JP2701523B2

JP2701523B2 - 赤外線固体撮像素子

Info

Publication number: JP2701523B2
Application number: JP2231404A
Authority: JP
Inventors: 直毅油谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1998-01-21
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: JPH04111467A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、赤外線固体撮像素子に関し、さらに詳し
くは、ショットキバリアダイオードを赤外線の光検出器
に用いた赤外線固体撮像素子の改良構造に係るものであ
る。

〔従来の技術〕

近年，この赤外線固体撮像素子としては、ショットキ
バリアダイオードを赤外線の光検出器，つまり赤外検出
器に用いて、充分に実用に耐え得る画素数をもった赤外
線固体撮像素子が開発されている。

こゝで、第４図は、従来例によるこの種のショットキ
バリアダイオードを赤外検出器に用いた赤外線固体撮像
素子における配置構成の概要を模式的に示す平面図であ
り、また、第５図は当該第４図における一単位の赤外線
固体撮像素子でのＶ−Ｖ線部対応の断面構造図である。

すなわち、第４図に示す従来例構成において、符号21
はショットキ接合を用いて垂直，水平の２次元方向にア
レイ状に配置された赤外光検出部であり、22は垂直方向
に電荷を転送する電荷掃き寄せ方式（以下,CSD方式と呼
ぶ）による垂直シフトレジスタ、23は水平方向に電荷を
転送するCCD方式による水平シフトレジスタ、24は外部
へ電荷を読み出す出力部である。

また、25はトランスファゲート（以下,TGと呼ぶ）ス
キャナ、26はCSDスキャナであって、これらの各スキャ
ナ25,26には、走査線配線７を介して一水平ライン上の
ゲート電極（垂直シフトレジスタ22の構成要素）６が電
気的に接続され、TGスキャナ25からの読み出しパルス
と、CSDスキャナ26からの転送パルスとを、それぞれに
印加できるようになっている。

次に、第５図構成において、符号１はｐ型シリコン半
導体基板、２は白金，パラジュウム，イリジュウムなど
の金属，もしくは白金珪化物，パラジュウム珪化物，イ
リジュウム珪化物などの金属珪化物からなる金属電極と
基板１とで形成されるショットキ接合の光電変換層を示
しており、３は当該光電変換層２における周辺部での電
界集中を緩和して、暗電流を防止するためのn^-型領域に
よるガードリングである。

また、４は前記光検出器21から垂直シフトレジスタ22
へ信号電荷を転送するトランスファゲートのn⁺型領域、
5,6はそれぞれに前記垂直シフトレジスタ22を構成するC
SDのｎ型埋め込みチャネル，およびゲート電極で、当該
ゲート電極６はトランスファゲート部の電極とCSDの転
送電極とを兼ねている。

さらに、７はアルミ配線からなる走査線配線、８はシ
リコン酸化膜からなる素子間分離，および絶縁のための
フィールド絶縁膜、9,10は酸化膜などからなる層間絶縁
膜、11は前記光電変換層２の上に層間絶縁膜10を挾んで
形成され、当該光電変換層２を透過した赤外光を反射し
て再度，同層２に入射させるためのAl反射膜である。

次に、前記構成による従来装置の動作について述べ
る。

従来装置での構成の場合、ｐ型シリコン半導体基板１
の裏面側から入射される赤外光は、ショットキ接合の光
電変換層２に到達して光電変換されると共に、発生した
光信号電荷は、当該ショットキ接合に一旦，蓄積され
る。そして、このショットキ接合に一旦，蓄積された信
号電荷は、TGスキャナ25から読み出しパルスをゲート電
極６に印加させることによりｎ型埋め込みチャネル５に
転送される。また、ショットキ接合の光電変換層２は、
この読み出しパルス印加時にあって、信号電荷を読み出
すと同時に、読み出しパルス電圧に対応した電圧までリ
セットされ、かつリセット後、次に読み出されるまでの
間，新たに検出される光信号電荷を蓄積する。

しかして、CSD方式においては、まず、走査線配線７
の１本が、前記TGスキャナ25により選択されると共に、
この走査線配線７につながる一水平ライン上のゲート電
極６に読み出しパルスが印加されることで、当該一水平
ライン上の信号電荷がｎ型埋め込みチャネル５に転送さ
れ、また、CSDスキャナ26により走査線配線７からゲー
ト電極６に垂直転送パルスが印加されることで、当該信
号電荷が垂直方向に転送されて水平シフトレジスタ23に
入る。

そして、この場合，こゝでのゲート電極６は、前記し
たように信号電荷を読み出すトランスファゲートの電極
と信号電荷を転送するCSDの転送ゲートとを兼ねてい
る。

その後、前記水平シフトレジスタ23のCCDにより、当
該信号電荷が水平方向へ転送され、出力部24から一水平
ラインの映像信号として外部に読み出される。

ついで、前記TGスキャナ25によって選択される水平ラ
インを一段づゝずらせて読み出しパルスを印加させ、同
様な動作を繰り返すことにより、結果的には、所期通り
の一画面の映像出力を得られるのである。

こゝで、前記したように、ゲート電極６が信号電荷を
読み出すトランスファゲートの電極と信号電荷を転送す
るCSDの転送ゲートとを兼ねている場合には、当該ゲー
ト電極６に垂直転送パルスが印加されているときに、ト
ランスファゲートが開かないようにするために、当該ト
ランスファゲートのしきい値電圧を、少なくとも垂直転
送パルスの“H"レベルの電圧以上になるように設定する
必要がある。なお、Al反射膜11は、光電変換層２で吸収
されずに透過した赤外光を反射して、当該光電変換層２
に再入射させることで、受光感度の向上を図り得る。

そして、前記ショットキ接合からなる光電変換層２で
は、ショットキ障壁における障壁の高さ以上のエネルギ
をもつ光成分の検出が可能であり、例えば、白金シリサ
イド（PtSi）とｐ型シリコンとのショットキ接合の場合
であれば、約5.6μｍ以下の波長の光成分を検出し得
る。

また、第６図は、前記赤外線固体撮像素子を用いた赤
外線撮像装置における光学系の概要構成を示す説明図で
ある。

第６図構成において、符号61は赤外レンズを示し、62
は当該赤外レンズ61の開口絞り、63は赤外光の入射角を
制限し得るように設定した冷却されたコールドシール
ド、64は当該コールドシールド63内にあって、赤外レン
ズ61の焦点位置に対応して配置された赤外線固体撮像素
子、65はコールドシールド63と赤外線固体撮像素子64を
冷却するためのクーラーヘッドである。

しかして、前記赤外線固体撮像素子64については、熱
雑音を低減させるために、クーラーヘッド65により冷却
して利用されると共に、この種の赤外の光学系では、赤
外レンズ61の鏡筒などからの熱放射が、雑音光として入
射されることから、冷却されたコールドシールド63によ
り赤外光の入射角を制限して雑音光の入射を抑制するよ
うにしている。

また、信号光束の広がりを決める開口絞り62をコール
ドシールド63の開口に一致させた開口整合光学系を用い
ると、赤外線固体撮像素子64の各検出素子は、コールド
シールド63の開口を通して鏡筒を見ることがなく、この
ために鏡筒から放射される不要な赤外線が検出素子に入
射されず、雑音出力が減少してS/N比が向上する。仍っ
て、赤外線撮像装置の光学系には、開口整合光学系が用
いられることが多い。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記したように、従来から赤外線固体撮像素子におい
ては、開口整合光学系で使用されることが多いのである
が、例えば、高温の物体などのように、赤外線の放射量
が大きい対象物を撮像する場合には、当該赤外線固体撮
像素子の出力が飽和しないようにするために、その入射
光量を減らすとか、あるいは素子の感度を減ずるなどの
調整が必要である。

こゝで、可視光の撮像装置の場合には、赤外レンズの
開口絞りをより小さく絞ることによって調整が可能であ
るが、赤外光の撮像装置では、このように赤外レンズの
開口絞りを絞ると、コールドシールドとの開口整合がと
れなくなり、雑音光が増加しているS/N比が劣化するこ
とになる。一方，従来の赤外線固体撮像素子では、素子
感度の調整が不可能である。

従って、従来の赤外線固体撮像素子の場合，高温の物
体などのように、赤外線の放射量が大きい対象物を撮像
するのには、S/N比の劣化を是認して赤外レンズの開口
絞りを絞るしか、対策の立てようがないものであった。

この発明は、従来のこのような問題点を解消するため
になされたもので、その目的とするところは、ショット
キバリアダイオードの赤外感度を当該ダイオードに印加
される電圧で容易に変えられるようにして赤外検出器自
体に感度調整機能を与え、強い赤外光が入射したときに
も、赤外レンズの開口絞りを絞らずに、しかも素子の出
力が飽和しないように受光感度を調整し得るようにし
た，この種の赤外線固体撮像素子を提供することであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、この発明に係る赤外線固
体撮像素子は、ショットキバリアダイオード界面の半導
体側に所要量の不純物を導入した不純物導入領域を形成
させることにより、赤外検出器における光感度のリセッ
ト電圧依存性を大きくし、当該リセット電圧によって光
感度を容易に変え得るようにしたものである。

すなわち，この発明は、第１導電型の半導体と金属，
もしくは金属珪化物との接合により形成されるショット
キバリアダイオードを用いた赤外検出器を有し、当該赤
外検出器に電圧を印加した状態で、入射される赤外線に
よって生成される光電荷信号を蓄積させると共に、当該
光電荷信号を読み出す機構を備えた赤外線固体撮像素子
の構成において、前記ショットキバリアダイオードの界
面での前記第１導電型の半導体側に、第２導電型の所要
量の不純物を導入して不純物導入領域を形成させ、赤外
検出器に印加される電圧を変え得る機構を備えたことを
特徴とする赤外線固体撮像素子である。

〔作用〕

従つて、この発明の赤外線固体撮像素子では、ショッ
トキ接合における第１導電型の半導体側に、第２導電型
の所要量の不純物を導入して形成された不純物導入領域
が、赤外検出器の光感度のリセット電圧依存性を大きく
する作用を有しており、このためにリセット電圧によっ
て光感度を容易に変え得るもので、入射光量に対応して
出力が飽和しないように当該赤外検出器の光感度を調整
できるのである。

〔実施例〕

以下、この発明に係る赤外線固体撮像素子の一実施例
につき、第１図ないし第３図を参照して詳細に説明す
る。

第１図はこの実施例によるショットキバリアダイオー
ドを赤外線の光検出器に用いた赤外線固体撮像素子にお
ける配置構成の概要を模式的に示す平面図、第２図は当
該第１図における一単位の赤外線固体撮像素子でのII−
II線部対応の断面構造図であり、これらの第１図，第２
図実施例構成において、前記第４図，第５図従来例構成
と同一符号は同一または相当部分を示している。

すなわち、第１図に示すこの実施例構成においても、
符号21は１次元，もしくは２次元にアレイ状に配置，こ
ゝでは、垂直，水平２次元方向に配置されたショットキ
接合による光検出部であり、22は垂直方向に電荷を転送
するCSD方式からなる垂直シフトレジスタ、23は水平方
向に電荷を転送するCCD方式からなる水平シフトレジス
タ、24は外部へ電荷を読み出す出力部である。

また、25はTGスキャナ、26はCSDスキャナであり、こ
れらの各スキャナ25,26には、走査線配線７を介して一
水平ライン上のゲート電極（垂直シフトレジスタ22の構
成要素）６が電気的に接続され、TGスキャナ25から読み
出しパルスと、CSDスキャナ26からの転送パルスとを、
それぞれに印加できるようになっている。

次に、第２図構成においても、符号１はｐ型シリコン
半導体基板、２は白金，パラジュウム，イリジュウムな
どの金属，もしくは白金珪化物，パラジュウム珪化物，
イリジュウム珪化物などの金属珪化物からなる金属電極
と基板１とで形成されるショットキ接合の光電変換層を
示しており、３は当該光電変換層２における周辺部での
電界集中を緩和して、暗電流を防止するためのn^-型領域
によるガードリングである。

また、４は前記光検出部21から垂直シフトレジスタ22
へ信号電荷を転送するトランスファゲート部のn⁺型領
域、5,6はそれぞれに前記垂直シフトレジスタ22を構成
するCSDのｎ型埋め込みチャネル，およびゲート電極
で、当該ゲート電極６はトランスファゲート部の電極と
CSDの転送電極とを兼ねている。

また、７はアルミ配線からなる走査線配線、８はシリ
コン酸化膜からなる素子間分離，および絶縁のためのフ
ィールド絶縁膜、9,10は酸化膜などからなる層間絶縁
膜、11は前記光電変換層２の上に層間絶縁膜10を挾んで
形成され、当該光電変換層２を透過した赤外光を反射し
て再度，同層２に入射させるためのAl反射膜である。

さらに、12はこの発明の骨子をなすところの，前記光
電変換層２におけるショットキ接合での基板１側の界面
に導入されたｎ型不純物導入領域である。

次に、前記構成による実施例装置の動作について述べ
る。

実施例装置での構成の場合においても、ｐ型シリコン
半導体基板１の裏面側から入射される赤外光は、ショッ
トキ接合の光電変換層２に到達して光電変換されると共
に、発生した光信号電荷は、当該ショットキ接合によっ
て一旦，蓄積され、かつこのショットキ接合に一旦，蓄
積された信号電荷はTGスキャナ25から読み出しパルスを
ゲート電極６に印加させることによりｎ型埋め込みチャ
ネル５に転送される。

また前記ショットキ接合の光電変換層２は、この読み
出しパルス印加時にあって、信号電荷を読み出すと同時
に、読み出しパルス電圧に対応した電圧までリセットさ
れ、かつリセット後、次に読み出されるまでの間，新た
に検出される光信号電荷を蓄積する。

こゝで、CSD方式においては、先にも述べたように、
まず、走査線配線７の１本が、前記TGスキャナ25により
選択されると共に、この走査線配線７につながる一水平
ライン上のゲート電極６に読み出しパルスが印加される
ことで、当該一水平ライン上の信号電荷がｎ型埋め込み
チャネル５に転送され、また、CSDスキャナ26により走
査線配線７からゲート電極６に垂直転送パルスが印加さ
れることで、当該信号電荷が垂直方向に転送されて水平
シフトレジスタ23に入る。

そして、この場合にも、こゝでのゲート電極６は、信
号電荷を読み出すトランスファゲートの電極と信号電荷
を転送するCSDの転送ゲートとを兼ねている。

その後、前記水平シフトレジスタ23のCCDによって、
当該信号電荷が水平方向へ転送され、出力部24から一水
平ラインの映像信号として外部に読み出される。

ついで、前記TGスキャナ25によって選択される水平ラ
インを一段づゝずらせて読み出しパルスを印加させ、前
記と同様な動作を繰り返すことにより、結果的には、所
期通りの一画面の映像出力を得られるのである。

また、前記したように、ゲート電極６が信号電荷を読
み出すトランスファゲートの電極と信号電荷を転送する
CSDの転送ゲートとを兼ねている場合には、当該ゲート
電極６に垂直転送パルスが印加されているときに、トラ
ンスファゲートが開かないようにするために、当該トラ
ンスファゲートのしきい値電圧を、少なくとも垂直転送
パルスの“H"レベルの電圧以上になるように設定する必
要がある。

なお、この場合,Al反射膜11は、光電変換層２で吸収
されずに透過した赤外光を反射して、当該光電変換層２
に再入射させることで、受光感度の向上を図り得る。

そしてこゝでも、前記ショットキ接合からなる光電変
換層２においては、ショットキ障壁における障壁の高さ
以上のエネルギをもった光成分の検出が可能であり、例
えば、白金シリサイド（PtSi）とｐ型シリコンとショッ
トキ接合の場合であれば、約5.6μｍ以下の波長の光成
分を検出し得るのである。

次に、第３図は、前記赤外線固体撮像素子におけるシ
ョットキ接合による赤外検出器の光感度依存性を示すグ
ラフである。

この第３図において、曲線ａは前記した従来構造にお
けるショットキ接合での赤外検出器の光感度のリセット
電圧依存性を示し、曲線ｂはこの実施例構造におけるシ
ョットキ接合でのｐ型基板１側の界面にｎ型不純物，こ
ゝでは、リンを導入してｎ型不純物導入領域12を形成し
た場合の赤外検出器の光感度のリセット電圧依存性を示
している。

同第３図の特性から明らかなように、従来のショット
キ接合では、赤外検出器の光感度のリセット電圧依存性
が小さく、このためにリセット電圧による光感度の調整
は困難である。一方，これに反して、この実施例構成で
のように、ショットキ接合のｐ型基板１側の界面にｎ型
不純物導入領域12を形成した赤外検出器では、リセット
電圧によって光感度を容易に調整し得るもので、このと
きのｎ型不純物の導入量は、界面がｎ側に反転するまで
導入しなくても充分な効果がある。そして、従来の不純
物導入領域を形成しないショットキ接合でも、リセット
電圧が低い領域では、光感度のリセット電圧依存性は比
較的大きいもので、この実施例においても、リン（Ｐ）
とか砒素（As）などのｎ型不純物を界面に導入すること
により、リセット電圧の高い領域でも、当該電界の電界
強度が低下して、従来でのリセット電圧が低い領域と同
じように、リセット電圧依存性が大きくなる。

また、前記界面の極く薄い領域（数十μｍ程度以下）
がｎ型になるほど不純物を導入すれば、ショットキバリ
アのバリア頂点が界面より深い位置に形成されるように
なり、光感度のリセット電圧依存性が大きくなる。但
し、不純物の量が多い場合には、曲線ｃに示されている
ように、光感度が低下し、これに対応してバリア高さも
高くなり、遮断は長が短くなり、一般的な使用範囲では
なくなる。しかし、使用する光感度が低くて良い場合な
どは、不純物の量が多くても、従来に比較してリセット
電圧依存性が大きくとれるので、有効である。

仍って、前記した実施例構造でのように、ショットキ
接合を構成するｐ型シリコン半導体界面に対して、適当
する所要量のｎ型不純物を導入した領域を形成させるこ
とにより、光感度のリセット電圧依存性を第３図の曲線
ｂのようにし得るもので、この状態において、第１図に
示したTGスキャナ25の読み出しパルスでの“H"レベルの
電圧V_TGを可変にすれば、リセット電圧がこの“H"レベ
ルの電圧V_TGに依存することから、入射される光量によ
って光感度を調整し得るのである。

なお、前記実施例においては、トランスファゲートと
転送ゲートとの電極が共通する場合の例について述べた
が、トランスファゲートの電極と転送ゲートの電極を電
気的に分離して形成させ、トランスファゲートに対し
て、独立的に電圧を印加させるように構成してよく、こ
の場合の方が前記の電圧V_TGを低電圧にし得るので、当
該電圧V_TGの調整範囲が広くなる。

また、前記実施例では、１画素を構成するショットキ
接合の赤外検出器を２次元的に配設させると共に、垂直
方向の信号読み出しがCDS方式である場合について述べ
たが、当該画素配列の態様は任意であってよく、かつ信
号読み出し方式についても、その他,CCD方式とか、ある
いはMOS方式（赤外検出器の出力部にMOS−Trを設け、そ
のON/OFF制御によって信号読み出しを行なう方式）など
のそれぞれであってもよく、実施例の場合と同様な作
用，効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、この発明によれば、第１導電型
の半導体と金属，もしくは金属珪化物との接合により形
成されるショットキバリアダイオードを用いた赤外検出
器を設け、当該赤外検出器に電圧を印加した状態で、入
射される赤外線によって生成される光電荷信号を蓄積さ
せ、かつ当該光電荷信号を読み出す機構を備えて構成さ
れる赤外線固体撮像素子において、ショットキバリアダ
イオードの界面での第１導電型の半導体側には、第２導
電型の所要量の不純物を導入して不純物導入領域を形成
させ、赤外検出器に印加される電圧を変え得る機構を備
えるように構成したので、例えば、赤外線の放射量が大
きい高温の対象物を撮像する場合にあっても、従来のよ
うに、光学系の開口整合をくずしてS/N比を劣化させる
ことになるところの，赤外レンズの開口絞りを絞る手段
によらずに、単に、信号読み出しパルスの電圧を小さく
するのみの手段により、赤外検出器の光感度が低下さ
れ、その出力の飽和を阻止できて撮像を可能にし得るも
ので、結果的には、入射光量に対応して出力が飽和しな
いように当該赤外検出器の光感度を極めて容易に調整で
きるという優れた特長がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるショットキバリアダ
イオードを赤外検出器に用いた赤外線固体撮像素子にお
ける配置構成の概要を模式的に示す平面図、第２図は当
該第１図における一単位の赤外線固体撮像素子でのII−
II線部対応の断面構造図、第３図は同上赤外線固体撮像
素子におけるショットキ接合による赤外検出器の光感度
依存性を示すグラフであり、また、第４図は従来例によ
る同上赤外線固体撮像素子における配置構成の概要を模
式的に示す平面図、第５図は当該第４図における一単位
の赤外線固体撮像素子でのＶ−Ｖ線部対応の断面構造
図、第６図は赤外線撮像装置の光学系の概要構成を示す
説明図である。１……ｐ型シリコン半導体基板、２……光電変換層、３……ガードリング、４……n⁺型領域、５……ｎ型埋め込みチャネル、６……ゲート電極、７……走査線配線、８……フィールド絶縁膜、 9,10……層間絶縁膜、11……Al反射膜、 12……ｎ型不純物導入領域、 21……光検出部、 22……垂直シフトレジスタ、 23……水平シフトレジスタ、 24……出力部、 25……トランスファゲートスキャナ、 26……CSDスキャナ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体と金属，もしくは金属
珪化物との接合により形成されるショットキバリアダイ
オードを用いた赤外検出器を有し、当該赤外検出器に電
圧を印加した状態で、入射される赤外線によって生成さ
れる光電荷信号を蓄積させると共に、当該光電荷信号を
読み出す機構を備えた赤外線固体撮像素子の構成におい
て、前記ショットキバリアダイオードの界面での前記第１導
電型の半導体側に、第２導電型の所要量の不純物を導入
して不純物導入領域を形成させ、赤外検出器に印加され
る電圧を変え得る機構を備えたことを特徴とする赤外線
固体撮像素子。