特許 6238546 光電変換装置および撮像システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6238546

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】光電変換装置および撮像システム

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20171120BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20171120BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/146 A

   H04N5/369

【請求項の数】19

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2013-80805(P2013-80805)

(22)【出願日】2013年4月8日

(65)【公開番号】特開2014-204043(P2014-204043A)

(43)【公開日】2014年10月27日

【審査請求日】2016年3月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126240

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 琢磨

(74)【代理人】

【識別番号】100124442

【弁理士】

【氏名又は名称】黒岩 創吾

(72)【発明者】

【氏名】岩田 旬史

(72)【発明者】

【氏名】小林 昌弘

【審査官】 田邊 顕人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２０６２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１６５５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４１８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２５０９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９３５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３１０６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５５１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−０１８１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−３３５５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８３０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０８４７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４９７４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ５／３６９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つのマイクロレンズ及び複数の光電変換素子を含む光電変換ユニットを、複数有する光電変換装置において、
前記複数の光電変換ユニットは、各光電変換ユニットに含まれる前記複数の光電変換素子の信号を加算して得られた信号により撮像が行われ、前記複数の光電変換素子の信号の少なくとも一つの信号を用いることで焦点検出が行われるように構成され、
前記複数の光電変換素子は信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を含み、
前記複数の光電変換ユニットに含まれ互いに隣接して配置された２つの光電変換素子の第１半導体領域の間には、第２導電型の第２半導体領域が配され、
前記第１半導体領域は各々が異なる深さに配された複数の不純物濃度ピークを有し、
前記第２半導体領域は各々が異なる深さに配された複数の不純物濃度ピークを有し、
前記第１半導体領域の複数の不純物濃度ピークは、
第１不純物濃度ピークと、
前記第１不純物濃度ピークよりも不純物濃度が低い第２不純物濃度ピークと、を含み、
前記第２半導体領域の複数の不純物濃度ピークは、
第３不純物濃度ピークと、
前記第３不純物濃度ピークよりも不純物濃度が高く、且つ前記第３不純物濃度ピークよりも表面側に配された第４不純物濃度ピークと、
前記第３不純物濃度ピークよりも不純物濃度が高く、且つ前記第３不純物濃度ピークよりも深い位置に配された第５不純物濃度ピークと、を含み、
前記第３不純物濃度ピークが配される深さは、前記第１不純物濃度ピークが配される深さに比べて、前記第２不純物濃度ピークが配される深さに近いことを特徴とする光電変換装置。

【請求項2】

前記複数の光電変換ユニットのうち隣接して配置された異なる２つの光電変換ユニットにそれぞれ含まれ、互いに隣接して配された２つの光電変換素子の第１半導体領域の間には第２導電型の第３半導体領域が配され、
前記第２半導体領域の少なくとも一部の領域の第２導電型の不純物濃度は、前記第３半導体領域の第２導電型の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項3】

前記複数の光電変換ユニット各々において、前記１つのマイクロレンズにより集光される光が前記複数の光電変換素子に入射することを含むことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の光電変換装置。

【請求項4】

前記第３半導体領域の不純物濃度は、前記第３不純物濃度ピークの不純物濃度の３倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。

【請求項5】

前記第３半導体領域の不純物濃度は、前記第３不純物濃度ピークの不純物濃度の１０倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。

【請求項6】

前記第３不純物濃度ピークに対応する領域を平面視した場合の幅が前記第４不純物濃度ピークに対応する領域を平面視した場合の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項7】

前記第２半導体領域を平面視した場合に、前記第３不純物濃度ピークに対応する領域は前記第４不純物濃度ピークに対応する領域と平面的に異なる位置に配されることを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。

【請求項8】

前記第３不純物濃度ピークの深さは前記第１半導体領域が有する不純物濃度ピークの深さと異なることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項9】

前記第１半導体領域を平面視した場合に、前記第１不純物濃度ピークに対応する領域と、前記第２不純物濃度ピークに対応する領域は、平面視した際の面積が異なることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項10】

前記複数の光電変換ユニットの各々において、前記１つのマイクロレンズにより集光される光は前記複数の光電変換ユニットの各々が含む複数の光電変換素子に入射し、
前記第３不純物濃度ピークに対応する領域は、
前記マイクロレンズの中心位置の受光面への投影位置に対して、少なくとも一方向においてオフセットして配されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項11】

前記オフセット量は０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の光電変換装置。

【請求項12】

前記複数の光電変換ユニットの各々において、前記複数の光電変換素子は平面視した場合に互いに異なる位置に配されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項13】

１つのマイクロレンズ及び複数の光電変換素子を含む光電変換ユニットを複数有し、前記複数の光電変換ユニットのそれぞれ１つに含まれる複数の光電変換素子の信号を加算する光電変換装置において、
前記複数の光電変換ユニットのそれぞれ１つは、前記１つの光電変換ユニットに含まれる前記複数の光電変換素子の信号を加算して得られた信号により撮像が行われ、また、前記１つの光電変換ユニットに含まれる前記複数の光電変換素子の信号の少なくとも一つの信号を用いることで前記撮像時の焦点検出が行われるように構成され、
前記１つの光電変換素子は信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を含み、
前記１つの光電変換ユニットに含まれ互いに隣接して配置された２つの光電変換素子の第１半導体領域の間には、第２導電型の第２半導体領域が配され、
前記第１半導体領域は、
各々が異なる深さに位置する、信号電荷に対するポテンシャル障壁の高さが第１の値となる第１領域と、信号電荷に対するポテンシャル障壁の高さが第１の値よりも低い第２の値となる第２領域と、を有し、
前記第２半導体領域は、
各々が異なる深さに位置する、信号電荷に対するポテンシャル障壁の高さが第３の値となる第３領域と、信号電荷に対するポテンシャル障壁の高さが第３の値よりも高い第４の値となる第４領域と、信号電荷に対するポテンシャル障壁の高さが第３の値よりも高い第５の値となる第５領域と、を有し、
前記第３領域は、前記第４領域及び前記第５領域との間の深さに配され、
前記第３領域が配される深さは、前記第１領域が配される深さに比べて、前記第２領域が配される深さに近いことを特徴とする光電変換装置。

【請求項14】

前記複数の光電変換ユニットのうち隣接して配置された異なる２つの光電変換ユニットにそれぞれ含まれ、互いに隣接して配された光電変換素子の第１半導体領域の間には、第２導電型の第３半導体領域が配され、
前記第３領域の信号電荷に対するポテンシャル障壁の高さは、前記第３半導体領域の信号電荷に対するポテンシャル障壁の高さよりも低いことを特徴とする請求項１３に記載の光電変換装置。

【請求項15】

前記複数の光電変換素子のうちの１つの光電変換ユニットに含まれ、互いに隣接して配置された光電変換素子の第１半導体領域の間の領域には、絶縁体による分離構造が配されておらず、
前記隣接して配置された異なる光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子のうち、互いに隣接して配された光電変換素子の第１半導体領域の間の領域には絶縁体が配されることを特徴とする請求項１３または１４のいずれかに記載の光電変換装置。

【請求項16】

前記絶縁体の下部に第２導電型の第３半導体領域が配されることを特徴とする請求項１５に記載の光電変換装置。

【請求項17】

請求項１〜１６のいずれか１項に記載の光電変換装置を有し、
前記複数の光電変換ユニット各々に含まれる複数の光電変換素子の信号の少なくとも前記一つの信号を用いることで測距演算を行い、前記測距演算の結果に基づいて被写体までの距離の演算を行う制御回路を有することを特徴とする撮像システム。

【請求項18】

請求項１７に記載の撮像システムにおいて、前記光電変換ユニット内の一つ以上の光電変換素子が蓄積可能な電荷量を超えたときに、焦点検出を停止させることを特徴とする撮像システム。

【請求項19】

請求項１〜１６のいずれか１項に記載の光電変換装置を有し、
前記光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の信号を加算して得られた信号により撮像を行ない、
前記光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の信号の少なくとも一つの信号を用いることで測距演算を行なうことを特徴とする撮像システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光電変換装置に関しさらに詳細には光電変換素子間の分離構造に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光電変換装置において、複数の光電変換素子で生じた信号を一つの画素の信号として処理する場合があった。例えば一例として、１つのマイクロレンズで複数の光電変換素子に集光することで位相差方式の焦点検出を行う技術がある。例えば特許文献１に記載されているように、１つのマイクロレンズに対応した光電変換素子の信号を独立に読み出すことで焦点検出を行なう。そして、１つのマイクロレンズに対応した光電変換素子の信号を加算することで１つの画素の信号として取り扱うことを可能としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１−２５０９３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

複数の光電変換素子の信号を１つの画素の信号として取り扱う場合に、複数の光電変換素子に感度や入射光量の差がある場合に適切な信号が得られないことがある。特に光電変換素子は様々な素子と隣接しており、隣接する素子間の分離構造によっては適切な信号が得られない場合があった。
本発明は上記課題に鑑み、光電変換素子間の分離構造を適切なものとすることにより、複数の光電変換素子の信号を用いて１つの信号とする場合に所望の信号を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の光電変換装置は、１つのマイクロレンズ及び複数の光電変換素子を含む光電変換ユニットを、複数有する光電変換装置において、前記複数の光電変換ユニットは、各光電変換ユニットに含まれる前記複数の光電変換素子の信号を加算して得られた信号により撮像が行われ、前記複数の光電変換素子の信号の少なくとも一つの信号を用いることで焦点検出が行われるように構成され、前記複数の光電変換素子は信号電荷を収集する第１導電型の第１半導体領域を含み、前記複数の光電変換ユニットに含まれ互いに隣接して配置された２つの光電変換素子の第１半導体領域の間には、第２導電型の第２半導体領域が配され、前記第１半導体領域は各々が異なる深さに配された複数の不純物濃度ピークを有し、前記第２半導体領域は各々が異なる深さに配された複数の不純物濃度ピークを有し、前記第１半導体領域の複数の不純物濃度ピークは、第１不純物濃度ピークと、前記第１不純物濃度ピークよりも不純物濃度が低い第２不純物濃度ピークと、を含み、前記第２半導体領域の複数の不純物濃度ピークは、第３不純物濃度ピークと、前記第３不純物濃度ピークよりも不純物濃度が高く、且つ前記第３不純物濃度ピークよりも表面側に配された第４不純物濃度ピークと、前記第３不純物濃度ピークよりも不純物濃度が高く、且つ前記第３不純物濃度ピークよりも深い位置に配された第５不純物濃度ピークと、を含み、前記第３不純物濃度ピークに対応する領域が配される深さは、前記第１不純物濃度ピークに対応する領域が配される深さに比べて、前記第２不純物濃度ピークに対応する領域が配される深さに近いことを特徴とする光電変換装置。ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、例えば、複数の光電変換素子の信号を用いて１つの信号とする場合に所望の信号を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明に適用可能な光電変換装置の断面図を概略的に示す図である。

【図2】本発明に適用可能な光電変換装置全体構成を概略的に示す図である。

【図3】第１の実施例の光電変換装置の上面の概略を示す図である。

【図4】第１の実施例の光電変換装置の断面構造とポテンシャルを概略的に示す図である。

【図5】第１の実施例の光電変換装置の断面構造とポテンシャルを概略的に示す図である。

【図6】第１の実施例の光電変換装置の出力を模式的に示す図である。

【図7】第１の実施例の光電変換装置に電荷が蓄積される様子を概略的に示す図である。

【図8】第２の実施例の光電変換装置の上面と断面構造及びそのポテンシャルを概略的に示す図である。

【図9】第２の実施例の光電変換装置のポテンシャルの概略を示す図である。

【図10】第３の実施例の光電変換装置の断面構造とポテンシャルを概略的に示す図である。

【図11】第４の実施例の光電変換装置の断面構造とポテンシャルを概略的に示す図である。

【図12】物体の結像関係を模式的に示す図である。

【図13】位相差方式の焦点検出を模式的に説明する図である。

【図14】本発明の撮像システムの概略を示す図である。

【図15】比較例の光電変換装置の出力を模式的に示す説明図面である。

【図16】本発明に適用可能な光電変換ユニットの等価回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本発明の実施形態を図１を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の一実施形態の光電変換装置の１光電変換ユニットの断面図、図１（ｂ）はＢ−Ｂ’における不純物濃度ピークの深さの位置関係、及びポテンシャル状態を示したものである。図１（ｃ）は、Ｃ−Ｃ’における不純物濃度ピークが配される深さの位置関係を示すものである。ここでは信号電荷として電子を用いる場合を例に説明する。

【0009】

本実施形態の光電変換ユニットは、２つの光電変換素子を有している。両光電変換素子は類似の構成を有しているため、１つの光電変換素子を例に説明し、他の光電変換素子を構成する部材はカッコ内で符号のみ示す。

【0010】

各光電変換素子はＮ型半導体領域１Ａ（１Ｃ）、Ｎ型半導体領域１Ｂ（１Ｄ）を有する第１半導体領域を有している。第１半導体領域は信号電荷を収集する領域として機能し得る。第１半導体領域は各々が異なる深さに配された複数の不純物濃度ピーク１ａ（１ｃ）、１ｂ（１ｄ）を有している。複数の不純物濃度ピークは第１不純物濃度ピーク１ａ（１ｃ）とこれよりも不純物濃度が低い第２不純物濃度ピーク１ｂ（１ｄ）を有している。

【0011】

ここではＮ型半導体領域１Ａ、１Ｂを第１不純物濃度ピークに対応する領域、及び第２不純物濃度ピークに対応する領域といえる。ここでは別領域として図示したが一体的に形成されていてもよい。半導体領域が単数か複数かは、例えば異なる製造プロセスで形成された場合に各製造条件で形成されたものを1つの半導体領域とすることができる。以下の説明においても同様である。

【0012】

２つの光電変換素子の間にはＰ型半導体領域１Ｅ＿１、１Ｅ＿２、１Ｆ、１Ｇを有する第２半導体領域が配されている。第２半導体領域は各々が異なる深さに配された複数の不純物濃度ピーク１ｅ＿１、１ｅ＿２、１ｆ、１ｇを有している。ここでは４つのピークを示しているが、少なくとも３つ存在すればよい。

【0013】

３つの不純物濃度ピークは、第３不純物濃度ピーク１ｆと、これよりも不純物濃度が高く、且つ表面側に配された第４不純物ピーク１ｅ＿１と、第３不純物濃度ピーク１ｆよりも不純物濃度が高く、且つこれよりも深い位置に配された第５不純物濃度ピーク（１ｇ）と、を有すればよい。

【0014】

そして本発明の特徴は、第２半導体領域の第３不純物濃度ピーク１ｆが配される深さが、第１半導体領域の第１不純物濃度ピーク１ａが配される深さに比べて、第１半導体領域の第２不純物濃度ピーク１ｂが配される深さに近いことである。

【0015】

このような特徴によれば、第１の光電変換素子における飽和電荷数を向上させることが可能となる。更に、第２の光電変換素子を構成するＮ型半導体領域１Ｃ、１Ｄにおいてもこのような関係を満たすと第２の光電変換素子における飽和電荷数も向上させることができるため更に好ましい。

【0016】

図１（ｂ）では第１半導体領域の表面側に不純物濃度が高い不純物濃度ピークを配し、これよりも深い側に濃度ピーク値が低い不純物濃度ピークを配した。このような構成にすることで、転送ゲートを用いて浮遊拡散領域に電荷を空乏転送する際に電荷転送効率を向上させることができ好ましい。しかしながら、これに限らず深い側に不純物濃度が高い不純物濃度ピークを配してもよい。

【0017】

また不純物濃度ピークの数に関しても、本例では２つの場合を例に説明したが、これに限らない。少なくとも２つの不純物濃度が異なる、不純物濃度ピークを有していればよいのであって更に多数の不純物濃度ピークを有する場合もあり得る。この際には、第２半導体領域の第３不純物濃度ピーク１ｆが配される深さが、第１半導体領域の複数の不純物濃度ピークのうち、最も不純物濃度が高い不純物濃度ピークの深さに比べて、他の不純物濃度ピークの深さに近くすればよい。

【0018】

次に本発明の光電変換装置に適用可能なブロック図を説明する。ここでは光電変換装置の一例として撮像装置の例を示す。本発明は撮像装置以外にも光電変換を利用する装置であれば適用可能である。

【0019】

図２は本発明を適用可能な撮像装置の概略を示す図である。図２において撮像装置１００は、画素アレイ１０１と、画素アレイ１０１における行を選択する垂直選択回路１０２を含む。画素アレイには複数の光電変換ユニットが配される。複数の光電変換ユニットは好ましくは２次元状に配される。

【0020】

垂直選択回路１０２により所定の行が選択され、所定行に含まれる光電変換ユニットから信号が垂直出力線に出力される。垂直出力線は列ごともしくは複数の列ごと、もしくは各画素列に複数設けることができる。

【0021】

列回路１０３は複数の垂直出力線に並列に読み出された信号が入力される。列回路１０３では信号の増幅、アナログデジタル変換、ノイズ除去等の処理を行うことができる。

【0022】

水平選択回路１０４は列回路１０３に保持された信号を順次選択し、不図示の水平出力線へ出力する。シリアルインターフェイス１０５は例えば動作モードを外部から決定するために外部との通信を行なう。なお、撮像装置１００は、図示された構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路１０２、水平選択回路１０４、列回路１０３にタイミングを提供するタイミングジェネレータ或いは制御回路等を備えてもよい。

【0023】

図２のブロック図は以下の実施例全てに適用可能である。また垂直、水平は便宜的につけた名称であり入れ替えることも可能である。

【0024】

次に図１６（ａ）、（ｂ）に光電変換ユニットの等価回路の一例を示す。図１６（ａ）は各光電変換素子に対応してそれぞれが異なる機能を有するトランジスタを個別に設けた例である。図１６（ｂ）は複数の光電変換素子に対しそれぞれが異なる機能を有するトランジスタを共通に設けた例である。

【0025】

光電変換素子１４０１ａ、１４０１ｂで生じた電荷が転送トランジスタ１４０２ａ、１４０２ｂにより増幅トランジスタ１４０３ａ、１４０３ｂの入力ノードに転送される。増幅トランジスタの入力ノードは増幅トランジスタのゲート及びこれに電気的に接続された浮遊拡散領域により構成することができる。選択トランジスタ１４０４ａ、１４０４ｂのゲートに選択トランジスタがオンとなるパルスが供給されることで、増幅トランジスタの入力ノードに応じた信号が垂直出力線１４０６に出力される。そしてリセットトランジスタ１４０５ａ、１４０５ｂにより増幅トランジスタ１４０３ａ、１４０３ｂの入力ノードの電圧が所定の電圧に設定される。このような回路構成では、選択トランジスタ１４０４ａ、１４０４ｂを排他的にオンさせることで光電変換素子１４０１ａ、１４０１ｂの信号を列回路に読出し、加算等を行なうことで撮像と焦点検出とを行なうことが可能である。

【0026】

次に図１６（ｂ）について説明する。基本的な動作は図１６（ａ）と同様である。光電変換素子１５０１ａ、１５０１ｂで生じた電荷が転送トランジスタ１５０２ａ、１５０２ｂにより増幅トランジスタ１５０３の入力ノードに転送される。増幅トランジスタ１５０３の入力ノードは増幅トランジスタのゲート及びこれに電気的に接続された浮遊拡散領域により構成することができる。選択トランジスタ１５０４のゲートに選択トランジスタがオンとなるパルスが供給されることで、増幅トランジスタ１５０３の入力ノードに応じた信号が垂直出力線１５０６に出力される。そしてリセットトランジスタ１５０５により増幅トランジスタ１５０３の入力ノードの電圧が所定の電圧に設定される。図１６（ｂ）は増幅トランジスタ１５０４が複数の光電変換素子１５０１ａ、１５０１ｂで共有されているため、増幅トランジスタの入力ノードで加算することができる。したがって光電変換ユニットから垂直出力線１４０６に出力される段階で加算後の信号を出力することできる。

【0027】

以下具体的な実施例を挙げて本発明の光電変換装置の構成を説明する。以下の各実施例においても光電変換装置として撮像装置を例に挙げて説明する。以下、本明細書、請求の範囲及び図面において単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、逆導電型の不純物によって補償された正味の不純物濃度を意味している。いわゆるＮＥＴ濃度である。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域はＰ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域はＮ型半導体領域である。

【0028】

（第１の実施例）
図３は本実施例の撮像装置１００の光電変換ユニットの上面を示す概略図である。２０１は１つの光電変換ユニットを表す。図３では２行、２列に配された４つの光電変換ユニットが図示されている。

【0029】

１つの光電変換ユニットごとに１つのマイクロレンズ２０２が対応して設けられている。また、１つの光電変換ユニット２０１は光電変換素子を複数有する。図３においては、２つの光電変換素子、例えば、ＰＤ１，ＰＤ２を有している。もしくは１つの光電変換ユニット内に４つの光電変換素子、９つの光電変換素子を有していてもよい。

【0030】

転送トランジスタのゲートである転送ゲート２０５、２０６は各々光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２で発生した電荷を浮遊拡散領域２０７に転送する。浮遊拡散領域２０７は複数の光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２で共有され得る。

【0031】

図３では説明のため４つの光電変換ユニットを図示したが、このような光電変換ユニット２０１を更に多数行列状に配置することで画素アレイ１０１を構成する。

【0032】

図４（ａ）は本実施例の光電変換ユニットの断面構造を示す。３０１はカラーフィルターである。３０２は配線層である。ここでは異なる高さに配された３つの配線層を図示している。

【0033】

Ｐ型半導体領域３０４と複数のＮ型半導体領域２０３、２０４とがＰＮ接合を構成する。Ｐ型半導体領域３０４は半導体領域３０３上に配される。半導体領域３０３は例えばＰ型半導体基板、もしくはＮ型半導体基板を用いることができる。

【0034】

各光電変換素子はＮ型半導体領域２０３、２０４及びＰ型半導体領域３０４を含んで構成される。具体的には、Ｐ型半導体領域３０４とＮ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂとで光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２（以下ＰＤ１，ＰＤ２）が構成される。Ｐ型半導体領域３０４とＮ型半導体領域２０４ａ、２０４ｂとで光電変換素子ＰＤ３、ＰＤ４（以下、ＰＤ３，ＰＤ４）が構成される。Ｎ型半導体領域２０３ａ、ｂ、２０４ａ、ｂは電子に対してポテンシャルが低くなっており、信号電荷を収集する領域である。更にＮ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂ、２０４ａ、２０４ｂの入射面側にＰ型半導体領域を配していわゆる埋め込み型のフォトダイオードとしてもよい。ＰＤ１、ＰＤ２にはマイクロレンズ２０２ａにより集光された光が入射し、ＰＤ３、ＰＤ４にはマイクロレンズ２０２ｂにより集光された光が入射する。これらの半導体領域は半導体基板３００に配されている。また本図では、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂ、２０４ａ，２０４ｂは異なる深さに配された二つの半導体領域で構成されているように図示されている。これは後述するように、各半導体領域が異なる深さに不純物濃度ピークを有することを図面上で示したものである。したがって各半導体領域は一つの半導体領域として一体的に形成されていてもよい。もしくは複数の製造プロセス条件で深さ方向に積層されるように形成してもよい。

【0035】

ＰＤ１，ＰＤ２は同一のマイクロレンズ２０２ａにより集光された光が入射する。ＰＤ１、ＰＤ２は同一の光電変換ユニットに含まれる。ＰＤ１、ＰＤ２は一方向、図では左右方向において互いに隣接している。ＰＤ１、ＰＤ２が含まれる光電変換ユニットを第１光電変換ユニットと呼ぶ。また第１光電変換ユニットの図面右方向に隣接する光電変換ユニットを第２光電変換ユニットと呼ぶ。

【0036】

ＰＤ１，ＰＤ２にそれぞれ含まれるＮ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂの間にはＰ型半導体領域３１１、３１２が配される。Ｐ型半導体領域３１１、３１２は、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂ間において電子に対するポテンシャル障壁として機能し得る。

【0037】

ＰＤ２、ＰＤ３には異なるマイクロレンズ２０２ａ、２０２ｂにより集光された光がそれぞれ入射する。ＰＤ２、ＰＤ３はそれぞれが異なる光電変換ユニットに含まれ、互いに隣接して配置される。ＰＤ２、ＰＤ３は一方向、図では左右方向において互いに隣接して配置される。ＰＤ２，ＰＤ３にそれぞれ含まれるＮ型半導体領域２０３ｂ、２０４ａの間にはＰ型半導体領域３０５が配される。Ｐ型半導体領域３０５を配することでＮ型半導体領域２０３ｂ、Ｎ型半導体領域２０４ａ間において電子に対するポテンシャル障壁として機能し得る。

【0038】

図４（ａ）では、同一光電変換ユニット内の２つのＰＤ間に配されるＰ型半導体領域が異なる深さに配された複数の不純物濃度ピークを有している。ここでは第１部分３１１に対応する不純物濃度ピークが、第２部分３１２に対応する不純物濃度ピークで挟まれた構成を示している。ここで第１部分３１１の不純物濃度ピーク値は、第２部分３１２の不純物濃度ピーク値よりも低い。

【0039】

第１部分３１１は半導体基板３００の表面から所定の深さに配される。第１部分３１１の上部、下部には第２部分３１２が配されている。また、第１部分３１１のＰ型不純物濃度は、Ｐ型半導体領域３０５のＰ型不純物濃度よりも低い。また、第２領域３１２のＰ型不純物濃度は、Ｐ型半導体領域３０５のＰ型不純物濃度と同等か、それよりも低い。Ｎ型半導体領域２０３ａ、ｂ、２０４ａ、ｂの不純物濃度ピークの好適な不純物濃度の値、及び配される深さに関して以下に述べる。いずれの光電変換素子においても同様の条件を適用することができる。具体的には、表面側に配される不純物濃度ピークの不純物濃度の値は、３Ｅ１６ｃｍ^-３以上、１Ｅ１８ｃｍ^-３以下とするのがよい。表面側に配される不純物濃度ピークの深さは、０．１８μｍ以上、０．４μｍ以下とするのがよい。また深い側に配される不純物濃度ピークの不純物濃度の値は、６Ｅ１５ｃｍ^-３以上、１Ｅ１７ｃｍ^-３以下とするのがよい。深い側に配される不純物濃度ピークの深さは、０．６μｍ以上、２μｍ以下とするのがよい。好ましくは、表面側に配される不純物濃度ピークの値が高い方がよい。更に、複数の不純物濃度ピークを有していてもよい。

【0040】

具体的な不純物濃度の好適な例としては、Ｐ型半導体領域３０５の不純物濃度を第１部分３１１のＰ型不純物濃度の３倍以上に設定する。さらに望ましくは、１０倍以上に設定する。なお、本実施例では不純物濃度ピーク値が低い第１部分３１１を深さ方向に１箇所のみ配しているが、複数あっても良い。この場合においては、より望ましくは全ての第１部分３１１の深さ位置を、Ｎ型半導体領域２０３ａの不純物濃度ピーク値が最大となる不純物濃度ピークの位置よりもその他の不純物濃度ピーク位置の近くに配するのがよい。このように第１部分３１１を配することで光電変換素子ＰＤ１における飽和電荷量を向上させることが可能となる。更に、光電変換素子ＰＤ２のＮ型半導体領域２０３ｂにおいても同様の条件を満たすことで、光電変換素子ＰＤ２においても飽和電荷量を向上させることが可能となる。具体的には１Ｅ１６ｃｍ^-３以上、６Ｅ１７ｃｍ^-３以下とするのがよい。表面側に配される第２部分３１２に対応する不純物濃度ピークの深さは、０．１μｍ以上、０．４μｍ以下とするのがよい。深い側に配される第２部分３１２に対応する不純物濃度ピークの深さは、０．７μｍ以上、３μｍ以下とするのがよい。

【0041】

ここで、第１部分３１１の濃度を低くすることにより、ＰＤ１、ＰＤ２間を電荷が不要に移動しやすくなり、ＰＤ１、ＰＤ２の信号を区別して読みだすことが困難となる場合がある。すなわち、１つの光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の信号を用いて焦点検出を行なうような場合には、位相差を検出するのが困難となり、焦点検出の精度が低下する場合がある。精度の低下を抑制するためには、第１部分３１１が配される深さをＮ型半導体領域２０３、２０４の不純物濃度ピークよりも深い位置に配置するとよい。

【0042】

具体的には、Ｎ型半導体領域２０３、２０４により形成する信号電荷にとってのポテンシャル最深部より深い位置に、前記第１部分３１１を配置するとよい。

【0043】

また第１部分３１１のＰ型不純物濃度の例として、２×１０^１５ｃｍ^−３以下にすると良い。より好ましくは１Ｅ１５ｃｍ^-３以上、４Ｅ１５ｃｍ^-３以上とするのがよい。また第１部分３１１に対応する不純物濃度ピークの深さは０．６μｍ以上、２μｍ以下とするのがよい。

【0044】

また、Ｎ型半導体領域２０３、２０４は、第２部分３１２により空乏化するため、ＰＤ１、ＰＤ２それぞれの飽和電荷量は、第１部分３１１が第２部分３１２で置き換えられた場合と同等レベルを維持することができる。

【0045】

図４（ｂ）は図４（ａ）の破線Ｅ−Ｆの断面ポテンシャル構造を、図４（ｃ）は図４（ａ）の破線Ｇ−Ｈの断面ポテンシャル構造をそれぞれ示す。

【0046】

図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１光電変換ユニットに含まれるＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁のうち、第１部分３１１により生じるポテンシャル障壁の高さはｈ１であり、第２部分３１２により生じるポテンシャル障壁の高さはｈ２である。また、異なる光電変換ユニットに含まれ互いに隣接するＰＤ２、ＰＤ３間のポテンシャル障壁３０５の高さはｈ３である。第１部分３１１によって形成されるＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁の高さｈ１が、第２部分３１２によって形成されるＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁の高さｈ２よりも低く、ＰＤ２，ＰＤ３間のポテンシャル障壁の高さｈ３よりも低くするのがよい。また、第２部分３１２によって生じるＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁の高さｈ２と、ＰＤ２，ＰＤ３間のポテンシャル障壁の高さｈ３は同程度の高さか、あるいはｈ２の高さがｈ３の高さよりも低くするのがよい。

【0047】

このような構造にすることで第１光電変換ユニットに含まれる光電変換素子の信号を加算した後の信号を入射光量に応じた線形性を有するものとすることができる。

【0048】

本実施例は様々な光電変換素子に適用可能なものであるが、特に、互いの出力の加算を行なう複数の光電変換素子において感度差や飽和量の差もしくは入射光量の差がある場合に好適である。ここでいう入射光量の差とは、例えば、光電変換装置全体に一様光が入射した場合においても実際に光電変換素子に入射する光量に差がある場合である。特に１つのマイクロレンズで集光された光が平面的に異なる位置に配された複数の光電変換素子に入射する場合などに起こりやすい。

【0049】

次に、Ｐ型半導体領域の不純物濃度の好適な例を説明する。ポテンシャル障壁３０５を構成するＰ型半導体領域３０５のＰ型の不純物濃度を、ポテンシャル障壁３１１を構成するＰ型半導体領域３１１のＰ型の不純物濃度の３倍以上に設定するのがよい。３倍以上とすることにより、電荷の持つポテンシャル（室温２７℃で約２６ｍＶ）と同程度のポテンシャル障壁の差を形成することができるためである。さらに望ましくは、光電変換装置の動作温度範囲を考慮して１０倍以上に設定するのがよい。

【0050】

次に図５に関して説明する。図５は図３のＣ−Ｄ断面図である。第１光電変換ユニットと、第１光電変換ユニットの図面下方向に隣接する第３光電変換ユニットの光電変換素子が図示される。第１光電変換ユニットの浮遊拡散領域２０７と第２光電変換ユニットに含まれる光電変換素子ＰＤ５との間には絶縁体を含んで構成される絶縁分離３０９が配される。絶縁分離３０９としてはＬＯＣＯＳ（ＬＯＣａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）や、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒａｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）など公知の手法、構造を用いることができる。ポテンシャル障壁の高さは図示しないが、Ｐ型半導体領域３１２により生じるポテンシャル障壁の高さより絶縁分離３０９により生じるポテンシャル障壁の高さを高くする。また絶縁分離３０９により生じるポテンシャル障壁の高さとＰ型半導体領域３０５により生じるポテンシャル障壁の高さは任意であり、素子レイアウト等に基づいて適宜設定することができる。ここでは浮遊拡散領域と光電変換素子間に絶縁分離を配する例を挙げている。もしくは画素部のトランジスタと光電変換素子の間を絶縁分離としてもよい。

【0051】

図６、図７を用いて、各ＰＤの出力と加算後の合成出力について説明する。図６は２つのＰＤ１、ＰＤ２の入出力特性とＰＤ１、ＰＤ２の出力を合成した場合の合成入出力特性を示す。横軸が入射光量であり縦軸は光電変換素子からの出力である。ここで比較例として図１５に本実施例とは異なる不純物濃度プロファイルを有する光電変換装置によって得られる合成出力を示す。

【0052】

図７は図４（ｃ）のポテンシャル構造と発生した電子を模式的に示す図である。図６、７では説明のためにＰＤ１の方が、ＰＤ２より感度が高い、もしくは、入射光量が大きい場合と仮定する。光電変換素子への入射光量が４０１の範囲の時は、ＰＤ１の方がＰＤ２より発生する電子の量が多い。この様子を図７（ａ）に示している。そして、ＰＤ１とＰＤ２の合成出力は適切な値を示している。次にＰＤ１が飽和して、ＰＤ２が飽和していないときの範囲を４０２に示している。このとき、図７（ｂ）で示すように、ＰＤ１で発生した電子はポテンシャル障壁３１１を乗り越え、ＰＤ２に移動し得る。したがって、範囲４０２においては、ＰＤ２の出力は、ＰＤ２で発生した電子とＰＤ１で発生した電子の一部を合成した電荷量に基づくものとなる。このように、ポテンシャル障壁３１１の高さｈ１をポテンシャル障壁３０５の高さｈ３より低くしておく。このような構造により、ＰＤ１で発生した電子の一部を、ＰＤ２に移動させることができ、入射光量が４０２の範囲においても、ＰＤ１とＰＤ２の合成出力が線形性を有する出力となる。

【0053】

範囲４０３においては、図７（ｃ）で示すように、ＰＤ１、２ともポテンシャル障壁３１１で規定される飽和レベルを超え、ポテンシャル障壁３０５で規定される飽和レベルとなる。

【0054】

範囲４０４においては、図７（ｄ）で示すように、ＰＤ２０３、２０４ともポテンシャル障壁３０５で規定される飽和レベルまで達しているので合成出力も飽和する。

【0055】

これに対し図１５は同一の光電変換ユニットに含まれる光電変換素子間のポテンシャル障壁の高さと、互いに異なる光電変換ユニットに含まれ、隣接して配される光電変換素子間のポテンシャル障壁の高さが等しい場合の例である。第１の光電変換ユニットに含まれる２つの光電変換素子であるＰＤ１、２の入出力特性とＰＤ１、ＰＤ２の出力を合成した場合の合成入出力特性を示す。合成出力は、少なくとも光電変換素子の信号を加算することで得られる。合成出力を得るために、平均化、さらに増幅等をしてもよい。

【0056】

図１５では説明のため、仮にＰＤ２の方が、ＰＤ１より感度が高い、もしくは、光が多く入力している様子を示す。光電変換素子への入射光が範囲１３０１内の時は、ＰＤ２の方がＰＤ１より発生電荷が多い。ＰＤ２は飽和していないため、ＰＤ１とＰＤ２を合成した出力は適切な出力が得られる。ところが、ＰＤ２が飽和して、ＰＤ１が飽和していないときには、ＰＤ１のみが、入射光に応じて線形性を有した信号が出力される。そのため、合成出力は、ＰＤ２が飽和したところからＰＤ１の出力で決定され、結果として、合成出力はＰＤ２が飽和したところから、ニー特性をもってしまう。この現象は、ＰＤ２が飽和した後に発生した電荷がＰＤ１以外に漏れこむときに顕著となる。このような現象のため、所望の合成信号が得られない場合がある。

【0057】

したがって本実施例においては同一の光電変換ユニットに含まれる光電変換素子間のポテンシャル障壁の高さを、互いに異なる光電変換ユニットに含まれ、隣接して配される光電変換素子間のポテンシャル障壁の高さよりも低くしている。この構成により、線形性を高めることが可能となる。

【0058】

（第２の実施例）
本発明の第２の実施例について図面を用いて説明する。図８は本実施形態の光電変換ユニットの上面図及び断面図である。

【0059】

図８（ａ）では、第１の光電変換ユニットに含まれるＰＤ１、ＰＤ２間に配されるＰ型半導体領域が、第１部分７０１と第１部分７０１よりもＰ型不純物濃度の高い第２部分７０２、７０３を含んで構成されている。

【0060】

本実施例の第１の実施例と異なる点は、平面視した際に第１部分７０１、第２部分７０２とが互いに異なる位置に配されている点である。

【0061】

また、第１部分７０１のＰ型不純物濃度はＰ型半導体領域３０５のＰ型不純物濃度よりも低い。図８（ｂ）に図８（ａ）の破線Ｉ−Ｊの断面構造を、図８（ｃ）に図８（ａ）の破線Ｋ−Ｌの断面構造をそれぞれ示す。また、図９（ａ）に図８（ａ）の破線Ｍ−Ｎのポテンシャル構造を、図９（ｂ）に図８（ａ）の破線Ｏ−Ｐのポテンシャル構造をそれぞれ示す。

【0062】

第２部分７０２に対応して形成される不純物濃度ピークの高さは第１部分７０１に対応して形成される不純物濃度ピークの高さよりも低い。また、第２部分７０２に対応して形成されるポテンシャル障壁の高さは第１部分７０１に対応して形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低い。

【0063】

この構造により形成されるポテンシャル形状が図９（ａ）、（ｂ）である。第１部分７０１により構成されるポテンシャル障壁が第２部分７０２により構成されるポテンシャル障壁よりも低い。

【0064】

不純物濃度の好適な例としては、第１部分７０１のＰ型不純物濃度に対して、Ｐ型半導体領域３０５のＰ型不純物濃度を３倍以上に設定するのがよい。さらに望ましくは、１０倍以上に設定する。

【0065】

ここで、第１部分７０１は、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂに存在する電子の量によってポテンシャルの状態が変化しやすい。よって、ＰＤ１、ＰＤ２での蓄積開始直後と、一方のＰＤたとえばＰＤ１にＰＤ２に比べて多くの電荷が存在する状態とでは、第１部分７０１で発生した電荷がどちらのＰＤに移動するかという確率が変動する。例えば蓄積開始直後にＰＤ１に多くの電荷が存在する場合、ＰＤ１内に存在する電荷のクーロン相互作用にて第１部分７０１のポテンシャルが変化する。その後、第１部分７０１で発生した電荷はＰＤ２に移動する確率が高くなる。すなわち、ＰＤ１とＰＤ２のそれぞれに電荷が移動する確率が変化する。このような構成では、例えば、位相差を検出するためのＰＤ間の信号差を打ち消すようなフィードバックがかかり、焦点検出の精度が低下する場合がある。

【0066】

このような精度の低下に対しては、第１部分７０１の配置を以下のようにすることにより抑制することが可能となる。

【0067】

具体的には、第１部分７０１を平面視した場合に、マイクロレンズの中心位置の光電変換素子の受光面への投影位置からずらして配置することが望ましい。図８で言えば、Ｍ−Ｎ線がマイクロレンズの略中心を横切る線分であるが、この線分に対して第１部分７０１は平面視において図面上方向にオフセットされて配置されている。この本質は、マイクロレンズで集光された光の強度がピークとなる位置付近から第１部分７０１を離すことである。例として図８では第１部分７０１を上方向にオフセットさせているがこれに限ることなく、下方向、場合によっては左右方向でもよい。好適なオフセット量としては、第１部分７０１をマイクロレンズの中心より０．１マイクロメートル以上ずらしておくことが望ましい。さらに望ましくは、０．２マイクロメートル以上ずらしておくことが望ましい。これは、ＰＤで取り扱う波長の範囲がいわゆる可視光域である場合である。可視光の波長が約０．４〜０．８マイクロメートルであり、光電変換素子にマイクロレンズの焦点が存在する場合の例である。また、光電変換素子での集光状態は、対物レンズのＦ値にも依存するため、Ｆ値の小さい光学系に本実施例による光電変換装置を適用する場合のオフセット量としては、より大きな値が好適となる。一例として対物レンズのＦ値を２．０に設定可能なシステムの場合マイクロレンズには垂線より最大１４°の傾きをもった光が入射する。マイクロレンズとＰＤの距離が２μｍである場合、１４°の傾きで入射した光の焦点位置はマイクロレンズの中心位置を受光面に投影した位置から少なくとも一方向において０．５μｍオフセットさせる。この場合には、第１部分７０１を０．５μｍ以上マイクロレンズの中心位置からオフセットして配置することが特に効果的である。またオフセット量の上限としては隣接する光電変換素子間ピッチの半分である。

【0068】

（第３の実施例）
本発明の第３の実施形態について図面を用いて説明する。図１０は本実施例の光電変換ユニットの断面図である。第１〜第２の実施例と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。

【0069】

本実施形態の第１〜第２の実施例と異なる点は、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂ間に配されるＰ型半導体領域が第１部分８０１と第２部分８０２とを有しており、第１部分８０１の幅が第２部分８０２の幅よりも狭い点である。

【0070】

図１０（ａ）の破線Ｑ−Ｒの断面ポテンシャルを図１０（ｂ）に、破線Ｓ−Ｔの断面ポテンシャルを図７（ｃ）にそれぞれ示す。このような構成によっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

【0071】

図１０においては第１部分８０１と第２部分８０２とが異なる深さに配されているが、第２の実施例に示したように同一の深さで平面視において異なる位置に配してもよい。また、第１部分８０１は互いに離間した複数の部分から構成されていてもよい。

【0072】

（第４の実施例）
第４の実施例について図面を用いて説明する。図１１は本実施例の光電変換ユニットの断面図である。第１〜第３の実施例と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。本実施例の第１〜第３の実施例と異なる点は、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂが深さ方向で面積が異なる点である。

【0073】

図１１（ａ）の破線Ｕ−Ｗの断面ポテンシャルを図１１（ｂ）に、破線Ｘ−Ｙの断面ポテンシャルを図１１（ｃ）にそれぞれ示す。このような構成によっても、上述の実施例と同様の効果を得ることが可能となる。

【0074】

（焦点検出装置への応用）
上述の実施例で説明した光電変換装置は、撮像装置及び撮像面における焦点検出を行なう装置として利用することが可能である。具体的に撮像面において位相差検出による撮像時の焦点検出を行なう一例を説明する。

【0075】

図１２、図１３を用いて説明する。図１２は撮影レンズ９００の射出瞳から出た光束が撮像装置９０１に入射する概念図である。２０２はマイクロレンズであり、３０１はカラーフィルターであり、光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２は１つのマイクロレンズにより集光される光が入射する複数の光電変換素子である。９０２は撮影レンズの射出瞳を示す。ここでは、マイクロレンズ２０２を有する光電変換ユニットに対して、射出瞳９０２から出た光束の中心を光軸９０３とする。射出瞳から出た光は、光軸９０３を中心として撮像装置９０１に入射する。射出瞳の一部領域９０４を通過する光の最外周の光線を９０６、９０７で示し、射出瞳９０２の一部領域９０５を通過する光の最外周の光線を９０８、９０９で示す。この図からわかるように、射出瞳９０２から出る光束のうち、光軸９０３を境にして、上側の光束はＰＤ１に入射し、下側の光束はＰＤ２に入射する。つまり、ＰＤ１とＰＤ２は各々、撮影レンズの射出瞳の別の領域の光を受光している。

【0076】

この特性を生かして、位相差の検知を行う。画素内の領域において、撮像領域を上面から見た際に、１つのマイクロレンズで集光される光が入射する複数の光電変換素子に対し、一方のＰＤから得られるデータを第１ラインとし、他方のＰＤから得られるデータを第２ラインとする。そしてライン間の相関データを求めれば位相を検知できる。

【0077】

例えば、図１２において、１つのマイクロレンズにより集光される光が入射する光電変換素子のうち下側に配されたＰＤのデータを第１ラインとし、上側に配されたＰＤのデータを第２ラインとする。この場合、ＰＤ１は第１ラインのデータのうちの１画素分の出力となり、ＰＤ２は第２ラインのデータのうちの１画素分の出力となる。図１３は点光源を結像したときのラインデータを示す。図１３（ａ）はピントがあった状態における第１ラインと第２ラインのデータである。横軸は、画素位置を表し、縦軸は出力を表す。ピントがあっている場合は第１ラインと第２ラインは重なる。図１３（ｂ）はピントがあっていない場合のラインデータである。このときは、第１ラインと第２ラインは位相差をもち、画素位置がずれている。このずれ量１００１を算出すると、ピントがあっている状態とどれだけずれているかがわかる。このような方法で位相を検知し、レンズを駆動することによってピントをあわすことができる。

【0078】

次に、これらの画素配置における画像データ生成について述べる。前述のように、ＰＤ１とＰＤ２の信号を別々に撮像装置９０１から読み出し、位相差を検出する計算を行うことで、ピントの検出が出来る。そして、１つのマイクロレンズにより集光された光が入射するＰＤの信号を加算することで撮影画像を生成することができる。

【0079】

ただし、一方のＰＤが飽和した状態、つまり図６の４０１，４０２，４０３で示す状態のときには、ＰＤの信号は各々のＰＤで単独で得られた出力とは異なる。したがって、ＰＤの信号は信頼性が低いと判断される場合がある。このような場合には位相検知は行わない、もしくは位相検知を停止させるというシーケンスを採用することもできる。つまりＰＤの信号、もしくは蓄積可能な電荷に応じて撮像装置の像面で位相差検出を行なうか否かを判定して動作させることができるのである。

【0080】

ところで、図１２では撮像素子の中心付近の画素について説明したが、実際にＰＤ間の入射光量に大きな差がつくのは、撮像素子の周辺部の画素の方が顕著であるため撮像領域の中心よりも端部に焦点検出用の画素を配した方が精度が上がってよい。

【0081】

（撮像システムへの応用）
図１４に、上述の各実施形態の撮像装置を適用可能な撮像システムの一例を示す。

【0082】

図１４において、１１０１は被写体の光学像を撮像装置１１０５に結像させるレンズ部で、レンズ駆動装置１１０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などがおこなわれる。１１０３はメカニカルシャッターでシャッター制御手段１１０４によって制御される。１１０５はレンズ部１１０１で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像装置、１１０６は撮像装置１１０５から出力される画像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする撮像信号処理回路である。１１０７は撮像装置１１０５、撮像信号処理回路１１０６に、各種タイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生回路である。１１０９は各種演算と撮像装置全体を制御する制御回路、１１０８は画像データを一時的に記憶する為のメモリ、１１１０は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェースである。１１１１は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１１２は各種情報や撮影画像を表示する表示部である。

【0083】

次に、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について説明する。

【0084】

メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路１１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。

【0085】

それから、レリーズボタン（図示せず）が押されると、撮像装置１１０５からのデータを元に測距演算を行い、測距結果に基づいて被写体までの距離の演算を制御回路１１０９で行う。その後、レンズ駆動装置１１０２によりレンズ部を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ部を駆動し測距を行う。測距演算は、撮像素子からのデータで求める以外にも、測距専用装置（図示せず）で行っても良い。

【0086】

そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。撮影動作が終了すると、固体撮像素子１１０５から出力された画像信号は撮影信号処理回路１１０６で画像処理をされ、制御回路１１０９によりメモリに書き込まれる。撮影信号処理回路では、並べ替え処理、加算処理やその選択処理が行われる。メモリ１１０８に蓄積されたデータは、制御回路１１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１１０を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１１１に記録される。

【0087】

また、外部Ｉ／Ｆ部（図示せず）を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行っても良い。

【0088】

以上具体的な実施形態、及びその応用を示す本発明の説明を行なった。本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。本発明は様々な光電変換素子に適用可能なものであるが、光電変換素子の感度差や入射する光量差があるような構成に対しては特に有効である。例えば、上記実施形態においては、本発明による画素を対物レンズの焦点検知に用いる例について説明した。しかしながら、本発明の撮像装置の特徴は、複数の光電変換素子の信号を足し合わせる読み出しを行った際の出力の線形性の確保であり、焦点検知以外の応用も可能である。例えば、複数の光電変換素子は、パンドパスの異なる２種のカラーフィルターを搭載したものとすることも可能である。具体的には、ＲＧＢの各色に対してパンドパスの異なるＲ‘，Ｇ’，Ｂ‘のカラーフィルターを搭載する。これらを個別に読み出した際には、６色の信号を得ることができ、色再現性が向上する。一方、ＰＤの加算を行い、Ｒ＋Ｒ’，Ｇ＋Ｇ’，Ｂ＋Ｂ‘の３色の信号を得る動作を行った場合には、感度を高めることができ、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。これらの２つの撮影モードを同一の撮像装置にて切り替えることが可能な構成にも適用できる。

【符号の説明】

【0089】

２０２、１２０１ マイクロレンズ
２０３、２０４ 光電変換素子
３０５、３１１、３１２、７０１、７０２、７０３、８０１、８０２、１２０８、１２０９ Ｐ型（第２導電型）の半導体領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】