(57)【要約】【課題】電荷転送時の信号劣化を低減する。【解決手段】受光素子は、フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、電荷を第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、電荷を第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタとを少なくとも有する画素を備え、第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている。本技術は、例えば、間接ToF方式による測距を行う受光素子等に適用できる。【選択図】図４
2020009883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、
前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタと
を少なくとも有する画素を備え、
前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている
受光素子。
【請求項２】
前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部は、前記フォトダイオードを挟んで対向配置されて構成される
請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記第１の転送トランジスタと第２の転送トランジスタとの間の距離は、前記第１または第２の転送トランジスタのゲート幅よりも短い
請求項１に記載の受光素子。
【請求項４】
前記第１および第２の転送トランジスタのゲート幅は、同方向の前記フォトダイオードの幅よりも大きく構成される
請求項１に記載の受光素子。
【請求項５】
前記第１および第２の転送トランジスタは、複数の縦ゲート電極部を有する
請求項１に記載の受光素子。
【請求項６】
前記第１および第２の転送トランジスタは、断面視で櫛歯形状に形成されている
請求項５に記載の受光素子。
【請求項７】
前記縦ゲート電極部の平面形状は、ゲート幅方向の第１の幅よりも、前記ゲート幅方向に直交する第２の幅が長い細長形状で形成されている
請求項１に記載の受光素子。
【請求項８】
前記縦ゲート電極部の平面形状は、前記フォトダイオード側が凸の前記細長形状で形成されている
請求項７に記載の受光素子。
【請求項９】
前記フォトダイオードの光電変換領域を形成するN型またはP型の半導体領域は、前記第１および第２の転送トランジスタの前記縦ゲート電極部の間と、前記縦ゲート電極部の下側の領域に形成され、空乏層が前記第１および第２の転送トランジスタの形成面と反対側の基板界面近傍まで拡大されるように構成されている
請求項１に記載の受光素子。
【請求項１０】
前記画素は、
前記電荷を蓄積する第１の付加容量と、
前記第１の付加容量を前記第１の電荷保持部と接続する第１の接続トランジスタと、
前記電荷を蓄積する第２の付加容量と、
前記第２の付加容量を前記第２の電荷保持部と接続する第２の接続トランジスタと
をさらに有する
請求項１に記載の受光素子。
【請求項１１】
前記画素は、
前記電荷を保持する第３の電荷保持部と、
前記電荷を前記第３の電荷保持部に転送する第３の転送トランジスタと、
前記電荷を保持する第４の電荷保持部と、
前記電荷を前記第４の電荷保持部に転送する第４の転送トランジスタと
をさらに有し、
前記第３および第４の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている
請求項１に記載の受光素子。
【請求項１２】
前記第１の転送トランジスタをオンして前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する際、前記第１の転送トランジスタに対向する前記第２の転送トランジスタには第１の負バイアスよりも大きな第２の負バイアスが印加されるように構成され、前記第３の転送トランジスタおよび前記第４の転送トランジスタには前記第１の負バイアスが印加されるように構成される
請求項１１に記載の受光素子。
【請求項１３】
前記第１の転送トランジスタをオンして前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する際、前記第２の転送トランジスタには負バイアスが印加されるように構成される
請求項１に記載の受光素子。
【請求項１４】
前記負バイアスは、ピニング用の負バイアスよりも大きな負バイアスである
請求項１３に記載の受光素子。
【請求項１５】
フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、
前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタと
を少なくとも有する画素を備え、
前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている受光素子と、
周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、
前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部と
を備える測距モジュール。
【請求項１６】
フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、
前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタと
を少なくとも有する画素を備え、
前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている
受光素子
を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、受光素子、測距モジュール、および、電子機器に関し、特に、電荷転送時の信号劣化を低減することができるようにした受光素子、測距モジュール、および、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ToF（Time of Flight）方式により対象物までの距離を測定する半導体検出素子が知られている。ToF方式の半導体検出素子では、光源から照射された光が対象物にあたって反射された反射光がフォトダイオードで光電変換される。光電変換により生成された信号電荷は、交互に駆動される対のゲート電極によって２つのFD(フローティングディフュージョン)に振り分けられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５２６４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような対のゲート電極構造を用いた半導体検出素子において、オンさせた一方のゲート電極をオフしたとき、転送途中の信号電荷がフォトダイオードに戻ってしまうことによる信号劣化の低減が求められる。
【０００５】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、電荷転送時の信号劣化を低減することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本技術の第１の側面の受光素子は、フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタとを少なくとも有する画素を備え、前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている。
【０００７】
本技術の第２の側面の測距モジュールは、フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタとを少なくとも有する画素を備え、前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている受光素子と、周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部とを備える。
【０００８】
本技術の第３の側面の電子機器は、フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタとを少なくとも有する画素を備え、前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている受光素子を備える。
【０００９】
本技術の第１乃至第３の側面においては、画素には、フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタとが少なくとも設けられ、前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成される。
【００１０】
受光素子、測距モジュール、及び、電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
【発明の効果】
【００１１】
本技術の第１乃至第３の側面によれば、電荷転送時の信号劣化を低減することができる。
【００１２】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本技術を適用した受光素子の概略構成例を示すブロック図である。
【図２】画素の等価回路を示す図である。
【図３】画素の平面図である。
【図４】画素の断面図である。
【図５】本技術を適用した画素の効果を説明する図である。
【図６】本技術を適用した画素の効果を説明する図である。
【図７】本技術を適用した画素の効果を説明する図である。
【図８】縦ゲート電極部の平面形状を説明する平面図である。
【図９】画素アレイ部の画素配列例を示す図である。
【図１０】転送トランジスタの駆動を説明する図である。
【図１１】転送トランジスタの駆動を説明する図である。
【図１２】多層配線層の配置例を示す平面図である。
【図１３】画素の変形例を示す平面図である。
【図１４】画素の変形例を示す断面図である。
【図１５】４タップの画素の平面図である。
【図１６】４タップの画素の駆動を説明する図である。
【図１７】電界制御型の受光素子への適用について説明する図である。
【図１８】本技術を適用した測距モジュールの構成例を示すブロック図である。
【図１９】本技術を適用した電子機器としてのスマートフォンの構成例を示すブロック図である。
【図２０】内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【図２１】カメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。
【図２２】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【図２３】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．受光素子の構成例
２．画素の等価回路
３．画素の平面図
４．画素の断面図
５．縦型トランジスタの効果
６．縦ゲート電極部の平面形状
７．複数画素の配列例
８．転送トランジスタの駆動
９．配線層の配置例
１０．画素の変形例
１１．４タップの画素構成例
１２．電界制御型の受光素子への適用
１３．測距モジュールの構成例
１４．電子機器の構成例
１５．内視鏡手術システムへの応用例
１６．移動体への応用例
【００１５】
＜１．受光素子の構成例＞
図１は、本技術を適用した受光素子の概略構成例を示すブロック図である。
【００１６】
図１に示される受光素子１は、間接ToF方式による測距情報を出力する素子である。
【００１７】
受光素子１は、所定の光源から照射された光（照射光）が物体にあたって反射されてきた光（反射光）を受光し、物体までの距離情報をデプス値として格納したデプス画像を出力する。なお、光源から照射される照射光は、例えば、波長が７８０nm乃至１０００nmの範囲の赤外光であり、オンオフが所定の周期で繰り返されるパルス光である。
【００１８】
受光素子１は、図示せぬ半導体基板上に形成された画素アレイ部２１と、画素アレイ部２１と同じ半導体基板上に集積された周辺回路部とを有する。周辺回路部は、例えば垂直駆動部２２、カラム処理部２３、水平駆動部２４、およびシステム制御部２５等から構成されている。
【００１９】
受光素子１には、さらに信号処理部２６およびデータ格納部２７も設けられている。なお、信号処理部２６およびデータ格納部２７は、受光素子１と同じ基板上に搭載してもよいし、受光素子１とは別の撮像装置内の基板上に配置してもよい。
【００２０】
画素アレイ部２１は、受光した光量に応じた電荷を生成し、その電荷に応じた信号を出力する画素１０が行方向および列方向の行列状に２次元配置された構成となっている。すなわち、画素アレイ部２１は、入射した光を光電変換し、その結果得られた電荷に応じた信号を出力する画素１０を複数有する。画素１０の詳細については、図２以降で後述する。
【００２１】
ここで、行方向とは、水平方向の画素１０の配列方向をいい、列方向とは、垂直方向の画素１０の配列方向をいう。行方向は、図中、横方向であり、列方向は図中、縦方向である。
【００２２】
画素アレイ部２１においては、行列状の画素配列に対して、画素行ごとに画素駆動線２８が行方向に沿って配線されるとともに、各画素列に２つの垂直信号線２９が列方向に沿って配線されている。例えば画素駆動線２８は、画素１０から信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。なお、図１では、画素駆動線２８について１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線２８の一端は、垂直駆動部２２の各行に対応した出力端に接続されている。
【００２３】
垂直駆動部２２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部２１の各画素１０を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動部２２は、垂直駆動部２２を制御するシステム制御部２５とともに、画素アレイ部２１の各画素１０の動作を制御する駆動部を構成している。
【００２４】
垂直駆動部２２による駆動制御に応じて画素行の各画素１０から出力される検出信号は、垂直信号線２９を通してカラム処理部２３に入力される。カラム処理部２３は、各画素１０から垂直信号線２９を通して出力される検出信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の検出信号を一時的に保持する。具体的には、カラム処理部２３は、信号処理としてノイズ除去処理やAD（Analog to Digital）変換処理などを行う。
【００２５】
水平駆動部２４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部２３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部２４による選択走査により、カラム処理部２３において単位回路ごとに信号処理された検出信号が順番に出力される。
【００２６】
システム制御部２５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、そのタイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に、垂直駆動部２２、カラム処理部２３、および水平駆動部２４などの駆動制御を行う。
【００２７】
信号処理部２６は、少なくとも演算処理機能を有し、カラム処理部２３から出力される検出信号に基づいて演算処理等の種々の信号処理を行う。データ格納部２７は、信号処理部２６での信号処理にあたって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
【００２８】
以上のように構成される受光素子１は、物体までの距離情報をデプス値として画素値に格納したデプス画像を出力する。受光素子１は、例えば、車両に搭載され、車外にある対象物までの距離を測定する車載用のシステムや、ユーザの手等の対象物までの距離を測定し、その測定結果に基づいてユーザのジェスチャを認識するジェスチャ認識用の装置などに搭載することができる。
【００２９】
＜２．画素の等価回路＞
図２は、画素アレイ部２１に２次元配置された画素１０の等価回路を示している。
【００３０】
画素１０は、光電変換素子としてフォトダイオードPDを備える。また、画素１０は、転送トランジスタTRG、浮遊拡散領域FD、付加容量FDL、切替トランジスタFDG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELをそれぞれ２個ずつ有する。
【００３１】
ここで、画素１０において２個ずつ設けられる転送トランジスタTRG、浮遊拡散領域FD、付加容量FDL、切替トランジスタFDG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELのそれぞれを区別する場合、図２に示されるように、転送トランジスタTRG１およびTRG２、浮遊拡散領域FD１およびFD２、付加容量FDL１およびFDL２、切替トランジスタFDG１およびFDG２、リセットトランジスタRST１およびRST２、増幅トランジスタAMP１およびAMP２、並びに、選択トランジスタSEL１およびSEL２のように称する。
【００３２】
転送トランジスタTRG、切替トランジスタFDG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELは、例えば、N型のMOSトランジスタで構成される。
【００３３】
転送トランジスタTRG１は、ゲート電極に供給される転送駆動信号TRG１gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷を浮遊拡散領域FD１に転送する。転送トランジスタTRG２は、ゲート電極に供給される転送駆動信号TRG２gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷を浮遊拡散領域FD２に転送する。
【００３４】
浮遊拡散領域FD１およびFD２は、フォトダイオードPDから転送された電荷を一時保持する電荷保持部である。
【００３５】
切替トランジスタFDG１は、ゲート電極に供給されるFD駆動信号FDG１gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、付加容量FDL１を、浮遊拡散領域FD１に接続させる。切替トランジスタFDG２は、ゲート電極に供給されるFD駆動信号FDG２gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、付加容量FDL２を、浮遊拡散領域FD２に接続させる。
【００３６】
垂直駆動部２２は、例えば、入射光の光量が多い高照度のとき、切替トランジスタFDG１およびFDG２をアクティブ状態として、浮遊拡散領域FD１と付加容量FDL１を接続するとともに、浮遊拡散領域FD２と付加容量FDL２を接続する。これにより、高照度時に、より多くの電荷を蓄積することができる。
【００３７】
一方、入射光の光量が少ない低照度のときには、垂直駆動部２２は、切替トランジスタFDG１およびFDG２を非アクティブ状態として、付加容量FDL１およびFDL２を、それぞれ、浮遊拡散領域FD１およびFD２から切り離す。これにより、変換効率を上げることができる。
【００３８】
リセットトランジスタRST１は、ゲート電極に供給されるリセット駆動信号RST１gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、浮遊拡散領域FD１の電位を所定のレベル（電源電圧VDD）にリセットする。リセットトランジスタRST２は、ゲート電極に供給されるリセット駆動信号RST２gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、浮遊拡散領域FD２の電位を所定のレベル（電源電圧VDD）にリセットする。なお、リセットトランジスタRST１およびRST２がアクティブ状態とされるとき、切替トランジスタFDG１およびFDG２も同時にアクティブ状態とされる。
【００３９】
増幅トランジスタAMP１は、ソース電極が選択トランジスタSEL１を介して垂直信号線２９Aに接続されることにより、不図示の定電流源と接続し、ソースフォロワ回路を構成する。増幅トランジスタAMP２は、ソース電極が選択トランジスタSEL２を介して垂直信号線２９Bに接続されることにより、不図示の定電流源と接続し、ソースフォロワ回路を構成する。
【００４０】
選択トランジスタSEL１は、増幅トランジスタAMP１のソース電極と垂直信号線２９Aとの間に接続されている。選択トランジスタSEL１は、ゲート電極に供給される選択信号SEL１gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態となり、増幅トランジスタAMP１から出力される検出信号VSL１を垂直信号線２９Aに出力する。
【００４１】
選択トランジスタSEL２は、増幅トランジスタAMP２のソース電極と垂直信号線２９Bとの間に接続されている。選択トランジスタSEL２は、ゲート電極に供給される選択信号SEL２gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態となり、増幅トランジスタAMP２から出力される検出信号VSL２を垂直信号線２９Bに出力する。
【００４２】
画素１０の転送トランジスタTRG１およびTRG２、切替トランジスタFDG１およびFDG２、リセットトランジスタRST１およびRST２、増幅トランジスタAMP１およびAMP２、並びに、選択トランジスタSEL１およびSEL２は、垂直駆動部２２によって制御される。
【００４３】
図２の等価回路において、付加容量FDL１およびFDL２と、その接続を制御する、切替トランジスタFDG１およびFDG２は省略してもよいが、付加容量FDLを設け、入射光量に応じて使い分けることにより、高ダイナミックレンジを確保することができる。
【００４４】
画素１０の動作について簡単に説明する。
【００４５】
まず、受光を開始する前に、画素１０の電荷をリセットするリセット動作が全画素で行われる。すなわち、リセットトランジスタRST１およびRST１と、切替トランジスタFDG１およびFDG２、並びに、転送トランジスタTRG１およびTRG２がオンされ、フォトダイオードPD、浮遊拡散領域FD１およびFD２、並びに、付加容量FDL１およびFDL２の蓄積電荷が定電圧源VDDに排出され、リセットされる。
【００４６】
蓄積電荷の排出後、全画素で受光が開始される。
【００４７】
受光期間では、転送トランジスタTRG１とTRG２とが交互に駆動される。すなわち、第１の期間において、転送トランジスタTRG１がオン、転送トランジスタTRG２がオフに制御される。この第１の期間では、フォトダイオードPDで発生した電荷が、浮遊拡散領域FD１に転送される。第１の期間の次の第２の期間では、転送トランジスタTRG１がオフ、転送トランジスタTRG２がオンに制御される。この第２の期間では、フォトダイオードPDで発生した電荷が、浮遊拡散領域FD２に転送される。これにより、フォトダイオードPDで発生した電荷が、浮遊拡散領域FD１とFD２とに振り分けられて、蓄積される。
【００４８】
そして、受光期間が終了すると、画素アレイ部２１の各画素１０が、線順次に選択される。選択された画素１０では、選択トランジスタSEL１およびSEL２がオンされる。これにより、浮遊拡散領域FD１に蓄積された電荷が、検出信号VSL１として、垂直信号線２９Aを介してカラム処理部２３に出力される。浮遊拡散領域FD２に蓄積された電荷は、検出信号VSL２として、垂直信号線２９Bを介してカラム処理部２３に出力される。
【００４９】
以上で１回の受光動作が終了し、リセット動作から始まる次の受光動作が実行される。
【００５０】
画素１０が受光する反射光は、光源が照射したタイミングから、対象物までの距離に応じて遅延されている。対象物までの距離に応じた遅延時間によって、２つの拡散領域FD１とFD２に蓄積される電荷の配分比が変化するため、２つの拡散領域FD１とFD２に蓄積される電荷の配分比から、物体までの距離を求めることができる。
【００５１】
＜３．画素の平面図＞
図３は、図２に示した画素回路の配置を示した画素１０の平面図である。
【００５２】
図３におけるX方向は、図１の行方向（水平方向）に対応し、Y方向は図１の列方向（垂直方向）に対応する。
【００５３】
図３に示されるように、矩形の画素１０の中央部の領域に、フォトダイオードPDがN型半導体領域４１で形成され、そのフォトダイオードPDに対してX方向に対向して、転送トランジスタTRG１およびTRG２が配置されている。
【００５４】
さらに、対向配置された転送トランジスタTRG１およびTRG２の中間線（不図示）を基準として、浮遊拡散領域FD１、切替トランジスタFDG１、付加容量FDL１、リセットトランジスタRST１、増幅トランジスタAMP１、および、選択トランジスタSEL１と、浮遊拡散領域FD２、切替トランジスタFDG２、付加容量FDL２、リセットトランジスタRST２、増幅トランジスタAMP２、および、選択トランジスタSEL２が鏡面対称に配置されている。
【００５５】
転送トランジスタTRG１は、ゲート電極４２１と、ソース領域としてのN型半導体領域４１と、ドレイン領域としてのN型半導体領域４３１とで構成される。ソース領域としてのN型半導体領域４１は、フォトダイオードPDと兼用され、ドレイン領域としてのN型半導体領域４３１は、浮遊拡散領域FD１と兼用されている。
【００５６】
切替トランジスタFDG１は、ゲート電極４４１と、ソース領域としてのN型半導体領域４３１と、ドレイン領域としてのN型半導体領域４５１とで構成される。ソース領域としてのN型半導体領域４３１は、浮遊拡散領域FD１と兼用され、ドレイン領域としてのN型半導体領域４５１は、付加容量FDL１と兼用されている。
【００５７】
リセットトランジスタRST１は、ゲート電極４６１と、ソース領域としてのN型半導体領域４５１と、ドレイン領域としてのN型半導体領域４７１とで構成される。
【００５８】
増幅トランジスタAMP１は、ゲート電極４８１と、ドレイン領域としてのN型半導体領域４７１と、ソース領域としてのN型半導体領域４９１とで構成される。ドレイン領域としてのN型半導体領域４７１は、リセットトランジスタRST１のドレイン領域と兼用されている。
【００５９】
選択トランジスタSEL１は、ゲート電極５０１と、ドレイン領域としてのN型半導体領域４９１と、ソース領域としてのN型半導体領域５１１とで構成される。ドレイン領域としてのN型半導体領域４９１は、増幅トランジスタAMP１のソース領域と兼用されている。
【００６０】
リセットトランジスタRST１、増幅トランジスタAMP１、および、選択トランジスタSEL１は、その順番でY方向に並んで配置され、転送トランジスタTRG１と切替トランジスタFDG１は、X方向に並んで配置されている。
【００６１】
転送トランジスタTRG２、切替トランジスタFDG２、リセットトランジスタRST２、増幅トランジスタAMP２、および、選択トランジスタSEL２のゲート電極、ドレイン領域、および、ソース領域には、添え字に２を付して示してあり、画素内において、転送トランジスタTRG１、切替トランジスタFDG１、リセットトランジスタRST１、増幅トランジスタAMP１、および、選択トランジスタSEL１とX方向に鏡面対称に配置されている点が異なるだけであるので、説明は省略する。なお、転送トランジスタTRGに関し、転送トランジスタTRG１およびTRG２のゲート電極、ドレイン領域、および、ソース領域を特に区別する必要がない場合には、添え字を省略して記述する。
【００６２】
画素１０内の各画素トランジスタのドレイン領域およびソース領域を形成するN型半導体領域の外側は、P型半導体領域５２で形成されている。
【００６３】
フォトダイオードPDと浮遊拡散領域FD１およびFD２は、X方向よりもY方向に長い矩形領域で形成されている。転送トランジスタTRG１およびTRG2のゲート電極４２１および４２２は、長手方向であるY方向において、フォトダイオードPDと浮遊拡散領域FD１およびFD２よりも長く形成されている。換言すれば、転送トランジスタTRG１およびTRG2のゲート電極４２１および４２２のゲート幅６１は、フォトダイオードPDと浮遊拡散領域FD１およびFD２のY方向の領域幅より大きい。
【００６４】
また、転送トランジスタTRG１およびTRG2のゲート電極４２１および４２２間の距離６２は、転送トランジスタTRG１およびTRG2のゲート電極４２１および４２２のゲート幅６１よりも短い。２つの転送トランジスタTRGのゲート電極４２間の距離６２を、転送トランジスタTRGのゲート幅６１よりも短くすることにより、電荷転送方向の電界がつきやすく構成されている。
【００６５】
＜４．画素の断面図＞
図４は、画素１０の断面図を示している。
【００６６】
図４のAは、図３のａ１−ａ２線における画素１０の断面図であり、図４のBは、図３のｂ１−ｂ２線における画素１０の断面図である。図４においてＺ軸で示される縦方向は、基板の深さ方向に対応する。
【００６７】
図４のBに示されるように、転送トランジスタTRG1およびTRG2は、基板深さ方向に延びたゲート電極４２を有する縦型トランジスタで構成されている。より詳しくは、転送トランジスタTRG1のゲート電極４２１は、P型半導体領域５２で形成された半導体基板７０の上面に形成された平面ゲート電極部４２T１と、基板深さ方向に延びた縦ゲート電極部４２V１とで構成されている。転送トランジスタTRG2のゲート電極４２２も、P型半導体領域５２で形成された半導体基板７０の上面に形成された平面ゲート電極部４２T２と、基板深さ方向に延びた縦ゲート電極部４２V２とで構成されている。
【００６８】
図４において、転送トランジスタTRG1およびTRG2が形成されている半導体基板７０の上側の面が、半導体基板７０の表面側であり、基板界面にはゲート絶縁膜７１が形成されている。また、半導体基板７０の表面側には、図１２を参照して後述する多層配線層が形成されている。
【００６９】
P型半導体領域５２と縦ゲート電極部４２Vとの間には、ゲート絶縁膜７１とP型半導体領域７２が形成されている。P型半導体領域７２の不純物濃度は、P型半導体領域５２の不純物濃度よりも濃い濃度とされ、P型半導体領域７２は、暗電流の発生を抑制するピニング領域として機能する。
【００７０】
図４のBで下側となる半導体基板７０の裏面側は、反射光が入射される入射面であって、図示せぬオンチップレンズ等が形成されている。
【００７１】
フォトダイオードPDを構成するN型半導体領域４１は、転送トランジスタTRGの縦ゲート電極部４２Vより下側（半導体基板裏面側）のN型半導体領域４１Aと、２つの転送トランジスタTRGの縦ゲート電極部４２の間に形成されたN型半導体領域４１BおよびN型半導体領域４１Cとで構成される。N型半導体領域４１A乃至N型半導体領域４１Cの不純物濃度は、N型半導体領域４１A、N型半導体領域４１B、N型半導体領域４１Cの順番で濃度が濃く形成されている。なお、図面では、N型半導体領域の不純物濃度を、“N++”、“N+”、“N”、“N-”のように記述し、“N++”の不純物濃度が最も高く、 “N++”、“N＋”、“N”、“N-”の順で不純物濃度が低くなっていることを表す。
【００７２】
縦型の転送トランジスタTRGは、基板表面側からドライエッチングによってトレンチ（縦穴）を形成し、ゲート絶縁膜７１を形成した後に、ゲート電極となるポリシリコン等を埋め込むことで形成することができる。
【００７３】
縦型の転送トランジスタTRGのゲート電極４２を中心として、フォトダイオードPDを構成するN型半導体領域４１側と反対側には、浮遊拡散領域FD１およびFD２としてのN型半導体領域４３１および４３２が形成されている。
【００７４】
図４のAに示されるように、転送トランジスタTRGは、ゲート幅６１の方向であるY方向の断面視において、櫛歯形状となるように所定の間隔を開けて複数の縦ゲート電極部４２Vを有する。転送トランジスタTRGの複数の縦ゲート電極部４２Vの外周部には、ゲート絶縁膜７１とP型半導体領域７２が形成されており、縦ゲート電極部４２Vの外周部に形成されたP型半導体領域７２どうしの間は、P型半導体領域７２よりも低濃度のP型半導体領域５２で形成されている。
【００７５】
以上のように、画素１０の２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２は、ゲート幅方向に、複数の縦ゲート電極部４２Vを有する縦型トランジスタで構成される。
【００７６】
＜５．縦型トランジスタの効果＞
次に、図５を参照して、画素１０の２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２を縦型トランジスタで形成した場合と、通常の平面型トランジスタで形成した場合を比較する。
【００７７】
図５のAは、転送トランジスタTRG１およびTRG２を通常の平面型トランジスタで形成した場合の画素１０Xのｂ１−ｂ２線断面図を示している。
【００７８】
図５のBは、図４のBと同様の、画素１０のｂ１−ｂ２線断面図である。
【００７９】
なお、比較を容易とするため、図５のAの画素１０Xにおいても、画素１０と対応する部分に、画素１０と同じ符号を付してある。
【００８０】
例えば、転送トランジスタTRG１がオンに制御され、フォトダイオードPDを構成するN型半導体領域４１で生成された電子（電荷）８０が、浮遊拡散領域FDとしてのN型半導体領域４３１に転送される状態を考える。
【００８１】
図５のAに示されるように、２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２が、平面ゲート電極部４２Tのみで構成された平面型トランジスタを有する画素１０Xでは、N型半導体領域４１で生成された電子８０は、平面ゲート電極部４２T１下部に形成されるチャネルを通って、N型半導体領域４３１に転送される。N型半導体領域４１とN型半導体領域４３１との間のチャネルは、平面ゲート電極部４２T１下の基板界面のみとなるため、電子８０の転送経路は長く、転送にかかる時間も長くなる。そのため、フォトダイオードPDのN型半導体領域４１を基板深くまで形成することはできない。例えば、画素１０のN型半導体領域４１は、図５のAに示されるように、N型半導体領域４１Bおよび４１Cのみで構成され、基板裏面側に最も近いN型半導体領域４１Aは形成されない。また、基板内の深い位置で生成された電子８０を転送するため、不純物濃度が濃いN型半導体領域４１Cの深さ８１を、図５のBの画素１０の深さ８１よりも深くする必要がある。
【００８２】
これに対して、図５のBに示されるように、２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２が、縦ゲート電極部４２Vを有する縦型トランジスタで形成された画素１０では、N型半導体領域４１で生成された電子８０は、平面ゲート電極部４２T１下部に加えて、櫛歯状の複数の縦ゲート電極部４２Vの間に形成されるチャネルを通って、N型半導体領域４３１に転送される。この場合、電子８０は、図５のBにおいて矢印で示されるように、N型半導体領域４３１に対して直線的に移動することができ、転送経路を短くすることができる。これにより、転送にかかる時間が短くなる。
【００８３】
さらに、複数の縦ゲート電極部４２Vを設けたことにより、基板内の深い位置で生成された電子８０であっても高速に転送することができるため、基板裏面側に近い領域に、N型半導体領域４１Aを形成することができ、かつ、不純物濃度が濃いN型半導体領域４１Cの深さ８１を、図５のAの画素１０Xの深さ８１よりも浅くすることができる。
【００８４】
図６は、転送トランジスタとして、図５のAの平面型トランジスタを用いた場合と、図５のBの縦型トランジスタを用いた場合とのポテンシャルと転送経路を示すグラフである。
【００８５】
図６のグラフの縦軸は、ポテンシャルを表し、横軸は、フォトダイオードPDから浮遊拡散領域FDまでの電子の転送経路を表している。
【００８６】
図６のグラフの実線１０１は、図５のAの平面型トランジスタを用いた画素１０Xにおけるポテンシャル勾配を示している。
【００８７】
図６のグラフの破線１０２は、図５のAの画素１０Xの転送トランジスタを、平面型トランジスタから、転送トランジスタTRGと同じ縦型トランジスタに変更した場合のポテンシャル勾配を示している。破線１０２では、フォトダイオードPDとしてのN型半導体領域４１は、図５のAの画素１０Xと同様である。
【００８８】
図６のグラフの実線１０３は、図５のBの画素１０のポテンシャル勾配を示している。すなわち、実線１０３は、図５のAの画素１０Xの転送トランジスタを平面型トランジスタから縦型トランジスタに変更し、かつ、フォトダイオードPDとしてのN型半導体領域４１を、図５のBのように、高不純物濃度のN型半導体領域４１Cの深さ８１を浅くし、基板裏面側近傍にN型半導体領域４１Aを形成した場合のポテンシャル勾配を示している。
【００８９】
図６に示されるように、転送トランジスタTRGを平面型トランジスタから縦型トランジスタに変更することにより、転送経路を短くすることができる。また、高不純物濃度のN型半導体領域４１Cの深さ８１を浅くし、基板裏面側近傍にN型半導体領域４１Aを形成することにより、フォトダイオードPD深部のポテンシャルを深くし、転送トランジスタTRG近傍のポテンシャルを浅くすることができる。
【００９０】
基板裏面側近傍にN型半導体領域４１Aを形成することにより、光電変換領域を拡大し、飽和電荷量を増大させることができる。
【００９１】
転送トランジスタTRG近傍のポテンシャルを浅くすることで、転送トランジスタTRGのゲート電極をオフしたとき、転送途中の信号電荷がフォトダイオードに戻ってしまう動作、いわゆる信号戻しによる信号劣化をより低減することができる。
【００９２】
図７は、図６の実線１０１、破線１０２、および、実線１０３に対応するポテンシャル分布を示している。
【００９３】
図７のAは、転送トランジスタとして平面型トランジスタを用いた画素１０Xの、ｂ１−ｂ２線断面図（上段）とポテンシャル分布（下段）を示している。図７のAは、図６の実線１０１に対応する。
【００９４】
図７のBは、転送トランジスタとして縦型トランジスタを用いた画素１０Xの、ｂ１−ｂ２線断面図（上段）とポテンシャル分布（下段）を示している。図７のBは、図６の破線１０２に対応する。
【００９５】
図７のCは、受光素子１の画素１０の、ｂ１−ｂ２線断面図（上段）とポテンシャル分布（下段）を示している。図７のCは、図６の実線１０３に対応する。
【００９６】
なお、図７のA乃至Cのポテンシャル分布は、いずれも、転送トランジスタTRG１がオンに制御された状態のポテンシャル分布を示している。また、図７のAおよびBの画素１０Xにおいても、画素１０と対応する部分に画素１０と同じ符号を付してある点は図５と同様である。
【００９７】
図７のA乃至Cそれぞれの、転送トランジスタTRG１の基板表面側界面付近の領域１１１乃至１１３のポテンシャル分布を比較して明らかなように、図７のAおよびBでは、転送トランジスタTRG１近傍のポテンシャルが深く（高く）なっているのに対して、図７のCでは、転送トランジスタTRG１近傍のポテンシャルが浅く（低く）なっている。このポテンシャル構造により、信号戻しによる転送劣化に対して耐性あるセンサが実現できる。
【００９８】
また、図７のCの画素１０では、基板裏面側に近い領域に、N型半導体領域４１Aを形成したことにより、領域１１４に示されるように、図７のAおよびBの画素１０Xよりも、空乏層が基板裏面側近傍まで拡大されている。このポテンシャル構造により高感度化が実現できる。
【００９９】
＜６．縦ゲート電極部の平面形状＞
図８は、縦ゲート電極部４２Vの平面形状を説明する平面図である。
【０１００】
縦ゲート電極部４２Vの平面形状は、例えば、図８のAに示されるように、丸形とすることができる。ただし、縦ゲート電極部４２Vの平面形状を丸形とした場合には、XY平面に対する縦ゲート電極部４２Vの面積が大きくなり、電子が縦ゲート電極部４２Vに衝突し、転送速度を低下させるおそれがある。
【０１０１】
そこで、縦ゲート電極部４２Vの平面形状は、例えば、図８のBに示されるように、ゲート幅６１の方向（Y方向）の幅よりも、ゲート幅６１の方向に直交する方向（X方向）の幅が長い細長形状で形成することができる。また、縦ゲート電極部４２Vの平面形状は、フォトダイオードPD側が凸の細長形状で形成することができる。これにより、電子が縦ゲート電極部４２Vに衝突しにくくなり、転送速度の低下を抑えることができる。
【０１０２】
＜７．複数画素の配列例＞
図９は、画素アレイ部２１の画素配列例を示している。
【０１０３】
画素アレイ部２１では、図９に示されるように、図３に示した画素１０が、行列方向に２次元配置されている。なお、図９では、紙面の制約上、画素１０を行方向および列方向に４個ずつ配列した４×４の１６個の配列のみが示されているが、画素数はこれに限定されない。図９では、紙面の制約上、符号も省略されている。
【０１０４】
＜８．転送トランジスタTRGの駆動＞
次に、図１０および図１１を参照して、転送トランジスタTRGの駆動について説明する。
【０１０５】
図１０は、転送トランジスタTRGを駆動する際の印加電圧を示す図である。
【０１０６】
上述したように、受光素子１の画素１０は、２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２の一方をオンし、他方をオフする制御を交互に行うことにより、電荷を浮遊拡散領域FD１とFD２とに振り分ける。
【０１０７】
垂直駆動部２２は、第１の駆動として、画素１０に対して、オンさせる一方の転送トランジスタTRG(例えば、転送トランジスタTRG１)の印加電圧を、正の所定電圧VAとし、オフさせる他方の転送トランジスタTRG(例えば、転送トランジスタTRG２)の印加電圧を、負の所定電圧VB（第１の負バイアスVB）とする制御を行うことができる。ここで、第１の負バイアスVBは、白点および暗電流を抑制するためのピニング用の負バイアスである。
【０１０８】
また、垂直駆動部２２は、第２の駆動として、図１０に示されるように、画素１０に対して、オンさせる一方の転送トランジスタTRG(例えば、転送トランジスタTRG１)の印加電圧を、正の所定電圧VAとし、オフさせる他方の転送トランジスタTRG(例えば、転送トランジスタTRG２)の印加電圧を、負の所定電圧VC（第２の負バイアスVC）とする制御を行うことができる。ここで、第２の負バイアスVCは、ピニング用の第１の負バイアスVBよりも大きな負バイアスである。
【０１０９】
図１１は、第２の駆動を行った場合の２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２間のポテンシャルを示している。
【０１１０】
図１１のグラフにおける実線が、第２の駆動を行った場合の２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２間のポテンシャルを表し、破線が、転送トランジスタTRG１およびTRG２を第１の負バイアスVBでオフしたときのポテンシャルを示している。
【０１１１】
図１１の実線で示されるように、オフさせる側の転送トランジスタTRGに対して、ピニング用の第１の負バイアスVBよりも大きな第２の負バイアスVCを印加することにより、電界の勾配をより大きくすることができ、電荷転送を補助することができる。したがって、第２の駆動により、電荷の転送特性を向上させることができる。
【０１１２】
＜９．配線層の配置例＞
図１２は、半導体基板７０の表面側に形成された受光素子１の多層配線層の配置例を示している。
【０１１３】
なお、図１２においては、図３と対応する部分について、同一の符号を付しているが、一部の符号は省略されている。
【０１１４】
受光素子１は、例えば、第１配線層M１乃至第４配線層M４からなる４層の配線層と、層間絶縁層とからなる多層配線層を有する。４層の配線層は、半導体基板７０に近い側から順に、第１配線層M１、第２配線層M２、第３配線層M３、第４配線層M４の順とする。
【０１１５】
図１２のAは、半導体基板７０の表面側に形成された画素トランジスタのゲート電極およびN型半導体領域、第１配線層M１、並びに、画素トランジスタのゲート電極と第１配線層M１とのコンタクトの配置を示す平面図である。
【０１１６】
図１２のAに示されるように、第１配線層M１は、画素１０の境界部分に少なくとも形成され、GNDと接続されている。また、第１配線層M１は、画素トランジスタのゲート電極と、コンタクトを介して接続されている。浮遊拡散領域FD１として機能するN型半導体領域４３１は、配線１５１１を介して、増幅トランジスタAMP１のゲート電極４８１と接続され、浮遊拡散領域FD２として機能するN型半導体領域４３２は、配線１５１２を介して、増幅トランジスタAMP２のゲート電極４８２と接続されている。
【０１１７】
図１２のBは、第１配線層M１、第２配線層M２、および、第１配線層M１と第２配線層M２とを接続するビアの配置を示す平面図である。
【０１１８】
第２配線層M２には、第３配線層M３および第４配線層M４に中継するための配線が配置されている。
【０１１９】
図１２のCは、第２配線層M２、第３配線層M３、および、第２配線層M２と第３配線層M３とを接続するビアの配置を示す平面図である。
【０１２０】
第３配線層M３には、画素アレイ部２１を水平方向に伝送する制御線や電源線が配置されている。
【０１２１】
具体的には、第３配線層M３には、転送トランジスタTRG１およびTRG２のゲート電極に供給される転送駆動信号TRG１gおよびTRG２gを伝送する配線１６１１および１６１２、切替トランジスタFDG１およびFDG２のゲート電極に供給されるFD駆動信号FDG１gおよびFDG２gを伝送する配線１６２１および１６２２、リセットトランジスタRST１およびRST２のゲート電極に供給されるリセット駆動信号RST１gおよびRST２gを伝送する配線１６３１および１６３２、選択トランジスタSEL１およびSRL２のゲート電極に供給される選択信号SEL１gおよびSEL２gを伝送する配線１６４１および１６４２、並びに、電源電圧VDDを伝送する配線１６５が、形成されている。
【０１２２】
転送駆動信号TRG１gおよびTRG２gを伝送する配線１６１１および１６１２の線幅１７１１および１７１２は、セトリング改善のため、他の画素トランジスタの配線１６２１、１６２２、１６３１、１６３２、１６４１、および、１６４２よりも太く形成されている。
【０１２３】
図１２のDは、第３配線層M３、第４配線層M４、および、第３配線層M３と第４配線層M４とを接続するビアの配置を示す平面図である。
【０１２４】
第４配線層M４には、画素アレイ部２１を垂直方向に伝送する垂直信号線２９Aおよび２９Bや、電源線が配置されている。
【０１２５】
＜１０．画素の変形例＞
図１３および図１４は、画素１０の変形例を示す図である。
【０１２６】
図１３は、画素１０の変形例の平面図であり、図１４は、画素１０の変形例の断面図である。図１３の平面図は、図３に示した画素１０の平面図に対応し、図１４の断面図は、図４に示した画素１０の断面図に対応する。
【０１２７】
図１３および図１４に示される変形例は、変換効率を上げるため、浮遊拡散領域FD１およびFD２の容量を小さくした場合の画素構造を示している。画素１０の回路構成は、図２に示した等価回路と同じである。
【０１２８】
図１３の平面図に示されるように、浮遊拡散領域FD１およびFD２としてのN型半導体領域４３１および４３２の面積（体積）が、図３と比較して小さく形成されている。転送トランジスタTRG１およびTRG2のゲート電極４２１および４２２のゲート幅２０１も、図３の画素１０のゲート幅６１よりも短い。
【０１２９】
浮遊拡散領域FD１およびFD２としてのN型半導体領域４３１および４３２の領域サイズの変更に伴い、転送トランジスタTRG、切替トランジスタFDG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELの各画素トランジスタの配置が変更されている。例えば、選択トランジスタSEL１およびSEL２のソース領域としてのN型半導体領域５１１が、垂直方向の隣りの画素１０の領域に形成されている。
【０１３０】
図１３において、浮遊拡散領域FD１として機能するN型半導体領域４３１は、配線１５１１を介して、増幅トランジスタAMP１のゲート電極４８１と接続され、浮遊拡散領域FD２として機能するN型半導体領域４３２は、配線１５１２を介して、増幅トランジスタAMP２のゲート電極４８２と接続されている。
【０１３１】
図１４のAは、図１３のａ１−ａ２線における画素１０の断面図であり、図１４のBは、図１３のｂ１−ｂ２線における画素１０の断面図である。
【０１３２】
なお、図１４のBに示される画素１０の変形例のｂ１−ｂ２線における断面図は、図４のBの断面図と同様であるので、その説明は省略する。
【０１３３】
画素１０の変形例では、浮遊拡散領域FDとしてのN型半導体領域４３の面積（体積）が、図３と比較して小さく形成されるのに伴い、転送トランジスタTRGのゲート電極４２のゲート幅２０１も短く形成されるので、縦ゲート電極部４２Vの本数も、図３と比較して少ない。具体的には、図１４のAに示されるように、転送トランジスタTRG2のゲート電極４２２は、平面ゲート電極部４２T２と、１本の縦ゲート電極部４２V２とで構成されている。
【０１３４】
なお、転送トランジスタTRGのゲート電極４２のゲート幅２０１に応じて、縦ゲート電極部４２Vの本数は、２本や３本など、複数本で形成してもよい。
【０１３５】
＜１１．４タップの画素構成例＞
図１５は、画素１０のさらにその他の変形例を示す平面図である。
【０１３６】
図３および図１３で示した画素１０は、１つのフォトダイオードPDに対して、２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２と、浮遊拡散領域FD１およびFD２とを有し、フォトダイオードPDで生成された電荷を、２つの浮遊拡散領域FD１およびFD２に振り分ける２タップの画素構造であった。
【０１３７】
これに対して、図１５に示される画素１０は、１つのフォトダイオードPDに対して、４つの転送トランジスタTRG１乃至TRG４と、浮遊拡散領域FD１乃至FD４とを有し、フォトダイオードPDで生成された電荷を、４つの浮遊拡散領域FD１乃至FD４に振り分ける４タップの画素構造を有する。
【０１３８】
画素１０は、転送トランジスタTRG、浮遊拡散領域FD、付加容量FDL、切替トランジスタFDG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELをそれぞれ４個ずつ有する。
【０１３９】
転送トランジスタTRG、浮遊拡散領域FD、付加容量FDL、切替トランジスタFDG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELの組み合わせからなる１セットの配置は、図３と同様である。
【０１４０】
図３の２タップでは、転送トランジスタTRG、浮遊拡散領域FD、付加容量FDL、切替トランジスタFDG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELの組み合わせ（１セット）が、矩形の画素領域の対向する２辺のみに配置されていたのに対して、図１５の４タップでは、各辺に配置されている。
【０１４１】
図１５の４タップにおいて、転送トランジスタTRG、浮遊拡散領域FD、付加容量FDL、切替トランジスタFDG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELの各セットは、１乃至４のいずれかの添え字を付して区別されている。
【０１４２】
図１５のａ１−ａ２線における画素１０の断面図は、図４のAと同様であり、全ての転送トランジスタTRGは、縦型トランジスタで構成されている。なお、勿論、転送トランジスタTRGの縦ゲート電極部４２Vの本数は、２タップの場合と異なっていてもよい。
【０１４３】
４タップの画素１０では、図１５に示されるように、対向する２つの転送トランジスタTRGのゲート電極４２間の距離２２２は、転送トランジスタTRGのゲート電極４２のゲート幅２２１と同程度の長さになるが、転送トランジスタTRGを縦型トランジスタとすることによって変調能力を高め、オフさせる側の転送トランジスタTRGに対して、ピニング用の第１の負バイアスVBよりも大きな第２の負バイアスVCを印加する第２の駆動を行うことで、電荷の高速転送が可能である。
【０１４４】
図１６は、４タップの画素１０における第２の駆動を説明するタイミングチャートである。
【０１４５】
垂直駆動部２２は、４タップの画素１０において第２の駆動を行う場合、オン制御する所定の１つの転送トランジスタTRGと対向する転送トランジスタTRGを、第２の負バイアスVCとし、直交する残り２つの転送トランジスタTRGを、第１の負バイアスVBに制御する。
【０１４６】
図１６の例では、垂直駆動部２２は、T１期間において、転送トランジスタTRG１をオンするとともに、転送トランジスタTRG３を第２の負バイアスVCに制御し、転送トランジスタTRG２とTRG４を、第１の負バイアスVBに制御する。
【０１４７】
T１期間の次のT２期間では、垂直駆動部２２は、転送トランジスタTRG２をオンするとともに、転送トランジスタTRG４を第２の負バイアスVCに制御し、転送トランジスタTRG１とTRG３を、第１の負バイアスVBに制御する。
【０１４８】
T２期間の次のT３期間では、垂直駆動部２２は、転送トランジスタTRG３をオンするとともに、転送トランジスタTRG１を第２の負バイアスVCに制御し、転送トランジスタTRG２とTRG４を、第１の負バイアスVBに制御する。
【０１４９】
T３期間の次のT４期間では、垂直駆動部２２は、転送トランジスタTRG４をオンするとともに、転送トランジスタTRG２を第２の負バイアスVCに制御し、転送トランジスタTRG１とTRG３を、第１の負バイアスVBに制御する。
【０１５０】
＜１２．電界制御型の受光素子への適用＞
上述した受光素子１の縦型トランジスタの構造は、図１７に示すような電界制御型の受光素子にも適用することができる。
【０１５１】
図１７のAは、電界制御型の受光素子の画素の平面図であり、図１７のBは、電界制御型の受光素子の画素の断面図とポテンシャル図である。
【０１５２】
電界制御型の受光素子の画素３００は、光電変換領域であるN型半導体領域３０１で生成された電荷を、１対の第１の電界制御電極３１１ａおよび３１１ｂと、その隣の１対の第２の電界制御電極３１２ａおよび３１２ｂとに、互いに異なる電界制御電圧をそれぞれ印加することにより、２つの電荷蓄積領域３１３ａおよび３１３ｂに振り分ける。２つの電荷蓄積領域３１３ａおよび３１３ｂに蓄積された電荷は、それぞれ、転送トランジスタTRGａおよびTRGbによって、電荷読み出し領域３１４ａおよび３１４ｂに転送される。
【０１５３】
光電変換領域であるN型半導体領域３０１には、図１７のBに示される遮光板３０２の矩形の開口領域を通過した光が入射される。図１７のAに示した１対の第１の電界制御電極３１１ａおよび３１１ｂと、その隣の１対の第２の電界制御電極３１２ａおよび３１２ｂは、遮光板３０２と絶縁膜３０３との間に配置されている。N型半導体領域３０１と絶縁膜３０３との間のP型半導体領域３０４は、ピニング層である。
【０１５４】
例えば、１対の第１の電界制御電極３１１ａおよび３１１ｂに対して−２V、その隣の１対の第２の電界制御電極３１２ａおよび３１２ｂに対して１Vの電圧が印加された場合、光電変換で生成された電荷は、右側の電荷蓄積領域３１３ｂに転送される。
【０１５５】
一方、１対の第１の電界制御電極３１１ａおよび３１１ｂに対して１V、その隣の１対の第２の電界制御電極３１２ａおよび３１２ｂに対して−２Vの電圧が印加された場合、光電変換で生成された電荷は、左側の電荷蓄積領域３１３ａに転送される。
【０１５６】
以上のような電界制御型の受光素子の画素３００の第１の電界制御電極３１１ａおよび３１１ｂと、第２の電界制御電極３１２ａおよび３１２ｂに代えて、上述した転送トランジスタTRG1およびTRG2の構成、即ち、櫛歯形状の縦ゲート電極部４２Vを有する縦型トランジスタの構成を採用することができる。これにより、変調能力が向上し、電界が付きやすくなるので、転送特性を向上させることができる。
【０１５７】
＜１３．測距モジュールの構成例＞
図１８は、上述した受光素子１を用いて測距情報を出力する測距モジュールの構成例を示すブロック図である。
【０１５８】
測距モジュール５００は、発光部５１１、発光制御部５１２、および、受光部５１３を備える。
【０１５９】
発光部５１１は、所定波長の光を発する光源を有し、周期的に明るさが変動する照射光を発して物体に照射する。例えば、発光部５１１は、光源として、波長が７８０nm乃至１０００nmの範囲の赤外光を発する発光ダイオードを有し、発光制御部５１２から供給される矩形波の発光制御信号ＣＬＫｐに同期して、照射光を発生する。
【０１６０】
なお、発光制御信号ＣＬＫｐは、周期信号であれば、矩形波に限定されない。例えば、発光制御信号ＣＬＫｐは、サイン波であってもよい。
【０１６１】
発光制御部５１２は、発光制御信号ＣＬＫｐを発光部５１１および受光部５１３に供給し、照射光の照射タイミングを制御する。この発光制御信号ＣＬＫｐの周波数は、例えば、２０メガヘルツ（ＭＨｚ）である。なお、発光制御信号ＣＬＫｐの周波数は、２０メガヘルツ（ＭＨｚ）に限定されず、５メガヘルツ（ＭＨｚ）などであってもよい。
【０１６２】
受光部５１３は、物体から反射した反射光を受光し、受光結果に応じて距離情報を画素ごとに算出し、物体までの距離を画素ごとに階調値で表したデプス画像を生成して、出力する。
【０１６３】
受光部５１３には、図１の受光素子１が用いられる。受光部５１３としての受光素子１は、例えば、発光制御信号ＣＬＫｐに基づいて、画素アレイ部２１の各画素１０の複数の転送トランジスタTRGを交互に駆動し、フォトダイオードPDで生成された電荷を複数の電荷蓄積部（浮遊拡散領域FD）に転送する。受光素子１は、複数の電荷蓄積部で検出された信号強度から、距離情報を画素ごとに算出する。
【０１６４】
以上のように、間接ToF方式により被写体までの距離情報を求めて出力する測距モジュール５００の受光部５１３として、上述した受光素子１を組み込むことができる。これにより、測距モジュール５００としての測距特性を向上させることができる。
【０１６５】
＜１４．電子機器の構成例＞
なお、受光素子１は、上述したように測距モジュールに適用できる他、例えば、測距機能を備えるデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置、測距機能を備えたスマートフォンといった各種の電子機器に適用することができる。
【０１６６】
図１９は、本技術を適用した電子機器としての、スマートフォンの構成例を示すブロック図である。
【０１６７】
スマートフォン６０１は、図１９に示されるように、測距モジュール６０２、撮像装置６０３、ディスプレイ６０４、スピーカ６０５、マイクロフォン６０６、通信モジュール６０７、センサユニット６０８、タッチパネル６０９、および制御ユニット６１０が、バス６１１を介して接続されて構成される。また、制御ユニット６１０では、CPUがプログラムを実行することによって、アプリケーション処理部６２１およびオペレーションシステム処理部６２２としての機能を備える。
【０１６８】
測距モジュール６０２には、図１８の測距モジュール５００が適用される。例えば、測距モジュール６０２は、スマートフォン６０１の前面に配置され、スマートフォン６０１のユーザを対象とした測距を行うことにより、そのユーザの顔や手、指などの表面形状のデプス値を測距結果として出力することができる。
【０１６９】
撮像装置６０３は、スマートフォン６０１の前面に配置され、スマートフォン６０１のユーザを被写体とした撮像を行うことにより、そのユーザが写された画像を取得する。なお、図示しないが、スマートフォン６０１の背面にも撮像装置６０３が配置された構成としてもよい。
【０１７０】
ディスプレイ６０４は、アプリケーション処理部６２１およびオペレーションシステム処理部６２２による処理を行うための操作画面や、撮像装置６０３が撮像した画像などを表示する。スピーカ６０５およびマイクロフォン６０６は、例えば、スマートフォン６０１により通話を行う際に、相手側の音声の出力、および、ユーザの音声の収音を行う。
【０１７１】
通信モジュール６０７は、インターネット、公衆電話回線網、所謂3G回線や4G回線等の無線移動体用の広域通信網、WAN（Wide Area Network）、LAN（Local Area Network）等の通信網を介したネットワーク通信、Bluetooth（登録商標）、NFC（Near Field Communication）等の近距離無線通信などを行う。センサユニット６０８は、速度や加速度、近接などをセンシングし、タッチパネル６０９は、ディスプレイ６０４に表示されている操作画面に対するユーザによるタッチ操作を取得する。
【０１７２】
アプリケーション処理部６２１は、スマートフォン６０１によって様々なサービスを提供するための処理を行う。例えば、アプリケーション処理部６２１は、測距モジュール６０２から供給されるデプス値に基づいて、ユーザの表情をバーチャルに再現したコンピュータグラフィックスによる顔を作成し、ディスプレイ６０４に表示する処理を行うことができる。また、アプリケーション処理部６２１は、測距モジュール６０２から供給されるデプス値に基づいて、例えば、任意の立体的な物体の三次元形状データを作成する処理を行うことができる。
【０１７３】
オペレーションシステム処理部６２２は、スマートフォン６０１の基本的な機能および動作を実現するための処理を行う。例えば、オペレーションシステム処理部６２２は、測距モジュール６０２から供給されるデプス値に基づいて、ユーザの顔を認証し、スマートフォン６０１のロックを解除する処理を行うことができる。また、オペレーションシステム処理部６２２は、測距モジュール６０２から供給されるデプス値に基づいて、例えば、ユーザのジェスチャを認識する処理を行い、そのジェスチャに従った各種の操作を入力する処理を行うことができる。
【０１７４】
このように構成されているスマートフォン６０１では、測距モジュール６０２として、上述した測距モジュール５００を適用することで、例えば、所定の物体までの距離を測定して表示したり、所定の物体の三次元形状データを作成して表示する処理などを行うことができる。
【０１７５】
＜１５．内視鏡手術システムへの応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
【０１７６】
図２０は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【０１７７】
図２０では、術者（医師）１１１３１が、内視鏡手術システム１１０００を用いて、患者ベッド１１１３３上の患者１１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０００は、内視鏡１１１００と、気腹チューブ１１１１１やエネルギー処置具１１１１２等の、その他の術具１１１１０と、内視鏡１１１００を支持する支持アーム装置１１１２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１２００と、から構成される。
【０１７８】
内視鏡１１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１１０１と、鏡筒１１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１１００を図示しているが、内視鏡１１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
【０１７９】
鏡筒１１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１１００には光源装置１１２０３が接続されており、当該光源装置１１２０３によって生成された光が、鏡筒１１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
【０１８０】
カメラヘッド１１１０２の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：  Ｃａｍｅｒａ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１１２０１に送信される。
【０１８１】
ＣＣＵ１１２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１１００及び表示装置１１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１２０１は、カメラヘッド１１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
【０１８２】
表示装置１１２０２は、ＣＣＵ１１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
【０１８３】
光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１１００に供給する。
【０１８４】
入力装置１１２０４は、内視鏡手術システム１１０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置１１２０４を介して、内視鏡手術システム１１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡１１１００による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示等を入力する。
【０１８５】
処置具制御装置１１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１１２の駆動を制御する。気腹装置１１２０６は、内視鏡１１１００による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者１１１３２の体腔を膨らめるために、気腹チューブ１１１１１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ１１２０７は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ１１２０８は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
【０１８６】
なお、内視鏡１１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。
また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
【０１８７】
また、光源装置１１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【０１８８】
また、光源装置１１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Ｎａｒｒｏｗ  Ｂａｎｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
【０１８９】
図２１は、図２０に示すカメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。
【０１９０】
カメラヘッド１１１０２は、レンズユニット１１４０１と、撮像部１１４０２と、駆動部１１４０３と、通信部１１４０４と、カメラヘッド制御部１１４０５と、を有する。ＣＣＵ１１２０１は、通信部１１４１１と、画像処理部１１４１２と、制御部１１４１３と、を有する。カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１とは、伝送ケーブル１１４００によって互いに通信可能に接続されている。
【０１９１】
レンズユニット１１４０１は、鏡筒１１１０１との接続部に設けられる光学系である。
鏡筒１１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１１０２まで導光され、当該レンズユニット１１４０１に入射する。レンズユニット１１４０１は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
【０１９２】
撮像部１１４０２は、撮像素子で構成される。撮像部１１４０２を構成する撮像素子は、１つ（いわゆる単板式）であってもよいし、複数（いわゆる多板式）であってもよい。
撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部１１４０２は、３Ｄ（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット１１４０１も複数系統設けられ得る。
【０１９３】
また、撮像部１１４０２は、必ずしもカメラヘッド１１１０２に設けられなくてもよい。例えば、撮像部１１４０２は、鏡筒１１１０１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
【０１９４】
駆動部１１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１１４０５からの制御により、レンズユニット１１４０１のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部１１４０２による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
【０１９５】
通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４０４は、撮像部１１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１１４００を介してＣＣＵ１１２０１に送信する。
【０１９６】
また、通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１から、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
【０１９７】
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１１２０１の制御部１１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ（Ａｕｔｏ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）機能、ＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）機能及びＡＷＢ（Ａｕｔｏ  Ｗｈｉｔｅ  Ｂａｌａｎｃｅ）機能が内視鏡１１１００に搭載されていることになる。
【０１９８】
カメラヘッド制御部１１４０５は、通信部１１４０４を介して受信したＣＣＵ１１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御する。
【０１９９】
通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２から、伝送ケーブル１１４００を介して送信される画像信号を受信する。
【０２００】
また、通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２に対して、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
【０２０１】
画像処理部１１４１２は、カメラヘッド１１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
【０２０２】
制御部１１４１３は、内視鏡１１１００による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１１４１３は、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。
【０２０３】
また、制御部１１４１３は、画像処理部１１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１１２０２に表示させる。この際、制御部１１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１１４１３は、表示装置１１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１１３１に提示されることにより、術者１１１３１の負担を軽減することや、術者１１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。
【０２０４】
カメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１を接続する伝送ケーブル１１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
【０２０５】
ここで、図示する例では、伝送ケーブル１１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。
【０２０６】
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。
本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１１４０２に適用され得る。具体的には、画素１０を有する受光素子１を、撮像部１１４０２の構成の一部として適用することができる。撮像部１１４０２の構成の一部として本開示に係る技術を適用することにより、術部までの距離を高精度に測定することができ、より鮮明な術部画像を得ることができる。
【０２０７】
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
【０２０８】
＜１６．移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
【０２０９】
図２２は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【０２１０】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図２２に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
【０２１１】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【０２１２】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【０２１３】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【０２１４】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【０２１５】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【０２１６】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｄｒｉｖｅｒ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２１７】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２１８】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【０２１９】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２２の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【０２２０】
図２３は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【０２２１】
図２３では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
【０２２２】
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【０２２３】
なお、図２３には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【０２２４】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【０２２５】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２２６】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【０２２７】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。
マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【０２２８】
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、車外情報検出ユニット１２０３０や撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、受光素子１または測距モジュール５００を、車外情報検出ユニット１２０３０や撮像部１２０３１の距離検出処理ブロックに適用することができる。車外情報検出ユニット１２０３０や撮像部１２０３１に、本開示に係る技術を適用することにより、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体までの距離を高精度に測定することができ、得られた距離情報を用いて、ドライバの疲労を軽減したり、ドライバや車両の安全度を高めることが可能になる。
【０２２９】
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０２３０】
また、上述した受光素子１おいては、信号キャリアとして電子を用いる例について説明したが、光電変換で発生した正孔を信号キャリアとして用いるようにしてもよい。そのような場合、光電変換領域がP型半導体領域により構成され、半導体基板７０がN型半導体領域により構成されるようにし、光電変換領域において、信号キャリアとしての正孔が検出されるようにすればよい。
【０２３１】
上述した受光素子１おいては、フォトダイオードPDから転送された電荷を浮遊拡散領域FD１およびFD２に保持するようにしたが、電荷保持部としてメモリ部を形成して電荷を保持するようにしてもよい。
【０２３２】
例えば、上述した受光素子１おいては、各実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。
【０２３３】
上述した受光素子１は、それ単体でワンチップとして構成されてもよいし、光源や光学系、信号処理回路などと一緒にパッケージングされたモジュールや測距装置など、いずれの形態で構成されてもよい。
【０２３４】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
【０２３５】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、
前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタと
を少なくとも有する画素を備え、
前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている
受光素子。
（２）
前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部は、前記フォトダイオードを挟んで対向配置されて構成される
前記（１）に記載の受光素子。
（３）
前記第１の転送トランジスタと第２の転送トランジスタとの間の距離は、前記第１または第２の転送トランジスタのゲート幅よりも短い
前記（１）または（２）に記載の受光素子。
（４）
前記第１および第２の転送トランジスタのゲート幅は、同方向の前記フォトダイオードの幅よりも大きく構成される
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の受光素子。
（５）
前記第１および第２の転送トランジスタは、複数の縦ゲート電極部を有する
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の受光素子。
（６）
前記第１および第２の転送トランジスタは、断面視で櫛歯形状に形成されている
前記（５）に記載の受光素子。
（７）
前記縦ゲート電極部の平面形状は、ゲート幅方向の第１の幅よりも、前記ゲート幅方向に直交する第２の幅が長い細長形状で形成されている
前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の受光素子。
（８）
前記縦ゲート電極部の平面形状は、前記フォトダイオード側が凸の前記細長形状で形成されている
前記（７）に記載の受光素子。
（９）
前記フォトダイオードの光電変換領域を形成するN型またはP型の半導体領域は、前記第１および第２の転送トランジスタの前記縦ゲート電極部の間と、前記縦ゲート電極部の下側の領域に形成され、空乏層が前記第１および第２の転送トランジスタの形成面と反対側の基板界面近傍まで拡大されるように構成されている
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の受光素子。
（１０）
前記画素は、
前記電荷を蓄積する第１の付加容量と、
前記第１の付加容量を前記第１の電荷保持部と接続する第１の接続トランジスタと、
前記電荷を蓄積する第２の付加容量と、
前記第２の付加容量を前記第２の電荷保持部と接続する第２の接続トランジスタと
をさらに有する
前記（１）乃至（９）のいずれかに記載の受光素子。
（１１）
前記画素は、
前記電荷を保持する第３の電荷保持部と、
前記電荷を前記第３の電荷保持部に転送する第３の転送トランジスタと、
前記電荷を保持する第４の電荷保持部と、
前記電荷を前記第４の電荷保持部に転送する第４の転送トランジスタと
をさらに有し、
前記第３および第４の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の受光素子。
（１２）
前記第１の転送トランジスタをオンして前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する際、前記第１の転送トランジスタに対向する前記第２の転送トランジスタには第１の負バイアスよりも大きな第２の負バイアスが印加されるように構成され、前記第３の転送トランジスタおよび前記第４の転送トランジスタには前記第１の負バイアスが印加されるように構成される
前記（１）乃至（１１）のいずれかに記載の受光素子。
（１３）
前記第１の転送トランジスタをオンして前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する際、前記第２の転送トランジスタには負バイアスが印加されるように構成される
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の受光素子。
（１４）
前記負バイアスは、ピニング用の負バイアスよりも大きな負バイアスである
前記（１３）に記載の受光素子。
（１５）
フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、
前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタと
を少なくとも有する画素を備え、
前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている受光素子と、
周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、
前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部と
を備える測距モジュール。
（１６）
フォトダイオードで生成された電荷を保持する第１および第２の電荷保持部と、
前記電荷を前記第１の電荷保持部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記電荷を前記第２の電荷保持部に転送する第２の転送トランジスタと
を少なくとも有する画素を備え、
前記第１および第２の転送トランジスタは、縦ゲート電極部を有する縦型トランジスタで構成されている
受光素子
を備える電子機器。
【符号の説明】
【０２３６】
１  受光素子，  １０  画素，  ２１  画素アレイ部，  FD１，FD２  浮遊拡散領域，  FDG１，FDG２  切替トランジスタ，  FDL１,FDL２  付加容量，  PD  フォトダイオード，  RST１,RST２  リセットトランジスタ，  SEL１,SEL２  選択トランジスタ，  TRG１,TRG２  転送トランジスタ，  ４２  ゲート電極，  ４２T  平面ゲート電極部，  ４２V  縦ゲート電極部，  ６１  ゲート幅，  ５００  測距モジュール，  ５１１  発光部，  ５１２  発光制御部，  ５１３  受光部，  ６０１  スマートフォン，  ６０２  測距モジュール
【図１】
2020009883.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020009883.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020009883.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2020009883.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2020009883.tif 000021
【図２０】
2020009883.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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