WO2009139312A1 - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

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光人 間瀬
鈴木　高志
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02024—Position sensitive and lateral effect photodetectors; Quadrant photodiodes

Definitions

  • the present invention relates to a distance sensor and a distance image sensor mounted on a product monitor or a vehicle in a production line of a factory.
  • Patent Document 1 A conventional distance measuring device is described in Patent Document 1, for example.
  • this distance image sensor four sides of the photosensitive region where light is incident are surrounded by four transfer gate electrodes, and transfer voltages having different phases are applied to these transfer gate electrodes and are positioned outside the transfer gate electrodes. The charges generated in the photosensitive region sequentially flow into the four charge storage regions. In this distance image sensor, the distance to the object is calculated based on the charge amount distributed in the accumulation region.
  • a distance image sensor having a conventional distance sensor has a configuration in which a small light incident area is surrounded by four triangular transfer gate electrodes, so that the aperture ratio is poor. Charges generated at positions away from the region cannot be collected, charge collection efficiency is poor, and charges that cannot be collected are likely to cause crosstalk. In addition, when the pixel is enlarged, it is necessary to lengthen the transfer gate electrode. Thus, the conventional distance image sensor cannot improve the charge collection efficiency and has a small signal amount, and therefore cannot obtain a distance image with a good S / N ratio.
  • the present invention has been made in view of such problems, and is a distance sensor capable of obtaining a distance output having a good S / N ratio and a distance image capable of obtaining a distance image having a good S / N ratio.
  • An object is to provide a sensor.
  • a distance sensor is arranged at least spatially apart from a charge generation region in which charge is generated in response to incident light, and collects charge from the charge generation region.
  • the distance image sensor includes an imaging region composed of a plurality of units arranged two-dimensionally on a semiconductor substrate, and one unit is a distance image sensor that obtains a distance image based on the amount of charge output from the unit. And the distance sensor.
  • a plurality of transfer electrodes are positioned around the charge generation region, but conversely, a charge generation region is also positioned around the transfer electrode. Since the transfer electrode surrounds the charge collection region, it is possible to transfer charges from all directions to the charge collection region by giving a charge transfer signal to the transfer electrode. That is, substantially all the peripheral area of the transfer electrode can function as a charge generation area, and the aperture ratio is remarkably improved. Therefore, the signal amount can be increased and a distance image with a good S / N ratio can be obtained.
  • At least two charge collection regions surrounded by transfer electrodes to which charge transfer signals having the same phase are applied may be electrically connected. In this case, the amount of charge output from these charge collection regions is averaged, and the characteristic difference for each charge collection region can be compensated.
  • the distance image sensor of the present invention further includes a potential adjusting unit that is provided in the charge generation region and makes the potential gradient from the charge generation region toward the charge collection region steep.
  • a potential adjusting unit that is provided in the charge generation region and makes the potential gradient from the charge generation region toward the charge collection region steep.
  • Such a potential adjusting means can be composed of a semiconductor region having a conductivity type different from that of the charge collection region and having a higher impurity concentration than the surroundings.
  • the potential gradient can be increased by different conductivity types.
  • the potential adjusting means is an electrode to which a predetermined potential is applied.
  • the potential gradient can be increased if a potential opposite to the potential caused by the donor or acceptor ionized in the charge collection region is applied to the electrode.
  • the shape of the transfer electrode is preferably annular. As a result, it is possible to steadily collect the charge flowing from all directions to the charge collection region and to prevent the inflow thereof. Further, the shape of the transfer electrode may be an annular shape having a gap, and in this case as well, charges flowing from all directions to the charge collection region can be collected steadily.
  • the distance sensor of the present invention a distance output with high charge collection efficiency and a good S / N ratio can be obtained.
  • the charge collection efficiency is high and S A distance image with a good / N ratio can be obtained.
  • FIG. 1 is a perspective view of an enlarged imaging region.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the imaging region taken along the arrow II-II.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a potential distribution in the imaging region.
  • FIG. 4 is a timing chart of various signals.
  • FIG. 5 is a timing chart of various signals.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a part of an imaging device in which the imaging chip shown in FIG. 2 is attached to a wiring board.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the entire imaging device.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an overall configuration of the distance image measurement device.
  • FIG. 9 is a circuit diagram in the pixel.
  • FIG. 10 is a perspective view of the imaging region of the distance image sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the imaging region shown in FIG. 10 taken along the line XI-XI.
  • FIG. 12 is a perspective view of the imaging region of the distance image sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the arrow XIII-XIII of the imaging region shown in FIG.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram for describing pixel arrangement.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the connection of the charge collection region.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining another configuration of the transfer electrode.
  • FIG. 1 is a perspective view of an imaging region of the distance image sensor according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the imaging region along arrows II-II.
  • a P-type epitaxial layer 2 having a lower concentration than the semiconductor substrate 1 is grown on the P-type semiconductor substrate 1, and a high-concentration N-type semiconductor region (charge collection region) is formed in the epitaxial layer 2.
  • 3 are provided in a matrix. It is assumed that the substrate including the epitaxial layer 2 is also a semiconductor substrate.
  • the surface of the epitaxial layer 2 is covered with an insulating layer 4, and the insulating layer 4 is provided with a contact hole for exposing the surface of the semiconductor region 3.
  • a conductor 7 for connecting the semiconductor region 3 to the outside passes through the contact hole.
  • An annular transfer electrode (gate) 5 is provided on the insulating layer 4 around the semiconductor region 3.
  • a charge generation region extends in a region outside the transfer electrode 5, and a potential adjustment unit (potential adjustment means) 6 is provided at the center of the charge generation region in the pixel.
  • the potential adjusting unit 6 of this example is an electrode disposed on the insulating layer 4.
  • one pixel P is formed in the XY plane, presents a quadrangle, and constitutes a distance sensor.
  • the potential adjustment unit 6 is located on the center, corner, and midpoint of each side of the square pixel.
  • four transfer electrodes 5 are included, and a line connecting these centers can form a quadrangle, and one potential adjustment unit 6 is located on the center of the diagonal line. Yes.
  • the semiconductor region 3 collects charges generated outside the transfer electrode 5 in response to the incidence of light.
  • the transfer electrode 5 is denoted by A when the phase of the charge transfer signal applied thereto is 0 degree and B when it is 180 degrees.
  • Different types of transfer electrodes 5 are alternately arranged along the X axis, and different types are alternately arranged along the Y axis direction. That is, when attention is paid to one transfer electrode A, The transfer electrode B is adjacent to the surrounding X-axis direction and Y-axis direction. Focusing on one transfer electrode B, the transfer electrode A is adjacent in the X-axis direction and Y-axis direction around the transfer electrode B. Note that the transfer electrodes A and B are described when attention is paid to the phase of the voltage applied to the transfer electrode, and the transfer electrode 5 when attention is paid to the transfer electrode regardless of the phase.
  • N-type semiconductors contain positively ionized donors, have a positive potential, and attract electrons.
  • the semiconductor is made of Si
  • the insulating layer 4 is made of SiO 2
  • the transfer electrode 5 and the potential adjusting unit 6 are made of polysilicon, but these may be made of other materials.
  • FIG. 3 is a diagram showing a potential distribution in the imaging region.
  • FIG. 3A is a potential diagram along the horizontal direction of the cross section of FIG. 2 when the phase of the transfer electrode A is 0 degree
  • FIG. 3B is a diagram when the phase of the transfer electrode A is 180 degrees
  • FIG. 3 is a potential diagram along the horizontal direction of the cross section of FIG. 2.
  • FIG. 3C is a potential diagram in the lateral direction in the cross section taken along the line C-C ′ of FIG. 1 in the state of FIG. In the figure, the downward direction is the positive direction of the potential.
  • phase of the transfer electrode A when the phase of the transfer electrode A is 0 degree, a positive potential is applied to the transfer electrode A, and a reverse phase potential, that is, the phase is 180 degrees.
  • a potential ground potential
  • the negative charge e generated in the charge generation portion located between the transfer electrodes A and B is reduced in the semiconductor region inside the transfer electrode A by lowering the potential barrier of the semiconductor immediately below the transfer electrode A. Flows in.
  • the potential barrier of the semiconductor immediately below the transfer electrode B does not go down, and no charge flows into the semiconductor region 3 inside the transfer electrode B.
  • phase of the transfer electrode B when the phase of the transfer electrode B is 0 degree, a positive potential is applied to the transfer electrode B, and a reverse-phase potential, that is, the phase is 180 °. Degree potential (ground potential).
  • a positive potential is applied to the transfer electrode B
  • a reverse-phase potential that is, the phase is 180 °. Degree potential (ground potential).
  • the negative charge e generated in the charge generation unit located between the transfer electrodes A and B is lowered in the semiconductor region inside the transfer electrode B by lowering the potential barrier of the semiconductor immediately below the transfer electrode B. Flows in.
  • the potential barrier of the semiconductor immediately below the transfer electrode A does not go down, and no charge flows into the semiconductor region 3 inside the transfer electrode A.
  • the potential adjustment unit 6 is not originally located between the transfer electrode A and the transfer electrode B, and in a cross section that does not pass through the potential adjustment unit 6, At the midpoint between the transfer electrode A and the transfer electrode B, the potential barrier seen in FIGS. 3A and 3B is not observed.
  • the cross sections in FIGS. 3A and 3B pass through the potential adjusting unit 6, the energy at the midpoint between the transfer electrodes A and B is high, and the potential gradient is steep. High-speed charge transfer is realized. Note that charges generated between the transfer electrodes A and B in FIG. 3C also flow into the semiconductor region 3.
  • FIG. 4 is a timing chart of various signals.
  • charge transfer signal S R are shown. Since the charge transfer signal S L is synchronized with the drive signal S D , the phase of the reflected light intensity signal L P with respect to the charge transfer signal S L is the time of flight of light, which is from the sensor to the object. Shows the distance.
  • C is the speed of light.
  • FIG. 5 is a timing chart of various actual signals.
  • a drive signal SD having a plurality of pulses is applied to the light source, and in synchronization with this, the charge transfer signals S L and S R are in opposite phases to each other.
  • a reset signal reset is applied to the semiconductor region 3, and the charge accumulated inside is discharged to the outside.
  • a plurality of drive vibration pulses are sequentially applied, and further, charge transfer is sequentially performed in synchronization with this, and charge is transferred into the semiconductor region 3. Are accumulated and accumulated. Thereafter, the charge accumulated in the semiconductor region 3 is read out before the next reset signal reset is turned ON.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a part of an imaging device in which the imaging chip shown in FIG. 2 is attached to a wiring board.
  • This imaging device is obtained by inverting the imaging chip CP shown in FIG. 2 and attaching the imaging chip CP to the wiring board WB via the multilayer wiring board M1 and the adhesive FL.
  • Inside the multilayer wiring board M1 there are provided through electrodes 7, 5E, 6E electrically connected to the semiconductor regions 3, the transfer electrodes 5, and the potential adjusting unit 6, respectively.
  • the through electrode 7 is connected to the through electrode 8 of the wiring board WB via a bump electrode BP interposed between the wiring board WB and the multilayer wiring board M1, and the through electrode 8 is exposed on the back surface of the wiring board WB. is doing.
  • the through electrode 5E connected to each transfer electrode 5 is connected to the internal wiring 50E of the wiring board WB through a wiring (not shown).
  • a light shielding layer 40 is formed on the surface of the insulating substrate M2 constituting the wiring board WB on the interface side with the adhesive FL, and the incidence of light transmitted through the imaging chip CP to the wiring board WB is suppressed. .
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the entire imaging device.
  • This imaging device is a back-illuminated distance image measuring device.
  • An enlarged view of a region surrounded by a dotted line G in FIG. 7 corresponds to FIG.
  • the central portion CR is thinner than the peripheral portion PR, and the thinned region becomes the imaging region, and the reflected light IM from the object enters.
  • a distance output and a distance image with a high S / N ratio can be obtained.
  • FIG. 8 is a diagram showing the overall configuration of the distance image measuring apparatus.
  • the distance d to the object OJ is measured by a distance image measuring device.
  • the light source 100 such as LED
  • the drive signal S D is applied
  • the intensity signal L P of the reflected light image reflected by the object OJ is incident on the imaging area IA of the imaging chip CP.
  • the charge transfer signal S L From the imaging chip CP, the charge transfer signal S L.
  • Charge amounts Q L and Q R collected in synchronization with S R are output, and are input to the arithmetic circuit ART in synchronization with the drive signal SD .
  • the distance d is calculated for each pixel as described above, and the calculation result is transferred to the control unit CONT.
  • Control unit CONT controls the driving circuit DRV for driving the light source 100, the charge transfer signal S L, outputs S R, and displays on the display DSP of the operation result inputted from the arithmetic circuit ART.
  • FIG. 9 is a circuit diagram in the pixel.
  • the potential adjusting unit 6 is a charge generation region
  • the charge generated in this region is distributed to the left and right semiconductor regions 3 by alternately applying a voltage to the transfer electrodes A and B.
  • the transfer electrodes A and B each constitute a gate electrode of a field effect transistor.
  • the above-described distance image sensor includes an imaging region including a plurality of units (pixels P) arranged two-dimensionally on a semiconductor substrate, and charge amounts Q L and Q output from the units.
  • one unit is arranged spatially separated from a charge generation region (a region outside the transfer electrode 5) where charge is generated according to incident light.
  • at least two semiconductor regions (charge collection regions) 3 that collect charges from the charge generation region, and are provided around each of the semiconductor regions 3 and are supplied with charge transfer signals of different phases, and transfer surrounding the semiconductor region 3 And an electrode 5.
  • the plurality of transfer electrodes 5 are located around the charge generation region.
  • the charge generation region is also located around the transfer electrode 5.
  • the transfer electrode 5 surrounds the semiconductor region 3, it is possible to transfer charges from all directions to the semiconductor region 3 by giving a charge transfer signal to the transfer electrode 5. That is, substantially all the peripheral region of the transfer electrode 5 can function as a charge generation region, and the aperture ratio is remarkably improved. Accordingly, the signal amount can be increased, and a distance output with a good S / N ratio and a distance image as its collective information can be obtained.
  • the distance image sensor according to the first embodiment further includes a potential adjusting unit 6 provided in the charge generation region and making the potential gradient from the charge generation region toward the semiconductor region 3 steep.
  • the potential adjustment unit 6 of the first embodiment is an electrode to which a predetermined potential is applied.
  • a potential lower than the lowest value of the potential applied to the transfer electrode is applied to this electrode.
  • the potential gradient can be increased by applying to the electrode a potential opposite to that caused by an ionized donor (all conductivity types are reversed or acceptor) in the charge collection region.
  • the shape of the transfer electrode 5 is annular, whereby it is possible to steadily collect charges flowing from all directions into the charge collecting region and to prevent the inflow thereof.
  • the shape of the transfer electrode 5 is an annular shape, but it may be a rectangular shape, or may be composed of a group of microelectrodes arranged apart from each other as shown in FIG.
  • a plurality of partial transfer electrodes 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59 are arranged at equal intervals.
  • Each of the partial transfer electrodes 51 to 59 has an arc shape, and its inner side surface is along a circle indicated by a dotted line.
  • the transfer electrode 5 forms an annular shape having a gap.
  • the microelectrodes are electrically connected so that potentials are simultaneously applied to all the electrodes.
  • the region including the four transfer electrodes is one pixel, but this may be a region including two transfer electrodes to which charge transfer signals having different phases are applied.
  • FIG. 10 is a perspective view of the imaging region of the distance image sensor according to the second embodiment
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of the imaging region shown in FIG.
  • an electrode is used as the potential adjustment unit 6, but the potential adjustment unit 6 of this example is in the same in-plane position as the potential adjustment unit 6 of the first embodiment, and the insulating layer 4. Is a P-type semiconductor region formed under. In this case, the potential adjustment unit 6 functions to increase the potential gradient as in the case of the first embodiment.
  • the potential adjusting unit 6 of the present embodiment has a conductivity type different from that of the semiconductor region 3 and is composed of a semiconductor region having a higher impurity concentration than the surroundings.
  • the potential gradient can be increased by the conductivity type of the potential adjusting unit 6 being different from that of the semiconductor region 3.
  • FIG. 12 is a perspective view of the imaging region of the distance image sensor according to the third embodiment
  • FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the arrow XIII-XIII of the imaging region shown in FIG.
  • the transfer electrode 5 includes an annular portion 5X and a radiating portion 5Y extending radially outward from the annular portion 5X, and does not include a potential adjusting portion.
  • the radiating portion 5Y extends toward a location where the potential adjusting portion is located in the above-described embodiment, and charges generated in the vicinity of this location are also transferred into the semiconductor region 3 through the radiating portion 5Y. Can do.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining pixel arrangement.
  • the transfer electrodes A and B are arranged as shown in FIG. 14A, and a square area including four transfer electrodes is described as one pixel P.
  • a group including eight transfer electrodes A and B surrounded by a one-dot chain line may be used as one pixel P.
  • two transfer electrodes A and B adjacent at the center are composed of a set of five transfer electrodes A and B surrounded by a dotted line and five transfer electrodes A and B surrounded by a two-dot chain line. It belongs to both sides of the set.
  • the charge is collected from the charge generation region having an area nearly twice as large as that in the case where the square region including the four transfer electrodes is one pixel. There is an effect that can be improved.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the connection of the charge collection regions.
  • At least two semiconductor regions 3 surrounded by the transfer electrode A to which a charge transfer signal having the same phase is applied are electrically connected.
  • at least two semiconductor regions 3 surrounded by transfer electrodes B to which charge transfer signals having the same phase are applied are electrically connected in one pixel.
  • metal wirings W1A, W1B, and W1C are used.
  • Metal wiring W1A connected to one semiconductor region 3 surrounded by transfer electrode A is connected to metal wiring W1B through a contact hole, and metal wiring W1B is further connected to metal wiring W1C through a contact hole.
  • the metal wiring W1C is connected to the other semiconductor region 3.
  • the metal wiring W2A connected to one semiconductor region 3 surrounded by the transfer electrode B is connected to the metal wiring W2B through a contact hole, and the metal wiring W2B is further connected to the metal wiring W2C through the contact hole.
  • the metal wiring W2C is connected to the other semiconductor region 3 surrounded by the transfer electrode B.
  • the charge amount output from the semiconductor region 3 of each group is averaged, and the characteristic difference for each semiconductor region 3 can be compensated.
  • a high-concentration N-type semiconductor region 3 is formed as a charge collection region in a P-type epitaxial layer 2 having a lower concentration than the P-type semiconductor substrate 1 grown on the P-type semiconductor substrate 1.
  • a P-type layer having a higher concentration than the concentration of the P-type epitaxial layer 2 is provided at the bottom of the high-concentration N-type semiconductor region 3 (interface with the P-type epitaxial layer 2), a high concentration is obtained. This is preferable because the influence of an electric field caused by applying a voltage to the N-type semiconductor region 3 can be suppressed.
  • the present invention can be used for a distance sensor and a distance image sensor mounted on a product monitor, a vehicle or the like in a factory production line.

Abstract

　この距離画像センサは、二次元状に配置された複数のユニット（画素Ｐ）からなる撮像領域を半導体基板上に備え、ユニットから出力される電荷量ＱＬ，ＱＲに基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、１つのユニットは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域（転送電極５の外側の領域）と、空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの電荷を収集する少なくとも２つの半導体領域３と、半導体領域３のそれぞれの周囲に設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、半導体領域３を囲む転送電極５とを備えている。

Description

距離センサ及び距離画像センサ
　本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタや車両等に搭載される距離センサ及び距離画像センサに関する。
　従来の測距装置は、例えば、特許文献１に記載されている。この距離画像センサでは、光が入射する光感応領域の四方は４つの転送ゲート電極で囲まれており、これらの転送ゲート電極には異なる位相の転送電圧が印加され、転送ゲート電極の外側に位置する４つの電荷蓄積領域内に、光感応領域で発生した電荷が順次流れ込む。この距離画像センサでは、蓄積領域内に振り分けられた電荷量に基づいて、対象物までの距離が演算される。
特表２０００－５１７４２７号公報
　しかしながら、従来の距離センサを有する距離画像センサにおいては、微小な光入射領域の周囲を、三角形状の４つの転送ゲート電極で囲む構成となっているため、開口率が悪く、また、この光入射領域から離れた位置で発生した電荷は収集できず、電荷収集効率が悪く、収集できない電荷はクロストークを発生する可能性が高い。また、画素を大きくする場合には、転送ゲート電極を長くする必要がある。このように、従来の距離画像センサは、電荷収集効率を向上させることができず、信号量が少ないため、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができない。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、Ｓ／Ｎ比の良い距離出力を得ることが可能な距離センサ及びＳ／Ｎ比の良い距離画像を得ることが可能な距離画像センサを提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するため、本発明に係る距離センサは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの電荷を収集する少なくとも２つの電荷収集領域と、前記電荷収集領域のそれぞれの周囲に設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、前記電荷収集領域を囲む転送電極と、を備えることを特徴とし、本発明に係る距離画像センサは、二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、１つのユニットは、上記距離センサからなることを特徴とする。
　複数のユニットを二次元状に配置すると、電荷発生領域の周辺に複数の転送電極が位置することになるが、逆に、転送電極の周辺にも電荷発生領域が位置することとなる。転送電極は電荷収集領域を囲んでいるため、転送電極へ電荷転送信号を与えることで、全方向からの電荷を電荷収集領域に転送することが可能となる。すなわち、転送電極の周辺領域を実質的に全て電荷発生領域として機能させることが可能となり、開口率が著しく改善する。したがって、信号量を増加させ、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる。１つの距離センサに着目すると、転送電極の外側の全方向から内側の電荷収集領域に電荷を転送させることができるので、多くの電荷が収集でき、かかる電荷に基づいて距離を求めると、Ｓ／Ｎ比の良い距離出力を得ることができる。
　また、同位相の電荷転送信号が与えられる転送電極に囲まれた少なくとも２つの電荷収集領域が電気的に接続されていることとしてもよい。この場合、これらの電荷収集領域から出力される電荷量が平均化され、電荷収集領域毎の特性差を補償することができる。
　また、本発明の距離画像センサは、電荷発生領域に設けられ、電荷発生領域から電荷収集領域へ向かうポテンシャル勾配を急にするポテンシャル調整手段を更に備えることが好ましい。ポテンシャル調整手段によって、ポテンシャル勾配が急になると、電荷発生領域から電荷収集領域に転送される電荷の移動速度が高速になる。すなわち、高速撮像が可能となる。
　このようなポテンシャル調整手段は、電荷収集領域とは異なる導電型であり、周囲よりも不純物濃度が高い半導体領域から構成することができる。導電型が異なることにより、ポテンシャル勾配は大きくすることができる。
　また、ポテンシャル調整手段は、所定の電位が与えられる電極であることを特徴とする。電荷収集領域においてイオン化されたドナー又はアクセプターによる電位とは逆の電位を、上記電極に与えれば、ポテンシャル勾配は大きくすることができる。
　また、転送電極の形状は、環状であることが好ましい。これにより全方位から電荷収集領域に流れる電荷を着実に収集し、また、その流入を阻止することが可能となる。また、転送電極の形状は、空隙を有する環状とすることもでき、この場合においても、全方位から電荷収集領域に流れる電荷を着実に収集することができる。
　本発明の距離センサによれば、その電荷収集効率が高く、Ｓ／Ｎ比の良い距離出力を得ることができ、これを複数用いた距離画像センサによれば、その電荷収集効率が高く、Ｓ／Ｎ比の良い距離画像を得ることができる。
図１は、拡大した撮像領域の斜視図である。 図２は、撮像領域のＩＩ－ＩＩ矢印断面図である。 図３は、撮像領域におけるポテンシャル分布を示す図である。 図４は、各種信号のタイミングチャートである。 図５は、各種信号のタイミングチャートである。 図６は、図２に示した撮像チップを配線基板に取り付けた撮像デバイスの一部分の断面図である。 図７は、撮像デバイスの全体の断面図である。 図８は、距離画像測定装置の全体構成を示す図である。 図９は、画素内における回路図である。 図１０は、第２実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の斜視図である。 図１１は、図１０に示した撮像領域のＸＩ－ＸＩ矢印断面図である。 図１２は、第３実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の斜視図である。 図１３は、図１２に示した撮像領域のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ矢印断面図である。 図１４は、画素配置について説明するための説明図である。 図１５は、受電荷収集領域の接続について説明するための図である。 図１６は、転送電極の別の構成について説明するための説明図である。
　以下、発明の実施の形態に係る距離センサを有する距離画像センサについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、第１実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の斜視図であり、図２は、撮像領域のＩＩ－ＩＩ矢印断面図である。
　Ｐ型の半導体基板１上には、半導体基板１よりも低濃度のＰ型のエピタキシャル層２が成長しており、エピタキシャル層２内には、高濃度のＮ型の半導体領域（電荷収集領域）３がマトリックス状に設けられている。なお、エピタキシャル層２を含む基板も半導体基板であるとする。エピタキシャル層２の表面は絶縁層４で被覆されており、絶縁層４には、半導体領域３の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、半導体領域３を外部に接続するための導体７が通っている。
　半導体領域３の周囲の絶縁層４上には、環状の転送電極（ゲート）５が設けられている。転送電極５の外側の領域には、電荷発生領域が広がっており、画素内の電荷発生領域の中心には、ポテンシャル調整部（ポテンシャル調整手段）６が設けられている。本例のポテンシャル調整部６は、絶縁層４に配置された電極である。ＸＹＺ直交座標系を設定すると、１つの画素ＰはＸＹ平面内に形成され、四角形を呈し、距離センサを構成している。ポテンシャル調整部６は、四角形の画素の中心、角部、各辺の中点上に位置している。１つの画素Ｐ内には、４つの転送電極５が含まれており、これらの中心を結ぶ線は四角形を構成することができ、その対角線の中心上に１つのポテンシャル調整部６が位置している。
　半導体領域３は、光の入射に応じて転送電極５の外側で発生した電荷を収集するものである。転送電極５は、これに印加される電荷転送信号の位相が０度のものをＡ、１８０度のものをＢとする。転送電極５は、Ｘ軸に沿って異なる種類のものが交互に並んでおり、Ｙ軸方向に沿っても異なる種類のものが交互に並んでいる、すなわち、１つの転送電極Ａに着目すると、その周囲のＸ軸方向、及び、Ｙ軸方向には、転送電極Ｂが隣接している。１つの転送電極Ｂに着目すると、その周囲のＸ軸方向、及び、Ｙ軸方向には、転送電極Ａが隣接している。なお、転送電極への印加電圧の位相に着目している場合には転送電極Ａ，Ｂとし、位相に拘らず転送電極に着目している場合には転送電極５として説明する。
　１つの画素Ｐの中心に入射した光は、半導体基板内において電荷に変換され、このようにして発生した電荷は、ポテンシャル調整部６の形成するポテンシャル勾配にしたがって、いずれかの転送電極５の方向に走行する。
　転送電極５に、正電位を与えると、転送電極５によるゲートが開放し、負の電荷（電子）は、転送電極５方向に引き込まれ、Ｎ型の半導体領域３によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。Ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。
　転送電極５に、上記正電位よりも低い電位（グランド電位）を与えると、転送電極５によるゲートが閉じ、半導体領域３で発生した電荷は、半導体領域３内には引き込まれないことになる。
　なお、半導体はＳｉ、絶縁層４はＳｉＯ２、転送電極５及びポテンシャル調整部６は、ポリシリコンからなるが、これらは別の材料を用いてもよい。
　図３は、撮像領域におけるポテンシャル分布を示す図である。
　図３（ａ）は、転送電極Ａの位相が０度のときの図２の断面の横方向に沿ったポテンシャル図であり、図３（ｂ）は、転送電極Ａの位相が１８０度のときの図２の断面の横方向に沿ったポテンシャル図である。また、図３（ｃ）は、図３（ａ）の状態のときに、図１のＣ－Ｃ’線に沿った断面における横方向のポテンシャル図である。なお、同図では下向きがポテンシャルの正の向きである。
　図３（ａ）に示すように、転送電極Ａの位相が０度のとき、転送電極Ａには正の電位が与えられ、転送電極Ｂには、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、転送電極ＡとＢの間に位置する電荷発生部で発生した負の電荷ｅは、転送電極Ａ直下の半導体のポテンシャル障壁が下がることにより、転送電極Ａの内側にある半導体領域内に流れ込む。一方、転送電極Ｂ直下の半導体のポテンシャル障壁は下がらず、転送電極Ｂの内側にある半導体領域３内には、電荷は流れ込まない。
　また、図３（ｂ）に示すように、転送電極Ｂの位相が０度のとき、転送電極Ｂには正の電位が与えられ、転送電極Ａには、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（グランド電位）が与えられる。この場合、転送電極ＡとＢの間に位置する電荷発生部で発生した負の電荷ｅは、転送電極Ｂ直下の半導体のポテンシャル障壁が下がることにより、転送電極Ｂの内側にある半導体領域内に流れ込む。一方、転送電極Ａ直下の半導体のポテンシャル障壁は下がらず、転送電極Ａの内側にある半導体領域３内には、電荷は流れ込まない。
　また、図３（ｃ）に示すように、本来、転送電極Ａと転送電極Ｂとの間には、ポテンシャル調整部６が位置しておらず、ポテンシャル調整部６を通らない断面内においては、転送電極Ａと転送電極Ｂとの間の中点には、図３（ａ）、図３（ｂ）に見られるポテンシャル障壁は観察されない。一方、図３（ａ）、図３（ｂ）における断面は、ポテンシャル調整部６を通っているので、転送電極Ａ，Ｂ間の中点のエネルギーが高く、ポテンシャル勾配が急になっており、高速の電荷転送が実現されている。なお、図３（ｃ）における転送電極Ａ，Ｂ間で発生した電荷も、半導体領域３内に流れ込む。
　図４は、各種信号のタイミングチャートである。
　後述の光源の駆動信号ＳＤ、光源が対象物に当たって撮像領域まで戻ってきたときの反射光の強度信号ＬＰ、転送電極Ａに印加される電荷転送信号ＳＬ、転送電極Ｂに印加される電荷転送信号ＳＲが示されている。電荷転送信号ＳＬは、駆動信号ＳＤに同期しているので、反射光の強度信号ＬＰの電荷転送信号ＳＬに対する位相が、光の飛行時間であり、これはセンサから対象物までの距離を示している。ここでは、各電荷転送信号ＳＬ，ＳＲの印加時に、半導体領域３で収集された電荷量ＱＬ，ＱＲの比率を用いて、距離ｄを演算する。すなわち、駆動信号の１つのパルス幅をＴＰとすると、距離ｄ＝（ｃ／２）×（ＴＰ×ＱＲ／（ＱＬ＋ＱＲ））で与えられる。なお、ｃは光速である。
　図５は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
　１フレームの期間ＴＦ内において、１つの画素に着目すると、複数のパルスを有する駆動信号ＳＤが光源に印加され、これに同期して、電荷転送信号ＳＬ，ＳＲが互いに逆位相で転送電極Ａ，Ｂに印加される。なお、距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが半導体領域３に印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、複数の駆動振動パルスが逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われ、半導体領域３内に電荷が積算して蓄積される。しかる後、次のリセット信号ｒｅｓｅｔがＯＮする前に、半導体領域３内に蓄積された電荷が読み出される。
　図６は、図２に示した撮像チップを配線基板に取り付けた撮像デバイスの一部分の断面図である。
　この撮像デバイスは、図２に示した撮像チップＣＰを反転させ、多層配線基板Ｍ１と接着剤ＦＬを介して配線基板ＷＢに撮像チップＣＰを貼り付けたものである。多層配線基板Ｍ１の内部には、各半導体領域３、転送電極５、及びポテンシャル調整部６にそれぞれ電気的に接続された貫通電極７、５Ｅ、６Ｅが設けられている。貫通電極７は、配線基板ＷＢと多層配線基板Ｍ１との間に介在するバンプ電極ＢＰを介して、配線基板ＷＢの貫通電極８に接続されており、貫通電極８は配線基板ＷＢの裏面に露出している。各転送電極５に接続された貫通電極５Ｅは、図示しない配線を介して配線基板ＷＢの内部配線５０Ｅに接続されている。配線基板ＷＢを構成する絶縁基板Ｍ２の接着剤ＦＬとの界面側の表面には、遮光層４０が形成されており、撮像チップＣＰを透過した光の配線基板ＷＢへの入射を抑制している。
　図７は、撮像デバイスの全体の断面図である。
　この撮像デバイスは、裏面照射型の距離画像測定装置である。図７の点線Ｇで囲まれた領域の拡大図が、図６に相当する。撮像チップＣＰは、中央部ＣＲが周辺部ＰＲと比較して薄化されており、薄化された領域が撮像領域となり、対象物からの反射光ＩＭが入射する。この装置では、電荷発生部の光入射側に電極が存在しないので、Ｓ／Ｎ比の高い距離出力及び距離画像を得ることができる。
　図８は、距離画像測定装置の全体構成を示す図である。
　対象物ＯＪまでの距離ｄは、距離画像測定装置によって測定される。上述のように、ＬＥＤなどの光源１００には、駆動信号ＳＤが印加され、対象物ＯＪで反射された反射光像の強度信号ＬＰが撮像チップＣＰの撮像領域ＩＡに入射する。撮像チップＣＰからは、各画素毎に、電荷転送信号ＳＬ．ＳＲに同期して収集された電荷量ＱＬ，ＱＲが出力され、これは駆動信号ＳＤに同期して演算回路ＡＲＴに入力される。演算回路ＡＲＴでは、上述のように画素毎に距離ｄを演算し、演算結果を制御部ＣＯＮＴに転送する。制御部ＣＯＮＴは、光源１００を駆動する駆動回路ＤＲＶを制御すると共に、電荷転送信号ＳＬ，ＳＲを出力し、演算回路ＡＲＴから入力された演算結果を表示器ＤＳＰに表示する。
　図９は、画素内における回路図である。
　ポテンシャル調整部６を電荷発生領域とすると、この領域で発生した電荷は、転送電極Ａ，Ｂに交互に電圧を印加することで、左右の半導体領域３内に電荷を振り分けている。なお、転送電極Ａ，Ｂは、それぞれ電界効果トランジスタのゲート電極を構成している。
　以上、説明したように、上述の距離画像センサは、二次元状に配置された複数のユニット（画素Ｐ）からなる撮像領域を半導体基板上に備え、ユニットから出力される電荷量ＱＬ，ＱＲに基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、１つのユニットは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域（転送電極５の外側の領域）と、空間的に離間して配置され、電荷発生領域からの電荷を収集する少なくとも２つの半導体領域（電荷収集領域）３と、半導体領域３のそれぞれの周囲に設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、半導体領域３を囲む転送電極５とを備えている。
　このように、複数の画素Ｐを二次元状に配置すると、電荷発生領域の周辺に複数の転送電極５が位置することになるが、逆に、転送電極５の周辺にも電荷発生領域が位置することとなる。転送電極５は半導体領域３を囲んでいるため、転送電極５へ電荷転送信号を与えることで、全方向からの電荷を半導体領域３に転送することが可能となる。すなわち、転送電極５の周辺領域を実質的に全て電荷発生領域として機能させることが可能となり、開口率が著しく改善する。したがって、信号量を増加させ、Ｓ／Ｎ比の良い距離出力及びその集合情報としての距離画像を得ることができる。
　また、第１実施形態の距離画像センサは、電荷発生領域に設けられ、電荷発生領域から半導体領域３へ向かうポテンシャル勾配を急にするポテンシャル調整部６を更に備えている。ポテンシャル調整部６によって、ポテンシャル勾配が急になると、電荷発生領域から半導体領域３に転送される電荷の移動速度が高速になる。すなわち、高速撮像が可能となる。なお、また、第１実施形態のポテンシャル調整部６は、所定の電位が与えられる電極である。好適には、本例では、この電極には、転送電極に与えられる電位の最低値よりも低い電位が与えられる。電荷収集領域においてイオン化されたドナー（全ての導電型を逆にした場合には又はアクセプター）による電位とは逆の電位を、上記電極に与えれば、ポテンシャル勾配は大きくすることができる。
　また、転送電極５の形状は環状であり、これにより全方位から電荷収集領域に流れる電荷を着実に収集し、また、その流入を阻止するこが可能となる。転送電極５の形状は、円環状であるが、これは角環状であってもよく、図１６のように環状に沿って離間して配置された微小電極群から構成してもよい。図１６に示す転送電極５は、複数の部分転送電極５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９が等間隔に離れて並んでいる。各部分転送電極５１～５９の形状は円弧状であり、その内側の側面は、点線で示される円に沿っている。このように、転送電極５は、空隙を有する環状を構成している。但し、この場合には、全ての電極に同時に電位が与えられるように各微小電極は電気的に接続されていることとする。
　なお、上記では４つの転送電極を含む領域を１画素としたが、これは、異なる位相の電荷転送信号が印加される２つの転送電極を含む領域としてもよい。
　図１０は、第２実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の斜視図であり、図１１は、図１０に示した撮像領域のＸＩ－ＸＩ矢印断面図である。
　第１実施形態においては、ポテンシャル調整部６として電極を用いたが、本例のポテンシャル調整部６は、第１実施形態のポテンシャル調整部６と、同一の平面内位置であって、絶縁層４の下に形成されたＰ型の半導体領域である。この場合において、ポテンシャル調整部６が、第１実施形態の場合と同様にポテンシャル勾配を高めるように機能する。
　本実施形態のポテンシャル調整部６は、半導体領域３とは異なる導電型であり、周囲よりも不純物濃度が高い半導体領域から構成されている。このように、ポテンシャル調整部６の導電型が半導体領域３とは異なることにより、ポテンシャル勾配を大きくすることができる。
　図１２は、第３実施形態に係る距離画像センサの撮像領域の斜視図であり、図１３は、図１２に示した撮像領域のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ矢印断面図である。
　本例では、転送電極５が、環状部５Ｘと、環状部５Ｘから外方に放射状に延びた放射部５Ｙからなり、また、ポテンシャル調整部を備えていない。放射部５Ｙは、上述の実施形態においてポテンシャル調整部が位置していた箇所に向かって延びており、この箇所の近辺で発生した電荷も放射部５Ｙを介して、半導体領域３内に転送することができる。
　図１４は、画素配置について説明するための説明図である。
　第１～第３実施形態においては、図１４（ａ）のように転送電極Ａ，Ｂを配置し、４つの転送電極を含む四角形の領域を１画素Ｐとして説明した。これは、図１４（ｂ）に示すように一点鎖線で囲まれた８つの転送電極Ａ，Ｂを含む組を１画素Ｐとしてもよい。図１４（ｂ）において中央で隣接する２つの転送電極Ａ，Ｂは、点線で囲まれた５つの転送電極Ａ，Ｂの組と、二点鎖線で囲まれた５つの転送電極Ａ，Ｂの組の双方に属するものである。この場合、図１４（ａ）に示したように、４つの転送電極を含む四角形の領域を１画素とした場合に比べて、２倍近くの面積の電荷発生領域から電荷収集するので、距離精度を向上させることができるという効果がある。
　図１５は、電荷収集領域の接続について説明するための図である。
　この構成では、１つの画素内において、同位相の電荷転送信号が与えられる転送電極Ａに囲まれた少なくとも２つの半導体領域３が電気的に接続されている。また、この構成では、１つの画素内において、同位相の電荷転送信号が与えられる転送電極Ｂに囲まれた少なくとも２つの半導体領域３が電気的に接続されている。
　転送電極Ａに囲まれた半導体領域３同士を接続するために、金属配線Ｗ１Ａ、Ｗ１Ｂ、Ｗ１Ｃを用いている。転送電極Ａに囲まれた一方の半導体領域３に接続された金属配線Ｗ１Ａは、コンタクトホールを介して、金属配線Ｗ１Ｂに接続され、金属配線Ｗ１Ｂは更にコンタクトホールを介して金属配線Ｗ１Ｃに接続され、金属配線Ｗ１Ｃは他方の半導体領域３に接続されている。
　同様に、転送電極Ｂに囲まれた一方の半導体領域３に接続された金属配線Ｗ２Ａは、コンタクトホールを介して、金属配線Ｗ２Ｂに接続され、金属配線Ｗ２Ｂは更にコンタクトホールを介して金属配線Ｗ２Ｃに接続され、金属配線Ｗ２Ｃは転送電極Ｂに囲まれた他方の半導体領域３に接続されている。
　この場合、各グループの半導体領域３から出力される電荷量が平均化され、半導体領域３毎の特性差を補償することができる。
　また、電荷収集領域として高濃度のＮ型の半導体領域３を、Ｐ型の半導体基板１の上に成長させたＰ型の半導体基板１よりも低濃度のＰ型のエピタキシャル層２の中に作りこんでいるが、高濃度のＮ型の半導体領域３の底（Ｐ型のエピタキシャル層２との界面）にＰ型のエピタキシャル層２の濃度よりも濃いＰ型の層を設けると、高濃度のＮ型の半導体領域３に電圧を印加することによる電界の影響を抑えることができて好ましい。これは、高濃度のＮ型の半導体領域３に電圧を印加するとＰ型のエピタキシャル層２との間で空乏層が広がってしまい、光により生じた電荷が空乏層内部の電界によって転送電極の電位に関係なく高濃度のＮ型の半導体領域３に流れ込む可能性があるが、高濃度のＮ型の半導体領域３の下にP型のエピタキシャル層２よりも濃い濃度でP型の層を設けてやることにより、P型のエピタキシャル層２の中で空乏層があまり広がらなくすることができるからである。なお、上述の導電型は一括して反転させることも可能である。
　本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタや車両等に搭載される距離センサ及び距離画像センサに利用することができる。
　３　半導体領域（電荷収集領域）
　５，Ａ，Ｂ　転送電極
　６　ポテンシャル調整部

Claims (8)

  1. 　入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
    　空間的に離間して配置され、前記電荷発生領域からの電荷を収集する少なくとも２つの電荷収集領域と、
    　前記電荷収集領域のそれぞれの周囲に設けられ、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、前記電荷収集領域を囲む転送電極と、
    を備えることを特徴とする距離センサ。
  2. 　二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、前記ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサにおいて、
    　１つの前記ユニットは、請求項１に記載の距離センサであることを特徴とする距離画像センサ。
  3. 　同位相の電荷転送信号が与えられる前記転送電極に囲まれた少なくとも２つの前記電荷収集領域が電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の距離画像センサ。
  4. 　前記電荷発生領域に設けられ、前記電荷発生領域から前記電荷収集領域へ向かうポテンシャル勾配を急にするポテンシャル調整手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の距離画像センサ。
  5. 　前記ポテンシャル調整手段は、前記電荷収集領域とは異なる導電型であり、周囲よりも不純物濃度が高い半導体領域からなることを特徴とする請求項４に記載の距離画像センサ。
  6. 　前記ポテンシャル調整手段は、所定の電位が与えられる電極であることを特徴とする請求項４に記載の距離画像センサ。
  7. 　前記転送電極の形状は、環状であることを特徴とする請求項２に記載の距離画像センサ。
  8. 　前記転送電極の形状は、空隙を有する環状であることを特徴とする請求項２に記載の距離画像センサ。
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