JPH0340572A - 光電変換装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 本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。

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成し、光
の入射により発生した電荷をこの井戸に蓄積し、読出し
時には、これらのポテンシャルの井戸を１７ｔ、極にか
けるパルスにより順次動かして、蓄積された電荷を出力
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ｐｎ接合ダイ
オード構造を使い、転送部はＣＣＤ構造で行なうという
タイプのものもある。また一方、ＭＯＳ型撮像装置は、
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？を荷を蓄積し、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−７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◆ディフユージ電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ＩＩ盲の撮
像装置であり、低照度撮影が可能である。ただし、ＣＣ
Ｄ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ＭＯ３望アンプがオンチップ化されるため、シリコ
ンと、　ＳｉＯ２膜との界面から画像上、目につきやす
い１７ｆ　ａ音が発生する。従って、低９ｓ音とはいい
ながら、その性能に限界が存在している。また５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電荷量が減
少し、ダイナミックレンジがとれなくなるので、今後、
固体撮像装置が高解像度化されていく上で大きな問題と
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；Ｊａ重電荷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
送がストップしたり、あるいは、極端に悪くなってしま
い、！Ｉｌ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ＭＯ３型撮像装置は、構造的にはＣＣＤ型
撮像装置、特にフレーム転送型の装置に比較して少しｌ
Ｋ雑ではあるが、８積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−
Ｙア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、
このＭＯ３型撮像装置では、信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、出力電圧がドがってしまう
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
ＣＤ型撮像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、＃積′Ｒ１荷が減少してい〈、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、ＭＯ
３型撮像装置は、ますますＳ／Ｎ的に不利になる。

ＣＣＤ型およびＭＯ９η！撮像装置は、以りの様な一長
一短を有しながらも次第に実用化レベルに近ずいてきて
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　“半導体撮像側「、特開昭５１１−１５７０７３　
　”半導体撮像側１、特開昭５８−１８５４７３　　″
半導体撮像装置”に新しい方式が提案されている。ＣＣ
Ｄ型。

ＭＯＳ型の撮像装置が、光入射により発生した電荷を一
’ｔａｇ　＜例えばＭＯＳ）ランジスタのソース）に蓄
積するのに対して、ここで提案されている方式は、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′ｗｌ誘導ト
ランジスタ）あるいはＭＯＳトランジスタのゲート）に
蓄積し、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ｉｔ
得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
を変えるとインビーグンス変換にぶ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（電荷）
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、Ｌ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トランジスタ等のに！ａ＠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有しながらも、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ｉｓ　
慎な構造であり、将来の高解像度化にも十分対処しうる
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、同導ｉｔ型領域よりなる２個の主電極領
域と該主電極領域と反対導電型の制御、電極領域よりな
る半導体トランジスタの該制御電極領域を浮遊状態にし
、該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、該浮遊状態にした制御電
極領域に、光により発生したキャリアを蓄積する蓄積動
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５該制ｇｇ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る
構造の光電変換装置において、該浮遊状態になされた制
御電極領域と同導電型の高不純物領域を設け、浮遊状態
になされた制御電極領域とトランジスタ構造をなしたこ
とを特徴とする光電変換装置によって達成される。

以下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、本発明の一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。

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。

ｆｆ１１図では、整列配２方式の平面図を示したが、水
平方向解像度を高くするために２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）に示すごと
く、 リン（Ｐ）、アンチモン（ｓｂ）　、ヒ素（＾Ｓ）等の
不純物をドープしてｎ型又はｎ４″型とされたシリコン
基板ｌの上に、通常ＰＳＧｌ１９等で構成されるパシベ
ーション膜２； シリコン酸化１！！Ｉ（Ｓｉ０！　）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Ｓｔｌ　Ｎ　４等よりなる絶縁膜又
はポリシリコン膜等で構成される素子分離飴域４； エピタキシャル技術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ｎ４ｐ領域７： 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウム（ＡＩ
）　、　Ａｌ−９ｔ、Ａｌ−Ｃｕ−９ｉ等の導電材料で
形成サレる配線８； 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“領域Ｌ
ｌ。

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′″領域７と配ＭＡ８の
接続をとるためのコンタクト部分である。又配置１８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、　Ｓｉ０２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Ｃ０Ｘ１３は電極
９、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　４
′領域７．ベースとしてのｐ領域６、不純物濃度の小さ
いｎ−領域５、コレクタとしてのｎ又はｎ４″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）の第２の等価回路は、バイポーラトランジ
スタ１４をベース◆エミッタの接合容量Ｃｂｃ１７、ベ
ース・エミツタのｐｎ接合ダイオードＤｂｅ１６．ベー
ス・コレクタの接合容量Ｃｂｃ１７、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第１図を用いて説明す
る。

この光センサセルの基本動作は、光入射による電荷蓄ａ
Ｓ作、読出し動作およびリフレッシュ動作より構成され
る。？！荷蓄積動作においては、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
正電位にバイアスされている。またベースは、あらかじ
めコンデンサＣ０Ｘ１３に、配線ｌＯ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、エミッ
タ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を負電位に
バイアスする動作については、後にリフレッシュ動作の
説明のとき、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。

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ｎ領域１側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ｎ＋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゛エレクトロンやホール対が光
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ｐ領域６からただちに流れ出て
２　ｎ領域に吸収されるような構造にしておけば、ｐ領
域６で励起されたホールはそのまま蓄積されて、Ｐ領域
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、ｐ領域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ｌ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、表面わら内部に行くほど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
濾度差により、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ｐ領域６の光入射側表面か
らの深さ、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは単
位電荷、ＮＡ、はｐベース領域６の表面不純物濃度、Ｎ
Ａ、はｐｉｌｌ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　Ａｔ　＞　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５　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０．２〜０．３ｇ
ｍ程度、あるいはそれ以下に設計されるから、ｎゝ領域
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、ｎ＋領域
７の存在は感度低下の原因になる。ｎ４″領域７の不純
物濃度は通常Ｉ　Ｘ　１０”　ｃｍ−’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ゝ領域７におけるホールの拡散距離は０．１５
〜Ｑ、２　ｇｔｓ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　４ｐ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
＋領域７の不純物濃度分布が上記の様になっていれば５
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“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＋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ｎ＋領領域得ることが可能である。

最終的には、ホールの蓄積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−、プされることになる。

より厳密に言うと、ベース会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、最初にｐ領域６を負電
位にバ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。、ｎ９領域７が接地
されず、浮遊状悪において光入力によって発生した゛逝
荷の蓄積を行なう場合には、ｐ領域６はｎｆ１′１域１
と略々同電位までｉｔ荷を蓄積することができる。

以上は電荷Ｊ積勅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。

この光センサセルの分光感度分布は次式で与えられる。

ｘ　　（１−ｅｘｐ（−ａｙ）　　ｌ　　ｅ　Ｔ　　　
［Ａ／Ｗ３但し、入は光のｐＨ長　［ｈ　ｍｌ、　　α
はシリコン結晶中での光の減衰係ａ［ｇｍ−’］、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”ｄｅａｄ　ｌａ！ｅｒ　　（不感領域）の厚さ　
［ｇｍｌ、ｙはエビ層の厚さ　［＃Ｌｍ　］　、Ｔは透
過率すなわち、入射してくる光量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割合をそれぞれ示
している。この光センサセルの分光感度　Ｓ（、ｔ）お
よび放射照度　Ｅｅ（入）を用いて光電流Ｉｐは次式で
計算され　る。

！ｐ−ｆ−９Ｃ入）ＩＩＥｅ（入）−ｄ入〔用Ａ／ｃｍ
”ｌ （口、し放射照度Ｅｅ（入）　　［ｇ　Ｗ　＊　ｃ＠”
　、　ｎｓ−’　）　　は次式で与えられる。

［ルＷ・ｃｍ−”　・ｎｍ−’　１ 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。

これらの式を用いると、エビ厚の７：４．−をもつ光セ
ンサセルでは、Ａ光量１　（２８５４＠Ｋ）で照射され
、センサ受光面照度がｌ　［Ｌｕｘｌ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　１０１２ケ／ｃ＋ａ　２ｅ　ｓｅｃ　ａ度
である。

又、この時、光により動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Ｍｙｔされるホールの電荷量であり、Ｃは
Ｃｂｃ１５とＣｂｃ１７を加算した接合容量である。

いま、ｎ＋領域７の不純物濃度を１０　”　ｃｍ−”ｐ
領域６の不純Ｏｊ濃度を５　Ｘ　１０”　ａｍ−３，ｎ
−領域５の不純物濃度を１０　ａｍ−’　、　　ｎ＋領
域７ｏの面積を１６ｇｍ”、ｐ領域６の面積をＥｆ４４
ｍ”、ｎ−領域５の厚さを３ｕＬｊＩ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
１／Ｉ積されるホールの個数は、蓄積時間Ｌ／ｅｏｓｅ
ｃ　、有効受光面積、すな動ち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５８ｇ、ｍ”程度とす
ると、！、７Ｘ１０◆ケとなる。従って光入射により発
生する電位Ｖｐは　ｊ９ｏｍ　Ｖ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ＩＱが共に減少して
いくが、セルの縮小化に伴ない接合？￥量もセルサイズ
に比例して減少していくので２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有しているからである。

インターラインタイプのＣＯＤ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５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ｌ初にｐｌａ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に蓄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。

読出し動作状態では、エミッタ、配線８は浮遊状態に、
コレクターは圧電位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・とし、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、−Ｖ・＋Ｖｐなる電位になっている。この状態で
配線ｌＯを通して電極９に読出し用の正の電圧Ｖｌを印
加すると、この正の電位Ｖ宵は酸化膜容量Ｃｏｘ１３と
ベース・エミッタ間接合容［ＩＣｂｅ１５、ベース・コ
レクタ間接合容量Ｃｂｃ７により容量分割され、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
のようにしてエミー７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、次式で与えられる。

但しＡｊ はベース・エミ７タ間の接合面積。

は単位電荷量（１，１３Ｘ　１０刈クーロン）、Ｄｎは
ベース中におけるエレクトロンの拡散定数、ｎ　ｐｍ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Ｈ度、ＷＩはベース幅、ＮＡＩ’はベースの
エミッタ端におけるアクセプタＱ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はポルツマン定
数２Ｔは絶対温度、Ｖｅはエミｌり電位である。

この？ｌ！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の時間的変化は次式で計算される。

Ｘ　　（ｅｘｐ　　　　　　（Ｖｐ　　−Ｖｅ）　−１
）ｋＴ 但し、ここで配線ＴｗＩＬＣｓ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。

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　ｖｅがＶｐに近くなるとあまり？ＩｔｆＩｔ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宵を
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５ペ一ス電位をＶｓ＋ａｓだけ、余分に順方向にバ
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。

Ｘ　（ｅｘｐ　ｋＴ（Ｖ　ｐ　＋　ＶＨａｓ−Ｖ　ｅ）
−同第４図（ａ）に、　Ｖｉ＋　ａｓ＝０．６　Ｖ　Ｊ
：　ＬりｊＪ合、アル一定時間の後、電極９に印加して
いたｖＲをゼロボルトにもどし、流れるＭ、流を停止さ
せたときの蓄積？！正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、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。１！極９に印加し
ている正電圧Ｖ、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ＶＲ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１００ｎｓ程度以上の読出し時間（すなわちＶ、
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桁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、４５１′の線は読出しに十分の時間をか
けた場合ρ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、配線８の容量　ｃ
ｓを４ｐＦとしているが、これはＣｂｅ＋Ｃｂｃの接合
容量の０．０１４ｐ　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１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でいることを第４図（ａ）は
示している。これは上記４１１１成に係る光センサセル
のもつ増幅機能、すなわち電荷＃Ｉ輻機能が有効に働ら
いているからである。

これに対して従来のＭＯＳ型撮像装置では、蓄積電圧Ｖ
ｐは、このような読出し過程において配線台ｆｉｔＣｓ
の影響テｃｊ　＠　Ｖｐ　／　（Ｃｊ　＋Ｃｓ　）（但
しＣｊはＭＯＳ型撮像装置の受光部のｐｎ接合容りとな
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ＭＯＳ型撮像装置では、外部へ読
出すためのスイッチングＭＯ３）ランジスタの寄生容量
のばらつきによる固一定パターン雑音、あるいは配線容
瞼すなわち出力容量が大きいことにより発生するランダ
ム謔音が大きく、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Ｖ　ｉ＋　ａｓを０．６ｖに設定し
たとき、４ｆｒ程度の直線性が１００ｎｓｅｃ　１！１
度の高速読出し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Ｖｌｉａｓで
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ｌ　　ｍＶ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（
ａ）に示される様に、蓄積電圧１　　ｍＶ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′ｔｉ積電圧電圧、さらに良い値を示し
ていることは明らかである。

この第４図（ｂ’）によれば、バイアス電圧Ｖｍｉａｓ
がＱ、８Ｖ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０．１２μｓ、９０％になるのは０．
２７１Ｌｓ　、　　９５％になるのは０．５４４ｓ　、
　　９８％になるのは　１．４ｇｓであるのがわかる。

また、バイアス電圧Ｖｗｉａｓ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、撮像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Ｖ　ａｔ　ａｓ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、ｐｖ
Ｉ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ｖｌＩ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に蓄積電圧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。

すなわち、この熱的に発生する暗′＃、ｍ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、Ｌ
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”　ｃｍ−’　〜１０”　ａｍ−’
程度と２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、ＣＣＤａｔｉＩ像装置に比較し
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。

次いでｐ９Ｉ４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。

上記構成に係る光センサセルでは、すでに述べたごとく
、ｐ領域６にｉｉｌ！ｉ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
、前に蓄積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１／−／シュ動
作も読出し動作と同様、配線１０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ｖｌｌＮ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１ｃｏｘ１３、ベー
ス・エミッタ間接合容ＪＩ　Ｃｂｅ　ｌ　５、ベース・
コレクタ間接合容１ｃｂｃｔ７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。

但し、 × （ｅｘｐ （−ニー Ｔ ■） １１ Ｘ　　（ｅｘｐ　　（Ｖ）−１） Ｔ ｉよはダイオードＤｂｃを流れる電流、ｉ、はダイオー
ドＤｂｅを流れる電流である。Ａｂはベース面Ｊｊ１．
Ａｅ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１　ｐｏ、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、ｎｐｔはベース中における。１！ｌ’）平衡
状態でのエレクトロン濃度である。１２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ｆａ度力分布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′ｉｔ流ｉ□の内
、Ｑ−Ｄｐ・Ｐ　ｎ＊　／　Ｌ　ｐはホールによる電流
１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１ＭＡ軸は、リフレッシュ電圧Ｖ　１
１８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、リプレー２シ電圧圧ＶＩＩＭ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、ｖ１１４　＋
Ｃｏｗ、Ｃｂｅ、Ｃｂｃ及びベースにＭ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１片対数グラフ−ヒで一つの
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
変化の実験値を示す、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ニー２夕の
両者をｔ１地したときの値を示している。

今、光照射による蓄ｙｉ電圧Ｖｐの最大値を０．４［■
］、リフレッシュ電圧ＶＩＩＨによりベースに印加され
る電圧Ｖ　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　［Ｖ　］とな
り、リフレッシュ電圧印加後ｔｏ　　［５ｅｃｌ後には
直線にのってベース電位が下がり始め、１０−’［３１
ＩＣ１後には４光があたらなかった時、すなわち初期ベ
ース電位が０．４［Ｖ］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！を通して正電圧を
ある時間印加し、その正電圧を除去すると負電位に帯電
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Ｑ
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ｎＩＩＩの不純物
密度より高くしておけばよい、一方、ｎ＋領域７やｎ領
域ｌからの電子が、ｐｍ域６に流れ込み、ホールと再結
合することによって、ｐｖＲ域６に負電荷がＩＩａする
動作も行なえる。この場合には、ｎｍ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ＩＩｍ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１Ｍｌ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。

ｋ、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、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ＶＡ
Ｎ印加後１０−’　（ｓｅｃ］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ｍ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
ルによる光電変換装置では、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ｌＯ［５ｅｃｌ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ｆｎＢ図（ａ）の例では、１０
　［ｇ　５ｅｃＪ　−１０［ｓｅｃ］のり７し、シュパ
ルス）０以上の例では、リフレッシュ電圧Ｖ　１２Ｈ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、Ｅ記、過
渡的リフレッシュモードは、第６図によれば、　　１　
（ｎｓｅｃｌ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■（とすると、リフレッシュ電圧Ｖ　ＩＮを印加後
、ＶＩＩＮをゼロボルトにもどす瞬間の過渡的状態にお
いて、 なる負電圧がベースに加算されるので、リフレジシュパ
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。

！＃【ごを１上０雨り片七幻＋　＊　ａ−ＩＩ　７か糞
鯖十ス茸積動作のとき、蓄積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５このリフレッ
シユ動作により、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）にリフレッシュ電圧Ｖ１１１４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ＣＯＸの値を
５ｐＦから１００９Ｆまでとっている。丸印は実験値で
あり２実線は より計算される計算値を示している。このときＶ　Ｋ＝
　０．５２Ｖ　テあり、また、Ｃｂｃ＋　Ｃｂｅ＝　４
ｐＦ　テある。但し観測用オシロスコープのプローグ容
駄１３ｐＦがＣｂｃ＋Ｃｂｅに並列に接続されている。

この様に、計算値と実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ス 以上のリフレッ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Ｉ′Ｌ！！接合ダイオー
ドＤｂｅ１８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、電流はベース◆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、７＆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方、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ジシユ
’２１　ＥＥ　Ｖ　ａｓを用いると、リフレジシュに時
間を要することになるが、リフレッシュ電圧Ｖ　ＲＨ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。

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５Ｌ１５０８７８、特開
昭５８−１５７０７３　、特開昭５８−ＩＥｉ５４７３
と比較してきわめて簡単な構造であり、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
である増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１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衣の一実施例につ
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
ための垂直シフトレジスタ３２、垂直シフトレジスタ３
２と水平ライン３１．３１’、３１”の間のノヘッファ
ＭＯＳ）ランジメタ３３．３３ ３３″　　　　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ー、ファ
ＭＯＳトランジスタ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子３７、基本光センサセル
　３ｏから蓄積電圧を読出すための垂直ライン３８．３
８’　　３８″各重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トランンジスタ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ＭＯＳトランジスタ４２、ＭＯＳ）
ランジメタ４２ヘリフレツシユパルスを印加するための
端子４３、出カイ８号を増幅するためのバイポーラ、Ｍ
ＯＳ、ＦＥＴ、Ｊ−ＦＥＴ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
て垂直ライン４０．４０’、４０”に蓄積された電荷を
リフレッシュするためのＭＯＳトランジスタ４８．４８
’、４８”、およびＭＯ３Ｉ−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
よりこの光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ｆｆ１８
図に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。

時刻１．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５基本動作に変化はない、端子４９の電位６
５はｈｉｇｈ状態でありｌＭＯＳトランジスタ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’、３８Ｎ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ＭＯ３）ランジメタ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”を通して各党センサセ
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
５完全リフレツシユモード又は過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のパル欠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、図に示すように１他の印加
パルスは全てｌｏｗ状態に保たれている。

蓄積動作区間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は肥電位にする。こ
れにより光照射により発生したエレクトロン噛ホール対
のうちのエレクトロンヲ。

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）ランジメタ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
のエミッタは垂直ライン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、飽和してくると、すなわちベース電位がエ
ミッタ電位（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し、はクリ
、プされることになる。

したがって、ｒ８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
徨続されていても、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。

ＪＭ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Ｌｌ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　”
のバッファーＭＯＳ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、時
刻ｔ３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。

Ｔｒ　刻ｔ　４では、垂直シフトレジスター３２の出力
のうち５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トランジスタ
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つの各光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３８．３８３８
″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、１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、７０３３分だけエミー２夕に対して順方向バ
イアスがかかる様調整される。

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）ラン
ジメタ４０のゲートへの出力だけが波形７０のごと＜　
ｈｉｇｈ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４
１には配線容量に起因する信号電荷が残っているので、
時刻ｔ、において、ＭＯ３＋−ランジメタ４２のケート
端子４３にパルス波形７１のごとくパルスを印加し、Ｍ
ＯＳトランジスタ４２を導通状態にして出力ライン４１
をｍ地して、この残留した信号１！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ＭＯ
Ｓ）ランジメタ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、ｉｌｌクライン３８３８’３８″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
Ｗｉ荷が残留しているので、各弔直ライン３８．３８’
、３８Ｎに接続されたＭＯＳ）ランジメタ４８．４８　
’、４８．”を、それのゲート端子４９に波形６５で示
される様にｈｉｇｈにして導通させ、この残留信号！荷
をリフレッシュする。

次いで、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積電圧が、各＠直うイン
３８．３８’　　３Ｂ”に読出されるわけである。以下
、顯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。

以との説明においては、Ｎ積置間６２と読出し区間６３
が明確に区分される様な応用分野、例えば最近研究開発
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蓄積区
間６２における動作と読出し区間６３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、この時のリプレー２シユは全画面−括リフレッ
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に接続された各光センサ
セルの信号が読出された後、時刻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にリフレーアシュパルスを印加する。すな
わち、波形６つにおいて時刻ｔｌ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
ルスを印加する機器の代りに、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
より連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
党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Ｖｍｔａｓ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　ｍｉ　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″に流れだす信号型荷分は
きわめてわずかであり、ブルーミング現象は、まったく
問題にはならない。

″また、スミア現象に対しても１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。

また、ＭＯＳ型撮像装置においては２各光センサセルに
接地されたスイ゛ツチングＭＯ５）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蓄積さ
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、垂直ラインに蓄積電圧を読出す前に、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、スミア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装置では、
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、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、これを利用してγ特性
を制御することも可能である。

卆 すなわち、蓄積動作の途中おいて、−時的にエミッタま
たはコレクタの電位をある一定の負電位にし、ベースに
蓄積されたキャリアのうち、この負電位を与えるキャリ
ア数より多く蓄積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、Ｍ積電圧と入射光量に対する関係は、入射光にの小
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ｌ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
を二度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２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バイポーラトランジスタのごと
〈埋込ｎ０領域を設け、各ライン毎にコレクタを分謂さ
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、垂直シフトレジスタ３２、水平シフトリジス３
９を駆動するためのクロック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。

容檀Ｃマ８０は、垂直ライン３８．３８’３８″の配線
容量であり、’を蓋ｃＮａｉ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ＭＯ
Ｓトランジスタ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ＲＰ１８２で示
している。また増幅用トランジスタ４４を抵抗ｒ、８３
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２実際に構成する光’ｉｌ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Ｃ，８１は約４　ｐ
Ｆ位、ＭＯＳトランジスタの導通状態の抵抗ＲＭ８２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１００程度として、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）ランジス
タ４０．４０’。４０″が導通した瞬間からの時Ｉ＄Ｊ
ｔ［ｓｓｌを、縦軸は垂直ライン３８゜３８’、３８″
の配線容量Ｃマ８ｏに、各光センサセルから信号電荷が
読出されてｌボルトの電圧がかかっているときの出力端
子４７に現われる出力電圧　（Ｖｌ　をそれぞれ示して
いる。

出力信号波形８５は負荷抵抗Ｒ６４５がＩＯＫΩ、８６
は負荷抵抗Ｒε４５が５にΩ２８７は負荷抵抗Ｒε４５
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Ｃ，８１の容蟻分割により０．５　Ｖ
程度になっている。当然のことながら、負荷抵抗Ｒ，４
５が大きい方が減衰曖は小さく、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、約２０　ｎ
５ｅｃと高速である。スイッチングＭＯＳ）ランジメタ
４０．４０’、４０“の導通状態における抵抗Ｒ６を小
さくすることにより、および、配線台ＩＣマ　＋Ｃ１４
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。

上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ｆｌ′装置に比較してかなり簡単なもので良い、上記
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
方式を使うことも出熱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、ＣＣＤ撮像
装置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ゃすい１／ｆ雑音の問題が１本
実施例の光電変換装置では発生せず、きわめてＳ／Ｎ比
の良い画質を得ることが可能である。

上に述べた様に、上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、ｌ＆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、ｔＳ＠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、分ぷ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。

（２０＋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。次の時点で
は、２夕１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１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。

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ＭＯ３）ランシスターと、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列目、（ｎ＋１）列目、（２ｎ＋　１）夕
嗜目のスイッチング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９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、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。

第１１図、第１２図の実施例ではいずれも、水平シフト
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、同一チップ内に設けたクロック
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。

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、実用上間通はない、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、これと防電ｉ威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、光電変換装置の上に、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千−、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
りカラー信号を得ることが可能である。

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１．Ｅ記構成に係る光センサセルを利用した光
電変換装置ではそれぞれ別々の最終段アンプよりＲ４ｓ
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ｌ夕１目はＨの
カラーフィルター、２列目は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−一一一一一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
目。

６列目、９列目−−−−−−の各垂直ラインは出力ライ
ン１１２に接続されＢ＠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１４１４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１０に接続されるＭＯＳ
キャパシタ電Ｊ４９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１
２０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Ｌ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木に見えるが、絶縁層
を介して２木のラインが配置されている）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１９′を
通して配線■１２１にそれぞれ接続されていることが異
なっている。

これは第１５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のペースに接続さ
れたＭＯＳキャパシタ１５０は水平ティン３１に接続さ
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１５
０′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。

第１５図（ａ）の等価回路では、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ＭＯ３）ランデスタ
１４８、および垂直ライン１８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ＭＯ３）ランジメタ１４０が追
加され、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、芥ラインをリフレッシュするためのス
イッチングＭＯ３）ランジメタ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、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をリプレー２シユする。このとき、スイッチングＭＯ
Ｓ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ｉ
５０′を通して光センサ　セルＬ５２′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トランジスタ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。この様に一つの垂直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ｉ１４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党センサ　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、
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、センサセル全部を一括リフ
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［ｆｌ　（ｂ）に示されるようにコ
レクタをｎｆｉ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？Ｉ
ｉ流が流れ、消１ｍ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ｎゝ埋込領域を設けた構造にする。隣り合う水平
ラインのｎ２　　埋込領域の分離は、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
分離領域を垂直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、リフレッシュ動作が始まる時に、その水
平ラインのコレクタの電圧を接地すれば、′＠述したよ
うなエミッタコレクタ間電流は流れず、消費電力の増加
をもたらさない、リフレッシュが終って光信号による電
荷蓄積動作に入る時に、ふたたびコレクタ領域には所定
のバイアス電圧を印加する。

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ｒ１に出力さ
れることになる。これは、すでに説明したごとく、第１
５図（ｂ）の様な構成にすることにより−・つのアンプ
から出力をとりだすことも可能である。

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。

木発１１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４ｉＩｒ＆あるいは、一つのエミッタ
に複数のコンタクトを設けた４ｍ戊により、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
。

これは本発明による光電変換装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５光センサセルの内部で発生した蓄積
電圧Ｖｐが２まった＜　ｉｊＥ　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。

この様に、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
なる光電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電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ｒＲ長（Ｎ、　
　Ｅｎｄｏ　ｅｔ　ａ！、　”Ｎｏｖｅｌ　ｄｅｖｉｃ
ｅ　ｉｓｏ！ａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔ
ｈ　５ｅｌｅｃｔｅｄ　ｅｐｉｔａｘｉａｌ　ｇｒｏｗ
ｔｈ″Ｔｅｃｈ、旧ｇ、　ｏｆ　１９８２　Ｉ　ＥＤＭ
　、　ＰＰ、　２４１−２４４参照）を用いたその製法
の一例を示す。

１〜ｌ　ＯＸ　１０　”　ａｙｓ−’程度の不純物濃度
のｎ形Ｓ’＋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ゝ領領域
らのオートドーピングを防ぐために、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ｌ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。＋の様
なものとしては例えばＭＣＺａによる結晶が適している
。基板ｌの表面に略々ｌ→ｌ程度の酸化膜をウェット酸
化により形式する。すなわち、Ｈ，Ｏ雰囲気かあるいは
（Ｎ２＋０．）雰囲気で酸化する。ｙｋ層欠陥等を生じ
させずに良好な酸化膜を得るには、８００℃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２〜４←−程度の厚さのＳｉｎ、　
膜ヲＣＶ　Ｄ　テ堆積する。（Ｎ２＋　　ＳｉＨ４十０
２）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。０□／　ＳｉＨ。

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、　（ＣＦ４
　＋Ｈ２）　、ｃ２Ｆｓ　　、ＣＨｔ　Ｆｔ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１
６図の工程（ａ））、例えば、１０Ｘ１０ル■２に１画
素を設ける場合には、１０ル園ピツチのメツシュ状にＳ
　ｔｏ２膜を残すｍ　　ｓｉｏ、膜の幅はたとえば２坪
諺程度に選ばれる。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汚゛染層を、　Ａｔ／Ｃ１２ガ
ス系プラズマエツチングかウェットエツチングによって
除去した後、＆ＩＩ高真空中における蒸着かもしくは、
ロードロック形式で十分に″ｓ閉気が清浄になされたス
パー２夕、あるいは、　Ｓｉｎ　４ガスにＣＯ，レーザ
光線を照射する減圧光ＣｖＤで、アモルファスシリコン
３０１ヲｔｌｉ積する（第１６図の工程（ｂ））、ＣＢ
ｒＦ、、ＣＣｌ２Ｆ２　、　　Ｃ１，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エッチによ
り、Ｓｉｎ、　Ｒ（Ｍ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（第１６図の工程（Ｃ））。前
と同様に、ダメージと汚染冶を十分除土した後シリコン
基板表面を十分清浄に洗浄し、（Ｎ２＋ＳｔＨ，，０文
２　＋）ＩＣｆＬ）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
塩Ｅ高い値に設定する。８０文の量が少なすぎると選択
成長は起こらない、シリコン基板とにはシリコン結晶層
が成長するが、　ＳｉＯ。

漕ヒのシリコンはＨＣ見によってエツチングされてしま
うため、　’Ｓｉｔ：ｌ、層七にはシリコンは堆積しな
い（第１６図（ｄ））、ｎ−Ｗ！Ｉ５の厚さはたとえば
３〜５川１用度である。

不純物濃度は、　ＦｆましくはＩＱ′′〜ＩＱ”　ｃｍ
−３程度に設定する。もちろん、この範囲をずれてもよ
いが、ｐｎ−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８０文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閥が形成されると
いうようなことになって、到底高品買のエピタキシャル
成長は望めない、水分の多い＋（Ｃ１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
金属を大にに含むことになって、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。　　ＳｉＨ。

ＣＩ、に＃Ｐｉ高純度の材料を使用することはもちろん
であるが、８０文には特に水分の少ない、望ましくは少
なくとも水分含有量が０．５ｐｐｍ以下のものを使用す
る。もちろん、水分含有量は少ない程よい。

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！１５０〜１２５０℃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右するインドリシックゲッタ
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　５ｉＯｙ　Ｆ）　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、より一
層の低温化は難しい０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成長雰
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流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１
／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
向とさせる。

分離領域４となるＳｉｎ、層の側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、Ｓ
ｉｎ、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−一層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”ｃｍ−’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
層をン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〜ｔ＃Ｌ■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。感度を上げようとすれば、ｐ領域６の不純物濃度
を下げてＣｂｅ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ｉＫ、
Ｎｏ　　はエミッタの不純物濃度、ＮＡ　　はベースの
エミー、夕に隣接する部分の不純物密度、ｎｉ　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　（Ｈｔ＋ｏｔ）ガス系ス
チーム酸化により数１０Ａから数ｌＯＯ八程への厚さの
熱酸化膜３を、８００〜９００℃程度の温度で形成する
。その上に、（ＳｉＨ４＋ＮＨ３）系ガスのＣＶＤで窒
化膜（ＳｔゴＮ４）３０２を５００〜１５００Ａ程度の
厚さで形成する。形成温度はＴｏｏ〜８００℃程度であ
る。　ＮＨ，ガスも、ＨＣｉ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ＮＨ３
ガスを原材料に使うと、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５ｉ０２　Ｊ！
Ｉとの選択エツチングで選択比が取れないという結果を
招く。

ＮＨ，ガスも、少なくとも水分含膚量が０．５ｐｐ園以
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ＰＳＧ膜３
００をＣＶＤにより堆積する。ガス系は、たとえば、（
Ｎ、　＋　ＳｉＨ４＋　０２　＋ＰＨ３）を用いて、３
００〜４５０℃程度の温度で２０００〜３０００Ａ程度
の厚さのＰＳＧ膜をＣＶＤにより堆積する（第１６図の
工程（ｅ））、　　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　４ｐ領域７上と、リフ
レッシュ及び読み出しパルス印加電極上に、Ａｓドープ
のポリシリコン膜３０４を堆積する。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、エミッタ上は、ＰＳＧ
ＩＩＩ。

Ｓｉ３　Ｎ　、膜、　　Ｓｉｎ、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５ｉｎ２膜を残して、ｐｓａＢどＳｉ３
　Ｎ　４　ＩＱのみエツチングする。その後、Ａｓドー
プのポリシリコンを、（８２＋　ＳｔＨ４＋　ＡｓＨ１
）　もしくは（）ｌ、　＋　５ｉ）１４　＋　ＡｓＨｔ
　）ガスでｃＶＤ法により堆積する。堆積温度は５５０
℃〜７００℃程度、膜厚は　１０００〜２０００　Ａ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２その後Ａｓ又はＰを拡散してももちろんよい。

エミ７りとリフレッシュ及び読み出しパルス印加電極上
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［をエツチングすると。

リフトオフによりｐｓａｍ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Ｃ，ＣＩ、
　Ｆａ　　、　　（ＣＢ　ｒ　Ｆ、　＋Ｃｌ、　）等の
ガス系でエツチングし、Ｓｉ２Ｎ３膜はＣＨ。

Ｆ２　？’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法で堆積した後、マスク合わせモ程とエツチング
工程とにより、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膜上にコンタクトホールを開ける。

こうした状態で、ＡＩ　、　Ａｌ−５ｉ、Ａ交−Ｃｕ−
３ｉ等の金属を真空蒸着もしくはスパッタによって堆積
するか、あるいは（ＣＨｓ　）　ｙ　Ａ文やＡ文ＣＩ　
３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ポンドやへ文−０１ポンドを
直接光照射により切断する光照射ＣＶＤ法により　Ａｎ
を堆積する。（ＣＨｓ）３Ａ文やＡ文Ｃｔ３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３００〜４００℃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、層間絶縁［３０
６をＣＶＤ法で堆積する。３０６は、＠述したＰ　Ｓ　
Ｇ　Ｉｌ！２、あるいはＣＶＤ法５ｉｆｔ　Ｈｌあるい
は耐水性等を考慮しする必要がある場合には、（Ｓｉｎ
、　＋ＮＪ　）ガス系のプラズマＣＶＤ法によて形成し
た５ｉｌＮ４１１”！である。　ＳｉＩＭ　、膜中の水
素の含有量を低く抑えるためには、　　（ＳｉＨ４＋Ｎ
、　）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法による５ｉｉｓ　Ｎ　
ａ　Ｈがすぐれている。光ＣＶＤ法には２通りの方法が
ある。　　（Ｓｉ）ｌ　ａ　＋ＮＨ３＋８ｇ）ガス系で
外部から水銀ランプの２５３７人の紫外線を照射する方
法と、　（Ｓｉ）Ｉ　ｎ＋％Ｈ）　ｚ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エツチング工程により、エミッタ
７上のポリシリコンに、絶縁Ｉｌｌ　３０５，３０Ｇを
貢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Ａ文、Ａ立−Ｓ　ｉ、Ａ見
−Ｃｕ−Ｓｉ等の金属を堆積する。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
よる堆積の方がすぐれている。第１図における金属配線
８のバターニングを終えた後、！＆終バッジベージ璽ン
膜としての５ｉｌＮ、膜あるいはＰＳＧ嗅２をＣＶＤ法
により堆積する（第１６図（８））。

この場合も、光Ｃ・ＶＤ法による膜がすぐれている。１
２は裏面の＾ｌ、ＡＩ−’３を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］ｒ、程
があり、第１６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重要な点は、Ｐ領域６とｎ−領
域５の間及びｐ領域６とｎ４″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。

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Ｓ１は単結晶化されるわけである。エビ成
長は、８５０°〜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ｒ＆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Ｓ
ｉ中に微結晶が成長し始めてしまうことが多く、結晶性
を悪くする頗因になる。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Ｅｌし始める速度
より相対的にずっと大きくなるから、選択エピタキシャ
ル成長を行う前に、５５０℃〜７００℃程度の低湿処理
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
間に酸化膜等の層があると固相成長の開始が遅れるため
。

間者の境界にはそうした暦が含まれないような超高清浄
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　フッ
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ａｌＯ秒程度のラビ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、Ｓｉｎ、層側壁に堆
積するＳｉは、多結晶でもよい、ただし、非常にクリー
ンなプロセスで堆積し５多結晶体の結晶粒界に酸素、炭
素等の含まれない多結晶Ｓｔにしておく必要がある。

こうした５ｉ０２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。

ＳｉＯ，分ａｌ＃Ｉ域４と高抵抗ｎ−領域５界面のリー
ク電流がどうしても問題になる時は、高抵抗ｎ−領域５
のＳ　ｉ０２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５ｉ０２領域４に接触するｎ−
領域５の０．３〜１ル富程度の厚さの領域だけ、たとえ
ばｌ　ｗ　ｔＯＸ　１０”　ｃｍ−’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！上に略々ｌヰ１程度熱酸化膜を形成し
た後、そのヒにＣＶＤ法で堆積するＳｔ、、嗅をまず所
要の厚さだけ、所定の量のＰを含んだ５ｔａｙ　ｔＦＪ
にしておく、さらにその上に５ｉ０２をＣＶＤ法でｉｔ
ｓ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’ＪｉＯｔ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？ａ度が高いとい
う良好な不純物分市を作る。

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５３層構造に４！Ｉｒ：＆されてイテ、
３０８は８酸化膜５ｉＯ１，３０９は燐を含Ａ、？’Ｃ
ＶＤ法ＳｉＯ、Ｍ、３０１１ｔＣＶＤ法Ｓｉ０２膜であ
る０分離領域４に隣接して、ｎ−領域５中との間に、ｎ
領域３０７が、燐を含んだＳｊＯ、膜３０９からの拡散
で形成される。３０７はセル周辺全部に形成されている
。この４ｉ造にすると、ベース・コレクタ間容量Ｃｂｃ
は大きくなるが５ベース・コレクタ間リーク電流は激減
する。

ｆｆ１１６図では、あらかじめ分離用絶縁領域４を作っ
ておいて３選択エピタキシャル或反を行なう例について
説明したが、基板ヒに必要な高低抗ｎ−層のエピタキシ
ャル成長をしておいてから。

分子ａｆｆｉ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を形成
する、Ｕグループ分離技術（Ａ、）Ｉａ！ａｓａｋａｅ
ｔ　ａｌ、　　“Ｕ　−ｇｒｏｏｖｅ　１ｓｏｌａｔｉ
ｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒｈｉｇｈ　５ｐｅｅ
ｄ　ｂｉｐｏｌａｒ　ＶＬＳＩ’Ｓ　′、　Ｔｅｃｈ、
　Ｄｉｇ、　ｏｆ■ＥＤ）１．　Ｐ、８２．１９＄２．
　＃照）　ヲ使ッテ行’）　コトモ’Ｔ：きる。

本発明に係る光電変換装置は、絶縁物より構成される分
＃領域に取り囲まれた領域に、その大部分の領域が半導
体ウェハ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１Ａｉｔ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量Ｃｏｗ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・エミー２夕間が順方向に深く
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１本発明の光電変換装置は
いかなる４を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ｉ！型がまったく反転した構造では５領域はｎ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、　Ａ
ｓやＰはＳｉ／　Ｓ＋０２界面のＳｔ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Ｔｕｔ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ボロン
である。ボロンを含むｐ領域表面を熱酸化すると、ボロ
ンは酸化膜中に取り込まれるため、　Ｓｉ／Ｓｉ　Ｏ！
界面近傍のＳｉ中におけるボ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、酸化膜厚にもよるが
、通常数１００人であ、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’ｈ領域が
、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／５ｉ０２界面に央まったエレクトロンは、この
ｎ“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、
逆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Ｓ
ｉ／５ｉ０２界面に存在すると、蓄積されたホールをＳ
ｉ／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、９層のベース
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光電変換装鐙は、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　　！ｓａｇｅＳｅｎｓ
ｏｒ　と呼ばれるべき装置であり、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
増輻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０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、本発明に係る光電変換装置は以上述べた固体撮像
装置の外に、たとえば１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。

ｆｆ５８図（ｂ）に、過渡的リフレッシュ動作、蓄積動
作、読出し動作、そして過渡的リフレッシュ動作と巡回
するときの、エミフタ、ベース、コレクタ各部における
電位レベルを表したものを示す。

芥部位の電圧レベルは外部的に見た電位であり。

内部のポテンシャルレベルとは一部一致していない所も
ある。

説明を簡単にするためにエミッタ・ベース間ノ拡散電位
は除いである。したがって、第８図（ｂ）でエミッタと
ベースが同一レベルで表される時には、実際にはエミー
２り◆ベース間に で与えられる拡散電位が存在するわけである。

ｉ　８１Ｎ　（ｂ）において、状態■、■はリフレッシ
ュ動作を。状態■はＩＩ積動作を５状態の、■は読出し
動作を、状態■はエミッタを接地したときの動作状態を
それぞれ示す、また電位レベルはＯボルトを境にして上
側が負、下側が正電位をそれぞれ示す、状態のになる前
のベース電位はゼロボルトであったとし、またコレクタ
電位は状態■から−６）まで全てＴＦ、　’Ｎ位にバイ
アスされているものとする。

上記の一連の動作を第８図（ａ）のタイミング図と共に
説明する。

第８ｒＮ（ａ）の波形６７のごとく、時刻１１において
、端子３７に正Ｍｌ圧、すなわちリフレッシュ電圧Ｖ□
が印加されると、第８図（ｂ）の状態＜′５）に電位２
００のごとくベースには、すでに説［！１した様に、 なる分圧がかかる。この電位は時刻ｔｌからｔ２の間に
、次第にゼロ電位に向かって減少していき、時刻１．で
は、第８図（ｂ）の点線で示した電位２０１となる。こ
の電位は前に説明した様に、過渡的なりフレッシェモー
ドにおいて、ベースに残る電位ｖ電である０時刻ｔ２に
おいて、波形６７のごとく、リフレッシュ電圧０１１Ｍ
がゼロ電圧にもどる瞬間に、ベースには、 なる電圧が前と同様、容量分割により発生するので、ベ
ースは残っていた電圧ｖＫと新しく発生した電圧との加
算された電位となる。すなわち、状ｙｇ■において示さ
れるベース電位２０２であり、これは。

で与えられる。

この様なエミッタに対して逆バイアス状態において光が
入射してくると、この光により発生したホールがベース
領域に＃積されるので、状Ｊ１３　ｔｊ）のごとく、入
射してくる光の強さに応じて、ベース電位２０２はベー
ス電位２０３，２０３’２０３“のごとく次第に正電位
に向って変化する。この光により発生する電圧をＶｐと
する。

次いで波形６９のごとく、水平ラインに垂直シフトレジ
スタより電圧、すなわち読出し′屯圧■確が印加される
と、ベースには なる電圧が加算されるので、光がまったく照射されない
ときのベース電位２０４は となる。このときの電位２０４は前に説明したごとく、
エミッタに対して０．５〜０．６■程度順方向にバイア
ス状態になる様に、設定される。また５ベ一ス電位２０
５．，２０５’、２０５”はそれぞれ でｔトえられる。

ベース電位が、この様に、エミッタに対して５順方向バ
イアスされると、エミッタ側から工１／クトロンの注入
がおこり、エミッタ電位は次第に正゛社位方向に動いて
いくことになる。光が照射されなかったときのベース゛
屯位２０４に対するエミッタ電位２０６は、順方向バイ
アスを０．５〜０．６■に設定した持続出しパルス幅が
ｌ〜２ｈｓ佇のとき、約５０〜１００＋ｎＶ程度であり
、この電圧をｖｆＩ　とすると、ｌミｙ５’１１位２０
７，２０７’２０７″は前の例の様に０．１　ｇｓ以上
のパルス幅であれば直線性は十分確保されるので、それ
ぞれＶｐ＋Ｖ＠　　、Ｖρ’＋ｖ、、ｖｐ＃＋　　ｖ、
となる。

ある一定の読出し時間の後、波形６９のごと〈誠出し電
圧■Ｑがゼロ電位になった時点で、ベースには なる電圧が加算されるので、状態■のごとくベース電位
は、読出しパルスが印加される前の状態すなわち逆バイ
アス状態になり、エミッタの電位変化は停止する。すな
わち、このときのベース電位２０８は、 ベース電位２０９．２０９’、２０９″はそれぞれ、 で午えられる。これは読出しが始まる前の状態・：りと
まったく同じである。

この状態（引において、エミ・ンタ側の光情報信号が外
部へ読出されるわけである。この読出しが終った後、各
スイッチングＭＯ５）ランデスタ４８．４８’、４８”
が導通状態となり、エミッタが接地されて状態■のごと
く、エミッタはゼロ電位となる。これで、リフ１／−ｙ
シュ動作、蓄積動作、読出し動作と一巡し、次に状態■
にもどるわけであるが、この時、最初にリフレッシュ動
作に入る前は、ベース′唯位がゼロ電位からスタートし
たのに対して、−巡してきた後は、ベース′屯位が およびそれに、それぞれＶｐ　、Ｖｐ　’　、　Ｖｐ　
”が加算されたＭ　４ｅに変化していることになる。し
たがって、この状態で、リフレッシュ電圧Ｖ　１１１４
が印加されたとしてもベース電位はそれぞれＶ。

Ｖ（＋Ｖｐ　　、Ｖ（＋Ｖｐ　’　、ＶＫ＋Ｖｐ　”に
＠るだけであり、これでは、ベースに、十分なＩＩＩＱ
方向バイアスがかからず、光の強くあたった所は順方向
バイアス竜が大きいので光情報は消えるものの、光の弱
い部分の情報は消えずに残るということが生ずることは
第６図に示したリフレッシュ動作の計算例から見てもあ
きらかである。

この様な現象は過渡的リフレッシュモード独特のもので
あり、完全リフレッシュモードでは、ベース電位が必ず
ゼロ電位になるまで長いリフレッシュ時間をとるために
、この様な問題は生じない。

高速リフレッシュが可能な過渡的リフレッシュモードを
使い、かつこの様な不都合の生じない方法について以下
に述べる。

この不都合は、リフレッシュパルスが印加された時、お
よび、読出しパルスが印加された時に、パルスの先端お
よび後端において正および負の容量分割によって生じた
同一の電圧値がベース領域にかかることにより生ずる現
象であるから、ベース領域に負電圧がかかる時、これの
値を何らかの方法で２一定の値にクランプすることによ
りこれは解決される。

第１８図にこれを達成するための一実施例を示す、第１
８図（ａ）はセンサセルの断面図を、第１８図（ｂ）は
（ａ）の等価回路をそれぞれ示している。

第１８図（ａ）では、すでに説明した第１図の基本のセ
ンサセルにおいて、センサセルと分離するための５ｉ０
１領域２５０．ｐ”　ｎ＋接合ダイオードを形成してい
るｐ４領域２５１およびｎ４″領域２５２が余分に付加
され、このｎ＋領域２５２は、アルミ配線２５３により
センサセルのベース領域６と接続されており、また、ｐ
１領域はアルミ配線２５４により外部電源と接続される
構造をしている。他の部分は、第１図に示した基本のセ
ンサセルとまったく同じである。第１８図（ｂ）の等価
回路では、Ｐゝ領域２５１およびｎ＋領域２５２よりな
るｐゝｎ＋接合ダイオード２５５が。

その７ノード側　（ｐ”領域側）が外部電源と接続され
るための配置５１２５４につながれ、そのカソード側（
ｎゝ領域側）が基本光センサセルのベース側に接続され
ている。他は第１図に示した基本光センサセルの等価回
路と同じである。

この構成によれば、第８図（ｂ）の状態■において、リ
フレッシュパルスの後端で、ベース領域の負電位２０２
が となったものが、配線２５４より供給される電圧−Ｖｃ
になされることになる。すなわち、クランプ電圧−ＶＣ
より電位が低くなろうとするとダイオード２５５が導通
して電流が流れ、最終的にクランプ電圧−Ｖｃにクラン
プされるわけである。

このときのクランプ電位−ＶＣは、過渡的リフレッシュ
モード動作におけるリフレッシュの速１氏、読出し動作
における正方向バイアス、光信号ρダイナミックレンジ
等を考慮して最適な値に設定される。

ことによって所望の電圧−ＶＣは得られる。

以上に示した、クランプ用ｐｎｔｇ合ダイオードを付加
した光センサセルによれば、過渡的リフレッシュモード
動作において生ずる問題点を確実に解決することができ
、高速リフレッシュが可能な撮像素子を提供することが
可能である。

第１８図に示した実施例においては、ＭＯＳキャパシタ
電極９、エミッタ７からの配線８゜ベース６とｐｎ接合
ダイオードのｎゝ領域２５２を接続するための配線２５
３．ｐｎ接合グイオードの２０領域２５１へ電圧を供給
するための配線２５４等を説明の都合上、全て同一の断
面内に書いており、光の入射する窓がきわめて少ない＠
き方をしているが、実際には、同一の光センサセルの中
の他の部分へそれぞれを、入射する窓の形状、配線の都
合等を考慮して配置することが可能である。

【図面の簡単な説明】

ｍ１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ｙｉ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）は蓄ｔａｔｖｔ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を用
いた光電変換装置の説明図であり、第７図は回路図、第
８図（ａ）はパルスタイミング図、第８図（ｂ）は各動
作時の電位分布を示すグラフである。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。ｉｌｌ、
１２及び１３図は他の光電変換？を置を示す回路図であ
る。第１４因は本発明の実施例に係る光センサセルの変
形例を説明するための平面図である。第１５図は、第１
４図に示す光センサセルを用いた光電変換装置の回路図
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。第１８図は本
発明の実施例に係る光センサセルを示し、（ａ）は断面
図、（ｂ）はその等価回路図、 〔゛ある・ １・・・シリコン基板、２・・・ＰＳＧ咬、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’・・・ｎ＋領領域エミッタ領域）、８・・・配線、
９・・・電極、１０・・・配線、１１・・・ｎ′″領域
、１２・・・電極、１３・・・コンデンサ、１４・・・
バイポーラトランジスタ、ｘ５：ｘ７・・・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、３０
・・・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トラン
ジスタ、３６．３７・・・端子、３８・・・重訂ライン
、３９・・・水平シフトレジスタ、４０・・・ＭＯＳト
ランジスタ、４１・・・出力ライン、４２・・・ＭＯＳ
トランジスタ、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・・・容量、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・・・＠直うイン、１４０・・
・ＭＯＳタランジスタ、１４８・・・ＭＯＳ　）う７ジ
スタ、１５０．１５０’・・・ＭＯＳ＝＋ンデンサ、１
５２，１５２’・・・光センサセル。 ２０２．２０３，２０５・・・ベース電位、２２０・・
・Ｐ＋領域、２２２，２２５・・・配線、２５１・・・
Ｐ＋領域、２５２ｎ”領域、２５３・・・配線、３００
−・・アモルファスシリコン、３０２・・・窒（ｔ［、
３０３・・・ＰＳＧＦＩ、３０４・・・ポリシルコン、
３０５・・・ＰＳＧ膜、３０６・・・層間絶縁膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １同導電型領域よりなる２個の主電極領域と該主電極領
   域と反対導電型の制御電極領域よりなる半導体トランジ
   スタの該制御電極領域を浮遊状態にし、該浮遊状態にし
   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、該浮遊状態にした制御電極領域に、光によ
   り発生したキャリアを蓄積する蓄積動作、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る構造の光電変換装置
   において、該浮遊状態になされた制御電極領域の電位を
   制御するクランプダイオードを設けたことを特徴とする
   光電変換装置。