(57)【要約】      （修正有）【課題】一次元方向で隣り合う距離センサ間で電荷のクロストークが生じる場合でも、隣り合う距離センサ間で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる距離画像センサを提供する。【解決手段】一次元方向に連続して並ぶいずれの三つの距離センサＰＢｎ，ＰＡｍ，ＰＡｍ＋１において、三つの距離センサのうち中央に位置する距離センサＰＡｍと当該距離センサＰＡｍより一次元方向での一方に位置する距離センサＰＢｎとでは、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１同士が一次元方向で隣り合い、三つの距離センサのうち中央に位置する距離センサＰＡｍと当該距離センサＰＡｍより一次元方向での他方に位置する距離センサＰＡｍとでは、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２とが一次元方向で隣り合っている。【選択図】図４
2015215182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の距離センサが一次元方向に配置されている距離画像センサであって、
前記複数の距離センサそれぞれは、
入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
前記電荷発生領域から離間し且つ前記一次元方向で前記電荷発生領域を挟んで配置され、前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する第一及び第二信号電荷蓄積領域と、
前記第一信号電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間に配置され、第一転送信号に応じて前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第一信号電荷蓄積領域に流入させる第一転送電極と、
前記第二信号電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間に配置され、前記第一転送信号と位相が異なる第二転送信号に応じて前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第二信号電荷蓄積領域に流入させる第二転送電極と、を備えており、
前記一次元方向に連続して並ぶいずれの三つの前記距離センサにおいて、前記三つの距離センサのうち中央に位置する距離センサと該距離センサより前記一次元方向での一方に位置する距離センサとでは、前記第一信号電荷蓄積領域同士又は前記第二信号電荷蓄積領域が前記一次元方向で隣り合い、前記三つの距離センサのうち中央に位置する前記距離センサと該距離センサより前記一次元方向での他方に位置する距離センサとでは、前記第一信号電荷蓄積領域と前記第二信号電荷蓄積領域とが前記一次元方向で隣り合っている、距離画像センサ。
【請求項２】
複数の距離センサが一次元方向に配置されている距離画像センサであって、
前記複数の距離センサそれぞれは、
入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
前記電荷発生領域から離間し且つ前記一次元方向で前記電荷発生領域を挟んで配置され、前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する第一及び第二信号電荷蓄積領域と、
前記第一信号電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間に配置され、第一転送信号に応じて前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第一信号電荷蓄積領域に流入させる第一転送電極と、
前記第二信号電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間に配置され、前記第一転送信号と位相が異なる第二転送信号に応じて前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第二信号電荷蓄積領域に流入させる第二転送電極と、を備えており、
前記一次元方向で前記第一信号電荷蓄積領域同士が隣り合う二つの前記距離センサからなる距離センサ組と、前記一次元方向で前記第二信号電荷蓄積領域同士が隣り合う二つの前記距離センサからなる距離センサ組と、が前記一次元方向で交互に並んでいる、距離画像センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷振り分け型の距離画像センサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された距離画像センサは、電荷の振り分け方式の距離画像センサであり、複数の距離センサを備えている。複数の距離センサそれぞれは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、一次元方向で電荷発生領域を挟み且つ電荷発生領域から離間して配置されている二つの信号電荷蓄積領域と、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、各信号電荷蓄積領域と電荷発生領域との間にそれぞれ配置されている二つの転送電極と、を備えている。電荷振り分け型の距離画像センサは、ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の距離計測に適用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００７／０２６７７９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
複数の距離センサが一次元方向に配置されている電荷振り分け型の距離画像センサでは、一次元方向で隣り合う距離センサ間で電荷のクロストーク（漏れ込み）が生じる場合、隣り合う距離センサ間で、距離計測に対する電荷のクロストークの影響が異なる懼れがある。距離計測に対する電荷のクロストークの影響が隣り合う距離センサ間で異なると、距離計測を適切に行うことが困難となる。
【０００５】
本発明は、電荷振り分け型の距離画像センサであって、一次元方向で隣り合う距離センサ間で電荷のクロストークが生じる場合でも、隣り合う距離センサ同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる距離画像センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、複数の距離センサが一次元方向に配置されている距離画像センサであって、複数の距離センサそれぞれは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域から離間し且つ一次元方向で電荷発生領域を挟んで配置され、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する第一及び第二信号電荷蓄積領域と、第一信号電荷蓄積領域と電荷発生領域との間に配置され、第一転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一信号電荷蓄積領域に流入させる第一転送電極と、第二信号電荷蓄積領域と電荷発生領域との間に配置され、第一転送信号と位相が異なる第二転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二信号電荷蓄積領域に流入させる第二転送電極と、を備えており、一次元方向に連続して並ぶいずれの三つの距離センサにおいて、三つの距離センサのうち中央に位置する距離センサと当該距離センサより一次元方向での一方に位置する距離センサとでは、第一信号電荷蓄積領域同士又は第二信号電荷蓄積領域が一次元方向で隣り合い、三つの距離センサのうち中央に位置する距離センサと当該距離センサより一次元方向での他方に位置する距離センサとでは、第一信号電荷蓄積領域と第二信号電荷蓄積領域とが一次元方向で隣り合っている。
【０００７】
本発明の別の態様は、複数の距離センサが一次元方向に配置されている距離画像センサであって、複数の距離センサそれぞれは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域から離間し且つ一次元方向で電荷発生領域を挟んで配置され、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する第一及び第二信号電荷蓄積領域と、第一信号電荷蓄積領域と電荷発生領域との間に配置され、第一転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一信号電荷蓄積領域に流入させる第一転送電極と、第二信号電荷蓄積領域と電荷発生領域との間に配置され、第一転送信号と位相が異なる第二転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二信号電荷蓄積領域に流入させる第二転送電極と、を備えており、一次元方向で第一信号電荷蓄積領域同士が隣り合う二つの距離センサからなる距離センサ組と、一次元方向で第二信号電荷蓄積領域同士が隣り合う二つの距離センサからなる距離センサ組と、が一次元方向で交互に並んでいる。
【０００８】
いずれの態様においても、複数の距離センサのうち任意の一つの距離センサに着目すると、一次元方向での一方で当該一つの距離センサの隣に位置する距離センサにおいて、第一及び第二信号電荷蓄積領域のうち第一信号電荷蓄積領域が一次元方向での他方に位置する場合、一次元方向での他方で当該一つの距離センサの隣に位置する距離センサにおいては、一次元方向での一方に、第一信号電荷蓄積領域が位置する。同様に、一次元方向での一方で上記一つの距離センサの隣に位置する距離センサにおいて、第一及び第二信号電荷蓄積領域のうち第二信号電荷蓄積領域が一次元方向での他方に位置する場合、一次元方向での他方で上記一つの距離センサの隣に位置する距離センサにおいては、一次元方向での一方に、第二信号電荷蓄積領域が位置する。すなわち、上記一つの距離センサと一次元方向での一方及び他方で隣に位置する各距離センサにおいて、上記一つの距離センサ側に位置する信号電荷蓄積領域は、第一信号電荷蓄積領域同士又は第二信号電荷蓄積領域同士であり、同じ種類の信号電荷蓄積領域同士である。
【０００９】
したがって、上記一つの距離センサの電荷発生領域にて発生した電荷のうち一部の電荷が、当該一つの距離センサと一次元方向での一方及び他方で隣に位置する二つの距離センサそれぞれに漏れ込む場合、漏れ込む電荷は、上記二つの距離センサの第一信号電荷蓄積領域同士又は第二信号電荷蓄積領域同士に流入する。そして、上記二つの距離センサに漏れ込む電荷は、当該二つの距離センサにおいて、第一信号電荷蓄積領域同士又は第二信号電荷蓄積領域同士に蓄積される。これにより、一次元方向で隣り合う距離センサ間で電荷のクロストークが生じる場合でも、漏れ込む電荷が蓄積される信号電荷蓄積領域の種類が、一次元方向に連続して並ぶいずれの三つの距離センサのうち両側に位置する二つの距離センサにおいて同じであるため、一次元方向で隣り合う距離センサ間において、距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電荷振り分け型の距離画像センサであって、一次元方向で隣り合う距離センサ間で電荷のクロストークが生じる場合でも、隣り合う距離センサ間で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる距離画像センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。
【図２】距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
【図３】距離画像センサの構成図である。
【図４】距離画像センサを示す概略平面図である。
【図５】図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。
【図６】半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
【図７】半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
【図８】各種信号のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。
【００１４】
測距装置１０は、対象物ＯＪまでの距離ｄを測定する装置である。測距装置１０は、距離画像センサＲＳと、光源ＬＳと、表示器ＤＳＰと、制御ユニットと、を備えている。制御ユニットは、駆動部ＤＲＶと、制御部ＣＯＮＴと、演算部ＡＲＴと、を備えている。光源ＬＳは、対象物ＯＪに向けてパルス光Ｌｐを出射する。光源ＬＳは、例えば、レーザ光照射装置、ＬＥＤなどで構成される。距離画像センサＲＳは、電荷振り分け型の距離画像センサであり、ＴＯＦ型の距離画像センサでもある。距離画像センサＲＳは、配線基板ＷＢ上に配置されている。
【００１５】
制御ユニット（駆動部ＤＲＶ、制御部ＣＯＮＴ、及び演算部ＡＲＴ）は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）などの演算回路、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）及びＲＯＭ（Read  Only  Memory）などのメモリ、電源回路、及びＡ／Ｄコンバータを含む読出回路などのハードウエアによって構成されている。この制御ユニットは、一部もしくは全体がＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）又はＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）などの集積回路によって構成されていてもよい。
【００１６】
駆動部ＤＲＶは、制御部ＣＯＮＴの制御に従って光源ＬＳに駆動信号ＳＤを印加し、対象物ＯＪに向けてパルス光Ｌｐをフレーム周期毎に出射するように光源ＬＳを駆動する。制御部ＣＯＮＴは、駆動部ＤＲＶを制御すると共に、第一及び第二転送信号Ｓｐ１，Ｓｐ２を距離画像センサＲＳに出力し、更に、演算部ＡＲＴの演算結果を表示器ＤＳＰに表示させる。演算部ＡＲＴは、距離画像センサＲＳから信号電荷の電荷量ｑ１，ｑ２をそれぞれ読み出し、読み出した電荷量ｑ１，ｑ２に基づいて距離ｄを演算し、演算結果を制御部ＣＯＮＴに出力する。距離ｄの演算方法の詳細については、図８を参照して後で説明する。表示器ＤＳＰは、制御部ＣＯＮＴから演算部ＡＲＴの演算結果を入力し、当該演算結果を表示するディスプレイである。
【００１７】
測距装置１０では、駆動信号ＳＤが光源ＬＳに印加されることにより、パルス光Ｌｐがフレーム周期毎に光源ＬＳから出射される。光源ＬＳから出射されたパルス光Ｌｐが対象物ＯＪに入射すると、反射によりパルス光である反射光Ｌｒが対象物ＯＪから出射される。対象物ＯＪから出射された反射光Ｌｒは、距離画像センサＲＳに入射する。
【００１８】
距離画像センサＲＳからは、画素毎に第一及び第二転送信号Ｓｐ１，Ｓｐ２に同期して収集された電荷量ｑ１，ｑ２が出力され、駆動信号ＳＤに同期して演算部ＡＲＴに入力される。演算部ＡＲＴでは、入力された電荷量ｑ１，ｑ２に基づき、画素毎に距離ｄが演算され、演算結果が制御部ＣＯＮＴに入力される。制御部ＣＯＮＴに入力された演算結果は、表示器ＤＳＰに転送されて表示される。
【００１９】
図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
【００２０】
距離画像センサＲＳは、表面入射型の距離画像センサであって、半導体基板１を備えている。半導体基板１は、互いに対向する第一及び第二主面１ａ，１ｂを有している。第二主面１ｂは、光入射面である。距離画像センサＲＳは、半導体基板１の第一主面１ａ側を配線基板ＷＢに対向させた状態で、接着領域ＦＬを介して配線基板ＷＢに貼り付けられている。接着領域ＦＬは、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。距離画像センサＲＳには、半導体基板１の第二主面１ｂ側から反射光Ｌｒが入射する。
【００２１】
続いて、図３及び図４を参照しながら、距離画像センサＲＳについて詳細に説明する。図３は、距離画像センサの構成図である。図４は、距離画像センサを示す概略平面図である。図５は、図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。
【００２２】
距離画像センサＲＳは、図３に示されるように、複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮ（Ｍ，Ｎは２以上の自然数）が一次元方向Ａに配置されたアレイ構造を成すラインセンサである。複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮそれぞれは、一つ又は二つ以上ずつで距離画像センサＲＳの一画素（チャンネル）を構成している。本実施形態では、複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮそれぞれは、一つで距離画像センサＲＳの一画素を構成している。
【００２３】
距離画像センサＲＳは、光入射面である第二主面１ｂの前方に遮光層ＬＩを備えている。遮光層ＬＩには、複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮに対応する領域それぞれにおいて、一次元方向Ａに開口ＬＩａが形成されている。開口ＬＩａは、矩形状を呈している。本実施形態では、開口ＬＩａは、長方形状を呈している。光は、遮光層ＬＩの開口ＬＩａを通って、半導体基板１に入射する。したがって、開口ＬＩａにより、半導体基板１には、受光領域が規定される。遮光層ＬＩは、たとえば、アルミニウムなどの金属からなる。なお、図３では、遮光層ＬＩを省略して示す。
【００２４】
半導体基板１は、第一主面１ａ側に位置するｐ型の第一半導体領域３と、第一半導体領域３よりも不純物濃度が低く且つ第二主面１ｂ側に位置するｐ−型の第二半導体領域５と、からなる。半導体基板１は、例えば、ｐ型の半導体基板上に、当該半導体基板よりも不純物濃度が低いｐ−型のエピタキシャル層を成長させることにより得ることができる。半導体基板１の第二主面１ｂ（第二半導体領域５）上には、絶縁層７が形成されている。複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮは、半導体基板１において、一次元方向Ａに配置される。すなわち、複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮは、半導体基板１において、一次元方向Ａに沿って並ぶように位置する。
【００２５】
複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮそれぞれは、図４及び図５に示されるように、フォトゲート電極ＰＧと、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２と、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２と、ｐ型のウェル領域Ｗと、を備えている。図４では、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２上に配置されている導体１３（図５参照）を省略して示す。図４では、４つの距離センサＰＡｍ，ＰＡｍ＋１，ＰＢｎ，ＰＢｎ＋１（ｍはＭ以下の自然数、ｎはＮ以下の自然数）の構成のみを示している。複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭそれぞれは、距離センサＰＡｍ，ＰＡｍ＋１と同様の構成を有している。複数の距離センサＰＢ１〜ＰＢＮそれぞれは、距離センサＰＢｎ，ＰＢｎ＋１と同様の構成を有している。
【００２６】
フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａに対応して配置されている。半導体基板１（第二半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（図５において、フォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域）は、対象物ＯＪでのパルス光Ｌｐの反射光Ｌｒの入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域（光感応領域）として機能する。フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａの形状にも対応し、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａと同様に長方形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、一次元方向Ａと直交し且つ互いに対向する第一及び第二長辺Ｌ１，Ｌ２と、一次元方向Ａと平行で且つ互いに対向する第一及び第二短辺Ｓ１，Ｓ２とを有する平面形状を有している。フォトゲート電極ＰＧは、一次元方向Ａの一方の方向側に第一長辺Ｌ１、一次元方向Ａの他方の方向側に第二長辺Ｌ２を有している。
【００２７】
第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、一次元方向Ａでフォトゲート電極ＰＧを挟んで配置されている。距離センサＰＡｍ，ＰＡｍ＋１では、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側にフォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。また、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第二長辺Ｌ２側にフォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。距離センサＰＢｎ，ＰＢｎ＋１では、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧの第二長辺Ｌ２側にフォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。また、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側にフォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。すなわち、いずれの距離センサＰＡｍ，ＰＡｍ＋１，ＰＢｎ，ＰＢｎ＋１においても、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域）から離間して配置されている。
【００２８】
第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第二半導体領域５に形成された不純物濃度が高いｎ型の半導体領域であり、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する。第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で正方形状を呈しており、互いに同形状を成している。第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フローティング・ディフュージョン領域である。
【００２９】
第一転送電極ＴＸ１は、絶縁層７上であって、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第一転送電極ＴＸ１は、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１とフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離間して配置されている。第一転送電極ＴＸ１は、第一転送信号Ｓｐ１（図８参照）に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１に流入させる。
【００３０】
第二転送電極ＴＸ２は、絶縁層７上であって、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第二転送電極ＴＸ２は、第二信号電荷蓄積領域とフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離間して配置されている。第二転送電極ＴＸ２は、第一転送信号Ｓｐ１と位相が異なる第二転送信号Ｓｐ２（図８参照）に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２に流入させる。
【００３１】
第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、一次元方向Ａに直交する方向を長辺とする長方形状を呈し、互いに同形状を成している。第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の長辺の長さは、フォトゲート電極ＰＧの第一及び第二長辺Ｌ１，Ｌ２の長さよりも短い。
【００３２】
隣り合う二つの距離センサＰＡｍ，ＰＢｎにおいて、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１同士が一次元方向Ａで隣り合っている。隣り合う二つの距離センサＰＡｍ＋１，ＰＢｎ＋１において、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２同士が一次元方向Ａで隣り合っている。隣り合う二つの距離センサＰＡｍ，ＰＡｍ＋１において、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２とが一次元方向Ａで隣り合っている。隣り合う二つの距離センサＰＢｎ−１，ＰＢｎにおいても、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２とが一次元方向Ａで隣り合っている。
【００３３】
すなわち、距離画像センサＲＳでは、一次元方向Ａに連続して並ぶいずれの三つの距離センサ（たとえば、三つの距離センサＰＢｎ，ＰＡｍ，ＰＡｍ＋１）において、三つの距離センサのうち中央に位置する距離センサ（たとえば、距離センサＰＡｍ）と当該距離センサより一次元方向Ａでの一方に位置する距離センサ（たとえば、距離センサＰＢｎ）とでは、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１同士が一次元方向Ａで隣り合い、三つの距離センサのうち中央に位置する距離センサ（たとえば、距離センサＰＡｍ）と当該距離センサより一次元方向Ａでの他方に位置する距離センサ（たとえば、距離センサＰＡｍ＋１）とでは、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２とが一次元方向Ａで隣り合っている。
【００３４】
たとえば、一次元方向Ａに連続して並ぶ三つの距離センサＰＡｍ，ＰＡｍ＋１，ＰＢｎ＋１において、三つの距離センサＰＡｍ，ＰＡｍ＋１，ＰＢｎ＋１のうち中央に位置する距離センサＰＡｍ＋１と距離センサＰＡｍ＋１より一次元方向Ａでの一方に位置する距離センサＰＢｎ＋１とでは、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２同士が一次元方向Ａで隣り合い、距離センサＰＡｍ＋１と距離センサＰＡｍ＋１より一次元方向Ａでの他方に位置する距離センサＰＡｍとでは、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２とが一次元方向Ａで隣り合っている。
【００３５】
すなわち、距離画像センサＲＳでは、一次元方向Ａで第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１同士が隣り合う二つの距離センサＰＡｍ，ＰＢｎからなる距離センサ組と、一次元方向Ａで第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２同士が隣り合う二つの距離センサＰＡｍ＋１，ＰＢｎ＋１からなる距離センサ組と、が一次元方向Ａで交互に並んでいる。
【００３６】
隣り合う二つの距離センサＰＡｍ，ＰＢｎにおいて、第一転送電極ＴＸ１同士が一次元方向Ａで隣り合っている。隣り合う二つの距離センサＰＡｍ＋１，ＰＢｎ＋１において、第二転送電極ＴＸ２同士が一次元方向Ａで隣り合っている。隣り合う二つの距離センサＰＡｍ，ＰＡｍ＋１において、第一転送電極ＴＸ１と第二転送電極ＴＸ２とが一次元方向Ａで隣り合っている。隣り合う二つの距離センサＰＢｎ−１，ＰＢｎにおいても、第一転送電極ＴＸ１と第二転送電極ＴＸ２とが一次元方向Ａで隣り合っている。
【００３７】
ウェル領域Ｗは、第二主面１ｂに直交する方向から見て、フォトゲート電極ＰＧ、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２、並びに第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を囲むように第二半導体領域５に形成されている。ウェル領域Ｗは、第二主面１ｂに直交する方向から見て、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれの一部と重なっている。ウェル領域Ｗの外縁は、複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮの外縁と略一致している。ウェル領域Ｗは、第二半導体領域５の導電型と同一の導電型であって、第二半導体領域５の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する。ウェル領域Ｗは、フォトゲート電極ＰＧへの電圧の印加によって広がった空乏層と、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２から広がる空乏層との結合を抑制している。これにより、クロストークが抑制される。
【００３８】
絶縁層７には、第二半導体領域５の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を外部に接続するための導体１３が配置される。
【００３９】
本実施形態では、「不純物濃度が高い」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示す。一方、「不純物濃度が低い」とは例えば１０×１０１５ｃｍ−３程度以下のことであって、「−」を導電型に付けて示す。
【００４０】
各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
第一半導体領域３：厚さ１０〜１０００μｍ／不純物濃度１×１０１２〜１０１９ｃｍ−３
第二半導体領域５：厚さ１〜５０μｍ／不純物濃度１×１０１２〜１０１５ｃｍ−３
第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
ウェル領域Ｗ：厚さ０．５〜５μｍ／不純物濃度１×１０１６〜１０１８ｃｍ−３
【００４１】
半導体基板１（第一及び第二半導体領域３，５）には、バックゲート又は貫通電極などを介してグラウンド電位などの基準電位が与えられる。半導体基板はＳｉからなり、絶縁層７はＳｉＯ２からなり、フォトゲート電極ＰＧ及び第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２はポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。
【００４２】
第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓｐ１の位相と第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓｐ２の位相とは、１８０度ずれている。複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮそれぞれに入射した光は、半導体基板１（第二半導体領域５）内において電荷に変換される。発生した電荷のうち一部は、信号電荷として、フォトゲート電極ＰＧ並びに第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第一転送電極ＴＸ１又は第二転送電極ＴＸ２の方向、すなわちフォトゲート電極ＰＧの第一及び第二短辺Ｓ１，Ｓ２に平行な方向に走行する。
【００４３】
第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に正電位を与えると、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１（第二半導体領域５）のポテンシャルより電子に対して低くなる。したがって、負の電荷（電子）は、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、上記正電位よりも低い電位（たとえば、グラウンド電位）を与えると、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１で発生した電荷は、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２には引き込まれない。
【００４４】
図６及び図７は、図４のV−V線に沿った半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図６及び図７では、下向きがポテンシャルの正方向である。
【００４５】
光入射時において、フォトゲート電極ＰＧに与えられる電位（たとえば、第一転送電極ＴＸ１に与えられる高い方の電位と低い方の電位の中間の電位）により、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、基板電位よりも若干高く設定されている。図６及び図７には、第一転送電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第二転送電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、フォトゲート電極ＰＧの直下の電荷発生領域のポテンシャルφＰＧ、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２が示されている。
【００４６】
図６及び図７を参照して、信号電荷の蓄積動作を説明する。第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓｐ１の位相が０度のとき、第一転送電極ＴＸ１には正の電位が与えられる。第二転送電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられる。フォトゲート電極ＰＧには、第一転送電極ＴＸ１に与えられる電位と、第二転送電極ＴＸ２に与えられる電位との間の電位が与えられる。この場合、図６に示されるように、電荷発生領域で発生した負の電荷ｅは、第一転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１が電荷発生領域のポテンシャルφＰＧよりも下がることにより、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に流れ込む。
【００４７】
一方、第二転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２は下がらず、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２では、ｎ型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが凹んでいる。
【００４８】
第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓｐ２の位相が０度のとき、第二転送電極ＴＸ２には正の電位が与えられ、第一転送電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられる。フォトゲート電極ＰＧには、第一転送電極ＴＸ１に与えられる電位と、第二転送電極ＴＸ２に与えられる電位との間の電位が与えられる。この場合、図７に示されるように、電荷発生領域で発生した負の電荷ｅは、第二転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２が電荷発生領域のポテンシャルφＰＧよりも下がることにより、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に流れ込む。
【００４９】
一方、第一転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１は下がらず、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。
【００５０】
以上により、信号電荷が第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷は、外部に読み出される。
【００５１】
続いて、図８を参照して、距離ｄの演算方法について説明する。図８は、各種信号のタイミングチャートである。図８では、複数のフレーム周期ＴＦのうち、時系列で連続する二つのフレーム周期ＴＦについて示す。
【００５２】
光源ＬＳの駆動信号ＳＤ、対象物ＯＪでのパルス光Ｌｐの反射光Ｌｒが撮像領域まで戻ってきたときの反射光Ｌｒの強度信号ＳＬｒ、第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓｐ１、第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓｐ２、及びリセット信号ｒｅｓｅｔが示されている。二つのフレーム周期ＴＦそれぞれは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔｒｏと、からなる。駆動信号ＳＤ、強度信号ＳＬｒ、第一転送信号Ｓｐ１、及び第二転送信号Ｓｐ２は、いずれもパルス幅Ｔｐのパルス信号である。
【００５３】
蓄積期間Ｔａｃｃにおいて、まず距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、駆動信号ＳＤが光源ＬＳに印加される。駆動信号ＳＤの印加に同期して、第一及び第二転送信号Ｓｐ１，Ｓｐ２が互いに逆位相で第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。これにより、電荷転送が行われ、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に信号電荷が蓄積される。その後、読み出し期間Ｔｒｏにおいて、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２内に蓄積された信号電荷が読み出される。
【００５４】
各フレーム周期ＴＦでは、第一転送信号Ｓｐ１が駆動信号ＳＤに位相差０で同期して出力されると共に、第二転送信号Ｓｐ２が駆動信号ＳＤに位相差１８０度で同期して出力される。第一及び第二転送信号Ｓｐ１，Ｓｐ２の出力制御は、制御部ＣＯＮＴにより行われる。すなわち、制御部ＣＯＮＴは、パルス光Ｌｐの出射と同期するように、フレーム周期ＴＦ毎に、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１に流入させるように、第一転送信号Ｓｐ１を第一転送電極ＴＸ１に出力し、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２に流入させるように、第一転送信号Ｓｐ１と位相が異なる第二転送信号Ｓｐ２を第二転送電極ＴＸ２に出力する。
【００５５】
強度信号ＳＬｒと、駆動信号ＳＤに位相差０で同期して出力される第一転送信号Ｓｐ１との重なり合った部分に相当する電荷量ｑ１は、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積される。反射光Ｌｒの強度信号ＳＬｒと、駆動信号ＳＤに位相差１８０で同期して出力される第二転送信号Ｓｐ２との重なり合った部分に相当する電荷量ｑ２は、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積される。
【００５６】
強度信号ＳＬｒと、駆動信号ＳＤに位相差０で同期して出力される信号との位相差Ｔｄが、光の飛行時間であり、これは距離画像センサＲＳから対象物ＯＪまでの距離ｄを示している。距離ｄは、演算部ＡＲＴにより、一つのフレーム周期ＴＦにおける電荷量ｑ１及び電荷量ｑ２の比率を用いて、下記の式（１）により演算される。なお、ｃは光速である。
距離ｄ＝（ｃ／２）×（ＴＰ×ｑ２／（ｑ１＋ｑ２））  ・・・  （１）
すなわち、演算部ＡＲＴは、フレーム周期ＴＦ毎に、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ１，ｑ２それぞれ読み出し、読み出した電荷量ｑ１，ｑ２に基づいて対象物ＯＪまでの距離ｄを演算する。
【００５７】
複数の距離センサが一次元方向に配置されている電荷振り分け型の距離画像センサでは、一次元方向で隣り合う距離センサ間で電荷のクロストーク（漏れ込み）が生じる場合、隣り合う距離センサ間で、距離計測に対する電荷のクロストークの影響が異なる懼れがある。距離計測に対する電荷のクロストークの影響が隣り合う距離センサ間で異なると、距離計測を適切に行うことが困難となる。
【００５８】
ここで、一次元方向Ａで隣り合う距離センサ間で生じる電荷のクロストーク（漏れ込み）について説明する。距離画像センサが備える複数の距離センサすべての構成が同じ場合、各距離センサは、それぞれフォトゲート電極の一次元方向Ａの一方の方向側に第一信号電荷蓄積領域及び第一転送電極を備えると共に、フォトゲート電極の一次元方向の他方の方向側に第二信号電荷蓄積領域及び第二転送電極を備える。したがって、隣り合う二つの距離センサにおいて、第一信号電荷蓄積領域と第二信号電荷蓄積領域とが一次元方向で隣り合っている。
【００５９】
上述した距離画像センサにおいて、例えば、三つの距離センサのうち中央に位置する距離センサに反射光が入射すると、当該距離センサ（以下、入射距離センサと称する）では反射光に応じて電荷が発生する。発生した電荷は、第一及び第二転送信号にしたがって、入射距離センサの第一及び第二信号電荷蓄積領域へと振り分けられる。このとき、電荷の一部が他の二つの距離センサの第一及び第二信号電荷蓄積領域に漏れ込む。漏れ込み量は、他の二つの距離センサにおける第一及び第二信号電荷蓄積領域の配置が、入射距離センサ側であるか否かによって大きく異なる。
【００６０】
入射距離センサの一次元方向での一方に位置する距離センサ（以下、一方側距離センサと称する）において、第一信号電荷蓄積領域は、入射距離センサ側に配置されており、第二信号電荷蓄積領域は、入射距離センサとは逆側に配置されている。入射距離センサの一次元方向での他方に位置する距離センサ（以下、他方側距離センサと称する）においては、第二信号電荷蓄積領域が、入射距離センサ側に配置されており、第一信号電荷蓄積領域は、入射距離センサとは逆側に配置されている。
【００６１】
入射距離センサから一方側距離センサに電荷が漏れ込む場合、第一信号電荷蓄積領域への漏れ込み量は、第二信号電荷蓄積領域への漏れ込み量よりも大きい。入射距離センサから他方側距離センサに電荷が漏れ込む場合、他方側距離センサにおいて、第二信号電荷蓄積領域への漏れ込み量は、第一信号電荷蓄積領域への漏れ込み量よりも大きい。したがって、一次元方向で隣り合う距離センサ間で電荷のクロストークが生じた場合、第一及び第二信号電荷蓄積領域それぞれに蓄積される電荷量は、一方側距離センサと他方側距離センサとで異なる懼れがある。
【００６２】
これに対し、本実施形態では、複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮのうち任意の一つの距離センサに着目すると、一次元方向Ａでの一方で当該一つの距離センサの隣に位置する距離センサにおいて、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２のうち第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１が一次元方向Ａでの他方に位置する場合、一次元方向Ａでの他方で当該一つの距離センサの隣に位置する距離センサにおいては、一次元方向Ａでの一方に、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１が位置する。同様に、一次元方向Ａでの一方で上記一つの距離センサの隣に位置する距離センサにおいて、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２のうち第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２が一次元方向Ａでの他方に位置する場合、一次元方向Ａでの他方で上記一つの距離センサの隣に位置する距離センサにおいては、一次元方向Ａでの一方に、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２が位置する。すなわち、上記一つの距離センサと一次元方向Ａでの一方及び他方で隣に位置する各距離センサにおいて、上記一つの距離センサ側に位置する信号電荷蓄積領域は、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１同士又は第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２同士であり、同じ種類の信号電荷蓄積領域同士である。
【００６３】
したがって、上記一つの距離センサの電荷発生領域にて発生した電荷のうち一部の電荷が、当該一つの距離センサと一次元方向Ａでの一方及び他方で隣に位置する二つの距離センサそれぞれに漏れ込む場合、漏れ込む電荷は、上記二つの距離センサの第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１同士又は第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２同士に流入する。そして、上記二つの距離センサに漏れ込む電荷は、当該二つの距離センサにおいて、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１同士又は第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２同士に蓄積される。これにより、一次元方向Ａで隣り合う距離センサ間で電荷のクロストークが生じる場合でも、漏れ込む電荷が蓄積される信号電荷蓄積領域の種類が、一次元方向Ａに連続して並ぶいずれの三つの距離センサのうち両側に位置する二つの距離センサにおいて同じであるため、一次元方向Ａで隣り合う距離センサ間において、距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる。
【００６４】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００６５】
たとえば、上記実施形態では、複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮそれぞれは、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２及び第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を１つずつ備えるが、２つずつ以上備えてもよい。
【００６６】
複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮそれぞれは、電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として収集する不要電荷収集領域と、不要電荷収集領域と電荷発生領域との間に配置され、第一及び第二転送信号と位相が異なる第三転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として不要電荷収集領域に流入させる第三転送電極を更に備えてもよい。この場合、不要電荷を外部に排出することができるので、距離の測定精度を向上させることが可能である。なお、不要電荷収集領域及び第三転送電極は、それぞれ複数であってもよい。
【００６７】
各フレーム周期ＴＦにおいて、複数の駆動信号ＳＤが逐次印加され、これに同期して第一転送信号Ｓｐ１、及び第二転送信号Ｓｐ２が逐次出力されてもよい。この場合、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に信号電荷が積算して蓄積される。
【００６８】
距離画像センサＲＳは、複数の距離センサＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮそれぞれが一次元に配置されたラインセンサであるが、二次元に配置してもよい。この場合、二次元画像を容易に得ることができる。なお、ラインセンサを回転させたり、２つのラインセンサを用いて走査させたりすることによっても二次元画像を得ることができる。
【００６９】
距離画像センサＲＳは、表面入射型の距離画像センサに限られない。距離画像センサＲＳは、裏面照射型の距離画像センサであってもよい。
【００７０】
入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域をフォトダイオード（たとえば、埋め込み型のフォトダイオードなど）により構成してもよい。
【００７１】
本実施形態に係る距離画像センサＲＳにおけるｐ型およびｎ型の各導電型は、上述したものとは逆になるように入れ替えられていてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１…半導体基板、１０…測距装置、Ａ…一次元方向、ＦＤ１…第一信号電荷蓄積領域、ＦＤ２…第二信号電荷蓄積領域、ＰＡ１〜ＰＡＭ，ＰＢ１〜ＰＢＮ…距離センサ、ＰＧ…フォトゲート電極、ＲＳ…距離画像センサ、Ｓｐ１…第一転送信号、Ｓｐ２…第二転送信号、ＴＸ１…第一転送電極、ＴＸ２…第二転送電極。
【図１】
2015215182.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015215182.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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