DE112017002137T5 - Festkörper-bildgebungselement, treiberverfahren und elektronische vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenlegung betrifft ein Festkörper-Bildgebungselement, ein Treiberverfahren und eine elektronische Einrichtung, mit denen eine Miniaturisierung von Pixeln und eine verbesserte Empfindlichkeit erreicht werden können. Dieses Festkörper-Bildgebungselement ist ausgestattet mit: Fotodioden (PD), die Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandeln und die Ladung akkumulieren; erste Übertragungstransistoren, die die Ladungen, die in den PDs akkumuliert sind, auslesen; Vervielfachungsregionen, die die Ladungen, die von den ersten Übertragungstransistoren ausgelesen werden, temporär akkumulieren und vervielfachen; und zweite Übertragungstransistoren, die die Ladungen, die in den Vervielfachungsregionen akkumuliert sind, zu FD-Einheiten übertragen zum Umwandeln der Ladungen in Pixelsignale. Eine Region eines starken elektrischen Felds wird in den Vervielfachungsregionen erzeugt zum Vervielfachen der Ladungen mittels des Lawineneffekts, wenn die Ladungen durch die zweiten Übertragungstransistoren von den Vervielfachungsregionen zu den FD-Einheiten übertragen werden. Die vorliegende Technologie kann zum Beispiel bei gestapelten CMOS-Bildsensoren angewendet werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenlegung betrifft einen Festkörper-Bildsensor, ein Treiberverfahren und eine elektronische Vorrichtung und insbesondere einen Festkörper-Bildsensor, ein Treiberverfahren und eine elektronische Vorrichtung, mit denen eine Reduzierung der Pixelgröße und eine Verbesserung der Empfindlichkeit erreicht werden können.
  • Hintergrund der Technik
  • Beim Stand der Technik ist bei einer elektronischen Vorrichtung, wie z. B. bei digitalen Fotokameras oder digitalen Videokameras, die mit einer Bildaufnahmefunktion ausgestattet sind, bei einem Beispiel ein Festkörper-Bildsensor, wie z. B. eine ladungsgekoppelte Einrichtung (charge-coupled device - CCD) oder ein Komplementärer-Metalloxid-Halbleiter (complementary metal-oxide semiconductor - CMOS-) Bildsensor verwendet worden. Der Festkörper-Bildsensor weist ein Pixel auf, bei dem eine Fotodiode (PD), die eine fotoelektrische Umwandlung durchführt, und eine Vielzahl von Transistoren kombiniert sind und ein Bild auf der Basis von Pixelsignalen erstellt wird, die aus einer Vielzahl von Pixeln ausgegeben werden, welche auf einer Bildebene angeordnet sind, auf der ein Bild eines fotografischen Gegenstands ausgebildet ist.
  • Ferner bestehen, da die Größe eines Pixels kleiner wird, dahingehend Bedenken, dass eine ausreichende Region zum Installieren einer PD sehr schwierig herzustellen ist und sich der Rauschabstand (signal-to-noise ratio - SN) verringert, und somit sind Techniken zum Vergrößern des Volumens einer PD entwickelt worden.
  • Bei einem Beispiel ist eine Technik entwickelt worden, mit der die Verringerung der Menge an elektrischer Ladung, der Empfindlichkeit oder dergleichen verhindert werden können und Zufallsrauschen, Zufalls-Telegrafiesignal-(random telegraph signal - RTS-) Rauschen oder dergleichen verbessert werden können durch Trennen einer PD und eines Transistors in der Tiefenrichtung (siehe z. B. Patentschrift 1).
  • Ferner ist eine Bildgebungseinrichtung entwickelt worden, die einen Vervielfachersensor zum Vervielfachen von Elektronen aufgrund einer Stoßionisation durch ein elektrisches Feld zum weiteren Verbessern der Empfindlichkeit aufweist (siehe z. B. Patentschrift 2).
  • Liste der Patentschriften
  • Patentschriften
    • Patentschrift 1: JP 2014-199898A
    • Patentschrift 2: JP 2007-23 5097A
  • Offenlegung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Als siliziumbasierter Vervielfachungssensor finden eine Lawinenfotodiode (avalanche photodiode - APD), eine Einzelphotonen-Lawinendiode (single-photon avalanche diode - SPAD) oder dergleichen breite Anwendung, die Pixelstruktur und die Schaltungskonfiguration sind jedoch vollständig neuartig, anders als bei dem Stand der Technik entsprechenden CMOS-Bildsensoren. Aus diesem Grund ist es schwierig, einen solchen Vervielfachungssensor bei dem Stand der Technik entsprechenden CMOS-Bildsensoren anzuwenden, da die Kompatibilität der Techniken gering ist. Des Weiteren sind kürzlich Untersuchungen an CMOS-Sensoren mit einer Vervielfachungsregion, die als Elektronenvervielfacher-CMOS (EMCMOS) bezeichnet werden, durchgeführt worden, die Notwendigkeit zum zusätzlichen Bereitstellen einer Vervielfachungsregion macht das Erreichen einer Reduzierung der Pixel größe jedoch schwierig.
  • Die vorliegende Offenlegung erfolgt angesichts einer solchen Situation und soll ermöglichen, eine Reduzierung der Pixelgröße und eine Verbesserung der Empfindlichkeit zu erreichen.
  • Lösung des Problems
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenlegung weist ein Festkörper-Bildsensor auf: eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die so ausgeführt ist, dass sie Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und die elektrische Ladung speichert; eine Ausleseeinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausliest; eine Vervielfachungsregion, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die durch die Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär speichert und vervielfacht; und eine Übertragungseinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu einer Umwandlungseinheit überträgt, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixel signal umwandelt.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenlegung ist ein Verfahren zum Treiben eines Festkörper-Bildsensors vorgesehen, aufweisend eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die so ausgeführt ist, dass sie Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und die elektrische Ladung speichert; eine Ausleseeinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausliest; eine Vervielfachungsregion, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die durch die Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär speichert und vervielfacht; und eine Übertragungseinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu einer Umwandlungseinheit überträgt, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixelsignal umwandelt, wobei das Verfahren einen Schritt des Erzeugens einer Region eines starken elektrischen Felds in der Vervielfachungsregion zum Vervielfachen einer elektrischen Ladung mittels eines Lawineneffekts beim Übertragen der elektrischen Ladung durch die Übertragungseinheit von der Vervielfachungsregion zu der Umwandlungseinheit umfasst.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenlegung weist eine elektronische Vorrichtung einen Festkörper-Bildsensor auf aufweisend eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die so ausgeführt ist, dass sie Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und die elektrische Ladung speichert, eine Ausleseeinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausliest, eine Vervielfachungsregion, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die durch Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär speichert und vervielfacht, und eine Übertragungseinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu einer Umwandlungseinheit überträgt, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixel signal umwandelt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung ermöglicht die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung ein Speichern der elektrischen Ladung, die durch eine fotoelektrische Umwandlung aus Licht umgewandelt worden ist, ermöglicht die Ausleseeinheit, dass die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausgelesen wird, ermöglicht die Vervielfachungsregion, dass die elektrische Ladung, die durch die Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär gespeichert und vervielfacht wird, und ermöglicht die Übertragungseinheit, dass die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu der Umwandlungseinheit übertragen wird, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixelsignal umwandelt.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung ist es möglich, eine Reduzierung der Pixelgröße und eine Verbesserung der Empfindlichkeit zu erreichen.
  • Figurenliste
    • [1] 1 ist ein Blockschaltbild mit Darstellung einer beispielhaften Konfiguration einer Ausführungsform eines Bildsensors, bei dem die vorliegende Technologie angewendet wird.
    • [2] 2 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [3] 3 ist eine Querschnittansicht mit Darstellung einer beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [4] 4 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines ersten Treiberverfahrens eines Pixels.
    • [5] 5 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines ersten Treiberverfahrens eines Pixels.
    • [6] 6 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines zweiten Treiberverfahrens eines Pixels.
    • [7] 7 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines ersten Treiberverfahrens eines Pixels.
    • [8] 8 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines ersten Herstellverfahrens eines Pixels.
    • [9] 9 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines zweiten Herstellverfahrens eines Pixels.
    • [10] 10 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines dritten Herstellverfahrens eines Pixels.
    • [11] 11 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer zweiten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [12] 12 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer dritten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [13] 13 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer vierten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [14] 14 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer fünften beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [15] 15 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer sechsten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [16] 16 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer siebten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [17] 17 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer achten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [18] 18 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer neunten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [19] 19 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer zehnten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [20] 20 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer elften beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [21] 21 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer zwölften beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [22] 22 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer dreizehnten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [23] 23 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer vierzehnten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [24] 24 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer fünfzehnten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [25] 25 ist ein Schaltbild mit Darstellung einer sechszehnten beispielhaften Konfiguration eines Pixels.
    • [26] 26 ist ein Schaltbild mit Darstellung eines ersten Beispiels eines planaren Layouts eines Pixels, das eine 8-Pixel-Zugriffs-Struktur aufweist.
    • [27] 27 ist ein Schaltbild mit Darstellung eines zweiten Beispiels eines planaren Layouts eines Pixels, das eine 8-Pixel-Zugriffs-Struktur aufweist.
    • [28] 28 ist ein Schaltbild mit Darstellung eines Layouts einer Vervielfachungsregion und eines zweiten Übertragungstransistors in planarer Ansicht.
    • [29] 29 ist eine schematische Darstellung zum Beschreiben einer Wahrscheinlichkeit einer Stoßionisation.
    • [30] 30 ist eine schematische Darstellung zum Beschreiben des Vervielfachungseffekts bei der elektrischen Ladung.
    • [31] 31 ist ein Blockschaltbild mit Darstellung einer beispielhaften Konfiguration einer Bildaufnahmeeinrichtung, die in einer elektronischen Vorrichtung installiert ist.
    • [32] 32 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Verwendung eines Bildsensors.
  • Methode(n) zum Durchführen der Erfindung
  • Eine spezifische Ausführungsform, bei der die vorliegende Technologie angewendet wird, wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen genauer beschrieben.
  • 1 ist ein Blockschaltbild mit Darstellung einer beispielhaften Konfiguration einer Ausführungsform eines Bildsensors, bei dem die vorliegende Technologie angewendet wird.
  • Wie in 1 dargestellt ist, weist ein Bildsensor 11 eine Pixelregion 12, eine vertikale Treiberschaltung 13, eine Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 14, eine horizontale Treiberschaltung 15, eine Ausgangsschaltung 16 und eine Steuerschaltung 17 auf.
  • Die Pixelregion 12 ist eine Lichtempfangsfläche, die Licht empfängt, das von einem optischen System (nicht dargestellt) erfasst wird. In der Pixelregion 12 ist eine Vielzahl von Pixeln 21 in einer Matrixform angeordnet und ist jedes der Pixel 21 Reihe für Reihe durch eine horizontale Signalleitung 22 mit der vertikalen Treiberschaltung 13 verbunden und ist Spalte für Spalte durch eine vertikale Signalleitung 23 mit der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 14 verbunden. Jedes der Vielzahl von Pixeln 21 gibt ein Pixelsignal auf einem Level entsprechend der Menge an zu empfangenden Licht aus, und ein Bild eines in der Pixelregion 12 auszubildenden fotografischen Gegenstands wird aus diesen Pixelsignalen erstellt.
  • Die vertikale Treiberschaltung 13 liefert ein Treibersignal, das zum Treiben (Übertragen, Auswählen, Zurücksetzen oder dergleichen) jedes Pixels 21 sequenziell für jede Reihe der Vielzahl von Pixeln 21, die in der Pixelregion 12 angeordnet ist, verwendet wird, durch die horizontale Signalleitung 22 zu dem Pixel 21. Die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 14 führt die korrelierte Doppelabtastungs-(correlated double sampling - CDS-) Verarbeitung an Pixelsignalen, die durch die vertikale Signalleitung 23 aus der Vielzahl von Pixeln 21 ausgegeben werden, durch, wodurch eine AD-Umwandlung an den Pixel signalen durchgeführt wird und ein Rücksetz-Rauschen eliminiert wird.
  • Die horizontale Treiberschaltung 15 liefert ein Treibersignal, das zum Bewirken verwendet wird, dass die Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 14 ein Pixelsignal an eine Datenausgangs-Signalleitung 24 ausgibt, zu der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 14 sequenziell für jede Spalte der Vielzahl von Pixeln 21, die in der Pixelregion 12 angeordnet ist. Die Ausgangsschaltung 16 verstärkt das Pixelsignal, das gemäß der Zeitsteuerung durch die Datenausgangs-Signalleitung 24 aus der Spalten-Signalverarbeitungsschaltung 14 geliefert wird, gemäß dem Treibersignal der horizontalen Treiberschaltung 15 und gibt es an eine Signalverarbeitungsschaltung der nachfolgenden Stufe aus. Die Steuerschaltung 17 erzeugt und liefert bei einem Beispiel ein Taktsignal gemäß dem Treiberzyklus jedes Blocks des Bildsensors 11, wodurch das Treiben dieser jeweiligen Blöcke gesteuert wird.
  • Als Nächstes ist 2 ein Schaltdiagramm mit Darstellung einer beispielhaften Konfiguration des Pixels 21.
  • Wie in 2 dargestellt ist, weist das Pixel 21 eine PD 31, einen ersten Übertragungstransistor 32, eine Vervielfachungsregion 33, einen zweiten Übertragungstransistor 34, einen Floating-Diffusion- (FD-) Abschnitt 35, einen Verstärkungstransistor 36, einen Auswahltransistor 37 und einen Rücksetztransistor 38 auf und ist durch die vertikale Signalleitung 23 mit einer Konstantstromquelle 39 verbunden.
  • Die PD 31 ist eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die auftreffendes Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und diese speichert und die eine Anode, die geerdet ist, und eine Kathode, die mit dem ersten Übertragungstransistor 32 verbunden ist, aufweist.
  • Der erste Übertragungstransistor 32 wird gemäß einem Übertragungssignal VG, das aus der vertikalen Treiberschaltung 13 geliefert wird, getrieben, und wenn der erste Übertragungstransistor 32 eingeschaltet ist, wird die elektrische Ladung, die in der PD 31 gespeichert ist, zu der Vervielfachungsregion 33 übertragen.
  • Die Vervielfachungsregion 33 ist eine Floating-Diffusion-Region, die eine vorbestimmte Speicherkapazität aufweist und zwischen dem ersten Übertragungstransistor 32 und dem zweiten Übertragungstransistor 34 vorgesehen ist und die elektrische Ladung, die aus der PD 31 übertragen wird, temporär speichert. Des Weiteren ist die Vervielfachungsregion 33 in der Lage, Elektronen durch Produzieren einer Region eines starken elektrischen Felds in dieser zu vervielfachen, um einen Lawineneffekt (d. h. ein Phänomen, bei dem freie Elektronen mit Molekülen in einem starken elektrischen Feld kollidieren, wobei weitere Elektronen freigesetzt werden, die sich beschleunigen und mit anderen Molekülen in einem elektrischen Feld kollidieren, so dass sich die Anzahl von Elektronen mit zunehmender Geschwindigkeit erhöht) zu bewirken.
  • Der zweite Übertragungstransistor 34 wird gemäß einem Übertragungssignal TG, das aus der vertikalen Treiberschaltung 13 geliefert wird, getrieben, und wenn der zweite Übertragungstransistor 34 eingeschaltet ist, wird die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion 33 gespeichert ist, zu dem FD-Abschnitt 35 übertragen.
  • Der FD-Abschnitt 35 ist eine Floating-Diffusion-Region, die eine vorbestimmte Speicherkapazität aufweist und mit der Gate-Elektrode des Verstärkungstransistors 36 verbunden ist und die elektrische Ladung, die durch die Vervielfachungsregion 33 übertragen wird, temporär speichert.
  • Der Verstärkungstransistor 36 gibt ein Pixelsignal auf einem Level (d. h. dem Potential des FD-Abschnitts 35) entsprechend der elektrischen Ladung, die in dem FD-Abschnitt 35 gespeichert ist, durch den Auswahltransistor 37 an die vertikale Signalleitung 23 aus. Insbesondere ermöglicht die Konfiguration, bei der der FD-Abschnitt 35 mit der Gate-Elektrode des Verstärkungstransistors 36 verbunden ist, dass der FD-Abschnitt 35 und der Verstärkungstransistor 36 die elektrische Ladung, die in der PD 31 erzeugt wird, verstärkt und als Umwandlungseinheit fungiert, die diese in ein Pixelsignal auf dem Level entsprechend der elektrischen Ladung umwandelt.
  • Der Auswahltransistor 37 wird gemäß einem Auswahlsignal SEL, das aus der vertikalen Treiberschaltung 13 geliefert wird, getrieben, und wenn der Auswahltransistor 37 eingeschaltet ist, ist das Pixelsignal, das aus dem Verstärkungstransistor 36 ausgegeben wird, bereit, zu der vertikalen Signalleitung 23 ausgegeben zu werden.
  • Der Rücksetztransistor 38 wird gemäß einem Rücksetzsignal RST, das aus der vertikalen Treiberschaltung 13 geliefert wird, getrieben, und wenn der Rücksetztransistor 38 eingeschaltet ist, wird die elektrische Ladung, die in dem FD-Abschnitt 35 gespeichert ist, zu einer variablen Energiequelle VFC hin entladen und wird der FD-Abschnitt 35 zurückgesetzt. Dabei kann die variable Energiequelle VFC die Spannung so verändern, dass sich das Rücksetzpotential der Vervielfachungsregion 33 von dem des FD-Abschnitts 35 unterscheidet, wie mit Bezug auf 4 bis 7 beschrieben wird.
  • Das Pixel 21, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ermöglicht es der elektrischen Ladung (Elektronen), die in der PD 31 erzeugt wird, durch Auslesen derselben durch die Vervielfachungsregion 33 vervielfacht zu werden.
  • Als Nächstes ist 3 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer ersten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21.
  • Wie in 3 dargestellt ist, ist bei dem Pixel 21 die PD 31 auf der Rückflächenseite (der unteren Seite in 2) eines Halbleitersubstrats 41 ausgebildet und wird die PD 31 mit Licht von der Rückflächenseite des Halbleitersubstrats 41 bestrahlt. Dann werden ein Farbfilter 42 und eine auf einem Chip befindliche Linse 43 auf der Rückflächenseite des Halbleitersubstrats 41 gestapelt. Das Farbfilter 42 sendet Licht mit einer Farbe, das von dem Pixel 21 empfangen wird, und die auf einem Chip befindliche Linse 43 nimmt Licht für jedes Pixel 21 auf.
  • Ferner sind bei dem Pixel 21 der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der zweite Übertragungstransistor 34 und der FD-Abschnitt 35 auf der Vorderflächenseite des Halbleitersubstrats 41 angeordnet.
  • Der erste Übertragungstransistor 32 weist eine Gate-Elektrode 44 auf, die so vorgesehen ist, dass sie durch Ausheben eines Grabens von der Vorderfläche des Halbleitersubstrats 41 bis in die Nähe der Seitenfläche der PD 31 an einem Abschnitt, der an die Vervielfachungsregion 33 angrenzt, ausgebildet wird. Mit anderen Worten weist der erste Übertragungstransistor 32 eine sogenannte vertikale Transistorstruktur auf und wird die elektrische Ladung, die in der PD 31 erzeugt wird, zu der Vorderfläche des Halbleitersubstrats 41 ausgelesen und zu der Vervielfachungsregion 33 übertragen.
  • Die Vervielfachungsregion 33 ist so auf der Vorderflächenseite des Halbleitersubstrats 41 angeordnet, dass sie auf der PD 31 gestapelt ist, die auf der Rückseitenfläche des Halbleitersubstrats 41 angeordnet ist, und speichert eine elektrische Ladung, die durch den ersten Übertragungstransistor 32 auszulesen ist. Des Weiteren wird in der Vervielfachungsregion 33 bei einem Beispiel dann, wenn die elektrische Ladung von der Vervielfachungsregion 33 zu der FD-Region 35 übertragen wird, eine hohe Spannung an den zweiten Übertragungstransistor 34 angelegt. Somit wird ein Lawineneffekt durch Produzieren einer Region eines starken elektrischen Felds innerhalb der Vervielfachungsregion 33 geschaffen, wodurch Elektronen vervielfacht werden. Ferner ermöglicht in diesem Fall das Anlegen einer optionalen negativen Vorspannung an den ersten Übertragungstransistor 32 das Steigern des Vervielfachungseffekts bei Elektronen.
  • Der zweite Übertragungstransistor 34 weist eine Gate-Elektrode 45 auf, die so vorgesehen ist, dass sie auf der Vorderfläche des Halbleitersubstrats 41 zwischen der Vervielfachungsregion 33 und dem FD-Abschnitt 35 gestapelt ist. Dann überträgt der zweiten Übertragungstransistor 34 die elektrische Ladung, die aus der PD 31 ausgelesen wird und in der Vervielfachungsregion 33 gespeichert wird, zu dem FD-Abschnitt 35.
  • Der FD-Abschnitt 35 speichert die elektrische Ladung, die durch den zweiten Übertragungstransistor 34 aus der Vervielfachungsregion 33 übertragen wird, und ist mit der Gate-Elektrode des Verstärkungstransistors 36 verbunden, wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben worden ist.
  • Ferner ist das Pixel 21 mit einem Lichtblockierabschnitt 46 versehen, der in der Lage ist, Licht zu blockieren, um zu verhindern, dass das Licht, das auf andere angrenzende Pixel 21 auftrifft, in das Pixel 21 eintritt, so dass der Lichtblockierabschnitt 46 von der Rückflächenseite des Halbleitersubstrats 41 aus bis in eine vorbestimmte Tiefe auf eine solche Weise eingebettet ist, dass er den Umfang der PD 31 umschließt.
  • Das Pixel 21, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, weist bei einem Beispiel die Struktur auf, bei der die PD 31, die Vervielfachungsregion 33 und die PD 31 auf eine solche Weise vorgesehen sind, dass sie vertikal übereinandergestapelt sind, wodurch die Größenreduzierung erreicht wird.
  • Ferner ist es bei dem Pixel 21 möglich, die elektrische Ladung (Elektronen), die in der PD 31 erzeugt wird, durch Auslesen derselben durch die Vervielfachungsregion 33 zu vervielfachen. Dadurch wird ermöglicht, dass das Pixel 21 bei einem Beispiel ein Pixelsignal mit einer hohen Empfindlichkeit erhält, selbst bei einer geringen Beleuchtungsstärke.
  • Dann kann bei dem Bildsensor 11, der das Pixel 21 aufweist, eine Struktur verwendet werden, die derjenigen des dem Stand der Technik entsprechenden CMOS-Bildsensors hinsichtlich der fotoelektrischen Umwandlungscharakteristiken in der PD 31 oder der Charakteristiken der Übertragung-Umwandlung der elektrischen Ladung aus der PD 31 im Wesentlichen gleich ist. Ferner kann bei dem Bildsensor 11 die Anzahl von Transistoren, die für das Pixel 21 nötig sind, kleiner sein als bei der dem Stand der Technik entsprechenden APD, und somit ist es möglich, eine Größenreduzierung des Pixels 21 zu erreichen, wodurch dieses mit der höheren Integration konfiguriert ist und mit der Vervielfachungsfunktion versehen ist.
  • Als Nächstes wird ein erstes Treiberverfahren des Pixels 21 mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben. 4 und 5 stellen ein elektrisches Potential der PD 31 (PD), ein elektrisches Potential des Übertragungssignals des ersten Übertragungstransistors 32 (VG), ein elektrischen Potential der Vervielfachungsregion 33 (FD0), ein elektrisches Potential des Übertragungssignals des zweiten Übertragungstransistors 34 (TG), ein elektrisches Potential des FD-Abschnitts 35 (FD1), ein elektrisches Potential des Rücksetzsignals des Rücksetztransistors 38 (RST) und ein elektrisches Potential der variablen Energiequelle VFC (VF) dar.
  • Bei dem ersten Schritt, der in der obersten Stufe in 4 gezeigt ist, ist das elektrische Potential der variablen Energiequelle bei einem Beispiel auf 3 V gesetzt und werden der erste Übertragungstransistor 32, der zweite Übertragungstransistor 34 und der Rücksetztransistor 38 so getrieben, dass sie eingeschaltet werden. Dadurch wird bewirkt, dass die elektrische Ladung, die in der PD 31 verbleibt, durch den Rücksetztransistor 38, den FD-Abschnitt 35, den zweiten Übertragungstransistor 34, die Vervielfachungsregion 33 und den ersten Übertragungstransistor 32 entladen wird, dann wird die PD 31 zurückgesetzt.
  • Bei dem zweiten Schritt, der in der zweiten Stufe von oben in 4 gezeigt ist, wird der erste Übertragungstransistor 32 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die PD 31 das Speichern der elektrischen Ladung, die durch die fotoelektrische Umwandlung erzeugt wird, startet.
  • Bei dem dritten Schritt, der in der dritten Stufe von oben in 4 gezeigt ist, wird das elektrische Potential der variablen Energiequelle VFC bei einem Beispiel auf 11 V verändert. Dadurch wird bewirkt, dass die Vervielfachungsregion 33 durch den Rücksetztransistor 38, den FD-Abschnitt 35 und den zweiten Übertragungstransistor 34 auf 11 V zurückgesetzt wird.
  • Bei dem vierten Schritt, der in der vierten Stufe von oben in 4 gezeigt ist, wird der zweite Übertragungstransistor 34 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird, und dann wird das elektrische Potential der variablen Energiequelle VFC bei einem Beispiel auf 12 V verändert. Dadurch wird bewirkt, dass der FD-Abschnitt 35 durch den Rücksetztransistor 38 auf 12 V zurückgesetzt wird.
  • Bei dem fünften Schritt, der in der fünften Stufe von oben in 4 gezeigt ist, wird der Rücksetztransistor 38 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird, und dann ist die Rücksetzoperation beendet.
  • Als Nächstes wird in dem sechsten Schritt, der in der obersten Stufe in 5 gezeigt ist, der erste Übertragungstransistor 32 so getrieben, dass er eingeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die Speicherung der elektrischen Ladung in der PD 31 beendet wird, und bewirkt, dass die Übertragung der elektrischen Ladung von der PD 31 zu der Vervielfachungsregion 33 durchgeführt wird, während die Vervielfachung erfolgt. In diesem Fall wird bewirkt, dass eine Region eines starken elektrischen Felds in der Vervielfachungsregion 33 zum Vervielfachen der elektrischen Ladung mittels des Lawineneffekts produziert wird.
  • Bei dem siebten Schritt, der in der zweiten Stufe von oben in 5 gezeigt ist, wird der erste Übertragungstransistor 32 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die Übertragung der elektrischen Ladung von der PD 31 zu der Vervielfachungsregion 33 beendet wird.
  • Bei dem achten Schritt, der in der dritten Stufe von oben in 5 gezeigt ist, wird eine negative Vorspannung an den ersten Übertragungstransistor 32 und den zweiten Übertragungstransistor 34 angelegt. Dadurch wird bewirkt, dass das elektrische Potential der Vervielfachungsregion 33 heruntertransformiert wird.
  • Bei dem neunten Schritt, der in der vierten Stufe von oben in 5 gezeigt ist, wird der zweite Übertragungstransistor 34 so getrieben, dass er eingeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die Übertragung der elektrischen Ladung von der Vervielfachungsregion 33 zu dem FD-Abschnitt 35 normal durchgeführt wird.
  • Bei dem zehnten Schritt, der in der fünften Stufe von oben in 5 gezeigt ist, wird der zweite Übertragungstransistor 34 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die Übertragung der elektrischen Ladung von der Vervielfachungsregion 33 zu dem FD-Abschnitt 35 beendet wird. Dann wird ein Pixelsignal auf einem Level entsprechend der elektrischen Ladung, die in dem FD-Abschnitt 35 gespeichert ist, aus dem Verstärkungstransistor 36 in 2 ausgegeben.
  • Ein solches erstes Treiberverfahren ermöglicht es dem Pixel 21, die elektrische Ladung, die in der PD 31 erzeugt wird, zu vervielfachen, wenn die elektrische Ladung zu der Vervielfachungsregion 33 hin ausgelesen wird.
  • Als Nächstes wird ein zweites Treiberverfahren des Pixels 21 mit Bezug auf 6 und 7 beschrieben.
  • Bei dem einundzwanzigsten Schritt, der in der obersten Stufe von 6 gezeigt ist, wird das elektrische Potential der variablen Energiequelle bei einem Beispiel auf 3 V gesetzt und werden der erste Übertragungstransistor 32, der zweite Übertragungstransistor 34 und der Rücksetztransistor 38 so getrieben, dass sie eingeschaltet werden. Dadurch wird bewirkt, dass die elektrische Ladung, die in der PD 31 verbleibt, durch den Rücksetztransistor 38, den FD-Abschnitt 35, den zweiten Übertragungstransistor 34, die Vervielfachungsregion 33 und den ersten Übertragungstransistor 32 entladen wird, und dann wird die PD 31 zurückgesetzt.
  • Bei dem zweiundzwanzigsten Schritt, der in der zweiten Stufe von oben in 6 gezeigt ist, wird der erste Übertragungstransistor 32 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die PD 31 das Speichern der elektrischen Ladung, die durch die fotoelektrische Umwandlung erzeugt wird, startet.
  • Bei dem dreiundzwanzigsten Schritt, der in der dritten Stufe von oben in 6 gezeigt ist, wird das elektrische Potential der variablen Energiequelle VFC bei einem Beispiel auf 4 V verändert. Dadurch wird bewirkt, dass die Vervielfachungsregion 33 durch den Rücksetztransistor 38, den FD-Abschnitt 35 und den zweiten Übertragungstransistor 34 auf 4 V zurückgesetzt wird.
  • Bei dem vierundzwanzigsten Schritt, der in der vierten Stufe von oben in 6 gezeigt ist, wird der zweite Übertragungstransistor 34 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird, und dann wird das elektrische Potential der variablen Energiequelle VFC bei einem Beispiel auf 12 V verändert. Dadurch wird bewirkt, dass der FD-Abschnitt 35 durch den Rücksetztransistor 38 auf 12 V zurückgesetzt wird.
  • Bei dem fünfundzwanzigsten Schritt, der in der fünften Stufe von oben in 6 gezeigt ist, wird der Rücksetztransistor 38 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird, und dann ist die Rücksetzoperation beendet.
  • Als Nächstes wird in dem sechsundzwanzigsten Schritt, der in der obersten Stufe von 7 gezeigt ist, der erste Übertragungstransistor 32 so getrieben, dass er eingeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die Speicherung der elektrischen Ladung in der PD 31 beendet wird, und bewirkt, dass die Übertragung der elektrischen Ladung von der PD 31 zu der Vervielfachungsregion 33 normal durchgeführt wird.
  • Bei dem siebenundzwanzigsten Schritt, der in der zweiten Stufe von oben in 7 gezeigt ist, wird der erste Übertragungstransistor 32 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die Übertragung der elektrischen Ladung von der PD 31 zu der Vervielfachungsregion 33 beendet wird.
  • Bei dem achtundzwanzigsten Schritt, der in der dritten Stufe von oben in 7 gezeigt ist, wird der zweite Übertragungstransistor 34 so getrieben, dass er eingeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die Übertragung der elektrischen Ladung von der Vervielfachungsregion 33 zu dem FD-Abschnitt 35 durchgeführt wird, während die Vervielfachung erfolgt. In diesem Fall wird bewirkt, dass eine Region eines starken elektrischen Felds in der Vervielfachungsregion 33 zum Vervielfachen der elektrischen Ladung mittels des Lawineneffekts produziert wird.
  • Bei dem neunundzwanzigsten Schritt, der in der vierten Stufe von oben in 7 gezeigt ist, wird der zweite Übertragungstransistor 34 so getrieben, dass er ausgeschaltet wird. Dadurch wird bewirkt, dass die Übertragung der elektrischen Ladung von der Vervielfachungsregion 33 zu dem FD-Abschnitt 35 beendet wird. Dann wird ein Pixelsignal auf einem Level entsprechend der elektrischen Ladung, die in dem FD-Abschnitt 35 gespeichert ist, aus dem Verstärkungstransistor 36 von 2 ausgegeben.
  • Ein solches zweites Treiberverfahren ermöglicht es dem Pixel 21, die elektrische Ladung, die in der PD 31 erzeugt wird, zu vervielfachen und zu der Vervielfachungsregion 33 hin auszulesen, wenn die elektrische Ladung zu dem FD-Abschnitt 35 übertragen wird. Ferner wird durch das Anwenden des zweiten Treiberverfahrens ermöglicht, den Abschnitt zum Auslesen der elektrischen Ladung aus der PD 31 und den Abschnitt zum Vervielfachen der elektrischen Ladung zu trennen, und diese Abschnitte können als unabhängige Einrichtungsstruktur ausgelegt werden.
  • Als Nächstes wird ein erstes Herstellverfahren des Pixels 21 mit Bezug auf 8 beschrieben.
  • Bei dem ersten Prozess, der in der obersten Stufe von 8 gezeigt ist, werden Fremdatome in das Halbleitersubstrat 41 ionenimplantiert, um die PD 31 in der Nähe der Vorderfläche des Halbleitersubstrats 41 auszubilden.
  • Bei dem zweiten Prozess, der in der zweiten Stufe von oben in 8 gezeigt ist, erfolgt ein Kristallwachstum auf dem Halbleitersubstrat 41, um eine epitaktische Schicht auszubilden.
  • Bei dem dritten Prozess, der in der dritten Stufe von oben in 8 gezeigt ist, werden Fremdatome in die epitaktische Schicht des Halbleitersubstrats 41 ionenimplantiert, um die Vervielfachungsschicht 33 auszubilden. Ferner wird ein Graben durch Ausheben desselben bis in die Nähe der Seitenfläche der PD 31 an einem Abschnitt, der an die Vervielfachungsregion 33 angrenzt, in dem Halbleitersubstrat 41 ausgebildet, und dann wird ein Leiter auf den Graben platziert, um die Gate-Elektrode 44 zu bilden, und so wird der erste Übertragungstransistor 32 bereitgestellt. In diesem Fall ist die Gate-Elektrode 45 so ausgebildet, dass sie auf dem Halbleitersubstrat 41 gestapelt ist, und so wird der zweite Übertragungstransistor 34 bereitgestellt.
  • Bei dem vierten Prozess, der in der vierten Stufe von oben in 8 gezeigt ist, werden Fremdatome in die epitaktische Schicht des Halbleitersubstrats 41 ionenimplantiert, um den FD-Abschnitt 35 zu bilden. Dann wird das Pixel 21 durch einen Prozess des Dünnermachens der Rückflächenseite des Halbleitersubstrats 41, Stapelns des Farbfilters 42 und der auf einem Chip befindlichen Linse 43 auf diesem und Bereitstellens einer Verdrahtungsschicht (nicht dargestellt) oder dergleichen hergestellt.
  • Wie oben beschrieben worden ist, ist es möglich, dass das Pixel 21 eine Struktur aufweist, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 durch Ausbilden der PD 31 in dem Halbleitersubstrat 41 und Ausbilden der epitaktischen Schicht, dann Ausbilden der Vervielfachungsschicht 33 in der epitaktischen Schicht aufeinandergestapelt werden.
  • Als Nächstes wird ein zweites Herstellverfahren des Pixels 21 mit Bezug auf 9 beschrieben.
  • Bei dem elften Prozess, der in der oberen Stufe in 9 gezeigt ist, werden Fremdatome in das Halbleitersubstrat 41 ionenimplantiert, um die PD 31 in dem tiefen Abschnitt des Halbleitersubstrats 41 auszubilden.
  • Bei dem zwölften Prozess, der in der mittleren Stufe in 9 gezeigt ist, werden Fremdatome in das Halbleitersubstrat 41 ionenimplantiert, um die Vervielfachungsschicht 33 in der Nähe der Vorderfläche des Halbleitersubstrats 41 zu bilden.
  • Bei dem dreizehnten Prozess, der in der unteren Stufe in 9 gezeigt ist, werden die Gate-Elektrode 44 und die Gate-Elektrode 45 ausgebildet, um jeweils den ersten Übertragungstransistor 32 und den zweiten Übertragungstransistor 34 bereitzustellen, und dann wird der FD-Abschnitt 35 ausgebildet. Dann wird das Pixel 21 durch einen Prozess des Dünnermachens der Rückflächenseite des Halbleitersubstrats 41, Stapelns des Farbfilters 42 und der auf einem Chip befindlichen Linse 43 auf diesem und Bereitstellens einer Verdrahtungsschicht (nicht dargestellt) oder dergleichen hergestellt.
  • Wie oben beschrieben worden ist, ist es möglich, dass das Pixel 21 eine Struktur aufweist, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsschicht 33 durch separates Ausbilden der PD 31 und der Vervielfachungsregion 33 durch Trennen der Tiefenrichtung, wenn Fremdatome in dasselbe Halbleitersubstrat 41 ionenimplantiert werden, aufeinandergestapelt werden.
  • Als Nächstes wird ein drittes Herstellverfahren des Pixels 21 mit Bezug auf 10 beschrieben.
  • Bei dem einundzwanzigsten Prozess, der in der oberen Stufe in 10 gezeigt ist, wird die PD 31 in einem ersten Halbleitersubstrat 41-1 ausgebildet und wird die Vervielfachungsregion 33 in einem zweiten Halbleitersubstrat 41-2 ausgebildet.
  • Bei dem zweiundzwanzigsten Prozess, der in der mittleren Stufe in 10 gezeigt ist, werden das erste Halbleitersubstrat 41-1 und das zweite Halbleitersubstrat 41-2 miteinander verbondet.
  • Bei dem dreiundzwanzigsten Prozess, der in der unteren Stufe von 10 gezeigt ist, werden die Gate-Elektrode 44 und die Gate-Elektrode 45 ausgebildet, um jeweils den ersten Übertragungstransistor 32 und den zweiten Übertragungstransistor 34 bereitzustellen, und dann wird der FD-Abschnitt 35 ausgebildet. Dann wird das Pixel 21 durch einen Prozess des Dünnermachens der Rückflächenseite des Halbleitersubstrats 41, Stapelns des Farbfilters 42 und der auf einem Chip befindlichen Linse 43 auf diesem und Bereitstellens einer Verdrahtungsschicht (nicht dargestellt) oder dergleichen hergestellt.
  • Wie oben beschrieben worden ist, werden die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 jeweils in dem ersten Halbleitersubstrat 41-1 und dem zweiten Halbleitersubstrat 41-2 ausgebildet. Das Halbleitersubstrat 41 wird durch Verbonden des ersten Halbleitersubstrats 41-1 und des zweiten Halbleitersubstrats 41-2 miteinander ausgebildet. Entsprechend kann das Pixel 21 eine Struktur aufweisen, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 aufeinandergestapelt sind.
  • Das Pixel 21, das die Struktur aufweist, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 aufeinandergestapelt sind, kann durch Anwenden eines des ersten bis dritten Herstellverfahrens, die oben beschrieben worden sind, hergestellt werden. Außerdem ist es möglich, andere Verfahren als die oben beschriebenen Herstellverfahren anzuwenden, solange die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 aufeinandergestapelt werden können.
  • Als Nächstes ist 11 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer zweiten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21A, das in 11 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21A eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind und das Farbfilter 42 und die auf einem Chip befindliche Linse 43 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt sind. Andererseits unterscheidet sich bei dem Pixel 21A die Struktur eines zweiten Übertragungstransistors 34A von derjenigen des zweiten Übertragungstransistors 34 des Pixels 21 in 3.
  • Wie in 11 dargestellt ist, weist der zweite Übertragungstransistor 34A eine Gate-Elektrode 45A auf, die so ausgebildet ist, dass sie so in das Halbleitersubstrat 41 eingebettet ist, dass sie sich von der Vorderflächenseite des Halbleitersubstrats 41 zu der PD 31 erstreckt. Mit anderen Worten weist der zweite Übertragungstransistor 34A eine sogenannte vertikale Transistorstruktur auf, die dem ersten Übertragungstransistor 32 im Wesentlichen gleich ist.
  • Somit kann das Pixel 21A eine elektrische Ladung direkt durch den zweiten Übertragungstransistor 34A aus der PD 31 zu dem FD-Abschnitt 35 hin auslesen, wenn der zweite Übertragungstransistor 34A so getrieben wird, dass er eingeschaltet ist in einem Zustand, in dem eine elektrische Ladung in der PD 31 gespeichert ist. Insbesondere kann das Pixel 21A die elektrische Ladung, die in der PD 31 gespeichert ist, mittels zweier Treiberverfahren auslesen, das heißt, des Treiberverfahrens des Auslesens einer elektrischen Ladung durch den ersten Übertragungstransistor 32 aus der PD 31 und des Treiberverfahrens des Auslesens einer elektrischen Ladung durch den zweiten Übertragungstransistor 34A aus der PD 31.
  • Dadurch wird ermöglicht, dass das Pixel 21A bei einem Beispiel die Treiberverfahren des Auslesens der elektrischen Ladung aus der PD 31 in Abhängigkeit von der Helligkeit des Lichts, das den Bildsensor 11 bestrahlt, schaltet.
  • Bei einem Beispiel wird dann, wenn das Licht, das den Bildsensor 11 bestrahlt, eine normale Helligkeit aufweist, bei dem Pixel 21A das Treiberverfahren des Auslesens der elektrischen Ladung direkt aus der PD 31 zu dem FD-Abschnitt 35 durch den zweiten Übertragungstransistor 34A angewendet. Dadurch wird in einem Fall, in dem ein fotografischer Gegenstand eine normale Helligkeit aufweist, ein Pixelsignal, bei dem die elektrische Ladung nicht vervielfacht ist, ausgelesen.
  • Andererseits wird dann, wenn das Licht, das den Bildsensor 11 bestrahlt, dunkler ist als die normale Helligkeit, bei dem Pixel 21A ein Treiberverfahren des Auslesens der elektrischen Ladung durch den ersten Übertragungstransistor 32 aus der PD 31 zu der Vervielfachungsregion 33, Verstärkens derselben und dann Übertragens der elektrischen Ladung durch den Übertragungstransistor 34A zu dem FD-Abschnitt 35 angewendet. Dadurch wird in einem Fall, in dem ein fotografischer Gegenstand dunkler ist als normale Helligkeit, ein Pixelsignal, bei dem die elektrische Ladung vervielfacht ist, ausgelesen. Außerdem ist dann, wenn die elektrische Ladung mittels dieses Treiberverfahrens von der Vervielfachungsregion 33 zu dem FD-Abschnitt 35 übertragen wird, die elektrische Ladung der PD 31 durch den ersten Übertragungstransistor 32 ausgelesen worden, und so wird keine elektrische Ladung durch den zweiten Übertragungstransistor 34A aus der PD 31 ausgelesen.
  • Das Pixel 21A, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist in der Lage, die Treiberverfahren des Auslesens der elektrischen Ladung aus der PD 31 zu schalten, wodurch bei einem Beispiel ein Bild mit einer angemessenen Belichtung in Abhängigkeit von der Helligkeit eines fotografischen Gegenstands aufgenommen wird.
  • Als Nächstes ist 12 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer dritten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21B, das in 12 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21B eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind und das Farbfilter 42 und die auf einem Chip befindliche Linse 43 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt sind. Andererseits unterscheidet sich bei dem Pixel 21B die Struktur eines zweiten Übertragungstransistors 34B von der Struktur des zweiten Übertragungstransistors 34 des Pixels 21 in 3.
  • Wie in 12 dargestellt ist, weist eine Gate-Elektrode 45B, die in dem zweiten Übertragungstransistor 34B enthalten ist, eine Größe auf, die größer ist als diejenige der Gate-Elektrode 45 in 3, und sie ist so ausgebildet, dass sie die Vervielfachungsregion 33 über eine breitere Region abdeckt. Somit ist es bei dem Pixel 21B dann, wenn die elektrische Ladung von der Vervielfachungsregion 33 zu der FD-Region 35 übertragen wird, möglich, das elektrische Feld, das in der Vervielfachungsregion 33 erzeugt wird, mittels des Übertragungssignals TG, das an die Gate-Elektrode 45B angelegt wird, zu vergrößern.
  • Das Pixel 21B, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, vergrößert das elektrische Feld, das in der Vervielfachungsregion 33 erzeugt wird, und so ist es möglich, eine Vervielfachung einer elektrischen Ladung zu unterstützen, wodurch die elektrische Ladung weiter vervielfacht wird.
  • Als Nächstes ist 13 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer vierten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21C, das in 13 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21C eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, die Vervielfachungsregion 33, der zweite Übertragungstransistor 34, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind und das Farbfilter 42 und die auf einem Chip befindliche Linse 43 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt sind. Andererseits unterscheidet sich bei dem Pixel 21C die Struktur eines ersten Übertragungstransistors 32C von derjenigen des ersten Übertragungstransistors 32 des Pixels 21 in 3.
  • Wie in 13 dargestellt ist, weist eine Gate-Elektrode 44C, die in dem ersten Übertragungstransistor 32C enthalten ist, eine Länge auf, die größer ist als diejenige der Gate-Elektrode 44 in 3, und sie ist tief in das Halbleitersubstrat 41 hinein ausgebildet, so dass mehr Abschnitte der Gate-Elektrode 44C an die PD 31 angrenzen. Somit ist es bei dem Pixel 21C möglich, die Übertragung einer elektrischen Ladung von der PD 31 zu der Vervielfachungsregion 33 zu unterstützen, wenn die elektrische Ladung von der PD 31 zu der Vervielfachungsregion 33 hin ausgelesen wird.
  • Das Pixel 21C, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist in der Lage, die Übertragung einer elektrischen Ladung von der PD 31 zu der Vervielfachungsregion 33 zu unterstützen, wodurch die elektrische Ladung zufriedenstellender übertragen wird und die elektrische Ladung, die in der PD 31 gespeichert ist, zuverlässig ausgelesen wird.
  • Als Nächstes ist 14 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer fünften beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21D, das in 14 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21D eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, die Vervielfachungsregion 33, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind und das Farbfilter 42 und die auf einem Chip befindliche Linse 43 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt sind. Andererseits unterscheiden sich bei dem Pixel 21D jeweils die Strukturen eines ersten Übertragungstransistors 32D und eines zweiten Übertragungstransistors 34D von denjenigen des ersten Übertragungstransistors 32 und des zweiten Übertragungstransistors 34 des Pixels 21 in 3.
  • Wie in 14 dargestellt ist, weist eine Gate-Elektrode 44D, die in dem ersten Übertragungstransistor 32D enthalten ist, eine Länge auf, die größer ist als diejenige der Gate-Elektrode 45 in 3, was der Gate-Elektrode 45C in 13 im Wesentlichen gleich ist, und sie ist so ausgebildet, dass mehr Abschnitte der Gate-Elektrode 44D an die PD 31 angrenzen. Des Weiteren weist eine Gate-Elektrode 45D, die in dem zweiten Übertragungstransistor 34D enthalten ist, eine Größe auf, die größer ist als diejenige der Gate-Elektrode 45 in 3, was der Gate-Elektrode 45B in 12 im Wesentlichen gleich ist, und sie ist so ausgebildet, dass sie die Vervielfachungsregion 33 in einer breiteren Region abdeckt.
  • Das Pixel 21D, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist in der Lage, eine elektrische Ladung weiter zu vervielfachen, was dem Pixel 21B in 12 im Wesentlichen gleich ist, und es ist in der Lage, die elektrische Ladung, die in der PD 31 gespeichert ist, zuverlässig auszulesen, was dem Pixel 21C in 13 im Wesentlichen gleich ist.
  • Als Nächstes ist 15 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer sechsten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21E, das in 15 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21E eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der zweite Übertragungstransistor 34 und der FD-Abschnitt 35 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind und das Farbfilter 42 und die auf einem Chip befindliche Linse 43 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt sind. Andererseits unterscheidet sich bei dem Pixel 21E die Struktur eines Lichtblockierabschnitts 46E von derjenigen des Lichtblockierabschnitts 46 des Pixels 21 in 3.
  • Wie in 15 dargestellt ist, weist der Lichtblockierabschnitt 46E, der in dem Pixel 21E enthalten ist, eine Länge auf, die größer ist als diejenige des Lichtblockierabschnitts 46 in 3, und er ist so ausgebildet, dass er im Wesentlichen die gleiche Tiefe aufweist wie die Tiefe von der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 zu der Region, in der die PD 31 ausgebildet ist. Bei einem Beispiel ist, wie oben mit Bezug auf 10 beschrieben worden ist, bei der Struktur, bei der das erste Halbleitersubstrat 41-1, in dem die PD 31 ausgebildet ist, und das zweite Halbleitersubstrat 41-2, in dem die Vervielfachungsregion 33 ausgebildet ist, miteinander verbondet sind, der Lichtblockierabschnitt 46E so ausgebildet, dass er im Wesentlichen die gleiche Tiefe aufweist wie die Dicke des ersten Halbleitersubstrats 41-1.
  • Bei dem Pixel 21E, das wie oben beschrieben ausgebildet ist, blockiert der Lichtblockierabschnitt 46E zuverlässig Licht, das auf jedes der angrenzenden Pixel 21 auftrifft, und so ist es bei einem Beispiel möglich zu verhindern, dass Licht von anderen angrenzenden Pixeln 21 in die Vervielfachungsregion 33 eintritt. Dadurch wird ermöglicht, dass das Pixel 21E ein Auftreten einer Farbmischung (Störlichtempfindlichkeit: PLS) oder dergleichen in der Vervielfachungsregion 33 verhindert.
  • Als Nächstes ist 16 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer siebten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21F, das in 16 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21F eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der zweite Übertragungstransistor 34, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind und das Farbfilter 42 und die auf einem Chip befindliche Linse 43 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt sind. Andererseits unterscheidet sich bei dem Pixel 21F die Konfiguration dahingehend von derjenigen des Pixels 21 in 3, dass sie einen Lichtblockierfilm 47 aufweist.
  • Wie in 16 dargestellt ist, weist das Pixel 21F den Lichtblockierfilm 47 auf, der Lichtblockiercharakteristiken umfasst und der zwischen der Vervielfachungsregion 33 und der Schicht, die mit der PD 31 versehen ist, vorgesehen ist. Eine solche Lichtblockierstruktur ermöglicht es dem Pixel 21F zu verhindern, dass Licht, das von der Rückflächenseite des Halbleitersubstrats 41 emittiert wird, die Vervielfachungsregion 33 durch das Halbleitersubstrat 41 hindurch erreicht.
  • Bei dem Pixel 21F, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist der Lichtblockierfilm 47 in der Lage, das Licht, das durch das Halbleitersubstrat 41 durchgelassen wird, zuverlässig gegen das Erreichen der Vervielfachungsregion 33 zu blockieren, wodurch bei einem Beispiel das Auftreten einer Farbmischung (Störlichtempfindlichkeit: PLS) oder dergleichen in der Vervielfachungsregion 33 verhindert wird.
  • Außerdem können bei einem Beispiel der Lichtblockierabschnitt 46E, der in dem Pixel 21E in 15 enthalten ist, und der Lichtblockierfilm 47, der in dem Pixel 21F in 16 enthalten ist, kombiniert werden und können sowohl der Lichtblockierabschnitt 46E als auch der Lichtblockierfilm 47 das Auftreten einer Farbmischung oder dergleichen in der Vervielfachungsregion 33 zuverlässiger verhindern.
  • Als Nächstes ist 17 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer achten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21G, das in 17 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21G eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der zweite Übertragungstransistor 34, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind und das Farbfilter 42 und die auf einem Chip befindliche Linse 43 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt sind. Andererseits unterscheidet sich das Pixel 21G dahingehend von dem Pixel 21 in 3, dass es Vervielfachungs-Gate-Elektroden 48-1 bis 48-3 aufweist.
  • Wie in 17 dargestellt ist, weist das Pixel 21G eine Konfiguration auf, bei der die Vervielfachungs-Gate-Elektroden 48-1 bis 48-3 auf der Vorderfläche der Vervielfachungsregion 33 in dem Halbleitersubstrat 41 gestapelt sind. Die Vervielfachungs-Gate-Elektroden 48-1 bis 48-3 sind so angeordnet, dass sie von dem ersten Übertragungstransistor 32 in Richtung des zweiten Übertragungstransistors 34 miteinander ausgerichtet sind.
  • Wie oben beschrieben worden ist, ist es möglich, eine Region eines starken elektrischen Felds durch Anlegen einer optionalen Vorspannung an die Vervielfachungs-Gate-Elektroden 48-1 bis 48-3, die in der Vervielfachungsregion 33 angeordnet sind, zu erzeugen, was zu einem Lawineneffekt führt, wodurch Elektronen verstärkt werden. Dann werden die Elektronen, die in der Vervielfachungsregion 33 verstärkt werden, durch den zweiten Übertragungstransistor 34 zu dem FD-Abschnitt 35 übertragen.
  • Das Pixel 21G, das wie oben beschrieben ausgebildet ist, vergrößert das elektrische Feld, das in der Vervielfachungsregion 33 erzeugt wird, und so ist es möglich, eine Vervielfachung einer elektrischen Ladung zu unterstützen, wodurch die elektrische Ladung weiter vervielfacht wird.
  • Außerdem werden die Anzahl der Vervielfachungs-Gate-Elektroden 48, die in 17 dargestellt sind, die Vorspannung, die an die Vervielfachungs-Gate-Elektrode 48 anzulegen ist, oder dergleichen optional in Abhängigkeit von dem Umfang, in dem Elektroden in der Vervielfachungsregion 33 vervielfacht werden, spezifiziert.
  • Als Nächstes ist 18 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer neunten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21H, das in 18 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21H eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der zweite Übertragungstransistor 34, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind und das Farbfilter 42 und die auf einem Chip befindliche Linse 43 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt sind. Andererseits unterscheidet sich das Pixel 21H dahingehend von dem Pixel 21 in 3, dass es Vervielfachungs-Gate-Elektroden 49-1 bis 49-3 aufweist.
  • Wie in 18 dargestellt ist, weist das Pixel 21H eine Konfiguration auf, bei der die Vervielfachungs-Gate-Elektroden 49-1 bis 49-3 so in das Halbleitersubstrat 41 eingebettet sind, dass sie die Vervielfachungsregion 33 von der Vorderfläche der Vervielfachungsregion 33 in dem Halbleitersubstrat 41 aus durchdringen. Die Vervielfachungs-Gate-Elektroden 49-1 bis 49-3 sind so angeordnet, dass sie von dem ersten Übertragungstransistor 32 in Richtung des zweiten Übertragungstransistors 34 miteinander ausgerichtet sind.
  • Wie oben beschrieben worden ist, ist es möglich, eine Region eines starken elektrischen Felds durch Anlegen einer optionalen Vorspannung an die Vervielfachungs-Gate-Elektroden 49-1 bis 49-3, die in der Vervielfachungsregion 33 angeordnet sind, zu erzeugen, was zu einem Lawineneffekt führt, wodurch Elektronen verstärkt werden. Dann werden die Elektronen, die in der Vervielfachungsregion 33 verstärkt werden, durch den zweiten Übertragungstransistor 34 zu dem FD-Abschnitt 35 übertragen.
  • Das Pixel 21H, das wie oben beschrieben ausgebildet ist, vergrößert das elektrische Feld, das in der Vervielfachungsregion 33 erzeugt wird, und so ist es möglich, die Vervielfachung einer elektrischen Ladung zu unterstützen, wodurch die elektrische Ladung weiter vervielfacht wird.
  • Außerdem werden die Anzahl der Vervielfachungs-Gate-Elektroden 49, die in 18 dargestellt sind, die Vorspannung, die an die Vervielfachungs-Gate-Elektrode 49 anzulegen ist, oder dergleichen optional in Abhängigkeit von dem Umfang, in dem Elektroden in der Vervielfachungsregion 33 vervielfacht werden, spezifiziert. Des Weiteren können die Vervielfachungs-Gate-Elektrode 48, die in 17 dargestellt ist, und die Vervielfachungs-Gate-Elektrode 49, die in 18 dargestellt ist, auf eine solche Weise angeordnet werden, dass sie kombiniert werden.
  • Als Nächstes ist 19 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer zehnten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21J, das in 19 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21J eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der zweite Übertragungstransistor 34, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind. Andererseits weist das Pixel 21J eine Struktur auf, die sich von derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend unterscheidet, dass eine auf einem Chip befindliche Linse 43 durch einen organischen Film 50 und ein Farbfilter 42J hindurch auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt ist.
  • Bei einem Beispiel wird bei dem Pixel 21J ein Farbfilter, das gelbes oder blaugrünes Licht durchlässt, als Farbfilter 42J verwendet und wird ein organischer Film, der eine Empfindlichkeit gegenüber Licht mit einer spezifischen Wellenlängenkomponente, zum Beispiel grünem Licht, aufweist, als organischer Film 50 verwendet. Insbesondere wird bei dem Pixel 21J, bei dem das Farbfilter 42J, das gelbes Licht durchlässt, verwendet wird, von dem Licht, das durch das Farbfilter 42J durchgelassen wird, das grüne Licht von dem organischen Film 50 fotoelektrisch umgewandelt und wird das rote Licht, das durch den organischen Film 50 durchgelassen wird, von der PD 31 fotoelektrisch umgewandelt. Des Weiteren wird bei dem Pixel 21J, bei dem das Farbfilter 42J, das blaugrünes Licht durchlässt, verwendet wird, von dem Licht, das durch das Farbfilter 42J durchgelassen wird, das grüne Licht von dem organischen Film 50 fotoelektrisch umgewandelt und wird das blaue Licht von der PD 31 fotoelektrisch umgewandelt. Wie oben beschrieben worden ist, führt bei einem Beispiel nur die PD 31 die fotoelektrische Umwandlung in dem Pixel 21 in 3 durch, wohingegen sowohl der organische Film 50 als auch die PD 31 die fotoelektrische Umwandlung in dem Pixel 21J durchführen.
  • Das Pixel 21J, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist in der Lage, Elektronen zu vervielfachen, die von dem roten und dem blauen Licht, das von der PD 31 in der Vervielfachungsregion 33 fotoelektrisch umgewandelt wird, erzeugt werden, wodurch die Empfindlichkeit von Rot und Blau auf einen Level vergleichbar mit der Empfindlichkeit von Grün, das in dem organischen Film 50 fotoelektrisch umgewandelt worden ist, gesteigert wird.
  • Als Nächstes ist 20 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer elften beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21K, das in 20 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21K eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der zweite Übertragungstransistor 34, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind. Andererseits weist das Pixel 21K eine Struktur auf, die sich dahingehend von derjenigen des Pixels 21 in 3 unterscheidet, dass die auf einem Chip befindliche Linse 43 durch einen anorganischen Film 51 hindurch auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt ist.
  • Bei einem Beispiel ist es bei dem Pixel 21K möglich, eine spezifische Wellenlängenkomponente mittels des anorganischen Films 51 fotoelektrisch umzuwandeln und andere Wellenlängenkomponenten mittels der PD 31 fotoelektrisch umzuwandeln. Bei einem Beispiel ermöglicht die Verwendung eines anorganischen Films, der eine Empfindlichkeit gegenüber Infrarotlicht aufweist, als anorganischer Film 51, dass das Pixel 21K eine Struktur aufweist, bei der von dem Licht, das auf das Pixel 21K auftrifft, Infrarotlicht von dem anorganischen Film 51 fotoelektrisch umgewandelt wird, Licht mit anderen Wellenlängenkomponenten jedoch von der PD 31 fotoelektrisch umgewandelt wird. Dadurch wird bei einem Beispiel ermöglicht, den anorganischen Film 51 als Infrarotlicht-Cut-Filter zu verwenden. Wie oben beschrieben worden ist, führt bei einem Beispiel nur die PD 31 die fotoelektrische Umwandlung in dem Pixel 21 in 3 durch, wohingegen die fotoelektrische Umwandlung sowohl in dem organischen Film 50 als auch in der PD 31 bei dem Pixel 21K durchgeführt wird.
  • Das Pixel 21K, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist in der Lage, die elektrische Ladung, die durch die fotoelektrische Umwandlung von anderen Komponenten als einer spezifischen Wellenlängenkomponente von der PD 31 erzeugt wird, durch die Vervielfachungsregion 33 auszulesen.
  • Als Nächstes ist 21 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer zwölften beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21L, das in 21 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21L eine Struktur auf, die derjenigen des Pixels 21 in 3 dahingehend gleich ist, dass die PD 31, der erste Übertragungstransistor 32, die Vervielfachungsregion 33, der zweite Übertragungstransistor 34, der FD-Abschnitt 35 und der Lichtblockierabschnitt 46 in dem Halbleitersubstrat 41 vorgesehen sind. Andererseits weist das Pixel 21L eine Struktur auf, die sich dahingehend von derjenigen des Pixels 21 in 3 unterscheidet, dass die auf einem Chip befindliche Linse 43 durch einen organischen Film 52, einen organischen Film 53 und den organischen Film 50 hindurch auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt ist.
  • Bei einem Beispiel wird bei dem Pixel 21L ein organischer Film, der eine Empfindlichkeit gegenüber blauem Licht aufweist, als organischer Film 52 verwendet und wird ein organischer Film, der eine Empfindlichkeit gegenüber rotem Licht aufweist, als organischer Film 52 verwendet. Des Weiteren wird, wie oben mit Bezug auf 19 beschrieben worden ist, ein organischer Film, der eine Empfindlichkeit gegenüber grünem Licht aufweist, als organischer Film 50 verwendet.
  • Bei einem Beispiel wird bei dem Pixel 21L blaues, rotes und grünes Licht jeweils von dem organischen Film 52, dem organischen Film 53 und dem organischen Film 50 fotoelektrisch umgewandelt und wird das Infrarotlicht, das durch den organischen Film 52, den organischen Film 53 und den organischen Film 50 durchgelassen wird, von der PD 31 fotoelektrisch umgewandelt.
  • Das Pixel 21L, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist in der Lage, Hochempfindlichkeitscharakteristiken für das gesamte blaue, rote, grüne und infrarote Licht zu erreichen.
  • Als Nächstes ist 22 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer dreizehnten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21M, das in 22 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 3 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21 in 3 die Anordnungskonfiguration auf, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 in einer gestapelten Konfiguration vorgesehen sind, wohingegen das Pixel 21M eine Anordnungskonfiguration aufweist, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 in derselben Schicht vorgesehen sind, ohne gestapelt zu sein, wie in 22 dargestellt ist, was sich von dem Pixel 21 in 3 unterscheidet.
  • Insbesondere weist das Pixel 21M eine Konfiguration auf, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 so angeordnet sind, dass sie in derselben Schicht des Halbleitersubstrats 41 ausgerichtet sind, und ist eine Gate-Elektrode 44M eines ersten Übertragungstransistors 32M auf der Vorderfläche des Halbleitersubstrats 41 zwischen der PD 31 und der Vervielfachungsregion 33 gestapelt. Des Weiteren ist ein Lichtblockierfilm 54 auf einer anderen Region als der Region, in der die PD 31 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats 41 gestapelt ist, vorgesehen, so dass das Auftreffen von Licht auf andere Komponenten als die PD 31 blockiert ist.
  • Das Pixel 21M, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist in der Lage, die elektrische Ladung, die in der PD 31 erzeugt wird, durch Auslesen derselben durch die Vervielfachungsregion 33 zu vervielfachen, was dem Pixel 21, das die Konfiguration aufweist, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 aufeinandergestapelt sind, im Wesentlichen gleich ist. Dadurch wird ermöglicht, dass das Pixel 21M bei einem Beispiel ein Pixelsignal mit einer hohen Empfindlichkeit erhält, selbst bei einer geringen Beleuchtungsstärke.
  • Dann kann bei dem Bildsensor 11, der das Pixel 21M aufweist, eine Struktur verwendet werden, die derjenigen des dem Stand der Technik entsprechenden CMOS-Bildsensors hinsichtlich der fotoelektrischen Umwandlungscharakteristiken in der PD 31 oder der Charakteristiken der Übertragung-Umwandlung der elektrischen Ladung aus der PD 31 im Wesentlichen gleich ist. Ferner kann bei dem Bildsensor 11 die Anzahl von Transistoren, die für das Pixel 21 nötig sind, kleiner sein als die der dem Stand der Technik entsprechenden APD, und somit ist es möglich, eine Größenreduzierung des Pixels 21M zu erreichen, wodurch dieses mit der höheren Integration konfiguriert ist und mit der Vervielfachungsfunktion versehen ist.
  • Als Nächstes ist 23 eine Querschnittansicht mit Darstellung einer vierzehnten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21N, das in 23 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21M in 22 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21N eine Anordnungskonfiguration auf, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 in derselben Schicht vorgesehen sind, ohne gestapelt zu sein, was dem Pixel 21M in 22 im Wesentlichen gleich ist. Andererseits unterscheidet sich das Pixel 21N in der Konfiguration dahingehend von dem Pixel 21M in 22, dass es die Vervielfachungs-Gate-Elektroden 48-1 bis 48-3 aufweist.
  • Insbesondere werden bei dem Pixel 21N die Vervielfachungs-Gate-Elektroden 48-1 bis 48-3 zum Vergrößern des elektrischen Felds, das in der Vervielfachungsregion 33 erzeugt wird, verwendet, und so ist es möglich, die Vervielfachung der elektrischen Ladung zu unterstützen, wodurch die elektrische Ladung weiter vervielfacht wird, was dem Pixel 21G in 17 im Wesentlichen gleich ist.
  • Als Nächstes ist 24 ein Schaltbild mit Darstellung einer fünfzehnten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21P, das in 24 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 2 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21P eine sogenannte 4-Pixel-Zugriffs-Struktur auf, bei der vier PDs 31a bis 31d gemeinsam auf eine Pixelschaltung zugreifen, die den FD-Abschnitt 35, den Verstärkungstransistor 36, den Auswahltransistor 37 und den Rücksetztransistor 38 aufweist.
  • Bei einem solchen Pixel 21P kann die elektrische Ladung beim Übertragen der elektrischen Ladung von den Vervielfachungsregionen 33a bis 33d zu dem FD-Abschnitt 35 verstärkt werden und kann der Ausgang des Hochpotential-FD-Abschnitts 35 ohne Veränderung in den Verstärkungstransistor 36 eingegeben werden. Der Verstärkungstransistor 36 ist zum Empfangen einer hohen Spannung als Eingang notwendig, und die Verwendung eines hochspannungskompatiblen Transistors ist bei einem Beispiel notwendig, um einen Bereich zu haben, der größer ist als derjenige eines niederspannungskompatiblen Transistors.
  • Somit ist es möglich, dass bei dem Pixel 21P, das die 4-Pixel-Zugriffs-Struktur aufweist, die Anzahl von Verstärkungstransistoren 36 reduziert wird, wodurch eine hohe Integration erreicht wird.
  • Als Nächstes ist 25 ein Schaltbild mit Darstellung einer sechszehnten beispielhaften Konfiguration des Pixels 21. Außerdem sind bei einem Pixel 21Q das in 25 dargestellt ist, die Komponenten, die denjenigen des Pixels 21 in 2 gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
  • Insbesondere weist das Pixel 21Q eine sogenannte 8-Pixel-Zugriffs-Struktur auf, bei der acht PDs 31a bis 31h gemeinsam auf eine Pixelschaltung zugreifen, die den FD-Abschnitt 35, den Verstärkungstransistor 36, den Auswahltransistor 37 und den Rücksetztransistor 38 aufweist.
  • Somit ist es möglich, dass bei dem Pixel 21Q, das die 8-Pixel-Zugriffs-Struktur aufweist, die Anzahl der Verstärkungstransistoren 36 reduziert wird, wodurch weiter eine hohe Integration erreicht wird im Vergleich zu dem Pixel 21P, das die 4-Pixel-Zugriffs-Struktur in 24 aufweist.
  • Als Nächstes wird ein planares Layout des Pixels 21Q, das die 8-Pixel-Zugriffs-Struktur aufweist, mit Bezug auf 26 und 27 beschrieben.
  • 26 stellt ein beispielhaftes planares Layout des Pixels 21Q, das die 8-Pixel-Zugriffs-Struktur aufweist, bei einem Beispiel in der Anordnungskonfiguration dar, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 nicht gestapelt sind, wie in 22 dargestellt ist. Des Weiteren stellt 27 ein beispielhaftes planares Layout des Pixels 21Q, das die 8-Pixel-Zugriffs-Struktur aufweist, bei einem Beispiel in der Anordnungskonfiguration dar, bei der die PD 31 und die Vervielfachungsregion 33 gestapelt sind, wie in 3 dargestellt ist.
  • Wie in 26 und 27 dargestellt ist, ist es dann, wenn die acht PDs 31a bis 31h so angeordnet sind, dass die laterale Richtung × Längsrichtung 2 × 4 ist, möglich, Regionen, in denen der zweite Übertragungstransistor 34, der eine hohe Spannung für die Vervielfachung einer elektrischen Ladung anlegt, angeordnet ist (Region, die von einer Zweipunkt-Strich-Linie umgeben ist), zu gruppieren. Dadurch wird es möglich, dass der zweite Übertragungstransistor 34 von einer Region getrennt ist, in der ein Transistor zum Anlegen der Spannung für Normalbetrieb angeordnet ist.
  • Somit ist es möglich, bei einem Beispiel die Region zum Trennen von Transistoren, die unterschiedliche Spannungen aufweisen, zu reduzieren im Vergleich zu einer Konfiguration, bei der ein Transistor für eine hohe Spannung und ein Transistor für eine niedrige Spannung so angeordnet sind, dass sie gemischt sind, und so kann das Pixel 21Q, das eine solches Layout aufweist, eine höhere Integration erreichen.
  • Die Verstärkung einer elektrischen Ladung beim Übertragen der elektrischen Ladung von der Vervielfachungsregion 33 zu dem FD-Abschnitt 35 unter Verwendung des zweiten Übertragungstransistors 34 wird nun mit Bezug auf 28 bis 30 beschrieben.
  • 28 stellt ein Layout der Vervielfachungsregion 33 und des zweiten Übertragungstransistors 34 in planarer Ansicht dar.
  • Bei einem Beispiel tritt dann, wenn das Übertragungssignal TG, das zu dem zweiten Übertragungstransistor 34 geliefert wird, eingeschaltet ist, ein starkes elektrisches Feld der Größenordnung auf, die einen Anstieg von Elektronen aufgrund des Lawineneffekts bewirken kann, das heißt, ein elektrisches Feld von ungefähr 5,5E+5 [V/cm] beim Maximum nahe dem Rand der Gate-Elektrode 45, die durch eine gestrichelte Linie in 28 angegeben ist.
  • Des Weiteren zeigt 29 die Wahrscheinlichkeit einer Stoßionisation (Lawinen-Wahrscheinlichkeit) für verschiedene Halbleitermaterialien, wobei die horizontale Achse das elektrische Feld [105 V/cm] darstellt und die vertikale Achse die Wahrscheinlichkeit einer Stoßionisation [cm-1] darstellt. Hier in 29 sind in der Lawinen-Wahrscheinlichkeits-Formel Ae = 1,34 × 10, Ah = 1,44 × 10, Be = -1,05 × 106 V/cm und Bh = -1,85 × 106 V/cm und sind die Wahrscheinlichkeiten einer Stoßionisation, an der die Feineinstellung durchgeführt worden ist, aufgetragen.
  • Dann ist es, wenn eine Wahrscheinlichkeit einer solchen Kollisionsionisation unter Verwendung der in 29 gezeigten Lawinen-Wahrscheinlichkeits-Formel umgewandelt wird, möglich, einen Vervielfachungseffekt bei der elektrischen Ladung zu erhalten, wie in 30 gezeigt ist. In 30 stellt die horizontale Achse das elektrische Feld dar und stellt die vertikale Achse Steigerungen dar, bei denen die Längen für die Region des starken elektrischen Felds auf 1 µm, 500 nm und 100 nm auf der Basis der elektrischen Ladung mit Elektronen (e) und Löchern (h) gesetzt sind.
  • Bei einem Beispiel, das in 30 gezeigt ist, wird dann, wenn das Übertragungssignal TG, das zu dem zweiten Übertragungstransistor 34 geliefert wird, eingeschaltet ist, ein elektrisches Feld von ungefähr 5[105 V/cm] erzeugt. In diesem Fall zeigt sich, dass es möglich ist, einen Vervielfachungseffekt von ungefähr 10 beim Maximum (z. B. elektrische Ladung: Elektron (e), Länge für eine Region eines starken elektrischen Felds: 1 µm) durch geeignetes Einstellen des Abstands, bei dem das elektrische Feld erzeugt wird, zu erreichen.
  • Wie in 28 bis 30 gezeigt ist, ermöglicht die Erzeugung eines angemessenen elektrischen Felds in der Vervielfachungsregion 33 das Vervielfachen der elektrischen Ladung beim Übertragen einer elektrischen Ladung von der Vervielfachungsregion 33 zu dem FD-Abschnitt 35 unter Verwendung des zweiten Übertragungstransistors 34, selbst wenn die Struktur, die derjenigen des dem Stand der Technik entsprechenden CMOS-Bildsensors im Wesentlichen gleich ist, verwendet wird.
  • Außerdem ist der oben beschriebene Bildsensor 11 bei einem Beispiel bei verschiedenen Arten von elektronischen Vorrichtungen anwendbar, wie z. B. einem Bildaufnahmesystem, das eine digitale Fotokamera, eine digitale Videokamera und dergleichen aufweist, einem Mobiltelefon, das mit einer Bildgebungsfunktion ausgestattet ist, oder anderen Einrichtungen, die mit einer Bildgebungsfunktion ausgestattet sind.
  • <Beispielhafte Konfiguration einer Bildaufnahmeeinrichtung>
  • 31 ist ein Blockschaltbild mit Darstellung einer beispielhaften Konfiguration einer Bildaufnahmeeinrichtung, die in einer elektronischen Vorrichtung installiert ist.
  • Wie in 31 dargestellt ist, weist die Bildaufnahmeeinrichtung 101 ein optisches System 102, einen Bildsensor 103, eine Signalverarbeitungsschaltung 104, einen Monitor 105 und einen Speicher 106 auf, und sie ist in der Lage, Standbilder und Bewegtbilder aufzunehmen.
  • Das optische System 102 weist eine oder mehrere Linsen auf und führt Bildlicht (auftreffendes Licht) von einem fotografischen Objekt zu dem Bildsensor 103 zum Ausbilden eines Bilds auf einer Lichtempfangsfläche (Sensoreinheit) des Bildsensors 103.
  • Der oben beschriebene Bildsensor 11 wird als Bildsensor 103 verwendet. Bei dem Bildsensor 103 werden Elektronen über einen festgelegten Zeitraum in Abhängigkeit von einem Bild, das durch das optische System 102 auf der Lichtempfangsfläche ausgebildet wird, gespeichert. Dann wird ein Signal entsprechend den Elektronen, die in dem Bildsensor 103 gespeichert sind, zu der Signalverarbeitungsschaltung 104 geliefert.
  • Die Signalverarbeitungsschaltung 104 führt verschiedene Signalprozesse an Pixelsignalen, die aus dem Bildsensor 103 ausgegeben werden, durch. Ein Bild (Bilddaten), das von der Signalverarbeitungsschaltung 104, die einen Signalprozess durchführt, erhalten wird, wird zu dem Monitor 105 geliefert, um angezeigt zu werden, oder wird zu dem Speicher 106 geliefert, um gespeichert (aufgezeichnet) zu werden.
  • Bei der Bildaufnahmeeinrichtung 101, die wie oben beschrieben konfiguriert ist, wird der oben beschriebene Bildsensor 11 verwendet, wodurch bei einem Beispiel eine Verbesserung der Empfindlichkeit und das Aufnehmen eines Bilds mit einer höheren Bildqualität erreicht werden.
  • <Beispielhafte Verwendung eines Bildsensors>
  • 32 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Verwendung des oben beschriebenen Bildsensors 11 (Bildsensor).
  • Der oben beschriebene Bildsensor kann bei einem Beispiel in verschiedenen Fällen des Erfassens von Licht, wie z. B. sichtbarem Licht, Infrarotlicht, Ultraviolettlicht und Röntgenstrahlen verwendet werden, wie nachstehend beschrieben wird.
    • - Einrichtungen, die ein Bild aufnehmen und zur Bildbetrachtung verwendet werden, wie z. B. eine Digitalkamera oder eine tragbare Einrichtung, die mit einer Kamerafunktion ausgestattet ist
    • - Einrichtungen, die im Verkehr verwendet werden und die für ein sicheres Fahren (z. B. automatisches Stoppen), Erkennen des Zustands eines Fahrers und dergleichen verwendet werden, wie z. B. ein in einem Fahrzeug befindlicher Sensor, der ein Bild des vorderen Teils, des hinteren Teils, der Umgebung, des Inneren und dergleichen eines Autos aufnimmt, eine Überwachungskamera, die fahrende Fahrzeuge und Straßen überwacht, und ein Abstandsmesssensor, der einen Abstand zwischen Fahrzeugen und dergleichen misst
    • - Einrichtungen, die für elektrische Haushaltsgeräte, wie z. B. einen Fernseher, einen Kühlschrank und eine Klimaanlage, verwendet werden zum Aufnehmen eines Bilds einer Geste eines Benutzers und Durchführen einer Geräteoperation gemäß der Geste
    • - Einrichtungen, die für die medizinische Versorgung und die Gesundheitsversorgung verwendet werden, wie z. B. ein Endoskop und eine Einrichtung, die eine Angiografie durch Empfang von Infrarotlicht durchführt
    • - Einrichtungen, die für die Sicherheit verwendet werden, wie z. B. eine Überwachungskamera zur Verbrechensverhütung und eine Kamera für eine Personenauthentifizierung
    • - Einrichtungen, die zur Schönheitspflege verwendet werden, wie z. B. eine Hautmessausstattung, die Bilder der Haut aufnimmt, und ein Mikroskop, das Bilder der Kopfhaut aufnimmt
    • - Einrichtungen, die beim Sport verwendet werden, wie z. B. eine Action Camera und eine am Körper getragene Kamera für Sport und dergleichen
    • - Einrichtungen, die in der Landwirtschaft verwendet werden, wie z. B. eine Kamera zum Überwachen des Zustands der Felder und der Ernte
  • Des Weiteren kann die vorliegende Technologie wie nachstehend aufgeführt ausgelegt sein.
    1. (1) Festkörper-Bildsensor, der aufweist:
      • eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die so ausgeführt ist, dass sie Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und die elektrische Ladung speichert;
      • eine Ausleseeinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausliest;
      • eine Vervielfachungsregion, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die durch die Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär speichert und vervielfacht; und
      • eine Übertragungseinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu einer Umwandlungseinheit überträgt, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixel signal umwandelt.
    2. (2) Festkörper-Bildsensor nach (1), bei dem eine Region eines starken elektrischen Felds in der Vervielfachungsregion erzeugt wird zum Vervielfachen der elektrischen Ladung mittels eines Lawineneffekts beim Übertragen der elektrischen Ladung durch die Übertragungseinheit von der Vervielfachungsregion zu der Umwandlungseinheit.
    3. (3) Festkörper-Bildsensor nach einem von (1) oder (2), bei dem eine optionale negative Vorspannung an die Ausleseeinheit angelegt wird beim Übertragen der elektrischen Ladung durch die Übertragungseinheit von der Vervielfachungsregion zu der Umwandlungseinheit.
    4. (4) Festkörper-Bildsensor nach einem von (1) bis (3), bei dem die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion so angeordnet sind, dass sie in einer vertikalen Richtung eines Halbleitersubstrats gestapelt sind; und die Ausleseeinheit eine vertikale Transistorstruktur zum Auslesen der elektrischen Ladung in der vertikalen Richtung des Halbleitersubstrats aufweist.
    5. (5) Festkörper-Bildsensor nach (4), bei dem die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion so angeordnet sind, dass sie gestapelt sind, durch Ausbilden der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung in dem Halbleitersubstrat und Ausbilden einer epitaktischen Schicht durch Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halbleitersubstrat, dann Ausbilden der Vervielfachungsregion in der epitaktischen Schicht.
    6. (6) Festkörper-Bildsensor nach (4), bei dem die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion so angeordnet sind, dass sie gestapelt sind, durch Trennen einer Tiefenrichtung beim Durchführen einer Ionenimplantation von Fremdatomen in dasselbe Halbleitersubstrat.
    7. (7) Festkörper-Bildsensor nach (4), bei dem die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion so angeordnet sind, dass sie gestapelt sind, durch Verbonden eines ersten Halbleitersubstrats, in dem der Abschnitt zur fotoelektrischen Umwandlung ausgebildet ist, und eines zweiten Halbleitersubstrats, in dem die Vervielfachungsregion ausgebildet ist.
    8. (8) Festkörper-Bildsensor nach einem von (4) bis (7), bei dem die Übertragungseinheit zwischen der Vervielfachungsregion und der Umwandlungseinheit angeordnet ist und eine vertikale Transistorstruktur zum Auslesen der elektrischen Ladung aus der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung aufweist, und es möglich ist, ein erstes Treiberverfahren zum Auslesen einer elektrischen Ladung durch die Ausleseeinheit aus der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung zu der Vervielfachungsregion und ein zweites Treiberverfahren zum Auslesen einer elektrischen Ladung durch die Übertragungseinheit aus der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung zu der Umwandlungseinheit zu schalten.
    9. (9) Festkörper-Bildsensor nach einem von (4) bis (8), der ferner aufweist:
      • einen Lichtblockierfilm, der so ausgeführt ist, dass er Licht gegen das Eintreten in die Vervielfachungsregion blockiert, zwischen der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und der Vervielfachungsregion, die so angeordnet sind, dass sie gestapelt sind.
    10. (10) Festkörper-Bildsensor nach einem von (1) bis (9), der ferner aufweist:
      • einen Lichtblockierabschnitt, der so ausgeführt ist, dass er Licht gegen das Eintreten von einem anderen angrenzenden Pixel in die Vervielfachungsregion blockiert.
    11. (11) Festkörper-Bildsensor nach einem von (1) bis (10), bei dem eine Vielzahl von Elektroden, an die beim Übertragen einer elektrischen Ladung von der Vervielfachungsregion zu der Umwandlungseinheit optionale Vorspannungen angelegt werden, auf einer Vorderfläche eines Halbleitersubstrats, in dem die Vervielfachungsregion ausgebildet ist, angeordnet ist.
    12. (12) Festkörper-Bildsensor nach einem von (1) bis (11), bei dem die fotoelektrische Umwandlung nur von der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, durchgeführt wird.
    13. (13) Festkörper-Bildsensor nach einem von (1) bis (12), bei dem ein organischer Film oder ein anorganischer Film, der gegenüber Licht, das eine vorbestimmte Wellenlängenkomponente aufweist, empfindlich ist, auf einem Halbleitersubstrat, in dem die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung ausgebildet ist, gestapelt ist, die fotoelektrische Umwandlung in dem organischen Film oder dem anorganischen Film durchgeführt wird und die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung eine fotoelektrische Umwandlung an anderem Licht als der spezifischen Wellenlängenkomponente, das durch den organischen Film oder den anorganischen Film durchgelassen wird, durchführt.
    14. (14) Festkörper-Bildsensor nach einem von (1) bis (3), bei dem die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion in derselben Schicht eines Halbleitersubstrats angeordnet sind.
    15. (15) Festkörper-Bildsensor nach einem von (1) bis (9), bei dem der Festkörper-Bildsensor eine Pixel-Zugriffs-Struktur aufweist, bei der eine vorbestimmte Anzahl der Einheiten zur fotoelektrischen Umwandlung gemeinsam unter Verwendung eines Transistors, der auf einer Stufe, die auf die Übertragungseinheit folgt, vorgesehen ist, auf eine Pixelschaltung zugreift.
    16. (16) Verfahren zum Treiben eines Festkörper-Bildsensors, der aufweist eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die so ausgeführt ist, dass sie Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und die elektrische Ladung speichert; eine Ausleseeinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausliest, eine Vervielfachungsregion, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die durch die Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär speichert und vervielfacht, und eine Übertragungseinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu einer Umwandlungseinheit überträgt, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixelsignal umwandelt, wobei das Verfahren umfasst:
      • einen Schritt des Erzeugens einer Region eines starken elektrischen Felds in der Vervielfachungsregion zum Vervielfachen einer elektrischen Ladung mittels eines Lawineneffekts beim Übertragen der elektrischen Ladung durch die Übertragungseinheit von der Vervielfachungsregion zu der Umwandlungseinheit.
    17. (17) Elektronische Vorrichtung, die aufweist einen Festkörper-Bildsensor, der aufweist eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die so ausgeführt ist, dass sie Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und die elektrische Ladung speichert, eine Ausleseeinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausliest, eine Vervielfachungsregion, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die durch die Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär speichert und vervielfacht, und eine Übertragungseinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu einer Umwandlungseinheit überträgt, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixel signal umwandelt.
  • Ferner sind die Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen können durchgeführt werden, ohne dass dadurch vom Wesen der vorliegenden Offenlegung abgewichen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Bildsensor
    12
    Pixelregion
    13
    Vertikale Treiberschaltung
    14
    Spalten-Signalverarbeitungsschaltung
    15
    Horizontale Treiberschaltung
    16
    Ausgangsschaltung
    17
    Steuerschaltung
    21
    Pixel
    22
    Horizontale Signalleitung
    23
    Vertikale Signalleitung
    24
    Datenausgangs-Signalleitung
    31
    PD
    32
    Erster Übertragungstransistor
    33
    Vervielfachungsregion
    34
    Zweiter Übertragungstransistor
    35
    FD-Abschnitt
    36
    Verstärkungstransistor
    37
    Auswahltransistor
    38
    Rücksetztransistor
    39
    Konstantstromquelle
    41
    Halbleitersubstrat
    42
    Farbfilter
    43
    Auf einem Chip befindliche Linse
    44,45
    Gate-Elektrode
    46
    Lichtblockierabschnitt
    47
    Lichtblockierfilm
    48, 49
    Vervielfachungs-Gate-Elektrode
    50
    Organischer Film
    51
    Anorganischer Film
    52, 53
    Organischer Film
    54
    Lichtblockierfilm
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2014199898 A [0005]
    • JP 2007235097 A [0005]

Claims (17)

  1. Festkörper-Bildsensor, der aufweist: eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die so ausgeführt ist, dass sie Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und die elektrische Ladung speichert; eine Ausleseeinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausliest; eine Vervielfachungsregion, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die durch die Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär speichert und vervielfacht; und eine Übertragungseinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu einer Umwandlungseinheit überträgt, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixel signal umwandelt.
  2. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei eine Region eines starken elektrischen Felds in der Vervielfachungsregion erzeugt wird zum Vervielfachen der elektrischen Ladung mittels eines Lawineneffekts beim Übertragen der elektrischen Ladung durch die Übertragungseinheit von der Vervielfachungsregion zu der Umwandlungseinheit.
  3. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 2, wobei eine optionale negative Vorspannung an die Ausleseeinheit angelegt wird beim Übertragen der elektrischen Ladung durch die Übertragungseinheit von der Vervielfachungsregion zu der Umwandlungseinheit.
  4. Festkörper-Bildsensor Anspruch 1, wobei die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion so angeordnet sind, dass sie in einer vertikalen Richtung eines Halbleitersubstrats gestapelt sind; und die Ausleseeinheit eine vertikale Transistorstruktur zum Auslesen der elektrischen Ladung in der vertikalen Richtung des Halbleitersubstrats aufweist.
  5. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion so angeordnet sind, dass sie gestapelt sind, durch Ausbilden der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung in dem Halbleitersubstrat und Ausbilden einer epitaktischen Schicht durch Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halbleitersubstrat, dann Ausbilden der Vervielfachungsregion in der epitaktischen Schicht.
  6. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion so angeordnet sind, dass sie gestapelt sind, durch Trennen einer Tiefenrichtung beim Durchführen einer Ionenimplantation von Fremdatomen in dasselbe Halbleitersubstrat.
  7. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion so angeordnet sind, dass sie gestapelt sind, durch Verbonden eines ersten Halbleitersubstrats, in dem der Abschnitt zur fotoelektrischen Umwandlung ausgebildet ist, und eines zweiten Halbleitersubstrats, in dem die Vervielfachungsregion ausgebildet ist.
  8. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 4, wobei die Übertragungseinheit zwischen der Vervielfachungsregion und der Umwandlungseinheit angeordnet ist und eine vertikale Transistorstruktur zum Auslesen der elektrischen Ladung aus der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung aufweist, und es möglich ist, ein erstes Treiberverfahren zum Auslesen einer elektrischen Ladung durch die Ausleseeinheit aus der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung zu der Vervielfachungsregion und ein zweites Treiberverfahren zum Auslesen einer elektrischen Ladung durch die Übertragungseinheit aus der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung zu der Umwandlungseinheit zu schalten.
  9. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 4, der ferner umfasst: einen Lichtblockierfilm, der so ausgeführt ist, dass er Licht gegen das Eintreten in die Vervielfachungsregion blockiert, zwischen der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und der Vervielfachungsregion, die so angeordnet sind, dass sie gestapelt sind.
  10. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, der ferner umfasst: einen Lichtblockierabschnitt, der so ausgeführt ist, dass er Licht gegen das Eintreten von einem anderen angrenzenden Pixel in die Vervielfachungsregion blockiert.
  11. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Elektroden, an die beim Übertragen einer elektrischen Ladung von der Vervielfachungsregion zu der Umwandlungseinheit optionale Vorspannungen angelegt werden, auf einer Vorderfläche eines Halbleitersubstrats, in dem die Vervielfachungsregion ausgebildet ist, angeordnet ist.
  12. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die fotoelektrische Umwandlung nur von der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, durchgeführt wird.
  13. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei ein organischer Film oder ein anorganischer Film, der gegenüber Licht, das eine vorbestimmte Wellenlängenkomponente aufweist, empfindlich ist, auf einem Halbleitersubstrat, in dem die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung ausgebildet ist, gestapelt ist, die fotoelektrische Umwandlung in dem organischen Film oder dem anorganischen Film durchgeführt wird und die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung eine fotoelektrische Umwandlung an anderem Licht als der spezifischen Wellenlängenkomponente, das durch den organischen Film oder den anorganischen Film durchgelassen wird, durchführt.
  14. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung und die Vervielfachungsregion in derselben Schicht eines Halbleitersubstrats angeordnet sind.
  15. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei der Festkörper-Bildsensor eine Pixel-Zugriffs-Struktur aufweist, bei der eine vorbestimmte Anzahl der Einheiten zur fotoelektrischen Umwandlung gemeinsam unter Verwendung eines Transistors, der auf einer Stufe, die auf die Übertragungseinheit folgt, vorgesehen ist, auf eine Pixelschaltung zugreift.
  16. Verfahren zum Treiben eines Festkörper-Bildsensors, der aufweist eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die so ausgeführt ist, dass sie Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und die elektrische Ladung speichert; eine Ausleseeinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausliest, eine Vervielfachungsregion, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die durch die Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär speichert und vervielfacht, und eine Übertragungseinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu einer Umwandlungseinheit überträgt, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixelsignal umwandelt, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Erzeugens einer Region eines starken elektrischen Felds in der Vervielfachungsregion zum Vervielfachen einer elektrischen Ladung mittels eines Lawineneffekts beim Übertragen der elektrischen Ladung durch die Übertragungseinheit von der Vervielfachungsregion zu der Umwandlungseinheit.
  17. Elektronische Vorrichtung, die umfasst einen Festkörper-Bildsensor, der aufweist eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung, die so ausgeführt ist, dass sie Licht durch eine fotoelektrische Umwandlung in eine elektrische Ladung umwandelt und die elektrische Ladung speichert, eine Ausleseeinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung gespeichert ist, ausliest, eine Vervielfachungsregion, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die durch die Ausleseeinheit ausgelesen wird, temporär speichert und vervielfacht, und eine Übertragungseinheit, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung, die in der Vervielfachungsregion gespeichert ist, zu einer Umwandlungseinheit überträgt, die so ausgeführt ist, dass sie die elektrische Ladung in ein Pixel signal umwandelt.
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