JP7087374B2 - Semiconductor devices, image pickup devices and optical sensors - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 特許法第30条第2項適用、平成29年6月29日龍谷大学響都ホールにおいて開催された、IMFEDK2017にて発表Application of Article 30,
本発明は、半導体装置、撮像装置及び光センサに関する。 The present invention relates to a semiconductor device, an image pickup device and an optical sensor.
一般的に、光電変換素子は受光量に対して出力信号が線形特性を持つものが多い。光電変換素子を撮像素子に用いる場合、人間の見たものをそのまま再現することが求められ、人間の眼の捉える光の情報は信号量を対数圧縮した形で扱う必要があることが知られている。このため、光電変換素子の出力信号を対数圧縮する技術が議論され、扱う光量のダイナミックレンジを拡大する技術がある。 In general, many photoelectric conversion elements have a linear characteristic in the output signal with respect to the amount of received light. When a photoelectric conversion element is used as an image sensor, it is required to reproduce what the human eye sees as it is, and it is known that the information of light captured by the human eye needs to be handled in the form of logarithmic compression of the signal amount. There is. Therefore, a technique for logarithmically compressing the output signal of the photoelectric conversion element has been discussed, and there is a technique for expanding the dynamic range of the amount of light to be handled.
例えば、特許文献1に、光電変換特性のダイナミックレンジの対数圧縮、画質(色調)の改善、熱雑音の低減、処理時間の短縮を目的として、光電変換素子にMOSFETが直列に接続された撮像装置が記載されている。
For example, in
しかしながら、従来の撮像装置では、対数圧縮できるレンジが十分ではなく、出力電流を適切に制御することが困難である。露光時間が異なる複数回の画素出力を得て、それらを信号処理によって合成することで広ダイナミックレンジの画像を得る技術も知られているが、この技術では、複数回の画素出力を取得するための処理が煩雑である。 However, in the conventional image pickup apparatus, the range in which logarithmic compression is possible is not sufficient, and it is difficult to appropriately control the output current. There is also known a technique of obtaining multiple pixel outputs with different exposure times and synthesizing them by signal processing to obtain an image with a wide dynamic range. However, in this technique, multiple pixel outputs are obtained. Processing is complicated.
本発明は、ダイナミックレンジが広い入射光に対応する信号を適切なダイナミックレンジに圧縮して出力することができる半導体装置、撮像装置及び光センサを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device, an image pickup device, and an optical sensor capable of compressing and outputting a signal corresponding to incident light having a wide dynamic range to an appropriate dynamic range.
半導体装置の一態様は、電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタのチャネルに接続され、前記電界効果トランジスタのしきい値電圧を変化させる光電変換部と、を有し、前記光電変換部は、バイポーラ構造のフォトトランジスタを有し、前記フォトトランジスタのベース及び前記チャネルが互いに同一の電位にあり、前記フォトトランジスタのエミッタ及び前記電界効果トランジスタのソースが互いに同一の電位にあり、前記フォトトランジスタのコレクタ及び前記電界効果トランジスタのドレインが互いに同一の電位にあり、前記エミッタ及び前記ソースを含む第1導電型の第1の半導体領域と、前記ベース及び前記チャネルを含む第2導電型の第2の半導体領域と、前記コレクタ及び前記ドレインを含む第1導電型の第3の半導体領域と、を有し、前記第2の半導体領域は前記第1の半導体領域の下にあり、前記第3の半導体領域は前記第2の半導体領域の下にあり、前記第3の半導体領域まで到達する溝が形成され、前記溝内にゲート絶縁膜及びゲート電極を有し、前記ゲート電極に印加する電圧が0.5[V]~1.2[V]の範囲において、前記電圧を大きくするほど光電流の変化量が小さくなり、前記フォトトランジスタに照射された光の量の変化に対する前記光電流の変化のダイナミックレンジが圧縮されることを特徴とする。 One aspect of the semiconductor device includes an electric field effect transistor and a photoelectric conversion unit connected to a channel of the electric field effect transistor to change the threshold voltage of the electric field effect transistor, and the photoelectric conversion unit is bipolar. It has a phototransistor of structure, the base of the phototransistor and the channel are at the same potential, the emitter of the phototransistor and the source of the electric field effect transistor are at the same potential, and the collector of the phototransistor and the collector of the phototransistor. The drains of the electric field effect transistors are at the same potential as each other, and the first semiconductor region of the first conductive type including the emitter and the source and the second semiconductor region of the second conductive type including the base and the channel. And a first conductive type third semiconductor region including the collector and the drain, the second semiconductor region is below the first semiconductor region, and the third semiconductor region is. A groove is formed below the second semiconductor region and reaches the third semiconductor region, the gate insulating film and the gate electrode are provided in the groove, and the voltage applied to the gate electrode is 0.5. In the range of [V] to 1.2 [V], the amount of change in the photocurrent becomes smaller as the voltage is increased, and the dynamic range of the change in the photocurrent with respect to the change in the amount of light irradiated to the phototransistor. Is characterized by being compressed .
本発明によれば、ダイナミックレンジが広い入射光に対応する信号を適切なダイナミックレンジに圧縮して出力することができる。 According to the present invention, a signal corresponding to incident light having a wide dynamic range can be compressed to an appropriate dynamic range and output.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
まず、第1の実施形態に係る半導体装置について説明する。図1は、第1の実施形態に係る半導体装置を示す回路図である。
(First Embodiment)
First, the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to the first embodiment.
第1の実施形態に係る半導体装置100は、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)110と、FET110のチャネル114に接続された光電変換部120と、を含む。FET110は、例えばゲート111、ソース112、ドレイン113及びチャネル114を含むMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタである。
The
半導体装置100では、光電変換部120に光が照射されると、光電変換部120が受光量に応じた電荷又は電位を生成する。従って、光電変換部120が接続されたチャネル114の電位、例えばFET110の基板電位が光電変換部120の受光量に応じて変化する。FET110がNチャネルMOSトランジスタであり、正孔がチャネル114に移動してくれば、チャネル114の電位が正の方向に上昇するため、基板バイアス効果により、FET110のしきい値電圧が低下する。このため、ゲート電圧が一定であれば出力電流が大きくなる。また、FET110の動作領域がサブスレッショルド領域であれば、出力電流はしきい値電圧の変化に対して対数的に変化するため、出力電流が大きく変化する。更に、ゲート電圧を変化させることで、受光量に応じた出力電流の変化量を制御することもできる。
In the
このように、第1の実施形態によれば、光電変換部120が光子を受けることによって生成した電荷又は電位差を、FET110のチャネル114の電位の制御に用いることで、FET110の電気特性を対数的に変化させることができる。従って、ダイナミックレンジが広い入射光に対応する信号を適切なダイナミックレンジに圧縮して出力することができる。
As described above, according to the first embodiment, the electric charge or potential difference generated by the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る半導体装置について説明する。図2は、第2の実施形態に係る半導体装置を示す回路図である。図3は、第2の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(Second embodiment)
Next, the semiconductor device according to the second embodiment will be described. FIG. 2 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment.
第2の実施形態に係る半導体装置200は、図2に示すように、FET210と、FET210のチャネル214にアノード222が接続されたフォトダイオード220と、を含む。FET210は、ゲート211、ソース212、ドレイン213及びチャネル214を含むNチャネルMOSトランジスタである。フォトダイオード220のカソード221には、例えば電源電圧が供給される。
As shown in FIG. 2, the
半導体装置200は、図3に示すように、P型シリコン基板251の表面に形成された素子分離膜253a、素子分離膜253aに囲まれた領域内の素子分離膜253b、並びに素子分離膜253aと素子分離膜253bとの間のゲート絶縁膜254及びゲート電極255を含む。素子分離膜253aに囲まれた領域内でP型シリコン基板251の表面にPウェル252が形成され、素子分離膜253bに囲まれた領域内でPウェル252の表面にカソード用のN型不純物拡散層256cが形成されている。素子分離膜253aと素子分離膜253bとの間で、ゲート電極255の素子分離膜253a側にソース用のN型不純物拡散層256sが形成され、素子分離膜253b側にドレイン用のN型不純物拡散層256dが形成されている。Pウェル252はチャネル214として機能する部分及びアノード222として機能する部分を含む。
As shown in FIG. 3, the
半導体装置200では、フォトダイオード220に光が照射されると、フォトダイオード220が受光量に応じて電子正孔対を発生させ、電子はカソード221に向けて移動し、正孔はアノード222に向けて移動し、ドリフト電流が生じる。そして、アノード222側へ移動した正孔はFET210のチャネル214(バック領域)に蓄積され、チャネル214の電位が正の方向に上昇する。すなわち、N型不純物拡散層256cとPウェル252との界面に光が照射されると、正孔がPウェル252に蓄積され、FET210のチャネル214の電位が正の方向に上昇する。ここで、チャネル214の電位の上昇分は、受光量に比例して大きくなる。このため、基板バイアス効果により、受光量に応じてFET210のしきい値電圧が低下し、ゲート電圧が一定であれば出力電流が大きくなる。また、FET210の動作領域がサブスレッショルド領域であれば、出力電流はしきい値電圧の変化に対して対数的に変化するため、出力電流が大きく変化する。更に、ゲート電圧を変化させることで、受光量に応じた出力電流の変化量を制御することもできる。
In the
このように、第2の実施形態によれば、フォトダイオード220が光子を受けることによって生成した電荷又は電位差を、FET210のチャネル214の電位の制御に用いることで、FET210の電気特性を対数的に変化させることができる。従って、ダイナミックレンジが広い入射光に対応する信号を適切なダイナミックレンジに圧縮して出力することができる。
Thus, according to the second embodiment, the electric charge or potential difference generated by the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態に係る半導体装置について説明する。図4は、第3の実施形態に係る半導体装置を示す回路図である。図5は、第3の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図6は、第3の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図6は、図5中のI-I線に沿った断面図に相当する。
(Third embodiment)
Next, the semiconductor device according to the third embodiment will be described. FIG. 4 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 5 is a plan view showing the semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 6 corresponds to a cross-sectional view taken along the line I-I in FIG.
第3の実施形態に係る半導体装置300は、図4に示すように、FET310と、FET310のチャネル314にベース321が接続されたフォトトランジスタ320と、を含む。FET310は、ゲート311、ソース312、ドレイン313及びチャネル314を含むNチャネルMOSトランジスタである。フォトトランジスタ320は、ベース321、エミッタ322及びコレクタ323を含むNPN型のバイポーラトランジスタであり、エミッタ322はソース312に接続され、コレクタ323はドレイン313に接続される。
As shown in FIG. 4, the
半導体装置300は、図5及び図6に示すように、N型シリコン基板351の表面に形成されたPウェル352、並びにPウェル352上にその輪郭に沿って形成されたゲート絶縁膜354及びゲート電極355を含む。ゲート電極355に囲まれた領域内では、Pウェル352の表面にN型不純物拡散層356が形成されている。N型シリコン基板351はドレイン313として機能する部分及びコレクタ323として機能する部分を含む。Pウェル352はチャネル314として機能する部分及びベース321として機能する部分を含む。N型不純物拡散層356はソース312として機能する部分及びエミッタ322として機能する部分を含む。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
図7は、半導体装置300の作用を示すバンド図である。半導体装置300では、フォトトランジスタ320に光が照射されると、フォトトランジスタ320が受光量に応じて電子正孔対を発生させ、電子はコレクタ323に向けて、正孔はベース321に向けて移動し、ドリフト電流が生じる。ベース321とエミッタ322との間にPN接合のポテンシャル障壁が存在するため、ベース321側へ移動した正孔は蓄積され、ベース321のポテンシャルを引き上げ、ベース321の電位が上昇する。そして、正孔の蓄積量が増加し、ベース-エミッタ間のポテンシャル障壁が十分低くなって順方向バイアス状態になると、エミッタ322側の電子がキャリアとしてコレクタ323側へ流れ込むようになる。この結果、フォトトランジスタ320から増幅された電流が出力される。ここで、フォトトランジスタ320が動作する際のベース321の電位の上昇分は、受光量に比例して大きくなる。半導体装置300では、ベース321及びチャネル314(バック領域)がPウェル352に含まれるため、ベース321の電位が上昇した分だけ、チャネル314の電位が上昇する。このため、基板バイアス効果により、受光量に応じてFET310のしきい値電圧が低下し、ゲート電圧が一定であれば出力電流が大きくなる。また、FET210の動作領域がサブスレッショルド領域であれば、出力電流はしきい値電圧の変化に対して対数的に変化するため、出力電流が大きく変化する。更に、ゲート電圧を変化させることで、受光量に応じた出力電流の変化量を制御することもできる。
FIG. 7 is a band diagram showing the operation of the
半導体装置300では、フォトトランジスタ320がFET310に並列に接続されており、受光によってフォトトランジスタ320で発生した正孔はFET310の基板バイアス効果を引き起こす。このため、FET310の電気特性が変化し、出力される光信号電流が変化する。そして、半導体装置300からは、フォトトランジスタ320による光信号電流に加え、基板バイアス効果によってしきい値電圧が下がったFET310のドレイン電流が出力される。従って、半導体装置300の出力電流は、低照度領域では、光信号電流にFET310の大きなドレイン電流が加えられたものとなり、高照度領域では、FET310のドレイン電流が目立たなくなって光信号電流が顕著になったものとなる。例えば、フォトトランジスタ320のエミッタ-コレクタ間の電流経路に関し、ゲート電極355による仕事関数差によりゲート電極355の近傍のベース領域が空乏化しやすい。従って、系に流れる電流が少ない場合には、FET310による電流成分が多くなる。このため、低照度領域の出力信号のみが引き上げられ、全体としては入射光の強度範囲に対して出力信号の電流範囲が圧縮される。
In the
このように、第3の実施形態によれば、フォトトランジスタ320が光子を受けることによって生成した電荷又は電位差を、FET310のチャネル314の電位の制御に用いることで、FET310の電気特性を対数的に変化させることができる。従って、ダイナミックレンジが広い入射光に対応する信号を適切なダイナミックレンジに圧縮して出力することができる。
As described above, according to the third embodiment, the electric charge or potential difference generated by the
なお、図8に示すように、N型シリコン基板351の表面に、N型不純物拡散層356と同様のN型不純物拡散層357が形成されていてもよい。N型不純物拡散層357はN型不純物拡散層356と並行して形成することができる。
As shown in FIG. 8, an N-type
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態に係る半導体装置について説明する。第4の実施形態は、第3の実施形態と同様に、FET310と、フォトトランジスタ320と、を含むが、これらを構成する層の構成が第3の実施形態と相違する。図9は、第4の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図10は、第4の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図10は、図9中のI-I線に沿った断面図に相当する。
(Fourth Embodiment)
Next, the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. The fourth embodiment includes the
第4の実施形態に係る半導体装置400は、図9及び図10に示すように、N型シリコン基板361の表面に形成されたPウェル362、並びにPウェル362を取り囲む溝(トレンチ)内に形成されたゲート絶縁膜364及びゲート電極365を含む。Pウェル362の表面にN型不純物拡散層366が形成されている。N型シリコン基板361はドレイン313として機能する部分及びのコレクタ323として機能する部分を含む。Pウェル362はチャネル314として機能する部分及びベース321として機能する部分を含む。N型不純物拡散層366はソース312として機能する部分及びエミッタ322として機能する部分を含む。このように、第4の実施形態では、FET310がフォトトランジスタ320の全周にわたって寄生したような構成を有する。
As shown in FIGS. 9 and 10, the
第4の実施形態においても第3の実施形態と同様の動作が行われ、第4の実施形態によっても第3の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第4の実施形態は、省面積化の点で第3の実施形態より好ましい。一方、第3の実施形態は、溝(トレンチ)を必要としないため、製造しやすさの点で第4の実施形態より好ましい。 The same operation as that of the third embodiment is performed in the fourth embodiment, and the same effect as that of the third embodiment can be obtained by the fourth embodiment. The fourth embodiment is preferable to the third embodiment in terms of area saving. On the other hand, the third embodiment does not require a groove (trench), and is therefore preferable to the fourth embodiment in terms of ease of manufacture.
ここで、半導体装置400の特性について説明する。図11は、半導体装置400におけるゲートバイアスと光電流との関係を示すグラフである。図12は、半導体装置400における光強度と光電流との関係を示すグラフである。図11及び図12に示すように、FET310のゲート電極365に印加する電圧(ゲートバイアス(VTG))毎に、光強度が0.01[lux]の暗状態と約100[lux]の明状態との間の光電流の差が相違する。すなわち、概ね0.5[V]~1.2[V]の範囲において、ゲートバイアスを大きくするほど、光電流の変化量が小さくなり、受光量の変化に対する光電流の変化のダイナミックレンジが圧縮される。
Here, the characteristics of the
なお、ゲートバイアスは、FET310が弱反転状態を維持できる電圧とすることが望ましい。例えば、図11に示す例では、ゲートバイアスが1.2[V]超となると、FET310が強反転してリーク電流が大きくなり、光信号電流の検出が困難となるおそれがある。
The gate bias is preferably a voltage at which the
図13は、半導体装置400の出力特性を示すグラフである。図13には、半導体装置400の電流出力を、積分アンプを用いて電流電圧変換を行った出力特性を示してある。図13に示すように、照射される光の強度の変化のダイナミックレンジが120dBであるのに対して、出力される信号電圧の変化のダイナミックレンジは60dBであり、レンジが60dB(1000倍)小さくされている。つまり、ダイナミックレンジを圧縮できている。従って、半導体装置400を撮像装置に用いた場合には、1回の画素出力でダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。このような撮像装置は動画の撮像に好適であり、特に、動きの速い物体検知として車載用ステレオカメラ等の車載用カメラに好適である。また、広ダイナミックレンジの撮像が可能という利点を活用して、監視カメラへの応用も好適である。
FIG. 13 is a graph showing the output characteristics of the
ゲートバイアスは、周囲の明るさに応じて自動的に制御されてもよく、ユーザが好みに応じて手動で設定してもよい。図12及び図13に示すように、ゲートバイアスに応じて半導体装置の出力電流の範囲を制御することができる。 The gate bias may be controlled automatically according to the ambient brightness, or may be manually set by the user according to preference. As shown in FIGS. 12 and 13, the range of the output current of the semiconductor device can be controlled according to the gate bias.
なお、図14に示すように、Pウェル362のうち、FET310のチャネル314として機能する部分を覆うようにして、ゲート電極365に接続される金属膜372が形成されていることが好ましい。金属膜372とN型不純物拡散層366との間には絶縁膜371が形成される。
As shown in FIG. 14, it is preferable that the
この構成によれば、チャネル314への光の照射に伴うFET310の誤動作をより確実に抑制することができる。一般的に、FETは暗状態で用いられることを前提に構成されており、光が照射されると、オフリーク電流の増加等の不具合が生じるおそれがある。図14に示す例では、金属膜372が遮光膜として機能するため、正常動作の信頼性を向上することができる。
According to this configuration, it is possible to more reliably suppress the malfunction of the
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態に係る半導体装置について説明する。図15は、第5の実施形態に係る半導体装置を示す回路図である。図16は、第5の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(Fifth Embodiment)
Next, the semiconductor device according to the fifth embodiment will be described. FIG. 15 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to the fifth embodiment. FIG. 16 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the fifth embodiment.
第5の実施形態に係る半導体装置500は、図15に示すように、FET510と、FET510のチャネル514に接続された光電変換材料520と、を含む。FET510は、ゲート511、ソース512、ドレイン513及びチャネル514を含むNチャネルMOSトランジスタである。光電変換材料520は、例えば硫化カドミウム(CdS)膜である。CdSは、受光量が多いほど抵抗値が低下するという性質を有する。
As shown in FIG. 15, the
半導体装置500は、図16に示すように、P型シリコン基板551の表面に形成された素子分離膜553a、素子分離膜553aに囲まれた領域内の素子分離膜553b、並びに素子分離膜553aと素子分離膜553bとの間のゲート絶縁膜554及びゲート電極555を含む。素子分離膜553aに囲まれた領域内でP型シリコン基板551の表面にPウェル552が形成され、素子分離膜553bに囲まれた領域内でPウェル552の表面にCdS膜557が形成されている。素子分離膜553aと素子分離膜553bとの間で、ゲート電極555の素子分離膜553a側にソース用のN型不純物拡散層556sが形成され、素子分離膜553b側にドレイン用のN型不純物拡散層556dが形成されている。CdS膜557には、電源電圧VDDが供給される。Pウェル552はチャネル514として機能する部分を含む。
As shown in FIG. 16, the
半導体装置500では、光電変換材料520に光が照射されると、光電変換材料520の抵抗値が受光量に応じて変化するため、Pウェル552の電位も受光量に応じて変化する。すなわち、CdS膜557に光が照射されると、FET510のチャネル514の電位が正の方向に上昇する。ここで、チャネル514(バック領域)の電位の上昇分は、受光量に比例して大きくなる。このため、基板バイアス効果により、受光量に応じてFET510のしきい値電圧が低下し、ゲート電圧が一定であれば出力電流が大きくなる。また、FET510の動作領域がサブスレッショルド領域であれば、出力電流はしきい値電圧の変化に対して対数的に変化するため、出力電流が大きく変化する。更に、ゲート電圧を変化させることで、受光量に応じた出力電流の変化量を制御することもできる。
In the
このように、第5の実施形態によれば、光電変換材料520が光子を受けることによって生成した電荷又は電位差を、FET510のチャネル514の電位の制御に用いることで、FET510の電気特性を対数的に変化させることができる。従って、ダイナミックレンジが広い入射光に対応する信号を適切なダイナミックレンジに圧縮して出力することができる。
As described above, according to the fifth embodiment, the electric charge or potential difference generated by the
(第6の実施形態)
次に、第6の実施形態に係る光センサについて説明する。図17は、第6の実施形態に係る光センサを示す図である。図18は、第6の実施形態に係る光センサの具体的な構成の一例を示す回路図である。
(Sixth Embodiment)
Next, the optical sensor according to the sixth embodiment will be described. FIG. 17 is a diagram showing an optical sensor according to a sixth embodiment. FIG. 18 is a circuit diagram showing an example of a specific configuration of the optical sensor according to the sixth embodiment.
第6の実施形態に係る光センサ600は、第1~第5の実施形態に係る半導体装置のいずれかを含む。従って、光センサ600の出力信号は、入射光の光量に応じて変化する。
The
図18に示すように、光センサ600は、光検知部601、オペアンプ602、抵抗603及び抵抗604を含む。光検知部601は第1~第5の実施形態に係る半導体装置のいずれかを含み、この半導体装置のソースが接地され、ドレインに抵抗603の一端が接続され、抵抗603の他端がオペアンプ602の反転入力端子(-)に接続される。オペアンプ602の非反転入力端子(+)には入力端子605から信号が入力される。出力端子606と反転入力端子(-)との間には抵抗604がフィードバック抵抗として接続される。
As shown in FIG. 18, the
光センサ600では、光検知部601に含まれるFETのソース-ドレイン間の抵抗値RSDと抵抗603の抵抗値R603との和と、抵抗604の抵抗値R604との比によってオペアンプ602のゲインが決定される。光検知部601に光が入射すると、光検知部601に含まれるFETのチャネルの電位が変化し、しきい値電圧が変化する。FETのゲート電圧(ゲートバイアス)が一定であれば、ドレイン電流が変化して抵抗値RSDが変化するため、オペアンプ602のゲインも入射光の光量に応じて変化する。従って、ゲートバイアスに応じてドレイン電流の範囲を制御し、オペアンプ602のゲインを制御することができる。
In the
このように、第6の実施形態によれば、入射した光量に応じた出力信号が得られる。また、光検知部601に第1~第5の実施形態に係る半導体装置のいずれかが含まれるため、図18に示す回路を適切に設計することで入射した光量に応じて、出力信号のダイナミックレンジを制御することができる。例えば、入射した光量に応じて、駆動させる負荷を様々に変化させることができる。つまり、玩具に使われるような小さなモータから車両の駆動に用いられるような大きなモータまでを受光量に応じて制御することも可能となる。
As described above, according to the sixth embodiment, an output signal corresponding to the amount of incident light can be obtained. Further, since the
なお、オペアンプ602は非反転増幅回路に限定されず、オペアンプが反転増幅回路又は積分回路等であってもよい。
The
(第7の実施形態)
次に、第7の実施形態に係る撮像装置について説明する。図19は、第7の実施形態に係る撮像装置を示す図である。図20は、画素アレイを示す図である。
(7th Embodiment)
Next, the image pickup apparatus according to the seventh embodiment will be described. FIG. 19 is a diagram showing an image pickup apparatus according to a seventh embodiment. FIG. 20 is a diagram showing a pixel array.
第7の実施形態に係る撮像装置700は、図19に示すように、本体部703及びレンズ部702を含む。本体部703は画素アレイ701を含む。画素アレイ701は、図20に示すように、アレイ状に配列した複数の半導体装置400を含む。隣り合う半導体装置400の間で、溝(トレンチ)内に形成されたゲート絶縁膜364及びゲート電極365が共有されている。
As shown in FIG. 19, the
撮像装置700では、画素アレイ701が、レンズ部702を通して得られた光信号の分布を画像とする。画素アレイ701に半導体装置400が含まれているため、ダイナミックレンジが広い画像に対応する信号を適切なダイナミックレンジに圧縮して出力することができる。
In the
(第8の実施形態)
次に、第8の実施形態に係るステレオカメラについて説明する。図21は、第8の実施形態に係るステレオカメラを示す図である。
(8th Embodiment)
Next, the stereo camera according to the eighth embodiment will be described. FIG. 21 is a diagram showing a stereo camera according to the eighth embodiment.
第8の実施形態に係るステレオカメラ800は、第7の実施形態に係る撮像装置700を含む。そして、このステレオカメラ800は、図21に示すように、乗用車等の車両801に搭載され、車両801の移動中に、進行方向の状況の動画を撮像する。そして、ステレオカメラ800が接続された制御装置が交通事故に繋がるような物体803を動画中に検出した場合には、減速等の措置が速やかにとられる。
The
車両801の移動中には周囲の明るさが急激に変化することもあるが、ステレオカメラ800は、広ダイナミックレンジの被写体の撮像に適した撮像装置700を含んでいるため、このような場合でも、ダイナミックレンジの広い動画を得ることができる。例えば、トンネル内を走行しているときに明るいトンネル外を撮像する場合でも、白飛びのない動画を得ることができる。従って、ステレオカメラ800を搭載した車両801の安全性を高めることができる。
The ambient brightness may change abruptly while the
第7の実施形態及び第8の実施形態において、画素アレイ701が、第4の実施形態に係る半導体装置400に代えて、第1、第2、第3又は第5の実施形態の半導体装置を含んでもよい。
In the seventh embodiment and the eighth embodiment, the
(第9の実施形態)
次に、第9の実施形態に係る送風装置について説明する。図22は、第9の実施形態に係る送風装置を示す図である。
(9th embodiment)
Next, the blower device according to the ninth embodiment will be described. FIG. 22 is a diagram showing a blower device according to a ninth embodiment.
第9の実施形態に係る送風装置900は、第6の実施形態に係る光センサ600及びモータ901を含む。モータ901は、光センサ600からの出力電流に応じて回転速度を調整する。例えば、明るい場所ほど、光センサ600からの出力電流が大きく、モータ901が高速で回転する。従って、周囲の明るさに応じて扇風機等の送風装置900の風量を自動的に調整することができる。例えば、日中の日差しに応じて風量を制御することができる。
The
送風装置900は扇風機に限定されず、天井ファン、壁掛け扇風機、サーキュレータ又はドライヤーであってもよい。
The
なお、光電変換部は、フォトダイオード、フォトトランジスタ又は光電変換材料に限定されず、光伝導デバイス、光電池、光電管又は光電子増倍管等であってもよい。また、半導体装置を構成する半導体領域の導電型が上記の実施形態と逆導電型になっていてもよい。例えば、電界効果トランジスタがPチャネルトランジスタであってもよい。 The photoelectric conversion unit is not limited to a photodiode, a phototransistor, or a photoelectric conversion material, and may be a photoconducting device, a photovoltaic cell, a phototube, a photomultiplier tube, or the like. Further, the conductive type of the semiconductor region constituting the semiconductor device may be the reverse conductive type as in the above embodiment. For example, the field effect transistor may be a P-channel transistor.
100、200、300、400、500 半導体装置
110、210、310、510 電界効果トランジスタ(FET)
111、211、311、511 ゲート
112、212、312、512 ソース
113、213、313、513 ドレイン
114、214、314、514 チャネル(バック領域)
120 光電変換部
220 フォトダイオード
221 カソード
222 アノード
320 フォトトランジスタ
321 ベース
322 エミッタ
323 コレクタ
520 光電変換材料
600 光センサ
700 撮像装置
800 ステレオカメラ
900 送風装置
100, 200, 300, 400, 500
111, 211, 311, 511
120
Claims (5)
前記電界効果トランジスタのチャネルに接続され、前記電界効果トランジスタのしきい値電圧を変化させる光電変換部と、
を有し、
前記光電変換部は、バイポーラ構造のフォトトランジスタを有し、
前記フォトトランジスタのベース及び前記チャネルが互いに同一の電位にあり、
前記フォトトランジスタのエミッタ及び前記電界効果トランジスタのソースが互いに同一の電位にあり、
前記フォトトランジスタのコレクタ及び前記電界効果トランジスタのドレインが互いに同一の電位にあり、
前記エミッタ及び前記ソースを含む第1導電型の第1の半導体領域と、
前記ベース及び前記チャネルを含む第2導電型の第2の半導体領域と、
前記コレクタ及び前記ドレインを含む第1導電型の第3の半導体領域と、
を有し、
前記第2の半導体領域は前記第1の半導体領域の下にあり、
前記第3の半導体領域は前記第2の半導体領域の下にあり、
前記第3の半導体領域まで到達する溝が形成され、
前記溝内にゲート絶縁膜及びゲート電極を有し、
前記ゲート電極に印加する電圧が0.5[V]~1.2[V]の範囲において、前記電圧を大きくするほど光電流の変化量が小さくなり、前記フォトトランジスタに照射された光の量の変化に対する前記光電流の変化のダイナミックレンジが圧縮されることを特徴とする記載の半導体装置。 Field effect transistor and
A photoelectric conversion unit connected to the channel of the field-effect transistor and changing the threshold voltage of the field-effect transistor,
Have,
The photoelectric conversion unit has a phototransistor having a bipolar structure.
The base of the phototransistor and the channel are at the same potential as each other.
The emitter of the phototransistor and the source of the field effect transistor are at the same potential.
The collector of the phototransistor and the drain of the field effect transistor are at the same potential.
The first semiconductor region of the first conductive type including the emitter and the source, and
A second semiconductor region of the second conductive type including the base and the channel,
A third semiconductor region of the first conductive type including the collector and the drain, and
Have,
The second semiconductor region is below the first semiconductor region.
The third semiconductor region is below the second semiconductor region.
A groove is formed to reach the third semiconductor region, and the groove is formed.
It has a gate insulating film and a gate electrode in the groove.
When the voltage applied to the gate electrode is in the range of 0.5 [V] to 1.2 [V], the amount of change in the photocurrent decreases as the voltage increases, and the amount of light applied to the phototransistor. The semiconductor device according to the above description, wherein the dynamic range of the change of the photocurrent with respect to the change of the above is compressed .
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010225797A (en) | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Ricoh Co Ltd | Semiconductor device |
JP2013187527A (en) | 2012-03-12 | 2013-09-19 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Semiconductor device and imaging apparatus |
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Family Cites Families (5)
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---|---|---|---|---|
JPS63172476A (en) * | 1987-01-12 | 1988-07-16 | Canon Inc | Photoelectric conversion device |
JP2692218B2 (en) * | 1988-12-29 | 1997-12-17 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device |
JPH04880A (en) * | 1990-04-17 | 1992-01-06 | Sony Corp | Solid-state image pickup device |
US5324958A (en) * | 1991-02-19 | 1994-06-28 | Synaptics, Incorporated | Integrating imaging systgem having wide dynamic range with sample/hold circuits |
JPH1074928A (en) * | 1996-08-30 | 1998-03-17 | Sony Corp | Amplification type solid-state image pickup element and its driving method |
-
2017
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010225797A (en) | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Ricoh Co Ltd | Semiconductor device |
JP2013187527A (en) | 2012-03-12 | 2013-09-19 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Semiconductor device and imaging apparatus |
JP2016152377A (en) | 2015-02-19 | 2016-08-22 | 株式会社リコー | Semiconductor device, manufacturing method for the same and imaging device |
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