WO2008059825A1 - Capteur d'image de distance - Google Patents

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WO2008059825A1
WO2008059825A1 PCT/JP2007/071992 JP2007071992W WO2008059825A1 WO 2008059825 A1 WO2008059825 A1 WO 2008059825A1 JP 2007071992 W JP2007071992 W JP 2007071992W WO 2008059825 A1 WO2008059825 A1 WO 2008059825A1
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semiconductor
semiconductor substrate
bias voltage
image sensor
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PCT/JP2007/071992
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Masanori Sahara
Mitsutaka Takemura
Koei Yamamoto
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Hamamatsu Photonics K. K.
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Definitions

  • the present invention relates to a so-called back-illuminated distance image sensor.
  • a distance image sensor that captures an image including distance information to an object.
  • this distance image sensor there are many techniques for obtaining distance information by detecting the time of flight (TOF) from when the object is irradiated to when the reflected light is received. Used! / There are two typical methods for this method, one is to measure and acquire the time of flight itself, and the other is to irradiate and reflect the light irradiated with periodically modulated light. Time of flight is obtained by measuring the phase difference with light.
  • TOF time of flight
  • a different reverse bias voltage is applied between the first and second semiconductor regions adjacent to each other and the semiconductor substrate, thereby spreading from the pn junctions of the first and second semiconductor regions. Control the size of each depletion layer.
  • the output signal of the reflected light is output from the first and second semiconductor regions 53, as shown in FIG. 54 is detected by time division.
  • the output signal 54 from the second semiconductor region corresponds to the phase difference DO between the luminance 55 of the light source and the luminance 56 of the reflected light, and corresponds to the flight time. Therefore, by detecting the output signal 54 from the second semiconductor region, the flight time is detected, and the distance information of the object is acquired.
  • Patent Document 1 Japanese Translation of Special Publication 2004-525351
  • the distance image sensor as described above has the following problems due to the so-called surface incidence type in which the first and second semiconductor regions are arranged on the surface side where light is incident on the semiconductor substrate. . That is, the generation density of carriers due to the incidence of reflected light increases as the surface of the semiconductor substrate is approached. Therefore, as shown in FIG. 9, even if the depletion layer AO of the first semiconductor region 51 is expanded and the output signal is detected only from the first semiconductor region 51, the second signal that is not intended for detection of the output signal. Many carriers C are trapped in the depletion layer BO in the semiconductor region 52, and the carriers C are detected from the semiconductor region 52. As a result, the output signal from the semiconductor region 52 includes a lot of noise. In this case, since the semiconductor region 52 and the depletion layer BO are formed on the surface 57a side where the reflected light R is incident on the semiconductor substrate 57, the substantial aperture ratio is reduced. Therefore, there is a problem that the flight time cannot be accurately detected.
  • an object of the present invention is to provide a distance image sensor that can accurately detect a flight time from when light is irradiated to an object to when reflected light is received.
  • a distance image sensor is arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner on a first conductivity type semiconductor substrate on which light is incident from the back surface, and on a front surface side of the semiconductor substrate.
  • a plurality of first-conductivity-type first semiconductor regions that form pn junctions with the semiconductor substrate, and are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the surface side of the semiconductor substrate and adjacent to the first semiconductor region;
  • a plurality of second conductivity type second semiconductor regions forming a pn junction with the substrate, and a first reverse bias voltage is applied between the semiconductor substrate and the first semiconductor region.
  • the first electrode and the second electrode are electrically connected to each other, and the second semiconductor region has a predetermined position with respect to the first reverse bias voltage between the first electrode and the first electrode electrically connected to the semiconductor substrate.
  • a third electrode for applying a second reverse bias voltage having a phase difference is electrically Subsequently, when the applied first reverse bias voltage reaches a predetermined bias voltage value, the first depletion layer extending from the pn junction of the adjacent first semiconductor region via the second semiconductor region is connected to each other. When the applied second reverse bias voltage reaches a predetermined bias voltage value, the pn junction between the adjacent second semiconductor regions via the first semiconductor region is set.
  • the expanding second depletion layer is characterized by being connected to each other.
  • the adjacent first depletion layer expands. And connected to each other so as to cover the second depletion layer.
  • the adjacent second depletion layer expands and the first depletion layer Connect to each other so as to cover.
  • the first semiconductor region or the second semiconductor region is interposed between the semiconductor substrate and the semiconductor substrate.
  • a predetermined reverse bias voltage value is applied, substantially the entire back surface side of the semiconductor substrate is occupied by the first or second depletion layer connected to each other. Therefore, it is possible to increase the substantial aperture ratio. Therefore, according to the distance image sensor of the present invention, it is possible to accurately detect the time of flight from when the object is irradiated with light until the reflected light is received.
  • the first semiconductor region and the second semiconductor region preferably have the same shape and the same area as each other when viewed from the surface of the semiconductor substrate.
  • the first semiconductor region and the second semiconductor region have a predetermined repeating pattern in which the second semiconductor region or the first semiconductor region is disposed between the adjacent first semiconductor region or the second semiconductor region.
  • the semiconductor substrate is preferably arranged on the surface side of the semiconductor substrate. In this case, when the first reverse bias voltage or the second reverse bias voltage reaches a predetermined reverse bias voltage value, the adjacent first depletion layer or second depletion layer can be preferably connected to each other.
  • the outer edge portion including the first semiconductor region and the second semiconductor region arranged on the outer periphery of the first semiconductor region and the second semiconductor region arranged on the front surface of the semiconductor substrate is shielded against light from the back surface of the semiconductor substrate! / It is preferable.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a distance image measuring device including a distance image sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram of the distance image sensor of FIG. 1 viewed from the back side.
  • FIG. 3 is an end view taken along line III-III in FIG.
  • FIG. 4 is an end view taken along line IV—IV in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the distance image sensor of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a depletion layer when the first reverse bias voltage is H bias in the distance image sensor chip of FIG. 1.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a depletion layer when the second reverse bias voltage is H bias in the distance image sensor chip of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of a conventional distance image sensor.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a depletion layer in a conventional distance image sensor.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a distance image measuring device including a distance image sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the distance image measuring device 1 captures an image including distance information up to a target object or a target region, and is used for, for example, an in-vehicle camera.
  • the distance image measuring device 1 includes a light source 2 that irradiates light on an object T, an imaging unit 3 that captures an image, a control unit 4 that controls the light source 2 and the imaging unit 3, and distance image data based on the image data.
  • an arithmetic unit 5 for generating
  • the light source 2 includes a light emitting element 6 that emits pulsed light, such as a laser diode, and a diffusion lens 7 that diffuses light emitted from the light emitting element 6.
  • the light emitting element 6 modulates the luminance of the emitted light at a predetermined frequency based on the command value from the control unit 4.
  • the imaging unit 3 includes a distance image sensor 8 and a condenser lens 9 that condenses incident light.
  • the distance image sensor 8 is configured by bonding a chip 10 on a ceramic base 30 by bump bonding.
  • the distance image sensor 8 modulates the applied voltage based on the command value from the control unit 4.
  • Fig. 2 is a view of the distance image sensor chip of Fig. 1 as viewed from the back side
  • Fig. 3 is an end view taken along line III-III of Fig. 2
  • Fig. 4 is line IV-IV of Fig. 2.
  • the chip 10 includes a semiconductor substrate 11.
  • the semiconductor substrate 11 is formed of p-type (second conductivity type) Si and has a predetermined impurity concentration. Specifically, the semiconductor substrate 11 has a p-type first semiconductor layer 21, a p-type second semiconductor layer 22, and a p + -type third semiconductor layer 23, and is arranged in the back surface direction (FIGS. 3 and It is configured to be stacked in this order in the direction of force and upward direction of 4).
  • the semiconductor substrate 11 receives light from its back surface (main surface on the back surface side) 11a.
  • This An outer frame portion 12 that protrudes so as to surround the central portion is formed on the outer surface of the back surface 1 la of the semiconductor substrate 11.
  • the inner side surface 12a of the outer frame portion 12 is tapered to reduce the thickness of the central portion while increasing the thickness of the outer frame portion 12 to maintain mechanical strength.
  • the semiconductor regions 13 and 14 are arranged. Specifically, the semiconductor regions 13 and 14 are arranged on the surface l ib side on the inner side of the outer frame portion 12 in the semiconductor substrate 11 at intervals L (see FIG. 2) so as to be in contact with the surface l ib. Yes. These semiconductor regions 13 and 14 are made of n-type (second conductivity type) Si and have a predetermined impurity concentration. Here, the semiconductor regions 13 and 14 are n + type. A pn junction is formed at the interface between the semiconductor regions 13 and 14 and the semiconductor substrate 11.
  • the semiconductor regions 13 and 14 are arranged adjacent to each other in a two-dimensional matrix. Note that, when viewed from the back surface 11a, the semiconductor regions 13 and 14 are not originally recognized, but are shown in FIG. 2 for explanation.
  • the four first semiconductor regions 13 or the second semiconductor regions 14 are rectangular when viewed from the back surface 11a, and the second semiconductor region 14 or the first semiconductor region 13 is the center point of the rectangle.
  • this repeated pattern may be a checkered pattern or a striped pattern.
  • the semiconductor regions 13 and 14 have the same circular shape and the same area as viewed from the back surface 11a (viewed from the front surface ib of the semiconductor substrate 11).
  • the semiconductor regions 13 and 14 are arranged in equal numbers.
  • the four first semiconductor regions 13 and the four second semiconductor regions 14 constitute one pixel (within the broken line frame in the figure), and a plurality of pixels constitute the chip 10. Yes.
  • the surface l ib of the semiconductor substrate 11 has a first insulating layer 15 formed of SiO force.
  • a second insulating layer 19 made of SiN is stacked on the surface 15 b of the first insulating layer 15.
  • an annular high concentration is formed so as to surround the semiconductor regions 13 and 14.
  • Layer 16 is provided.
  • the first electrode 24 is connected to the annular high-concentration layer 16 so as to have a reference potential.
  • a second electrode 17 is electrically connected to the first semiconductor region 13! /.
  • the second electrodes 17 connected to the first semiconductor region 13 corresponding to one pixel are connected to each other by wiring and have the same potential.
  • An AC power supply is connected to the first electrode 24 and the second electrode 17, and a first reverse bias is provided between the semiconductor substrate 11 and the first semiconductor region 13 via the first electrode 24 and the second electrode 17. A voltage is applied.
  • the third electrode 18 is electrically connected to the second semiconductor region 14.
  • the third electrodes 18 connected to the second semiconductor region 14 corresponding to one pixel are connected to each other by wiring and have the same potential.
  • An AC power supply is also connected to the third electrode 18, and a second reverse bias voltage is applied between the semiconductor substrate 11 and the second semiconductor region 14 via the first electrode 24 and the third electrode 18. .
  • the first and second reverse bias voltages are modulated by the control unit 4 so as to provide a predetermined phase difference therebetween, and are in a phase inversion relationship here. Specifically, when either the first reverse bias voltage or the second reverse bias voltage is the H-bias (when the H-bias is reached) with the predetermined reverse-bias voltage value, the other is greater than the H-bias. L noise, which is a low voltage value.
  • the luminance 31 of the light source 2 is modulated at a predetermined frequency.
  • a first reverse bias voltage is applied between the semiconductor substrate 11 and the first semiconductor region 13 via the first electrode 24 and the second electrode 17, and the photosensitivity 32 of the first semiconductor region 13 is changed to the light source 2 Modulate to synchronize with the brightness 31
  • a second reverse bias voltage is applied between the semiconductor substrate 11 and the second semiconductor region 14 via the first electrode 24 and the third electrode 18, and the photosensitivity 33 of the second semiconductor region 14 is increased.
  • light is emitted from the light source 2 toward the object, the reflected light is received, and the output signal (charge) of the reflected light is output to the output signal (charge) 34 of the first semiconductor region 13 and the second semiconductor.
  • the output signal (charge) 35 of area 14 is detected by time division.
  • the output signal of the second semiconductor region 14 is a phase difference (phase delay) D between the luminance 31 of the light source 2 and the luminance 36 of the reflected light, and the luminance 36 of the reflected light as shown in FIG.
  • the second semiconductor area It is in the form of a logical product with the light sensitivity 33 of the area.
  • the output signal of the first semiconductor region 13 is expressed as a phase difference between the luminance 31 of the light source 2 and the luminance 36 of the reflected light, as shown in the figure, the luminance 36 of the reflected light and the light sensitivity 32 of the first semiconductor region.
  • the output signal generated in the first semiconductor region 13 or the second semiconductor region 14 by the incident reflected light is as shown by the oblique lines in the figure, and is thus output from each of the semiconductor regions 13 and 14.
  • the output signal of the reflected light is obtained by integrating the output signal with a charge amplifier. Then, by obtaining the ratio of the output signals output from the two semiconductor regions 13 and 14, distance information (information on the distance to the object) can be obtained.
  • the output signals from the first semiconductor region 13 and the second semiconductor region 14 are added to obtain a signal corresponding to the luminance 36 of the reflected light, and then this signal and the first semiconductor region 13 or the second semiconductor region 14 are obtained.
  • the distance information may be obtained by calculating the ratio with the output signal from.
  • the phase difference is also zero, so the output signal from which the second semiconductor region 14 force is also output is zero.
  • the modulation frequency of the light source 2 is 10 MHz, one modulation period is 100 ns, and the pulse width of the portion where the luminance 31 of the light source 2 and the luminance 36 of the reflected light are bright (lighted portion) is 50 ns.
  • the light travels 30 cm in Ins, so if you use the full 10 MHz pulse width, you can measure up to 15 m (this is equivalent to a round trip distance, so the one-way distance is up to 7.5 m) Will be.)
  • the output signal output from the first semiconductor region 13 is zero. Therefore, when the reflected light is reflected and returned by an object whose distance is between Om and 7.5 m, the output signals output from both the first semiconductor region 13 and the second semiconductor region 14 are zero.
  • the pn of the first semiconductor region 13 when the first reverse bias voltage is H bias (when the second reverse bias voltage is L bias), the pn of the first semiconductor region 13 The expansion of the first depletion layer A1 extending from the junction is large, while the expansion of the second depletion layer B1 extending from the pn junction of the second semiconductor region 14 is small.
  • the adjacent first depletion layers A1 and A1 are overlapped with each other, and the second depletion layer B1 located therebetween is covered with the first depletion layers Al and A1. Therefore, the key generated near the back surface 11a in the semiconductor substrate 11
  • the carrier C can be reliably captured by the first depletion layer Al, and the output signal of the second semiconductor region 14 can be prevented from including noise.
  • the second reverse bias voltage is H bias (when the first reverse bias voltage is L bias)
  • the second depletion layer B2 has a large spread
  • the depletion layer A1 has a small spread.
  • the adjacent second depletion layers B2 and B2 are overlapped with each other, and the first depletion layer A2 located therebetween is covered with the second depletion layers B2 and B2. Therefore, the carrier C can be reliably captured by the second depletion layer B2, and the output signal from the first semiconductor region 13 can be prevented from being included in the noise.
  • the semiconductor regions 13 and 14 are arranged on the front surface ib side in the semiconductor substrate 11, that is, the distance image sensor 8 is a back-illuminated type.
  • the second reverse bias voltage is H bias
  • almost the entire area of the semiconductor substrate 11 on the back surface 1 la side is occupied by the first depletion layer A1 or the second depletion layer B2 connected to each other. Therefore, it is possible to increase the actual aperture ratio. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to accurately detect the flight time from when the object is irradiated with light until the reflected light is received.
  • the semiconductor regions 13 and 14 have the same shape and the same area as viewed from the surface l ib of the semiconductor substrate 11. This ensures that the photosensitivity in the first semiconductor region 13 when the first reverse bias voltage is H bias matches the photosensitivity in the second semiconductor region 14 when the second reverse bias voltage is H bias. be able to. That is, the semiconductor regions 13 and 14 can have the same photosensitivity characteristics. As a result, the reflected light output signal can be accurately detected by time division as the output signal of the semiconductor regions 13 and 14. Further, as described above, the semiconductor regions 13 and 14 are arranged in the same number, and the arrangement interval is the interval L. Because of this, the semiconductor regions 13 and 14 can have the same photosensitivity characteristics.
  • the second semiconductor region 14 or the first semiconductor region 13 is repeatedly arranged between the adjacent first semiconductor regions 13 and 13 or the second semiconductor regions 14 and 14.
  • the semiconductor regions 13 and 14 are arranged in a pattern.
  • the first reverse bias voltage or the second reverse bias voltage is H bias
  • the adjacent first depletion layers Al, A1 or second depletion layers B2, B2 can be reliably and easily connected to each other.
  • the outer edge including the semiconductor regions 13 and 14 arranged on the outer periphery of the semiconductor regions 13 and 14 arranged on the front surface ib side of the semiconductor substrate 11 is shielded from light on the back surface 11a of the semiconductor substrate 11.
  • no other semiconductor region other than the semiconductor substrate exists outside the semiconductor regions 13 and 14 arranged on the outer periphery.
  • carriers generated at the outer edge of the semiconductor substrate 11 may be trapped. Therefore, as described above, if the outer edge portion is shielded from light, it is possible to suppress the occurrence of carriers themselves at the outer edge portion of the semiconductor substrate 11, and it is possible to prevent force and trapping of the carrier.
  • a reverse bias voltage is applied between the semiconductor regions 13 and 14 arranged on the outer periphery of the arrayed semiconductor regions 13 and 14, but the output signal of the reflected light is not detected!
  • a dummy semiconductor region is used. In this case, since the output signal is not detected even when the depletion layer of the depletion layer in the dummy semiconductor region with a small spread captures carriers, it is possible to prevent noise from being mixed into the output signal. Become.
  • the first depletion layers Al and A1 or the second depletion layers B2 and B2 are They are set so that they are connected to each other. That is, for example, it is set as follows. That is, the first semiconductor region 13 or the second semiconductor region 14 is arranged at an interval L that is an interval in a range where the first depletion layers Al and A1 or the second depletion layers B2 and B2 are connected to each other.
  • an H bias that is a predetermined reverse bias voltage in a range where the first depletion layers Al and A1 or the second depletion layers B2 and B2 are connected to each other is applied to the first electrode 17 or the second electrode 18 ( L bias is applied to the second electrode 18 or the first electrode 17).
  • the semiconductor substrate 11 and the semiconductor regions 13 and 14 are formed at a predetermined impurity concentration which is an impurity concentration in a range where the first depletion layers Al and A1 or the second depletion layers B2 and B2 are connected to each other.
  • the semiconductor regions 13 and 14 have a circular shape as viewed from the surface l ib, but may have a square shape, a rectangular shape, or a rhombus shape.
  • the force in which one pixel is configured by the four first semiconductor regions 13 and the four second semiconductor regions 14 and the chip 10 is configured by the plurality of pixels is at least two or more second forces.
  • One pixel or a chip may be composed of one semiconductor region and at least two or more second semiconductor regions.
  • the present invention provides a distance image sensor capable of accurately detecting the time of flight from irradiating light on an object to receiving reflected light.

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Description

明 細 書
距離画像センサ
技術分野
[0001] 本発明は、いわゆる裏面入射型の距離画像センサに関する。
背景技術
[0002] 従来、対象物までの距離情報が含まれる画像を撮像する距離画像センサが知られ ている。この距離画像センサにおいては、対象物に光を照射してから反射光を受光 するまでの飛行時間（Time of Flight :TOF)を検出することにより、距離情報を取 得するとレ、う手法が多く用いられて!/、る。この手法には 2種類の代表的な方法があり、 一つは飛行時間そのものを測定して取得するものであり、もう一つは周期的に変調さ れた光を用いて照射した光と反射光との位相差を測定することにより飛行時間を取 得するものである。
[0003] この後者の方法による距離画像センサとして、第 1導電型の半導体基板と、半導体 基板との間で pn接合を形成する第 2導電型の第 1半導体領域と、当該第 1半導体領 域に隣接すると共に半導体基板との間で pn接合を形成する第 2導電型の第 2半導 体領域と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献 1参照）。
[0004] このような距離画像センサでは、隣接する第 1及び第 2半導体領域と半導体基板と の間に異なる逆バイアス電圧をそれぞれ印加することで、第 1及び第 2半導体領域の pn接合から拡がる各空乏層の大きさを制御する。そして、光源から対象物に向けて 光を照射し、反射光を受光することにより、図 8に示すように、当該反射光の出力信 号を第 1及び第 2半導体領域からの出力信号 53, 54として時分割で検出する。この とき、第 2半導体領域からの出力信号 54は、光源の輝度 55と反射光の輝度 56との 位相差 DOに相当し、飛行時間に相当する。従って、第 2半導体領域からの出力信号 54を検出することで、飛行時間が検出され、対象物の距離情報が取得されることに なる。
特許文献 1 :特表 2004— 525351号公報
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0005] しかしながら、上述したような距離画像センサは、半導体基板において光が入射さ れる表面側に第 1及び第 2半導体領域が配列されるいわゆる表面入射型であること により、以下の問題がある。すなわち、反射光の入射によるキャリアの発生密度は、半 導体基板において表面に近づくに従って高い。そのため、図 9に示すように、第 1半 導体領域 51の空乏層 AOを拡げて当該第 1半導体領域 51のみから出力信号を検出 する場合であっても、出力信号の検出を意図しない第 2半導体領域 52の空乏層 BO に多くのキャリア Cが捕捉され、当該キャリア Cが半導体領域 52から検出される。その 結果、半導体領域 52からの出力信号に多くのノイズが含まれてしまう。また、この場 合、半導体基板 57において反射光 Rが入射する表面 57a側に半導体領域 52及び 空乏層 BOが形成されるため、実質的な開口率が小さくなつてしまう。従って、飛行時 間を精度よく検出することができなレ、とレ、う問題がある。
[0006] そこで、本発明は、対象物に光を照射してから反射光を受光するまでの飛行時間 を精度よく検出することができる距離画像センサを提供することを課題とする。
課題を解決するための手段
[0007] 上記課題を解決するために、本発明に係る距離画像センサは、裏面から光が入射 される第 1導電型の半導体基板と、半導体基板の表面側に 1次元又は 2次元に配列 され、半導体基板との間で pn接合を形成する複数の第 2導電型の第 1半導体領域と 、半導体基板の表面側に 1次元又は 2次元に配列されると共に第 1半導体領域に隣 接し、半導体基板との間で pn接合を形成する複数の第 2導電型の第 2半導体領域と 、を備え、半導体基板及び第 1半導体領域には、これらの間に第 1逆バイアス電圧を 印加するための第 1電極及び第 2電極が電気的にそれぞれ接続し、第 2半導体領域 には、半導体基板に電気的に接続された第 1電極との間に第 1逆バイアス電圧に対 して所定の位相差を有する第 2逆バイアス電圧を印加するための第 3電極が電気的 に接続し、印加される第 1逆バイアス電圧が所定のバイアス電圧値に達したとき、第 2 半導体領域を介して隣接する第 1半導体領域の pn接合から拡がる第 1空乏層は、互 いに繋がるように設定されており、印加される第 2逆バイアス電圧が所定のバイアス電 圧値に達したとき、第 1半導体領域を介して隣接する第 2半導体領域の pn接合から 拡がる第 2空乏層は、互いに繋がるように設定されていることを特徴とする。
[0008] この距離画像センサでは、半導体基板及び第 1半導体領域の間に印加される第 1 逆バイアス電圧が所定の逆バイアス電圧値に達したとき、隣接する第 1空乏層は、拡 力 ¾と共に第 2空乏層を覆うように互いに繋がる。これにより、半導体基板において裏 面近傍で発生したキャリアを第 1空乏層にて確実に捕捉することができると共に、第 2 半導体領域からの出力信号にノイズが含まれるのを抑制することが可能となる。一方 、半導体基板及び第 2半導体領域の間に印加される第 2逆バイアス電圧が所定の逆 ノ^ァス電圧値に達したとき、隣接する第 2空乏層は、拡大すると共に第 1空乏層を 覆うように互いに繋がる。これにより、半導体基板において裏面近傍で発生したキヤリ ァは、第 2空乏層にて確実に捕捉することができると共に、第 1半導体領域からの出 力信号にノイズが含まれるのを抑制することが可能となる。
[0009] 加えて、半導体基板において表面側に第 1半導体領域及び第 2半導体領域が配 列される裏面入射型であることにより、第 1半導体領域又は第 2半導体領域と半導体 基板との間に所定の逆バイアス電圧値が印加されたとき、半導体基板の裏面側の略 全域は、互いに繋がる第 1又は第 2空乏層で占められる。よって、実質的な開口率を 大きくすること力可能となる。従って、本発明に係る距離画像センサによれば、対象 物に光を照射してから反射光を受光するまでの飛行時間を精度よく検出することが できる。
[0010] また、第 1半導体領域及び第 2半導体領域は、半導体基板の表面から見て、互い に同じ形状及び同じ面積であることが好ましい。この場合、例えば、第 1逆バイアス電 圧が所定のバイアス電圧値に達したときの第 1半導体領域の光感度と、第 2逆バイァ ス電圧が所定のバイアス電圧値に達したときの第 2半導体領域の光感度とを、確実 に一致させること力 Sでさる。
[0011] また、第 1半導体領域及び第 2半導体領域は、隣接する第 1半導体領域若しくは第 2半導体領域の間に第 2半導体領域若しくは第 1半導体領域が配置される所定の繰 り返しパターンで、半導体基板の表面側に配列されていることが好ましい。この場合、 第 1逆バイアス電圧又は第 2逆バイアス電圧が所定の逆バイアス電圧値に達したとき 、隣接する第 1空乏層又は第 2空乏層を好適に互いに繋げることができる。 [0012] また、半導体基板の表面に配列された第 1半導体領域及び第 2半導体領域のうち 外周に配置されたものを含む外縁部は、半導体基板の裏面にぉレ、て遮光されて!/、る ことが好ましい。ここで、配列された第 1半導体領域及び第 2半導体領域のうち外周 に配置されたものよりも外側には、半導体基板以外の他の半導体領域が存在しない 。そのため、これらの半導体領域における空乏層のうちの拡がりが小さい空乏層であ つても、半導体基板の外縁部で生じたキャリアを捕捉してしまうことがある。そこで、上 記のように、半導体基板の表面に配列された第 1半導体領域及び第 2半導体領域の うち外周に配置されたものを含む外縁部を半導体基板の裏面において遮光すること で、半導体基板の外縁部でキャリアが生じること自体を抑制することができ、かかるキ ャリアの捕捉を防止することが可能となる。
発明の効果
[0013] 本発明によれば、対象物に光を照射してから反射光を受光するまでの飛行時間を 精度よく検出することが可能となる。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]本発明の第 1実施形態に係る距離画像センサを含む距離画像計測装置を示す 構成図である。
[図 2]図 1の距離画像センサを裏面から見た図である。
[図 3]図 2の III III線に沿う端面図である。
[図 4]図 2の IV— IV線に沿う端面図である。
[図 5]図 1の距離画像センサの動作を説明するための線図である。
[図 6]図 1の距離画像センサのチップにおいて第 1逆バイアス電圧が Hバイアスのとき の空乏層を説明するための図である。
[図 7]図 1の距離画像センサのチップにおいて第 2逆バイアス電圧が Hバイアスのとき の空乏層を説明するための図である。
[図 8]従来の距離画像センサの動作を説明するための線図である。
[図 9]従来の距離画像センサにおいて空乏層を説明するための図である。
符号の説明
[0015] 8· · ·距離画像センサ、 11 · · ·半導体基板、 11a…裏面、 l ib…表面、 13, 51 · · ·第 1 半導体領域、 14, 52· · ·第 2半導体領域、 17· · ·第 2電極、 18· · ·第 3電極、 24· · ·第 1 電極、 AO, A1 , Α2· · ·第 1空乏層、 BO, B1 , Β2· · ·第 2空乏層。
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
なお、図面の説明において、同一又は相当する要素には同一符号を付し、重複する 説明は省略する。
[0017] 図 1は本発明の第 1実施形態に係る距離画像センサを含む距離画像計測装置を 示す構成図である。図 1に示すように、距離画像計測装置 1は、対象物や対象領域ま での距離情報が含まれる画像を撮像するものであり、例えば車載用カメラに用いられ る。距離画像計測装置 1は、対象物 Tに光を照射する光源 2と、画像を撮像する撮像 部 3と、光源 2及び撮像部 3を制御する制御部 4と、画像データに基づいて距離画像 データを生成する演算部 5と、を備えている。
[0018] 光源 2は、例えばレーザダイオード等のパルス光を発光する発光素子 6と、発光素 子 6で発光された光を拡散する拡散レンズ 7と、を含んで構成されている。発光素子 6 は、制御部 4からの指令値に基づいて、発光する光の輝度を所定周波数で変調する
〇
[0019] 撮像部 3は、距離画像センサ 8と、入射された光を集光する集光レンズ 9と、を含ん で構成されている。距離画像センサ 8は、バンプボンディングによりセラミックベース 3 0上にチップ 10が接合されて構成されている。距離画像センサ 8は、制御部 4からの 指令値に基づ!/、て、印加する電圧が変調される。
[0020] 図 2は図 1の距離画像センサのチップを裏面から見た図であり、図 3は図 2の III III 線に沿う端面図であり、図 4は図 2の IV— IV線に沿う端面図である。図 2〜図 4に示す ように、チップ 10は、半導体基板 11を備えている。
[0021] 図 3及び図 4に示すように、半導体基板 11は、 p型（第 2導電型）の Siにより形成さ れており、所定の不純物濃度となっている。具体的には、半導体基板 11は、 p型の第 1半導体層 21、 p—型の第 2半導体層 22、及び p+型の第 3半導体層 23を有し、裏面 方向（図 3及び図 4の上方）に向力、う方向にこの順に積層されるように構成されている 。この半導体基板 11は、その裏面 (裏面方向側の主面） 11aから光が入射される。こ の半導体基板 11の裏面 1 l aにおレ、て外側の部分には、中央部を囲むように突出す る外枠部 12が形成されている。外枠部 12の内側の側面 12aは、中央部の厚さを薄く しつつ外枠部 12の厚さを厚くして機械的強度を保っため、テーパ状になっている。
[0022] 半導体基板 11の表面 l ib側には、複数の第 1半導体領域 13及び第 2半導体領域
14が配列されている。具体的には、半導体領域 13, 14は、半導体基板 11において 外枠部 12よりも内側の表面 l ib側に、当該表面 l ibに接するように間隔 L (図 2参照 )でそれぞれ配列されている。これらの半導体領域 13, 14は、 n型（第 2導電型）の Si により形成されており、所定の不純物濃度となっている。ここでは、半導体領域 13, 1 4を n+型としている。そして、半導体領域 13, 14と半導体基板 11との間の界面で pn 接合を形成している。
[0023] 図 2に示すように、半導体領域 13, 14は、 2次元マトリクス状に、互いに隣接されて 配列されている。なお、裏面 11aから見た場合には、本来、半導体領域 13, 14は視 認されないが、図 2では説明のために示してある。半導体領域 13, 14は、裏面 11a から見て、 4つの第 1半導体領域 13若しくは第 2半導体領域 14が矩形をなし、第 2半 導体領域 14若しくは第 1半導体領域 13が当該矩形の中心点の位置に配置されるパ ターンで配列されている。つまり、隣接する第 1半導体領域 13若しくは第 2半導体領 域 14の間に第 2半導体領域 14若しくは第 1半導体領域 13が配置されるような繰り返 しパターンで配列されている。ちなみに、この繰り返しパターンとして、市松模様ゃス トライプ等とする場合がある。
[0024] 半導体領域 13, 14は、裏面 11aから見て（半導体基板 11の表面 l ibから見て）、 互いに同じ円形状であり、且つ、同じ面積を有している。半導体領域 13, 14は、配 置される個数が互いに等しくなつている。なお、距離画像センサ 8においては、 4つの 第 1半導体領域 13と 4つの第 2半導体領域 14とが 1画素（図中の破線枠内）を構成し 、複数の画素がチップ 10を構成している。
[0025] 図 3及び図 4に戻り、半導体基板 11の表面 l ibには、 SiO力、らなる第 1絶縁層 15
2
が積層されている。第 1絶縁層 15の表面 15bには、 SiNからなる第 2絶縁層 19が積 層されている。
[0026] 半導体基板 11の表面 l ib側には、半導体領域 13, 14を囲むように、環状高濃度 層 16が設けられている。そして、環状高濃度層 16には、第 1電極 24が接続されて基 準電位となるように設定されている。第 1半導体領域 13には、第 2電極 17が電気的 に接続されて!/、る。 1画素に相当する第 1半導体領域 13に接続された第 2電極 17は 、互いに配線にて結線されて同電位となっている。この第 1電極 24及び第 2電極 17 には、交流電源が接続されており、第 1電極 24及び第 2電極 17を介して半導体基板 11と第 1半導体領域 13との間に第 1逆バイアス電圧が印加される。
[0027] 第 2半導体領域 14には、第 3電極 18が電気的に接続されている。 1画素に相当す る第 2半導体領域 14に接続された第 3電極 18は、互いに配線にて結線されて同電 位となっている。この第 3電極 18にも、交流電源が接続されており、第 1電極 24及び 第 3電極 18を介して半導体基板 11と第 2半導体領域 14との間に第 2逆バイアス電圧 が印加される。
[0028] 第 1及び第 2逆バイアス電圧は、その間に所定の位相差が設けられるように制御部 4により変調され、ここでは位相反転の関係になっている。具体的には、第 1逆バイァ ス電圧又は第 2逆バイアス電圧の何れか一方が所定の逆バイアス電圧値である Hバ ィァスのとき（Hバイアスに達したとき）、その他方が Hバイアスより低い電圧値である L ノ ィァスになる。
[0029] 以上のように構成された距離画像計測装置 1では、まず、図 5に示すように、光源 2 の輝度 31を所定周波数で変調する。同時に、第 1電極 24及び第 2電極 17を介して 半導体基板 11と第 1半導体領域 13との間に第 1逆バイアス電圧を印加し、第 1半導 体領域 13の光感度 32を光源 2の輝度 31と同期するように変調する。
[0030] 同時に、第 1電極 24及び第 3電極 18を介して半導体基板 11と第 2半導体領域 14 との間に第 2逆バイアス電圧を印加し、第 2半導体領域 14の光感度 33を第 1半導体 領域 13の光感度 32に対して位相差 πとなるように変調する。この状態で、光源 2から 対象物に向けて光を照射し、反射光を受光して、反射光の出力信号 (電荷)を第 1半 導体領域 13の出力信号 (電荷) 34及び第 2半導体領域 14の出力信号 (電荷) 35と して時分割で検出する。
[0031] このとき、第 2半導体領域 14の出力信号は、光源 2の輝度 31と反射光の輝度 36と の位相差 (位相の遅れ) Dとして、図に示すように、反射光の輝度 36と第 2半導体領 域の光感度 33との論理積の形となる。また、第 1半導体領域 13の出力信号は、光源 2の輝度 31と反射光の輝度 36との位相差として、図に示すように、反射光の輝度 36 と第 1半導体領域の光感度 32との論理積の形となる。従って、反射光が入射すること により第 1半導体領域 13又は第 2半導体領域 14に発生する出力信号は、図中の斜 線で示したようになり、よって、各半導体領域 13, 14から出力される出力信号をチヤ ージアンプにより積分することで反射光の出力信号が求められる。そして、この 2つの 半導体領域 13, 14から出力された出力信号の比を求めることにより、距離情報（対 象物までの距離に関する情報）が得られることになる。なお、第 1半導体領域 13及び 第 2半導体領域 14からの出力信号を加え合わせ、反射光の輝度 36に相当する信号 を得た上で、この信号と第 1半導体領域 13又は第 2半導体領域 14からの出力信号と の比を求めることにより、距離情報を得ても良い。
[0032] 例えば、対象物までの距離が零の場合には位相差も零のため、第 2半導体領域 14 力も出力される出力信号は零である。一方、光源 2の変調周波数を 10MHzとすると 、変調の一周期は 100nsとなり、光源 2の輝度 31及び反射光の輝度 36が明るい部 分（光っている部分）のパルス幅は 50nsとなる。光は Insで 30cm進むので、 10MH zのパルスの幅をいっぱいに使った場合、 15mまでが計測可能ということになる（これ は往復の距離に相当するので、片道の距離は 7. 5mまでということになる）。すなわ ち、この場合、光が 7. 5m先で反射されて戻ってくるとき、第 1半導体領域 13から出 力される出力信号は零である。従って、距離が Omから 7. 5mの間にある対象物で反 射光が反射されて返ってくる場合には、第 1半導体領域 13及び第 2半導体領域 14 の双方から出力される出力信号は零でない値を示し、これらの比が距離情報すなわ ち飛行時間を示すことになる。
[0033] ここで、本実施形態においては、図 6に示すように、第 1逆バイアス電圧が Hバイァ スのとき（第 2逆バイアス電圧が Lバイアスのとき）、第 1半導体領域 13の pn接合から 拡がる第 1空乏層 A1の拡がりは大きい一方、第 2半導体領域 14の pn接合から拡が る第 2空乏層 B1の拡がりは小さい。そして、このときには、隣接する第 1空乏層 A1 , A1同士は、互いに重なって繋がり、これらの間に位置する第 2空乏層 B1が第 1空乏 層 Al , A1で覆われる。よって、半導体基板 11において裏面 11 a近傍で発生したキ ャリア Cを第 1空乏層 Alにて確実に捕捉することができると共に、第 2半導体領域 14 力、らの出力信号にノイズが含まれるのを抑制することが可能となる。これとは逆に、図 7に示すように、第 2逆バイアス電圧が Hバイアスのとき（第 1逆バイアス電圧が Lバイ ァスのとき）、第 2空乏層 B2の拡がりは大きい一方、第 1空乏層 A1の拡がりは小さい 。そして、このときには、隣接する第 2空乏層 B2, B2同士は、互いに重なって繋がり、 これらの間に位置する第 1空乏層 A2が第 2空乏層 B2, B2で覆われる。よって、キヤ リア Cを第 2空乏層 B2にて確実に捕捉することができると共に、第 1半導体領域 13か らの出力信号にノイズが含まれるのを抑制することが可能となる。これらの結果、反射 光の出力信号を半導体領域 13, 14の出力信号として時分割で精度良く検出するこ と力 Sできる。
[0034] 加えて、上述したように、半導体基板 11において表面 l ib側に半導体領域 13, 14 が配列されているため、つまり、距離画像センサ 8が裏面入射型であるため、第 1又 は第 2逆バイアス電圧が Hバイアスであるとき、半導体基板 11にお!/、て裏面 1 la側の 略全域は、互いに繋がる第 1空乏層 A1又は第 2空乏層 B2で占められる。よって、実 質的な開口率を大きくすることが可能となる。従って、本実施形態によれば、対象物 に光を照射してから反射光を受光するまでの飛行時間を精度よく検出することができ
[0035] また、上述したように、半導体領域 13, 14は、半導体基板 11の表面 l ibから見て、 互いに同じ形状及び同じ面積である。これにより、第 1逆バイアス電圧が Hバイアスの ときの第 1半導体領域 13における光感度と、第 2逆バイアス電圧が Hバイアスのとき の第 2半導体領域 14における光感度とを、確実に一致させることができる。すなわち 、半導体領域 13, 14を、互いに同じ光感度特性にすることができる。これにより、反 射光の出力信号を半導体領域 13, 14の出力信号として時分割で精度よく検出する ことが可能となる。さらに、上述したように、半導体領域 13, 14は、配置される個数が 互いに等しくなつており、且つ、配列される間隔が互いに間隔 Lになっている。このこ と力、らも、半導体領域 13, 14を、互いに同じ光感度特性とすることができる。
[0036] また、上述したように、隣接する第 1半導体領域 13, 13若しくは第 2半導体領域 14 , 14の間に第 2半導体領域 14若しくは第 1半導体領域 13が配置されるような繰り返 しパターンで、半導体領域 13, 14が配列されている。これにより、第 1逆バイアス電 圧又は第 2逆バイアス電圧が Hバイアスのとき、隣接する第 1空乏層 Al , A1又は第 2 空乏層 B2, B2を、確実且つ簡易に互いに繋げることができる。
[0037] なお、本実施形態では、半導体基板 11の表面 l ib側に配列された半導体領域 13 , 14のうち外周に配置されたものを含む外縁部を、半導体基板 11の裏面 11aにおい て遮光する場合もある。ここで、配列された半導体領域 13, 14のうち外周に配置され たものよりも外側には、半導体基板以外の他の半導体領域が存在しない。そのため、 これらの半導体領域 13, 14における空乏層のうちの拡がりが小さい空乏層にあって は、半導体基板 11の外縁部で生じたキャリアを捕捉することがある。そこで、上述の ように、外縁部を遮光すると、半導体基板 11の外縁部でキャリアが生じること自体を 抑制することが可能となり、力、かるキャリア捕捉を防止することが可能となる。
[0038] 或いは、配列された半導体領域 13, 14のうち外周に配置されたものを、半導体基 板 11との間で逆バイアス電圧は印加されるが反射光の出力信号を検出しな!/、レ、わ ゆるダミー半導体領域とする場合もある。この場合、ダミー半導体領域における空乏 層のうちの拡がりが小さい空乏層がキャリアを捕捉しても、出力信号を検出しないた め、当該出力信号にノイズが混入されることを防止することが可能となる。
[0039] ちなみに、本実施形態では、上述したように、印加される第 1又は第 2逆バイアス電 圧が Hバイアスのとき、第 1空乏層 Al , A1又は第 2空乏層 B2, B2同士が互いに繋 力 ¾ように設定されている。つまり、例えば以下のように設定されている。すなわち、第 1空乏層 Al , A1又は第 2空乏層 B2, B2同士が互いに繋がる範囲の間隔である間 隔 Lで、第 1半導体領域 13若しくは第 2半導体領域 14が配列されている。また、第 1 空乏層 Al , A1又は第 2空乏層 B2, B2同士が互いに繋がる範囲の所定の逆バイァ ス電圧である Hバイアスが、第 1電極 17若しくは第 2電極 18に印加されている（Lバイ ァスが第 2電極 18若しくは第 1電極 17に印加されている）。また、第 1空乏層 Al , A1 又は第 2空乏層 B2, B2同士が互いに繋がる範囲の不純物濃度である所定の不純 物濃度で、半導体基板 11及び半導体領域 13, 14が形成されている。
[0040] 以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に 限定されるものではない。 [0041] 例えば、上記実施形態では、表面 l ibから見て、半導体領域 13, 14を円形状とし たが、正方形形状、長方形形状、又はひし形形状としてもよい。
[0042] また、上記実施形態では、 4つの第 1半導体領域 13と 4つの第 2半導体領域 14とに より 1画素を構成し、複数の画素によりチップ 10を構成した力 少なくとも 2つ以上の 第 1半導体領域と少なくとも 2つ以上の第 2半導体領域とで、 1画素若しくはチップを 構成してもよい。
産業上の利用可能性
[0043] 本発明は、対象物に光を照射してから反射光を受光するまでの飛行時間を精度よ く検出することができる距離画像センサを提供する。

Claims

請求の範囲
[1] 裏面から光が入射される第 1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の表面側に 1次元又は 2次元に配列され、前記半導体基板との間 で pn接合を形成する複数の第 2導電型の第 1半導体領域と、
前記半導体基板の前記表面側に 1次元又は 2次元に配列されると共に前記第 1半 導体領域に隣接し、前記半導体基板との間で pn接合を形成する複数の第 2導電型 の第 2半導体領域と、を備え、
前記半導体基板及び前記第 1半導体領域には、これらの間に第 1逆バイアス電圧 を印加するための第 1電極及び第 2電極が電気的にそれぞれ接続し、
前記前記第 2半導体領域には、前記半導体基板に電気的に接続された前記第 1 電極との間に前記第 1逆バイアス電圧に対して所定の位相差を有する第 2逆バイァ ス電圧を印加するための第 3電極が電気的に接続し、
印加される前記第 1逆バイアス電圧が所定のバイアス電圧値に達したとき、前記第 2半導体領域を介して隣接する前記第 1半導体領域の pn接合から拡がる第 1空乏層 は、互いに繋がるように設定されており、
印加される第 2逆バイアス電圧が前記所定のバイアス電圧値に達したとき、前記第 1半導体領域を介して隣接する前記第 2半導体領域の pn接合から拡がる第 2空乏層 は、互いに繋がるように設定されていることを特徴とする距離画像センサ。
[2] 前記第 1半導体領域及び前記第 2半導体領域は、前記半導体基板の前記表面か ら見て、互いに同じ形状及び同じ面積であることを特徴とする請求項 1記載の距離画 像センサ。
[3] 前記第 1半導体領域及び前記第 2半導体領域は、隣接する前記第 1半導体領域若 しくは前記第 2半導体領域の間に前記第 2半導体領域若しくは前記第 1半導体領域 が配置される所定の繰り返しパターンで、前記半導体基板の前記表面側に配列され ていることを特徴とする請求項 1又は 2記載の距離画像センサ。
[4] 前記半導体基板の前記表面側に配列された前記第 1半導体領域及び前記第 2半 導体領域のうち外周に配置されたものを含む外縁部は、前記半導体基板の前記裏 面において遮光されていることを特徴とする請求項 1〜3の何れか一項記載の距離 画像センサ。
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