JPS61144062A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、キャパシタを介して電位が制御される光電荷
蓄積領域を有する光電変換装置に関する。

〔従来技術およびその問題点〕

近年、光電変換装置、特に固体撮像装置に関する研究が
ＣＣＤ型およびＭＯ８ｆｉの２方式を中心に行われてい
る。

ＣＣＤ　ｆｉ撮像装置は、ＭＯ５型キャキャーシタ電極
下テンシャル井戸を形成し、光入射によ多発生した電荷
をこの井戸に蓄積し、読出し時に社、このＩテンンヤル
井戸を、電極にかけるパルスによシ順次動かして、蓄積
された電荷を出力アンプまで転送して読出す、という原
理を用いている。したがって、比較的構造が簡単であシ
、ＣＣＤ自体で発生する雑音が小さく、低照度撮影が可
能となる。

一方、ＭＯ８型撮像装置は、受光部を構成するｐｎ接合
よ構成るフォトダイオードの各々に光の入射によ多発生
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、チングトランジスタ
を順次ＯＮすることによシ蓄積された電荷を出力アンプ
に読出す、という原理を用いている。したがって、ＣＣ
Ｄ型に比較して構造上複雑となるものの、蓄積容量を大
きくとることができ、ダイナミック・レンジを広くする
ととができる。

しかし、これら従来方式の撮像装置には、次のような欠
点が存在するために、将来的に高解像度化を進めて行く
上で大きな支障となっていた。

ＣＣＤ　凰撮偉装置では、１）出力アンプとしてＭＯ８
屋アンプがオンチップ化されるために、シリコンとシリ
コン酸化膜の界面から画像上、目につきやすい１／ｆ雑
音が発生する。２）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、ひとつのポテンシャル井戸
に蓄積できる最大電荷量が減少し、〆イナミ、クレンジ
が取れなくなる。３）蓄積電荷を転送して行く構造であ
るために、セルに一つでも欠陥が存在すると、そζで電
荷転送がスト、デしてしまい、製造歩留シが悪くなる。

ＭＯ８型撮像装置では、１）信号読出し時に１各フオト
ダイオードに配線容量が接続されているために、大きな
信号電圧ドロ、ｆが発生する。２）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。３）走査用Ｍ
ＯＳスイ、チングトランジスタの寄生容量のバラツキに
よる固定パターン雑音の混入がある。このために、低照
度撮像が困難となシ、また、高解像度化を図るために各
セルを縮小すると、蓄積電荷は減少するが、配線容量が
ちまシ小さくならないために、ル乍比が小さくなる。

このように、Ｃ０ＤＩＩおよびＭＯＳ　＠撮像装置は高
解像度化に対して本質的な問題点を有している。

これらの撮像装置に対して、新方式の半導体撮像装置が
提案されている（特開昭５６−１５０８７８号公報、特
開昭５６−１５７０７．３号公報、特開昭５６−１６５
４７３号公報）。ことで提案されている方式は、光入射
によって発生した電荷を制御電極（例えば、バイポーラ
トランジスタのペース、静電誘導トランジスタＢＩＴあ
るいはＭＯＳ　）ランジスタのｃ−ト）に蓄積し、蓄積
された電荷を各セルの増幅機能を利用して電荷増幅を行
い読出すものである。この方式では、高出力、広ダイナ
ミ、り・レンジ、低雑音および非破壊読出しが可能で１
りり、高解像度化の可能性を有している。

しかしながら、この方式は基本的にＸ−Ｙアドレス方式
であシ、また各セルは、従来のＭＯ８型セルにバイポー
ラトランジスタ、ＢＩＴ　）　：ｙンジスタ等の増幅素
子を複合したものを基本構造としているために５高解像
度化に限界が存在する。また、高解像度を達成するため
に１セルを多数配列すると、出力信号を読出すためのシ
フトレジスタが複雑化し、高速動作を困難となる。さら
に、出力インピーダンスが高く壜る一方で、８７Ｎ比が
低減する等の問題点も有している。

このような欠点を解決するために、特願昭ｓｇ’−１２
０７５５号に新方式の光電変換装置が提案されている。

゛第９図および第１０図′は、特願昭５８−１２０７５
５号に記載されてい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９図（＆）は、光センサセルの平面図、第９図（ｂ）
は、そのＡ　−Ａ’線断面図、第１０図は、その等価回
路である。なお、各部位において共通するものＫついて
は同一の番号をつけている。

この光センサセルは一次のような構造を有している。

第９図（ａ）　、　（ｂ）　Ｋ示すごとく、鳳凰シリコ
ン基板１の上に、 パシペーシ、ン膜２； シリコン酸化膜よ構成る絶縁酸化膜３；”となシ合う光
センサセルとの間を電気的に絶縁するための絶縁膜又は
ぼり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： その上に、パイ４−２トランジスタのベース４となるｐ
領域６； パイ４−ラドランジス漣のエミ、りとなる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
）等の導電材料で形成される配線８；ｐ領域６に絶縁膜
３をはさんで対向し、浮遊状態Ｉｌｃ麦されたｐ領域６
１Ｃ，々ルスを印加するためのキャパシタ電極９； キャパシタ電極９に接続された配線１０：基板１の裏面
にオーミックコンタクトをとるために形成されたｎ＋領
域１１； そして、バイポーラトランジスタのコレクタ電位を与え
るための電極１２； がそれぞれ形成され、上記光センサセルを構成している
。

第１０ｖ！ＪＫ示す等価回路において、コンデンサｃｏ
ｘ１３は、電極９、絶縁膜３、ｐ領域６のＭＯ８構造よ
シ構成され、又バイポーラトランジス／１４は、エミ、
りとしてＯｎ＋領域７、ペースとしてのｐ領域６、コレ
クタとしてのｎ−領域５および領域１の各部分よシ構成
されている。これらの図面から明らかなよう忙、ｐ領域
６は浮遊領域になされている。

また、バイポーラトランジスタ１４の等価回路は、ペー
ス・エミ、りの接合容量Ｃｂｅ　１５、ペース・エミ、
りのｐｎ接合ダイオードＤｂｓ　１６、ペース・コレク
タの接合容量Ｃｂｃ１７、ペース・コレクタのｐｍ接合
ダイオードＤｂ６１８で表現される。

次に、このような構成を有する光センサセルの基本動作
を説明する。

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シ構成され
る。電荷蓄積動作においては、例えばエミ、りは、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。またペースは、あらかじめ
エミ、り７に対して逆バイアス状態にされているものと
する。

この状態において、第９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。

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）ｐ領域６の電位は次第に正
電位に向かりて変化していく。この時、光によシ励起さ
れたホールがペースに蓄積することによシ発生する電位
Ｖ、はｖｐ＝　Ｑ／Ｃで与えられる。ｑは蓄積されるホ
ールの電荷量であシ、ＣはＣｂ、　１５とＣｂｃ１７お
よびＣＯＸを加算した接合容量である。

ここで注目すべきことは、高解像度化され、セルサイズ
が縮小化されていりた時に、一つの光センサセルあたシ
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、光入射によシ発生する電位
Ｖ、はほぼ一定にたもたれるということである。これは
光センサセルが第９図に示２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。

以上の様にしてｐ領域６に蓄積された電荷によシ発生し
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ｖｃに保持される。

今、光を照射する前に、ペース６を負電位にバイアスし
た時の電位を−■ｂとし、光照射にょシ発生した蓄積電
圧をＶ、とすると、ベース電位は、−Ｖｂ＋　Ｖ、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は酸化膜容量Ｃ，ｘ１３とペース・エミ、り間接合
容量Ｃｂｅ　１５、ベース・コレクタ間接合容量Ｃｂｃ
１７によ多容量分割され、ペース電位は、 ０Ｘ −Ｖｂ＋ｖｐ＋ｃ。８＋ｃｂ、＋ｃ、。■・となる。こ
ζで、ペース電位を次式に示すＶｂａだけ、余分に順方
向忙バイアスすると、 ０Ｘ −Ｖｂ＋　　　　　　　　　　Ｖｒ　＝　ＶｂｉＣｏｘ
　＋　Ｃｂｓ　＋　Ｃｂｅ ペース電位は、光照射によシ発生した蓄積電圧Ｖ、よシ
さらに順方向にバイアスされる。そのために、エレクト
ロンはエミ、りからペースに注入され、コレクタ電位が
正電位になっているために、ドリフト電界に加速されて
コレクタに到達する。

第１１図（ａ）は、Ｖｂｓ＝０．６Ｖとした場合の蓄積
電圧Ｖ、に対する読出し電圧の関係を示すグラフである
。

同グラフによれば、１００　ｎｓ＠ｃ程度以上の読出し
時間（読出し電圧Ｖ、をキャパシタ電極９に印加してい
る時間）をとれば、蓄積電圧Ｖ、と読出し電圧は、４桁
程度の範囲にわたって直線性が確保され、高速読出しが
可能であることを示している。

上記の計算例では、配線８の容量を４　ｐＦ、接゛合容
量Ｃｂｅ　＋　Ｃｂｃを０．０１４　ｐＦとした場合で
あシ、その容量比は約３００倍の異なっているが、ｐ領
域６に発生した蓄積電圧ｖｐは何らの減衰も受けず、且
つバイアス電圧Ｖｂｓの効果によシ、きわめて高速に読
出し動作が行われたことを示している。これは、上記光
センサセルのもつ増幅機能が有効にはたらいたからであ
る。このように、出力電圧が大きいために、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
さくなシ、極めて良好なＳ／１（比の信号を得ることが
できる。

先に、バイアス電圧Ｖｂｓを０．６Ｖに設定した時、４
桁程度の直線性が１００　ｎａ＠ｅ程度の高速読出し時
間で得られるととを示したが、この直線性および読出し
時間とバイアス電圧Ｖｂｓとの関係を第１１図（ｂ）に
示す。

第１１図（ｂ）に示すグラフによれば、バイアス電圧Ｖ
ｂｓによる、読出し電圧が蓄積電圧の所望の割合（＊）
Ｋ達するのに必要な読出し時間を知ることができる。し
たがって、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Ｖｂｉが第１１図（ｂ）のグラフを用いることによシ
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。このことは、上記構成
に係る光センサセルを撮像装置として構成した時に、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。

さらに、ｐ領域６に蓄積電圧ｖｐを保持できる時間は極
めて長く、最大保持時間は、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。しか
し、上記光センサセルにおいて、空乏層の広がっている
領域は、極めて不純物濃度が低いｎ−領域５であるため
に、その結晶性が良好であシ、熱的に発生するエレクト
ロン・ホール対は少ない。

次いでｐ領域６に蓄積された電荷をリフレッシ、する動
作について説明する。

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、浮遊状態罠なされている
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。

上記構成に係る光センサセルでは、リフレッシ、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
印加することによシ行なう。このとき、配線８を通して
エミ、りを接地する。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１２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。

この状態で正電圧Ｖｒｈなる電圧が電極９に印加される
と、ペース２２には、酸化膜容量ＣＯｘ１３、ペース・
エミッ／　間接合容ｔ　Ｃｂｅ　１　ｓ、ペース・コレ
クタ間接合容量Ｃｂｃ　１７の容量分割によ）、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
の電圧によシ、ペース・エミ、り間接合ダイオードＤｂ
、　１６およびペース・コレクタ間接合ダイオードＤｂ
ｃ　１８は順方向バイアスされて導通状態となシ、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、浮遊状態にあるペースの電位の変化について計
算した結果を、ペース電位の時間依存性の一例として第
１２図（ｂ）に示す。横軸は、リフレッシュ電圧Ｖｒｈ
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、ペース電位をそれぞれ示し、
ペースの初期電位をノヤラメータにしている。ペースの
初期電位とは、リフレッシュ電圧Ｖｒｈが加わった瞬間
に、浮遊状態にあるペースが示す電位でアシ、Ｖｒｈ　
ｒ　Ｃｏｘ　ｒ　ＣｂｅｐＣｂｅ及びペースに蓄積され
ている電荷によってきまる。

この第１２図（ｂ）をみれば、ペ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ことがわかる。

ｐ領域６が、ＭＯＳキャパシタＣ０工を通して正電圧を
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通すの仕方がある。

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１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。

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。

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シ全てのセンサセルのペース電位
をゼロゲ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１２図（ｂ）の例では１０　（ｔ＠ａ）
を要する）、ベース電位にはある一定電圧ｖｋは残るも
のの蓄積電圧Ｖ、による変動成分が消えてしまう過渡的
リフレッシュモードの二つが存在するわけである（この
ときは第１２図（ｂ）の例では、１０（μ５ｅｃ）〜１
０〔３・Ｃ〕のリフレッシュノ９ルスとなる）。

完全す７し、シュモードで動作させるか、過渡的りフレ
ッシュモードで動作させるかの選択は撮像装置の使用目
的によって決定される。

以上が光入射による電荷蓄積動作、読出し動作、リフレ
ッシュ動作よシなる上記構成に係る光センサセルの基本
動作の説明であり、各動作を基本サイクルとして、入射
光の観測又は光情報の読出しを行うことが可能となる。

以上説明したごとく、上記構成忙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５６−１５７０７３、特開昭５６−１６５４７３の
各公報に記載された撮像装置と比較してきわめて簡単な
構造であ）、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。

ところで、上記光センサセルを高速動作させるためＫは
、リフレッシュ動作を過渡的り７レツシエモードで行わ
せる方が望ましい。しかしながら、上述したように、過
渡的リフレッシュモードでは、リフレッシュ電圧Ｖｒｈ
をゼロ電圧に戻す時点で、ベース電位にある電圧ｖｋが
残存している。このために、リフレッシュ電圧ｖｒｈを
ゼロ電圧に戻しリフレッシ、動作が終了した時点で、ベ
ース電位はとなシ、残留電圧ｖｋとリフレッシュ動作に
よって新しく発生した電圧とが加算された電位となる。

この状態で、続く蓄積動作、読出し動作を行い、再びリ
フレッシュ動作を行おうとすると、ベース電位は蓄積電
圧Ｖ、に上記式（１）が加算された電位となっている。

したがって、リフレッシュ電圧Ｖｒｈを印加するとベー
ス電位はｖｋ＋　Ｖ　ｐとなシ、残留電圧ｖｋ分だけ正
方向忙バイアスされた状態となる。

そのために、蓄積電圧Ｖ、が大きい場合は、十分な順方
向バイアスがかかシ蓄積電圧Ｖ、を除去することができ
るが、小さい場合は不十分な順方向バイアスとなってし
まう。したがりて、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。

すなわち、第１２図（ｂ）に示すグラフから明らかなよ
うに、ベース電位は初期電位によらず、ある時間経過後
に一つの直線に従って下降する。しかし、その経過時間
は、ベース電位が低い程長くなる。したがうて、過渡的
リフレッシ、モードでリフレッシュ動作を行うと、強い
光のあたりたセルは蓄積電圧ｖｐを十分消去できるが、
弱い光のあたったセルはペース電圧が低いために、同じ
時間リフレッシュ電圧を印加しても蓄積電圧Ｖ、を消去
するＫは至らない。

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
あル、完全リフレッシ、モードでは、ぺ−スミ位が必ず
ゼロ電位になるまで長いす７し。

シュ時間をとるために、この様な問題は生じない。

また、上記光センサセルを用いた撮像装置では、強すぎ
る光が入射すると、入射光の強度に対応して発生したホ
ールによりてペース電位が上昇し、蓄積時間内にエミ、
り電位よシ高くなる場合がある。この時、ペースとエミ
、りが順方向バイアス状態となシ、エミッタ電位が上昇
し、読出し電圧Ｖ、を印加していないにもかかわらず出
力が現われるというプルーミング現象が生起する。

〔発明の概要〕

本発明は、リフレッシ一時において、ペース電位を確実
にゼロ電位又は所定電位に戻すとともに１ブルーミング
防止を行うものである。

本発明による光電変換装置は、半導体トランジスタの制
御電極領域の電位をキャパシタを介して制御することＫ
より、前記制御電極領域に光励起によって発生したキャ
リアを蓄積し、該蓄積量に対応して発生した電圧を読出
すという動作を行う光電変換装置において、前記半導体
トランジスタの主電極領域以外に、前記制御電極領域に
接合した該制御電極領域とは反対導電盤の半導体領域を
設け、前記制御電極領域に対向した前記キャパシタの電
極を前記反対導電盤の半導体領域に接続したことを特徴
とする。

〔作用〕

上記のように構成することで、上記キャパシタとダイオ
ードとを並列接続したものと等価となり、リフレッシ。

動作時にダイオードを導通状態にしてリフレッシ。動作
を高速で行うことができる。

また、制御電極領域に許容量以上のキャリアが蓄積され
た時は、ダイオードが導通状態となりて余分なキャリア
を除去し、プルーミング現象を防止することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図（４）は本発明による光電変換装置の一実施例の
平面図、第１図ω）はそのＩ−１線断面図である。

両図において、ｎ型シリコン基板２０１上にｎ−エビタ
キシャル層２０６が形成され、その中に、シリコン酸化
物の素子分離領域２０４によって電気的に分離された光
センサセルが形成されている。

光センサセルは、ｎ−エピタキシャル層２０６上のｐｔ
Ａ域２０８と、ｐベース領域２０８内の？エミッタ領域
２１３およびｎ＋領域２１４と、絶縁膜２１０を挾んで
ｐペース領域２０８と対向しているキャパシタ電極２１
５とから成る。ζこで、ｐペース領域２０８をカンード
とし、ｎ＋領域２１４をアノードとしてダイオードが構
成され、アノードである１領域２１４はキャノＪ？シタ
電極２１５と接続されている。

その他に、エミ、り領域２１３とオーミックコンタクト
を有するエミ、り電極２１６、エミ、り電極２１６に接
続された配線２１８、キャパシタ電極２１５に接続され
た配線２１７、セル全体を覆うパシペーシ、ン膜２１９
、そして基板２０１の裏面には、オーミックコンタクト
をとるためのｎ＋層２０２を介して電極２２０が形成さ
れている。

第２図は、上記光センサセルの等何回路である。

とこで、ダイオード１０１はｐベース領域２０８および
ｎ十領域２１４で構成され、キャパシタ１０２はｐベー
ス領域２０８、絶縁膜２１０およびキャパシタ電極２１
５で構成されている。

次に、上記光センサセルの基本動作を説明する。

第３図は、光センサセルにおけるキクＩ４シタ電極２１
５の駆動タイミング波形図であシ、第４図ωおよびω）
は、各動作を説明するための電位レベル図（ただし、ビ
ルトイン電圧は省略している。）、第５図に）および（
Ｂ）は、プルーミング防止動作を説明するための電位レ
ベル図である。ただし、第４図および第５図において、
Ａはダイオード１０１のアノードであるｎ領域２１４、
Ｂはｐペース領域２０８、Ｃはｎ″″エピタキシャル層
２０６および基板２０１、Ｅはエミッタ領域２１３を各
々表わしている。

（蓄積動作） まず、第４図における状態■のように、７ノードである
ｎ＋領域２１４は接地電位１１２、コレク夕領域２０６
および２０１は正電位１１１（ｖｃ）、ｐペース領域２
０８は負の電位１１０　（−Ｖｐ）にそれぞれバイアス
されているとする。

この状態■において、光励起によるホールがｐベース領
域２０８に蓄積され、これによりて蓄積電圧ｖｐが発生
し、状態■に示すように、ペース電位は電位１１０′（
−ｖｂ＋ｖｐ）となる。ただし、電位１１０は光が入射
しなかった場合のベース電位である。

（読出し動作） 状態■において、キャパシタ電極２１５に読出し正電圧
Ｖ、が印加されるとともに、エミ、り領域２１３が接地
電位のまま浮遊状態にされる。これによりて、状態■に
示すように、ペース電位は次式で表わされる電位１１３
′となる。

ＣＯｘ −ｖｂ＋ｖｐ＋ｃｏｘ＋ｃｂ、＋ｃｂ、ｖｒただし、光
が入射しなかった場合のペース電位１１３は、 である。との時、ダイオード１０１のアノードには読出
し正電圧Ｖ、が印加されているために、ダイオード１０
１は非導通状態でアル、ペース電位に何ら影響を与えな
い。

したがりて、ｐペース領域２０８は、浮遊状態にされた
エミ、り領域２１３に対して順方向バイアス状態となシ
、すてに説明したように１エミ。

り側に光情報信号が読出される。読出し電圧ｖ１が接地
電圧に戻された時点で、ペース電位は、状態■に示すよ
うに、読出し以前の状態■とほぼ同一のレベルに復帰し
、繰シ返し読出しが可能となる。

（す７し、シ、動作） 状態■において、キャパシタ電極２１５にり７し、シ、
用の負電圧−ｖ　ｂ　／が印加される。これによって、
状態■に示すように１ダイオード１０１のアノードであ
るｎ＋領域２１４の電位が負電圧１０７（−Ｖｂ’）と
な）、カノードであるｐベース領域２０８の電位１１０
′に対して低電位となる。このために、ダイオード１０
１のｈ十領域２１４からｐペース領域２０８へ電子が注
入され、ｐペース領域２０８に蓄積されているホールと
再結合し、ペース電位は負方向へ変化する。最終的なペ
ース電位１１０は、アノードであるｎ＋領域２１４の電
位１０７（−Ｗｂ’）よシビルトイン電位差だけ低い電
位となシ、ここでは−ｖｂである。

こうしてリフレッシュ用負電圧−ｖ　ｂ／が接地電位に
戻ることでリフレッシュ動作が終了し、ペース電位は初
期の電位１１０　（−Ｖｂ）に設定され、以上の動作が
繰シ返される。

このように、本実施例では、ｐベース領域２０８に蓄積
されたキャリアをダイオード１０１を通して除去するた
めに、過渡的リフレッシュモードであっても高速かつ確
実なリフレッシュ動作を行うことができる。さらに１　
リフレッシュ用負電圧−ｖ　ｂ　／を変えることで、ペ
ース電位を任意のレベルに設定することができる。

次に、ブルーミング防止効果にりいて第５図を用いて説
明する。

まず、第５図■はプルーミング現象を説明するための電
位レベル図である。ｐペース領域２０８の電位は初期電
位１１０Ｉｌｃセ、トされ、蓄積動作が行われる。この
時、光の強度が強すぎると、ペース電位は接地電位であ
るエミ、り電位１１２よシ高い電位１１５に上昇する。

このため罠、ベース・エミ、り間が順方向ノ々イアス状
態となシ、浮遊状態であるエミッタ領域２１３の電位が
正方向に変化し電位１１６となる。このように、読出し
電圧ｖｒを印加していないにもかかわらず、エミッタ側
忙出力が現われる現象がブルーミングである。

第５図ω）は、本実施例に強い光が入射した場合の電位
レベル図である。第５図（ト）の場合と同様に、強い光
によってペース電位は電位１１０から電位１１５へ上昇
する。この時、キク／４シタ電極２１５の電位、すなわ
ちダイオード１０１のアノードであるｎ＋領域２１４の
電位を接地電位１１２としておけば、ダイオード１０１
は順方向バイアス状態となシ、ｐペース領域２０８へ電
子が注入されホ−ルと再結合する。すなわち、ｐペース
領域２０８の過剰なホールが除去され、ペース電位が適
正な電位まで下降するために、前述したようにエミッタ
領域２１３に対して順方向バイアス状態とならず、プル
ーミング現象が防止される。

このような構造と基本動作を有する光センサセルを二次
元的に配列して構成した撮像装置の一例を図面を用いて
説明する。

第６図は、上記光センサセルを３Ｘ３に配列した場合の
撮像装置の回路図である。

同図において、光センサセル３０は、３×３に配列され
、各コレクタ電極２２０は共通に接続されている。各党
センサセル３０のキャｉ４シタ電極２１５は、行毎に読
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“に接続され、各水平ラインは、バッファＭＯＳト
ランジスタ３３．３３’、３３“を介して、読出しパル
スを発生させるための垂直走査回路３２の並列出力端子
Ｌ１〜Ｌ３に接続されている。バッファＭＯ８）ランジ
スタ３３．３３’、３３“のデート電極は端子３４に共
通に接続されている。また、水平ライン３１．３１’、
３１“は、バッファＭＯＳ　）ランジスタ３５．３５’
、３５“ヲ介シて、リフレッシュパルス又は一定の電圧
を印加するための端子３７に接続され、バッファＭＯ８
）う／ジメタ３５．３５’、３５”のｆ−）電極は端子
３６に共通に接続されている。

各党センサセル３０のエミ、り電極２１６は、列毎に信
号を読出すための垂直ライン３８．３８’。

３８“に接続され、各垂直ラインはダート用ＭＯ８）ラ
ンジスタ４０．４０’、４０“を介して出力信号線４１
に共通接続されている。ダート用ＭＯ８）ランジスタ４
０．４０’、４０“の各ダート電極は、垂直ラインを順
次開閉するためのノ々ルスを発生する水平シフトレジス
タ３９の並列出力端子Ｒ１％　Ｒ３に接続されている。

出力信号線４１は、出力信号線４１をリフレ。

シュするためのトランジスタ４２を介して接地され、ト
ランジスタ４２のダート電極は端子４３に接続されてい
る。さらに、出力信号線４１は、信号増幅用トランジス
タ４４のペースに接続されている。信号増幅用トランジ
スタ４４のコレクタ電極には電圧ｖｃｃが印加され、エ
ミ、り電極は負荷抵抗４５を介して接地されるとともに
、出力端子４６が接続され、増幅された信号を外部へ出
力する。

また、垂直ライン３８．３８’、３８“は、垂直ライン
をリフレッシュするためのＭＯＳ　）ランジスタ４８．
４８’、４８“を介して接地され、ＭＯＳ　）ランジス
タ４８．４８’、４８“の各ダート電極は、端子４９に
共通接続されている。

次に、このような構成を有する撮像装置の動作を第７図
に示すタイミング波形図を参照しながら説明する。

マス、リフレッシュ期間において、各党センサセル３０
のコレクタ電極２２０には電圧ｖｅが印加され、エミッ
タ電極２１６は、端子４９にノ為イレペルが印加された
ＭＯＳ　）ランジスタ４８　、４８’、　４８”を介し
て接地される。この状態で、端子３６に７１イレペルが
印加され、端子３７にリフレッシュ用の負電圧−ｖｂ′
がバッファＭＯ８）ランジスタ３５゜３５’、３５“を
介して各党センサセル３０のキャノ々シタ電極２１５に
印加される。これによりて、すでに述べたように、ペー
ス領域２０８に蓄積されたホールがダイオード１０１を
通して完全に除去され、リフレッシ、用電圧−ｖ　ｂ／
が接地電位に戻シ、リフレッシ、動作が終了する。

次に、蓄積期間において、端子４９に引き続きハイレベ
ルが印加されることでエミッタ電極２１６は接地されて
いる。また、端子３６にも引き続きハイレベルが印加さ
れ、バッファＭＯ８）ランジスタ３５．３５’、３５“
は導通状態を維持する。そして、端子３７に接地電圧又
は所望の電圧を印加することで、すでに述べたように、
各党センサセル３０のキク／４シタ電極２１５にプルー
ミング防止用の電圧を印加する。ここでは、接地電圧を
印加しているが、プルーミングを確実に防止したい場合
は若干角の電圧を、またプルーミングを発生させたい場
合は若干圧の電圧を印加すればよく、目的に応じて調整
すればよい。

この状態で光が入射し、各党センサセル３０のペース領
域２０８に各々入射光量に対応したホールが蓄積される
。

次に、読出し期間において、端子４９はローレベルとな
＃）ＭｏＳトランジスタ４８．４８’、４８“はオフ状
態になる。続いて、端子３４にノ〜イレペルが印加され
、パ、ファＭＯ８）ランジスタ３３，３３’。

３３“が導通状態となシ、垂直走査回路３２の端子Ｌ１
〜Ｌ３から順次読出し用正電圧ｖｒの／４ルスが出力さ
れる。

まず、垂直走査回路３２の端子Ｌ１から水平ライン３１
に電圧Ｖｒのノ々ルスが印加されると、第１行の光セン
サセル３０の信号がエミ、り順に読出される。続いて、
水平シフトレジスタ３９の端子Ｒ１４Ｒｓから順次ノ１
イレペルが出力される。今、端子Ｒ１から７・イレペル
が出力されたとすると、第１行第１列の光センサセル３
０の信号が垂直ライン３８およびＭｏ８　）ランジスタ
４０を通して信号線４１に読出され、信号増幅トランジ
スタ４５で増幅されて出力される。その直後、端子４３
にノーイレペルが印加され、信号線４１をリフレッシュ
する。

以上の動作を同行第２列、第３列の光センサセル３０の
場合も同様に順次行う。すなわち、ダート用ＭＯ８）う
／ジメタ４０，４０’、４０“を項次導通状態とし、第
１行第１列〜同行第３列までの光センサセル３０から順
次出力信号を読出すとともＫ、読出す毎に信号線４１を
リフレッシュする。そして、第１行の光センサセル３０
の読出しが終了すると、端子４９にハイレベルが印加さ
れ、Ｍｏ８　）ランジスタ４８．４８’、４８”が導通
状態になって垂直ライン３８．３８’、３８’がす７し
、シ、される。

このような第１行の動作を、垂直走査回路３２の端子Ｌ
ｍ　＋　Ｌｍから順次読出し用電圧Ｖ、のΔルスを出力
することで、第２行、第３行でも行い、全ての光センサ
セル３０の光情報をシリアルに出力端子４６から出力す
ることができる。以下、同様の動作が繰シ返される。

次に、本実Ｆ！Ａｌ１ｃよる光電変換装置の一実施例を
製造する方法を説明する。

第８図囚〜（Ｉ）は、本実施例の製造方法を示す製造工
程図である。

まず、第８図（ＡＲＫ示されるように、不純物濃度Ｉ　
Ｘ　１０　〜５　Ｘ　１０　ａｎ　　のｎｆｉシリコン
基板２０１の裏面に、不純物濃度Ｉ　Ｘ　１０”　〜Ｉ
　Ｘ　１０２０ｃｍ−’のオーミックコンタクト用のｎ
層２０２をＰ、Ａｓ又はｓｂの拡散によって形成する。

基板２０１は、不純物濃度及び酸素濃度が均一に制御さ
れた本のを用いる。すなわち、キャリアライフタイムが
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。

続いてｎ＋層２０２上に厚さ３０００〜７０００１の酸
化Ｊｇ２０３（たとえばＳ　ｉｏ２膜）をＣＶＤ法によ
りて形成する。

なお、酸化膜２０３はパックコートと呼ばれ、基板２０
１が熱処理される際の不純物蒸気の発生を防止するもの
である。

次に、基板２０１０表面に略々１μｍ程度の酸化膜をウ
ェット酸化によ多形成する。すなわち、Ｈ２０雰囲気か
あるいは（Ｈ２＋　０２　）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。

続いて、（Ｎ２＋５ＩＨ４＋０２）ガス系で、３００〜
５００℃程度の温度で、所望の厚さ、たとえば２〜４μ
ｍ程度の厚さのＳｔＯ□膜を素子分離領域２０４として
ＣｖＤで堆積する。０２／５ＩＨ４のモル比は温度にも
よるが４〜４０程度に設定する。続いて高密度化をはか
るため１０００℃、３０分程度のＮ２雰囲気の熱処理を
行なう。そして、フォトリングラフィ工程によシ、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＋１２）　。

Ｃ２Ｆ６．ＣＨ２Ｆ２等のガスを用いたりアクティブイ
オンエツチングで除去する〔第８図ω〕〕。

例えば、ｌｏＸＩＯμｍ２に１画素を設ける場合には、
１０μｍピ、チのメ、シ、状＆Ｃ８１０２膜を残す。Ｓ
１０□膜の幅はたとえば２μｍ程度に選ばれる。

次に、リアクティプイオンエ、チングによる表面のダメ
ージ層及び汚染層を、Ａｒ／Ｃｔ２７！／ス系グラズマ
エ、チングかウェットエツチングによつて除去した後、
超高真空中における蒸着か、もしくは、ロードロ、り形
式で十分に雰囲気が清浄になされたスバ、り、あるいは
、ＳｉＨ４ガスにＣＯ２レーザ光線を照射する減圧光Ｃ
ＶＤ法等で、アモルファスシリコン２０５を堆積させる
。続いて、ＣＢｒＦ３　ａｃｃｚ２ｔ’２．　ｅｔ２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、６．５ｉｏ２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〔同図（０〕。

次に、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、（Ｎ２＋８１
Ｈ２，ｃｔ２＋ｍｃｔ’）ガス系によシリコン基板選択
成長を行う。

まず、基板２０１０表面を、温度１０００℃。

ＨＣｌを２Ｌ／ｍ１ｎ−１２を６０Ｌ／ｍｉｎの条件で
約１．５分間エツチングした後、ソースガス５ｉＨ２Ｃ
Ｌ２（Ｚｏ。

チ）を１．２　ｔ／　ｍｉｎ　ｓ　ドーピングガス（Ｎ
２希釈ＰＨｓ。

２０　ＰＰＭ　）を１００（ＩＣ流し、成長温度１００
０℃。

８０〜１８０　Ｔｏｒｒの減圧下において、ｎ−エピタ
キシャル層２０６（以下、ｎ″″層２０６とする）を形
成する。形成速度を０．５μｎｌ／ｎｎ　ｉ　Ｈ程度に
することで良い結果が得られた。ただし、ここでは、選
択エピタキシャル成長（Ｎ、　Ｅｎｄｏ　ｅｔ　ａｌｅ
　”　Ｎｏｖｅｌ　ｄ＠ｖｉｃｅｉｓｏｌａｔｉｏｎ　
ｔｖｃｌｎｏｌｏｇｙ　ｗｌｔｈ　ｓ＠１ｅｃｔ＠ｄ　
＠ｐｉｔａｘｉａ１ｇｒｏｗｔｈ”Ｔｓｃｈ、　Ｄｉｇ
、　ｏｆ　１９８２　ＩＥＤＭ、　ＰＰ、　２４１−２
４４参照を用いた。′ また、シリコン基板２．０１上にはシリコン結晶層が成
長するが、５ｔＯ２層２０４上のシリコンはＨＣＬによ
ってエツチングされてしまうため、５ｉｏ２層上にはシ
リコンは堆積しない。ｃ層２０６の厚さはたとえば２〜
４−程度、不純物濃度は、好ましくは１０”　〜１０１
４ｃａｔ−”程度である〔同図（２）〕。

この時、分離領域２０４となるＳｔＯ□層の側壁にはア
モルファスシリコンが堆積している。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、ＳｔＯ□分離領
域２０４との界面近傍の結晶が非常に優れたものＫなる
。

なお、今回は、前記選択エピタキシャル成長法（ＳＥＧ
）を用いてセル間の分離領域を形成したが、この手法に
限らず高品質二−タキシャル層及び絶縁分離が得られれ
ば問題は逢い。

次に、ベース領域を形成するために、まずバッファ用の
酸化膜２０７を形成する。酸化膜２０７は、ペース領域
をイオン注入によって形成する際のチャネリング防止お
よび表面欠陥防止のために設けられ、厚さは５００〜１
５００Ｘである。

続いて、ＢＰ、を材料ガスとして生成され′たＢ＋イオ
ン又はＢＦ２＋イオンをウェハへ打ち込む。この表面濃
度は１×１０１５〜５Ｘ１０１８個−３、望ましくは１
〜２０　Ｘ　１’０１６５１−’である。

こうしてイオンが注入されると、１０００℃程度のＮ２
雰囲気で熱処理によシネ細物の電気的活性化及び欠陥の
消滅を行なう〔同図（ト）〕。

次に、１０００〜１１００℃、Ｎ２，０□、Ｎ２雰囲気
で、ｐ型ベース領域２０８を所定の深さまで形成すると
同時に、素子表面に酸化膜２０９を３　’０００〜５０
００Ｘに厚さに形成する〔同図（ロ）〕。

なお、゛ペース領域２０８を形成する方法としては、Ｂ
ＳＧをウェハ上に堆積させて、１１００〜１２００℃の
熱拡散によって不純物Ｂを所定の深さまで拡散させて形
成する方法もある。

次にフォトリソグラフィ一工程によシ、エミッターとな
るべき部分、キヤ／ダシタとなるべき部分及びダイオー
ド形成部分のフィールド酸化膜を除去する。続いて、酸
化膜を選択的に除いた部分にダート酸化膜２１０を１０
０〜５００Ｘ成長させる〔同図（Ｇ）〕。

酸化条件としては、８５０〜１０００℃の温度下で、酸
素３〜６１７分、塩化水素１００〜２００αン′分、窒
素４〜７１７分なる雰囲気中で行なうと良い結果が得ら
れた。

次に、フォトリソ工程によシ、エミッターコンタクト部
分およびダイオードのカソードコンタクト部分にコンタ
クトホール２１１を形成する。

続いて、Ａｓドープの４リシリコンを（Ｎ２＋ＳｉＨ４
＋ＡｌＨ３）又は（Ｎ２＋　５ＩＨ４＋　ＡｓＨ３）ガ
スでＣＶＤ法によシ堆積する。堆積温度は５５０℃〜９
００℃程度、厚さは２０００〜７０００Ｘである。むろ
ん、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を拡散しても良い。このよう和
して堆積したポリシリコンを選択的に除去することで、
キャパシタ電極２１５およびエミッタ電極２１６を形成
する。続いて、熱処理を行うことで、ポリシリコン２１
５および２１６から不純物Ａｍ又はＰを、ペース領域２
０８の内部に拡散させ、エミッタ領域２１３及びダイオ
ードのカソードとなるｎ領域２１４を形成する〔同図（
６）〕。

次に、厚さ３０００〜７０００１Ｏ８１０２Ｊ［２２１
を上述のガス系のＣＶＩ）法で堆積し、続いて、マスク
合せ工程と工、チング工程とＫよシ、キク／４シタ電極
２１５上にコンタクトホールを開ける。このフンタクト
ホールに金属（ＡＬ、Ａｔ−８ｌ　、Ａｔ−Ｃｕ−８１
等）を真空蒸着又はスバ、タリングによって堆積させ、
Δターニングすることで配線２１７を形成する〔同図（
Ｉ）〕。

次に、Ｐ１３Ｇ膜又はＳ　ｔｏ２膜等の眉間絶縁膜をＣ
ＶＴ）法で厚さ３０００〜６０００Ｘ堆積させる。そし
て、マスク合わせおよび工、チング工程によシ、エミ、
り電極２１６上にコンタクトホールを開け、上記と同様
にして配線２１８を形成する。

最後に、パ、シペーション膜２１９　（Ｐ２Ｏ膜又はＳ
　１　、Ｎ４膜等）をＣＶＤ法によって形成し、ウェノ
１裏面に電極２２０　（Ａ４ｊｕ−８１，Ａｕ等の金属
）を形成して完成する〔第１図（４）および＠〕〕。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように１本発明による光電変換装置
は、キャパシタとダイオードとを並列接続しただけとい
う非常に簡単な構成であ〕ながら、リフレ、シ、動作時
にダイオードを導通状態にしてリフレッシ。動作を高速
で行うことができる。

また、制御電極領域に許容量以上のキャリアが蓄積され
た時は、ダイオードが導通状態となって余分なキャリア
を除去し、プルーミング現象を防止することができる。

また、キャーシタ電極の電圧を調節することで、意識的
にプルーミング現象を生起させることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図■は、本発明による光電変換装置の一実施例の平
面図、第１図φ）は、その１−Ｉ線断面図、第２図は、
本実施例による光センサセルの等価回路図、 第３図は、本実施例におけるキャパシタ電極の駆動電圧
波形図、 第４図■〜■は、本実施例の動作を説明するための電位
レベル状態図、 第５図囚は、プルーミング現象を説明するための電位レ
ベル状態図、第５図伽）は、本実施例の電位レベル状態
図、 第６図は、上記センサセルを３×３に配列した場合の撮
像装置の回路図、 第７図は、上記撮像装置の動作を説明するためのタイミ
ング波形図、 第８図■〜（１）は、本実施例の製造方法を示す製造工
程図、 第９図（ト）は、特願昭５８−１２０７５５号に記載さ
れている光電変換装置の平面図、第９図Φ）は、そのＡ
　−Ａ’線断面図、 第１０図は、従来の光電変換装置の等価回路図、第１１
図（、）は蓄積電圧と読出し電圧との関係を、第１１図
〜）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１２図伽）はりフレッシュ動作時の等価回路図、第１
２図（ｂ）はり７レツシ１時間とペース電位との関係を
示すグ２７である。 １０１・・・ダイオード、２０１・・・シリコン基板、
２０４・・・素子分離領域、２０６−・・ｎ−工Ｃタキ
シャル層、２０８・・・ペース領域、２１３・・・エミ
ッタ領域、２１４・・・？領域、２１５・・・キャパシ
タ電極２１６・・・エミ、り電極、２２０・・・コレク
タ電極。 代理人　弁理士　山　下　積　平 第９図（０） 第９図ｆｂ） 第１０図 第１１　　図（ａ） 第１１　　図（ｂ） 町 １【 ノぐイアス４−九ムミ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体トランジスタの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、前記制御電極領域
   に光励起によって発生したキャリアを蓄積し、該蓄積量
   に対応して発生した電圧を読出すという動作を行う光電
   変換装置において、前記半導体トランジスタの主電極領
   域以外に、前記制御電極領域に接合した該制御電極領域
   とは反対導電型の半導体領域を設け、 前記制御電極領域に対向した前記キャパシタの電極を前
   記反対導電型の半導体領域に接続したことを特徴とする
   光電変換装置。