测距装置和测距传感器的驱动方法与流程

1.本公开的一个方面涉及具备测距传感器的测距装置和测距传感器的驱动方法。


背景技术：

2.作为利用间接tof(time of flight)方式来测量距对象物的距离的测距装置，已知有一种测距传感器(例如参照专利文献1)，其具备：电荷产生区域、一对传送栅极电极、和储存通过一对传送栅极电极从电荷产生区域传送的电荷的一对电荷储存区域。在这样的测距装置中，对一对传送栅极电极施加彼此不同相位的传送信号，通过光的入射而在电荷产生区域产生的电荷在一对电荷储存区域之间分配。并且，基于储存在一对电荷储存区域的电荷量，计算距对象物的距离。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2011-133464号公报


技术实现要素：

6.发明所要解决的技术问题
7.在上述测距装置中，为了抑制储存容量的饱和，可以考虑设置追加的电荷储存区域(以下，也记作“溢出(overflow)区域”)，将从电荷储存区域溢出的电荷储存在溢出区域。然而，仅通过单纯地采用这样的结构，在电荷在电荷储存区域储存至向溢出区域溢出的程度的情况下，电荷的一部分残留在电荷产生区域。在该情况下，可能因残留在电荷储存区域的电荷而引起距离测量的精度降低。
8.本公开的一个方面的目的在于，提供一种能够提高距离测量的精度的测距装置和测距传感器的驱动方法。
9.用于解决问题的技术手段
10.本公开的一个方面的测距装置包括：测距传感器；和控制部，其控制测距传感器，测距传感器具有：电荷产生区域，其根据入射光而产生电荷；第一电荷储存区域；第一溢出区域；第二电荷储存区域；第二溢出区域；第一传送栅极电极，其配置在电荷产生区域与第一电荷储存区域之间的区域上；第一溢出栅极电极，其配置在第一电荷储存区域与第一溢出区域之间的区域上；第二传送栅极电极，其配置在电荷产生区域与第二电荷储存区域之间的区域上；和第二溢出栅极电极，其配置在第二电荷储存区域与第二溢出区域之间的区域上，控制部执行电荷分配处理，其中，对第一传送栅极电极和第二传送栅极电极施加具有彼此不同相位的电荷传送信号，在第一期间，通过以第一传送栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式对第一传送栅极电极施加电位，从而将在电荷产生区域产生的电荷传送到第一电荷储存区域，在第二期间，通过以第二传送栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式对第二传送栅极电极施加电位，从而将在电荷产生区域产生的电荷传送到第二电荷储存区域，在第一期间，以第一溢出栅极电极正下方的
区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式，对第一溢出栅极电极施加电位，在第二期间，以第二溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式，对第二溢出栅极电极施加电位。
11.在该测距装置中，测距传感器具有：第一溢出区域、第二溢出区域、配置在第一电荷储存区域与第一溢出区域之间的区域上的第一溢出栅极电极、和配置在第二电荷储存区域与第二溢出区域之间的区域上的第二溢出栅极电极。由此，能够将从第一电荷储存区域溢出的电荷储存在第一溢出区域，并且能够将从第二电荷储存区域溢出的电荷储存在第二溢出区域。其结果是，能够抑制储存容量的饱和。另外，在电荷分配处理的第一期间，第一溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低，在电荷分配处理的第二期间，第二溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低。由此，即使在电荷在第一电荷储存区域储存至向第一溢出区域溢出的程度的情况下，以及电荷在第二电荷储存区域储存至向第二溢出区域溢出的程度的情况下，也能够抑制电荷残留在电荷产生区域。因此，根据该测距装置，能够提高距离测量的精度。
12.也可以是，电荷产生区域包含雪崩倍增区域。在该情况下，能够在电荷产生区域引发雪崩倍增，能够提高测距传感器的检测灵敏度。另一方面，在电荷产生区域包含雪崩倍增区域的情况下，产生的电荷量变得极多。在该测距装置中，即使在这样的情况下，也能够充分抑制储存容量的饱和，并且充分地抑制电荷在电荷产生区域的残留。
13.也可以是，控制部执行：第一读取处理，在电荷分配处理之后，读取储存在第一电荷储存区域和第二电荷储存区域的电荷量；电荷传送处理，在第一读取处理之后，通过以第一溢出栅极电极正下方的区域的电势降低的方式对第一溢出栅极电极施加电位，从而将储存在第一电荷储存区域的电荷传送到第一溢出区域，并且通过以第二溢出栅极电极正下方的区域的电势降低的方式对第二溢出栅极电极施加电位，从而将储存在第二电荷储存区域的电荷传送到第二溢出区域；和第二读取处理，在电荷传送处理之后，读取储存在第一电荷储存区域和第一溢出区域的电荷量，并且读取储存在第二电荷储存区域和第二溢出区域中的电荷量。在该情况下，不仅在第一读取处理中读取储存在第一和第二电荷储存区域的电荷量，还在第二读取处理中读取储存在第一电荷储存区域和第一溢出区域的电荷量以及储存在第二电荷储存区域和第二溢出区域的电荷量，因此，能够提高电荷量的检测精度。另外，储存在第一电荷储存区域和第一溢出区域的电荷量的读取与储存在第二电荷储存区域和第二溢出区域的电荷量的读取也可以依次执行也可以同时(作为一次处理)执行。
14.也可以是，测距传感器还具有：多余电荷排出区域；和多余电荷传送栅极电极，其配置在电荷产生区域与多余电荷排出区域之间的区域上，控制部在第一期间和第二期间以外的期间，执行多余电荷传送处理，其中，通过以多余电荷传送栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式，对多余电荷传送栅极电极施加电位，从而将在电荷产生区域产生的电荷传送到多余电荷排出区域。在该情况下，能够将在第一和第二期间以外的期间在电荷产生区域产生的电荷传送到多余电荷排出区域，能够进一步抑制电荷在电荷产生区域的残留。
15.也可以是，测距传感器还具有：第三电荷储存区域；第三溢出区域；第四电荷储存区域；第四溢出区域；第三传送栅极电极，其配置在电荷产生区域与第三电荷储存区域之间的区域上；第三溢出栅极电极，其配置在第三电荷储存区域与第三溢出区域之间的区域上；
第四传送栅极电极，其配置在电荷产生区域与第四电荷储存区域之间的区域上；和第四溢出栅极电极，其配置在第四电荷储存区域与第四溢出区域之间的区域上，控制部，在电荷分配处理中，对第一传送栅极电极、第二传送栅极电极、第三传送栅极电极和第四传送栅极电极，施加具有彼此不同相位的电荷传送信号，在第三期间，通过以第三传送栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式对第三传送栅极电极施加电位，从而将在电荷产生区域产生的电荷传送到第三电荷储存区域，在第四期间，通过以第四传送栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式对第四传送栅极电极施加电位，从而将在电荷产生区域产生的电荷传送到第四电荷储存区域，在第三期间，以第三溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式，对第三溢出栅极电极施加电位，在第四期间，以第四溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式，对第四溢出栅极电极施加电位。在该情况下，能够实现通过第一～第四传送栅极电极的电荷分配，能够提高距离测量的精度。
16.也可以是，第三溢出区域具有比第三电荷储存区域的电荷储存容量大的电荷储存容量，第四溢出区域具有比第四电荷储存区域的电荷储存容量大的电荷储存容量。在该情况下，能够有效地抑制储存容量的饱和。
17.也可以是，本公开的一个方面的测距装置还具备：光电栅极电极，其配置在电荷产生区域上，控制部，在第一期间，以第一传送栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低且第一溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式，对光电栅极电极和第一传送栅极电极施加电位，在第二期间，以第二传送栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低且第二溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式，对光电栅极电极和第二传送栅极电极施加电位。在该情况下，能够高精度地调整电势的高低。
18.也可以是，第一溢出区域具有比第一电荷储存区域的电荷储存容量大的电荷储存容量，第二溢出区域具有比第二电荷储存区域的电荷储存容量大的电荷储存容量。在该情况下，能够有效地抑制储存容量的饱和。
19.在本公开的一个方面的测距传感器的驱动方法中，测距传感器具有：电荷产生区域，其根据入射光而产生电荷；第一电荷储存区域；第一溢出区域；第二电荷储存区域；第二溢出区域；第一传送栅极电极，其配置在电荷产生区域与第一电荷储存区域之间的区域上；第一溢出栅极电极，其配置在第一电荷储存区域与第一溢出区域之间的区域上；第二传送栅极电极，其配置在电荷产生区域与第二电荷储存区域之间的区域上；和第二溢出栅极电极，其配置在第二电荷储存区域与第二溢出区域之间的区域上，测距传感器的驱动方法包括：电荷分配步骤，其中，对第一传送栅极电极和第二传送栅极电极施加具有彼此不同相位的电荷传送信号，在第一期间，通过以第一传送栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式对第一传送栅极电极施加电位，从而将在电荷产生区域产生的电荷传送到第一电荷储存区域，在第二期间，通过以第二传送栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式对第二传送栅极电极施加电位，从而将在电荷产生区域产生的电荷传送到第二电荷储存区域，在第一期间，以第一溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式，对第一溢出栅极电极施加电位，在第二期间，以第二溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低的方式，对第二溢出栅极电极施加电
位。
20.在该测距传感器的驱动方法中，测距传感器具有：第一溢出区域、第二溢出区域、配置在第一电荷储存区域与第一溢出区域之间的区域上的第一溢出栅极电极、和配置在第二电荷储存区域与第二溢出区域之间的区域上的第二溢出栅极电极。由此，能够将从第一电荷储存区域溢出的电荷储存在第一溢出区域，并且能够将从第二电荷储存区域溢出的电荷储存在第二溢出区域。其结果是，能够抑制储存容量的饱和。另外，在电荷分配步骤的第一期间，第一溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低，在电荷分配步骤的第二期间，第二溢出栅极电极正下方的区域的电势比电荷产生区域的电势低。由此，即使在电荷在第一电荷储存区域储存至向第一溢出区域溢出的程度的情况下，以及电荷在第二电荷储存区域储存至向第二溢出区域溢出的程度的情况下，也能够抑制电荷残留在电荷产生区域。因此，根据该测距传感器的驱动方法，能够提高距离测量的精度。
21.发明效果
22.根据本公开的一个方面，可提供一种能够提高距离测量的精度的测距装置和测距传感器的驱动方法。
附图说明
23.图1是实施方式的测距装置的结构图。
24.图2是测距传感器的像素部的俯视图。
25.图3是沿图2所示的iii-iii线的截面图。
26.图4是测距传感器的电路图。
27.图5是示出测距传感器的动作例的时序图。
28.图6(a)～(d)是用于说明测距传感器的动作例的电势(potential)分布图。
29.图7是示出比较例的图像传感器的动作例的时序图。
30.图8(a)～(d)是用于说明比较例的图像传感器的动作例的电势分布图。
31.图9是第一变形例的测距传感器的一部分的俯视图。
32.图10是示出第一变形例的测距传感器的动作例的时序图。
33.图11是第二变形例的测距传感器的一部分的俯视图。
34.图12是示出第二变形例的测距传感器的动作例的时序图。
35.图13是第三变形例的测距传感器的电路图。
具体实施方式
36.以下，参照附图，对本发明的一个实施方式进行详细说明。另外，在以下的说明中，对于相同或相当的要素使用相同标记，并省略重复的说明。
37.[测距装置的结构]
[0038]
如图1所示，测距装置1具备：光源2、测距传感器(测距图像传感器)10a、信号处理部3、控制部4和显示部5。测距装置1是利用间接tof方式来取得对象物oj的距离图像(包含关于距对象物oj的距离d的信息的图像)的装置。
[0039]
光源2出射脉冲光l。光源2由例如红外led等构成。脉冲光l例如是近红外光，脉冲光l的频率例如为10khz以上。测距传感器10a检测从光源2出射并在对象物oj反射的脉冲光
l。测距传感器10a通过在半导体基板(例如硅基板)单片地(monolithic)形成像素部11和cmos读取电路部12而构成。测距传感器10a安装在信号处理部3上。
[0040]
信号处理部3控制测距传感器10a的像素部11和cmos读取电路部12。信号处理部3对从测距传感器10a输出的信号实施规定的处理并生成检测信号。控制部4控制光源2和信号处理部3。控制部4基于从信号处理部3输出的检测信号生成对象物oj的距离图像。显示部5显示由控制部4生成的对象物oj的距离图像。
[0041]
[测距传感器的结构]
[0042]
如图2和图3所示，测距传感器10a在像素部11具备半导体层20和电极层40。半导体层20具有第一表面20a和第二表面20b。第一表面20a是半导体层20的厚度方向上的一侧的表面。第二表面20b是半导体层20的厚度方向上的另一侧的表面。电极层40设置在半导体层20的第一表面20a。半导体层20和电极层40构成沿第一表面20a配置的多个像素11a。在测距传感器10a，多个像素11a沿第一表面20a二维地排列。以下，将半导体层20的厚度方向称作z方向，将与z方向垂直的一个方向称作x方向，将与z方向和x方向这两个方向垂直的方向称作y方向。另外，将z方向上的一侧称作第一侧，将z方向上的另一侧(第一侧的相反侧)称作第二侧。此外，在图2中，示意性地示出后述的电荷储存区域p1～p4、溢出(overflow)区域q1～q4、多余电荷排出区域r、光电栅极电极pg、传送栅极电极tx1～tx4、溢出栅极(overflow gate)电极ov1～ov4和多余电荷传送栅极电极rg的配置，其他的要素适当省略。
[0043]
各像素11a在半导体层20具有：半导体区域21、雪崩倍增区域22、电荷分配区域23、第一电荷储存区域p1、第二电荷储存区域p2、第三电荷储存区域p3、第四电荷储存区域p4、第一溢出区域q1、第二溢出区域q2、第三溢出区域q3、第四溢出区域q4、2个多余电荷排出区域r、势阱区域(well region)31和势垒区域(barrier region)32。各区域21～23、p1～p4、q1～q4、r、31和32通过对半导体基板(例如硅基板)实施各种处理(例如，蚀刻、成膜、杂质注入等)而形成。
[0044]
半导体区域21是p型(第一导电型)的区域，在半导体层20沿第二表面20b设置。半导体区域21作为光吸收区域(光电转换区域)发挥功能。作为一例，半导体区域21是具有1
×
10
15
cm-3
以下的载流子浓度的p型区域，其厚度为10μm的程度。另外，雪崩倍增区域22等也作为光吸收区域(光电转换区域)发挥功能。
[0045]
雪崩倍增区域22包括第一倍增区域22a和第二倍增区域22b。第一倍增区域22a是p型的区域，在半导体层20形成于半导体区域21的第一侧。作为一例，第一倍增区域22a是具有1
×
10
16
cm-3
以上的载流子浓度的p型区域，其厚度为1μm的程度。第二倍增区域22b是n型(第二导电型)的区域，在半导体层20形成于第一倍增区域22a的第一侧。作为一例，第二倍增区域22b是具有1
×
10
16
cm-3
以上的载流子浓度的n型区域，其厚度为1μm的程度。第一倍增区域22a和第二倍增区域22b形成pn结。雪崩倍增区域22是引发雪崩倍增的区域。在施加有规定值的反向偏压的情况下，产生于雪崩倍增区域22的电场强度例如为3
×
105～4
×
105v/cm。
[0046]
电荷分配区域23是n型的区域，在半导体层20形成于第二倍增区域22b的第一侧。作为一例，电荷分配区域23是具有5
×
10
15
～1
×
10
16
cm-3
的载流子浓度的n型区域，其厚度为1μm的程度。
[0047]
各电荷储存区域p1～p4是n型的区域，在半导体层20形成于第二倍增区域22b的第
一侧。各电荷储存区域p1～p4与电荷分配区域23连接。作为一例，各第一电荷传送区域p1～p4是具有1
×
10
18
cm-3
以上的载流子浓度的n型区域，其厚度为0.2μm的程度。
[0048]
各溢出区域q1～q4是n型的区域，在半导体层20形成于第二倍增区域22b的第一侧。第一溢出区域q1的电荷储存容量比第一电荷储存区域p1的电荷储存容量大。第二溢出区域q2的电荷储存容量比第二电荷储存区域p2的电荷储存容量大。第三溢出区域q3的电荷储存容量比第三电荷储存区域p3的电荷储存容量大。第四溢出区域q4的电荷储存容量比第四电荷储存区域p4的电荷储存容量大。例如，电荷储存区域p1～p4的电荷储存容量彼此相等，溢出区域q1～q4的电荷储存容量彼此相等。在电荷储存区域p1～p4使用pn结电容，与之相对地，在溢出区域q1～q4设置有追加的电容，从而能够与电荷储存区域p1～p4相比增大储存容量。作为追加的电容，能够列举mim(metal insulator metal)电容、mos电容、沟槽电容、pip电容等。
[0049]
各多余电荷排出区域r是n型的区域，在半导体层20形成于第二倍增区域22b的第一侧。各多余电荷排出区域r与电荷分配区域23连接。多余电荷排出区域r例如与电荷储存区域p1～p4具有同样的结构。
[0050]
势阱区域31是p型的区域，在半导体层20形成于第二倍增区域22b的第一侧。势阱区域31在从z方向观察的情况下包围电荷分配区域23。势阱区域31构成多个读取电路(例如，源极跟随放大器(source follower amplifier)、复位晶体管(reset transistor)等)。多个读取电路分别与电荷储存区域p1～p4和溢出区域q1～q4电连接。作为一例，势阱区域31是具有1
×
10
16
～5
×
10
17
cm-3
的载流子浓度的p型区域，其厚度为1μm的程度。
[0051]
势垒区域32是n型的区域，在半导体层20形成于第二倍增区域22b与势阱区域31之间。势垒区域32在从z方向观察的情况下包含势阱区域31。即，势阱区域31在从z方向观察的情况下位于势垒区域32内。势垒区域32包围电荷分配区域23。势垒区域32的n型杂质的浓度比第二倍增区域22b的n型杂质的浓度高。作为一例，势垒区域32是具有从第二倍增区域22b的载流子浓度至第二倍增区域22b的载流子浓度的数倍程度的载流子浓度的n型区域，其厚度为1μm的程度。由于势垒区域32形成在第二倍增区域22b与势阱区域31之间，即使通过对雪崩倍增区域22施加高电压而形成于雪崩倍增区域22的耗尽层向势阱区域31扩展，也能够防止耗尽层到达势阱区域31。即，能够防止因耗尽层到达势阱区域31而导致电流在雪崩倍增区域22与势阱区域31之间流动。
[0052]
在此，对各区域的位置关系进行说明。第一电荷储存区域p1隔着电荷分配区域23在x方向上与第二电荷储存区域p2相对。第一溢出区域q1相对于第一电荷储存区域p1配置在电荷分配区域23的相反侧。第二溢出区域q2相对于第二电荷储存区域p2配置在电荷分配区域23的相反侧。
[0053]
第三电荷储存区域p3隔着电荷分配区域23在x方向上与第四电荷储存区域p4相对。第三溢出区域q3相对于第三电荷储存区域p3配置在电荷分配区域23的相反侧。第四溢出区域q4相对于第四电荷储存区域p4配置在与电荷分配区域23的相反侧。第一电荷储存区域p1和第四电荷储存区域p4在y方向上排列。第二电荷储存区域p2和第三电荷储存区域p3在y方向上排列。第一溢出区域q1和第四溢出区域q4在y方向上排列。第二溢出区域q2和第三溢出区域q3在y方向上排列。2个多余电荷排出区域r隔着电荷分配区域23在y方向上彼此相对。
[0054]
各像素11a在电极层40具有：光电栅极电极pg、第一传送栅极电极tx1、第二传送栅极电极tx2、第三传送栅极电极tx3、第四传送栅极电极tx4、第一溢出栅极电极ov1、第二溢出栅极电极ov2、第三溢出栅极电极ov3、第四溢出栅极电极ov4和2个多余电荷传送栅极电极rg。各栅极电极pg、tx1～tx4、ov1～ov4、rg隔着绝缘膜41形成在半导体层20的第一表面20a上。绝缘膜41例如是硅氮化膜、硅氧化膜等。
[0055]
光电栅极电极pg配置在电荷分配区域23上。光电栅极电极pg由具有导电性和光透过性的材料(例如多晶硅)形成。作为一例，光电栅极电极pg，在从z方向观察的情况下，呈具有在x方向上相对的2个边和在y方向上相对的2个边的矩形形状。半导体区域21、雪崩倍增区域22和电荷分配区域23中的、光电栅极电极pg的正下方的区域，作为根据入射光而产生电荷的电荷产生区域24发挥功能。换言之，光电栅极电极pg配置于电荷产生区域24上。在电荷产生区域24，产生于半导体区域21的电荷在雪崩倍增区域22被倍增，并在电荷分配区域23被分配。在与实施方式不同地，脉冲光l从相对电极50侧入射于半导体层20的情况(背面入射的情况)下，光电栅极电极pg也可以不具有光透过性。光电栅极电极pg的正下方的区域是指，在从z方向观察的情况下与光电栅极电极pg重合的区域。这一点对于其他的栅极电极tx1～tx4、ov1～ov4、rg也是同样的。
[0056]
第一传送栅极电极tx1配置在电荷分配区域23的电荷产生区域24与第一电荷储存区域p1之间的区域上。第二传送栅极电极tx2配置在电荷分配区域23的电荷产生区域24与第二电荷储存区域p2之间的区域上。第三传送栅极电极tx3配置在电荷分配区域23的电荷产生区域24与第三电荷储存区域p3之间的区域上。第四传送栅极电极tx4配置在电荷分配区域23的电荷产生区域24与第四电荷储存区域p4之间的区域上。
[0057]
各传送栅极电极tx1～tx4由具有导电性的材料(例如多晶硅)形成。作为一例，各传送栅极电极tx1～tx4在从z方向观察的情况下呈具有在x方向上相对的2个边和在y方向上相对的2个边的矩形形状。
[0058]
第一溢出栅极电极ov1配置在势阱区域31的第一电荷储存区域p1与第一溢出区域q1之间的区域上。第二溢出栅极电极ov2配置在势阱区域31的第二电荷储存区域p2与第二溢出区域q2之间的区域上。第三溢出栅极电极ov3配置在势阱区域31的第三电荷储存区域p3与第三溢出区域q3之间的区域上。第四溢出栅极电极ov4配置在势阱区域31的第四电荷储存区域p4与第四溢出区域q4之间的区域上。
[0059]
各溢出栅极电极ov1～ov4由具有导电性的材料(例如多晶硅)形成。作为一例，各溢出栅极电极ov1～ov4在从z方向观察的情况下呈具有在x方向上相对的2个边和在y方向上相对的2个边的矩形形状。
[0060]
多余电荷传送栅极电极rg中的一个配置在电荷分配区域23的电荷产生区域24与一对多余电荷排出区域r中的一个之间的区域上。多余电荷传送栅极电极rg中的另一个配置在电荷分配区域23的电荷产生区域24与一对多余电荷排出区域r中的另一个之间的区域上。各多余电荷传送栅极电极rg由具有导电性的材料(例如多晶硅)形成。作为一例，各多余电荷传送栅极电极rg在从z方向观察的情况下呈具有在x方向上相对的2个边和在y方向上相对的2个边的矩形形状。
[0061]
测距传感器10a在像素部11还具备相对电极50和配线层60。相对电极50设置在半导体层20的第二表面20b上。相对电极50在从z方向观察的情况下包括多个像素11a。相对电
极50在z方向上与电极层40相对。相对电极50例如由金属材料形成。配线层60以覆盖电极层40的方式设置在半导体层20的第一表面20a。配线层60与各像素11a和cmos读取电路部12(参照图1)电连接。在配线层60中与各像素11a的光电栅极电极pg相对的部分，形成有光入射开口60a。
[0062]
在图4中，示出各像素11a的电路结构的例子。如图4所示，各像素11a具有：与溢出区域q1～q4分别连接的多个(该例中为4个)复位晶体管rst、和用于选择像素11a的多个(该例中为4个)选择晶体管sel。
[0063]
[测距传感器的驱动方法]
[0064]
一边参照图5和图6，一边对测距传感器10a的动作例进行说明。以下动作由控制部4控制测距传感器10a的驱动而实现。在测距传感器10a的各像素11a，对相对电极50施加以光电栅极电极pg的电位为基准的负电压(例如，-50v)(即，对形成于雪崩倍增区域22的pn结施加反向偏压)，在雪崩倍增区域22产生3
×
105～4
×
105v/cm的电场强度。在该状态下，当脉冲光l经由光入射开口60a和光电栅极电极pg入射于半导体层20时，通过脉冲光l的吸收而产生的电子在雪崩倍增区域22被倍增，向电荷分配区域23高速移动。
[0065]
在生成对象物oj(参照图1)的距离图像时，首先执行对各像素11a的各复位晶体管rst施加复位电压的复位处理(复位步骤)。复位电压是以光电栅极电极pg的电位为基准的正电压。由此，储存在电荷储存区域p1～p4和溢出区域q1～q4的电荷被排出到外部，成为在电荷储存区域p1～p4和溢出区域q1～q4未储存电荷的状态(时刻t1、图6(a))。电荷向外部的排出例如经由由势阱区域31等构成的读取电路以及配线层60而进行。以下，着眼于选择的一个像素11a来说明动作。
[0066]
在复位处理之后，在储存期间t2，电荷储存在电荷储存区域p1～p4和溢出区域q1～q4(图6(b))。在储存期间t2，具有彼此不同相位的电荷传送信号施加于传送栅极电极tx1～tx4。由此，对在电荷产生区域24产生的电荷执行在电荷储存区域p1～p4之间分配的电荷分配处理(电荷分配步骤)。
[0067]
作为一例，施加于第一传送栅极电极tx1的电荷传送信号，是以光电栅极电极pg的电位为基准正电压和负电压交替反复的电压信号，并且是周期、脉冲宽度和相位与从光源2(参照图1)出射的脉冲光l的强度信号为相同的电压信号。施加在第二传送栅极电极tx2、第三传送栅极电极tx3、第四传送栅极电极tx4的电荷传送信号，除了相位分别偏移90
°
、180
°
、270
°
这一点之外，是与施加在第一传送栅极电极tx1的脉冲电压信号相同的电压信号。
[0068]
在对第一传送栅极电极tx1施加正电压的第一期间，第一传送栅极电极tx1正下方的区域的电势φ
tx1
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低。换言之，在第一期间，以电势φ
tx1
比电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第一传送栅极电极tx1施加电位。由此，在电荷产生区域24产生的电荷被传送到第一电荷储存区域p1。在图6(b)中，对第一传送栅极电极tx1施加正电压时的电势φ
tx1
用虚线表示，对第一传送栅极电极tx1施加负电压时的电势φ
tx1
用实线表示。另外，储存在第一电荷储存区域p1和第一溢出区域q1中的电荷用阴影表示。
[0069]
另外，在调整栅极电极正下方的区域的电势的大小时，也可以调整对栅极电极施加的电位的大小，也可以取而代之或者除此之外，调整栅极电极正下方的区域的载流子浓度。在光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
通过载流子浓度的调整
而成为预先规定的高度时，也可以不设置光电栅极电极pg。在该情况下，也可以不必施加上述负电压。
[0070]
在第一期间，对第二～第四传送栅极电极tx2～tx4施加负电压，第二传送栅极电极tx2正下方的区域的电势φ
tx2
、第三传送栅极电极tx3正下方的区域的电势φ
tx3
和第四传送栅极电极tx4正下方的区域的电势φ
tx4
比电势φ
pg
高。由此，在电荷产生区域24与第二～第四电荷储存区域p2～p4之间产生势垒，在电荷产生区域24产生的电荷没有被传送到第二～第四电荷储存区域p2～p4。换言之，在第一期间，以各电势φ
tx2
、φ
tx3
和φ
tx4
比电势φ
pg
高的方式，对光电栅极电极pg和第二～第四传送栅极电极tx2～tx4施加电位。
[0071]
并且，在第一期间，以第一溢出栅极电极ov1正下方的区域的电势φ
ov1
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第一溢出栅极电极ov1施加电位。换言之，在第一期间对第一溢出栅极电极ov1施加的电位设定成，以光电栅极电极pg的电位为基准，使得电势φ
ov1
比电势φ
pg
低。由此，如图6中(b)所示，即使在第一电荷储存区域p1的电荷饱和的情况下，从第一电荷储存区域p1溢出的电荷也可流入第一溢出区域q1并储存在第一溢出区域q1。
[0072]
在对第二传送栅极电极tx2施加正电压的第二期间，第二传送栅极电极tx2正下方的区域的电势φ
tx2
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低。换言之，在第二期间，以电势φ
tx2
比电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第二传送栅极电极tx2施加电位。由此，在电荷产生区域24产生的电荷被传送到第二电荷储存区域p2。在第二期间，以各电势φ
tx1
、φ
tx3
和φ
tx4
比电势φ
pg
高的方式，对光电栅极电极pg以及第一、第三和第四传送栅极电极tx1、tx3、tx4施加电位。
[0073]
并且，在第二期间，以第二溢出栅极电极ov2正下方的区域的电势φ
ov2
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第二溢出栅极电极ov2施加电位。由此，即使在第二电荷储存区域p2的电荷饱和的情况下，从第二电荷储存区域p2溢出的电荷也可流入第二溢出区域q2并储存在第二溢出区域q2。
[0074]
在对第三传送栅极电极tx3施加正电压的第三期间，第三传送栅极电极tx3正下方的区域的电势φ
tx3
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低。换言之，在第三期间，以电势φ
tx3
比电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第三传送栅极电极tx3施加电位。由此，在电荷产生区域24产生的电荷被传送到第三电荷储存区域p3。在第三期间，以各电势φ
tx1
、φ
tx2
和φ
tx4
比电势φ
pg
高的方式，对光电栅极电极pg以及第一、第二和第四传送栅极电极tx1、tx2、tx4施加电位。
[0075]
并且，在第三期间，以第三溢出栅极电极ov3正下方的区域的电势φ
ov3
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第三溢出栅极电极ov3施加电位。由此，即使在第三电荷储存区域p3的电荷饱和的情况下，从第三电荷储存区域p3溢出的电荷也可流入第三溢出区域q3并储存在第三溢出区域q3。
[0076]
在对第四传送栅极电极tx4施加正电压的第四期间，第四传送栅极电极tx4正下方的区域的电势φ
tx4
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低。换言之，在第四期间，以电势φ
tx4
比电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第四传送栅极电极tx4施加电位。由此，在电荷产生区域24产生的电荷被传送到第四电荷储存区域p4。在第四期间，以各电势φ
tx1
～φ
tx3
比电势φ
pg
高的方式，对光电栅极电极pg和第一～第三传送栅极
电极tx1～tx3施加电位。
[0077]
并且，在第四期间，以第四溢出栅极电极ov4正下方的区域的电势φ
ov4
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第四溢出栅极电极ov4施加电位。由此，即使在第四电荷储存区域p4的电荷饱和的情况下，从第四电荷储存区域p4溢出的电荷也可流入第四溢出区域q4并储存在第四溢出区域q4。
[0078]
在储存期间t2的电荷分配处理之后，执行读取储存在各电荷储存区域p1～p4的电荷量的第一读取处理(高灵敏度读取处理)(第一读取步骤)(时刻t3、图6(c))。在该例子中，在多次执行在电荷产生区域24产生的电荷被传送到第一电荷储存区域p1的处理、在电荷产生区域24产生的电荷被传送到第二电荷储存区域p2的处理、在电荷产生区域24产生的电荷被传送到第三电荷储存区域p3的处理以及在电荷产生区域24产生的电荷被传送到第四电荷储存区域p4的处理中的各个之后，执行第一读取处理。
[0079]
在第一读取处理之后执行电荷传送处理(电荷传送步骤)，其中，通过对第一溢出栅极电极ov1施加比在上述第一期间施加的电压大的电压来降低第一溢出栅极电极ov1正下方的区域的电势φ
ov1
，从而将储存在第一电荷储存区域p1的电荷传送到第一溢出区域q1(图6(d))。换言之，在电荷传送处理中，通过以电势φ
ov1
降低的方式对第一溢出栅极电极ov1施加电位，从而储存在第一电荷储存区域p1的电荷被传送到第一溢出区域q1。
[0080]
同样地，在电荷传送处理中，通过以第二溢出栅极电极ov2正下方的区域的电势φ
ov2
降低的方式对第二溢出栅极电极ov2施加电位，从而储存在第二电荷储存区域p2的电荷被传送到第二溢出区域q2。通过以第三溢出栅极电极ov3正下方的区域的电势φ
ov3
降低的方式对第三溢出栅极电极ov3施加电位，从而储存在第三电荷储存区域p3的电荷被传送到第三溢出区域q3。通过以第四溢出栅极电极ov4正下方的区域的电势φ
ov4
降低的方式对第四溢出栅极电极ov4施加电位，从而储存在第四电荷储存区域p4的电荷被传送到第四溢出区域q4。
[0081]
在电荷传送处理之后，执行读取储存在第一电荷储存区域p1和第一溢出区域q1的总电荷量的第二读取处理(低灵敏度读取处理)(第二读取步骤)(时刻t4、图6(d))。同样地，在第二读取处理中，读取储存在第二电荷储存区域p2和第二溢出区域q2的总电荷量。读取储存在第三电荷储存区域p3和第三溢出区域q3的总电荷量。读取储存在第四电荷储存区域p4和第四溢出区域q4的总电荷量。在第二读取处理之后再次执行上述的复位处理(时刻t1、图6(a))，上述一系列处理反复执行。
[0082]
此外，在上述第一～第四期间以外的期间，执行将在电荷产生区域24产生的电荷传送到多余电荷排出区域r的多余电荷传送处理(多余电荷传送步骤)。在多余电荷传送处理中，通过对多余电荷传送栅极电极rg施加正电压，使多余电荷传送栅极电极rg正下方的区域的电势φ
rg
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低。换言之，以电势φ
rg
比电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和多余电荷传送栅极电极rg施加电位。由此，在电荷产生区域24产生的电荷被传送到多余电荷排出区域r。被传送到多余电荷排出区域r的电荷被排出到外部。例如，多余电荷排出区域r与固定电位连接，被传送到多余电荷排出区域r的电荷不经由读取电路而排出到外部。
[0083]
如图1所示，当脉冲光l从光源2出射，当在对象物oj反射的脉冲光l被测距传感器10a检测时，被测距传感器10a检测的脉冲光l的强度信号的相位相对于从光源2出射的脉冲
光l的强度信号的相位，根据距对象物oj的距离d而发生偏移。因此，通过对每个像素11a取得基于储存在电荷储存区域p1～p4和溢出区域q1～q4的电荷量(即，在第一读取处理和第二读取处理中读取的电荷量)的信号，从而能够生成对象物oj的距离图像。
[0084]
[作用和效果]
[0085]
在测距装置1中，测距传感器10a具有：第一溢出区域q1，其具有比第一电荷储存区域p1的电荷储存容量大的电荷储存容量；第二溢出区域q2，其具有比第二电荷储存区域p2的电荷储存容量大的电荷储存容量；第一溢出栅极电极ov1，其配置在第一电荷储存区域p1与第一溢出区域q1之间的区域上；和第二溢出栅极电极ov2，其配置在第二电荷储存区域p2与第二溢出区域q2之间的区域上。由此，能够将从第一电荷储存区域p1溢出的电荷储存在第一溢出区域q1，并且能够将从第二电荷储存区域p2溢出的电荷储存在第二溢出区域q2。其结果是，能够抑制储存容量的饱和。另外，在电荷分配处理的第一期间，第一溢出栅极电极ov1正下方的区域的电势φ
ov1
比电荷产生区域24的电势φ
pg
低，在电荷分配处理的第二期间，第二溢出栅极电极ov2正下方的区域的电势φ
ov2
比电荷产生区域24的电势φ
pg
低。由此，即使在电荷在第一电荷储存区域p1储存至向第一溢出区域q1溢出的程度的情况下，以及电荷在第二电荷储存区域p2储存至向第二溢出区域q2溢出的程度的情况下，也能够抑制电荷残留在电荷产生区域24。因此，根据测距装置1能够提高距离测量的精度。此外，能够实现高灵敏度化和高动态范围化。
[0086]
关于这一点，参照图7和图8所示的比较例进一步进行说明。在比较例的图像传感器中，横跨整个储存期间t2，传送栅极电极tx正下方的区域的电势φ
tx
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
高(图8(b))。此外，横跨整个储存期间t2，溢出栅极电极ov正下方的区域的电势φ
ov
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
高。在储存期间t2之后，传送栅极电极tx正下方的区域的电势φ
tx
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域)的电势φ
pg
低，储存在电荷产生区域的电荷被传送到电荷储存区域p。之后，读取储存在电荷储存区域p的电荷量(时刻t3、图8(c))。
[0087]
在比较例的图像传感器中，由于在储存期间t2溢出栅极电极ov正下方的区域的电势φ
ov
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
高，因此，如图8(c)所示，在电荷在电荷储存区域p储存至向溢出区域q溢出的程度的情况下，电荷的一部分残留在光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域)。在该情况下，可能因残留在电荷储存区域的电荷而引起距离测量的精度降低。
[0088]
对此，如上所述，在测距装置1中，在执行电荷分配处理中，第一溢出栅极电极ov1正下方的区域的电势φ
ov1
和第二溢出栅极电极ov2正下方的电势φ
ov2
比电荷产生区域24的电势φ
pg
低。由此，即使在电荷在第一电荷储存区域p1或第二电荷储存区域p2储存至向第一溢出区域q1或第二溢出区域q2溢出的程度的情况下，也能够抑制电荷残留在电荷产生区域24。
[0089]
电荷产生区域24包含雪崩倍增区域22。在该情况下，能够在电荷产生区域24引发雪崩倍增，并且能够提高测距传感器10a的检测灵敏度。另一方面，在电荷产生区域24包含雪崩倍增区域22的情况下，产生的电荷量变得极多。在测距装置1中，即使在这样的情况下，也能够充分抑制储存容量的饱和，并且充分地抑制电荷在电荷产生区域24的残留。
[0090]
控制部4执行第一读取处理、电荷传送处理和第二读取读取处理，其中，在第一读
取处理中，读取储存在第一电荷储存区域p1和第二电荷储存区域p2的电荷量，在电荷传送处理中，将储存在第一电荷储存区域p1的电荷传送到第一溢出区域q1并将储存在第二电荷储存区域p2的电荷传送到第二溢出区域q2，在第二读取读取处理中，读取储存在第一电荷储存区域p1和第一溢出区域q1的电荷量，并且读取储存在第二电荷储存区域p2和第二溢出区域q2的电荷量。由此，不仅在第一读取处理中读取了储存在第一和第二电荷储存区域p2的电荷量，还在第二读取处理中读取了储存在第一电荷储存区域p1和第一溢出区域q1的电荷量以及储存在第二电荷储存区域p2和第二溢出区域q2的电荷量，因此，能够提高电荷量的检测精度。
[0091]
控制部4，在第一期间和第二期间以外的期间，执行通过多余电荷传送栅极电极rg将在电荷产生区域24产生的电荷传送到多余电荷排出区域r的多余电荷传送处理。由此，能够将在第一和第二期间以外的期间在电荷产生区域24产生的电荷传送到多余电荷排出区域，能够进一步抑制电荷在电荷产生区域24的残留。多余电荷传送处理在环境光多的环境下尤其有效。
[0092]
控制部4，在第一期间，以第一传送栅极电极tx1正下方的区域的电势φ
tx1
比光电栅极电极pg正下方的区域(电荷产生区域24)的电势φ
pg
低且第一溢出栅极电极ov1正下方的区域的电势φ
ov1
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第一传送栅极电极tx1施加电位。控制部4，在第二期间，以第二传送栅极电极tx2正下方的区域的电势φ
tx2
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
低且第二溢出栅极电极ov2正下方的区域的电势φ
ov2
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第二传送栅极电极tx2施加电位。控制部4，在第三期间，以第三传送栅极电极tx3正下方的区域的电势φ
tx3
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
低且第三溢出栅极电极ov3正下方的区域的电势φ
ov3
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第三传送栅极电极tx3施加电位。控制部4，在第四期间，以第四传送栅极电极tx4正下方的区域的电势φ
tx4
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
低且第四溢出栅极电极ov4正下方的区域的电势φ
ov4
比光电栅极电极pg正下方的区域的电势φ
pg
低的方式，对光电栅极电极pg和第四传送栅极电极tx4施加电位。由此，能够高精度地调整各电势的高低。
[0093]
测距传感器10a不仅具有第一和第二电荷储存区域p1、p2、第一和第二溢出区域q1、q2、第一和第二传送栅极电极tx1、tx2以及第一和第二溢出栅极电极ov1、ov2，还具有第三和第四电荷储存区域p3、p4、第三和第四溢出区域q3、q4、第三和第四传送栅极电极tx3、tx4以及第三和第四溢出栅极电极ov3、ov4。而且，控制部4，在电荷分配处理中，通过对传送栅极电极tx1～tx4施加具有彼此不同相位的电荷传送信号，来在电荷储存区域p1～p4之间分配在电荷产生区域24产生的电荷。由此，能够实现通过第一～第四传送栅极电极tx1～tx4的电荷分配，能够提高距离测量的精度。
[0094]
[变形例]
[0095]
在图9所示的第一变形例的测距传感器10b中，未设置多余电荷排出区域r和多余电荷传送栅极电极rg。第三电荷储存区域p3隔着电荷产生区域24(光电栅极电极pg)在y方向上与第四电荷储存区域p4相对。测距传感器10b例如像图10所示那样驱动。在该驱动方法中，不执行将在电荷产生区域24产生的电荷传送到多余电荷排出区域r的多余电荷传送处
理。通过第一变形例，与上述实施方式同样地，也能够抑制储存容量的饱和以及电荷在电荷产生区域24的残留，提高距离测量的精度。
[0096]
在图11所示的第二变形例的测距传感器10c中，未设置第三和第四电荷储存区域p3、p4、第三和第四溢出区域q3、q4、第三和第四传送栅极电极tx3、tx4以及第三和第四溢出栅极电极ov3、ov4。测距传感器10c具有4个多余电荷排出区域r1、r2、r3、r4和4个多余电荷传送栅极电极rg。多余电荷排出区域r1、r2隔着电荷产生区域24(光电栅极电极pg)在x方向上彼此相对。多余电荷排出区域r3、r4隔着电荷产生区域24在x方向上彼此相对。多余电荷排出区域r1、r4隔着第一电荷储存区域p1在y方向上彼此相对。多余电荷排出区域r2、r3隔着第二电荷储存区域p2在y方向上彼此相对。
[0097]
测距传感器10c例如像图12所示那样驱动。在该驱动方法中，在储存期间t2，依次重复：对第一传送栅极电极tx1施加正电压的第一期间、对第二传送栅极电极tx2施加正电压的第二期间、和执行将在电荷产生区域24产生的电荷传送到多余电荷排出区域r的多余电荷传送处理的期间。通过这样的驱动方法，也能够生成对象物oj的距离图像。通过第二变形例，与上述实施方式同样地，也能够抑制储存容量的饱和以及电荷在电荷产生区域24的残留，提高距离测量的精度。
[0098]
如图13所示的第三变形例所示，复位晶体管rst也可以配置在与实施方式不同的位置。在图13中，仅示出像素11a的一部分的电路结构。通过第三变形例，与上述实施方式同样地，也能够抑制储存容量的饱和以及电荷在电荷产生区域24的残留，提高距离测量的精度。
[0099]
本公开不限定于上述实施方式和变形例。例如，各结构的材料和形状不限于上述材料和形状，能够采用各种材料和形状。在测距传感器10a、10c中，传送到多余电荷排出区域r、r1～r4的电荷也可以不排出到外部而被储存并读取。即，多余电荷排出区域r、r1～r4也可以作为电荷储存区域发挥功能。在该情况下，能够读取并利用信号光以外的光(不包含距离信息的光)。
[0100]
在半导体层20也可以不形成雪崩倍增区域22。即，电荷产生区域24也可以不包含雪崩倍增区域22。在半导体层20也可以不形成势阱区域31和势垒区域32中的至少一者。也可以省略信号处理部3，控制部4与测距传感器10a～10c直接连接。也可以不执行第二电荷传送处理和第二读取处理。
[0101]
在测距传感器10a～10c中，能够使光从第一侧和第二侧中的任一侧入射于半导体层20。例如，在使光从第二侧入射于半导体层20的情况下，相对电极50也可以通过具有导电性和光透过性的材料(例如多晶硅)形成。在测距传感器10a～10c中的任一个中，p型和n型的各导电型也可以与上述情况相反。在测距传感器10a～10c中的任一个中，多个像素11a也可以沿半导体层20的第一表面20a一维地排列。测距传感器10a～10c中的任一个也可以仅具有单个像素11a。第一溢出区域q1的电荷储存容量也可以为第一电荷储存区域p1的电荷储存容量以下。第二溢出区域q2的电荷储存容量也可以为第二电荷储存区域p2的电荷储存容量以下。第三溢出区域q3的电荷储存容量也可以为第三电荷储存区域p3的电荷储存容量以下。第四溢出区域q4的电荷储存容量也可以为第四电荷储存区域p4的电荷储存容量以下。
[0102]
附图标记的说明
[0103]1……
测距装置，4
……
控制部，10a、10b、10c
……
测距传感器，22
……
雪崩倍增区域，24
……
电荷产生区域，p1
……
第一电荷储存区域，p2
……
第二电荷储存区域，p3
……
第三电荷储存区域，p4
……
第四电荷储存区域，q1
……
第一溢出区域，q2
……
第二溢出区域，q3
……
第三溢出区域，q4
……
第四溢出区域，r、r1、r2、r3、r4
……
多余电荷排出区域，pg
……
光电栅极电极，tx1
……
第一传送栅极电极，tx2
……
第二传送栅极电极，tx3
……
第三传送栅极电极，tx4
……
第四传送栅极电极，ov1
……
第一溢出栅极电极，ov2
……
第二溢出栅极电极，ov3
……
第三溢出栅极电极，ov4
……
第四溢出栅极电极，rg
……
多余电荷传送栅极电极。