JP6578834B2 - Imaging device and imaging apparatus - Google Patents

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本発明は、撮像素子に関し、特に、カルコパイライト系化合物半導体の光電変換膜を用いた撮像素子に関する。   The present invention relates to an image sensor, and more particularly to an image sensor using a chalcopyrite compound semiconductor photoelectric conversion film.

従来、カルコパイライト系化合物半導体(以下、CIGS系化合物半導体という)を光電変換膜に用いた撮像素子が知られている(特許文献1参照)。CIGS系化合物半導体は光吸収係数が高く、高いエネルギー変換効率によって光電変換する。CIGS系化合物半導体の光電変換膜(以下。CIGS系光電変換膜という)を電極で挟むことにより、インパクトイオン化(アバランシェ増倍)による高感度化を実現する。   Conventionally, an image sensor using a chalcopyrite compound semiconductor (hereinafter referred to as a CIGS compound semiconductor) as a photoelectric conversion film is known (see Patent Document 1). A CIGS compound semiconductor has a high light absorption coefficient, and performs photoelectric conversion with high energy conversion efficiency. High sensitivity by impact ionization (avalanche multiplication) is realized by sandwiching a CIGS compound semiconductor photoelectric conversion film (hereinafter referred to as a CIGS photoelectric conversion film) between electrodes.

一方、完全電荷転送型のCIGS系光電変換膜を備えた撮像素子では、シリコン基板に直接CIGS系光電変換膜を積層する構成を採用し、CIGS系化合物半導体とシリコン半導体との間の伝導帯の電子親和力の差によって、アバランシェ増倍を生じさせる(特許文献2参照)。   On the other hand, an imaging device having a complete charge transfer type CIGS photoelectric conversion film adopts a configuration in which a CIGS photoelectric conversion film is directly laminated on a silicon substrate, and the conduction band between the CIGS compound semiconductor and the silicon semiconductor is adopted. Avalanche multiplication is caused by the difference in electron affinity (see Patent Document 2).

特開2009−259872号公報JP 2009-259872 A 特開2011−199057号公報(段落[0301]〜[0320]、図31、32参照)Japanese Patent Laying-Open No. 2011-199057 (see paragraphs [0301] to [0320], FIGS. 31 and 32)

特許文献1では、比較的容易にアバランシェ増倍を実現させることが可能であるが、完全電荷転送ができないため、相関二重サンプリング(CDS)によるリセットノイズ除去ができず、SN比が低下してしまう。一方、特許文献2では、完全電荷転送型においてアバランシェ増倍を実現可能と謳っているが、現実的にアバランシェ増倍を生じさせることが困難である。   In Patent Document 1, it is possible to realize avalanche multiplication relatively easily. However, since complete charge transfer cannot be performed, reset noise removal by correlated double sampling (CDS) cannot be performed, and the SN ratio decreases. End up. On the other hand, Patent Document 2 says that avalanche multiplication can be realized in the complete charge transfer type, but it is difficult to actually generate avalanche multiplication.

したがって、カルコパイライト系化合物半導体を光電変換膜として半導体基板に積層させた構造をもつ完全電荷転送型撮像素子においても、効果的にアバランシェ増倍を実現させることが求められる。   Accordingly, it is required to effectively realize avalanche multiplication even in a complete charge transfer type imaging device having a structure in which a chalcopyrite compound semiconductor is stacked on a semiconductor substrate as a photoelectric conversion film.

本発明の撮像素子は、撮像装置などに適用可能な積層型撮像素子であって、第1種半導体の第1導電型の半導体基板内に形成された第1種半導体の第2導電型からなる第1の半導体領域と、第1の半導体領域に接合するように半導体基板の表面部分に形成された第1種半導体の第1導電型からなる第2の半導体領域と、第2の半導体領域と接合するように形成される第2種半導体を用いた光電変換膜とを備える。   The image pickup device of the present invention is a multilayer image pickup device applicable to an image pickup apparatus or the like, and includes a second conductivity type of a first type semiconductor formed in a first conductivity type semiconductor substrate of a first type semiconductor. A first semiconductor region; a second semiconductor region made of a first conductivity type of a first type semiconductor formed on a surface portion of the semiconductor substrate so as to be joined to the first semiconductor region; and a second semiconductor region; And a photoelectric conversion film using a second type semiconductor formed so as to be bonded.

例えば、第1種半導体はシリコン半導体、第2種半導体はカルコパイライト系化合物半導体として構成することが可能であり、第1導電型をp型、第2導電型をn型とすることができる。第1導電型がp型半導体であれば、n型の第1半導体領域とp型の第2の半導体領域となる。導電型が逆の場合、半導体領域も逆の導電型となる。   For example, the first type semiconductor can be configured as a silicon semiconductor, and the second type semiconductor can be configured as a chalcopyrite compound semiconductor, and the first conductivity type can be p-type and the second conductivity type can be n-type. If the first conductivity type is a p-type semiconductor, it becomes an n-type first semiconductor region and a p-type second semiconductor region. When the conductivity type is reversed, the semiconductor region also has the opposite conductivity type.

本発明では、光電変換膜は、光生成された光電荷が光電変換膜から半導体基板へ移動するように、エネルギーバンドが傾斜化されている。例えばp型半導体基板の場合、半導体基板から光電変換膜の表面側に向けて、n型、i型、p型の導電性領域を順に形成すればよい。n型半導体基板の場合、p型、i型、n型とすればよい。   In the present invention, the energy band of the photoelectric conversion film is inclined so that photogenerated photocharges move from the photoelectric conversion film to the semiconductor substrate. For example, in the case of a p-type semiconductor substrate, n-type, i-type, and p-type conductive regions may be sequentially formed from the semiconductor substrate toward the surface of the photoelectric conversion film. In the case of an n-type semiconductor substrate, p-type, i-type, and n-type may be used.

さらに本発明では、第1の半導体領域と第2の半導体領域との接合部に光電荷が注入されたとき、その接合部において電荷増倍が生じるように、半導体基板の不純濃度プロファイルが形成されている。例えば、第1半導体領域の不純物濃度がおよそ1017/cm3程度、厚さがおよそ500nm、第2半導体領域の不純物濃度がおよそ1018/cm3、厚さが30〜50nmに設定し第1半導体領域をリセットする電圧を少なくとも5V以上に設定すればよい。 Furthermore, according to the present invention, an impurity concentration profile of the semiconductor substrate is formed such that when photocharge is injected into the junction between the first semiconductor region and the second semiconductor region, charge multiplication occurs at the junction. ing. For example, the first semiconductor region has an impurity concentration of about 10 17 / cm 3 and a thickness of about 500 nm, and the second semiconductor region has an impurity concentration of about 10 18 / cm 3 and a thickness of 30 to 50 nm. What is necessary is just to set the voltage which resets a semiconductor region to at least 5V or more.

光電変換膜と第1の半導体領域との間に、その接合部分がpn接合によって電荷増倍領域を形成する第2の半導体領域を基板表面側に設けることで、CIGS系化合物半導体を光電変換膜として積層させる撮像素子において、アバランシェ増倍を実現することができる。   A CIGS compound semiconductor is formed between the photoelectric conversion film and the first semiconductor region by providing, on the substrate surface side, a second semiconductor region in which a junction portion forms a charge multiplication region by a pn junction. The avalanche multiplication can be realized in the image pickup device to be stacked as.

光電変換膜と第2の半導体領域との接合部分において暗電流発生を抑制するため、光電変換膜を覆うように形成される第1導電型の導電性領域をさらに形成してもよい。   In order to suppress generation of dark current at the junction between the photoelectric conversion film and the second semiconductor region, a first conductivity type conductive region formed so as to cover the photoelectric conversion film may be further formed.

電荷蓄積期間において第1半導体領域の電界の強さを維持するため、撮像装置に備えられた撮像素子駆動部が、光電変換期間中、第1の半導体領域に蓄積された電荷を、第1半導体領域と隣接して形成される第2導電型の第3の半導体領域へ間欠的に転送すればよい。   In order to maintain the strength of the electric field of the first semiconductor region during the charge accumulation period, the image sensor driving unit provided in the imaging device converts the charge accumulated in the first semiconductor region during the photoelectric conversion period into the first semiconductor. What is necessary is just to intermittently transfer to the third semiconductor region of the second conductivity type formed adjacent to the region.

本発明によれば、高感度性能を備えた撮像素子を実現し、撮像装置などに装備することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, an image pick-up element provided with high sensitivity performance is implement | achieved, and it can equip with an imaging device etc.

第1の実施形態であるデジタルカメラのブロック図である。It is a block diagram of the digital camera which is 1st Embodiment. 本実施形態の撮像センサおよび測光センサに使用される撮像素子の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the image pick-up element used for the image sensor and photometry sensor of this embodiment. 本実施形態の測距センサに使用される撮像素子の概略的構成図である。It is a schematic block diagram of the image pick-up element used for the distance measuring sensor of this embodiment. 本実施形態の撮像素子における任意の画素部分の概略的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the arbitrary pixel parts in the image sensor of this embodiment. 図4に示した画素の等価回路図である。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the pixel shown in FIG. 4. 図4のX1−X2方向に沿った定常状態でのエネルギーバンドを概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the energy band in the steady state along the X1-X2 direction of FIG. 光が入射して生成された光電荷が蓄積される過程におけるX1−X2方向に沿ったエネルギーバンドおよび内部電界を概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the energy band and internal electric field along the X1-X2 direction in the process in which the photoelectric charge produced | generated when light entered was accumulate | stored. CIGS光電変換膜を直接シリコン基板に積層させたヘテロ接合におけるエネルギーバンドを概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the energy band in the heterojunction which laminated | stacked the CIGS photoelectric converting film directly on the silicon substrate. 本実施形態の撮像素子に対する駆動タイミングチャートを示した図である。It is the figure which showed the drive timing chart with respect to the image pick-up element of this embodiment. 図9とは別の駆動タイミングチャートを示した図である。It is the figure which showed the drive timing chart different from FIG. 第2の実施形態における撮像素子の概略的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the image sensor in 2nd Embodiment. 第3の実施形態における撮像素子の概略的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the image sensor in 3rd Embodiment. 第4の実施形態における撮像素子の概略的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the image sensor in 4th Embodiment. 第5の実施形態における撮像素子の概略的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the image sensor in 5th Embodiment. 第6の実施形態における撮像素子の概略的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the image sensor in 6th Embodiment.

以下では、図面を参照して本実施形態であるデジタルカメラについて説明する。図1は、第1の実施形態であるデジタルカメラのブロック図である。   Below, the digital camera which is this embodiment is demonstrated with reference to drawings. FIG. 1 is a block diagram of a digital camera according to the first embodiment.

デジタルカメラ10は、ここでは一眼レフタイプのデジタルカメラとして構成されており、カメラ本体30と、カメラ本体30に着脱自在な交換レンズ20とを備える。カメラCPUを含むシステムコントロール回路40は、レリーズボタン、モード選択ダイヤル(いずれも図示せず)などに対する入力操作に従い、レンズ制御回路56、画像処理回路34などに制御信号を出力し、露出制御、記録動作、再生表示動作などカメラ全体の動作制御を行う。カメラ動作制御のプログラムは、ROM55などの記録媒体に記憶されている。   Here, the digital camera 10 is configured as a single-lens reflex digital camera, and includes a camera body 30 and an interchangeable lens 20 that is detachably attached to the camera body 30. The system control circuit 40 including the camera CPU outputs a control signal to the lens control circuit 56, the image processing circuit 34, etc. in accordance with an input operation to a release button, a mode selection dial (not shown), etc., and controls exposure and recording. Performs overall camera operation control, such as operations and playback display operations. A camera operation control program is stored in a recording medium such as the ROM 55.

撮影モードにおいて、撮影光学系22を通った光は、可動ミラー33によって図示しないファインダへ導かれる。ユーザはファインダを通じて被写体を視認することができる。操作スイッチ群52によってレリーズボタンの半押しが検出されると、位相差方式に従った焦点調節が実行される。可動ミラー33に取り付けられたハーフミラー31によって被写体光が測距センサ37に入射し、測距センサ37からの輝度信号に基づいてデフォーカス量が算出される。   In the photographing mode, the light passing through the photographing optical system 22 is guided to a finder (not shown) by the movable mirror 33. The user can visually recognize the subject through the viewfinder. When half-press of the release button is detected by the operation switch group 52, focus adjustment according to the phase difference method is executed. Subject light is incident on the distance measuring sensor 37 by the half mirror 31 attached to the movable mirror 33, and the defocus amount is calculated based on the luminance signal from the distance measuring sensor 37.

レンズCPU28は、カメラ本体30レンズ制御回路56からの指令に基づきレンズ駆動機構26を制御し、レンズ駆動機構26は、レンズCPU28からの制御信号に従って撮影光学系22のフォーカシングレンズを光軸方向に沿って移動させる。また、レリーズボタン半押しに従い、ファインダ内に設けられた測光センサ38が被写体の明るさを検出し、システムコントロール回路40は露出値(シャッタスピード、絞り値、感度など)を算出する。   The lens CPU 28 controls the lens driving mechanism 26 based on a command from the camera body 30 lens control circuit 56, and the lens driving mechanism 26 moves the focusing lens of the photographing optical system 22 along the optical axis direction in accordance with a control signal from the lens CPU 28. To move. As the release button is pressed halfway, the photometric sensor 38 provided in the viewfinder detects the brightness of the subject, and the system control circuit 40 calculates an exposure value (shutter speed, aperture value, sensitivity, etc.).

レリーズボタンが全押しされると、レンズ制御回路56は、可動ミラー33(ハーフミラー31も含む)を光路から退避させるとともに、シャッタ35、絞り24などを駆動し、露出制御する。これにより、撮影光学系22を通った被写体からの光が撮像センサ32に結像し、被写体像が撮像センサ32に形成される。撮像センサ32は、ここでは(M×N)の画素配列をさせた2次元単板式のCMOS型イメージセンサによって構成されている。また、原色カラーモザイクフィルタアレイがオンチップで設けられている。   When the release button is fully pressed, the lens control circuit 56 retracts the movable mirror 33 (including the half mirror 31) from the optical path and drives the shutter 35, the diaphragm 24 and the like to control exposure. As a result, light from the subject passing through the photographing optical system 22 forms an image on the image sensor 32, and a subject image is formed on the image sensor 32. Here, the imaging sensor 32 is configured by a two-dimensional single-plate CMOS image sensor having an (M × N) pixel arrangement. A primary color mosaic filter array is provided on-chip.

撮像センサ駆動回路36が撮像センサ32を駆動することにより、1フレーム分の画素信号が撮像センサ32から読み出される。読み出された画素信号は、AFE回路(図示せず)などを経由して画像処理回路34に送られる。画像処理回路34は、読み出された1フレーム分の画素信号に対して色補間処理、ガンマ補正処理、ホワイトバランス調整などを施し、静止画像データを生成する。静止画像データは、圧縮あるいは非圧縮状態で着脱自在な画像メモリ(メモリカードなど)54に記録される。再生モードが設定されると、記録画像が表示器50に再生表示される。   When the image sensor driving circuit 36 drives the image sensor 32, a pixel signal for one frame is read from the image sensor 32. The read pixel signal is sent to the image processing circuit 34 via an AFE circuit (not shown). The image processing circuit 34 performs color interpolation processing, gamma correction processing, white balance adjustment, and the like on the read pixel signal for one frame to generate still image data. Still image data is recorded in a removable image memory (memory card or the like) 54 in a compressed or uncompressed state. When the reproduction mode is set, the recorded image is reproduced and displayed on the display 50.

図2は、撮像センサ32の概略構成図である。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the image sensor 32.

撮像センサ32では、シリコン基板70にマトリクス配列させた複数の画素Pから成る有効画素領域PAを形成し、その周囲には、垂直駆動回路32A、制御回路32B、カラム信号処理回路32C、水平駆動回路32D、出力回路32Eが設けられている。また、各画素Pには、光電変換部とともに、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、増幅トランジスタなど複数の画素トランジスタ(ここでは図示せず)が設けられている。   In the imaging sensor 32, an effective pixel area PA composed of a plurality of pixels P arranged in a matrix on a silicon substrate 70 is formed, and a vertical drive circuit 32A, a control circuit 32B, a column signal processing circuit 32C, and a horizontal drive circuit are arranged around the effective pixel area PA. 32D and an output circuit 32E are provided. Each pixel P is provided with a plurality of pixel transistors (not shown here) such as a transfer transistor, a reset transistor, a selection transistor, and an amplification transistor along with the photoelectric conversion unit.

制御回路32Bは、垂直駆動回路32A、カラム信号処理回路32C、水平駆動回路32Dへクロック信号あるいは制御信号を出力する。垂直駆動回路32Aは、水平制御線HLを通じて各画素Pを行単位で順次垂直方向に選択読み出し操作し、各画素Pの信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線VLを通じてカラム信号処理回路32Cへ供給する。画素列ごとに配置されたカラム信号処理回路32Cは、オプティカルブラック領域(図示せず)の画素から送られてくる画素信号によってノイズ除去や信号増幅処理などを行う。水平駆動回路32Dは、画素信号を出力回路32Eへ送り、出力処理された画素信号が撮像センサ32から読み出される。測光センサ38においても、同様の構成が採用されている。   The control circuit 32B outputs a clock signal or a control signal to the vertical drive circuit 32A, the column signal processing circuit 32C, and the horizontal drive circuit 32D. The vertical drive circuit 32A sequentially selects and reads each pixel P in the vertical direction in units of rows through the horizontal control line HL, and outputs a pixel signal based on the signal charge of each pixel P to the column signal processing circuit 32C through the vertical signal line VL. Supply. The column signal processing circuit 32C arranged for each pixel column performs noise removal, signal amplification processing, and the like by a pixel signal sent from a pixel in an optical black region (not shown). The horizontal drive circuit 32 </ b> D sends the pixel signal to the output circuit 32 </ b> E, and the output pixel signal is read from the image sensor 32. The photometric sensor 38 has the same configuration.

図3は、測距センサの概略的構成図である。シリコン基板70には、基準画素配列SPと参照画素配列TPとが相対するように配置されている。測距センサ37はラインセンサの形態をしており、撮影光学系22から瞳分割された光学像を、同一ライン上に配置される基準画素列SPと参照画素列TPに結像して受光し、それらの画素信号の位相ずれからレンズの焦点ずれ量(デフォーカス量)を算出して焦点検出が行なわれる。垂直駆動回路32Aなどのトランジスタ回路の構成および動作は、撮像センサ32、測光センサ38と実質的に同じである。   FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the distance measuring sensor. On the silicon substrate 70, the standard pixel array SP and the reference pixel array TP are arranged to face each other. The distance measuring sensor 37 is in the form of a line sensor. The optical image obtained by dividing the pupil from the photographing optical system 22 is imaged and received on a reference pixel column SP and a reference pixel column TP arranged on the same line. The focus detection is performed by calculating the defocus amount (defocus amount) of the lens from the phase shift of these pixel signals. The configuration and operation of the transistor circuit such as the vertical drive circuit 32A are substantially the same as those of the image sensor 32 and the photometric sensor 38.

図4は、測距センサ37における任意の画素部分の概略的断面図である。図5は、図4に示した画素の等価回路図である。ここでは、1つの画素部分を示している。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an arbitrary pixel portion in the distance measuring sensor 37. FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the pixel shown in FIG. Here, one pixel portion is shown.

測距センサ37は、シリコン基板70に光電変換膜(光導電膜)を積層した積層型撮像素子として構成されており、ここではp型のシリコン基板70に基づいて画素Pが形成されている。シリコン基板70は、光電変換膜を中心とする画素領域、すなわち光電変換膜を通る光の同一光路上に沿って不純物濃度プロファイルをもつ。   The distance measuring sensor 37 is configured as a stacked imaging device in which a photoelectric conversion film (photoconductive film) is stacked on a silicon substrate 70, and here, pixels P are formed based on the p-type silicon substrate 70. The silicon substrate 70 has an impurity concentration profile along the same optical path of light passing through the pixel region centered on the photoelectric conversion film, that is, the photoelectric conversion film.

具体的には、シリコン基板70に対し、不純物がドーピングされたn型ウェル(以下、第1蓄積層という)74が、画素領域に従って形成されている。n型ウェル74の表面上には、p型ウェル(以下、基板表面層という)76が形成される。基板表面層76の上には、CIGS系光電変換膜60が積層配置されている。   Specifically, an n-type well (hereinafter referred to as a first accumulation layer) 74 doped with impurities is formed on the silicon substrate 70 in accordance with the pixel region. A p-type well (hereinafter referred to as a substrate surface layer) 76 is formed on the surface of the n-type well 74. A CIGS photoelectric conversion film 60 is laminated on the substrate surface layer 76.

第1蓄積層74、基板表面層76は、不純物イオンの注入(ドーピング)によって形成することができる。例えば、P(リン)などのイオンをp型シリコン基板70に対して最初に打ち込み、その上でB(ホウ素)などを打ち込むことによって形成される。イオン注入以外の方法によっても、このような積層構造で表される不純物濃度プロファイルを形成することが可能である。   The first accumulation layer 74 and the substrate surface layer 76 can be formed by implantation (doping) of impurity ions. For example, ions such as P (phosphorus) are first implanted into the p-type silicon substrate 70, and then B (boron) or the like is implanted thereon. An impurity concentration profile represented by such a stacked structure can be formed by a method other than ion implantation.

CIGS系光電変換膜60は、従来知られた成膜方法で形成可能である。ここでは、可視光全域に感度をもつ組成(CuGa0.52In0.482)から成るCIGS系化合物半導体を格子整合させた状態でエピタキシャル成長させて形成する。このとき、シリコン基板70側から光電変換膜側に向けてn型、i型、p型の順に半導体型(導電性)が連続的に変化するように膜を形成する。n型導電性は、12族元素(例えば亜鉛(Zn))をドーピングすることによって得ることができる。p型導電性は、Cuと13族元素(Ga、In)との比を1以下にすることによって得られる。i型導電性は何もドーピングせずに得られる。 The CIGS photoelectric conversion film 60 can be formed by a conventionally known film forming method. Here, a CIGS compound semiconductor composed of a composition (CuGa 0.52 In 0.48 S 2 ) having sensitivity over the entire visible light region is epitaxially grown in a lattice-matched state. At this time, the film is formed so that the semiconductor type (conductivity) continuously changes in the order of n-type, i-type, and p-type from the silicon substrate 70 side toward the photoelectric conversion film side. The n-type conductivity can be obtained by doping a group 12 element (for example, zinc (Zn)). The p-type conductivity is obtained by setting the ratio of Cu to a group 13 element (Ga, In) to 1 or less. i-type conductivity is obtained without any doping.

CIGS系光電変換膜60の表面上には、不純物ドーピングなどによってCIGS系のp+型ウェル(以下、p+CIGS層という)62が形成されている。p+CIGS層62は、シリコン基板70へ電源供給するための接続部であるウェルコンタクト75とともに、GND電位に接続されている。   A CIGS p + type well (hereinafter referred to as a p + CIGS layer) 62 is formed on the surface of the CIGS photoelectric conversion film 60 by impurity doping or the like. The p + CIGS layer 62 is connected to the GND potential together with a well contact 75 which is a connection portion for supplying power to the silicon substrate 70.

このような不純物濃度プロファイルを有する画素Pが、各画素領域において構成されている。画素Pの各層における不純物濃度および厚さは、例えば以下のように定めることができる。この場合、リセット電源電圧VDDRは第1蓄積層74が空乏化する電圧に相当し、5〜10V程度にすることができる。

p+CIGS層62:不純物濃度1019〜1020/cm3程度、厚さ10〜30nm程度
光電変換膜60:厚さ300〜500nm程度
基板表面層76:不純物濃度1018/cm3程度、厚さ30〜50nm程度
第1蓄積層74:不純物濃度1017/cm3程度、厚さ500nm程度
シリコン基板70:不純物濃度1017/cm3程度
A pixel P having such an impurity concentration profile is formed in each pixel region. The impurity concentration and thickness in each layer of the pixel P can be determined as follows, for example. In this case, the reset power supply voltage V DDR corresponds to a voltage at which the first storage layer 74 is depleted, and can be set to about 5 to 10V.

p + CIGS layer 62: impurity concentration of about 10 19 to 10 20 / cm 3 , thickness of about 10 to 30 nm photoelectric conversion film 60: thickness of about 300 to 500 nm substrate surface layer 76: impurity concentration of about 10 18 / cm 3 , thickness of 30 About 50 nm First storage layer 74: Impurity concentration of about 10 17 / cm 3 , Thickness of about 500 nm Silicon substrate 70: Impurity concentration of about 10 17 / cm 3

シリコン基板70には、第1蓄積層74に隣接して第2蓄積層77が形成されている。第2蓄積層77上方には、第2蓄積層77で電荷保持中に入射光が混入して不要電荷が生成されるのを防止する遮光膜78が形成されている。また、第1蓄積層74に隣接してアンチブルーミングゲート(ABG)79が形成されており、CIGS系光電変換膜60で生成された光電荷が第1蓄積層74から溢れないようにABG79を通じて過剰な光電荷を排除する。   A second storage layer 77 is formed on the silicon substrate 70 adjacent to the first storage layer 74. A light shielding film 78 is formed above the second accumulation layer 77 to prevent incident light from entering the second accumulation layer 77 while the electric charge is being held and generating unnecessary charges. In addition, an anti-blooming gate (ABG) 79 is formed adjacent to the first accumulation layer 74, and the photocharge generated in the CIGS photoelectric conversion film 60 is excessive through the ABG 79 so as not to overflow from the first accumulation layer 74. Eliminate unwanted photocharges.

画素Pに入射した光によって光電荷がCIGS系光電変換膜60において生成されると、生成された光電荷は基板表面層76に転送させる。基板表面層76と第1蓄積層74との接合部分はpn接合となり、基板表面層76の接合部分には電荷増倍となる領域(以下では、電荷増倍領域という)76Aが形成される。電荷増倍領域76Aにおいてアバランシェ増倍された光電荷は、第1蓄積層74に蓄積される。蓄積された光電荷は、ストレージゲート(SG)71を通じて第2蓄積層77に転送される。   When photoelectric charges are generated in the CIGS photoelectric conversion film 60 by the light incident on the pixels P, the generated photoelectric charges are transferred to the substrate surface layer 76. A junction portion between the substrate surface layer 76 and the first accumulation layer 74 is a pn junction, and a region (hereinafter referred to as a charge multiplication region) 76A that is charge-multiplied is formed in the junction portion of the substrate surface layer 76. The photocharge that has undergone avalanche multiplication in the charge multiplication region 76 </ b> A is accumulated in the first accumulation layer 74. The accumulated photocharge is transferred to the second accumulation layer 77 through the storage gate (SG) 71.

ここで、シリコン半導体における電荷増倍(アバランシェ増倍)は殆ど電子によって行われることが知られており、信号電荷(光電荷)としては電子を用いるのが好ましい。すなわち、第1蓄積層74の導電型がn型になるような構成するのが好ましい。また、アバランシェ増倍過程における増倍率の揺らぎによる雑音(過剰雑音)は、電子または正孔のどちらか一方のキャリアで増倍される場合は比較的小さく抑えられることが知られており、シリコン半導体領域での電荷増倍(アバランシェ増倍)は、過剰雑音を抑える上でも好ましい。   Here, it is known that charge multiplication (avalanche multiplication) in a silicon semiconductor is mostly performed by electrons, and it is preferable to use electrons as signal charges (photocharges). That is, it is preferable to configure the first storage layer 74 to have an n-type conductivity. In addition, it is known that noise (excess noise) due to fluctuations in the multiplication factor in the avalanche multiplication process is suppressed to a relatively small level when it is multiplied by either electron or hole carriers. Charge multiplication in the region (avalanche multiplication) is also preferable for suppressing excessive noise.

さらに、光電荷はフローティングディフュージョンゲート(FG)73を通じてフローティングディフュージョン(FD)80に転送され、画素アンプ(AMP)および選択スイッチ(SEL)82を経由して測距センサ37から読み出される。信号読み出し後、FD80に転送された電荷はリセットゲート(RG)83を通じてリセット電源電圧VDDRに排出される。図5では、図4に示した画素の等価回路図を示している。リセット電源電圧VDDRと画素アンプ電源電圧VDDAは同じ値でもよく、あるいは、リセット電源電圧VDDRのみ比較的高い電圧に設定してもよい。 Further, the photoelectric charge is transferred to the floating diffusion (FD) 80 through the floating diffusion gate (FG) 73 and read out from the distance measuring sensor 37 through the pixel amplifier (AMP) and the selection switch (SEL) 82. After the signal is read out, the charge transferred to the FD 80 is discharged to the reset power supply voltage V DDR through the reset gate (RG) 83. FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of the pixel shown in FIG. The reset power supply voltage V DDR and the pixel amplifier power supply voltage V DDA may be the same value, or only the reset power supply voltage V DDR may be set to a relatively high voltage.

図4、5では、測距センサ37の画素の構成を示しているが、撮像センサ32、測光センサ38についても同様に構成されている。なお、カルコパイライト系材料の組成を調整することにより、シリコンの格子定数a(5.431Å)の条件下でバンドキャップを任意に設定することができることから、上述した赤色光に応じた光電変換膜とともに、緑色光に応じた光電変換膜、青色に応じた光電変換膜を形成し、それらをベイヤー配列方式などに従って配置することで、カラーフィルタアレイを用いない構造の撮像素子にすることもできる。   4 and 5 show the pixel configuration of the distance measuring sensor 37, the imaging sensor 32 and the photometric sensor 38 have the same configuration. In addition, since the band cap can be arbitrarily set under the condition of the lattice constant a (5.4315) of silicon by adjusting the composition of the chalcopyrite-based material, the photoelectric conversion film corresponding to the red light described above At the same time, a photoelectric conversion film corresponding to green light and a photoelectric conversion film corresponding to blue light are formed and arranged in accordance with a Bayer arrangement method or the like, whereby an image sensor having a structure that does not use a color filter array can be obtained.

以下では、図6〜8を用いて、CIGS系光電変換膜において生成された光電荷に対するアバランシェ増倍について説明する。   Below, the avalanche multiplication with respect to the photocharge produced | generated in the CIGS type | system | group photoelectric converting film is demonstrated using FIGS.

図6は、図4のX1−X2方向に沿った定常状態でのエネルギーバンドを概略的に示した図である。なお、シリコン基板70とp+CIGS層62はGNDレベルに接続されている。   FIG. 6 is a diagram schematically showing an energy band in a steady state along the X1-X2 direction of FIG. The silicon substrate 70 and the p + CIGS layer 62 are connected to the GND level.

図6に示すように、CIGS系光電変換膜60では不純物濃度を徐々に変化させたプロファイルを形成しているため、エネルギーバンドが傾斜している。そして、シリコン基板70の基板表面層(pウェル)76とCIGS系光電変換膜60との界面(pn接合部)には、電子親和力差によるポテンシャル障壁(バンドシフト)DDが生じる。   As shown in FIG. 6, since the CIGS photoelectric conversion film 60 forms a profile in which the impurity concentration is gradually changed, the energy band is inclined. A potential barrier (band shift) DD due to a difference in electron affinity occurs at the interface (pn junction) between the substrate surface layer (p well) 76 of the silicon substrate 70 and the CIGS photoelectric conversion film 60.

電子親和力は、伝導帯CBから真空準位までのエネルギーを示し、2つの物質の電子親和力に差がある場合、接合後にバンドシフトDDが生じる。(CuGa0.52In0.482)はCuInS2(電子親和力4.7eV)とCuGaS2(電子親和力4.1eV)の混晶であってInとGaの組成比が約1:1であることから、その電子親和力は約4.4eVとなる。シリコンの電子親和力が4.05eVであることから、CIGS系光電変換膜60と基板表面領域76とを接合した場合、伝導帯CBには0.35eVのバンドシフトDDが生じる。 The electron affinity indicates energy from the conduction band CB to the vacuum level, and when there is a difference in electron affinity between the two substances, a band shift DD occurs after bonding. (CuGa 0.52 In 0.48 S 2 ) is a mixed crystal of CuInS 2 (electron affinity 4.7 eV) and CuGaS 2 (electron affinity 4.1 eV), and the composition ratio of In and Ga is about 1: 1. Its electron affinity is about 4.4 eV. Since the electron affinity of silicon is 4.05 eV, when the CIGS photoelectric conversion film 60 and the substrate surface region 76 are bonded, a band shift DD of 0.35 eV is generated in the conduction band CB.

図7は、リセット状態(ABG=ON)から蓄積状態(ABG=OFF)に切り替えた状態で、光が入射して生成された光電荷が蓄積される過程におけるX1−X2方向に沿ったエネルギーバンドおよび内部電界を概略的に示した図である。   FIG. 7 shows an energy band along the X1-X2 direction in the process of accumulating photocharges generated by incidence of light in a state where the reset state (ABG = ON) is switched to the accumulation state (ABG = OFF). It is the figure which showed the internal electric field roughly.

光が入射すると、CIGS系光電変換膜60において光電子正孔対が生成される。正孔はエネルギーバンド傾斜に従い、p+CIGS層62を通じてGNDに排出される。一方、電子はエネルギーバンド傾斜に従ってシリコン界面側に移動する。CIGS系化合物半導体とシリコンSiの電子親和力差による障壁は、上述したように0.35eV程度存在するが、上述したようにp型の基板表面層76の層を薄くすることで(50nm以下)、トンネル効果により電子がCIGS光電変換膜60から基板表面層76への注入(移動)が可能となる。   When light is incident, a photoelectron hole pair is generated in the CIGS photoelectric conversion film 60. The holes are discharged to GND through the p + CIGS layer 62 according to the energy band inclination. On the other hand, electrons move to the silicon interface side according to the energy band inclination. The barrier due to the difference in electron affinity between the CIGS compound semiconductor and silicon Si is about 0.35 eV as described above, but by reducing the thickness of the p-type substrate surface layer 76 as described above (50 nm or less), Due to the tunnel effect, electrons can be injected (moved) from the CIGS photoelectric conversion film 60 to the substrate surface layer 76.

図4を用いて説明したように、基板表面層76の不純物濃度が1018/cm3程度、厚さ30〜50nm程度であって、第1蓄積層74の不純物濃度が1017/cm3程度、厚さ500nm程度となるように、不純物濃度プロファイルが形成されている。これによって、リセット電源電圧VDDRが5〜6V程度で第1蓄積層74は完全空乏化することができ、pn接合部分の電荷増倍領域76Aの電界は、電荷増倍を生じさせる5×105V/cm程度にすることができる。よって、基板表面層76から電荷増倍領域76Aへ移動した電子に対してアバランシェ増倍を起こすことができる。 As described with reference to FIG. 4, the substrate surface layer 76 has an impurity concentration of about 10 18 / cm 3 and a thickness of about 30 to 50 nm, and the first storage layer 74 has an impurity concentration of about 10 17 / cm 3. The impurity concentration profile is formed so as to have a thickness of about 500 nm. As a result, when the reset power supply voltage V DDR is about 5 to 6 V, the first storage layer 74 can be completely depleted, and the electric field in the charge multiplication region 76A of the pn junction portion causes a charge multiplication of 5 × 10 5. It can be about 5 V / cm. Therefore, avalanche multiplication can be caused to electrons moved from the substrate surface layer 76 to the charge multiplication region 76A.

図8は、ヘテロ接合によってCIGS系光電変換膜60を直接シリコン基板70に積層させたときのエネルギーバンドを概略的に示した図である。ただし、CIGS系化合物半導体の不純物濃度は一定とし、CIGS系化合物半導体とシリコンSiのフェルミレベルEFは同じとしている。図6で説明した通り、CuGa0.52In0.482の電子親和力は4.4eVで、一方、シリコンの電子親和力は4.05eVであるので、それらを接合した場合、図8の右側に示すように、伝導帯に0.35eVのバンドオフセットが生じる。 FIG. 8 is a diagram schematically showing an energy band when the CIGS photoelectric conversion film 60 is directly laminated on the silicon substrate 70 by a heterojunction. However, the impurity concentration of the CIGS-based compound semiconductor was constant, the Fermi level E F of CIGS-based compound semiconductor and silicon Si are the same. As described in FIG. 6, CuGa 0.52 In 0.48 S 2 has an electron affinity of 4.4 eV, while silicon has an electron affinity of 4.05 eV. Therefore, when they are joined, as shown on the right side of FIG. A band offset of 0.35 eV occurs in the conduction band.

ここで、エネルギー差によってアバランシェ増倍を起こそうとした場合、通常、エネルギーバンドギャップの約3倍のエネルギー差が必要とされると言われている。したがって、シリコンSiにおける価電子帯VBと伝導帯CBとの差が1.12eVであることから、3.36eVのエネルギー差が必要となる。しかしながら、CIGS系化合物半導体とシリコン半導体の伝導帯CBのエネルギー差は0.35eVであり、しかもシリコン側のエネルギーが高いことから、このCIGS系光電変換膜60とシリコンを単に積層した構造のままではアバランシェ増倍を生じさせることは困難である。   Here, when an avalanche multiplication is caused by an energy difference, it is usually said that an energy difference of about three times the energy band gap is required. Therefore, since the difference between the valence band VB and the conduction band CB in silicon Si is 1.12 eV, an energy difference of 3.36 eV is required. However, since the energy difference between the conduction band CB of the CIGS compound semiconductor and the silicon semiconductor is 0.35 eV and the energy on the silicon side is high, the structure in which the CIGS photoelectric conversion film 60 and silicon are simply laminated is not used. It is difficult to cause avalanche multiplication.

そこで、本実施形態では、光電荷を生成するCIGS系光電変換膜60と生成した光電荷を蓄積するn型の第1蓄積層74との間に、p型の基板表面層76を形成している。そして、上記不純物濃度プロファイルをもつことにより、第1蓄積層74と基板表面層76とのpn接合部において、高電界が印加される電荷増倍領域76Aが形成される。そして、適切なリセット電源電圧VDDRを設定することにより、光電荷を電荷増倍領域76Aでアバランシェ増倍させることが可能となる。 Therefore, in the present embodiment, a p-type substrate surface layer 76 is formed between the CIGS photoelectric conversion film 60 that generates photocharges and the n-type first storage layer 74 that stores the generated photocharges. Yes. With the impurity concentration profile, a charge multiplying region 76A to which a high electric field is applied is formed at the pn junction between the first accumulation layer 74 and the substrate surface layer 76. Then, by setting an appropriate reset power supply voltage V DDR , it is possible to avalanche multiply the photocharge in the charge multiplying region 76A.

以上のような半導体構造を持つ画素を配列させた測距センサ37により、高感度な焦点検出を行うことができる。AF調整では、比較的短時間で被写体までの距離を検出しなければならず、撮像センサ32よりも高感度性能が要求される。測距センサ37においては感度向上のために画素加算を行うと、分解能が低下して焦点検出精度が低下するために好ましくない。また、図3に示すようにライン直交方向に拡張して高感度化を行う手法は一般的ではあるが、これを拡張しすぎると測距ラインが太くなって測距位置が不明確になる。本実施形態の高感度性能をもつ測距センサ37を用いることで、焦点検出精度を高めることができる。   High-sensitivity focus detection can be performed by the distance measuring sensor 37 in which pixels having the semiconductor structure as described above are arranged. In AF adjustment, the distance to the subject must be detected in a relatively short time, and higher sensitivity performance is required than the image sensor 32. In the distance measuring sensor 37, it is not preferable to perform pixel addition for improving sensitivity because resolution is lowered and focus detection accuracy is lowered. In addition, as shown in FIG. 3, a method of increasing the sensitivity by extending in the line orthogonal direction is common, but if this is extended too much, the distance measurement line becomes thick and the distance measurement position becomes unclear. By using the distance measuring sensor 37 having high sensitivity performance of the present embodiment, the focus detection accuracy can be increased.

なお、撮像センサ32、測光センサ38においても、上記半導体構造をもつ画素を配列させることが可能である。特に、測光処理では、撮像センサとは異なり長時間露光を行うことは許されず、短時間でシャッタスピードなどの露出値を算出する必要がある。本実施形態の高感度性能の測光センサ38を用いることにより、適正な被写体の明るさを短時間で検出することが可能となる。   In the imaging sensor 32 and the photometric sensor 38, pixels having the semiconductor structure can be arranged. In particular, in the photometric process, unlike an image sensor, long exposure is not allowed, and it is necessary to calculate an exposure value such as a shutter speed in a short time. By using the high-sensitivity photometric sensor 38 of the present embodiment, it is possible to detect appropriate subject brightness in a short time.

図9は、イメージセンサなどに対する駆動タイミングチャートを示した図である。   FIG. 9 is a diagram showing a drive timing chart for an image sensor or the like.

φSHR、φSHSは、画素列ごとにカラム信号処理回路内に設けられている図示しないCDS回路のリセット信号サンプリングパルス、光信号サンプリングパルスをそれぞれ表す。t1〜t2を経過した後のストレージゲート71へのφSGパルス信号までが、光電変換時間(積分時間)を表す。t3〜t4は、対象となる行の画素読み出しまでの待機時間を示す。t4〜t6は、CDS動作期間を示す。   φSHR and φSHS respectively represent a reset signal sampling pulse and an optical signal sampling pulse of a CDS circuit (not shown) provided in the column signal processing circuit for each pixel column. Up to the φSG pulse signal to the storage gate 71 after elapse of t1 to t2 represents the photoelectric conversion time (integration time). t3 to t4 indicate a waiting time until pixel reading of the target row. t4 to t6 indicate the CDS operation period.

図10は、図9とは別の駆動タイミングチャートを示した図である。ここでは、ストレージゲート71に対するφSGパルス信号が、t1〜t3の期間において所定間隔で規則的に出力されている。通常、第1蓄積層74に電荷が蓄積されていくと、第1蓄積層74の電位が下がり、電荷増倍領域76Aの電界が弱くなる。しかしながら、光電変換期間においてφSGパルス信号を出力することで間欠的に第1蓄積層74の電荷を第2蓄積層77に転送することにより、電荷増倍領域76Aの電界が弱くなるのを防ぐことができる。   FIG. 10 is a diagram showing a driving timing chart different from FIG. Here, the φSG pulse signal for the storage gate 71 is regularly output at predetermined intervals during the period from t1 to t3. Normally, as charges are accumulated in the first accumulation layer 74, the potential of the first accumulation layer 74 decreases, and the electric field in the charge multiplication region 76A becomes weak. However, the electric field in the charge multiplication region 76A is prevented from weakening by intermittently transferring the charge in the first accumulation layer 74 to the second accumulation layer 77 by outputting the φSG pulse signal in the photoelectric conversion period. Can do.

次に、図11を用いて第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、透明電極がp+CIGS層の上に設けられる。それ以外の構成については、実質的に第1の実施形態と同じである。   Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In the second embodiment, a transparent electrode is provided on the p + CIGS layer. Other configurations are substantially the same as those in the first embodiment.

図11は、第2の実施形態における測距センサ37’の概略的断面図である。ここでは、p+CIGS層62の上面に透明電極(例えば、ITO、AZOなど)が設けられている。このような導電性の優れた透明電極を設けることにより、画素領域全体の電位分布を比較的均一に保つことができ、感度が均一化する。   FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a distance measuring sensor 37 ′ according to the second embodiment. Here, a transparent electrode (for example, ITO, AZO, etc.) is provided on the upper surface of the p + CIGS layer 62. By providing such a transparent electrode having excellent conductivity, the potential distribution of the entire pixel region can be kept relatively uniform, and the sensitivity becomes uniform.

次に、図12を用いて、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、逆バイアス電圧をかける。それ以外の構成については、第1の実施形態と同じである。   Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. In the third embodiment, a reverse bias voltage is applied. About another structure, it is the same as 1st Embodiment.

図12は、第3の実施形態における測距センサ37”の概略的断面図である。ここでは、p+CIGS層62とGNDとの間に逆バイアス電圧VRをかける電源部72が設けられる。これにより、CIGS系光電変換膜60内の電界が強くなり、電荷走行速度が増加する。その結果、第1蓄積層74への電荷転送時間を短縮することができ、動作速度が向上する。 Figure 12 is a schematic sectional view of a distance measuring sensor 37 "in the third embodiment. In this case, the power supply unit 72 for applying a reverse bias voltage V R between the p + CIGS layer 62 and the GND is provided. This As a result, the electric field in the CIGS photoelectric conversion film 60 is strengthened and the charge traveling speed increases, and as a result, the charge transfer time to the first accumulation layer 74 can be shortened and the operation speed is improved.

次に、図13を用いて、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態では、光電変換膜の一部を延ばして遮光膜を形成する。それ以外の構成については、第1の実施形態と同じである。   Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, a part of the photoelectric conversion film is extended to form a light shielding film. About another structure, it is the same as 1st Embodiment.

図13は、第4の実施形態における測距センサ137の概略的断面図である。ここでは、p+CIGS層162が画素領域全体およびその周辺にまで渡って延びている。また、同じように延びるCIGS膜がその下面に接合して形成されている。このように光吸収率が高い膜を形成することで、第2蓄積層77の上部に専用遮光幕を設ける必要がなくなる。また、光電変換領域が広がるため、外部量子効率の向上、すなわち感度の向上を図ることができる。   FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a distance measuring sensor 137 according to the fourth embodiment. Here, the p + CIGS layer 162 extends over the entire pixel region and its periphery. A CIGS film extending in the same manner is formed on the lower surface of the CIGS film. By forming a film having a high light absorption rate in this way, it is not necessary to provide a dedicated light-shielding curtain on the second storage layer 77. In addition, since the photoelectric conversion region is widened, external quantum efficiency can be improved, that is, sensitivity can be improved.

次に、図14を用いて、第5の実施形態について説明する。第5の実施形態では、裏面照射型の撮像センサを構成する。それ以外の構成については、第1の実施形態と同じである。   Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIG. In the fifth embodiment, a back-illuminated imaging sensor is configured. About another structure, it is the same as 1st Embodiment.

図14は、第5の実施形態における測距センサ237の概略的断面図である。第2蓄積層77、およびフローティングゲート部73などの画素周辺回路などが、CIGS系光電変換膜60とは反対側に絶縁層275を挟んで配置されている。これによって、画素の光電変換領域を拡大することが可能となり、外部量子効率の向上、すなわち感度の向上を図ることができる。また、CIGS系光電変換膜60が第2蓄積層77の上方(光入射側)にあるため、遮光膜として機能する。   FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a distance measuring sensor 237 according to the fifth embodiment. A pixel peripheral circuit such as the second storage layer 77 and the floating gate portion 73 is disposed on the opposite side of the CIGS photoelectric conversion film 60 with the insulating layer 275 interposed therebetween. As a result, the photoelectric conversion region of the pixel can be expanded, and external quantum efficiency can be improved, that is, sensitivity can be improved. Further, since the CIGS photoelectric conversion film 60 is above the second storage layer 77 (on the light incident side), it functions as a light shielding film.

次に。図15を用いて第6の実施形態について説明する。第6の実施形態では、CIGS系光電変換膜をシリコン基板に埋め込む。それ以外の構成については、第1の実施形態と同じである。   next. The sixth embodiment will be described with reference to FIG. In the sixth embodiment, a CIGS photoelectric conversion film is embedded in a silicon substrate. About another structure, it is the same as 1st Embodiment.

図15は、第6の実施形態における測距センサ337の概略的断面図である。ただし、光電変換膜付近のみ図示している。ここでは、CIGS系光電変換膜60の上面および側面を覆うように、p+CIGS層62’が設けられている。CIGS系光電変換膜60とシリコン基板70との界面付近でpn接合が表面に現れると、表面準位を介して暗電流が増加する恐れがあるが、p+CIGS層62’でCIGS系光電変換膜60を埋め込むことで、暗電流を低減することができる。   FIG. 15 is a schematic sectional view of a distance measuring sensor 337 in the sixth embodiment. However, only the vicinity of the photoelectric conversion film is illustrated. Here, the p + CIGS layer 62 ′ is provided so as to cover the upper surface and the side surface of the CIGS photoelectric conversion film 60. If a pn junction appears on the surface near the interface between the CIGS photoelectric conversion film 60 and the silicon substrate 70, dark current may increase through the surface level. By embedding, dark current can be reduced.

なお、第1〜第6の実施形態については、それぞれ選択的に任意の組合せで実施形態を構成することも可能である。また、シリコン基板をn型にすることもできる。この場合、第1蓄積層をp型、基板表面層をn型とし、CIGS系光電変換膜を、基板側からp型、i型、n型の順にしてエネルギーバンドを傾斜化させればよい。また、カラコパイライト系化合物半導体であれば、上記以外の組成によって光電変換膜を形成してもよい。いずれにおいても、電荷増倍が生じるような不純物濃度プロファイルを形成すればよい。さらに、光電変換膜を形成するための材料としては、例えば、GaAs / InPや、CuInGaS / CuInGaSe / AgInGaSe2、FeS2 / Cu2S / SnS2 / BaSi2、GaP、InGaPなどを用いることができる。   In addition, about 1st-6th embodiment, it is also possible to comprise embodiment by arbitrary combinations each selectively. Further, the silicon substrate can be n-type. In this case, the first accumulation layer may be p-type, the substrate surface layer may be n-type, and the CIGS photoelectric conversion film may be inclined from the substrate side in the order of p-type, i-type, and n-type in order to incline the energy band. . Moreover, as long as it is a chalcopyrite compound semiconductor, the photoelectric conversion film may be formed with a composition other than the above. In either case, an impurity concentration profile that causes charge multiplication may be formed. Furthermore, as a material for forming the photoelectric conversion film, for example, GaAs / InP, CuInGaS / CuInGaSe / AgInGaSe2, FeS2 / Cu2S / SnS2 / BaSi2, GaP, InGaP, or the like can be used.

本実施形態では一眼レフ型カメラに上記画素構造の撮像センサ、測光センサ、測距センサを設けているが、それらの少なくともいずれかであってもよい。また、一眼レフ型カメラ以外のカメラ、あるいはその他の撮像装置においても適用可能である。   In the present embodiment, the single-lens reflex camera is provided with the image sensor, the photometric sensor, and the distance measuring sensor having the above pixel structure, but at least one of them may be used. Also, the present invention can be applied to cameras other than single-lens reflex cameras or other imaging devices.

10 デジタルカメラ(撮像装置)
32 撮像センサ(撮像素子)
37 測距センサ(撮像素子)
38 測光センサ
60 CIGS系光電変換膜(光電変換膜、第2種半導体)
62 p+CIGS層
70 シリコン基板(第1種半導体、半導体基板)
74 第1蓄積層(第1の半導体領域)
76 基板表面層(第2の半導体領域)
76A 電荷増倍領域


10 Digital camera (imaging device)
32 Imaging sensor (imaging device)
37 Ranging sensor (image sensor)
38 photometric sensor 60 CIGS photoelectric conversion film (photoelectric conversion film, second type semiconductor)
62 p + CIGS layer 70 Silicon substrate (first type semiconductor, semiconductor substrate)
74 First accumulation layer (first semiconductor region)
76 Substrate surface layer (second semiconductor region)
76A Charge multiplication region


Claims (7)

第1種半導体である第1導電型の半導体基板内に形成された第1種半導体の第2導電型からなる第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域に接合するように前記半導体基板の表面部分に形成された第1種半導体の第1導電型からなる第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域と接合するように形成される第2種半導体を用いた光電変換膜とを備え、
前記光電変換膜は、生成された光電荷が前記半導体基板側に移動するようにエネルギーバンドが傾斜されて形成され、
前記光電荷が第1の半導体領域と第2の半導体領域との接合部に注入されたとき、その接合部において電荷増倍が生じるように、前記半導体基板の不純濃度プロファイルが形成されていることを特徴とする撮像素子。
A first semiconductor region made of a second conductivity type of a first type semiconductor formed in a first conductivity type semiconductor substrate being a first type semiconductor;
A second semiconductor region of the first conductivity type of the first type semiconductor formed on the surface portion of the semiconductor substrate so as to be joined to the first semiconductor region;
A photoelectric conversion film using a second type semiconductor formed so as to be bonded to the second semiconductor region;
The photoelectric conversion film is formed with an energy band inclined so that the generated photocharge moves to the semiconductor substrate side,
The impurity concentration profile of the semiconductor substrate is formed so that when the photocharge is injected into the junction between the first semiconductor region and the second semiconductor region, charge multiplication occurs at the junction. An image sensor characterized by the above.
前記第1の半導体領域の不純物濃度がおよそ1017/cm3程度、厚さがおよそ500nmであり、
前記第2の半導体領域の不純物濃度がおよそ1018/cm3、厚さが30〜50nmであり、
前記第1の半導体領域をリセットする電圧が少なくとも5V以上であることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
The impurity concentration of the first semiconductor region is about 10 17 / cm 3 and the thickness is about 500 nm;
The impurity concentration of the second semiconductor region is about 10 18 / cm 3 and the thickness is 30 to 50 nm;
The imaging device according to claim 1, wherein a voltage for resetting the first semiconductor region is at least 5 V or more.
前記光電変換膜を覆うように形成される第1導電型の半導体領域をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至2のいずれかに記載の撮像素子。   The image pickup device according to claim 1, further comprising a first conductivity type semiconductor region formed so as to cover the photoelectric conversion film. 前記光電変換膜が、前記半導体基板から前記光電変換膜の表面側に向けて、第導電型、真性半導体型、第導電型の順に導電性領域を形成していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の撮像素子。 The photoelectric conversion film has a conductive region formed in the order of the second conductivity type, the intrinsic semiconductor type, and the first conductivity type from the semiconductor substrate toward the surface side of the photoelectric conversion film. Item 4. The imaging device according to any one of Items 1 to 3. 前記第1種半導体がシリコン半導体、前記第2種半導体がカルコパイライト系化合物半導体であり、
前記第1導電型がp型、第2導電型がn型であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の撮像素子。
The first type semiconductor is a silicon semiconductor, the second type semiconductor is a chalcopyrite compound semiconductor,
5. The image sensor according to claim 1, wherein the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type.
請求項1乃至5のいずれに記載の撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記撮像素子を、撮像センサ、測光センサ、測距センサのうち少なくとも測距センサとして備えていることを特徴とする撮像装置。
An imaging apparatus comprising the imaging device according to claim 1,
An imaging apparatus comprising the imaging device as at least a distance measuring sensor among an imaging sensor, a photometric sensor, and a distance measuring sensor.
前記撮像素子を駆動する撮像素子駆動部を備え、
前記撮像素子駆動部が、光電変換期間中、前記第1の半導体領域に蓄積された電荷を、前記第1の半導体領域と隣接して形成される第2導電型の第3の半導体領域へ間欠的に転送することを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。


An image sensor driving unit for driving the image sensor;
The image sensor driving unit intermittently charges accumulated in the first semiconductor region to a third semiconductor region of a second conductivity type formed adjacent to the first semiconductor region during a photoelectric conversion period. The image pickup apparatus according to claim 6, wherein the image pickup apparatus transfers the data in an automatic manner.


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