(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射により電子およびホールを生成する固体からなる光電変換層と、光電変換層の一表面に絶縁層を介して配列され電圧の印加により光電変換層にポテンシャル井戸である再結合領域を形成する再結合電極と、再結合電極にそれぞれ隣接して配置され電圧の印加により光電変換層にそれぞれポテンシャル井戸である第１待避領域および第２待避領域を形成する第１待避電極および第２待避電極と、再結合領域から電子とホールとの少なくとも一方のキャリアを受光出力として取り出す転送用の取出電極とを有し、再結合領域から第２待避領域にホールを移動させるとともに再結合領域に電子を集積する第１集積期間と、再結合領域から第１待避領域に電子を移動させるとともに再結合領域にホールを集積する第２集積期間とが交互に生じるように、再結合電極に印加する電圧の極性が交互に切り換えられ、再結合領域において電子とホールとが再結合された後に再結合領域に残留するキャリアを取り出すように取出電極に印加する電圧が制御されることを特徴とする光検出素子。
【請求項２】
前記第１待避電極と前記第２待避電極とに印加する電圧がそれぞれ直流電圧であ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】
前記再結合領域に電子を集積する第１集積期間と前記再結合領域にホールを集積する第２集積期間との少なくとも一方の期間の前に、当該期間において再結合領域にキャリアを集積する極性の電圧を再結合電極に印加するとともに、前記第１待避領域と前記第２待避領域との一方から再結合領域に向かって当該キャリアを移動させるように第１待避電極と第２待避電極との一方に印加する電圧の極性を変化させる移動期間を設けたことを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項４】
前記再結合領域にホールを集積する第２集積期間の前に、再結合領域にホールを集積させる極性の電圧を再結合電極に印加するとともに、前記第２待避電極から再結合領域に向かってホールを移動させるように第２待避電極に印加する電圧の極性を変化させる移動期間を設けたことを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項５】
前記第１集積期間および前記第２集積期間は前記移動期間よりも長く設定されていることを特徴とする請求項３または請求項４記載の光検出素子。
【請求項６】
前記第１待避領域と前記第２待避領域との少なくとも一方のポテンシャルは前記再結合領域に同種のキャリアを集積する期間における再結合領域のポテンシャルとは異ならせ、キャリアが再結合領域に向かって移動する向きの電位勾配を付与することを特徴とする請求項２記載の光検出素子。
【請求項７】
前記第２待避領域のポテンシャルは前記再結合領域にホールを集積する期間における再結合領域のポテンシャルとは異ならせ、ホールが第２待避領域から再結合領域に向かって移動する向きの電位勾配を付与することを特徴とする請求項２記載の光検出素子。
【請求項８】
前記光電変換層は、第１導電形の半導体層からなる主機能層と、前記再結合領域に対応する部位において主機能層の主表面に形成され電子とホールとの一方のキャリアを捕捉するように選択された第２導電形の半導体層からなるトラップ層とを備えることを特徴とする請求項１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】
前記再結合電極と前記光電変換層との間の部位に前記トラップ層内で優勢なキャリアをトラップ層から外に押し出す極性の電圧が印加される補助電極が付加されたことを特徴とする請求項８記載の光検出素子。
【請求項１０】
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の制御方法であって、前記光電変換層におけるサブストレートに接合した基板電極の電位を基板電位とし、前記再結合電極に印加する電圧の基板電位に対する極性を交互に変化させることにより光電変換層に電子とホールとが交互に集積されるポテンシャル井戸としての再結合領域を形成し、電子とホールとの一方のキャリアが再結合領域に捕捉されている間に他方のキャリアを再結合領域に集積することにより電子とホールとを再結合させ、その後、取出電極に印加する電圧を制御することにより再結合領域に残留した電子とホールとの少なくとも一方のキャリアを受光出力として取り出すことを特徴とする光検出素子の制御方法。
【請求項１１】
請求項９記載の光検出素子の制御方法であって、前記光電変換層におけるサブストレートに接合した基板電極の電位を基板電位とし、前記再結合電極に印加する電圧の基板電位に対する極性を交互に変化させることにより光電変換層に電子とホールとが交互に集積されるポテンシャル井戸としての再結合領域を形成し、電子とホールとの一方のキャリアが前記トラップ層に捕捉されている間に他方のキャリアを再結合領域に集積するように前記補助電極に印加する電圧を制御し電子とホールとを再結合させ、その後、取出電極に印加する電圧を制御することにより再結合領域に残留した電子とホールとの少なくとも一方のキャリアを受光出力として取り出すことを特徴とする光検出素子の制御方法。
【請求項１２】
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を対象空間からの光の受光に用いる装置であって、対象空間に投光する光の強度が所定の変調周波数の変調信号により変調される発光源と、変調信号と前記再結合電極と前記第１待避電極と前記第２待避電極とに印加する電圧とを制御するタイミング制御回路と、光検出素子の受光出力と変調信号との関係により対象空間の情報を検出する評価部とを備え、タイミング制御回路は、前記第１待避領域と前記再結合領域とに電子を集積する状態と前記第２待避領域と前記再結合領域とにホールを集積する状態とを切換可能であって、両状態の切換により再結合領域に電子とホールとを相互に移動させて再結合させた後に残留した電子とホールとの一方のキャリアを受光出力として取り出させることを特徴とする空間情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出素子、光検出素子の制御方法、空間情報検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤイメージセンサなど各種の光検出素子が知られており、これらの光検出素子は、対象物の有無を受光光量の変化で検出する光電センサ、光を伝送媒体とする光通信、投受光の時間差または位相差を用いたり三角測量法の原理を用いたりすることにより光学的に測距する距離センサ、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像素子など各種用途に広く利用されている。
【０００３】
ところで、これらの用途のうち発光源とともに光検出素子を使用する用途であって、自然光のような環境光が入射する環境で用いる場合には（侵入者を監視する光電センサ、光リモコン装置のような光通信、自動焦点カメラやロボットアイに用いる距離センサ、距離画像を得るために発光源とともに用いる撮像素子など）、光検出素子に対して発光源から放射された信号光のほかに環境光も併せて入射するから、信号光のみを受光する場合に比較すると受光光量が増加する。一方、この種の光検出素子では、受光光量に応じた量のキャリア（電子あるいはホール）が素子の内部で生成されるものの、受光光量に対するキャリアの生成数には限界があり、受光光量が増加すればキャリアの生成数は次第に飽和する。したがって、上述のような用途において目的とする情報を含んだ信号光を環境光とともに光検出素子で受光すると、環境光の光量分だけ光検出素子のダイナミックレンジが低減し、信号光に対して大きな受光出力を得ることができないという問題が生じる。
【０００４】
また、信号光と環境光とが混在していると、環境光に変動がある場合に環境光と信号光とを区別することができない可能性もある。環境光と信号光とを区別する技術としては信号光に用いる特定波長のみを通過させる光学フィルタを用いることが考えられているが、太陽光のように広範囲に亘るスペクトル成分を有した環境光では、光学フィルタを通しても環境光の影響を十分に除去することはできない。
【０００５】
信号光と環境光とを分離する技術としては、光検出素子の受光出力から環境光に対応する成分と信号光に対応する成分とを分離することが考えられている。すなわち、信号光が得られない期間であって発光源から光が放射されていない消灯期間における光検出素子の受光出力を環境光のみに対応する成分とし、信号光が得られる期間であって発光源から光が放射される点灯期間における光検出素子の受光出力を環境光と信号光とを重ね合わせた成分として、点灯期間における光検出素子の受光出力から消灯期間における光検出素子の受光出力を減算することにより、信号光のみに対応した成分を抽出する構成が考えられている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
上述した構成によれば、光検出素子の受光出力のうち、信号光に対応する成分と環境光に対応する成分とを含む点灯期間の受光出力から、環境光に対応する成分のみを含む消灯期間の受光出力を減算するので、環境光に対応する成分を抑圧して信号光に対応する成分の割合を大幅に増加させることが可能になる。
【０００７】
特許文献１に記載のものは、信号光の強度を変調信号により変調するとともに、光検出素子の受光出力を異なる変調信号の１８０度ごとの位相でサンプリングし、サンプリングによって得られる２個のサンプリング値の差分を求める動作であると言える。これは、変調信号の波形を矩形波としたことに相当するが、変調信号の波形が矩形波ではない場合でも、同様にして得た２個のサンプリング値の差分を求めれば、環境光に対応する成分が除去される。
【特許文献１】特開２００１−３３７１６６号公報（第００２９−００３５段落）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述した特許文献１に記載の技術は、光検出素子の受光出力について信号光に対応する成分と環境光に対応する成分とを分離するものであるから、光検出素子が飽和したときには、信号光に対応する成分を抽出することができなくなるという問題がある。すなわち、環境光の存在下では信号光に対する光検出素子のダイナミックレンジが小さくなり、信号光に対して大きな受光出力を得ることができないという問題は特許文献１に記載された技術を用いても依然として解決されない。
【０００９】
さらに詳しく説明する。一般に、光検出素子の検出精度の限界は光電変換に伴うショットノイズで決定されるから、ショットノイズの影響を低減するために、光により生成されるキャリアの個数を増やす必要がある。光検出素子で生成されるキャリアの個数は、光検出素子が飽和しない範囲では、受光する光の強度が大きく受光時間が長いほど多くなるから、発光源からの放射光量を増加させるか、光検出素子の受光時間を長くすることによって、ショットノイズの影響を低減することができる。しかしながら、上述のように環境光の存在下では、光検出素子の信号光に対するダイナミックレンジが低下するから、発光源の放射光量を増加させたり光検出素子の受光時間を長くしても、ＳＮ比を十分に大きくとることはできない。
【００１０】
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、飽和を生じにくくしダイナミックレンジの低下を抑制できる光検出素子を提供することにあり、さらにその光検出素子の制御方法と、その光検出素子を用いた空間情報検出装置とを提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、光照射により電子およびホールを生成する固体からなる光電変換層と、光電変換層の一表面に絶縁層を介して配列され電圧の印加により光電変換層にポテンシャル井戸である再結合領域を形成する再結合電極と、再結合電極にそれぞれ隣接して配置され電圧の印加により光電変換層にそれぞれポテンシャル井戸である第１待避領域および第２待避領域を形成する第１待避電極および第２待避電極と、再結合領域から電子とホールとの少なくとも一方のキャリアを受光出力として取り出す転送用の取出電極とを有し、再結合領域から第２待避領域にホールを移動させるとともに再結合領域に電子を集積する第１集積期間と、再結合領域から第１待避領域に電子を移動させるとともに再結合領域にホールを集積する第２集積期間とが交互に生じるように、再結合電極に印加する電圧の極性が交互に切り換えられ、再結合領域において電子とホールとが再結合された後に再結合領域に残留するキャリアを取り出すように取出電極に印加する電圧が制御されることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、固体からなる光電変換層に絶縁層を介して再結合電極と第１待避電極と第２待避電極との３種類の電極が配置され、かつ第１待避電極と第２待避電極とが再結合電極に隣接して配置されているから、光照射により光電変換層で生成された電子とホールとを第１待避電極および第２待避電極にそれぞれ対応して形成される第１待避領域と第２待避領域とに振り分けることができる。また、再結合電極に印加する電圧の極性を交互に切り換えるから、再結合領域から第２待避領域にホールを移動させるとともに再結合領域に電子を集積する期間と、再結合領域から第１待避領域に電子を移動させるとともに再結合領域にホールを集積する期間とが交互に生じる。ここに、電子とホールとの一方のキャリアを再結合領域に集積した後に他方のキャリアを再結合領域に集積するから、一方のキャリアの一部が光電変換層におけるダングリングボンドないし界面電位によって捕捉されている間に、再結合領域に他方のキャリアが集積され、再結合領域において電子とホールとが再結合されることになる。すなわち、電子とホールとを再結合させた後に残留するキャリアを受光出力として取り出すことができる。また、再結合領域に電子を集積する期間とホールを集積する期間とは時刻が異なるから、異なる時刻に生成された電子とホールとを再結合させることができる。
【００１３】
異なる時刻に生成されたキャリアを再結合させることによる効果を簡単に説明するために、別に設けた発光源から信号光を間欠的に投光し、信号光の投光に同期するように集積電圧を制御することによって、信号光が投光されている期間に生成された電子と信号光が投光されていない期間に生成されたホールとを再結合させる場合を想定する。また、信号光の投光から光電変換部において信号光を受光するまでの遅れ時間は無視できるものとする。再結合前の電子の個数は信号光と環境光とを加算した受光光量に比例し、再結合前のホールの個数は環境光の受光光量に比例する。ここで、信号光を投光する期間と信号光を投光しない期間とが等しく、電子とホールとが集積される集積効率が等しく、電子とホールとがすべて再結合される（再結合確率が１）と仮定すれば、再結合後には電子のみが残留し、残留する電子の個数は信号光の受光光量に比例することになる。上述の仮定は理想化したものであって現実とは異なるが、いずれにしても受光出力において環境光に相当する成分が抑圧されていると言える。したがって、環境光による飽和が生じにくくなり、また信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制することができる。
【００１４】
ところで、ＣＣＤ撮像素子のような光検出素子では、光の照射により生成される電子とホールとの発生確率（発生数）に起因するショットノイズによって各画素の出力レベルが揺らぐことが知られており、ショットノイズの影響を軽減するためにキャリア（電子またはホール）を積分して受光出力を得ている。しかしながら、積分時間を長くすると、ショットノイズの影響を軽減できるが応答速度が遅くなる。
【００１５】
本発明の光検出素子では、受光出力の大きさが、受光光量（受光した光の強度と受光時間との積）と、単位時間当たりに集積されるキャリアの個数（集積効率）と、電子とホールとの総数うち再結合される割合（再結合確率）とを主なパラメータとして決定される。ここで、再結合確率は、電子とホールとの密度が大きいほど高まるから、光電変換層で生成された電子とホールとを集積した後に再結合させると、受光光量が多いときには再結合確率が高くなり、受光光量が少ないときには再結合確率が小さくなる。つまり、環境光の強度が大きいと再結合確率が高まって受光出力の増加が抑制され、環境光の強度が小さいと再結合確率が低くなって受光出力の減少が抑制される。このように、受光出力では受光光量の変動幅を抑圧ないし圧縮することができ、光検出素子の飽和が生じにくくダイナミックレンジの低下を抑制できる。また、受光光量の変動幅を抑圧するから、積分時間を長くしなくともショットノイズの影響が軽減される。
【００１６】
しかも、再結合領域の両側に第１待避領域と第２待避領域とを形成していることにより、待避させた電子とホールとを集団的に移動させることができる上に、移動距離を短くすることができ、結果的に電子とホールとが衝突する可能性を高めて再結合確率を高めることができる。
【００１７】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記第１待避電極と前記第２待避電極とに印加する電圧がそれぞれ直流電圧であることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、再結合電極に印加する電圧のみを制御すればよいから、制御が簡単である。
【００１９】
請求項３の発明では、請求項１の発明において、前記再結合領域に電子を集積する第１集積期間と前記再結合領域にホールを集積する第２集積期間との少なくとも一方の期間の前に、当該期間において再結合領域にキャリアを集積する極性の電圧を再結合電極に印加するとともに、前記第１待避領域と前記第２待避領域との一方から再結合領域に向かって当該キャリアを移動させるように第１待避電極と第２待避電極との一方に印加する電圧の極性を変化させる移動期間を設けたことを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、再結合領域でキャリアを再結合させる際に第１待避領域と第２待避領域との少なくとも一方から再結合領域に向かってキャリアを押し出すから、再結合領域において再結合させようとするキャリアの数を多くすることができ再結合確率が高くなる。
【００２１】
請求項４の発明では、請求項１の発明において、前記再結合領域にホールを集積する第２集積期間の前に、再結合領域にホールを集積させる極性の電圧を再結合電極に印加するとともに、前記第２待避電極から再結合領域に向かってホールを移動させるように第２待避電極に印加する電圧の極性を変化させる移動期間を設けたことを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、再結合領域でキャリアを再結合させる際に第２待避領域から再結合領域にホールを押し出すから、電子に比較して移動しにくいホールを確実に再結合領域に移動させることができ再結合確率を高めることができる。
【００２３】
請求項５の発明では、請求項３または請求項４の発明において、前記第１集積期間および前記第２集積期間は前記移動期間よりも長く設定されていることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、移動期間において集積されるキャリアの比率を少なくすることで、雑音成分の増加を抑制することができる。つまり、移動期間を設けていることにより、再結合領域には目的外のキャリアが集積されるが、移動期間を短くすることにより受光出力への目的外のキャリアの影響を軽減できる。
【００２５】
請求項６の発明では、請求項２の発明において、前記第１待避領域と前記第２待避領域との少なくとも一方のポテンシャルは前記再結合領域に同種のキャリアを集積する期間における再結合領域のポテンシャルとは異ならせ、キャリアが再結合領域に向かって移動する向きの電位勾配を付与することを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、第１待避領域または第２待避領域から再結合領域へのキャリアの移動が容易になり、再結合領域での再結合確率を高めることができる。
【００２７】
請求項７の発明では、請求項２の発明において、前記第２待避領域のポテンシャルは前記再結合領域にホールを集積する期間における再結合領域のポテンシャル井戸とは異ならせ、ホールが第２待避領域から再結合領域に向かって移動する向きの電位勾配を付与することを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、第２待避領域から再結合領域へのホールの移動が容易になり、電子よりも移動しにくいホールを確実に再結合領域に移動させることができ、結果的に再結合領域での再結合確率を高めることができる。
【００２９】
請求項８の発明では、請求項１ないし請求項７のいずれかの発明において、前記光電変換層は、第１導電形の半導体層からなる主機能層と、前記再結合領域に対応する部位において主機能層の主表面に形成され電子とホールとの一方のキャリアを捕捉するように選択された第２導電形の半導体層からなるトラップ層とを備えることを特徴とする。
【００３０】
この構成によれば、再結合領域にトラップ層を設けて電子とホールとのうちの一方のキャリアを再結合領域に残留しやすくしているから、再結合確率が高くなる。
【００３１】
請求項９の発明では、請求項８の発明において、前記再結合電極と前記光電変換層との間の部位に前記トラップ層内で優勢なキャリアをトラップ層から外に押し出す極性の電圧が印加される補助電極が付加されたことを特徴とする。
【００３２】
この構成では、補助電極に適宜電圧を印加することにより、トラップ層内で優勢なキャリアをトラップ層の外に押し出すから、トラップ層を設けることにより形成されたポテンシャルの影響で再結合領域に反対電荷を持つキャリアが集積されにくくなるのを防止することができ、トラップ層に捕捉されたキャリアと反対電荷を持つキャリアとの再結合の機会を増加させて再結合確率を高めることができる。
【００３３】
請求項１０の発明は、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の制御方法であって、前記光電変換層におけるサブストレートに接合した基板電極の電位を基板電位とし、前記再結合電極に印加する電圧の基板電位に対する極性を交互に変化させることにより光電変換層に電子とホールとが交互に集積されるポテンシャル井戸としての再結合領域を形成し、電子とホールとの一方のキャリアが再結合領域に捕捉されている間に他方のキャリアを再結合領域に集積することにより電子とホールとを再結合させ、その後、取出電極に印加する電圧を制御することにより再結合領域に残留した電子とホールとの少なくとも一方のキャリアを受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００３４】
この方法によれば、光照射により異なる時刻において光電変換層で生成された電子とホールとを、第１待避電極および第２待避電極にそれぞれ対応して形成される第１待避領域と第２待避領域とに振り分けることができ、再結合電極に印加する電圧の極性を交互に切り換えることによって、再結合電極に対応して形成される再結合領域において電子とホールとを再結合させることができる。すなわち、異なる時刻に生成された電子とホールとを再結合させることができる。したがって、たとえば、発光源とともに光検出素子を用いることによって、信号光と環境光とを受光する期間に生成されたキャリアと環境光だけを受光する期間に生成されたキャリアとを再結合させることが可能になり、再結合後のキャリアを取り出せば、環境光成分を減殺した受光出力が得られる。
【００３５】
請求項１１の発明は、請求項９記載の光検出素子の制御方法であって、前記光電変換層におけるサブストレートに接合した基板電極の電位を基板電位とし、前記再結合電極に印加する電圧の基板電位に対する極性を交互に変化させることにより光電変換層に電子とホールとが交互に集積されるポテンシャル井戸としての再結合領域を形成し、電子とホールとの一方のキャリアが前記トラップ層に捕捉されている間に前記一方のキャリアをトラップ層の深部に集めるように前記補助電極に印加する電圧を制御するとともに他方のキャリアを再結合領域に集積することにより電子とホールとを再結合させ、その後、取出電極に印加する電圧を制御することにより再結合領域に残留した電子とホールとの少なくとも一方のキャリアを受光出力として取り出すことを特徴とする。
【００３６】
この方法によれば、請求項１０の発明と同様の作用が期待できる。しかも、トラップ層に捕捉されているキャリアを補助電極への電圧印加によってトラップ層の界面付近に集めることができるから、再結合領域での再結合確率を高めることが可能になる。つまり、発光源とともに用いると環境光成分を大幅に低減させた受光出力を得ることが可能になる。
【００３７】
請求項１２の発明は、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を対象空間からの光の受光に用いる装置であって、対象空間に投光する光の強度が所定の変調周波数の変調信号により変調される発光源と、変調信号と前記再結合電極と前記第１待避電極と前記第２待避電極とに印加する電圧とを制御するタイミング制御回路と、光検出素子の受光出力と変調信号との関係により対象空間の情報を検出する評価部とを備え、タイミング制御回路は、前記第１待避領域と前記再結合領域とに電子を集積する状態と前記第２待避領域と前記再結合領域とにホールを集積する状態とを切換可能であって、両状態の切換により再結合領域に電子とホールとを相互に移動させて再結合させた後に残留した電子とホールとの一方のキャリアを受光出力として取り出させることを特徴とする。
【００３８】
この装置によれば、光検出素子が信号光と環境光とを受光する期間に生成したキャリアと光検出素子が環境光のみを受光する期間に生成したキャリアとを第１待避領域と第２待避領域とに振り分けることが可能であり、再結合領域において両キャリアを再結合させた後に残留したキャリアを受光出力とすることにより、受光出力に含まれる環境光の成分を減殺することができる。キャリアの再結合は信号光と環境光とを受光する期間においても行われるから、光検出素子自体の飽和が生じにくく、光検出素子の信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、再結合領域から第２待避領域にホールを移動させるとともに再結合領域に電子を集積する期間と、再結合領域から第１待避領域に電子を移動させるとともに再結合領域にホールを集積する期間とを交互に生じさせることにより、光電変換層において異なる時刻に生成された電子とホールとを再結合領域において再結合させるものであり、電子とホールとを再結合させた後に残留するキャリアを受光出力として取り出すから、入射光量に対する受光出力の増加を抑制することができる。たとえば、別に設けた発光源から信号光を間欠的に投光し、信号光を光検出素子で受光する場合に、再結合電極に印加する電圧の切換を信号光の投光に同期させれば、信号光と環境光とを受光する期間に生成されたキャリアと環境光のみを受光する期間に生成されたキャリアとを再結合させ、環境光による光検出素子の飽和を抑制することが可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
（実施形態１）
本発明に係る光検出素子は、図１、図２に示すように、シリコンからなる光電変換層１０の主表面に酸化シリコンもしくは窒化シリコンからなる絶縁層１１を介して再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とを配列した構造を有する。絶縁層１１、再結合電極１２、第１待避電極１３、第２待避電極１４は透光性を有する。
【００４１】
再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とは、光電変換層１０の主表面に沿った一直線上（以下では、この直線の方向を垂直方向と呼ぶ）に列設されており、第１待避電極１３と第２待避電極１４との間に再結合電極１２が配置される。つまり、再結合電極１２に隣接して第１待避電極１３と第２待避電極１４とが配置され、かつ第１待避電極１３と第２待避電極１４とは再結合電極１２を挟んで配置されている。再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とは面積や形状が異なっていてもよいが、これらの電極をキャリア（電子とホールとの少なくとも一方）を取り出すための取出電極（後述する）として兼用する場合には同面積かつ同形状に形成するのが望ましい。また、再結合確率（後述する）を高めるには再結合電極１２の面積を第１待避電極１３や第２待避電極１４よりも大きくすることが望ましい。そこで、同面積かつ同形状の電極を多数形成しておき、隣接する複数個の電極をまとめて１個の再結合電極１２として扱うようにしてもよい。
【００４２】
光電変換層１０は、ｐ＋形シリコンからなるサブストレート１０ｃにｐ形シリコンからなるウェル１０ｂを形成してあり、ウェル１０ｂ内にｎ形シリコンからなる主機能層１０ａを形成してある。また、主機能層１０ａの主表面のうち再結合電極１２に対応する部位にはｐ形シリコンからなるトラップ層１５が形成される。なお、図示例はホールをトラップ層１５に捕捉することを想定しているが、電子を捕捉する場合にはトラップ層１５の導電形をｎ形にする。光電変換層１０の他の部位については導電形はとくに制限されない。また、トラップ層１５は設けることが望ましいが必須というわけではない。
【００４３】
図２では垂直方向における一列のみ記載しているが、実際には多数列が形成され、再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とは列間に跨って形成される。言い換えると、再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とは各列で共有される。ウェル１０ｂの主表面であって、水平方向における主機能層１０ａの両側にはｎ形シリコンからなる分離層１６が形成される。分離層１６は主機能層１０ａで生成され保持されているキャリア（電子またはホール）が水平方向に漏れるのを防止する。つまり、光電変換層１０に分離層１６を設けることにより垂直方向の各列が分離され、再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とが各列間に跨って形成されることにより、水平方向の各行を一括して制御することができる。言い換えると、再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４との電極数は行数によって決まり、光電変換層１０に設ける分離層１６の個数によって列数が決まる。
【００４４】
サブストレート１０ｃは基板電極１７に接合されており基板電極１７は基準電位に保たれる。以下では、基板電極１７の電位を基板電位と呼ぶ。再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とにそれぞれ基板電位とは異なる電圧を印加すると主機能層１０ａにポテンシャル井戸が形成される。以下では、図３に示すように、再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とにそれぞれ対応して形成されるポテンシャル井戸を、再結合領域Ｄｃ、第１待避領域Ｄａ、第２待避領域Ｄｂと呼ぶ。光電変換層１０に光が入射すると光電変換層１０では電子およびホールが生成され、光電変換層１０において生成された電子およびホールは、第１待避領域Ｄａと第２待避領域Ｄｂと再結合領域Ｄｃとのポテンシャルに応じて振り分けて集積される。
【００４５】
なお、第１待避電極１３と第２待避電極１４との再結合電極１２に対する位置は入れ換え可能であって、ここでは、電子に対するポテンシャル井戸のみを形成する電極を第１待避電極１３と呼ぶ。つまり、第１待避領域Ｄａは電子のみに対するポテンシャル井戸を意味する。図３に示す例では６個一組の電極に対して（１）〜（６）の符号を付して説明する。符号（１）（４）は再結合電極１２、符号（２）（５）は第１待避電極１３、符号（３）（６）は第２待避電極１４に相当する。つまり、再結合電極（４）を挟んで第１待避電極（５）と第２待避電極（３）とが配置されることにより単位領域Ｅ１を構成し、再結合電極（１）を挟んで第１待避電極（２）と第２待避電極（６）とが配置されることにより単位領域Ｅ２を構成する。
【００４６】
以下に動作を説明するために、図８のように発光源２を設けて発光源２から強度を変調した信号光を投光するものとし、本発明の光検出素子１は信号光を受光できる位置に配置しているものとする。光検出素子１は、通常は発光源２から投光された信号光を直接受光するのではなく、信号光が対象物３で反射された反射光を受光するように配置される。また、信号光の強度が矩形波で変調され、発光源２が点灯と消灯とを交互に繰り返す場合を想定する。すなわち、発光源２が点灯していると光電変換層１０には信号光と環境光とがともに入射し、発光源２が消灯していると光電変換層１０には環境光のみが入射する。信号光を変調する波形は矩形波に限らず、正弦波、三角波、鋸歯状波などの各種波形を用いることができる。
【００４７】
本発明の基本的な動作は図３（ａ）（ｂ）の動作を交互に繰り返すことであって、図から明らかなように、再結合領域Ｄｃに集積されるキャリアの種類を交互に入れ換える動作になる。言い換えると、基板電位に対して再結合電極（１）（４）に印加する電圧の極性を交互に切り換える。この動作により、主機能層１０ａにおいて再結合電極（１）（４）に対応する領域には電子（図３では黒丸）に対するポテンシャル井戸とホール（図３では白丸）に対するポテンシャル井戸とが交互に形成される。図３（ａ）（ｂ）の動作では、第１待避電極（２）（５）および第２待避電極（３）（６）に印加する電圧の極性は変化させない。
【００４８】
いま、図３（ａ）のように隣り合う一対の再結合電極（１）（４）のうち再結合電極（１）に印加する電圧の極性を負、再結合電極（４）に印加する電圧の極性を正とすると、再結合電極（１）に対応する再結合領域Ｄｃにはホールが集積され、再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃには電子が集積される。
【００４９】
図３（ａ）の状態において、単位領域Ｅ１では第２待避電極（３）に対応する第２待避領域Ｄｂにホールが移動するとともに再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃに電子が集積され、単位領域Ｅ２では第１待避電極（２）に対応する第１待避領域Ｄａに電子が移動するとともに再結合電極（１）に対応する再結合領域Ｄｃにホールが集積されている。図３（ａ）の状態における単位領域Ｅ１の動作を行う期間を第１集積期間と呼び、単位領域Ｅ２の動作を行う期間を第２集積期間と呼ぶ。
【００５０】
同様にして、図３（ｂ）の状態では、印加する電圧の極性が図３（ａ）の状態に対して逆転しているから、単位領域Ｅ１では第１待避電極（５）に対応する第１待避領域Ｄａに電子が移動するとともに再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃにホールが集積され、単位領域Ｅ２では第２待避電極（６）に対応する第１待避領域Ｄａにホールが移動するとともに再結合電極（１）に対応する再結合領域Ｄｃに電子が集積されている。したがって、図３（ｂ）の状態では、単位領域Ｅ１が第２集積期間になり、単位領域Ｅ２が第１集積期間になっている。
【００５１】
上述のように、光検出素子１に設けた６個の電極を一組とする場合には、第１集積期間と第２集積期間とは同時に生じているが、単位領域Ｅ１，Ｅ２の範囲では第１集積期間と第２集積期間とは異なる期間になる。
【００５２】
上述した動作から明らかなように、図３（ａ）（ｂ）の状態を交互に切り換えると、再結合領域Ｄｃには電子とホールとが交互に集積される。ただし、電子とホールとは、再結合領域Ｄｃから第１待避領域Ｄａあるいは第２待避領域Ｄｂに移動させる際に、全部が移動するわけではなく、再結合領域Ｄｃのダングリングボンドや界面電位によって捕捉され、電子やホールの一部は再結合領域Ｄｃに取り残される。再結合領域Ｄｃに残された電子またはホールは再結合領域Ｄｃに移動してきた電子あるいはホールと再結合する。つまり、図３（ａ）（ｂ）の状態を交互に切り換えることにより、電子とホールとを再結合させることができる。
【００５３】
第１待避領域Ｄａには電子が集積され、第２待避領域Ｄｂにはホールが集積されるから、図３（ａ）の状態では、再結合電極（１）と第２待避電極（６）とに対応した再結合領域Ｄｃと第２待避領域Ｄｂとにホールが集積され、再結合電極（４）と第１待避電極（５）とに対応した再結合領域Ｄｃと第１待避領域Ｄａとに電子が集積される。一方、図３（ｂ）の状態では、再結合電極（１）と第１待避電極（２）とに対応した再結合領域Ｄｃと第２待避領域Ｄｂとに電子が集積され、再結合電極（４）と第２待避電極（３）とに対応した再結合領域Ｄｃと第１待避領域Ｄａとにホールが集積される。
【００５４】
いま、光電変換層１０への入射光を遮光しないとすれば、光の入射によって光電変換層１０の全体で電子とホールとが生成される。図３（ａ）の状態を発光源２の点灯期間に対応付け、図３（ｂ）の状態を発光源２の消灯期間に対応付けるものとする。図３（ａ）に示す点灯期間には再結合電極（１）に対応する再結合領域Ｄｃと第２待避電極（３）（６）に対応する第２待避領域Ｄｂとにホールが集積され、再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃと第１待避電極（２）（５）に対応する第１待避領域Ｄｂとに電子が集積される。また、図３（ｂ）に示す消灯期間には再結合電極（１）に対応する再結合領域Ｄｃと第１待避電極（２）（５）に対応する第１待避領域Ｄａとに電子が集積され、再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃと第２待避電極（３）（６）に対応する第２待避領域Ｄａとにホールが集積される。
【００５５】
ただし、点灯期間には、第１待避電極（２）に対応する第１待避領域Ｄａと第２待避電極（３）に対応する第２待避領域Ｄｂとはそれぞれ独立した１電極に対応する領域であり、残りは隣接した２電極ずつに対応する領域になる。また、消灯期間には、第１待避電極（５）に対応する第１待避領域Ｄａと第２待避電極（６）に対応する第２待避領域Ｄｂとがそれぞれ独立した１電極に対応する領域であり、残りは隣接した２電極ずつに対応する領域になる。
【００５６】
点灯期間と消灯期間とを交互に繰り返すと、点灯期間である図３（ａ）の状態において、再結合電極（１）に対応する再結合領域Ｄｃには消灯期間に集積された電子の一部が捕捉されている状態で点灯期間に生成されたホールが集積され、再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃには消灯期間に集積されたホールの一部が捕捉されている状態で点灯期間に生成された電子が集積される。一方、消灯期間である図３（ｂ）の状態において、再結合電極（１）に対応する再結合領域Ｄｃには点灯期間に集積されたホールの一部が捕捉されている状態で消灯期間に生成された電子が集積され、再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃには点灯期間に集積された電子の一部捕捉されている状態で消灯期間に生成されたホールが集積される。
【００５７】
単位領域Ｅ１では、図３（ｂ）の状態において第１待避電極（５）に対応する第１待避領域Ｄａには主として点灯期間の電子を消灯期間のホールの一部と再結合させた後に残留している電子が集積され、図３（ａ）の状態において第２待避電極（３）に対応する第２待避領域Ｄｂには主として消灯期間のホールを点灯期間の電子の一部と再結合させた後に残留しているホールが集積される。
【００５８】
同様にして、単位領域Ｅ２では、図３（ａ）の状態において第１待避電極（２）に対応する第１待避領域Ｄａには主として消灯期間の電子を点灯期間のホールの一部と再結合させた後に残留している電子が集積され、図３（ｂ）の状態において第２待避電極（６）に対応する第２待避領域Ｄｂには主として点灯期間のホールを消灯期間の電子の一部と再結合させた後に残留しているホールが集積される。
【００５９】
要するに、単位領域Ｅ１の第１待避領域Ｄａには主として点灯期間に対応する電子が集積され、単位領域Ｅ２の第１待避領域Ｄａには主として消灯期間に対応する電子が集積されるから、第１待避領域Ｄａに集積された電子を受光出力として取り出せば、点灯期間と消灯期間とに対応する受光出力をそれぞれ取り出すことができる。受光出力としてホールを利用する必要があれば、第２待避領域Ｄｂに集積されたホールを取り出せばよい。
【００６０】
いま、同じ受光光量に対する各電極において電子の集積効率に対するホールの集積効率を１／α（α＞１）とし、電子とホールとの再結合確率をβ（０＜β≦１）とする。また、再結合後に残留する電子に着目するものとする。つまり、図３（ａ）の状態において第１待避電極（２）に対応する第１待避領域Ｄａに残留する電子の個数ｎ２と、図３（ｂ）の状態において第１待避電極（５）に対応する第１待避領域Ｄａに残留する電子の個数ｎ０とを考察する。
【００６１】
図３（ａ）の状態における受光光量をＡ０、図３（ｂ）の状態における受光光量をＡ２とすれば、図３（ａ）の状態において、再結合電極（１）に対応した再結合領域Ｄｃに集積されるホールの個数は（１／α）Ａ０に比例し、再結合電極（４）に対応した再結合領域Ｄｃに集積される電子の個数はＡ０に比例する。また、図３（ｂ）の状態において、再結合電極（１）に対応した再結合領域Ｄｃに集積される電子の個数はＡ２に比例し、再結合電極（４）に対応した再結合領域Ｄｃに集積されるホールの個数は（１／α）Ａ２に比例する。
【００６２】
再結合電極（１）に着目すれば、第１待避電極（２）に対応する第１待避領域Ｄａに残留する電子の個数ｎ２は、（１／α）Ａ０に比例する個数のホールが再結合確率βでＡ２に比例する個数の電子と再結合した後に残留する個数であるから、ｎ２は次式で表すことができる。
ｎ２＝Ａ２−β・（１／α）Ａ０
同様にして、再結合電極（４）に着目すれば、第１待避電極（５）に対応する第１待避領域Ｄａに残留する電子の個数ｎ０は、（１／α）Ａ２に比例する個数のホールが再結合確率βでＡ０に比例する個数の電子と再結合した後に残留する個数であるから、ｎ０は次式で表すことができる。
ｎ０＝Ａ０−β・（１／α）Ａ２
再結合後に残留する電子は受光出力として取り出されるのであって、受光出力では点灯期間と消灯期間とに生成されたキャリアの一部が減殺されるから、光電変換層１０での飽和が生じにくくなる。とくに、第１待避電極（５）に対応する第１待避領域Ｄａに残留する電子の個数ｎ０は、点灯期間に生成される電子と消灯期間に生成されるホールの一部とを再結合させて得られているから、環境光に相当する成分の一部を除去することができ、受光出力に占める信号光の成分比率が大きくなる。言い換えると、環境光のノイズに強い光検出素子１と言える。なお、上式から次の関係が得られる。
ｎ０−ｎ２＝｛１＋（β／α）｝（Ａ０−Ａ２）
上述した動作では電子に着目し、第１待避領域Ｄａに集積した電子を受光出力として取り出す場合について説明したが、第２待避領域Ｄｂに集積したホールを受光出力として取り出すことも可能であり、また、電子とホールとの両方を受光出力に用いてもよい。
【００６３】
ところで、上述した動作例では、図３（ａ）（ｂ）の状態を交互に繰り返す動作について説明したが、電子に比較するとホールは移動速度が遅いものであるから、再結合領域Ｄｃに電子を集積している状態から再結合領域Ｄｃにホールを集積する状態に切り換えても、第２待避領域Ｄｂに集積されていたホールを再結合領域Ｄｃに移動させるには時間がかかる。一方、受光光量を増やして感度を高めるには点灯期間と消灯期間とを多数回繰り返した後に受光出力を取り出す必要がある。つまり、信号光の受光光量を増やして感度を高めるには点灯期間と消灯期間との繰り返し回数を多くし、応答速度を速めるには点灯期間と消灯期間との繰り返し周期を短くすることが要求される。言い換えると、第２待避領域Ｄｂから再結合領域Ｄｃへのホールの移動速度を高める必要がある。また、上述の動作から明らかなように、再結合確率βを大きくするほうが光電変換層１０での飽和が生じにくくなる。以下では第２待避領域Ｄｂから再結合領域Ｄｃへのホールの移動速度を速める技術（つまりは、再結合領域Ｄｃでのホールの密度を高めて、再結合確率βを高める技術）について説明する。
【００６４】
ホールの移動速度を速めて再結合領域Ｄｃに捕捉されるホールの個数を増加させる技術としては、図４に示すように、各単位領域Ｅ１，Ｅ２での第１集積期間と第２集積期間との間に図４（ｂ）（ｃ）と図４（ｅ）（ｆ）との動作を行う移動期間を設ける技術を採用することができる。図４（ａ）は図３（ａ）と同じ動作であり、図４（ｄ）は図３（ｂ）と同じ動作である。図４（ｂ）（ｃ）の動作は単位領域Ｅ１を対象とする動作であり、図４（ｅ）（ｆ）の動作は単位領域Ｅ２を対象とする動作であって、対象が異なるものの動作内容は同様であるから、図４（ｂ）（ｃ）の動作について説明する。つまり、単位領域Ｅ１に着目し、図４（ａ）（または図３（ａ））の状態から図４（ｄ）（または図３（ｂ））の状態に移行する際のホールのふるまいについて説明する。
【００６５】
図４（ａ）の状態では再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃには電子を集積しており、図４（ｄ）の状態では同じ再結合領域Ｄｃにホールを集積する。そこで、まず図４（ｂ）のように再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃにホールを集積するための電圧を印加する。このとき、他の電極については印加する電圧を変化させない。つまり、再結合電極（１）に印加する電圧は変化させない。
【００６６】
次に、図４（ｃ）に示すように、第２待避電極（３）に対応する第２待避領域Ｄｂからホールを押し出すように第２待避電極（３）に印加する電圧を変化させる。図示例では第２待避領域Ｄｂに電子が集積されるようにポテンシャル井戸を設定しているが、この動作の目的はホールを移動させることであるから、第２待避電極（３）に対応する第２待避領域Ｄｂに電子を集積することは必須ではない。また、他の電極に印加する電圧は変化させない。
【００６７】
図４（ｂ）（ｃ）の動作によって、第２待避電極（３）に対応する第２待避領域Ｄｂに集積されていたホールは再結合電極（４）に対応する再結合領域Ｄｃに強制的に移動させられる。つまり、消灯期間である図４（ｄ）の状態で生成されたホールは、点灯期間である図４（ａ）の状態では第２待避電極（３）に対応する第２待避領域Ｄｃに待避されているが、次の消灯期間の前において図４（ｂ）（ｃ）の動作により第２待避領域Ｄｂから再結合領域Ｄｃに戻されるのである。図４（ｅ）（ｆ）の動作は、点灯期間に生成され第２待避電極（６）に対応する第２待避領域Ｄｂに待避されていたホールを、点灯期間の前に、再結合電極（１）に対応する再結合領域Ｄｃに戻す動作であって、動作手順は図４（ｂ）（ｃ）の動作と同様である。
【００６８】
点灯期間おける電子を集積する期間は図４（ａ）の期間であり、消灯期間における電子を集積する期間は図４（ｄ）の期間であって、図４（ｂ）（ｃ）と図４（ｅ）（ｆ）との期間が長くなると受光出力に不要成分が多く含まれることになるから、図４（ａ）（ｄ）の期間に比較して図４（ｂ）（ｃ）（ｅ）（ｆ）の期間は短くすることが望ましい。たとえば、装置のクロック信号の周期を１２．５ｎｓとすれば、図４（ｂ）（ｃ）（ｅ）（ｆ）の期間はそれぞれ１クロックの期間とし、図４（ａ）（ｄ）の期間は２クロック以上の長さに設定する。図４（ａ）（ｄ）の期間を２クロックに設定した場合には、図４（ａ）〜（ｆ）までの動作を一巡するのに要する時間は１００ｎｓになるから、点灯期間と消灯期間との繰り返し周期を１００ｎｓにすることができる。つまり、発光源２の変調周波数を１０ＭＨｚにすることができる。
図４に示した動作を行うための各電極への電圧の印加タイミングを図５に示す。図５（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ再結合電極（１）、第１待避電極（２）、第２待避電極（３）、再結合電極（４）、第１待避電極（５）、第２待避電極（６）に対応している。また、期間Ｔ１〜Ｔ６は、それぞれ図４（ａ）〜（ｆ）の期間に対応する。したがって、期間Ｔ１が単位領域Ｅ１の第１集積期間（単位領域Ｅ２の第２集積期間）、期間Ｔ４が単位領域Ｅ１の第２集積期間（単位領域Ｅ２の第１集積期間）、期間Ｔ２，Ｔ３と期間Ｔ５，Ｔ６とが移動期間に相当する。さらに、図５において上が正極性、下が負極性を示す。なお、移動期間は第１集積期間と第２集積期間との一方の期間の前に設けるだけではなく、両方の期間の前に設けるようにしてもよい。
【００６９】
再結合領域Ｄｃでの再結合確率βを高めるには、図６に示す技術を採用することもできる。図４に示した動作では、移動期間において単位領域Ｅ１と単位領域Ｅ２との間で移動期間を設けることにより第２待避領域Ｄｂのホールを再結合領域Ｄｃに押し出しているが、図６に示す技術では、第２待避領域Ｄｂであるポテンシャル井戸を再結合領域Ｄｃであるポテンシャル井戸よりも浅くすることにより、ホールの移動を促している。すなわち、再結合領域Ｄｃにホールを集積する際に、再結合電極１２に印加する電圧と第２待避電極１４に印加する電圧とを異ならせ、第２待避領域Ｄｂから再結合領域Ｄｃへホールが移動しやすくなるように電位勾配を付与している。この動作は、図３の動作だけではなく、図４の動作に組み合わせることが可能である。
【００７０】
このような技術を採用することにより、第２待避領域Ｄｂから再結合領域Ｄｃに対してホールが移動しやすくなり、再結合領域Ｄｃに集積されるホールの密度を高めて電子との再結合確率βを高めることができる。
【００７１】
再結合領域Ｄｃでの再結合確率βを高める技術として、本実施形態では、トラップ層１５も用いている。すなわち、上述したように、主機能層１０ａの主表面のうち再結合電極１２に対応する部位にｐ形シリコンからなるトラップ層１５を設けているから、ホールがトラップ層１５に捕捉され再結合領域Ｄｃに残留しやすくなっている。要するに、再結合領域Ｄｃに集積されたホールを第２待避領域Ｄｂに移動させるように再結合電極１２に印加する電圧の極性を変化させたときに、トラップ層１５に多くのホールを捕捉させておくことができ、ホールが再結合領域Ｄｃから第２待避領域Ｄｂに移動するのに伴って第１待避領域Ｄａから再結合領域Ｄｃに電子が移動すると、トラップ層１５に捕捉されているホールに電子が再結合するから、電子とホールとの再結合確率が高まる。
【００７２】
上述した構成例では再結合領域Ｄｃにトラップ層１５を設けたことにより、トラップ層１５にホールを捕捉することができるが、トラップ層１５を設けたことによりポテンシャルが変化し、再結合領域Ｄｃへの電子の集積効率が低下する。トラップ層１５に捕捉されたホールと電子との再結合確率βを高めるには、再結合領域Ｄｃで電子とホールとを再結合させる際にトラップ層１５により形成されたポテンシャルを変化させればよい。そこで、図７に示すように、再結合電極１２と光電変換層１０との間に補助電極１８を設けるのが望ましい。
【００７３】
補助電極１８は絶縁層１１に埋入され、再結合電極１２に印加する電圧の極性を正として再結合領域Ｄｃに電子を集積する期間において、補助電極１８にも正の電圧を印加することによりトラップ層１５の内部の優勢なキャリアであるホールをトラップ層１５の外に押し出すようにする。ここに、再結合電極１２に印加する電圧は光電変換層１０の深部までホールを集積する電界を形成する必要があるが、補助電極１８に印加する電圧はトラップ層１５の深さ程度のホールに斥力を作用させればよいから、補助電極１８に印加する電圧の絶対値は再結合電極１２に印加する電圧の絶対値よりも小さくする。
【００７４】
上述したようにトラップ層１５を設けて再結合領域Ｄｃに捕捉されるホールの個数を多くし、かつ補助電極１８を用いることによってトラップ層１５に捕捉されたホールの密度を高めているから、再結合領域Ｄｃにおいて電子とホールとが衝突する確率が高くなり、結果的に再結合確率βが高くなるのである。
【００７５】
なお、上述した構成例では、遮光膜を設けずに光電変換層１０の全領域でキャリアを生成しているが、再結合電極１２に対応する部位以外を遮光膜で覆うことにより遮光してもよい。このような遮光膜を設ければ、第１待避領域Ｄａや第２待避領域Ｄｂでのキャリアの生成を防止することができるから、点灯期間と消灯期間とのキャリアの混合を少なくすることができる。
【００７６】
（実施形態２）
図８は実施形態１において説明した光検出素子１を用いて空間情報検出装置の一種である測距装置を構成した例を示しており、この測距装置は、距離を測定する対象物３を含む対象空間に発光源２からの光を投光し、対象物３による反射光を含む対象空間からの光を光検出素子１で受光するとともに、対象物３による反射光の光量を反映した受光出力を光検出素子１から得るように構成している。この種の構成で対象物３までの距離を計測する技術としては、三角測量法の原理を用いる技術と、発光源２から投光された光が光検出素子１で受光されるまでの光の飛行時間を計測する技術とが主に用いられている。
【００７７】
三角測量法の原理を用いる技術では、発光源２から所定パターンの平行光線を対象空間に投光し、対象物３に形成されたパターンが受光光学系（図示せず）を通して光検出素子１に投影される位置を距離に換算する。一方、光の飛行時間を計測する技術では、発光源２から対象空間に投光する光の強度を適宜の変調波形で変調しておき、光検出素子１で受光した光と発光源２から投光した光との変調波形の時間差または位相差を求めることによって、時間差を飛行時間として用いるか位相差を飛行時間に換算し、飛行時間から距離を求める技術が知られている。
【００７８】
以下に説明する実施形態では、強度を変調した光を発光源２から投光して光の飛行時間によって対象物３までの距離を計測する技術を想定するが、三角測量法の原理を用いる場合でも環境光の影響を軽減するために本発明の技術を適用可能であり、また本発明の技術思想の適用範囲は測距の目的に限らず、微粒子（煙、埃、汚れなどのセンサ）による光の拡散あるいは減衰による受光光量の変化を利用して微粒子を検出する微粒子センサなど受光光量を検出する必要がある種々の目的に適用可能である。
【００７９】
本実施形態では、発光源２を光検出素子１とは別に設けたタイミング制御回路４から出力される一定の変調周波数（たとえば、１０ＭＨｚ）である変調信号により駆動し、対象空間に投光する光の強度を変調信号により変調している。本実施形態では説明を簡単にするために変調信号の波形としてまず矩形波を用いる場合について説明する。つまり、発光源２は点灯と消灯とを繰り返す。ただし、変調信号の波形としては上述したように、正弦波や鋸歯状波や三角波など他の波形も用いることが可能である。
【００８０】
光検出素子１から出力される受光出力は評価部としての距離演算回路５に与えられ、距離演算回路５では複数のタイミングで光検出素子１から取り出した受光出力を用い、発光源２から照射された光の強度変化の波形と、光検出素子１により受光した光の強度変化の波形との時間差または位相差から光の飛行時間を求め、飛行時間から対象物３までの距離を求める。
【００８１】
実施形態１において説明したように、光検出素子１は、６個一組の電極を用いて点灯期間と消灯期間との受光出力を取り出すように構成しているが、１個の単位領域Ｅ１，Ｅ２から点灯期間と消灯期間とのキャリア（一方が電子、他方がホールになる）を取り出すことも可能である。したがって、３個または６個の電極の範囲が１画素に相当する領域になる。つまり、光検出素子１は複数画素を備え、各画素ごとに距離を求めるための情報が得られることになる。
【００８２】
ここで、光検出素子１の前方に受光光学系（図示せず）を配置し、光検出素子１から受光光学系を通して対象空間を見る構成を考えると、各画素から受光光学系を通して見る方向に存在する対象物３について距離を検出することができる。つまり、画素位置は方位角と仰角との方向に対応付けられ、各画素ごとに距離を求めることで、球座標にマッピングした距離画像を生成することができる。
【００８３】
本実施形態では、矩形状の単位格子からなる平面格子の格子点上に画素を配列するとともに光電変換層１０からの出力を外部に取り出す電荷取出部６を設けた光検出素子１を構成し、この光検出素子１を用いて距離画像を生成する構成を想定して説明する。この構成は実施形態１において説明した光検出素子１の構造に対応しており、光検出素子１は距離画像を生成するための撮像素子として機能する。なお、電荷取出部６はＣＣＤであり、光電変換層１０は電荷取出部６の一部としても機能する。
【００８４】
すなわち、光検出素子１から受光出力を取り出すには、再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とを垂直転送用の取出電極として用い、フレームトランスファー（ＦＴ）方式のＣＣＤと同様の制御を行ってキャリアを転送する。ここで、転送するキャリアは電子だけではなくホールも含まれるが、電子だけを用いる場合にはキャリアの転送のタイミングに合わせてホールを廃棄すればよい。また、キャリアの転送の間にも光電変換層１０に光が入射してキャリアが生じるが、キャリアの集積と再結合とを多回数繰り返してからキャリアを取り出すことにより、キャリアの転送の間に生じるキャリアは受光出力には無視することができる。キャリアを垂直方向に転送した後には、ＦＴ方式のＣＣＤと同様の水平転送レジスタを用いてキャリアを水平方向に転送し、光検出素子１の外部に受光出力を取り出す。
【００８５】
上述した光検出素子１を用いて対象物３までの距離を計測するには、発光源２の変調信号と光電変換層１０で受光した光に含まれる変調成分との時間差または位相差を求める必要がある。本実施形態では、変調信号の波形として矩形波を採用しているから時間差を求めることができる。図９（ａ）に発光源２からの光の強度の変化を示し、図９（ｂ）に光電変換層１０により受光する光の強度の変化を示す。図９に示す時間差ｔｄを求めるには、発光源２の点灯と消灯とに同期する複数の位相に対応するタイミングで得られる光電変換層１０による受光光量を用いる技術と、発光源２の点灯と消灯とには同期しない複数のタイミングで得られる光電変換層１０による受光光量を用いる技術とがある。
【００８６】
まず、発光源２の点灯と消灯とに同期するタイミングで得られる受光光量を用いる技術について説明する。ここでは、動作の理解を容易にするために、変調信号の位相の９０度ごとに１８０度の区間を設定し、各区間ごとに受光光量を求めるものとする。つまり、変調信号における０〜１８０度、９０〜２７０度、１８０〜３６０度、２７０〜４５０度の４区間について受光光量を求める。各区間の受光光量は図９（ｃ）〜（ｆ）に示す図形の面積に相当する。
【００８７】
いま、各区間の受光光量をそれぞれＡ０〜Ａ３で表し、環境光と信号光とを併せた受光強度がＡｂ、環境光のみに対応する受光強度がＡｄ、変調信号の周期が４Ｔ、時間差がｔｄであるとすれば、受光光量Ａ０〜Ａ３は、以下のように表すことができる。
Ａ０＝Ａｂ×（２Ｔ−ｔｄ）＋Ａｄ×ｔｄ
Ａ１＝Ａｂ×（Ｔ＋ｔｄ）＋Ａｄ×（Ｔ−ｔｄ）
Ａ２＝Ａｂ×ｔｄ＋Ａｄ×（２Ｔ−ｔｄ）
Ａ３＝Ａｂ×（Ｔ−ｔｄ）＋Ａｄ×（Ｔ＋ｔｄ）
これらの関係から（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２）を求めると、ｔｄ／（Ｔ−ｔｄ）になるから、ｓ＝（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２）と置いて、時間差ｔｄを次式で表すことができる。
ｔｄ＝ｓＴ／（ｓ＋１）
つまり、変調信号の周期４Ｔと上述した４区間の受光光量Ａ０〜Ａ３とを用いることにより時間差ｔｄを求めることができる。
【００８８】
ここで、実施形態１において説明したように、０〜１８０度の区間で得られる電子の個数ｎ０および１８０〜３６０度の区間で得られる電子の個数ｎ２と、受光光量Ａ０，Ａ２との間には次式の関係がある。
ｎ０−ｎ２＝｛１＋（β／α）｝（Ａ０−Ａ２）
同様にして、９０〜２７０度の区間で得られる電子の個数ｎ１および２７０〜４５０度の区間で得られる電子の個数ｎ３と、受光光量Ａ１，Ａ３との間には次式の関係がある。
ｎ１−ｎ３＝｛１＋（β／α）｝（Ａ１−Ａ３）
したがって、ｓ＝（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２）＝（ｎ１−ｎ３）／（ｎ０−ｎ２）が成立する。つまり、実施形態１において説明した光検出素子１の受光出力を用いることで時間差ｔｄを求めることができるから、この時間差ｔｄを用いて対象物３までの距離を求めることができる。上式の演算結果の符号は時間差ｔｄが正になるように適宜に選択される。
【００８９】
ところで、上述したように、図９（ｃ）に示すように受光光量Ａ０を求める区間は変調信号における０〜１８０度の区間であり、図９（ｅ）に示すように受光光量Ａ２を求める区間は変調期間における１８０〜３６０度の区間である。ここで、ひとまず光電変換層１０で生成された電子とホールとの集積効率の差を無視することにより電子とホールとが同じ集積効率で集積されると仮定し、さらに電子とホールとの再結合確率が１であると仮定する。
【００９０】
上述した仮定の下で、図９（ａ）〜（ｃ）の期間を変調信号における０〜１８０度の区間に対応させ、図９（ｄ）〜（ｆ）の期間を変調信号における１８０〜３６０度の区間に対応させると、図９（ａ）の第１待避電極（２）に対応する第１待避領域Ｄａに残留する電子の個数は受光光量Ａ２に対応し、図４９ｄ）の第１待避電極（５）に対応する第１待避領域Ｄａに残留する電子の個数は受光光量Ａ０に対応する。
【００９１】
同様に、変調信号における９０〜２７０度の区間に図９（ａ）〜（ｃ）の期間を対応付け、変調信号における２７０〜４５０度の区間において図９（ｄ）〜（ｆ）の期間を対応付けると、図９（ａ）の第１待避電極（２）に対応する第１待避領域Ｄａに残留する電子の個数は受光光量Ａ３に対応し、図９（ｄ）の第１待避電極（５）に対応する第１待避領域Ｄａに残留する電子の個数は受光光量Ａ１に対応する。
【００９２】
したがって、電荷取出部６を通して各第１待避領域Ｄａに残留する電子を受光出力として光検出素子１の外部に取り出し、距離演算回路５に与えることによって、（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２）を求めることができ、この値から時間差ｔｄに相当する値を求めることができる。
【００９３】
上述した構成では動作の理解が容易になるように、発光源２が点灯と消灯とを繰り返す場合を例として説明したが、上述したように、発光源２を駆動する変調信号の波形としては、正弦波や鋸歯状波や三角波など他の波形も用いることが可能である。以下では、図１０（ａ）のように、変調信号の波形として正弦波を用いる場合について説明する。
【００９４】
発光源２から投光する光Ａｓｉｎωｔに対して光電変換層１０に入射する光の位相がψだけ遅れているとすれば、変調信号における０〜１８０度、９０〜２７０度、１８０〜３６０度、２７０〜４５０度の各区間における受光光量Ａ０〜Ａ３は、図１０（ｃ）（ｄ）に斜線で示す面積に相当するから、次式で表すことができる。
Ａ０＝Ａ・ｃｏｓψ＋Ｂ
Ａ１＝−Ａ・ｓｉｎψ＋Ｂ
Ａ２＝−Ａ・ｃｏｓψ＋Ｂ
Ａ３＝Ａ・ｓｉｎψ＋Ｂ
ただし、環境光の変化を無視できる程度の短い時間内ではＡ、Ｂは定数とみなしてよい。      
【００９５】
実施形態１において説明したように、０〜１８０度の区間と１８０〜３６０度の区間との電子の個数の差分ｎ０−ｎ２は、次式で表される。
ｎ０−ｎ２＝｛１＋（β／α）｝（Ａ０−Ａ２）
同様にして、９０〜２７０度の区間と２７０〜４５０度の区間との電子の個数の差分ｎ３−ｎ１は、次式で表すことができる。
ｎ３−ｎ１＝｛１＋（β／α）｝（Ａ３−Ａ１）
したがって、（ｎ３−ｎ１）／（ｎ０−ｎ２）＝（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）であって、上式から（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）＝ｔａｎψであるから、位相差ψは次式で表すことができる。
ψ＝ｔａｎ−１（Ａ３−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２）    …（１）
＝ｔａｎ−１（ｎ３−ｎ１）／（ｎ０−ｎ２）
すなわち、変調信号の波形が正弦波である場合でも上式によって位相差ψを求めることができるから、変調信号の波形が矩形波である場合の時間差ｔｄと同様に対象物３までの距離を求めることができる。
【００９６】
上述の動作例では、発光源２から投光する光の強度を変調する変調信号に同期するタイミングで得た受光光量を用いて位相差ψを求めているが、以下では、変調信号とは非同期に求めた受光光量を用いて位相差ψを求める技術について簡単に説明する。この技術は、受光光量の変化に対応した信号に変調周波数とは異なる周波数の信号を干渉させると（混合すると）、両者の周波数差に相当する周波数で振幅が変化するビート信号が得られることを利用している。ビート信号の包絡線は位相差ψを内包しており、包絡線に相当する受光光量を包絡線の異なる位相で取り出せば、位相差ψを求めることができる。たとえば、包絡線の位相が０〜１８０度、９０〜２７０度、１８０〜３６０度、２７０〜４５０度である４区間について受光光量を積分して求め、各受光光量をＡ０′、Ａ１′、Ａ２′、Ａ３′とすれば、（１）式のＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３をＡ０′、Ａ１′、Ａ２′、Ａ３′に読み替えるだけで、位相差ψを求めることができる。
【００９７】
なお、ビート信号を得る方法には受光光量に比例する受光信号を取り出し、変調信号とは異なる周波数の局発信号をタイミング制御回路４から出力し、受光信号と局発信号とを混合することが考えられるが、混合回路を設けると回路構成が複雑になるから好ましくない。そこで、再結合電極１２、第１待避電極１３、第２待避電極１４に電圧を印加するタイミングを局発信号で制御し、混合回路の機能を第１待避領域Ｄａと第２待避領域Ｄｂと再結合領域Ｄｃとを用いて実現する。
【００９８】
要するに、変調信号の変調周波数とは異なる周波数である局発信号を用いて再結合電極１２と第１待避電極１３と第２待避電極１４とに印加する電圧を制御することによって、再結合後に残留する電子がビート信号の振幅に相当する量になり、混合回路を用いることなくビート信号の振幅に応じた受光出力を距離演算回路５に与えることが可能になる。
【００９９】
なお、上述した構成例では、主機能層１０ａが垂直転送レジスタを兼用する構成の光検出素子１であって、ＦＴ方式の構成と類似した構成を有しているが、主機能層１０ａとは別に取出電極を配列した垂直転送レジスタを設け、主機能層１０ａから転送ゲートを介して垂直転送レジスタにキャリアを引き渡すようにしてもよい。すなわち、インターライン（ＩＴ）方式のＣＣＤと類似した構成を採用してもよい。この構成の場合、第１待避領域Ｄａと第２待避領域Ｄｂとからは個別にキャリアを取り出すことができるから、電子とホールとを別経路で取り出すように構成することが可能である。
【０１００】
上述した各実施形態では、主機能層１０ａをｎ形、サブストレート１０ｃをｎ形、ウェル１０ｂをｐ形として説明したが、上述した動作が可能な範囲において導電形は適宜に選択可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態１の要部縦断面図、（ｂ）は同上の横断面図である。
【図２】同上の平面図である。
【図３】同上の動作説明図である。
【図４】同上の他の動作の動作説明図である。
【図５】同上の制御タイミングを示す動作説明図である。
【図６】同上の別の動作の動作説明図である。
【図７】同上の他の構成例を示す横断面図である。
【図８】本発明の実施形態２を示すブロック図である。
【図９】同上の動作例を示す動作説明図である。
【図１０】同上の他の動作例を示す動作説明図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１  光検出素子
２  発光源
３  対象物
４  タイミング制御回路
５  距離演算回路（評価部）
６  電荷取出部
１０  光電変換層
１１  絶縁層
１２  再結合電極
１３  第１待避電極
１４  第２待避電極
１５  トラップ層
１８  補助電極
Ｄａ  第１待避領域
Ｄｂ  第２待避領域
Ｄｃ  再結合領域
【図１】
0004407606.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】
0004407606.tif 000007
【図７】
0004407606.tif 000008
【図８】
0004407606.tif 000009
【図９】
0004407606.tif 000010
【図１０】
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