(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を検知して光電子に変換する光電変換素子を有する受光装置を複数備える単位画素の信号加算方法であって、
前記受光装置は、前記光電変換素子に発生した前記光電子を転送するための第１転送部と、前記光電変換素子に対して前記第１転送部を挟んで反対側に配置され、前記光電変換素子により発生した前記光電子を一時的に保持する光電子保持部と、前記第１転送部に対して前記光電子保持部を挟んで反対側に配置され、前記光電子保持部が保持した前記光電子を転送するための第２転送部と、前記光電子保持部に対して前記第２転送部を挟んで反対側に配置され、転送された前記光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層と、を含む少なくとも３つ以上の光電子振分部を有し、
前記単位画素は、前記浮遊拡散層の電位を基準電位にリセットするためのリセット用トランジスタと、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する光電子排出部と、を備え、
複数の前記受光装置は、少なくとも、複数の前記受光装置の前記浮遊拡散層の一部を互いに共有し、
前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、
前記光電子保持部は、ＭＯＳダイオード構造により形成され、
１つの前記光電変換素子で発生した前記光電子は、少なくとも３つ以上の前記光電子振分部によって少なくとも３つ以上の転送方向に振り分けられ、且つ、各前記光電子振分部によって、前記光電変換素子から前記光電子保持部への転送と、前記光電子保持部から前記浮遊拡散層への転送との２段階転送を経て、前記光電変換素子から前記浮遊拡散層へ転送され、
少なくとも３つの前記光電子振分部の前記光電子保持部が、互いに異なる少なくとも３つ以上の受光期間において前記光電変換素子で発生した前記光電子を保持し、その後、前記浮遊拡散層の電位を基準電位にリセットすることで、前記浮遊拡散層の電圧に応じた黒レベルの電圧信号を読み出した後、前記光電子保持部に保持された前記光電子を前記浮遊拡散層に転送して、前記浮遊拡散層の電圧に応じた信号レベルの電圧信号を読み出し、
複数の前記受光装置の各前記光電子振分部は、同一の期間において複数の前記受光装置の前記光電変換素子が発生した前記光電子を、前記受光装置毎に異なる転送方向に振り分け、
信号読み出し時に、各前記光電子振分部の前記浮遊拡散層が保持している前記光電子であって、前記同一の期間において発生し、且つ、前記受光装置毎に異なる転送方向に振り分けられた前記光電子を加算する
ことを特徴とする単位画素の信号加算方法。
【請求項２】
請求項１に記載の単位画素の信号加算方法であって、
前記受光装置は、前記光電子振分部を４つ有し、
４つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられている
ことを特徴とする単位画素の信号加算方法。
【請求項３】
請求項１に記載の単位画素の信号加算方法であって、
前記受光装置は、前記光電子振分部を３つ有し、
３つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子を挟んで水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、前記光電変換素子の上側、又は下側に１つ設けられている
ことを特徴とする単位画素の信号加算方法。
【請求項４】
請求項１に記載の単位画素の信号加算方法であって、
前記単位画素は、行列状に配置された４つの前記受光装置を有する
ことを特徴とする単位画素の信号加算方法。
【請求項５】
請求項４に記載の単位画素の信号加算方法であって、
前記受光装置は、前記光電子振分部を４つ有し、
４つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられ、
互いに前記水平方向に隣り合う前記受光装置は、その間に設けられている前記浮遊拡散層を共有している
ことを特徴とする単位画素の信号加算方法。
【請求項６】
請求項４に記載の単位画素の信号加算方法であって、
前記受光装置は、前記光電子振分部を３つ有し、
３つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、前記光電変換素子の上側、又は下側に１つ設けられており、
互いに前記水平方向に隣り合う前記受光装置は、その間に設けられている前記浮遊拡散層を共有している
ことを特徴とする単位画素の信号加算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換した光電子を振り分けて保持する単位画素及び該単位画素を有する単位画素及び固体撮像装置並びに単位画素の信号加算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、イメージセンサの応用例として、測距対象への距離を非接触に測定する測距方法として、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いたものが知られている。ＴＯＦ法を用いる場合においては、光電変換素子が受光した光電子（負電荷）を振り分けた後、該振り分けた光電子を読み出す技術が知られている。下記非特許文献１及び２には、パルス光の照射と照射停止を同じ長さ（発光素子の駆動デューティが５０％）で繰り返すと共に、パルス光の照射と照射停止に同期させて受光を行い、発生した光電子を２方向に振り分けることが記載されている。この２方向に振り分けられた光電子を用いて測距対象までの距離を計測する。また、下記特許文献１には、光電変換素子が受光した光電子を４方向に振り分けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３２４２５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】宮川良平、金出武雄「ＣＣＤ−Ｂａｓｅｄ  Ｒａｎｇｅ−Ｆｉｎｄｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥＳ，  ＶＯＬ．  ４４，  ＮＯ．  １０、１９９７年１０月、ｐ．１６４８〜１６５２
【非特許文献２】宮川良平、金出武雄、ＩＴＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．６５、ＰＰ３７−４１（Ｎｏｖ．１９９５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１及び２では、２方向に光電変換素子が発生した光電子を振り分けることができるが、３方向又は４方向に振り分けることができない。したがって、４つの光電子情報から測距対象を求める手法の場合には、上記非特許文献１及び２に記載の固体撮像装置を用いることはできない。
【０００６】
また、上記特許文献１には、４方向に光電変換素子が発生した光電子を振り分けることができるが、ＦＤ以外に光電子を保持する保持部が無いため、光電変換素子に発生した光電子を４つのＦＤに複数回振り分けなければならない。したがって、４つのＦＤから読み出される光電子信号のリセットノイズを正確に除去することができない。その理由は、以下の通りである。
【０００７】
光電子信号の読み出しは、ＦＤの電位をリセット電位にし、そのときのＦＤの電圧（以下、黒レベル）を読み出し後、光電子をＦＤに転送させて、そのときのＦＤの電圧（信号レベル）を読み出す必要がある。この信号レベルから黒レベルを減算することで本来の信号を得る。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載の４振り分けを行う場合は、ＦＤをリセット電位にし、そのときのＦＤの電圧（黒レベル）を読み出した後、受光動作を行い、その後ＦＤの電圧（信号レベル）を読み出すことになる。従って、黒レベルを読み出した時と、信号レベルを読み出した時との時間間隔が、受光動作に費やす期間空いてしまうため、時間的な同時性が失われ、外部回路の時間的な電源変動の影響で、正確に信号を読み出すことができない。
【０００９】
そこで本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、光電変換素子が発生した光電子を３つ以上の方向に振り分けて読み出すことができるとともに、リセットノイズを正確に除去することができる単位画素及び固体撮像装置並びに単位画素の信号加算方法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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、光を検知して光電子に変換する光電変換素子を有する受光装置を備える単位画素であって、前記受光装置は、前記光電変換素子に発生した前記光電子を転送するための第１転送部と、前記光電変換素子に対して前記第１転送部を挟んで反対側に配置され、前記光電変換素子により発生した前記光電子を一時的に保持する光電子保持部と、前記第１転送部に対して前記光電子保持部を挟んで反対側に配置され、前記光電子保持部が保持した前記光電子を転送するための第２転送部と、前記光電子保持部に対して前記第２転送部を挟んで反対側に配置され、転送された前記光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層と、を含む複数の光電子振分部を有し、前記単位画素は、前記浮遊拡散層の電位を基準電位にリセットするためのリセット用トランジスタと、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する光電子排出部と、を備え、前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、前記光電子保持部は、ＭＯＳダイオード構造により形成されている。
【００１１】
前記受光装置は、前記光電子振分部を４つ有してもよく、４つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられていてもよい。
【００１２】
前記受光装置は、前記光電子振分部を３つ有してもよく、３つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子を挟んで水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、前記光電変換素子の上側、又は下側に１つ設けられていてもよい。
【００１３】
前記単位画素は、前記受光装置を複数備え、複数の前記受光装置は、少なくとも、複数の前記受光装置の前記浮遊拡散層の一部を互いに共有している。
【００１４】
前記単位画素は、行列状に配置された４つの前記受光装置を有する。
【００１５】
前記受光装置は、前記光電子振分部を４つ有してもよく、４つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられ、互いに前記水平方向に隣り合う前記受光装置は、その間に設けられている前記浮遊拡散層を共有していてもよい。
【００１６】
前記受光装置は、前記光電子振分部を３つ有してもよく、３つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、前記光電変換素子の上側、又は下側に１つ設けられており、互いに前記水平方向に隣り合う前記受光装置は、その間に設けられている前記浮遊拡散層を共有していてもよい。
【００１７】
さらに、測距対象の複数点距離情報を取得するために、本発明は、前記した単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイを有する固体撮像装置であって、複数の前記浮遊拡散層の電位を読み出すための信号読出用トランジスタと、前記信号読出用トランジスタを介して信号を読み出す信号読出線と、を備え、前記単位画素は、前記受光装置を１つ有し、前記受光装置の前記浮遊拡散層の各々の電位は１つの前記信号読出用トランジスタを介して前記信号読出線から読み出されることを特徴とする。
【００１８】
さらに、測距対象の複数点距離情報を取得するために、本発明は、前記複数の受光装置を有する前記単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイを有する固体撮像装置であって、複数の前記浮遊拡散層の電位を読み出すための信号読出用トランジスタと、前記信号読出用トランジスタを介して信号を読み出す信号読出線と、を備え、前記単位画素の前記浮遊拡散層の各々の電位は１つの前記信号読出線を介して前記信号読出線から読み出されることを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明は、前記複数の受光装置を有する単位画素の信号加算方法であって、前記複数の受光装置の各前記光電子振分部は、光電変換素子で発生した前記光電子を各々異なる転送方向に振り分けるものであり、信号読み出し時に、各前記光電子振分部の前記浮遊拡散層が保持している光電子を、前記転送方向毎に加算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本願発明によれば、光を検知して光電子に変換する光電変換素子を有する受光装置を備える単位画素であって、前記受光装置は、前記光電変換素子に発生した前記光電子を転送するための第１転送部と、前記光電変換素子に対して前記第１転送部を挟んで反対側に配置され、前記光電変換素子により発生した前記光電子を一時的に保持する光電子保持部と、前記第１転送部に対して前記光電子保持部を挟んで反対側に配置され、前記光電子保持部が保持した前記光電子を転送するための第２転送部と、前記光電子保持部に対して前記第２転送部を挟んで反対側に配置され、転送された前記光電子を保持して該転送された前記光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層と、を含む複数の光電子振分部を有するので、光電変換素子が発生した光電子を複数方向に複数回振り分けて保持することができるとともに、光電子信号の読み出しは、浮遊拡散層の電位をリセット電位にし、そのときの浮遊拡散層の電圧（以下、黒レベル）読み出した後、光電子を浮遊拡散層に転送させて、そのときの浮遊拡散層の電圧（以下、信号レベル）を読み出し、この信号レベルから黒レベルを減算することでリセットノイズを除去した本来の信号を得ることができる。
【００２１】
前記単位画素は、複数の前記受光装置を有するので、転送方向が左側の光電子振分部から出力された光電子と、転送方向が右側の振分部から出力された光電子とを浮遊拡散層を介して接続する、又は、転送方向が上側の振分部から出力された光電子と、転送方向が下側の振分部から出力された光電子とを浮遊拡散層を介して接続するなどすることにより、受光装置の製造起因や結晶方向起因による振分方向の転送速度のバラツキによって生じる、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができる。また、前記単位画素の複数の前記受光装置は、少なくとも、複数の前記受光装置の前記浮遊拡散層の一部を互いに共有しているので、単位画素が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素を小型化して解像度を増やすことができる。
【００２２】
前記単位画素は、行列状に配置された４つの前記受光装置を有し、前記受光装置は、前記光電子振分部を４つ有し、４つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられ、互いに前記水平方向に隣り合う前記受光装置は、その間に設けられている前記浮遊拡散層を共有しているので、単位画素が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素を小型化して解像度を増やすことができる。
【００２３】
前記単位画素は、行列状に配置された４つの前記受光装置を有し、前記受光装置は、前記光電子振分部を３つ有し、３つの前記光電子振分部は、前記光電変換素子に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、前記光電変換素子の上側、又は下側に１つ設けられており、互いに前記水平方向に隣り合う前記受光装置は、その間に設けられている前記浮遊拡散層を共有しているので、単位画素が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素を小型化して解像度を増やすことができる。
【００２４】
前記した単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイを有する固体撮像装置は、複数の前記浮遊拡散層の電位を読み出すための信号読出用トランジスタと、前記信号読出用トランジスタを介して信号を読み出す信号読出線とを備え、前記単位画素は、前記受光装置を１つ有し、前記受光装置の前記浮遊拡散層の各々の電位は１つの前記信号読出用トランジスタを介して読み出されるので、信号読み出し回路の共通化が可能で、読み出し回路の製造バラツキに起因する出力バラツキを抑制することができるとともに、固体撮像装置を小型することができる。
【００２５】
前記複数の受光装置を有する前記単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイを有する固体撮像装置は、複数の前記浮遊拡散層の電位を読み出すための信号読出用トランジスタと、前記信号読出用トランジスタを介して信号を読み出す信号読出線とを備え、前記単位画素の前記浮遊拡散層の各々の電位は１つの前記信号読出線を介して読み出されるので、信号読み出し回路の共通化が可能で、読み出し回路の製造バラツキに起因する出力バラツキを抑制することができるとともに、固体撮像装置を小型することができる。  前記複数の受光装置を有する前記単位画素の信号加算方法は、前記複数の受光装置の各前記光電子振分部は、光電変換素子で発生した前記光電子を各々異なる転送方向に振り分けるものであり、信号読み出し時に、各前記光電子振分部の前記浮遊拡散層が保持している光電子を、前記転送方向毎に加算するので、受光装置の製造起因や結晶方向起因による振分方向の転送速度のバラツキによって生じる、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ＴＯＦの原理を説明するための図である。
【図２】実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。
【図３】固体撮像装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【図７】光電変換素子、第１転送部、光電子保持部、及び第２転送部による光電子の移動状態を示すポテンシャル図の一例であり、図７Ａは、光電変換素子によって光電子が発生しているときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｂ、Ｃは、光電変換素子が発生した光電子を光電子保持部に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｄは、光電子保持部１１４で光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図７Ｅは、光電子保持部が保持した光電子を浮遊拡散層に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【図８】光電変換素子、第１転送部、光電子保持部、及び第２転送部による光電子の移動状態を示すポテンシャル図の他の例である。
【図９】図４に示す受光装置の回路構成の一例を示す図である。
【図１０】図９に示す受光装置を用いて図４に示す単位画素を構成したときの回路図である。
【図１１】図９の単位画素の回路構成と別の例を示す図である。
【図１２】図４に示す単位画素と別の例を示す単位画素の平面図である。
【図１３】変形例１における図４のＶ−Ｖ線矢視断面の要部拡大図である。
【図１４】変形例２における図４のＶ−Ｖ線矢視断面の要部拡大図である。
【図１５】変形例３における図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図１６】変形例４における図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図１７】変形例５における図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図１８】変形例６における図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明に係る単位画素及び該単位画素を有する固体撮像装置並びに該単位画素の信号加算方法について、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２８】
初めに、図１を用いてＴＯＦの原理の一例を簡単に説明する。光（例えば、レーザー光）を被写体に照射する図示しない照射装置が光を照射しない状態で、且つ、環境光のみを一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）受光する第１受光期間のときに、図示しない単位画素を複数有する画素アレイは、入射光に応じて光電変換を行い、光電子（負電荷）を生成し、単位画素が有する光電子保持部は、第１受光期間に発生した光電子を取り込む。ここでは、第１受光期間は２回あり、それぞれの第１受光期間で単位画素は光電変換し、発生した光電子を光電子保持部に取り込む。１回目の第１受光期間に前記単位画素に入射する光量をＱＣＢとし、２回目の第１受光期間に前記単位画素に入射する光量をＱＣＡとする。なお、受光期間とは、受光した光に応じて光電子を発生して蓄積する期間（蓄積期間）のことをいう。
【００２９】
また、前記照射装置から照射された光の反射光を受光する期間を有する第２受光期間のときに、前記した画素アレイは、入射光に応じて光電変換を行い、光電子を生成し、前記した光電子保持部は、第２受光期間に発生した光電子を取り込む。ここでは、前記単位画素は、照射装置が光を照射している状態で、且つ、前記照射装置から照射された光の反射光及び環境光を一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）受光する１回目の第２受光期間と、前記照射装置が光の照射を終了してから一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）光を受光する２回目の第２受光期間とで光電変換を行う。１回目の第２受光期間に前記単位画素に入射した光量をＱＢとし、２回目の第２受光期間に前記単位画素に入射した光量をＱＡとする。なお、Ｉｌａｓｅｒは、前記照射された光の反射光の強度を示し、Ｉｂａｃｋは、環境光の強度を示す。
【００３０】
したがって、ＱＡ−ＱＣＡ＝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｄｅｌａｙ，ＱＢ−ＱＣＢ＝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｓｅｎｓｅ，の関係式が成り立つ。Ｔｄｅｌａｙは、照射した光が被写体に反射して戻ってくるまでの時間である。
【００３１】
上述した式から、Ｔｄｅｌａｙ＝Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／（ＱＢ−ＱＣＢ）の関係式が導き出せ、被写体までの距離Ｚは、Ｚ＝ｃ×Ｔｄｅｌａｙ／２＝ｃ×Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／２（ＱＢ−ＱＣＢ）、の関係式によって求めることができる。なお、ｃは光速を示す。
【００３２】
図２は、実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システム１０の概略構成を示す図である。図２に示すように、測距システム１０は、照射装置１２、撮像部１４、演算部１６、制御部１８、及び電源２０を備える。
【００３３】
電源２０は、測距システム１０の各部に所定の電源電圧を供給するものであり、図２においては、簡単のため、電源２０から各装置への電源線の表示を省略する。
【００３４】
照射装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、照射装置１２は、制御部１８の制御下で、パルス光Ｌｐを出力する発光部２４を有する。この測距システム１０において、照射装置１２の発光部２４は、発光点（エミッタ）を直線状に設けた半導体レーザバーを積層（直列接続）して、面発光が可能とされたものである。
【００３５】
発光部２４は、赤外光を発光する。例えば、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で照射可能である。発光部２４は、パルス光Ｌｐを１００（ナノ秒）の出力時間（パルス幅）で出力する。
【００３６】
なお、発光部２４は、リニアアレイ状の複数の発光点を有していてもよく、あるいは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。
【００３７】
この測距システム１０では、照射装置１２から照射されたパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、照射装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐを照射光Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００３８】
撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、固体撮像装置２８に集光され、固体撮像装置２８によって受光される。固体撮像装置２８は、照射装置１２が照射するパルス光Ｌｐ及び環境光Ｌｓに対して感度を有する。演算部１６は、固体撮像装置２８が前記各受光期間で取り込んだ光電子数の情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離を、図１で説明した手法によって算出する。
【００３９】
図３は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、マトリックス状に単位画素３０が配置された画素アレイ３２と、画素駆動回路（受光装置駆動部、画素駆動部）３４と、サンプルホールド回路３６と、水平選択回路３８と、出力バッファ４０と、Ａ／Ｄ変換器４２とを有する。
【００４０】
電源２０は、画素アレイ３２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加するとともに、リセット電圧Ｖｒｅｆを印加する。画素駆動回路３４は、ゲート駆動回路４４と、垂直選択回路４６を有し、ゲート駆動回路４４は、各種ゲート駆動信号を出力することにより画素アレイ３２の各単位画素３０の光電子の蓄積、保持、転送、及び排出等を行う。垂直選択回路４６は、マルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する行に対して選択的に、該単位画素３０が保持した光電子に対応する電圧信号（画素信号）を出力させる。水平選択回路３８は、別のマルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する列を選択する。読み出された画素信号は、サンプルホールド回路３６に一端保持された後、水平選択回路３８を介して出力される。そして、出力バッファ４０及びＡ／Ｄ変換器４２を介して演算部１６に出力される。なお、制御部１８及び演算部１６は、固体撮像装置２８上に形成してもよい。
【００４１】
図４は、図３に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す平面図である。単位画素３０は、複数の受光装置１００を有する。本実施の形態では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。図５及び図６は、図４に示す受光装置１００の断面図であり、詳しくは、図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視断面図であり、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【００４２】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有する。受光装置１００は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６と、２つの光電子排出部１０８とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲートと呼ぶ）１１０を有するフォトゲート構造を有している。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子（負電荷）を発生する（検知した光を光電子に変換する）フォトダイオードである。フォトゲート１１０には、光電変換素子１０４を駆動するためのゲート信号Ｓａがゲート駆動回路４４から印加される。
【００４３】
光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び浮遊拡散層１１８を有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４に発生した光電子を光電子保持部１１４に振り分けて、転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第１転送ゲート）１２０を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第１転送ゲート１２０には、ゲート駆動回路４４から第１転送部１１２を駆動させるためのゲート信号Ｓｂが入力される。光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転送部１１２を挟んで反対側に配置され、光電変換素子１０４で発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（保持ゲート）１２２を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。保持ゲート１２２には、ゲート駆動回路４４から光電子保持部１１４を駆動させるためのゲート信号Ｓｃが入力される。
【００４４】
第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して、光電子保持部１１４を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４で集積された光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第２転送ゲート）１２４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第２転送ゲート１２４には、ゲート駆動回路４４から第２転送部１１６を駆動させるためのゲート信号Ｓｄが入力される。浮遊拡散層（ＦＤ；フローティングディフュージョン）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４から転送されてくる光電子を取り込み、電圧に変換させるためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型（第２導電型）不純物が形成されたものである。
【００４５】
図４に示すように、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向（左右方向）に対称的に２つずつ設けられており、左右にそれぞれ上下１つずつ設けられている。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている２つの浮遊拡散層１１８を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有している。
【００４６】
図５に示すように、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ１２６が接続されている。リセット用トランジスタ１２６のソースは浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加され、ゲートには、ゲート駆動回路４４からリセット信号Ｒが供給される。ハイのリセット信号Ｒがリセット用トランジスタ１２６のゲートに供給されると、リセット用トランジスタがオンとなり、浮遊拡散層１１８の電位が基準電位にリセットされる。
【００４７】
また、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に応じた電圧信号を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０が接続される。信号読出用トランジスタ１３０には、該信号読出用トランジスタ１３０によって読み出された電圧信号を信号読出線１３２に出力するかを選択するための選択用トランジスタ１３４が接続されている。信号読出用トランジスタ１３０のドレインは、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加され、ゲートには、浮遊拡散層１１８に接続され、ソースは、選択用トランジスタ１３４のドレインに接続される。選択用トランジスタ１３４に垂直選択回路４６からハイの選択信号Ｓｓが供給されると、選択用トランジスタがオンになり、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に対応する電圧が信号読出線１３２から読み出される。選択用トランジスタ１３４のソースは、信号読出線１３２が接続されている。
【００４８】
光電子排出部１０８は、第３転送部１４０と、拡散層１４２とを有する。第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図６参照）。
【００４９】
拡散層１４２は、光電変換素子１０４に対して第３転動部１４０を挟んで反対側に配置され、拡散層１４２には、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力されると、光電変換素子１０４が発生した光電子は、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００５０】
図４に示すように、２つの光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４を挟んで垂直方向（上下方向）に対称的に１つずつ設けられている。また、互いに垂直方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の拡散層１４２の一部を互いに共有している。
【００５１】
図７は、光電変換素子１０４、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、及び第２転送部１１６による光電子の移動状態を示すポテンシャル図である。
【００５２】
図７Ａは、光電変換素子１０４によって光電子が発生しているときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｂ、Ｃは、光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｄは、光電子保持部１１４で光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図７Ｅは、光電子保持部１１４が保持した光電子を浮遊拡散層１１８に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【００５３】
図７Ａに示すように、フォトゲート１１０にハイ（Ｈｉｇｈ）のゲート信号Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４にポテンシャル位置は下がり、発生した光電子ｅ−が光電変換素子１０４に溜まっていく。そして、図７Ｂに示すように、第１転送ゲート１２０にハイのゲート信号Ｓｂを入力することで、光電変換素子１０４が発生した光電子ｅ−は光電子保持部１１４に転送される。なお、このとき、保持ゲート１２２にハイのゲート信号Ｓｃが入力されている。さらに、フォトゲート１１０にロー（Ｌｏｗ）のゲート信号Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４のポテンシャル位置が上がって（図７Ｃ参照）、光電変換素子１０４に発生した光電子ｅ−は、光電子保持部１１４に転送され、その後、第１転送ゲート１２０にローのゲート信号Ｓｂを入力して、図７Ｄに示すように光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４が保持する。この図７Ａ〜図７Ｃの状態を繰り返すことで、複数回の受光期間に光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４が保持することができる。
【００５４】
その後、図７Ｅに示すように、第２転送ゲート１２４にハイのゲート信号Ｓｄを入力することで、第２転送部１１６のポテンシャル位置が下がり、保持ゲート１２２にローのゲート信号Ｓｃを入力することで、光電子保持部１１４のポテンシャル位置が上がるとともに、光電子保持部１１４が保持した光電子ｅ−が浮遊拡散層１１８に転送される。
【００５５】
なお、図８に示すように、受光中も第１転送ゲート１２０にハイのゲート信号Ｓｂを入力することで、受光及び光電変換素子１０４で発生した光電子の転送を同時に行ってもよい。
【００５６】
図９は、受光装置１００の回路構成の一例を示す図である。受光装置１００の光電変換素子１０４が保持した光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送される。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、図４及び図５で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成される。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、１つのリセット用トランジスタ１２６のソースが接続されるとともに、１つの信号読出用トランジスタ１３０のゲートが接続される。
【００５７】
各浮遊拡散層１１８に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各光電子保持部１１４が保持した光電子が転送される前に、リセット用トランジスタ１２６がオンになることによって各浮遊拡散層１１８が基準電位にリセットされ、そのときの各浮遊拡散層１１８の電圧（以下、黒レベル）が読み出される。その後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子が順次浮遊拡散層１１８に転送される。各浮遊拡散層１１８に転送された光電子が順次信号読出用トランジスタ１３０によって電圧信号（信号レベル）に変換されて、選択用トランジスタ１３４を介して信号読出線１３２から読み出される。
【００５８】
詳しくは、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。
【００５９】
このように、受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、同一の信号読出線１３２から読み出されることになる。なお、図９では、光電子排出部１０８の図示を省略している。
【００６０】
図１０は、図９に示す受光装置１００を用いて図４に示す単位画素３０を構成したときの回路図である。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、図４で示したように、１つの光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄと、２つの光電子排出部１０８とを有する。全受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８は、リセット用トランジスタ１２６のソース、及び、信号読出用トランジスタ１３０のゲートに接続されている。
【００６１】
リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算（加算）した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００６２】
次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００６３】
そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００６４】
最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。このように、単位画素３０の受光装置１００の光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、全て同一の信号読出線１３２から読み出される。
【００６５】
ここで、図１０に示すように、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの転送方向は異なる。例えば、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右上となり、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右下となり、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は左上となり、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は、左下となる。
【００６６】
また、図１０に示すように、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｃ、光電子振分部１０６ｄと、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｂ、光電子振分部１０６ｄとは互いに浮遊拡散層１１８を共有しており、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｂと、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｃとは互いに浮遊拡散層１１８を共有している。
【００６７】
なお、図１１に示すように受光装置１００は、２つの信号読出線１３２ａ、１３２ｂを有してもよい。この場合は、例えば、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ａから、光電子振分部１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ｂからそれぞれ読み出される。図１１に示す受光装置１００では、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのソースが光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのゲートには、リセット信号Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が供給される。また、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、信号読出用トランジスタ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄのゲートが接続されており、選択用トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄのゲートには、選択信号Ｓｓ１、Ｓｓ２、Ｓｓ３、Ｓｓ４が供給される。要は、信号読出線１３２が受光装置１００の複数の浮遊拡散層１１８に接続されていればよい。
【００６８】
このように、図１１に示す受光装置１００を用いて、光電子保持部１１４が保持している光電子を独立した信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出してもよい。
【００６９】
受光装置１００は、このように光電子保持部１１４を有する４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄを有するので、測距システム１０は、測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。詳しく説明すると、１回目の第１受光期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送し、２回目の第１受光期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送し、１回目の第２受光期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に転送し、２回目の第２受光期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に転送する。これにより、ＱＣＢ、ＱＣＡ、ＱＢ、ＱＡに対応する光電子を得ることができ、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８から得られた光電子に対応する電圧信号を読み出すことで、測距対象Ｗまでの距離を得ることができる。なお、図１に示すような受光を複数回（例えば、１００回）行うとともに、各受光期間（１回目の第１受光期間、２回目の第１受光期間、１回目の第２受光期間、２回目の第２受光期間）の終了毎に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄによって、光電変換素子１０４に発生した光電子が振り分けられて、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４に光電子が順次保持された後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子が読み出される。
【００７０】
なお、図４の各受光装置１００の光電変換素子１０４に図示した矢印は、図１に記載の４つの受光期間の内１つの期間における光電子の転送方向を示したものである。詳しくは、左上の光電変換素子１０４に発生した光電子は左上の光電子振分部１０６に転送され、左下の光電変換素子１０４は、左下の光電子振分部１０６に転送され、右上の光電変換素子１０４は、右上の光電子振分部１０６に転送され、右下の光電変換素子１０４は、右下の光電子振分部１０６に転送される。
【００７１】
本実施の形態では、単位画素３０は、複数の受光装置１００を有し、単位画素３０の各受光装置１００の転送方向の異なる光電子振分部１０６により振り分けられた光電子を加算して出力するので、振分方向に依存せず、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができる。
【００７２】
詳しくは、光電子振分部１０６に転送された光電子は、複数回の受光と転送とが繰り返された後、浮遊拡散層１１８に転送されるが、上下左右に転送保持された光電子が浮遊拡散層１１８で接続されているため、光電変換素子１０４及び第１転送部１１２に転送速度の左右上下のバラツキに関して平均化することができる。これにより、図１に記載の４つの受光期間のうち、何れの期間においても同様に、４つの光電変換素子１０４の転送方向を上下左右に設定することで、単位画素３０の光電子の転送速度が振分方向に依存せず、後段の信号処理において、精度良く演算が可能となる。
【００７３】
単位画素３０が１つの受光装置１００のみを有する場合は、該受光装置１００の製造起因や結晶方向起因によって転送速度が遅くなる方向が生じ、振分方向によっては、正確な光電子情報（光電子に応じた電圧信号）を得ることができない。つまり、光電変換素子１０４に発生した光電子の振分時間（第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６にゲート信号Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄを供給するタイミング）は決まっているので、転送速度が遅い振り分け方向に光電子を転送すると、光電変換素子１０４が発生した光電子の全て転送することができない。
【００７４】
このように、上記実施の形態においては、単位画素３０の受光装置１００は、光電変換素子１０４に発生した光電子を転送するための第１転送部１１２と、光電子を一時的に保持する光電子保持部１１４と、光電子保持部１１４が保持した光電子を転送するための第２転送部１１６と、転送された光電子を保持して該転送された光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層１１８とを含む光電子振分部１０６とを有するので、光電変換素子が発生した光電子を複数方向に振り分けて読み出すことができるとともに、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００７５】
つまり、光電子振分部１０６によって振り分けられた光電変換素子１０４に発生した光電子は、該光電子振分部１０６の光電子保持部１１４に保持されるので、光電子保持部１１４が保持した光電子を読み出したい場合は、該光電子振分部１０６の浮遊拡散層１１８の電位をリセットした後、黒レベルが読み出される。その後、該光電子保持部１１４が保持した光電子を該浮遊拡散層１１８に転送して光電子に応じた電圧信号を読み出せばよいので、浮遊拡散層１１８の電位のリセットタイミングと、読み出しタイミングとのズレを最小限に抑えることができる。したがって、正確な黒レベルを得ることができ、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００７６】
単位画素３０は、複数の受光装置１００を有するので、受光装置の製造起因や結晶方向起因による振分方向の転送速度のバラツキによって生じる、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができ、受光精度を向上させることができる。また、単位画素３０の複数の前記受光装置１００は、少なくとも、複数の受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００７７】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を４つ有し、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられ、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００７８】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの前記受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を３つ有し、３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられており、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００７９】
単位画素３０が１次元又は２次元に配列された画素アレイ３２を有する固体撮像装置２８は、複数の浮遊拡散層１１８の電位を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０と信号読出用トランジスタ１３０を介して信号を読み出す信号読出線１３２とを備え、単位画素３０の浮遊拡散層１１８の各々の電位は１つの信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出されるので、信号読み出し回路の共通化が可能となり、読み出し回路の製造バラツキに起因する出力バラツキを抑制することができるとともに、固体撮像装置２８を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００８０】
なお、測距対象Ｗまでの距離を得るために、環境光のみを受光する期間における１回目の第１受光期間及び２回目の第１受光期間と、環境光と反射光を受光する期間である１回目の第２受光期間及び２回目の第２受光期間との受光時間幅が一定の場合は、１回目の第１受光期間と２回目の第１受光期間における受光量は同一であるから環境光のみを受光する期間における受光である第１受光期間は１回のみでもよい。このとき、前記ＱＣＡと前記ＱＣＢは、ＱＣＡ＝ＱＣＢとして取り扱うことで、被写体までの距離を求めることができる。したがって、単位画素３０は、図１２に示す構成であってもよい。
【００８１】
図１２は、図４に示す単位画素と別の例を示す単位画素の平面図である。なお、図４に示す構成と同様の構成については同一の符号を付している。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。受光装置１００は、光電変換素子１０４と、３つの光電子振分部１０６と、１つの光電子排出部１０８を有する。３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に１つずつ設けられ、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられている。また、光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４の下側、又は上側に設けられ、光電子振分部１０６が設けられていない側に設けられる。単位画素３０の上側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の上側に光電子振分部１０６が設けられ、下側に光電子排出部１０８が設けられる。単位画素３０の下側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の下側に光電子振分部１０６が設けられ、上側に光電子排出部１０８が設けられる。このような構成を有することで、互いに垂直方向で隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有する。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有している。
【００８２】
上記実施の形態は、以下のように変形してもよい。
【００８３】
（変形例１）図１３は、変形例１における図４のＶ−Ｖ線矢視断面の要部拡大図である。光電子保持部１１４には、ｐ型半導体基板１０２のｐ型不純物濃度よりも高い第１濃度のｐ型不純物領域２００が、ｐ型半導体基板１０２の表面側（保持ゲート１２２がある側）に形成されている。このような構成にすることで、光電子保持部１１４には、濃度差によるビルトインポテンシャルにより、ｐ型半導体基板１０２にある光電子が光電子保持部１１４方向に熱拡散しないような電界が生じる。これにより、ｐ型半導体基板１０２の深部にある光電子が熱拡散により光電子保持部１１４へ進入することを防ぐことができ、受光精度及び測距精度が向上する。また、ｐ型半導体基板１０２のｐ型不純物濃度より高い第１濃度のｐ型不純物領域をｐ型半導体基板１０２の表面側に設けたので、保持ゲート１２２にハイのゲート信号Ｓｃを供給しても、ｐ型半導体基板１０２の深部まで空乏層が伸びることがない。
【００８４】
これにより、光電変換素子１０４に発生した光電子を転送するための第１転送部１１２を介さない光電子の光電子保持部１１４への進入を抑制することができる。
【００８５】
また、第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０と光電子保持部１１４の保持ゲート１２２との間、及び、光電子保持部１１４の保持ゲート１２２と第２転送部１１６の第２転送ゲート１２４との間にはｐ型不純物領域２００に接してｎ型（第２導電型）不純物領域２０２、２０４が形成されているので、第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０と光電子保持部１１４の保持ゲート１２２との間、及び、光電子保持部１１４の保持ゲート１２２と第２転送部１１６の第２転送ゲート１２４との間のポテンシャル位置が下がり、光電変換素子１０４から光電子保持部１１４への光電子の転送速度、光電子保持部１１４から浮遊拡散層１１８への光電子の転送速度が向上する。
【００８６】
（変形例２）図１４は、変形例２における図４のＶ−Ｖ線矢視断面の要部拡大図である。変形例２は、変形例１と略同様であるが、ｐ型不純物領域２００が、ｎ型不純物領域２０２、２０４よりｐ型半導体基板１０２の深さ方向に深く形成されている。つまり、ｐ型不純物領域２００が、第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０と光電子保持部１１４の保持ゲート１２２との間に形成されたｎ型不純物領域２０２、及び光電子保持部１１４の保持ゲート１２２と第２転送部１１６の第２転送ゲート１２４との間に形成されたｎ型不純物領域２０４よりも深さ方向に深く形成されている。このような構成にすることで、上記変形例１と同様の効果を得ることができる。
【００８７】
（変形例３）図１５は、変形例３における図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。変形例３は、変形例１及び変形例２のｐ型半導体基板１０２の中間層に、ｐ型半導体基板１０２のｐ型不純物濃度よりも高い第２濃度のｐ型不純物層２０６を形成したものである。このような構成にすることで、ｐ型半導体基板１０２には、濃度差によるビルトインポテンシャルにより、ｐ型半導体基板１０２にある光電子がｐ型半導体基板１０２の表面方向に熱拡散しないような電界が生じる。これにより、ｐ型半導体基板１０２の深部にある光電子が熱拡散により、ｐ型半導体基板１０２の表面側（光電子保持部１１４、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、浮遊拡散層１１８）へ光電子が進入することを防ぐことができ、受光精度及び測距精度が向上する。
【００８８】
さらに、詳しくは、受光期間と異なる期間でｐ型半導体基板１０２深くで発生した光電子の混入を抑制することができる。
【００８９】
（変形例４）図１６は、変形例４における図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。変形例４は、変形例３と略同様であるが、ｐ型不純物層２０６に換えて、ｐ型半導体基板１０２のｐ型不純物濃度と異なる第３濃度のｐ型不純物層２０８を設けたものである。このｐ型不純物層２０８は、ｐ型半導体基板１０２の表面側になるにつれ、ｐ型不純物濃度が薄くなるように形成されている。詳しくは、ｐ型不純物層２０８は、複数の層を有し、該複数の層は、ｐ型半導体基板１０２の表面側になるにつれ、ｐ型不純物濃度が薄くなるように形成されている。ｐ型不純物層２０８の複数の層のうち、ｐ型半導体基板１０２の表面側に最も遠い層（ｐ型半導体基板１０２の裏面側に最も近い層）のｐ型不純物濃度は、ｐ型半導体基板１０２のｐ型不純物濃度より高い。このような構成にすることで、ｐ型半導体基板１０２の表面に近いほど、ポテンシャル位置を低くすることができるので、上記変形例３によって得られる効果に加え、ｐ型半導体基板１０２の表面側（光電変換素子１０４、光電子保持部１１４、浮遊拡散層１１８）にｐ型半導体基板１０２の中間層から表面側に存在する光電子を高速に集めることができる。
【００９０】
さらに、受光期間にｐ型半導体基板１０２深くで発生した光電子を高速にｐ型半導体基板１０２の表面に集めることができ、受光期間と異なる期間でｐ型半導体基板１０２深くで発生した残留光電子の混入を抑制することができる。
【００９１】
（変形例５）図１７は、変形例５における図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。変形例５では、ｐ型半導体基板１０２の表面側（フォトゲート１１０等がある側）にｎ型不純物領域２１０が形成されており、ｐ型半導体基板１０２の中間層には、ｐ型半導体基板１０２のｐ型不純物濃度より高い第４濃度のｐ型不純物層２１２が形成されている。
【００９２】
このような構成にすることで、ｐ型半導体基板１０２には、濃度差によるビルトインポテンシャルにより、ｐ型半導体基板１０２にある光電子がｐ型半導体基板１０２の表面方向に熱拡散しないような電界が生じる。これにより、ｐ型半導体基板１０２の深部にある光電子が熱拡散により、ｐ型半導体基板１０２の表面側（光電子保持部１１４、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、浮遊拡散層１１８）へ進入することを防ぐことができ、受光精度及び測距精度が向上する。また、ｐ型半導体基板１０２のｐ型不純物濃度より高い第４濃度のｐ型不純物層２１２をｐ型半導体基板１０２の中間層に設けたので、保持ゲート１２２へのハイのゲート信号Ｓｃを供給しても、ｐ型半導体基板１０２の深部まで空乏層が伸びることがない。
【００９３】
また、このｐ型半導体基板１０２の表面側にｎ型不純物領域２１０を形成することで、ｐ型半導体基板１０２の内部に光電子を保持することができるとともに、信号でない光電子が発生したり、ノイズの発生確率を抑えることができる。なお、ｎ型不純物領域２１０のｎ型不純物濃度は、浮遊拡散層１１８のｎ型不純物濃度より低い。
【００９４】
（変形例６）図１８は、変形例６における図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。変形例６は、変形例５と略同様であるが、ｐ型不純物層２１２に換えて、ｐ型半導体基板１０２のｐ型不純物濃度と異なる第５濃度のｐ型不純物層２１４を設けたものである。このｐ型不純物層２１４は、ｐ型半導体基板１０２の表面側になるにつれ、ｐ型不純物濃度が薄くなるように形成されている。詳しくは、ｐ型不純物層２１４は、複数の層を有し、該複数の層は、ｐ型半導体基板１０２の表面側になるにつれ、ｐ型不純物濃度が薄くなるように形成されている。なお、ｐ型不純物層２１４の複数の層のうち、ｐ型半導体基板１０２の表面側に最も遠い層のｐ型不純物濃度は、ｐ型半導体基板１０２の不純物濃度より高い。このような構成にすることで、ｐ型半導体基板１０２の表面に近いほど、ポテンシャル位置を低くすることができるので、上記変形例５によって得られる効果に加え、ｐ型半導体基板１０２の表面側（光電変換素子１０４、光電子保持部１１４、浮遊拡散層１１８）にｐ型半導体基板１０２の中間層から表面側に存在する光電子を高速に集めることができる。
【００９５】
（変形例７）上記実施の形態では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有するようにしたが、受光装置１００を２つ又は３つのみ有してもよく、５つ以上の受光装置１００を有してもよい。また、単位画素３０は、受光装置１００を１つのみ有してもよい。また、受光装置１００は、３つ又は４つの光電子振分部１０６を有するようにしたが、５つ以上の光電子振分部１０６を有してもよい。また、上記実施の形態の固体撮像装置２８、単位画素３０、及び受光装置１００を測距システムに適用したが、測距システム以外の他の装置又はシステムにても適用してもよい。例えば、コンパクトデジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、監視システム等に適用してもよい。
【００９６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００９７】
１０…測距システム                    １２…照射装置
１４…撮像部                          １６…演算部
１８…制御部                          ２０…電源
２２…第２電源                        ２８…固体撮像装置
３０…単位画素                        ３２…画素アレイ
３４…画素駆動回路                    ４４…ゲート駆動回路
１００…受光装置                      １０２…ｐ型半導体基板
１０４…光電変換素子                  １０６…光電子振分部
１０８…光電子排出部                  １１０…フォトゲート
１１２…第１転送部                    １１４…光電子保持部
１１６…第２転送部                    １１８、１４２…浮遊拡散層
１２０…第１転送ゲート                １２２…保持ゲート
１２４…第２転送ゲート                １２６…リセット用トランジスタ
１３０…信号読出用トランジスタ        １３２…信号読出線
１３４…選択用トランジスタ            １４０…第３転送部
１４４…第３転送ゲート                ２００…ｐ型不純物領域
２０２、２０４、２１０…ｎ型不純物領域
２０６、２０８、２１２、２１４…ｐ型不純物層
【図１】
0005829036.tif 000002
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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