JPS60105271A - 電荷注入装置 - 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】 （ａ）　発明の技術分野 本発明は電荷注入装置の構成に関す。

ｆｂ）　技術の背景 近年ＬＳＩなど半導体簗積回路技術の成果を利用して、
光学的な画像を電気的な信号に変換する装置がイメージ
センサなる名称で作られるようになり、電荷注入装置（
ＣＩ　Ｄ）は、電荷結合装置（ＣＯＤ）と共に、従来の
イメージオルシコン、ビジコンなどの次に来るものとし
て、その主流になろうとしている。

一方、各種計測分野では、光学的パターンの８１測が重
要な意味をもってきており、なかでも、可視領域におい
て性能の優れた変換装置の実現が望まれ、高密度電荷注
入装置などの実用化が進められている。

（Ｃ）　従来技術と問題点 第１図は従来の電荷注入装置の一実施例を示す部分断面
図、第２図はＳＯＳ構造の電荷注入装置の一実施例を示
す部分断面図で、１．１ａは基体、２はｐ形シリコン層
、３は絶縁層、４は透光性電極、４ａ、５は電極をそれ
ぞれ示す。

第１図に示す電荷注入装置は、厚さ約５００μｍのｎ形
シリコンでなる基体１の上に、■側から順に、電荷注入
素子のポテンシャル井戸を形成する厚さ約１０μｍのｐ
形シリコンエビクキシャル層テなるｐ形シリコンＮ２、
厚さ約０．１μｍの例えば二酸化シリコンでなる絶縁層
３を有し、３の上に、例えば多結晶シリコンでなる透光
性電極４と、４に隣接して、敢えて透光性を必要としな
い電極５とが形成されて、画素となる電荷注入素子の要
部が形成されている。

この電荷注入装置においては、表面（透光性電極４側）
から入射しｐ形シリコン層２に達した可視光線により２
内に生成した小数キャリアが、透光性電極４に電圧を印
加することによりｐ形シリコン層２内の４領域に形成さ
れた第一のポテンシャル井戸に蓄積され、その電荷量は
該可視光線の強さと該蓄積の時間に比例する。その後、
透光性電極４の電圧印加を止めると、前記蓄積された電
荷はｐ形シリコン層２内の５領域に形成されている第二
のポテンシャル井戸に転送される。従って、第二のポテ
ンシャル井戸の電荷量を読み取るようにすれは、前記転
送を時間的制御することにより、複数個ある電荷注入素
子に蓄積された個々の電荷量を区別して読み取ることが
出来、前記可視光線で入射した画像の計測が出来る。

この構成でなる電荷注入装置は、透光性電極４による吸
収のため、入射する可視光線のｐ形シリコン層２への致
達が阻害され、感度が低下する、分光特性が劣化するな
どの問題がある。

この問題の解決手段として、透光性に優れた例えばサフ
ァイアなどを基体にし、裏面入射を行うＳＯＳまたはＳ
　ＯＩ　（５ｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ
　）構造が考えられる。

第２図は、ＳＯＳ構造の一実施例の第１図に対応する図
であり、基体１が透光性に優れたサファイアでなる基体
１ａに、また、透光性電極４が敢えて透光性を必要とし
ない電極４ａに替わっている。

ここで、ｐ形シリコン層２は、第１図の実施例と同じ（
、第一・第二のポテンシャル井戸の形成に適するように
、不純物濃度が約Ｉ　ＸＩＯａＬｍ　／ｄとなっている
が、基体１ａの上に形成された場合、第二のポテンシャ
ル井戸に転送された電荷を形成する小数キャリアが、そ
の読み取りの際の該ポテンシャル井戸の消滅により、ｐ
形シリコン層２内で再結合するのに要する時間（ライフ
タイム）は約１０μｓとなる。

従って、複数の前記電荷注入素子のそれぞれが個々の画
素を形成する電荷注入装置において、各画素を読み取る
のに、−画素当たり少なくとも１０μｓ必要である。一
方、可視光線の通常の入射により第一のポテンシャル井
戸に蓄積される小数キャリアは、約３０ｍ５で該ポテン
シャル井戸を満・たし、それ以上の時間では、蓄積され
た電荷量が該可視光線の強さと対応しなくなるので、各
画素の読み取り周期は前記の約３０ｍ５より短くする必
要がある。

これらの制約から、単純なＳＯＳ構造の電荷注入装置は
、画素の数が約３０００個以下に制限されることになる
。またこの対策として、入射させる可視光線の強さを弱
くすることにより、小数キャリアが第一のポテンシャル
井戸を満たす時間を伸ばし画素数を増やすことが可能で
あるが、この場合は、フレーム周波数が減少し、信号に
対するノイズの比率が大き（なり、信号の品質が劣化す
る欠点を有する。

以上のことより、感度の優れたＳＯＳ構造で画素数を増
やすためには、前記ライフタイムを短縮することが望ま
しい。

（ｄｌ　発明の目的 本発明の目的は上記従来の欠点に鑑み、可視光線の入射
によって生ずる小数キャリアを蓄積転送するための、電
荷注入素子のポテンシャル井戸の形成は従来と同等であ
りながら、小数キャリアのライフタイムを短縮させたＳ
ＯＳ構造の電荷注入装置の構成を提供するにある。

（ｅ）　発明の構成 上記目的は、基体の上に該基体側から順に、第一のエピ
タキシャル層、第二のエピタキシャル層、絶縁層を有し
、該絶縁層の上に電極が形成されており、第二のエピタ
キシャル層は電荷注入素子のポテンシャル井戸を形成す
る層であり、第一のエピタキシャル層は第二のエピタキ
シャル層より不純物濃度が高いことを特徴とする電荷注
入装置によって達成される。

一般に、小数キャリアのライフタイムは、不純物濃度が
高い程短くなるので、前記ポテンシャル井戸に蓄積転送
された小数キャリアは、再結合する過程で前記第一のエ
ピタキシャル層に入りライツクイムが短縮される。

この効果は、原理的に言って、従来例に示した可視光線
を対象とした電荷注入装置に限定されるものではない。

（ｆ）　発明の実施例 以下本発明の一実施例を図により説明する。企図を通じ
同一符号は同一対象物を示す。

第３図は本発明の構成によるＳＯＳ構造の電荷注入装置
の一実施例を示す部分断面図で、２ａは高濃度ｐ形シリ
コン層、２ｂは低濃度ｐ形シリコン層をそれぞれ示す。

本電荷注入装置は、厚さ約５００μｍの透光性に優れた
サファイアでなる基体１ａの上に、１ａ側から順に、不
純物濃度が従来のｐ形シリコン層２より高い約Ｉ　Ｘ　
１０１８ａ　ｔｍ　／　ｃａで、厚さ約０．５μｍのｐ
形シリコンエピタキシャル層でなる高濃度ｐ形シリコン
層２ａ、不純物濃度が従来のｐ形シリコン層３と同等な
約Ｉ　Ｘ　１０”ａｔｍ　／　ｃＪで、厚さ約１０μｍ
のｐ形シリコンエピタキシャル層でなる低濃度ｐ形シリ
コン層２ｂ、厚さ約０．１μｍの例えば二酸化シリコン
でなる絶縁層３を有し、３の上に、第２図の場合と同様
な電極４ａ、５が形成されて、画素となる電荷注入素子
の要部が形成されている。

低濃度ｐ形シリコン層２ｂの厚さは、ポテンシャル井戸
を形成するのに足°りる厚さに、また、高濃度ｐ形シリ
コンＮ２ａの厚さは、小数キャリアの再結合がなされれ
ばよいので薄くしである。

かく構成されたＳＯＳ構造の電荷注入装置においては、
低濃度ｐ形シリコンＩ’ｆｉｆ２ｂにあるポテンシャル
井戸に蓄積転送された小数キャリアは、再結合する過程
で高濃度ｐ形シリコン層２ａに入りライフタイムが短縮
されて、各画素を読み取るのに必要な時間が、−画素当
たり約１００ｎｓになり、従来例で約１０μｓ要してい
たのが約１　／１００に短縮される。

高濃度ｐ形シリコン層２ａの不純物濃度が低濃度ｐ形シ
リコン層２ｂの約１０００倍であることからして、小数
キャリアの再結合に際して該小数キャリアが、低濃度ｐ
形シリコン層３ｂ内にある時間がライフタイムを支配し
ているものと考えられる。

以上の結果から、本発明の構成でなるこの実施例では、
画素の数を約１００倍の３００，０００個に増やすこと
が可能になる。

（ｇｌ　発明の効果 以」二に説明したように、本発明による構成によれば、
可視光線の入射によって生ずる小数キャリアを蓄積転送
するための、電荷注入素子のポテンシャル井戸の形成は
従来と同等でありながら、小数キャリアのライフタイム
を短縮させたＳＯ８構造の電荷注入装置の構成を提供す
ることが出来て、その画素の読み取り可能速度が早くな
り、例えば、信号の品質を劣化させることなく、その画
素数を増やすことを可能にさせる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電荷注入装置の一実施例を示す部分断面
図、第２図はＳＯＳ構造の電荷注入装置の一実施例を示
す部分断面図、第３図は本発明の構成によるＳＯＳ構造
の電荷注入装置の一実施例を示す部分断面図である。 図面において、１．１ａは基体、２はｐ形シリコン層、
２ａは高濃度ｐ形シリコン屓、２ｂは低濃度ｐ形シリコ
ン層、３は絶縁層、４は透光性電極、４ｄ、５は電極を
それぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基体の上に該基体側から順に、第一のエピタキシャル層
   、第二のエピタキシャル層、絶縁層を有し、該絶縁層の
   上に電極が形成されており、第二のエピタキシャル層は
   電荷注入素子のポテンシャル井戸を形成する層であり、
   第一のエピタキシャル層は第二のエピタキシャル層より
   不純物濃度が高いことを特徴とする電荷注入装置。