(57)【要約】【課題】光が入射されたタイミングの検出において、さらなる時間分解能の向上が望まれている。【解決手段】電荷を生成する光電変換部と、光電変換部からの電荷を第１端から第２端に向かう第１方向に転送する第１電荷転送経路と、第１電荷転送経路の第１位置から分岐する第２電荷転送経路と、第１電荷転送経路の、第１方向において第１位置よりも光電変換部から遠い第２位置から分岐する第３電荷転送経路と、第２電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、第３電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第２電荷蓄積部と、第２電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えと、第３電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えとを行う、少なくとも１つの第１ゲート電極と、を備え、平面視において、第１端における第１電荷転送経路の幅は、第２端における前記第１電荷転送経路の幅よりも広い、光検出装置。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷を生成する光電変換部と、
第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記光電変換部と接続され、前記光電変換部からの電荷を前記第１端から前記第２端に向かう第１方向に転送する第１電荷転送経路と、
前記第１電荷転送経路の第１位置から分岐する第２電荷転送経路と、
前記第１電荷転送経路の、前記第１方向において前記第１位置よりも前記光電変換部から遠い第２位置から分岐する第３電荷転送経路と、
前記第１電荷転送経路から前記第２電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、
前記第１電荷転送経路から前記第３電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第２電荷蓄積部と、
前記第２電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えと、前記第３電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えとを行う、少なくとも１つの第１ゲート電極と、
を備え、
平面視において、前記第１端における前記第１電荷転送経路の幅は、前記第２端における前記第１電荷転送経路の幅よりも広い、
光検出装置。
【請求項２】
前記第１位置における前記第１電荷転送経路の幅は、前記第２位置における前記第１電荷転送経路の幅よりも広い、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記第１電荷転送経路の幅は、前記第１端から前記第２端に向けて単調減少する、請求項１または請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記第１電荷転送経路を覆い、前記第１電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えを行う第２ゲート電極をさらに備え、
前記第２ゲート電極は、前記第１端側の第３端と、前記第２端側の第４端とを有し、
前記第３端における前記第２ゲート電極の幅は、前記第４端における前記第２ゲート電極の幅よりも広い、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第２ゲート電極の幅は、前記第３端から前記第４端に向けて単調減少する、請求項４に記載の光検出装置。
【請求項６】
拡散領域を含む半導体基板を備え、
前記第１電荷転送経路は前記拡散領域に形成される、請求項４に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第３端における前記第２ゲート電極の幅と、前記第３端の真下における前記拡散領域の幅との差は、前記第４端における前記第２ゲート電極の幅と、前記第４端の真下における前記拡散領域の幅との差よりも小さい、請求項６に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記第３端の真下における前記拡散領域の幅は、前記第４端の真下における前記拡散領域の幅と等しい、請求項７に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記第３端の真下における前記拡散領域の幅は、前記第４端の真下における前記拡散領域の幅よりも広い、請求項６に記載の光検出装置。
【請求項１０】
拡散領域を含む半導体基板を備え、
前記第１電荷転送経路は前記拡散領域に形成され、
前記第１端に沿った前記拡散領域の第１の幅は、前記第２端に沿った前記拡散領域の第２の幅よりも広い、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記第１電荷転送経路を覆い、前記第１電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えを行う第２ゲート電極をさらに備え、
前記第２ゲート電極は、前記第１端側の第３端と、前記第２端側の第４端とを有する、請求項１０に記載の光検出装置。
【請求項１２】
前記第３端における前記第２ゲート電極の幅は、前記拡散領域の前記第１の幅よりも広い、請求項１１に記載の光検出装置。
【請求項１３】
前記第３端における前記第２ゲート電極の幅と、前記拡散領域の前記第１の幅との差は、前記第４端における前記第２ゲート電極の幅と、前記拡散領域の前記第２の幅との差よりも小さい、請求項１１に記載の光検出装置。
【請求項１４】
前記第３端における前記第２ゲート電極の幅は、前記第４端における前記第２ゲート電極の幅と等しい、請求項１１に記載の光検出装置。
【請求項１５】
前記第１電荷転送経路の前記第２端に接続する電荷掃引部をさらに備える、請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載された光検出装置からなる複数の画素がアレイ状に配置される画素アレイを備える、撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光を検出する光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光が入射されたタイミングを検出する光検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。これらの光検出装置によると、光が入射されたタイミングを、ある程度の精度で検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１７５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光が入射されたタイミングの検出において、さらなる時間分解能の向上が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の限定的ではないある例示的な実施形態によれば、以下が提供される。
【０００６】
電荷を生成する光電変換部と、第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記光電変換部と接続され、前記光電変換部からの電荷を前記第１端から前記第２端に向かう第１方向に転送する第１電荷転送経路と、前記第１電荷転送経路の第１位置から分岐する第２電荷転送経路と、前記第１電荷転送経路の、前記第１方向において前記第１位置よりも前記光電変換部から遠い第２位置から分岐する第３電荷転送経路と、前記第１電荷転送経路から前記第２電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、前記第１電荷転送経路から前記第３電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第２電荷蓄積部と、前記第２電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えと、前記第３電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えとを行う、少なくとも１つの第１ゲート電極と、を備え、平面視において、前記第１端における前記第１電荷転送経路の幅は、前記第２端における前記第１電荷転送経路の幅よりも広い、光検出装置。
【０００７】
包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、モジュール、システム、集積回路または方法で実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、モジュール、システム、集積回路および方法の任意の組み合わせによって実現されてもよい。
【０００８】
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。
【発明の効果】
【０００９】
光が入射されたタイミングの検出において、時間分解能を従来よりも向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態に係る光検出装置の平面図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る光検出装置のＸ１−Ｘ２線における断面図である。
【図３】図３は、実施の形態に係る光検出装置のＹ１−Ｙ２線における断面図である。
【図４】図４は、実施の形態に係る光検出装置に形成される電荷転送経路の模式図である。
【図５】図５は、第１電荷転送経路が電荷を転送する様子を示す模式図である。
【図６】図６は、第２電荷転送経路が電荷を転送する様子を示す模式図である。
【図７】図７は、実施の形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図８Ａ】図８Ａは、Ｃ１−Ｃ２線の断面における、第１電荷転送経路のポテンシャルを示す模式図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、Ｄ１−Ｄ２線の断面における、第１電荷転送経路のポテンシャルを示す模式図である。
【図９】図９は、第１電荷転送経路を走行中の電荷群において、電荷密度の分布の広がりが抑制される様子を示す模式図である。
【図１０】図１０は、変形例１に係る光検出装置の平面図である。
【図１１】図１１は、変形例１に係る光検出装置に形成される電荷転送経路の模式図である。
【図１２】図１２は、変形例２に係る光検出装置の平面図である。
【図１３】図１３は、他の変形例に係る光検出装置の平面図である。
【図１４】図１４は、他の変形例に係る光検出装置の平面図である。
【図１５】図１５は、他の変形例に係る光検出装置の平面図である。
【図１６】図１６は、参考例に係る光検出装置の構成図である。
【図１７】図１７は、参考例に係る光検出装置における、走行中の電荷群の分布を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の一態様を得るに至った知見）
ここでは、まず、参考例の光検出装置について説明する。
【００１２】
図１６は、参考例に係る光検出装置（すなわち、撮像素子１０１）の構成図である。
【００１３】
参考例の光検出装置では、まず、第１ゲート電極１１１の電位を制御することで、第１ゲート電極１１１下にチャネル（転送チャネルとも呼ぶ）を形成する。そして、受光部１１３に光が入射したことで生成された電荷群を、その転送チャネル内において、受光部１１３側から電荷掃引部１１４側へと走行させる。そして、電荷群の走行中に、第２ゲート電極１１２の電位を制御することで、その走行中の電荷群の少なくとも一部を、それぞれが読み出し回路（１２０ａ〜１２０ｅ）に接続される複数のＦＤへと導く。そして、走行中の電荷群の少なくとも一部が、どの位置のＦＤから読み出されたかを特定することで、その電荷群が発生した時刻、すなわち、光が入射されたタイミングを検出する。
【００１４】
発明者は、上記参考例の光検出装置に関し、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能をさらに向上すべく検討を重ねた。
【００１５】
図１７は、参考例の光検出装置における、走行中の電荷群の分布を示す模式図である。
【００１６】
同図に示されるように、走行中の電荷群は、その走行距離が長くなればなるほど、すなわち、受光部１１３から遠くまで走行すればするほど、その電荷密度の分布が広がっていく。このため、受光部１１３から比較的遠い位置（例えば、図１７におけるＴＧ５付近）まで走行した電荷群は、複数の読み出し回路で読み出されてしまうことがある。
【００１７】
発明者は、光検出装置において、このような電荷密度の分布の広がりを抑制することで、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得ることを見出した。
【００１８】
発明者は、このような検討を重ねた結果、下記光検出装置、及び撮像装置に想到した。
【００１９】
本開示の一態様に係る光検出装置は、電荷を生成する光電変換部と、第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記光電変換部と接続され、前記光電変換部からの電荷を前記第１端から前記第２端に向かう第１方向に転送する第１電荷転送経路と、前記第１電荷転送経路の第１位置から分岐する第２電荷転送経路と、前記第１電荷転送経路の、前記第１方向において前記第１位置よりも前記光電変換部から遠い第２位置から分岐する第３電荷転送経路と、前記第１電荷転送経路から前記第２電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、前記第１電荷転送経路から前記第３電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第２電荷蓄積部と、前記第２電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えと、前記第３電荷転送経路における電荷の転送及び遮断の切り替えとを行う、少なくとも１つの第１ゲート電極と、を備え、平面視において、前記第１端における前記第１電荷転送経路の幅は、前記第２端における前記第１電荷転送経路の幅よりも広い。
【００２０】
上記構成の光検出装置では、光電変換部（受光部）側の第１端の幅の方が、光電変換部から遠い側の第２端の幅よりも広くなっている。このため、第１電荷転送経路に印加される電界は、フリンジング電界の影響により、第２端側の電界の方が、第１端側の電界よりも大きくなる。一般に、空間の電界強度が大きい程、その空間における電荷分散が抑制されることが知られている。このため、第１電荷転送経路を走行中の電荷群において、光電変換部から遠くに位置している電荷ほど、上記のように電荷分散がより強く抑制されることとなる。このため、上記構成の光検出装置は、光電変換部から比較的遠い位置まで走行した電荷群における電荷密度の分布の広がりを抑制し得る。
【００２１】
従って、上記構成の光検出装置によると、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。
【００２２】
本開示の一態様に係る撮像装置は、上記光検出装置からなる複数の画素がアレイ状に配置される画素アレイを備える。
【００２３】
上記構成の撮像装置が備える複数の画素は、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る光検出装置からなる。
【００２４】
従って、上記構成の撮像装置によると、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。
【００２５】
以下、本開示の一態様に係る光検出装置、及び撮像装置の具体例について、図面を参照しながら説明する。ここで示す実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序等は、一例であって本開示を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意に付加可能な構成要素である。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。
【００２６】
（実施の形態）
以下、実施の形態に係る撮像装置について、図面を参照しながら説明する。この撮像装置は、実施の形態に係る光検出装置からなる複数の画素がアレイ状に配置される画素アレイを備える。
【００２７】
［１−１．構成］
ここではまず、実施の形態に係る光検出装置について説明する。
【００２８】
図１は、実施の形態に係る光検出装置１０の平面図である。図２は、実施の形態に係る光検出装置１０の、図１に示すＸ１−Ｘ２線における断面図である。図３は、実施の形態に係る光検出装置１０の、図１に示すＹ１−Ｙ２線における断面図である。
【００２９】
図１、図２、図３に示されるように、光検出装置１０は、第１ゲート電極１１と、第２ゲート電極１２と、光電変換部１３と、電荷掃引部１４と、注入領域１５と、第１電荷蓄積部２１と、第２電荷蓄積部２２と、第３電荷蓄積部２３と、第４電荷蓄積部２４と、第５電荷蓄積部２５とを含んで構成される。
【００３０】
なお、図１、図２、図３は、あくまでも説明のための模式的な図であり、図面中における各部のサイズは、必ずしも現実のサイズを反映していない。他の図面についても同様に、図面中に示される要素のサイズと、その要素の現実のサイズとが一致しないことがある。
【００３１】
光電変換部１３は、入射した光を受けて電荷を生成可能な光電変換素子を含む。ここでは、光電変換素子としてフォトダイオードを例示する。
【００３２】
図２および図３に示されるように、この例では、光電変換部１３、電荷掃引部１４、注入領域１５、第１電荷蓄積部２１、第２電荷蓄積部２２、第３電荷蓄積部２３、第４電荷蓄積部２４、及び第５電荷蓄積部２５は、シリコン（Ｓｉ）基板などの半導体基板２内に形成されている。半導体基板２は、その全体が半導体である基板に限定されず、感光領域が形成される側の表面に半導体層が設けられた絶縁性基板などであってもよい。以下では、半導体基板２としてｐ型シリコン基板を例示する。この例では、ｐ型シリコン基板に不純物領域（ここではＮ型領域）を形成することにより、光電変換部１３が形成されている。また、ｐ型シリコン基板に、光電変換部１３と同等、あるいは高い濃度の不純物領域（ここではＮ型領域）を形成することにより、注入領域１５（拡散領域）が形成されている。そして、ｐ型シリコン基板に、注入領域１５よりも高い濃度の不純物領域（ここではＮ型領域）を形成することにより、第１電荷蓄積部２１、第２電荷蓄積部２２、第３電荷蓄積部２３、第４電荷蓄積部２４、及び第５電荷蓄積部２５が形成される。
【００３３】
図１に示されるように、注入領域１５は、主部３０と、第１フィンガ部３１と、第２フィンガ部３２と、第３フィンガ部３３と、第４フィンガ部３４と、第５フィンガ部３５とから構成される。主部３０は、テーパ付き長尺状である。主部３０の一端は光電変換部１３に接続され、他端は電荷掃引部１４に接続される。第１フィンガ部３１は、主部３０から分岐して第１電荷蓄積部２１に接続される。第２フィンガ部３２は、主部３０から分岐して第２電荷蓄積部２２に接続される。第３フィンガ部３３は、主部３０から分岐して第３電荷蓄積部２３に接続される。第４フィンガ部３４は、主部３０から分岐して第４電荷蓄積部２４に接続される。第５フィンガ部３５は、主部３０から分岐して第５電荷蓄積部２５に接続される。
【００３４】
図１に示されるように、主部３０は、光電変換部１３側の一端（以下、「第５端」とも呼ぶ。）と電荷掃引部１４側の他端（以下、「第６端」とも呼ぶ。）とを有し、第５端の幅は、第６端の幅よりも広くなっている。そして、主部３０の幅は、第５端から第６端に向けて単調減少する。また、第５フィンガ部３５は、第４フィンガ部３４よりも、光電変換部１３から遠い位置において主部３０から分岐している。第４フィンガ部３４は、第３フィンガ部３３よりも、光電変換部１３から遠い位置において主部３０から分岐している。第３フィンガ部３３は、第２フィンガ部３２よりも、光電変換部１３から遠い位置において主部３０から分岐している。第２フィンガ部３２は、第１フィンガ部３１よりも、光電変換部１３から遠い位置において主部３０から分岐している。
【００３５】
図１〜図３に示されるように、第１ゲート電極１１は、矩形であって、第１フィンガ部３１〜第５フィンガ部３５にまたがって、それらの上方に重ねて配置されている。そして、第２ゲート電極１２は、矩形であって、主部３０の上方に重ねて配置されている。図１に示されるように、第２ゲート電極１２の、光電変換部１３側の一端、及び電荷掃引部１４側の一端は、それぞれ、それらの真下における主部３０の幅よりも広くなっている。
【００３６】
ここでは、第１ゲート電極１１と第１フィンガ部３１とによって形成されるトランジスタをＴＧ１と呼ぶ。第１ゲート電極１１と第２フィンガ部３２とによって形成されるトランジスタをＴＧ２と呼ぶ。第１ゲート電極１１と第３フィンガ部３３とによって形成されるトランジスタをＴＧ３と呼ぶ。第１ゲート電極１１と第４フィンガ部３４とによって形成されるトランジスタをＴＧ４と呼ぶ。第１ゲート電極１１と第５フィンガ部３５とによって形成されるトランジスタをＴＧ５と呼ぶ。
【００３７】
注入領域１５は、その上部に位置するゲート電極（ここでは、例えば、第１ゲート電極１１又は第２ゲート電極１２）に所定電位が印加されることで、その表面部分に、反転層が形成される。この反転層は、光電変換部１３によって生成された電荷を、電荷掃引部１４、第１電荷蓄積部２１、第２電荷蓄積部２２、第３電荷蓄積部２３、第４電荷蓄積部２４、又は第５電荷蓄積部２５のいずれかに転送する電荷転送経路として機能する。
【００３８】
図４は、第１ゲート電極１１に第１の所定電位が印加され、第２ゲート電極１２に第２の所定電位が印加される場合において形成される電荷転送経路を模式的に図示する模式図である。ここで、第１の所定電位は、第１ゲート電極１１の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成するための電位である。また、第２の所定電位は、第２ゲート電極１２の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成するための電位である。
【００３９】
図４に示されるように、注入領域１５の表面に形成される電荷転送経路は、テーパ付き長尺状の第１電荷転送経路４１と、第２電荷転送経路４２と、第３電荷転送経路４３と、第４電荷転送経路４４と、第５電荷転送経路４５と、第６電荷転送経路４６とから構成される。第１電荷転送経路は、その一端と他端とが、それぞれ光電変換部１３と電荷掃引部１４とに接続される。第２電荷転送経路４２は、第１電荷転送経路４１から分岐して第１電荷蓄積部２１に接続される。第３電荷転送経路４３は、第１電荷転送経路４１から分岐して第２電荷蓄積部２２に接続される。第４電荷転送経路４４は、第１電荷転送経路４１から分岐して第３電荷蓄積部２３に接続される。第５電荷転送経路４５は、第１電荷転送経路４１から分岐して第４電荷蓄積部２４に接続される。第６電荷転送経路４６は、第１電荷転送経路４１から分岐して第５電荷蓄積部２５に接続される。また、図４に示されるように、第１電荷転送経路４１は、光電変換部１３側の一端（以下、「第１端」とも呼ぶ。）と電荷掃引部１４側の他端（以下、「第２端」とも呼ぶ。）とを有し、第１端の幅は、第２端の幅よりも広くなっている。そして、第１電荷転送経路４１の幅は、第１端から第２端に向けて単調減少する。また、第６電荷転送経路４６は、第５電荷転送経路４５よりも、光電変換部１３から遠い位置において第１電荷転送経路４１から分岐する。第５電荷転送経路４５は、第４電荷転送経路４４よりも、光電変換部１３から遠い位置において第１電荷転送経路４１から分岐する。第４電荷転送経路４４は、第３電荷転送経路４３よりも、光電変換部１３から遠い位置において第１電荷転送経路４１から分岐する。第３電荷転送経路４３は、第２電荷転送経路４２よりも、光電変換部１３から遠い位置において第１電荷転送経路４１から分岐する。そして、第１電荷転送経路４１から第２電荷転送経路４２が分岐する第１分岐位置における第１電荷転送経路４１の幅は、第１電荷転送経路４１から第３電荷転送経路４３が分岐する第２分岐位置における第１電荷転送経路４１の幅よりも広くなっている。第２分岐位置における第１電荷転送経路４１の幅は、第１電荷転送経路４１から第４電荷転送経路４４が分岐する第３分岐位置における第１電荷転送経路４１の幅よりも広くなっている。第３分岐位置における第１電荷転送経路４１の幅は、第１電荷転送経路４１から第５電荷転送経路４５が分岐する第４分岐位置における第１電荷転送経路４１の幅よりも広くなっている。第４分岐位置における第１電荷転送経路４１の幅は、第１電荷転送経路４１から第６電荷転送経路４６が分岐する第５分岐位置における第１電荷転送経路４１の幅よりも広くなっている。
【００４０】
第１電荷転送経路４１は、電荷掃引部１４の電位を、光電変換部１３の電位よりも低い所定の電位とすることで、光電変換部１３で発生した電荷を電荷掃引部１４へ転送する。
【００４１】
図５は、図４に示すＡ１−Ａ２線の断面において、第１電荷転送経路４１が、電荷を転送する様子を示す模式図である。実線で示されるのは、図４に示すＡ１−Ａ２線の断面におけるポテンシャルである。
【００４２】
同図に示されるように、電荷掃引部１４の電位を、光電変換部１３の電位よりも低い所定の電位とすることで、第１電荷転送経路４１内のポテンシャルは、光電変換部１３側から電荷掃引部１４側へと傾斜することとなる。これにより、第１電荷転送経路４１は、光電変換部１３で発生した電荷を電荷掃引部１４へ転送する。
【００４３】
図６は、図４に示すＢ１−Ｂ２線の断面において、第２電荷転送経路４２が、電荷を転送する様子を示す模式図である。実線で示されるのは、図４に示すＢ１−Ｂ２線の断面における、トランジスタＴＧ１がオフのときのポテンシャルである。破線で示されるのは、図４に示すＢ１−Ｂ２線の断面における、トランジスタＴＧ１がオンのときのポテンシャルである。
【００４４】
同図に示されるように、第１電荷蓄積部２１の電位を、第１電荷転送経路４１における第２電荷転送経路４２への分岐点の電位よりも低い所定の電位とすることで、第２電荷転送経路４２内のポテンシャルは、図６中の破線で示されるように、第１電荷転送経路４１側から第１電荷蓄積部２１側へと傾斜することとなる。このため、第２電荷転送経路４２は、第１電荷転送経路４１を転送中の電荷群の一部の電荷を、第１電荷蓄積部２１へ転送する。
【００４５】
一方で、ＴＧ１がオフの場合には、第２電荷転送経路４２は形成されない。この場合には、第１電荷転送経路４１における第２電荷転送経路４２への分岐点と第１電荷蓄積部２１との間のポテンシャルは、図６中の実線に示されるようになる。このため、この場合には、第１電荷転送経路４１を走行中の電荷は、第１電荷蓄積部２１へ転送されることはない。
【００４６】
同様に、第２電荷蓄積部２２〜第５電荷蓄積部２５の電位のそれぞれを、第１電荷転送経路４１における第３電荷転送経路４３〜第６電荷転送経路４６への分岐点の電位よりも低い所定の電位とすることで、第３電荷転送経路４３〜第６電荷転送経路４６のそれぞれは、第１電荷転送経路４１を転送中の電荷群の一部の電荷を、第２電荷蓄積部２２〜第５電荷蓄積部２５へ転送する。
【００４７】
第１電荷蓄積部２１は、第２電荷転送経路４２を経由して転送された電荷を蓄積する。第２電荷蓄積部２２は、第３電荷転送経路４３を経由して転送された電荷を蓄積する。第３電荷蓄積部２３は、第４電荷転送経路４４を経由して転送された電荷を蓄積する。第４電荷蓄積部２４は、第５電荷転送経路４５を経由して転送された電荷を蓄積する。第５電荷蓄積部２５は、第６電荷転送経路４６を経由して転送された電荷を蓄積する。
【００４８】
図１に示されるように、第１電荷蓄積部２１〜第５電荷蓄積部２５のそれぞれは、ソースフォロアトランジスタ６０ａ〜ソースフォロアトランジスタ６０ｅを介して、蓄積された電荷の電荷量を読み出す読み出し回路７０ａ〜読み出し回路７０ｅに接続される。
【００４９】
第１ゲート電極１１と第２ゲート電極１２とは、例えば、不純物が注入されることにより導電性が付与されたポリシリコンから形成される。
【００５０】
第１ゲート電極１１は、印加電圧を切り替えることで、第１ゲート電極１１の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成されるか否の切り替えを行うことができる。
【００５１】
すなわち、第１ゲート電極１１は、印加電圧を切り替えることで、第２電荷転送経路４２を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第３電荷転送経路４３を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第４電荷転送経路４４を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第５電荷転送経路４５を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第６電荷転送経路４６を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えとを行う。
【００５２】
同様に、第２ゲート電極１２は、印加電圧を切り替えることで、第２ゲート電極１２の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成されるか否かの切り替えを行うことができる。
【００５３】
すなわち、第２ゲート電極１２は、印加電圧を切り替えることで、第１電荷転送経路４１を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えを行う。
【００５４】
また、上述したように、第１電荷転送経路４１は、注入領域１５のうち、第２ゲート電極１２の下に位置する部分に形成される領域である。このため、第２ゲート電極１２は第１電荷転送経路４１の上方に重ねて配置されると言える。
【００５５】
次に、上記構成の光検出装置１０を含んで構成される、実施の形態に係る撮像装置について説明する。
【００５６】
図７は、実施の形態に係る撮像装置１の構成を示すブロック図である。
【００５７】
同図に示されるように、撮像装置１は、画素アレイ５０と、垂直走査回路５１と、読み出し回路５２と、信号処理部５３とを備える。
【００５８】
画素アレイ５０は、光検出装置１０からなる画素が、アレイ状（例えば、行列状）に複数配置されて構成される。
【００５９】
各光検出装置１０において、第１電荷蓄積部２１〜第５電荷蓄積部２５のそれぞれは、ソースフォロアトランジスタ６０ａ〜ソースフォロアトランジスタ６０ｅと、読み出し線６１ａ〜読み出し線６１ｅとを介して読み出し回路５２に接続される。すなわち、図１における読み出し回路７０ａ〜読み出し回路７０ｅは、それぞれ、図７における読み出し回路５２に対応する。ここで、読み出し線６１ａ〜読み出し線６１ｅは、列単位で共通の信号線となっている。
【００６０】
また、各光検出装置１０は、行単位で共通な複数の制御信号線（図示されず）を介して垂直走査回路５１に接続される。
【００６１】
垂直走査回路５１は、画素アレイ５０に対して、行単位で共通な複数の制御信号線（図示されず）を介して、各光検出装置１０の動作を、行単位で制御する。
【００６２】
垂直走査回路５１は、画素アレイ５０の最上位側の行から最下位側の行に向けて順に、行単位による光検出装置１０の制御を、所定周期で繰り返し行う。
【００６３】
読み出し回路５２は、垂直走査回路５１と同期して動作し、画素アレイ５０から、垂直走査回路５１によって制御される行単位で、その行に位置する各光検出装置１０における第１電荷蓄積部２１〜第５電荷蓄積部２５に蓄積された電荷の量に応じた信号を読み出す。そして、読み出した信号を、信号処理部５３へ出力する。
【００６４】
信号処理部５３は、読み出し回路５２から出力された信号に対して、各種信号処理を行う。一例として、信号処理部５３は、プロセッサとメモリとを含んで構成され、メモリに記憶されるプログラムをプロセッサが実行することで実現されてもよいし、専用ハードウエアによって実現されてもよい。
【００６５】
［１−２．考察］
以下、光検出装置１０について考察する。
【００６６】
図８Ａは、図４に示すＣ１−Ｃ２線の断面における、第１電荷転送経路４１のポテンシャルを示す模式図であり、図８Ｂは、図４に示すＤ１−Ｄ２線の断面における、第１電荷転送経路４１のポテンシャルを示す模式図である。
【００６７】
上述した通り、第１電荷転送経路４１の幅は、第１端側から第２端側へとテーパ状に細くなっている。このため、図８Ａ、図８Ｂに示されるように、第１電荷転送経路４１の電界は、フリンジング電界の影響により、第２端側の単位面積当たりの電界が、第１端側の単位面積当たりの電界よりも大きくなる。一般に、電界強度が大きい程、電荷分散が抑制されることが知られている。このため、第１電荷転送経路４１を走行中の電荷群は、光電変換部１３から遠くまで走行すればするほど、上記電荷分散の抑制がより強く作用することとなる。
【００６８】
図９は、第１電荷転送経路４１の幅が、第１端側から第２端側へとテーパ状に細くなっていることにより、光電変換部１３から比較的遠い位置（ここでは、例えばＴＧ５付近）の第１電荷転送経路４１を走行中の電荷群において、電荷密度の分布の広がりが抑制される様子を示す模式図である。同図において、実線で示される波形９１は、上述した通りに、第１電荷転送経路４１の幅がテーパ状に細くなっている場合における、走行中の電荷群における電荷密度の分布の広がりを示す。破線で示される波形９２は、参考例のように、第１電荷転送経路４１の幅がテーパ状に細くなっていない場合に想定される電荷密度の分布を示す。
【００６９】
図９からも理解されるように、実施の形態に係る光検出装置１０は、光電変換部１３から比較的遠い位置まで走行した電荷群における電荷密度の分布の広がりを抑制し得る。
【００７０】
従って、実施の形態に係る光検出装置１０によると、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。
【００７１】
一方で、第１電荷転送経路４１全体の電界強度を、一様に強くする構成も考えられる。しかしながら、この構成では、光電変換部１３で発生した電荷を、第１電荷転送経路４１を通って電荷掃引部１４へと転送する転送時間そのものが短くなってしまう。このため、この構成は、必ずしも、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能の向上において有効であるとは言えない。実施の形態に係る光検出装置１０のように、第１電荷転送経路４１の電界強度が、光電変換部１３から遠くなればなるほど強くなる構成の方が、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能の向上においてより有効であると言える。上述した通り、実施の形態に係る光検出装置１０では、その物理形状により、第１電荷転送経路４１の電界強度が、光電変換部１３から遠くなればなるほど強くなるように制御される。
【００７２】
（変形例１）
ここでは、実施の形態に係る撮像装置１から、その構成の一部が変更された変形例１に係る撮像装置について説明する。
【００７３】
実施の形態では、撮像装置１を構成する光検出装置１０は、注入領域１５における主部３０の形状がテーパ付き長尺状である一方で、第２ゲート電極１２が矩形である構成であった。
【００７４】
これに対して、変形例１では、変形例１に係る撮像装置を構成する光検出装置は、注入領域における主部の形状が矩形である一方で、第２ゲート電極がテーパ付き長尺状である構成となっている。
【００７５】
［２−１．構成］
以下、変形例１に係る撮像装置について、実施の形態に係る撮像装置１との相違点を中心に、図面を参照しながら説明する。
【００７６】
図１０は、変形例１に係る光検出装置１０ａの平面図である。
【００７７】
同図に示されるように、光検出装置１０ａは、実施の形態に係る光検出装置１０から、注入領域１５が注入領域１５ａに変更され、第２ゲート電極１２が第２ゲート電極１２ａに変更され、電荷掃引部１４が電荷掃引部１４ａに変更されている。
【００７８】
注入領域１５ａは、実施の形態に係る注入領域１５から、主部３０が主部３０ａに変更されている。
【００７９】
本変形例１に係る主部３０ａは、図１０に示されるように矩形となっている。
【００８０】
電荷掃引部１４ａは、実施の形態に係る電荷掃引部１４から、主部３０ａにおける電荷掃引部側１４ａ側の幅と合うように、その幅が変更されている。
【００８１】
第２ゲート電極１２ａは、光電変換部１３側の一端（以下、「第３端」とも呼ぶ。）と電荷掃引部１４ａ側の他端（以下、「第４端」とも呼ぶ。）とを有する。第２ゲート電極１２ａは、テーパ付き長尺状であって、主部３０の上方に重ねて配置されている。図１０に示されるように、第２ゲート電極１２ａは、第３端の幅が第４端の幅よりも広くなっている。そして、第２ゲート電極１２ａの幅は、第３端から第４端に向けて単調減少している。また、第２ゲート電極１２ａの第３端の幅と、第３端の真下における注入領域１５ａの幅との差は、第２ゲート電極１２ａの第４端の幅と、第４端の真下における注入領域１５ａの幅との差よりも小さい。そして、第２ゲート電極１２ａの第３端の真下における注入領域１５ａの幅と、第２ゲート電極１２ａの第４端の真下における注入領域１５ａの幅とが等しい。
【００８２】
実施の形態の場合と同様に、注入領域１５ａには、その上部に位置するゲート電極（ここでは、例えば、第１ゲート電極１１又は第２ゲート電極１２ａ）に所定電位が印加されることで、その表面部分に電荷転送経路が形成される。
【００８３】
図１１は、第１ゲート電極１１に第１の所定電位が印加され、第２ゲート電極１２に第２の所定電位が印加される場合において形成される電荷転送経路を模式的に図示する模式図である。ここで、第１の所定電位は、第１ゲート電極１１の下に位置する注入領域１５ａの表面に反転層を形成するための電位であり、第２の所定電位は、第２ゲート電極１２の下に位置する注入領域１５ａの表面に反転層を形成するための電位である。
【００８４】
図１１に示されるように、注入領域１５ａの表面に形成される電荷転送経路は、実施の形態に係る電荷転送経路（図４参照）から、第１電荷転送経路４１が第１電荷転送経路４１ａへと変更されるように形成される。
【００８５】
同図に示されるように、第１電荷転送経路４１ａは、実施の形態に係る第１電荷転送経路４１と同様に、テーパ付き長尺状である。また、第１電荷転送経路４１ａは、光電変換部１３側の一端（以下、「第１端」とも呼ぶ。）と電荷掃引部１４側の他端（以下、「第２端」とも呼ぶ。）とを有し、第１端の幅は、第２端の幅よりも広くなっている。そして、第１電荷転送経路４１の幅は、第１端から第２端に向けて単調減少する。
【００８６】
［２−２．考察］
以下、光検出装置１０ａについて考察する。
【００８７】
図１１に示されるように、第１電荷転送経路４１ａの幅は、実施の形態に係る第１電荷転送経路４１の場合と同様に、第１端側から第２端側へとテーパ状に細くなっている。
【００８８】
このため、変形例１に係る光検出装置１０ａは、実施の形態に係る光検出装置１０の場合と同様に、光電変換部１３から比較的遠い位置まで走行した電荷群における電荷密度の分布の広がりを抑制し得る。
【００８９】
従って、変形例１に係る光検出装置１０ａによると、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。
【００９０】
また、一般に、製造上の観点からは、不純物の注入領域がテーパ形状となるように製造工程を制御するよりも、ゲート電極の形状がテーパ形状となるように製造工程を制御する方が容易である。このため、本変形例１に係る光検出装置１０ａでは、より容易に、製造上の工程管理を行うことができる。
【００９１】
（変形例２）
ここでは、実施の形態に係る撮像装置１から、その構成の一部が変更された変形例２に係る撮像装置について説明する。
【００９２】
変形例２に係る撮像装置を構成する光検出装置は、注入領域における主部の形状と、第２ゲート電極との双方が、テーパ付き長尺状である構成となっている。
【００９３】
［３−１．構成］
以下、変形例２に係る撮像装置について、実施の形態に係る撮像装置１との相違点を中心に、図面を参照しながら説明する。
【００９４】
図１２は、変形例２に係る光検出装置１０ｂの平面図である。
【００９５】
同図に示されるように、光検出装置１０ｂは、実施の形態に係る光検出装置１０から、第２ゲート電極１２が、第２ゲート電極１２ｂに変更されている。
【００９６】
第２ゲート電極１２ｂは、光電変換部１３側の一端（以下、「第３端」とも呼ぶ。）と電荷掃引部１４側の他端（以下、「第４端」とも呼ぶ。）とを有する。第２ゲート電極１２ｂは、テーパ付き長尺状であって、主部３０の上方に重ねて配置されている。図１２に示されるように、第２ゲート電極１２ｂは、第３端の幅が第４端の幅よりも広くなっている。そして、第２ゲート電極１２ｂの幅は、第３端から第４端に向けて単調減少している。また、第２ゲート電極１２ｂの第３端の真下における注入領域１５の幅は、第２ゲート電極１２ｂの第４端の真下における注入領域１５の幅よりも広い。
【００９７】
実施の形態の場合と同様に、注入領域１５には、その上部に位置するゲート電極（ここでは、例えば、第１ゲート電極１１又は第２ゲート電極１２ｂ）に所定電位が印加されることで、その表面部分に電荷転送経路が形成される。
【００９８】
変形例２において、注入領域１５と第２ゲート電極１２ｂとが重なっている領域の形状は、実施の形態において、注入領域１５と第２ゲート電極１２とが重なっている領域の形状に等しい。
【００９９】
従って、第１ゲート電極１１に第１の所定電位が印加され、第２ゲート電極１２ｂに第２の所定電位が印加される場合において形成される電荷転送経路は、図４に示される、実施の形態において形成される電荷転送経路と同様となる。
【０１００】
すなわち、注入領域１５の表面に形成される電荷転送経路は、図４に示されるように、第１電荷転送経路４１と、第２電荷転送経路４２と、第３電荷転送経路４３と、第４電荷転送経路４４と、第５電荷転送経路４５と、第６電荷転送経路４６とから構成される。
【０１０１】
［３−２．考察］
以下、光検出装置１０ｂについて考察する。
【０１０２】
上述した通り、光検出装置１０ｂには、実施の形態に係る光検出装置１０において形成される電荷転送経路と同様の電荷転送経路が形成される。
【０１０３】
このため、変形例２に係る光検出装置１０ｂは、実施の形態に係る光検出装置１０の場合と同様に、光電変換部１３から比較的遠い位置まで走行した電荷群における電荷密度の分布の広がりを抑制し得る。
【０１０４】
従って、変形例２に係る光検出装置１０ｂによると、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。
【０１０５】
また、光検出装置１０ｂでは、第２ゲート電極１２ｂにおける、読み出し回路側と対向する側の側面でのフリンジング電界により、第１電荷転送経路４１から、第２電荷転送経路４２〜第６電荷転送経路４６への電荷転送がアシストされる。このため、実施の形態に係る光検出装置１０のように、注入領域１５における主部３０の形状のみをテーパ付き長尺状とする構成よりも、本変形例２に係る光検出装置１０ｂのように、注入領域１５における主部３０の形状と、第２ゲート電極１２ｂとの双方を、テーパ付き長尺状とする構成の方が、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。
【０１０６】
（補足）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態、変形例１、変形例２について説明した。しかしながら、本開示による技術は、これらに限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用可能である。
【０１０７】
以下に、本開示における変形例の一例について列記する。
【０１０８】
（１）実施の形態において、光検出装置１０は、備える電荷蓄積部の数が５つであるとして説明した。しかしながら、光検出装置１０が備える電荷蓄積部の数は、１つ以上であれば、必ずしも５つである例に限定されない。
【０１０９】
（２）実施の形態において、光検出装置１０は、備える第１ゲート電極１１の数が１つの構造体であるとして説明した。しかしながら、第１ゲート電極１１は、必ずしも１つの構造体である必要はなく、複数に分割されて構成されていてもよい。つまり、第１ゲート電極１１は、印加電圧を切り替えることで、第２電荷転送経路４２を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第３電荷転送経路４３を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第４電荷転送経路４４を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第５電荷転送経路４５を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第６電荷転送経路４６を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えとを実現することができればよい。
【０１１０】
（３）実施の形態において、図１等を用いて光検出装置１０を説明する際に、第１フィンガ部３１〜第５フィンガ部３５の幅があたかも等しいように図示し、第１電荷蓄積部２１〜第５電荷蓄積部２５の幅があたかも等しいように図示して説明した。しかしながら、光検出装置１０は、第１フィンガ部３１〜第５フィンガ部３５の幅が等しい構成の例に限定されず、第１電荷蓄積部２１〜第５電荷蓄積部２５の幅が等しい構成の例に限定されない。例えば、光検出装置１０は、第１フィンガ部３１〜第５フィンガ部３５のうちの少なくとも１つの幅が他の幅と異なり、第１電荷蓄積部２１〜第５電荷蓄積部２５のうちの少なくとも１つの幅が他の幅と異なる構成であってもよい。
【０１１１】
（４）実施の形態、変形例１、変形例２において、図面を用いて光検出装置１０、光検出装置１０ａ、光検出装置１０ｂを説明する際に、主部３０の幅は、第５端から第６端に向けて直線的に単調減少するように図示して説明した。第２ゲート電極１２ａ、第２ゲート電極１２ｂの幅は、第３端から第４端に向けて直線的に単調減少するように図示して説明した。第１電荷転送経路４１、第１電荷転送経路４１ａの幅は、第１端から第２端に向けて直線的に単調減少するように図示して説明した。しかしながら、光検出装置１０、光検出装置１０ａ、光検出装置１０ｂは、第５端の幅が第６端の幅より広ければ、主部３０の幅が第５端から第６端に向けて直線的に単調減少する構成の例に限定されない。第３端の幅が第４端の幅より広ければ、第２ゲート電極１２ａ、第２ゲート電極１２ｂの幅が、第３端から第４端に向けて直線的に単調減少する構成の例に限定されない。第１端の幅が第２端の幅より広ければ、第１電荷転送経路４１、第１電荷転送経路４１ａの幅が、第１端から第２端に向けて直線的に単調減少する構成の例に限定されない。例えば、光検出装置１０、光検出装置１０ａ、光検出装置１０ｂは、主部３０の幅が、第５端から第６端に向けて階段状又は曲線状に単調減少する構成であってもよい。第２ゲート電極１２ａ、第２ゲート電極１２ｂの幅が、第３端から第４端に向けて階段状又は曲線状に単調減少する構成であってもよい。第１電荷転送経路４１、第１電荷転送経路４１ａの幅が、第１端から第２端に向けて階段状又は曲線状に単調減少する構成であってもよい。
【０１１２】
（５）実施の形態において、光検出装置１０について、第２ゲート電極１２が、あたかも光電変換部１３とオーバラップしないように、図１に図示して説明した。しかしながら、第２ゲート電極１２は、一部が光電変換部１３とオーバラップしていてもよい。また、光検出装置１０について、第２ゲート電極１２が、あたかも電荷掃引部１４とオーバラップしないように図１に図示して説明した。しかしながら、第２ゲート電極１２は、その一部が電荷掃引部１４とオーバラップしていてもよい。一例として、光検出装置１０は、図１３に図示されるように、光電変換部１３と電荷掃引部１４とにその一部がオーバラップする第２ゲート電極１２ｃを備える構成であってもよい。
【０１１３】
変形例１において、光検出装置１０ａについて、第２ゲート電極１２ａが、あたかも光電変換部１３とオーバラップしないように、図１０に図示して説明した。しかしながら、第２ゲート電極１２ａは、一部が光電変換部１３とオーバラップしていてもよい。また、光検出装置１０ａについて、第２ゲート電極１２ａが、あたかも電荷掃引部１４ａとオーバラップしないように図１０に図示して説明した。しかしながら、第２ゲート電極１２ａは、その一部が電荷掃引部１４ａとオーバラップしていてもよい。一例として、光検出装置１０ａは、図１４に図示されるように、光電変換部１３と電荷掃引部１４ａとにその一部がオーバラップする第２ゲート電極１２ｄを備える構成であってもよい。
【０１１４】
変形例２において、光検出装置１０ｂについて、第２ゲート電極１２ｂが、あたかも光電変換部１３とオーバラップしないように、図１２に図示して説明した。しかしながら、第２ゲート電極１２ｂは、一部が光電変換部１３とオーバラップしていてもよい。また、光検出装置１０ｂについて、第２ゲート電極１２ｂが、あたかも電荷掃引部１４とオーバラップしないように図１２に図示して説明した。しかしながら、第２ゲート電極１２ｂは、その一部が電荷掃引部１４とオーバラップしていてもよい。一例として、光検出装置１０ｂは、図１５に図示されるように、光電変換部１３と電荷掃引部１４とにその一部がオーバラップする第２ゲート電極１２ｅを備える構成であってもよい。
【０１１５】
（６）実施の形態において、光電変換素子の例としてフォトダイオードを例示した。しかしながら光電変換素子は、入射した光を受けて電荷を生成することができれば、必ずしもフォトダイオードに限定されない。一例として、光電変換素子は、光電変換膜が積層されて構成される素子であってもよい。
【０１１６】
本開示に係る光検出装置、及び撮像装置は、入力された光を検出する装置に広く利用可能である。
【符号の説明】
【０１１７】
１  撮像装置
１０、１０ａ、１０ｂ  光検出装置
１１  第１ゲート電極
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ  第２ゲート電極
１３  光電変換部
１４、１４ａ  電荷掃引部
１５、１５ａ  注入領域（拡散領域）
２１  第１電荷蓄積部
２２  第２電荷蓄積部
２３  第３電荷蓄積部
２４  第４電荷蓄積部
２５  第５電荷蓄積部
４１、４１ａ  第１電荷転送経路
４２  第２電荷転送経路
４３  第３電荷転送経路
４４  第４電荷転送経路
４５  第５電荷転送経路
４６  第６電荷転送経路
５０  画素アレイ
５１  垂直走査回路
５２  読み出し回路
５３  信号処理部
【図１】
2019012994.tif 000003
【図２】
2019012994.tif 000004
【図３】
2019012994.tif 000005
【図４】
2019012994.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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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【図１６】
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【図１７】
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