JPS60143668A - カラ−用イメ−ジセンサ - 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】 発明の技術分野 本発明は任意の分光感度特性に合わせた受光感度を有す
る静電誘導トランジスタ光検出装置に関するもので、特
にその特性を応用したカラー固体撮像装置に関するもの
である。

従来技術 静電誘導トランジスタ（以下ＳＩＴと云う）を用いた光
検出器の動作は、ＳＩＴに照射された光によってＳＩＴ
のゲート電位が決定され、一方、チャネル内の電位障壁
高さはゲート電圧及びドレイン電圧の静電誘導効果によ
って制御されるという原理に基づいている。その結果、
光検出デバイスとして、ＳＩＴは高電流利得、高信号対
雑音比、広ダイナミツクレンジ、及び高周波動作という
特徴を有している。既に本発明者によって２種々な構造
を有するＳＩＴ光検出器が提案されている（特願昭５６
−１９２４１７号）。一方、ＳＩＴ光検出器の持つ高電
流利得（高光利得）、高信号対雑音比、広ダイナミツク
レンジ、高周波動作という特徴を生かした撮像装置（以
下ＳＩＴイメージセンサという）への応用もなされ、既
に本発明者によって特願昭５３−８７９８８号、ＩＶｊ
ｆ願昭５６−２０４６５６号、特願昭５７−１５７６９
３号等に開示されている。しかるに、ＳＩＴ光検出器も
しくは、それを応用したゲート蓄積方式によるＳＩＴイ
メージセンサにおいて、波長特性、特に短波長側の青感
度を上昇させる試みは既に特願昭５７−２１７７５１号
及び特願昭５７−２１８９２６号に開示されている。

その方法は、ＳＩＴ光検出器もしくはＳＩＴイメージセ
ンサの画素のゲート部分に構造的な工夫を加える方法で
ある。−例として第１図に従来例を掲ける。

第１図は短波長感度の上昇したゲート蓄積方式によるＳ
ＩＴイメージセンサの一画素分を示し、　Ｇｚ）は回路
構成、及び（ｂ）はデバイスの断面構造を示す。

図を参照して各部分を説明する。１０は？ｌ＋基板もし
くは埋め込み層であｐ、ｓｒｒ部分のソース領域となっ
ている。１１はｎ−もしくはｐ、ｉの高抵抗層でありｓ
ｒｒのチャネル部分を形成する。深い拡散領域で形成さ
れたｐ＋領竣１６は、　ＳＩＴのゲートであシ、Ｒ＋ド
レイン１５とｎ＋ソース１０との間を流れる電流を制御
するためのものでオシ、比較的浅い拡散領域で形成され
たｐ領域１２は、同じくＳＩＴのゲートであるが、電流
制御用ではなく、比較的侵入距離の浅い、短波長光を受
光する目的のものである。点線Ａはゲー）　１３．１２
内に広がった空乏層の様子を示し２点線Ｂは高抵抗層１
１内に広がった空乏層の様子を示している。１４は５ｉ
０１等の絶縁膜である。電極１６はドレイン電極である
と同時に信号読み出しラインとなっておシ、電極１７は
、薄い絶縁膜１８を介して、Ｐゲート１２（６） との間にキャパシタを形成すると同時に、ゲートアドレ
スラインとなっている。以上の構成でＸ−Ｙアドレス方
式のイメージセンサが構成されている。

しかるに、第１図（ｂ）の空乏層の広がシ方よシ明らか
な如（、’Ｉ）＋領域１３及びｎ−（ｐ−＊’）層１１
及び？領域１０からなるｐｉｎダイオードと、Ｐ領域１
２及びｎ−（ｐ−＋’）層１１及び？領域１０からなる
Ｐｉｎダイオードの受光感度を比べてみると、Ｐ（１２
）ｒＬ（１１）ｎ”　（１０）ダイオードの方が短波長
感度が良く。

ｐ＋（１３）？Ｌ−（１０）　ダイオードの方は、比較
的侵入距離の深い波長光を受光している。

第１図の断面構造のデバイスを個別素子として。

即ち一素子のＳＩＴ光出器として使用することもあシ、
その場合には、ｎ＋領域１５をソース、ｎ＋領域１０を
ドレインとして使用する正立動作も、またイメージセン
サの画素の動作と同様に？領域１５をドレイン、ｎ＋領
域１０をソースとする倒立動作として使用することもあ
る。

青感度を持たせるために、受光部分として動作するＳＩ
Ｔのゲート部分を浅い拡散領域１２とし。

（４） ＳＩＴの電流制御用として動作するＳＩＴのゲート部分
を深い拡散領域１３で構成するものであシ、光の侵入距
離の浅い短波長の光は上記浅い拡散領域１２で感度を持
たせているわけである。さらに同様の目的でＳＩＴのゲ
ート部分に２部分的に穴を開け。

ｉｔとんど拡散されず、空乏化された領域を有する構造
を浅い拡散領域の代わシに設けるような構造をゲートに
持たせた例は既に特願昭５７−２１８９２７号において
提案した。

しかしながら、上記の従来例では短波長側、特に青感度
を上けるためにゲート部分の拡散深さを浅くする点が重
要な点であった。しかるにこの方法のままでは、任意の
与えられた分光感度特性に合わせた受光感度を有するＳ
ＩＴ光検出器、もしくはイメージセンサの画素を構成す
ることは難しい。

即ち、ＳＩＴのｐ＋ゲート拡散領域の拡散深さを浅くす
れば確かに特定の短波長側の感度は上昇するが。

他の波長域の受光感度を制御することはできない。

特に、与えられた分光感度特性に、沿うような受光感度
を有するＳＩＴ光検出器、もしくはｓｒｒイメージセン
サの画素を構成することは従来例の構造では不充分であ
る。さらに従来例のゲート構造では、２回の拡散工程（
浅い拡散と深い拡散）が用いられているにすぎず、ゲー
ト１２．１３と１層１０との間の高抵抗層１１の厚さに
対する制限が与えられていないため９％定の波長に対す
る鋭敏な感度特性を持たせることも難しかった。さらに
、従来例では、特定の波長に対する受光感度を持たせる
ために、具体的にゲートの拡散深さの決定方法。

或いは、空乏層の厚さの設計方法、さらにゲートの面積
に対する制限等の具体性の点で欠けておシ。

分光感度特性を考慮した最適設計はなされてたかった。

本発明の目的 本発明の目的は、上述のＳＩＴ光検出器もしくはイメー
ジセンサの画素としての優れた特性を生かしつつ、いく
つかの特定の波長に対する選択的で鋭敏な感度特性を受
光部分としてのゲート部分に持たせ、増幅器としての特
性はＳＩＴ部分に持たせることで、全体の特性として、
いくつかの特定の波長に対する選択的な感度特性を持っ
たＳＩＴ光検出器もしくはイメージセンサの画素の構造
を提案することである。

さらに２本発明の他の目的は、特定の波長のみならず、
上記構造を組み合わせて任意の要求される分光感度特性
に対して、受光部分としてのゲート構造に分光感度特性
に合った受光感度を持たせたＳＩＴ光検出器もしくはＳ
ＩＴイメージセンサの画素を提供することである。

さらに本発明の他の目的の一つは、上記概念を応用して
Ｅｌｕｇ　（λ＝　４５０　ｎｍ）　、　Ｇｒｅｅｎ　
（２＝　５５０　ｎｍ）　。

Ｉｈｄ　（λ＝６６０ｙＬｍ）　の三つの波長に対して
、それぞれ受光感度がピークとなるようにゲートの拡散
深　、さＸ　ゲート及びｎ＋埋め込みソース佃域間の空
ノ゛ｐ＋を 乏層幅Ｆｉの寸法をそれぞれ！、、＋　：０．２μｍ、
　０．５１１ｍ。

１．３７’ｍｅ　Ｗｉ”　０−４μｍ、　０．９μ町２
．３μｍにはげ近くなるように選択し、かつＧｒ＃ａｎ
の画素の面積はＲ＃ｄ。

Ｂｌｗｇの画素の面積の１．６倍とすることによって構
成しこカラー用ＳＩＴ撮像装置を提供することである。

（７） 発明の概要 いくつかの特定の波長に対する選択的で、鋭敏な感度特
性をＳＩＴのゲート部分に持たせるために。

ゲート部分と基板（ｎ＋ドレイン）との間の高抵抗層の
厚さに対する制限を与えるようなｎ＋埋め込み層を設け
、このＣ埋め込み層をドレイン領域もしくはソース領域
とするようなＳＩＴ光検出器を構成する。さらにＳＩＴ
のゲート部分を構成するｐ＋領領域面積を分割して波長
λｉを選択的に受光する部分の面積をＡ（Ｊ＝）とし、
波長λｉに対して要求される量子効率をｎ（λ２）とし
、ＳＩＴのゲート全体の面積を’ｔ６ｔとすると近似的
に。

（ここでＲ（λｉ）はλｔの波長に対する反射係数。

ｅ中２．７１８） で表わされるような面積比にＡ（λｉ）を選択する。

ここでＡｔｏｔは特定の波長λｔを検出するために。

ＳＩＴのゲートとｎ＋埋め込み層で形成されるｐｉｎダ
イオードのｉｆＬ接合界面と表面との間の距離な（８） 長λｉに対する吸収係数）ｉ層に広がる空乏層はほとん
どｉｎ接合界面から表面側方向に広がるように不純物密
度を選定し、その空乏層の厚さＷ、は近で与えられるよ
うな値に選択する。

上述の条件はＳＩＴのゲート構造に対する深さ方向及び
面積に対する構造限定を与えている。

埋め込み層を形成するｆＬ＋領域の厚さは、除去したい
赤外光等のフィルタ作用にして動作すれば良い程度に選
ばれており、ｎ＋埋め込み層の厚み分を透過した所で発
生したキャリアのうち正孔はこのＣ埋め込み層が、電位
障壁となるため、ＳＩＴのｐ＋ゲートへの影譬はない。

従って、短波長側で特定の波長に対する感度を最大にす
ること・が可能となるのである。

以上のような設計規準にて特定の波長λｉに対する選択
的な受光感度をＳＩＴのゲート部分において実現するこ
とが本発明の基本部分である。ＳＩＴのゲート部分を分
割して２個々の分割されたダイオード部分に上記の設計
規準を用いて、各々異なった波長λｉに対して選択的な
受光感度を持たせれば。

これら分割されたダイオードの並列動作によってＳＩＴ
全体としては、いくつかの波長λｉにおいて選択的な分
光感度特性を示す光検出器が実現できるわけである。逆
に云うと、一つのデバイスで、各々、異なった波長に対
して選択的な波長感度を持った光検出器が実現されるわ
けである。さらにこの方法を押し進めると、ダイオード
部分を細かく所定の面積比に公印１して、それぞれのダ
イオード部分においてゲート拡散深さ、空乏層幅等に対
して所定の波長に対して辿択的々受光感度を有するよう
に設計することで、任意の要求される分光感度特性に合
わせた受光感度特性を一つのデバイス内に持たせること
も理想的にはできる。本発明においては、λ１．λ、、
λ３と３つの波長に対して受光感度を有するＳＩＴ光検
出器の構造例が示され、さらにそのような構造の製造方
法も簡単に示されている。さらに２以上のような考え方
を固体撮像装置に応用したカラー用イメージセンサも実
施例として示される。

本発明の特徴は、上述した高光電流利得、高信号対雑音
比、広ダイナミックレンジ及び高周波動作という優れた
特性を有するＳＩＴ光検出器において、さらに、いくつ
かの特定の波長に対して選択的で、鋭敏な感度特性を持
った受光部分としてのゲートの構造の最適化と、ＳＩＴ
の増幅特性の最適化とを別々に行ない、全体として、要
求された分光感度特性に合った受光感度を持つＳＩＴ光
検出器を実現するための具体的なデバイス構造及びその
製造方法を提案することである。ＳＩＴのゲート部分の
ｐｉｎダイオードの量子効率は１以下であるがＳＩＴ増
幅器の増幅特性によって、要求される感度ＣＡＡＩ’）
を得ることができる。要求された分光感度特性に合わせ
た受光感度特性をＳＩＴのゲートの光受光部分とＳＩＴ
としての増幅特性とで最適化を行ない、全体として所望
の分光感度特性を得ることを目的としておシ、各部分の
具体的寸法、構造限定の決定方法について本発明の原理
とともに概略的に説明する。

一般にｐｎ接合半導体に光が照射されると、電子・正孔
対が生成されるが、これらのキャリアはｐｎ接合の空乏
層内に存在する電界によって分離され、正孔はｐ型領域
へ、電子はｎ型領域へ流入する。この分離されたキャリ
アの流れによって光電流が発生する。半導体中における
電子・正孔対の発生率（確率）は照射光の波長に依存す
る。これは、半導体中において光量子エネルギーが特定
の吸収係数を持つからである。−例としてＳｉの場合、
”；ＯＯＫにおいて第２図に示されるような光の吸収係
数αと波長λ（光量子エネルギー）の関係。

或いは侵入深さπと波長λの関係を有している。

単色光（ｈν）の照射に対して電子正孔対の発生率Ｇ（
ｚ）　は　Ｓｚａ　二　’　Ｐｈｙｚｉｃ’Ｊ”；ｇｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃａａ−”　ｐ７５５
（Ｗｉ　ｌす１９８１年）を参照して ・・・・・・・・・（１） で表わされる。ここでφ。（λ）は波長λの入射光の光
束、Ｐｏ（λ）は波長λの光強度、Ｒ（λ）は波長λの
光に対する反射係数、Ａはデバイスの面積である。

一定強度で一定の波長λの光入射に対して１発以内にお
いて最大値を取ることは明らかである。

しかしながら、光によって発生したキャリアの数は再結
合によって減少するとともに、再結合率（確率）Ｕ（ｘ
）もまた半導体基板の深さ方向に対して指数関数的に減
少するという関係がある。従って、光電流密度Ｊは次式
で表わされる。

Ｊ　＝　ｑ（Ｇ（ｚ）−Ｕ（ｚ））・δ　・・・・・・
・・・（２）ここで、δはＸを中心とする無限少に薄い
範囲内の空乏層幅を表わす。

個々に分割された面積をＡ（λｉ）とし、その個々−ド
の組み合わせからなるホトダイオードには。

全電流密度Ｊとして で表わされる電流が流れるであろう。ここで９個個のダ
イオードを流れる電流密度は であシ、かつ ’ｔｏｔ　”ΣＡ（λ、）　である。

ｔ＋１ 従って、一定の波長２ｉに対する量子効率η（λ、）は
次式で表わされる。即ち。

（Ｇ（Ｚ（λ１））−Ｕ（２；（λｉ　）　）　）　−
・・−（４）波長λｔの光に対するデバイスの応答は２
面積Ａ（λ１）の部分においてのみ得られるものであり
。

他のデバイス面積の部分は、それぞれ他の波長の光を受
光するようになされでいる。従って（４）式は次のよう
に書き換えられる。

・・・・・・（５） 右辺第二項の再結合率によって決定される項は相対的に
右辺第一項に比べ小さいため、一定の波ると考えること
ができる。このような理想的な波長λ選択性を有するデ
バイスは２両側の不純物密度がともに高く９階段接合か
らなるｐ＋　？ｌ＋接合から成り立っていると考えられ
る。第３図は原理説明図である。

第３図（α）、（ｂ）、（Ｃ）は本発明を説明するだめ
の原理図である。ＳＩＴのゲートとドレイン間のｐｎ接
合に鋭敏な波長選択性を持たせるために、空乏層の広が
シを抑え、光の侵入距離に接合の位置が等しいようにな
された理想化されたｐ＋ｎ十接合ダイオードを考える。

これらのｐ＋１接合の面積を分割し。

それぞれ特定の波長λｉにのみ鋭敏な受光感度を持つよ
うに接合面の表面からの位置を／αぼλｉ）に等しく外
されている。第３図Ｕ）はこのような分割されたダイオ
ードＤ１　＋　Ｄ、　＃　Ｄａ　ｅ・・・・・・、　Ｄ
ｉの並列接続による等測的なダイオードの回路表現であ
る。第３図（ｂ）には２代表的な例として３つの波長λ
８．λ１．ス。

に対する光の侵入距離”１　＋　”２　＋　”Ｍの関係
が示されておシ、第３図（Ｃ）のｐ＋　ｎ＋接合の表面
からの距離はそ（１５） れぞれλ１．λ２．λ３に対応してＪ　＋　”２　＋　
’Ｒとなるように形成されている様子を示している。上
記の例で。

要求される量子効率をη（λｔ）とすると２面積比をか
つＡ（Ｊ、）＋Ａ（λ２）＋、４（λ３　）　＝　’ｔ
ｏｔうに選択すれば、特定の２１．λ、、λ１　の波長
に対して鋭敏な受光感度を有するダイオードが原理的に
は可能である。

第３図（ｃ）のｐ＋１接合面とデバイス表面との間の距
離は、任意の与えられた量子効率ηと波長λの関係によ
って決定される関数で変化しており、かつ量子効率ｌに
影響を与える他のパラメータ例えばＡ（λ）、Ｒ（λ）
にも依存している。ここでＲ（λ）は反射率である。逆
に云うと、理想的には、与えら（１６） れたη（λ）に対してｐｎ接合の深さを調整することで
受光感度訴整ができるということである。

再結合率Ｕ（ｘ（λ））によって決定される項を無視し
た第（５）式から、量子効率の最大値は単色光照射に対
し９反射を無視すると、α＝−＝−及びＡ（λ）Ｘ　δ ”　’ｔｏｔの条件に対して与えられる。この最大のη
ですら、常に１よシは小さい。すなわち、η７エ＝一で
ある。しかしながら、５１７部分の動作における増幅特
性によって、所望の感度（”／Ｗ）　ｔで増幅すること
ができる。

しかるに、実際上は、ｐｎ接合においては一定の空乏層
幅を考慮すべきであって、空乏層の両側において階段接
合が得られるわけではない。さらに、空乏層内で発生さ
れるキャリア以外に、かなシの数の少数キャリアが拡散
によって流入し、ｐ型及びｎ型領域に集められる。この
こ、とは一定の波長に対する感度を増大させるととにつ
ながるが。

波長の鋭敏な選択性という点では著しく低下したものと
なシ、与えられた量子効率ηと波長λの関係の再現性は
悪くなる。第４図には、要求されたｌとλの関数が一例
として示されてお如、縦軸のη、横軸のλともに、各々
の最大値η□ＱＸ＋λ１１ｒａ□に対して規格化されて
いる。第４図のような三つの感度ピークを持つ要求され
たηの波長応答は、波長λ、におけるη、工を対応させ
るようなｉ＝１．２゜５の三つのステップによって粗い
近似を行なうことができる。波長２１を検出するための
空乏層の最大深さ２□ａよけ、光量子エネルギーｈｖｔ
の最大侵入深さに対応しておシ、空乏層の幅は、同様に
。

Δλｉによって決定される。ｐｉｎダイオードはｉ領域
の厚さを適当に選ぶことによって空乏層の厚さをη−λ
曲線に合わせることができるため、都合の良い構造であ
る。ｐ＋領領域ｎ＋領領域充分に高不純物密度にドープ
されたならば、拡散電位もしくは適当な逆バイアス電圧
において空乏領域は？Ｚ−領域以外にｐ”＊”＋領域に
侵入する分は極めて少ない。

しかし、受光波長が長くなると少数キャリアの拡散距離
が問題となシ＋　ｐ＋１”＋領域内で空乏層の端から少
数キャリアの拡散距離以内で発生した少数キャリアも、
デバイスの量子効率に影響を与える。

特に、受光波長が長くなると１％定の波長にのみシャー
プな量子効率を持たせるべく設計されたｐｉｎダイオー
ドの量子効率の波長応答はすそが広がった形となる。こ
れは以下の理由によっている。

ｐｉｎダイオードの表面をｐとし、デバイスの接合面に
垂直にｐ側から侵入する場合を考えると、長波長側の光
はど侵入距離が深くなるため、ｎ領域における少数キャ
リアとしての正孔のうち、空乏層の端から拡散距離以内
で発生する正孔の数が増大し、との正孔が波長λ近傍の
量子効率を増加させているためである。従って、上述の
ｐｉｎダイオードの場合、空乏層幅はＸ、。の距離から
表面側へ広がるようになされるべきであシ、空乏層の厚
さ岡に対する実用的な限界としては、各々の波長λｉに
対して という式で表わされる。Ｘ□ａよは丁度、デバイス表面
からｉｎ接合界面までの距離である。空乏層の幅Ｗｉを
上式で表わされる式に選定した理由は。

”ｉｍａｘがλｉの侵入距離であるのに対しｐ　”ｉｍ
ａｘ／１１の距離から”ｔｍａｔの位置までの範囲で最
も有効にλ、の光が鋭敏に吸収されるからである。各々
異なった極大値りを有する分光感度特性（η−λ曲線）
に対しては、第（５）式に示されるように面積比Ａ（λ
ｔ）／Ａｔｏｔを考慮する必袈がある。第２図の例で可
視光範囲において、吸収係数αは一桁から一桁半のオー
ダー内で変化している。光によるキャリアの発生確率Ｇ
（π）は吸収係数αに比例しておシ、かつ実験的に決定
される再結合率Ｕ（ｚ）によって減少したある有効な値
となっている。波長依存性を有する反射率Ｒ（λ）は、
第（５）式に従って、同様に面積比Ａ（λ’　）／Ａｔ
ｏｔの中に組み込むことができよう。最終的に９個々の
分割されたデバイスの面積Ａ（λｔ）の中に、少数キャ
リアの拡散以外のすべての特定の波長２．に対する量子
効率に影響を与える項を取シ込ませることができるわけ
である。この非常に簡単な概念を応用して、第５図Ｇｚ
）　、（６）　、（ｃ）において示されるような二つの
スペクトル応答を考慮したデバイス設計、さらには、こ
れらの結果の重ね合わせから、必袂な分光感度特性に合
わせた受光感度を有するデバイス設計を行々うことがで
きるわけである。

一例として、逆バイアスで動作するｎチャネルノーマリ
オンＳＩＴの場合、ドレイン？領域に対しである動作点
にバイアスされたｐ＋ゲート領域の電位は入射光の変化
によって決定される。真性ゲート点におけるチャネルの
電位はゲート電位によって制御され、かつ一部分はＳＩ
Ｔの動作原理である所の静電誘導の効果によってドレイ
ン電圧によっても匍ｊ御される。従って、光は２間接的
にのみ。

ゲート電位変化を通して、電位障壁制御に影響を与える
ことになる。光励起された正孔はｐ＋ゲートの持つ電位
井戸の最も深い所に蓄積されるが、光検出によってチャ
ネル内を流れる多数キャリア（電子）電流を有効に変調
するためには、ゲートの持つ電位井戸の最も深い所は、
チャネルに最も近い所に位置していた方がよい。

第５図（α）は、波長選択性を有する本発明に係る光検
出器の断面構造を示す。中心部分には、ドレイン領域と
してのｎ＋埋め込み層５１を持ったＳＩＴが配置されて
お１７）、ｎ＋埋め込み層５１は実効的なりＩＴのチャ
ネル５７が短かくなるように、チャネル部分においてソ
ース６４側へせり上がった形をなしている。ｎ＋領域５
２及び５５は、ともに埋め込み層５０からの拡散によっ
て、それぞれ高抵抗ｎ−（ｐ−ｅｉ）層５５及び５６の
厚さを定義するように形成されておシ、ＳＩＴのゲート
領域も５８α＋５８ｂ、５６６と三つの領域から形成さ
れている。ｐ＋領域５８αはＳＩＴのｎ＋ソース６４及
び？ドレイン５１　（５０）間の電流を制御するための
領域であると同時に波長としては例えば６６０　ｎｍ近
傍の比較的長い波長の受光部分としての役割がある。こ
れに対してｐ領域５８ｂは。

電気的にはｐ＋ゲート領域５ＢＣＬと接続されているが
。

よシ短い波長２例えば５５０ｎｍ近傍の緑色光の受光部
分としての役割がある。さらにｐｍ域５８Ｃはｐ＋領域
５８α、ｐ領域５８ｂと電気的には接続されＳＩＴのゲ
ートの一部分であるが、さらに短い波長１例えば４５０
ｎｍ近傍の青色光の受光部分としての役割を持たせるこ
とができる。？Ｌ＋領域５２は高抵抗ｎ一層５５の厚さ
を制限するための領域であシ、ｐ領域５８ｂ、ｆＬ−領
域５５．ｎ＋領域５２からなるｐｉｎダイオードの高抵
抗層の幅を制限することによって所望の波長選択性を持
たせている。同様に、高抵抗ｎ一層５６の厚さもｎ＋領
域５３によって制限されている。

−例として波長４６０ｎｍ、　５５０ｎｍ、　６６０ｎ
ｍの三つの波長に対して選択的な受光感度を持たせる場
合の各領域の寸法を示すと以下の表１のようになる。

ここで、”ｉｍａｘはＳ２層表面より　ｎ−（ｐ−＋’
）ｓ”接合界面までの距離 Ｗ、はｔｒ’ｃｐ−、ｉ）ｎ＋接合面よシ表面側へ広が
った空乏層の厚さを示し。

１’Ｆｉ　＝　”ｉｍａｘ　（１−’　）で設計してい
る。

Ｚｊｐ”ｒｎａよはｐ型拡散層の接合深さ一πｊｎ＋は
？！′＋層５２　、５３のせシ上がυの寸法（２３） を示している。

第５図（ｃＬ）において６１はｐ＋ポリシリコン層もし
くは透明電極で形成されたゲート電極であシ、ｐ型領域
５８ａ、５８ｂ、５８Ｃに接続されている。６２は異方
性エッチ等の工程で形成されたＶ字型溝であシ。

分離領域となっている。６３は５ｉ０２膜、６４はｎ＋
ソース拡散領域、６５は？ポリシリコンで形成されたソ
ース電極、６６はＰＳＧもしくはＣＶＺ）Ｓ　ｉ　０２
等の絶縁膜、６７はＡ１電極でソース電極６５とコンタ
クトがとられている。第５図（ｂ）はＳｉ面に平行な面
で上記領域５８α、５８　ｂ　＋　５８　Ｃの部分を切
った面内における正孔に対する電位分布を示している。

白丸（Ｏ）が正孔を示し、矢印は正孔の動く方向を示し
ている。同じｐ領域内で不純物密度に差をつけ、５８α
のｐ領域を最も高不純物密度に選び、しだいに５Ｂｂ　
、５８Ｃと不純物密度を下げることで、ｐ＋領域５８α
は、光によって励起された正孔が最も蓄積されやすい場
所となっている。第５図（Ｃ）は６）図の平面図を示す
。？ソース領域６４は深いｐ＋拡散領域５８αによシ完
全に囲まれている。ｐ領域５８Ｃの端（２４） から、ソース領域６４までの距離は、正孔の拡散距離以
下の寸法に選ばれている。

ゲー）　５８ａ、５８ｂ、５８６と高抵抗層５４．５５
　、５６及びＳ＋層５０．５２．５３からなるｐｉｎダ
イオードの各部分の不純物密度分布を第６図に示す。ア
クセプタ不純物密度分布（ＮＡ）を実線で、ドナー不純
物密度分布（ＪＶＤ）を点線で示す。ｎ＋領域５０．５
２　、５３及び表面ｐ領域５８α、　５８ｂ、５８６の
両方の部分は、第６図に従って選択拡散技術を用いて形
成することができる。第６図において、縦軸は対数スケ
ールの不純物密度ム！＋Ｎ１を示し、横軸は、規格化さ
れた縦方向の寸法（拡散深さ）シｔ、を示している。こ
こで規格化定数２゜とじては、要求されたη−λ　曲線
において、いくつかの量子効率の極大値を示す波長−の
うち、最も長い波長に対応した光の侵入深さＺ　＝ａ（
ｚ）　＝ｔｏを選んである。この深さＸ。は丁度。

最も深い空乏層の広がりの境界に対応している。

ム、　ＮＡ、　Ｎ、、はそれぞれｐ重拡散領域５８α、
５Ｂｂ、５８ｃの不純物密度分布に対応し、Ｎゎ、ＮＤ
２ＮＤ５　はそれぞれ、ｎ型領域５０，５２．５３の不
純物密度分布に対応している。

第５図に示した波長選択性を有するＳＩＴ光検出器は、
−例としてＳｉ材料を用いて別件出願（特願昭　号）に
示すような製造工程で形成することができる。基板とし
ては？基板もしくはｐ基板が選ばれる。しかるに、ｐ基
板を用いた方が。

ｐ基板弁上に高濃度のｎ＋埋め込み層梓を形成すること
で、光の侵入距離の深い近赤外光によって発生した正孔
をこのｎ＋層舛が吸収するため都合が良い。従って、埋
め込み層４４−を持つ構造を導入すれば２通常用いられ
る赤外カットフィルタの代わシとすることができる。

次に本発明の、特定の波長を選択的に受光する機能を備
えたＳＩＴ光検出器の構造を利用したカラｍｍＳＩＴイ
メージセンサの実現方法について具体的実施例をもとに
説明する。第７図がデバイス断面格造である。ブルー（
Ｂｌｕｅ）、　グリーン（Ｇｒｇｇｎ）。

レッド（Ｒ＃ｄ）の三色についてそれぞれの波長を選択
的に受光する機能を持たせるために、各画素内で、ゲー
ト領域１２８，１２９α、１２９ｂ、１３０α、１５０
ｂの拡散深さ、ｎ＋埋め込み層１２２．１２３．１２４
の厚さ、及び高抵抗層２００．２０１．２０２の厚さに
対する制限を行なっている。例えば波長４６０ｎｍ、　
５５０ａｍ、　６６０ａｍに対して、各部分の寸法は表
１に示された値を選んでいる。ｐ−基板１２１に対して
埋め込み層１２２，１２３，１２４を形成し、高抵抗エ
ピタキシャル層２００，２０１．２０２を形成する。必
要な埋め込み層１２２，１２３，１２４の形状は、拡散
定数の違うドナー不純物を選択的にイオン注入すること
によって、その後のエピタキシャル成長等の熱処理によ
って再拡散する際に生ずる拡散の速さの差を利用して形
成する。イオン注入におけるドース量は、その後の熱処
理における温度と時間を考慮して決定する。エピタキシ
ャル成長の工程とフィールド酸化工程及び、ゲート領域
１２８，１２９ａ、１２９６，１３０α、１３０６とソ
ース領域１２７を形成する際の拡散工程が、主な熱処理
工程である。

表面のｐ＋ゲート拡散領域１２８　、１２９α、１２９
６，１３０α。

１３０ｂの形状は、　ＳＩＴのゲート領域の形成方法と
同様にボロンのイオン注入及びドライブイン拡散を部分
的に行なうか、あるいは複数回多段的に行々うか２等の
組み合わせによって実現可能である。

短波長光受光用の最も浅い拡散領域１３０ｂを形成する
際は低加速電圧２０〜５０ｆｇｌ’にて、Ｂ＋及びＳ、
十のイオン注入を行ない、熱処理温度も７００℃以下の
低温にて行なうことが望ましい。表面ｎ＋ソース領域１
２７の拡散はｐ＋ゲート拡散領域１２Ｂ、１２９６，１
２９α。

１３０α、１３０ｂのドライブイン拡散と同時に行なわ
れる。？ソース領域１２７の配線用？ドーメイリシリコ
ン、及びｐ＋ゲート領域１２Ｂ、１２９α、１２９ｂ、
１３［１α。

１３０ｂの上部に形成するＭｉｓキャパシタ及びゲート
アドレスライン等々についてはｄし図には描かれていな
いが、別件出願の方法を用いれば、ゲート蓄積方式によ
るカラｍｍＳＩＴイメージセンサが実現できるわけであ
る。

第８図は第７図に示したカラｍｍＳＩＴイメージセンサ
の平面図である。Ｒｅｄ、　ＢｌＡｕｇ、　Ｇｒｇａｎ
　の三つの画素を六角形構造に配置し、Ｇｒｏａｎの画
素面積はＲｅｄ、　Ｂ１１ｕ−の画素面積の少なくとも
１．６倍になされている。各部分の数字は第７図に対応
している。Ｇｒｇｇｎの画素のソース長は２倍になされ
ている。

第９図は、嬉８図に示した平面パターンを持ったイメー
ジセンサマトリックスの信号読み出し方法の説明図であ
る。Ｇｒｏａｎ、　Ｒｅｄ、　Ｂｆｌｕ−の各画素の信
号を別々の信号読み出し線ＳＬ１．ＳＬ２．ＳＬ５から
順次水平信号アドレススイッチングパルスφ８１　φ８
２φ８．・・・・・・の切シ換えによって読み出してい
る。φ１゜φ３．φ３・・・・・・はＧｒｇｇｎ、　Ｒ
ｅｄ、　ＢλＵ＃　の画素への同時アドレスのための垂
直信号アドレスゲートパルスである。Ｇｒｏａｎ、　Ｒ
ｅｄ、　ＢρＵ−の色分離はφＳ、のパルスの期間内に
おいて、それぞれ対応したパルスφ。φ、φ８によって
なされ、一つのビデオ増幅器へ入力され、ビデオ出力の
出力端子においてはシリアルな信号として、検出される
ことに麦る。第７図〜第９図に示した本発明のイメージ
センサにおいては。

外部にカラーフィルタを用いることなく、カラー画像の
検出が行なえる。さらに、製造面においても選択的な波
長特性を持たせるために所定のｐ＋ゲート構造、埋め込
みｎ＋槽構造選択的なイオン注入技術を用いて作成する
ことでＧｒｅｇｎ、　Ｒｅｄ、　Ｂ１１ｕａ　の画素を
同時に製造できる。チェッカーパターン。

Ｂａｙａｒパターン等のカラーフィルタの配列と同様の
波長選択性を持ったＳＩＴイメージセンサのマトリック
スを製造することもできる。さらにＧｒｏａｎ。

Ｂｌｕｅ、　Ｒｅｄ　の配列の最も集積度が高いものが
実現され、Ｘ−Ｙアドレス方式による信号読み出しのだ
めの配線も容易である。センサエリアが埋め込み層を持
つため、不要な赤外光の情報を除去でき。

暗電流の減少したイメージセンサとなっている。

発明の効果 本発明の実施例として示した第５図の断面構造のｓｒｒ
光検出器によれば、特定の波長として三つの波長に対し
て選択的な受光感度を持った光検出器が実現される。第
７図は、特定の波長としてＧｒ＃ａｎ、　Ｒｅｄ、　Ｅ
ｌｌｕ−の光に各々選択的な受光感度を持つｓｒｒイメ
ージセンサの画素を設計して、それら３つの画素を−ま
とめとする方法でｘ−ｙアドレス方式のイメージセンサ
が実現されるわけである。

従来、ｓｒｒのゲートの拡散深さを浅くすることで青感
度を上昇させる工夫はなされていたが２本発明は単なる
ゲート拡散深さを浅くするだけでは。

不充分であシ、具体的に空乏層の厚さを制限すること、
そのためにｎ＋基板、もしくはｎ＋埋め込み層の形状を
決定することで高抵抗層の厚さを決定することを指摘し
、具体的な寸法の決定方法を示したものである。さらに
このような概念を組み合わせることで、いくつかの特定
の波長に対する選択的な受光感度を持つ光検出器の実現
方法を具体的寸法を表１に開示し、さらに応用例として
のカラｍｍＳＩＴイメージセンサについても実施例とと
もに示した。

本発明はＳｉを主体として述べたが、他の材料を用いて
、吸収曲線を考慮した別の波長域においても同様の概念
を用いた光検出器もしくは撮像装置を実現することも可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１　（（Ｚ）、（ｂ）図は、従来例としてのゲート蓄
積方式によるＳＩＴ光検出器、もしくはイメージセンサ
を示し、（α）は画素の回路構成方法と（ｂ）は断面デ
バイス構造の説明図である。 第２図は１本発明を説明するための参考図であシ、ＳＬ
の３００Ｋにおける光の吸収係数α及び侵入距離Ｘと波
長λもしくは光量子エネルギーＥｐｈ（ｅＶ）の関係を
示す。 第３図は９本発明の詳細な説明するための概念図であシ
、（α）はゲートダイオードの並列回路、（ｂ）は侵入
距離と波長との模式図、（Ｃ）はゲートダイオードの構
造の一例である。 第４図は、波長λ１．λ２．Ａ３においてピーク値を持
つ量子効率の曲線の一例であシ９本発明の詳細な説明す
るための図である。 第５図は２本発明の実施例を示し、（α）は断面構造図
、（ｂ）はゲート内の電位分布とキャリアの動きを示す
説明図、（Ｃ）は平面図を示す。 第６図は、第５図に示したＳＩＴのゲートのｐｈダイオ
ード部分の不純物密度分布の関係を示す。 第７図は２本発明のカラー用イメージセンサのグリーン
、レッド、ブルーの受光用の画素の断面構造を示す。 第８図は、第７図の平面図を示し、第９図はその信号読
み出し方法を説明するための部分的回路図である。 ５０．５１，５２．５＋、１２２，１２３，１２４・・
・Ｃ基板もしくはＣ埋め込み層、１２１・・・Ｐもしく
はＰ−Ｃ基板５４．５５，５６，５７，２００，２０１
．２０２−・・ｎ−もしくハｐ−、モしくはｉの高抵抗
エピタキシャル層。 ５８α、５１３Ａ、５８Ｃ，１２８，１２９ａ　、１２
９Ａ、１５０ａ、１３０Ａ　ハＳＩＴ　ノゲート領域、
６１・・・Ｐ＋ポリシリコン電極もしくは透明電極。 ６２・・・分離領域（絶縁物） ６３・・・熱酸化膜 ６４・・・Ｃソース拡散領域 ６５・・・Ｃポリシリコン層（ソース）６７・・・ＪＪ
電極（ソース）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、静電誘導トランジスタよ構成る光検出器において、
   ゲート部分を構成するｐ＋領領域基板との間の高抵抗層
   ｉ層の厚さに対する制限を与える埋め込み層を設け、該
   ？埋め込み層をドレインもしくはソース領域とする光検
   出器を構成し、特定の波長ブルーをλ１．グリーンを２
   ２．レッドを２．とした３個の波長に対して、特定波長
   λｔただしｉ層１゜２．３を選択的に受光するケート部
   分の面積Ａ（λＬ）とゲート全体の面積’ｔ　ｏ　ｔと
   の比は。 Ｒ（λＬ）二波長λｔに対する反射係数Ａｔｏｔ　”　
   Ａ（λ１）＋Ａ（λ、）＋Ａ（λ３）なる如くなし、前
   記３個の波長を受光する画素を峰巣状に並べ夫々の波長
   に対して、それぞれ受光感度がピークとなるようにゲー
   トの拡散深さｘ罹。 ゲートと？埋め込みソース領域間の空乏層幅Ｗｉの寸法
   をＺｊ、十＝　０．２μｍ、　０．５μｍ、　１．３μ
   ｍＷｉ　＝　０．４　μｙａ、０．９μｒｎ、２．５ｐ
   ｍに近くなるように選定し、かつグリーン光を受光する
   面積をレッド、ブルー光の受光面積の少なくとも１．６
   倍としたことを特徴とするカラー用イメージセンサ。