(57)【要約】【課題】アクティブ形の空間情報の検出装置に用いるのに適した光検出素子において廃棄する不要電荷の量を調節可能にし、信号光のダイナミックレンジを向上させる。【解決手段】半導体からなる素子形成層１１の主表面に分離電極２２と蓄積電極２３とが障壁制御電極２４を挟んで配置され、さらに障壁制御電極２４に電気的に接続した電荷保持部２５が分離電極２２に隣接して配置される。素子形成層１１に形成された光電変換部Ｄ１において受光光量に応じて生成された電荷のうちの規定量を分離電極２２と蓄積電極２３とに印加する電圧を制御することにより不要電荷として秤量し残りの有効電荷を受光出力として取り出す。分離電極２２を有する電荷分離部Ｄ２と光電変換部Ｄ１とに隣接して配置されたオーバーフロードレイン１５により電荷分離部Ｄ２で秤量された不要電荷および光電変換部Ｄ１の余剰電荷を廃棄する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の主表面に分離電極と蓄積電極とを障壁制御電極を挟んで配置し、障壁制御電極の直下に形成されるポテンシャル障壁を用いることにより、前記半導体に形成された光電変換部において受光光量に応じて生成された電荷のうちの規定量を不要電荷として秤量し残りの有効電荷を受光出力として取り出す光検出素子であって、分離電極を有し光電変換部で生成された電荷を集積するとともにポテンシャル障壁に応じた一定量の不要電荷を秤量して分離する電荷分離部と、蓄積電極を有し電荷分離部において秤量されポテンシャル障壁を越えて流れ込む有効電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷を保持し保持した電荷量により障壁制御電極に印加する電圧を決める電荷保持部と、電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部と、電荷分離部で秤量された不要電荷を廃棄する廃棄部とを前記半導体に備えることを特徴とする光検出素子。
【請求項２】
前記廃棄部は、前記電荷分離部および前記光電変換部に隣接して配置され、前記不要電荷に加えて光電変換部の余剰電荷を廃棄す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】
前記光電変換部は、前記半導体の主表面に複数個の感度制御電極を備え、各感度制御電極に印加する電圧が制御されることにより、半導体に形成されるポテンシャル井戸の開口面積が変化す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】
前記障壁制御電極は前記半導体との間に絶縁層を介して配置され、前記光電変換部と前記電荷分離部と前記障壁制御電極と前記電荷蓄積部とは一直線上に配列され、前記電荷保持部は当該直線に交差する方向において前記電荷分離部に隣接して配置され、前記廃棄部は電荷分離部に対して電荷保持部と同じ側で光電変換部に沿って配置さ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】
前記廃棄部は前記光電変換部に沿う方向において複数個に分割された領域を有し、各領域ごとに異なるタイミングで不要電荷と余剰電荷とを廃棄することを特徴とする請求項４記載の光検出素子。
【請求項６】
前記半導体において前記分離電極と前記障壁制御電極とに跨る領域であって前記直線に直交する方向の両端部に、当該領域の他の部位と同じ導電形で不純物濃度が高濃度である一対のスリット領域を形成していることを特徴とする請求項４または請求項５記載の光検出素子。
【請求項７】
前記半導体の主表面における前記障壁制御電極と前記蓄積電極との間に、障壁制御電極の直下のポテンシャルと蓄積電極の直下のポテンシャルとの間のポテンシャルとなるように一定電圧が印加されるバッファ電極が設けられていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の光検出素子。
【請求項８】
前記半導体内であって前記電荷保持部の直下には半導体の深部から前記電荷保持部への電荷の移動を阻止する導電形のバリア層が埋め込まれていることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載の光検出素子。
【請求項９】
前記半導体の主表面における前記電荷分離部と前記電荷保持部との間に転送ゲート電極が配置され、転送ゲート電極に印加する電圧の制御により電荷分離部と電荷保持部との間で半導体内にチャンネルを形成したときにチャンネル内で電荷保持部側の端部に向かって電荷が移動するように不純物濃度を調整したポテンシャル調節部を電荷保持部に隣接させて設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光検出素子。
【請求項１０】
前記光電変換部と前記電荷分離部と前記電荷蓄積部と前記電荷保持部と前記障壁制御電極とを備える領域を１画素として、前記半導体に複数画素を設けていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の光検出素子。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光検出素子と、空間情報を検出する対象空間に光を間欠的に投光する発光源と、発光源の発光を制御するとともに光検出素子の前記分離電極と前記蓄積電極と廃棄部とに印加する電圧を制御する制御部と、光検出素子の受光出力から空間情報を抽出する信号処理部とを備え、制御部は、発光源が消灯した消灯期間に前記光電変換部が生成した電荷を前記電荷保持部に移動させることにより、電荷保持部に保持した電荷量に応じた高さのポテンシャル障壁を前記障壁制御電極の直下に形成し、次に、発光源が点灯した点灯期間に光電変換部で生成された電荷のうち電荷分離部に集積された後にポテンシャル障壁を越えて前記電荷蓄積部に流入した有効電荷を、前記電荷取出部を通して受光出力として取り出し、消灯期間の前には、電荷分離部の不要電荷を廃棄部を通して廃棄することを特徴とする空間情報の検出装置。
【請求項１２】
前記光電変換部は、前記半導体の主表面に複数個の感度制御電極を備え、前記制御部は、前記発光源の点灯期間において強度を一定周期で変調した光を対象空間に投光するように発光源に変調信号を与え、かつ前記光電変換部において電荷を集積する領域として半導体に形成されるポテンシャル井戸の開口面積を変調信号に同期するタイミングで変化させるように前記感度制御電極のそれぞれに印加する電圧を制御することにより変調信号の特定の位相区間に対応した電荷を集積し、前記信号処理部は、変調信号の複数の位相区間の受光出力を用いて対象空間に存在する物体までの距離を空間情報として求めることを特徴とする請求項１１記載の空間情報の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出素子、空間情報の検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光照射による電荷を生成し受光光量に応じた受光出力を取り出す光検出素子では、受光光量の多寡に応じて受光出力も変化する。ただし、受光光量を反映する有効な受光出力の上限および下限は、生成された電荷を受光出力として取り出す部位のサイズにより制限される。
【０００３】
光検出素子のダイナミックレンジを拡大させるために、ＣＣＤを用いて電荷を転送する経路において一定量の電荷を秤量して不要電荷とし、不要電荷を除いた残りの電荷を受光出力に用いることが考えられている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
特許文献１、特許文献２に記載された構成では、転送する電荷から入力信号とは無関係の一定量の不要電荷を除くことができ、結果的に転送する電荷量を低減することができるから、電荷を転送する経路のサイズを小さくすることが可能になる。
【特許文献１】特開平７−２２４３６号公報
【特許文献２】特開平７−２２４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１、特許文献２に記載の構成では、一定量の電荷を不要電荷として秤量するから、受光光量の変化に応じて不要電荷の量を調節することができないという問題を有している。たとえば、発光源から対象空間に投光され、物体で反射された信号光を光検出素子で受光することによって、物体の反射率、空間の光の透過率、物体までの距離などの空間情報を検出するアクティブ形の空間情報の検出装置であれば、発光源の非点灯時に対象空間から光検出素子に入射する環境光が時間とともに変動する環境では、一定量の電荷を不要電荷としても、受光出力には環境光の変動成分が含まれる。つまり、発光源から投光した信号光ではない環境光の変動成分が受光出力に含まれるから、結果的に空間に関する情報を有している信号光の上限と下限とは（とくに、上限は）、環境光により大きく制限を受けることになる。
【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、不要電荷の量を調節可能にすることにより、アクティブ形の空間情報の検出装置に用いる際に信号光のダイナミックレンジを大きくとることのできる光検出素子を提供することにあり、また、この光検出素子を用いることにより空間情報を精度よく検出することができる空間情報の検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、半導体の主表面に分離電極と蓄積電極とを障壁制御電極を挟んで配置し、障壁制御電極の直下に形成されるポテンシャル障壁を用いることにより、前記半導体に形成された光電変換部において受光光量に応じて生成された電荷のうちの規定量を不要電荷として秤量し残りの有効電荷を受光出力として取り出す光検出素子であって、分離電極を有し光電変換部で生成された電荷を集積するとともにポテンシャル障壁に応じた一定量の不要電荷を秤量して分離する電荷分離部と、蓄積電極を有し電荷分離部において秤量されポテンシャル障壁を越えて流れ込む有効電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷を保持し保持した電荷量により障壁制御電極に印加する電圧を決める電荷保持部と、電荷蓄積部に蓄積された有効電荷を受光出力として取り出す電荷取出部と、電荷分離部で秤量された不要電荷を廃棄する廃棄部とを前記半導体に備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記廃棄部は、前記電荷分離部および前記光電変換部に隣接して配置され、前記不要電荷に加えて光電変換部の余剰電荷を廃棄することを特徴とする。
【０００９】
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、前記光電変換部は、前記半導体の主表面に複数個の感度制御電極を備え、各感度制御電極に印加する電圧が制御されることにより、半導体に形成されるポテンシャル井戸の開口面積が変化することを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記障壁制御電極は前記半導体との間に絶縁層を介して配置され、前記光電変換部と前記電荷分離部と前記障壁制御電極と前記電荷蓄積部とは一直線上に配列され、前記電荷保持部は当該直線に交差する方向において前記電荷分離部に隣接して配置され、前記廃棄部は電荷分離部に対して電荷保持部と同じ側で光電変換部に沿って配置されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記廃棄部は前記光電変換部に沿う方向において複数個に分割された領域を有し、各領域ごとに異なるタイミングで不要電荷と余剰電荷とをそれぞれ廃棄することを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明では、請求項４または請求項５の発明において、前記半導体において前記分離電極と前記障壁制御電極とに跨る領域であって前記直線に直交する方向の両端部に、当該領域の他の部位と同じ導電形で不純物濃度が高濃度である一対のスリット領域を形成していることを特徴とする。
【００１３】
請求項７の発明では、請求項４ないし請求項６のいずれかの発明において、前記半導体の主表面における前記障壁制御電極と前記蓄積電極との間に、障壁制御電極の直下のポテンシャルと蓄積電極の直下のポテンシャルとの間のポテンシャルとなるように一定電圧が印加されるバッファ電極が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項８の発明では、請求項４ないし請求項７のいずれかの発明において、前記半導体内であって前記電荷保持部の直下には半導体の深部から前記電荷保持部への電荷の移動を阻止する導電形のバリア層が埋め込まれていることを特徴とする。
【００１５】
請求項９の発明では、請求項１ないし請求項８のいずれかの発明において、前記半導体の主表面における前記分離電極と前記電荷保持部との間に転送ゲート電極が配置され、転送ゲート電極に印加する電圧の制御により電荷分離部と電荷保持部との間で半導体内にチャンネルを形成したときにチャンネル内で電荷保持部側の端部に向かって電荷が移動するように不純物濃度を調整したポテンシャル調節部を電荷保持部に隣接させて設けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項１０の発明では、請求項１ないし請求項９のいずれかの発明において、前記光電変換部と前記電荷分離部と前記電荷蓄積部と前記電荷保持部と前記障壁制御電極とを備える領域を１画素として、前記半導体に複数画素を設けていることを特徴とする。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光検出素子と、空間情報を検出する対象空間に光を間欠的に投光する発光源と、発光源の発光を制御するとともに光検出素子の前記分離電極と前記蓄積電極と廃棄部とに印加する電圧を制御する制御部と、光検出素子の受光出力から空間情報を抽出する信号処理部とを備え、制御部は、発光源が消灯した消灯期間に前記光電変換部が生成した電荷を前記電荷保持部に移動させることにより、電荷保持部に保持した電荷量に応じた高さのポテンシャル障壁を前記障壁制御電極の直下に形成し、次に、発光源が点灯した点灯期間に光電変換部で生成された電荷のうち電荷分離部に集積された後にポテンシャル障壁を越えて前記電荷蓄積部に流入した有効電荷を、前記電荷取出部を通して受光出力として取り出し、消灯期間の前には、電荷分離部の不要電荷を廃棄部を通して廃棄することを特徴とする。
【００１８】
請求項１２の発明では、請求項１１の発明において、前記光電変換部は、前記半導体の主表面に複数個の感度制御電極を備え、前記制御部は、前記発光源の点灯期間において強度を一定周期で変調した光を対象空間に投光するように発光源に変調信号を与え、かつ前記光電変換部において電荷を集積する領域として半導体に形成されるポテンシャル井戸の開口面積を変調信号に同期するタイミングで変化させるように前記感度制御電極のそれぞれに印加する電圧を制御することにより変調信号の特定の位相区間に対応した電荷を集積し、前記信号処理部は、変調信号の複数の位相区間の受光出力を用いて対象空間に存在する物体までの距離を空間情報として求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明の構成によれば、光電変換部で生成した電荷の一部を不要電荷として分離するから、受光光量の変化を受光出力の変化に反映させて取り出すようにしながらも、電荷量の総量が減少することにより飽和を生じる可能性を低減させることができる。しかも、電荷分離部からの電荷を電荷保持部に保持させるとともに、電荷保持部を障壁制御電極に電気的に接続しているから、障壁制御電極の直下におけるポテンシャルを電荷保持部の電荷量で規定し、不要電荷として分離する電荷量を電荷保持部の電荷量によって決めることができる。言い換えると、電荷保持部に保持する電荷量を調節することにより、分離する不要電荷の量が調節可能になる。しかも、電荷分離部で秤量された不要電荷を廃棄する廃棄部を設けているから、電荷分離部の不要電荷を適宜のタイミングで廃棄することにより、電荷分離部において不要電荷を正確に秤量することが可能になり、受光光量の変化を受光出力に正確に反映させることができる。
【００２０】
請求項２の発明の構成によれば、廃棄部を電荷分離部および光電変換部に隣接させて設けているから、電荷分離部の不要電荷および光電変換部の余剰電荷を適宜のタイミングで廃棄することにより、電荷分離部において不要電荷を正確に秤量することが可能になるだけではなく、受光光量に応じて光電変換部で生成された余剰電荷も廃棄して、受光光量の変化を受光出力により正確に反映させることができる。
【００２１】
請求項３の発明の構成によれば、光電変換部において複数個の感度制御電極を設け、感度制御電極に印加する電圧を制御することによってポテンシャル井戸の開口面積を変化させるから、光電変換部において生成される電荷がポテンシャル井戸に集積される際の集積の容易度を変化させることになり、実質的に光電変換部の感度を制御することが可能になる。つまり、感度制御電極に電圧を印加するタイミングと印加する電圧値とを制御すれば、目的とする期間の受光光量に対応する電荷が光電変換部のポテンシャル井戸に容易に集積され、かつ他の期間に生成される電荷がポテンシャル井戸に集積され難くなる制御が可能になる。しかも、目的以外の期間にはポテンシャル井戸の開口面積を小さくすることによって、目的とする期間に集積した電荷をポテンシャル井戸に保持することが可能になる。このような動作により、電荷の集積と保持とを繰り返して光電変換部において電荷を累積させることが可能になる。たとえば、光電変換部に入射する光の強度が周期的に変化する場合には、目的とする位相区間に生成される電荷を周期毎に集積することによって、当該位相区間の受光光量に対応した電荷を積分することが可能になる。
【００２２】
請求項４の発明の構成によれば、廃棄部を電荷分離部に対して電荷保持部と同じ側に配置しているから、電荷分離部で秤量した不要電荷を廃棄部から廃棄することができるのはもちろんのこと、電荷分離部から電荷保持部に電荷を受け渡す際に、電荷分離部と電荷保持部と廃棄部との電位の関係によって、電荷分離部から電荷保持部に向かって電荷を流すように電位勾配が形成され、電荷分離部から電荷保持部に余すことなく電荷を受け渡すことができる。ここに、障壁制御電極の直下のポテンシャルは電荷保持部の電荷量により決まるから、電荷分離部の電荷量を当該ポテンシャルに正確に反映させることができる。
【００２３】
請求項５の発明の構成によれば、廃棄部を複数に分割しているから、光電変換部の余剰電荷と電荷分離部の不要電荷とを個別に廃棄することができる。つまり、電荷分離部から廃棄部を通して不要電荷を廃棄する際に、光電変換部において生成かつ集積している電荷が廃棄部を同時に廃棄するのを防止することができる。
【００２４】
請求項６の発明の構成によれば、分離電極と障壁制御電極とに跨る領域で両端部に不純物濃度が高濃度である一対のスリット領域を形成しているから、障壁制御電極の直下に形成されるポテンシャル障壁の両端部の立ち上がりが鋭くなって電荷分離部から電荷蓄積部への電荷の漏出を抑制することができる。その結果、不要電荷を精度よく秤量することが可能になる。また、スリット領域を設けない場合には、障壁制御電極の直下に形成されるポテンシャル障壁の体積が、障壁制御電極に印加する電圧に対して３次特性で非線形に変化するが、スリット領域を形成していることにより、印加電圧に対する体積変化の非線形性が緩和され、電荷保持部に保持された電荷量と不要電荷の量とがほぼ比例関係になる。
【００２５】
請求項７の発明の構成によれば、障壁制御電極と蓄積電極との間にバッファ電極を設け、バッファ電極の直下のポテンシャルを障壁制御電極の直下のポテンシャルと蓄積電極の直下のポテンシャルとの間に設定しているので、障壁制御電極の直下に形成されるポテンシャル障壁の高さが電荷蓄積部に蓄積された電荷量によって変化するのを抑制することができる。つまり、ポテンシャル障壁の近傍領域ではバッファ電極によってポテンシャルが固定されているから、電荷蓄積部の電荷量が変動してもポテンシャル障壁への影響が緩和される。
【００２６】
請求項８の発明の構成によれば、電荷保持部への電荷の移動を阻止する導電形のバリア層を電荷保持部の直下に埋め込んでいるから、光照射などによって半導体の深部で生成された電荷が電荷保持部の電荷に混入することが防止され、電荷保持部の電荷量を電荷分離部から受け取った電荷量に保つことができる。
【００２７】
請求項９の発明の構成によれば、電荷分離部と電荷保持部との間に転送ゲート電極を設けていることにより、転送ゲート電極に印加する電圧の制御によって電荷分離部から電荷保持部への電荷の移動を制御することができ、電荷分離部において不要電荷を秤量する際に電荷分離部から電荷保持部に電荷が漏出するのを防止することができる。しかも、転送ゲート電極に印加する電圧の制御により形成されるチャンネル内で電荷保持部側の端部に向かって電荷が移動するように不純物濃度を調整したポテンシャル調節部を電荷保持部に隣接させて設けているから、転送ゲート電極により電荷分離部と電荷保持部との間に電荷を通過させるチャンネルを形成したときに、チャンネル内に電荷の通過を妨げるようにポテンシャルが変化する部位が形成されるのを防止して、電荷分離部から電荷保持部に向かって電荷を流す向きの滑らかな電位勾配を形成することができる。つまり、電荷分離部の電荷を余すことなく電荷保持部に移動させることが可能になる。
【００２８】
請求項１０の発明の構成によれば、複数画素を備える構成であって、各画素ごとに上述した構成を設けているから、画素ごとに不要電荷の量を調節し、各画素の飽和を抑制することができる。
【００２９】
請求項１１の発明の構成によれば、発光源とともに用いるアクティブ形の空間情報の検出装置において、発光源を消灯している消灯期間に光電変換部で生成した電荷を電荷保持部に保持させ、発光源が点灯している点灯期間に光電変換部で生成した電荷から不要電荷を分離しているから、電荷分離部において秤量する不要電荷の量を、消灯期間において存在している周囲の光（環境光）に応じて自動的に設定することができ、点灯期間の受光光量に相当する電荷量から、環境光に応じて決まる電荷量を不要電荷として除去することになり、受光出力に占める環境光の影響を低減することができる。つまり、点灯期間の受光光量は、環境光の受光光量と発光源に起因する光（信号光）の受光光量との和になるから、点灯期間の受光光量に対応した電荷量から、消灯期間に得られた環境光の受光光量に応じて決まる電荷量を不要電荷として分離することにより、信号光の受光光量の変動分を残しながらも環境光の影響が低減され、信号光のダイナミックレンジが増加することになる。また、消灯期間の前には、電荷分離部の不要電荷を廃棄するから、環境光に対応した電荷以外の電荷が電荷保持部に保持する電荷に混入するのを防止できる。
【００３０】
請求項１２の発明の構成によれば、発光源から投光する光の強度を一定周期の変調信号で変調し、光電変換部では変調信号の特定の位相区間の受光光量に相当する量の電荷が得られるように、感度制御電極に印加する電圧を制御するから、複数の位相区間に相当する受光出力を取り出すことができ、各位相区間における受光出力を組み合わせて用いることで、発光源から投光された光が光電変換部に入射するまでの時間を変調信号の位相に置き換えて求めることができ、結果的に物体までの距離を求めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に説明する実施形態では、光検出素子として、複数個の画素を垂直方向Ｄｖに複数個配列した画素列を形成するとともに、画素列を水平方向Ｄｈに複数列配列することによって、画素をマトリクス状に配列した２次元（エリア）イメージセンサを想定するが、以下の説明では１画素に相当する範囲について説明する。また、光検出素子として、２次元イメージセンサの１画素に相当する構成を有するものや、複数個の画素を１列に配列した１次元（リニア）イメージセンサであっても本発明の技術思想を適用することができる。
【００３２】
また、光検出素子を発光源と組み合わせて構成したアクティブ形の空間情報の検出装置としては、対象空間に存在する物体までの距離を求める測距装置を例示するが、物体の反射率や空間の媒質の透過率を求める装置などに本発明の技術思想を適用することも可能である。
【００３３】
（実施形態１）
〔構造〕
図１に１個の画素Ｐｘの構成を示す。画素Ｐｘは、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、第１導電形（図示例ではｐ形）の半導体（図示例ではシリコンを想定している）からなる素子形成層１１の主表面側に、第２導電形（図示例ではｎ形）の半導体からなるウェル１２を形成し、ウェル１２の主表面に絶縁層（たとえば、酸化シリコンあるいは窒化シリコン）１３を介して感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とを配列した構成を有する。また、素子形成層１１においてウェル１２の範囲内には、第２導電形であって不純物濃度がウェル１２よりも高濃度（つまり、ｎ＋＋形）である保持用ウェル１４が形成される。保持用ウェル１４には接続線２６の一端部２５がオーミックに接続され、接続線２６の他端部には障壁制御電極２４が接続される。ただし、接続線の一端部２６に電極を設け、当該電極を保持用ウェル１４に対して絶縁層１３を介して配置してもよい。
【００３４】
感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とは平面視において矩形状ないし短冊状であって同寸法に形成され、幅方向における一直線上に配列される。つまり、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とは長手方向に直交する一直線上に中心を揃えて配列され、この方向が画素配列の垂直方向Ｄｖになる。障壁制御電極２４は１個であるが、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３とは複数個（図示例では、感度制御電極２１が６個、分離電極２２と蓄積電極２３とがそれぞれ３個）設けられる。なお、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とは必ずしも同寸法とする必要はなく、たとえば障壁制御電極２４の長手方向（水平方向Ｄｈ）を分離電極２２および蓄積電極２３よりも大きくしてもよい。
【００３５】
保持用ウェル１４は、３個の分離電極２２のうちの中央の分離電極２２に対して画素配列の水平方向Ｄｈの一側に隣接して配置される。また、素子形成層１１には感度制御電極２１および分離電極２２に隣接して廃棄部としてのオーバーフロードレイン１５が形成され、オーバーフロードレイン１５には絶縁層１３を介さずにドレイン電極（オーバーフロードレイン１５と同じ部位に設けている）が直接接続される。オーバーフロードレイン１５は、たとえば、第２導電形で不純物濃度がウェル１２よりも高濃度である領域として形成される。また、オーバーフロードレイン１５は、感度制御電極２１の長手方向（画素配列の水平方向Ｄｈ）の両側のうち保持用ウェル１４と同じ側に形成される。この理由は後述する。素子形成層１１において保持用ウェル１４が形成される領域にはウェル１２が張り出した形で形成されるが、ドレイン電極を形成している領域にはウェル１２は形成されない。素子形成層１１は、第２導電形のサブストレート１０の上に形成される。
【００３６】
感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とのうち少なくとも感度制御電極２１は透光性を有している。分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とは、透光性を有していないことが望ましいが、感度制御電極２１と同時に形成されるから透光性を有している。したがって、図１（ａ）に示すように、画素Ｐｘにおいて素子形成層１１の主表面は、感度制御電極２１に対応する領域に形成した開口窓３１を残して全体が遮光膜３０により覆われる。また、以下の説明では、光照射により生成される電荷のうち電子を利用する例について説明するが、ホールを利用する場合には、半導体の導電形を入れ換え、また後述する電圧の極性を入れ換えることになる。
【００３７】
素子形成層１１およびウェル１２において感度制御電極２１を配置した領域は、開口窓３１を通して光が照射されることにより電荷を生成する光電変換部Ｄ１として機能する。また、ウェル１２において、分離電極２２を配置した領域は電荷分離部Ｄ２として機能し、蓄積電極２３を配置した領域は電荷蓄積部Ｄ３として機能する。ウェル１２において保持用ウェル１４を配置した領域は電荷保持部Ｄ４として機能する。
【００３８】
上述の構造から明らかなように、光電変換部Ｄ１と電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とは遮光膜３０を除くと、ＦＴ（フレーム・トランスファ）方式のＣＣＤイメージセンサと同様の構造になる。したがって、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とに印加する電圧を制御することにより、電荷を転送することができる。つまり、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４は電荷取出部として機能する。
【００３９】
また、ＦＴ方式のＣＣＤイメージセンサと同様に、画素Ｐｘを配列した撮像領域とともに、撮像領域で生成された電荷を保持する蓄積領域（電荷蓄積部Ｄ３とは異なる領域）を備え、さらに蓄積領域からの電荷を読み出して水平方向Ｄｈに転送するする水平レジスタも設けている。したがって、蓄積領域および水平レジスタも電荷取出部として機能する。水平レジスタの出力は受光出力になる。
【００４０】
ところで、障壁制御電極２４は、接続線２６を介して保持用ウェル１４と電気的に接続されている。接続線２６は金属配線であり、障壁制御電極２４は保持用ウェル１４と同電位になる。したがって、保持用ウェル１４に電荷を保持すると、保持用ウェル１４の電荷量に応じた電圧が障壁制御電極２４に印加される（あるいは、障壁制御電極２４が保持用ウェル１４の電荷量に応じて帯電する）。
【００４１】
保持用ウェル１４には電子が保持されるから、障壁制御電極２４に負電圧を印加することができ、電子に対するポテンシャル障壁が高くなる。つまり、分離電極２２に対応する電荷分離部Ｄ２や蓄積電極２３に対応する電荷蓄積部Ｄ３よりも電子に対するポテンシャル障壁が高くなり、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３との間にポテンシャル障壁が形成されることになる。障壁制御電極２４の直下におけるポテンシャル障壁の高さは保持用ウェル１４の電荷量に応じて変化する。言い換えると、ポテンシャル障壁の高さは電荷保持部Ｄ４に保持される電荷量に応じて変化する。
【００４２】
障壁制御電極２４と保持用ウェル１４との電位は電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量で決まるが、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３とに印加する電圧は、別途に制御する必要がある。たとえば、正負２種類の電圧（＋１０Ｖ、−５Ｖ）を適宜のタイミングで印加する。そのため、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３とには、２本の電源配線２７ａ，２７ｂのいずれかがオーミックに接続される。電源配線２７ａ，２７ｂは金属配線を用いるのが望ましい。また、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３とについて、電源配線２７ａ，２７ｂを接続しない場合には、絶縁層（たとえば、酸化シリコンあるいは窒化シリコン）１６を介して電源配線２７ａ，２７ｂとは絶縁する。
【００４３】
ところで、素子形成層１１の主表面には保持用ウェル１４に対して垂直方向Ｄｖに並んでリセットゲート電極２８とリセットドレイン１７とが形成される。平面視においては、リセットゲート電極２８を挟んで保持用ウェル１４とリセットドレイン１７とが配置される。また、リセットゲート電極２８とリセットドレイン１７とは、保持用ウェル１４に対して光電変換部Ｄ１側に配置される。リセットドレイン１７は、たとえば不純物濃度が高濃度である第２導電形（つまり、ｎ＋＋）の領域として形成され、リセット電極（リセットドレイン１７と同じ部位に設けている）が絶縁層１３を介さずに直接接続される。リセット電極には一定のリセット電圧が印加される。
【００４４】
さらに、分離電極２２と保持用ウェル１４との間には転送ゲート電極２９が配置される。転送ゲート電極２９に適宜の電圧を印加すれば、転送ゲート電極２９の直下にチャンネルが形成され、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４への電荷の移動が可能になる。
【００４５】
〔動作〕
以下に、上述した光検出素子の動作を説明する。いま、ウェル１２の中の電子を空乏化した状態で光を照射するものとする。ウェル１２の中の電子を空乏化するには、オーバーフロードレイン１５を通して光電変換部Ｄ１および電荷分離部Ｄ２に残留する電子を廃棄し、リセットゲート電極２８にリセット電圧を印加して保持用ウェル１４とリセットドレイン１７との間にチャンネルを形成し、電荷保持部Ｄ４に残留する電子をリセットドレイン１７を通して廃棄する。
【００４６】
また、垂直方向Ｄｖにおいて光電変換部Ｄ１から電荷蓄積部Ｄ３に向かう向きにおいて光電変換部Ｄ１を上流側と定義すると、電荷蓄積部Ｄ３の電荷は垂直方向Ｄｖに並ぶ下流側の画素Ｐｘの光電変換部Ｄ１に隣接して設けたオーバーフロードレイン１５を通して廃棄することができる。
【００４７】
ウェル１２の中の電子を空乏化した後に、光電変換部Ｄ１の感度制御電極２１に適宜の電圧を印加して光電変換部Ｄ１に電子に対するポテンシャル井戸を形成した状態で光を照射すると、ウェル１２を含む素子形成層１１において生成された電子とホールとのうち電子がポテンシャル井戸に集積され、ホールはサブストレート１０を通して廃棄される。つまり、受光光量に応じた量の電子がポテンシャル井戸に集積される。感度制御電極２１に印加する電圧の制御の具体例は後述する。
【００４８】
光電変換部Ｄ１において受光光量に応じた量の電子（以下、電子は斜線部で示す）を集積させた後、まず図２の期間Ｔａのように、分離電極２２に電圧を印加して電荷分離部Ｄ２にポテンシャル井戸を形成し、光電変換部Ｄ１に集積された電子を電荷分離部Ｄ２に移動させる（図２（ａ）参照）。つまり、光電変換部Ｄ１から電荷分離部Ｄ２に電子が移動する。また、電荷分離部Ｄ２に移動させた電子は、転送ゲート電極２９に適宜の電圧を印加し、電荷分離部Ｄ２と保持用ウェル１４との間にチャンネルを形成して、電荷保持部Ｄ４に移動させる（図２（ｂ）参照）。
【００４９】
つまり、ｎ形のウェル１２に囲まれたｎ＋＋形である保持用ウェル１４では、ポテンシャルがウェル１２よりも高く（電子に対するポテンシャルが低く）、ポテンシャルは電荷分離部Ｄ２よりも電荷保持部Ｄ４のほうが高くなっている。したがって、転送ゲート電極２９に適宜の電圧を印加してチャンネルを形成すると、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４に向かって電子が移動し、保持用ウェル１４に電子が流れ込む。
【００５０】
保持用ウェル１４に電子が流れ込むに従って保持用ウェル１４の電位が低下し、保持用ウェル１４に電気的に接続された障壁制御電極２４の電位が低下する（図２（ｄ）参照）。つまり、障壁制御電極２４の直下にポテンシャル障壁が形成される。また、保持用ウェル１４に集積された電荷の一部は障壁制御電極２４に移動するから、障壁制御電極２４の直下には移動した電荷量に応じた高さのポテンシャル障壁が形成される。なお、保持用ウェル１４に絶縁層１３を介して保持電極を対向させる場合には保持用ウェル１４に集積された電荷量に応じた電圧が保持電極に生じるから、障壁制御電極２４にも同電圧が印加されることにより、障壁制御電極２４の直下にポテンシャル障壁が形成される。
【００５１】
なお、期間Ｔａにおいて蓄積電極２３には電圧を印加せず、電荷蓄積部Ｄ３には電子が集積されないようにしておく。分離電極２２に電圧を印加した後に転送ゲート電極２９に電圧を印加するか、分離電極２２と転送ゲート電極２９とに同時に電圧を印加するかは適宜に選択することができる。
【００５２】
電荷保持部Ｄ４に電子が移動すると、期間Ｔｂのように転送ゲート電極２９への電圧印加を停止して電荷保持部Ｄ４に電子を保持させ、さらに、オーバフロードレイン１５を制御して電荷分離部Ｄ２の電子を廃棄する（図２（ｂ）（ｃ）参照）。電子の廃棄の際には、分離電極２２への電圧印加を停止すれば電子の廃棄を迅速に行うことができる。
【００５３】
上述した動作において光電変換部Ｄ１で受光した光は、受光光量に応じた受光出力を得るためではなく、障壁制御電極２４の直下におけるポテンシャル障壁の高さを決めるために入射させている。上述の動作でポテンシャル障壁の高さが決まった後の動作が実際に受光出力を得る動作になる。
【００５４】
受光出力を求めるための光を受光する前には、期間Ｔｃのように、まずオーバーフロードレイン１５を通して、ウェル１２のうち電荷保持部Ｄ４を除く部位の電子を空乏化し、光電変換部Ｄ１および電荷分離部Ｄ２から電子を除去する（図２（ｃ）参照）。
【００５５】
光電変換部Ｄ１において受光光量に応じた電子を集積する際に、図３（ａ）のように、障壁制御電極２４の直下にはポテンシャル障壁Ｂ１が形成されている。光電変換部Ｄ１で受光光量に応じた電子を集積した後、期間Ｔｄのように、分離電極２２に適宜の電圧を印加して電荷分離部Ｄ２に電子に対するポテンシャル井戸を形成するとともに、感度制御電極２１への印加電圧を制御することにより、光電変換部Ｄ１から電荷分離部Ｄ２に電子を移動させる（図２（ａ）参照）。つまり、図３（ｂ）のように、電荷分離部Ｄ２に電子が移動する。
【００５６】
その後、期間Ｔｅのように、蓄積電極２３に適宜の電圧を印加して電荷蓄積部Ｄ３にポテンシャル井戸を形成した状態で、分離電極２２への電圧印加を停止すると、図３（ｃ）のように、障壁制御電極２４の直下に形成されているポテンシャル障壁の高さと電荷分離部Ｄ２の大きさとにより決まる一定量の電子が不要電荷として電荷分離部Ｄ２に残され、電荷分離部Ｄ２からポテンシャル障壁を越えた電荷は電荷蓄積部Ｄ３に流れ込むことになる（図２（ｅ）参照）。ただし、分離電極２２への電圧印加を停止する前に、電荷分離部Ｄ２と光電変換部Ｄ１との間には障壁制御電極２４の直下のポテンシャル障壁よりも高いポテンシャル障壁を形成するように感度制御電極２１への印加電圧を制御しておく。
【００５７】
上述の動作によって、光電変換部Ｄ１での受光光量に応じて集積された電子から電荷分離部Ｄ２で一定量の電子が不要電荷として分離され、不要電荷を分離した残りの電荷が有効電荷として電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される。
【００５８】
有効電荷を電荷蓄積部Ｄ３に蓄積した後には、期間Ｔｆのように、電荷分離部Ｄ２に残っている不要電荷をオーバーフロードレイン１５から廃棄し、さらに電荷保持部Ｄ４に保持されている電荷を廃棄するために、リセットゲート電極２８に適宜の電圧を印加して保持用ウェル１４とリセットドレイン１７との間にチャンネルを形成し、保持用ウェル１４の電子を廃棄した後にリセットゲート電極２８への電圧印加を停止する（図２（ｃ）（ｆ）参照）。その後、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電荷は、上述した電荷取出部を通して受光出力として光検出素子の外部に取り出される。
【００５９】
以上説明した一連の動作によって、１フレームの画像に対応した受光出力が得られる。ここに、上述の動作では１フレーム毎に保持用ウェル１４の電子を廃棄することになるが、複数フレーム毎に保持用ウェル１４の電子を廃棄する動作とすることも可能である。ただし、この場合には、障壁制御電極２４の直下においてポテンシャル障壁が形成されているから、ポテンシャル障壁の前後で電子が移動できるように、分離電極２２および蓄積電極２３に印加する電圧を調節する必要がある。
【００６０】
ところで、上述したように、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４に電子を移動させる必要がある。オーバーフロードレイン１５には、電荷分離部Ｄ２から不要電荷を廃棄する機能があるから、オーバーフロードレイン１５のポテンシャルは電荷分離部Ｄ２のポテンシャルよりも高く（電子に対しては低く）設定される。
【００６１】
したがって、仮にオーバフロードレイン１５が光電変換部Ｄ１に対して電荷保持部Ｄ４とは反対側に配置されているとすると、電荷分離部Ｄ２の周辺での電位勾配が、図４（ｂ）のように、電荷保持部Ｄ４から電荷分離部Ｄ２に電子を流す向きに傾斜することになり、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４に電子を迅速に移動させることができない。図の一点鎖線は転送ゲート電極２９に電圧を印加して電荷保持部Ｄ４に電子を移動させる際のポテンシャルを示している。
【００６２】
これに対して、本実施形態の構成によれば、光電変換部Ｄ１に対して電荷保持部Ｄ４と同じ側にオーバーフロードレイン１５を設けていることにより、電荷分離部Ｄ２の周辺での電位勾配が、図４（ａ）のように、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４に電子を流す向きに傾斜することになり、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４への電子の移動効率を高めることができる。
【００６３】
〔空間情報の検出装置〕
以下では、空間情報として撮像空間（つまり、対象空間）に存在する物体までの距離を計測する検出装置に、上述した光検出素子を用いる例を示す。以下に説明する空間情報の検出装置は、図５に示すように、対象空間に投光する発光源２を用いたアクティブ型の検出装置であり、対象空間を上述した光検出素子１により撮像し、光検出素子１の受光出力を信号処理部３に与えて後述する演算を行うことにより、対象空間に存在する物体５までの距離を求める。また、光検出素子１と発光源２との動作のタイミングは制御部４が制御する。また、制御部４は信号処理部３にも演算のタイミングを指示する。
【００６４】
発光源２は複数個の赤外線発光ダイオードを並設して構成し、光検出素子１へは赤外線透過フィルタを通して対象空間からの光を入射させる。つまり、距離の計測に用いる光として赤外線を用いることにより、光検出素子１に可視光領域の光が入射するのを抑制している。信号処理部３および制御部４は、適宜のプログラムを実行するマイクロコンピュータによって構成する。
【００６５】
距離の計測には、発光源２から強度を変調した光（強度変調光）を対象空間に投光し、対象空間に存在する物体５で反射され光検出素子１に入射した光の強度変化の位相と発光源２からの光の強度変化の位相との位相差を求め、この位相差を距離に換算する技術を用いている。つまり、発光源２から図６（ａ）のように強度変調光を対象空間に投光し、光検出素子１の１つの画素Ｐｘに入射する光の強度が図６（ｂ）のように変化しているとすると、同位相の時間差Δｔは物体５までの距離Ｌを反映しているから、光速をｃ［ｍ／ｓ］として、時間差Δｔ［ｓ］を用いると、物体５までの距離Ｌは、Ｌ＝ｃ・Δｔ／２で表される。光の強度を変調する変調信号の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、位相差をφ［ｒａｄ］とすれば、時間差Δｔは、Δｔ＝φ／２πｆであるから、位相差φを求めることにより距離Ｌを求めることができる。
【００６６】
この位相差φは、発光源２を駆動する変調信号と光検出素子１（の各画素Ｐｘ）への入射光との位相差とみなしてよい。そこで、光検出素子１への入射光の受光強度を変調信号の複数の異なる位相について求め、求めた位相の関係と受光強度とから入射光と変調信号との位相差φを求めることが考えられている。実際には、光検出素子１において所定の位相幅（時間幅）を有する位相区間ごとの受光光量を検出し、この受光光量に相当する受光出力を位相差φの演算に用いる。各位相区間を９０度間隔とすれば、変調信号の１周期について等位相間隔の４つの位相区間が周期的に得られ、各位相区間の受光光量Ａ０〜Ａ３を用いることによって、位相差φは、φ＝ｔａｎ−１｛（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）｝と表すことができる。なお、受光光量Ａ０〜Ａ３を変調信号のどの位相に対応させるかによって、位相差φの符号は変化する。また、図６に示す例では、各位相区間を９０度の位相幅に設定しているが、位相幅は適宜に設定することができる。
【００６７】
上述の演算を行うには、変調信号の各位相区間ごとの受光光量に応じた電子を光電変換部Ｄ１で生成する必要がある。各位相区間ごとの受光光量を求めるには、感度制御電極２１に印加する電圧を変調信号に同期させて制御する。
【００６８】
この動作について説明する。制御部４は、各感度制御電極２１に対してそれぞれ電圧の印加の有無を制御することができ、電圧を印加された感度制御電極２１では直下にポテンシャル井戸が形成される。つまり、連続して隣り合う感度制御電極Ｄ１に電圧を印加することにより、電圧を印加した感度制御電極２１の個数分に相当する開口面積（素子形成層１１の主表面に沿った開口面積）を有したポテンシャル井戸が形成される。
【００６９】
光電変換部Ｄ１で生成された電子はポテンシャル井戸に集積されるから、ポテンシャル井戸の開口面積（つまり、ポテンシャル井戸の体積）が大きいほど、電子を集積する効率が高くなる。逆に、１個の感度制御電極２１にのみ電圧を印加しているときには、電子を集積する効率が低くなり、すでにポテンシャル井戸に集積されている電子を保持することができる。もちろん、１個の感度制御電極２１にのみ電圧を印加して電子を保持している状態であっても、ポテンシャル井戸に電子は集積されるが、複数個の感度制御電極２１に電圧を印加する場合よりも電子の集積効率が低下するから、集積された電子の量は複数個の感度制御電極２１に電圧を印加している期間の受光光量を反映していることになる。なお、電子を保持するためのポテンシャル井戸を形成する感度制御電極２１を遮光すれば、電荷を保持している期間における電子の集積を抑制することができる。
【００７０】
上述の動作から明らかなように、光電変換部Ｄ１において、変調信号の特定の位相区間における受光光量に相当する電子を集積するには、当該位相区間において電圧を印加する感度制御電極２１の個数を多くし、他の位相区間には１個の感度制御電極２１にのみ電圧を印加することで電子を保持すればよい。制御部４は、変調信号の周期毎に感度制御電極２１への電圧の印加パターンを周期的に変化させ、各周期の同じ位相区間ごとに複数個の感度制御電極２１に電圧を印加することにより、当該位相区間に生成される電子を複数周期に亘って累積させる。つまり、変調信号の１周期の位相区間で得られる受光光量が少ない場合であっても、光電変換部Ｄ１において電子を累積させて電子の量を増加させることができる。もっとも、受光強度が高い場合には電子を累積させると飽和しやすくなるから、電子を累積させるか否かは使用環境に応じて適宜に定める。
【００７１】
信号処理部３では、各画素Ｐｘごとに各位相区間に対応する受光出力を用い、上述した演算により位相差を求め、各画素Ｐｘごとに距離を計測する。つまり、各画素Ｐｘの画素値を距離とした距離画像を生成する。
【００７２】
ところで、上述した原理で距離を計測するには、発光源２から対象空間に投光した信号光のみを光検出素子１で検出すればよく、信号光の受光光量が多いほど距離の計測精度を高めることができると考えられる。しかし、光検出素子１に入射する光は信号光のみではなく、周囲に存在する環境光がつねに入射する。また、光検出素子１において生成される電子の量が受光光量に応じて変化する範囲には上限があり、受光光量が多くなると生成される電子の量が飽和し、受光出力が受光光量を反映しなくなる。したがって、光検出素子１の飽和を抑制しつつ信号光に相当する電子の量を増加させる必要がある。
【００７３】
上述した光検出素子１では、電荷保持部Ｄ４に保持した電子の量に応じた量の不要電荷を秤量して廃棄する機能を有しているから、秤量する不要電荷の量を環境光の受光光量に対応付ければ、受光光量に含まれる信号光の成分の割合に対して、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電子に含まれる信号光に相当する電子の量の割合を増加させることができる。しかも、光電変換部Ｄ１で生成された電子のうちの一部を不要電荷として廃棄するから、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電子が飽和する可能性を低減することができる。
【００７４】
このような知見に基づいて、発光源２を消灯させる消灯期間と発光源２から強度変調光を投光する点灯期間とを設けて対象空間に間欠的に投光する構成を採用している。消灯期間においては、光電変換部Ｄ１で生成された電子を電荷保持部Ｄ４に保持させることにより、環境光の強度を反映した量の電子を電荷保持部Ｄ４に保持させ、電荷分離部Ｄ２で秤量する不要電荷の量を環境光の強度に対応付ける。
【００７５】
一方、点灯期間には、消灯期間の受光光量に応じたポテンシャル障壁が障壁制御電極２４の直下に形成されているから、光電変換部Ｄ１において生成した電子のうち環境光の受光光量を反映した量の不要電荷を秤量して廃棄した残りの電子を電荷蓄積部Ｄ３に蓄積することができる。ここに、不要電荷として秤量される電荷量は、環境光の受光光量に比例しているとは限らないが、環境光の受光光量に応じて変化するから、環境光の増減に応じて秤量する不要電荷の量も変化する。したがって、環境光が変動しても電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電荷において信号光に相当する成分の割合を高い状態に保つことができる。すなわち、発光源２の点灯期間において光電変換部Ｄ１で生成された電荷から不要電荷を分離することによって、信号光成分の情報を残しながらも信号対雑音比を増加させることができる。
【００７６】
上述したように、変調信号の１周期において光電変換部Ｄ１で生成される電子の量が少ない場合に、変調信号の複数周期に亘って光電変換部Ｄ１で電子を集積することによって電子を累積させてもよいが、光電変換部Ｄ１において電子が飽和する可能性もある。そこで、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積した電荷をただちに受光出力として読み出す代わりに、電荷分離部Ｄ２において不要電荷を秤量する動作を複数回行う間、電荷蓄積部Ｄ３に電子を蓄積することによって、電子を累積させる技術を採用することもできる。
【００７７】
電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電子は、光電変換部Ｄ１で生成された電子から不要電荷が除去されているから、光電変換部Ｄ１において電子を集積する場合のように受光した環境光成分の電子を累積させる場合に比較すると、電子の量が少なくなっているから飽和が生じにくくなる。しかも上述のように、全電荷量に占める信号光成分の割合が多いから、信号光成分の変化に対する電荷量の変化率が大きくなり、それだけ距離の計測精度が高くなる。
【００７８】
なお、制御部４では、電荷蓄積部Ｄ３に電子を流入させた後には、オーバーフロードレイン１５を通して電荷分離部Ｄ２から不要電荷を廃棄させる。この動作は、電荷蓄積部Ｄ３に電子を流入させるたびに行う。また、電荷保持部Ｄ４に保持させる電子の量を更新する場合には、リセットゲート電極２８に電圧を印加し、保持用ウェル１４に保持された電子をリセットドレイン１７から廃棄する。電荷保持部Ｄ４の電子を廃棄するタイミングは、環境光が変動すると考えられるタイミングとすればよいから、使用環境に応じて適宜に設定すればよいが、たとえば、受光出力の読出毎とすることができる。つまり、距離画像の１フレームごとにポテンシャル障壁の高さを調整すればよい。また、不要電荷は電荷蓄積部Ｄ３に電子を流入させるたびに廃棄するが、点灯期間から消灯期間に移行する際にも、電荷分離部Ｄ２において電荷保持部Ｄ４に移動させた後の電子が残留しているから、消灯期間の前にオーバーフロードレイン１５を通して電荷分離部Ｄ２の電子を廃棄させる。
【００７９】
（実施形態２）
実施形態１では、各画素Ｐｘにおいて、光電変換部Ｄ１の側方に１本のオーバーフロードレイン１５を配置した構成を採用しているが、オーバーフロードレイン１５は、電荷分離部Ｄ２で秤量した不要電荷を廃棄する機能のほかに、光電変換部Ｄ１の受光光量が増加したときに生じる余剰電荷を廃棄する機能も兼ね備えている。イメージセンサでは、オーバーフロードレイン１５により余剰電荷を廃棄しなければ、余剰電荷が他の画素Ｐｘに溢れ出してブルーミングという現象を生じる。
【００８０】
ところで、実施形態１のようにオーバーフロードレイン１５を配置していると、電荷分離部Ｄ２から不要電荷を廃棄する際に、余剰電荷ではない電荷も光電変換部Ｄ１から引き抜かれる可能性がある。たとえば、実施形態１のように感度制御電極２１に印加する電圧を制御することにより、光電変換部Ｄ１において電子を集積している期間に不要電荷を廃棄すると、光電変換部Ｄ１で集積した電荷量と受光光量との関係にずれが生じ、結果的に受光出力が受光光量を正確に反映しなくなるという問題が生じる。
【００８１】
そこで、本実施形態では、図７に示すように、上流側と下流側との２個のオーバーフロードレイン１５ａ，１５ｂを設け、上流側のオーバーフロードレイン１５ａにより光電変換部Ｄ１の余剰電荷を廃棄し、下流側のオーバーフロードレイン１５ｂにより電荷分離部Ｄ２の不要電荷を廃棄する構成を採用している。
【００８２】
この構成を採用することにより、各オーバーフロードレイン１５ａ，１５ｂを通して電荷を引き抜くタイミングを調節することが可能になり、また各オーバーフロードレイン１５ａ，１５ｂのポテンシャルを制御することが可能になる。つまり、上流側のオーバーフロードレイン１５ａは光電変換部Ｄ１の余剰電荷を廃棄するのに適した制御を行い、下流側のオーバーフロードレイン１５ｂは電荷分離部Ｄ２の不要電荷を廃棄するのに適した制御を行うことが可能になる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００８３】
（実施形態３）
本実施形態は、図８に示すように、ウェル１２において分離電極２２と障壁制御電極２４とに跨る部位であって、分離電極２２および障壁制御電極２４の長手方向（水平方向Ｄｈ）の両端部に一対のスリット領域３２を形成したものである。スリット領域３２は、ｎ形であるウェル１２に対して不純物濃度を高濃度に設定したｎ＋形としてある。スリット領域３２はイオン注入などの技術を用いて形成される。
【００８４】
スリット領域３２を形成していない場合には、ウェル１２の境界付近で、図９（ｂ）のように、ポテンシャルの立ち上がりが緩やかになるが、スリット領域３２を両端部に形成したことにより、図９（ａ）のように、ポテンシャルの立ち上がりが鋭くなる。したがって、障壁制御電極２４の直下に形成されるポテンシャル障壁の両端部の立ち上がりも鋭くなり、電荷分離部Ｄ２から電荷蓄積部Ｄ３への電子の漏出が少なくなる。すなわち、障壁制御電極２４に印加する電圧と電荷分離部Ｄ２で秤量する不要電荷の量との非線形性（障壁制御電極２４に印加する電圧に対してポテンシャル障壁の体積が３次特性になる）が緩和され、電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量と不要電荷の量とをほぼ比例関係にすることができる。他の構成および動作は実施形態２と同様であり、本実施形態の構成は実施形態１においても適用可能である。
【００８５】
（実施形態４）
本実施形態は、図１０に示すように、ウェル１２において保持用ウェル１４の直下に、ｐ形のバリア層３３を埋め込んでいる。バリア層３３を形成したことにより、光照射などによってサブストレート１０や素子形成層１１の深部で発生した電子が保持用ウェル１４に移動するのを阻止することができる。つまり、電荷分離部Ｄ２ではない領域からの電子が電荷保持部Ｄ４に保持する電子に混入することが防止され、結果的に光電変換部Ｄ１で生成された電子の量を正確に反映したポテンシャル障壁を、障壁制御電極２４の直下に形成することができる。
【００８６】
さらに、本実施形態では、ウェル１２において転送ゲート電極２９の直下のうち保持用ウェル１４に近い部位にウェル１２よりも不純物濃度の高いｎ＋形のポテンシャル調節部３４を形成してある。ポテンシャル調節部３４はイオン注入などの技術を用いて形成され、ポテンシャル調節部３４を設けた領域ではウェル１２の他の部位よりも電子に対するポテンシャルが低くなる。
【００８７】
したがって、転送ゲート電極２９に適宜の電圧を印加することにより、電荷分離部Ｄ２と電荷保持部Ｄ４との間にチャンネルを形成したときに、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４に向かって電子を流す電位勾配が形成され、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４に向かって電子を余すことなく移動させることができる。ここにおいて、ポテンシャル調節部３４を形成していない場合には、図１１（ｂ）に示すように、転送ゲート電極２９と保持用ウェル１４との間の部位に電子に対するポテンシャルの上昇する山部Ｍ１が形成されるが、適宜のポテンシャル調節部３４を形成することにより、図１１（ａ）のように、山部Ｍ１の形成を防止することができる。他の構成および動作は実施形態２と同様であり、本実施形態の構成は実施形態１においても適用可能である。
【００８８】
（実施形態５）
本実施形態は、図１２に示すように、ウェル１２の主表面において、障壁制御電極２４と蓄積電極２３との間にバッファ電極３５を形成したものである。バッファ電極３５は、障壁制御電極２４の直下よりも電子に対するポテンシャルを低くし、かつ蓄積電極２３の直下よりも電子に対するポテンシャルを高くするように一定電圧が印加される。
【００８９】
バッファ電極３５を設けていない場合には、図１３（ｂ）のように、蓄積電極２３の直下である電荷蓄積部Ｄ３に電子が蓄積されると、電子の蓄積量に応じてポテンシャル障壁Ｂ１の高さが変化することになり、結果的に電荷分離部Ｄ２で秤量する不要電荷の量が、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電荷量によって変動する可能性がある（電子の蓄積量が増加すると破線のようにポテンシャル障壁Ｂ１が高くなる）。
【００９０】
一方、本実施形態のように、バッファ電極３５を設けるとともに、バッファ電極３５に印加する電圧を上述のように設定しておけば、図１３（ａ）に示すように、電荷蓄積部Ｄ３における電子の蓄積量が変動してもポテンシャル障壁Ｂ１への影響が緩和され、電荷蓄積部Ｄ３における電子の蓄積量にかかわりなく、電荷保持部Ｄ４に保持された電子の量で規定された量の不要電荷を秤量することが可能になる。他の構成および動作は実施形態２と同様であり、本実施形態の構成は実施形態１においても適用可能である。
【００９１】
なお、上述した各実施形態では、障壁制御電極２４の直下に形成されるポテンシャル障壁の高さにより不要電荷の量を決定しているが、分離電極２２の直下に形成される電荷分離部Ｄ２のポテンシャルを調節することにより不要電荷の量を決定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】同上の各部の動作タイミングを示す動作説明図である。
【図３】同上におけるポテンシャルの変化を示す動作説明図である。
【図４】（ａ）は同上のポテンシャルを示す動作説明図、（ｂ）は比較例のポテンシャルを示す動作説明図である。
【図５】同上を用いた空間情報の検出装置を示すブロック図である。
【図６】図５の構成例の動作説明図である。
【図７】実施形態２を示す要部正面図である。
【図８】実施形態３を示す要部断面図である。
【図９】（ａ）は同上のポテンシャルを示す動作説明図、（ｂ）は比較例のポテンシャルを示す動作説明図である。
【図１０】実施形態４を示す要部断面図である。
【図１１】（ａ）は同上のポテンシャルを示す動作説明図、（ｂ）は比較例のポテンシャルを示す動作説明図である。
【図１２】実施形態５を示す要部断面図である。
【図１３】（ａ）は同上のポテンシャルを示す動作説明図、（ｂ）は比較例のポテンシャルを示す動作説明図である。
【符号の説明】
【００９３】
１  光検出素子
２  発光源
３  信号処理部
４  制御部
５  物体
１０  サブストレート
１１  素子形成層
１２  ウェル
１３  絶縁層
１４  保持用ウェル
１５  オーバーフロードレイン（廃棄部）
１５ａ，１５ｂ  オーバーフロードレイン（廃棄部）
１６  絶縁層
１７  リセットドレイン
２１  感度制御電極
２２  分離電極
２３  蓄積電極
２４  障壁制御電極
２５  接続線の一端部
２６  接続線
２７ａ，２７ｂ  電源配線
２８  リセットゲート電極
２９  転送ゲート電極
３０  遮光膜
３１  開口窓
３２  スリット領域
３３  バリア層
３４  ポテンシャル調節部
３５  バッファ電極
Ｄ１  光電変換部
Ｄ２  電荷分離部
Ｄ３  電荷蓄積部
Ｄ４  電荷保持部
Ｐｘ  画素
【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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