JPS6012762A - Photoelectric conversion device - Google Patents
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Classifications
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- H01L27/14681—
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は光電変換装置に関する。[Detailed description of the invention] The present invention relates to a photoelectric conversion device.
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。In recent years, research on photoelectric conversion devices, especially solid-state imaging devices, has been
With the progress of semiconductor technology, this has been actively carried out, and in some cases it has begun to be put into practical use.
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、電極にかける
パルスにより順次動かして、畜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COD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電荷を蓄積し、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MOSスイ
ッ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。These solid-state imaging devices can be roughly divided into CCD type and M
It is classified into two types of OS. The CCD type imaging device is MO
A potential well is formed under the S capacitor electrode, and charges generated by incident light are accumulated in this well. During readout, these potential wells are sequentially moved by a pulse applied to the electrode to collect the accumulated charges. The principle is that the data is transferred to the output amplifier section and read out. Furthermore, some CCD type imaging devices use a pn junction diode structure for the light receiving section and a COD structure for the transfer section. On the other hand, in a MOS type imaging device, charges generated by incident light are accumulated in each of the photodiodes made of pn junctions that constitute the light receiving section, and when reading out, the MOS switching transistors connected to each photodiode are sequentially activated. It uses the principle that by turning on, the accumulated charge is read out to the output amplifier section.
CCD型撮像装置は、比較的簡単な構造をもち、また、
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・ディフュージョ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、比較的低雑音の撮像
装置であり、低照度撮影が可能である。ただし、CCD
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MOS型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1
/f雑音が発生する。従って、低雑音とはいいながら、
その性能に限界が存在している。また、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
動かしながら蓄積電荷を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、製造歩
留りが上がらないという欠点も有している。The CCD type imaging device has a relatively simple structure, and
Considering the noise that can be generated, only the capacitance value of the charge detector consisting of the floating diffusion in the final stage contributes to random noise, so it is a relatively low-noise imaging device and is capable of low-light imaging. However, CCD
Due to process constraints for manufacturing a type imaging device, a MOS type amplifier is installed on-chip as an output amplifier, so the interface between the silicon and the SiO2 film is easily visible on the image1.
/f noise occurs. Therefore, although it is said to have low noise,
There are limits to its performance. Furthermore, if the number of cells is increased to achieve higher density in order to achieve higher resolution, the maximum amount of charge that can be stored in one potential well will decrease, making it impossible to maintain a dynamic range. This will be a big problem as it becomes more and more popular. In addition, since a CCD type imaging device transfers accumulated charges while sequentially moving potential wells,
Another drawback is that even if a defect exists in one of the cells, charge transfer will stop there or become extremely poor, resulting in poor manufacturing yield.
これに対してMOS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複
雑ではあるが、蓄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。On the other hand, MOS type imaging devices are structurally a little more complex than CCD type imaging devices, especially frame transfer type devices, but they can be configured to increase storage capacity.
It has the advantage of having a wide dynamic range.
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
MOS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、出力電圧が下がってしまうこと
、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、CCD
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。Furthermore, even if one of the cells has a defect, because of the X-Y addressing method, the defect does not affect other cells, which is advantageous in terms of manufacturing yield. However, in this MOS type imaging device, wiring capacitance is connected to each photodiode during signal readout, so an extremely large signal voltage drop occurs, resulting in a drop in the output voltage, and the wiring capacitance is large, resulting in random noise. CCD
Compared to conventional imaging devices, these devices have drawbacks such as difficulty in low-light photography.
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、蓄積電荷が減少していく。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、MOS型
撮像装置は、ますますS/N的に不利になる。Furthermore, in the future, as the resolution of imaging devices increases, the size of each cell will be reduced and the amount of accumulated charge will decrease. On the other hand, the wiring capacitance, which is determined by the chip size, does not decrease much even if the line width is made thinner. For this reason, the MOS type imaging device becomes increasingly disadvantageous in terms of S/N.
CCD型およびMOS型撮像装置は、以上の様な一長一
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
めていくうえで本質的に大きな問題を有しているといえ
る。Although CCD type and MOS type image pickup devices have the above-mentioned advantages and disadvantages, they are gradually approaching the level of practical use. However, it can be said that there are essentially major problems in promoting the higher resolution that will be required in the future.
それらの固体撮像装置に関し、特開昭58−15087
8“半導体撮像装置”、特開昭56−157073“半
導体撮像装置”、特開昭56−165473“半導体撮
像装置”に新しい方式が提案されている。CCD型、M
OS型の撮像装置が、光入射により発生した電荷を主電
極(例えばMOSト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(静電誘導トランジスタ)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ずくものである。すなわち、C
CD型、MOS型が、蓄積された電荷そのものを外部へ
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ピー
ダンス変換によ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
、広ダイナミックレンジ、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。Regarding those solid-state imaging devices, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-15087
8 "Semiconductor Imaging Device", Japanese Patent Application Laid-open No. 56-157073 "Semiconductor Imaging Device", and Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-165473 "Semiconductor Imaging Device". CCD type, M
While an OS-type imaging device stores charges generated by incident light on the main electrode (for example, the source of a MOS transistor), the method proposed here stores charges generated due to incident light on the control electrode. It is based on a new concept of controlling the flowing current by the charges accumulated in the base of a bipolar transistor (for example, the gate of a SIT (static induction transistor) or MOS transistor) and generated by light. That is, C
While the CD type and MOS type read out the accumulated charge itself to the outside, the method proposed here amplifies the charge using the amplification function of each cell and then reads out the accumulated charge. So, looking at it from another perspective, it is read out as a low impedance output by impedance conversion. Therefore, the method proposed here has high output, wide dynamic range, and low noise, and since carriers (charges) excited by optical signals are accumulated in the control electrode, non-destructive readout is possible. It has several advantages. Furthermore, it can be said that this method has the potential for higher resolution in the future.
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、上記公報に記載されている素子構造は、従来
のMOS型撮像装置の各セルにバイポーラトランジスタ
、SITトランジスタ等の増幅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。However, this method is basically an X-Y address method, and the element structure described in the above publication combines amplification elements such as bipolar transistors and SIT transistors in each cell of a conventional MOS type imaging device. The basic structure is as follows. Therefore, it has a relatively complicated structure, and although it has the possibility of achieving high resolution, there is a limit to how high resolution can be achieved as it is.
本発明は、各セルに増幅機能を有するもきわめて簡単な
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。An object of the present invention is to provide a new photoelectric conversion device that has an amplification function in each cell but has an extremely simple structure and can sufficiently cope with future increases in resolution.
かかる目的は、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得る構造
を有する光変換装置において、該浮遊状態になされた制
御電極領域内の一部に、該制御電極領域とは反対導電型
高濃度領域な領域を、表面に隣接して該主電極領域以外
に少なくとも1個設け、該反対導電型高濃度を該制御電
極領域の電位を制御するための絶縁ゲート型トランジス
タの主電極領域と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。This purpose is to bring the control electrode regions of a semiconductor transistor, which are made up of two main electrode regions of the same conductivity type and a control electrode region of the opposite conductivity type from the main electrode regions, into a floating state, and to remove the control electrodes in the floating state. an accumulation operation in which carriers generated by light are accumulated in the floating control electrode region by controlling the potential of the region via a capacitor;
In an optical conversion device having a structure capable of performing a readout operation for reading out the accumulated voltage generated in the control electrode region by the accumulation operation and a refresh operation for extinguishing the carriers accumulated in the control electrode region, At least one high concentration region of the opposite conductivity type to the control electrode region is provided in a part of the control electrode region other than the main electrode region adjacent to the surface, and the high concentration region of the opposite conductivity type is controlled by the control electrode region. This is achieved by a photoelectric conversion device characterized in that the main electrode region of an insulated gate transistor is used to control the potential of the electrode region.
以下に本発明の実施例を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.
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。FIG. 1 is a diagram illustrating the basic structure and operation of a photosensor cell that constitutes a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention.
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。FIG. 1(a) shows a plan view of the optical sensor cell, and FIG. 1(b) shows a plan view of the optical sensor cell.
) is a cross-sectional view of a portion AA' in the plan view of FIG. 1(a), and FIG. 1(c) is an equivalent circuit thereof. In addition,
In each part, parts common to FIGS. 1(a), (b), and (c) are given the same number.
第1図では、整列配置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、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。Although FIG. 1 shows a plan view of the aligned layout method, it goes without saying that the pixel shifting method (interpolation layout method) can also be used to increase the horizontal resolution.
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(As)等の不
純物をドープしてn型又はn+型とされたシリコン基板
1の上に、通常PSG膜等で構成されるパシベーション
膜2:
シリコン酸化膜(SiO2)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SiO2あるいはSi3N4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領域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
いてボロン(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;
不鈍物拡散技術、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n+領域7;
信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウム(Al
)、Al−Si、Al−Cu−Si等の導電材料で形成
される配線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10;
基板1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1
1;
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。This optical sensor cell is made of a silicon substrate doped with impurities such as phosphorus (P), antimony (Sb), and arsenic (As) to make it n-type or n+ type, as shown in FIGS. 1(a) and (b). 1, a passivation film 2 usually made of a PSG film or the like; an insulating oxide film 3 made of a silicon oxide film (SiO2); An element isolation region 4 made of an insulating film or a polysilicon film, etc.;
- region 5; p region 6, which is the base of the bipolar transistor doped with an impurity such as boron (B) using an impurity diffusion technique or an ion implantation technique; formed by an impurity diffusion technique, an ion implantation technique, etc. N+ region 7 which becomes the emitter of the bipolar transistor to be used; for example, aluminum (Al
), Al-Si, Al-Cu-Si, or other conductive material; an electrode 9 for applying a pulse to the floating p-region 6 through the insulating film 3; its wiring 10; N+ region 1 with a high impurity concentration formed by impurity diffusion technology etc. to make ohmic contact with the back surface of the substrate 1
1; an electrode 12 made of a conductive material such as aluminum for applying a substrate potential, that is, a collector potential of a bipolar transistor;
なお、第1図(a)の19はn+領域7と配線8の接続
をとるためのコンタクト部分である。又配線8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
、SiO2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。Note that 19 in FIG. 1(a) is a contact portion for connecting the n+ region 7 and the wiring 8. Further, the alternating portions of the wirings 8 and 10 are so-called two-layer wirings, and are insulated from each other by insulating regions formed of an insulating material such as SiO2. That is, it has a two-layer metal wiring structure.
第1図(c)の等価回路のコンデンサCox13は電極
9、絶縁膜3、p領域6のMOS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+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n+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。The capacitor Cox 13 in the equivalent circuit of FIG. 1(c) has a MOS structure including an electrode 9, an insulating film 3, and a p-region 6, and a bipolar transistor 14 has an n+ region 7 as an emitter, a p-region 6 as a base, and an impurity. small concentration n
- region 5, and n or n+ region 1 as a collector. As is clear from these drawings, p region 6 is made into a floating region.
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Cbe15、ベ
ース・エミッタの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。The second equivalent circuit in FIG. 1(c) includes the bipolar transistor 14, a base-emitter junction capacitance Cbe15, a base-emitter pn junction diode Dbe16, a base-collector junction capacitance Cbc17, and a base-collector pn junction diode. This is expressed using Dbc18.
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。The basic operation of the optical sensor cell will be explained below with reference to FIG.
この光センサセルの基本動作は、光入射による電荷蓄積
動作、読出し動作およびリフレッシュ動作より構成され
る。電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
コンデンサーCox13に、配線10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。The basic operation of this photosensor cell consists of a charge accumulation operation by light incidence, a read operation, and a refresh operation. In charge storage operation, for example, the emitter is grounded through wire 8 and the collector is biased to a positive potential through wire 12. It is also assumed that the base is brought to a negative potential, that is, to a reverse bias state with respect to the emitter 7, by applying a positive pulse voltage to the capacitor Cox 13 through the wiring 10 in advance.
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。The operation of biasing the base 6 to a negative potential by applying a pulse to the Cox 13 will be explained in detail later when the refresh operation is explained.
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。In this state, when light 20 enters from the front side of the photosensor cell as shown in FIG. 1, electron-hole pairs are generated within the semiconductor.
この内、エレクトロンは、n領域1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n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。Of these, electrons flow toward the n-region 1 side because the n-region 1 is biased to a positive potential, but holes are rapidly accumulated in the n-region 6. Due to the accumulation of holes in the p region, the potential of the p region 6 gradually changes toward a positive potential.
第1図(a)、(b)でも各センサセルの受光面下面は
、ほとんど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・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からただらに流れ出て、
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畜積されて、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1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、表面から内部に行くほど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、この不純物濃度
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、W8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、NAsはpベース領域6の表面不純物濃度、N
Aiはp領域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。In FIGS. 1(a) and 1(b), the lower surface of the light-receiving surface of each sensor cell is almost entirely occupied by the p region, and a portion thereof is an n+ region 7. Naturally, the concentration of electron-hole pairs excited by light increases as it approaches the surface. Therefore, many electron-hole pairs are excited in the p-region 6 by the light. Electrons photoexcited in the p region flow out from the p region 6 without recombining,
If the structure is such that it is absorbed in the n region, the p region 6
The excited holes are accumulated as they are, changing the potential of p region 6 to a positive potential direction. When the impurity concentration of p region 6 is made uniform, electrons excited by light diffuse to the pn-junction between p region 6 and n-region 5, and then join the n-region. It is absorbed by the n collector region 1 due to the drift caused by the strong electric field. of course,
Although it is possible for electrons to travel within the p region 6 only by diffusion, if the structure is such that the p base impurity concentration decreases from the surface to the inside, this impurity concentration difference will cause the base An electric field Ed, directed from the inside to the surface is generated within the surface. Here, W8 is the depth from the light incident surface of the p region 6, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, q is the unit charge, NAs is the surface impurity concentration of the p base region 6, N
Ai is the impurity concentration at the interface between p region 6 and n-high resistance region 5.
ここで、NAs/NAi>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、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。Here, if NAs/NAi>3, the movement of electrons in p region 6 is performed by drift rather than diffusion. That is, in order to effectively operate the carriers excited by light in the p-region 6 as a signal, the impurity concentration of the p-region 6 must decrease from the light-incidence side surface toward the inside. is desirable. When p region 6 is formed by diffusion, its impurity concentration decreases toward the inside compared to the light incident side surface.
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、通常0.2〜0.3μ
m程度、あるいはそれ以下に設計されるから、n+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。A portion below the light-receiving surface of the sensor cell is occupied by the n+ region 7. The depth of the n+ region 7 is usually 0.2 to 0.3μ.
Since the light is designed to be about m or less, the amount of light absorbed by the n+ region 7 is not so large to begin with, so there is no problem.
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。n+領域7の不純物
濃度は通常1×1020cm−3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+領域7におけるホールの拡散距離は0.15〜0.
2μm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+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、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+領域を得ることが可能である。However, the presence of the n+ region 7 causes a decrease in sensitivity to light on the short wavelength side, particularly blue light. The impurity concentration of n+ region 7 is usually designed to be about 1×10 20 cm −3 or more. The diffusion distance of holes in the n+ region 7 doped with impurities at such a high concentration is 0.15 to 0.
It is about 2 μm. Therefore, in order to effectively flow the holes optically excited in n+ region 7 into p region 6, it is desirable that n+ region 7 also have a structure in which the impurity concentration decreases from the light incident surface toward the inside. If the impurity concentration distribution of the n+ region 7 is as described above, a strong drift electric field will be generated from the light incident side surface to the inside, and the n+ region 7 will be
The holes that are optically excited immediately flow into the p region 6 due to the drift. If the impurity concentrations of both the n+ region 7 and the p region 6 are configured to decrease from the light incident side surface toward the inside, then in the n+ region 7 and the p region 6 existing on the light incident side surface side of the sensor cell, All optically excited carriers function effectively as optical signals. As or P
If this n+ region 7 is formed by impurity diffusion from a silicon oxide film or a polysilicon film doped with a high concentration of , it is possible to obtain an n+ region having the desired impurity gradient as described above.
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
こでクリップされることになる。Eventually, the accumulation of holes will cause the base potential to change to the emitter potential, in this case to ground potential, where it will be clipped.
より厳密に言うと、べース・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かエミッタ
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。n+領域7が接地さ
れず、浮遊状態において光入力によって発生した電荷の
蓄積を行なう場合には、p領域6はn領域1と略々同電
位まで電荷を蓄積することができる。More precisely, the base-emitter region is deeply biased in the forward direction, and holes accumulated in the base are clipped by a voltage that begins to flow to the emitter. That is, the saturation potential of the photosensor cell in this case is approximately given by the potential difference between the bias potential when p region 6 is initially biased to a negative potential and the ground potential. When n+ region 7 is not grounded and accumulates charges generated by optical input in a floating state, p region 6 can accumulate charges to approximately the same potential as n region 1.
以上は電荷蓄積動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。The above is a qualitative and general explanation of the charge accumulation operation, but a more specific and quantitative explanation will be given below.
この光センサセルの分光感度分布は次式で与えられる。The spectral sensitivity distribution of this optical sensor cell is given by the following equation.
但し、λは光の波長[μm]、αはシリコン結晶中での
光の減衰係数[μm−1]、xは半導体表面における。However, λ is the wavelength of light [μm], α is the attenuation coefficient of light in silicon crystal [μm−1], and x is at the semiconductor surface.
再結合損失を起こし感度に寄与しない“dead la
yer”(不感領域)の厚さ[μm]、yはエピ層の厚
さ[μm]、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(λ)および放射照度Ee(λ)を用いて光電流
Ipは次式で計算される。“Dead la” causes recombination loss and does not contribute to sensitivity.
yer” (insensitive region) thickness [μm], y is the thickness of the epitaxial layer [μm], and T is the transmittance, that is, the amount of light that is effectively incident on the semiconductor, taking into account reflection, etc. Using the spectral sensitivity S(λ) and the irradiance Ee(λ) of the photosensor cell, the photocurrent Ip is calculated by the following formula.
但し放射照度Ee(λ)[μW・cm−2・nm−1]
は次式で与えられる。However, the irradiance Ee (λ) [μW・cm−2・nm−1]
is given by the following equation.
但しEVはセンサの受光面の照度[Lux]、P(λ)
はセンサの受光面に入射している光の分光分布、V(λ
)は人間の目の比視感度である。However, EV is the illuminance [Lux] of the light receiving surface of the sensor, P (λ)
is the spectral distribution of the light incident on the light receiving surface of the sensor, V(λ
) is the relative luminous efficiency of the human eye.
これらの式を用いると、エピ厚の層4μmをもつ光セン
サセルでは、A光源(285°K)で照射され、センサ
受光面照度が1[Lux]のとき、約280nA/cm
−2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1.8×10
12ケ/cm2・sec程度である。Using these formulas, in a photosensor cell with an epitaxial layer of 4 μm, when irradiated with light source A (285°K) and the sensor light receiving surface illuminance is 1 [Lux], it is approximately 280 nA/cm.
-2 photocurrent flows, the number of incident photons or the number of generated electron-hole pairs is 1.8 × 10
It is about 12 pieces/cm2·sec.
又、この時、光により励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は蓄積されるホールの電荷量であり、CはC
be15とCbc17を加算した接合容量である。Further, at this time, the potential Vp generated by the accumulation of holes excited by light in the base is given by Vp=Q/C. Q is the amount of accumulated hole charge, and C is C
This is the junction capacitance that is the sum of be15 and Cbc17.
いま、n+領域7の不純物濃度を1020cm−3、p
領域6の不純物濃度を5×1016cm−3、n−領域
5の不純物濃度を10cm13、n+領域7の面積を1
6μm2、p領域6の面積を64μm2、n−領域5の
厚さを3μmにしたときの接合容量は、約0.014p
F位になり、一方、p領域6に蓄積されるホールの個数
は、蓄積時間1/60sec、有効受光面積、すなわち
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56μm2程度とすると、1.7×104ケとなる。Now, the impurity concentration of n+ region 7 is set to 1020 cm-3, p
The impurity concentration of region 6 is 5 x 1016 cm-3, the impurity concentration of n- region 5 is 10 cm13, and the area of n+ region 7 is 1.
6 μm2, the area of p region 6 is 64 μm2, and the thickness of n-region 5 is 3 μm, the junction capacitance is approximately 0.014p.
On the other hand, the number of holes accumulated in the p region 6 is determined by the accumulation time of 1/60 sec, and the effective light receiving area, that is, the area obtained by subtracting the area of the electrodes 8 and 9 from the area of the p region 6, is approximately 56 μm2. Then, the number becomes 1.7×104.
従って光入射により発生する電位Vpは190mV位に
なる。Therefore, the potential Vp generated by light incidence is about 190 mV.
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、畜熱電荷量Qが共に減少して
いくが、セルの縮小化に伴ない接合容量もセルサイズに
比例して減少していくので、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
未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。What should be noted here is that as the resolution increases and the cell size decreases, the amount of light incident on each photosensor cell decreases, and the amount of stored heat charge Q decreases as well. As the cell becomes smaller, the junction capacitance also decreases in proportion to the cell size, so the potential Vp generated by light incidence remains almost constant. This is because the uninvented photosensor cell has an extremely simple structure, as shown in FIG. 1, and has the potential to have an extremely large effective light-receiving surface.
インターラインタイプのCCD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、どんどん低下していってしまう
のに対し、本発明における光センサセルでは、先にも書
いた様に、最初にp領域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。This is one of the reasons why the photoelectric conversion device of the present invention is advantageous compared to interline type CCDs.
In a D-type imaging device, in order to secure the amount of charge to be transferred, the area of the transfer section becomes relatively large, which reduces the effective light-receiving surface, resulting in a decrease in sensitivity, that is, the voltage generated by incident light. become. Furthermore, in the interline type CCD type imaging device, the saturation voltage is limited by the size of the transfer section and gradually decreases, whereas in the optical sensor cell of the present invention, as mentioned earlier, the saturation voltage is limited by the size of the transfer section and gradually decreases. The saturation voltage is determined by the bias voltage when p-region 6 is initially biased to a negative potential, and a large saturation voltage can be ensured.
以上の様にして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。The operation of reading out the voltage generated by the charges accumulated in p region 6 as described above to the outside will be described next.
読出し動作状態では、エミッタ、配線8は浮遊状態に、
コレクターは正電位Vccに保持される。In the read operation state, the emitter and wiring 8 are in a floating state,
The collector is held at a positive potential Vcc.
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10を通して電極9に読出し用の正の電圧VRを印
加すると、この正の電位VRは酸化収膜容量Cox13
とベース・エミッタ間接合容量Cbe15、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
のようにしてエミッ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。Figure 2 shows an equivalent circuit. Now, if the potential when the base 6 is biased to a negative potential before irradiation with light is -V■, and the accumulated voltage generated by light irradiation is Vp, then the base potential becomes -V■ + Vp. ing. When a positive voltage VR for reading is applied to the electrode 9 through the wiring 10 in this state, this positive potential VR is applied to the oxidation film capacitance Cox13.
The capacitance is divided by the base-emitter junction capacitance Cbe15 and the base-collector junction capacitance Cbc7, and a voltage is added to the base. Therefore, the base potential becomes. Here, if the following conditions are satisfied, the base potential becomes the accumulated voltage Vp itself generated by light irradiation. When the base potential is biased in the positive direction with respect to the emitter potential in this way, electrons are injected from the emitter to the base, and since the collector potential is positive, they are accelerated by the drift electric field and flow into the collector. reach. The current flowing at this time is given by the following equation.
但しAjはベース・エミッタ間の接合面積、qは単位電
荷量(1.6×10−17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、npo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
濃度、W■はベース幅、NAeはベースのエミッタ端に
おけるアクセプタ濃度、NAcはベースのコレクタ端に
おけるアクセプタ濃度、kはボルツマン定俄、Tは絶対
温度、Veはエミッタ電位である。However, Aj is the junction area between the base and emitter, q is the unit charge (1.6 × 10-17 coulombs), Dn is the electron diffusion constant in the base, and npo is the electron as minority carrier at the emitter end of the p base. W is the base width, NAe is the acceptor concentration at the emitter end of the base, NAc is the acceptor concentration at the collector end of the base, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and Ve is the emitter potential.
この電流は、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。It is clear from the above equation that this current flows until the emitter potential Ve becomes equal to the base potential, that is, the accumulated voltage Vp generated by light irradiation here. At this time, the temporal change in the emitter potential Ve is calculated by the following equation.
但し、ここで配線要領Cs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。However, here, the wiring length Cs is the capacitance 21 of the wiring 8 connected to the emitter.
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。FIG. 3 shows an example of a temporal change in emitter potential calculated using the above equation.
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電流が流れなくな
ることに起因しているわけである。したがって、これを
解決す手段は、先に電極9に正電圧VR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、ベース電位をVnias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。According to FIG. 3, it takes about 1 second for the emitter potential to become equal to the base potential. This is because when the emitter potential Ve approaches Vp, less current flows. Therefore, the means to solve this problem is to set the following condition when applying the positive voltage VR to the electrode 9, but by inserting an alternative condition to this condition, the base potential is increased by Vnias in the forward direction. One possible method is to bias the
この時に流れる電流は次式で与えられる。The current flowing at this time is given by the following equation.
第4図(a)に、V8ias=0.6Vとした場合、あ
る一定時間の後、電極9に印加していたV8をゼロボル
トにもどし、流れる電流を停止させたときの蓄積電圧V
p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。電極9に印加している正電圧V8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
V8を印加する前の状態、すなわち−V9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V8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、45°の線
は読出しに十分の時間をかけた場合の結果での線は読出
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、配置8の容量Csを4pFとしているが、これ
はCbc+Cbcの接合容量の0.014pF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、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ている
ことを第4図(a)は示している。これは上記構成に係
る光センサセルのもつ増幅機能、すなわち電荷増幅機能
が有効に働らいているからである。In Fig. 4(a), when V8ias = 0.6V, the accumulated voltage V when V8 applied to the electrode 9 is returned to zero volts after a certain period of time and the flowing current is stopped.
The relationship between read voltage, ie, emitter potential, and p is shown. However, in FIG. 4(a), a constant potential depending on the read time due to the bias voltage component is always added to the read voltage, but the value obtained by subtracting the gain is plotted. When the positive voltage V8 applied to the electrode 9 is returned to zero volts, a voltage opposite to that when applied is added to the base potential, so the base potential remains in the state before applying the positive voltage V8, i.e. -V9 and the emitter is reverse biased, so current flow stops. According to FIG. 4(a), if the readout time is about 100ns or more (that is, the time during which V8 is applied to the electrode 9), the linearity of the accumulated voltage Vp and the readout voltage can be ensured over a range of about 4 digits. , indicating that high-speed reading is possible. In FIG. 4(a), the 45° line is the result when sufficient time is taken for reading, and the line at 45° is the result when sufficient time is taken for reading.In the above calculation example, the arrangement 8 Although the capacitance Cs is set to 4 pF, which is about 300 times larger than the junction capacitance of Cbc+Cbc of 0.014 pF, the accumulated voltage Vp generated in the p region 6 is not attenuated in any way. Furthermore, FIG. 4(a) shows that the data can be read out at extremely high speed due to the effect of the bias voltage. This is because the amplification function, that is, the charge amplification function, of the photosensor cell according to the above configuration is working effectively.
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容量Csの影
管でCj・Vp/(Cj+Cs)(但しCjはMOS型
撮像装置の受光部のpn接合容量)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MOS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、あるいは配線容量すなわち出力容
量が大きいことにより発生するランダム雑音が大きく、
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。On the other hand, in the conventional MOS type imaging device, the accumulated voltage V
In such a readout process, p becomes Cj·Vp/(Cj+Cs) (where Cj is the pn junction capacitance of the light receiving part of the MOS image pickup device) in the shadow tube of the wiring capacitance Cs, and the readout voltage value decreases by two orders of magnitude. It had the disadvantage of being stored away. For this reason, in MOS type imaging devices, fixed pattern noise due to variations in parasitic capacitance of switching MOS transistors for external readout, or random noise generated due to large wiring capacitance, that is, output capacitance, is large.
Although there was a problem that the S/N ratio could not be obtained, Fig. 1 (a
), (b), and (c), p
The accumulated voltage itself generated in region 6 is read out to the outside, and since this voltage is quite large, fixed pattern noise and random noise caused by the output capacitance are relatively small, resulting in a signal with an extremely good S/N ratio. It is possible to obtain
先に、バイアス電圧V8iasを0.6Vに設定したと
き、4桁程度の直線性が100nsec程度の高速読出
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V8ias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。Previously, we showed that when the bias voltage V8ias was set to 0.6V, linearity of about 4 orders of magnitude could be obtained with a high-speed readout time of about 100nsec. The calculated results are shown in more detail in FIG. 4(b).
第4図(b)において横軸はバイアス電圧V8iasで
あり、また、縦軸は読出し時間をとっている。In FIG. 4(b), the horizontal axis represents the bias voltage V8ias, and the vertical axis represents the read time.
またパラメータは、蓄積電圧が1mVのときに、読出し
電圧が1mV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1mVにおいて、それぞれ80%、9
0%、95%、98%になっている時は、それ以上の蓄
積電圧では、さらに良い値を示していることは明らかで
ある。The parameters also indicate time dependence until the read voltage reaches 80%, 90%, 95%, and 98% of 1 mV when the accumulated voltage is 1 mV. As shown in Figure 4(a), at a storage voltage of 1 mV, 80% and 9%, respectively.
It is clear that when the values are 0%, 95%, and 98%, even better values are shown at higher storage voltages.
この第4図(b)によれば、バイアス電圧V8iasが
0.6V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0.2
7μs、95%になるのは0.54μs、98%になる
のは1.4μsであるのがわかる。また、バイアス電圧
V8iasを0.6V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VSias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。According to FIG. 4(b), when the bias voltage V8ias is 0.6V, the readout time is 0.12μs for the readout voltage to be 80% of the accumulated voltage, and 0.2μs for the readout voltage to be 90%.
It can be seen that it takes 7 μs, 0.54 μs to reach 95%, and 1.4 μs to reach 98%. Further, it is shown that if the bias voltage V8ias is made larger than 0.6V, even faster reading is possible. In this way, once the readout time and required linearity are determined from the overall design of the imaging device, the required bias voltage VSias can be determined using the graph in FIG. 4(b).
上記構成に係る光センサセルのもう一つの利点は、p領
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V8をゼロボルトにもどした時
、p領域6の電位は電圧V8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
変倹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。Another advantage of the optical sensor cell having the above configuration is that the holes accumulated in the p region 6 can be read out nondestructively because the probability of recombination of electrons and holes in the p region 6 is extremely small. That is, when the voltage V8 applied to the electrode 9 during readout is returned to zero volts, the potential of the p region 6 becomes the reverse bias state before applying the voltage V8, and the accumulated voltage Vp generated by light irradiation is newly As long as it is not irradiated, it will be preserved as is. This means that when the optical sensor cell according to the above configuration is configured as a photoelectric conversion device, new functions can be provided in terms of system operation.
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。The time during which the accumulated voltage Vp can be held in the p region 6 is extremely long, and the maximum holding time is rather limited by the dark current thermally generated in the depletion layer of the junction.
すなわち、この熱的に発生する暗電波により光センサセ
ルが飽和してしまうからである、しかしながら、上記構
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、低不純物濃度領領域であるn−領域5であり、この
n−領域5は1012cm−3〜1014cm−3程度
と、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、CCD型撮像装置に比校して熱的に
発生するエレクトロン・ホール対は少ない。In other words, this is because the optical sensor cell is saturated by this thermally generated dark radio wave.However, in the optical sensor cell according to the above configuration, the region where the depletion layer spreads is the n- region which is a low impurity concentration region. This n-region 5 has an extremely low impurity concentration of about 1012 cm-3 to 1014 cm-3, so its crystallinity is good, and it is thermally stable compared to MOS type and CCD type imaging devices. Few electron-hole pairs are generated.
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。Therefore, the dark current is small compared to other conventional devices. That is, the optical sensor cell according to the above configuration essentially has a structure with low dark current noise.
次いでp領域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。Next, the operation of refreshing the charges accumulated in p region 6 will be explained.
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に蓄積された電荷は、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。In the optical sensor cell having the above configuration, as already mentioned, the charges accumulated in the p region 6 are not eliminated by the read operation. Therefore, in order to input new optical information, a refresh operation is required to eliminate the previously accumulated charges. At the same time, it is necessary to charge the potential of p region 6, which is in a floating state, to a predetermined negative voltage.
上記構成に係る光センサセルでは、リフレッシュ動作も
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。In the optical sensor cell having the above configuration, the refresh operation is also performed by applying a positive voltage to the electrode 9 through the wiring 10, similarly to the read operation. At this time, the emitter is grounded through the wiring 8. The collector is grounded or at a positive potential through the electrode 12. FIG. 5 shows an equivalent circuit for refresh operation. However, an example is shown in which the collector side is grounded.
この状態で正電圧V8Hなる電圧が電極9に印加される
と、ベース22には、酸化膜容量Cox13、ベース・
エミッタ間接合容量Cbe15、ベース・コレクタ間接
合容量Cbc17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。When a positive voltage V8H is applied to the electrode 9 in this state, the base 22 has an oxide film capacitance Cox13 and a base
Due to the capacitance division of the emitter junction capacitance Cbe15 and the base-collector junction capacitance Cbc17, the following voltage is instantaneously applied as in the previous read operation. Due to this voltage, the base-emitter junction diode Dbe16 and the base-collector junction diode Dbc18 are forward biased and become conductive, current begins to flow, and the base potential gradually decreases.
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。At this time, the change in the potential V of the base in a floating state is approximately expressed by the following equation.
但し、
i1はダイオードDbcを流れる電流、i2はダイオー
ドDbeを流れる電流である。Abはベース面積、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、pneはコレクタ中における熱平衡状態でのホ
ール濃度、pneはコレクタ中におけるホールの平均自
由行程、npeはベース中における熱平衡状態でのエレ
クトロンρ度である。i2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ベて充分高いので、無視できる
。However, i1 is the current flowing through the diode Dbc, and i2 is the current flowing through the diode Dbe. Ab is the base area, Ae
is the emitter area, Dp is the diffusion constant of holes in the collector, pne is the hole concentration in the collector in a thermal equilibrium state, pne is the mean free path of holes in the collector, and npe is the electron ρ degree in the base in a thermal equilibrium state. be. In i2, the current due to hole injection from the base side to the emitter can be ignored because the impurity concentration of the emitter is sufficiently higher than that of the base.
上に示した式は、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、かつ複雑な濃度分布を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。The above equation is an approximation of a stepwise junction, and the actual device deviates from a stepwise junction, and the base is thin and has a complicated concentration distribution, so it is not exact. , the refresh operation can be explained with a fair approximation.
上式中のベース・コレクタ間に流れる電流i1の内、q
・Dp・pne/Lpはホールによる電流、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。Of the current i1 flowing between the base and collector in the above equation, q
・Dp・pne/Lp indicates a current due to holes, that is, a component where holes flow from the base to the collector side. In order to facilitate the flow of current due to these holes, in the optical sensor cell having the above configuration, the impurity concentration of the collector is designed to be a little lower than that of a normal bipolar transistor.
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。横軸は、リフレッシュ電圧V8Hが
電極9に印加された時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、リフレッシュ電圧VRH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、VRH
、Cox、Cbe、Cbc及びベースに蓄積されている
電荷によってきまる。FIG. 6 shows an example of the time dependence of the base potential calculated using this formula. The horizontal axis shows the passage of time from the time when the refresh voltage V8H was applied to the electrode 9, that is, the refresh time, and the vertical axis shows the base potential. In addition, the initial potential of the base is used as a parameter. The initial potential of the base is the potential exhibited by the base in a floating state at the moment when refresh voltage VRH is applied, and VRH
, Cox, Cbe, Cbc and the charge stored in the base.
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、片対数グラフ上で一つの直
線にしたがって下がっていく。Looking at FIG. 6, the base potential always falls along a straight line on the semi-logarithmic graph after a certain period of time, regardless of the initial potential.
第6図(b)に、リフレッシュ時間に対するベース電位
変化の実験例を示す。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ミッタの両
者を接地したときの値を示している。FIG. 6(b) shows an experimental example of base potential change with respect to refresh time. Compared to the calculation example shown in Figure 6(a), the test device used in this experiment has a much larger dimension, so although the absolute value does not match the calculation example, the base potential change with respect to the refresh time is It has been demonstrated that it changes linearly on a semi-logarithmic graph. This experimental example shows values when both the collector and emitter are grounded.
今、光照射による蓄積電圧VPの最大値を0.4[V]
、リフレッシュ電圧VRH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10[sec]後には直線にのってベース
電位が下がり始め、10−5[sec]後には、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。Now, the maximum value of the accumulated voltage VP due to light irradiation is 0.4 [V]
, if the voltage V applied to the base by the refresh voltage VRH is 0.4 [V], the maximum value of the initial base potential is 0.8 [V] as shown in FIG. ] After that, the base potential starts to fall in a straight line, and after 10-5 [sec], when there is no light, that is, the initial base potential is 0.4 [V
] corresponds to the potential change when .
p領域6が、MOSキャパシタCox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n
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。There are two ways in which the p region 6 can be charged to a negative potential by applying a positive voltage for a certain period of time through the MOS capacitor Cox and removing the positive voltage. One is p region 6
The holes with positive charge from n are mainly in the grounded state.
This is an operation in which negative charges are accumulated by flowing out into region l.
p領域6からホールが、n領域1に一方的に流れ、n領
域1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n領域1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1からの電子が、p領域6に流れ込み、ホールと再結
合することによって、p領域6に負電荷が蓄積する動作
も行なえる。この場合には、n領域1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、負電荷が蓄積する動作の方が、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、電子を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。In order to prevent holes from flowing unilaterally from p-region 6 to n-region 1 and to prevent electrons from n-region 1 from flowing into p-region 6 too much, the impurity density of p-region 6 must be set to the impurity density of n-region 1. It should be higher. On the other hand, electrons from n+ region 7 and n region 1 flow into p region 6 and recombine with holes, thereby allowing negative charges to accumulate in p region 6. In this case, the impurity density of n region 1 is p
It is set higher than area 6. The operation in which negative charges are accumulated due to the outflow of holes from the p region 6 is more
This is much faster than the operation in which negative charges are accumulated by electrons flowing into the base of region 6 and recombining with holes. However, according to experiments conducted so far, it has been confirmed that even a refresh operation in which electrons are flowed into the p region 6 shows a sufficiently fast time response for the operation of the photoelectric conversion device.
上記構成に係る光センサセルをXY方向に多数ならべて
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VRH印加後
10−5[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
よる帯積電圧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1
0[sec]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
(このときは第6図(a)の例では、10[μsec]
〜10[sec]のリフレッシュパルス)。以上の例で
は、リフレッシュ電圧VRH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VAを0.6
[V]とすれば、上記、過渡的リフレッシュモードは、
第6図によれば、1[nsec]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。When a photoelectric conversion device is constructed by arranging a large number of optical sensor cells according to the above configuration in the X and Y directions, the accumulated voltage Vp of each sensor cell varies between 0 and 0.4 [V] in the above example according to the image. However, 10-5 [sec] after applying the refresh voltage VRH, although a constant voltage of about 0.3 [V] remains at the base of all sensor cells, the change in the charged product voltage Vp due to the image completely disappears. I know that it will happen. That is, in the photoelectric conversion device using the optical sensor cells according to the above configuration, there is a complete refresh mode in which the base potential of all sensor cells is brought to zero volts by a refresh operation (in this case, in the example of FIG. 6(a), the
0 [sec]), and a transient refresh mode in which a certain constant voltage remains at the base potential but the fluctuation component due to the accumulated voltage Vp disappears (in this case, as shown in Figure 6(a) In the example, 10 [μsec]
~10 [sec] refresh pulse). In the above example, the voltage V applied to the base by the refresh voltage VRH was set to 0.4 [V], but this voltage VA was set to 0.6 [V].
[V], the above transient refresh mode is
According to FIG. 6, the refresh occurs in 1 [nsec] and can be refreshed at extremely high speed. The choice of whether to operate in complete refresh mode or transient refresh mode is determined by the purpose of use of the photoelectric conversion device.
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VKとすると、リフレッシュ電圧VRHを印加後、
VRHをゼロボルトにもどす瞬間の過加的状態において
、
なる負電圧がベースに加算されるので、リフレッシュパ
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。If the voltage remaining at the base in this transient refresh mode is VK, then after applying the refresh voltage VRH,
In the instantaneous additive state when VRH is returned to zero volts, a negative voltage is added to the base, so that the base potential after the refresh operation by the refresh pulse becomes, and the base becomes reverse biased with respect to the emitter.
先に光により励起されたキャリアを蓄積する蓄積動作の
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、このリフレッシュ動作により、
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。It was explained earlier that during the accumulation operation of accumulating carriers excited by light, the base is in a reverse bias state in the accumulation state, but with this refresh operation,
The two operations of refreshing and bringing the base to a reverse bias state are performed simultaneously.
第6図(c)にリフレッシュ電圧VRH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CoKの値を
5pFから100pFまでとっている。丸印は実験値で
あり、実線は
より計算される計算値を示している。このときVK=0
.52Vであり、また、Cbc+Cbe=4pFである
。但し観潤用オシロスコープのプローグ容量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る。FIG. 6(c) shows experimental values of changes in base potential after refresh operation with respect to refresh voltage VRH. As a parameter, the CoK value is set from 5 pF to 100 pF. The circles are experimental values, and the solid lines are more calculated values. At this time VK=0
.. 52V, and Cbc+Cbe=4pF. However, the probe capacitance of 13 pF of the viewing oscilloscope is connected in parallel to Cbc+Cbe. In this way, the calculated values and experimental values are in complete agreement, and the refresh operation has been experimentally confirmed.
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。In the above refresh operation, an example has been described in which the collector is grounded as shown in FIG. 5, but it is also possible to perform the refresh operation with the collector at a positive potential.
このときは、ベース・コレクタ間接合ダイオードDbc
18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、基本
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。At this time, the base-collector junction diode Dbc
18, even if a refresh pulse is applied, the potential applied to the base by this refresh pulse is
If the positive potential applied to the collector is greater, it remains non-conductive, so current flows only through the base-emitter junction diode Dbe16. Therefore, the base potential decreases more slowly, but basically the operation is exactly the same as that described above.
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
方向へシフトすることになる。In other words, the relationship between the base potential and the refresh time in FIG. 6(a) is such that the diagonal straight line when the base potential decreases in FIG. 6(a) shifts to the right, that is, in the direction that requires more time. become.
したがって、コレクタを接地した時と同じリフレッシュ
電圧VRHを用いると、リフレッシュに時間を要するこ
とになるが、リフレッシュ電圧VRH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。Therefore, if you use the same refresh voltage VRH as when the collector is grounded, it will take time to refresh, but if you slightly increase the refresh voltage VRH, you can achieve a high-speed refresh operation just like when the collector is grounded. be.
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。The above is an explanation of the basic operation of the photosensor cell according to the above configuration, which consists of a charge accumulation operation, a readout operation, and a refresh operation by light incidence.
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56−150878、特
開昭560−157073、特開昭56−165473
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、広ダイナミッ
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。As explained above, the basic structure of the optical sensor cell according to the above configuration is the same as that of the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 56-150878, 560-157073, and 56-165473.
They have an extremely simple structure compared to the previous ones, and are fully compatible with future higher resolutions.They also have advantages such as low noise, high output, wide dynamic range, and non-destructive readout due to their excellent amplification function. is stored as is.
次に、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検装置の一実施例につ
いて図面を用いて説明する。Next, an embodiment of the photoelectric substation device of the present invention, which is configured by two-dimensionally arranging the optical sensor cells according to the configuration described above, will be described with reference to the drawings.
基本光センサセル構造を二次元的に3×3に配列した光
電変換装の回路構成図を第7図に示す。FIG. 7 shows a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device in which basic optical sensor cell structures are two-dimensionally arranged in a 3×3 arrangement.
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31、31′、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
32と水平ライン31、31′、31″の間のバッファ
MOSトランジスタ33、33′、33″、バッファM
OSトランジスタ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
加するためのバッファ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30から蓄積電圧を読出すための垂直
ライン38、38′、38″、各垂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4
2、MOSトランジスタ42ヘリフレッシュパルスを印
加するための端子43、出力信号を増幅するためのバイ
ポーラ、MOS、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4
8、48′、48″、およびMOSトランジスタ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。The basic optical sensor cell 30 surrounded by the dotted line already explained
(At this time, the collector of the bipolar transistor is shown to be connected to the substrate and the substrate electrode.), horizontal lines 31, 31', 31'' for applying read pulses and refresh pulses, and for generating read pulses; vertical shift register 32, buffer MOS transistors 33, 33', 33'' between the vertical shift register 32 and horizontal lines 31, 31', 31'', buffer M
A terminal 34 for applying a pulse to the gates of the OS transistors 33, 33', 33'', and a buffer MOS transistor 35, 35' for applying a refresh pulse.
, 35″, a terminal 36 for applying a pulse to its gate, a terminal 37 for applying a refresh pulse,
Vertical lines 38, 38', 38'' for reading the accumulated voltage from the basic photosensor cell 30, horizontal shift register 39 for generating pulses for selecting each vertical line, MOS for gates for opening and closing each vertical line Transistors 40, 40', 40'', an output line 41 for reading out the stored voltage to the amplifier section, and a MOS transistor 4 for refreshing the charge stored in the output line after reading.
2. A terminal 43 for applying a refresh pulse to the MOS transistor 42, a transistor 44 such as bipolar, MOS, FET, J-FET, etc. for amplifying the output signal, a load resistor 45, a terminal for connecting the transistor and the power supply 46, transistor output terminal 47, MOS transistor 4 for refreshing the charges accumulated in the vertical lines 40, 40', 40'' in a read operation;
8, 48', 48'', and MOS transistor 48,
This photoelectric conversion device is constituted by a terminal 49 for applying a pulse to the gates 48' and 48''.
この光電変換装置の動作について第7図および第8図に
示すパルスタイミング図を用いて説明する。The operation of this photoelectric conversion device will be explained using pulse timing diagrams shown in FIGS. 7 and 8.
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。In FIG. 8, section 61 is a refresh operation;
2 corresponds to the storage operation, and section 63 corresponds to the readout operation.
時刻t1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、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、M0S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′、38″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トランジスタが導通する電圧が印加されており、全画
面一括リフレッシュ用バッファMOSトランジスタ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″を通して各光センサセル
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、
完全リフレッシュモード又は過渡的リフッレンユモード
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のパルス幅により決定されるわけである。At time t1, the substrate potential, that is, the collector potential 64 of the photosensor cell portion is kept at the ground potential or positive potential, and FIG. 8 shows that it is kept at the ground potential. Regardless of whether it is a ground potential or a positive potential, as already explained, the time required for refreshing differs, and there is no change in the basic operation.
5 is in a high state, and the M0S transistors 48, 4
8′, 48″ are kept conductive, and each photosensor cell is
It is grounded through vertical lines 38, 38', 38''. Also, terminal 36 has a buffer MO as shown in waveform 66.
A voltage that makes the S transistor conductive is applied to the buffer MOS transistor 35 for refreshing the entire screen at once.
, 35', 35'' are in a conductive state. In this state, when a pulse is applied to the terminal 37 as shown in waveform 67, a voltage is applied to the base of each optical sensor cell through the horizontal lines 31, 31', 31''. , as already explained, the refresh operation begins, and the charge that had been accumulated before then is
It is refreshed according to a complete refresh mode or a transient refresh mode. The pulse width of waveform 67 determines whether the mode is complete refresh mode or transient refresh mode.
t2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、他の印加
パルスは全てlow状態に保たれている。At time t2, as described above, the base of the transistor of each photosensor cell is reverse biased with respect to the emitter, and the next accumulation period 62 is entered. In this refresh period 61, as shown in the figure, all other applied pulses are kept in a low state.
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は正電位にする。これ
により光照射により発生したエレクトロン・ホール対の
うちのエレクトロンを、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。In the accumulation operation section 62, the substrate voltage, that is, the collector potential waveform 64 of the transistor is set to a positive potential. This allows electrons of the electron-hole pairs generated by light irradiation to quickly flow toward the collector side. However, keeping this collector potential at a positive potential is not an essential condition because the base is biased in the reverse direction with respect to the emitter, that is, images are taken with a negative potential.It is also basic to keep the collector potential at ground potential or a slightly negative potential. There is no change in the storage behavior.
蓄積動作状態においては、MOSトランジスタ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。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38、38′、38
″を通して流れ、そこでベース電位変化は停止し、はク
ッリプされることになる。In the storage operation state, the MOS transistors 48, 4
The potential 65 of the gate terminal 49 of 8', 48'' is kept high, as in the refresh interval, and each MOS transistor is kept conductive. Therefore, the emitter of each photosensor cell is connected to the vertical line 38, 38'. , 38''. When holes are accumulated in the base due to strong light irradiation and become saturated, that is, when the base potential becomes forward biased with respect to the emitter potential (ground potential), the holes become vertical lines 38, 38'. , 38
'', where the base potential change stops and becomes clipped.
したがって、垂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″により共通に接
続されていても、この様に垂直ライン38、30′、3
0″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。Therefore, even if the emitters of vertically adjacent photosensor cells are commonly connected by vertical lines 38, 38', 38'', vertical lines 38, 30', 3
If 0'' is grounded, no blooming phenomenon will occur.
このブルーミング現像をさける方法は、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。To avoid this blooming development, even if the MOS transistors 48, 48', 48'' are made non-conductive and the vertical lines 38, 38', 38'' are made floating, the substrate potential, that is, the collector potential 64, may be slightly reduced. This can also be achieved by setting the potential to be negative, and when the base potential changes to a positive potential due to accumulation of holes, the potential flows toward the collector side before the emitter.
蓄積区間62に次いで、時刻t3より読出し区間63に
なる。この時刻t3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MOSトラン
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。Following the accumulation section 62, a readout section 63 begins at time t3. At this time t3, the MOS transistor 48
, 48', 48'', the potential 65 of the gate terminal 49 is low.
Then, the potential 68 of the gate terminals of the buffer MOS transistors 33, 33', 33'' of the horizontal lines 31, 31', 31'' is set to high, thereby making each MOS transistor conductive. However, the timing at which the potential 68 of the gate terminal 34 is set to high is not necessarily at time t3, but may be at an earlier time.
時刻t4では、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、38′、38″
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
電圧対する読出し電圧が、十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、V8ias分だけエミッタに対して順方向バイア
スがかかる様調撃される。At time t4, among the outputs of the vertical shift register 32, those connected to the horizontal line 31 are as shown in the waveform 69.
Since the MOS transistor 33 is in a conductive state at this time, each of the three photosensor cells connected to the horizontal line 31 is read out. This readout operation is as already explained above, and the signal voltage generated by the signal charge accumulated in the base region of each photosensor cell remains unchanged on the vertical lines 38, 38', 38''.
appears in The pulse width of the pulse voltage from the vertical shift register 32 at this time is set to a pulse width that maintains a sufficient linearity between the read voltage and the stored voltage, as shown in FIG. Further, as explained above, the pulse voltage is adjusted so that a forward bias is applied to the emitter by V8ias.
次いで、時刻t5において、水平シクトレジスタ39の
出力のうち、垂直ライン38に接続されたMOSトラン
ジスタ40のゲートへの出力だけが波形70のごとくh
ighとなり、MOSトランジスタ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41
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t6において、MOSトランジスタ42のゲート端子
43にパルス波形71のごとくパルスを印加し、MOS
トランジスタ42を導通状態にして出力ライン41を接
地して、この残留した信号電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MOSトラ
ンジスタ40′、40″を順次導通させて垂直ライン3
8′、38″の信号出力を読出す。この様にして水平に
並んだ一ライン分の各光センサセルからの信号を読出し
た後、垂直ライン38、38′、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電荷が残
留しているので、各垂直ライン38、38′、38″に
接続されたMOSトランジスタ48、48′、48″を
、それのゲート端子49に波形65で示される様にhi
ghにして導通させ、この残留信号電荷をリフレッシュ
する。Next, at time t5, among the outputs of the horizontal select register 39, only the output to the gate of the MOS transistor 40 connected to the vertical line 38 becomes h as shown in the waveform 70.
high, the MOS transistor 40 becomes conductive, and the output signal passes through the output line 41 and enters the output transistor 44, where the current is amplified and output from the output terminal 47. After the signal is read out in this way, the output line 41
Since the signal charge due to the wiring capacitance remains, at time t6, a pulse as shown in pulse waveform 71 is applied to the gate terminal 43 of the MOS transistor 42,
The remaining signal charge is refreshed by turning on the transistor 42 and grounding the output line 41. Thereafter, in the same manner, the switching MOS transistors 40' and 40'' are made conductive one after another, and the vertical line 3
8' and 38'' are read out. After reading out the signals from each horizontally arranged line of photosensor cells in this way, the output line 41 is read out on the vertical lines 38, 38', and 38''. Similarly, since the signal charge due to the wiring capacitance remains, the MOS transistors 48, 48', 48'' connected to each vertical line 38, 38', 38'' are connected to their gate terminal 49. As shown by waveform 65, hi
gh to make it conductive and refresh this residual signal charge.
次いで、時刻t8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′のごとく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、各垂直ライン
138、38′、38″に読出されるわけである。以下
、順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。Next, at time t8, the vertical shift register 32
Of the outputs, the output connected to the horizontal line 31' becomes high as shown in waveform 69', and the accumulated voltage of each photosensor cell connected to the horizontal line 31' is applied to each vertical line 138, 38', 38''. Thereafter, signals are sequentially read out from the output terminal 47 by the same operations as before.
以上の説明においては、蓄積区間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メ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、この時のリフレッシュは全画面一括りフレッシ
ュではなく、一ライン毎のリフレッシュ機能が必要であ
る。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t7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トランジスタ4
8、48′、48″を導通にするが、このとき水平ライ
ン31にリフレッシュパルスを印加する。すなわち、波
形69において時刻t7においても時刻t4と同様、パ
ルス電圧、パルス幅、の異なるの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から動作させることにより達成
させることも可能である。In the above explanation, the storage section 62 and the readout section 63 are
The description has been made of the operating conditions applied to application fields in which there are clear divisions, such as methyl video, which has been actively researched and developed recently. It is also possible to apply the present invention to an application field where the operations in FIG. 8 are performed simultaneously by changing the pulse timing shown in FIG. However, the refresh at this time does not refresh the entire screen at once, but requires a refresh function for each line. For example, after the signals of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 are read out, the MOS transistor 4 is used to erase the charge remaining on each vertical line at time t7.
8, 48', and 48'', but at this time a refresh pulse is applied to the horizontal line 31. That is, in the waveform 69, at time t7, pulses with different pulse voltages and pulse widths are applied at time t4 as well. This can be achieved by using a vertical shift register configured to generate refresh pulses.In addition to this double-pulse operation, instead of the device that applies a batch refresh pulse installed on the right side of Fig. 7, It is also possible to achieve this by providing a second vertical shift register on the right side, similar to the one on the left side, and operating it at a timing different from that of the vertical register provided on the left side.
このときは、すでに説明した様な蓄積状態において、各
光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V8ias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図のグラフからわかる様に、V8iasを
印加しない時に、各光センサセルの飴和により、垂直ラ
イン28、28′、28″に流れだす信号電荷分はきわ
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。In this case, in the accumulation state as described above, there is less freedom in controlling the blooming by controlling the potentials of the emitter and collector of each photosensor cell. However, as explained in the basic operation section, in the read state, the configuration is such that high-speed reading can only be performed when a bias voltage of V8ias is applied to the base. When no voltage is applied, the amount of signal charge flowing into the vertical lines 28, 28', 28'' due to the candy of each photosensor cell is extremely small, and the blooming phenomenon does not pose a problem at all.
また、スミア現象に対しても、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注されるという
、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、、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
ずる問題である。Moreover, the photoelectric conversion device according to this embodiment can obtain extremely excellent characteristics with respect to the smear phenomenon. The smear phenomenon is a problem that occurs in the operation and structure of CCD type imaging devices, especially frame transfer type, in which charge is transferred to the area irradiated with light. This problem occurs because carriers generated deep in the semiconductor due to light are accumulated in the charge transfer section.
また、MOS型撮像装置においては、各光センサセルに
接地されたスイッチングMOSト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。Furthermore, in a MOS type imaging device, this problem arises because carriers generated deep in the semiconductor due to long wavelength light are accumulated on the drain side of the switching MOS transistor grounded in each photosensor cell.
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、一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。In contrast, in the photoelectric conversion device according to this embodiment, there is no smear phenomenon that occurs due to its operation and structure, and there is no phenomenon that carriers generated deep in the semiconductor are accumulated due to long wavelength light. However, there is a concern that electrons are accumulated among the electrons and holes generated relatively near the surface of the emitter of the optical sensor cell. Therefore, electrons are not accumulated and smear phenomenon does not occur. In addition, during the line refresh operation applied to ordinary television cameras, during the horizontal blanking period, the vertical line is grounded and refreshed before reading out the accumulated voltage on the vertical line, so at the same time the emitter is The electrons accumulated during one horizontal scanning period flow out, and therefore almost no smear phenomenon occurs. In this way, in the photoelectric conversion device according to this example,
Due to its structure and operation, the smear phenomenon occurs to an essentially negligible extent, which is one of the major advantages of the photoelectric conversion device according to this embodiment.
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。Further, although the operation of suppressing the blooming phenomenon by manipulating the emitter and collector potentials in the storage operation state has been described above, it is also possible to use this to control the γ characteristics.
すなわち、蓄積動作の途中おいて、一時的にエミッタま
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、蓄積電圧と入射光量に対する関係は、入射光量の小
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1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。In other words, during the accumulation operation, the potential of the emitter or collector is temporarily set to a certain negative potential, and of the carriers accumulated in the base, holes that are accumulated in a greater number than the number of carriers that give this negative potential are transferred to the emitter. Alternatively, the data may be flowed to the collector side. As a result, the relationship between the accumulated voltage and the amount of incident light exhibits the characteristic of γ=1 of silicon crystal when the amount of incident light is small, and exhibits the characteristic that γ becomes smaller than 1 when the amount of incident light is large. In other words, it is possible to provide the characteristic of γ=0.45, which is normally required for a television camera, using a polygonal line approximation. If the above operation is performed once during the storage operation, a one-fold line approximation can be obtained, and if the negative potential applied to the emitter or collector is changed twice as appropriate, it is also possible to have a two-fold line type γ characteristic.
また、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
く埋込n+領域を設け、各ライン毎にコレクタを分割さ
せる様な構造としてもよい。Further, in the above embodiments, the silicon substrate is used as a common collector, but a buried n+ region may be provided as in a normal bipolar transistor, and the collector may be divided for each line.
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、水平シフトレジス3
9を駆動するためのクロックパルスが必要である。In addition to the pulse timing shown in FIG. 8, the actual operation requires the vertical shift register 32 and the horizontal shift register 3.
A clock pulse is required to drive 9.
第9図に出力信号に関係する等価回路を示す。FIG. 9 shows an equivalent circuit related to the output signal.
容量Cv80は、垂直ライン38、38、38″の配線
容量であり、容量Cu81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MOS
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RM82で示して
いる。また増幅用トランジスタ44を抵抗re83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。The capacitance Cv80 is the wiring capacitance of the vertical lines 38, 38, 38'', and the capacitance Cu81 is the wiring capacitance of the output line 41.The equivalent circuit on the right side of FIG.
This is in the read state, and the switching MOS
Transistors 40, 40', 40'' are in a conductive state;
Its resistance value in the conductive state is shown by resistor RM82. Further, the amplification transistor 44 is shown as an equivalent circuit using a resistor re83 and a current source 84. The MOS transistor 42 for refreshing the charge accumulation caused by the wiring capacitance of the output line 41 is non-conductive in the read state and has high impedance, so it is omitted in the equivalent circuit on the right side.
等価回路の各パラメータは、実際に構成する光電変換装
置の大きさにより決定されるわけであるが、例えば、容
量CV80は約4pF位、容量CH81は約4pF位、
MOSトランジスタの導通状態の抵抗RM82は3KΩ
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。Each parameter of the equivalent circuit is determined by the size of the photoelectric conversion device actually configured. For example, the capacitance CV80 is about 4 pF, the capacitance CH81 is about 4 pF,
Resistance RM82 in conduction state of MOS transistor is 3KΩ
FIG. 10 shows an example of calculating the output signal waveform observed at the output terminal 47, assuming that the current amplification factor β of the bipolar transistor 44 is approximately 100.
第10図において横軸はスイッチングMOSトランジス
タ40、40′、40″が導通した瞬間からの時間[μ
s]を、縦軸は垂直ライン38、38′、38″の配線
容量CV80に、各光センサセルから信号電荷が読出さ
れて1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[V]をそれぞれ示している。In FIG. 10, the horizontal axis represents the time [μ
s], and the vertical axis is the output terminal 47 when the signal charge is read out from each photosensor cell and a voltage of 1 volt is applied to the wiring capacitance CV80 of the vertical lines 38, 38', 38''.
The output voltages [V] appearing in each are shown.
出力信号波形85は負荷抵抗RE45が10KΩ、86
は負荷抵抗RE45が5KΩ、87は負荷抵抗RE45
が2KΩのときのものであり、いずれにおいてもピーク
値は、Cv80とCH81の容量分割により0.5V程
度になっている。当然のことながら、負荷抵抗RE45
が大きい方が減衰量は小さく、望ましい出力波形になっ
ている。The output signal waveform 85 shows that the load resistance RE45 is 10KΩ, 86
The load resistance RE45 is 5KΩ, and the load resistance RE45 is 87.
is 2KΩ, and in both cases, the peak value is about 0.5V due to capacitance division between Cv80 and CH81. Naturally, the load resistance RE45
The larger the value, the smaller the amount of attenuation, resulting in a desirable output waveform.
立上り時間は、上記のパラメータ値のとき、約20ns
ecと高速である。スイッチングMOSトランジスタ4
0、40′、40″の導通状態における抵抗RMを小さ
くすることにより、および、配線容量CV、CH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。The rise time is approximately 20ns with the above parameter values.
EC and high speed. Switching MOS transistor 4
By reducing the resistance RM in the conductive state of 0, 40', and 40'' and by reducing the wiring capacitances CV and CH, even higher-speed reading is possible.
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、MOS型
撮像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
を使うことも当然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トランジスタから発生
する画像上目につきやすい1/f雑音の問題が、本実施
例の光電変換装置では発生せず、きわめてS/M比の良
い画質を得ることが可能である。In a photoelectric conversion device using photosensor cells with the above configuration, the voltage appearing at the output is large due to the amplification function of each photosensor cell, so the final stage amplification amplifier is also quite simple compared to a MOS type imaging device. That's fine. In the above example, a one-stage bipolar transistor type was used, but it is of course possible to use other systems, such as a two-stage structure. When bipolar transistors are used as in this example, the problem of 1/f noise that is easily noticeable on images generated from the MOS transistor of the final stage amplifier in a CCD imaging device does not occur in the photoelectric conversion device of this example. It is possible to obtain image quality with an extremely good S/M ratio.
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、最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、増幅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。As mentioned above, in a photoelectric conversion device using a photosensor cell with the above configuration, the amplification amplifier at the final stage can be extremely simple, so the configuration shown in FIG. 7 in which only one amplification amplifier at the final stage is provided Instead of the type shown in the embodiment shown, it is also possible to install a plurality of amplification amplifiers so that one screen can be divided into a plurality of parts and read out.
第11図に、分割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、(2n
+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
列目、(n+2)列目、(2n+2)列目が読出される
ことになる。FIG. 11 shows an example of a divided readout method. In the embodiment shown in FIG. 11, the horizontal direction is divided into three parts, and the final stage amplifier is divided into three parts.
This is an example of installing one. Although the basic operation is almost the same as that described using the embodiment of FIG. 7 and the timing diagram of FIG. 8, the embodiment of FIG. 11 uses three equivalent horizontal shift registers 100, 101. , 102 are provided, and when a starting pulse is input to the terminal 103 for applying these starting pulses, the 1st column, (n+1)th column, and (2n
The outputs of the sensor cells connected to the +1)th column (n is an integer, and in this embodiment, the number of picture elements in the horizontal direction is 3n) are read out simultaneously. At the next point, 2
The column, (n+2) column, and (2n+2) column will be read.
この実施例によれば、一本の水平ラインを読出す時間が
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、分割読出し方式の大
きな利点である。According to this embodiment, when the time to read one horizontal line is fixed, the scanning frequency in the horizontal direction is 1/3 that of the system with one final stage amplifier. The horizontal shift register is simple, and the high-speed analog/digital converter is suitable for applications such as analog/digital conversion of the output signal from a photoelectric conversion device and signal processing.
No digital converter is required, which is a major advantage of the split readout method.
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。In the embodiment shown in FIG. 11, three equivalent horizontal shift registers are provided, but the same function can be provided with only one horizontal register. An example in this case is shown in FIG.
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MOSトランジスターと、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。The embodiment shown in FIG. 12 shows only the horizontal switching MOS transistor and the middle part of the final stage amplifier of the embodiment shown in FIG. 11, and the other parts are not shown.
Since it is the same as the embodiment shown in FIG. 11, it is omitted.
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)列目
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。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。In this embodiment, the output from one horizontal shift register 104 is connected to the gates of the switching MOS transistors in the 1st column, (n+1) column, and (2n+1) column, and these lines are read out simultaneously. There is. At the next time, the second column, (n+2) column, and (2n+2) column are read out.
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。According to this embodiment, although the number of wirings to the gates of each switching MOS transistor increases, it is possible to operate with only one horizontal shift register.
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。In the examples shown in FIGS. 11 and 12, three output amplifiers are provided, but it goes without saying that this number may be increased depending on the purpose.
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、他のチップ上に設けられたクロ
ックパルス発生器から供給される。In both the embodiments shown in FIGS. 11 and 12, the starting pulses and clock pulses for the horizontal shift register and vertical shift register are omitted, but they are provided in the same chip like other refresh pulses. It is supplied from a clock pulse generator or a clock pulse generator provided on another chip.
この分割読出し方式では、水平ライン一括又は全画面一
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、実用上問題はない。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、キョシ状波を発生させ
、これと暗電流成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。In this split readout method, when horizontal lines or all screens are refreshed at once, the accumulation time is slightly different between the n-th and (n+1)-th column photosensor cells, which causes dark current components and signal components to It is possible that a slight discontinuity may occur and be visible on the image, but
This amount is small and poses no practical problem. Furthermore, even if this has exceeded the allowable limit, correcting it using an external circuit will generate a sharp wave, subtracting this from the dark current component, and multiplying and dividing this by the signal component. This is easily possible using conventional correction techniques.
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チップ化したり、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。When capturing color images using such a photoelectric conversion device, it is possible to create a stripe filter or mosaic filter on-chip, or to attach a separately made color filter on top of the photoelectric conversion device. It is possible to obtain color signals.
一例としてR、G、Bのストライプ・フィルターを使用
した時は、上記構成に係る光センサセルを利用した光電
変換装置ではそれぞれ別々の最終段アンプよりR信号、
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1列目はRのカラー
フィルター、2列め目は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−
−−−−−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信号をとりだす。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ア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。As an example, when R, G, and B stripe filters are used, in a photoelectric conversion device using the photosensor cell according to the above configuration, the R signal,
It is possible to obtain a G signal and a B signal. An example of this is shown in FIG. This figure 13 is similar to figure 12,
Only the area around the horizontal register is shown. The rest is the same as in Figures 7 and 11, except that the first row is an R color filter, the second row is a G color filter, the third row is a B color filter, and the fourth row is an R color filter. It is assumed that a color filter is attached, such as a filter. As shown in Figure 13, the 1st row, 4th row, 7th row ---
--- each vertical line is connected to an output line 110;
This takes out the R signal. Also, 2nd row, 5th row, 8th row-
Each vertical line of ---- is connected to an output line 111, which takes out the G signal. Similarly, in the third row,
Each vertical line in the 6th column and 9th column is connected to the output line 112 to take out the B signal. Output line 11
0, 111, and 112 are connected to an on-chip refresh MOS transistor and a final stage amplifier, for example, an emitter follower type bipolar transistor, and each color signal is output separately.
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
の図を第14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。FIG. 14 shows a diagram for explaining the basic structure and operation of another example of a photosensor cell constituting a photoelectric conversion device according to another example of the present invention. Further, its equivalent circuit and overall circuit configuration diagram are shown in FIG. 15(a).
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
キャパシタ電極9が一つだけであったものが上下に隣接
する光センサーセルの側にもMOSキャパシタ電極12
0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
いて上下に隣接する光センサセルのエミッタ7、は2層
配線にされた配線(1)8、および配線(2)121(
第14図では、垂直ラインが1本に見えるが、絶縁層を
介して2本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(1)8に、エミッタはコンタクトホール1を通して
配線(2)121にそれぞれ接続されていることが異な
っている。The photosensor cell shown in FIG. 14 is an photosensor cell that can simultaneously perform a read operation and a line refresh using the same horizontal scan pulse. 1st
4, the difference from the configuration already shown in FIG. 1 is that the MOS connected to the horizontal line wiring 10 in FIG.
Although there was only one capacitor electrode 9, there were also MOS capacitor electrodes 12 on the sides of the vertically adjacent optical sensor cells.
0 is connected, and when viewed from one optical sensor cell, it is a double capacitor type, and in the figure, the emitters 7 of the vertically adjacent optical sensor cells are two-layer wiring (1) 8, and the wiring (2) 121(
In Fig. 14, the vertical line appears to be one, but two lines are arranged through an insulating layer) and are connected alternately to
That is, the emitter 7 is connected to the wiring (1) 8 through the contact hole 19, and the emitter is connected to the wiring (2) 121 through the contact hole 1.
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のベースに接続さ
れたMOSキャパシタ150は水平ライン31に接続さ
れ、MOSキャパシタ151は水中ライン3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15のMOSキャパシタ15は共通す
る水平ライン3に接続されている。This becomes clearer when looking at the equivalent circuit shown in FIG. 15(a). That is, the MOS capacitor 150 connected to the base of the optical sensor cell 152 is connected to the horizontal line 31, and the MOS capacitor 151 is connected to the underwater line 3. Further, in the diagram of the optical sensor cell 152, the MOS capacitors 15 of the optical sensor cells 15 adjacent below are connected to the common horizontal line 3.
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15のエミッタは垂直ライン138に、光セ
ンサセル15のエミッタは重直ライン38という様にそ
れぞれ交互に接続されている。The emitter of the photosensor cell 152 is connected to the vertical line 38, the emitter of the photosensor cell 15 is connected to the vertical line 138, and the emitter of the photosensor cell 15 is connected to the vertical line 38, and so on.
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フレッシュするためのスイッチングMO
S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MOSトランジスタ14
8 、および垂直ライン38を選択するスイッチングM
OS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MOSトランジスタ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、各ライン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、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。The equivalent circuit in FIG. 15(a) differs from the imaging device in FIG. 7 except for the basic photosensor cell section described above.
Switching MO for vertical line 38 refreshing
In addition to the S transistor 48, a switching MOS transistor 14 for refreshing the vertical line 138 is provided.
8, and switching M to select vertical line 38.
In addition to the OS transistor 40, a switching MOS transistor 140 for selecting the vertical line 138 is added, and one output amplifier system is added. The configuration of this output system is such that switching MOS transistors 48 and 148 are connected to refresh each line, and a horizontal scanning switching MOS transistor is used as shown in FIG. 15(b). A configuration with only one output amplifier is also possible. FIG. 15(b) shows only the vertical line selection and output amplifier system portions of FIG. 15(a).
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。すなわら
、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3に出力されるとMOSキャパシタ1
51を通して、読出しの終了した光センサセル152を
リフレッシュする。このとき、スイッチングMOS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。According to the optical sensor cell shown in FIG. 14 and the embodiment shown in FIG. 15(a), the following operations are possible. In other words, when the readout operation of each optical sensor cell connected to the horizontal line 31 is completed and the horizontal blanking period in the TV operation is in progress, when the output pulse from the vertical shift register 32 is output to the horizontal line 3. MOS capacitor 1
51, the optical sensor cell 152 that has been read is refreshed. At this time, the switching MOS transistor 48 is rendered conductive, and the vertical line 38 is grounded.
また水平ライン3に接続されたMOSキャパシタ15を
通して光センサーセル15の出力が垂直ライン138に
1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
終子した光センサーセルのリフレッシュと、次のライン
の光センサー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、これは第14図に示すごとく、M
OSキャパシタ電極9およびMOSキャパシタ電極12
0の面積を変えることにより各電極に同一の電圧が印加
されても各光センサー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。Further, the output of the photosensor cell 15 is read out to the vertical line 138 through the MOS capacitor 15 connected to the horizontal line 3. At this time, the switching MOS transistor 148 is naturally rendered non-conductive, and the vertical line 138 is in a floating state. In this way, with one vertical scan pulse, it is possible to simultaneously refresh the photosensor cells that have already finished reading and read out the photosensor cells of the next line using the same pulse. At this time, as already explained, the voltage at the time of refreshing and the voltage at the time of reading differ because a bias voltage is applied at the time of reading due to the necessity of high-speed reading.
OS capacitor electrode 9 and MOS capacitor electrode 12
This is achieved by changing the area of 0 so that even if the same voltage is applied to each electrode, different voltages are applied to the base of each photosensor cell.
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、一ラインずつリフレッシュして
いく場合には、第1図(b)に示されるようにコレクタ
をn型あるいは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電流が流れ、消
費電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
レクター各水平ラインごとに互いに分熱されたn埋込領
域を設けた構造にする。隣り合う水平ラインのn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
。In other words, the area of the refresh MOS capacitor is
The area is smaller than that of the read MOS capacitor. When refreshing one line at a time instead of refreshing all the sensor cells at once, as in this example, the collector should be configured with an n-type or n-substrate as shown in Figure 1(b). However, it may be desirable to separate collectors for each horizontal line. When the collector is a substrate, the collector of all optical sensor cells is a common area, so
In the storage and light reception/readout states, a constant bias voltage is applied to the collector. Of course, as already explained, floating base refresh can be performed between the emitters even with a bias voltage applied to the collector. However, in this case, there is a drawback that at the same time that the base region is refreshed, a wasteful current flows between the emitter and collector of the cell to which the refresh pulse is applied, increasing power consumption. In order to overcome these drawbacks, instead of making the collectors of all the sensor cells a common area, the collectors of the sensor cells arranged in each horizontal line are common, but the collectors of each horizontal line are structured to be separated from each other. That is, to explain in relation to the structure shown in FIG. 1, the substrate is of a p-type, and an n-buried region heated mutually is provided for each horizontal line of the collector in the p-type substrate. The N buried regions of adjacent horizontal lines may be separated by a structure in which a P region is interposed therebetween. Dielectric isolation is better for reducing buried collector capacitors along horizontal lines. In FIG. 1, since the collector is comprised of a substrate, all isolation regions surrounding the sensor cell are provided to approximately the same depth. On the other hand, in order to separate the collectors of each horizontal line from each other, the separation area in the horizontal line direction is made deeper than the separation area in the vertical line direction by a necessary value.
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、リフレッシユ動作が始まる時に、その水平
ラインのコレクタの電圧を接地すれば、前述したような
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。If the collector is separated for each horizontal line, if the voltage of the collector of that horizontal line is grounded when reading is finished and the refresh operation starts, the emitter-collector current as described above will not flow, and the power consumption will be reduced. does not result in an increase in When refreshing is completed and a charge storage operation based on an optical signal begins, a predetermined bias voltage is applied to the collector region again.
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に交互に出力され
ることになる。これは、すでに説明したごとく、第15
図(b)の様な構成にすることにより一つのアンプから
出力をとりだすことも可能である。According to the equivalent circuit shown in FIG. 15(a), outputs are alternately output to the output terminals 47 and 147 for each horizontal line. As already explained, this is the 15th
It is also possible to take out the output from one amplifier by using a configuration as shown in FIG. 2(b).
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、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。As explained above, according to this embodiment, line refreshing is possible with a relatively simple configuration, and it can be applied to ordinary fields of application such as television cameras.
本発明の他の実施例としては、光センサセルに複数のエ
ミッタを設けた構成あるいは、一つのエミッタに複数の
コンタクトを設けた構成により、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。As another embodiment of the present invention, a type may be considered in which a plurality of outputs are taken out from one optical sensor cell by a configuration in which the optical sensor cell is provided with a plurality of emitters, or a configuration in which one emitter is provided with a plurality of contacts.
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置容
量が接続されても、光センサセルの内部で発生した蓄積
電圧Vpが、まったく減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。This is because each optical sensor cell of the photoelectric conversion device according to the present invention has an amplification function, so even if multiple capacitors are connected to each optical sensor cell in order to extract multiple outputs from one optical sensor cell, the optical sensor cell This is due to the fact that the internally generated accumulated voltage Vp can be read out to each output without attenuating at all.
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。In this way, by having a configuration in which multiple outputs can be taken out from each optical sensor cell, many advantages can be added to the photoelectric conversion device formed by arranging a large number of each optical sensor cell in terms of signal processing, noise countermeasures, etc. is possible.
次に本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成長(N.En
do et at,“Hovei device is
olationtechnology with se
lected cpitanial growth”T
ech.Dig.of 1982 IEDM,PP.2
41−244参照)を用いたその製法の一例を示す。Next, an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention will be described. FIG. 16 shows selective epitaxial growth (N.En
do et at, “Hovei device is
ation technology with se
received cpitanial growth"T
ech. Dig. of 1982 IEDM, PP. 2
41-244)) is shown below.
1〜10×1016cm−3程度の不純物濃度のn形S
i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+領域からのオー
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。n-type S with an impurity concentration of about 1 to 10 x 1016 cm-3
An n+ region 11 for contact is provided on the back side of the i-substrate 1.
Provided by diffusion of As or P. In order to prevent autodoping from the n+ region, an oxide film and a nitride film are usually provided on the back surface, although not shown.
基板1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エ
ハで十分に長くかつ均一な結晶ウエハを用いる。その様
なものとしては例えばMCZ法による結晶が適している
。基板1の表面に略々1μm程度の酸化膜をウエット酸
化により形成する。すなわち、H2O雰囲気かあるいは
(H2+O2〕雰囲気で酸化する。積層欠陥等を生じさ
せずに良好な酸化膜を得るには、900℃程度の温度で
の高圧酸化が適している。The substrate 1 used has impurity concentration and oxygen concentration controlled to be uniform. That is, a crystal wafer having a sufficiently long and uniform carrier line time is used. For example, a crystal produced by the MCZ method is suitable as such a material. An oxide film approximately 1 μm thick is formed on the surface of the substrate 1 by wet oxidation. That is, oxidation is performed in an H2O atmosphere or (H2+O2) atmosphere.High-pressure oxidation at a temperature of about 900.degree. C. is suitable for obtaining a good oxide film without producing stacking faults.
その上に、たとえば2〜4μm程度の厚さのSiO2膜
をCVDで堆積する。(N2+SiH4+O2)ガス系
で、300〜500℃程度の温度で所望の厚さのSiO
2膜を堆積する。O2/SiH4のモル比は温度にもよ
るが4〜40程度に設定する。フォトリソグラフィ工程
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)、C2F6、C
H2F2等のガスを用いたリアクティブイオンエッチン
グで除去する(第16図の工程(a))、例えば、10
×10μm2に1画素を設ける場合には、10μmピッ
チのメッシュ状にSiO2膜を残す。SiO2膜の幅は
たとえば2μm程度に選ばれる。リアクティブイオンエ
ッチングによる表面のダメージ層及び汚染層を、Ar/
Cl2ガス系プラズマエッチングかウエットエッチング
によって除去した後、超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雰囲気が清浄になされた
スパッタ、あるいは、SiH4ガスにCO2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30
1を堆積する(第16図の工程(b))。CBrF3、
CCl2F2、Cl2等のガスを用いたリアクティブイ
オンエッチングによる異方性エッチにより、SiO2層
側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
と汚染層を十分除去した後、シリコン基板表面を十分清
浄に洗浄し、(H2+SiH2、Cl2+HCl)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900〜1000
℃、HClのモル比をある程度以上高い値に設定する。A SiO2 film having a thickness of, for example, about 2 to 4 .mu.m is deposited thereon by CVD. (N2+SiH4+O2) gas system to obtain desired thickness of SiO at a temperature of about 300 to 500℃.
2 films are deposited. The molar ratio of O2/SiH4 is set to about 4 to 40, although it depends on the temperature. Through the photolithography process, the oxide film in the other regions is formed into (CF4+H2), C2F6, C
For example, remove by reactive ion etching using a gas such as H2F2 (step (a) in Figure 16).
When one pixel is provided in ×10 μm2, the SiO2 film is left in a mesh shape with a pitch of 10 μm. The width of the SiO2 film is selected to be, for example, about 2 μm. The damaged layer and contamination layer on the surface by reactive ion etching are
After removal by Cl2 gas-based plasma etching or wet etching, evaporation in an ultra-high vacuum, sputtering in a load-lock format with a sufficiently purified atmosphere, or low-pressure light CVD in which SiH4 gas is irradiated with a CO2 laser beam. So, amorphous silicon 30
1 (step (b) in FIG. 16). CBrF3,
Amorphous silicon other than those deposited on the side surfaces of the SiO2 layer is removed by anisotropic etching using reactive ion etching using a gas such as CCl2F2 or Cl2 (step (c) in FIG. 16). As before, after sufficiently removing the damage and the contamination layer, the silicon substrate surface is thoroughly cleaned, and a silicon layer is selectively grown using a (H2+SiH2, Cl2+HCl) gas system. Several 10 Torr
The growth is performed under reduced pressure, and the substrate temperature is 900-1000℃.
℃ and the molar ratio of HCl are set to higher values than a certain level.
HClの量が少なすぎると選択成長は起こらない。シリ
コン基板上にはシリコン結晶層が成長するが、SiO2
層上のシリコンはHClによってエッチングされてしま
うため、SiO2層上にはシリコンは堆積しない(第1
6図(d))。n−層5の厚さはたとえば3〜5μm程
度である。If the amount of HCl is too small, selective growth will not occur. A silicon crystal layer grows on a silicon substrate, but SiO2
No silicon is deposited on the SiO2 layer because the silicon on the layer is etched by HCl (first
Figure 6(d)). The thickness of the n-layer 5 is, for example, about 3 to 5 μm.
不純物濃度は、好ましくは1012〜1016cm−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。The impurity concentration is preferably 1012 to 1016 cm-3
Set to a certain degree. Of course, it is possible to deviate from this range, but if the pn junction is completely depleted at the diffusion potential or an operating voltage is applied to the collector, at least n
- It is desirable to select an impurity concentration and thickness such that the region is completely depleted.
通常入手できるHCl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膜が形成されると
いうようなことになって、到底高品質のエピタキシャル
成長は望めない。水分の多いHCl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
属を大量に含むことになって、重金属汚染の多いエピ層
になり易い。光センサーセルに使用するエピ層は、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。SiH2Cl2に
超高純度の材料を使用することはもちろんであるが、H
Cl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。Since commonly available HCl gas contains a large amount of water, an oxide film is constantly formed on the surface of the silicon substrate, making it impossible to expect high-quality epitaxial growth. HCl containing a large amount of water reacts with the material of the cylinder when it is in the cylinder and contains a large amount of heavy metals, mainly iron, which tends to result in an epitaxial layer that is heavily contaminated with heavy metals. Since it is desirable for the epitaxial layer used in the optical sensor cell to have as little dark current component as possible, it is necessary to suppress contamination by heavy metals to the utmost. Of course, ultra-high purity materials are used for SiH2Cl2, but H
Cl is particularly low in moisture, preferably having a moisture content of at least 0.5 ppm or less. Of course, the lower the water content, the better.
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1150〜1250℃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、デヌーデッドゾーンを有するイントリシックゲッタ
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。分離領域としてのSiO2層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、SiO2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。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。反応室内にカーボンサセプタなど持込まないラ
ンプ加熱によるウエ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、高品質エピ層を低温で成長させら
れる。In order to further improve the quality of the epitaxial growth layer, the substrate is first treated at a high temperature of about 1,150 to 1,250°C to remove oxygen from near the surface, and then subjected to a long-term heat treatment at about 800°C to generate many micro-defects inside the substrate. It is also extremely effective to use a substrate that has a denuded zone and is capable of performing intrinsic gettering. Since epitaxial growth is performed in the presence of the SiO2 layer 4 as a separation region, it is desirable that the growth temperature be as low as possible in order to reduce the incorporation of oxygen from the SiO2. With the commonly used high-frequency heating method, there is a lot of contamination from the carbon susceptor, making it difficult to lower the temperature further. The wafer direct heating method using lamp heating, which does not involve bringing a carbon susceptor into the reaction chamber, provides the cleanest growth atmosphere and allows high-quality epitaxial layers to be grown at low temperatures.
反応室におけるウエハ支持具は、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
エハ面内温度を均一化し易い、すなわちサーマルストレ
スがほとんど発生しないランプ加熱によるウエハ直接加
熱法は、高品質エピ層を得るのに適している。成長時に
ウエハ表面への紫外線照射は、エピ層の品質をさらに向
上させる。Ultra-high purity fused sapphire, which has a lower vapor pressure, is suitable for the wafer support in the reaction chamber. The wafer direct heating method using lamp heating allows for easy preheating of the raw material gas and makes it easy to equalize the temperature within the wafer surface even when a large flow of gas is flowing.In other words, the wafer direct heating method using lamp heating generates almost no thermal stress. suitable for getting. UV irradiation of the wafer surface during growth further improves the quality of the epilayer.
分離領域4となるSiO2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、Si
O2、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−層5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
〜20×1016cm−3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
入層をソースとした拡散により所定の深さまで形成する
。Amorphous silicon is deposited on the sidewalls of the SiO2 layer that will become the isolation region 4 (step (c) in Figure 16).
The crystals near the interface with O2 and the separation region 4 become very good. After forming the high resistance n-layer 5 by selective epitaxial growth (step (d) in FIG. 16), the surface concentration 1
A P region 6 of about 20.times.10.sup.16 cm.sup.-3 is formed to a predetermined depth by diffusion from doped oxide or by diffusion using a low-dose ion-implanted layer as a source.
p領域6の深さはたとえば0.6〜1μm程度である。The depth of p region 6 is, for example, about 0.6 to 1 μm.
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。The thickness and impurity concentration of p region 6 are determined based on the following considerations. In order to increase the sensitivity, it is desirable to lower the impurity concentration in the p region 6 to reduce Cbe. Cbe is given approximately as follows.
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、εはシリコン結晶の誘電率、N
はエミッタの不純物密度、Nはベースのエミッタに隣接
する部分の不純物密度、niは真性キャリア濃度である
。Nを小さくする程Cbeは小さくなって、感度は上昇
するが、N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。However, Vbi is the emitter-base diffusion potential and is given by: Here, ε is the dielectric constant of silicon crystal, N
is the impurity density of the emitter, N is the impurity density of the portion of the base adjacent to the emitter, and ni is the intrinsic carrier concentration. The smaller N is, the smaller Cbe becomes, and the sensitivity increases. However, if N is made too small, the base region will be completely depleted in the operating state, resulting in a punch-through state, so it cannot be made too low. It is set to such an extent that the base region is not completely depleted and a punch-through state occurs.
その後、シリコン基板表面に(H2+O2)ガス系スチ
ーム酸化により数10Aから数100A程度の厚さの熱
酸化膜3を、800〜900℃程度の温度で形成する。Thereafter, a thermal oxide film 3 having a thickness of about several tens of amps to several hundreds of amps is formed on the surface of the silicon substrate by (H2+O2) gas-based steam oxidation at a temperature of about 800 to 900 degrees Celsius.
その上に、(SiH4+NH3)系ガスのCVDで窒化
膜(Si3N4)302を500〜1500A程度の厚
さで形成する。形成温度は700〜900℃程度である
。NH3ガスも、HCl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。水分の多いんH3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SiO2膜との選択
エッチングで選択比が取れないという結果を招く。A nitride film (Si3N4) 302 with a thickness of about 500 to 1500 Å is formed thereon by CVD using (SiH4+NH3)-based gas. The formation temperature is about 700 to 900°C. NH3 gas, as well as HCl gas, is a commonly available product that contains a large amount of water. If H3 gas with a high moisture content is used as a raw material, the resulting nitride film will have a high oxygen concentration, resulting in poor reproducibility and the subsequent selective etching with the SiO2 film resulting in an inability to obtain a selective etching ratio.
NH3ガスも、少なくとも水分含有量が0.5ppm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、(
N2+SiH4+O2+PH3)を用いて、300〜4
50℃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+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回のフォトリソグラフィ
ー工程により、エミッタ上は、PSG膜、Si3H4膜
、SiO2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SiO
2膜を残して、PSG膜とSi3H4膜のみエッチング
する。その後、Asドープのポリシリコンを、(H2+
SiH4+AsH3)もしくは(H2+SiH4+As
H3)ガスでCVD法により堆積する。堆積温度は55
0℃〜700℃程度、膜厚は1000〜2000A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、その後As又はPを拡散してももちろんよい。エ
ミッタ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ッチングで除去する。さらに
、PSG膜をエッチングすると、リフトオフによりPS
G膜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
コン膜のエッチングはC2Cl2F4、(CBrF3+
Cl2)等のガス系でエッチングし、Si3N4膜はC
H2F2等のガスでエッチングする。The NH3 gas should also have a water content of at least 0.5 ppm or less. It goes without saying that the lower the water content, the more desirable it is. A PSG film 3 is further formed on the nitride film 302.
00 is deposited by CVD. For gas systems, for example, (
300~4 using N2+SiH4+O2+PH3)
A PSG film with a thickness of about 2000 to 3000 A is deposited by CVD at a temperature of about 50°C (step (e) in Fig. 16).
)). By a photolithography process including two mask alignment processes, an As-doped polysilicon film 304 is deposited on the n+ region 7 and on the refresh and read pulse application electrodes. In this case, a p-doped polysilicon film may be used. For example, by performing two photolithography steps, the PSG film, Si3H4 film, and SiO2 film on the emitter are all removed, and the areas where the refresh and read pulse application electrodes are provided are made of the underlying SiO2 film.
Only the PSG film and the Si3H4 film are etched, leaving two films. After that, As-doped polysilicon (H2+
SiH4+AsH3) or (H2+SiH4+As
H3) Deposit with gas by CVD method. The deposition temperature is 55
The temperature is about 0°C to 700°C, and the film thickness is 1000 to 2000A. Of course, non-doped polysilicon may be deposited by CVD and then As or P may be diffused. After the mask alignment photolithography process, the polysilicon film in other parts except on the emitter and on the refresh and read pulse application electrodes is removed by etching. Furthermore, when the PSG film is etched, the PSG film is etched due to lift-off.
The polysilicon deposited on the G film is removed in a self-aligned manner (step (f) in FIG. 16). The polysilicon film is etched using C2Cl2F4, (CBrF3+
The Si3N4 film is etched with a gas system such as Cl2).
Etch with gas such as H2F2.
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、マスク合わせ工程とエッチング
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。Next, a PSG film 305 is deposited by the gas-based CVD method as described above, and then a contact hole is formed on the polysilicon film for the refresh pulse and read pulse electrodes by a mask alignment process and an etching process.
こうした状態で、Al.Al−Si,Al−Cu−Si
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(CH3)3AlやAlCl3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Al−CボンドやAl−Clボンドを直接光照射に
より切断する光照射CVD法によりAlを堆積する。(
CH3)3AlやAlCl3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。細くてかつ急酸なコンタクトホールにAl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CV
D法が優れている。第1図に示された金属配線10のパ
ターニングを終えた後、層間絶縁膜306をCVD法で
堆積する。306は、前述したPSG膜、あるいはCV
D法SiO2膜、あるいは耐水性等を考慮しする必要が
ある場合には、(SiH4+NH3)ガス系のプラズマ
CVD法によて形成したSi3N4膜である。Si3H
4膜中の水素の含有量を低く抑えるためには、(SiH
4+N2)ガス系でのプラズマCVD法を使用する。Under these conditions, Al. Al-Si, Al-Cu-Si
by vacuum evaporation or sputtering, or by plasma CVD using (CH3)3Al or AlCl3 as a raw material gas, or by cutting Al-C bonds or Al-Cl bonds of the above raw material gases by direct light irradiation. Al is deposited by a light irradiation CVD method. (
When carrying out the above CVD method using CH3)3Al or AlCl3 as a raw material gas, a large excess of hydrogen is allowed to flow. In order to deposit Al into a narrow and rapidly acidic contact hole, CV is carried out at a substrate temperature of 300 to 400 degrees Celsius in a clean atmosphere with no moisture or oxygen contamination.
D method is superior. After patterning the metal wiring 10 shown in FIG. 1, an interlayer insulating film 306 is deposited by CVD. 306 is the aforementioned PSG film or CV
A D-method SiO2 film or, if water resistance needs to be taken into account, a Si3N4 film formed by a (SiH4+NH3) gas-based plasma CVD method. Si3H
4 In order to keep the hydrogen content in the film low, (SiH
4+N2) A plasma CVD method using a gas system is used.
ブラスマCVD法によるダメージを現象させ形成された
Si3H4膜の電気的耐圧を大きくし、かつリーク電流
を小さくするには光CVD法によるSi3N4膜がすぐ
れている。光CVD法には2通りの方法がある。(Si
H4+NH3+Hg)ガス系で外部から水銀ランプの2
537Aの紫外線を照射する方法と、(SiH4+NH
)3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。The Si3N4 film formed by the photo-CVD method is excellent in increasing the electrical breakdown voltage of the Si3H4 film formed by reducing the damage caused by the plasma CVD method and reducing the leakage current. There are two types of photo-CVD methods. (Si
H4 + NH3 + Hg) gas system with a mercury lamp from the outside.
537A ultraviolet irradiation method and (SiH4+NH
) 3 gas system is irradiated with 1849A ultraviolet light from a mercury lamp. In both cases, the substrate temperature is about 150 to 350°C.
マスク合わせ工程及びエッチング工程により、エミック
7上のポリシリコンに、絶縁膜305,306を貫通し
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Al、Al−Si、Al−Cu−
Si等の全属を堆積する。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のパタ
ーニングを終えた後、最終パッシベーション膜としての
Si3N4膜あるいはPSG膜2をCVD法により堆積
する(第16図(g))。After forming contact holes penetrating the insulating films 305 and 306 in the polysilicon on the emic 7 by reactive ion etching through a mask alignment process and an etching process, Al, Al-Si, Al-Cu-
All genus such as Si are deposited. In this case, since the aspect ratio of the contact hole is large, deposition by CVD is superior. After patterning the metal wiring 8 shown in FIG. 1, a Si3N4 film or PSG film 2 as a final passivation film is deposited by CVD (FIG. 16(g)).
この場合も、光CVD法による膜がすぐれている。12
は裏面のAl、Al−Si等による金属電極である。In this case as well, the film produced by the photo-CVD method is superior. 12
is a metal electrode made of Al, Al-Si, etc. on the back surface.
本発明の光電変検装置の製法には、実に多彩な工程があ
り、第16図はほんの一例を述べたに過ぎない。The manufacturing method of the photoelectric substation device of the present invention involves a wide variety of steps, and FIG. 16 shows only one example.
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n+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。An important point of the photoelectric conversion device of the present invention is how to suppress leakage current between p region 6 and n- region 5 and between p region 6 and n+ region 7 to a minimum.
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S
iを堆積しておいてエピ成長を行う方法を説明した。こ
の場合には、エピ成長中に基板Siからの固相成長でア
モルファスSiは単結晶化されるわけである、エピ成長
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からの固相成長によりアモル
ファスSiが単結晶化される前に、アモルファスSi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
くする原因になる。温度が低い方が、固相成長する速度
がアモルファスSi中に微結晶が成長し始める速度より
相対的にずっと大きくなるから、選択エピクキシャル成
長を行う前に、550℃〜700℃程度の低温処理で、
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、両
者の境界にはそうした層が含まれないような超高清浄プ
ロセスが必要である。Of course, it is possible to improve the quality of the n-region 5 and reduce dark current, but it is also possible to improve the quality of the n-region 5 by reducing dark current.
-The interface in region 5 is the problem. In FIG. 16, for this purpose, amorphous S is applied to the side wall of the separation region 4 in advance.
A method of epitaxial growth after depositing i was described. In this case, the amorphous Si is made into a single crystal by solid phase growth from the substrate Si during epitaxial growth, and the epitaxial growth is performed at a relatively high temperature of about 850° to 1000°C. Therefore, microcrystals often begin to grow in the amorphous Si before the amorphous Si is made into a single crystal by solid-phase growth from the Si substrate, which causes poor crystallinity. At lower temperatures, the rate of solid phase growth is relatively much higher than the rate at which microcrystals begin to grow in amorphous Si. ,
If amorphous Si is made into a single crystal, the characteristics of the interface will be improved. At this time, if there is a layer such as an oxide film between the Si substrate and the amorphous Si, the start of solid phase growth will be delayed, so an ultra-high cleanliness process is required so that such a layer is not included at the boundary between the two.
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
数秒から数10秒程度のラピ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、SiO2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、多結晶体の結晶粒界に酸素、炭
素等の含まれない多結晶Siにしておく必要がある。In addition to the above-mentioned furnace growth, for solid-phase growth of amorphous Si, a rapid annealing technique using flash lamp heating or an infrared lamp while keeping the substrate at a certain temperature for, for example, several seconds to several tens of seconds is also effective. When using such techniques, the Si deposited on the sidewalls of the SiO2 layer may be polycrystalline. However, it is necessary to deposit polycrystalline Si using a very clean process and to avoid containing oxygen, carbon, etc. in the grain boundaries of the polycrystalline material.
こうしたSiO2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。After the Si on the SiO2 side is single crystallized, the Si
This will result in selective growth.
SiO2分離領域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
iO2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SiO2、領域4に接触するn−領域
5の0.3〜1μm程度の厚さの領域だけ、たとえば1
−10×1016cm−3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。When leakage current at the interface between the SiO2 isolation region 4 and the high resistance n-region 5 becomes a problem, the S of the high resistance n-region 5
This leakage current problem can be avoided by increasing the n-type impurity concentration only in the portion adjacent to the iO2 isolation region 4. For example, only a region of about 0.3 to 1 μm thick of the n-region 5 in contact with the isolated SiO2 region 4, e.g.
The n-type impurity concentration is increased to about -10 x 1016 cm-3. This structure can be formed relatively easily.
基板1上に略々1μm程度熱酸化膜を形成した後、その
上にCVD法で堆積するSiO2膜をまず所要の厚さだ
け、所定の量のPを含んだSiO2膜にしておく、さら
にその上にSiO2をCVD法で堆積するということで
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SiO
2膜から、燐が高抵抗n−領域5中に拡散して、界面が
もっとも不純物濃度が高いという良好な不純物分布を作
る。After forming a thermal oxide film of about 1 μm on the substrate 1, an SiO2 film is deposited on it by CVD to a required thickness and contains a predetermined amount of P. An isolation region 4 is created by depositing SiO2 thereon by the CVD method. During the subsequent high-temperature process, the phosphorus-containing SiO present in a sandwich form in the separation region 4
Phosphorus diffuses into the high resistance n-region 5 from the two films, creating a good impurity distribution with the highest impurity concentration at the interface.
すなわち、第17図のような構造に構成するわけである
。分離領域4が、3層構造に構成されていて、308は
熱酸化SiO2、309は燐を含んだCVD法SiO2
膜、301はCVD法SiO2膜である。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SiO2膜309からの拡散で形成される。3
07はセル周辺全部に形成されている。この構造にする
と、ベース・コレクタ間容量Cbcは大きくなるが、ベ
ース・コレクタ間リーク電流は激減する。In other words, the structure is as shown in FIG. 17. The isolation region 4 has a three-layer structure, where 308 is thermally oxidized SiO2, and 309 is phosphorous-containing CVD SiO2.
The film 301 is a CVD SiO2 film. Adjacent to isolation region 4 and between n- region 5, n region 307 is formed by diffusion from SiO2 film 309 containing phosphorus. 3
07 is formed all around the cell. With this structure, the base-collector capacitance Cbc becomes large, but the base-collector leakage current is drastically reduced.
第16図では、あらかじめ分離用絶縁領域4を作ってお
いて、選択エピタキシャル成長を行なう例について説明
したが、基板上に必要な高低抗n−層のエピタキシャル
成長をしておいてから、分離領域となるべき部分をリア
クティブイオンエッチングによりメッシュ状に切り込ん
で分離領域を形成する、Uグループ分離技術(A.Ha
yasakaet al.“U−groove iso
lation technique forhigh
speed bipolar VLSI’S”,Tec
h.Dig.ofIEDN.P62.1982.参照)
を使って行うこともできる。In Fig. 16, an example was explained in which the isolation insulating region 4 is formed in advance and selective epitaxial growth is performed. U group separation technology (A. Ha
Yasaka et al. “U-groove iso
ration technique forhigh
speed bipolar VLSI'S", Tec
h. Dig. ofIEDN. P62.1982. reference)
It can also be done using .
本発明に係る光電変換装置は、絶縁物より構成される分
離領域に取り囲まれた領域に、その大部分の領域が半導
体ウエ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装置である。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。ウエハ内部に設けら
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鈍物埋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Cox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ずいた信号を記憶させ、該信号読
出し時には、ベース・エミッタ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、本発明の光電変換装置はいかな
る構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。A photoelectric conversion device according to the present invention forms a bipolar transistor in which a base region, most of which is adjacent to the semiconductor wafer surface, is in a floating state in a region surrounded by an isolation region made of an insulator, This is a device that photoelectrically converts optical information by controlling the potential of a floating base region with an electrode provided on a part of the base region via a thin insulating layer. An emitter region made of a high impurity concentration region is provided in a part of the base region, and this emitter is connected to a MOS transistor operated by a horizontal scan pulse. The aforementioned electrode provided on a portion of the floating base region via a thin insulating layer is connected to a horizontal line. The collector provided inside the wafer may be composed of a substrate, or depending on the purpose, it may be composed of high-concentration dopant-embedded regions separated for each horizontal line on a high-resistance substrate of the opposite conductivity type. be. With respect to the pulse voltage when refreshing the floating base region with the electrode provided through the insulating layer,
The applied pulse voltage when reading out the signal is substantially large. In fact, a pulse train with two types of voltages may be used,
As described in the double capacitor structure, the capacitance Cox of the read MOS capacitor electrode may be made larger than the capacitance Cox of the refresh MOS capacitor electrode. By applying a refresh pulse, optically excited carriers are accumulated in the floating base region, which is brought into a reverse bias state, to store a signal based on an optical signal, and when reading out the signal, the base-emitter region is deeply biased in the forward direction. The feature is that a readout pulse voltage is applied so that signals can be read out at high speed. As long as it has these characteristics, the photoelectric conversion device of the present invention may be realized in any structure, and it is needless to say that it is not limited to the structure described in the above embodiments.
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
。導電型がまったく反転した構造では、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、AsやP
はSi/SiO2界面のSi側にパイルアンプする。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
電界が生じて、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。For example, the structure is similar even if the conductivity type is completely reversed from that described in the above embodiment. however,
At this time, it is necessary to completely reverse the polarity of the applied voltage. In a structure where the conductivity types are completely reversed, the region would be n-type. That is, the impurities constituting the base are As and P. When the surface of a region containing As and P is oxidized, As and P
is piled up on the Si side of the Si/SiO2 interface. That is, a strong drift electric field is generated inside the base from the surface to the inside, and the optically excited holes immediately escape from the base to the collector side, and electrons are efficiently accumulated in the base.
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/SiO2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100A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解が生じ、この領域に光励起され
たエレクトロンは、表面に集められる傾向にある。この
ままだと、この逆ドリフト電解を生じている領域は不感
領域になるが,表面に沿った一部にn+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/
SiO2界面に集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、たとえボロ
ンがSi/SiO2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、ほとんど不感
領域にはならない。むしろ、こうした領域がSi/Si
O2界面に存在すると、蓄積されたホールをSi/Si
O2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、p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。If the base is p-type, the commonly used impurity is boron. When the surface of the p-region containing boron is thermally oxidized, boron is incorporated into the oxide film, so that the boron concentration in the Si near the Si/SiO2 interface becomes slightly lower than the boron concentration inside. Although this depth depends on the oxide film thickness, it is usually several hundred amps. Near this interface, reverse drift electrolysis occurs for electrons, and electrons photoexcited in this region tend to be collected on the surface. If this continues, the region where this reverse drift electrolysis occurs will become an insensitive region, but since the photoelectric conversion device of the present invention has an n+ region along a part of the surface, the p-region Si/
Electrons gathered at the SiO2 interface flow into this n+ region before being recombined. Therefore, even if there is a region where boron is reduced near the Si/SiO2 interface and a reverse drift electric field occurs, it hardly becomes a dead region. Rather, these regions are Si/Si
When present at the O2 interface, the accumulated holes are transferred to the Si/Si
By separating the holes from the O2 interface and making them exist inside, the effect of holes disappearing at the interface is eliminated, and the hole accumulation effect at the base of the p-layer becomes good, which is extremely desirable.
以上説明してきたように、本発明に光電変換装置は、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、Base Store ImageSensorと
呼ばれるべき装置であり、BASISと略称する。As described above, the photoelectric conversion device of the present invention accumulates carriers excited by light in the base region, which is the control electrode region in a floating state. That is, it is a device that should be called a Base Store Image Sensor, and is abbreviated as BASIS.
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
増幅基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。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。Since the photoelectric conversion device of the present invention can configure one pixel with one transistor, it is extremely easy to increase the density.At the same time, due to its structure, it has less blooming and smearing, has high sensitivity, and has a wide dynamic range. Since it has an internal amplification base function, it generates a large signal voltage regardless of wiring capacitance, so it has the characteristics of low noise and easy peripheral circuitry. For example, its industrial value as a future high-quality solid-state imaging device is extremely high.
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、画像入力装置、ファクシミリ、
ワークスティション、デジタル複写機で、ワープロ等の
画像入力装置、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。In addition to the above-mentioned solid-state imaging device, the photoelectric conversion device according to the present invention can be applied to, for example, an image input device, a facsimile,
It can also be applied to workstations, digital copying machines, image input devices such as word processors, barcode readers, photoelectric conversion object detection devices for autofocus of cameras, video cameras, 8mm cameras, etc.
第8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、エミッタ、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。FIG. 8(b) shows a transient refresh operation, an accumulation operation,
The graph shows potential levels at the emitter, base, and collector sections during a read operation and a transient refresh operation.
各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。The voltage level at each location is the potential seen externally, and there are some locations that do not match the internal potential level.
説明を簡単にするためにエミッタ・ベース間の拡散電位
は除いてある。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、実際にはエミッ
タ・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。To simplify the explanation, the emitter-base diffusion potential is excluded. Therefore, when the emitter and base are shown at the same level in FIG. 8(b), there actually exists a diffusion potential applied between the emitter and the base.
第8図(b)において、状態(1)、(2)はリフレッ
シュ動作を、状態(3)は蓄積動作を、状態(4)、(
5)は読出し動作を、状態(5)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0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(1)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(1)から(6)まで
全て正電位にバイアスされているものとする。In FIG. 8(b), states (1) and (2) perform a refresh operation, state (3) a storage operation, and states (4) and (
5) shows the read operation, and state (5) shows the operating state when the emitter is grounded. Further, the potential level indicates a negative potential on the upper side and a positive potential on the lower side with respect to 0 volt. It is assumed that the base potential before state (1) is zero volts, and that the collector potential is biased to positive potential in all states (1) to (6).
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。The above series of operations will be explained with reference to the timing diagram of FIG. 8(a).
第8図(a)の波形67のごとく、時刻t1において、
端子37に正電圧、すなわちリフレッシュ電圧VRHが
印加されると、第8図(b)の状態(1)に電位200
のごとくベースには、すでに説明した様に、
なる分圧がかかる。この電位は時刻t1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t2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、過渡的なリフレッシュモー
ドにおいて、ベースに残る電位VKである。時刻t2に
おいて、波形67のごとく、リフレッシュ電圧VRH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、状態(2)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。As shown in the waveform 67 in FIG. 8(a), at time t1,
When a positive voltage, that is, a refresh voltage VRH is applied to the terminal 37, the potential 200 changes to state (1) in FIG. 8(b).
As explained above, a partial pressure is applied to the base. This potential gradually decreases toward zero potential between time t1 and t2, and at time t2 reaches the potential 201 shown by the dotted line in FIG. 8(b). As explained earlier, this potential is the potential VK that remains at the base in the transient refresh mode. At time t2, as shown in waveform 67, at the moment when the refresh voltage VRH returns to zero voltage, a voltage of The potential is the sum of the . That is, the base potential 202 shown in state (2) is given by:
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
領域に蓄積されるので、状態(3)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
。When light enters such an emitter in a reverse bias state, holes generated by this light are accumulated in the base region, so as in condition (3), the intensity of the incoming light is Accordingly, the base potential 202 gradually changes toward a positive potential like base potentials 203, 203', and 203''. The voltage generated by this light is designated as Vp.
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、すなわち読出し電圧VR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0.5〜0.6V程度順方向にバイア
ス状態になる様に、設定される。また、ベース電位20
5、205′、205″はそれぞれ
で与えられる。Next, as shown in waveform 69, when a voltage, ie, read voltage VR, is applied to the horizontal line from the vertical shift register, the voltage that becomes the base is added, so the base potential 204 when no light is irradiated is as follows. As explained earlier, the potential 204 at this time is
It is set so that the emitter is forward biased by about 0.5 to 0.6 V. Also, the base potential 20
5, 205', and 205'' are given respectively.
ベース電位が、この様に、エミッタに対して、順方向バ
イアスされると、エミッタ側からエレクGロンの注入が
おこり、エミッタ電位は次第に正電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電位2
04に対するエミッタ電位206は、順方向バイアスを
0.5〜0.6Vに設定した時読出しパルス幅が1〜2
μs位のとき、約50〜100mV程度であり、この電
圧をVBとすると、エミッタ電位207、207′、2
07″は前の例の様に0.1μs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+VB+
,VP′+VB、VP”+VBとなる。When the base potential is biased in the forward direction with respect to the emitter in this manner, electron Gron is injected from the emitter side, and the emitter potential gradually moves in the positive potential direction. Base potential 2 when no light is irradiated
The emitter potential 206 for 04 has a read pulse width of 1 to 2 when the forward bias is set to 0.5 to 0.6V.
When it is about μs, it is about 50 to 100 mV, and if this voltage is VB, the emitter potentials 207, 207', 2
07'', as in the previous example, linearity is sufficiently ensured if the pulse width is 0.1 μs or more, so VP + VB +
, VP'+VB, VP''+VB.
ある一定の読出し時間の後、波形69のごとく読出し電
圧VB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(5)のごとくベース
電位は 読出しパルスか印加される前の状態。After a certain readout time, when the readout voltage VB reaches zero potential as shown in waveform 69, the voltage that becomes the base is added, so the base potential is applied with a readout pulse as shown in state (5). previous state.
すなわち通バイアス状態になり、エミッタの電位変化は
停止する6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、
で与えられる。これは読出しが始まる前の状態(3)と
まったく同じである。In other words, it becomes a conductive bias state and the emitter potential stops changing6.In other words, the base potential 208 at this time is given as follows.The base potentials 209, 209', and 209'' are respectively given as follows.This is the state before reading starts ( 3) is exactly the same.
この状態(5)において、エミッ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MOSトランジスタ48、48′、48″
が導通状態となり、エミッタが接地されて状態(6)の
ごとく、エミッタはゼロ電位となる。これで、リフレッ
シュ動作、蓄積動作、読出し動作と一巡し、次に状態(
1)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、ベース電位がゼロ電位からスタート
したのに対して、一巡してきた後は、ベース電位が
およびそれに、それぞれVp、Vp′、Vp″が加算さ
れた電位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VRHが印加されたとしても
ベース電位はそれぞれVK、VK+VP、VK+VP′
、VK+VP″になるだけであり、これでは、ベースに
、十分な順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量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。In this state (5), the optical information signal on the emitter side is read out to the outside. After this reading is completed, each switching MOS transistor 48, 48', 48''
becomes conductive, the emitter is grounded, and the emitter becomes zero potential as in state (6). This completes the refresh operation, storage operation, read operation, and then the state (
Returning to 1), at this time, before starting the refresh operation for the first time, the base potential starts from zero potential, but after completing one cycle, the base potential increases to Vp and Vp, respectively. ', Vp'' are added. Therefore, in this state, even if the refresh voltage VRH is applied, the base potentials are VK, VK+VP, and VK+VP', respectively.
, VK + VP'', and in this case, sufficient forward bias is not applied to the base, and the amount of forward bias is large in areas that are strongly illuminated, so optical information disappears, but in areas where the light is weak, It is clear from the calculation example of the refresh operation shown in FIG. 6 that information does not disappear but remains.
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。Such a phenomenon is unique to the transient refresh mode, and in the complete refresh mode, such a problem does not occur because it takes a long refresh time until the base potential always reaches zero potential.
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。A method that uses a transient refresh mode that allows high-speed refresh and that does not cause such inconvenience will be described below.
これを解決する一つの方法は、第8図(b)の状態(6
)において先生したベース電位210をゼロ電位までも
ってきてしまうことである。この様にすると状態(1)
において、リフレッシュパルスが印加するとき最初の状
態と同じくベース電位がゼロ電位なので確実な過渡的リ
フレッシュモード動作が可能となる。One way to solve this problem is the state (6
) brings the base potential 210 to zero potential. In this way, state (1)
When the refresh pulse is applied, the base potential is at zero potential as in the initial state, so reliable transient refresh mode operation is possible.
第18図にそれを達成するための一実施例を示す。第1
8図(a)は光センサセルの断面構造図を、第18図(
b)には、それの等価回路を示す。FIG. 18 shows an embodiment for achieving this. 1st
Figure 8(a) shows the cross-sectional structure of the optical sensor cell, and Figure 18(a) shows the cross-sectional structure of the optical sensor cell.
b) shows its equivalent circuit.
第18図にそれをて第1図に示した基本光センサセルの
エミッタ領域7とn+領域270はそれぞれMOSトラ
ンジスタのドレイン、ソースを形成し、ポリシリコン等
で作られたゲート271により制御される構造になって
いる。また、n+領域270は、配線272により基本
光センサセルのベース領域6と接続されている。他の部
分は第1図で示した基本光センサセルと同じである。The emitter region 7 and the n+ region 270 of the basic photosensor cell shown in FIG. 1, which are shown in FIG. 18, form the drain and source of a MOS transistor, respectively, and are controlled by a gate 271 made of polysilicon or the like. It has become. Further, the n+ region 270 is connected to the base region 6 of the basic photosensor cell by a wiring 272. The other parts are the same as the basic photosensor cell shown in FIG.
第18図(b)は(a)の構造図の等価回路であり、光
センサセルのエミッタ領域と共通のドレイン領域7、ゲ
ート271、ソース領域270よりなるMOSトランジ
スタ273が、光センサセルのベース領域6と配線27
2により接続され、ドレイン領域はエミッタ領域と共通
であり、またゲート271は配線274に接続され、外
部よりパルスが印加できる様な構成になっている。FIG. 18(b) is an equivalent circuit of the structural diagram of FIG. 18(a), in which a MOS transistor 273 consisting of a drain region 7, a gate 271, and a source region 270 common to the emitter region of the photosensor cell is connected to the base region 6 of the photosensor cell. and wiring 27
2, the drain region is common to the emitter region, and the gate 271 is connected to a wiring 274, so that a pulse can be applied from the outside.
リフレッシュ動作、蓄積動作および読出し動作において
は、このMOSトランジスタのゲート271には配線2
74を通して、MOSトランジスタのチャンネルが十分
非導通になる様な負電圧がかけられているものとする。In refresh operation, storage operation, and read operation, wiring 2 is connected to the gate 271 of this MOS transistor.
It is assumed that a negative voltage is applied through 74 so that the channel of the MOS transistor becomes sufficiently non-conductive.
第8図(b)の状態(6)においてベース領域の電位2
10が負の時、エミタは接地されており、この状態でゲ
ート271をゼロ電位または正電位にしてやるとMOS
トランジスタのチャンネルが導通状態となり、電流が流
れてベース電位はゼロ電位になることは明らかである。In state (6) of FIG. 8(b), the potential 2 of the base region
When 10 is negative, the emitter is grounded, and if the gate 271 is set to zero potential or positive potential in this state, the MOS
It is clear that the channel of the transistor becomes conductive, current flows and the base potential becomes zero potential.
この様にして、状態(6)においてベース電位がゼロ電
位となるので、次のリフレッシュ動作においては第8図
(b)で説明したごとく、過渡的リフレッシュモード動
作が確実に行なわれ、高速のリフレッシュが可能となる
。In this way, the base potential becomes zero potential in state (6), so in the next refresh operation, the transient refresh mode operation is reliably performed as explained in FIG. becomes possible.
以上説明したごとく、本実施例によれば、配線が一本増
加するものの、簡単なMOSトランジスタを1ケ追加す
るだけで、高速動作が可能な撮像素子を構成することが
できる。As described above, according to this embodiment, although the number of wires is increased, an image sensor capable of high-speed operation can be constructed by simply adding one simple MOS transistor.
第18図に示す実施例においては、MOSキャパシタ電
極MOSトランジスタのソース領域270と光センサセ
ルのベース領域6を接続するための配線、MOSトラン
ジスタのゲート271、光センサセルのエミッタ領域7
のための配線8が、説明の都合上、全て同一の断面内に
書かれており、光の入射する窓がきわめて少ない様に書
かれているが、実際のデバイスにおては、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
。In the embodiment shown in FIG. 18, wiring for connecting the source region 270 of the MOS capacitor electrode MOS transistor and the base region 6 of the photosensor cell, the gate 271 of the MOS transistor, and the emitter region 7 of the photosensor cell are used.
For convenience of explanation, the wiring 8 for It is possible to arrange each of them in other parts of the sensor cell, taking into account the shape of the incident window, the convenience of wiring, etc.
以上の説明は、リフレッシュ、読出しをいずれもCox
を通してpベース上の電極9により行なうモードについ
ての説明であるが、シフレッシュをnMOSで行なって
しまう動作が可能である。すなわち、この場合には電極
9には読出し用パルスだけが加わる。読出しが終った一
水平ラインに沿うセンサセルのリフレッシュは、次の段
の水平ラインに沿うセンサセルの読出しを行なう前のブ
ランキング期間に、271に正電圧を印加してnMOS
を導通させ、その時垂直ライン38、38′、・・・・
・・・・・の負電圧−Vpを印加する。pベース領域は
、−(Vp−VtH)に帯電し、リフレッシュが完了す
る。VtHは、nMOSのしきい値電圧である。このn
MOSは、いわばチャンネルとn+領域270が同電位
になされた動作である。The above explanation uses Cox for both refresh and read.
Although the explanation is about the mode in which the refresh is performed by the electrode 9 on the p base through the p-base, it is also possible to perform the refresh with the nMOS. That is, in this case, only the readout pulse is applied to the electrode 9. To refresh the sensor cells along one horizontal line that have been read out, apply a positive voltage to 271 during the blanking period before reading out the sensor cells along the next horizontal line.
conduction, then the vertical lines 38, 38', .
A negative voltage -Vp is applied. The p base region is charged to -(Vp-VtH), and refreshing is completed. VtH is the threshold voltage of nMOS. This n
A MOS operates in such a manner that the channel and the n+ region 270 are at the same potential.
pベースリフレッシュ用に完全に独立にnMOSを作っ
てもよい。この時にはn+エミッタはまったく独立して
おり、pベース中にさらに2つのn+領域270と27
5が設けられてnMOSを構成する。It is also possible to create a completely independent nMOS for p-based refresh. At this point, the n+ emitter is completely independent, and two more n+ regions 270 and 27 are formed in the p base.
5 is provided to constitute an nMOS.
第18図(a)に示されるものと同様に、n+領域27
0は電極配線によりpベース6と直結されており、もう
一方のn+電極275は、電極配線によりゲート271
に電圧が加えられたときに所定の負電圧−Vpが加わる
ようになされている。Similar to that shown in FIG. 18(a), the n+ region 27
0 is directly connected to the p base 6 by electrode wiring, and the other n+ electrode 275 is connected to the gate 271 by electrode wiring.
A predetermined negative voltage -Vp is applied when a voltage is applied to.
第19図にその回路構成図を示す。水平ラインに沿って
、負電圧印加用のライン201、282、・・・・・・
・・・が設けられている。FIG. 19 shows the circuit configuration diagram. Lines 201, 282, . . . for applying negative voltage are provided along the horizontal line.
...is provided.
水平ライン275に読出しパルスを加えて、この水平ラ
インに沿うセンサセルの読出しを終えた後、その下の段
の水平ラインの読出しを行なうために、276に読出し
パルスを加えた時、その読出し用パルスは、水平ライン
275に沿うセンサセルのリフレッシュ用nMOSトラ
ンジスタのゲートに加わり、その時ライン281に負電
圧−Vpが加わるから、275に沿うセンサセルの読出
しを行なっている間に完了する。When a read pulse is applied to the horizontal line 275 to read out the sensor cells along this horizontal line, and then a read pulse is applied to 276 to read the horizontal line below, the read pulse is applied to the gate of the refresh nMOS transistor of the sensor cell along the horizontal line 275, and the negative voltage -Vp is applied to the line 281 at that time, so that the reading of the sensor cell along the horizontal line 275 is completed.
第1図から第6図までは、本発明の一実施例に係る光セ
ンサセルの主要構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)は蓄積電圧と、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。第11、12及
び13図は他の光電変換装置を示す回路図である。第1
4図は本発明の実施例に係る他の光センサセルの主要構
造を説明するための平面図である。第15図は、第14
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)はその等価回路図である。第19図は第18図
に示した光センサセルを用いた回路構成図である。
1・・・シリコン基板、2・・・PSG膜、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、15、17・・・接合容量、1
6、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・・・垂直ライン、
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、110、101
、102・・・水平シフトレジスタ、111、112・
・・出力ライン、138・・・垂直ライン、140・・
・MOSタランジスタ、148・・・MOSトランジス
タ、150、150′・・・MOSコンデンサ、152
、152′・・・光センサセル、202、203、20
5・・・ベース電位、220・・・p+領域、222、
225・・・配線、251・・・p+領域、252・・
・n+領域、253・・・配線、300・・・アモルフ
ァスシリコン、302・・・窒化膜、303・・・PS
G膜、304・・・ポリシルコン、305・・・PSG
膜、306・・・層間絶縁膜。
第1図
第1 1;<j
第2図
第3凶
纂房俊ル
第5図
第4図(b)
バ′イーrZ4か−5二
第12図
第13図
第14rA
第16図(9)
nl
第17 図
7L/
7L+/l
1゛ら18図
第19図
手続補正書
昭和59年 5月23日
特許庁長官 若杉和失 殿
1.41+−件の表示
特願昭58−120754号
2、 発明の名称
光電変換装置
3、 補正をする者
211件との関係 特許出願人
氏名 大 見 忠 弘
4、代理人
住所 東京都港区虎ノ門五丁目13番1号虎ノ門40森
ビル明細書の発明の詳細な説明の柵
6、補正の内容
(1) 明細書第19頁第12行のrlOcIf113
Jをr l 013cm−3Jと補正する。
(2) 明細書第22頁第6行の
ど名1i itニする。
(3) 明細書第34頁第14行のr l O[sec
] Jをr 10−15[5ecl Jと補正する。
(4) 明細書第36頁下から1行「1の「゛電圧V
を」を「電圧V^をjと補止する。
(5) lJl、1+lI書第41真下から5行口〜4
行11の[、バッファMOSトランジスタ33.33’
、33”Jを削除する。
(6) 明細書第45真下から2行11の「はクツリプ
」を「クリップ」と補正する。
(7) 明細書第53頁第6行の「木り′↓的に」の前
に「ど」を挿入する。
(8) 明細書第53頁下から7行1」の「途中」の後
に「に」を挿入する。
(9) 明細書第64頁第1行の「エミッタ7、 は」
を「エミッタ7.7′は」と補正する。
(10)明細書第64頁第6行の
[エミッタ はコンタクトホール1 を」を[エミッタ
7′はコンタクトホール19’を」と補正する。
(11)明部1書第64頁下から8行目」の「水平ライ
ン3 に」を「水平ライン31′に」と補正する。
(12)明細書第64頁下から6行目の「セル15 の
」を「セル152′の」と補正する。
(13)明細書第64頁下から6行1]のrMOsキャ
パシタ15 は」をrMOsキャパシタ150′は」と
補正する。
(14)明細ノτ第64頁下から5?i11の「水=l
ilミラインに」を「水平ライン31′に」と補IFす
る。
(15)明細書第64頁下から3行目の「光センザセル
15 の」を「光センサセル152′の」と補正する。
(16) 明細書第64頁下から2行1」の「光センサ
セル15 の」を「光センサセル152 ”の」と補正
する。
(17)明細書第66頁第6行〜7行および第12行の
「水下ライン3 に」を「木・ILライン31′に」と
補止する。
(18)明MIl書第66頁第12行〜13行の[03
キヤパシタ15 を通して光センソ“−セル15 のj
をrMOSキャパシタ150′を通して光センサセル1
52′の」と抽市する。
(19)明細書第66頁下から2行「1および1行1」
と、第67頁第8行1」の「光センサ−セル」を「光セ
ンサセル」に補正する。
(20)明細7(−;第68真下から5行目」の「コレ
クター」を[jレクタjと補正する。
(21)明細湯温68真下から4行11およびドから3
行目の「n 埋込領域」を「n+埋込領域」と補正する
。
(22)明A11l書第77頁第7行の「(C)。Jを
r (C) )。」と補1「する。
(23)明細F1−7第78頁第1行のと補止する。
(24)明、匍書第78頁第4行の
と補正する。
(25)明細書第78頁第6行の[N はエミッタの不
純物濃度、N はベース」を「Noはエミッタの不純物
0度、NAはベース」と補正する。
(26)明細書第78頁第8行および9行のrN Jを
「NA」と補正する。
(27)明細書第86頁第10行のrsio、、309
は」をrsio2.309は」と補正する。
(28)明細書第91頁第12行の「本発明に」を「本
発明の」と補止する。
(28)明細書第96頁下から4行「1の「Gロン」を
「トロン」と補正する。
(30)明細、!?第97頁第6行のrVp+VB 十
Jをrvp+ve Jと補正する。
(31)明細書第100頁下から7行目の「第18図に
それをて」を「第18図においで、」と補正する。
(32)明細書第103頁第3行の「シルッシュ」を「
リフレアシュ」と補正する。1 to 6 are diagrams for explaining the main structure and basic operation of an optical sensor cell according to an embodiment of the present invention. Figure 1 (a) is a plan view, (b) is a sectional view, (c)
is an equivalent circuit diagram, FIG. 2 is an equivalent circuit diagram during read operation, FIG. 3 is a graph showing the relationship between read time and read voltage, and FIG. 4 (a) is a graph showing the relationship between storage voltage and read time. Figure 4 (b) is a graph showing the relationship between bias voltage and read time, Figure 5 is an equivalent circuit diagram during refresh operation, and Figures 6 (a) to (c) are graphs showing the relationship between bias voltage and read time. It is a graph showing the relationship with electric potential. 7 to 10 are explanatory diagrams of a photoelectric conversion device using the optical sensor cell shown in FIG. 1, FIG. 7 is a circuit diagram, and FIG. 8 (
8(a) is a pulse timing diagram, and FIG. 8(b) is a graph showing potential distribution during each operation. FIG. 9 is an equivalent circuit diagram related to the output signal, and FIG. 10 is a graph showing the output voltage from the moment of conduction in relation to time. 11, 12 and 13 are circuit diagrams showing other photoelectric conversion devices. 1st
FIG. 4 is a plan view for explaining the main structure of another optical sensor cell according to an embodiment of the present invention. Figure 15 shows the 14th
FIG. 2 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device using the optical sensor cell shown in the figure. FIGS. 16 and 17 are cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 18 shows an optical sensor cell according to an embodiment of the present invention, in which (a) is a cross-sectional view and (b) is an equivalent circuit diagram thereof. FIG. 19 is a circuit configuration diagram using the optical sensor cell shown in FIG. 18. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Silicon substrate, 2... PSG film, 3... Insulating oxide film, 4... Element isolation region, 5... N- region (
collector region), 6...p region (base region), 7,
7'...n+ region (emitter region), 8... Wiring,
9... Electrode, 10... Wiring, 11... n+ region,
12... Electrode, 13... Capacitor, 14... Bipolar transistor, 15, 17... Junction capacitance, 1
6, 18... Diode, 19, 19'... Contact portion, 20... Light, 28... Vertical line, 30...
... Optical sensor cell, 31 ... Horizontal line, 32 ...
Vertical shift register, 33, 35...MOS transistor, 36, 37...terminal, 38...vertical line,
39...Horizontal shift register, 40...MOS transistor, 41...output line, 42...MOS transistor, 43...terminal, 44...transistor, 44, 45...load resistor, 46...terminal, 47.
...Terminal, 48...MOS transistor, 49...
Terminal, 61, 62, 63... Section, 64... Collector potential, 67... Waveform, 80, 81... Capacity, 82
, 83... Resistor, 84... Current source, 110, 101
, 102...horizontal shift register, 111, 112...
...Output line, 138...Vertical line, 140...
・MOS transistor, 148...MOS transistor, 150, 150'...MOS capacitor, 152
, 152'... optical sensor cell, 202, 203, 20
5...Base potential, 220...p+ region, 222,
225... Wiring, 251... P+ region, 252...
・n+ region, 253... Wiring, 300... Amorphous silicon, 302... Nitride film, 303... PS
G film, 304...polysilcon, 305...PSG
Film, 306... Interlayer insulating film. Figure 1 Figure 1 1; nl No. 17 Figure 7L/ 7L+/l 1゛ et al. Figure 18 Figure 19 Procedural amendment May 23, 1980 Director General of the Patent Office Kazutsu Wakasugi 1.41+- Indication Patent Application No. 120754 No. 1988-12 Name of the invention Photoelectric conversion device 3 Relationship with the 211 amendments Patent applicant name Tadahiro Omi 4, agent address 40 Toranomon 5-13-1, Minato-ku, Tokyo Mori Building of the invention in the specification Detailed explanation fence 6, content of amendment (1) rlOcIf113 on page 19, line 12 of the specification
Correct J to r l 013cm-3J. (2) The name 1i it on page 22, line 6 of the specification. (3) r l O [sec
] J is corrected as r 10-15[5ecl J. (4) Line 1 from the bottom of page 36 of the specification “1” Voltage V
” is supplemented with “voltage V^ as j. (5) lJl, 1+lI Book 41, line 5 from the beginning to 4
Row 11 [, buffer MOS transistor 33.33'
, 33"J are deleted. (6) Correct "Hakutsurip" in line 11, two lines from the bottom of No. 45 of the specification, to "clip". (7) Insert "do" before "kiri'↓ni" on page 53, line 6 of the specification. (8) Insert "ni" after "middle" in "7 lines 1 from the bottom of page 53 of the specification". (9) “Emitter 7, wa” on page 64, line 1 of the specification
is corrected as "emitter 7.7'is". (10) In the 64th line of page 64 of the specification, "emitter is contact hole 1" is corrected to "emitter 7' is contact hole 19'". (11) Correct "to horizontal line 3" in "Meibu 1, page 64, line 8 from the bottom" to "to horizontal line 31'". (12) "In cell 15" in the sixth line from the bottom on page 64 of the specification is corrected to "in cell 152'." (13) "rMOs capacitor 15" on page 64 of the specification, line 6 from the bottom, 1] is corrected to "rMOs capacitor 150'". (14) 5 from the bottom of page 64 of the specification? i11's "Water=l"
"to the il mi line" is supplemented with "to the horizontal line 31'". (15) "Of the optical sensor cell 15" in the third line from the bottom of page 64 of the specification is corrected to "of the optical sensor cell 152'". (16) Correct "of the optical sensor cell 15" in "Line 1 of the second row from the bottom of page 64 of the specification" to "of the optical sensor cell 152". (17) ``To the water line 3'' on page 66, lines 6 to 7 and line 12 of the specification is supplemented with ``to the tree/IL line 31'.'' (18) Ming MIl, page 66, lines 12-13 [03
The light sensor is passed through the capacitor 15 to the cell 15.
The optical sensor cell 1 is connected through the rMOS capacitor 150'.
52'.'' (19) 2 lines from the bottom of page 66 of the specification “1 and 1 line 1”
Then, "Photosensor cell" in "Page 67, Line 8, 1" is corrected to "Photosensor cell". (20) Correct "collector" in specification 7 (-; 5th line from directly below 68th) to [j recta j. (21) Specification hot water temperature 68 4th line from directly below 11 and 3 from do
"n embedding area" in the row is corrected to "n+embedding area". (22) Supplement 1 to “(C). (24) Correct the statement on page 78, line 4 of Akira, Bunsho. (25) Correct [N is the impurity concentration of the emitter, N is the base] on page 78, line 6 of the specification to ``No means the emitter concentration. "Impurities are 0 degrees, NA is base" and corrected. (26) rN J on page 78, lines 8 and 9 of the specification is corrected to "NA". (27) rsio on page 86, line 10 of the specification, 309
``is corrected to rsio2.309''. (28) "To the present invention" on page 91, line 12 of the specification is supplemented with "of the present invention." (28) On page 96 of the specification, line 4 from the bottom, ``Correct ``Gron'' in 1 to ``Tron''. (30) Details! ? Correct rVp+VB 10J on page 97, line 6 to rvp+ve J. (31) In the 7th line from the bottom of page 100 of the specification, "See it in Figure 18" is corrected to "See it in Figure 18." (32) "Shirush" in the third line of page 103 of the specification is replaced with "
"Refreash," he corrected.
Claims (1)
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、該制御電極領域に畜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得る構造を有する光
変換装置において、該浮遊状態になされた制御電極領域
内の一部に、該制御電極領域とは反対導電型高濃度領域
な領域を、表面に隣接して該主電極領域以外に少なくと
も1個設け、該反対導電型高濃度を該制御電極領域の電
位を制御するための絶縁ゲート型トランジスタの主電極
領域となしたことを特徴とする光電変換装置。1 The control electrode region of a semiconductor transistor consisting of two main electrode regions of the same conductivity type and the control electrode region of the opposite conductivity type to the main electrode region is brought into a floating state, and the potential of the control electrode region brought into the floating state an accumulation operation in which carriers generated by light are accumulated in the control electrode region set in a floating state by controlling via a capacitor; a readout operation in which the accumulated voltage generated in the control electrode region by the accumulation operation is read out; In a light conversion device having a structure capable of performing a refresh operation to eliminate carriers accumulated in the control electrode region, a part of the control electrode region in a floating state has a conductivity opposite to that of the control electrode region. A main electrode region of an insulated gate transistor for controlling the potential of the control electrode region with at least one high concentration region of the opposite conductivity type provided adjacent to the surface other than the main electrode region. A photoelectric conversion device characterized by the following.
Priority Applications (14)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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- 1983-07-02 JP JP58120754A patent/JPS6012762A/en active Granted
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