JPH0160952B2 - - Google Patents
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- JPH0160952B2 JPH0160952B2 JP58227096A JP22709683A JPH0160952B2 JP H0160952 B2 JPH0160952 B2 JP H0160952B2 JP 58227096 A JP58227096 A JP 58227096A JP 22709683 A JP22709683 A JP 22709683A JP H0160952 B2 JPH0160952 B2 JP H0160952B2
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- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Description
技術分野
本発明はMOSFET回路と同じチツプ上に集積
することができる、またはCCD回路と同じチツ
プ上に集積することができる、またはMOSFET
回路およびCCD回路の両方と同じチツプ上に集
積することができる固体光検出構造体に関するも
のである。 背景技術 シリコンMOSFET走査固体光検出器アレイお
よびCCD走査固体光検出器アレイは文献によく
報告されており、また市販もされている。例え
ば、文献としては、フエアチヤイルド・テクニカ
ル・データ・シートの「CCD122／142、1728／
2048 Element Linear Image Sensor Charge
Coupled−Device」（Mountain View、CA.、
1979年４月）（文献（1a））や、レチコン製品要
約の「Solid−State Image Sensors、64 to
1872 Elements RC 1728H、RC 1024H」（レチ
コン社、Sunnyvale、CA.、1976年）（文献
（1b））がある。これらの光検出器アレイは、光
素子として、フオトダイオードまたはフオトゲー
トのいずれかを有している。集積された状態で動
作するこのような光素子は（Savvas G.
Chamberlainの「Photosensitivity and
Scanning of Silicon Image Detector Arrays」
IEEE Journal of Solid−State Circuits、第SC
−４巻、第６号、333〜342頁（1969年12月）（文
献（2a））をみよ）約200から最大約5000の検出
光強度のダイナミツク・レンジを有している。 太陽電池態様で動作する通常のシリコン・フオ
トダイオードは、すなわち、光電池態様で動作す
るシリコン・フオトダイオードは（Aldert Van
Der Zielの「Solid−State Physical
Electronics」、第３版、Prentice Hall、1976年
（文献（2b））をみよ）検出光強度のダイナミツ
ク・レンジが5000以上である。けれども、光電池
態様で動作するシリコン・フオトダイオードは、
本質的に、順方向にバイアスされており、もし標
準的なMOSFETシリコン技術が用いられるなら
ば、このシリコン・フオトダイオードを
MOSFET走査および読出しシフトレジスタと同
じシリコンチツプ上に簡単に集積することはでき
ない。さらに、シリコン太陽電池は、もし標準的
CCD／MOSFETシリコン技術が用いられるなら
ば、CCD読出しおよび走査シフトレジスタと同
じシリコンチツプ上に集積することはできない。 レーザ光通信の場合、および他の電子的映像通
信、例えば、ドキユメント・リーダやフアクシミ
リ（遠隔複写機）の場合、線状光検出器アレイや
面状光検出器アレイを構成するために、１つのシ
リコンチツプ上に簡単に集積することができ、お
よび大きな光強度ダイナミツク・レンジを有す
る、好ましくは106以上のダイナミツク・レンジ
を有する光検出器構造体が必要である。この光検
出器アレイと同じチツプ上に走査のための
MOSFETおよびまたはCCDシフト・レジスタが
配置される。 発明の要約 本発明を実施する固体光検出器構造体は前記目
的を達成する。実際、本発明による光検出器構造
体により、入射光線の強度が１と1000万との間で
変動する時にアナログ電圧信号がえられ、したが
つて、その光強度検出ダイナミツク・レンジは
107以上である。 本発明の特徴により、１オーム・センチメート
ルと100オーム・センチメートルとの間の抵抗率
を有しおよび１つの導電形を有するシリコン基板
と、前記基板内の電気的に浮動した感光性拡散領
域と、電気的に浮動した前記感光性拡散領域から
前記基板内のチヤンネルによつて隔てられている
前記基板内の第２拡散領域と、２つの前記領域間
の前記基板を橋渡してまたぎおよび前記チヤンネ
ルの上にある金属・絶縁体・半導体ゲートと、前
記ゲートと電気的に浮動した前記感光性拡散領域
とを電気的に接続する装置と、前記第２拡散領域
を前記基板に対して逆方向にバイアスするための
装置とを有し、２つの前記拡散領域が同じ導電形
であつておよび前記基板の導電形と反対の導電形
であることと、前記感光性拡散領域以外の部分が
可視光線を透過しない遮蔽体で遮蔽されているこ
とと、２つの前記拡散領域の間の前記チヤンネル
の長さと前記基板の抵抗率と前記拡散領域の深さ
とが電気的に浮動した前記感光性拡散領域と前記
チヤンネルとの間のポテンシヤル障壁が十分低く
なつて電気的に浮動した前記拡散領域に入射した
可視光線によつて生じた電子が電気的に浮動した
前記感光性拡散領域から前記チヤンネルの中に注
入されそして前記第２拡散領域によつて集められ
るように選定されることと、それによつて電気的
に浮動した前記感光性拡散領域の電圧が前記感光
性拡散領域に入射する可視光線の変化に対して対
数関数的に変動することを特徴とする大きなダイ
ナミツク・レンジを有する集積可能な光検出器素
子がえられる。この結果、光強度が増加する時、
電気的に浮動した感光性拡散領域は決して飽和に
達しない。 発明の実施態様 本発明を実施する光検出器構造体はポテンシヤ
ル障壁を越えて電子を注入するという原理を利用
している。その特性は対数法則に従つている。こ
の現象は、通常、短チヤンネルMOSFETに出て
くるものであつて、閾値以下効果といわれてお
り、そして一般には短チヤンネルMOSFETには
極めて有害な効果をもつといわれている。
（David B.ScottおよびSavvas G.Chamberlain著
「Ａ Calibrated Model for the Subthreshold
Operation of ａ Short Channel MOSFET
Including Surface States」、IEEE Journal of
Solid−State Circuits、第SC−14巻、第３号、
633〜644頁、1979年６月、（文献（3a））、および
同じ著者による「Modelling and Experimental
Simulation of the Low Frequency Transfer
Inefficiency in Bucket−Brigade Devices」、
IEEE Trans.on Electron Devices、第ED−２
巻、第２号、405〜414頁、1980年２月、（文献
（3b））をみよ。）けれども、本発明の発明人は特
別の光検出器構造体を発見し、そしてポテンシヤ
ル障壁を越えての電子注入の効果を利用するとい
う原理を発見した。この効果は決して有害ではな
く有用であり、そして要請された目的を達成する
ために重要である。 第１図および第２図に示された本発明を実施す
る光検出器構造体１０はシリコン基板１１（第２
図）を有している。このシリコン基板は感光性の
拡散領域Ｄ１と拡散領域Ｄ２とを有する。拡散領
域Ｄ１はソースの役割を果たし、そして拡散領域
Ｄ２はドレインの役割を果たす。図面に示された
この実施例では、基板１１がＰ形でありそして拡
散領域Ｄ１およびＤ２はＮ形であるが、基板１１
がＮ形で拡散領域Ｄ１およびＤ２がＰ形であるよ
うに導電形を逆にすることも可能であることは当
業者にはすぐにわかるであろう。この光検出器構
造体は金属・絶縁体・半導体ゲートＧ１をまた有
する。このゲートＧ１は、導電体１２を経由し
て、感光性拡散領域Ｄ１に電気的に接続される。
図面に示された実施例では、ゲートＧ１は、
SiO2の層１３とその上のアルミニウムまたはポ
リシリコンの層１４とを有する。ポリシリコンが
用いられる場合には、このポリシリコンは透明で
あるので、光を通さないように被覆されなければ
ならない。 基板１１は１オームセンチメートル〜100オー
ムセンチメートルの範囲内の抵抗率をもつ。 記号n+で示されているように、領域Ｄ１およ
びＤ２は基板１１より大きなドーピング濃度をも
つ。典型的な場合として、領域Ｄ１およびＤ２の
ドーピング濃度は基板１１のドーピング濃度の少
なくとも10倍である。けれども、この光検出器構
造体が機能するのは、領域Ｄ１およびＤ２のドー
ピング濃度が1015cm-3〜1021cm-3という実際的な
範囲内にある場合である。 重要なことは、感光性拡散領域Ｄ１が電気的に
浮動していることである。一方、電圧VD2をもつ
た電源１５（第３図および第４図）が領域Ｄ２と
基板１１との間に接続され、そして領域Ｄ２が逆
方向にバイアスされる。 この光検出器構造体の領域Ｄ１以外のすべての
部分が光に対して遮蔽される。領域Ｄ１の上表面
に光が入射する。 ゲートＧ１の下にありそして領域Ｄ１と領域Ｄ
２との間にあるこの構造体１０の領域がチヤンネ
ルとして動作し、その実効チヤンネル長はＬであ
る。これはチヤンネルの電気的実効長であつて、
チヤンネルの設計長と、基板１１の抵抗率と、逆
バイアス電圧VD2の大きさと、領域Ｄ１とＤ２の
拡散接合深さｄ（第２図）とによつて決定される。
ここで、領域Ｄ１とＤ２の拡散接合深さｄは同じ
であるべきである。この実効チヤンネル長は、も
しイオン注入が行なわれるならば、チヤンネル内
でのイオン注入によつても変わる。 図面に示された構造体はイオン注入を行なわな
くても十分に動作するけれども、もし必要ならば
このチヤンネル領域内にイオン注入を行なうこと
ができ、それにより基板の抵抗率を局所的に変
え、領域Ｄ１と領域Ｄ２の間にあるポテンシヤル
障壁の形を整えることができる。 第１図に示されているように、別の基板内に拡
散領域Ｄ３（ソース）と拡散領域Ｄ４（ドレイ
ン）および金属・絶縁体・半導体ゲートＧ２によ
つてつくられた構造体は通常のMOSFET装置と
して働き、そしてこの装置は電気的に浮動してい
る感光性拡散領域Ｄ１の電圧を検出するのに用い
られる。第１図に示されているように、導電体１
２が、接触用穴２０を通して、ゲートＧ１および
ゲートＧ２および拡散領域Ｄ１に接続される。こ
の導電体１２はアルミニウムでつくられるが、ポ
リシリコンであつてもよい。 第２図において、ｄは拡散接合深さであり、Ｌ
は実効チヤンネル長であり、VD1は拡散領域Ｄ１
の電位であり、そしてVD2は拡散領域Ｄ２の電位
である。 第３図の曲線Ｃはこの光検出器構造体の長さ方
向に沿つてのポテンシヤル・ウエルの断面図であ
る。もしＧ１と基板１１の間の電圧がゼロで、Ｇ
１がソースＤ１に接続されそしてVD2がドレイン
Ｄ２に加えられて、これらのＤ１，Ｄ２およびＧ
１が特別のMOSFET装置として動作する場合、
曲線Ｃからわかるように、領域Ｄ１と領域Ｄ２と
の間のチヤンネルは、ポテンシヤル障壁BHのた
めに、完全にオフになるであろう。その結果、ド
レインＤ２とソースＤ１との間に電圧VD2が存在
しても、ソースＤ１とドレインＤ２との間を流れ
る電流はないであろう。したがつて、BHは大き
いので、この装置のこの動作態様での閾値以下電
流はゼロである。 けれども、本発明に従つて、物理的チヤンネル
長と、拡散領域Ｄ１および拡散領域Ｄ２の接合深
さｄと、基板１１の抵抗率とが適切に選定された
場合、領域Ｄ２の電界がチヤンネルの中に浸入し
て領域Ｄ１に達する、といつた領域Ｄ１と領域Ｄ
２との間でフイードバツクが起こることが可能で
ある。このために、ソースＤ１と、ゲートＧ１の
下のチヤンネルと、の間のポテンシヤル障壁の高
さBHが低くなつて、第４図に示されているよう
に、LBになるであろう。このポテンシヤル障壁
の高さBHはまた、バイアスVD2の大きさを制御
することにより、外部から制御することもでき
る。 本発明に従つて前記パラメータを適切に選定す
ることにより、第４図のポテンシヤル障壁LBを
第３図のポテンシヤル障壁BHより十分に低くす
ることができ、それによつて、光によつて発生し
た過剰電子２１（第４図）がソースＤ１からチヤ
ンネルの中に注入され、そしてその後ドレインＤ
２に集められる。暗黒の状態の下では、閾値以下
電流は通常極めて小さく、そしてそれはもちろん
この光検出器構造体の寸法にもよるが、ナノアン
ペアよりずつと小さい。 ソースＤ１とチヤンネルとの間にあつてゲート
Ｇ１の下にあるポテンシヤル障壁が、ソースＤ１
からチヤンネル内へ電子が注入される点まで低く
なるように、前記パラメータを選定することが、
本発明にとつて本質的に重要であることはこれま
での説明から明らかであろう。典型的ないくつか
の値および例として示された値が第１表に与えて
ある。
することができる、またはCCD回路と同じチツ
プ上に集積することができる、またはMOSFET
回路およびCCD回路の両方と同じチツプ上に集
積することができる固体光検出構造体に関するも
のである。 背景技術 シリコンMOSFET走査固体光検出器アレイお
よびCCD走査固体光検出器アレイは文献によく
報告されており、また市販もされている。例え
ば、文献としては、フエアチヤイルド・テクニカ
ル・データ・シートの「CCD122／142、1728／
2048 Element Linear Image Sensor Charge
Coupled−Device」（Mountain View、CA.、
1979年４月）（文献（1a））や、レチコン製品要
約の「Solid−State Image Sensors、64 to
1872 Elements RC 1728H、RC 1024H」（レチ
コン社、Sunnyvale、CA.、1976年）（文献
（1b））がある。これらの光検出器アレイは、光
素子として、フオトダイオードまたはフオトゲー
トのいずれかを有している。集積された状態で動
作するこのような光素子は（Savvas G.
Chamberlainの「Photosensitivity and
Scanning of Silicon Image Detector Arrays」
IEEE Journal of Solid−State Circuits、第SC
−４巻、第６号、333〜342頁（1969年12月）（文
献（2a））をみよ）約200から最大約5000の検出
光強度のダイナミツク・レンジを有している。 太陽電池態様で動作する通常のシリコン・フオ
トダイオードは、すなわち、光電池態様で動作す
るシリコン・フオトダイオードは（Aldert Van
Der Zielの「Solid−State Physical
Electronics」、第３版、Prentice Hall、1976年
（文献（2b））をみよ）検出光強度のダイナミツ
ク・レンジが5000以上である。けれども、光電池
態様で動作するシリコン・フオトダイオードは、
本質的に、順方向にバイアスされており、もし標
準的なMOSFETシリコン技術が用いられるなら
ば、このシリコン・フオトダイオードを
MOSFET走査および読出しシフトレジスタと同
じシリコンチツプ上に簡単に集積することはでき
ない。さらに、シリコン太陽電池は、もし標準的
CCD／MOSFETシリコン技術が用いられるなら
ば、CCD読出しおよび走査シフトレジスタと同
じシリコンチツプ上に集積することはできない。 レーザ光通信の場合、および他の電子的映像通
信、例えば、ドキユメント・リーダやフアクシミ
リ（遠隔複写機）の場合、線状光検出器アレイや
面状光検出器アレイを構成するために、１つのシ
リコンチツプ上に簡単に集積することができ、お
よび大きな光強度ダイナミツク・レンジを有す
る、好ましくは106以上のダイナミツク・レンジ
を有する光検出器構造体が必要である。この光検
出器アレイと同じチツプ上に走査のための
MOSFETおよびまたはCCDシフト・レジスタが
配置される。 発明の要約 本発明を実施する固体光検出器構造体は前記目
的を達成する。実際、本発明による光検出器構造
体により、入射光線の強度が１と1000万との間で
変動する時にアナログ電圧信号がえられ、したが
つて、その光強度検出ダイナミツク・レンジは
107以上である。 本発明の特徴により、１オーム・センチメート
ルと100オーム・センチメートルとの間の抵抗率
を有しおよび１つの導電形を有するシリコン基板
と、前記基板内の電気的に浮動した感光性拡散領
域と、電気的に浮動した前記感光性拡散領域から
前記基板内のチヤンネルによつて隔てられている
前記基板内の第２拡散領域と、２つの前記領域間
の前記基板を橋渡してまたぎおよび前記チヤンネ
ルの上にある金属・絶縁体・半導体ゲートと、前
記ゲートと電気的に浮動した前記感光性拡散領域
とを電気的に接続する装置と、前記第２拡散領域
を前記基板に対して逆方向にバイアスするための
装置とを有し、２つの前記拡散領域が同じ導電形
であつておよび前記基板の導電形と反対の導電形
であることと、前記感光性拡散領域以外の部分が
可視光線を透過しない遮蔽体で遮蔽されているこ
とと、２つの前記拡散領域の間の前記チヤンネル
の長さと前記基板の抵抗率と前記拡散領域の深さ
とが電気的に浮動した前記感光性拡散領域と前記
チヤンネルとの間のポテンシヤル障壁が十分低く
なつて電気的に浮動した前記拡散領域に入射した
可視光線によつて生じた電子が電気的に浮動した
前記感光性拡散領域から前記チヤンネルの中に注
入されそして前記第２拡散領域によつて集められ
るように選定されることと、それによつて電気的
に浮動した前記感光性拡散領域の電圧が前記感光
性拡散領域に入射する可視光線の変化に対して対
数関数的に変動することを特徴とする大きなダイ
ナミツク・レンジを有する集積可能な光検出器素
子がえられる。この結果、光強度が増加する時、
電気的に浮動した感光性拡散領域は決して飽和に
達しない。 発明の実施態様 本発明を実施する光検出器構造体はポテンシヤ
ル障壁を越えて電子を注入するという原理を利用
している。その特性は対数法則に従つている。こ
の現象は、通常、短チヤンネルMOSFETに出て
くるものであつて、閾値以下効果といわれてお
り、そして一般には短チヤンネルMOSFETには
極めて有害な効果をもつといわれている。
（David B.ScottおよびSavvas G.Chamberlain著
「Ａ Calibrated Model for the Subthreshold
Operation of ａ Short Channel MOSFET
Including Surface States」、IEEE Journal of
Solid−State Circuits、第SC−14巻、第３号、
633〜644頁、1979年６月、（文献（3a））、および
同じ著者による「Modelling and Experimental
Simulation of the Low Frequency Transfer
Inefficiency in Bucket−Brigade Devices」、
IEEE Trans.on Electron Devices、第ED−２
巻、第２号、405〜414頁、1980年２月、（文献
（3b））をみよ。）けれども、本発明の発明人は特
別の光検出器構造体を発見し、そしてポテンシヤ
ル障壁を越えての電子注入の効果を利用するとい
う原理を発見した。この効果は決して有害ではな
く有用であり、そして要請された目的を達成する
ために重要である。 第１図および第２図に示された本発明を実施す
る光検出器構造体１０はシリコン基板１１（第２
図）を有している。このシリコン基板は感光性の
拡散領域Ｄ１と拡散領域Ｄ２とを有する。拡散領
域Ｄ１はソースの役割を果たし、そして拡散領域
Ｄ２はドレインの役割を果たす。図面に示された
この実施例では、基板１１がＰ形でありそして拡
散領域Ｄ１およびＤ２はＮ形であるが、基板１１
がＮ形で拡散領域Ｄ１およびＤ２がＰ形であるよ
うに導電形を逆にすることも可能であることは当
業者にはすぐにわかるであろう。この光検出器構
造体は金属・絶縁体・半導体ゲートＧ１をまた有
する。このゲートＧ１は、導電体１２を経由し
て、感光性拡散領域Ｄ１に電気的に接続される。
図面に示された実施例では、ゲートＧ１は、
SiO2の層１３とその上のアルミニウムまたはポ
リシリコンの層１４とを有する。ポリシリコンが
用いられる場合には、このポリシリコンは透明で
あるので、光を通さないように被覆されなければ
ならない。 基板１１は１オームセンチメートル〜100オー
ムセンチメートルの範囲内の抵抗率をもつ。 記号n+で示されているように、領域Ｄ１およ
びＤ２は基板１１より大きなドーピング濃度をも
つ。典型的な場合として、領域Ｄ１およびＤ２の
ドーピング濃度は基板１１のドーピング濃度の少
なくとも10倍である。けれども、この光検出器構
造体が機能するのは、領域Ｄ１およびＤ２のドー
ピング濃度が1015cm-3〜1021cm-3という実際的な
範囲内にある場合である。 重要なことは、感光性拡散領域Ｄ１が電気的に
浮動していることである。一方、電圧VD2をもつ
た電源１５（第３図および第４図）が領域Ｄ２と
基板１１との間に接続され、そして領域Ｄ２が逆
方向にバイアスされる。 この光検出器構造体の領域Ｄ１以外のすべての
部分が光に対して遮蔽される。領域Ｄ１の上表面
に光が入射する。 ゲートＧ１の下にありそして領域Ｄ１と領域Ｄ
２との間にあるこの構造体１０の領域がチヤンネ
ルとして動作し、その実効チヤンネル長はＬであ
る。これはチヤンネルの電気的実効長であつて、
チヤンネルの設計長と、基板１１の抵抗率と、逆
バイアス電圧VD2の大きさと、領域Ｄ１とＤ２の
拡散接合深さｄ（第２図）とによつて決定される。
ここで、領域Ｄ１とＤ２の拡散接合深さｄは同じ
であるべきである。この実効チヤンネル長は、も
しイオン注入が行なわれるならば、チヤンネル内
でのイオン注入によつても変わる。 図面に示された構造体はイオン注入を行なわな
くても十分に動作するけれども、もし必要ならば
このチヤンネル領域内にイオン注入を行なうこと
ができ、それにより基板の抵抗率を局所的に変
え、領域Ｄ１と領域Ｄ２の間にあるポテンシヤル
障壁の形を整えることができる。 第１図に示されているように、別の基板内に拡
散領域Ｄ３（ソース）と拡散領域Ｄ４（ドレイ
ン）および金属・絶縁体・半導体ゲートＧ２によ
つてつくられた構造体は通常のMOSFET装置と
して働き、そしてこの装置は電気的に浮動してい
る感光性拡散領域Ｄ１の電圧を検出するのに用い
られる。第１図に示されているように、導電体１
２が、接触用穴２０を通して、ゲートＧ１および
ゲートＧ２および拡散領域Ｄ１に接続される。こ
の導電体１２はアルミニウムでつくられるが、ポ
リシリコンであつてもよい。 第２図において、ｄは拡散接合深さであり、Ｌ
は実効チヤンネル長であり、VD1は拡散領域Ｄ１
の電位であり、そしてVD2は拡散領域Ｄ２の電位
である。 第３図の曲線Ｃはこの光検出器構造体の長さ方
向に沿つてのポテンシヤル・ウエルの断面図であ
る。もしＧ１と基板１１の間の電圧がゼロで、Ｇ
１がソースＤ１に接続されそしてVD2がドレイン
Ｄ２に加えられて、これらのＤ１，Ｄ２およびＧ
１が特別のMOSFET装置として動作する場合、
曲線Ｃからわかるように、領域Ｄ１と領域Ｄ２と
の間のチヤンネルは、ポテンシヤル障壁BHのた
めに、完全にオフになるであろう。その結果、ド
レインＤ２とソースＤ１との間に電圧VD2が存在
しても、ソースＤ１とドレインＤ２との間を流れ
る電流はないであろう。したがつて、BHは大き
いので、この装置のこの動作態様での閾値以下電
流はゼロである。 けれども、本発明に従つて、物理的チヤンネル
長と、拡散領域Ｄ１および拡散領域Ｄ２の接合深
さｄと、基板１１の抵抗率とが適切に選定された
場合、領域Ｄ２の電界がチヤンネルの中に浸入し
て領域Ｄ１に達する、といつた領域Ｄ１と領域Ｄ
２との間でフイードバツクが起こることが可能で
ある。このために、ソースＤ１と、ゲートＧ１の
下のチヤンネルと、の間のポテンシヤル障壁の高
さBHが低くなつて、第４図に示されているよう
に、LBになるであろう。このポテンシヤル障壁
の高さBHはまた、バイアスVD2の大きさを制御
することにより、外部から制御することもでき
る。 本発明に従つて前記パラメータを適切に選定す
ることにより、第４図のポテンシヤル障壁LBを
第３図のポテンシヤル障壁BHより十分に低くす
ることができ、それによつて、光によつて発生し
た過剰電子２１（第４図）がソースＤ１からチヤ
ンネルの中に注入され、そしてその後ドレインＤ
２に集められる。暗黒の状態の下では、閾値以下
電流は通常極めて小さく、そしてそれはもちろん
この光検出器構造体の寸法にもよるが、ナノアン
ペアよりずつと小さい。 ソースＤ１とチヤンネルとの間にあつてゲート
Ｇ１の下にあるポテンシヤル障壁が、ソースＤ１
からチヤンネル内へ電子が注入される点まで低く
なるように、前記パラメータを選定することが、
本発明にとつて本質的に重要であることはこれま
での説明から明らかであろう。典型的ないくつか
の値および例として示された値が第１表に与えて
ある。
【表】
短チヤンネル装置および長チヤンネル装置に対
するチヤンネルに沿つての表面電位が第６図に示
されている。この電位は文献（3a）の方法を用
いてポアソンの方程式から計算されたものであ
る。このグラフには、表面電位の最小値の変化
と、一方、長チヤンネル装置が短チヤンネル装置
になることが示されている。これらの装置のチヤ
ンネル領域はイオン注入されていない。このチヤ
ンネル領域のドーピング濃度は基板のドーピング
濃度と同程度である。両方の装置は閾値以下状態
にあることに注目すべきである。この点につい
て、両方の装置に対し、ゲート・ソース間バイア
スは＋1.09Vであり、基板バイアスは−2.0Vであ
り、そしてドレイン・ソース間バイアスは＋6.0
ボルトである。長チヤンネル装置の障壁高さに対
し、短チヤンネル装置の障壁高さが低いことが、
第６図にはつきりと示されている。 第６図において、これらの装置の物理的パラメ
ータと寸法は次の通りである。すなわち、基板ド
ーピング濃度はＰ形で6.0×1015cm-3であり、ゲー
ト酸化物の厚さは0.0517×10-4cmであり、ソース
およびドレインの拡散深さは0.675×10-4cmであ
る。 同じように、長チヤンネル装置を基準としたと
きの障壁高さの低下は、文献（3a）および文献
（3b）に概略が記載されている方法に従つて、ま
たは他の同じような方法に従つて、任意の装置寸
法に対しおよびいろいろな場合に対し、および与
えられたチヤンネル長に対し、計算することがで
きる。このいろいろな場合とは、ソース拡散深さ
およびドレイン拡散深さと、基板ドーピング濃度
と、チヤンネル・イオン注入濃度と、ソース・ド
レイン間バイアスおよびその他のバイアス条件と
をいろいろと変えた場合およびこれらを組合わせ
て変えた場合である。これらのパラメータの組合
わせが異なれば異なつた値がえられるであろう。
けれども、近代の半導体MOSFET装置の分野の
当事者は、文献（3a）および（3b）に従つてま
たはこれらの文献に概要が示されている方法と同
様な方法に従つて、ソース障壁の高さの低下を計
算することができるであろう。文献（3a）およ
び（3b）に概要が示された方法を用いて、ソー
ス障壁の高さの低下量が、閾値以下の状態の下
で、異つたチヤンネル長を有する３つの
MOSFET装置に対し基板バイアス−3.0Vの下
で、ソース・ドレイン間電圧の関数として示した
のが第２表である。これら３つの装置の物理的パ
ラメータと寸法が第３表に示されている。
するチヤンネルに沿つての表面電位が第６図に示
されている。この電位は文献（3a）の方法を用
いてポアソンの方程式から計算されたものであ
る。このグラフには、表面電位の最小値の変化
と、一方、長チヤンネル装置が短チヤンネル装置
になることが示されている。これらの装置のチヤ
ンネル領域はイオン注入されていない。このチヤ
ンネル領域のドーピング濃度は基板のドーピング
濃度と同程度である。両方の装置は閾値以下状態
にあることに注目すべきである。この点につい
て、両方の装置に対し、ゲート・ソース間バイア
スは＋1.09Vであり、基板バイアスは−2.0Vであ
り、そしてドレイン・ソース間バイアスは＋6.0
ボルトである。長チヤンネル装置の障壁高さに対
し、短チヤンネル装置の障壁高さが低いことが、
第６図にはつきりと示されている。 第６図において、これらの装置の物理的パラメ
ータと寸法は次の通りである。すなわち、基板ド
ーピング濃度はＰ形で6.0×1015cm-3であり、ゲー
ト酸化物の厚さは0.0517×10-4cmであり、ソース
およびドレインの拡散深さは0.675×10-4cmであ
る。 同じように、長チヤンネル装置を基準としたと
きの障壁高さの低下は、文献（3a）および文献
（3b）に概略が記載されている方法に従つて、ま
たは他の同じような方法に従つて、任意の装置寸
法に対しおよびいろいろな場合に対し、および与
えられたチヤンネル長に対し、計算することがで
きる。このいろいろな場合とは、ソース拡散深さ
およびドレイン拡散深さと、基板ドーピング濃度
と、チヤンネル・イオン注入濃度と、ソース・ド
レイン間バイアスおよびその他のバイアス条件と
をいろいろと変えた場合およびこれらを組合わせ
て変えた場合である。これらのパラメータの組合
わせが異なれば異なつた値がえられるであろう。
けれども、近代の半導体MOSFET装置の分野の
当事者は、文献（3a）および（3b）に従つてま
たはこれらの文献に概要が示されている方法と同
様な方法に従つて、ソース障壁の高さの低下を計
算することができるであろう。文献（3a）およ
び（3b）に概要が示された方法を用いて、ソー
ス障壁の高さの低下量が、閾値以下の状態の下
で、異つたチヤンネル長を有する３つの
MOSFET装置に対し基板バイアス−3.0Vの下
で、ソース・ドレイン間電圧の関数として示した
のが第２表である。これら３つの装置の物理的パ
ラメータと寸法が第３表に示されている。
【表】
【表】
い。
第４図の領域Ｄ１がもし可視光線で照射される
ならば、領域Ｄ１は逆方向にバイアスされた接合
として動作し、そして基板１１内で光で生成され
た電子２１を集めるであろう。光で生成されたホ
ールは基板１１の内部に進むであろう。光で生成
されそして拡散領域Ｄ１内に集められた電子２１
は、２２で示されているように（第４図）、障壁
LBを越えてチヤンネル内に注入され、そして２
３で示されているように（第４図）、最終的にド
レインＤ２によつて排出されるであろう。この集
められた電子が領域Ｄ１によりチヤンネル内にい
つたん注入されると、領域の電圧VD1はより正の
方向に移動し、この移動量はチヤンネル内に注入
された電子の数によつて変わる。光で生成される
電子の数は入射する光の強度によつて変わるか
ら、したがつて、感光性領域Ｄ１の電圧VD1は入
射光強度の関数になる。ソースＤ１により障壁
LBを越えての電子の注入量とソースＤ１にえら
れる電圧VD1との間には自然対数で表される関係
式が存在する。したがつて、感光性領域Ｄ１が光
で照射される時、その電圧VD1は入射光強度の自
然対数関数で表される。信号電圧VD1が入射光強
度に対して対数関数的に変化するので、信号電圧
VD1は不必要に増加しない、すなわち、実用的な
範囲内で増加し、そして入射光強度が相対的に
1000万倍にも増加することがあつても飽和に達す
ることはない。実際に製作された装置では、光強
度が3.1×10-8Ｗcm-2の時信号VD1＝2.8Vであり、
そして光強度3.1×10-1Ｗcm-2の時VD1＝0.1Vであ
つた。このことは、いまの信号レベル状態の場
合、107のダイナミツク・レンジが容易にえられ
ることを示している。本発明の新規な光検出器装
置により、109以上の光強度検出ダイナミツク・
レンジを十分にうることができる。 前記のように、本発明の光検出器構造体は、
MOSFET回路およびCCDと関連させることによ
り、線状アレイおよび面状アレイに構成すること
が容易にできる。この信号電圧VD1を用いて、等
価な信号電荷量を発生させそしてCCD読出しシ
フトレジスタによつて読出すことは容易である。
この新規な光検出器構造体を用いて、CCD読出
しシフトレジスタをそなえた線状アレイおよび面
状アレイを構成する１つの方法が、第５図に示さ
れている。光で生成された電子は、VD2により、
ゲートＤ／Ｇを通して排出されるのが通常であ
る。光で生成された電荷がCCDシフトレジスタ
の中に注入されることが要求される時、Ｄ／Ｇが
閉じ、ST／Ｇが高電位にあり、そして光で生成
された電荷が、通常のCCD転送法により、CCD
シフトレジスタの中に転送される。第５図に示さ
れた構造体の場合、もし入射光強度が弱い場合、
順次に連続したサンプルを重ねて大きな信号にす
ることができる。 本発明の好ましい実施例が前記のように説明さ
れたけれども、当業者にとつて、特許請求の範囲
内に示された精神と範囲内において、変更および
修正の可能であることは云うまでもないことであ
る。
第４図の領域Ｄ１がもし可視光線で照射される
ならば、領域Ｄ１は逆方向にバイアスされた接合
として動作し、そして基板１１内で光で生成され
た電子２１を集めるであろう。光で生成されたホ
ールは基板１１の内部に進むであろう。光で生成
されそして拡散領域Ｄ１内に集められた電子２１
は、２２で示されているように（第４図）、障壁
LBを越えてチヤンネル内に注入され、そして２
３で示されているように（第４図）、最終的にド
レインＤ２によつて排出されるであろう。この集
められた電子が領域Ｄ１によりチヤンネル内にい
つたん注入されると、領域の電圧VD1はより正の
方向に移動し、この移動量はチヤンネル内に注入
された電子の数によつて変わる。光で生成される
電子の数は入射する光の強度によつて変わるか
ら、したがつて、感光性領域Ｄ１の電圧VD1は入
射光強度の関数になる。ソースＤ１により障壁
LBを越えての電子の注入量とソースＤ１にえら
れる電圧VD1との間には自然対数で表される関係
式が存在する。したがつて、感光性領域Ｄ１が光
で照射される時、その電圧VD1は入射光強度の自
然対数関数で表される。信号電圧VD1が入射光強
度に対して対数関数的に変化するので、信号電圧
VD1は不必要に増加しない、すなわち、実用的な
範囲内で増加し、そして入射光強度が相対的に
1000万倍にも増加することがあつても飽和に達す
ることはない。実際に製作された装置では、光強
度が3.1×10-8Ｗcm-2の時信号VD1＝2.8Vであり、
そして光強度3.1×10-1Ｗcm-2の時VD1＝0.1Vであ
つた。このことは、いまの信号レベル状態の場
合、107のダイナミツク・レンジが容易にえられ
ることを示している。本発明の新規な光検出器装
置により、109以上の光強度検出ダイナミツク・
レンジを十分にうることができる。 前記のように、本発明の光検出器構造体は、
MOSFET回路およびCCDと関連させることによ
り、線状アレイおよび面状アレイに構成すること
が容易にできる。この信号電圧VD1を用いて、等
価な信号電荷量を発生させそしてCCD読出しシ
フトレジスタによつて読出すことは容易である。
この新規な光検出器構造体を用いて、CCD読出
しシフトレジスタをそなえた線状アレイおよび面
状アレイを構成する１つの方法が、第５図に示さ
れている。光で生成された電子は、VD2により、
ゲートＤ／Ｇを通して排出されるのが通常であ
る。光で生成された電荷がCCDシフトレジスタ
の中に注入されることが要求される時、Ｄ／Ｇが
閉じ、ST／Ｇが高電位にあり、そして光で生成
された電荷が、通常のCCD転送法により、CCD
シフトレジスタの中に転送される。第５図に示さ
れた構造体の場合、もし入射光強度が弱い場合、
順次に連続したサンプルを重ねて大きな信号にす
ることができる。 本発明の好ましい実施例が前記のように説明さ
れたけれども、当業者にとつて、特許請求の範囲
内に示された精神と範囲内において、変更および
修正の可能であることは云うまでもないことであ
る。
第１図は本発明を実施する光検出器構造体の平
面図、第２図は第１図の線２−２に沿つての断面
図、第３図は、長チヤンネル長Ｌを有する構造体
の表面電位図が付加された、第２図と同様な断面
図、第４図は短実効チヤンネル長Ｌを有する構造
体の表面電位図と光で生成されＤ１によつて集め
られたキヤリアとが付加的に示された第２図と同
様な断面図であつて、光で生成されたキヤリアが
ソース・チヤンネル障壁を越えて注入されそして
Ｄ２によつて集められおよび排出されることが示
されており、第５ａ図はCCD読出しシフトレジ
スタと共に用いられた本発明を実施する光検出器
構造体の平面図、第５ｂ図は第５ａ図の線５ｂ−
５ｂに沿つての断面図、第６図は短チヤンネル装
置および長チヤンネル装置に対するチヤンネルに
沿つての距離に対する表面電位曲線図。 （符号の説明）、１１……シリコン基板、Ｄ１
……感光性拡散領域、Ｄ２……第２拡散領域、Ｌ
……チヤンネル、Ｇ１……金属・絶縁体・半導体
ゲート、１２……導電体、１５……バイアス装
置。
面図、第２図は第１図の線２−２に沿つての断面
図、第３図は、長チヤンネル長Ｌを有する構造体
の表面電位図が付加された、第２図と同様な断面
図、第４図は短実効チヤンネル長Ｌを有する構造
体の表面電位図と光で生成されＤ１によつて集め
られたキヤリアとが付加的に示された第２図と同
様な断面図であつて、光で生成されたキヤリアが
ソース・チヤンネル障壁を越えて注入されそして
Ｄ２によつて集められおよび排出されることが示
されており、第５ａ図はCCD読出しシフトレジ
スタと共に用いられた本発明を実施する光検出器
構造体の平面図、第５ｂ図は第５ａ図の線５ｂ−
５ｂに沿つての断面図、第６図は短チヤンネル装
置および長チヤンネル装置に対するチヤンネルに
沿つての距離に対する表面電位曲線図。 （符号の説明）、１１……シリコン基板、Ｄ１
……感光性拡散領域、Ｄ２……第２拡散領域、Ｌ
……チヤンネル、Ｇ１……金属・絶縁体・半導体
ゲート、１２……導電体、１５……バイアス装
置。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ １オーム・センチメートルと100オーム・セ
ンチメートルとの間の抵抗率を有しおよび１つの
導電形を有するシリコン基板と、前記基板内の電
気的に浮動した感光性拡散領域と、電気的に浮動
した前記感光性拡散領域から前記基板内のチヤン
ネルによつて隔てられている前記基板内の第２拡
散領域と、２つの前記領域間の前記基板を橋渡し
てまたぎおよび前記チヤンネルの上にある金属・
絶縁体・半導体ゲートと、前記ゲートと電気的に
浮動した前記感光性拡散領域とを電気的に接続す
る装置と、前記第２拡散領域を前記基板に対して
逆方向にバイアスするための装置とを有し、 ２つの前記拡散領域が同じ導電形であつておよ
び前記基板の導電形と反対の導電形であること
と、前記感光性拡散領域以外の部分が可視光線を
透過しない遮蔽体で遮蔽されていることと、２つ
の前記拡散領域の間の前記チヤンネルの長さと前
記基板の抵抗率と前記逆方向バイアスの大きさと
前記拡散領域の深さとが電気的に浮動した前記感
光性拡散領域と前記チヤンネルとの間のポテンシ
ヤル障壁が十分低くなつて電気的に浮動した前記
感光性拡散領域に入射した可視光線によつて生じ
た電子が電気的に浮動した前記感光性拡散領域か
ら前記チヤンネルの中に注入されそして前記第２
拡散領域によつて集められるように選定されるこ
とと、それによつて電気的に浮動した前記感光性
拡散領域の電圧が前記感光性拡散領域に入射する
可視光線の変化に対して対数関数的に変動するこ
ととを特徴とする大きなダイナミツク・レンジを
有する集積可能な光検出器素子。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記基板の
導電形がＰ形であり、および前記拡散領域の導電
形がＮ形である素子。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記拡散領
域のドーピング濃度が1015cm-3から1021cm-3まで
の範囲内にある素子。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記金属・
絶縁体・半導体ゲートがポリシリコン・SiO2・
半導体ゲートである素子。 ５ 特許請求の範囲第１項において、前記チヤン
ネルがイオン注入された素子。 ６ 特許請求の範囲第１項において、ソースとド
レインとゲートとを有するMOSFET装置と、前
記MOSFETの前記ゲートと電気的に浮動した前
記感光性拡散領域とを電気的に接続する装置とを
有する素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/373,972 US4473836A (en) | 1982-05-03 | 1982-05-03 | Integrable large dynamic range photodetector element for linear and area integrated circuit imaging arrays |
| JP58227096A JPS60120558A (ja) | 1983-12-02 | 1983-12-02 | 集積可能な光検出器素子 |
| EP84303983A EP0164464B1 (en) | 1982-05-03 | 1984-06-13 | Integrable large dynamic range photodetector element for linear and area integrated circuit imaging arrays |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58227096A JPS60120558A (ja) | 1983-12-02 | 1983-12-02 | 集積可能な光検出器素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60120558A JPS60120558A (ja) | 1985-06-28 |
| JPH0160952B2 true JPH0160952B2 (ja) | 1989-12-26 |
Family
ID=16855425
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58227096A Granted JPS60120558A (ja) | 1982-05-03 | 1983-12-02 | 集積可能な光検出器素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60120558A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01282049A (ja) * | 1988-05-09 | 1989-11-13 | Kanto Kasei Kogyo Kk | 車輛用立体薄型マーク |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3018342B2 (ja) * | 1989-02-20 | 2000-03-13 | スズキ株式会社 | 幌付自動車の幌取付構造 |
| EP3011594B1 (en) * | 2013-06-20 | 2018-12-26 | Stratio, Inc. | Gate-controlled charge modulated device for cmos image sensors |
-
1983
- 1983-12-02 JP JP58227096A patent/JPS60120558A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01282049A (ja) * | 1988-05-09 | 1989-11-13 | Kanto Kasei Kogyo Kk | 車輛用立体薄型マーク |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60120558A (ja) | 1985-06-28 |
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