JP2018186267A - 光検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光検出装置は、第1不純物領域212および第2不純物領域214を含む半導体基板200と、半導体基板200の第1不純物領域212と第2不純物領域214とで挟まれた領域上に位置し、光電変換層114Pを含むゲート絶縁層114と、ゲート絶縁層上の透明ゲート電極112と、光電変換層114Pへの光の入射に起因する光電変換層114Pの誘電率の変化に応じて第1不純物領域212および第2不純物領域214の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第1電荷転送経路Ch1とを有する。
【選択図】図2
Description
第1不純物領域および第2不純物領域を含む半導体基板と、
半導体基板の第1不純物領域と第2不純物領域とで挟まれた領域上に位置し、光電変換層を含むゲート絶縁層と、
ゲート絶縁層上の透明ゲート電極と、
光電変換層への光の入射に起因する光電変換層の誘電率の変化に応じて第1不純物領域および第2不純物領域の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第1電荷転送経路と、
第1電荷転送経路の途中から分岐する第2電荷転送経路と、
信号電荷のうち、第2電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第1電荷蓄積部と、
第2電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第1ゲートと
を備える、光検出装置。
ゲート絶縁層は、光電変換層と半導体基板との間の絶縁層を含む、項目1に記載の光検出装置。
透明ゲート電極と半導体基板との間に遮光膜を備える、項目1または2に記載の光検出装置。
光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲と、第1電圧範囲と第2電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が第1電圧範囲および第2電圧範囲よりも小さい第3電圧範囲とを有する光電流特性を有する、項目1から3のいずれか1項に記載の光検出装置。
第1不純物領域の電圧を基準としたときに第3電圧範囲内にある電圧を透明ゲート電極に供給する第1電圧供給回路をさらに備え、
第1不純物領域および透明ゲート電極の間の電位差が第3電圧範囲内に維持された状態で、光電変換層の誘電率の変化に対応した電流を第1不純物領域および第2不純物領域の間に生じさせる、項目4に記載の光検出装置。
第1電圧供給回路をさらに備え、
第1電圧供給回路は、光電変換層に第3電圧範囲内のバイアス電圧が印加されるように透明ゲート電極に電圧を印加し、
光電変換層に印加されるバイアス電圧が第3電圧範囲内に維持された状態で、光電変換層の誘電率の変化に対応した電流を第1不純物領域および第2不純物領域の間に生じさせる、項目4に記載の光検出装置。
[項目7]
第2電圧供給回路をさらに備え、
半導体基板は、第3不純物領域を含み、
第1電荷転送経路の一端は第2不純物領域に接続され、第1電荷転送経路の他端は第3不純物領域に接続され、
第2電圧供給回路は、第1不純物領域の電圧とは異なる電圧を第3不純物領域に供給する、項目1から6のいずれか1項に記載の光検出装置。
第1不純物領域および第2不純物領域を含む半導体基板と、
半導体基板の第1不純物領域と第2不純物領域とで挟まれた領域上に位置するゲート絶縁層と、
ゲート絶縁層上のゲート電極と、
ゲート電極に電気的に接続された第1電極と、
第1電極に対向する透光性の第2電極と、
第1電極と第2電極との間に配置された光電変換層と、
光電変換層への光の入射に起因する第1電極および第2電極の間の誘電率の変化に応じて第1不純物領域および第2不純物領域の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第1電荷転送経路と、
第1電荷転送経路の途中から分岐する第2電荷転送経路と、
信号電荷のうち、第2電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第1電荷蓄積部と、
第2電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第1ゲートと
を備える、光検出装置。
光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲と、第1電圧範囲と第2電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が第1電圧範囲および第2電圧範囲よりも小さい第3電圧範囲とを有する光電流特性を有する、項目8に記載の光検出装置。
第1電極と光電変換層との間の第1絶縁層、および、光電変換層と第2電極との間の第2絶縁層の少なくとも一方をさらに備える、項目8または9に記載の光検出装置。
第1不純物領域の電圧を基準としたときに第1電圧範囲内にある電圧を第2電極に供給する第1電圧供給回路をさらに備え、
第1不純物領域および第2電極の間の電位差が第1電圧範囲内に維持された状態で、第1電極および第2電極の間の誘電率の変化に対応した電流を第1不純物領域および第2不純物領域の間に生じさせる、項目9または10に記載の光検出装置。
第1不純物領域の電圧を基準としたときに第3電圧範囲内にある電圧を第2電極に供給する第1電圧供給回路をさらに備え、
第1不純物領域および第2電極の間の電位差が第3電圧範囲内に維持された状態で、第1電極および第2電極の間の誘電率の変化に対応した電流を第1不純物領域および第2不純物領域の間に生じさせる、項目9または10に記載の光検出装置。
第1電圧供給回路をさらに備え、
第1電圧供給回路は、光電変換層に第3電圧範囲内のバイアス電圧が印加されるように第2電極に電圧を印加し、
光電変換層に印加されるバイアス電圧が第3電圧範囲内に維持された状態で、光電変換層の誘電率の変化に対応した電流を第1不純物領域および第2不純物領域の間に生じさせる、項目9または10に記載の光検出装置。
第1電極は、遮光性を有する、項目8から13のいずれか1項に記載の光検出装置。
ゲート電極と第1電極とを接続する接続部を備える、項目8から14のいずれか1項に記載の光検出装置。
第1電荷転送経路の途中から分岐する第3電荷転送経路と、
信号電荷のうち、第3電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第2電荷蓄積部と、
をさらに備える、項目1から15のいずれか1項に記載の光検出装置。
第3電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第2ゲートをさらに備え、
第1ゲートと第2ゲートとは互いに独立して電荷の転送および遮断を切り替える、項目16に記載の光検出装置。
第2電圧供給回路をさらに備え、
半導体基板は、第3不純物領域を含み、
第1電荷転送経路の一端は第2不純物領域に接続され、第1電荷転送経路の他端は第3不純物領域に接続され、
第2電圧供給回路は、第1不純物領域の電圧と異なる電圧を第3不純物領域に供給する、項目8から17のいずれか1項に記載の光検出装置。
図1〜図3は、本開示の第1の実施形態による光検出装置を示す。図2は、図1に示すA−A’線断面を示す。図3は、図1に示すB−B’線断面を示す。参考のために、図1〜図3には、互いに直交するX方向、Y方向およびZ方向を示す矢印を図示している。他の図面においても、X方向、Y方向またはZ方向を示す矢印を図示することがある。なお、図1〜図3は、光検出装置を構成する各部の配置をあくまでも模式的に示し、これらの図面に示す各部の寸法は、必ずしも現実のデバイスにおける寸法を厳密に反映しない。このことは、本開示の他の図面に関しても同様である。
以下、光検出装置100Aにおける動作の典型例を説明する。
図7は、光検出装置100Aの撮像装置への適用例を説明するための例示的な回路構成を模式的に示す。図7に示す撮像装置100は、上述の光電変換構造110Aおよび電荷転送構造120Aの組を複数有する。なお、図7では、図面が過度に複雑になることを避けるために、光電変換構造110Aが白い矩形で模式的に示されている。
図8は、本開示の第2の実施形態による光検出装置の電荷転送構造の一例を模式的に示す。図8に示す光検出装置100Bは、光電変換構造および電荷転送構造を有する点で、図1〜図3に示す光検出装置100Aと共通する。ただし、光検出装置100Bは、上述の電荷転送構造120Aに代えて、電荷転送構造120Bを有する。図8では、光検出装置100Bが有する光電変換構造110Aの図示が省略されている。図8に示す電荷転送構造120Bと、図6などを参照して説明した電荷転送構造120Aとの間の主な相違点は、電荷転送構造120Bが、第1電荷転送経路Ch1に沿って配置された複数の電荷蓄積部を有する点である。
次に、図9を参照しながら、電荷転送構造120Bを利用した信号検出動作の一例を説明する。図9は、電荷転送構造120Bの平面図と、ある時刻における、第1電荷転送経路Ch1内の信号電荷の分布の一例とをあわせて示す。
図11は、本開示の第3の実施形態による光検出装置の断面を模式的に示す。図11に示す光検出装置100Cは、光電変換構造および電荷転送構造を有する点で、図1〜図3に示す光検出装置100Aと共通する。ただし、光検出装置100Cは、光電変換構造110Aに代えて、光電変換構造110Bを有する。
以下、光電変換層114P、74の構成の典型例を詳細に説明する。ここでは、光電変換層74を例にとって説明する。
図14は、光電変換層74における光電流特性の典型例を示す。図14中、太い実線のグラフは、光が照射された状態における、光電変換層74の例示的な電流−電圧特性を示している。なお、図14には、光が照射されていない状態における電流−電圧特性の一例も、太い破線によってあわせて示されている。
図15は、本開示の光検出装置の他の変形例を示す。図15に示す光検出装置100Dは、図11を参照して説明した光検出装置100Cと比較して、光電変換構造110Bに代えて、光電変換構造110Cを有する。図11に示す光電変換構造110Bと、光検出装置100Dの光電変換構造110Cとの間の相違点は、光電変換構造110Cが、光電変換層74と下部電極76との間に配置された絶縁層78をさらに有している点である。
12 第2電圧線
23 第3電圧線
24 第4電圧線
25 第5電圧線
26、26a〜26d ゲート制御線
28、28a〜28d 読み出し線
32 電源線
36 垂直信号線
42 信号検出トランジスタ
44 アドレストランジスタ
46 リセットトランジスタ
51、52 電圧供給回路
60 電界効果トランジスタ
64 ゲート絶縁層
66 ゲート電極
68 接続部
72 上部電極
74 光電変換層
76 下部電極
78 絶縁層
100 撮像装置
100A〜100D 光検出装置
110A〜110C 光電変換構造
112 透明ゲート電極
114 ゲート絶縁層
114P 光電変換層
114S 絶縁層
120A〜120C 電荷転送構造
124S、126S 絶縁層
200 半導体基板
212、214、222 不純物領域
300 遮光膜
Ch1 第1電荷転送経路
Ch2 第2電荷転送経路
FD、FDa〜FDd 電荷蓄積部
Gt ゲート
Px 画素
SC 信号検出回路
Tc 制御電極
Tx、Txa〜Txd 転送ゲート電極
Claims (18)
- 第1不純物領域および第2不純物領域を含む半導体基板と、
前記半導体基板の前記第1不純物領域と前記第2不純物領域とで挟まれた領域上に位置し、光電変換層を含むゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上の透明ゲート電極と、
前記光電変換層への光の入射に起因する前記光電変換層の誘電率の変化に応じて前記第1不純物領域および前記第2不純物領域の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第1電荷転送経路と、
前記第1電荷転送経路の途中から分岐する第2電荷転送経路と、
前記信号電荷のうち、前記第2電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第1電荷蓄積部と、
前記第2電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第1ゲートと
を備える、光検出装置。 - 前記ゲート絶縁層は、前記光電変換層と前記半導体基板との間の絶縁層を含む、請求項1に記載の光検出装置。
- 前記透明ゲート電極と前記半導体基板との間に遮光膜を備える、請求項1または2に記載の光検出装置。
- 前記光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲と、前記第1電圧範囲と前記第2電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が前記第1電圧範囲および前記第2電圧範囲よりも小さい第3電圧範囲とを有する光電流特性を有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の光検出装置。
- 前記第1不純物領域の電圧を基準としたときに前記第3電圧範囲内にある電圧を前記透明ゲート電極に供給する第1電圧供給回路をさらに備え、
前記第1不純物領域および前記透明ゲート電極の間の電位差が前記第3電圧範囲内に維持された状態で、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第1不純物領域および前記第2不純物領域の間に生じさせる、請求項4に記載の光検出装置。 - 第1電圧供給回路をさらに備え、
前記第1電圧供給回路は、前記光電変換層に前記第3電圧範囲内のバイアス電圧が印加されるように前記透明ゲート電極に電圧を印加し、
前記光電変換層に印加されるバイアス電圧が前記第3電圧範囲内に維持された状態で、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第1不純物領域および前記第2不純物領域の間に生じさせる、請求項4に記載の光検出装置。 - 第2電圧供給回路をさらに備え、
前記半導体基板は、第3不純物領域を含み、
前記第1電荷転送経路の一端は前記第2不純物領域に接続され、前記第1電荷転送経路の他端は前記第3不純物領域に接続され、
前記第2電圧供給回路は、前記第1不純物領域の電圧とは異なる電圧を前記第3不純物領域に供給する、請求項1から6のいずれか1項に記載の光検出装置。 - 第1不純物領域および第2不純物領域を含む半導体基板と、
前記半導体基板の前記第1不純物領域と前記第2不純物領域とで挟まれた領域上に位置するゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上のゲート電極と、
前記ゲート電極に電気的に接続された第1電極と、
前記第1電極に対向する透光性の第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に配置された光電変換層と、
前記光電変換層への光の入射に起因する前記第1電極および前記第2電極の間の誘電率の変化に応じて前記第1不純物領域および前記第2不純物領域の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第1電荷転送経路と、
前記第1電荷転送経路の途中から分岐する第2電荷転送経路と、
前記信号電荷のうち、前記第2電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第1電荷蓄積部と、
前記第2電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第1ゲートと
を備える、光検出装置。 - 前記光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲と、前記第1電圧範囲と前記第2電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が前記第1電圧範囲および前記第2電圧範囲よりも小さい第3電圧範囲とを有する光電流特性を有する、請求項8に記載の光検出装置。
- 前記第1電極と前記光電変換層との間の第1絶縁層、および、前記光電変換層と前記第2電極との間の第2絶縁層の少なくとも一方をさらに備える、請求項9に記載の光検出装置。
- 前記第1不純物領域の電圧を基準としたときに前記第1電圧範囲内にある電圧を前記第2電極に供給する第1電圧供給回路をさらに備え、
前記第1不純物領域および前記第2電極の間の電位差が前記第1電圧範囲内に維持された状態で、前記第1電極および前記第2電極の間の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第1不純物領域および前記第2不純物領域の間に生じさせる、請求項9または10に記載の光検出装置。 - 前記第1不純物領域の電圧を基準としたときに前記第3電圧範囲内にある電圧を前記第2電極に供給する第1電圧供給回路をさらに備え、
前記第1不純物領域および前記第2電極の間の電位差が前記第3電圧範囲内に維持された状態で、前記第1電極および前記第2電極の間の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第1不純物領域および前記第2不純物領域の間に生じさせる、請求項9または10記載の光検出装置。 - 第1電圧供給回路をさらに備え、
前記第1電圧供給回路は、前記光電変換層に前記第3電圧範囲内のバイアス電圧が印加されるように前記第2電極に電圧を印加し、
前記光電変換層に印加されるバイアス電圧が前記第3電圧範囲内に維持された状態で、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第1不純物領域および前記第2不純物領域の間に生じさせる、請求項9または10に記載の光検出装置。 - 第2電圧供給回路をさらに備え、
前記半導体基板は、第3不純物領域を含み、
前記第1電荷転送経路の一端は前記第2不純物領域に接続され、前記第1電荷転送経路の他端は前記第3不純物領域に接続され、
前記第2電圧供給回路は、前記第1不純物領域の電圧とは異なる電圧を前記第3不純物領域に供給する、請求項8から13のいずれか1項に記載の光検出装置。 - 前記第1電極は、遮光性を有する、請求項8から14のいずれか1項に記載の光検出装置。
- 前記ゲート電極と前記第1電極とを接続する接続部を備える、請求項8から15のいずれか1項に記載の光検出装置。
- 前記第1電荷転送経路の途中から分岐する第3電荷転送経路と、
前記信号電荷のうち、前記第3電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第2電荷蓄積部と
をさらに備える、請求項1から16のいずれか1項に記載の光検出装置。 - 前記第3電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第2ゲートをさらに備え、
前記第1ゲートと前記第2ゲートとは互いに独立して電荷の転送および遮断を切り替える、請求項17に記載の光検出装置。
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