JPS61285760A - 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係り、特に所望の分光
感度を有する光電変換装置に関する。

［従来技術］ 第５図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特開
昭８０−１２７８５号公報に記載されている光電変換装
置の平面図、第５図（Ｂ）は、そのＩ−Ｉ線断面図であ
る。

両図において、ｎシリコン基板１０１上に光センサセル
が形成され配列されており、各光センサセルは５ｉ０２
　、　Ｓｉ３　Ｎ４　、又はポリシリコン等より　　成
る素子分離領域１０２によって隣接する光センサセルか
ら電気的に絶縁されている。

各光センサセルは次のような構成を有する。

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１０３上にはｐタイプの不純物をドーピングする
ことでｐ領域１０４が形成され、ｐ領域１０４には不純
物拡散技術又はイオン注入技術等によってｎ中領域１０
５が形成されている。ｐ領域１０４およびｎ中領域１０
５は、各々バイポーラトランジスタのベースおよびエミ
ッタである。

このように各領域が形成されたｎ−領域１０３上には酸
化膜ｌＯＢが形成され、酸化膜１０ｅ上に所定の面積を
有するキャパシタ電極１０７が形成されている。・キャ
パシタ電極１０７は酸化膜１０６を挟んでＰｇｉ域１０
４と対向し、キャパシタ電極１０７にパルス電圧を印加
することで浮遊状態にされたｐ領域１０４の電位を制御
する。

その他に、ｎ中領域１０５に接続されたエミッタ電極１
０８．エミッタ電極１０８から信号を外部へ読出す配線
１０８、キャパシタ電極１０７に接続された配線１１Ｏ
１基板１０１の裏面に不純物濃度の高いｎ十領域１１１
、およびバイポーラトランジスタのコレクタに電位を与
えるための電極１１２がそれぞれ形成されている。

次に、基本的な動作を説明する。まず、バイポーラトラ
ンジスタのベースであるｐ領域１０４は負電位め初期状
態であるとする。このｐ領域１０４に光１１３が入射し
、光量に対応した電荷がＰ領域１０４に蓄積される（蓄
積動作）、蓄積された電荷によってベース電位は変化し
、その電位変化によってエミッタ・コレクタ間電流が制
御され、浮遊状態にしたエミッタ電極１０８から入射光
量に対応した電気信号を読出すことができる（読出し動
作）、また、ｐ領域１０４に蓄積された電荷を除去する
には、エミッタ電極１０８を接地し、キャパシタ電極１
０７にリフレッシュ用の正電圧パルスを印加する。この
正電圧を印加することでＰ領域１０４はｎ中領域１０５
に対して順方向にバイアスされ、蓄積された電荷が除去
される。そして、リフレッシュ用正電圧パルスが立下が
った時点で、ｐ領域１０４のベース電位は負電位の初期
状態に復帰する。以後、上記の蓄積、読出し、リフレッ
シュという各動作が繰り返される。

要するに、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、ベースであるｐ領域１０４に蓄積し、
その蓄積電荷量によってエミッタ電極１０Ｂとコレクタ
電極１１２との間に流れる電流をコントロールするもの
である。したがって、蓄積された電荷を、各セルの増幅
機能により電荷増幅してから読出すわけであり、高出力
、高感度、さらに低雑音を達成できる。

また、光励起によってベースに蓄積されたホールにより
ベースに発生する電位Ｖｐは、Ｑ／Ｃで与えられる。こ
こでＱはベースに蓄積されたホールの電荷量、Ｃはベー
スに接続されている容量である。この式により明白な様
に、高集積化された場合、セル・サイズの縮小と共にＱ
もＣも小さくなることになり、光励起により発生する電
位Ｖｐは、はぼ一定に保たれることがわかる。したがっ
て、′　ここで提案されている方式は、将来の高解像度
化に対しても有利なものであると言える。

このような方式の光電変換装置を用いてカラー信号を取
り出すためには、各光センサセル上に赤、青、緑又は黄
、シアン、緑、白の各カラーフィルタを設けて一画素を
構成する必要がある。

光センサセル上にカラーフィルタを形成する方法には二
通りある。第一の方法は、上記光電変換装置が完成した
後、各セル上に直接カラーフィルタ用の顔料、染料等の
色材フィルムを蒸着法等によって形成し、続いて、その
色材フィルムを匡ツチング法又はリフトオフ法によって
パターニングし、それを繰返すことで色材フィルムを各
党センサセル上にモザイク状に形成する方法である。

第二の方法は、ガラス基板等に第一の方法と同様にして
予めカラーフィルタを形成し、そのカラーフィルタを上
記光電変換装置に貼り合せるものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記方法によってカラーフィルタを形成
し上記光電変換装置をカラー化すると、次のような問題
点が現れる。

まず、第一の方法では、光センサセル上に直接カラーフ
ィルタを形成すると、位置合せ精度は極めて良い反面、
色材フィルムに含まれるナトリウム等の汚染物質が、熱
や電界等の外部エネルギによって光センサセルおよび周
辺回路へ容易に移動し、それらの動作を不安定にすると
いう問題点を有していた。

第二の方法では、ガラス基板に形成されたフィルタを光
センサセル上に接着固定するために位置合せが困難とな
り、位置合せを確実に行おうとすればチップを大きくす
る必要がある。また、接着剤を使用するために、接着剤
中の汚染物質の影響を受は易いという問題点も有してい
た。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 上記従来の問題点を解決するために、本発明による光電
変換装置は、一導電型半導体より成る２個の主電極領域
と反対導電型半導体より成る制御電極領域とから成る半
導体トランジスタと、浮遊状態にした前記制御電極領域
の電位を制御するためのキャパシタとを有し、浮遊状態
にした前記制御電極領域の電位を前記キャパシタを介し
て制御することによって、光によって発生したキャリア
を前記制御電極領域に蓄積し、該蓄積によって発生した
蓄積電圧に対応した出力を読出す動作を少なくとも行う
光電変換セルを複数個有する光電変換装置において、 前記光電変換セルの少なくとも２個以上は、前記制御電
極領域に蓄積されるキャリアを主に発生する光電変換領
域が受光面から互いに異なる深さの位置に設けられたこ
とを特徴とする。

［作用］ このように構成すれば、半導体に侵入する光は波長によ
って侵入距離が異なるために、所望の分光感度を有する
光電変換セルを得ることができる。したがって、たとえ
ば赤、青、緑の各色の光にそれぞれ分光感度を有する光
電変換セルを配列すれば、カラーフィルタを設けること
なくカラー読出し出力を得ることができる。

［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図は、本発明による光電変換装置の第一実施例の概
略的断面図である。

同図において、ｎシリコン基板ｌ上に、一画素を構成す
る３個の光センサセル２０１　、３０１および４０１が
形成され、この画素が複数配列されている。また、各光
センサセルは素子分離領域２によって隣接する光センサ
セルから電気的に絶縁されている。

光センサセル２０１　、３０１および４０１は、ｎ″″
″エピタキシヤル層レクタ領域３、ｐベース領域４およ
びｎ十エミッタ領域５から成るバイポーラトランジスタ
と、さらに酸化膜６を挟んでｐベース領域４の電位を制
御するためのキャパシタ電極７とから各々構成される。

また１図示されていないが、基板１の裏面には各光セン
サセル共通のコレクタ電極が形晟されている。さらに、
各党センサセルは保護膜８によって保護されている。

なお、基板１は、不純物濃度が十分高く　（最低でもＩ
　Ｘ１０’８ｃｍ−３、望ましくはＩ　Ｘ　１０２１ｃ
ｒ３　）、表面付近の欠陥密度が極めて低く、且つ表面
から数ｐｍ程度より深い部分では欠陥密度が極めて高い
ことが必要である。

基板１をこのように構成することで、光照射によって基
板内部に発生した電子・正孔対のうちの正孔のライフタ
イムを最低でも一桁短かくし、基板１とコレクタ領域３
との濃度差による電界および拡散によって正孔がｐベー
ス領域４とｎ−コレクタ領域３との接合部に形成される
空乏層内に達することを防止する。

ところで、光センサセルの分光感度は、シリコンに対す
る光の透過率に起因する深さ依存性を有し、可視光領域
では長波長の光の方がより深く浸入する。したがって、
光電変換効率の高い光電変換領域（ｐベース領域４とｎ
−コレクタ領域３との接合部に形成され、主にｎ−コレ
クタ領域３側へ延びた空乏層領域）を様々の深さに設け
、その外の領域の光電変換効率を低く抑えることで１分
光感度の異なる光センサセルを容易に形成することがで
きる。これを利用して、本実施例にお（する上記光セン
サセル２０１　、３０１および４０１は、それぞれ緑信
号出力用セル（以下、Ｇセル２０１とする。）、青信号
出力用セル（以下、Ｂセル３０１とする。）、および赤
信号出力用セル（以下、Ｒセル４０１とする。）として
形成されている。

Ｇセル２０１のｎ十エミッタ領域５は深い領域と浅い領
域とから成り、バイポーラトランジスタの電流増幅率は
深い領域によって決定される。

また、ｎ十エミッタ領域５の浅い領域は受光面下に広が
り、しかも不純物濃度が高いために、この領域で短波長
側の光によって発生した電子・正孔対のうちの正孔は即
座に再結合し、ｐベース領域４に蓄積されにくくなる。

他方、ｎ−エピタキシャル層のコレクタ領域３と基板ｌ
との接合面が比較的浅い位置に設けられているために、
長波長側の光は不純物濃度および欠陥密度が十分高い基
板１の内部に到達する。したがって、そこで発生した正
孔も即座に再結合し、上記ｐベース領域４には蓄積され
にくい。

このように、Ｇセル２０１は短波長側および長波長側の
光の光電変換効率が低く、中間波長付近の光（ここでは
緑色を中心とした波長領域の光）の光電変換効率が最も
高くなっている。

Ｂセル３０１のｎ十エミッタ領域５は、Ｇセル２０１の
ように受光面下に広がる浅い領域を持たないために、侵
入距離の短かい短波長光によって発生した電子・正孔対
のうちの正孔をｐベース領域４に蓄積することができる
。他方、ｎ″″″エピタキシヤル層レクタ領域３と基板
ｌとの接合面は、Ｇセル２０１と同様に比較的浅い位置
に設けられているために、長波長側の光によって発生し
た電子・正孔対のうちの正孔はｐベース領域４には蓄積
されにくい、したがって、Ｂセル３０１の分光感度は、
Ｇセル２０１のそれより短波長側（青色側）ヘシフトし
たものとなる。

Ｒセル４０１のｎ十エミッタ領域５は、Ｇセル２０１と
同様に受光面下に広がる浅い領域を有するが、Ｇセル２
０１より深く形成されている。したがって、短波長側の
光電変換効率がＧセル２０１の場合より更に広い範囲で
低下する。また、ｎ−エピタキシャル層のコレクタ領域
３と基板１との接合面が深い位置に設けられているため
に、長波長側の光電変換効率が向上する。したがって、
Ｒセル４０１の分光感動は、Ｇセルのそれよりも長波長
側（赤色側）ヘシフトしたものとなる。

上記Ｇセル２０１　、８セル３０１およびＲセル４０１
によって一画素を構成することによって、カラーフィル
タを用いることなくカラー化された光電変換装置を構成
することができる。なお、各光センサセルの蓄積、読出
し、およびリフレッシュ等の基本動作は第５図において
説明した通りである。

次に、本実施例の製造方法を説明する。

第２図（Ａ）〜（Ｇ）は、本実施例の製造工程図である
。

まず、ｎシリコン基板ｌは、すでに述べたように、不純
物濃度が十分高く、表面付近での欠陥密度が極めて低く
、且つ表面から数ｇｍ程度より深い部分では欠陥密度が
極めて高い、このような基板ｌ上のＲセル４０１を形成
しようとする部分だけを若干エツチング除去する。この
エツチングの深さは、Ｒセル４０１の目的とする長波長
側の分光感度によって決定される。続いて、エピタキシ
ャル成長によって基板１上にｎ−エピタキシャル層のコ
レクタ領域３を成長させる。続いて、　ＳｉＯ２等の絶
縁物によって素子分離領域２を形成する【第２図（Ａ）
　］　。

次に、表面にバッファ用酸化膜を形成した後。

Ｒセル４０１を形成しようとするｎ−エピタキシャル層
にＰ型不純物イオンを注入し、熱拡散によってｐペース
領域４を形成する［同図（Ｂ）　ｌ　。

次に、Ｒセル４０１のｐベース領域４にｎ型不純物イオ
ンを部分的に注入し、熱拡散によってｎ十エミッタ領域
５の深い一領域を形成する【同図（Ｃ）　］　、すでに
述べたように、この深い領域によってＲセル４０１の電
流増幅率が制御される。

次に、Ｇセル２０１およびＢセル３０１を形成しようと
するｎ−エピタキシャル層にｐ型不純物イオンを注入し
、Ｒセル４０１のｎ十エミッタ領域５の浅い領域を形成
しようとするｎ−エピタキシャル層にｎ型不純物イオン
を注入する。続いて、熱処理を行い、Ｇセル２０１およ
びＢセル３０１のＰベース領域４と、Ｒセル４０１のｎ
十エミッタ領域５とを同時に形成する。ここで、Ｐ型不
純物としてポロンを用いるとドーズ量はｌＸ１０１２〜
ＩＸ１０１４Ｃ「２、ｎ型不純物としてリンを用いると
ドーズ量は５Ｘ１０１４〜Ｉ　Ｘ　１０１６ｃｍ−２で
あり、熱処理はＮ２雰囲気中で行われ、温度は１１００
℃程度、時間は３０〜１２０分間である［同図（Ｄ）　
］　。

次に、酸化膜６を形成した後、ＬＰＣＶＤ法を用い温度
５８０〜６５０℃、ＳｉＨ４流量２０〜２００ＳＣＣＭ
　。

堆積圧力０．２〜１．０τｏｒｒの条件下で、ポリシリ
コン膜を堆積する。

続いて、このポリシリコン膜にｎ型不純物を熱拡散法又
はイオン注入法によって固溶限度近くまで濃くドープし
、ポリシリコン膜のシート抵抗値を低下させる。たとえ
ば、ＰＯＣ１３を用いてドープする場合、キャリアガス
としてのＮ２流量４〜８ＳＣＣＭ、ｏ２流量５０〜２０
０９ＣＧｌｌＩ　、パブリジグガスとしてのＮ２流量２
０〜１００ＳＣＣＮ　、温度９００〜１０００℃、デボ
ジッション時間５〜３０分の条件で行い、その結果シー
ト抵抗値は１２〜１５Ω／口程度まで低下する。

続いて、堆積したポリシリコン膜をパターニングし、各
光センサセルのキャパシタ電極７を形成する。続いて、
ｎ型不純物イオンを注入し、熱拡散によって、Ｇセル２
０１のエミッタ領域５の深い領域と、Ｂセル３０１のエ
ミッタ領域５を形成する【同図（Ｅ）　］　。

次に、同じくｎ型不純物イオンの注入および熱処理によ
って、Ｇセル２０１のエミッタ領域５の浅い領域を形成
するＬ同図（Ｆ）　］　。

次に、酸化膜Ｂおよびキャパシタ電極７上に層間絶縁膜
をＣＶＤ法又はＬＯＣＶＤ法等によって形成する【同図
ＣＧ）　］　。

次に、各光センサセルのエミッタ領域５上にコンタクト
ホールを形成し、ＡＬ等の金属を蒸着して電極８を形成
する。続いて、表面保護膜８としてＰＳＧ又はｓＩ３　
Ｎ　４等をＣＶＤ法又はｐｃｖｎ　　法（ＰＥＣＶＤ法
）によって形成し、第１図に示す本実施例が完成する。

第３図は、本発明の第二実施例における一部省略の断面
図である。

第１図に示す第一実施例ではＲセル４０１を形成する部
分の基板ｌをエツチングし、Ｇセル２０１およびＢセル
３０１のコレクタ領域３と基板１との接合面を相対的に
浅い位置に設けることで長波長側の光情報を排除した。

しかし、本実施例ではこのようなエツチングは行わず、
Ｇセル２０１およびＢセル３０１を形成する部分にｎ十
埋込み層１０を形成することで、長波長側の光情報を排
除した。この方法は、基板１のエツチングを行わないた
めに基板１にダメージを与えることがない、今回は、一
般的に用いられるスピンオングラス法によるｓｂ埋込み
層形成によって良い結果が得られた。この方法において
も、イントリンシックゲッタリングによって基板Ｉの表
面に近い数ＩＬｍの領域のみを無欠陥化しておくことは
有効である。なお、その外の構造は第一実施例と同様で
あるから省略する。

第４図は、第一実施例において他の素子分離領域を用い
た光電変換装置の概略的断面図である。

第一実施例における素子分離領域は絶縁体だけで構成さ
れる必要はない。第４図に示すように、Ｓｉ０２等の絶
縁体２１の直下にｎ十拡散領域２２を形成しても有効に
素子間の分離を行うことができる。この場合、絶縁体２
１を埋込む深さを浅くできるために、分離幅を小さくで
きるとともに、エツチングの際のダメージおよび汚染等
を低減させることができる。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明のよる光電変換装置
は、制御電極領域に蓄積されるキャリアを主に発生する
光電変換領域が受光面から異なる深さの位置に設けられ
、所望の分光感度を有する光電変換セルから構成される
。

そのために、たとえば赤、青、緑の各色の光にそれぞれ
分光感度を有する光電変換セルを配列すれば、カラーフ
ィルタを設けることなくカラー読出し出力を得ることが
できる。したがって、従来のようにフィルタの汚染物質
等の影響が皆無となり、劣化が防止され、光電変換特性
の経時的変化が極めて少なくなる。

また、カラーフィルタを形成する工程が不要となるため
に、製造工程が簡略化される。

【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第一実施例の概
略的断面図。 第２図（Ａ）〜（Ｇ）は、本実施例の製造工程図、第３
図は、本発明の第二実施例における一部省略の断面図。 第４図は、第一実施例において他の素子分離領域を用い
た光電変換装置の概略的断面図、第５図（Ａ）は、特開
昭８０−１２７５１３号公報〜特開昭１３０−１２７８
５号公報に記載されている光電変換装置の平面図、第５
図ＣＢ）は、そのＩ−Ｉ線断面図である。 １・・一基板　　　　２・−・素子分離領域３・・・コ
レクタ領域 ４・・・ｐペース領域 ５・・・ｎ十エミッタ領域 ７・・・キャパシタ電極 代理人　弁理士　山　下　積　平 第１ＦＸｉ 第２図 ム） 第２ｒｌＡ （Ｃ） （Ｄ） （Ｅ→ 第２図 （Ｆ） （Ｇ） 第３図 第４図 第５Ｅ！１（Ａ） 第５図（印 ｒＳ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）一導電型半導体より成る２個の主電極領域と反対
   導電型半導体より成る制御電極領域とから成る半導体ト
   ランジスタと、浮遊状態にした前記制御電極領域の電位
   を制御するためのキャパシタとを有し、浮遊状態にした
   前記制御電極領域の電位を前記キャパシタを介して制御
   することによって、光によって発生したキャリアを前記
   制御電極領域に蓄積し、該蓄積によって発生した蓄積電
   圧に対応した出力を読出す動作を少なくとも行う光電変
   換セルを複数個有する光電変換装置において、 前記光電変換セルの少なくとも２個以上 は、前記制御電極領域に蓄積されるキャリアを主に発生
   する光電変換領域が受光面から互いに異なる深さの位置
   に設けられたことを特徴とする光電変換装置。