JPH0974179A - Photoelectric converter, photo sensor array, semiconductor device and facsimile device - Google Patents

Photoelectric converter, photo sensor array, semiconductor device and facsimile device

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JPH0974179A
JPH0974179A JP7226488A JP22648895A JPH0974179A JP H0974179 A JPH0974179 A JP H0974179A JP 7226488 A JP7226488 A JP 7226488A JP 22648895 A JP22648895 A JP 22648895A JP H0974179 A JPH0974179 A JP H0974179A
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JP
Japan
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potential
control electrode
type
semiconductor
layer
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JP7226488A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuro Asaba
哲朗 浅羽
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Canon Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate a buried layer, a diffusion layer and an epitaxial layer, and attain cost reduction. SOLUTION: There are formed on a first conduction type semiconductor substrate 101; a first semiconductor region 107 of a second conduction type in which carriers formed by receiving light energy are collected, and a second semiconductor region 108 of a first conduction type which is in contact with the first semiconductor region and outputs a signal corresponding to the carriers. A control electrode 111 which is adjacent to the first semiconductor region and capable of potential control is formed on the semiconductor substrate via an insulating layer.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光電変換装置、フォトセ
ンサアレイ、半導体装置、ファクシミリ装置に関するも
のである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion device, a photo sensor array, a semiconductor device and a facsimile machine.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、単結晶シリコンを使用したファク
シミリの読み取り装置として、フォトダイオードをMO
SトランジスタでスイッチングするMOS型ラインセン
サやCCD(charge coupled Devi
ce)等の素子が使用されてきた。さらに、近年、特開
平2−210874号公報に示された自己増幅機能を持
ち、分割容量比による出力低下の少ない、バイポーラ型
の光電変換装置(Base stored type
Image Sensor;以下、バイポーラ型センサ
という。)が使用されるようになった。
2. Description of the Related Art Conventionally, photodiodes have been used as a reading device for facsimiles using single crystal silicon.
A MOS type line sensor and a CCD (charge coupled device) that are switched by an S transistor.
ce) etc. have been used. Furthermore, in recent years, a bipolar photoelectric conversion device (Base stored type) having a self-amplification function disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 210210/1990 and having a small output reduction due to a division capacity ratio is disclosed.
Image Sensor; hereinafter referred to as a bipolar sensor. ) Came to be used.

【0003】以下、バイポーラ型センサの概略図を図1
0に示す。また、該バイポーラ型センサの読み出し回路
を図11に示す。ここで、簡単に動作原理を説明する。
ベース領域107からコレクタの低濃度領域104に空
乏層が広った状態をつくる。この空乏領域に光が当たる
と電子・正孔対が発生し、電子はコレクタ電極へ、正孔
はベース領域107に移動する。ここでベース領域10
7が浮遊状態にあれば、ベース電位は正側にシフトし、
コレクタ102,106−エミッタ108間にコレクタ
電流が流れる。これがベース電位の変化に対応した信号
電流となるわけである。光によって発生した、信号電荷
をそのまま出力しているわけではなく、1度バイポーラ
トランジスタ構成部で増幅して出力しているので、極端
な出力低下がなく、ノイズに対しても強い。
A schematic diagram of a bipolar sensor is shown in FIG.
0 is shown. A reading circuit of the bipolar sensor is shown in FIG. Here, the operation principle will be briefly described.
A depletion layer spreads from the base region 107 to the low concentration region 104 of the collector. When light is applied to this depletion region, electron-hole pairs are generated, and electrons move to the collector electrode and holes move to the base region 107. Here, the base region 10
If 7 is floating, the base potential will shift to the positive side,
A collector current flows between the collectors 102, 106 and the emitter 108. This becomes the signal current corresponding to the change in the base potential. Since the signal charge generated by light is not output as it is but is amplified and output by the bipolar transistor constituent portion once, there is no extreme decrease in output and it is resistant to noise.

【0004】そして、図11に示すように、バイポーラ
型センサSからの出力はMOSトランジスタTr2を介
してコンデンサCTに蓄積され、更にMOSトランジス
タTr7を介して出力される。MOSトランジスタTr
1,Tr3,Tr6はそれぞれバイポーラ型センサのベー
ス,エミッタ,出力ラインをリセットするためのもので
ある。
Then, as shown in FIG. 11, the output from the bipolar sensor S is stored in the capacitor C T via the MOS transistor Tr2 and further output via the MOS transistor Tr7. MOS transistor Tr
1, Tr3 and Tr6 are for resetting the base, emitter and output line of the bipolar type sensor, respectively.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記バ
イポーラ型センサにおいても、以下に示すように改善が
望まれる点があった。
However, even in the above bipolar type sensor, there have been some points to be improved as described below.

【0006】1つは、バイポーラ型センサのコレクタ電
位が共通で、最大コレクタ電流が小さな値であるにもか
かわらず、図10に示すように、n型の埋込み層102
や、深いn型拡散層106を必要とすることで、この結
果、高価な製造工程であるエピタキシャル層104の成
長工程も必要となっている。これは、光によって発生し
たホールを極力ベース領域107に集めるため、コレク
タの底102及び側面106にポテンシャル障壁を作っ
ておく必要があり、そのためエピタキシャル層104に
対して高濃度の拡散層102,106で容器状の障壁を
構成し、ホールの閉じ込めを図っているのである。この
結果、埋込み層102、エピタキシャル層104は、素
子構成上、必須ということになり、この2工程にp型の
埋込み層の工程を加え、MOS型光電変換装置と比較し
て、30%以上製造コストを上昇させている。
First, as shown in FIG. 10, although the collector potential of the bipolar type sensor is common and the maximum collector current is a small value, as shown in FIG.
In addition, since the deep n-type diffusion layer 106 is required, as a result, a step of growing the epitaxial layer 104, which is an expensive manufacturing step, is also required. This is because holes generated by light are collected in the base region 107 as much as possible, and therefore it is necessary to form a potential barrier on the bottom 102 and the side surface 106 of the collector, and therefore, the diffusion layers 102 and 106 having a high concentration with respect to the epitaxial layer 104. It forms a container-shaped barrier to confine holes. As a result, the buried layer 102 and the epitaxial layer 104 are indispensable in terms of device structure, and a step of p-type buried layer is added to these two steps to manufacture 30% or more as compared with the MOS photoelectric conversion device. Costs are rising.

【0007】2つめとしては、ベース=コレクタ容量を
低下させるため、エピタキシャル層104を通常、バイ
ポーラトランジスタと比較して1桁以上低濃度にしなけ
ればならないことで、このことがエピタキシャル層10
4の表面部分に、不必要に空乏層を広げさせ表面発生電
流を誘起する場合があることである。上記表面発生電流
を抑えるためには、エピタキシャル層104の表面近傍
に、中濃度の浅い拡散層を形成し、表面発生電流を抑え
ることもできるが、拡散層形成工程の追加によって、更
なるコストアップを招くこととなる。
Second, in order to reduce the base-collector capacitance, it is usually necessary to make the concentration of the epitaxial layer 104 lower than that of the bipolar transistor by one digit or more.
That is, the depletion layer may be unnecessarily spread on the surface portion of No. 4 to induce the surface generated current. In order to suppress the surface generated current, it is possible to suppress the surface generated current by forming a medium-concentration shallow diffusion layer in the vicinity of the surface of the epitaxial layer 104. However, the addition of the diffusion layer forming step further increases the cost. Will be invited.

【0008】本発明の第1の目的は、埋め込み層や深い
拡散層に依存せず、基板内にポテンシャル勾配を作り、
埋め込み層及びエピタキシャル層の製作工程を必要とせ
ずバイポーラ型の光電変換装置アレイを構成することを
可能とするものである。
A first object of the present invention is to create a potential gradient in a substrate without depending on a buried layer or a deep diffusion layer,
This makes it possible to construct a bipolar photoelectric conversion device array without the need for manufacturing steps of the buried layer and the epitaxial layer.

【0009】また、本発明の第2の目的は、コレクタの
表面電位を制御電極でコントロールすることによって、
信号電荷の蓄積期間以外は空乏層が伸びないように制御
し、拡散層形成等の付加的な工程を不要するものであ
る。
A second object of the present invention is to control the surface potential of the collector with a control electrode.
The depletion layer is controlled so as not to expand except during the signal charge accumulation period, and an additional step such as formation of a diffusion layer is unnecessary.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の光電変換装置
は、第一導電型の半導体基体に、光エネルギーを受ける
ことにより生成されるキャリアが集められる第二導電型
の第1の半導体領域と、該キャリアに対応する信号を出
力する、該第1の半導体領域に接する第一導電型の第2
の半導体領域とを設けるとともに、該第1の半導体領域
に隣接して、半導体基体上に絶縁層を介して電位制御可
能な制御電極を設けてなるものである。
In the photoelectric conversion device of the present invention, a first conductivity type semiconductor substrate and a second conductivity type first semiconductor region in which carriers generated by receiving light energy are collected. A second conductivity type second contacting the first semiconductor region, which outputs a signal corresponding to the carrier.
And a control electrode capable of controlling the potential via an insulating layer is provided on the semiconductor substrate adjacent to the first semiconductor region.

【0011】本発明のフォトセンサアレイは、上記光電
変換装置を複数個配置したものである。
The photosensor array of the present invention comprises a plurality of the photoelectric conversion devices described above.

【0012】本発明の半導体装置は、少なくとも、上記
フォトセンサアレイ及び読み出し回路を同一半導体基体
内に構成したものである。
In the semiconductor device of the present invention, at least the photosensor array and the readout circuit are formed in the same semiconductor substrate.

【0013】本発明のファクシミリ装置は、上記半導体
装置をリーダーに用いたものである。
A facsimile apparatus of the present invention uses the above semiconductor device as a reader.

【0014】また、本発明の半導体装置は上記記載の半
導体装置において、読み出し回路をn型MOSトランジ
スタ及びp型MOSトランジスタで構成したものであ
る。
The semiconductor device of the present invention is the semiconductor device described above, wherein the read circuit is composed of an n-type MOS transistor and a p-type MOS transistor.

【0015】[0015]

【作用】本発明は、バイポーラ型センサのベースに隣接
する位置に、MIS(Metal−Insulator
−Semiconductor)構造の制御電極を設け
ることによってポテンシャル井戸を形成し、埋込み層や
拡散層を用いることなく、光によって発生したキャリア
に対する障壁を形成し、その結果、フォトセンサ全体
で、埋め込み層、エピタキシャル層及び深いコレクタ拡
散層を不要とするものであるまた、上記バイポーラ型セ
ンサに対し、同一基板上にMOSトランジスタ素子のみ
で構造され、MIS容量を用いない読み出し回路を用い
ることによって、集積回路全体でも埋め込み層、エピタ
キシャル層、及びコレクタと同一導電型の深い拡散層を
省略することを可能とするものである。
The present invention provides a MIS (Metal-Insulator) at a position adjacent to the base of a bipolar type sensor.
A potential well is formed by providing a control electrode having a (Semiconductor) structure, and a barrier against carriers generated by light is formed without using a buried layer or a diffusion layer. As a result, the buried layer and the epitaxial layer are formed in the entire photosensor. Layer and a deep collector diffusion layer are not necessary. Further, in the above-mentioned bipolar type sensor, by using a read circuit which is composed of only MOS transistor elements on the same substrate and does not use MIS capacitance, the whole integrated circuit can be obtained. The buried layer, the epitaxial layer, and the deep diffusion layer having the same conductivity type as the collector can be omitted.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0017】図1は本発明の光電変換装置の一実施例の
構成を示す縦断面図である。同図において、101はシ
リコン等のn型基体、107はベース領域の主要部分に
当たるp型拡散層、108はエミッタ領域に当たるn型
拡散層、109はベース領域の一部及び、ベース領域に
蓄積された信号電荷をリセットするためのp型MOSト
ランジスタのドレインとソース領域を形成する、浅い拡
散層、110は上記p型MOSトランジスタのゲート電
極、111はポテンシャル井戸を基体101に形成する
ための制御電極、112は、制御電極111によって形
成されたポテンシャル井戸(空乏領域)である。
FIG. 1 is a vertical sectional view showing the structure of an embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. In the figure, 101 is an n-type substrate such as silicon, 107 is a p-type diffusion layer corresponding to the main part of the base region, 108 is an n-type diffusion layer corresponding to the emitter region, 109 is a part of the base region and is accumulated in the base region. And a shallow diffusion layer for forming the drain and source regions of the p-type MOS transistor for resetting the signal charge, 110 is a gate electrode of the p-type MOS transistor, and 111 is a control electrode for forming a potential well in the substrate 101. , 112 are potential wells (depletion regions) formed by the control electrode 111.

【0018】以下、基体101にn型シリコン基板を使
用した場合の動作原理について、図2,3を用い詳細に
説明する。図2に制御電極111とベース領域107,
109部分の拡大図面を示す。
The principle of operation when an n-type silicon substrate is used as the base 101 will be described in detail below with reference to FIGS. In FIG. 2, the control electrode 111 and the base region 107,
The enlarged drawing of 109 parts is shown.

【0019】ここで、n型半導体基体101に正の電
位、例えば一例として5Vの電位を与え、ポテンシャル
コントロールゲート電極111に0Vの電位を与えた状
態を考える。この場合、図2の中の点線で示した領域に
空乏層が広がり、半導体基体101の縦線のY方向に沿
って、伝導帯Ecと価電子帯Evとは図3(a)のよう
なバンドの曲がりが生ずる。そうして、この空乏層領域
に光hνが入射されると、図3(a)のように電子−正
孔対が発生し、正孔は半導体基体101の表面側、即ち
ポテンシャルコントロール電極111側に集められ、電
子は基体101の下部、即ち図2では下側へ逃げてい
く。この時、リセットMOSトランジスタ121のゲー
ト電極110が5Vでオフ状態にあり、ベース領域10
7,109がフローティング状態にあったとする。ベー
ス領域107,109の初期電位が0V近傍であったと
すると、コントロール電極111の直下の界面ポテンシ
ャルχ s より低いポテンシャルになり、コントロール電
極111直下にある正孔は、バイポーラのベース領域1
07,109に流れ込む。ここで、ベース領域107,
109はフローティング状態にあるので、流れ込んだ正
孔の電荷によって、フェルミ準位EFと共に図3(b)
の矢印Lのように電位が上昇する。定量的に考えれば、
ベース領域107,109の電位変化量をΔVb とし、
流れ込んだ正孔の電荷量をQP とすると
Here, a positive electrode is applied to the n-type semiconductor substrate 101.
Potential, for example, by applying a potential of 5 V as an example,
The state where 0V potential is applied to the control gate electrode 111.
Think about the situation. In this case, the area shown by the dotted line in FIG.
The depletion layer spreads and extends along the Y direction of the vertical line of the semiconductor substrate 101.
Therefore, the conduction band Ec and the valence band Ev are as shown in FIG.
There is a bend in the band. Then, this depletion layer region
When the light hν is incident on the electron, as shown in FIG.
Hole pairs are generated, and the holes are on the surface side of the semiconductor substrate 101, that is,
Collected on the potential control electrode 111 side,
The child escapes to the lower part of the base 101, that is, the lower side in FIG.
Good. At this time, the gate of the reset MOS transistor 121 is
And the base electrode 10 is in the off state at 5V.
It is assumed that 7,109 are in a floating state. Base
That the initial potentials of the regions 107 and 109 are near 0V
Then, the interface potential immediately below the control electrode 111.
X sLower potential and control
The holes directly under the pole 111 are the bipolar base region 1
It flows into 07,109. Here, the base region 107,
Since 109 is in a floating state,
Due to the electric charge of the holes, the Fermi level EF and Fig. 3 (b)
The potential rises as indicated by arrow L. If you think quantitatively,
The potential change amount of the base regions 107 and 109 is ΔVbage,
Q is the amount of charge of the holes that flowed inPAnd

【0020】[0020]

【数1】 ΔVb =QP /(Cbe+Cbc) ・・・式(1) (ここで、Cbe:ベース・エミッタ容量、Cbc:ベース
・コレクタ容量)である。
## EQU1 ## ΔV b = Q P / (C be + C bc ) Equation (1) (where C be is the base-emitter capacitance and C bc is the base-collector capacitance).

【0021】このように、一定量の正孔がベース領域1
07,109に蓄積されると、図4(b)に示すよう
な、コントロール電極111下部の界面電位ポテンシャ
ルχsとベース107,109の電位が同電位になる。
この時点までは、コントロール電極111直下の空乏層
幅Wは、図3、図4に示すように変化せず、光量hνに
従って効率的に正孔を集め続ける。
As described above, a certain amount of holes are generated in the base region 1.
When accumulated in 07 and 109, the interface potential χ s under the control electrode 111 and the bases 107 and 109 have the same potential as shown in FIG. 4B.
Up to this point, the depletion layer width W just below the control electrode 111 does not change as shown in FIGS. 3 and 4, and holes are continuously collected efficiently according to the light quantity hν.

【0022】この状態で更に光hνで発生した正孔を集
め続けると、コントロール電極111直下の界面電位ポ
テンシャルχs とベース107,109電位は同電位を
保ちながら、図4(b)の矢印L,Mに示すように上昇
し、正孔はコントロール電極111直下とベース領域1
07,109の双方に蓄積されていく。この時のコント
ロール電極111直下の空乏層は、界面が強反転状態を
保持している範囲内で、空乏層幅は、W→W′に縮んで
いく。この時のベース領域の電位変化は
When the holes generated by the light hν are further collected in this state, the interface potential χ s directly under the control electrode 111 and the bases 107 and 109 are kept at the same potential, and the arrow L in FIG. 4B is used. , M, and the holes are immediately below the control electrode 111 and in the base region 1.
It is accumulated in both 07 and 109. At this time, in the depletion layer immediately below the control electrode 111, the width of the depletion layer shrinks from W to W ′ within the range in which the interface maintains the strong inversion state. The potential change in the base region at this time is

【0023】[0023]

【数2】 ΔVb =QP /(Cbe+Cbc+C3D) ・・・式(2) (ここで、C3Dはコントロール電極111直下の空乏層
容量である。)となり、緩やかに電位上昇していく。
## EQU2 ## ΔV b = Q P / (C be + C bc + C 3D ) Equation (2) (where C 3D is the depletion layer capacitance directly under the control electrode 111) and the potential rises slowly. I will do it.

【0024】このようにして、一定の蓄積時間経過後、
ポテンシャル関係は図5に示す状態になっている。この
状態からコントロール電極111の電位を0Vから基体
101と同電位の+5Vまで変化させる。コントロール
電極111と半導体基体101の仕事関数差を無視する
とコントロール電極111の界面電位ポテンシャルχ s
も5Vとなり、図5(b)の矢印Mで示すポテンシャル
上昇が一気に起こる。この結果ポテンシャルの分布は図
6の状態に変わり、コントロール電極109直下にあっ
た正孔はベース領域107,109に流れ込む。
In this way, after a certain accumulation time,
The potential relationship is as shown in FIG. this
From the state, the electric potential of the control electrode 111 is changed from 0V to the base.
The voltage is changed to + 5V which is the same potential as 101. Control
Ignoring the work function difference between the electrode 111 and the semiconductor substrate 101
And the interfacial potential χ of the control electrode 111 s
Also becomes 5 V, and the potential indicated by the arrow M in FIG.
The rise happens all at once. As a result, the distribution of potential is
It changes to the state of 6 and is directly under the control electrode 109.
The positive holes flow into the base regions 107 and 109.

【0025】ここで、コントロール電極111直下に蓄
積されていた正孔の中で、どの程度の割合の正孔が、ベ
ース領域107,109に流れ込むかが問題であるが、
図1に示すように、コントロール電極111に電位を与
える金属配線114をベース領域107,109からな
るべく遠い位置にコンタクト配置すれば、過渡的に水平
方向に界面電位ポテンシャルχs の電位勾配が生じ、多
結晶シリコンと単結晶シリコンの移動度の差から、コン
トロール電極111側のチャージ移動より単結晶界面の
正孔移動の方が速やかに行なわれ、ほぼ全量の正孔が、
ベース領域107,109に流れ込む。
Here, of the holes accumulated directly under the control electrode 111, there is a problem as to what proportion of the holes flow into the base regions 107 and 109.
As shown in FIG. 1, when the metal wiring 114 for applying a potential to the control electrode 111 is arranged in a position as far as possible from the base regions 107 and 109, a potential gradient of the interface potential potential χ s is transiently generated in the horizontal direction, Due to the difference in mobility between polycrystalline silicon and single crystal silicon, hole transfer at the single crystal interface is carried out more quickly than charge transfer on the control electrode 111 side, and almost all holes are transferred.
It flows into the base regions 107 and 109.

【0026】その結果、発生した正孔の電位総量QP
対してベース領域107,109の電位変化は
[0026] As a result, the potential change of the base region 107 and 109 with respect to the potential total amount Q P of generated holes

【0027】[0027]

【数3】 ΔVb =QP /(Cbe+Cbc) ・・・式(3) となり、式(1)と同じ関係が保たれる。[Number 3] ΔV b = Q P / (C be + C bc) ··· (3), and the same relationship is maintained with the formula (1).

【0028】このことは、光による発生電荷QP の大小
にかかわらず、バイポーラトランジスタのベース10
7,109の電位が、Cbe及びCbc容量のみで決まるこ
とを意味する。よって、
[0028] This means that, regardless of the magnitude of the generated charge Q P due to the light, the base 10 of the bipolar transistor
This means that the potential of 7,109 is determined only by the C be and C bc capacitances. Therefore,

【0029】[0029]

【数4】 Vb ∝QP ∝IL ・ts ・・・式(4) (ここで、Vb :ベース電位、IL :光強度、ts :蓄
積時間である。)という関係が成り立つ。
[Formula 4] V b ∝Q P ∝I L · t s Equation (4) (where V b is the base potential, I L is the light intensity, and t s is the storage time). It holds.

【0030】このようにして、最後にリセットMOSト
ランジスタ121のゲート電極110に0Vを印加し
て、リセットMOSトランジスタ121をON状態にす
ると、ベース領域107,109は、0V近傍に電位が
もどる(図7)。
Thus, when 0V is finally applied to the gate electrode 110 of the reset MOS transistor 121 to turn on the reset MOS transistor 121, the potentials of the base regions 107 and 109 return to around 0V (FIG. 7).

【0031】この後、コントロール電極111の電位を
0Vにもどし、リセットMOSトランジスタ121のゲ
ート電極110に電圧5Vを与えて、再びリセットMO
Sトランジスタ121をオフ状態にもどせば、初期状態
の図3が再現されることになる。
After that, the potential of the control electrode 111 is returned to 0 V, a voltage of 5 V is applied to the gate electrode 110 of the reset MOS transistor 121, and the reset MO transistor is reset again.
When the S transistor 121 is returned to the off state, the initial state of FIG. 3 is reproduced.

【0032】図8に本発明の光電変換装置の読み出し回
路の一例を示す。同図のように読み出し回路は、MIS
容量等の受動素子を持たず、MOSトランジスタのみで
構成されている。読み出し回路、動作方法を図9のタイ
ミングチャートを用いて説明する。なお、前述の制御電
極111の端子はTC として図9に記載した。
FIG. 8 shows an example of the readout circuit of the photoelectric conversion device of the present invention. As shown in the figure, the read circuit is MIS
It has no passive elements such as capacitors and is composed of only MOS transistors. The read circuit and the operation method will be described with reference to the timing chart of FIG. The terminal of the control electrode 111 described above is shown as T C in FIG.

【0033】まず、信号電荷の蓄積期間中、制御電極端
子TC には、前述のようにLoレベルで、ポテンシャル
井戸を形成する。このとき、ベースリセット用PMOS
トランジスタTr1のゲートT1 はHiレベルでオフ状
態にある。転送用NMOSトランジスタTr2のゲート
はHiレベルでON状態にあり、バイポーラ型センサの
エミッタ電流は、ベース電位の変動に応じて流れ、読み
出しトランジスタTr4のゲート電極に蓄積されてい
く。
First, during the accumulation period of the signal charge, the potential well is formed at the Lo level at the control electrode terminal T C as described above. At this time, the base reset PMOS
Gate T 1 of the transistor Tr1 is in the off state at the Hi level. The gate of the transfer NMOS transistor Tr2 is in the ON state at the Hi level, and the emitter current of the bipolar sensor flows according to the fluctuation of the base potential and is accumulated in the gate electrode of the read transistor Tr4.

【0034】[0034]

【数5】 (ここで、VE :バイポーラ型センサのエミッタ電位、
4G:読み出し,MOSトランジスタTr4のゲート電
位) 信号電荷の蓄積後、転送用MOSトランジスタTr2の
ゲートをLoレベルに下げ、オフ状態にする。次に読み
出しタイミングを与えるNMOSトランジスタTr5の
ゲートをHiレベルにして、読み出しトランジスタTr
4をオン状態にする。このとき、読み出しトランジスタ
Tr4のソース電位は、ゲート電位に応じ変化し、ソー
ス電位が出力電位となる。読み出し終了後、NMOSト
ランジスタTr5のゲートをLoレベルに下げ読み出し
トランジスタTr4をオフ状態にする。
(Equation 5) (Where V E is the emitter potential of the bipolar sensor,
V 4G : Read, gate potential of MOS transistor Tr 4 ) After the signal charges are accumulated, the gate of the transfer MOS transistor Tr 2 is lowered to Lo level and turned off. Next, the gate of the NMOS transistor Tr5 that gives the read timing is set to the Hi level,
Turn 4 on. At this time, the source potential of the read transistor Tr4 changes according to the gate potential, and the source potential becomes the output potential. After the reading is completed, the gate of the NMOS transistor Tr5 is lowered to Lo level and the reading transistor Tr4 is turned off.

【0035】次に読み出しMOSトランジスタTr4の
ゲートに蓄積された電荷をリセットするため、ゲートリ
セット用MOSトランジスタTr6のゲートをHiレベ
ルにし、ON状態にする。この動作により、読み出し用
MOSトランジスタTr4は初期化される。最後にバイ
ポーラ型センサを初期化するため、順次完全リセット用
MOSトランジスタTr1と過渡リセット用MOSトラ
ンジスタTr3をON状態にし信号蓄積前の状態に、ベ
ース電位とエミッタ電位をもどす。
Next, in order to reset the charges accumulated in the gate of the read MOS transistor Tr4, the gate of the gate resetting MOS transistor Tr6 is set to the Hi level and turned on. By this operation, the read MOS transistor Tr4 is initialized. Finally, in order to initialize the bipolar sensor, the complete reset MOS transistor Tr1 and the transient reset MOS transistor Tr3 are sequentially turned on to restore the base potential and the emitter potential to the state before signal accumulation.

【0036】以上の動作を繰返し行えばラインフォトセ
ンサとして構成可能で、読み出しMOSトランジスタT
r4のソースを結線すれば、それが共通読み出しライン
になる。
By repeating the above operation, a line photo sensor can be constructed, and the read MOS transistor T
If the source of r4 is connected, it becomes a common read line.

【0037】最後に本発明の一実施例の製作工程につい
て簡単に記述する。基本的には、公知の技術であるCM
OS製作工程にベース拡散層の形成工程を付加したもの
と考えればよい。
Finally, the manufacturing process of one embodiment of the present invention will be briefly described. Basically, it is a well-known technology CM
It can be considered that the step of forming the base diffusion layer is added to the OS manufacturing step.

【0038】まず、20〜30Ω・cm程度のn型シリコ
ン基板を用意する。最初にPウエル形成を行う。イオン
=インプラ法にて、ホウ素を1×1013ions/cm2
打ち込みドライブは1150℃180分行う。次にチャ
ネル・ストップ用の不純物を打ち込む。n型チャネルス
トップに対してはリンを2×1013ions/cm2,p
型チャネルストップに対しては、ホウ素を4×1013
ons/cm2 の条件である。この後、選択酸化法を用
い、フィールド酸化膜を形成する。フィールド酸化膜の
膜厚は8000Åである。次にベース拡散層を形成す
る。ホウ素を6×1012ions/cm2 打ち込み110
0℃60分のドライブを行う。
First, an n-type silicon substrate of about 20 to 30 Ω · cm is prepared. First, a P well is formed. Ion = 1 × 10 13 ions / cm 2 of boron by the ion implantation method
The driving for driving is performed at 1150 ° C. for 180 minutes. Next, impurities for channel stop are implanted. Phosphorus 2 × 10 13 ions / cm 2 , p for n-type channel stop
For the mold channel stop, boron is added at 4 × 10 13 i
The condition is ons / cm 2 . After that, a field oxide film is formed by using a selective oxidation method. The film thickness of the field oxide film is 8000Å. Next, a base diffusion layer is formed. Boron 6 × 10 12 ions / cm 2 implantation 110
Drive at 0 ° C for 60 minutes.

【0039】次に350Åのゲート酸化を行い、チャネ
ルドープとして、ホウ素を1.8×1011ions/cm
2 打ち込んだ後、多結晶シリコンを4000Å堆積させ
る。多結晶シリコンを所定の形状に加工した後、MOS
トランジスタのソース=ドレイン部等に高濃度の拡散層
を形成する。n型高濃度層には、砒素を7×1015io
ns/cm2 打ち込み、p型高濃度層には、BF2 を1×
1015ions/cm2打ち込んでいる。ドライブはn型
p型共用で1000℃5分で行っている。なお、バイポ
ーラトランジスタのエミッタ及びコレクタコンタクト用
拡散層は、NMOSソース=ドレイン拡散層と同一工程
で形成している。以下、アルミニウム等の配線層形成
は、公知の半導体製作技術と全く同一である。
Next, gate oxidation is performed at 350 Å, and boron is used as a channel dope at 1.8 × 10 11 ions / cm 2.
After 2 implantations, 4000 Å of polycrystalline silicon is deposited. After processing polycrystalline silicon into a predetermined shape, MOS
A high-concentration diffusion layer is formed in the source / drain portion of the transistor. Arsenic is added to the n-type high concentration layer at 7 × 10 15 io.
ns / cm 2 implantation, 1 × BF 2 for p-type high concentration layer
10 15 ions / cm 2 has been applied. The drive is commonly used for n-type and p-type, and is performed at 1000 ° C for 5 minutes. The emitter and collector contact diffusion layers of the bipolar transistor are formed in the same process as the NMOS source = drain diffusion layer. Hereinafter, the wiring layer formation of aluminum or the like is exactly the same as the known semiconductor manufacturing technique.

【0040】以上、記述したセンサICを使用したファ
クシミリについて、次に説明する。ファクシミリの場
合、読取り幅はA4版の用紙で最低21cm、A3版の
用紙では最低30cmの読取り幅を必要とする。この長
さは現在、単結晶シリコンのICを1チップで作製でき
る大きさではない。そのため、複数のセンサアレイチッ
プをつなげて、ファクシミリのリーダーを構成すること
になる。一例として、幅2cmのチップを15個つな
ぎ、A3版用紙まで読み取りのできるファクシミリリー
ダーの断面構成図と、平面概念図を図12と図13に示
す。解像度は200DPI(ドット・パー・インチ)を
想定し、光源にはLED(発光ダイオード)を使用して
いる。
A facsimile using the sensor IC described above will be described below. In the case of a facsimile, the reading width is required to be at least 21 cm for A4 size paper and at least 30 cm for A3 size paper. This length is currently not large enough to produce a single crystal silicon IC on a single chip. Therefore, a plurality of sensor array chips are connected to form a facsimile reader. As an example, FIGS. 12 and 13 show a cross-sectional configuration diagram and a plan conceptual diagram of a facsimile reader capable of reading up to A3 size paper by connecting 15 chips each having a width of 2 cm. The resolution is assumed to be 200 DPI (dots per inch), and an LED (light emitting diode) is used as a light source.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
バイポーラ型センサに隣接して、MIS構造の電荷集収
機構を配置することによって、従来、埋め込み層や拡散
層で固定的に形成していた障壁を電圧を印加することで
形成できるようになった。この結果、フォトセンサ構成
上、埋め込み層や深い拡散層及びエピタキシャル層が必
須のものではなくなり、製作コストが、従来例のものと
比較し、70%程度で済むようになった。
As described above, according to the present invention,
By arranging the charge collecting mechanism of the MIS structure adjacent to the bipolar type sensor, it has become possible to form the barrier which was conventionally fixedly formed by the buried layer or the diffusion layer by applying a voltage. As a result, the buried layer, the deep diffusion layer, and the epitaxial layer are not essential in the photosensor structure, and the manufacturing cost is reduced to about 70% as compared with the conventional example.

【0042】また上記の製作コスト低減の効果は、フォ
トセンサ単体に限らず、バイポーラ型センサを使用した
フォトセンサアレイ、更には同一基体内にCMOS論理
回路を組み込んだ、集積回路に対しても効果がある。
The effect of reducing the manufacturing cost is not limited to the photosensor alone, but is also effective for a photosensor array using a bipolar sensor, and also for an integrated circuit in which a CMOS logic circuit is incorporated in the same substrate. There is.

【0043】更に、本発明を用いた集積回路をファクシ
ミリのリーダーに用いた場合、ファクシミリ全体のコス
トダウンにも寄与する。
Furthermore, when the integrated circuit according to the present invention is used in a facsimile reader, it contributes to cost reduction of the entire facsimile.

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

【図1】本発明の光電変換装置の一実施例の構成を示す
縦断面図である。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of a photoelectric conversion device of the present invention.

【図2】制御電極及びベース領域の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a control electrode and a base region.

【図3】制御電極下及びベース領域のエネルギーバンド
図である。
FIG. 3 is an energy band diagram under a control electrode and a base region.

【図4】制御電極下及びベース領域のエネルギーバンド
図である。
FIG. 4 is an energy band diagram under a control electrode and a base region.

【図5】制御電極下及びベース領域のエネルギーバンド
図である。
FIG. 5 is an energy band diagram under a control electrode and in a base region.

【図6】制御電極下及びベース領域のエネルギーバンド
図である。
FIG. 6 is an energy band diagram under a control electrode and a base region.

【図7】制御電極下及びベース領域のエネルギーバンド
図である。
FIG. 7 is an energy band diagram under a control electrode and in a base region.

【図8】本発明によるフォトセンサに適する読み出し回
路の一例である。
FIG. 8 is an example of a readout circuit suitable for a photo sensor according to the present invention.

【図9】図8の回路に対するタイミングチャート図であ
る。
9 is a timing chart diagram for the circuit of FIG.

【図10】従来例のセンサ断面構造図である。FIG. 10 is a sectional view of a sensor of a conventional example.

【図11】従来例のフォトセンサ読み出し回路である。FIG. 11 is a photosensor readout circuit of a conventional example.

【図12】本発明を用いたファクシミリリーダー部の断
面構成図である。
FIG. 12 is a cross-sectional configuration diagram of a facsimile reader unit using the present invention.

【図13】本発明を用いたファクシミリリーダー部の平
面構成図である。
FIG. 13 is a plan configuration diagram of a facsimile reader unit using the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 シリコン等半導体基体 102 埋め込み層 104 エピタキシャル層 105 フィールド酸化膜 106 コレクタプラグ用深い拡散層 107 ベース領域主要部分 108 エミッタ領域 109 ベース領域の一部に相当する浅いp型高濃度拡
散層 110 リセット用MOSトランジスタのゲート電極 111 制御電極 112 空乏層(ポテンシャル井戸) 114 制御電極用アルミニウム配線 121 完全リセット用p型MOSトランジスタ
Reference Signs List 101 semiconductor substrate such as silicon 102 buried layer 104 epitaxial layer 105 field oxide film 106 deep diffusion layer for collector plug 107 base region main part 108 emitter region 109 shallow p-type high concentration diffusion layer corresponding to part of base region 110 reset MOS Transistor gate electrode 111 Control electrode 112 Depletion layer (potential well) 114 Control electrode aluminum wiring 121 Complete reset p-type MOS transistor

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第一導電型の半導体基体に、光エネルギ
ーを受けることにより生成されるキャリアが集められる
第二導電型の第1の半導体領域と、該キャリアに対応す
る信号を出力する、該第1の半導体領域に接する第一導
電型の第2の半導体領域とを設けるとともに、該第1の
半導体領域に隣接して、半導体基体上に絶縁層を介して
電位制御可能な制御電極を設けてなる光電変換装置。
1. A first-conductivity-type semiconductor substrate, in which carriers generated by receiving light energy are collected, and a signal corresponding to the carrier is output to the first-conductivity-type semiconductor substrate. A second semiconductor region of the first conductivity type that is in contact with the first semiconductor region, and a control electrode capable of controlling the potential via an insulating layer on the semiconductor substrate, adjacent to the first semiconductor region. Photoelectric conversion device.
【請求項2】 請求項1に記載の光電変換装置を複数個
配置したフォトセンサアレイ。
2. A photosensor array in which a plurality of photoelectric conversion devices according to claim 1 are arranged.
【請求項3】 少なくとも、請求項2に記載のフォトセ
ンサアレイ及び読み出し回路を同一半導体基体内に構成
した半導体装置。
3. A semiconductor device in which at least the photosensor array and the readout circuit according to claim 2 are formed in the same semiconductor substrate.
【請求項4】 請求項3に記載の半導体装置をリーダー
に用いたファクシミリ装置。
4. A facsimile device using the semiconductor device according to claim 3 as a reader.
【請求項5】 請求項3に記載の半導体装置において、
読み出し回路をn型MOSトランジスタ及びp型MOS
トランジスタで構成した半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 3,
The read circuit is an n-type MOS transistor and a p-type MOS
A semiconductor device composed of transistors.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111466027A (en) * 2017-12-08 2020-07-28 国立大学法人静冈大学 Photoelectric conversion element and solid-state image pickup device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111466027A (en) * 2017-12-08 2020-07-28 国立大学法人静冈大学 Photoelectric conversion element and solid-state image pickup device
CN111466027B (en) * 2017-12-08 2023-06-16 国立大学法人静冈大学 Photoelectric conversion element and solid-state image pickup device

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