JP2671548B2 - 赤外線センサ - Google Patents
赤外線センサInfo
- Publication number
- JP2671548B2 JP2671548B2 JP2055447A JP5544790A JP2671548B2 JP 2671548 B2 JP2671548 B2 JP 2671548B2 JP 2055447 A JP2055447 A JP 2055447A JP 5544790 A JP5544790 A JP 5544790A JP 2671548 B2 JP2671548 B2 JP 2671548B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photodiode
- charge
- photodiodes
- infrared sensor
- accumulated
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、赤外線センサに関するものである。
(従来の技術) 波長が3〜5μmの赤外線を検出する1次元または2
次元センサでは、ホトダイオードの1次元または2次元
アレイとCCDを組み合せたものが使用されている。第11
図に示すようにホトダイオードには、P型シリコン基板
100上に白金シリサイド膜10を形成したショットキーバ
イア型ダイオードが使われている。このとき形成される
バイアハイトは、0.24eV程度であり、これにより高いエ
ネルギーの赤外線を光電変換する。第12図は等価回路を
示すように、ホトダイオードで発生した信号電荷は、ホ
トダイオードと並列接続された容量またはホトダイオー
ド自身の接続容量に蓄積され、蓄積時間終了後トランス
ファゲートTG(MOS型スイッチ)をオンしてCCDで電荷転
送している。バリアハイトが0.24eVと小さいためと暗電
流成分を小さくするために、77K程度に冷却して使用し
ている。ホトダイオード上には、酸化膜6とAl層3から
なるキャビティ構造を形成している。赤外線は基板裏面
より入射するが、こうすることにより白金シリサイド膜
10で吸収されなかった赤外線を、Al層3で反射するので
光電変換効率を向上できる。
次元センサでは、ホトダイオードの1次元または2次元
アレイとCCDを組み合せたものが使用されている。第11
図に示すようにホトダイオードには、P型シリコン基板
100上に白金シリサイド膜10を形成したショットキーバ
イア型ダイオードが使われている。このとき形成される
バイアハイトは、0.24eV程度であり、これにより高いエ
ネルギーの赤外線を光電変換する。第12図は等価回路を
示すように、ホトダイオードで発生した信号電荷は、ホ
トダイオードと並列接続された容量またはホトダイオー
ド自身の接続容量に蓄積され、蓄積時間終了後トランス
ファゲートTG(MOS型スイッチ)をオンしてCCDで電荷転
送している。バリアハイトが0.24eVと小さいためと暗電
流成分を小さくするために、77K程度に冷却して使用し
ている。ホトダイオード上には、酸化膜6とAl層3から
なるキャビティ構造を形成している。赤外線は基板裏面
より入射するが、こうすることにより白金シリサイド膜
10で吸収されなかった赤外線を、Al層3で反射するので
光電変換効率を向上できる。
(発明が解決しようとする課題) ホトダイオードの蓄積された電荷は、CCDで転送され
るので、CCDの容量よりもホトダイオードの電荷を蓄積
する容量を小さくしている。このようにホトダイオード
の最大電荷量には制限があるが、必要な信号電荷のほか
に、不必要な暗電流による電荷が通常はかなり存在して
いる。このことは、CCDの電荷転送能力に比べ信号量が
小さくダイナミックレンジが小さいなどの問題を生じ
る。この不必要な電荷は熱励起による逆方向電流などに
よるものであり、デバイス温度を更に冷却することによ
り低減することができるが、CCDの転送効率の低下や冷
却方法などの問題が新たに生ずる。また、CCDの面積が
大きくしてCCDの容量を増加させる方法もあるがフィル
ファクターの低下を招く。
るので、CCDの容量よりもホトダイオードの電荷を蓄積
する容量を小さくしている。このようにホトダイオード
の最大電荷量には制限があるが、必要な信号電荷のほか
に、不必要な暗電流による電荷が通常はかなり存在して
いる。このことは、CCDの電荷転送能力に比べ信号量が
小さくダイナミックレンジが小さいなどの問題を生じ
る。この不必要な電荷は熱励起による逆方向電流などに
よるものであり、デバイス温度を更に冷却することによ
り低減することができるが、CCDの転送効率の低下や冷
却方法などの問題が新たに生ずる。また、CCDの面積が
大きくしてCCDの容量を増加させる方法もあるがフィル
ファクターの低下を招く。
(課題を解決するための手段) 第1発明の赤外線センサは光電変換特性が異なる2つ
のホトダイオードを直列に接続したことを特徴としてい
る。
のホトダイオードを直列に接続したことを特徴としてい
る。
第2の発明の赤外線センサは、赤外線を遮光する構造
を持つダイオードと、赤外線を光電変換するホトダイオ
ードとを直列に接続したことを特徴としている。
を持つダイオードと、赤外線を光電変換するホトダイオ
ードとを直列に接続したことを特徴としている。
(作用) ホトダイオードに蓄積される電荷には、暗電流による
電荷と信号電荷がある。この信号電荷は光電変換特性を
変えることによって、その大きさを変化させることがで
きる。従って、第1の発明のように、この2つのダイオ
ードを直列に接続すると、信号電荷の差のみをホトダイ
オード2に蓄積することができ、不要な暗電流による電
荷を削減できる。
電荷と信号電荷がある。この信号電荷は光電変換特性を
変えることによって、その大きさを変化させることがで
きる。従って、第1の発明のように、この2つのダイオ
ードを直列に接続すると、信号電荷の差のみをホトダイ
オード2に蓄積することができ、不要な暗電流による電
荷を削減できる。
また第2の発明の赤外線を遮光する構造の第1のダイ
オードには、暗電流のみが生じる。従って、これと通常
のホトダイオードを直列に接続すると、暗電流による不
要電荷を削減でき、第2のホトダイオードには信号電荷
のみを蓄積できる。
オードには、暗電流のみが生じる。従って、これと通常
のホトダイオードを直列に接続すると、暗電流による不
要電荷を削減でき、第2のホトダイオードには信号電荷
のみを蓄積できる。
(実施例) 第1図は、第1の発明による1次元または2次元セン
サの1画素の部分の断面を示している。ホトダイオード
として、p型Siと白金シリサイド(以下PtSiと表示す
る)から構成されたショットキ型ダイオードを使用した
場合を示している。ホトダイオード1と2は、PtSi膜10
a、bの厚さが異なりホトダイオード1の方が厚くなっ
ている。更に、ホトダイオード2の上部のみに反射アル
ミ3が形成され、キャビティ構造となっている。ホトダ
イオード1周辺のp+層4とホトダイオード2とのオーミ
ック接触により、ホトダイオード1と2は、直列接続し
ている。赤外線は裏面、すなわち図の下部より入射す
る。そしてホトダイオード2に蓄積された電荷を、トラ
ンスファゲート(TG)20にパルス電圧をかけて垂直CCD
に読み出す。第2図に等価回路を示す。ホトダイオード
1には正の一定電圧V1をかけ、TGにパルス電圧をかけ
て、ホトダイオード1と2の接続点をV2にリセットす
る。このときV2を、ホトダイオード1、2の暗電流が等
しくなるようにする。
サの1画素の部分の断面を示している。ホトダイオード
として、p型Siと白金シリサイド(以下PtSiと表示す
る)から構成されたショットキ型ダイオードを使用した
場合を示している。ホトダイオード1と2は、PtSi膜10
a、bの厚さが異なりホトダイオード1の方が厚くなっ
ている。更に、ホトダイオード2の上部のみに反射アル
ミ3が形成され、キャビティ構造となっている。ホトダ
イオード1周辺のp+層4とホトダイオード2とのオーミ
ック接触により、ホトダイオード1と2は、直列接続し
ている。赤外線は裏面、すなわち図の下部より入射す
る。そしてホトダイオード2に蓄積された電荷を、トラ
ンスファゲート(TG)20にパルス電圧をかけて垂直CCD
に読み出す。第2図に等価回路を示す。ホトダイオード
1には正の一定電圧V1をかけ、TGにパルス電圧をかけ
て、ホトダイオード1と2の接続点をV2にリセットす
る。このときV2を、ホトダイオード1、2の暗電流が等
しくなるようにする。
この構造により、ホトダイオード2の光電変換特性は
ホトダイオード1のそれより高くなる。つまりホトダイ
オード2の上にキャビティ構造を形成しているのでホト
ダイオードへの入射光量を増加できることと、ホトダイ
オード2のPtSi層10bの方がホトダイオード1のPtSi層1
0aより膜厚が薄いことによる。膜厚が厚いほど光電変換
特性は劣化する(オプチカルエンジニアリング(Optica
l Engineering)26巻209ページ(1987))。
ホトダイオード1のそれより高くなる。つまりホトダイ
オード2の上にキャビティ構造を形成しているのでホト
ダイオードへの入射光量を増加できることと、ホトダイ
オード2のPtSi層10bの方がホトダイオード1のPtSi層1
0aより膜厚が薄いことによる。膜厚が厚いほど光電変換
特性は劣化する(オプチカルエンジニアリング(Optica
l Engineering)26巻209ページ(1987))。
第3図にエネルギーバンド図を示す。ホトダイオード
1と2はバリアハイトは同じなので、逆バイアスを等し
くすれば両者の暗電流の値を等しくできる。その場合ホ
トダイオード2で発生した電子は、ホトダイオード1に
よる正孔と再結合して、暗電流による不要電荷が削減で
きる。一方、信号光が入射した場合には、ホトダイオー
ド2の方が1より多く信号電荷が発生し、その差が蓄積
される。その様子を第4図に示す。ここでQmax、PDは
ホトダイオード2に蓄積できる最大電荷量である。
1と2はバリアハイトは同じなので、逆バイアスを等し
くすれば両者の暗電流の値を等しくできる。その場合ホ
トダイオード2で発生した電子は、ホトダイオード1に
よる正孔と再結合して、暗電流による不要電荷が削減で
きる。一方、信号光が入射した場合には、ホトダイオー
ド2の方が1より多く信号電荷が発生し、その差が蓄積
される。その様子を第4図に示す。ここでQmax、PDは
ホトダイオード2に蓄積できる最大電荷量である。
次に第2の発明の実施例を説明する。
第6図、第7図、及び第8図は、本発明による1次元
または2次元センサの1画素の部分を示している。まず
第6図の実施例について説明する。ホトダイオードに、
P型Siと白金シリサイド膜10a、b(以下PtSi膜と表
示)から構成されたショトッキ型ダイオードを使用した
場合を示している。ホトダイオード1の上部のみに遮光
アルミ3を設けてあり赤外線から遮光された構造となっ
ている。ホトダイオード1と2は、ホトダイオード1周
辺のp+層4とホトダイオード2とのオーミック接触によ
り、直列接続している。赤外線は表面すなわち図の上部
より入射する。そしてホトダイオード2に蓄積された電
荷を、トランスファゲート(TG)にパルス電圧をかけて
垂直CCDに読み出す。等価回路としては第2図に示した
ものと同じであり、動作も同じである。
または2次元センサの1画素の部分を示している。まず
第6図の実施例について説明する。ホトダイオードに、
P型Siと白金シリサイド膜10a、b(以下PtSi膜と表
示)から構成されたショトッキ型ダイオードを使用した
場合を示している。ホトダイオード1の上部のみに遮光
アルミ3を設けてあり赤外線から遮光された構造となっ
ている。ホトダイオード1と2は、ホトダイオード1周
辺のp+層4とホトダイオード2とのオーミック接触によ
り、直列接続している。赤外線は表面すなわち図の上部
より入射する。そしてホトダイオード2に蓄積された電
荷を、トランスファゲート(TG)にパルス電圧をかけて
垂直CCDに読み出す。等価回路としては第2図に示した
ものと同じであり、動作も同じである。
第9図にエネルギーバンド図を示す。ホトダイオード
1と2の暗電流は、V2の値で等しくでき、その場合ホト
ダイオード2で発生した電子は、ホトダイオード1によ
る正孔と再結合して、暗電流による不要電荷を削減でき
る。一方、信号光が入射した場合には、ホトダイオード
2でのみ信号電荷が発生するのでそれが蓄積される。そ
の様子を第10図に示す、ここでQmax、FDはホトダイオ
ード2に蓄積できる最大電荷量である。
1と2の暗電流は、V2の値で等しくでき、その場合ホト
ダイオード2で発生した電子は、ホトダイオード1によ
る正孔と再結合して、暗電流による不要電荷を削減でき
る。一方、信号光が入射した場合には、ホトダイオード
2でのみ信号電荷が発生するのでそれが蓄積される。そ
の様子を第10図に示す、ここでQmax、FDはホトダイオ
ード2に蓄積できる最大電荷量である。
つぎに第7図の実施例について説明する。第6図の実
施例のホトダイオードのp+層4を受光部下部に高濃度に
厚く形成し、ホトダイオード2の上部に反射アルミ12を
形成している。赤外線は裏面、すなわち図の下部より入
射する。赤外線はp+層4で吸収されるので、ホトダイオ
ード1には照射されない構造となっている。ホトダイオ
ード2の反射アルミは、なくとも本発明の効果はある
が、第7図のようにキャビティ構造を有することで表面
照射の第6図の実施例よりも光電変換特性を向上でき
る。
施例のホトダイオードのp+層4を受光部下部に高濃度に
厚く形成し、ホトダイオード2の上部に反射アルミ12を
形成している。赤外線は裏面、すなわち図の下部より入
射する。赤外線はp+層4で吸収されるので、ホトダイオ
ード1には照射されない構造となっている。ホトダイオ
ード2の反射アルミは、なくとも本発明の効果はある
が、第7図のようにキャビティ構造を有することで表面
照射の第6図の実施例よりも光電変換特性を向上でき
る。
最後に第8図の実施例について説明する。裏面照射の
デバイスにおいて、裏面に第8図のようにマイクロレン
ズを形成し、赤外線がホトダイオード2のみの入射する
ようにしている。こうすることにより、フィルファクタ
の低下を相殺できる。
デバイスにおいて、裏面に第8図のようにマイクロレン
ズを形成し、赤外線がホトダイオード2のみの入射する
ようにしている。こうすることにより、フィルファクタ
の低下を相殺できる。
また以上述べた第1、第2の発明の実施例すべてに適
用できることであるが、ホトダイオード1の逆バイアス
を大きくする他に、ホトダイオード1の障壁の高さを小
さくし暗電流密度を大きくすることにより、ホトダイオ
ード1の面積を小さくできる。障壁の高さを小さくする
には、(1)ホトダイオード1の金属をより仕事関数の
大きなイリジウムに変える、(2)ホトダイオード1で
Si基板の金属接触部分のP型不純物濃度を大きくする方
法がある。
用できることであるが、ホトダイオード1の逆バイアス
を大きくする他に、ホトダイオード1の障壁の高さを小
さくし暗電流密度を大きくすることにより、ホトダイオ
ード1の面積を小さくできる。障壁の高さを小さくする
には、(1)ホトダイオード1の金属をより仕事関数の
大きなイリジウムに変える、(2)ホトダイオード1で
Si基板の金属接触部分のP型不純物濃度を大きくする方
法がある。
なお本発明は、ホトダイオードとしてショットキバリ
ア型に限ったものではなく、HgCdTe等を開いたpn接合型
赤外線センサや特開昭63−237583号公報(特願昭62−73
240号)に記載のホモ接合型赤外線センサ等にも適用で
きる。
ア型に限ったものではなく、HgCdTe等を開いたpn接合型
赤外線センサや特開昭63−237583号公報(特願昭62−73
240号)に記載のホモ接合型赤外線センサ等にも適用で
きる。
(発明の効果) 第5図の右図は入射光量に対するホトダイオードの蓄
積電荷量を従来例と本発明の実施例とで比較したもので
ある。あわせて左図に垂直CCDポテンシャル井戸に蓄え
られる電荷を示す。従来の暗電流による電荷Qdark、PD
のために、ホトダイオードの容量を全部は有効に使え
ず、その結果飽和入射光量Fmax(ダイナミックレンジ)
が小さかった。しかし本発明ではQdark、PDを削除する
(最良の場合はQdark、PDをなくす)ことができ、ホト
ダイオードの容量のほとんどを信号電荷の蓄積に使うこ
とができる。従って、ホトダイオードの最大蓄積電荷量
Qmax、PDを同じにする(第5図はこの場合を示してい
る)なら、従来より蓄積信号電荷量を大きくでき、ダイ
ナミックレンジを大きく(F′max)することができ
る。またFmaxを一定とした場合には、Qmax、PDを小さ
くできる。このことはCCDの最大転送電荷量を小さくで
きる、つまりCCDの面積を小さくできることを意味し、
フィルファクタを向上できる。
積電荷量を従来例と本発明の実施例とで比較したもので
ある。あわせて左図に垂直CCDポテンシャル井戸に蓄え
られる電荷を示す。従来の暗電流による電荷Qdark、PD
のために、ホトダイオードの容量を全部は有効に使え
ず、その結果飽和入射光量Fmax(ダイナミックレンジ)
が小さかった。しかし本発明ではQdark、PDを削除する
(最良の場合はQdark、PDをなくす)ことができ、ホト
ダイオードの容量のほとんどを信号電荷の蓄積に使うこ
とができる。従って、ホトダイオードの最大蓄積電荷量
Qmax、PDを同じにする(第5図はこの場合を示してい
る)なら、従来より蓄積信号電荷量を大きくでき、ダイ
ナミックレンジを大きく(F′max)することができ
る。またFmaxを一定とした場合には、Qmax、PDを小さ
くできる。このことはCCDの最大転送電荷量を小さくで
きる、つまりCCDの面積を小さくできることを意味し、
フィルファクタを向上できる。
他の効果としては、従来例での赤外線センサでは暗電
流をなるべく小さくするために、77Kまで冷却していた
が、本発明では暗電流分は除去されるので、ダイオード
特性が満足される温度(例えば90K)まで冷却温度を上
げることができる。
流をなるべく小さくするために、77Kまで冷却していた
が、本発明では暗電流分は除去されるので、ダイオード
特性が満足される温度(例えば90K)まで冷却温度を上
げることができる。
また、本発明のセンサは光電変換によって発生した電
荷のみを取り扱うが、光電変換特性の温度依存性は暗電
流よりも小さいので、従来のセンサよりも特性が温度変
化に影響されなくなるという効果もある。
荷のみを取り扱うが、光電変換特性の温度依存性は暗電
流よりも小さいので、従来のセンサよりも特性が温度変
化に影響されなくなるという効果もある。
第1図は第1の発明による1次元または2次元センサの
1画素分を示す図、第2図は等価回路図、第3図は第1
の発明のホトダイオード部のエネルギーバンド図であ
り、第4図は第1の発明の構造を持った光電変換部に蓄
積される電荷量を入射光量に対して示した図、第5図
は、入射光量に対する電荷量を、従来例と第1、第2の
発明について示した図、第6図、第7図、第8図は、第
2の発明による1次元または2次元センサの1画素分を
示す図、第9図は、第2の発明のホトダイオード部のエ
ネルギーバンド図であり、第10図は第2の発明の構造を
持った光電変換部に蓄積される電荷量を入射光量に対し
て示した図、第11図、第12図は、それぞれ従来の2次元
センサの位画素部分を示す図とその等価回路図である。 1、2……ホトダイオード、10a、b……PtSi膜、20…
…トランスファゲート(TG)、3、12……反射アルミ、
4……p+層、5……n層、6……CVD酸化膜、7……熱
酸化膜、8……n+層、9……p層、11……ポリシリコ
ン、100……p型基板、13……マイクロレンズ
1画素分を示す図、第2図は等価回路図、第3図は第1
の発明のホトダイオード部のエネルギーバンド図であ
り、第4図は第1の発明の構造を持った光電変換部に蓄
積される電荷量を入射光量に対して示した図、第5図
は、入射光量に対する電荷量を、従来例と第1、第2の
発明について示した図、第6図、第7図、第8図は、第
2の発明による1次元または2次元センサの1画素分を
示す図、第9図は、第2の発明のホトダイオード部のエ
ネルギーバンド図であり、第10図は第2の発明の構造を
持った光電変換部に蓄積される電荷量を入射光量に対し
て示した図、第11図、第12図は、それぞれ従来の2次元
センサの位画素部分を示す図とその等価回路図である。 1、2……ホトダイオード、10a、b……PtSi膜、20…
…トランスファゲート(TG)、3、12……反射アルミ、
4……p+層、5……n層、6……CVD酸化膜、7……熱
酸化膜、8……n+層、9……p層、11……ポリシリコ
ン、100……p型基板、13……マイクロレンズ
Claims (2)
- 【請求項1】1次元または2次元に配置されたホトダイ
オードと電荷結合素子とホトダイオードに蓄積された電
荷を電荷結合素子へ送るためのトランスファゲートを有
する赤外線センサにおいて、異なる光電変換特性を持つ
2つのホトダイオードを同じ向きになるように直列に接
続し、トランスファゲートを介して2つのホトダイオー
ドの暗電流が等しくなる電圧で接続点をリセットし、接
続点に接続している容量に蓄積された電荷をトランスフ
ァゲートを介して電荷結合素子に読み出して転送するこ
とを特徴とする赤外線センサ。 - 【請求項2】1次元または2次元に配置されたホトダイ
オードと電荷結合素子とホトダイオードに蓄積された電
荷を電荷結合素子へ送るためのトランスファゲートを有
する赤外線センサにおいて、赤外線が遮光されたホトダ
イオードと赤外線を光電変換するホトダイオードを同じ
向きになるように直列に接続し、トランスファゲートを
介して2つのホトダイオードの暗電流が等しくなる電圧
で接続点をリセットし、接続点に接続している容量に蓄
積された電荷をトランスファゲートを介して電荷結合素
子に読み出して転送することを特徴とする赤外線セン
サ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2055447A JP2671548B2 (ja) | 1990-03-06 | 1990-03-06 | 赤外線センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2055447A JP2671548B2 (ja) | 1990-03-06 | 1990-03-06 | 赤外線センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03256369A JPH03256369A (ja) | 1991-11-15 |
JP2671548B2 true JP2671548B2 (ja) | 1997-10-29 |
Family
ID=12998854
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2055447A Expired - Lifetime JP2671548B2 (ja) | 1990-03-06 | 1990-03-06 | 赤外線センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2671548B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7923362B2 (en) | 2005-06-08 | 2011-04-12 | Telefunken Semiconductors Gmbh & Co. Kg | Method for manufacturing a metal-semiconductor contact in semiconductor components |
DE102005026301B3 (de) * | 2005-06-08 | 2007-01-11 | Atmel Germany Gmbh | Verfahren zum Herstellen eines Metall- Halbleiter-Kontakts bei Halbleiterbauelementen |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS50101080A (ja) * | 1973-12-28 | 1975-08-11 | ||
JPS59225564A (ja) * | 1983-06-06 | 1984-12-18 | Mitsubishi Electric Corp | 固体撮像装置 |
DE3604971A1 (de) * | 1986-02-17 | 1987-08-20 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Photosensoreinrichtung mit dunkelstromkompensation |
-
1990
- 1990-03-06 JP JP2055447A patent/JP2671548B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH03256369A (ja) | 1991-11-15 |
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