本發(fā)明涉及攝像裝置。

背景技術(shù)：

在利用熒光壽命成像(fluorescence－lifetimeimagingmicroscopy(flim))、飛行時間法(time－of－flightmethod)的距離計測、超高速攝影等中，有能夠進行高速動作的攝像元件的需求。例如在熒光壽命成像中，向試料照射光脈沖，以幾納秒左右的極短的時間間隔反復檢測從試料發(fā)出的熒光。如果能夠使測定中的時間分辨率提高，則可期待得到關(guān)于觀察對象的新認知。

利用攝像元件的測量中的時間分辨率依賴于各像素的動作速度。例如在利用cmos(complementarymetaloxidesemiconductor)型的攝像元件的檢測中，反復執(zhí)行將光電二極管中的電荷的排出(光電二極管的復位)、由曝光帶來的電荷的蓄積、以及向浮置擴散部的電荷的傳送作為1個循環(huán)的動作。即，測量中的時間分辨率依賴于該循環(huán)所需要的時間。在上述循環(huán)中，特別是，從像素內(nèi)的電荷的排出及向浮置擴散部的電荷的傳送所需要的時間較大地影響到攝像元件的高速動作。

下述的非專利文獻1提出了在光電二極管與用于電荷排出的漏極之間設(shè)有排出柵極的構(gòu)造。在非專利文獻1中，將具有這樣的構(gòu)造的像素稱作dom(draining-onlymodulation)像素。在dom像素中，在排出柵極為開啟(open)的狀態(tài)下光電二極管內(nèi)的電荷被排出。另一方面，如果使排出柵極為關(guān)斷(close)的狀態(tài)，則能夠?qū)⒐怆姸O管內(nèi)的電荷向浮置擴散部傳送。在dom像素中，通過使復位所需要的時間實質(zhì)上為0，實現(xiàn)了時間分辨率的提高。

非專利文獻1：k.yasutomi，et.al.，“a0.3mm－resolutiontime－of－flightcmosrangeimagerwithcolumn－gatingclock－skewcalibration”，isscc2014，dig.pp.132－133

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

要求時間分辨率的進一步的提高。

用于解決課題的手段

根據(jù)本發(fā)明的非限定性的某個例示性的實施方式，提供以下技術(shù)方案。

一種攝像裝置，具備第1像素單元及第2像素單元；第1像素單元包括：第1光電變換部，產(chǎn)生第1電荷；第1電荷傳送路徑，具有電連接于第1光電變換部的第1端、和第2端，在從第1端朝向第2端的第1方向上傳送第1電荷；第2電荷傳送路徑，從第1電荷傳送路徑的第1位置分支，傳送第1電荷中的至少一部分；第1電荷蓄積部，蓄積經(jīng)由第2電荷傳送路徑傳送來的電荷；第2像素單元包括：第2光電變換部，產(chǎn)生第2電荷；第3電荷傳送路徑，具有電連接于第2光電變換部的第3端、和第4端，在從第3端朝向第4端的第2方向上傳送第2電荷；第4電荷傳送路徑，從第3電荷傳送路徑的第2位置分支，傳送第2電荷中的至少一部分；第2電荷蓄積部，蓄積經(jīng)由第4電荷傳送路徑傳送來的電荷；沿著第1方向的從第1端到第1位置的距離與沿著第2方向的從第3端到第2位置的距離不同。

總括性或具體性的形態(tài)可以由元件、器件、系統(tǒng)、集成電路或方法實現(xiàn)。此外，總括性或具體性的形態(tài)也可以由元件、器件、系統(tǒng)、集成電路及方法的任意組合來實現(xiàn)。

公開的實施方式的追加性的效果及優(yōu)點根據(jù)說明書及附圖會變得清楚。效果及/或優(yōu)點由說明書及附圖中公開的各種各樣的實施方式或特征分別提供，不是為了得到它們的1個以上而全部必要。

根據(jù)本發(fā)明的一技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的時間分辨率。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的攝像裝置的例示性電路結(jié)構(gòu)的概略的圖。

圖2是像素單元10aa的示意性平面圖。

圖3是圖2所示的a－a’線剖視圖。

圖4是圖2所示的b－b’線剖視圖。

圖5是表示向光電二極管12入射的光的強度i的時間變化的一例的圖。

圖6是將像素單元10a的平面圖、某個時刻的電荷傳送路徑ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例、和半導體襯底2內(nèi)的電位的一例一并表示的圖。

圖7是將像素單元10aa的平面圖和某個時刻的電荷傳送路徑ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例一并表示的圖。

圖8是將像素單元10ab的平面圖和某個時刻的電荷傳送路徑ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例一并表示的圖。

圖9是表示像素構(gòu)造的變形例的平面圖。

圖10是表示像素構(gòu)造的其他變形例的平面圖。

圖11是表示像素構(gòu)造的再其他變形例的平面圖。

圖12是表示像素單元的配置的一例的平面圖。

圖13是從圖12所示的像素陣列pa將像素塊pbk中的1個取出并表示的平面圖。

圖14是表示具有按每個像素塊pbk配置的微透鏡lz的像素陣列pa的例子的平面圖。

圖15是表示像素單元的配置的另一例的平面圖。

圖16是表示本發(fā)明的第2實施方式的攝像裝置的像素陣列pa的概略性平面圖。

圖17是將圖16所示的像素單元20aa放大表示的平面圖。

圖18是將像素單元20aa的平面圖和某個時刻的電荷傳送路徑ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例一并表示的圖。

圖19是示意地表示第2實施方式的攝像裝置的第1變形例的平面圖。

圖20是將圖19所示的像素單元20ba放大表示的平面圖。

圖21是用來說明像素單元20b中的信號檢測動作的一例的平面圖。

圖22是用來說明像素單元20b中的信號檢測動作的一例的平面圖。

圖23是用來說明像素單元20b中的信號檢測動作的一例的平面圖。

圖24是示意地表示第2實施方式的攝像裝置的第2變形例的平面圖。

圖25是示意地表示第2實施方式的攝像裝置的第3變形例的平面圖。

標號說明

2半導體襯底

10a～10d、20a～20d像素單元

12光電變換部

14、15漏極

23、26、26a～26d、27、41柵極控制線

28、28a～28d、29讀出線

36垂直信號線

38地址控制線

42放大晶體管

44尋址晶體管

46復位晶體管

47傳送晶體管

48負載晶體管

49電容元件

50垂直掃描電路

52列電路

100、200、200a～200d攝像裝置

ch1～ch4電荷傳送路徑

lz微透鏡

p、pa～pc、pp、p1～p4電荷蓄積部

pa像素陣列

pbh、pbk像素塊

ra、rb電荷保持部

sc信號檢測電路

tc控制電極

tf、tg、tha、thb傳送柵極電極

tx、txa～txd傳送柵極電極

具體實施方式

在上述的dom像素中，需要每當使排出柵極關(guān)斷則使由光電二極管生成的電荷移動到浮置擴散部。因此，采用dom像素的攝像元件的時間分辨率依賴于排出柵極的響應速度以及從光電二極管向浮置擴散部的電荷傳送速度。從光電二極管向浮置擴散部的電荷傳送速度因硅(si)襯底中的遷移率而受到限制。因而，根據(jù)每當復位就將電荷向浮置擴散部傳送、并將蓄積在浮置擴散部中的電荷讀出的以往方式，時間分辨率的進一步的提高是困難的。

本發(fā)明的一技術(shù)方案的概要是以下這樣的。

[項目1]

一種攝像裝置，具備第1像素單元及第2像素單元；第1像素單元包括：第1光電變換部，產(chǎn)生第1電荷；第1電荷傳送路徑，具有電連接于第1光電變換部的第1端、和第2端，在從第1端朝向第2端的第1方向上傳送第1電荷；第2電荷傳送路徑，從第1電荷傳送路徑的第1位置分支，傳送第1電荷中的至少一部分；以及第1電荷蓄積部，蓄積經(jīng)由第2電荷傳送路徑傳送來的電荷；第2像素單元包括：第2光電變換部，產(chǎn)生第2電荷；第3電荷傳送路徑，具有電連接于第2光電變換部的第3端、和第4端，在從第3端朝向第4端的第2方向上傳送第2電荷；第4電荷傳送路徑，從第3電荷傳送路徑的第2位置分支，傳送第2電荷中的至少一部分；以及第2電荷蓄積部，蓄積經(jīng)由第4電荷傳送路徑傳送來的電荷；沿著第1方向的從第1端到第1位置的距離不同于沿著第2方向的從第3端到第2位置的距離。

[項目2]

如項目1所述的攝像裝置，第1像素單元包括第1柵極，該第1柵極對第2電荷傳送路徑中的電荷的傳送及截斷進行切換；第2像素單元包括第2柵極，該第2柵極對第4電荷傳送路徑中的電荷的傳送及截斷進行切換。

[項目3]

如項目2所述的攝像裝置，第1柵極從截斷向傳送切換的定時與第2柵極從截斷向傳送切換的定時相同。

[項目4]

如項目2所述的攝像裝置，第1柵極包括位于第2電荷傳送路徑上的第1柵極電極；第2柵極包括位于第4電荷傳送路徑上的第2柵極電極；第1柵極電極與第2柵極電極電連接。

[項目5]

如項目1所述的攝像裝置，第1像素單元包括第3柵極，該第3柵極對從第1光電變換部向第1電荷傳送路徑的電荷的傳送及截斷進行切換；第2像素單元包括第4柵極，該第4柵極對從第2光電變換部向第3電荷傳送路徑的電荷的傳送及截斷進行切換。

[項目6]

如項目1～5中任一項所述的攝像裝置，第1像素單元包括第1漏極，該第1漏極電連接于第1電荷傳送路徑的第2端；第2像素單元包括第2漏極，該第2漏極電連接于第3電荷傳送路徑的第4端。

[項目7]

如項目1～6中任一項所述的攝像裝置，第1像素單元包括：第3漏極，電連接于第1電荷傳送路徑的第3位置；以及第5柵極，對從第3位置向第3漏極的電荷的傳送及截斷進行切換；第2像素單元包括：第4漏極，電連接于第2電荷傳送路徑的第4位置；以及第6柵極，對從第4位置向第4漏極的電荷的傳送及截斷進行切換；沿著第1方向的從第1端到第3位置的距離與沿著第2方向的從第3端到第4位置的距離相同；沿著第1方向的從第1端到第3位置的距離小于沿著第1方向的從第1端到第1位置的距離；沿著第2方向的從第3端到第4位置的距離小于沿著第2方向的從第3端到第2位置的距離。

[項目8]

如項目1～7中任一項所述的攝像裝置，第1像素單元包括第3電荷蓄積部，該第3電荷蓄積部電連接于第1電荷傳送路徑的第2端并蓄積經(jīng)由第1電荷傳送路徑傳送來的電荷；第2像素單元包括第4電荷蓄積部，該第4電荷蓄積部電連接于第3電荷傳送路徑的第4端并蓄積經(jīng)由第3電荷傳送路徑傳送來的電荷。

[項目9]

如項目1所述的攝像裝置，第1像素單元包括：第5電荷傳送路徑，從第1電荷傳送路徑的第3位置分支，傳送第1電荷中的至少一部分；第3柵極，對第5電荷傳送路徑中的電荷的傳送及截斷進行切換；第3電荷蓄積部，蓄積經(jīng)由第5電荷傳送路徑傳送來的電荷；第6電荷傳送路徑，從第1電荷傳送路徑的第4位置分支，傳送第1電荷中的至少一部分；第4柵極，對第6電荷傳送路徑中的電荷的傳送及截斷進行切換；以及第4電荷蓄積部，蓄積經(jīng)由第6電荷傳送路徑傳送來的電荷；沿著第1方向的從第1端到第3位置的距離不同于沿著第1方向的從第1端到第4位置的距離。

[項目10]

如項目9所述的攝像裝置，在俯視中，第1電荷傳送路徑位于第3電荷蓄積部及第4電荷蓄積部與第1電荷蓄積部之間。

[項目11]

如項目9或10所述的攝像裝置，第1像素單元包括：第5柵極，對從第1光電變換部向第1電荷傳送路徑的第1電荷的傳送及截斷進行切換；第1漏極，電連接于第1電荷傳送路徑的第2端；以及第6柵極，位于第1電荷傳送路徑與第1漏極之間，對從第1電荷傳送路徑向第1漏極的電荷的傳送及截斷進行切換。

[項目12]

如項目9～11中任一項所述的攝像裝置，第1像素單元包括：第5電荷蓄積部，電連接于第1電荷蓄積部；第7柵極，對蓄積在第1電荷蓄積部中的電荷向第5電荷蓄積部的傳送及截斷進行切換；以及讀出電路，電連接于第5電荷蓄積部。

[項目13]

如項目9～11中任一項所述的攝像裝置，第1像素單元包括：電容元件，電連接于第1電荷蓄積部；以及讀出電路，電連接于第1電荷蓄積部。

[項目14]

如項目1～13中任一項所述的攝像裝置，具備包括第1像素單元的多個第1像素單元和包括第2像素單元的多個第2像素單元；多個第1像素單元及多個第2像素單元在行方向及列方向上二維地配置；多個第1像素單元沿著行方向及列方向中的一個方向配置；多個第2像素單元沿著行方向及列方向中的一個方向配置。

[項目15]

如項目1～14中任一項所述的攝像裝置，第1電荷傳送路徑在第1端及第2端之間不具有柵極；第2電荷傳送路徑在第3端及第4端之間不具有柵極。

[項目16]

一種攝像裝置，具備第1像素單元及第2像素單元；第1像素單元包括：第1光電變換部；第1電荷傳送路徑，傳送由第1光電變換部產(chǎn)生的電荷；第2電荷傳送路徑，從第1電荷傳送路徑的中途分支；以及第1電荷蓄積部，蓄積由第1光電變換部產(chǎn)生的電荷中的、經(jīng)由第2電荷傳送路徑傳送來的電荷；第2像素單元包括：第2光電變換部；第3電荷傳送路徑，傳送由第2光電變換部產(chǎn)生的電荷；第4電荷傳送路徑，從第3電荷傳送路徑的中途分支；以及第2電荷蓄積部，蓄積由第2光電變換部產(chǎn)生的電荷中的、經(jīng)由第4電荷傳送路徑傳送來的電荷；從第1光電變換部到第1電荷傳送路徑及第2電荷傳送路徑的分支點的、沿著第1電荷傳送路徑的距離不同于從第2光電變換部到第3電荷傳送路徑及第4電荷傳送路徑的分支點的、沿著第3電荷傳送路徑的距離。

根據(jù)項目16的結(jié)構(gòu)，能夠在第1像素單元及第2像素單元之間一并執(zhí)行以不同的時刻為起點的時間窗下的檢測。

[項目17]

如項目16所述的攝像裝置，第1像素單元包括第1柵極，該第1柵極對經(jīng)由第2電荷傳送路徑的電荷的傳送及截斷進行切換；第2像素單元包括第2柵極，該第2柵極對經(jīng)由第4電荷傳送路徑的電荷的傳送及截斷進行切換。

根據(jù)項目17的結(jié)構(gòu)，能夠抽取在第1電荷傳送路徑中移動中的信號電荷的一部分而向第1電荷蓄積部進行蓄積，并抽取在第3電荷傳送路徑中移動中的信號電荷的一部分而向第2電荷蓄積部進行蓄積。

[項目18]

如項目16或17所述的攝像裝置，經(jīng)由第2電荷傳送路徑的向第1電荷蓄積部的電荷的傳送的定時與經(jīng)由第4電荷傳送路徑的向第2電荷蓄積部的電荷的傳送的定時相同。

[項目19]

如項目16～18中任一項所述的攝像裝置，第1像素單元包括：多個第3電荷蓄積部，沿著第1電荷傳送路徑而相對于第1電荷傳送路徑配置在與第1電荷蓄積部相反的一側(cè)；多個第5電荷傳送路徑，是從第1電荷傳送路徑的中途分支的多個第5電荷傳送路徑，在各自的末端配置有多個第3電荷蓄積部中的1個；以及至少1個第3柵極，對經(jīng)由多個第5電荷傳送路徑中的至少1個的電荷的傳送及截斷進行切換；第2像素單元包括：多個第4電荷蓄積部，沿著第3電荷傳送路徑而相對于第3電荷傳送路徑配置在與第2電荷蓄積部相反的一側(cè)；多個第6電荷傳送路徑，是從第3電荷傳送路徑的中途分支的多個第6電荷傳送路徑，在各自的末端配置有多個第4電荷蓄積部中的1個；以及至少1個第4柵極，對經(jīng)由多個第6轉(zhuǎn)電荷傳送路徑中的至少1個的電荷的傳送及截斷進行切換。

根據(jù)項目19的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒁圆煌臅r刻為起點的時間窗下的檢測一并執(zhí)行。

[項目20]

如項目16～19中任一項所述的攝像裝置，第1像素單元包括第5柵極，該第5柵極對從第1光電變換部向第1電荷傳送路徑的電荷的傳送及截斷進行切換；第2像素單元包括第6柵極，該第6柵極對從第2光電變換部向第3電荷傳送路徑的電荷的傳送及截斷進行切換。

根據(jù)項目20的結(jié)構(gòu)，能夠電氣地控制從光電變換部的信號電荷的傳送的開始及結(jié)束的定時。

[項目21]

如項目16～20中任一項所述的攝像裝置，第1像素單元包括位于第1電荷傳送路徑的末端的第1漏極；第2像素單元包括位于第3電荷傳送路徑的末端的第2漏極。

根據(jù)項目21的結(jié)構(gòu)，能夠使由光電變換部生成的信號電荷從光電變換部朝向漏極移動。

[項目22]

如項目16～20中任一項所述的攝像裝置，第1像素單元包括位于第1電荷傳送路徑的末端、蓄積經(jīng)由第1電荷傳送路徑傳送來的電荷的第3電荷蓄積部；第2像素單元包括位于第3電荷傳送路徑的末端、蓄積經(jīng)由第3電荷傳送路徑傳送來的電荷的第4電荷蓄積部。

根據(jù)項目22的結(jié)構(gòu)，能夠向形成在像素單元內(nèi)的兩個電荷蓄積部以任意的比率分配電荷。

[項目23]

如項目19所述的攝像裝置，第1像素單元包括：第5柵極，對從第1光電變換部向第1電荷傳送路徑的電荷的傳送及截斷進行切換；第1漏極，位于第1電荷傳送路徑的末端；以及第6柵極，配置在第1電荷傳送路徑的末端與第1漏極之間，對從第1電荷傳送路徑的末端向第1漏極的電荷的傳送及截斷進行切換；第2像素單元包括：第7柵極，對從第2光電變換部向第3電荷傳送路徑的電荷的傳送及截斷進行切換；第2漏極，位于第3電荷傳送路徑的末端；以及第8柵極，配置在第3電荷傳送路徑的末端與第2漏極之間，對從第3電荷傳送路徑的末端向第2漏極的電荷的傳送及截斷進行切換。

根據(jù)項目23的結(jié)構(gòu)，由于在各像素單元中能夠通過單一的信號檢測電路從多個電荷蓄積部分別讀出電荷，所以對于像素單元的微細化是有利的。

[項目24]

如項目23所述的攝像裝置，第1像素單元包括：第5電荷蓄積部；第9柵極，對蓄積在第1電荷蓄積部中的電荷向第5電荷蓄積部的傳送及截斷進行切換；以及第1讀出電路，將傳送到第5電荷蓄積部的電荷讀出；第2像素單元包括：第6電荷蓄積部；第10柵極，對蓄積在第2電荷蓄積部中的電荷向第6電荷蓄積部的傳送及截斷進行切換；以及第2讀出電路，將傳送到第6電荷蓄積部的電荷讀出。

根據(jù)項目24的結(jié)構(gòu)，能夠抑制復位噪聲等噪聲的影響。

[項目25]

一種攝像裝置，具有分別包括兩個以上的像素單元的多個像素塊的排列；各像素塊中的兩個以上的像素單元分別包括：光電變換部；第1電荷傳送路徑，傳送由光電變換部產(chǎn)生的電荷；第2電荷傳送路徑，從第1電荷傳送路徑的中途分支；以及電荷蓄積部，蓄積由光電變換部產(chǎn)生的電荷中的經(jīng)由第2電荷傳送路徑傳送來的電荷；從光電變換部到第1電荷傳送路徑及第2電荷傳送路徑的分支點的、沿著第1電荷傳送路徑的距離，在兩個以上的像素單元之間相互不同。

根據(jù)項目25的結(jié)構(gòu)，能夠以單一的曝光高速地取得與相互不同的多個時間窗對應的多個圖像數(shù)據(jù)。

[項目26]

如項目25所述的攝像裝置，多個像素塊沿著第1方向配置；多個像素塊分別包括沿著與第1方向不同的第2方向配置的兩個以上的像素單元；在沿著第1方向排列的像素單元之間距離是共通的。

根據(jù)項目26的結(jié)構(gòu)，能夠利用包括多個像素單元的像素陣列的各行作為線傳感器。

以下，一邊參照附圖一邊詳細說明本發(fā)明的實施方式。另外，以下說明的實施方式都表示總括性或具體性的例子。以下的實施方式中表示的數(shù)值、形狀、材料、構(gòu)成要素、構(gòu)成要素的配置位置及連接形態(tài)、步驟、步驟的順序等是一例，不意欲限定本發(fā)明。在本說明書中說明的各種技術(shù)方案只要不發(fā)生矛盾就能夠相互組合。此外，關(guān)于以下的實施方式的構(gòu)成要素中的、在表示最上位概念的獨立權(quán)利要求中沒有記載的構(gòu)成要素，設(shè)為任意的構(gòu)成要素進行說明。在以下的說明中，具有實質(zhì)相同的功能的構(gòu)成要素有時由共通的標號表示而省略說明。

(第1實施方式)

圖1表示本發(fā)明的第1實施方式的攝像裝置的例示性電路結(jié)構(gòu)的概略。圖1所例示的攝像裝置100具有作為多個像素單元的排列的像素陣列pa、和包括垂直掃描電路50及列電路52的周邊電路。典型的是，像素陣列pa中的多個像素單元10a形成在半導體襯底上。像素單元10a通過一維或二維地排列而形成攝像區(qū)域(感光區(qū)域)。這里，示出了包括像素單元10aa及10ab的多個像素單元10a二維地排列的例子。在圖1所例示的結(jié)構(gòu)中，像素單元10a排列成包括多個行及列的矩陣狀。不言而喻，像素陣列pa中的像素單元的數(shù)量及配置并不限定于圖1所示的例子。例如，如果像素單元10a的排列是一維的，則能夠?qū)z像裝置100作為線傳感器(linesensor)使用。

各個像素單元10a具有光電變換部12和將光電變換部12中生成的電荷的至少一部分暫時地蓄積的電荷蓄積部p。在圖1所例示的結(jié)構(gòu)中，各像素單元10a還具有用來將在光電變換部12中生成的電荷的至少一部分向外部排出的漏極14。另外，圖1只不過是用于說明的示意性的圖，圖中的各部的尺寸并不一定反映現(xiàn)實的尺寸。關(guān)于其他圖也同樣，有圖中所示的要素的尺寸與該要素的現(xiàn)實的尺寸不一致的情況。

如后面詳細說明那樣，各個像素單元10a還具有將在光電變換部12中生成的電荷進行傳送的第1電荷傳送路徑、和從第1電荷傳送路徑的中途分支的第2電荷傳送路徑。在該例中，第1電荷傳送路徑形成為將光電變換部12及漏極14連結(jié)的電荷傳送路徑。即，光電變換部12位于第1電荷傳送路徑的一端，漏極14位于第1電荷傳送路徑的另一端?；蛘撸部梢哉f，光電變換部12連接于第1電荷傳送路徑的一端，漏極14連接于第1電荷傳送路徑的另一端。這里，各個像素單元10a具有控制電極tc，控制電極tc配置在第1電荷傳送路徑上。第2電荷傳送路徑形成為將第1電荷傳送路徑與電荷蓄積部p連結(jié)的電荷傳送路徑。換言之，電荷蓄積部p位于第2電荷傳送路徑的末端。在控制電極tc與電荷蓄積部p之間配置有傳送柵極電極tx。

在本發(fā)明的各實施方式中，像素陣列pa包括沿著將光電變換部12及漏極14連結(jié)的方向的、從光電變換部12到第1電荷傳送路徑及第2電荷傳送路徑的分支點的距離相互不同的兩個以上的像素單元。典型地，在這些像素單元之間，沿著將光電變換部12及漏極14連結(jié)的方向的、光電變換部12及電荷蓄積部p之間的距離相互不同。例如在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，沿著將光電變換部12及漏極14連結(jié)的方向的、光電變換部12及電荷蓄積部p之間的距離在像素單元10aa及像素單元10ab之間相互不同。因而，在像素單元10aa及像素單元10ab之間，從光電變換部12到電荷蓄積部p的電荷的傳送距離相互不同。如后述那樣，通過在像素陣列pa中配置從光電變換部12到電荷蓄積部p的電荷的傳送距離相互不同的兩個以上的像素單元(這里是像素單元10aa及10ab)，能夠在這些像素單元之間一并執(zhí)行以不同的時刻為起點的時間窗下的檢測。

像素陣列pa中的各像素單元10a的驅(qū)動例如由配置在攝像區(qū)域的外側(cè)的列掃描電路或行掃描電路來控制。在圖1所例示的結(jié)構(gòu)中，按多個像素單元10a的每行設(shè)置的柵極控制線26連接于垂直掃描電路50。各柵極控制線26具有與對應的行的像素單元10a中的傳送柵極電極tx之間的連接。因而，垂直掃描電路50通過控制向柵極控制線26施加的電壓，能夠以行單位來控制像素陣列pa中的像素單元10a的驅(qū)動。在這樣的結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)⒋怪睊呙桦娐?0稱作行掃描電路。不言而喻，當然也可以代替垂直掃描電路50而沿著像素陣列pa的行方向配置列掃描電路、經(jīng)由按多個像素單元10a的每列配置的控制線而通過列掃描電路來控制多個像素單元10a的驅(qū)動。另外，在本說明書中，行方向是指行延伸的方向，列方向是指列延伸的方向。例如，在圖1中，行方向是紙面的左右方向，列方向是紙面的上下方向。

另一方面，列電路52具有與按多個像素單元10a的每列設(shè)置的垂直信號線36之間的連接。像素陣列pa中的屬于某列的像素單元10a的輸出經(jīng)由多個垂直信號線36中的與該列對應的1個而被讀出到列電路52。列電路52可具有列信號處理電路(也稱作“行信號蓄積電路”)及負載電路的組。列信號處理電路及負載電路對應于各個垂直信號線36而按每列設(shè)置。負載電路形成源極跟隨器的一部分，列信號處理電路進行以相關(guān)雙采樣為代表的雜音抑制信號處理以及模擬數(shù)字變換(ad變換)等。來自多個列信號處理電路的信號被依次讀出到水平共通信號線59。

(像素單元10a的結(jié)構(gòu)的典型例)

圖2～圖4示意地表示像素單元10a的像素構(gòu)造的一例。這里，在像素單元10a中，作為代表而表示像素單元10aa的像素構(gòu)造的一例。圖2示意地示出了從攝像面的法線方向觀察時的、構(gòu)成像素單元10aa的各部的配置。圖3示意地示出了圖2所示的a－a’線截面。圖4示意地示出了圖2所示的b－b’線截面。在圖2～圖4中，為了參考，圖示了表示相互正交的x方向、y方向及z方向的箭頭。這里，z方向與攝像面的法線方向一致。在其他圖中，也有對表示x方向、y方向或z方向的箭頭進行圖示的情況。另外，為了避免圖面變得復雜，以下有將柵極控制線26等布線的圖示省略的情況。

如圖2所示，在該例中，光電變換部12及漏極14沿著x方向隔開間隔配置。光電變換部12包含能夠接受入射的光而生成電荷(以下有稱作“信號電荷”的情況)的光電變換元件。這里，作為光電變換元件，例示形成于半導體襯底的光電二極管。以下，將光電變換部12方便地稱作光電二極管12。光電二極管12、漏極14及上述的電荷蓄積部p可以是形成于半導體襯底的雜質(zhì)區(qū)域(例如擴散區(qū)域)。

在該例中，在將光電二極管12與漏極14連結(jié)的區(qū)域上配置有控制電極tc。如上述那樣，第1電荷傳送路徑形成為將光電變換部12及漏極14連結(jié)的電荷傳送路徑。因而，在圖2所例示的結(jié)構(gòu)中，第1電荷傳送路徑的配置可以說與控制電極tc的配置大致一致。

控制電極tc典型地由通過被摻雜雜質(zhì)而被賦予了導電性的多晶硅形成。在該例中，在控制電極tc中的光電二極管12側(cè)的端部的附近，連接著具有與未圖示的電源之間的連接的電源線21。此外，在控制電極tc中的漏極14側(cè)的端部的附近，連接著具有與未圖示的電源之間的連接的電源線22。控制電極tc構(gòu)成為，在攝像裝置100動作時，能夠獨立地控制兩端部的電位。

位于控制電極tc的一個端部附近的漏極14具有與連接于未圖示的電源的電源線24之間的連接。在攝像裝置100動作時，漏極14通過經(jīng)由電源線24接受規(guī)定的電壓vdr的供給而其電位被固定。

電荷蓄積部p(這里是電荷蓄積部pa)從配置有控制電極tc的區(qū)域沿著y方向隔開間隔形成。電荷蓄積部pa具有作為將信號電荷暫時蓄積的存儲部(storage)的功能。讀出線28與電荷蓄積部pa連接。讀出線28連接于包含放大晶體管等的未圖示的信號檢測電路，與蓄積在電荷蓄積部pa中的電荷的量對應的信號經(jīng)由信號檢測電路而被讀出到對應的垂直信號線36。雖然省略了圖示，但電荷蓄積部pa可具有與用來供給將電荷蓄積部pa的電位復位的復位電壓的復位電壓線之間的連接。

在配置在控制電極tc與電荷蓄積部pa之間的傳送柵極電極tx上，連接與垂直掃描電路50連接的柵極控制線26。傳送柵極電極tx的電位被從垂直掃描電路50經(jīng)由柵極控制線26供給的柵極控制電壓vt控制。傳送柵極電極tx可由鋁、銅等金屬、金屬氮化物或多晶硅形成。

像素陣列pa中的其他像素單元10a也大致上具有與像素單元10aa同樣的結(jié)構(gòu)。但是，像素陣列pa中的至少1個像素單元10a在沿著第1電荷傳送路徑的方向上的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld與像素單元10aa不同。如在圖1中示意地表示那樣，這里，上述的像素單元10ab中的距離ld與像素單元10aa中的距離ld不同。在該例中，像素單元10ab中的距離ld大于像素單元10aa中的距離ld。另外，圖2中的雙箭頭lw表示電荷蓄積部p(這里是電荷蓄積部pa)在沿著第1電荷傳送路徑的方向上的長度(寬度)。

參照圖3及圖4。在該例中，在硅(si)襯底等半導體襯底2內(nèi)形成有光電二極管12、漏極14及電荷蓄積部pa。以下，作為半導體襯底2而例示p型硅襯底。這里，通過在p型硅襯底形成n型區(qū)域，形成了光電二極管12。此外，這里，使用在p型硅襯底形成的其他n型區(qū)域作為漏極14及電荷蓄積部pa。鄰接的兩個像素單元10a之間被形成在半導體襯底2的元件分離區(qū)域(這里是p型區(qū)域，未圖示)電分離。半導體襯底2并不限定于其整體是半導體層的襯底，也可以是在攝像面?zhèn)鹊谋砻嬖O(shè)有半導體層的絕緣襯底等。

如后面詳細說明那樣，在攝像裝置100動作時，例如漏極14的電位被固定為規(guī)定的電位，從而由光電二極管12生成的信號電荷從光電二極管12朝向漏極14在半導體襯底2的內(nèi)部移動。即，半導體襯底2中的處于光電二極管12與漏極14之間的區(qū)域作為將由光電二極管12產(chǎn)生的電荷進行傳送的第1電荷傳送路徑(以下，簡稱作“電荷傳送路徑ch1”)發(fā)揮功能。

如圖3所示，在該例中，在半導體襯底2中的光電二極管12與漏極14之間的區(qū)域上配置有控制電極tc。即，在該例中，控制電極tc沿著電荷傳送路徑ch1延伸。根據(jù)控制電極tc沿著x方向以直線狀延伸可知(參照圖2)，這里，從半導體襯底2的法線方向觀察時的電荷傳送路徑ch1的形狀大致上是直線狀。但是，電荷傳送路徑ch1的形狀并不限定于該例，例如也可以包括彎曲及/或曲線部分。

在控制電極tc與半導體襯底2之間配置絕緣層16。絕緣層16例如是二氧化硅層。如參照圖2說明過的那樣，在該例中，在控制電極tc上連接著電源線21及22。電源線21及22分別將第1電壓v1及第2電壓v2向控制電極tc供給。通過經(jīng)由電源線21及22對控制電極tc的電位進行控制，能夠在光電二極管12與漏極14之間的區(qū)域形成反型層。該反型層作為用來將由光電二極管12生成的信號電荷向漏極14傳送的溝道發(fā)揮功能。即，電荷傳送路徑ch1可以是形成于半導體襯底2的反型層。第1電壓v1及第2電壓v2能從垂直掃描電路50(參照圖1)供給。即，電源線21及22可以連接于垂直掃描電路50。

通過在控制電極tc的光電二極管12側(cè)的端部附近以及漏極14側(cè)的端部附近分別連接電源線21及22，能夠向控制電極tc的光電二極管12側(cè)的端部及漏極14側(cè)的端部供給相互不同的電壓。通過對控制電極tc的兩端經(jīng)由電源線21及22獨立地施加相互不同的第1電壓v1及第2電壓v2，能夠控制電荷傳送路徑ch1中的電勢的梯度。典型的是，由光電二極管12生成的信號電荷通過電荷傳送路徑ch1中的電勢的梯度的控制而朝向漏極14移動。當然，只要能夠使由光電二極管12生成的信號電荷朝向漏極14移動，第1電壓v1及第2電壓v2也可以是共通的電壓。

如圖4所示，傳送柵極電極tx也與控制電極tc同樣，能夠配置到形成在半導體襯底2上的絕緣層16上。通過使向傳送柵極電極tx供給的柵極控制電壓vt為高電平，能夠在半導體襯底2中的電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部pa之間的區(qū)域形成反型層。通過在電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部pa之間的區(qū)域形成反型層，能夠在電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部pa之間形成用于電荷移動的溝道。換言之，作為第2電荷傳送路徑，形成從電荷傳送路徑ch1分支的電荷傳送路徑ch2。通過在電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部pa之間形成溝道，能夠?qū)⒃陔姾蓚魉吐窂絚h1中移動的信號電荷的至少一部分朝向電荷蓄積部pa傳送。即，電荷傳送路徑ch2可以說是用來將在電荷傳送路徑ch1中移動的信號電荷的至少一部分朝向電荷蓄積部pa傳送的電荷傳送路徑。電荷蓄積部pa將從電荷傳送路徑ch1經(jīng)由電荷傳送路徑ch2傳送來的信號電荷暫時地蓄積。

如果使向傳送柵極電極tx供給的柵極控制電壓vt為低電平，則從電荷傳送路徑ch1向電荷蓄積部pa的電荷傳送停止。在該例中，半導體襯底2中的電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部pa之間的區(qū)域、和該區(qū)域上的絕緣層16及傳送柵極電極tx構(gòu)成對經(jīng)由電荷傳送路徑ch2向電荷蓄積部pa的電荷的傳送/非傳送進行切換的柵極gt。該柵極gt的開閉用柵極控制電壓vt控制。即，在該例中，以電氣方式控制經(jīng)由電荷傳送路徑ch2的信號電荷的傳送。

各像素單元10a可具有將半導體襯底2覆蓋的層間絕緣層。在圖1～圖4中省略了圖示，但各像素單元10a中的光電變換部12以外的部分被遮光層覆蓋。該遮光層例如可設(shè)在配置于半導體襯底2上的層間絕緣層上。遮光層也可以是設(shè)在比半導體襯底2靠上層的布線層。例如可以是，控制電極tc及/或傳送柵極電極tx構(gòu)成遮光層的一部分。

上述的像素單元10a能夠使用公知的半導體工藝制造。另外，若半導體襯底2的表面中的形成絕緣層16的一側(cè)的表面沒有被硅化物化則是有益的。特別是，半導體襯底2中與電荷傳送路徑ch1對應的區(qū)域及與電荷傳送路徑ch2對應的區(qū)域(典型的是擴散層)沒有被硅化物化是有益的。通過在半導體襯底2中不使與電荷傳送路徑ch1對應的區(qū)域及與電荷傳送路徑ch2對應的區(qū)域硅化物化，能夠抑制起因于金屬的存在的噪聲混入。此外，能夠抑制因信號電荷優(yōu)先在硅化物中移動而帶來的遷移率的偏差，使溝道中的電阻均勻化。

(像素單元10a中的信號檢測動作)

接著，參照圖5及圖6說明像素單元10a中的信號檢測動作的一例。圖5表示向光電二極管12入射的光的強度i的時間變化的一例。在圖5中，橫軸表示時間t，雙箭頭ex示意地表示對光電二極管12的曝光期間。圖6將像素單元10a的平面圖、某個時刻的電荷傳送路徑ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例、和半導體襯底2內(nèi)的電位的一例一并表示。圖6中的上側(cè)所示的曲線圖的縱軸表示電荷量c。

在圖6中，將光電二極管12與漏極14連結(jié)的電荷傳送路徑ch1由較粗的虛線箭頭圖示。此外，在圖6中，電荷傳送路徑ch2由沿著y方向延伸的較粗的虛線箭頭圖示。在其他圖中，也有用較粗的虛線箭頭圖示電荷傳送路徑的情況。以下，說明作為信號電荷而利用電子的例子。作為信號電荷當然也可以利用空穴。

在光的檢測之前，例如通過經(jīng)由復位晶體管向電荷蓄積部p供給規(guī)定的復位電壓，將電荷蓄積部p復位。此外，對漏極14經(jīng)由電源線24施加比較高的電壓vdr。進而，經(jīng)由電源線21及22，向控制電極tc的端部中的與光電二極管12接近的一側(cè)施加第1電壓v1，向控制電極tc的端部中的與漏極14接近的一側(cè)施加第2電壓v2。這里，向控制電極tc施加滿足vdr>v2>v1的關(guān)系那樣的第1電壓v1及第2電壓v2。

在圖6中的下側(cè)，表示施加了電壓vdr、第1電壓v1及第2電壓v2的狀態(tài)下的、半導體襯底2內(nèi)的沿著x方向的電位的變化的一例。此外，在圖6中的右側(cè)，表示半導體襯底2內(nèi)的沿著y方向的電位的變化的一例。這些曲線圖中的白圈sc示意地表示信號電荷。在圖6中的右側(cè)的曲線圖中，通過實線圖示出施加了電壓vdr、第1電壓v1及第2電壓v2的狀態(tài)下的半導體襯底2內(nèi)的沿著y方向的電位的變化。

若著眼于沿著x方向的信號電荷(這里是電子)的能量的變化，則在該例中，信號電荷(這里是電子)的能量在光電二極管12附近最高，隨著向漏極14接近而下降。因此，在施加了電壓vdr、第1電壓v1及第2電壓v2的狀態(tài)下，在光電二極管12中生成的信號電荷(這里是電子)在電荷傳送路徑ch1中朝向漏極14移動。到達了漏極14的信號電荷經(jīng)由電源線24被向像素單元10a的外部排出。施加了電壓vdr、第1電壓v1及第2電壓v2的狀態(tài)可以說是將光電二極管12復位的狀態(tài)。

這里，假設(shè)表現(xiàn)出圖5所示那樣的時間變化的光入射到光電二極管12中。如上述那樣，在施加了電壓vdr、第1電壓v1及第2電壓v2的狀態(tài)下，在電荷傳送路徑ch1中發(fā)生電位梯度。因而，在光電二極管12中生成信號電荷的情況下，生成的信號電荷朝向漏極14移動。

這里，由于向光電二極管12入射的光的強度i時間性地變化，所以在光電二極管12中生成的信號電荷的量也對應于入射光的強度i的時間變化而時間性地變化。因此，向電荷傳送路徑ch1流入的信號電荷的量也表示與入射光的強度i的時間變化對應的變化。即，在電荷傳送路徑ch1的某個地點通過的信號電荷的量對應于入射光的強度i的時間變化而時間性地變化。換言之，從對光電二極管12開始光入射起經(jīng)過了某個時間時的電荷傳送路徑ch1中的信號電荷的量，如圖6中在上側(cè)示意地表示那樣，表現(xiàn)出與入射光的強度i的時間變化對應的分布。這是因為，從全局來看時，在某個時刻流入到電荷傳送路徑ch1中的信號電荷在電荷傳送路徑ch1中的移動距離大于在該時刻之后的時刻流入到電荷傳送路徑ch1中的信號電荷的移動距離。

假設(shè)在曝光開始后的某個時刻、電荷傳送路徑ch1中的信號電荷的量表現(xiàn)出圖6中在上側(cè)示意地表示的曲線圖那樣的分布。這里，假設(shè)在時刻td、使向傳送柵極電極tx施加的柵極控制電壓vt為高電平。通過使柵極控制電壓vt為高電平，如圖6的右側(cè)的曲線圖中虛線所示那樣，電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部p之間的勢壘下降，電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部p之間的柵極gt(參照圖4)成為開啟的狀態(tài)。

通過將柵極gt開啟，在電荷傳送路徑ch1中行進的信號電荷中的、在與傳送柵極電極tx在y方向上重疊的區(qū)域rg附近行進的信號電荷，經(jīng)由電荷傳送路徑ch2被有選擇地向電荷蓄積部p傳送。然后，在從時刻td起經(jīng)過了時間ts(參照圖5)后，使柵極控制電壓vt成為低電平，使柵極gt關(guān)斷。通過使柵極gt關(guān)斷，向電荷蓄積部p的信號電荷的傳送結(jié)束。

這樣，在電荷傳送路徑ch1的中途配置電荷蓄積部p，對電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部p之間的柵極gt的開啟及關(guān)斷進行控制，從而能夠?qū)⒃陔姾蓚魉吐窂絚h1中移動的信號電荷的一部分有選擇地向電荷蓄積部p抽取。如在圖6中示意地表示那樣，電荷傳送路徑ch1中的信號電荷中的向電荷蓄積部p傳送的電荷量依賴于從光電二極管12的端部到電荷蓄積部p的距離ld以及電荷蓄積部p的寬度lw。傳送及蓄積到電荷蓄積部p的電荷量相當于在從時刻td到時刻(td+ts)之間在光電二極管12中產(chǎn)生的電荷量。即，傳送及蓄積到電荷蓄積部p的電荷量具有與對光電二極管12的曝光期間(圖5中用箭頭ex表示的期間)整體之中、在上述時間ts中入射到光電二極管12中的光的量相對應的信息。因而，若進行蓄積在電荷蓄積部p中的電荷的讀出，則實現(xiàn)以時刻td為起點的、相當于時間ts的時間窗tw(參照圖5)下的檢測。

接著，參照圖7及圖8，說明在像素陣列pa中混合存在有沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的兩個以上的像素單元的結(jié)構(gòu)下的信號檢測。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠進行相互不同的時間窗下的信號檢測。

圖7將像素單元10aa的平面圖和某個時刻的電荷傳送路徑ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例一并表示。圖8將像素單元10ab的平面圖和某個時刻下的電荷傳送路徑ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例一并表示。在圖7及圖8所例示的結(jié)構(gòu)中，像素單元10aa中的電荷蓄積部pa的寬度及像素單元10ab中的電荷蓄積部pb的寬度都是lw而共通。這里，像素單元10ab在沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的從光電二極管12到電荷蓄積部pb的距離ldb大約等于對像素單元10aa在沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的從光電二極管12到電荷蓄積部pa的距離lda加上lw后的長度。

例如，假設(shè)像素單元10aa及10ab是在像素陣列pa中相互鄰接配置的兩個像素單元。像素陣列pa中包含的像素單元10a之間的曝光期間基本上是共通的。因而，向像素單元10aa及像素單元10ab的入射光的強度及其時間變化可以說是相同的。在圖7中上側(cè)表示的曲線圖示出了呈現(xiàn)圖5所示那樣的時間性變化的光入射到像素單元10aa的光電二極管12時的、電荷傳送路徑ch1中的信號電荷在某個時刻的分布。圖8中上側(cè)表示的曲線圖示出了呈現(xiàn)圖5所示那樣的時間性變化的光入射到像素單元10ab的光電二極管12時的、電荷傳送路徑ch1中的信號電荷在某個時刻的分布。

如上述那樣，在光的檢測之前，首先，執(zhí)行電荷蓄積部pa及pb的復位。然后，開始對于像素單元10aa的光電二極管12及像素單元10ab的光電二極管12的曝光。圖7及圖8的各自的上側(cè)的曲線圖示意地表示從曝光的開始起經(jīng)過了某個時間時的電荷傳送路徑ch1中的信號電荷的分布。這里，在從曝光的開始起經(jīng)過某個時間時，通過柵極控制線26的電位的控制，使像素單元10aa中的柵極gt及像素單元10ab中的柵極gt開啟。進而，在經(jīng)過規(guī)定的時間(典型的是幾十皮秒左右)后，使這些柵極gt關(guān)斷。通過這樣的控制，在像素單元10aa中，電荷傳送路徑ch1中的、位于在y方向上與電荷蓄積部pa重疊的區(qū)域rga附近的信號電荷經(jīng)由電荷傳送路徑ch2被向電荷蓄積部pa傳送。另一方面，在像素單元10ab中，電荷傳送路徑ch1中的、位于在y方向上與電荷蓄積部pb重疊的區(qū)域rgb附近的信號電荷經(jīng)由電荷傳送路徑ch2被向電荷蓄積部pb傳送。

這里，lda<ldb，在像素單元10aa的光電二極管12中生成并被向電荷蓄積部pa傳送的電荷在電荷傳送路徑ch1中的移動距離小于在像素單元10ab的光電二極管12中生成并被向電荷蓄積部pb傳送的電荷在電荷傳送路徑ch1中的移動距離。換言之，在從曝光的開始起經(jīng)過某個時間后，像素單元10aa的電荷傳送路徑ch1的位于區(qū)域rga附近的信號電荷是與像素單元10ab的電荷傳送路徑ch1的位于區(qū)域rgb附近的信號電荷相比在靠后的時刻生成的電荷。即，向像素單元10ab的電荷蓄積部pb的信號電荷的傳送相當于以某個時刻為起點的時間窗下的檢測，向像素單元10aa的電荷蓄積部pa的信號電荷的傳送對應于以比該時刻靠后的某個時刻為起點的時間窗下的檢測。

這樣，通過將電荷的傳送距離相互不同的像素單元配置在像素陣列pa中，在這些像素單元之間，能夠?qū)崿F(xiàn)與電荷蓄積部p的配置對應的不同的時間窗下的檢測。根據(jù)上述原理可知，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，使電荷蓄積部p的配置、即沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld在多個像素單元之間不同。由此，能夠容易地變更檢測中的時間窗的起點。此外，例如通過電荷蓄積部p的寬度lw，能夠調(diào)整時間窗的寬度。

也可以是，不僅在像素陣列pa中的任意部位的兩個像素單元之間使電荷的傳送距離不同，而且在沿著行方向或列方向排列的一連串的多個像素單元之間使電荷的傳送距離單調(diào)增加或單調(diào)減少。通過不使相互鄰接的像素單元間的電荷的傳送距離的差極端地變大，能夠減小起因于信號延遲等的誤差的影響。

沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld例如能夠定義為：從半導體襯底2的法線方向觀察時的、沿著將光電二極管12的中心與漏極14的中心連結(jié)的方向(這里是x方向)的、從光電二極管12的電荷蓄積部p側(cè)的端部到電荷蓄積部p的光電二極管12側(cè)的端部的距離。在電荷傳送路徑ch1是曲線狀的情況下，例如可以定義為：與將控制電極tc的一端和另一端連結(jié)的方向垂直的方向上的、沿著控制電極tc的中央的、從光電二極管12的電荷蓄積部p側(cè)的端部到電荷蓄積部p的光電二極管12側(cè)的端部的距離。即，可以定義為：沿著控制電極tc的中心線的、從光電二極管12的電荷蓄積部p側(cè)的端部到電荷蓄積部p的光電二極管12側(cè)的端部的距離?；蛘?，也可以將距離ld定義為：當從半導體襯底2的法線方向觀察時沿著在控制電極tc的外形中與電荷蓄積部p接近的一側(cè)的邊的、從光電二極管12的電荷蓄積部p側(cè)的端部到電荷蓄積部p的光電二極管12側(cè)的端部的距離。

相對于將由光電二極管生成的信號電荷全部向浮置擴散部傳送、并將傳送來的信號電荷讀出的以往的方式，在上述例示性的動作中，將在電荷傳送路徑ch1內(nèi)朝向漏極14移動中的信號電荷的一部分抽取而蓄積在電荷蓄積部p中。因此，與將由光電二極管生成的信號電荷全部向浮置擴散部傳送的以往方式相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更高速的檢測。在本發(fā)明的實施方式中，用于光電二極管12的復位的期間實質(zhì)上是0，此外用于信號電荷的蓄積的期間不是曝光期間整體而是其一部分，所以能實現(xiàn)更高速的動作。

進而，在本發(fā)明的實施方式中，例如能夠使用柵極控制電壓vt電氣地控制柵極gt的開啟及關(guān)斷。通過控制柵極gt的開啟及關(guān)斷的定時，能夠?qū)⒃陔姾蓚魉吐窂絚h1內(nèi)朝向漏極14移動的信號電荷的一部分在任意的開始時刻及期間中抽取而向電荷蓄積部p蓄積。即，容易將信號電荷的一部分以希望的時間窗采樣。通過使柵極gt開啟的時間的調(diào)整，能夠調(diào)整時間窗的寬度。另外，在上述例子中，使經(jīng)由電荷傳送路徑ch2的從電荷傳送路徑ch1向電荷蓄積部p的信號電荷的傳送定時在多個像素單元10a之間共通。這樣，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，能夠不需要復雜的控制并且一并執(zhí)行不同的時間窗下的檢測。

在上述動作例中，在控制電極tc的兩端施加了相互不同的電壓。但是，在利用電子作為信號電荷的情況下，如果漏極14的電位比光電二極管12的電位高則信號電荷能夠從光電二極管12朝向漏極14移動，所以也可以對控制電極tc的兩端施加共通的電壓。但是，通過對控制電極tc的兩端獨立地施加相互不同的電壓，能夠隔著控制電極tc下的絕緣層16來控制電荷傳送路徑ch1中的光電二極管12－漏極14間的電位梯度的大小。因而，能夠電氣地控制從光電二極管12向漏極14的信號電荷的傳送速度。例如，通過調(diào)整光電二極管12與漏極14之間的電位梯度，還能夠事后調(diào)整時間窗的起點。此外，例如，在反復執(zhí)行上述檢測動作的情況下，也可以每當光電二極管12復位時變更電荷傳送路徑ch1中的電位梯度，將不同的傳送速度下的信號電荷向電荷蓄積部p抽取。作為向控制電極tc施加的第1電壓v1及第2電壓v2，既可以使用高電平及低電平那樣的數(shù)字信號，也可以使用任意大小的模擬電壓。

(像素構(gòu)造的變形例)

圖9表示像素構(gòu)造的變形例。在圖9所例示的結(jié)構(gòu)中，像素陣列pa包括從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的兩個以上的像素單元10b。這里，示出了像素單元10b中的像素單元10bi，j、10b(i+1)，j、10b(i+2)，j及10bi，(j+1)。這里，i及j是0以上的整數(shù)，下帶的尾標表示像素陣列pa中的配置(也可以說是像素陣列pa中的坐標)。

在該例中，第i行第j列的像素單元10bi，j中的電荷蓄積部pi，j的配置、第(i+1)行第j列的像素單元10b(i+1)，j中的電荷蓄積部p(i+1)，j的配置以及第(i+2)行第j列的像素單元10b(i+2)，j中的電荷蓄積部p(i+2)，j的配置相互不同。在圖9所例示的結(jié)構(gòu)中，在像素單元10bi，j中的距離ldi，j、像素單元10b(i+1)，j中的距離ld(i+1)，j以及像素單元10b(i+2)，j中的距離ld(i+2)，j之間，ldi，j<ld(i+1)，j<ld(i+2)，j的關(guān)系成立。例如，ld(i+1)，j＝ldi，j+lw，ld(i+2)，j＝ldi，j+2lw。

像素單元10bi，j、10b(i+1)，j、10b(i+2)，j具有配置在光電二極管12與控制電極tc的一端之間的傳送柵極電極tf。如圖示那樣，x方向上的從傳送柵極電極tf的控制電極tc側(cè)的端部到電荷蓄積部p的傳送柵極電極tf側(cè)的端部的距離在像素單元10bi，j、10b(i+1)，j及10b(i+2)，j之間相互不同。

在各傳送柵極電極tf上，連接著對柵極控制電壓vf進行供給的柵極控制線23。柵極控制線23例如連接到垂直掃描電路50(參照圖1)，在攝像裝置100動作時，由垂直掃描電路50控制柵極控制線23的電位。典型的是，傳送柵極電極tf被配置在半導體襯底2上的絕緣層16(參照圖3及圖4)上。

傳送柵極電極tf構(gòu)成對從光電二極管12向電荷傳送路徑ch1的信號電荷的傳送/非傳送進行切換的柵極的一部分。如果使向傳送柵極電極tf施加的柵極控制電壓vf為高電平，則光電二極管12與電荷傳送路徑ch1之間的柵極成為開啟的狀態(tài)，信號電荷從光電二極管12朝向電荷傳送路徑ch1移動。如果將柵極控制電壓vf切換為低電平，則光電二極管12與電荷傳送路徑ch1之間的柵極成為關(guān)斷的狀態(tài)，從光電二極管12朝向電荷傳送路徑ch1的信號電荷的移動停止。即，能夠根據(jù)柵極控制電壓vf的電壓電平來調(diào)整向電荷傳送路徑ch1流動的電荷量。

這樣，通過在光電二極管12與控制電極tc的一端之間配置傳送柵極電極tf，能夠電氣地控制從光電二極管12向電荷傳送路徑ch1的信號電荷的傳送的開始及結(jié)束的定時。傳送柵極電極tf由于與傳送柵極電極tx相比是小型的，所以與通過傳送柵極電極tx的電位調(diào)整向電荷蓄積部p傳送的電荷量的控制相比，能夠減輕電路中的負載。通過負載的減輕，能得到動作的高速化的效果，所以能夠使時間分辨率提高。

圖10表示像素構(gòu)造的其他變形例。在圖10所例示的結(jié)構(gòu)中，像素陣列pa包括從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的兩個以上的像素單元10c。在圖10所例示的結(jié)構(gòu)中，像素單元10ci，j、10c(i+1)，j及10c(i+2)，j具有第2漏極15。漏極15可具有與位于電荷傳送路徑ch1的末端的漏極14同樣的結(jié)構(gòu)。漏極15可以是形成于半導體襯底2的雜質(zhì)區(qū)域。各像素單元10c的漏極15連接于與未圖示的電源連接的電源線25，在攝像裝置100動作時，經(jīng)由電源線25向漏極15施加規(guī)定的電壓。

在各像素單元10c內(nèi)，漏極15沿著電荷傳送路徑ch1而與電荷蓄積部p并列地配置。在使向傳送柵極電極tx施加的柵極控制電壓vt為高電平的情況下，電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部p之間的柵極成為開啟的狀態(tài)，在電荷傳送路徑ch1中行進的信號電荷中的、在與電荷蓄積部p在y方向上重疊的區(qū)域附近行進的信號電荷經(jīng)由電荷傳送路徑ch2被向電荷蓄積部p傳送。此時，電荷傳送路徑ch1與漏極15之間的柵極也成為開啟的狀態(tài)，在電荷傳送路徑ch1中行進的信號電荷中的、在與漏極15在y方向上重疊的區(qū)域附近行進的信號電荷經(jīng)由從電荷傳送路徑ch1分支的電荷傳送路徑ch3被向漏極傳送。在各像素單元10c中，沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的、電荷蓄積部p的寬度與漏極15的寬度之間的比率能夠任意地設(shè)定。

如在圖10中示意地表示那樣，與電荷蓄積部p相比，漏極15配置得更接近光電二極管12。因而，從光電二極管12朝向漏極14移動的電荷的向漏極15的傳送，意味著將在某個時刻以后生成的信號電荷用漏極15回收。即，通過將第2漏極15設(shè)在像素單元10c內(nèi)，能夠抑制在某個時刻以后生成的信號電荷向電荷蓄積部p的混入。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，由于不需要在使柵極控制電壓vt為高電平后立即切換為低電平，所以能夠降低耗電。也可以不使柵極控制電壓vt為低電平而維持為高電平。另外，漏極15還可以作為電荷蓄積部來利用。

圖11表示像素構(gòu)造的再其他變形例。如圖11所示的像素單元10d那樣，可以代替漏極14而將第2電荷蓄積部pp配置在電荷傳送路徑ch1的末端。

第2電荷蓄積部pp將經(jīng)由電荷傳送路徑ch1傳送的電荷的至少一部分蓄積。在信號電荷向電荷蓄積部pp蓄積時，電荷蓄積部pp的電位被固定為一定。在圖11所例示的結(jié)構(gòu)中，在電荷蓄積部pp連接著讀出線29。該讀出線29能夠連接到與經(jīng)由讀出線28連接于電荷蓄積部p的信號檢測電路獨立的信號檢測電路。

根據(jù)圖11所示那樣的、在電荷傳送路徑ch1的末端和末端以外的部分配置有電荷蓄積部的結(jié)構(gòu)，通過控制設(shè)在電荷蓄積部p與電荷傳送路徑ch1之間的柵極的開啟的期間，能夠向兩個電荷蓄積部(電荷蓄積部p及pp)以任意的比率分配電荷。

(像素單元的配置的例子)

以下，參照圖12～圖15說明像素單元的配置的例子。

圖12表示像素單元10a的配置的一例。在圖12所例示的結(jié)構(gòu)中，像素陣列pa具有包括多個像素單元10a的像素塊pbk的排列。在該例中，通過將多個像素塊pbk排列為多個行及列，形成攝像區(qū)域。如在圖12中示意地表示那樣，這里，各像素塊pbk包括配置為3行3列的矩陣狀的9個像素單元10a。

圖13中，從圖12所示的像素陣列pa將像素塊pbk中的1個取出來表示。在該例中，像素塊pbk中包含的9個像素單元10a中的、沿著電荷傳送路徑ch1的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離相互不同。在該例中，像素塊pbk包括像素單元10ai，j、10ai，(j+1)、10ai，(j+2)、10a(i+1)，j、10a(i+1)，(j+1)、10a(i+1)，(j+2)、10a(i+2)，j、10a(i+2)，(j+1)及10a(i+2)，(j+2)。如在圖13中示意地表示那樣，這里，像素單元10ai，j中的、從光電變換部12到漏極14的距離ldi，j大致是0，在像素塊pbk中包含的9個像素單元10a之間，從光電變換部12到漏極14的距離以上述順序每次增加電荷蓄積部p的寬度lw。例如，像素單元10a(i+2)，(j+2)中的從光電變換部12到漏極14的距離ld(i+2)，(j+2)滿足ld(i+2)，(j+2)＝ldi，j+8lw的關(guān)系。在該例中，在9個像素單元10a之間曝光期間共通的情況下，由像素單元10a(i+2)，(j+2)取得的信號對應于在曝光期間中的初期生成的信號電荷的量，另一方面，由像素單元10ai，j取得的信號對應于在曝光期間中的最后期間生成的信號電荷的量。換言之，像素塊pbk中的各像素單元10a的時間窗相互不同。

在圖12所示的例子中，其他的像素塊pbk也具有與圖13所示的像素塊pbk同樣的結(jié)構(gòu)。即，如果設(shè)m及n為0以上的整數(shù)，則例如像素單元10a(i+2)，(j+2)中的檢測的時間窗、與在像素陣列pa中位于從該像素單元10a(i+2)，(j+2)沿行方向變動了3m且沿列方向變動3n了的位置上的像素單元10a(i+2+3n)，(j+2+3m)中的檢測的時間窗是共通的。通過有選擇地取得來自時間窗共通的像素單元10a的信號，能得到用來構(gòu)建與某個時間窗對應的圖像的圖像信號。例如，如果將位于坐標(i+2+3n，j+2+3m)的位置的像素單元10a的輸出集中，則能夠構(gòu)建與曝光期間中的初期的時間窗對應的圖像。同樣，如果有選擇地取得位于坐標(i+2+3n，j+1+3m)的位置的像素單元10a的輸出，則能夠構(gòu)建與1個之后的時間窗對應的圖像。

因而，根據(jù)這樣的像素單元10a的配置，能夠以單一的曝光一并執(zhí)行相互不同的9個時間窗下的檢測。即，能夠高速地取得與9個相互不同的時間窗對應的9張圖像數(shù)據(jù)。如在圖14中例示那樣，可以按每個像素塊pbk配置與像素塊pbk中的多個像素單元10a對置的微透鏡lz。通過按每個像素塊pbk配置微透鏡lz，能夠?qū)崿F(xiàn)與復眼相機同樣的應用。

圖15表示像素單元的配置的另一例。在圖15所例示的結(jié)構(gòu)中，沿著電荷傳送路徑ch1的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離在屬于同一列的像素單元10a之間相互不同。例如，這里，ldi，j<ld(i+1)，j<ld(i+2)，j的關(guān)系成立。另一方面，沿著電荷傳送路徑ch1的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離在屬于同一行的像素單元10a之間共通。即，這里，ldi，j＝ldi，(j+1)＝ldi，(j+2)的關(guān)系成立。在圖15所示的例子中，可以說，像素陣列pa包括在列方向上配置有沿著電荷傳送路徑ch1的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的多個像素單元10a的像素塊pbh的排列。像素塊pbh沿著像素陣列pa中的行方向配置。

例如著眼于第j列，則ldi，j<ld(i+1)，j<ld(i+2)，j的關(guān)系成立，所以從像素單元10a(i+2)，j能得到與在某個時刻生成的信號電荷對應的信號，從像素單元10a(i+1)，j能得到與在某個時刻之后的時刻生成的信號電荷對應的信號。從像素單元10ai，j能得到與在更后的時刻生成的信號電荷對應的信號。這樣，也可以按多個像素單元10a的每行使電荷的傳送距離(從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離)相互不同。在該例中，沿著電荷傳送路徑ch1的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld以行為單位而不同。即，沿行方向配置有時間窗共通的像素單元10a。通過與通常的數(shù)碼相機中的卷簾式快門(rollingshutter)同樣地、有選擇地取得來自同一行的像素單元10a的輸出，能夠利用像素陣列pa中的各行作為線傳感器。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠不使傳感器自身沿列方向移動地將多行的數(shù)據(jù)通過1次的曝光一并取得。從其他角度來看，能夠以單一的曝光得到與以高速執(zhí)行了所謂的卷簾式快門時同樣的效果。

(第2實施方式)

圖16表示本發(fā)明的第2實施方式的攝像裝置中的像素陣列pa。圖16所示的攝像裝置200a中的像素陣列pa包括多個像素單元20a的排列。在圖16中，代表性地示出了多個像素單元20a中的像素單元20aa、像素單元20ab及像素單元20ac這3個。與第1實施方式的攝像裝置100同樣地，攝像裝置200a的像素陣列pa中具有從光電變換部12到電荷蓄積部p的電荷的傳送距離相互不同的兩個以上的像素單元。在圖16所例示的結(jié)構(gòu)中，從光電二極管12到電荷蓄積部p的沿著電荷傳送路徑ch1的方向測量時的距離ld在像素單元20aa、像素單元20ab及像素單元20ac之間相互不同。這里，像素單元20ab中的從光電二極管12到電荷蓄積部pb的距離ldb是像素單元20aa中的從光電二極管12到電荷蓄積部pa的距離lda的大約2倍。像素單元20ac中的從光電二極管12到電荷蓄積部pc的距離ldc是像素單元20aa中的從光電二極管12到電荷蓄積部pa的距離lda的大約3倍。

像素單元20aa、像素單元20ab及像素單元20ac分別還具有沿著電荷傳送路徑ch1而相對于電荷傳送路徑ch1配置在電荷蓄積部p的相反側(cè)的4個電荷蓄積部p1～p4。在電荷傳送路徑ch1及電荷蓄積部p1之間配置傳送柵極電極txa。同樣，在電荷傳送路徑ch1及電荷蓄積部p2之間、電荷傳送路徑ch1及電荷蓄積部p3之間、以及電荷傳送路徑ch1及電荷蓄積部p4之間，分別配置傳送柵極電極txb、txc及txd。典型的是，傳送柵極電極txa～txd與傳送柵極電極tx同樣地，配置在半導體襯底2上的絕緣層16(參照圖3及圖4)上。

如在圖16中示意地表示那樣，像素單元20aa、像素單元20ab及像素單元20ac分別包括從電荷傳送路徑ch1的中途分支的多個電荷傳送路徑ch4。電荷蓄積部p1～p4位于各電荷傳送路徑ch4的末端。上述的傳送柵極電極txa～txd分別構(gòu)成對經(jīng)由對應的電荷傳送路徑ch4向電荷蓄積部p1～p4的電荷的傳送/非傳送進行切換的柵極的一部分。

圖17將圖16所示的像素單元20aa放大表示。在圖17所例示的結(jié)構(gòu)中，電荷蓄積部p1～p4分別具有共通的寬度lw，電荷蓄積部p1～p4隔開間隔g相互分離而配置。這里，4個電荷蓄積部p1～p4相對于電荷傳送路徑ch1配置在與電荷蓄積部pa相反的一側(cè)。但是，相對于電荷傳送路徑ch1配置在與電荷蓄積部p相反的一側(cè)的電荷蓄積部的數(shù)量以及它們的寬度及間隔并不限定于該例，可以任意地設(shè)定。例如，各像素單元20a具有的電荷蓄積部的數(shù)量并不限定于5個，在多個電荷蓄積部之間寬度或間隔也可以不同。例如，也可以將電荷蓄積部p1～p4之間的沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的長度(寬度)的比率設(shè)為與想要時間分解的比率對應的比率。

傳送柵極電極txa～txd分別連接柵極控制線26a～26d。柵極控制線26a～26d分別供給柵極控制電壓vta～vtd。柵極控制線26a～26d例如具有與垂直掃描電路50(參照圖1)之間的連接。例如，電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部p1之間的柵極的開啟及關(guān)斷通過柵極控制線26a的電位來控制。通過使柵極控制電壓vta為高電平，能夠?qū)⒃陔姾蓚魉吐窂絚h1中移動的信號電荷的一部分有選擇地向電荷蓄積部p1抽取。在該例中，像素單元20aa具有4個電荷蓄積部p1～p4，與之對應地，具有從電荷傳送路徑ch1朝向電荷蓄積部p1～p4傳送電荷的4個電荷傳送路徑ch4。

典型的是，電荷蓄積部p1～p4具有與電荷蓄積部pa大致同樣的結(jié)構(gòu)，作為將信號電荷暫時蓄積的存儲部發(fā)揮功能。在該例中，分別連接有包含放大晶體管等未圖示的信號檢測電路的讀出線28a～28d分別與電荷蓄積部p1～p4連接。因而，經(jīng)由讀出線28a～28d，能夠單獨地讀出與蓄積在電荷蓄積部p1～p4中的電荷的量對應的信號。另外，電荷蓄積部p1～p4能具有與供給復位電壓的復位電壓線之間的連接。

(像素單元20a中的信號檢測動作)

接著，參照圖18說明像素單元20a中的信號檢測動作的一例。圖18將像素單元20aa的平面圖和某個時刻的電荷傳送路徑ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例一并表示。通過沿著電荷傳送路徑ch1配置4個電荷蓄積部p1～p4，如以下說明的那樣，能夠進行連續(xù)的4個時間窗(4相位)下的檢測。

在光的檢測之前，將電荷蓄積部p1～p4的各自的電荷復位。典型的是，還執(zhí)行電荷蓄積部pa的電荷的復位。在該時間點，向控制電極tc施加的第1電壓v1及第2電壓v2、柵極控制電壓vt、vta～vtd都是低電平。接著，將滿足vdr>v2>v1的關(guān)系的電壓vdr、和第1電壓v1及第2電壓v2分別向漏極14及控制電極tc施加，在電荷傳送路徑ch1中形成電位梯度。在該狀態(tài)下，開始向光電二極管12的光入射。在光電二極管12中生成的信號電荷在電荷傳送路徑ch1中朝向漏極14移動。

從對光電二極管12的光入射開始起經(jīng)過某個時間時的電荷傳送路徑ch1中的信號電荷的量如圖18中上側(cè)所示那樣表現(xiàn)出某種分布。這里，使向傳送柵極電極txa～txd施加的柵極控制電壓vta～vtd一齊為高電平的情況下，電荷傳送路徑ch1與各個電荷蓄積部p1～p4之間的勢壘降低，電荷傳送路徑ch1與各個電荷蓄積部p1～p4之間的柵極成為開啟的狀態(tài)。

通過柵極的開啟，在電荷傳送路徑ch1中移動的信號電荷經(jīng)由電荷傳送路徑ch4被向電荷蓄積部p1～p4傳送。此時，在電荷傳送路徑ch1中移動的信號電荷被向電荷蓄積部p1～p4的某個傳送。在電荷傳送路徑ch1中移動的信號電荷被向電荷蓄積部p1～p4的哪個傳送，根據(jù)著眼的信號電荷在柵極開啟時的行進距離而不同。例如，在y方向上位于與電荷蓄積部p1重疊的區(qū)域rga附近的信號電荷被向電荷蓄積部p1傳送。在y方向上位于與電荷蓄積部p2重疊的區(qū)域rgb附近的信號電荷被向電荷蓄積部p2傳送。在y方向上位于與電荷蓄積部p3重疊的區(qū)域rgc附近的信號電荷被向電荷蓄積部p3傳送。在y方向上位于與電荷蓄積部p4重疊的區(qū)域rgd附近的信號電荷被向電荷蓄積部p4傳送。

這樣，通過沿著電荷傳送路徑ch1配置多個電荷蓄積部p1～p4，能夠?qū)⒃陔姾蓚魉吐窂絚h1中移動的信號電荷對應于將柵極開啟了的時間點的移動距離而向電荷蓄積部p1～p4分配。即，能夠以與電荷蓄積部p1～p4的配置及它們各自的寬度對應的時間窗、將通過光入射而生成的信號電荷進行時間分解而檢測。這樣，通過沿著電荷傳送路徑ch1配置多個電荷蓄積部p1～p4，能夠一并執(zhí)行以不同的時刻為起點的時間窗下的檢測。另外，也可以使傳送柵極電極txa～txd為單一的電極。

例如，信號電荷(例如電子)在被施加了飽和速度為0.04μm/ps那樣的強度的電場的長度4μm的電荷傳送路徑中移動需要100ps。因而，在經(jīng)由長度4μm的電荷傳送路徑將信號電荷向電荷蓄積部直接傳送那樣的結(jié)構(gòu)中，僅信號電荷的傳送也需要100ps。相對于此，根據(jù)如圖16～圖18所示那樣沿著在末端配置有漏極14的電荷傳送路徑ch1配置多個電荷蓄積部p1～p4、將在電荷傳送路徑ch1中移動的電子向多個電荷蓄積部p1～p4分配那樣的結(jié)構(gòu)，能夠提高時間分辨率。例如，如果沿著4μm的電荷傳送路徑配置4個電荷蓄積部，則即使在相同的電場強度下也能實現(xiàn)大約25ps的時間分辨率。

通過在將由光電變換部生成的信號電荷向漏極傳送的中途、對應于信號電荷的移動距離將信號電荷向多個電荷蓄積部分配，能夠不受信號電荷(例如電子)的飽和速度的限制而使檢測的時間分辨率提高。如果將對應于電荷傳送路徑ch1中的移動距離將信號電荷向多個電荷蓄積部p1～p4分配的上述例子那樣的結(jié)構(gòu)應用于例如利用近紅外光的成像中，則能夠得到測量對象的深度方向的信息。此時，通過重復光脈沖的入射和參照圖18說明的信號電荷的傳送及蓄積的循環(huán)、將各電荷蓄積部p1～p4中的電荷量累計，能夠提高sn比。設(shè)置在用來向電荷蓄積部p1～p4傳送電荷的電荷傳送路徑ch4中的柵極的開啟只要每當光脈沖的照射時以規(guī)定的定時執(zhí)行就可以。

另外，如果代替使向傳送柵極電極txa～txd施加的柵極控制電壓vta～vtd一齊成為高電平而使向傳送柵極電極tx施加的柵極控制電壓vt成為高電平，則當然也能夠進行與第1實施方式同樣的動作。根據(jù)如圖17所例示那樣相對于電荷傳送路徑ch1在與電荷蓄積部p相反的一側(cè)還配置有電荷蓄積部p1～p4的結(jié)構(gòu)，通過對柵極控制電壓vt及柵極控制電壓vta～vtd進行控制，能夠在電荷蓄積部p及電荷蓄積部p1～p4之間選擇在電荷傳送路徑ch1中移動的信號電荷的傳送目的地。

根據(jù)向電荷蓄積部p1～p4的信號電荷的傳送，能夠按每個像素單元20a一并執(zhí)行多個時間窗下的檢測。但是，有可能發(fā)生電荷蓄積部p1～p4中的相互鄰接的兩個之間的漏電(leak)。另一方面，根據(jù)向電荷蓄積部p的信號電荷的傳送，由于每個像素單元20a的在檢測中使用的電荷蓄積部p的數(shù)量是1個，所以能夠在與其他像素單元20a之間良好地將信號電荷分離。

根據(jù)第2實施方式，由于能夠容易地切換使用的電荷蓄積部，所以能夠根據(jù)使多個時間窗下的一并檢測及像素單元20a間的信號電荷的分離的哪個優(yōu)先來靈活地切換信號電荷的傳送目的地。另外，作為信號電荷，也可以代替電子而利用空穴。通過利用遷移率相對較低的空穴，例如在向電荷蓄積部p1～p4傳送信號電荷的情況下，在鄰接的電荷蓄積部p1～p4間能夠良好地將信號電荷分離。即，能夠抑制信號電荷向與本來應傳送的電荷蓄積部鄰接的其他電荷蓄積部的混入。

在如圖16所示那樣與多個電荷蓄積部(這里是電荷蓄積部p1～p4)對應地將多個傳送柵極電極(這里是傳送柵極電極txa～txd)配置在像素單元內(nèi)的結(jié)構(gòu)中，還能利用距光電二極管12最近的電荷蓄積部(這里是電荷蓄積部p1)作為漏極。例如，如果在某個時刻以后使柵極控制電壓vta成為高電平、使電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部p1之間的柵極開啟，則在該時刻以后流入到電荷傳送路徑ch1中的信號電荷被優(yōu)先地向電荷蓄積部p1傳送。因此，如果使柵極控制電壓vtb～vtd成為高電平、使電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部p2～p4之間的柵極開啟的時刻以后也使柵極控制電壓vta成為高電平，則能夠抑制多余的電荷向電荷蓄積部p2～p4的混入。在利用電荷蓄積部p1作為漏極的情況下，不需要電荷蓄積部p1的、光的檢測前的復位。

另外，在圖16所例示的結(jié)構(gòu)中，例如，電荷蓄積部p2及電荷蓄積部pa沿著y方向排列。但是，夾著電荷傳送路徑ch1對置的兩個電荷蓄積部的配置不需要在它們之間一致。

(第2實施方式的變形例)

圖19示意地表示第2實施方式的攝像裝置的第1變形例。圖19所示的攝像裝置200b具有包括從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的兩個以上的像素單元20b的像素陣列pa。這里，表示了多個像素單元20b中的屬于同一行的3個像素單元20ba、20bb及20bc。例如，像素單元20bb中的從光電二極管12到電荷蓄積部pb的距離ldb是像素單元20ba中的從光電二極管12到電荷蓄積部pa的距離lda的大約2倍。此外，像素單元20bc中的從光電二極管12到電荷蓄積部pc的距離ldc是像素單元20ba中的從光電二極管12到電荷蓄積部pa的距離lda的大約3倍。

圖20將圖19所示的像素單元20ba放大表示。圖20所示的像素單元20ba與參照圖17說明的像素單元20aa之間的主要不同點是，像素單元20ba具有配置在光電二極管12與控制電極tc之間的傳送柵極電極tf、以及配置在控制電極tc與漏極14之間的傳送柵極電極tg。另外，各個像素單元20b中的電荷蓄積部p1～p4能夠具有與供給復位電壓的復位電壓線之間的連接，但不具有與用來將蓄積的信號電荷讀出的讀出線28a～28d之間的連接。

如上述那樣，在傳送柵極電極tf上連接著柵極控制線23。傳送柵極電極tf基于向柵極控制線23施加的柵極控制電壓vf，切換從光電二極管12向電荷傳送路徑ch1的信號電荷的傳送/非傳送。另一方面，在傳送柵極電極tg上連接著柵極控制線27。柵極控制線27例如與柵極控制線23同樣地連接于垂直掃描電路50(參照圖1)，攝像裝置100動作時的柵極控制線27的電位通過垂直掃描電路50來控制。典型的是，傳送柵極電極tg配置在半導體襯底2上的絕緣層16(參照圖3及圖4)上。傳送柵極電極tg構(gòu)成對從電荷傳送路徑ch1的末端向漏極14的信號電荷的傳送/非傳送進行切換的柵極的一部分。例如通過使經(jīng)由柵極控制線27向傳送柵極電極tg施加的柵極控制電壓vg為低電平，從電荷傳送路徑ch1向漏極14的信號電荷的傳送停止。

再次參照圖19。在該例中，讀出線28與各像素單元10b的電荷蓄積部p連接。此外，各像素單元10b具有與讀出線28連接的信號檢測電路sc。在該例中，信號檢測電路sc包含放大晶體管42及尋址晶體管44。放大晶體管42及尋址晶體管44典型的是場效應晶體管(fet)。以下，只要沒有特別聲明，就例示n溝道m(xù)os作為晶體管。

在放大晶體管42的柵極，連接讀出線28。在攝像裝置200b動作時，典型的是，向放大晶體管42的漏極供給電源電壓vdd。放大晶體管42輸出與存儲在電荷蓄積部p中的信號電荷的量對應的信號。即，信號檢測電路sc將傳送給電荷蓄積部p的電荷讀出。

在放大晶體管42的源極與垂直信號線36之間，連接尋址晶體管44。垂直信號線36按多個像素單元20b的每列設(shè)置。在尋址晶體管44的柵極，連接地址控制線38。典型的是，地址控制線38按多個像素單元20b的每行設(shè)置，連接于垂直掃描電路50。通過由垂直掃描電路50控制向地址控制線38施加的電壓vs(也可以稱作行選擇信號)，讀出對象的行被掃描及選擇。信號電壓被從選擇出的行的像素單元20b向垂直信號線36讀出。

在各垂直信號線36，連接構(gòu)成電流源的負載晶體管48。負載晶體管48的柵極連接于在攝像裝置200動作時被施加規(guī)定的偏置電壓vb的電壓線40。負載晶體管48可以是列電路52(參照圖1)的一部分。負載晶體管48及放大晶體管42構(gòu)成源極跟隨器電路。

像素單元20b分別還連接于對電荷蓄積部p的復位的基準電壓vrs進行供給的復位電壓線34。在各像素單元20b的電荷蓄積部p與復位電壓線34之間連接復位晶體管46。在復位晶體管46的柵極連接復位信號線39。典型的是，復位信號線39連接于垂直掃描電路50。通過由垂直掃描電路50控制向復位信號線39施加的電壓vr(可以稱作復位信號)，例如將像素單元20b的電荷蓄積部p的電位以行為單位復位。另外，雖然為了避免圖面變復雜而省略了圖示，但復位晶體管46還連接于電荷蓄積部p1～p4。即，在電荷蓄積部p的復位中，經(jīng)由復位晶體管46，還向電荷蓄積部p1～p4供給基準電壓vrs。

(像素單元20b中的信號檢測動作)

接著，參照圖21～圖23說明像素單元20ba中的信號檢測動作的一例。概略地講，在將電荷傳送路徑ch1中的信號電荷傳送給電荷蓄積部p1～p4后，將蓄積在各電荷蓄積部p1～p4中的信號電荷向電荷蓄積部pa依次傳送，執(zhí)行被傳送給電荷蓄積部pa的電荷的讀出。

在檢測之前，首先，將各電荷蓄積部pa及p1～p4的電荷復位。然后，開始對光電二極管12的曝光，在所希望的定時，使向傳送柵極電極tf施加的柵極控制電壓vf及向傳送柵極電極tg施加的柵極控制電壓vg為高電平。由此，在所希望的定時開始從光電二極管12向漏極14的經(jīng)由電荷傳送路徑ch1的信號電荷的傳送。

在從光電二極管12向漏極14的信號電荷的傳送開始后，與參照圖18說明的檢測動作同樣地，進行從電荷傳送路徑ch1向電荷蓄積部p1～p4的經(jīng)由電荷傳送路徑ch4的信號電荷的傳送(圖21)。通過經(jīng)由電荷傳送路徑ch4的信號電荷的傳送，在電荷傳送路徑ch1中移動的信號電荷對應于將電荷傳送路徑ch1與各個電荷蓄積部p1～p4之間的柵極開啟了的時間點的移動距離而被分配給電荷蓄積部p1～p4。然后，使向傳送柵極電極txa～txd施加的柵極控制電壓vta～vtd為低電平，結(jié)束向電荷蓄積部p1～p4的信號電荷的傳送。

在向電荷蓄積部p1～p4的信號電荷的傳送時，向傳送柵極電極tf施加的柵極控制電壓vf及向傳送柵極電極tg施加的柵極控制電壓vg是低電平。通過使柵極控制電壓vf及柵極控制電壓vg為低電平，光電二極管12與電荷傳送路徑ch1之間、以及電荷傳送路徑ch1與漏極14之間的柵極關(guān)斷，向電荷傳送路徑ch1的信號電荷的進一步的流入以及從電荷傳送路徑ch1的信號電荷的排出停止。

然后，使向傳送柵極電極txa施加的柵極控制電壓vta及向傳送柵極電極tx施加的柵極控制電壓vt為高電平。通過將柵極控制電壓vta及柵極控制電壓vt切換為高電平，使電荷蓄積部p1與電荷傳送路徑ch1之間的柵極、以及電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部pa之間的柵極開啟。通過使這些柵極開啟，如圖22中用較粗的實線箭頭示意地表示的那樣，蓄積在電荷蓄積部p1中的信號電荷經(jīng)由將電荷蓄積部p1與電荷傳送路徑ch1連結(jié)的電荷傳送路徑ch4以及將電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部pa連結(jié)的電荷傳送路徑ch2，被向電荷蓄積部pa傳送。在向電荷蓄積部pa傳送了信號電荷后，使電荷蓄積部p1與電荷傳送路徑ch1之間的柵極以及電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部pa之間的柵極關(guān)斷。然后，將與傳送給電荷蓄積部pa的信號電荷量對應的信號通過上述的信號檢測電路sc讀出。

接著，使復位晶體管46導通而將傳送給電荷蓄積部pa的電荷復位，使復位晶體管46截止。然后，使向傳送柵極電極txb施加的柵極控制電壓vtb及向傳送柵極電極tx施加的柵極控制電壓vt為高電平，將蓄積在電荷蓄積部p2中的信號電荷向電荷蓄積部pa傳送(圖23)。在使電荷蓄積部p2與電荷傳送路徑ch1之間的柵極以及電荷傳送路徑ch1與電荷蓄積部pa之間的柵極關(guān)斷后，經(jīng)由信號檢測電路sc，將傳送給電荷蓄積部pa的信號電荷讀出。

通過將上述的讀出動作對于電荷蓄積部p3及電荷蓄積部p4也反復進行，能夠?qū)⑿罘e在電荷蓄積部p3中的信號電荷及蓄積在電荷蓄積部p4中的信號電荷通過信號檢測電路sc依次讀出。這樣，在該例中，將在電荷傳送路徑ch1中朝向漏極14移動的信號電荷對應于電荷蓄積部p1～p4的配置暫時向電荷蓄積部p1～p4分配，然后，將蓄積在電荷蓄積部p1～p4中的信號電荷向電荷蓄積部pa依次傳送，依次進行所傳送的信號電荷的讀出。被分配給電荷蓄積部p1～p4的信號電荷的量與相互不同的4個時間窗對應。因而，根據(jù)這樣的控制，能夠一邊高速地進行相互不同的4個時間窗下的檢測，一邊將信號的讀出在時間上分離而執(zhí)行。

此外，根據(jù)將分配給電荷蓄積部p1～p4的信號電荷向電荷蓄積部pa傳送而讀出的結(jié)構(gòu)，不需要按每個電荷蓄積部p1～p4設(shè)置信號檢測電路，能夠?qū)γ總€像素單元應設(shè)置的信號檢測電路sc的數(shù)量削減為1個。因而，將分配給電荷蓄積部p1～p4的信號電荷向電荷蓄積部pa傳送而讀出的結(jié)構(gòu)對于像素單元的微細化是有利的。

另外，在第1變形例中，也可以不必須包含沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的兩個以上的像素單元。即，像素陣列pa例如也可以僅具有與圖19所示的像素單元20ba相同結(jié)構(gòu)的像素單元。

圖24示意地表示第2實施方式的攝像裝置的第2變形例。圖24所示的攝像裝置200c中的像素陣列pa包括從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的兩個以上的像素單元20c。這里，示出了多個像素單元20c中的屬于同一行的3個像素單元20ca、20cb及20cc。

在圖24中著眼于最左側(cè)的像素單元20ca。圖19所示的像素單元20ba與圖24所示的像素單元20ca之間的主要不同點是，像素單元20ca具備具有與讀出線28之間的電連接的電荷保持部ra、和配置在電荷保持部ra及電荷蓄積部pa之間的傳送柵極電極tha。另外，像素單元20cb、像素單元20cc也除了從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離不同這一點以外，具有與像素單元20ca同樣的結(jié)構(gòu)。例如像素單元20cb具有電荷保持部rb及傳送柵極電極thb。

如圖24所示，傳送柵極電極tha具有與柵極控制線41之間的連接。柵極控制線41例如連接于垂直掃描電路50(參照圖1)，傳送柵極電極tha的電位通過經(jīng)由柵極控制線41從垂直掃描電路50供給的電壓vh來控制。典型的是，傳送柵極電極tha配置在半導體襯底2上的絕緣層16(參照圖3及圖4)上。

電荷保持部ra典型的是形成于半導體襯底2的雜質(zhì)區(qū)域(這里是n型區(qū)域)。通過在電荷蓄積部pa與電荷保持部ra之間設(shè)置傳送柵極電極tha，能夠形成對從電荷蓄積部pa向電荷保持部ra的信號電荷的傳送/非傳送進行切換的柵極。即，在該例中，傳送柵極電極tha構(gòu)成對從電荷蓄積部pa向電荷保持部ra的信號電荷的傳送/非傳送進行切換的柵極的一部分。

已知伴隨著晶體管的導通及截止動作會發(fā)生熱噪聲。例如，如果伴隨著復位晶體管46的截止的熱噪聲較大，則有可能因熱噪聲的混入而讀出的信號劣化。此外，如果電荷蓄積部pa中的信號電荷的保持期間較長，則起因于暗電流的噪聲有可能混入。如以下說明的那樣，通過在像素單元20ca內(nèi)設(shè)置電荷保持部ra，能夠抑制伴隨著復位晶體管46的截止的熱噪聲等噪聲的影響。

在通過復位晶體管46的導通及截止而進行電荷蓄積部pa的復位后，使向傳送柵極電極tha施加的電壓vh為高電平，使電荷蓄積部pa與電荷保持部ra之間的柵極開啟。在將向傳送柵極電極tha施加的電壓vh切換為低電平后，通過信號檢測電路sc，將電荷保持部ra中的電荷讀出。此時得到的信號的電平是包含與復位晶體管46的截止相伴隨的熱噪聲的信息的復位電平。

然后，與上述的信號電荷的讀出動作同樣地，執(zhí)行向電荷蓄積部pa的信號電荷的傳送。例如，將蓄積在電荷蓄積部p1中的信號電荷首先向電荷蓄積部pa傳送。如果在向電荷蓄積部pa傳送信號電荷后使電荷蓄積部pa與電荷保持部ra之間的柵極開啟，則被傳送到電荷蓄積部pa中的信號電荷被向電荷保持部ra傳送。在使電荷蓄積部pa與電荷保持部ra之間的柵極關(guān)斷后，通過信號檢測電路sc，進行傳送給電荷保持部ra的信號電荷的讀出。

此時得到的信號具有對復位電平追加了與信號電荷量對應的電壓電平而得到的電平。因而，通過取該信號電平與復位電平之間的差分，能得到將伴隨著復位的熱噪聲等噪聲的影響消除后的、與信號電荷量對應的本來的電壓電平。

另外，也可以在將蓄積在電荷蓄積部p1中的信號電荷傳送給電荷蓄積部pa后、例如將蓄積在電荷蓄積部p2中的信號電荷進一步向電荷蓄積部pa傳送。在將蓄積在電荷蓄積部p1中的信號電荷及蓄積在電荷蓄積部p2中的信號電荷傳送給電荷蓄積部pa后，通過執(zhí)行向電荷保持部ra的傳送，能得到與這些信號電荷之和對應的信號電平。即，能夠?qū)z測中的時間窗的寬度事后擴大。

或者，在不使用電荷蓄積部p1～p4而將在電荷傳送路徑ch1中行進的電荷經(jīng)由電荷傳送路徑ch2向電荷蓄積部pa傳送的情況下，也可以將包括從電荷傳送路徑ch1向電荷蓄積部pa的信號電荷的傳送和從電荷蓄積部pa向電荷保持部ra的信號電荷的傳送的循環(huán)執(zhí)行多次。通過在執(zhí)行多次傳送后最終讀出蓄積在電荷保持部ra中的電荷量，能得到累計的信號電平。因而，即使在各循環(huán)中經(jīng)由電荷傳送路徑ch2傳送的信號電荷量是微小量，也能夠得到足夠的大小的信號電平。

另外，在第2變形例中，也可以并不一定包含沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的兩個以上的像素單元。即，像素陣列pa例如也可以僅具有與圖24所示的像素單元20ca相同結(jié)構(gòu)的像素單元。

圖25示意地表示第2實施方式的攝像裝置的第3變形例。圖25所示的攝像裝置200d中的像素陣列pa包括從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的兩個以上的像素單元20d。這里，示出了多個像素單元20d中的屬于同一行的3個像素單元20da、20db及20dc。

在圖25中關(guān)注最左側(cè)的像素單元20da。圖24所示的像素單元20ca與圖25所示的像素單元20da之間的主要不同點是，在像素單元20da中，讀出線28連接于電荷蓄積部pa，在讀出線28與放大晶體管42的柵極之間連接著傳送晶體管47。此外，在放大晶體管42的柵極與傳送晶體管47之間的節(jié)點上，連接著一端接地的電容元件49。如圖示那樣，傳送晶體管47的柵極連接于柵極控制線41，通過向柵極控制線41施加的電壓vh，控制傳送晶體管47的導通及截止。

如圖25所示，也可以代替?zhèn)魉蜄艠O電極tha及電荷保持部ra的組而使用傳送晶體管47及電容元件49的組。通過這樣的結(jié)構(gòu)，也能夠進行與第2變形例同樣的檢測動作。傳送晶體管47具有作為對從電荷蓄積部pa向電容元件49的信號電荷的傳送/非傳送進行切換的柵極的功能，電容元件49具有將從電荷蓄積部pa傳送來的信號電荷暫時蓄積的功能。

這樣，將從電荷蓄積部pa傳送來的信號電荷暫時蓄積的要素并不限定于由pn結(jié)形成的結(jié)電容。作為電容元件49的構(gòu)造，能夠應用mim(metal－insulator－metal)構(gòu)造、mom(metal－oxide－metal)構(gòu)造、dmos(depletiontypemos)等。另外，在半導體襯底2(參照圖1)中，光電二極管12的受光區(qū)域側(cè)的主面與形成控制電極tc等電極、布線等的主面也可以不同。在采用這樣的所謂的背面照射型的構(gòu)造的情況下，通過采用mim構(gòu)造及mom構(gòu)造，能夠有效地利用在像素單元中形成電極、布線等的區(qū)域。另外，在使用有機光電變換膜作為光電變換部12的情況下，能夠采用與在將半導體襯底覆蓋的層間絕緣層上配置光電變換部的所謂層疊型的攝像裝置同樣的結(jié)構(gòu)。在這樣的結(jié)構(gòu)中，通過應用dmos構(gòu)造作為電容元件49的構(gòu)造，能夠有效地利用半導體襯底2上的區(qū)域和包括布線層的層間絕緣層中的區(qū)域。

另外，在第3變形例中，也可以并不一定包含沿著電荷傳送路徑ch1的方向上的從光電二極管12到電荷蓄積部p的距離ld相互不同的兩個以上的像素單元。即，像素陣列pa例如也可以僅具有與圖25所示的像素單元20da相同結(jié)構(gòu)的像素單元。

如以上說明的那樣，在本發(fā)明的實施方式中，不是從光電變換部向電荷蓄積部直接傳送信號電荷、并讀出所傳送的電荷，而是將從光電變換部朝向漏極移動的信號電荷從其移動路徑朝向電荷蓄積部傳送。因而，能夠進行與信號電荷距光電變換部的移動距離對應的時間分解，能夠使檢測中的時間分辨率提高。

進而，在上述各實施方式中，像素陣列pa包含沿著將光電變換部12及漏極14連結(jié)的方向上的、光電變換部12及電荷蓄積部p之間的距離相互不同的像素單元。因而，能夠以單一的曝光一并執(zhí)行以不同的時刻為起點的時間窗下的檢測。例如，能夠通過1次的攝像取得與不同的時刻對應的多個圖像數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的技術(shù)并不限定于上述實施方式，能夠進行各種改變。例如，作為光電二極管12，也可以使用將具有靈敏度的波段不同的多個傳感器在襯底的厚度方向上層疊的構(gòu)造的二極管(例如foveon(フォベオン)公司提供的foveonx3(注冊商標)等)。上述的放大晶體管42、尋址晶體管44、復位晶體管46、傳送晶體管47及負載晶體管分別既可以是n溝道m(xù)os，也可以是p溝道m(xù)os。也不需要它們?nèi)拷y(tǒng)一為n溝道m(xù)os或p溝道m(xù)os中的某種。

本發(fā)明的光電變換部并不限定于光電二極管。也可以代替光電二極管12而使用層疊于半導體襯底的光電變換膜。光電變換膜能夠由有機材料或非晶硅等無機材料形成。

本發(fā)明的攝像元件能夠利用于數(shù)字靜態(tài)相機、醫(yī)療用相機、監(jiān)視用相機、車載用相機、數(shù)字單反相機、數(shù)字無反相機等各種各樣的相機系統(tǒng)及傳感器系統(tǒng)。