JPH0340574A - 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】 本発明は光電変換装置に関する。

近年光電変換装置殊に、固体ｍ像装置に関する研究が、
半導体技術のａ展と共に積極的に行なわれ、一部では実
用化され始めている。

これらの固体撮像装置は、大きく分けるとＣＣＤ型とＭ
ＯＳ型の２つに分類される。ＣＣＤ型撮像装置は、ＭＯ
Ｓキャパシタ電極下にポテンシャルの井戸を形成し、光
の入射により発生した電荷をこの井戸に蓄積し、読出し
時には、これらのポテンシャルの井戸を、電極にかける
パルスにより順次動かして、７ｓ積された電荷を出力ア
ンプ部まで転送して読出すという原理を用いている。ま
たＣＣＤ型撮像装置の中には、受光部はｐｎｎ会合ダイ
オード構造使い、転送部はＣＯＤ構造で行なうというタ
イプのものもある。また一方、ＭＯＳ型ｔＭ像装置は、
受光部を構成するｐｎ接合よりなるフォトダイオードの
夫々に光の入射により発生した電荷を蓄積し、読出し時
には、それぞれのフォトダイオードに接続されたＭＯＳ
スイッチングトランジスタを順次オンすることによりＭ
植された電荷を出力アンプ部に読出すという原理を用い
ている。

ＣＣＤ型撮像装置は、比較的簡単な構造をもち、また、
発生し得る雑音からみても、最終段におけるフローティ
ング・デイフュージョンよりなる電荷検出器の容量値だ
けがランダム雑音に寄与するので、比較的低雑をの撮像
装置であり、低照度撮影が可能である。ただし、ＣＣＤ
型撮像装置を作るプロセス的制約から、出力アンプとし
てＭＯ３型アンプがオンチップ化されるため、シリコン
と、Ｓｉ０２　Ｍとの界面から画像上、目につきやすい
ｌ／ｆ雑音が発生する。従って、低雑音とはいいながら
、その性能に限界が存在している。また、高ａｍ度化を
図るためにセル数を増加させて高密度化すると、一つの
ポテンシャル井戸に蓄積できる最大の電荷量が減少し、
ダイナミックレンジがとれなくなるので、今後、固体撮
像装置が高解像度化されていく上で大きな問題となる。

また、ＣＣＤ型の撮像装置は、ポテンシャルの井戸を順
次動かしながら？Ｉ積重電荷転送していくわけであるか
ら、セルの一つに欠陥が存在してもそこで電荷転送がス
トップしたり、あるいは、極端に悪くなってしまい、！
ｌｌｌｌ個りが上がらないという欠点も有している。

これに対してＭＯ３型撮像装置は、構造的にはＣＣＤ型
撮像装置、特にフレーム転送型の？を置に比較して少し
複雑ではあるが、蓄積容量を大きくし得る様に構成でき
、ダイナミックレンジを広くとれるという優位性をもつ
、また、たとえセルの１つに欠陥が存在しても、Ｘ−Ｙ
アドレス方式のためその欠陥による他のセルへの影響が
なく、製造歩留り的には有利である。しかしながら、こ
のＭＯ３Ｏ３壁装像装置、＠号続出し時に各フォトダイ
オードに配線容量が接続されるため、きわめて大きな信
号電圧ドロップが発生し、出力電圧が下がってしまうこ
と、配線容量が大きく、これによるランダム雑音の発生
が大きいこと、また各フすトダイオードおよび水平スキ
ャン用のＭＯＳスイッチングトランジスタの寄生容量の
ばらつきによる固定パターン雑音の混入等があり、ＣＣ
Ｄ型撮像装置に比較して低照度撮影はむずかしいこと等
の欠点を有している。

また、将来の撮像装置の高解像度化においては各セルの
サイズが縮小され、蓄Ｍ１電荷が減少していく、これに
対しチップサイズから決まってくる配線容量は、たとえ
線幅を細くしてもあまり下がらないやこのため、ＭＯ３
型撮像装置は、ますますＳ／Ｎ的に不利になる。

ＣＣＤ型およびＭＯ３型撮像装置は、以上の様な一長一
短を有しながらも次第に実用化レベルに近ずいてきては
いる。しかし、さらに将来必要とされる高解像度化を進
めてい（うえで木質的に大きな問題を有しているといえ
る。

それらの固体撮像装置に関し、特開昭５８−１５０８７
８　″半導体撮像装置”、特開昭５８−１５７０７３　
　″半導体撮像装置”、特開昭５８−１８５４７３　　
“半導体撮像装２１″に新しい方式が提案されている。

ＣＣＤ型。

ＭＯＳ型の撮像装置が、光入射により発生した電荷を主
電橿（例えばＭＯＳトランジスタのソース）に＃積する
のに対して、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、制御電極（例えばバイポーラ・トラ
ンジスタのベース、ＳＩＴ　（静電誘導トランジスタ）
あるいはＭＯＳトランジスタのゲート）にＩｌｌし、光
により発生した電荷により、流れる電流をコントロール
するという新しい考え方にもとずくものである。すなわ
ち、ＣＣＤ型、ＭＯＳ型が、蓄積サレタ″！′ｒ！、符
ソのものを外部へ読出してくるのに対して、ここで提案
されている方式は、各セルの増幅機能により電荷増幅し
てから蓄積された電荷を読出すわけであり、また見方を
変えるとインピーダンス変換により低インビダンス出力
として読出すわけである。従って、ここで提案されてい
る方式は、高出力、広ダイナミツクレンジ、低雑音であ
り、かつ、光信号により励起されたキャリア（電荷）は
制御電極に′Ｉ！ｊＭｉすることから、非破壊読出しが
できる等のいくつかのメリットを宥している。さらに将
来の高解像度化に対しても可能性を有する方式であると
いえる。

しかしながら、この方式は、基本的にＸ−Ｙアドレス方
式であり、上記公報に記載されている素子構造は、従来
のＭＯ５型撮像装置の各セルにバイポーラトランジスタ
、ＳＩＴトランジスタ等のＩ！ｓ＠素子を複合化したも
のを基本構成としている。そのため、比較的複雑な構造
をしており、高解像化の可能性を有しながらも、そのま
までは高解像化には限界が存在する。

本発明は、各セルに増幅機能を膚するもきわめて簡単な
構造であり、将来の高解像度化にも十分対処しうる新し
い光電変換装置を提供することを目的とする。

かかる目的は、同導電型領域よりなる２個の主電極領域
と該主電極領域と反対導電型の制御電極領域よりなる半
導体トランジスタの該Ｍｌｌ電極領域を浮遊状態にし、
該浮遊状態にした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により、該浮遊状態にした制御電極
領域に、光により発生したキャリアを蓄積する蓄積動作
、蓄積動作により該制御電極領域に発生した蓄積電圧を
読出す読出し動作、該制御電極領域に蓄積されたキャリ
アを消滅させるリフレッシュ動作をそれぞれさせる構造
の光電変換装置において、該浮遊状態になされた制御電
極領域と同導電型の高不純物領域を設け、浮遊状態にな
された制御電極領域とトランジスタ構造をなしたことを
特徴とする光電変換装置によって達成される。

以下に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、本発明の−・実施例に係る光電変換装置を構
成する光センサセルの基本構造および動作を説明する図
である。

第１図＜ａ＞は、光センサセルの平面図を、第１図（ｂ
）は、ｖ！Ｊ１図（ａ）平面図のＡＡ’部分の断面図を
、ｕ４１図（ｃ）は、それの等価回路をそれぞれ示す、
なお、各部位において第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　
（ｃ）に共通するものについては同一の番号をつけてい
る。

第１図では、整列配置方式の平面図を示したが、水Ｖ方
向解像度を高くするために、画素ずらし方式（補間配置
方式）にも配置できることはもちろんのことである。

この光センサセルは、第１図（ａ）、（ｂ）に示すごと
く。

リン　（Ｐ）、アンチモン＜ｓｂ＞　、ヒ素（Ａｓ）等
の不純物をドープしてｎ型又はｎ“型とされたシリコン
基板１のしに、通常ＰＳＧ膜等で構成されるパシベーシ
ョンｌ！Ｉｉ２゜ シリコン酸化膜（Ｓ！０２）より成る絶縁酸化膜３　； となり合う光センサセルとの間を電気的に絶縁するため
のＳｉ０２あるいはＳｉｎ　Ｎ　４等よりなる絶縁膜又
はポリシリコンｌ？Ｊ等で構成される素子分離領域４； 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５； その上の例えば不純物拡散技術又はイオン注入技術を用
いてポロン（Ｂ）等の不純物をドープしたバイポーラト
ランジスタのベースとなるｐ領域６　： 不純物拡散技術、イオン注入技術等で形成されるバイポ
ーラトランジスタのエミツタとなるｎゝ領域７： 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウム（ＡＩ
）、＾ｌ−９ｉ、Ａｌ−Ｃｕ−５ｉ等の導電材料で形成
される配線８； 絶縁１１９３を通して、浮遊状態になされたｐ領域６に
パルスを印加するための電極９： それの配線ｌＯ： 基板ｌの裏面にオーミツクコンタクトをとるために不純
物拡散技術等で形成された不純物濃度の高いｎ４ｐ領域
１１； 基板の電位を与える。すなわちバイポーラトランジスタ
のコＩ／クタ電位を与えるためのアルミニウム等の導電
材料で形成される電極１２゜より構成されている。

なお、第１図（ａ）の１９はｎ′″領域７と配線８の接
続をとるためのコンタクト部分である。又配置１８およ
び配線１０の交互する部分はいわゆる２層配線となって
おり、Ｓｉ０２等の絶縁材料で形成される絶縁領域で、
それぞれ互いに絶縁されている。すなわち、金属の２Ｎ
配線構造になっている。

第１図（Ｃ）の等価回路のコンデンサＣｏ！１３は電極
９、絶縁ｌ１ｆ４３、ｐ領域８（７）ＭＯ３構造より構
成され、又バイポーラトランジスタ１４はエミッタとし
てのｎ＋領域７、ベースとしてのｐ領域６、不Ｍ物濃度
の小さいｎ−領域５．コレクタとしてのｎ又はｎ″領域
１の各部分より構成されている。これらの図面から明ら
かなように５　Ｐ領域６は浮遊領域になされている。

第１図（Ｃ）の第２の等価回路は、バイポーラトランジ
スタ１４をベース・エミッタの接合容竜ＣｂｅＬ５、ベ
ースーエミー、夕のｐｎ接合ダイオードＤｂｅ１６、ベ
ース−コレクタの接合部１Ｃｂｃ１７、ベース・コレク
タのｐｎ接合ダイオードＤｂｃｌＢを用いて表現したも
のである。

以下、光センサセルの基本動作を第１図を用いて説明す
る。

この光センサセルの基本動作は、光入射による電荷蓄積
動作、読出し動作およびリフレッシュ動作より構成され
る０Ｍｌ荷蓄積動作においては、例えばエミッタは、配
線８を通して接地され、コレクターは配線１２を通して
正電位にバイアスされている。またベースは、あらかじ
めコンデンサー〇〇Ｘ１３に、配置１１０を通して正の
パルス電圧を印加することにより負電位、すなわち、エ
ミッタ７に対して逆バイアス状態にされているものとす
る。このＣｏｘ１３にパルスを印加してベース６をＱ１
！位にバイアスする動作については、後にリフレッシュ
動作の説明のとき、くわしく説明する。

この状態において、１１１図に示す様に光センサセルの
表側から光２０が入射してくると、半導体内においてエ
レクトロン・ホール対が発生する。

この内、エレクトロンは、ｎ領域ｌが正電位にバイアス
されているのでｎ領域ｌ側に流れだしていってしまうが
、ホールはｐ領域６にどんどん蓄積されてい〈、このホ
ールのｐ領域への蓄積によりｐ領域６の電位は次第に正
電位に向かって変化していく。

第１図（ａ）　、　（ｂ）でも各センサセルの受光面下
面は、はとんどｐ領域で占られており、一部ｎ０領域７
となっている。当然のことながら、光により励起される
エレクトロン◆ホール対濃度は表面に近い程大きい、こ
のためｐ領域６中にも多くのエレクトロン◆ホール対が
光により励起される。ｐ領域中に光励起されたエレクト
ロンが再結合することなくｐｆｆｌ域６からただちに流
れ出て、ｎ領域に吸収されるようなａ造にしておけば、
ｐ領域６で励起されたホールはそのまま蓄積されて、ｐ
領域６を正電位方向に変化させる。ｐ領域６の不純物濃
度が均一になされている場合には、光で励起されたエレ
クトロンは拡散で、ｐ領域６とｎ−領域５とのｐｎ−接
合部まで流れ、その後はｎ”領域に加わっている強い電
界によるドリフトでｎコレクタ領域ｌに吸収される。も
ちろん、ｐ領域６内の電子の走行を拡散だけで行なって
もよいわけであるが１表面から内部に行くほどｐベース
の不純物濃度が減少するように構成しておけば５この不
純物濃度差により、ベース内に内部から表面に向う電界
Ｅｄ。

が発生する。ここで、Ｗ−はｐｔｔＩ域６の光入射側表
面からの深さ、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑ
は単位電・荷、ＮＡｓはｐベース領域６の表面不純物濃
度、ＮＡｉはｐＴｒＴｅＯ２−高抵抗領域５との界面に
おける不純物濃度である。

ここで、Ｎ　Ａｓ　／　Ｎ　Ａｌ　＞　３とすれば、Ｐ
領域６内の電子の走行は、拡散よりはドリフトにより行
なわれるようになる。すなわち、Ｐ領域６内に光により
励起されるキャリアを信号として有効に動作させるため
には、Ｐ領域６の不純物濃度は光入射側表面から内部に
向って減少しているようになっていることが望ましい、
拡散でｐ領域６を形成すれば、その不純物濃度は光入射
側表面にくらべ内部に行くほど減少している。

センサセルの受光面下の一部は、ｎ”ｍ域７により占ら
れている。ｎ４′領域７の深さは、通常０．２〜０．３
ｐｍ程度、あるいはそれ以下に設計されるから、ｎゝ領
域７で吸収される光の量は、もともとあまり多くはない
のでそれ程問題はない。

ただ、短波長側の光、特に青色光に対しては、ｎ小領域
７の存在は感度低下の原因になるｏｎ”領域７の不純物
濃度は通常Ｉ　Ｘ　１０′。ｃ＋ｓ−’程度あるいはそ
れ以上に設計される。こうした高濃度に不純物がドープ
されたｎ＋領域７におけるホールの拡散距離は０．１５
〜０．２１ｔ、ｍ程度である。したがって、ｎ゛領域７
内で光励起されたホールを有効にｐ領域６に流し込むに
は、ｎ＋領域７も光入射表（資）から内部に向って不純
物濃度が減少する構造になっていることが望ましい、ｎ
ゝ領域７の不純物濃度分和か上記の様になっていれば、
光入射側表面から内部に向う強いドリフト電界が発生し
て。

ｎゝ領域７に光励起されたホールはドリフトによりただ
ちにｐ’ｔＪ域６に流れ込む。ｎ＋領域７、ｐ領域６の
不純物濃度がいずれも光入射側表面から内部に向って減
少するように構成されていれば、センサセルの光入射側
表面側に存在するｎ′″領域７、ｐｆｆｌ域６において
光励起されたキャリアはすべて光信号として有効に働く
のである。　Ａｓ又はＰを高濃度にドープしたシリコン
酸化膜あるいはポリシリコン咬からの不純物拡散により
、このｎ“領域７を形成すると、上記に述べたような望
ましい不純物傾斜をもつｎ′″領域を得ることが可能で
ある。

岐終的には、ホールの′ａａによりベース電位はエミッ
タ電位まで変化し、この場合は接地電位まで変化して、
そこでクリシブされることになる。

より厳密に言うと、ベース・エミッタ間が順方向に深く
バイアスされて、ペースに蓄積されたホールがエミッタ
に流出し始める電圧でクリップされる。つまり、この場
合の光センサセルの飽和電位は、最初にｐ領域６を負電
位にバイアスしたときのバイアス電位と接地電位との電
位差で略々与えられるわけである。ｎゝ領域７が接地さ
れず、浮遊状態において光入力によって発生した°＋を
荷の蓄積を行なう場合には、ｐ領域６はｎ領域ｌと略々
同電位まで電荷を蓄積することができる。

以上は電荷蓄積動作の定性的な概格説明であるが、以下
に少し具体的かつ定量的に説明する。

この光センサセルの分光感度分相は次式で与えられる。

Ｓ（入　）　　ｌｘ　　　　　１２４　　ｅ　　ｅｘｐ
（−ａ　　ｘ　）Ｘ　　（１−ｅｘｐ（−ａ　？　）　
　）　　・Ｔ　　　［Ａ／Ｗｌ但し、入は光の波長−側
しαはシリコン結晶中での光の減衰係数　［ｅ＋＊−’
］、ｘは半導体表面にお（する、再結合損失を起こし感
度に寄与しない”ｄｅａｄ　１ａｙｅｒ　　（不感領域
）の厚さ　［ｇｍｌ、ｙはエビ層の摩さ　［終口］、Ｔ
は透過率すなわち。

入射してくる光？、）に対して反射等を考慮して有効に
半導体中に入射する光量の割合をそれぞれ示している。

この光センサセルの分光感度　Ｓ（入）および放射照度
　Ｅｓ（入）を用いて光電流１ｐは次式で計算され　る
。

！ｐ＝ｆ：Ｓ（入）ｌＩＥｅ（λ）−ｄ入［ルＡ／ｃｍ
”１ ｆｒ１シ放射照度Ｅｅ（入）　　［ｇＷ　＊　ｃｍ−２
ｅ　ｎ＋ｏ−’　］　は次式で与えられる。

【鰺Ｗ　＊　ｃ、−！　・ａｍ−’　１但しＥマはセン
サの受光面の照度［Ｌｕｘ　］　。

Ｐ（入）はセンサの受光面に入射している光の分光分ｎ
、ｖ　　ｃ入）は人間の目の比視感度である。

これらの式を用いると、エビ厚の＃４絡−をもつ光セン
サセルでは、Ａ光源（２８５４°Ｋ）で照射され、セン
サ受光面照度が１　［Ｌｕｘ］のとき。

約２８０　ｎＡ／ｃｍ−’の光電流が流れ、入射してく
るフォトンの数あるいは発生するエレクトロン◆ホール
対の数は１．８　Ｘ　１０”ケ／Ｃ＠　”　＊　ｓｅｅ
　１ＩｉＢ　テある。

又２この時、光により励起されたホールがベースに蓄積
することにより発生する電位ＶｐはＶｐ＝Ｑ／Ｃで与え
られる。Ｑは蓄積されるホールの電荷量であり、ＣはＣ
ｂｃ１５とＣｂｃ１７を加算した接合容量である。

いま、ｎ＋ｇＩ域７の不純物濃度を１０２０ｃｍ−３２
領域６の不純物濃度を５　Ｘ　１，０”　ｃｍ−”　、
　　ｎ″″領域５の不純物濃度を１０　ｃ＋ｓ−”　、
　　ｎ”領域７の面積を１６ｇｍ”、ｐ領域６の面積を
８４ｇｍ”、ｎ−領域５の厚さを３←−にしたときの接
合容量は、約０．０１４ｐＦ位になり、一方、ｐ領域６
に蓄積されるホールの個数は、蓄積時間１／８０ｓｅｃ
　、有効受光面積、すなわちｐ領域６の面積から電極８
および９の面積を引いた面積を５８ｇ、ｍ”程度とする
と、１．７　Ｘ　ｔｏ’ケとなる。従って光入射により
発生する電位Ｖｐは　ｌＨｍＶ位になる。

ここで注目すべきことは、高解像度化され、セルサイズ
が縮小化されていった時に、一つの光センサセルあたり
に入射する光量が減少し、蓄ａ電荷ＩＱが共に減少して
いくが２セルの縮小化に伴ない接合容量もセルサイズに
比例して減少していくので、光入射により発生する電位
ＶＰはほぼ一定にたもたれるということである。これは
本発明における光センサセルが第１図に示すごとく、き
わめて簡単な構造をしており有効受光面がきわめて大き
くとれる可能性を有しているからである。

インターラインタイプのＣＯＤの場合と比較して本発明
における光電変＃！装置が有利な理由の一つはここにあ
り、高解像度化にともない、インターラインタイプのＣ
ＣＤ型撮像装置では、転送する電荷量を確保しようとす
ると転送部の面積が相対的に大きくなり、このため有効
受光面が減少するので、感度、すなわち光入射による発
生電圧が減少してしまうことになる。また、インターラ
インタイプのＣＣＤ型撮像装置では、Ｉ！！和電圧が転
送部の大きさにより制限され、どんどん低下していって
しまうのに対し、本発明における光センサセルでは、先
にも書いた様に、最初にｐ領域６を負電位にバイアスし
た時のバイアス電圧により飽和電圧は決まるわけであり
、大きな飽和電圧を確保することができる。

以ヒの様にしてｐ領域６に苓積された電荷により発生し
た電圧を外部へ読出す動作について次に説明する。

読出し動作状態では、エミッタ、配線８は浮遊状態に、
コレクターは正電位ＭＣｃに保持される。

第２図に等価回路を示す、今、光を照射する前に、ベー
ス６を負電位にバイアスした時の電位を−ｖＩ　とし、
光照射により発生した蓄積電圧をＶｐとすると、ベース
電位は、−Ｖ＠　＋Ｖｐなる電位になっている。この状
態で配線１０を通して電極９に読出し用の正の電圧Ｖ−
を印加すると、この正の電位ｖｌｌは酸化咬容、１ｃｏ
ｘ１３とベース・エミッタ間接合容量Ｃｂｅ１５、ベー
ス・コレクタ間接合室１ｉｃｂｃ７により容量分割され
、ベースには電圧 が加算される。

従ってベース電位は となる。ここで５ となる条件が成立するようにしておくと、ベース電位は
光照射により発生した蓄積電圧Ｖｐそのものとなる。こ
のようにしてエミッタ電位に対してベース電位が正方向
にバイアスされると、エレクトロンは、エミッタからベ
ースに注入され、コレクタ電位が正電位になっているの
て、ドリフト電界により加速されて、コレクタに到達す
る。この時に流れる電流は、次式で与えられる。

Ｘ　　（ｅ冨Ｐ　　　　　　　（Ｖｐ　　−Ｗｅ）　−
１）Ｔ ＜ａ　Ｌ　ｐ、　ｊはベース・エミッタ間の接合面ｍ６
　ｑは単位電荷量（１ｙ８Ｘ　ＩＱ″１クーロン）、Ｄ
ｎはベース中におけるエレクトロンの拡散定数、ｎ　ｐ
ｓはＰベースのエミッタ端における少数キャリヤとして
のエレクトロン濃度、Ｗ・はベース幅、ＮＡ２はベース
のエミッタ端におけるアクセプタａ度、Ｎ＾Ｃはベース
のコレクタ端におけるアクセプタ濃度、ｋはボルツマン
定数、Ｔは絶対温度、Ｖ６はエミッタ電位である。

この電流は、エミッタ電位ｖｅがベース電位、すなわち
ここでは光照射により発生した蓄積電圧Ｖｐに等しくな
るまで流れることは上式から明らかである。この時エミ
ッタ電位Ｖａの時間的変化は次式で計算される。

Ｘ　　（ｅｘｐ　　　　　　　（Ｖｐ　　−Ｖｅ）−１
）Ｔ 但し、ここで配線中４１０　ｓはエミッタに接続されて
いる配線８のもつ容量２１である。

第３図は、上式を用いて計算したエミッタ電位の内聞変
化の一例を示している。

第３図によればエミッタ電位がベース電位に等しくなる
ためには、約１秒位を要することになる。これはエミッ
タ電位　ＶｅがＶｐに近くなるとあまり電流が流れなく
なることに起因しているわｔすである。したがって、こ
れを解決する手段は、先に電極９にＩＥ電圧Ｖｌを印加
するときに。

なる条件を設定したが、この条件の代わりになる条件を
入れ、ベース電位をＶａ＋ａｓだけ、余分に開方向にバ
イアスしてやる方法が考えられる。

この時に流れるｉ１！流は次式で与えられる。

Ｘ（ｅ冨ｐ−３−（Ｖ　ｐ　−１−Ｖ　＊問ｓ−Ｖ　ｅ
）−目Ｔ 第４図（ａ）に、　Ｖｓ＋ａｇ＝０．８　Ｖとした場合
、ある一定時間の後、電極９に印加していたＶｌをゼロ
ボルト５二もどし１流れる電流を停止させたときの；Ｊ
積電圧Ｖｐに対する、読出し電圧、すなわちエミッタ電
位の関係を示す、但し、第４図（ａ）では、読出し電圧
はバイアス電圧成分による読出し時間に依存する一定の
電位が必ず加算されてくるがそのゲタ分をさし引いた値
をプロットしている。′ｌｔ極９に印加している正電圧
ｖＩＩをゼロボルトにもどした時には、印加したときと
は逆になる°１ｔｔＦＥがベース電位に加算されるので
、ベース電位は、正電圧ｖ宵を印加する前の状態、すな
わち−Ｖ・になり、エミッタに対し逆バイアスされるの
で１１ＦＩＬの流れが停止するわけである。第４図（ａ
）によれば１１００ｎ程度以上の読出し時間（すなわち
Ｖ、を電極９に印加している時間）をとれば、溶植電圧
ＶＰと読出し電圧は４桁程度の範囲にわたって１１線性
は確保され、高速の読出しが可能であることを示してい
る。第４図（ａ）で、　４５’の線は読出しに十分の時
間をかけた場合の結果での線は読出しに十分の時間をか
けた場合の結果であり、上記の計’！例では、配線８の
容量　Ｃ３を４ｐＦとしているが、これはＣｂｅ＋　Ｃ
ｂｃの接合容醍の０．０１４９　Ｆと比較して約３００
倍も大きいにもかかわらず、ｐ領域６に発生した蓄積電
圧Ｖｌが何らの減衰も受けず、かつ、バイアス電圧の効
果により、きわめて高速に読出されるでいることを第４
図（ａ）は示している。これは上記構成に係る光センサ
セルのもつ増幅機能、すなわち電荷増幅機能が有効に働
らいているからである。

これに対して従来のＭＯＳ５撮像装置では、蓄ｆ、ａ　
Ｍｌ）Ｅ　Ｖ　ｐは、このような読出し過程において配
線容１ｔｃｓ　（Ｆ）影響テｃｊ　−Ｖｐ　／　（Ｃｊ
　＋Ｃｓ　）（但しＣｊはＭＯＳ型撮像装置の受光部の
、ｎ接合容量）となり、２桁位読出し電圧値が下がって
しまうという欠点を有していた。このためＭＯＳ型撮像
装置では、外部へ読出すためのスイッチングＭＯＳトラ
ンジスタの寄生容量のばらつきによる固定パターン雑音
、あるいは配線容騒すなわち出力金槌が大きいことによ
り発生するランダム雑音が大きく、Ｓ／Ｎ比がとれない
という問題があったが、第１図（ａ）　、　（ｂ）　、
　（ｃ）で示す構成の光センサセルでは、ｐ領域６に発
生した蓄積電圧そのものが外部に読出されるわけであり
、この電圧はかなり大きいため固定パターン雑音、出力
容量に起因するランダム雑音が相対的に小さくなり、き
わめてＳ／Ｎ比の良い信号を得ることが可能である。

先に、バイアス電圧Ｖｌｉａ！ｌを０．８■に設定した
とき、４桁程度の直線性が１００ｎｓｅｃ　ｖｉ度の高
速読出し時間で得られることを示したが、この直線性お
よび読出し時間とバイアス電圧　Ｖｍ＋ａｓの関係を計
算した結果をさらにくわしく２第４図（ｂ）に示す。

第４図（ｂ）において横軸はバイアス電圧Ｖｓ＋ａｓで
あり、また、縦軸は読出し時間をとっている。

またパラメータは、蓄積電圧がｌ　　ｍＶのときに、読
出し電圧が１　　ｍＶの８０％、９０％、９５％。

９８％になるまでの時間依存性を示している。第４図（
ａ）に示される様に、蓄積電圧１　　ｍＶにおいて、そ
れぞれ８０％、９０％、９５％、９８％になっている時
は、それ以上の＃積電圧では、さらに良い偵を示してい
ることは明らかである。

この第４図（ｂ）によれば、バイアス電圧ｖｅｉａｓが
０．８Ｖでは、読出し電圧が蓄積電圧の８０％になるの
は読出し時間がＯ，１２ｐｓ　、　９０％になるのは０
．２７井３５９５％になるのは０．５４鯵Ｓ、９８％に
なるのは　１．４μｓであるのがわかる。また、バイア
ス電圧■旧ａＳを　０．６Ｖより大きくすれば、さらに
高速の読出しが可ｔ＠であることを示している。この様
に、瞳像装置の全体の設計から読出し時間および必要な
直線性が決定されると、必要とされるバイアス電圧Ｖｓ
＋ａｓが第４図（ｂ）のグラフを用いることにより決定
することができる。

上記構成に係る光センサセルのもう一つの利点は、ｐ領
域６に蓄積されたホールはｐ領域６におけるエレクトロ
ンとホールの再結合確率がきわめて小さいことから非破
壊的に読出し可能なことである。すなわち読出し時に電
極９に印加していた′闇圧ｖ青をゼロボルトにもどした
時、Ｐ領域６の電位は電圧ｖ脅を印加する前の逆バイア
ス状態になり、光照射により発生した１ｒｒＩ！ｉ電圧
Ｖｐは、新しく光が照射されない限り、そのまま保存さ
れるわけである。このことは、上記構成に係る光センサ
セルを光電変ａ？ｔ２Ｉとして構成したときに、システ
ム動作上、新しい機能を提供することができることを意
味する。

このｐ領域６に蓄積電圧Ｖｐを保持できる時間は、きわ
めて長く、最大の保持時間は、むしろ、接合の空乏層中
において熱的に発生する暗電流によって制限を受ける。

すなわち、この熱的に発生する暗電流により光センサセ
ルが飽和してしまうからである。しかしながら、上記構
成に係る光センサセルでは、空乏層の広がっている領域
は、低不純物濃度領域であるｎ′″領域５であり、この
ｎ−領域５は１０”　ｃｍ−’　〜１Ｇ”　ａｍ−３８
！度と、きわめて不純物濃度が低いため、その結晶性が
良好であり、ＭＯＳ型、ＣＣＤ５撮像装置に比較して熱
的に発生するエレクトロン・ホール対は少ない。

このため、暗電流は、他の従来の装置に比較して小さい
、すなわち、上記構成に係る光センサセルは木質的に暗
電流雑音の小さい構造をしているわけである。

次いでｐＩｔＩ域６に蓄積された電荷をリフ１／−／シ
ュする動作について説明する。

、Ｅ記構成に係る光センサセルでは、すでに述べたごと
く、ｐ領域６に蓄積された電荷は、読出し動作では消滅
しない、このため新しい光情報を人力するためには、前
に蓄積されていた電荷を消滅させるためのリフレッシュ
動作が必要である。また同時に、浮遊状態になされてい
るＰ領域６の電位を所定の負電圧に帯電させておく必要
がある。

上記構成に係る光センサセルでは、リフｌ／−／シュ勅
作も読出し動作と同様、配線１０を通して電極９に正電
圧を印加することにより行なう、このとき、配＆１８を
通してエミツタを接地する。コレクタは、電極１２を通
して接地又は正電位にしておく、第５図にリフレッシュ
動作の等価回路を示す、但しコレクタ側を接地した状態
の例を示している。

この状態で正電圧Ｖ曲なる電圧が電極９に印加されると
、ベース２２には、酸化膜容騒Ｃｏｘ１３、ベース・エ
ミッタ間接合容［ＩＣｂｅ１５、ベース・コレクタ間接
合容ＪｉＣｂｃ１７の容量分割により、 なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的にかか
る。この電圧により、ベース・エミシタ間接合ダイオー
ドＤｂｅ１６およびベース・コレクタ間接合ダイオード
Ｄｂｃ１８は順方向バイアスされて導通状態となり、Ｍ
ｌ流が流れ始め、ベース電位は次第に低下していく。

この時、浮遊状態にあるベースの電位■の変化は近似的
に次式で表わされる。

但し、 × ｆ　Ｉ！！Ｐ （ ■） ） ｉｔ　＝＋Ａｅ　　ｑＤｎ　ｎＱ １１ Ｘ　　（ｅｘｐ　　（−Ｖ　）　　−１）Ｔ ｉ工はダイオードＤｂｃｌ流れる電流、！２はダイオー
ドＤｂｅを流れる電流である。Ａｂはベース面積、Ａｓ
はエミッタ面積、ＤＰはコレクタ中におけるホールの拡
散定数、Ｐ　ｎｓはコレクタ中における熱平衡状態のホ
ール′ａ度、Ｌｐはコレクタ中におけるホールの平均自
由行程、ｎｌ、はベース中における熱平衡状態でのエレ
クトロン濃度である。ｉ、で、ベース側からエミッタへ
のホール注入によるｉｉ流は、エミッタの不純物濃度が
ベースの不純物濃度にくらべて充分高いので、無視でき
る。

ヒに示した式は、段階接合近似のものであり実際のデバ
イス℃は段階接合からはずれており、又ベースの厚さが
薄く、かつ複雑な濃度分布を有しているので厳密なもの
ではないが、リフレッシュ動作をかなりの近似で説明可
能である。

上式中のベース・コレクタＨに流れる電流ｉよの内、ｑ
・Ｄｐ−Ｐｎａ／ＬＰはホールによる電流、すなわちベ
ースからホールがコレクタ側へ流れだす成分を示してい
る。このホールによる′電流が流れやすい様に上記４１
１１戊に係る光センサセルでは、コレクタの不純物ｍ度
は１通常のｌくイポーラトランジスタに比較して少し低
めに設計される。

この式を用いて計算した、ベース電位の時間依存性の一
例を第６図に示す、横軸は、リフレッシュ電圧Ｖ□が゛
電極９に印加された瞬間からの時間経過すなわちリフレ
ッシュ時間を、縦軸は。

ベース電位をそれぞれ示す、また、ベースの初期電位を
パラメータにしている。ベースの初期電位とは、リフレ
ッシュ電圧ＶＩＩＮが加わった瞬間に、浮遊状態にある
ベースが示す電位であり、ＶＩ１４＋ＣＯＸ、Ｃｂｅ、
Ｃｂｃ及びベースに蓄積されている電荷によってきまる
。

この第６図をみれば、ベースの電位は初期電位によらず
、ある時間経過後には必ず１片対数グラフ上で一つの［
＄１にしたがって下がっていく。

第６図（ｂ）に、リフレッシュ時間に対するベース′取
位変化の実験値を示す、第６図（ａ）に示した計算例に
比較して、この実験で用いたテストデバイスは、ディメ
ンションがかなり大きいため、計算例とはその絶対値は
一致しないが、リフレッシュ時間に対するベース電位変
化が片対数グラフ上で直線的に変化していることが実証
されている。この実験例ではコレクタおよびエミッタの
両者を接地したときの値を示している。

今、光照射による蓄積電圧Ｖｐの最大値を０．４ＣＶＩ
　、　　リフレッシュ電圧Ｖ四によりベースに印加され
る電圧Ｖ　を０．４［Ｖｌ　とすると、第６図に示すご
とく初期ベース電位の最大値はＯ４８［ｖ］となり、リ
フレッシュ電圧印加後１０　　［５ｅｃｌ後には直線に
のってベース電位が下がり始め、ｔｏ−’［５ｅｃｌ後
には、光があたらなかった時、すなわち初期ベース電位
が０．４［Ｖｌのときの電位変化と一致する。

ｐ領域６が、ＭＯＳキャパシタＣｏｔを通して正電臣を
ある時間印加し、その正電圧を除去すると員電位に帯電
する仕方には、２通りの仕方がある。一つは、ｎ領域６
から正電荷を持つホールが、主として接地状態にあるｎ
ｇＡ域１に流れ出すことによって、負電荷が蓄積される
動作である。

ｐｆａ域６からホールが、ｎｖＪ域ｌに一方的に流れ、
ｎ領域１の電子があまりｎ領域６内に流れ込まないよう
にするためには、Ｐ領域６の不純物密度をｎ＠域１の不
純物密度より高くしておけばよい、一方５　ｎ＋領域７
やｎ領域ｌからの電子が、ｎ領域６に流れ込み、ホール
と再結合することによって、ｎ領域６に負電荷が蓄積す
る動作も行なえる。この場合には、ｎ領域ｌの不純物密
度はｎ領域６より高くなされている。ｎ領域６からホー
ルが流出することによって、負電荷が蓄積する動作の方
が、ｐｍｍ城代ベース電子が流れ込んでホールと再結合
することにより負電荷が蓄積する動作よりはるかに速い
、しかし、これまでの実験によれば、電子をｎ領域６に
流し込むリフレッシュ動作でも、光電変！！８装置の動
作に対しては、十分に速い時間応答を示すことが確認さ
れている。

Ｌ記構酸に係る光センサセルをＸＹ力方向多数ならべて
光電変換装置を構成したとき、画像により各センサセル
で、蓄ＩＡ電圧ＶＰは、上記の例では　０〜０．４　　
［Ｖｌの間でばらついているが、リフレッシュ電圧Ｖ　
Ｒ１１印加後１０−’　［ｓｅｃｌには、全てのセンサ
セルのベースには約０．３［Ｖ］程度の・−定電圧は残
るものの、画像による蓄積電圧Ｖｐの変化分は全て消え
てしまうことがわかる。すなわち、上記構成に係る光セ
ンサセルによる光電変換装置では４　リフレッシュ動作
により全てのセンサセルのベース電位をゼロボルトまで
持っていく完全リフレッシュモードと（このときは第６
図（ａ）の例では１０　［ｓｅｃｌを要する）、ベース
電位にはある一定電圧は残るものの蓄８１電圧Ｖｐによ
る変動成分が消えてしまう過渡的リフレシュモードの二
つが存在するわけである（このときは第６図（ａ）の例
では、ｔｏ　［＃Ｌｓｅｃｌ〜１Ｑ（ｓｅｃｌのリフレ
ッシュパルス）０以上の例では、リフレッシュ電圧ｖ９
Ｈによりベースに印加される電圧■＾　を０．４［Ｖｌ
としたが、この電圧■＾を０．８［Ｖｌとすれば、）Ｚ
記、過渡的リフレッシュモードは、第６図によれば、ｌ
　［ｎ５ｅｃｌでおこり、きわめて高速にリフレッシュ
することができる。完全リフレッシュモードで動作させ
るか、過渡的リフレッシュモードで動作させるかの選択
は光電変換装置の使用目的によって決定される。

この過渡的リフレッシュモードにおいてベースに残る電
圧をｖ虻とすると、リフレッシュ電圧■、□を印加後、
Ｖ　ＩＮをゼロボルトにもどす瞬間の過渡的状態におい
て、 なる負電圧がベースに加算されるので、リフレッシュパ
ルスによるリフレッシュ動作後のベース電位は となり、ベースはエミッタに対して逆）＼イアス状態に
なる。

先に光により励起されたキャリアを蓄積する蓄積動作の
とき、蓄積状態ではベースは逆バイアス状態で行なわれ
るという説明をしたが、このリフレッシュ動作によす、
リフレッシュおよびベースを逆バイアス状態に持ってい
くことの２つの動作が同時に行なわれるわけである。

第６図（Ｃ）にリフレッシュ電圧Ｖ□に対するリフレッ
シュ動作後のベース電位 の変化の実験値を示す、パラメータとしてＣｏｘの値を
５ｐＦから１００ｐＦまでとっている。丸印は実験値で
あり、￥線は より計算される計算値を示している。このときＶ、　＝
０．５２’／であり、また、Ｃｌ１１ｃ＋　Ｃｂｅ＝　
４ｐＦ　テある。但し観測用オシロスコープのプローグ
容量１３ｐＦがＣｂｃ＋Ｃｂｅに並列に接続されている
。この様に、計算値と実験値は完全に一致しており。

リフレッシュ動作が実験的にも確認されている。

以上のリフジーアシュ勅作においては、第５図に示す様
に、コレクタを接地したときの例について説明したが、
コレクタを正電位・にした状態で行なうことも可能であ
る。このときは、ベース・コレクタ間接合ダイオードＤ
ｂｃ１８が、リフレッシュパルスが印加されても、この
リフレッシュパルスによりベースに印加される電位より
も、コレクタに印加されている正電位の方が大きいと非
導通状態のままなので、電流はベース・エミッタ間接合
ダイオードＤｂｅｌＢだけを通して流れる。このため、
ベース電位の低下は、よりゆっくりしたものになるが、
基本的には、前に説明したのと、まったく同様な動作が
行なわれるわけである。

すなわち第６図（ａ）のリフレッシュ時間に対するベー
ス電位の関係は、第６図（ａ）のベース電位が低下する
時の斜めの直線が右側の方、つまり、より時間の要する
方向ヘシフトすることになる。

したがって、コレクタを接地した時と同じリフレッシュ
電圧Ｖ　ＩＮを用いると、リフレッシュに時間を要する
ことになるが、リフレッシュ電圧Ｖ　Ｒ１１をわずか高
めてやればコレクタをｍ＃Ａした時と同様、高速のリフ
レッシュ動作が可能である。

以上が光入射による電荷蓄積動作、読出し動作、リフレ
ッシュ動作よりなる上記構成に係る光センサセルの基本
動作の説明である。

以上説明したごとく、上記構成に係る光センサセルの基
本構造は、すでにあげた特開昭５６−１５０８７８、特
開昭５６−１５７０７３　、特開昭５８−１６５４７３
と比較してきわめてＦＪ虫な構造であり、将来の高解像
度化に十分対応できるとともに、それらのもつ優れた特
徴である増幅機能からくる低雑音、高出力、汰ダイナミ
ックレンジ、非破壊読出し等のメリットをそのまま保存
している。

次に、以上説明した構成に係る光センサセルを二次元に
配列して構成した本発明の光電変換装設の一実施例につ
いて図面を用いて説明する。

す。

すでに説明した点線でかこまれた基本光センサセル３０
（この時バイポーラトランジスタのコレクタは基板およ
び基板電極に接続されることを示している。）、続出−
しパルスおよびリフレッシュパルスを印加するための水
平ライン３１３１’、３１”、読出しパルスを発生させ
るための垂直シフトレジスタ３２、垂直シフトレジスタ
３２と水平ライン３１．３１’、３１−の間のバッファ
ＭＯ３）ランジメタ３３．３３ ３３“　　　　のゲートにパルスを印加するための端子
３４、リフレッシュパルスを印加するためのバック７Ｍ
０Ｓトランジスタ３５．３５’、３５″、それのゲート
にパルスを印加するための端子３６、リフレッシュパル
スを印加するための端子３７．基本光センサセル　３０
から蓄８１電圧を読出すための垂直ライン３８．３８’
　　３８”各垂直ラインを選択するためのパルスを発生
する水平シフトレジスタ３９、各垂直ラインを開閉する
ためのゲート用ＭＯＳ）ランンジスタ４０゜４０’、４
０″、蓄積電圧をアンプ部に読出すための出力ライン４
１．読出し後に、出力ラインに１７１した電荷をリフレ
ッシュするためのＭＯＳトランジスタ４２、ＭＯＳトラ
ンジスタ４２ヘリフレツシユパルスを印加するための端
子４３、出力信号を増幅するためのバイポーラ、ＭＯＳ
、ＦＥＴ、Ｊ−ＦＥＴ等のトランジスタ４４．負荷抵抗
４５、トランジスタと電源を接続するための端子４６、
トランジスタの出力端子４７、読出し動作において垂直
ライン４０．４０’、４０″に蓄積された電荷をリフレ
ッシュするためのＭＯＳトランジスタ４８．４８’、４
８“、およびＭＯＳ）ランジメタ４８．４８’　、４８
″のゲートにパルスを印加するための端子４９によりこ
の先電変換装置は構成されている。

この光電変換装置の動作について第７図および第８図に
示すパルスタイミング図を用いて説明する。

第８図において１区間６１はリフレッシュ動作、区間６
２は′Ｔｔ積動作、区間６３は読出し動作にそれぞれ対
応している。

時刻ｔｌにおいて、基板電位、すなわち光センサセル部
のコレクタ電位６４は、接地電位または正電位に保たれ
るが、第８図では接地電位に保たれているものを示して
いる。接地電位又は正電位のいずれにしても、すでに説
明した様に、リフレッシュに要する時間が異なってくる
だけであり、基本動作に変化はない。端子４９の電位６
５はｈｉｇｈ状態であり、ＭＯＳ）ランジメタ４８゜４
Ｂ’、４８″は導通状態に保たれ、各光センサセルは、
垂直ライン３８．３８’、３８”を通して接地されてい
る。また端子３６には、波形６６のごとくバッフ、ＭＯ
Ｓ）ランジスタが導通する電圧が印加されており、全画
面−括すフレッシュ用バッファＭＯＳｌ−ランジメタ３
５．３５’、３５′″は導通状態となっている。この状
態で端子３７に波形　６７のごとくパルスが印加される
と、水平ライン３１．３１’、３１”を通して各光セン
サセルのベースに電圧がかかり、すでに説明した様に、
リフレッシュ動作に入り、それ以前に蓄積されていた電
荷が、完全リフレッシュモード又は過渡的リフツレシュ
モードにしたがってリフレッシュされる。完全リフレッ
シュモードになるか又は過渡的リフレッシュモードにな
るかは波形６７のパルス幅により決定されるわけである
。

ｔ２時刻において、すでに説明したごとく、各光センサ
セルのトランジスタのベースはエミッタに対して逆バイ
アス状態となり、次の？１積区間６２へ移る。このリフ
レッシュ区間６１においては、図に示すように、他の印
加パルスは全てｌｏｗ状態に保たれている。

１１積動作区間６２においては、基板電圧、すなわちト
ランジスタのコレクタ電位波形　６４は１を電位にする
。これにより光照射により発生した工。

レフトロン・ホール対のうちのエレクトロンを。

コレクタ側へ早く流してしまうことができる。しかし、
このコレクタ電位を正電位に保つことは、ベースをエミ
ッタに対して逆方向バイアス状態、すなわち負電位にし
て撮像しているので必須条件ではなく５接地型位あるい
は若干負電位状態にしても基本的な蓄積動作に変化はな
い。

蓄積動作状態においては、ＭＯＳ）ランジメタ４８．４
８’、４８“のゲート端子４９の電位６５は、リフレッ
シュ区間と同様、　ｈｉｇｈに保たれ、各ＭＯＳ）ラン
ジスタは導通状態に保たれる。このため、各光センサセ
ルのエミッタは垂直ライン３８．３８’、３８”を通し
て境地されている０強い光の照射により、ベースにホー
ルが蓄積され、飽和してくると、すなわちベース電位が
エミッタ電位（接地電位）に対して順方向バイアス状態
になってくると２ホールは垂直ライン３８３Ｂ’、３８
″を通して流れ、そこでベース電位変化は停止し、はク
リ、ブされることになる。

したがって、重置方向にとなり合う光センサセルのエミ
ッタが垂直ライン３８．３８’、３８”により共通に接
続されていても、この様に垂直ライン３８．３８’、３
８”を接地しておくと、ブルーミング現象を生ずること
はない。

このブルーミング現象をさける方法は、ＭＯＳトランジ
スタ４８．４８’、４８″をＪ［導通状態にして、垂直
ライン３８．３８’、３８”を浮遊状態にしていても、
基板電位、すなわちコレクタ電位６４を若干負電位にし
ておき、ホールの蓄積によりベース電位が正電位方向に
変化してきたとき、エミッタより先にコレゲタ側の方へ
流れだす様にすることにより達成することも可能である
。

蓄積区間６２に次いで、時刻ｔ３より読出し、区ＩＨＩ
　６３になる。この時刻ｔｌにおいて、ＭＯＳトランジ
スタ４８．４８’、４８”のゲート端子４９の電位６５
をｌｏｗにし、かつ水平ライン３１．３１’、３１”の
バッファーＭＯＳ）ランジメタ３３，３３′、３３”の
ゲート端子の電位６８をｈｉｇｈにし、それぞれのＭＯ
Ｓ）ランジスタを導通状態とする。但し、このゲート端
子３４の電位６８をｈｉｇｈにするタイミングは、時刻
ｔ３であることは必須条件ではなく、それより早い時刻
であれば良い。

時刻ｔ４では、垂直シフトレジスター３２の出力のうち
、水平ライン３１に接続されたものが波形６９のごと＜
　ｈｉｇｈとなり、このとき、ＭＯＳ）ランジメタ３３
が導通状態であるから、この水平ライン３１に接続され
た３つの各党センサセルの読出しが行なわれる。この読
出し動作はすでに前に説明した通りであり、各党センサ
セルのベース領域に蓄積された信号電荷により発生した
信号電圧は、そのまま、垂直ライン３８．３８’３８”
に現われる。このときの垂直シフトレジスター３２から
のパルス電圧のパルス幅は、第４図に示した様に、蓄積
電圧に対する読出し電圧が、１−分直線性を保つ関係に
なるパルス幅に設定される。またパルス電圧は先に説明
した様に、Ｖｓｉａｓ分だけエミッタに対して順方向バ
イアスがかかる様調整、される。

次いで１時刻ｔｌにおいて、水平シフトレジスタ３９の
出力のうち、垂直ライン３８に接続されたＭＯＳ）ラン
ジメタ４ｏのゲートへの出力だけが波形７０のごと（ｂ
ｉｇｈとなり、ＭＯＳ）ランジメタ４０が導通状態とな
り、出力信号は出力ライ７４１を通して、出力トランジ
スタ４４に入’Ｊ、電流増幅されて出力端子４７から出
力される。この様に信号が読出された後、出力ライン４
１には配線容量に起因する信号電荷が残っているので、
時刻ｔｌにおいて、ＭＯＳトランジスタ４２のゲート端
子４３にパルス波形７１のごと〈パルスを印加し、ＭＯ
Ｓ）ランデスタ４２を導通状態にして出力ライン４１を
接地して、この残留した信号電荷をリフレッシュしてや
るわけである。以下同様にして、スイッチングＭＯ５）
ランジメタ４０．４０”を順次導通させて垂直ライン３
８’、３Ｂ”の信号出力を読出す、この様にして水平に
並んだ−ライン分の各光センサセルからの信号を読出し
た後、垂直ライン３８．３８’３８″には、出力ライン
４１と同様、それの配線容量に起因する信号電荷が残留
しているので、各垂直ライン３８．３８’、３８”に接
続されたＭＯＳ）ランジメタ４８．４８’、４８．”を
、それのゲート端子４９に波形６５で示される様にｈｉ
ｚｈにして導通させ、この残留信号電荷をリフレッシュ
する。

次いで１時刻ｔ・において、垂直シフトレジスター３２
の出力のうち、水平ライン３１゛に接続された出力が波
形６９′のごと（ｈｉｇｈとなり、水平ライン３棗′に
接続された各光センサセルの蓄積電圧が、各乗５直ライ
ン３８．３８’、３８″′に読出されるわけである。以
下、Ｗｎ次前と同様の動作により、出力端子４７から信
号が読出される。

以上の説明においては、蓄積区間６２と読出し区間６３
が明確に区分される様な応用分野、例えばＭ近研究開発
が積極的に行なわれているスチルビデオに適用される動
作状態について説明したが、テレビカメラの様に蓄積区
間６２における動作と読出し区間６３における動作が同
時に行なわれている様な応用分野に関しても、第８図の
パルスタイミングを変更することにより適用可能である
。但し、この時のリフレッシュは全画面−括リフレッシ
ュではなく、−ライン毎のリフレ７．シュ機能が必要で
ある１例えば、水平ライン３１に接続された各光センサ
セルの信号が読出された後、時刻ｔｌにおいて各垂直ラ
インに残留した電荷を消去するためＭＯ３Ｉ−ランジメ
タ４８　、４８　’４８“を導通にするが、このとき水
平ライン３１にリフレッシュパルスを印加する。すなわ
ち、波形６９において時ｆｌｔ　ｑにおいても時刻ｔ４
と同様、パルス電圧、パルス幅５の異なる　パルスを発
生する様な構成の垂直シフトレジスタを使用することに
より達成することができる。この様にダブルパルス的動
作以外には、ｍ７図の右側に設置した５括リフレッシュ
パルスを印加するｆｉ器の代りに、左側と同様の第２の
垂直シフトレジスタを右側にも設け、タイミングを左側
に設けられた垂直レジスタとずらせながら動作させるこ
とにより連成させることも可能である。

このときは、すでにｙｓ！、明した槌な蓄積状態におい
て、各党センサセルのエミッタおよびコレクタの各電位
を操作してブルーミングを押さえるという動作の自由度
が少なくなる。しかし、基本動作の所で説明した様に、
読出し状態では、ベースにＶ旧ａＳなる／（イアスミ圧
を印加したときに始めて高速読出しができる様な構成と
しているので、第３図のグラフかられかる様に、Ｖｉｓ
ａｓを印加しない時に、各光センサセルの飽和により、
垂直ライン２８．２８’、２８”に流れだす信号型荷分
はきわめてわずかであり、ブルーミング現象は、まった
〈問題にはならない。

゛また。スミア現象に対しても、本実施例に係る光電変
換装置は、きわめて優れた特性を得ることができる。ス
ミ７現象は、Ｃ０Ｄ５撮像装置、特にフレーム転送型に
おいては、光の照射されている所を電荷転送されるとい
う、動作および構造上発生する問題であり、インタライ
ン型においては１、特に長波長の光により半導体の深部
で発生したキャリアが電荷転送部に蓄積されるために発
生する問題である。

また、ＭＯ３型撮像装置においては、各光センサセルに
接地されたスイッチングＭＯＳ）ランジスタのドレイン
側に、やはり長波長の光により半導体深部で発生したキ
ャリアが蓄積されるために生じる問題である。

これに対して本実施例に係る光電変換装置では、動作お
よび構造上発生するスミア現象はまったくなく、また長
波長の光により半導体深部で発生したキャリアが＃積さ
れるという現象もまったく生じない、但し、光センサセ
ルのエミｌりにおいて比較的表面近傍で発生したエレク
トロンとホールのうち、エレクトロンが蓄積されるとい
う現会が心配されるが、これは、−括リフレッシュ動作
のときは蓄積動作状態において、エミッタが接地されて
いるため、エレクトロンは蓄積されず、スミア現象が生
じない、また通常のテレビカメラのとき応用されるライ
ンリフレッシュ動作のときは、水平ブランキングの期間
において、垂直ラインに蓄積電圧を読出す前に、垂直ラ
インを接ｋ　Ｌ　テＵ　７　Ｌ／ツシュするので、この
時同時にエミッタに一水平走査期間に蓄積されたエレク
トロンは流れ出してしまい、このため、スミ７現象はほ
とんど発生しない、この様に、本実施例に係る光電変換
装置では、その構造上および動作上、スミア現象はほと
ん本質的に無視し得る程度しか発生せず、本実施例に係
る光電変！ｇ！装置の大きな利点の一つである。

また、蓄積動作状態において、エミッタおよびコレクタ
の各電位を操作して、ブルーミング現象を押さえるとい
う動作について前に記述したが。

これを利用してγ特性を制御することも可能である。

卆 すなわち、Ｎ積動作の途中おいて、−時的にエミッタま
たはコレクタの電位をある一定の負電位にし、ベースに
蓄積されたキャリアのうち、この負゛屯位を与えるキャ
リア数より多く蓄積されているホールをエミッタまたは
コレクタ側へ流してしまうという動作をさせる。これに
より５蓄積電圧と入射光量に対する関係は、入射光量の
小さいときはシリコン結晶のもつγ＝１の特性を示し、
入射光量の大きい所では、γが１より小さくなる様な特
性を示す、つまり、折線近似的に通常テレビカメラで要
求されるγ＝　０．４５の特性をもたせることが可能で
ある。蓄積動作の途中において上記動作を一度やれば一
折線近似となり、エミッタ又はコレクタに印加する負電
位を三鷹適宜変更１．て行なえば、二折線タイプのγ特
性を持たせることもＵ（能である。

また、以上の実施例においては、シリコン基板を共通コ
レクタとしているが通常バイポーラトランジスタのごと
く埋込ｎ＋領領域設け、各ライン毎にコレクタを分割さ
せる様な構造としてもよい。

なお、実際の動作には第８図に示したパルスタイミング
以外に、垂直シフトレジスタ３２、水平シフト−ジス３
９を駆動するためのクロックパルスが必要である。

第９図に出力信号に関係する等価回路を示す。

容＋ｄｃｖ８０は、垂直ライン３８．３８３８″の配線
容量であり、を量Ｃ，８１は出力ライン４１の配線容量
をそれぞれ示している。また第９図右側の等価回路は、
読出し状態におけるものであり、スイッチング用ＭＯ３
（ランジメタ４０．４０’、４０″は導通状態であり、
それの導通状態における抵抗値を抵抗Ｒ１，，８２で示
している。また増幅用トランジスタ４４を抵抗ｒ、８３
および電流源８４を用いた等価回路で示している。出力
ライン４１の配線容量に起因する電荷蓄積をリフレッシ
ュするためのＭＯＳ）ランジメタ４２は、読出し状態で
は非導通状態であり、インピーダンスが高いので、右側
の等価回路では省略している。

等価回路の各パラメータは、実線に構成する光電変換装
置の大きさにより決定されるわけであるが、例えば、容
Ｂ１ｃマ８０は約４　ｐＦ位、容量ＣＨ３１は約４　Ｐ
Ｆ位、ＭＯＳ）ランジスタの導通状態の抵抗ＲＭ８２は
３にΩ程度、バイポーラトランジスタ４４の電流増幅率
βは約１００程度として、出力端子４７において観測さ
れる出力信号波形を計算した例を第１０図に示す。

第１０図において横軸はスイッチングＭＯ３）ランジメ
タ４０．４０’、４０“が導通した瞬間からの時間　［
←３１を、縦軸は垂直ライン３８゜３８’、３８”の配
線台、ｌｃマ８０に、各光センサセルから信号電荷が読
出されてｌボルトの電圧がかかっているときの出力端子
４７に現われる出力電圧　［Ｖ］　をそれぞれ示してい
る。

出力信号波形８５は負荷抵抗Ｒε４５がＩＯＫΩ、８６
は負荷抵抗Ｒ１４５が５にΩ、８７は負荷抵抗Ｒ＃４５
が２にΩのときのものであり、いずれにおいてもピーク
値は、Ｃマ８０とＣ，８１の容最分割により０．５Ｖ程
度になっている。当然のことながら、負荷抵抗Ｒ５４５
が大きい方が減衰竜は小さく、望ましい出力波形になっ
ている。

立上り時間は、上記のパラメータ値のとき、約２０ｎｓ
ｅｃと高速である。スイッチングＭＯ５）ランジメタ４
０．４０　’、４０″の導通状態における抵抗ＲＭを小
さくすることにより、および、配線容１ｃマ　、ｃｏを
小さくすることにより、さらに高速の読出しも可能であ
る。

上記構成に係る光センサセルを利用し九光電変換′？ｔ
ｌ！では、各光センサセルのもつ増幅機能により、出力
に現れる電圧が大きいため、最終段の増電アンプも、Ｍ
Ｏ３型撮像装置に比較してかなり簡単なもので良い、上
記例ではバイポーラトランジスタ１段のタイプのものを
使用した例について説明したが、２段構成のもの等、他
の方式を使うことも当然のことながら可能である。この
例の様にバイポーラトランジスタを用いると、ＣＯＤ撮
像装置における最終段のアンプのＭＯＳトランジスタか
ら発生する画ａｊＺ目につきゃすｕ％１／ｆ雑音の問題
が、本実施例の光電変換１置では発生せず、きわめてＳ
／Ｎ比の良い画質を得ることが可能である。

上に述べた様に、上記構成に係る光センサセルを利用し
た光′ｒＩｉ変換装置では、最終段の増幅アンプがきわ
めて簡単なもので良いことから、最終段の増幅アンプを
一つだけ設ける第７図に示した一実施例のごときタイプ
ではなく、増幅アンプを複数個設置して、一つの画面を
複数に分密して読出す様な構成とすることも可能である
。

第１１図に、分割読出し方式の一例を示す、第１１図に
示す実施例は、水平方向を３分割とし最終段アンプを３
つ設置した例である。基本的な動作は第７図の実施例お
よび第８図のタイミング図を用いて説明したものとほと
んど同じであるが。

この第１１図の実施例では、３つの等価な水平シフトレ
ジスタ１００，１０１，１０２を設け、これらの始動パ
ルスを印加するための端子１０３に始動パルスが入ると
、１列目、（ｎ＋１）列目。

（２ｎ＋１）列目（ｎは整数であり、この実施例では水
平方向絵素数は３ｎ個である。）に接続された各センサ
セルの出力が同時に読出されることになる０次の時点で
は、２列目、（ｎ＋２）列目、（２ｎ＋２）列目が読出
されることになる。

この実施例によれば、−木の水平ライン分を読出す時間
が固定されている時は、水平方向のスキャニング周波数
は、一つの最終段アンプをつけた方式に比較して１／３
の周波数で良く、水平シフトレジスターが簡単になり、
かつ光電変換装置からの出力信号をアナログディジタル
変換して、信号処理する様な用途には、高速のアナログ
・ディジタル変換器は不必要であり５分割読出し方式の
大きな利点である。

第１１図に示した実施例では、等価な水平シフトレジス
ターを３つ設けた方式であったが、同様な機能は、水平
レジスター１つだけでももたせることが可能である。こ
の場合の実施例を第１２図に示す。

第１２図の実施例は、第１１図に示した実施例のうちの
水平スイッチングＭＯＳトランジスターと、最終段アン
プの中間の部分だけを書いたものであり、他の部分は、
第１１図の実施例と同じであるから省略している。

この実施例では、１つの水平シフトレジスター１０４か
もの出力を１列目、（ｎ＋１）列目、（２ｎ＋　１）夕
噌目のスイッチングＭＯＳトランジスターのゲートに接
続し、それらのラインを同時に読出す様にしている０次
の時点では、２列目、（ｎ＋２）列目、（２ｎ＋２）列
目が読出されるわけである。

この実施例によれば、各スイッチングＭＯＳトランジス
ターのゲートへの配線は増加するものの、水平シフトレ
ジスターとしては１つだけで動作が可能である。

第１１図、１２図の例では出力アンプを３個設けた例を
示したが、この数はその目的に応じてさらに多くしても
よいことはもちろんである。

第１１図、第１２図の実施例ではいずれも、水平シフト
レジスター、！ｒ！直シフトレジスターの始動パルスお
よびクロックパルスは省略しているが、これらは、他の
リフレッシュパルスと同様、同一・チップ内に設けたク
ロックパルス発生器あるいは１他のチップ上に設けられ
たクロックパルス発生器から供給される。

この分割読出し方式では、水平ラインー括又は全画面−
括リフレッシュを行なうと、ｎ列目と　（ｎ＋１　）列
目の光センサセル間では、わずか蓄積時間が異なり、こ
れにより、暗電流成分および信号成分に、わずかの不連
続性が生じ５画像上目についてくる可能性も考えられる
が、これの量はわずかであり、実用上問題はない、また
、これが、許容限度以上になってきた場合でも、外部回
路を用いて、それを補正することは、キ、シ状波を発生
させ、これと暗電流成分との減算およびこれと信号成分
の乗除算により行なう従来の補正技術を使用することに
より容易に可能である。

この様な光電変換装置を用いて、カラー画像を撮像する
時は、光電変換装置の上に、ストライプフィルターある
いは、モザイクフィルター等をオンチップ化したり、又
は、別に作ったカラーフィルターを貼合せることにより
カラー信号を得ることが可能である。

一例としてＲ，Ｇ、Ｂのストライプやフィルターを使用
した時は、上記構成に係る光センサセルを利用した光電
変換’Ｓ！ｔＭではそれぞれ別々の最終段アンプよりＲ
信号、Ｇ信号、Ｂ信号を得ることが可能である。これの
一実施例を第１３図に示す、この第１３図も第１２図と
同様、水ｆレジスターのまわりだけを示している。他は
第７図および第１１図と同じであり、ただｉ列目はＲの
カラーフィルター、２列目はＧのカラーフィルター、３
１Ａ目はＢのカラーフィルター。４列Ｕ：ｊはＲのカラ
ーフィルターという様にカラーフィルターがついている
ものとする。第１３図に示すごとく１列目。４３１噌目
、７列目−一一一一一の各垂直ラインは出力ライン１１
０に接続され、これはＲ＠号をとりだす、又２列目、５
夕ち目、８夕嘩目−一−−−−の各屯直ラインは出力ラ
イン１１１に接続され、これはＧ信号をとりだす。又同
様にして、３列目６タ１目、９列目−一一一−−の各垂
直ラインは出力ライン１１２に接続されＢ信号をとりだ
す、出力うインｌｌｏ、ＬＬＬ、１１２はそれぞれオン
チップ化されたリフレッシュ用ＭＯＳトランジスタおよ
び最終段アンプ、例えばエミッタフォロ７タイプのバイ
ポーラトランジスタに接続され、各カラー信号が別々に
出力されるわけである。

本発明の他の実施例に係る光電変換装置ｔを構成する光
センサセルの他の例の基本構造および動作を説明するた
めの図を第１４図に示す、またそれの等価回路および全
体の回路構成図を第１５図（ａ）に示す。

第１４図に示す光センサセルは、同一の水平スキャンパ
ルスにより読出し動作、およびラインリフレッシュを同
時に行なうことを可能とした光センサセルである。第１
４図において２すでに第１図で示した構成と異なる点は
、第１図の場合水平ライン配線１０に接続されるＭＯＳ
キャパシタ電極９が一つだけであったものが上下に隣接
する光センサ−セルの側にもＭＯＳキャパシタ電極１２
０が接続され、１つの光センサセルからみた時に、ダブ
ルコンデンサータイプとなっていること、および図にお
いて上下に隣接する光センサセルｔ７）　−ｅ　ミー／
　タフ　、７’は２層配線にされた配線■８、および配
線■１２１　（第１４図では、垂直ラインが１木に見え
るが、絶縁層を介して２木のラインが配置されている）
に交互に接続、すなわちエミッタ７はコンタクトホール
１９を通して配線■８に、エミッタ７′はコンタクトホ
ール１９′を通して配線■１２１にそれぞれ接続されて
いることが異なっている。

これは第１５図（ａ）の等価回路をみるとより明らかと
なる。すなわち、光センサセル１５２のペースに接続さ
れたＭＯＳキャパシタ１５０は水平ライン３１に接続さ
れ、ＭＯＳキャパシタＬ５１は水平ライン３１′に接続
されている。また光センサセル１５２の図において下に
隣接する光センサセル１５２′のＭＯＳキャパシタ１５
０′は共通する水平ライン３１′に接続されている。

光センサセル１５２のエミー、夕は垂直ライン３８に、
光センサセル１５２のエミッタは垂直ライン１３８に、
光センサセル１５２のエミッタハ垂直ライン３８という
様にそれぞれ交互に接続されている。

第１５図（ａ）の等価回路では、以上述べた基本の光セ
ンサーセル部以外で、第７図の撮像装置と異なるのは、
垂直ライン３８をリフレッシュするためのスイッチング
ＭｏＳトランジスタ４８のほかに垂直ライン１３８をリ
フレッシュするためのスイッチングＭＯＳ）ランジメタ
１４８、およびｉｒ！ａライン３８を選択するスイッチ
ングＭＯＳ）ランジメタ４０のほか垂直ライン１３８を
選択するためのスイー、チングＭＯＳトランジスタ１４
０が追加され、また出力アンプ系が一つ増設されている
。この出力系の構成は、芥ラインをリフレッシュするた
めのスイッチングＭＯＳトランジスタ４８、および１４
８が接続されている様な構成とし、さらに水平スキャン
用のスイッチングＭＯＳトランジスタを用いる第１５図
（ｂ）に示す様にして出力アンプを一つだけにする構成
もまた可能である。第１５図（ｂ）では第１５図（ａ）
の垂直ライン選択および出力アンプ系の部分だけを示し
ている。

この第１４図の光センサセル及び第１５図（ａ）に示す
実施例によれば１次の様な動作が可能である。すなわち
、今水平ライン３１に接続された各党センサセルの読出
し動作が終了１７、テレビ動作における水平ブランキン
グ期間にある時、垂直シフトレジスター３２からの出力
パルスが水平ライン３１′に出力されるとＭＯＳ＋ヤバ
シタ１５１を通して、読出しの終了した光センサセル１
５２をリフレッシュする。このとき、スイッチングＭＯ
Ｓトランジスタ４８は導通状Ｉｑにされ、重連ライン３
８は接地されている。

また水平ライン３１′に接続されたＭＯＳキャパシタ１
５０′を通して光センサ　セル１５２′の出力が垂直ラ
イン１３８に読出される。このとき当然のことながらス
イッチングＭＯＳ）テンデスタ１４８は非導通状態にな
され、垂直ライン１３８は浮遊状態となっているわけで
ある。この様に一つの垂直スキャンパルスにより、すで
に読出しを終了した光センサ　セルのリフレッシュと、
次のラインの光センサ　セルの読出しが同一・のパルス
で同時的に行なうことが可能である。このときすでに説
明した様にリフレッシュする時の電圧と読出しの時の電
圧は、読出し侍には、高速読出しの必要性から／ＳＳイ
アスミをかけるので異なってくるが、これは第１４図に
示すごとく、ＭＯＳキャパシタ電極９およびＭＯＳキャ
パシタ電極１２０の面積を変えることにより各電極に同
一の電圧が印加されても各光センサ　セルのベースには
異なる電圧がかかる様な構成をとることにより達成され
ている。

すなわち５　リフレッシュ用ＭＯＳキャパシタノ面積は
、読出し用ＭＯ３＋ヤバシタの面積にくらべて小さくな
っている。この例のように、センサセル全部を一括リフ
レッシュするのではなく２−ラインずつリフレッシュし
ていく場合には、第１図（ｂ）に示されるようにコレク
タをｎｆｉあるいはｎ　基板で構成しておいてもよいが
、水平ラインごとにコレクタを分離して設けた方が望ま
しいことがある。コレクタが基板になっている場合には
、全光センサセルのコレクタが共通領域となりているた
め、蓄積および受光読出し状態ではコレクタに一定のバ
イアス電圧が加わった状態になっている。もちろん、す
でに説明したようにコレクタにバイアス電圧が加わった
状態でも浮遊ベースのリフレッシュは、エニー２夕の間
で行なえる。ただし、この場合には、ベース領域のリフ
レッシュが行なわれると同時に、リフレッシュパルスが
印加されたセルのエミッタコレクタ間に無駄な電流が流
れ、消費電力を大きくするという欠点が伴なう、こうし
た欠点を克服するためには、全センサセルのコレクタを
共通領域とせずに、各水平ラインに並ぶセンサセルのコ
レクタは共通になるが、各水平ラインごとのコレクタは
互いに分離された構造にする。すなわち、第１図の構造
に関連させて説明すれば、基板はｐ型にして２　ｐ型基
板中にコレクタ　各水平ラインごとに互いに分離された
ｎ“埋込領域を設けた構造にする。隣り合う水平ライン
のｎゝ　埋込領域の分離は、ｐ領域を間に介在させる構
造でもよい、水平ラインに泊って埋込まれるコレクタの
キャパシタを減少させるには、絶縁物分離の方が優れて
いる。第１図では、コレクタが基板で構成されているか
ら、センサセルを囲む分離領域はすべてほとんど同じ深
さまで設けられている。一方、各水平ラインごとのコレ
クタを互いに分離するには、水平ライン方向の分離領域
を中尉ライン方向の分離領域より必要な値だけ深くして
おくことになる。

各水平ラインごとにコレクタが分離されていれば、読出
しが終って、リフレッシュ動作が始まる時に、その水平
ラインのコレクタの電圧を接地すれば、前述したような
エミッタコレクタ間電流は流れず、消費電力の増加をも
たらさない、リフレッシュが終って光信号による電荷蓄
ｍジーに入る時に、ふたたびコレクタ領域には所定のバ
イアス電圧を印加する。

また第１５図（ａ）の等価回路によれば、各水平ライン
毎に出力は出力端子４７および１４７に交１１に出力さ
れることになる。これは、すでに説明したごとく、第１
５図（ｂ）の様な構成にすることにより−・つのアンプ
から出力をとりだすことも可能である。

以上説明した様に本実施例によれば、比較的筒中な構成
で、ラインリフレッシュが可能となり１通、常のテレビ
カメラ等の応用分野にも適用することがデできる。

本発明の他の実施例としては、光センサセルに複数のエ
ミッタを設けた構成あるいは、一つのエミッタに複数の
コンタクトを設けた構成により、一つの光センサセルか
ら複数の出力をとりだすタイプが考えられる。

これは本発明による光電変換装置の各光センサセルが増
幅機能をもつことから、一つの光センナセルから複数の
出力をとりだすために、各光センサセルに複数の配線容
量が接続されても、光センサセルの内部で発生した蓄積
電圧Ｖｐが、まったく減衰することなしに各出力に読出
すことが可能であることに起因している。

コノ様に、各党センサセルから複数の出力をとりだすこ
とができる構成により、各光センサセルを多数配列して
なる光電変換装置に対して信号処理あるいは雑音対策等
に対して多くの利点を付加することが可能である。

次に本発明に係る光電変！！！！！装置の一製法例につ
いて説明する。第１６図に、選択エピタキシャル成長（
Ｎ、　　Ｅｎｄｏ　ｅｔ　ａｌ、“Ｎｏｖｅｌ　ｄｅｖ
ｉｃｅ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇ７　ｗ
ｉｔｈ　５ｅｌｅｃｔｅｄ　ｅｐｉｔａｘｉａｌ　ｇｒ
ｏｗｔｈ″Ｔｅｃｈ、　Ｄｉｇ、　ｏｆ　１９８２　Ｉ
　Ｅ　Ｄ　Ｍ　、　ＰＰ、　２４１−２４４参照）を用
いたその製法の一例を示す。

１−１０　Ｘ　ｌ　Ｏ”　ｃｍ−’程度の不純物濃度の
ｎ形Ｓｉ基板ｌの裏面側に、コンタクト用のｎ′″領域
１１を、　ＡｓあるいはＰの拡散で設ける。ｎ＋領領域
らのオートドーピングを肪ぐために、図には示さないが
酸化膜及び窒化膜を裏面に通常は設けておく。

基板ｌは、不純物濃度及び酸素６度が均一に制御された
ものを用いる。すなわち、キャリアラインタイムがウェ
ハで十分に長くかつ均一な結晶ウェハを用いる。その様
なものとしては例えばＭＣＺ法による結晶が適している
。基板ｌの表面に節々１琲−程度の酸化膜をウェット酸
化により形式する。すなわち、Ｈ，Ｏ雰囲気かあるいは
（Ｈ？＋０２）雰囲気で酸化する。積層欠陥等を生じさ
せずに良好な酸化膜を得るには、３００℃程度の温度で
の高圧酸化が適している。

その上に、たとえば２〜４ル一程度の厚さの５ｉＯｚ　
咬ヲＣＶ　Ｄ　テ堆積すル、（Ｎ、　＋　　ＳｉＨ，＋
０２）ガス系で、３００〜５００℃程度の温度で所望の
厚さのＳｉｎ、膜を＊ｍする。　Ｏ，／　ＳｉＨ。

のモル比は温度にもよるが４〜４０程度に設定する。フ
ォトリングラフィ工程により、セル間の分離領域となる
部分の酸化膜を残して他の領域の酸化１１Ｑは、　（Ｃ
Ｆ４＋）ｌ、　）　、　Ｃ，Ｆ、　　、　ＯＨ，Ｆｔ等
のガスを用いたりアクティブイオンエツチングで除去す
る（第１６図の工程（ａ））。例えば、ｔＯＸ１０ｇｍ
’　に１画素を設ける場合には、ｌＯｇ鴫ピッチのメツ
シュ状に　Ｓｉｎ、　ｌ！Ｊを残す、　　５ｉ０２膜の
幅はたとえば２鯵謙程度に選ばれる。リアクティブイオ
ンエツチングによる表面のダメージ層及び汚゛染層を、
Ａｔ／Ｃ１ｔ　ガス系プラズマエツチングかウェー２ト
エー、チングによって除去した後１Ｍｉ高真窄中におけ
る蒸着かもしくは、ロードロック形式で十分に雰囲気が
清浄になされたスバシタ、あるいは、ＳｉＨ４ガスにＣ
Ｏｔ　ｉ／−ザ光線を照射する減圧光ＣｖＤで、アモル
ファスシリコン３０１を堆積する（第１６図の工程（ｂ
））、　ＣＢ　ｒ　Ｆｚ　　、　ＣＣ１、Ｆ、、　　Ｃ
Ｉ、等のガスを用いたりアクティブイオンエツチングに
よる異方性エッチにより、５ｉ（ｈ　ａ側面に堆積して
いる以外のアモルファスシリコンを除去する（第１６図
の工程（Ｃ））。前と同様に、ダメージと汚染層を十分
除去した後、シリコン基板表面を十分清浄に洗浄し、　
（層２　＋５ｉ８２，０文、−１−８０党）ガス系によ
りシリコン層の選択成長を打う、数１０Ｔｏｒｒの減圧
状懲で成長は行い、基板温度は９０Ｇ　−１０００℃、
１１Ｃ立のモル比をある程度塩と高い値に設定する。　
８０文のμが少なすぎると選択成長は起こらない、シリ
コン基板上にはシリコン結晶層が成長するが、ＳｉＯｚ
層ヒのシリコンは）１０文によってエツチングされてし
まうため、　　Ｓｉｎ、層ヒにはシリコンは堆積しない
（第１６図（ｄ））、　ｎ−層５の厚さはたとえば３〜
５川箇用度である。

不純物濃度は、好ましくは１０′２〜ＩＱ”　ｃ＋＋＋
−’程度に設定する。もちろん、この範囲をずれてもよ
いが、ｐｎ−接合の拡散電位で完全に空乏化するかもし
くはコレクタに動作電圧を印加した状態では、少なくと
もｎ−領域が完全にを乏化するような不純物濃度および
厚さに選ぶのが望ましい。

通常人手できる８０文ガスには大破の水分が含まれてい
るため、シリコン基板表面で常に酸化膜が形成されると
いうようなことになって、到底高品質のエピタキシャル
Ｅ＆ｉは望めない、水分の多い）ＩＩは、ボンベに入っ
ている状態でボンベの材料と反応し鉄分を中心とする重
金属を大量に含むことになって、重金属汚染の多いエビ
層になり易い、光センサ−セルに使用するエビ層は、＋
ｍ　ｉｔ　ｉ成分が少ない程望ましいわけであるから、
重金属による１り染は極限まで抑える必要がある。　　
５ｉ）ｌ。

ＣＩ、に＃ｆｉ高純度の材料を使用することはもちろん
であるが、１（（４には特に水分の少ない、ｔ！！まし
くは少なくとも水分含有量が０．５ｐｐ−以下のものを
使用する。もちろん、水分含有量は少ない程よい。

エピタキシャル成長層をさらに高品質にするには、　、
、ｌ＆板をまず１１５０〜１２５０℃程度の高温処理で
表面近傍から酸素を除去して、その後８００℃程度の長
時間熱処理により基板内部にマイクロディフェクトを多
数発生させ、デヌーデットゾーンを右するインドリシッ
クゲッタリングの行える基板にしておくこともきわめて
イＴ効である０分離領域としての　８１０７層４が存在
した状態でのエピタキシャル成長を行うわけであるから
、５ｉ０２からの酸素のとり込みを少なくするため、成
長温度は低い程望ましい、通常よく使われる高周波加熱
法では１　カーボンサセプタからの汚染が多くて、より
一層の低温化は難しい０反応室内にカーボンサセプタな
ど持込まないランプ加熱によるウェハ直接加熱法が成長
雰囲気をもっともクリーンにできて、高品質エビ層を低
温で成長させられる。

反１５室におけるウェハ支持具は、より蒸気圧の低い超
高純度溶融サファイアが適している。原材料ガスの予熱
が容易に行え、かつ大流睦のガスが流れている状態でも
ウェハ面内温度を均一化し易い、すなわちサーマルスト
レスがほとんど発生しないランプ加熱によるウェハ直接
加熱法は、高品質エビ層を得るのに適している。成長時
にウニへ表面への紫外線照射は、エビ層の品質をさらに
向上させる。

分離領域４となるＳｉｎ、層の側壁にはアモルファスシ
リコンが堆積している（第１６図の工程（Ｃ））、アモ
ルファスシリコンは固相成長で単結晶化し易いため、Ｓ
　ｉ０２分離領域４との界面近傍の結晶が非常に優れた
ものになる。高抵抗ｎ−一層を選択エピタキシャル成長
により形成した後（第１６図）工［（ｄ））、表面１ｉ
ａＵ　１〜２０Ｘ　ｔｏ’ｃ１コ程度のＰ領域６を、ド
ープトオキサイドカへらの拡散か、あるいは低ドーズの
イオン注入層をソースとした拡散により所定の深さまで
形成する。

Ｐ領域６の深さはたとえば０．６〜ｔｇ陶程度である。

ｐｆｉ域６の厚さと不純物濃度１士以下のような考えで
決定する。感度を上げようとすれば、Ｐ領域６の不純物
濃度を下げてＣｂｅを小さくすることが望ましい、Ｃｂ
ｅは都々次のように与えられる。

Ｑ　　’　　ＮＡ　　　　”ｚ Ｃｂｅ＝Ａｐ　　１２　（、） ２　　＠　Ｖｂ＋ ただし、Ｖｂｉはエミー２りもベース間拡散電位であり
、 で与えられる。ここで、（はシリコン結晶の誘電ｉ、Ｎ
ｏ　　はエミッタの不純物濃度、ＮＡ　　はベースのエ
ミッタに隣接する部分の不純物密度、ｎｉ　は真性キャ
リア濃度である。ＮＡ　　を小さくする程Ｃｂｅは小さ
くなって、感度は上昇するが、ＮＡ　　をあまり小さく
しすぎるとベース領域が動作状態で完全に空乏化してパ
ンチングスルー状態になってしまうため、あまり低くは
できない。ベース領域が完全に空乏化してパンチングス
ルー状態にならない程度に設定する。

その後、シリコン基板表面に（Ｈｔ＋ｏｔ）ガス系スチ
ーム酸化により数１ＯＡから数１００人程麻の厚さの熱
酸化膜３を、８００〜９００℃程度の温度で形成する。

その上に、（ＳｉＨ４＋　Ｎ１（３）系ガスのＣＶＯで
窒化咬ｃｓｉｚ　Ｎ、）３０２を５００−１５００Ａ程
度の厚さで形成する。形成温度は７００−９００℃程度
である。　ＮＨ，ガスも、ＨＣＣＨスと並んで通常入手
できる製品は、大量に水分を含んでいる。水分の多いＮ
ＨｆｆＨｆ上原材料に使うと、酸素濃度の多い窒化膜と
なり、再現性に乏しくなると同時に、その後のＳｉｎ、
　！ｌとの選択エツチングで選択比が取れないという結
果を招く。

ＮＨ１ガスも、少なくとも水分含有量が０．５ｐｐｍ以
下のものにする。水分含有量は少ない程望ましいことは
いうまでもない。窒化膜３０２の上にさらにＰＳＧ咬３
００をＣＶＤにより堆積する。ガス系は、たとえば、　
（Ｎ、　＋　ＳｉＨ，＋　０１　＋Ｐ）＋１）を用いて
、３（ｔｏ−４５０℃程度の温度で２０００〜３ＱＯＯ
Ａ程度の厚さのＰＳＧｌｌｉ、ＩｃＶＤにより唯積する
（第１６図の工程（ｅ））、　　２度のマスク合せ工程
を含むフォトリングラフイー工程により、ｎ◆領域７上
と、リフレッシュ及び読み出しパルス印加電極上に５＾
Ｓドープのポリシリコン膜３０４を堆積する。この場合
ｐドープのポリシリコン膜を使ってもよい、たとえば、
２回のフォトリソグラフィー工程により、エミッタ上は
、ＰＳＧ膜。

Ｓｉ３　Ｎ　、膜、　　５ｉ０２ｔ１９をすべて除去し
、リフレッシュおよび及び読み出しパルス印加電極を設
ける部分には下地の５ｉ０１　膜を残して、ＰＳＧＭと
Ｓｉ＊　Ｎ　４　ｌ１１２のみｘ　＋／チングする。そ
の後、　Ａｓドープのポリシリコンを、（Ｎ、　＋Ｓｉ
Ｈ４＋ＡｓＨ３）　もしくは（）！、　＋　ｓｒＨ，＋
　ＡｓＨ＊　）ガスでＣＶＤ法により堆積する。堆積温
度は５５０℃〜７００℃程度、膜厚は　１０００〜２０
０ＯＡである。ノンドープのポリシリコンをＣＶＤ法で
地積しておいて、その後Ａｓ又はＰを拡散してももちろ
んよい、エミッタとリフレッシュ及び読み出しパルス印
加電極上を除いた他の部分のポリシリコン膜をマスク合
わせフォトリソグラフィー工程の後エツチングで除去す
る。さらに、ＰＳＧＷＪをエツチングすると。

リフトオフによりＰＳＧＩＩに堆積していたポリシリコ
ンはセルファライン的に除去されてしまう（第１６図の
工程（ｆ））、ポリシリコン膜のエツチングはＣ，ＣＩ
、　Ｆ、、（ＣＢ　ｒＦ、＋Ｃｌ、）等のガス系でエツ
チングし、Ｓｉ３Ｎ４膜はＣＨ。

Ｆ７等のガスでエツチングする。

次に、ＰＳＧ膜３０５を、すでに述べたようなガス系の
ＣＶＤ法で堆積した後、マスク合わせ工程とエツチング
工程とにより、リプレー２シユパルス及び読み出しパル
ス電極用ポリシリコン膜、ヒにコンタクトホールを開け
る。こうした状態で、ＡＩ　、　ＡＩ　−Ｓｉ、ＡＪＩ
　−Ｃｕ　−Ｓｉ等の金属を真空１Ｘ着もしくはスパッ
タによって堆積するか、あるいは（ＣＨ３）　ｉ　Ａ文
やＡ文ＣＩ、を原材料ガスとするプラズマＣＶＤ法、あ
るいはまた上記原材料ガスのｌ−ＣポンドやＡ交−０１
ポンドを１［接光照射により切断する光照射ＣＶＤ法に
より　Ａ文を堆積する＊（ＣＨ３）３膜文やＡ見Ｃ６を
原材料ガスとして上記のようなＣＶＤ法を行う場合には
２大過剰に水素を流しておく、細くてかつ急峻なコンタ
クトホールにＡｆＬを堆積するには、水分や酸素混入の
まったくないクリーン雰囲気の中で３００〜ａｏｏ′Ｏ
Ｍ厚に基板温度を上げたＣＶＤ法が優れている。第１図
に示された金属配線ｌＯのパターニングを終えた後、層
間絶縁膜３０６をＣＶＤ法でｌｊ！積する。３０６は、
ｉｉ？ｉ述したＰＳＧ膜、あるいはＣＶＤ法Ｓｉｎ、膜
、あるいは耐水性等を考慮１゜する必要がある場合にｊ
±、（ＳｉＨ４＋ＮＨ，）ガス系のプラズマＣＶＤ法に
ょて形成したＳｉ３Ｎ４膜である。　Ｓｉ３　Ｎ　４膜
中の水素の含有量を低く抑えるためには、　（ＳｉＨ４
＋　Ｎ、　）ガス系でのプラズマＣＶＤ法を使用する。

プラズマＣＶＤ法によるダメージを現象させ形成された
Ｓｉｌ　Ｎ　、膜の電気的両正を大きく１１．かつリー
ク電流を小さくするには光ＣＶＤ法に次るＳｉ３　Ｎ　
４膜がすぐれている。光ＣＶＤ法には２通りの方法があ
る。　　（Ｓｉ）！　４＋ＮＨ１＋８ｇ）ガス系で外部
から水銀ランプの２５３７Ａの紫外線を照射する方法と
、　　（ＳｉＨ４＋ＮＨ）　１ガス系に水銀ランプの１
８４９Ａの紫外線を照射する方法である。いずれも基板
温度は１５０〜３５０℃程度である。

マスク合わせ工程及びニー２チング工程により。

エミッタ７上のポリシリコンに、絶縁膜３０５，３０８
を貢通したコンタクトホールをリアクティブイオンエッ
チで開けた後、前述した方法でＡ文、Ａ文−Ｓ　ｉ、Ａ
文−Ｃｕ−Ｓｉ等の金属を堆積する。この場合には、コ
ンタクトホールの７スペクト比が大きいので、ＣＶＤ法
による堆積の方がすぐれている。第１図における金属配
線８のバターニングを終えた後、最終パッシベーション
膜としての５ｉ３Ｎ４ＩｌｌあるいはＰＳＧＩｔ９２を
ＣＶＤ法により堆積する（第１６図（ｇ））。

この場合も、光ＣＶＤ法による膜がすぐれている。１２
は裏面のＡＩ　、Ａｌ−９ｔ等による金属電極である。

本発明の光電変換装置の製法には、実に多彩な工程があ
り、第１６図はほんの一例を述べたに過ぎない。

本発明の光電変換ｖｔ置の重要な点は、ｐ領域６とｎ”
領域５の間及びｐ領域６とｎ＋領域７の間のリーク電流
を如何に小さく抑えるかにある。

ｎ−領域５の品質を良好にして暗電流を少なくすること
はもちろんであるが、酸化膜などよりなる分離領域４と
ｎ−領域５の界面こそが問題である。第１６ｒｌ！Ｊで
は、そのために、あらかじめ分離領域４の側壁にアモル
ファスＳｉを地積しておいてエビ成長を行う方法を説明
した。この場合には、エビｔ＆長中に基板Ｓｉからの固
相成長でアモルファスＳｉは単結晶化されるわけである
。エピ成長は、８５０°−ｔｏｏｏ〜程度と比較的高い
温度で行われる。そのため、基板Ｓｔからの固相成長に
よりアモルファスＳｉが単結晶化される前に、アモルフ
ァスＳｉ中に微結晶が成長し始めてしまうことが多く。

結晶性を悪くする原因になる。温度が低い方が、固相成
長する速度がアモルファスＳｉ中に微結晶が・成長し始
める速度より相対的にずっと大きくなるから１選択エピ
タキシャル成長を行う前に、５５０℃〜７００℃程度の
低温処理で、アモルファスＳｉを単結晶しておくと、界
面の特性は改善される。この時、基板Ｓｉとアモルファ
スＳｉの間に酸化Ｓ等の層があると固相成長の開始が遅
れるため。

両者の境界にはそうした層が含まれないような超高清浄
プロセスが必要である。

アモルファスＳｉの固相成長には上述したファーナス成
長の他に、基板をある程度の温度に保っておいて　フシ
シュランプ加熱あるいは赤外線ランプによる、たとえば
数秒から数１０秒程度のラビッド７二−ル技術も有効で
ある。こうした技術を使う時には、　　Ｓｉｎ、層側壁
に堆積するＳｉは、多結晶でもよい、ただし、非常にク
リーンなプロセスで堆積し、多結晶体の結晶粒界に酸素
、炭素等の含まれない多結晶Ｓｉにしておく必要がある
。

こうしたＳ　ｉ０２側面のＳｉが単結晶化された後。

Ｓｉの選択成長を行うことになる。

Ｓｉｎ、分離領域４と高抵抗ｎ−領域５界面のリーク電
流がどうしても問題になる時は、高抵抗ｎ領域５のＳｉ
Ｏ２分離領域４に隣接する部分だけ、ｎ形の不純物濃度
を高くしておくとこのリーク電流の問題はさけられる。

たとえば、分ＩＩ　５ｉｆｔ領域４に接触するｎ−領域
５の０．３〜ＩＩＬｍｆ１度の厚さの領域だけ、たとえ
ばｌ　ｗ　ＩＯＸ　１０”　ｃｍ−’程度にｎ形の不純
物濃度を高くするのである。この構造は比較的容易に形
成できる。基板１上に略々ｌ鯵−程度熱酸化暎を形成し
た後、そのヒにＣＶＤ法で堆積するＳｉｎ、膜をまず所
要の厚さだけ、所定の罎のＰを含んだＳ　ｉＯ，膜にし
ておく、さらにその上にＳｉｎ、をＣＶＤ法で！ｔ！積
するということで分離領域４を作っておく、その後の高
温プロセスで分離領域４中にサンドイッチ状に存在する
燐を含んだ’；ｉｎ、膜から、燐が高抵抗１領域Ｓ中に
拡散して、界面がもっとも不純物ａｌｆｆが高いという
良好な不純物分布を作る。

すなわち、第１７図のような構造に構成するわけである
０分離領域４が、３層構造に４１１威されていて、３０
８は熱酸化膜Ｓｉｎ、、３０９は燐を含ンタＣＶ　Ｄ　
法ＳｉＯｔ　Ｍ、３０１１ｔＣＶＤ法ＳｉＯ。

膜である０分離領域４に隣接して、ｎ−領域５中との間
に、ｎ領域３０７が、燐を含んだＳｉＯ、ｆｆＪ３０９
からの拡散で形成される。３ｏ７はセル周辺全部に形成
されている。この構造にすると。

ベース◆コレクタ間容績Ｃｂｃは大きくなるが、ベース
・コレクタ間リーク電流は激減する。

第１６図では、あらかじめ分離用絶縁領域４を作ってお
いて１選択エピタキシャル成長を行なう例について説明
したが、茫板ヒに必・爵な高低抗ｎ−層のエピタキシャ
ル成長をしておいてから、分離領域となるべき部分をリ
アクティブイオンエツチングによりメツシュ状に切り込
んで分離領域を形成する、Ｕグループ分離技術（Ａ、Ｈ
ａｌａｓａｋａｅｔ　ａｌ、　　“ｔＪ−ｇｒｏｏｖｅ
　１ｓｏｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒｈ
ｉｇｈ　５ｐｅｅｄ　ｂｉｐｏｌａｒ　ＶＬＳＩ’Ｊ″
、〒ｅｃｈ、　Ｄｉｇ、　ｏｆＩＥＤＭ、　ＰＪ２．１
９８２．参照）を使って行うこともできる。

本発明に係る光電変換装置は、絶縁物より構成される分
離領域に１反り囲まれた領域に、その大□分の領域が半
導体ウェハ表面に隣接するベース領域が浮遊状態になさ
れたバイポーラトランジスタを形成し、浮遊状態になさ
れたベース領域の電位を薄い絶縁層を介して前記ベース
領域の一部に設けた電極により制御することによって、
光情報を光電変換する装置である。高不純物濃度領域よ
りなるエミッタ領域が、ベース領域の一部に設けられて
おり、このエミツタは水平スキャンパルスにより動作す
るＭＯＳトランジスタに接続されている。前述した、浮
遊ベース領域の一部に薄い絶縁層を介して設けられた電
極は、水平ラインに接続されている。ウェハ内部に設け
られるコレクタは、基板で構成されることもあるし、目
的によっては反対導電型高抵抗基板に、各水平ラインご
とに分離された高濃度不純物理込み領域で構成される場
合もある。絶縁層を介して設けられた電極で、浮遊ベー
ス領域のリフツレツシュを行なう時のパルス電圧に対し
て、信号を読出す時の印加ノくルス電圧は実質的に大き
い、実際に、２種類の電圧を持つパルス列を用いてもよ
いし、ダブルキャパシタ構造で説明したように、リフレ
ッシュ用ＭＯＳキャパシタ電極の容量Ｃｏｗにくらべて
読出し用ＭＯＳキャパシタ電極の容量Ｃｏｗを大きくし
ておいてもよい、リフレッシュパルス印加により。

逆バイアス状態になされた浮遊ベース領域に光励起され
たキャリアを蓄積して光信号に基ずいた信号を記憶させ
、該信号読出し時には２ベース・エミッタ間が順方向に
深くバイアスされるように読出し用パルス電圧を印加し
て、高速度で信号を読出せるようにしたことが特徴であ
る。こうした特徴を備えていれば６本発明の光電変換装
置はいかなる構造で実現してもよく、前記の実施例に述
べられた構造に限定されないことはもちろんである。

たとえば、前記の実施例で説明した構造と導電型がまっ
たく反転した構造でも、もちろん同様である。ただし、
この時には印加電圧の極性を完全に反転する必要がある
。導電型がまったく反転した構造では、領域はｎ型にな
る。すなわち、ベースを構成する不純物はＡｓやＰにな
る。　ＡｓやＰを含む領域の表面を酸化すると、　Ａ３
やＰはＳｉ／５ｉＯｔ界面のＳｉ側にパイルアップする
。すなわち５ベ一ス内部に表面から内部に向う強いドリ
フト電界が生じて、光励起されたホールはただちにベー
スからコレクタ側に抜け、ベースにはエレクトロンが効
率よく蓄積される。

ベースがｐ型の場合には、通常使われる不純物はポロン
である。ポロンを含むｐ領域表面を熱酸化すると、ポロ
ンは酸化膜中に取り込まれるため、　Ｓｉ／Ｓｉ　Ｏを
界面近傍のＳｉ中におけるポロン濃度はやや内部のポロ
ン濃度より低くなる。この深さは、酸化膜厚にもよるが
、ａ常数１０ＯＡである。この界面近傍には、エレクト
ロンに対する逆ドリフト電界が生じ、この領域に光励起
されたエレクトロンは、表面に集められる傾向にある。

このままだと、この逆ドリフト電界を生じている領域は
不感領域になるが１表面に沿った一部にｎゝ領領域、本
発明の光電変換装置では存在しているため、ｐ領域のＳ
ｉ／５ｉ（ｂ界面に東まったエレクトロンは、このｎ＋
領領域再結合される前に流れ込む、そのために、たとえ
ポロンがＳｉ／５ｉ０２界面近傍で減少していて、逆ド
リフト電界が生じるような領域が存在しても、はとんど
不感領域にはならない、むしろ、こうした領域がＳｉ／
５ｉ０２界面に存在すると、蓄積されたホールをＳｉ／
５ｉＯ１界面から引き敲して内部に存在させるようにす
るために。

ホールが界面で消滅する効果が無くなり、９層のベース
におけるホール蓄積効果が良好となり、きわめて望まし
い。

以上説明してきたように、本発明０光電変換装置は、浮
遊状態になされた制御電極領域であるベース領域に光に
より励起されたキャリアを蓄積するもノテある。すなわ
ち、Ｂａ５ｅ　　５ｔｏｒｅ　　ＩｍａｇｅＳｅｎｓｏ
ｒ　と呼ばれるべき装置であり、ＢＡＳＩＳ　と略称す
る。

本発明の光電変換装置は、１個のトランジスタで１画素
を構成できるため高密度化がきわめて容易であり、同時
にその構造からブルーミング、スミアが少なく、かつ高
感度である。そのダイナミックレンジは広く取れ、内部
増幅機能を有するため配線容量によらず大きな信号電圧
を発生するため低雑音でかつ周辺回路が容易になるとい
う特徴を有している。例えば将来の高品質固体撮像装置
として、その工業的価値はきわめて高い。

なお、本発明に係る光電変換装置は以上述べた固体撮像
装置の外にまたとえば１画像入力装置、ファクシミリ、
ワークスティジョン、デジタル複写機、ワープロ等の画
像入力装置、ＯＣＲ、バーコード読取り装置、カメラ、
ビデオカメラ、８ミリカメラ等のオートフォーカス用の
光電変換被写体検出装置等にも応用できる。

第８図（ｂ）に、１ｌｌｓ頭的リフレッシュ動作、蓄積
動作、読出し動作、そして過渡的リフレッシュ動作と巡
回するときの、エミッタ、ベース、コレクタ各部におけ
る電位レベルを表したものを示す。

谷部位の電圧レベルは外部的に見た電位であり。

内部のポテンシャルレベルとは一部一致していない所も
ある。

説明を簡単にするためにエミッタ・ペース間ノ拡散電位
は除いである。したがって、第８図（ｂ）でエミッタと
ベースが同一・レベルで表される時には５実際にはエミ
ッタ・ベースｌｌｎにで与えられる拡散電位が存在する
わけである。

第８図（ｂ）において、状態■、■はリフレッシュ動作
を、状態■は＃積動作を５状態■、■は読出し動作を、
状態■はエミー／夕を接地したときの動作状態をそれぞ
れ示す、また電位レベルは０ボルトを境にして上側が負
、下側が正電位をそれぞれ示す、状態のになる前のベー
ス電位はゼロボルトであったとし、またコレクタ電位は
状態■からｔｇ＋まで全てＴＦｆｔｔ位にバイアスされ
ているものとする。

、１記の一連の動作を第８図（ａ）のタイミング図と共
に説明する。

第８図（ａ）の波形６７のごとく、時刻Ｌｌにおいて、
端子３７に正電圧、すなわちリフレ・・シュ電圧Ｖ　Ｑ
１４が印加されると、第８図（ｂ）の状態（ｊ）に°Ｉ
Ｃ位２００のごとくベースには、すでに説０ｔＩｌ、た
様に なる分圧がかかる。この電位は時刻ｔｌからｔ。

の間に、次第にゼロ電位に向かって減少していき１時刻
ｔｌでは、第８図（ｂ）の点線で示した電位２０１とな
る。この電位は前に説明した様に。

過渡的なリフレッシュモードにおいて、ベースに残る電
位Ｖ、である０時Ｍ　ｔ　ｔにおいて、波形６７のごと
く、リプレー２シユ電圧ＶＩＩＮがゼロ電圧にもどる瞬
間に、ベースには。

なる電圧が前と同様、容量分割により発生するので、ベ
ースは残っていた電圧Ｖにと新しく発生した電圧との加
算された電位となる。すなわち、状態、すにおいて示さ
れるベース電位２０２であり、これは。

で与えられる。

この様なエミッタに対して逆バイアス状態において光が
入射してくると５この光により発生したホーＪしがベー
ス領域に蓄積されるので、状態■のごとく、入射してく
る光の強さに応じて、ベース電位２０２はベース電位２
０３．２０３　’２０３″のごとく次第に正電位に向っ
て変化する。この光により発生する電圧をＶｐとする。

次いで波形６９のごとく、水平ラインに垂直シフトレジ
スタより電圧、すなわち読出し電圧Ｖ貸が印加されると
、ベースには なる電圧が／ＩＩＩ　ｎされるので、光がまったく照射
されないときのベース電位２０４は となる。このときの電位２０４は前に説明したごとく、
エミッタに対してＱ、５〜ｏ、ｅ　ｖ程度順方向にバイ
アス状態になる様に、設定される。また、ベース電位２
０５１，２０５’　、２０５　”Ｉｔそれぞれ で失えられる。

ベース電位が、この様に、エミッタに対して、１唄力向
バイアスされると、エミッタ側からエレクトロンの注入
がおこり、エミッタ電位は次第に正電位方向に動いてい
くことになる。光が照射されなかったときのベース電位
２０４に対するエミッタ電位２０６は、順方向バイアス
を０．５〜０．６　Ｖに１没定した時読出しパルス幅が
ｌ〜２４ｓ位のとき、約５０〜１００　ｍＶ８！度であ
り、この電圧をｖｌ　とす６と５ｚミｙり？を位２０７
．２０７　’２０７　”は前の例の様に０．１　琲ｓ以
上のパルス幅であれば直線性は十分確保されるので、そ
れぞれＶｐ　＋ＶＢ　　、Ｖｐ　’＋ＶＢ　、Ｖｐ“十
　Ｖｓ　トなる。

ある一定の読出し時間の後、波形６９のごとく読出し電
圧ｖｌｌがゼロ電位になった時点で、ベースには なる電圧が加算されるので２状態■のごとくベース電位
は、読出しパルスが印加される前の状態、すなわち逆バ
イアス状態になり、エミッタの電位変化は停止する。す
なわち、このときのベース電位２０８は、 ベース電位２０９，２０９’、２０９−はソレぞれ、 で８えられる。これは読出しが始まる前の状９％　！７
）とまったく同じである。

この状ｉｆ、　ｔｇ）において、エミッタ側の光情報信
号が外部へ読出されるわけである。この読出しが終った
後、各スイッチングＭＯＳ１−ランジスタ４８．４８’
、４８″が導通状態となり、エミｔりがＰａ地されて状
７！ｔＢ）のごとく、エミッタはゼロ電位となる。これ
で、リフレッシュ動作、蓄積動作、読出し動作と一蔓し
、次に状態■にもどるわけであるが、この時、最初にリ
フレジシュ動作に入る前は、ベース電位がゼロ電位から
スタートしたのに対して、−巡してきた後は、ベース゛
電位が およびそれに、それぞれＶｐ、Ｖｐ　　、Ｖｐ”が加算
された電位に変化していることになる。したがって、こ
の状態で、リフレッシュ電圧Ｖ工が印加されたとしても
ベース電位はそれぞれｖＫＶＸ　十ＶＰ　、Ｖ（＋Ｖｐ
　　、Ｖ（＋Ｖｐ　″になるだけであり、これでは、ベ
ースに、十分な順方向バイアスがかからず、光、の強く
あたった所は順方向バイアス惜が大きいので光情報は消
えるものの、光の弱い部分の情報は消えずに残るという
ことが生ずることは第６ｒｇ４に示したリフレッシュ動
作の計算例から見てもあきらかである。

この様な現象は過渡的リフレッシュモード独特。

のものであり、完全リフレッシュモードでは、ベース電
位が必ずゼロ電位になるまで長いリフレッシ１時間をと
るために、この様な問題は生じない。

以上述べたような不具合が生ぜず、かつ高速リフレッシ
ュが可能な他の実施例について以下に説明する。今まで
述べてきたリフレッシュの方法は、ベースにＭＯＳキャ
パシタを通してパルス、を印加し、ベース電位を正電位
とすることにより行なっていた。すなわち、ベースが正
電位のとき。

ベース゛・コレクタ間接合ダイオードＤｂｃが、導通状
態になり５ホールがベースより流れだすことにより、ベ
ース電位が接地電位に向って、減少していくときの過渡
的状態、すなわち過渡的リフレッシュあるいは、ベース
電位が完全に接地電位になる完全リフレッシュを用いて
いたわけである。ｐベースの４合には、所定の量のホー
ルがベースから無くなっているので、リフレッシュパル
スを除去した状態では、ｐベースは負に停電し、所定の
負電圧になる。

これに対して以下に述べる実施例は、各党センサセルに
にＯ３）ランジスタを負荷して、ベースから光励・起に
よって蓄積されたホールを取りのぞき所定の負電圧にす
るという考え方によりリフレッシュを行なうことを可能
にした光電変換装置に関するものである。

以下第１８　ｒＩ！Ｊ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて
、くわしく説明する。

第１８図（ａ）は基本光センサセルを二次元的にいくつ
か配列したときの一部を示す平面図であり、第１８図（
ｂ）は（ａ）図のＡＡ″断面図、第１８図（Ｃ）は、二
次元的にいくつかの基本光センサセルを配置したときの
回路構成をそれぞれ示す図である。

第１８図（ａ）においてエミッタ領域７、読出し。

用の垂直ライン８およびこの配線とエミッタ領域７との
コンタクト１９．ｐ領域６．およびＭＯＳキャパシタ９
で構成されている所は第１図に示したものとまったく同
じである。

ただし、ＭＯＳキャパシタ９は、第１図に示した実施例
では読出しおよびリフレッシュの各動作において共通に
使用されているが本実施例では後で述べるように読出し
動作として使用される。

第１図に示した実施例と異なるのは、各党センサセルに
リフレッシュ用のＰチャンネルＭＯＳトランジスタが付
加されている点である。すなわち第１８図（ｂ）の断面
図を見ると明らかな様に光センサセルのｐ領域６とこの
ｐ領域６と切り離された所に、拡散、イオン注入等で形
成されたｐ領域２２０、両者の間のｎ型チャンネルドー
プ領域、酸化膜領域３、およびゲート電極２２１より構
成されるＰチャンネルＭＯＳトランジスタが付加されて
いる。この新らしく形成されるｐ領域２２０は、光セン
サセルのｐ領域６を形成するとき同時に作られ、また、
各領域間のチャンネルになるｎ型領域は、イオン注入技
術等を用いてンース・ドレイン間がパンチスルーしない
様に、ｎ型の不純物濃度を増加させるチャンネルドープ
がなされる。少々プロセス数は増すが、９ＭＯ３のソー
ス◆ドレイン間のバンチスルーを押えるためにはｐ領域
２２０を表面近傍にごく薄く作ることも有効である。

このｐチャネルＭＯ１ランジスタのゲート２２１は第１
ぎ図（ａ）の平面図のごと（、ＭＯＳキャパシタ電極９
と共通接続され、水平ラインＩＯを通してパルスが印加
される様構成されている。またＰチャネルＭＯＳトラン
ジスタのｐ領域すなわちドレイン領域２２０は水平ライ
ン２２３とコンタクト２２２を介して接続されている。

したがって、水平ライン１０と水平ライン２２３および
垂直ライン８は多層配線技術によって形成され、疋れぞ
れの間は、絶縁膜により絶縁されているわけである。

第１８図（ｃ）は以上で説明した構造をもつ光センサセ
ルのベース領域と共通なソース領域、配線１０と共通接
続されたゲート領域をもつｐチャンネルＭＯＳトランジ
スタが各党センサセルに付加されていることである。

以下に本実施例の動作について説明する。

光励起によるホールのベースの蓄積動作の前は、第８図
（ｂ）の状態■の棟にベース領域は負電に蓄積され、光
の強さに応じてベースの電位は正の方向に向かって変化
していく、この状態においされ、ベースに蓄積された情
報がエミッタ側に読出されることになる。また読出しパ
ルス電圧Ｖ貸が接地電位になされた時に状態■となり、
またエミッタ側から垂直ラインを通して情報が外部へ出
力された後、垂直ラインの配＆Ｉ１８を通してエミ７り
が＄ｌ毘され状態■となるのは、すでに前に説明した実
施例と同じ動作をするわけである。

読出しパルスが配線１０に印加された時、第１８図（ａ
）に示す様に、光センサセル２２４から読出しが行なわ
れるが、この時、同時に光センサセル２２４′に接続さ
れたｐチャンネルＭＯＳ）ランジスタのゲートにも同一
の読出しパルスが印加される。しかし、この読出しパル
スは正のパルスであり、これによりＰチャンネルＭＯＳ
）ランジスタが導通状態になることはなく、伺ら光セン
サベース電位が光の強度に応じて変化している状態にお
いて、配線１０に負のパルスを印加する。この負のパル
スによりｐチャンネルＭＯＳトランジスタは導通状態に
なされ、光センサセル２２４′のベース電位は、配線２
２３に供給されている負の電源電圧を−ＶＳＲとすると
、−（Ｖｓ置−■會、）になる、ただし、−ＶやＨは９
ＭＯ３のしきい値電圧である。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図までは、本発明の一実施例に係る光セ
ンサセルの主要構造及び基本動作を説明するための図で
ある。第１図（ａ）は平面図、（１））は断面図、（Ｃ
）は等価回路図であり、第２図は読出し動作時の等価回
路図、第３図は読出し時間と読出し電圧との関係を示す
グラフ、第４図（ａ）は蓄積電圧と、読出し時間との関
係を、第４図（１））はバイアス電圧と読出し時間との
関係をそれぞれ示すグラフ、第５図はリフレッシュ動作
時の等価回路図、第６図（ａ）〜（Ｃ）はリフレッシュ
時間とベース電位との関係を示すグラフである。第７図
から第１０図までは、第１図に示す光センサセルを用い
た光電変換装置の説明図であり、第７図は回路図、第８
図（ａ）はパルスタイミング図、第８図（ｂ）は各動作
時の電位分布を示すグラフである。第９図は出力信号に
関係する等価回路図、第１０図は導通した瞬間からの出
力電圧を時間との関係で示すグラフである。第１１．１
２及び１３図は他の光電変換装置を示す回路図である。 第１４図は本発明の実施例に係る他の光センサセルの主
要構造を説明するための平面図である。第１５図は、第
１４図に示す光センサセルを用いた光電変換装置の回路
図である。第１６図及び１７図は本発明の光電変換装置
の一製造方法例を示すための断面図である。第１８図は
本発明の実施例に係る光センサセルを示し、（ａ）は断
面図、（ｂ）はその等価回路図である。第（ｃ）は回路
構成図である。 １・・・シリコン基板、２・・・、Ｐ　Ｓ　Ｇ膜、３・
・・絶縁酸化膜、４・・・素子分離領域、５・・・ｎ−
領域（コレクタ領域）、６・・・ｐ領域（ベース領域）
、７．７’・・・ｎ”領域（エミッタ領域）、８・・・
配線、９・・・電極、１０・・・配線、１１・・・ｎ＋
領領域１２・・・電極、１３・・・コンデンサ、１４・
・・バイポーラトランジスタ、１５．１７・・・接合容
量、１６．１８・・・ダイオード、１９．１９’・・・
コンタクト部２２０・・・光、２８・・・垂直ライン、
３０・・・光センサセル。 ３１・・・水平ライン、３２・・・垂直シフトレジスタ
、３３゜３５・・・ＭＯＳ）ランジスタ、３６．３７・
・・端子、３８・・・垂直ライン、３９・・・水平シフ
トレジスタ、４０・・・ＭＯＳトランジスタ、４１・・
・出力ライン、４２・・・ＭＯＳ）ランジスタ、４３・
・・端子、４４・・・トランジスタ、４４．４５・・・
負荷抵抗４６・・・端子、４７・・・端子、４８・・・
ＭＯＳトランジスタ２４９・・・端子、６１，６２．６
３・・・区間、６４・・・コレクタ電位、６７・・・波
形、ａｏ、ｓｉ・・・容量、８２・、８３・・・抵抗、
８４・・・電流源、１００．１０１，１０２・・・水平
シフトレジスタ、１１１．１１２・・・出力ライン、１
３８・・・垂直ライン、１４０・・・ＭＯＳタランジス
タ、１４Ｂ・・・ＭＯＳトランジスタ、１５０，１５０
’・・・ＭＯＳコンデンサ、１５２，１５２’・・・光
センサセル、２０２．２０３，２０５・・・ベース電位
、２２０・・・Ｐ◆領領域２２２，２２５・・・配線、
２・５１・・・Ｐ４″領域、２５２ｎゝ領域１２５３・
・・配線、３００・・・アモルファスシリコン、３０２
・・・窒化８．３０３・・・ＰＳＧ！ＩＩ、３０４・・
・ポリシルコン、３０５・・・ＰＳＧ！ｌ、３０６・・
・層間絶縁膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １同導電型領域よりなる２個の主電極領域と該主電極領
   域と反対導電型の制御電極領域よりなる半導体トランジ
   スタの該制御電極領域を、リフレッシュ工程において該
   主電極領域の一方の領域に対して所定の逆バイアス動作
   にするべく、絶縁ゲート型トランジスタの主電極領域に
   なるべく配置し、該絶縁ゲート型トランジスタが遮断状
   態にある状態で、光励起により発生したキャリアを該制
   御電極領域に蓄積し、該蓄積されたキャリアにより発生
   した該制御電極領域の蓄積電圧を読出す工程において、
   該制御電極上に薄い絶縁層を介して設けられた電極に電
   圧を印加することにより、該制御電極領域が該一方の主
   電極領域に対して順方向にバイアスされるべく構成され
   たことを特徴とする光電変換装置