JPH03256369A - Infrared sensor - Google Patents

Infrared sensor

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JPH03256369A
JPH03256369A JP2055447A JP5544790A JPH03256369A JP H03256369 A JPH03256369 A JP H03256369A JP 2055447 A JP2055447 A JP 2055447A JP 5544790 A JP5544790 A JP 5544790A JP H03256369 A JPH03256369 A JP H03256369A
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photodiode
charge
photodiodes
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transfer gate
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Akito Tanabe
顕人 田邊
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Abstract

PURPOSE:To reduce an electric charge generated by a nonessential dark current by a method wherein two photodiodes having a different photoelectric conversion characteristic are connected in series and an electric charge stored in the photodiode whose photoelectric conversion characteristic is high is transferred by using a charge-coupled device via a transfer gate. CONSTITUTION:When a Schottky diode constituted of P-type Si and of a platinum silicide is used, the thickness of PtSi films 10a, 10b at photodiodes 1 and 2 is different and the film at the photodiode 1 is thicker. In addition, reflecting aluminum 3 is formed only at the upper part of the photodiode 2, and a cavity structure is formed. By the ohmic contact of a P<+> layer 4 around the photodiode 1 with the photodiode 2, the photodiodes 1 and 2 are connected in series. Infrared rays are incident from the lower part. An electric charge stored in the photodiode 2 is read out by a vertical CCD by applying a pulse voltage to a transfer gate 20. By this structure, the photoelectric conversion characteristic of the photodiode 2 becomes higher than that of the photodiode 1.

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。[Detailed description of the invention] (Industrial application field) The present invention relates to an infrared sensor.

(従来の技術) 波長が3〜5pm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CODを組み合せたものが使用されている。第1
1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1o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
されるバリアハイドは、0.24eV程度であり、これ
より高いエネルギーの赤外線を光電変換する。第12図
に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合容量に蓄積され、蓄積時間終
了後トランスファゲートTG(MO8型スイッチ)をオ
ンしてCODで電荷転送している。バリアハイドが0.
24eVと小さいためと暗電流成分を小さくするために
、77に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AI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で吸収されながっ
た赤外線を、AI層3で反射するので光電変換効率を向
上できる。
(Prior Art) A one-dimensional or two-dimensional sensor that detects infrared rays having a wavelength of 3 to 5 pm uses a combination of a one-dimensional or two-dimensional array of photodiodes and a COD. 1st
As shown in FIG. 1, the photodiode is a Schottky via type diode in which a platinum silicide film 1o is formed on a P-type silicon substrate 100. The barrier hide formed at this time has a voltage of about 0.24 eV, and photoelectrically converts infrared rays of energy higher than this. As shown in the equivalent circuit in Figure 12, the signal charge generated by the photodiode is accumulated in the capacitance connected in parallel with the photodiode or in the junction capacitance of the photodiode itself, and after the accumulation time is over, the transfer gate TG (MO8 type switch) is turned on. Then, charge is transferred using COD. Barrier hide is 0.
Because the voltage is as low as 24 eV and to reduce the dark current component, it is used after being cooled to about 77 volts. A cavity structure consisting of an oxide film 6 and an AI layer 3 is formed on the photodiode. Infrared rays enter from the back surface of the substrate, but by doing so, the infrared rays that are not absorbed by the platinum silicide film 10 are reflected by the AI layer 3, so that the photoelectric conversion efficiency can be improved.

(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、COD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、COD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。
(Problem to be Solved by the Invention) Since the charges accumulated in the photodiode are transferred by the COD, the capacity of the photodiode for accumulating charges is made smaller than the capacity of the CCD. Although there is a limit to the maximum amount of charge of a photodiode as described above, in addition to the necessary signal charge, there is usually a considerable amount of charge due to unnecessary dark current. This causes problems such as a small signal amount and a small dynamic range compared to the charge transfer ability of the COD.

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、COD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、CODの面積を
大きくしてCOD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。
This unnecessary charge is caused by reverse current due to thermal excitation, and can be reduced by further cooling the device temperature, but new problems arise, such as a decrease in COD transfer efficiency and a cooling method. There is also a method of increasing the capacity of the COD by increasing the area of the COD, but this results in a decrease in fill factor.

(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
(Means for Solving the Problems) The infrared sensor of the first invention is characterized in that two photodiodes having different photoelectric conversion characteristics are connected in series.

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。
The infrared sensor of the second invention is characterized in that a diode having a structure that blocks infrared rays and a photodiode that photoelectrically converts infrared rays are connected in series.

(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。
(Function) Charges accumulated in the photodiode include charges due to dark current and signal charges. The magnitude of this signal charge can be changed by changing the photoelectric conversion characteristics. Therefore, when these two diodes are connected in series as in the first invention, only the difference in signal charges can be stored in the photodiode 2, and charges due to unnecessary dark current can be reduced.

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。
Further, only dark current is generated in the first diode of the second invention, which has a structure that blocks infrared rays. Therefore, by connecting this and a normal photodiode in series, unnecessary charges due to dark current can be reduced, and only signal charges can be stored in the second photodiode.

(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、PtS
i膜10膜上0a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中層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CODに読み出す。第2図に等他回路を示す
。ホトダイオード1には正の一定電圧■1をかけ、ホト
ダイオード2にはTGのパルス電圧V2をかける。この
ときvlを■2より大きくし、ホトダイオード1.2が
ともに逆バイアスとなるようにする。
(Example) FIG. 1 shows a cross section of a one-pixel portion of a one-dimensional or two-dimensional sensor according to the first invention. A case is shown in which a Schottky diode made of p-type Si and platinum silicide (hereinafter referred to as PtSi) is used as a photodiode. Photodiodes 1 and 2 are PtS
The thickness of the i-film 10 on the film 0a is different, and the photodiode 1 is thicker. Furthermore, reflective aluminum 3 is formed only on the upper part of the photodiode 2, forming a cavity structure. The photodiodes 1 and 2 are connected in series through ohmic contact between the p-type intermediate layer 4 around the photodiode 1 and the photodiode 2. Infrared rays enter from the back side, that is, from the bottom of the figure. Then, a pulse voltage is applied to a transfer gate (TG) 20 to read out the charge accumulated in the photodiode 2 to the vertical COD. Figure 2 shows another circuit. A constant positive voltage 1 is applied to the photodiode 1, and a TG pulse voltage V2 is applied to the photodiode 2. At this time, vl is made larger than ■2 so that both photodiodes 1 and 2 are reverse biased.

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膜10bの方がホトダイオード1のP
tSi膜10膜上0a厚が薄いことによる。なお膜厚が
厚いは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(OpticalEngineering)2
6巻209ページ(1987))。
Due to this structure, the photoelectric conversion characteristics of the photodiode 2 are higher than those of the photodiode 1. In other words, since the cavity structure is formed on the photodiode 2, the amount of light incident on the photodiode can be increased, and the PtSi film 10b of the photodiode 2 is more
This is due to the thin thickness of the tSi film 10. Note that the thicker the film, the worse the photoelectric conversion characteristics (Optical Engineering 2)
Volume 6, page 209 (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はバリアハイドは同じなので、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。
Figure 3 shows an energy band diagram. Photodiode 1
and 2 have the same barrier hydride, so if the reverse bias is made equal, the dark current values of both can be made equal. In this case, the electrons generated by the photodiode 2 are recombined with the holes generated by the photodiode 1, and unnecessary charges due to dark current can be reduced. On the other hand, when signal light is incident, more signal charges are generated in the photodiode 2 than one, and the difference is accumulated.

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。
The situation is shown in Figure 4. Here, Qmax and PD are the maximum amount of charge that can be stored in the photodiode 2.

次に第2の発明の詳細な説明する。Next, the second invention will be explained in detail.

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ツ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COD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。
Figures 6, 7 and 8 show one pixel portion of a one-dimensional or two-dimensional sensor according to the invention. First, the embodiment shown in FIG. 6 will be explained. P to the photodiode
Type Si and platinum silicide films 10a, b (hereinafter referred to as PtSi
The case is shown in which a Schottski diode composed of a film (indicated by 1) is used. A light-shielding aluminum layer 3 is provided only on the upper part of the photodiode 1, so that the structure is shielded from infrared rays. Photodiodes 1 and 2 are connected in series through ohmic contact between photodiode 2 and p+ layer 4 around photodiode 1 . Infrared rays enter from the surface, that is, from the top of the figure. Then, the charges accumulated in the photodiode 2 are read out to the vertical COD by applying a pulse voltage to the transfer gate (TG). The equivalent circuit is the same as that shown in FIG. 2, and the operation is also the same.

第9図にエネルギーバンド図を示す。ホトダイオードl
と2の暗電流は、■□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。
Figure 9 shows an energy band diagram. photodiode l
The dark currents of and 2 can be made equal to the value of ■□. In this case, the electrons generated in the photodiode 2 are recombined with the holes generated by the photodiode 1, and unnecessary charges due to the dark current can be reduced. On the other hand, when signal light is incident, signal charges are generated only in the photodiode 2 and are accumulated. The situation is shown in FIG. 10, where Qmax and FD are the maximum amount of charge that can be stored in the photodiode 2.

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
厚く形威し、ホトダイオード2の上部に反射アルミ12
を形威している。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。
Next, the embodiment shown in FIG. 7 will be explained. The p+ layer 4 of the photodiode in the embodiment shown in FIG.
It has an imposing shape. Infrared rays enter from the back side, that is, from the bottom of the figure. Since the infrared rays are absorbed by the p+ layer 4, the photodiode 1 is not irradiated with the infrared rays. The reflective aluminum of the photodiode 2 has at least the effect of the present invention, but by having a cavity structure as shown in FIG. 7, the photoelectric conversion characteristics can be improved compared to the front-illuminated embodiment shown in FIG. 6.

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
を形威し、赤外線がホトダイオード2のみに入射するよ
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。
Finally, the embodiment shown in FIG. 8 will be explained. In a backside illumination device, a microlens is formed on the backside as shown in FIG. 8 so that infrared rays are incident only on the photodiode 2. By doing so, the decrease in fill factor can be offset.

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。
Furthermore, which can be applied to all of the embodiments of the first and second inventions described above, in addition to increasing the reverse bias of the photodiode 1, the height of the barrier of the photodiode 1 may be decreased to increase the dark current density. Therefore, the area of the photodiode 1 can be reduced.

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。
To reduce the height of the barrier, (1) photodiode 1
Converts the metal into iridium, which has a higher work function, (
2) There is a method of increasing the P-type impurity concentration of the metal contact portion of the Si substrate in the photodiode 1.

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62−73240号)に記載のホモ接合型赤外
線センサ等にも適用できる。
Note that the present invention is not limited to the Schottky barrier type photodiode, but also to open pn photodiodes such as HgCdTe.
It can also be applied to a junction type infrared sensor, a homozygous type infrared sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-237583 (Japanese Patent Application No. 62-73240), and the like.

(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。従来は暗電流による電荷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)が小さがった。しがし本発明ではQdark
、 FDを削減する(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太きく(F+ma
x)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C
ODの最大転送電荷量を小さくできる、つまりCOD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。
(Effects of the Invention) The right diagram in FIG. 5 compares the amount of charge accumulated in the photodiode with respect to the amount of incident light between the conventional example and the embodiment of the present invention. The left figure also shows the charges stored in the vertical CCD potential well. Conventionally, charge Qdark due to dark current
, PD, the full capacity of the photodiode cannot be used effectively, and as a result, the saturation incident light amount Fmax (dynamic range) is reduced. However, in the present invention, Qdark
, reduce FD (best case Qdark, PD
), and most of the photodiode's capacity can be used to store signal charge. Therefore, if the maximum accumulated charge amount Qmax and PD of the photodiode are made the same (Figure 5 shows this case), the accumulated signal charge amount can be made larger than before,
Increasing the dynamic range (F+ma)
x) Can. Furthermore, when Fmax is kept constant, Qmax and PD can be made smaller. This is C
The maximum transfer charge amount of the OD can be reduced, which means that the area of the COD can be reduced, and the fill factor can be improved.

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。
Another effect is that in the conventional infrared sensor, the dark current is cooled to 77K in order to minimize the dark current, but in the present invention, the dark current is removed, so the temperature at which the diode characteristics are satisfied ( For example, the cooling temperature can be increased to 90K).

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。
Furthermore, although the sensor of the present invention only handles charges generated by photoelectric conversion, the temperature dependence of photoelectric conversion characteristics is smaller than that of dark current, so it also has the effect that its characteristics are less affected by temperature changes than conventional sensors. .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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層層、5・・・n層、6
・・・CVD酸化膜、7・・・熱酸化膜、8・・・n層
層、9・・・p層、11・・・ポリシリコン、100・
・・p型基板、13・・・マイクロレンズ
FIG. 1 is a diagram showing one pixel of a one-dimensional or two-dimensional sensor according to the first invention, FIG. 2 is an equivalent circuit diagram, and FIG.
FIG. 4 is a diagram showing the amount of charge accumulated in the photoelectric conversion section having the structure of the first invention with respect to the amount of incident light. FIG.
Figures 6, 7, and 8 showing the amount of charge relative to the amount of incident light for the conventional example and the first and second inventions are for one pixel of the one-dimensional or two-dimensional sensor according to the second invention. FIG. 9 is an energy band diagram of the photodiode section of the second invention, and FIG. 10 shows the amount of charge accumulated in the photoelectric conversion section having the structure of the second invention with respect to the amount of incident light. 11 and 12 are a diagram showing a pixel portion of a conventional two-dimensional sensor and an equivalent circuit diagram thereof, respectively. 1.2... Photodiode, 10a, b・PtSi
Membrane, 20... Transfer gate (TG), 3.12
... Reflective aluminum, 4... P layer, 5... N layer, 6
...CVD oxide film, 7...thermal oxide film, 8...n layer, 9...p layer, 11...polysilicon, 100...
...p-type substrate, 13...microlens

Claims (1)

【特許請求の範囲】 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
トダイオードを直列に接続し、高い光電変換特性を持つ
ホトダイオードの方に蓄積された電荷をトランスファゲ
ートを介して、電荷結合素子で転送することを特徴とす
る赤外線センサ。 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第1のホトダイ
オードと、赤外線を光電変換する第2のホトダイオード
を直列に接続し、第2のホトダイオードに蓄積された電
荷をトランスファゲートを介して、電荷結合素子で転送
することを特徴とする赤外線センサ。
[Claims] An infrared sensor having photodiodes and a charge-coupled device arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a transfer gate for sending charges accumulated in the photodiodes to the charge-coupled device, which have different photoelectric conversion characteristics. An infrared sensor characterized by connecting two photodiodes in series and transferring the charge accumulated in the photodiode, which has high photoelectric conversion characteristics, via a transfer gate using a charge-coupled device. 2. In an infrared sensor having a photodiode arranged one-dimensionally or two-dimensionally, a charge-coupled device, and a transfer gate for sending the charge accumulated in the photodiode to the charge-coupled device, a first photodiode shielded from infrared rays; An infrared sensor characterized in that a second photodiode that photoelectrically converts infrared rays is connected in series, and the charge accumulated in the second photodiode is transferred by a charge-coupled device via a transfer gate.
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