(57)【要約】【課題】画素の位置に依存したフォトンの検出効率低下を抑制した、フォトンカウンティング方式の撮像素子を提供すること。【解決手段】撮像素子の画素領域には画素が行列状に複数配置される。個々の画素は、光電変換により生成された電子によってアバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域と、アバランシェ増倍に起因して得られるパルスを計数するカウンタ回路とを有する。画素領域に配列された各画素の平面視において、アバランシェ増倍領域のサイズは光電変換領域のサイズよりも小さく、画素領域に配列された画素のうち、画素領域の周辺領域に配置された少なくとの一部の画素におけるアバランシェ増倍領域の位置が、画素領域の中央領域に配置された画素におけるアバランシェ増倍領域の位置に対してずれた位置に形成される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に基づく光電変換により電荷を生成する光電変換領域と、前記光電変換により生成された電荷によってアバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域とを有する画素を行列状に複数配置した画素領域を備え、
前記画素領域に配列された各画素の平面視において、前記アバランシェ増倍領域のサイズは前記光電変換領域のサイズよりも小さく、
前記画素領域に配列された画素のうち、前記画素領域の周辺領域に配置された少なくとの一部の画素における前記アバランシェ増倍領域の位置が、前記画素領域の中央領域に配置された画素における前記アバランシェ増倍領域の位置に対してずれた位置に形成される、ことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記画素領域に配列された画素のうち、予め定められた画素の前記アバランシェ増倍領域の位置が、他の画素の前記アバランシェ増倍領域の位置よりも、前記画素領域の基準位置から遠ざかる方向にずれた位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記画素はさらに、第１の電圧が印加される第１導電型領域と、前記第１導電型領域と結合面を形成し第２の電圧が印加される第２導電型領域とを有し、
前記第１導電型領域または第２導電型領域を形成する位置によって、前記アバランシェ増倍領域が形成される位置を制御することを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記予め定められた画素において前記第１導電型領域または第２導電型領域を形成する位置が、前記光電変換領域において光電変換が生じる平均位置に基づくことを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記平均位置が、画素に設けられたカラーフィルタの色に応じた波長の光の侵入長に基づくことを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記アバランシェ増倍領域の位置のずれの大きさが、前記予め定められた画素と前記基準位置との距離に基づくことを特徴とする請求項２、４、５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記予め定められた画素が、前記基準位置からの距離が閾値以上である画素であることを特徴とする請求項２、４、５いずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記画素がマイクロレンズをさらに有し、
前記予め定められた画素については、前記マイクロレンズの中心を、前記基準位置に近づく方向にずれた位置に形成することを特徴とする請求項２、４、５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記画素がマイクロレンズをさらに有し、
前記予め定められた画素が前記基準位置からの距離が閾値以上である画素であり、
前記予め定められた画素と、前記予め定められた画素よりも前記基準位置との距離が短い画素の一部については、前記マイクロレンズの中心を、前記基準位置に近づく方向にずれた位置に形成することを特徴とする請求項２、４、５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記マイクロレンズの位置のずれの大きさが、前記予め定められた画素と前記基準位置との距離に基づくことを特徴とする請求項８に記載の撮像素子。
【請求項１１】
前記マイクロレンズの位置のずれの大きさが、前記予め定められた画素と前記基準位置との距離に基づくことを特徴とする請求項９に記載の撮像素子。
【請求項１２】
前記予め定められた画素が複数のアバランシェ増倍領域を有し、前記複数のアバランシェ増倍領域のそれぞれが、前記アバランシェ増倍領域の位置よりも、前記基準位置から遠ざかる方向にずれた位置に形成されることを特徴とする請求項２、４、５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項１３】
前記予め定められた画素が、受光領域の一部を遮光する遮光膜を有する画素であり、
前記アバランシェ増倍領域の位置のずれの大きさが、前記遮光膜が有する開口部の位置に基づくことを特徴とする請求項２、４、５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項１４】
前記基準位置が、撮影光学系の光軸と前記画素領域とが交差する光軸中心であることを特徴とする請求項２、４、５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項１５】
前記基準位置が、前記画素領域の中心であることを特徴とする請求項２、４、５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項１６】
光電変換により生成された電荷によってアバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域と、前記アバランシェ増倍のための電圧を印加するための電極とを有する画素を複数配置された画素領域を備え、
前記画素領域に配列された画素のうち、少なくとの一部の画素における前記電極の位置が、他の画素における前記電極の位置に対して異なる位置に形成される、ことを特徴とする撮像素子。
【請求項１７】
光電変換により生成された電荷によってアバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域を有する画素を複数配置された画素領域を備え、
前記画素領域に配列された画素のうち、少なくとの一部の画素における前記アバランシェ増倍領域の位置が、他の画素における前記アバランシェ増倍領域の位置に対して異なる位置に形成される、ことを特徴とする撮像素子。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の読み出しモードを制御するためのプロセッサと、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像素子に関し、特には撮像素子の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
降伏電圧より大きな逆バイアス電圧を印加したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）をアレイ状に配置して、ある範囲に入射したフォトンの数を検出するフォトダイオードアレイが提案されている（特許文献１）。また、このようなフォトダイオードアレイをフォトンカウンティング方式の撮像素子として用いることも提案されている。
【０００３】
降伏電圧より大きな逆バイアス電圧を印加したＡＰＤは、フォトンが入射するごとにアバランシェ増倍による光電流を発生させる。光電流の発生に伴う電圧変化をパルス信号に整形して生成したパルス信号をカウンタで計数することにより、ＡＰＤに入射したフォトンの数を検出することができる。例えば露光期間中に計数されたパルスの数は露光期間中の入射光量に相当するため、カウンタの計数値を画素データとして用いることができる。電荷転送などが不要であるため、従来のＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサと比較すると、回路ノイズの影響が少ない画素データを得ることができ、例えば暗所での撮影に有利である。
【０００４】
ＡＰＤでアバランシェ増倍を発生させる高電界領域で結晶欠陥等に起因して暗電流が発生すると、暗電流に基づくパルス信号をカウントしてしまう。フォトンの入射によってキャリアを生成する受光領域の面積は変えずに、高電界領域の面積を狭くすることにより、高電界領域内に結晶欠陥等が含まれる確率を低減し、誤検出を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１７４７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＡＰＤを画素としてアレイ状に配列した撮像素子を形成する場合、像高の小さい位置に配置された画素にはほぼ正面から光が入射するが、像高が大きい位置に配置された画素には斜め方向から光が入射する。つまり、画素の像高に応じて受光領域に対する光の入射角度および入射位置が異なる。これは、入射フォトンによって画素内でキャリアが発生する位置が画素の像高に応じて異なることを意味する。
【０００７】
そのため、暗電流の発生を抑制するために高電界領域の面積を狭く形成した場合、キャリアが高電界領域に到達するのに必要な移動距離や方向が、画素に応じて異なることになる。その結果、高電界領域でアバランシェ増倍を発生させるために必要な速度にキャリアを加速できない場合がある。また、高電界領域までのキャリアの移動距離が長くなる画素では、キャリアが高電界領域に到達する前に再結合して消滅する確率が増加するため、入射フォトンの検出効率が低下する原因となる。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものである。本発明は、画素の位置に依存したフォトンの検出効率低下を抑制した、フォトンカウンティング方式の撮像素子を提供することを１つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的は、入射光に基づく光電変換により電荷を生成する光電変換領域と、光電変換により生成された電荷によってアバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域とを有する画素を行列状に複数配置した画素領域を備え、画素領域に配列された各画素の平面視において、アバランシェ増倍領域のサイズは光電変換領域のサイズよりも小さく、画素領域に配列された画素のうち、画素領域の周辺領域に配置された少なくとの一部の画素におけるアバランシェ増倍領域の位置が、画素領域の中央領域に配置された画素におけるアバランシェ増倍領域の位置に対してずれた位置に形成される、ことを特徴とする撮像素子によって達成される。
【発明の効果】
【００１０】
このような構成により、本発明によれば、画素の位置に依存したフォトンの検出効率低下を抑制した、フォトンカウンティング方式の撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の撮像素子の全体構成例を示す図
【図２】第１実施形態の単位画素の等価回路図
【図３】第１実施形態の画素領域の概略構成図
【図４】第１実施形態のフォトダイオードの断面図
【図５】第１実施形態の変形例におけるフォトダイオードの断面図
【図６】第１実施形態の別の変形例におけるフォトダイオードの断面図
【図７】第１実施形態のさらに別の変形例におけるフォトダイオードの断面図
【図８】第２実施形態における単位画素の等価回路図
【図９】第２実施形態におけるフォトダイオードの断面図
【図１０】第３実施形態における画素領域の概略構成図
【図１１】第３実施形態におけるフォトダイオードのｘ−ｚ断面図
【図１２】第１〜第３実施形態に係る撮像素子を適用した撮像装置の一例としてのカメラの機能構成例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明をその例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。以下の実施形態では、フォトンカウンティング式の撮像素子の一例として、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を光電変換素子として用いた構成について説明する。しかし、他の光電変換素子を用いる構成であってもよい。
【００１３】
●（第１実施形態）
図１に、本発明の実施形態に係る撮像素子の構成例を模式的に示す。撮像素子１００は画素領域１０１、垂直制御回路１０２、水平制御回路１０３、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１０４、デジタル出力部１０７を有する。
【００１４】
画素領域１０１には、画素１０８が行列状に複数配置されている。ここでは、説明を簡単にするために水平方向に４画素、垂直方向に４画素が配列された画素領域１０１を示しているが、実際には数百万から数千万といった多数の画素が配列される。画素１０８は、入射したフォトンに起因するパルス信号を計数し、デジタル形式の計数値を画素データとして出力する。この画素の詳細は図２を用いて後述する。
【００１５】
垂直制御回路１０２は、スイッチ１０５により画素１０８を１行単位で選択する。また、垂直制御回路１０２は、不図示の配線を介して画素１０８に１行単位で制御信号を送出する。この制御信号の詳細は図２を用いて後述する。
【００１６】
水平制御回路１０３は、スイッチ１０６により画素１０８を１列単位で選択する。垂直制御回路１０２と水平制御回路１０３の両方に選択された１つの画素１０８の画素データが、デジタル出力部１０７に出力される。
デジタル出力部１０７は、画素１０８から出力された画素データを撮像素子１００の外部に順次出力する。
【００１７】
ＴＧ１０４は、画素１０８から画素データを出力するための制御信号を垂直制御回路１０２および水平制御回路１０３に出力する。なお、ＴＧ１０４は、デジタル出力部１０７にも制御信号を送出する。
【００１８】
図２は画素１０８の等価回路図である。画素１０８は、フォトダイオード２０１、クエンチ抵抗２０２、反転バッファ２０３、カウンタ回路２０４を有する。なお、画素１０８の構成要素のうち、フォトダイオード２０１とカウンタ回路２０４とは別個のチップに形成し、チップ間の信号はシリコン貫通電極（ＴＳＶ）等で電気的に接続する３次元実装によって撮像素子１００を実現することができる。これにより、フォトダイオード２０１の開口率の低下を抑えることができる。
【００１９】
フォトダイオード２０１は、例えばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であり、光電変換部として機能する。フォトダイオード２０１のカソード端子には、クエンチ抵抗２０２を介して電圧Ｖ１が印加される。フォトダイオード２０１のアノード端子には、電圧Ｖ２が印加される。フォトダイオード２０１に降伏電圧より大きな逆バイアス電圧を印加するように電圧Ｖ１およびＶ２を定める。ここでは例えばＶ１＝３Ｖ、Ｖ２＝−２０Ｖとする。なお、本実施形態において電圧Ｖ２はフォトダイオード２０１におけるグラウンド電位に相当する。
【００２０】
これにより、フォトダイオード２０１はガイガーモードで動作し、フォトンが入射すると、光電変換により生成されたキャリアがアバランシェ増倍を引き起こし、大きな光電流が流れ、クエンチ抵抗２０２で電圧降下が発生する。これにより、フォトダイオード２０１のカソード端子電圧が低下し、フォトダイオード２０１に印加された逆バイアス電圧が降伏電圧を下回るとアバランシェ増倍が停止する。その結果、光電流が流れなくなり、フォトダイオード２０１のカソード端子電圧はＶ１に戻る。このようにして、１回のフォトン入射によって、短時間で大きな電圧変化が発生する。この電圧変化を反転バッファ２０３によってパルス信号として出力する。クエンチ抵抗２０２はフォトダイオード２０１のアバランシェ増倍を停止するための抵抗素子である。クエンチ抵抗２０２はトランジスタの抵抗成分を利用して実現してもよい。
【００２１】
カウンタ回路２０４は、フォトンが入射する毎に反転バッファ２０３から出力されるパルス信号を計数する。カウンタ回路２０４には、垂直制御回路１０２からイネーブル信号（ＰＥＮ信号）およびリセット信号（ＰＲＥＳ信号）が供給される。ＰＥＮ信号がＨレベルの状態で、パルス信号がカウンタ回路２０４に入力されると、計数値が１つ増加する。ＰＥＮ信号がＬレベルの状態では、パルス信号が入力されても、計数値は増加せず、現在の計数値が保持される。また、カウンタ回路２０４に供給されるＰＲＥＳ信号がＨレベルになると、カウンタ回路２０４の計数値は０にリセットされる。所定の露光期間中におけるカウンタ回路２０４の計数値は、露光期間中におけるフォトダイオード２０１の受光量に応じた値となるため、計数値を画素データとして用いることができる。
【００２２】
所定の露光期間が終了した後、垂直制御回路１０２と水平制御回路１０３の両方によって選択された画素のカウンタ回路２０４の計数値は、画素データとしてデジタル出力部１０７に出力される。
【００２３】
図３に画素領域１０１の概略構成例を示す。ここで、画素領域１０１に対し、図示のように水平方向にｘ軸、垂直方向にｙ軸、画素領域面の法線方向にｚ軸を定義する。なお、光はｚ軸の正方向に（紙面手前から）画素領域に入射するものとする。レンズユニットなど撮影光学系の光軸は、画素領域１０１と交点３００で交差する。交点３００を画素領域１０１の光軸中心と呼ぶ。一方で、画素領域１０１の中心を画像中心と呼ぶ。光軸中心と画像中心とは画素領域の基準位置である。光軸中心と画像中心は合致していてもいなくてもよいが、ここでは合致しているものとする。従って、以下の説明において光軸中心は画像中心でもある。３０１は光軸中心を含む画素、３０２は光軸中心との距離（像高）が大きい、画素領域の周辺部の画素の例である。また、画素３０１と３０２のｙ座標は等しいものとする。なお、製造誤差や、光学式手振れ補正などによって光軸中心と画像中心がずれる場合もある。しかし、これらの要因による光軸中心と画像中心とのずれは、画素領域１０１の大きさに対して非常に小さい。そのため、本実施形態では説明および理解を簡単にするために光軸中心と画像中心とが一致しているものとして説明する。また、画素領域１０１には撮影光学系を通じて受光するための受光画素のほかに、遮光された画素やダミー画素を含む場合がある。本発明における画像中心は遮光された画素やダミー画素を除いた、受光画素の領域の中心とすることができる。
【００２４】
なお、ここでは画素領域１０１のうち、３０３で示す領域を周辺部とし、それ以外を光軸中心付近または中央領域とする。なお、周辺部３０３と光軸中心付近との境界は、例えば画素の中心に入射する光線の入射角（ｘ軸方向）が閾値以上か否かによって定めることができるが、他の条件に従って定めてもよい。以下では、画素３０１を、光軸中心付近に含まれる各画素を代表する画素として、また画素３０２を、周辺部３０３に含まれる各画素を代表する画素として説明する。
【００２５】
図４（ａ）〜図４（ｂ）はそれぞれ、本実施形態における画素３０１および３０２のフォトダイオードのｘ−ｚ断面図である。ここでは、撮像素子が裏面照射型であるものとする。また、図４（ｃ）〜図４（ｄ）は図４（ａ）〜図４（ｂ）のＣ−Ｃ’断面図、図４（ｅ）〜図４（ｆ）は図４（ａ）〜図４（ｂ）のＤ−Ｄ’断面図である。図４（ｇ）〜図４（ｈ）は画素３０１および３０２のフォトダイオードの平面図である。なお、図４（ｃ）〜図４（ｈ）のような、画素のｘ−ｙ平面の構成を、画素の平面視と呼ぶ。
【００２６】
図４（ａ）において、第２導電型領域としてのＰ型半導体領域であるＰ４０４には、不図示のコンタクト電極を介して電圧Ｖ２（例えば−２０Ｖ）が印加される。Ｐ４０４は、後述するＮ型半導体領域との間で形成されるＰＮ接合フォトダイオードのアノード端子として機能する。なお、電圧Ｖ２を印加する電極はフォトダイオードごとに設けてもよいし、複数のフォトダイオードに共通して設けてもよい。なお、いずれの場合においても、電圧Ｖ２はフォトダイオードのグランド電位であることから、電圧Ｖ２を印加する電極は、周期的に配置されるフォトダイオードに対して周期的な位置に設けることが望ましい。また、複数のフォトダイオードに共通した電極を設ける場合には、例えば同じ色（例えば青）のカラーフィルターが設けられた複数のフォトダイオードに対応して電極を設けてもよい。
【００２７】
第１導電型領域としてのＮ型半導体領域であるＮ＋４０２には、クエンチ抵抗２０２を介して電圧Ｖ１（例えば３Ｖ）が印加される。Ｎ型半導体領域であるＮ＋４０２は、Ｐ４０４との間で形成されるＰＮ接合フォトダイオードのカソード端子として機能する。また、電圧Ｖ１を印加する不図示の電極はＮ＋４０２の上面の中心付近に設けられている。
【００２８】
第１導電型としてのＮ型エピタキシャル層であるＮ−ｅｐｉ４０１は受光領域および光電変換領域として機能する。Ｎ−ｅｐｉ４０１には、電圧Ｖ１が印加されたＮ＋４０２と電圧Ｖ２が印加されたＰ４０４との間で空乏領域が形成される。Ｎ−ｅｐｉ４０１は、入射したフォトンを光電変換して電子正孔対を生成する。電子正孔対のうち、正孔は、ドリフトによってＰ４０４に移動し、不図示のコンタクト電極を介して撮像素子外に排出される。一方、電子は、ドリフトによって高電界領域４０７Ａに移動し、加速されてアバランシェ増倍を引き起こす。以降、このアバランシェ増倍を発生させるための高電界領域４０７Ａをアバランシェ増倍領域と呼ぶ。なお、効率的に電子を高電界領域４０７Ａに収集するために、Ｎ−ｅｐｉ４０１内に適切なポテンシャル傾斜を設けておくことができる。
【００２９】
図４（ｅ）のＤ−Ｄ’断面図に示すように、Ｐ４０４はフォトダイオードの中央付近まで伸長するように形成され、Ｐ４０４とＮ＋４０２とが近接する領域にアバランシェ増倍領域４０７Ａが形成される。本実施形態では図４（ａ）に示すように、Ｎ＋４０２を画素内の中央付近のみに形成してアバランシェ増倍領域が形成される面積を狭くしてある。これにより、シリコン基板内の結晶欠陥等の存在する領域にアバランシェ増倍領域が形成される確率を下げることができる。その結果、アバランシェ増倍領域内の結晶欠陥等に起因して発生する暗電流がアバランシェ増倍されて高頻度で検出されてしまう画素（欠陥画素）の発生割合を低く抑えることができる。また、アバランシェ増倍領域の面積を狭くしても、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１の面積を広くすることで、画素内の広い範囲に入射したフォトンを検出することができる。
【００３０】
ガードリングＮ−４０３は、Ｎ＋４０２よりも低濃度の第１導電型領域である。図４（ｃ）のＣ−Ｃ’断面図に示すように、ガードリングＮ−４０３は、Ｎ＋４０２とＰ４０４との間に形成され、Ｎ＋４０２とＰ４０４との間の電界を緩和してエッジブレークダウンを防止する機能を有する。なお、ガードリングＮ−４０３によってエッジブレークダウンを防止する効果を得るためには、図４（ｃ）において、Ｎ＋４０２とＰ４０４との間にある程度の距離（例えば１．４μｍ以上）を持たせるようにガードリングＮ−４０３を設ける。なお、ガードリングＮ−４０３によってＮ＋４０２とＰ４０４とを隔てる距離は、フォトダイオードに印加する電圧値によって変更することができる。
【００３１】
ＣＦ４０５はカラーフィルターである。本実施形態において各画素には複数の色（例えば、赤、緑、青の３原色）の１つを有するカラーフィルタが、特定の配列（例えばベイヤ配列）を形成するように設けられている。
【００３２】
ここで、本実施形態でフォトダイオードを裏面照射型としている理由は、ガードリングＮ−４０３に入射したフォトンの検出効率が著しく低いためである。ガードリングＮ−４０３で光電変換により発生した電子のほとんどは、アバランシェ増倍領域４０７Ａに到達することなく、ドリフトにより直接、Ｎ＋４０２に移動してしまう。そのため、フォトダイオードをガードリングＮ−４０３の形成されている側から光を入射させる表面照射型として構成した場合、フォトダイオードの表面付近で光電変換される短波長の光の検出効率が低下してしまう。したがって、図４（ａ）〜図４（ｈ）に示すようにフォトダイオードを裏面照射型とすることで、短波長の光の検出効率の低下を抑えることができる。なお、フォトダイオードの形状を円筒形にして、フォトダイオードの各領域の電界強度の変化を滑らかにすることができる。フォトダイオードの形状を円筒形にした場合、Ｎ−ｅｐｉ４０１の受光面積が狭くなるため、導波路等の集光構造を設けてもよい。
【００３３】
図４（ａ）〜図４（ｂ）に示すように、光軸中心に位置する画素３０１と、周辺部の画素３０２とでは、Ｎ＋４０２の形成される位置、すなわちアバランシェ増倍領域４０７Ａの形成される位置が異なる。ここで、Ｎ−ｅｐｉ４０１のｘ軸方向の中心位置をＯ１で示す。Ｏ１はＮ−ｅｐｉ４０１のｘ軸方向における幅をＷとすると、Ｗ／２となる位置に相当する。同様に、Ｎ＋４０２のｘ軸方向の中心位置をＯ２で示す。
【００３４】
図４（ｃ）に示すように、光軸中心に位置する画素３０１では、Ｎ＋４０２の中心位置Ｏ２がＮ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１と等しい。一方、図４（ｄ）に示すように、周辺部の画素３０２では、Ｎ＋４０２の中心位置Ｏ２が、Ｎ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１からｘ軸方向に距離Ｌだけずれた位置（すなわち、Ｏ２＝Ｏ１＋Ｌ）に形成される。なお、ここでは画素３０１と３０２のｙ軸座標が等しいため、ｙ軸方向については画素の像高によらずＮ＋４０２の中心位置とＮ−ｅｐｉ４０１の中心位置が等しい。しかし、画素３０１と３０２のｙ軸座標が異なる場合には、ｙ軸座標の差の大きさに応じてＮ＋４０２の中心位置とＮ−ｅｐｉ４０１の中心位置のｙ軸方向の位置を変化させることができる。
【００３５】
また、図４（ａ）および図４（ｂ）や、図４（ｅ）および図４（ｆ）のＤ−Ｄ’断面図に示すように、Ｐ４０４はフォトダイオードの中央付近まで伸長するように形成され、Ｐ４０４とＮ＋４０２が近接する領域にアバランシェ増倍領域４０７Ａが形成される。ここで、図４（ａ）や図４（ｂ）に示すように、Ｎ＋４０２はアバランシェ増倍領域４０７Ａが形成される面積が狭くなるように、水平断面積を小さく形成している。これにより、アバランシェ増倍領域４０７Ａ内にシリコン基板内の結晶欠陥等が存在する確率を下げることができる。その結果、アバランシェ増倍領域内の結晶欠陥等に起因して発生する暗電流がアバランシェ増倍されて高頻度で検出されてしまう画素（欠陥画素）の発生割合を低く抑えることができる。また、アバランシェ増倍領域４０７の面積を狭くしても、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１の面積を広くすることで、画素内の広い範囲に入射したフォトンを検出することができる。
【００３６】
図４（ａ）〜図４（ｂ）には、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１に対する入射光を矢印で示している。図４（ａ）に示すように、光軸中心を含んだ画素３０１では光線がｚ軸と平行に入射するのに対し、図４（ｂ）に示すように、周辺部の画素３０２では光線がｚ軸に対して傾いて入射する。
【００３７】
このとき、それぞれの角度をもって受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１に入射したフォトンが光電変換される位置は、シリコンの吸収係数で決まる指数関数の確率分布に従う。ここで、それぞれの画素に入射したフォトンが光電変換される平均位置を４０８Ａ、４０８Ｂで示す。これらの平均位置４０８Ａ、４０８Ｂは、それぞれの角度でシリコンに入射したフォトンが５０％の確率で光電変換されている侵入長に相当する。入射光の波長を可視光領域の中心付近の波長である５５０ｎｍで代表すると、この侵入長はおよそ１μｍとなる。
【００３８】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、光軸中心に位置する画素３０１におけるアバランシェ増倍領域４０７Ａの中心位置（Ｏ１）は入射したフォトンが光電変換される平均位置４０８Ａの直上になる。また、周辺部の画素３０２でアバランシェ増倍領域４０７Ｂの中心位置（Ｏ２）は、入射したフォトンが光電変換される平均位置４０８Ｂの直上になる。つまり、それぞれの画素において、入射したフォトンが光電変換される平均位置からアバランシェ増倍領域までの距離はほぼ同じであり、光軸中心から離れた位置に配置された画素におけるフォトンの検出感度低下を抑制することができる。これは、光電変換により生成された電子がアバランシェ増倍領域へドリフト移動中に再結合によって消滅する確率の増加を抑えることができるからである。
【００３９】
また、周辺部の画素においても、光電変換により生成された電子がアバランシェ増倍領域に突入する方向や位置が光軸中心に位置する画素と同じになるため、電子がアバランシェ増倍領域でアバランシェ増倍を発生させるために必要な加速を得ることができる。これによっても、光軸中心から離れた位置に配置された画素におけるフォトンの検出感度低下を抑制することができる。
【００４０】
このように、本実施形態では、入射フォトンが光電変換される平均位置を通り、撮影光学系の光軸に平行な直線がアバランシェ増倍領域を通るように、アバランシェ増倍領域（高電界領域）が形成される第１導電型領域（Ｎ＋４０２）の水平断面位置を制御する。なお、入射フォトンが光電変換される平均位置は、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１の中心位置に入射する光線の入射角度と、入射光の代表波長（例えば５５０ｎｍ）の侵入長とから求まる距離（受光領域の中心からのずれ量）として求めることができる。なお、これは一例であり、他の方法によって各画素において入射フォトンが光電変換される平均位置を求めてもよい。
【００４１】
例えば、入射したフォトンが光電変換される平均位置を、撮影光学系を介して画素に入射するすべての光束を考慮して求めてもよい。なお、撮影光学系の絞りが可変な場合や、撮影光学系が交換可能な場合には、基準となる撮影光学系および絞り値について画素に入射する光束を考慮して平均位置を算出すればよい。
【００４２】
また、本実施形態では、入射フォトンが光電変換される平均位置を、可視光領域の中心付近の波長である５５０ｎｍの侵入長を用いて求めたが、各画素に設けられたカラーフィルターの分光透過率が最も高い波長の侵入長を用いてもよい。この場合、像高が等しい画素であっても、カラーフィルタの色が異なる画素はアバランシェ増倍領域（高電界領域）が形成される第１導電型領域（Ｎ＋４０２）の水平断面位置が異なる。
【００４３】
また、上述したように、ｘ軸方向のみならず、ｙ軸方向に対してもアバランシェ増倍領域（高電界領域）が形成される第１導電型領域（Ｎ＋４０２）の水平断面位置を制御してもよい。
【００４４】
本実施形態では、Ｎ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１を基準としてＮ＋４０２の中心Ｏ２の位置をずらす例を示した。しかし、Ｎ＋４０２の中心Ｏ２のずらし量の基準は、Ｎ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１に限られない。例えば、画素１０８が所定の画素ピッチで周期的に配置される場合、隣接画素の中心を結ぶ直線の中点を基準として用いてもよい。また、フォトダイオードの周囲に埋め込まれたＰ４０４やガードリング４０３により定義される領域の中心を基準として用いてもよい。あるいは、画素領域１０１内に周期的に配置される、電圧Ｖ２を印加するための電極の位置を基準として用いてもよい。一例として図４（ｇ）及び図４（ｈ）に示すように、電極位置を基準として用いる場合、電圧Ｖ２を印加する電極４０８Ａおよび電極４０８Ｂと、電圧Ｖ１を印加する電極４０９Ａおよび電極４０９Ｂとの間の距離でずれ量が規定される。
【００４５】
次に、画素ごとにマイクロレンズを備えた撮像素子に対する第１実施形態の適用例について説明する。
図５（ａ）〜図５（ｂ）は第１実施形態の第１変形例において、光軸中心に位置する画素３０１’および周辺部の画素３０２’のフォトダイオードのｘ−ｚ断面図である。図５（ａ）〜図５（ｂ）において図４（ａ）〜図４（ｈ）と同一の構成については同一の番号を付与し、その説明は省略する。
【００４６】
図５（ａ）〜図５（ｂ）に示すように、各画素は入射光線から見てカラーフィルタ４０５の手前にマイクロレンズ（ＭＬ）４０６を備えている。ＭＬ４０６は撮影光学系により結像された光を受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１に集光する。ここで、図５（ａ）〜図５（ｂ）には、それぞれＭＬ４０６の中心を通ってＮ−ｅｐｉ４０１に入射する光を矢印で示してある。各画素がＭＬ４０６を備えた構成においても、ＭＬ４０６を介してＮ−ｅｐｉ４０１に入射するフォトンが光電変換される平均位置４０８Ａ、４０８Ｂの直上にアバランシェ増倍領域４０７Ａ、４０７Ｂが形成されるよう、Ｎ＋４０２の水平断面位置を制御する。したがって、図４（ａ）〜図４（ｈ）に示した構成と同様に、画素領域の周辺部の画素において、入射フォトンの検出効率が低下することを抑制できる。なお、ここではフォトンが光電変換される平均位置４０８Ｂが、周辺部の画素ほどマイクロレンズの光軸から離れる場合について説明した。しかし、画素の位置の変化と、平均位置４０８とマイクロレンズの光軸との距離の変化との関係が異なる場合であっても、フォトンが光電変換される平均位置４０８の直上にアバランシェ増倍領域４０７を形成することができる。
【００４７】
なお、図４（ａ）〜図４（ｈ）および図５（ａ）〜図５（ｂ）では、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１を基準として、アバランシェ増倍領域（Ｎ＋４０２）の中心位置Ｏ２を距離Ｌだけずらす構成を例示した。しかし、ＭＬ４０６、ＣＦ４０５、またはＰ４０４の中心位置を基準としてもよい。さらに、不図示の配線開口や遮光部材を備える場合には、配線開口の中心位置や遮光部材を基準としてもよい。なお、図４（ａ）〜図４（ｈ）において、Ｎ＋４０２のｘ軸方向の寸法が１．２μｍ程度あればアバランシェ増倍が可能である。また、画素ピッチに合わせて強電界領域の大きさを変更する場合、画素ピッチが１０μｍ以下の画素であれば画素サイズ（面積）に対するＮ＋４０２のサイズ（面積）の割合を４０％以下に構成する。
【００４８】
図６（ａ）〜図６（ｂ）は第１実施形態の第２変形例において、光軸中心に位置する画素３０１”および周辺部の画素３０２”のフォトダイオードのｘ−ｚ断面図である。図６（ａ）〜図６（ｂ）において図４（ａ）〜図４（ｈ）または図５（ａ）〜図５（ｂ）と同一の構成については同一の番号を付与し、その説明は省略する。
【００４９】
図５（ａ）〜図５（ｂ）に示した変形例では、個々の画素においてＭＬ４０６が設けられる位置は、画素が配置されている位置によらず一定（例えば、画素の受光領域の中心とＭＬ４０６の中心とのｘｙ座標が同一）であった。これに対し、本変形例では、図６（ｂ）に示すように、周辺部の画素３０２”のｘ軸方向において、ＭＬ４０６の中心位置Ｏ３をＮ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１からＬ２ずらして配置する。
【００５０】
より具体的には、周辺部の画素３０２”において、ＭＬ４０６の中心位置Ｏ３を、受光領域（Ｎ−ｅｐｉ４０１）の中心位置Ｏ１を基準として撮影光学系の光軸（あるいは画素領域の光軸中心）に近づく方向（図の左方向）にずらして配置する。さらに、アバランシェ増倍領域を形成するＮ＋４０２の中心位置Ｏ２を、受光領域の中心位置Ｏ１を基準として撮影光学系の光軸（あるいは画素領域の光軸中心）から遠ざかる方向（図の右方向）にずらして形成する。
【００５１】
これにより、入射光がｚ軸に対して大きく傾いて入射した場合でも、入射フォトンの検出効率が低下することを抑制できる。さらにＮ＋４０２とＭＬ４０６の双方を逆方向にずらすことで、一方だけをずらす場合よりもずらし量を小さくすることができる。特にＮ＋４０２のずらし量Ｌ１を小さくすることで、Ｎ＋４０２と側面のＰ４０４とが近接してガードリングＮ−４０３の幅が減少し、側面側でブレークダウンが発生することを防止できる。また、ＭＬ４０６のずらし量Ｌ２を小さくすることで、ＭＬ４０６の周辺付近に入射するフォトンが画素間に形成される不図示の素子分離構造等によって遮られたり、隣接画素に入射して混色の原因となることを防止できる。なお、ＭＬ４０６とＣＦ４０５とを一体として、中心位置をずらしてもよい。また、不図示の配線開口を備える場合は、配線開口も光軸に近づく方向にずらして形成してもよい。
【００５２】
なお、Ｎ＋４０２をずらすことにより、ガードリングＮ−４０３によってブレークダウンを防止するために必要なＮ＋４０２とＰ４０４との距離が得られない場合、Ｎ＋４０２と一緒にガードリングＮ−４０３もずらしてもよい。また、ＭＬ４０６のずらし量と同様に、Ｎ＋４０２のずらし量Ｌ１についても画素領域１０１の中心から周辺にかけて段階的に増やすことができる。
【００５３】
図７（ａ）〜図７（ｄ）は第１実施形態の第３変形例に関する図である。本変形例は、画素領域を３つの領域に分割し、個々の領域に属する画素について、Ｎ＋４０２の位置制御と、ＭＬ４０６の位置制御との組み合わせを異ならせたものである。図７（ａ）は、本変形例における画素領域の分割例を示している。図３との比較から分かるように、光軸中心付近（ここでは画像中心付近でもある）を光軸中心近傍部９０１と中間部９０２とに分割している。周辺部９０３については、第１実施形態の周辺部３０３と同一であってよい。各領域の境界は例えば画素の中心に入射する光線の入射角（ｘ軸方向）が第１閾値以上第２閾値未満である画素を中間部９０２、第２閾値以上である画素を周辺部９０３として定めることができるが、他の条件に従って定めてもよい。
【００５４】
また、図７（ｂ）〜図７（ｄ）は、光軸中心近傍部９０１に位置する画素の一例である画素９０４、中間部９０２に位置する画素の一例である画素９０５、周辺部９０３に位置する画素の一例である画素９０６のフォトダイオードのｘ−ｚ断面図である。図７（ａ）〜図７（ｄ）において図３〜６と同一の構成については同一の番号を付与し、その説明は省略する。ここでは、画素９０４は光軸中心に位置している画素とする。
【００５５】
図７（ｂ）に示すように、光軸中心近傍部９０１に位置する画素９０４は、ＭＬ４０６の中心位置Ｏ３、Ｎ＋４０２の中心位置Ｏ２がいずれも、Ｎ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１と合致するようにＭＬ４０６およびＮ＋４０２を設ける。これに対して、図７（ｃ）に示すように、中間部９０２に位置する画素９０５については、ＭＬ４０６の中心位置Ｏ３を、Ｎ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１から光軸中心方向（図の左側）にＬ２ずらしてＭＬ４０６を設ける。さらに、図７（ｄ）に示すように、周辺部９０３に位置する画素９０６については、図７（ｃ）のＭＬ４０６の中心位置Ｏ３のずらしに加え、Ｎ＋４０２の中心位置Ｏ２のずらしを組み合わせる。具体的には、Ｎ＋４０２の中心位置Ｏ２を、Ｎ−ｅｐｉ４０１の中心位置Ｏ１を基準として光軸中心から離れる方向にＬ１ずらす。
【００５６】
このように、光軸中心からの距離が大きくなるにつれて、まずマイクロレンズの中心位置をずらし、その後、さらにＮ＋４０２の中心位置をずらすようにする。中間部９０２および周辺部９０３に位置する画素について、フォトンの検出感度低下を適切に抑制することができる。なお、中間部９０２に位置する画素については、ＭＬ４０６の中心位置Ｏ３の代わりに、Ｎ＋４０２の中心位置Ｏ２をずらすように構成してもよい。
【００５７】
なお、ここでは右側の周辺部３０３における画素について説明したが、左側の周辺部３０３における画素領域内の画素については、平均位置のずれる方向が図の左側になる。しかし、Ｏ２やＯ３が光軸中心から遠ざかる方向にずれる点は共通である。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態によれば、画素領域に配列された複数の画素のそれぞれについて、アバランシェ増倍が発生する領域の位置および／またはマイクロレンズの位置を、画素の位置に応じて異ならせるようにした。より具体的には、光軸中心からの距離が閾値以上である画素については、そうでない画素よりも、アバランシェ増倍が発生する領域の中心が、画素の受光領域の中心を基準として光軸中心から遠ざかる方向にずれるようにした。あるいは、またはさらに、光軸中心からの距離が閾値以上である画素については、そうでない画素よりも、マイクロレンズの中心が、画素の受光領域の中心を基準として光軸中心に近づく方向にずれるようにした。これにより、画素の位置に依存したフォトンの検出効率低下を抑制することができる。なお、画素の受光領域の中心に対してマイクロレンズの中心をずらす場合に、画素間に配置された混色対策用の遮光部材がある場合には合わせてずらすことが好ましい。さらには、画素の受光領域とマイクロレンズの間に設けられたカラーフィルタ等の他の部材も合わせてずらすようにしてもよい。
【００５９】
●（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、マイクロレンズと、複数に分割された受光領域とを有する構成の画素に対して本発明を適用したものである。図８は、本実施形態の撮像素子の画素領域に配列される画素１０８’の等価回路図である。第１実施形態における画素１０８と同様の構成要素については図２と同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【００６０】
本実施形態の撮像素子が有する画素１０８’は、複数のフォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂを有する。なお、画素当たり３つ以上のフォトダイオードを有してもよい。また、画素１０８’は、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂのそれぞれに対応したクエンチ抵抗２０２Ａ、２０２Ｂ、反転バッファ２０３Ａ、２０３Ｂ、カウンタ回路２０４Ａ、２０４Ｂを有する。
【００６１】
フォトダイオード２０１Ａのカソード端子には、クエンチ抵抗２０２Ａを介して電圧Ｖ１＿Ａ（例えば３Ｖ）が印加され、フォトダイオード２０１Ｂのカソード端子には、クエンチ抵抗２０２Ｂを介して電圧Ｖ１＿Ｂ（例えば３Ｖ）が印加される。一方、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂのアノード端子には、共通の電圧Ｖ２（例えば−２０Ｖ）が印加される。これにより、個々のフォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂはガイガーモードで動作し、フォトンの入射によりアバランシェ増倍現象が発生する。
【００６２】
また、反転バッファ２０３Ａは、フォトダイオード２０１Ａにおけるアバランシェ増倍の発生および終了に伴って生じる電圧変化をパルス信号としてカウンタ回路２０４Ａに出力する。同様に、反転バッファ２０３Ｂは、フォトダイオード２０１Ｂにおけるアバランシェ増倍の発生および終了に伴って生じる電圧変化をパルス信号としてカウンタ回路２０４Ｂに出力する。
【００６３】
カウンタ回路２０４Ａ、２０４Ｂには、垂直制御回路１０２（図１）からイネーブル信号（ＰＥＮ＿Ａ、ＰＥＮ＿Ｂ）およびリセット信号（ＲＥＳ＿Ａ、ＲＥＳ＿Ｂ）がそれぞれ供給される。所定の露光期間中に、カウンタ回路２０４Ａ、２０４Ｂで計数した値は、画素データ（ＳｉｇＯＵＴ＿Ａ、ＳｉｇＯＵＴ＿Ｂ）として、順次、デジタル出力部１０７（図１）に出力される。
【００６４】
後述するように、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂは１つのマイクロレンズを共有し、撮影光学系の射出瞳のうち、異なる部分瞳からの光束を受光する。そのため、複数の画素からＳｉｇＯＵＴ＿ＡとＳｉｇＯＵＴ＿Ｂとを読み出し、ＳｉｇＯＵＴ＿Ａから形成される像信号と、ＳｉｇＯＵＴ＿Ｂから形成される像信号との位相差を検出することにより、撮影光学系のデフォーカス量を求めることができる。また、個々の画素について、ＳｉｇＯＵＴ＿Ａ、ＳｉｇＯＵＴ＿Ｂの２つの画素データを加算すると、第１実施形態の画素１０８で得られる画素データと同様の画素データを得ることができる。
【００６５】
図９（ａ）および図９（ｂ）に本実施形態における画素のフォトダイオードのｘ−ｚ断面図を示す。図９（ａ）は光軸中心付近の画素、図９（ｂ）は周辺部の画素のフォトダイオードの構成である。ここで、光軸中心付近および周辺部は、第１実施形態で図３を用いて説明したように定められているものとする。また、図９（ｃ）および図９（ｄ）は図９（ａ）および図９（ｂ）のＣ−Ｃ’断面図、図９（ｅ）および図９（ｆ）は図９（ａ）および図９（ｂ）のＤ−Ｄ’断面図である。図９（ａ）〜図９（ｆ）において、第１実施形態の画素１０８に対応する構成要素については図４（ａ）〜図４（ｈ）から図７（ａ）〜図７（ｄ）と同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【００６６】
図９（ａ）において、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１の上部には、第１導電型領域としてのＮ型半導体領域であるＮ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂがそれぞれ形成される。これらは、それぞれ、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂのカソード端子として機能する。Ｎ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂには、それぞれクエンチ抵抗２０２Ａ、２０２Ｂを介して、電圧Ｖ１＿Ａ、Ｖ１＿Ｂが印加される。Ｎ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂの周囲には図９（ｃ）および図９（ｄ）に示すように、ガードリングとしてＮ−４０３が形成される。
【００６７】
Ｐ４０４は第２導電型領域としてのＰ型半導体領域であり、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂのアノード端子として機能する。Ｐ４０４には、不図示のコンタクト電極を介して電圧Ｖ２が印加される。図９（ｃ）および図９（ｄ）に示すように、Ｐ４０４はＮ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂの間の領域にも存在する。さらに図９（ｅ）および図９（ｆ）に示すように、Ｐ４０４はＮ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂ付近まで伸長するように形成される。各図に示したＰ４０４は一体形成されている。これにより、Ｎ＋４０２ＡとＰ４０４が近接する領域にはアバランシェ増倍領域１２０２Ａが形成され、Ｎ＋４０２ＢとＰ４０４が近接する領域にはアバランシェ増倍領域１２０２Ｂが形成される。
【００６８】
図９（ａ）および図９（ｂ）には、撮影光学系の射出瞳１２０４を模式的に示している。撮影光学系の射出瞳１２０４のうち、部分瞳領域１２０５から出射する光が、画素に入射して、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１で光電変換される平均位置を１２０３Ａおよび１２０３Ａ’で示す。また、部分瞳領域１２０６から出射する光が、画素に入射して、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１で光電変換される平均位置を１２０３Ｂおよび１２０３Ｂ’で示す。
【００６９】
平均位置１２０３Ａまたは１２０３Ａ’で発生した電子は、ドリフトによってアバランシェ増倍領域１２０２Ａに移動して、アバランシェ増倍される。一方、平均位置１２０３Ｂまたは１２０３Ｂ’で発生した電子は、ドリフトによってアバランシェ増倍領域１２０２Ｂに移動して、アバランシェ増倍される。１２０３Ａと１２０３Ｂ（１２０３Ａ’と１２０３Ｂ’）の中間に入射したフォトンによって発生した電子はドリフトによってアバランシェ増倍領域１２０２Ａ（１２０２Ａ’）、１２０２Ｂ（１２０２Ｂ’）のいずれかに移動してアバランシェ増倍される。
【００７０】
図９（ａ）〜図９（ｆ）においても、Ｏ１は受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１のｘ軸方向における中心位置である。また、ＯＡ、ＯＢはそれぞれＮ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂのｘ軸方向における中心位置である。また、Ｏ１からＯＡまでの距離をＬＡ、Ｏ１からＯＢまでの距離をＬＢと表記する。図９（ａ）に示すように、部分瞳領域１２０５、１２０６から入射するフォトンが光電変換される平均位置１２０３Ａ、１２０３Ｂの直上にそれぞれＮ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂを形成する。これにより、アバランシェ増倍領域１２０２Ａ、１２０２Ｂの面積を抑制しつつ、フォトンが光電変換される平均位置からアバランシェ増倍領域１２０２Ａ、１２０２Ｂまでの距離を短くすることができる。そのため、光電変換によって生成された電子がアバランシェ増倍領域１２０２Ａ、１２０２Ｂに到達する前に再結合して消滅したり、アバランシェ増倍領域で十分な加速を得られなかったりすることを抑制できる。
【００７１】
一方、図９（ｂ）に示す周辺部の画素では、部分瞳領域１２０５、１２０６から入射するフォトンが光電変換される平均位置は１２０３Ａ’、１２０３Ｂ’である。平均位置１２０３Ａ’、１２０３Ｂ’は、光学中心に位置する図９（ａ）の画素でフォトンが光電変換される平均位置１２０３Ａ、１２０３Ｂよりも撮影光学系の光軸から遠ざかる方向にずれている。したがって、周辺部の画素では、光軸中心付近の画素よりもＮ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂを、撮影光学系の光軸から遠くなる方向にずらして形成する。図９（ｂ）のＯＡ’、ＯＢ’はＮ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂのｘ軸方向における中心位置である。ここで、Ｏ１からＯＡ’までの距離をＬＡ’、Ｏ１からＯＢ’までの距離をＬＢ’と表記すると、ＬＡ’＜ＬＡ、ＬＢ’＞ＬＢとなる。
【００７２】
図９（ｂ）に示すように、周辺部の画素においても、部分瞳領域１２０５、１２０６から入射するフォトンが光電変換される平均位置１２０３Ａ’、１２０３Ｂ’の直上にＮ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂを形成する。これにより、アバランシェ増倍領域１２０２Ａ’、１２０２Ｂ’もそれぞれフォトンが光電変換される平均位置１２０３Ａ’、１２０３Ｂ’の直上に形成される。これにより、アバランシェ増倍領域１２０２Ａ’、１２０２Ｂ’の面積を抑制しつつ、フォトンが光電変換される平均位置からアバランシェ増倍領域１２０２Ａ’、１２０２Ｂ’までの距離を短くすることができる。そのため、光電変換によって生成された電子がアバランシェ増倍領域１２０２Ａ’、１２０２Ｂ’に到達する前に再結合して消滅したり、アバランシェ増倍領域で十分な加速を得られなかったりすることを抑制できる。
【００７３】
また、周辺部の画素においても、光電変換により生成された電子がアバランシェ増倍領域に突入する向きや位置を光軸中心付近の画素と同じにできる。そのため、電子がアバランシェ増倍領域でアバランシェ増倍を発生させるために必要な加速を十分得ることができる。これにより、画素領域の周辺部の画素において、入射フォトンの検出効率が低下することを抑えることができる。さらに、画素内の二つのフォトダイオードの入射フォトンの検出効率の差を低減できる。
【００７４】
なお、ここでは右側の周辺部３０３における画素について説明したが、左側の周辺部３０３における画素領域内の画素については、平均位置のずれる方向が図の左側になる。しかし、Ｏ２が光軸中心から遠ざかる方向にずれる点は共通である。なお、本実施例ではＮ＋４０２Ａ、Ｎ＋４０２Ｂのｘ軸方向における中心位置の両方をずらす例を示したが、撮像光学系からの光線入射角度によっては、片側だけをずらす構成としてもよい。
【００７５】
●（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、マイクロレンズと、受光領域の一部を遮光する遮光膜とを有する構成の画素に対して本発明を適用したものである。本実施形態に係る撮像素子が有する画素の等価回路は第１実施形態（図２）と同様である。
【００７６】
撮像領域の一部の画素において、マイクロレンズを介してフォトダイオードに入射する光束の一部を遮光膜によって遮ることで、位相差検出法による焦点検出が可能な実施形態について述べる。
【００７７】
図１０（ａ）は、本実施形態に係る撮像素子の画素領域１０１の模式図であり、第１実施形態と同様の構成要素には図３と同じ参照符号を付してある。本実施形態においても第１実施形態と同様に、光学中心付近と周辺部３０３とに画素領域を分割する。また、１５１０は、光軸中心を含む８×８画素の領域を、１５２０は周辺部に含まれる８×８画素の領域をそれぞれ示している。図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は、画素領域１５１０および１５２０の拡大図であり、黒い部分は遮光膜を示している。
【００７８】
遮光膜は、画素の受光領域の一部を遮光することにより、画素に入射する光を、撮影光学系の射出瞳の特定の部分瞳領域に限定する。従って、図１０（ｂ）において、画素１５０２と１５０３には、異なる部分瞳領域からの光が入射する。画素１５０２と１５０３は位相差検出用の画素データを取得するための専用画素（焦点検出用の画素）である。複数の画素１５０２から得られる画素データから生成される像信号と、複数の画素１５０３から得られる画素データから生成される像信号との位相差を検出することにより、撮影光学系のデフォーカス量を求めることができる。一方、遮光膜が設けられていない画素１５０１は、通常の画素データを取得するための画素（撮影用の画素）である。なお、画素１５０４および１５０５は、画素１５０２および１５０３よりも開口を大きくした、遮光膜の別の例を示している。図１０（ｃ）の画素１５０１’〜１５０５’は、それぞれ図１０（ｂ）における画素１５０１〜１５０５に対応した画素である。なお、実際に画素に設けられる遮光膜の開口の大きさは画素領域全体で１種類であってよい。
【００７９】
図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示すように、画素領域１０１の一部または全体に、焦点検出用の画素が周期的に配置される。なお、図示した焦点検出用の画素の配置パターンは一例であり、これに限定されない。
【００８０】
図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、光軸中心付近の領域の画素１５０１〜１５０４のフォトダイオードのｘ−ｚ断面図である。また、図１１（ｅ）〜図１１（ｈ）は、周辺領域の画素１５０１’〜１５０４’のフォトダイオードのｘ−ｚ断面図である。なお、図１１（ａ）〜図１１（ｈ）において、第１実施形態と同様の構成要素には図４（ａ）〜図４（ｈ）と同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８１】
図１１（ａ）〜図１１（ｈ）に示す様に、焦点検出用の画素１５０１〜１５０５および１５０１’〜１５０５’には、カラーフィルタ４０５とＰ４０４との間に、アルミやタングステン等の金属で構成された遮光膜１６０１〜１６０４が設けられている。ただし、撮影用の画素１５０１および１５０１’に設けられる遮光膜１６０１は、画素に入射するフォトンの方向（瞳領域）を制限しないように設けられる。一方、焦点検出用の画素１５０２〜１５０５および１５０２’〜１５０５’は、フォトンの入射方向が、遮光膜１６０１〜１６０４の開口部を通過する方向に制限される。
【００８２】
図１１（ａ）〜図１１（ｈ）においても、Ｏ１は受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１のｘ軸方向における中心位置である。また、Ｏ２はＮ＋４０２のｘ軸方向における中心位置である。Ｎ＋４０２とＰ４０４が近接する箇所には、アバランシェ増倍領域４０７が形成される。
【００８３】
まず、図１１（ａ）〜図１１（ｄ）を参照して、光軸中心付近の画素１５０１〜１５０４においてアバランシェ増倍領域４０７を形成する位置について説明する。
図１１（ａ）に示すように、撮影用の画素１５０１では、Ｏ１とＯ２が合致するようにＮ＋４０２を形成する。一方、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）に示す様に、焦点検出用の画素１５０２、１５０３では、それぞれＯ１から距離Ｌ４、Ｌ５だけ反対方向に離れてＯ２が位置するようにＮ＋４０２を形成する。なお、光軸中心付近の画素においてはＬ４＝Ｌ５である。また、焦点検出用の画素１５０２、１５０３よりも広い部分瞳領域を受光するように構成された焦点検出用の画素１５０４では、Ｏ１から距離Ｌ６だけ離れてＯ２が位置するようにＮ＋４０２を形成する。なお、Ｏ２がＯ１から離れる方向は、遮光膜の開口がＯ１からずれている方向に等しい。
【００８４】
ここで、図１１（ａ）〜図１１（ｄ）の１６０５〜１６０８は、遮光膜の開口部からＮ−ｅｐｉ４０１に入射するフォトンが光電変換される平均位置である。上述の様に、受光領域の中心Ｏ１に対するＮ＋４０２の中心位置Ｏ２の距離を制御することにより、画素１５０１〜１５０４のいずれについても、フォトンが光電変換される平均位置１６０５〜１６０８の直上にアバランシェ増倍領域４０７が形成される。
【００８５】
したがって、入射したフォトンが光電変換される平均位置からアバランシェ増倍領域までの距離が、焦点検出用の画素１５０２〜１５０４と撮影用の画素１５０１とで等しくなる。また、光電変換により生成された電子がアバランシェ増倍領域に突入する方向や位置も焦点検出用の画素１５０２〜１５０４と撮影用の画素１５０１とで等しくなる。そのため、焦点検出用の画素においてもＮ＋４０２の中心位置Ｏ２を受光領域の中心Ｏ１に合致するように形成した場合と比較して、撮影用の画素に対して焦点検出用の画素でフォトンの検出効率が低下することを抑制できる。
【００８６】
つぎに、図１１（ｅ）〜図１１（ｈ）を参照して、周辺部の画素１５０１’〜１５０４’においてアバランシェ増倍領域４０７を形成する位置について説明する。
周辺部３０３の画素では、光軸中心付近の画素領域よりも光の入射角が大きくなる。そのため、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１に入射したフォトンが光電変換される平均位置１６０９〜１６１２は、平均位置１６０５〜１６０８に比べて、それぞれ光軸中心から遠ざかる方向（図の右側）にずれる。そのため、Ｎ＋４０２の中心位置Ｏ２を、受光領域の中心Ｏ１を基準としてＬ３’〜Ｌ６’だけずらして形成する。なお、Ｌ４’＜Ｌ４、Ｌ５’＞Ｌ５、Ｌ６’＜Ｌ６である。なお、ここでは右側の周辺部３０３における画素領域１５２０内の画素について説明したが、左側の周辺部３０３における画素領域内の画素については、平均位置のずれる方向が図の左側になるため、Ｌ４〜Ｌ６とＬ４’〜Ｌ６’との大小関係が逆転する。しかし、Ｏ２が光軸中心から遠ざかる方向にずれる点は共通である。
【００８７】
本実施形態においても、第１および第２実施形態と同様に、周辺部の画素において、入射フォトンの検出効率が低下することを抑制できる。
【００８８】
本実施形態では、光軸中心付近の画素と周辺部の画素とでアバランシェ増倍領域の位置を変えると共に、撮像用画素と焦点検出用の画素とでもアバランシェ増倍領域の位置を変えた例について説明した。しかし、撮像用画素と焦点検出用の画素とだけでアバランシェ増倍領域の位置を変えるように構成してもよい。また、製造誤差によるＭＬ４０６の位置ずれに対応するために、遮光層の開口位置をずらした複数種の焦点検出用の画素を配置する場合は、遮光層の開口位置に合わせてアバランシェ増倍領域が形成されるように、Ｎ＋４０２をずらして形成してもよい。
【００８９】
以上、本発明を例示的な実施形態に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。特許請求の範囲の記載に包含される全ての変形物は本発明の範囲に含まれる。
【００９０】
Other Embodiments
上述の実施形態では、発明の趣旨の理解を助けるため、Ｎ＋４０２やＭＬ４０６のｘ軸方向における位置制御についてのみ説明した。しかし、Ｎ＋４０２やＭＬ４０６のｙ軸方向における位置制御も、ｘ軸方向における位置制御と同様に実施することができる。従って、ｘ軸方向におけるＮ＋４０２やＭＬ４０６の位置制御の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、ｙ軸方向におけるＮ＋４０２やＭＬ４０６の位置制御を行うことができる。ｘ軸方向およびｙ軸方向の両方についてＮ＋４０２やＭＬ４０６の位置制御を行う場合、光軸中心からの距離（像高）の大きさによって画素領域を２つ以上の部分領域に分割することができる。また、Ｎ＋４０２やＭＬ４０６のずらし量は、領域ごとに異ならせる代わりに、画素ごとに異ならせてもよい。
【００９１】
上述の実施形態では、受光領域であるＮ−ｅｐｉ４０１のｘ軸方向における中心位置Ｏ１と、Ｎ＋４０２のｘ軸方向におけるＯ２が合致するようにＮ＋４０２を形成するものとした。しかし、実際には、例えば図４（ｃ）や図４（ｄ）に示す、Ｎ＋４０２のｘｙ断面（あるいは、ＰＮ結合面）が、Ｏ１をｘｙ座標を含むように形成されればよい。
【００９２】
同様に、フォトンが光電変換される平均位置の直上にＮ＋４０２を形成するものとして説明したが、これは、例えば図４（ｃ）や図４（ｄ）に示す、Ｎ＋４０２のｘｙ断面（あるいは、ＰＮ結合面）が、平均位置のｘｙ座標を含むように形成されればよい。
【００９３】
なお、別の実施形態において説明した構成は適宜組み合わせることができる。例えば、第３実施形態において、マイクロレンズの位置を制御したり、カラーフィルタの色に応じた平均位置に基づいてＮ＋４０２の中心位置Ｏ２を定めてもよい。
【００９４】
なお、上述した各実施形態においては、画素の像高に応じてアバランシェ増倍領域（Ｎ＋４０２）の中心位置Ｏ２をｘ軸およびｙ軸方向にずらしたが光軸方向（ｚ軸方向）にずらしてもよい。
【００９５】
各実施形態で説明した撮像素子は、様々な用途に用いることができる。図１２は、第１〜第３実施形態で説明したフォトンカウンティング方式の撮像素子１００を適用した撮像装置の一例としてのカメラ１２００の機能構成例を示すブロック図である。
【００９６】
撮影レンズ１２０１は、フォーカスレンズを含む複数のレンズと、絞りおよび／またはＮＤフィルタを有する。撮影レンズ１２０１は着脱可能であってもなくてもよい。撮影レンズ１２０１は、被写体光学像を撮像素子１００の撮像面に形成する撮影光学系である。撮像素子１００には例えば原色ベイヤー配列のカラーフィルタが設けられている。
【００９７】
画像処理回路１２０３は、撮像素子１００から読み出された画像データに対して予め定められた信号処理を適用し、表示用の画像データおよび記録用の画像データを生成する。また、画像処理回路１２０３は、画像データに信号処理を適用して得られた情報を制御回路１２０６に出力する。画像処理回路１２０３は例えば特定の機能を実現するように設計されたＡＳＩＣのような専用のハードウェア回路であってもよいし、ＤＳＰのようなプログラマブルプロセッサがソフトウェアを実行することで特定の機能を実現する構成であってもよい。
【００９８】
ここで、画像処理回路１２０３が適用する信号処理には、前処理、色補間処理、補正処理、検出処理、データ加工処理、評価値算出処理などが含まれる。前処理には、信号増幅、基準レベル調整、欠陥画素補正などが含まれる。色補間処理は、画素から読み出した画像データに含まれていない色成分の値を補間する処理であり、デモザイク処理とも呼ばれる。補正処理には、ホワイトバランス調整、画像の輝度を補正する処理、撮影レンズ１２０１の光学収差を補正する処理、色を補正する処理などが含まれる。検出処理には、特徴領域（たとえば顔領域や人体領域）の検出および追尾処理、人物の認識処理などが含まれる。データ加工処理には、スケーリング処理、符号化および復号処理、ヘッダ情報生成処理などが含まれる。評価値算出処理は、制御回路１２０６が行う自動露出制御処理や自動焦点検出処理に用いる評価値の算出処理である。なお、これらは画像処理回路１２０３が実施可能な信号処理の例示であり、画像処理回路１２０３が実施する信号処理を限定するものではない。
【００９９】
メモリ１２０４は、画像データのバッファとして用いられたり、画像処理回路１２０３や制御回路１２０６のワークエリアとして用いられたり、表示装置１２０８のビデオメモリとして用いられたりする。また、メモリ１２０４の一部は不揮発性であり、制御回路１２０６が実行するプログラムおよび設定値、カメラ１２００の設定値、ＵＩ表示用データなどの記憶に用いられる。
【０１００】
記録回路１２０５は、制御回路１２０６の制御に従い、例えば半導体メモリカードである記録媒体１２０９に対してデータファイルの書き込みおよび読み出しを実行する。
表示装置１２０８は例えばフラットパネルディスプレイであり、制御回路１２０６から供給される表示信号に基づく画像、例えばライブビュー画像やメニュー画面などを表示する。なお、表示装置１２０８はタッチディスプレイであってもよい。
【０１０１】
操作回路１２０７はスイッチ、ボタン、タッチパッド、ダイヤルなどの入力デバイス群であり、ユーザがカメラ１２００に指示を与えるために用いられる。操作回路１２０７に含まれる入力デバイスのそれぞれには、固定的もしくは動的に機能が割り当てられる。それにより入力デバイスは、シャッターボタン、動画記録／停止ボタン、メニューボタン、方向キー、決定ボタン、動作モード切り替えダイヤルなどとして機能する。なお、表示装置１２０８がタッチディスプレイの場合、タッチパネルとＧＵＩとの組み合わせによって実現されるソフトキーは操作回路１２０７が有する入力デバイス群に含まれる。
【０１０２】
制御回路１２０６は例えばＣＰＵなどのプログラマブルプロセッサである。制御回路１２０６は、メモリ１２０４が有する不揮発性メモリに記憶されているプログラムをメモリ１２０４のシステムメモリに展開して実行し、各部の動作を制御してカメラ１２００の機能を実現する。例えば制御回路１２０６は、操作回路１２０７の操作が検出されると、検出された操作に応じた動作を実行する。
【０１０３】
制御回路１２０６は、撮像素子１００の動作を制御する。例えば制御回路１２０６は、撮影モードに応じて撮像素子１００の読み出しモードを決定し、決定した読み出しモードに応じた制御信号を出力するようにＴＧ１０４の動作を制御する。撮影モードには例えば静止画読み出しモード、動画読み出しモードがある。また、制御回路１２０６は、撮影する画像の解像度やフレームレートの設定に応じて読み出しモードを決定してもよい。例えば、読み出しモードに応じて、読み出す画素の数や、画素信号の加算数や間引き数などが異なってよい。
【０１０４】
なお、実施形態に係る撮像素子１００は、他の用途にも適用可能である。例えば、撮像素子１００は赤外光、紫外光、Ｘ線等の可視光以外のセンシングに用いることが可能である。また、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式で距離を計測するための撮像装置、スマートフォン、ゲーム機、パーソナルコンピュータ、タブレット機器などに設けられる撮像装置にも適用可能である。さらに、内視鏡や血管撮像を行う医療機器や、肌や頭皮を観察する美容機器、スポーツやアクション動画を撮像するためのビデオカメラに適用もできる。そして、交通や船舶監視やドライブレコーダー等の交通目的カメラ、天体観測や検体観察等の学術用途カメラ、カメラ付き家電製品、マシンビジョン等にも適用可能である。特にマシンビジョンとして、工場等におけるロボットには限られず、農業や漁業での活用も可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１００…撮像素子、２０１…フォトダイオード、２０２…クエンチ抵抗、２０３…反転バッファ、２０４…カウンタ回路、３００…撮影光学系の光軸中心、３０１…光軸中心付近の画素、３０２…周辺部の画素、４０７、１２０２…アバランシェ増倍領域
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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