测距装置的制作方法

1.本公开涉及测距装置。


背景技术：

2.已经开发了一种使用itof(indirect time of flight：间接飞行时间)方法的测距装置。使用间接tof的测距装置基于照射光和反射光之间的相位差而间接计算从测距装置到物体的距离。
3.引用列表
4.专利文献
5.专利文献1：日本专利申请特开第2020-013909号


技术实现要素：

6.本发明要解决的问题
7.然而，使用间接tof方法的常规测距装置在硅基板中具有光电二极管，并且无法获得足够的量子效率qe(灵敏度)。另外，使用红外线透射率高的硅基板的测距装置需要增加硅基板的厚度，以便提高量子效率。然而，当硅基板的厚度增加时，相邻像素之间的电分离或光分离变得困难，导致由于信噪比(snr)劣化而引起分辨率下降的问题。
8.因此，本公开是鉴于上述问题而做出的，并且本公开提供了一种能够提高量子效率和分辨率的测距装置。
9.解决问题的技术方案
10.根据本公开的一个方面的测距装置包括：半导体层，所述半导体层具有第一面和与所述第一面相反的第二面；透镜，所述透镜设置在所述第二面侧；第一电荷存储部和第二电荷存储部，所述第一电荷存储部和所述第二电荷存储部在所述第一面侧设置在所述半导体层中；光电转换部，所述光电转换部在所述第一面侧与所述半导体层接触，并且包括与所述半导体层的材料不同的材料；第一电压施加部和第二电压施加部，所述第一电压施加部和所述第二电压施加部对所述第一电荷存储部和所述光电转换部之间以及所述第二电荷存储部和所述光电转换部之间的所述半导体层施加电压；和波导部，所述波导部以从所述第二面向所述光电转换部延伸的方式设置在所述半导体层中，并且包括与所述半导体层的材料不同的材料。
11.所述波导部的所述第一面侧的端面的面积可以小于所述波导部的所述第二面侧的端面的面积。
12.所述波导部可以在所述第二面侧的端面具有等于或大于开口部的面积的面积，入射光通过所述开口部从所述透镜传播到所述半导体层；可以在所述第一面侧的端面具有等于或小于所述光电转换部的面积的面积；并且可以在所述第一面和所述第二面之间具有在垂直于所述第一面或所述第二面的方向上倾斜的侧面。
13.所述波导部的折射率可以高于所述半导体层的折射率。
14.所述波导部的折射率可以低于所述透镜的折射率。
15.所述测距装置还可以包括金属层，所述金属层设置在所述波导部的侧面上。
16.所述半导体层可以使用硅，所述光电转换部可以使用锗、ingaas、硒化铜铟镓(cigs)或量子点(qdot)，并且所述波导部可以使用树脂材料。
17.所述测距装置还可以包括混合层，所述混合层设置在所述光电转换部和所述半导体层之间，并且所述混合层是通过将所述光电转换部的材料和所述半导体层的材料混合而获得的。
18.所述测距装置还可以包括附加波导部，所述附加波导部在所述第二面侧设置在所述波导部上，其中，所述波导部的所述第一面侧的第一端面的面积可以大于所述波导部的所述第二面侧的第二端面的面积，并且所述附加波导部的与所述波导部的所述第二端面相对的第三端面的面积可以小于所述附加波导部的与所述第三端面相反的一侧的第四端面的面积。
19.所述第一电压施加部可以包括第一栅电极，所述第一栅电极设置在所述第一电荷存储部和所述光电转换部之间的所述第一面上并且与所述半导体层绝缘，并且所述第二电压施加部可以包括第二栅电极，所述第二栅电极设置在所述第二电荷存储部和所述光电转换部之间的所述第一面上并且与所述半导体层绝缘，并且所述测距装置还可以包括：第二配线，其设置在所述第一面侧，并连接到所述第一电压施加部；和第三配线，其设置在所述第一面侧，并连接到所述第二电压施加部。
20.所述第一电压施加部和所述第二电压施加部可以隔着绝缘膜设置在所述半导体层的所述第一面上。
21.所述第一电压施加部和所述第二电压施加部可以从所述半导体层的所述第一面嵌入到所述半导体层中。
22.所述第一电压施加部可以包括第一杂质层，所述第一杂质层在所述第一面上与所述第一电荷存储部相邻并且具有与所述第一电荷存储部的导电类型不同的导电类型，所述第二电压施加部可以包括第二杂质层，所述第二杂质层在所述第一面上与所述第二电荷存储部相邻并且具有与所述第二电荷存储部的导电类型不同的导电类型，并且所述测距装置还可以包括：第二配线，其设置在所述第一面侧，并连接到所述第一电压施加部；和第三配线，其设置在所述第一面侧，并连接到所述第二电压施加部。
23.当从所述半导体层的所述第二面的上方观察时，所述光电转换部可以小于开口部，入射光通过所述开口部从所述透镜传播到所述半导体层。
24.所述测距装置还可以包括金属层，所述金属层包括反射光的导电材料并且覆盖除了所述光电转换部和所述半导体层之间的接触部以外的所述光电转换部的周边。
附图说明
25.图1是示出根据第一实施例的测距装置的构造示例的框图。
26.图2是示出根据第一实施例的测距装置的光接收元件的示意性构造示例的框图。
27.图3是示出像素的电路构造的示例的图。
28.图4是示出图3所示的像素电路的布置示例的平面图。
29.图5是示出根据第一实施例的像素的构造示例的截面图。
30.图6是示出根据第一实施例的测距装置的操作的示例的时序图。
31.图7是示出根据第二实施例的像素的构造示例的截面图。
32.图8是示出根据第三实施例的像素的构造示例的截面图。
33.图9是示出根据第四实施例的像素的构造示例的截面图。
34.图10是示出根据第五实施例的像素的构造示例的截面图。
35.图11是示出根据第六实施例的像素的构造示例的截面图。
36.图12是示出根据第七实施例的像素的构造示例的截面图。
37.图13是示出根据第七实施例的光接收元件的构造示例的示意图。
38.图14是示出根据第八实施例的像素的构造示例的截面图。
39.图15是示出根据第八实施例的光接收元件的构造示例的平面图。
40.图16是示出根据第九实施例的光接收元件的构造示例的截面图。
41.图17是示出根据第十实施例的像素的构造示例的截面图。
42.图18是示出根据第十一实施例的像素的构造示例的截面图。
43.图19是示出根据本公开的像素布局的一个示例的平面图。
44.图20是示出根据本公开的像素布局的另一示例的平面图。
45.图21是示出用作应用了本技术的电子设备的智能手机的构造示例的框图。
46.图22是示出作为能够应用根据本公开实施例的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的示意性构造示例的框图。
47.图23是示出摄像部的安装位置的示例的图。
具体实施方式
48.下面，将参考附图详细说明应用本技术的具体实施例。附图是示意性的或概念性的，并且各构成要素的比例等不一定与实际相同。在说明书和附图中，与之前参考先前描述的附图说明的元件相似的元件由相同的附图标记表示，并且将适当地省略其详细说明。
49.(第一实施例)
50.图1是示出根据第一实施例的测距装置的构造示例的框图。测距装置100使用间接tof(以下，也称为itof)方法，并且例如被用于安装在车辆上并测量到车辆外部的物体的距离的车载系统等。此外，测距装置100例如也可以用于诸如面部认证等识别个人的系统。
51.测距装置100包括光接收元件1、发光元件2、调制器3和pll(phase locked loop：锁相环路)4。pll 4产生脉冲信号。调制器3调制来自pll4的脉冲信号，并产生控制信号。控制信号的频率例如可以为5mhz～20mhz。发光元件2根据来自调制器的控制信号而发光。发光元件2包括作为光源的发光二极管，并且与具有矩形波或正弦波的控制信号同步地产生照射光，该发光二极管发射波长在780nm～1000nm范围内的红外光。由发光元件2产生的光例如可以是短波红外辐射光(swir：short wave infrared radiometer)等。从发光元件2发射的照射光由物体m反射，并由光接收元件1接收。
52.由光接收元件1接收的反射光根据到物体m的距离而从发光元件2发光的时刻延迟。由于反射光相对于照射光的延迟时间，在照射光和反射光之间产生相位差。在itof方法中，测距装置100计算照射光和反射光之间的相位差，并且基于该相位差获得从测距装置100到物体m的距离(深度信息)。
53.图2是示出根据第一实施例的测距装置的光接收元件的示意性构造示例的框图。光接收元件1是在图1中的itoff测距装置100中使用的元件。
54.光接收元件1接收由作为光源的发光元件2产生的照射光碰撞物体并被反射之后返回的光(反射光)，并且将表示到物体的距离信息的深度图像作为深度值输出。
55.光接收元件1包括设置在半导体基板(未示出)上的像素阵列单元21和设置在同一半导体基板上的周边电路单元。周边电路单元例如包括垂直驱动部22、列处理部23、水平驱动部24、系统控制部25、信号处理部26和数据存储部27等。注意，周边电路单元的全部或一部分可以设置在与光接收元件1相同的半导体基板上，或者可以设置在与光接收元件1的基板不同的基板上。
56.像素阵列单元21包括以由行方向和列方向构成的矩阵状二维布置的多个像素10。像素10产生与接收的光量对应的电荷，并且输出与所产生的电荷对应的信号。即，像素10对入射光进行光电转换，并输出与作为光电转换的结果而获得的电荷对应的信号。稍后将说明像素10的细节。注意，在图2中，行方向是水平方向，列方向是垂直方向。
57.在像素阵列单元21中，相对于矩阵状的像素阵列，像素驱动线28针对各像素行沿着行方向延伸，并且两条垂直信号线29针对各像素列沿着列方向延伸。例如，像素驱动线28传输用于执行读取来自像素10的信号时的驱动的驱动信号。注意，尽管图2将像素驱动线28显示为一根配线，但是像素驱动线28不限于由一根配线构成。像素驱动线28的一端连接到垂直驱动部22的与各行对应的输出端。
58.垂直驱动部22包括移位寄存器和地址解码器等，并且同时驱动像素阵列单元21中的所有像素10，或者例如逐行驱动像素阵列单元21中的像素10。即，垂直驱动部22与控制垂直驱动部22的系统控制部25一起构成驱动部，该驱动部控制像素阵列单元21的各像素10的操作。
59.根据垂直驱动部22的驱动控制而从像素行的各像素10输出的检测信号通过垂直信号线29输入到列处理部23。列处理部23对通过垂直信号线29从各像素10输出的检测信号执行预定的信号处理，并且临时保持经过信号处理的检测信号。具体地，列处理部23执行噪声去除处理和模数(ad)转换处理等作为信号处理。
60.水平驱动部24包括移位寄存器和地址解码器等，并且依次选择列处理部23中的与各像素列对应的单元电路。由于水平驱动部24的选择性扫描，在列处理部23中经过各单元电路的信号处理的检测信号被依次输出。
61.系统控制部25包括产生各种时序信号的时序发生器等，并且系统控制部25基于由时序发生器产生的各种时序信号来控制垂直驱动部22、列处理部23和水平驱动部24等的驱动。
62.信号处理部26具有运算处理功能，并且基于从列处理部23输出的检测信号而执行诸如运算处理等各种信号处理。数据存储部27临时存储信号处理部26中的信号处理所需的数据。
63.如上所述构造的光接收元件1将关于到物体的距离的距离信息作为深度值添加到像素值中，并且将该像素值作为深度图像输出。光接收元件1例如能够安装在车载系统等上，该车载系统安装在车辆上并且测量到车辆外部的物体的距离。
64.图3是示出各像素10的电路构造的示例的图。像素10包括光电二极管pd、传输晶体
管trg1和trg2、浮动扩散区域fd1和fd2、附加电容器fdl1和fdl2、切换晶体管fdg1和fdg2、放大晶体管amp1和amp2、复位晶体管rst1和rst2、选择晶体管sel1和sel2以及电荷排出晶体管ofg。
65.光电二极管pd是响应于接收到的光而产生电荷的光电转换元件。
66.传输晶体管trg1和trg2、切换晶体管fdg1和fdg2、放大晶体管amp1和amp2、选择晶体管sel1和sel2、复位晶体管rst1和rst2以及电荷排出晶体管ofg例如由n型mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)构成。
67.传输晶体管trg1在施加到栅电极trg1g的传输信号激活(例如，处于高电平)时导通，并且将累积在光电二极管pd中的电荷传输到浮动扩散区域fd1。传输晶体管trg2在施加到栅电极trg2g的传输信号激活时导通，并且将累积在光电二极管pd中的电荷传输到浮动扩散区域fd2。
68.浮动扩散区域fd1和fd2是能够存储从光电二极管pd传输的电荷的电荷存储部。
69.切换晶体管fdg1在切换信号fdg1g激活时导通，并且将附加电容器fdl1连接到浮动扩散区域fd1。切换晶体管fdg2在切换信号fdg2g激活时导通，并且将附加电容器fdl2连接到浮动扩散区域fd2。附加电容器fdl1和fdl2例如只需由诸如金属对金属(mom：metal-on-metal)电容器、金属-绝缘体-金属(mim)电容器或mos电容器等电容元件构成即可。注意，切换晶体管fdg1和fdg2在itof中累积由入射光产生的电荷时成为导通状态，并且分别电连接到浮动扩散区域fd1和fd2。因此，像素10能够抑制浮动扩散区域fd1和fd2中的信号电荷饱和，并且能够累积电荷。
70.复位晶体管rst1在复位驱动信号rstg激活时导通，并且复位浮动扩散区域fd1的电位。复位晶体管rst2在复位驱动信号rstg激活时导通，并且复位浮动扩散区域fd2的电位。注意，当复位晶体管rst1和rst2被激活时，切换晶体管fdg1和fdg2也同时被激活，并且附加电容器fdl1和fdl2也被复位。
71.例如，在itof中累积由入射光产生的电荷的情况下，垂直驱动部22使切换晶体管fdg1和fdg2进入导通状态，以连接浮动扩散区域fd1和附加电容器fdl1并且连接浮动扩散区域fd2和附加电容器fdl2。因此，能够累积大量的电荷。
72.另一方面，在提高量子效率的情况下，垂直驱动部22可以使切换晶体管fdg1和fdg2进入非导通状态，以将附加电容器fdl1和fdl2分别与浮动扩散区域fd1和fd2断开。这样，通过切换切换晶体管fdg1和fdg2，能够增大光接收元件1的动态范围。
73.电荷排出晶体管ofg在排出信号ofg1g激活时导通，并且排出光电二极管pd中累积的电荷。在光电二极管pd中的电荷由于强入射光而溢出的情况下，使用电荷排出晶体管ofg。
74.放大晶体管amp1的源电极经由选择晶体管sel1连接到垂直信号线29a。因此，放大晶体管amp1连接到恒流源(未示出)以构成源极跟随器电路。放大晶体管amp2的源电极经由选择晶体管sel2连接到垂直信号线29b。因此，放大晶体管amp2连接到恒流源(未示出)以构成源极跟随器电路。
75.选择晶体管sel1连接在放大晶体管amp1的源电极和垂直信号线29a之间。选择晶体管sel1在选择信号sel1g激活时导通，并且将从放大晶体管amp1输出的检测信号vsl1输
出到垂直信号线29a。
76.选择晶体管sel2连接在放大晶体管amp2的源电极和垂直信号线29b之间。选择晶体管sel2在选择信号sel2g激活时导通，并且将从放大晶体管amp2输出的检测信号vsl2输出到垂直信号线29b。
77.像素10的传输晶体管trg1和trg2、切换晶体管fdg1和fdg2、放大晶体管amp1和amp2、选择晶体管sel1和sel2以及电荷排出晶体管ofg由垂直驱动部22控制。
78.注意，如上所述，在itof中累积由入射光产生的电荷的情况下，附加电容器fdl1和fdl2分别连接到浮动扩散区域fd1和fd2。因此，itof的像素10可以不包括切换晶体管fdg1和fdg2。
79.接下来，将简要说明像素10的操作。
80.首先，在开始接收光之前，在所有像素中进行复位像素10中的电荷的复位操作。即，电荷排出晶体管ofg、复位晶体管rst1和rst2以及切换晶体管fdg1和fdg2变为导通状态，以排出光电二极管pd、浮动扩散区域fd1和fd2以及附加电容器fdl1和fdl2中累积的电荷。
81.在排出所累积的电荷之后，开始接收光。
82.在光接收时段内，传输晶体管trg1和trg2被交替驱动。例如，在第一时段内，传输晶体管trg1处于导通状态(接通)，并且传输晶体管trg2处于非导通状态(关断)。此时，在光电二极管pd中产生的电荷被传输到浮动扩散区域fd1和附加电容器fdl1。在第一时段之后的第二时段内，传输晶体管trg1被关断，并且传输晶体管trg2被接通。在第二时段内，在光电二极管pd中产生的电荷被传输到浮动扩散区域fd2和附加电容器fdl2。结果，在光电二极管pd中产生的电荷被分配到浮动扩散区域fd1和fd2并累积在浮动扩散区域fd1和fd2中。
83.第一和第二时段与来自发光元件2的照射光同步地周期性交替重复。结果，浮动扩散区域fd1和fd2以及附加电容器fdl1和fdl2能够累积与来自发光元件2的照射光和由光接收元件1接收的反射光之间的相位差对应的电荷。稍后将说明相位差与累积在浮动扩散区域fd1和fd2以及附加电容器fdl1和fdl2中的电荷的关系。
84.然后，当光接收时段结束时，依次选择像素阵列单元21的各像素10。在所选像素10中，选择晶体管sel1和sel2被接通。结果，累积在浮动扩散区域fd1和附加电容器fdl1中的电荷作为检测信号vsl1经由垂直信号线29a输出到列处理部23。累积在浮动扩散区域fd2和附加电容器fdl2中的电荷作为检测信号vsl2经由垂直信号线29b输出到列处理部23。
85.这样，当一次光接收操作结束时，执行从复位操作开始的下一次光接收操作。
86.由像素10接收的反射光根据到物体的距离而从光源发光的时刻延迟。根据与到物体的距离对应的延迟时间，在照射光和反射光之间产生相位差，并且累积在附加电容器fdl1和fdl2(或浮动扩散区域fd1和fd2)中的电荷的分配比发生变化。因此，通过检测浮动扩散区域fd1和fd2的电位而计算照射光和反射光之间的相位差，并且能够基于该相位差获得到物体的距离。
87.图4是示出图3所示的像素电路的布置示例的平面图。图4中的水平方向对应于图2中的行方向(水平方向)，垂直方向对应于图2中的列方向(垂直方向)。
88.如图4所示，在n型半导体层51中设置有n+型杂质层52。在杂质层52中设置有光电二极管pd。当从半导体层51的表面上方观察时，杂质层52和光电二极管pd具有大致矩形的
外形，并且光电二极管pd设置在杂质层52的内侧。注意，光电二极管pd的平面布局的尺寸不受特别限制。波导部55引导大部分入射光，使得光电二极管pd的平面布局的尺寸只需与波导部55的正面f1侧的端面大致相等或比其大即可。通过这种构造，光电二极管pd能够充分接收波导部55引导的入射光，并且还能够提高量子效率。
89.传输晶体管trg1、切换晶体管fdg1、复位晶体管rst1、放大晶体管amp1和选择晶体管sel1在杂质层52的外侧沿着矩形像素10的四边中的预定的一边线性布置。另外，传输晶体管trg2、切换晶体管fdg2、复位晶体管rst2、放大晶体管amp2和选择晶体管sel2沿着矩形像素10的四边中的另一边线性布置。此外，电荷排出晶体管ofg布置在像素10的与设置有传输晶体管trg1和trg2等的两边不同的边上。例如，电荷排出晶体管ofg布置在像素10的与设置有传输晶体管trg1、fdg1、rst1、amp1和sel1的边相对的边上。注意，图4所示的像素电路的布置不限于该示例，还可以采用其他布置。
90.图5是示出根据第一实施例的像素10的构造示例的截面图。尽管图5仅示出一个像素10，但是在像素阵列单元21中并列地二维布置有多个像素10。
91.像素10包括半导体层51、片上透镜47、抗反射膜43、遮光膜45、像素间分离部61、杂质层52、波导部55、浮动扩散区域fd1和fd2、光电二极管pd、传输晶体管trg1和trg2、通孔v1～v4和vbias、配线m1～m4和mbias以及附加电容器fdl1和fdl2。
92.半导体层51例如包括硅，并且其厚度例如为1μm～6μm。半导体层51例如是n型半导体层。半导体层51具有作为第一面的正面f1和与正面f1相反的作为第二面的背面f2。在正面f1侧设置有包括配线m1～m4和mbias的多层配线结构。在背面f2侧设置有用于接收光的片上透镜47。因此，根据本公开的光接收元件1是背面照射型元件，并且在与设置有配线m1～m4和mbias的正面f1相反的背面f2上接收光。半导体层51的背面f2是光入射面。
93.在半导体层51的背面f2上设置有抗反射膜43。抗反射膜43可以具有其中层叠有固定电荷膜和氧化膜的层叠结构。例如，抗反射膜43可以是通过原子层沉积(ald)方法形成的高介电常数(high-k)绝缘膜。更具体地，例如，对于抗反射膜43，能够使用诸如氧化铪(hfo2)、氧化铝(al2o3)、氧化钛(tio2)、氧化钽(ta2o5)或锶钛氧化物(sto)等金属氧化膜。
94.在半导体层51的背面f2上的除了抗反射膜43以外的区域中设置有遮光膜45。遮光膜45与抗反射膜43的周边相邻设置，并且防止来自除了抗反射膜43以外的区域的入射光进入。即，遮光膜45限定开口部op，入射光通过该开口部op从片上透镜47传播到半导体层51。遮光膜45包括遮光材料。例如，遮光膜45可以包括诸如钨(w)、铝(al)或铜(cu)等金属材料。
95.像素间分离部61设置在半导体层51中相邻的多个像素10之间的边界部处，并使相邻的多个像素10彼此分离。像素间分离部61防止入射光泄漏到相邻像素(即，串扰)。像素间分离部61也包括遮光材料。例如，像素间分离部61可以包括诸如钨(w)、铝(al)或铜(cu)等金属材料。注意，尽管未示出，但是像素间分离部61的底面和侧面可以被反射光的材料覆盖。通过这种构造，入射到光电二极管pd的光量增加，并且提高了像素10的量子效率。
96.在抗反射膜43和遮光膜45上设置有平坦化膜46。对于平坦化膜46，例如，使用诸如氧化硅(sio2)、氮化硅(sin)或氮氧化硅(sion)等绝缘膜或诸如树脂等有机材料。
97.在平坦化膜46上，针对各像素10设置有片上透镜47。片上透镜47设置在半导体层51的背面f2上。对于片上透镜47，例如，使用诸如苯乙烯树脂、丙烯酸树脂、苯乙烯-丙烯酸共聚物树脂或硅氧烷树脂等树脂材料。由片上透镜47会聚的光经由抗反射膜43和半导体层
51入射到光电二极管pd。
98.另一方面，作为光电转换部的示例，在半导体层51的正面f1侧设置有光电二极管pd。光电二极管pd以与半导体层51接触的方式设置在半导体层51的正面f1上，并且包括与半导体层51不同的材料。对于光电二极管pd，使用量子效率(光电转换效率)比硅高的材料，并且例如使用锗、ingaas、硒化铜铟镓(cigs)或量子点(qdot)。光电二极管pd产生与接收的光量对应的电荷。此外，光电二极管pd从正面f1朝向背面f2稍微突出到半导体层51或杂质层52中。结果，缩短了从光电二极管pd经由传输晶体管trg1和trg2到浮动扩散区域fd1和fd2的路径，并且提高了电荷传输效率和传输速度。
99.光电二极管pd经由作为第一配线的通孔vbias连接到配线mbias。配线mbias设置在正面f1侧，并且为了将预定的偏置电压施加到光电二极管pd而与光电二极管pd电连接。例如，通过将正电压(例如，大约+0.5v)施加到配线mbias，由光电二极管pd光电转换后的电荷(例如，电子)容易进入杂质层52。
100.杂质层52设置在半导体层51中的正面f1侧，并与光电二极管pd接触。杂质层52例如是杂质浓度高于半导体层51的杂质浓度的n型杂质层，并接收由光电二极管pd光电转换后的电荷。
101.作为第一和第二电荷存储部的示例，在杂质层52的两侧设置有浮动扩散区域fd1和fd2。浮动扩散区域fd1和fd2在正面f1侧设置在半导体层51中，并且临时保持或累积从光电二极管pd传输的电荷。浮动扩散区域fd1和fd2例如是n型杂质层，并且包括杂质浓度高于半导体层51的杂质浓度的高浓度杂质。
102.作为第一电压施加部的示例，在浮动扩散区域fd1和光电二极管pd或杂质层52之间的正面f1上设置有传输晶体管trg1的栅电极trg1g。栅电极trg1g隔着栅极绝缘膜设置在正面f1上，并与半导体层51电绝缘。栅电极trg1g能够将电压施加到浮动扩散区域fd1和光电二极管pd或杂质层52之间的半导体层51，以使传输晶体管trg1进入导通状态或非导通状态。对于栅电极trg1g，例如，使用诸如金属或掺杂有用作受体或供体的杂质的多晶硅等导电材料。
103.作为第二电压施加部的示例，在浮动扩散区域fd2和光电二极管pd或杂质层52之间的正面f1上设置有传输晶体管trg2的栅电极trg2g。栅电极trg2g隔着栅极绝缘膜设置在正面f1上，并与半导体层51电绝缘。栅电极trg2g能够将电压施加到浮动扩散区域fd2和光电二极管pd或杂质层52之间的半导体层51，以使传输晶体管trg2进入导通状态或非导通状态。对于栅电极trg2g，例如，使用诸如金属或掺杂多晶硅等导电材料。
104.栅电极trg1g、杂质层52和浮动扩散区域fd1构成传输晶体管trg1，并且能够通过施加到栅电极trg1g的栅极电压而将电荷从杂质层52传输到浮动扩散区域fd1。
105.栅电极trg2g、杂质层52和浮动扩散区域fd2构成传输晶体管trg2，并且能够通过施加到栅电极trg2g的栅极电压而将电荷从杂质层52传输到浮动扩散区域fd2。
106.传输到浮动扩散区域fd1和fd2的电荷累积在浮动扩散区域fd1和图3中的附加电容器fdl1中，或者累积在浮动扩散区域fd2和图3中的附加电容器fdl2中。
107.波导部55以从半导体层51的背面f2朝向正面f1侧的光电二极管pd逐渐变细的方式延伸。正面f1侧的波导部55的端面e1的面积小于背面f2侧的波导部55的端面e2的面积。波导部55设置到杂质层52的表面附近，但不到达光电二极管pd。即，杂质层52存在于波导部
55和光电二极管pd之间以进行电荷传输。波导部55包括与半导体层51的材料不同的材料。对于波导部55，与片上透镜47类似，例如使用诸如苯乙烯树脂、丙烯酸树脂、苯乙烯-丙烯酸共聚物树脂或硅氧烷树脂等树脂材料。此外，波导部55可以包括作为低折射率材料的sio2、mgf或sioc等，或作为高折射率材料的a-si、polysi(多晶硅)、sin、ta2o5、al2o3、tio2、hfo2或nb2o
25
等。
108.波导部55在与半导体层51的界面处反射至少一部分入射光，并将入射光引导到光电二极管pd。
109.波导部55在半导体层51的背面f2侧的端面e2处具有等于或大于开口部op的面积的面积，并且在正面f1侧的端面e1处具有等于或小于光电二极管pd的面积的面积。另外，波导部55的端面e1的面积小于端面e2的面积。波导部55的侧面在与正面f1、背面f2以及端面e1和e2垂直的方向上倾斜。即，波导部55形成为从背面f2向正面f1逐渐变细，并且正面f1和背面f2之间的侧面具有锥形形状。通过这种构造，波导部55能够将入射光从相对较大的开口部op引导到小于开口部op的光电二极管pd。
110.波导部55将入射光引导到光电二极管pd，由此能够提高光电二极管pd的量子效率。
111.此外，由于波导部55引导入射光，因此，即使减小光电二极管pd在正面f1上的布局面积，光电二极管pd也能够接收大量的入射光。因此，由于形成波导部55，因此，即使减小光电二极管pd的布局面积，光电二极管pd也能够保持高的量子效率和量子效率。当光电二极管pd的布局面积较小时，光电二极管pd与半导体层51之间的接触面积也变小，因此也能够抑制暗电流。即，根据第三实施例的像素10在保持光电二极管pd的量子效率的同时能够抑制暗电流，并且能够实现高灵敏度和高分辨率。
112.波导部55的折射率优选高于半导体层51的折射率。在这种情况下，波导部55中的入射光能够在波导部55与半导体层51之间的界面处发生全反射。优选地，波导部55侧面的锥角θt小于波导部55与半导体层51之间的界面的临界角。这是因为，通过这种构造，从与背面f2垂直的方向入射的光在波导部55与半导体层51之间的界面处容易发生全反射。波导部55能够通过使入射光在波导部55与半导体层51之间的界面处全反射而将更多的入射光引导到光电二极管pd。通过这种构造，像素10能够进一步提高光电二极管pd的量子效率。
113.在不设置抗反射膜43的情况下，波导部55的折射率优选低于片上透镜47和平坦化膜46的折射率。通过这种构造，入射光在片上透镜47或平坦化膜46与波导部55之间的界面处不会发生反射，并且能够进入波导部55。
114.栅电极trg1g经由通孔v11、v21、v31和v41及配线m11、m21和m31电连接到作为第二配线的配线m41。即，配线m41设置在正面f1侧并连接到栅电极trg1g。栅电极trg2g经由通孔v12、v22、v32和v42及配线m12、m22和m32电连接到作为第三配线的配线m42。即，配线m42设置在正面f1侧并连接到栅电极trg2g。图2中的垂直驱动部22连接到配线m41和m42，并经由配线m41和m42控制栅电极trg1g和trg2g的电位。结果，垂直驱动部22能够驱动传输晶体管trg1和trg2。例如，对于配线m11～m42和mbias及通孔v11～v42和vbias，使用诸如铜等导电金属。在图5中，配线m11～m42构成四层结构，但是配线层的数量不受限制，并且可以少于或多于四层。
115.注意，配线m11、m12和mbias形成在同一配线层中，并且配线m21和m22形成在同一
配线层中。配线m31和m32形成在同一配线层中，并且配线m41和m42形成在同一配线层中。配线m11和m12经由通孔v11和v12分别电连接到传输晶体管trg1和trg2的栅电极trg1g和trg2g。
116.附加电容器fdl1和fdl2例如可以是由与配线m21和m22或配线m31和32处于同一层的配线构成的mom、mim或mos电容器。尽管这里未示出，但是附加电容器fdl1和fdl2分别电连接到浮动扩散区域fd1和fd2，并且能够与浮动扩散区域fd1和fd2一起存储电荷。另外，附加电容器fdl1和fdl2在从正面f1侧观察的平面图中与光电二极管pd重叠。通过这种构造，能够减小像素10的布置面积。显然，附加电容器fdl1和fdl2可以由与配线m21和m22及配线m31和32不同的导电层构成。
117.层间绝缘膜62设置在半导体层51的正面f1上，并覆盖配线m11～m42和mbias以及通孔v11～v42和vbias等。作为层间绝缘膜62，例如，使用诸如氧化硅膜等绝缘膜。
118.接下来，将说明测距装置100的操作。
119.图6是示出根据第一实施例的测距装置的操作的示例的时序图。横轴表示时间。纵轴表示照射光的信号电平(强度)、反射光的信号电平(强度)、栅极信号s
trg1
和s
trg2
以及累积在浮动扩散区域fd1和fd2或附加电容器fdl1和fld2中的电荷的电荷量q
fd1
和q
fd2
。注意，栅极信号s
trg1
和s
trg2
是分别施加到图3或图5所示的栅电极trg1g和trg2g的信号。
120.首先，假设光接收元件1处于复位状态。发光元件2发射照射光。照射光的频率为fmod。照射光由物体m反射并由光接收元件1接收。反射光的频率与照射光的频率相同，即fmod。另一方面，从照射光的发射到照射光由物体m反射并作为反射光返回的时间δt是反射光相对于照射光的延迟时间(tof)。如果求出延迟时间δt，则能够基于光速c计算从测距装置100到物体m的距离。然而，由于根据延迟时间δt(t1～t2)，在照射光和反射光之间产生相位差，因此，itof方法使用照射光和反射光之间的相位差α来计算从测距装置100到物体m的距离(深度信息)d。
121.距离d由表达式1表示。
122.d＝(c
×
δt)/2＝(c
×
α)/(4π
×
fmod)
ꢀꢀꢀꢀ
(表达式1)
123.当相位差α已知时，能够通过表达式1计算距离d。
124.另外，相位差α由表达式2表示。
125.α＝arctan((q
90-q
270
)/(q
0-q
180
))
ꢀꢀꢀꢀ
(表达式2)
126.q
θ
(θ＝0、90、180、270)表示当栅极信号s
trg1
和s
trg2
的相位相对于照射光偏移θ时而累积在浮动扩散区域fd1和fd2或附加电容器fdl1和fdl2中的电荷量的差(电位差)。即，itof方法使用在栅极信号s
trg1
和s
trg2
的相位相对于照射光偏移预定值(例如，0
°
、90
°
、180
°
和270
°
)时获得的四个图像数据来计算相位差α。然后，使用相位差α计算距离d。该计算只需由图2中的信号处理部26执行即可。
127.下面，将参考图6说明q
θ
的计算。
128.栅极信号s
trg1
和s
trg2
被施加到传输晶体管trg1和trg2的栅电极trg1g和trg2g。栅极信号s
trg1
和s
trg2
是具有与照射光的频率相同的频率fmod的脉冲信号。栅极信号s
trg1
和栅极信号s
trg2
是彼此偏移180
°
的反相信号，并且被设定为从照射光偏移预定相位θ(0
°
、90
°
、180
°
和270
°
中的任一者)。例如，在图6中，栅极信号s
trg1
的相位被设定为从照射光的相位偏移90
°
(θ＝90)。由于栅极信号s
trg2
与栅极信号s
trg1
的相位相反，因此，栅极信号s
trg2
的相位
也随着栅极信号s
trg1
的相位偏移。
129.由于栅极信号s
trg1
和s
trg2
是反相的，因此图3和图5中的传输晶体管trg1和trg2交替导通。例如，从t0至t3，栅极信号s
trg1
处于高电平，使得传输晶体管trg1导通。另一方面，栅极信号s
trg2
处于低电平，使得传输晶体管trg2不导通。此时，在光电二极管pd中产生的电荷qa经由传输晶体管trg1传输到浮动扩散区域fd1和附加电容器fdl1。另一方面，电荷qa不传输到浮动扩散区域fd2和附加电容器fdl2。当将浮动扩散区域fd1和附加电容器fdl1中的电荷量定义为电荷量q
fd1
时，电荷量q
fd1
改变(减少)电荷qa的量。另一方面，电荷不传输到浮动扩散区域fd2和附加电容器fdl2。因此，当将浮动扩散区域fd2和附加电容器fdl2中的电荷量定义为电荷量q
fd2
时，电荷量q
fd2
不改变。
130.接下来，从t3至t4，栅极信号s
trg2
处于高电平，使得传输晶体管trg2导通。另一方面，栅极信号s
trg1
处于低电平，使得传输晶体管trg1不导通。此时，在光电二极管pd中产生的电荷qb经由传输晶体管trg2传输到浮动扩散区域fd2和附加电容器fdl2。另一方面，电荷qb不传输到浮动扩散区域fd1和附加电容器fdl1。因此，电荷量q
fd2
改变(减少)电荷qb的量。另一方面，电荷不传输到浮动扩散区域fd1和附加电容器fdl1。因此，电荷量q
fd1
不改变。
131.从t4至t5以及从t6至t7，光接收元件1的操作与从t0至t3的光接收元件1的操作类似。另外，从t5至t6以及从t7至t8，光接收元件1的操作与从t3至t4的光接收元件1的操作类似。这样，传输晶体管trg1和trg2交替地周期性重复导通状态和非导通状态。通过这种构造，在光电二极管pd中产生的电荷qa逐渐累积(积分)在浮动扩散区域fd1和附加电容器fdl1中，并且在光电二极管pd中产生的电荷qb逐渐累积(积分)在浮动扩散区域fd2和附加电容器fdl2中。通过基于照射光和反射光的频率fmod来分配在光电二极管pd中产生的电荷qa和qb，与反射光相对于照射光的相位差α对应的电荷量的差q
90
变大。当电荷量的差q
90
足够大时，光接收元件1经由图3中的垂直信号线29a和29b输出浮动扩散区域fd1和fd2的电位。
132.针对θ＝0、90、180和270中的各者执行上述光接收处理，并且检测电荷量的差q0、q
90
、q
180
和q
270
。结果，获得在栅极信号s
trg1
和s
trg2
的相位相对于照射光偏移时获得的四个图像数据(即，q0、q
90
、q
180
和q
270
)。信号处理部26使用这四个图像数据(q0、q
90
、q
180
和q
270
)，根据表达式2计算相位差α。此外，信号处理部26使用相位差α，根据表达式1计算距离d。
133.这样，根据本公开的测距装置100使用itof方法获得距离d(深度信息)。
134.如上所述，根据本实施例的光接收元件1具有背面照射型结构，该结构在半导体层51的正面f1上具有配线结构并且在背面f2上具有片上透镜47。因此，入射光不会被配线m11～m42和mbias等遮挡，并通过高透射率的片上透镜47和半导体层51而不会衰减太多地到达光电二极管pd。因此，能够增加在半导体层51中光电转换的光量，并且能够提高量子效率(qe)，即像素10的灵敏度。
135.另外，根据本实施例，波导部55设置成从半导体层51的背面f2朝向正面f1侧的光电二极管pd延伸。波导部55在与半导体层51的界面处反射至少一部分入射光，并且将入射光引导到光电二极管pd。结果，能够提高根据本实施例的光接收元件1的量子效率(灵敏度)。为了使波导部55在与半导体层51的界面处反射入射光，波导部55的折射率优选高于半导体层51的折射率。通过这种构造，能够进一步提高光接收元件1的灵敏度。
136.此外，根据本实施例，光电二极管pd在半导体层51(例如，硅基板)中不包括杂质扩
散层，但是包括与半导体层51的材料不同且与半导体层51的背面f2接触的材料。通过使用光电转换效率比硅高的材料(例如，锗、ingaas、cigs或qdot)作为光电二极管pd，能够进一步提高光接收元件1的量子效率(灵敏度)。
137.另外，由于光电二极管pd与半导体层51分开设置，因此无需考虑量子效率的提高而增加半导体层51的厚度。由于能够减薄半导体层51，因此无需增加像素间分离部61的深度，由此容易形成像素间分离部61。此外，即使像素间分离部61相对较浅，也能够有效地防止入射光泄漏到相邻像素，并且能够有效地抑制串扰。因此，能够提高snr并且提高分辨率。
138.此外，当半导体层51的厚度减小时，波导部55的厚度减小，使得入射光在波导部55中的路径长度缩短。结果，从波导部55泄漏的光量减少，并且波导部55能够将更多的入射光引导到光电二极管pd。因此，能够进一步提高光接收元件1的量子效率。
139.(第二实施例)
140.图7是示出根据第二实施例的像素10的构造示例的截面图。根据第二实施例的光接收元件1还包括设置在波导部55的侧面上的金属层56。对于金属层56，只要使用反射光的金属材料即可，例如，使用诸如钨(w)、铝(al)或铜(cu)等金属材料。即使波导部55的折射率低于半导体层51的折射率，金属层56也能够反射波导部55中的入射光，因此，波导部55能够将入射光引导到光电二极管pd。如上所述，当设置有金属层56时，即使波导部55的向性比率较小，也能够提高光接收元件1的量子效率。第二实施例的其他构造可以与第一实施例的相应构造类似。结果，第二实施例也能够获得第一实施例的效果。
141.(第三实施例)
142.图8是示出根据第三实施例的像素10的构造示例的截面图。根据第三实施例，栅电极tgr1g和tgr2g从正面f1嵌入到半导体层51中，以形成垂直栅极结构。通过这种构造，传输晶体管trg1和trg2即使在低栅极电压下也能够导通，由此能够进一步提高电荷传输速度。
143.另外，由于栅电极tgr1g和tgr2g设置在杂质层52或光电二极管pd与浮动扩散区域fd1和fd2之间，因此能够防止入射光直接进入浮动扩散区域fd1和fd2。结果，能够降低寄生光灵敏度(pls)。第三实施例的其他构造可以与第一实施例的相应构造类似。结果，第三实施例也能够获得第一实施例的效果。
144.(第四实施例)
145.图9是示出根据第四实施例的像素10的构造示例的截面图。根据第四实施例的像素10还包括混合层66，该混合层66设置在光电二极管pd与半导体层51之间，并通过将光电二极管pd的材料和半导体层51的材料混合而获得。例如，在半导体层51是硅并且光电二极管pd是锗的情况下，混合层66是sige层。如上所述，即使将混合层66设置在光电二极管pd与半导体层51之间，也不会丧失本公开的效果。在设置sige层作为混合层66的情况下，第四实施例提供了以下效果：通过控制锗(ge)的添加比例，能够连续改变光电二极管pd与半导体层51之间的带隙。第四实施例的其他构造可以与第一实施例的相应构造类似。结果，第四实施例也能够获得第一实施例的效果。
146.(第五实施例)
147.图10是示出根据第五实施例的像素10的构造示例的截面图。在根据第五实施例的像素10中，光电二极管pd的上部从半导体层51的正面f1嵌入到杂质层52中。由于光电二极管pd的上部嵌入到杂质层52中，因此电荷容易从光电二极管pd进入杂质层52。结果，电荷传
输速度进一步提高。
148.(第六实施例)
149.图11是示出根据第六实施例的像素10的构造示例的截面图。根据第六实施例的像素10还包括设置在片上透镜47或平坦化膜46与半导体层51的背面f2之间的附加半导体层151和附加波导部155。在波导部155和波导部55之间设置有抗反射膜143。在半导体层151和半导体层51之间设置有遮光膜145。
150.对于半导体层151和波导部155，只要分别使用与半导体层51和波导部55相同的材料即可。对于抗反射膜143和遮光膜145，只要分别使用与抗反射膜43和遮光膜45相同的材料即可。
151.半导体层151具有与半导体层51的背面f2相对的面f3和在与面f3相反的一侧的面f。抗反射膜143和遮光膜145设置在半导体层51的背面f2和半导体层151的面f3之间。抗反射膜43和遮光膜45设置在半导体层151的面f4上。
152.波导部155在面f4侧具有大致等于或大于开口部op的端面e4，并且在面f3侧具有大致等于或略小于波导部55的背面f2侧的端面e2的端面e3。波导部155的端面e3的面积小于波导部155的端面e4的面积。因此，波导部155以从半导体层151的面f4朝向面f3逐渐变细的方式延伸。波导部155的侧面在与面f3、面f4以及端面e3和e4垂直的方向上倾斜。即，波导部155在端面e4和端面e3之间的侧面具有锥形形状。波导部155在侧面，即在与半导体层151的界面处反射至少一部分入射光，并将入射光引导到波导部55。通过这种构造，波导部155能够将入射光从相对较大的开口部op引导到比背面f2侧的开口部op小的波导部55的端面。结果，波导部155能够将通过开口部op的入射光引导到波导部55，而没有太多泄漏。
153.另一方面，波导部55以从半导体层51的背面f2朝向正面f1侧的光电二极管pd逐渐变粗的方式延伸。波导部55的正面f1侧的端面e1的面积大于波导部55的背面f2侧的端面e2的面积。波导部55设置到杂质层52的表面附近，但不到达光电二极管pd。
154.波导部55在与半导体层51的界面处反射至少一部分入射光，并将入射光引导到光电二极管pd。
155.波导部55在端面e2上具有等于或大于波导部155的端面e3的面积的面积，并且在正面f1侧具有等于或小于光电二极管pd的面积的面积。波导部55以从背面f2向正面f1逐渐变宽的方式形成，并且正面f1与背面f2之间的侧面具有锥形形状。结果，波导部55能够用来自相对较小的端面的入射光充分照射光电二极管pd。
156.如上所述，波导部55和155形成为沙漏形状。通过增大波导部155的开口部op的尺寸，能够将大量的入射光引导到像素10。波导部55将由波导部155引导的入射光引入由金属膜145和像素间分离部61包围的内部区域。对于金属膜145，使用诸如钨(w)、铝(al)或铜(cu)等金属材料。入射光重复反射，直至在由金属膜145和像素间分离部61包围的内部区域中进行光电转换。这里，通过减小端面e2上的波导部55的开口面积，能够降低引入内部区域的入射光从端面e2传播到像素10的外部而不被光电转换的概率。因此，随着波导部155的开口部op的增大，能够将入射光限制在内部区域中。即，通过将波导部55和155形成为中间部分变窄的沙漏形状，能够引入更多的入射光，并且能够充分对入射光进行光电转换。结果，能够提高量子效率。第六实施例的其他构造可以与第一实施例的相应构造类似。
157.(第七实施例)
158.图12是示出根据第七实施例的光接收元件1的构造示例的截面图。图13是示出根据第七实施例的光接收元件1的构造示例的示意图。根据第七实施例的光接收元件1包括像素10的半导体芯片c1和另一周边电路20的半导体芯片c2。半导体芯片c1例如具有其中排列有多个像素10的像素阵列。半导体芯片c2例如可以是像素10的控制器，并且包括设置在半导体基板上的cmos(complementary metal oxide semiconductor：互补金属氧化物半导体)逻辑电路13等。半导体芯片c1和半导体芯片c2具有层叠结构，通过配线彼此直接接合(cu-cu接合)，并用作一个装置(模块)。如上所述，光接收元件1可以是其中层叠有多个半导体芯片的模块。通过这种构造，能够减小光接收元件1的布置面积。
159.(第八实施例)
160.图14是示出根据第八实施例的光接收元件1的构造示例的截面图。图15是示出根据第八实施例的光接收元件1的构造示例的平面图。根据第八实施例的光接收元件1包括彼此相邻布置的像素10和11。像素10是根据本公开的像素，并且例如是使用锗作为光电二极管pd并检测短波红外光(swir)的像素。像素11是在设置于半导体层51(例如，硅基板)中的光电二极管pd中检测近红外光(nir)的像素。通过交替地并列布置检测不同类型的光的像素10和11的上述构造，光接收元件1能够检测swir和nir两者。即，能够扩大光接收元件1的检测波长的范围。注意，在图15中，布置有两个像素10和两个像素11，但是也可以布置三个或更多个像素。
161.(第九实施例)
162.图16是示出根据第九实施例的光接收元件1的构造示例的截面图。根据第九实施例的光接收元件1包括第一杂质层tap1作为第一电压施加部的示例，该第一杂质层tap1在正面f1上与浮动扩散区域fd1相邻，并且具有与浮动扩散区域fd1相反的导电类型。光接收元件1还包括第二杂质层tap2作为第二电压施加部的示例，该第二杂质层tap2在正面f1上与浮动扩散区域fd2相邻，并且具有与浮动扩散区域fd2相反的导电类型。例如，在浮动扩散区域fd1和fd2为浓n+型杂质层的情况下，第一和第二杂质层tap1和tap2为浓p+型杂质层。在这种情况下，设置在正面f1侧的配线m41电连接到第一杂质层tap1。设置在正面f1侧的配线m42电连接到第二杂质层tap2。
163.垂直驱动部22通过交替切换配线m41和42的电压而周期性地切换在第一杂质层tap1和第二杂质层tap2之间流动的电流的方向。因此，由光电二极管pd产生的电荷能够周期性地交替分配到浮动扩散区域fd1和fd2。结果，如同上述实施例一样，测距装置100能够通过itof方法检测q
θ
(θ＝0、90、180、270)并测量距离d。
164.(第十实施例)
165.图17是示出根据第十实施例的像素10的构造示例的截面图。配线mbias和通孔vbias连接到光电二极管pd。通过配线mbias和通孔vbias将偏置电压施加到光电二极管pd。因此，在光电二极管pd中光电转换后的电荷容易进入杂质层52，并经由传输晶体管trg1和trg2快速地传输到浮动扩散区域fd1和fd2。即，根据本实施例，能够提高电荷从光电二极管pd到浮动扩散区域fd1和fd2的传输速度。
166.(第十一实施例)
167.图18是示出根据第十一实施例的像素10的构造示例的截面图。根据第十一实施例，当从半导体层51的背面f2上方观察时，光电二极管pd的面积小于开口部op和杂质层52
的面积。通过这种构造，光电二极管pd与半导体层51之间的接触面积减小，并且能够减少暗电流。
168.另外，根据第十一实施例的像素10还包括金属层65。对于金属层65，使用反射光的导电金属材料，并且例如使用诸如钨(w)、铝(al)或铜(cu)等金属材料。金属层65覆盖除了光电二极管pd和半导体层51之间的接触部以外的光电二极管pd的周边。即，金属层65覆盖光电二极管pd的除了上面以外的底面和四个侧面，并且具有像矩形容器一样的形状。此外，金属层65设置在光电二极管pd和通孔vbias或配线mbias之间，并且也用作将光电二极管pd和配线mbias电连接的电极。
169.金属层65使入射到光电二极管pd的光在光电二极管pd中反射，以尽可能延长光电二极管pd中的光路。通过这种构造，能够提高光电二极管pd的量子效率。即，金属层65具有将光限制在光电二极管pd中的效果，并且能够提高量子效率(灵敏度)。在这种情况下，即使光电二极管pd的平面布局的面积较小，也能够获得足够高的量子效率。
170.金属层65也用作光电二极管pd的电极。因此，来自配线mbias的偏置电压经由金属层65从光电二极管pd的整个底面和侧面施加到光电二极管pd。因此，光电二极管pd中的电荷更容易进入杂质层52，并且电荷传输速度也进一步提高。
171.第二实施例的其他构造可以与第一实施例的相应构造类似。因此，第二实施例也具有第一实施例的构造。
172.上述的第一至第十一实施例中的至少两者可以彼此组合。例如，第二实施例中的金属层56可以应用于第三至第十一实施例中的任一者。金属层56可以设置在图11中的波导部55和155中的一者或两者中。此外，例如，第九实施例中的第一和第二杂质层52可以应用于第一至第八、第十和第十一实施例中的任一者。
173.接下来，将说明根据本公开的像素10的平面布局的具体示例。
174.图19是示出根据本公开的像素10的布局的一个示例的平面图。在图19中，在杂质层52的中心部设置有一个光电二极管pd。在光电二极管pd的中心部设置有通孔vbias。
175.图20是示出根据本公开的像素10的布局的另一示例的平面图。在图20中，在杂质层52的中心部设置有多个光电二极管pd。在各光电二极管pd的中心部设置有通孔vbias。因此，通孔vbias的数量与光电二极管pd的数量相同。在图20中，光电二极管pd被分割为四个，但是也可以被分割为三个以下，或者可以被分割为五个以上。
176.光电二极管pd之间的狭缝的宽度优选窄于照射光的波长。通过这种构造，通过相对于波长优化狭缝的宽度，能够预期获得谐振效应和促进光电转换的效果。
177.《电子设备的构造示例》
178.测距装置100不仅能够应用于测距装置，而且还能够应用于包括具有测距功能的摄像装置(例如，数码相机或数码摄像机)和具有测距功能的智能手机的各种电子设备。
179.图21是示出用作应用了本技术的电子设备的智能手机的构造示例的框图。
180.如图21所示，智能手机601包括通过总线611连接的测距模块602、摄像装置603、显示器604、扬声器605、麦克风606、通信模块607、传感器单元608、触摸面板609和控制单元610。另外，控制单元610通过使cpu执行程序而具有作为应用处理部621和操作系统处理部622的功能。
181.测距装置100能够应用于测距模块602。例如，测距模块602布置在智能手机601的
正面上，并且进行针对智能手机601的用户的距离测量，从而能够将该用户的面部、手或手指等的表面形状的深度值作为测距结果输出。
182.摄像装置603布置在智能手机601的正面上，并且进行以智能手机601的用户为被摄体的摄像，以获得包括该用户的图像。注意，尽管未示出，但是摄像装置603也可以布置在智能手机601的背面上。
183.显示器604显示用于由应用处理部621和操作系统处理部622进行处理的操作画面以及摄像装置603拍摄的图像等。扬声器605和麦克风606例如在使用智能手机601进行通话期间，输出对方的语音并收集用户的语音。
184.通信模块607经由诸如因特网、公共电话线路网络、诸如所谓的4g线路或5g线路等用于无线移动体的广域通信网络、广域网(wan)或局域网(lan)等通信网络进行网络通信，或进行诸如蓝牙(注册商标)或近场通信(nfc)等近距离无线通信等。传感器单元608感测速度、加速度和接近度等，并且触摸面板609获得用户对在显示器604上显示的操作画面执行的触摸操作。
185.应用处理部621执行用于通过智能手机601提供各种服务的处理。例如，应用处理部621能够执行以下处理：基于从测距模块602提供的深度值，通过虚拟地再现了用户表情的计算机图形来创建面部，并且在显示器604上显示所创建的面部。此外，应用处理部621能够执行例如基于从测距模块602提供的深度值来创建任何三维物体的三维形状数据的处理。
186.操作系统处理部622执行用于实现智能手机601的基本功能和操作的处理。例如，操作系统处理部622能够执行基于从测距模块602提供的深度值来认证用户面部和解锁智能手机601的处理。此外，基于从测距模块602提供的深度值，操作系统处理部622例如能够执行识别用户手势的处理和根据该手势输入各种操作的处理。
187.如上所述构造的智能手机601包括作为测距模块602的测距装置100，从而能够执行例如测量和显示到预定物体的距离的处理以及创建和显示预定物体的三维形状数据的处理等。
188.《移动体的应用例》
189.根据本公开的技术(本技术)能够应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以被实现为安装在以下任何类型的移动体上的装置，所述移动体例如是：汽车、电动汽车、混合动力汽车、摩托车、自行车、个人移动设备、飞机、无人机、船舶和机器人。
190.图22是示出作为能够应用根据本公开实施例的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的示意性构造示例的框图。
191.车辆控制系统12000包括通过通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图22所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。另外，作为集成控制单元12050的功能构造，示出了微型计算机12051、声音/图像输出部12052和车载网络接口(i/f)12053。
192.驱动系统控制单元12010根据各种程序来控制与车辆的驱动系统有关的设备的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作以下设备的控制装置，这些设备是：诸如内燃机或驱动电机等用于产生车辆的驱动力的驱动力产生设备；用于将驱动力传递到车轮的驱动力传
递机构；用于调节车辆的转向角的转向机构；以及用于产生车辆的制动力的制动设备等。
193.车身系统控制单元12020根据各种程序来控制安装在车体上的各种设备的操作。例如，车身系统控制单元12020用作以下设备的控制装置，这些设备是：无钥匙进入系统；智能钥匙系统；电动车窗装置；或诸如前灯、尾灯、刹车灯、转向信号灯或雾灯等各种灯。在这种情况下，能够将从代替钥匙的移动设备发送的无线电波或各种开关的信号输入到车身系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收这些输入的无线电波或信号，并且控制车辆的门锁装置、电动车窗装置或灯等。
194.车外信息检测单元12030检测包括车辆控制系统12000的车辆外部的信息。例如，车外信息检测单元12030与摄像部12031连接。车外信息检测单元12030使摄像部12031对车辆外部的图像进行摄像，并且接收所摄像的图像。车外信息检测单元12030可以包括上述测距装置100，并且基于所接收到的图像，车外信息检测单元12030可以对诸如人、车辆、障碍物、标志或路面上的文字等物体执行检测处理或距离检测处理。
195.摄像部12031是用于接收光并且输出与所接收的光的光量对应的电信号的光学传感器。摄像部12031能够将该电信号作为图像输出，或者能够将该电信号作为测距信息输出。另外，由摄像部12031接收的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等非可见光。
196.车内信息检测单元12040检测车辆内部的信息。车内信息检测单元12040例如与用于检测驾驶员状态的驾驶员状态检测部12041连接。例如，驾驶员状态检测部12041包括用于对驾驶员进行摄像的相机。基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳程度或驾驶员的专注程度，或者可以判断驾驶员是否在打瞌睡。
197.基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的车辆外部或车辆内部的信息，微型计算机12051能够计算驱动力产生设备、转向机构或制动设备的控制目标值，并且能够向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051能够执行旨在实现高级驾驶员辅助系统(adas：advanced driver assistance system)功能的协同控制，所述高级驾驶员辅助系统功能包括：车辆的碰撞避免或冲击缓和、基于车间距离的跟随驾驶、车速保持驾驶、车辆碰撞警告或车辆的车道偏离警告等。
198.另外，微型计算机12051能够基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的车辆外部或车辆内部的信息来控制驱动力产生设备、转向机构或制动设备等，从而执行旨在实现不依赖驾驶员的操作而使车辆自主行驶的自动驾驶等的协同控制。
199.另外，基于由车外信息检测单元12030获得的车辆外部的信息，微型计算机12051能够向车身系统控制单元12020输出控制命令。例如，微型计算机12051能够例如根据由车外信息检测单元12030检测到的前行车辆或对向车辆的位置来控制前灯并将远光灯切换到近光灯，从而执行旨在防眩光的协同控制。
200.声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一者的输出信号发送到输出设备，该输出设备能够在视觉上或在听觉上向车上的乘客或车辆外部通知信息。在图22的示例中，作为输出设备，示出了音频扬声器12061、显示部12062和仪表板12063。例如，显示部12062可以包括车载显示器(on-board display)和平视显示器(head-up display)中的至少一者。
201.图23是示出摄像部12031的安装位置的示例的图。
202.在图23中，作为摄像部12031，车辆12100包括摄像部12101、12102、12103、12104和12105。
203.摄像部12101、12102、12103、12104和12105例如被设置在车辆12100的前鼻、后视镜、后保险杠和后门上的位置以及车内挡风玻璃的上部的位置。设置在前鼻的摄像部12101和设置在车内挡风玻璃的上部的摄像部12105主要获得车辆12100前方的图像。设置在后视镜的摄像部12102和12103主要获得车辆12100侧面的图像。设置在后保险杠或后门的摄像部12104主要获得车辆12100后方的图像。由摄像部12101和12105获得的车辆前方的环境图像主要用于检测前行车辆、行人、障碍物、交通信号灯、交通标志或车道等。
204.顺便提及，图23示出了摄像部12101～12104的拍摄范围的示例。摄像范围12111表示设置在前鼻的摄像部12101的摄像范围。摄像范围12112和12113分别表示设置在后视镜的摄像部12102和12103的摄像范围。摄像范围12114表示设置在后保险杠或后门的摄像部12104的摄像范围。例如，通过将由摄像部12101～12104摄像的图像数据叠加，获得了从上方观察的车辆12100的鸟瞰图像。
205.摄像部12101～12104中的至少一者可以具有获得距离信息的功能。例如，摄像部12101～12104中的至少一者可以是由多个摄像元件组成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的摄像元件。
206.例如，微型计算机12051能够基于从摄像部12101～12104获得的距离信息来确定到摄像范围12111～12114内的各三维物体的距离以及该距离随时间的变化(相对于车辆12100的相对速度)，从而将以下三维物体提取为前行车辆：特别地，所述三维物体在车辆12100的行驶道路上最靠近车辆12100，并且在与车辆12100大致相同的方向上以预定速度(例如，大于或等于0km/h)行驶。此外，微型计算机12051能够预先设定在前行车辆的前方要保持的跟随距离，并且能够执行自动制动控制(包括跟随停止控制)或自动加速控制(包括跟随启动控制)等。因此，可以执行旨在实现不依赖驾驶员的操作而使车辆自主行驶的自动驾驶等的协同控制。
207.例如，基于从摄像部12101～12104获得的距离信息，微型计算机12051能够将关于三维物体的三维物体数据分类为两轮车辆、标准车辆、大型车辆、行人、电线杆和其他三维物体的三维物体数据，提取分类后的三维物体数据，并使用所提取的三维物体数据来自动避开障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员能够在视觉上识别的障碍物和难以在视觉上识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定用于表示与各障碍物发生碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或高于设定值并且因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机12051通过音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并且通过驱动系统控制单元12010执行强制减速或避让转向。因此，微型计算机12051能够辅助驾驶以避免碰撞。
208.摄像部12101～12104中的至少一者可以是用于检测红外线的红外相机。例如，微型计算机12051能够通过判断摄像部12101～12104的摄像图像中是否存在行人来识别该行人。例如，通过以下过程来进行这种行人识别：提取作为红外相机的摄像部12101～12104的摄像图像中的特征点；以及通过对表示物体轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理来判断该物体是否是行人。当微型计算机12051判断摄像部12101～12104的摄像图像中存在行人并因此识别出该行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得在识别出的行人上
叠加地显示用于强调的方形轮廓线。声音/图像输出部12052还可以控制显示部12062，使得在所期望的位置处显示用于表示行人的图标等。
209.注意，本技术的实施例不限于上述实施例，并且在不脱离本技术的主旨的情况下可以进行各种修改。注意，本技术还可以具有以下构造。
210.(1)
211.一种测距装置，其包括：
212.半导体层，所述半导体层具有第一面和与所述第一面相反的第二面；
213.透镜，所述透镜设置在所述第二面侧；
214.第一电荷存储部和第二电荷存储部，所述第一电荷存储部和所述第二电荷存储部在所述第一面侧设置在所述半导体层中；
215.光电转换部，所述光电转换部在所述第一面侧与所述半导体层接触，并且包括与所述半导体层的材料不同的材料；
216.第一电压施加部和第二电压施加部，所述第一电压施加部和所述第二电压施加部对所述第一电荷存储部和所述光电转换部之间以及所述第二电荷存储部和所述光电转换部之间的所述半导体层施加电压；和
217.波导部，所述波导部以从所述第二面向所述光电转换部延伸的方式设置在所述半导体层中，并且包括与所述半导体层的材料不同的材料。
218.(2)
219.根据(1)所述的测距装置，其中，所述波导部的所述第一面侧的端面的面积小于所述波导部的所述第二面侧的端面的面积。
220.(3)
221.根据(1)或(2)所述的测距装置，其中，所述波导部：在所述第二面侧的端面具有等于或大于开口部的面积的面积，入射光通过所述开口部从所述透镜传播到所述半导体层；在所述第一面侧的端面具有等于或小于所述光电转换部的面积的面积；并且在所述第一面和所述第二面之间具有在垂直于所述第一面或所述第二面的方向上倾斜的侧面。
222.(4)
223.根据(1)至(3)中任一项所述的测距装置，其中，所述波导部的折射率高于所述半导体层的折射率。
224.(5)
225.根据(4)所述的测距装置，其中，所述波导部的折射率低于所述透镜的折射率。
226.(6)
227.根据(1)至(5)中任一项所述的测距装置，还包括金属层，所述金属层设置在所述波导部的侧面上。
228.(7)
229.根据(1)至(6)中任一项所述的测距装置，
230.其中，所述半导体层使用硅，
231.所述光电转换部使用锗、ingaas、硒化铜铟镓(cigs)或量子点(qdot)，并且
232.所述波导部使用树脂材料。
233.(8)
234.根据(1)至(7)中任一项所述的测距装置，还包括混合层，所述混合层设置在所述光电转换部和所述半导体层之间，并且所述混合层是通过将所述光电转换部的材料和所述半导体层的材料混合而获得的。
235.(9)
236.根据(1)所述的测距装置，还包括附加波导部，所述附加波导部在所述第二面侧设置在所述波导部上，
237.其中，所述波导部的所述第一面侧的第一端面的面积大于所述波导部的所述第二面侧的第二端面的面积，并且
238.所述附加波导部的与所述波导部的所述第二端面相对的第三端面的面积小于所述附加波导部的与所述第三端面相反的一侧的第四端面的面积。
239.(10)
240.根据(1)至(9)中任一项所述的测距装置，
241.其中，所述第一电压施加部包括第一栅电极，所述第一栅电极设置在所述第一电荷存储部和所述光电转换部之间的所述第一面上并且与所述半导体层绝缘，并且
242.所述第二电压施加部包括第二栅电极，所述第二栅电极设置在所述第二电荷存储部和所述光电转换部之间的所述第一面上并且与所述半导体层绝缘，
243.所述测距装置还包括：
244.第二配线，所述第二配线设置在所述第一面侧，并连接到所述第一电压施加部；和
245.第三配线，所述第三配线设置在所述第一面侧，并连接到所述第二电压施加部。
246.(11)
247.根据(10)所述的测距装置，其中，所述第一电压施加部和所述第二电压施加部隔着绝缘膜设置在所述半导体层的所述第一面上。
248.(12)
249.根据(10)所述的测距装置，其中，所述第一电压施加部和所述第二电压施加部从所述半导体层的所述第一面嵌入到所述半导体层中。
250.(13)
251.根据(1)至(9)中任一项所述的测距装置，
252.其中，所述第一电压施加部包括第一杂质层，所述第一杂质层在所述第一面上与所述第一电荷存储部相邻并且具有与所述第一电荷存储部的导电类型不同的导电类型，并且
253.所述第二电压施加部包括第二杂质层，所述第二杂质层在所述第一面上与所述第二电荷存储部相邻并且具有与所述第二电荷存储部的导电类型不同的导电类型，
254.所述测距装置还包括：
255.第二配线，所述第二配线设置在所述第一面侧，并连接到所述第一电压施加部；和
256.第三配线，所述第三配线设置在所述第一面侧，并连接到所述第二电压施加部。
257.(14)
258.根据(1)至(13)中任一项所述的测距装置，其中，当从所述半导体层的所述第二面的上方观察时，所述光电转换部小于开口部，入射光通过所述开口部从所述透镜传播到所述半导体层。
259.(15)
260.根据(1)至(14)中任一项所述的测距装置，还包括金属层，所述金属层包括反射光的导电材料并且覆盖除了所述光电转换部和所述半导体层之间的接触部以外的所述光电转换部的周边。
261.注意，本公开不限于上述实施例，并且在不脱离本公开的主旨的情况下可以进行各种修改。另外，本说明书中描述的效果仅是说明性的而非限制性的，并且可以具有附加效果。
262.附图标记列表
263.100 测距装置
264.1 光接收元件
265.10 像素
266.pd 光电二极管
267.trg1、trg2 传输晶体管
268.fd1、fd2 浮动扩散区域
269.fdl1、fdl2 附加电容器
270.51 半导体层
271.47 片上透镜
272.43 抗反射膜
273.45 遮光膜
274.61 像素间分离部
275.52 杂质层
276.v1～v4、vbias 通孔
277.m1～m4、mbias 配线
278.65 金属层
279.55 波导部。