JPS6012763A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光電変換装置に関する。

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ａ極的に行なわれ、一部では実
用化され始めている。

これらの固体撮像装置は、大きく分けるとｃｃＤ型とＭ
Ｏ５Ｊ！！！の２つに分類さｈる。ＣＣＤ５撮像装置は
、ＭＯＳ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、Ｉ；Ｊ！ｓされた電
荷を出方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ＣＣＤ構造で行な
うというタイプのものもある。また一方、ＭＯ３型＃Ｍ
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７ト荷をＪ蹟
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。

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ＭＯ８型アンプがオンチップ化されるため、シリコ
ンと、Ｓｉ０２　膜との界面から画像上、目につきゃす
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岐大の電荷量が減少
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′重荷転送
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。

これに対してＭＯＳ型撮像装置は、構造的にはＣＣ’Ｄ
型撮像型置像装置フレーム転送型の装置に比較して少し
複雑ではあるが、蓄積電に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１σ位性をも
つ。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・ツブが発生し、出力電圧がドかってしま
うこと、配線容量が大きく、これによるランタム雑音の
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。

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、＃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。

ＣＣＤ　５およびＭＯＳ型撮像装置は、以りの様な一長
一短を有しながらも次第に実用化レベルに近すいてきて
はいる。しかし、さらに将来必要とされる高解像度化を
進めていくうえで木質的に大きな問題を有しているとい
える。

それらの固体撮像装置に関し、特開昭５１３−１５０８
７８　゛°半導体撮像装置°゛、特開昭５８−１５７０
７３　“半導体撮像装置ｎ″、特開昭５１１１−１８５
４７３　“半導体撮像装置°′に新しい方式が提案され
ている。ＣＣＤ型。

ＭＯＳ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）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（例えばバイポーラ拳トラ
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
、ＣＣＤ型、ＭＯＳ型が、蓄積された電荷そのものを外
ｍ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Ｉし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シして読
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、広ダイナミツクレンジ、低雑音であり、かつ
、光信号４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Ｔ＝（能性をイ１する方式であるといえる。

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ＭＯ３型撮像装置の各セルにバイポーラトランジス
タ、５ＩＴ）ランジスタ等の１ｇＩ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。

本発明は、各セルに増＠椴能を有するもきわめて簡単な
＃ｌ造であり、将来の品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。

かかる目的は、同導電型領域よりなる２ｆ！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、リフレッシ
ユニ程において該主電極領域の一方の領域に対して所定
の逆バイアス動作にするべく、絶縁ゲート型トランジス
タの主電極領域になるべく配置し、該絶縁ゲート型トラ
ンジスタが遮断ヒ態にある状態で、光励起により発生し
たキャリアを該制御ＴＬ極ｍ域に蓄積し、該蓄積された
キャリアにより発生した該制御電極領域の蓄積電圧を読
出す工程において、該制御ＴＬ極上に薄い絶縁層を介し
て設けられた電極に電圧を印加することにより、該制御
電極領域が該一方の主Ｔｇ、ａｉ領域に対して順方向に
バイアスされるべくａ成されたことを特徴とする光電変
換装置により達成される。

以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

ｆＪｒＪ１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。

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、ｉ
ｆ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。

第１図では、整列配置方式の平面図を示したが、水一方
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。

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ＰＳＧＩＩＱ等で構成されるパシベ
ーション膜２： シリコン酪化１１２（ＳｉＯ２）より成る絶縁酸化ｎ９
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ＳｉＯ、あるいはＳｉ３　Ｎ　４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」−の例えば不純物拡散技術又はイオン注入技術を
用いてポロン（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： 不純物拡散技術、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フタとなる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（Ａ
Ｉ）　、　Ａｌ−５ｉ、ＡＩ−Ｃ；ｕ−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ｌＯ； 基板ｌ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。

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
、　Ｓｊｏ　２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。

第１図（Ｃ）の等価回路のコンデンサＣｏ！１３は電極
９、絶縁１５Ｉ３、ｐ領域６のＭＯ３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＋領領域の各
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。

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をベース争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・コレクタの接合部１１ｃｂｃ１７、ベース舎コレク
タのｐｎ接合ダイオードＤｂｃ１８を用いて表現したも
のである。

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。

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
コンデンサー〇〇！１３に、配線ｌＯ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。

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、後にリフレッシユ動作の
説明のとき、くわしく説明する。

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
クトロン中ホール対が発生する。

この内、エレクトロンは、ｎ領域１が正電位にＩくイア
スされているのでｎ領域ｌ側に流れだしていってしまう
が、ホールはｐ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。

第１図（ａ）　、　（ｂ）でも各センサセルの受光面下
面は、はとんどｐ領域で占られており、一部ｎ＋領領域
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からただちに流れ出
て、ｎ領域番ご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＃積されて、ｐｇ
ｎ城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ｌ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５表面から内部に行くほどｐベー
スの不純物濃碑が減少するように構成しておけば、この
不純物０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、Ｗ・はｐ　ｇｎ域６の光入射側表
面からの深さ、にはポルツマン定数、Ｔは絶対一温度、
ｑは単位型・荷、ＮＡ！ｉはｐベース領域６の表面不純
物濃度、ＮＡＩ゛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。

ここで、Ｎ　Ａｓ　／　Ｎ　Ａｌ　＞　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。

センサセルの受光面下の一部は、ｎ１領域７により占ら
れている。ｎ＋領域７の深さは、通常０．２〜０．３ル
鵬程度、あるいはそれ以下に設計されるから、ｎ１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。

ただ、短波長側の光、特に青色光に対しては、ｎ十領域
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ｌＸｌ０！０ｃ■−３程度あるいはそれ以り
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．
２　μ■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＋領領域得ることが可能である。

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。

より厳密に言うと、ベース・エミッタ間が順方向ニ深く
バイアスされて、ベースに蓄積されたホールがエミッタ
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ｐｆｎ域６を負
電位にバイアスし°たときの７〜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　６１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。

以上は電荷７．′積動作の定性的な概略説明であるが、
以下に少し共体的かつ定量的に説明する。

この光センサセルの分光感度分布は次式で与えられる。

Ｓ（入）＝　□・ｌ！！Ｐ（−αＸ） １．２４ Ｘ（１ｅｘｐ（−αｙ））　・Ｔ　［Ａ／Ｗ］但し、入
は光の波長［ｐｍｌ、αはシリコン結晶中での光の減衰
係ａ　［ルｗ−’］、ｘは半導体表面における。　＋ｌ
＋結合損失を起こし感度に寄与しない”ｄｅａｄ　１ａ
ｙｅｒ”　（不感領域）ｌ’７さ　［ｇｗｌ’、ｙはエ
ビ層の厚さ　［Ｊｉ、ｏ＋］、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（入）および放射照度　Ｅｅ
（入）を用いて光Ｔｒ！、Ｆｉｔ　Ｉ　ｐは次式で計算
され　る。

Ｉｐ’＝　ｆ″　Ｓ（入）・Ｅｅ（入）−ｄ入［ＪＬＡ
／ｃａ２１ イロし放射照度Ｅｅ（入）　［ｕＬＷ−ｃｍ−’　ａ　
ｎ１ｌｌ−’　］　はα式で与えられる。

［ｐ　Ｗ　＊　Ｃｍ−２囃ｎｍ−’　１但しＥｖはセン
サの受光面の照度［ＬＬ＋！　］、Ｐ（入）はセンサの
受光面に入射している光の分光分布、■　（入）は人間
の目の比視感度である。

これらの式を用いると、エビ厚の層４ｇｔｓをもツ光セ
フ　サ−１１！　ルテハ、Ａ光ｒＱ（２８５４°Ｋ）で
照射され、センサ受光面照度が１　［Ｌｕｉ］のとき、
約２８０　ｎＡ／ｃｍ　””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　ＸＩＯ”ケ１ｃｙａ　２６　ｓｅｃ
程度である。

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Ｉツであり、Ｃは
Ｃｂｃ１５とＣｂｃ１７を加算した接合容量である。

いま、ｎ＋領域７の不純物濃度を１０　”　ｃｍ−”　
。

ｐ領域６の不純物濃度を５　Ｘ　１．０”　ｃｍ−’　
、ｎ−領域５の不純物濃度を１０　ａｍ　”、ｎ＋領域
７の面積を１６ｐｍ”、ｐ領域６の面積を８４ｇｍ２．
ｎ＝領域５の厚さを３μｍにしたときの接合容量は、約
ｏ、ｏｔａｐＦ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／ＥｔＯｓｅｃ　、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５８１Ｌｓ２程度とすると、１．７
　Ｘ　１０’ケとなる。従って光入射により発生する電
′位Ｖｐは　１９０ｍ　Ｖ位になる。

ここで往ｌ］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、蓄積電荷量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Ｖρはほぼ一定にたもたれるということである。これ
は本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ｕｆ能性を有しているからである。

インターラインタイプのＣＯＤ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、転送する電荷碌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１本発明における光センサセルでは、先にも書
いた様に、岐初に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。

以ヒの様にして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。

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。

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−ｖｅ　とし、
光照射により発生した蓄積電圧を■ｐ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ｌＯ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は酸化収容ＪｉｌＣｏｘ
１３とベース・エミッタ間接合容１ｃｂｅ１５、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 ＣＯ買 −ｖ、＋Ｖｐ　＋　□・Ｖ。

ＣＧ！＋　Ｃｂｅ＋　Ｃｂｅ となる。ここで、 ａｘ −■、＋　□・ｖ＝Ｏ Ｃｏｘ＋　Ｃｂｅ＋　Ｃｂｅ 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屯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。

Ｘ　（ｅｍｐ−ニー（Ｖ　ｐ　−Ｖ　ｅ）　−１１Ｔ 但しＡｊはベース・エミッタ間の接合面積、ｑは単位電
荷ｉ　（１，８Ｘ　１０−１″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、ｎ　ｐｏはＰベ
ースのエミンタ端における少数キャリヤとしてのエレク
トロン濃度、ＷＩはベース幅、Ｎ　Ａ［！　ｉｔペース
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はポルツマン
定数、Ｔは絶対温度、Ｖｅはエミンタ電位である。

このＭｔ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。

ｘ　（［！！Ｐ　−（Ｖ　ｐ　−Ｖ　ｅ）　−１１Ｔ 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２】である。

第３図は、上式を用いて計算したエミンタ電位の時間変
化の一例を示している。

第３図によればエミッタ屯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。これは工’−
ツタ電位　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
れを解決する手段は、先に電極９にｉＥ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、ベース電位なＶ　［Ｉｒ　ａｓ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。

この時に流れる電流は次式で与えられる。

ｘ　（ｅ＋＋ｐ　−（Ｖｐ　＋　Ｖｅｔａｓ　−Ｖｅ）
　−１）Ｔ 第４図（ａ）に、Ｖ　ｓ＋　ａｓ＝　０．６　Ｖとした
場合、ある一定時間の後、電極９に印加していたｖＲ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Ｖｐ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ｉ９に印加している正電圧ｖ
ｌＩ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
’ｌ［を位は、正電圧■Ｐを印加する前の状態、すなわ
ち−ｖ８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１ｏｏｎｓ程度以上の読出し時間（すなわちｖＲ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６丁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、ＩＺ、記の計算例では、配線８の容量　Ｃ
８を４ｐＦとしているが、これはＣｂｅ＋Ｃｂｃの接合
８破のＯ，０１４ｐ　Ｆ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、／ヘ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」二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ｆｆＪら
いているからである。

これに対して従来のＭＯ３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台はＣ８の影
響でＣｊ　・Ｖｐ　／　（Ｃｊ　＋Ｃｓ　）（但しＣｊ
はＭＯ５型撮像装置の受光部のｐｎ接合容φ）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ＭＯ５型撮像装置では、外部へ読出す
ためのスイッチングＭＯ５）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、
＠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
雑音が相対的に小ぎくなり、きわめてＳ／Ｎ比の良い信
号を得ることが可能である。

先に、バイアス電圧Ｖ　＠ｉ　ａａをｏ、ｅ　ｖに設定
したとき、４桁程度の直線性が１１００ｎ＠ｃ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　ＶｌｉａＳ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。

第４図（ｂ）において横軸はバイアス電圧Ｖｌｉａｇで
あり、また、縦軸は読出し時間をとっている。

またパラメータは、蓄積電圧がｌ　ｍＶのときに、読出
シミ圧力ｌ　ｍＶ　（Ｆ）　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１　ｍＶにおいて、それ
ぞれ８０％、９０％、９５％、９８％になっている時は
、それ以上の′ｓｔＭｉ電圧では、さらに良い偵を示し
ていることは１５７らかである。

この第４図（ｂ）によれば、バイアス電圧Ｖａ＋ａｓが
０．８■では、読出し電圧が蓄積電圧の８０′９６にな
るのは読出し時間が０．１２ＪＬＳ　、　９０％になる
のは０．２７１Ｌｓ、９５％になるのは０．５４１Ｌｓ
　、９８％になるのは１，６目であるのがわかる。また
、バイアス電圧ＶＩｉａＳを　ｏ、ｅｖ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、ｔＳ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Ｖ　ｓ＋　ａｓ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。

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
ンとポールの丹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
ｂ９に印加していた電圧Ｖ１１をゼロボルトにもどした
時、ｐ領域６の電位は電圧ｖ冑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ｍ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ａ成に係る光センサセルを光
電変換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。

このｐ領域６に蓄積電圧Ｖｐを保持てきる時間は、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。

すなわち、この熱的に発生する暗電流により光センサセ
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、低不純物濃度領域であるｎ−領域５であり、このｎ
−領域５は１０”　ｃｍ−’　〜１０”　ｃｍ−’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、ＭＯ５ｆｉ、ＣＣＤ型撮像装置に比較して熱的
に発生するエレクトロン・ホール対は少ない。

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木質的
に暗電流雑音の小さい構造をしているわけである。

次いでｐ９ｎ城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。

Ｌ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ＮＭｉされた電荷は、読出し動作では泊城
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１１）電させておく
必要がある。

９ヒ記構成に係る光センサセルでは、リフレッシユ動作
も読出し動作と同様、配線１ｏ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ａｉ１２を通し
て接地又は正電位にしておく、第５図にり°フレッシュ
動作の等価回路をボす、但しコレクタ側を接地した状態
の例を示している。

この状態で正電圧ＶＩＩＭ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Ｃｏｚ１３、ベース
・エミッタ間接合容ＱＩＣｂｅ１５、ヘ−スｅコレクタ
間接合容ＷｋＣｂｃ１７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９エミツタ間接合ダイオー
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ｊ！にとなり
、電流が流れ始め、ベース電位は次第に低下していく。

この時、浮遊状態にあるベースの電位■の変化は近似的
に次式で表わされる。

但し、 ｉ工はダイオードＤｂｃを流れる電流、ｉ、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、Ｐ　ｍはコレクタ中における熱平衡状態のホー
ル濃度、Ｌｐはコレクタ中におけるホールの平均自由行
程、ｎ１．はベース中における熱平衡状態でのエレクト
ロン濃度である。１２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べて充分高いので、無視できる。

ヒに示した式は、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。

上式中のベース番コレクタ間に流れる電流ｉ１の内、Ｑ
　”　ＤＰ争Ｐ。ｍ　／　Ｌ　ｐ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１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。

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Ｖ□が電
極９に印加された瞬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ＶＩＩＨ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・ 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１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。

第６図（ｂ）に、リフレッシュ時間に対するベース電位
変化の実験イ１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ｌｃ夏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。

今、光照射による蓄積電圧Ｖｐの最大（１を０．４［Ｖ
］、、リフレッシュ電圧■訃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
てベース電位がドがり始め、１０−′ｔｓｅａｌ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。

ｐ　（ｆｉ域６が、ＭＯＳキャパシタＣｏｔ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。

ｐ領域６からホールが、ｎ領域ｌ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ｌ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ｌ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ｇｍする動作
も行なえる。この場合には、ｎ領域ｌ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。

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１画、像により各センサセ
ルで、蓄積電圧Ｖｐは、上記の例では　θ〜０．４’［
Ｖ］　の間でばらついているが、リフレッシュ電圧７曲
印加後１０”−’　［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、画像による蓄積電圧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ｌＯ［５ｅｃｌを要する）、ベース電位にはあ
る一定電圧は残るもののＭＭ電圧■ｐによる変動成分が
消えてしまうｉｌ！Ｓ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、
１０１μｓｅｃ］　〜ＩＯ［５ｅｃｌのリフレッシュパ
ルス）。以−ヒの例では、リフレッシュ電圧Ｖ　ＲＨに
よりベースに印加される電圧Ｖ　を０．４［Ｖ］としだ
が、この電圧Ｖ＾をＱ、８［Ｖ］とすれば、上記、ｉｌ
！Ｓｍ的リフレツリフレッシュモード図によれば、ｌ　
［ｎ５ｅｃ］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。

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■にとすると、リフレッシュ電圧ｖＲ１を印加後、
ＶＲＩＩをゼロボルトにもどす瞬間の過渡的状態におい
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 ”　Ｃｏｘ＋ＣＭ＋Ｃｂｃ　Ｖｌｌｌ＋となり、ベース
はエミッタに対して逆ノくイアス状！ｇになる。

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。

第６図（Ｃ）にリフレッシュ電圧Ｖ　ＩＩｎに対するリ
フレッシュ動作後のベース電位 ＶＫＣａｘ＋Ｃｂｅ＋Ｃｂｃ　Ｖ　Ｒ１１の変化の実験
値を示す、パラメータとしてＣｏｔの値を５ｐＦから１
００ｐＦまでとっている。丸印は実験値であり、実線は Ｃｏｔ ｖＫＣｏｘ＋Ｃｂｅ＋Ｃｂｃ　’　””より計算される
計算値を示している。このときＶ（＝０．５２Ｖであり
、また、Ｃｂｃ＋　Ｃｂｅ＝　４ｐＦである。伊し観測
用オシロスコープのプローグ容置１３ｐＦがＣｂｃ＋Ｃ
ｂｅに並列に接続されてｌ、する、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ｌ、Ｎる。

以上のリフレッシュ動作においては、第５図に示す様に
、コレクタ紮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
。このときは、ベース・コレクタ間接合ダイオードＤｂ
ｃ１８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゛面位より
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、電流はペース書エミッタ間接合
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。

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
方向ヘシフトすることになる。

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ｖｌ１Ｍ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＋ｉｆ能である。

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に記構成に係る光センサセルの基本
動作の説明である。

以」−説明したごと＜、、Ｊｌ記構成に係る光センサセ
ルのノ、（本構造は、すでにあげた特開昭５６−１５０
８７８、特開昭５１３−１５７０７３　、特開昭５６−
１８５４７３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橙能からくる低雑音、高出力、
広ダイナミツクレンジ、非破壊読出し等のメリットをそ
のまま保存している。

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換装置の一実施例につ
いて図面を用いて説明する。

ノル木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図を第７図に示す。

すでに説明した点線でかこまれた。’、ｔ；木光センサ
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ＭＯ３）ランジスタ３３，３３’。

３３″・八ツファＭＯＳトランジスタ３３゜３３′、３
３”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ＭＯ５）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．リフレッシユパルスを印加す
るための端子３７．基本光センサセル　３ｏがら蓄積電
圧を読出すためのＩＫ直シライン３８３８’、３８″、
各垂直ラインを選釈するためのパルスを発生する水−Ｆ
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ｔ１１圧を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４２、ＭＯＳ）ランジメ
タ４２ヘリフレンシユパルスを印加するための端子４３
、出力信号を１０幅するためのバイポーラ、ＭＯＳ、Ｆ
ＥＴ、Ｊ−ＦＥＴ等のトランジスタ４４、負荷抵抗４５
、Ｉ・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重置ラ
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ＭＯ５Ｉ−ランジスタ４８，４．８　’
、４８″、　お、！：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
によりこの先電変換装置は構成されている。

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。

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。

時刻ｔよにおいて、基板電位、すなわち光センサセル部
のコレクタ電位６４は、Ｊａ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だ、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６５はｈｉｇｈ状態であり、ＭＯＳトランジスタ４８
゜４８’、４８″は導通状態に保たれ、各党センサセル
は、垂直ライン３８．３８’、３Ｂ”を通してｕｉ地さ
心ている。また端子３６には、波形６６のごとくバッフ
ァＭＯ３）ラー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ＭＯ５）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ツレシュモー
ドにしたがってリフレッシュされる。完全リフレッシュ
モードになるカ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。

ｔ７７時刻おいて、すでに説す■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１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。

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？を位波形　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Ｊ精動作に変化はない。

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、ｈ　ｉｇｈに保たれ、各ＭＯ３）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０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’、３
８”を通して流れ、そこでベース電位変化は停止し、は
クツリプされることになる。

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３８．３８’、３
Ｂ”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。

このブルーミング現象をさける方法は、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、
７．％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目ｆ能
である。

蓄積区間６２に次いで１時刻ｔ３より読出し区間６３に
なる。この時刻ｔ３においてｌＭＯＳ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”（７）バｙ
７７−ＭＯＳト５７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）
ランジスタを導通状態とする。但し、このゲート端子３
４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。

時刻ｔ４では、垂直シフトレジスター３ｚの出力のうち
、水平ライン３１にＪＬａ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？Ｉ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３
２からのパルス電圧のパルス幅は、第４図に示した様に
、蓄積電圧に対する読出し電圧が、［・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、Ｍｅｇａｓ分だけエミッタに対して順
方向バイアスがかかる様調整される。

次いで、　時’Ａ　ｔ　ｓ　において、水１Ｌシフトレ
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７
０のごと（ｈｉｇｈとなり、ＭＯＳ）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、１１ｕ？　刻ｔ　ｓにおいてｌＭＯＳ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、この残留した信す電荷
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３８′、３８’″の信号出力を読
出す、この様にして水平に並んだ−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１［荷が残留してＩ／）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４
９に波形６５で示される様にｈｉｇｈにして導通させ、
この残留信号電荷をリフレッシュする。

次いで、時刻１．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＜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
３８．３８’、３Ｂ”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から信号カー
読出される。

以りの説明においては、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、（ｆｌえば最近研究
開発が積極的に行なわれてし）るスチルビデオに適用さ
れる動作状態につし）て説１月したが、テレビカメラの
様に蓄積区間６２にお乞す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
括リフレッシュではなく、−ライン毎のリフレッシュ機
能が必要である０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ｔ１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４８．４８′。

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ｔワにおいても時刻ｔ４と同様、パルス電圧、パ
ルス幅、の異なるのノく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
右側に設置した御粘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
タとずらせながら動作させることにより達成させること
も可能である。

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ＶｓＩａｓ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図のグラフかられかる様に、Ｖ　ｅ＋　ａ
ｓを印加しない時に、各光センサセルの飽和により、垂
直ライン２８．２８′、２８”に流れだす信号型荷分は
きわめてわずかであり、ブルーミング現象は、まった〈
問題にはならない。

′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送されるとい
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１、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
生する問題である。

また、ＭＯ３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ＭＯ３）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。

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
セルのエミー、夕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
は流れ出してじまい、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とで
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１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。

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。

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゛箪ヤリアのうち、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ｕｆ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、エミッタメ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。

また１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＋領領域設け、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。

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シタノくルスが必要である。

第９図に出力信号に関係する等価回路を示す。

容量Ｃｖ８０は、垂直ライフ３８．３８’３８′′の配
線容量であり、容−％’Ｃ、、８１は出力ライン４１の
配線容量をそれぞれ示している。またｆ５９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ＲＭ８
２で示している。また増幅用トランジスタ４４を抵抗ｒ
、８３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）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。

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
１ｃマ８０は約４　ｐＦ位、容量ＣＨ３１は約４　ｐＦ
位、ＭＯＳトランジスタの導通状態の抵抗ＲＭ８２は３
　ＫΩ程度、バイポーラトランジスタ４４の電波増幅率
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ｉ　１．０図に示す６
第１θ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　［
ｐＬｓｌを、縦軸は垂直ライン３８゜３８′、３８”の
配線容量Ｃマ８０に、各光センサセルから信号電荷が読
出されてｌポ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。

出力信号波形８５は負荷抵抗Ｒ６４５がＩＯＫΩ、８６
は負荷抵抗Ｒ６４５が５にΩ、８７は負荷抵抗Ｒ□４５
が２にΩのときのものであり、いずれにおいてもピーク
値は、Ｃｖ８０とＣＨ３１の８借分割により０．５ｖ程
度になっている。当然のことながら、負荷抵抗ＩｔＥ４
５が大きい方が減衰酸は小さく、望ましい出力波形にな
っている。

１°ｆ上り時間は、上記のパラメータ値のとき、約２６
　ｎ５ｅｃと高速である。スイ・ンチングＭＯ５）ラン
ジスタ４０，４０′、４０”の導通状態における抵抗Ｒ
Ｍを小さくすることにより、および、配線容Ｉｃマ　、
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。

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ＲｉＦ＝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、ＭＯ
Ｓ型ｍ像装置に比較してかなり簡単なもので良い。■−
記例では／へ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からｆｒｆ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、Ｃ
ＣＤ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Ｊ−［１につきゃすいｌ／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／Ｎ比の良い画質を得ることが可能である。

上に述べた様に、」二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０■能である。

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。）５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ｔｏｏ　、ｌｏｔ　、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［＋、（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。

この実施例によれば、一本の水平ライン分を読出す時間
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。

第ｔｉ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ａｔｅ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。

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ＭＯ５）ランシスターと、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１．１図の実施例と同じであるから省略している。

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＋’ｌ）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０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。

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つだけで動作が口■能である。

第１１図、１２図の例では出力アンプを３（９１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。

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。

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　３ＦＩ　Ｉｆ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、キヨシ
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Ｏｆ能である。

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。

一例としてＲ，Ｇ、Ｈのストライプ・フィルターを使用
した時は、上記！ａ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１２列Ｕ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＠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シイ
ン１１２に１１ｉ続されＢ信号をとりだす、出カシイン
１１０．１１１，１１２はそれぞれオンチップ化された
リフレッシュ用ＭＯＳトランジスタおよヒ最終段アンプ
、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。

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。

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−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Ｌ下に隣接する光センサセルのエミッタ７、　は２
層／ｊ！線にされた配線の８、および配線■１２１　（
第１４図では、垂直ラインが１木に見えるが、絶縁層を
介して２木のラインが配置されている）に交Ｉｆ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（９８に、エミッタ　はコンタクトホールｌ　を通
して配線■Ｉ２１にそれぞれ接続されていることが異な
っている。

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は水平ライン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。

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　のエミッタは垂直ライン３８という様
にそれぞれ交互に接続されている。

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をリフレッシュするためのスイッチング
ＭＯ３）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
１４８、および垂直ライン３８を選択するスイッチング
ＭＯ３）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ＭＯ３）う゛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ＭＯ３）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の
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。

この第１４図の光センサセル及びｆｆ１１５図（ａ）に
示す実施例によれば１次の様な動作が０７能である。す
なわち、今人平ライン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プラン
蔓ング期間にある時、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１５１を通して、読出しの終ｒ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Ｍ
ＯＳトランジスタ４８は導通状態にされ、垂直ライン３
８は接地されている。

また水平ライン３　に接続されたＭＯＳキャパシタ■５
　を通して光センサ−セル１５　の出力が垂直ライン１
３８に読出される。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、
＠直うイン１３Ｂは浮遊状態となっているわけである。

この様に−・っの垂直スキャンパルスにより、すでに読
出しを終ｒした光センサ−セルのリフレッシュと、次の
タイプの光センサ−セルの読出しが回−・のパルスで同
時的に行なうことが可能である。このと１ｇ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＜、ＭＯＳキャパシタ電極９およびＭＯＳキャパシ
タ電極１２０の面積を変えることにより各電極に同一の
電圧が中力０されても各光センサ−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。

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、センサセル全部を御粘リフレ
ッシュするのではなく、−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ー
ア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ｌ
ｊ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！Ｌいに分離された
ｎ　埋込領域を設けた構造にする。隣り合う水１Ｌ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
クタを星いに分離するには、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偵だけ深くして
おくことになる。

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、リフレッシュ動作が始まる時に、その水平
ラインのコレクタの電圧を接地すれば、？ｉＩ７述した
ようなエミッタコレ２タ間電流は流れず、消費゛心力の
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。

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に夕方゛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１
５図（ｂ）の様な構成にすることＬり一つのアンプから
出力をとりだすことも可能である。

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。

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ｉ没けた構成により。

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。

これは未発１１ノによる光゛准変換装置の各光センサセ
ルが”Ｏ’Ｉ？ｉｌ　Ｄ、　ｉＦをもっことから、−・
っ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６！線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ｉｉＪ能である
ことに起因している。

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。

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１選択エピタキシャル成長（Ｎ、Ｕｎ
ｄｏ　ｅｔ　ａｌ、　”Ｎｏｖｅｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉ
ｓｏｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　＋＋ｉｔｈ　
５ｅｌｅｃｔｅｄ　ｅｐｉｔａｘｉａｌ　ｇｒｏｗｔｈ
”Ｔｅｃｈ、　Ｄｉｇ、　ｏｆ　Ｉｎ２　Ｉ　ＥＤＭ　
、　ＰＰ、　２４１−２４４参照）を用いたその製法の
一例を示す。

１−１０　Ｘ　１０１６ｃｍ−”程度の不純物濃度のｎ
形Ｓｉ基板１の表面側に、コンタクト用のｎ＋領領域ｌ
を、ＡｓあるいはＰの拡散で設ける。ｎ＋領領域らのオ
ートドーピングを防ぐために、図には示さないが酸化１
１り及び窒化膜を裏面に通常は設けておく　。

基板ｌは、不純物９度及び酸素０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１、がウ
ェハで十分に長くかつ均一な結晶ウェハを用いる。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ｌの表面に略々ｌルｍ程度の酸化膜をウェット
酸化により形成する。すなわち、Ｈ２Ｏ４ｉ囲気かある
いは（Ｈ。

＋０．）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、８００°Ｃ程度の温度での高
圧酸化が適している。

その上に、たとえば２〜４ル厘程度の厚さの８１０、膜
をＣＶＩ）＋１’堆積する。（Ｎ２＋　ＳｉＨ４＋０２
）ガス系で、３００〜５００℃程度の温度で所望の厚さ
の５ｉＯｙ　Ｉｆりを堆積する。０２　／　ＳｉＨ４の
モル比は温度にもよるが４〜４０程度に設定する。フォ
トリングラフィｒ程により、セル間の分離領域となる部
分の酸化膜を残しぞ他の領域の酸化１１りは、（ＣＦ４
　＋Ｈ２）　、　Ｃ２Ｆｅ　、Ｃ［ｘ　Ｆ２等のガスを
用いたリアクティブイオンエツチングで除去する（第１
６図のＪＸ程（ａ））、例えば、ＩＯＸ１０ｇｍ２に１
画素を設ける場合には、ｌＯルｌピッチのメツシュ状に
５ｉ０２膜を残す。５ｉＯｚ　Ｍの幅はたとえば２ｇｍ
程度に選ばれる。リアクティブイオンエンチングによる
表面のダメージ層及び汚染層を、　Ａｒ／Ｃ１ｔ　ガス
系プラズマエツチングかウェットエツチングによって除
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、ＳｉＨ、ガスにＧＯ，レーザ光線を照射する
減ＩＩＥ光ＣＶＤで、アモルファスシリコン３０１を堆
積する（第１６図の工程（ｂ））。ＣＢｒＦ３　、ＣＣ
ｌ２　Ｆ２　、Ｃ１２等のガスを用いたりアクティブイ
オンエツチングによる異方性エッチにより、５１０２　
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、　（Ｆ２　＋ＳｉＨ２，Ｃ文、　＋ＨＣ
ｆＬ）ガス系によりシリコン層の訳択成長を行う。数１
０Ｔｏｒｒの減圧状態で成長は行い、基板温度は９００
〜１０００℃、ＨＧｉのモル比をある程度以七高い値に
設定する。Ｆ０文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−ヒにはシリコン結晶層が成長する
が、Ｓ１０゜層上のシリコンはＨＣＩによってエツチン
グされてしまうため、　５１０２１２七にはシリコンは
堆積しない（第１６図（ｄ））。ｎ一層５の厚さはたと
えば３〜５川ｍ程度である。

不純物濃度は、好ましくは１ｏ１２〜１０”　ｃ■−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。

通常入手できるＨＣＩ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ＨＣＱ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、用金属汚染の多いエビ層
になり易い、光センサ−セルに使用するエビ層は、暗電
流成分が少ない程望ましいわけであるから１重金属によ
る汚染は極限まで抑える必要がある＊　５ｆＨ２Ｃ１，
に超高純度の材料を使用することはもちろんであるが、
ＨＣｎ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０．５ｐｐ−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。

・　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、デヌーデット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０分離領域としての　５１０７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、５ｉ
０２からの１１ｆ！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０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−
・層の低温化は難しい０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ェ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、高品質エビ層を低
温で成長させられる。

反応室におけるウェハ支持具は、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
ニへ面内一度を均一化し易い、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ェハ直接加
熱法は、高品質エビ層を得るのに適している。成長時に
ウニ／Ｘ表面への紫外線照射は、エビ層の品質をさらに
向上させる。

分離領域４となる５ｉ０２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４０成長で単結晶化し易いため、
５ｉ０２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一層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
１〜２０Ｘ１０”Ｃｌ−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
。

ｐ領域６の深さはたとえば０．８〜１終■程度である。

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Ｌ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
は略々法のように与えられる。

。ｂｅ＝Ａｅｅ（−υ２し−） ２　＠　Ｖｂｉ ただし、Ｖｂｉはエミッタ・ベース間拡散電位であり、 ｋ７　ＮＮ Ｖｂｉ　＝　”　ｔ ｑ　ｎ高 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濃度、！ｔまベースのエミッタに
隣接する部分の不純物密度、ｎｔｊよ真性キャリア１２
度である。Ｎ　を小さくする程Ｃｂｅは小さくなって、
感度は一ヒ昇するが、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Ｉ／％
。ベース領域が完全に空乏化してパンチンゲスクレー状
態にならない程度に設定する。

その後、シリコン基板表面に（Ｈｔ　＋Ｏ，）ガス系ス
チーム酸化によりＢｔｏＡから数１００Ａ程度の厚さの
熱酸化畷３を、８００〜９００℃程度の温度で形成する
。そのとに、（ＳｉＨ４＋ＮＨ１）系ガスのＣｖＤで窒
化１１（Ｓｉｓ　Ｎ４）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。　ＮＨ，ガスも、ＨＣｆＬガスと並んで通常人
手できる製品は、大量に水分を含んでいる。水分の多い
ＮＨ，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５ｉ０２
膜との選択エツチングで選択比が取れないという結果を
招く。

ＮＨ１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Ｕは少ない程望ましいことは
いうまでもない、窒化１！１１３０２の上にさらにＰＳ
Ｇ膜３００をＣＶＤにより堆積する。ガス系は、たとえ
ば、　（Ｎ２　＋　ＳｉＨ４＋　０２　＋　Ｐ）１３　
）を用いて、３００〜４５０℃程度の温度で２０００〜
３０００Ａ程度の厚さのＰＳＧｌｌＭ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一工程により、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Ｅ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一工程により、エミッタ−
ヒは、ＰＳＧ膜。

Ｓｉ３　Ｎ　４膜Ｉ　５ｉ０２　Ｍ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Ｓｉｎ、膜を残して、ＰＳＧ膜とＳ＋３
　Ｎ　ａ　ＩＩＱのみエツチングする。その後、Ａｓド
ープのポリシリコンを、（Ｎ２　＋ＳｉＨａ＋＾ｓＨ３
）もしくは（Ｈ２＋　５ｉｎ４＋　ＡｇＨｚ　）　Ｈス
テＣＶ　Ｄ法により堆積する。堆積温度は５５０℃〜７
００℃程度、膜厚は　１０００〜２０００　Ａ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
タとりフレフシュ及び読み出しパルス印加電極Ｅヲ除い
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１程の後エツチングで除去する。さらに、Ｐ
ＳＧ膜をエツチングすると、リフトオフによりＰＳＧ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（ｆＺｌＧ図の工程（ｆ））、ポリシリコ
ン膜のエツチングはＣ，ＣＩ、　Ｆ４　、（ＣＢ　ｒＦ
３　＋ｃ　ｌ、）等のガス系でエツチングし、５ｉｚＮ
４１１ＱはＣＨ。

Ｆ２等のガスでエツチングする。

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ツチング
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−ヒにコンタクトホールを開ける
。こうした状態で、ＡＩ　、　ＡＩ　−Ｓｉ、Ａｉ　−
Ｃｕ　−Ｓｉ等（７）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（ＣＨｚ　）　３　Ａ　
ｌやＡ文Ｃ１３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Ａ４−Ｃポンドや１−Ｃ
Ｉポンドを直接光照射により切断する光照射ＣＶＤ法に
より　Ａ文を堆積する。　ＣＣＨ３）　ｚ　ＡＱやＡ５
ＬＣｈ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、細くてかつ急峻
なコンタクトホールにＡ文を堆積するには、水分や酸素
混入のまったくないクリーン雰囲気の中で３００〜４０
０℃膜厚に基板温度を上げたＣＶＤ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
、Ｒ間絶縁ｌ１２３０６をＣＶＤ法で堆積する。３０６
は、＋ｉｉｊ述したＰ　Ｓ　Ｇ　Ｉｌ’２　、あるいは
ＣＶＤ法５ｉ０２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＋ＮＩ＋３）カス系のプ
ラズマＣＶＤ法にょて形成したＳｉ３Ｎ４膜である。Ｓ
ｉ、Ｎ４１１中の水素の含有量を低く抑えるためには、
（ＳｉＨ４＋Ｎ２　）ガス系でのプラズマＣＶＤ法を使
用する。

プラズマＣＶＤ法によるダメージを現象させ形成された
Ｓｉ３　Ｎ　４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法にょるＳｉ２Ｎ４膜が
すぐれている。光ＣＶＤ法には２通りの方法がある。　
（ＳｉＨ４＋Ｎｌ１３　＋１１ｇ）カス系で外部から水
銀ランプの２５３７Ａの紫外線を照射する方法と、　（
ＳｉＨ４＋Ｎ１１）　ｆｆガス系に水銀ランプの１８４
９Ａ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。

マスク合わせ工程及びエツチング工程により。

エミッタ７上のポリシリコンに、絶縁膜３Ｇ５，３０Ｅ
ｉ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Ａ文、Ａｎ−Ｓ　ｉ、
Ａ　ｌ　−Ｃｕ　−Ｓｉ等の金Ｊｆｉ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！１８のパターニングを終えた後、最終パ
ッシベーション説としてのＳｉ３Ｎ、膜あるいはＰＳＧ
膜２をＣＶＤ法により堆積する（第１６図（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ＡＩ、Ａｌ−９ｉ等による金属電極である。

本発明の光電変換装置の製法には、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。

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。

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ａｇＡ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Ｓｉを堆積しておいてエビ成長を行う方法を説明した
。この場合には、エビ成長中に基板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。エビ
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Ｓ１が単結晶化される前に、アモルファスＳ
ｉ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、選択エピタキシャ
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Ｓ１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。

アモルファスＳｉの固相成長には一ヒ述したファーナス
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ｌθ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、　ＳｉＯ，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
。

こうしたＳｉＯ２側面のＳｉが中詰晶化された後。

Ｓｉの選択成長を行うことになる。

ＳｉＯ，分＃１．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ＳｉＯ，分離領域４に隣接する部分だけ、ｎ形の不純
物０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５ｉｌｌ領域４に接触するｎ−領
域５の０．３〜１ＪＬ１１程度の厚さの領域だけ、たと
えばｌ〜ＩＯＸ　１０”　ｃｍ−’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。基板１−Ｌに略々ｌＢｍ程度熱酸化膜を形成し
た後、そのヒにＣＶＤ法で堆積する　５ｉｆｔ　Ｍをま
ず所要の厚さだけ、所定の量のＰを含んだＳ　ｉＯ，膜
にしておく。さらにその４−にＳｉｎ、をＣＶＤ法で堆
積するということで分ｉ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５ｉ０２膜から、燐が高抵抗ｎ−領域５申
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。

すなわち、第１７図のような構造に構成するわけである
。分は領域４が、３層構造に構成されていて、３０８は
熱酸化膜Ｓｉｎ、、３０９は燐を含んだＣＶＤ法Ｓ１０
．膜、３０１はＣＶＤ法Ｓｉ０２膜である０分離領域４
に隣接して、ｎ’−（ｆｊ域５申との間に、ｎ領域３０
７が、燐を含んだＳｉＯ２膜３０９からの拡散で形成さ
れる。３０７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１ｃｂｃは大きくな
るが、ベースΦコレクタ間リーク電流は漂減する。

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、基板りに必要な高低抗ｎ一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
クティブイオンエツチングによりメツシュ状に切り込ん
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　１ｓ
ｏｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒｈｉｇｈ
　５ｐｅｅｄ　ｂｉｐｏｌａｒ　ＶＬＳＩ’Ｓ　”　、
　Ｔｅｃｈ、　Ｄｉｇ、　ｏｆＩＥＤに、　Ｐ、８２．
１９８２．参照）を使って行うこともできる。

本発明に係る光電変換装置は、ｋＬ、縁物より構成され
る分９１　ＷＪ域に取り囲まれた領域に、その大部分の
領域が半導体ウニへ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０
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Ｗスキャンパルスによ
り動作するＭＯＳ）ランシスタに接続されている。＋ｉ
ｉｉ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
ェハ内部に設けられるコレクタは、ノ＾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ａ度不純物理込み領
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屯圧は実質
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ＩＣｏｘ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すいた信号を記憶
させ、該信号読出し時には、ベース拳エミッタ間が順方
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
。

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＾Ｓ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Ｓ　＋　／　Ｓ　＋　０’　２界而の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。

ベースがＰ型の場合には、通常使われる不純物はポロン
である。ポロンを含むｐ領域表面を熱酸化すると、ポロ
ンは酸化膜中に取り込まれるため、Ｓｉ／Ｓｉ　Ｏ２界
面近傍のＳｉ中におけるポロン濃度はやや内部のポロン
濃度より低くなる。この深さは、酪化１１り厚にもよる
が、通常数＋ｏｏ　Ａ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屯界が生じ、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、この逆ドリフト電界を生じている領
域は不感領域になるが１表面に沿った一部にｎ＋領領域
、本発明の光電変換装置では存在しているため、Ｐ領域
のＳｔ／５ｉ０２界面に集まったエレクトロンは、この
１４″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／５ｉ０２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、は
とんど不感領域にはならない、むしろ、こうした領域が
Ｓｉ／５ｉＯｚ界面に存在すると、蓄積されたホールを
Ｓｉ／５ｉ０２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、２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。

以、ヒ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ｒｔＡｉｌｉｆ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、Ｂａ５ｅ　５ｔｏｒｅ　ＩｍａｇｅＳｅ
ｎｓｏｒと呼ばれるべき装置であり、ＢＡＳＩＳと略称
する。

本発明の光電変検装置は、１（ｌｉｌ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ｍＱ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０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。

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、
ワークスティジョン、デジタル複写機、ワープロ等の画
像入力装置、ＯＣＲ、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川の
光電変換被写体検出装置等にも応用できる。

ｆｆ１８図（ｂ）に、過渡的リフレッシュ動作、蓄積動
作、読出し動作２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。

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。

説明を簡単にするためにエミッタ拳ベース間の拡散電位
は除いである。したがって、第８図（ｂ）でエミ−／　
９　ト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。

第８図（ｂ）において、状態■、■はリフレッシュ動作
を、状態■は蓄積動作を、状態■、■は読出し動作を、
状態■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ポルトを境にして上側が負
、下側が正電位をそれぞれ示す、状態のにｉ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■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。

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。

第８図（ａ）の波形６７のごとく、時刻ｔＬにおいて、
端子３７に正電圧、すなわちリフレッシュ電圧Ｖｌｌｌ
＋が印加されると、ｗＳ８図（ｂ）の状態■に電位２０
０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。この電位は時刻計〇からｔ２の間に
、次第にゼロ電位に向かって減少していき、時刻ｔ、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０時刻ｔ、に
おいて、波形６７のごとく、リフレッシュ電圧ＶＲＨが
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゛重圧ＶＫと新しく発生した電圧上の
加算された電位となる。すなわち、状ｆＥ、　（≧）に
おいて示されるベース１ｒ！、位２０２であり、これは
。

で与えられる。

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■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２０
３，２０３’　。

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。

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■Ｒが印加されると
、ベースには ＣＯｘ Ｒ Ｃｏｘ＋　Ｃｂｅ＋　Ｃｂｅ なる電圧が加算されるので、光がまったく照射されない
ときのベース心位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
５１．２０５′、２０５”はそれぞれ でり−えられる。

ベース電位が、この様に、エミッタに対して、＋ｆ１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゛屯位方向に動い
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２０４に対するエミッタ逝位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
１〜２４ｓ位のとき、約５０〜１００ｍＶ程度であり、
この電圧をｖｌｌ　とすると、ｘ　ミー）　夕電位２０
７　、２０７　’　。

２０７　”は前の例の様に０．１　ｇｓ以−ヒのパルス
幅であれば直線性は十分確保されるので、それぞれＶｐ
　＋Ｖ＠　＋　、　Ｖｐ　’　＋ｖｌｌ、ｖｐ　”＋　
Ｖｓ　トなる。

ある一定の読出し時間の後、波形６９のごとく読出し電
圧■Ｑがゼロ電位になった時点で、ベースには なる１［圧が加算されるので、状態（Φのごとくベース
電位は　読出しパルスが印加される前の状態。

すなわち逆バイアス状１ｍになり、エミッタの電位変化
は停口、する。すなわち、このときのベース電位２０８
は、 ペース°屯位２０９，２０９′、２０９”はそれぞれ、 でダーえられる。これは読出しが始まる前の状態ｌ″４
）とまったく同じである。

この状７．ｉ７；　＋５１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（印のごとく、エミッタはゼロ屯位となる。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■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゛屯位がゼロ電位から
スタートしたのに対して、−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ρ、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　、Ｖ（十Ｖｐ　′、Ｖ（＋Ｖｐ　”にｌｘ
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。

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、完全リフレッシユモードでは、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
、この様な問題は生しない。

以上述べたような不具合が生ぜず、かつ高速リフレッシ
ュが可能な他の実施例について以下に説明する。今まで
述べてきたリフレッシュの方法は、ベースにＭＯＳキャ
パシタを通してパルスを印加し、ベース電位を正電位と
することにより行なっていた。すなわち、ベースが正電
位のとき、ベース・コレクタ間接合ダイオードＤｂｃが
、導通状態になり、ホールがベースより流れだすことに
より、ベース電位が接地電位に向って、減少していくと
きの過渡的状態、すなわち過渡的リフレッシュあるいは
、ベース電位が完全に接地電位になる完全リフレッシュ
を用いていたわけである。Ｐベースの場合には、所定の
量のホールがベースから焦くなっているので、リフレッ
シュパルスを除去した状態では、Ｐベースは負に停電し
、所定の負電圧になる。

これに対して以下に述べる実施例は、各光センサセルに
ＭＯＳ）ランジスタを負荷して、ベースから光励起によ
って蓄積されたホールを取りのぞき所定の負電圧にする
という考え方によりリフレッシュを行なうことを可能に
した光電変換装置に関するものである。

以下第１８図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）を用いて
、くわしく説明する。

第１８図（ａ）は基本光センサセルを二次元的にいくつ
か配列したときの一部を示す平面図であり、第１８図（
ｂ）は（ａ）図のＡＡ’断面図、第１８図（Ｃ）は、二
次元的にいくつかの基本光センサセルを配置したときの
回路構成をそれぞれ示す図である。

第１８図（ａ）においてエミッタ領域７、読出し用の垂
直ライン８およびこの配線とエミッタ領域７とのコンタ
クト１９、ｐ領域６、およびＭＯＳキャパシタ９で構成
されている所は第１図に示したものとまったく同じであ
る。

ただし、ＭＯＳキャパシタ９は、第１図に示した実施例
では読出しおよびリフレッシュの各動作において共通に
使用されているが本実施例では後で述べるように読出し
動作として使用される。

第１図に示した実施例と異なるのは、各光センサセルに
リフレッシュ用のｐチャンネルＭＯＳトランジスタが付
加されている点である。すなわちｆ：ｔＳＬ８図（ｂ）
の断面図を見ると明らかな様に光センサセルのｐＱｎ域
６とこのｐ領域６と切り離された所に、拡散、イオン注
入等で形成されたｐ領域２２０、両者の間のｎ型チャン
ネルドープ領域、酸化膜領Ｊ！！３、およびゲート電極
２２１より構成されるｐチャンネルＭＯＳトランジスタ
が付加されている。この新らしく形成されるｐ領域２２
０は、光センサセルのｐ領域６を形成するとき同時に作
られ、また、各領域間のチャンネルになるｎ型領域は、
イオン注入技術等を用いてソース・ドレイン間がパンチ
スルーしない様に、ｎ型の不純物濃度を増加させるチャ
ンネルドープがなされる。少々プロセス数は増すが、ｐ
ＭＯ３のソースΦドレイン間のパンチスルーを押えるた
めにはｐ領域２２０を表面近傍にごく薄く作ることも有
効である。

このｐチャネルＭＯＳトランジスタのゲート２２１は第
８図（ａ）の平面図のごと＜、ＭＯＳキャパシタ電極９
と共通接続され、水平ラインｌ’　０を通してパルスが
印加される様構成されている。またＰチャネルＭＯＳト
ランジスタのＰ領域すなわちトレイン領域２２０は水平
ライン２２３とコンタクト２２２を介して接続されてい
る。

したがって、水平ライン１０と水平ライン２２３および
垂直ライン８は多層配線技術によって形成され、ぞれぞ
れの間は、絶縁膜により絶縁されているわけである。

第１８図（ｃ）は以上で説明した構造をもつ光センサセ
ルのベース領域と共通なソース領域、配線。

１０と共通接続されたゲート領域をもつｐチャンネルＭ
ＯＳトランジスタが各光センサセルに付加されているこ
とである。

以下に本実施例の動作について説明する。

光励起によるホールのベースの蓄積動作の前は、第８図
（ｂ）の状態■の要にベース領域は負電圧にバイアスさ
れている。また電荷蓄積動作では■の様に光によって発
生したホールがベース領域に蓄積され、光の強さに応じ
てベースの電位は正の方向に向かって変化していく。こ
の状態において配線１０を介して、読出しパルス電圧Ｖ
、が印加されると■のごとく、ベース電位が正電位にな
され、ベースに蓄積された情報がエミッタ側に読出され
ることになる。また読出しパルス電圧■ρが接地電位に
なされた時に状態■となり、またエミ・ンタ側から垂直
ラインを通して情報が外部へ出力された後、垂直ライン
の配線８を通してエミッタが設置され状態■となるのは
、すでに前に説明した実施例と同じ動作をするわけであ
る。

読出しパルスが配線１０に印加された時、第１８図（ａ
）に示す様に、光センサセル２２４から読出しが行なわ
れるが、この時、同時に光センサセル２２４′に接続さ
れたｐチャンネルＭＯ３）ランジスタのゲートにも同一
の読出しパルスが印加される。しかし、この読出しパル
スは正のパルスであり、これによりｐチャンネルＭＯ３
）ランジスタか導通状態になることはなく、何ら光セン
サセル２２４′には影響をおよぼさない。

第８図（ｂ）の■のごとく、各光センサセルのベース電
位が光の強度に応じて変化している状態において、配線
１０に負のパルスを印加する。この負のパルスによりＰ
チャンネルＭＯＳトランジスタは導通状態になされ、光
センサセル２２４′のベース電位は、配線２２３に供給
されている負の電源電圧を−ｖ５１１とすルト、（Ｖｓ
ＲＶｔＨ）になる。ただし、−Ｖ□はｐＭＯ３のしきい
値電圧である。１

【図面の簡単な説明】

第１図からｆＪＳ６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だめの
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１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因に示す光センサセルを用い
た光電変換装はの説明図であり、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１１．１
２及び１３図は他の光電変換装置を示す回路図である。 第１４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
の一製造方法例な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（Ｃ）は回路
＃ｌｌ面図ある。 ｌ・・・シリコン基板、２・・・ＰＳＧＩＩＱ、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＋領領域エミッタ領Ｊｔｉ）、８・・
・配線、９・・・電極、１０・・・配線、ｌ　’１・・
・ｎ＋領領域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、１６．１８・・・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）ランジスタ、４１・・
・出力ライン、４２・・・ＭＯＳ）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、１００．１０１．１０２・・・水平シフトレジスタ
、１１１．１１２・・・出力ライン、１３Ｂ・・・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、２
０２．２０３，２０５・・・ベース電位、２２０・・・
ｐ４−領域、２２２，２２５・・・配線、２５１・・・
ｐ＋領領域２５２ｎ＋領域、２５３・・・配線、３００
・・・アモルファスシリコン、３０２・・・窒化膜、３
０３・・・ＰＳＧｌｐＪ、３０４・・・ポリシルコン、
３０５・・・ＰＳＧ膜、３０６・・・層間絶縁膜。 第１図 第　１　１’、１ 第２図 ￥Ｓ５図 第４図（ｂ） 第１２図 第１３図 第１４図 第１６図（９） ｎｌ へ′Ｓ／７図 ７Ｌ＋ｌ 自４１り浄の（内容に変更なしン “第１８　図（ａ） １０ 第１８図（ｂ） ｎ＋　〜１ ２ 第１８　図（Ｃ） 手　続　ネｒｔ７　、、ｒｌ三　書 昭和５８年　８月１８日 特許庁長官　若杉和夫　殿 工事性の表示 特願昭５８−１２０７５５号 ２発明の名称 光電変換装置 ３補正をする者 事件との関係　特許出願人 氏名　大　見　；と、弘 ４代理人 （１−所　東京都港区虎）門五丁１］１３番１号２１駐
、Ｉｌ”ｌ　４０森ビル 図面 ６補ｄ二の内容 別紙の通り、第１８図（＆）、（ｂ）及び、、ｙ：′ ＋　１５’ｖ＊市ｊＦ　書 １１ｒ（和５９年　５月２３１１ 特許庁長官　若　杉　和　夫　１段 １、　″ハｆ’ｌの表示 特願昭５８−１２０７５５号 ２、　発明の名称 光電変換装置 ３、　補正をする名 ・ｌ？　（’Ｉとの関係　特許出願人 氏名　大　見　忠　弘 ４、代理人 住所　東京’ｌｆｔ！港区虎〕門ｆｊ丁目１３１ｆＦ１
′＋虎ノ門４０森ビル氏名　（６５３８）　ｉｔ理士　
山　ド　穣：平；；、：５　、Ｊ＋ｌｉ、ＩＩニの対象
　じ１：・・１明、＠旧１；の発■！１の詳細な説明の
梱１６、補正の内容 （１）　明細書第１９頁第１２行のｒｌ　Ｏｃｍ　１３
Ｊをｒ　ｌ　Ｏ”　ｃｍ　７３Ｊと補正する。 （２）　リ１細書第２２頁第６行の と補正する。 （３）　明細書第３４頁第１４行のｒ　１０　［ｓｅｃ
］　Ｊをｒ　１０”［ｓｅｃ］　Ｊと補正する。 （４）　明細書第３６頁下から１行目の「電圧Ｖ　を」
を「電圧Ｖ＾を」と補正する。 （５）　明細書第４１真下から５行目〜４行目の「、／
（ツファＭＯ３１、ランジスタ３３．３３　′、３３”
Ｊを削除する。 （ｆ（）　明細書第４５頁下から２行目の「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「本質的に」の前に「
ど」を挿入する。 （８）　明細書第５３頁下から７行目の「途中」の後に
「にＪを挿入する。 （９）　リＩｍ＋Ｉ書第６４頁第１行の「エミッタ７．
　は」を［エミッタ７．７′は」ど補止する。 （ｉｏ）　ＩＪＩ細書ｕｓ　６４　ｊ［６行）「エミッ
タ　はコンタクトホールｌ　をＪを「エミッタ７′はコ
ンタクトホール１９′を」と補ｉＥする。 （ＩＩ）　明１＋１書第６４頁下から８行口の［水゛Ｉ
ｉライン３　に」を［水ＬＩＺライン３１’に」と補正
する。 （＋２）　Ｉｊｌｌ細書第６４頁下から６行目の「セル
１５　の」を「セル１５２′の」と補正するう （１３）明細書第６４頁下から６行目のｒＭＯｓキャパ
シタ１５　は」をｒＭＯｓキャパシタ１５０′はＪと堝
１１１１三する。 （１４）　ＴＥＪ細書第６４頁下から５行目の「水・＋
ｉミライン　に」を「水平ライン３１′に」と補正する
。 （１５）明細書第６４頁下から３行目の［光センサセル
１５　の」を「先センサセル１５２′の」と補正する。 （１Ｂ）す１細書第６４頁下から２行目の「光センナセ
ル１５　の」を［光センサセルｌ　５２　”の」と補正
する。 （■７）明細書第６６頁第６行〜７行および第１２行の
「水平ライン３　に」を「水平ライン３１’に」と補正
する。 （１８）明細書第６６頁第１２行〜１３行のｒＭＯＳキ
ャパシタ１５　を通して光センサ−セル１５　の」をｒ
ＭＯｓキャパシタ１５０’を通して光センサセル１５２
′の」と補正する。 （１９）明細書第６６頁下から２行目および１行目と、
第６７頁第８行目の「光センサ−セル」を「光センサセ
ル」に補正する。 （２０）明細書第６８真下から５行目の「コレクター」
を「コレクタ」と補正する。 （２１）明細書第６８真下から４行目および下から３行
目の「ｎ　埋込領域」を「ｎ“埋込領域」と補正する。 （２２）明細書第７７頁第７行のｒ　（ｃ）　、　Ｊを
ｒ　（ｅ）　）。」と補正する。 （２３）明細書第７８頁第１行の と補正する。 （２４）明、ｆＶＩＩ書第７８頁第４行のと補正する。 （２５）明１１１１１書第７８頁第６行の「Ｎ　はエミ
ッタの不純物濃度、Ｎ　ハベー／’Ｊ　をｒＮｏはエミ
ッタの不純物濃度、ＮＡはベース」と補正する。 （２６）り堵Ｉｆ　’ｉ！＋第７８頁第８行および９行
のｒＮ　ＪをｒＮＡＪと補正する。 （２７）明細書節８６頁第ｉｏ行のｒｓ＋０２　、３０
９は」をｒｓｉ０２．３０９は」と柑ｉ正する。 （２８）明細書第９１頁第１２行の「本発明に」を「本
発明の」と補正する。 （２９）明細書第９６真下から４行目の「Ｇロン」を「
トロン」と補正する。 （３０）明細書第９７頁第６行ｃ７）　ｒ−Ｖ　ｐ　＋
　’Ｖｌ　＋　Ｊをｒｖｐ＋ｖ＠Ｊと補ＩＦする。 （３１）　ＩＴＪＩ細書？ＪＳ１０２頁下から１行目１
７）　ｒｆＪＳａ図（ａ）」を「第１８図（ａ）」と補
正する。 （３２）　’ＪＪ細書第１０３真下から４行目の「要に
Ｊを「様に」と補正する。 （３３）明細書第１０３真下から２行目の「■の様に」
をｒＩＪＳ態■の様に」と補正する。 （３４）明細書節１０４頁＠９行の「設置され」を「接
地され」と補正する。 （３５）明細書第１０４頁下から１行目の「■のごと〈
」を「状態■のごと〈」と補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ　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Ｍ御Ｔｔ極領域よりなる半導抹トラ
   ンジスタの該制御電極領域を、リフレッシユニ程におい
   て該主電極領域の一方の領域に対して所定の逆バイアス
   動作にするべく、絶縁ゲート型トランジスタの主電極領
   域になるべく配置し、該絶縁ゲート型トランジスタが遮
   断状態にある状態で、光励起により発生したキャリアを
   該制御電極領域に蓄積し、該蓄積されたキャリアにより
   発生した該制御電極領域の蓄積電圧を読出す工程におい
   て、該制御電極上に薄い絶縁層を介して設けられた電極
   に電圧を印加することにより。 該制御電極領域が該一方の主電極領域に対して順方向に
   バイアスされるべく構成されたことを特徴とする光電変
   換装置