JP7760320B2 - 光電変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置に関する。

特許文献１には、光電変換部側に突出した形状の突起部を有する画素間分離部を備えた固体撮像素子が開示されている。また特許文献１には、画素間分離部の一例としてディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）が開示されている。

国際公開第２０１８／１３９２７９号

しかしながら、特許文献１に開示されているＤＴＩは、入射光の感度の観点で必ずしも最適とはいえない場合がある。

本発明は、感度をより向上し得る光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、基板と、前記基板内に配され、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、前記基板内に配され、前記光電変換部を他の素子から分離する画素分離部と、を有し、前記画素分離部の側壁は、断面視において、複数の凹凸を有し、前記複数の凹凸のうち隣り合う凸部間の距離は、前記光電変換部が感度を有する光の波長の１／２よりも大きく、前記基板は、前記光電変換部の入射面に配された凹凸を有することを特徴とする光電変換装置が提供される。
本発明の一観点によれば、基板と、前記基板内に配され、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、前記基板内に配され、前記光電変換部を他の素子から分離する画素分離部と、を有し、前記画素分離部の側壁は、断面視において、複数の凹凸を有し、前記複数の凹凸は周期的な凹凸構造を有し、前記凹凸構造の少なくとも一部の周期的距離は、前記光電変換部が感度を有する光の波長の１／２よりも大きく、前記基板は、前記光電変換部の入射面に配された凹凸を有することを特徴とする光電変換装置が提供される。
本発明の一観点によれば、基板と、前記基板内に配され、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、前記基板内に配され、前記光電変換部を他の素子から分離する画素分離部と、を有し、前記画素分離部の側壁は、断面視において、複数の凹凸を有し、前記複数の凹凸のうち隣り合う凸部間の距離は、前記光電変換部が感度を有する光の波長の１／２よりも大きく、前記光電変換部は、アバランシェフォトダイオードを含むことを特徴とする光電変換装置が提供される。
本発明の一観点によれば、基板と、前記基板内に配され、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、前記基板内に配され、前記光電変換部を他の素子から分離する画素分離部と、を有し、前記画素分離部の側壁は、断面視において、複数の凹凸を有し、前記複数の凹凸は周期的な凹凸構造を有し、前記凹凸構造の少なくとも一部の周期的距離は、前記光電変換部が感度を有する光の波長の１／２よりも大きく、前記光電変換部は、アバランシェフォトダイオードを含むことを特徴とする光電変換装置が提供される。

本発明によれば、感度をより向上し得る光電変換装置が提供される。

第１実施形態に係る光電変換装置の全体構成を示す概略図である。 第１実施形態に係るセンサ基板の構成例を示す概略ブロック図である。 第１実施形態に係る回路基板の構成例を示す概略ブロック図である。 第１実施形態に係る光電変換部及び画素信号処理部の１画素分の構成例を示す概略ブロック図である。 第１実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの動作を説明する図である。 第１実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの構造を示す図である。 第１実施形態に係る画素分離部の断面模式図である。 第１実施形態の変形例に係る画素分離部の断面模式図である。 第１実施形態の変形例に係る画素分離部の断面模式図である。 第１実施形態の変形例に係るアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。 第１実施形態の変形例に係るアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。 第１実施形態の変形例に係るアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。 第１実施形態の変形例に係るアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。 第２実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの構造を示す図である。 第２実施形態の変形例に係るアバランシェフォトダイオードの平面模式図である。 第２実施形態の変形例に係るアバランシェフォトダイオードの平面模式図である。 第３実施形態に係る光検出システムのブロック図である。 第４実施形態に係る光検出システムのブロック図である。 第５実施形態に係る内視鏡手術システムの概略図である。 第６実施形態に係る光検出システムの概略図である。 第６実施形態に係る移動体の概略図である。 第６実施形態に係る光検出システムの動作を表すフローチャートである。 第７実施形態に係る電子機器の具体例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさ及び位置関係は、説明を明確にするために誇張されていることがある。複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。

なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向又は位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語）が用いられる。それらの用語の使用は図面を参照した実施形態の理解を容易にするためのものであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る光電変換装置１００の全体構成を示す概略図である。光電変換装置１００は、例えば、固体撮像装置、焦点検出装置、測距装置、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ－Ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ）カメラ等であり得る。光電変換装置１００は、互いに積層されたセンサ基板１１（第１基板）と、回路基板２１（第２基板）とを有する。センサ基板１１と回路基板２１とは、電気的に相互に接続されている。センサ基板１１は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素１０１が配された画素領域１２を有している。回路基板２１は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素信号処理部１０３が配された第１回路領域２２と、第１回路領域２２の外周に配された第２回路領域２３とを有している。第２回路領域２３は、複数の画素信号処理部１０３を制御する回路等を含み得る。センサ基板１１は、入射光を受ける光入射面と、光入射面に対向する接続面とを有している。センサ基板１１は、接続面側において回路基板２１と接続されている。すなわち、光電変換装置１００は、いわゆる裏面照射型である。

本明細書において、「平面視」とは、光入射面とは反対側の面に対して垂直な方向から視ることを指す。また、断面とは、センサ基板１１の光入射面とは反対側の面に対して垂直な方向における面を指す。なお、微視的に見て光入射面が粗面である場合もあり得るが、その場合には巨視的に見たときの光入射面を基準として平面視を定義する。

以下では、センサ基板１１と回路基板２１とは、ダイシング済みのチップであるものとして説明するが、センサ基板１１と回路基板２１とは、チップに限定されるものではない。例えば、センサ基板１１と回路基板２１とは、ウエハであってもよい。また、センサ基板１１と回路基板２１とがダイシング済みのチップである場合には、光電変換装置１００は、ウエハ状態で積層した後にダイシングされることにより製造されてもよく、ダイシングされた後に積層されることにより製造されてもよい。

図２は、センサ基板１１の配置例を示す概略ブロック図である。画素領域１２には、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素１０１が配されている。複数の画素１０１の各々は、光電変換素子としてアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤと呼ぶ）を含む光電変換部１０２を有している。光電変換装置１００が撮像装置である場合には、複数の画素１０１は、光電変換により画像用の信号を生成する素子であり得る。しかしながら、光電変換装置１００がＴＯＦ等の技術を用いた測距装置である場合には、画素１０１は、光が到達した時刻と光量を測定するための素子であり得る。すなわち、複数の画素１０１の用途は画像の取得に限定されない。

ＡＰＤで生じる電荷対のうち信号電荷として用いられる電荷の導電型を第１導電型と呼ぶ。第１導電型とは、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする導電型を指す。また、第１導電型と反対の導電型、すなわち、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする導電型を第２導電型と呼ぶ。以下の説明のＡＰＤにおいては、ＡＰＤのアノードは固定電位とされており、ＡＰＤのカソードから信号が取り出される。したがって、第１導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域であり、第２導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域である。なお、ＡＰＤのカソードが固定電位とされ、ＡＰＤのアノードから信号が取り出される構成であってもよい。この場合は、第１導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域であり、第２導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域である。また、以下では、ＡＰＤの一方のノードを固定電位とする場合について説明するが、両方のノードの電位が変動する構成であってもよい。

本明細書において、単に「不純物濃度」という用語が使われた場合には、逆導電型の不純物によって補償された分を差し引いた正味の不純物濃度を意味している。すなわち、「不純物濃度」とは、ＮＥＴドーピング濃度を指す。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域はＰ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域はＮ型半導体領域である。

図３は、回路基板２１の構成例を示す概略ブロック図である。回路基板２１は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素信号処理部１０３が配された第１回路領域２２を有している。

また、回路基板２１には、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１、読み出し回路１１２、画素出力信号線１１３、出力回路１１４及び制御信号生成部１１５が配されている。図２に示されている複数の光電変換部１０２と、図３に示されている複数の画素信号処理部１０３は、それぞれ、画素１０１ごとに設けられた接続配線を介して電気的に接続されている。

制御信号生成部１１５は、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１及び読み出し回路１１２を駆動する制御信号を生成し、これらの各部に供給する制御回路である。これにより、制御信号生成部１１５は、各部の駆動タイミング等の制御を行う。

垂直走査回路１１０は、制御信号生成部１１５から供給された制御信号に基づいて、複数の画素信号処理部１０３の各々に制御信号を供給する。垂直走査回路１１０は、第１回路領域２２の行ごとに設けられている駆動線を介して各画素信号処理部１０３に対して行ごとに制御信号を供給する。なお、後述するように、この駆動線は各行について複数本であり得る。垂直走査回路１１０にはシフトレジスタ、アドレスデコーダ等の論理回路が用いられ得る。これにより、垂直走査回路１１０は、画素信号処理部１０３から信号を出力させる行の選択を行う。

画素１０１の光電変換部１０２から出力された信号は、画素信号処理部１０３で処理される。画素信号処理部１０３は、光電変換部１０２に含まれるＡＰＤから出力されるパルスの数をカウントすることにより複数のビットを有するデジタル信号を取得して保持する。

画素信号処理部１０３は、必ずしもすべての画素１０１に１つずつ設けられていなくてもよい。例えば、複数の画素１０１によって１つの画素信号処理部１０３が共有されていてもよい。この場合、画素信号処理部１０３は、各光電変換部１０２から出力された信号を順次処理することにより、各画素１０１に対して信号処理の機能を提供する。

水平走査回路１１１は、制御信号生成部１１５から供給された制御信号に基づいて、読み出し回路１１２に制御信号を供給する。画素信号処理部１０３は、第１回路領域２２の列ごとに設けられている画素出力信号線１１３を介して読み出し回路１１２に接続されている。１つの列の画素出力信号線１１３は、対応する列の複数の画素信号処理部１０３に共有されている。画素出力信号線１１３は、複数の配線を含んでおり、少なくとも、各画素信号処理部１０３からデジタル信号を読み出し回路１１２に出力する機能と、信号を出力させる列を選択するための制御信号を画素信号処理部１０３に供給する機能とを有している。読み出し回路１１２は、制御信号生成部１１５から供給された制御信号に基づいて、出力回路１１４を介して光電変換装置１００の外部の記憶部又は信号処理部に信号を出力する。

画素領域１２における光電変換部１０２の配列は１次元状に配されていてもよい。また、画素信号処理部１０３は、必ずしもすべての画素１０１に１つずつ設けられていなくてもよい。例えば、複数の画素１０１によって１つの画素信号処理部１０３が共有されていてもよい。この場合、画素信号処理部１０３は、各光電変換部１０２から出力された信号を順次処理することにより、各画素１０１に対して信号処理の機能を提供する。

図２及び図３に示されているように、平面視で画素領域１２に重なる領域に、複数の画素信号処理部１０３が配された第１回路領域２２が配される。そして、平面視において、センサ基板１１の端と画素領域１２の端との間に重なるように、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１、読み出し回路１１２、出力回路１１４及び制御信号生成部１１５が配される。言い換えると、センサ基板１１は、画素領域１２と画素領域１２の周りに配された非画素領域とを有する。そして、回路基板２１において、平面視において非画素領域に重なる領域に、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１、読み出し回路１１２、出力回路１１４及び制御信号生成部１１５が配された第２回路領域２３が配されている。

なお、画素出力信号線１１３の配置、読み出し回路１１２の配置及び出力回路１１４の配置は図３に示されているものに限定されない。例えば、画素出力信号線１１３が行方向に延びて配されており、対応する行の複数の画素信号処理部１０３に共有される配置であってもよい。そして、各行の画素出力信号線１１３が接続されるように読み出し回路１１２が配されていてもよい。

図４は、本実施形態に係る光電変換部１０２及び画素信号処理部１０３の１画素分の構成例を示す概略ブロック図である。図４には、センサ基板１１に配された光電変換部１０２と回路基板２１に配された画素信号処理部１０３との接続関係を含むより具体的な構成例が模式的に示されている。なお、図４においては図３における垂直走査回路１１０と画素信号処理部１０３との間の駆動線を駆動線２１３、２１４として示している。

光電変換部１０２は、ＡＰＤ２０１を有している。画素信号処理部１０３は、クエンチ素子２０２、波形整形部２１０、カウンタ回路２１１及び選択回路２１２を有している。なお、画素信号処理部１０３は、波形整形部２１０、カウンタ回路２１１及び選択回路２１２の少なくとも１つを有していればよい。

ＡＰＤ２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。ＡＰＤ２０１のアノードには、電圧ＶＬ（第１電圧）が供給される。また、ＡＰＤ２０１のカソードは、クエンチ素子２０２の第１端子及び波形整形部２１０の入力端子に接続されている。ＡＰＤ２０１のカソードには、アノードに供給される電圧ＶＬよりも高い電圧ＶＨ（第２電圧）が供給される。これにより、ＡＰＤ２０１のアノードとカソードには、ＡＰＤ２０１がアバランシェ増倍動作をするような逆バイアス電圧が供給される。逆バイアス電圧が供給されているＡＰＤ２０１において、入射光により電荷が生じると、この電荷がアバランシェ増倍を起こし、アバランシェ電流が発生する。

なお、ＡＰＤ２０１に逆バイアスの電圧が供給される場合の動作モードには、ガイガーモードとリニアモードとがある。ガイガーモードはアノード及びカソードの電位差が降伏電圧より大きい電位差で動作させるモードであり、リニアモードはアノード及びカソードの電位差が降伏電圧近傍又はそれ以下で動作させるモードである。

ガイガーモードで動作させるＡＰＤをＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）と呼ぶ。このときの電圧は、例えば、電圧ＶＬ（第１電圧）が－３０Ｖであり、電圧ＶＨ（第２電圧）が１Ｖである。ＡＰＤ２０１は、リニアモードで動作させてもよく、ガイガーモードで動作させてもよい。ＳＰＡＤの場合はリニアモードのＡＰＤに比べて電位差が大きくなりアバランシェ増倍の効果が顕著となるため、ＳＰＡＤであることが好ましい。

クエンチ素子２０２は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能する。クエンチ素子２０２は、ＡＰＤ２０１に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増倍を抑制する（クエンチ動作）。また、クエンチ素子２０２は、クエンチ動作による電圧降下に応じた電流を流すことにより、ＡＰＤ２０１に供給する電圧を電圧ＶＨへと戻す（リチャージ動作）。クエンチ素子２０２は、例えば、抵抗素子であり得る。

波形整形部２１０は、光子検出時に得られるＡＰＤ２０１のカソードの電位変化を整形して、パルス信号を出力する回路である。波形整形部２１０には、例えば、インバータ回路が用いられる。図４には、波形整形部２１０としてインバータを１つ用いた例が示されているが、波形整形部２１０は、複数のインバータを直列接続した回路であってもよく、波形整形効果を有するその他の回路であってもよい。

カウンタ回路２１１は、波形整形部２１０から出力されたパルスの数をカウントし、カウント値を示すデジタル信号を保持する。また、駆動線２１３を介して垂直走査回路１１０から制御信号が供給されたとき、カウンタ回路２１１は保持している信号をリセットする。

選択回路２１２には、図３に示されている垂直走査回路１１０から、図４に示されている駆動線２１４を介して制御信号が供給される。この制御信号に応じて、選択回路２１２は、カウンタ回路２１１と画素出力信号線１１３との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路２１２は、例えば、カウンタ回路２１１に保持されている値に応じた信号を出力するためのバッファ回路等を含む。

なお、図４の例では、選択回路２１２においてカウンタ回路２１１と画素出力信号線１１３との電気的な接続、非接続の切り替えが行われているが、画素出力信号線１１３への信号出力を制御する手法はこれに限定されない。例えば、クエンチ素子２０２とＡＰＤ２０１との間、光電変換部１０２と画素信号処理部１０３との間等のノードにトランジスタ等のスイッチを配し、電気的な接続、非接続を切り替えることにより、画素出力信号線１１３への信号出力を制御してもよい。また、光電変換部１０２に供給される電圧ＶＨ又は電圧ＶＬの値をトランジスタ等のスイッチを用いて変えることにより画素出力信号線１１３への信号出力を制御してもよい。

図４では、カウンタ回路２１１を用いる構成例を示している。しかしながら、カウンタ回路２１１の代わりに、時間・デジタル変換回路（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下、ＴＤＣ）、メモリを用いて、パルスを検出するタイミングを取得してもよい。このとき、波形整形部２１０から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。この場合、図３の垂直走査回路１１０から駆動線を介して、ＴＤＣに制御信号（参照信号）が供給され得る。ＴＤＣは、制御信号を基準とするパルスの入力タイミングの相対時間を示す信号をデジタル信号として取得する。

図５（ａ）、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、本実施形態に係るＡＰＤ２０１の動作を説明する図である。図５（ａ）は、図４におけるＡＰＤ２０１、クエンチ素子２０２、波形整形部２１０を抜き出して示した図である。図５（ａ）に示されるように、ＡＰＤ２０１、クエンチ素子２０２及び波形整形部２１０の入力端子の接続ノードをｎｏｄｅＡとする。また、図５（ａ）に示されるように、波形整形部２１０の出力側をｎｏｄｅＢとする。

図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるｎｏｄｅＡの電位の時間変化を示すグラフである。図５（ｃ）は、図５（ａ）におけるｎｏｄｅＢの電位の時間変化を示すグラフである。時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間において、図５（ａ）のＡＰＤ２０１には、ＶＨ－ＶＬの電圧が印加されている。時刻ｔ１において光子がＡＰＤ２０１に入射すると、ＡＰＤ２０１においてアバランシェ増倍が生じる。これにより、クエンチ素子２０２にアバランシェ電流が流れ、ｎｏｄｅＡの電位は降下する。その後、電位降下量が更に大きくなり、ＡＰＤ２０１に印加される電圧が徐々に小さくなる。そして、時刻ｔ２においてＡＰＤ２０１におけるアバランシェ増倍が停止する。これにより、ｎｏｄｅＡの電圧レベルはある一定値よりも降下しなくなる。その後、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間において、ｎｏｄｅＡには電圧ＶＨのノードから電圧降下分を補う電流が流れ、時刻ｔ３においてｎｏｄｅＡは元の電位に整定する。

上述の過程において、ｎｏｄｅＡの電位がある閾値よりも低い期間においてｎｏｄｅＢの電位はハイレベルになる。このようにして、光子の入射によって生じたｎｏｄｅＡの電位の降下の波形は、波形整形部２１０によって整形され、ｎｏｄｅＢにパルスとして出力される。

図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、本実施形態に係るＡＰＤ２０１の構造を示す図である。図６（ａ）は、ＡＰＤ２０１の断面模式図である。図６（ｂ）は、半導体層３００の光入射面近傍の構造を示す平面模式図である。図６（ｃ）は、半導体層３００のアバランシェ増倍領域近傍の構造を示す平面模式図である。図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）を相互に参照しつつ、ＡＰＤ２０１の構造を説明する。

ＡＰＤ２０１を構成する複数の半導体領域は、センサ基板１１の半導体層３００に配されている。半導体層３００は、光が入射する第１面と、第１面とは反対側の面である第２面とを有する。本明細書において、深さ方向は、ＡＰＤ２０１が配される半導体層３００の第１面から第２面に向かう方向である。以下では、「第１面」を「裏面」という場合があり、「第２面」を「表面」という場合がある。半導体層３００の所定の位置から、半導体層３００の表面方向に向かう方向を、「深い」と表現することもある。また、半導体層３００の所定の位置から、半導体層３００の裏面方向に向かう方向を、「浅い」と表現することもある。

半導体層３００は、第１半導体領域３１１、第２半導体領域３１２、第３半導体領域３１３、第４半導体領域３１４、第５半導体領域３１５、第６半導体領域３１６、第７半導体領域３１７及び画素分離部３２４を有している。ＡＰＤ２０１は、第１導電型の第１半導体領域３１１と、第２導電型の第２半導体領域３１２を少なくとも含む。第１半導体領域３１１と第２半導体領域３１２とは、ＰＮ接合を形成している。第１半導体領域３１１の不純物濃度は、第２半導体領域３１２の不純物濃度よりも高い。また、第１半導体領域３１１と第２半導体領域３１２とには所定の逆バイアス電圧が印加され、これによりアバランシェ増倍領域が形成される。

図６（ａ）に示されているように、深さ方向において第１半導体領域３１１と第２半導体領域３１２の間には、第１導電型の第３半導体領域３１３が配され得る。また、図６（ｃ）に示されているように、第１半導体領域３１１は平面視において円形であり得る。また、第３半導体領域３１３は平面視において第１半導体領域３１１を囲うような同心円状であり得る。

図６（ａ）に示されているように、第２半導体領域３１２よりも浅い位置には、第２導電型の第５半導体領域３１５が配されている。第５半導体領域３１５は、第２導電型の第４半導体領域３１４と接するように配されている。図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示されているように、平面視において、第４半導体領域３１４は、第１半導体領域３１１、第２半導体領域３１２及び第３半導体領域３１３を囲うように配されている。図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示されているように、平面視において、ＡＰＤ２０１の全面に第５半導体領域３１５が配されていてもよく、第５半導体領域３１５の一部が第４半導体領域３１４と重なっていてもよい。第４半導体領域３１４は、半導体層３００の全深さにわたって配されていてもよく、第４半導体領域３１４の一部が第５半導体領域３１５と同じ深さにあってもよい。

複数のＡＰＤ２０１（画素１０１）のうちの互いに隣接するＡＰＤ２０１の間の部分には、半導体層３００に絶縁体（誘電体）が埋め込まれた構造を有する画素分離部３２４が配されている。画素分離部３２４には、図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示されるように、深い溝に酸化シリコン等の絶縁体が埋め込まれているディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造が用いられ得る。深い溝には、絶縁体以外にも、金属を埋め込んでもよい。また、深い溝の側壁に薄い絶縁体層を形成し、この深い溝および絶縁体層の中に金属を充填してもよい。画素分離部３２４は、平面視において、１つのＡＰＤ２０１を囲う長方形（正方形を含む）をなしている。これにより、画素分離部３２４は、１つのＡＰＤ２０１を他の素子から分離している。

第２半導体領域３１２と第５半導体領域３１５の間には、第１導電型の第７半導体領域３１７が設けられている。第７半導体領域３１７の不純物濃度は、第７半導体領域３１７の周囲に設けられている第６半導体領域３１６の不純物濃度よりも高い。この構成により、信号電荷にとって、第６半導体領域３１６のポテンシャルよりも第７半導体領域３１７のポテンシャルの方が低くなり、より多くの電荷をアバランシェ増倍領域に収集することが可能となる。第７半導体領域３１７は、必要に応じて設けられる半導体領域であり、設けられていなくてもよい。また、図６（ａ）において、第７半導体領域３１７の一部と第２半導体領域３１２とが接触しているが、第７半導体領域３１７は第２半導体領域３１２から離間して設けられていてもよい。

半導体層３００の入射面側には、ピニング膜３２１、平坦化層３２２及びマイクロレンズ３２３が配されている。また、半導体層３００よりも入射面側に、入射光の反射を防止する反射防止膜が更に配されてもよい。また、マイクロレンズ３２３と半導体層３００の間にカラーフィルタが更に設けられていてもよい。

図７は、本実施形態に係る画素分離部の断面模式図である。図７には、図６における、画素分離部３２４、その近傍の第４半導体領域３１４及び第５半導体領域３１５が抜き出されて示されている。

図７に示されているように、断面視において、画素分離部３２４は、第４半導体領域３１４及び第５半導体領域３１５の内部に裏面側からセンサ基板１１の深さ方向に向かって配されている。画素分離部３２４の側壁は、図７に示されているように、センサ基板１１の深さ方向に配された複数の凹凸を有している。この凹凸は、例えば、ボッシュプロセス等を用いて画素分離部３２４を形成する際にプロセスの条件を適宜設定することにより形成され得る。

ここで、画素分離部３２４の側壁に配される凹凸の周期とＡＰＤ２０１の感度との関係について説明する。ＡＰＤ２０１に入射された光が十分に光電変換されるためには、光が半導体層３００内を十分な距離（以下、光路長）を伝搬することが必要である。したがって、光電変換の効率を向上させるためには、半導体層３００の厚さを十分に確保することが求められる。光電変換の効率向上に要する光路長は、青色光等の比較的波長の短い光の場合には短く、赤色光、近赤外光等の比較的波長の長い光の場合には長い。したがって、ＡＰＤ２０１が赤色光又は近赤外光に感度を有するものである場合には、ＡＰＤ２０１が青色光に感度を有するものである場合と比較して、半導体層３００がより厚いことが求められる。

ＡＰＤ２０１が単結晶シリコン基板に配されている場合の半導体層３００の厚さの具体例について述べる。可視領域の光のうち青色光又は緑色光については、図６（ａ）に示されている光電変換領域の深さＬ１が４μｍ程度あれば９９％以上の入射光が光電変換される。しかしながら、赤色光又は近赤外光については、入射光の９９％以上を光電変換するためには光電変換領域を更に厚くする必要がある。一般的にはＡＰＤ２０１の光電変換領域の深さは数μｍ程度であるため、特に赤色光、近赤外光等の比較的波長の長い光においては、光電変換の効率が十分でない場合がある。

本実施形態では、画素分離部３２４の側壁に凹凸が配されており、入射光がこの凹凸により側壁で乱反射し得る構造を有している。乱反射した光は、主として光電変換領域内を伝搬する。したがって、この乱反射により、半導体層３００内を伝搬する光の光路長が長くなるため、光電変換の効率が向上し得る。

入射光と凹凸との相互作用においては、幾何光学における光線近似が適用可能な場合と、波動光学における波動としての性質を考慮する必要がある場合とがある。光線近似が適用可能な条件では、光が入射する点を反射面として、反射面での法線に対する入射角と反射角が等しくなるように反射が生じる。このとき、凹凸の中の入射点に応じて反射角が変わるため、入射光は乱反射される。これに対し、光線近似が適用できず波動としての性質を考慮する必要がある条件では、回折により入射光は凹凸の影響を受けにくくなる。そのため、この条件では乱反射は生じにくい。光線近似が適用可能であるか否かは、入射光の波長と、凹凸の周期Ｈとの関係により定まる。凹凸の周期Ｈが入射光の波長の１／２よりも大きい場合には、回折が生じにくく、光線近似が適用可能であるため、十分に乱反射が生じる。したがって、凹凸の周期Ｈが入射光の波長の１／２よりも大きいことで、入射光が凹凸において乱反射を生じ、半導体層３００内での光路長を長くする効果を十分に得ることができる。これにより、光電変換の効率が向上し得る。

以上のように、本実施形態によれば、ＤＴＩにより形成された画素分離部３２４において、側壁の凹凸の周期Ｈが入射光の波長の１／２よりも大きいことにより、感度をより向上し得る光電変換装置が提供される。

なお、一例としてＡＰＤ２０１が赤色光（約６５０ｎｍ）に感度を有する場合には、画素分離部３２４の側壁の凹凸の周期Ｈは、６５０ｎｍの１／２である３２５ｎｍよりも大きいことが望ましい。このとき、赤色の光に対して感度をより向上し得る光電変換装置が提供される。なお、周期Ｈが３２５ｎｍよりも大きい場合には、赤色光よりも短い波長を有する緑色光及び青色光に対しても乱反射が生じる条件を満たす。したがって、この条件では、可視光のほぼ全域に対して感度をより向上し得る光電変換装置が提供される。また、上述のように基板内の光電変換領域の深さＬ１は４μｍ程度であるため、画素分離部３２４の側壁の凹凸の周期Ｈは、４μｍよりも小さいことが望ましい。周期Ｈが４μｍよりも小さい範囲であれば、光電変換領域内に少なくとも一組の凹部と凸部が存在するため、乱反射の発生に好適である。以上より、周期Ｈは３２５ｎｍよりも大きく、４μｍよりも小さい範囲であることが望ましい。

なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されているように、半導体層３００の光入射面側、すなわち、第５半導体領域３１５に凹凸構造３２５が配されていることがより望ましい。凹凸構造３２５は、平面視において格子状をなしており、断面視においてトレンチ状をなしている。凹凸構造３２５が配されていることにより、ＡＰＤ２０１の光入射面において光が回折し、側壁に光が入射される可能性が高くなるため、更に光路長が長くなり得る。したがって、必須ではないものの、凹凸構造３２５を画素分離部３２４の側壁の凹凸と組み合わせて適用することがより望ましい。

以下、本実施形態の変形例について説明する。図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）及び図８（ｄ）は、本実施形態の変形例に係る画素分離部の断面模式図である。図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）及び図８（ｄ）の各々は、画素分離部の側壁の凹凸が深さ方向の一部に配されている場合の例を示している。

図８（ａ）に示されている画素分離部３２４Ａの側壁には、光入射面の近傍に凹凸が配されている。本変形例では、画素分離部３２４Ａの側壁に対して斜めに入射される長波長の光の反射率が向上するため、ＡＰＤ２０１の感度が向上し得る。

図８（ｂ）に示されている画素分離部３２４Ｂの側壁には、アバランシェ増倍領域の近傍に凹凸が配されている。本変形例では、アバランシェ増倍により発生する光子の反射率が向上するため、隣接画素へのクロストークが低減し得る。このように、側壁の凹凸は、少なくともＡＰＤ２０１におけるアバランシェ増倍が生じる深さに配されていることが望ましく、隣接画素へのクロストークを低減する効果が得られる。

また他の変形例としては、図８（ｃ）に示されている画素分離部３２４Ｃのように側壁の深さ方向の中央付近に凹凸が配されていてもよく、図８（ｄ）に示されている画素分離部３２４Ｄのように側壁の複数の位置に凹凸が配されていてもよい。

なお、図８（ａ）から図８（ｄ）に示されている画素分離部３２４Ａから画素分離部３２４Ｄにおいて、凹凸が無い部分の側壁は、平坦であってもよく、乱反射の効果が生じない程度の微細な凹凸を有していてもよい。

図９（ａ）及び図９（ｂ）は、本実施形態の変形例に係る画素分離部の断面模式図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）の各々の画素分離部の側壁には、比較的大きな凹凸と、比較的小さな凹凸とが組み合わされて配されている。

図９（ａ）に示されている画素分離部３２４Ｅの側壁には、比較的大きな凹凸と比較的小さな凹凸とが深さ方向に交互に配されている。この場合、比較的大きな凹凸の凸部同士の距離Ｌ２が、入射光の波長の１／２よりも大きければ、半導体層３００内での光路長を長くする効果を十分に得ることができる。

また、図９（ｂ）に示されている画素分離部３２４Ｆの側壁には、深い位置ほど小さい凹凸が配されている。このように、側壁の深さ方向に向かって凹凸の大きさが変化していてもよい。

以降の図１０から図１３においては、１つのＡＰＤ２０１の断面が抜き出して図示されており、平坦化層３２２及びマイクロレンズ３２３の図示は省略されている。図１０は、本実施形態の変形例に係るＡＰＤ２０１の断面模式図である。図１０には、ＡＰＤ２０１の左側に配された画素分離部３２４と、ＡＰＤ２０１の右側に配された画素分離部３２４Ｇとが示されている。画素分離部３２４と、画素分離部３２４Ｇとは、互いに異なる形状を有している。より具体的には、画素分離部３２４の幅Ｗ１と、画素分離部３２４Ｇの幅Ｗ２とが互いに異なっており、更に、画素分離部３２４の凹凸の周期Ｈ１と、画素分離部３２４Ｇの凹凸の周期Ｈ２とが互いに異なっている。このように、凹凸の幅、周期等の形状の異なる複数の種類の画素分離部が組み合わされて用いられてもよい。

図１１は、本実施形態の変形例に係るＡＰＤ２０１の断面模式図である。図１１に示されている画素分離部３２４Ｈは、センサ基板１１を貫通するように配されている。これにより、半導体層３００内の深さ方向のあらゆる位置において、光路長を長くする効果を十分に得ることができる。

図１２は、本実施形態の変形例に係るＡＰＤ２０１の断面模式図である。図１２に示されている画素分離部３２４Ｉには、遮光層３２６が埋め込まれている。遮光層３２６は、半導体層３００を構成するセンサ基板１１の材料よりもＡＰＤ２０１が感度を有する光の透過率が低い材料であればよい。これにより、画素分離部３２４Ｉの側壁で全反射しないような入射角で入射する光が遮光層３２６において反射又は吸収されるため、隣接画素への光の漏洩がより低減され得る。なお、金属材料の光の透過率は十分に低いため、遮光層３２６の材料は金属であることがより望ましい。また、遮光層３２６の材料は、ポリシリコンであってもよく、遮光層３２６の材料が金属である場合と同様の効果が得られる。

図１３は、本実施形態の変形例に係るＡＰＤ２０１の断面模式図である。図１３に示されているように、画素分離部３２４に対して入射面側には金属層等の遮光層３２７が配されている。これにより、画素分離部３２４への入射光に起因するノイズが低減され得る。なお、遮光層３２７の配置は図１３に示すものに限定されるものではない。例えば、遮光層３２７は入射面と反対側の面に配されていてもよく、入射面側とその反対側の面の両方に配されていてもよい。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の説明において、第１実施形態と共通する要素については説明を省略することがある。

図１４は、本実施形態に係るＡＰＤ２０１の構造を示す図である。図１４には、図６（ｂ）と同様の平面模式図及び図７と同様の断面模式図に加えて、画素分離部３２４Ｊを拡大した平面模式図と、側壁に垂直な方向からの断面視における平面図が示されている。図１４の画素分離部３２４Ｊの拡大平面模式図に示されているように、画素分離部３２４Ｊの側壁は、断面視だけでなく光入射面側から見た平面視においても凹凸を有している。すなわち、側壁の平面図に示されているように、側壁に垂直な方向から見て、側壁には二次元状に配列された凹凸が配されている。この凹凸は、凸部が深さ方向及び横方向に繰り返し配列される構造を有している。これにより、側壁の深さ方向のみに凹凸がある場合と比べてより多くの光を乱反射させることができるため、感度がより向上し得る。

以下、本実施形態の変形例について説明する。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、本実施形態の変形例に係るＡＰＤ２０１の平面模式図である。図１５（ａ）に示されている画素分離部３２４Ｋの側壁には、光入射面側から見た平面視において、直角三角形状の凸部が配されている。また、図１５（ｂ）に示されている画素分離部３２４Ｌの側壁には、光入射面側から見た平面視において、台形状の凸部が配されている。すなわち、光入射面側から見た平面視における凹凸の形状は、図１４のような曲線形状に限定されるものではなく、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）のように三角形、四角形等の多角形状の直線を含む形状であってもよい。これらの形状は一例であり、設計者は、画素分離部の形成時のスループット、フォトマスクのコスト等による製造コストと、感度向上の効果とのトレードオフを考慮した上で、画素分離部の凹凸の形状を適宜設計することができる。

図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、本実施形態の変形例に係るＡＰＤ２０１の平面模式図である。図１６（ａ）に示されている画素分離部３２４Ｍの側壁には、光入射面側から見た平面視において、中央付近の一部のみに凹凸が配されている。また、図１６（ｂ）に示されている画素分離部３２４Ｎの側壁には、光入射面側から見た平面視において、両端付近の一部のみに凹凸が配されている。すなわち、光入射面側から見た平面視における凹凸は、図１４のように全体に配されるものに限定されず、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）のように一部のみに配されていてもよい。例えば、図１６（ａ）のように、画素分離部３２４Ｍがなす長方形（正方形）の一辺の中央付近に凹凸が配された構成では、アバランシェ増倍により発生する光子が効果的に反射するため、隣接画素への光子の漏洩が低減され得る。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る光検出システムについて、図１７を用いて説明する。図１７は、本実施形態に係る光検出システムのブロック図である。本実施形態の光検出システムは、入射光に基づく画像を取得する撮像システムである。

上述の実施形態における光電変換装置は種々の撮像システムに適用可能である。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、監視カメラ等があげられる。図１７に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。

図１７に示す撮像システム７は、バリア７０６、レンズ７０２、絞り７０４、撮像装置７０、信号処理部７０８、タイミング発生部７２０、全体制御・演算部７１８、メモリ部７１０、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１６、記録媒体７１４、外部Ｉ／Ｆ部７１２を含む。バリア７０６はレンズを保護し、レンズ７０２は被写体の光学像を撮像装置７０に結像させる。絞り７０４はレンズ７０２を通った光量を可変にする。撮像装置７０は上述の実施形態の光電変換装置のように構成され、レンズ７０２により結像された光学像を画像データに変換する。信号処理部７０８は撮像装置７０より出力された撮像データに各種の補正、データ圧縮等の処理を行う。

タイミング発生部７２０は、撮像装置７０及び信号処理部７０８に、各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部７１８はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部７１０は画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１６は記録媒体７１４に画像データの記録又は読み出しを行うためのインターフェースであり、記録媒体７１４は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部Ｉ／Ｆ部７１２は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。タイミング信号等は撮像システム７の外部から入力されてもよく、撮像システム７は、少なくとも撮像装置７０と、撮像装置７０から出力された画像信号を処理する信号処理部７０８とを有すればよい。

本実施形態では、撮像装置７０と信号処理部７０８とが同一の半導体基板に配されていてもよい。また、撮像装置７０と信号処理部７０８とが別の半導体基板に配されていてもよい。

また、撮像装置７０のそれぞれの画素が第１光電変換部と、第２光電変換部を含んでもよい。信号処理部７０８は、第１光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号と、第２光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号とを処理し、撮像装置７０から被写体までの距離情報を取得し得る。

［第４実施形態］
図１８は、本実施形態に係る光検出システムのブロック図である。より具体的には、図１８は、上述の実施形態に記載の光電変換装置を用いた距離画像センサのブロック図である。

図１８に示すように、距離画像センサ４０１は、光学系４０２、光電変換装置４０３、画像処理回路４０４、モニタ４０５及びメモリ４０６を備える。距離画像センサ４０１は、光源装置４１１から被写体に向かって発光され、被写体の表面で反射された光（変調光、パルス光）を受光する。距離画像センサ４０１は、発光から受光までの時間に基づき、被写体までの距離に応じた距離画像を取得することができる。

光学系４０２は、１枚又は複数枚のレンズを含み、被写体からの像光（入射光）を光電変換装置４０３に導き、光電変換装置４０３の受光面（センサ部）に結像させる。

光電変換装置４０３としては、上述した各実施形態の光電変換装置が適用され得る。光電変換装置４０３は、受光信号から求められる距離を示す距離信号を画像処理回路４０４に供給する。

画像処理回路４０４は、光電変換装置４０３から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行う。画像処理により得られた距離画像（画像データ）は、モニタ４０５に表示され、メモリ４０６に記憶（記録）され得る。

このように構成されている距離画像センサ４０１は、上述した光電変換装置を適用することで、正確な距離画像を取得することができる。

［第５実施形態］
本開示に係る技術は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、光検出システムの一例である内視鏡手術システムに適用されてもよい。

図１９は、本実施形態における内視鏡手術システムの概略図である。図１９は、術者（医師）１１３１が、内視鏡手術システム１１０３を用いて、患者ベッド１１３３上の患者１１３２に手術を行っている様子を示している。図示するように、内視鏡手術システム１１０３は、内視鏡１１００、術具１１１０、アーム１１２１、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１３４を備える。

内視鏡１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１０１と、鏡筒１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１０２とを備える。図１９は、硬性の鏡筒１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１００を示しているが、内視鏡１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。

鏡筒１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１００には光源装置１２０３が接続されている。光源装置１２０３によって生成された光は、鏡筒１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１００は、直視鏡であってもよく、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。

カメラヘッド１１０２の内部には光学系及び光電変換装置が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該光電変換装置に集光される。光電変換装置によって観察光は光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。光電変換装置としては、上述の各実施形態に記載の光電変換装置が用いられ得る。画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１３５に送信される。

ＣＣＵ１１３５は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１００及び表示装置１１３６の動作を統括的に制御する。更に、ＣＣＵ１１３５は、カメラヘッド１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等、画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。

表示装置１１３６は、ＣＣＵ１１３５からの制御により、当該ＣＣＵ１１３５によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。

光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の光源を備え、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１００に供給する。

入力装置１１３７は、内視鏡手術システム１１０３に対する入力インターフェースである。ユーザは、入力装置１１３７を介して、内視鏡手術システム１１０３に対して各種の情報の入力及び指示入力を行うことができる。

処置具制御装置１１３８は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１２の駆動を制御する。

光源装置１２０３は、内視鏡１１００に術部を撮影する際の照射光を供給可能であって、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによる白色光源であり得る。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができる。このため、光源装置１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御してもよい。これにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。このような方法によれば、撮像素子にカラーフィルタが設けられることなく、カラー画像を得ることができる。

また、光源装置１２０３から出力される光の強度が所定の時間ごとに変更されるように、光源装置１２０３の駆動が制御されてもよい。光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。

更に、光源装置１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用することができる。具体的には、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。

［第６実施形態］
本実施形態の光検出システム及び移動体について、図２０、図２１（ａ）、図２１（ｂ）、図２１（ｃ）及び図２２を用いて説明する。本実施形態では、光検出システムとして、車載カメラの一例を示す。

図２０は、本実施形態における光検出システムの概略図であって、車両システム及び車両システムに搭載される光検出システムの一例を示している。光検出システム１３０１は、光電変換装置１３０２、画像前処理部１３１５、集積回路１３０３、光学系１３１４を含む。光学系１３１４は、光電変換装置１３０２に被写体の光学像を結像する。光電変換装置１３０２は、光学系１３１４により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。光電変換装置１３０２は、上述の各実施形態のいずれかの光電変換装置である。画像前処理部１３１５は、光電変換装置１３０２から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部１３１５の機能は、光電変換装置１３０２内に組み込まれていてもよい。光検出システム１３０１には、光学系１３１４、光電変換装置１３０２及び画像前処理部１３１５が、少なくとも２組設けられており、各組の画像前処理部１３１５からの出力が集積回路１３０３に入力される。

集積回路１３０３は、撮像システム用途向けの集積回路であり、記憶媒体１３０５を含む画像処理部１３０４、光学測距部１３０６、視差演算部１３０７、物体認知部１３０８、異常検出部１３０９を含む。画像処理部１３０４は、画像前処理部１３１５の出力信号に対して、現像処理、欠陥補正等の画像処理を行う。記憶媒体１３０５は、撮像画像の一次記憶を行い、撮像画素の欠陥位置を格納する。光学測距部１３０６は、被写体の合焦又は測距を行う。視差演算部１３０７は、複数の光電変換装置１３０２により取得された複数の画像データから測距情報の算出を行う。物体認知部１３０８は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部１３０９は、光電変換装置１３０２の異常を検出すると、主制御部１３１３に異常を発報する。

集積回路１３０３は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

主制御部１３１３は、光検出システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０等の動作を統括・制御する。主制御部１３１３を持たず、光検出システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０が個別に通信インターフェースを有し、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を例えばＣＡＮ規格によって行ってもよい。

集積回路１３０３は、主制御部１３１３からの制御信号を受け、あるいは自身の制御部によって、光電変換装置１３０２へ制御信号又は設定値を送信する機能を有する。

光検出システム１３０１は、車両センサ１３１０に接続されており、車速、ヨーレート、舵角等の自車両走行状態、自車外環境及び他車・障害物の状態を検出することができる。車両センサ１３１０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得部でもある。また、光検出システム１３０１は、自動操舵、自動巡行、衝突防止機能等の種々の運転支援を行う運転支援制御部１３１１に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、光検出システム１３０１、車両センサ１３１０の検出結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。

また、光検出システム１３０１は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置１３１２にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部１３１３は、ブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制する等の車両制御を行い、衝突の回避又は被害の軽減を実現する。警報装置１３１２は、音等の警報の発報、カーナビゲーションシステム及びメーターパネル等の表示部画面における警報情報の表示、シートベルト及びステアリングへの振動付与等の手段を用いて、ユーザに警告を発する。

本実施形態における光検出システム１３０１は、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮影可能である。図２１（ａ）、図２１（ｂ）及び図２１（ｃ）は、本実施形態における移動体の概略図であって、車両前方を光検出システム１３０１で撮像する構成を示している。

２つの光電変換装置１３０２は、車両１３００の前方に配される。具体的には、車両１３００の進退方位又は外形（例えば車幅）に対する中心線を対称軸とみなし、対称軸に対して２つの光電変換装置１３０２が線対称に配されることが好ましい。これにより、車両１３００と被写対象物との間の距離情報の取得及び衝突可能性の判定を効果的に行うことが可能となる。また、光電変換装置１３０２は、運転者が運転席から車両１３００の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない位置に配されることが好ましい。警報装置１３１２は、運転者の視野に入りやすい位置に配されることが好ましい。

次に、光検出システム１３０１における光電変換装置１３０２の故障検出動作について、図２２を用いて説明する。図２２は、本実施形態における光検出システムの動作を表すフローチャートである。光電変換装置１３０２の故障検出動作は、図２２に示すステップＳ１４１０～Ｓ１４８０に従って実行され得る。

ステップＳ１４１０において、光電変換装置１３０２のスタートアップ時の設定が行われる。すなわち、光検出システム１３０１の外部（例えば主制御部１３１３）又は光検出システム１３０１の内部から、光電変換装置１３０２の動作のための設定情報が送信され、光電変換装置１３０２は撮像動作及び故障検出動作を開始する。

次いで、ステップＳ１４２０において、光電変換装置１３０２は、有効画素から画素信号を取得する。また、ステップＳ１４３０において、光電変換装置１３０２は、故障検出用に設けた故障検出画素からの出力値を取得する。この故障検出画素は、有効画素と同じく光電変換素子を備える。この光電変換素子には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出用画素は、この光電変換素子に書き込まれた電圧に対応する信号を出力する。なお、ステップＳ１４２０とステップＳ１４３０とは逆の順に実行されてもよい。

次いで、ステップＳ１４４０において、光検出システム１３０１は、故障検出画素の出力期待値と、実際の故障検出画素からの出力値との該非判定を行う。ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、光検出システム１３０１は、ステップＳ１４５０の処理に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、ステップＳ１４６０の処理へと移行する。ステップＳ１４６０において、光検出システム１３０１は、走査行の画素信号を記憶媒体１３０５に送信して一次保存する。その後、光検出システム１３０１は、ステップＳ１４２０の処理に戻り、故障検出動作を継続する。一方、ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、光検出システム１３０１はステップＳ１４７０の処理に移行する。ステップＳ１４７０において、光検出システム１３０１は、撮像動作に異常があると判定し、主制御部１３１３又は警報装置１３１２に警報を発報する。警報装置１３１２は、表示部に異常が検出されたことを表示させる。その後、ステップＳ１４８０において、光検出システム１３０１は、光電変換装置１３０２を停止し、光検出システム１３０１の動作を終了する。

なお、本実施形態では、１行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、１フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。ステップＳ１４７０の警報の発報は、無線ネットワークを介して、車両の外部に通知するようにしてもよい。

また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、光検出システム１３０１は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

本発明の光電変換装置は、更に、距離情報など各種情報を取得可能な構成であってもよい。

［第７実施形態］
図２３（ａ）は、本実施形態における電子機器の具体例を示す図であって、眼鏡１６００（スマートグラス）を示している。眼鏡１６００には、上述の各実施形態に記載の光電変換装置１６０２が設けられている。すなわち、眼鏡１６００は、上述の各実施形態に記載の光電変換装置１６０２が適用され得る光検出システムの一例である。レンズ１６０１の裏面側には、ＯＬＥＤ、ＬＥＤ等の発光装置を含む表示装置が設けられていてもよい。光電変換装置１６０２は１つでもよいし、複数でもよい。また、複数種類の光電変換装置が組み合わされてもよい。光電変換装置１６０２の配置位置は図２３（ａ）に限定されない。

眼鏡１６００は更に制御装置１６０３を備える。制御装置１６０３は、光電変換装置１６０２と上述の表示装置に電力を供給する電源として機能する。また、制御装置１６０３は、光電変換装置１６０２と表示装置の動作を制御する。レンズ１６０１には、光電変換装置１６０２に光を集光するための光学系が配されている。

図２３（ｂ）は、１つの適用例に係る眼鏡１６１０（スマートグラス）を示している。眼鏡１６１０は、制御装置１６１２を有しており、制御装置１６１２に、光電変換装置１６０２に相当する光電変換装置と、表示装置とが搭載される。レンズ１６１１には、制御装置１６１２内の光電変換装置と、表示装置からの発光を投影するための光学系とが配されており、レンズ１６１１には画像が投影される。制御装置１６１２は、光電変換装置及び表示装置に電力を供給する電源として機能するとともに、光電変換装置及び表示装置の動作を制御する。制御装置１６１２は、装着者の視線を検知する視線検知部を有してもよい。視線の検知は赤外線を用いてよい。赤外発光部は、表示画像を注視しているユーザの眼球に対して、赤外光を発する。発せられた赤外光の眼球からの反射光を、受光素子を有する撮像部が検出することで眼球の撮像画像が得られる。平面視における赤外発光部から表示部への光を低減する低減手段を有することで、画像品位の低下が低減される。

制御装置１６１２は、赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から表示画像に対するユーザの視線を検出する。眼球の撮像画像を用いた視線検出には任意の公知の手法が適用できる。一例として、角膜での照射光の反射によるプルキニエ像に基づく視線検出方法を用いることができる。

より具体的には、瞳孔角膜反射法に基づく視線検出処理が行われる。瞳孔角膜反射法を用いて、眼球の撮像画像に含まれる瞳孔の像とプルキニエ像とに基づいて、眼球の向き（回転角度）を表す視線ベクトルが算出されることにより、ユーザの視線が検出される。

本実施形態の表示装置は、受光素子を有する光電変換装置を有し、光電変換装置からのユーザの視線情報に基づいて表示装置の表示画像を制御してよい。

具体的には、表示装置は、視線情報に基づいて、ユーザが注視する第１視界領域と、第１視界領域以外の第２視界領域とを決定する。第１の視界領域、第２視界領域は、表示装置の制御装置によって決定されてもよく、外部の制御装置によって決定されてもよい。表示装置の表示領域において、第１視界領域の表示解像度を第２視界領域の表示解像度よりも高く制御してよい。つまり、第２視界領域の解像度を第１視界領域よりも低くしてよい。

また、表示領域は、第１表示領域と、第１表示領域とは異なる第２表示領域とを含み得る。視線情報に基づいて、第１表示領域及び第２表示領域から優先度の高い領域が決定されてもよい。第１視界領域、第２視界領域は、表示装置の制御装置によって決定されもよく、外部の制御装置によって決定されてもよい。優先度の高い領域の解像度は、優先度の高い領域以外の領域の解像度よりも高くなるように制御されてよい。つまり優先度が相対的に低い領域の解像度は低くされ得る。

なお、第１視界領域、優先度が高い領域の決定において、ＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）が用いられてもよい。ＡＩは、眼球の画像と当該画像の眼球が実際に視ていた方向とを教師データとして、眼球の画像から視線の角度、視線の先の目的物までの距離を推定するよう構成されたモデルであってよい。ＡＩプログラムは、表示装置、光電変換装置のいずれに設けられてもよく、外部装置に設けられてもよい。外部装置がＡＩプログラムを有する場合は、通信を介して、サーバなどから表示装置に送信され得る。

視認検知に基づいて表示制御する場合、本実施形態は、外部を撮像する光電変換装置を更に有するスマートグラスに好ましく適用され得る。スマートグラスは、撮像した外部情報をリアルタイムで表示することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１１ センサ基板
１００ 光電変換装置
１０２ 光電変換部
３２４ 画素分離部

Claims (19)

1. 基板と、
   前記基板内に配され、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、
   前記基板内に配され、前記光電変換部を他の素子から分離する画素分離部と、
   を有し、
   前記画素分離部の側壁は、断面視において、複数の凹凸を有し、
   前記複数の凹凸のうち隣り合う凸部間の距離は、前記光電変換部が感度を有する光の波長の１／２よりも大きく、
   前記基板は、前記光電変換部の入射面に配された凹凸を有する
   ことを特徴とする光電変換装置。
2. 基板と、
   前記基板内に配され、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、
   前記基板内に配され、前記光電変換部を他の素子から分離する画素分離部と、
   を有し、
   前記画素分離部の側壁は、断面視において、複数の凹凸を有し、
   前記複数の凹凸は周期的な凹凸構造を有し、
   前記凹凸構造の少なくとも一部の周期的距離は、前記光電変換部が感度を有する光の波長の１／２よりも大きく、
   前記基板は、前記光電変換部の入射面に配された凹凸を有する
   ことを特徴とする光電変換装置。
3. 基板と、
   前記基板内に配され、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、
   前記基板内に配され、前記光電変換部を他の素子から分離する画素分離部と、
   を有し、
   前記画素分離部の側壁は、断面視において、複数の凹凸を有し、
   前記複数の凹凸のうち隣り合う凸部間の距離は、前記光電変換部が感度を有する光の波長の１／２よりも大きく、
   前記光電変換部は、アバランシェフォトダイオードを含む
   ことを特徴とする光電変換装置。
4. 基板と、
   前記基板内に配され、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、
   前記基板内に配され、前記光電変換部を他の素子から分離する画素分離部と、
   を有し、
   前記画素分離部の側壁は、断面視において、複数の凹凸を有し、
   前記複数の凹凸は周期的な凹凸構造を有し、
   前記凹凸構造の少なくとも一部の周期的距離は、前記光電変換部が感度を有する光の波長の１／２よりも大きく、
   前記光電変換部は、アバランシェフォトダイオードを含む
   ことを特徴とする光電変換装置。
5. 前記基板は、前記光電変換部の入射面に配された凹凸を有する
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の光電変換装置。
6. 前記側壁が有する前記複数の凹凸は、前記側壁に垂直な方向からの断面視において二次元状に配列されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記側壁が有する前記複数の凹凸の少なくとも一部は、前記アバランシェフォトダイオードにおけるアバランシェ増倍が生じる深さに配されている
   ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記画素分離部は、前記基板に対する平面視において、前記光電変換部を囲う長方形をなしている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記側壁が有する前記複数の凹凸の少なくとも一部は、前記長方形の一辺の中央に配されている
   ことを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
10. 前記画素分離部は、前記基板を貫通するように配されている
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
11. 前記画素分離部の少なくとも一部には、前記光電変換部が感度を有する光の透過率が前記基板の材料よりも低い材料が埋め込まれている
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
12. 前記画素分離部の少なくとも一部には、金属が埋めこまれている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
13. 前記画素分離部の少なくとも一部には、ポリシリコンが埋めこまれている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
14. 前記入射光の入射面の側及び前記入射面と反対側の少なくとも一方に配された遮光層を更に有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
15. 前記側壁が有する前記複数の凹凸の少なくとも一部の周期は、３２５ｎｍよりも大きい
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
16. 前記側壁が有する前記複数の凹凸の少なくとも一部の周期は、４μｍよりも小さい
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
17. 前記基板内に配され、前記電荷とは異なる導電型の半導体領域を有し、
    前記画素分離部は、前記半導体領域の内部に配され、
    前記半導体領域は、前記基板の面の法線方向に沿って複数の領域を含み、
    前記複数の領域のうち１つの領域の前記法線方向に沿った長さは、前記側壁が有する前記複数の凹凸のうち隣り合う凸部間の距離よりも大きい
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力された信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とする光検出システム。
19. 移動体であって、
    請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力される信号から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得部と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする移動体。