(57)【要約】      （修正有）【課題】隣り合うアバランシェダイオード間でのクロストークを抑制でき、且つ、暗電流の増加を抑制しながら画素サイズを微細化する。【解決手段】光電変換装置は、第１半導体領域を含む第１のアバランシェダイオードと、第２半導体領域を含む第２のアバランシェダイオードを備える。第１半導体領域と第２半導体領域との間に配される第１分離部２０は、第２導電型の第４半導体領域８及び平面視で第４半導体領域を挟んで配された第３半導体領域３により構成される。第３半導体領域の不純物濃度Ｎｄと、第４半導体領域の不純物濃度Ｎａと、電気素量ｑと、半導体の誘電率εと、第３半導体領域と第４半導体領域のＰＮ接合間の電位差Ｖと、第３半導体領域に挟まれた第４半導体領域の長さＤとが、下式を満たす。2022002288.tif 000009【選択図】図８
2022002288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電荷と同じ電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域を含む第１のアバランシェダイオードと、前記第１導電型の第２半導体領域を含み、前記第１のアバランシェダイオードと隣り合って配された第２のアバランシェダイオードと、を備え、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には第１分離部が配され、
前記第１分離部は、前記第１導電型の第３半導体領域により構成され、
平面視で前記第３半導体領域に重なる位置であって、前記第３半導体領域よりも深い位置には、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型の第７半導体領域が配され、
前記第３半導体領域と前記第７半導体領域とはＰＮ接合を構成し、
前記第３半導体領域の不純物濃度は前記第７半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
信号電荷と同じ電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域を含む第１のアバランシェダイオードと、前記第１導電型の第２半導体領域を含み、前記第１のアバランシェダイオードと隣り合って配された第２のアバランシェダイオードと、を備え、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には第１分離部が配され、
前記第１分離部は、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型の第４半導体領域および平面視で前記第４半導体領域を挟んで配された前記第１導電型の第３半導体領域により構成され、
前記第４半導体領域は、前記第３半導体領域の不純物濃度Ｎｄと、前記第４半導体領域の不純物濃度Ｎａと、電気素量ｑと、半導体の誘電率εと、前記第３半導体領域と前記第４半導体領域のＰＮ接合間の電位差Ｖと、前記第４半導体領域に挟まれた前記第３半導体領域の長さＤとが、数式１を満たすことを特徴とする光電変換装置。
【数１】
2022002288.tif 000008
【請求項３】
第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する基板と、
前記基板の第１の深さに配され、信号電荷と同じ電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さと前記第２面との間の第２の深さに配され、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型の第５半導体領域と、を含む第１のアバランシェダイオードと、
前記基板の前記第１の深さに配された前記第１導電型の第２半導体領域と、前記第２の深さに配された前記第２導電型の第６半導体領域と、を含み、前記第１のアバランシェダイオードと隣り合って配された第２のアバランシェダイオードと、を備え、
前記第１の深さにおいて、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には、第１分離部が配され、
前記第１分離部には、真性半導体領域、前記第１導電型の第３半導体領域及び第２導電型の第４半導体領域の少なくともいずれかが配され、
前記第２の深さにおいて、前記第５半導体領域と前記第６半導体領域との間には、前記第２導電型の第７半導体領域が配され、
前記第１分離部と前記第７半導体領域とを通る線における、前記信号電荷に対するポテンシャルの高さは、前記第７半導体領域から前記第１分離部に向かって低くなっており、前記第１半導体領域の前記信号電荷に対するポテンシャルの高さと前記第５半導体領域の前記信号電荷に対するポテンシャルの高さとの差が、前記第１分離部の前記信号電荷に対するポテンシャルの高さと前記第７半導体領域の前記信号電荷に対するポテンシャルの高さとの差よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
前記第１分離部は、前記第３半導体領域を含むことを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第３半導体領域は、前記第１のアバランシェダイオードと前記第２のアバランシェダイオードとで共有されることを特徴とする請求項１、２または４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第３半導体領域の不純物濃度は、前記第１半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第２のアバランシェダイオードに隣り合って配され、前記第１導電型の第８半導体領域を含む第３のアバランシェダイオードを備え、
平面視で、前記第１のアバランシェダイオードと前記第２のアバランシェダイオードとは第１の方向に並んで配され、前記第２のアバランシェダイオードと前記第３のアバランシェダイオードとは前記第１の方向に交差する第２の方向に並んで配され、
平面視で、前記第１半導体領域と前記第８半導体領域との間には、前記第１のアバランシェダイオードの一方のノードに電位を供給するコンタクトプラグが配されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第１半導体領域と前記第８半導体領域との間には、第２導電型の第９半導体領域が配され、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には、前記第２導電型の第４半導体領域が配され、
前記コンタクトプラグは、前記第９半導体領域に接続され、
前記第４半導体領域の不純物濃度は、前記第９半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記コンタクトプラグは基板の第１面の側に形成され、
光は前記基板の前記第１面に対向する第２面の側から入射することを特徴とする請求項７又は８に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の第１の距離は、前記第１半導体領域と前記第８半導体領域との間の第２の距離よりも短いことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記第１の距離は、前記第２の距離に対して１／８倍以上であることを特徴とする請求項１０に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
基板に前記第１半導体領域および前記第２半導体領域が配され、
前記基板とは異なる第２基板に、前記第１のアバランシェダイオードからの信号に基づき生起されるアバランシェ電流を検出するメモリまたはカウンタ回路が配され、
前記基板と前記第２基板とは積層されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に、トレンチ分離が配されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
前記トレンチ分離の一端は、前記第１半導体領域よりも深い位置まで形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の光電変換装置。
【請求項１５】
信号電荷と同じ電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域を含む複数のアバランシェダイオードと、
前記複数のアバランシェダイオードのそれぞれに対応して配され、前記アバランシェダイオードでのアバランシェ増倍により生起されるアバランシェ電流を検出するメモリ、時間・デジタル変換回路、およびカウンタの少なくともいずれか１つと、を備え、
前記複数のアバランシェダイオードは、平面視で第１の方向に配された第１のアバランシェダイオードおよび第２のアバランシェダイオードと、前記第２のアバランシェダイオードに対して平面視で前記第１の方向に交差する第２の方向に配された第３のアバランシェダイオードとを含み、
平面視で、前記第１のアバランシェダイオードに含まれる前記第１半導体領域と前記第３のアバランシェダイオードに含まれる前記第１半導体領域との間には、前記第１のアバランシェダイオードの一方のノードに電位を供給するコンタクトプラグが配され、
平面視で、前記第１のアバランシェダイオードに含まれる前記第１半導体領域と前記第２のアバランシェダイオードに含まれる前記第１半導体領域との間には、前記ノードに電位を供給する前記コンタクトプラグが配されておらず、
前記コンタクトプラグは、前記第１のアバランシェダイオードに含まれる前記第１半導体領域と前記第３のアバランシェダイオードに含まれる前記第１半導体領域との間に配された前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型の半導体領域に接続され、
前記コンタクトプラグおよび前記第２導電型の半導体領域は、前記第１のアバランシェダイオード、前記第２のアバランシェダイオード、および前記第３のアバランシェダイオードで共有されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項１６】
前記アバランシェダイオードの前記第１半導体領域に電位を供給する第２のコンタクトプラグを有し、前記第１のアバランシェダイオードの前記第１半導体領域に電位を供給する前記第２のコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグとの距離、前記第２のアバランシェダイオードの前記第１半導体領域に電位を供給する前記第２のコンタクトプラグと前記コンタクトプラグの距離、および前記第３のアバランシェダイオードの前記第１半導体領域に電位を供給する前記第２のコンタクトプラグと前記コンタクトプラグとの距離は同じであることを特徴とする請求項１５に記載の光電変換装置。
【請求項１７】
前記コンタクトプラグは基板の第１面の側に形成され、
光は前記基板の前記第１面に対向する第２面の側から入射することを特徴とする請求項１５または１６に記載の光電変換装置。
【請求項１８】
前記アバランシェダイオードは、ガイガーモードで動作することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１９】
カラーフィルタを備え、
前記アバランシェダイオードには、前記カラーフィルタを透過した光が入射することを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項２０】
請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置が出力する信号を処理する信号処理部と、を有することを特徴とする光電変換システム。
【請求項２１】
請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置からの信号に基づく測距情報から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、を有する移動体であって、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、光電変換システム、および移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
受光部に到来する光子の数をデジタル的に計数し、その計数値をデジタル信号として画素から出力する光電変換装置が知られている。特許文献１には、光電変換部を構成する半導体領域のＰＮ接合領域において、アバランシェ増倍を起こすアバランシェダイオードを用いた光検出装置が開示されている。特許文献１の光検出装置では、隣り合うアバランシェダイオードのＮ型半導体領域間には、電気的なコンタクトを取る高濃度のＰ型半導体領域が配される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−２０１００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、画素サイズを小さくすると、Ｐ型半導体領域とアバランシェダイオードを構成するＮ型半導体領域との距離が近づく。この状態でアバランシェダイオードに電位を供給すると、電気的なコンタクトを取る高濃度のＰ型半導体領域とＮ型半導体領域とにより局所的な高電界領域が形成されて暗電流が生じやすくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の光電変換装置の一側面は、信号電荷と同じ電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域を含む第１のアバランシェダイオードと、前記第１導電型の第２半導体領域を含み、前記第１のアバランシェダイオードと隣り合って配された第２のアバランシェダイオードと、を備え、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には第１分離部が配され、前記第１分離部は、前記第１導電型の第３半導体領域、又は、第２導電型の第４半導体領域及び平面視で前記第４半導体領域を挟んで配された前記第３半導体領域により構成され、前記第４半導体領域は、前記第３半導体領域の不純物濃度Ｎｄと、前記第４半導体領域の不純物濃度Ｎａと、電気素量ｑと、半導体の誘電率εと、前記第３半導体領域と前記第４半導体領域のＰＮ接合間の電位差Ｖと、前記第４半導体領域に挟まれた前記第３半導体領域の長さＤとが、以下の式を満たす信号電荷と同じ電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域を含む第１のバランシェダイオードと、前記第１導電型の第２半導体領域を含み、前記第１のアバランシェダイオードと隣り合って配された第２のアバランシェダイオードと、を備え、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には第１分離部が配され、前記第１分離部は、前記第１導電型の第３半導体領域、又は、前記第３半導体領域及び前記第２導電型の第４半導体領域により構成され、前記第４半導体領域は、前記第３半導体領域の不純物濃度Ｎｄと、前記第４半導体領域の不純物濃度Ｎａと、電気素量ｑと、半導体の誘電率εと、前記第３半導体領域と前記第４半導体領域のＰＮ接合間の電位差Ｖと、前記第４半導体領域に挟まれた前記第３半導体領域の長さＤとが、以下の式を満たす。
【０００６】
【数１】
2022002288.tif 000003
【０００７】
本発明の光電変換装置の一側面は、第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する基板と、前記基板の第１の深さに配され、信号電荷と同じ電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さと前記第２面との間の第２の深さに配された第２導電型の第５半導体領域と、を含む第１のアバランシェダイオードと、前記基板の前記第１の深さに配された前記第１導電型の第２半導体領域と、前記第２の深さに配された前記第２導電型の第６半導体領域と、を含み、前記第１のアバランシェダイオードと隣り合って配された第２のアバランシェダイオードと、を備え、前記第１の深さにおいて、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には、第１分離部が配され、前記第１分離部には、真性半導体領域、前記第１導電型の第３半導体領域及び第２導電型の第４半導体領域の少なくともいずれかが配され、前記第２の深さにおいて、前記第５半導体領域と前記第６半導体領域との間には、前記第２導電型の第７半導体領域が配され、前記第１分離部と前記第７半導体領域とを通る線における、前記信号電荷に対するポテンシャルの高さは、前記第７半導体領域から前記第１分離部に向かって低くなっており、前記第１半導体領域の前記信号電荷に対するポテンシャルの高さと前記第５半導体領域の前記信号電荷に対するポテンシャルの高さとの差が、前記第１分離部前記信号電荷に対するポテンシャルの高さと前記第７半導体領域の前記信号電荷に対するポテンシャルの高さとの差よりも大きい。
【０００８】
本発明の光電変換装置の一側面は、信号電荷と同じ電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域を含む第１のアバランシェダイオードと、前記第１導電型の第２半導体領域を含み、前記第１のアバランシェダイオードと隣り合って配された第２のアバランシェダイオードと、を備え、前記第１のアバランシェダイオードでのアバランシェ増倍により生起されるアバランシェ電流をカウントする第１のカウンタ回路と、前記第２のアバランシェダイオードでのアバランシェ増倍により生起されるアバランシェ電流をカウントする、前記第１のカウンタ回路とは異なる第２のカウンタ回路と、を備え、平面視で、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間には、前記第１のアバランシェダイオードの一方のノードにバイアス電圧を印加するコンタクトプラグが配されていない。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、アバランシェダイオードを用いた光電変換装置において、暗電流の増加を抑制しながら画素サイズを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】光電変換装置のブロック図
【図２】画素のブロック図
【図３】第１の実施形態の光電変換装置の一部を拡大した平面図
【図４】第１の実施形態の光電変換装置の断面図
【図５】第１の実施形態の光電変換装置のポテンシャル図
【図６】比較例の光電変換装置の断面図及びポテンシャル図
【図７】第２の実施形態の光電変換装置の一部を拡大した平面図
【図８】第２の実施形態の光電変換装置の断面図
【図９】第３の実施形態の光電変換装置の一部を拡大した平面図
【図１０】第３の実施形態の光電変換装置の断面図
【図１１】第３の実施形態の変形例
【図１２】第４の実施形態の光電変換装置の一部を拡大した平面図
【図１３】第４の実施形態の光電変換装置の断面図
【図１４】第５の実施形態の光電変換装置の断面図
【図１５】第６の実施形態の光電変換装置の一部を拡大した平面図
【図１６】第６の実施形態の光電変換装置の一部を拡大した平面図
【図１７】第７の実施形態の光電変換装置の一部を拡大した平面図
【図１８】第７の実施形態の光電変換装置の断面図
【図１９】第８の実施形態の光電変換装置の断面図
【図２０】第９の実施形態の光電変換装置の断面図
【図２１】第１０の実施形態による光電変換システム
【図２２】第１１の実施形態による光電変換システム
【図２３】第１２の実施形態の光電変換システムおよび移動体の概略図
【図２４】第１２の実施形態の光電変換システムの動作を示すフロー図
【図２５】第１３の実施形態による光電変換システム
【図２６】第１４の実施形態による光電変換システム
【図２７】第１４の実施形態による光電変換システムのブロック図
【図２８】第１５の実施形態による光電変換システム
【図２９】第１５の実施形態による光電変換システム
【図３０】第１５の実施形態による光電変換システムの実験例
【図３１】第１６の実施形態による光電変換装置
【図３２】第１７の実施形態によるフィルタの分光透過率
【図３３】第１７の実施形態による画素およびフィルタの配置例
【図３４】第１７の実施形態による画素およびフィルタの配置例
【図３５】第１７の実施形態による画素およびフィルタの配置例
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略することがある。
【００１２】
以下に示す形態は、特にアバランシェダイオードに入射するフォトンの数を数えるＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｄｉｏｄｅ）を備える光電変換装置に関する。光電変換装置は、少なくともアバランシェダイオードを備える。
【００１３】
以下の説明において、アバランシェダイオードのアノードを固定電位とし、カソード側から信号を取り出している。したがって、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域であり、第２導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域である。なお、アバランシェダイオードのカソードを固定電位とし、アノード側から信号を取り出す場合でも本発明は成立する。この場合は、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域はＰ型半導体領域であり、第２導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域である。以下では、アバランシェダイオードの一方のノードを固定電位とする場合について説明するが、両方のノードの電位が変動してもよい。
【００１４】
図１は、本実施形態の光電変換装置１０００のブロック図である。光電変換装置１０００は、画素領域１１１、水平走査回路部１０５、信号線１０４、垂直走査回路部１０３を有している。
【００１５】
画素領域１１１には、画素１１０が２次元状に複数配されている。１つの画素１１０は、光電変換部１０１および画素信号処理部１０２から構成される。光電変換部１０１は、光を電気信号へと変換する。画素信号処理部１０２は、変換した電気信号を信号線１０４へ出力する。
【００１６】
垂直走査回路部１０３および水平走査回路部１０５は、各画素１１０に制御パルスを供給する。垂直走査回路部１０３にはシフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられる。
【００１７】
信号線１０４は、垂直走査回路部１０３により選択された画素１１０から出力されたデジタル信号を電位信号として、画素１１０の後段の回路に供給する。
【００１８】
図１において、画素領域１１１における画素１１０の配列は１次元状に配されていてもよい。また、垂直走査回路部１０３、水平走査回路部１０５は、画素領域１１１を複数の画素列をブロックに分けて、ブロック毎に配置してもよい。また、各画素列に配してもよい。
【００１９】
画素信号処理部１０２の機能は、必ずしも全ての画素１１０に１つずつ設けられる必要はなく、例えば複数の画素１１０によって１つの画素信号処理部１０２が共有され、順次信号処理が行われてもよい。また、画素信号処理部１０２は、光電変換部１０１の開口率を高めるために、少なくとも一部を光電変換部１０１と異なる半導体基板（第２基板）に設けてもよい。この場合、光電変換部１０１と画素信号処理部１０２は、画素毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続される。第１基板に光電変換部１０１のアバランシェダイオードを配し、その他の構成を第２基板に配することが好ましい。垂直走査回路部１０３、水平走査回路部１０５、及び、信号線１０４は、第２基板に設けられていてもよい。
【００２０】
図２は、本実施形態における等価回路を含む画素１１０のブロック図である。図２において、１つの画素１１０は光電変換部１０１および画素信号処理部１０２により構成される。
【００２１】
光電変換部１０１は、１つまたは複数のアレイ化されたアバランシェダイオード２０１、クエンチ素子２０２、及び、波形整形部２０３を有する。
【００２２】
アバランシェダイオード２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。アバランシェダイオード２０１のカソードにはアノードに供給される電位ＶＬよりも高い電位ＶＨに基づく電位が供給される。そしてアバランシェダイオード２０１のアノードとカソードには、アバランシェダイオード２０１に入射したフォトンがアバランシェ増倍されるような逆バイアスがかかるように電位が供給される。このような逆バイアスの電位を供給した状態で光電変換することで、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こしアバランシェ電流が発生する。
【００２３】
逆バイアスの電位が供給される場合において、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧より大きいときには、アバランシェダイオードはガイガーモード動作となる。ガイガーモード動作を用いて単一光子レベルの微弱信号を高速検出するアバランシェダイオードがＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｄｉｏｄｅ）である。
【００２４】
クエンチ素子２０２は、高い電位ＶＨを供給する電源とアバランシェダイオード２０１に接続される。クエンチ素子２０２は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタまたはＰｏｌｙ抵抗などの抵抗素子により構成される。また、クエンチ素子２０２は、直列の複数のＭＯＳトランジスタにより構成されていてもよい。アバランシェダイオード２０１においてアバランシェ増倍により光電流が増倍されると、増倍した電荷によって得られる電流が、アバランシェダイオード２０１とクエンチ素子２０２との接続ノードに流れる。この電流による電圧降下により、アバランシェダイオード２０１のカソードの電位が下がり、アバランシェダイオード２０１は、電子なだれを形成しなくなる。これにより、アバランシェダイオード２０１のアバランシェ増倍が停止する。その後、電源の電位ＶＨがクエンチ素子２０２を介してアバランシェダイオード２０１のカソードに供給されるため、アバランシェダイオード２０１のカソードに供給される電位が電位ＶＨに戻る。つまり、アバランシェダイオード２０１の動作領域は再びガイガーモード動作となる。このように、クエンチ素子２０２は、アバランシェ増倍による電荷の増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、アバランシェ増倍を抑制する働きを持つ（クエンチ動作）。また、クエンチ素子は、アバランシェ増倍を抑制した後に、アバランシェダイオードの動作領域を再びガイガーモードにする働きを持つ。
【００２５】
波形整形部２０３は、アバランシェダイオード２０１のノードとクエンチ素子２０２のノードとの接続ノードに接続されている。光子検出時に得られるアバランシェダイオード２０１のカソードの電位変化を整形して、矩形のパルス信号を出力する。波形整形部２０３としては、例えばインバータ回路が用いられる。波形整形部２０３として、インバータを一つ用いる例を示したが、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよい。インバータに限らず、波形整形効果があるその他の回路を用いてもよい。
【００２６】
画素信号処理部１０２は、カウンタ回路２０４、及び選択回路２０５を有する。
【００２７】
カウンタ回路２０４は、波形整形部２０３と接続されている。波形整形部２０３から出力されたパルス信号は、カウンタ回路２０４によってカウントされる。カウンタ回路２０４は、例えばＮ−ｂｉｔカウンタ（Ｎ：正の整数）の場合、単一光子によるパルス信号を最大で約２のＮ乗個までカウントすることが可能である。カウントした信号は、検出した信号として保持される。また、制御線を介して制御パルスＲｅｓが供給されたとき、カウンタ回路２０４に保持された信号がリセットされる。
【００２８】
選択回路２０５は、カウンタ回路２０４と信号線１０４とに接続されている。選択回路２０５には、図１の垂直走査回路部１０３から、制御線を介して制御パルスＳｅｌが供給され、カウンタ回路２０４のカウント値を信号線１０４に出力するか否かを切り替える。選択回路２０５は、例えば、信号を出力するためのバッファ回路などを含む。
【００２９】
なお、クエンチ素子２０２とアバランシェダイオード２０１との間にトランジスタ等のスイッチを配して、アバランシェダイオード２０１がアバランシェ増倍できるモードとアバランシェ増倍できないモードとを切り替えてもよい。同様に、アバランシェダイオード２０１に供給される高い電位ＶＨまたは低い電位ＶＬの電位の供給をトランジスタ等のスイッチを用いて電気的に切り替えてもよい。また、光電変換部１０１と画素信号処理部１０２との間にトランジスタ等のスイッチを配して、光電変換部１０１からカウンタ回路２０４への信号の入力を制御してもよい。
【００３０】
複数の画素１１０が行列状に配された画素領域１１１において、カウンタ回路２０４のカウントを行毎に順次リセットし、カウンタ回路２０４に保持された信号を行毎に順次出力するローリングシャッタ動作によって撮像画像を取得してもよい。
【００３１】
または、全画素行のカウンタ回路２０４のカウントを同時にリセットし、カウンタ回路２０４に保持された信号を行毎に順次出力するグローバル電子シャッタ動作によって撮像画像を取得してもよい。尚、グローバル電子シャッタ動作を行う場合には、カウンタ回路２０４のカウントを行う場合と、行わない場合を切り替える手段を設けたほうがよい。切り替える手段とは、例えば前述したスイッチである。
【００３２】
図２では、カウンタ回路２０４を用いる構成を示した。カウンタ回路２０４の代わりに、時間・デジタル変換回路（Ｔｉｍｅ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下、ＴＤＣ）、メモリを用いて、パルス検出タイミングを取得する構成としてもよい。
【００３３】
このとき、波形整形部２０３から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定に、図１の垂直走査回路部１０３から駆動線を介して、制御パルスＲｅｆ（参照信号）が供給される。ＴＤＣは、制御パルスｐＲＥＦを基準として、波形整形部２０３を介して各画素から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。
【００３４】
＜第１の実施形態＞
図３〜図５を用いて第１の実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。
【００３５】
図３は、第１の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の一部を拡大した平面図である。図４（Ａ）は、図３のＡ−Ａ’概略断面図であり、図４（Ｂ）は、図３のＢ−Ｂ’概略断面図である。図５（Ａ）は、図４（Ａ）のＸ−Ｘ’及びＹ−Ｙ’におけるポテンシャル図である。図５（Ｂ）は、図４（Ａ）のＶ−Ｖ’におけるポテンシャル図である。図５（Ｃ）は、図４（Ｂ）のＷ−Ｗ’におけるポテンシャル図である。
【００３６】
図３では、第１の方向に２画素、第１の方向に対して平面視で直交する第２の方向に２画素の４画素を示している。第１の方向とは、画素行に沿った方向（行方向）であると言える。つまり、第１の方向とは、第１行の画素が複数あり、一方から他方を見た方向である。また、第２の方向とは、画素列に沿った方向（列方向）であると言える。第１の方向及び第２の方向に交差する方向を第３の方向という。以下では説明の便宜上、図３の、１行１列目のアバランシェダイオードを第１のアバランシェダイオード、１行２列目のアバランシェダイオードを第２のアバランシェダイオード、２行２列目のアバランシェダイオードを第３のアバランシェダイオードという。本実施形形態において、画素とは、カウンタと、１つの当該カウンタから読み出す信号を生成する感度領域と、により構成される。本明細書において、「平面視」とは、基板の光入射面と平行な面に対して垂直方向から視ることを指す。
【００３７】
図４に示すように、アバランシェダイオードは、基板４０の内部に形成される。基板４０は、第１面４０Ａと、第１面４０Ａに対向する第２面４０Ｂとを有する。第１面４０Ａは、コンタクトプラグ６、７が形成される側の面である。また、第１面４０Ａの側には、トランジスタのゲート電極が配されることがある。以下では、光が基板４０の第２面４０Ｂの側から入射することを前提に説明するが、光は基板４０の第１面４０Ａの側から入射してもよい。本明細書において「深さ」とは、第１面４０Ａから第２面４０Ｂに向かう深さをいう。
【００３８】
各アバランシェダイオードは、少なくとも、第１の深さに形成された第１導電型の半導体領域（Ｎ型半導体領域１）と、第１の深さよりも第１の面からの深さの深い第２の深さに形成された第２導電型の半導体領領域（Ｐ型半導体領域５）と、を有する。Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域５（第７半導体領域）とは、ＰＮ接合を形成する。Ｐ型半導体領域５は、例えば、ウエル領域である。
【００３９】
Ｎ型半導体領域１には、クエンチ素子２０２を介して電位ＶＨを供給するコンタクトプラグ６が接続されている。Ｐ型半導体領域４には、電位ＶＬを供給するコンタクトプラグ７が接続されている。コンタクトプラグ７及びＰ型半導体領域４を介して、Ｐ型半導体領域５には、電位ＶＬが供給される。
【００４０】
複数のＮ型半導体領域１を通る断面において、Ｎ型半導体領域１とＮ型半導体領域１との間には第１分離部２０が配される。また、当該ある断面とは異なる断面において、Ｎ型半導体領域１とＮ型半導体領域１との間には第２分離部３０が配される。例えば、図３及び図４では、第１アバランシェダイオードのＮ型半導体領域１と第２アバランシェダイオードのＮ型半導体領域１とを通る断面において、各Ｎ型半導体領域の間には、第１分離部２０が配される。第２アバランシェダイオードのＮ型半導体領域１と第３アバランシェダイオードのＮ型半導体領域１を通る断面において、各Ｎ型半導体領域１の間には第１分離部２０が配されている。第１アバランシェダイオードのＮ型半導体領域１と第３アバランシェダイオードのＮ型半導体領域１とを通る断面において、各Ｎ型半導体領域１の間には第２分離部３０が配されている。第２分離部３０は、少なくともＰ型半導体領域４を含む。
【００４１】
図５（Ａ）に示すように、Ｎ型半導体領域３の電子に対するポテンシャルの高さとＰ型半導体領域５の電子に対するポテンシャルの高さとの差は、Ｎ型半導体領域１の電子に対するポテンシャルの高さとＰ型半導体領域５の電子に対するポテンシャルの高さとの差よりも小さい。Ｘ−Ｘ’においてＮ型半導体領域１の電子に対するポテンシャルの高さとＰ型半導体領域５の電子に対するポテンシャルの高さとの差は、アバランシェ増倍可能となるように構成されている。そして、Ｙ−Ｙ’において第１分離部２０の電子に対するポテンシャルの高さとＰ型半導体領域５との電子に対するポテンシャルの高さとの差は、アバランシェ増倍しないように構成されている。Ｙ−Ｙ’における電子に対するポテンシャルの最大高さは、Ｘ−Ｘ’における電子に対するポテンシャルの最大高さよりも低い。
【００４２】
図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に、Ｖ−Ｖ’における信号電荷に対するポテンシャル分布とＷ−Ｗ’における信号電荷に対するポテンシャル分布とを示す。本実施形態においては、アバランシェダイオードの電位が安定し、光子を待機している状態（Ｓｔａｔｉｃ）においては、信号電荷に対するＮ型半導体領域１のポテンシャル高さは最も低い状態となっている。そして、光子ないし暗電荷が検出されてアバランシェダイオードにおいてアバランシェ増倍が生じている状態（Ｑｕｅｎｃｈｅｄ）になると、Ｎ型半導体領域１における信号電荷に対するポテンシャル高さは徐々に高くなる。第１分離部２０におけるポテンシャルバリアの高さは、アバランシェ増倍が生じたときのＮ型半導体領域１における信号電荷に対するポテンシャルの高さよりも高いことが好ましい。これにより、隣り合うアバランシェダイオード間における電荷のクロストークを低減することができ、分離部として機能しやすくなるためである。なお、光電変換装置として解像度を高くする必要がない場合は、第１分離部２０においてポテンシャルバリアができていなくてもよい。つまり、第１分離部２０のポテンシャルの高さと、アバランシェ増倍が生じる状態におけるＮ型半導体領域１のポテンシャルの高さとが実質的に同じであってもよい。
【００４３】
本実施形態において、第１分離部２０により形成されるポテンシャルバリアは、第２分離部３０により形成されるポテンシャルバリアよりも低くなっている。この場合でも、画素サイズを小さくしながら、クロストークを低減しやすくなる。以下で、特許文献１に記載の光検出装置と図６に示す比較例と比較しながらその理由を説明する。
【００４４】
図６（Ａ）に示す比較例においては、Ｎ型半導体領域１とＮ型半導体領域１との間にＮ型半導体領域３が配されている。そして、Ｐ型半導体領域８を挟んでＮ型半導体領域３が配されている。
【００４５】
特許文献１に記載の光検出装置では、平面視でアバランシェダイオードを構成するＮ型半導体領域の全周を取り囲むように不純物濃度の高いＰ型半導体領域が配されている。この場合は、Ｎ型半導体領域とＰ型半導体領域との間の耐圧を確保するために所定の距離をおいて各半導体領域を配する必要がある。したがって、各アバランシェダイオードのＮ型半導体領域を近づけることができず、画素ピッチを縮小することができない。
【００４６】
また、比較例に示す光電変換装置においては、Ｐ型半導体領域８の不純物濃度が低くなっているが、中性領域としてＰ型半導体領域が残っている。したがって、図６（Ｂ）に示すように、Ｙ−Ｙ’において、Ｙに近づくにつれて信号電荷に対するポテンシャルが高くなっている。この構造においては、Ｐ型半導体領域８とＰ型半導体領域１１との間の領域で生成された電子も信号電荷として読み出される。つまり、Ｐ型半導体領域８とＰ型半導体領域１１との間の半導体領域１３においてＮ型半導体領域１ごとに感度領域を分離することができなくなる。
【００４７】
なお、本明細書において単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、逆導電型の不純物によって補償された正味の不純物濃度を意味している。つまり、「不純物濃度」とは、ＮＥＴ濃度を指す。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域はＰ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域はＮ型半導体領域である。
【００４８】
本実施形態においては、複数のＮ型半導体領域１の間における第１分離部２０として、Ｎ型半導体領域１の間の領域が空乏化するような半導体領域を配している。第１分離部２０が空乏化されることにより、図５（Ａ）に示すように、Ｙ−Ｙ’におけるポテンシャル分布がＰ型半導体領域５から第１分離部２０に向かって低くなる。言い換えると、Ｙ−Ｙ’におけるポテンシャル分布は、Ｐ型半導体領域５から第１分離部２０に向かって単調減少している。したがって、第１分離部２０にも電荷が流れる状態となる。第１分離部２０に流れた電荷はＮ型半導体領域１を流れるが、Ｎ型半導体領域１と分離部２０との電位差は、アバランシェ増倍しない程度の電位差となっているため、アバランシェ電流が生起されずカウンタ回路でカウントされない。したがって、信号として読み出されることはない。つまり、第１分離部２０だけでなく、第１分離部２０と第２面との間の領域は、実質的には不感領域として機能することになり、分離部として機能させることができる。したがって、画素ピッチを小さくしてもクロストークを低減しながら画素ごとに信号を読み出すことが可能となる。
【００４９】
本実施形態では、第１分離部２０として、Ｎ型半導体領域１よりも不純物濃度の低いＮ型半導体領域３を配している。言い換えると、平面視でＮ型半導体領域１の全周をＰ型半導体領域４で囲むのではなく、Ｎ型半導体領域１の周囲の一部にＰ型半導体領域４を配し、他の一部にはＰ型半導体領域４を配さない構成としている。つまり、耐圧を確保する必要があるＰ型半導体領域４を配する領域を一部にし、他の部分は信号電荷がリークしない程度のポテンシャルバリアの高さとなるように構成している。これに限らず、第１分離部２０が空乏化されるのであれば、第１分離部２０として、後述する実施形態のようにＰ型半導体領域４と、Ｐ型半導体領域４を挟んで配したＮ型半導体領域３が配されていてもよい。また、少なくとも一部に真性半導体領域（ｉ型半導体領域）が配されていてもよい。さらに、Ｎ型半導体領域１の間にＰ型半導体領域４のみが配されていてもよい。
【００５０】
第１の方向における第１分離部２０の長さは、第３の方向における第２分離部３０の長さよりも短い。言い換えると、第１の方向におけるＮ型半導体領域１間の距離は、第３の方向におけるＮ型半導体領域１間の距離よりも短い。例えば、第２分離部３０の長さに対する第１分離部２０の長さの比率は、１よりも小さく１／８以上である。例えば、第１の方向において、アバランシェ増倍部間の距離は、１μｍ以上離れることが好ましい。耐圧を確保するために、第１の方向においてアバランシェ増倍部間の距離は、例えば、０．５μｍ以上とすることができ、１μｍ以上とすることが好ましい。一方で、画素領域の面積を小さくするために、第１の方向において、アバランシェ増倍部間の距離は、例えば、１０μｍ以下とすることができ、４μｍ以下とすることが好ましい。
【００５１】
Ｎ型半導体領域３の不純物濃度は、Ｎ型半導体領域３に平面視で重なる位置に配されたＰ型半導体領域５の不純物濃度よりも低いことが好ましい。これにより、Ｎ型半導体領域３を第２面に向かって縦方向に空乏化することができる。例えば、Ｎ型半導体領域３の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域５の不純物濃度に対して、２倍以上違う。Ｎ型半導体領域３の不純物濃度は、例えば、１Ｅ１８ｃｍ−３以下とする。Ｎ型半導体領域３は以下の式（１）を満たすことが好ましい。以下の式（１）において、Ｎ型半導体領域３の不純物濃度を不純物濃度Ｎｄ２とし、Ｐ型半導体領域５の不純物濃度をＮａ２とし、電気素量をｑとする。さらに、半導体の誘電率をεとし、Ｎ型半導体領域３とＰ型半導体領域５のＰＮ接合間の電位差を電位差Ｖとし、Ｎ型半導体領域３の深さをＨとする。ここで、深さとは、第１面から第２面に向かう方向におけるＮ型半導体領域３の厚みを指す。
【００５２】
【数２】
2022002288.tif 000004
【００５３】
Ｎ型半導体領域３は隣り合う複数のアバランシェダイオードで共有される。第２分離部３０は、Ｎ型半導体領域３及びＰ型半導体領域４により構成される。
【００５４】
Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域４との間には、Ｎ型半導体領域１よりも低い不純物濃度のＮ型半導体領域２が配されることが好ましい。これにより、Ｎ型半導体領域２の付近の電荷をＮ型半導体領域１のコンタクトプラグ６に近い位置に移動しやすくできる。Ｎ型半導体領域２は、Ｎ型半導体領域３と同じ不純物濃度とすることができる。
【００５５】
図４では、Ｎ型半導体領域２とＰ型半導体領域４とが接しているが、Ｎ型半導体領域２とＰ型半導体領域４とは物理的に離れていてもよい。また、Ｎ型半導体領域２とＰ型半導体領域４との間の耐圧性を向上させるために、Ｎ型半導体領域２とＰ型半導体領域４との間にトレンチ分離が配されていてもよい。例えば、Ｎ型半導体領域２とＰ型半導体領域４との間に、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）が配されていてもよい。
【００５６】
なお、図４では、不純物濃度勾配を持たないＰ型半導体領域５が配される構成を示したが、Ｐ型半導体領域５は不純物濃度勾配を有する領域であってもよい。例えば、ある深さにおける不純物濃度よりも、それよりも深い深さにおける不純物濃度の方が高くなるように構成できる。
【００５７】
この場合は、Ｎ型半導体領域１の直下に、ＰＮ接合の電界を調整する、第１導電型又は第２導電型の不純物領域が配されていてもよい。
【００５８】
図４では、第１の方向又は第２の方向に並ぶ２つのアバランシェダイオードが半導体領域３を共有しているが、第１の方向又は第２の方向に並ぶ３以上のアバランシェダイオードがＮ型半導体領域３を共有してもよい。
【００５９】
また、図４では、第３の方向において、各Ｎ型半導体領域１間にＰ型半導体領域４及びコンタクトプラグ７を配しているが、Ｐ型半導体領域４及びコンタクトプラグ７は間引いて配されていてもよい。
【００６０】
図３および図４において、平面視で、４つのコンタクトプラグ６間の距離はＬＣ以上であり、４つのコンタクトプラグ６とコンタクトプラグ７との距離がＬＣ以下である。Ｌは、第１の方向に並ぶコンタクトプラグ７間の距離であり、ＬＣは、Ｌ／√２である。言い換えると、図３および図４では、コンタクトプラグ７が４つのコンタクトプラグ６のすべてに対してＬＣ以下の距離に配されている。これにより、各アバランシェダイオードのＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域４との距離を等間隔にしながら、コンタクトプラグ７をアバランシェダイオード間で共有することができる。コンタクトプラグ間の距離とは、例えば、最短距離にあるコンタクトプラグ間の距離であってもよい。例えば、Ｐ型半導体領域４にコンタクトプラグが複数接続されており、Ｎ型半導体領域１にコンタクトプラグ６が複数接続される場合は、最短距離にあるコンタクトプラグ６とコンタクトプラグ７とが上記の式を満たしていればよい。各アバランシェダイオードのＮ型半導体領域１と、Ｎ型半導体領域１に最も近いコンタクトプラグ７との最短距離が等間隔となることが好ましい。
【００６１】
また、図３および図４に示すように、平面視で第３の方向に、コンタクトプラグ７、コンタクトプラグ６、コンタクトプラグ７、コンタクトプラグ６、コンタクトプラグ７が順に配されている。第３の方向における断面において、コンタクトプラグ７、Ｐ型半導体領域５、Ｎ型半導体領域２、Ｎ型半導体領域１、Ｎ型半導体領域２が順に配されている。続いてさらに、コンタクトプラグ７、Ｎ型半導体領域３、Ｎ型半導体領域１、Ｎ型半導体領域３、Ｐ型半導体領域５、コンタクトプラグ７が順に配されている。このように、本実施形態では、アバランシェダイオード間でコンタクトプラグ７を共有しながら、第３の方向において各構成が対称になるように配置している。これにより、アバランシェダイオード間の信号読み出しのばらつきを低減することが可能となり得る。
【００６２】
＜第２の実施形態＞
図７及び図８を用いて第２の実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。第２の実施形態は、第１分離部２０を、Ｎ型半導体領域３と、Ｐ型半導体領域４よりも低い不純物濃度のＰ型半導体領域８と、により構成する点が第１の実施形態とは異なる。以下で説明する事項以外は、実質的に第１の実施形態と同様の構成とすることができる。
【００６３】
本実施形態においても、第２分離部３０により形成されるポテンシャルバリアの高さは、第１分離部２０により形成されるポテンシャルバリアの高さよりも高い。また、本実施形態においても、第１分離部２０は完全に空乏化される構成となっている。
【００６４】
Ｐ型半導体領域８の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域４の不純物濃度よりも低い。
【００６５】
Ｐ型半導体領域８が完全に空乏化される構成における条件を以下の式（２）に示す。ここでは、Ｎ型半導体領域３の不純物濃度をＮｄとし、Ｐ型半導体領域８の不純物濃度をＮａとし、電気素量をｑとする。さらに、半導体の誘電率をεとし、Ｎ型半導体領域３とＰ型半導体領域８のＰＮ接合間の電位差をＶとし、Ｎ型半導体領域３に挟まれたＰ型半導体領域８の長さをＤとする。
【００６６】
【数３】
2022002288.tif 000005
【００６７】
上記式（２）において、Ｄの次元は、［ｍ］であり、ｑの次元は、［Ｃ］であり、ＮｄおよびＮａの次元は［ｍ−３］であり、εの次元は［Ｆ／ｍ］であり、Ｖの次元は［Ｖ］である。すなわち、上記式（２）の次元を抽出すると、以下の式（３）となる。
【００６８】
【数４】
2022002288.tif 000006
【００６９】
また、Ｑ＝ＣＶより［Ｃ］＝［Ｆ］［Ｖ］なので、上記式（３）を展開すると、以下の式（４）となる。
【００７０】
【数５】
2022002288.tif 000007
【００７１】
図６では、Ｎ型半導体領域３とＰ型半導体領域８とは同じ深さに形成されているが、Ｐ型半導体領域８はＮ型半導体領域３よりも浅い位置に形成されていてもよい。また、Ｐ型半導体領域８は、第１面４０Ａの一部を構成するように構成されているが、第１面４０Ａから離れて形成されてもよい。
【００７２】
図６では、Ｐ型半導体領域８は、不純物濃度の勾配を有さないが、第１面４０Ａと平行な方向、及び、深さ方向の少なくとも一方において不純物濃度の勾配を有してもよい。
【００７３】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、特許文献１に比べて、画素ピッチを縮小することが可能となる。また、第１分離部２０と第２面との間の領域で生成された電荷は信号として読み出さないようにすることができるため、Ｎ型半導体領域１ごとに感度領域を分けることができ、信号を分離することができる。
【００７４】
＜第３の実施形態＞
図９〜図１１を用いて第３の実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。第３の実施形態は、第１分離部２０を、Ｎ型半導体領域３と、トレンチ分離部９と、により構成する点が第１の実施形態とは異なる。以下で説明する事項以外は、実質的に第１の実施形態と同様の構成とすることができる。
【００７５】
図８は、第３の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の一部を拡大した平面図である。図１０及び図１１は、図９のＡ−Ａ’概略断面図である。
【００７６】
トレンチ分離部９は、図１０に示すＳＴＩ、または図１１に示すＤＴＩ（Ｄｅｅｐ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）により構成することができる。例えば、トレンチ分離部９の一端は、Ｎ型半導体領域１よりも深い位置まで形成される。
【００７７】
トレンチ分離部９には、酸化物により構成される誘電体材料、誘電体膜を介して配されるポリシリコン、及び金属の少なくともいずれかが埋め込まれている。
【００７８】
トレンチ分離部９の側面には、トレンチ分離部９と半導体領域３との界面に形成され得る欠陥を不活性化する第１導電型の不純物領域が配されていてもよい。
【００７９】
また、裏面照射型センサの場合、トレンチは第２面側から形成されていてもよい。
【００８０】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、特許文献１に比べて、画素ピッチを縮小することが可能となる。また、トレンチ分離部９がＤＴＩにより構成される場合は、アバランシェダイオードでの発光の影響による隣り合う画素間での混色を低減することができる。
【００８１】
＜第４の実施形態＞
図１２及び図１３を用いて第４の実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。第４の実施形態では、Ｎ型半導体領域１、Ｎ型半導体領域１０、及びＰ型半導体領域１１によりアバランシェダイオードが構成されている。Ｐ型半導体領域１１は、Ｎ型半導体領域２、３、及びＰ型半導体領域５よりも深い位置にも設けられている。そして、Ｐ型半導体領域４とＰ型半導体領域１１とは、Ｐ型半導体領域５を介して繋がっている。これらの構成以外は、第１の実施形態と同様である。以下で説明する事項以外は、実質的に第１の実施形態と同様の構成とすることができる。
【００８２】
Ｎ型半導体領域１０は、Ｎ型半導体領域１よりも低い不純物濃度の半導体領域である。また、Ｎ型半導体領域１０は、Ｎ型半導体領域３よりも高い不純物濃度の半導体領域である。Ｎ型半導体領域１０がＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域１１との間に形成されることにより、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１１との間で生じる電界強度を調整することができる。また、Ｎ型半導体領域１０が配されることにより、第１の実施形態に比べて、深部で発生した光電荷を検出しやすくなり、長波長感度を向上することが可能となる。
【００８３】
Ｐ型半導体領域１１は、ある断面において、一方のコンタクトプラグ７の下方から他方のコンタクトプラグ７の下方まで連続的に配されている。Ｐ型半導体領域１１が配されていることにより、基板の第２面４０Ｂで生じ得る不要な信号電荷がＮ型半導体領域１に読み出されることを防ぐことができる。図１２には、Ｐ型半導体領域４、５、１１により、区画されており、区画された領域に２つの４つのアバランシェダイオードが配されている。
【００８４】
Ｐ型半導体領域４を介してＰ型半導体領域５は、Ｐ型半導体領域１１に電位を供給することができる。Ｐ型半導体領域５はＰ型半導体領域４よりも不純物濃度の低い半導体領域である。
【００８５】
Ｐ型半導体領域１１は深さ方向に濃度勾配を持っていてもよい。また、図１２において、Ｐ型半導体領域４とＮ型半導体領域２との間に耐圧を確保するためのトレンチ分離部が配されていても良い。
【００８６】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、特許文献１に比べて、画素ピッチを縮小することが可能となる。また、第１の実施形態に比べて深部で発生した光電荷を検出しやすくなり、長波長感度を向上することが可能となる。
【００８７】
＜第５の実施形態＞
図１４を用いて第５の実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。第５の実施形態においては、第２分離部２０が、Ｎ型半導体領域３とＰ型半導体領域８により構成されている。Ｐ型半導体領域８は、第２の実施形態のＰ型半導体領域８と同様であるため説明を省略する。また、第２分離部２０以外の構成は、第４の実施形態で説明した通りであるため、説明を省略する。
【００８８】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、特許文献１に比べて、画素ピッチを縮小することが可能となる。また、第１の実施形態に比べて深部で発生した光電荷を検出しやすくなり、長波長感度を向上することが可能となる。
【００８９】
＜第６の実施形態＞
図１５及び図１６を用いて第６の実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。図１５は、第６の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の一部を拡大した平面図である。図１６は、図１５のＡ−Ａ’概略断面図である。第６の実施形態においては、各画素の感度領域を物理的に分離するＰ型半導体領域が配されている。また、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１１との間にＰ型半導体領域１２が配され、Ｐ型半導体領域１２とＰ型半導体領域１１との間に光電変換領域１３が配されている。そして、第１分離部２０とＰ型半導体領域１１との間にＰ型半導体領域５が配されている。これらの構成以外は、第４の実施形態と同様である。以下で説明する事項以外は、実質的に第４の実施形態と同様の構成とすることができる。
【００９０】
Ｐ型半導体領域１２は、Ｎ型半導体領域１とＰＮ接合を形成している。このＰＮ接合近傍でアバランシェ増倍が生じ得る。Ｐ型半導体領域１２は、断面視で、一方のＰ型半導体領域５から他方のＰ型半導体領域５まで連続的に配されている。
【００９１】
Ｐ型半導体領域１２とＰ型半導体領域１１との間には、光電変換領域１３が配されている。
【００９２】
光電変換領域１３は、Ｎ型半導体領域１よりも低い不純物濃度のＮ型半導体領域又はＰ型半導体領域５および１１よりも低い不純物濃度のＰ型半導体領域により構成される。
【００９３】
図１５では、Ｐ型半導体領域４とＮ型半導体領域２とは離間しているが、Ｐ型半導体領域４とＮ型半導体領域２とは接していてもよい。
【００９４】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、特許文献１に比べて、画素ピッチを縮小することが可能となる。また、本実施形態によれば、光電変換領域をＰ型半導体領域５により物理的に分離しているため、電荷のクロストークを低減しやすくなる。さらに、第１の実施形態に比べてアバランシェ増倍領域を小さくすることができるため、感度を維持しながら暗電流を低減することができる。
【００９５】
＜第７の実施形態＞
図１７及び図１８を用いて第７の実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。図１７は、第７の実施形態に係る光電変換装置の画素領域の一部を拡大した平面図である。図１８は、図１７のＡ−Ａ’概略断面図である。第７の実施形態においては、第１の分離部２０が、Ｎ型半導体領域３とＰ型半導体領域８とにより構成されている。また、第１面と平行な方向において、Ｐ型半導体領域１２の間には、Ｐ型半導体領域１４が配されており、光電変換領域間にはＮ型半導体領域１５が配されている。これらの構成以外は、第６の実施形態と同様である。以下で説明する事項以外は、実質的に第６の実施形態と同様である。
【００９６】
平面視で、Ｐ型半導体領域１４は、Ｐ型半導体領域１２により取り囲まれている。Ｐ型半導体領域１４は、Ｐ型半導体領域１２よりも低い不純物濃度のＰ型半導体領域である。Ｐ型半導体領域１４とＮ型半導体領域１とによりＰＮ接合が形成され、当該ＰＮ接合近傍で信号電荷がアバランシェ増倍される。Ｐ型半導体領域１４は、Ｐ型半導体領域１２に比べて電子に対するポテンシャルの高さが低くなっている。したがって、生成された信号電荷がＰ型半導体領域１４に収集されやすくなり、Ｐ型半導体領域１４とＮ型半導体領域１とのＰＮ接合界面を通りやすくなる。
【００９７】
Ｐ型半導体領域１４とＰ型半導体領域１１との間には、Ｎ型半導体領域１５が配されている。Ｎ型半導体領域１５は、半導体領域１よりも低い不純物濃度である。半導体領域１４がＮ型半導体領域の場合は、半導体領域１４よりも低い不純物濃度とする。
【００９８】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、特許文献１に比べて、画素ピッチを縮小することが可能となる。また、第６の実施形態と同様に、電荷のクロストークを抑制することができる。また、電荷をＮ型半導体領域１に収集しやすくなる。
【００９９】
＜第８の実施形態＞
図１９を用いて第８の実施形態に係る光電変換装置について説明する。本実施形態に係る光電変換装置は、図２の画素１１０のアバランシェダイオード２０１が配されている基板と、カウンタ回路２０４やクエンチ素子２０２が配されている基板と、が分かれている。そして、各基板を積層して接合することにより、光電変換装置を構成している。
【０１００】
本実施形態では、各マイクロレンズが平面視で各アバランシェダイオードに重なるように配されている。
【０１０１】
図１９は、コンタクトプラグが接続されていない側の面である第２面の側から光を入射させている。したがって、基板１６の第２面の側にマイクロレンズ１８及びカラーフィルタ１９が配されている。基板１６の第１面の側から光を入射させる場合は、マイクロレンズ１８及びカラーフィルタ１９は、第１面の側に配置される。
【０１０２】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、特許文献１に比べて、画素ピッチを縮小することが可能となる。また、回路部を基板１７の側に配置することにより、基板１６の面積を小さくすることができる。
【０１０３】
図１９では、上述の構成以外は、第７の実施形態で説明したアバランシェダイオードの構成を採用している。なお、第１乃至第６の実施形態で説明したアバランシェダイオードの構成を採用してもよい。この場合は、図１９と同様に、各実施形形態に記載のＮ型半導体領域１にコンタクトプラグ６が接続されることになる。
【０１０４】
＜第９の実施形態＞
図２０を用いて第９の実施形態の光電変換装置について説明する。本実施形態に係る光電変換装置は、１つのマイクロレンズを通過した光が複数のアバランシェダイオードに入射するように構成されている。これ以外の構成は、第７の実施形態と同様である。
【０１０５】
本実施形態によれば、画素ピッチを縮小しながら、深度検出を行うことが可能となる。
【０１０６】
＜第１０の実施形態＞
図２１を用いて、各実施形態の光電変換装置を用いた光電変換システムの一例を説明する。図２１を用いて光検出システムの一例である不可視光検出システムおよびＰＥＴ等の医療診断システムについて説明する。図１〜図２０と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。なお、本実施例の画素は、図２のカウンタ回路の代わりにＴＤＣとメモリを有する。ここでは、ＴＤＣをＴＤＣ２０４とし、メモリをメモリ２０５として説明する。
【０１０７】
図２１は、不可視光検出システムの構成を説明するブロック図である。不可視光検出システムは、波長変換部３０１、データ処理部３０７を有し、光電変換装置１０１０を複数有する。
【０１０８】
照射物３００は、不可視光となる波長帯の光を照射する。波長変換部３０１は、照射物３００から照射された不可視光となる波長帯の光を受光し、可視光を照射する。
【０１０９】
波長変換部３０１から照射された可視光が入射したアバランシェダイオード２０１は光電変換を行う。そして、制御部２０２、波形整形部２０３、ＴＤＣ２０４を介して、光電変換装置１０１０は光電変換した電荷に基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ２０５に保持する。複数の光電変換装置１０１０は、一つの装置として形成されていてもよいし複数の装置が配列することで形成されてもよい。
【０１１０】
複数の光電変換装置１０１０のメモリ２０５で保持された複数のデジタル信号は、データ処理部１２０７によって信号処理が行われる。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像の合成処理を行う。
【０１１１】
次に不可視光検出システムの具体的な例としてＰＥＴ等の医療診断システムの構成について説明する。
【０１１２】
照射物３００である被験者は、生体内から放射線対を放出する。波長変換部３０１は、シンチレータを構成し、シンチレータは、被験者から放出された放射線対が入射すると可視光を照射する。
【０１１３】
シンチレータから照射された可視光が入射されたアバランシェダイオード２０１は光電変換し、制御部２０２、波形整形部２０３、ＴＤＣ２０４を介して、光電変換装置１０１０は光電変換した電荷に基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ２０５に保持する。つまり、光電変換装置１０１０は、被験者から放出された放射線対の到達時間を検出するために配され、シンチレータから照射された可視光を検出し、デジタル信号をメモリ２０５に保持する。
【０１１４】
複数の光電変換装置１０１０のメモリ２０５で保持されたデジタル信号は、データ処理部３０７において信号処理される。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像を用いて画像再構成などの合成処理を行い、被験者の生体内の画像の形成を行う。
【０１１５】
＜第１１の実施形態＞
図２２は、本実施形態に係る光電変換システム１２００の構成を示すブロック図である。本実施形態の光電変換システム１２００は、光電変換装置１２１５を含む。ここで、光電変換装置１２１５は、上述の実施形態で述べた光電変換装置のいずれかを適用することができる。光電変換システム１２００は例えば、撮像システムとして用いることができる。撮像システムの具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラ等が挙げられる。図２１では、光電変換システム１２００としてデジタルスチルカメラの例を示している。
【０１１６】
図２２に示す光電変換システム１２００は、光電変換装置１２１５、被写体の光学像を光電変換装置１２１５に結像させるレンズ１２１３、レンズ１２１３を通過する光量を可変にするための絞り１２１４、レンズ１２１３の保護のためのバリア１２１２を有する。レンズ１２１３および絞り１２１４は、光電変換装置１２１５に光を集光する光学系である。
【０１１７】
光電変換システム１２００は、光電変換装置１２１５から出力される出力信号の処理を行う信号処理部１２１６を有する。信号処理部１２１６は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。光電変換システム１２００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部１２０６、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）１２０９を有する。更に光電変換システム１２００は、撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体１２１１、記録媒体１２１１に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）１２１０を有する。記録媒体１２１１は、光電変換システム１２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１２１０から記録媒体１２１１との通信や外部Ｉ／Ｆ部１２０９からの通信は無線によってなされてもよい。
【０１１８】
更に光電変換システム１２００は、各種演算を行うとともにデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１２０８、光電変換装置１２１５と信号処理部１２１６に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１２１７を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、光電変換システム１２００は、少なくとも光電変換装置１２１５と、光電変換装置１２１５から出力された出力信号を処理する信号処理部１２１６とを有すればよい。第４の実施形態にて説明したようにタイミング発生部１２１７は光電変換装置に搭載されていてもよい。全体制御・演算部１２０８およびタイミング発生部１２１７は、光電変換装置１２１５の制御機能の一部または全部を実施するように構成してもよい。
【０１１９】
光電変換装置１２１５は、画像用信号を信号処理部１２１６に出力する。信号処理部１２１６は、光電変換装置１２１５から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部１２１６は、画像用信号を用いて、画像を生成する。また、信号処理部１２１６は、光電変換装置１２１５から出力される信号に対して測距演算を行ってもよい。なお、信号処理部１２１６やタイミング発生部１２１７は、光電変換装置に搭載されていてもよい。つまり、信号処理部１２１６やタイミング発生部１２１７は、画素が配された基板に設けられていてもよいし、別の基板に設けられている構成であってもよい。上述した各実施形態の光電変換装置を用いて撮像システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な撮像システムを実現することができる。
【０１２０】
＜第１２の実施形態＞
本実施形態の光電変換システムおよび移動体について、図２３及び図２４用いて説明する。図２３は、本実施形態による光電変換システムおよび移動体の構成例を示す概略図である。図２４は、本実施形態による光電変換システムの動作を示すフロー図である。本実施形態では、光電変換システムとして、車載カメラの一例を示す。
【０１２１】
図２３は、車両システムとこれに搭載される撮像を行う光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム１３０１は、光電変換装置１３０２、画像前処理部１３１５、集積回路１３０３、光学系１３１４を含む。光学系１３１４は、光電変換装置１３０２に被写体の光学像を結像する。光電変換装置１３０２は、光学系１３１４により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。光電変換装置１３０２は、上述の各実施形態のいずれかの光電変換装置である。画像前処理部１３１５は、光電変換装置１３０２から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部１３１５の機能は、光電変換装置１３０２内に組み込まれていてもよい。光電変換システム１３０１には、光学系１３１４、光電変換装置１３０２および画像前処理部１３１５が、少なくとも２組設けられており、各組の画像前処理部１３１５からの出力が集積回路１３０３に入力されるようになっている。
【０１２２】
集積回路１３０３は、撮像システム用途向けの集積回路であり、メモリ１３０５を含む画像処理部１３０４、光学測距部１３０６、測距演算部１３０７、物体認知部１３０８、異常検出部１３０９を含む。画像処理部１３０４は、画像前処理部１３１５の出力信号に対して、現像処理や欠陥補正等の画像処理を行う。メモリ１３０５は、撮像画像の一次記憶、撮像画素の欠陥位置を格納する。光学測距部１３０６は、被写体の合焦や、測距を行う。測距演算部１３０７は、複数の光電変換装置１３０２により取得された複数の画像データから測距情報の算出を行う。物体認知部１３０８は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部１３０９は、光電変換装置１３０２の異常を検出すると、主制御部１３１３に異常を発報する。
【０１２３】
集積回路１３０３は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
【０１２４】
主制御部１３１３は、光電変換システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０等の動作を統括・制御する。主制御部１３１３を持たず、光電変換システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０が個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う（例えばＣＡＮ規格）方法も取り得る。
【０１２５】
集積回路１３０３は、主制御部１３１３からの制御信号を受け或いは自身の制御部によって、光電変換装置１３０２へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。
【０１２６】
光電変換システム１３０１は、車両センサ１３１０に接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの自車両走行状態および自車外環境や他車・障害物の状態を検出することができる。車両センサ１３１０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段でもある。また、光電変換システム１３０１は、自動操舵、自動巡行、衝突防止機能等の種々の運転支援を行う運転支援制御部１３１１に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、光電変換システム１３０１や車両センサ１３１０の検出結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。
【０１２７】
また、光電変換システム１３０１は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置１３１２にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部１３１３は、ブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして、衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１３１２は、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムやメーターパネルなどの表示部画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
【０１２８】
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方または後方を光電変換システム１３０１で撮影する。図２３（ｂ）に、車両前方を光電変換システム１３０１で撮像する場合の光電変換システム１３０１の配置例を示す。
【０１２９】
２つの光電変換装置１３０２は、車両１３００の前方に配される。具体的には、車両１３００の進退方位または外形（例えば車幅）に対する中心線を対称軸に見立て、その対称軸に対して２つの光電変換装置１３０２が線対称に配されると、車両１３００と被写対象物との間の距離情報の取得や衝突可能性の判定を行う上で好ましい。また、光電変換装置１３０２は、運転者が運転席から車両１３００の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない配置が好ましい。警報装置１３１２は、運転者の視野に入りやすい配置が好ましい。
【０１３０】
次に、光電変換システム１３０１における光電変換装置１３０２の故障検出動作について、図２４を用いて説明する。光電変換装置１３０２の故障検出動作は、図２４に示すステップＳ１４１０〜Ｓ１４８０に従って実施される。
【０１３１】
ステップＳ１４１０は、光電変換装置１３０２のスタートアップ時の設定を行うステップである。すなわち、光電変換システム１３０１の外部（例えば主制御部１３１３）または光電変換システム１３０１の内部から、光電変換装置１３０２の動作のための設定を送信し、光電変換装置１３０２の撮像動作および故障検出動作を開始する。
【０１３２】
次いで、ステップＳ１４２０において、有効画素から画素信号を取得する。また、ステップＳ１４３０において、故障検出用に設けた故障検出画素からの出力値を取得する。この故障検出画素は、有効画素と同じく光電変換部を備える。この光電変換部には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出用画素は、この光電変換部に書き込まれた電圧に対応する信号を出力する。なお、ステップＳ１４２０とステップＳ１４３０とは逆でもよい。
【０１３３】
次いで、ステップＳ１４４０において、故障検出画素の出力期待値と、実際の故障検出画素からの出力値との該非判定を行う。ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、ステップＳ１４５０に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、処理ステップがステップＳ１４６０へと移行する。ステップＳ１４６０では、走査行の画素信号をメモリ１３０５に送信して一次保存する。そののち、ステップＳ１４２０に戻り、故障検出動作を継続する。一方、ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、処理ステップはステップＳ１４７０に移行する。ステップＳ１４７０において、撮像動作に異常があると判定し、主制御部１３１３、または警報装置１３１２に警報を発報する。警報装置１３１２は、表示部に異常が検出されたことを表示させる。その後、ステップＳ１４８０において光電変換装置１３０２を停止し、光電変換システム１３０１の動作を終了する。
【０１３４】
なお、本実施形態では、１行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、１フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。ステップＳ１４７０の警報の発報は、無線ネットワークを介して、車両の外部に通知するようにしてもよい。
【０１３５】
また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、光電変換システム１３０１は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
【０１３６】
本発明の光電変換装置は、更に、距離情報など各種情報を取得可能な構成であってもよい。
【０１３７】
＜第１３の実施形態＞
図２５は、前述の実施形態に記載の光電変換装置を利用した電子機器である距離画像センサの構成例を示すブロック図である。
【０１３８】
図２５に示すように、距離画像センサ４０１は、光学系４０２、光電変換装置４０３、画像処理回路４０４、モニタ４０５、およびメモリ４０６を備えて構成される。そして、距離画像センサ４０１は、光源装置４１１から被写体に向かって投光され、被写体の表面で反射された光（変調光やパルス光）を受光することにより、被写体までの距離に応じた距離画像を取得することができる。
【０１３９】
光学系４０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を光電変換装置４０３に導き、光電変換装置４０３の受光面（センサ部）に結像させる。
【０１４０】
光電変換装置４０３としては、上述した各実施形態の光電変換装置が適用され、光電変換装置４０３から出力される受光信号から求められる距離を示す距離信号が画像処理回路４０４に供給される。
【０１４１】
画像処理回路４０４は、光電変換装置４０３から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行う。そして、その画像処理により得られた距離画像（画像データ）は、モニタ４０５に供給されて表示されたり、メモリ４０６に供給されて記憶（記録）されたりする。
【０１４２】
このように構成されている距離画像センサ４０１では、上述した光電変換装置を適用することで、画素の特性向上に伴って、例えば、より正確な距離画像を取得することができる。
【０１４３】
＜第１４の実施形態＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
【０１４４】
図２６は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【０１４５】
図２６では、術者（医師）１１３１が、内視鏡手術システム１０００を用いて、患者ベッド１１３３上の患者１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１０００は、内視鏡１１００と、術具１１１０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１４０と、から構成される。
【０１４６】
内視鏡１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１０１と、鏡筒１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１００を図示しているが、内視鏡１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
【０１４７】
鏡筒１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１００には光源装置１２０３が接続されており、光源装置１２０３によって生成された光が、鏡筒１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
【０１４８】
カメラヘッド１１０２の内部には光学系及び光電変換装置が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該光電変換装置に集光される。当該光電変換装置によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該光電変換装置としては、前述の各実施形態に記載の光電変換装置を用いることができる。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：  Ｃａｍｅｒａ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１２０１に送信される。
【０１４９】
ＣＣＵ１２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１００及び表示装置１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１２０１は、カメラヘッド１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
【０１５０】
表示装置１２０２は、ＣＣＵ１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
【０１５１】
光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１００に供給する。
【０１５２】
入力装置１２０４は、内視鏡手術システム１０００に対する入力インターフェースである。ユーザは、入力装置１２０４を介して、内視鏡手術システム１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。
【０１５３】
処置具制御装置１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１２の駆動を制御する。
【０１５４】
内視鏡１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
【０１５５】
また、光源装置１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【０１５６】
また、光源装置１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用する。具体的には、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
【０１５７】
図２７は、図２６に示すカメラヘッド１１０２及びＣＣＵ１２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。
【０１５８】
カメラヘッド１１０２は、レンズユニット１４０１と、光電変換装置１４０２と、駆動部１４０３と、通信部１４０４と、カメラヘッド制御部１４０５と、を有する。ＣＣＵ１２０１は、通信部１４１１と、画像処理部１４１２と、制御部１４１３と、を有する。カメラヘッド１１０２とＣＣＵ１２０１とは、伝送ケーブル１４００によって互いに通信可能に接続されている。
【０１５９】
レンズユニット１４０１は、鏡筒１１０１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１０２まで導光され、当該レンズユニット１４０１に入射する。レンズユニット１４０１は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
【０１６０】
光電変換装置１４０２としては、前述の各実施形態の光電変換装置を用いることができる。光電変換装置１４０２は、１つの光電変換装置により構成されていてもよいし、複数の光電変換装置により構成されていてもよい。光電変換装置１４０２が複数の光電変換装置により構成される場合には、例えば各光電変換装置によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、光電変換装置１４０２は、３Ｄ（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の光電変換装置を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、光電変換装置１４０２が複数の光電変換装置で構成される場合には、各光電変換装置に対応して、レンズユニット１４０１も複数系統設けられ得る。
【０１６１】
駆動部１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１４０５からの制御により、レンズユニット１４０１のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、光電変換装置１４０２による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
【０１６２】
通信部１４０４は、ＣＣＵ１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１４０４は、光電変換装置１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１４００を介してＣＣＵ１２０１に送信する。
【０１６３】
また、通信部１４０４は、ＣＣＵ１２０１から、カメラヘッド１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
【０１６４】
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１２０１の制御部１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ（Ａｕｔｏ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）機能、ＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）機能及びＡＷＢ（Ａｕｔｏ  Ｗｈｉｔｅ  Ｂａｌａｎｃｅ）機能が内視鏡１１００に搭載されていることになる。
【０１６５】
カメラヘッド制御部１４０５は、通信部１４０４を介して受信したＣＣＵ１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１０２の駆動を制御する。
【０１６６】
通信部１４１１は、カメラヘッド１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１４１１は、カメラヘッド１１０２から、伝送ケーブル１４００を介して送信される画像信号を受信する。
【０１６７】
また、通信部１４１１は、カメラヘッド１１０２に対して、カメラヘッド１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
【０１６８】
画像処理部１４１２は、カメラヘッド１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
【０１６９】
制御部１４１３は、内視鏡１１００による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１４１３は、カメラヘッド１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。
【０１７０】
また、制御部１４１３は、画像処理部１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１２０２に表示させる。この際、制御部１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１４１３は、表示装置１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１３１に提示されることにより、術者１１３１の負担を軽減することや、術者１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。
【０１７１】
カメラヘッド１１０２及びＣＣＵ１２０１を接続する伝送ケーブル１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
【０１７２】
ここで、図示する例では、伝送ケーブル１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１０２とＣＣＵ１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。
【０１７３】
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、内視鏡１１００や、カメラヘッド１１０２（の光電変換装置１４０２）等に適用され得る。内視鏡１１００や、カメラヘッド１１０２（の光電変換装置１４０２）等に本開示に係る技術を適用することにより、アバランシェ増幅により発生するアフターパルスによる影響を低減させることが可能となる。
【０１７４】
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
【０１７５】
＜第１５の実施形態＞
図２８と図２９を用いて、第１５の実施形態に係る光電変換システムについて説明する。
【０１７６】
図２８（ａ）は、タイムゲーティングＴｏＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）の駆動を示す図である。レーザパルス光は、距離計測対象の物体に向けて複数回照射される。物体により反射した光はΔｔの遅延と共に、検出器（上記で説明した光電変換装置）で検出される。典型的なタイムゲートの測定は、ゲートウインドウ（光電変換装置による光検出期間）を少しずつシフトさせて走査し、連続したフレームの情報を取得する。各位置のゲートウインドウにおいては、フォトンカウンティングをＮ回分積算する。細かくゲート走査をすると時間分可能が向上するが、計測時間が長くなるというデメリットがある。
【０１７７】
図２８（ｂ）は、測定結果をヒストグラムにしたものである。ヒストグラムには、バックグラウンドのフォトンカウント値、反射レーザパルスがゲートウインドウ外にある場合の暗電流成分の値が含まれている。ヒストグラムにおいては、反射光のピーク強度が、バックグラウンド成分のカウント値よりも大きい場合に、反射光のカウント値のプロファイルは、矩形分布となる。この矩形分布は、ゲートウインドウの長さに対応した幅を有する。遅延時間Δｔはカウント値のプロファイルの立ち上がりまたは立ち下りから求めることができる。物体から検出器までの距離Ｌは、Ｌ＝ｃΔｔ／２で計算される。ここで、ｃは光速である。
【０１７８】
図２８（ｃ）は、タイムゲート型ＳＰＡＤ画素を示すものである。アバランシェダイオード２０１には、クエンチ素子２０２としてのトランジスタが接続されている。クエンチ素子２０２は、電子なだれ（アバランシェブレイクダウン）を抑制させるための素子である。グローバルゲートスイッチ２８０がオフからオンになると、アバランシェダイオード２０１からの出力信号が選択的にメモリ２８１に出力される。ゲートの制御パルスは、数ナノ秒程度であり、レーザパルスの照射と同期して制御される。画素ごとに設けられているメモリ２８１は、図２のカウンタ回路２０４の中に設けられており、メモリ２８１に格納された信号は出力部２８２を介して読み出される。なお、クエンチ素子２０２のゲート電圧ＶＱには一定の電圧を与えてもよい。また、グローバルゲートスイッチ２８０をオン状態にする前にアバランシェダイオード２０１を強制的にリチャージするために、ＶＱにパルス信号を入れる駆動を行ってもよい。
【０１７９】
図２９は、ゲートウインドウプロファイル、反射光分布、検出強度を示した図である。検出強度ｈ（ｔ）は、二つの関数の畳み込み演算（コンボリューション）となる。すなわち、ゲートウインドウプロファイルｆ（ｔ）と、反射光分布ｇ（ｔ）の畳み込みが検出強度ｈ（ｔ）となる。図２９において、上の図は１つの反射ピークを示しており、下の図は２つの反射ピークを示している。実際の計測環境では、検出される強度プロファイルは複雑な形となる。例えば、半透明体（半反射体）を介して、物体にレーザ光が照射される場合などである。この場合、ガラスや透明プラスチックなどの半透明体で反射される光と、半透明体を透過して物体に照射され、物体で反射される光の両方が検出されることになる。図２９の下の図はこのような測定例を示したものである。検出強度ｈ（ｔ）は測定データであり、ゲートウインドウプロファイルｆ（ｔ）は、既知であるため、反射光分布ｇ（ｔ）は逆畳み込み演算（デコンボリューション）によって取得することができる。反射光分布ｇ（ｔ）が取得できれば、半透明体や物体までの距離情報を取得でき、物体までの距離情報のみを分離することもできる。
【０１８０】
本実施形態は、第１３の実施形態で説明した距離画像センサの一種であり、上記した検出と距離情報の演算を光電変換装置４０３で行う。取得された距離信号に基づいて距離画像の形成を画像処理回路４０４で行う。形成された距離画像は、モニタ４０５に供給されて表示されたり、メモリ４０６に供給された記憶されたりする。
【０１８１】
（実験例）
図３０は、第１５の実施形態の実験例を示すものである。
【０１８２】
図３０（ａ）は、実験のセットアップを示す図である。５１０ｎｍのレーザ３２０からは、４０ＭＨｚでパルスレーザ光が照射される。光拡散部材３３０により拡散されたパルスレーザ光は物体３５０に照射される。パルス発生器３２５により、ＳＰＡＤカメラ３１０とレーザ３２０は同期するように構成されている。プラスチックで構成された透明板３４０は、ＳＰＡＤカメラ３１０と物体３５０との間に設けられている。
【０１８３】
図３０（ｂ）（ｃ）は、物体３５０の特定の場所に対応した画素における、ゲートウインドウの位置（ゲート位置）と検出されたカウント値との関係を示したものである。図３０（ｂ）は、透明板３４０を設けない場合のプロファイルであり、図３０（ｃ）は、透明板３４０を設けた場合のプロファイルである。図３０（ｃ）のプロファイルは、２段階の立ち上がり（位置４０、位置１００）を有している。この２段階の立ち上がりを有するプロファイルは、透明板３４０と物体３５０からの２重反射に対応している。図３０の測定プロファイルから反射光分布を取得し、反射光分布から距離情報を取得する。２次元に配置された各画素において、距離情報と光強度分布情報を取得し、光強度分布情報をモノクロで表示し、距離情報をカラーで表示すれば、３次元イメージングが可能となる。
【０１８４】
また、距離情報が求まれば、距離範囲を指定した３次元イメージングも可能である。例えば、ＳＰＡＤカメラからの距離が近い信号と、ＳＰＡＤカメラからの距離が遠い信号とを分離して、別々の３次元イメージング画像を形成することが可能である。
【０１８５】
例えば、透明板が車の窓ガラスであり、窓ガラスの奥の物体のみを観察したい場合、一般的に使われている間接型ＴｏＦ方式等を用いて窓ガラスと物体の両方の距離画像形成を行うと、窓ガラスによる反射の影響で距離計測に誤差が生じる場合がある。この場合、第１２の実施形態で説明したように、距離計測で移動体（例：自動車）を制御する場合には、意図しない制御となり安全面で問題が生じる可能性がある。本実施形態によれば、カメラからの距離が異なる物体を別々に３次元イメージングすることができるため、このような懸念が低減できる。
【０１８６】
＜第１６の実施形態＞
図３１を用いて、第１６の実施形態である光電変換装置について説明する。
【０１８７】
図３１（ａ）は、画素の回路図である。具体的には、図２の光電変換部１０１が有する回路を示すものである。アバランシェダイオードで発生したアバランシェ電流はＶＱＲで制御されるクエンチトランジスタＭＱを介して電圧に変換される。電圧パルスは、ＶＧで制御されるゲーティングトランジスタＭＧを介して、プルダウントランジスタＭＰＤに転送される。この結果、フィードバックトランジスタＭＦＢがオフ状態になる。これにより、クエンチトランジスタＭＱのソースが非接続状態となり、ＳＰＡＤにおいてクエンチ機能を無効化する。プルダウントランジスタＭＰＤのドレイン電圧は、チップ全体の信号が読み出されるまで、グランド電圧（接地電圧）の近くに十分長い時間維持される。次の光検出のために、ＶＤＤＨ−ＶＴＨ−ＶＤＳＡＴの電位にチャージされる。その後、フィードバックトランジスタＭＦＢがオフ状態からオン状態に戻る。ＶＳＷで制御されるトランジスタＭＳＷは、プルダウントランジスタＭＰＤのドレインおよびトランジスタＭＲＳのソースと接続され、トランジスタＭＲＳのソースは、制御信号ＶＲＥＳを通じて、ＶＤＤ−ＶＴＨにプレチャージされる。ＶＳＥＬによってトランジスタＭＳＥＬがオン状態になると、トランジスタＭＰＤＯは、列全体のプルダウンに用いられる。例えば、行は行順次で選択される。
【０１８８】
ここで、点線で示した、トランジスタＭＲＳ、トランジスタＭＰＤＯ、トランジスタＭＳＥＬは、複数の画素（複数のアバランシェダイオード）で共有されている。具体的には、２行２列の４画素（４つのアバランシェダイオード）で共有されている。複数の画素で、同一の回路を共有していることから、同じ面積に対して、より多くのアバランシェダイオードを配置することができる。上記実施形態では、図５に示すように、第１分離部２０によって形成されるポテンシャルバリアを第２分離部３０により形成されるポテンシャルバリアよりも低くすることにより、クロストークを低減しつつ、画素サイズを小さくした。これに加えて、本実施形態の画素回路を用いれば、アレイ化した際に、より画素サイズを小さくすることができるため、より多画素のＳＰＡＤアレイセンサを提供できる。
【０１８９】
本実施形態の画素が有するフィードバックループは、フレーム中のその後のアバランシェ発生を防止することができる。フィードバックループは、カソード電圧ノードＶＯＰからの電流を抑制することができる。１０万カウントを越える場合には電力散逸に影響を与える可能性があるため、これは大面積のアレイにおいて有利であるといえる。
【０１９０】
図３１（ｂ）は、駆動方法を示す図である。ＶＱＲとＶＧがＨレベルからＬレベルに遷移すると、露光が開始され、ＶＱＲとＶＧがＬレベルからＨレベルに遷移すると、１サブフレーム分の露光が行われる。このとき、サブフレームの露光期間は、ＶＱＲがＨレベルからＬレベルに遷移するタイミングから、ＶＧがＨレベルからＬレベルに遷移するタイミングまでの期間で概ね定義される。サブフレーム期間を複数回繰り返すことで、微弱な光信号に対しても十分な光子カウント値を得ることができる。読み出し期間においては、まずＶＲＥＳをＨレベルとしてＭＲＳのソース端子をリセットする。次に、ＶＳＷをＨレベルとして、ＭＲＳのソース端子に出力信号を書き込む。露光期間中に光子が検出された場合はＬレベル、検出されていない場合はＨレベルとなる。さらに、ＶＳＥＬをＨレベルとして垂直信号線に画素信号を出力する。読み出しが完了した後、ＶＲＥＳ、ＶＳＷ、ＶＱＲ、ＶＧを全て同時にＨレベルとすることで、リセットを行う。
【０１９１】
＜第１７の実施形態＞
図３２、図３３〜図３５を用いて、第１７の実施形態である光電変換装置のフィルタについて説明する。図３２は、各フィルタの分光透過率を示すグラフであり、図３３〜図３５は、本実施形態の光電変換装置におけるフィルタの具体的な配置例である。
【０１９２】
光電変換装置には、基板に配されたアバランシェフォトダイオードに特定の波長成分の光を透過させるようなフィルタが設けられていてもよい。フィルタは、例えば、カラーフィルタ（ＣＦと表記する場合もある）、赤外光フィルタ、赤外光カットフィルタなどである。これらのフィルタを単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
【０１９３】
ＣＦは、例えば、赤、緑、青などの可視光を透過するフィルタである。以下、赤、緑、青を、Ｒ、Ｇ、Ｂと表記する。また、ＲのＣＦが配された画素をＲ画素、ＧのＣＦが配された画素をＧ画素、ＢのＣＦが配された画素をＢ画素と表記する。また、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素をまとめて表記する場合にはＲＧＢ画素と表記することがある。また、以下、赤外光をＩＲと示す。ＩＲを透過するフィルタが配された画素をＩＲ画素と表記する。
【０１９４】
図３２に、フィルタの分光透過率を示す。図３２は、横軸が波長（単位ｎｍ）で、縦軸に分光透過率（単位％）を示したグラフである。まず、可視光の波長の範囲は、一般に４００ｎｍ以上７００ｎｍ未満の範囲であり、赤外光の波長の範囲は、７５０ｎｍ以上１ｍｍ以下である。ここで、ＩＲフィルタの分光透過率は、少なくとも７００ｎｍ以上の波長範囲において５０％以上であり、７００ｎｍ未満の波長範囲において５０％未満である。つまり、ＩＲフィルタとは、主に赤外光を透過させるためのフィルタであり、可視光はカットされている。図１９の実線ＩＲにて示すように、ＩＲフィルタの分光透過率は７４０ｎｍ近傍で９０％以上の値を示しているが、７００ｎｍ以下においては、５０％を超えることはない。一方、可視光フィルタの分光透過率は、７００ｎｍ未満の波長範囲において、５０％以上となる。つまり、可視光フィルタとは、主に可視光を透過させるためのフィルタである。可視光フィルタは、赤外光の波長以下の可視光の波長範囲の光を透過すればよく、例えば、７００ｎｍ未満の波長の光を透過する。図３２の実線Ｒ、Ｇ、Ｂに示すように、可視光フィルタのそれぞれの分光透過率は、７００ｎｍ未満の特定の波長において５０％を超える。例えば、Ｒフィルタの分光透過率のピークは約６５０ｎｍであり、Ｇフィルタの分光透過率のピークは約５５０ｎｍであり、Ｂフィルタの分光透過率のピークは約４５０ｎｍである。可視光フィルタは、一部、赤外光の波長範囲の光を透過する場合があるが、赤外光の影響を除くため、赤外光の波長範囲の光、例えば７００ｎｍ以上の光を透過しないように設計されていてもよい。つまり、可視光フィルタが、いわゆるＩＲカットフィルタとしての機能を有していてもよい。また、可視光フィルタは、例えば、７００ｎｍ以上の光をカットする赤外光カットフィルタを含んでいてもよい。図３２には、ＩＲカットフィルタが光を透過する範囲を例示している。各フィルタの材料は有機材料であっても無機材料であってもよい。なお、光を透過しない、不透明とは、光を１００％透過しないものに限定されない。例えば、光を５０％以上透過しないものを指す。
【０１９５】
図３３（ａ）には、いわゆるベイヤ配列を持つ配置例を記載している。ＣＦの比率Ｒ：Ｇ：Ｂが１：２：１になる。
【０１９６】
図３３（ｂ）には、ＲＧＢＷ１２のＣＦの配置例を示す。この配列では、４×４の画素配列中、各ＣＦがＲ：Ｇ：Ｂ：Ｗ＝１：２：１：１２の比で配置されている。Ｗとは、ホワイト画素であり、ＣＦが配されていない画素である。カラー画素であるＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素のいずれの画素も平面視における上下方向、左右方向、斜め方向のそれぞれにＷ画素が隣接して配されている。すなわち、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の各々は、８つのＷ画素に囲まれている。Ｗ画素は、全画素の３／４の比率を占めている。カラー画素であるＲＧＢ画素の各々がＷ画素で周囲を囲まれていることにより、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素のそれぞれの信号に対し、Ｗ画素の信号を補間する補間精度が向上する。
【０１９７】
図３４は、図３３（ｂ）のＷ画素の代わりにＩＲ画素となる配置例である。このようなフィルタの配置であってもよい。
【０１９８】
また、図３５に示すように、各画素をハニカム状に配置してもよい。図３５ではＩＲ画素が配されているが、ＩＲ画素の代わりにＷ画素であってもよい。
【０１９９】
このように、本実施形態に係る光電変換装置は種々のフィルタの配置を採用することができる。
【０２００】
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
【０２０１】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【０２０２】
例えば、第１７の実施形態ではフィルタを配置する例を示したが、ＣＦやＩＲカットフィルタ、可視光カットフィルタを配さずに、モノクロの光を光電変換する光電変換装置として各実施形態の光電変換装置を用いてもよい。
【符号の説明】
【０２０３】
１  Ｎ型半導体領域
２  Ｎ型半導体領域
３  Ｎ型半導体領域
２０  第１分離部
３０  第２分離部
【図１】
2022002288.tif 000010
【図２】
2022002288.tif 000011
【図３】
2022002288.tif 000012
【図４】
2022002288.tif 000013
【図５】
2022002288.tif 000014
【図６】
2022002288.tif 000015
【図７】
2022002288.tif 000016
【図８】
2022002288.tif 000017
【図９】
2022002288.tif 000018
【図１０】
2022002288.tif 000019
【図１１】
2022002288.tif 000020
【図１２】
2022002288.tif 000021
【図１３】
2022002288.tif 000022
【図１４】
2022002288.tif 000023
【図１５】
2022002288.tif 000024
【図１６】
2022002288.tif 000025
【図１７】
2022002288.tif 000026
【図１８】
2022002288.tif 000027
【図１９】
2022002288.tif 000028
【図２０】
2022002288.tif 000029
【図２１】
2022002288.tif 000030
【図２２】
2022002288.tif 000031
【図２３】
2022002288.tif 000032
【図２４】
2022002288.tif 000033
【図２５】
2022002288.tif 000034
【図２６】
2022002288.tif 000035
【図２７】
2022002288.tif 000036
【図２８】
2022002288.tif 000037
【図２９】
2022002288.tif 000038
【図３０】
2022002288.tif 000039
【図３１】
2022002288.tif 000040
【図３２】
2022002288.tif 000041
【図３３】
2022002288.tif 000042
【図３４】
2022002288.tif 000043
【図３５】
2022002288.tif 000044