(57)【要約】【課題】  光電変換素子間の分離構造を適切なものとすることにより、複数の光電変換素子の信号を用いて１つの信号とする場合に所望の信号を得ることを目的とする。【解決手段】  光電変換ユニットに含まれる光電変換素子の信号を加算する光電変換装置において、光電変換素子のそれぞれは信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を含み、光電変換ユニットに含まれ、互いに隣接して配置された光電変換素子の間には第２導電型の第２半導体領域が配され、隣接して配置された異なる光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子のうち互いに隣接して配された光電変換素子の間には第２導電型の第３半導体領域が配され、第２半導体領域の不純物濃度は、前記第３半導体領域の不純物濃度よりも低い。【選択図】  図３
2018142739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子を含む光電変換ユニットを複数有し、前記光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の信号を加算する光電変換装置において、
前記複数の光電変換素子のそれぞれは信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を含み、
前記光電変換ユニットに含まれ、互いに隣り合って配置された光電変換素子の第１半導体領域の間には第２導電型の第２半導体領域が配され、
隣り合って配置された異なる光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子のうち互いに隣り合って配された光電変換素子の第１半導体領域の間には第２導電型の第３半導体領域が配され、
前記第２半導体領域の少なくとも一部の領域の第２導電型の不純物濃度は、前記第３半導体領域の第２導電型の不純物濃度よりも低いことを特徴とする光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換装置に関しさらに詳細には光電変換素子間の分離構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光電変換装置において、複数の光電変換素子で生じた信号を一つの画素の信号として処理する場合があった。例えば一例として、１つのマイクロレンズで複数の光電変換素子に集光することで位相差方式の焦点検出を行う技術がある。例えば特許文献１に記載されているように、１つのマイクロレンズに対応した光電変換素子の信号を独立に読み出すことで焦点検出を行なう。そして、１つのマイクロレンズに対応した光電変換素子の信号を加算することで１つの画素の信号として取り扱うことを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５０９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
複数の光電変換素子の信号を１つの画素の信号として取り扱う場合に、複数の光電変換素子に感度や入射光量の差がある場合に適切な信号が得られないことがある。特に光電変換素子は様々な素子と隣接しており、隣接する素子間の分離構造によっては適切な信号が得られない場合があった。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑み、光電変換素子間の分離構造を適切なものとすることにより、複数の光電変換素子の信号を用いて１つの信号とする場合に所望の信号を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に鑑み、本発明は、複数の光電変換素子を含む光電変換ユニットを複数有し、前記光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の信号を加算する光電変換装置において、
前記複数の光電変換素子のそれぞれは信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を含み、前記光電変換ユニットに含まれ、互いに隣接して配置された光電変換素子の第１半導体領域の間には第２導電型の第２半導体領域が配され、隣接して配置された異なる光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子のうち互いに隣接して配された光電変換素子の第１半導体領域の間には第２導電型の第３半導体領域が配され、前記第２半導体領域の少なくとも一部の領域の第２導電型の不純物濃度は、前記第３半導体領域の第２導電型の不純物濃度よりも低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の光電変換素子の信号を用いて１つの信号とする場合に所望の信号を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態の撮像装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態の光電変換装置の上面の概略を示す図である。
【図３】本発明の実施形態の光電変換装置の断面構造とポテンシャルを概略的に示す図である。
【図４】本発明の実施形態の光電変換装置の出力を模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施形態の光電変換装置に電荷が蓄積される様子を概略的に示す図である。
【図６】本発明の実施形態の光電変換装置の断面構造とポテンシャルを概略的に示す図である。
【図７】本発明の実施形態の光電変換装置の上面の概略を示す図である。
【図８】本発明の実施形態の光電変換装置の断面構造とポテンシャルを概略的に示す図である。
【図９】物体の結像関係を模式的に示す図である。
【図１０】位相差方式の焦点検出を模式的に説明する図である。
【図１１】本発明の撮像システムの概略を示す図である。
【図１２】比較例の光電変換装置の画素の断面構造と最小ポテンシャルを概略的に示す説明図面である。
【図１３】比較例の光電変換装置の出力を模式的に示す説明図面である。
【図１４】本発明に適用可能な光電変換ユニットの等価回路図である。
【図１５】本発明の実施形態の光電変換装置の断面構造とポテンシャルを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の理解のために、比較例を用いて本発明の基本概念を説明する。
【００１０】
図１２（ａ）は比較例となる光電変換装置の光電変換素子の断面構造である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）の断面図に対応したポテンシャル図である。図１２（ｂ）は、信号電荷に対するポテンシャルを示している。以下の説明では信号電荷として電子を用いて説明を行なう。また第１導電型をＮ型とし、第２導電型をＰ型として説明する。信号電荷としてホールを用いる場合には第１導電型をＰ型とし、第２導電型をＮ型とすればよい。
【００１１】
１つのマイクロレンズ１２０１で集光された光がカラーフィルター１２０２を通過し複数の光電変換素子に入射する。複数の配線層１２０３は主に光電変換素子の信号を読み出す配線である。
【００１２】
Ｐ型半導体領域１２０５と複数のＮ型半導体領域１２０６、１２０７とがＰＮ接合を構成する。Ｐ型半導体領域１２０５は半導体領域１２０４上に配される。半導体領域１２０４は例えばＰ型半導体基板、もしくはＮ型半導体基板を用いることができる。
【００１３】
光電変換素子はＮ型半導体領域１２０６，１２０７及びＰ型半導体領域１２０５を含んで構成される。具体的には、Ｐ型半導体領域１２０５とＮ型半導体領域１２０６ａ、１２０６ｂとで光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２（以下、ＰＤ１，ＰＤ２）が構成される。Ｐ型半導体領域１２０５とＮ型半導体領域１２０７ａ、１２０７ｂとで光電変換素子ＰＤ３、ＰＤ４（以下、ＰＤ３、ＰＤ４）が構成される。Ｎ型半導体領域１２０６ａ、ｂ、１２０７ａ、ｂは電子に対してポテンシャルが低くなっており、信号電荷を収集する領域である。更にＮ型半導体領域１２０６ａ、ｂ、１２０７ａ、ｂの入射面側にＰ型半導体領域を配していわゆる埋め込み型のフォトダイオードとしてもよい。ＰＤ１、ＰＤ２にはマイクロレンズ１２０１ａにより集光された光が入射し、ＰＤ３、ＰＤ４にはマイクロレンズ１２０１ｂにより集光された光が入射する。ここで１光電変換ユニットが１のマイクロレンズにより集光された光が入射する複数の光電変換素子を含むとする。
【００１４】
ＰＤ１，ＰＤ２は同一のマイクロレンズ１２０１ａにより集光された光が入射する。ＰＤ１、ＰＤ２は一方向、図では左右方向において互いに隣接している。ＰＤ１、ＰＤ２にそれぞれ含まれるＮ型半導体領域１２０６ａ、１２０７ａの間にはＰ型半導体領域１２０９が配される。Ｐ型半導体領域１２０８を配することで、Ｎ型半導体領域１２０６ａ、１２０７ａ間において電子に対するポテンシャル障壁として機能し得る。
【００１５】
ＰＤ２、ＰＤ３は異なるマイクロレンズ１２０１ａ、１２０１ｂにより集光された光がそれぞれ入射する。ＰＤ２、ＰＤ３は一方向、図では左右方向において互いに隣接している。つまりＰＤ２、ＰＤ３は、それぞれが異なる光電変換ユニットに含まれ、互いに隣接して配されている。ＰＤ２，ＰＤ３にそれぞれ含まれるＮ型半導体領域１２０７ａ、１２０６ｂの間にはＰ型半導体領域１２０８が配される。Ｐ型半導体領域１２０８を配することで、Ｎ型半導体領域１２０６ａ、１２０７ｂ間において電子に対するポテンシャル障壁として機能し得る。
【００１６】
図１２（ｂ）にＰ型半導体領域１２０８、１２０９に対応したポテンシャル障壁をポテンシャル障壁１２１０、１２１１として図示する。ポテンシャル障壁１２１０、１２１１の高さはほぼ等しい。
【００１７】
このような構造で、１の光電変換ユニットに含まれ隣接する光電変換素子間で感度差や輝度差により、少なくとも光電変換素子ＰＤ２が飽和した場合を仮定する。この時には、ＰＤ２で発生した電荷の一部はポテンシャル障壁１２１０を乗り越え、隣接する光電変換素子であるＰＤ１に移動し得る。それにとどまらず、ＰＤ２で発生した電荷は、異なる光電変換ユニットに含まれる光電変換素子であるＰＤ３にも移動し得る。更には不図示のＰＤ２に隣接して配されたトランジスタ配置領域にも移動し得る。
【００１８】
図１３は１の光電変換ユニットに含まれる２つの光電変換素子であるＰＤ１、２の入出力特性とＰＤ１、ＰＤ２の出力を合成した場合の合成入出力特性を示す。合成出力は、少なくとも光電変換素子の信号を加算することで得られる。合成出力を得るために、平均化、さらに増幅等をしてもよい。
【００１９】
図１３では説明のため、仮にＰＤ２の方が、ＰＤ１より感度が高い、もしくは、光が多く入力している様子を示す。光電変換素子への入射光が範囲１３０１内の時は、ＰＤ２の方がＰＤ１より発生電荷が多い。ＰＤ２は飽和していないため、ＰＤ１とＰＤ２を合成した出力は適切な出力が得られる。ところが、ＰＤ２が飽和して、ＰＤ１が飽和していないときには、ＰＤ１のみが、入射光に応じて線形性を有した信号が出力される。そのため、合成出力は、ＰＤ２が飽和したところからＰＤ１の出力で決定され、結果として、合成出力はＰＤ２が飽和したところから、ニー特性をもってしまう。この現象は、ＰＤ２が飽和した後に発生した電荷がＰＤ１以外に漏れこむときに顕著となる。このような現象のため、所望の合成信号が得られない場合がある。
【００２０】
本発明は上述のような新たな課題を見出したことにより成されたものである。具体的には、光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子間、及び異なる光電変換ユニットに含まれ互いに隣接する複数の光電変換素子間の構造に特徴がある。１の光電変換ユニットに含まれ互いに隣接する光電変換素子間のＰ型半導体領域の不純物濃度が、異なる光電変換ユニットに含まれ互いに隣接する光電変換素子間のＰ型半導体領域の不純物濃度よりも低い。
【００２１】
次に本発明の光電変換装置のブロック図を説明する。ここでは光電変換装置の一例として撮像装置の例を示す。本発明は撮像装置以外にも光電変換を利用する装置であれば適用可能である。
【００２２】
図１は本発明を適用可能な撮像装置の概略を示す図である。図１において撮像装置１００は、画素アレイ１０１と、画素アレイ１０１における行を選択する垂直選択回路１０２を含む。画素アレイには複数の光電変換ユニットが配される。複数の光電変換ユニットは好ましくは２次元状に配される。
【００２３】
垂直選択回路１０２により所定の行が選択され、所定行に含まれる光電変換ユニットから信号が垂直出力線に出力される。垂直出力線は列ごともしくは複数の列ごと、もしくは各画素列に複数設けることができる。
【００２４】
列回路１０３は複数の垂直出力線に並列に読み出された信号が入力される。列回路１０３では信号の増幅、アナログデジタル変換、ノイズ除去等の処理を行うことができる。
【００２５】
水平選択回路１０４は列回路１０３に保持された信号を順次選択し、不図示の水平出力線へ出力する。シリアルインターフェイス１０５は例えば動作モードを外部から決定するために外部との通信を行なう。なお、撮像装置１００は、図示された構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路１０２、水平選択回路１０４、列回路１０３にタイミングを提供するタイミングジェネレータ或いは制御回路等を備えてもよい。
【００２６】
図１のブロック図は以下の実施形態全てに適用可能である。また垂直、水平は便宜的につけた名称であり入れ替えることも可能である。
【００２７】
次に図１４（ａ）、（ｂ）に光電変換ユニットの等価回路の一例を示す。図１４（ａ）は各光電変換素子に対応してそれぞれが異なる機能を有するトランジスタを個別に設けた例である。図１４（ｂ）は複数の光電変換素子に対しそれぞれが異なる機能を有するトランジスタを共通に設けた例である。
【００２８】
光電変換素子１４０１ａ、１４０１ｂで生じた電荷が転送トランジスタ１４０２ａ、１４０２ｂにより増幅トランジスタ１４０３ａ、１４０３ｂの入力ノードに転送される。増幅トランジスタの入力ノードは増幅トランジスタのゲート及びこれに電気的に接続された浮遊拡散領域により構成することができる。選択トランジスタ１４０４ａ、１４０４ｂのゲートに選択トランジスタがオンとなるパルスが供給されることで、増幅トランジスタの入力ノードに応じた信号が垂直出力線１４０６に出力される。そしてリセットトランジスタ１４０５ａ、１４０５ｂにより増幅トランジスタ１４０３ａ、１４０３ｂの入力ノードの電圧が所定の電圧に設定される。このような回路構成では、選択トランジスタ１４０４ａ、１４０４ｂを排他的にオンさせることで光電変換素子１４０１ａ、１４０１ｂの信号を列回路に読出し、加算等を行なうことで撮像と焦点検出とを行なうことが可能である。
【００２９】
次に図１４（ｂ）について説明する。基本的な動作は図１４（ａ）と同様である。光電変換素子１５０１ａ、１５０１ｂで生じた電荷が転送トランジスタ１５０２ａ、１５０２ｂにより増幅トランジスタ１５０３の入力ノードに転送される。増幅トランジスタ１５０３の入力ノードは増幅トランジスタのゲート及びこれに電気的に接続された浮遊拡散領域により構成することができる。選択トランジスタ１５０４のゲートに選択トランジスタがオンとなるパルスが供給されることで、増幅トランジスタ１５０３の入力ノードに応じた信号が垂直出力線１５０６に出力される。そしてリセットトランジスタ１５０５により増幅トランジスタ１５０３の入力ノードの電圧が所定の電圧に設定される。図１４（ｂ）は増幅トランジスタ１５０４が複数の光電変換素子１５０１ａ、１５０１ｂで共有されているため、増幅トランジスタの入力ノードで加算することができる。したがって光電変換ユニットから垂直出力線１４０６に出力される段階で加算後の信号を出力することできる。
【００３０】
以下具体的な実施形態を挙げて本発明の光電変換装置の構成を説明する。以下の各実施形態においても光電変換装置として撮像装置を例に挙げて説明する。以下、本明細書、請求の範囲及び図面において単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、逆導電型の不純物によって補償された正味の不純物濃度を意味している。いわゆるＮＥＴ濃度である。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域はＰ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域はＮ型半導体領域である。
【００３１】
（第１の実施形態）
図２は本実施形態の撮像装置１００の光電変換ユニットの上面を示す概略図である。２０１は１つの光電変換ユニットを表す。図２では２行、２列に配された４つの光電変換ユニットが図示されている。
【００３２】
１つの光電変換ユニットごとに１つのマイクロレンズ２０２が対応して設けられている。また、１つの光電変換ユニット２０１は光電変換素子を複数有する。図２においては、２つの光電変換素子、例えば、ＰＤ１，ＰＤ２を有している。もしくは１つの光電変換ユニット内に４つの光電変換素子、９つの光電変換素子を有していてもよい。
【００３３】
転送トランジスタのゲートである転送ゲート２０５、２０６は各々光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２で発生した電荷を浮遊拡散領域２０７に転送する。浮遊拡散領域２０７は複数の光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２で共有された構成となっている。
【００３４】
図２では説明のため４つの光電変換ユニットを図示したが、このような光電変換ユニット２０１を更に多数行列状に配置することで画素アレイ１０１を構成する。
【００３５】
図３（ａ）は本実施形態の光電変換ユニットの断面構造を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）の半導体領域の信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示す図である。図３（ａ）は図２の破線Ａ−Ｂ間の断面構造を示している。図３（ｃ）は図２の破線Ｃ−Ｄ間の断面構造を示している。
【００３６】
３０１はカラーフィルターである。３０２は配線層である。ここでは異なる高さに配された３つの配線層を図示している。
【００３７】
Ｐ型半導体領域３０４と複数のＮ型半導体領域２０３、２０４とがＰＮ接合を構成する。Ｐ型半導体領域３０４は半導体領域３０３上に配される。半導体領域３０３は例えばＰ型半導体基板、もしくはＮ型半導体基板を用いることができる。
【００３８】
光電変換素子はＮ型半導体領域２０３、２０４及びＰ型半導体領域３０４を含んで構成される。具体的には、Ｐ型半導体領域３０４とＮ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂとで光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２（以下ＰＤ１，ＰＤ２）が構成される。Ｐ型半導体領域３０４とＮ型半導体領域２０４ａ、２０４ｂとで光電変換素子ＰＤ３、ＰＤ４（以下、ＰＤ３，ＰＤ４）が構成される。Ｎ型半導体領域２０３ａ、ｂ、２０４ａ、ｂは電子に対してポテンシャルが低くなっており、信号電荷を収集する領域である。更にＮ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂ、２０４ａ、２０４ｂの入射面側にＰ型半導体領域を配していわゆる埋め込み型のフォトダイオードとしてもよい。ＰＤ１、ＰＤ２にはマイクロレンズ２０２ａにより集光された光が入射し、ＰＤ３、ＰＤ４にはマイクロレンズ２０２ｂにより集光された光が入射する。これらの半導体領域は半導体基板３００に配されている。
【００３９】
ＰＤ１，ＰＤ２は同一のマイクロレンズ２０２ａにより集光された光が入射する。ＰＤ１、ＰＤ２は同一の光電変換ユニットに含まれる。ＰＤ１、ＰＤ２は一方向、図では左右方向において互いに隣接している。ＰＤ１、ＰＤ２が含まれる光電変換ユニットを第１光電変換ユニットと呼ぶ。また第１光電変換ユニットの図面左方向に隣接する光電変換ユニットを第２光電変換ユニットと呼ぶ。
【００４０】
ＰＤ１，ＰＤ２にそれぞれ含まれるＮ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂの間にはＰ型半導体領域３０６が配される。Ｐ型半導体領域３０６を配することで、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂ間において電子に対するポテンシャル障壁として機能し得る。
【００４１】
ＰＤ２、ＰＤ３には異なるマイクロレンズ２０２ａ、２０２ｂにより集光された光がそれぞれ入射する。ＰＤ２、ＰＤ３はそれぞれが異なる光電変換ユニットに含まれ、互いに隣接して配置される。ＰＤ２、ＰＤ３は一方向、図では左右方向において互いに隣接して配置される。ＰＤ２，ＰＤ３にそれぞれ含まれるＮ型半導体領域２０３ｂ、２０４ａの間にはＰ型半導体領域３０５が配される。Ｐ型半導体領域３０５を配することでＮ型半導体領域２０３ｂ、Ｎ型半導体領域２０４ａ間において電子に対するポテンシャル障壁として機能し得る。
【００４２】
本実施形態では、Ｐ型半導体領域３０５とＰ型半導体領域３０６の不純物濃度とを異ならせる。具体的には、Ｐ型半導体領域３０６のＰ型不純物濃度が、Ｐ型半導体領域３０５のＰ型不純物濃度よりも低い。このような濃度関係とすることにより、１つの光電変換ユニットに含まれるＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁の高さを、異なる光電変換ユニットに含まれ、互いに隣接するＰＤ２、ＰＤ３間のポテンシャル障壁の高さより低くすることが可能となる。
【００４３】
図３（ｂ）に示すように、第１光電変換ユニットに含まれるＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁３０７の高さはｈ１である。異なる光電変換ユニットに含まれ互いに隣接するＰＤ２、ＰＤ３間のポテンシャル障壁３０８の高さはｈ２である。ＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁の高さｈ１がＰＤ２，ＰＤ３間のポテンシャル障壁の高さｈ２よりも低い。
【００４４】
このような構造にすることで１の光電変換ユニットに含まれる光電変換素子の信号を加算した後の信号を入射光量に応じた線形性を有するものとすることができる。本発明は本実施形態に限らず様々な光電変換素子に適用可能なものであるが、特に、互いの出力の加算を行なう複数の光電変換素子において感度差や飽和量の差もしくは入射光量の差がある場合に好適である。ここでいう入射光量の差とは、例えば、光電変換装置全体に一様光が入射した場合においても実際に光電変換素子に入射する光量に差がある場合である。特に１のマイクロレンズで集光された光が平面的に異なる位置に配された複数の光電変換素子に入射する場合などに起こりやすい。
【００４５】
次に、Ｐ型半導体領域の不純物濃度の好適な例を説明する。ポテンシャル障壁３０７を構成するＰ型半導体領域３０５のＰ型の不純物濃度を、ポテンシャル障壁３０８を構成するＰ型半導体領域３０６のＰ型の不純物濃度の３倍以上に設定するのがよい。３倍以上とすることにより、電荷の持つポテンシャル（室温２７℃で約２６ｍＶ）と同程度のポテンシャル障壁の差を形成することができるためである。さらに望ましくは、光電変換装置の動作温度範囲を考慮して１０倍以上に設定するのがよい。
【００４６】
次に図３（ｃ）に関して説明する。図２のＣ−Ｄ断面である。第１光電変換ユニットの図面下方向に隣接する第３光電変換ユニットの光電変換素子が図示される。第１光電変換ユニットの浮遊拡散領域２０７と第２光電変換ユニットに含まれる光電変換素子ＰＤ５との間には絶縁体を含んで構成される絶縁分離３０９が配される。絶縁分離３０９としてはＬＯＣＯＳ（ＬＯＣａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）や、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒａｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）など公知の手法、構造を用いることができる。ポテンシャル障壁の高さは図示しないが、Ｐ型半導体領域３０６により生じるポテンシャル障壁の高さより絶縁分離３０９により生じるポテンシャル障壁の高さを高くする。また絶縁分離３０９により生じるポテンシャル障壁の高さとＰ型半導体領域３０５により生じるポテンシャル障壁の高さは任意であり、素子レイアウト等に基づいて適宜設定することができる。ここでは浮遊拡散領域と光電変換素子間に絶縁分離を配する例を挙げている。もしくは画素部のトランジスタと光電変換素子の間を絶縁分離としてもよい。
【００４７】
図４、図５を用いて、各ＰＤの出力と加算後の合成出力について説明する。図４は２つのＰＤ１、ＰＤ２の入出力特性とＰＤ１、ＰＤ２の出力を合成した場合の合成入出力特性を示す。横軸が入射光量であり縦軸は光電変換素子からの出力である。
【００４８】
図５は図３（ｂ）のポテンシャル構造と発生した電子を模式的に示す図である。図４では説明のためにＰＤ１の方が、ＰＤ２より感度が高い、もしくは、入射光量が大きい場合と仮定する。光電変換素子への入射光量が４０１の範囲の時は、ＰＤ１の方がＰＤ２より発生する電子の量が多い。この様子を図５（ａ）に示している。そして、ＰＤ１とＰＤ２の合成出力は適切な値を示している。次にＰＤ１が飽和して、ＰＤ２が飽和していないときの範囲を４０２に示している。このとき、図５（ｂ）で示すように、ＰＤ１で発生した電子はポテンシャル障壁３０８を乗り越え、ＰＤ２に移動し得る。したがって、範囲４０２においては、ＰＤ２の出力は、ＰＤ２で発生した電子とＰＤ１で発生した電子の一部を合成した電荷量に基づくものとなる。このように、ポテンシャル障壁３０８の高さｈ１をポテンシャル障壁３０７の高さｈ２より低くしておく。このような構造により、ＰＤ１で発生した電子の一部を、ＰＤ２に移動させることができ、入射光量が４０２の範囲においても、ＰＤ１とＰＤ２の合成出力が線形性を有する出力となる。
【００４９】
範囲４０３においては、図５（ｃ）で示すように、ＰＤ１、２ともポテンシャル障壁３０８で規定される飽和レベルを超え、ポテンシャル障壁３０７で規定される飽和レベルとなる。
【００５０】
範囲４０４においては、図５（ｄ）で示すように、ＰＤ２０３、２０４ともポテンシャル障壁３０７で規定される飽和レベルまで達しているので合成出力も飽和する。
【００５１】
以上述べたように本実施形態は、複数の光電変換素子を含む光電変換ユニットを複数有する光電変換装置に適用可能なものである。このような光電変換装置において、１つの光電変換ユニットに含まれ隣接して配置された光電変換素子の第１半導体領域２０３ａ、２０３ｂの間には第２導電型の第２半導体領域３０６が配される。そして隣接して配置された異なる光電変換ユニットに含まれ互いに隣接して配された光電変換素子の第１半導体領域２０３ｂ、２０４ａの間には第２導電型の第３半導体領域３０５が配された構造を有している。そして第２半導体領域３０６の第２導電型の不純物濃度が第３半導体領域３０５の第２導電型の不純物濃度よりも低い構成となっている。本実施形態においては第２半導体領域３０６が一様の不純物濃度を有しているものとしたがこれに限らず少なくとも一部に低濃度の領域を有していればよい。
【００５２】
このような構成によれば、１の光電変換ユニットに含まれる光電変換素子間での電荷の移動が、光電変換素子とその他の領域間での電荷の移動よりも起きやすくなる。これによって、例えば、光電変換ユニット内の一つの光電変換素子が飽和した際に、例えば、合成出力がニー特性をもってしまう課題を改善し、より線形性の高い出力を得ることが可能となる。
【００５３】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図面を用いて説明する。図６は本実施形態の光電変換ユニットの断面構造を示した図である。第１の実施形態と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。断面図は図２のＡ−Ｂ断面を示すが、図２のＣ−Ｄ断面に関しては、図３（ｃ）と同様の構成とすることができる。これは以下の実施形態においても同様である。
【００５４】
第１の実施形態と異なるところは、１の光電変換ユニットに含まれる光電変換素子間に配されるＰ型半導体領域が低濃度の第１部分と第１部分よりも高濃度である第２部分により構成されている点である。具体的には、１つのマイクロレンズにより集光された光が入射するＰＤ間に配されるＰ型半導体領域が、低濃度である第１部分６０１と第１部分６０１よりも高濃度である第２部分６０２により構成されている。第１部分６０１は半導体基板６００の表面から所定の深さに配される。第１部分６０１の上部、下部には第２部分６０２が配されている。また、第１部分６０１のＰ型不純物濃度は、Ｐ型半導体領域３０５のＰ型不純物濃度よりも低い。具体的な不純物濃度の好適な例としては、Ｐ型半導体領域３０５の不純物濃度を第１部分６０１のＰ型不純物濃度の３倍以上に設定する。さらに望ましくは、１０倍以上に設定する。このような構造でも、第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。なお、本実施例では６０１を一つのみ配しているが、複数あっても良い。
【００５５】
ここで、第１部分６０１の濃度を低くすることにより、ＰＤ１、ＰＤ２間を電荷が不要に移動しやすくなり、ＰＤ１、ＰＤ２の信号を区別して読みだすことが困難となる場合がある。
【００５６】
このような構成では、例えば、１の光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の信号を用いて焦点検出を行なうような場合には、位相差を検出するのが困難となり、焦点検出の精度が低下する場合がある。精度の低下を抑制するためには、第１部分６０１が配される深さをＮ型半導体領域２０３、２０４の不純物濃度ピークの位置と異なる深さに配置するとよい。
【００５７】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について図面を用いて説明する。図７は本実施形態の光電変換ユニットの上面図である。
【００５８】
本実施形態の第２の実施形態と異なる点は、平面視した際に第１部分７０１、第２部分７０２とが互いに異なる位置に配されている点である。
【００５９】
図７では、１の光電変換ユニットに含まれるＰＤ１、ＰＤ２間に配されるＰ型半導体領域が第１部分７０１と第１部分７０１よりもＰ型不純物濃度の高い第２部分７０２を含んで構成されている。また第１部分７０１のＰ型不純物濃度はＰ型半導体領域３０５のＰ型不純物濃度よりも低い。図７（ｂ）に図７（ａ）のＡ−Ｂ断面におけるポテンシャル構造を示し、図７（ｃ）に図７（ａ）のＣ−Ｄ断面におけるポテンシャル構造を示す。図７（ｂ）、（ｃ）から明らかなように、第１部分７０１により構成されるポテンシャル障壁が第２部分７０２により構成されるポテンシャル障壁よりも低いことが分かる。第２部分７０２のポテンシャル障壁の高さはＰ型半導体領域３０５のポテンシャル障壁の高さと同じ、つまりこれらのＰ型半導体領域のＰ型不純物濃度が等しい構成を図示した。しかしこれに限ることなく両者の不純物濃度を異ならせてポテンシャル障壁の高さを異ならせてもよい。ただし、第２部分７０２及びＰ型半導体領域３０５、いずれのＰ型不純物濃度も第１部分７０１のＰ型不純物濃度よりも高い必要がある。
【００６０】
なお、第１部分７０１のレイアウトは図示されているものに限らず第１部分７０１を平面視した場合に離間して配置された複数の部分を含んで構成されていてもよい。
【００６１】
不純物濃度の好適な例としては、第１部分７０１のＰ型不純物濃度に対して、Ｐ型半導体領域３０５のＰ型不純物濃度を３倍以上に設定するのがよい。さらに望ましくは、１０倍以上に設定する。
【００６２】
ここで、第１部分７０１は、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂに存在する電子の量によってポテンシャルの状態が変化しやすい。よって、ＰＤ１、ＰＤ２での蓄積開始直後と、一方のＰＤたとえばＰＤ１にＰＤ２に比べて多くの電荷が存在する状態とでは、第１部分７０１で発生した電荷がどちらのＰＤに移動するかという確率が変動する。例えば蓄積開始直後にＰＤ１に多くの電荷が存在する場合、ＰＤ１内に存在する電荷のクーロン相互作用にて第１部分７０１のポテンシャルが変化する。その後、第１部分７０１で発生した電荷はＰＤ２に移動する確率が高くなる。すなわち、ＰＤ１とＰＤ２のそれぞれに電荷が移動する確率が変化する。このような構成では、例えば、位相差を検出するためのＰＤ間の信号差を打ち消すようなフィードバックがかかり、焦点検出の精度が低下する場合がある。
【００６３】
このような精度の低下に対しては、第１部分７０１の配置を以下のようにすることにより抑制することが可能となる。具体的には、第１部分７０１を平面視した場合に、マイクロレンズの中心位置の光電変換素子の受光面への投影位置からずらして配置することが望ましい。図７で言えば、Ａ−Ｂ線がマイクロレンズの略中心を横切る線分であるが第１部分７０１は平面視において図面上方向にオフセットされて配置されている。この本質は、マイクロレンズで集光された光の強度がピークとなる位置付近から第１部分７０１を離すことである。例として図７では第１部分７０１を上方向にオフセットさせているがこれに限ることなく、下方向、場合によっては左右方向でもよい。好適なオフセット量としては、第１部分７０１をマイクロレンズの中心より０．１マイクロメートル以上ずらしておくことが望ましい。さらに望ましくは、０．２マイクロメートル以上ずらしておくことが望ましい。これは、ＰＤで取り扱う波長の範囲がいわゆる可視光域である場合である。可視光の波長が約０．４〜０．８マイクロメートルであり、光電変換素子にマイクロレンズの焦点が存在する場合の例である。また、光電変換素子での集光状態は、対物レンズのＦ値にも依存するため、Ｆ値の小さい光学系に本発明による光電変換装置を適用する場合のオフセット量としては、より大きな値が好適となる。一例として対物レンズのＦ値を２．０に設定可能なシステムの場合マイクロレンズには垂線より最大１４°の傾きをもった光が入射する。マイクロレンズとＰＤの距離が２μｍである場合、１４°の傾きで入射した光の焦点位置はマイクロレンズの中心位置を受光面に投影した位置から少なくとも一方向において０．５μｍオフセットさせる。この場合には、第１部分７０１を０．５μｍ以上マイクロレンズの中心位置からオフセットして配置することが特に効果的である。またオフセット量の上限としては隣接する光電変換素子間ピッチの半分である。
【００６４】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について図面を用いて説明する。第１〜第３の実施形態と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。
【００６５】
本実施形態の第１〜第３の実施形態と異なる点は、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂ間に配されるＰ型半導体領域が第１部分８０１と第２部分８０２とを有しており、第１部分８０１の幅が第２部分８０２の幅よりも狭い点である。このような構成によっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
【００６６】
図８においては第１部分８０１と第２部分８０２とが異なる深さに配されているが、第３の実施形態に示したように同一の深さで平面視において異なる位置に配してもよい。また、第１部分８０１は互いに離間した複数の部分から構成されていてもよい。
【００６７】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態について図面を用いて説明する。第１〜第４の実施形態と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。
【００６８】
本実施形態の第１〜第４の実施形態と異なる点は、異なる光電変換ユニットに含まれるＮ型半導体領域２０３ｂ、２０３ａ間に絶縁体分離ＸＸ０２を配した点である。ＰＤ１、ＰＤ２の間にはＰ型半導体領域ＸＸ０１が配される。このような構成によれば同一の光電変換ユニットに含まれるＰＤ１、ＰＤ２の間のポテンシャル障壁の高さを、隣接して配置された異なる光電変換ユニットに含まれるＰＤ３、ＰＤ４の間の領域のポテンシャル障壁の高さよりも低くすることができる。絶縁体分離ＸＸ０２下部にはＰ型半導体領域３０５を配してもよい。ＰＤ１、ＰＤ２の間には上記実施形態と同様にＰ型半導体領域のみを配する。
【００６９】
図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡ−Ｂにおけるポテンシャル図である。図１５（ｃ）は図１５（ａ）のＣ−Ｄにおけるポテンシャル図である。図１５（ｂ）に示されるように、同一の光電変換ユニットに含まれるＰＤ１、ＰＤ２の間のポテンシャル障壁の高さは、隣接して配置された異なる光電変換ユニットに含まれるＰＤ３、ＰＤ４の間の領域のポテンシャル障壁の高さよりも低い。そして図１５（ｃ）においては同一の光電変換ユニットに含まれるＰＤ１、ＰＤ２の間のポテンシャル障壁の高さと、隣接して配置された異なる光電変換ユニットに含まれるＰＤ３、ＰＤ４の間の領域のポテンシャル障壁の高さとが等しい。もしくはＰ型半導体領域３０５のＰ型不純物濃度を高くし、Ｐ型半導体領域３０５により生じるポテンシャル障壁の高さをＰ型半導体領域ＸＸ０１により生じるポテンシャル障壁の高さよりも高くしてもよい。つまりＰＤ２，ＰＤ３間にはＰ型半導体領域３０５及び絶縁体分離ＸＸ０２の両者により生じるポテンシャル障壁が存在する。そして、この両者によるポテンシャル障壁をＰ型半導体領域ＸＸ０１により生じるポテンシャル障壁よりも高くするのである。
【００７０】
（焦点検出装置への応用）
上述の実施形態で説明した光電変換装置は、撮像装置及び撮像面における焦点検出を行なう装置として利用することが可能である。具体的に撮像面において位相差検出による撮像時の焦点検出を行なう一例を説明する。
【００７１】
図９、図１０を用いて説明する。図９は撮影レンズ９００の射出瞳から出た光束が撮像装置９０１に入射する概念図である。２０２はマイクロレンズであり、３０１はカラーフィルターであり、光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２は１つのマイクロレンズにより集光される光が入射する複数の光電変換素子である。９０２は撮影レンズの射出瞳を示す。ここでは、マイクロレンズ２０２を有する光電変換ユニットに対して、射出瞳９０２から出た光束の中心を光軸９０３とする。射出瞳から出た光は、光軸９０３を中心として撮像装置９０１に入射する。射出瞳の一部領域９０４を通過する光の最外周の光線を９０６、９０７で示し、射出瞳９０２の一部領域９０５を通過する光の最外周の光線を９０８、９０９で示す。この図からわかるように、射出瞳９０２から出る光束のうち、光軸９０３を境にして、上側の光束はＰＤ１に入射し、下側の光束はＰＤ２に入射する。つまり、ＰＤ１とＰＤ２は各々、撮影レンズの射出瞳の別の領域の光を受光している。
【００７２】
この特性を生かして、位相差の検知を行う。画素内の領域において、撮像領域を上面から見た際に、１つのマイクロレンズで集光される光が入射する複数の光電変換素子に対し、一方のＰＤから得られるデータを第１ラインとし、他方のＰＤから得られるデータを第２ラインとする。そしてライン間の相関データを求めれば位相を検知できる。
【００７３】
例えば、図９において、１つのマイクロレンズにより集光される光が入射する光電変換素子のうち下側に配されたＰＤのデータを第１ラインとし、上側に配されたＰＤのデータを第２ラインとする。この場合、ＰＤ１は第１ラインのデータのうちの１画素分の出力となり、ＰＤ２は第２ラインのデータのうちの１画素分の出力となる。図１０は点光源を結像したときのラインデータを示す。図１０（ａ）はピントがあった状態における第１ラインと第２ラインのデータである。横軸は、画素位置を表し、縦軸は出力を表す。ピントがあっている場合は第１ラインと第２ラインは重なる。図１０（ｂ）はピントがあっていない場合のラインデータである。このときは、第１ラインと第２ラインは位相差をもち、画素位置がずれている。このずれ量１００１を算出すると、ピントがあっている状態とどれだけずれているかがわかる。このような方法で位相を検知し、レンズを駆動することによってピントをあわすことができる。
【００７４】
次に、これらの画素配置における画像データ生成について述べる。前述のように、ＰＤ１とＰＤ２の信号を別々に撮像装置９０１から読み出し、位相差を検出する計算を行うことで、ピントの検出が出来る。そして、１つのマイクロレンズにより集光された光が入射するＰＤの信号を加算することで撮影画像を生成することができる。
【００７５】
ただし、一方のＰＤが飽和した状態、つまり図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）で示す状態のときには、ＰＤの信号は各々のＰＤで単独で得られた出力とは異なる。したがって、ＰＤの信号は信頼性が低いと判断される場合がある。このような場合には位相検知は行わない、もしくは位相検知を停止させるというシーケンスを採用することもできる。つまりＰＤの信号、もしくは蓄積可能な電荷に応じて撮像装置の像面で位相差検出を行なうか否かを判定して動作させることができるのである。
【００７６】
ところで、図９では撮像素子の中心付近の画素について説明したが、実際にＰＤ間の入射光量に大きな差がつくのは、撮像素子の周辺部の画素の方が顕著であるため撮像領域の中心よりも端部に焦点検出用の画素を配した方が精度が上がってよい。
【００７７】
（撮像システムへの応用）
図１１に、上述の各実施形態の撮像装置を適用可能な撮像システムの一例を示す。
【００７８】
図１１において、１１０１は被写体の光学像を撮像装置１１０５に結像させるレンズ部で、レンズ駆動装置１１０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などがおこなわれる。１１０３はメカニカルシャッターでシャッター制御手段１１０４によって制御される。１１０５はレンズ部１１０１で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像装置、１１０６は撮像装置１１０５から出力される画像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする撮像信号処理回路である。１１０７は撮像装置１１０５、撮像信号処理回路１１０６に、各種タイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生回路である。１１０９は各種演算と撮像装置全体を制御する制御回路、１１０８は画像データを一時的に記憶する為のメモリ、１１１０は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェースである。１１１１は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１１２は各種情報や撮影画像を表示する表示部である。
【００７９】
次に、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について説明する。
【００８０】
メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路１１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００８１】
それから、レリーズボタン（図示せず）が押されると、撮像装置１１０５からのデータを元に測距演算を行い、測距結果に基づいて被写体までの距離の演算を制御回路１１０９で行う。その後、レンズ駆動装置１１０２によりレンズ部を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ部を駆動し測距を行う。測距演算は、撮像素子からのデータで求める以外にも、測距専用装置（図示せず）で行っても良い。
【００８２】
そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。撮影動作が終了すると、固体撮像素子１１０５から出力された画像信号は撮影信号処理回路１１０６で画像処理をされ、制御回路１１０９によりメモリに書き込まれる。撮影信号処理回路では、並べ替え処理、加算処理やその選択処理が行われる。メモリ１１０８に蓄積されたデータは、制御回路１１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１１０を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１１１に記録される。
【００８３】
また、外部Ｉ／Ｆ部（図示せず）を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行っても良い。
【００８４】
以上具体的な実施形態、及びその応用を示す本発明の説明を行なった。本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。本発明は様々な光電変換素子に適用可能なものであるが、光電変換素子の感度差や入射する光量差があるような構成に対しては特に有効である。例えば、上記実施形態においては、本発明による画素を対物レンズの焦点検知に用いる例について説明した。しかしながら、本発明の撮像装置の特徴は、複数の光電変換素子の信号を足し合わせる読み出しを行った際の出力の線形性の確保であり、焦点検知以外の応用も可能である。例えば、複数の光電変換素子は、パンドパスの異なる２種のカラーフィルターを搭載したものとすることも可能である。具体的には、ＲＧＢの各色に対してパンドパスの異なるＲ‘，Ｇ’，Ｂ‘のカラーフィルターを搭載する。これらを個別に読み出した際には、６色の信号を得ることができ、色再現性が向上する。一方、ＰＤの加算を行い、Ｒ＋Ｒ’，Ｇ＋Ｇ’，Ｂ＋Ｂ‘の３色の信号を得る動作を行った場合には、感度を高めることができ、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。これらの２つの撮影モードを同一の撮像装置にて切り替えることが可能な構成にも適用できる。
【符号の説明】
【００８５】
２０２、１２０１  マイクロレンズ
２０３、２０４  光電変換素子
３０５、３０６、６０１、６０２、７０１、７０２、８０１、１２０８、１２０９  Ｐ型（第２導電型）の半導体領域
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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