JPS6376477A

JPS6376477A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPS6376477A
Application number: JP61219670A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nakamura; 中村　佳夫; Shigeyuki Matsumoto; 繁幸松本; Shigetoshi Sugawa; 成利須川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1988-04-06

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、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で、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、その蓄積電圧を読出
し、蓄積キャリアを除去するという各動作を行う光電変
換装置に関する。

［従来技術］第８図（Ａ）は、従来の光電変換装置の概略的平面図、
第８図（Ｂ）は、その一つの光電変換セルのＡ−Ａ　’
線断面図である。

第８図（Ａ）および（Ｂ）において、ｎシリコン基板１
上にｎ−エピタキシャル層４が形成され、その中に素子
分離領域６によって相互に電気的に絶縁された光電変換
セルが配列されている。

まず、ｎ−エピタキシャル層４トにバイポーラトランジ
スタのｐベース領域９、その中にｎ＋エミッタ領域１５
が形成されている。さらに、酸化膜１２を挟んで、ｐベ
ース領域９の電位を制御するためのキャパシタ電極１４
．ｎ＋エミッタ領域１５に接続しているエミッタ電極１
９が各々形成されている。

そして、キャパシタ電極１４に接続した電極１７、基板
ｌの裏面にオーミックコンタクト用のｎ中領域２、バイ
ポーラトランジスタのコレクタ電極２１が各々形成され
、光電変換セルを構成している。

光電変換セルの基本動作は、まず、負電位にバイアスさ
れたｐベース領域９を浮遊状態とし、光励起により発生
した電子・ホール対のうちホールをｐベース領域９に蓄
積する（蓄積動作）。

続いて、キャパシタ電極１４に正電圧を印加してエミッ
タ・ベース間を順方向にバイアスし、蓄積されたホール
により発生した蓄積電圧を浮遊状態のエミッタ側へ読出
す（読出し動作）。

！いて、エミッタ側を接地してキャパシタ電極１４に正
電圧のパルスを印加し、ｐベース領域９に蓄積されたホ
ールを消滅させる。これにより、リフレッシュ用の正電
圧パルスが立下がった時点でｐベース領域９が初期状態
に復帰する（リフレッシュ動作）。

このような光電変換装置は、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、構造
的に単純であるために、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。

［発明が解決しようとする問題点］ところでリフレッシュ動作を行う際、リフレッシュパル
スによってｐベース領域９を完全に初期状態に復帰させ
るには長い時間（例えば１Ｏｓｅｅ程度）が必要である
。そこで高速動作を可能とするために、従来より過渡的
リフレッシュモードが採用されている。過渡的リフレッ
シュモードとは、短かいリフレッシュパルスによって蓄
積電圧による変動成分を実質的に消去しようとする動作
モードをいう。

しかしながら、従来の光電変換装置では、このような過
渡的リフレッシュモードで動作させた場合、ｐベース領
域９の残留電圧による残像現象が大きな問題となってい
た。特に、光の弱い部分の光電変換セルではベース電位
が低い状態にあるために、短かいリフレッシュパルスで
は蓄積電圧成分が十分に消去されず、前回の光情報が残
存してしまう。

この残像問題を解決するために、たとえば。

ベース電位を一定値にリセットするスイッチングトラン
ジスタを各光電変換セル内に形成したものなどが提案さ
れている。しかしながら、光電変換セルをエリア状に高
密度に配列するためには、各セルは構造的に単純である
方が望ましい。

そこで、本発明は、構造を単純化するとともに残像問題
を解決することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］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と一生電極領域とに
わたって絶縁層を介してキャパシタ電極が形成されてお
り、該キャパシタ電極に印加する電圧で前記制御電極領域の
電位を制御することにより、該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、該蓄積によって発生
した蓄ｖＸ電圧を読出し。

蓄積されたキャリアを消滅させるという各動作を行うこ
とを特徴とする。

［作用］光励起により発生したキャリアを蓄積する制御電極領域
と一生電極領域とにわたってキャパシタ電極を設けると
いう単純な構成を有し、しかも、このような構成によっ
て制御電極領域に蓄積されたキャリアを消滅させる速度
が向上する。その結果、過渡的リフレッシュモードを採
用しても従来のような残像問題は生じず、高速動作が可
能となる。

また１本発す１により光電変換特性の直線性が改許され
る。

［￥流側１以下、未発１１の実施例を図面を用いて詳細に説明する
。

第１図（Ａ）は、本発明にょる光電変換装ごの第一実施
例の概略的平面図、第１図（Ｂ）は、そのＩ−Ｉ線断面
図、第１図（Ｃ）は、その等価回路図である。ただし、
ｔＪＳａ図に示す光電変換装置と同−機能を有する部分
には同一番号を付している。

第１図（Ａ）およびＣＢ）において、ｎシリコン基板１
上にｎ一層４がエピタキシャル成長によって形成され、
そこに素子分離領域６によって分離された光電変換セル
が形成されている。光電変換セルは、コレクタ領域であ
るｎ一層４に形成されたｐベース領域９およびｎ十エミ
ッタ領域１５と、絶縁層１０１を挟んでｐベース領域９
およびｎ″″″層４ｎ接合部に跨って対向したポリシリ
コンのキャパシタ電極１０２とから構成されている。

また、居間絶縁層１０３を挟んでエミッタ電極１９が形
成されている。

キャパシタ電極１０２はｐベース領域９とｎ一層４とに
わたって設けられ、さらにｎ十エミッタ領域１５との間
隔が、ｐベース領域９における少数キャリアの拡散長よ
りも短かく形成されている。

なお、キャパシタ電極１０２およびエミッタ電極１９の
位置は本実施例に限定されるものではなく、第１図（Ａ
）に示す位置から９０°回転した位置に形成してもよい
、要するに、キャパシタ電極１０２はｐベース領域９と
ｎ一層４との接合をまたいで形成されることが必要であ
る。

このように構成された本実施例のリフレッシュ動作につ
いて説明する。

すでに述べたように蓄積動作および読出し動作の後、エ
ミッタ電極１９が接地され、キャパシタ電極１０２に正
電圧のリフレッシュパルスが印加される。キャパシタ電
極１０２に正電圧が印加されることによって、キャパシ
タを構成するｎ″″″層４面が多数キャリアの蓄積状態
となり、キャパシタを構成するｐベース領域９の界面が
反転状態となる。このために、キャパシタを構成するｐ
ベース領域９の界面がｎ一層４と同電位となり、あたか
もｎ十エミッタ領域１５と、ｐベース領域９と、キャパ
シタを構成するｐベース領域９の界面部とでラテラルバ
イポーラトランジスタが形成された状態となる。このト
ランジスタはｈｆｅが低く、ｐベース領域９でのホール
の再結合が促進される。したがって、ｐベース領域９に
蓄積されているホールが急速に消滅し、リフレッシュパ
ルス幅が短かくとも十分なリフレッシュ動作を行うこと
ができる。すなわち、高速動作に適した過渡的リフレッ
シュモードで動作させても、従来のような残像を生じな
い。

第２図（Ａ）は１本発明の第二実施例の概略的平面図、
第２図（Ｂ）は、その■−■線断面図である。

同図（Ｂ）に明示されているように、本実施例ではキャ
パシタ電極１０２を素子分離領域６内に形成してセルサ
イズの縮小化を図っている。

まず、ｎ一層４を形成した後、異方性エツチング等によ
って素子分離領域６を形成するための溝を形成する。続
いて、溝内壁およびｎ一層４上に薄い酸化膜１０４を形
成し、溝にポリシリコンを埋込む、続いて、ｐベース領
域９．ｎ十エミッタ領域１５、ｎ中領域１０６を形成し
た後、ポリシリコンを堆積させ、バターニングによって
キャパシタ電極１０２を形成する。続いて、居間絶縁層
１０５を挟んでエミッタ電極１９を形成する。

このように本実施例では素子分離領域６がキャパシタ電
極１０２のポリシリコンと酸化［１０４とで構成され、
同時に酸化膜１０４を挟んでｎ″″″層４びｐベース領
域９にまたがって対向していることで、第一実施例と同
一の機能を有するキャパシタ電極１０２を構成している
。

なお、素子分離領域６内のキャパシタ電極１０２をｎ一
層４およびｐベース領域９を囲むようにコの字型に形成
して、キャパシタ容量を増加させることもできる。

次に、上記実施例の残像特性および光電変換特性を従来
例と比較する。

第３図は、第一実施例と従来例との残像特性を示すグラ
フである。なお、同グラフの横軸はフィールドを示し、
フィールドごとにリフレッシュ動作を行われる。また縦
軸は、初期の光電変検出力５０ｍＶを１００％として、
フィールドごとの残像を表わしている。したがって、同
グラフは、初期に光が入射し、その後遮光された状態で
のフィールドごとの光電変検出力の割合をプロットした
ものである。また、ここでは読出しパルスφｒおよびリ
フレッシュパルスφｒｃの各ノくルス幅は、共に２．１
７Ｌｓｅｃである。

同グラフに示すように、第３フイールドでの残像は、従
来では約７％であ゛るのに対して、本実施例では約２％
であり、大幅な改善がみられる。

第４図は、第一実施例と従来例との光電変換特性を示す
グラフである。ただし、ここでは読出しパルスφｒおよ
びリフレッシュパルスφｒＣの各パルス、＠は、共に１
．４ＩＡ、ｓｅｃであり、赤外線カットフィルタを使用
している。

同グラフに示すように１本実施例は、従来に比べて、特
に低照度において光電変換特性の直線性が向上している
。

第５図は、上記第一実施例を用いた固体撮像素子の一例
を示す回路図である。ただし、説明の簡略化のために画
素数を９個としているが、多数の画素は配列された場合
も本質的には同じである。

同図において、光電変換セル３０は、３×３個エリア状
に配列され、各コレクタ電極２１は共通にｍ続されて正
電圧が印加されている。各光電変換セル３０のキャパシ
タ電極１０２は水平ライン３１．３１′、３１″に行ご
とに接続され、各水平ラインには読出しパルス又はリフ
レッシュパルスである信号φ１〜φ３が印加される。

光電変換セル３０のエミッタ電極１９は列ごとに信号を
読出すための垂直ライン３８．３８’、３８″にｖｉ続
され、各垂直ラインはトランジスタ４０．４０′、４０
″′を介して出力信号！ｊｊ４１にｔａ統されている。

トランジスタ４０．４０′、４０″の各ゲート電極は走
査回路３９の並列出力端子Ｒ１〜Ｒ３に接続され、走査
回路３９の動作によって垂直ラインは順次開閉される。

出力信号線４１はアンプに接続されるとともにトランジ
スタ４２を介して接地され、トランジスタ４２のゲート
電極４３に入力する信号によって出力信号線４１はリフ
シー２シユされる。

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トランジスタ４８．４８′、
４８″を介して接地され、トランジスタ４８．４８′、
４８″の各ゲート電極は、端子４９に共通に接続されて
いる。

次に、このような構成を有する固体撮像素子の動作を第
６図を参照しながら説明する。

第６図は、上記固体撮像素子の動作の一例を説明するた
めのタイミングチャートである。

（リフレッシュ動作）各光電変換セル３０のコレクタ電極２１には電圧Ｖｃが
印加される。又、端子４９にハイレベルが印加されるこ
とでトランジスタ４８．４８′、４８″が導通して、各
光電変換セル３０のエミッタ電極１９が接地される。こ
の状態で、水平ライン３１．３１’、３１″に信号φ１
〜φ３が加わり、全ての光電変換セル３０のキャパシタ
電極１０２に正電圧Ｖｒｈのリフレッシュ用パルスが印
加される。これによって上述したようにリフレッシュ動
作が行われ、ｐベース領゛域９に残留しているホールが
急速に消滅する。したがって、短かいリフレッシュパル
スによってｐベースＴｌ　ｊｔＥ　９の電位を十分低下
させることができ、高速リフレッシュが可能となる。そ
して、リフレッシュパルスが立下がることで、ｐベース
領域９は初期状態に復帰する。

（蓄積動作）エミッタ電極１９は引き続き接地しておく、この状態で
光が入射し、初期状態に復帰した各光電変換セル３０の
ベース領域９に各々入射光の照度に対応したホールが蓄
積され、ベース電位を上昇させる。

（読出し動作）ｉ子４９をローレベルにしてトランジスタ４８．４８′
、４８″をＯＦＦ：ｌ態とし、エミ。

９”ｉＭ極１９および垂直ライン３８．３８′、３８″
を浮遊状態とする。

続いて、先ず、信号φｌを水モライン３１に加え、第１
行目の光電変換セル３０のキャパシタ電極１０２に正電
圧Ｖｒの読出し用パルスを印加する。これによって浮遊
状態の垂直ライン３８゜３８′、３８″に第１行目の光
電変換セル３ｏの信号が各々読出される。

続いて走査回路３９が動作し、並列出力端子Ｒ１〜Ｒ３
から順次ハイレベルが出力される。これによってトラン
ジスタ４０．４０’、４０“が順次ＯＮ状態となり、垂
直ライン３８．３８′、３８″に読出された各信号が順
次出力信号線４１に現われ、外部へシリアルに出力され
る。その際、各信号が外部へ出力されるごとに、端子４
３にハイレベルが印加され、トランジスタ４２をＯＮ状
ｆＥとして、出力信号線４１に残留している電荷を除去
する。

こうして、第１行目の信号を全て出力すると、端子４９
にハイレベルを印加してトランジスタ４８．４８′、４
８″をＯＮ状態として、垂直ライン３８．３８’、３８
″に残留している電荷を除去する。

以下同様にして、第２行目、第３行目の光電変換セル３
０についても読出し動作を行い、全ての光電変換セル３
０の信号をシリアルに外部へ出力する。

本実施例では、第４図に示すように広い照度範囲にわた
って光電変換特性の直線性が良好であるために、後段の
信号処理回路の負担も軽減される。

第７図は、と記固体撮像素子を使用した撮像装置の一例
の概略的構成図である。

同図において、撮像素子３０１の出力信号ＶＯは信号処
理回路３０２によってゲイン調整等の処理が行われ、Ｎ
ＴＳＣ信号等の標準テレビジョン信号として出力される
。

また、撮像素子３０１を駆動するための上記各パルスφ
はドライバ３０３によって供給され、ドライバ３０３は
制御部３０４の制御によって動作する。また、制御部３
０４は撮像素子３０１の出力に基いて信号処理回路３０
２のゲイン等を調整するとともに、露出制御手段３０５
を制御して撮像素子３０１に入射する光量を調整する。

上述したように、本実施例による撮像素子３０１は光電
変換特性の直線性が良好であるために、続く信号処理の
負担が軽減される。

［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、光励起により発生したキャリアを蓄積する制御電極
領域と一生電極領域とにわたってキャパシタ電極が形成
されているという簡単な構造を有する。しかも制御電極
領域に蓄積されたキャリアを高速度で消滅させることが
できるために、過渡的リフレッシュモードを採用しても
従来のような残像問題は生じず、全体として高速動作が
可能となる。また、光電変換特性の直線性が改善される
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、本発明による光電変換装置の第一実施
例の概略的平面図、第１図（Ｂ）は、そのＩ−Ｉ線断面
図、第１図（Ｃ）は、その等価回路図。第２図（Ａ）は、本発明の第二実施例の概略的平面図、
第２図（Ｂ）は、その■−ｎ線断面図。第３図は、第一実施例と従来例との残像特性を示すグラ
フ。第４図は、第一実施例と従来例との光電変換特性を示す
グラフ。第５図は、上記第一実施例を用いた固体撮像素子の一例
を示す回路図、第６図は、上記固体撮像素子の動作の一例を説明するた
めのタイミングチャート。第７図は、上記固体撮像素子を使用した撮像装置の一例
の概略的構成図、第８図（Ａ）は、従来の光電変換装置の概略的平面図、
第８図（Ｂ）は、その一つの光電変換セルのＡ−Ａ　’
線断面図である。Ｉｌｌ・・ｎシリコン基板４・・・ｎ−エピタキシャル層６Φ・・素子分離領域９・・・ｐベース領域１５・・・ｎ十エミッタ領域１９−・・エミッタ電極２１・・・コレクタ電極１０１．１０４．、・絶縁膜１０２−−轡キャパシタ電極第１図（Ｂ）（Ｃ）第２図（Ａ）（Ｂ）フィールＦ゛。（１）４−ルド÷１６．７ｍ５ｅｃ）第４図語、　　ノ’ｊ　　　（Ｅｖン第５図第６図第８図（Ａ）第８図（Ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体トランジスタの制御電極領域と一方の主電
極領域とにわたって絶縁層を介してキャパシタ電極が形
成されており、該キャパシタ電極に印加する電圧で前記制御電極領域の電位を制御することにより、該制御電極
領域に光励起によって発生したキャリアを蓄積し、該蓄
積によって発生した蓄積電圧を読出し、蓄積されたキャ
リアを消滅させるという各動作を行うことを特徴とする
光電変換装置。
（２）上記キャパシタ電極と他方の主電極領域との間隔
が少数キャリアの拡散長より短かいことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の光電変換装置。