JPH05198836A - バイポーラ型フォトトランジスタ - Google Patents
バイポーラ型フォトトランジスタInfo
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- JPH05198836A JPH05198836A JP4283089A JP28308992A JPH05198836A JP H05198836 A JPH05198836 A JP H05198836A JP 4283089 A JP4283089 A JP 4283089A JP 28308992 A JP28308992 A JP 28308992A JP H05198836 A JPH05198836 A JP H05198836A
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- Japan
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- oxide film
- phototransistor
- silicon oxide
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 入力された光を電気信号に変換する、半導体
イメージセンサ装置において、受光量に対して、出力さ
れる電気信号の安定性と直線性を制御する。 【構成】 半導体イメージセンサ装置に用いられるバイ
ポーラ型フォトトランジスタのエミッターベース接合部
のベース表面上にゲート電極２０を設け、ベース表面を
ベースと同電導型の濃い不純物層３０で覆った上で、表
面をシリコン酸化膜６で覆い酸化膜中に水素を閉じ込
め、その酸化膜をシリコン窒化膜７で覆う。 【効果】 フォトトランジスタの表面状態を安定化さ
せ、直流電流増幅率のコレクタ電流依存性を抑制するこ
とにより、光電変換特性の安定性と直線性を得る。
イメージセンサ装置において、受光量に対して、出力さ
れる電気信号の安定性と直線性を制御する。 【構成】 半導体イメージセンサ装置に用いられるバイ
ポーラ型フォトトランジスタのエミッターベース接合部
のベース表面上にゲート電極２０を設け、ベース表面を
ベースと同電導型の濃い不純物層３０で覆った上で、表
面をシリコン酸化膜６で覆い酸化膜中に水素を閉じ込
め、その酸化膜をシリコン窒化膜７で覆う。 【効果】 フォトトランジスタの表面状態を安定化さ
せ、直流電流増幅率のコレクタ電流依存性を抑制するこ
とにより、光電変換特性の安定性と直線性を得る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光、放射線等の線の入
射エネルギーを電気信号に変換する、半導体イメージセ
ンサ装置用バイポーラ型フォトトランジスタに関する。
射エネルギーを電気信号に変換する、半導体イメージセ
ンサ装置用バイポーラ型フォトトランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】以下線源として光の例をあげて記述す
る。従来のバイポーラ型フォトトランジスタを図５に示
す。バイポーラ型トランジスタの素子表面はシリコン酸
化膜６によって覆われている。光９がフォトトランジス
タに入射すると、ベース２とコレクタ５間に電荷が蓄積
され、ベース電位が上がり、ベース２からエミッタ１に
向かうベース電流が流れる。ベース電流を直流電流増幅
率（以下、ｈFEと称する）倍されたコレクタ電流ＩＣが
コレクタ端子５１からエミッタ１に向かって流れる。
る。従来のバイポーラ型フォトトランジスタを図５に示
す。バイポーラ型トランジスタの素子表面はシリコン酸
化膜６によって覆われている。光９がフォトトランジス
タに入射すると、ベース２とコレクタ５間に電荷が蓄積
され、ベース電位が上がり、ベース２からエミッタ１に
向かうベース電流が流れる。ベース電流を直流電流増幅
率（以下、ｈFEと称する）倍されたコレクタ電流ＩＣが
コレクタ端子５１からエミッタ１に向かって流れる。
【０００３】バイポーラ型フォトトランジスタを用いた
半導体イメージセンサ装置の等価回路を図２に示す。図
２に図５のバイポーラ型フォトトランジスタがＰ１とし
て組み込まれている。スイッチＳ１がオンした時点で、
前記コレクタ電流ＩＣ１はコンデンサＣ１に電流として
出力される。外部出力としては、コンデンサＣ１にたま
った電荷を出力電圧ＶO1として取り出す。
半導体イメージセンサ装置の等価回路を図２に示す。図
２に図５のバイポーラ型フォトトランジスタがＰ１とし
て組み込まれている。スイッチＳ１がオンした時点で、
前記コレクタ電流ＩＣ１はコンデンサＣ１に電流として
出力される。外部出力としては、コンデンサＣ１にたま
った電荷を出力電圧ＶO1として取り出す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本イメージセンサ装置
で入射光の強弱を読み取る場合、入力光量と出力電圧の
間には再現性と直線性が要求される。図６に従来のバイ
ポーラトランジスタのベース電圧−ｈFE特性を示す。ｈ
FEにベース電圧依存性があり、ベース電圧の低い領域で
は、ｈFEが低く、ベース電圧が高くなるにしたがって、
ｈFEが高くなる。またこのベース電圧−ｈFE依存性は図
６に示すように素子ごとにばらつき、また同一素子でも
経時変化する。
で入射光の強弱を読み取る場合、入力光量と出力電圧の
間には再現性と直線性が要求される。図６に従来のバイ
ポーラトランジスタのベース電圧−ｈFE特性を示す。ｈ
FEにベース電圧依存性があり、ベース電圧の低い領域で
は、ｈFEが低く、ベース電圧が高くなるにしたがって、
ｈFEが高くなる。またこのベース電圧−ｈFE依存性は図
６に示すように素子ごとにばらつき、また同一素子でも
経時変化する。
【０００５】この現象は主に、光によって発生したキャ
リアが図５のベース２表面とシリコン酸化膜６の界面に
存在する界面準位１０と結合して消滅してしまうことに
よる。従って、界面準位が多いほどベース電圧が低い領
域でのｈFEの低下は大きくなる。この界面準位の多く
は、主に基板シリコンの未結合手によって発生するた
め、水素を添加し、未結合手を抑える。しかし、水素と
未結合手の結合力は弱い上に、水素はシリコン酸化膜中
を容易に拡散してしまうために水素による未結合手の抑
制は不安定である。また界面準位量は素子を製造する度
にバラついたり、素子の動作中に素子内のバイアス、温
度等により変動したりする。このため、ｈFEのベース電
圧依存性が生じ、依存性自体も変化してしまう。
リアが図５のベース２表面とシリコン酸化膜６の界面に
存在する界面準位１０と結合して消滅してしまうことに
よる。従って、界面準位が多いほどベース電圧が低い領
域でのｈFEの低下は大きくなる。この界面準位の多く
は、主に基板シリコンの未結合手によって発生するた
め、水素を添加し、未結合手を抑える。しかし、水素と
未結合手の結合力は弱い上に、水素はシリコン酸化膜中
を容易に拡散してしまうために水素による未結合手の抑
制は不安定である。また界面準位量は素子を製造する度
にバラついたり、素子の動作中に素子内のバイアス、温
度等により変動したりする。このため、ｈFEのベース電
圧依存性が生じ、依存性自体も変化してしまう。
【０００６】図７にこのような従来のバイポーラトラン
ジスタをフォトトランジスタとして用いた場合の光電変
換特性を示す。入力光量の低い領域では、入力光量の増
加分に対して出力電圧の増加分は小さく、入力光が多く
なるにしたがって、出力電圧の増加分が増えるという現
象が生じ、さらにその依存性も図７に示すように素子に
よりバラつくという課題があった。
ジスタをフォトトランジスタとして用いた場合の光電変
換特性を示す。入力光量の低い領域では、入力光量の増
加分に対して出力電圧の増加分は小さく、入力光が多く
なるにしたがって、出力電圧の増加分が増えるという現
象が生じ、さらにその依存性も図７に示すように素子に
よりバラつくという課題があった。
【０００７】そこで、本発明の目的は、入力光量に対す
る出力電圧の変動がなく、且つ入力光量の増加分に対す
る出力電圧の増加分が入力光量によらず、一定であるバ
イポーラ型フォトトランジスタを得ることである。
る出力電圧の変動がなく、且つ入力光量の増加分に対す
る出力電圧の増加分が入力光量によらず、一定であるバ
イポーラ型フォトトランジスタを得ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明では、フォトトランジスタのベース表面にベ
ースと同電導型の濃い不純物層を設けた。又、エミッ
タ、ベース界面のベース表面上にゲート電極を設けた。
更に、フォトトランジスタ表面を覆うシリコン酸化膜
を、水素の拡散係数がシリコン酸化膜より小さな物質例
えば、シリコン窒化膜で覆うことにより、シリコン酸化
膜中に水素を閉じ込める構成とした。
に、本発明では、フォトトランジスタのベース表面にベ
ースと同電導型の濃い不純物層を設けた。又、エミッ
タ、ベース界面のベース表面上にゲート電極を設けた。
更に、フォトトランジスタ表面を覆うシリコン酸化膜
を、水素の拡散係数がシリコン酸化膜より小さな物質例
えば、シリコン窒化膜で覆うことにより、シリコン酸化
膜中に水素を閉じ込める構成とした。
【０００９】
【作用】フォトトランジスタ表面が安定化し、フォトト
ランジスタのｈFE変動及びｈFE・ベース電圧依存性がな
くなり、入力光量と出力電圧の再現性と直線性が安定的
に得られる。
ランジスタのｈFE変動及びｈFE・ベース電圧依存性がな
くなり、入力光量と出力電圧の再現性と直線性が安定的
に得られる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明す
る。図１は本発明によるバイポーラ型フォトトランジス
タの構造を示す１実施例の断面図である。フォトトラン
ジスタのエミッタ１の周囲のベース表面上は、ゲート電
極２０が設けられている。ベース表面には、ベースと同
電導型の濃い不純物層である高濃度ベース３０が、エミ
ッタ１と離れて拡散されている。高濃度ベース３０とエ
ミッタ１間の距離は、通常ゲート電極２０の幅以下とす
る。フォトトランジスタ全表面を覆うシリコン酸化膜６
は、シリコン窒化膜７で完全に覆われ、大気にはいっさ
いさらされていない。またシリコン酸化膜６中には水素
が閉じ込められている。図１において、表面シリコン酸
化膜を覆う難水素透過性膜は１種類である必要はなく複
数の組合せが可能である。
る。図１は本発明によるバイポーラ型フォトトランジス
タの構造を示す１実施例の断面図である。フォトトラン
ジスタのエミッタ１の周囲のベース表面上は、ゲート電
極２０が設けられている。ベース表面には、ベースと同
電導型の濃い不純物層である高濃度ベース３０が、エミ
ッタ１と離れて拡散されている。高濃度ベース３０とエ
ミッタ１間の距離は、通常ゲート電極２０の幅以下とす
る。フォトトランジスタ全表面を覆うシリコン酸化膜６
は、シリコン窒化膜７で完全に覆われ、大気にはいっさ
いさらされていない。またシリコン酸化膜６中には水素
が閉じ込められている。図１において、表面シリコン酸
化膜を覆う難水素透過性膜は１種類である必要はなく複
数の組合せが可能である。
【００１１】ベース濃度は通常１Ｅ１５／ｃｍ3 〜１Ｅ
１７／ｃｍ3 程度の濃度である。シリコン酸化膜６中に
は様々な電荷が取入れられ、ベースの表面濃度が１Ｅ１
６／ｃｍ3 以下であると酸化膜中の電荷の影響を受け、
ベースの表面状態が変動してしまう。また、Ｎ−Ｐ−Ｎ
フォトトランジスタの場合、ベース濃度が１Ｅ１７／ｃ
ｍ3 といっても、ベース表面とシリコン酸化膜６の界面
でホウ素の偏析が生じる。すなわち、ホウ素を含むシリ
コンからなるベース表面を酸化した時、Ｓｉはシリコン
酸化膜により溶けやすいため、Ｓｉ表面のホウ素濃度が
下がる。このためベース表面の濃度は一桁以上下がって
おり、不安定である。フォトトランジスタの場合は、ベ
ース表面で受光し、光電荷をベース−コレクタ接合に蓄
積するため、ベース表面積を大きく取らなければならな
い。そのため、表面状態が不安定であると光電荷の蓄積
に影響が出る。そこで、ベース表面を高濃度にすること
により、ベース表面を安定化させ、光電荷蓄積量を安定
にする。ベース表面濃度は、１Ｅ１７／ｃｍ3 以上必要
である。しかし、高濃度ベース３０と、エミッタが接触
すると、エミッタ注入効率が落ち、ｈFEが大きく減少す
る。そのため、ベース高濃度部と、エミッタは離す必要
がある。離す距離は、エミッタから低濃度のベース側に
伸びた空乏層が、高濃度ベース３０に届かない距離であ
る。
１７／ｃｍ3 程度の濃度である。シリコン酸化膜６中に
は様々な電荷が取入れられ、ベースの表面濃度が１Ｅ１
６／ｃｍ3 以下であると酸化膜中の電荷の影響を受け、
ベースの表面状態が変動してしまう。また、Ｎ−Ｐ−Ｎ
フォトトランジスタの場合、ベース濃度が１Ｅ１７／ｃ
ｍ3 といっても、ベース表面とシリコン酸化膜６の界面
でホウ素の偏析が生じる。すなわち、ホウ素を含むシリ
コンからなるベース表面を酸化した時、Ｓｉはシリコン
酸化膜により溶けやすいため、Ｓｉ表面のホウ素濃度が
下がる。このためベース表面の濃度は一桁以上下がって
おり、不安定である。フォトトランジスタの場合は、ベ
ース表面で受光し、光電荷をベース−コレクタ接合に蓄
積するため、ベース表面積を大きく取らなければならな
い。そのため、表面状態が不安定であると光電荷の蓄積
に影響が出る。そこで、ベース表面を高濃度にすること
により、ベース表面を安定化させ、光電荷蓄積量を安定
にする。ベース表面濃度は、１Ｅ１７／ｃｍ3 以上必要
である。しかし、高濃度ベース３０と、エミッタが接触
すると、エミッタ注入効率が落ち、ｈFEが大きく減少す
る。そのため、ベース高濃度部と、エミッタは離す必要
がある。離す距離は、エミッタから低濃度のベース側に
伸びた空乏層が、高濃度ベース３０に届かない距離であ
る。
【００１２】キャリアはエミッタ１に向かって流れるこ
とから、表面再結合によるキャリアの消滅はエミッタ一
周辺で最も多く生じる。表面再結合を生じさせる最大の
原因は界面準位である。界面準位は、シリコンの未結合
手によって発生するがこの未結合は、シリコン−シリコ
ン酸化膜の不連続結合によって生じる。又、製造工程中
のプラズマを用いた処理（プラズマエッチング、プラズ
マＣＶＤ）によるダメージによって、シリコン−シリコ
ン結合が切られることによっても生じる。エミッタ−ベ
ース界面のベース表面上にゲート電極を設けることによ
って、このプラズマによるダメージから表面を保護する
ことができ、それによって界面準位を低く抑えることが
出来る。ゲート電位は、固定しても、フローティングで
も同様の効果がある。
とから、表面再結合によるキャリアの消滅はエミッタ一
周辺で最も多く生じる。表面再結合を生じさせる最大の
原因は界面準位である。界面準位は、シリコンの未結合
手によって発生するがこの未結合は、シリコン−シリコ
ン酸化膜の不連続結合によって生じる。又、製造工程中
のプラズマを用いた処理（プラズマエッチング、プラズ
マＣＶＤ）によるダメージによって、シリコン−シリコ
ン結合が切られることによっても生じる。エミッタ−ベ
ース界面のベース表面上にゲート電極を設けることによ
って、このプラズマによるダメージから表面を保護する
ことができ、それによって界面準位を低く抑えることが
出来る。ゲート電位は、固定しても、フローティングで
も同様の効果がある。
【００１３】シリコン未結合手は、理論的に抑えること
が出来ない。そのため、水素を添加してシリコン未結合
手と結合させ、電気的に不活性とする。本発明では、シ
リコン酸化膜６中に水素を添加し、シリコン窒化膜７で
閉じ込めているので、水素の結合が安定している。
が出来ない。そのため、水素を添加してシリコン未結合
手と結合させ、電気的に不活性とする。本発明では、シ
リコン酸化膜６中に水素を添加し、シリコン窒化膜７で
閉じ込めているので、水素の結合が安定している。
【００１４】別の実施例を図８に示す。図８において、
ゲート電極２０、高濃度ベース３０を設けることは図１
と同様であるが、シリコン酸化膜６は、アルミ配線８及
び、シリコン窒化膜６によって覆われている。このた
め、シリコン酸化膜中に閉じ込められた水素は逃げるこ
ともなく安定している。図８における配線材料はポリシ
リコンやシリサイドなど、水素の拡散係数が酸化膜より
小さい膜ならば同様の効果がある。
ゲート電極２０、高濃度ベース３０を設けることは図１
と同様であるが、シリコン酸化膜６は、アルミ配線８及
び、シリコン窒化膜６によって覆われている。このた
め、シリコン酸化膜中に閉じ込められた水素は逃げるこ
ともなく安定している。図８における配線材料はポリシ
リコンやシリサイドなど、水素の拡散係数が酸化膜より
小さい膜ならば同様の効果がある。
【００１５】また、水素の添加方法としては、６００℃
以上の高温水素アニールや、イオン注入等既知の方法で
添加すれば良いが、シリコン窒化膜としてプラズマシリ
コン窒化膜を用いることにより、水素の添加と、封じ込
めを同時に行える。図３に本発明によるフォトトランジ
スタのｈFE−ベース電圧特性を示す。図３によればｈFE
のベース電圧依存性は小さい。また素子によるバラツキ
も殆どない。図４に本発明によるフォトトランジスタの
光電変換特性を示すが、光電変換の直線性が高い。また
素子によるバラツキも殆どない。
以上の高温水素アニールや、イオン注入等既知の方法で
添加すれば良いが、シリコン窒化膜としてプラズマシリ
コン窒化膜を用いることにより、水素の添加と、封じ込
めを同時に行える。図３に本発明によるフォトトランジ
スタのｈFE−ベース電圧特性を示す。図３によればｈFE
のベース電圧依存性は小さい。また素子によるバラツキ
も殆どない。図４に本発明によるフォトトランジスタの
光電変換特性を示すが、光電変換の直線性が高い。また
素子によるバラツキも殆どない。
【００１６】尚、本発明における高濃度ベース３０、ゲ
ート電極２０、シリコン窒化膜７による覆いは、組み合
わせて使用しても、また単独で使用しても効果がある。
ート電極２０、シリコン窒化膜７による覆いは、組み合
わせて使用しても、また単独で使用しても効果がある。
【００１７】
【発明の効果】この発明は以上説明したように、バイポ
ーラフォトトランジスタにおいて、 (1) 高濃度ベースを設けたことで、ベース表面が外部の
影響を受けにくくした。 (2) 以下の構成で、ベース表面の界面準位を低くした。
ーラフォトトランジスタにおいて、 (1) 高濃度ベースを設けたことで、ベース表面が外部の
影響を受けにくくした。 (2) 以下の構成で、ベース表面の界面準位を低くした。
【００１８】シリコン酸化膜の上をシリコン窒化膜で
覆ったことで、シリコン酸化膜中に水素を閉じ込め、シ
リコン基板表面の未結合手を抑えた。 エミッタ周囲のベース表面上にゲート電極を設けたこ
とで、エミッタ周囲のベース表面部分のプラズマによる
ダメージを抑制した。 ことで、直流電流増幅率がベース電圧によらず一定にす
ることができ、したがって受光量に対して、出力される
電気信号の直線性と再現性を高めることができるという
顕著な目的効果を達成する。
覆ったことで、シリコン酸化膜中に水素を閉じ込め、シ
リコン基板表面の未結合手を抑えた。 エミッタ周囲のベース表面上にゲート電極を設けたこ
とで、エミッタ周囲のベース表面部分のプラズマによる
ダメージを抑制した。 ことで、直流電流増幅率がベース電圧によらず一定にす
ることができ、したがって受光量に対して、出力される
電気信号の直線性と再現性を高めることができるという
顕著な目的効果を達成する。
【図１】本発明による半導体イメージセンサ装置用フォ
トトランジスタの断面図である。
トトランジスタの断面図である。
【図２】半導体イメージセンサ装置の等価回路である。
【図３】本発明のフォトトランジスタのｈFE−ベース電
圧依存性を示す図である。
圧依存性を示す図である。
【図４】本発明のフォトトランジスタを用いた場合の光
電変換特性を示す図である。
電変換特性を示す図である。
【図５】従来のフォトトランジスタの断面図である。
【図６】従来のフォトトランジスタのｈFE−ベース電圧
特性を示す図である。
特性を示す図である。
【図７】従来のフォトトランジスタを用いた場合の光電
変換特性を示す図である。
変換特性を示す図である。
【図８】本発明による半導体イメージセンサ装置用フォ
トトランジスタの別実施例の断面図である。
トトランジスタの別実施例の断面図である。
１ エミッタ ２ ベース ３ ゲート ４ バイアス電圧 ５ コレクタ ６ シリコン酸化膜 ７ シリコン窒化膜 ８ アルミ電極 ２０ ゲート電極 ３０ 高濃度ベース層 Ｐ１ フォトトランジスタ Ｓ１ 配列されたＭＯＳのアナログスイッチ ＩC1 出力電流 Ｃ１ コンデンサ ＶO1 出力電圧
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/29 23/31 21/331 29/73 7377−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 29/72
Claims (3)
- 【請求項１】 表面をシリコン酸化膜で覆い、前記シリ
コン酸化膜を前記シリコン酸化膜よりも水素の拡散係数
の小さな膜で完全に覆ったバイポーラ型フォトトランジ
スタ。 - 【請求項２】 ベース−エミッタ接合界面のベース表面
上に絶縁膜を介してゲート電極を設けたことを特徴とす
るバイポーラ型フォトトランジスタ。 - 【請求項３】ベース領域表面にベースと同電導型のベー
スより濃い濃度の不純物領域を設けたことを特徴とする
バイポーラ型フォトトランジスタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4283089A JP2764776B2 (ja) | 1991-11-07 | 1992-10-21 | バイポーラ型フォトトランジスタ装置。 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29178991 | 1991-11-07 | ||
| JP3-291789 | 1991-11-07 | ||
| JP4283089A JP2764776B2 (ja) | 1991-11-07 | 1992-10-21 | バイポーラ型フォトトランジスタ装置。 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05198836A true JPH05198836A (ja) | 1993-08-06 |
| JP2764776B2 JP2764776B2 (ja) | 1998-06-11 |
Family
ID=26554897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4283089A Expired - Lifetime JP2764776B2 (ja) | 1991-11-07 | 1992-10-21 | バイポーラ型フォトトランジスタ装置。 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2764776B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002532883A (ja) * | 1998-12-07 | 2002-10-02 | テレフオンアクチーボラゲツト エル エム エリクソン（パブル） | アナログ・スイッチ |
| JP2011023399A (ja) * | 2009-07-13 | 2011-02-03 | Tottori Univ | 有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子 |
| JP2013509005A (ja) * | 2009-10-27 | 2013-03-07 | ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド | 太陽電池における表面再結合を低減させて光トラッピングを高める方法 |
| JP2013093452A (ja) * | 2011-10-26 | 2013-05-16 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
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| JPS59108372A (ja) * | 1982-12-13 | 1984-06-22 | Fuji Photo Film Co Ltd | 半導体光検出装置及びその製造方法 |
| JPH03198345A (ja) * | 1989-12-27 | 1991-08-29 | Canon Inc | 半導体装置およびこれを用いた光電変換装置 |
-
1992
- 1992-10-21 JP JP4283089A patent/JP2764776B2/ja not_active Expired - Lifetime
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