(57)【要約】【課題】画像センサにおいて、同一の画素内で生成された電荷の拡散移動を制御して、電荷の収集速度を改善し、画素間のクロストークを低減する。【解決手段】ＴＯＦセンサ１５は、全画素２５に共通に形成されたｐ−ｅｐｉ層６１と、各画素２５においてｐ−ｅｐｉ層６１に積層されたｎ層６５と、各ｎ層６５を包囲するように、ｐ−ｅｐｉ層６１に積層されたｐ層６８と、画素２５ｌの境界線より内側においてｎ層６５を包囲するように、ｐ層６８形成され、かつｐ層６８の表面からｐ層６８の底面より深い位置まで達するＤＴＩ３６と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードを構成する２つの半導体層のうちの一方として全画素に共通に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記２つの半導体層のうちの他方として画素ごとに前記第１半導体層に積層された第２導電型の第２半導体層と、
各第２半導体層を包囲するように、前記第１半導体層に積層された前記第１導電型のウェル層と、
前記画素の境界線より内側において前記第２半導体層を包囲するように、前記ウェル層に形成され、かつ積層方向に前記ウェル層の表面から前記ウェル層の底面より深い位置まで達する絶縁体トレンチと、
を備えることを特徴とする画像センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の画像センサにおいて、
各画素は、前記積層方向の一方の面が受光面である受光部と、該受光部以外の部分である非受光部とに区分され、
前記ウェル層は、前記受光部に属する第１部分と、前記非受光部に属する第２部分とを有し、
前記絶縁体トレンチは、前記第２部分に形成されていることを特徴とする画像センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の画像センサにおいて、
前記受光面は、前記積層方向から見て、円形状を有し、
前記絶縁体トレンチの包囲形状は、前記積層方向から見て、前記受光面の前記円形状に外接する正多角形であることを特徴とする画像センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の画像センサにおいて、
各画素は、前記積層方向の一方の面が受光面である受光部と、該受光部以外の部分である非受光部とに区分され、
前記ウェル層は、前記受光部に属する第１部分と、前記非受光部に属する第２部分とを有し、
前記絶縁体トレンチは、前記第１部分及び前記第２部分のどちらか一方又は両方に跨って形成されていることを特徴とする画像センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像センサと、
前記画像センサに前記フォトダイオードの逆バイアス電圧を印加するバイアス電源と、
を備えることを特徴とする撮像カメラ。
【請求項６】
請求項５に記載の撮像カメラにおいて、
前記画像センサの各画素は複数の集光レンズを含むレンズアレイを備えることを特徴とする撮像カメラ。
【請求項７】
請求項６に記載の撮像カメラにおいて、
前記レンズアレイは、前記画像センサの表面側又は裏面側に配置されていることを特徴とする撮像カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像センサ及び撮像カメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、ＴＯＦ（Time of Flight）方式の距離画像センサを開示する。該距離画像センサは、出射光と、該出射光が対象物に当たって戻って来た反射光との位相差を画素ごとに検出して、画素ごとに検出した位相差に基づいて距離画像を生成する。該距離画像センサは、また、入射光から外乱光（背景光）を除去して反射光のみを抽出するための抽出回路を各画素に装備している。
【０００３】
特許文献２は、別の距離画像センサを開示する。該距離画像センサは、ＰＤ（フォトダイオード： Photodiode）に逆バイアス電圧を印加して、ＰＤの空乏層より深い位置で生成された電荷をドリフト移動でフォトダイオードに収集する。これにより、生成された電荷をより高速に収集することができ、その結果測距精度が向上する。
【０００４】
一方、特許文献３は、ＤＴＩ（Deep Trench Isolation）付きの二次元画像センサを開示する。該二次元画像センサにおいて、ＤＴＩは、画素アレイにおける画素の境界線に沿って形成され、隣接画素間の電荷の移動を阻止する。これにより、画素間のクロストークが防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５３９５３２３号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１９／０２６６０６号公報
【特許文献３】特許第６２９５５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記述されている抽出回路は、各画素ごとに装備する必要がある。すなわち、各画素が占める領域が増大する。１画素あたりの領域が増大すると、光電変換によって発生した電荷と、各画素に存在する電荷収集部との平均距離が増大する。このことは、発生した電荷が電荷収集部まで到達する時間が増大することにつながるので、測距精度上、不利である。
【０００７】
特許文献２の画像センサのように、ＰＤの逆バイアス電圧を印加すると、光電効果により画像センサの深部に生成された電荷を、高速のドリフト移動で移動させることが可能になる。しかしながら、逆バイアス電圧に因る電界は、積層方向（厚み方向）に平行であるので、空乏層の直下に生成された電荷は、ドリフト移動だけで空乏層に到達できるものの、空乏層の直下ではない深部に生成され電荷は、該電界に沿ってウェル層の底面までドリフト移動した後は、底面に沿って拡散移動で空乏層の方へ移動しなければならない。拡散移動は、ドリフト移動より移動速度が遅い。その結果、電荷が空乏層まで到達する時間がかかり、距離画像センサの測距精度低下につながる。また、拡散移動は、等方位性になるため、空乏層とは逆方向へ移動する電荷が増大するとともに画素間のクロストークが発生する。
【０００８】
特許文献１，２は、距離画像センサを開示するものの、このような問題点の解決策については一切言及していない。
【０００９】
一方、特許文献３は、二次元画像センサにおいてＤＴＩを形成することを開示する。しかしながら、該ＤＴＩは、画素の境界線に沿って形成されており、画素間のクロストークの防止機能を有するものの、電荷を収集する速度については一切言及していない。
【００１０】
本発明の目的は、同一の画素内で生成された電荷の拡散移動を改善して、電荷を高速に収集し、かつ画素間のクロストークを低減することを図ることができる画像センサ及び撮像カメラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の画像センサは、
フォトダイオードを構成する２つの半導体層のうちの一方として全画素に共通に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記２つの半導体層のうちの他方として画素ごとに前記第１半導体層に積層された第２導電型の第２半導体層と、
各第２半導体層を包囲するように、前記第１半導体層に積層された前記第１導電型のウェル層と、
前記画素の境界線より内側において前記第２半導体層を包囲するように、前記ウェル層に形成され、かつ積層方向に前記ウェル層の表面から前記ウェル層の底面より深い位置まで達する絶縁体トレンチと、
を備える。
【００１２】
本発明によれば、絶縁体トレンチは、画素の境界線より内側において前記第２半導体層を包囲するように、ウェル層に形成され、かつウェル層の表面からウェル層の底面より深い位置まで達している。これにより、ウェル層の底面で底面に沿って拡散移動しようとする電荷のうち、空乏層とは逆方向に移動する電荷は、絶縁体トレンチにより阻止される。このことは、空乏層の方へ拡散移動する電荷の量を増大することにつながる。こうして、電荷を高速に収集し、かつ画素間のクロストークを低減することができる。
【００１３】
好ましくは、本発明の画像センサにおいて、
各画素は、前記積層方向の一方の面が受光面である受光部と、該受光部以外の部分である非受光部とに区分され、
前記ウェル層は、前記受光部に属する第１部分と、前記非受光部に属する第２部分とを有し、
前記絶縁体トレンチは、前記第２部分に形成されている。
【００１４】
この構成によれば、絶縁体トレンチは、ウェル層の第２部分のみに形成されている。これにより、受光面の全部が絶縁体トレンチの内側に含まれることになるので、電荷の拡散移動を改善して、電荷を高速に収集し、かつ画素間のクロストークを低減することができる。
【００１５】
好ましくは、本発明の画像センサにおいて、
前記受光面は、前記積層方向から見て、円形状を有し、
前記絶縁体トレンチの包囲形状は、前記積層方向から見て、前記受光面の前記円形状に外接する多角形である。
【００１６】
この構成によれば、積層方向から見て、絶縁体トレンチの包囲形状は、受光面の円形状に外接する多角形である。これにより、絶縁体トレンチは、受光面の全部を絶縁体トレンチの内側に含みつつ、内側の領域における非受光部の領域を狭めることができる。この結果、電荷の拡散移動を改善して、電荷を高速に収集し、かつ画素間のクロストークを低減することができる。
【００１７】
好ましくは、本発明の画像センサにおいて、
各画素は、前記積層方向の一方の面が受光面である受光部と、該受光部以外の部分である非受光部とに区分され、
前記ウェル層は、前記受光部に属する第１部分と、前記非受光部に属する第２部分とを有し、
前記絶縁体トレンチは、前記第１部分及び前記第２部分のどちらか一方又は両方に跨って形成されている。
【００１８】
この構成によれば、絶縁体トレンチは、受光部に属する第１部分と、非受光部に属する第２部分のどちらか一方又は両方に跨って形成されている。受光部において、電荷の生成量は、中心部より周辺部は少ない。したがって、絶縁体トレンチの一部を第１部分に形成して、電荷の収集量を多少少なくしても、絶縁体トレンチの内側の領域を狭めることにより、生成電荷と空乏層との平均距離は短縮される。こうして、画像センサ全体として、電荷の拡散移動を改善して、電荷を高速に収集し、かつ画素間のクロストークを低減することができる。
【００１９】
本発明の撮像カメラは、
前記画像センサと、
前記画像センサに前記フォトダイオードの逆バイアス電圧を印加するバイアス電源と、
を備える。
【００２０】
本発明によれば、逆バイアス電圧により空乏層の外で生成された電荷を高速のドリフト移動で空乏層に移動させることができる。
【００２１】
好ましくは、本発明の撮像カメラは、前記画像センサの各画素が複数の集光レンズを含むレンズアレイを備える。
【００２２】
この構成によれば、集光レンズにより、第２半導体層及びその近辺に絞った受光面を形成して、電荷の収集効率を上げることができる。
【００２３】
好ましくは、本発明の撮像カメラにおいて、前記レンズアレイは、前記画像センサの表面側又は裏面側に配置されている。
【００２４】
この構成によれば、画像センサをＦＳＩ（Front Side Illumination）又はＢＳＩ（Back Side Illumination）として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】三次元撮像装置の模式図。
【図２】ＴＯＦセンサの模式図。
【図３】画素の正面図。
【図４】図３のIV−IV線に沿ったＴＯＦカメラの断面図。
【図５】ＴＯＦカメラにおける諸元についての説明図。
【図６】図５に示した諸元のＴＯＦセンサ１５についての理論計算における理論値についてのグラフ。
【図７】ＢＳＩ型のＴＯＦセンサを装備するＴＯＦカメラの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［撮像装置］
図１は、三次元撮像装置１の模式図である。三次元撮像装置１は、発光部２、ＴＯＦカメラ３及び制御装置４を備える。発光部２は、照射範囲７に向けて、一定の周波数（例：１０ＭＨｚ）で照射光Ｌｉを出射する。照射光Ｌｉは、例えば、パルス変調された赤外光であり、近赤外光が好ましい。物体９は、照射範囲７内に存在する移動物体又は静止物体である。
【００２７】
発光部２は、物体９に向けて照射光Ｌｉを照射すると、物体９から照射光Ｌｉ由来の反射光Ｌｒとなって、ＴＯＦカメラ３に入射する。ＴＯＦカメラ３には、反射光Ｌｒと背景光Ｌｂとが入射する。
【００２８】
背景光Ｌｂは、ノイズに相当するので、ＴＯＦカメラ３は、入射光から背景光Ｌｂを除去して、反射光Ｌｒのみを抽出することが望まれる。これは、例えば特許文献１で述べられているような既知の技術をもって達成される。 
【００２９】
ＴＯＦカメラ３は、受光した反射光ＬｒからＴＯＦ信号を生成する。該ＴＯＦ信号は、ＴＯＦカメラ３の画素２５（図２）ごとに物体９までの距離情報としての位相差情報を含んでいる。なお、位相差情報とは、発光部２から出射した照射光Ｌｉの出射時刻と、照射光Ｌｉ由来の反射光ＬｒがＴＯＦカメラ３の画素２５（図２）に入射した戻り時刻との差分を位相差で表す情報である。
【００３０】
制御装置４は、発光部２の点灯を制御するとともに、ＴＯＦカメラ３からのＴＯＦ信号を処理して、三次元画像信号を生成する。三次元画像信号は、例えば、不図示のディスプレイや録画機に送られて、表示又は記録される。
【００３１】
［ＴＯＦカメラ］
図２は、ＴＯＦセンサ１５の模式図である。ＴＯＦカメラ３（図１）は、ＴＯＦセンサ１５と、レンズアレイ８０（図４）とを備える。ＴＯＦセンサ１５は、さらに、行制御部１６、列制御部１７、アレイ制御部１８及び画素アレイ２４を備える。
【００３２】
ＴＯＦセンサ１５は、距離画像センサ（三次元画像センサともいう）の一例であり、ＴＯＦ方式距離画像センサでもある。ＴＯＦセンサ１５は、本発明の画像センサに相当する。
【００３３】
画素アレイ２４は、格子状配列の複数の画素２５を有する。図２のＸ軸及びＹ軸は、説明の便宜上、図示している。Ｘ軸及びＹ軸は、それぞれ画素アレイ２４の行及び列の方向に平行な方向として定義している。なお、Ｚ軸は、図４に図示しているように、画素アレイ２４の厚みの方向（ＴＯＦセンサ１５の半導体層の積層方向）に平行になる。
【００３４】
各横制御線２６は、画素アレイ２４の行ごとに配線されている。各縦制御線２７は、画素アレイ２４の列ごとに配線されている。行制御部１６は、横制御線２６をオンオフし、列制御部１７は、縦制御線２７をオンオフする。アレイ制御部１８は、行制御部１６及び列制御部１７を制御する。
【００３５】
行制御部１６及び列制御部１７が共にオンになった画素２５の検知量（例：電荷としての電子の量）がアレイ制御部１８に読み込まれる。該検知量は、前述の位相差情報に対応する。アレイ制御部１８は、発光部２の各点滅サイクル（例：１０ＭＨｚ）において所定の順番で全部の画素２５の検知量を読み取って、制御装置４に出力する。
【００３６】
［画素］
図３は、画素２５の正面図である。なお、ここでは、ＴＯＦセンサ１５及び画素２５の表面側をＴＯＦセンサ１５及び画素２５の正面と定義する。なお、ＴＯＦセンサ１５及び画素２５において、表面とは反対側の面を裏面と呼ぶことにする。裏面は、正面に対しては背面に相当する。
【００３７】
各画素２５は、受光部２９と非受光部３０とに区分される。ここで受光部２９は、反射光Ｌｒが入射することで発生した電荷が、ＴＯＦ信号として寄与する領域を表す。受光部２９及び非受光部３０は、Ｚ軸方向に次元をもつ三次元領域である。非受光部３０は、画素２５から受光部２９を除いた残りの部分である。すなわち、画素２５は、受光部２９と、受光部２９以外の非受光部３０とを有する。画素２５内の任意の位置は、受光部２９及び非受光部３０のいずれかに属する。
【００３８】
図示の例では、受光面３１は、中心が画素２５の中心に位置する円形状を有する。ＰＤ３３は、中心が受光面３１の中心に位置している。なお、ＰＤ３３の中心は、各画素２５に形成されたｎ層６５（図４で後述する。）の中心と定義する。また、正面視のＰＤ３３の輪郭は、ｎ層６５の周輪郭で示されている。
【００３９】
ＤＴＩ３６は、絶縁体トレンチの一例である。ＤＴＩ３６は、受光面３１の全部を内側に包囲する大きさ（寸法）及び包囲形状で、非受光部３０に形成されている。ＤＴＩ３６の深さについては、図４で後述する。
【００４０】
図示の例では、ＤＴＩ３６の包囲形状は、正面視で、内周縁が受光面３１の円形状に外接する正多角形の一例としての正方形になっている。なお、受光面３１の形状は、後述するレンズアレイ８０によって決定され、楕円であってもよい。ＤＴＩ３６の包囲形状の内周縁は、受光面３１の周縁に外接する正多角形（例：正六角形や正八角形）でなく、多角形（例：四角形や五角形）であってもよい。ＤＴＩ３６の包囲形状の内周縁は、全辺が受光面３１の周縁に外接していなくてもよく、一部の辺の一部のみが接する形状であってもよい。
【００４１】
図３には、転送ゲート３９、Ｆｄ（フローティングディフュージョン）４０ 及びＦＥＴ４７が図示されている。これらの回路素子は、画素２５における存在を示すのみで図３に記載したものであり、これら回路素子と画素２５との図示上の寸法比は、実際の製品の寸法比とは無関係である。ただし、実際の製品においても、図示されているように、正面視で、転送ゲート３９及びＦｄ４０は、ＤＴＩ３６の内側でかつ受光面３１の領域に実装され、ＦＥＴ４７は、画素２５の正面視でＤＴＩ３６の外側に実装される。
【００４２】
画素２５の正面視で、ＰＤ３３及びＦｄ４０は、Ｘ軸方向に所定距離離れている。転送ゲート３９は、画素２５の正面視で両端部においてＰＤ３３の側縁部及びＦｄ４０の側縁部にわずかに重なるように、ＰＤ３３とＦｄ４０との間に実装されている。
【００４３】
図４は、図３のIV−IV線に沿ったＴＯＦカメラ３の断面図である。ＴＯＦカメラ３は、ＴＯＦセンサ１５、逆バイアス電圧源７０及びレンズアレイ８０を備えている。ＴＯＦセンサ１５の断面の部分において、ｐ，ｎは、半導体のｐ型及びｎ型を意味している。
【００４４】
画素２５は、画素面方向（厚み方向と直交する平面方向であり、ＸＹ平面の面方向でもある。）には、中心部の受光部２９と、受光部２９を包囲する周辺部の非受光部３０とに区分される。ＴＯＦセンサ１５は、Ｚ軸方向に下側のｐ−ｓｕｂ層６０と上側のｐ−ｅｐｉ層６１との積層構造を有する。
【００４５】
ＰＤ３３は、下側のｐ−ｅｐｉ層６１と上側のｎ層６５との２つの半導体層から構成される。ｎ層６５は、画素２５ごとに形成される。ｐ＋層６６は、ｎ層６５の全体を表面側から覆うように、ｎ層６５の上に積層され、暗電流を抑制する機能を有する。
【００４６】
ｐ層６８は、ウェル層として、かつ全部の画素２５に共通の半導体層として、ｐ−ｅｐｉ層６１の上に形成される。ｐ層６８は、各画素２５においてｎ層６５を包囲している。
【００４７】
Ｆｄ４０（図３及び図４）は、Ｘ軸方向にｐ＋層６６との間にｐ−ｅｐｉ層６１の表面側露出領域を挟んで、ｐ層６８の縁部の上部に積層される。ＳｉＯ２６９は、ｐ＋層６６の上に積層され、ｐ層６８によるｎ層６５の包囲部をＸ軸方向に延在している。ＳｉＯ２６９は、中間部においてｐ＋層６６の上を被覆している。
【００４８】
ｐ層６８は、０Ｖが印加される。逆バイアス電圧源７０は、ｐ−ｓｕｂ層６０に印加される。この結果、ＰＤ３３は、逆バイアスの電圧が印加される。空乏層７３は、ｐ−ｅｐｉ層６１とｎ層６５との境界面を跨って、生成される。空乏層７３は、逆バイアス電圧源７０の逆バイアス電圧によりＺ軸方向の負側に拡張される。
【００４９】
ｐ−ｓｕｂ層６０とｐ層６８とは、Ｚ軸方向に間にｐ−ｅｐｉ層６１を挟んで、画素面方向に画素アレイ２４の全面にわたって広がっている。この結果、逆バイアス電圧源７０による加速電界７５は、画素アレイ２４の全体にわたってＺ軸に平行な方向にｐ−ｅｐｉ層６１内に生成される。なお、電界の向きは、通常、正電荷（ホール）が移動する向きを正とするが、図４等では、加速電界７５の向きは、電荷としての電子７７が移動する向きを正として、説明する。
【００５０】
ＤＴＩ３６は、絶縁体トレンチとして、非受光部３０に形成されている。ＤＴＩ３６は、ＴＯＦセンサ１５の表面からｐ層６８の底面より深い位置まで達する。
【００５１】
レンズアレイ８０は、ＴＯＦセンサ１５の受光面側に配置される。レンズアレイ８０は、ＴＯＦセンサ１５の画素アレイ２４の各画素２５にＺ軸方向に対向する位置に集光レンズ８１を有している。照射範囲７からＴＯＦカメラ３に入射して来る光（反射光Ｌｒ＋背景光Ｌｂ）は、各集光レンズ８１に入射後、径方向に絞られて、対応する画素２５に入射し、画素２５の表面に画素２５の面積より小さい面積の受光面３１を生成する。
【００５２】
受光面３１から受光部２９内に進入した光は、受光部２９において波長及び入射角度に応じた位置に光電効果によりホール（図示せず）と電子７７との対を生成する。ＤＴＩ３６は、例えば白色の酸化膜から構成される。したがって、ＤＴＩ３６の内面側に当った光は、非受光部３０に進入することなく、ＤＴＩ３６の内面で反射して、受光部２９に戻される。
【００５３】
ホールは、加速電界７５によりＺ軸方向の負側にドリフト移動し、ｐ−ｓｕｂ層６０とｐ−ｅｐｉ層６１との境界面に達する。ホールは、次に、該境界面からｐ−ｅｐｉ層６１を通って、逆バイアス電圧源７０に向かう。
【００５４】
一方、電子７７は、生成位置に応じて、次の（ａ）〜（ｃ）の３つの電子７７に分けられる。（ａ）空乏層７３内で生成された電子７７。（ｂ）空乏層７３外の空乏層７３の直下に生成された電子７７。（ｃ）空乏層７３外の空乏層７３の非直下に生成された電子７７。
【００５５】
（ａ）の電子７７は空乏層７３に元々存在する電界によるドリフト移動でｎ層６５に移動し、ｎ層６５において収集される。
【００５６】
（ｂ）の電子７７は、加速電界７５によるドリフト移動により空乏層７３に直行する。その後は、（ａ）の電子７７と共にｎ層６５に向かう。
【００５７】
（ｃ）の電子７７は、加速電界７５によるドリフト移動によりｐ層６８の底面に到達する。該底面は、画素面にほぼ平行になっている。ｐ−ｅｐｉ層６１において、画素面方向には電界が存在しない。このため、ｐ層６８の底面に到達して電子７７は、ｐ層６８の底面に沿って拡散移動する。この拡散移動は、等方性である。
【００５８】
空乏層７３から遠ざかる方向に拡散移動した電子７７は、ＤＴＩ３６により阻まれる。ＤＴＩ３６の内周の近辺における電子７７の蓄積量が増大するに連れて、該近辺の電子７７の濃度が、空乏層７３側の濃度より相対的に高まり、空乏層７３の方へ拡散移動する。
【００５９】
ｐ層６８の底面に存在する電子７７のうち空乏層７３の方へ拡散移動した電子７７は、空乏層７３に進入する。該電子７７は、その後、上述（ａ）及び（ｂ）の電子７７と共に、ｎ層６５に向かう。
【００６０】
ＰＤ３３の逆バイアス電圧に因る加速電界７５による電子７７の拡散移動により、移動速度が上昇する。この結果、各電子７７が生成からｎ層６５に到達するまでの時間が短縮される。
【００６１】
電子７７によりｐ層６８の底面までドリフト移動で達した電子７７が、その後、空乏層７３から遠ざかる方へ拡散移動するときに、ＤＴＩ３６により阻まれ、かつ空乏層７３の方へ戻される。これにより、ｎ層６５における電子７７の収集量が増大する。
【００６２】
ＤＴＩ３６は、また、ＤＴＩ３６の外側から内側への電子７７の移動を阻止する。これにより、画素間のクロストークが低減する。
【００６３】
ＤＴＩ３６は、拡散移動で内周側に拡散移動して来る電子７７を止めて、内周側の電子７７の濃度を高める。これにより、ＤＴＩ３６は、空乏層７３から遠ざかる方へ拡散移動する電子７７を止めるだけでなく、ＤＴＩ３６の内周側の電子７７の濃度を高めて、空乏層７３の方への電子７７の拡散移動を促進する機能がある。これにより、電子７７がｎ層６５に収集される時間が短縮されるとともに、ｎ層６５における電子７７の収集量が増大する。
【００６４】
ｎ層６５における電子７７の収集量の増大は、ＴＯＦセンサ１５の感度の増大につながる。ｎ層６５における電子７７の収集速度の上昇は、ＴＯＦカメラ３の測距精度の向上につながる。
【００６５】
［理論計算］
図５は、ＴＯＦカメラ３における諸元の説明図である。図５の諸元は、図４の断面図上に示している。図６は、図５に示した諸元のＴＯＦセンサ１５についての理論計算における理論値についてのグラフである。
【００６６】
諸元として、図５に記載されている各記号の意味は、次のとおりである。
Ｗａ：ｐ−ｓｕｂ層６０とｐ層６８との間のＺ軸方向の寸法
Ｒａ：Ｚ軸方向からｎ層６５を見たときの正方形のｎ層６５の一辺の長さ
Ｒｂ：Ｚ軸方向からＤＴＩ３６を見たときのＤＴＩ３６の正方形の内周の一辺の長さ
Ｒｃ：Ｚ軸方向から受光面３１を見たときの円形状の受光面３１の直径
λ：反射光Ｌｒの波長λ：９４０ｎｍ
Ｖａ：逆バイアス電圧源７０の電圧：２Ｖ以上
【００６７】
各諸元の一例は、次のとおりである。Ｗａ＝５０μｍ、Ｒａ＝２μｍ、Ｒｃ＝１０μｍ。Ｖａは、２Ｖ以上である。Ｒｂの値は、図３によると、正面視（Ｚ軸方向視）で、正方形のＤＴＩ３６が受光面３１の周縁に外接しているので、Ｒｂ＝１０μｍとなっている。
【００６８】
図６において、横軸はＲｂ（図５）であり、縦軸は感度の向上率（％）を示している。向上率１００％は、ＤＴＩ３６が存在しないときと比較して感度が２倍になったことを意味する。
【００６９】
図６では、照射光Ｌｉの変調周波数が１０ＭＨｚとしたときと５ＭＨｚとしたときとの２つについて感度の向上率を調べている。典型的な三次元撮像装置１では、照射光Ｌｉの変調周波数は１０ＭＨｚが採用される。
【００７０】
図６から、変調周波数＝１０ＭＨｚ，５ＭＨｚ共に、Ｒが受光面３１の直径に近づくほど、換言すると、ＤＴＩ３６が受光面３１の周縁に近い位置に実装されるほど、ＴＯＦセンサ１５の感度の向上率が上昇することが分かる。また、変調周波数＝１０ＭＨｚのときの方が、変調周波数＝５ＭＨｚのときよりも、Ｒが受光面３１の直径に近づけるときのＴＯＦセンサ１５の感度の向上率の上昇率が高いことが分かる。
【００７１】
［ＢＳＩ］
図７は、ＢＳＩ型のＴＯＦセンサ１５ｂを装備するＴＯＦカメラ３の断面図である。図４のＴＯＦセンサ１５との相違点は、ＴＯＦセンサ１５は、ＦＳＩ（Front Side Illumination）型のＴＯＦセンサとして表面側をレンズアレイ８０側にしていたのに対し、ＴＯＦセンサ１５ｂは、ＢＳＩ（Back Side Illumination）型のＴＯＦセンサとして背面側をレンズアレイ８０側にしている点である。
【００７２】
ＴＯＦセンサ１５とＴＯＦセンサ１５ｂとでは、受光面３１がＴＯＦセンサの表面に生成されるか、裏面に生成されかの相違だけであり、その他の作用は同一である。すなわち、反射光Ｌｒによって発生した電子７７は、発生場所が空乏層７３から遠いときに収集速度が問題となり、この問題点はＦＳＩ型のＴＯＦセンサとＢＳＩ型のＴＯＦセンサで同一である。本発明の一形態であるＢＳＩ型のＴＯＦセンサは、受光面３１から見て、浅い位置で発生した電子７７の収集速度を向上させる効果がある。
【００７３】
［変形例］
ＴＯＦセンサ１５及びＴＯＦカメラ３は、それぞれ本発明の画像センサ及び撮像カメラに相当する。本発明の画像センサ及び撮像カメラは、ＴＯＦ方式でなくてもよい。ただし、ＴＯＦセンサ１５及びＴＯＦカメラ３のように、画素の大きい画像センサ及び撮像カメラほど、生成された電荷をより高速に収集することができ、その結果測距精度が向上する。
【００７４】
実施形態では、絶縁体トレンチとしてＤＴＩが使用されているが、本発明の絶縁体トレンチは、ＤＴＩに限定されない。絶縁体トレンチは、例えば、充填材のない単なる溝として形成してもよい。
【００７５】
図３の実施形態では、ＤＴＩ３６の包囲形状は、積層方向から見て、正方形になっている。ＤＴＩの包囲形状は、正方形以外にも、受光面３１に外接する正多角形にすることができる。
【００７６】
図４では、ｐ層６８は、受光部２９に属する第１部分と、非受光部３０に属する第２部分とを有している。図３の実施形態では、ＤＴＩ３６は、積層方向から見て、各辺の全部が非受光部３０に形成されている。換言すると、ＤＴＩ３６は、第２部分のみに形成されている。
【００７７】
ＤＴＩ３６を第２部分のみに形成する実施形態に対し、本発明の絶縁体トレンチは、積層方向から見た絶縁体トレンチの辺の中間部が受光面３１、すなわち受光部２９を通過していてもよいとする。換言すると、絶縁体トレンチは、第１部分及び第２部分の両方に跨って形成されていてもよい。これにより、電子７７の収集量は多少減るものの、電子７７の生成位置と画素２５の中心との平均距離が狭まり、画素２５の全体として電荷をより高速に収集することができ、その結果測距精度が向上する。
【００７８】
実施形態では、第１導電型及び第２導電型は、それぞれｐ型及びｎ型になっている。本発明では、第１導電型及び第２導電型を、それぞれｎ型及びｐ型にすることもできる。
【符号の説明】
【００７９】
１・・・三次元撮像装置、３・・・ＴＯＦカメラ、１５・・・ＴＯＦセンサ、２５・・・画素、２９・・・受光部、３０・・・非受光部、３１・・・受光面、３３・・・ＰＤ、３６・・・ＤＴＩ、６５・・・ｎ層、７０・・・逆バイアス電圧源、７３・・・空乏層、７５・・・加速電界、７７・・・電子、８０・・・レンズアレイ、８１・・・集光レンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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