特許 7602346 光センサ

(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】2024-12-10

(45)【発行日】2024-12-18

(54)【発明の名称】光センサ

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/107 20060101AFI20241211BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20241211BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 B

H01L27/146 A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2020173134

(22)【出願日】2020-10-14

(65)【公開番号】P2022064479

(43)【公開日】2022-04-26

【審査請求日】2023-05-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100177910

【弁理士】

【氏名又は名称】木津 正晴

(72)【発明者】

【氏名】間瀬 光人

(72)【発明者】

【氏名】滝口 亮

(72)【発明者】

【氏名】石井 博明

(72)【発明者】

【氏名】中野 優

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼木 慎一郎

【審査官】吉岡 一也

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０５０３６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１１７９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２００３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０９０９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２１８２３７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９

Ｈ０１Ｌ ２７／１４－２７／１４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射光に応じて電荷を発生させる電荷発生領域と、
前記電荷発生領域で発生した電荷が転送される電荷収集領域と、
前記電荷発生領域と前記電荷収集領域との間の転送領域上に配置された少なくとも１つの転送ゲート電極と、を備え、
前記電荷発生領域は、
アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域と、
前記転送領域に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルを前記電荷発生領域に形成する傾斜ポテンシャル形成領域と、を含み、
前記少なくとも１つの転送ゲート電極は、第１転送ゲート電極と、前記第１転送ゲート電極に対して前記電荷発生領域側に配置された第２転送ゲート電極と、を含み、
前記電荷発生領域で発生した電荷を前記電荷収集領域に転送する電荷転送処理においては、前記第１転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルである第１ポテンシャル、及び前記第２転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルである第２ポテンシャルが、前記電荷発生領域における前記転送領域との境界部のポテンシャル以下となった後に、前記境界部のポテンシャルよりも高くなるように、前記第１転送ゲート電極及び前記第２転送ゲート電極に電位が与えられ、
前記電荷転送処理においては、前記第１ポテンシャル及び前記第２ポテンシャルが前記境界部のポテンシャル以下である状態から、前記第１ポテンシャルを変化させずに前記第２ポテンシャルを前記境界部のポテンシャルよりも高くする処理が実行され、当該処理の完了後に、前記第１ポテンシャルを前記境界部のポテンシャルよりも高くする処理が実行される、光センサ。

【請求項2】

前記電荷転送処理においては、前記第２ポテンシャルが前記第１ポテンシャルよりも高くなるように、前記第１転送ゲート電極及び前記第２転送ゲート電極に電位が与えられる、請求項１に記載の光センサ。

【請求項3】

前記第１転送ゲート電極の電位と前記第２転送ゲート電極の電位とが互いに等しい状態において、前記第２ポテンシャルは、前記第１ポテンシャルよりも高い、請求項２に記載の光センサ。

【請求項4】

前記転送領域は、前記第２ポテンシャルを前記第１ポテンシャルよりも高くするためのポテンシャル調整層を含んでいる、請求項３に記載の光センサ。

【請求項5】

前記電荷転送処理における前記第１ポテンシャル及び前記第２ポテンシャルが前記境界部のポテンシャル以下である状態においては、前記第２ポテンシャルが前記境界部のポテンシャルと等しく、前記第１ポテンシャルが前記境界部のポテンシャルよりも低い、請求項１～４のいずれか一項に記載の光センサ。

【請求項6】

前記アバランシェ増倍領域は、所定の平面に沿って層状に形成されており、
前記平面に垂直な方向において前記転送ゲート電極が前記アバランシェ増倍領域に対して位置する側を第１側とし、前記第１側とは反対側を第２側とすると、前記傾斜ポテンシャル形成領域は、前記アバランシェ増倍領域に対して前記第１側に位置している、請求項１～５のいずれか一項に記載の光センサ。

【請求項7】

前記傾斜ポテンシャル形成領域は、前記転送領域に近づくにつれて不純物濃度が高くなるように配列された複数の半導体領域を含んでいる、請求項６に記載の光センサ。

【請求項8】

前記傾斜ポテンシャル形成領域は、第１部分及び第２部分を含む第１半導体領域と、前記第１半導体領域よりも高い不純物濃度を有し、前記第１部分と前記第２部分との間に配置され、前記転送領域に近づくにつれて幅が拡大する第２半導体領域と、を含んでいる、請求項６又は７に記載の光センサ。

【請求項9】

前記アバランシェ増倍領域は、所定の平面に沿って層状に形成されており、
前記平面に垂直な方向において前記転送ゲート電極が前記アバランシェ増倍領域に対して位置する側を第１側とし、前記第１側とは反対側を第２側とすると、前記傾斜ポテンシャル形成領域は、前記アバランシェ増倍領域に対して前記第２側に位置している、請求項１～５のいずれか一項に記載の光センサ。

【請求項10】

前記傾斜ポテンシャル形成領域は、第１半導体層と、前記第１半導体層に対して前記第２側に位置する第２半導体層と、を含み、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に段差部が形成されていることにより、前記傾斜ポテンシャルが形成される、請求項９に記載の光センサ。

【請求項11】

前記第１半導体層には貫通孔が形成されており、
前記貫通孔は、前記平面に垂直な方向において、前記電荷発生領域における前記転送領域との境界部と重なっている、請求項１０に記載の光センサ。

【請求項12】

入射光に応じて電荷を発生させる電荷発生領域と、
前記電荷発生領域で発生した電荷が転送される電荷収集領域と、
前記電荷発生領域と前記電荷収集領域との間の転送領域上に配置された少なくとも１つの転送ゲート電極と、を備え、
前記電荷発生領域は、
アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域と、
前記転送領域に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルを前記電荷発生領域に形成する傾斜ポテンシャル形成領域と、を含み、
前記アバランシェ増倍領域は、所定の平面に沿って層状に形成されており、
前記平面に垂直な方向において前記転送ゲート電極が前記アバランシェ増倍領域に対して位置する側を第１側とし、前記第１側とは反対側を第２側とすると、前記傾斜ポテンシャル形成領域は、前記アバランシェ増倍領域に対して前記第２側に位置している、光センサ。

【請求項13】

前記傾斜ポテンシャル形成領域は、第１半導体層と、前記第１半導体層に対して前記第２側に位置する第２半導体層と、を含み、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に段差部が形成されていることにより、前記傾斜ポテンシャルが形成される、請求項１２に記載の光センサ。

【請求項14】

前記第１半導体層には貫通孔が形成されており、
前記貫通孔は、前記平面に垂直な方向において、前記電荷発生領域における前記転送領域との境界部と重なっている、請求項１３に記載の光センサ。

【請求項15】

前記電荷発生領域は、埋め込みフォトダイオード構造を有している、請求項１～１４のいずれか一項に記載の光センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光センサに関する。

【背景技術】

【0002】

光センサとして、入射光に応じて電荷を発生させる電荷発生領域と、電荷発生領域で発生した電荷が転送される電荷収集領域と、電荷発生領域と電荷収集領域との間の領域上に配置された転送ゲート電極と、を備えるものが知られている。（例えば特許文献１参照）。このような光センサでは、電荷発生領域から電荷収集領域に電荷を高速に転送することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－５７５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したような光センサには、受光領域を広げるために電荷発生領域の面積を大きくすることが求められる場合がある。しかしながら、電荷発生領域の面積が大きい場合、電荷発生領域内での電荷の移動に時間がかかることで、電荷発生領域から電荷収集領域への電荷転送が遅くなるおそれがある。

【0005】

本発明は、受光領域の面積が大きい場合でも電荷を高速に転送することができる光センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の光センサは、入射光に応じて電荷を発生させる電荷発生領域と、電荷発生領域で発生した電荷が転送される電荷収集領域と、電荷発生領域と電荷収集領域との間の転送領域上に配置された少なくとも１つの転送ゲート電極と、を備え、電荷発生領域は、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域と、転送領域に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルを電荷発生領域に形成する傾斜ポテンシャル形成領域と、を含む。

【0007】

この光センサでは、電荷発生領域が、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域を含んでいる。これにより、電荷発生領域においてアバランシェ増倍を発生させることができ、高感度化を図ることができる。また、電荷発生領域が、転送領域に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルを電荷発生領域に形成する傾斜ポテンシャル形成領域を含んでいる。これにより、転送領域に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルを電荷発生領域に形成することができ、電荷発生領域内における電荷の移動速度を速くすることができる。よって、この光センサによれば、受光領域の面積が大きい場合でも電荷を高速に転送することができる。

【0008】

少なくとも１つの転送ゲート電極は、第１転送ゲート電極と、第１転送ゲート電極に対して電荷発生領域側に配置された第２転送ゲート電極と、を含んでいてもよい。この場合、後述するように、ノイズ発生の抑制やダイナミックレンジの拡大が可能となる。

【0009】

電荷発生領域で発生した電荷を電荷収集領域に転送する電荷転送処理においては、第１転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルである第１ポテンシャル、及び第２転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルである第２ポテンシャルが、電荷発生領域における転送領域との境界部のポテンシャル以下となった後に、境界部のポテンシャルよりも高くなるように、第１転送ゲート電極及び第２転送ゲート電極に電位が与えられてもよい。この場合、第１転送ゲート電極及び第２転送ゲート電極を用いて電荷発生領域から電荷収集領域に電荷を高速に転送することができると共に、電荷転送後に電荷発生領域から電荷収集領域に電荷が移動するのを抑制することができる。

【0010】

電荷転送処理においては、第２ポテンシャルが第１ポテンシャルよりも高くなるように、第１転送ゲート電極及び第２転送ゲート電極に電位が与えられてもよい。この場合、電荷が第１転送ゲート電極の直下の領域から電荷発生領域に戻ってしまうことを抑制することができ、ノイズの発生を抑制することができる。また、第１転送ゲート電極の直下の領域の容量を利用して電荷の読出し量を増加させることができ、ダイナミックレンジを広げることができる。

【0011】

第１転送ゲート電極の電位と第２転送ゲート電極の電位とが互いに等しい状態において、第２ポテンシャルは、第１ポテンシャルよりも高くてもよい。この場合、第１転送ゲート電極及び第２転送ゲート電極に同一の電位を与えることによって第２ポテンシャルを第１ポテンシャルよりも高くすることができる。その結果、例えば、第１転送ゲート電極及び第２転送ゲート電極に異なる大きさの電位を与えることによって第２ポテンシャルを第１ポテンシャルよりも高くする場合と比べて、電位を与えるための構成を簡易化することができる。

【0012】

転送領域は、第２ポテンシャルを第１ポテンシャルよりも高くするためのポテンシャル調整層を含んでいてもよい。この場合、ポテンシャル調整層によって第２ポテンシャルを第１ポテンシャルよりも高くすることができる。

【0013】

電荷転送処理における第１ポテンシャル及び第２ポテンシャルが境界部のポテンシャル以下である状態においては、第２ポテンシャルが境界部のポテンシャルと等しく、第１ポテンシャルが境界部のポテンシャルよりも低くてもよい。この場合、第２転送ゲート電極の直下の領域に電荷が蓄積されるのを抑制することができ、第２転送ゲート電極の直下の領域から電荷発生領域に電荷が戻ってしまうことに起因するノイズの発生を抑制することができる。

【0014】

電荷転送処理においては、第１ポテンシャル及び第２ポテンシャルが境界部のポテンシャル以下である状態から、第２ポテンシャルが境界部のポテンシャルよりも高くなった後に、第１ポテンシャルが境界部のポテンシャルよりも高くなってもよい。この場合、電荷が第１転送ゲート電極の直下の領域から電荷発生領域に戻ってしまうことを確実に抑制することができ、ノイズの発生を確実に抑制することができる。

【0015】

アバランシェ増倍領域は、所定の平面に沿って層状に形成されており、平面に垂直な方向において転送ゲート電極がアバランシェ増倍領域に対して位置する側を第１側とし、第１側とは反対側を第２側とすると、傾斜ポテンシャル形成領域は、アバランシェ増倍領域に対して第１側に位置していてもよい。この場合、転送ゲート電極に近い領域に存在する電荷の割合が多くなり、電荷を一層高速に転送することが可能となる。また、傾斜ポテンシャルが転送ゲート電極の近くに形成されることによっても、電荷を一層高速に転送することが可能となる。

【0016】

傾斜ポテンシャル形成領域は、転送領域に近づくにつれて不純物濃度が高くなるように配列された複数の半導体領域を含んでいてもよい。この場合、傾斜ポテンシャルを電荷発生領域に好適に形成することができる。

【0017】

傾斜ポテンシャル形成領域は、第１部分及び第２部分を含む第１半導体領域と、第１半導体領域よりも高い不純物濃度を有し、第１部分と第２部分との間に配置され、転送領域に近づくにつれて幅が拡大する第２半導体領域と、を含んでいてもよい。この場合、傾斜ポテンシャルを電荷発生領域に好適に形成することができる。

【0018】

アバランシェ増倍領域は、所定の平面に沿って層状に形成されており、平面に垂直な方向において転送ゲート電極がアバランシェ増倍領域に対して位置する側を第１側とし、第１側とは反対側を第２側とすると、傾斜ポテンシャル形成領域は、アバランシェ増倍領域に対して第２側に位置していてもよい。この場合、傾斜ポテンシャルの傾斜高さに関する制限が生じ難いため、傾斜ポテンシャルの傾きを大きくすることができ、電荷を一層高速に転送することができる。また、傾斜ポテンシャルによって集められた電荷がアバランシェ増倍領域において増倍されるため、増倍の発生箇所を限定することができ、増倍の均一性を高めることができる。

【0019】

傾斜ポテンシャル形成領域は、第１半導体層と、第１半導体層に対して第２側に位置する第２半導体層と、を含み、第１半導体層と第２半導体層との間に段差部が形成されていることにより、傾斜ポテンシャルが形成されてもよい。この場合、傾斜ポテンシャルを電荷発生領域に好適に形成することができる。

【0020】

第１半導体層には貫通孔が形成されており、貫通孔は、平面に垂直な方向において、電荷発生領域における転送領域との境界部と重なっていてもよい。この場合、傾斜ポテンシャルにより案内された電荷を電荷発生領域における転送領域との境界部に集めることができる。

【0021】

電荷発生領域は、埋め込みフォトダイオード構造を有していてもよい。この場合、電荷発生領域における暗電流の発生を抑制することができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、受光領域の面積が大きい場合でも電荷を高速に転送することができる光センサを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】実施形態に係る光検出装置の構成図である。

【図2】図１のII－II線に沿っての断面図である。

【図3】（ａ）及び（ｂ）は、光センサの動作例を説明するためのポテンシャル分布図である。

【図4】（ａ）及び（ｂ）は、光センサの動作例を説明するためのポテンシャル分布図である。

【図5】第１変形例に係る光センサの動作例を説明するためのポテンシャル分布図である。

【図6】第２変形例に係る光センサの平面図である。

【図7】第３変形例に係る光センサの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［光検出装置］

【0025】

図１に示されるように、光検出装置１００は、光センサ（イメージセンサ）１と、制御部７０と、を備えている。制御部７０は、光センサ１を制御する。制御部７０は、例えば、光センサ１を構成する半導体基板上に搭載されたオンチップの集積回路によって構成されているが、光センサ１と別体に構成されてもよい。

【0026】

図１及び図２に示されるように、光センサ１は、半導体層２、電極層４及び保護層６を備えている。半導体層２は、第１表面２ａ及び第２表面２ｂを有している。第２表面２ｂは、第１表面２ａとは反対側の表面である。光センサ１は、第１表面２ａに沿って配置された複数の画素１０を含んでいる。複数の画素１０は、例えば、第１表面２ａに沿って２次元に配列されている。以下、半導体層２の厚さ方向をＺ方向といい、Ｚ方向に垂直な一方向をＸ方向といい、Ｚ方向及びＸ方向の両方に垂直な方向をＹ方向という。また、Ｚ方向における一方側を第１側といい、Ｚ方向における他方側（第１側とは反対側）を第２側という。図１では、一部の構成（電極層４の一部及び保護層６等）の図示が省略されている。

【0027】

各画素１０は、半導体層２において、半導体領域２１と、半導体領域２２と、アバランシェ増倍領域２３と、電荷蓄積領域２４と、介在領域２５と、ウェル領域３１，３２と、電荷収集領域３３と、チャネル領域３４と、を有している。各領域２１～２６，３１～３４は、半導体基板（例えばシリコン基板）に対して各種処理（例えば、エッチング、成膜、不純物注入等）を実施することにより形成される。

【0028】

半導体領域２１は、ｐ型（第１導電型）の領域であって、半導体層２において第２表面２ｂに沿って層状に形成されている。半導体領域２１のキャリア濃度は、半導体領域２２のキャリア濃度よりも高い。半導体領域２１の厚さは、できるだけ薄いことが望ましい。一例として、半導体領域２１は、１×１０^１６ｃｍ^－３以上のキャリア濃度（不純物濃度）を有するｐ型の領域であり、その厚さは、１μｍ程度である。なお、半導体領域２１は、第２表面２ｂ上に絶縁膜を介して形成された透明電極によるアキュムレーションによって形成されてもよい。

【0029】

半導体領域２２は、ｐ型の領域であって、半導体層２において層状に形成され、半導体領域２１に対して第１側に位置している。一例として、半導体領域２２は、１×１０^１５ｃｍ^－３以下のキャリア濃度を有するｐ型の領域であり、その厚さは、２μｍ以上であり、一例としては１０μｍ程度である。

【0030】

アバランシェ増倍領域２３は、第１増倍領域２３ａ及び第２増倍領域２３ｂを含んでいる。第１増倍領域２３ａは、ｐ型の領域であって、半導体層２において層状に形成され、半導体領域２２に対して第１側に位置している。一例として、第１増倍領域２３ａは、１×１０^１６ｃｍ^－３以上のキャリア濃度を有するｐ型の領域であり、その厚さは、１μｍ程度である。第２増倍領域２３ｂは、ｎ型（第２導電型）の領域であって、半導体層２において層状に形成され、第１増倍領域２３ａに対して第１側に位置している。一例として、第２増倍領域２３ｂは、１×１０^１６ｃｍ^－３以上のキャリア濃度を有するｎ型の領域であり、その厚さは、１μｍ程度である。第１増倍領域２３ａ及び第２増倍領域２３ｂは、ｐｎ接合を形成している。アバランシェ増倍領域２３は、アバランシェ増倍を引き起こす領域である。

【0031】

電荷蓄積領域２４は、ｎ型の領域であって、半導体層２において層状に形成され、アバランシェ増倍領域２３に対して第１側に位置している。一例として、電荷蓄積領域２４の厚さは、１μｍ程度である。電荷蓄積領域２４の詳細については後述する。

【0032】

介在領域２５は、ｐ型の領域であって、半導体層２において第１表面２ａに沿って層状に形成され、電荷蓄積領域２４に対して第１側に位置している。すなわち、介在領域２５は、電荷蓄積領域２４とは異なる導電型を有している。半導体領域２１、半導体領域２２、第１増倍領域２３ａ、第２増倍領域２３ｂ、電荷蓄積領域２４及び介在領域２５は、ＸＹ平面（Ｚ方向に垂直な平面）に沿って層状に形成されており、Ｚ方向に沿ってこの順に並んでいる。一例として、介在領域２５は、１×１０^１５ｃｍ^－３以上のキャリア濃度を有するｐ型の領域であり、その厚さは、０．２μｍ程度である。

【0033】

電荷蓄積領域２４及び介在領域２５は、ｐｎ接合を形成しており、埋め込みフォトダイオードを構成している。すなわち、電荷発生領域２９は、埋め込みフォトダイオード構造を有している。半導体領域２１，２２、アバランシェ増倍領域２３、電荷蓄積領域２４及び介在領域２５は、入射光に応じて電荷を発生させる電荷発生領域（光吸収領域、光電変換領域）２９として機能する。換言すれば、電荷発生領域２９は、半導体領域２１，２２、アバランシェ増倍領域２３、電荷蓄積領域２４及び介在領域２５を含んでいる。

【0034】

ウェル領域３１，３２は、ｐ型の領域であって、半導体層２において第１表面２ａに沿って層状に形成されている。ウェル領域３１，３２は、アバランシェ増倍領域２３に対して第１側に位置している。ウェル領域３１は、電荷蓄積領域２４及び介在領域２５とＸ方向において隣り合うように配置されている。ウェル領域３２は、Ｚ方向から見た場合に電荷蓄積領域２４、介在領域２５及びウェル領域３１を囲むように配置されている。一例として、ウェル領域３１，３２は、１×１０^１６～５×１０^１７ｃｍ^－３のキャリア濃度を有するｐ型の領域であり、その厚さは、１μｍ程度である。ウェル領域３１，３２は、複数の読出し回路（例えば、ソースフォロワアンプ、リセットトランジスタ等）を構成している。複数の読出し回路は、電荷収集領域３３と電気的に接続されている。

【0035】

ウェル領域３１，３２には、電荷収集領域３３及びチャネル領域３４が形成されている。電荷収集領域３３は、ｎ型の領域であって、半導体層２において第１表面２ａに沿って層状に形成され、ウェル領域３１，３２の間の境界部に配置されている。一例として、電荷収集領域３３は、１×１０^１８ｃｍ^－３以上のキャリア濃度を有するｎ型の領域であり、その厚さは、０．２μｍ程度である。電荷収集領域３３は、フローティングディフージョンとして機能する。チャネル領域３４は、ｎ型の領域であって、半導体層２において第１表面２ａに沿って層状に形成され、ウェル領域３２に配置されている。介在領域２５、電荷収集領域３３及びチャネル領域３４は、Ｘ方向に沿ってこの順に並んでいる。図１の例では電荷収集領域３３の幅（Ｙ方向に沿っての長さ）が第４領域５４の幅（Ｙ方向に沿っての長さ）よりも小さいが、電荷収集領域３３の幅は第４領域５４の幅と同程度であってもよい。この場合、同じ幅の転送経路によりスムーズに電荷転送が行われる。

【0036】

電極層４は、半導体層２の第１表面２ａ上に設けられている。各画素１０は、電極層４において、転送ゲート電極４１と、排出ゲート電極４２と、を有している。転送ゲート電極４１及び排出ゲート電極４２は、電極層４に形成され、絶縁層４９を介して半導体層２の第１表面２ａ上に配置されている。絶縁層４９は、例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等である。転送ゲート電極４１及び排出ゲート電極４２は、例えばポリシリコンによって形成されている。

【0037】

転送ゲート電極４１は、ウェル領域３１における介在領域２５と電荷収集領域３３との間の転送領域３５上に配置されている。転送領域３５は、転送ゲート電極４１の直下の領域である。転送ゲート電極４１は、第１転送ゲート電極４３と、第２転送ゲート電極４４と、を有している。第２転送ゲート電極４４は、第１転送ゲート電極４３に対して介在領域２５側に配置されている。なお、本明細書において、「或る電極の直下の領域」とは、Ｚ方向において当該電極と重なる領域を意味する。

【0038】

第２転送ゲート電極４４は、第１転送ゲート電極４３に乗り上げるように形成されており、第１転送ゲート電極４３上に配置された乗上げ部分４４ａを有している。第１転送ゲート電極４３の表面には絶縁層４５が形成されており、第１転送ゲート電極４３は、絶縁層４５により第２転送ゲート電極４４から電気的に分離されている。第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４の各々は、Ｚ方向から見た場合に、長辺がＹ方向に平行な長方形状を呈している。

【0039】

転送領域３５には、ポテンシャル調整層３６が形成されている。ポテンシャル調整層３６は、Ｚ方向において第２転送ゲート電極４４と重なるように配置されており、Ｘ方向において介在領域２５と隣り合っている。一例として、ポテンシャル調整層３６は、１×１０^１５～１×１０^１８ｃｍ^－３程度のキャリア濃度を有するＰ型の領域であり、その厚さは、０．１μｍ程度である。

【0040】

ポテンシャル調整層３６が形成されていることにより、図３（ａ）に示されるように、第２転送ゲート電極４４の直下の領域のポテンシャルである第２ポテンシャルφ４４は、第１転送ゲート電極４３の直下の領域のポテンシャルである第１ポテンシャルφ４３よりも高くなっている。図３（ａ）には、Ｘ方向に沿ってのポテンシャル分布図が示されている。図３（ａ）に示される状態において、第１転送ゲート電極４３の電位と第２転送ゲート電極４４の電位とは互いに等しい。

【0041】

排出ゲート電極４２は、ウェル領域３２における電荷収集領域３３とチャネル領域３４との間の領域上に配置されている。排出ゲート電極４２は、例えば、Ｘ方向において向かい合う２辺、及びＹ方向において向かい合う２辺を有する矩形状を呈している。電極層４は、保護層６によって覆われている。保護層６は、例えばＢＰＳＧ（Boro-phospho silicate glass）膜等の絶縁層である。

【0042】

図１及び図２に示されるように、電荷蓄積領域２４は、第１領域５１、第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４を有している。各領域５１～５４は、ｎ型の領域である。領域５１～５４の不純物濃度は、第１領域５１、第２領域５２、第３領域５３、第４領域５４の順に高くなっている。すなわち、第２領域５２は、第１領域５１よりも高い不純物濃度を有し、第３領域５３は、第２領域５２よりも高い不純物濃度を有し、第４領域５４は、第３領域５３よりも高い不純物濃度を有する。第１領域５１の不純物濃度は１×１０^１３～１×１０^１６ｃｍ^－３程度である。第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４の不純物濃度は１×１０^１６～１×１０^１９ｃｍ^－３程度である。なお、第１領域５１は、ｐ型の領域であってもよい。この場合でも、第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４との間で発生する空乏層によって第１領域５１の一部においてポテンシャルが高くなり、電荷を蓄積することができる。

【0043】

第１領域５１は、Ｚ方向から見た場合に矩形状を呈している。第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４は、Ｘ方向に沿ってこの順に並んでいる。第４領域５４は、Ｘ方向において転送領域３５と隣り合っている。すなわち、第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４は、転送領域３５に近づくにつれて不純物濃度が高くなるように配列されている。Ｚ方向から見た場合に、第２領域５２、第３領域５３、第４領域５４、第２転送ゲート電極４４、第１転送ゲート電極４３、電荷収集領域３３は、Ｘ方向に沿ってこの順に並んでいる。第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４は、Ｙ方向において第１領域５１の第１部分５１ａと第２部分５１ｂとの間に配置されている。

【0044】

Ｚ方向から見た場合に、第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４により画定される領域の幅（Ｙ方向に沿っての長さ）Ｗ１は、転送領域３５に近づくにつれて連続的に増加している。第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４の各々は、Ｚ方向から見た場合に台形状を呈している。幅Ｗ１は、第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４の各々において直線的に増加している。幅Ｗ１は、第２領域５２と第３領域５３との間の境界、及び第３領域５３と第４領域５４との間の境界の各々において連続している。

【0045】

電荷蓄積領域２４が第１領域５１、第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４を有していることにより、図３及び図４に示されるように、電荷蓄積領域２４には、転送領域３５に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルＡが形成されている。図３及び図４には、Ｘ方向に沿ってのポテンシャル分布図が示されている。この例では、電荷蓄積領域２４のポテンシャルφ２４は、転送領域３５に近づくにつれて直線的に減少している。このように、第１領域５１、第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４（電荷蓄積領域２４）は、傾斜ポテンシャルＡを形成する傾斜ポテンシャル形成領域５９として機能する。傾斜ポテンシャル形成領域５９は、Ｚ方向においてアバランシェ増倍領域２３に対して第１側に位置している。第１側は、Ｚ方向において転送ゲート電極４１がアバランシェ増倍領域２３に対して位置する側である。
［光検出方法］

【0046】

図３及び図４を参照しつつ、光センサ１による光検出動作の例を説明する。以下の動作は、制御部７０が光センサ１を制御することにより実現される。より具体的には、制御部７０が転送ゲート電極４１及び排出ゲート電極４２に印加される電圧を制御することにより、光センサ１の動作が実現される。以下では、１つの画素１０に着目して動作を説明するが、他の画素１０の動作についても同様である。

【0047】

まず、電荷を電荷蓄積領域２４に蓄積する電荷蓄積処理が実行される。電荷蓄積処理では、介在領域２５の電位を基準として負の電圧（例えば－５０Ｖ）が半導体領域２１に印加される。つまり、アバランシェ増倍領域２３に形成されたｐｎ接合に逆方向バイアスが印加される。これにより、アバランシェ増倍領域２３に３×１０^５～４×１０^５Ｖ／ｃｍの電界強度が発生する。この状態において、第２表面２ｂから半導体層２に光が入射すると、半導体領域２１，２２において光の吸収により電子（電荷）が発生する。発生した電荷は、アバランシェ増倍領域２３で増倍され、電荷蓄積領域２４に移動する。光センサ１では、電荷発生領域２９のうちＺ方向において電荷蓄積領域２４と重なる領域が受光領域として機能する。なお、介在領域２５は、接地電極に電気的に接続されており、接地されている。

【0048】

図３（ａ）に示されるように、電荷蓄積領域２４に移動した電荷は、電荷蓄積領域２４に蓄積される。上述したように、電荷蓄積領域２４には、転送領域３５に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルＡが形成されている。そのため、電荷は、電荷蓄積領域２４内において転送領域３５側に向けて高速で移動する。

【0049】

電荷蓄積処理中には、第１転送ゲート電極４３の直下の領域の第１ポテンシャルφ４３及び第２転送ゲート電極４４の直下の領域の第２ポテンシャルφ４４が、傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａよりも高くなるように、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に電位が与えられる。傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａは、電荷蓄積領域２４における転送領域３５との境界部のポテンシャルに対応する。これにより、電荷が電荷蓄積領域２４から電荷収集領域３３に移動せず、電荷蓄積領域２４に蓄積される。

【0050】

この例では、制御部７０は、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に印加する電圧をオンオフの２段階で制御する。電荷蓄積処理中には、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に印加する電圧がオフとされている。第１転送ゲート電極４３に印加するオフ電圧は、第２転送ゲート電極４４に印加するオフ電圧と等しく、例えば０Ｖである。図３（ａ）に示されるように、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に印加される電圧がオフである状態において、第２ポテンシャルφ４４は第１ポテンシャルφ４３よりも高い。なお、図３（ａ）に示されるように、電荷蓄積処理の開始時点において、電荷収集領域３３及びチャネル領域３４には一定量の電荷Ｂが残存している。電荷Ｂは、後述するリセット処理時に電荷収集領域３３及びチャネル領域３４に残存する電荷である。

【0051】

続いて、電荷を電荷収集領域３３に転送する電荷転送処理が実行される。電荷転送処理では、第１ポテンシャルφ４３及び第２ポテンシャルφ４４が傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａ以下となった後にポテンシャルＰａよりも高くなるように、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に電位が与えられる。

【0052】

より具体的には、まず、図３（ｂ）に示されるように、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に印加する電圧がオンとされ、第１ポテンシャルφ４３及び第２ポテンシャルφ４４が傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａ以下になる。この状態においては、第２ポテンシャルφ４４はポテンシャルＰａと等しく、第１ポテンシャルφ４３はポテンシャルＰａよりも低い。これにより、電荷蓄積領域２４に蓄積されていた電荷が、第１転送ゲート電極４３の直下の領域及び電荷収集領域３３に移動する。第２転送ゲート電極４４の直下の領域には電荷が蓄積されない。図３（ｂ）に示される状態において、第１ポテンシャルφ４３は、電荷収集領域３３のポテンシャルφ３３と等しい。なお、電荷収集領域３３のポテンシャルφ３３及びチャネル領域３４のポテンシャルφ３４は、ポテンシャルＰａよりも低くなっている。

【0053】

この例では、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４のオン電圧は、互いに等しい。図３（ｂ）に示されるように、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に印加される電圧がオンである状態において、第２ポテンシャルφ４４は第１ポテンシャルφ４３よりも高い。

【0054】

続いて、図４（ａ）に示されるように、第１転送ゲート電極４３に印加する電圧がオンとされたまま、第２転送ゲート電極４４に印加する電圧がオフとされ、第２ポテンシャルφ４４が傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａよりも高くなる。このとき、第２転送ゲート電極４４の直下の領域には電荷が蓄積されていないので、電荷の移動は発生しない。

【0055】

続いて、図４（ｂ）に示されるように、第１転送ゲート電極４３に印加する電圧がオフとされ、第１ポテンシャルφ４３が傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａよりも高くなる。これにより、第１転送ゲート電極４３の直下の領域に蓄積されていた電荷が電荷収集領域３３に移動する。このように、電荷転送処理では、第１ポテンシャルφ４３及び第２ポテンシャルφ４４がポテンシャルＰａ以下である状態（図３（ｂ））から、第２ポテンシャルφ４４がポテンシャルＰａよりも高くなった後に（図４（ａ））、第１ポテンシャルφ４３がポテンシャルＰａよりも高くなる（図４（ｂ））。

【0056】

図３（ｂ）、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるいずれの状態においても、第２ポテンシャルφ４４は第１ポテンシャルφ４３よりも高い。これにより、電荷が第１転送ゲート電極４３の直下の領域から電荷蓄積領域２４に戻ってしまうことを抑制することができる。

【0057】

続いて、電荷収集領域３３に蓄積されている電荷を読み出す読出処理が実行される。電荷収集領域３３に蓄積されている電荷は、上述した読出し回路により読み出される。続いて、電荷収集領域３３をリセットするリセット処理が実行される。リセット処理では、排出ゲート電極４２の直下の領域のポテンシャルφ４２が低くなるように排出ゲート電極４２の電位が制御される。これにより、電荷収集領域３３内の電荷がチャネル領域３４を介して外部に排出され、電荷収集領域３３がリセットされる。リセット処理の完了後、ポテンシャルφ４２は元に戻される。
［作用及び効果］

【0058】

光センサ１では、電荷発生領域２９が、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域２３を含んでいる。これにより、電荷発生領域２９においてアバランシェ増倍を発生させることができ、高感度化を図ることができる。また、電荷発生領域２９が、転送領域３５に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルＡを電荷発生領域２９に形成する傾斜ポテンシャル形成領域５９を含んでいる。これにより、転送領域３５に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルＡを電荷発生領域２９に形成することができ、電荷発生領域２９内における電荷の移動速度を速くすることができる。よって、光センサ１によれば、受光領域の面積が大きい場合でも電荷を高速に転送することができる。

【0059】

光センサ１が、第１転送ゲート電極４３と、第１転送ゲート電極４３に対して電荷発生領域２９側に配置された第２転送ゲート電極４４と、を含んでいる。これにより、後述するように、ノイズ発生の抑制やダイナミックレンジの拡大が可能となる。

【0060】

電荷発生領域２９で発生した電荷を電荷収集領域３３に転送する電荷転送処理において、第１転送ゲート電極４３の直下の領域のポテンシャルである第１ポテンシャルφ４３、及び第２転送ゲート電極４４の直下の領域のポテンシャルである第２ポテンシャルφ４４が、傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａ（電荷発生領域２９における転送領域３５との境界部のポテンシャル）以下となった後に、ポテンシャルＰａよりも高くなるように、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に電位が与えられる。これにより、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４を用いて電荷発生領域２９から電荷収集領域３３に電荷を高速に転送することができると共に、電荷転送後に電荷発生領域２９から電荷収集領域３３に電荷が移動するのを抑制することができる。

【0061】

電荷転送処理においては、第２ポテンシャルφ４４が第１ポテンシャルφ４３よりも高くなるように、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に電位が与えられる。これにより、電荷が第１転送ゲート電極４３の直下の領域から電荷蓄積領域２４（電荷発生領域２９）に戻ってしまうことを抑制することができ、ノイズの発生を抑制することができる。また、第１転送ゲート電極４３の直下の領域の容量を利用して電荷の読出し量を増加させることができ、ダイナミックレンジを広げることができる。

【0062】

この点について図５を参照しつつ更に説明する。図５は、第１変形例に係る光センサの動作例を説明するためのポテンシャル分布図である。第１変形例の転送ゲート電極４１Ａは、単一の電極のみにより構成されている。第１変形例においても、転送ゲート電極４１Ａの直下の領域のポテンシャルであるポテンシャルφ４１Ａが傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａ以下となった後にポテンシャルＰａよりも高くなるように転送ゲート電極４１Ａに電位を与えることで、電荷転送を行うことができる。したがって、上記実施形態と同様に、高感度化を図ると共に、受光領域の面積が大きい場合でも電荷を高速に転送することができる。

【0063】

ただし、第１変形例では、図５に示されるように、電荷の読出し量は、傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａと電荷収集領域３３のポテンシャルφ３３との間の差ＤＦに対応した量となる。一方、上記実施形態では、第１転送ゲート電極４３の直下の領域の容量を電荷の読出し量として利用することができるため、図４（ａ）及び図４（ｂ）に矢印ＡＲで示されるように、電荷の読出し量は、第１変形例の場合と比べて、第１転送ゲート電極４３の直下の領域の容量の分だけ大きくなる。このように、上記実施形態によれば、第１転送ゲート電極４３の直下の領域の容量を利用して電荷の読出し量を増加させることができ、ダイナミックレンジを広げることができる。

【0064】

第１転送ゲート電極４３の電位と第２転送ゲート電極４４の電位とが互いに等しい状態において、第２ポテンシャルφ４４が、第１ポテンシャルφ４３よりも高い。これにより、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に同一の電位を与えることによって第２ポテンシャルφ４４を第１ポテンシャルφ４３よりも高くすることができる。その結果、例えば、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に異なる大きさの電位を与えることによって第２ポテンシャルφ４４を第１ポテンシャルφ４３よりも高くする場合と比べて、電位を与えるための構成を簡易化することができる。

【0065】

転送領域３５が、第２ポテンシャルφ４４を第１ポテンシャルφ４３よりも高くするためのポテンシャル調整層３６を含んでいる。これにより、ポテンシャル調整層３６によって第２ポテンシャルφ４４を第１ポテンシャルφ４３よりも高くすることができる。

【0066】

電荷転送処理における第１ポテンシャルφ４３及び第２ポテンシャルφ４４が傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａ以下である状態においては、第２ポテンシャルφ４４がポテンシャルＰａと等しく、第１ポテンシャルφ４３がポテンシャルＰａよりも低い。これにより、第２転送ゲート電極４４の直下の領域に電荷が蓄積されるのを抑制することができ、第２転送ゲート電極４４の直下の領域から電荷蓄積領域２４（電荷発生領域２９）に電荷が戻ってしまうことに起因するノイズの発生を抑制することができる。

【0067】

電荷転送処理においては、第１ポテンシャルφ４３及び第２ポテンシャルφ４４が傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａ以下である状態から、第２ポテンシャルφ４４がポテンシャルＰａよりも高くなった後に、第１ポテンシャルφ４３がポテンシャルＰａよりも高くなる。これにより、電荷が第１転送ゲート電極４３の直下の領域から電荷蓄積領域２４（電荷発生領域２９）に戻ってしまうことを確実に抑制することができ、ノイズの発生を確実に抑制することができる。これは、第１ポテンシャルφ４３及び第２ポテンシャルφ４４を同時に高くする場合と比べて、第１転送ゲート電極４３の直下の領域と電荷蓄積領域２４との間の電位障壁を高くすることができるためである。

【0068】

電荷発生領域２９がアバランシェ増倍領域２３を含む構成において電荷発生領域２９に傾斜ポテンシャルＡを形成する場合、以下の理由により、傾斜ポテンシャルＡの傾斜高さを確保することは難しい。第１に、傾斜高さを高くするためには、傾斜ポテンシャルＡの上端のポテンシャルＰｂを高くすることが考えられる。しかしながら、介在領域２５と半導体領域２１との間に短絡が発生しないようにするためには、ポテンシャルＰｂを図５に示されるパンチスルーラインＰＬよりも低くする必要がある。また、ポテンシャルＰｂを高くするためには傾斜ポテンシャルＡの上端の電位を低くする必要があるが、その場合、傾斜ポテンシャルＡの上端において介在領域２５と半導体領域２１との間にリーク電流が発生するおそれがある。そのため、ポテンシャルＰｂを高くすることには制限がある。また、電位が低い傾斜ポテンシャルＡの上端においては逆バイアス電圧が低くなるため、アバランシェ増倍領域２３のうち傾斜ポテンシャルＡの上端に対応する部分において増倍率が低下するおそれがある。

【0069】

第２に、傾斜高さを高くするためには、傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａ（空乏化電位）を低くすることが考えられる。しかしながら、ポテンシャルＰａを低くすると、ポテンシャルＰａと電荷収集領域３３のポテンシャルφ３３との間の差ＤＦ（図５）が小さくなり、電荷の読出し量が低下する。そのため、ポテンシャルＰａを低くすることにも制限がある。

【0070】

これに対して、上記実施形態の光センサ１では、上述したとおり、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４を用いて電荷を電荷収集領域３３に転送するため、ノイズの発生を抑制することができると共に、第１転送ゲート電極４３の直下の領域の容量を利用して電荷の読出し量を増加させることができ、ダイナミックレンジを広げることができる。その結果、ダイナミックレンジを大きく確保しつつ、傾斜ポテンシャルＡの傾斜高さを大きく確保することができる。

【0071】

傾斜ポテンシャル形成領域５９が、アバランシェ増倍領域２３に対して第１側に位置している。これにより、転送ゲート電極４１に近い領域に存在する電荷の割合が多くなり、電荷を一層高速に転送することが可能となる。また、傾斜ポテンシャルＡが転送ゲート電極４１の近くに形成されることによっても、電荷を一層高速に転送することが可能となる。

【0072】

傾斜ポテンシャル形成領域５９が、転送領域３５に近づくにつれて不純物濃度が高くなるように配列された第２領域５２、第３領域５３及び第４領域５４を含んでいる。これにより、傾斜ポテンシャルＡを電荷発生領域２９に好適に形成することができる。

【0073】

電荷発生領域２９が、埋め込みフォトダイオード構造を有している。これにより、電荷発生領域２９における暗電流の発生を抑制することができる。
［変形例］

【0074】

図６に示される第２変形例の電荷蓄積領域２４Ａは、第１領域（第１半導体領域）５５と、第２領域（第２半導体領域）５６と、を含んでいる。第１領域５５は、第１部分５５ａ及び第２部分５５ｂを含んでいる。第２領域５６は、Ｙ方向において第１部分５５ａと第２部分５５ｂとの間に配置されている。第１領域５５及び第２領域５６は、ｎ型の領域である。第２領域５６は、第１領域５５よりも高い不純物濃度を有している。第１領域５５の不純物濃度は１×１０^１３～１×１０^１６ｃｍ^－３程度であり、第２領域５６の不純物濃度は１×１０^１６～１×１０^１９ｃｍ^－３程度である。第１領域５５は、ｐ型の領域であってもよい。

【0075】

第２領域５６は、Ｘ方向において転送領域３５と隣り合っている。第２領域５６の幅（Ｙ方向に沿っての長さ）Ｗ２は、転送領域３５に近づくにつれて増加している。第１領域５５及び第２領域５６を有する電荷蓄積領域２４Ａは、転送領域３５に近づくにつれてポテンシャルが低くなるように傾斜した傾斜ポテンシャルＡを形成する傾斜ポテンシャル形成領域５９Ａとして機能する。傾斜ポテンシャル形成領域５９Ａは、Ｚ方向においてアバランシェ増倍領域２３に対して第１側に位置している。第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、高感度化を図ると共に、受光領域の面積が大きい場合でも電荷を高速に転送することができる。

【0076】

図７に示される第３変形例の光センサ１Ｂでは、傾斜ポテンシャル形成領域５９Ｂがアバランシェ増倍領域２３に対して第２側に位置している。傾斜ポテンシャル形成領域５９Ｂは、第１半導体層６１と、第１半導体層６１に対して第２側に位置する第２半導体層６２と、を含んでいる。第１半導体層６１には、Ｚ方向に沿って第１半導体層６１を貫通する貫通孔６３が形成されている。

【0077】

第１半導体層６１及び第２半導体層６２は、ｐ型の領域である。第１半導体層６１及び第２半導体層６２の不純物濃度は１×１０^１４～１×１０^１６ｃｍ^－３程度である。第１半導体層６１及び第２半導体層６２は、アバランシェ増倍領域２３の第１増倍領域２３ａを構成しているとみなすこともできる。換言すれば、アバランシェ増倍領域２３が第１半導体層６１及び第２半導体層６２を有しているとみなすこともできる。

【0078】

第３変形例では、第１半導体層６１と第２半導体層６２との間に段差部６４が形成されていることにより、傾斜ポテンシャルＡが形成されている。段差部６４は、第１半導体層６１の表面の一部が第２半導体層６２によって覆われていないことにより、当該一部と第２半導体層６２との間に形成されている。この例では、段差部６４は一対設けられており、それぞれＹ方向に沿って延在している。貫通孔６３は、Ｘ方向において一対の段差部６４の間に配置されている。

【0079】

電荷発生領域２９は、傾斜ポテンシャル形成領域５９Ｂに加えて、アバランシェ増倍領域２３に対して第１側に設けられた電荷蓄積領域２４Ｂを更に含んでいる。電荷蓄積領域２４Ｂは、ｎ型の領域である。電荷蓄積領域２４Ｂの不純物濃度は１×１０^１６～１×１０^１９ｃｍ^－３程度である。

【0080】

貫通孔６３は、Ｚ方向において、電荷発生領域２９における転送領域３５との境界部と重なっている。この例では、貫通孔６３は、Ｚ方向において電荷蓄積領域２４Ｂと重なっている。第３変形例では、傾斜ポテンシャルＡにより集められた電荷が貫通孔６３を通ってアバランシェ増倍領域２３に到達する。アバランシェ増倍領域２３で増倍された電荷は、電荷蓄積領域２４Ｂに蓄積される。電荷蓄積領域２４Ｂに蓄積された電荷は、転送ゲート電極４１を用いて電荷収集領域３３に転送される。なお、図７では転送ゲート電極４１が単一の電極により構成されているように描かれているが、転送ゲート電極４１は、上記実施形態と同様に、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４を有していてもよい。図７では、電極層４の一部及び保護層６等の図示が省略されている。介在領域２５上に配置された接地電極４６が図示されている。

【0081】

第３変形例によっても、上記実施形態と同様に、高感度化を図ると共に、受光領域の面積が大きい場合でも電荷を高速に転送することができる。また、傾斜ポテンシャル形成領域５９Ｂが、アバランシェ増倍領域２３に対して第２側に位置している。このような構造では、上述したような傾斜ポテンシャルＡの傾斜高さに関する制限が生じ難い。そのため、傾斜ポテンシャルＡの傾きを大きくすることができ、電荷を一層高速に転送することができる。また、傾斜ポテンシャルＡによって集められた電荷がアバランシェ増倍領域２３において増倍されるため、増倍の発生箇所を限定することができ、増倍の均一性を高めることができる。

【0082】

傾斜ポテンシャル形成領域５９Ｂでは、第１半導体層６１と第２半導体層６２との間に段差部６４が形成されていることにより、傾斜ポテンシャルＡが形成されている。これにより、傾斜ポテンシャルＡを電荷発生領域２９に好適に形成することができる。

【0083】

第１半導体層６１に形成された貫通孔６３が、Ｚ方向において、電荷発生領域２９における転送領域３５との境界部と重なっている。これにより、傾斜ポテンシャルＡにより案内された電荷を電荷発生領域２９における転送領域３５との境界部に集めることができる。

【0084】

本発明は、上記実施形態及び変形例に限られない。例えば、各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。

【0085】

上記実施形態では第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に同一の電位を与えることによって第２ポテンシャルφ４４を第１ポテンシャルφ４３よりも高くしたが、追加のバイアス回路を設け、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４４に異なる大きさの電位を与えることによって第２ポテンシャルφ４４を第１ポテンシャルφ４３よりも高くしてもよい。この場合、電荷転送処理の開始時及び終了時には、第１ポテンシャルφ４３と第２ポテンシャルφ４４とは等しくてもよい。

【0086】

転送ゲート電極４１は、単一の電極により構成されてもよい。この場合でも、上記実施形態のようにポテンシャル調整層３６を形成することで、第２ポテンシャルφ４４を第１ポテンシャルφ４３よりも高くすることができる。例えば、単一の電極により構成された転送ゲート電極４１のうち第２転送ゲート電極４４に対応する部分の下側に、ポテンシャル調整層３６が形成され得る。

【0087】

第１ポテンシャルφ４３及び第２ポテンシャルφ４４が傾斜ポテンシャルＡの下端のポテンシャルＰａ以下である状態から、第１ポテンシャルφ４３及び第２ポテンシャルφ４４が同時にポテンシャルＰａよりも高くなってもよい。ｐ型及びｎ型の各導電型は、上述したものに対して逆であってもよい。複数の画素１０は、半導体層２の第１表面２ａに沿って１次元に配列されていてもよい。光センサ１は、単一の画素１０のみを有していてもよい。光センサ１は、間接ＴＯＦ方式を利用して対象物の距離画像（対象物までの距離ｄに関する情報を含む画像）を取得する測距センサであってもよい。光センサ１は、各画素１０に２つ以上の電荷収集領域３３を備えていてもよい。光センサ１は、各画素１０に２つ以上の転送ゲート電極４１を備えていてもよい。

【0088】

上記実施形態及び変形例において、アバランシェ増倍領域２３が形成されていなくてもよい。すなわち、電荷発生領域２９は、アバランシェ増倍領域２３を含んでいなくてもよい。このような構成によっても、上記実施形態と同様に、受光領域の面積が大きい場合でも電荷を高速に転送することができる。

【符号の説明】

【0089】

１，１Ｂ…光センサ、２３…アバランシェ増倍領域、２９…電荷発生領域、３３…電荷収集領域、３５…転送領域、３６…ポテンシャル調整層、４１，４１Ａ…転送ゲート電極、４３…第１転送ゲート電極、４４…第２転送ゲート電極、５２…第２領域（半導体領域）、５３…第３領域（半導体領域）、５４…第４領域（半導体領域）、５５…第１領域（第１半導体領域）、５５ａ…第１部分、５５ｂ…第２部分、５６…第２領域（第２半導体領域）、５９，５９Ａ，５９Ｂ…傾斜ポテンシャル形成領域、６１…第１半導体層、６２…第２半導体層、６３…貫通孔、６４…段差部、Ａ…傾斜ポテンシャル、Ｐａ…傾斜ポテンシャルの下端のポテンシャル（電荷発生領域における転送領域との境界部のポテンシャル）、Ｗ２…幅、φ４３…第１ポテンシャル、φ４４…第２ポテンシャル。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】