特許 7281703 光検出装置、及び撮像装置

(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】

(24)【登録日】2023-05-18

(45)【発行日】2023-05-26

(54)【発明の名称】光検出装置、及び撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20230519BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 A

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2018109510

(22)【出願日】2018-06-07

(65)【公開番号】P2019012820

(43)【公開日】2019-01-24

【審査請求日】2021-05-14

(31)【優先権主張番号】P 2017127567

(32)【優先日】2017-06-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(74)【代理人】

【識別番号】100137235

【弁理士】

【氏名又は名称】寺谷 英作

(74)【代理人】

【識別番号】100131417

【弁理士】

【氏名又は名称】道坂 伸一

(72)【発明者】

【氏名】高瀬 雅之

(72)【発明者】

【氏名】宍戸 三四郎

【審査官】加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０１７５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５１５１４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電荷を生成する光電変換部と、
第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記光電変換部に接続され、前記第１端から前記第２端に向かう第１方向に延びる第１拡散領域と、
第３端と第４端とを有し、前記第３端が前記第１拡散領域の前記第1方向に沿った第１側面に接続され、前記第３端から前記第４端に向かう第２方向に延びる第２拡散領域と、
前記第２拡散領域の前記第４端に接続される第１電荷蓄積部と、
前記第１拡散領域の少なくとも一部を覆う第１ゲート電極と、
前記第２拡散領域の少なくとも一部を覆う第２ゲート電極と、
を備え、
前記第２ゲート電極は、前記第１拡散領域のうち前記第２拡散領域に接続する第１部分を、前記第１ゲート電極を介することなく覆う、
光検出装置。

【請求項2】

前記第１ゲート電極に接続される第１電圧供給回路と、
前記第２ゲート電極に接続される第２電圧供給回路と、
を備え、
前記第１電圧供給回路が前記第１ゲート電極に第１電圧を供給することにより、前記第１拡散領域において、前記光電変換部からの電荷を前記第１方向に転送する第１電荷転送経路が形成され、
前記第２電圧供給回路が前記第２ゲート電極に第２電圧を供給することにより、前記第１拡散領域の前記第１部分及び前記第２拡散領域において、前記第１電荷転送経路を転送される電荷の一部を前記第２方向に転送する第２電荷転送経路が形成される、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項3】

電荷を生成する光電変換部と、
第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記光電変換部に接続され、前記第１端から前記第２端に向かう第１方向に延びる第１拡散領域と、
第３端と第４端とを有し、前記第３端が前記第１拡散領域の前記第１方向に沿った第１側面に接続され、前記第３端から前記第４端に向かう第２方向に延びる第２拡散領域と、
前記第２拡散領域の前記第４端に接続される第１電荷蓄積部と、
前記第１拡散領域の少なくとも一部を覆う第１ゲート電極と、
前記第２拡散領域の少なくとも一部を覆う第２ゲート電極と、
を備え、
前記第２ゲート電極は、前記第１拡散領域のうち前記第２拡散領域に接続する第１部分を、前記第１ゲート電極を介することなく覆い、
第５端と第６端とを有し、前記第５端が前記第１拡散領域の前記第１側面に接続され、前記第５端から前記第６端に向かう第３方向に延びる第３拡散領域と、
前記第３拡散領域の前記第６端に接続される第２電荷蓄積部と、
前記第３拡散領域の少なくとも一部を覆う第３ゲート電極と、
をさらに備え、
前記第３ゲート電極は、前記第１拡散領域のうち前記第３拡散領域に接続する第２部分を、前記第１ゲート電極を介することなく覆い、
前記第１ゲート電極は、前記第１拡散領域のうち前記第１部分と前記第２部分との間に位置する第３部分を、前記第２ゲート電極及び前記第３ゲート電極のいずれも介することなく覆う、
光検出装置。

【請求項4】

前記第１拡散領域、前記第２拡散領域及び前記第３拡散領域は、第１導電型の不純物を含み、
前記第１拡散領域の前記第３部分は、前記第１導電型とは異なる第２導電型の不純物を含む、請求項３に記載の光検出装置。

【請求項5】

前記第１ゲート電極に接続される第１電圧供給回路と、
前記第２ゲート電極に接続される第２電圧供給回路と、
前記第３ゲート電極に接続される第３電圧供給回路と、
を備え、
前記第１電圧供給回路が前記第１ゲート電極に第１電圧を供給することにより、前記第１拡散領域において、前記光電変換部からの電荷を前記第１方向に転送する第１電荷転送経路が形成され、
前記第２電圧供給回路が前記第２ゲート電極に第２電圧を供給することにより、前記第１拡散領域の前記第１部分及び前記第２拡散領域において、前記第１電荷転送経路を転送される電荷の一部を前記第２方向に転送する第２電荷転送経路が形成され、
前記第３電圧供給回路が前記第３ゲート電極に第３電圧を供給することにより、前記第１拡散領域の前記第２部分及び前記第３拡散領域において、前記第１電荷転送経路を転送される電荷の一部を前記第３方向に転送する第３電荷転送経路が形成される、請求項３に記載の光検出装置。

【請求項6】

前記第２電圧供給回路が前記第２電圧を前記第２ゲート電極に供給するのと同時に、前記第３電圧供給回路は前記第３電圧を前記第３ゲート電極に供給する、請求項５に記載の光検出装置。

【請求項7】

前記第１拡散領域の前記第２端に接続する電荷掃引部をさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項8】

前記第１拡散領域及び前記第２拡散領域は、半導体基板の表面に形成されており、前記第１側面は平面視において直線状である、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項9】

前記第１拡散領域及び前記第２拡散領域は、半導体基板の表面に形成された単一の拡散領域である、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項10】

前記第１拡散領域、前記第２拡散領域、及び前記第３拡散領域は、半導体基板の表面に形成された単一の拡散領域である、請求項３に記載の光検出装置。

【請求項11】

前記第１拡散領域の前記第２端に接続する電荷掃引部をさらに備え、
前記第１部分の少なくとも一部は、平面視において、前記第１拡散領域の前記第１端のうち前記光電変換部に接続される部分と、前記第１拡散領域の前記第２端のうち前記電荷掃引部に接続される部分とを結ぶ線分が存在し得る領域内に位置し、
前記第２ゲート電極は、前記第１部分の前記少なくとも一部を、前記第１ゲート電極を介することなく覆う、請求項１から６および８から１０のいずれか１項に記載の光検出装置。

【請求項12】

請求項１または請求項３に記載された光検出装置からなる複数の画素がアレイ状に配置される画素アレイを備える、撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光を検出する光検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光が入射されたタイミングを検出する光検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。これらの光検出装置によると、光が入射されたタイミングを、ある程度の精度で検出することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１７５８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

光が入射されたタイミングの検出において、さらなる時間分解能の向上が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様に係る光検出装置は、電荷を生成する光電変換部と、第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記光電変換部に接続され、前記第１端から前記第２端に向かう第１方向に延びる第１拡散領域と、第３端と第４端とを有し、前記第３端が前記第１拡散領域の前記第1方向に沿った第１側面に接続され、前記第３端から前記第４端に向かう第２方向に延びる第２拡散領域と、前記第２拡散領域の前記第４端に接続される第１電荷蓄積部と、前記第１拡散領域の少なくとも一部を覆う第１ゲート電極と、前記第２拡散領域の少なくとも一部を覆う第２ゲート電極と、を備え、前記第２ゲート電極は、前記第１拡散領域のうち前記第２拡散領域に接続する第１部分を、前記第１ゲート電極を介することなく覆う。

【0006】

包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、モジュール、システム、集積回路または方法で実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、モジュール、システム、集積回路および方法の任意の組み合わせによって実現されてもよい。

【0007】

開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。

【発明の効果】

【0008】

光が入射されたタイミングの検出において、時間分解能を従来よりも向上し得る。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施の形態１に係る光検出装置の平面図である。

【図2】図２は、実施の形態１に係る光検出装置のＸ１－Ｘ２線における断面図である。

【図3】図３は、実施の形態１に係る光検出装置のＹ１－Ｙ２線における断面図である。

【図4】図４は、実施の形態１に係る光検出装置に形成される電荷転送経路の模式図である。

【図5】図５は、第１電荷転送経路が電荷を転送する様子を示す模式図である。

【図6】図６は、第２電荷転送経路が形成される様子を示す模式図である。

【図7】図７は、第２電荷転送経路が形成されない様子を示す模式図である。

【図8】図８は、各トランジスタＴＧ１～ＴＧ５の電流－電圧特性を示す特性図である。

【図9A】図９Ａは、実施の形態１に係る光検出装置のＸ３－Ｘ４線におけるポテンシャルを示す模式図である。

【図9B】図９Ｂは、実施の形態１に係る光検出装置のＸ３－Ｘ４線における断面図である。

【図10】図１０は、実施の形態１に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。

【図11】図１１は、実施の形態２に係る光検出装置の平面図である。

【図12A】図１２Ａは、実施の形態２に係る光検出装置のＸ３－Ｘ４線におけるポテンシャルを示す模式図である。

【図12B】図１２Ｂは、実施の形態２に係る光検出装置のＸ３－Ｘ４線における断面図である。

【図13】図１３は、実施の形態３に係る光検出装置の平面図である。

【図14A】図１４Ａは、実施の形態３に係る光検出装置のＸ３－Ｘ４線におけるポテンシャルを示す模式図である。

【図14B】図１４Ｂは、実施の形態３に係る光検出装置のＸ３－Ｘ４線における断面図である。

【図15】図１５は、参考例の光検出装置の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（本開示の一態様を得るに至った知見）
ここでは、まず、参考例に係る光検出装置について説明する。

【0011】

図１５は、参考例の光検出装置（すなわち、撮像素子１０１）の構成図である。

【0012】

参考例の光検出装置では、まず、第１ゲート電極１１１の電位を制御することで、第１ゲート電極１１１下にチャネル（転送チャネルとも呼ぶ）を形成する。そして、受光部１１３に光が入射したことで生成された電荷群を、その転送チャネル内において、受光部１１３側から電荷掃引部１１４側へと走行させる。そして、電荷群の走行中に、第２ゲート電極１１２の電位を制御することで、その走行中の電荷群の少なくとも一部を、それぞれが読み出し回路（１２０ａ～１２０ｅ）に接続される複数のＦＤへと導く。そして、走行中の電荷群の少なくとも一部が、どの位置のＦＤから読み出されたかを特定することで、その電荷群が発生した時刻すなわち、光が入射されたタイミングを検出する。

【0013】

発明者は、上記参考例の光検出装置に関し、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能をさらに向上すべく検討を重ねた。

【0014】

参考例の光検出装置では、電荷群を、受光部１１３側から電荷掃引部１１４側へと走行させるために、転送チャネルにおけるポテンシャルを、受光部１１３側から電荷掃引部１１４側へと傾斜させている。

【0015】

このため、走行中の電荷を、読み出し回路に接続されるＦＤへと導くためのトランジスタであるＴＧ１～ＴＧ５におけるソースドレイン間の電位差は、ＴＧ１～ＴＧ５にかけて、順に低下していく。このため、トランジスタの電流駆動能力は、ＴＧ１～ＴＧ５にかけて、順に低下していく。その結果、受光部から遠い位置（例えば、図１５におけるＴＧ３、ＴＧ４、ＴＧ５付近）まで走行した電荷群から、十分な精度で電荷量が読み出されなくなってしまうことがある。

【0016】

発明者は、光検出装置において、このような現象による影響を抑制することで、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得ることを見出した。

【0017】

発明者は、このような検討を重ねた結果、下記光検出装置、及び撮像装置に想到した。

【0018】

本開示の一態様に係る光検出装置は、電荷を生成する光電変換部と、第１端と第２端とを有し、前記第１端が前記光電変換部に接続され、前記第１端から前記第２端に向かう第１方向に延びる第１拡散領域と、第３端と第４端とを有し、前記第３端が前記第１拡散領域の前記第1方向に沿った第１側面に接続され、前記第３端から前記第４端に向かう第２方向に延びる第２拡散領域と、前記第２拡散領域の前記第４端に接続される第１電荷蓄積部と、前記第１拡散領域の少なくとも一部を覆う第１ゲート電極と、前記第２拡散領域の少なくとも一部を覆う第２ゲート電極と、を備え、前記第２ゲート電極は、前記第１拡散領域のうち前記第２拡散領域に接続する第１部分を、前記第１ゲート電極を介することなく覆う。

【0019】

上記構成の光検出装置では、第２ゲート電極が、第１拡散領域から第２拡散領域が分岐する分岐領域（第１部分）の上方に重なって配置される。このため、第１拡散領域から第２拡散領域が分岐している部分に、ポテンシャルの谷が形成される。これにより、第１拡散領域から第２拡散領域が分岐する位置が、光電変換部（受光部）から比較的遠い位置であったとしても、転送チャネルを走行中の電荷群の電荷を、このポテンシャルの谷の部分に、比較的容易に捕獲することができるようになる。このため、光電変換部（受光部）から比較的遠い位置を走行中の電荷群から、より精度良く電荷量の読み出しを行うことができるようになる。

【0020】

従って、上記構成の光検出装置によると、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。

【0021】

本開示の一態様に係る撮像装置は、上記光検出装置からなる複数の画素がアレイ状に配置される画素アレイを備える。

【0022】

上記構成の撮像装置が備える複数の画素は、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る光検出装置からなる。

【0023】

従って、上記構成の撮像装置によると、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。

【0024】

以下、本開示の一態様に係る光検出装置、及び撮像装置の具体例について、図面を参照しながら説明する。ここで示す実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序等は、一例であって本開示を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意に付加可能な構成要素である。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。

【0025】

（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係る撮像装置について、図面を参照しながら説明する。この撮像装置は、実施の形態１に係る光検出装置からなる複数の画素がアレイ状に配置される画素アレイを備える。

【0026】

［１－１．構成］
ここではまず、実施の形態１に係る光検出装置について説明する。

【0027】

図１は、実施の形態１に係る光検出装置１０の平面図である。図２は、実施の形態１に係る光検出装置１０の、図１に示すＸ１－Ｘ２線における断面図である。図３は、実施の形態１に係る光検出装置１０の、図１に示すＹ１－Ｙ２線における断面図である。

【0028】

図１、図２、図３に示されるように、光検出装置１０は、第１ゲート電極１１と、第２ゲート電極１６と、第３ゲート電極１７と、第４ゲート電極１８と、第５ゲート電極１９と、第６ゲート電極２０と、光電変換部１３と、電荷掃引部１４と、注入領域１５と、第１電荷蓄積部２１と、第２電荷蓄積部２２と、第３電荷蓄積部２３と、第４電荷蓄積部２４と、第５電荷蓄積部２５とを含んで構成される。

【0029】

なお、図１、図２、図３は、あくまでも説明のための模式的な図であり、図面中における各部のサイズは、必ずしも現実のサイズを反映していない。他の図面についても同様に、図面中に示される要素のサイズと、その要素の現実のサイズとが一致しないことがある。

【0030】

光電変換部１３は、入射した光を受けて電荷を生成可能な光電変換素子を含む。ここでは、光電変換素子としてフォトダイオードを例示する。

【0031】

図２および図３に示されるように、この例では、光電変換部１３、電荷掃引部１４、注入領域１５、第１電荷蓄積部２１、第２電荷蓄積部２２、第３電荷蓄積部２３、第４電荷蓄積部２４、及び第５電荷蓄積部２５は、シリコン（Ｓｉ）基板などの半導体基板２内に形成されている。半導体基板２は、その全体が半導体である基板に限定されず、感光領域が形成される側の表面に半導体層が設けられた絶縁性基板などであってもよい。以下では、半導体基板２としてｐ型シリコン基板を例示する。この例では、ｐ型シリコン基板に不純物領域（ここではＮ型領域）を形成することにより、光電変換部１３が形成されている。また、ｐ型シリコン基板に、光電変換部１３と同等、あるいは高い濃度の不純物領域（ここではＮ型領域）を形成することにより、注入領域１５が形成されている。そして、ｐ型シリコン基板に、注入領域１５よりも高い濃度の不純物領域（ここではＮ型領域）を形成することにより、第１電荷蓄積部２１、第２電荷蓄積部２２、第３電荷蓄積部２３、第４電荷蓄積部２４、及び第５電荷蓄積部２５が形成される。

【0032】

図１に示されるように、注入領域１５は、長尺状の主部（第１拡散領域とも呼ぶ）３０と、第１フィンガ部（第２拡散領域とも呼ぶ）３１と、第２フィンガ部（第３拡散領域とも呼ぶ）３２と、第３フィンガ部（第４拡散領域とも呼ぶ）３３と、第４フィンガ部（第５拡散領域とも呼ぶ）３４と、第５フィンガ部（第６拡散領域とも呼ぶ）３５とから構成される。主部３０は、その一端と他端とが、それぞれ光電変換部１３と電荷掃引部１４とに接続される。第１フィンガ部３１は、主部３０から分岐して第１電荷蓄積部２１に接続される。第２フィンガ部３２は、主部３０から分岐して第２電荷蓄積部２２に接続される。第３フィンガ部３３は、主部３０から分岐して第３電荷蓄積部２３に接続される。第４フィンガ部３４は、主部３０から分岐して第４電荷蓄積部２４に接続される。第５フィンガ部３５は、主部３０から分岐して第５電荷蓄積部２５に接続される。

【0033】

図１に示されるように、第５フィンガ部３５は、第４フィンガ部３４よりも、光電変換部１３から遠い位置において主部３０から分岐している。第４フィンガ部３４は、第３フィンガ部３３よりも、光電変換部１３から遠い位置において主部３０から分岐している。第３フィンガ部３３は、第２フィンガ部３２よりも、光電変換部１３から遠い位置において主部３０から分岐している。第２フィンガ部３２は、第１フィンガ部３１よりも、光電変換部１３から遠い位置において主部３０から分岐している。

【0034】

図１～図３に示されるように、第１ゲート電極１１は、主部３０の一部の領域（第２領域とも呼ぶ）の上方に重ねて配置されている。第２ゲート電極１６は、主部３０のうちの、主部３０から第１フィンガ部３１が分岐する分岐領域と、第１フィンガ部３１とを含む領域（第１領域とも呼ぶ）の上方に重ねて配置されている。第３ゲート電極１７は、主部３０のうちの、主部３０から第２フィンガ部３２が分岐する分岐領域と、第２フィンガ部３２とを含む領域（第３領域とも呼ぶ）の上方に重ねて配置されている。第４ゲート電極１８は、主部３０のうちの、主部３０から第３フィンガ部３３が分岐する分岐領域と、第３フィンガ部３３とを含む領域（第４領域とも呼ぶ）の上方に重ねて配置されている。第５ゲート電極１９は、主部３０のうちの、主部３０から第４フィンガ部３４が分岐する分岐領域と、第４フィンガ部３４とを含む領域（第５領域とも呼ぶ）の上方に重ねて配置されている。第６ゲート電極２０は、主部３０のうちの、主部３０から第５フィンガ部３５が分岐する分岐領域と、第５フィンガ部３５とを含む領域（第６領域とも呼ぶ）の上方に重ねて配置されている。

【0035】

ここでは、第２ゲート電極１６と第１領域とによって形成されるトランジスタをＴＧ１と呼ぶ。第３ゲート電極１７と第３領域とによって形成されるトランジスタをＴＧ２と呼ぶ。第４ゲート電極１８と第４領域とによって形成されるトランジスタをＴＧ３と呼ぶ。第５ゲート電極１９と第５領域とによって形成されるトランジスタをＴＧ４と呼ぶ。第６ゲート電極２０と第６領域とによって形成されるトランジスタをＴＧ５と呼ぶ。

【0036】

注入領域１５は、その上部に位置するゲート電極（ここでは、例えば、第１ゲート電極１１、第２ゲート電極１６、第３ゲート電極１７、第４ゲート電極１８、第５ゲート電極１９、又は第６ゲート電極２０）に所定電位が印加されることで、その表面部分に、反転層が形成される。この反転層は、光電変換部１３によって生成された電荷を、電荷掃引部１４、第１電荷蓄積部２１、第２電荷蓄積部２２、第３電荷蓄積部２３、第４電荷蓄積部２４、又は第５電荷蓄積部２５のいずれかに転送する電荷転送経路として機能する。

【0037】

図４は、第１ゲート電極１１に第１の所定電位が印加され、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０に第２の所定電位が印加される場合において形成される電荷転送経路を模式的に図示する模式図である。ここで、第１の所定電位は、第１ゲート電極１１の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成するための電位である。また、第２の所定電位は、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成するための電位である。ここでは、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成するために、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０に対して共通の第２の所定電位を印加するとして説明する。しかしながら、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成することができれば、必ずしも、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０に対して共通の第２の所定電位を印加する例に限られない。例えば、それぞれのゲート電極に対して互いに異なる所定電位を印加する例もあり得る。

【0038】

図４に示されるように、注入領域１５の表面に形成される電荷転送経路は、第１電荷転送経路４１と、第２電荷転送経路４２と、第３電荷転送経路４３と、第４電荷転送経路４４と、第５電荷転送経路４５と、第６電荷転送経路４６とから構成される。また、同図に示されるように、第６電荷転送経路４６は、第５電荷転送経路４５よりも、光電変換部１３から遠い位置において第１電荷転送経路４１から分岐する。第５電荷転送経路４５は、第４電荷転送経路４４よりも、光電変換部１３から遠い位置において第１電荷転送経路４１から分岐する。第４電荷転送経路４４は、第３電荷転送経路４３よりも、光電変換部１３から遠い位置において第１電荷転送経路４１から分岐する。第３電荷転送経路４３は、第２電荷転送経路４２よりも、光電変換部１３から遠い位置において第１電荷転送経路４１から分岐する。

【0039】

第１電荷転送経路４１は、電荷掃引部１４の電位を、光電変換部１３の電位よりも低い所定の電位とすることで、光電変換部１３で発生した電荷を電荷掃引部１４へ転送する。

【0040】

図５は、図４に示すＡ１－Ａ２線の断面において、第１電荷転送経路４１が、電荷を転送する様子を示す模式図である。実線で示されるのは、図４に示すＡ１－Ａ２線の断面におけるポテンシャルである。

【0041】

同図に示されるように、電荷掃引部１４の電位を、光電変換部１３の電位よりも低い所定の電位とすることで、第１電荷転送経路４１内のポテンシャルは、光電変換部１３側から電荷掃引部１４側へと傾斜することとなる。これにより、第１電荷転送経路４１は、光電変換部１３で発生した電荷を電荷掃引部１４へ転送する。

【0042】

図６は、図４に示すＢ１－Ｂ２線の断面において、ＴＧ１がオンである状態において、第２電荷転送経路４２が形成される様子を示す模式図である。実線で示されるのは、図４に示すＢ１－Ｂ２線の断面における、トランジスタＴＧ１がオンのときのポテンシャルである。図６及び後述の図７では、第２ゲート電極１６に１．５Ｖの電位が印加されることでＴＧ１がオンになり、－１．０Ｖの電位が印加されることでＴＧ１がオフになるとして図示する。しかし、ＴＧ１をオンにするために印加する電位は、必ずしも１．５Ｖである例に限られないし、ＴＧ１をオフにするために印加する電位は、必ずしも－１．０Ｖである例に限られない。

【0043】

図６に示されるように、ＴＧ１がオンである状態において、第１電荷蓄積部２１の電位を、第１電荷転送経路４１における第２電荷転送経路４２への分岐点の電位よりも低い所定の電位とすることで、第２電荷転送経路４２内のポテンシャルは、図６に示されるように、第１電荷転送経路４１側から第１電荷蓄積部２１側へと傾斜することとなる。このため、第２電荷転送経路４２は、第１電荷転送経路４１を転送中の電荷群の一部の電荷を、第１電荷蓄積部２１へ転送する。

【0044】

図７は、図４に示すＢ１－Ｂ２線の断面において、ＴＧ１がオフである状態において、第２電荷転送経路４２が形成されない様子を示す模式図である。実線で示されるのは、図４に示すＢ１－Ｂ２線の断面における、トランジスタＴＧ１がオフのときのポテンシャルである。

【0045】

ＴＧ１がオフの場合には、第２電荷転送経路４２は形成されない。この場合には、第１電荷転送経路４１における第２電荷転送経路４２への分岐点と第１電荷蓄積部２１との間のポテンシャルは、図７に示されるようになる。このため、この場合には、第１電荷転送経路４１を走行中の電荷は、第１電荷蓄積部２１へ転送されることはない。

【0046】

同様に、ＴＧ２～ＴＧ５がオンである状態において、第２電荷蓄積部２２～第５電荷蓄積部２５の電位のそれぞれを、第１電荷転送経路４１における第３電荷転送経路４３～第６電荷転送経路４６への分岐点の電位よりも低い所定の電位とすることで、第３電荷転送経路４３～第６電荷転送経路４６のそれぞれは、第１電荷転送経路４１を転送中の電荷群の一部の電荷を、第２電荷蓄積部２２～第５電荷蓄積部２５へ転送する。

【0047】

但し、前述したように（図５参照）、第１電荷転送経路４１における、他の各電荷転送経路への分岐点における電位は、第２電荷転送経路４２への分岐点側から第６電荷転送経路４６への分岐点側へかけて、順に低くなっている。これにより、ＴＧ１～ＴＧ５におけるソースドレイン間の電位差は、ＴＧ１～ＴＧ５にかけて、順に少なくなっている。従って、ＴＧ１～ＴＧ５における電流駆動能力は、ＴＧ１～ＴＧ５にかけて順に低下していく。

【0048】

図８に、ＴＧ１～ＴＧ５のそれぞれについて、第１電荷転送経路４１側をソース、第１電荷蓄積部２１～第５電荷蓄積部２５側をドレインとする場合における、各トランジスタＴＧ１～ＴＧ５の電流－電圧特性を示す特性図を示す。

【0049】

図９Ａは、光検出装置１０の、図１に示すＸ３－Ｘ４線の断面における、ＴＧ１～ＴＧ３がオンである状態のポテンシャルを示す模式図である。そして、図９Ｂは、光検出装置１０の、図１に示すＸ３－Ｘ４線における断面図である。

【0050】

図９Ａに示されるように、ＴＧ１～ＴＧ３がオンになると、主部３０におけるＴＧ１、ＴＧ２、ＴＧ３の直下の領域に、ポテンシャルの谷が形成される。そして、各ポテンシャルの谷の間には、ポテンシャルの障壁が形成される。このため、いずれかのポテンシャルの谷に電荷が捕獲されると、その電荷は、ポテンシャルの障壁を超えて他のポテンシャルの谷へ移動することが難しくなる。

【0051】

再び図１～図３に戻って、光検出装置１０の説明を続ける。

【0052】

第１電荷蓄積部２１は、第１フィンガ部（第２拡散領域）３１を経由して転送された電荷を蓄積する。第２電荷蓄積部２２は、第２フィンガ部（第３拡散領域）３２を経由して転送された電荷を蓄積する。第３電荷蓄積部２３は、第３フィンガ部（第４拡散領域）３３を経由して転送された電荷を蓄積する。第４電荷蓄積部２４は、第４フィンガ部（第５拡散領域）３４を経由して転送された電荷を蓄積する。第５電荷蓄積部２５は、第５フィンガ部（第６拡散領域）３５を経由して転送された電荷を蓄積する。

【0053】

図１に示されるように、第１電荷蓄積部２１～第５電荷蓄積部２５のそれぞれは、ソースフォロアトランジスタ６０ａ～ソースフォロアトランジスタ６０ｅを介して、蓄積された電荷の電荷量を読み出す読み出し回路７０ａ～７０ｅに接続される。

【0054】

第１ゲート電極１１と第２ゲート電極１６と第３ゲート電極１７と第４ゲート電極１８と第５ゲート電極１９と第６ゲート電極２０とは、例えば、不純物が注入されることにより導電性が付与されたポリシリコンから形成される。

【0055】

第１ゲート電極１１は、印加電圧を切り替えることで、第１ゲート電極１１の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成されるか否かの切り替えを行うことができる。

【0056】

すなわち、第１ゲート電極１１は、印加電圧を切り替えることで、第１電荷転送経路４１を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えを行う。

【0057】

同様に、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０は、それぞれ、印加電圧を切り替えることで、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０の下に位置する注入領域１５の表面に反転層を形成されるか否の切り替えを行うことができる。

【0058】

すなわち、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０は、それぞれ、印加電圧を切り替えることで、第２電荷転送経路４２を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第３電荷転送経路４３を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第４電荷転送経路４４を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第５電荷転送経路４５を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えと、第６電荷転送経路４６を経由した、電荷の転送及び遮断の切り替えとを行う。

【0059】

次に、上記構成の光検出装置１０を含んで構成される、実施の形態１に係る撮像装置について説明する。

【0060】

図１０は、実施の形態１に係る撮像装置１の構成を示すブロック図である。

【0061】

同図に示されるように、撮像装置１は、画素アレイ５０と、垂直走査回路５１と、読み出し回路５２と、信号処理部５３とを備える。

【0062】

画素アレイ５０は、光検出装置１０からなる画素が、アレイ状（例えば、行列状）に複数配置されて構成される。

【0063】

各光検出装置１０において、第１電荷蓄積部２１～第５電荷蓄積部２５のそれぞれは、ソースフォロアトランジスタ６０ａ～ソースフォロアトランジスタ６０ｅと、読み出し線６１ａ～読み出し線６１ｅとを介して読み出し回路５２に接続される。すなわち、図１における読み出し回路７０ａ～読み出し回路７０ｅは、それぞれ、図１０における読み出し回路５２に対応する。ここで、読み出し線６１ａ～読み出し線６１ｅは、列単位で共通の信号線となっている。

【0064】

また、各光検出装置１０は、行単位で共通な複数の制御信号線（図示されず）を介して垂直走査回路５１に接続される。

【0065】

垂直走査回路５１は、画素アレイ５０に対して、行単位で共通な複数の制御信号線（図示されず）を介して、各光検出装置１０の動作を、行単位で制御する。

【0066】

垂直走査回路５１は、画素アレイ５０の最上位側の行から最下位側の行に向けて順に、行単位による光検出装置１０の制御を、所定周期で繰り返し行う。

【0067】

読み出し回路５２は、垂直走査回路５１と同期して動作し、画素アレイ５０から、垂直走査回路５１によって制御される行単位で、その行に位置する各光検出装置１０における第１電荷蓄積部２１～第５電荷蓄積部２５に蓄積された電荷の量に応じた信号を読み出す。そして、読み出した信号を、信号処理部５３へ出力する。

【0068】

信号処理部５３は、読み出し回路５２から出力された信号に対して、各種信号処理を行う。一例として、信号処理部５３は、プロセッサとメモリとを含んで構成され、メモリに記憶されるプログラムをプロセッサが実行することで実現されてもよいし、専用ハードウエアによって実現されてもよい。

【0069】

［１－２．考察］
以下、光検出装置１０について考察する。

【0070】

ＴＧ１～ＴＧ５がオフの状態からオンの状態に変化すると、図９Ａに示されるように、主部３０におけるＴＧ１～ＴＧ５の直下の領域、すなわち、第１電荷転送経路４１の近傍の領域に、ポテンシャルの谷が形成される。このため、ＴＧ１～ＴＧ５がオフである状態において第１電荷転送経路４１を走行している電荷群の一部の電荷（特に、新たに形成されることとなるポテンシャルの谷の近傍を走行している電荷）は、ＴＧ１～ＴＧ５をオンに切り替えられることで、その近傍に新たに形成されるポテンシャルの谷の領域に、比較的簡単に捕獲されることとなる。

【0071】

前述したように、各ポテンシャルの谷の間には、ポテンシャルの障壁が形成されるため、いずれかのポンテンシャルの谷に捕獲された電荷は、ポテンシャルの障壁を超えて他のポテンシャルの谷へ移動することが難しくなる。また、各ポテンシャルの谷の電位は、対応する、第１電荷転送経路４１における第２電荷転送経路４２～第６電荷転送経路４６への分岐点の電位よりも低くなっている。このため、いずれかのポテンシャルの谷に捕獲された電荷は、電荷掃引部１４へ向かっての移動が難しくなる。これらのことから、一旦ポテンシャルの谷に電荷が捕獲されると、その電荷は、そのポテンシャルの谷に対応する第１電荷蓄積部２１～第５電荷蓄積部２５以外の領域へ移動することが難しくなる。これにより、ポテンシャルの谷を形成するトランジスタ（ここでは、ＴＧ１～ＴＧ５）は、例え、その電流駆動能力が比較的低かったとしても、そのポテンシャルの谷に捕獲された電荷の大部分を、対応する電荷蓄積部へ移動させることができる。このため、光検出装置１０は、第１電荷転送経路４１において、光電変換部１３から比較的遠い位置（ここでは、例えば、他のトランジスタよりもその電流駆動能力が低くなるＴＧ５の近傍の領域）を走行中の電荷群から、より精度良く電荷量の読み出しを行うことができるようになる。

【0072】

従って、光検出装置１０によると、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。

【0073】

（実施の形態２）
ここでは、実施の形態１に係る撮像装置１から、その構成の一部が変更された実施の形態２に係る撮像装置について説明する。

【0074】

実施の形態２に係る撮像装置を構成する光検出装置は、第１ゲート電極が、第２ゲート電極と第３ゲート電極との間に延伸する延伸部と、第３ゲート電極と第４ゲート電極との間に延伸する延伸部と、第４ゲート電極と第５ゲート電極との間に延伸する延伸部と、第５ゲート電極と第６ゲート電極との間に延伸する延伸部とを備える形状である構成となっている。

【0075】

［２－１．構成］
以下、実施の形態２に係る撮像装置について、実施の形態１に係る撮像装置１との相違点を中心に、図面を参照しながら説明する。

【0076】

実施の形態２に係る撮像装置は、実施の形態１に係る撮像装置１から、光検出装置１０が、実施の形態２に係る光検出装置１０ａに変更されている。

【0077】

図１１は、実施の形態２に係る光検出装置１０ａの平面図である。

【0078】

同図に示されるように、光検出装置１０ａは、実施の形態１に係る光検出装置１０から、第１ゲート電極１１が、第１ゲート電極１１ａに変更されている。

【0079】

そして、第１ゲート電極１１ａは、実施の形態１に係る第１ゲート電極１１に対して、第１延伸部７１と、第２延伸部７２と、第３延伸部７３と、第４延伸部７４と、第５延伸部７５と、第６延伸部７６とが追加されるように変更されている。

【0080】

図１１に示されるように、第２延伸部７２は、第２ゲート電極１６と第３ゲート電極１７との間に延伸している。また、第３延伸部７３は、第３ゲート電極１７と第４ゲート電極１８との間に延伸している。また、第４延伸部７４は、第４ゲート電極１８と第５ゲート電極１９との間に延伸している。また、第５延伸部７５は、第５ゲート電極１９と第６ゲート電極２０との間に延伸している。そして、第１延伸部７１は、第２ゲート電極１６の光電変換部１３側側面に沿って延伸し、第６延伸部７６は、第６ゲート電極２０の電荷掃引部１４側側面に沿って延伸している。

【0081】

図１２Ａは、光検出装置１０ａの、図１１に示すＸ３－Ｘ４線における、ＴＧ１～ＴＧ３がオンである状態のポテンシャルを示す模式図である。そして、図１２Ｂは、光検出装置１０ａの、図１１に示すＸ３－Ｘ４線における断面図である。

【0082】

図１２Ａに示されるように、ＴＧ１～ＴＧ３がオンになると、実施の形態１の場合と同様に、主部３０におけるＴＧ１、ＴＧ２、ＴＧ３の直下の領域に、ポテンシャルの谷が形成される。そして、各ポテンシャルの谷の間には、ポテンシャルの障壁が形成される。

【0083】

上述した通り、第１ゲート電極１１ａには、実施の形態１に係る第１ゲート電極１１に対して、第１延伸部７１～第６延伸部７６が追加されている。このため、実施の形態２における各ポテンシャルの障壁の電位は、これら第１延伸部７１～第６延伸部７６によって、実施の形態１における各ポテンシャルの障壁の電位よりも、より強固に固定される。

【0084】

［２－２．考察］
以下、光検出装置１０ａについて考察する。

【0085】

上述した通り、実施の形態２における各ポテンシャルの障壁の電位は、実施の形態１における各ポテンシャルの障壁の電位よりも、より強固に固定される。このため、各ポテンシャルの谷に捕獲される電荷は、そのポテンシャルの谷により強固に捕獲されることとなる。これにより、光検出装置１０ａは、実施の形態１に係る光検出装置１０よりも、第１電荷転送経路４１を走行中の電荷群から、より精度良く電荷量の読み出しを行うことができるようになる。

【0086】

従って、光検出装置１０ａによると、実施の形態１に係る光検出装置１０よりも、さらに、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。

【0087】

（実施の形態３）
ここでは、実施の形態２に係る撮像装置から、その構成の一部が変更された実施の形態３に係る撮像装置について説明する。

【0088】

実施の形態３では、実施の形態３に係る撮像装置を構成する光検出装置は、実施の形態２に係る撮像装置を構成する光検出装置１０ａに対して、第１延伸部７１～第６延伸部７６の下の領域に、注入領域１５に注入される不純物の導電型とは異なる導電型の不純物が注入されるように変更されて構成される。

【0089】

［３－１．構成］
以下、実施の形態３に係る撮像装置について、実施の形態２に係る撮像装置との相違点を中心に、図面を参照しながら説明する。

【0090】

実施の形態３に係る撮像装置は、実施の形態２に係る撮像装置から、光検出装置１０が、実施の形態３に係る光検出装置１０ｂに変更されている。

【0091】

図１３は、実施の形態３に係る光検出装置１０ｂの平面図である。

【0092】

同図に示されるように、光検出装置１０ｂは、実施の形態２に係る光検出装置１０ａから、第１反転注入領域８１、第２反転注入領域８２、第３反転注入領域８３、第４反転注入領域８４、第５反転注入領域８５、第６反転注入領域８６が追加されるように変更されている。

【0093】

ここで、第１反転注入領域８１～第６反転注入領域８６は、それぞれ、注入領域１５に注入される不純物の導電型（ここではｎ型導電型）とは異なる導電型（ここではｐ型導電型）の不純物が注入される領域である。

【0094】

図１３に示されるように、第１反転注入領域８１～第６反転注入領域８６は、それぞれ、第１延伸部７１～第６延伸部７６の下方の領域を含んで配置される。

【0095】

図１４Ａは、光検出装置１０ｂの、図１３に示すＸ３－Ｘ４線における、ＴＧ１～ＴＧ３がオンである状態のポテンシャルを示す模式図である。そして、図１４Ｂは、光検出装置１０ｂの、図１３に示すＸ３－Ｘ４線における断面図である。

【0096】

図１４Ａに示されるように、ＴＧ１～ＴＧ３がオンになると、実施の形態２の場合と同様に、主部３０におけるＴＧ１、ＴＧ２、ＴＧ３の直下の領域に、ポテンシャルの谷が形成される。そして、各ポテンシャルの谷の間には、ポテンシャルの障壁が形成される。

【0097】

上述した通り、第１延伸部７１～第６延伸部７６の下方の領域には、注入領域１５に注入される不純物の導電型（ここではｎ型導電型）とは異なる導電型（ここではｐ型導電型）の不純物が注入されている。このため、実施の形態３における各ポテンシャルの障壁の電位は、実施の形態２における各ポテンシャルの障壁の電位よりも、より高い電位で固定される。

【0098】

［３－２．考察］
以下、光検出装置１０ｂについて考察する。

【0099】

上述した通り、実施の形態３における各ポテンシャルの障壁の電位は、実施の形態２における各ポテンシャルの障壁の電位よりも、より高い電位に固定される。このため、各ポテンシャルの谷に捕獲される電荷は、そのポテンシャルの谷により強固に捕獲されることとなる。これにより、光検出装置１０ｂは、実施の形態２に係る光検出装置１０ａよりも、第１電荷転送経路４１を走行中の電荷群から、より精度良く電荷量の読み出しを行うことができるようになる。

【0100】

従って、光検出装置１０ｂによると、実施の形態２に係る光検出装置１０ａよりも、さらに、光が入射されたタイミングの検出における時間分解能を向上し得る。

【0101】

（補足）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１～実施の形態３について説明した。しかしながら、本開示による技術は、これらに限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用可能である。

【0102】

以下に、本開示における変形例の一例について列記する。

【0103】

（１）実施の形態１において、光検出装置１０は、備える電荷蓄積部の数が５つであるとして説明した。しかしながら、光検出装置１０が備える電荷蓄積部の数は、１つ以上であれば、必ずしも５つである例に限定されない。

【0104】

（２）実施の形態１において、図１等を用いて光検出装置１０を説明する際に、第１フィンガ部３１～第５フィンガ部３５の幅があたかも等しいように図示し、第１電荷蓄積部２１～第５電荷蓄積部２５の幅があたかも等しいように図示し、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０の幅があたかも等しいように図示して説明した。しかしながら、光検出装置１０は、第１フィンガ部３１～第５フィンガ部３５の幅が等しい構成の例に限定されず、第１電荷蓄積部２１～第５電荷蓄積部２５の幅が等しい構成の例に限定されず、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０の幅が等しい構成の例に限定されない。例えば、光検出装置１０は、第１フィンガ部３１～第５フィンガ部３５のうちの少なくとも１つの幅が他の幅と異なり、第１電荷蓄積部２１～第５電荷蓄積部２５のうちの少なくとも１つの幅が他の幅と異なり、第２ゲート電極１６～第６ゲート電極２０のうちの少なくとも１つの幅が他の幅と異なる構成であってもよい。

【0105】

（３）実施の形態３において、光検出装置１０ｂは、半導体基板２がｐ型導電型であり、注入領域１５に注入される不純物がｎ型導電型であり、第１反転注入領域８１～第６反転注入領域８６に注入される不純物がｐ型導電型であるとして説明した。しかしながら、光検出装置１０ｂは、必ずしも上記構成の例に限定されない。例えば、光検出装置１０ｂは、半導体基板２がｎ型導電型であり、注入領域１５に注入される不純物がｐ型導電型であり、第１反転注入領域８１～第６反転注入領域８６に注入される不純物がｎ型導電型である構成の例もあり得る。

【0106】

（４）実施の形態１において、光電変換素子の例としてフォトダイオードを例示した。しかしながら光電変換素子は、入射した光を受けて電荷を生成することができれば、必ずしもフォトダイオードに限定される必要はない。一例として、光電変換素子は、光電変換膜が積層されて構成される素子であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0107】

本開示に係る光検出装置、及び撮像装置は、入力された光を検出する装置に広く利用可能である。

【符号の説明】

【0108】

１ 撮像装置
１０、１０ａ、１０ｂ 光検出装置
１１ 第１ゲート電極
１３ 光電変換部
１４ 電荷掃引部
１６ 第２ゲート電極
１７ 第３ゲート電極
１８ 第４ゲート電極
１９ 第５ゲート電極
２０ 第６ゲート電極
２１ 第１電荷蓄積部
２２ 第２電荷蓄積部
２３ 第３電荷蓄積部
２４ 第４電荷蓄積部
２５ 第５電荷蓄積部
３０ 主部（第１拡散領域）
３１ 第１フィンガ部（第２拡散領域）
３２ 第２フィンガ部（第３拡散領域）
３３ 第３フィンガ部（第４拡散領域）
３４ 第４フィンガ部（第５拡散領域）
３５ 第５フィンガ部（第６拡散領域）
４１ 第１電荷転送経路
４２ 第２電荷転送経路
４３ 第３電荷転送経路
４４ 第４電荷転送経路
４５ 第５電荷転送経路
４６ 第６電荷転送経路
５０ 画素アレイ
５１ 垂直走査回路
５２ 読み出し回路
５３ 信号処理部
７１ 第１延伸部
７２ 第２延伸部
７３ 第３延伸部
７４ 第４延伸部
７５ 第５延伸部
７６ 第６延伸部
８１ 第１反転注入領域
８２ 第２反転注入領域
８３ 第３反転注入領域
８４ 第４反転注入領域
８５ 第５反転注入領域
８６ 第６反転注入領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15】