JP4855110B2 - リニアイメージセンサ - Google Patents
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Description
そこで、エリアセンサとして用いられる撮像素子においては、画素の狭ピッチ化に伴う高感度化や低雑音化の要求を満足するために、撮像素子における各受光素子の上面の透明層上にマイクロレンズを形成する技術が開発されている(例えば、特許文献1参照)。
また、無機材料層上に有機材料をフォトリソグラフィー技術によって円柱状に形成した後、その有機材料を加熱して凸レンズ形状を形成し、その後、エッチバックによって無機材料層に凸レンズ形状を形成する方法が以下の特許文献3に開示されている。
図1はこの発明の実施の形態1によるリニアイメージセンサの受光素子を示す構成図である。
図2は図1のリニアイメージセンサにおける受光素子の詳細を示す構成図であり、また、図3は図2の断面Aの構造を示す断面図であり、図4は図2の断面Bの構造を示す断面図である。
また、図5はこの発明の実施の形態1によるリニアイメージセンサの受光素子から信号を読み出す信号読出回路を示す回路図である。
受光素子2−1〜2−Nのフォトダイオード3はP型半導体基板1の上に形成されているN型半導体領域である。
受光素子2−1〜2−Nの空乏層領域4はN型半導体領域であるフォトダイオード3に正電位が与えられることで、フォトダイオード3のPN接合部に形成された領域である。
なお、各フォトダイオード3は、N+注入領域8及びコンタクト9を介してメタル配線10と電気的に接続されている。
遮光メタル層6は受光素子2−1〜2−Nの周辺に配置され、入射光の透過を阻止する層であり、受光素子2−1〜2−Nの開口面積が遮光メタル層6の開口部で定義される。
なお、この実施の形態1では、遮光メタル層6の開口部が10μm以上であるものを想定している。
なお、マイクロレンズ7は、受光素子2−1〜2−Nの開口面積によらず、小型に保つことが可能であるため(図3及び図4の例では、マイクロレンズ7の幅が、遮光メタル層6の開口部の3分の1程度)、有機材料の表面張力を利用して製造する方法を用いても、マイクロレンズ7の形状を凸型レンズの形状を保つことが可能であり、良好な集光性能を維持することができる。
トランジスタ12,13はフォトダイオード3の電圧に比例している電圧を出力回路に送出する素子である。
受光素子2−1〜2−Nは、入射光を電気信号に変換する素子部であり、P型半導体基板1の上に配列される。
即ち、受光素子2−1〜2−Nは、例えば、次のようにして、P型半導体基板1の上に形成される。
この際、各フォトダイオード3を、N+注入領域8及びコンタクト9を介して、メタル配線10と電気的に接続する。
また、入射光がフォトダイオード3のPN接合部に形成されている空乏層領域4に集光するように、マイクロレンズ7を透明層5の上に配置する。
これにより、受光素子2−1〜2−NがP型半導体基板1の上に形成される。
最初に、リセットスイッチ11を一定期間接続することにより、受光素子2−1〜2−Nのフォトダイオード3を基準電位にリセットする。
フォトダイオード3が基準電位にリセットされた後、マイクロレンズ7が入射光を空乏層領域4に集光すると、空乏層領域4の周辺で光電変換が行われる。
このとき、複数のフォトダイオード3が電気的に接続されているので、複数のフォトダイオード3に印加されている電圧が平均化された値になる。
平均化された電圧は、トランジスタ12,13を介して出力回路に送られるが、出力回路に送られる信号は、フォトダイオード3に印加されている電圧に比例している値であるため、受光素子2−1〜2−Nの感度は、フォトダイオード3の電圧低下量に比例する。
フォトダイオード3の容量は、フォトダイオード3のサイズによって決まり、サイズが小さい程、容量が減少する。
ただし、マイクロレンズ7がない状態では、空乏層領域4もサイズに比例して小さくなり、光電変換可能な領域が減少するため、発生する電流が減少して、感度が同等か、むしろ低下する。しかし、マイクロレンズ7を使用して、入射光を小さな空乏層領域4に集光させることができれば、電流減少の抑制が可能であり、結果として感度が向上する。
図6はこの発明の実施の形態2によるリニアイメージセンサの受光素子の詳細を示す構成図であり、図において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
フォトダイオード21は図2のフォトダイオード3に相当するフォトダイオードであるが、図2のフォトダイオード3と比べて、N型半導体領域が一方向に長い棒状形状をなしている点で相違している。
マイクロレンズ22は図2のマイクロレンズ7に相当するマイクロレンズであるが、図2のマイクロレンズ7と比べて、一方向に長い形状をなしている点で相違している。
図7はこの発明の実施の形態3によるリニアイメージセンサの受光素子の詳細を示す構成図であり、図において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
第2のフォトダイオードであるフォトダイオード23はフォトダイオード3よりも幅が狭いN型半導体領域であり、個々のフォトダイオード3の間を接続して、全フォトダイオード3を電気的に一体にしている。
また、メタル配線10の寄生容量の影響や、メタル配線10による遮光の影響も感度低下の要因になっている。
図8はこの発明の実施の形態4によるリニアイメージセンサの受光素子の詳細を示す構成図であり、図において、図6と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
第3のフォトダイオードであるフォトダイオード24はフォトダイオード21よりも幅が狭いN型半導体領域であり、個々のフォトダイオード21の間を接続して、全フォトダイオード21を電気的に一体にしている。
また、メタル配線10の寄生容量の影響や、メタル配線10による遮光の影響も感度低下の要因になっている。
Claims (5)
- 入射光を電気信号に変換する複数の受光素子が配列されているリニアイメージセンサにおいて、上記各々の受光素子が、PN接合を用いて半導体基板上に形成された複数のフォトダイオードと、上記各々のフォトダイオード上にそれぞれ1対1に対応して配置され、上記入射光を上記フォトダイオードのPN接合部に形成されている空乏層領域に集光する複数のマイクロレンズとから構成されていることを特徴とするリニアイメージセンサ。
- 各々の受光素子の周辺に遮光メタル層が配置され、上記遮光メタル層の開口部サイズが10μm以上であることを特徴とする請求項1記載のリニアイメージセンサ。
- フォトダイオードが棒状に形成され、上記フォトダイオード上に配置されるマイクロレンズがカマボコ状に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載のリニアイメージセンサ。
- 複数のフォトダイオードの間が第2のフォトダイオードで接続され、上記第2のフォトダイオードの幅は上記フォトダイオードの幅よりも狭いことを特徴とする請求項1または請求項2記載のリニアイメージセンサ。
- 棒状に形成されている複数のフォトダイオードの間が第3のフォトダイオードで接続され、上記第3のフォトダイオードの幅は上記フォトダイオードの幅よりも狭いことを特徴とする請求項3記載のリニアイメージセンサ。
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