[发明专利]光电转换元件

说明书

本申请提供了一种能够同时实现宽的光接收区域和高速传送的光电转换元件以及使用该光电转换元件的固体摄像装置。该光电转换元件具备：第一电荷读出区域(FDI)、第二电荷读出区域(FD2)、第三电荷读出区域(FD3)、……、第八电荷读出区域(FD8)，设置在关于光接收区域(PD)的中心位置的对称位置；和第一电场控制电极(G1)、第二电场控制电极(G2)、第三电场控制电极(G3)、……、第八电场控制电极(G8)，配置在分别从光接收区域(PD)的中心位置到第一电荷读出区域(FDI)、第二电荷读出区域(FD2)、第三电荷读出区域(FD3)、……、第八电荷读出区域(FD8)的电荷输送路径的两侧，并且使电荷输送路径和八条电荷传送通道(R1、R2、R3、……、R8)的耗尽电位发生变化。

技术领域

本发明涉及将光信号转换为由电子或空穴(hall)构成的信号电荷的光电转换元件、以及将具有该光电转换元件或与该光电转换元件等效的结构的像素一维或二维地排列的固体摄像装置。

背景技术

在使用光的飞行时间获取距离图像的光飞行时间型(TOF型)距离传感器中，使用MOS结构在纵向(垂直方向)上控制栅电极正下方的电势。例如，提出了CMOS测距元件和使用了该元件的TOF型图像传感器，该CMOS测距元件具备嵌入到p型半导体层上的n型电荷生成嵌入区域、电荷输送嵌入区域、电荷读出嵌入区域、覆盖在它们上面的绝缘膜、配置在绝缘膜上且向电荷输送嵌入区域传送信号电荷的传送电极以及配置在绝缘膜上且向电荷读出嵌入区域传送信号电荷的读出栅电极，在电荷生成嵌入区域中接收脉冲光，在电荷生成嵌入区域正下方的半导体层中将光信号光电转换为信号电荷，并根据蓄积在电荷传送嵌入区域中的电荷的分配比测量到对象物的距离(参照专利文献1)。

在这些CMOS测距元件和使用了该元件的TOF型图像传感器中，存在由于传送电极正下方的界面缺陷、界面能级等而产生噪声和暗电流的问题。进一步地，在使用如专利文献1所记载的传送电极的情况下，难以控制长距离的电势梯度，因此使电场在电荷传送通道的长距离内大致恒定实际上是不可能的。因此，在具有长电荷传送通道的测距元件等光电转换元件中，载流子在电荷传送通道的途中停止，产生了难以获得期待的性能的不良情况。

此外，近年来，在生物医学领域中，时间分辨图像传感器的应用场景显示出进一步的扩展。在使用时间分辨图像传感器的方法中，存在荧光寿命显微法(FLIM)、即测量因对细胞内分子照射激发光而产生的荧光的强度，并测量荧光衰减的时间(荧光寿命)。通过应用该FLIM，能够期待对医疗、预防医学领域产生巨大的影响。

本发明的发明人已经提出了如下四抽头横向电场控制型光电转换元件：能够在保持高信噪比(SN比)的同时以低噪声获取在四个短时间的时间窗中连续的时间分辨分量(参照专利文献2)。在专利文献2所公开的光电转换元件中，具备分别设置在关于光接收区域的中心而成为对象的四个位置的电荷蓄积区域，和分别设置在到达各个电荷蓄积区域的路径的两侧的电场控制电极(栅电极)对，并且将光电转换所产生的电荷的移动目的地依次设定为第一～第四电荷蓄积区域而进行输送。以一个时间窗为亚纳秒，同时用单脉冲进行3～4个时间窗的测量，然后将该3～4个时间窗作为整体而延迟，对第一次时间窗之后的测量时间范围进行测量，将它们反复进行数次而连接，能够实现荧光寿命测量所需的亚纳秒的时间分辨率和几纳秒的测量时间范围。

根据专利文献2的技术，能够提供光电转换元件以及排列有多个该光电转换元件的低噪声、高分辨率且响应速度快的固体摄像装置，该光电转换元件易于控制用于使电场在电荷传送通道的长距离内大致恒定的电位分布，并在长电荷传送通道中将信号电荷对称性良好地高速输送到多个区域，而且，能够避免由于半导体表面的界面处的界面缺陷、界面能级等而产生噪声和暗电流的问题、输送速度降低的问题。然而，在四抽头的光电转换元件中，在单脉冲的情况下，存在只能获取多个荧光时间分辨分量中的三分量或四分量的问题。此外，在通过反复的单脉冲进行获取的情况下，存在总测量时间变长的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2007/119626号公报