JPH0340466A - 光電変換装置 - Google Patents
光電変換装置Info
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- JPH0340466A JPH0340466A JP2172603A JP17260390A JPH0340466A JP H0340466 A JPH0340466 A JP H0340466A JP 2172603 A JP2172603 A JP 2172603A JP 17260390 A JP17260390 A JP 17260390A JP H0340466 A JPH0340466 A JP H0340466A
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Landscapes
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
未発明は光電変換装置に関する。
近年光電変換装置殊に、固体撮像装置に関する研究が、
半導体技術の進展と共に積極的に行なわれ、一部では実
用化され始めている。
半導体技術の進展と共に積極的に行なわれ、一部では実
用化され始めている。
これらの固体撮像装置は、大きく分けるとCCD型とM
OS型の2つに分類される。CCD型撮像装置は、MO
Sキャパシタ電極下にポテンシャルの井戸を形威し、光
の入射により発生した電荷をこの井戸に@積し、読出し
時には、これらのポテンシャルの井戸を、電極にかける
パルスにより順次動かして、;avlされた電荷を出力
アンプ部まで転送して読出すという原理を用いている。
OS型の2つに分類される。CCD型撮像装置は、MO
Sキャパシタ電極下にポテンシャルの井戸を形威し、光
の入射により発生した電荷をこの井戸に@積し、読出し
時には、これらのポテンシャルの井戸を、電極にかける
パルスにより順次動かして、;avlされた電荷を出力
アンプ部まで転送して読出すという原理を用いている。
またCCD型撮像装置の中には、受光部はpnm合ダイ
オード構造を使い、転送部はCOD構造で行なうという
タイプのものもある。また一方、MO3ηJ撮像装置は
、受光部を構成するpn接合よりなるフォトダイオード
の夫々に光の入射により発生した電荷を蓄積し、読出し
時には、それぞれのフォトダイオードに接続されたMO
Sスイッチングトランジスタを順次オンすることにより
蓄積された電荷を出力アンプ部に読出すという原理を用
いている。
オード構造を使い、転送部はCOD構造で行なうという
タイプのものもある。また一方、MO3ηJ撮像装置は
、受光部を構成するpn接合よりなるフォトダイオード
の夫々に光の入射により発生した電荷を蓄積し、読出し
時には、それぞれのフォトダイオードに接続されたMO
Sスイッチングトランジスタを順次オンすることにより
蓄積された電荷を出力アンプ部に読出すという原理を用
いている。
CCD型撮像装置は、比較的簡単な構造をもち、また1
発生し得る雑音からみても、最終段におけるフローティ
ング・ディフユージ舅ンよりなる電荷検出器の容量値だ
けがランダム雑音に寄与するので、比較的低雑音の撮像
装置であり、低照度撮影が可能である。ただし、CCD
型撮像装置を作るプロセス的制約から、出力アンプとし
てMO5型アンプがオンチップ化されるため、シリコン
と、SiO2Liとの界面から画像上、目につきやすい
l/f II音が発生する。従って、低雑音とはいいな
がら、その性能に限界が存在している。また、高解像度
化を図るためにセル数を増加させて高密度化すると、一
つのポテンシャル井戸に蓄積できる最大の’i!荷ひが
減少し、ダイナミックレンジがとれなくなるので、今後
4、固体m像装置が高解像度化されていくヒで大きな問
題となる。また、CCD型の撮像装置は、ポテンシャル
の井戸を順次動かしながら蓄y1電荷を転送していくわ
けであるから、セルの一つに欠陥が存在してもそこで電
荷転送がストシブしたり、あるいは、極端に悪くなって
しまい、製造歩留りが上がらないという欠点も有してい
る。
発生し得る雑音からみても、最終段におけるフローティ
ング・ディフユージ舅ンよりなる電荷検出器の容量値だ
けがランダム雑音に寄与するので、比較的低雑音の撮像
装置であり、低照度撮影が可能である。ただし、CCD
型撮像装置を作るプロセス的制約から、出力アンプとし
てMO5型アンプがオンチップ化されるため、シリコン
と、SiO2Liとの界面から画像上、目につきやすい
l/f II音が発生する。従って、低雑音とはいいな
がら、その性能に限界が存在している。また、高解像度
化を図るためにセル数を増加させて高密度化すると、一
つのポテンシャル井戸に蓄積できる最大の’i!荷ひが
減少し、ダイナミックレンジがとれなくなるので、今後
4、固体m像装置が高解像度化されていくヒで大きな問
題となる。また、CCD型の撮像装置は、ポテンシャル
の井戸を順次動かしながら蓄y1電荷を転送していくわ
けであるから、セルの一つに欠陥が存在してもそこで電
荷転送がストシブしたり、あるいは、極端に悪くなって
しまい、製造歩留りが上がらないという欠点も有してい
る。
これに対してMO3yfl撮像装置は、構造的にはCC
D型撮像装置、特にフレーム転送型の装置に比較して少
し複雑ではあるが1Ma容量を大きくし得る様に構成で
き、ダイナミックレンジを広くとれるという優位性をも
つ、また、たとえセルの1つに欠陥が存在しても、X−
Y7ドレス方式のためその欠陥による他のセルへの影響
がなく、製造歩留り的には有利である。しかしながら、
どのMO5型撮像装置では、@号読出し時に各フォトダ
イオードに配線容量が接続されるため、きわめて大きな
信号電圧ドロップが発生し、出力電圧が下がってしまう
こと、配線容量が大きく、これによるランダム雑音の発
生が大きいこと、また各フォトダイオードおよび水平ス
キャン用のMOSスイッチングトランジスタの寄生容量
のばらつきによる固定パターン雑音の混入等があり、C
CO]’!’ff1fl!’装置に比較して低照度撮影
はむずかしいこと等の欠点を有している。
D型撮像装置、特にフレーム転送型の装置に比較して少
し複雑ではあるが1Ma容量を大きくし得る様に構成で
き、ダイナミックレンジを広くとれるという優位性をも
つ、また、たとえセルの1つに欠陥が存在しても、X−
Y7ドレス方式のためその欠陥による他のセルへの影響
がなく、製造歩留り的には有利である。しかしながら、
どのMO5型撮像装置では、@号読出し時に各フォトダ
イオードに配線容量が接続されるため、きわめて大きな
信号電圧ドロップが発生し、出力電圧が下がってしまう
こと、配線容量が大きく、これによるランダム雑音の発
生が大きいこと、また各フォトダイオードおよび水平ス
キャン用のMOSスイッチングトランジスタの寄生容量
のばらつきによる固定パターン雑音の混入等があり、C
CO]’!’ff1fl!’装置に比較して低照度撮影
はむずかしいこと等の欠点を有している。
また、将来の撮像装置の高解像度化においては各セルの
サイズが縮小され、iw積重電荷減少していく、これに
対しチップサイズから決まってくる配線容量は、たとえ
線幅を細くしてもあまり下がらない、このため、MO5
型撮像装置は、ますますS/N的に不利になる。
サイズが縮小され、iw積重電荷減少していく、これに
対しチップサイズから決まってくる配線容量は、たとえ
線幅を細くしてもあまり下がらない、このため、MO5
型撮像装置は、ますますS/N的に不利になる。
CCD型およびMO3型撮像装置は、以上の様な一長一
短を看しながらも次第に実用化レベルに近すいてきては
いる。しかし、さらに将来必要とされる高解像度化を進
めていくうえで木質的に大きな問題を有しているといえ
る。
短を看しながらも次第に実用化レベルに近すいてきては
いる。しかし、さらに将来必要とされる高解像度化を進
めていくうえで木質的に大きな問題を有しているといえ
る。
それらの固体撮像装置に関し、特開昭58−15087
8 “半i体tii像*i”、特開昭58−15707
3 ”半導体111!ft″A忍“、特開IT7J5
B−1135473 °゛半4体撮像装訳°°に新し
い方式が提案されている。CCD型、M OS 梨の撮
像rtfllが、光入射により発生した電荷を工’tt
J4i (例えばMOS)ランジスタのソース)に#積
するのに対して、ここで提案されている方式++、光入
射により発生した電荷を、制御電極(例えばバイポーラ
・トランジスタのベース、SIT (静電誘導トラン
ジスタ)あるいはMOSトランジスタのゲート)にM積
し、光により発生した電荷により、流れる電流をコント
ロールするという新しい考え方にもとすくものである。
8 “半i体tii像*i”、特開昭58−15707
3 ”半導体111!ft″A忍“、特開IT7J5
B−1135473 °゛半4体撮像装訳°°に新し
い方式が提案されている。CCD型、M OS 梨の撮
像rtfllが、光入射により発生した電荷を工’tt
J4i (例えばMOS)ランジスタのソース)に#積
するのに対して、ここで提案されている方式++、光入
射により発生した電荷を、制御電極(例えばバイポーラ
・トランジスタのベース、SIT (静電誘導トラン
ジスタ)あるいはMOSトランジスタのゲート)にM積
し、光により発生した電荷により、流れる電流をコント
ロールするという新しい考え方にもとすくものである。
すなわち、CCD型、MOS型が、蓄積された電荷その
ものを外部へ読出してくるのに対して、ここで提案され
ている方式は、各セルの増幅機能により電荷増幅してか
ら蓄積された電荷を読出すわけであり、また見方を変え
るとインピーダンス変換により低インピ・ダンス出力と
して読出すわけである。従って、ここで提案されている
方式は、高出力、広ダイナミツクレンジ、低雑音であり
、かつ、光信号により励起されたキャリア(′1!荷)
は制御電極に蓄積することから、非破壊読出しができる
等のいくつかのメリットを有している。さらに将来の高
解像度化に対しても可能性を有する方式であるといえる
。
ものを外部へ読出してくるのに対して、ここで提案され
ている方式は、各セルの増幅機能により電荷増幅してか
ら蓄積された電荷を読出すわけであり、また見方を変え
るとインピーダンス変換により低インピ・ダンス出力と
して読出すわけである。従って、ここで提案されている
方式は、高出力、広ダイナミツクレンジ、低雑音であり
、かつ、光信号により励起されたキャリア(′1!荷)
は制御電極に蓄積することから、非破壊読出しができる
等のいくつかのメリットを有している。さらに将来の高
解像度化に対しても可能性を有する方式であるといえる
。
しかしながら、この方式は、基本的にx−Yアドレス方
式であり、上記公報に記載されている素子構造は、従来
のMO5型撮像装置の各セルにバイポーラトランジスタ
、SITトランジスタ等の増幅素子を複合化したものを
基本構成としている。そのため、比較的複雑な構造をし
ており、高解像化の可能性を右しながらも、そのままで
は高解像化には限界が存在する。
式であり、上記公報に記載されている素子構造は、従来
のMO5型撮像装置の各セルにバイポーラトランジスタ
、SITトランジスタ等の増幅素子を複合化したものを
基本構成としている。そのため、比較的複雑な構造をし
ており、高解像化の可能性を右しながらも、そのままで
は高解像化には限界が存在する。
本発明は、各セルに増幅機能を有するもきわめて簡単な
構造であり、将来の高解像度化にも十分対処しつる新し
い光電変換装置を提供することを目的とする。
構造であり、将来の高解像度化にも十分対処しつる新し
い光電変換装置を提供することを目的とする。
かかる目的は、3端子よりなる半導体トランジスタの制
御電極領域に、光励起により発生したキャリアをI!’
積する光電変換装置において、該制御電極領域を浮遊状
態にし、浮遊状態にした制御電極領域の電位を、キャパ
シタを介して制御することにより、光励起により発生し
たキャリアを該制御電極領域に蓄積する蓄積動作、蓄積
動作により該制御型gI9n域に発生した蓄積電圧を読
出す読出し動作、該制御電極領域にgaされたキャリア
を消滅させるリフレッシュ動作をそれぞれさせ得る構造
を有することを特徴とする光電変換装置により達成され
る。
御電極領域に、光励起により発生したキャリアをI!’
積する光電変換装置において、該制御電極領域を浮遊状
態にし、浮遊状態にした制御電極領域の電位を、キャパ
シタを介して制御することにより、光励起により発生し
たキャリアを該制御電極領域に蓄積する蓄積動作、蓄積
動作により該制御型gI9n域に発生した蓄積電圧を読
出す読出し動作、該制御電極領域にgaされたキャリア
を消滅させるリフレッシュ動作をそれぞれさせ得る構造
を有することを特徴とする光電変換装置により達成され
る。
以ドに本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
第1図は、本発明の−・実施例に係る光電変換装置を構
成する光センサセルの基本構造および動作を説明する図
である。
成する光センサセルの基本構造および動作を説明する図
である。
第1図(a)は、光センサセルの平面図を、第1図(b
)は、第1図(a)平面図のAA’部分の断面図を、第
1図(C)は、それの等価回路をそれぞれ示す、なお、
各部位において第1図(a)、(b)、(C)に共通す
るものについては同一の番号をつけている。
)は、第1図(a)平面図のAA’部分の断面図を、第
1図(C)は、それの等価回路をそれぞれ示す、なお、
各部位において第1図(a)、(b)、(C)に共通す
るものについては同一の番号をつけている。
第1図では、整列配置方式の平面図を示したが、水f方
向解像度を高くするために、画素ずらし方式(補間配置
方式)にも配置できることはもちろんのことである。
向解像度を高くするために、画素ずらし方式(補間配置
方式)にも配置できることはもちろんのことである。
この光センサセルは、第1図(a)、(b)に示スごと
く、 リン(P)、アンチモン(sb) 、ヒ素(A3)等の
不純物をドープしてn型又はn“型とされたシリコン犬
板lのヒに1通常psa1等で構成されるパシベーショ
ンM2; シリコン酸化膜(SiOa )より成る絶縁酸化膜3
: となり合う光センサセルとの間を電気的に絶縁するため
のSi02あるいはSi3N 、等よりなる絶縁膜又は
ポリシリコンH等で構成される素子分離領域4: エピタキシャル技WI等で形成される不純物濃度の低い
n−領域5; その上の例えば不純物拡散技術又はイオン注入技術を用
いてポロン(B)等の不純物をドープしたバイポーラト
ランジスタのベースとなるp領域6; 不純物拡散技術、イオン注入技術等で形成されるバイポ
ーラトランジスタのエミッタとなるn1領域7; 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウL−(A
I) 、 Al−9i、Al−Cu−3i等の導電材料
で形成される配la8゜ 絶縁膜3を通して、浮遊状態になされたp領域6にパル
スを印加するための電極9; それの配線lO; 基板lの裏面にオーミックコンタクトをとるために不純
物拡散技術等で形成された不純物濃度の高いn”l!I
域ll; 基板の電位を与える。すなわちバイポーラトランジスタ
のコレクタ電位を与えるためのアルミニウム等の導電材
料で形成される電極12;より構成されている。
く、 リン(P)、アンチモン(sb) 、ヒ素(A3)等の
不純物をドープしてn型又はn“型とされたシリコン犬
板lのヒに1通常psa1等で構成されるパシベーショ
ンM2; シリコン酸化膜(SiOa )より成る絶縁酸化膜3
: となり合う光センサセルとの間を電気的に絶縁するため
のSi02あるいはSi3N 、等よりなる絶縁膜又は
ポリシリコンH等で構成される素子分離領域4: エピタキシャル技WI等で形成される不純物濃度の低い
n−領域5; その上の例えば不純物拡散技術又はイオン注入技術を用
いてポロン(B)等の不純物をドープしたバイポーラト
ランジスタのベースとなるp領域6; 不純物拡散技術、イオン注入技術等で形成されるバイポ
ーラトランジスタのエミッタとなるn1領域7; 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウL−(A
I) 、 Al−9i、Al−Cu−3i等の導電材料
で形成される配la8゜ 絶縁膜3を通して、浮遊状態になされたp領域6にパル
スを印加するための電極9; それの配線lO; 基板lの裏面にオーミックコンタクトをとるために不純
物拡散技術等で形成された不純物濃度の高いn”l!I
域ll; 基板の電位を与える。すなわちバイポーラトランジスタ
のコレクタ電位を与えるためのアルミニウム等の導電材
料で形成される電極12;より構成されている。
なお、第1図(a)の19はnゝ領域7と配線8の接続
をとるためのコンタクト部分である。又配線8および配
線10の交互する部分はいわゆる2層配線となっており
、SiO、等の絶縁材料で形成される絶縁領域で、それ
ぞれ互いに絶縁されている。すなわち、金属の2層配線
構造になっている。
をとるためのコンタクト部分である。又配線8および配
線10の交互する部分はいわゆる2層配線となっており
、SiO、等の絶縁材料で形成される絶縁領域で、それ
ぞれ互いに絶縁されている。すなわち、金属の2層配線
構造になっている。
第1図(C)の等価回路のコンデンサC0II13は電
J4i9、絶縁膜3、p領域6のMO3構造より構成さ
れ、又バイポーラトランジスタ14はエミッタとしての
n+領域7、ベースとしてのp領域6、不純物1a度の
小さいn″′領域5、コレクタとしてのn又はn0領域
1の各部分より構成されている。これらの図面から明ら
かなように、p領域6は浮遊領域になされている。
J4i9、絶縁膜3、p領域6のMO3構造より構成さ
れ、又バイポーラトランジスタ14はエミッタとしての
n+領域7、ベースとしてのp領域6、不純物1a度の
小さいn″′領域5、コレクタとしてのn又はn0領域
1の各部分より構成されている。これらの図面から明ら
かなように、p領域6は浮遊領域になされている。
第1図(c)の1lIJ2の等価回路は、バイポーラト
ランジスタ14をベース◆エミッタの接合容母CbeL
5、ベース・エミッタのpn接合ダイオードDbe16
.ベース・コレクタの接合容JiCbc17、ベース・
コレクタのpn接合ダイオードDbc18を用いて表現
したものである。
ランジスタ14をベース◆エミッタの接合容母CbeL
5、ベース・エミッタのpn接合ダイオードDbe16
.ベース・コレクタの接合容JiCbc17、ベース・
コレクタのpn接合ダイオードDbc18を用いて表現
したものである。
以下、光センサセルの基本動作を@1図を用いて説明す
る。
る。
この光センサセルの基本動作は、光入射による電荷蓄積
動作、読出し動作およびリフレッシュ動作より構成され
る。電荷VIj積動作においては、例えばエミッタは、
配線8を通して接地され、コレクターは配線12を通し
て正電位にノくイアスされている。またベースは、あら
かじめコンデンサー〇ox13に、配線10を通して正
のパルス電圧を印加することにより負電位、すなわち、
エミー/り7に対して逆バイアス状態にされているもの
とする。このCox13にパルスを印加してベース6を
負゛屯位にバイアスする動作については、後にリフレッ
シュ動作の説明のとキ、くわしく説明する。
動作、読出し動作およびリフレッシュ動作より構成され
る。電荷VIj積動作においては、例えばエミッタは、
配線8を通して接地され、コレクターは配線12を通し
て正電位にノくイアスされている。またベースは、あら
かじめコンデンサー〇ox13に、配線10を通して正
のパルス電圧を印加することにより負電位、すなわち、
エミー/り7に対して逆バイアス状態にされているもの
とする。このCox13にパルスを印加してベース6を
負゛屯位にバイアスする動作については、後にリフレッ
シュ動作の説明のとキ、くわしく説明する。
この状態において、第1図に示す様に光センサセルの表
側から光20が入射してくると、半導体内においてエレ
クトロン・ホール対が発生する。
側から光20が入射してくると、半導体内においてエレ
クトロン・ホール対が発生する。
この内、エレクトロンは、n領域lが正電位にバイアス
されているのでnlal上域に流れだしていってしまう
が、ホールはp領域6にどんどん蓄積されていく、この
ホールのp領域への蓄積によりp領域6の電位は次第に
正電位に向かって変化していく。
されているのでnlal上域に流れだしていってしまう
が、ホールはp領域6にどんどん蓄積されていく、この
ホールのp領域への蓄積によりp領域6の電位は次第に
正電位に向かって変化していく。
第1図(a)、(b)でも各センサセルの受光面下面は
、はとんどp領域で占られており、一部n4″領域7と
なっている。当然のことながら、光により励起されるエ
レクトロン・ホール対濃度は表面に近い程大きい、この
ためp領域6中にも多くのエレクトロン・ホール対が光
により励起される。P領域中に光励起されたエレクトロ
ンが再結合することなくpffl城6からただちに流れ
出て、n領域に吸収されるような構造にしておけば、p
F域6で励起されたホールはそのまま蓄積されて、pm
域6を正電位方向に変化させる。p領域6の不純物濃度
が均一になされている場合には、光で励起されたエレク
トロンは拡散で、pgA城6とn−領域5とのpn″′
接合部まで流れ、その後はn−領域に加わっている強い
電界によるドリフトでnコレクタ領域1に吸収される。
、はとんどp領域で占られており、一部n4″領域7と
なっている。当然のことながら、光により励起されるエ
レクトロン・ホール対濃度は表面に近い程大きい、この
ためp領域6中にも多くのエレクトロン・ホール対が光
により励起される。P領域中に光励起されたエレクトロ
ンが再結合することなくpffl城6からただちに流れ
出て、n領域に吸収されるような構造にしておけば、p
F域6で励起されたホールはそのまま蓄積されて、pm
域6を正電位方向に変化させる。p領域6の不純物濃度
が均一になされている場合には、光で励起されたエレク
トロンは拡散で、pgA城6とn−領域5とのpn″′
接合部まで流れ、その後はn−領域に加わっている強い
電界によるドリフトでnコレクタ領域1に吸収される。
もちろん、p領域6内の電子の走行を拡散だけで行なっ
てもよいわけであるが、表面から内部に行くほどpベー
スの不純物濃度が減少するように構成しておけば、この
不純物濃度差により、ベース内に内部から表面に向う電
界Ed、 が発生する。ここで、W、はpG11域6の光入射側表
面からの深さ、にはポルツマン定数、Tは絶対温度、q
は単位電荷、NAsはpベース領域6の表面不純物濃度
、NAIはp領域6のn−高抵抗領域5との界面におけ
る不純物濃度である。
てもよいわけであるが、表面から内部に行くほどpベー
スの不純物濃度が減少するように構成しておけば、この
不純物濃度差により、ベース内に内部から表面に向う電
界Ed、 が発生する。ここで、W、はpG11域6の光入射側表
面からの深さ、にはポルツマン定数、Tは絶対温度、q
は単位電荷、NAsはpベース領域6の表面不純物濃度
、NAIはp領域6のn−高抵抗領域5との界面におけ
る不純物濃度である。
ここで、 N As / N Al > 3とすれば、
p領域6内の電子の走行は、拡散よりはドリフトにより
行なわれるようになる。すなわち、p領域6内に光によ
り励起されるキャリアを信号として有効に動作させるた
めには、p領域6の不純物濃度は光入射側表面から内部
に向って減少しているようになっていることが望ましい
、拡散でp領域6を形成すれば、その不純物濃度は光入
射側表面にくらべ内部に行くほど減少している。
p領域6内の電子の走行は、拡散よりはドリフトにより
行なわれるようになる。すなわち、p領域6内に光によ
り励起されるキャリアを信号として有効に動作させるた
めには、p領域6の不純物濃度は光入射側表面から内部
に向って減少しているようになっていることが望ましい
、拡散でp領域6を形成すれば、その不純物濃度は光入
射側表面にくらべ内部に行くほど減少している。
センサセルの受光面下の一部は、n+領域7により占ら
れている。n+領域7の深さは1通常0.2〜0.3μ
層程度、あるいはそれ以下に設計されるから、n+領域
7で吸収される光の量は、もともとあまり多くはないの
でそれ程問題はない。
れている。n+領域7の深さは1通常0.2〜0.3μ
層程度、あるいはそれ以下に設計されるから、n+領域
7で吸収される光の量は、もともとあまり多くはないの
でそれ程問題はない。
ただ、短波長側の光、特に青色光に対しては、n0領域
7の存在は感度低下の原因になる n+領域7の不純物
濃度は通常I X 10” am−’程度あるいはそれ
以上に設計される。こうした高濃度に不純物がドープさ
れたn+領域7におけるホールの拡散距離は0.15〜
0.2μ膿程度である。したがって、n+領域7内で光
励起されたホールを有効にp領域6に流し込むには、n
1領域7も光入射表面から内部に向って不純物濃度が減
少する構造になっていることが望ましい、nゝ領域7の
不純物濃度分布が上記の様になっていれば、光入射側表
面から内部に向う強いドリフト電界が発生して、nゝ領
域7に光励起されたホールはドリフトによりただちにp
領域6に流れ込む、nゝ領域7、P領域6の不純物濃度
がいずれも光入射側表面から内部に向って減少するよう
に構成されていれば。
7の存在は感度低下の原因になる n+領域7の不純物
濃度は通常I X 10” am−’程度あるいはそれ
以上に設計される。こうした高濃度に不純物がドープさ
れたn+領域7におけるホールの拡散距離は0.15〜
0.2μ膿程度である。したがって、n+領域7内で光
励起されたホールを有効にp領域6に流し込むには、n
1領域7も光入射表面から内部に向って不純物濃度が減
少する構造になっていることが望ましい、nゝ領域7の
不純物濃度分布が上記の様になっていれば、光入射側表
面から内部に向う強いドリフト電界が発生して、nゝ領
域7に光励起されたホールはドリフトによりただちにp
領域6に流れ込む、nゝ領域7、P領域6の不純物濃度
がいずれも光入射側表面から内部に向って減少するよう
に構成されていれば。
センサセルの光入射側表面側に存在するn+領域7、p
領域6において光励起されたキャリアはすべて光信号と
して有効に働くのである。 As又はPを高濃度にドー
プしたシリコン酸化膜あるいはポリシリコン膜からの不
純物拡散により、このn+領域7を形成すると、上記に
述べたような望ましい不純物傾斜をもつれ4″領域を得
ることが可能である。
領域6において光励起されたキャリアはすべて光信号と
して有効に働くのである。 As又はPを高濃度にドー
プしたシリコン酸化膜あるいはポリシリコン膜からの不
純物拡散により、このn+領域7を形成すると、上記に
述べたような望ましい不純物傾斜をもつれ4″領域を得
ることが可能である。
最終的には、ホールのsaによりベース電位はエミッタ
電位まで変化し、この場合は接地電位まで変化して、そ
こでクリップされることになる。
電位まで変化し、この場合は接地電位まで変化して、そ
こでクリップされることになる。
より厳密に言うと、ベース・エミッタ間が順方向に深く
バイアスされて、ベースに蓄積されたホールがエミッタ
に流出し始める電圧でクリップされる。つまり、この場
合の光センサセルの飽和電位は、Fi初にp領域6を負
゛屯位に/ヘイアスしたときのバイアス電位と接地電位
との電位差で略々与えられるわけである。n“領域7が
接地されず、浮遊状1名において光入力によって発生し
た゛電荷の蓄積を行なう場合には、p領域6はn領域1
と略々IE]?li位までmAを蓄積することができる
。
バイアスされて、ベースに蓄積されたホールがエミッタ
に流出し始める電圧でクリップされる。つまり、この場
合の光センサセルの飽和電位は、Fi初にp領域6を負
゛屯位に/ヘイアスしたときのバイアス電位と接地電位
との電位差で略々与えられるわけである。n“領域7が
接地されず、浮遊状1名において光入力によって発生し
た゛電荷の蓄積を行なう場合には、p領域6はn領域1
と略々IE]?li位までmAを蓄積することができる
。
以、ヒは1i荷蓄積動作の定性的な概略説明であるが、
以下に少し具体的かつ定量的に説明する。
以下に少し具体的かつ定量的に説明する。
この光センサセルの分光感度分権は次式で与えられる。
X (1−exp(−ay) ) ・ T
[A/Wl伊し、入は光の波長【←m1.αはシリコ
ン結晶中での光の減衰係数 [pm−’]、xは半導体
表面における。再結合損失を起こし感度に寄与しないd
ead 1ayer (不感領域)の厚さ [xs
l、yはエビ層の厚さ [#Ls ] 、Tは透過率す
なわち。
[A/Wl伊し、入は光の波長【←m1.αはシリコ
ン結晶中での光の減衰係数 [pm−’]、xは半導体
表面における。再結合損失を起こし感度に寄与しないd
ead 1ayer (不感領域)の厚さ [xs
l、yはエビ層の厚さ [#Ls ] 、Tは透過率す
なわち。
入射してくる光のに対して反射等を考慮して有効に半導
体中に入射する光量の調合をそれぞれ示して゛いる。こ
の光センサセルの分光感+1 9(入〉および放射照度
Ee(入)を用いて光電流tpは次式で計算され る
。
体中に入射する光量の調合をそれぞれ示して゛いる。こ
の光センサセルの分光感+1 9(入〉および放射照度
Ee(入)を用いて光電流tpは次式で計算され る
。
Ip=f@S(入)−Ee(入)−d入[gA/cm’
] (It L放射照度Ee(入) [gW e am−
’ * ns−’ ] は次式で与えられる。
] (It L放射照度Ee(入) [gW e am−
’ * ns−’ ] は次式で与えられる。
(ルW・as−” ・■−11
但しEマはセンサの受光面の照度[Lux ]、P(入
)はセンサの受光面に入射している光の分光分布、■
(入)は人間の目の比視感度である。
)はセンサの受光面に入射している光の分光分布、■
(入)は人間の目の比視感度である。
これらの式を用いると、エビ厚の層4鯵諺をもつ光セン
サセルでは、A光IK (2854’K)−c’l!I
A射され、センサ受光向照度がl [LLl!]のとき
、約280 nA/cm−’の光電流が流れ、入射して
くるフォトンの数あるいは発生するエレクトロン・ホー
ル対の数は1.8 X 10”ケ/c+a ’ * s
ec程度である。
サセルでは、A光IK (2854’K)−c’l!I
A射され、センサ受光向照度がl [LLl!]のとき
、約280 nA/cm−’の光電流が流れ、入射して
くるフォトンの数あるいは発生するエレクトロン・ホー
ル対の数は1.8 X 10”ケ/c+a ’ * s
ec程度である。
又、この時、光により励起されたホールがベースに蓄積
することにより発生する電位VpはVp=Q/Cで与え
られる。Qは蓄積されるホールの電荷量であり、CはC
bc15とCbc17を加算した接合容量である。
することにより発生する電位VpはVp=Q/Cで与え
られる。Qは蓄積されるホールの電荷量であり、CはC
bc15とCbc17を加算した接合容量である。
いま、nゝ領域7の不純物濃度をl O” am−’p
領域6の不純物濃度を5 X 1,0” am−3,n
−領域“5の不純物濃度を10 am−’ n+領
域7の面積を16gm”、p領域6の面積を64.Bm
” n−領域5の厚さを3鉢鵬にしたときの接合容
量は、約0.014pF位になり、一方、p領域6に蓄
積されるホールの個数は、蓄積時間1/eosec 、
有効受光面積、すなわちp領域6の面積から電極8およ
び9の面積を引いた面積を581Lm”程度とすると。
領域6の不純物濃度を5 X 1,0” am−3,n
−領域“5の不純物濃度を10 am−’ n+領
域7の面積を16gm”、p領域6の面積を64.Bm
” n−領域5の厚さを3鉢鵬にしたときの接合容
量は、約0.014pF位になり、一方、p領域6に蓄
積されるホールの個数は、蓄積時間1/eosec 、
有効受光面積、すなわちp領域6の面積から電極8およ
び9の面積を引いた面積を581Lm”程度とすると。
1.7 X 10’ケとなる。従って光入射により発生
する電位Vpは 190mV位になる。
する電位Vpは 190mV位になる。
ここで注目すべきことは、高解像度化され、セルサイズ
が縮小化されていった時に、一つの光センサセルあたり
に入射する光量が減少し、蓄積電荷G) Qが共に減少
していくが、セルの縮小化に伴ない接合容量もセルサイ
ズに比例して減少していくので、光入射により発生する
電位Vpはほぼ一定にたもたれるということである。こ
れは本発明における光センサセルが第1図に示すごとく
、きわめて簡単な構造をしており有効受光面がきわめて
大きくとれる可能性を右しているからである。
が縮小化されていった時に、一つの光センサセルあたり
に入射する光量が減少し、蓄積電荷G) Qが共に減少
していくが、セルの縮小化に伴ない接合容量もセルサイ
ズに比例して減少していくので、光入射により発生する
電位Vpはほぼ一定にたもたれるということである。こ
れは本発明における光センサセルが第1図に示すごとく
、きわめて簡単な構造をしており有効受光面がきわめて
大きくとれる可能性を右しているからである。
インターラインタイプのCCDの場合と比較して本発明
における光電変換装置が有利な理由の一つはここにあり
、高解像度化にともない、インターラインタイプのCC
D型撮像装置では、転送する電荷量を確保しようとする
と転送部の面積が相対的に大きくなり、このため有効受
光面が減少するので、感度、すなわち光入射による発生
電圧が減少してしまうことになる。また、インターライ
ンタイプのCCD型撮像装置では、飽和電圧が転送部の
大きさにより制限され、どんどん低下していってしまう
のに対し1本発明における光センサセルでは、先にも書
いた様に、最初にp領域6を負電位にバイアスした時の
バイアス電圧により飽和電圧は決まるわけであり、大き
な飽和電圧を確保することができる。
における光電変換装置が有利な理由の一つはここにあり
、高解像度化にともない、インターラインタイプのCC
D型撮像装置では、転送する電荷量を確保しようとする
と転送部の面積が相対的に大きくなり、このため有効受
光面が減少するので、感度、すなわち光入射による発生
電圧が減少してしまうことになる。また、インターライ
ンタイプのCCD型撮像装置では、飽和電圧が転送部の
大きさにより制限され、どんどん低下していってしまう
のに対し1本発明における光センサセルでは、先にも書
いた様に、最初にp領域6を負電位にバイアスした時の
バイアス電圧により飽和電圧は決まるわけであり、大き
な飽和電圧を確保することができる。
以−ヒの様にしてp領域6に#I積された電荷により発
生した電圧を外部へ読出す動作について次に説明する。
生した電圧を外部へ読出す動作について次に説明する。
読出し動作状態では、エミッタ、配viA8は浮遊状態
に、コレクターは正電位Vccに保持される。
に、コレクターは正電位Vccに保持される。
第2図に等価回路を示す、今、光を照射する前に、ベー
ス6を負電位にバイアスした時の電位を−V・とじ、光
照射により発生した蓄積電圧をVpとすると、ベース電
位は、−Vl +Vpなる電位になっている。この状態
で配線10を通して電極9に読出し用の正の電圧v冑を
印加すると、この正の電位V、は酸化膜容量C0X13
とベース・エミッタ間接合容量Cbe15、ベース・コ
レクタ間接合室1icbc7により容敬分割され、ベー
スには電圧 が加算される。
ス6を負電位にバイアスした時の電位を−V・とじ、光
照射により発生した蓄積電圧をVpとすると、ベース電
位は、−Vl +Vpなる電位になっている。この状態
で配線10を通して電極9に読出し用の正の電圧v冑を
印加すると、この正の電位V、は酸化膜容量C0X13
とベース・エミッタ間接合容量Cbe15、ベース・コ
レクタ間接合室1icbc7により容敬分割され、ベー
スには電圧 が加算される。
従ってベース電位は
となる。ここで、
となる条件が成立するようにしておくと、ベース電位は
光照射により発生した蓄積電圧Vpそのものとなる。こ
のようにしてエミッタ電位に対してベース電位が正方向
にバイアスされると、エレクトロンは、エミッタからベ
ースに注入され、コレクタ電位が正電位になっているの
で、ドリフト電界により加速されて、コレクタに到達す
る。この時に流れる電流は3次式で与えられる。
光照射により発生した蓄積電圧Vpそのものとなる。こ
のようにしてエミッタ電位に対してベース電位が正方向
にバイアスされると、エレクトロンは、エミッタからベ
ースに注入され、コレクタ電位が正電位になっているの
で、ドリフト電界により加速されて、コレクタに到達す
る。この時に流れる電流は3次式で与えられる。
但しAjはベース・エミッタ間の接合面積。
は単位電荷El (1,8X to−”クー07)、D
llはベース中におけるエレクトロンの拡散定数、nP
、はpベースのエミッタ端における少数キャリヤとして
のエレクトロン濃度、W−はベース幅、NAeはベース
のエミッタ端におけるアクセプタ濃度、N^Cはベース
のコレクタ端におけるアクセプタ濃度、kはボルツマン
定数、Tは絶対温度、Meはエミッタ電位である。
llはベース中におけるエレクトロンの拡散定数、nP
、はpベースのエミッタ端における少数キャリヤとして
のエレクトロン濃度、W−はベース幅、NAeはベース
のエミッタ端におけるアクセプタ濃度、N^Cはベース
のコレクタ端におけるアクセプタ濃度、kはボルツマン
定数、Tは絶対温度、Meはエミッタ電位である。
この電流は、エミッタ電位Veがベース電位、すなわち
ここでは光照射により発生した蓄積電圧Vpに等しくな
るまで流れることは上式から明らかである。この時エミ
ッタ電位Veの時間的変化は欣求で計算される。
ここでは光照射により発生した蓄積電圧Vpに等しくな
るまで流れることは上式から明らかである。この時エミ
ッタ電位Veの時間的変化は欣求で計算される。
X (exp −(V p −V e) −1’
1T 但し、ここで配線中41 Csはエミッタに接続されて
いる配線8のもつ容量21である。
1T 但し、ここで配線中41 Csはエミッタに接続されて
いる配線8のもつ容量21である。
第3図は、上式を用いて計算したエミッタ電位の時間変
化の一例を示している。
化の一例を示している。
第3図によればエミッタ電位がベース電位に等しくなる
ためには、約1秒位を要することになる。これはエミッ
タ電位 VlがVpに近くなるとあまり電流が流れなく
なることに起因しているわけである。したがって、これ
を解決する手段は、先に電極9に正電圧V、を印加する
ときに、 なる条件を設定したが、この条件の代わりになる条件を
入れ、ベース電位をVlia!だけ、余分に側方向にバ
イアスしてやる方法が考えられる。
ためには、約1秒位を要することになる。これはエミッ
タ電位 VlがVpに近くなるとあまり電流が流れなく
なることに起因しているわけである。したがって、これ
を解決する手段は、先に電極9に正電圧V、を印加する
ときに、 なる条件を設定したが、この条件の代わりになる条件を
入れ、ベース電位をVlia!だけ、余分に側方向にバ
イアスしてやる方法が考えられる。
この時に流れる電流は次式で与えられる。
第4図(a)
に、
V *+ asz Q、8
■とした場合。
ある
一定時間の後1ML極9に印加していたV、をゼロボル
トにもどし、流れる電流を停止させたときの;[a電圧
Vpに対する。読出し電圧、すなわちエミッタ電位の関
係を示す、但し2第4図(a)では、読出し電圧はバイ
アス電圧成分による読出し時間に依存する一定の電位が
必ず加算されてくるがそのゲタ分をさし引いた値をプロ
ットしている。″@、極9に印加している正電圧vll
をゼロボルトにもどした時には、印加したときとは逆に
なる電圧がベース電位に加算されるので、ベース電位は
、正電圧v餞を印加する前の状態、すなわち−■−にな
り、エミッタに対し逆バイアスされるので電流の流れが
停止するわけである。第4図(a)によればIQOns
程度以上の読出し時間(すなわちVlを電極9に印加し
ている時間)をとれば、蓄積電圧Vpと読出し電圧は4
衝程度の範囲にわたって直線性は確保され、高速の読出
しが可能であることを示している。第4図(a)で、4
5゜の線は読出しに十分の時間をかけた場合の結果での
線は読出しに十分の時間をかけた場合の結果であり、上
記の計算例では、配&a8の容量 C3を49Fとして
いるが、これはCbe+ Cbcの接合容硅の0.01
4p Fと比較して約300倍も大きいにもかかわらず
、p領域6に発生した蓄積電圧Vpが何らの減衰も受け
ず、かつ、バイアス電圧の効果により、きわめて高速に
読出されるていることを第4図(a)は示している。こ
れは上記構成に係る光センサセルのもつ増幅機能、すな
わち電荷増幅機能が有効に慟らいているからである。
トにもどし、流れる電流を停止させたときの;[a電圧
Vpに対する。読出し電圧、すなわちエミッタ電位の関
係を示す、但し2第4図(a)では、読出し電圧はバイ
アス電圧成分による読出し時間に依存する一定の電位が
必ず加算されてくるがそのゲタ分をさし引いた値をプロ
ットしている。″@、極9に印加している正電圧vll
をゼロボルトにもどした時には、印加したときとは逆に
なる電圧がベース電位に加算されるので、ベース電位は
、正電圧v餞を印加する前の状態、すなわち−■−にな
り、エミッタに対し逆バイアスされるので電流の流れが
停止するわけである。第4図(a)によればIQOns
程度以上の読出し時間(すなわちVlを電極9に印加し
ている時間)をとれば、蓄積電圧Vpと読出し電圧は4
衝程度の範囲にわたって直線性は確保され、高速の読出
しが可能であることを示している。第4図(a)で、4
5゜の線は読出しに十分の時間をかけた場合の結果での
線は読出しに十分の時間をかけた場合の結果であり、上
記の計算例では、配&a8の容量 C3を49Fとして
いるが、これはCbe+ Cbcの接合容硅の0.01
4p Fと比較して約300倍も大きいにもかかわらず
、p領域6に発生した蓄積電圧Vpが何らの減衰も受け
ず、かつ、バイアス電圧の効果により、きわめて高速に
読出されるていることを第4図(a)は示している。こ
れは上記構成に係る光センサセルのもつ増幅機能、すな
わち電荷増幅機能が有効に慟らいているからである。
これに対して従来のMOS型[像装置では、蓄積電圧V
pは、このような読出し過程において配線容Icsの影
響でCj *Vp / (Cj +Cs )(但しCj
はMO3O3型撮像装置光部のpn接合容量)となり、
2桁位読出し電圧値が下がってしまうという欠点を有し
ていた。このためMO3型撮像装置では、外部へ読出す
ためのスイー2チングMO3)ランジスタの寄生容量の
ばらつきによる固定パターン雑音、あるいは配線容量す
なわち出力容量が大きいことにより発生するランダム雑
音が大さく、S/N比がとれないという問題があったが
、第1図(a)、(b)、(C)で示す構成の光センサ
セルでは、p領域6に発生した蓄積電圧そのものが外部
に読出されるわけであり、この電圧はかなり大きいため
固定パターン雑音、出力容量に起因するランダム雑音が
相対的に小さくなり、きわめてS/N比の良い信号を得
ることが可能である。
pは、このような読出し過程において配線容Icsの影
響でCj *Vp / (Cj +Cs )(但しCj
はMO3O3型撮像装置光部のpn接合容量)となり、
2桁位読出し電圧値が下がってしまうという欠点を有し
ていた。このためMO3型撮像装置では、外部へ読出す
ためのスイー2チングMO3)ランジスタの寄生容量の
ばらつきによる固定パターン雑音、あるいは配線容量す
なわち出力容量が大きいことにより発生するランダム雑
音が大さく、S/N比がとれないという問題があったが
、第1図(a)、(b)、(C)で示す構成の光センサ
セルでは、p領域6に発生した蓄積電圧そのものが外部
に読出されるわけであり、この電圧はかなり大きいため
固定パターン雑音、出力容量に起因するランダム雑音が
相対的に小さくなり、きわめてS/N比の良い信号を得
ることが可能である。
先に、バイアス電圧Vsi・aSを0.8vに設定した
とき、4衝程度の直線性が1OQnsec fi度の高
速読出1−時間で得られることを示したが、この直線性
および読出し時間とバイアス電圧 Visasの関係を
計算した結果をさらにくわしく、第4図(b)に示す。
とき、4衝程度の直線性が1OQnsec fi度の高
速読出1−時間で得られることを示したが、この直線性
および読出し時間とバイアス電圧 Visasの関係を
計算した結果をさらにくわしく、第4図(b)に示す。
第4図(b)において横軸はバイアス電圧Visasで
あり、また、縦軸は読出し時間をとっている。
あり、また、縦軸は読出し時間をとっている。
またパラメータは、蓄積電圧が1 mVのときに、読
出し電圧がIIIVの80%、90%、95%。
出し電圧がIIIVの80%、90%、95%。
98%になるまでの時間依存性を示している。第4図C
a)に示される様に、蓄積電圧l ・Vにおいて、それ
ぞれ80%、90%、95%、98%になっている時は
、それ以上のl1jlt電圧では、さらに良い値を示し
ていることはIIらかである。
a)に示される様に、蓄積電圧l ・Vにおいて、それ
ぞれ80%、90%、95%、98%になっている時は
、それ以上のl1jlt電圧では、さらに良い値を示し
ていることはIIらかである。
この第4図(b)によれば、バイアス電圧VBsasが
0.6vでは、読出し電圧が蓄積電圧の80%になるの
は読出し時間が0.12g5 、90%になるのは0.
27枇s、95%になるのは0.54井s、98%にな
るのは11μsであるのがわかる。また、バイアス電圧
V i+ asを0,8vより大きくすれば、さらに高
速の読出しが可能であることを示している。この様に、
撮g7を装置の全体の設計から読出し時間および必要な
直線性が決定されると、必要とされるバイアス電圧Vl
ia!lが第4図(b)のグラフを用いることにより決
定することができる。
0.6vでは、読出し電圧が蓄積電圧の80%になるの
は読出し時間が0.12g5 、90%になるのは0.
27枇s、95%になるのは0.54井s、98%にな
るのは11μsであるのがわかる。また、バイアス電圧
V i+ asを0,8vより大きくすれば、さらに高
速の読出しが可能であることを示している。この様に、
撮g7を装置の全体の設計から読出し時間および必要な
直線性が決定されると、必要とされるバイアス電圧Vl
ia!lが第4図(b)のグラフを用いることにより決
定することができる。
上記構成に係る光センサセルのもう一つの利点は、p領
域6に蓄積されたホールはp領域6におけるエレクトロ
ンとホールの再結合確率がきわめて小さいことから非破
壊的に読出し可能なことである。すなわち読出し時に電
極9に印加していた電圧■■をゼロボルトにもどした時
、p領域6の電位は電圧VRを印加する前の逆バイアス
状態になり、光照射により発生した蓄積電圧Vpは、新
しく光が照射されない限り、そのまま保存されるわけで
ある。このことは、上記構成に係る光センサセルを光電
変換装置として構成したときに、システム動作上、新し
い機能を提供することができることを意味する。
域6に蓄積されたホールはp領域6におけるエレクトロ
ンとホールの再結合確率がきわめて小さいことから非破
壊的に読出し可能なことである。すなわち読出し時に電
極9に印加していた電圧■■をゼロボルトにもどした時
、p領域6の電位は電圧VRを印加する前の逆バイアス
状態になり、光照射により発生した蓄積電圧Vpは、新
しく光が照射されない限り、そのまま保存されるわけで
ある。このことは、上記構成に係る光センサセルを光電
変換装置として構成したときに、システム動作上、新し
い機能を提供することができることを意味する。
このp領域6に蓄@電圧Vpを保持できる時間は、きわ
めて長く、最大の保持時間は、むしろ、接合の空乏層中
において熱的に発生する暗電流によって制限を受ける。
めて長く、最大の保持時間は、むしろ、接合の空乏層中
において熱的に発生する暗電流によって制限を受ける。
すなわち、この熱的に発生する暗電流により光センサセ
ルが飽和してしまうからである。しかしながら、上記構
成に係る光センサセルでは、空乏層の広がっている領域
は、低不純物濃度領域であるn−領域5であり、このn
−領域5は10” cs−” 〜10” am−’程度
と、きわめて不純物濃度が低いため、その結晶性が良好
であり、MOS型、CCD型l1f11装置に比較して
熱的に発生するエレクトロン◆ホール対は少ない。
ルが飽和してしまうからである。しかしながら、上記構
成に係る光センサセルでは、空乏層の広がっている領域
は、低不純物濃度領域であるn−領域5であり、このn
−領域5は10” cs−” 〜10” am−’程度
と、きわめて不純物濃度が低いため、その結晶性が良好
であり、MOS型、CCD型l1f11装置に比較して
熱的に発生するエレクトロン◆ホール対は少ない。
このため、暗電流は、他の従来の装置に比較して小さい
、すなわち、−上記構成に係る光センサセルは本質的に
暗電流雑音の小さい構造をしているわけである。
、すなわち、−上記構成に係る光センサセルは本質的に
暗電流雑音の小さい構造をしているわけである。
次いでp領域6に蓄積された電荷をリフレッシュする動
作について説明する。
作について説明する。
上記構成に係る光センサセルでは、すでに述べたごと<
、p領域6に蓄積された電荷は、読出し動作では消滅し
ない、このため新しい光情報を入力するためには、前に
gmされていた電荷を消滅させるためのリフレッシュ動
作が必要である。また同時に、浮遊状態になされている
p領域6の電位を所定の負電圧に帯電させておく必要が
ある。
、p領域6に蓄積された電荷は、読出し動作では消滅し
ない、このため新しい光情報を入力するためには、前に
gmされていた電荷を消滅させるためのリフレッシュ動
作が必要である。また同時に、浮遊状態になされている
p領域6の電位を所定の負電圧に帯電させておく必要が
ある。
上記構成に係る光センサセルでは、リフレッシュ動作も
読出し動作と同様、配線lOを通して電極9に正電圧を
印加することにより行なう、このとき、配線8を通して
エミッタを接地する。コレクタは、電極12を通して接
地又は正電位にしておく、第5図にリフレッシュ動作の
等価回路を示す、但しコレクタ側を接地した状態の例を
示している。
読出し動作と同様、配線lOを通して電極9に正電圧を
印加することにより行なう、このとき、配線8を通して
エミッタを接地する。コレクタは、電極12を通して接
地又は正電位にしておく、第5図にリフレッシュ動作の
等価回路を示す、但しコレクタ側を接地した状態の例を
示している。
この状態で正電圧VilHなる電圧が電極9に印加され
ると、ベース22には、酸化咬合1i CO!13、ベ
ース、・エミツタ1lJII合IJICbel 5、ベ
ース・コレクタ間接合容量Cbc17の容量分割により
、 なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的にかか
る。この電圧により、ベース・エミッタ間接合ダイオー
ドDbe16およびベース・コレクタ間接合ダイオード
Dbc18は順方向バイアスされて導通状態となり、電
流が流れ始め、ベース電位は次第に低下していく。
ると、ベース22には、酸化咬合1i CO!13、ベ
ース、・エミツタ1lJII合IJICbel 5、ベ
ース・コレクタ間接合容量Cbc17の容量分割により
、 なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的にかか
る。この電圧により、ベース・エミッタ間接合ダイオー
ドDbe16およびベース・コレクタ間接合ダイオード
Dbc18は順方向バイアスされて導通状態となり、電
流が流れ始め、ベース電位は次第に低下していく。
この時、浮遊状態にあるベースの電位Vの変化は近似的
に次式で表わされる。
に次式で表わされる。
但し、
x (exp (V) −11
T
+1はダイオードDbcを流れる電流、i、はダイオー
ドDbet−流れる電流である。Abはベース内積、A
eはエミッタ面積、DPはコレクタ中におけるホールの
拡散定数、P nmはコレクタ中における熱平衡状態の
ホール濃度、Lpはコレクタ中におけるホールの平均自
由行程、n paはベース中における熱平衡状態でのエ
レクトロン濃度である。i、で、ベース側からエミッタ
へのホール注入による電流は、エミッタの不純物濃度が
ベースの不純物濃度にくらべて充分高いので、無視でき
る。
ドDbet−流れる電流である。Abはベース内積、A
eはエミッタ面積、DPはコレクタ中におけるホールの
拡散定数、P nmはコレクタ中における熱平衡状態の
ホール濃度、Lpはコレクタ中におけるホールの平均自
由行程、n paはベース中における熱平衡状態でのエ
レクトロン濃度である。i、で、ベース側からエミッタ
へのホール注入による電流は、エミッタの不純物濃度が
ベースの不純物濃度にくらべて充分高いので、無視でき
る。
ヒに示した式は、段階接合近似のものであり実際のデバ
イスでは段階接合からはずれており、又ベースの厚さが
薄く、かつ複雑な濃度介在を有しているので厳密なもの
ではないが、リフレッシュ動作をかなりの近似で説明可
能である。
イスでは段階接合からはずれており、又ベースの厚さが
薄く、かつ複雑な濃度介在を有しているので厳密なもの
ではないが、リフレッシュ動作をかなりの近似で説明可
能である。
上式中のベース・コレクタ間に流れる電流i□の内、q
・Dp ◆P nm / L Pはホールによる電波、
すなわちベースからホールがコレクタ側へ流れだす成分
を示している。このホールによる電流が流れやすい様に
上記構成に係る光センサセルでは、コレクタの不純物濃
度は、通常のバイポーラトランジスタに比較して少し低
めに設計される。
・Dp ◆P nm / L Pはホールによる電波、
すなわちベースからホールがコレクタ側へ流れだす成分
を示している。このホールによる電流が流れやすい様に
上記構成に係る光センサセルでは、コレクタの不純物濃
度は、通常のバイポーラトランジスタに比較して少し低
めに設計される。
この式を用いて計算した、ベース電位の時間依存性の一
例を第6図に示す、横軸は、リフレー。
例を第6図に示す、横軸は、リフレー。
シュ電圧V ilHが電極9に印加された瞬間からの時
間経過すなわちリフレッシュ時間を、縦軸は、ベース電
位をそれぞれ示す、また、ベースの初期電位をパラメー
タにしている。ベースの初期電位とは、リフレッシュ電
圧VIHが加わった瞬間に、浮遊状態にあるベースが示
す電位であり、v1114 +Co!、Cbe、Cbc
及びベースに蓄積されている電荷によってきまる。
間経過すなわちリフレッシュ時間を、縦軸は、ベース電
位をそれぞれ示す、また、ベースの初期電位をパラメー
タにしている。ベースの初期電位とは、リフレッシュ電
圧VIHが加わった瞬間に、浮遊状態にあるベースが示
す電位であり、v1114 +Co!、Cbe、Cbc
及びベースに蓄積されている電荷によってきまる。
この第6図をみれば、ベースの電位は初期電位によらず
、ある時間経過後には必ず、片対数グラフ上で一つの直
線にしたがって下がっていく。
、ある時間経過後には必ず、片対数グラフ上で一つの直
線にしたがって下がっていく。
第6図(b)に、リフレッシュ時間に対するベース電位
変化の実駿値を示す、第6図(a)に示した計算例に比
較して、この実験で用いたテストデバイスは、ディメン
ションがかなり大きいため、計算例とはその絶対値は一
致しないが、リフレッシュ時間に対するベース電位変化
が片対数グラフ上で直線的に変化していることが実証さ
れている。この実験例ではコレクタおよびエミッタの両
者を接地したときの値を示している。
変化の実駿値を示す、第6図(a)に示した計算例に比
較して、この実験で用いたテストデバイスは、ディメン
ションがかなり大きいため、計算例とはその絶対値は一
致しないが、リフレッシュ時間に対するベース電位変化
が片対数グラフ上で直線的に変化していることが実証さ
れている。この実験例ではコレクタおよびエミッタの両
者を接地したときの値を示している。
今、光照射による蓄積電圧Vpの最大値を0.4[Vl
、 リフレッシュ電圧v四によりベースに印加され
る電圧■ を0.4[V ] とすると、第6図に示す
ごとく初期ベース電位の最大値は0.8[Vlとなり、
リフレッシュ電圧印加後10 [sec]後には直線
にのってベース電位が下がり始め、10−’[5ecl
後には、光があたらなかった時、すなわち初期ベース電
位が0.4[Vlのときの電位変化と一致する。
、 リフレッシュ電圧v四によりベースに印加され
る電圧■ を0.4[V ] とすると、第6図に示す
ごとく初期ベース電位の最大値は0.8[Vlとなり、
リフレッシュ電圧印加後10 [sec]後には直線
にのってベース電位が下がり始め、10−’[5ecl
後には、光があたらなかった時、すなわち初期ベース電
位が0.4[Vlのときの電位変化と一致する。
p領域6が、MOSキャパシタco!を通して正電床を
ある時間印加し、その正電圧を除去すると負電位にm電
する仕方には、2通りの仕方がある。一つは、p領域6
から正電荷を持つホールが、主として接地状態にあるn
領域lに流れ出すことによって、負電荷が蓄積される動
作である。
ある時間印加し、その正電圧を除去すると負電位にm電
する仕方には、2通りの仕方がある。一つは、p領域6
から正電荷を持つホールが、主として接地状態にあるn
領域lに流れ出すことによって、負電荷が蓄積される動
作である。
p領域6からホールが、n領域lに一方的に流れ、n領
域lの電子があまりP領域6内に流れ込まないようにす
るためには、P領域6の不純物密度をn領域1の不純物
密度より高くしておけばよい、一方、n9領域7やn領
域lからの電子が。
域lの電子があまりP領域6内に流れ込まないようにす
るためには、P領域6の不純物密度をn領域1の不純物
密度より高くしておけばよい、一方、n9領域7やn領
域lからの電子が。
p領域6に流れ込み、ホールと再結合することによって
、p領域6に負電荷が蓄積する動作も行なえる。この場
合には、n領域lの不純物密度はp領域6より高くなさ
れている。p領域6からホールが流出することによって
、負電荷が蓄積する動作の方が、p領域6ベースに電子
が流れ込んでホールと再結合することにより負電荷が蓄
積する動作よりはるかに速い、しかし、これまでの実験
によれば、1を子をp領域6に流し込むリフレッシュ動
作でも、光電変換装置の動作に対しては、十分に速い時
間応答を示すことが確認されている。
、p領域6に負電荷が蓄積する動作も行なえる。この場
合には、n領域lの不純物密度はp領域6より高くなさ
れている。p領域6からホールが流出することによって
、負電荷が蓄積する動作の方が、p領域6ベースに電子
が流れ込んでホールと再結合することにより負電荷が蓄
積する動作よりはるかに速い、しかし、これまでの実験
によれば、1を子をp領域6に流し込むリフレッシュ動
作でも、光電変換装置の動作に対しては、十分に速い時
間応答を示すことが確認されている。
L記構成に係る光センサセルをXY力方向多数ならべて
光電変換装置を構成したとき1画像により各センサセル
で、蓄積電圧Vpは、上記の例では 0〜0.4 [
V]の間でばらついているが、リフレッシュ電圧VRI
I印加@ 10−’ [seclには、全てのセンサセ
ルのベースには約0.3[V]程度の一定電圧は残るも
のの、画像による蓄積電圧Vpの変化分は全て消えてし
まうことがわかる。すなわち、上記構成に係る光センサ
セルによる光電変換A置では、リフレッシュ動作により
全てのセンサセルのベース電位をゼロボルトまで持って
いく完全リフレッシュモードと(このときは第6図(a
)の例では10 [seclを要する)、ベース電位に
はある一定電圧は残るものの蓄積電圧Vpによる変動成
分が消えてしまう過渡的リフレシュモードの二つが存在
するわけである(このときは第6図(a)の例では、1
0 [μ5ecl 〜10(seclのリフレッシュパ
ルス)0以上の例では、リプレー2シユ電圧VRHによ
りベースに印加される電圧V^ を0.4[V]とした
が、この電圧V^を0.8[V]とすれば、上記、過渡
的リフレッシュモードは、tJ46図によれば、 l
[n5eclでおこり、きわめて高速にリフレッシュ
することができる。完全リフレッシュモードで動作させ
るか、過渡的リフレッシュモードで動作させるかの選択
は光電変換装置の使用目的によって決定される。
光電変換装置を構成したとき1画像により各センサセル
で、蓄積電圧Vpは、上記の例では 0〜0.4 [
V]の間でばらついているが、リフレッシュ電圧VRI
I印加@ 10−’ [seclには、全てのセンサセ
ルのベースには約0.3[V]程度の一定電圧は残るも
のの、画像による蓄積電圧Vpの変化分は全て消えてし
まうことがわかる。すなわち、上記構成に係る光センサ
セルによる光電変換A置では、リフレッシュ動作により
全てのセンサセルのベース電位をゼロボルトまで持って
いく完全リフレッシュモードと(このときは第6図(a
)の例では10 [seclを要する)、ベース電位に
はある一定電圧は残るものの蓄積電圧Vpによる変動成
分が消えてしまう過渡的リフレシュモードの二つが存在
するわけである(このときは第6図(a)の例では、1
0 [μ5ecl 〜10(seclのリフレッシュパ
ルス)0以上の例では、リプレー2シユ電圧VRHによ
りベースに印加される電圧V^ を0.4[V]とした
が、この電圧V^を0.8[V]とすれば、上記、過渡
的リフレッシュモードは、tJ46図によれば、 l
[n5eclでおこり、きわめて高速にリフレッシュ
することができる。完全リフレッシュモードで動作させ
るか、過渡的リフレッシュモードで動作させるかの選択
は光電変換装置の使用目的によって決定される。
この過渡的リフレッシュモードにおいてベースに残る電
圧をVにとすると、リフレッシュ電圧V 1111を印
加後、■@−をゼロボルトにもどす瞬間の過閃的状懲に
おいて なる負電圧がベースに加算されるので、リフレッシュパ
ルスによるリフレッシュ動作後のベース電位は となり ベースはエミッタに対して逆バイアス状態になる。
圧をVにとすると、リフレッシュ電圧V 1111を印
加後、■@−をゼロボルトにもどす瞬間の過閃的状懲に
おいて なる負電圧がベースに加算されるので、リフレッシュパ
ルスによるリフレッシュ動作後のベース電位は となり ベースはエミッタに対して逆バイアス状態になる。
先に光により励起されたキャリアを蓄積する蓄積動作の
とき、 aN&状態ではベースは逆バイアス状態で行な
われるという説明をしたが、このリフレッシュ動作によ
り、リフレッシュおよびベースを逆バイアス状態に持っ
ていくことの2つの動作が同時に行なわれるわけである
。
とき、 aN&状態ではベースは逆バイアス状態で行な
われるという説明をしたが、このリフレッシュ動作によ
り、リフレッシュおよびベースを逆バイアス状態に持っ
ていくことの2つの動作が同時に行なわれるわけである
。
第6図(C)にリプレー2シユ電圧Vil14に対する
リフレッシュ動作後のベース電位 の変化の実験値を示す、パラメータとしてCotの偵を
5pFから1OQp Fまでとっている。丸印は実験値
であり、実線は より計算される計’ji (4を示している。このとき
V(=0.52Vであり、また、Cbc+ Cbe=
4pF テある。但し観測用オシロスコープのプローグ
容量13pFがCbc+Cbeに並列に接続されている
。この様に、計算値と¥験値は完全に一致しておりリフ
レッシュ動作が実験的にも確認されている。
リフレッシュ動作後のベース電位 の変化の実験値を示す、パラメータとしてCotの偵を
5pFから1OQp Fまでとっている。丸印は実験値
であり、実線は より計算される計’ji (4を示している。このとき
V(=0.52Vであり、また、Cbc+ Cbe=
4pF テある。但し観測用オシロスコープのプローグ
容量13pFがCbc+Cbeに並列に接続されている
。この様に、計算値と¥験値は完全に一致しておりリフ
レッシュ動作が実験的にも確認されている。
以上のリフレーアシュ動作においては、第5図に示す様
に、コレクタを接地したときの例について説明したが、
コレクタを正電位にした状態で行なうことも可能である
。このときは、ベース・コレクタ間接合ダイオードDb
c18が、リフレッシュパルスが印加されても、このリ
フレッシュパルスによりベースに印加される電位よりも
、コレクタに印加されている正電位の方が大きいと非導
通状態のままなので、R,流はベース・エミッタ間接合
ダイオードDbe16だけを通して流れる。このため、
ベース電位の低下は、よりゆっくりしたものになるが、
基本的には、前に説明したのと、まったく同様な動作が
行なわれるわけである。
に、コレクタを接地したときの例について説明したが、
コレクタを正電位にした状態で行なうことも可能である
。このときは、ベース・コレクタ間接合ダイオードDb
c18が、リフレッシュパルスが印加されても、このリ
フレッシュパルスによりベースに印加される電位よりも
、コレクタに印加されている正電位の方が大きいと非導
通状態のままなので、R,流はベース・エミッタ間接合
ダイオードDbe16だけを通して流れる。このため、
ベース電位の低下は、よりゆっくりしたものになるが、
基本的には、前に説明したのと、まったく同様な動作が
行なわれるわけである。
すなわち第6図(a)のリフレッシュ時間に対するベー
ス電位の関係は、第6図(a)のベース電位が低下する
時の斜めの直線が右側の力、つまり、より時間の要する
方向ヘシフトすることになる。
ス電位の関係は、第6図(a)のベース電位が低下する
時の斜めの直線が右側の力、つまり、より時間の要する
方向ヘシフトすることになる。
したがって、コレクタを接地した時と同じリフレッシュ
電圧Vileを用いると、リフレッシュに時間を要する
ことになるが、リフレー、シュ電圧VRHをわずか高め
てやればコレクタを接地した時と同様、高速のリフレッ
シュ動作が可能である。
電圧Vileを用いると、リフレッシュに時間を要する
ことになるが、リフレー、シュ電圧VRHをわずか高め
てやればコレクタを接地した時と同様、高速のリフレッ
シュ動作が可能である。
以上が光入射による電荷蓄積動作、読出し動作、リフレ
ッシュ動作よりなる上記構成に係る光センサセルの基本
動作の説明である。
ッシュ動作よりなる上記構成に係る光センサセルの基本
動作の説明である。
以上説明したごとく、上記構成に係る光センサセルの基
本構造は、すでにあげた特開昭56−150878、特
開昭58−157073 、特開昭56−185473
と比較してきわめてra巾な構造であり、将来の高解像
度化に十分対応できるとともに、それらのもつ優れた特
徴である#S幅機能からくる低雑音、高出力、広ダイナ
ミツクレンジ、非破壊読出し等のメリットをそのまま保
存している。
本構造は、すでにあげた特開昭56−150878、特
開昭58−157073 、特開昭56−185473
と比較してきわめてra巾な構造であり、将来の高解像
度化に十分対応できるとともに、それらのもつ優れた特
徴である#S幅機能からくる低雑音、高出力、広ダイナ
ミツクレンジ、非破壊読出し等のメリットをそのまま保
存している。
次に、以上説明した構成に係る光センサセルを二次元に
配列して構成した本発明の光電変換装置の一実施例につ
いて図面を用いて説明する。
配列して構成した本発明の光電変換装置の一実施例につ
いて図面を用いて説明する。
す。
すでに説明した点線でかこまれた基本光センサセル30
(この時バイポーラトランジスタのコレクタは基板およ
び基板電極に接続されることを示している。)、読出し
パルスおよびリフレッシュパルスを印加するための水平
ライン3131’、31“、読出しパルスを発生させる
ための壁底シフトレジスタ32、垂直シフトレジスタ3
2と水平ライン31.31’、31″の間のバー、ファ
MOS)ランジメタ33.3333“ のゲート
にパルスを印加するための端子34、リフレッシュパル
スを印加するためのバッフ7M03)ランジメタ35.
35’、35″、それのゲートにパルスを印加するため
の端子36.リフレッシュパルスを印加するための端−
p 37 、基本光センサセル 30から蓄積電圧を読
出すための垂直ライン38.38’、38″各垂直ライ
ンを選択するためのパルスを発生する水平シフトレジス
タ39.各垂直ラインを開閉するためのゲート用MOS
)ランンジスタ40゜40’ 40″、蓄積電圧をア
ンプ部に読出すための出力ライン41.読出し後に、出
力ラインに蓄積した電荷をリフレッシュするためのMO
Sトランジスタ42、MOSトランジスタ42ヘリフレ
・・シュパルスを印加するための端子43、出力値に・
を増幅するためのバイポーラ、MOS、FET、J−F
ET等のトランジスタ44.負荷抵抗45、トランジス
タと電源を接続するための端子46、トランジスタの出
力端子47、読出し動作において6直ライン40.40
’、40″に蓄積された゛電荷をリフレッシュするため
のMOS)ランジメタ48.48’、4B”、およびM
OSトランジスタ48.48’ 、48″のゲートにパ
ルスを印加するための端子49によりこの充電変換装置
は構成されている。
(この時バイポーラトランジスタのコレクタは基板およ
び基板電極に接続されることを示している。)、読出し
パルスおよびリフレッシュパルスを印加するための水平
ライン3131’、31“、読出しパルスを発生させる
ための壁底シフトレジスタ32、垂直シフトレジスタ3
2と水平ライン31.31’、31″の間のバー、ファ
MOS)ランジメタ33.3333“ のゲート
にパルスを印加するための端子34、リフレッシュパル
スを印加するためのバッフ7M03)ランジメタ35.
35’、35″、それのゲートにパルスを印加するため
の端子36.リフレッシュパルスを印加するための端−
p 37 、基本光センサセル 30から蓄積電圧を読
出すための垂直ライン38.38’、38″各垂直ライ
ンを選択するためのパルスを発生する水平シフトレジス
タ39.各垂直ラインを開閉するためのゲート用MOS
)ランンジスタ40゜40’ 40″、蓄積電圧をア
ンプ部に読出すための出力ライン41.読出し後に、出
力ラインに蓄積した電荷をリフレッシュするためのMO
Sトランジスタ42、MOSトランジスタ42ヘリフレ
・・シュパルスを印加するための端子43、出力値に・
を増幅するためのバイポーラ、MOS、FET、J−F
ET等のトランジスタ44.負荷抵抗45、トランジス
タと電源を接続するための端子46、トランジスタの出
力端子47、読出し動作において6直ライン40.40
’、40″に蓄積された゛電荷をリフレッシュするため
のMOS)ランジメタ48.48’、4B”、およびM
OSトランジスタ48.48’ 、48″のゲートにパ
ルスを印加するための端子49によりこの充電変換装置
は構成されている。
この光電変換装置の動作について第7図および第8図に
示すパルスタイミング図を用いて説明する。
示すパルスタイミング図を用いて説明する。
第8図において、区間61はリフレッシュ動作、区間6
2は蓄積動作、区間63は読出し動作にそれぞれ対応し
ている。
2は蓄積動作、区間63は読出し動作にそれぞれ対応し
ている。
時刻tlにおいて、基板電位、すなわち光センサセル部
のコレクタ電位64は、接地電位または正電位に保たれ
るが、第8図では接地電位に保たれているものを示して
いる。接地電位又は正電位のいずれにしても、すでに説
明した様に、リフレッシュに要する時間が異なってくる
だけであり、基本動作に変化はない。端子49の電位6
5はhigh状懲であり、MOS)ランジメタ48゜4
8’、48″は導通状態に保たれ、各光センサセルは、
垂直ライン38.38’、38“を通して接地されてい
る。また端子36には、波形66のごとくバッファMO
S)ランジスタが導通する電圧が印加されており、全画
面−括すフレッシュ用バッファMOSトランジスタ35
.35’ 35″は導通状態となっている。この状態
で端子37に波形 67のごとくパルスが印加されると
、水平ライン31.31’、31”を通して各光センサ
セルのベースに電圧がかかり、すでに説明した様に、リ
フレッシュ動作に入り、それ以前に蓄積されていた電荷
が、完全リフレッシュモード又はill!S渡的リフツ
レシュモードにしたがってリフレッシュされる。完全リ
フレッシュモードになるか又は過渡的リフレッシュモー
ドになるかは波形67のパルス幅により決定されるわけ
である。
のコレクタ電位64は、接地電位または正電位に保たれ
るが、第8図では接地電位に保たれているものを示して
いる。接地電位又は正電位のいずれにしても、すでに説
明した様に、リフレッシュに要する時間が異なってくる
だけであり、基本動作に変化はない。端子49の電位6
5はhigh状懲であり、MOS)ランジメタ48゜4
8’、48″は導通状態に保たれ、各光センサセルは、
垂直ライン38.38’、38“を通して接地されてい
る。また端子36には、波形66のごとくバッファMO
S)ランジスタが導通する電圧が印加されており、全画
面−括すフレッシュ用バッファMOSトランジスタ35
.35’ 35″は導通状態となっている。この状態
で端子37に波形 67のごとくパルスが印加されると
、水平ライン31.31’、31”を通して各光センサ
セルのベースに電圧がかかり、すでに説明した様に、リ
フレッシュ動作に入り、それ以前に蓄積されていた電荷
が、完全リフレッシュモード又はill!S渡的リフツ
レシュモードにしたがってリフレッシュされる。完全リ
フレッシュモードになるか又は過渡的リフレッシュモー
ドになるかは波形67のパルス幅により決定されるわけ
である。
t7時刻において、すでに説明したごとく、各光センサ
セルのトランジスタのベースはエミッタに対して逆バイ
アス状態となり、次の蓄積区間62へ移る。このリフレ
ッシュ区間61においては1図に示すように、他の印加
パルスは全てlow状態に保たれている。
セルのトランジスタのベースはエミッタに対して逆バイ
アス状態となり、次の蓄積区間62へ移る。このリフレ
ッシュ区間61においては1図に示すように、他の印加
パルスは全てlow状態に保たれている。
ITF積動作区間62においては、基板電圧、すなわち
トランジスタのコレクタ電位波形 64はIモミ位にす
る。これにより光照射により発生したエレクトロン・ホ
ール対のうちのエレクトロンを、コレクタ側へ早く流し
てしまうことができる。しかし、このコレクタ電位を正
電位に保つことは、ベースをエミッタに対して逆方向バ
イアス状態、すなわち負電位にして撮像しているので必
須条件ではなく、接地電位あるいは若干負電位状態にし
ても基本的な蓄積動作に変化はない。
トランジスタのコレクタ電位波形 64はIモミ位にす
る。これにより光照射により発生したエレクトロン・ホ
ール対のうちのエレクトロンを、コレクタ側へ早く流し
てしまうことができる。しかし、このコレクタ電位を正
電位に保つことは、ベースをエミッタに対して逆方向バ
イアス状態、すなわち負電位にして撮像しているので必
須条件ではなく、接地電位あるいは若干負電位状態にし
ても基本的な蓄積動作に変化はない。
蓄積動作状態においては、MOSトランジスタ48.4
8’、48″のゲート端子49の電位65は、リフレッ
シュ区間と同様、highに保たれ、各MOSトランジ
スタは導通状態に保たれる。このため、各光センサセル
のエミνりは垂直ライン38.38’、38″を通して
接地されている0強い光の照射により、ベースにホール
が蓄積され、a和してくると、すなわちベース電位がエ
ミー7タ電位(接地電位)に対して順方向バイアス状態
になってくると、ホールは垂直ライン3838’、38
”を通して流れ、そこでベース電位変化は停止ヒし、は
クリ1.プされることになる。
8’、48″のゲート端子49の電位65は、リフレッ
シュ区間と同様、highに保たれ、各MOSトランジ
スタは導通状態に保たれる。このため、各光センサセル
のエミνりは垂直ライン38.38’、38″を通して
接地されている0強い光の照射により、ベースにホール
が蓄積され、a和してくると、すなわちベース電位がエ
ミー7タ電位(接地電位)に対して順方向バイアス状態
になってくると、ホールは垂直ライン3838’、38
”を通して流れ、そこでベース電位変化は停止ヒし、は
クリ1.プされることになる。
したがって、組直方向にとなり合う光センサセルのエミ
ッタが垂直ライン38.38’ 38”により共通に
接続されていても、この様に、垂直ライン38.38’
、38″を接地しておくと、ブルーミング現象を生ずる
ことはない。
ッタが垂直ライン38.38’ 38”により共通に
接続されていても、この様に、垂直ライン38.38’
、38″を接地しておくと、ブルーミング現象を生ずる
ことはない。
このブルーミング現象をさける方法は、MOSトランジ
スタ48.48’、48″を非導通状態にして、垂直ラ
イン38.38’、38″を浮遊状態にしていても、基
板電位、すなわちコレクタ電位64を若干負電位にして
おき、ホールの蓄積によりベース電位が正電位方向に変
化してきたとき、エミッタより先にコレクタ側の方へ流
れだす様にすることにより達成することも可能である。
スタ48.48’、48″を非導通状態にして、垂直ラ
イン38.38’、38″を浮遊状態にしていても、基
板電位、すなわちコレクタ電位64を若干負電位にして
おき、ホールの蓄積によりベース電位が正電位方向に変
化してきたとき、エミッタより先にコレクタ側の方へ流
れだす様にすることにより達成することも可能である。
蓄積区間62に次いで、時刻t3より読出し区間63に
なる。この時刻t3において、MOSトランジスタ48
.48’、48″のゲート端子49の電位65をlow
にし、かつ水平ライン31.31’、31”のバー/
77− M OS トランジスタ33.33’、33″
のゲート端子の電位68をhighにし、それぞれのM
OS)ランジスタを導通状態とする。但し、このゲート
端子34の電位68をhighにするタイミングは1時
刻1コであることは必須条件ではなく、それより早い時
刻であれば良い。
なる。この時刻t3において、MOSトランジスタ48
.48’、48″のゲート端子49の電位65をlow
にし、かつ水平ライン31.31’、31”のバー/
77− M OS トランジスタ33.33’、33″
のゲート端子の電位68をhighにし、それぞれのM
OS)ランジスタを導通状態とする。但し、このゲート
端子34の電位68をhighにするタイミングは1時
刻1コであることは必須条件ではなく、それより早い時
刻であれば良い。
時tA t 4では、垂直シフトレジスター32の出力
のうち、水平ライン31に接続されたものが波形69の
ごと(highとなり、このとき、MOS)ランジメタ
33が導通状態であるから、この水平ライン31に接続
された3つの各党センサセルの読出しが行なわれる。こ
の読出し動作はすでに前に説明した通りであり、各光セ
ンサセルのベース領域に蓄積された信号電荷により発生
した信号電圧は、そのまま、垂直ライン38.38’3
8″に現われる。このときの垂直シフトレジスター32
からのパルス電圧のパルス幅は、第4図に示した様に、
蓄積電圧に対する読出し電圧が、ト分直線性を保つ関係
になるパルス幅に設定される。またパルス電圧は先に説
明した様に、VIiaS分だけエミッタに対して順方向
バイアスがかかる様′iA整される。
のうち、水平ライン31に接続されたものが波形69の
ごと(highとなり、このとき、MOS)ランジメタ
33が導通状態であるから、この水平ライン31に接続
された3つの各党センサセルの読出しが行なわれる。こ
の読出し動作はすでに前に説明した通りであり、各光セ
ンサセルのベース領域に蓄積された信号電荷により発生
した信号電圧は、そのまま、垂直ライン38.38’3
8″に現われる。このときの垂直シフトレジスター32
からのパルス電圧のパルス幅は、第4図に示した様に、
蓄積電圧に対する読出し電圧が、ト分直線性を保つ関係
になるパルス幅に設定される。またパルス電圧は先に説
明した様に、VIiaS分だけエミッタに対して順方向
バイアスがかかる様′iA整される。
次いで、時刻t、において、水平シフトレジスタ39の
出力のうち、垂直ライン38に接続されたMOSトラン
ジスタ40のゲートへの出力だけが波形70のごと(h
ighとなり、MOS)ランジメタ40が導通状態とな
り、出力信号は出力ライン41を通して、出力トランジ
スタ44に入り。
出力のうち、垂直ライン38に接続されたMOSトラン
ジスタ40のゲートへの出力だけが波形70のごと(h
ighとなり、MOS)ランジメタ40が導通状態とな
り、出力信号は出力ライン41を通して、出力トランジ
スタ44に入り。
電流増幅されて出力端子47から出力される。この様に
信号が読出された後、出力ライン41には配線容量に起
因する信号電荷が残っているので、時pAt sにおい
て、MOSトランジスタ42のゲート端子43にパルス
波形71のごとくパルスを印加し、MOS)ランジメタ
42を導通状態にして出力ライン41を接地して、この
残留した信号’Itt荷をリフレッシュしてやるわけで
ある。以下同様にして、スイッチングMOS)ランジス
タ40′、40″を順次導通させて垂直ライン38’、
38“の信号出力を読出す、この様にして水平に並んだ
−ライン分の各光センサセルからの信号を読出した後、
垂直ライン38.38’38”には、出力ライン41と
同様、それの配線容量に起因する信号1を荷が残留して
いるので、各組直ライン38.38’、38″に接続さ
れたMOS)ランジスタ48.48 ’、48.”を、
それのゲート端子49に波形65で示される極にhig
hにして導通させ、この残留信号’11荷をリフレッシ
ュする。
信号が読出された後、出力ライン41には配線容量に起
因する信号電荷が残っているので、時pAt sにおい
て、MOSトランジスタ42のゲート端子43にパルス
波形71のごとくパルスを印加し、MOS)ランジメタ
42を導通状態にして出力ライン41を接地して、この
残留した信号’Itt荷をリフレッシュしてやるわけで
ある。以下同様にして、スイッチングMOS)ランジス
タ40′、40″を順次導通させて垂直ライン38’、
38“の信号出力を読出す、この様にして水平に並んだ
−ライン分の各光センサセルからの信号を読出した後、
垂直ライン38.38’38”には、出力ライン41と
同様、それの配線容量に起因する信号1を荷が残留して
いるので、各組直ライン38.38’、38″に接続さ
れたMOS)ランジスタ48.48 ’、48.”を、
それのゲート端子49に波形65で示される極にhig
hにして導通させ、この残留信号’11荷をリフレッシ
ュする。
次いで1時刻t−において、垂直シフトレジスター32
の出力のうち、水平ライン31′に接続された出力が波
形69′のごと(highとなり、水平ライン31′に
接続された各光センサセルの蓄JIi電圧が、各垂直ラ
イン38.38’、38”に、62出されるわけである
。以下、順次前と同様の動作により、出力端子47から
信号が読出される。
の出力のうち、水平ライン31′に接続された出力が波
形69′のごと(highとなり、水平ライン31′に
接続された各光センサセルの蓄JIi電圧が、各垂直ラ
イン38.38’、38”に、62出されるわけである
。以下、順次前と同様の動作により、出力端子47から
信号が読出される。
以りの説明においては、蓄積区間62と読出し区間63
が明確に区分される様な応用分野、例えば岐近研究開発
が積極的に行なわれているスチルビデオに適用される動
作状態について説明したが テレビカメラの様にti積
区間62における動作と読出し区+11163における
動作が同時に行なわれている様な応用分野に関しても、
第8図のパルスタイミングを変更することにより適用可
能である。但し、この時のリフレッシュは全画面−括す
フレー2シュではなく、−ライン毎のリフレッシュ機能
が必要である0例えば、水平ライン31に接続された各
党センサセルの信号が続出された後、時刻1.1におい
て各垂直ラインに残留した電荷を消去するためMOS)
ランジメタ48 、48 ′48″を導通にするが、こ
のとき水平ライン31にリフレッシュパルスを印加する
。すなわち、波形69において時刻1.においても時刻
t4と同様、パルス電圧、パルス幅、の異なる パルス
を発生する様な構成の垂直シフトレジスタを使用するこ
とにより達成することができる。この様にダブルパルス
的動作以外には、第7図の右側に設置した一括リフレッ
シュパルスを印加する機奏の代りに、左側と同様の第2
の垂直シフトレジスタを右側にも設け、タイミングを左
側に設けられた垂直レジスタとずらせながら動作させる
ことにより達成させることも可能である。
が明確に区分される様な応用分野、例えば岐近研究開発
が積極的に行なわれているスチルビデオに適用される動
作状態について説明したが テレビカメラの様にti積
区間62における動作と読出し区+11163における
動作が同時に行なわれている様な応用分野に関しても、
第8図のパルスタイミングを変更することにより適用可
能である。但し、この時のリフレッシュは全画面−括す
フレー2シュではなく、−ライン毎のリフレッシュ機能
が必要である0例えば、水平ライン31に接続された各
党センサセルの信号が続出された後、時刻1.1におい
て各垂直ラインに残留した電荷を消去するためMOS)
ランジメタ48 、48 ′48″を導通にするが、こ
のとき水平ライン31にリフレッシュパルスを印加する
。すなわち、波形69において時刻1.においても時刻
t4と同様、パルス電圧、パルス幅、の異なる パルス
を発生する様な構成の垂直シフトレジスタを使用するこ
とにより達成することができる。この様にダブルパルス
的動作以外には、第7図の右側に設置した一括リフレッ
シュパルスを印加する機奏の代りに、左側と同様の第2
の垂直シフトレジスタを右側にも設け、タイミングを左
側に設けられた垂直レジスタとずらせながら動作させる
ことにより達成させることも可能である。
このときは、すでに説明した様な蓄積状態において、各
光センサセルのエミッタおよびコレクタの各電位を操作
してブルーミングを押さえるという動作の自由度が少な
くなる。しかし、基本動作の所で説明した様に、読出し
状態では、ベースにVeiasなるバイアス電圧を印加
したときに始めて高速読出しができる様な構成としてい
るので、第3図のグラフかられかる様に、V it a
sを印加しない時に、各光センサセルの飽和により、垂
直ライン28.28’、28″に流れだす信号′R1荷
分はきわめてわずかであり4ブルーミング現象は、まっ
た〈問題にはならない。
光センサセルのエミッタおよびコレクタの各電位を操作
してブルーミングを押さえるという動作の自由度が少な
くなる。しかし、基本動作の所で説明した様に、読出し
状態では、ベースにVeiasなるバイアス電圧を印加
したときに始めて高速読出しができる様な構成としてい
るので、第3図のグラフかられかる様に、V it a
sを印加しない時に、各光センサセルの飽和により、垂
直ライン28.28’、28″に流れだす信号′R1荷
分はきわめてわずかであり4ブルーミング現象は、まっ
た〈問題にはならない。
″また。スミ7現象に対しても、本実施例に係る光電変
換装置は、きわめて優れた特性を得ることができる。ス
ミア現象は、CCD型撮像装置、特にフレーム転送型に
おいては、光の照射されている所を電荷転送されるとい
う、動作および構造上発生する問題であり、インタライ
ン型においては1.特に長波長の光により半導体の深部
で発生したキャリアが電荷転送部に蓄積されるために発
生する問題である。
換装置は、きわめて優れた特性を得ることができる。ス
ミア現象は、CCD型撮像装置、特にフレーム転送型に
おいては、光の照射されている所を電荷転送されるとい
う、動作および構造上発生する問題であり、インタライ
ン型においては1.特に長波長の光により半導体の深部
で発生したキャリアが電荷転送部に蓄積されるために発
生する問題である。
また、MO3型撮像装置においては、各光センサセルに
接地されたスイッチングMOSトランジスタのドレイン
側に、やはり長波長の光により半導体深部で発生したキ
ャリアが蓄積されるために生じる問題である。
接地されたスイッチングMOSトランジスタのドレイン
側に、やはり長波長の光により半導体深部で発生したキ
ャリアが蓄積されるために生じる問題である。
これに対して本実施例に係る光電変換装置では、動作お
よび構造上発生するスミア現象はまったくなく、また長
波長の光により半導体深部で発生したキャリアがSaさ
れるという現象もまったく生じない、但し、光センサセ
ルのエミッタにおいて比較的表面近傍で発生したエレク
トロンとホールのうち、エレクトロンが蓄積されるとい
う現象が心配されるが、これは、−括リフレッシュ動作
のときは蓄積動作状態において、エミッタが接地されて
いるため、エレクトロンは蓄積されず、スミア現象が生
じない、また通常のテレビカメラのとき応用されるライ
ンリフレッシュ動作のときは、水平ブランキングの期間
において、垂直ラインに落雷電圧を読出す前に、垂直ラ
インを接地してリフレッシュするので、この時同時にエ
ミッタに一水平走査期間に蓄積されたエレクトロンは流
れ出してしまい、このため、スミ7現象はほとんど発生
しない、この様に、本実施例に係る光電変換?を置では
、その構造上および動作上、スミア現象はほとん本質的
に無視し得る程度しか発生せず1本実施例に係る光電変
換装置の大きな利点の一つである。
よび構造上発生するスミア現象はまったくなく、また長
波長の光により半導体深部で発生したキャリアがSaさ
れるという現象もまったく生じない、但し、光センサセ
ルのエミッタにおいて比較的表面近傍で発生したエレク
トロンとホールのうち、エレクトロンが蓄積されるとい
う現象が心配されるが、これは、−括リフレッシュ動作
のときは蓄積動作状態において、エミッタが接地されて
いるため、エレクトロンは蓄積されず、スミア現象が生
じない、また通常のテレビカメラのとき応用されるライ
ンリフレッシュ動作のときは、水平ブランキングの期間
において、垂直ラインに落雷電圧を読出す前に、垂直ラ
インを接地してリフレッシュするので、この時同時にエ
ミッタに一水平走査期間に蓄積されたエレクトロンは流
れ出してしまい、このため、スミ7現象はほとんど発生
しない、この様に、本実施例に係る光電変換?を置では
、その構造上および動作上、スミア現象はほとん本質的
に無視し得る程度しか発生せず1本実施例に係る光電変
換装置の大きな利点の一つである。
また、蓄積動作状態において、エミッタおよびコレクタ
の各電位を操作して、ブルーミング現象を押さえるとい
う動作について前に記述したが。
の各電位を操作して、ブルーミング現象を押さえるとい
う動作について前に記述したが。
これを利用してγ特性を制御することも可能であミッタ
またはコレクタの電位をある一定の負電位にし、ベース
にMmされたキャリアのうち、この負電位を与えるキャ
リア数より多くiaされているホールをエミッタまたは
コレクタ側へ流してしまうという動作をさせる。これに
より、?I積雷電圧入射光量に対する関係は、入射光量
の小さいときはシリコン結晶のもつγ=1の特性を示し
、入射光量の大きい所では、γが1より小さくなる様な
特性を示す、つまり、折線近似的に通常テレビカメラで
要求されるγ= 0.45の特性をもたせることが可能
である。蓄積動作の途中において上記動作を一度やれば
一折線近似となり、エミッタ又はコレクタに印加する負
電位を三鷹適宜変更して行なえば、二折線タイプのγ特
性を持たせることも可能である。
またはコレクタの電位をある一定の負電位にし、ベース
にMmされたキャリアのうち、この負電位を与えるキャ
リア数より多くiaされているホールをエミッタまたは
コレクタ側へ流してしまうという動作をさせる。これに
より、?I積雷電圧入射光量に対する関係は、入射光量
の小さいときはシリコン結晶のもつγ=1の特性を示し
、入射光量の大きい所では、γが1より小さくなる様な
特性を示す、つまり、折線近似的に通常テレビカメラで
要求されるγ= 0.45の特性をもたせることが可能
である。蓄積動作の途中において上記動作を一度やれば
一折線近似となり、エミッタ又はコレクタに印加する負
電位を三鷹適宜変更して行なえば、二折線タイプのγ特
性を持たせることも可能である。
また、以上の実施例においては、シリコン基板を共通コ
レクタとしているが通常パイポーラトランヅスタのごと
く連込n+領域を設け、各ライン毎にコレクタを分密さ
せる様な構造としてもよい。
レクタとしているが通常パイポーラトランヅスタのごと
く連込n+領域を設け、各ライン毎にコレクタを分密さ
せる様な構造としてもよい。
なお、実際の動作には第8図に示したパルスタイミング
以外に1重置シフトレジスタ32、水平シフトリジス3
9を駆動するためのクロシフパルスが必要である。
以外に1重置シフトレジスタ32、水平シフトリジス3
9を駆動するためのクロシフパルスが必要である。
第9図に出力信号に関係する等価回路を示す。
容暖Cマ80は、垂直ライン38.38’38″の配線
容量であり、ff(t CH81は出力ライン41の配
線容量をそれぞれ示している。また第9図右側の等価回
路は、読出し状態におけるものであり、スイッチング用
MO5)ランジメタ40.40’、40″は導通状態で
あり、それの導通状態における抵抗値を抵抗R,82で
示している。また増幅用トランジスタ44を抵抗r、8
3および電流源84を用いた等価回路で示している。出
力ライン41の配線容量に起因する電荷蓄積をリフレッ
シュするためのMOSトランジスタ42は、読出し状態
では非導通状態であり、インピーダンスが高いので、右
側の等価回路では省略している。
容量であり、ff(t CH81は出力ライン41の配
線容量をそれぞれ示している。また第9図右側の等価回
路は、読出し状態におけるものであり、スイッチング用
MO5)ランジメタ40.40’、40″は導通状態で
あり、それの導通状態における抵抗値を抵抗R,82で
示している。また増幅用トランジスタ44を抵抗r、8
3および電流源84を用いた等価回路で示している。出
力ライン41の配線容量に起因する電荷蓄積をリフレッ
シュするためのMOSトランジスタ42は、読出し状態
では非導通状態であり、インピーダンスが高いので、右
側の等価回路では省略している。
等価回路の各パラメータは、実際に構成する光電変換装
置の大きさにより決定されるわけであるが、例えば、容
量Cマ80は約4 pF位、容量CH31は約4 pF
位、MOS)ランジスタの導通状態の抵抗R,82は3
にΩ程度、バイポーラトランジスタ44の電流増幅率β
は約lOO程度として、7出力端子47において観測さ
れる出力信号波形を計算した例を第10図に示す。
置の大きさにより決定されるわけであるが、例えば、容
量Cマ80は約4 pF位、容量CH31は約4 pF
位、MOS)ランジスタの導通状態の抵抗R,82は3
にΩ程度、バイポーラトランジスタ44の電流増幅率β
は約lOO程度として、7出力端子47において観測さ
れる出力信号波形を計算した例を第10図に示す。
第10図において横軸はスイッチングMOS)ランジメ
タ40.40’、40″が導通した瞬間からの時間 t
uslを、縦軸は垂直ライン38゜38’、38″の配
線容量Cマ80に、各光センサセルから蛸号電荷が読出
されて1ボルトの電圧がかかっているときの出力端子4
7に現われる出力電圧 [V] をそれぞれ示している
。
タ40.40’、40″が導通した瞬間からの時間 t
uslを、縦軸は垂直ライン38゜38’、38″の配
線容量Cマ80に、各光センサセルから蛸号電荷が読出
されて1ボルトの電圧がかかっているときの出力端子4
7に現われる出力電圧 [V] をそれぞれ示している
。
出力信号波形85は負荷抵抗Rε45がIOKΩ、86
は負荷抵抗R645が5にΩ、87は負荷抵抗R645
が2にΩのときのものであり、いずれにおいてもピーク
値は、Cマ80と0M81の容に分密によりO,S V
程度になっている。当然のことながら、負荷抵抗Rε4
5が大きい方が減衰睦は小さく、望ましい出力波形にな
っている。
は負荷抵抗R645が5にΩ、87は負荷抵抗R645
が2にΩのときのものであり、いずれにおいてもピーク
値は、Cマ80と0M81の容に分密によりO,S V
程度になっている。当然のことながら、負荷抵抗Rε4
5が大きい方が減衰睦は小さく、望ましい出力波形にな
っている。
立上り時間は、上記のパラメータ値のとき2約20 n
5ecと高速である。スイッチングMOS)ランデスタ
40.40’、40“の導通状態における抵抗RMを小
さくすることにより、および、配線容1cマ 、CMを
小さくすることにより、さらに高速の読出しも可能であ
る。
5ecと高速である。スイッチングMOS)ランデスタ
40.40’、40“の導通状態における抵抗RMを小
さくすることにより、および、配線容1cマ 、CMを
小さくすることにより、さらに高速の読出しも可能であ
る。
一ヒ記構成に係る光センサセルを利用した光電変換装置
では、各光センサセルのもつ増幅機能により、出力に現
れる電圧が大きいため、最終段の増幅アンプも、MO5
型撮像装置に比較してかなり簡単なもので良い、E記例
ではバイポーラトランジスタ1段のタイプのものを使用
した例について説明したが、2段構成のもの等、他の方
式を使うことも当然のことながら可能である。この例の
様にバイポーラトランジスタを用いると、CCDI像’
!Itにおける最終段のアンプのMOS)ランジスタか
ら発生する画像上目につきやすいIff雑音の問題が、
本実施例の光電変換装置では発生せず、きわめてS/N
比の良い6質を得ることが可能である。
では、各光センサセルのもつ増幅機能により、出力に現
れる電圧が大きいため、最終段の増幅アンプも、MO5
型撮像装置に比較してかなり簡単なもので良い、E記例
ではバイポーラトランジスタ1段のタイプのものを使用
した例について説明したが、2段構成のもの等、他の方
式を使うことも当然のことながら可能である。この例の
様にバイポーラトランジスタを用いると、CCDI像’
!Itにおける最終段のアンプのMOS)ランジスタか
ら発生する画像上目につきやすいIff雑音の問題が、
本実施例の光電変換装置では発生せず、きわめてS/N
比の良い6質を得ることが可能である。
上に述べた様に、−ヒ記構成に係る光センサセルを利用
した光電変換装置では、最終段の増幅アンプがきわめて
簡単なもので良いことから、最終段の増幅アンプを一つ
だけ設ける第7図に示した一実施例のごときタイプでは
なく、増幅アンプを複数個設置して、一つの画面を複数
に分割して読出す様な構成とすることも可能である。
した光電変換装置では、最終段の増幅アンプがきわめて
簡単なもので良いことから、最終段の増幅アンプを一つ
だけ設ける第7図に示した一実施例のごときタイプでは
なく、増幅アンプを複数個設置して、一つの画面を複数
に分割して読出す様な構成とすることも可能である。
第11図に、分割読出し方式の一例を示す、第11図に
示す実施例は、水平方向を3分割とし最終段アンプを3
つ設置した例である。基本的な動作は第7図の実施例お
よび第8図のタイミング図を用いて説明したものとほと
んど同じであるが、この第11図の実施例では、3つの
等価な水平シフトレジスタ100,101,102を設
け、これらの始動パルスを印加するための端子103に
始動パルスが入ると、1列目、(n+1)列目。
示す実施例は、水平方向を3分割とし最終段アンプを3
つ設置した例である。基本的な動作は第7図の実施例お
よび第8図のタイミング図を用いて説明したものとほと
んど同じであるが、この第11図の実施例では、3つの
等価な水平シフトレジスタ100,101,102を設
け、これらの始動パルスを印加するための端子103に
始動パルスが入ると、1列目、(n+1)列目。
(2n+1)列目(nは整数であり、この実施例では水
平方向絵素数は3n個である。)に接続された各センサ
セルの出力が同時に読出されることになる1次の時点で
は、2列目、(n+2)列目、(2n+2)列目が読出
されることになる。
平方向絵素数は3n個である。)に接続された各センサ
セルの出力が同時に読出されることになる1次の時点で
は、2列目、(n+2)列目、(2n+2)列目が読出
されることになる。
この実施例によれば、−木の水平ライン分を読出す時間
が固定されている時は、水平方向のスキャニング周波数
は、一つの最終段アンプをつけた方式に比較して1/3
の周波数で良く、水平シフトレジスターが簡単になり、
かつ光電変換装置からの出力信号をアナログディジタル
変換して、信号処理する様な用途には、高速のアナログ
・ディジタル変換器は不必要であり、分割読出し方式の
大きな利点である。
が固定されている時は、水平方向のスキャニング周波数
は、一つの最終段アンプをつけた方式に比較して1/3
の周波数で良く、水平シフトレジスターが簡単になり、
かつ光電変換装置からの出力信号をアナログディジタル
変換して、信号処理する様な用途には、高速のアナログ
・ディジタル変換器は不必要であり、分割読出し方式の
大きな利点である。
第11図に示した実施例では、等価な水平シフトレジス
ターを3つ設けた方式であったが、同様な機能は、水平
レジスター1つだけでももたせることが可能であ・る、
この場合の実施例を第12図に示す。
ターを3つ設けた方式であったが、同様な機能は、水平
レジスター1つだけでももたせることが可能であ・る、
この場合の実施例を第12図に示す。
第12図の実施例は、第11図に示した実施例のうちの
水平スイッチングMOSトランジスターと、最終段アン
プの中間の部分だけを書いたものであり、他の部分は、
第11図の実施例と同じであるから省略している。
水平スイッチングMOSトランジスターと、最終段アン
プの中間の部分だけを書いたものであり、他の部分は、
第11図の実施例と同じであるから省略している。
この実施例では、1つの水平シフトレジスター104か
らの出力を1列口、(n+1)列目、(2n+1)夕噌
目のスイッチングMOSトランジスターのゲートに接続
し、それらのラインを同時に読出す様にしている0次の
時点では、2列目、(n+2)列目、(2n+2)列目
が読出されるわけである。
らの出力を1列口、(n+1)列目、(2n+1)夕噌
目のスイッチングMOSトランジスターのゲートに接続
し、それらのラインを同時に読出す様にしている0次の
時点では、2列目、(n+2)列目、(2n+2)列目
が読出されるわけである。
この実施例によれば、各スイッチングMOSトランジス
ターのゲートへの配線は増加するものの2水平シフトレ
ジスターとしては1つだけで動作が可能である。
ターのゲートへの配線は増加するものの2水平シフトレ
ジスターとしては1つだけで動作が可能である。
第11図、12図の例では出力アンプを3個設けた例を
示したが、この数はその目的に応じてさらに多くしても
よいことはもちろんである。
示したが、この数はその目的に応じてさらに多くしても
よいことはもちろんである。
第ti図、第12図の実施例ではいずれも、木石シフト
レジスター、垂直シフトレジスターの始動パルスおよび
クロックパルスは省略しているが、これらは、他のリフ
レッシュパルスと同様。
レジスター、垂直シフトレジスターの始動パルスおよび
クロックパルスは省略しているが、これらは、他のリフ
レッシュパルスと同様。
同一・チップ内に設けたクロー、クパルス発生器あるい
は、他のチップ−ヒに設けられたクロックパルス発生器
から供給される。
は、他のチップ−ヒに設けられたクロックパルス発生器
から供給される。
この分割読出し方式では、水平ラインー括又は全画面−
括リフレッシュを行なうと、n列目と (n+1)列目
の光センサセル間では、わずか蓄積時間が異なり、これ
により、暗電流成分および信号成分に、わずかの不連続
性が生じ、画像上目についてくる可能性も考えられるが
、これの量はわずかであり、実用上問題はない、また、
これが、許容限度以上になってきた場合でも、外部回路
を用いて、それを補正することは、キヨシ状波を発生さ
せ、これと暗電流成分との減算およびこれと信号成分の
乗除算により行なう従来の補正技術を使用することによ
り容易に可能である。
括リフレッシュを行なうと、n列目と (n+1)列目
の光センサセル間では、わずか蓄積時間が異なり、これ
により、暗電流成分および信号成分に、わずかの不連続
性が生じ、画像上目についてくる可能性も考えられるが
、これの量はわずかであり、実用上問題はない、また、
これが、許容限度以上になってきた場合でも、外部回路
を用いて、それを補正することは、キヨシ状波を発生さ
せ、これと暗電流成分との減算およびこれと信号成分の
乗除算により行なう従来の補正技術を使用することによ
り容易に可能である。
この様な光電変換装置を用いて、カラー画像を撮像する
時は、光電変換装置のEに、ストライプフィルターある
いは、モザイクフィルター等をオンチー2プ化したり、
又は、別に作ったカラーフィルターを貼合せることによ
りカラー信号を(りることか可能である。
時は、光電変換装置のEに、ストライプフィルターある
いは、モザイクフィルター等をオンチー2プ化したり、
又は、別に作ったカラーフィルターを貼合せることによ
りカラー信号を(りることか可能である。
一例としてR,G、Hのストライプ・フィルターを使用
した時は、−h記構酸に係る光センサセルを利用した光
電変換装置ではそれぞれ別々の最終段アンプよりR信号
、G信号、B信号を得ることが可能である。これの一実
施例を第13図に示す、この第13図も第12図と同様
、水平レジスターのまわりだけを示している。他は第7
図および第11図と同じであり、ただ1列口はRのカラ
ーフィルター、2列口はGのカラーフィルター、3列目
はBのカラーフィルター、4列目はRのカラーフィルタ
ーという様にカラーフィルターがついているものとする
。第13図に示すごとく1列目、4列目、7列目−−−
−−−の各垂直ラインは出力ライン110に接続され、
これはR信号をとりだす、又2列目、5列目、8列目−
−−−−−の各垂直ラインは出力ライン111に接続さ
れ、これはG信号をとりだす、又同様にして、3列口。
した時は、−h記構酸に係る光センサセルを利用した光
電変換装置ではそれぞれ別々の最終段アンプよりR信号
、G信号、B信号を得ることが可能である。これの一実
施例を第13図に示す、この第13図も第12図と同様
、水平レジスターのまわりだけを示している。他は第7
図および第11図と同じであり、ただ1列口はRのカラ
ーフィルター、2列口はGのカラーフィルター、3列目
はBのカラーフィルター、4列目はRのカラーフィルタ
ーという様にカラーフィルターがついているものとする
。第13図に示すごとく1列目、4列目、7列目−−−
−−−の各垂直ラインは出力ライン110に接続され、
これはR信号をとりだす、又2列目、5列目、8列目−
−−−−−の各垂直ラインは出力ライン111に接続さ
れ、これはG信号をとりだす、又同様にして、3列口。
6列目、9列目−一一一一一の各垂直ラインは出力ライ
ン112に接続されB信号をとりだす、出力ライン11
0,111,112はそれぞれオンチップ化されたリフ
レッシュ用MOSトランジスタおよび最終段アンプ、例
えばエミッタフォロ7タイプのバイポーラトランジスタ
に接続され、各カラー信号が別々に出力されるわけであ
る。
ン112に接続されB信号をとりだす、出力ライン11
0,111,112はそれぞれオンチップ化されたリフ
レッシュ用MOSトランジスタおよび最終段アンプ、例
えばエミッタフォロ7タイプのバイポーラトランジスタ
に接続され、各カラー信号が別々に出力されるわけであ
る。
本発明の他の実施例に係る光電変換装置を構成する光セ
ンサセルの他の例の基本構造および動作を説明するため
の図を第14図に示す、またそれの等価回路および全体
の回路構成図を第15図(a)に示す。
ンサセルの他の例の基本構造および動作を説明するため
の図を第14図に示す、またそれの等価回路および全体
の回路構成図を第15図(a)に示す。
第14図に示す光センサセルは、同一の水平スキャンパ
ルスにより読出し動作、およびラインリフレッシュを同
時に行なうことを可能とした光センサセルである。第1
4図において、すでに第1図で示した構成と異なる点は
、第1図の場合水平ライン配線lOに接続されるMOS
キャパシタ電極9が一つだけであったものが上下に隣接
する光センサ−セルの側にもMOSキャパシタ電極12
0が接続され、1つの光センサセルからみた時に、ダブ
ルコンデンサータイプとなっていること、および図にお
いて上下に隣接する光センサセルのエミッタ7.7′は
2層配線にされた配線■8、および配線■121 (
第14図では、垂直ラインが1本に見えるが、絶縁層を
介して2木のラインがfi!、21されている)に交互
に接続、すなわちエミッタ7はコンタクトホール19を
通して配線■8に、エミッタ7′はコンタクトホール1
9′を通して配線■121にそれぞれ11統されている
ことが異なっている。
ルスにより読出し動作、およびラインリフレッシュを同
時に行なうことを可能とした光センサセルである。第1
4図において、すでに第1図で示した構成と異なる点は
、第1図の場合水平ライン配線lOに接続されるMOS
キャパシタ電極9が一つだけであったものが上下に隣接
する光センサ−セルの側にもMOSキャパシタ電極12
0が接続され、1つの光センサセルからみた時に、ダブ
ルコンデンサータイプとなっていること、および図にお
いて上下に隣接する光センサセルのエミッタ7.7′は
2層配線にされた配線■8、および配線■121 (
第14図では、垂直ラインが1本に見えるが、絶縁層を
介して2木のラインがfi!、21されている)に交互
に接続、すなわちエミッタ7はコンタクトホール19を
通して配線■8に、エミッタ7′はコンタクトホール1
9′を通して配線■121にそれぞれ11統されている
ことが異なっている。
これはff115図(a)の等価回路をみるとより明ら
かとなる。すなわち、光センサセル152のベースに接
続されたMOSキャパシタ150は水平ティン31にP
a続され、MOSキャパシタ151は水平ライン31′
に接続されている。また光センサセル152の図におい
て下に隣接する光センサセル152′のMOSキャパシ
タ150′は共通する水平ライン31′に接続されてい
る。
かとなる。すなわち、光センサセル152のベースに接
続されたMOSキャパシタ150は水平ティン31にP
a続され、MOSキャパシタ151は水平ライン31′
に接続されている。また光センサセル152の図におい
て下に隣接する光センサセル152′のMOSキャパシ
タ150′は共通する水平ライン31′に接続されてい
る。
光センサセル152のエミッタは垂直ライン38・に、
光センサセル152のエミッタは垂直ライン138に、
光センサセル152のエミッタは垂直ライン38という
様にそれぞれ交互に接続されている。
光センサセル152のエミッタは垂直ライン138に、
光センサセル152のエミッタは垂直ライン38という
様にそれぞれ交互に接続されている。
第15図(a)の等価回路では1以上述べた基本の光セ
ンサーセル部以外で、第7図の撮像装置と異なるのは、
垂直ライン38をリフレッシュするためのスイッチング
MOSトランジスタ48のほかに垂直ライン138をリ
フレッシュするためのスイッチングMOSトランジスタ
148、および垂直ライン38を選択するスイッチング
MOSトランジスタ40のほか垂直ライン138を選択
するためのスイッチングMOSトランジスタ140が迫
力Uされ、また出力アンプ系が一つ増設されている。こ
の出力系の構成は、各ラインをリフレッシュするための
スイッチングMOSトランジスタ48、および148が
接続されている様な構成とし、さらに水平スキャン用の
スイッチングMOSトランジスタを用いる第15図(b
)に示す様にして出力アンプを一つだけにする構成もま
た可能である。第15図(b)では第15図(a)の垂
直ライン選択および出力アンプ系の部分だけを示してい
る。
ンサーセル部以外で、第7図の撮像装置と異なるのは、
垂直ライン38をリフレッシュするためのスイッチング
MOSトランジスタ48のほかに垂直ライン138をリ
フレッシュするためのスイッチングMOSトランジスタ
148、および垂直ライン38を選択するスイッチング
MOSトランジスタ40のほか垂直ライン138を選択
するためのスイッチングMOSトランジスタ140が迫
力Uされ、また出力アンプ系が一つ増設されている。こ
の出力系の構成は、各ラインをリフレッシュするための
スイッチングMOSトランジスタ48、および148が
接続されている様な構成とし、さらに水平スキャン用の
スイッチングMOSトランジスタを用いる第15図(b
)に示す様にして出力アンプを一つだけにする構成もま
た可能である。第15図(b)では第15図(a)の垂
直ライン選択および出力アンプ系の部分だけを示してい
る。
この第14図の光センサセル及び第15図(a)に示す
実施例によれば1次の様な動作が可能である。すなわち
、今水平ライン31に接続された各光センサセルの読出
し動作が終了し、テレビ動作における水平ブランキング
期間にある時、垂直シフトレジスター32からの出力パ
ルスが水平ライン31′に出力されるとMOSキャパシ
タ151を通して、読出しの終了した光センサセル15
2をリフレッシュする。このとき、スイッチングMOS
トランジスタ48は導通状態にされ、垂直ライン38は
接地されている。
実施例によれば1次の様な動作が可能である。すなわち
、今水平ライン31に接続された各光センサセルの読出
し動作が終了し、テレビ動作における水平ブランキング
期間にある時、垂直シフトレジスター32からの出力パ
ルスが水平ライン31′に出力されるとMOSキャパシ
タ151を通して、読出しの終了した光センサセル15
2をリフレッシュする。このとき、スイッチングMOS
トランジスタ48は導通状態にされ、垂直ライン38は
接地されている。
また水平ライン31′に接続されたMOSキャパシタ1
50′を通して光センサ セル152′の出力が垂直ラ
イン13Bに読出される。このとき当然のことながらス
イッチングMOS)ランジスタ148は非導通状態にな
され、垂直ライン138は浮遊状態となっているわけで
ある。この様に−・つの鉄血スキャンパルスにより、す
でに読出しを終了した光センサ セルのリフレッシュと
、次のラインの光センサ セルの読出しが同一・のパル
スで同時的に行なうことが可能である。このときすでに
説明した様にリフレッシュする時の電圧と読出しの時の
電圧は、読出し時には、高速読出しの必要性からバイア
ス電圧をかけるので異なってくるが、これは第14図に
示すごとく、MOSキャパシタ電極9およびMOSキャ
パシタ電極120の面積を変えることにより各電極に同
一の電圧が印加されても各光センサ セルのベースには
異なる電圧がかかる様な構成をとることにより達成され
ている。
50′を通して光センサ セル152′の出力が垂直ラ
イン13Bに読出される。このとき当然のことながらス
イッチングMOS)ランジスタ148は非導通状態にな
され、垂直ライン138は浮遊状態となっているわけで
ある。この様に−・つの鉄血スキャンパルスにより、す
でに読出しを終了した光センサ セルのリフレッシュと
、次のラインの光センサ セルの読出しが同一・のパル
スで同時的に行なうことが可能である。このときすでに
説明した様にリフレッシュする時の電圧と読出しの時の
電圧は、読出し時には、高速読出しの必要性からバイア
ス電圧をかけるので異なってくるが、これは第14図に
示すごとく、MOSキャパシタ電極9およびMOSキャ
パシタ電極120の面積を変えることにより各電極に同
一の電圧が印加されても各光センサ セルのベースには
異なる電圧がかかる様な構成をとることにより達成され
ている。
すなわち、リフレッシュ用MOSキャパシタの面積は2
読出し用MOSキャパシタの面積にくらべて小さくなっ
ている。この例のように、センサセル全Nを一括リフレ
ッシュするのではなく、−ラインずつリフレッシュして
いく場合には、第1図(b)に示されるようにコレクタ
をp型あるいはn 基板で構成しておいてもよいが、水
平ラインごとにコレクタを分離して設けた方が望ましい
ことがある。コレクタが基板になっている場合には、全
光センサセルのコレクタが共通領域となっているため、
蓄積および受光読出し状態ではコレクタに一定のバイア
ス電圧が加わった状態になっている。もちろん、すでに
説明したようにコレクタにバイアス電圧が加わった状態
でも浮遊ベースのリフレッシュは、エミッタの間で行な
える。ただし、この場合には、ベース領域のリフレッシ
ュが行なわれると同時に、リフレッシュパルスが印加さ
れたセルのエミッタコレクタ間に無駄なitt流が流れ
、消費電力を大きくするという欠点が伴なう、こうした
欠点を克服するためには、全センサセルのコレクタを共
通領域とせずに、各水平ラインに並ぶセンサセルのコレ
クタは共通になるが、各水平ラインごとのコレクタは互
いに分離された構造にする。すなわち、第1図の構造に
関連させて説明すれば、基板はp型にして、p型基板中
にコレクタ 各水平ラインごとに互いに分離されたnl
埋込領域を設けた構造にする。隣り合う水平ラインの
n3 埋込9R域の分離は、p領域を間に介在させる
構造でもよい、水平ラインに沿って埋込まれるコレクタ
のキャパシタを減少させるには、絶縁物分離の方が優れ
ている。第1図では、コレクタが基板で構成されている
から、センサセルを囲む分離領域はすべてほとんど同じ
深さまで設けられている。一方、各水平ラインごとのコ
レクタを互いに分離するには、水平ライン方向の分離領
域を乗置ライン方向の分離領域より必要な値だけ深くし
ておくことになる。
読出し用MOSキャパシタの面積にくらべて小さくなっ
ている。この例のように、センサセル全Nを一括リフレ
ッシュするのではなく、−ラインずつリフレッシュして
いく場合には、第1図(b)に示されるようにコレクタ
をp型あるいはn 基板で構成しておいてもよいが、水
平ラインごとにコレクタを分離して設けた方が望ましい
ことがある。コレクタが基板になっている場合には、全
光センサセルのコレクタが共通領域となっているため、
蓄積および受光読出し状態ではコレクタに一定のバイア
ス電圧が加わった状態になっている。もちろん、すでに
説明したようにコレクタにバイアス電圧が加わった状態
でも浮遊ベースのリフレッシュは、エミッタの間で行な
える。ただし、この場合には、ベース領域のリフレッシ
ュが行なわれると同時に、リフレッシュパルスが印加さ
れたセルのエミッタコレクタ間に無駄なitt流が流れ
、消費電力を大きくするという欠点が伴なう、こうした
欠点を克服するためには、全センサセルのコレクタを共
通領域とせずに、各水平ラインに並ぶセンサセルのコレ
クタは共通になるが、各水平ラインごとのコレクタは互
いに分離された構造にする。すなわち、第1図の構造に
関連させて説明すれば、基板はp型にして、p型基板中
にコレクタ 各水平ラインごとに互いに分離されたnl
埋込領域を設けた構造にする。隣り合う水平ラインの
n3 埋込9R域の分離は、p領域を間に介在させる
構造でもよい、水平ラインに沿って埋込まれるコレクタ
のキャパシタを減少させるには、絶縁物分離の方が優れ
ている。第1図では、コレクタが基板で構成されている
から、センサセルを囲む分離領域はすべてほとんど同じ
深さまで設けられている。一方、各水平ラインごとのコ
レクタを互いに分離するには、水平ライン方向の分離領
域を乗置ライン方向の分離領域より必要な値だけ深くし
ておくことになる。
各水平ラインごとにコレクタが分離されていれば、読出
しが終って、リフレ?レユ動作が始まるD′iに、その
水平ラインのコレクタの電圧を接地すれば、前述したよ
うなエミッタコレクタ間電流は流れず、消:!?ft力
の増加をもたらさない、リフレッシュが終って光信号に
よる電荷′Ia積動作に入る時に、ふたたびコレクタ領
域には所定のバイアス′咀圧を印加する。
しが終って、リフレ?レユ動作が始まるD′iに、その
水平ラインのコレクタの電圧を接地すれば、前述したよ
うなエミッタコレクタ間電流は流れず、消:!?ft力
の増加をもたらさない、リフレッシュが終って光信号に
よる電荷′Ia積動作に入る時に、ふたたびコレクタ領
域には所定のバイアス′咀圧を印加する。
また第15図(a)の等価回路によれば、各水平ライン
毎に出力は出力端子47および147に交I7に出力さ
れることになる。これは、すでに説明したことく、第1
5図(b)の様な構成にすることにより一つのアンプか
ら出力をとりだすことも0■能である。
毎に出力は出力端子47および147に交I7に出力さ
れることになる。これは、すでに説明したことく、第1
5図(b)の様な構成にすることにより一つのアンプか
ら出力をとりだすことも0■能である。
以上説明した様に本実施例によれば、比較的簡単な構成
で、ラインリフレッシュが可能となり1通常のテレビカ
メラ等の応用分野にも適用することがデできる。
で、ラインリフレッシュが可能となり1通常のテレビカ
メラ等の応用分野にも適用することがデできる。
本発明の他の実施例としては、光センサセルに複数のエ
ミッタを設けた構成あるいは、一つの二ミッタに複数の
コンタクトを設けた構成により、一つの光センサセルか
ら複数の出力をとりだすタイプが考えられる。
ミッタを設けた構成あるいは、一つの二ミッタに複数の
コンタクトを設けた構成により、一つの光センサセルか
ら複数の出力をとりだすタイプが考えられる。
これは木発I」による光電変換?c置の各光センサセル
が増幅機能をもつことから、一つの光センサセルから複
数の出力をとりだすために、各光センサセルに複数の配
線容量が接続されても、光センサセルの内部で発生した
蓄積電圧Vpが、まった〈減衰することなしに各出力に
読出すことが可能であることに起因している。
が増幅機能をもつことから、一つの光センサセルから複
数の出力をとりだすために、各光センサセルに複数の配
線容量が接続されても、光センサセルの内部で発生した
蓄積電圧Vpが、まった〈減衰することなしに各出力に
読出すことが可能であることに起因している。
この峰に、各光センサセルから複数の出力をとりだすこ
とができる構成により、各光センサセルを多数配列して
なる光重変換装置に対して信号処理あるいは雑音対策等
に対して多くの利点を付加することが可能である。
とができる構成により、各光センサセルを多数配列して
なる光重変換装置に対して信号処理あるいは雑音対策等
に対して多くの利点を付加することが可能である。
次に未発明に係る光′Rt変換装置の一製法例について
説明する。第16図に、選択エピタキシャル成長(N、
Endo et al、 ”Novel devi
ce isolationtechnology w
ith 5elected epitaxial
growth”丁ech、 Dig、 of
In2 1 EDM 、PP、 241−244
参照)を用いたその製法の一例を示す。
説明する。第16図に、選択エピタキシャル成長(N、
Endo et al、 ”Novel devi
ce isolationtechnology w
ith 5elected epitaxial
growth”丁ech、 Dig、 of
In2 1 EDM 、PP、 241−244
参照)を用いたその製法の一例を示す。
l〜10X I O”cm−’程度の不純物濃度のn形
Si基板1の裏面側に、コンタクト用のn′″領域11
を、 AsあるいはPの拡散で設ける。n”領域からの
オートドーピングを騎ぐために、図には示さないが酸化
膜及び窒化膜を裏面に通常は設けておく 。
Si基板1の裏面側に、コンタクト用のn′″領域11
を、 AsあるいはPの拡散で設ける。n”領域からの
オートドーピングを騎ぐために、図には示さないが酸化
膜及び窒化膜を裏面に通常は設けておく 。
基板1は、不純物濃度及び酸素濃度が均一に制御された
ものを用いる。すなわち、キャリアラインタイムがウェ
ハで十分に長くかつ均一な結晶ウェハを用いる。その様
なものとしては例えばMCZ 71による結晶が適して
いる。基板1の表面に略々l−間程度の酸化膜をウェッ
ト酸化により形成する。すなわち、H,O雰囲気かある
いは(Hを十〇、)雰囲気で酸化する。積層欠陥等を生
じさせずに良好な酸化膜を得るには、900℃程度の温
度での高圧酸化が適している。
ものを用いる。すなわち、キャリアラインタイムがウェ
ハで十分に長くかつ均一な結晶ウェハを用いる。その様
なものとしては例えばMCZ 71による結晶が適して
いる。基板1の表面に略々l−間程度の酸化膜をウェッ
ト酸化により形成する。すなわち、H,O雰囲気かある
いは(Hを十〇、)雰囲気で酸化する。積層欠陥等を生
じさせずに良好な酸化膜を得るには、900℃程度の温
度での高圧酸化が適している。
その上に、たとえば2〜4ILm程度の厚さの5i02
膜をcvoで堆積t6− CNt + SiH4+
02)ガス系で、300〜500℃程度の温度で所望の
厚さのSin、膜を堆積する。O,/ SiH4のモル
比は温度にもよるが4〜40程度に設定する。フォトリ
ングラフィ工程により、セル間の分離領域となる部分の
酸化膜を残して他の領域の酸化膜は、 (CF、+l
(、)、02F、、CH,F。
膜をcvoで堆積t6− CNt + SiH4+
02)ガス系で、300〜500℃程度の温度で所望の
厚さのSin、膜を堆積する。O,/ SiH4のモル
比は温度にもよるが4〜40程度に設定する。フォトリ
ングラフィ工程により、セル間の分離領域となる部分の
酸化膜を残して他の領域の酸化膜は、 (CF、+l
(、)、02F、、CH,F。
等のガスを用いたりアクティブイオンエツチングで除去
する(第16図の工程(a))、例えば、l0X10ル
鵬2に1画素を設ける場合には、lO#L■ピッチのメ
ツシュ状にS iO,膜を残す、 5i02膜の幅は
たとえば2枇朧程度に選ばれる。リアクティブイオンエ
ツチングによる表面のダメージ層及び7り袋層を、^r
/C1t ガス系プラズマエツチングかウェー/ )エ
ッチ〉グによって除去した後、超高真室中における11
着かもしくは、ロードロック形式で十分1こ雰囲気が清
浄になされたスパッタ、あるいは、SiH4ガスにCO
,レーザ光線を照射する減圧ff1CVDで、アモルフ
ァスシリコン301を堆積する(第16図)工程(b)
)、 CB r F s 、 CC1tFi、 CI
2 等のガスを用いたりアクティブイオンエツチングに
よる異方性ニー7チにより、Si02層側面に堆積して
いる以外のアモルファスシリコンを除去する(1116
図の工程(C)) 、前と同様に、ダメージと汚染層を
十分除去した後、シリコン基板表面を十分清浄に洗浄し
、 (層2 +5iH1、CO2+ttc之)ガス系に
よりシリコン層の選択成長を行う、数10Torrの減
圧状態で成長は行い、基板温度は800〜1000℃、
80文のモル比をある程度以E高い債に設定する。
80文の量が少なすぎると選択成長は起こらない、シリ
コンノ&板、ヒにはシリコン結晶層が成長するが、 S
i02層ヒのシリコンはHClによってエツチングされ
てしまうため、 SiO2滑tZにはシリコンはilE
iしない(第16図(d))、 n−層5の厚さは
たとえば3〜5川!14’l!度である。
する(第16図の工程(a))、例えば、l0X10ル
鵬2に1画素を設ける場合には、lO#L■ピッチのメ
ツシュ状にS iO,膜を残す、 5i02膜の幅は
たとえば2枇朧程度に選ばれる。リアクティブイオンエ
ツチングによる表面のダメージ層及び7り袋層を、^r
/C1t ガス系プラズマエツチングかウェー/ )エ
ッチ〉グによって除去した後、超高真室中における11
着かもしくは、ロードロック形式で十分1こ雰囲気が清
浄になされたスパッタ、あるいは、SiH4ガスにCO
,レーザ光線を照射する減圧ff1CVDで、アモルフ
ァスシリコン301を堆積する(第16図)工程(b)
)、 CB r F s 、 CC1tFi、 CI
2 等のガスを用いたりアクティブイオンエツチングに
よる異方性ニー7チにより、Si02層側面に堆積して
いる以外のアモルファスシリコンを除去する(1116
図の工程(C)) 、前と同様に、ダメージと汚染層を
十分除去した後、シリコン基板表面を十分清浄に洗浄し
、 (層2 +5iH1、CO2+ttc之)ガス系に
よりシリコン層の選択成長を行う、数10Torrの減
圧状態で成長は行い、基板温度は800〜1000℃、
80文のモル比をある程度以E高い債に設定する。
80文の量が少なすぎると選択成長は起こらない、シリ
コンノ&板、ヒにはシリコン結晶層が成長するが、 S
i02層ヒのシリコンはHClによってエツチングされ
てしまうため、 SiO2滑tZにはシリコンはilE
iしない(第16図(d))、 n−層5の厚さは
たとえば3〜5川!14’l!度である。
不純物濃度は、好ましくはlO1′〜lO1!011程
度に設定する。もちろん、この範囲をずれてもよし1が
、p n−接合の拡散電位で完全に空乏化するかもしく
はコレクタに動作電圧を印加した状態では、少なくとも
n−領域が完全に空乏化するような不純物濃度および厚
さに選ぶのが望ましい。
度に設定する。もちろん、この範囲をずれてもよし1が
、p n−接合の拡散電位で完全に空乏化するかもしく
はコレクタに動作電圧を印加した状態では、少なくとも
n−領域が完全に空乏化するような不純物濃度および厚
さに選ぶのが望ましい。
通常入手できる)ICQガスには大量の水分が含まれて
いるため、シリコン基板表面で常に酸化膜が形成される
というようなことになって、到底高品質のエピタキシャ
ル成長は望めない、水分の多い)1cJIは、ボンベに
入っている状態でボンベの材料と反応し鉄分を中心とす
る重金属を大量に含むことになって1重金属汚染の多い
エビ層になり易い、光センサ−セルに使用するエビ層は
、暗電流成分が少ない程望ましいわけであるから、重金
属による汚染は極限まで抑える必要がある。 5i)
Itel、に超高純度の材料を使用することはもちろん
であるが、 H(dlには特に水分の少ない、望ましく
は少なくとも水分含有犠が0.5ppm以下のものを使
用する。もちろん、水分含有通は少ない程よい。
いるため、シリコン基板表面で常に酸化膜が形成される
というようなことになって、到底高品質のエピタキシャ
ル成長は望めない、水分の多い)1cJIは、ボンベに
入っている状態でボンベの材料と反応し鉄分を中心とす
る重金属を大量に含むことになって1重金属汚染の多い
エビ層になり易い、光センサ−セルに使用するエビ層は
、暗電流成分が少ない程望ましいわけであるから、重金
属による汚染は極限まで抑える必要がある。 5i)
Itel、に超高純度の材料を使用することはもちろん
であるが、 H(dlには特に水分の少ない、望ましく
は少なくとも水分含有犠が0.5ppm以下のものを使
用する。もちろん、水分含有通は少ない程よい。
エピタキシャル成長層をさらに高品質にするには、)基
板をまず1150〜1250℃程度の高温処理で表面近
傍から酸素を除去して、その後800℃程度の長時間熱
処理により基板内部にマイクロディフェクトを多数発生
させ、デヌーデットゾーンを有するイントリシックゲー
、タリングの行える基板にしておくこともきわめて有効
である0分離領域としての Si02層4が存在した状
態でのエピタキシャル成長を行うわけであるから、
Sin、からの酸素のとり込みを少なくするため、成長
温度は低い程望ましい0通常よく使われる高周波加熱法
では、カーボンサセプタからの汚染が多くて、より・屑
の低温化は難しい1反応室内にカーボンサセプタなど持
込まないランプ加熱によるウェハ直接加熱法がt&長雰
囲気をもっともクリーンにできて、高品質エビ層を低温
で成長させられる。
板をまず1150〜1250℃程度の高温処理で表面近
傍から酸素を除去して、その後800℃程度の長時間熱
処理により基板内部にマイクロディフェクトを多数発生
させ、デヌーデットゾーンを有するイントリシックゲー
、タリングの行える基板にしておくこともきわめて有効
である0分離領域としての Si02層4が存在した状
態でのエピタキシャル成長を行うわけであるから、
Sin、からの酸素のとり込みを少なくするため、成長
温度は低い程望ましい0通常よく使われる高周波加熱法
では、カーボンサセプタからの汚染が多くて、より・屑
の低温化は難しい1反応室内にカーボンサセプタなど持
込まないランプ加熱によるウェハ直接加熱法がt&長雰
囲気をもっともクリーンにできて、高品質エビ層を低温
で成長させられる。
反応室におけるウェハ支持具は、より蒸気圧の低い超高
純度溶融サファイアが適している。原材料ガスの予熱が
容易に行え、かつ大流量のガスが魔れている状態でもウ
ェハ面内温度を均一化し易い、すなわちサーマルストレ
スがほとんど発生しないランプ加熱によるウェハ直接加
熱法は、高品質エビ層を得るのに適している。成長時に
ウェハ表面への紫外線照射は、エビ層の品質をさらに向
上させる。
純度溶融サファイアが適している。原材料ガスの予熱が
容易に行え、かつ大流量のガスが魔れている状態でもウ
ェハ面内温度を均一化し易い、すなわちサーマルストレ
スがほとんど発生しないランプ加熱によるウェハ直接加
熱法は、高品質エビ層を得るのに適している。成長時に
ウェハ表面への紫外線照射は、エビ層の品質をさらに向
上させる。
分離領域4となるSin、層のm壁にはアモルファスシ
リコンが堆積している(第16図の工程(C))、アモ
ルファスシリコンは固相成長で単結晶化し易いため、5
int分離領域4との界面近傍の結晶が非常に優れたも
のになる。高抵抗n−暦5を選択エピタキシャル成長に
より形成した後(第16図の工程(d))、表面濃度1
〜20X10”013程度のP領域6を、ドープトオキ
サイドからの拡散か、あるいは低ドーズのイオン注入層
をソースとした拡散により所定の深さまで形成する。
リコンが堆積している(第16図の工程(C))、アモ
ルファスシリコンは固相成長で単結晶化し易いため、5
int分離領域4との界面近傍の結晶が非常に優れたも
のになる。高抵抗n−暦5を選択エピタキシャル成長に
より形成した後(第16図の工程(d))、表面濃度1
〜20X10”013程度のP領域6を、ドープトオキ
サイドからの拡散か、あるいは低ドーズのイオン注入層
をソースとした拡散により所定の深さまで形成する。
p領域6の深さはたとえば0.6〜tp鵬程度である。
p領域6の厚さと不純物濃度は以下のような考えで決定
する。感度をとげようとすれば、p領域6の不純物a度
を下げてC’oeを小さくすることが望ましい、Cbe
は略々次のように与えられる。
する。感度をとげようとすれば、p領域6の不純物a度
を下げてC’oeを小さくすることが望ましい、Cbe
は略々次のように与えられる。
ただし、Vbiはエミッタ・ベース間拡散電位であり、
で与えられる。ここで、(はシリコン結晶の誘電率、N
o はエミッタの不純物濃度、NA はベースのエ
ミッタに隣接する部分の不純物密度、n) は真性キャ
リア濃度である。NAを小さくする程Cbeは小さくな
って、感度は上昇するが、NA をあまり小さくしすぎ
るとベース領域が動作状態で完全に空乏化してパンチン
グスルー状態になってしまうため、あまり低くはできな
い、ベース領域が完全に空乏化してパンチングスルー状
態にならない程度に設定する。
o はエミッタの不純物濃度、NA はベースのエ
ミッタに隣接する部分の不純物密度、n) は真性キャ
リア濃度である。NAを小さくする程Cbeは小さくな
って、感度は上昇するが、NA をあまり小さくしすぎ
るとベース領域が動作状態で完全に空乏化してパンチン
グスルー状態になってしまうため、あまり低くはできな
い、ベース領域が完全に空乏化してパンチングスルー状
態にならない程度に設定する。
その後、シリコン基板表面に(H,+Q、 )ガス系ス
チーム酸化により数1OAから数100八程度の厚さの
熱酸化ll!J3を、aOO〜900℃程度の温度で形
成する。その上に、(Sin4j、NJ )系ガスのC
vDで窒化膜(Si、NA)302を500〜1500
A程度の厚さで形成する。形成温度は700〜900
℃程度である。 NH3ガスも、 HCgLガスと並ん
で通常入手できる製品は、大量に水分を含んでいる。水
分の多いMl(、ガスを原材祠に使うと、酸素濃度の多
い窒化膜となり、再現性に乏しくなると同時に、その後
の5iOI Illとの選択ニー。
チーム酸化により数1OAから数100八程度の厚さの
熱酸化ll!J3を、aOO〜900℃程度の温度で形
成する。その上に、(Sin4j、NJ )系ガスのC
vDで窒化膜(Si、NA)302を500〜1500
A程度の厚さで形成する。形成温度は700〜900
℃程度である。 NH3ガスも、 HCgLガスと並ん
で通常入手できる製品は、大量に水分を含んでいる。水
分の多いMl(、ガスを原材祠に使うと、酸素濃度の多
い窒化膜となり、再現性に乏しくなると同時に、その後
の5iOI Illとの選択ニー。
ランプで選択比が取れないという結果を招く。
旧(、ガスも、少なくとも水分含有量が0.5ρPH1
以下のものにする。水分含有量は少ない程望ましいこと
はいうまでもない、窒化膜302の上にさらにPSGI
I!J300をCVDにより堆積する。ガス系は、たと
えば、(N、 + 5it(4+ 02 +PHs ’
)を用いて、300−450℃程度の温度で2000〜
3000人程度の厚さのPSG膜をCVDにより堆積す
る(第16図の工程(II))、 2度のマスク合せ
工程を含むフォトリソグラフィー工程により、nゝ領域
7上と、リフレッシュ及び読み出しパルス印加電極Eに
、Asドープのポリシリコン1l1304を唯積する。
以下のものにする。水分含有量は少ない程望ましいこと
はいうまでもない、窒化膜302の上にさらにPSGI
I!J300をCVDにより堆積する。ガス系は、たと
えば、(N、 + 5it(4+ 02 +PHs ’
)を用いて、300−450℃程度の温度で2000〜
3000人程度の厚さのPSG膜をCVDにより堆積す
る(第16図の工程(II))、 2度のマスク合せ
工程を含むフォトリソグラフィー工程により、nゝ領域
7上と、リフレッシュ及び読み出しパルス印加電極Eに
、Asドープのポリシリコン1l1304を唯積する。
この場合pドープのポリシリコン膜を使ってもよい、た
とえば%2回のフォトリングラフイー工程により、エミ
ッタEは、P S G IIU 。
とえば%2回のフォトリングラフイー工程により、エミ
ッタEは、P S G IIU 。
Si3 N 4膜、 5i02膜をすべて除去し、リ
フレッシュおよび及び読み出しパルス印加電極を設ける
部分には下地のsio、 sを残して、PSGvとSi
l N m 膜のみエツチングする。その後、Asドー
プのポリシリコンを、(My +SiH4+As)l
1 )もしくは(H2+ Si)+4 + Al13
)ガスーrcVD法により*aする。堆積温度は550
℃〜700℃程度、膜厚は tooo〜200OAであ
る。ノンドープのポリシリコンをCVD法で堆積してお
いて、その後As又はPを拡散してももちろんよい、エ
ミッタとリフレッシュ及び読み出しパルス印加Tj、極
上を除いた他の部分のポリシリコン膜をマスク合わせフ
ォトリソグラフィー工程の後エツチングで除去する。さ
らに、PSG膜をエツチングすると、リフトオフにより
PSGillに堆積していたポリシリコンはセルファラ
イン的に除去されてしまう(第16図の工程(f))、
ポリシリコン膜のエツチングはCB C1! Fa 、
(CB r Fl +c t、 )等のガス系でエ
ツチングし、SisN4gはCI(。
フレッシュおよび及び読み出しパルス印加電極を設ける
部分には下地のsio、 sを残して、PSGvとSi
l N m 膜のみエツチングする。その後、Asドー
プのポリシリコンを、(My +SiH4+As)l
1 )もしくは(H2+ Si)+4 + Al13
)ガスーrcVD法により*aする。堆積温度は550
℃〜700℃程度、膜厚は tooo〜200OAであ
る。ノンドープのポリシリコンをCVD法で堆積してお
いて、その後As又はPを拡散してももちろんよい、エ
ミッタとリフレッシュ及び読み出しパルス印加Tj、極
上を除いた他の部分のポリシリコン膜をマスク合わせフ
ォトリソグラフィー工程の後エツチングで除去する。さ
らに、PSG膜をエツチングすると、リフトオフにより
PSGillに堆積していたポリシリコンはセルファラ
イン的に除去されてしまう(第16図の工程(f))、
ポリシリコン膜のエツチングはCB C1! Fa 、
(CB r Fl +c t、 )等のガス系でエ
ツチングし、SisN4gはCI(。
F21”のガスでエツチングする。
次に、PSG膜305を、すでに述べたようなガス系の
CVD法で[&した後、マスク合わせ工程とエツチング
て程とにより、リフレッシュパルス及び読み出しパルス
電極用ポリシリコン咬上にコンタクトホールを開ける。
CVD法で[&した後、マスク合わせ工程とエツチング
て程とにより、リフレッシュパルス及び読み出しパルス
電極用ポリシリコン咬上にコンタクトホールを開ける。
こうした状態で、AI 、 AI −Si、AM −C
u −Si等の金属を真空蒸着もしくはスパッタによっ
て地積するか、あるいは(CH3) 3 AllやAM
CI、を原材料ガスとするプラズマCVD法、あるいは
また上記原材料ガスのA文−CポンドやA交−01ボン
ドを直接光照射により切断する光照射CVD法により
A文を#X積する。 (CHl) s AnやIQ
C1,を原材料ガスとして上記のようなCVD法を行う
場合には、大過剰に水素を流しておく、細くてかつ急峻
なコンタクトホールにA文を堆積するには、水分や酸素
混入のまったくないクリーン雰囲気の中で300〜40
0℃膜厚に基板温度を上げたCVD法が優れている。第
1図に示された金属配線10のバターニングを終えた後
1層間絶縁膜306をCVD法で堆積する。306は、
前述したPSG膜、あるいはCVD法sho、 m、あ
るいは耐水性等を考慮しする必要がある場合には、(S
iH,+No、 )ガス系のプラズマCVD法にょて形
成したSi、N、膜である。 Sin N 、膜中の水
素の含有量を低く抑えるためには、 (SiH4+N
t )ガス系でのプラズマCVD法を使用する。
u −Si等の金属を真空蒸着もしくはスパッタによっ
て地積するか、あるいは(CH3) 3 AllやAM
CI、を原材料ガスとするプラズマCVD法、あるいは
また上記原材料ガスのA文−CポンドやA交−01ボン
ドを直接光照射により切断する光照射CVD法により
A文を#X積する。 (CHl) s AnやIQ
C1,を原材料ガスとして上記のようなCVD法を行う
場合には、大過剰に水素を流しておく、細くてかつ急峻
なコンタクトホールにA文を堆積するには、水分や酸素
混入のまったくないクリーン雰囲気の中で300〜40
0℃膜厚に基板温度を上げたCVD法が優れている。第
1図に示された金属配線10のバターニングを終えた後
1層間絶縁膜306をCVD法で堆積する。306は、
前述したPSG膜、あるいはCVD法sho、 m、あ
るいは耐水性等を考慮しする必要がある場合には、(S
iH,+No、 )ガス系のプラズマCVD法にょて形
成したSi、N、膜である。 Sin N 、膜中の水
素の含有量を低く抑えるためには、 (SiH4+N
t )ガス系でのプラズマCVD法を使用する。
プラズマCVD法によるダメージを現象させ形成された
Si3 N 、膜の電気的耐圧を大きくシ、かつリーク
電流を小さくするには光CVD法にょるSil N a
IIQがすぐれている。光CVD法には2通りの方法
がある* (Si)I 4 +Nh +8g)ガス系
で外部から水銀ランプの2537Aの紫外線を照射する
方法と、 (SiH4+NH) 3ガス系に水銀ランプ
の1849Aの紫外線を照射する方法である。いずれも
基板温度は150〜350℃程度である。
Si3 N 、膜の電気的耐圧を大きくシ、かつリーク
電流を小さくするには光CVD法にょるSil N a
IIQがすぐれている。光CVD法には2通りの方法
がある* (Si)I 4 +Nh +8g)ガス系
で外部から水銀ランプの2537Aの紫外線を照射する
方法と、 (SiH4+NH) 3ガス系に水銀ランプ
の1849Aの紫外線を照射する方法である。いずれも
基板温度は150〜350℃程度である。
マスク合わせ工程及び工7チング工程により、エミッタ
7上のポリシリコンに、絶縁[305,306を貫通し
たコンタクトホールをリアクティブイオンエッチで開け
た後、前述した方法でA1.Al−S i、A党−Cu
−Si等の金属を地積する。この場合には、コンタクト
ホールのアスペクト比が大きいので、CVD法による地
積の方がすぐれている。第1図における金属配線8のパ
ターニングを終えた後、最終パッジベージ目ン膜として
の5i3NaLIあるいはPSGI!12eCVD法に
よGJ堆積する(第16図(g))。
7上のポリシリコンに、絶縁[305,306を貫通し
たコンタクトホールをリアクティブイオンエッチで開け
た後、前述した方法でA1.Al−S i、A党−Cu
−Si等の金属を地積する。この場合には、コンタクト
ホールのアスペクト比が大きいので、CVD法による地
積の方がすぐれている。第1図における金属配線8のパ
ターニングを終えた後、最終パッジベージ目ン膜として
の5i3NaLIあるいはPSGI!12eCVD法に
よGJ堆積する(第16図(g))。
この場合も、光CVD法による膜がすぐれている。12
は裏面のAI 、AIJi等による金属電極である。
は裏面のAI 、AIJi等による金属電極である。
本発明の光電変換装置の製法には、実に多彩な工程があ
り、PjlS図はほんの一例を述べたに過ぎない。
り、PjlS図はほんの一例を述べたに過ぎない。
本発明の光電変換装置の!要な点は、p領域6とn−領
域5の間及びpH域6とno領域7の間のリーク電流を
如何に小さく抑えるかにある。
域5の間及びpH域6とno領域7の間のリーク電流を
如何に小さく抑えるかにある。
n−領域5の品質を良好にして暗電流を少なくすること
はもちろんであるが、酸化膜などよりなる分離領域4と
n−領域5の界面こそが問題である。第16図では、そ
のために、あらかじめ分離領域4の側壁にアモルファス
Siを地積しておいてエビ成長を行う方法を説明した。
はもちろんであるが、酸化膜などよりなる分離領域4と
n−領域5の界面こそが問題である。第16図では、そ
のために、あらかじめ分離領域4の側壁にアモルファス
Siを地積しておいてエビ成長を行う方法を説明した。
この場合には、エビ成長中に基板Siからの固相成長で
アモルファスSiは単結晶化されるわけである。エピ*
iは、8500〜1000℃程度と比較的高い温度で行
われる。そのため、基板Siからの固相成長によりアモ
ルファスSiが単結晶化される前に、アモルファスSi
中に微結晶がr&長し始めてしまうことが多く、結晶性
を悪くする原因になる。温度が低い方が、固相成長する
速度がアモルファスSi中に微結晶が戊長し始める速度
より相対的にずっと大きくなるから1選択エピタキシャ
ル成長を行う前に、550℃〜700℃程度の低温処理
で、アモルファスSiを単結晶しておくと、界面の特性
は改善される。この時、基板SiとアモルファスSiの
間に酸化膜等の暦があると固相成長の開始が遅れるため
。
アモルファスSiは単結晶化されるわけである。エピ*
iは、8500〜1000℃程度と比較的高い温度で行
われる。そのため、基板Siからの固相成長によりアモ
ルファスSiが単結晶化される前に、アモルファスSi
中に微結晶がr&長し始めてしまうことが多く、結晶性
を悪くする原因になる。温度が低い方が、固相成長する
速度がアモルファスSi中に微結晶が戊長し始める速度
より相対的にずっと大きくなるから1選択エピタキシャ
ル成長を行う前に、550℃〜700℃程度の低温処理
で、アモルファスSiを単結晶しておくと、界面の特性
は改善される。この時、基板SiとアモルファスSiの
間に酸化膜等の暦があると固相成長の開始が遅れるため
。
両者の境界にはそうした層が含まれないような超高清浄
プロセスが必要である。
プロセスが必要である。
アモルファスSiの固相成長には上述したファーナス成
長の他に、基板をある程度の温度に保っておいて フシ
シュランプ加熱あるいは赤外線ランプによる、たとえば
数秒から数10秒程度のラピッドアニール技術も有効で
ある。こうした技術を使う時には、 Si02層側壁
に堆積するSiは、多結晶でもよい、ただし2非常にク
リーンなプロセスで堆積し、多結晶体の結晶粒界に酸素
、炭素等の含まれない多結晶Siにしておく必要がある
。
長の他に、基板をある程度の温度に保っておいて フシ
シュランプ加熱あるいは赤外線ランプによる、たとえば
数秒から数10秒程度のラピッドアニール技術も有効で
ある。こうした技術を使う時には、 Si02層側壁
に堆積するSiは、多結晶でもよい、ただし2非常にク
リーンなプロセスで堆積し、多結晶体の結晶粒界に酸素
、炭素等の含まれない多結晶Siにしておく必要がある
。
こうしたSiO□側面のSiが単結晶化された後、Si
の選択成長を行うことになる。
の選択成長を行うことになる。
5107分離領域4と高抵抗n−領域5界面のり一り′
我流がどうしても問題になる時は、高抵抗な領域5のS
in、分離領域4に隣接する部分だけ、n形の不純物濃
度を高くしておくとこのリーク電流の問題はさけられる
。たとえば、分離SiO!領域4に接触するn−領域5
の0.3〜IILm程度の厚さの領域だけ、たとえばl
〜tox to−1cm−’程度にn形の不純物濃度を
高くするのである。この構造は比較的容易に形成できる
。基板1上に略々l−■程度熱酸化膜を形成した後、そ
のヒにCVD法で*mするSin、膜をまず所要の厚さ
だけ、所定0縫のPを含んだS iO,膜にしておく、
さらにその上に5i02をCVD法で堆積するというこ
とで分離領域4を作っておく、その後の高温プロセスで
分離領域4中にサンドイッチ状に存在する燐を含んだS
in、膜から、燐が高抵抗n−領域5中に拡散して、界
面がもっとも不純物濃度が高いという良好な不純物分布
を作る。
我流がどうしても問題になる時は、高抵抗な領域5のS
in、分離領域4に隣接する部分だけ、n形の不純物濃
度を高くしておくとこのリーク電流の問題はさけられる
。たとえば、分離SiO!領域4に接触するn−領域5
の0.3〜IILm程度の厚さの領域だけ、たとえばl
〜tox to−1cm−’程度にn形の不純物濃度を
高くするのである。この構造は比較的容易に形成できる
。基板1上に略々l−■程度熱酸化膜を形成した後、そ
のヒにCVD法で*mするSin、膜をまず所要の厚さ
だけ、所定0縫のPを含んだS iO,膜にしておく、
さらにその上に5i02をCVD法で堆積するというこ
とで分離領域4を作っておく、その後の高温プロセスで
分離領域4中にサンドイッチ状に存在する燐を含んだS
in、膜から、燐が高抵抗n−領域5中に拡散して、界
面がもっとも不純物濃度が高いという良好な不純物分布
を作る。
すなわち、第17図のような構造に構成するわけである
0分離領域4が、3層構造に構成されて1、%−11”
、308は熱酸化膜Sin、、309は燐を含んだCV
D法SiOt Pa、301はCVD法SiO。
0分離領域4が、3層構造に構成されて1、%−11”
、308は熱酸化膜Sin、、309は燐を含んだCV
D法SiOt Pa、301はCVD法SiO。
1漠である0分離領域4にvI接して、n−領域5中と
の間に、n領域307が、燐を含んだSi02膜309
からの拡散で形成される。3o7はセル周辺全部に形成
されている。この構造にすると、ベース・コレクタ間容
量Cbcは大きくなるが。
の間に、n領域307が、燐を含んだSi02膜309
からの拡散で形成される。3o7はセル周辺全部に形成
されている。この構造にすると、ベース・コレクタ間容
量Cbcは大きくなるが。
ベース・コレクタ間リーク電流は激減する。
第16図では、あらかじめ分離用絶縁領域4を作ってお
いて1選択エピタキシャルtiを行なう例について説明
したが、鎖板Eに必要な高低抗n−層のエピタキシャル
成長をしておいてから、分離領域となるべき部分をリア
クティブイオンエツチングによりメツシュ状に切り込ん
で分離領域ヲ形成す!、Uグループ分離技術(A、Ha
laaakaet al、 ”U −groove
1solation technique forhi
gh 5peed bipolar VLSI’
S ″ 、Tach、 ロig; 、ofIED
I’1. P、82.1982.参照)を使って行うこ
ともできる。
いて1選択エピタキシャルtiを行なう例について説明
したが、鎖板Eに必要な高低抗n−層のエピタキシャル
成長をしておいてから、分離領域となるべき部分をリア
クティブイオンエツチングによりメツシュ状に切り込ん
で分離領域ヲ形成す!、Uグループ分離技術(A、Ha
laaakaet al、 ”U −groove
1solation technique forhi
gh 5peed bipolar VLSI’
S ″ 、Tach、 ロig; 、ofIED
I’1. P、82.1982.参照)を使って行うこ
ともできる。
本発明に係る光電変換装置は、絶縁物よりWI戊される
分離領域に取り囲まれた領域に、その大部分の領域が半
導体ウニ八表面に隣接するベース領域が浮遊状態になさ
れたバイポーラトランジスタを形成し、浮遊状態になさ
れたベース領域の電位を薄い絶縁層を介して前記ベース
領域の一部に設けた電極により制御することによって、
光情報を光電変換する装置である。高不純物濃度領域よ
りなるエミッタ領域が、ベース領域の一部に設けられて
おり、このエミッタは水平スキャンパルスにより動作す
るMOSトランジスタに接続されている。前述した、浮
遊ベース領域の一部に薄い絶縁層を介して設けられた電
極は、水平ラインに接続されている。ウェハ内部に設け
られるコレクタは、基板で構成されることもあるし、目
的によっては反対導電型高抵抗基板に、各水平ラインご
とに分離された高濃度不純物理込み領域で構成される場
合もある。絶縁層を介して設けられた電極で、浮遊ベー
ス領域のリフフレッシュを行なう時のパルス電圧に対し
て、信号を読出す時の印加パルス電圧は実質的に大きい
、実際に、2種類の電圧を持つパルス列を用いてもよい
し、ダブルキャパシタ構造で説明したように、リフレッ
シュ用MOSキャパシタ電極の容量COXにくらべて読
出し用MOSキャパシタ電極の容gkcoxを大きくし
ておいてもよい、リフレッシュパルス印加により。
分離領域に取り囲まれた領域に、その大部分の領域が半
導体ウニ八表面に隣接するベース領域が浮遊状態になさ
れたバイポーラトランジスタを形成し、浮遊状態になさ
れたベース領域の電位を薄い絶縁層を介して前記ベース
領域の一部に設けた電極により制御することによって、
光情報を光電変換する装置である。高不純物濃度領域よ
りなるエミッタ領域が、ベース領域の一部に設けられて
おり、このエミッタは水平スキャンパルスにより動作す
るMOSトランジスタに接続されている。前述した、浮
遊ベース領域の一部に薄い絶縁層を介して設けられた電
極は、水平ラインに接続されている。ウェハ内部に設け
られるコレクタは、基板で構成されることもあるし、目
的によっては反対導電型高抵抗基板に、各水平ラインご
とに分離された高濃度不純物理込み領域で構成される場
合もある。絶縁層を介して設けられた電極で、浮遊ベー
ス領域のリフフレッシュを行なう時のパルス電圧に対し
て、信号を読出す時の印加パルス電圧は実質的に大きい
、実際に、2種類の電圧を持つパルス列を用いてもよい
し、ダブルキャパシタ構造で説明したように、リフレッ
シュ用MOSキャパシタ電極の容量COXにくらべて読
出し用MOSキャパシタ電極の容gkcoxを大きくし
ておいてもよい、リフレッシュパルス印加により。
逆バイアス状態になされた浮遊ベース領域に光励起され
たキャリアを蓄積して光信号に基すいた信号を記憶させ
、該信号読出し時には、ベース・エミッタ間が順方向に
深くバイアスされるように読出し用パルス電圧を印加し
て、高速度で信号を読出せるようにしたことが特徴であ
る。こうした特徴を備えていれば、本発明の光電変換装
置はいかなる構造で実現してもよく、前記の実施例に述
べられた構造に限定されないことはもちろんである。
たキャリアを蓄積して光信号に基すいた信号を記憶させ
、該信号読出し時には、ベース・エミッタ間が順方向に
深くバイアスされるように読出し用パルス電圧を印加し
て、高速度で信号を読出せるようにしたことが特徴であ
る。こうした特徴を備えていれば、本発明の光電変換装
置はいかなる構造で実現してもよく、前記の実施例に述
べられた構造に限定されないことはもちろんである。
たとえば、前記の実施例で説明した構造と導電型がまっ
たく反転した構造でも、もちろん同様である。ただし、
この時には印加電圧の極性を完全に反転する必要がある
。導電型がまったく反転した構造では、領域は11型に
なる。すなわち、ベースを構成する不純物はAsやPに
なる。AsやPを含む領域の表面を酸化すると、Asや
PはSi/SiO。
たく反転した構造でも、もちろん同様である。ただし、
この時には印加電圧の極性を完全に反転する必要がある
。導電型がまったく反転した構造では、領域は11型に
なる。すなわち、ベースを構成する不純物はAsやPに
なる。AsやPを含む領域の表面を酸化すると、Asや
PはSi/SiO。
界面のSi側にパイルアップする。すなわち、ベース内
部に表面から内部に向う強いドリフト電界が生じて、光
励起されたホールはただちにベースからコレクタ側に抜
け、ベースにはエレクトロンが効率よく蓄積される。
部に表面から内部に向う強いドリフト電界が生じて、光
励起されたホールはただちにベースからコレクタ側に抜
け、ベースにはエレクトロンが効率よく蓄積される。
ベースがp型の場合には、通常使われる不純物はポロン
である。ポロンを含むp領域表面を熱酸化すると、ポロ
ンは酸化膜中に取り込まれるため、Si/!Ji 02
界面近傍のSi中におけるポロン濃度はやや内部のボロ
ン濃度より低くなる。この深さは、#化膜厚にもよるが
、通常数loo Aである。この界面近傍には、エレク
トロンに対する逆ドリフト電界が生じ、この領域に光励
起されたエレクトロンは1表面に集められる傾向にある
。このままだと、この逆ドリフト電界を生じている領域
は不感領域になるが1表面に沿った一部にnゝ領領域1
本発明の光電変換装置では存在しているため、p領域の
Si/5iOz界而に集まったエレクトロンは、このn
0領域に再結合される前に流れ込む、そのために、たと
えポロンがSi/Sin、界面近傍で減少していて、!
ドリフト電界が生じるような領域が存在しても、はとん
ど不感領域にはならない、むしろ、こうした領域がSi
/5i02界面に存在すると、蓄積されたホールをSi
/5i02界面から引き離して内部に存在させるように
するために、ホールが界面で消滅する効果が無くなり、
pBのベースにおけるホール蓄積効果が良好となり、き
わめて望ましい。
である。ポロンを含むp領域表面を熱酸化すると、ポロ
ンは酸化膜中に取り込まれるため、Si/!Ji 02
界面近傍のSi中におけるポロン濃度はやや内部のボロ
ン濃度より低くなる。この深さは、#化膜厚にもよるが
、通常数loo Aである。この界面近傍には、エレク
トロンに対する逆ドリフト電界が生じ、この領域に光励
起されたエレクトロンは1表面に集められる傾向にある
。このままだと、この逆ドリフト電界を生じている領域
は不感領域になるが1表面に沿った一部にnゝ領領域1
本発明の光電変換装置では存在しているため、p領域の
Si/5iOz界而に集まったエレクトロンは、このn
0領域に再結合される前に流れ込む、そのために、たと
えポロンがSi/Sin、界面近傍で減少していて、!
ドリフト電界が生じるような領域が存在しても、はとん
ど不感領域にはならない、むしろ、こうした領域がSi
/5i02界面に存在すると、蓄積されたホールをSi
/5i02界面から引き離して内部に存在させるように
するために、ホールが界面で消滅する効果が無くなり、
pBのベースにおけるホール蓄積効果が良好となり、き
わめて望ましい。
以上説明してきたように、本発明0光電変換装置は、浮
遊状態になされた制御電極領域であるベース領域に光に
より励起されたキャリアを蓄積するものである。すなわ
ち、Ba5e 5tore IaeageSens
or と呼ばれるべ8装置であり、BASISと略称す
る。
遊状態になされた制御電極領域であるベース領域に光に
より励起されたキャリアを蓄積するものである。すなわ
ち、Ba5e 5tore IaeageSens
or と呼ばれるべ8装置であり、BASISと略称す
る。
本発明の光電変換装置は、1個のトランジスタで1画素
を構成できるため高密度化がきわめて容易であり、同時
にその構造からブルーミング、スミアが少なく、かつ高
感度である。そのダイナミックレンジは広く取れ、内部
増幅機能を有するため配線容量によらず大きな信号電圧
を発生するため低雑音でかつ周辺回路が容易になるとい
う特徴を有している6例えば将来の高品質固体撮像装置
として、その工業的価値はきわめて高い。
を構成できるため高密度化がきわめて容易であり、同時
にその構造からブルーミング、スミアが少なく、かつ高
感度である。そのダイナミックレンジは広く取れ、内部
増幅機能を有するため配線容量によらず大きな信号電圧
を発生するため低雑音でかつ周辺回路が容易になるとい
う特徴を有している6例えば将来の高品質固体撮像装置
として、その工業的価値はきわめて高い。
なお1本発明に係る光電変換IIc置は以上述べた固体
撮像装置の外に、たとえば、画像入力装置、ファクシミ
リ、ワークスティジョン、デジタル複写機、ワープロ等
の画像入力装置、OCR、バーコード読′取り装置、カ
メラ、ビデオカメラ、8ミリカメラ等のオートフォーカ
ス用の光電変換被写体検出装置等にも応用できる。
撮像装置の外に、たとえば、画像入力装置、ファクシミ
リ、ワークスティジョン、デジタル複写機、ワープロ等
の画像入力装置、OCR、バーコード読′取り装置、カ
メラ、ビデオカメラ、8ミリカメラ等のオートフォーカ
ス用の光電変換被写体検出装置等にも応用できる。
第1図から第6図までは、本発明の一実施例に係る光セ
ンサセルの主要構造及び基本動作を説明するための図で
ある。第1図(a)は平面図、(b)は断面図、(C)
は等価回路図であり、第2図は読出し動作時の等価回路
図、第3図は読出し時間と読出し電圧との関係を示すグ
ラフ、第4図(a)は苓積電圧と読出し時間との関係を
、第4図(b)はバイアス電圧と読出し時間との関係を
それぞれ示すグラフ、第5図はリフレッシュ動作時の等
価回路図、第6図(a)〜(C)はリフレッシュ時間と
ベース電位との関係を示すグラフである。第7図から第
10図までは、第1図に示す光センサセルにより構成し
た光電変換装置の説明図であり、第7図は回路図、第8
図mはパルスタイミング図 ≠である。第9図は出力信号に関係する等価回路図、第
10図は導通した瞬間からの出力電圧を時間との関係で
示すグラフである。第11,12及び13図は他の光電
変換装置を示す回路図である。第14図は光センサセル
の変形例の主要構造を説明するための平面図である。第
15図は、第14図に示す光センサセルにより構成した
光電変換装置の回路構成図である。第16図及び17図
は本発明の光電変換装置の一製造方法例を示すための断
面図である。 !・・・シリコン基板、2・・・PSGlli、3・・
・絶縁酸化膜、4・・・素子分離領域、5・・・n−領
域(コレクタ領域)、6・・・p領域(ベース領域)、
7.7’・・・n3領域(エミッタ領域)、8・・・配
線、9・・・電極、lO・・・配線、11・・・n+領
領域12・・・電極、13・・・コンデンサ、14・・
・バイポーラトランジスタ、15.17・・・接合容量
、16.18・・・ダイオード、19.19’・・・コ
ンタクト部、20・・・光、28・・・垂直ライン、3
0・・・光センサセル、31・・・水平ライン、32・
・・垂直シフトレジスタ、33.35・・・MOS)ラ
ンジスタ、36.37・・・端子、38・・・垂直ライ
ン、39・・・水平シフトレジスタ、40・・・MOS
)ランジスタ、41・・・出力ライン、42・・・MO
S)ランジスタ、43・・・端子、44・・・トランジ
スタ、’44 、45・・・負荷抵抗46・・・端子、
47・・・端子、48・・・MOSトランジスタ、49
・・・端子、61,62.63・・・区間、64・・・
コレクタ電位、67・・・波形、80.81・・・容看
、82.83・・・抵抗、84・・・電流源、100、
101,102・・・水平シフトレジスタ、111,
112・・・出力ライン、138・・・垂直ライン、1
40・・・MOSタランジスタ、148・・・MOSト
ランジスタ、150.150’・・・MOSコンデンサ
、152,152’・・・光センサセル、300・・・
アモルファスシリコン、302・・・窒化膜、303・
・・PSGIII、304・・・ポリシリコン、305
・・・PSG膜、306・・・層間絶縁膜。
ンサセルの主要構造及び基本動作を説明するための図で
ある。第1図(a)は平面図、(b)は断面図、(C)
は等価回路図であり、第2図は読出し動作時の等価回路
図、第3図は読出し時間と読出し電圧との関係を示すグ
ラフ、第4図(a)は苓積電圧と読出し時間との関係を
、第4図(b)はバイアス電圧と読出し時間との関係を
それぞれ示すグラフ、第5図はリフレッシュ動作時の等
価回路図、第6図(a)〜(C)はリフレッシュ時間と
ベース電位との関係を示すグラフである。第7図から第
10図までは、第1図に示す光センサセルにより構成し
た光電変換装置の説明図であり、第7図は回路図、第8
図mはパルスタイミング図 ≠である。第9図は出力信号に関係する等価回路図、第
10図は導通した瞬間からの出力電圧を時間との関係で
示すグラフである。第11,12及び13図は他の光電
変換装置を示す回路図である。第14図は光センサセル
の変形例の主要構造を説明するための平面図である。第
15図は、第14図に示す光センサセルにより構成した
光電変換装置の回路構成図である。第16図及び17図
は本発明の光電変換装置の一製造方法例を示すための断
面図である。 !・・・シリコン基板、2・・・PSGlli、3・・
・絶縁酸化膜、4・・・素子分離領域、5・・・n−領
域(コレクタ領域)、6・・・p領域(ベース領域)、
7.7’・・・n3領域(エミッタ領域)、8・・・配
線、9・・・電極、lO・・・配線、11・・・n+領
領域12・・・電極、13・・・コンデンサ、14・・
・バイポーラトランジスタ、15.17・・・接合容量
、16.18・・・ダイオード、19.19’・・・コ
ンタクト部、20・・・光、28・・・垂直ライン、3
0・・・光センサセル、31・・・水平ライン、32・
・・垂直シフトレジスタ、33.35・・・MOS)ラ
ンジスタ、36.37・・・端子、38・・・垂直ライ
ン、39・・・水平シフトレジスタ、40・・・MOS
)ランジスタ、41・・・出力ライン、42・・・MO
S)ランジスタ、43・・・端子、44・・・トランジ
スタ、’44 、45・・・負荷抵抗46・・・端子、
47・・・端子、48・・・MOSトランジスタ、49
・・・端子、61,62.63・・・区間、64・・・
コレクタ電位、67・・・波形、80.81・・・容看
、82.83・・・抵抗、84・・・電流源、100、
101,102・・・水平シフトレジスタ、111,
112・・・出力ライン、138・・・垂直ライン、1
40・・・MOSタランジスタ、148・・・MOSト
ランジスタ、150.150’・・・MOSコンデンサ
、152,152’・・・光センサセル、300・・・
アモルファスシリコン、302・・・窒化膜、303・
・・PSGIII、304・・・ポリシリコン、305
・・・PSG膜、306・・・層間絶縁膜。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 3端子よりなる半導体トランジスタの制御電極領域
に、光励起により発生したキャリアを蓄積する光電変換
装置において、該制御電極領域を浮遊状態にし、浮遊状
態にした制御電極領域の電位を、キャパシタを介して制
御することにより、光励起により発生したキャリアを該
制御電極領域に蓄積する蓄積動作、蓄積動作により該制
御電極領域に発生した蓄積電圧を読出す読出し動作、該
制御電極領域に蓄積されたキャリアを消滅させるリフレ
ッシュ動作をそれぞれさせ得る構造を有することを特徴
とする光電変換装置。 2 キャパシタが制御電極領域、絶縁膜及び電極により
構成されている特許請求の範囲第1項記載の光電変換装
置。 3 蓄積動作において浮遊状態の制御電極領域が主電極
に対して逆バイアス状態になされ、かつ、読出し動作に
おいて制御電極領域が少なくとも一方の主電極に対して
蓄積電圧に重畳して順方向バイアスが加わるべくなされ
る特許請求の範囲第1項記載の光電変換装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2172603A JPH0340466A (ja) | 1990-07-02 | 1990-07-02 | 光電変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2172603A JPH0340466A (ja) | 1990-07-02 | 1990-07-02 | 光電変換装置 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP58120751A Division JPS6012759A (ja) | 1983-07-02 | 1983-07-02 | 光電変換装置及びその光電変換方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0340466A true JPH0340466A (ja) | 1991-02-21 |
Family
ID=15944925
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2172603A Pending JPH0340466A (ja) | 1990-07-02 | 1990-07-02 | 光電変換装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0340466A (ja) |
-
1990
- 1990-07-02 JP JP2172603A patent/JPH0340466A/ja active Pending
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