JPH01205463A - 半導体光検出装置 - 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、位置検出装置あるいは光学的文字読取装置等
に用いられる固体撮像装置の光電変換部および光信号読
出部として機能する半導体光検出装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

自己走査機能を有する半導体固体撮像装置としては、Ｃ
ＣＤ型あるいはＭＯＳ型のものか代表的なものとして挙
げられるか、これらＭＯ５系デバイスでは、半導体表面
状態か素子特性に大きな影響を与えるため、出力信号の
バラツキや低歩留まり等の問題か生じやすいという欠点
があった。

これに対し、機能的にはＭＯ８型固体撮像装置に良く似
ているか、構造および動作原理か全く異なるものとして
ＰＣＤ型固体撮像装置がある。

ＰＣＤ型固体撮像装置は、走査用のシフトレジスタとし
てプラズマ結合装置（Ｐ　ＣＤ　：　ＰｌａｓｍａＣｏ
ｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　）か用いられているもので
ある。

ＰＣＤはバイポーラ型で、バルクを媒介とした負性抵抗
素子間の結合を利用したものであり、高歩留まり、低電
圧駆動等ＭＯ８系デバイスにない利点をもっている。

従来のＰＣＤ型固体撮像装置は、走査回路部としてＰＣ
Ｄシフトレジスタ、光電変換部としてｐｎ接合フォトダ
イオード、光信号読出部としてスイッチングと増幅を複
合的に行うように組み合わされた２つのトランジスタか
ら構成されている。

第７図は従来のＰＣＤ型固体撮像装置の１ビツト（１画
素）相当の構造を示す図であり、同図（Ａ）は平面図、
同図（Ｂ）はそのｂ−ｂ断面図、同図（Ｃ）は等価回路
図である。

通常、ＰＣＤ型固体撮像装置は、ｎ型半導体基板上にｐ
型およびｎ型拡散を各々１回ずつ行うことにより形成さ
れる。図において、符号２．４．６．７．８、］０．１
２て示される部分はｎ型シリコン基板］上に形成された
ｎ型半導体拡散領域であり、符号３．５．９．１１で示
される部分はｎ型半導体拡散領域である。

走査回路部１３はｎ型半導体領域２．７をベース、ｎ型
半導体領域３をエミッタ、ｎ型半導体領域４とｎ型半導
体領域５の二重領域よりなるフック構造をコレクタとす
る横型構造の単接合トランジスタで構成されている。こ
の単接合トランジスタは、ベース・コレクタ間に一定電
圧ＭＢＣを加えた状態でエミッタ・コレクタ間に一定電
圧ＶＥを加えると、電流制御型負性抵抗特性を示す。Ｐ
ＣＤシフトレジスタの走査出力は、コレクタ領域５の近
くに設けられたｎ型半導体領域６からコレクタ近傍の電
位変化として取り出される。通常、この電位は基板電位
に等しいが、負性抵抗かオン状態のときにおいては、コ
レクタ周辺の伝導度変調効果によって、ｎ型半導体領域
６の電位は低下しコレクタ電位に近づく。

光電変換部は、ｎ型シリコン基板１をカソード、ｐ型半
導体領域１］をアノードとするフォトダイオートコ５て
１１１４成されている。また、光信号読出部は、ｎ型半
導体領域１１をエミッタ、ｐ型半導体領域９をコレクタ
、ｎ型半導体領域１０をゲートとする横型スイッチンク
トランジスタ］７と、ｎ型シリコン基板１をコレクタ、
ｐ型半導体領域９をベース、ｎ型半導体領域８をエミッ
タとする縦型増幅トランジスタ１８で構成されている。

すなイつち、ｐ型半導体領域９は横型スイッチングトラ
ンジスタ］７のコレクタと縦型増幅ｌ・ランジスタ１８
のベースを兼ね、ｐ型半導体領域１］は横型スイッチン
クトランシスタ１７のエミッタとフォトダイオード１５
のアノードを兼ねている。そして、光電変換部と光信号
読出部とて光検出部（−半導体光検１］」装置）］４を
構成している。なお、等価回路図において符号１６はフ
ォトダイオード１５の接合容量、コ。９は外部接続され
る抵抗値Ｒ＋、の負荷抵抗、２０は出力端子、２］は走
査回路部コ３からのアドレス信号を入力する入力端子で
ある。

光検出部］４の動作はつきの通りである。まずフォトダ
イオード］５に光か照射され、信号電荷がフォトダイオ
ード接合容量１６に蓄積される。

つぎに横型スイッチングトランジスタ１７のゲートに走
査回路部１３の走査出力すなわちアドレス信号か印加さ
れ、横型スイッチングトランジスタ１７がオン状態とな
る。その結果、フォトダイオード接合容量１６に蓄積さ
れていた信号電荷は縦型増幅トランジスタ１８のベース
電流となり、最終的に縦型増幅トランジスタ］８のエミ
ッタ電流としてｈＰＥ倍され、その電流か縦型増幅トラ
ンジスタ１８のエミッタに接続されている負荷抵抗１９
を流れ、負荷抵抗１９の端子電圧の変化として出力端子
２０に検出される。

このような半導体光検出装置においては、負荷抵抗１９
の端子電圧は微分波形となり、そのピーク波高値を光出
力値として読むことになる。この従来装置では、横型ス
イッチングトランジスタ１７のオン抵抗か十分小さく且
つ縦型増幅トランジスタ１８の入力インピーダンスか十
分小さい場合には、波形は第８図Ａのような波形の立ち
」二か−只　　　− りも早い微分波形となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしなから、横型スイッチングトランジスタ］−７は
、露光量が減少するとエミッタ・コレクタ間（ｐ型半導
体領域］１・ｐ型半導体領域９間）に流れる電流量か減
少し、横型スイッチングトランジスタ１７のオン抵抗お
よび縦型増幅トランジスタ］８の入力抵抗か増大し、そ
の結果、出力波形の応答が第８図Ｂのように遅れ、ピー
ク波高値か減少する。露光量か減少すればするほどこの
度合いは増すため、入出力特性のγ値は、］よりも大き
くなってしまうという問題がある。

また、横型スイッチングトランジスタ１７のゲートすな
わちｎ型半導体領域１０には、通常５ＶからＯＶへの負
パルスであるアドレス信号か加えられる。このゲート１
０はｎ型シリコン基板１と同一の導電型であるため、ア
ドレス信号が印加されたときには、横型スイッチングト
ランジスタ１７のゲート１０を流れる電流量すなわち露
光量に応じてゲート周辺の基板電位が５Ｖよりも低くな
る。一方、縦型増幅トランジスタ１８のベースであるｐ
型半導体領域９は、横型スイッチングトランジスタ１７
のコレクタを兼ねており、縦型増幅トランジスタ１８の
コレクタはベース９直下のｎ型シリコン基板１を用いて
いるため、縦型増幅トランジスタ１８は横型スイッチン
グトランジスタ］７に非常に近接して形成されているこ
とになる。そのため、アドレス信号か横型スイッチング
トランジスタ１７のゲート１０に印加されたときには、
縦型増幅トランジスタ１８のコレクタ電位が露光量に応
じて変化し、トランジスタの動作点が変化してしまう。

露光量に応じて動作点かずれると縦型増幅トランジスタ
１８のｈＰＥが異なり、入出力特性が直線にのらなくな
るという問題がある。

さらに、この従来装置では、信号電荷か横型スイッチン
グトランジスタ］７を通ってから増幅されるため、その
ときのリーク成分も同時に増幅されてしまうという欠点
がある。

本発明の課題は、このような問題点を解消することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明の半導体光検出装置は
、光信号読出部かスイッチングトランジスタとインピー
ダンス変換用（増幅用）トランジスタとを備え、光電変
換部に発生した信号電荷か前記インピーダンス変換用ト
ランジスタで増幅されてから前記スイッチングトランジ
スタを介して読み出されるように構成したものである。

そして、より具体的な構造としては、光電変換部が、第
］導電型の半導体基板とその表面に形成された第２導電
型半導体領域とで構成されたフォトダイオードであり、
光信号読出部か、半導体基板表面に形成された２つの第
２導電型半導体領域をそれぞれエミッタおよびコレクタ
としこれらの第２導電型半導体領域の中間に半導体基板
よりも高い不純物濃度で形成された第１導電型半導体領
域をゲートとするスイッチングＩ・ランジスタと、フォ
トダイオードの第２導電型半導体領域をベースとし半導
体基板をコレクタとしベース内に形成された第１導電型
半導体領域をエミッタとするインピーダンス変換用！・
ランジスタとを備え、スイッチングトランジスタのエミ
ッタと前記インピーダンス変換用トランジスタのエミッ
タとを結線したものである。

さらに望ましくは、インピーダンス変換用トランジスタ
とフォ］・ダイオードとを分離して、インピーダンス変
換用トランジスタのベースとフォトダイオードの第２導
電型半導体領域とを結線したものである。

また、スイッチングトランジスタとインピーダンス変換
用トランジスタとの間に障壁層を設けたものである。

〔作用〕

フォトダイオードに蓄積された電荷か、スイッチングト
ランジスタを通る前にインピーダンス変換用トランジス
タて増幅される。そのため、蓄積電荷が小さいときでも
、スイッチングトランジスタのオン抵抗を低く抑えるこ
とかでき、その上、スイッチングトランジスタにおける
リーク成分か増幅されることかない。

また、構造的にスイッチングトランジスタとインピーダ
ンス変換用トランジスタとを離隔すれば、アドレス信号
入力によるスイッチングトランジスタのゲート周辺の基
板電位の低下が、インピーダンス変換用Ｉ・ランジスタ
のコレクタ電位にあまり影響を与えない。このことは、
両トランジスタの間に障壁層を設ければ一層効果がある
。

さらに、インピーダンス変換用トランジスタとフォトダ
イオードとを分離すれば、インピーダンス変換用トラン
ジスタのコレクタ電位はさらに基板電位に安定する。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す図であり、同図（Ａ）
は平面図、同図（Ｂ）はｂ−ｂ断面図、同図（Ｃ）は等
価回路図である。なお、本実施例では、走査回路部は従
来構造と同一であるので図示は省略しである。この図に
おいて、符号２３．２５．２７．２８．３０で示される
部分はｎ型シリコン基板１上に形成されたｎ型半導体拡
散領域であり、符号２４．２６．２９て示される部分は
ｐ型半導体拡散領域である。同図は、１ビツト（１画素
）相当の構造を示しており、これか１次元あるいは２次
元に多数配列されることにより、１次元あるいは２次元
の撮像装置の光検１］ＪＪ部が構成される。

光電変換部は、ｎ型ンリコン基板１をカソード、ｎ型半
導体領域２９をアノードとするフォトダイオード３２で
構成されている。また、光信号読出部は、ｎ型半導体領
域２６をエミッタ、ｎ型半導体領域２４をコレクタ、ｎ
型半導体領域２５をゲートとする横型スイッチングトラ
ンジスタ３５と、ｎ型ンリコン基板１をコレクタ、ｐ型
半導体領域２つをベース、ｎ型半導体領域２８をエミッ
タとする縦型増幅（インピーダンス変換）用トランジス
タ３４で構成されている。すなイつぢ、ｎ型半導体領域
２９は縦型増幅トランジスタ３４のベースとフォトダイ
オード３２のアノードを兼ねている。

なお、横型スイッチングトランジスタ３５のエミッタで
あるｎ型半導体領域２６と縦型増幅トランジスタ３４の
エミッタであるｎ型半導体領域２８は、信号線３］によ
り互いに結線されている。等価回路図において符号３３
はフォトダイオード３２の接合容量である。

ここで、本実施例の動作を説明する。まず、フォトダイ
オ−１〜３２に光か照射され、信号電荷かフォトダイオ
ード接合容量３Ｂに蓄積される。つぎに、横型スイッチ
ングトランジスタ３５のゲートに図示省略した走査回路
部からのアドレス信号か印加されて横型スイッチングト
ランジスタ３５かオン状態になり、縦型増幅トランジス
タ３４がオン状態となる。その結果、フォトダイオード
接合容量３３に蓄積されていた信号電荷は縦型増幅トラ
ンジスタ３４でｈＰＥ倍され、その電流が横型スイッチ
ング）・ランジスタ３５を介して負荷抵抗１９を流れ、
負荷抵抗１９の端子電圧の変化として検出される。

この様な構造をとれば、横型スイッチングトランジスタ
３５のエミッタ・コレクタ間を流れる′電流はすてに縦
型増幅トランジスタ３４てｈＰＥ倍されているため、露
光量か減少しても横型スイッチングトランジスタ３５の
オン抵抗の増加は抑えられる。また、縦型増幅トランジ
スタ３４のベースにはフォトダイオード３２以外の抵抗
成分はつかないため、露光量が減少しても出力ピーク波
高値の減少の度合いは従来型に比べ少なくなり、人出力
特性はγ−１に近づく。さらに、縦型増幅！・ランジス
タ３４が横型スイッチングトランジスタ３５から離れた
ために、アドレス信号による横型スイッチングトランジ
スタ３５のゲート周辺の基板電位の低下が縦型増幅トラ
ンジスタ３４のコレクタ電位に与える影響が少なくなる
。このため、従来型に比べ縦型増幅トランジスタ３４の
動作点の変動が少なくなり、露光量か変化しても入出力
特性の直線性のすれは小さくなる。

第２図は本発明の第２の実施例を示すものであり、同図
（Ａ）は平面図、同図（Ｂ）はそのｂ−ｂ断面図である
。第１の実施例では、縦型増幅トランジスタ３４のベー
スとフォトダイオード３２のアノードを共通としていた
か、この実施例てはそれぞれをｐ型半導体領域２９ａ、
２９ｂという別１７．ｙ造とし、互いを信号線３７て結
線した構造とした。さらに、縦型増幅Ｉ・ランジスタ３
４のベースの周りをｎ型拡散領域で囲んだ構造とした。

このｎ型拡散領域はＡΩなとの金属配線を介して電源ラ
イン（通常５Ｖ）に接続されている。その他の部分は第
１実施例と基本的には同一構造であるので、各部に同一
の符号を付してそれらの説明は省略する。このような構
造にすれば、縦型増幅トランジスタ３４のコレクタはよ
り確実に５Ｖに固定されることになり、縦型増幅トラン
ジスタ３４の動作点をさらに安定に固定することができ
る。

したかって、入出力特性の直線性からのずれはさらに小
さくなる。

第３図および第４図はそれぞれ第３、第４の実施例を示
す断面図である。第３の実施例は、第１の実施例におけ
る縦型増幅トランジスタ３４のエミッタの位置をｐ型半
導体領域２９内において横型スイッチングトランジスタ
３５から遠ざけたものである。また、第４の実施例は、
第２の実施例−］　６　　− における縦型増幅トランジスタ３４の位置を横型スイッ
チングトランジスタ３５から遠ざけるために縦型増幅ｌ
・ランジスタ３４とフォトダイオード３２の位置を入れ
替えたものである。このように、縦型増幅トランジスタ
３４と横型スイッチングトランジスタ３５の距離を大き
く離してやれば、横型スイッチングトランジスタ３５の
ゲート直下の電位変動か縦型増幅トランジスタ３４に与
える影響をさらに弱める。ことかできる。

第５図および第６図はそれぞれ第５、第６の実施例を示
すものであり、それぞれ（Ａ）は平面図、（Ｂ）はｂ−
ｂ断面図である。第５の実施例は、第１の実施例におけ
る縦型増幅トランジスタ３４と横型スイッチングトラン
ジスタ３５の間に、横型スイッチングトランジスタ３５
のゲート下の電位変化を縦型増幅トランジスタ３４のコ
レクタに伝えないように障壁層４０を設けたものである
。

また、第６の実施例は、同様の理由で第２の実施例にお
ける縦型増幅ｌ・ランジスタ３４と横型スイッチングト
ランジスタ３５の間に、障壁層４１を設けたものである
。障壁層４０．４１は、他の拡散層に比べ深いｐ領域、
ｎ領域、絶縁体分離等が考えられる。ｐ領域の場合には
接地すれば良い。

Ｎ　ｏ　ｎ　Ｐエビタキンヤルウエハ」二に深いｐ領域
を形成し、そのｐ領域かｐ型基板に到達するようにすれ
ば、縦型増幅トランジスタ３４のコレクタは横型スイッ
チングトランジスタ３５下の電位変化の影響を全く受け
ず、コレクタ電位は電源電圧に固定され、動作点の変動
は起こらず、直線性のずれも小さい。

なお、」二記実施例では、横型スイッチングトランジス
タとして、バイポーラトランジスタを用いているが、接
合ゲート型電界効果トランジスタを用いても良い。具体
的には、スイッチングトランジスタ３５のベースである
ｎ型領域２５の下の領域をｐ小領域２４．２５と一体の
ｐ型領域とすれば、エミッタ２４をソース、コレクタ２
５をドレイン、ベース３５をゲートとする接合ゲート型
電界効果トランジスタとなる。

なお、」二記実施例ではｎ型シリコン基板を用いて説明
したが、逆導電型基板でも適用することができ、また、
材料もシリコンに限定されるものではない。

また、上記実施例では各半導体層を拡散により形成して
いるか、イオン注入その他の技術を用いても良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体光検出装置によれ
ば、フォトダイオードに蓄積された電荷が、スイッチン
グトランジスタを通る前にインピーダンス変換用トラン
ジスタで増幅されので、蓄積電荷が小さいときでもスイ
ッチングトランジスタのオン抵抗を低く抑えることがで
き、しかも、スイッチングトランジスタでのリーク成分
か増幅されないため、入出力特性のγ値を１に近づける
ことができる。また、構造的にスイッチングトランジス
タとインピーダンス変換用トランジスタとを離隔するこ
とにより、アドレス信号入力によるスイッチングトラン
ジスタのゲート周辺の基板電位の低下か、インピーダン
ス変換用トランジスタのコレクタ電位にあまり影響を与
えない。そのため、インピーダンス変換用トランジスタ
の動作点を固定することができ、入出力特性の直線性を
良好にすることができる。このことは、両トランジスタ
の間に障壁層を設ければ一層効果がある。さらに、イン
ピーダンス変換用トランジスタとフォトダイオードとを
分離すれば、インピーダンス変換用トランジスタのコレ
クタ電位はさらに基板電位に安定し、その動作点の安定
度は一層増加する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す図、第２図ないし
第６図はそれぞれ第２ないし第６の実施例を示す図、第
７図は従来の半導体光検出装置を示す図、第８図は出力
波形図である。 ］・・ｎ型シリコン基板、２Ｂ、２５，２７゜２８．３
０・・ｎ型半導体領域、２４，２６．２９・・ｎ型半導
体領域、３］、、３７・・・信号線、３２・・フォトダ
イオード、３３・・フォトダイオード接合容量、３４・
・縦型増幅トランジスタ、３５・・・横型スイッチング
トランジスタ、４０．４１・障壁層。 特許出願人　　浜松ホトニクス株式会社代理人弁理士　
　　長谷用　　芳　　樹間　　　　　　　　　塩　　　
１）　　辰　　　也ｆ１ −り −１−Ｏ− 一〇 ２　　　　　　　市 一］−Ｏ −〇

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光電変換部と光信号読出部とから成る半導体光検出
   装置において、前記光信号読出部はスイッチングトラン
   ジスタとインピーダンス変換用トランジスタとを備え、
   前記光電変換部に発生した信号電荷が前記インピーダン
   ス変換用トランジスタで増幅されてから前記スイッチン
   グトランジスタを介して読み出されるように構成されて
   いる半導体光検出装置。 ２、光電変換部は、第１導電型の半導体基板とその表面
   に形成された第２導電型半導体領域とで構成されたフォ
   トダイオードであり、 光信号読出部は、前記半導体基板表面に形成された２つ
   の第２導電型半導体領域をそれぞれエミッタおよびコレ
   クタとしこれらの第２導電型半導体領域の中間に前記半
   導体基板よりも高い不純物濃度で形成された第１導電型
   半導体領域をゲートとするスイッチングトランジスタと
   、前記フォトダイオードの第２導電型半導体領域をベー
   スとし前記半導体基板をコレクタとしベース内に形成さ
   れた第１導電型半導体領域をエミッタとするインピーダ
   ンス変換用トランジスタとを備え前記スイッチングトラ
   ンジスタのエミッタと前記インピーダンス変換用トラン
   ジスタのエミッタとが結線されたものである請求項１記
   載の半導体光検出装置。 ３、光電変換部は、第１導電型の半導体基板とその表面
   に形成された第２導電型半導体領域とで構成されたフォ
   トダイオードであり、 光信号読出部は、前記半導体基板表面に形成された２つ
   の第２導電型半導体領域をそれぞれエミッタおよびコレ
   クタとしこれらの第２導電型半導体領域の中間に前記半
   導体基板よりも高い不純物濃度で形成された第１導電型
   半導体領域をゲートとするスイッチングトランジスタと
   、前記半導体基板上に形成された第２導電型半導体領域
   をベースとし前記半導体基板をコレクタとしベース内に
   形成された第１導電型半導体領域をエミッタとするイン
   ピーダンス変換用トランジスタとを備え前記スイッチン
   グトランジスタのエミッタと前記インピーダンス変換用
   トランジスタのエミッタとが結線され前記インピーダン
   ス変換用トランジスタのベースと前記フォトダイオード
   の第２導電型半導体領域とが結線されたものである請求
   項１記載の半導体光検出装置。 ４、半導体基板表面に形成された第２導電型半導体領域
   をソースとしこの領域と一体に前記半導体基板表面に形
   成された第２導電型半導体領域をドレインとしこれらソ
   ース・ドレイン領域の境界部にソース・ドレイン領域よ
   りも浅く形成された第１導電型半導体領域をゲートとす
   る接合ゲート型電界効果トランジスタをスイッチングト
   ランジスタとし、そのソースをインピーダンス変換用ト
   ランジスタのエミッタと結線した請求項２または３記載
   の半導体光検出装置。 ５、スイッチングトランジスタとインピーダンス変換用
   トランジスタとの間に障壁層が設けられている請求項２
   、３または４記載の半導体光検出装置。