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半導体測距素子及び固体撮像装置

国内特許コード P10S000404
整理番号 ShIP-6089-JP
掲載日 2010年6月11日
出願番号 特願2008-548264
登録番号 特許第5105549号
出願日 平成19年11月30日(2007.11.30)
登録日 平成24年10月12日(2012.10.12)
国際出願番号 JP2007073215
国際公開番号 WO2008069141
国際出願日 平成19年11月30日(2007.11.30)
国際公開日 平成20年6月12日(2008.6.12)
優先権データ
  • 特願2006-324501 (2006.11.30) JP
発明者
  • 川人 祥二
出願人
  • 国立大学法人静岡大学
発明の名称 半導体測距素子及び固体撮像装置
発明の概要

半導体領域(1)、受光用表面埋込領域(11a)、第1の電荷蓄積領域(12a)と、第1の電荷読み出し領域(13)、第1の電位制御手段(31)、第2の電位制御手段(32)、第1の排出ドレイン領域(14)と、及び第3の電位制御手段(33)とを備え、第1繰り返し周期において反射光の遅れ時間に依存する信号電荷を、受光用表面埋込領域(11a)から繰り返し転送して第1の電荷蓄積領域(12a)に第1信号電荷として蓄積し、第2繰り返し周期において反射光により発生した信号電荷のすべてを受光用表面埋込領域(11a)から繰り返し転送して第1の電荷蓄積領域(12a)に第2信号電荷として蓄積し、蓄積された第1及び第2信号電荷の総量の比を求めて、対象物までの距離を測定する半導体測距素子である。

従来技術、競合技術の概要


1995年頃に発表されたCCDを用いた1次元の距離画像センサを発端とし、光の飛行時間を用いて距離画像を取得する光飛行時間型(TOF)型距離センサの開発が多方面で進んでいる。



しかしながら、現在実現されているTOF型距離センサの解像度は、2万画素以内程度に留まっている。又、CCDを用いた方式の場合、画素数が大きくなると画素の駆動が難しくなり、CMOSとCCDの混在プロセスを用いた方式では、製作コストが高くなる。



一方、本発明者の一人は、高感度化に有効で且つ電荷転送を高速に行うCMOS技術に基づく手法を既に提案している。



しかし、従来のTOF型距離画像センサは、距離分解能や空間解像度の点で改善すべき点もある。したがって、低コストで、且つ高い距離分解能と空間解像度を有するTOF型距離画像センサが待望されている。

産業上の利用分野


本発明は、半導体測距素子に係り、更には半導体測距素子を複数個配列した固体撮像装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】 一定のパルス幅のパルス光を繰り返して出射する光源と
第1導電型の半導体領域と、
前記半導体領域の上部の一部に埋め込まれ、対象物が反射した前記パルス光を、前記対象物からの反射光として入射する第2導電型の受光用表面埋込領域と、
前記半導体領域の上部の一部に埋め込まれ、前記受光用表面埋込領域よりもポテンシャル井戸の深さが深く、前記受光用表面埋込領域から前記光により生成された信号電荷が転送される第2導電型の第1の電荷蓄積領域と、
前記第1の電荷蓄積領域から前記信号電荷を受け入れる第1の電荷読み出し領域と、
前記受光用表面埋込領域と前記第1の電荷蓄積領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記受光用表面埋込領域から前記第1の電荷蓄積領域へ前記信号電荷を転送する第1の電位制御手段と、
前記第1の電荷蓄積領域と前記第1の電荷読み出し領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記第1の電荷蓄積領域から前記第1の電荷読み出し領域へ前記信号電荷を転送する第2の電位制御手段と、
前記受光用表面埋込領域から電荷を排出する第1の排出ドレイン領域と、
前記受光用表面埋込領域と前記第1の排出ドレイン領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記受光用表面埋込領域から前記第1の排出ドレイン領域へ前記信号電荷を転送する第3の電位制御手段
とを備え、Nを前記パルス光の繰り返し数として、前記パルス光をN個含む周期である第1繰り返し周期において前記反射光の遅れ時間に依存する前記信号電荷を、前記受光用表面埋込領域から、前記パルス光に同期してN回繰り返し転送して前記第1の電荷蓄積領域に第1信号電荷として蓄積し、該N回の繰り返し転送と逆位相のタイミングで、前記受光用表面埋込領域から前記第1の排出ドレイン領域へ前記信号電荷を転送し、
前記第1繰り返し周期と同じ長さの周期である第2繰り返し周期において前記反射光により発生した前記信号電荷のすべてを前記受光用表面埋込領域から前記パルス光に同期してN回繰り返し転送して前記第1の電荷蓄積領域に第2信号電荷として蓄積し、該N回の繰り返し転送と逆位相のタイミングで、前記受光用表面埋込領域から前記第1の排出ドレイン領域へ前記信号電荷を転送し、
N回繰り返し転送されてそれぞれ蓄積された前記第1及び第2信号電荷の総量を、前記第2の電位制御手段を介して、それぞれ前記第1の電荷読み出し領域に一括して転送し、前記第1の電荷読み出し領域から逐次読み出された前記第1及び第2信号電荷の総量の比を求めて、前記遅れ時間を推定し、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする半導体測距素子。
【請求項2】 前記受光用表面埋込領域が互いに前記半導体領域の上部に埋め込まれた複数のストライプ状のパターンからなることを特徴とする請求項1に記載の半導体測距素子。
【請求項3】 前記第1の電荷蓄積領域が前記受光用表面埋込領域よりも高不純物密度であることを特徴とする請求項1に記載の半導体測距素子。
【請求項4】 前記第1の電荷蓄積領域が前記受光用表面埋込領域よりも深いことを特徴とする請求項1に記載の半導体測距素子。
【請求項5】 前記半導体領域の上部の一部に前記第1の電荷蓄積領域と離間して埋め込まれ、前記受光用表面埋込領域よりもポテンシャル井戸の深さが深く、前記受光用表面埋込領域から前記光により生成された信号電荷が転送される第2導電型の第2の電荷蓄積領域と、
前記第2の電荷蓄積領域から前記信号電荷を受け入れる第2の電荷読み出し領域と、
前記受光用表面埋込領域と前記第2の電荷蓄積領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記受光用表面埋込領域から前記第2の電荷蓄積領域へ前記信号電荷を転送する第4の電位制御手段と、
前記第2の電荷蓄積領域と前記第2の電荷読み出し領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記第2の電荷蓄積領域から前記第2の電荷読み出し領域へ前記信号電荷を転送する第5の電位制御手段
とを更に備え、前記第1の電位制御手段と同期して前記第4の電位制御手段を駆動して、前記第1繰り返し周期において、前記反射光の遅れ時間に依存する前記信号電荷を前記受光用表面埋込領域から前記第2の電荷蓄積領域に転送し、前記第2繰り返し周期において、前記反射光により発生した前記信号電荷を前記受光用表面埋込領域から前記第2の電荷蓄積領域に転送し、
前記第2の電位制御手段と同期して前記第5の電位制御手段を駆動して、前記第2の電荷蓄積領域から前記第2の電荷読み出し領域へ前記信号電荷を転送し、前記第1及び第2の電荷読み出し領域から読み出された前記第1及び第2信号電荷の総量の比を求めて、前記遅れ時間を推定し、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする請求項1に記載の半導体測距素子。
【請求項6】 前記第2の電荷蓄積領域が前記受光用表面埋込領域よりも高不純物密度であるか、又は前記第2の電荷蓄積領域が前記受光用表面埋込領域よりも深いことを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。
【請求項7】 前記受光用表面埋込領域から電荷を排出する第2の排出ドレイン領域と、
前記受光用表面埋込領域と前記第2の排出ドレイン領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記受光用表面埋込領域から前記第2の排出ドレイン領域へ前記信号電荷を転送する第6の電位制御手段
とを更に備えることを特徴とする請求項に記載の半導体測距素子。
【請求項8】 第1導電型の半導体領域と、
前記半導体領域の上部の一部に埋め込まれ、対象物が反射したパルス光を、前記対象物からの反射光として入射する第2導電型の受光用表面埋込領域と、
前記半導体領域の上部の一部に埋め込まれ、前記受光用表面埋込領域よりもポテンシャル井戸の深さが深く、前記受光用表面埋込領域から前記光により生成された信号電荷が転送される第2導電型の第1の電荷蓄積領域と、
前記第1の電荷蓄積領域から前記信号電荷を受け入れる第1の電荷読み出し領域と、
前記受光用表面埋込領域と前記第1の電荷蓄積領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記受光用表面埋込領域から前記第1の電荷蓄積領域へ前記信号電荷を転送する第1の電位制御手段と、
前記第1の電荷蓄積領域と前記第1の電荷読み出し領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記第1の電荷蓄積領域から前記第1の電荷読み出し領域へ前記信号電荷を転送する第2の電位制御手段と、
前記受光用表面埋込領域から電荷を排出する第1の排出ドレイン領域と、
前記受光用表面埋込領域と前記第1の排出ドレイン領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記受光用表面埋込領域から前記第1の排出ドレイン領域へ前記信号電荷を転送する第3の電位制御手段 とを備える画素を複数個配列した半導体チップと、
前記パルス光を、一定のパルス幅で繰り返して出射する光源と
を備え、Nを前記パルス光の繰り返し数として、前記パルス光をN個含む周期である第1繰り返し周期において前記反射光の遅れ時間に依存する前記信号電荷を、前記受光用表面埋込領域から、前記パルス光に同期してN回繰り返し転送して前記第1の電荷蓄積領域に第1信号電荷として蓄積し、該N回の繰り返し転送と逆位相のタイミングで、前記受光用表面埋込領域から前記第1の排出ドレイン領域へ前記信号電荷を転送し、
前記第1繰り返し周期と同じ長さの周期である第2繰り返し周期において前記反射光により発生した前記信号電荷のすべてを前記受光用表面埋込領域から前記パルス光に同期してN回繰り返し転送して前記第1の電荷蓄積領域に第2信号電荷として蓄積し、該N回の繰り返し転送と逆位相のタイミングで、前記受光用表面埋込領域から前記第1の排出ドレイン領域へ前記信号電荷を転送し、
N回繰り返し転送されてそれぞれ蓄積された前記第1及び第2信号電荷の総量を、前記第2の電位制御手段を介して、それぞれ前記第1の電荷読み出し領域に一括して転送し、前記第1の電荷読み出し領域から逐次読み出された前記第1及び第2信号電荷の総量の比を求めて、前記遅れ時間を推定し、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項9】 前記受光用表面埋込領域が互いに前記半導体領域の表面に埋め込まれた複数のストライプ状のパターンからなることを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。
【請求項10】 前記第1の電荷蓄積領域が前記受光用表面埋込領域よりも高不純物密度であることを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。
【請求項11】 前記第1の電荷蓄積領域が前記受光用表面埋込領域よりも深いことを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。
【請求項12】 前記画素が、前記第1の電荷読み出し領域に転送された前記信号電荷に依存した電圧を読み出す電圧読み出し用バッファアンプを更に備えることを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。
【請求項13】 前記受光用表面埋込領域から前記第1の電荷蓄積領域への前記信号電荷を前記すべての画素で一斉に転送することを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。
【請求項14】 前記半導体領域の上部の一部に前記第1の電荷蓄積領域と離間して埋め込まれ、前記受光用表面埋込領域よりもポテンシャル井戸の深さが深く、前記受光用表面埋込領域から前記光により生成された信号電荷が転送される第2導電型の第2の電荷蓄積領域と、
前記第2の電荷蓄積領域から前記信号電荷を受け入れる第2の電荷読み出し領域と、
前記受光用表面埋込領域と前記第2の電荷蓄積領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記受光用表面埋込領域から前記第2の電荷蓄積領域へ前記信号電荷を転送する第4の電位制御手段と、
前記第2の電荷蓄積領域と前記第2の電荷読み出し領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記第2の電荷蓄積領域から前記第2の電荷読み出し領域へ前記信号電荷を転送する第5の電位制御手段
とを更に備え、前記第1の電位制御手段と同期して前記第4の電位制御手段を駆動して、前記第1繰り返し周期において、前記反射光の遅れ時間に依存する前記信号電荷を前記受光用表面埋込領域から前記第2の電荷蓄積領域に転送し、前記第2繰り返し周期において、前記反射光により発生した前記信号電荷を前記受光用表面埋込領域から前記第2の電荷蓄積領域に転送し、
前記第2の電位制御手段と同期して前記第5の電位制御手段を駆動して、前記第2の電荷蓄積領域から前記第2の電荷読み出し領域へ前記信号電荷を転送し、前記第1及び第2の電荷読み出し領域から読み出された前記第1及び第2信号電荷の総量の比を求めて、前記遅れ時間を推定し、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする請求項に記載の半導体測距素子。
【請求項15】 前記第2の電荷蓄積領域が前記受光用表面埋込領域よりも高不純物密度であるか、又は前記第2の電荷蓄積領域が前記受光用表面埋込領域よりも深いことを特徴とする請求項14に記載の固体撮像装置。
【請求項16】 前記受光用表面埋込領域から電荷を排出する第2の排出ドレイン領域と、
前記受光用表面埋込領域と前記第2の排出ドレイン領域との間の前記半導体領域の上部に形成されるチャネルの電位を制御して、前記受光用表面埋込領域から前記第2の排出ドレイン領域へ前記信号電荷を転送する第6の電位制御手段 とを更に備えることを特徴とする請求項14に記載の半導体測距素子。
【請求項17】 前記画素が、前記第1及び第2の電荷読み出し領域にそれぞれ転送された前記信号電荷に依存した電圧を読み出す共通の電圧読み出し用バッファアンプを更に備えることを特徴とする16に記載の固体撮像装置。
【請求項18】 前記画素が、前記第1及び第2の電荷読み出し領域に転送された前記信号電荷に依存した電圧をそれぞれ読み出す第1及び第2の電圧読み出し用バッファアンプを更に備えることを特徴とする請求項14に記載の固体撮像装置。
産業区分
  • テレビ
  • 固体素子
  • その他通信
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 権利存続中
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