Устройство фотоэлектрического преобразования, аппарат измерения дальности и система обработки информации
PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE, RANGING APPARATUS  AND INFORMATION PROCESSING SYSTEM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область техники
[0001] Настоящее техническое решение относится к устройству фотоэлектрического преобразования.
Уровень техники
[0002] Существует аппарат измерения дальности (датчик расстояния), использующее способ времени прохождения (TOF). В способе TOF цель измерения расстояния освещается светом, излучаемым источником света, и принимается свет, отраженный целью. На основе соотношения между скоростью света и периодом времени от освещения до приема света вычисляется расстояние до цели. При этом свет, который был испущен источником света для измерения дальности и отражен целью, называется сигнальным светом. Принятый свет включает в себя, в дополнение к сигнальному свету, свет (окружающий свет), полученный от источника света, отличающегося от источника света для измерения дальности, например, естественный свет или искусственный свет. Чтобы увеличить точность измерения дальности, полезно отделить окружающий свет и сигнальный свет друг от друга.
[0003] Выложенный патент Японии № 2005-303268 (заявка на патент США № 2007/0103748) раскрывает техническое решение удаления компонента, соответствующего окружающему свету, посредством аппарата, который выполняет измерение дальности при помощи детектора света. В соответствии со вторым вариантом осуществления этой публикации детектор света включает в себя первый светочувствительный блок, который имеет подходящую структуру для извлечения дырок, и второй светочувствительный блок, который имеет подходящую структуру для извлечения электронов. Дырки, сформированные в первом светочувствительном блоке, удерживаются посредством блока удержания дырок через шлюз, и электроны, сформированные во втором светочувствительном блоке, удерживаются посредством блока удержания электронов через шлюз. Дырки, удерживаемые блоком удержания дырок, и электроны, удерживаемые блоком удержания электронов, рекомбинируются посредством блока рекомбинации, и носители, оставшиеся после рекомбинации, извлекаются как объектные носители через блок вывода.
[0004] Выложенный патент Японии № 2008-89346 (заявка на патент США № 2008/0079833) раскрывает техническое решение удаления шума, полученного из фонового освещения (окружающего света), посредством выборочного управления проводимостью множества секций хранения заряда и множества конденсаторов, чтобы извлечь компонент разности заряда, сохраненного во множестве секций хранения заряда.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Устройство фотоэлектрического преобразования в соответствии с настоящим раскрытием включает в себя первый участок фотоэлектрического преобразования, выполненный с возможностью формировать электроны; второй участок фотоэлектрического преобразования, выполненный с возможностью формировать дырки; участок преобразования заряда в напряжение, включающий в себя первую полупроводниковую область n-типа, выполненную с возможностью собирать электроны, и вторую полупроводниковую область p-типа, выполненную с возможностью собирать дырки, участок преобразования заряда в напряжение выполнен с возможностью преобразовывать заряд, который основан на электронах и дырках, в напряжение; и участок формирования сигнала, выполненный с возможностью формировать сигнал, соответствующий напряжению, участок формирования сигнала включает в себя транзистор усиления.
[0006] Дополнительные признаки настоящего изобретения станут очевидны из следующего описания иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Фиг. 1А и 1B - схемы для описания устройства фотоэлектрического преобразования, аппарата измерения дальности и системы обработки информации.
[0008] Фиг. 2 - схема для описания работы устройства фотоэлектрического преобразования.
[0009] Фиг. 3 - схема для описания схемы устройства фотоэлектрического преобразования.
[0010] Фиг. 4А-4C - схемы для описания работы устройства фотоэлектрического преобразования.
[0011] Фиг. 5А-5D - схемы для описания структуры устройства фотоэлектрического преобразования.
[0012] Фиг. 6А-6D - схемы для описания структур устройства фотоэлектрического преобразования.
[0013] Фиг. 7 - схема для описания схемы устройства фотоэлектрического преобразования.
[0014] Фиг. 8 - схема для описания работы устройства фотоэлектрического преобразования.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0015] Вариант осуществления обеспечивает устройство фотоэлектрического преобразования, способное улучшать точность сигналов.
[0016] В техническом решении в соответствии с выложенным патентом Японии № 2005-303268 (заявка на патент США № 2007/0103748) не уделено достаточное внимание движениям электронов и дырок в случае использования блока фотоэлектрического преобразования (светочувствительного блока) для дырок и блока фотоэлектрического преобразования (светочувствительного блока) для электронов. Таким образом, существует возможность, что электроны и дырки не будут эффективно собраны, и что точность сигналов, сформированных на основе электронов и дырок, уменьшится. В соответствии с этим вариант осуществления обеспечивает устройство фотоэлектрического преобразования, способное улучшать точность сигналов, сформированных на основе электронов и дырок.
[0017] Устройство фотоэлектрического преобразования в соответствии с первым аспектом варианта осуществления включает в себя первый фотодиод, который формирует электроны, второй фотодиод, который формирует дырки, первую полупроводниковую область n-типа, которая собирает электроны, сформированные первым фотодиодом, вторую полупроводниковую область p-типа, которая собирает дырки, сформированные вторым фотодиодом, участок формирования сигнала, с которым первая полупроводниковая область и вторая полупроводниковая область соединены вместе, первый участок подачи потенциала, который подает первый потенциал на анод первого фотодиода, и второй участок подачи потенциала, который подает второй потенциал на катод второго фотодиода. Второй потенциал выше, чем первый потенциал.
[0018] В соответствии с первым аспектом обеспечено устройство фотоэлектрического преобразования, способное улучшать точность сигналов, сформированных на основе электронов и дырок.
[0019] В техническом решении в соответствии с выложенным патентом Японии № 2008-89346 (заявка на патент США № 2008/0079833) помехи переключения (шум kCT), сформированные во время выборочного переключения проводимости множества секций накопления заряда и множества конденсаторов, ухудшают отношение сигнал-шум, как описано в абзацах 0109 и 0110. Таким образом, в этом техническом решении трудно точно извлечь разностный компонент заряда, сохраненного во множестве секций накопления заряда. В соответствии с этим вариант осуществления обеспечивает устройство фотоэлектрического преобразования, которое точно формирует сигнал, соответствующий разности заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования.
[0020] Устройство фотоэлектрического преобразования в соответствии со вторым аспектом варианта осуществления включает в себя первый участок фотоэлектрического преобразования, который формирует электроны, второй участок фотоэлектрического преобразования, который формирует дырки, первую полупроводниковую область n-типа, которая собирает электроны, сформированные первым участком фотоэлектрического преобразования, вторую полупроводниковую область p-типа, которая собирает дырки, сформированные вторым участком фотоэлектрического преобразования, и участок формирования сигнала, с которым первая полупроводниковая область и вторая полупроводниковая область соединены вместе. Разность между первым потенциалом, подаваемым на первую полупроводниковую область, и вторым потенциалом, подаваемым на вторую полупроводниковую область, в период сброса составляет менее 0,10 В.
[0021] В соответствии со вторым аспектом обеспечено устройство фотоэлектрического преобразования, которое точно формирует сигнал, соответствующий разности заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования.
[0022] В техническом решении в соответствии с выложенным патентом Японии № 2005-303268 (заявка на патент США № 2007/0103748) не уделено достаточное внимание конфигурации блока рекомбинации в случае, когда блок удержания дырок и блок удержания электронов обеспечены отдельно. В соответствии с этим вариант осуществления обеспечивает устройство фотоэлектрического преобразования, способное при простой конфигурации получать сигнал, соответствующий разности величины сигнального заряда, сформированного множеством участков фотоэлектрического преобразования.
[0023] Устройство фотоэлектрического преобразования в соответствии с третьим аспектом варианта осуществления включает в себя первый участок фотоэлектрического преобразования, который формирует электроны, второй участок фотоэлектрического преобразования, который формирует дырки, первую полупроводниковую область n-типа, которая собирает электроны, сформированные первым участком фотоэлектрического преобразования, вторую полупроводниковую область p-типа, которая собирает дырки, сформированные вторым участком фотоэлектрического преобразования, и участок формирования сигнала, с которым первая полупроводниковая область и вторая полупроводниковая область соединены вместе. Первая полупроводниковая область и вторая полупроводниковая область соединены друг с другом через проводник.
[0024] В соответствии с третьим аспектом обеспечено устройство фотоэлектрического преобразования, способное при простой конфигурации получать сигнал, соответствующий разности величины сигнального заряда, сформированного множеством участков фотоэлектрического преобразования.
[0025] В техническом решении в соответствии с выложенным патентом Японии № 2005-303268 (заявка на патент США № 2007/0103748) блок управления хронированием управляет приложенным напряжением, и тем самым индивидуальные шлюзы могут быть открыты попеременно. Однако трудно точно управлять приложенным напряжением на высокой скорости. В частности, если задержка включения/выключения между двумя шлюзами является большой, точность сигналов, сформированных на основе электронов и дырок, может уменьшиться. В соответствии с этим вариант осуществления обеспечивает устройство фотоэлектрического преобразования, способное улучшать точность сигналов, сформированных на основе электронов и дырок.
[0026] Устройство фотоэлектрического преобразования в соответствии с четвертым аспектом варианта осуществления включает в себя первый участок фотоэлектрического преобразования, который формирует электроны, второй участок фотоэлектрического преобразования, который формирует дырки, первый участок переноса, который переносит электроны, сформированные первым участком фотоэлектрического преобразования, в первую полупроводниковую область n-типа, и второй участок переноса, который переносит дырки, сформированные вторым участком фотоэлектрического преобразования, во вторую полупроводниковую область p-типа. Первый участок переноса и второй участок переноса соединены с одним и тем же узлом, первый участок переноса переводится во включенное состояние и второй участок переноса переводится в выключенное состояние в ответ на подачу первого потенциала на узел, и первый участок переноса переводится в выключенное состояние и второй участок переноса переводится во включенное состояние в ответ на подачу второго потенциала на узел.
[0027] В соответствии с четвертым аспектом обеспечено устройство фотоэлектрического преобразования, способное улучшать точность сигналов, сформированных на основе электронов и дырок.
[0028] В техническом решении в соответствии с выложенным патентом Японии № 2005-303268 (заявка на патент США № 2007/0103748) не уделено достаточное внимание тому, как размещены блок фотоэлектрического преобразования (светочувствительный блок) для дырок и блок фотоэлектрического преобразования (светочувствительный блок) для электронов. В соответствии с этим вариант осуществления обеспечивает устройство фотоэлектрического преобразования, которое при простой конфигурации формирует сигналы на основе электронов и дырок.
[0029] Устройство фотоэлектрического преобразования в соответствии с пятым аспектом варианта осуществления включает в себя первый фотодиод, который формирует электроны, второй фотодиод, который формирует дырки, первую полупроводниковую область n-типа, которая собирает электроны, сформированные первым фотодиодом, вторую полупроводниковую область p-типа, которая собирает дырки, сформированные вторым фотодиодом, и участок формирования сигнала, с которым первая полупроводниковая область и вторая полупроводниковая область соединены вместе. Третья полупроводниковая область p-типа, которая составляет анод первого фотодиода, и четвертая полупроводниковая область n-типа, которая составляет катод второго фотодиода, электрически изолированы друг от друга p-n-переходом.
[0030] В соответствии с пятым аспектом обеспечено устройство фотоэлектрического преобразования, которое при простой конфигурации формирует сигнал на основе электронов и дырок.
[0031] В дальнейшем вариант осуществления будет подробно описан со ссылкой на приложенные чертежи. В последующем описании и на приложенных чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами на всех из множества фигур. Таким образом, одинаковые элементы будут описаны со ссылкой на множество фигур, и описание элементов, обозначенных одинаковыми номерами для ссылок, соответствующим образом опущено.
[0032] Со ссылкой на фиг. 1А будет дано описание устройства 11 фотоэлектрического преобразования и системы SYS обработки информации, включающей в себя устройство 11 фотоэлектрического преобразования. Система SYS обработки информации включает в себя аппарат 1 измерения дальности и может дополнительно включать в себя по меньшей мере любой компонент из аппарата 2 обработки информации, управляющего аппарата 3, приводного аппарата 4, аппарата 5 захвата изображения, аппарата 6 отображения и аппарата 7 связи. В системе SYS обработки информации устройство 11 фотоэлектрического преобразования включено в аппарат 1 измерения дальности. Аппарат 5 захвата изображения может включать в себя устройство фотоэлектрического преобразования, отличающееся от устройства 11 фотоэлектрического преобразования аппарата 1 измерения дальности. В качестве альтернативы устройство 11 фотоэлектрического преобразования может функционировать как устройство фотоэлектрического преобразования аппарата 1 измерения дальности и устройство фотоэлектрического преобразования аппарата 5 захвата изображения. Примеры применения системы SYS обработки информации будут описаны ниже.
[0033] Аппарат 1 измерения дальности включает в себя светопринимающий блок 10. Аппарат 1 измерения дальности может включать в себя светоизлучающий блок 20. Светопринимающий блок 10 включает в себя устройство 11 фотоэлектрического преобразования и оптическую систему 12, которая управляет падающим светом на устройстве 11 фотоэлектрического преобразования. Светоизлучающий блок 20 включает в себя светоизлучающее устройство 21, служащее в качестве источника света, и оптическую систему 22, которая управляет исходящим светом от светоизлучающего устройства 21. В качестве светоизлучающего устройства 21 может использоваться светодиод, поскольку он способен периодически вспыхивать с высокой скоростью. Длина волны света, излучаемого светоизлучающим устройством 21, может представлять собой инфракрасное излучение в целях уменьшения смешения цветов с окружающим светом, включающим в себя в основном видимый свет. Инфракрасное излучение с трудом может быть визуально идентифицировано человеком, и, таким образом, его удобно использовать. Однако вариант осуществления не ограничен инфракрасным светом. Каждая из оптических систем 12 и 22 включает в себя линзу, диафрагму, механический затвор, рассеивающуюся пластину, оптический низкочастотный фильтр, фильтр выбора длины волны и т.д. Например, оптическая система 12 может включать в себя фильтр, имеющий более высокий коэффициент пропускания для инфракрасного света, чем для видимого света. Аппарат 1 измерения дальности, проиллюстрированный на фиг. 1А, включает в себя оптические системы 12 и 22, но по меньшей мере любая из этих оптических систем может быть опущена. В случае использования лазерного излучения в качестве источника света оптическая система 22 может включать в себя сканирующую оптическую систему для сканирования света, излучаемого светоизлучающим блоком 20 в направлении предварительно заданной области. Аппарат 1 измерения дальности может включать в себя блок 30 управления, который соединен по меньшей мере с одним компонентом из светопринимающего блока 10 и светоизлучающего блока 20. Блок 30 управления приводит в действие и/или управляет по меньшей мере одним компонентом из светопринимающего блока 10 и светоизлучающего блока 20. Блок 30 управления в соответствии с вариантом осуществления, который соединен и со светопринимающим блоком 10, и со светоизлучающим блоком 20, способен приводить в действие и/или управлять и светопринимающим блоком 10, и светоизлучающим блоком 20, и более конкретно способен приводить в действие и/или управлять ими обоими синхронно. Блок 30 управления также способен работать в ответ на сигнал, принятый от аппарата 2 обработки информации. Аппарат 1 измерения дальности может включать в себя блок 40 обработки, который соединен со светопринимающим блоком 10. Блок 40 обработки обрабатывает сигналы, выданные из светопринимающего блока 10. Сигналы, обработанные блоком 40 обработки, могут быть переданы устройству 2 обработки информации. По меньшей мере один из блока 30 управления и блока 40 обработки способен работать в ответ на сигнал, принятый от аппарата 2 обработки информации.
8
[0034] Свет 81, испускаемый светоизлучающим блоком 20 наводится на цель 9, отражается от цели 9 и принимается как сигнальный свет 82 светопринимающим блоком 10. Разность на основе расстояния от аппарата 1 измерения дальности до цели 9 и скорости света (3 × 10 м/с) формируется между временем излучения света в светоизлучающем блоке 20 и временем приема света в светопринимающем блоке 10. С помощью физической величины, соответствующей обнаруженной разности во времени, может быть получено расстояние от аппарата 1 измерения дальности до цели 9, или информация на основе расстояния от аппарата 1 измерения дальности до цели 9, как, например, данные изображения. Аппарат 1 измерения дальности представляет собой аппарат измерения дальности, использующий способ времени прохождения (TOF). Степень описанной выше разности во времени может быть обнаружена посредством измерения разности фаз света, который периодически изменяется, или количества световых импульсов. Большой интервал между светоизлучающим блоком 20 и светопринимающим блоком 10 может сделать алгоритм измерения дальности сложным, и, таким образом, интервал между светоизлучающим блоком 20 и светопринимающим блоком 10 может быть установлен более коротким, чем интервал, соответствующий желаемой точности измерения дальности. Например, интервал между светоизлучающим блоком 20 и светопринимающим блоком 10 установлен равным 1 м или меньше.
[0035] В светопринимающий блок 10 входит не только сигнальный свет 82, но также и окружающий свет 83, полученный от источника света, отличающийся от света, излучаемого светоизлучающим устройством 21 как источником света. Источник окружающего света 83 является естественным светом или искусственным светом. Окружающий свет 83 является шумовым компонентом, когда выполняется измерение дальности. Таким образом, если отношение окружающего света 83 к принятому свету является высоким, уменьшается динамический диапазон сигнала на основе сигнального света 82 или уменьшается отношение "сигнал-шум", и трудно точно получить информацию о расстоянии из сигнального света 82. Устройство 11 фотоэлектрического преобразования в соответствии с вариантом осуществления способно удалять по меньшей мере часть компонента, полученного в результате окружающего света 83, из сигнала, сформированного на основе света, принятого устройством 11 фотоэлектрического преобразования. В соответствии с этим точность измерения дальности может быть улучшена. Хотя ниже будут описаны подробности, в варианте осуществления по меньшей мере часть компонента, полученного в результате окружающего света 83, удаляется посредством использования сигнала, соответствующего разности величины сигнального заряда, сформированного множеством участков фотоэлектрического преобразования. Кроме того, при использовании электронов и дырок в качестве сигнального заряда разность величины заряда может быть точно обнаружена посредством использования простой структуры. В соответствии с этим точность измерения дальности может быть улучшена.
[0036] Обзор устройства 11 фотоэлектрического преобразования в соответствии с вариантом осуществления будет описан со ссылкой на фиг. 1B. Устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя массив 110 ячеек на полупроводниковой подложке 100. Массив 110 ячеек включает в себя множество ячеек 111 фотоэлектрического преобразования, которые размещены в матрице, сформированной из множества строк и множества столбцов. Устройство 11 фотоэлектрического преобразования также может включать в себя на полупроводниковой подложке 100 соединительные линии 120 строк, соединительные линии 130 столбцов, приводную часть 140, управляющую часть 150, часть 160 обработки сигналов, часть 170 сканирования и часть 180 вывода. Множество ячеек 111 фотоэлектрического преобразования в массиве 110 ячеек соединены с приводной частью 140 через соединительные линии 120 строк, расположенные на полупроводниковой подложке 100 по строкам. Приводная часть 140 выборочно вводит управляющие сигналы, такие как сигналы переноса или сигналы сброса, в множество ячеек 111 фотоэлектрического преобразования последовательно или одновременно. Множество ячеек 111 фотоэлектрического преобразования в массиве 110 ячеек соединены с частью 160 обработки сигналов через соединительные линии 130 столбцов, расположенные на полупроводниковой подложке 100 по столбцам. Часть 160 обработки сигналов обрабатывает сигналы, выданные из ячеек 111 фотоэлектрического преобразования через соединительные линии 130 столбцов. Часть 160 обработки сигналов может включать в себя для каждого столбца массива 110 ячеек схему CDS, схему усиления и схему аналого-цифрового (AD) преобразования. Часть 170 сканирования побуждает последовательно выдавать сигналы, которые были выданы из массива 110 ячеек в часть 160 обработки сигналов через отдельные соединительные линии 130 столбцов и обработаны частью 160 обработки сигналов, и которые соответствуют отдельным столбцам, из части 160 обработки сигналов в часть 180 вывода. Часть 180 вывода выдает сигналы, принятые из части 160 обработки сигналов, за пределы устройства 11 фотоэлектрического преобразования и может включать в себя схему усиления, схему защиты и электрод для установления соединения с внешней схемой. Управляющая часть 150 формирует управляющие сигналы и управляет синхронизацией работы приводной части 140, части 160 обработки сигналов, части 170 сканирования и части 180 вывода посредством использования управляющих сигналов.
[0037] Массив линз на микросхеме (массив микролинз) и фильтр длин волн могут быть обеспечены на стороне поверхности падения света полупроводниковой подложки 100. Сторона поверхности падения света может быть идентична стороне, на которой соединительные линии 120 строки и соединительные линии 130 столбцов обеспечены на полупроводниковой подложки 100 (стороне передней поверхности). Посредством этой конфигурации может быть получено устройство фотоэлектрического преобразования с облучением передней поверхности. Если сторона поверхности падения света противоположна стороне, на которой соединительные линии 120 строк и соединительные линии 130 столбцов обеспечены на полупроводниковой подложке 100 (сторона задней поверхности), может быть получено устройство фотоэлектрического преобразования с облучением задней поверхности.
[0038] Фиг. 2 иллюстрирует работу в восьми строках в случае, когда массив 110 ячеек включает в себя восемь строк ячеек 111 фотоэлектрического преобразования. В примере, проиллюстрированном на фиг. 2, прогрессивное сканирование выполняется на строках от первой строки R1 до восьмой строки R8. В качестве альтернативы может выполняться сканирование с чередованием.
[0039] Период управления Tdr для одной ячейки 111 фотоэлектрического преобразования включает в себя период сброса Trs, в котором выполняется операция сброса, период накопления Tac, в котором выполняется операция накопления для накопления заряда на основе сигнального света 82, и период считывания Tsr, в котором выполняется операция считывания для считывания сигналов на основе накопленного заряда. Период считывания Tsr также может называться периодом, в котором выполняется вывод из ячейки фотоэлектрического преобразования в соединительную линию столбцов. Период управления Tdr может также включать в себя период, в котором выполнена другая желаемая операция. В этом примере множеством ячеек 111 фотоэлектрического преобразования, принадлежащих одной и той же строке, одновременно управляют в течение одного периода управления Tdr. Сигналы, выданные из множества ячеек 111 фотоэлектрического преобразования, принадлежащих одной и той же строке массива 110 ячеек, обрабатываются посредством части 160 обработки сигналов и выдаются в часть 180 вывода, как описано выше со ссылкой на фиг. 1B.
[0040] Период кадра - это период, в котором операции сброса, операции накопления и операции считывания выполняются во всех строках ячеек 111 фотоэлектрического преобразования, составляющих массив 110 ячеек. Например, начальная точка первого периода кадра F1 представляет собой момент времени, в котором начинается операция сброса в первой строке R1, и конечная точка первого периода кадра F1 представляет собой момент времени, в котором закачивается операция считывания в ячейках 111 фотоэлектрического преобразования в восьмой строке R8. Начальная точка второго периода кадра F2 - это момент времени, в котором начинается операция сброса в первой строке R1 впервые после того, как закончилась операция считывания в первой строке R1 в первый период кадра F1. Конечная точка второго периода кадра F2 - это момент времени, в котором операция считывания в восьмой строке R8 заканчивается впервые после того, как закончилась операция считывания в восьмой строке R8 в первый период кадра F1.
[0041] Как проиллюстрировано на фиг. 2, операции накопления во множестве строк (в этом примере с третьей по четвертую строку) выполняются параллельно, и, таким образом, период накопления может быть расширен, и вывод сигналов, полученных в период накопления, может быть увеличен. Даже когда операции накопления во множестве строк выполняются параллельно, сигналы во множестве строк могут быть отделены от друг друга, если сделать синхронизацию выполнения операции считывания разной среди строк.
[0042] Кроме того, в результате выполнения последовательности операций, чтобы часть первого периода кадра F1 накладывалась на часть второго периода кадра F2, как проиллюстрировано на фиг. 2, частота кадров может быть увеличена, или один период кадра может быть расширен. Таким образом, на фиг. 2, в то время, когда операции считывания в строках с первой по четвертую закончены в первом периоде кадра F1, начинается операция сброса и операция накопления в первой строке.
[0043] Вариант осуществления не ограничен этим примером. После того, как операция сброса, операция накопления и операция считывания в одной строке все были закончены, могут быть начаты операция сброса, операция накопления и операция считывания в следующей строке. В качестве альтернативы, после того, как операция считывания в последней строке (в восьмой строке) была закончена, может быть начата операция сброса в первой строке.
[0044] Далее будет дано описание иллюстративной структуры каждой ячейки 111 фотоэлектрического преобразования. Фиг. 3 иллюстрирует эквивалентную схему ячейки 111 фотоэлектрического преобразования. На фиг. 3 элементы, включенные в ячейку 111 фотоэлектрического преобразования как повторяющийся блок матрицы, окружены штрихпунктирной линией. Следует отметить, что относительно элементов, окруженных пунктирной линией, часть элементов может быть расположена вне массива 110 ячеек (например, приводная часть 140).
[0045] Ячейка 111 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 301 фотоэлектрического преобразования и участок 302 фотоэлектрического преобразования. Участок 301 фотоэлектрического преобразования формирует электроны в качестве сигнального заряда через фотоэлектрическое преобразование, тогда как участок 302 фотоэлектрического преобразования формирует дырки в качестве сигнального заряда через фотоэлектрическое преобразование. Таким образом, положительный/отрицательный знак сигнального заряда, сформированного участком 301 фотоэлектрического преобразования, противоположен знаку сигнального заряда, сформированного участком 302 фотоэлектрического преобразования. Однако участок 301 фотоэлектрического преобразования формирует дырки, а также электроны, и участок 302 фотоэлектрического преобразования формирует электроны, а также дырки. Каждый из участков 301 и 302 фотоэлектрического преобразования представляет собой p-n-фотодиод или p-i-n-фотодиод и может представлять собой фотодиод с углубленным переходом с точки зрения сокращения темнового тока. Использование фотодиодов с углубленным переходом в качестве участков 301 и 302 фотоэлектрического преобразования является выгодным с точки зрения сокращения темнового тока по сравнению со случаем использования фотозатворов в качестве участков 301 и 302 фотоэлектрического преобразования и увеличения отношения "сигнал-шум", которое является важным для приема слабого сигнального света. Фотодиод, служащий в качестве участка 301 фотоэлектрического преобразования, включает в себя катод 201, который является полупроводниковой областью n-типа, в которой электроны являются большинством носителей, и анод 211, который является полупроводниковой областью p-типа, в которой электроны являются меньшинством носителей. Фотодиод, служащий в качестве участка 302 фотоэлектрического преобразования, включает в себя анод 202, который является полупроводниковой областью p-типа, в которой дырки являются большинством носителей, и катод 212, который является полупроводниковой областью n-типа, в которой дырки являются меньшинством носителей.
[0046] Ячейка 111 фотоэлектрического преобразования включает в себя конденсаторный участок 307, способный удерживать электроны в качестве сигнального заряда, сформированного участком 301 фотоэлектрического преобразования, и конденсаторный участок 310, способный удерживать дырки в качестве сигнального заряда, сформированного участком 302 фотоэлектрического преобразования.
[0047] Конденсаторный участок 307 включает в себя опорный узел 217 и узел 207 сбора. Узел 207 сбора собирает электроны в качестве сигнального заряда, сформированного участком 301 фотоэлектрического преобразования. Конденсаторный участок 307 выполнен таким образом, чтобы разность потенциалов, соответствующая величине заряда, удерживаемого конденсаторным участком 307, появлялась между узлом 207 сбора и опорным узлом 217. Таким образом, конденсаторный участок 307 функционирует как участок преобразования заряда в напряжение, который преобразовывает величину заряда в напряжение. Конденсаторный участок 310 включает в себя опорный узел 200 и узел 210 сбора. Узел 210 сбора собирает дырки в качестве сигнального заряда, сформированного участком 302 фотоэлектрического преобразования. Конденсаторный участок 310 выполнен таким образом, чтобы разность потенциалов, соответствующая величине заряда, удерживаемого конденсаторным участком 310, появлялась между узлом 210 сбора и опорным узлом 200. Таким образом, конденсаторный участок 310 функционирует как участок преобразования заряда в напряжение, который преобразовывает величину заряда в напряжение.
[0048] Каждый из конденсаторных участков 307 и 310 имеет структуру диода с p-n-переходом. Опорный узел 217 и узел 210 сбора представляют собой полупроводниковые области p-типа, тогда как опорный узел 200 и узел 207 сбора представляют собой полупроводниковые области n-типа. Узлы 207 и 210 сбора, которые удерживают сигнальный заряд, представляют собой плавающие узлы, которые являются электрически плавающими. Полупроводниковые области, составляющие узлы 207 и 210 сбора, являются областями диффузии примесей в плавающем состоянии, то есть, плавающими диффузными областями. Узел 207 сбора, который является полупроводниковой областью n-типа, может собирать электроны в качестве сигнального заряда и удерживать электроны. Узел 210 сбора, который является полупроводниковой областью p-типа, может собирать дырки в качестве сигнального заряда и удерживать дырки. Хотя подробности будут описаны ниже, устройство 11 фотоэлектрического преобразования способно работать таким образом, чтобы сигнальный заряд выборочно удерживался одним из узлов 207 и 210 сбора.
[0049] Ячейка 111 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 303 переноса для эффективного сбора электронов среди электронов и дырок, сформированных участком 301 фотоэлектрического преобразования, в узле 207 сбора конденсаторного участка 307. Кроме того, ячейка 111 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 306 переноса для эффективного сбора дырок среди электронов и дырок, сформированных участком 302 фотоэлектрического преобразования, в узле 210 сбора конденсаторного участка 310. Таким образом, узлы 207 и 210 сбора также могут упоминаться как узлы, в которые сигнальный заряд переносится из участков 301 и 302 фотоэлектрического преобразования, соответственно. Поскольку узлы 207 и 210 сбора способны удерживать заряд, перенесенный из участков 301 и 302 фотоэлектрического преобразования, узлы сбора (конденсаторные участки) также могут упоминаться как удерживающие заряд участки.
[0050] Каждый из участков 303 и 306 переноса имеет структуру затвора MIS. Более конкретно, участки 303 и 306 переноса имеют многослойную структуру, включающую в себя полупроводниковую область (область канала), изолирующую пленку затвора и электрод затвора. Таким образом, участки 303 и 306 переноса также могут упоминаться как затворы переноса. Когда участок 303 переноса находится во включенном состоянии (в проводящем состоянии), инверсия формирует канал n-типа в полупроводниковой области. Когда участок 306 переноса находится во включенном состоянии, инверсия формирует канал p-типа в полупроводниковой области. Таким образом, типы проводимости участков 303 и 306 переноса отличаются друг от друга.
[0051] В этом примере электрод затвора участка 303 переноса и электрод затвора участка 306 переноса соединены вместе с узлом 218 переноса. Узел 218 переноса соединен с участком 428 вывода сигнала переноса, и сигнал переноса TX1 вводится из участка 428 вывода сигнала переноса в узел 218 переноса. Участки 303 и 306 переноса имеют разные типы проводимости и выполнены с возможностью работать в дополнительном порядке. Таким образом, участок 306 переноса находится в выключенном состоянии (в непроводящем состоянии) в период, когда участок 303 переноса находится во включенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX1, и участок 306 переноса находится во включенном состоянии в период, когда участок 303 переноса находится в выключенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX1.
[0052] Порог может быть установлен таким образом, чтобы оба участка 303 и 306 переводились в выключенное состояние, когда узел 218 переноса имеет предварительно заданный потенциал. Предварительно заданный потенциал может представлять собой потенциал между потенциалом, при котором участок 303 переноса находится во включенном состоянии и участок 306 переноса находится в выключенном состоянии, и потенциалом, при котором участок 303 переноса находится в выключенном состоянии и участок 306 переноса находится во включенном состоянии. Такой предварительно заданный потенциал определяется в соответствии с потенциалом в полупроводниковой области в структуре затвора MIS и порогом структуры затвора MIS. Разность между высоким (High) уровнем потенциала, при котором участок 303 переноса находится во включенном состоянии, и средним (Mid) уровнем потенциала, при котором участок 303 переноса находится в выключенном состоянии, составляет, например, 1-5 В. Разность между низким (Low) уровнем потенциала, при котором участок 306 переноса находится во включенном состоянии, и средним уровнем потенциала, при котором участок 303 переноса находится в выключенном состоянии, составляет, например, 1-5 В. Высокий уровень потенциала может быть установленным равным потенциалу (положительному потенциалу), который выше нулевого (GND) потенциала (0 В), и низкий уровень потенциала может быть установлен равным потенциалу (отрицательному потенциалу), который ниже нулевого потенциала. Например, средний уровень потенциала может быть установлен равным нулевому потенциалу. И высокий, и низкий уровни потенциала могут быть установлены равными положительным потенциалам, или и высокий, и низкий уровни потенциала могут быть установлены равными отрицательным потенциалам, чтобы сократить масштаб схемы.
[0053] В качестве альтернативы, участки 303 и 306 переноса могут быть соединены с разными узлами переноса, и состояниями включения/выключения участков 303 и 306 переноса можно управлять посредством использования сигналов переноса, независимых друг от друга. Однако может быть лучше соединить участки 303 и 306 переноса с одним и тем же узлом 218 переноса и подавать один и тот же сигнал переноса TX1 на электроды затвора участков 303 и 306 переноса. В соответствии с этим точность синхронизации состояний включения/выключения участков 303 и 306 переноса может быть улучшена. Кроме того, поскольку участками 303 и 306 переноса можно управлять посредством одной и той же управляющей схемы и соединительной линии, конфигурация устройства 11 фотоэлектрического преобразования может быть упрощена.
[0054] Описанным выше образом узел 207 сбора соединен с катодом 201 через участок 303 переноса. Кроме того, узел 210 сбора соединен с анодом 202 через участок 306 переноса.
[0055] Узел 207 сбора может быть соединен с катодом 201 не через активный элемент, такой как участок 303 переноса. Кроме того, узел 210 сбора может быть соединен с анодом 202 не через активный элемент, такой как участок 306 переноса. Например, посредством поддержания подходящего соотношения между потенциалом в участке 301 фотоэлектрического преобразования и потенциалом в конденсаторном участке 307 электроны, сформированные участком 301 фотоэлектрического преобразования, могут быть собраны в узле 207 сбора, даже если участок 303 переноса опущен. Кроме того, посредством поддержания подходящего соотношения между потенциалом в участке 302 фотоэлектрического преобразования и потенциалом в конденсаторном участке 310 дырки, сформированные участком 302 фотоэлектрического преобразования, могут быть собраны в узле 210 сбора, даже если участок 306 переноса опущен. Кроме того, участок 301 фотоэлектрического преобразования может быть выполнен с возможностью также функционировать как конденсаторный участок 307, имеющий емкость, соответствующую емкости его перехода, и участок 302 фотоэлектрического преобразования может быть выполнен с возможностью также функционировать как конденсаторный участок 310, имеющий емкость, соответствующую емкости его перехода. Например, область высокой концентрации, в которой концентрация примеси n-типа выше, чем в другой области, может быть обеспечена в части полупроводниковой области n-типа фотодиода, и область высокой концентрации может использоваться в качестве узла сбора. Как альтернатива для переключения между переносом и отсутствием переноса заряда из участков 301 и 302 фотоэлектрического преобразования участками 303 и 306 переноса может использоваться переключение между разрядом и отсутствием разряда из участков 301 и 302 фотоэлектрического преобразования из участков разряда, соединенных с участками 301 и 302 фотоэлектрического преобразования. Однако переключение между переносом и отсутствием переноса заряда с использованием участков 303 и 306 переноса дает возможность точного управления зарядом по сравнению со случаем не использования участков 303 и 306 переноса.
[0056] Участок 411 подачи опорного потенциала соединен с анодом 211 участка 301 фотоэлектрического преобразования и опорным узлом 217 конденсаторного участка 307. Опорный потенциал VF1 подается от участка 411 подачи опорного потенциала совместно на анод 211 участка 301 фотоэлектрического преобразования и опорный узел 217 конденсаторного участка 307. Участок 412 подачи опорного потенциала соединен с катодом 212 участка 302 фотоэлектрического преобразования и опорным узлом 200 конденсаторного участка 310. Опорный потенциал VF2 подается от участка 412 подачи опорного потенциала совместно на катод 212 участка 302 фотоэлектрического преобразования и опорный узел 200 конденсаторного участка 310.
[0057] Как описано выше, участок 301 фотоэлектрического преобразования также формирует дырки, но дырки разряжаются на сторону анода 211. Участок 302 фотоэлектрического преобразования также формирует электроны, но электроны разряжаются на сторону катода 212.
[0058] Узел 207 сбора конденсаторного участка 307 и узел 210 сбора конденсаторного участка 310 соединены вместе с узлом 220 обнаружения. Потенциал, соответствующий количеству электронов, перенесенных от участка 301 фотоэлектрического преобразования в конденсаторный участок 307, и емкости конденсаторного участка 307, появляются в узле 207 сбора и узле 220 обнаружения. Кроме того, потенциал, соответствующий количеству дырок, перенесенных от участка 302 фотоэлектрического преобразования в конденсаторный участок 310, и емкости конденсаторного участка 310, появляется в узле 210 сбора и узле 220 обнаружения. В результате потенциал, который является комбинацией потенциала, который может появиться в узле 220 обнаружения благодаря электронам, собранным узлом 207 сбора, и потенциала, который может появиться в узле 220 обнаружения благодаря дыркам, собранным узлом 210 сбора, появляется в узле 220 обнаружения.
4
- 4
-7
7
-7
4
- 4
7
19
3
[0059] Узлы 207 и 210 сбора электрически соединены друг с другом. Электрическое соединение между узлами 207 и 210 сбора установлено посредством проводника (электрического проводника). Как правило, узлы 207 и 210 сбора непосредственно соединены друг с другом через проводник. Проводник имеет удельную проводимость 10 См/м или больше (удельное сопротивление 10 Ом·м или меньше). Изолятор имеет удельную проводимость 10 См/м или меньше (удельное сопротивление 10 Ом·м или больше). Полупроводник имеет удельную проводимость между 10 См/м и 10 См/м (удельное сопротивление между 10 Ом·м и 10 Ом·м). Примеры проводника включают в себя металл, металлосодержащее соединение, графит и поликристаллический кремний. Также считается, что кремний с высокой концентрацией примеси (10/см или больше) имеет электропроводное поведение. Поскольку узлы 207 и 210 сбора соединены друг с другом через проводник, заряд свободно передается и принимается между узлами 207 и 210 сбора. Это сокращает время, пока потенциалы в узлах 207 и 210 сбора не станут статичными.
[0060] Считается, что следующее явление произойдет переходным образом. Сначала возникает разность между количеством электронов, собранных узлом 207 сбора, и количеством дырок, собранных узлом 210 сбора. В соответствии с этой разностью между узлами 207 и 210 сбора возникает разность потенциалов. Электроны перемещаются между узлами 207 и 210 сбора через проводник, чтобы уменьшить разность потенциалов. Затем электроны и дырки рекомбинируют (аннигиляция пар) в узле 210 сбора. В соответствии с этим в узле 220 обнаружения возникает потенциал, соответствующий величине заряда как разности между количеством электронов, собранных узлом 207 сбора, и количеством дырок, собранных узлом 210 сбора.
[0061] В этом примере, поскольку узлы 207 и 210 сбора непосредственно соединены друг с другом через проводник, потенциалы в узлах 207 и 210 сбора и в узле 220 обнаружения могут считаться одинаковыми. Кроме того, например, между узлом 207 сбора и узлом 220 обнаружения и/или между узлом 210 сбора и узлом 220 обнаружения может быть обеспечен переключатель. В соответствии с этим управление может быть временно выполнено таким образом, чтобы по меньшей мере два узла из узлов 207 и 210 сбора и узла 220 обнаружения имели разные потенциалы.
[0062] Потенциал в узле 220 обнаружения представлен как VN, потенциал в узле 207 сбора представлен как VN1, и потенциал в узле 210 сбора представлен как VN2. При этом отдельные потенциалы VN, VN1 и VN2 являются переменными потенциалами. Как описано выше, в варианте осуществления узлы 207 и 210 сбора соединены вместе с узлом 220 обнаружения, и, таким образом, VN≈VN1≈VN2 удовлетовряется. С точки зрения простоты сбора электронов катода 201 участка 301 фотоэлектрического преобразования посредством узла 207 сбора может быть лучше, когда VF1<VN1. Кроме того, с точки зрения простоты сбора дырок анода 202 участка 302 фотоэлектрического преобразования посредством узла 210 сбора может быть лучше, когда VN2 <VF2. Если VF1<VN1 и VN2<VF2, то VF1<VF2, поскольку VN1=VN2. Такое соотношение, при котором опорный потенциал VF2 выше, чем опорный потенциал VF1 (VF1<VF2), является более выгодным, чтобы увеличить точность измерения дальности, чем соотношение, при котором опорный потенциал VF2 равен или ниже, чем опорный потенциал VF1 (VF1≥VF2). Таким образом, эффективность сбора заряда увеличивается, а также может быть реализована высокоскоростная работа и очень точный сигнальный сбор. С практической точки зрения, в одном варианте осуществления разность потенциалов между опорными потенциалами VF1 и VF2 может составлять 0,10 В или больше. С этой целью в этом примере участки 411 и 412 подачи опорного потенциала обеспечены отдельно. Разность потенциалов между опорными потенциалами VF1 и VF2 обычно равна 1 В или больше и 5 В или меньше. Опорный потенциал VF1 может быть установлен ниже нулевого потенциала 0 В (VF1<GND), и опорный потенциал VF2 может быть установлен выше нулевого потенциала 0 В (GND<VF2). Таким образом, опорный потенциал VF1 может являться отрицательным потенциалом, и опорный потенциал VF2 может являться положительным потенциалом.
[0063] Узел 220 обнаружения соединен с участком 315 формирования сигнала. В этом примере участок 315 формирования сигнала представляет собой МОП(MOS)-транзистор (транзистор усиления), включающий в себя затвор, исток и утечку. Узел 220 обнаружения соединен с затвором участка 315 формирования сигнала (с транзистором усиления).
[0064] Утечка участка 315 формирования сигнала соединена с участком 432 источника питания, и потенциал источника питания VDD подается на нее от участка 432 источника питания. Исток участка 315 формирования сигнала соединен с источником 430 постоянного тока через МОП-транзистор 316 (транзистор выбора), и участок 315 формирования сигнала составляет схему истокового повторителя вместе с источником 430 постоянного тока. Во время операции считывания сигнал выбора SL выдается от участка 426 подачи сигнала выбора, соединенного с затвором транзистора 316 выбора, таким образом, чтобы транзистор 316 выбора был приведен во включенное состояние. В соответствии с этим участок 315 формирования сигнала формирует пиксельный сигнал, соответствующий потенциалу в узле 220 обнаружения, и выдает пиксельный сигнал на линию 431 вывода, которая включена в соединительные линии 130 столбцов, проиллюстрированные на фиг. 1B.
[0065] В этом примере электрический низкочастотный фильтр 433 обеспечен между узлом 220 обнаружения и участком 315 формирования сигнала. При обеспеченном электрическом низкочастотном фильтре 433 может быть стабилизирован выход из участка 315 формирования сигнала, и точность измерения дальности может быть увеличена, даже если потенциал в узле 220 обнаружения колеблется. Электрический низкочастотный фильтр 433 может быть сформирован из резистора, соединенного последовательно с затвором транзистора усиления, и конденсатора, соединенного параллельно с затвором, но конфигурация не ограничена этим. В качестве альтернативы электрический низкочастотный фильтр 433 может быть опущен.
[0066] Участок 413 подачи потенциала сброса соединен вместе с узлами 207 и 210 сбора через МОП-транзистор 313 (транзистор сброса). Участок 413 подачи потенциала сброса выдает потенциал сброса VS1. Сигнал сброса RS1, выданный из участка 423 вывода сигнала сброса на затвор транзистора 313 сброса, заставляет транзистор 313 сброса находиться во включенном состоянии. В соответствии с этим потенциал VS11, соответствующий потенциалу сброса VS1, подается от участка 413 подачи потенциала сброса на узел 207 сбора. Таким образом, потенциал VN1 в узле 207 сбора становится равным потенциалу VS11 (VN1=VS11). Кроме того, потенциал VS12, соответствующий потенциалу сброса VS1, подается от участка 413 подачи потенциала сброса на узел 210 сбора. Таким образом, потенциал VN2 в узле 210 сбора становится равным потенциалу VS12 (VN2=VS12).
[0067] Во время операции сброса потенциал VS11 подается на узел 207 сбора конденсаторного участка 307, и тем самым электроны, удерживаемые конденсаторным участком 307, разряжаются на участок 413 подачи потенциала сброса. Потенциал VS12 подается на узел 210 сбора конденсаторного участка 310, и тем самым дырки, удерживаемые конденсаторным участком 310, разряжаются на участок 413 подачи потенциала сброса.
[0068] Для увеличения точности измерения дальности выгодно, чтобы разность потенциалов между потенциалом VS11 и потенциалом VS12 составляла меньше 0,10 В, по сравнению со случаем, в котором разность потенциалов между ними составляет 0,10 В или больше. Когда разность потенциалов VS11 и VS12 составляет меньше 0,10 В относительно узлов 207 и 210 сбора, соединенных вместе с узлом 220 обнаружения, операция в период накопления Tac после периода сброса Trs может быть стабилизирована. Чтобы сделать разность потенциалов между потенциалами VS11 и VS12 меньше 0,10 В, узлы 207 и 210 сбора могут быть соединены друг с другом через проводник, имеющий высокую проводимость. Кроме того, чтобы сделать разность потенциалов между потенциалами VS11 и меньше чем 0,10 В VS12, резистор, который делает разность между потенциалами VS11 и VS12 равной 0,10 В или больше, не может быть расположен между узлами 207 и 210 сбора. Следует отметить, что допустима небольшая разность потенциалов менее 0,10 В, которая может быть вызвана неизбежно сформированным сопротивлением или производственной погрешностью.
[0069] В этом примере потенциал VS11 приложен к узлу 207 сбора, и в то же время потенциал VS12 приложен к узлу 210 сбора. Между участком 423 вывода сигнала сброса и узлом 207 сбора и между участком 423 вывода сигнала сброса и узлом 210 сбора может быть обеспечен переключатель. В этом случае синхронизация приложения потенциала VS11 к узлу 207 сбора может отличаться от синхронизации приложения потенциала VS12 к узлу 210 сбора.
[0070] Потенциал VS11 может быть выше, чем опорный потенциал VF1 (VF1<VS11). В этом случае эффективность сбора электронов узлом 207 сбора после периода сброса Trs может быть улучшена. Кроме того, потенциал VS12 может быть ниже, чем опорный потенциал VF2 (VS12<VF2). В этом случае эффективность сбора дырок узлом 210 сбора после периода сброса Trs может быть улучшена. Как описано выше, когда VS11=VS12=VS1, потенциал сброса VS1 может представлять собой потенциал между опорным потенциалом VF1 и опорным потенциалом VF2 (VF1<VS1<VF2), чтобы удовлетворить обоим выражениям VF1<VS11 и VS12<VF2.
[0071] Потенциал VS11 может быть выбран из диапазона от -5 В до +5 В. В одном варианте осуществления потенциал VS11 должен быть выбран из диапазона, например, от -2 В до +2 В. Кроме того, потенциал VS12 может быть выбран из диапазона от -5 В до +5 В, и в одном варианте осуществления потенциал VS12 должен быть выбран из диапазона, например, от -2 В до +2 В. Разность между потенциалом VS11 и потенциалом VS12 должна составлять 0 В. Схема может быть разработана таким образом, чтобы удовлетворять выражениям VF1<VS11 и VS12 <VF2 в пределах описанных выше диапазонов опорных потенциалов VF1 и VF2 и в пределах описанных выше диапазонов потенциалов VS11 и VS12.
[0072] В примере, проиллюстрированном на фиг. 3, участок 304 переноса и конденсаторный участок 308 соединены с участком 301 фотоэлектрического преобразования методом, подобным участку 303 переноса и конденсаторному участку 307. Таким образом, набор из участка 303 переноса и конденсаторного участка 307 и набор из участка 304 переноса и конденсаторного участка 308 соединены параллельно с участком 301 фотоэлектрического преобразования. Аналогичным образом, участок 305 переноса и конденсаторный участок 309 соединены с участком 302 фотоэлектрического преобразования методом, подобным участку 306 переноса и конденсаторному участку 310. Таким образом, набор из участка 306 переноса и конденсаторного участка 310 и набор из участка 305 переноса и конденсаторного участка 309 соединены параллельно с участком 302 фотоэлектрического преобразования. Участок 304 переноса и конденсаторный участок 308 могут иметь конфигурацию, подобную участку 303 переноса и конденсаторному участку 307. Участок 305 переноса и конденсаторный участок 309 могут иметь конфигурацию, подобную участку 306 переноса и конденсаторному участку 310.
[0073] В этом примере электроды затвора, которые имеют структуру затвора MIS и которые соответственно включены в участки 304 и 305 переноса, соединены вместе с узлом 219 переноса. Узел 219 переноса соединен с участком 429 вывода сигнала переноса. Сигнал переноса TX2 подается от участка 429 вывода сигнала переноса на узел 219 переноса. Участки 304 и 305 переноса имеют разные типы проводимости и обеспечены комплементарным образом. Таким образом, участок 305 переноса находится в выключенном состоянии (в непроводящем состоянии) в период, когда участок 304 переноса находится во включенном состоянии (в проводящем состоянии) в ответ на сигнал переноса TX2, и участок 305 переноса находится во включенном состоянии в период, когда участок 304 переноса находится в выключенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX2. Порог может быть установлен таким образом, чтобы оба участка 304 и 305 переноса были приведены в выключенное состояние, когда узел 219 переноса имеет предварительно заданный потенциал. Такой предварительно заданный потенциал определен в соответствии с потенциалом в полупроводниковой области в структуре затвора MIS и порогом структуры затвора MIS. Разность между высоким уровнем потенциала, который заставляет участок 304 переноса находиться во включенном состоянии, и средним уровнем потенциала, который заставляет участок 304 переноса находиться в выключенном состоянии, составляет, 1-5 В. Разность между низким уровнем потенциала, который заставляет участок 305 переноса находиться во включенном состоянии, и средним уровнем потенциала, который заставляет участок 305 переноса находиться в выключенном состоянии, составляет, например, 1-5 В. Высокий уровень потенциала может быть установлен равным потенциалу (положительному потенциалу), который выше нулевого потенциала (0 В), и низкий уровень потенциала может быть установлен равным потенциалу (отрицательному потенциалу), который ниже нулевого потенциала. Например, средний уровень потенциала может быть установлен равным нулевому потенциалу. И высокий, и низкий уровни потенциала могут быть установлены равными положительному потенциалу, или и высокий, и низкий уровни потенциала могут быть установлены равными отрицательному потенциалу, чтобы сократить масштаб схемы. Участки 304 и 305 переноса могут быть соединены, чтобы разделить узлы переноса, и состоянием включения/выключения участков 304 и 305 переноса можно управлять посредством использования сигналов переноса, независимых друг от друга. Участки 303 и 304 переноса, соединенные с участком 301 фотоэлектрического преобразования, могут управляться таким образом, чтобы состояния включения и выключения были противоположны друг относительно друга, то есть, комплементарны. Более конкретно, в то время как участок 303 переноса находится во включенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX1, участок 304 переноса находится в выключенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX2. В то время как участок 303 переноса находится в выключенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX1, участок 304 переноса находится во включенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX2. Кроме того, участки 305 и 306 переноса, соединенные с участком 302 фотоэлектрического преобразования, могут управляться таким образом, чтобы состояния включения и выключения были противоположны друг относительно друга, то есть, комплементарны. Более конкретно, в то время как участок 306 переноса находится во включенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX1, участок 305 переноса находится в выключенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX2. В то время как участок 306 переноса находится в выключенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX1, участок 305 переноса находится во включенном состоянии в ответ на сигнал переноса TX2. В соответствии с этим сигнальный заряд от единственного участка фотоэлектрического преобразования может поочередно переноситься двумя участками переноса, соединенными с единственным участком фотоэлектрического преобразования.
[0074] Конденсаторный участок 308 побуждает собирать электроны, перенесенные от участка 301 фотоэлектрического преобразования через участок 304 переноса, в узле 208 сбора. Конденсаторный участок 309 побуждает собирать дырки, перенесенные от участка 302 фотоэлектрического преобразования через участок 305 переноса, в узле 209 сбора. Каждый из конденсаторных участков 308 и 309 имеет структуру диода с p-n-переходом. Узел 208 сбора конденсаторного участка 308 является полупроводниковой областью n-типа, и узел 209 сбора конденсаторного участка 309 является полупроводниковой областью p-типа. Опорный узел 228 конденсаторного участка 308 является полупроводниковой областью p-типа, и опорный узел 229 конденсаторного участка 309 является полупроводниковой областью n-типа. Опорный узел 228 соединен с участком 411 подачи опорного потенциала, и на него подается опорный потенциал VF1. Опорный узел 229 соединен с участком 412 подачи опорного потенциала, и на него подается опорный потенциал VF2.
[0075] Узлы 208 и 209 сбора соединены вместе с участком 414 подачи потенциала сброса через МОП-транзистор 314 (транзистор сброса). Участок 414 подачи потенциала сброса выдает потенциал сброса VS2. Сигнал сброса RS2, выданный из участка 424 вывода сигнала сброса, побуждает транзистор 314 сброса находиться во включенном состоянии. В соответствии с этим потенциалы в узлах 208 и 209 сброса могут быть установлены равными предопределенным потенциалам сброса.
[0076] В примере, проиллюстрированном на фиг. 3, заряд, перенесенный из участков фотоэлектрического преобразования в узлы 208 и 209 сбора в конденсаторных участках 308 и 309, разряжается. Однако, аналогично участку 315 формирования сигнала, участок формирования сигнала может быть соединен с конденсаторными участками 308 и 309, и может быть считан сигнал на основе заряда в конденсаторных участках 308 и 309. В случае использования такой конфигурации могут быть объединены сигнал, сформированный участком формирования сигнала на основе заряда в конденсаторных участках 308 и 309, и сигнал, сформированный участком формирования сигнала на основе заряда в конденсаторных участках 307 и 310. В соответствии с этим интенсивность пиксельного сигнала может быть увеличена.
[0077] Будут описаны примеры потенциалов, используемых в описанной выше схеме. Нулевой потенциал (GND) составляет 0 В. В первом примере VS1, VS2=0 В, VF1=-1 В, VF2=+1 В, высокий уровень потенциала High=+2 В, средний уровень потенциала Mid=0 В, и низкий уровень потенциала Low=-2 В. Во втором примере VS1, VS2=+1 В, VF1=0 В, VF2=+2 В, высокий уровень потенциала High=+3 В, средний уровень потенциала Mid=+1 В, и низкий уровень потенциала Low=-1 В. Второй пример получен посредством смешения отдельных потенциалов в первом примере на S (В) и соответствует случаю? где S=-1. В третьем примере, VS1, VS2=0 В, VF1=-2 В, VF2=+2 В, высокий уровень потенциала High=+4 В, средний уровень потенциала Mid=0 В, и низкий уровень потенциала Low=-4 В. Третий пример представляет собой пример, в котором потенциалы в первом примере умножены на T и соответствует случаю, где T=2. Описанное выше значение S может являться положительной или отрицательной величиной, и описанное выше значение T может быть меньше 1. Второй и третий примеры могут быть объединены, то есть, первый пример может быть смещен на S (В) и умножен на T. Фактические значения потенциалов могут быть должным образом отрегулированы при поддержании соотношения среди значений потенциалов, разностей потенциалов и соотношения среди разностей потенциалов, которые получены из индивидуальных потенциалов в упомянутых выше трех примерах.
[0078] Далее будет описана операция в одном периоде управления Tdr одной ячейки 111 фотоэлектрического преобразования устройства 1 измерения дальности со ссылкой на фиг. 4А-4C. В приведенном ниже описании со ссылкой на фиг. 4А-4C периоды от p1 до p10 соответствуют периоду от времени t0 до t10.
[0079] Фиг. 4А иллюстрируют уровень излучения света Le светоизлучающего устройства 21 и уровни приема света Lr1 и Lr2 устройства 11 фотоэлектрического преобразования. Светоизлучающее устройство 21 находится в выключенном состоянии в периоды p1, p4, p5, p7 и p9, когда уровень излучения света Le соответствует количеству света Loff. Светоизлучающее устройство 21 находится во включенном состоянии в периоды p2, p3, p6 и p8, когда уровень излучения света Le соответствует количеству света Lon. Таким образом, светоизлучающее устройство 21 повторяет вспышки в одном цикле, который соответствует периоду Tcy от времени t1 до времени t5. При этом предполагается, что вспышки повторяются три раза для упрощения описания. Однако фактически вспышки повторяются 100-10000 раз в течение периода накопления Tac каждый раз, когда выполняется измерение дальности, и тем самым может быть обеспечена достаточная точность.
8
[0080] Когда скорость света представлена как c (м/с), время задержки от излучения света до приема света на основе расстояния d (м) от устройства 1 измерения дальности до цели 9 составляет 2×d/c (с). Время задержки от излучения света до приема света может быть обнаружено в пределах одного цикла Tcy. Скорость света составляет 3×10 м/с, то есть, 0,3 м/нс. Таким образом, один цикл Tcy устанавливается равным, например, от 1 нс до 1 000 нс, и в одном варианте осуществления один цикл Tcy установлен равным от 10 нс до 100 нс. Например, задержка от излучения света до приема света, соответствующая разности расстояния 0,3 м, составляет 2 нс. Таким образом, если один цикл Tcy составляет 10 нс, разность расстояния 0,3 м может быть обнаружена посредством обнаружения физической величины, соответствующей времени задержки в пределах 10 нс. В соответствии с циклом Tcy и количеством повторяющихся вспышек одна операция по измерению дальности выполняется в короткое время, составляющее от 1 мкс до 10 мс. Таким образом, приблизительно 10-1000 строк массива 110 ячеек, то есть, приблизительно 1-1000 кадров могут быть считаны за одну секунду. Например, если период управления Tdr для одной строки составляет 1 мкс, 1000 кадров в 1000 строках могут быть считаны за одну секунду. Если период управления Tdr для одной строки составляет 10 мс, 1 кадр в 100 строках может быть считан за одну секунду.
[0081] Количество света, принятое устройством 11 фотоэлектрического преобразования в ответ на излучение света светоизлучающим устройством 21, представлено как Lra и Lrb. Форма волны, представленная уровнем приема света Lr1, указывает, что прием света начат во время t2, которое является временем, когда период Tda прошел со времени t1, когда было начато излучение света, и что прием света закончен во время t4, которое является временем, когда период Tda прошел со времени t3, когда было закончено излучение света, в соответствии с расстоянием от устройства 1 измерения дальности до цели. Форма волны, представленная уровнем приема света Lr2, указывает, что прием света начат во время t2', которое является временем, когда период Tdb прошел со времени t1, когда было начато излучение света, и что прием света закончен во время t4', которое является временем, когда период Tdb прошел со времени t3, когда было закончено излучение света, в соответствии с расстоянием от устройства 1 измерения дальности до цели. В этом примере Tda<Tdb, и, таким образом, можно подразумевать, что цель, которая отразила сигнальный свет, представленный уровнем приема света Lr1, находится ближе к устройству 1 измерения дальности, чем цель, которая отразила сигнальный свет, представленный уровнем приема света Lr2. Кроме того, в этом примере Lrb<Lra, и, таким образом, можно подразумевать, что сигнальный свет, представленный уровнем приема света Lr1, вероятно, имеет более высокий коэффициент отражения, чем сигнальный свет, представленный уровнем приема света Lr2.
[0082] В период, когда устройство 11 фотоэлектрического преобразования принимает свет, излучаемый светоизлучающим устройством 21, количество света Lra и Lrb, принятого устройством 11 фотоэлектрического преобразования, включает в себя не только сигнальный свет 82, но также и окружающий свет 83, проиллюстрированный на фиг. 1А. Количество принятого окружающего света представлено как Lam. Для количества света Lra и Lrb количество света, полученное посредством вычитания Lam из него, соответствует сигнальному свету, имеющему фактическую информацию о расстоянии.
[0083] Фиг. 4B иллюстрирует изменение во времени сигналов сброса RS1 и RS2 (прерывистая линия), сигнала выбора SL (сплошная линия), сигнала переноса TX1 (штрихпунктирная линия с одной точкой) и сигнала переноса TX2 (штрихпунктирная линия с двумя точками). Высокий уровень потенциала выше, чем низкий уровень потенциала, и средний уровень потенциала находится между высоким уровнем потенциала и низким уровнем потенциала. Каждый из высокого уровня потенциала, среднего уровня потенциала и низкого уровня потенциала может включать в себя потенциалы в некоторый диапазон. Например, средний уровень потенциала представляет собой потенциал в некотором диапазоне, включающем в себя нулевой потенциал (0 В). На фиг. 4B потенциал в позиции, в которой находится горизонтальная ось, представляющая время, соответствует среднему уровню потенциала. Относительно фиг. 4B описание для удобства будет дано в предположении, что транзисторы работают аналогично случаю, в котором уровень потенциала является высоким при переходном потенциале между средним уровнем потенциала и высоким уровнем потенциала (при повышении или при падении потенциала). Кроме того, описание будет дано в предположении, что транзисторы работают аналогично случаю, в котором уровень потенциала является низким при переходном потенциале между средним уровнем потенциала и низким уровнем потенциала (при повышении или при падении потенциала). Уровни потенциала, которые заставляют отдельные транзисторы включаться и выключаться, не обязательно являются одинаковыми и могут отличаться друг от друга.
[0084] Сигналы сброса RS1 и RS2 находятся на высоком уровне потенциала в один и тот же период, но периоды, когда сигналы сброса RS1 и RS2 находятся на высоком уровне потенциала, могут отличаться друг от друга. Сигналы переноса TX1 и TX2 обычно представляют сбой прямоугольные волны или синусоидальные волны с одинаковым циклом, в котором положительный и отрицательный знаки противоположны. Циклы сигналов переноса TX1 и TX2 идентичны циклу Tcy, в котором светоизлучающее устройство 21 излучает свет. Однако циклы сигналов переноса могут немного отличаться от цикла излучения света, если допускается уменьшение точности измерения дальности.
[0085] В период p1, когда сигналы сброса RS1 и RS2 имеют потенциале выше, чем средний уровень потенциала (обычно высокий уровень потенциала), транзисторы 313 и 314 сброса находятся во включенном состоянии. Со времени t1 до времени t10, который является периодом, когда сигналы сброса RS1 и RS2 имеют средний уровень потенциала, транзисторы 313 и 314 сброса находятся в выключенном состоянии. На фиг. 4А приведен пример в предположении, что сигналы сброса RS1 и RS2 одинаковы. В качестве альтернативы сигналы сброса RS1 и RS2 могут отличаться друг от друга в период, который не проиллюстрирован.
[0086] В периоды p2, p3, p6 и p8, когда сигнал переноса TX1 имеет потенциал выше, чем средний уровень потенциала (обычно высокий уровень потенциала), участок 303 переноса находится во включенном состоянии, тогда как участок 306 переноса находится в выключенном состоянии. В периоды p4, p5, p7 и p9, когда сигнал переноса TX1 имеет потенциал ниже, чем средний уровень потенциала (обычно низкий уровень потенциала), участок 303 переноса находится в выключенном состоянии, тогда как участок 306 переноса находится во включенном состоянии. Период от момента, когда транзисторы 313 и 314 сброса изменяют включенное состояние на выключенное состояние, до момента, когда один из участков 303 и 306 переноса изменяет состояние на включенное состоянии, может быть максимально коротким.
[0087] В периоды p2, p3, p6 и p8, когда сигнал переноса TX2 имеет потенциал ниже, чем средний уровень потенциала (обычно низкий уровень потенциала), участок 305 переноса находится во включенном состоянии, тогда как участок 304 переноса находится в выключенном состоянии. В периоды p4, p5, p7 и p9, когда сигнал переноса TX2 имеет потенциал выше, чем средний уровень потенциала (обычно высокий уровень потенциала), участок 305 переноса находится в выключенном состоянии, тогда как участок 304 переноса находится во включенном состоянии. Период от момента, когда транзисторы 313 и 314 сброса изменяют включенное состояние на выключенное состояние, до момента, когда один из участков 304 и 305 переноса изменяет состояние на включенное состояние, может быть максимально коротким.
[0088] В период (или во время), когда сигнал переноса TX1 имеет средний уровень потенциала, участки 303 и 306 переноса находятся в выключенном состоянии. В период (или во время), когда сигнал переноса TX2 имеет средний уровень потенциала, участки 304 и 305 переноса находятся в выключенном состоянии. Средний уровень потенциала определен в соответствии с характеристиками участков 303, 304, 305 и 306 переноса, как описано выше.
[0089] Фиг. 4C иллюстрирует изменение потенциала в узле 220 обнаружения. Изменение потенциала S1 представляет изменение потенциала в соответствии с уровнем приема света Lr1, и изменение потенциала S2 представляет изменение потенциала в соответствии с уровнем приема света Lr2.
[0090] В период p1 потенциалы в узлах 207 и 210 сбора и в узле 220 обнаружения устанавливаются равными потенциалам, соответствующим потенциалу сброса VS1 (потенциалы VS11 и VS12) посредством участка 413 подачи потенциала сброса.
[0091] В период p2 электроны, сформированные участком 301 фотоэлектрического преобразования в соответствии с количеством света Lam окружающего света 83, переносятся в конденсаторный участок 307. Когда электроны формированы участком 301 фотоэлектрического преобразования, потенциал на катоде 201 становится выше, чем потенциал на аноде 211. Если потенциал на аноде 211 представляет собой, например, VF1=-2 В, потенциал на катоде 201 составляет приблизительно -1 В. Потенциал сброса VS1 делает потенциал в узле 207 сбора выше, чем потенциал на аноде 211 (VF1<VS1). Таким образом, когда участок 303 переноса находится во включенном состоянии, электроны, которые были сформированы, быстро перемещаются в узел 207 сбора, в котором потенциал выше, чем на катоде 201. В соответствии с переносом электронов потенциал в узле 220 обнаружения, соединенном с узлом 207 сбора, уменьшается.
[0092] В период p3 электроны, сформированные участком 301 фотоэлектрического преобразования в соответствии с количеством света Lra, включающим в себя сигнальный свет 82, которое больше, чем количество Lam окружающего света 83, переносятся в конденсаторный участок 307. В соответствии с переносом электронов потенциал в узле 220 обнаружения, соединенном с узлом 207 сбора, уменьшается с градиентом больше, чем в период p2. Это вызвано тем, что количество принятого света в единицу времени увеличивается на количество сигнального света 82.
[0093] В период p4 дырки, сформированные участком 302 фотоэлектрического преобразования в соответствии с количеством света Lra, включающим в себя сигнальный свет 82, которое больше, чем количество Lam окружающего света 83, переносятся в конденсаторный участок 310. В соответствии с переносом дырок потенциал в узле 220 обнаружения, соединенном с узлом 210 сбора, увеличивается.
[0094] В периоды p2 и p3 участок 305 переноса находится во включенном состоянии. Таким образом, дырки, сформированные участком 302 фотоэлектрического преобразования в периоды p2 и p3, переносятся в конденсаторный участок 309 в периоды p2 и p3. Таким образом, среди дырок, перенесенных в конденсаторный участок 310, после того, как участок 306 переноса включен во время t3, например, в период p4, количество дырок, сформированных участком 302 фотоэлектрического преобразования в период p4, больше, чем количество дырок, сформированных участком 302 фотоэлектрического преобразования в периоды p2 и p3. В идеальном случае дырки, сформированные участком 302 фотоэлектрического преобразования в периоды p2 и p3, не переносятся в конденсаторный участок 310 в период p4.
[0095] В период p5 дырки, сформированные участком 302 фотоэлектрического преобразования в соответствии с количеством Lam окружающего света 83, переносятся в конденсаторный участок 310. В соответствии с переносом дырок потенциала в узле 220 обнаружения, соединенном с узлом 210 сбора, увеличивается.
[0096] Такая же операция повторяется в периоды p6, p7, p8 и p9. В периоды p4 и p5 участок 304 переноса находится во включенном состоянии. Таким образом, электроны, сформированные участком 301 фотоэлектрического преобразования в периоды p4 и p5, переносятся в конденсаторный участок 308 в периоды p4 и p5. Таким образом, среди электронов, перенесенных в конденсаторный участок 307, после того, как участок 303 переноса включен во время t5, например, в период p6, количество электронов, сформированных участком 301 фотоэлектрического преобразования в период p6, больше, чем количество электронов, сформированных участком 301 фотоэлектрического преобразования в периоды p4 и p5. В идеальном случае электроны, сформированные участком 301 фотоэлектрического преобразования в периоды p4 и p5, не переносятся в конденсаторный участок 307 в период p6.
[0097] При помощи такого цикла Tcy, повторяемого несколько раз, может быть получен сигнал, подходящий для измерения дальности, из которого был удален компонент окружающего света 83, и в который включен компонент сигнального света 82.
[0098] Относительно уровня приема света Lr1 время задержки Tda составляет менее чем четверть цикла Tcy (Tda<Tcy/4). Таким образом, в потенциале в узле 220 обнаружения эффективно преобладают электроны, перенесенные в период p3, и потенциал в узле 220 обнаружения становится ниже, чем потенциал сброса VS1 (абсолютное значение увеличивается). Если время задержки Tdb составляет четверть цикла Tcy, как в уровне приема света Lr2 (Tdb=Tcy/4), количество электронов и количество дырок, перенесенных в узлы 207 и 210 сбора в пределах одного цикла Tcy, равны друг другу, и, таким образом, потенциал в узле 220 обнаружения равен потенциалу сброса VS1. Если время задержки Tda>Tcy/4, в потенциале в узле 220 обнаружения эффективно преобладают дырки, перенесенные в период p4, и потенциал в узле 220 обнаружения становится выше, чем потенциал сброса VS1 (абсолютное значение увеличивается).
[0099] При этом период включения и период выключения светоизлучающего устройства 21 в одном цикле Tcy равны друг другу, но период включения и период выключения могут отличаться друг от друга. Если период включения и период выключения отличаются друг от друга, выходной сигнал из участка 315 формирования сигнала может быть скорректирован на основе разности между периодом включения и периодом выключения. Кроме того, хотя период включения и период выключения затвора переноса в одном цикле Tcy здесь равны друг другу, период включения и период выключения могут отличаться друг от друга. Если период включения и период выключения отличаются друг от друга, выходной сигнал из участка 315 формирования сигнала может быть скорректирован на основе разности между периодом включения и периодом выключения.
[00100] Будет количественно описан потенциал, который появляется в узле 220 обнаружения. Среди электронов, служащих в качестве сигнального заряда, компонент, полученный из окружающего света 83, представлен как (-N), и компонент, полученный из сигнального света 82, представлен как (-S). Среди дырок, служащих в качестве сигнального заряда, компонент, полученный из окружающего света 83, представлен как (+N), и компонент, полученный из сигнального света 82, представлен как (+S). Коэффициент, пропорциональный продолжительности периода p2, представлен как a, коэффициент, пропорциональный продолжительности периода p3, представлен как b, коэффициент, пропорциональный продолжительности периода p4, представлен как c, и коэффициент, пропорциональный продолжительности периода p5, представлен как d.
[00101] Сначала, в предположении, что в узле 220 обнаружения не происходит рекомбинация электронов и дырок, вычислены количества заряда в узлах 207 и 210 сбора. Увеличение количества заряда в узле 207 сбора в период p2 выражено как a×(-N), и количество заряда в узле 207 сбора во время t2 выражено как a×(-N). С другой стороны, увеличение количества заряда в узле 210 сбора в период p2 составляет 0, и количество заряда в узле 210 сбора во время t2 равно 0. Увеличение количества заряда в узле 207 сбора в период p3 выражено как b×(-N-S), и количество заряда в узле 207 сбора во время t3 выражено как а×(-N)+b×(-N-S). С другой стороны, увеличение количества заряда в узле 210 сбора в период p3 составляет 0, и количество заряда в узле 210 сбора во время t3 равно 0. Увеличение количества заряда в узле 207 сбора в период p4 составляет 0, и количество заряда в узле 207 сбора во время t4 выражено как a×(-N)+b×(-N-S). Увеличение количества заряда в узле 210 сбора в период p4 выражено как c×(+N+S), и количество заряда в узле 210 сбора во время t4 выражено как c×(+N+S). Увеличение количества заряда в узле 207 сбора в период p5 составляет 0, и количество заряда в узле 207 сбора во время t5 выражено как a×(-N)+b×(-N-S). С другой стороны, увеличение количества заряда в узле 210 сбора в период p5 выражено как d×(+N), и количество заряда в узле 210 сбора во время t5 выражено как c×(+N+S)+d×(+N).
[00102] Фактическое количество заряда в узле 220 обнаружения во время t5 соответствует количеству заряда, полученному посредством вычитания электронов и дырок, которое выражено следующим выражением: a×(-N)+b×(-N-S)+c×(+N+S)+d×(+N)=(a+b)×(-N)+(c+d)×(+N)+b×(-S)+c×(+S)=((c+d)-(a+b))×N+(c-b)×S. В период со времени t1 до времени t5, если окружающий свет 83 является постоянным, и если периоды, когда участки 303 и 306 переноса находятся комплементарно во включенном состоянии, являются одинаковыми, удовлетворено выражение (c+d)-(a+b)=0. Таким образом, понятно, что потенциал, который появляется в узле 220 обнаружения во время t5, получен как сигнал, который равен (c-b)×S, из которого была удалена по меньшей мере часть компонента окружающего света 83, и который указывает только компонент сигнального света 82.
[00103] Фиги. 5А-5D демонстрируют иллюстративную схему расположения компонентов ячейки 111 фотоэлектрического преобразования. Фиг. 5А является схематическим видом сверху ячейки 111 фотоэлектрического преобразования. Фиг. 5B является схематическим поперечным сечением по линии VB-VB на фиг. 5А, фиг. 5C является схематическим поперечным сечением по линии VC-VC на фиг. 5А, и фиг. 5D является схематическим поперечным сечением по линии VD-VD на фиг. 5 А.
[00104] Полупроводниковая подложка 100 снабжена полупроводниковой областью 511 p-типа, служащей в качестве кармана p-типа, и полупроводниковой областью 512 n-типа, служащей в качестве кармана n-типа. Например, полупроводниковая область 512 n-типа представляет собой эпитаксиальный слой n-типа, тогда как полупроводниковая область 511 p-типа представляет собой область диффузии примеси p-типа, сформированную посредством ионного легирования примесью p-типа эпитаксиального слоя n-типа. Множество участков, составляющих одну полупроводниковую область, то есть, каждую из полупроводниковых областей 511 и 512, имеют один и тот же тип проводимости и непрерывны по отношению друг к другу. При этом множество участков - это участки, позиции которых по меньшей мере в любом из направлений X, Y и Z отличаются. Множество участков, составляющих каждую из полупроводниковых областей 511 и 512, могут иметь разные концентрации примеси. Например, полупроводниковая область 511 p-типа может иметь концентрацию примеси, которая отклоняется в направлении глубины (в направлении Z) полупроводниковой подложки 100.
[00105] В ячейке 111 фотоэлектрического преобразования участок 301 фотоэлектрического преобразования и участок 302 фотоэлектрического преобразования размещены вдоль передней поверхности 1000 полупроводниковой подложки 100. Направление, в котором размещены участки 301 и 302 фотоэлектрического преобразования, является направлением X, направление, параллельное передней поверхности 1000 и вертикальное по отношению к направлению X, является направлением Y, и направление, вертикальное по отношению к передней поверхности 1000, является направлением Z.
[00106] Как структура, отличающаяся от проиллюстрированной на фиг. 5А-5D, участки 301 и 302 фотоэлектрического преобразования могут быть размещены в направлении Z. Таким образом, один из участков 301 и 302 фотоэлектрического преобразования может быть расположен в позиции в полупроводниковой подложке 100 глубже, чем другой. Например, катод (полупроводниковая область n-типа) участка 301 фотоэлектрического преобразования и анод (полупроводниковая область p-типа) участка 302 фотоэлектрического преобразования расположены в направлении Z от передней поверхности 1000. Кроме того, анод (полупроводниковая область p-типа) участка 301 фотоэлектрического преобразования и катод (полупроводниковая область n-типа) участка 302 фотоэлектрического преобразования расположены между ними, чтобы достигнуть изоляции p-n-перехода. При помощи полупроводниковой области p-типа, служащей в качестве тракта перемещения заряда, который соединен с анодом участка 302 фотоэлектрического преобразования, простирающегося по направлению к передней поверхности 1000, сигнальный заряд участка 302 фотоэлектрического преобразования, расположенного в глубокой позиции, может быть собран через тракт перемещения заряда. Однако в этом случае количество света, подвергнутого фотоэлектрическому преобразованию посредством участка фотоэлектрического преобразования в более мелкой позиции, отличается от количества света, подвергнутого фотоэлектрическому преобразованию посредством участка фотоэлектрического преобразования в более глубокой позиции, и в соответствии с этим возникает большое различие количества сигнального заряда, который будет формирован. Это вызвано тем, что свет поглощается полупроводниковой подложкой 100 и ослабляется. Таким образом, в целях уменьшения различия количества принятого света между участками 301 и 302 фотоэлектрического преобразования участки 301 и 302 фотоэлектрического преобразования могут быть размещены вдоль передней поверхности 1000 полупроводниковой подложки 100.
[00107] На фиг. 5А-5D жирные линии представляют локальные соединительные линии, обеспеченные в ячейке 111 фотоэлектрического преобразования. Круги представляют позиции контактных участков, которые используются, чтобы установить соединение между полупроводниковой подложкой 100 и локальными соединительными линиями или глобальными соединительными линиями (не проиллюстрированы), такими как соединительные линии 120 строк и соединительные линии 130 столбцов, описанные выше со ссылкой на фиг. 1B. В типичном контактном участке контактная перемычка и полупроводниковая подложка 100 соединяются друг с другом. Здесь локальная соединительная линия - это соединительная линия для электрического соединения элементов в ячейке 111 фотоэлектрического преобразования друг с другом. С другой стороны, глобальная соединительная линия - это соединительная линия для соединения ячеек 111 фотоэлектрического преобразования друг с другом или соединения ячеек 111 фотоэлектрического преобразования со схемой вне массива 110 ячеек. Соединительные линии 120 строк и соединительные линии 130 столбцов, описанные выше со ссылкой на фиг. 1B, являются типичными глобальными соединительными линиями. Соединительная линия представляет собой элемент, составленный из проводника для установления электрического соединения. В контактном участке для установления соединения с полупроводниковой областью часть полупроводниковой области, соединенной с проводником, таким как контактная перемычка, является областью с примесью высокой концентрации по сравнению с другой частью, и тем самым может быть обеспечено благоприятное электрическое соединение.
[00108] Как проиллюстрировано на фиг. 5B, в направлении Y полупроводниковая область 507 n-типа, электрод 503 затвора переноса, полупроводниковая область 501 n-типа, электрод 504 затвора переноса и полупроводниковая область 508 n-типа размещены в таком порядке вдоль линии VB-VB.
[00109] Как проиллюстрировано на фиг. 5C, в направлении Y полупроводниковая область 510 p-типа, электрод 505 затвора переноса, полупроводниковая область 502 p-типа, электрод 506 затвора переноса и полупроводниковая область 509 p-типа размещены в таком порядке вдоль линии VC-VC.
[00110] Как проиллюстрировано на фиг. 5А, в направлении X электрод 513 затвора транзистора 313 сброса, электрод 514 затвора транзистора 314 сброса, электрод 515 затвора транзистора усиления и электрод 516 затвора транзистора 316 выбора размещены в таком порядке. Электрод 515 затвора транзистора усиления, образующий участок 315 формирования сигнала, служит в качестве входного узла участка 315 формирования сигнала и соединен с узлом 220 обнаружения непосредственно или через электрический низкочастотный фильтр 433.
[00111] Полупроводниковая область 507 n-типа является частью конденсаторного участка 307 и составляет узел 207 сбора. Другими словами, полупроводниковая область 507 n-типа является первой плавающей диффузионной областью. Полупроводниковая область 511 формирует p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 507, и полупроводниковая область 511 составляет опорный узел 217 конденсаторного участка 307.
[00112] Полупроводниковая область 510 p-типа является частью конденсаторного участка 310 и составляет узел 210 сбора. Другими словами, полупроводниковая область 510 p-типа является второй плавающей диффузионной областью. Полупроводниковая область 512 формирует p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 510, и полупроводниковая область 512 составляет опорный узел 200 конденсаторного участка 310.
[00113] Полупроводниковая область 501 n-типа является частью участка 301 фотоэлектрического преобразования и составляет катод 201 фотодиода. Полупроводниковая область 501 формирует p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 511, и полупроводниковая область 511 составляет анод 211 фотодиода. Концентрация примеси полупроводниковой области 501 n-типа может быть достаточно низкой, и она может быть обеднена при контактной разности потенциалов. В соответствии с этим в электронно-дырочных парах, сформированных участком 301 фотоэлектрического преобразования, электроны, сформированные как сигнальный заряд, будут с меньшей вероятностью накапливаться в участке 301 фотоэлектрического преобразования. В результате эффективность переноса электронов из участка 301 фотоэлектрического преобразования в полупроводниковую область 507 увеличивается. Кроме того, электроны, сформированные на основе света, могут быть полностью перенесены в полупроводниковую область 507, и шум, вызванный низкой эффективностью переноса, может быть уменьшен. Дырки, не используемые в качестве сигнального заряда в участке 301 фотоэлектрического преобразования, разряжаются через полупроводниковую область 511 p-типа. Область передней поверхности, которая является полупроводниковой областью p-типа, обеспечена между полупроводниковой областью 501 n-типа и передней поверхностью 1000 полупроводниковой подложки 100, и полупроводниковая область 501 n-типа расположена в стороне от передней поверхности 1000. В соответствии с этим участок 301 фотоэлектрического преобразования служит в качестве фотодиода с углубленным переходом. На фиг. 5А-5D полупроводниковая область p-типа, служащая в качестве области передней поверхности, интегрирована с полупроводниковой областью 511 p-типа.
[00114] Полупроводниковая область 502 p-типа является частью участка 302 фотоэлектрического преобразования и составляет анод 202 фотодиода. Полупроводниковая область 502 формирует p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 512, и полупроводниковая область 512 составляет катод 212 фотодиода. Концентрация примеси полупроводниковой области 502 p-типа может быть достаточно низкой, и она может быть обеднена при контактной разности потенциалов. В соответствии с этим в электронно-дырочных парах, сформированных участком 302 фотоэлектрического преобразования, дырки, сформированные как сигнальный заряд, будут с меньшей вероятностью накапливаться в участке 302 фотоэлектрического преобразования. В результате эффективность переноса дырок из участка 302 фотоэлектрического преобразования в полупроводниковую область 510 увеличивается. Кроме того, дырки, сформированные на основе света, могут быть полностью перенесены в полупроводниковую область 510, и шум, вызванный низкой эффективностью переноса, может быть уменьшен. Электроны, не используемые в качестве сигнального заряда в участке 302 фотоэлектрического преобразования, разряжаются через полупроводниковую область 511 p-типа. Область передней поверхности, которая является полупроводниковой областью n-типа, обеспечена между полупроводниковой областью 502 p-типа и передней поверхностью 1000 полупроводниковой подложки 100, и полупроводниковая область 502 p-типа расположена в стороне от передней поверхности 1000. В соответствии с этим участок 302 фотоэлектрического преобразования служит в качестве фотодиода с углубленным переходом. На фиг. 5А-5D полупроводниковая область n-типа, служащая в качестве области передней поверхности, интегрирована с полупроводниковой областью 512 n-типа.
[00115] Полупроводниковая область 508 n-типа формирует p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 511. Полупроводниковая область 508 является частью конденсаторного участка 308 и составляет узел 208 сбора. Полупроводниковая область 509 p-типа формирует p-n-переход вместе с полупроводниковой областью 512. Полупроводниковая область 509 является частью конденсаторного участка 309 и составляет узел 209 сбора. Полупроводниковая область 501 n-типа и полупроводниковая область 502 p-типа размещены в направлении X вдоль передней поверхности 1000. Полупроводниковая область 501 n-типа и полупроводниковая область 502 p-типа изолированы друг от друга, но могут находиться в контакте друг с другом. В этом примере полупроводниковая область 511 p-типа и полупроводниковая область 512 n-типа формируют p-n-переход между полупроводниковой областью 501 n-типа и полупроводниковой областью 502 p-типа. В соответствии с этим полупроводниковая область 501 и полупроводниковая область 502 электрически изолированы друг от друга (изоляция p-n-перехода).
[00116] Опорный потенциал VF1 подается на полупроводниковую область 511 от контактной перемычки 611, которая составляет участок 411 подачи опорного потенциала. Кроме того, опорный потенциал VF2 подается на полупроводниковую область 512 от контактной перемычки 612, которая составляет участок 412 подачи опорного потенциала. Опорный потенциал VF1 ниже, чем опорный потенциал VF2, и тем самым напряжение обратного смещения приложено между полупроводниковыми областями 511 и 512. Таким образом, обедненный слой, сформированный между полупроводниковыми областями 511 и 512, делает полупроводниковые области 511 и 512 электрически изолированными друг от друга. В соответствии с этим электроны, сформированные полупроводниковой областью 501 n-типа, и дырки, сформированные полупроводниковой областью 502 p-типа, могут быть электрически изолированы друг от друга. Таким образом, заряд может быть собран соответствующим узлом сбора при подходящей синхронизации, и сигнальные заряды для измерения дальности могут быть выборочно рекомбинированы. Кроме того, участки 301 и 302 фотоэлектрического преобразования изолированы друг от друга посредством изоляции p-n-перехода, и тем самым интервал между участками 301 и 302 фотоэлектрического преобразования может быть уменьшен (например, менее 1 мкм). В соответствии с этим разность количества принятого света между участками 301 и 302 фотоэлектрического преобразования может быть уменьшена. Кроме этого, изоляция p-n-перехода может подавлять возникновение темнового тока по сравнению с изоляцией изолятора.
[00117] В массиве 110 ячеек каждая из ячеек 111 фотоэлектрического преобразования, имеющая структуру, проиллюстрированную на фиг. 5А, размещена в матрице. Среди множества ячеек 111 фотоэлектрического преобразования обеспечена полупроводниковая область 512 n-типа, служащая в качестве непрерывного общего кармана. С другой стороны, среди множества ячеек 111 фотоэлектрического преобразования обеспечена полупроводниковая область 511 p-типа, служащая в качестве прерывистого изолирующего кармана. Таким образом, полупроводниковая область 511 p-типа некоторой ячейки 111 фотоэлектрического преобразования может быть электрически изолирована от полупроводниковой области 511 p-типа по меньшей мере одной из смежных ячеек 111 фотоэлектрического преобразования посредством изоляции, такой как изоляция p-n-перехода. В противоположность описанному выше примеру полупроводниковая область 512 n-типа может служить в качестве изолирующего кармана, и полупроводниковая область 511 p-типа может служить в качестве общего кармана. Таким образом, с использованием одной области из полупроводниковой области 512 n-типа и полупроводниковой области 511 p-типа 511 в качестве общего кармана конфигурация ячейки 111 фотоэлектрического преобразования может быть упрощена.
[00118] На виде сверху электрод 503 затвора переноса, который включает в себя по меньшей мере участок, расположенный между полупроводниковой областью 501 n-типа и полупроводниковой областью 507 n-типа, составляет участок 303 переноса. В этом примере электрод 503 затвора переноса расположен над частью полупроводниковой области 501 и частью полупроводниковой области 507. На виде сверху электрод 504 затвора переноса, который включает в себя по меньшей мере участок, расположенный между полупроводниковой областью 501 n-типа и полупроводниковой областью 508 n-типа, составляет участок 304 переноса. В этом примере электрод 504 затвора переноса расположен над частью полупроводниковой области 501 и частью полупроводниковой области 508.
[00119] На виде сверху электрод 505 затвора переноса, который включает в себя по меньшей мере участок, расположенный между полупроводниковой областью 502 p-типа и полупроводниковой областью 510 p-типа, составляет участок 306 переноса. В этом примере электрод 505 затвора переноса расположен над частью полупроводниковой области 502 и частью полупроводниковой области 510. На виде сверху электрод 506 затвора переноса, который включает в себя по меньшей мере участок, расположенный между полупроводниковой областью 502 p-типа и полупроводниковой областью 509 p-типа, составляет участок 305 переноса. В этом примере электрод 506 затвора переноса расположен над частью полупроводниковой области 502 и частью полупроводниковой области 509.
[00120] Изолирующая пленка 500 обеспечена между полупроводниковой подложкой 100 и электродами 503, 504, 505 и 506 затвора переноса. Изолирующая пленка 500 функционирует как изолирующая пленка затвора.
[00121] Локальная соединительная линия 618 соединена вместе с электродами 503 и 505 затвора переноса через контактные перемычки 603 и 605 таким образом, чтобы один и тот же сигнал переноса TX1 подавался на электроды 503 и 505 затвора переноса. Здесь электроды 503 и 505 затвора переноса обеспечены как отдельные электроды затвора. Электрод затвора выполняет заряд/разряд каждый раз, когда он приводится в действие, и тем самым ток, соответствующий потокам МОП-емкости течет каждый раз, когда выполняется переключение. В случае выполнения высокоскоростного управления МОП-емкость уменьшается по мере того как уменьшается размер электрода затвора транзистора, и сохраняются соответственно малые электрические токи и питание. Таким образом, при отдельно обеспеченных электродах 503 и 505 затвора переноса размер электродов затвора может быть уменьшен насколько возможно.
[00122] В качестве альтернативы может быть обеспечен интегрированный электрод затвора, включающий себя участок, служащий в качестве участка 303 переноса, и участок, служащий в качестве участка 305 переноса. Посредством этой конфигурации количество соединительных линий может быть сокращено, емкость и сопротивление соединения могут быть уменьшены, и соответственно точность комплементарного управления участков 303 и 305 переноса может быть улучшена. Кроме того, сокращенное количество соединительных линий дает возможность более высокого апертурного отношения и более высокой чувствительности. То же самое относится к электродам 504 и 506 затвора переноса.
[00123] Транзистор сброса, включающий в себя электрод 513 затвора, соединен с полупроводниковыми областями 507 и 510 через контактные перемычки 607 и 610, локальную соединительную линию 620 и контактную перемычку 613. В этом примере локальная соединительная линия 620 составляет узел 220 обнаружения. Электрод 513 затвора соединен с участком 423 вывода сигнала сброса вне массива ячеек через контактную перемычку, локальную соединительную линию и глобальную соединительную линию. Контактная перемычка 613 соединена с полупроводниковой областью 523, которая соответствует одной из областей истока/стока транзистора сброса. Другие области истока/стока транзистора сброса соединены с участком 413 подачи потенциала сброса вне массива ячеек через глобальную соединительную линию. Кроме того, транзистор сброса, включающий в себя электрод 514 затвора, соединен с полупроводниковыми областями 508 и 509 через локальную соединительную линию и контактную перемычку.
[00124] Транзистор усиления, включающий в себя электрод 515 затвора, соединен с полупроводниковыми областями 507 и 510 через локальную соединительную линию 620 и контактную перемычку 615. Контактная перемычка 615 соединена с электродом 515 затвора транзистора усиления. Утечка транзистора усиления соединена с участком 432 источника питания через контактную перемычку и глобальную соединительную линию. Исток транзистора усиления соединен с утечкой транзистора 316 выбора, включающего в себя электрод 516 затвора. Исток транзистора 316 выбора соединен с глобальной соединительной линией (соединительными линиями 130 столбцов) через контактную перемычку.
[00125] Контактная перемычка 611 соединена с полупроводниковой областью 511. Контактная перемычка 611 соединена с участком 411 подачи опорного потенциала вне массива 110 ячеек через глобальную соединительную линию. Контактная перемычка 612 соединена с полупроводниковой областью 512. Контактная перемычка 612 соединена с участком 412 подачи опорного потенциала вне массива 110 ячеек через глобальную соединительную линию. Таким образом, опорный потенциал подается на полупроводниковые области 511 и 512 через соединительные линии, и тем самым изменения опорного потенциала в индивидуальных ячейках 111 фотоэлектрического преобразования в массиве 110 ячеек могут быть уменьшены. В качестве альтернативы опорный потенциал может подаваться без размещения контактных перемычек 611 и 612 в ячейках 111 фотоэлектрического преобразования. В этом случае слой диффузии примеси, простирающийся от внутренней части массива 110 ячеек к его внешней стороне, может быть обеспечен на полупроводниковой подложке 100, и опорный потенциал может подаваться на слой диффузии примеси вне массива 110 ячеек через соединительную линию и контактную перемычку. Однако, как описано выше, когда полупроводниковая область 511 p-типа представляет собой изолированный карман, трудно сделать полупроводниковую область 511 p-типа простирающейся за пределы массива 110 ячеек. Таким образом, относительно по меньшей мере изолированного кармана опорный потенциал может подаваться на него через проводник, обеспеченный на полупроводниковой подложке 100, например, через глобальную соединительную линию, локальную соединительную линию и контактную перемычку. То же самое относится к случаю, в котором полупроводниковая область 512 n-типа 512 представляет собой изолированный карман.
[00126] Полупроводниковые области 507 и 510 соединены друг с другом через проводник. В этом примере проводник, который соединяет полупроводниковые области 507 и 510, включает в себя локальную соединительную линию 620 и контактные перемычки 607 и 610. Проводник, который соединяет полупроводниковые области 507 и 510, сделан из материала с более высокой проводимостью, чем полупроводниковая подложка 100, например, металлический материал, металлосодержащее соединение или поликристаллический кремний. Металлический материал и металлосодержащее соединение используются для соединительных линий и контактных перемычек, и поликристаллический кремний используется для электродов затвора. Металлосодержащее соединение может представлять собой композитный материал полупроводник-металл, такой как силицид. Эти материалы используются одни или в комбинации, чтобы соединить полупроводниковые области 507 и 510. Таким образом, полупроводниковые области 507 и 510 соединены друг с другом через проводник, и тем самым полупроводниковые области 507 и 510 могут быть соединены друг с другом без использования p-n-перехода. Как правило, полупроводниковые области 507 и 510 могут быть соединены друг с другом через омический контакт. При полупроводниковых областях 507 и 510, соединенных друг с другом через проводник, получается конфигурация, в которой полупроводниковые области 507 и 510 не формируют p-n-переход. Таким образом, в случае рекомбинации электронов и дырок время для гашения разности потенциалов между полупроводниковыми областями 507 и 510 может быть сокращено. В результате может быть стабилизирован вывод узла 220 обнаружения, и может быть реализовано очень точное измерение дальности.
[00127] Фиг. 6А-6D демонстрируют иллюстративные структуры для получения электрического соединения между полупроводниковыми областями 507 и 510. Фиг. 6А-6D соответствуют поперечному сечению, включающему в себя электроды 503 и 505 затвора переноса и полупроводниковые области 507 и 510, проиллюстрированные на фиг. 5А. Фиг. 6А иллюстрируют структуру для получения электрического соединения между полупроводниковыми областями 507 и 510 на фиг. 5А-5D. Фиг. 6B-6D иллюстрируют формы, отличающиеся от формы на фиг. 6А, для получения электрического соединения между полупроводниковыми областями 507 и 510. На фиг. 6А-6D электроды 503 и 505 затвора переноса электрически соединены друг с другом через локальную соединительную линию 618. Локальная соединительная линия 618 находится в контакте с контактной перемычкой 603 на электроде 503 затвора переноса и контактной перемычкой 605 на электроде 505 затвора переноса. Контактные перемычки 603 и 605 простираются через межслойную изолирующую пленку 526, и локальная соединительная линия 618 расположена на межслойной изолирующей пленке 526. Локальная соединительная линия 618 может представлять собой, например, алюминиевую соединительную линию, включающую в себя электропроводный участок, в основном содержащий алюминий, и участок из барьерного металла, включающий в себя слой из титана и/или слой из нитрида титана. В качестве альтернативы локальная соединительная линия 618 может представлять собой медную соединительную линию, включающую в себя электропроводный участок, в основном содержащий медь, и участок из барьерного металла, включающий в себя слой из тантала и/или слой из нитрида тантала. Медная соединительная линия имеет структуру одинарного дамасцена или структуру двойного дамасцена. Другие локальные соединительные линии также представляют собой алюминиевые соединительные линии или медные соединительные линии.
[00128] В форме, проиллюстрированной на фиг. 6А, полупроводниковые области 507 и 510 соединены друг с другом через контактные перемычки 607 и 610 и локальную соединительную линию 620, который соединяет контактные перемычки 607 и 610. Контактная перемычка 607 соединена с полупроводниковой областью 507 через межслойную изолирующую пленку 526, и контактная перемычка 610 соединена с полупроводниковой областью 510 через межслойную изолирующую пленку 526. Каждая из контактных перемычек 607 и 610 включает в себя электропроводный участок, в основном содержащий вольфрам, и участок из барьерного металла, который расположен между электропроводным участком и межслойной изолирующей пленкой 526, и который включает в себя слой из титана и/или слой из нитрида титана. Локальная соединительная линия 620 представляет собой алюминиевую соединительную линию, включающую в себя электропроводный участок, в основном содержащий алюминий, и участок из барьерного металла, который расположен между электропроводным участком и межслойной изолирующей пленкой 526, и который включает в себя слой из титана и/или слой из нитрида титана. В качестве альтернативы локальная соединительная линия 620 представляет собой медную соединительную линию, включающую в себя электропроводный участок, в основном содержащий медь, и участок из барьерного металла, который расположен между электропроводным участком и межслойной изолирующей пленкой 526, и который включает в себя слой из тантала и/или слой из нитрида тантала.
[00129] В форме, проиллюстрированной на фиг. 6B, полупроводниковые области 507 и 510 соединены друг с другом через контактную перемычку 623, которая является проводником, который находится в контакте и с обеими полупроводниковыми областями 507 и 510. Контактная перемычка 623 включает в себя электропроводный участок, в основном содержащий вольфрам, и участок из барьерного металла, который расположен между электропроводным участком и межслойной изолирующей пленкой 526, и который включает в себя слой из титана и/или слой из нитрида титана. Изолирующая пленка 527, которая отделена от изолирующей пленки 500 и межслойной изолирующей пленки 526, обеспечена между контактной перемычкой 623 и полупроводниковой подложкой 100. Изолирующая пленка 527 изолирует контактную перемычку 623 и полупроводниковую область 511 p-типа друг от друга и изолирует контактную перемычку 623 и полупроводниковую область 512 n-типа друг от друга. В соответствии с этим электрическое соединение между полупроводниковой областью 511 p-типа и полупроводниковой областью 512 n-типа может быть блокировано.
[00130] В форме, проиллюстрированной на фиг. 6C, полупроводниковые области 507 и 510 соединены друг с другом через локальную соединительную линию 624, которая является проводником, который находится в контакте с обеими полупроводниковыми областями 507 и 510. Локальная соединительная линия 624 может быть сформирована посредством нанесения вольфрамовой пленки или пленки из силицида. Локальная соединительная линия 624 расположена между межслойной изолирующей пленкой 526 и полупроводниковой подложкой 100. Локальная соединительная линия 624 может быть сформирована после того, как были сформированы электроды 503 и 505 затвора переноса, и затем могут быть сформированы межслойная изолирующая пленка 526 и контактные перемычки 603 и 605. Изолирующая пленка 528, которая отделена от изолирующей пленки 500 и межслойной изолирующей пленки 526, обеспечена между локальной соединительной линией 624 и полупроводниковой подложкой 100. Изолирующая пленка 528 изолирует локальную соединительную линию 624 и полупроводниковую область 511 p-типа друг от друга и изолирует локальную соединительную линию 624 и полупроводниковую область 512 n-типа друг от друга. В соответствии с этим электрическое соединение между полупроводниковой областью 511 p-типа и полупроводниковой областью 512 n-типа может быть блокировано.
[00131] В форме, проиллюстрированной на фиг. 6D, полупроводниковые области 507 и 510 соединены друг с другом через локальную соединительную линию 625, который является проводником, который находится в контакте с обеими полупроводниковыми областями 507 и 510. Локальная соединительная линия 625 может быть сформирована посредством нанесения пленки из поликристаллического кремния и может быть сформирована в то же время, когда и электроды 503 и 505 затвора переноса. Локальная соединительная линия 625 расположена между межслойной изолирующей пленкой 526 и полупроводниковой подложкой 100. Изолирующая пленка 500 расположена между локальной соединительной линией 625 и полупроводниковой подложкой 100, чтобы достигнуть изоляции между локальной соединительной линией 625 и полупроводниковой областью 511 p-типа и изоляции между локальной соединительной линией 625 и полупроводниковой областью 512 n-типа.
[00132] Описанные выше локальные соединительные линии и глобальные соединительные линии могут быть составлены посредством соединения множества соединительных слоев, наложенных друг на друга в направлении, вертикальном по отношению к передней поверхности 1000 полупроводниковой подложки 100 посредством использования сквозных перемычек.
[00133] Далее со ссылкой на фиг. 7 будет дано описание примера модификации эквивалентной схемы ячейки 111 фотоэлектрического преобразования, описанной выше со ссылкой на фиг. 3.
[00134] Узел 207 сбора конденсаторного участка 307 соединен с узлом 220 обнаружения через транзистор 318 переключения. Когда сигнал переключения SW1, выданный из участка 438 вывода сигнала переключения, заставляет транзистор 318 переключения находиться во включенном состоянии, потенциал, соответствующий потенциалу в узле 207 сбора, появляется в узле 220 обнаружения. Узел 210 сбора конденсаторного участка 310 соединен с узлом 220 обнаружения через транзистор 319 переключения. Когда сигнал переключения SW2, выданный из участка 439 вывода сигнала переключения, заставляет транзистор 319 переключения находиться во включенном состоянии, потенциал, соответствующий потенциалу в узле 210 сбора, появляется в узле 220 обнаружения. Таким образом, включенное/выключенное состояние электрического соединения с узлами 207 и 210 сбора может быть переключено в этом примере модификации. Другими словами, узлы 207 и 210 сбора электрически соединены друг с другом через транзисторы 318 и 319 переключения. В качестве альтернативы один из транзисторов 318 и 319 переключения может быть опущен.
[00135] Участок 413 подачи потенциала сброса соединен с узлом 207 сбора конденсаторного участка 307 через транзистор 313 сброса. Сигнал сброса RS1, выданный из участка 423 вывода сигнала сброса, заставляет транзистор 313 сброса находиться во включенном состоянии. В соответствии с этим потенциал сброса VS1 подается из участка 413 подачи потенциала сброса на узел 207 сбора конденсаторного участка 307. Участок 417 подачи потенциала сброса соединен с узлом 210 сбора конденсаторного участка 310 через транзистор 317 сброса. Сигнал сброса RS3, выданный из участка 427 вывода сигнала сброса, заставляет транзистор сброса 317 находиться во включенном состоянии. В соответствии с этим потенциал сброса VS3 подается из участка 417 подачи потенциала сброса на узел 210 сбора конденсаторного участка 310.
[00136] В одном варианте осуществления разность потенциалов между потенциалом сброса VS1 и потенциалом сброса VS3 должна составлять менее чем 0,10 В, и разность потенциалов между потенциалом сброса VS1 и потенциалом сброса VS3 должна составлять 0 В. Однако допускается небольшая разность потенциалов менее чем 0,10 В из-за неизбежного сопротивления или производственной погрешности. Потенциал сброса VS1 и потенциал сброса VS3 могут представлять собой потенциал между опорным потенциалом VF1 и опорным потенциалом VF2. Например, потенциал сброса VS1 может быть выше опорного потенциала VF1 (VF1<VS1). Кроме того, потенциал сброса VS3 может быть ниже опорного потенциала VF2 (VS3<VF2). Потенциал сброса VS1, например, составляет от -1 В до +1 В. В одном варианте осуществления потенциал сброса VS1 составляет от -0,5 В до +0,5 В. Потенциал сброса VS3, например, составляет от -1 В до +1 В и в одном варианте осуществления составляет от -0,5 В до +0,5 В.
[00137] При потенциале сброса VS1, подаваемом на конденсаторный участок 307, электроны, удерживаемые конденсаторным участком 307, разряжаются на участок 413 подачи потенциала сброса. При потенциале сброса VS3, подаваемом на конденсаторный участок 310, дырки, удерживаемые конденсаторным участком 310, разряжаются на участок 417 подачи потенциала сброса. В соответствии с этим примером модификации один сигнал из сигнала на основе заряда (электроны), полученного через фотоэлектрическое преобразование, выполненное участком 301 фотоэлектрического преобразования, и сигнала на основе заряда (дырки), полученного через фотоэлектрическое преобразование, выполненное участком 302 фотоэлектрического преобразования, может быть выборочно считан из узла 220 обнаружения. При таком режиме работы может быть получено устройство 11 фотоэлектрического преобразования, способное выполнять и захват изображения, и измерение дальности.
[00138] В этом примере модификации могут быть опущены конденсаторные участки 308 и 309, чтобы быстро разряжать ненужный заряд посредством включения/выключения участков 304 и 305 переноса. Посредством этой конфигурации апертурное отношение и площадь участков фотоэлектрического преобразования могут быть увеличены посредством сокращения количества соединительных линий, и может быть увеличена чувствительность.
[00139] Фиг. 8 иллюстрирует пример работы схемы, проиллюстрированной на фиг. 7. Имеется период считывания Tnr, в котором считывается окружающий свет 83, и период удаления Tcl, в котором компонент окружающего света 83 удаляется между периодом накопления Tac и период считывания Tsr, проиллюстрированным на фиг. 2. В период накопления Tac после периода сброса Trs транзистор 318 переключения находится во включенном состоянии, и транзистор 319 переключателя находится в выключенном состоянии. В период считывания Tnr транзистор 316 выбора находится во включенном состоянии, в то время как транзистор 318 переключателя остается во включенном состоянии, и транзистор 319 переключателя остается в выключенном состоянии. В соответствии с этим считывается сигнал в узле 220 обнаружения, в котором появляется потенциал, соответствующий потенциалу в узле 207 сбора. После периода считывания Tnr имеется период удаления Tcl, в котором удаляется по меньшей мере часть компонента окружающего света 83. В период удаления Tcl транзистор 316 выбора находится в выключенном состоянии, и транзисторы 318 и 319 переключения, проиллюстрированные на фиг. 7, находятся во включенном состоянии. В соответствии с этим рекомбинация между электронами и дырками уравновешивает компонент окружающего света 83. Затем потенциал, из которого был удален компонент окружающего света 83, появляется в узле 220 обнаружения. В период считывания Tsr транзистор 316 выбора приводится во включенное состояние для считывания сигнала, из которого был удален компонент окружающего света 83. В результате считывания окружающего света 83 этим методом может быть получено не только изображение, включающее в себя информацию о расстоянии, но также и изображение на основе окружающего света 83.
[00140] Примеры применения системы SYS обработки информации будут описаны со ссылкой на фиг. 1А.
[00141] Первым примером применения системы SYS обработки информации является пример ее применения к камере, оборудованной аппаратом захвата изображения. Аппарат 2 обработки информации управляет аппаратом 1 измерения дальности при приеме сигнала, указывающего команду выполнить измерение дальности, от управляющего аппарата 3, включающего в себя блок ввода, например, блок управления фокусировкой (например, кнопку фокусировки). Затем аппарат 1 измерения дальности выдает сигнал, включающий в себя информацию о расстоянии, представляющую расстояние до цели 9, которая является объектом, аппарату 2 обработки информации. Аппарат 2 обработки информации обрабатывает сигнал и формирует управляющий сигнал для управления механическими компонентами, такими как линза, диафрагма и затвор, чтобы установить условия, подходящие для захвата изображения цели 9. Аппарат 2 обработки информации затем выдает управляющий сигнал приводному аппарату 4, такому как двигатель, который управляет линзой, диафрагмой и затвором. Приводной аппарат 4 приводит в действие эти механические компоненты в ответ на управляющий сигнал. При приеме сигнала, указывающего команду захватить изображение, от управляющего аппарата 3 аппарат 2 обработки информации дает аппарату 5 захвата изображения команду захватить изображение, и в соответствии с этим аппарат 5 захвата изображения захватывает изображение цели 9. Аппарат 2 обработки информации отображает изображение, полученное от аппарата 5 захвата изображения, на аппарате 6 отображения. Аппарат 2 обработки информации способен отображать полученное изображение на аппарате 6 отображения вместе с информацией о расстоянии. Аппарат 7 связи взаимодействует с устройством хранения или сетью и сохраняет изображение в аппарате хранения или в хранилище по сети.
[00142] Вторым примером применения системы SYS обработки информации является пример ее применения к системе обработки видеоинформации, которая обеспечивает пользователю смешанную реальность. Когда аппарат 2 обработки информации управляет аппаратом 1 измерения дальности и аппаратом 5 захвата изображения, аппарат 5 захвата изображения захватывает изображение цели 9 как объекта и выдает его как реальное изображение. С другой стороны, аппарат 1 измерения дальности выдает сигнал, включающий в себя информацию о расстоянии, представляющую расстояние до цели 9 как объекта. Аппарат 2 обработки информации обрабатывает сигнал и формирует составное изображение, комбинируя виртуальное изображение, сформированное посредством использования компьютерной графики и т.п., и реальное изображение, полученное посредством захвата аппаратом 5 захвата изображения, на основе информации о расстоянии. Аппарат 2 обработки информации отображает составное изображение на аппарате 6 отображения, таком как головной дисплей.
[00143] Третьим примером применения системы SYS обработки информации является пример ее применения к транспортному оборудованию, которое перемещается под нагрузкой (например, автомобиль или поезд). При приеме сигнала, указывающего команду переместить транспортное оборудование или подготовиться к его перемещению, от управляющего аппарата 3, который включает в себя устройство для формирования сигнала запустить двигатель (например, кнопку пуска) и блок ввода, такой как рукоятка и акселератор, аппарат 2 обработки информации управляет аппаратом 1 измерения дальности. Аппарат 1 измерения дальности выдает сигнал, включающий в себя информацию о расстоянии, представляющую расстояние до цели 9 как объекта. Аппарат 2 обработки информации обрабатывает сигнал и отображает предупреждение на аппарате 6 отображения, если, например, расстояние до цели 9 становится коротким. Аппарат 2 обработки информации способен отображать информацию, представляющую расстояние до цели 9, на аппарате 6 отображения. Кроме того, аппарат 2 обработки информации способен сокращать или увеличивать скорость транспортного оборудования, управляя приводным аппаратом 4, таким как тормоз или двигатель, на основе информации о расстоянии. Кроме того, аппарат 2 обработки информации способен выполнять регулировку относительного расстояния до транспортного оборудования, которое движется вперед, управляя приводным аппаратом 4, таким как тормоз или двигатель, на основе информации о расстоянии.
[00144] Четвертым примером применения системы SYS обработки информации является пример ее применения к игровой системе. Пользователь дает основной части игровой машины команду использовать режим жестов посредством использования управляющего аппарата 3, включающего в себя блок ввода, такой как контроллер. В ответ на команду от пользователя аппарат 2 обработки информации управляет аппаратом 1 измерения дальности. В соответствии с этим аппарат 1 измерения дальности обнаруживает движение (жест) пользователя как информацию о расстоянии. На основе полученной информации о расстоянии аппарат 2 обработки информации создает видеоданные, в которых виртуальным персонажем в игре управляют в соответствии с движением пользователя. Аппарат 2 обработки информации отображает видеоданные на аппарате 6 отображения, соединенном с основной частью игровой машины (с устройством 2 обработки информации).
[00145] Как описано выше, устройство 11 фотоэлектрического преобразования в соответствии с вариантом осуществления включает в себя первый фотодиод (участок 301 фотоэлектрического преобразования), который формирует электроны, и второй фотодиод (участок 302 фотоэлектрического преобразования), который формирует дырки. Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя первую полупроводниковую область 507 n-типа, которая собирает электроны, сформированные первым фотодиодом (участком 301 фотоэлектрического преобразования), и вторую полупроводниковую область 510 p-типа, которая собирает дырки, сформированные вторым фотодиодом (участком 302 фотоэлектрического преобразования). Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 315 формирования сигнала, с которым первая полупроводниковая область 507 и вторая полупроводниковая область 510 соединены вместе. Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 411 подачи опорного потенциала, который подает опорный потенциал VF1 на анод 211 первого фотодиода (участок 301 фотоэлектрического преобразования), и участок 412 подачи опорного потенциала, который подает опорный потенциал VF2 на катод 212 второго фотодиода (участок 302 фотоэлектрического преобразования). Опорный потенциал VF2 выше, чем опорный потенциал VF1. Такое устройство фотоэлектрического преобразования способно точно получать сигнала, который основан на электронах и дырках.
[00146] Как описано выше, устройство 11 фотоэлектрического преобразования в соответствии с вариантом осуществления включает в себя участок 301 фотоэлектрического преобразования, который формирует электроны, и участок 302 фотоэлектрического преобразования, который формирует дырки. Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя полупроводниковую область 507 n-типа, которая собирает электроны, сформированные участком 301 фотоэлектрического преобразования, и полупроводниковую область 510 p-типа, которая собирает дырки, сформированные участком 302 фотоэлектрического преобразования. Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 315 формирования сигнала, с которым полупроводниковая область 507 и полупроводниковая область 510 соединены вместе. Разность между первым потенциалом VS11, подаваемым на полупроводниковую область 507, и вторым потенциалом VS12, подаваемым на полупроводниковую область 510, в период сброса Trs составляет менее чем 0,10 В. Такое устройство фотоэлектрического преобразования способно точно получать сигнал, соответствующий разности сигнального заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования. Кроме того, устройство фотоэлектрического преобразования способно при простой конфигурации получать сигнал, соответствующий разности сигнального заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования.
[00147] Как описано выше, устройство 11 фотоэлектрического преобразования в соответствии с вариантом осуществления включает в себя участок 301 фотоэлектрического преобразования, который формирует электроны, и участок 302 фотоэлектрического преобразования, который формирует дырки. Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя полупроводниковую область 507 n-типа, которая собирает электроны, сформированные участком 301 фотоэлектрического преобразования, и полупроводниковую область 510 p-типа, которая собирает дырки, сформированные участком 302 фотоэлектрического преобразования. Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 315 формирования сигнала, с которым полупроводниковая область 507 и полупроводниковая область 510 соединены вместе. Полупроводниковая область 507 и полупроводниковая область 510 соединены друг с другом через локальную соединительную линию 620, которая является проводником. Такое устройство фотоэлектрического преобразования способно при простой конфигурации получать сигнал, соответствующий разности сигнального заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования. Кроме того, устройство фотоэлектрического преобразования способно точно получать сигнал, соответствующего разности сигнального заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования.
[00148] Как описано выше, устройство 11 фотоэлектрического преобразования в соответствии с вариантом осуществления включает в себя участок 301 фотоэлектрического преобразования, который формирует электроны, и участок 302 фотоэлектрического преобразования, который формирует дырки. Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 303 переноса, который переносит электроны, сформированные участком 301 фотоэлектрического преобразования, в полупроводниковую область 507 n-типа, и участок 306 переноса, который переносит дырки, сформированные участком 302 фотоэлектрического преобразования, в полупроводниковую область 510 p-типа. Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 315 формирования сигнала, с которым полупроводниковая область 507 и полупроводниковая область 510 соединены вместе. Участок 303 переноса и участок 306 переноса соединены с одним и тем же узлом 218 переноса. При высоком уровне потенциала, подаваемого на узел 218 переноса, участок 303 переноса переводится во включенное состояние и участок 306 переводится в выключенное состояние. При низком уровне потенциала, подаваемого на узел 218 переноса, участок 303 переноса переводится в выключенное состояние и участок 306 переноса переводится во включенное состояние. Такое устройство фотоэлектрического преобразования способно точно получать сигнал, который основан на электронах и дырках. Кроме того, сигнал, который основан на электронах и дырках, может быть получен посредством использования простой конфигурации.
[00149] Как описано выше, устройство 11 фотоэлектрического преобразования в соответствии с вариантом осуществления включает в себя первый фотодиод (участок 301 фотоэлектрического преобразования), который формирует электроны, и второй фотодиод (участок 302 фотоэлектрического преобразования), который формирует дырки. Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя первую полупроводниковую область 507 n-типа, которая собирает электроны, сформированные первым фотодиодом (участком 301 фотоэлектрического преобразования), и вторую полупроводниковую область 510 p-типа, которая собирает дырки, сформированные вторым фотодиодом (участком 302 фотоэлектрического преобразования). Кроме того, устройство 11 фотоэлектрического преобразования включает в себя участок 315 формирования сигнала, с которым первая полупроводниковая область 507 и вторая полупроводниковая область 510 соединены вместе. Полупроводниковая область 511 p-типа, которая составляет анод 211 первого фотодиода (участка 301 фотоэлектрического преобразования), и полупроводниковая область 512 n-типа, которая составляет катод 212 второго фотодиода (участка 302 фотоэлектрического преобразования), электрически изолированы друг от друга p-n-переходом. Такое устройство фотоэлектрического преобразования способно при простой конфигурации получать сигнал, соответствующий разности сигнального заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования. Кроме того, устройство фотоэлектрического преобразования способно точно получать сигнал, соответствующий разности сигнального заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования.
[00150] Устройство фотоэлектрического преобразования не ограничено описанными выше примерами и применимо к различным системам SYS обработки информации. В приведенном выше варианте осуществления было дано описание примеров устройства фотоэлектрического преобразования, оптимизированного для выполнения управления для измерения дальности, и устройства измерения дальности и системы захвата изображения, включающей в себя устройство. Устройство фотоэлектрического преобразования может выполнить управление для чего-либо другого, кроме измерения дальности. Например, обнаружение границ для обнаружения контура объекта, такого как человеческое лицо, обнаружение фокуса с использованием обнаружения разности фаз или измерение дальности могут быть выполнены посредством использования сигнала, соответствующего разности сигнального заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования. Такие операции могут быть выполнены, поскольку разность количества принятого света между множеством участков фотоэлектрического преобразования может быть обнаружена на основе величины выходного сигнала от участка формирования сигнала в соответствии с разностью сигнального заряда. В целом, сложная структура, такая как дифференциальная схема, может быть необходима для получения разности электрических сигналов посредством преобразования сигнального заряда в электрические сигналы посредством использования участка формирования сигнала, например, схема истокового повторителя. Однако устройство фотоэлектрического преобразования в соответствии с вариантом осуществления способно легко получать разность сигнального заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования посредством использования рекомбинации между электронами и дырками. Кроме того, посредством преобразования разности сигнального заряда в электрический сигнал при помощи участка формирования сигнала, имеющего простую структуру, например, схему истокового повторителя, устройство фотоэлектрического преобразования способно получать сигнал, соответствующий разности сигнального заряда между множеством участков фотоэлектрического преобразования. При помощи транзистора переключения, обеспеченного между узлом сбора и узлом обнаружения, как в форме, проиллюстрированной на фиг. 7, сигнал, соответствующий заряду исходного сигнала, а не сигнал, соответствующий разности между множеством участков фотоэлектрического преобразования, может быть считан отдельно из сигнала, соответствующего разности. В соответствии с этим может быть выполнена операция захвата изображения.
[00151] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми иллюстративными вариантами осуществления. Объем следующей формулы изобретения должен получить самую широкую интерпретацию для охвата всех таких модификаций и эквивалентных структур и функций.