JP2641416B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents

Photoelectric conversion device

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JP2641416B2
JP2641416B2 JP7261344A JP26134495A JP2641416B2 JP 2641416 B2 JP2641416 B2 JP 2641416B2 JP 7261344 A JP7261344 A JP 7261344A JP 26134495 A JP26134495 A JP 26134495A JP 2641416 B2 JP2641416 B2 JP 2641416B2
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忠弘 大見
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光電変換装置に係り、特
に光入射により発生したキャリアを蓄積し、蓄積された
キャリアに基づいて信号を読み出す光電変換装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a photoelectric conversion device for storing carriers generated by light incidence and reading out a signal based on the stored carriers.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年光電変換装置殊に、固体撮像装置に
関する研究が、半導体技術の進展と共に積極的に行わ
れ、一部では実用化され始めている。これらの固体撮像
装置は、大きく分けるとCCD型とMOS型の2つに分
類される。CCD型撮像装置は、MOSキャパシタ電極
下にポテンシャルの井戸を形成し、光の入射により発生
した電荷をこの井戸に蓄積し、読出し時には、これらの
ポテンシャルの井戸を、電極にかけるパルスにより順次
動かして、蓄積された電荷を出力アンプ部まで転送して
読出すという原理を用いている。またCCD型撮像装置
の中には、受光部はpn接合ダイオード構造を使い、転
送部はCCD構造で行なうというタイプのものもある。
また一方、MOS型撮像装置は、受光部を構成するpn
接合よりなるフォトダイオードの夫々に光の入射により
発生した電荷を蓄積し、読出し時には、それぞれのフォ
トダイオードに接続されたMOSスイッチングトランジ
スタを順次オンすることにより蓄積された電荷を出力ア
ンプ部に読出すという原理を用いている。
2. Description of the Related Art In recent years, research on photoelectric conversion devices, particularly solid-state imaging devices, has been actively conducted with the progress of semiconductor technology, and some of them have begun to be put into practical use. These solid-state imaging devices can be broadly classified into two types: CCD type and MOS type. The CCD type imaging device forms a potential well under the MOS capacitor electrode, accumulates the charge generated by the incidence of light in this well, and sequentially moves these potential wells by a pulse applied to the electrode during reading. The principle is that the accumulated electric charges are transferred to the output amplifier and read. Some CCD imaging devices use a pn junction diode structure for the light receiving unit and a CCD structure for the transfer unit.
On the other hand, the MOS type imaging device has a pn
The charge generated by the incidence of light is accumulated in each of the photodiodes formed of junctions, and at the time of reading, the accumulated charges are read out to the output amplifier section by sequentially turning on MOS switching transistors connected to the respective photodiodes. That principle is used.

【0003】CCD型撮像装置は、比較的簡単な構造を
もち、また、発生し得る雑音からみても、最終段におけ
るフローティング・ディフュージョンよりなる電荷検出
器の容量値だけがランダム雑音に寄与するので、比較的
低雑音の撮像装置であり、低照度撮影が可能である。た
だし、CCD型撮像装置を作るプロセス的制約から、出
力アンプとしてMOS型アンプがオンチップ化されるた
め、シリコンと、SiO2 膜との界面から画像上、目に
つきやすい、1/f雑音が発生する。従って、低雑音と
はいいながら、その性能に限界が存在している。また、
高解像度化を図るためにセル数を増加させて高密度化す
ると、一つのポテンシャル井戸に蓄積できる最大の電荷
量が減少し、ダイナミックレンジがとれなくなるので、
今後、固体撮像装置が高解像度化されていく上で大きな
問題となる。また、CCD型の撮像装置は、ポテンシャ
ルの井戸を順次動かしながら蓄積電荷を転送していくわ
けであるから、セルの一つに欠陥が存在してもそこで電
荷転送がストップしたり、あるいは、極端に悪くなって
しまい、製造歩留りが上がらないという欠点も有してい
る。
The CCD type image pickup device has a relatively simple structure, and from the viewpoint of noise that can be generated, only the capacitance value of the charge detector composed of the floating diffusion in the final stage contributes to random noise. This is a relatively low-noise imaging device, and is capable of low-illuminance imaging. However, MOS-type amplifiers are used on-chip as output amplifiers due to process restrictions for manufacturing CCD-type imaging devices, and 1 / f noise that is easily visible on the image from the interface between silicon and the SiO 2 film I do. Therefore, although the noise is low, there is a limit in its performance. Also,
If the density is increased by increasing the number of cells to achieve higher resolution, the maximum amount of charge that can be stored in one potential well decreases, and the dynamic range cannot be obtained.
In the future, it will be a big problem in increasing the resolution of the solid-state imaging device. In addition, since the CCD type image pickup device transfers the accumulated charge while sequentially moving the potential well, even if one of the cells has a defect, the charge transfer is stopped there, or an extreme In addition, there is a disadvantage that the production yield is not improved.

【0004】これに対してMOS型撮像装置は、構造的
にはCCD型撮像装置、特にフレーム転送型の装置に比
較して少し複雑ではあるが、蓄積容量を大きくし得る様
に構成でき、ダイナミックレンジを広くとれるという優
位性をもつ。また、たとえセルの1つに欠陥が存在して
も、X−Yアドレス方式のためその欠陥による他のセル
への影響がなく、製造歩留り的には有利である。しかし
ながら、このMOS型撮像装置では、信号読出し時に各
フォトダイオードに配線容量が接続されるため、きわめ
て大きな信号電圧ドロップが発生し、出力電圧が下がっ
てしまうこと、配線容量が大きく、これによるランダム
雑音の発生が大きいこと、また各フォトダイオードおよ
び水平スキャン用のMOSスイッチングトランジスタの
寄生容量のばらつきによる固定パターン雑音の混入等が
あり、CCD型撮像装置に比較して低照度撮影はむずか
しいこと等の欠点を有している。
On the other hand, the MOS type imaging device is slightly more complicated in structure than a CCD type imaging device, especially a frame transfer type device, but can be configured to have a large storage capacity, It has the advantage of having a wide range. Even if one of the cells has a defect, the XY address system does not affect other cells due to the defect, which is advantageous in terms of manufacturing yield. However, in this MOS type imaging device, since a wiring capacitance is connected to each photodiode at the time of signal reading, an extremely large signal voltage drop occurs, the output voltage is reduced, and the wiring capacitance is large, resulting in random noise. Drawbacks, and fixed pattern noise due to variations in the parasitic capacitance of each photodiode and MOS switching transistor for horizontal scanning, etc., making low-illuminance imaging difficult compared to CCD-type imaging devices. have.

【0005】また、将来の撮像装置の高解像度化におい
ては各セルのサイズが縮小され、蓄積電荷が減少してい
く。これに対しチップサイズから決まってくる配線容量
は、たとえ線幅を細くしてもあまり下がらない。このた
め、MOS型撮像装置は、ますますS/N的に不利にな
る。
[0005] Further, in the future improvement of the resolution of the imaging device, the size of each cell is reduced, and the accumulated charge is reduced. On the other hand, the wiring capacitance determined by the chip size does not decrease so much even if the line width is reduced. For this reason, the MOS type image pickup device is disadvantageous in terms of S / N.

【0006】CCD型およびMOS型撮像装置は、以上
の様な一長一短を有しながらも次第に実用化レベルに近
ずいてきてはいる。しかし、さらに将来必要とされる高
解像度化を進めていくうえで本質的に大きな問題を有し
ているといえる。これに対して、固体撮像装置に関し、
特開昭56−150878号公報“半導体撮像装置”、
特開昭56−157073号公報“半導体撮像装置”、
特開昭56−165473号公報“半導体撮像装置”に
新しい方式が提案されている。CCD型、MOS型の撮
像装置が、光入射により発生した電荷を主電極(例えば
MOSトランジスタのソース)に蓄積するのに対して、
ここで提案されている方式は、光入射により発生した電
荷を、制御電極(例えばバイポーラ・トランジスタのベ
ース、SIT(静電誘導トランジスタ)あるいはMOS
トランジスタのゲート)に蓄積し、光により発生した電
荷により、流れる電流をコントロールするという新しい
考え方にもとずくものである。すなわち、CCD型、M
OS型が、蓄積された電荷そのものを外部へ読出してく
るのに対して、ここで提案されている方式は、各セルの
増幅機能により電荷増幅してから蓄積された電荷を読出
すわけであり、また見方を変えるとインピーダンス変換
により低インピーダンス出力として読出すわけである。
従って、ここで提案されている方式は、高出力、広ダイ
ナミックレンジ、低雑音であり、かつ、光信号により励
起されたキャリア(電荷)は制御電極に蓄積することか
ら、非破壊読出しができる等のいくつかのメリットを有
している。さらに将来の高解像度化に対しても可能性を
有する方式であるといえる。
[0006] The CCD type and MOS type imaging devices have the advantages and disadvantages described above, but are gradually approaching the level of practical use. However, it can be said that there is an essentially large problem in further increasing the resolution required in the future. In contrast, regarding solid-state imaging devices,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-150878, “Semiconductor imaging device”,
JP-A-56-157073, “Semiconductor imaging device”,
A new system has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 56-165473, entitled "Semiconductor Imaging Device". CCD-type and MOS-type imaging devices accumulate charges generated by light incidence on a main electrode (for example, the source of a MOS transistor).
In the method proposed here, a charge generated by light incidence is transferred to a control electrode (for example, a base of a bipolar transistor, a SIT (static induction transistor) or a MOS transistor).
It is based on a new idea of controlling the flowing current by the charge generated by light accumulated in the gate of a transistor). That is, CCD type, M
The OS type reads out the stored charge itself to the outside, whereas the method proposed here reads out the stored charge after amplifying the charge by the amplification function of each cell. From another point of view, a low impedance output is read out by impedance conversion.
Therefore, the method proposed here has a high output, a wide dynamic range, and low noise, and non-destructive reading is possible because carriers (charges) excited by an optical signal are accumulated in the control electrode. Has several advantages. Furthermore, it can be said that this method has a possibility for a higher resolution in the future.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
式は、基本的にX−Yアドレス方式であり、上記公報に
記載されている素子構造は、従来のMOS型撮像装置の
各セルにバイポーラトランジスタ、SITトランジスタ
等の増幅素子を複合化したものを基本構成としている。
そのため、比較的複雑な構造をしており、高解像化の可
能性を有しながらも、そのままでは高解像化には限界が
存在する。
However, this system is basically an XY address system, and the element structure described in the above-mentioned publication discloses that each cell of a conventional MOS type imaging device has a bipolar transistor, The basic configuration is a composite of amplification elements such as SIT transistors.
Therefore, it has a relatively complicated structure and has a possibility of high resolution, but there is a limit to high resolution as it is.

【0008】本発明の目的は、各セルに増幅機能を有す
るもきわめて簡単な構造であり、将来の高解像度化にも
十分対処しうる新しい光電変換装置を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to provide a new photoelectric conversion device which has an amplifying function in each cell but has a very simple structure, and which can sufficiently cope with future high resolution.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】かかる目的は、第一導電
型の半導体からなるベース領域と、前記第一導電型とは
異なる第二導電型の半導体からなるエミッタ及びコレク
タ領域と、を有し、光エネルギーを受けることにより生
成されるキャリアを前記ベース領域に蓄積可能なトラン
ジスタを具備し、蓄積動作、読み出し動作及びリフレッ
シュ動作を行う光電変換装置において、前記ベース領域
の不純物濃度が光入射面から内部に向かう方向に減少
し、前記光入射面の不純物濃度をNAS、前記コレクタ領
域との界面の不純物濃度をNAiとした時、NAS/NAi
3の関係を満たす不純物濃度プロファイルを前記ベース
領域が有していることを特徴とする光電変換装置により
達成される。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a base region made of a semiconductor of a first conductivity type, and an emitter and a collector region made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type. A photoelectric conversion device comprising a transistor capable of accumulating carriers generated by receiving light energy in the base region, performing an accumulation operation, a read operation, and a refresh operation, wherein an impurity concentration of the base region is higher than a light incident surface. When the impurity concentration at the light incident surface is N AS and the impurity concentration at the interface with the collector region is N Ai , N AS / N Ai >
The photoelectric conversion device is characterized in that the base region has an impurity concentration profile that satisfies the relationship of 3.

【0010】[0010]

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。図1〜図3は、本発明の一実施例に係る光電
変換装置を構成する光センサセルの基本構造および動作
を説明する図である。図1は、光センサセルの平面図
を、図2は、図1の平面図のAA′部分の断面図を、図
3は、それの等価回路をそれぞれ示す。なお、各部位に
おいて図1〜図3に共通するものについては同一の番号
をつけている。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIGS. 1 to 3 are diagrams illustrating the basic structure and operation of a photosensor cell constituting a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention. 1 is a plan view of an optical sensor cell, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1, and FIG. 3 is an equivalent circuit thereof. In addition, the same numbers are given to the parts common to FIGS. 1 to 3 in each part.

【0011】図1では、整列配置方式の平面図を示した
が、水平方向解像度を高くするために、画素ずらし方式
(補間配置方式)にも配置できることはもちろんのこと
である。この光センサセルは、図1,図2に示すごと
く、リン(P),アンチモン(Sb),ヒ素(As)等
の不純物をドープしてn型又はn+ 型とされたシリコン
基板1の上に、通常PSG膜等で構成されるパシベーシ
ョン膜2; シリコン酸化膜(SiO2 )より成る絶縁酸化膜3; となり合う光センサセルとの間を電気的に絶縁するため
のSiO2 あるいはSi34 等よりなる絶縁膜又はポ
リシリコン膜等で構成される素子分離領域4; エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低いn
- 領域5; その上の例えば不純物拡散技術又はイオン注入技術を用
いてボロン(B)等の不純物をドープしたバイポーラト
ランジスタのベースとなるp領域6; 不純物拡散技術、イオン注入技術等で形成されるバイポ
ーラトランジスタのエミッタとなるn+ 領域7; 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウム(A
l),Al−Si,Al−Cu−Si等の導電材料で形
成される配線8; 絶縁膜3を通して、浮遊状態になされたp領域6にパル
スを印加するための電極9; それの配線10; 基板1の裏面にオーミックコンタクトをとるために不純
物拡散技術等で形成された不純物濃度の高いn+ 領域1
1; 基板の電位を与える、すなわちバイポーラトランジスタ
のコレクタ電位を与えるためのアルミニウム等の導電材
料で形成される電極12;より構成されている。
FIG. 1 shows a plan view of the arrangement arrangement method. However, in order to increase the horizontal resolution, it is needless to say that the arrangement can also be performed by a pixel shift method (interpolation arrangement method). As shown in FIGS. 1 and 2, this optical sensor cell is formed on an n-type or n + -type silicon substrate 1 doped with impurities such as phosphorus (P), antimony (Sb), and arsenic (As). A passivation film 2 usually composed of a PSG film or the like; an insulating oxide film 3 made of a silicon oxide film (SiO 2 ); SiO 2 or Si 3 N 4 for electrically insulating a neighboring optical sensor cell; Isolation region 4 composed of an insulating film or a polysilicon film made of, for example, n having a low impurity concentration formed by an epitaxial technique or the like.
A region 5; a p region 6 serving as a base of a bipolar transistor doped with an impurity such as boron (B) by using, for example, an impurity diffusion technique or an ion implantation technique; formed by an impurity diffusion technique, an ion implantation technique, or the like. N + region 7 serving as an emitter of the bipolar transistor; for example, aluminum (A)
1) a wiring 8 formed of a conductive material such as Al-Si, Al-Cu-Si; an electrode 9 for applying a pulse to the floating p region 6 through the insulating film 3; a wiring 10 thereof An n + region 1 having a high impurity concentration formed by an impurity diffusion technique or the like to make ohmic contact with the back surface of the substrate 1;
1; an electrode 12 made of a conductive material such as aluminum for giving a potential of a substrate, that is, giving a collector potential of a bipolar transistor;

【0012】なお、図1の19はn+ 領域7と配線8の
接続をとるためのコンタクト部分である。又配線8およ
び配線10の交互する部分はいわゆる2層配線となって
おり、SiO2 等の絶縁材料で形成される絶縁領域で、
それぞれ互いに絶縁されている。すなわち、金属の2層
配線構造になっている。
Reference numeral 19 in FIG. 1 denotes a contact portion for connecting the n + region 7 and the wiring 8. Alternate portions of the wiring 8 and the wiring 10 are so-called two-layer wirings, and are insulating regions formed of an insulating material such as SiO 2 .
Each is insulated from each other. That is, it has a metal two-layer wiring structure.

【0013】図3の等価回路のコンデンサCox13は
電極9,絶縁膜3,p領域6のMOS構造より構成さ
れ、又バイポーラトランジスタ14はエミッタとしての
+ 領域7、ベースとしてのp領域6、不純物濃度の小
さいn- 領域5、コレクタとしてのn又はn+ 領域1の
各部分より構成されている。これらの図面から明らかな
ように、p領域6は浮遊領域になされている。
The capacitor Cox13 of the equivalent circuit of FIG. 3 has a MOS structure of the electrode 9, the insulating film 3 and the p region 6, and the bipolar transistor 14 has an n + region 7 as an emitter, a p region 6 as a base, and an impurity. It is composed of an n region 5 having a low concentration and n or n + region 1 as a collector. As is apparent from these drawings, the p region 6 is a floating region.

【0014】図3の第2の等価回路は、バイポーラトラ
ンジスタ14をベース・エミッタの接合容量Cbe1
5、ベース・エミッタのpn接合ダイオードDbe1
6、ベース・コレクタの接合容量Cbc17、ベース・
コレクタのpn接合ダイオードDbc18を用いて表現
したものである。ここでは、本来等価回路図として、p
n接合ダイオードDbe16及びpn接合ダイオードD
bc18と並列に記されるべき2つの異なる向きの電流
源を示す記号は省略してある。
In the second equivalent circuit of FIG. 3, a bipolar transistor 14 is connected to a base-emitter junction capacitance Cbe1.
5. Base-emitter pn junction diode Dbe1
6, the junction capacitance Cbc17 of the base and the collector,
This is expressed using a collector pn junction diode Dbc18. Here, as an equivalent circuit diagram, p
n-junction diode Dbe16 and pn-junction diode D
Symbols indicating two differently oriented current sources to be written in parallel with bc18 have been omitted.

【0015】以下、光センサセルの基本動作を図1〜図
3を用いて説明する。この光センサセルの基本動作は、
光入射による電荷蓄積動作、読出し動作およびリフレッ
シュ動作より構成される。まず、電荷蓄積動作について
説明する。電荷蓄積動作においては、例えばエミッタ
は、配線8を通して接地され、コレクタは配線12を通
して正電位にバイアスされている。またベースは、あら
かじめコンデンサCox13に、配線10を通して正の
パルス電圧を印加することにより負電位、すなわち、エ
ミッタ7に対して逆バイアス状態にされているものとす
る。このCox13にパルスを印加してベース6を負電
位にバイアスする動作については、後にリフレッシュ動
作の説明のとき、くわしく説明する。
The basic operation of the optical sensor cell will be described below with reference to FIGS. The basic operation of this optical sensor cell is
It consists of a charge accumulation operation by light incidence, a read operation, and a refresh operation. First, the charge storage operation will be described. In the charge storage operation, for example, the emitter is grounded through the wiring 8 and the collector is biased to a positive potential through the wiring 12. The base is assumed to be in a negative potential, that is, in a reverse bias state with respect to the emitter 7, by applying a positive pulse voltage to the capacitor Cox13 through the wiring 10 in advance. The operation of applying a pulse to the Cox 13 to bias the base 6 to a negative potential will be described in detail later in the description of the refresh operation.

【0016】この状態において、図2に示す様に光セン
サセルの表側から光20が入射してくると、半導体内に
おいてエレクトロン・ホール対が発生する。この内、エ
レクトロンは、n領域1が正電位にバイアスされている
のでn領域1側に流れだしていってしまうが、ホールは
p領域6にどんどん蓄積されていく。このホールのp領
域への蓄積によりp領域6の電位は次第に正電位に向か
って変化していく。
In this state, when light 20 enters from the front side of the photosensor cell as shown in FIG. 2, electron-hole pairs are generated in the semiconductor. Among them, electrons flow toward the n-region 1 because the n-region 1 is biased to a positive potential, but holes are accumulated more and more in the p-region 6. Due to the accumulation of the holes in the p region, the potential of the p region 6 gradually changes toward the positive potential.

【0017】図1,図2でも各センサセルの受光面下面
は、ほとんどp領域で占められており、一部n+ 領域7
となっている。当然のことながら、光により励起される
エレクトロン・ホール対濃度は表面に近い程大きい。こ
のためp領域6中にも多くのエレクトロン・ホール対が
光により励起される。p領域中に光励起されたエレクト
ロンが再結合することなくp領域6からただちに流れ出
て、n領域に吸収されるような構造にしておけば、p領
域6で励起されたホールはそのまま蓄積されて、p領域
6を正電位方向に変化させる。p領域6の不純物濃度が
均一になされている場合には、光で励起されたエレクト
ロンは拡散で、p領域6とn- 領域5とのpn- 接合部
まで流れ、その後はn- 領域に加わっている強い電界に
よるドリフトでnコレクタ領域1に吸収される。もちろ
ん、p領域6内の電子の走行を拡散だけで行ってもよい
わけであるが、表面から内部に行くほどpベースの不純
物濃度が減少するように構成しておけば、この不純物濃
度差により、ベース内に内部から表面に向う電界Ed、 が発生する。ここで、WB はp領域6の光入射側表面か
らの深さ、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは単
位電荷、NASはpベース領域6の表面不純物濃度、NAi
はp領域6のn- 高抵抗領域5との界面における不純物
濃度である。
In FIGS. 1 and 2, the lower surface of the light receiving surface of each sensor cell is almost entirely occupied by the p region, and is partially n + region 7.
It has become. Of course, the electron hole pair concentration excited by light is greater near the surface. Therefore, many electron-hole pairs are also excited by light in the p region 6. If the photoexcited electrons in the p region flow out of the p region 6 immediately without recombination and are absorbed in the n region, the holes excited in the p region 6 are accumulated as they are. The p region 6 is changed in the positive potential direction. When the impurity concentration in p region 6 is uniform, electrons excited by light flow by diffusion to the pn - junction between p region 6 and n - region 5, and then join the n - region. Is absorbed by the n-collector region 1 due to the drift caused by the strong electric field. Of course, the electrons in the p region 6 may travel only by diffusion. However, if the p-type impurity concentration is reduced from the surface to the inside, the difference in impurity concentration may cause the difference in impurity concentration. An electric field Ed from inside to the surface in the base, Occurs. Here, W B is the depth from the light incident side surface of the p region 6, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, q is the unit charge, N AS surface impurity concentration of the p base region 6, N Ai
Is the impurity concentration at the interface between the p region 6 and the n high resistance region 5.

【0018】ここで、NAS/NAi>3とすれば、p領域
6内の電子の走行は、拡散よりはドリフトにより行われ
るようになる。すなわち、p領域6内に光により励起さ
れるキャリアを信号として有効に動作させるためには、
p領域6の不純物濃度は光入射側表面から内部に向って
減少しているようになっていることが望ましい。拡散で
p領域6を形成すれば、その不純物濃度は光入射側表面
にくらべ内部に行くほど減少している。
[0018] Here, if N AS / N Ai> 3, electrons travel in the p region 6 becomes as performed by drift rather than diffusion. That is, in order to effectively operate carriers excited by light in the p region 6 as a signal,
It is desirable that the impurity concentration of the p region 6 decreases from the light incident side surface toward the inside. When the p region 6 is formed by diffusion, the impurity concentration decreases toward the inside as compared with the light incident side surface.

【0019】センサセルの受光面下の一部は、n+ 領域
7により占られている。n+ 領域7の深さは、通常0.
2〜0.3μm程度、あるいはそれ以下に設計されるか
ら、n+ 領域7で吸収される光の量は、もともとあまり
多くはないのでそれ程問題はない。ただ、短波長側の
光、特に青色光に対しては、n+ 領域7の存在は感度低
下の原因になる。n+ 領域7の不純物濃度は通常1×1
20cm-3程度あるいはそれ以上に設計される。こうし
た高濃度に不純物がドープされたn+ 領域7におけるホ
ールの拡散距離は0.15〜0.2μm程度である。し
たがって、n+ 領域7内で光励起されたホールを有効に
p領域6に流し込むには、n+ 領域7も光入射表面から
内部に向って不純物濃度が減少する構造になっているこ
とが望ましい。n+ 領域7の不純物濃度分布が上記の様
になっていれば、光入射側表面から内部に向う強いドリ
フト電界が発生して、n+ 領域7に光励起されたホール
はドリフトによりただちにp領域6に流れ込む。n+
域7、p領域6の不純物濃度がいずれも光入射側表面か
ら内部に向って減少するように構成されていれば、セン
サセルの光入射側表面側に存在するn+ 領域7、p領域
6において光励起されたキャリアはすべて光信号として
有効に働くのである。As又はPを高濃度にドープした
シリコン酸化膜あるいはポリシリコン膜からの不純物拡
散により、このn+ 領域7を形成すると、上記に述べた
ような望ましい不純物傾斜をもつn+ 領域を得ることが
可能である。
A part below the light receiving surface of the sensor cell is occupied by the n + region 7. Normally, the depth of the n + region 7 is 0.
Since it is designed to be about 2 to 0.3 μm or less, the amount of light absorbed in the n + region 7 is not so large from the beginning, so there is no problem. However, for light on the short wavelength side, particularly for blue light, the presence of the n + region 7 causes a decrease in sensitivity. The impurity concentration of n + region 7 is usually 1 × 1
It is designed to be about 20 cm -3 or more. The diffusion distance of holes in n + region 7 doped with such a high concentration of impurity is about 0.15 to 0.2 μm. Therefore, the pouring hole which is photoexcited in the n + region 7 to enable the p region 6, n + region 7 may be desirable that the impurity concentration toward the interior has a structure to decrease from the light incident surface. If the impurity concentration distribution in the n + region 7 is as described above, a strong drift electric field is generated from the light incident side surface toward the inside, and the holes photo-excited in the n + region 7 are immediately shifted to the p region 6 by the drift. Flow into If the impurity concentration of each of the n + region 7 and the p region 6 is configured to decrease from the light incident side surface toward the inside, the n + region 7 and the p region existing on the light incident side surface side of the sensor cell. All the carriers photo-excited at 6 work effectively as optical signals. When this n + region 7 is formed by impurity diffusion from a silicon oxide film or a polysilicon film doped with As or P at a high concentration, it is possible to obtain an n + region having a desirable impurity gradient as described above. It is.

【0020】最終的には、ホールの蓄積によりベース電
位はエミッタ電位まで変化し、この場合は接地電位まで
変化して、そこでクリップされることになる。より厳密
に言うと、ベース・エミッタ間が順方向に深くバイアス
されて、ベースに蓄積されたホールがエミッタに流出し
始める電圧でクリップされる。つまり、この場合の光セ
ンサセルの飽和電位は、最初にp領域6を負電位にバイ
アスしたときのバイアス電位と接地電位との電位差で略
々与えられるわけである。n+ 領域7が接地されず、浮
遊状態において光入力によって発生した電荷の蓄積を行
う場合には、p領域6はn領域1と略々同電位まで電荷
を蓄積することができる。
Eventually, the base potential changes to the emitter potential due to the accumulation of holes, and in this case, changes to the ground potential and is clipped there. More specifically, the base-emitter is deeply biased in the forward direction, and is clipped at a voltage at which holes accumulated in the base start to flow out to the emitter. That is, the saturation potential of the photosensor cell in this case is substantially given by the potential difference between the bias potential when the p region 6 is initially biased to the negative potential and the ground potential. In the case where the n + region 7 is not grounded and the charge generated by the light input is stored in a floating state, the p region 6 can store the charge to approximately the same potential as the n region 1.

【0021】以上は電荷蓄積動作の定性的な概略説明で
あるが、以下に少し具体的かつ定量的に説明する。この
光センサセルの分光感度分布は次式で与えられる。 λ S(λ)=────・exp(−αx)×{1−exp(−αy)}・T 1.24 〔A/W〕 但し、λは光の波長〔μm〕、αはシリコン結晶中での
光の減衰係数〔μm-1〕、xは半導体表面における、再
結合損失を起こし感度に寄与しない“deadlaye
r”(不感領域)の厚さ〔μm〕、yはエピタキシャル
層の厚さ〔μm〕、Tは透過率すなわち、入射してくる
光量に対して反射等を考慮して有効に半導体中に入射す
る光量の割合をそれぞれ示している。この光センサセル
の分光感度S(λ)および放射照度Ee(λ)を用いて
光電流Ipは次式で計算される。
The above is a qualitative outline of the charge storage operation. The following is a slightly more specific and quantitative description. The spectral sensitivity distribution of this optical sensor cell is given by the following equation. λ S (λ) = {· exp (−αx) × {1-exp (−αy)} · T 1.24 [A / W] where λ is the wavelength of light [μm] and α is silicon The light extinction coefficient [μm −1 ], x in the crystal is “deadlay” which causes recombination loss at the semiconductor surface and does not contribute to sensitivity.
r ”(dead area) thickness [μm], y is the thickness of the epitaxial layer [μm], and T is the transmittance, that is, it is effectively incident on the semiconductor in consideration of the reflection of the incident light amount. The photocurrent Ip is calculated using the spectral sensitivity S (λ) and the irradiance Ee (λ) of the photosensor cell according to the following equation.

【0022】 但し、放射照度Ee(λ)〔μW・cm-2・nm-1〕は
次式で与えられる。
[0022] Here, the irradiance Ee (λ) [μW · cm −2 · nm −1 ] is given by the following equation.

【0023】 但しEV はセンサの受光面の照度〔Lux〕、P(λ)
はセンサの受光面に入射している光の分光分布、V
(λ)は人間の目の比視感度である。
[0023] However E V illuminance of the light receiving surface of the sensor [Lux], P (lambda)
Is the spectral distribution of light incident on the light receiving surface of the sensor, V
(Λ) is the relative luminous efficiency of the human eye.

【0024】これらの式を用いると、エピタキシャル厚
の層4μmをもつ光センサセルでは、A光源(2854
°K)で照射され、センサ受光面照度が1〔Lux〕の
とき、約280nA/cm-2の光電流が流れ、入射して
くるフォトンの数あるいは発生するエレクトロン・ホー
ル対の数は1.8×1012ケ/cm2 ・sec程度であ
る。
Using these equations, for an optical sensor cell having an epitaxially thick layer of 4 μm, the A light source (2854
° K), and when the illuminance of the light receiving surface of the sensor is 1 [Lux], a photocurrent of about 280 nA / cm -2 flows. It is about 8 × 10 12 / cm 2 · sec.

【0025】又、この時、光により励起されたホールが
ベースに蓄積することにより発生する電位VpはVp=
Q/Cで与えられる。Qは蓄積されるホールの電荷量で
あり、CはCbe15とCbc17を加算した接合容量
である。今、n+ 領域7の不純物濃度を1020cm-3
p領域6の不純物濃度を5×1016cm-3、n- 領域5
の不純物濃度を1013cm-3、n+ 領域7の面積を16
μm2 、p領域6の面積を64μm2、n- 領域5の厚さ
を3μmにしたときの接合容量は、約0.014pF位
になり、一方、p領域6に蓄積されるホールの個数は、
蓄積時間1/60sec、有効受光面積、すなわちp領
域6の面積から電極8および9の面積を引いた面積を5
6μm2 程度とすると、1.7×104 ケとなる。従っ
て光入射により発生する電位Vpは190mV位にな
る。
At this time, the potential Vp generated by the accumulation of holes excited by light in the base is Vp = Vp
It is given by Q / C. Q is the amount of charge stored in the holes, and C is the junction capacitance obtained by adding Cbe15 and Cbc17. Now, the impurity concentration of the n + region 7 is set to 10 20 cm −3 ,
The impurity concentration of 5 × 10 16 cm -3 in the p region 6, n - region 5
Impurity concentration of 10 13 cm −3 , and the area of n + region 7 is 16
μm 2 , the area of the p region 6 is 64 μm 2 , and the thickness of the n region 5 is 3 μm, the junction capacitance is about 0.014 pF, while the number of holes accumulated in the p region 6 is ,
The accumulation time is 1/60 sec, the effective light receiving area, that is, the area obtained by subtracting the areas of the electrodes 8 and 9 from the area of the p region 6 is 5
If it is about 6 μm 2, it will be 1.7 × 10 4 . Therefore, the potential Vp generated by light incidence is about 190 mV.

【0026】ここで注目すべきことは、高解像度化さ
れ、セルサイズが縮小化されていった時に、一つの光セ
ンサセルあたりに入射する光量が減少し、蓄積電荷量Q
が共に減少していくが、セルの縮小化に伴ない接合容量
もセルサイズに比例して減少していくので、光入射によ
り発生する電位Vpはほぼ一定にたもたれるということ
である。これは本発明における光センサセルが図1〜図
3に示すごとく、きわめて簡単な構造をしており有効受
光面がきわめて大きくとれる可能性を有しているからで
ある。
It should be noted here that when the resolution is increased and the cell size is reduced, the amount of light incident on one photosensor cell decreases, and the accumulated charge amount Q
Both decrease, but as the cell size decreases, the junction capacitance also decreases in proportion to the cell size, so that the potential Vp generated by light incidence is substantially constant. This is because the optical sensor cell according to the present invention has a very simple structure as shown in FIGS. 1 to 3 and has a possibility that an effective light receiving surface can be extremely large.

【0027】インターラインタイプのCCDの場合と比
較して本発明における光電変換装置が有利な理由の一つ
はここにあり、高解像度化にともない、インターライン
タイプのCCD型撮像装置では、転送する電荷量を確保
しようとすると転送部の面積が相対的に大きくなり、こ
のため有効受光面が減少するので、感度、すなわち光入
射による発生電圧が減少してしまうことになる。また、
インターラインタイプのCCD型撮像装置では、飽和電
圧が転送部の大きさにより制限され、どんどん低下して
いってしまうのに対し、本発明における光センサセルで
は、先にも書いた様に、最初にp領域6を負電位にバイ
アスした時のバイアス電圧により飽和電圧は決まるわけ
であり、大きな飽和電圧を確保することができる。
One of the reasons why the photoelectric conversion device of the present invention is more advantageous than the case of the interline type CCD is heretofore. If an attempt is made to secure the charge amount, the area of the transfer portion becomes relatively large, and the effective light receiving surface is reduced. Therefore, the sensitivity, that is, the voltage generated by light incidence is reduced. Also,
In the case of the interline type CCD image pickup device, the saturation voltage is limited by the size of the transfer section and decreases steadily. The saturation voltage is determined by the bias voltage when the p region 6 is biased to a negative potential, and a large saturation voltage can be secured.

【0028】以上の様にしてp領域6に蓄積された電荷
により発生した電圧を外部へ読出す動作について次に説
明する。読出し動作状態では、エミッタ、配線8は浮遊
状態に、コレクタは正電位Vccに保持される。図4に
等価回路を示す。ここでも、本来等価回路として、pn
接合ダイオードDbe16及びpn接合ダイオードDb
c18と並列に記されるべき2つの異なる向きの電流源
を示す記号は省略してある。
The operation of reading out the voltage generated by the charges accumulated in p region 6 as described above to the outside will now be described. In the read operation state, the emitter and the wiring 8 are in a floating state, and the collector is maintained at the positive potential Vcc. FIG. 4 shows an equivalent circuit. Also here, pn
Junction diode Dbe16 and pn junction diode Db
Symbols indicating two differently oriented current sources to be written in parallel with c18 have been omitted.

【0029】今、光を照射する前に、ベース6を負電位
にバイアスした時の電位を−VB とし、光照射により発
生した蓄積電圧をVP とすると、ベース電位は、−VB
+VP なる電位になっている。この状態で配線10を通
して電極9に読出し用の正の電圧VR を印加すると、こ
の正の電位VR は酸化膜容量Cox13とベース・エミ
ッタ間接合容量Cbe15、ベース・コレクタ間接合容
量Cbc7により容量分割され、ベースには電圧 となる条件が成立するようにしておくと、ベース電位は
光照射により発生した蓄積電圧VP そのものとなる。こ
のようにしてエミッタ電位に対してベース電位が正方向
にバイアスされると、エレクトロンは、エミッタからベ
ースに注入され、コレクタ電位が正電位になっているの
で、ドリフト電界により加速されて、コレクタに到達す
る。この時に流れる電流は、次式で与えられる。
[0029] Now, before irradiating light, the potential at the time of biasing the base 6 at a negative potential and -V B, when the storage voltage generated by light irradiation and V P, the base potential, -V B
+ Has become V P become potential. When a positive voltage is applied to V R for reading the electrode 9 through the wiring 10 in this state, the capacitance by the positive potential V R oxide capacitance Cox13 and the base-emitter junction capacitance Cbe15, base-collector junction capacitance Cbc7 Divided, voltage on base If the following condition is satisfied, the base potential becomes the accumulated voltage VP itself generated by light irradiation. When the base potential is biased in the positive direction with respect to the emitter potential in this way, electrons are injected from the emitter into the base, and the collector potential is positive. To reach. The current flowing at this time is given by the following equation.

【0030】 但しAj はベース・エミッタ間の接合面積、qは単位電
荷量(1.6×10-19 クーロン)、Dn はベース中に
おけるエレクトロンの拡散定数、nPeはpベースのエミ
ッタ端における少数キャリヤとしてのエレクトロン濃
度、WB はベース幅、NAeはベースのエミッタ単におけ
るアクセプタ濃度、NAcはベースのコレクタ端における
アクセプタ濃度、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、
e はエミッタ電位である。
[0030] Where A j is the junction area between the base and the emitter, q is the unit charge (1.6 × 10 −19 coulomb), D n is the electron diffusion constant in the base, and n Pe is the minority carrier at the emitter end of the p base. Electron concentration as, W B is base width, N Ae is the acceptor concentration in the base of the emitter single, N Ac is acceptor concentration, k is the Boltzmann constant at the base of the collector end, T is the absolute temperature,
V e is the emitter potential.

【0031】この電流は、エミッタ電位Ve がベース電
位、すなわちここでは光照射により発生した蓄積電圧V
P に等しくなるまで流れることは上式から明らかであ
る。この時エミッタ電位Ve の時間的変化は次式で計算
される。 但し、ここで配線容量Csはエミッタに接続されている
配線8のもつ容量21である。
The current is such that the emitter potential V e is the base potential, that is, the accumulated voltage V generated by light irradiation here.
It is evident from the above equation that the current flows until it becomes equal to P. Temporal variation of this time the emitter potential V e is calculated by the following equation. Here, the wiring capacitance Cs is the capacitance 21 of the wiring 8 connected to the emitter.

【0032】図5は、上式を用いて計算したエミッタ電
位の時間変化の一例を示している。図5によればエミッ
タ電位がベース電位に等しくなるためには、約1秒位を
要することになる。これはエミッタ電位Ve がVP に近
くなるとあまり電流が流れなくなることに起因している
わけである。したがって、これを解決する手段は、先に
電極9に正電圧VR を印加するときに、 なる条件を入れ、ベース電位をVBiasだけ、余分に順方
向にバイアスしてやる方法が考えられる。この時に流れ
る電流は次式で与えられる。
FIG. 5 shows an example of a temporal change of the emitter potential calculated by using the above equation. According to FIG. 5, it takes about one second for the emitter potential to be equal to the base potential. This is not due to the fact that the emitter potential V e does not flow is close happens when too much current to the V P. Therefore, means for solving this, when applying a positive voltage V R to the electrode 9 above, A method is conceivable in which the following conditions are added and the base potential is additionally biased in the forward direction by V Bias . The current flowing at this time is given by the following equation.

【0033】 図6に、VBias=0.6Vとした場合、ある一定時間の
後、電極9に印加していたVR をゼロボルトにもどし、
流れる電流を停止させたときの蓄積電圧VP に対する、
読出し電圧、すなわちエミッタ電位の関係を示す。但
し、図6では、読出し電圧はバイアス電圧成分による読
出し時間に依存する一定の電位が必ず加算されてくるが
そのゲタ分をさし引いた値をプロットしている。電極9
に印加している正電圧VR をゼロボルトにもどした時に
は、印加したときとは逆に なる電圧がベース電位に加算されるので、ベース電位
は、正電圧VR を印加する前の状態、すなわち、−VB
になり、エミッタに対し逆バイアスされるので電流の流
れが停止するわけである。図6によれば100ns程度
以上の読出し時間(すなわちVR を電極9に印加してい
る時間)をとれば、蓄積電圧VP と読出し電圧は4桁程
度の範囲にわたって直線性は確保され、高速の読出しが
可能であることを示している。図6で、45°の線は読
出しに十分の時間をかけた場合の結果であり、上記の計
算例では、配線8の容量Csを4pFとしているが、こ
れはCbe+Cbcの接合容量の0.014pFと比較
して約300倍も大きいにもかかわらず、p領域6に発
生した蓄積電圧VP が何らの減衰も受けず、かつ、バイ
アス電圧の効果により、きわめて高速に読出されている
ことを図6は示している。これは上記構成に係る光セン
サセルのもつ増幅機能、すなわち電荷増幅機能が有効に
働らいているからである。
[0033] 6, when the V Bias = 0.6V, after a certain time, return the V R which has been applied to the electrode 9 to zero volts,
For storing the voltage V P at the time when the current flowing is stopped,
It shows the relationship between the read voltage, that is, the emitter potential. In FIG. 6, however, a constant value which depends on the read time due to the bias voltage component is always added to the read voltage, but a value obtained by subtracting the getter is plotted. Electrode 9
When the positive voltage V R applied to is returned to zero volts, Since the voltage is added to the base potential, a base potential, before applying a positive voltage V R state, i.e., -V B
And the current is stopped because the emitter is reverse-biased. Taking According to FIG. 6 100 ns about more read time (i.e., time the application of the V R to the electrode 9), the reserved voltage V P and the read voltage linearity is ensured over a range of about four orders of magnitude, faster Is possible to read. In FIG. 6, the 45 ° line is a result when a sufficient time is taken for reading. In the above calculation example, the capacitance Cs of the wiring 8 is 4 pF, which is 0.014 pF of the junction capacitance of Cbe + Cbc. Figure that despite even about 300-fold compared large, accumulated voltage V P generated in the p region 6 is not subject to any attenuation, and that the effect of the bias voltage, which is read out very fast and 6 shows. This is because the amplifying function of the photosensor cell according to the above configuration, that is, the charge amplifying function is effectively working.

【0034】これに対して従来のMOS型撮像装置で
は、蓄積電圧VP は、このような読出し過程において配
線容量Csの影響でCj・VP /(Cj+Cs)(但し
CjはMOS型撮像装置の受光部のpn接合容量)とな
り、2桁位読出し電圧値が下がってしまうという欠点を
有していた。このためMOS型撮像装置では、外部へ読
出すためのスイッチングMOSトランジスタの寄生容量
のばらつきによる固定パターン雑音、あるいは配線容量
すなわち出力容量が大きいことにより発生するランダム
雑音が大きく、S/N比がとれないという問題があった
が、図1,図2,図3で示す構成の光センサセルでは、
p領域6に発生した蓄積電圧そのものが外部に読出され
るわけであり、この電圧はかなり大きいため固定パター
ン雑音、出力容量に起因するランダム雑音が相対的に小
さくなり、きわめてS/N比の良い信号を得ることが可
能である。
On the other hand, in the conventional MOS type imaging device, the accumulated voltage V P is Cj · V P / (Cj + Cs) (where Cj is the MOS type imaging device) due to the influence of the wiring capacitance Cs in such a reading process. Pn junction capacitance of the light receiving portion), and the read voltage value of the second digit is lowered. For this reason, in the MOS imaging device, fixed pattern noise due to variation in parasitic capacitance of the switching MOS transistor for reading out to the outside or random noise generated due to large wiring capacitance, that is, output capacitance, is large, and the S / N ratio can be obtained. However, the optical sensor cell having the configuration shown in FIG. 1, FIG. 2, and FIG.
The accumulated voltage itself generated in the p region 6 is read out to the outside, and since this voltage is considerably large, the fixed pattern noise and the random noise due to the output capacitance are relatively small, and the S / N ratio is very good. It is possible to get a signal.

【0035】先に、バイアス電圧VBiasを0.6Vに設
定したとき、4桁程度の直線性が100nsec程度の
高速読出し時間で得られることを示したが、この直線性
および読出し時間とバイアス電圧VBiasの関係を計算し
た結果をさらにくわしく、図7に示す。
It has been previously shown that when the bias voltage V Bias is set to 0.6 V, linearity of about four digits can be obtained in a high-speed reading time of about 100 nsec. FIG. 7 shows the result of calculating the relationship of V Bias in more detail.

【0036】図7において、横軸はバイアス電圧VBias
であり、また、縦軸は読出し時間をとっている。またパ
ラメータは、蓄積電圧が1mVのときに、読出し電圧が
1mVの80%,90%,95%,98%になるまでの
時間依存性を示している。図6に示される様に、蓄積電
圧1mVにおいて、それぞれ80%,90%,95%,
98%になっている時は、それ以上の蓄積電圧では、さ
らに良い値を示していることは明らかである。
In FIG. 7, the horizontal axis represents the bias voltage V Bias
The vertical axis indicates the read time. The parameters show the time dependence of the read voltage to 80%, 90%, 95%, and 98% of 1 mV when the storage voltage is 1 mV. As shown in FIG. 6, at an accumulation voltage of 1 mV, 80%, 90%, 95%,
At 98%, it is clear that the higher the accumulated voltage, the better the value.

【0037】この図7によれば、バイアス電圧VBias
0.6Vでは、読出し電圧が蓄積電圧の80%になるの
は読出し時間が0.12μs、90%になるのは0.2
7μs、95%になるのは0.54μs、98%になる
のは1.4μsであるのがわかる。また、バイアス電圧
Biasを0.6Vより大きくすれば、さらに高速の読出
しが可能であることを示している。この様に、撮像装置
の全体の設計から読出し時間および必要な直線性が決定
されると、必要とされるバイアス電圧VBiasが図7のグ
ラフを用いることにより決定することができる。
According to FIG. 7, when the bias voltage V Bias is 0.6 V, the read voltage becomes 80% of the storage voltage when the read time is 0.12 μs, and when the read voltage becomes 90% it is 0.2%.
It can be seen that 7 μs, 95% is 0.54 μs, and 98% is 1.4 μs. Further, it is shown that higher-speed reading is possible if the bias voltage V Bias is set to be larger than 0.6 V. As described above, when the read time and the required linearity are determined from the overall design of the imaging device, the required bias voltage V Bias can be determined by using the graph of FIG.

【0038】上記構成に係る光センサセルのもう一つの
利点は、p領域6に蓄積されたホールはp領域6におけ
るエレクトロンとホールの再結合確率がきわめて小さい
ことから非破壊的に読出し可能なことである。すなわち
読出し時に電極9に印加していた電圧VR をゼロボルト
にもどした時、p領域6の電位は電圧VR を印加する前
の逆バイアス状態になり、光照射により発生した蓄積電
圧VP は、新しく光が照射されない限り、そのまま保存
されるわけである。このことは、上記構成に係る光セン
サセルを光電変換装置として構成したときに、システム
動作上、新しい機能を提供することができることを意味
する。
Another advantage of the photosensor cell according to the above configuration is that the holes accumulated in the p region 6 can be read nondestructively since the recombination probability of electrons and holes in the p region 6 is extremely small. is there. That is, when returning the voltage V R which has been applied to the electrode 9 during the readout to zero volts, the potential of the p region 6 becomes reverse biased before the application of the voltage V R, the reserved voltage V P generated by light irradiation As long as the light is not newly irradiated, it is stored as it is. This means that when the photosensor cell according to the above configuration is configured as a photoelectric conversion device, a new function can be provided in terms of system operation.

【0039】このp領域6に蓄積電圧VP を保持できる
時間は、きわめて長く、最大の保持時間は、むしろ、接
合の空乏層中において熱的に発生する暗電流によって制
限を受ける。すなわち、この熱的に発生する暗電流によ
り光センサセルが飽和してしまうからである。しかしな
がら、上記構成に係る光センサセルでは、空乏層の広が
っている領域は、低不純物濃度領域であるn- 領域5で
あり、このn- 領域5は1012cm-3〜1014cm-3
度と、きわめて不純物濃度が低いため、その結晶性が良
好であり、MOS型、CCD型撮像装置に比較して熱的
に発生するエレクトロン・ホール対は少ない。このた
め、暗電流は、他の従来の装置に比較して小さい。すな
わち、上記構成に係る光センサセルは本質的に暗電流雑
音の小さい構造をしているわけである。
The time to hold the accumulated voltage V P to the p region 6 is extremely long, the maximum holding time is rather limited by thermally dark current generated in the depletion layer of the junction. That is, the photosensor cell is saturated by the thermally generated dark current. However, in the optical sensor cell according to the above configuration, the region where the depletion layer extends is the n region 5 that is a low impurity concentration region, and the n region 5 is about 10 12 cm −3 to 10 14 cm −3. Since the impurity concentration is extremely low, the crystallinity is good, and the number of electron-hole pairs thermally generated is small as compared with MOS-type and CCD-type image pickup devices. For this reason, the dark current is smaller than other conventional devices. That is, the photosensor cell according to the above configuration has a structure with essentially low dark current noise.

【0040】次いでp領域6に蓄積された電荷をリフレ
ッシュする動作について説明する。上記構成に係る光セ
ンサセルでは、すでに述べたごとく、p領域6に蓄積さ
れた電荷は、読出し動作では消滅しない。このため新し
い光情報を入力するためには、前に蓄積されていた電荷
を消滅させるためのリフレッシュ動作が必要である。ま
た同時に、浮遊状態になされているp領域6の電位を所
定の負電圧に帯電させておく必要がある。
Next, the operation of refreshing the charge stored in p region 6 will be described. In the photosensor cell according to the above configuration, as described above, the charge accumulated in the p region 6 does not disappear in the read operation. Therefore, in order to input new optical information, a refresh operation for extinguishing previously accumulated electric charges is required. At the same time, it is necessary to charge the potential of the floating p region 6 to a predetermined negative voltage.

【0041】上記構成に係る光センサセルでは、リフレ
ッシュ動作も読出し動作と同様、配線10を通して電極
9に正電圧を印加することにより行う。このとき、配線
8を通してエミッタを接地する。コレクタは、電極12
を通して接地又は正電位にしておく。図8にリフレッシ
ュ動作の等価回路を示す。但しコレクタ側を接地した状
態の例を示している。
In the photosensor cell having the above structure, the refresh operation is performed by applying a positive voltage to the electrode 9 through the wiring 10 as in the read operation. At this time, the emitter is grounded through the wiring 8. The collector is an electrode 12
To ground or positive potential. FIG. 8 shows an equivalent circuit of the refresh operation. However, an example in which the collector side is grounded is shown.

【0042】この状態で正電圧VRHなる電圧が電極9に
印加されると、ベース22には、酸化膜容量Cox1
3,ベース・エミッタ間接合容量Cbe15、ベース・
コレクタ間接合容量Cbc17の容量分割により、 なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的にかか
る。この電圧により、ベース・エミッタ間接合ダイオー
ドDbe16およびベース・コレクタ間接合ダイオード
Dbc18は順方向バイアスされて導通状態となり、電
流が流れ始め、ベース電位は次第に低下していく。
In this state, when a voltage of the positive voltage V RH is applied to the electrode 9, the oxide film capacitance Cox 1 is applied to the base 22.
3, the base-emitter junction capacitance Cbe15,
By dividing the collector junction capacitance Cbc17, Is instantaneously applied as in the previous read operation. With this voltage, the base-emitter junction diode Dbe16 and the base-collector junction diode Dbc18 are forward-biased and in a conducting state, current starts to flow, and the base potential gradually decreases.

【0043】この時、浮遊状態にあるベースの電位Vの
変化は近似的に次式で表わされる。 1 はダイオードDbcを流れる電流、i2 はダイオー
ドDbeを流れる電流である。Ab はベース面積、Ae
はエミッタ面積、DP はコレクタ中におけるホールの拡
散定数、pneはコレクタ中における熱平衡状態のホール
濃度、Lpはコレクタ中におけるホールの平均自由行
程、npeはベース中における熱平衡状態でのエレクトロ
ン濃度である。i2 で、ベース側からエミッタへのホー
ル注入による電流は、エミッタの不純物濃度がベースの
不純物濃度にくらべて充分高いので、無視できる。
At this time, a change in the potential V of the base in a floating state is approximately expressed by the following equation. i 1 is a current flowing through the diode Dbc, and i 2 is a current flowing through the diode Dbe. Ab is the base area, A e
Is the emitter area, D P is the diffusion coefficient of holes in the collector, p ne is the hole concentration in the thermal equilibrium state in the collector, Lp is the mean free path of holes in the collector, and n pe is the electron concentration in the thermal equilibrium state in the base. It is. At i 2 , the current due to hole injection from the base side to the emitter is negligible since the impurity concentration of the emitter is sufficiently higher than the impurity concentration of the base.

【0044】上に示した式は、段階接合近似のものであ
り実際のデバイスでは段階接合からはずれており、又ベ
ースの厚さが薄く、かつ複雑な濃度分布を有しているの
で厳密なものではないが、リフレッシュ動作をかなりの
近似で説明可能である。上式中のベース・コレクタ間に
流れる電流i1 の内、q・DP ・pne/Lpはホールに
よる電流、すなわちベースからホールがコレクタ側へ流
れだす成分を示している。このホールによる電流が流れ
やすい様に上記構成に係る光センサセルでは、コレクタ
の不純物濃度は、通常のバイポーラトランジスタに比較
して少し低めに設計される。
The above equation is an approximation of the step junction, which deviates from the step junction in an actual device, and is strict because it has a thin base and a complicated concentration distribution. However, the refresh operation can be explained with a considerable approximation. Of the current i 1 flowing between the base and the collector in the above equation, q · D P · p ne / Lp indicates a current due to a hole, that is, a component in which the hole flows from the base to the collector side. In the photosensor cell according to the above configuration, the impurity concentration of the collector is designed to be slightly lower than that of a normal bipolar transistor so that the current due to the hole easily flows.

【0045】この式を用いて計算した、ベース電位の時
間依存性の一例を図9に示す。横軸は、リフレッシュ電
圧VRHが電極9に印加された瞬間からの時間経過すなわ
ちリフレッシュ時間を、縦軸は、ベース電位をそれぞれ
示す。また、ベースの初期電位をパラメータにしてい
る。ベースの初期電位とは、リフレッシュ電圧VRHが加
わった瞬間に、浮遊状態にあるベースが示す電位であ
り、VRH,Cox,Cbe,Cbc及びベースに蓄積さ
れている電荷によってきまる。
FIG. 9 shows an example of the time dependency of the base potential calculated using this equation. The abscissa indicates the lapse of time from the moment when the refresh voltage V RH is applied to the electrode 9, that is, the refresh time, and the ordinate indicates the base potential. In addition, the initial potential of the base is used as a parameter. The initial potential of the base is a potential indicated by the base in a floating state at the moment when the refresh voltage V RH is applied, and is determined by V RH , Cox, Cbe, Cbc, and electric charges accumulated in the base.

【0046】この図9をみれば、ベースの電位は初期電
位によらず、ある時間経過後には必ず、片対数グラフ上
で一つの直線にしたがって下がっていく。図10に、リ
フレッシュ時間に対するベース電位変化の実験値を示
す。図9に示した計算例に比較して、この実験で用いた
テストデバイスは、ディメンションがかなり大きいた
め、計算例とはその絶対値は一致しないが、リフレッシ
ュ時間に対するベース電位変化が片対数グラフ上で直線
的に変化していることが実証されている。この実験例で
はコレクタおよびエミッタの両者を接地したときの値を
示している。
Referring to FIG. 9, the base potential always drops after a certain period of time according to one straight line on the semilogarithmic graph regardless of the initial potential. FIG. 10 shows experimental values of the base potential change with respect to the refresh time. Compared with the calculation example shown in FIG. 9, the test device used in this experiment has a considerably large dimension, so that the absolute value does not match the calculation example. It has been proved that the value changes linearly with. This experimental example shows a value when both the collector and the emitter are grounded.

【0047】今、光照射による蓄積電圧VP の最大値を
0.4〔V〕、リフレッシュ電圧VRHによりベースに印
加される電圧V を0.4〔V〕とすると、図9に示す
ごとく初期ベース電位の最大値は0.8〔V〕となり、
リフレッシュ電圧印加後10-15 〔sec〕後には直線
にのってベース電位が下がり始め、10-5〔sec〕後
には、光があたらなかった時、すなわち初期ベース電位
が0.4〔V〕のときの電位変化と一致する。
Now, assuming that the maximum value of the accumulated voltage V P due to light irradiation is 0.4 [V] and the voltage V applied to the base by the refresh voltage V RH is 0.4 [V], as shown in FIG. The maximum value of the initial base potential is 0.8 [V],
After 10 -15 [sec] after the application of the refresh voltage, the base potential starts to fall in a straight line after 10 -5 [sec] when no light is applied, that is, when the initial base potential is 0.4 [V]. Coincides with the potential change at the time.

【0048】p領域6が、MOSキャパシタCoxを通
して正電圧をある時間印加し、その正電圧を除去すると
負電位に帯電する仕方には、2通りの仕方がある。一つ
は、p領域6から正電荷を持つホールが、主として接地
状態にあるn領域1に流れ出すことによって、負電荷が
蓄積される動作である。p領域6からホールが、n領域
1に一方的に流れ、n領域1の電子があまりp領域6内
に流れ込まないようにするためには、p領域6の不純物
密度をn領域1の不純物密度より高くしておけばよい。
一方、n+ 領域7やn領域1からの電子が、p領域6に
流れ込み、ホールと再結合することによって、p領域6
に負電荷が蓄積する動作も行える。この場合には、n領
域1の不純物密度はp領域6より高くなされている。p
領域6からホールが流出することによって、負電荷が蓄
積する動作の方が、p領域6ベースに電子が流れ込んで
ホールと再結合することにより負電荷が蓄積する動作よ
りはるかに速い。しかし、これまでの実験によれば、電
子をp領域6に流し込むリフレッシュ動作でも、光電変
換装置の動作に対しては、十分に速い時間応答を示すこ
とが確認されている。
There are two ways in which a positive voltage is applied to the p region 6 through the MOS capacitor Cox for a certain period of time, and when the positive voltage is removed, the p region 6 is charged to a negative potential. One is an operation in which holes having a positive charge flow out of the p region 6 into the n region 1 which is mainly in the ground state, whereby negative charges are accumulated. In order for holes from the p region 6 to flow unilaterally to the n region 1 and to prevent electrons in the n region 1 from flowing into the p region 6 too much, the impurity density of the p region 6 is changed to the impurity density of the n region 1. It should be higher.
On the other hand, electrons from the n + region 7 and the n region 1 flow into the p region 6 and recombine with holes, thereby forming the p region 6.
The operation of accumulating negative charges can also be performed. In this case, the impurity density of n region 1 is higher than that of p region 6. p
The operation of accumulating negative charges by holes flowing out of the region 6 is much faster than the operation of accumulating negative charges by electrons flowing into the base of the p region 6 and recombining with holes. However, according to the experiments so far, it has been confirmed that the refresh operation in which electrons flow into the p region 6 shows a sufficiently fast time response to the operation of the photoelectric conversion device.

【0049】上記構成に係る光センサセルをXY方向に
多数ならべて光電変換装置を構成したとき、画像により
各センサセルで、蓄積電圧VP は、上記の例では0〜
0.4〔V〕の間でばらついているが、リフレッシュ電
圧VRH印加後10-5〔sec〕には、全てのセンサセル
のベースには約0.3〔V〕程度の一定電圧は残るもの
の、画像による蓄積電圧VP の変化分は全て消えてしま
うことがわかる。すなわち、上記構成に係る光センサセ
ルによる光電変換装置では、リフレッシュ動作により全
てのセンサセルのベース電位をゼロボルトまで持ってい
く完全リフレッシュモードと(このときは図9の例では
10〔sec〕を要する)、ベース電位にはある一定電
圧は残るものの蓄積電圧VP による変動成分が消えてし
まう過渡的リフレッシュモードの二つが存在するわけで
ある(このときは図9の例では、10〔μsec〕〜1
0〔sec〕のリフレッシュパルス)。以上の例では、
リフレッシュ電圧VRHによりベースに印加される電圧V
A を0.4〔V〕としたが、この電圧VA を0.6
〔V〕とすれば、上記、過渡的リフレッシュモードは、
図9によれば、1〔nsec〕でおこり、きわめて高速
にリフレッシュすることができる。完全リフレッシュモ
ードで動作させるか、過渡的リフレッシュモードで動作
させるかの選択は光電変換装置の使用目的によって決定
される。
[0049] When side by side a number of photosensor cell of the above structure in the XY direction in the photoelectric conversion device, in each sensor cell by the image, storing the voltage V P is in the above example 0
Although it fluctuates between 0.4 [V], a constant voltage of about 0.3 [V] remains in the base of all sensor cells at 10 -5 [sec] after application of the refresh voltage V RH. , change in storage voltage V P by the image it can be seen that disappear all. That is, in the photoelectric conversion device using the optical sensor cells according to the above configuration, a complete refresh mode in which the base potential of all the sensor cells is brought to zero volt by the refresh operation (in this case, 10 [sec] is required in the example of FIG. 9), constant voltage to the base potential is is not two of the remaining ones transient refresh mode fluctuation component disappears by the reserved voltage V P of the present (in the example of FIG. 9 this time, 10 [μsec] and 1
0 [sec] refresh pulse). In the above example,
The voltage V applied to the base by the refresh voltage V RH
Although the A and 0.4 V, the voltage V A 0.6
[V], the transient refresh mode is
According to FIG. 9, it occurs at 1 [nsec], and refreshing can be performed very fast. The selection between operation in the complete refresh mode and operation in the transient refresh mode is determined by the purpose of use of the photoelectric conversion device.

【0050】この過渡的リフレッシュモードにおいてベ
ースに残る電圧をVK とすると、リフレッシュ電圧VRH
を印加後、VRHをゼロボルトにもどす瞬間の過渡的状態
において、 なる負電圧がベースに加算されるので、リフレッシュパ
ルスによるリフレッシュ動作後のベース電位は となり、ベースはエミッタに対して逆バイアス状態にな
る。
If the voltage remaining on the base in this transient refresh mode is V K , the refresh voltage V RH
Is applied, the transient state at the moment when V RH is returned to zero volt, Is added to the base, the base potential after the refresh operation by the refresh pulse is And the base is in a reverse bias state with respect to the emitter.

【0051】先に光により励起されたキャリアを蓄積す
る蓄積動作のとき、蓄積状態ではベースは逆バイアス状
態で行われるという説明をしたが、このリフレッシュ動
作により、リフレッシュおよびベースを逆バイアス状態
に持っていくことの2つの動作が同時に行われるわけで
ある。
Although it has been described above that in the accumulation operation for accumulating carriers excited by light, the base is operated in the reverse bias state in the accumulation state. The two operations of going are performed at the same time.

【0052】図11にリフレッシュ電圧VRHに対するリ
フレッシュ動作後のベース電位 の変化の実験値を示す。パラメータとしてCoxの値を
5pFから100pFまでとっている。丸印は実験値で
あり、実線は より計算される計算値を示している。このときVK
0.52Vであり、また、Cbc+Cbe=4pFであ
る。但し観測用オシロスコープのプローグ容量13pF
がCbc+Cbeに並列に接続されている。この様に、
計算値と実験値は完全に一致しており、リフレッシュ動
作が実験的にも確認されている。
FIG. 11 shows the base potential after the refresh operation with respect to the refresh voltage V RH . Shows the experimental value of the change in. The value of Cox is taken as a parameter from 5 pF to 100 pF. The circles are experimental values, and the solid line is It shows the calculated value calculated from the above. At this time, V K =
0.52 V, and Cbc + Cbe = 4 pF. However, the prog capacity of the observation oscilloscope is 13pF
Are connected in parallel to Cbc + Cbe. Like this
The calculated value and the experimental value completely match, and the refresh operation has been experimentally confirmed.

【0053】以上のリフレッシュ動作においては、図8
に示す様に、コレクタを接地したときの例について説明
したが、コレクタを正電位にした状態で行うことも可能
である。このときは、ベース・コレクタ間接合ダイオー
ドDbc18が、リフレッシュパルスが印加されても、
このリフレッシュパルスによりベースに印加される電位
よりも、コレクタに印加されている正電位の方が大きい
と非導通状態のままなので、電流はベース・エミッタ間
接合ダイオードDbe16だけを通して流れる。このた
め、ベース電位の低下は、よりゆっくりしたものになる
が、基本的には、前に説明したのと、まったく同様な動
作が行われるわけである。
In the above refresh operation, FIG.
As described above, an example in which the collector is grounded has been described, but it is also possible to perform the operation with the collector at a positive potential. At this time, even if the refresh pulse is applied to the base-collector junction diode Dbc18,
If the positive potential applied to the collector is higher than the potential applied to the base by this refresh pulse, the current will flow through only the base-emitter junction diode Dbe16 since the non-conductive state is maintained. Therefore, although the base potential decreases more slowly, basically, the operation exactly the same as that described above is performed.

【0054】すなわち図9のリフレッシュ時間に対する
ベース電位の関係は、図9のベース電位が低下する時の
斜めの直線が右側の方、つまり、より時間の要する方向
へシフトすることになる。したがって、コレクタを接地
した時と同じリフレッシュ電圧VRHを用いると、リフレ
ッシュに時間を要することになるが、リフレッシュ電圧
RHをわずか高めてやればコレクタを接地した時と同
様、高速のリフレッシュ動作が可能である。
That is, the relationship between the refresh time and the base potential in FIG. 9 is such that the diagonal straight line when the base potential decreases in FIG. 9 shifts to the right side, that is, the direction requiring more time. Therefore, if the same refresh voltage V RH as when the collector is grounded is used, it takes time to refresh. However, if the refresh voltage V RH is slightly increased, a high-speed refresh operation can be performed as in the case where the collector is grounded. It is possible.

【0055】以上が光入射による電荷蓄積動作、読出し
動作、リフレッシュ動作よりなる上記構成に係る光セン
サセルの基本動作の説明である。以上説明したごとく、
上記構成に係る光センサセルの基本構造は、すでにあげ
た特開昭56−150878号公報、特開昭56−15
7073号公報、特開昭56−165473号公報と比
較してきわめて簡単な構造であり、将来の高解像度化に
十分対応できるとともに、それらのもつ優れた特徴であ
る増幅機能からくる低雑音、高出力、広ダイナミックレ
ンジ、非破壊読出し等のメリットをそのまま保存してい
る。
The above is the description of the basic operation of the photosensor cell according to the above configuration, which includes the charge accumulation operation, the read operation, and the refresh operation due to the incidence of light. As explained above,
The basic structure of the optical sensor cell according to the above configuration is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 56-150878 and 56-15
It has a very simple structure as compared with Japanese Patent Application Laid-Open No. 7073 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-165473, and can sufficiently cope with high resolution in the future. The advantages of output, wide dynamic range, non-destructive readout, etc. are preserved as they are.

【0056】次に、以上説明した構成に係る光センサセ
ルを二次元に配列して構成した光電変換装置の一構成例
について図面を用いて説明する。基本光センサセル構造
を二次元的に3×3に配列した光電変換装置の回路構成
図を図12に示す。
Next, a configuration example of a photoelectric conversion device in which the photosensor cells according to the configuration described above are arranged two-dimensionally will be described with reference to the drawings. FIG. 12 shows a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device in which basic photosensor cell structures are two-dimensionally arranged in 3 × 3.

【0057】すでに説明した点線で囲まれた基本光セン
サセル30(この時バイポーラトランジスタのコレクタ
は基板及び基板電極に接続されることを示してい
る。)、読出しパルスおよびリフレッシュパルスを印加
するための水平ライン31,31′,31″、読出しパ
ルスを発生させるための垂直シフトレジスタ32、垂直
シフトレジスタ32と水平ライン31,31′,31″
の間のバッファMOSトランジスタ33,33′,3
3″のゲートにパルスを印加するための端子34、リフ
レッシュパルスを印加するためのバッファMOSトラン
ジスタ35,35′,35″、それのゲートにパルスを
印加するための端子36、リフレッシュパルスを印加す
るための端子37、基本光センサセル30から蓄積電圧
を読出すための垂直ライン38,38′,38″、各垂
直ラインを選択するためのパルスを発生する水平シフト
レジスタ39、各垂直ラインを開閉するためのゲート用
MOSトランジスタ40,40′,40″、蓄積電圧を
アンプ部に読出すための出力ライン41、読出し後に、
出力ラインに蓄積した電荷をリフレッシュするためのM
OSトランジスタ42、MOSトランジスタ42へリフ
レッシュパルスを印加するための端子43、出力信号を
増幅するためのバイポーラ、MOS,FET、J−FE
T等のトランジスタ44、負荷抵抗45、トランジスタ
と電源を接続するための端子46、トランジスタの出力
端子47、読出し動作において垂直ライン40,4
0′,40″に蓄積された電荷をリフレッシュするため
のMOSトランジスタ48,48′,48″、およびM
OSトランジスタ48,48′,48″のゲートにパル
スを印加するための端子49によりこの光電変換装置は
構成されている。
The basic photosensor cell 30 (the collector of the bipolar transistor is shown to be connected to the substrate and the substrate electrode at this time) surrounded by the dotted line already described, and a horizontal pulse for applying a read pulse and a refresh pulse. Lines 31, 31 ', 31 ", vertical shift register 32 for generating read pulses, vertical shift register 32 and horizontal lines 31, 31', 31"
Between the buffer MOS transistors 33, 33 ', 3
A terminal 34 for applying a pulse to the 3 "gate, buffer MOS transistors 35, 35 ', 35" for applying a refresh pulse, a terminal 36 for applying a pulse to the gate thereof, and a refresh pulse are applied. 37, vertical lines 38, 38 ', 38 "for reading an accumulated voltage from the basic photosensor cell 30, a horizontal shift register 39 for generating a pulse for selecting each vertical line, and opening and closing each vertical line. MOS transistors 40, 40 ', and 40 "for output, an output line 41 for reading the accumulated voltage to the amplifier section,
M for refreshing the charge stored in the output line
OS transistor 42, terminal 43 for applying a refresh pulse to MOS transistor 42, bipolar for amplifying an output signal, MOS, FET, J-FE
T, a transistor 44, a load resistor 45, a terminal 46 for connecting the transistor to a power supply, an output terminal 47 of the transistor, and vertical lines 40, 4 in a read operation.
MOS transistors 48, 48 ', 48 "for refreshing the electric charges stored in 0', 40" and M
This photoelectric conversion device is constituted by a terminal 49 for applying a pulse to the gates of the OS transistors 48, 48 ', 48 ".

【0058】この光電変換装置の動作について図12お
よび図13に示すパルスタイミング図を用いて説明す
る。図13において、区間61はリフレッシュ動作、区
間62は蓄積動作、区間63は読出し動作にそれぞれ対
応している。時刻t1 において、基板電位、すなわち光
センサセル部のコレクタ電位64は、接地電位または正
電位に保たれるが、図13では接地電位に保たれている
ものを示している。接地電位または正電位のいずれにし
ても、すでに説明した様に、リフレッシュに要する時間
が異なってくるだけであり、基本動作に変化はない。端
子49の電位65はhigh状態であり、MOSトラン
ジスタ48,48′,48″は導通状態に保たれ、各光
センサセルは、垂直ライン38,38′,38″を通し
て接地されている。また端子36には、波形66のごと
くバッファMOSトランジスタが導通する電圧が印加さ
れており、全画面一括リフレッシュ用バッファMOSト
ランジスタ35,35′,35″は導通状態となってい
る。この状態で端子37に波形67のごとくパルスが印
加されると、水平ライン31,31′,31″を通して
各光センサセルのベースに電圧がかかり、すでに説明し
た様に、リフレッシュ動作に入り、それ以前に蓄積され
ていた電荷が、完全リフレッシュモード又は過渡的リフ
レッシュモードにしたがってリフレッシュされる。完全
リフレッシュモードになるか又は過渡的リフレッシュモ
ードになるかは波形67のパルス幅により決定されるわ
けである。
The operation of this photoelectric conversion device will be described with reference to the pulse timing charts shown in FIGS. In FIG. 13, a section 61 corresponds to a refresh operation, a section 62 corresponds to an accumulation operation, and a section 63 corresponds to a read operation. At time t 1 , the substrate potential, that is, the collector potential 64 of the photosensor cell portion is maintained at the ground potential or the positive potential, but FIG. 13 shows the substrate potential maintained at the ground potential. Regardless of the ground potential or the positive potential, as described above, only the time required for refresh differs, and the basic operation does not change. The potential 65 of the terminal 49 is high, the MOS transistors 48, 48 ', 48 "are kept conductive, and each photosensor cell is grounded through the vertical lines 38, 38', 38". Further, a voltage that causes the buffer MOS transistor to conduct as shown by a waveform 66 is applied to the terminal 36, and the buffer MOS transistors 35, 35 ', and 35 ″ for all-screen batch refresh are in a conductive state. When a pulse is applied to 37 as shown by waveform 67, a voltage is applied to the base of each photosensor cell through horizontal lines 31, 31 ', 31 ", and as described above, the refresh operation is started, and the data is stored before that. The charged charges are refreshed according to the complete refresh mode or the transient refresh mode. Whether to enter the complete refresh mode or the transient refresh mode is determined by the pulse width of the waveform 67.

【0059】t2 時刻において、すでに説明したごと
く、各光センサセルのトランジスタのベースはエミッタ
に対して逆バイアス状態となり、次の蓄積区間62へ移
る。このリフレッシュ区間61においては、図に示すよ
うに、他の印加パルスは全てlow状態に保たれてい
る。
At time t 2 , as described above, the base of the transistor of each photosensor cell is in a reverse bias state with respect to the emitter, and proceeds to the next accumulation section 62. In this refresh period 61, as shown in the figure, all other applied pulses are kept in a low state.

【0060】蓄積動作区間62においては、基板電圧、
すなわちトランジスタのコレクタ電位波形64は正電位
にする。これにより光照射により発生したエレクトロン
・ホール対のうちのエレクトロンを、コレクタ側へ早く
流してしまうことができる。しかし、このコレクタ電位
を正電位に保つことは、ベースをエミッタに対して逆方
向バイアス状態、すなわち負電位にして撮像しているの
で必須条件ではなく、接地電位あるいは若干負電位状態
にしても基本的な蓄積動作に変化はない。
In the accumulation operation section 62, the substrate voltage,
That is, the collector potential waveform 64 of the transistor is set to a positive potential. As a result, the electrons out of the electron-hole pairs generated by the light irradiation can quickly flow toward the collector. However, keeping the collector potential at a positive potential is not an essential condition since imaging is performed with the base in a reverse bias state with respect to the emitter, that is, a negative potential. There is no change in the typical accumulation operation.

【0061】蓄積動作状態においては、MOSトランジ
スタ48,48′,48″のゲート端子49の電位65
は、リフレッシュ区間と同様、highに保たれ、各M
OSトランジスタは導通状態に保たれる。このため、各
光センサセルのエミッタは垂直ライン38,38′,3
8″を通して接地されている。強い光の照射により、ベ
ースにホールが蓄積され、飽和してくると、すなわちベ
ース電位がエミッタ電位(接地電位)に対して順方向バ
イアス状態になってくると、ホールは垂直ライン38,
38′,38″を通して流れ、そこでベース電位変化は
停止し、クリップされることになる。したがって、垂直
方向にとなり合う光センサセルのエミッタが垂直ライン
38,38′,38″により共通に接続されていても、
この様に垂直ライン38,38′,38″を接地してお
くと、ブルーミング現象を生ずることはない。
In the accumulation operation state, the potential 65 of the gate terminal 49 of the MOS transistors 48, 48 ', 48 "
Are kept high as in the refresh section, and each M
The OS transistor is kept conductive. Therefore, the emitter of each photosensor cell is connected to the vertical line 38, 38 ', 3
8 ". Holes are accumulated in the base due to strong light irradiation, and when the base is saturated, that is, when the base potential is in a forward bias state with respect to the emitter potential (ground potential), The hole is a vertical line 38,
38 ', 38 ", where the base potential change stops and is clipped. Thus, the emitters of the vertically adjacent photosensor cells are commonly connected by vertical lines 38, 38', 38". Even
When the vertical lines 38, 38 ', 38 "are grounded in this way, no blooming phenomenon occurs.

【0062】このブルーミング現象をさける方法は、M
OSトランジスタ48,48′,48″を非導通状態に
して、垂直ライン38,38′,38″を浮遊状態にし
ていても、基板電位、すなわちコレクタ電位64を若干
負電位にしておき、ホールの蓄積によりベース電位が正
電位方向に変化してきたとき、エミッタより先にコレク
タ側の方へ流れ出す様にすることにより達成することも
可能である。
A method for avoiding the blooming phenomenon is as follows.
Even if the OS transistors 48, 48 ', 48 "are turned off and the vertical lines 38, 38', 38" are in a floating state, the substrate potential, that is, the collector potential 64 is kept at a slightly negative potential, and When the base potential changes in the positive potential direction due to the accumulation, it can also be achieved by flowing out toward the collector side before the emitter.

【0063】蓄積区間62に次いで、時刻t3 より読出
し区間63になる。この時刻t3 において、MOSトラ
ンジスタ48,48′,48″のゲート端子49の電位
65をlowにし、かつ水平ライン31,31′,3
1″のバッファMOSトランジスタ33,33′,3
3″のゲート端子の電位68をhighにし、それぞれ
のMOSトランジスタを導通状態とする。但し、このゲ
ート端子34の電位68をhighにするタイミング
は、時刻t3 であることは必須条件ではなく、それより
早い時刻であれば良い。
[0063] Following the accumulation section 62, the read section 63 from time t 3. At time t 3, MOS transistors 48, 48 ', the potential 65 of the gate terminal 49 of the 48 "to low, and the horizontal lines 31, 31', 3
1 "buffer MOS transistors 33, 33 ', 3
The potential 68 of the 3 ″ gate terminal is set to high, and the respective MOS transistors are turned on. However, the timing of setting the potential 68 of the gate terminal 34 to high is not an indispensable condition that it is time t 3 . Any time earlier than that is fine.

【0064】時刻t4 では、垂直シフトレジスタ32の
出力のうち、水平ライン31に接続されたものが波形6
9のごとくhighとなり、このとき、MOSトランジ
スタ33が導通状態であるから、この水平ライン31に
接続された3つの各光センサセルの読出しが行なわれ
る。この読出し動作はすでに前に説明した通りであり、
各光センサセルのベース領域に蓄積された信号電荷によ
り発生した信号電圧は、そのまま、垂直ライン38,3
8′,38″に現われる。このときの垂直シフトレジス
タ32からのパルス電圧のパルス幅は、図6に示した様
に、蓄積電圧に対する読出し電圧が、十分直線性を保つ
関係になるパルス幅に設定される。またパルス電圧は先
に説明した様に、VBias分だけエミッタに対して順方向
バイアスがかかる様調整される。
At time t 4 , the output of the vertical shift register 32 connected to the horizontal line 31 has the waveform 6
At this time, since the MOS transistor 33 is in a conductive state, reading of each of the three photosensor cells connected to the horizontal line 31 is performed. This read operation is as described above,
The signal voltage generated by the signal charge stored in the base region of each photosensor cell is directly applied to the vertical lines 38, 3
8 ', 38 ". At this time, the pulse width of the pulse voltage from the vertical shift register 32 is, as shown in FIG. The pulse voltage is adjusted so as to apply a forward bias to the emitter by V Bias as described above.

【0065】次いで、時刻t5 において、水平シフトレ
ジスタ39の出力のうち、垂直ライン38に接続された
MOSトランジスタ40のゲートへの出力だけが波形7
0のごとくhighとなり、MOSトランジスタ40が
導通状態となり、出力信号は出力ライン41を通して、
出力トランジスタ44に入り、電流増幅されて出力端子
47から出力される。この様に信号が読出された後、出
力ライン41には配線容量に起因する信号電荷が残って
いるので、時刻t6 において、MOSトランジスタ42
のゲート端子43にパルス波形71のごとくパルスを印
加し、MOSトランジスタ42を導通状態にして出力ラ
イン41を接地して、この残留した信号電荷をリフレッ
シュしてやるわけである。以下同様にして、スイッチン
グMOSトランジスタ40′,40″を順次導通させて
垂直ライン38′,38″の信号出力を読出す。この様
にして水平に並んだ一ライン分の各光センサセルからの
信号を読出した後、垂直ライン38,38′,38″に
は、出力ライン41と同様、それの配線容量に起因する
信号電荷が残留しているので、各垂直ライン38,3
8′,38″に接続されたMOSトランジスタ48,4
8′,48″を、それのゲート端子49に波形65で示
される様にhighにして導通させ、この残留信号電荷
をリフレッシュする。
Next, at time t 5 , among the outputs of the horizontal shift register 39, only the output to the gate of the MOS transistor 40 connected to the vertical line 38 has the waveform 7
0, the MOS transistor 40 becomes conductive, and the output signal is output through the output line 41.
The current enters the output transistor 44, is amplified, and is output from the output terminal 47. After the signal in this manner is read, since the output line 41 is left signal charge due to wiring capacitance, at time t 6, MOS transistor 42
A pulse is applied to the gate terminal 43 as shown in the pulse waveform 71, the MOS transistor 42 is turned on, the output line 41 is grounded, and the remaining signal charges are refreshed. Similarly, the switching MOS transistors 40 'and 40 "are sequentially turned on to read the signal outputs of the vertical lines 38' and 38". After reading the signals from the photosensor cells for one line arranged horizontally in this manner, the vertical lines 38, 38 ', and 38 "have the signal charges caused by the wiring capacitance thereof as in the case of the output line 41. , Each vertical line 38, 3
MOS transistors 48, 4 connected to 8 ', 38 "
8 ', 48 "is made high at its gate terminal 49 as shown by the waveform 65 to make it conductive, and this residual signal charge is refreshed.

【0066】次いで、時刻t8 において、垂直シフトレ
ジスタ32の出力のうち、水平ライン31′に接続され
た出力が波形69′のごとくhighとなり、水平ライ
ン31′に接続された各光センサセルの蓄積電圧が、各
垂直ライン38,38′,38″に読出されるわけであ
る。以下、順次前と同様の動作により、出力端子47か
ら信号が読出される。
Next, at time t 8 , of the outputs of the vertical shift register 32, the output connected to the horizontal line 31 ′ becomes high as shown by a waveform 69 ′, and the output of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 ′ The voltage is read out to each of the vertical lines 38, 38 ', 38 ". Thereafter, the signal is read out from the output terminal 47 by the same operation as before.

【0067】以上の説明においては、蓄積区間62と読
出し区間63が明確に区分される様な応用分野、例えば
最近研究開発が積極的に行なわれているスチルビデオに
適用される動作状態について説明したが、テレビカメラ
の様に蓄積区間62における動作と読出し区間63にお
ける動作が同時に行なわれている様な応用分野に関して
も、図13のパルスタイミングを変更することにより適
用可能である。但し、この時のリフレッシュは全画面一
括リフレッシュではなく、一ライン毎のリフレッシュ機
能が必要である。例えば、水平ライン31に接続された
各光センサセルの信号が読出された後、時刻t7 におい
て各垂直ラインに残留した電荷を消去するためMOSト
ランジスタ48,48′,48″を導通にするが、この
とき水平ライン31にリフレッシュパルスを印加する。
すなわち、波形69において時刻t7 においても時刻t
4 と同様、パルス電圧、パルス幅、の異なるパルスを発
生する様な構成の垂直シフトレジスタを使用することに
より達成することができる。この様にダブルパルス的動
作以外には、図12の右側に設置した一括リフレッシュ
パルスを印加する機器の代わりに、左側と同様の第2の
垂直シフトレジスタを右側にも設け、タイミングを左側
に設けられた垂直レジスタとずらせながら動作させるこ
とにより達成させることも可能である。
In the above description, an application field in which the storage section 62 and the read section 63 are clearly separated, for example, an operation state applied to a still video in which research and development has been actively conducted recently. However, the present invention can be applied to an application field in which the operation in the accumulation section 62 and the operation in the read section 63 are simultaneously performed like a television camera by changing the pulse timing in FIG. However, the refresh at this time requires a refresh function for each line, not a full screen batch refresh. For example, after the signals of the photosensor cells connected to the horizontal line 31 is read, MOS transistors 48, 48 for erasing charges remaining in the vertical line at time t 7 ', but to conduct 48 " At this time, a refresh pulse is applied to the horizontal line 31.
That is, at time t 7 in waveform 69, time t
As in the case of 4 , this can be achieved by using a vertical shift register configured to generate pulses having different pulse voltages and pulse widths. In addition to the double pulse operation, a second vertical shift register similar to the left side is provided on the right side instead of the device for applying the batch refresh pulse provided on the right side of FIG. 12, and the timing is provided on the left side. It is also possible to achieve this by operating while shifting the vertical register.

【0068】このときは、すでに説明したような蓄積状
態において、各光センサセルのエミッタおよびコレクタ
の各電位を操作してブルーミングを押えるという動作の
自由度が少なくなる。しかし、基本動作の所で説明した
様に、読出し状態では、ベースにVBiasなるバイアス電
圧を印加したときに始めて高速読出しができる様な構成
としているので、図5のグラフからわかる様に、VBias
を印加しない時に、各光センサセルの飽和により、垂直
ライン28,28′,28″に流れ出す信号電荷分はき
わめてわずかであり、ブルーミング現象は、まったく問
題にはならない。
At this time, in the storage state as described above, the degree of freedom of the operation of suppressing blooming by operating the respective potentials of the emitter and the collector of each photosensor cell is reduced. However, as described in the description of the basic operation, in the reading state, the configuration is such that high-speed reading can be performed only when a bias voltage of V Bias is applied to the base. Therefore, as can be seen from the graph of FIG. Bias
Due to the saturation of each photosensor cell when is not applied, the amount of signal charge flowing out to the vertical lines 28, 28 ', 28 "is very small, and the blooming phenomenon is not a problem at all.

【0069】また、スミア現象に対しても、本構成例に
係る光電変換装置は、きわめて優れた特性を得ることが
できる。スミア現象は、CCD型撮像装置、特にフレー
ム転送型においては、光の照射されている所を電荷転送
されるという、動作および構造上発生する問題であり、
インタライン型においては、特に長波長の光により半導
体の深部で発生したキャリアが電荷転送部に蓄積される
ために発生する問題である。
Also, the photoelectric conversion device according to this configuration example can obtain extremely excellent characteristics with respect to the smear phenomenon. The smear phenomenon is a problem that occurs in an operation and a structure in a CCD type imaging device, particularly, in a frame transfer type, in which electric charge is transferred in a place where light is irradiated.
In the interline type, there is a problem that occurs because carriers generated in a deep part of the semiconductor due to long-wavelength light are accumulated in the charge transfer portion.

【0070】また、MOS型撮像装置においては、各光
センサセルに接地されたスイッチングMOSトランジス
タのドレイン側に、やはり長波長の光により半導体深部
で発生したキャリアが蓄積されるために生じる問題であ
る。これに対して本構成例に係る光電変換装置では、動
作および構造上発生するスミア現象はまったくなく、ま
た長波長の光により半導体深部で発生したキャリアが蓄
積されるという現象もまったく生じない。但し、光セン
サセルのエミッタにおいて比較的表面近傍で発生したエ
レクトロンとホールのうち、エレクトロンが蓄積される
という現像が心配されるが、これは、一括リフレッシュ
動作のときは蓄積動作状態において、エミッタが接地さ
れているため、エレクトロンは蓄積されず、スミア現象
が生じない。また通常のテレビカメラのとき応用される
ラインリフレッシュ動作のときは、水平ブランキングの
期間において、垂直ラインに蓄積電圧を読出す前に、垂
直ラインを接地してリフレッシュするので、この時同時
にエミッタに一水平走査期間に蓄積されたエレクトロン
は流れ出してしまい、このため、スミア現象はほとんど
発生しない。この様に、本構成例に係る光電変換装置で
は、その構造上および動作上、スミア現像はほとんど本
質的に無視し得る程度しか発生せず、本構成例に係る光
電変換装置の大きな利点の一つである。
Further, in the MOS type imaging device, there is a problem that carriers generated in the deep part of the semiconductor due to long-wavelength light are accumulated on the drain side of the switching MOS transistor grounded to each optical sensor cell. On the other hand, in the photoelectric conversion device according to this configuration example, there is no smear phenomenon that occurs in operation and structure, and no phenomenon that carriers generated in the deep part of the semiconductor due to long-wavelength light are accumulated at all. However, among the electrons and holes generated relatively near the surface of the emitter of the photosensor cell, there is a concern about the development that electrons are accumulated, but this is because the emitter is grounded in the accumulation operation state during the batch refresh operation. Therefore, electrons are not accumulated, and no smear phenomenon occurs. In the case of a line refresh operation applied to a normal television camera, the vertical line is grounded and refreshed before reading the accumulated voltage to the vertical line during the horizontal blanking period. The electrons accumulated during one horizontal scanning period flow out, so that the smear phenomenon hardly occurs. As described above, in the photoelectric conversion device according to the present configuration example, smear development is substantially negligible due to its structure and operation, which is one of the great advantages of the photoelectric conversion device according to this configuration example. One.

【0071】また、蓄積動作状態において、エミッタお
よびコレクタの各電位を操作して、ブルーミング現象を
押えるという動作について前に記述したが、これを利用
してγ特性を制御することも可能である。すなわち、蓄
積動作の途中において、一時的にエミッタまたはコレク
タの電位をある一定の負電位にし、ベースに蓄積された
キャリアのうち、この負電位を与えるキャリア数より多
く蓄積されているホールをエミッタまたはコレクタ側へ
流してしまうという動作をさせる。これにより、蓄積電
圧と入射光量に対する関係は、入射光量の小さいときは
シリコン結晶のもつγ=1の特性を示し、入射光量の大
きい所では、γが1より小さくなる様な特性を示す。つ
まり、折線近似的に通常テレビカメラで要求されるγ=
0.45の特性をもたせることが可能である。蓄積動作
の途中において上記動作を一度やれば一折線近似とな
り、エミッタ又はコレクタに印加する負電位を二度適宜
変更して行なえば、二折線タイプのγ特性を持たせるこ
とも可能である。
Although the operation of suppressing the blooming phenomenon by operating the potentials of the emitter and the collector in the accumulation operation state has been described above, it is also possible to control the γ characteristic by utilizing this. That is, during the accumulation operation, the potential of the emitter or the collector is temporarily set to a certain negative potential, and the holes accumulated in the base more than the number of carriers giving the negative potential out of the carriers accumulated in the base are changed to the emitter or the collector. The operation of flowing to the collector side is performed. As a result, the relationship between the storage voltage and the incident light amount shows the characteristic of γ = 1 of the silicon crystal when the incident light amount is small, and shows the characteristic that γ is smaller than 1 when the incident light amount is large. That is, γ =
It is possible to have a characteristic of 0.45. If the above operation is performed once in the middle of the accumulation operation, a one-fold line approximation is obtained. If the negative potential applied to the emitter or the collector is appropriately changed twice, a two-fold line type γ characteristic can be provided.

【0072】また、以上の構成例においては、シリコン
基板を共通コレクタとしているが通常バイポーラトラン
ジスタのごとく埋込n+ 領域を設け、各ライン毎にコレ
クタを分割させる様な構造としてもよい。なお、実際の
動作には図13に示したパルスタイミング以外に、垂直
シフトレジスタ32、水平シフトレジスタ39を駆動す
るためのクロックパルスが必要である。
In the above configuration example, the silicon substrate is used as a common collector. However, a structure may be adopted in which a buried n + region is provided as in a normal bipolar transistor, and the collector is divided for each line. In addition, a clock pulse for driving the vertical shift register 32 and the horizontal shift register 39 is required for the actual operation in addition to the pulse timing shown in FIG.

【0073】図15に出力信号に関係する等価回路を示
す。容量CV 80は垂直ライン38,38′,38″の
配線容量であり、容量CH 81は出力ライン41の配線
容量をそれぞれ示している。また図15右側の等価回路
は、読出し状態におけるものであり、スイッチング用M
OSトランジスタ40,40′,40″は導通状態であ
り、それの導通状態における抵抗値を抵抗RM 82で示
している。また増幅用トランジスタ44を抵抗re 83
および電流源84を用いた等価回路で示している。出力
ライン41の配線容量に起因する電荷蓄積をリフレッシ
ュするためのMOSトランジスタ42は、読出し状態で
は非導通状態であり、インピーダンスが高いので、右側
の等価回路では省略している。
FIG. 15 shows an equivalent circuit relating to the output signal. The capacitance C V 80 is the wiring capacitance of the vertical lines 38, 38 ', 38 ", and the capacitance C H 81 is the wiring capacitance of the output line 41. The equivalent circuit on the right side of FIG. And M for switching
The OS transistors 40, 40 ', and 40 "are conducting, and the resistance value in the conducting state is indicated by a resistor RM 82. The amplifying transistor 44 is connected to a resistor re 83.
And an equivalent circuit using the current source 84. The MOS transistor 42 for refreshing the charge accumulation caused by the wiring capacitance of the output line 41 is non-conductive in the read state and has a high impedance, so that it is omitted in the equivalent circuit on the right.

【0074】等価回路の各パラメータは、実際に構成す
る光電変換装置の大きさにより決定されるわけである
が、例えば、容量CV 80は約4pF位、容量CH 81
は約4pF位、MOSトランジスタの導通状態の抵抗R
M 82は3KΩ程度、バイポーラトランジスタ44の電
流増幅率βは約100程度として、出力端子47におい
て観測される出力信号波形を計算した例を図16に示
す。
Each parameter of the equivalent circuit is determined by the size of the photoelectric conversion device actually configured. For example, the capacitance C V 80 is about 4 pF, and the capacitance C H 81
Is about 4 pF, the resistance R of the MOS transistor in a conductive state.
FIG. 16 shows an example in which the output signal waveform observed at the output terminal 47 is calculated with M 82 being about 3 KΩ and the current amplification factor β of the bipolar transistor 44 being about 100.

【0075】図16において横軸はスイッチングMOS
トランジスタ40,40′,40″が導通した瞬間から
の時間[μs]を、縦軸は垂直ライン38,38′,3
8″の配線容量CV 80に、各光センサセルから信号電
荷が読出されて1ボルトの電圧がかかっているときの出
力端子47に現われる出力電圧[V]をそれぞれ示して
いる。
In FIG. 16, the horizontal axis is a switching MOS.
The vertical axis represents the time [μs] from the moment when the transistors 40, 40 ′, 40 ″ are turned on, and the vertical axis represents the vertical lines 38, 38 ′, 3
An output voltage [V] appearing at the output terminal 47 when a signal charge is read out from each photosensor cell and a voltage of 1 volt is applied to an 8 ″ wiring capacitance C V 80 is shown.

【0076】出力信号波形85は負荷抵抗RE 45が1
0KΩ、86は負荷抵抗RE 45が5KΩ、87は負荷
抵抗RE 45が2KΩのときのものであり、いずれにお
いてもピーク値は、CV 80とCH 81の容量分割によ
り0.5V程度になっている。当然のことながら、負荷
抵抗RE 45が大きい方が減衰量は小さく、望ましい出
力波形になっている。立ち上がり時間は、上記のパラメ
ータ値のとき、約20nsecと高速である。スイッチ
ングMOSトランジスタ40,40′,40″の導通状
態における抵抗RM を小さくすることにより、および、
配線容量CV ,CH を小さくすることにより、さらに高
速の読出しも可能である。
The output signal waveform 85 has a load resistance R E 45 of 1
0KΩ, 86 is a load resistor R E 45 5KΩ, 87 are those when the load resistor R E 45 is 2K ohms, the peak value in either the, 0.5V about by the capacitance division of the C V 80 and C H 81 It has become. Of course, the larger the load resistor R E 45 attenuation is small, has a desired output waveform. The rise time is as fast as about 20 nsec for the above parameter values. Switching MOS transistors 40, 40 ', by decreasing the resistance R M in the conductive state of 40 ", and,
Higher-speed reading is also possible by reducing the wiring capacitances C V and C H.

【0077】上記構成に係る光センサセルを利用した光
電変換装置では、各光センサセルのもつ増幅機能によ
り、出力に現われる電圧が大きいため、最終段の増幅ア
ンプも、MOS型撮像装置に比較してかなり簡単なもの
でよい。上記例ではバイポーラトランジスタ1段のタイ
プのものを使用した例について説明したが、2段構成の
もの等、他の方式を使うことも当然のことながら可能で
ある。この例の様にバイポーラトランジスタを用いる
と、CCD撮像装置における最終段のアンプのMOSト
ランジスタから発生する画像上目につきやすい1/f雑
音の問題が、本構成例の光電変換装置では発生せず、き
わめてS/N比の良い画質を得ることが可能である。
In the photoelectric conversion device using the photosensor cell according to the above configuration, since the voltage appearing at the output is large due to the amplification function of each photosensor cell, the amplification amplifier in the last stage is considerably more compared with the MOS type imaging device. Simple things are fine. In the above example, an example in which a single-stage bipolar transistor is used has been described. However, it is of course possible to use another method such as a two-stage structure. When a bipolar transistor is used as in this example, the problem of 1 / f noise that is easily noticeable on an image generated from the MOS transistor of the last stage amplifier in the CCD imaging device does not occur in the photoelectric conversion device of this configuration example. It is possible to obtain an image having an extremely good S / N ratio.

【0078】上に述べた様に、上記構成に係る光センサ
セルを利用した光電変換装置では、最終段の増幅アンプ
がきわめて簡単なもので良いことから、最終段の増幅ア
ンプを一つだけ設ける図12に示した構成例のごときタ
イプではなく、増幅アンプを複数個設置して、一つの画
面を複数に分割して読出す様な構成とすることも可能で
ある。
As described above, in the photoelectric conversion device using the photosensor cell according to the above configuration, the final stage amplification amplifier may be very simple, so that only one final stage amplification amplifier is provided. Instead of the type as in the configuration example shown in FIG. 12, it is also possible to provide a configuration in which a plurality of amplification amplifiers are provided and one screen is divided into a plurality of sections and read out.

【0079】図17に、分割読出し方式の一例を示す。
図17に示す構成例は、水平方向を3分割とし最終段ア
ンプを3つ設置した例である。基本的な動作は図12の
構成例および図13のタイミング図を用いて説明したも
のとほとんど同じであるが、この図17の構成例では、
3つの等価な水平シフトレジスタ100、101、10
2を設け、これらの始動パルスを印加するための端子1
03に始動パルスが入ると、1列目、(n+1)列目、
(2n+1)列目(nは整数であり、この構成例では水
平方向絵素数は3n個である。)に接続された各センサ
セルの出力が同時に読出されることになる。次の時点で
は、2列目、(n+2)列目、(2n+2)列目が読出
されることになる。
FIG. 17 shows an example of the divisional reading method.
The configuration example shown in FIG. 17 is an example in which the horizontal direction is divided into three and three final-stage amplifiers are installed. The basic operation is shown in FIG.
It is almost as that described with reference to the timing diagram of a configuration example and FIG. 13 the same, in the configuration example of FIG. 17,
Three equivalent horizontal shift registers 100, 101, 10
2 and a terminal 1 for applying these starting pulses.
When the start pulse is input to the third row, the first row, the (n + 1) th row,
The outputs of the sensor cells connected to the (2n + 1) -th column (n is an integer and the number of horizontal picture elements is 3n in this configuration example) are read simultaneously. At the next point in time, the second, (n + 2) th, and (2n + 2) th columns are read.

【0080】この構成例によれば、一本の水平ライン分
を読出す時間が固定されている時は、水平方向のスキャ
ニング周波数は、一つの最終段アンプをつけた方式に比
較して1/3の周波数で良く、水平シフトレジスタが簡
単になり、かつ光電変換装置からの出力信号をアナログ
デイジタル変換して、信号処理する様な用途には、高速
のアナログ・ディジタル変換器は不必要であり、分割読
出し方式の大きな利点である。
According to this configuration example, when the reading time for one horizontal line is fixed, the scanning frequency in the horizontal direction is reduced by a factor of 1 / compared to the system with one final stage amplifier. A high-speed analog-to-digital converter is not required for applications where the horizontal shift register can be simplified, and the output signal from the photoelectric conversion device is subjected to analog-to-digital conversion and signal processing. This is a great advantage of the division readout method.

【0081】図17に示した構成例では、等価な水平シ
フトレジスタを3つ設けた方式であったが、同様な機能
は、水平レジスタ1つだけでももたせることが可能であ
る。この場合の構成例を図18に示す。図18の構成
は、図17に示した構成例のうちの水平スイッチングM
OSトランジスタと、最終段アンプの中間の部分だけを
書いたものであり、他の部分は、図17の構成例と同じ
であるから省略している。
In the configuration example shown in FIG. 17, three equivalent horizontal shift registers are provided, but a similar function can be provided by only one horizontal register. FIG. 18 shows a configuration example in this case. Configuration example of FIG. 18, the horizontal switching M among the configuration example shown in FIG. 17
Only an intermediate portion between the OS transistor and the final stage amplifier is shown, and other portions are omitted because they are the same as the configuration example of FIG.

【0082】この構成例では、1つの水平シフトレジス
タ104からの出力を1列目、(n+1)列目、(2n
+1)列目のスイッチングMOSトランジスタのゲート
に接続し、それらのラインを同時に読出すようにしてい
る。次の時点では、2列目、(n+2)列目、(2n+
2)列目が読出されるわけである。
In this configuration example, the output from one horizontal shift register 104 is output to the first column, the (n + 1) th column, and (2n)
+1) It is connected to the gates of the switching MOS transistors in the column, and these lines are read simultaneously. At the next time, the second column, the (n + 2) th column, the (2n +
2) The column is read.

【0083】この構成例によれば、各スイッチングMO
Sトランジスタのゲートへの配線は増加するものの、水
平シフトレジスタとしては1つだけで動作が可能であ
る。図17、図18の例では出力アンプを3個設けた例
を示したが、この数はその目的に応じてさらに多くして
もよいことはもちろんである。
According to this configuration example, each switching MO
Although the number of wirings to the gate of the S transistor is increased, only one horizontal shift register can operate. 17 and 18 show an example in which three output amplifiers are provided, but the number of output amplifiers may be increased according to the purpose.

【0084】図17、図18の構成例ではいずれも、水
平シフトレジスタ、垂直シフトレジスタの始動パルスお
よびクロックパルスは省略しているが、これらは、他の
リフレッシュパルスと同様、同一チップ内に設けたクロ
ックパルス発生器あるいは、他のチップ上に設けられた
クロックパルス発生器から供給される。
In each of the configuration examples shown in FIGS. 17 and 18, the start pulse and the clock pulse of the horizontal shift register and the vertical shift register are omitted, but these are provided in the same chip as the other refresh pulses. Clock pulse generator or a clock pulse generator provided on another chip.

【0085】この分割読出し方式では、水平ライン一括
又は全画面一括リフレッシュを行なうと、n列目と(n
+1)列目の光センサセル間では、わずか蓄積時間が異
なり、これにより、暗電流成分および信号成分に、わず
かの不連続性が生じ、画像上目についてくる可能性も考
えられるが、これの量はわずかであり、実用上問題はな
い。また、これが、許容限度以上になってきた場合で
も、外部回路を用いて、それを補正することは、キョシ
状波を発生させ、これと暗電流成分との減算およびこれ
と信号成分の乗除算により行なう従来の補正技術を使用
することにより容易に可能である。
In this divisional readout system, when horizontal line batch or full screen batch refresh is performed, the n-th column and (n
+1) The accumulation time is slightly different between the photosensor cells in the column, and this causes a slight discontinuity in the dark current component and the signal component, which may be attached to the eyes on the image. Is slight, and there is no practical problem. Also, even if this exceeds the permissible limit, using an external circuit to correct it will generate a sine wave, subtract it from the dark current component, and multiply and divide this by the signal component. This is easily possible by using the conventional correction technique performed by

【0086】この様な光電変換装置を用いて、カラー画
像を撮像する時は、光電変換装置の上に、ストライプフ
ィルターあるいは、モザイクフィルター等をオンチップ
化したり、又は、別に作ったカラーフィルターを貼合わ
せることによりカラー信号を得ることが可能である。
When a color image is taken by using such a photoelectric conversion device, a stripe filter, a mosaic filter, or the like may be formed on a chip on the photoelectric conversion device, or a separately prepared color filter may be attached. A color signal can be obtained by matching.

【0087】一例として、R,G,Bのストライプ・フ
ィルターを使用した時は、上記構成に係る光センサセル
を利用した光電変換装置ではそれぞれ別々の最終段アン
プよりR信号、G信号、B信号を得ることが可能であ
る。これの一構成例を図19に示す。この図19も図1
8と同様、水平レジスターのまわりだけを示している。
他は図12および図17と同じであり、ただ1列目はR
のカラーフィルター、2列目はGのカラーフィルター、
3列目はBのカラーフィルター、4列目はRのカラーフ
ィルターという様にカラーフィルターがついているもの
とする。図19に示すごとく、1列目、4列目、7列目
…の各垂直ラインは出力ライン110に接続され、これ
はR信号をとりだす。又2列目、5列目、8列目…の各
垂直ラインは出力ライン111に接続され、これはG信
号をとりだす。又同様にして、3列目、6列目、9列目
…の各垂直ラインは出力ライン112に接続され、B信
号をとりだす。出力ライン110,111,112はそ
れぞれオンチップ化されたリフレッシュ様MOSトラン
ジスタおよび最終段アンプ、例えばエミッタフォロアタ
イプのバイポーラトランジスタに接続され、各カラー信
号が別々に出力されるわけである。
As an example, when the R, G, and B stripe filters are used, in the photoelectric conversion device using the photosensor cell according to the above configuration, the R, G, and B signals are respectively output from separate final-stage amplifiers. It is possible to get. An example of this configuration is shown in FIG. FIG. 19 also shows FIG.
Like FIG. 8, only around the horizontal register is shown.
Others are the same as FIG. 12 and FIG.
Color filter, the second row is a G color filter,
The third row is provided with a color filter such as a B color filter, and the fourth row is provided with an R color filter. As shown in FIG. 19, each vertical line of the first column, the fourth column, the seventh column,... Is connected to an output line 110, which takes out an R signal. Each of the vertical lines in the second, fifth, eighth,... Columns is connected to an output line 111, which takes out a G signal. Similarly, the vertical lines in the third, sixth, ninth,... Columns are connected to the output line 112 to extract the B signal. The output lines 110, 111, 112 are respectively connected to on-chip refresh-like MOS transistors and final stage amplifiers, for example, emitter follower type bipolar transistors, and each color signal is output separately.

【0088】本発明の他の実施例に係る光電変換装置を
構成する光センサセルの他の例の基本構造および動作を
説明するための図を図20に示す。またそれの等価回路
および全体の回路構成図を図21に示す。図20に示す
光センサセルは、同一の水平スキャンパルスにより読出
し動作、およびラインリフレッシュを同時に行なうこと
を可能とした光センサセルである。図20において、す
でに図1〜図3で示した構成と異なる点は、図1〜図3
の場合水平ライン配線10に接続されるMOSキャパシ
タ電極9が一つだけであったものが上下に隣接する光セ
ンサセルの側にもMOSキャパシタ電極120が接続さ
れ、1つの光センサセルからみた時に、ダブルコンデン
サータイプとなっていること、および図において上下に
隣接する光センサセルのエミッタ7,7′は2層配線に
された配線8,および配線121、(図20では、
垂直ラインが1本に見えるが、絶縁層を介して2本のラ
インが配置されている)に交互に接続、すなわちエミッ
タ7はコンタクトホール19を通して配線8に、エミ
ッタ7′はコンタクトホール19′を通して配線12
1にそれぞれ接続されていることが異なっている。
FIG. 20 is a diagram for explaining the basic structure and operation of another example of a photosensor cell constituting a photoelectric conversion device according to another embodiment of the present invention. FIG. 21 shows an equivalent circuit and an overall circuit configuration diagram thereof. The photosensor cell shown in FIG. 20 is a photosensor cell capable of simultaneously performing a read operation and a line refresh by the same horizontal scan pulse. 20 differs from the configuration already shown in FIGS. 1 to 3 in that the configuration shown in FIGS.
In the case of (1), only one MOS capacitor electrode 9 connected to the horizontal line 10 is connected to the vertically adjacent photosensor cells, and the MOS capacitor electrode 120 is also connected to the single photosensor cell. The capacitor type, and the emitters 7 and 7 ′ of the photosensor cells vertically adjacent to each other in FIG.
The vertical line looks like a single line, but two lines are arranged via an insulating layer). That is, the emitter 7 is connected to the wiring 8 through the contact hole 19, and the emitter 7 'is connected to the wiring 8 through the contact hole 19'. Wiring 12
1 are different from each other.

【0089】これは図21の等価回路をみるとより明ら
かとなる。すなわち、光センサセル152のベースに接
続されたMOSキャパシタ150は水平ライン31に接
続され、MOSキャパシタ151は水平ライン31′に
接続されている。また光センサセル152の図において
下に隣接する光センサセル152′のMOSキャパシタ
150′は共通する水平ライン31′に接続されてい
る。
This becomes clearer when looking at the equivalent circuit of FIG. That is, the MOS capacitor 150 connected to the base of the photosensor cell 152 is connected to the horizontal line 31, and the MOS capacitor 151 is connected to the horizontal line 31 '. The MOS capacitor 150 'of the adjacent photosensor cell 152' in the figure of the photosensor cell 152 is connected to the common horizontal line 31 '.

【0090】光センサセル152のエミッタは垂直ライ
ン38に、光センサセル152′のエミッタは垂直ライ
ン138に、光センサセル152″のエミッタは垂直ラ
イン38という様にそれぞれ交互に接続されている。図
21の等価回路では、以上述べた基本の光センサセル部
以外で、図12の撮像装置と異なるのは、垂直ライン3
8をリフレッシュするためのスイッチングMOSトラン
ジスタ48のほかに垂直ライン138をリフレッシュす
るためのスイッチングMOSトランジスタ148、およ
び垂直ライン38を選択するスイッチングMOSトラン
ジスタ40のほか垂直ライン138を選択するためのス
イッチングMOSトランジスタ140が追加され、また
出力アンプ系が一つ増設されている。この出力系の構成
は、各ラインをリフレッシュするためのスイッチングM
OSトランジスタ48、および148が接続されている
様な構成とし、さらに水平スキャン用のスイッチングM
OSトランジスタを用いる図22に示す様にして出力ア
ンプを一つだけにする構成もまた可能である。図22で
は図21の垂直ライン選択および出力アンプ系の部分だ
けを示している。
The emitters of the photosensor cells 152 are alternately connected to the vertical lines 38, the emitters of the photosensor cells 152 'are connected to the vertical lines 138, and the emitters of the photosensor cells 152 "are alternately connected to the vertical lines 38. In the equivalent circuit, the difference from the image pickup apparatus of FIG.
8, a switching MOS transistor 148 for refreshing the vertical line 138 in addition to the switching MOS transistor 48 for refreshing the vertical line 138, a switching MOS transistor 40 for selecting the vertical line 38, and a switching MOS transistor for selecting the vertical line 138. 140 is added, and one output amplifier system is added. This output system has a switching M for refreshing each line.
The configuration is such that the OS transistors 48 and 148 are connected.
A configuration using only one output amplifier as shown in FIG. 22 using an OS transistor is also possible. FIG. 22 shows only the vertical line selection and output amplifier system of FIG.

【0091】この図20の光センサセルおよび図21に
示す実施例によれば、次の様な動作が可能である。すな
わち、今水平ライン31に接続された各光センサセルの
読出し動作が終了し、テレビ動作における水平ブランキ
ング期間にある時、垂直シフトレジスタ32からの出力
パルスが水平ライン31′に出力されるとMOSキャパ
シタ151を通して、読出しの終了した光センサセル1
52をリフレッシュする。このとき、スイッチングMO
Sトランジスタ48は導通状態にされ、垂直ライン38
は接地されている。
According to the photosensor cell of FIG. 20 and the embodiment shown in FIG. 21, the following operation is possible. That is, when the read operation of each of the photosensor cells connected to the horizontal line 31 is completed and the output pulse from the vertical shift register 32 is output to the horizontal line 31 'during the horizontal blanking period in the television operation, the MOS Through the capacitor 151, the read-out photosensor cell 1
Refresh 52. At this time, the switching MO
S-transistor 48 is rendered conductive and vertical line 38
Is grounded.

【0092】また水平ライン31′に接続されたMOS
キャパシタ150′を通して光センサセル152′の出
力が垂直ライン138に読出される。このとき当然のこ
とながらスイッチングMOSトランジスタ148は非導
通状態になされ、垂直ライン138は浮遊状態となって
いるわけである。この様に一つの垂直スキャンパルスに
より、すでに読出しを終了した光センサセルのリフレッ
シュと、次のラインの光センサセルの読出しが同一のパ
ルスで同時的に行なうことが可能である。このときすで
に説明した様にリフレッシュする時の電圧と読出しの時
の電圧は、読出し時には、高速読出しの必要性からバイ
アス電圧をかけるので異なってくるが、これは図20に
示すごとく、MOSキャパシタ電極9およびMOSキャ
パシタ電極120の面積を変えることにより各電極に同
一の電圧が印加されても各光センサセルのベースには異
なる電圧がかかる様な構成をとることにより達成されて
いる。
The MOS connected to the horizontal line 31 '
The output of photosensor cell 152 'is read out to vertical line 138 through capacitor 150'. At this time, naturally, the switching MOS transistor 148 is turned off, and the vertical line 138 is in a floating state. As described above, by one vertical scan pulse, the refreshing of the photosensor cells which have already been read and the reading of the photosensor cells of the next line can be performed simultaneously with the same pulse. At this time, as described above, the voltage at the time of refreshing and the voltage at the time of reading are different at the time of reading because a bias voltage is applied due to the necessity of high-speed reading. However, as shown in FIG. 9 and the MOS capacitor electrode 120 are changed so that a different voltage is applied to the base of each photosensor cell even if the same voltage is applied to each electrode.

【0093】すなわち、リフレッシュ用MOSキャパシ
タの面積は、読出し用MOSキャパシタの面積にくらべ
て小さくなっている。この例のように、センサセル全部
を一括リフレッシュするのではなく、一ラインずつリフ
レッシュしていく場合には、図2に示される様にコレク
タをn型あるいはn基板で構成しておいてもよいが、水
平ラインごとにコレクタを分離して設けたほうが望まし
いことがある。コレクタが基板になっている場合には、
全光センサセルのコレクタが共通領域となっているた
め、蓄積および受光読出し状態ではコレクタに一定のバ
イアス電圧が加わった状態になっている。もちろん、す
でに説明したようにコレクタにバイアス電圧が加わった
状態でも浮遊ベースのリフレッシュは、エミッタの間で
行なえる。ただし、この場合には、ベース領域のリフレ
ッシュが行なわれると同時に、リフレッシュパルスが印
加されたセルのエミッタコレクタ間に無駄な電流が流
れ、消費電力を大きくするという欠点が伴う。こうした
欠点を克服するためには、全センサセルのコレクタを共
通領域とせずに、各水平ラインに並ぶセンサセルのコレ
クタは共通になるが、各水平ラインごとのコレクタは互
いに分離された構造にする。すなわち、図1〜図3の構
造に関連させて説明すれば、基板はp型にして、p型基
板中にコレクタ各水平ラインごとに互いに分離されたn
+ 埋込領域を設けた構造にする。隣り合う水平ラインn
+ 埋込領域の分離は、p領域を間に介在させる構造でも
よい。水平ラインに沿って埋込まれるコレクタのキャパ
シタを減少させるには、絶縁物分離の方が優れている。
図1〜図3では、コレクタが基板で構成されているか
ら、センサセルを囲む分離領域はすべてほとんど同じ深
さまで設けられている。一方、各水平ラインごとのコレ
クタを互いに分離するには、水平ライン方向の分離領域
を垂直ライン方向の分離領域より必要な値だけ深くして
おくことになる。
That is, the area of the refresh MOS capacitor is smaller than the area of the read MOS capacitor. When refreshing the sensor cells line by line instead of batch refreshing all the sensor cells as in this example, the collector may be formed of an n-type or n-type substrate as shown in FIG. It may be desirable to provide a separate collector for each horizontal line. If the collector is a substrate,
Since the collectors of all the optical sensor cells are in a common region, a constant bias voltage is applied to the collectors in the accumulation and light reception reading states. Of course, as described above, the floating base refresh can be performed between the emitters even when the bias voltage is applied to the collector. However, in this case, at the same time as the refresh of the base region is performed, a useless current flows between the emitter and the collector of the cell to which the refresh pulse is applied, resulting in an increase in power consumption. In order to overcome these disadvantages, the collectors of all the sensor cells are not used as a common area, and the collectors of the sensor cells arranged in each horizontal line are common, but the collectors of each horizontal line are separated from each other. That is, as described in connection with the structure of FIGS. 1 to 3, the substrate is p-type and n separated from each other for each horizontal line of the collector in the p-type substrate.
+ Have a structure with an embedded region. Adjacent horizontal lines n
+ Embedded regions may be separated by a structure in which ap region is interposed. Insulator isolation is better at reducing collector capacitors buried along horizontal lines.
In FIGS. 1 to 3, since the collector is composed of a substrate, the isolation regions surrounding the sensor cells are all provided to almost the same depth. On the other hand, in order to separate the collectors for each horizontal line from each other, the separation region in the horizontal line direction must be deeper than the separation region in the vertical line direction by a necessary value.

【0094】各水平ラインごとにコレクタが分離されて
いれば、読出しが終って、リフレッシュ動作が始まる時
に、その水平ラインのコレクタの電圧を接地すれば、前
述したようなエミッタコレクタ間電流は流れず、消費電
力の増加をもたらさない。リフレッシュが終って光信号
による電荷蓄積動作に入る時に、ふたたびコレクタ領域
には所定のバイアス電圧を印加する。
If the collector is separated for each horizontal line, when the voltage of the collector of the horizontal line is grounded at the end of the read operation and the refresh operation, the current between the emitter and the collector as described above does not flow. , Does not result in increased power consumption. When the charge storage operation based on the optical signal is started after the refresh, a predetermined bias voltage is applied to the collector region again.

【0095】また図21の等価回路によれば、各水平ラ
インごとに出力は出力端子47および147に交互に出
力されることになる。これは、すでに説明したごとく、
図22の様な構成にすることにより一つのアンプから出
力をとりだすことも可能である。
According to the equivalent circuit of FIG. 21, the output is alternately output to the output terminals 47 and 147 for each horizontal line. This is, as already explained,
With the configuration as shown in FIG. 22, it is also possible to take out the output from one amplifier.

【0096】以上説明した様に本実施例によれば、比較
的簡単な構成で、ラインリフレッシュが可能となり、通
常のテレビカメラ等の応用分野にも適用することができ
る。本発明の他の実施例としては、光センサセルに複数
のエミッタを設けた構成あるいは、一つのエミッタに複
数のコンタクトを設けた構成により、一つの光センサセ
ルから複数の出力をとりだすタイプが考えられる。
As described above, according to this embodiment, line refresh can be performed with a relatively simple configuration, and the present invention can be applied to application fields such as ordinary television cameras. As another embodiment of the present invention, a type in which a plurality of emitters are provided in a photosensor cell, or a plurality of contacts are provided in one emitter to take out a plurality of outputs from one photosensor cell is considered.

【0097】これは本発明による光電変換装置の各光セ
ンサセルが増幅機能をもつことから、一つの光センサセ
ルから複数の出力をとりだすために、各光センサセルに
複数の配線容量が接続されても、光センサセルの内部で
発生した蓄積電圧Vpが、まったく減衰することなしに
各出力に読出すことが可能であることに起因している。
This is because each photosensor cell of the photoelectric conversion device according to the present invention has an amplifying function. Therefore, even if a plurality of wiring capacitors are connected to each photosensor cell in order to extract a plurality of outputs from one photosensor cell, This is because the accumulated voltage Vp generated inside the photosensor cell can be read out to each output without any attenuation.

【0098】この様に、各光センサセルから複数の出力
をとりだすことができる構成により、各光センサセルを
多数配列してなる光電変換装置に対して信号処理あるい
は雑音対策等に対して多くの利点を付加することが可能
である。次に本発明に係る光電変換装置の一製法例につ
いて説明する。図23〜図29に、選択エピタキシャル
成長(R.Endo et al,“Novel de
vice isolation technology
with selected epitaxial
growth”Tech.Dig.of 1982 I
EDM,pp.241−244 参照)を用いたその製
法の一例を示す。
As described above, the configuration capable of taking out a plurality of outputs from each optical sensor cell has many advantages in signal processing or noise countermeasures for a photoelectric conversion device in which a large number of optical sensor cells are arranged. It is possible to add. Next, an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device according to the present invention will be described. 23 to 29 show selective epitaxial growth (R. Endo et al, "Novel de
voice isolation technology
with selected epitaxial
growth "Tech.Dig.of 1982 I
EDM, pp. 241-244) is shown.

【0099】1〜10×1016cm-3程度の不純物濃度
のn形Si基板1の裏面側に、コンタクト用のn+ 領域
11を、AsあるいはPの拡散で設ける。n+ 領域から
のオートドーピングを防ぐために、図には示さないが酸
化膜及び窒化膜を裏面に通常は設けておく。
On the back side of the n-type Si substrate 1 having an impurity concentration of about 1 × 10 16 cm −3 , an n + region 11 for contact is provided by diffusion of As or P. In order to prevent auto doping from the n + region, an oxide film and a nitride film are usually provided on the back surface although not shown in the figure.

【0100】基板1は、不純物濃度及び酸素濃度が均一
に制御されたものを用いる。すなわち、キャリアライン
タイムがウエハで十分に長くかつ均一な結晶ウエハを用
いる。その様なものとしては例えばMCZ法による結晶
が適している。基板1の表面に略々1μm程度の酸化膜
をウエット酸化により形成する。すなわち、H2 O雰囲
気かあるいは(H2 +O2 )雰囲気で酸化する。積層欠
陥等を生じさせずに良好な酸化膜を得るには、900℃
程度の温度での高圧酸化が適している。
As the substrate 1, a substrate whose impurity concentration and oxygen concentration are controlled uniformly is used. That is, a crystal wafer having a sufficiently long carrier line time and a uniform wafer is used. As such a material, for example, a crystal formed by the MCZ method is suitable. An oxide film of about 1 μm is formed on the surface of the substrate 1 by wet oxidation. That is, oxidation is performed in an H 2 O atmosphere or an (H 2 + O 2 ) atmosphere. To obtain a good oxide film without causing stacking faults and the like, 900 ° C.
High pressure oxidation at moderate temperatures is suitable.

【0101】その上に、たとえば2〜4μm程度の厚さ
のSiO2 膜をCVDで堆積する。(N2 +SiH4
2 )ガス系で300〜500℃程度の温度で所望の厚
さのSiO2 膜を堆積する。O2 /SiH4 のモル比は
温度にもよるが4〜40程度に設定する。フォトリソグ
ラフィ工程により、セル間の分離領域となる部分の酸化
膜を残して他の領域の酸化膜は、(CF4 +H2 ),C
26 ,CH22 等のガスを用いたリアクティブイオ
ンエッチングで除去する(図23の工程)、 例えば、1
0×10μm2 に1画素を設ける場合には、10μmピ
ッチのメッシュ状にSiO2 膜を残す。SiO2 膜の幅
はたとえば2μm程度に選ばれる。リアクティブイオン
エッチングによる表面のダメージ層及び汚染層を、Ar
/Cl2ガス系プラズマエッチングかウエットエッチン
グによって除去した後、超高真空中における蒸着かもし
くは、ロードロック形式で十分に雰囲気が清浄になされ
たスパッタ、あるいは、SiH4 ガスにCO2 レーザ構
成を照射する減圧光CVDで、アモルファスシリコン3
01を堆積する(図24の工程)、CBrF3 、CCl
22 、Cl2 等のガスを用いたリアクティブイオンエ
ッチングによる異方性エッチングにより、SiO2 層側
面に堆積している以外のアモルファスシリコンを除去す
る(図25の工程)、前と同様に、ダメージと汚染層を
十分除去した後、シリコン基板表面を十分清浄に洗浄
し、(H2 +SiH2 ,Cl2 +HCl)ガス系により
シリコン層の選択成長を行なう。数10Torrの減圧
状態で成長は行ない、基板温度は900〜1000℃、
HClのモル比をある程度以上高い値に設定する。HC
lの量が少なすぎると選択成長は起こらない。シリコン
基板上にはシリコン結晶層が成長するが、SiO2 層上
のシリコンはHClによってエッチングされてしまうた
め、SiO2 層上にはシリコンは堆積しない(図26の
工程)。n- 層5の厚さは例えば3〜5μm程度であ
る。
A SiO 2 film having a thickness of, for example, about 2 to 4 μm is deposited thereon by CVD. (N 2 + SiH 4 +
O 2 ) A SiO 2 film having a desired thickness is deposited in a gas system at a temperature of about 300 to 500 ° C. The molar ratio of O 2 / SiH 4 is set to about 4 to 40, depending on the temperature. By the photolithography process, the oxide film in the other region is left (CF 4 + H 2 ), C
Removal by reactive ion etching using a gas such as 2 F 6 or CH 2 F 2 (step of FIG. 23), for example, 1
When one pixel is provided in 0 × 10 μm 2 , the SiO 2 film is left in a mesh shape at a pitch of 10 μm. The width of the SiO 2 film is selected to be, for example, about 2 μm. The surface damage layer and the contaminant layer by the reactive ion etching are changed to Ar
/ Cl 2 gas-based plasma etching or wet etching followed by vapor deposition in ultra-high vacuum, load-lock type sputtering with sufficiently clean atmosphere, or irradiation of SiH 4 gas with a CO 2 laser structure Amorphous silicon 3
01 (step of FIG. 24), CBrF 3 , CCl
Amorphous silicon other than those deposited on the side surfaces of the SiO 2 layer is removed by anisotropic etching by reactive ion etching using a gas such as 2 F 2 or Cl 2 (step of FIG. 25), as before. After sufficiently removing the damage and the contaminant layer, the surface of the silicon substrate is sufficiently cleaned, and the silicon layer is selectively grown using a (H 2 + SiH 2 , Cl 2 + HCl) gas system. The growth is performed under a reduced pressure of several tens of Torr, the substrate temperature is 900 to 1000 ° C.,
The molar ratio of HCl is set to a value higher than a certain level. HC
If the amount of l is too small, selective growth does not occur. Although a silicon crystal layer grows on the silicon substrate, silicon is not deposited on the SiO 2 layer because the silicon on the SiO 2 layer is etched by HCl (step in FIG. 26). The thickness of n layer 5 is, for example, about 3 to 5 μm.

【0102】不純物濃度は好ましくは1012〜1016
-3程度に設定する。もちろん、この範囲をずれてもよ
いが、pn- 接合の拡散電位で完全に空乏化するかもし
くはコレクタに動作電圧を印加した状態では、少なくと
もn- 領域が完全に空乏化するような不純物濃度および
厚さに選ぶのが望ましい。
The impurity concentration is preferably from 10 12 to 10 16 c
Set to about m- 3 . Of course, this range may be deviated, but in a state where the impurity is completely depleted by the diffusion potential of the pn - junction or an operating voltage is applied to the collector, at least the impurity concentration and the n - region are completely depleted. It is desirable to choose the thickness.

【0103】通常入手できるHClガスには大量の水分
が含まれているため、シリコン基板表面で常に酸化膜が
形成されるというようなことになって、到底高品質のエ
ピタキシャル成長は望めない。水分の多いHClは、ボ
ンベに入っている状態でボンベの材料と反応し鉄分を中
心とする重金属を大量に含むことになって、重金属汚染
の多いエピタキシャル層になり易い。光センサセルに使
用するエピタキシャル層は、暗電流成分が少ない程望ま
しいわけであるから、重金属による汚染は極限まで抑え
る必要がある。SiH2 Cl2 に超高純度の材料を使用
することはもちろんであるが、HClには特に水分の少
ない、望ましくは少なくとも水分含有量が0.5ppm
以下のものを使用する。もちろん、水分含有量は少ない
程よい。エピタキシャル成長層をさらに高品質にするに
は、基板をまず1150〜1250℃程度の高温処理で
表面近傍から酸素を除去して、その後800℃程度の長
時間熱処理により基板内部にマイクロディフェクトを多
数発生させ、デヌーデットゾーンを有するイントリシッ
クゲッタリングの行える基板にしておくこともきわめて
有効である。分離領域としてのSiO2 層4が存在した
状態でのエピタキシャル成長を行なうわけであるから、
SiO2 からの酸素のとり込みを少なくするため、成長
温度は低いほど望ましい。通常よく使われる高周波加熱
法では、カーボンサセプタからの汚染が多くて、より一
層の低温化は難しい。反応室内にカーボンサセプタなど
持込まないランプ加熱によるウエハ直接加熱法が成長雰
囲気をもっともクリーンにできて、高品質エピタキシャ
ル層を低温で成長させられる。
Since a generally available HCl gas contains a large amount of moisture, an oxide film is always formed on the surface of the silicon substrate, and high quality epitaxial growth cannot be expected. HCl containing a large amount of water reacts with the material of the cylinder while in the cylinder and contains a large amount of heavy metal mainly composed of iron, so that an epitaxial layer easily contaminated with heavy metal tends to be formed. Since it is desirable that the epitaxial layer used in the photosensor cell has a smaller dark current component, it is necessary to minimize contamination by heavy metals. Of course, an ultra-high purity material is used for SiH 2 Cl 2 , but HCl has a particularly low moisture content, preferably at least a moisture content of 0.5 ppm.
Use the following: Of course, the lower the water content, the better. In order to further improve the quality of the epitaxially grown layer, the substrate is first subjected to high-temperature treatment at about 1150 to 1250 ° C. to remove oxygen from the vicinity of the surface, and then subjected to a long-term heat treatment at about 800 ° C. to generate many micro defects inside the substrate. It is also very effective to use a substrate having a denuded zone and capable of performing intrinsic gettering. Since epitaxial growth is performed in a state where the SiO 2 layer 4 as an isolation region exists,
In order to reduce the incorporation of oxygen from SiO 2 , the lower the growth temperature, the better. In the commonly used high frequency heating method, there is much contamination from the carbon susceptor, and it is difficult to further lower the temperature. A direct wafer heating method by lamp heating without bringing a carbon susceptor or the like into the reaction chamber can make the growth atmosphere the cleanest and grow a high quality epitaxial layer at a low temperature.

【0104】反応室におけるウエハ支持具は、より蒸気
圧の低い超高純度溶融サファイアが適している。原材料
ガスの予熱が容易に行え、かつ大流量のガスが流れてい
る状態でもウエハ面内温度を均一化し易い、すなわちサ
ーマルストレスがほとんど発生しないランプ加熱による
ウエハ直接加熱法は、高品質エピタキシャル層を得るの
に適している。成長時にウエハ表面への紫外線照射は、
エピタキシャル層の品質をさらに向上させる。
For the wafer support in the reaction chamber, ultra-high-purity molten sapphire having a lower vapor pressure is suitable. The raw material gas can be easily preheated, and the temperature within the wafer surface is easy to be uniform even when a large amount of gas is flowing. Suitable to get. UV irradiation on the wafer surface during growth
Further improve the quality of the epitaxial layer.

【0105】分離領域4となるSiO2 層の側壁にはア
モルファスシリコンが堆積している(図25の工程)、
アモルファスシリコンは固相成長で単結晶化し易いた
め、SiO2 分離領域4との界面近傍の結晶が非常に優
れたものになる。高抵抗n- 層5を選択エピタキシャル
成長により形成した後(図26の工程)、表面濃度1〜
20×1016cm-3程度のP領域6を、ドープトオキサ
イドからの拡散か、あるいは低ドーズのイオン注入層を
ソースとした拡散により所定の深さまで形成する。p領
域6の深さはたとえば0.6〜1μm程度である。
Amorphous silicon is deposited on the side walls of the SiO 2 layer serving as the isolation region 4 (step in FIG. 25).
Since amorphous silicon is easily single-crystallized by solid phase growth, the crystal near the interface with the SiO 2 separation region 4 is very excellent. After the high resistance n - layer 5 is formed by selective epitaxial growth (step of FIG. 26), the surface concentration
A P region 6 of about 20 × 10 16 cm −3 is formed to a predetermined depth by diffusion from doped oxide or diffusion using a low-dose ion implantation layer as a source. The depth of p region 6 is, for example, about 0.6 to 1 μm.

【0106】p領域6の厚さと不純物濃度は以下のよう
な考えで決定する。感度を上げようとすれば、p領域6
の不純物濃度を下げてCbeを小さくすることが望まし
い。Cbeは略々次のように与えられる。 ただし、Vbiはエミッタ・ベース間拡散電位であり、 で与えられる。ここで、εはシリコン結晶の誘電率、N
D はエミッタの不純物濃度、NA はベースのエミッタに
隣接する部分の不純物密度、ni は真性キャリア濃度で
ある。NA を小さくするほどCbeは小さくなって、感
度は上昇するが、NA をあまり小さくしすぎるとベース
領域が動作状態で完全に空乏化してパンチングスルー状
態になってしまうため、あまり低くは出来ない。ベース
領域が完全に空乏化してパンチングスルー状態にならな
い程度に設定する。
The thickness and impurity concentration of p region 6 are determined based on the following concept. To increase the sensitivity, the p region 6
It is desirable to lower the impurity concentration of Cbe to reduce Cbe. Cbe is approximately given as follows. Where Vbi is the emitter-base diffusion potential, Given by Where ε is the dielectric constant of the silicon crystal, N
D is the impurity concentration of the emitter, N A is the impurity concentration of the portion adjacent to the emitter of the base, and n i is the intrinsic carrier concentration. As Cbe is reduced to reduce the N A, the sensitivity is increased, but since the the N A is made too small base region will completely become depleted in punching through state at operating conditions, is too low can Absent. It is set to such an extent that the base region is not completely depleted and does not enter a punch-through state.

【0107】その後、シリコン基板表面に(H2 +O
2 )ガス系スチーム酸化により数10Åから数100Å
程度の厚さの熱酸化膜3を、800〜900℃程度の温
度で形成する。その上に、(SiH4 +NH3 )系ガス
のCVDで窒化膜(Si34)302を500〜15
00Å程度の厚さで形成する。形成温度は700〜90
0℃程度である。NH3 ガスも、HClガスと並んで通
常入手できる製品は、大量に水分を含んでいる。水分の
多いNH3 ガスを原材料に使うと、酸素濃度の多い窒化
膜となり、再現性に乏しくなると同時に、その後のSi
2 膜との選択エッチングで選択比が取れないという結
果を招く。NH3 ガスも、少なくとも水分含有量が0.
5ppm以下のものにする。水分含有量は少ない程望ま
しいことはいうまでもない。窒化膜302の上にさらに
PSG膜300をCVDにより堆積する。ガス系は、た
とえば、(N2 +SiH4 +O2 +PH3 )を用いて、
300〜450℃程度の温度で2000〜3000Å程
度の厚さのPSG膜をCVDにより堆積する(図27の
工程)。2度のマスク合わせ工程を含むフォトリソグラ
フィ工程により、n+ 領域7上と、リフレッシュ及び読
出しパルス印加電極上に、Asドープのポリシリコン膜
304を堆積する。この場合pドープのポリシリコン膜
を使ってもよい。たとえば、2回のフォトリソグラフィ
工程により、エミッタ上は、PSG膜、Si34 膜、
SiO2 膜をすべて除去し、リフレッシュおよび読出し
パルス印加電極を設ける部分には下地のSiO2 膜を残
して、PSG膜とSI34 膜のみエッチングする。そ
の後、Asドープのポリシリコンを、(N2 +SiH4
+AsH3 )もしくは(H2 +SiH4 +AsH3 )ガ
スでCVD法により堆積する。堆積温度は550℃〜7
00℃程度、膜厚は1000〜2000Åである。ノン
ドープのポリシリコンをCVD法で堆積しておいて、そ
の後As又はPを拡散してももちろんよい。エミッタと
リフレッシュ及び読出しパルス印加電極上を除いた他の
部分のポリシリコン膜をマスク合わせフォトリソグラフ
ィ工程の後エッチングで除去する。さらに、PSG膜を
エッチングすると、リフトオフによりPSG膜に堆積し
ていたポリシリコンはセルフアライン的に除去されてし
まう(図28の工程)。ポリシリコン膜のエッチングは
2 Cl24 、(CBrF3 +Cl2 )等のガス系で
エッチングし、Si34 膜はCH22 等のガスでエ
ッチングする。
After that, (H 2 + O
2 ) Several tens to several hundreds of square meters by gas steam oxidation
A thermal oxide film 3 having a thickness of about 800 to 900 ° C. is formed. Thereon, the (SiH 4 + NH 3) based nitride film by CVD gas (Si 3 N 4) 302 500~15
It is formed with a thickness of about 00 °. Forming temperature is 700-90
It is about 0 ° C. The NH 3 gas, also commonly available alongside the HCl gas, contains a large amount of moisture. When NH 3 gas having a high moisture content is used as a raw material, a nitride film having a high oxygen concentration is obtained, and reproducibility is poor.
The result is that a selective ratio cannot be obtained by selective etching with the O 2 film. The NH 3 gas also has a water content of at least 0.1.
It should be less than 5 ppm. It goes without saying that the smaller the water content, the better. A PSG film 300 is further deposited on the nitride film 302 by CVD. The gas system uses, for example, (N 2 + SiH 4 + O 2 + PH 3 )
A PSG film having a thickness of about 2000 to 3000 ° is deposited by CVD at a temperature of about 300 to 450 ° C. (step in FIG. 27). An As-doped polysilicon film 304 is deposited on the n + region 7 and on the refresh and read pulse application electrodes by a photolithography process including two mask alignment processes. In this case, a p-doped polysilicon film may be used. For example, a PSG film, a Si 3 N 4 film,
All the SiO 2 film is removed, and only the PSG film and the SI 3 N 4 film are etched, leaving the underlying SiO 2 film in the portion where the refresh and read pulse application electrodes are provided. Thereafter, As-doped polysilicon is replaced with (N 2 + SiH 4).
+ AsH 3 ) or (H 2 + SiH 4 + AsH 3 ) gas by CVD. Deposition temperature is 550 ° C to 7
The temperature is about 00 ° C. and the thickness is 1000 to 2000 °. As a matter of course, non-doped polysilicon may be deposited by the CVD method, and then As or P may be diffused. The polysilicon film in the other portion except on the emitter and the refresh and readout pulse application electrodes is removed by etching after the photolithography process using a mask. Further, when the PSG film is etched, the polysilicon deposited on the PSG film by lift-off is removed in a self-aligned manner (step of FIG. 28). The polysilicon film is etched with a gas such as C 2 Cl 2 F 4 or (CBrF 3 + Cl 2 ), and the Si 3 N 4 film is etched with a gas such as CH 2 F 2 .

【0108】次に、PSG膜305を、すでに述べたよ
うなガス系のCVD法で堆積した後、マスク合わせ工程
とエッチング工程とにより、リフレッシュパルス及び読
出しパルス電極用ポリシリコン膜上にコンタクトホール
を開ける。こうした状態で、Al,Al−Si,Al−
Cu−Si等の金属を真空蒸着もしくはスパッタによっ
て堆積するか、あるいは(CH33 AlやAlCl3
を原材料ガスとするプラズマCVD法、あるいはまた上
記原材料ガスのAl−CボンドやAl−Clボンドを直
接光照射により切断する光照射CVD法によりAlを堆
積する。(CH33 AlやAlCl3 を原材料ガスと
して上記のようなCVD法を行なう場合には、大過剰に
水素を流しておく。細くてかつ急峻なコンタクトホール
にAlを堆積するには、水分や酸素混入のまったくない
クリーン雰囲気の中で300〜400℃膜厚に基板温度
を上げたCVD法が優れている。図1に示された金属配
線10のパターニングを終えた後、層間絶縁膜306を
CVD法で堆積する。306は、前述したPSG膜、あ
るいはCVD法SiO2 膜、あるいは耐水性等を考慮す
る必要がある場合には、(SiH4 +NH3 )ガス系の
プラズマCVD法によって形成したSi34 膜であ
る。Si34 膜中の水素の含有量を低く抑えるために
は、(SiH4 +N2 )ガス系でのプラズマCVD法を
使用する。
Next, after the PSG film 305 is deposited by the gas-based CVD method as described above, a contact hole is formed on the polysilicon film for the refresh pulse and the read pulse electrode by a mask alignment step and an etching step. Open. Under these conditions, Al, Al-Si, Al-
A metal such as Cu-Si is deposited by vacuum evaporation or sputtering, or (CH 3 ) 3 Al or AlCl 3
Al is deposited by a plasma CVD method using as a raw material gas, or a light irradiation CVD method in which the Al—C bond or the Al—Cl bond of the above raw material gas is cut by direct light irradiation. When the above-described CVD method is performed using (CH 3 ) 3 Al or AlCl 3 as a raw material gas, hydrogen is allowed to flow in a large excess. In order to deposit Al in a thin and steep contact hole, a CVD method in which the substrate temperature is raised to a film thickness of 300 to 400 ° C. in a clean atmosphere free of moisture and oxygen is excellent. After the patterning of the metal wiring 10 shown in FIG. 1 is completed, an interlayer insulating film 306 is deposited by a CVD method. Reference numeral 306 denotes a PSG film, a CVD SiO 2 film, or a Si 3 N 4 film formed by a (SiH 4 + NH 3 ) gas plasma CVD method when it is necessary to consider water resistance or the like. is there. In order to keep the content of hydrogen in the Si 3 N 4 film low, a plasma CVD method using a (SiH 4 + N 2 ) gas system is used.

【0109】プラズマCVD法によるダメージを現象さ
せ形成されたSi34 膜の電気的耐圧を大きくし、か
つリーク電流を小さくするには光CVD法によるSi3
4膜がすぐれている。光CVD法には2通りの方法が
ある。(SiH4 +NH3 +Hg)ガス系で外部から水
銀ランプの2537Åの紫外線を照射する方法と、(S
iH4 +NH)3ガス系に水銀ランプの1849Åの紫外
線を照射する方法である。いずれも基板温度は150〜
350℃程度である。
[0109] The electrical breakdown of the Si 3 N 4 film which is phenomenon damaged by plasma CVD is formed larger, and Si 3 by the optical CVD method to reduce the leakage current
N 4 film is excellent. There are two types of light CVD methods. (SiH 4 + NH 3 + Hg) gas system for externally irradiating ultraviolet rays of 2537 ° from a mercury lamp;
This is a method of irradiating an iH 4 + NH) 3 gas system with ultraviolet rays of 1849 ° from a mercury lamp. In all cases, the substrate temperature is 150 ~
It is about 350 ° C.

【0110】マスク合わせ工程及びエッチング工程によ
り、エミッタ7上のポリシリコンに、絶縁膜305,3
06を貫通したコンタクトホールをリアクティブイオン
エッチングで開けた後、前述した方法でAl,Al−S
i,Al−Cu−Si等の金属を堆積する。この場合に
は、コンタクトホールのアスペクト比が大きいので、C
VD法による堆積の方がすぐれている。図1,図2にお
ける金属配線8のパターニングを終えた後、最終パッシ
ベーション膜としてのSi34 膜あるいはPSG膜2
をCVD法により堆積する(図29)。
By the mask alignment step and the etching step, the insulating films 305 and 3 are formed on the polysilicon on the emitter 7.
06 is opened by reactive ion etching after the contact hole penetrating through Al, Al-S by the method described above.
i, a metal such as Al-Cu-Si is deposited. In this case, since the aspect ratio of the contact hole is large, C
Deposition by the VD method is better. After the patterning of the metal wiring 8 in FIGS. 1 and 2 is completed, a Si 3 N 4 film or a PSG film 2 as a final passivation film is formed.
Is deposited by the CVD method (FIG. 29).

【0111】この場合も、光CVD法による膜がすぐれ
ている。12は裏面のAl,Al−Si等による金属電
極である。本発明の光電変換装置の製法には、実に多彩
な工程があり、図23〜図29はほんの一例を述べたに
過ぎない。
Also in this case, the film formed by the photo CVD method is excellent. Reference numeral 12 denotes a metal electrode made of Al, Al-Si or the like on the back surface. The method of manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention includes various steps, and FIGS. 23 to 29 are merely examples.

【0112】本発明の光電変換装置の重要な点は、p領
域6とn- 領域5の間及びp領域6とn+ 領域7の間の
リーク電流を如何に小さく抑えるかにある。n- 領域5
の品質を良好にして暗電流を少なくすることはもちろん
であるが、酸化膜などよりなる分離領域4とn- 領域5
の界面こそが問題である。図23〜図29では、そのた
めに、あらかじめ分離領域4の側壁にアモルファスSi
を堆積しておいてエピタキシャル成長を行なう方法を説
明した。この場合には、エピタキシャル成長中に基板S
iからの固相成長でアモルファスSiは単結晶化される
わけである。エピタキシャル成長は、850℃〜100
0℃程度と比較的高い温度で行なわれる。そのため、基
板Siからの固相成長によりアモルファスSiが単結晶
化される前に、アモルファスSi中に微結晶が成長し始
めてしまうことが多く、結晶性を悪くする原因になる。
温度が低い方が、固相成長する速度がアモルファスSi
中に微結晶が成長し始める速度より相対的にずっと大き
くなるから、選択エピタキシャル成長を行なう前に、5
50℃〜700℃程度の低温処理で、アモルファスSi
を単結晶しておくと、界面の特性は改善される。この
時、基板SiとアモルファスSiの間に酸化膜等の層が
あると固相成長の開始が遅れるため、両者の境界にはそ
うした層が含まれないような超高清浄プロセスが必要で
ある。
An important point of the photoelectric conversion device of the present invention is how to suppress the leakage current between the p region 6 and the n region 5 and between the p region 6 and the n + region 7. n - region 5
Of course, the dark current is reduced by improving the quality of the isolation region 4 and the n region 5 made of an oxide film or the like.
The interface is the problem. In FIG. 23 to FIG. 29, for this purpose, the amorphous Si
The method of performing epitaxial growth after depositing the above has been described. In this case, during epitaxial growth, the substrate S
Amorphous Si is monocrystallized by solid phase growth from i. Epitaxial growth is performed at 850 ° C. to 100
It is performed at a relatively high temperature of about 0 ° C. Therefore, before amorphous Si is monocrystallized by solid phase growth from the substrate Si, microcrystals often start to grow in the amorphous Si, which causes deterioration of crystallinity.
The lower the temperature, the faster the solid phase growth rate is amorphous Si
Before performing selective epitaxial growth, it is relatively much faster than the rate at which crystallites begin to grow.
Amorphous Si by low temperature treatment of about 50 ° C to 700 ° C
Is a single crystal, the characteristics of the interface are improved. At this time, if there is a layer such as an oxide film between the substrate Si and the amorphous Si, the start of solid-phase growth is delayed. Therefore, an ultra-high cleaning process that does not include such a layer at the boundary between them is necessary.

【0113】アモルファスSiの固相成長には上述した
ファーナス成長の他に、基板をある程度の温度に保って
おいて、フッシュランプ加熱あるいは赤外線ランプによ
る、たとえば数秒から数10秒程度のラピッドアニール
技術も有効である。こうした技術を使うときには、Si
2 層側壁に堆積するSiは、多結晶でもよい。ただ
し、非常にクリーンなプロセスで堆積し、多結晶体の結
晶粒界に酸素、炭素等の含まれない多結晶Siにしてお
く必要がある。
For the solid phase growth of amorphous Si, in addition to the above-described furnace growth, a rapid annealing technique using, for example, a few seconds to several tens of seconds by using a flash lamp heating or an infrared lamp while keeping the substrate at a certain temperature is also available. It is valid. When using these technologies,
The Si deposited on the side wall of the O 2 layer may be polycrystalline. However, it is necessary to deposit by a very clean process, and to make polycrystalline Si containing no oxygen, carbon, or the like at the crystal grain boundaries of the polycrystalline body.

【0114】こうしたSiO2 側面のSiが単結晶化さ
れた後、Siの選択成長を行うことになる。SiO2
離領域4と高抵抗n- 領域5界面のリーク電流がどうし
ても問題になる時は、高抵抗n- 領域5のSiO2 分離
領域4に隣接する部分だけ、n形の不純物濃度を高くし
ておくとこのリーク電流の問題はさけられる。たとえ
ば、分離SiO2 領域4に接触するn- 領域5の0.3
〜1μm程度の厚さの領域だけ、たとえば1〜10×1
16cm-3程度にn形の不純物濃度を高くするのであ
る。この構成は比較的容易に形成できる。基板1上に略
々1μm程度熱酸化膜を形成した後、その上にCVD法
で堆積する。SiO2 膜をまず所要の厚さだけ、所定の
量のPを含んだSiO2 膜にしておく。さらにその上に
SiO2 をCVD法で堆積するということで分離領域4
を作っておく。その後の高温プロセスで分離領域4中に
サンドイッチ状に存在する燐を含んだSiO2 膜から、
燐が高抵抗n- 領域5中に拡散して、界面がもっとも不
純物濃度が高いという良好な不純物分布を作る。
After Si on the side surface of SiO 2 is monocrystallized, selective growth of Si is performed. If the leakage current at the interface between the SiO 2 isolation region 4 and the high resistance n region 5 is a problem, the n-type impurity concentration is increased only in the portion of the high resistance n region 5 adjacent to the SiO 2 isolation region 4. In this case, the problem of the leakage current is avoided. For example, 0.3 of n region 5 in contact with isolated SiO 2 region 4
Only a region having a thickness of about 1 μm, for example, 1 to 10 × 1
The n-type impurity concentration is increased to about 0 16 cm -3 . This configuration can be formed relatively easily. After forming a thermal oxide film of about 1 μm on the substrate 1, a thermal oxide film is deposited thereon by a CVD method. Only first required thickness of the SiO 2 film, keep the SiO 2 film containing P of a predetermined amount. Further, the separation region 4 is formed by depositing SiO 2 thereon by CVD.
Make it. From the phosphorus-containing SiO 2 film present in a sandwich state in the isolation region 4 in the subsequent high-temperature process,
Phosphorus diffuses into the high-resistance n region 5 to form a favorable impurity distribution in which the interface has the highest impurity concentration.

【0115】すなわち、図30のような構造に構成する
わけである。分離領域4が、3層構造に構成されてい
て、308は熱酸化膜SiO2 、309は燐を含んだC
VD法SiO2 膜、301はCVD法SiO2 膜であ
る。分離領域4に隣接して、n-領域5中との間に、n
領域307が、燐を含んだSiO2 膜309からの拡散
で形成される。307はセル周辺全部に形成されてい
る。この構造にすると、ベース・コレクタ間容量Cbc
は大きくなるが、ベース・コレクタ間リーク電流は激減
する。
That is, the structure is as shown in FIG. The isolation region 4 has a three-layer structure, 308 is a thermal oxide film SiO 2 , and 309 is C containing phosphorus.
A VD method SiO 2 film 301 is a CVD method SiO 2 film. Adjacent to the isolation region 4, between the n region 5,
A region 307 is formed by diffusion from the SiO 2 film 309 containing phosphorus. 307 is formed all around the cell. With this structure, the base-collector capacitance Cbc
However, the base-collector leakage current is drastically reduced.

【0116】図23〜図29では、あらかじめ分離用絶
縁領域4を作っておいて、選択エピタキシャル成長を行
なう例について説明したが、基板上に必要な高抵抗n-
層のエピキタシャル成長をしておいてから、分離領域と
なるべき部分をリアクティブイオンエッチングによりメ
ッシュ状に切り込んで分離領域を形成する、Uグループ
分離技術(A.Hayasaka et al,“U−
groove isolation techniqu
e for high speed bipolar
VLSI′S″,Tech.Dig.of IEDM.
P.62,1982,参照)を使って行なうことも出来
る。
[0116] In FIGS. 23 to 29, in advance in advance to make the isolation insulating region 4, an example has been described for performing selective epitaxial growth, the high-resistance n required on a substrate -
A U-group separation technique (A. Hayasaka et al, "U-") in which a layer to be an isolation region is cut into a mesh shape by reactive ion etching to form an isolation region after epitaxial growth of the layer.
Groove isolation technology
e for high speed bipolar
VLSI'S ", Tech. Dig. Of IEDM.
P. 62, 1982).

【0117】本発明に係る光電変換装置は、絶縁物より
構成される分離領域に取り囲まれた領域に、その大部分
の領域が半導体ウエハ表面に隣接するベース領域が浮遊
状態になされたバイポーラトランジスタを形成し、浮遊
状態になされたベース領域の電位を薄い絶縁層を介して
前記ベース領域の一部に設けた電極により制御すること
によって、光情報を光電変換する装置である。高不純物
濃度領域よりなるエミッタ領域が、ベース領域の一部に
設けられており、このエミッタは水平スキャンパルスに
より動作するMOSトランジスタに接続されている。前
述した、浮遊ベース領域の一部に薄い絶縁層を介して設
けられた電極は、水平ラインに接続されている。ウエハ
内部に、設けられるコレクタは、基板で構成されること
もあるし、目的によっては反対導電型高抵抗基板に、各
水平ラインごとに分離された高濃度不純物埋込み領域で
構成される場合もある。絶縁層を介して設けられた電極
で、浮遊ベース領域のリフレッシュを行なう時のパルス
電圧に対して、信号を読出す時の印加パルス電圧は実質
的に大きい。実際に、2種類の電圧を待つパルス列を用
いてもよいし、ダブルキャパシタ構造で説明したよう
に、リフレッシュ用MOSキャパシタ電極の容量Cox
くらべて読出し用MOSキャパシタ電極の容量Coxを大
きくしておいてもよい。リフレッシュパルス印加によ
り、逆バイアス状態になされた浮遊ベース領域に光励起
されたキヤリアを蓄積して光信号に基づいた信号を記憶
させ、該信号読出し時には、ベース・エミッタ間が順方
向に深くバイアスされるように読出し用パルス電圧を印
加して、高速度で信号を読出せるようにしたことが特徴
である。こうした特徴を備えていれば、本発明の光電変
換装置はいかなる構造で実現してもよく、前記の実施例
に述べられた構造に限定されないことはもちろんであ
る。
The photoelectric conversion device according to the present invention includes a bipolar transistor in which a base region adjacent to the surface of a semiconductor wafer is floated in a region surrounded by an isolation region formed of an insulator. This is an apparatus for photoelectrically converting optical information by controlling the potential of a formed and floating base region with an electrode provided in a part of the base region via a thin insulating layer. An emitter region including a high impurity concentration region is provided in a part of the base region, and the emitter is connected to a MOS transistor operated by a horizontal scan pulse. The above-described electrode provided in a part of the floating base region via a thin insulating layer is connected to a horizontal line. The collector provided inside the wafer may be constituted by a substrate, or may be constituted by a high-concentration impurity buried region separated for each horizontal line on a high resistance substrate of the opposite conductivity type depending on the purpose. . An applied pulse voltage for reading a signal is substantially higher than a pulse voltage for refreshing a floating base region at an electrode provided via an insulating layer. Indeed, the two may be used a pulse train to wait for voltage, as described in the double capacitor structure, to increase the capacity C ox of the read MOS capacitor electrode compared to the capacitance C ox of the refreshing MOS capacitor electrode You may keep it. By the application of the refresh pulse, the carrier excited by light is accumulated in the floating base region in the reverse bias state, and a signal based on the optical signal is stored. When the signal is read, the base-emitter is deeply biased in the forward direction. As described above, a signal is read at a high speed by applying a read pulse voltage. As long as these features are provided, the photoelectric conversion device of the present invention may be realized by any structure, and is not limited to the structure described in the above embodiment.

【0118】たとえば、前記の実施例で説明した構造と
導電型がまったく反転した構造でも、もちろん同様であ
る。ただし、この時には印加電圧の極性を完全に反転す
る必要がある。導電型がまったく反転した構造では、領
域はn型になる。すなわち、ベースを構成する不純物は
AsやPになる。AsやPを含む領域の表面を酸化する
と、AsやPはSi/SiO2 界面のSi側にパイルア
ップする。すなわち、ベース内部に表面から内部に向う
強いドリフト電界が生じて、光励起されたホールはただ
ちにベースからコレクタ側に抜け、ベースにはエレクト
ロンが効率よく蓄積される。
For example, the same applies to a structure in which the conductivity type is completely inverted from the structure described in the above embodiment. However, at this time, it is necessary to completely reverse the polarity of the applied voltage. In a structure where the conductivity type is completely inverted, the region becomes n-type. That is, the impurities constituting the base are As and P. When the surface of the region containing As or P is oxidized, As or P piles up on the Si side of the Si / SiO 2 interface. That is, a strong drift electric field is generated inside the base from the surface to the inside, and the photoexcited holes immediately escape from the base to the collector side, and electrons are efficiently accumulated in the base.

【0119】ベースがp型の場合には、通常使われる不
純物はボロンである。ボロンを含むp領域表面を熱酸化
すると、ボロンは酸化膜中に取り込まれるため、Si/
SiO2 界面近傍のSi中におけるボロン濃度はやや内
部のボロン濃度より低くなる。この深さは、酸化膜厚に
もよるが、通常数100Åである。この界面近傍には、
エレクトロンに対する逆ドリフト電界が生じ、この領域
に光励起されたエレクトロンは、表面に集められる傾向
にある。このままだと、この逆ドリフト電界を生じてい
る領域は不感領域になるが、表面に沿った一部にn+
域が、本発明の光電変換装置では存在しているため、p
領域のSi/SiO2 界面に集まったエレクトロンは、
このn+ 領域に再結合される前に流れ込む。そのため
に、たとえばボロンがSi/SiO2 界面近傍で減少し
ていて、逆ドリフト電界が生じるような領域が存在して
も、ほとんど不感領域にはならない。むしろ、こうした
領域がSi/SiO2 界面に存在すると、蓄積されたホ
ールをSi/SiO2 界面から引き離して内部に存在さ
せるようにするために、ホールが界面で消滅する効果が
無くなり、p層のベースにおけるホール蓄積効果が良好
となり、きわめて望ましい。
When the base is a p-type, a commonly used impurity is boron. When the surface of the p-region containing boron is thermally oxidized, boron is taken into the oxide film, so that Si /
The boron concentration in Si near the SiO 2 interface is slightly lower than the boron concentration inside. This depth is usually several hundred degrees depending on the oxide film thickness. Near this interface,
A reverse drift electric field occurs for the electrons, and the electrons photoexcited in this region tend to collect on the surface. In this state, the region where the reverse drift electric field is generated becomes a dead region. However, since the n + region exists in a part along the surface in the photoelectric conversion device of the present invention, p +
Electrons collected at the Si / SiO 2 interface in the region are
It flows before being recombined into this n + region. For this reason, for example, even if there is a region where boron is reduced near the Si / SiO 2 interface and a reverse drift electric field is generated, the region hardly becomes a dead region. Rather, when such a region exists at the Si / SiO 2 interface, the accumulated holes are separated from the Si / SiO 2 interface so as to be present inside. The hole accumulation effect in the base is improved, which is highly desirable.

【0120】なお、本発明に係る光電変換装置は以上述
べた固体撮像装置の外に、たとえば、画像入力装置、フ
ァクシミリ、ワークステイション、デジタル複写機、ワ
ープロ等の画像入力装置、OCR、バーコード読取り装
置、カメラ、ビデオカメラ、8ミリカメラ等のオートフ
ォーカス用の光電変換被写体検出装置等にも応用でき
る。
The photoelectric conversion device according to the present invention is not limited to the solid-state image pickup device described above, but may be, for example, an image input device such as an image input device, a facsimile, a work station, a digital copying machine, a word processor, an OCR, and a bar code reader. The present invention can also be applied to a photoelectric conversion subject detection device for autofocus, such as a device, a camera, a video camera, and an 8 mm camera.

【0121】以上説明してきたように、本発明の光電変
換装置は、浮遊状態になされた制御電極領域であるベー
ス領域に光により励起されたキャリアを蓄積するもので
ある。すなわち、Base Store Image
Sensorと呼ばれるべき装置であり、BASISと
略称する。
As described above, the photoelectric conversion device of the present invention accumulates carriers excited by light in the base region, which is a floating control electrode region. In other words, Base Store Image
This is an apparatus to be called a Sensor, and is abbreviated as BASIS.

【0122】本発明の光電変換装置は、1個のトランジ
スタで1画素を構成できるため高密度化がきわめて容易
であり、同時にその構造からブルーミング、スミアが少
なく、かつ高感度である、そのダイナミックレンジは広
く取れ、内部増幅機能を有するため配線容量によらず大
きな信号電圧を発生するため低録音でかつ周辺回路が容
易になるという特徴を有している。例えば将来の高品質
固体撮像装置として、その工業的価値はきわめて高い。
The photoelectric conversion device of the present invention is very easy to increase the density because one pixel can be constituted by one transistor, and at the same time, its dynamic range is low in blooming and smear due to its structure and high in sensitivity. It is characterized by the fact that it has a large signal voltage irrespective of the wiring capacitance due to its internal amplifying function, so that low recording is possible and peripheral circuits are easy. For example, as a future high quality solid-state imaging device, its industrial value is extremely high.

【0123】図14に、過渡的リフレッシュ動作、蓄積
動作、読出し動作、そして過渡的リフレッシュ動作と巡
回するときの、エミッタ、ベース、コレクタ各部におけ
る電位レベルを表したものを示す。各部位の電圧レベル
は外部的に見た電位であり、内部のポテンシャルレベル
とは一部一致していない所もある。
FIG. 14 shows the potential levels at the emitter, base, and collector portions during the cycle of the transient refresh operation, the accumulation operation, the read operation, and the transient refresh operation. The voltage level of each portion is a potential seen from the outside, and there are some portions that do not partially match the internal potential level.

【0124】説明を簡単にするためにエミッタ・ベース
間の拡散電位は除いてある。したがって、図14でエミ
ッタとベースが同一レベルで表される時には、実際には
エミッタ・ベース間に で与えられる拡散電位が存在するわけである。
For simplicity, the diffusion potential between the emitter and the base is omitted. Therefore, when the emitter and the base are represented at the same level in FIG. There is a diffusion potential given by

【0125】図14において、状態、はリフレッシ
ュ動作を、状態は蓄積動作を、状態、は読出し動
作を、状態はエミッタを接地したときの動作状態をそ
れぞれ示す。また電位レベルは0ボルトを境にして上側
が負、下側が正電位をそれぞれ示す。状態になる前の
ベース電位はゼロボルトであったとし、またコレクタ電
位は状態からまで全て正電位にバイアスされている
ものとする。
In FIG. 14, state represents a refresh operation, state represents an accumulation operation, state represents a read operation, and state represents an operation state when the emitter is grounded. The potential level is negative on the upper side of 0 volts and positive on the lower side. It is assumed that the base potential before the state is zero volts, and that the collector potential is all biased to the positive potential from the state.

【0126】上記の一連の動作を図13のタイミング図
と共に説明する。図13の波形67のごとく、時刻t1
において、端子37に正電圧すなわちリフレッシュ電圧
RHが印加されると、図14の状態に電位200のご
とくベースには、すでに説明した様に なる分圧がかかる。この電位は時刻t1 からt2 の間に
次第にゼロ電位に向かって減少していき、時刻t2
は、図14の点線で示した電位201となる。この電位
は前に説明した様に、過渡的なリフレッシュモードにお
いて、ベースに残る電位VK である。時刻t2 におい
て、波形67のごとく、リフレッシュ電圧VRHがゼロ電
圧にもどる瞬間にベースに、ベースには なる電圧が前と同様、容量分割により発生するので、ベ
ースは残っていた電圧VK と新しく発生した電圧との加
算された電位となる。すなわち、状態において示され
るベース電位202であり、これは、 で与えられる。
The above series of operations will be described with reference to the timing chart of FIG. As the waveform 67 in FIG. 13, the time t 1
At this time, when a positive voltage, that is, a refresh voltage V RH is applied to the terminal 37, the base shown in FIG. A partial pressure is applied. This potential will gradually decrease toward zero potential between time t 1 of t 2, at time t 2, the a potential 201 indicated by a dotted line in FIG. 14. This potential is the potential V K remaining on the base in the transient refresh mode as described above. At time t 2 , as shown by a waveform 67, the base is set at the moment when the refresh voltage V RH returns to the zero voltage. Since the same voltage is generated by the capacitance division as before, the base becomes the potential obtained by adding the remaining voltage V K and the newly generated voltage. That is, the base potential 202 shown in the state, Given by

【0127】この様なエミッタに対して逆バイアス状態
において光が入射してくると、この光により発生したホ
ールがベース領域に蓄積されるので、状態のごとく、
入射してくる光の強さに応じてベース電位202はベー
ス電位203、203′、203″のごとく次第に正電
位に向って変化する。この光により発生する電圧をVP
とする。
When light is incident on such an emitter in a reverse bias state, holes generated by the light are accumulated in the base region.
Base potential 202 according to the intensity of the incident come light base potential 203 and 203 'changes toward increasingly positive potential as the 203 ". The voltage generated by the light V P
And

【0128】次いで波形69のごとく、水平ラインに垂
直シフトレジスタより電圧、すなわち、読出し電圧VR
が印加されると、ベースには なる電圧が加算されるので、光がまったく照射されない
ときのベース電位204は となる。このときの電位204は前に説明したごとく、
エミッタに対して0.5〜0.6V程度順方向にバイア
ス状態になる様に、設定される。また、ベース電位20
5、205′、205″はそれぞれ で与えられる。
Next, as shown by a waveform 69, the voltage from the vertical shift register is applied to the horizontal line, that is, the read voltage V R.
Is applied, the base Are added, the base potential 204 when no light is irradiated is Becomes The potential 204 at this time is, as described above,
It is set so that the emitter is biased in the forward direction by about 0.5 to 0.6 V. In addition, the base potential 20
5, 205 'and 205 "are respectively Given by

【0129】ベース電位がこの様にエミッタに対して、
順方向バイアスされると、エミッタ側からエレクロンの
注入がおこり、エミッタ電位は次第に正電位方向に動い
ていくことになる。光が照射されなかったときのベース
電位204に対するエミッタ電位206は、順方向バイ
アスを0.5〜0.6Vに設定した時読出しパルス幅が
1〜2μs位のとき、約50〜100mV程度であり、
この電圧をVB とすると、エミッタ電位207、20
7′、207″は前の例の様に0.1μs以上のパルス
幅であれば直線性は十分確保されるので、それぞれVP
+VB 、VP ′+VB 、VP ″+VB となる。
When the base potential is thus higher than that of the emitter,
When a forward bias is applied, electron injection from the emitter side occurs, and the emitter potential gradually moves in the positive potential direction. The emitter potential 206 with respect to the base potential 204 when no light is irradiated is about 50 to 100 mV when the readout pulse width is about 1 to 2 μs when the forward bias is set to 0.5 to 0.6 V. ,
Assuming that this voltage is V B , the emitter potentials 207, 20
7 ', 207 ", because the linearity if more pulse width 0.1μs as in the preceding example is sufficiently secured, respectively V P
+ V B, V P '+ V B, a V P "+ V B.

【0130】ある一定の読出し時間の後、波形69のご
とく読出し電圧VR がゼロ電位になった時点で、ベース
には なる電圧が加算されるので、状態のごとくベース電位
は、読出しパルスが印加される前の状態、すなわち逆バ
イアス状態になり、エミッタの電位変化は停止する。す
なわち、このときのベース電位208は で与えられる。これは読出しが始まる前の状態とまっ
たく同じである。
After a certain read time, when the read voltage V R becomes zero potential as shown by a waveform 69, the base becomes Since the following voltages are added, the base potential becomes the state before the read pulse is applied, that is, the reverse bias state as in the state, and the potential change of the emitter stops. That is, the base potential 208 at this time is Given by This is exactly the same as the state before the start of reading.

【0131】この状態において、エミッタ側の光情報
信号が外部へ読出されるわけである。この読出しが終っ
た後、各スイッチングMOSトランジスタ48、4
8′、48″が導通状態となり、エミッタが接地されて
状態のごとく、エミッタはゼロ電位となる。これで、
リフレッシュ動作、蓄積動作、読出し動作と一巡し、次
に状態にもどるわけであるが、この時、最初にリフレ
ッシュ動作に入る前は、ベース電位がゼロ電位からスタ
ートしたのに対して、一巡してきた後はベース電位が およびそれに、それぞれVP 、VP ′、VP ″が加算さ
れた電位に変化していることになる。したがって、この
状態で、リフレッシュ電圧VRHが印加されたとしてもベ
ース電位はそれぞれVK 、VK +VP 、VK +VP ′、
K +VP ″になるだけであり、これでは、ベースに十
分な順方向バイアスがかからず、光の強くあたった所は
順方向バイアス量が大きいので光情報は消えるものの、
光の弱い部分の情報は消えずに残るということが生ずる
ことは図9に示したリフレッシュ動作の計算例から見て
もあきらかである。
In this state, the optical information signal on the emitter side is read out. After this reading, the switching MOS transistors 48, 4
8 ', 48 "are turned on and the emitter is grounded, as in the state where the emitter is grounded.
The cycle goes through the refresh operation, the accumulation operation, and the read operation, and then returns to the state. At this time, before the first refresh operation is started, the base potential starts from zero potential, but goes around once. After that, the base potential And it will be respectively V P, V P ', V P " is changed to the sum potential. Therefore, in this state, each base potential as the refresh voltage V RH is applied V K , VK + VP , VK + VP ',
V K + V P ″. In this case, a sufficient forward bias is not applied to the base, and where the light is strongly applied, the forward bias amount is large, so that the optical information is lost.
It is apparent from the calculation example of the refresh operation shown in FIG. 9 that the information of the light weak portion remains without disappearing.

【0132】この様な現象は過渡的リフレッシュモード
独特のものであり、完全リフレッシュモードでは、ベー
ス電位が必ずゼロ電位になるまで長いリフレッシュ時間
をとるために、この様な問題は生じない。以上述べたよ
うな不具合が生ぜず、かつ高速リフレッシュが可能な他
の実施例について以下に説明する。今まで述べてきたリ
フレッシュの方法は、ベースにMOSキャパシタを通し
てパルスを印加し、ベース電位を正電位とすることによ
り行なっていた。すなわち、ベースが正電位のとき、ベ
ース・コレクタ間接合ダイオードDbcが、導通状態に
なり、ホールがベースより流れだすことにより、ベース
電位が接地電位に向かって、減少していくときの過渡的
状態、すなわち過渡的リフレッシュあるいは、ベース電
位が完全に接地電位になる完全リフレッシュを用いてい
たわけである。pベースの場合には、所定の量のホール
がベースから無くなっているので、リフレッシュパルス
を除去した状態では、pベースは負に停電し、所定の負
電圧になる。
Such a phenomenon is peculiar to the transient refresh mode. In the complete refresh mode, such a problem does not occur because a long refresh time is required until the base potential becomes zero potential. Another embodiment in which the above-described inconvenience does not occur and high-speed refresh is possible will be described below. The refresh method described so far has been performed by applying a pulse to the base through a MOS capacitor and setting the base potential to a positive potential. That is, when the base is at a positive potential, the base-collector junction diode Dbc becomes conductive, and holes flow out of the base, so that the base potential decreases toward the ground potential. That is, a transient refresh or a complete refresh in which the base potential completely becomes the ground potential is used. In the case of the p-base, a predetermined amount of holes has disappeared from the base, and thus, in a state where the refresh pulse has been removed, the p-base has a negative power failure and has a predetermined negative voltage.

【0133】これに対して以下に述べる実施例は、各光
センサセルにMOSトランジスタを負荷して、ベースか
ら光励起によって蓄積されたホールを取りのぞき所定の
負電圧にするという考え方によりリフレッシュを行なう
ことを可能にした光電変換装置に関するものである。
On the other hand, in the embodiment described below, a MOS transistor is loaded to each photosensor cell, and the holes accumulated by the photoexcitation from the base are removed to make a predetermined negative voltage for refreshing. The present invention relates to an enabled photoelectric conversion device.

【0134】以下図31〜図33を用いて、くわしく説
明する。図31は基本光センサセルを二次元的にいくつ
か配列したときの一部を示す平面図であり、図32は図
31のAA´断面図、図33は、二次元的にいくつかの
基本光センサセルを配置したときの回路構成をそれぞれ
示す図である。
This will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 31 is a plan view showing a part when two or more basic optical sensor cells are arranged two-dimensionally. FIG. 32 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 31. FIG. It is a figure which shows the circuit structure at the time of arrange | positioning a sensor cell, respectively.

【0135】図31においてエミッタ領域7、読出し用
の垂直ライン8およびこの配線とエミッタ領域7とのコ
ンタクト19、p領域6、およびMOSキャパシタ9で
構成されている所は図1,図2に示したものとまったく
同じである。ただし、MOSキャパシタ9は、図1,図
2に示した実施例では読出しおよびリフレッシュの各動
作において共通に使用されているが本実施例では後で述
べるように読出し動作として使用される。
FIGS. 31 and 32 show the structure of emitter region 7, vertical line 8 for reading and contact 19 between this wiring and emitter region 7, p region 6 and MOS capacitor 9 in FIG. It is exactly the same. However, the MOS capacitor 9 is commonly used in the read and refresh operations in the embodiments shown in FIGS. 1 and 2, but is used as a read operation in the present embodiment as described later.

【0136】図1〜図3に示した実施例と異なるのは、
各光センサセルにリフレッシュ用のpチャンネルMOS
トランジスタが付加されている点である。すなわち図3
2の断面図を見ると明らかな様に光センサセルのp領域
6とこのp領域6と切り離された所に、拡散、イオン注
入等で形成されたp領域220、両者の間のn型チャン
ネルドープ領域、酸化膜領域3、およびゲート電極22
1より構成されるpチャンネルMOSトランジスタが付
加されている。この新しく形成されるp領域220は、
光センサセルのp領域6を形成するとき同時に作られ、
また、各領域間のチャンネルになるn型領域は、イオン
注入技術等を用いてソース・ドレイン間がパンチスルー
しない様に、n型の不純物濃度を増加させるチャンネル
ドープがなされる。少々プロセス数は増すが、pMOS
のソース・ドレイン間のパンチスルーを押えるためには
p領域220を表面近傍にごく薄く作ることも有効であ
る。
The difference from the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 is that
P-channel MOS for refreshing each photosensor cell
The point is that a transistor is added. That is, FIG.
As apparent from the cross-sectional view of FIG. 2, the p region 6 of the optical sensor cell and the p region 220 separated from the p region 6 by diffusion, ion implantation, etc., and an n-type channel dope between the two. Region, oxide film region 3 and gate electrode 22
1 is added. This newly formed p region 220
Made at the same time as forming the p-region 6 of the photosensor cell,
The n-type region serving as a channel between the regions is subjected to channel doping by using an ion implantation technique or the like to increase the n-type impurity concentration so as to prevent punch-through between the source and the drain. Although the number of processes increases a little, pMOS
In order to suppress the punch-through between the source and the drain, it is also effective to make the p region 220 very thin near the surface.

【0137】このpチャンネルMOSトランジスタのゲ
ート221は図31の平面図のごとく、MOSキャパシ
タ電極9と共通接続され、水平ライン10を通してパル
スが印加される様構成されている。またpチャンネルM
OSトランジスタのp領域すなわちドレイン領域220
は水平ライン223とコンタクト222を介して接続さ
れている。
As shown in the plan view of FIG. 31, the gate 221 of the p-channel MOS transistor is commonly connected to the MOS capacitor electrode 9 so that a pulse is applied through the horizontal line 10. Also p channel M
OS transistor p region, ie, drain region 220
Is connected to the horizontal line 223 via the contact 222.

【0138】従って、水平ライン10と水平ライン22
3および垂直ライン8は多層配線技術によって形成さ
れ、それぞれの間は、絶縁膜により絶縁されているわけ
である。図33は以上で説明した構造をもつ光センサセ
ルのベース領域と共通なソース領域、配線10と共通接
続されたゲート領域をもつpチャンネルMOSトランジ
スタが各光センサセルに付加されていることである。
Therefore, the horizontal lines 10 and 22
The 3 and the vertical line 8 are formed by a multilayer wiring technique, and are insulated from each other by an insulating film. FIG. 33 shows that a p-channel MOS transistor having a source region common to the base region of the photosensor cell having the structure described above and a gate region commonly connected to the wiring 10 is added to each photosensor cell.

【0139】以下に本実施例の動作について説明する。
光励起によるホールのベースの蓄積動作の前は、図14
の状態の様にベース領域は負電圧にバイアスされてい
る。また電荷蓄積動作では状態の様に光によって発生
したホールがベース領域に蓄積され、光の強さに応じて
ベースの電位は正の方向に向かって変化していく。この
状態において配線10を介して、読出しパルス電圧VR
が印加されると状態のごとく、ベース電位が正電位に
なされ、ベースに蓄積された情報がエミッタ側に読出さ
れることになる。また読出しパルス電圧VR が接地電位
になされた時に状態となり、またエミッタ側から垂直
ラインを通して情報が外部へ出力された後、垂直ライン
の配線8を通してエミッタが接地され状態となるの
は、すでに前に説明した実施例と同じ動作をするわけで
ある。
Hereinafter, the operation of this embodiment will be described.
Before the hole-based accumulation operation by optical excitation, FIG.
The base region is biased to a negative voltage as in the state shown in FIG. In the charge accumulation operation, holes generated by light are accumulated in the base region as in the state, and the potential of the base changes in the positive direction according to the intensity of light. In this state, the read pulse voltage V R
Is applied, the base potential is set to a positive potential as in the state, and the information stored in the base is read out to the emitter side. Also a state when the read pulse voltage V R is made the ground potential, and after the information through the vertical line from the emitter side is output to the outside, the emitter through the wiring 8 of the vertical line is the state being grounded, already before The operation is the same as that of the embodiment described above.

【0140】読出しパルスが配線10に印加された時、
図31に示す様に、光センサセル224から読出しが行
なわれるが、この時、同時に光センサセル224′に接
続されたpチャンネルMOSトランジスタのゲートにも
同一の読出しパルスが印加される。しかし、この読出し
パルスは正のパルスであり、これによりpチャンネルM
OSトランジスタが導通状態になることはなく、何ら光
センサセル224′には影響をおよぼさない。
When a read pulse is applied to the wiring 10,
As shown in FIG. 31, reading is performed from the photosensor cell 224. At this time, the same read pulse is simultaneously applied to the gate of the p-channel MOS transistor connected to the photosensor cell 224 '. However, this read pulse is a positive pulse, which causes the p-channel M
The OS transistor does not become conductive and has no effect on the photosensor cell 224 '.

【0141】図14の状態のごとく、各光センサセル
のベース電位が光の強度に応じて変化している状態にお
いて、配線10に負のパルスに印加する。この負のパル
スによりpチャンネルMOSトランジスタは導通状態に
なされ、光センサセル224′のベース電位は、配線2
23に供給されている負の電源電圧を−VSRとすると、
−(VSR−VTH)になる。ただし、−VTHはpMOSト
ランジスタのしきい値電圧である。
As shown in FIG. 14, a negative pulse is applied to the wiring 10 in a state where the base potential of each optical sensor cell is changing according to the intensity of light. The p-channel MOS transistor is turned on by this negative pulse, and the base potential of the photosensor cell 224 'is
Assuming that the negative power supply voltage supplied to 23 is −V SR ,
− (V SR −V TH ). Here, -V TH is the threshold voltage of the pMOS transistor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例に係る光センサセルの主要構
造を説明するための平面図である。
FIG. 1 is a plan view illustrating a main structure of an optical sensor cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の光センサセルのAA′断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA ′ of the optical sensor cell of FIG. 1;

【図3】図1の光センサセルの等価回路図である。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the photosensor cell of FIG.

【図4】図1〜図3の光センサセルの読出し動作時の等
価回路図である。
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram at the time of a read operation of the photosensor cell of FIGS. 1 to 3;

【図5】図1〜図3の光センサセルの読出し時間と読出
し電圧との関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a read time and a read voltage of the photosensor cells of FIGS.

【図6】図1〜図3の光センサセルの蓄積電圧と読出し
時間との関係を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a storage voltage and a read time of the photosensor cells of FIGS. 1 to 3;

【図7】図1〜図3の光センサセルのバイアス電圧と読
出し時間との関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a bias voltage and a read time of the photosensor cells of FIGS.

【図8】図1〜図3の光センサセルのリフレッシュ動作
時の等価回路図である。
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram at the time of refresh operation of the photosensor cells of FIGS. 1 to 3;

【図9】図1〜図3の光センサセルのリフレッシュ時間
とベース電位との関係を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a refresh time and a base potential of the photosensor cells of FIGS. 1 to 3;

【図10】図1〜図3の光センサセルのリフレッシュ時
間とベース電位との関係を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing a relationship between a refresh time and a base potential of the photosensor cells of FIGS. 1 to 3;

【図11】図1〜図3の光センサセルのリフレッシュ時
間とベース電位との関係を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing a relationship between a refresh time and a base potential of the photosensor cells of FIGS.

【図12】図1〜図3に示す光センサセルを用いた光電
変換装置の回路図である。
FIG. 12 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device using the optical sensor cells shown in FIGS.

【図13】図12の光電変換装置のパルスタイミング図
である。
13 is a pulse timing chart of the photoelectric conversion device of FIG.

【図14】図12の光電変換装置の各動作時の電位分布
を示すグラフである。
14 is a graph showing a potential distribution at each operation of the photoelectric conversion device in FIG.

【図15】図12の光電変換装置の出力信号に関係する
等価回路図である。
15 is an equivalent circuit diagram related to an output signal of the photoelectric conversion device in FIG.

【図16】図12の光電変換装置の導通した瞬間からの
出力電圧を時間との関係で示すグラフである。
FIG. 16 is a graph showing an output voltage as a function of time from the moment when the photoelectric conversion device in FIG. 12 is turned on.

【図17】他の光電変換装置を示す回路図である。FIG. 17 is a circuit diagram illustrating another photoelectric conversion device.

【図18】他の光電変換装置を示す回路図である。FIG. 18 is a circuit diagram showing another photoelectric conversion device.

【図19】他の光電変換装置を示す回路図である。FIG. 19 is a circuit diagram showing another photoelectric conversion device.

【図20】本発明の実施例に係る他の光センサセルの主
要構造を説明するための平面図である。
FIG. 20 is a plan view for explaining a main structure of another photosensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図21】図20に示す光センサセルを用いた光電変換
装置の回路図である。
21 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device using the optical sensor cell shown in FIG.

【図22】図20に示す光センサセルを用いた光電変換
装置の回路図である。
FIG. 22 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device using the optical sensor cell shown in FIG.

【図23】本発明の光電変換装置の一製造方法例を示す
ための断面図である。
FIG. 23 is a sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention.

【図24】本発明の光電変換装置の一製造方法例を示す
ための断面図である。
FIG. 24 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention.

【図25】本発明の光電変換装置の一製造方法例を示す
ための断面図である。
FIG. 25 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention.

【図26】本発明の光電変換装置の一製造方法例を示す
ための断面図である。
FIG. 26 is a sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention.

【図27】本発明の光電変換装置の一製造方法例を示す
ための断面図である。
FIG. 27 is a sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention.

【図28】本発明の光電変換装置の一製造方法例を示す
ための断面図である。
FIG. 28 is a cross-sectional view for illustrating one example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention.

【図29】本発明の光電変換装置の一製造方法例を示す
ための断面図である。
FIG. 29 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention.

【図30】本発明の光電変換装置の一製造方法例を示す
ための断面図である。
FIG. 30 is a sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention.

【図31】本発明の実施例に係る光センサセル断面図で
ある。
FIG. 31 is a sectional view of an optical sensor cell according to an example of the present invention.

【図32】図31の光センサセルのAA′断面図であ
る。
FIG. 32 is a sectional view taken along the line AA ′ of the optical sensor cell of FIG. 31.

【図33】図31の光センサセルの回路構成図である。FIG. 33 is a circuit configuration diagram of the photosensor cell of FIG. 31.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板、 2 PSG膜、 3 絶縁酸化
膜、 4 素子分離領域、 5 n- 領域(コレクタ領
域)、 6 p領域(ベース領域)、 7,7′n+
域(エミッタ領域)、 8 配線、 9 電極、 10
配線、 11n+ 領域、 12 電極、 13 コン
デンサ、 14 バイポーラトランジスタ、 15,1
7 接合容量、 16,18 ダイオード、 19,1
9′コンタクト部、 20 光、 28 垂直ライン、
30 光センサセル、 31 水平ライン、 32
垂直シフトレジスタ、 33,35 MOSトランジス
タ、 36,37 端子、 38 垂直ライン、 39
水平シフトレジスタ、 40 MOSトランジスタ、
41 出力ライン、 42 MOSトランジスタ、
43 端子、 44 トランジスタ、 44,45 負
荷抵抗、 46端子、 47 端子、 48 MOSト
ランジスタ、 49 端子、 61,62,63 区
間、 64 コレクタ電位、 67 波形、 80,8
1 容量、82,83 抵抗、 84 電流源、 10
0,101,102 水平シフトレジスタ、 111,
112 出力ライン、 138 垂直ライン、 140
MOSトランジスタ、 148 MOSトランジスタ、
150,150′MOSコンデンサ、 152,15
2′ 光センサセル、 202,203,205 ベー
ス電位、 220 p+ 領域、 222,225 配
線、 251p+ 領域、 252 n+ 領域、 253
配線、 300 アモルファスシリコン、 302
窒化膜、 303 PSG膜、 304 ポリシリコ
ン、 305 PSG膜、 306 層間絶縁膜。
1 silicon substrate, 2 PSG film, 3 insulating oxide film, 4 element isolation region, 5 n region (collector region), 6 p region (base region), 7, 7 ′ n + region (emitter region), 8 wiring, 9 electrodes, 10
Wiring, 11n + region, 12 electrodes, 13 capacitor, 14 bipolar transistor, 15, 1
7 junction capacitance, 16,18 diode, 19,1
9 'contact, 20 light, 28 vertical lines,
30 light sensor cell, 31 horizontal line, 32
Vertical shift register, 33, 35 MOS transistor, 36, 37 terminal, 38 vertical line, 39
Horizontal shift register, 40 MOS transistors,
41 output lines, 42 MOS transistors,
43 terminal, 44 transistor, 44, 45 load resistance, 46 terminal, 47 terminal, 48 MOS transistor, 49 terminal, 61, 62, 63 section, 64 collector potential, 67 waveform, 80, 8
1 capacity, 82, 83 resistance, 84 current source, 10
0, 101, 102 horizontal shift registers, 111,
112 output lines, 138 vertical lines, 140
MOS transistor, 148 MOS transistor,
150, 150 'MOS capacitor, 152, 15
2 'photosensor cell, 202, 203 and 205 base potential, 220 p + regions, 222 and 225 lines, 251P + regions, 252 n + regions, 253
Wiring, 300 amorphous silicon, 302
Nitride film, 303 PSG film, 304 polysilicon, 305 PSG film, 306 interlayer insulating film.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第一導電型の半導体からなるベース領域
と、前記第一導電型とは異なる第二導電型の半導体から
なるエミッタ及びコレクタ領域と、を有し、光エネルギ
ーを受けることにより生成されるキャリアを前記ベース
領域に蓄積可能なトランジスタを具備し、蓄積動作、読
み出し動作及びリフレッシュ動作を行う光電変換装置に
おいて、 前記ベース領域の不純物濃度が光入射面から内部に向か
う方向に減少し、前記光入射面の不純物濃度をNAS、前
記コレクタ領域との界面の不純物濃度をNAiとした時、
AS/NAi>3の関係を満たす不純物濃度プロファイル
を前記ベース領域が有していることを特徴とする光電変
換装置。
1. A semiconductor device comprising: a base region made of a semiconductor of a first conductivity type; and an emitter and a collector region made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type. A transistor capable of accumulating carriers to be stored in the base region, and performing a storage operation, a read operation, and a refresh operation, wherein the impurity concentration of the base region decreases in a direction from the light incident surface toward the inside, When the impurity concentration at the light incident surface is N AS and the impurity concentration at the interface with the collector region is N Ai ,
The photoelectric conversion device, wherein the base region has an impurity concentration profile satisfying a relationship of N AS / N Ai > 3.
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