(57)【要約】【課題】外部的な制御を行うことなく受光光量に応じて受光光量のダイナミックレンジを抑圧して適正範囲の受光出力を得る。【解決手段】シリコン層の主機能層１１に絶縁層１４を介して２個の分配電極１２ａ，１２ｂが設けられる。両分配電極１２ａ，１２ｂに逆極性の分配電圧を印加すると、主機能層１１で受光光量に応じて生成された電子およびホールが各分配電極１２ａ，１２ｂに対応して形成されたポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに振り分けて集積される。各ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに電子とホールとが集積されている状態で分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧の極性を入れ換えると、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂの間で電子とホールとが交換され、電子とホールとが再結合される。再結合後に残留する電子とホールとの一方が受光出力として取り出される。【選択図】        図１
2006190846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の照射により電子およびホールを生成する固体からなる光電変換部を有し、光電変換部を形成する前記固体の一表面に絶縁層を介して配置され分配電圧が印加されると前記固体にポテンシャル井戸を形成する複数個の分配電極を有し、分配電圧が制御されることにより、光電変換部で生成された電子とホールとがそれぞれ各分配電極に対応して同時に形成されるポテンシャル井戸に振り分けて集積された後に隣接するポテンシャル井戸間で移送して交換され、かつ隣接するポテンシャル井戸間で電子とホールとが移送される期間に電子とホールとが再結合され、再結合後に残留した電子とホールとの少なくとも一方が受光出力として取り出されることを特徴とする光検出素子。
【請求項２】
前記光電変換部は、基板にサブストレートを介して主機能層を積層して形成され、基板に印加される基板電圧とサブストレートに印加されるリセット電圧とは基板とサブストレートとが逆バイアスになる関係であって、リセット電圧の極性が制御されることにより光電変換部に残留する電子およびホールがサブストレートと基板との一方を通して廃棄されることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項３】
前記光電変換部において前記分配電極が並ぶ方向に沿って埋め込まれる廃棄電極を有し、廃棄電極に印加される廃棄電圧が制御されることにより光電変換部に残留する電子およびホールが廃棄電極を通して廃棄されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光検出素子。
【請求項４】
前記分配電極を並べた列が前記固体を共用する形で複数列設けられ、前記固体において各列間の部位には絶縁材料からなり列間を互いに分離する絶縁分離部が埋め込まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光検出素子。
【請求項５】
前記分配電極を並べた列が前記固体を共用する形で複数列設けられ、前記固体において各列間の部位には導電材料からなり電圧の印加と非印加とにより列間を互いに分離する分離電極が埋め込まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光検出素子。
【請求項６】
電子とホールとが移送して交換される２個のポテンシャル井戸を形成する複数の前記分配電極からなるグループが前記固体を共用する形で複数グループ設けられ、グループ間で隣り合う分配電極の間にそれぞれ配置され電圧が印加されるとポテンシャル井戸からなる待避領域を形成する制御電極を有し、電子とホールとの移送過程において電子とホールとの少なくとも一方を待避領域を介して移送することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光検出素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光検出素子の制御方法であって、電子とホールとが移送して交換される２個のポテンシャル井戸について、一方のポテンシャル井戸に電子を集積し他方のポテンシャル井戸にホールを集積するように前記分配電極に分配電圧を印加する状態と、前記一方のポテンシャル井戸にホールを集積し前記他方のポテンシャル井戸に電子を集積するように前記分配電極に分配電圧を印加する状態とを切り換えることにより、２つのポテンシャル井戸の間で電子とホールとを相互に移送し、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した電子とホールとの少なくとも一方を受光出力として取り出すことを特徴とする光検出素子の制御方法。
【請求項８】
請求項６記載の光検出素子の制御方法であって、電子とホールとが移送して交換される２個のポテンシャル井戸について、一方のポテンシャル井戸に電子を集積し他方のポテンシャル井戸にホールを集積するように前記分配電極に分配電圧を印加する状態と、前記一方のポテンシャル井戸にホールを集積し前記他方のポテンシャル井戸に電子を集積するように前記分配電極に分配電圧を印加する状態とを切り換えるとともに、両状態の移行期間として両待避領域の間に一定方向の電位勾配が形成されるように制御電極への印加電圧を制御することにより電子とホールとの少なくとも一方を待避領域に一旦移送する期間を含み、両ポテンシャル井戸の間で電子とホールとを相互に移送し、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した電子とホールとの少なくとも一方を受光出力として取り出すことを特徴とする光検出素子の制御方法。
【請求項９】
前記状態の切換を交互に複数回行った後に受光出力を取り出すことを特徴とする請求項７または請求項８記載の光検出素子の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出素子および光検出素子の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤイメージセンサなど固体を用いた各種の光検出素子が知られており、これらの光検出素子は、対象物の有無を受光光量の変化で検出する光電センサ、光を伝送媒体とする光通信、投受光の時間差または位相差を用いたり三角測量法の原理を用いて光学的に測距する距離センサ、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像素子など各種用途に広く利用されている。
【０００３】
この種の光検出素子では、受光光量が適正であれば受光光量に応じた大きさの受光出力を得ることができるが、受光光量が過剰になるとキャリア（電子あるいはホール）が過剰に発生し、受光出力が飽和するという問題を有している。たとえば、ＣＣＤイメージセンサであればブルーミングと称する現象が生じる。このような問題を解決するために、ｐ形シリコン基板に絶縁層を介して設けた電極に大きな正の電圧を印加することにより、ポテンシャル井戸を反転状態とし、反転状態により絶縁層との界面に集まる多数キャリアと過剰キャリアとを再結合させることで、電極下に蓄積される小数キャリアを所定量以下に制御することが考えられている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特願昭６２−２７２７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に記載の技術では、過剰キャリアを多数キャリアとの再結合により消失させるから、受光光量が過剰であるときの受光出力の飽和を防止することが可能になると考えられる。特許文献１では、このような表面電荷再結合を適正に行うために、露光時間の長短によって動作周波数を変化させる構成を採用している。
【０００５】
すなわち、適正露光か否かを判断し、露光時間に応じて動作周波数を設定することが必要であり、受光光量のダイナミックレンジを抑圧して適正範囲の受光出力を得るための制御が複雑になるという問題を有している。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、受光光量に応じて再結合確率が自動的に決まる構成を採用することにより、受光光量を判断することなく受光光量のダイナミックレンジを抑圧して適正範囲の受光出力を得ることができるようにした光検出素子を提供することにあり、さらにその光検出素子の制御方法を提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、光の照射により電子およびホールを生成する固体からなる光電変換部を有し、光電変換部を形成する前記固体の一表面に絶縁層を介して配置され分配電圧が印加されると前記固体にポテンシャル井戸を形成する複数個の分配電極を有し、分配電圧が制御されることにより、光電変換部で生成された電子とホールとがそれぞれ各分配電極に対応して同時に形成されるポテンシャル井戸に振り分けて集積されるとともに隣接するポテンシャル井戸間で移送して交換され、かつ隣接するポテンシャル井戸間で電子とホールとが移送される期間に電子とホールとが再結合され、再結合後に残留した電子とホールとの少なくとも一方が受光出力として取り出されることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、１つの光電変換部に複数個の分配電極を設けているから、光電変換部に複数個のポテンシャル井戸を形成することができ、隣接する分配電極に印加する分配電圧を逆極性とすることによって光電変換部で生成された電子とホールとを各ポテンシャル井戸に振り分けて集積し、さらに、隣接するポテンシャル井戸の間で電子とホールとを移送して再結合させることが可能になる。一般に、ＣＣＤ撮像素子のような光検出素子では、光の照射により生成される電子とホールとの発生確率（発生数）に起因して各画素の出力レベル（受光出力のレベル）に揺らぎが生じること（ショットノイズ）が知られており、ショットノイズの影響を軽減するためにキャリア（電子またはホール）を積分して受光出力を得ている。しかしながら、積分時間を長くすると、ショットノイズの影響を軽減できるが応答速度が遅くなる。
【０００９】
一方、電子とホールとが再結合する確率は電子とホールとの密度が大きいほど高まるから、請求項１の発明のように、光電変換部で生成された電子とホールとを振り分けて集積するとともに再結合させると、受光光量が多いときには再結合確率が高くなり、受光光量が少ないときには再結合確率が小さくなる。つまり、受光光量が多い場合には再結合に関与するキャリアが多くなって受光出力の増加が抑制され、受光光量が少ない場合には再結合に関与するキャリアが少なくなり受光出力の減少が抑制される。その結果、受光光量に応じた外部的な制御を伴わずに受光出力では受光光量の変動幅を抑圧ないし圧縮することができ、光検出素子の飽和が生じにくくダイナミックレンジの低下を抑制できる。しかも、電子とホールとの発生数が増加するほど再結合確率が高くなり、電子とホールとの発生数が減少するほど再結合確率が低くなるから、再結合確率は受光出力の揺らぎを抑制する方向に変動することになり、ショットノイズが軽減されることになる。また、光電変換部で生成された電子とホールとをポテンシャル井戸に集積することにより密度を高め、さらに移送して再結合させるから、光電変換部により生成された電子とホールとを集積せずに自然に出会わせて再結合する場合に比較すると、再結合に関与する電子とホールとの密度を高めることができ、結果的に再結合確率を高めることが可能となる。
【００１０】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記光電変換部は、基板にサブストレートを介して主機能層を積層して形成され、基板に印加される基板電圧とサブストレートに印加されるリセット電圧とは基板とサブストレートとが逆バイアスになる関係であって、リセット電圧の極性が制御されることにより光電変換部に残留する電子およびホールがサブストレートと基板との一方を通して廃棄されることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、光電変換部に残留する電子とホールとの両方を廃棄することができるから、光電変換部に残留する不要キャリアを除去することによって、目的とする期間の受光光量に対して光電変換部から取り出す受光出力の誤差を抑制できる。
【００１２】
請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記光電変換部において前記分配電極が並ぶ方向に沿って埋め込まれる廃棄電極を有し、廃棄電極に印加される廃棄電圧が制御されることにより光電変換部に残留する電子およびホールが廃棄電極を通して廃棄されることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、光電変換部に残留する電子とホールとの両方を廃棄することができるから、光電変換部に残留する不要キャリアを除去することによって、目的とする期間の受光光量に対して光電変換部から取り出す受光出力の誤差を抑制できる。
【００１４】
請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３の発明において、前記分配電極を並べた列が前記固体を共用する形で複数列設けられ、前記固体において各列間の部位には絶縁材料からなり列間を互いに分離する絶縁分離部が埋め込まれていることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、絶縁分離部が隣接する列間での電子とホールとの混入を抑制するから、列間の分離性が高くなる。
【００１６】
請求項５の発明では、請求項１ないし請求項３の発明において、前記分配電極を並べた列が前記固体を共用する形で複数列設けられ、前記固体において各列間の部位には導電材料からなり電圧の印加と非印加とにより列間を互いに分離する分離電極が埋め込まれていることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、分離電極が隣接する列間での電子とホールとの混入を抑制するから、列間の分離性が高くなる。また、分離電極を用いて不要キャリアの廃棄を行うことが可能になる。
【００１８】
請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５の発明において、電子とホールとが移送して交換される２個のポテンシャル井戸を形成する複数の前記分配電極からなるグループが前記固体を共用する形で複数グループ設けられ、グループ間で隣り合う分配電極の間にそれぞれ配置され電圧が印加されるとポテンシャル井戸からなる待避領域を形成する制御電極を有し、電子とホールとの移送過程において電子とホールとの少なくとも一方を待避領域を介して移送することを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、制御電極により待避領域を形成し、電子とホールとの移送過程において電子とホールとの少なくとも一方を待避領域を介して移送するから、ポテンシャル井戸に電子またはホールを保持することができない期間が生じても、その期間には電子またはホールを待避領域に待避させておくことによって、電子ないしホールの拡散を防止することができる。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光検出素子の制御方法であって、電子とホールとが移送して交換される２個のポテンシャル井戸について、一方のポテンシャル井戸に電子を集積し他方のポテンシャル井戸にホールを集積するように前記分配電極に分配電圧を印加する状態と、前記一方のポテンシャル井戸にホールを集積し前記他方のポテンシャル井戸に電子を集積するように前記分配電極に分配電圧を印加する状態とを切り換えることにより、２つのポテンシャル井戸の間で電子とホールとを相互に移送し、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した電子とホールとの少なくとも一方を受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００２１】
この方法によれば、２個のポテンシャル井戸に光電変換部で生成された電子とホールとを振り分けて集積するとともに隣接するポテンシャル井戸の間で電子とホールとを移送して再結合させるから、受光光量が多いときには再結合確率が高くなって受光出力の増加が抑制され、受光光量が少ないときには再結合確率が小さくなって受光出力の減少が抑制される。つまり、受光光量に応じた外部的な制御を伴わずに受光出力では受光光量の変動幅を抑圧ないし圧縮することができ、光検出素子の飽和が生じにくくダイナミックレンジの低下を抑制できる。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項６記載の光検出素子の制御方法であって、電子とホールとが移送して交換される２個のポテンシャル井戸について、一方のポテンシャル井戸に電子を集積し他方のポテンシャル井戸にホールを集積するように前記分配電極に分配電圧を印加する状態と、前記一方のポテンシャル井戸にホールを集積し前記他方のポテンシャル井戸に電子を集積するように前記分配電極に分配電圧を印加する状態とを切り換えるとともに、両状態の移行期間として両待避領域の間に一定方向の電位勾配が形成されるように制御電極への印加電圧を制御することにより電子とホールとの少なくとも一方を待避領域に一旦移送する期間を含み、両ポテンシャル井戸の間で電子とホールとを相互に移送し、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した電子とホールとの少なくとも一方を受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００２３】
この方法によれば、電子とホールとの移送過程において電子とホールとの少なくとも一方を待避領域を介して移送するから、ポテンシャル井戸に電子またはホールを保持することができない期間が生じても、その期間には電子またはホールを待避領域に待避させておくことによって、電子ないしホールの拡散を防止することができる。また、各ポテンシャル井戸と待避領域との間に一定方向の電位勾配を形成することにより、各ポテンシャル井戸に保持されている電子およびホールを待避領域に向かって移送する際に、電子とホールとを出会わせることが可能になり、密度の高い電子とホールとを出会わせることにより再結合確率を高めることができる。
【００２４】
請求項９の発明では、請求項７または請求項８の発明において、前記状態の切換を交互に複数回行った後に受光出力を取り出すことを特徴とする。
【００２５】
この方法によれば、ポテンシャル井戸に電子とホールとを複数回ずつ集積し、またポテンシャル井戸の間で電子とホールとを交互に複数回移送して複数回再結合させることができるから、再結合に多数個の電子とホールとを関与させることができ、比較的大きい受光出力を取り出すことが可能になる。その結果、受光出力におけるショットノイズの影響が軽減される。また、電子とホールとは１回の移送では出会わずに再結合しないとしても、複数回の移送の間には再結合せずに残留している電子およびホールの個数が増加するから、再結合に関与する電子およびホールの密度が増加することによって再結合する確率が増加する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の光検出素子および光検出素子の制御方法は、１つの光電変換部に複数個の分配電極を設けているから、光電変換部に複数個のポテンシャル井戸を形成することができ、隣接する分配電極に印加する分配電圧を逆極性とすることによって光電変換部で生成された電子とホールとを各ポテンシャル井戸に振り分けて集積し、さらに、隣接するポテンシャル井戸の間で電子とホールとを移送して再結合させることが可能になる。また、受光光量が多い場合には再結合に関与するキャリアが多くなって受光出力の増加が抑制され、受光光量が少ない場合には再結合に関与するキャリアが少なくなり受光出力の減少が抑制されるから、受光光量に応じた外部的な制御を伴わずに受光出力では受光光量の変動幅を抑圧ないし圧縮することができ、光検出素子の飽和が生じにくくダイナミックレンジの低下を抑制できるという効果がある。しかも、電子とホールとの発生数が増加するほど再結合確率が高くなり、電子とホールとの発生数が減少するほど再結合確率が低くなるから、再結合確率は受光出力の揺らぎを抑制する方向に変動することになり、ショットノイズが軽減されるという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施形態１）
本実施形態において説明する光検出素子は、図１に示すように、ｎ形シリコン層である基板１０にｐ形シリコン層であるサブストレート１６を介してｎ形シリコン層からなる主機能層１１を設けてあり、主機能層１１の一表面（主機能層１１の厚み方向において基板１０とは反対側である主表面）をシリコン酸化膜からなる絶縁層１４により覆っている。主機能層１１の主表面には絶縁層１４を介して複数個の分配電極１２ａ，１２ｂが対向するように配置される。分配電極１２ａ，１２ｂは２個ずつ近接して配置され、近接して配置された２個の分配電極１２ａ，１２ｂが１つのグループになり、１つのグループの分配電極１２ａ，１２ｂと基板１０、主機能層１１、絶縁層１４、サブストレート１６とを含む領域が１個の光電変換部１を形成する。
【００２８】
また、本実施形態では、基板１０、主機能層１１、絶縁層１４、サブストレート１６は複数個の光電変換部１で共用されているものとする。つまり、２個ずつの分配電極１２ａ，１２ｂからなるグループが、基板１０、主機能層１、絶縁層１４、サブストレート１６を共用する形で複数設けられる。分配電極１２ａ，１２ｂは分配電圧が印加されると、それぞれ主機能層１１にポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂを形成する。また、分配電極１２ａ，１２ｂおよび絶縁層１４は透光性を有し、光が分配電極１２ａ，１２ｂを通して主機能層１１に達するように構成してある。
【００２９】
上述した光電変換部１に光が入射すると電子およびホールが生成される。分配電極１２ａ，１２ｂに適宜の電圧が印加されていると、光電変換部１で生成された電子およびホールは、分配電極１２ａ，１２ｂに対応して主機能層１６に形成されたポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに集積される。ここに、１つのグループにおける分配電極１２ａ，１２ｂの間の距離および分配電圧の大きさは、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂの間で電子とホールとが移動可能になるように設定される。
【００３０】
光電変換部１に入射する光量に応じた受光出力を得るための電子およびホールを光電変換部１で生成する期間には、サブストレート１６を基準電位（接地電位）に保ち、基板１０を基準電位よりも高電位に保つ。つまり、基板１０とサブストレート１６との間では逆バイアスになる。基板１０に印加する基板電圧とサブストレート１６に印加するリセット電圧とは、それぞれ３段階に切換可能としている。すなわち、基板電圧は、２段階の高電位と接地電位とに切換可能とし、リセット電圧は、低電位と接地電位と高電位とに切換可能としてある。基板電圧が接地電位のときリセット電圧を低電位とし、基板電圧が高いほうの高電位のときリセット電圧を高電位とし、基板電圧が低いほうの高電圧のときリセット電圧を接地電位とするように、基板電圧とリセット電圧とが制御される。
【００３１】
以下では、基準電位に対して高電位である場合を正極性と言い、低電位である場合を負極性と言う。なお、上述の動作では、リセット電圧に対する基板電圧の電位差が一定になるようにリセット電圧と基板電圧とを連動させ、基板電圧をリセット電圧に合わせて３段階に切り換えているが、基板電圧はリセット電圧に対して高電位であれば基板１０とサブストレート１６とが逆バイアスになるから、リセット電圧にかかわらずリセット電圧よりも高電位になるような一定電圧を基板電圧に用いてもよい。
【００３２】
各分配電極１２ａ，１２ｂにそれぞれ印加する分配電圧は、いずれも正極性と負極性との２段階に切換可能とする。各分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧を正極性にすると各ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに電子を集めることができ、分配電圧を負極性にするとポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂにホールを集めることができる。本実施形態では、光電変換部１において生成されるキャリアである電子とホールとの少なくとも一方を受光出力として用いる。受光出力として電子を用いるかホールを用いるか、あるいは電子とホールとの両方を用いるかは、光検出素子を用いる目的による。
【００３３】
いま、分配電極１２ａに印加する分配電圧を正極性とし、分配電極１２ｂに印加する分配電圧を負極性とすると、分配電極１２ａに対応するポテンシャル井戸１１ａには電子が集積され、分配電極１２ｂに対応するポテンシャル井戸１１ｂにはホールが集積される。つまり、光電変換部１（主機能層１１）で同時刻に生成された電子およびホールが、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに振り分けて集積される。
【００３４】
電子をポテンシャル井戸１１ａに集積し、ホールをポテンシャル井戸１１ｂに集積した後に、各分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧の極性を入れ換えると、電子がポテンシャル井戸１１ｂに移送されホールがポテンシャル井戸１１ａに移送される。このとき、各ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂのダングリングボンド（ないし界面電位）に捕捉されていた電子とホールとに対して移送された電子とホールとが再結合され、また移送の途中で電子とホールとが出会うことによって再結合される。したがって、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに先に集積されていた電子およびホールの個数に対して、移送後にポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに残留する電子およびホールの個数は減少する。もっとも、遮光されていないから、電子およびホールの移送の間にも各ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂには主機能層１１などで生成された電子およびホールが集積される。
【００３５】
電子とホールとの移送を適数回行った後に電子とホールとのうちの必要なキャリアを受光出力として取り出せば、集積したキャリアをそのまま出力する場合よりもキャリアの個数が減少し、結果的に光電変換部１での飽和が生じにくくなる。しかも、電子とホールとの再結合確率は、電子およびホールの密度に依存しており、密度が高いほど再結合確率が大きくなるから、受光光量が少なく密度が低いときには再結合が生じにくく、主機能層１１などで生成された電子およびホールに対して残留する電子およびホールの割合が多くなり、逆に、受光光量が多く密度が高いときには再結合が生じやすく、主機能層１１などで生成された電子およびホールに対して残留する電子およびホールの割合が少なくなる。つまり、受光光量のダイナミックレンジに対して、受光出力のダイナミックレンジを抑圧することになり、光電変換部１での飽和を生じにくくする効果が期待できる。さらには、受光光量の相違によるショットノイズが抑制され、再結合を行わずに受光出力を取り出す場合に比較すると、ショットノイズの影響が軽減される分だけ積分時間（受光時間）を短縮し、応答速度を向上させることができる。
【００３６】
次に、光電変換部１の基本動作を説明する。基本動作では、光電変換部１に入射した光量に応じて光電変換部１で同時に生成される電子とホールとを振り分けて２個のポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに集積し、集積した電子とホールとを再結合させた後に残留する電子とホールとの少なくとも一方を受光出力として取り出す。したがって、光電変換部１に目的とする光が入射する前に電子あるいはホールが光電変換部１に残留していると、光電変換部１から取り出す受光出力に不要成分が含まれ、光電変換部１から取り出す受光出力が光電変換部１での受光光量に対応しないことになる。
【００３７】
そこで、電子とホールとをポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに集積する前に、まず光検出素子に残留している電子およびホールを廃棄する必要がある。光検出素子に残留している電子およびホールを廃棄する際には、電子とホールとを個別に廃棄する。たとえば、ホールから先に廃棄する場合には、まずホールを各ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂから押し出すために、各分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧とをともに正極性にする。このとき同時にリセット電圧を負極性にする。この状態では、ホールはサブストレート１６に向かって移動するから、ホールの移動度を考慮し、この状態をホールが光検出素子から消滅する程度の期間継続する。
【００３８】
ホールを廃棄した後には光検出素子には主として電子が残留するから、電子を廃棄するために、各分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧を負極性にするとともに、リセット電圧を正極性にし、基板電圧をリセット電圧よりも高くする。この状態では、光電変換部１に残留する電子はサブストレート１６に向かって移動し、一部の電子はサブストレート１６から廃棄され、サブストレート１６を通過した残りの電子は基板１０から廃棄される。
【００３９】
上述のように光電変換部１からホールおよび電子を廃棄して光電変換部１のリセットを行った後には、光電変換部１に残留する電子およびホールの量は熱平衡状態に応じた量になる。光電変換部１のリセットは、受光出力を光電変換部１から取り出すたびに行われる。
【００４０】
光電変換部１のリセット後には、まずポテンシャル井戸１１ａに電子を集積するとともに、ポテンシャル井戸１１ｂにホールを集積するために、分配電極１２ａに正極性の分配電圧を印加し、同時に分配電極１１ｂには負極性の分配電圧を印加する。光電変換部１では光の入射により電子とホールとが生成されるが、分配電極１２ａに印加される分配電圧が正極性であり分配電極１２ｂに印加される分配電圧が負電圧であるから、主機能層１１には、ポテンシャル井戸１１ａからサブストレート１６に向かう電位勾配が生じ、同時にサブストレート１６からポテンシャル井戸１１ｂに向かう電位勾配が生じる。したがって、光電変換部１で生成された電子はポテンシャル井戸１１ａに集積され、光電変換部１で生成されたホールはポテンシャル井戸１１ｂに集積される。また、このときポテンシャル井戸１１ａからポテンシャル井戸１１ｂに向かう電位勾配が生じるから、ポテンシャル井戸１１ａにホールが存在していればポテンシャル井戸１１ｂに向かって移送され、ポテンシャル井戸１１ｂに電子が存在していればポテンシャル井戸１１ａに向かって移送される。
【００４１】
ポテンシャル井戸１１ａに電子が集積された後には、リセット電圧を接地電位に保ったままで、分配電極１２ａに印加する分配電圧を負極性とし、分配電極１２ｂに印加する分配電圧を正極性とする。このとき、主機能層１１には、サブストレート１６からポテンシャル井戸１１ａに向かう電位勾配が生じ、同時にポテンシャル井戸１１ｂからサブストレート１６に向かう電位勾配が生じる。つまり、光電変換部１において生成された電子はポテンシャル井戸１１ｂに集積され、光電変換部１において生成されたホールはポテンシャル井戸１１ａに集積される。また、このとき、ポテンシャル井戸１１ｂからポテンシャル井戸１１ａに向かう電位勾配が生じるから、ポテンシャル井戸１１ａに集積されていた電子はポテンシャル井戸１１ｂに向かって移送され、ポテンシャル井戸１１ｂに集積されていたホールはポテンシャル井戸１１ａに向かって移送される。ただし、ポテンシャル井戸１１ａでは表面のダングリングボンドないし界面電位によって一部の電子が捕捉されて移送されず、またポテンシャル井戸１１ｂでは表面のダングリングボンドないし界面電位によって一部のホールが捕捉されて移送されない。移送されない電子およびホールは、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに集積ないし移送されてきた電子およびホールと再結合する。また、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂの間での電子およびホールの移送中には、高密度の電子とホールとが逆向きに移動するから、電子とホールとが出会う確率が高くなり、一部の電子とホールとが再結合により消滅する。
【００４２】
その後、各分配電極１２ａ，１２ｂに印加している分配電圧の極性を入れ換えると（つまり、分配電極１２ａの分配電圧を正極性にし、分配電極１２ｂの分配電圧を負極性にすると）、リセット後の状態に戻り、主機能層１１には、ポテンシャル井戸１１ａからサブストレート１６に向かう電位勾配が生じ、同時にサブストレート１６からポテンシャル井戸１１ｂに向かう電位勾配が生じる。また同時に、ポテンシャル井戸１１ａからポテンシャル井戸１１ｂに向かう電位勾配が生じる。つまり、光電変換部１で生成された電子がポテンシャル井戸１１ａに集積されるとともに、ホールがポテンシャル井戸１１ｂに集積され、さらに、ポテンシャル井戸１１ａのホールがポテンシャル井戸１１ｂに移送され、ポテンシャル井戸１１ｂの電子がポテンシャル井戸１１ａに移送される。したがって、各ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂにおいて捕捉されている電子およびホールと、集積ないし移送された電子およびホールとが再結合するとともに、移送中に出会った電子およびホールが再結合し、光電変換部１で生成された電子およびホールの一部は再結合によって消滅する。
【００４３】
各分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧の極性を１回入れ換えるだけでも光電変換部１で生成された電子およびホールの一部を消滅させることができるが、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに一度に集積する電子およびホールの個数を少なくすれば（つまり、集積の時間を短くすれば）、光電変換部１の飽和が生じにくくなるから、集積時間を短くして分配電圧の極性を入れ換える動作を複数回行うのが望ましい。また、分配電圧の極性を１回入れ換えるだけでは電子とホールとの密度が低く電子とホールとが出会う確率が低いが、極性を多数回入れ換えることによって、再結合せずに残されていた電子およびホールの個数がしだいに増加する。つまり、分配電圧の極性を多数回入れ換えると、再結合に関与する電子およびホールの密度が増加して再結合確率が高くなる。
【００４４】
ところで、上述の動作によってホールとの再結合後にポテンシャル井戸１１ｂに残留する電子を光電変換部１から取り出すには、両分配電極１２ａ，１２ｂに印加する電圧を調節することにより主機能層１１に形成されるポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂを制御し、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに保持している電子を転送する。つまり、主機能層１１と分配電極１２ａ，１２ｂとを用いてＣＣＤとして動作させることで、図１の左右の一方向に電子を転送することができる。
【００４５】
上述のように、発光源２の点灯と消灯とを繰り返して電子とホールとを再結合させることにより信号光に対応する量の電子およびホールをポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに残留させる期間と、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに残留する電子およびホールの少なくとも一方を光電変換部１から取り出す期間とが必要であって、以下では前者の期間を受光期間と呼び、後者の期間を取出期間と呼ぶ。受光期間においては、各分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧は互いに異なる極性であって、しかも交互に極性を切り換えるが、取出期間においては、電子が一方向に転送されるように分配電極１２ａ，１２ｂに分配電圧を印加するタイミングを制御する。また、タイミングと併せて電圧値も制御してもよい。
【００４６】
取出期間において分配電極１２ａ，１２ｂに印加する電圧の制御はＣＣＤにおける転送ゲートに印加する電圧の制御とほぼ同様である。本実施形態では、フレームトランスファ方式のＣＣＤイメージセンサと同様に、主機能層１１がキャリアを転送する垂直転送レジスタに兼用される構成になる。光電変換部１では、主機能層１１を垂直転送レジスタとして用い、さらに、垂直転送レジスタからの電子を水平転送レジスタ２１（図４参照）により転送して各光電変換部１ごとの受光出力を主機能層１１の外部に取り出す。また、上述の構成では主機能層１１が転送レジスタに兼用されているが、インターライン方式のＣＣＤイメージセンサと同様の構成を採用し、主機能層１１におけるポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに保持されたキャリアを別に設けた垂直転送レジスタに転送し、垂直転送レジスタと水平転送レジスタとを通して半導体基板の外部に取り出すようにしてもよい。インターライン方式のＣＣＤイメージセンサと同様の構成を採用する場合には、電子とホールとを個々に転送するように２列の垂直転送レジスタを用い、各ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに保持されたキャリアを各列の垂直転送レジスタに振り分けて転送してもよい。この構成の場合、水平転送レジスタも電子用とホール用とを個別に設けるのが望ましい。
【００４７】
（実施形態２）
実施形態１の構成では、１つのグループである２個の分配電極１２ａ，１２ｂの間では電子とホールとを移送するから、両分配電極１２ａ，１２ｂの間は近接しているが、図２に示すように、複数個の光電変換部１を設けている場合には、異なる光電変換部１に設けた分配電極１２ａ，１２ｂの間ではギャップｇが存在する。このギャップｇが存在することによって隣接する光電変換部１に設けた分配電極１２ａ，１２ｂに対応して形成されるポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂの間で電子とホールとが互いに混在することが防止されている。つまり、ギャップｇは幅を広くするほうが隣接する光電変換部１の間で電子とホールとを分離しやすくなる。一方、複数個の光電変換部１を配列することにより光電変換部１を構成し、かつ主機能層１１を垂直転送レジスタとして兼用している場合には、分配電極１２ａ，１２ｂを用いて主機能層１１に形成されるポテンシャル井戸を制御することでキャリア（電子またはホール）を転送するから、ギャップｇの幅を広くするとギャップｇの部位ではキャリアを転送するためのポテンシャル井戸を形成することができなくなる。
【００４８】
本実施形態は、図３（ａ）に示すように、図２に示した構成における１グループの分配電極１２ａ，１２ｂの間に転送用電極１３を付加することにより、分配電極１２ａ，１２ｂの距離を広げて電子とホールとを分離しやすくしながらも、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに残留する電子およびホールの転送を容易にしたものである。この構成では、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに電子およびホールを集積する間には転送用電極１３には転送電圧を印加せずに０Ｖに保つことによって、転送用電極１３の幅以上の幅を有したギャップｇを分配電極１２ａ，１２ｂの間に形成することができる。また、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに集積したキャリアを転送する際には、転送用電極１３を分配電極１２ａ，１２ｂと併せて用い、適宜のタイミングで転送電圧を印加することにより、キャリアを転送するように主機能層１１にポテンシャル井戸を形成することが可能になる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００４９】
（実施形態３）
実施形態１では、基板１０とサブストレート１６との電位を調節することによって光電変換部１に残留する電子およびホールを廃棄する構成例を示したが、本実施形態では、光電変換部１を構成する光電変換部１に隣接するように廃棄電極１７（図４、図５参照）を設け、廃棄電極１７に印加する廃棄電圧を制御することにより、光電変換部１に残留する電子およびホールを廃棄する例を示す。
【００５０】
光電変換部１を縦横に複数個ずつ配列している場合には、縦横のいずれかの方向に沿った廃棄電極１７を他方の方向に隣接する各一対の光電変換部１の間に配置する。たとえば、図４のように主機能層１１を垂直転送レジスタとして兼用する構成を採用する場合には、分配電極１２ａ，１２ｂと転送用電極１３とを垂直方向（図４の縦方向）に配列し、光電変換部１を垂直方向に配列した各列の間に垂直方向に延長された廃棄電極１７を設ける。この構成では、水平転送レジスタ２１に対して主機能層１１である垂直転送レジスタの一端からキャリアが引き渡される。なお、図４では分配電極１２ａ，１２ｂ、転送用電極１３を垂直方向の各列ごとに分割した例を示しているが、各列間を分割せずに４列分を水平方向に延長された１個の電極で構成してもよい。
【００５１】
廃棄電極１７は、ｎ形の半導体層である主機能層１１に主表面から所定の深さ（２〜３μｍ）までの領域で形成してある。主機能層１１と廃棄電極１７とはオーミックに接合してあり、正極性または負極性の廃棄電圧を廃棄電極１７に印加することにより、主機能層１１に残留する電子とホールとを廃棄電極１７を通して主機能層１１から廃棄することが可能になる。また、廃棄電極１７に電圧を印加せず０Ｖに保つことにより、水平方向に隣接する主機能層１１に形成されるポテンシャル井戸１１ａ同士あるいはポテンシャル井戸１１ｂ同士で電子またはホールが混合されるのを防止することができ、廃棄電極１７が光電変換部１の分離性の向上に寄与することになる。つまり、廃棄電極１７は光電変換部１を水平方向において互いに分離する分離電極として機能する。したがって、廃棄電極１７の深さは、主機能層１１に残留するキャリア（とくに、ホール）を確実に廃棄できるように設定されるのはもちろんのこと、光電変換部１の間のキャリアの漏れを防止することも考慮して設定される。なお、廃棄電極１７を設けずに導電材料からなる分離電極を光電変換部１の分離の目的で設け、主機能層１１に残留する電子およびホールは基板１０およびサブストレート１６を通して廃棄するようにしてもよい。
【００５２】
廃棄電極１７を用いて主機能層１１に残留する電子およびホールを廃棄する際には、電子を廃棄するかホールを廃棄するかに応じた極性で廃棄電極１７に廃棄電圧を印加する。いま、分配電極１２ｂに対応するポテンシャル井戸１１ｂに電子が残留し、分配電極１２ａに対応するポテンシャル井戸１１ａにホールが残留しているものとする。実施形態１と同様に、主機能層１１に残留するホールを先に廃棄する必要があるから、まず、ホールを廃棄するために廃棄電極１７に負極性の廃棄電圧を印加した後に、電子を廃棄するために廃棄電極１７に正極性の廃棄電圧を印加する。廃棄電極１７に負極性の廃棄電圧を印加すれば、分配電極１２ａに対応するポテンシャル井戸１１ａに残留していたホールが廃棄され、その後、廃棄電極１７に正極性の廃棄電圧を印加すれば、分配電極１２ｂに対応するポテンシャル井戸１１ｂに残留していた電子が廃棄される。この構成は基板１０の導電形がｎ形である場合に用いることができるのはもちろんのこと、基板１０の導電形がｐ形であって基板１０を通してキャリアの廃棄ができない場合であっても、廃棄電極１７を通して主機能層１１の残留キャリアを廃棄することができる。
【００５３】
ところで、水平方向に隣り合う光電変換部１の間の分離性を向上させるために、廃棄電極１７を設ける代わりに、図６に示すように、隣接する光電変換部１の列間に絶縁分離部１８を形成してもよい。絶縁分離部１８はシリコン酸化層（ＳｉＯ２）からなる絶縁材料により形成されており、絶縁層１４に連続するように形成される。絶縁分離部１８は水平方向に隣り合う光電変換部１の間のキャリアの漏れを防止する目的であるから、主表面からの深さはポテンシャル井戸１１ｂの深さによって決まり、たとえば２〜３μｍに設定される。なお、絶縁分離部１８を形成する場合には主機能層１１に残留するキャリアを廃棄するための電極を別途に設ける。たとえば、光電変換部１を形成する半導体基板の周部にＣＣＤイメージセンサと同様のオーバーフロードレインを設け、オーバーフロードレインを通してキャリアを廃棄することが可能である。
【００５４】
なお、図では主機能層１１が垂直転送レジスタを兼用する構成の光電変換部１を例示したが、主機能層１１とは別に垂直転送レジスタを設け、主機能層１１から転送ゲートを介して垂直転送レジスタにキャリアを引き渡すようにしてもよい。この構成を採用する場合には、各主機能層１１において転送ゲートを設ける部位以外を、それぞれ廃棄電極１７あるいは絶縁分離部１８で囲むようにしてもよい。
【００５５】
（実施形態４）
本実施形態は、図７に示すように、実施形態２において説明した転送用電極１３に代えて各グループの２個の分配電極１２ａ，１２ｂを間に挟むように２個の制御電極１９ａ，１９ｂを設けた構成を有する。すなわち、実施形態２では２個の分配電極１２ａ，１２ｂと１個の転送用電極１３との３個の電極で１グループをなしているが、本実施形態では２個の分配電極１２ａ，１２ｂと２個の制御電極１９ａ，１９ｂとの４個の電極で１グループをなしている。つまり、イメージセンサを構成する場合には４電極で１画素を構成していることになる。また、図示例では、分配電極１２ａ，１２ｂと制御電極１９ａ，１９ｂとは等間隔に配列してある。
【００５６】
以下では、本実施形態の動作を図８に基づいて説明する。図８（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ制御電極１９ｂ、分配電極１２ｂ、分配電極１２ａ、制御電極１９ａに電圧を印加することにより形成されるポテンシャル井戸の深さの変化を示しており、各図の中央の横線はポテンシャル井戸が形成されない状態を表し、中央の横線よりも下側は電子に対するポテンシャル井戸が形成される状態、中央の横線よりも上側はホールに対するポテンシャル井戸が形成される状態をそれぞれ表している。つまり、中央の線を基準電位とすれば、電子に対するポテンシャル井戸が形成される期間は正極性の電圧を印加している期間であり、ホールに対するポテンシャル井戸が形成される期間は負極性の電圧を印加している期間になる。図８から明らかなように、分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧は、それぞれ正負１段階ずつと基準電位との３段階に切り換えられ、制御電極１９ａ，１９ｂに印加する電圧は、正１段階と負２段階と基準電位との４段階に切り換えられる。図８では、電子を符号ｅで表し、ホールを符号ｈで表し、電子ｅないしホールｈの移動を矢印で表している。また、丸を付した符号ｅおよび符号ｈは、光電変換部１（主機能層１１）から集積した電子またはホールを含むことを意味している。
【００５７】
本発明の構成では、光電変換部１に対して光が入射していると、分配電極１２ａ，１２ｂに対応して形成されるポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂにはつねに光電変換部１（主機能層１１）から電子またはホールが集積されるが、制御電極１９ａ，１９ｂに対応して形成されるポテンシャル井戸には光電変換部１（主機能層１１）からの電子およびホールが実質的に集積されないように、制御電極１９ａ，１９ｂを遮光しているものとして説明する。
【００５８】
上述した各実施形態では、分配電極１２ａ，１２ｂに対応するポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに主機能層１１から電子およびホールを集積する期間と、隣接するポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂの間で電子とホールとを交換するように移送する期間との区別がなく、電子およびホールの移送中に電子およびホールの集積がなされるが、本実施形態では、制御電極１９ａ，１９ｂに対応するポテンシャル井戸を主機能層１１に形成し、このポテンシャル井戸を用いて電子およびホールを移送する構成を採用しており、電子およびホールを主機能層１１から集積する集積期間とは動作の異なる移送期間を設けている。
【００５９】
すなわち、図８に示すように、分配電極１２ａに対応するポテンシャル井戸１１ａに電子を集積すると同時に分配電極１２ｂに対応するポテンシャル井戸１１ｂにホールを集積する集積期間Ｔｃ１と、分配電極１２ａに対応するポテンシャル井戸１１ａにホールを集積すると同時に分配電極１２ｂに対応するポテンシャル井戸１１ｂに電子を集積する集積期間Ｔｃ２とを設け、また、ポテンシャル井戸１１ａの電子とポテンシャル井戸１１ｂのホールとを移送する移送期間Ｔｍ１と、ポテンシャル井戸１１ａのホールとポテンシャル井戸１１ｂの電子とを移送する移送期間Ｔｍ２とを設けている。
【００６０】
実施形態１〜３では、基本動作において、分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧の極性を入れ換える動作のみであるから、図８に示す集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２のみの動作を行っていることになる。本実施形態の動作は、集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２の間に移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２を設けていることが特徴である。移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２ではポテンシャル井戸１１ａとポテンシャル井戸１１ｂとの間に電位勾配を形成して電子またはホールの移動方向を規制することにより、電子またはホールが拡散するのを防止している。つまり、移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２には制御電極１９ａ，１９ｂに対応する部位に適宜の電圧を印加することによって、主機能層１１における制御電極１９ａ，１９ｂに対応する部位に待避領域となるポテンシャル井戸を形成し、電子またはホールを待避領域に一旦待避させた後にポテンシャル井戸１１ａまたはポテンシャル井戸１１ｂに移送することによって、分配電圧の極性の反転時における電子またはホールの拡散を防止している。
【００６１】
さらに詳しく説明する。図８に示す動作では分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧と制御電極１９ａ，１９ｂに印加する電圧との組合せに１０個の状態があり、１０状態で１周期になるように各電圧の印加タイミングを制御する。各状態を区別するために、図８では１〜１０の符号を付している。各状態における電圧の変化を表１に示す。表１では、電圧を＋２Ｖ、＋Ｖ、０、−Ｖ、−２Ｖの５段階で表している。０は基準電位であり、＋２Ｖ＞＋Ｖ＞０＞−Ｖ＞−２Ｖである。
【００６２】
【表１】
2006190846.tif 000003
【００６３】
状態１は集積期間Ｔｃ１、状態６は集積期間Ｔｃ２であって、各集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２には、光電変換部１（主機能層１１）で生成された電子とホールとを１つのポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに振り分けて集積するとともに、集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２より前にポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに移送されている電子とホールとを各ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂでそのまま保持する。集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２の動作は基本的には実施形態１〜３と同様である。
【００６４】
状態２〜５は移送期間Ｔｍ１、状態６〜９は移送期間Ｔｍ２であって、本実施形態では、各移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２において分配電圧の極性を入れ換える。ただし、両極性の間に一旦は分配電圧が基準電位となる状態（状態３，８）を挟む。分配電圧が基準電位となる状態３，８には、主機能層１１において制御電極１９ａ，１９ｂに対応する部位に待避領域となるポテンシャル井戸を形成し、分配電極１２ａ，１２ｂに対応するポテンシャル井戸１１ａからそれぞれ制御電極１９ａ，１９ｂに対応する待避領域に電子またはホールを移送するとともに、分配電極１２ａ，１２ｂに対応するポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂからそれぞれ制御電極１９ａ，１９ｂに対応する待避領域に電子またはホールを移送することができるように主機能層１１に電位勾配を付与する。
【００６５】
各ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂには異なる種類のキャリア（一方が電子であれば他方がホール）が存在しているから、待避領域に電子またはホールが移送されることにより、電子とホールとが再結合する。すなわち、電子とホールとの再結合は、他の実施形態では主として分配電圧と分配電圧との極性の切換後に行われるが、本実施形態では分配電圧の極性の切換後だけではなく分配電圧の極性の切換時にも行われる。つまり、待避領域を設けていることにより、分配電圧とが基準電位を通過するときに、電子とホールとが待避領域に移送され、移送の間に電子とホールとが再結合する。図８において矢印が交差する部位がこの状態を表している。また、他の実施形態と同様に、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂにおいて主機能層１１の表面に捕捉されている電子またはホールは、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに移動してきた電子またはホールと再結合する。
【００６６】
要するに、移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２には、２つのポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂのうち電子を保持していた領域からホールを保持していた領域の反対側に形成される待避領域に向かって電子が移動し、ホールと再結合せずに待避領域に達した電子は、２つのポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂのうち最初に電子を保持していた領域とは異なる領域に移動して、当該領域に残留していたホールと再結合する。また同様にして、２つのポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂのうちホールを保持していた領域から電子を保持していた領域の反対側に形成される待避領域に向かってホールが移動し、電子と再結合せずに待避領域に達したホールは、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂとのうち最初にホールを保持していた領域とは異なる領域に移動して、当該領域に残留していた電子と再結合する。このような動作により、分配電圧の極性の切換時であって分配電圧が基準電位になるときには、電子およびホールが拡散せずにポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂを通って待避領域に向かって移動するように電位勾配を与え、その後、電子およびホールを先に通過したポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに引き戻すのである。
【００６７】
移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２において状態２，７は、分配電圧の極性を切り換える前の準備期間であり、状態２，７で待避領域を用意することにより主機能層１１に電位勾配を付与し、電子およびホールの拡散を防止することができる。なお、図８に示すように、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに多くの電子およびホールを集めるために、状態１〜１０のうち集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２に対応する状態１，６は他の状態よりも時間を長くしてある。また、状態１〜５と状態６〜１０とは電子とホールとに関与する状態が入れ代わっているだけで、実質的に同様の動作になる。
【００６８】
上述した動作から明らかなように、本実施形態では、２つの分配電極１２ａ，１２ｂに印加する分配電圧がともに基準電位になる期間（状態３，８）には、隣接するポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂを挟む２つの待避領域の間に電位勾配を形成して電子とホールとの拡散を防止しているから、隣接する光電変換部１の間で電子とホールとが混合されることがなく、光電変換部１の分離性が高くなる。また、本実施形態の構成では、再結合後に残留する電子を受光出力として取り出す際の電子の転送用として、分配電極１２ａ，１２ｂおよび制御電極１９ａ，１９ｂを用いることができる。他の構成および動作は他の実施形態と同様である。
【００６９】
図８に示す動作から明らかなように、１画素を構成する８個の電極のうち、分配電極１２ａ，１２ｂと、制御電極１９ａ，１９ｂの４個の電極とが１つのグループをなし、電子およびホールはグループになっている電極の間で移動するから、グループ外に電子またはホールが漏れることがなく、他のグループの電子またはホールとの混合を防止することができる。なお、上述した電圧の制御例は一例であって、分配電圧の切換時に待避領域に電子とホールとを移送し、その後に待避領域からポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに電子とホールとを移送する動作であれば、上述の例以外の動作を採用してもよい。また、１組の分配電極１２ａ，１２ｂに対して、２個の制御電極１９ａ，１９ｂを設けた例で説明したが、１グループの分配電極１２ａ，１２ｂに対して、制御電極を１個ずつしか設けていない場合（つまり、実施形態２における転送用電極１３を設けた構成と同様の構成）であっても、分配電圧と分配電圧との切換時に待避領域に電子とホールとを移送するように電圧を制御することが可能である。
【００７０】
なお、上述した各実施形態では、主機能層１１をｎ形、サブストレート１６をｐ形、基板１０をｎ形として説明したが、上述した動作が可能な範囲において導電形は適宜に選択可能である。また、各分配電極１２ａ，１２ｂでそれぞれポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂを１つずつ形成する例を示したが、１つのポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂを複数個の分配電極を用いて形成してもよい。つまり、ポテンシャル井戸１１ａ，１１ｂに対応する分配電極１２ａ，１２ｂを複数に分割した構成を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施形態１の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態２の概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態３を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は動作説明図である。
【図４】本発明の実施形態４を示す正面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】同上の他の構成例の要部断面図である。
【図７】本発明の実施形態５を示す概略構成図である。
【図８】同上における電圧の印加タイミングを示す動作説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  光電変換部
１０  基板
１１  主機能層
１１ａ，１１ｂ  ポテンシャル井戸
１２ａ，１２ｂ  分配電極
１３  転送用電極
１４  絶縁層
１６  サブストレート
１７  廃棄電極
１８  絶縁分離部
１９ａ，１９ｂ  制御電極
２１  水平転送レジスタ
【図１】
2006190846.tif 000004
【図２】
2006190846.tif 000005
【図３】
2006190846.tif 000006
【図４】
2006190846.tif 000007
【図５】
2006190846.tif 000008
【図６】
2006190846.tif 000009
【図７】
2006190846.tif 000010
【図８】
2006190846.tif 000011