特許 7604395 光検出装置、及び光センサの駆動方法

(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】2024-12-13

(45)【発行日】2024-12-23

(54)【発明の名称】光検出装置、及び光センサの駆動方法

(51)【国際特許分類】

   H04N 25/76 20230101AFI20241216BHJP

   G01S 7/4863 20200101ALI20241216BHJP

   H04N 25/621 20230101ALI20241216BHJP

   H04N 25/77 20230101ALI20241216BHJP

【ＦＩ】

H04N25/76

G01S7/4863

H04N25/621

H04N25/77

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021566909

(86)(22)【出願日】2020-11-16

(86)【国際出願番号】 JP2020042671

(87)【国際公開番号】W WO2021131397

(87)【国際公開日】2021-07-01

【審査請求日】2023-05-24

(31)【優先権主張番号】P 2019236239

(32)【優先日】2019-12-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】島田 明洋

(72)【発明者】

【氏名】間瀬 光人

(72)【発明者】

【氏名】平光 純

【審査官】彦田 克文

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００５／０８３７９０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／２１６４００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－２０６１３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ ２５／７６

Ｈ０４Ｎ ２５／７７

Ｈ０４Ｎ ２５／６２１

Ｇ０１Ｓ ７／４８６３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光センサと、
前記光センサを制御する制御部と、を備え、
前記光センサは、
入射光に応じて電荷を発生させる電荷発生領域と、
電荷蓄積領域と、
オーバーフロー領域と、
前記電荷発生領域と前記電荷蓄積領域との間の領域上に配置された転送ゲート電極と、
前記電荷蓄積領域とオーバーフロー領域との間の領域上に配置されたオーバーフローゲート電極と、を有し、
前記制御部は、
前記転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが前記電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように前記転送ゲート電極に電位を与えることにより、前記電荷発生領域で発生した電荷を前記電荷蓄積領域に転送する第１電荷転送処理と、
前記第１電荷転送処理の後に、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷量を読み出す第１読出処理と、を実行し、
前記第１電荷転送処理においては、前記オーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが前記電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように前記オーバーフローゲート電極に電位を与える、光検出装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記第１電荷転送処理を複数回実行した後に、前記第１読出処理を実行する、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項3】

前記電荷発生領域は、アバランシェ増倍領域を含む、請求項１又は２に記載の光検出装置。

【請求項4】

前記制御部は、
前記第１読出処理の後に、前記オーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが低下するように前記オーバーフローゲート電極に電位を与えることにより、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記オーバーフロー領域に転送する第２電荷転送処理と、
前記第２電荷転送処理の後に、前記電荷蓄積領域及び前記オーバーフロー領域に蓄積された総電荷量を読み出す第２読出処理と、を実行する、請求項１～３のいずれか一項に記載の光検出装置。

【請求項5】

前記光センサは、
不要電荷排出領域と、
前記電荷発生領域と前記不要電荷排出領域との間の領域上に配置された不要電荷転送ゲート電極と、を更に有し、
前記制御部は、前記第１電荷転送処理が実行される期間以外の期間に、前記不要電荷転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが前記電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように前記不要電荷転送ゲート電極に電位を与えることにより、前記電荷発生領域で発生した電荷を前記不要電荷排出領域に転送する不要電荷転送処理を実行する、請求項１～４のいずれか一項に記載の光検出装置。

【請求項6】

検出光を出射する光源を更に備え、
前記制御部は、対象物での前記検出光の反射光が前記電荷発生領域に入射する期間に、前記第１電荷転送処理を実行する、請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出装置。

【請求項7】

前記電荷発生領域上に配置されたフォトゲート電極を更に備え、
前記制御部は、前記第１電荷転送処理において、前記転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが前記電荷発生領域のポテンシャルよりも低く、且つ前記オーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが前記電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように、前記フォトゲート電極及び前記オーバーフローゲート電極に電位を与える、請求項１～６のいずれか一項に記載の光検出装置。

【請求項8】

前記オーバーフロー領域は、前記電荷蓄積領域の電荷蓄積容量よりも大きな電荷蓄積容量を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の光検出装置。

【請求項9】

光センサの駆動方法であって、
前記光センサは、
入射光に応じて電荷を発生させる電荷発生領域と、
電荷蓄積領域と、
オーバーフロー領域と、
前記電荷発生領域と前記電荷蓄積領域との間の領域上に配置された転送ゲート電極と、
前記電荷蓄積領域とオーバーフロー領域との間の領域上に配置されたオーバーフローゲート電極と、を備え、
前記光センサの駆動方法は、
前記転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが前記電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように前記転送ゲート電極に電位を与えることにより、前記電荷発生領域で発生した電荷を前記電荷蓄積領域に転送する電荷転送ステップと、
前記電荷転送ステップの後に、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷量を読み出す読出ステップと、を含み、
前記電荷転送ステップにおいては、前記オーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが前記電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように前記オーバーフローゲート電極に電位を与える、光センサの駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の一側面は、光センサを備える光検出装置、及び光センサの駆動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、入射光に応じて電荷を発生させるフォトダイオードと、フォトダイオードからの電荷を蓄積するフローティング領域と、フローティング領域から溢れた電荷を蓄積する蓄積容量素子と、を備える光センサが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開２００５／０８３７９０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の光センサでは、フローティング領域から溢れた電荷を蓄積容量素子に蓄積することができるが、蓄電容量素子へ溢れ出る程度にまでフローティング領域に電荷が蓄積された場合には、電荷の一部がフォトダイオードに残存してしまう。この場合、フォトダイオードに残存した電荷に起因して光の検出精度が低下するおそれがある。特に、或る期間の全体にわたって光を検出するのではなく、所定のタイミングで到来した光のみを検出するゲーティング機能を光センサに持たせた場合において上記事態が生じると、一の期間においてフォトダイオードに残存した電荷が他の期間において発生した電荷として読み出されることで、所定のタイミングで発生した電荷量を精度良く検出することができないおそれがある。

【0005】

本開示の一側面は、検出精度を向上することができる光検出装置及び光センサの駆動方法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】

本開示の一側面に係る光検出装置は、光センサと、光センサを制御する制御部と、を備え、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、電荷蓄積領域と、オーバーフロー領域と、電荷発生領域と電荷蓄積領域との間の領域上に配置された転送ゲート電極と、電荷蓄積領域とオーバーフロー領域との間の領域上に配置されたオーバーフローゲート電極と、を有し、制御部は、転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように転送ゲート電極に電位を与えることにより、電荷発生領域で発生した電荷を電荷蓄積領域に転送する第１電荷転送処理と、第１電荷転送処理の後に、電荷蓄積領域に蓄積された電荷量を読み出す第１読出処理と、を実行し、第１電荷転送処理においては、オーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるようにオーバーフローゲート電極に電位を与える。

【0007】

この光検出装置では、光センサが、オーバーフロー領域と、電荷蓄積領域とオーバーフロー領域との間の領域上に配置されたオーバーフローゲート電極と、を有している。これにより、電荷蓄積領域から溢れた電荷をオーバーフロー領域に蓄積することができ、蓄積容量の飽和を抑制することができる。更に、電荷発生領域で発生した電荷を電荷蓄積領域に転送する第１電荷転送処理の実行中に、オーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが、電荷発生領域のポテンシャルよりも低くされる。これにより、オーバーフロー領域へ溢れ出る程度にまで電荷蓄積領域に電荷が蓄積された場合でも、電荷が電荷発生領域に残存するのを抑制することができる。よって、この光検出装置によれば、検出精度を向上することができる。

【0008】

制御部は、第１電荷転送処理を複数回実行した後に、第１読出処理を実行してもよい。この場合、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。

【0009】

電荷発生領域は、アバランシェ増倍領域を含んでいてもよい。この場合、電荷発生領域においてアバランシェ増倍を引き起こすことができ、光センサの検出感度を高めることができる。一方、電荷発生領域にアバランシェ増倍領域が含まれる場合、発生する電荷量が極めて多くなる。この光検出装置では、そのような場合でも、蓄積容量の飽和を十分に抑制することができると共に、電荷発生領域への電荷の残存を十分に抑制することができる。

【0010】

制御部は、第１読出処理の後に、オーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが低下するようにオーバーフローゲート電極に電位を与えることにより、電荷蓄積領域に蓄積された電荷をオーバーフロー領域に転送する第２電荷転送処理と、第２電荷転送処理の後に、電荷蓄積領域及びオーバーフロー領域に蓄積された総電荷量を読み出す第２読出処理と、を実行してもよい。この場合、第１読出処理において電荷蓄積領域に蓄積された電荷量が読み出されるだけでなく、第２読出処理において電荷蓄積領域及びオーバーフロー領域に蓄積された総電荷量が読み出されるため、電荷量の検出精度を向上することができる。

【0011】

光センサは、不要電荷排出領域と、電荷発生領域と不要電荷排出領域との間の領域上に配置された不要電荷転送ゲート電極と、を更に有し、制御部は、第１電荷転送処理が実行される期間以外の期間に、不要電荷転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように不要電荷転送ゲート電極に電位を与えることにより、電荷発生領域で発生した電荷を不要電荷排出領域に転送する不要電荷転送処理を実行してもよい。この場合、第１電荷転送処理が実行される期間以外の期間に電荷発生領域で発生した電荷を不要電荷排出領域に転送することができ、電荷発生領域への電荷の残存を一層抑制することができる。

【0012】

本開示の一側面に係る光検出装置は、検出光を出射する光源を更に備え、制御部は、対象物での検出光の反射光が電荷発生領域に入射する期間に、第１電荷転送処理を実行してもよい。この場合、対象物での検出光の反射光が電荷発生領域に入射する期間に電荷発生領域で発生した電荷量を精度良く検出することができる。

【0013】

本開示の一側面に係る光検出装置は、電荷発生領域上に配置されたフォトゲート電極を更に備え、制御部は、第１電荷転送処理において、転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが電荷発生領域のポテンシャルよりも低く、且つオーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように、フォトゲート電極及びオーバーフローゲート電極に電位を与えてもよい。この場合、ポテンシャルの高さを精度良く調整することができる。

【0014】

オーバーフロー領域は、電荷蓄積領域の電荷蓄積容量よりも大きな電荷蓄積容量を有していてもよい。この場合、蓄積容量の飽和を効果的に抑制することができる。

【0015】

本開示の一側面に係る光センサの駆動方法は、光センサの駆動方法であって、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、電荷蓄積領域と、オーバーフロー領域と、電荷発生領域と電荷蓄積領域との間の領域上に配置された転送ゲート電極と、電荷蓄積領域とオーバーフロー領域との間の領域上に配置されたオーバーフローゲート電極と、を備え、光センサの駆動方法は、転送ゲート電極の直下の領域のポテンシャルが電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるように転送ゲート電極に電位を与えることにより、電荷発生領域で発生した電荷を電荷蓄積領域に転送する電荷転送ステップと、電荷転送ステップの後に、電荷蓄積領域に蓄積された電荷量を読み出す読出ステップと、を含み、電荷転送ステップにおいては、オーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが電荷発生領域のポテンシャルよりも低くなるようにオーバーフローゲート電極に電位を与える。

【0016】

この光センサの駆動方法では、光センサが、オーバーフロー領域と、電荷蓄積領域とオーバーフロー領域との間の領域上に配置されたオーバーフローゲート電極と、を有している。これにより、電荷蓄積領域から溢れた電荷をオーバーフロー領域に蓄積することができ、蓄積容量の飽和を抑制することができる。更に、電荷発生領域で発生した電荷を電荷蓄積領域に転送する電荷転送ステップの実行中に、オーバーフローゲート電極の直下の領域のポテンシャルが、電荷発生領域のポテンシャルよりも低くされる。これにより、オーバーフロー領域へ溢れ出る程度にまで電荷蓄積領域に電荷が蓄積された場合でも、電荷が電荷発生領域に残存するのを抑制することができる。よって、この光センサの駆動方法によれば、検出精度を向上することができる。

【発明の効果】

【0017】

本開示の一側面によれば、検出精度を向上することができる光検出装置及び光センサの駆動方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態に係る測距装置の構成図である。

【図2】測距センサの画素部の平面図である。

【図3】図２に示されるIII－III線に沿っての断面図である。

【図4】測距センサの回路図である。

【図5】測距センサの動作例を示すタイミングチャートである。

【図6】（ａ）～（ｄ）は、測距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7】比較例に係るイメージセンサの動作例を示すタイミングチャートである。

【図8】（ａ）～（ｄ）は、比較例に係るイメージ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9】第１変形例に係る測距センサの一部分の平面図である。

【図10】第１変形例に係る測距センサの動作例を示すタイミングチャートである。

【図11】第２変形例に係る測距センサの一部分の平面図である。

【図12】第２変形例に係る測距センサの動作例を示すタイミングチャートである。

【図13】第３変形例に係る測距センサの回路図である。

【図14】第２実施形態に係る光検出装置の構成図である。

【図15】第２実施形態に係るイメージセンサの一部分の平面図である。

【図16】第２実施形態に係るイメージセンサの動作例を示すタイミングチャートである。

【図17】第２実施形態に係る光検出装置のゲーティング機能を説明するための図である。

【図18】第２実施形態の変形例に係るイメージセンサの動作例を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本開示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。なお、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。
［第１実施形態］
［測距装置の構成］

【0020】

図１に示されるように、測距装置（光検出装置）１は、光源２と、測距センサ（測距イメージセンサ、光センサ）１０Ａと、信号処理部３と、制御部４と、表示部５と、を備えている。測距装置１は、間接ＴＯＦ方式を利用して対象物ＯＪの距離画像（対象物ＯＪまでの距離ｄに関する情報を含む画像）を取得する装置である。

【0021】

光源２は、パルス光（検出光）Ｌを出射する。光源２は、例えば赤外ＬＥＤ等によって構成されている。パルス光Ｌは、例えば近赤外光であり、パルス光Ｌの周波数は、例えば１０ｋＨｚ以上である。測距センサ１０Ａは、光源２から出射されて対象物ＯＪで反射されたパルス光Ｌを検出する。測距センサ１０Ａは、画素部１１及びＣＭＯＳ読出回路部１２が半導体基板（例えばシリコン基板）にモノリシックに形成されることで、構成されている。測距センサ１０Ａは、信号処理部３上に実装されている。

【0022】

信号処理部３は、測距センサ１０Ａの画素部１１及びＣＭＯＳ読出回路部１２を制御する。信号処理部３は、測距センサ１０Ａから出力された信号に所定の処理を施して検出信号を生成する。制御部４は、光源２及び信号処理部３を制御する。制御部４は、信号処理部３から出力された検出信号に基づいて対象物ＯＪの距離画像を生成する。表示部５は、制御部４によって生成された対象物ＯＪの距離画像を表示する。
［測距センサの構成］

【0023】

図２及び図３に示されるように、測距センサ１０Ａは、画素部１１において、半導体層２０と、電極層４０と、を備えている。半導体層２０は、第１表面２０ａ及び第２表面２０ｂを有している。第１表面２０ａは、半導体層２０の厚さ方向における一方の側の表面である。第２表面２０ｂは、半導体層２０の厚さ方向における他方の側の表面である。電極層４０は、半導体層２０の第１表面２０ａに設けられている。半導体層２０及び電極層４０は、第１表面２０ａに沿って配置された複数の画素１１ａを構成している。測距センサ１０Ａでは、複数の画素１１ａは、第１表面２０ａに沿って２次元に配列されている。以下、半導体層２０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方向の両方向に垂直な方向をＹ方向という。また、Ｚ方向における一方の側を第１側といい、Ｚ方向における他方の側（第１側とは反対側）を第２側という。なお、図２では、後述する電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４、オーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４、不要電荷排出領域Ｒ、フォトゲート電極ＰＧ、転送ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４、オーバーフローゲート電極ＯＶ１～ＯＶ４及び不要電荷転送ゲート電極ＲＧの配置が模式的に示されており、その他の要素は適宜省略されている。

【0024】

各画素１１ａは、半導体層２０において、半導体領域２１と、アバランシェ増倍領域２２と、電荷振分領域２３と、第１電荷蓄積領域Ｐ１と、第２電荷蓄積領域Ｐ２と、第３電荷蓄積領域Ｐ３と、第４電荷蓄積領域Ｐ４と、第１オーバーフロー領域Ｑ１と、第２オーバーフロー領域Ｑ２と、第３オーバーフロー領域Ｑ３と、第４オーバーフロー領域Ｑ４と、２つ不要電荷排出領域Ｒと、ウェル領域３１と、バリア領域３２と、を有している。各領域２１～２３，Ｐ１～Ｐ４，Ｑ１～Ｑ４，Ｒ，３１及び３２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ている。

【0025】

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２０において第２表面２０ｂに沿って設けられている。半導体領域２１は、光吸収領域（光電変換領域）として機能する。一例として、半導体領域２１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、１０μｍ程度である。なお、アバランシェ増倍領域２２等も光吸収領域（光電変換領域）として機能する。

【0026】

アバランシェ増倍領域２２は、第１増倍領域２２ａ及び第２増倍領域２２ｂを含んでいる。第１増倍領域２２ａは、ｐ型の領域であって、半導体層２０において半導体領域２１の第１側に形成されている。一例として、第１増倍領域２２ａ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２２ｂは、ｎ型（第２導電型）の領域であって、半導体層２０において第１増倍領域２２ａの第１側に形成されている。一例として、第２増倍領域２２ｂ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２２ａ及び第２増倍領域２２ｂは、ｐｎ接合を形成している。アバランシェ増倍領域２２は、アバランシェ増倍を引き起こす領域である。所定値の逆方向バイアスが印加された場合にアバランシェ増倍領域２２に生じる電界強度は、例えば３×１０^５～４×１０^５Ｖ／ｃｍである。

【0027】

電荷振分領域２３は、ｎ型の領域であって、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂの第１側に形成されている。一例として、電荷振分領域２３は、５×１０^１５～１×１０^１６ｃｍ^－３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。

【0028】

各電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４は、ｎ型の領域であって、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂの第１側に形成されている。各電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４は、電荷振分領域２３と接続されている。一例として、各第１電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４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。

【0029】

各オーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４は、ｎ型の領域であって、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂの第１側に形成されている。第１オーバーフロー領域Ｑ１の電荷蓄積容量は、第１電荷蓄積領域Ｐ１の電荷蓄積容量よりも大きい。第２オーバーフロー領域Ｑ２の電荷蓄積容量は、第２電荷蓄積領域Ｐ２の電荷蓄積容量よりも大きい。第３オーバーフロー領域Ｑ３の電荷蓄積容量は、第３電荷蓄積領域Ｐ３の電荷蓄積容量よりも大きい。第４オーバーフロー領域Ｑ４の電荷蓄積容量は、第４電荷蓄積領域Ｐ４の電荷蓄積容量よりも大きい。例えば、電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４の電荷蓄積容量は互いに等しく、オーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４の電荷蓄積容量は互いに等しい。電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４ではＰＮ接合容量が用いられるのに対し、オーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４では追加の容量が設けられることで、電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４と比べて蓄積容量が大きくされている。追加される容量としては、ＭＩＭ(Metal Insulator Metal)容量、ＭＯＳ容量、トレンチ容量、ＰＩＰ容量等が挙げられる。

【0030】

各不要電荷排出領域Ｒは、ｎ型の領域であって、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂの第１側に形成されている。各不要電荷排出領域Ｒは、電荷振分領域２３と接続されている。不要電荷排出領域Ｒは、例えば電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４と同様の構成を有している。

【0031】

ウェル領域３１は、ｐ型の領域であって、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂの第１側に形成されている。ウェル領域３１は、Ｚ方向から見た場合に電荷振分領域２３を包囲している。ウェル領域３１は、複数の読出回路（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。複数の読出回路は、それぞれ、電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４及びオーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４と電気的に接続されている。一例として、ウェル領域３１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。

【0032】

バリア領域３２は、ｎ型の領域であって、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂとウェル領域３１との間に形成されている。バリア領域３２は、Ｚ方向から見た場合にウェル領域３１を含んでいる。つまり、ウェル領域３１は、Ｚ方向から見た場合にバリア領域３２内に位置している。バリア領域３２は、電荷振分領域２３を包囲している。バリア領域３２のｎ型不純物の濃度は、第２増倍領域２２ｂのｎ型不純物の濃度よりも高い。一例として、バリア領域３２は、第２増倍領域２２ｂのキャリア濃度から第２増倍領域２２ｂのキャリア濃度の倍程度まで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。バリア領域３２が第２増倍領域２２ｂとウェル領域３１との間に形成されていることにより、アバランシェ増倍領域２２に高電圧が印加されることで、アバランシェ増倍領域２２に形成された空乏層がウェル領域３１に向かって広がったとしても、空乏層がウェル領域３１に至ることが防止される。つまり、空乏層がウェル領域３１に至ることに起因してアバランシェ増倍領域２２とウェル領域３１との間において電流が流れるのを防止することができる。

【0033】

ここで、各領域の位置関係について説明する。第１電荷蓄積領域Ｐ１は、電荷振分領域２３を挟んで、Ｘ方向において第２電荷蓄積領域Ｐ２と向かい合っている。第１オーバーフロー領域Ｑ１は、第１電荷蓄積領域Ｐ１に対して電荷振分領域２３とは反対側に配置されている。第２オーバーフロー領域Ｑ２は、第２電荷蓄積領域Ｐ２に対して電荷振分領域２３とは反対側に配置されている。

【0034】

第３電荷蓄積領域Ｐ３は、電荷振分領域２３を挟んで、Ｘ方向において第４電荷蓄積領域Ｐ４と向かい合っている。第３オーバーフロー領域Ｑ３は、第３電荷蓄積領域Ｐ３に対して電荷振分領域２３とは反対側に配置されている。第４オーバーフロー領域Ｑ４は、第４電荷蓄積領域Ｐ４に対して電荷振分領域２３とは反対側に配置されている。第１電荷蓄積領域Ｐ１と第４電荷蓄積領域Ｐ４は、Ｙ方向に並んでいる。第２電荷蓄積領域Ｐ２と第３電荷蓄積領域Ｐ３は、Ｙ方向に並んでいる。第１オーバーフロー領域Ｑ１と第４オーバーフロー領域Ｑ４は、Ｙ方向に並んでいる。第２オーバーフロー領域Ｑ２と第３オーバーフロー領域Ｑ３は、Ｙ方向に並んでいる。２つの不要電荷排出領域Ｒは、電荷振分領域２３を挟んで、Ｙ方向において互いに向かい合っている。

【0035】

各画素１１ａは、電極層４０において、フォトゲート電極ＰＧと、第１転送ゲート電極ＴＸ１と、第２転送ゲート電極ＴＸ２と、第３転送ゲート電極ＴＸ３と、第４転送ゲート電極ＴＸ４と、第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１と、第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２と、第３オーバーフローゲート電極ＯＶ３と、第４オーバーフローゲート電極ＯＶ４と、２つの不要電荷転送ゲート電極ＲＧと、を有している。各ゲート電極ＰＧ，ＴＸ１～ＴＸ４，ＯＶ１～ＯＶ４，ＲＧは、絶縁膜４１を介して半導体層２０の第１表面２０ａ上に形成されている。絶縁膜４１は、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜等である。

【0036】

フォトゲート電極ＰＧは、電荷振分領域２３上に配置されている。フォトゲート電極ＰＧは、導電性及び光透過性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。一例として、フォトゲート電極ＰＧは、Ｚ方向から見た場合に、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。半導体領域２１、アバランシェ増倍領域２２及び電荷振分領域２３のうち、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域は、入射光に応じて電荷を発生させる電荷発生領域２４として機能する。換言すれば、フォトゲート電極ＰＧは、電荷発生領域２４上に配置されている。電荷発生領域２４においては、半導体領域２１において発生した電荷が、アバランシェ増倍領域２２において増倍され、電荷振分領域２３において振り分けられる。実施形態とは異なり対向電極５０側からパルス光Ｌが半導体層２０に入射する場合（裏面入射の場合）、フォトゲート電極ＰＧは光透過性を有していなくてもよい。フォトゲート電極ＰＧの直下の領域とは、Ｚ方向から見た場合にフォトゲート電極ＰＧと重なる領域である。この点は他のゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４，ＯＶ１～ＯＶ４，ＲＧについても同様である。

【0037】

第１転送ゲート電極ＴＸ１は、電荷振分領域２３における電荷発生領域２４と第１電荷蓄積領域Ｐ１との間の領域上に配置されている。第２転送ゲート電極ＴＸ２は、電荷振分領域２３における電荷発生領域２４と第２電荷蓄積領域Ｐ２との間の領域上に配置されている。第３転送ゲート電極ＴＸ３は、電荷振分領域２３における電荷発生領域２４と第３電荷蓄積領域Ｐ３との間の領域上に配置されている。第４転送ゲート電極ＴＸ４は、電荷振分領域２３における電荷発生領域２４と第４電荷蓄積領域Ｐ４との間の領域上に配置されている。

【0038】

各転送ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４は、導電性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。一例として、各転送ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４は、Ｚ方向から見た場合に、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。

【0039】

第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１は、ウェル領域３１における第１電荷蓄積領域Ｐ１と第１オーバーフロー領域Ｑ１との間の領域上に配置されている。第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２は、ウェル領域３１における第２電荷蓄積領域Ｐ２と第２オーバーフロー領域Ｑ２との間の領域上に配置されている。第３オーバーフローゲート電極ＯＶ３は、ウェル領域３１における第３電荷蓄積領域Ｐ３と第３オーバーフロー領域Ｑ３との間の領域上に配置されている。第４オーバーフローゲート電極ＯＶ４は、ウェル領域３１における第４電荷蓄積領域Ｐ４と第４オーバーフロー領域Ｑ４との間の領域上に配置されている。

【0040】

各オーバーフローゲート電極ＯＶ１～ＯＶ４は、導電性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。一例として、各オーバーフローゲート電極ＯＶ１～ＯＶ４は、Ｚ方向から見た場合に、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。

【0041】

不要電荷転送ゲート電極ＲＧの一方は、電荷振分領域２３における電荷発生領域２４と一対の不要電荷排出領域Ｒの一方との間の領域上に配置されている。不要電荷転送ゲート電極ＲＧの他方は、電荷振分領域２３における電荷発生領域２４と一対の不要電荷排出領域Ｒの他方との間の領域上に配置されている。各不要電荷転送ゲート電極ＲＧは、導電性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。一例として、各不要電荷転送ゲート電極ＲＧは、Ｚ方向から見た場合に、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。

【0042】

測距センサ１０Ａは、画素部１１において、対向電極５０と、配線層６０と、を更に備えている。対向電極５０は、半導体層２０の第２表面２０ｂ上に設けられている。対向電極５０は、Ｚ方向から見た場合に複数の画素１１ａを含んでいる。対向電極５０は、Ｚ方向において電極層４０と向かい合っている。対向電極５０は、例えば金属材料によって形成されている。配線層６０は、電極層４０を覆うように半導体層２０の第１表面２０ａに設けられている。配線層６０は、各画素１１ａ及びＣＭＯＳ読出回路部１２（図１参照）と電気的に接続されている。配線層６０のうち各画素１１ａのフォトゲート電極ＰＧと向かい合う部分には、光入射開口６０ａが形成されている。

【0043】

図４には、各画素１１ａの回路構成の例が示されている。図４に示されるように、各画素１１ａは、オーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４にそれぞれ接続された複数の（この例では４つの）リセットトランジスタＲＳＴと、画素１１ａの選択に用いられる複数の（この例では４つの）選択トランジスタＳＥＬと、を有している。
［測距センサの駆動方法］

【0044】

図５及び図６を参照しつつ、測距センサ１０Ａの動作例を説明する。以下の動作は、制御部４が測距センサ１０Ａの駆動を制御することにより実現される。測距センサ１０Ａの各画素１１ａにおいては、フォトゲート電極ＰＧの電位を基準として負の電圧（例えば－５０Ｖ）が対向電極５０に印加されて（つまり、アバランシェ増倍領域２２に形成されたｐｎ接合に逆方向バイアスが印加されて）、アバランシェ増倍領域２２に３×１０^５～４×１０^５Ｖ／ｃｍの電界強度が発生する。この状態で、光入射開口６０ａ及びフォトゲート電極ＰＧを介して半導体層２０にパルス光Ｌが入射すると、パルス光Ｌの吸収によって発生した電子が、アバランシェ増倍領域２２で増倍されて電荷振分領域２３に高速で移動する。

【0045】

対象物ＯＪ（図１参照）の距離画像の生成に際しては、まず、各画素１１ａの各リセットトランジスタＲＳＴにリセット電圧を印加するリセット処理（リセットステップ）が実行される。リセット電圧は、フォトゲート電極ＰＧの電位を基準として正の電圧である。これにより、電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４及びオーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４に蓄積された電荷が外部に排出され、電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４及びオーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４に電荷が蓄積されていない状態となる（時刻Ｔ１、図６（ａ））。電荷の外部への排出は、例えば、ウェル領域３１等によって構成された読出回路、及び配線層６０を介して行われる。以下では、選択された１つの画素１１ａに着目して動作を説明する。

【0046】

リセット処理の後に、蓄積期間Ｔ２において、電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４及びオーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４に電荷が蓄積される（図６（ｂ））。蓄積期間Ｔ２においては、互いに異なる位相を有する電荷転送信号が転送ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４に与えられる。これにより、電荷発生領域２４で発生した電荷を電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４の間で振り分ける電荷振分処理（電荷振分ステップ）が実行される。

【0047】

一例として、第１転送ゲート電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号は、フォトゲート電極ＰＧの電位を基準として正の電圧及び負の電圧が交互に繰り返される電圧信号であって、光源２（図１参照）から出射されるパルス光Ｌの強度信号と周期、パルス幅及び位相が同一の電圧信号である。第２転送ゲート電極ＴＸ２、第３転送ゲート電極ＴＸ３、第４転送ゲート電極ＴＸ４に印加される電荷転送信号は、位相がそれぞれ９０°，１８０°，２７０°ずれている点を除き、第１転送ゲート電極ＴＸ１に印加されるパルス電圧信号と同一の電圧信号である。

【0048】

第１転送ゲート電極ＴＸ１に正の電圧が与えられている第１期間においては、第１転送ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ１が、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされる。換言すれば、第１期間においては、ポテンシャルφ_ＴＸ１がポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第１転送ゲート電極ＴＸ１に電位が与えられる。これにより、電荷発生領域２４で発生した電荷が第１電荷蓄積領域Ｐ１に転送される（第１電荷転送処理、第１電荷転送ステップ）。図６（ｂ）では、第１転送ゲート電極ＴＸ１に正の電圧が与えられているときのポテンシャルφ_ＴＸ１が破線で示されており、第１転送ゲート電極ＴＸ１に負の電圧が与えられているときのポテンシャルφ_ＴＸ１が実線で示されている。また、第１電荷蓄積領域Ｐ１及び第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積された電荷がハッチングで示されている。

【0049】

なお、ゲート電極の直下の領域のポテンシャルの大きさの調整にあたっては、ゲート電極に与えられる電位の大きさを調整してもよいし、これに代えて又は加えて、ゲート電極の直下の領域のキャリア濃度を調整してもよい。フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧがキャリア濃度の調整により予め所定の高さとされている場合、フォトゲート電極ＰＧは設けられなくてもよい。この場合、上述した負の電圧は必ずしも加えられなくてもよい。

【0050】

第１期間においては、第２～第４転送ゲート電極ＴＸ２～ＴＸ４には負の電圧が与えられており、第２転送ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ２、第３転送ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３、及び第４転送ゲート電極ＴＸ４の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ４が、ポテンシャルφ_ＰＧよりも高くされる。これにより、電荷発生領域２４と第２～第４電荷蓄積領域Ｐ２～Ｐ４との間にはポテンシャル障壁が生じ、電荷発生領域２４で発生した電荷が第２～第４電荷蓄積領域Ｐ２～Ｐ４に転送されない。換言すれば、第１期間においては、各ポテンシャルφ_ＴＸ２，φ_ＴＸ３及びφ_ＴＸ４がポテンシャルφ_ＰＧよりも高くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第２～第４転送ゲート電極ＴＸ２～ＴＸ４に電位が与えられる。

【0051】

更に、第１期間においては、第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ１がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１に電位が与えられる。換言すれば、第１期間において第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１に与えられる電位は、ポテンシャルφ_ＯＶ１がポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧの電位を基準として、設定されている。これにより、図６（ｂ）に示されるように、第１電荷蓄積領域Ｐ１が電荷で飽和した場合でも、第１電荷蓄積領域Ｐ１から溢れた電荷が、第１オーバーフロー領域Ｑ１に流れ込み、第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積される。

【0052】

第２転送ゲート電極ＴＸ２に正の電圧が与えられている第２期間においては、第２転送ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ２が、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされる。換言すれば、第２期間においては、ポテンシャルφ_ＴＸ２がポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第２転送ゲート電極ＴＸ２に電位が与えられる。これにより、電荷発生領域２４で発生した電荷が第２電荷蓄積領域Ｐ２に転送される（第１電荷転送処理、第１電荷転送ステップ）。第２期間においては、各ポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ３及びφ_ＴＸ４がポテンシャルφ_ＰＧよりも高くなるように、フォトゲート電極ＰＧ並びに第１、第３及び第４転送ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ３及びＴＸ４に電位が与えられる。

【0053】

更に、第２期間においては、第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ２がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２に電位が与えられる。これにより、第２電荷蓄積領域Ｐ２が電荷で飽和した場合でも、第２電荷蓄積領域Ｐ２から溢れた電荷が第２オーバーフロー領域Ｑ２に流れ込み、第２オーバーフロー領域Ｑ２に蓄積される。

【0054】

第３転送ゲート電極ＴＸ３に正の電圧が与えられている第３期間においては、第３転送ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３が、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされる。換言すれば、第３期間においては、ポテンシャルφ_ＴＸ３がポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第３転送ゲート電極ＴＸ３に電位が与えられる。これにより、電荷発生領域２４で発生した電荷が第３電荷蓄積領域Ｐ３に転送される（第１電荷転送処理、第１電荷転送ステップ）。第３期間においては、各ポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２及びφ_ＴＸ４がポテンシャルφ_ＰＧよりも高くなるように、フォトゲート電極ＰＧ並びに第１、第２及び第４転送ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２及びＴＸ４に電位が与えられる。

【0055】

更に、第３期間においては、第３オーバーフローゲート電極ＯＶ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ３がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第３オーバーフローゲート電極ＯＶ３に電位が与えられる。これにより、第３電荷蓄積領域Ｐ３が電荷で飽和した場合でも、第３電荷蓄積領域Ｐ３から溢れた電荷が第３オーバーフロー領域Ｑ３に流れ込み、第３オーバーフロー領域Ｑ３に蓄積される。

【0056】

第４転送ゲート電極ＴＸ４に正の電圧が与えられている第４期間においては、第４転送ゲート電極ＴＸ４の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ４が、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされる。換言すれば、第４期間においては、ポテンシャルφ_ＴＸ４がポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第４転送ゲート電極ＴＸ４に電位が与えられる。これにより、電荷発生領域２４で発生した電荷が第４電荷蓄積領域Ｐ４に転送される（第１電荷転送処理、第１電荷転送ステップ）。第４期間においては、各ポテンシャルφ_ＴＸ１～φ_ＴＸ３がポテンシャルφ_ＰＧよりも高くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第１～第３転送ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ３に電位が与えられる。

【0057】

更に、第４期間においては、第４オーバーフローゲート電極ＯＶ４の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ４がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第４オーバーフローゲート電極ＯＶ４に電位が与えられる。これにより、第４電荷蓄積領域Ｐ４が電荷で飽和した場合でも、第４電荷蓄積領域Ｐ４から溢れた電荷が第４オーバーフロー領域Ｑ４に流れ込み、第４オーバーフロー領域Ｑ４に蓄積される。

【0058】

蓄積期間Ｔ２における電荷振分処理の後に、各電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４に蓄積された電荷量を読み出す第１読出処理（高感度読出処理）（第１読出ステップ）が実行される（時刻Ｔ３、図６（ｃ））。電荷発生領域２４で発生した電荷が第１電荷蓄積領域Ｐ１に転送される処理、電荷発生領域２４で発生した電荷が第２電荷蓄積領域Ｐ２に転送される処理、電荷発生領域２４で発生した電荷が第３電荷蓄積領域Ｐ３に転送される処理、及び、電荷発生領域２４で発生した電荷が第４電荷蓄積領域Ｐ４に転送される処理の各々が複数回実行された後に、第１読出処理が実行される。

【0059】

第１読出処理の後に、上記第１期間において与えられた電圧よりも大きな電圧を第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１に与えて第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ１を低下させることにより、第１電荷蓄積領域Ｐ１に蓄積された電荷を第１オーバーフロー領域Ｑ１に転送する電荷転送処理（電荷転送ステップ）（第２電荷転送処理、第２電荷転送ステップ）が実行される（図６（ｄ））。換言すれば、電荷転送処理においては、ポテンシャルφ_ＯＶ１が低下するように第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１に電位を与えることにより、第１電荷蓄積領域Ｐ１に蓄積された電荷が第１オーバーフロー領域Ｑ１に転送される。

【0060】

同様に、電荷転送処理においては、第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ２が低下するように第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２に電位を与えることにより、第２電荷蓄積領域Ｐ２に蓄積された電荷が第２オーバーフロー領域Ｑ２に転送される。第３オーバーフローゲート電極ＯＶ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ３が低下するように第３オーバーフローゲート電極ＯＶ３に電位を与えることにより、第３電荷蓄積領域Ｐ３に蓄積された電荷が第３オーバーフロー領域Ｑ３に転送される。第４オーバーフローゲート電極ＯＶ４の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ４が低下するように第４オーバーフローゲート電極ＯＶ４に電位を与えることにより、第４電荷蓄積領域Ｐ４に蓄積された電荷が第４オーバーフロー領域Ｑ４に転送される。

【0061】

電荷転送処理の後に、第１電荷蓄積領域Ｐ１及び第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積された総電荷量を読み出す第２読出処理（低感度読出処理）（第２読出ステップ）が実行される（時刻Ｔ４、図６（ｄ））。同様に、第２読出処理においては、第２電荷蓄積領域Ｐ２及び第２オーバーフロー領域Ｑ２に蓄積された総電荷量が読み出される。第３電荷蓄積領域Ｐ３及び第３オーバーフロー領域Ｑ３に蓄積された総電荷量が読み出される。第４電荷蓄積領域Ｐ４及び第４オーバーフロー領域Ｑ４に蓄積された総電荷量が読み出される。第２読出処理の後に上述したリセット処理が再び実行され（時刻Ｔ１、図６（ａ））、上述した一連の処理が繰り返し実行される。

【0062】

また、上記第１～第４期間以外の期間においては、電荷発生領域２４で発生した電荷を不要電荷排出領域Ｒに転送する不要電荷転送処理（不要電荷転送ステップ）が実行される。不要電荷転送処理においては、不要電荷転送ゲート電極ＲＧに正の電圧を与えることにより、不要電荷転送ゲート電極ＲＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＲＧが、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされる。換言すれば、ポテンシャルφ_ＲＧがポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び不要電荷転送ゲート電極ＲＧに電位が与えられる。これにより、電荷発生領域２４で発生した電荷が不要電荷排出領域Ｒに転送される。不要電荷排出領域Ｒに転送された電荷は外部に排出される。例えば、不要電荷排出領域Ｒは、固定電位に接続されており、不要電荷排出領域Ｒに転送された電荷は、読み出し回路を介することなく外部に排出される。

【0063】

図１に示されるように、パルス光Ｌが光源２から出射されて、対象物ＯＪで反射されたパルス光Ｌが測距センサ１０Ａで検出されると、測距センサ１０Ａで検出されるパルス光Ｌの強度信号の位相は、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号の位相に対して、対象物ＯＪまでの距離ｄに応じてずれることになる。したがって、電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４及びオーバーフロー領域Ｑ１～Ｑ４に蓄積された電荷量（すなわち、第１読出処理及び第２読出処理において読み出された電荷量）に基づく信号を画素１１ａごとに取得することで、対象物ＯＪの距離画像を生成することができる。
［第１実施形態の作用及び効果］

【0064】

測距装置１では、測距センサ１０Ａが、第１電荷蓄積領域Ｐ１の電荷蓄積容量よりも大きな電荷蓄積容量を有する第１オーバーフロー領域Ｑ１と、第２電荷蓄積領域Ｐ２の電荷蓄積容量よりも大きな電荷蓄積容量を有する第２オーバーフロー領域Ｑ２と、第１電荷蓄積領域Ｐ１と第１オーバーフロー領域Ｑ１との間の領域上に配置された第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１と、第２電荷蓄積領域Ｐ２と第２オーバーフロー領域Ｑ２との間の領域上に配置された第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２と、を有している。これにより、第１電荷蓄積領域Ｐ１から溢れた電荷を第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積することができると共に、第２電荷蓄積領域Ｐ２から溢れた電荷を第２オーバーフロー領域Ｑ２に蓄積することができる。その結果、蓄積容量の飽和を抑制することができる。更に、電荷振分処理における第１期間に、第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ１が電荷発生領域２４のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされ、電荷振分処理における第２期間に、第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ２が電荷発生領域２４のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされる。これにより、第１オーバーフロー領域Ｑ１へ溢れ出る程度にまで第１電荷蓄積領域Ｐ１に電荷が蓄積された場合、及び、第２オーバーフロー領域Ｑ２へ溢れ出る程度にまで第２電荷蓄積領域Ｐ２に電荷が蓄積された場合でも、電荷が電荷発生領域２４に残存するのを抑制することができる。よって、測距装置１によれば、距離測定の精度を向上することができる。また、高感度化及び高ダイナミックレンジ化を図ることができる。

【0065】

この点について、図７及び図８に示される比較例を参照しつつ更に説明する。比較例のイメージセンサでは、蓄積期間Ｔ２の全体にわたって、転送ゲート電極ＴＸの直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸが、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも高くされる（図８（ｂ））。また、蓄積期間Ｔ２の全体にわたって、オーバーフローゲート電極ＯＶの直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶがフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも高くされる。蓄積期間Ｔ２の後に、転送ゲート電極ＴＸの直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸが、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされ、電荷発生領域に蓄積された電荷が電荷蓄積領域Ｐに転送される。その後、電荷蓄積領域Ｐに蓄積された電荷量が読み出される（時刻Ｔ３、図８（ｃ））。

【0066】

比較例のイメージセンサでは、蓄積期間Ｔ２においてオーバーフローゲート電極ＯＶの直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶがフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも高いため、図８（ｃ）に示されるように、オーバーフロー領域Ｑへ溢れ出る程度にまで電荷蓄積領域Ｐに電荷が蓄積された場合に、電荷の一部がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）に残存してしまう。この場合、電荷蓄積領域に残存した電荷に起因して距離測定の精度が低下するおそれがある。

【0067】

これに対し、上述したとおり、測距装置１では、電荷振分処理の実行中に、第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ１及び第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ２が電荷発生領域２４のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされる。これにより、第１オーバーフロー領域Ｑ１又は第２オーバーフロー領域Ｑ２へ溢れ出る程度にまで第１電荷蓄積領域Ｐ１又は第２電荷蓄積領域Ｐ２に電荷が蓄積された場合でも、電荷が電荷発生領域２４に残存するのを抑制することができる。

【0068】

制御部４が、電荷発生領域２４で発生した電荷を第１電荷蓄積領域Ｐ１に転送する第１電荷転送処理を複数回実行した後に、電荷蓄積領域Ｐ１に蓄積された電荷量を読み出す第１読出処理を実行する。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。

【0069】

電荷発生領域２４が、アバランシェ増倍領域２２を含んでいる。この場合、電荷発生領域２４においてアバランシェ増倍を引き起こすことができ、測距センサ１０Ａの検出感度を高めることができる。一方、電荷発生領域２４にアバランシェ増倍領域２２が含まれる場合、発生する電荷量が極めて多くなる。測距装置１では、そのような場合でも、蓄積容量の飽和を十分に抑制することができると共に、電荷発生領域２４への電荷の残存を十分に抑制することができる。

【0070】

制御部４が、第１電荷蓄積領域Ｐ１及び第２電荷蓄積領域Ｐ２に蓄積された電荷量を読み出す第１読出処理と、第１電荷蓄積領域Ｐ１に蓄積された電荷を第１オーバーフロー領域Ｑ１に転送すると共に第２電荷蓄積領域Ｐ２に蓄積された電荷を第２オーバーフロー領域Ｑ２に転送する第２電荷転送処理と、第１電荷蓄積領域Ｐ１及び第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積された総電荷量を読み出すと共に第２電荷蓄積領域Ｐ２及び第２オーバーフロー領域Ｑ２に蓄積された総電荷量を読み出す第２読出処理と、を実行する。これにより、第１読出処理において第１及び第２電荷蓄積領域Ｐ２に蓄積された電荷量が読み出されるだけでなく、第２読出処理において第１電荷蓄積領域Ｐ１及び第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積された総電荷量並びに第２電荷蓄積領域Ｐ２及び第２オーバーフロー領域Ｑ２に蓄積された総電荷量が読み出されるため、電荷量の検出精度を向上することができる。

【0071】

制御部４が、第１期間及び第２期間以外の期間（すなわち、第１電荷転送処理が実行される期間以外の期間）に、電荷発生領域２４で発生した電荷を不要電荷転送ゲート電極ＲＧによって不要電荷排出領域Ｒに転送する不要電荷転送処理を実行する。これにより、第１及び第２期間以外の期間に電荷発生領域２４で発生した電荷を不要電荷排出領域Ｒに転送することができ、電荷発生領域２４への電荷の残存を一層抑制することができる。不要電荷転送処理は、外乱光が多い環境下において特に有用である。

【0072】

制御部４が、第１期間において、第１転送ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ１がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低く、且つ第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ１がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第１転送ゲート電極ＴＸ１に電位を与える。制御部４が、第２期間において、第２転送ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ２がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも低く、且つ第２オーバーフローゲート電極ＯＶ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ２がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第２転送ゲート電極ＴＸ２に電位を与える。制御部４が、第３期間において、第３転送ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ３がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも低く、且つ第３オーバーフローゲート電極ＯＶ３の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ３がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第３転送ゲート電極ＴＸ３に電位を与える。制御部４が、第４期間において、第４転送ゲート電極ＴＸ４の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ４がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも低く、且つ第４オーバーフローゲート電極ＯＶ４の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ４がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第４転送ゲート電極ＴＸ４に電位を与える。これにより、各ポテンシャルの高さを精度良く調整することができる。

【0073】

測距センサ１０Ａが、第１及び第２電荷蓄積領域Ｐ１，Ｐ２、第１及び第２オーバーフロー領域Ｑ１，Ｑ２、第１及び第２転送ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２、並びに第１及び第２オーバーフローゲート電極ＯＶ１，ＯＶ２だけでなく、第３及び第４電荷蓄積領域Ｐ３，Ｐ４、第３及び第４オーバーフロー領域Ｑ３，Ｑ４、第３及び第４転送ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４、並びに第３及び第４オーバーフローゲート電極ＯＶ３，ＯＶ４を有している。そして、制御部４が、電荷振分処理において、互いに異なる位相を有する電荷転送信号を転送ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４に与えることにより、電荷発生領域２４で発生した電荷を電荷蓄積領域Ｐ１～Ｐ４の間で振り分ける。これにより、第１～第４転送ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４による電荷振分を実現することができ、距離測定の精度を向上することができる。
［第１実施形態の変形例］

【0074】

図９に示される第１変形例に係る測距センサ１０Ｂでは、各画素部１１には、不要電荷排出領域Ｒ及び不要電荷転送ゲート電極ＲＧが設けられていない。第３電荷蓄積領域Ｐ３は、電荷発生領域２４（フォトゲート電極ＰＧ）を介して、Ｙ方向において第４電荷蓄積領域Ｐ４と向かい合っている。測距センサ１０Ｂは、例えば図１０に示されるように駆動される。この駆動方法では、電荷発生領域２４で発生した電荷を不要電荷排出領域Ｒに転送する不要電荷転送処理が実行されない。第１変形例によっても、上記実施形態と同様に、蓄積容量の飽和及び電荷発生領域２４への電荷の残存を抑制し、距離測定の精度を向上することができる。

【0075】

図１１に示される第２変形例に係る測距センサ１０Ｃでは、各画素部１１には、第３及び第４電荷蓄積領域Ｐ３，Ｐ４、第３及び第４オーバーフロー領域Ｑ３，Ｑ４、第３及び第４転送ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４、並びに第３及び第４オーバーフローゲート電極ＯＶ３，ＯＶ４が設けられていない。各画素部１１は、４つの不要電荷排出領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、４つの不要電荷転送ゲート電極ＲＧと、を有している。不要電荷排出領域Ｒ１，Ｒ２は、電荷発生領域２４（フォトゲート電極ＰＧ）を介して、Ｘ方向において互いに向かい合っている。不要電荷排出領域Ｒ３，Ｒ４は、電荷発生領域２４を介して、Ｘ方向において互いに向かい合っている。不要電荷排出領域Ｒ１，Ｒ４は、第１電荷蓄積領域Ｐ１を介して、Ｙ方向において互いに向かい合っている。不要電荷排出領域Ｒ２，Ｒ３は、第２電荷蓄積領域Ｐ２を介して、Ｙ方向において互いに向かい合っている。

【0076】

測距センサ１０Ｃは、例えば図１２に示されるように駆動される。この駆動方法では、蓄積期間Ｔ２においては、第１転送ゲート電極ＴＸ１に正の電圧が与えられる第１期間と、第２転送ゲート電極ＴＸ２に正の電圧が与えられる第２期間と、電荷発生領域２４で発生した電荷が不要電荷排出領域Ｒに転送される不要電荷転送処理が実行される期間と、がこの順序で繰り返される。このような駆動方法によっても、対象物ＯＪの距離画像を生成することができる。第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、蓄積容量の飽和及び電荷発生領域２４への電荷の残存を抑制し、距離測定の精度を向上することができる。

【0077】

図１３に示される第３変形例のように、リセットトランジスタＲＳＴは、実施形態とは異なる位置に配置されていてもよい。図１３では、画素１１ａの一部分の回路構成のみが示されている。第３変形例によっても、上記実施形態と同様に、蓄積容量の飽和及び電荷発生領域２４への電荷の残存を抑制し、距離測定の精度を向上することができる。
［第２実施形態］

【0078】

図１４に示されるように、光検出装置１００は、光源２と、イメージセンサ１０Ｄと、制御部４と、光学系６と、を備えている。光検出装置１００は、所定のタイミングで（所定の期間に）到来した光を検出するゲーティング機能（シャッタ機能）を備えたレンジゲートカメラとして構成されている。光学系６は、光源２から出射されて対象物ＯＪで反射されたパルス光Ｌをイメージセンサ１０Ｄの画素部１１へ導光する。

【0079】

図１５に示されるように、イメージセンサ１０Ｄは、第２～第４電荷蓄積領域Ｐ２～Ｐ４、第２～第４オーバーフロー領域Ｑ２～Ｑ４、第２～第４転送ゲート電極ＴＸ２～ＴＸ４、並びに第２～第４オーバーフローゲート電極ＯＶ２～ＯＶ４が設けられていない点で、上述した測距センサ１０Ａと相違する。イメージセンサ１０Ｄでは、第１電荷蓄積領域Ｐ１及び不要電荷排出領域Ｒが電荷発生領域２４（フォトゲート電極ＰＧ）に対してＸ方向における一方の側に配置されている。第１電荷蓄積領域Ｐ１と不要電荷排出領域Ｒは、Ｙ方向に並んでいる。第１転送ゲート電極ＴＸ１と不要電荷転送ゲート電極ＲＧは、Ｙ方向に並んでいる。

【0080】

光検出装置１００は、例えば図１６に示されるように駆動される。この駆動方法では、蓄積期間Ｔ２において、電荷振分処理に代えて、電荷発生領域２４で発生した電荷を第１電荷蓄積領域Ｐ１に転送する第１電荷転送処理（第１電荷転送ステップ）が繰り返し実行される。一例として、第１転送ゲート電極ＴＸ１に印加される電荷転送信号は、フォトゲート電極ＰＧの電位を基準として正の電圧及び負の電圧が交互に繰り返される電圧信号であって、位相が所定量だけずれている点を除き、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号と周期及びパルス幅が同一の電圧信号である。

【0081】

第１転送ゲート電極ＴＸ１に正の電圧が与えられている期間においては、第１転送ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ１が、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされる。換言すれば、当該期間においては、ポテンシャルφ_ＴＸ１がポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第１転送ゲート電極ＴＸ１に電位が与えられる。これにより、電荷発生領域２４で発生した電荷が第１電荷蓄積領域Ｐ１に転送される。

【0082】

一方、第１転送ゲート電極ＴＸ１に負の電圧が与えられている期間においては、第１転送ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ１が、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも高くされる。換言すれば、当該期間においては、ポテンシャルφ_ＴＸ１がポテンシャルφ_ＰＧよりも高くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第１転送ゲート電極ＴＸ１に電位が与えられる。これにより、電荷発生領域２４と第１電荷蓄積領域Ｐ１との間にはポテンシャル障壁が生じ、電荷発生領域２４で発生した電荷が第１電荷蓄積領域Ｐ１に転送されない。

【0083】

更に、蓄積期間Ｔ２においては、第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ１がフォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１に電位が与えられる。これにより、第１電荷蓄積領域Ｐ１が電荷で飽和した場合でも、第１電荷蓄積領域Ｐ１から溢れた電荷が、第１オーバーフロー領域Ｑ１に流れ込み、第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積される。

【0084】

また、第１電荷転送処理が実行される期間以外の期間においては、電荷発生領域２４で発生した電荷を不要電荷排出領域Ｒに転送する不要電荷転送処理（不要電荷転送ステップ）が実行される。不要電荷転送処理においては、不要電荷転送ゲート電極ＲＧの直下の領域のポテンシャルφ_ＲＧが、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域２４）のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くなるように、フォトゲート電極ＰＧ及び不要電荷転送ゲート電極ＲＧに電位が与えられる。これにより、電荷発生領域２４で発生した電荷が不要電荷排出領域Ｒに転送される。

【0085】

蓄積期間Ｔ２において電荷転送処理が複数回実行された後に、第１電荷蓄積領域Ｐ１に蓄積された電荷量を読み出す第１読出処理（高感度読出処理）（第１読出ステップ）が実行される（時刻Ｔ３）。第１読出処理の後に、蓄積期間Ｔ２において与えられた電圧よりも大きな電圧を第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１に与えて第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ１を低下させることにより、第１電荷蓄積領域Ｐ１に蓄積された電荷を第１オーバーフロー領域Ｑ１に転送する第２電荷転送処理（第２電荷転送ステップ）が実行される。換言すれば、第２電荷転送処理においては、ポテンシャルφ_ＯＶ１が低下するように第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１に電位を与えることにより、第１電荷蓄積領域Ｐ１に蓄積された電荷が第１オーバーフロー領域Ｑ１に転送される。第２電荷転送処理の後に、第１電荷蓄積領域Ｐ１及び第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積された総電荷量を読み出す第２読出処理（低感度読出処理）（第２読出ステップ）が実行される（時刻Ｔ４）。

【0086】

図１７を参照しつつ、上記動作によって実現可能なゲーティング機能について説明する。図１７に示される（１）の例のように、イメージセンサ１０Ｄから距離ｄ１だけ離れた対象物ＯＪ１の近傍で反射したパルス光Ｌを検出する場合、距離ｄ１に対応する量だけ位相がずれた電圧信号が第１転送ゲート電極ＴＸ１に印加される。これにより、対象物ＯＪ１の近傍（すなわち、イメージセンサ１０Ｄから所定距離だけ離れた範囲）で反射したパルス光Ｌが電荷発生領域２４に入射する期間に、電荷発生領域２４で発生した電荷を第１電荷蓄積領域Ｐ１に転送する第１電荷転送処理を実行することができる。その結果、対象物ＯＪ１の近傍で反射したパルス光Ｌのみを検出することが可能となる。同様に、図１７に示される（２）～（４）の例のように、イメージセンサ１０Ｄから所定距離だけ離れた範囲で反射したパルス光Ｌを検出する場合、当該距離に対応する量だけ位相がずれた電圧信号が第１転送ゲート電極ＴＸ１に印加される。このように、光検出装置１００によれば、所定のタイミングで到来した光のみを検出するゲーティング機能を実現することができる。ゲーティング機能は、例えば蛍光寿命の測定などに好適に用いることができる。
［第２実施形態の作用及び効果］

【0087】

光検出装置１００では、イメージセンサ１０Ｄが、第１電荷蓄積領域Ｐ１の電荷蓄積容量よりも大きな電荷蓄積容量を有する第１オーバーフロー領域Ｑ１と、第１電荷蓄積領域Ｐ１と第１オーバーフロー領域Ｑ１との間の領域上に配置された第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１と、を有している。これにより、第１電荷蓄積領域Ｐ１から溢れた電荷を第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積することができ、蓄積容量の飽和を抑制することができる。更に、電荷発生領域２４で発生した電荷を第１電荷蓄積領域Ｐ１に転送する第１電荷転送処理の実行中に、第１オーバーフローゲート電極ＯＶ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＯＶ１が、電荷発生領域２４のポテンシャルφ_ＰＧよりも低くされる。これにより、第１オーバーフロー領域Ｑ１へ溢れ出る程度にまで第１電荷蓄積領域Ｐ１に電荷が蓄積された場合でも、電荷が電荷発生領域２４に残存するのを抑制することができる。よって、光検出装置１００によれば、検出精度を向上することができる。

【0088】

制御部４が、第１電荷転送処理を複数回実行した後に、第１読出処理を実行する。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。

【0089】

電荷発生領域２４が、アバランシェ増倍領域２２を含んでいる。これにより、電荷発生領域２４においてアバランシェ増倍を引き起こすことができ、イメージセンサ１０Ｄの検出感度を高めることができる。一方、電荷発生領域２４にアバランシェ増倍領域２２が含まれる場合、発生する電荷量が極めて多くなるが、光検出装置１００では、その場合でも、蓄積容量の飽和を十分に抑制することができると共に、電荷発生領域２４への電荷の残存を十分に抑制することができる。

【0090】

制御部４が、第１電荷蓄積領域Ｐ１に蓄積された電荷を第１オーバーフロー領域Ｑ１に転送する第２電荷転送処理と、第１電荷蓄積領域Ｐ１及び第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積された総電荷量を読み出す第２読出処理と、を実行する。これにより、第１読出処理において第１電荷蓄積領域Ｐ１に蓄積された電荷量が読み出されるだけでなく、第２読出処理において第１電荷蓄積領域Ｐ１及び第１オーバーフロー領域Ｑ１に蓄積された総電荷量が読み出されるため、電荷量の検出精度を向上することができる。

【0091】

制御部４は、第１電荷転送処理が実行される期間以外の期間に、電荷発生領域２４で発生した電荷を不要電荷転送ゲート電極ＲＧによって不要電荷排出領域Ｒに転送する不要電荷転送処理を実行する。これにより、第１電荷転送処理が実行される期間以外の期間に電荷発生領域２４で発生した電荷を不要電荷排出領域Ｒに転送することができ、電荷発生領域２４への電荷の残存を一層抑制することができる。不要電荷転送処理は、外乱光が多い環境下において特に有用である。

【0092】

制御部４が、対象物ＯＪで反射したパルス光Ｌが電荷発生領域２４に入射する期間に、第１電荷転送処理を実行する。これにより、対象物ＯＪで反射したパルス光Ｌが電荷発生領域２４に入射する期間に電荷発生領域２４で発生した電荷量を精度良く検出することができる。
［第２実施形態の変形例］

【0093】

変形例として、イメージセンサ１０Ｄにおいて、各画素部１１には、不要電荷排出領域Ｒ及び不要電荷転送ゲート電極ＲＧが設けられていなくてもよい。この変形例のイメージセンサは、例えば図１８に示されるように駆動される。この駆動方法では、電荷発生領域２４で発生した電荷を不要電荷排出領域Ｒに転送する不要電荷転送処理が実行されない。この変形例によっても、上記第２実施形態と同様に、蓄積容量の飽和及び電荷発生領域２４への電荷の残存を抑制し、検出精度を向上することができる。この変形例のイメージセンサは、例えば、第１電荷転送処理が実行されている期間以外の期間に外乱光が電荷発生領域２４に入射し難い場合に好適に用いることができる。そのような場合の一例としては、例えば暗室中において光検出が行われる場合が挙げられる。

【0094】

本開示は、上述した実施形態及び変形例に限定されない。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。測距センサ１０Ａ，１０Ｃ及びイメージセンサ１０Ｄにおいて、不要電荷排出領域Ｒ，Ｒ１～Ｒ４に転送された電荷が、外部に排出されずに蓄積されて読み出されてもよい。すなわち、不要電荷排出領域Ｒ，Ｒ１～Ｒ４が電荷蓄積領域として機能してもよい。この場合、信号光以外の光（距離情報を含まない光）を読み出して利用することができる。

【0095】

半導体層２０にアバランシェ増倍領域２２が形成されていなくてもよい。すなわち、電荷発生領域２４は、アバランシェ増倍領域２２を含んでいなくてもよい。半導体層２０にウェル領域３１及びバリア領域３２の少なくとも一方が形成されていなくてもよい。信号処理部３が省略され、制御部４が測距センサ１０Ａ～１０Ｃに直接に接続されてもよい。第２電荷転送処理及び第２読出処理は、実行されなくてもよい。第１電荷転送処理が一回実行された後に、第１読出処理が実行されてもよい。

【0096】

測距センサ１０Ａ～１０Ｃ及びイメージセンサ１０Ｄでは、第１側及び第２側のいずれからも半導体層２０に光を入射させることが可能である。例えば、第２側から半導体層２０に光を入射させる場合には、対向電極５０が導電性及び光透過性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されてもよい。測距センサ１０Ａ～１０Ｃ及びイメージセンサ１０Ｄのいずれにおいても、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。測距センサ１０Ａ～１０Ｃ及びイメージセンサ１０Ｄのいずれにおいても、複数の画素１１ａは、半導体層２０の第１表面２０ａに沿って１次元に配列されたものであってもよい。測距センサ１０Ａ～１０Ｃ及びイメージセンサ１０Ｄのいずれも、単一の画素１１ａのみを有していてもよい。第１オーバーフロー領域Ｑ１の電荷蓄積容量は、第１電荷蓄積領域Ｐ１の電荷蓄積容量以下であってもよい。第２オーバーフロー領域Ｑ２の電荷蓄積容量は、第２電荷蓄積領域Ｐ２の電荷蓄積容量以下であってもよい。

【符号の説明】

【0097】

１…測距装置（光検出装置）、１００…光検出装置、２…光源、４…制御部、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…測距センサ（イメージセンサ、光センサ）、１０Ｄ…イメージセンサ（光センサ）、２２…アバランシェ増倍領域、２４…電荷発生領域、Ｐ１…第１電荷蓄積領域、Ｐ２…第２電荷蓄積領域、Ｐ３…第３電荷蓄積領域、Ｐ４…第４電荷蓄積領域、Ｑ１…第１オーバーフロー領域、Ｑ２…第２オーバーフロー領域、Ｑ３…第３オーバーフロー領域、Ｑ４…第４オーバーフロー領域、Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…不要電荷排出領域、ＰＧ…フォトゲート電極、ＴＸ１…第１転送ゲート電極、ＴＸ２…第２転送ゲート電極、ＴＸ３…第３転送ゲート電極、ＴＸ４…第４転送ゲート電極、ＯＶ１…第１オーバーフローゲート電極、ＯＶ２…第２オーバーフローゲート電極、ＯＶ３…第３オーバーフローゲート電極、ＯＶ４…第４オーバーフローゲート電極、ＲＧ…不要電荷転送ゲート電極。

【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】

【図17】

【図18】