタに兼用される構成になる。光検出器 6では、主機能層 11を垂直転送レジスタとして用い、さらに、垂直転送レジスタ力の電子を水平転送レジスタ 21 (図 10参照）により転送して感光部 11aごとの受光出力を半導体基板の外部に取り出す。また、上述の構成では主機能層 11が転送レジスタに兼用されている力インターライン方式の CCDイメージセンサと同様の構成を採用し、主機能層 11 における保持領域 11cに保持されたキャリアを別に設けた垂直転送レジスタに転送し、垂直転送レジスタと水平転送レジスタとを通して半導体基板の外部に取り出すようにしてもよい。

[0058] 上述した光検出器 6を用いて対象物 3までの距離を計測するには、発光源 2の変調信号と各光電変換部 1 (各感光部 11a)で受光した光に含まれる変調成分との時間差または位相差を求める必要がある。本実施形態では、変調信号の波形として矩形波を採用しているから時間差を求めることができる。図 4 (A)に発光源 2から投光される光の強度の変化を示し、図 4 (B)に光電変換部 1により受光する光の強度の変化を示す。図中、時間差 tdを求めるには、発光源 2の点灯と消灯とに同期する複数の位相に対応するタイミングで得られる光電変換部 1による受光光量を用いる技術と、発光源 2の点灯と消灯とには同期しない複数のタイミングで得られる光電変換部 1による受光光量を用いる技術とがある。

[0059] まず、発光源 2の点灯と消灯とに同期するタイミングで得られる受光光量を用いる技術について説明する。ここでは、動作の理解を容易にするために、変調信号の位相の 90度ごとに 180度の区間を設定し、各区間において受光光量を求めるものとする。つまり、変調信号における 0〜180度、 90〜270度、 180〜360度、 270〜90度の 4区間について受光光量を求める。各区間の受光光量は図 4 (C)〜図 4 (F)に示す図形の面積に相当する。いま、各区間の受光光量をそれぞれ AO〜A3で表し、環境光と信号光とを併せた受光強度が Ab、環境光のみに対応する受光強度が Ad、変調信号の周期が 4T、時間差が tdであるとすれば、受光光量 AO〜A3は、以下のよう〖こ表すことができる。

AO=Ab X (2T-td) +AdX td

Al =Ab X (T+td) +AdX (T td)

A2=Ab X td+AdX (2T—td)

A3=Ab X (T td) +AdX (T+td)

これらの関係から（Al -A3) / (A0-A2)を求めると、 td/ (T— td)になるから、 s = (Al— A3)Z(AO— A2)と置いて、時間差 tdを次式で表すことができる。

td=sT/ (s+ l)

つまり、変調信号の周期 4Tと上述した 4区間の受光光量 AO〜A3とを用いることにより時間差 tdを求めることができる。なお、受光光量 AO〜A3は受光出力に対応するから、距離演算回路 5では、光検出器 6から与えられる各光電変換部 1の受光出力を受光光量 AO〜A3に代えて用いることにより時間差 tdを求め、対象物 3までの距離に換算することができる。また、上式の演算結果の符号は時間差 tdが正になるように適宜に選択される。

[0060] ところで、上述したように、図 4 (C)に示すように受光光量 AOを求める区間は変調信号における 0〜180度の区間であり、図 4 (E)に示すように受光光量 A2を求める区間は変調期間における 180〜360度の区間である。ここでは、感光部 11aで生成された電子とホールとが集積領域 l ibに集積される確率の差を無視することにより電子とホールとが集積領域 l ibに同じ確率 (集積効率)で集積されると仮定し、さらに電子とホールとの再結合の確率 (再結合確率）が 1であると仮定する。

[0061] 上述した仮定の下で、集積電極 12に正の集積電圧を印加する期間を変調信号における 0〜180度の区間に対応させ、集積電極 12に負の集積電圧を印加する期間を変調信号における 180〜360度の区間に対応させると、感光部 1 laで生成され集積領域 l ibに集積される電子の量 (個数）は受光光量 AOに相当し、感光部 11aで生成され集積領域 1 lbに集積されるホールの量 (個数）は受光光量 A2に相当することになる。すなわち、変調信号における 0〜180度の区間と 180〜360度の区間とで集積電圧の極性を交互に切り換える動作を行った後に保持領域 11cに残留する電子の量は、（AO— A2)に相当すると言える。同様に、変調信号における 90〜270度の区間において集積電圧の極性を正とし、変調信号における 270〜90度の区間において集積電圧の極性を負とした後に保持領域 11cに残留する電子の量は、 (A1 -A 3)に相当する。したがって、変調信号に同期させて集積電極 12に印加する集積電圧および保持電極 13に印加する保持電圧の極性を交互に入れ換えることにより、電子とホールとを再結合させた後に保持領域 11cに残留する電子を受光出力として光検出器 6の外部に取り出すだけで、（AO— A2)と (A1 -A3)との演算を行ったことになり、距離演算回路 5における演算量を低減できる。

[0062] 上述した構成では動作の理解が容易になるように、発光源 2が点灯と消灯とを繰り返す場合を例として説明したが、上述したように、発光源 2を駆動する変調信号の波形としては、正弦波や鋸歯状波や三角波など他の波形も用いることが可能であるので、以下では、図 5 (A)に示すように、変調信号の波形として正弦波を用いた場合について説明する。

ここでは、光電変換部 1に入射する光の強さを位相 Θの関数とし、 g( Θ ) = (Ab- Ad)sin0 +(Ab+Ad)Z2とおく（図 5(B)参照）。この場合、変調信号における 0〜 180度、 90〜270度、 180〜360度、 270〜90度の各区間における受光光量 AO〜 A3は、図 5(C)および図 5(D)に斜線で示す面積に相当するから、それぞれ下式のように定積分で表すことができる。ただし、位相 Θは時間 tの関数であり、 θ =ωί(ω =2 π f ;fは変調周波数）、 φは投受光の位相差（ φの単位をラジアン、対象物 3までの距離 L[m]、光速 c[mZs]とすれば、 L= φ ·οΖ2ω)、 Abは光電変換部 1が受光した光の強さの極大値、 Adは光電変換部 1が受光した光の強さの極小値であり、 Ad は光電変換部 1が受光した環境光に対応する光の強さに相当する。また、下式において []内の値は積分区間を意味する。

AO= Jg(0)d0 ί-φ, 180。 - ]

Al= J ₈(θ)άθ [90° - φ , 270° - φ ]

Α2= J ₈(θ)άθ [180° - φ , 360° - φ ]

Α3= J ₈(θ)άθ [270° φ , 90° —φ]

Aa=Ab-Ad, Ac=(Ab + Ad) Ζ2と置けば、受光光量 ΑΟ〜Α3は下式で表され。

ΑΟ=— 2Aa-cos^ +Ac- π

Al =— 2Aa-sin^ +Ac- π

A2 = 2Aa-cos^ +Ac- π

A3 = 2Aa · sin φ +Ac- π

これらの関係から（Al— A3) Z (AO— Α2)を求めると tan φになるから、位相差 φは次式で表すことができる。

φ =tan" (Α1-Α3)/(ΑΟ-Α2) …ひ）

すなわち、変調信号の波形が正弦波である場合でも上式によって位相差 φを求めることができるから、変調信号の波形が矩形波である場合の時間差 tdと同様に対象物 3までの距離を求めることができる。また、変調信号の波形が正弦波である場合でも矩形波を用いる場合と同様に、光電変換部 1から (AO— A2)と (A1— A3)とに相当する受光出力を得ることができる。

[0064] (AO— A2)または (A1— A3)に相当する受光出力が得られるというのは電子とホールとの集積領域 1 lbへの集積効率が等、と、う仮定と、電子とホールとの再結合確率が 1である（つまり、出会った電子とホールとはすべて再結合する）という仮定とに基づいている。実際には、集積効率は等しくなぐまた再結合確率は 1よりも大幅に小さい（たとえば、 0. 1)。そこで、再結合確率が 1であるという仮定はそのままにして、電子とホールとの集積効率が異なることを考慮して（1)式を補正する。

[0065] 上述した例では、変調信号の位相が 0〜180度である期間と 90〜270度である期間とにおいてそれぞれ集積領域 l ibに電子^^積するから、受光光量 AO、 A1に対応する電子が感光部 11aから集積領域 l ibに集積され、受光光量 A2、 A3に対応するホールが感光部 11aから集積領域 l ibに集積される。

[0066] V、ま、集積領域 1 lbへの電子の集積効率に対するホールの集積効率を α (0< α く 1)とする。つまり、ホールの集積効率が電子よりも小さいものとする。集積領域 l ib に集積される電子およびホールの個数を決定するパラメータとして影響が大きいのは、主機能層 11の厚み寸法、受光する光の波長のほか、受光光量と集積電圧と集積電圧の印加期間とであると考えられ、主機能層 11の厚み寸法と受光する光の波長とは電気的に制御できる要素ではないから固定値としてパラメータ力除外し、集積電圧を Va、集積電圧 Vaの印加期間を Paとすれば、受光光量が AO、 A1であるときに集積領域 l ibに集積される電子の個数 NO、 N1は、適宜の関数 hを用いて、それぞれ NO = h(AO, Va, Pa)、 Nl =h(Al, Va, Pa)と表すことができる。同様にして、受光光量が A2、 A3であるときに集積領域 l ibに集積されるホールの個数 N2、 N3は、それぞれ N2= a h (A2, Va, Pa)、 N3= a h (A3, Va, Pa)と表すことができる。

[0067] ここで、集積電圧 Vaと印加期間 Paとを一定として、個数 NO、 Nl、 N2、 N3を受光光量 AO、 Al、 A2、 A3のみの関数として表せば、それぞれ NO=h (AO)、 Nl =h ( Al)、 N2= a h(A2) , N3= a h (A3)になる。一方、各光電変換部 1に対応する受光出力は、電子とホールとの再結合後に残留する電子の個数に相当するから、実際には、（NO— N2)と（Nl— N3)とに相当する。つまり、（NO— N2)および（Nl— N3) と受光光量 A0、 Al、 A2、 A3とは次の関係になる。

N0-N2=h(A0) ah(A2)

Nl-N3=h(Al) ah (A3)

また、電子の個数 NO、 N1およびホールの個数 N2、 N3を用いて受光光量 AO、 A 1、 A2、 A3を表すと、 AO=h^_1 (NO)、 Al=h^_1 (Nl)、 A2=h^_1 (N2/ a )、 A3 = h"¹ (N3Z )であるから（h^_1は hの逆関数）、位相差 φを求める（1)式は次式のように変形できる。

φ =tan ¾

S = {h^_1 (Nl) -h"¹ (N3Z a ) }/{h^_1 (NO) h^_1 (N2/ a ) }

関数 hは、受光光量 AO、 Al、 A2、 A3に対して生成される電子やホールの量が飽和しない範囲では、受光光量 AO、 Al、 A2、 A3をパラメータとする線形関数とみなしてよいから、上式をさらに変形すると次式が得られる。

φ =tan^_1{(aNl-N3)/(aNO-N2)} ---(2)

したがって、距離演算回路 5において保持領域 11cに残留する電子の量に応じて得られる受光出力を用いて対象物 3までの距離を演算式を用いて求める場合には、受光出力が（N1— N3)または (NO— N2)であって集積効率 ocに関する補正が必要であることを考慮しなければならない。たとえば、（N1— N3)および (NO— N2)を用 Vヽた (2)式の近似式を作成し、近似式に含まれる集積効率 (Xを距離演算回路 5の調節要素に用いる。あるいはまた、距離演算回路 5において受光出力と距離とをデータテーブルによって対応付けるようにし、集積効率 aをデータテーブルに折り込む。

[0068] (2)式は電子およびホールの個数 NO、 Nl、 N2、 N3をパラメータとしており、電子およびホールの個数 NO、 Nl、 N2、 N3は、受光光量 AO、 Al、 A2、 A3と集積電圧 Vaと印加期間 Paとの関数であるから、各受光光量 AO、 Al、 A2、 A3と集積電圧 Va と印加期間 Paとのうちの少なくとも 1要素を調節すれば、（2)式を用いて位相差 φを求めることが可能である。

[0069] 受光光量 AO、 Al、 A2、 A3の調節には変調信号の波形を変形することが必要であるから、折れ線近似などの技術による関数発生器を用いて変調信号の波形を調節する。また、上述の例のように、集積領域 libに電子を集積する場合とホールを集積する場合とで集積電圧 Vaの絶対値を等しく設定するのではなく、ホールを集積する場合の集積電圧 Vaの絶対値を、電子を集積する場合の集積電圧 Vaの絶対値よりも大きくすれば、集積効率 αを 1に近付けることが可能になる。あるいはまた、電子を集積するときの集積電圧 Vaの印加期間 Paよりもホールを集積するときの集積電圧 Va の印加期間 Paのほうが長くなるようにしても集積効率 aを 1に近付けることが可能になる。

[0070] 変調信号が矩形波である場合も同様であって、電子とホールとの集積効率を考慮して補正することにより、時間差 tdを正確に求めることができる。また、変調信号として他の波形を用いる場合も同様である。

[0071] ところで、上述の例では再結合確率を 1と仮定している力実際には電子とホールとを再結合させて消滅させる場合の再結合確率は、電子とホールとの密度に依存する。一方、受光光量が少ないときにはできるだけ電子を消滅させず、受光光量が多くなると光検出器 6の飽和を防止するために消滅する電子の量を増やした、場合がある。このような場合は、受光光量に応じて再結合確率を調節することが必要になる。本実施形態では、感光部 l ibで生成された電子とホールとを再結合させているから、電子の量に合わせてホールの量が変化する。その結果、受光光量に応じて再結合確率が自動的に調節される。

[0072] 次に、発光源 2の点灯および消灯とは非同期に求めた受光光量を用いて位相差 φ を求める技術について簡単に説明する。この技術は、受光光量の変化に対応した信号に変調周波数とは異なる周波数の信号を干渉させると (混合すると)、両者の周波数差に相当する周波数で振幅が変化するビート信号が得られることを利用している。ビート信号の包絡線は位相差 Φを内包しており、包絡線に相当する受光光量を包絡線の異なる位相で取り出せば、位相差 φを求めることができる。たとえば、包絡線の位ネ目カ 0〜180度、 90〜270度、 180〜360度、 270〜90度である 4区につ!/ヽて受光光量を積分して求め、各受光光量を AO' 、Α , Α2' , A3' とすれば、（1) 式の ΑΟ、 Al、 Α2、 A3を AO' 、 A Κ2' , A3' に読み替えるだけで、位相差 φを求めることができる。

[0073] なお、ビート信号を得る方法には受光光量に比例する受光信号を取り出し、変調信号とは異なる周波数の局発信号を制御回路 4から出力し、受光信号と局発信号とを混合することが考えられるが、混合回路を設けると回路構成が複雑になる恐れがある。そこで、集積電極 12に集積電圧を印加し、保持電極 13に保持電圧を印加するタイミングを局発信号で制御し、混合回路の機能を集積領域 1 lbと保持領域 1 lcとを用いて実現する。要するに、変調信号の変調周波数とは異なる周波数である局発信号を用いて主機能層 11に集積領域 1 lbと保持領域 1 lcとを形成することによって、保持領域 11cに残留する電子がビート信号の振幅に相当する量になり、混合回路を用いることなくビート信号の振幅に応じた受光出力を距離演算回路 5に与えることが可會になる。

(第 2実施形態）

本実施形態は、図 6に示すように、各光電変換部 1において、 2個の集積電極（12a , 12b)および 2個の保持電極（13a, 13b)を設けた点に特徴がある。つまり、 2個ずつの集積電極（12a, 12b)および保持電極（13a, 13b)が 1グループ（ないし 1画素）を構成する。 2個の保持電極（13a, 13b)は離間して配置され、両保持電極（13a, 1 3b)の間に 2個の集積電極（12a, 12b)が配置される。また、集積電極（12a, 12b) の間には隣接する保持電極（13a, 13b)との間の距離よりも大きい距離のギャップ" g "が形成される。この構成では各保持電極（13a, 13b)を覆う遮光膜 15の間の開口から感光部 11aに光が導入される。また、図 7に示すように、遮光膜 15は隣接する光電変換部 1の保持電極（13a, 13b)に跨るように設けられる。集積電極 12aと保持電極 13aとの組および集積電極 12bと保持電極 13bとの組はそれぞれ実施形態 1における集積電極 12と保持電極 13との関係と同様に機能する。ただし、受光期間において、 2個の集積電極（12a, 12b)には互いに逆極性の集積電圧が印加されるとともに、 2個の保持電極（13a, 13b)にも互いに逆極性の保持電圧が印加される。

図 6においては、集積電極（12a, 12b)同士または保持電極（13a, 13b)同士には逆極性の電圧が印加され、かつ隣接する集積電極 12aと保持電極 13a,隣接する集積電極 12bと保持電極 13bとは互いに逆極性の電圧が印加されることを示すために、制御回路 4において集積電圧および保持電圧を印加する構成を、集積電圧および保持電圧を印加する 2個の直流電源 El, E2と、両直流電源 El, E2と集積電極 12a , 12bおよび保持電極 13a, 13bとの接続関係を切り換える 2接点の切換スィッチ SW 1, SW2とで模式的に示している。また、集積電圧と保持電圧とは電圧値を等しくしてある。

[0075] 本実施形態の構成では、変調信号の位相が 0〜180度であるときに、集積電極 12 aに対応する集積領域 l ibに電子を集積し、集積電極 12bに対応する集積領域 l ib にホールを集積する力受光出力としてはいずれも電子を取り出している。つまり、後述する動作によって、保持電極 13aに対応する保持領域 11cに保持した電子と、集積電極 12bに対応する集積領域 l ibに残留する電子とが受光出力を決める。

[0076] 実施形態 1において原理を説明した場合と同様に、本実施形態の原理も発光源 2 を駆動する変調信号を矩形波として説明する。また、本実施形態では、変調信号に同期するタイミングで集積電圧および保持電圧を切り換えるという条件で本実施形態の動作を説明する。この条件以外の動作は実施形態 1においてすでに説明してあり、また本実施形態において説明する動作以外は実施形態 1と同様である。

[0077] 本実施形態では、発光源 2の点灯期間において、集積電極 12aに印加する集積電圧を正極性とし、集積電極 12bに印加する集積電圧を負極性とする。また、点灯期間において、保持電極 13aに印加する保持電圧を負極性とし、保持電極 13bに印加する保持電圧を正極性とする。ただし、実施形態 1と同様にして、電子およびホールを集積領域 1 lbに集積する前に、主機能層 11に残留する電子およびホールを廃棄する。

[0078] 集積電極 12a, 12bに上述の極性で集積電圧を印加するとともに保持電極 13a, 1 3bに上述の極性で保持電圧を印加すると、主機能層 11におヽて集積電極 12aに対応する部位に形成される集積領域 1 lbには、主機能層 11への光の照射により主機能層 11で生成された電子が集積され、主機能層 11にお、て集積電極 12bに対応する部位に形成される集積領域 1 lbには、主機能層 11への光の照射により主機能層 11で生成されたホールが集積される。つまり、主機能層 11で生成された電子とホールとは、各集積電極 12a, 12bに対応する部位で主機能層 11に形成される 2個の集積領域 l ibに振り分けられてそれぞれ集積される。

[0079] 次に、環境光のみが存在する消灯期間において集積電極 12a, 12bに印加する集積電圧および保持電極 13a, 13bに印加する保持電圧の極性を切り換える。つまり、集積電極 12aに印加する集積電圧を負極性とし、保持電極 13aに印加する保持電圧を正極性とするとともに、集積電極 12bに印加する集積電圧を正極性とし、保持電極 13bに印加する保持電圧を負極性とする。このとき、感光部 11aで生成された電子およびホールのうち、ホールは集積電極 12aに対応する集積領域 l ibに集積され、電子は集積電極 12bに対応する集積領域 l ibに集積される。

[0080] 点灯期間にぉ、て集積電極 12aに対応する集積領域 1 lbに存在して、た電子はダングリングボンドに捕捉された一部を残して保持電極 13aに対応する保持領域 11c に移動し、点灯期間にお、て集積電極 12bに対応する集積領域 1 lbに存在してヽたホールはダングリングボンドに捕捉された一部を残して保持電極 13bに対応する保持領域 11cに移動する。つまり、集積電極 12aに対応する集積領域 l ibに残された電子は集積されたホールと再結合し、集積電極 12bに対応する集積領域 l ibに残されたホールは集積された電子と再結合する。

[0081] 消灯期間においては、集積電極 12aに印加される集積電圧が負極性であり、保持電極 13a〖こ印加される保持電圧と集積電極 12bに印加される集積電圧とはともに正極性であるから、集積電極 12aに対応する集積領域 l ibから保持電極 13aに対応する保持領域 11cだけではなぐ集積電極 12bに対応する集積領域 l ibにも電子が移動しょうとする力ギャップ gを設けていることにより、集積電極 12bに対応する集積領域 l ibへの電子の移動は抑制される。同様に、集積電極 12bに対応する集積領域 1 lbから保持電極 13bに対応する保持領域 11cと集積電極 12aに対応する集積領域 l ibとにホールが移動しょうとする力ギャップ gの存在により集積電極 12aに対応する集積領域 l ibへのホールの移動は抑制される。このように、集積電極どうしの間の距離を比較的大きくしているから、光電変換部で生成された電子とホールを両集積領域に振り分けやすくなる。

[0082] 消灯期間の次の点灯期間において、集積電極 12aに対応する集積領域 l ibには、主機能層 11で生成された電子と、保持電極 13aに対応する保持領域 1 lcに保持されてヽた電子とが集積され、集積電極 12aに対応する集積領域 1 lbに集積されてヽたホールはこれらの電子と出会い再結合することにより消滅する。同様にして、集積電極 12bに対応する集積領域 l ibには、感光部 11aで生成されたホールと、保持電極 13bに対応する保持領域 11cに保持されていたホールとが集積され、集積電極 12 bに対応する集積領域 1 lbに集積されて、た電子はこれらのホールと出会、再結合すること〖こより消滅する。

[0083] 点灯期間におヽて集積電極 12bに対応する集積領域 1 lbに集積されたホールは、引き続く消灯期間において保持電極 13bに対応する保持領域 11cに移動する際に感光部 11aあるいは保持領域 11cからの電子と出会って再結合する。同様に、消灯期間において集積電極 12aに対応する集積領域 l ibに集積されたホールは、引き続く点灯期間において保持電極 13aに対応する保持領域 11aに移動する際に感光部 1 laあるいは保持領域 1 lcからの電子と出会って再結合する。

[0084] 上述した動作を複数回繰り返した後において、保持電極 13aに対応する保持領域

11cに残留する電子は、実施形態 1と同様であって、環境光に対応する成分が減殺されていることになる。一方、電子とホールとの集積効率が等しぐ電子とホールとの再結合確率が 1であれば、集積電極 12bに対応する集積領域 l ibには電子は残留していないはずであるが、一般に再結合確率は 1よりも小さいから、集積電極 12bに対応する集積領域 l ibに電子が残留する。残留した電子は消灯期間に生成されたものであるが、点灯期間において生成されたホールとの再結合により、一部が消滅しているから点灯期間の情報を持っていることになる。つまり、集積電極 12bに対応する集積領域 l ibに残留する電子も、信号光と環境光とを併せた成分から環境光に対する成分を減殺した成分になる。

[0085] 上述の動作を踏まえて、光検出器 6における各光電変換部 1に対応する受光出力カゝら距離を求める場合の動作を以下に説明する。本実施形態では、集積電極 12bに対応する集積領域 l ibに残留する電子を受光出力に用いる。集積電極 12bに対応する集積領域 l ibに電子が残留する原因は、ホールの集積効率 αが 1より小さぐ再結合確率 ι8が 1より小さいことにある。そこで、距離演算回路 5において受光出力から距離を求めるために、集積領域 l ibへのホールの集積効率 a (0< a < 1)および電子とホールとの再結合確率 i8 (0< j8 < 1)を考慮して（1)式を修正する。なお、集積電圧 Vaと印加期間 Paとについては電子とホールとに関わらず同条件とする。 [0086] 実施形態 1と同様に考えれば、集積電極 12aに対応する集積領域 libでは、受光光量が AO、 Alであるときに集積領域 libに集積される電子の個数 NO、 N1はそれぞれ NO=h(AO)、 Nl=h(Al)であり、受光光量が A2、 A3であるときに集積領域 1 lbに集積されるホールの個数 N2, N3はそれぞれ N2= ah(A2)、 N3= ah (A3) になる。一方、集積電極 12bに対応する集積領域 libにおいては、電子とホールとの関係が逆になるから、 NO、 N1がホールの個数を表すとともに N2、 N3が電子の個数を表し、 NO= ah(AO)、 Nl= a h(Al)、 N2=h(A2)、 N3=h(A3)になる。

[0087] また、電子とホールとの再結合により残留する電子の個数は、集積電極 12aに対応する集積領域 libと保持電極 13aに対応する保持領域 11cとに関して言えば (NO— j8N2)または (Nl— |8Ν3)であり、集積電極 12bに対応する集積領域 libと保持電極 13bに対応する保持領域 11cとに関して言えば (N2— |8ΝΟ)または (N3— |8Ν1 )である。したがって、集積電極 12aと保持電極 13aとの組を用いてホールと再結合された後に残留する電子の個数は次式で表される。

また、集積電極 12bと保持電極 13bとの組を用いてホールと再結合された後に残留する電子の個数は次式で表される。

つまり、受光出力としては（a) (b) (c) (d)に相当する 4出力が得られる。そこで、（a) - (c)と (b) - (d)とをそれぞれ求めると、次式が得られる。

(NO- j8N2)-(N2- j8NO) = (l+ j8) (N0-N2)

= {h(AO)- a j8h(A2)}-{h(A2)- a j8h(AO)}

= (1+ a j8){h(AO)-h(A2)} •••(e)

(Nl- j8N3)-(N3- j8Nl) = (l+ j8) (N1-N3)

= {h(Al)- a j8h(A3)}-{h(A3)- a j8h(Al)}

= (l+a i8){h(Al)-h(A3)} "-(f)

関数 hを線形関数とすれば、（e)Z(f) = (AO— A2)Z(A1— A3)になる。結局、本実施形態の 4出力を用いることにより、 ( 1)式で用いる (AO— A2) / (A1 -A3)を補正することなく求めることが可能になる。

[0088] 上述した手順を簡単にまとめると、まず、変調信号の位相によって区分される 4区間のうち 180度異なる 2区間分について電子の集積と保持とを繰り返した後、保持電極 13aに対応する保持領域 11cから受光出力を取り出すと (a) (c)に相当する出力が得られるから、距離演算回路 5では両者の差分を求める。次に、変調信号の位相によつて区分される 4区間のうち上述の 2区間とは異なる 2区間について電子の集積と保持とを繰り返した後、集積電極 12bに対応する集積領域 l ibから受光出力を取り出すと (b) (d)に相当する出力が得られるから、距離演算回路 5では両者の差分を求める。このようにして求めた 2つの差分値を除算すれば、除算結果は（1)式における (AO— A2) / (A1 -A3)に相当するから、位相差 φを求めることができる。要するに、本実施形態の構成を採用し、保持電極 13aに対応する保持領域 11cと集積電極 12bに対応する集積領域 l ibとにそれぞれ集積した電子の量の差分を用いると、集積効率 aおよび再結合確率 βの影響を除去して位相差 φを求めることが可能になる。

[0089] 本実施形態では、各光電変換部 1に設けた 2個の保持電極（13a, 13b)に対応する保持領域 11cに光が入射しないように遮光膜 15で保持電極（13a, 13b)を覆っている力図 8に示すように、各光電変換部 1にそれぞれ対応するレンズ 19aを備えるレンズアレイ 19を配置してもよい。レンズアレイ 19は、合成樹脂成形品によりレンズ 19a を連続一体に形成するものを想定している力独立したレンズ 19aをレンズ枠により保持したものを用いることもできる。各レンズ 19aは、光の入射面が凸になった平凸レンズであって、レンズ 19a同士の境界が光電変換部 1の境界に一致するように配置される。

[0090] レンズ 19aは収束レンズであり、図 8に矢印で示すように、光電変換部 1の中央部に入射光を収束させる機能があり、この機能により、保持電極（13a, 13b)に光が入射するのを防止している。すなわち、遮光膜 15を設けた場合と同様に、保持電極（13a , 13b)に対応する保持領域 11cへの光の入射を防止することができる。し力も、光電変換部 1の全面に相当する領域に入射した光が収束されて光電変換部 1における感光部 11aに入射するから、遮光膜 15を設ける場合に比較すると開口率が大きくなり、光の利用効率が高くなる。

[0091] (実施形態 3)

上記した実施形態 2においては、ギャップ" g"の幅を広くするほうが電子とホールとを分離しやすくなるが、複数個の光電変換部 1を配列することにより光検出器 6を構成し、主機能層 11を垂直転送レジスタとして兼用している場合は、集積電極（12a, 1 2b)および保持電極 (13a, 13b)を用、て主機能層 11に形成されるポテンシャル井戸を制御することでキャリア（電子またはホール)を転送するため、ギャップ" g"の幅を広くしすぎるとギャップ" g"の部位でキャリアを転送するためのポテンシャル井戸を形成できなくなる恐れがある。

[0092] そこで、本実施形態は、図 9 (A)に示すように、集積電極（12a, 12b)の間に転送用電極 22を付加することにより、集積電極（12a, 12b)の距離を広げて電子とホールとを分離しやすくしながらも、保持領域 11cに残留する電子およびホールの転送を容易にした点に特徴がある。

[0093] この構成によれば、保持領域 11cに電子およびホールを集積する間には転送用電極 22には転送電圧を印加せずに OVに保つことによって、転送用電極 22の幅以上の幅を有したギャップ gを集積電極（12a, 12b)の間に形成することができる。また、保持領域 11 cに集積したキヤリァを転送する際には、転送用電極 22を集積電極 ( 12 a, 12b)および保持電極（13a, 13b)と併せて用い、適宜のタイミングで転送電圧を印加することにより、キャリアが移動しやすくなるように主機能層 11にポテンシャル井戸を形成することが可能になる。

[0094] また、光検出器 6においては、垂直方向に隣接する光電変換部 1の間にも保持領域 11cからのキャリアの漏れを抑制するために間隙が形成されているから、この間隙に対応する部位にも転送用電極 23を付加することで、垂直方向において隣接する光電変換部 1の間で電子とホールとを分離しながらも、キャリアの転送時にはキャリアが移動しやす!/、ようにポテンシャル井戸を形成することが可能になる。この構成では、 1グループ（1画素）当たり 6個の電極、集積電極（12a, 12b)、保持電極（13a, 13 b)、転送用電極（22, 23)を用いることになる。要するに、主機能層 11を共用する集積電極（ 12a, 12b)と保持電極 (13a, 13b)とのグループが複数グループ設けられ、グループ内で隣り合う集積電極（12a, 12b)の間と、グループ間で隣り合う保持電極 (13a, 13b)の間とにそれぞれ転送用電極（22, 23)が配置されるのである。

[0095] ところで、上述した例では、集積領域 1 lbへのホールの集積効率は電子よりも小さいが、実施形態 2で考察したように、 1つの光電変換部 1に集積電極（12a, 12b)と保持電極（13a, 13b)とを 2個ずつ設け、この光電変換部 1に対応した受光出力を用いると、集積効率 (Xおよび再結合確率 βの影響を排除して距離を求めることができる。しかしながら、ホールの集積効率が電子に比べて極端に小さいと、電子とホールとの再結合を利用する効果が十分に得られなくなる。そこで、電子およびホールを集積領域 l ibに集積する期間において転送用電極 22に適宜の電圧を印加することにより、ホールの集積効率を高めてもよい。

[0096] すなわち、集積電極 12a (または集積電極 12b)に負極性の集積電圧を印加するとともに、集積電極 12b (または集積電極 12a)に正極性の集積電圧を印加しているときに、集積電極 12a (または集積電極 12b)に印加する集積電圧よりも絶対値の小さい負極性の電圧を転送用電極 22に印加するのである。転送用電極 22に電圧を印加せずに OVに保つ場合には転送用電極 22はホールの集積に寄与しな、が、負極性の適宜大きさの電圧を転送用電極 22に印加することによって、図 9 (B)に示すように、感光部 11aで生成されたホールは集積電極 12a (または集積電極 12b)に対応する集積領域 1 lbだけではなぐ転送用電極 22に対応して形成されるポテンシャル井戸にも集積される。転送用電極 22に対応して形成されるポテンシャル井戸は、ホールに対して集積領域 l ibであるポテンシャル井戸よりも浅いから、転送用電極 22 に対応して形成されるポテンシャル井戸に集積されるホールは集積領域 l ibに流れる。その結果、集積電極 12a (または集積電極 12b)を単独で用いる場合に比べて多くのホールを集積領域 l ibに集積することが可能になる。なお、上述の例ではホールの集積効率が電子よりも小さい場合を想定しているが、逆に電子の集積効率がホールよりも小さい場合には、転送用電極 22を電子の集積に用いるために転送用電極 2 2に正極性の適宜大きさの電圧を印加するようにしてもょ、。他の構成および動作は実施形態 2と同様である。

[0097] (実施形態 4) 本実施形態は、図 10および図 11に示すように、光電変換部 1に隣接するように廃棄電極 17を設け、廃棄電極 17に印加する廃棄電圧を制御することにより、光電変換部 1に残留する電子およびホールを廃棄する点に特徴がある。

[0098] 光電変換部 1を縦横に複数個ずつ配列する場合には、縦横の一方の方向に沿つた廃棄電極 17を他方の方向に隣接する各一対の光電変換部 1の間に配置する。たとえば、図 10に示すように、主機能層 11を垂直転送レジスタとして兼用する構成を採用する場合は、集積電極（12a, 12b)と保持電極（13a, 13b)と転送用電極（22, 2 3)とを垂直方向（図 10の縦方向）に配列し、光電変換部 1を垂直方向に配列した各列の間に垂直方向に延長する廃棄電極 17を設ける。換言すれば、矩形形状を有する集積電極（12a, 12b)と保持電極（13a, 13b)の長手方向のそれぞれに直交する方向に、集積電極と保持電極のそれぞれから略等距離離れて延出するように廃棄電極 17が光電変換部 1表面に設けられる。この構成では、垂直転送レジスタとともに電荷転送部 7を構成する水平転送レジスタ 21に対して主機能層 11である垂直転送レジスタの一端力キャリアが引き渡される。なお、図 10では集積電極（12a, 12b)保持電極（13a, 13b)、転送用電極（22, 23)を垂直方向の各列ごとに分割しているが、各列間を分割せずに 4列分を水平方向に延長された 1個の電極で構成してもよい。

[0099] 廃棄電極 17は、 n形の半導体層である主機能層 11に主表面力も所定の深さ（2〜 3 m)の領域に形成される。主機能層 11と廃棄電極 17とはォーミックに接合してあり、正極性または負極性の廃棄電圧を廃棄電極 17に印加することにより、主機能層 1 1に残留する電子とホールとを廃棄電極 17を通して主機能層 11から廃棄することが可能になる。また、廃棄電極 17に電圧を印加せず OVに保つことにより、水平方向に隣接する主機能層 11に形成される集積領域 1 lb同士あるヽは保持領域 1 lc同士で電子またはホールが混合されるのを防止することができ、廃棄電極 17が光電変換部 1の分離性の向上に寄与することになる。つまり、廃棄電極 17は光電変換部 1を水平方向において互いに分離する分離電極として機能する。したがって、廃棄電極 17の深さは、主機能層 11に残留するキャリア（とくに、ホール)を確実に廃棄できるように設定されるのはもちろんのこと、光電変換部 1の間のキャリアの漏れを防止することも考慮して決定される。なお、廃棄電極 17を設けずに導電材料からなる分離電極を光電変換部 1の分離の目的で設け、主機能層 11に残留する電子およびホールは基板 10および中間層 16を通して廃棄するようにしてもよい。

[0100] 廃棄電極 17を用いて主機能層 11に残留する電子およびホールを廃棄する際には、電子を廃棄するかホールを廃棄するかに応じた極性で廃棄電極 17に廃棄電圧を印加する。たとえば、保持電極 13aに対応する保持領域 11cに電子が残留し、集積電極 12aに対応する集積領域 l ibにホールが残留しているものとする。実施形態 1と同様に、主機能層 11に残留するホールを先に廃棄する必要があるから、まず、ホールを廃棄するために廃棄電極 17に負極性の廃棄電圧を印加した後に、電子を廃棄するために廃棄電極 17に正極性の廃棄電圧を印加する。廃棄電極 17に負極性の廃棄電圧を印加すれば、集積電極 12aに対応する集積領域 l ibに残留していたホールが廃棄され、その後、廃棄電極 17に正極性の廃棄電圧を印加すれば、保持電極 13aに対応する保持領域 11cに残留していた電子が廃棄される。この構成は基板 10の導電形カ形である場合に用いることができるのはもちろんのこと、基板 10の導電形カ ¾形であって基板 10を通してキャリアの廃棄ができない場合であっても、廃棄電極 17を通して主機能層 11の残留キャリアを廃棄することができる。

[0101] このように、廃棄電極 17を用いることで、光電変換部に残留する電子とホールとの両方を廃棄することができるから、光電変換部に残留する不要キャリアを除去することによって、目的とする期間の受光光量に対して光電変換部から取り出す受光出力の誤差を抑制することができる。また、分離電極として機能させる場合は、隣接する列間での電子とホールとの混入を抑制するから、列間の分離性が改善される。

[0102] また、水平方向に隣り合う光電変換部 1の間の分離性を向上させるために、廃棄電極 17を設ける代わりに、図 12に示すように、隣接する光電変換部 1の列間に絶縁分離部 18を形成してもよい。絶縁分離部 18はシリコン酸ィ匕層（SiO )からなる絶縁材料

2

により形成されており、絶縁層 14に連続するように形成される。絶縁分離部 18は水平方向に隣り合う光電変換部 1の間のキャリアの漏れを防止する目的であるから、主表面からの深さは保持領域 11cの深さによって決まり、たとえば 2〜3 /z mに設定される。なお、絶縁分離部 18を形成する場合には主機能層 11に残留するキャリアを廃棄するための電極を別途に設ける。たとえば、光検出器 6を形成する半導体基板の周部に CCDイメージセンサと同様のオーバーフロードレインを設け、オーバーフロードレインを通してキャリアを廃棄することが可能である。

[0103] なお、図では主機能層 11が垂直転送レジスタを兼用する構成の光検出器 6を例示したが、主機能層 11とは別に垂直転送レジスタを設け、主機能層 11から転送ゲートを介して垂直転送レジスタにキャリアを引き渡すようにしてもよい。この構成を採用する場合には、各主機能層 11において転送ゲートを設ける部位以外を、それぞれ廃棄電極 17あるいは絶縁分離部 18で囲むようにしてもょ、。

[0104] (実施形態 5)

本実施形態は、図 13に示すように、実施形態 3において説明した転送用電極 22に代えて、 2個の制御電極（24a, 24b)を設けるとともに、転送用電極 23に代えて 2個の制御電極（25a, 25b)をそれぞれ設けることを特徴とする。

[0105] すなわち、本実施形態では、 1個の光電変換部 1において集積電極（12a, 12b)、保持電極（13a, 13b)、制御電極（24a, 24b)、制御電極（25a, 25b)を各 2個ずつ設け、 1画素に 8個の電極を設けた構成を採用している。また、図では、これらの電極を等間隔に配列してある。制御電極（24a, 24b)は 1個の光電変換部 1において隣接する集積電極（12a, 12b)の間に配置され、したがって制御電極（24a, 24b)には光が透過する。また、制御電極（25a, 25b)は隣り合う 2個の光電変換部 1に設けた保持電極（13a, 13b)の間に配置され、したがって、制御電極（25a, 25b)は遮光膜 15に覆われる。

[0106] 以下では、本実施形態の動作を図 14に基づいて説明する。図 14 (A)〜(H)は、それぞれ制御電極 25a、保持電極 13a、集積電極 12a、制御電極 24a、制御電極 24b 、集積電極 12b、保持電極 13b、制御電極 25bに電圧を印加することにより形成されるポテンシャル井戸の深さの変化を示しており、各図の中央の横線はポテンシャル井戸が形成されな、状態を表し、中央の横線よりも下側は電子に対するポテンシャル井戸が形成される状態、中央の横線よりも上側はホールに対するポテンシャル井戸が形成される状態をそれぞれ表している。つまり、中央線を基準電位とすれば、電子に対するポテンシャル井戸が形成される期間は正極性の電圧を印加して、る期間であり、ホールに対するポテンシャル井戸が形成される期間は負極性の電圧を印加している期間になる。

[0107] 図 14から明らかなように、集積電極（12a, 12b)に印加する集積電圧と保持電極（ 13a, 13b)に印加する保持電圧とは、それぞれ正負 1段階ずつと基準電位との 3段階に切り換えられ、制御電極（24a, 24b, 25a, 25b)に印加する電圧は、正 1段階と負 2段階と基準電位との 4段階に切り換えられる。尚、図中、電子を符号 eで表し、ホールを符号 hで表し、電子 eないしホール hの移動を矢印で表している。また、丸を付した符号 eおよび符号 hは、感光部 1 laから集積した電子またはホールであることを示している。

[0108] ここで、実施形態 1と同様に、発光源 2が点灯と消灯とを繰り返し、かつ点灯期間 Pb と消灯期間 Pdとの受光光量の差分に相当する受光出力を得る場合を基本動作とすると、本実施形態では、集積期間 Telと移送期間 Tmlとが点灯期間 Pbに対応し、集積期間 Tc2と移送期間 Tm2とが消灯期間 Pdに対応する。実施形態 1〜4では基本動作において、図 3に示すように、点灯期間 Pbと消灯期間 Pdとの切り換え時点と集積電圧および保持電圧の切り換え時点とを一致させるから、図 14に示す集積期間 T cl, Tc2のみの動作を行っていることになる。本実施形態の動作は、集積期間 Tel, Tc 2の間に移送期間 Tml, Tm2を設けていることが特徴であり、移送期間 Tml, T m2には集積領域 1 lbと保持領域 1 lcとの間に電位勾配を形成して電子またはホールの移動方向を規制することにより、電子またはホールが拡散するのを防止している

。つまり、移送期間 Tml, Tm2には制御電極（24a, 24b, 25a, 25b)に対応する部位に適宜の電圧を印加することによって、主機能層 11における制御電極（24a, 24b , 25a, 25b)に対応する部位に待避領域を形成し、待避領域に電子またはホールを一旦待避させた後に集積領域 l ibまたは保持領域 11cに移送することによって、集積電圧と保持電圧との極性の反転時における電子またはホールの拡散を防止している。

[0109] 以下、さらに詳しく説明する。図 14に示す動作では集積電極（12a, 12b)に印加する集積電圧と保持電極（13a, 13b)に印加する保持電圧と制御電極（24a, 24b, 25a, 25b)に印加する電圧との組合せに 10個の状態があり、 10状態で 1周期になるように各電圧の印加タイミングを制御回路 4により制御する。各状態を区別するために、図 14では 1〜： LOの符号を付している。各状態における電圧の変化を表 1に示す。表 1では、電圧を + 2V、 +V、 0、— V、—2Vの 5段階で表している。 0は基準電位であり、 + 2V> +V>0 >— V>— 2Vである。

[表 1]

[0111] 状態 1は集積期間 Tcl、状態 6は集積期間 Tc2であって、各集積期間 Tel, Tc2には、感光部 11aで生成された電子またはホールを集積領域 l ibに集積するとともに、集積期間 Tc l， Tc2より前に保持領域 11cに移送されている電子またはホールを保持領域 11cで保持する。集積期間 Tel, Tc2の動作は基本的には実施形態 1〜4と同様である。

[0112] 状態 2〜5は移送期間 Tml、状態 6〜9は移送期間 Tm2であって、各移送期間 T ml, Tm2には、集積電圧および保持電圧の極性を入れ換える。ただし、両極性の間において、一旦は基準電位となる状態 (状態 3, 8)が存在する。集積電圧と保持電圧とが基準電位となる状態 3, 8には、主機能層 11において制御電極（24a, 24b, 2 5a, 25b)に対応する部位に待避領域となるポテンシャル井戸を形成し、集積電極（ 12a, 12b)に対応する集積領域 l ibからそれぞれ制御電極（25b, 25a)に対応する待避領域に電子またはホールを移送するとともに、保持電極（13a， 13b)に対応する保持領域 11cからそれぞれ制御電極（24a, 24b)に対応する待避領域に電子またはホールを移送することができるように主機能層 11に電位勾配を付与する。集積領域 1 lbと保持領域 1 lcとには異なる種類のキャリア（一方が電子であれば他方がホール）が存在しているから、待避領域に電子またはホールが移送されることにより、電子とホールとが再結合する。すなわち、電子とホールとの再結合は、他の実施形態では主として集積電圧と保持電圧との極性の切換後に行われるが、本実施形態では集積電圧と保持電圧との極性の切換後だけではなく、集積電圧と保持電圧との極性の切換時にも行われる。つまり、待避領域を設けていることにより、集積電圧と保持電圧とが基準電位を通過するときに、電子とホールとが待避領域に移送され、移送の間に電子とホールとが再結合する。図 14において矢印が交差する部位力この状態を表している。また、他の実施形態と同様に、集積領域 l ibおよび保持領域 11cにおいて主機能層 11の表面に捕捉されてヽる電子またはホールは、集積領域 1 lbおよび保持領域 1 lcに移動してきた電子またはホールと再結合する。

[0113] 要するに、移送期間 Tml, Tm2には、集積領域 l ibと保持領域 11cとのうち電子を保持して！/、た領域力ホールを保持して、た領域の反対側に形成される待避領域に向力つて電子が移動し、ホールと再結合せずに待避領域に達した電子は、集積領域 l ibと保持領域 11cとのうち最初に電子を保持していた領域とは異なる領域に移動して、当該領域に残留していたホールと再結合する。また同様にして、集積領域 1 lbと保持領域 1 lcとのうちホールを保持して、た領域力も電子を保持して、た領域の反対側に形成される待避領域に向かってホールが移動し、電子と再結合せずに待避領域に達したホールは、集積領域 1 lbと保持領域 1 lcとのうち最初にホールを保持していた領域とは異なる領域に移動して、当該領域に残留していた電子と再結合する。このような動作により、集積電圧と保持電圧との極性の切換時であって集積電圧と保持電圧とが基準電位になるときには、電子およびホールが拡散せずに集積領域 1 lbまたは保持領域 1 lcを通って待避領域に向力つて移動するように電位勾配を与え、その後、電子およびホールを先に通過した集積領域 l ibまたは保持領域 11 cに引き戻すのである。

[0114] 移送期間 Tml, Tm2において状態 2, 7は、集積電圧と保持電圧との極性を切り換える前の準備期間であり、状態 2, 7で待避領域を用意することにより主機能層 11に電位勾配を付与し、電子およびホールの拡散を防止することができる。なお、図 14に示すように、集積領域 l ibに多くの電子およびホールを集めるために、状態 1〜： LOのうち集積期間 Tcl, Tc2に対応する状態 1, 6は他の状態よりも時間を長くしてある。また、状態 1〜5と状態 6〜10とは電子とホールとに関与する状態が入れ代わつているだけで、実質的に同様の動作になる。

[0115] このように、本実施形態では、集積電圧および保持電圧がともに基準電位になる期間（状態 3, 8)には、隣接する集積領域 l ibおよび保持領域 11cを挟む 2つの待避領域の間に電位勾配を形成して電子とホールとの拡散を防止しているから、隣接する光電変換部 1の間で電子とホールとが混合されることがなぐ光電変換部 1の分離性が高くなる。また、本実施形態の構成では、再結合後に残留する電子を受光出力として取り出す際の電子の転送用として、集積電極 (12a, 12b)および保持電極 ( 13 a, 13b)とともに制御電極（24a, 24b, 25a, 25b)を用いることができる。他の構成および動作は他の実施形態と同様である。

[0116] 尚、図 14に示す動作から明らかなように、 1画素を構成する 8個の電極のうち、集積電極 12a、保持電極 13a、制御電極（24a、 25a)の 4個の電極と、集積電極 12b、保持電極 13b、制御電極（24b、 25b)の 4個の電極とがそれぞれ組になっており、電子およびホールは組になって、る電極の間で移動するから、組外に電子またはホールが漏れることがなぐ他組の電子またはホールとの混合を防止することができる。上述した電圧の制御例は一例であって、集積電圧と保持電圧との切換時に待避領域に電子とホールとを移送し、その後に待避領域から集積領域 1 lbと保持領域 1 lcと〖こ電子とホールとを移送する動作であれば、上述の例以外の動作を採用してもよい。また、 1組の集積電極（12a, 12b)と保持電極（13a, 13b)とに対して、 2個ずつの制御電極（24a, 24b, 25a, 25b)を設けた例で説明したが、 1組の集積電極（12a, 12b) と保持電極（13a, 13b)とに対して、制御電極を 1個ずつしカゝ設けていない場合 (つまり、実施形態 3における転送用電極 22, 23を設けた構成と同様の構成)であっても、集積電圧と保持電圧との切換時に待避領域に電子とホールとを移送するように電圧を制御することが可能である。

[0117] (実施形態 6)

本実施形態における光検出器においては、図 15に示すように、 n形シリコン層である基板 10に p形シリコン層である中間層 16を介して n形シリコン層からなる主機能層 1 1を設けてあり、主機能層 11上にシリコン酸ィ匕膜からなる絶縁層 14が形成される。主機能層 11の主表面には絶縁層 14を介して複数個の分配電極 32a, 32bが対向するように配置される。分配電極（32a, 32b)は 2個ずつ近接して配置される。したがって、 1つの光電変換部 1は、一対の分配電極（32a, 32b)を有し、基板 10、主機能層 1 1、絶縁層 14、中間層 16は他の光電変換部 1と共用される。

[0118] 分配電極（32a, 32b)は分配電圧が印加されると、それぞれ主機能層 11にポテンシャル井戸（31a, 31b)を形成する。また、分配電極（32a, 32b)および絶縁層 14は透光性を有し、光が分配電極（32a, 32b)を通して主機能層 11に達するように構成してある。

[0119] 上述した光電変換部 1に光が入射すると電子およびホールが生成される。分配電極（32a, 32b)に適宜の電圧が印加されると、光電変換部 1で生成された電子およびホールは、分配電極（32a, 32b)に対応して主機能層 16に形成されたポテンシャル井戸（31a, 31b)に集積される。ここに、 1つのグループにおける分配電極（32a, 32 b)の間の距離および分配電圧の大きさは、ポテンシャル井戸（31a, 31b)の間で電子とホールが移動可能になるように設定される。

[0120] 光電変換部 1に入射する光量に応じた受光出力を得るための電子およびホールを光電変換部 1で生成する期間に基板 10および中間層 16に印加される基板電位およびリセット電圧については実施形態 1と同様であるので説明を省略する。

[0121] 分配電極（32a, 32b)にそれぞれ印加する分配電圧は、いずれも正極性と負極性との 2段階に切換可能とする。各分配電極（32a, 32b)に印加する分配電圧を正極性にすると各ポテンシャル井戸（31a, 31b)に電子を集めることができ、分配電圧を負極性にするとポテンシャル井戸（31a, 31b)にホールを集めることができる。本実施形態では、光電変換部 1にお、て生成されるキャリアである電子とホールとの少なくとも一方が受光出力として用いられる。

[0122] さて、分配電極 32aに印加する分配電圧を正極性とし、分配電極 32bに印加する分配電圧を負極性とすると、分配電極 32aに対応するポテンシャル井戸 3 laには電子が集積され、分配電極 32bに対応するポテンシャル井戸 31bにはホールが集積される。つまり、光電変換部 1 (主機能層 11)で同時刻に生成された電子およびホールが、ポテンシャル井戸 31a, 31bに振り分けて集積される。

[0123] 電子をポテンシャル井戸 3 laに集積するとともに、ホールをポテンシャル井戸 3 lbに集積した後に、各分配電極（32a, 32b)に印加する分配電圧の極性を入れ換えると、電子がポテンシャル井戸 3 lbに移送されホールがポテンシャル井戸 3 laに移送される。このとき、各ポテンシャル井戸（31a, 31b)のダングリングボンド（ないし界面電位）に捕捉されて、た電子とホールとに対して移送された電子とホールとが再結合され、また移送の途中で電子とホールとが出会うことによって再結合される。したがって、ポテンシャル井戸（31a, 31b)に先に集積されていた電子およびホールの個数に対して、移送後にポテンシャル井戸（31a, 31b)に残留する電子およびホールの個数は減少する。もっとも、遮光されていないから、電子およびホールの移送の間にも各ポテンシャル井戸 31 a, 3 lbには主機能層 11などで生成された電子およびホールが集積される。

[0124] 電子とホールとの移送を数回行った後に電子とホールとのうちの必要なキャリアを受光出力として取り出せば、集積したキャリアをそのまま出力する場合よりもキャリアの個数が減少し、結果的に光電変換部 1での飽和が生じにくくなる。し力も、電子とホールとの再結合確率は、電子およびホールの密度に依存しており、密度が高いほど再結合確率が大きくなるから、受光光量が少なく密度が低いときには再結合が生じにくぐ主機能層 11などで生成された電子およびホールに対して残留する電子およびホールの割合が多くなり、逆に、受光光量が多く密度が高いときには再結合が生じやすぐ主機能層 11などで生成された電子およびホールに対して残留する電子およびホールの割合が少なくなる。つまり、受光光量のダイナミックレンジに対して、受光出力のダイナミックレンジを抑圧することになり、光電変換部 1での飽和を生じにくくする効果が期待できる。さらには、受光光量の相違によるショットノイズが抑制され、再結合を行わずに受光出力を取り出す場合に比較すると、ショットノイズの影響が軽減される分だけ積分時間 (受光時間)を短縮し、応答速度を向上させることができる。

[0125] 次に、光電変換部 1の基本動作を説明する。光電変換部 1に入射した光量に応じて光電変換部 1で同時に生成される電子とホールとを振り分けて 2個のポテンシャル井戸（31a, 31b)に集積し、集積した電子とホールとを再結合させた後に残留する電子とホールとの少なくとも一方を受光出力として取り出すので、光電変換部 1に目的とする光が入射する前に電子あるいはホールが光電変換部 1に残留して、ると、光電変換部 1から取り出す受光出力に不要成分が含まれ、光電変換部 1から取り出す受光出力が光電変換部 1での受光光量に対応しないことになる。そこで、電子とホールとをポテンシャル井戸 3 la, 31bに集積する前に、まず光電変換部 1に残留している電子およびホールを廃棄する。この電荷の廃棄処理は、実施形態 1ですでに詳述したので省略する。

[0126] 光電変換部 1のリセット後には、まずポテンシャル井戸 3 laに電子を集積するとともに、ポテンシャル井戸 3 lbにホールを集積するために、分配電極 32aに正極性の分配電圧を印加し、同時に分配電極 31bには負極性の分配電圧を印加する。光電変換部 1では光の入射により電子とホールとが生成される力分配電極 32aに印加される分配電圧が正極性であり分配電極 32bに印加される分配電圧が負電圧であるから、主機能層 11には、ポテンシャル井戸 31aから中間層 16に向力う電位勾配が生じ、同時に中間層 16からポテンシャル井戸 31bに向力電位勾配が生じる。したがって、光電変換部 1で生成された電子はポテンシャル井戸 3 laに集積され、光電変換部 1 で生成されたホールはポテンシャル井戸 3 lbに集積される。また、このときポテンシャル井戸 31aからポテンシャル井戸 31bに向力電位勾配が生じるから、ポテンシャル井戸 31 aにホールが存在して!/、ればポテンシャル井戸 3 lbに向かって移送され、ポテンシャル井戸 31bに電子が存在していればポテンシャル井戸 31aに向かって移送される。

[0127] ポテンシャル井戸 3 laに電子が集積された後には、リセット電圧を接地電位に保つたままで、分配電極 32aに印加する分配電圧を負極性とし、分配電極 32bに印加する分配電圧を正極性とする。このとき、主機能層 11には、中間層 16からポテンシャル井戸 31 aに向力電位勾配が生じ、同時にポテンシャル井戸 3 lbから中間層 16に向力う電位勾配が生じる。つまり、光電変換部 1において生成された電子はポテンシャル井戸 3 lbに集積され、光電変換部 1において生成されたホールはポテンシャル井戸 31aに集積される。また、このとき、ポテンシャル井戸 3 lbからポテンシャル井戸 31 aに向力う電位勾配が生じるから、ポテンシャル井戸 3 laに集積されていた電子はポテンシャル井戸 3 lbに向かって移送され、ポテンシャル井戸 3 lbに集積されて!、たホールはポテンシャル井戸 31aに向かって移送される。ただし、ポテンシャル井戸 31a では表面のダングリングボンドないし界面電位によって一部の電子が捕捉されて移送されず、またポテンシャル井戸 3 lbでは表面のダングリングボンドな!/、し界面電位によって一部のホールが捕捉されて移送されな、。移送されな、電子およびホールは、ポテンシャル井戸 3 la, 3 lbに集積ないし移送されてきた電子およびホールと再結合する。また、ポテンシャル井戸 31a, 31bの間での電子およびホールの移送中には、高密度の電子とホールとが逆向きに移動するから、電子とホールとが出会う確率が高くなり、一部の電子とホールとが再結合により消滅する。

[0128] その後、各分配電極 32a, 32bに印加している分配電圧の極性を入れ換えると（つまり、分配電極 32aの分配電圧を正極性にし、分配電極 32bの分配電圧を負極性にすると）、リセット後の状態に戻り、主機能層 11には、ポテンシャル井戸 3 laから中間層 16に向力電位勾配が生じ、同時に中間層 16からポテンシャル井戸 31bに向かう電位勾配が生じる。また同時に、ポテンシャル井戸 3 laからポテンシャル井戸 3 lbに向力う電位勾配が生じる。つまり、光電変換部 1で生成された電子がポテンシャル井戸 31aに集積されるとともに、ホールがポテンシャル井戸 3 lbに集積され、さらに、ポテンシャル井戸 3 laのホールがポテンシャル井戸 3 lbに移送され、ポテンシャル井戸 3 lbの電子がポテンシャル井戸 3 laに移送される。したがって、各ポテンシャル井戸 3 la, 3 lbにおいて捕捉されている電子およびホールと、集積ないし移送された電子およびホールとが再結合するとともに、移送中に出会った電子およびホールが再結合し、光電変換部 1で生成された電子およびホールの一部は再結合によって消滅する。

[0129] 分配電極（32a, 32b)に印加する分配電圧の極性を 1回入れ換えるだけでも光電変換部 1で生成された電子およびホールの一部を消滅させることができる力ポテンシャル井戸（31a, 31b)に一度に集積する電子およびホールの個数を少なくすれば (つまり、集積の時間を短くすれば)、光電変換部 1の飽和が生じにくくなるから、集積時間を短くして分配電圧の極性を入れ換える動作を複数回行うのが望まし、。また、分配電圧の極性を 1回入れ換えるだけでは電子とホールとの密度が低く電子とホールとが出会う確率が低いが、極性を多数回入れ換えることによって、再結合に関与する電子およびホールの密度が増加して再結合確率が高くなる。

[0130] ところで、上述の動作によってホールとの再結合後にポテンシャル井戸 3 lbに残留する電子を光電変換部 1から取り出すには、両分配電極（32a, 32b)に印加する電圧を調節することにより主機能層 11に形成されるポテンシャル井戸（31a, 31b)を制御し、ポテンシャル井戸（31a, 31b)に保持している電子を転送する。つまり、主機能層 11と分配電極（32a, 32b)とを用いて CCDとして動作させることで、図 1の左右の一方向に電子を転送することができる。

[0131] 上述のように、発光源 2の点灯と消灯とを繰り返して電子とホールを再結合させることにより信号光に対応する量の電子およびホールをポテンシャル井戸（31a, 31b)に残留させる受光期間と、ポテンシャル井戸（31a, 31b)に残留する電子およびホールの少なくとも一方を光電変換部 1から取り出す取出期間とが必要であるが、これらの期間における電圧制御については、第 1実施形態においてすでに説明したので、ここでの重複する説明を省略する。尚、インターライン方式の CCDイメージセンサと同様の構成を採用する場合においては、電子とホールとを個々に転送するように 2列の垂直転送レジスタを用い、各ポテンシャル井戸（31a, 31b)に保持されたキャリアを各列の垂直転送レジスタに振り分けて転送してもよい。この構成の場合、水平転送レジスタも電子用とホール用とを個別に設けるのが望ま、。

[0132] 尚、分配電極（32a, 32b)に同時に逆極性の電圧を印加する本実施形態においても、上記実施形態で述べたように、分配電極（32a, 32b)間に転送用電極を配置して、分配電極の距離を広げ、電子とホールとを分離しやすくしながらも、ポテンシャル井戸（31a, 31b)に残留する電子およびホールの転送を容易にしたり、図 10と同様の構成に廃棄電極を設けて光電変換部に残留する電子およびホールを廃棄することも可能である。さらに、上述したように、絶縁分離部を適所に形成したり、分配電極 (32 a, 32b)を間に挟むように両側それぞれに制御電極を配置する構成を本実施形態において採用することも可能である。

[0133]

上述した各実施形態では、主機能層 11を n形、中間層 16を p形、基板 10を n形として説明したが、上述した動作が可能な範囲にぉ、て導電形は適宜に選択可能である。また、受光出力として電子を採用した力ホールを採用することも可能である。あるいは、電子とホールとの両方を受光出力として採用することも可能である。たとえば

、図 2に示した構成において、実際には、再結合確率が 1ではないから、集積電圧と保持電圧とを制御することにより電子とホールとを再結合させた後には、電子とホールとの一方だけが残留するのではなぐ電子とホールとがともに残留している。

[0134] たとえば、点灯期間 Pbには集積領域 l ibに主として電子を集積し、消灯期間 Pdには集積領域 l ibに主としてホールを集積するとすれば、点灯期間 Pbの受光光量に対応する個数の電子と、消灯期間 Pdの受光光量に対応する個数のホールとは、ともに再結合によって同数ずつ消滅すると考えられる。ここに、点灯期間 Pbに集積した電子の個数を Ne、消灯期間 Pdに集積したホールの個数 Nhとし、 1回の再結合により消滅する電子およびホールの個数を Ndとすれば、 1回の再結合後に残留する電子とホールとの個数は Ne—Nd、 Nh—Ndになる。したがって、電子とホールとのどちらを受光出力に用いても、再結合せずに取り出す場合よりは少なくなり、結果的に光検出器 6の飽和が抑制される。

[0135] また、電子を集積する期間を図 4または図 5に示した受光光量 AOまたは A1に対応する期間、ホールを集積する期間を受光光量 A2または A3の期間とすれば、再結合後の電子の個数は受光光量 AOまたは A1に対応する個数 NE力 Ndに比例する一定数 NDを減じた個数になり、再結合後のホールの個数は受光光量 A2または A3に対応する個数 NHカゝら Ndに比例する一定数 NDを減じた個数になる。つまり、再結合後に残留した電子とホールとをそれぞれ受光出力として取り出した後に減算すれば（NE— ND)—（NH— ND)であって、（NE— ND)—（NH— ND) =NE— NHであるから、 AO— A2または A1— A3を求めることができる。なお、この演算は電子とホールとの集積効率が等し、と仮定して行って、るが、集積効率が異なる場合には演算時に適宜の補正が必要になる。また、電子とホールとは極性が異なるから、光検出器 6の出力において電子とホールとに対応する受光出力の極性を反転させる力あるいは AO— A2または A1— A3の演算を行う外部回路 (たとえば、距離演算回路 5) において光検出器 6から得た 2つの受光出力を加算する。産業上の利用可能性

上記実施形態力分力るように、本発明によれば、環境光による受光出力の飽和を防いで、信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制することができる。したがつて、従来よりも環境光の強い条件下でも信号光の検出が可能になり、特に、屋外の対象空間の情報を精度良く安定して検出する空間情報検出装置を提供できるので、防犯システム等の分野においてさらなる利用の拡大が期待される。

Claims

請求の範囲

[1] 以下の構成を含む光検出器：

光の照射により電子およびホールを生成する光電変換部；

前記光電変換部上に絶縁層を介して配置される少なくとも一つの電極；

前記電極に電圧を印加することによって前記光電変換部内に形成され、光の照射により光電変換部内に生成される電子およびホールの一方^^積するポテンシャル井戸でなる第 1集積領域；

前記光電変換部内に形成され、光の照射により光電変換部に生成される電子およびホールの他方を集積する第 2集積領域；

前記電極に電圧を印加するタイミングおよび前記電圧の極性の少なくとも一方を制御する制御部；

[2] 請求項 1に記載の光検出器において、前記少なくとも一つの電極は、前記光電変換部上に絶縁層を介して設けられる一対の第 1および第 2電極でなり、前記制御部は、第 1集積領域を形成するために第 1電極に電圧を印加し、ポテンシャル井戸でなる第 2集積領域を形成するために第 2電極に電圧を印加する。

[3] 請求項 2に記載の光検出器において、前記制御部は、光の照射により前記光電変換部に生成される電子とホールの一方が第 1集積領域に集積され、光の照射により異なる時刻に光電変換部に生成される電子とホールの他方が第 2集積領域に集積されるように、前記第 1および第 2電極に電圧を印加するタイミングおよび電圧の極性を制御する。

[4] 請求項 2に記載の光検出器において、前記制御部は、光の照射により光電変換部で生成される電子とホールの一方が第 1集積領域に集積されると同時に、他方が第 2 集積領域に集積されるように、前記第 1および第 2電極に互いに異なる極性の電圧を印加する。

[5] 請求項 2に記載の光検出器において、前記制御部は、第 1集積領域に電子が集積され、第 2集積領域にホールが集積されるように前記第 1および第 2電極に電圧を印加する状態と、第 1集積領域にホールが集積され、第 2集積領域に電子が集積されるように前記第 1および第 2電極に電圧を印加する状態とを切り換えて、第 1集積領域と第 2集積領域の間で電子とホールを再結合させる。

[6] 請求項 2に記載の光検出器は、前記第 2電極上に遮光膜を有し、前記制御部は、電子およびホールの一方が第 1集積領域に集積された後、前記第 2集積領域に移送して保持され、電子およびホールの他方が第 1集積領域に集積されるように、前記第 1および第 2電極に電圧を印加するタイミングおよび電圧の極性を制御する。

[7] 請求項 2に記載の光検出器は、前記第 1電極上に入射光を収束させるレンズを有する。

[8] 請求項 2に記載の光検出器において、前記第 1電極は一対の第 1電極でなり、前記第 2電極は一対の第 2電極でなり、前記一対の第 2電極の間には、前記一対の第 1 電極が配置される。

[9] 請求項 8に記載の光検出器において、前記第 1電極間の距離は、前記第 1電極とそれに隣接する第 2電極の間の距離よりも大きい。

[10] 請求項 2に記載の光検出器において、前記第 1電極は一対の第 1電極でなり、前記第 2電極は一対の第 2電極でなり、前記第 1電極間および前記第 2電極間で、前記光電変換部上に絶縁層を介して設けられる転送用電極を有し、前記制御部は、残留した電子とホールの少なくとも一方が出力部に転送されるように、前記第 1電極、第 2電極および前記転送用電極に印加される電圧を制御する。

[11] 請求項 8に記載の光検出器は、前記第 1電極と第 2電極の長手方向のそれぞれに直交する方向に、前記第 1電極と第 2電極のそれぞれから略等距離離れて光電変換部表面に設けられる電荷廃棄電極を有し、前記制御部は、光電変換部内の電子およびホールを廃棄する時、前記電荷廃棄電極に印加する電圧を制御する。

[12] 請求項 2に記載の光検出器において、前記第 1電極は一対の第 1電極でなり、前記第 2電極は一対の第 2電極でなり、前記第 1電極の間および前記第 2電極の間の少なくとも一方において、前記光電変換部上に絶縁層を介して形成される少なくとも一つの制御電極を有し、前記制御部は、前記制御電極に電圧を印加してポテンシャル井戸からなる待避領域を形成し、前記第 1集積領域と第 2集積領域の間での電子とホールの移送が前記待避領域を経由して行われる。

[13] 請求項 12に記載の光検出器において、前記制御部は、第 1集積領域、第 2集積領域および待避領域との間に一定方向の電位勾配が形成されるように第 1電極と第 2 電極および制御電極への印加電圧を制御する。

[14] 請求項 2に記載の光検出器は制御電極を有し、第 2電極は第 1電極と制御電極の間に配置され、前記制御部は、制御電極に電圧を印加することによりポテンシャル井戸でなる待避領域を形成し、前記第 1集積領域に集積された電子とホールの一方を、前記待避領域を経由して第 2集積領域に移送する。

[15] 請求項 1に記載の光検出器において、前記光電変換部は、基板と、基板上に形成される中間層と、中間層上に形成される主機能層とで構成され、前記制御部は、基板に印加される基板電圧と、中間層に印加されるリセット電圧が逆バイアスになるようにリセット電圧の極性を制御し、光電変換部に残留する電子およびホールを中間層と基板の一方を介して廃棄する。

[16] 請求項 2に記載の光検出器を用いた空間情報検出装置であって、以下の構成を含む：

所定周波数の変調信号で強度変調した光を対象空間に照射する投光手段；前記光検出器の光電変換部には前記対象空間からの光により電子およびホールが生成され、前記光検出器の制御部は、前記第 1集積領域に電子が集積され、前記第 2集積領域にホールが集積されるように前記第 1および第 2電極に電圧が印加される状態と、前記第 1集積領域にホールが集積され、前記第 2集積領域に電子が集積されるように前記第 1および第 2電極に電圧が印加される状態とを切り換えることにより、第 1集積領域と第 2集積領域の電子とホールを再結合させ、再結合されずに残留した電子とホールの少なくとも一方を出力する；

[17] 請求項 16の空間情報検出装置において、前記制御部は、前記第 1集積領域に電子が集積され、前記第 2集積領域にホールが集積されるように前記第 1および第 2電極に電圧が印加される状態と、前記第 1集積領域にホールが集積され、前記第 2集積領域に電子が集積されるように前記第 1および第 2電極に電圧が印加される状態とを、変調信号の位相の 180度ごとに交互に切り換えることにより、第 1集積領域と第 2 集積領域の電子とホールを再結合させ、前記評価部は、前記変調信号の位相の異なる 2区間の各々において、光検出器の第 1集積領域に再結合後に残留した電子とホールの一方でなる出力と、第 2集積領域に再結合後に残留した電子とホールの一方でなる出力との間の差分を求め、前記 2区間で求めた差分から対象空間を評価する。

[18] 請求項 17に記載の空間情報検出装置において、前記評価部は、前記 2区間の一方で求めた差分を他方で求めた差分で除算した値を距離に換算する距離演算部を含む。

[19] 以下の構成を含む光検出器：

前記光電変換部上に絶縁層を介して配置される電極と、

前記電極に電圧を印加することにより前記光電変換部に形成されるポテンシャル井戸でなる電荷集積領域と、

光の照射により前記光電変換部に生成される電子とホールの一方を電荷集積領域内で、且つ光電変換部と絶縁層との界面部に保持し、次いで光の照射により光電変換部に生成される電子とホールの他方を電荷集積領域に集積して、前記界面部で電子とホールが再結合するように、前記電極に電圧を印加するタイミングおよび電圧の極性を制御する制御部と、

前記再結合後に、再結合されずに残留した電子とホールとの少なくとも一方を出力する出力部。

[20] 以下のステップを含む光検出方法：

光の照射により電子およびホールを生成する光電変換部と、前記光電変換部上に絶縁層を介して配置される一対の電極を有する光検出素子を用意する；

一方の電極に電圧を印加することによって前記光電変換部内に形成されるポテンシャル井戸でなる第 1集積領域に、光の照射により光電変換部内に生成される電子およびホールの一方を集積する；他方の電極に電圧を印加することによって前記光電変換部内に形成されるポテンシャル井戸でなる第 2集積領域に、光の照射により光電変換部内に生成される電子およびホールの他方を集積する；