DE112021002774T5 - Lichtdetektionsvorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Lichtsensors - Google Patents

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Jun Hiramitsu
Akihiro Shimada
Hiroaki Ishii
Toshinori Ito
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Abstract

Eine Lichtdetektionsvorrichtung enthält einen Lichtsensor und eine Steuerung. Der Lichtsensor enthält einen Ladungserzeugungsbereich, einen Ladungsakkumulationsbereich, einen Ladungstransferbereich, eine Ladungssammelelektrode, die auf dem Ladungsakkumulationsbereich angeordnet ist, und eine Transfer-Gate-Elektrode, die auf einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Ladungstransferbereich angeordnet ist. Die Steuerung steuert elektrische Potentiale der Ladungssammelelektrode und der Transfer-Gate-Elektrode so, dass die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode ein erstes Niveau ist und die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode höher ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode in einer ersten Periode, und so, dass die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode ein zweites Niveau ist, das höher ist als das erste Niveau, und die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode niedriger ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode in einer zweiten Periode nach der ersten Periode.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine Lichtdetektionsvorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lichtsensors.
  • Hintergrund
  • Als ein Lichtsensor ist ein Lichtsensor bekannt, der einen Ladungserzeugungsbereich, in dem als Reaktion auf einfallendes Licht Ladungen erzeugt werden, einen Ladungsakkumulationsbereich, in dem die im Ladungserzeugungsbereich erzeugten Ladungen akkumuliert werden, einen Ladungstransferbereich, in dem Ladungen aus dem Ladungsakkumulationsbereich transferiert werden, und eine Transfer-Gate-Elektrode aufweist, die in einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Ladungstransferbereich angeordnet ist (siehe beispielsweise Patentliteratur 1). In einem solchen Lichtsensor können Ladungen mit hoher Geschwindigkeit vom Ladungsakkumulationsbereich zum Ladungstransferbereich übertragen werden.
  • Zitateliste
  • Patentliteratur
  • Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung JP 2015-5752 A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Der oben beschriebene Lichtsensor ist erforderlich, um eine gesättigte Ladungsmenge im Ladungsakkumulationsbereich zu erhöhen und die Effizienz des Ladungstransfers vom Ladungsakkumulationsbereich zum Ladungstransferbereich zu verbessern.
  • Ein Aspekt der Offenbarung besteht darin, eine Lichtdetektionsvorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lichtsensors bereitzustellen, die in der Lage sind, sowohl eine Erhöhung der gesättigten Ladungsmenge als auch eine Verbesserung der Ladungsübertragungseffizienz zu erzielen.
  • Lösung des Problems
  • Eine Lichtdetektionsvorrichtung gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst einen Lichtsensor und eine Steuerung, die den Lichtsensor steuert, wobei der Lichtsensor einen Ladungserzeugungsbereich, der als Reaktion auf einfallendes Licht Ladungen erzeugt, einen Ladungsakkumulationsbereich, in dem in dem Ladungserzeugungsbereich erzeugte Ladungen akkumuliert werden, einen Ladungstransferbereich, zu dem von dem Ladungsakkumulationsbereich übertragene Ladungen übertragen werden, eine auf dem Ladungsakkumulationsbereich angeordnete Ladungssammelelektrode und eine auf einem Bereich zwischen dem Ladungssammelbereich und dem Ladungstransferbereich angeordnete Transfer-Gate-Elektrode umfasst, eine Ladungssammelelektrode, die auf dem Ladungsakkumulationsbereich angeordnet ist, und eine Transfer-Gate-Elektrode, die auf einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Ladungstransferbereich angeordnet ist, und die Steuerung elektrische Potentiale der Ladungssammelelektrode und der Transfer-Gate-Elektrode so steuert, dass die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode ein erstes Niveau ist, und die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode höher ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode in einer ersten Periode, und die elektrischen Potentiale der Ladungssammelelektrode und der Transfer-Gate-Elektrode so steuert, dass die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode ein zweites Niveau ist, das höher ist als das erste Niveau, und die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode niedriger ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode in einer zweiten Periode nach der ersten Periode.
  • In dieser Lichtdetektionsvorrichtung ist in der ersten Periode die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode höher als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode, und die in dem Ladungserzeugungsbereich erzeugten Ladungen werden in dem Ladungsakkumulationsbereich akkumuliert. In der zweiten Periode ist die potentielle Energie im Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode niedriger als die potentielle Energie im Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode, und Ladungen werden von dem Ladungsakkumulationsbereich in den Ladungstransferbereich übertragen. In dieser Lichtdetektionsvorrichtung wird in der ersten Periode die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode auf ein erstes Niveau eingestellt, das niedriger ist als das zweite Niveau. Auf diese Weise ist es möglich, einen potentielle Energie-Topf im Ladungsakkumulationsbereich zu vertiefen und die gesättigte Ladungsmenge im Ladungsakkumulationsbereich zu erhöhen. Währenddessen wird in der zweiten Periode die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode auf das zweite Niveau gesetzt, das höher ist als das erste Niveau. Auf diese Weise ist es möglich, den Unterschied in der potentiellen Energie zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Ladungsübertragungsbereich zu erhöhen und die Effizienz der Ladungsübertragung zu verbessern. Daher ist es mit dieser Lichtdetektionsvorrichtung möglich, sowohl eine Erhöhung der gesättigten Ladungsmenge als auch eine Verbesserung der Ladungstransfereffizienz zu erreichen.
  • Der Ladungserzeugungsbereich kann einen Lawinen-Multiplikationsbereich enthalten. In diesem Fall kann eine Lawinenmultiplikation im Ladungserzeugungsbereich verursacht werden, und die Detektionsempfindlichkeit kann erhöht werden. Gleichzeitig ist in diesem Fall die Menge der im Ladungserzeugungsbereich erzeugten Ladung extrem groß. In dieser Lichtdetektionsvorrichtung wird jedoch die gesättigte Ladungsmenge wie oben beschrieben erhöht, so dass die Sättigung einer Kapazität selbst in einem solchen Fall unterdrückt werden kann.
  • Der Lichtsensor kann ferner einen Überlaufbereich und eine Überlauf-Gate-Elektrode aufweisen, die in einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Überlaufbereich angeordnet ist, und die Steuerung kann die elektrischen Potentiale der Ladungssammelelektrode, der Transfer-Gate-Elektrode und der Überlauf-Gate-Elektrode so steuern, dass die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unter der Überlauf-Gate-Elektrode höher ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode und niedriger ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode in der ersten Periode. In diesem Fall können während der ersten Periode Ladungen, die aus dem Ladungsakkumulationsbereich überlaufen, in den Überlaufbereich bewegt werden.
  • Der Lichtsensor kann ferner einen Zwischenbereich mit einem Leitfähigkeitstyp aufweisen, der sich von einem Leitfähigkeitstyp des Ladungsakkumulationsbereichs unterscheidet und zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und der Ladungssammelelektrode angeordnet ist. In diesem Fall kann die Erzeugung von Dunkelstrom um die Ladungssammelelektrode herum unterdrückt werden.
  • In einem Verfahren zum Antreiben eines Lichtsensors gemäß einem Aspekt der Offenbarung enthält der Lichtsensor einen Ladungserzeugungsbereich, der als Reaktion auf einfallendes Licht Ladungen erzeugt, einen Ladungsakkumulationsbereich, in dem in dem Ladungserzeugungsbereich erzeugte Ladungen akkumuliert werden, einen Ladungstransferbereich, in den Ladungen von dem Ladungsakkumulationsbereich übertragen werden, eine auf dem Ladungsakkumulationsbereich angeordnete Ladungssammelelektrode und eine Transfer-Gate-Elektrode, die in einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Ladungstransferbereich angeordnet ist, und das Verfahren zum Antreiben des Lichtsensors einen ersten Schritt des Steuerns elektrischer Potentiale der Ladungssammelelektrode und der Transfer-Gate-Elektrode umfasst, so dass die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unterhalb der Ladungssammelelektrode ein erstes Niveau ist, und die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode höher ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode, und einen zweiten Schritt des Steuerns elektrischer Potentiale der Ladungssammelelektrode und der Transfer-Gate-Elektrode, so dass die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode ein zweites Niveau ist, das höher ist als das erste Niveau, und die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode niedriger ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode nach dem ersten Schritt.
  • Im ersten Schritt des Verfahrens zur Ansteuerung des Lichtsensors wird die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unterhalb der Transfer-Gate-Elektrode so eingestellt, dass sie höher ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unterhalb der Ladungssammelelektrode, und es werden Ladungen in dem Ladungsakkumulationsbereich akkumuliert. Im zweiten Schritt wird die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode so eingestellt, dass sie niedriger ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode, und Ladungen werden von dem Ladungsakkumulationsbereich in den Ladungstransferbereich transferiert. Im ersten Schritt wird die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode auf ein erstes Niveau eingestellt, das niedriger als das zweite Niveau ist. Auf diese Weise ist es möglich, den potentiellen Energie-Topf im Ladungsakkumulationsbereich zu vertiefen und die gesättigte Ladungsmenge im Ladungsakkumulationsbereich zu erhöhen. Im zweiten Schritt wird die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode auf ein zweites Niveau eingestellt, das höher ist als das erste Niveau. Auf diese Weise ist es möglich, die Differenz der potentiellen Energie zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Ladungstransferbereich zu erhöhen und die Effizienz des Ladungstransfers zu verbessern. Daher ist es mit diesem Verfahren zum Betrieb des Lichtsensors möglich, sowohl eine Erhöhung der gesättigten Ladungsmenge als auch eine Verbesserung der Ladungstransfereffizienz zu erreichen.
  • Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt der Offenbarung ist es möglich, eine Lichtdetektionsvorrichtung und ein Verfahren zum Antreiben eines Lichtsensors bereitzustellen, die in der Lage sind, sowohl eine Erhöhung der gesättigten Ladungsmenge als auch eine Verbesserung der Ladungsübertragungseffizienz zu realisieren.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Lichtdetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Bildsensors entlang der in 1 dargestellten Linie II-II.
    • 3 ist ein Diagramm, das einen Verbindungsmodus des Bildsensors zeigt.
    • 4 ist ein Schaltungsdiagramm des Bildsensors.
    • 5 ist ein Zeitdiagramm, das ein Betriebsbeispiel des Bildsensors zeigt.
    • 6 (a) und 6 (b) sind Diagramme der potentiellen Energieverteilung zur Beschreibung eines Betriebsbeispiels des Bildsensors.
    • 7(a) und 7 (b) sind Diagramme der potentiellen Energieverteilung zur Beschreibung eines Betriebsbeispiels des Bildsensors.
    • 8 (a) und 8 (b) sind Diagramme der potentiellen Energieverteilung zur Beschreibung eines Betriebsbeispiels des Bildsensors.
    • 9 ist ein Diagramm der potentiellen Energieverteilung zur Beschreibung eines Betriebsbeispiels des Bildsensors.
    • 10 (a) und 10 (b) sind Diagramme der potentiellen Energieverteilung zur Beschreibung eines ersten Betriebsbeispiels des Bildsensors gemäß einem Vergleichsbeispiel.
    • 11 (a) und 11 (b) sind Diagramme der potentiellen Energieverteilung zur Beschreibung eines zweiten Betriebsbeispiels des Bildsensors gemäß dem Vergleichsbeispiel.
    • 12 (a) und 12 (b) sind Diagramme der potentiellen Energieverteilung zur Beschreibung eines Betriebsbeispiels des Bildsensors gemäß dieser Ausführungsform.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden dieselben Bezugszeichen für dieselben oder gleichwertige Elemente verwendet, und eine doppelte Beschreibung entfällt.
  • [Konfiguration der Lichtdetektionseinrichtung]
  • Wie in 1 dargestellt, umfasst eine Lichtdetektionsvorrichtung 100 einen Bildsensor (Lichtsensor) 1 und eine Steuerung 60. Die Steuerung 60 steuert den Bildsensor 1. Die Steuerung 60 umfasst beispielsweise eine integrierte On-Chip-Schaltung, die auf einem im Bildsensor 1 enthaltenen Halbleitersubstrat montiert ist.
  • Wie in 1 und 2 dargestellt, enthält der Bildsensor 1 eine Halbleiterschicht 2 und eine Elektrodenschicht 4. Die Halbleiterschicht 2 hat eine erste Oberfläche 2a und eine zweite Oberfläche 2b. Die zweite Oberfläche 2b ist eine Oberfläche der Halbleiterschicht 2 auf der der ersten Oberfläche 2a gegenüberliegenden Seite. Die Halbleiterschicht 2 enthält eine Vielzahl von Pixeln 20, die entlang der ersten Oberfläche 2a angeordnet sind. Die Vielzahl von Pixeln 20 sind zweidimensional entlang der ersten Oberfläche 2a angeordnet. Im Folgenden wird eine Dickenrichtung der Halbleiterschicht 2 als Z-Richtung, eine Richtung senkrecht zur Z-Richtung als X-Richtung und eine Richtung senkrecht sowohl zur Z-Richtung als auch zur X-Richtung als Y-Richtung bezeichnet. Ferner wird eine Seite in Z-Richtung als erste Seite und die andere Seite in Z-Richtung (eine Seite auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Seite) als zweite Seite bezeichnet. In 1 ist die Darstellung eines Teils der Elektrodenschicht 4 weggelassen.
  • In der Halbleiterschicht 2 hat jedes der Pixel 20 einen Halbleiterbereich 21, einen Halbleiterbereich 22, einen Lawinen-Multiplikationsbereich 23, einen Ladungsakkumulationsbereich 24, einen Zwischenbereich 25, einen Ladungstransferbereich 26, einen Überlaufbereich 27 und einen Wannenbereich 31. Jeder der Bereiche 21 bis 27 und 31 wird durch verschiedene Behandlungen (z.B. Ätzen, Filmbildung, Dotierungsinjektion usw.) auf einem Halbleitersubstrat (z.B. einem Siliziumsubstrat) gebildet.
  • Der Halbleiterbereich 21 ist ein p-Typ-Bereich (erster Leitfähigkeitstyp) und ist in einer Schichtform entlang der zweiten Oberfläche 2b in der Halbleiterschicht 2 ausgebildet. Die Ladungsträgerkonzentration in dem Halbleiterbereich 21 ist höher als die Ladungsträgerkonzentration in dem Halbleiterbereich 22. Die Dicke des Halbleiterbereichs 21 ist vorzugsweise so dünn wie möglich. Beispielsweise ist der Halbleiterbereich 21 ein p-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 1016 cm-3 oder mehr, und seine Dicke beträgt etwa 1 µm. Es ist zu beachten, dass der Halbleiterbereich 21 durch Akkumulation mittels einer transparenten Elektrode gebildet werden kann, die auf der zweiten Oberfläche 2b durch einen isolierenden Film gebildet wird.
  • Der Halbleiterbereich 22 ist ein p-Typ-Bereich, wird in einer Schichtform in der Halbleiterschicht 2 gebildet und befindet sich auf der ersten Seite des Halbleiterbereichs 21. Beispielsweise ist der Halbleiterbereich 22 ein p-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 1015 cm-3 oder weniger, und seine Dicke beträgt 2 µm oder mehr, beispielsweise etwa 10 µm.
  • Der Lawinen-Multiplikationsbereich 23 umfasst einen ersten Multiplikationsbereich 23a und einen zweiten Multiplikationsbereich 23b. Der erste Multiplikationsbereich 23a ist ein p-Typ-Bereich, wird in einer Schichtform in der Halbleiterschicht 2 gebildet und befindet sich auf der ersten Seite des Halbleiterbereichs 22. Beispielsweise ist der erste Multiplikationsbereich 23a ein p-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 1016 cm-3 oder mehr, und seine Dicke beträgt etwa 1 µm. Der zweite Multiplikationsbereich 23b ist ein n-Typ-Bereich (zweiter Leitfähigkeitstyp), der in einer Schichtform in der Halbleiterschicht 2 ausgebildet ist und sich auf der ersten Seite des ersten Multiplikationsbereichs 23a befindet. Der zweite Multiplikationsbereich 23b ist beispielsweise ein n-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 1016 cm-3 oder mehr, und seine Dicke beträgt etwa 1 µm. Der erste Multiplikationsbereich 23a und der zweite Multiplikationsbereich 23b bilden einen pn-Übergang. Die Halbleiterbereiche 21 und 22 und der Lawinen-Multiplikationsbereich 23 fungieren als Ladungserzeugungsbereich (Lichtabsorptionsbereich und photoelektrischer Umwandlungsbereich) 29, der in Reaktion auf einfallendes Licht Ladungen erzeugt.
  • Der Ladungsakkumulationsbereich 24 ist ein n-Typ-Bereich, ist in einer Schichtform in der Halbleiterschicht 2 ausgebildet und befindet sich auf der ersten Seite des zweiten Multiplikationsbereichs 23b. In diesem Beispiel erstreckt sich der Ladungsakkumulationsbereich 24 entlang einer Ebene, die senkrecht zur Z-Richtung verläuft. Bei dem Ladungsakkumulationsbereich 24 handelt es sich beispielsweise um einen n-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5× 1015 bis 1× 1016 cm-3, und seine Dicke beträgt etwa 1 µm.
  • Der Zwischenbereich 25 ist ein p-Typ-Bereich und wird in einer Schichtform entlang der ersten Oberfläche 2a in der Halbleiterschicht 2 gebildet. Der Zwischenbereich 25 ist zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich 24 und einer später beschriebenen Ladungssammelelektrode 41 angeordnet. Der Halbleiterbereich 21, der Halbleiterbereich 22, der erste Multiplikationsbereich 23a, der zweite Multiplikationsbereich 23b, der Ladungsakkumulationsbereich 24 und der Zwischenbereich 25 sind in dieser Reihenfolge entlang der Z-Richtung angeordnet. Der Zwischenbereich 25 ist beispielsweise ein p-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 1015 cm-3 oder mehr, und seine Dicke beträgt etwa 0,2 µm.
  • Der Ladungstransferbereich 26 ist ein n-Typ-Bereich und wird entlang der ersten Oberfläche 2a in der Halbleiterschicht 2 gebildet. Der Ladungstransferbereich 26 ist innerhalb des Wannenbereichs 31 angeordnet und befindet sich auf der ersten Seite des zweiten Multiplikationsbereichs 23b. Der Ladungstransferbereich 26 ist mit dem Ladungsakkumulationsbereich 24 in X-Richtung ausgerichtet. Als Beispiel ist der Ladungstransferbereich 26 ein n-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 1018 cm-3 oder mehr, und seine Dicke beträgt etwa 0,2 µm.
  • Der Überlaufbereich 27 ist ein n-Typ-Bereich und wird entlang der ersten Oberfläche 2a in der Halbleiterschicht 2 gebildet. Der Überlaufbereich 27 ist innerhalb des Wannenbereichs 31 angeordnet und befindet sich auf der ersten Seite des zweiten Multiplikationsbereichs 23b. Der Überlaufbereich 27 befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Ladungstransferbereichs 26 in Bezug auf den Ladungsakkumulationsbereich 24 in X-Richtung. Als Beispiel ist der Überlaufbereich 27 ein n-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 1018 cm-3 oder mehr, und seine Dicke beträgt etwa 0,2 µm.
  • Der Wannenbereich 31 ist ein p-Typ-Bereich und wird in einer Schichtform entlang der ersten Oberfläche 2a in der Halbleiterschicht 2 gebildet. Der Wannenbereich 31 befindet sich auf der ersten Seite des zweiten Multiplikationsbereichs 23b. Beispielsweise ist der Wannenbereich 31 ein p-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 1016 bis 5× 1017 cm-3, und seine Dicke beträgt etwa 1 µm.
  • Im Wannenbereich 31 sind neben dem Ladungstransferbereich 26 und dem Überlaufbereich 27 die Kanalbereiche 32, 33 und 34, die Massebereiche 35 und 36 sowie ein LOCOS-Bereich (Local Oxidation of Silicon) 37 ausgebildet. Die Kanalbereiche 32 bis 34 sind n-Typ-Bereiche und die Massebereiche 35 und 36 sind p-Typ-Bereiche. Der Ladungstransferbereich 26, die Kanalbereiche 32 bis 34 und der Massebereich 35 sind in dieser Reihenfolge entlang der X-Richtung angeordnet. Der Massebereich 36 befindet sich auf der dem Ladungsakkumulationsbereich 24 gegenüberliegenden Seite in Bezug auf den Überlaufbereich 27 in X-Richtung. Der LOCOS-Bereich 37 ist ein isolierender Bereich, der so vorgesehen ist, dass er die Massebereiche 35 und 36 umgibt.
  • Die Elektrodenschicht 4 ist auf der ersten Oberfläche 2a der Halbleiterschicht 2 vorgesehen. Jedes Pixel 20 hat die Ladungssammelelektrode 41, eine Transfer-Gate-Elektrode 42 und eine Überlauf-Gate-Elektrode 43 in der Elektrodenschicht 4. Die Ladungssammelelektrode 41 und die Gate-Elektroden 42 und 43 sind in der Elektrodenschicht 4 ausgebildet und durch den Isolierfilm 49 hindurch auf der ersten Oberfläche 2a der Halbleiterschicht 2 angeordnet. Die Isolierschicht 49 ist beispielsweise eine Siliziumnitridschicht, eine Siliziumoxidschicht usw.
  • Die Ladungssammelelektrode 41 und die Gate-Elektroden 42 und 43 bestehen aus einem Material mit Leitfähigkeit und Lichtdurchlässigkeit (z.B. Polysilizium). Beispielsweise haben die Ladungssammelelektrode 41 und die Gate-Elektroden 42 und 43 jeweils eine rechteckige Form mit zwei Seiten, die einander in X-Richtung zugewandt sind, und zwei Seiten, die einander in Y-Richtung zugewandt sind, bei Sicht in Z-Richtung.
  • Die Ladungssammelelektrode 41 ist auf dem Ladungsakkumulationsbereich 24 angeordnet. Spezifischer ist die Ladungssammelelektrode 41 auf dem Ladungsakkumulationsbereich 24 über den Zwischenbereich 41 und den isolierenden Film 49 angeordnet. Die Ladungssammelelektrode 41 überlappt den Ladungsakkumulationsbereich 24 in der Z-Richtung. Die Transfer-Gate-Elektrode 42 ist in einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich 24 und dem Ladungstransferbereich 26 im Wannenbereich 31 angeordnet. Die Überlauf-Gate-Elektrode 43 ist in einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich 24 und dem Überlaufbereich 27 in dem Wannenbereich 31 angeordnet.
  • Gate-Elektroden 44, 45 und 46 befinden sich weiter auf dem Wannenbereich 31. Die Gate-Elektrode 44 ist auf einem Bereich zwischen dem Ladungstransferbereich 26 und dem Kanalbereich 32 im Wannenbereich 31 angeordnet. Die Gate-Elektrode 45 ist auf einem Bereich zwischen den Kanalregionen 32 und 33 in dem Wannenbereich 31 angeordnet. Die Gate-Elektrode 46 ist auf einem Bereich zwischen den Kanalregionen 33 und 34 in dem Wannenbereich 31 angeordnet.
  • Wie in 3 und 4 illustriert, werden Steuerspannungen S1 bis S5 an die Ladungssammelelektrode 41 und die Gate-Elektroden 42 bis 44 und 46 angelegt. Die Gate-Elektrode 45 ist elektrisch mit dem Ladungstransferbereich 26 verbunden. Der Überlaufbereich 27 und der Kanalbereich 32 sind elektrisch mit einer Versorgungsspannung verbunden. Der Kanalbereich 34 ist elektrisch mit einem Ausgangsanschluss verbunden. Die Massebereiche 35 und 36 sind geerdet. Ein elektrisches Potential im Wannenbereich 31 beträgt 0 V. Der zweite Multiplikationsbereich 23b ist durch den Ladungsakkumulationsbereich 24, einen Bereich unmittelbar unterhalb der Überlauf-Gate-Elektrode 43 und den Überlaufbereich 27 auf ein elektrisches Potential von mehr als 0 V festgelegt. Wenn der zweite Multiplikationsbereich 23b auf ein elektrisches Potential von mehr als 0 V fixiert ist, sind der erste Multiplikationsbereich 23a und der Muldenbereich 31 elektrisch voneinander getrennt.
  • Die Gate-Elektrode 44 ist in einem Rücksetztransistor R1 enthalten, um die im Ladungstransferbereich 26 angesammelten Ladungen über den Kanalbereich 32 nach außen zu entladen und den Ladungstransferbereich 26 zurückzusetzen. Die Gate-Elektrode 45 ist in einem Lesetransistor (Source-Folger) R2 enthalten, um die im Ladungstransferbereich 26 angesammelten Ladungen zu lesen. Die Gate-Elektrode 46 ist in einem Auswahltransistor R3 enthalten, um ein Pixel 20 auszuwählen, in dem Ladungen gelesen werden.
  • [Verfahren zum Antreiben des Bildsensors]
  • Ein Betriebsbeispiel des Bildsensors 1 wird mit Bezug auf die 5 bis 9 beschrieben. Ein nachstehender Betrieb wird durch die Steuerung 60 realisiert, die den Bildsensor 1 steuert. Genauer gesagt, wird der Vorgang durch die Steuerung 60 realisiert, die die Steuerspannungen S1 bis S5 steuert. Es ist anzumerken, dass in der folgenden Beschreibung ein „Bereich unmittelbar unter einer Elektrode“ sich auf einen Bereich bezieht, der die Elektrode in Z-Richtung überlappt.
  • Zunächst wird ein erster Rücksetzvorgang zum Rücksetzen des Ladungsakkumulationsbereichs 24 durchgeführt (Zeit T1, 6(a)). Bei dem ersten Rücksetzvorgang werden die elektrischen Potentiale der Ladungssammelelektrode 41 und der Überlauf-Gate-Elektrode 43 so gesteuert, dass die potentielle Energie ϕ41 in einem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 (Ladungsakkumulationsbereich 24) ein hohes Niveau (zweites Niveau) hat und die potentielle Energie ϕ43 in einem Bereich unmittelbar unter der Überlauf-Gate-Elektrode 43 niedriger ist als die potentielle Energie ϕ41. Auf diese Weise werden die im Ladungsakkumulationsbereich 24 verbliebenen Ladungen durch den Überlaufbereich 27 nach außen entladen, und der Ladungsakkumulationsbereich 24 wird zurückgesetzt. Beim ersten Rücksetzvorgang werden die elektrischen Potentiale der Ladungssammelelektrode 41, der Transfer-Gate-Elektrode 42 und der Gate-Elektrode 44 so gesteuert, dass die potentielle Energie ϕ42 in einem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode 42 und die potentielle Energie ϕ44 in einem Bereich unmittelbar unter der Gate-Elektrode 44 höher sind als die potentielle Energie ϕ41.
  • Man beachte, dass, wie in 5 dargestellt, eine Hochpegel-Steuerspannung S2 und eine Niedrigpegel-Steuerspannung S2 an die Ladungssammelelektrode 41 angelegt werden. Beispielsweise ist die Hochpegel-Steuerspannung S2 eine positive Spannung, und die Niedrigpegel-Steuerspannung S2 ist ein elektrisches Potential, das niedriger ist als die Hochpegel-Steuerspannung S2. Die Niedrigpegel-Steuerspannung S2 kann ein positives oder ein negatives elektrisches Potenzial sein. Wenn die Hochpegel-Steuerspannung S2 an die Ladungssammelelektrode 41 angelegt wird, ist die potenzielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 niedrig, und wenn die Niedrigpegel-Steuerspannung S2 an die Ladungssammelelektrode 41 angelegt wird, ist die potenzielle Energie ϕ41 hoch. Auf diese Weise ist eine Beziehung der Größe der potenziellen Energie entgegengesetzt zu einer Beziehung der Größe der Steuerspannung. Diese Punkte werden in ähnlicher Weise auf die Transfer-Gate-Elektrode 42, die Überlauf-Gate-Elektrode 43 und die Gate-Elektrode 44 angewandt. Es ist zu beachten, dass bei der Einstellung der Größe der potentiellen Energie (elektrisches Verarmungspotential) in dem Bereich unmittelbar unter der Elektrode die Größe des elektrischen Potentials, das der Elektrode zugeführt wird, oder die Verunreinigungskonzentration in dem Bereich unmittelbar unter der Elektrode eingestellt werden kann.
  • Weiter werden in der ersten Periode M1 elektrische Potentiale der Ladungssammelelektrode 41, der Transfer-Gate-Elektrode 42 und der Überlauf-Gate-Elektrode 43 so gesteuert, dass die potentielle Energie ϕ43 in dem Bereich unmittelbar unter der Überlauf-Gate-Elektrode 43 höher ist als die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 und niedriger ist als die potentielle Energieϕ42 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode 42. Das heißt, dass die potenzielle Energie ϕ43 so eingestellt ist, dass sie zwischen der potenziellen Energie ϕ41 und der potenziellen Energie ϕ42 liegt. Auf diese Weise können, wie in 7(a) dargestellt, Ladungen, die aus dem Ladungsakkumulationsbereich 24 überlaufen, in den Überlaufbereich 27 bewegt werden. Die in den Überlaufbereich 27 übertragenen Ladungen werden nach außen abgeleitet.
  • In einer ersten Periode M1 nach der Zeit T1 wird ein Ladungsakkumulationsprozess (erster Schritt) zum Akkumulieren von Ladungen, die im Ladungserzeugungsbereich 29 erzeugt werden, im Ladungsakkumulationsbereich 24 ausgeführt (Zeit T2, 6(b)). In der ersten Periode M1 werden die elektrischen Potentiale der Ladungssammelelektrode 41 und der Transfer-Gate-Elektrode 42 so gesteuert, dass die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 das niedrige Niveau (erstes Niveau) ist, das niedriger ist als das hohe Niveau (zweites Niveau), und die potentielle Energie ϕ42 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode 42 höher ist als die potentielle Energie ϕ41.
  • In der ersten Periode M1 wird eine negative Spannung (z.B. maximal -60 V) an den Halbleiterbereich 21 in Bezug auf das elektrische Potenzial im Wannenbereich 31 angelegt. Das heißt, dass eine Sperrvorspannung an einen im Lawinen-Multiplikationsbereich 23 gebildeten pn-Übergang angelegt wird. Auf diese Weise wird in dem Lawinen-Multiplikationsbereich 23 eine elektrische Feldstärke von 3× 105 bis 4× 105 V/cm erzeugt. Wenn in diesem Zustand Licht von der zweiten Oberfläche 2b auf die Halbleiterschicht 2 fällt, werden durch Absorption von Licht in den Halbleiterbereichen 21 und 22 Elektronen erzeugt. Die erzeugten Elektronen werden im Lawinen-Multiplikationsbereich 23 multipliziert und bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit zum Ladungsakkumulationsbereich 24 mit dem höchsten elektrischen Potenzial.
  • Wie oben beschrieben, ist in der ersten Periode M1 die potentielle Energie ϕ42 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfergate-Elektrode 42 höher als die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfergate-Elektrode 42. Daher werden Ladungen, die sich zum Ladungsakkumulationsbereich 24 bewegen, im Ladungsakkumulationsbereich 24 akkumuliert, ohne sich zum Ladungstransferbereich 26 zu bewegen.
  • In der ersten Periode M1 wird ein Pixelauswahlprozess zur Auswahl eines Pixels 20, in welchem Ladungen gelesen werden, ausgeführt (Zeit T3). Bei dem Pixelauswahlverfahren wird das Pixel 20, in dem Ladungen gelesen werden, mit Hilfe des Auswahltransistors R3 ausgewählt.
  • In der ersten Periode M1 wird im Anschluss an den Pixelauswahlprozess ein zweiter Rücksetzprozess zum Zurücksetzen des Ladungstransferbereichs 26 ausgeführt (Zeit T4, 7(b)). Der zweite Rücksetzvorgang wird unter Verwendung des Rücksetztransistors R1 ausgeführt. Bei dem zweiten Rücksetzvorgang wird das elektrische Potenzial der Gate-Elektrode 44 so gesteuert, dass die potenzielle Energie ϕ44 in dem Bereich unmittelbar unter der Gate-Elektrode 44 gesenkt wird. Die potenzielle Energie ϕ44 wird beispielsweise so weit abgesenkt, bis die potenzielle Energie ϕ44 etwa gleich der potenziellen Energie ϕ26 des Ladungstransferbereichs 26 ist. Auf diese Weise werden die im Ladungstransferbereich 26 verbliebenen Ladungen über den Kanalbereich 32 nach außen abgeleitet, und der Ladungstransferbereich 26 wird zurückgesetzt. Nach Abschluss des zweiten Rücksetzvorgangs wird die potenzielle Energie ϕ44 wiederhergestellt.
  • In der ersten Periode M1 wird im Anschluss an den zweiten Rücksetzvorgang (Zeitpunkt T5) ein Rauscherfassungsprozess durchgeführt. Bei der Rauscherfassung wird das kTC-Rauschen im Ladungstransferbereich 26 erfasst. Auf diese Weise kann eine Ausgabe unter Berücksichtigung des kTC-Rauschens berechnet und die Erkennungsgenauigkeit verbessert werden.
  • In der zweiten Periode M2 nach der ersten Periode M1 wird ein Ladungstransferprozess (zweiter Schritt) zur Übertragung von Ladungen aus dem Ladungsakkumulationsbereich 24 in den Ladungstransferbereich 26 ausgeführt (Zeit T6, 8(a)). In der zweiten Periode M2 werden die elektrischen Potentiale der Ladungssammelelektrode 41, der Transfer-Gate-Elektrode 42 und der Überlauf-Gate-Elektrode 43 so gesteuert, dass die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich (dem Ladungsakkumulationsbereich 24) unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 den hohen Pegel hat, die potentielle Energie ϕ42 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode 42 niedriger ist als die potentielle Energie ϕ41 und die potentielle Energie ϕ 43 in dem Bereich unmittelbar unter der Überlauf-Gate-Elektrode 43 höher ist als die potentielle Energie ϕ41. Auf diese Weise werden die im Ladungsakkumulationsbereich 24 angesammelten Ladungen in den Ladungstransferbereich 26 übertragen.
  • Anschließend wird ein Lesevorgang zum Lesen der im Ladungstransferbereich 26 angesammelten Ladungen ausgeführt (Zeitpunkt T7, 8(b)). Bei dem Lesevorgang werden die im Ladungstransferbereich 26 angesammelten Ladungen mit Hilfe des Lesetransistors R2 gelesen. Bei dem Lesevorgang werden die elektrischen Potentiale der Ladungssammelelektrode 41, der Transfer-Gate-Elektrode 42 und der Überlauf-Gate-Elektrode 43 so gesteuert, dass die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 ein hohes Niveau hat, die potentielle Energie ϕ42 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode 42 höher ist als die potentielle Energie ϕ41 und die potentielle Energie ϕ43 in dem Bereich unmittelbar unter der Überlauf-Gate-Elektrode 43 niedriger ist als die potentielle Energie ϕ41 .
  • Anschließend wird ein dritter Rücksetzvorgang zum Zurücksetzen des Ladungstransferbereichs 26 ausgeführt (Zeitpunkt T8, 9). Der dritte Rücksetzvorgang wird mit Hilfe des Rücksetztransistors R1 ausgeführt. Bei dem dritten Rücksetzvorgang wird das elektrische Potenzial der Gate-Elektrode 44 so gesteuert, dass die potenzielle Energie ϕ44 in dem Bereich unmittelbar unter der Gate-Elektrode 44 gesenkt wird. Die potenzielle Energie ϕ44 wird z.B. so weit abgesenkt, bis die potenzielle Energie ϕ44 etwa der potenziellen Energie ϕ26 im Ladungstransferbereich 26 entspricht. Auf diese Weise werden die im Ladungstransferbereich 26 verbliebenen Ladungen über den Kanalbereich 32 nach außen abgeleitet, und der Ladungstransferbereich 26 wird zurückgesetzt. Nach Abschluss des dritten Rücksetzvorgangs ist die potenzielle Energie ϕ4 4 wiederhergestellt.
  • Anschließend wird ein Abwahlvorgang zur Abwahl des ausgewählten Pixels 20 durchgeführt (Zeitpunkt T9) . Der Abwahlvorgang wird mit Hilfe des Auswahltransistors R3 durchgeführt. Nach dem Abwahlprozess und bis zum Start eines nachfolgenden Ladungsakkumulationsprozesses befindet sich der Bildsensor 1 in demselben Zustand wie während des ersten Rücksetzprozesses (Zeit T10) . Das heißt, die elektrischen Potentiale der Ladungssammelelektrode 41, der Transfer-Gate-Elektrode 42 und der Überlauf-Gate-Elektrode 43 werden so gesteuert, dass die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 hoch ist, die potentielle Energie ϕ42 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode 42 höher ist als die potentielle Energie ϕ41, und die potentielle Energie ϕ43 in dem Bereich unmittelbar unter der Überlauf-Gate-Elektrode 43 niedriger ist als die potentielle Energie ϕ41. Auf diese Weise werden Ladungen, die in den Ladungsakkumulationsbereich 24 fließen, durch den Überlaufbereich 27 nach außen abgeleitet.
  • [Funktion und Wirkung]
  • In der Lichtdetektionsvorrichtung 100 wird in der ersten Periode M1 die potentielle Energie ϕ42 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode 42 so eingestellt, dass sie höher ist als die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich (dem Ladungsakkumulationsbereich 24) unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41, und die in dem Ladungserzeugungsbereich 29 erzeugten Ladungen werden in dem Ladungsakkumulationsbereich 24 gespeichert. In der zweiten Periode M2 wird die potentielle Energie ϕ42 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode 42 niedriger eingestellt als die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41, und Ladungen werden von dem Ladungsakkumulationsbereich 24 zu dem Ladungstransferbereich 26 übertragen. In der Lichtdetektionsvorrichtung 100 wird in der ersten Periode M1 die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 auf ein niedriges Niveau (erstes Niveau) eingestellt, das niedriger ist als ein hohes Niveau (zweites Niveau). Auf diese Weise kann eine potentielle Energiewanne in dem Ladungsakkumulationsbereich 24 vertieft und eine gesättigte Ladungsmenge in dem Ladungsakkumulationsbereich 24 erhöht werden. Währenddessen wird in der zweiten Periode M2 die potenzielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 auf den hohen Pegel gesetzt, der höher ist als der niedrige Pegel. Auf diese Weise kann die Differenz der potentiellen Energie zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich 24 und dem Ladungstransferbereich 26 erhöht und kann die Effizienz der Ladungsübertragung verbessert werden. Daher ist es gemäß der Lichtdetektionsvorrichtung 100 möglich, sowohl eine Erhöhung der gesättigten Ladungsmenge als auch eine Verbesserung der Ladungsübertragungseffizienz zu erreichen.
  • Das heißt, dass in der Lichtdetektionsvorrichtung 100 sowohl die Erhöhung der gesättigten Ladungsmenge als auch die Verbesserung des Ladungstransfereffekts dadurch erreicht werden, dass die Ladungssammelelektrode 41 auf dem Ladungsakkumulationsbereich 24 vorgesehen wird und die Größe der potentiellen Energie ϕ 41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 zwischen der ersten Periode M1 und der zweiten Periode M2 geändert wird. Dieser Punkt wird unter Bezugnahme auf die 10 bis 12 näher beschrieben. 10 und 11 illustrieren Betriebsbeispiele des Bildsensors, wenn die potentielle Energie ϕ41 als Vergleichsbeispiel konstant ist. 10 (a) und 10 (b) illustrieren ein erstes Betriebsbeispiel, bei dem die potenzielle Energie ϕ41 im Vergleichsbeispiel konstant auf einem niedrigen Niveau ist. 11 (a) und 11(b) illustrieren ein zweites Betriebsbeispiel, bei dem die potenzielle Energie ϕ41 im Vergleichsbeispiel auf einem hohen Niveau konstant ist. 12(a) und 12 (b) illustrieren ein Betriebsbeispiel des Bildsensors 1 in der Lichtdetektionsvorrichtung 100. Es ist anzumerken, dass in den 10 bis 12 die Darstellung des Überlaufbereichs und der Überlauf-Gate-Elektrode weggelassen ist.
  • Im Vergleichsbeispiel ist es im ersten Betriebsbeispiel, in dem die potentielle Energie ϕ41 konstant auf einem niedrigen Niveau ist, wie in 10(a) illustriert, während der Ladungsakkumulation möglich, die potentielle Energiequelle im Ladungsakkumulationsbereich 24 zu vertiefen. Wie in 10(b) illustriert, ist andererseits der Unterschied in der potentiellen Energie zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich 24 und dem Ladungstransferbereich 26 während der Ladungsübertragung gering, und die Effizienz der Ladungsübertragung ist niedrig. Eine Ladungsmenge, die vollständig vom Ladungsakkumulationsbereich 24 zum Ladungstransferbereich 26 übertragen werden kann, entspricht etwa dem Wert, der sich aus der Multiplikation der Differenz der potentiellen Energie zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich 24 und dem Ladungstransferbereich 26 mit der Kapazität des Ladungstransferbereichs 26 ergibt. Wenn der Unterschied in der potentiellen Energie klein ist, verringert sich daher die Menge, die vollständig übertragen werden kann, und die Detektionsempfindlichkeit sinkt. Wenn der Unterschied in der potentiellen Energie klein ist, ist es außerdem wahrscheinlich, dass eine Barriere auf einem Übertragungspfad auftritt, was ebenfalls die Übertragungseffizienz senkt.
  • In dem Vergleichsbeispiel ist in dem zweiten Betriebsbeispiel, in dem die potentielle Energie ϕ41 konstant auf einem hohen Niveau ist, wie in 11(b) illustriert, während der Ladungsübertragung ein Unterschied in der potentiellen Energie zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich 24 und dem Ladungstransferbereich 26 groß, und die Ladungstransfereffizienz kann sichergestellt werden. Währenddessen ist, wie in 11(a) dargestellt, während der Ladungsakkumulation die potentielle Energiequelle im Ladungsakkumulationsbereich 24 flach, und die gesättigte Ladungsmenge im Ladungsakkumulationsbereich 24 nimmt ab. Da die potenzielle Energie ϕ41 konstant ist, ist es im Vergleichsbeispiel auf diese Weise möglich, entweder einen Anstieg bei der gesättigten Ladungsmenge oder die Verbesserung der Ladungsübertragungseffizienz zu erreichen.
  • Im Gegensatz dazu wird bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Ansteuerung des Bildsensors 1, wie in 12(a) illustriert, während der Ladungsakkumulation die potentielle Energie ϕ41 auf einen niedrigen Pegel gesetzt, und somit ist es möglich, die Potential-Energiewanne in dem Ladungsakkumulationsbereich 24 zu vertiefen und die gesättigte Ladungsmenge in dem Ladungsakkumulationsbereich 24 zu erhöhen. Darüber hinaus ist es möglich, einen elektrischen Potentialgradientenbereich A zu erweitern, der an einer Kante des Ladungsakkumulationsbereichs 24 gebildet wird, und als Ergebnis ist es möglich, eine Bewegungsgeschwindigkeit von Ladungen zu erhöhen, die in den Ladungsakkumulationsbereich 24 fließen. Darüber hinaus ist es, wie in 12(b) illustriert, während des Ladungstransfers möglich, die Differenz der potentiellen Energie zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich 24 und dem Ladungstransferbereich 26 zu erhöhen und die Effizienz der Ladungsübertragung zu verbessern, da die potentielle Energie ϕ41 auf ein hohes Niveau eingestellt ist. Wie oben beschrieben, werden bei dem Verfahren zum Antreiben des Bildsensors 1 das elektrische Potenzial der Ladungssammelelektrode 41 und das elektrische Potenzial der Transfer-Gate-Elektrode 42 synchron gesteuert. Dadurch ist es möglich, sowohl die Erhöhung der gesättigten Ladungsmenge als auch die Verbesserung der Ladungstransfereffizienz zu erreichen.
  • Der Ladungserzeugungsbereich 29 schließt den Lawinen-Multiplikationsbereich 23 ein. Auf diese Weise kann im Ladungserzeugungsbereich 29 eine Lawinen-Multiplikation veranlasst und die Nachweisempfindlichkeit erhöht werden. Gleichzeitig ist in diesem Fall die Menge der im Ladungserzeugungsbereich 29 erzeugten Ladung extrem groß. In der Lichtdetektionsvorrichtung 100 wird jedoch die gesättigte Ladungsmenge wie oben beschrieben erhöht, so dass die Sättigung der Kapazität selbst in einem solchen Fall unterdrückt werden kann.
  • In der ersten Periode M1 werden die elektrischen Potentiale der Ladungssammelelektrode 41, der Transfer-Gate-Elektrode 42 und der Überlauf-Gate-Elektrode 43 so gesteuert, dass die potentielle Energie ϕ43 in dem Bereich unmittelbar unter der Überlauf-Gate-Elektrode 43 höher ist als die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 und niedriger ist als die potentielle Energie ϕ42 in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode 42. Auf diese Weise können Ladungen, die während der ersten Periode M1 aus dem Ladungsakkumulationsbereich 24 überfließen, in den Überlaufbereich 27 bewegt werden.
  • Der Bildsensor 1 hat einen anderen Leitfähigkeitstyp als der Ladungsakkumulationsbereich 24, und der dazwischenliegende Bereich 25 ist zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich 24 und der Ladungssammelelektrode 41 angeordnet. Auf diese Weise kann die Erzeugung von Dunkelstrom um die Ladungssammelelektrode 41 unterdrückt werden.
  • Darüber hinaus kann in einem Zustand, in dem ein elektrisches Potential an die Ladungssammelelektrode 41 angelegt wird, so dass die potentielle Energie ϕ41 in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode 41 den hohen Pegel hat (ein Zustand, in dem die Niedrigpegel-Steuerspannung S2 an die Ladungssammelelektrode 41 angelegt wird), die Erzeugung von Dunkelstrom um die Ladungssammelelektrode 41 aus dem folgenden Grund durch den Zwischenbereich 25 wirksam unterdrückt werden. Wenn die Lochkonzentration an einer Grenzfläche des Zwischenbereichs 25 (einer der Ladungssammelelektrode 41 zugewandten Oberfläche) zunimmt, nimmt der Dunkelstrom ab. Wenn der Zwischenbereich 25 durch Ionenimplantation gebildet wird, erreicht die Lochkonzentration im Zwischenbereich 25 an einer von der Grenzfläche entfernten Position einen Spitzenwert. Durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die Ladungssammelelektrode 41, wie oben beschrieben, kann die Lochkonzentration in einem Bereich unmittelbar unterhalb der Grenzfläche des Zwischenbereichs 25 durch den Akkumulationseffekt erhöht und die Erzeugung von Dunkelstrom wirksam unterdrückt werden.
  • Es ist zu beachten, dass es einen Entfernungsmess-Sensor als Bildsensor gibt, der Ladungen unter Verwendung einer Transfer-Gate-Elektrode überträgt. Der Entfernungsmesser-Sensor verwendet eine Vielzahl von Transfer-Gate-Elektroden, um Ladungen auf eine Vielzahl von Ladungsübertragungsbereichen zu verteilen. Im Entfernungsmess-Sensor ist eine Photogate-Elektrode auf einem Ladungsverteilungsbereich angeordnet, um Ladungen anzuziehen. Das elektrische Potential der Photogate-Elektrode wird konstant gehalten. Das heißt, dass sich das elektrische Potenzial der Photogate-Elektrode des Entfernungsmessers im Gegensatz zur Ladungssammelelektrode 41 des oben beschriebenen Bildsensors 1 nicht in Abhängigkeit von einer Periode ändert. Im Entfernungsmess-Sensor werden Ladungen, die in den Ladungsverteilungsbereich fließen, sofort in den Ladungstransferbereich übertragen, so dass sich keine Ladungen im Ladungsverteilungsbereich ansammeln. Daher ist es nicht erforderlich, die gesättigte Ladungsmenge in dem Ladungsverteilungsbereich zu erhöhen.
  • Die Offenbarung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel sind Material und Form jeder Konfiguration nicht auf das oben erwähnte Material und die Form beschränkt, und es können verschiedene Materialien und Formen verwendet werden. Die Ladungen, die in den Überlaufbereich 27 übertragen werden, müssen nicht entladen werden. Die Ladungen können beispielsweise im Überlaufbereich 27 angesammelt werden, und die angesammelten Ladungen können ausgelesen werden. In diesem Fall ist es möglich, neben dem Überlaufbereich 27 einen Entladebereich vorzusehen, um die im Ladungsakkumulationsbereich 24 verbliebenen Ladungen nach außen zu entladen. Der Zwischenbereich 25 muss nicht vorgesehen werden. In diesem Fall kann der Ladungsakkumulationsbereich 24 die erste Oberfläche 2a der Halbleiterschicht 2 erreichen.
  • Im Bildsensor 1 kann das Licht entweder von der ersten oder von der zweiten Seite auf die Halbleiterschicht 2 einfallen. Die Leitfähigkeitstypen des p-Typs und des n-Typs können den oben beschriebenen Typen entgegengesetzt sein. Die Vielzahl der Pixel 20 kann eindimensional entlang der ersten Oberfläche 2a der Halbleiterschicht 2 angeordnet sein. Alternativ kann auch nur ein einziges Pixel 20 vorgesehen sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bildsensor (Lichtsensor),
    23
    Lawinen-Multiplikationsbereich,
    24
    Ladungsakkumulationsbereich,
    25
    Zwischenbereich,
    26
    Ladungstransferbereich,
    27
    Überlaufbereich,
    29
    Ladungserzeugungsbereich,
    41
    Ladungssammelelektrode,
    42
    Transfer-Gate-Elektrode,
    43
    Überlauf-Gate-Elektrode,
    60
    Steuerung,
    100
    Lichtdetektionsvorrichtung,
    M1
    erste Periode,
    M2
    zweitePeriode,
    ϕ41
    potentielle Energie im Bereich unmittelbar unter derLadungssammelelektrode,
    ϕ42
    potentielle Energie im Bereichunmittelbar unter der Gate-Elektrode,
    ϕ43
    potentielle Energie imBereich unmittelbar unter der Überlauf-Gate-Elektrode.
  • 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 20155752 A [0003]

Claims (5)

  1. Lichtdetektionsvorrichtung, umfassend: einen Lichtsensor, und eine Steuerung, die den Lichtsensor steuert, wobei: der Lichtsensor umfasst: einen Ladungserzeugungsbereich, der als Reaktion auf einfallendes Licht Ladungen erzeugt; einen Ladungsakkumulationsbereich, in dem die im Ladungserzeugungsbereich erzeugten Ladungen akkumuliert werden; einen Ladungstransferbereich, in den Ladungen aus dem Ladungsakkumulationsbereich übertragen werden; eine Ladungssammelelektrode, die auf dem Ladungsspeicherbereich angeordnet ist; und eine Transfer-Gate-Elektrode, die in einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Ladungstransferbereich angeordnet ist, und die Steuerung: elektrische Potentiale der Ladungssammelelektrode und der Transfer-Gate-Elektrode so steuert, dass die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unterhalb der Ladungssammelelektrode ein erstes Niveau hat und die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unterhalb der Transfer-Gate-Elektrode höher ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unterhalb der Ladungssammelelektrode, in einer ersten Periode; und elektrische Potentiale der Ladungssammelelektrode und der Transfer-Gate-Elektrode so steuert, dass die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode ein zweites Niveau höher als das erste Niveau ist, und die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode niedriger als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode in einer zweiten Periode nach der ersten Periode ist.
  2. Lichtdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Ladungserzeugungsbereich einen Lawinen-Multiplikationsbereich umfasst.
  3. Die Lichtdetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: der Lichtsensor weiter beinhaltet: einen Überlaufbereich; und eine Überlauf-Gate-Elektrode, die in einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Überlaufbereich angeordnet ist, und die Steuerung elektrische Potentiale der Ladungssammelelektrode, der Transfer-Gate-Elektrode und der Überlauf-Gate-Elektrode so steuert, dass die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unterhalb der Überlauf-Gate-Elektrode höher ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unterhalb der Ladungssammelelektrode und niedriger ist als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unterhalb der Transfer-Gate-Elektrode in der ersten Periode.
  4. Lichtdetektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lichtsensor ferner einen Zwischenbereich mit einem Leitfähigkeitstyp aufweist, der sich von einem Leitfähigkeitstyp des Ladungsakkumulationsbereichs unterscheidet und zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und der Ladungssammelelektrode angeordnet ist.
  5. Verfahren zum Antreiben eines Lichtsensors, wobei der Lichtsensor beinhaltet: einen Ladungserzeugungsbereich, der als Reaktion auf einfallendes Licht Ladungen erzeugt; einen Ladungsakkumulationsbereich, in dem die im Ladungserzeugungsbereich erzeugten Ladungen akkumuliert werden; einen Ladungstransferbereich, in den Ladungen aus dem Ladungsakkumulationsbereich übertragen werden; eine Ladungssammelelektrode, die auf dem Ladungsakkumulationsbereich angeordnet ist; und eine Transfer-Gate-Elektrode, die in einem Bereich zwischen dem Ladungsakkumulationsbereich und dem Ladungstransferbereich angeordnet ist, und wobei das Verfahren zum Antreiben des Lichtsensors umfasst: einen ersten Schritt des Steuerns elektrischer Potentiale der Ladungssammelelektrode und der Transfer-Gate-Elektrode so, dass die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode ein erstes Niveau hat und die potentielle Energie in einem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode höher als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode ist; und einen zweiten Schritt des Steuerns elektrischer Potentiale der Ladungssammelelektrode und der Transfer-Gate-Elektrode so, dass die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode ein zweites Niveau höher als das erste Niveau ist, und die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Transfer-Gate-Elektrode niedriger als die potentielle Energie in dem Bereich unmittelbar unter der Ladungssammelelektrode nach dem ersten Schritt ist.
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