JPH03185762A - Photoelectric conversion device - Google Patents
Photoelectric conversion deviceInfo
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- JPH03185762A JPH03185762A JP1324576A JP32457689A JPH03185762A JP H03185762 A JPH03185762 A JP H03185762A JP 1324576 A JP1324576 A JP 1324576A JP 32457689 A JP32457689 A JP 32457689A JP H03185762 A JPH03185762 A JP H03185762A
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
[a業上の利用分野]
本発明は、光電変換装置に関し、特に非晶質材料により
形成したフォトダイオードを光電変換素子として使用し
、雑音特性の改良された電荷蓄積型光電変換装置に関す
るものである。Detailed Description of the Invention [Field of Application in Industry A] The present invention relates to a photoelectric conversion device, and particularly to a photoelectric conversion device that uses a photodiode formed of an amorphous material as a photoelectric conversion element, and has a charge storage device with improved noise characteristics. The present invention relates to a type photoelectric conversion device.
[従来の技術]
近年、光電変換素子として、非晶質材料を用いたものが
研究開発されている。光電変換素子に使用される非晶質
材料としては、非晶質シリコン(以下a−5tと称する
)、非晶質セレン、非晶°質ゲルマニウム等が知られて
いる。中でもa −Siは、光吸収係数が大きく分光感
度が人間の視感度に近いなど優れた光学的性質を有する
ことや、低温プロセス作成が可能なこと、大面積に成膜
が可能であることなどから、光電変換素子用非晶質材料
として特に注目されている。[Prior Art] In recent years, photoelectric conversion elements using amorphous materials have been researched and developed. Known amorphous materials used in photoelectric conversion elements include amorphous silicon (hereinafter referred to as a-5t), amorphous selenium, amorphous germanium, and the like. Among them, a-Si has excellent optical properties such as a large light absorption coefficient and spectral sensitivity close to human visual sensitivity, the ability to create a low-temperature process, and the ability to form a film over a large area. Therefore, it is attracting particular attention as an amorphous material for photoelectric conversion elements.
また、従来、光電変換素子として、フォトダイオードが
知られている。フォトダイオードは、構造が簡易で微細
加工に適しているという長所を有している。従来のフォ
トダイオードとしては、その層構成や材料の組合せによ
り、pn型フォトダイオード、pin型フォトダイオー
ド、アバランシェフォトダイオードなどが知られている
が、さらに、MIS接合、ショットキー接合、ヘテロ結
合等によって構成することが可能であり、これらについ
ても盛んに研究がなされている。Furthermore, photodiodes are conventionally known as photoelectric conversion elements. Photodiodes have the advantage of having a simple structure and being suitable for microfabrication. Conventional photodiodes are known as pn-type photodiodes, pin-type photodiodes, avalanche photodiodes, etc., depending on their layer configurations and material combinations. It is possible to configure various configurations, and these are also being actively researched.
フォトダイオードは、逆方向にバイアス電圧を印加した
場合に逆方向電流が光照射量に比例して変化することを
利用して光信号を電気信号に変換する光電変換素子の1
f!であるが、光信号が照射されたときに光電荷を内部
に蓄積する容量とじての性質も合わせ持つ。この容量と
しての性質を利用したフォトダイオードが、一般に電荷
蓄積型のフォトダイオ−、ドと呼ばれるものである。電
荷蓄積型のフォトダイオードは、光励起した電荷を一定
の時間蓄積した後出力させることにより、高出力・高S
/N比を得ることができるため、従来光電変換素子とし
て広く用いられている。A photodiode is a type of photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electrical signal by utilizing the fact that when a bias voltage is applied in the reverse direction, the reverse current changes in proportion to the amount of light irradiation.
f! However, it also has the property of a capacitor that stores photoelectric charges inside when it is irradiated with an optical signal. A photodiode that utilizes this capacitive property is generally called a charge storage type photodiode. Charge storage type photodiodes produce high output and high S by accumulating photo-excited charges for a certain period of time and then outputting them.
/N ratio, so it has been widely used as a conventional photoelectric conversion element.
第6図は、電荷蓄積型フォトダイオードを光電変換素子
として用いた光電変換装置の光電変換部を示す等価回路
図である0図において、1は電荷蓄積型フォトダイオー
ドである。出力回路とは、フォトダイオード1に光信号
を照射することにより発生した光電流を電気信号に変換
して出力するための回路である。また、リセット回路と
は、フォトダイオード1に蓄積された電荷を転送した後
に転送しきれずに残った電荷を消去するための回路、す
なわち、フォトダイオードの出力端を強制的に固定電位
にするための回路である。このリセット回路は、例えば
バイポーラトランジスタやMISトランジスタ等により
作成されている。FIG. 6 is an equivalent circuit diagram showing a photoelectric conversion section of a photoelectric conversion device using a charge storage type photodiode as a photoelectric conversion element. In FIG. 0, numeral 1 indicates a charge storage type photodiode. The output circuit is a circuit for converting a photocurrent generated by irradiating the photodiode 1 with an optical signal into an electrical signal and outputting the electrical signal. In addition, the reset circuit is a circuit for erasing the charge remaining after transferring the charge accumulated in the photodiode 1, that is, a circuit for forcibly setting the output terminal of the photodiode to a fixed potential. It is a circuit. This reset circuit is made of, for example, a bipolar transistor or an MIS transistor.
このような光電変換装置においては、フォトダイオード
は、光を照射されることにより発生した電子正孔対の一
方または両方を蓄積する蓄積動作と電荷をリセットして
初期状態に戻すリセット動作とを交互に行なう。In such a photoelectric conversion device, the photodiode alternately performs an accumulation operation in which one or both of electron-hole pairs generated by being irradiated with light and a reset operation in which the charge is reset and returned to the initial state. go to
このような従来の光線変換装置における雑音の発生原因
としては、信号ラインの配線容量やリセットスイッチに
MISトランジスタを用いた場合の電極一基板容量のた
めに、ラインに残っている雑音電荷を読み出してしまう
ことによる雑音、すなわちリセットスイッチの開閉に伴
なう雑音と、フォトダイオードの受光部以外に入射した
光による発生電荷が信号ラインに混入することによる雑
音、すなわちスミア現象による雑音とがあった。これに
対して、これらの雑音の発生を防止し、さらにダイナミ
ックレンジを拡大する方法として、新たに光電変換素子
と電気的に並列に付加容量を設ける方法があった。The causes of noise in such conventional light beam conversion devices include the wiring capacitance of the signal line and the electrode-to-substrate capacitance when an MIS transistor is used for the reset switch, which makes it difficult to read out the noise charge remaining in the line. There are two types of noise: noise due to the opening and closing of the reset switch, and noise due to electric charges generated by light incident on areas other than the photodiode's light-receiving area getting mixed into the signal line, ie, noise due to the smear phenomenon. On the other hand, as a method of preventing the generation of these noises and further expanding the dynamic range, there has been a new method of providing an additional capacitor electrically in parallel with the photoelectric conversion element.
[発明が解決しようとする課題]
しかし、本発明者らの知見によれば非晶質材料により形
成したフォトダイオードにおいては、上述の原因による
雑音の他に、次のような原因による雑音も発生している
ことが判明した。即ち、非晶質材料には、その原子の結
合状態に起因する欠陥準位密度(捕獲準位密度)が存在
し、このため非晶質を材料とするフォトダイオードは、
本来のダイオードの接合容量以外に捕獲準位にも光励起
による電荷を蓄積する。しかしながら、捕獲準位に蓄積
された電荷は、短時間のリセット動作では完全にリセッ
トすることができない。[Problems to be Solved by the Invention] However, according to the findings of the present inventors, in a photodiode formed of an amorphous material, in addition to the noise caused by the above-mentioned causes, noise also occurs due to the following causes. It turned out that it was. In other words, an amorphous material has a defect level density (capture level density) due to the bonding state of its atoms, and therefore a photodiode made of an amorphous material has a
In addition to the original diode junction capacitance, charges due to photoexcitation are also accumulated in the trap level. However, the charges accumulated in the trap level cannot be completely reset by a short reset operation.
フォトダイオードが出力として転送し残した電荷を完全
にリセットできなかった場合、次回の蓄積動作にリセッ
ト残りの電荷が加算されるため、いわゆる残像が発生す
る。If the charge remaining after being transferred as an output by the photodiode cannot be completely reset, the charge remaining after the reset is added to the next accumulation operation, resulting in a so-called afterimage.
一例として第7図(a)に示すようなpn型a−Siフ
ォトダイオードの9層側から光が入射し蓄積動作中は9
層が浮遊状態となる構成を考えてみる。第7図(a)で
710は基体、711はITO電極、712はP型a−
5t、713はn型a−3t、714はCr電極である
。第7図(b)はa−Stの電子エネルギーを示したバ
ンドポテンシャル図であり、そのバンドギャップ中に概
念的にテイル準位、欠陥準位密度などが存在することを
示している。p層中では光励起による正孔が蓄積される
だけでなく、同時に発生する電子の一部も蓄積される。As an example, when light enters from the 9th layer side of a pn type a-Si photodiode as shown in FIG.
Consider a configuration in which the layers are in a floating state. In FIG. 7(a), 710 is a substrate, 711 is an ITO electrode, and 712 is a P-type a-
5t, 713 is an n-type a-3t electrode, and 714 is a Cr electrode. FIG. 7(b) is a band potential diagram showing the electron energy of a-St, and shows that a tail level, defect level density, etc. exist conceptually in the band gap. In the p-layer, not only holes due to photoexcitation are accumulated, but also some of the electrons generated at the same time are accumulated.
n層側でも同様な現象が起こるが、電子と正孔の関係は
逆になる。また、光はp層側から入射するために、n層
側で励起される電子・正孔の数は9層側と比べて少ない
。A similar phenomenon occurs on the n-layer side, but the relationship between electrons and holes is reversed. Furthermore, since light enters from the p-layer side, the number of electrons and holes excited on the n-layer side is smaller than on the 9-layer side.
蓄積後にリセット動作を行なうと1層の電極位置は強制
的に固定電位の熱平衡状態に戻されるので、第7図(b
)に示すように、伝導帯および伝導帯のテイルの電子7
01、価電子帯および価電子帯のテイルの正孔702お
よび浅い捕獲準位の電子は消去される。If a reset operation is performed after accumulation, the electrode position of one layer is forcibly returned to a thermal equilibrium state with a fixed potential.
), electrons 7 in the conduction band and the tail of the conduction band
01, the holes 702 in the valence band and the tail of the valence band and the electrons in the shallow trap level are erased.
また、欠陥準位(捕獲準位)に捕らえられた電子が、こ
の準位より伝導帯に戻り消去されるには一定のライフタ
イムが必要であり、このライフタイムが通常のキャリア
移動の時間よりも著しく遅いため、非晶質シリコンによ
り形成されたフォトダイオードでは、結晶シリコンによ
り形成されたフォトダイオードには無い新たな遅い時定
数成分が加わる。つまり、リセット時間が短かいと、a
−3i中の捕獲準位の電子703がリセットしきれない
まま次の蓄積動作に入ってしまうため、この捕獲準位に
捕獲されている電子が次回の蓄積動作中に信号電荷とし
て寄与してしまい、残像の原因となる。In addition, a certain lifetime is required for an electron captured in a defect level (capture level) to return to the conduction band from this level and be erased, and this lifetime is longer than the time for normal carrier movement. is extremely slow, so photodiodes made of amorphous silicon have a new slow time constant component that is not present in photodiodes made of crystalline silicon. In other words, if the reset time is short, a
Since the electron 703 in the capture level in -3i enters the next accumulation operation without being fully reset, the electrons captured in this capture level will contribute as signal charges during the next accumulation operation. , causing an afterimage.
本発明は、このような、非晶質材料じ起因する残像を、
特別な回路を付加することなく低減することを目的とす
る。The present invention eliminates such afterimages caused by amorphous materials.
The aim is to reduce this without adding any special circuits.
[課題を解決するための手段]
本発明の光電変換素子は、非晶質材料を用いたフォトダ
イオードと、該非晶質材料よりも捕獲準位密度が少ない
材料を絶縁ゲート膜として用いたMISトランジスタと
を少なくとも有し、当該MISトランジスタのゲート電
極と当該フォトダイオードとを電気的に接続したことを
特徴とす−る。[Means for Solving the Problems] The photoelectric conversion element of the present invention includes a photodiode using an amorphous material and an MIS transistor using a material having a lower trap level density than the amorphous material as an insulating gate film. and the gate electrode of the MIS transistor and the photodiode are electrically connected.
[作用]
本発明はよれば、出力回路内の増幅素子として、フォト
ダイオードを形成する非晶質材料よりも捕獲準位密度が
少ない材料によりゲート絶Mi@を形成したMISトラ
ンジスタを用い、該ゲート絶縁膜をフォトダイオードの
捕獲準位密度に蓄積される電荷の量を減らすための容量
として使用したので、特別な回路を付加することなく上
述のごとき残像を低減することが可能となる。[Function] According to the present invention, an MIS transistor in which a gate isolation Mi@ is formed of a material having a lower trap level density than an amorphous material forming a photodiode is used as an amplification element in an output circuit, and the gate Since the insulating film is used as a capacitor to reduce the amount of charge accumulated in the trap level density of the photodiode, it is possible to reduce the above-mentioned afterimage without adding a special circuit.
以下、その理由について、詳@1.ニー説明する。The reason is detailed below @1. Nie explain.
残像を減少させるには、捕獲準位に蓄積される電荷の量
を減らせばよい。このために本発明は、非晶質材料によ
り形成されたフォトダイオードと該非晶質材料より捕獲
準位密度の少ない材料により形成したコンデンサとを接
続するものである。In order to reduce the afterimage, it is sufficient to reduce the amount of charge accumulated in the trap level. To this end, the present invention connects a photodiode made of an amorphous material and a capacitor made of a material having a lower trap level density than the amorphous material.
この方法により、光励起によって発生した電荷Qを、捕
獲準位密度をコンデンサより比較的多く含むフォトダイ
オードの容量C2と捕獲準位密度が少ない材料を用いた
容量C8&:分割して蓄積することが可能となる。この
場合C2に蓄積される電荷Q、は、
で表され、このことはC1を付加したことにより残像量
が
1/ (ca +C,>
だけ減少することを意味している。第5図は、残像量と
C,/C,との関係を示す図である。、第5図によれば
、例えばC,がCpと同じ容量の場合には残像はC,が
無いときの1/2であり、C。With this method, it is possible to store the charge Q generated by photoexcitation by dividing it into the photodiode capacitor C2, which has a relatively higher trapping level density than a capacitor, and the capacitor C8&, which uses a material with a lower trapping level density. becomes. In this case, the charge Q accumulated in C2 is expressed as follows, which means that by adding C1, the amount of afterimage decreases by 1/(ca +C,>). FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the amount of afterimage and C,/C. According to FIG. ,C.
がC9の2倍の容量の場合には残像はC1が無いときの
1/3になることを示している。非晶質シリコンを用い
たフォトダイオードは前述のごとく結晶シリコンを用い
たフォトダイオードよりも著しく残像量が多いため、残
像量を1/2以下に低減することは、フォトセンサ性能
の効果的な改善となる0本発明による残像低減効果は、
C1がC,に比べて十分大きいとき即ちC,>C,の時
に十分効果を発揮する。It is shown that if C9 has twice the capacity, the afterimage will be 1/3 of that without C1. As mentioned above, photodiodes using amorphous silicon have significantly more afterimages than photodiodes using crystalline silicon, so reducing the amount of afterimages to less than half is an effective way to improve photosensor performance. The afterimage reduction effect of the present invention is as follows:
It is sufficiently effective when C1 is sufficiently larger than C, that is, when C,>C.
なお、本発明によれば、増幅素子としてのMIS)−ラ
ンジスタのゲート絶縁膜をフォトダイオードの捕獲準位
密度に蓄積される電荷の量を減らすためのコンデンサと
して使用するので、特別な回路を付加する必要がない、
従って、光電変換装置の構造および製造プロセスを複雑
化することなく上述の残像を低減させることが可能とな
る。According to the present invention, the gate insulating film of the MIS transistor (as an amplifying element) is used as a capacitor to reduce the amount of charge accumulated in the trap level density of the photodiode, so a special circuit is added. There is no need to
Therefore, it is possible to reduce the above-mentioned afterimage without complicating the structure and manufacturing process of the photoelectric conversion device.
また、フォトダイオードとM!Sトランジスタを同一基
板上に作成し、さらに該基板上に垂直に配置することに
よって、素子面積の大面積化することなく上述の残像を
低減させることが可能となる。Also, photodiode and M! By forming the S transistors on the same substrate and arranging them vertically on the substrate, it is possible to reduce the above-mentioned afterimage without increasing the device area.
[実施例]
(実施例1)
本発明の第1の実施例として、pin型のa−3iフオ
トダイオードとMIS構造の薄膜トランジスタをガラス
基板上に形成した場合について説明する。第1図は、本
実施例に係る光電変換装置の等価回路を示す回路図であ
る0図において、lはpin型のa−3iフオトダイオ
ードであり、3はMISトランジスタのゲート絶縁膜に
より形成されたコンデンサである。[Example] (Example 1) As a first example of the present invention, a case will be described in which a pin type A-3I photodiode and a thin film transistor with an MIS structure are formed on a glass substrate. FIG. 1 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the photoelectric conversion device according to this embodiment. In FIG. It is a capacitor.
次に、第1図に示した光電変換装置の光電変換部の製造
工程について、第2図(a)〜(e)を用いて説明する
。Next, the manufacturing process of the photoelectric conversion section of the photoelectric conversion device shown in FIG. 1 will be explained using FIGS. 2(a) to 2(e).
■高融点ガラス基板201上に、減圧CVD法で非晶質
シリコン膜を形成し、レーザーアニール法により再結晶
化した。(2) An amorphous silicon film was formed on the high melting point glass substrate 201 by low pressure CVD and recrystallized by laser annealing.
■この非晶質シリコン膜に、選択的イオン打ち込み法お
よび熱拡散法を用いてPをドーピングし、n0型単結晶
領vL202(a)および202(b)とi型シリコン
単結晶領域202 (C)とを形成した(第2図(a)
)。■This amorphous silicon film is doped with P using selective ion implantation and thermal diffusion, forming n0 type single crystal regions vL202(a) and 202(b) and i type silicon single crystal region 202 (C ) was formed (Fig. 2(a)
).
■a−3tよりも捕獲準位密度が少ない材料として、S
in、層203を、CVD法により500人厚に形成し
た。■As a material with lower trap level density than a-3t, S
In, the layer 203 was formed to a thickness of 500 mm using the CVD method.
■n3型単結晶領域202 (a)および202(b)
上の任意の位置のSi02層203にコンタクトホール
を開孔した。続いてこのコンタクトホールに低抵抗多結
晶シリコン層をCVD法により成膜し、これをパターニ
ングすることにより、電源線204 (a)および出力
線204 (b)を形成した(第2図(b))。■N3 type single crystal regions 202 (a) and 202 (b)
A contact hole was opened in the Si02 layer 203 at an arbitrary position above. Subsequently, a low-resistance polycrystalline silicon layer was formed in this contact hole by the CVD method, and this was patterned to form a power line 204 (a) and an output line 204 (b) (Fig. 2 (b)). ).
■出力線204 (b)を覆うようにSin、層205
をCVD法で成膜し、パターニングした。■Sin layer 205 to cover output line 204 (b)
was formed into a film by CVD method and patterned.
さらにMOSトランジスタのゲート電極兼フォトダイオ
ードの下部電極として、AjZ配線20Bをスパッタ法
で成膜し、パターニングした。Furthermore, an AJZ wiring 20B was formed by sputtering and patterned to serve as the gate electrode of the MOS transistor and the lower electrode of the photodiode.
以上の工程により、MO3型トランジスタ部が完成した
。(第2図(C))
■i型シリコン単結晶領域202(a)上のAj2配線
206領域に、CVD法により、ドーピング材料を交換
しながら、n型非晶質シリコン層207 (a)を10
0人、i型非晶質シリコン層207(b)を8000人
%p型非晶買シリコン層207 (C)を200人、そ
れぞれ堆積して、pinフォトダイオ−・ドを作成した
。(第2図(d))
■フォトダイオード207 (a)、(b)。Through the above steps, an MO3 type transistor section was completed. (Fig. 2 (C)) ■N-type amorphous silicon layer 207 (a) is deposited on the Aj2 wiring 206 region on the i-type silicon single crystal region 202 (a) by CVD method while exchanging the doping material. 10
A pin photodiode was prepared by depositing an i-type amorphous silicon layer 207 (b) of 8,000% and a p-type amorphous silicon layer 207 (c) of 200 people. (Fig. 2(d)) ■Photodiode 207 (a), (b).
(C)の側面に、絶縁層としてSiO2層208を形成
し、さらにp型非晶買シリコン層207(C)上にフォ
トダイオードの透明下部電極としてITO209°をス
パッタ法にて形成した。(第2図(e))
以上の工程により、本実施例光電変換装置の光電変換部
を作製することができた。An SiO2 layer 208 was formed as an insulating layer on the side surface of (C), and ITO 209° was further formed as a transparent lower electrode of the photodiode on the p-type amorphous silicon layer 207 (C) by sputtering. (FIG. 2(e)) Through the above steps, the photoelectric conversion section of the photoelectric conversion device of this example could be manufactured.
このような光電変換装置において、例えば、フォトダイ
オードの面積を21μm×21μmとし、MOSトラン
ジスタのW、Lをそれぞれ21μm110μmとすると
、
フォトダイオード部の容量
8000人
= o、oss [pF]
MOSトランジスタの容量
雪 0.442 [pF]
となり、残像は0.058/(0,058+0.442
)−1/8.[l少する。In such a photoelectric conversion device, for example, if the area of the photodiode is 21 μm x 21 μm, and the W and L of the MOS transistor are 21 μm and 110 μm, respectively, the capacity of the photodiode section is 8000 = o, oss [pF] Capacity of the MOS transistor Snow is 0.442 [pF], and the afterimage is 0.058/(0,058+0.442
)-1/8. [l less.
に減
ここで、上述の製造工程の説明における各層の膜厚は一
例であって、センサの材料や用途によって任意に変更で
きる。このとき、CIIとC,aの容量比を1:1に設
定すれば残像が1/2に減少し、C11の比を大きくす
れば残像はさらじ減少することは前述のとおりである。Here, the film thickness of each layer in the above description of the manufacturing process is an example, and can be arbitrarily changed depending on the material and purpose of the sensor. At this time, as described above, if the capacitance ratio of CII and C, a is set to 1:1, the afterimage will be reduced to 1/2, and if the ratio of C11 is increased, the afterimage will be further reduced.
従ってC,>Cpという容量関係にすれば、本発明の効
果が十分に発揮される。Therefore, if the capacitance relationship is C,>Cp, the effects of the present invention can be fully exhibited.
また、コンデンサに固定電圧を印加するための電極20
6は、本実施例ではフォトダイオードに固定電圧を印可
するための電極と共通になっているが、両者を別々に形
成しても本発明の効果には何ら影響しない。Also, an electrode 20 for applying a fixed voltage to the capacitor
In this embodiment, electrode 6 is used in common as an electrode for applying a fixed voltage to the photodiode, but forming both separately does not affect the effects of the present invention.
なお、フォトダイオードとMOSトランジスタを基板上
に垂直に配置したのは素子面積を小型化するためであり
、横方向に配置することも可能である。Note that the reason why the photodiode and the MOS transistor are arranged vertically on the substrate is to reduce the element area, but it is also possible to arrange them laterally.
(実施例2)
本発明の第2の実施例として、基板としてシリコンウェ
ハを用いた場合について説明する。第3図は、本実施例
に係る光電変換装置の回路構成を示す回路図である。図
において、lはpin型のa−Siフォトダイオードで
あり、3はMIsトランジスタのゲート絶縁膜に起因す
る容量である。(Example 2) As a second example of the present invention, a case will be described in which a silicon wafer is used as the substrate. FIG. 3 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the photoelectric conversion device according to this embodiment. In the figure, l is a pin type a-Si photodiode, and 3 is a capacitance due to the gate insulating film of the MIs transistor.
次に、第3図に示した光電変換装置の光電変換部の製造
工程について、第4図(a)〜(e)を用いて説明する
。Next, the manufacturing process of the photoelectric conversion section of the photoelectric conversion device shown in FIG. 3 will be explained using FIGS. 4(a) to 4(e).
■ウェハ基板401上に、選択的イオン打ち込み法およ
び熱拡散法を用いてPをドーピングし、n0型単結晶領
域402 (a)および402(b)を形成した(第4
図(a))。■P is doped onto the wafer substrate 401 using selective ion implantation and thermal diffusion to form n0 type single crystal regions 402 (a) and 402 (b) (fourth
Figure (a)).
■a−3iよりも捕獲準位密度が少ない材料として、S
i O,層403を、CVD法により400人厚上形
成した。■As a material with lower trap level density than a-3i, S
An iO layer 403 was formed to a thickness of 400 wafers by CVD.
■n1型単結晶領域402(a)および402(b)上
の任意の位置の5/02層403にコンタクトホールを
開孔した。続いてこのコンタクトホールに低抵抗多結晶
シリコン層をCVD法により成膜し、これをバターニン
グすることにより、電源線404 (a)および出力線
404 (b)を形成した(第4図(b))。(2) Contact holes were opened in the 5/02 layer 403 at arbitrary positions on the n1 type single crystal regions 402(a) and 402(b). Subsequently, a low-resistance polycrystalline silicon layer was formed in this contact hole by the CVD method, and this was patterned to form a power line 404 (a) and an output line 404 (b) (see FIG. 4(b)). )).
■出力線404 (b)を覆うように5/02層405
をCVD法で成膜し、バターニングした。■5/02 layer 405 to cover output line 404 (b)
was formed into a film by CVD method and buttered.
さらにMOS)−ランジスタのゲート電極兼フォトダイ
オードの下部電極として、Al配線406をスパッタ法
で成膜し、バターニングした。Further, an Al wiring 406 was formed by sputtering and patterned as a gate electrode of a MOS transistor and as a lower electrode of a photodiode.
以上の工程により、MOS型トランジスタ部が完成した
。(344図(C)〉
■i型シリコン単結晶領域402 (a)上の、l配線
406領域に、CVD法により、ドーピング材料を交換
しながら、n型非晶質シリコ7層407 (a)を10
0人、i型非晶質シリコン層407(b)を8000人
、p型非晶質シリコン層407 (c)を200人、そ
れぞれ堆積して、pinフォトダイオードを作成した。Through the above steps, a MOS type transistor section was completed. (Figure 344 (C)) ■N-type amorphous silicon 7 layer 407 (a) is applied to the l wiring 406 region on the i-type silicon single crystal region 402 (a) while exchanging the doping material by the CVD method. 10
A pin photodiode was fabricated by depositing 8,000 i-type amorphous silicon layers 407 (b) and 200 p-type amorphous silicon layers 407 (c).
(第4図(d)) ■フォトダイオード407 (a)、(b)。(Figure 4(d)) ■Photodiode 407 (a), (b).
(C)の側面に、絶縁層としてS i O,層408を
形成し、さらにp型非晶質シリコン層407(e)上に
フォトダイオードの透明下部電極としてITO409を
スパッタ法にて形成した。(第4図(e))
以上の工程により、本実施例の光電変換装置の光電変換
部を作製することができた。A SiO layer 408 was formed as an insulating layer on the side surface of (C), and ITO 409 was further formed as a transparent lower electrode of the photodiode on the p-type amorphous silicon layer 407(e) by sputtering. (FIG. 4(e)) Through the above steps, the photoelectric conversion section of the photoelectric conversion device of this example could be manufactured.
このような光電変換装置じおいては、上記実施例1と同
様、例えば、フォトダイオードの面積を21μm×21
μmとし、MOSトランジスタのW%Lをそれぞれ21
μm、10umとすると、
フォトダイオード部の容量
8000人
= 0.058 [pF]
MOSトランジスタの容量
雪 0.442 [pF]
となり、残像は0.0587(0,058+0.442
>・178、.8少する。In such a photoelectric conversion device, the area of the photodiode is, for example, 21 μm x 21 μm, as in Example 1 above.
μm, and W%L of the MOS transistor is 21
μm and 10um, the capacitance of the photodiode section is 8000 = 0.058 [pF] The capacitance of the MOS transistor is 0.442 [pF], and the afterimage is 0.0587 (0,058 + 0.442
>・178,. 8 a little.
に減
ここで、上述の製造工程の説明における各層の膜厚は一
例であって、センサの材料や用途によって任意に変更で
きる。このとき、C1とCPの容量比を1:1に設定す
れば残像が1/2に減少し、C11の比を大きくすれば
残像はさらに減少することは前述のとおりである。従っ
てc a > c pという容量関係にすれば、本発明
の効果が十分に発揮される。Here, the film thickness of each layer in the above description of the manufacturing process is an example, and can be arbitrarily changed depending on the material and purpose of the sensor. At this time, as described above, if the capacitance ratio of C1 and CP is set to 1:1, the afterimage will be reduced to 1/2, and if the ratio of C11 is increased, the afterimage will be further reduced. Therefore, the effect of the present invention can be fully exhibited by setting the capacitance relationship as c a > c p.
また、コンデンサに固定電圧を印加した電極406は、
本実施例ではフォトダイオードに固定電圧を印可した電
極と共通になっているが、両者を別々に形成しても本発
明の効果には何ら影響しない。Further, the electrode 406 to which a fixed voltage was applied to the capacitor is
In this embodiment, the electrode is used in common with the electrode to which a fixed voltage is applied to the photodiode, but forming both separately does not affect the effects of the present invention.
なお、フォトダイオードとMOSトランジスタを基板上
に垂直に配置したのは素子面積を小型化するためであり
、横方向に配置することも可能である。Note that the reason why the photodiode and the MOS transistor are arranged vertically on the substrate is to reduce the element area, but it is also possible to arrange them laterally.
なお、非晶質材料としてはa−3iをはじめa−3iG
e、a−3iC,a−SiCGe。In addition, examples of amorphous materials include a-3i and a-3iG.
e, a-3iC, a-SiCGe.
a−Se等を使用することができる。a-Se etc. can be used.
また、絶縁膜は、捕獲準位密度が少ないものであればS
iO□に限るものではなく、SiN。In addition, if the insulating film has a low density of trap levels, S
Not limited to iO□, but SiN.
5iON等でよく比較的誘電率の高い絶alIIであれ
ばよい。It may be 5iON or the like, as long as it is an absolute AlII having a relatively high dielectric constant.
[発明の効果]
以上説明したように、本発明によれば、非晶質材料によ
り形成されたフォトダイオードを光電変換素子として使
用した光電変換装置において従来発生していた残像現象
を、特別な回路や素子を用いることなく(従って構造や
製造プロセスを複雑化することなく)、効果的に減少さ
せることができる。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, the afterimage phenomenon that conventionally occurs in a photoelectric conversion device using a photodiode formed of an amorphous material as a photoelectric conversion element can be solved by using a special circuit. This can be effectively reduced without using any additional elements or elements (therefore, without complicating the structure or manufacturing process).
さらに、MIS)−ランジスタとフォトダイオードを同
一基板上に垂直方向に配置したことにより、素子面積の
縮小を可能とすることができる。Furthermore, by vertically arranging the MIS transistor and the photodiode on the same substrate, it is possible to reduce the element area.
また、電荷を蓄積できる容量が増加したため、フォトダ
イオード印加された逆バイアス電圧を固定して考えると
、MIS容量の増加分だけ高照度側にダイナよツクレン
ジが拡大した効果も期待できる。Furthermore, since the capacity that can store charges has increased, assuming that the reverse bias voltage applied to the photodiode is fixed, it can be expected that the dynamo range will be expanded to the high illuminance side by the increase in MIS capacity.
第1図は本発明の第1の実施例に係る光電変換装置の等
価回路図、第2図は本発明の第1実施例としてのフォト
センサの光電変換部の工程断面図、第3図は本発明の第
2の実施例による光電変換部の回路図、第4図は本発明
の第2実施例としてのフォトセンサの光電変換部の工程
断面図、第4図は本発明による付加容量の大きさと残像
の改善率を表わす図、第5図は残像量とC,/CPとの
関係を示す図、第6図は従来の光電変換装置のの等価回
路図、第7図(a)、(b)はそれぞれ従来のpn型非
晶質シリコンフォトダイオードの模式的側面図及びリセ
ット後のキャリアエネルギー分布図である。
!・・・非晶質を材料としたフォトダイオード、3・・
・MISトランジスタのチャネル容量、701・・・リ
セットで消去された電子、702・・・リセットで消去
された正孔、703・・・リセットしきれず残った捕獲
準位密度中の電子。
第
図
第
2
ス
第
図
第
図
Ca/Cp
第
図
第
図(a)
第
図(b)
キャリアエネルギー密度FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a photoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a process sectional view of a photoelectric conversion section of a photosensor as a first embodiment of the present invention, and FIG. A circuit diagram of a photoelectric conversion section according to a second embodiment of the present invention, FIG. 4 is a process cross-sectional view of a photoelectric conversion section of a photosensor according to a second embodiment of the present invention, Figure 5 is a diagram showing the relationship between the amount of afterimage and C, /CP; Figure 6 is an equivalent circuit diagram of a conventional photoelectric conversion device; Figure 7 (a), (b) is a schematic side view of a conventional pn-type amorphous silicon photodiode and a carrier energy distribution diagram after reset, respectively. ! ...Photodiode made from amorphous material, 3...
- Channel capacitance of MIS transistor, 701... Electrons erased by reset, 702... Holes erased by reset, 703... Electrons in the trap level density that remained after being reset. Figure 2 Ca/Cp Figure 2 (a) Figure (b) Carrier energy density
Claims (6)
質材料よりも捕獲準位密度が少ない材料を絶縁ゲート膜
として用いたMISトランジスタとを少なくとも有し、
当該MISトランジスタのゲート電極と当該フォトダイ
オードとを電気的に接続したことを特徴とする光電変換
装置(1) It has at least a photodiode using an amorphous material and an MIS transistor using a material with a lower trap level density than the amorphous material as an insulating gate film,
A photoelectric conversion device characterized in that the gate electrode of the MIS transistor and the photodiode are electrically connected.
の電気容量の大きさが、前記フォトダイオードの蓄積容
量と同じ若しくは該フォトダイオードの蓄積容量よりも
大きいことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置(2) The photoelectric conversion according to claim 1, wherein the electric capacitance of the MIS transistor due to the insulated gate film is the same as or larger than the storage capacity of the photodiode. Device
とが同一の基体上に作成されたことを特徴とする請求項
1または2に記載の光電変換装置(3) The photoelectric conversion device according to claim 1 or 2, wherein the MIS transistor and the photodiode are formed on the same substrate.
とが、前記基体の表面に垂直な方向に配置されたことを
特徴とする請求項3に記載の光電変換装置(4) The photoelectric conversion device according to claim 3, wherein the MIS transistor and the photodiode are arranged in a direction perpendicular to the surface of the base.
徴とする請求項1〜4に記載の光電変換装置(5) The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein the amorphous material is amorphous silicon.
を特徴とする請求項1〜5に記載の光電変換装置(6) The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 5, wherein the photodiode has a pin structure.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1324576A JPH03185762A (en) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | Photoelectric conversion device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1324576A JPH03185762A (en) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | Photoelectric conversion device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03185762A true JPH03185762A (en) | 1991-08-13 |
Family
ID=18167360
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1324576A Pending JPH03185762A (en) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | Photoelectric conversion device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03185762A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023074120A1 (en) * | 2021-10-29 | 2023-05-04 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state imaging device |
-
1989
- 1989-12-14 JP JP1324576A patent/JPH03185762A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023074120A1 (en) * | 2021-10-29 | 2023-05-04 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state imaging device |
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