JPS5928110B2 - 赤外線イメ−ジセンサ回路配置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は赤外線イメージセンサ回路配置に関するもので
ある。

５ 電荷キャリアを蓄積かつ転送し得る１導電型の領域
を有する半導体本体と、電荷キャリア源を形成する半導
体本体内の他の領域を囲む整流障壁に対し電荷蓄積部に
関連する位置の空乏領域をパンチスルーすることにより
、前記１導電型領域内の電荷蓄積部への電荷キヤリアの
人力に信号情報を変換する装置とを有する電荷結合装置
（ＣＣＤ）を具える電荷結合回路配置は特願昭５１−１
０６５７５号明細書に記載されている。

この回路配置では、ＣＣＤチヤンネルから分離されかつ
蓄積および転送すべき電荷キヤリアの供給源を形成する
半導体本体の１領域を囲む整流障壁まで入力電荷蓄積部
に関連する空乏領域をパンチスルーすることにより良好
な直線性かつ低信号入力雑音感度で電荷を電荷蓄積部に
導入することができる。またこの特願昭５１−１０６５
７５号明細書には表面チャンネルＣＣＤ装置およびバル
クチヤンネルＣＣＤ装置の双方に対する種々の回路配置
が記載されている。→１としては電荷キヤリア源の領域
を反対導電型の１領域とし、これを例えば反対導電型の
基板と、この基板上に設けた１導電型の層領域とで構成
している。またかかる表面チヤンネルＣＣＤ装置には１
導電型の領域層の一部分の障壁層により半導体層から分
離された各個所に複数個の入力ゲート電極を設けている
〇本発明の目的は上述したパンチスルー電荷導入効果を
用いて赤外線波長帯域内の電磁放射線パターンを電気信
号に変換する赤外線イメージセンサ回路配置を提供せん
とするにある。

赤外線パターンを感知および／または撮像するための電
荷結合装置としては種々の形態のものが提案されている
。

いわゆるハイブリツド形態のものでは感知卦よび信号処
理を、珪素ＣＣＤシフトレジスタに各別に接続された赤
外線検出素子のアレイによつて各別にしかも積分し得る
素子で行うようにしている。この場合ＣＣＤ装置は適当
な種種の機能を呈する信号処理装置となる。また、いわ
ゆるモノリシツク形態では感知および信号処理の機能は
半導体本体の部分で行う。赤外線感知および／または撮
像に用いるモノリシツクＣＣＤ装置ではその動作および
構造は珪素表面チヤンネルＣＣＤの動作および構造とほ
ぼ同一であり、光により発生した少数電荷キヤリアが捕
捉される半導体本体の表面に隣接する空乏領域の発生に
起因する。かかる装置は半導体層の材料の点で慣例の珪
素撮像ＣＣＤ装置とは相違する。この材料としては吸収
ピークが赤外線領域内にありかつ半導体材料のバンドギ
ヤツプが赤外線光子のエネルギーよりも小さい材料を選
択する必要がある。これがためかかる材料は、２価およ
び３価の−Ｖ，−および−型化合物のうちの幅狭のバン
ドギヤツプ半導体に制限されるようになる。かかる制限
はある程度不所望となる。その理由はこれらの材料およ
び処理技術が珪素の場合ほど開発されていないからであ
る。半導体バルクの場合と同様の多数電荷キヤリアを半
導体の表面で処理するＭＩＳ構体によつて得られたＣＣ
Ｄの動作の蓄積モードに依存する自己走査形赤外線撮像
装置／感知器を形成することはすでに提案されている。

この場合半導体の多数電荷キヤリアの密度が、慣例のＣ
ＣＤ装置で使用される電荷転送により処理するにほぼ充
分な多数電荷キヤリアの表面電荷密度を得るために充分
となるようにすることを装置の動作に対する必要条件と
する。かかる構体の主な欠点は動作中充分な表面電位を
得るために印加されたクロツク電圧を大きく変動させる
と共にパターン情報を表わす電荷キヤリアを多数の捕獲
中心が存在する区域を経て転送する必要があることであ
る。さらに情報を読取る周期を全フレーム時間に比べて
著しく短かくしないと読取り時間中電荷キヤリアがさら
に捕捉され影像にスメアが生じるようになる。本発明は
赤外線波長帯域内の電磁放射線パターンを電気信号に変
換する赤外線イメージセンサ回路配置に卦いて、該赤外
線イメージセンサ回路配置が半導体本体を具え、この半
導体本体が当該半導体本体の表面に隣接する珪素より成
る第１層状部分を有し、この第１層状部分が、当該第１
層状部分内で電磁放射線パターンの情報を表わす電荷キ
ヤリアを転送する電荷転送レジスタを有し、前記の第１
層状部分は深いエネルギーレベルを殆んど有さず、前記
の半導体本体が更に、前記の第１層状部分に隣接する第
２層状部分を有し、この第２層状部分が前記の電荷転送
レジスタの下に延在する少くともほぼ均質な副層を有し
、この副層が、前記の赤外線波長帯域内の電磁放射線が
照射された際に自由電荷キヤリアを生ぜしめうる光導電
層を構成し、前記の第２層状部分には前記の第１層状部
分側とは反対側の表面でオーム抵抗接点が設けられてお
り前記の赤外線イメージセンサ回路配置が；この回路配
置に接続され、第１層状部分内の電荷蓄積部と関連する
位置で第１層状部分内に局部的に空乏領域を生ぜしめ、
この空乏領域を第１層状部分の厚さ全体に亘つて延在さ
せて第２層状部分まで到達せしめ、これにより、前記の
第２層状部分にまたがつて電界を形成し且つ電磁放射線
により発生され単一の導電型の特性を有する電荷キヤリ
アを第２層状部分から、第１層状部分内で前記の電荷転
送レジスタと関連する前記の電荷蓄積部内に直接導入せ
しめうるようにする装置を有する回路装置を具えたこと
を特徴とする。

かかる回路配置によれば感光性第２層状部分から第１層
状部分の電荷転送レジスタに関連する電荷蓄積部にパタ
ーン情報を表わす電荷キヤリアのパケツトを直接導入す
ることにより赤外線波長帯域内の電磁放射線を単一半導
体構体で簡単に感知および／または撮像することができ
る。この場合電荷キヤリアは、その供給速度が入射放射
線の瞬時局部強度に直接関連し従つて空乏領域のパンチ
スルーの周期中積分されるようになる。かように電荷キ
ヤリアを直接導入することにより例えは赤外線を感知お
よび／または撮像するに好適な簡潔な装置を容易に形成
することができ従つて電荷キヤリア捕捉装置として有効
に作用する第２層状部分まで空乏領域を局部的にパンチ
スルーする装置を提供することができる。これがため前
述した従来の装置の不所望な制限を受けることなく達成
し得る特定の機能に対し前述した第１｝よび第２層状部
分の材料を選定することができる。かように電荷キヤリ
アをパンチスルーにより導入することによつて例えば高
積能かつ高解像度の感光部分訃よび通常の技術による電
荷転送レジスタより成る赤外線パターンの感知卦よび／
または撮像配置を単一半導体本体に形成することができ
る。後述するようにこの感光部分は外因性半導体材料ま
たは真性光導電半導体材料とすることができる。後者の
材料の場合には土述した利点は特に有効となる。その理
由は真性光導電体は赤外線の感知および／または撮像を
行う場合高精能｝よび高解像度を呈するからである。こ
こに言う電磁放射線により発生した自由電荷キヤリアの
電荷転送レジスタに関連する電荷蓄積部への導入とは、
ａ）電磁放射線により発生した複数個の電荷パケツトが
読取り装置に転送される転送ラインの一部分を形成する
電極によつて電荷蓄積部が画成される限りにおいては電
荷転送レジスタに直接関連する電荷蓄積部への電荷キヤ
リアの導入およびｂ）電磁放射線により発生した複数個
の電荷パケツトが読取り装置に転送され次いで電荷蓄積
部から各別に転送する転送ラインに近接して位置する電
極いわゆる電荷蓄積ゲート電極によつて電荷蓄積部を画
成する限りに卦いては電荷転送レジスタに間接的に関連
する電荷蓄積部への電荷キヤリアの導入の双方の場合を
意味するものとする。

電荷をパンチスルーモードで導入する場合には電荷キヤ
リアが第１層状部分の電荷蓄積部に導入される期間（積
分期間）を制御することができる利点を有する。

かかる特性は赤外線を感知および／または撮像する際の
高い光子束に特に関連する。またこの場合には電荷の収
集が積分期間中にのみ行なわれる為影像のスメアをも充
分防止することができる。本発明回路配置は、第２層状
部分を１導電型の外因性半導体材料とし、第１層状部分
の少くとも隣接部分を反対導電型とし、前記第２層状部
分の不純物濃度を、前記波長帯域内の電磁放射線パター
ンにより励起される際前記１導電型の特性を呈する捕獲
電荷キヤリアを発生し得る不純物レベルが動作温度で得
られる濃度としたことを特徴とする○かかる回路配置に
よれば、不純物濃度のレベルを多数電荷キャリアの捕捉
に充分なレベルとし従つて電磁放射線励起により多数電
荷キヤリアを発生し得るようにするために低温度への冷
却を必要とする多くの場合においても、電荷転送レジス
タを具えその動作が電磁放射線の吸収による電子一正孔
対の発生に起因する慣例のモノリシツク検出器と比較す
るに電磁放射線の感知および／または撮像に対し、回路
配置が感応する電磁放射線の光子エネルギーよりも狭い
エネルギーバンドギヤツプを有する半導体材料を最早や
用いる必要はない。

また第１層状部分の材料を適当に選定して回路配置が感
応する電磁放射線の特定の波長帯域により課せられる制
限を受けることなく所望の電荷転送作用を得ることがで
きる。これがため例えば電荷転送レジスタを設けた珪素
層状部分と感知および／または撮像を行う外因性珪素の
隣接感光層とを具える半導体本体を用いることができる
。本発明の好適な例においては第１層状部分を反対導電
型とし、かつ第１層状部分の厚さ全体にわたり延在する
空乏領域の第２層状部分に対し局部パンチスルーにより
第１層状部分の電荷蓄積部に導入された１導電型特性を
呈する電磁放射線励起自由電荷キヤリアの電荷移送を行
うように電荷転送レジスタを構成する。

この場合には第１層状部分を慣例の表面隣接チヤンネル
電荷結合装置をもつて構成し、反対導電型のエピタキシ
ヤル珪素層に電荷結合装置を形成した簡潔な構体を１導
電型の外因性珪素基板上に配設することができる。また
第１層状部分を、反対導電型の領域により第２層状部分
から分離した１導電型の領域をもつて構成し、１導電型
領域と反対導電型領域との間に整流接合を形成し、局部
パンチスルーにより１導電型領域の電荷蓄積部に導入さ
れかつ１導電型領域のバルクを経て発生した１導電型特
性を呈する電磁放射線励起自由電荷キヤリアを両導電型
領域間の整流接合に関連する空乏領域の第２層状部分に
電荷転送を行うように電荷転送レジスタを構成する。こ
の場合には第１層状部分を慣例のいわゆるバルクチヤン
ネル型電荷結合装置をもつて構成する。かかる電荷結合
装置を用いる利点は既知である。これがため例えば半導
体本体を１導電型の外因性珪素基板上に設けられた２重
エピタキシヤル珪素層構体をもつて構成し、上側のエピ
タキシヤル層に形成した１導電型の領域を少くとも動作
中周囲から分離する装置を設ける。第１層状部分｝よび
第２層状部分を珪素とする場合には電磁放射線励起によ
り発生し得る多数電荷キヤリアを捕捉するレベルを得る
第２層状部分の不純物濃度に対し種々の適用を行うと共
に第２層状部分の寸法に対しても種々の適用を行うこと
ができる。

高い応答性を得るためには第２層状部分の厚さ全体にわ
たる平方センチ当りの不純物中心を約１０１６とする必
要があり、この値は不純物中心の光学断面に左右される
。これがため半導体本体部分は肉厚の不純物少量添加層
状部分と肉薄の不純物多量添加層状部分との間の任意の
個所に選択することができる。しかし所望の動作を達成
するための所望の温度も関連する要因となる。その理由
は捕獲レベルを得るための不純物濃度がそれぞれｎ型ま
たはｐ型珪素の第２層状部分に卦ける慣例のドナーまた
はアクセブタであつてもかかる不純物濃度を使用する場
合これら不純物が結合し始める前に極めて低い温度に冷
却する必要があるからである。これがため左程一般的で
ない他の不純物を用いて動作温度を高くし、さらに不純
物濃度を最適の解像度が得られるような固溶解限度に近
い濃度とするのが好適である。例えば珪素を用いる場合
これらの不純物を使用するとその固溶解限度は通常用い
られる不純物の固溶解限度よりも低くなり従つて所望の
吸収度を得るために肉厚の層を用いる必要がある。これ
がため例えばｐ型珪素層の不純物として固溶解限度が約
２×１０１７不純物原子／ＣＴｉＬのタリウムを用いる
場合３〜５μの波長帯域内の赤外線に対する感度を良好
にするためには第２層状部分の厚さを数百μとする必要
がある。しかし比較的肉厚の層を用いる場合には解像度
が害われるようになる。また第２層状部分に対しｐ型珪
素を用いる場合所望の不純物濃度を得るために不純物と
してインジウムを用いる。第１層状部分および第２層状
部分の双方を珪素とする本発明の好適な例では第２層状
部分をｐ型珪素とし、その不純物濃度をインジウム｝よ
びタリウム元素の少くとも一方で形成しこれにより３〜
５μの波長帯域内の赤外線に対する感度を良好なものと
する。かかる配置では上記波長帯域内の赤外線を感知｝
よび／または撮像するために動作温度を６０知Ｋとする
必要がある。第１層状部分訃よひ第２層状部分の双方を
珪素とするかかる配置の他の例では第２層状部分をｐ型
珪素としその不純物濃度をガリウムで形成して８〜１４
μの波長帯域内の赤外線に対し良好な感度が得られるよ
うにする。

かかる配置では上記波長帯域内の赤外線を感知訃よび／
または撮像するために動作温度を３０知Ｋとする必要が
ある。本発明回路配置は電荷転送レジスタを設けた半導
体材料の第１層状部分と該第１層状部分に隣接し１導電
型の外因性半導体材料より成る第２層状部分とを有する
半導体本体を具え、該第２層状部分はその不純物濃度を
所定波長帯域内の電磁放射線により励起される際１導電
型の特性を呈する捕獲電荷キヤリアを発生し得る不純物
レベルが得られる濃度とし、前記電荷転送レジスタには
前記第１層状部分の前記第２層状部分とは反対側の表面
に隣接して電極群を設け該電極群により前記１導電型の
特性を呈する電荷キヤリアを前記第１層状部分の長手方
向に転送して前記第２層状部分から前記第１層状部分の
前記電荷転送レジスタに関連する電荷蓄積部に直接導入
し、少くとも前記第１層状部分の前記第２層状部分に隣
接する部分は反対導電型とすると共に第２層状部分と相
俟つて整流接合を形成し、電磁放射線励起により前記第
２層状部分に発生して１導電型特性を呈する自由電荷キ
ヤリアの前記第１層状部分の電荷蓄積部への導入を、前
記整流接合を経てのみおよび前記第１層状部分の反対導
電型部分に少くとも形成される空乏領域の局部的パンチ
スルーによつて行い得るようにしたことを特徴とする。
かかる回路配置は比較的簡単に形成することができる。

本発明回路配置の好適な例では第１層状部分を反対導電
型とし、電荷転送レジスタは第１層状部分の表面に隣接
して１導電型の特性を呈する電磁放射線励起自由電荷キ
ヤリアの電荷転送を行い得るように構成し、第１層状部
分の厚さおよび不純物添加濃度は形成される局部空乏領
域が降服を起すことなく第１層状部分の厚さ全体にわた
り延在し得るように選定する。

また他の例では第１層状部分を反対導電型の領域により
第２層状部分から分離された１導電型の領域をもつて構
成し、これら両導電型領域間に整流接合を形成し、電荷
転送レジスタは１導電型特性を呈する電磁放射線励起自
由電荷キヤリアを１導電型領域のバルクを経て電荷転送
されるように構成し、１導電型領域の厚さ訃よび不純物
添加濃度はこの領域が降服を起すことなく完全に局部的
に空乏状態となるように選定し、さらに反対導電型領域
の厚さおよび不純物添加濃度もこの領域が降服を起すこ
となく完全に局部的に空乏状態となるように選定する。

さらに本発明回路配置の他の例では第１層状部分卦よび
第２層状部分の双方を珪素としかつ第２層状部分の不純
物添加濃度も前例につき説明した所と同様に選定する。

また第１層状部分は第２層状部分を具える基板上にエピ
タキシヤル層として形成する。

さらに本発明回路配置の他の例ではエネルギーバンドギ
ヤツプが上記波長帯域内の電磁放射線の光子エネルギー
よりも小さく、かつ第１層状部分の半導体材料との間に
ヘテロ接合を形成する真性光導電半導体材料をもつて第
２層状部分を構成する。

ここに言う真性光導電半導体材料とは禁止バンドギヤツ
プを横切つて移動する上記波長帯域内の電磁放射線によ
り正孔／電子対が発生し得る半導体材料を意味するもの
とする。この場合には慣例の電荷転送形態と高解像度と
が単体で結合された特性を有する真性光導電体を用いる
ことができる利点がある。

また前述したパンチスルー電荷導入技術も適用すること
ができる。第２層状部分に対してパンチスルー技術を適
用する場合には第２層状部分に真性光導電体を使用する
際第１層状部分の電荷蓄積部に関連する空乏領域がヘテ
ロ接合における反対導電型領域間の障壁まで局部的に延
在する場合ど、空乏領域がヘテロ接合における同一導電
型領域間の障壁まで局部的に延在する場合との双方が広
い意味で含まれるようになる。これがため第２層状部分
に対し真性光導電体を用いる場合の２パンチスルー２は
、へゼロ接合に隣接する第１層状部分の材料内で少数電
荷キヤリアを形成する自由電荷キヤリアをヘテロ接合に
隣接する真性光導電体から局部的に取出す空乏領域の動
作特性によつて達成する必要がある。かかる自由電荷キ
ヤリアは、電子一正孔対を発生する真性光導電半導体材
料の第２層状部分で電磁放射線を吸収し得るようになる
。ヘテロ接合に隣接しかつ電荷キヤリアの局部捕捉を行
う空乏領域を形成する第１層状部分の材料をｎ型とする
場合には真性光導電体から自由正孔を局部的に捕捉し、
ヘテロ接合に隣接する第１層状部分の材料をｐ型とする
場合には真性光導電体から自由電子が局部的に捕捉され
るようになる。この電荷キヤリアを第２層状部分で多数
電荷キヤリアを形成する種類の電荷キヤリアとする場合
には捕捉された電荷キヤリアの数は第２層状部分の電荷
キヤリアと電磁放射線吸収により発生した電荷キヤリア
との和に依存するようになる。またこの電荷キヤリアを
第２層状部分で少数電荷キヤリアを形成する種類の電荷
キヤリアとする場合には捕捉された電荷キヤリアの数は
電磁放射線吸収により発生した電荷キヤリアにほぼ依存
するようになる。これら双方の場合においては第１層状
部分の隣接材料内で少数電荷キヤリアを形成［７かつヘ
テロ接合に卦いて熱的に発生する電荷キヤリアが捕捉さ
れるようになる。これがため表面エネルギー準位の数が
低いへゼロ接合を形成する必要がある。真性光導電半導
体材料を用いる本発明回路配置の他の例ではその動作が
第２層状部分の素子部分に局部的に入射する瞬時放射線
束に依存するようになり、この瞬時放射線束は第１層状
部分の空乏領域がヘテロ接合までパンチスルーされる期
間中積分する。

かかる本発明回路配置の他の例によれば例えば８〜１４
μの波長帯域内の赤外線パターンの感知および／または
撮像に対し装置をかかる低温度で動作させる必要のない
利点がある。

例えば第２層状部分に対し慣例の真性光導電半導体材料
を使用する場合装置を約７ｆＫ以上の温度で動作させる
ことができるがかかる赤外線の感知訃よび／または撮像
に対し外因性半導体材料の第２層状部分を用いる場合に
は装置は通常７ｆＫ以下の温度で動作させる必要がある
。本発明回路配置の上記他の例に使用するに好適な電荷
結合装置は、電荷転送レジスタを設ける半導体材料の第
１層状部分とこの第１層状部分に隣接する真性光導電材
料の第２層状部分とを有する半導体本体を以て構成し、
電荷転送レジスタには第１層状部分の第２層状部分とは
反対側の表面に隣接して電極群を設けこれにより１導電
型特性を呈する電荷キヤリアを第１層状部分の長手方向
に転送し、第２層状部分から第１層状部分の電荷転送レ
ジスタに関連する電荷蓄積部に電荷キヤリアを直接導入
し、少くとも第１層状部分のヘテロ接合に隣接する部分
を反対導電型とする。

かかる回路配置によれば種々の利点を得ることができる
。

特に赤外線パターンを感知卦よび／または撮像するに好
適な装置を構成する場合電荷転送レジスタおよび放射線
感知および／または撮像の双方に対しほぼ慣例の技術｝
よび材料を用いることができる。さらにこれら２種類の
材料が両立し得るものとすると低い表面エネルギー準位
の数で所望のヘテロ接合が得られる場合電荷転送レジス
タを設ける第１層状部分の材料に対し何等の制限を課す
ことなく第２層状部分の真性光導電材料に対する選択の
自由度を大きくすることができる〇この第１層状部分は
例えば珪素とすることができるＯ真性光導電材材料の第
２層状部分を具える本発明電荷結合装置の他の例では第
２層状部分を反対導電型とする。

従つてこの場合ヘテロ接合はｐ−ｐ型またはｎ−ｎ型ヘ
テロ接合となり且つ第２層状部分からの電荷キヤリアの
入力は、第２層状部分で少数電荷キヤリアを形成するよ
うな電荷キヤリアの放射線による瞬時発生割合に主とし
て依存し従つて多数電荷キヤリアの背景流には依存しな
い。又、他の例では第２層状部分の真性光導電材料を１
導電型とし、従つてヘテロ接合をｐ−ｎ型へゼロ接合と
する。真性光導電材料の第２層状部分を具える回路配置
を電荷転送レジスタの表面移送型またはバルク移送型の
何れでも作動し得るように構成することができる。

前者の場合には第１層状部分を反対導電型とし、且つ電
荷転送レジスタは第１層状部分の表面に隣接して１導電
型特性を呈する電荷キヤリアを移送し得るように構成し
、第１層状部分の厚さおよび不純物添加濃度は形成され
る局部空乏領域が降服を起すことなく第１層状部分の厚
さ全体にわたり延在し得るように選択する。第１層状部
分に対し珪素を用いる場合には第２層状部分を所望の用
途に応じて種々の材料に選択することができる。

例えば装置を３〜５μの波長帯域内の赤外線に応答する
ように構成する場合には第１層状部分をｎ型珪素とし、
第２層状部分をｎ型硫化鉛とする。またこの場合の他の
例では第１層状部分をｎ型珪素とし、第２層状部分をｐ
型テルル化鉛とする。この真性光導電半導体材料の第２
層状部分は第１層状部分上に堆積層として形成すること
ができる。

一般に真性光導電材料の第２層状部分の厚さは外因性材
料の第２層状部分を用いる場合よりも著しく薄くするこ
とができる。図面につき本発明を説明する。

第１図に示す本発明赤外線イメージセンサ回路配置は３
〜５μの波長帯域内の赤外線パターンを撮像するために
用いる。

この回路配置は半導体本体を以て構成し、第１図にはそ
の１部分のみを示す。説明の便宜上第１図には半導体本
体の基本撮像部分を直線アレイの形態とした簡単な例を
示す。しかし基本撮像部分を２次元アレイとして構成し
これをいわゆる画撮像体とする配置を形成し得ることは
勿論である。半導体本体は、電荷転送レジスタを設けた
第１層状部分と、上記波長帯域内の赤外線が照射される
と自由電荷キヤリアを発生する第２層状部分とを以て構
成する。半導体本体の第２層状部分は厚さが２００μの
外因性不純物添加ｐ型珪素の基板１を以て構成する。

基板の不純物添加剤をインジウムとすると共にその濃度
を２×１０１７原子／ＣＴＬとする。基板１の下側表面
部分は低固有抵抗のｐ＋拡散領域２としこれによりｐ型
基板への接点領域を形成する。基板１の上側表面部分は
第１層状部分とすると共に濃度が５×１０１４原子／（
−Ｆｔの燐をほぼ均一に不純物添加した厚さ３〜５μの
ｎ型珪素エビタキシヤル層３を以て構成する。エピタキ
シヤル層３の表面４には酸化珪素の絶縁層５を設ける。
絶縁層５の表面には互に離間され且つ密に配置されたア
ルミニウム層部分６より成る電極群を設け、これにより
エピタキシヤル層３に電界を容量的に発生させこの電界
によつて少数電荷キヤリア（正孔）のパケツトの形態の
情報を表わすパターンを捕捉して読取り装置に転送し得
るようにする。本例ではこの読取り装置をｐ＋拡散領域
７を以て構成しこのｐ＋拡散領域７を直流バイアス源８
｝よび抵抗９を経て接地し、出力拡散領域７に順次転送
された電荷パケツトの量を示す出力電圧ＶＯＬｌｔは第
１図に示すようにこれら素子８｝よひ９の間から取出し
得るようにする。これら電極６は４−種類に群別し導線
φ１，φ２，φ３，φ４を経て４相クロツク電圧源１１
に夫々接続する。

導線φ４はクロツク電圧源１１に同期している他のクロ
ツク電圧源１２にも接続する。これら電極６および４相
クロツク電圧源１１により達成される電荷転送作用は通
常の場合と同様である。クロツク電圧源１２によつて導
線φ４に負の大きな電圧を周期的に発生させ、この周期
中導線φ， ，φ２およびφ３の電圧を充分低いレベル
に保持し得るようにする。導線φ，，φ２，φ３および
φ４の電圧の波形を第２図に示す。電荷蓄積部に導入さ
れた後の少数電荷キヤリア（正孔）を読取り段に転送す
るためには導線φ，及ひφ３のクロツク電圧を−２Ｖお
よび−４Ｖ間で変化させるのが導線φ２及びφ４のクロ
ツク電圧はこのサイクル中−４Ｖ及び−８間で変化させ
るようにする。第２図にＴｒで示す読取り周期の終端で
クロツク電圧源１２によつて導線φ４に−２０Ｖの電圧
を供給するが導線φ１，φ２及びφ３は夫々−２Ｖ，−
４Ｖおよび−６Ｖに保持する。導線φ４の大きな負の電
圧は、導線φ４に接続された電極６の下側に形成された
空乏領域部分をエピタキシヤル層３を完全に横切つて延
在し且つ基板１およびエピタキシヤル層３間のＰｎ接合
までパンチスルーさせるには充分な大きさである。かか
る条件と、導線φ１，φ２訃よびφ３に負の一定電圧を
印加することとによつて、第１図に示す回路配置により
３〜５μの波長帯域内の赤外線パターンを撮像する際積
分周期Ｔｉを例えば１００μｓの範囲に保持することが
できる。半導体本体は電磁放射線パターンが良好に入射
し得るように構成するのが好適である。

本例では基板の下側表面から放射線パターンが入射し得
るように回路配置を構成したが基板の上側表面から放射
線パターンが入射し得るように回路配置を構成し得るこ
とは勿論である。この場合には電極６を赤外線が透過し
得る材料卦よび厚さに選定する必要がある。回路配置の
動作温度を６０卦Ｋとする場合にはインジウム不純物に
より形成される基板のほぼ全レベルに対し３〜５μの波
長帯域内で赤外線により励起されて放出し得る正孔を充
満させることができる。

ｎ型エピタキシヤル層３の接続点と基板のｐ＋拡散領域
２の接続点との間にはバイアス源１４を設け、その極性
を基板１およびエピタキシヤル層３間の接合が逆バイア
スされるように定める。このバイアス源によつてパンチ
スルーが上記接合のバイアス状態に応じて制御されるよ
うに回路を作動させる。導線φ４に接続された電極のす
ぐ下側の基板の部分およびその附近の部分に訃いて励起
赤外線により発生し且つＰｎ接合に向つてドリフトする
自由正孔は、基板１内に形成されＰｎ接合までパンチス
ルーの状態にある空乏領域の部分を経て基板１内に直接
導入されるようになる。これがため導線φ４に接続され
た電極６の任意の電極の下側における正孔の形態の自由
電荷キヤリアはこの電極６に関連するパンチスルー空乏
領域を経て基板１からエピタキシヤル層３内に導入され
るようになる。従つてこれらの正孔は関連する電極６の
下側の表面４に隣接する電荷蓄積部内に、エピタキシヤ
ル層３内の少数電荷キヤリアとして蓄積される。これが
ため積分期間ｔ１中これら正孔は任意の電荷蓄積部内に
或る割合で、即ち導線φ４に接続された電極の下側の関
連する電荷蓄積部を有する基板の関連する部分に入射す
る瞬時放射線の全部を表わす割合で導入されるようにな
る。従つて第１図に示す例では３つの電荷蓄積部に対し
その下側の基板の部分に入射する電磁放射線を夫々ｈν
１，ｈν２およびｈν３（ｈν１〉ｈν２〉ｈν３）で
示し、これら電荷蓄積部に導入される正孔の量を夫々＋
＋＋，＋＋および＋で示す。積分期間の終端では導線φ
４に供給された電圧は−８Ｖに減少し、従つて空乏領域
をＰｎ接合から離間するようになる。然る後に慣例の４
相電荷キヤリア転送作用により各別の電荷パケツトを読
取り装置に転送する。この場合の読取り期間Ｔｒは特に
直線性アレイのイメージビツトの数によつて決まる。ス
ペクトルの赤外線領域に生ずる光子束が大きい場合全フ
レーム周期即ちＴｉ＋Ｔｒは比較的短かくすることがで
きる。

例えば１００ビツト直線性アレイの場合には全フレーム
周期は１５０μｓとなりそのうちの積分期間は１００μ
ｓとなる。実際のフレーム周期は多くの要因によつて、
特に基板の不純物添加剤の特性および濃度によつて決ま
る。特にフレーム周期のイメージ積分期間は基板の不純
物添加濃度に応じて選定し従つて基板の任意の１イメー
ジ部分にこの積分期間全体にわたり入射する赤外線の強
度が最大となる場合には電荷パケツトの大きさは１０１
２正孔／ｄに制限されるようになる。本発明回路配置の
他の例を第３図につき説明する。

本例回路配置において前例につき説明した所と同一部分
には同一符号を付して示す。第３図に示す例では第１層
状部分を厚さが１０μのｎ型半導体本体部分３とし、こ
れを、厚さが５μの真性光導電体、本例ではｎ型硫化鉛
、の堆積層２１を具える第２層状部分を下側に形成した
肉薄ウエフアとして構成する。この堆積層２１の下側表
面にはマトリツクスの形態の金属オーム接点層２２を設
けその条溝部を経て赤外線を通過させ得るようにする。
本例回路配置も３〜５μの波長帯域内の赤外線パターン
を撮像するために用いる。この赤外線も堆積層２１の下
側から入射するものとする。また、４相クロツク電圧源
１１および関連するクロツク電圧源１２を具える制御回
路も前例につき説明した所と同様とする。さらに読取り
装置も前例の場合と同様とするが本例ではｎ型硫化鉛層
２１への接点層２２｝よびｎ型堆積層３への接点は同｛
位に保持する。本例回路配置は１５δＫで作動させ且つ
所定厚さの真性光導電層を用いるため解像度を同一値と
した場合吸収率を比較的高くししかも感度ＤＸの値をも
高くすることができる。かかる回路配置の動作はｎ型硫
化鉛の第２層状部分に訃いて吸収により電子一正孔対を
発生する波長帯域内の赤外線に依存する。導線φ４に接
続された電極の下側に発生し且つ接合に向つてドリフト
するこれら正孔は、ｎ型層まで延在することによりパン
チスルー状態と見做されるこれら電極の下側に生ずる空
乏領域部分によつて制御されるようになる。第４図は、
第１訃よび第２層状部分の双方を珪素とし且つ第１層状
部分内の電一荷転送レジスタを、多数電荷キヤリアが第
１層状部分内の領域の内部を経て転送されるように構成
した回路配置の一例を断面で示す。

かかる回路配置も第１図に示す回路配置の変形例と見做
すことができ従つて第１図に示す部分と同一部分には同
一符号を付して示す。本例では第１図に示す回路配置に
発生する少数電荷キヤリアを表面隣接チヤンネルモード
で転送する代りに多数電荷キヤリアをバルクチヤンネル
モードで転送し得るようにする。外因性珪素のｐ型基板
１およびｐ＋接点層２の材料訃よび寸法は第１図に示す
装置の材料卦よび寸法と同一とする。この基板１には各
々が厚さ５μの第１ｎ型層３１むよび第２ｐ型層３２よ
り成る２重エピタキシヤル珪素層構体を設ける。各層の
不純物添加は適当に行つてこの層が降服を起すことなく
局部的に完全に空乏化されるようにする。ｐ型層３２は
表面絶縁層５および表面からｎ型層３１まで延在するｎ
＋拡散領域（第４図には示さない）によつて周囲から分
離し、このｎ＋領域によつて正孔が矢３３で示す方向に
生ずるｐ型層３２の領域を横方向に囲むようにする。導
線φ，，φ２，φ３卦よびφ４を経て４相クロツク電圧
源に接続された電極はｎ＋拡散領域により囲まれたｐ型
領域の幅全体をほぼ横切つて電荷を転送する方向に対し
直角を成す方向に延在させる。更に導線φ４は他の・ク
ロツク電圧源に接続する。このクロツク電圧源は４相ク
ロツク電圧源に対し同期させるとともに導線φ１，φ２
卦よびφ３の電圧を所定の一層正のレベルに保持する際
に導線φ４の電圧を僅かだけ正の値に保持するために用
いる。作動に当り導線φ１〜φ４およびｎ型層３１の電
圧レベルを適当に定めて例えば読取り段を経てｐ型層３
２に電位を供給する際これら層３１および３２間のＰｎ
接合が逆バイアスされ且つこの接合に関連する空乏領域
の大きさが供給されるクロツク電圧により変化し得るよ
うにする。これがためｐ型層３２の内部を経る正孔の通
常の転送作動中、（この転送作動中情報電荷パケツトが
存在しない電極の下側のｐ型層３２の部分が完全に空乏
される）ｎ型層３１訃よびｐ型層３２間のＰｎ接合は基
板１およびｎ型層３１間のＰｎ接合まで延在しない。導
線φ４に接続された電極の下側に位置するｐ型層３２の
電荷蓄積部に基板１から電磁放射線励起自由正孔を局部
的に導入するためには導線φ４の電圧を僅かだけ正の値
にして空乏領域が導線φ４に接続された電極の下側の基
板１まで局部的にパンチスルーされるようにする。かか
る条件は第１図に示された電荷蓄積部の場合と同様であ
り従つて矢３４で示される電荷蓄積部内に正孔が導入さ
れるようになる。パンチスルー期間中にも瞬時放射線束
は積分されるが任意の電荷蓄積部に導入される電荷の量
は表面隣接チヤンネル電荷転送レジスタを用いる例の場
合よりも多くはない。多数電荷キヤリア（ｐ型層３２の
正孔）が半導体層の内部を経て読取り装置に転送される
機構は英国特許第１４１４１８３号明細書に記載されて
いる。本発明は上述した例にのみ限定されるものではな
く幾多の変更を加えることができる。上述した例は４相
クロツク電圧により作動する場合について説明したが例
えば２相または３相クロツク電圧により作動するように
回路配置を構成することができる。また第３図につき説
明したように真性光導電半導体材料で光検知を行う上述
した例にふ・いて例えば真性光導電材料として硫化鉛を
用いたが、かかる真性光導電材料として例えば通常のス
ペクトル感度に応じ赤外線検出器に普通に用いられる材
料のような他の真性光導電材料を使用して所定波長帯域
内の放射線パターンを感知卦よび／または撮像し得るよ
うにすることもできる。

更に所望のスベクトル感度に応じてこれら材料を適当に
組合せて使用することもできる。また外因性あるいは真
性光導電半導体本体への入射光を所望の波長帯域に制限
するために放射線フイルタを、例えば赤外線検出技術に
おいて用いられるような通常の形態で使用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明赤外線イメージセンサ回路配置の１例を
Ｌ部断面で示す説明図、第２図は第１図の回路配置に供
給するクロツク電圧を示す波形図、第３図は本発明回路
配置の他の例を１部断面で示す説明図、第４図は本発明
回路配置の更に他の例を示す部分断面図である。 １・・・ｐ型基板、２・・・ｐ＋拡散領域、３・・・ｎ
型珪素エピタキシヤル層、４・・・表面（３）、５・・
・酸化珪素絶縁層、６・・・アルミニウム電極、７・・
・ｐ＋拡散領域、８・・・直流バイアス源、９・・・抵
抗、１１・・・４相クロツク電圧源、１２・・・クロツ
ク電圧源、１４・・・バイアス源、２１・・・堆積層、
２２・・・オーム接点層、３１・・・第１ｎ型層、３２
・・・第１ｐ型層、３３，３４矢印。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 赤外線波長帯域内の電磁放射線パターンを電気信号
   に変換する赤外線イメージセンサ回路配置において、該
   赤外線イメージセンサ回路配置が半導体本体を具え、こ
   の半導体本体が当該半導体本体の表面に隣接する珪素よ
   り成る第１層状部分を有し、この第１層状部分が、当該
   第１層状部分内で電磁放射線パターンの情報を表わす電
   荷キャリアを転送する電荷転送レジスタを有し、前記の
   第１層状部分は深いエネルギーレベルを殆んど有さず、
   前記の半導体本体が更に、前記の第１層状部分に隣接す
   る第２層状部分を有し、この第２層状部分が前記の電荷
   転送レジスタの下に延在する少くともほぼ均質な副層を
   有し、この副層が、前記の赤外線波長帯域内の電磁放射
   線が照射された際に自由電荷キャリアを生ぜしめうる光
   導電層を構成し、前記の第２層状部分には前記の第１層
   状部分側とは反対側の表面でオーム抵抗接点が設けられ
   ており、前記の赤外線イメージセンサ回路配置が、この
   回路配置に接続され、第１層状部分内の電荷蓄積部と関
   連する位置で第１層状部分内に局部的に空乏領域を生ぜ
   しめ、この空乏領域を第１層状部分の厚さ全体に亘つて
   延在させて第２層状部分まで到達せしめ、これにより、
   前記第２層状部分にまたがつて電界を形成し且つ電磁放
   射線により発生され単一の導電型の特性を有する電荷キ
   ャリアを第２層状部分から、第１層状部分内で前記の電
   荷転送レジスタと関連する前記の電荷蓄積部内に直接導
   入せしめうるようにする装置を有する回路装置を具えた
   ことを特徴とする赤外線イメージセンサ回路配置。 ２ 第２層状部分を１導電型の外因性半導体材料とし、
   第１層状部分の少くとも隣接部分を反対導電型とし、前
   記第２層状部分の不純物濃度を、前記波長帯域内の電磁
   放射線パターンにより励起される際前記１導電型の特性
   を呈する捕獲電荷キャリアを発生し得る不純物レベルが
   動作温度で得られる濃度としたことを特徴とする特許請
   求の範囲１記載の赤外線イメージセンサ回路配置。 ３ 第２層状部分は、前記赤外線波長帯域内の電磁放射
   線の光子エネルギーよりも小さいエネルギーバンドギャ
   ップを有しかつ第１層状部分の半導体材料との間にヘテ
   ロ接合を形成する真性光導電半導体材料を以て構成する
   ようにしたことを特徴とする特許請求の範囲１記載の赤
   外線イメージセンサ回路配置。