JPS6182466A - 光センサ - Google Patents
光センサInfo
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- JPS6182466A JPS6182466A JP59204806A JP20480684A JPS6182466A JP S6182466 A JPS6182466 A JP S6182466A JP 59204806 A JP59204806 A JP 59204806A JP 20480684 A JP20480684 A JP 20480684A JP S6182466 A JPS6182466 A JP S6182466A
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- photodiode
- electrode
- thin film
- film transistor
- drain current
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/10—Integrated devices
- H10F39/12—Image sensors
- H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
- H10F30/227—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier being a Schottky barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/80—Constructional details of image sensors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/80—Constructional details
- H10K30/81—Electrodes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
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。
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〕
この発明は、イメージセンサに適した光センサに関する
。
。
電子複写機やファクシミリ等におけるｍ像読取り用のイ
メージセンサとして、ａ−Ｓｉ：Ｈ（水素化アモルファ
スシリコン）膜をフォトダイオードに用いたものが注目
されている。ａ−３ｉ：）（膜は光感度が高く、−大面
積化が容易であるという利点を持ち、特に密着型イメー
ジセンサに好適である。
メージセンサとして、ａ−Ｓｉ：Ｈ（水素化アモルファ
スシリコン）膜をフォトダイオードに用いたものが注目
されている。ａ−３ｉ：）（膜は光感度が高く、−大面
積化が容易であるという利点を持ち、特に密着型イメー
ジセンサに好適である。
このようなイメージセンサにおいて、フォトダイオード
の部分はａ−３ｉ：Ｈ膜を上下から電極で挟んだサンド
インチ型構造をとることが多い。
の部分はａ−３ｉ：Ｈ膜を上下から電極で挟んだサンド
インチ型構造をとることが多い。
下部？ｌｆ極にはＣｒ等の金属が、上部電極にはＩ Ｔ
ｏ （Ｉ ｎｄｉｕｍ Ｔ ｉｎ ０ｘｉｄｅ）等の
透光性導電膜がそれぞれ使用され、上部電極側から光を
入射させる。このフォトダイオードは、主としてａ−Ｓ
ｉ：Ｈと上部電極との界面でショットキー障壁、が形成
され、整流性、すなわちダイオード特性を示す。この場
合、下部電極がカソード、電極、上部電極がアノード電
極となる。
ｏ （Ｉ ｎｄｉｕｍ Ｔ ｉｎ ０ｘｉｄｅ）等の
透光性導電膜がそれぞれ使用され、上部電極側から光を
入射させる。このフォトダイオードは、主としてａ−Ｓ
ｉ：Ｈと上部電極との界面でショットキー障壁、が形成
され、整流性、すなわちダイオード特性を示す。この場
合、下部電極がカソード、電極、上部電極がアノード電
極となる。
この構造のフォトダイオードをイメージセンサとして構
成する場合には、フォトダイオードを多数ライン状に配
列し、それぞれの一端（アノード側）を直流電源の負極
側に接続し、それぞれの他端を電荷読出し用スイッチを
介して共通の出力増幅器に接続する。画像読取り動作は
、電荷読出し用スイッチを順次選択的にオンにすること
によって行なう。すなわち、ある１つの電荷読出し用ス
イッチがオンになると、それに接続されているフォトダ
イオードのカンード電極とアノード電極との間の電極間
容量に直流電源から充電が行なわれる。次に、その読出
し用スイッチがオフになると、他のスイッチがオン、オ
フを行なっている時間（蓄積時間）の間に、光入射によ
り生じた光電流が電極間容量の充電電荷を打消す。そし
て、次に同じスイッチが再度オンになって電極間容量が
充電されるとき、（光電ＦＥ）Ｘ（蓄積時間）に相当す
る信号電荷が出力増幅器の入力端に流入して光検出出力
が得られる。このような動作を高速で繰返すことにより
、出力増幅器の出力から画像読取り出力を取出すことが
できる。
成する場合には、フォトダイオードを多数ライン状に配
列し、それぞれの一端（アノード側）を直流電源の負極
側に接続し、それぞれの他端を電荷読出し用スイッチを
介して共通の出力増幅器に接続する。画像読取り動作は
、電荷読出し用スイッチを順次選択的にオンにすること
によって行なう。すなわち、ある１つの電荷読出し用ス
イッチがオンになると、それに接続されているフォトダ
イオードのカンード電極とアノード電極との間の電極間
容量に直流電源から充電が行なわれる。次に、その読出
し用スイッチがオフになると、他のスイッチがオン、オ
フを行なっている時間（蓄積時間）の間に、光入射によ
り生じた光電流が電極間容量の充電電荷を打消す。そし
て、次に同じスイッチが再度オンになって電極間容量が
充電されるとき、（光電ＦＥ）Ｘ（蓄積時間）に相当す
る信号電荷が出力増幅器の入力端に流入して光検出出力
が得られる。このような動作を高速で繰返すことにより
、出力増幅器の出力から画像読取り出力を取出すことが
できる。
このような画像読取り動作は蓄積電荷読出し方式と呼ば
れ、画像読取り出力が光電流の積分値として得られるこ
とから、光入射によって発生する光電流が小さくとも画
像読取りが容易であるという利点を持つ。
れ、画像読取り出力が光電流の積分値として得られるこ
とから、光入射によって発生する光電流が小さくとも画
像読取りが容易であるという利点を持つ。
ところで、光電流はくフォトダイオードの受光面積５）
ｘ（照度Ｅ）に比例するので、信号電荷は（受光面積５
）Ｘ（照度Ｅ）×（蓄積時間τ）に比例する。一方、電
極間容量の充電電荷が信号型荷分だけ減少することによ
って電極間容量の両端に生じる電圧変化は、（電極間容
量）Ｘ（信号電荷）となる。この電圧変化量を信号電圧
とする。
ｘ（照度Ｅ）に比例するので、信号電荷は（受光面積５
）Ｘ（照度Ｅ）×（蓄積時間τ）に比例する。一方、電
極間容量の充電電荷が信号型荷分だけ減少することによ
って電極間容量の両端に生じる電圧変化は、（電極間容
量）Ｘ（信号電荷）となる。この電圧変化量を信号電圧
とする。
ここで、最大の信号電圧を評価すると次のようになる。
Ｓ、Ｅ、τのいずれが増加しても信号電圧は増大するが
、最近の高解像度化、高速化に伴い、解像度は１６ドツ
ト／履０画像読取り速度すなわち蓄積時間τは１ ｍ５
ｅｃが要求されるようになっており、Ｓ、τのいずれも
減少の方向に向かっているのが現状である。また、照度
Ｅについては受光面で５００１ｘがほぼ実用的な最大値
である。信号電荷の比例定数は、入射光のフォトンが全
て光電流に変換されるという条件、すなわち内部量子効
率が１という条件では６．７ｘ１０− ’ ／ｒｄ・１
ｘ−ｓｅｃとなる。また解像度１６ドツト／ｓに相当す
る受光面積は３．９１Ｘ１０−３／ｒｔｍ２であり、こ
の場合の電極間容量は約０．２ｐＦである。
、最近の高解像度化、高速化に伴い、解像度は１６ドツ
ト／履０画像読取り速度すなわち蓄積時間τは１ ｍ５
ｅｃが要求されるようになっており、Ｓ、τのいずれも
減少の方向に向かっているのが現状である。また、照度
Ｅについては受光面で５００１ｘがほぼ実用的な最大値
である。信号電荷の比例定数は、入射光のフォトンが全
て光電流に変換されるという条件、すなわち内部量子効
率が１という条件では６．７ｘ１０− ’ ／ｒｄ・１
ｘ−ｓｅｃとなる。また解像度１６ドツト／ｓに相当す
る受光面積は３．９１Ｘ１０−３／ｒｔｍ２であり、こ
の場合の電極間容量は約０．２ｐＦである。
これらの値から信号電圧を求めると、
τ−１ｍ５ｅｃとして約６．８Ｖとなる。すなわち、上
述したサンドインチ構造のフォトダイオードを用いたイ
メージセンサでは、最近の高解像度、高速読取りの条件
を満たす範囲で最大の信号電圧は約６．８ｖとなる。
述したサンドインチ構造のフォトダイオードを用いたイ
メージセンサでは、最近の高解像度、高速読取りの条件
を満たす範囲で最大の信号電圧は約６．８ｖとなる。
一方、ノイズとしては前述θｉ電荷読出用スイッチのス
イッチングノイズと、フォトダイオードのｌｌａ電流に
基く暗電流ノイズとが三大要因である。
イッチングノイズと、フォトダイオードのｌｌａ電流に
基く暗電流ノイズとが三大要因である。
信号電圧とこれらのノイズ電圧を解像度が１６ドツ・ト
／ＩＩｔＭのイメージセンサについて示したのが第７図
である。横軸には温度をとっている。この図に示すよう
に、スイッチングノイズは温度にはほとんど無関係で、
〜０．１Ｖオーダであるが、暗電流ノイズはｅｘｐ（−
０，７ｅＶ／ｋＴ）に従って温度上昇と共に増大する。
／ＩＩｔＭのイメージセンサについて示したのが第７図
である。横軸には温度をとっている。この図に示すよう
に、スイッチングノイズは温度にはほとんど無関係で、
〜０．１Ｖオーダであるが、暗電流ノイズはｅｘｐ（−
０，７ｅＶ／ｋＴ）に従って温度上昇と共に増大する。
信号電圧は前述の゛ごとく入射光量が（５００Ｉｘ）
Ｘ （Ｉｍｓｅｃ） −０、５１ｘ−ｓｅｃの時の値で
あり、前述の如く約７■で最大値となっている。各ノイ
ズは通常得られる最小値であり、努力によっである程度
減少できても１桁、２桁といつた大幅な減少を図ること
は難しい。これらからＳ／Ｎ比は約４０℃以下の温度で
最大値の３８ｄＢとなるが、これは実用上不十分な値で
ある。すなわち、最近では解像度１６ドツト／ ａｍ
、画像読取り速度１１ＩＩＳｅＣに加えて、０〜８０℃
の広い温度範囲で８０ｄＢ以上という高いＳ／へが要請
されており、従来の技術ではこの要求に応えることは困
難であった。
Ｘ （Ｉｍｓｅｃ） −０、５１ｘ−ｓｅｃの時の値で
あり、前述の如く約７■で最大値となっている。各ノイ
ズは通常得られる最小値であり、努力によっである程度
減少できても１桁、２桁といつた大幅な減少を図ること
は難しい。これらからＳ／Ｎ比は約４０℃以下の温度で
最大値の３８ｄＢとなるが、これは実用上不十分な値で
ある。すなわち、最近では解像度１６ドツト／ ａｍ
、画像読取り速度１１ＩＩＳｅＣに加えて、０〜８０℃
の広い温度範囲で８０ｄＢ以上という高いＳ／へが要請
されており、従来の技術ではこの要求に応えることは困
難であった。
この発明の目的は高解像度、高速および高Ｓ／Ｎの要求
に応え得るイメージセンサを実現するのに適した光セン
サを提供することにある。
に応え得るイメージセンサを実現するのに適した光セン
サを提供することにある。
この発明に係る光センサは、基板上に形成され、ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ９ｌを金属からなるカソード電極と透光性導電膜
からなるアノード電極とで挟んで構成されたフォトダイ
オードと、このフォトダイオードに隣接して前記基板上
に形成され、ドレイン電極が前記カソード電極に接続さ
れ、ゲート電極が前記アノード電極に接続された薄膜ト
ランジスタと、前記フォトダイオードの前記カソード電
極と−アノード電極との間の電極間容態を周期的に充電
する手段と、前記フォトダイオードへの光入射による前
記電極間客員からの放電電荷に基く前記薄膜トランジス
タのドレイン電流を検出して光検出出力を得る手段とを
備えたことを特徴とする。
ｉ：Ｈ９ｌを金属からなるカソード電極と透光性導電膜
からなるアノード電極とで挟んで構成されたフォトダイ
オードと、このフォトダイオードに隣接して前記基板上
に形成され、ドレイン電極が前記カソード電極に接続さ
れ、ゲート電極が前記アノード電極に接続された薄膜ト
ランジスタと、前記フォトダイオードの前記カソード電
極と−アノード電極との間の電極間容態を周期的に充電
する手段と、前記フォトダイオードへの光入射による前
記電極間客員からの放電電荷に基く前記薄膜トランジス
タのドレイン電流を検出して光検出出力を得る手段とを
備えたことを特徴とする。
すなわち、フォトダイオードのカソード・アノード間に
生じる数Ｖ程度の信号電圧によって薄膜トランジスタの
ゲート電圧を制御し、信号電圧の変化をドレイン電流の
変化として取出すことにより、薄膜トランジスタのドレ
イン電流のダイナミックレンジが１００〜１２０ｄＢ程
度と非常に広いことを利用してＳ／への良好な光検出出
力を得るようにしたものである。
生じる数Ｖ程度の信号電圧によって薄膜トランジスタの
ゲート電圧を制御し、信号電圧の変化をドレイン電流の
変化として取出すことにより、薄膜トランジスタのドレ
イン電流のダイナミックレンジが１００〜１２０ｄＢ程
度と非常に広いことを利用してＳ／への良好な光検出出
力を得るようにしたものである。
この発明によれば、解像度の向上および読取り速度の高
速化のために、サンドインチ構造のフォトダイオードか
ら最大で７Ｖ程度の信号電圧しか得られないような状況
下でも、暗電流ノイズやスイッチングノイズ等によるノ
イズ電圧は薄膜トランジスタのゲート・ソース間電圧の
低い領域、すなわちドレイン電流のダイナミックレンジ
の狭い領域に存在するのに対し、信号電圧はゲート・ソ
ース間電圧のより高い領域まで変化しドレイン電流を大
きく変化させるので、ノイズ電圧が圧縮されると共に、
信号電圧成分のダイナミックレンジが拡大される。従っ
て、ノイズ電圧の時間変動がもともと少ないことも考慮
すれば、実効的なＳ／へは飛躍的に増大することになる
。
速化のために、サンドインチ構造のフォトダイオードか
ら最大で７Ｖ程度の信号電圧しか得られないような状況
下でも、暗電流ノイズやスイッチングノイズ等によるノ
イズ電圧は薄膜トランジスタのゲート・ソース間電圧の
低い領域、すなわちドレイン電流のダイナミックレンジ
の狭い領域に存在するのに対し、信号電圧はゲート・ソ
ース間電圧のより高い領域まで変化しドレイン電流を大
きく変化させるので、ノイズ電圧が圧縮されると共に、
信号電圧成分のダイナミックレンジが拡大される。従っ
て、ノイズ電圧の時間変動がもともと少ないことも考慮
すれば、実効的なＳ／へは飛躍的に増大することになる
。
また、ノイズ電圧が圧縮される結果、特に温度依存性が
大きい暗電流ノイズの成分が抑圧されることによってＳ
／への温度依存性も減少し、０〜８０℃の温度範囲で８
０ｄＢ以上という高いＳ／へを実現することも可能であ
る。
大きい暗電流ノイズの成分が抑圧されることによってＳ
／への温度依存性も減少し、０〜８０℃の温度範囲で８
０ｄＢ以上という高いＳ／へを実現することも可能であ
る。
さらに、この発明では１膜すンドインチ構造のフォトダ
イオードと薄膜トランジスタとを同一基板上に隣接して
形成したことにより、両者間の醗゛線容量の影響が大き
く低減され、この点もＳ／への向上に寄与することがで
きる。
イオードと薄膜トランジスタとを同一基板上に隣接して
形成したことにより、両者間の醗゛線容量の影響が大き
く低減され、この点もＳ／への向上に寄与することがで
きる。
第１図はこの発明の一実施例に係る光センサの構成を示
したもので、フォトダイオードおよび薄膜トランジスタ
の部分を断面で示し、読出しのための回路部分は結線の
み示している。
したもので、フォトダイオードおよび薄膜トランジスタ
の部分を断面で示し、読出しのための回路部分は結線の
み示している。
第１図において、基板１は例゛えば無アルカリ性ガラス
板であり、この基板１上に薄膜トランジスタ２とサンド
イッチ構造のフォトダイオード３が形成さ塾ている。薄
膜トランジスタ２においては、基板１上にまずソース電
極４およびドレイン電極５が設けられ、その上部にａ−
Ｓｉ：ＨＩ％ｌからなる活性１ｉ６および３ｉＮｘｉｉ
からなるゲート絶縁膜７、そしてゲート電極８が順次形
成されている。
板であり、この基板１上に薄膜トランジスタ２とサンド
イッチ構造のフォトダイオード３が形成さ塾ている。薄
膜トランジスタ２においては、基板１上にまずソース電
極４およびドレイン電極５が設けられ、その上部にａ−
Ｓｉ：ＨＩ％ｌからなる活性１ｉ６および３ｉＮｘｉｉ
からなるゲート絶縁膜７、そしてゲート電極８が順次形
成されている。
ソース電極４およびドレイン電極５は、基板１上に例え
ばＡ１を真空蒸着し、さらにフォトエツチング工程（Ｐ
ＥＦ’）を用いて形成される。活性層６のａ−Ｓｉ：Ｈ
膜およびゲート絶縁膜７のＳｉＮｘ膜は、例えばプラズ
マＣＶＤ法によりそれぞれ１００％ＳｉＨ＋ガスーＳｉ
Ｈ＋／Ｎ２混合ガスを用いて形成される。ゲート絶縁膜
７としてはＳｉＮｘを活性層６側にしたＳｉＮｘ／Ｓｉ
Ｏｘの２１１膜を形成してもよい。また、ＳｉＮｘはＳ
ｉ Ｈ４／Ｎ２ ／ＮＨ！混合ガスを用いて形成して
もよい。さらに、ドレイン電極４およびソース電極５と
活性層６との間に、Ｓ ｉ １−１４／ Ｐ Ｈ３混合
ガスを用いてｐドープのｎ“−ａ−Ｓｉ：Ｈ膜をオーミ
ックコンタクト用に形、成してもよい。ゲート電極８は
例えばＣｒ１ｌが用いられ、ＰＥＰ工程により形成され
る。ゲート電極８の金属としてはＣｒの他、ＮｉＣｒ、
Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ等も使用できる。
ばＡ１を真空蒸着し、さらにフォトエツチング工程（Ｐ
ＥＦ’）を用いて形成される。活性層６のａ−Ｓｉ：Ｈ
膜およびゲート絶縁膜７のＳｉＮｘ膜は、例えばプラズ
マＣＶＤ法によりそれぞれ１００％ＳｉＨ＋ガスーＳｉ
Ｈ＋／Ｎ２混合ガスを用いて形成される。ゲート絶縁膜
７としてはＳｉＮｘを活性層６側にしたＳｉＮｘ／Ｓｉ
Ｏｘの２１１膜を形成してもよい。また、ＳｉＮｘはＳ
ｉ Ｈ４／Ｎ２ ／ＮＨ！混合ガスを用いて形成して
もよい。さらに、ドレイン電極４およびソース電極５と
活性層６との間に、Ｓ ｉ １−１４／ Ｐ Ｈ３混合
ガスを用いてｐドープのｎ“−ａ−Ｓｉ：Ｈ膜をオーミ
ックコンタクト用に形、成してもよい。ゲート電極８は
例えばＣｒ１ｌが用いられ、ＰＥＰ工程により形成され
る。ゲート電極８の金属としてはＣｒの他、ＮｉＣｒ、
Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ等も使用できる。
一方、フォトダイオード３においては、ドレイン電極５
のゲート絶縁膜７で覆われていない領域とその近傍のゲ
ート絶縁膜７上に、ゲート電極８と同様の材料、同様の
工程でカソード電極９が形成され、またこのカソード電
極９に接して活性層６と同様の工程によりａ−８ｔ：Ｈ
膜１０が形成され、ざらにその上部にゲート電極８と一
部が接触するようにして透光性導電膜からなるアノード
電極１１が形成されている。アノード電極１１を構成す
る透明導電膜としては、例えばＩＴＯ膜が用いられる。
のゲート絶縁膜７で覆われていない領域とその近傍のゲ
ート絶縁膜７上に、ゲート電極８と同様の材料、同様の
工程でカソード電極９が形成され、またこのカソード電
極９に接して活性層６と同様の工程によりａ−８ｔ：Ｈ
膜１０が形成され、ざらにその上部にゲート電極８と一
部が接触するようにして透光性導電膜からなるアノード
電極１１が形成されている。アノード電極１１を構成す
る透明導電膜としては、例えばＩＴＯ膜が用いられる。
また、フォトダイオード３では、原稿面等からの画像情
報光１２がこの透明導電膜からなるカソード電極１１を
通してａ−Ｓｉ：Ｈ１！１ｏに入射するようになってい
る。
報光１２がこの透明導電膜からなるカソード電極１１を
通してａ−Ｓｉ：Ｈ１！１ｏに入射するようになってい
る。
この発明におけるフォトダンオードおよび薄膜トランジ
スタは第１図に示した構造に限定されるものではなく、
例えば第１図の構造はスタガ構造と呼ばれるものである
が、第５図に示すように上下関係を第１図と逆にした逆
スタガ構造や、第６図に示すようにソース、ドレインお
よびゲートの各電極４．５．８が活性層６に対して同一
側に形成されたコプレーナ−構造等であっても構わない
。
スタは第１図に示した構造に限定されるものではなく、
例えば第１図の構造はスタガ構造と呼ばれるものである
が、第５図に示すように上下関係を第１図と逆にした逆
スタガ構造や、第６図に示すようにソース、ドレインお
よびゲートの各電極４．５．８が活性層６に対して同一
側に形成されたコプレーナ−構造等であっても構わない
。
なお、第５図および第６図においては第１図と相対応す
る部分に同一符号が付しである。
る部分に同一符号が付しである。
また、活性層６としては真空蒸着法やスパッタ法で形成
されたａ−３ｉ膜または多結晶Ｂｉｔ！Ａを用いてもよ
い。このように特に薄膜トランジスタ部分の構造や材料
に関しては種々の変形が可能であるが、フォトダイオー
ドと隣接して一体形成されており、しかもドレイン電極
、ゲート電極がそれぞれフォトダイオードのカソード電
極、アノード電極と電気的に接続されていることが重要
である。フォトダイオードに関しては、例えばＩＴＯ／
ｐ” −ａ−Ｓｉ ： Ｈ／ １−ａ−Ｓｉ ： Ｈ／
ｎ”−ａ−Ｓｉ ： Ｈ／Ｍｅｔａｌのｐｉｎ構造のフ
ォトダイオードでもよく、特に構成は限定されない。但
し、薄膜トランジスタのゲート電極に接触する側の電極
（カソード電極）から７ノード電極側へ向かって電子が
流れるように構成する必要があることは勿論である。
されたａ−３ｉ膜または多結晶Ｂｉｔ！Ａを用いてもよ
い。このように特に薄膜トランジスタ部分の構造や材料
に関しては種々の変形が可能であるが、フォトダイオー
ドと隣接して一体形成されており、しかもドレイン電極
、ゲート電極がそれぞれフォトダイオードのカソード電
極、アノード電極と電気的に接続されていることが重要
である。フォトダイオードに関しては、例えばＩＴＯ／
ｐ” −ａ−Ｓｉ ： Ｈ／ １−ａ−Ｓｉ ： Ｈ／
ｎ”−ａ−Ｓｉ ： Ｈ／Ｍｅｔａｌのｐｉｎ構造のフ
ォトダイオードでもよく、特に構成は限定されない。但
し、薄膜トランジスタのゲート電極に接触する側の電極
（カソード電極）から７ノード電極側へ向かって電子が
流れるように構成する必要があることは勿論である。
第１図において、ＮＩ！トランジスタ２のゲート電極８
（フォトダイオード３のアノード電極１１）には第１の
スイッチ１３の一端が接続されており、スイッチ１３の
他端は直流電源１４の負極側とコモン電位（またはアー
ス電位）１５に接続されている。直流電源１４の正極側
は薄膜トランジスタの２のドレイン電極５（フォトダイ
オード３のカソード電極９〉に接続されている。一方、
薄膜トランジスタ２のソース電極４はコンデンサ１６を
介してコモン電位１５に接続されると共に、第２のスイ
ッチ１７を介して出力増幅器１８の入力端に接続されて
いる。出力増幅器１８の出力端は出力端子１９に接続さ
れている。
（フォトダイオード３のアノード電極１１）には第１の
スイッチ１３の一端が接続されており、スイッチ１３の
他端は直流電源１４の負極側とコモン電位（またはアー
ス電位）１５に接続されている。直流電源１４の正極側
は薄膜トランジスタの２のドレイン電極５（フォトダイ
オード３のカソード電極９〉に接続されている。一方、
薄膜トランジスタ２のソース電極４はコンデンサ１６を
介してコモン電位１５に接続されると共に、第２のスイ
ッチ１７を介して出力増幅器１８の入力端に接続されて
いる。出力増幅器１８の出力端は出力端子１９に接続さ
れている。
第２図は第１図の光センサを用いて構成したイメージセ
ンサの回路構成図であり、ｎ個の薄膜トランジスタ２１
〜２ｎａよびフォトダイオード３１〜３ｎが、第１図に
示した基板１上にフォトダイオード３１〜３ｎが一部に
配列されるように集積されている。また、スイッチ１３
１〜１３ｎ。
ンサの回路構成図であり、ｎ個の薄膜トランジスタ２１
〜２ｎａよびフォトダイオード３１〜３ｎが、第１図に
示した基板１上にフォトダイオード３１〜３ｎが一部に
配列されるように集積されている。また、スイッチ１３
１〜１３ｎ。
１７１〜１７ｎおよびコンデンサ１６１〜１６４も、各
薄膜トランジスタ２五〜２ｎおよびフォトダイオード３
１〜３ルに対応してｎ個ずつ設けられている。これらの
素子１３１〜１３ｍ、１７ｔ〜１７ｒＬ、１６１〜１６
ｎは例えば基板１上にいくつかのモノリシックＩＣとし
て実装される。
薄膜トランジスタ２五〜２ｎおよびフォトダイオード３
１〜３ルに対応してｎ個ずつ設けられている。これらの
素子１３１〜１３ｍ、１７ｔ〜１７ｒＬ、１６１〜１６
ｎは例えば基板１上にいくつかのモノリシックＩＣとし
て実装される。
このイメージセンサの画像読取り動作は次の通りである
。スイッチ１３１〜１３ｒＬ、１７ｔ〜１７ａは順次一
定時間ずつ周期的にオンとなる。
。スイッチ１３１〜１３ｒＬ、１７ｔ〜１７ａは順次一
定時間ずつ周期的にオンとなる。
まず、スイッチ１３１，１７１がオンになった場合を考
えると、直流電源１４からフォトダイオード３１のカソ
ード・アノード間の電Ｗｉ間容量に充電が行なわれる。
えると、直流電源１４からフォトダイオード３１のカソ
ード・アノード間の電Ｗｉ間容量に充電が行なわれる。
この時、薄膜トランジスタ２１はゲート電圧がスイッチ
１３１を通してコモン電位１５となるので、オフ状態で
あり、ドレイン電流ＩＤとしてはオフ電１１ｏｏｆｆが
流れるのみである。他のスイッチ１３２〜１３１！、１
７２〜１７７１が順次オンとなる間に、フォトダイオー
ド３１の電極間容量は入射した画像情報光に基く光電流
によって次第に放電し、これにより薄膜トランジスタ２
１はゲート電圧が上昇し、そのゲート電圧により制御さ
れてドレイン電流が流れる。このドレイン電流によって
コンデンサ１６里が充電される。このコンデンサ１６１
には次にスイッチ１３１．１７ｔが再びオンとなるまで
電荷が蓄積され、その電荷がスイッチ１７１のオンによ
り読出されて出力増幅器１８に導かれ、出力端子１９に
電圧信号として取出される。他の薄膜トランジスタ２２
〜２ルおよびフォトダイオード３２〜３ｎについても同
様の電荷蓄積ｅＨ出し動作が行なわれ、その結果、出力
端子１９より画像読取り出力が得られる。
１３１を通してコモン電位１５となるので、オフ状態で
あり、ドレイン電流ＩＤとしてはオフ電１１ｏｏｆｆが
流れるのみである。他のスイッチ１３２〜１３１！、１
７２〜１７７１が順次オンとなる間に、フォトダイオー
ド３１の電極間容量は入射した画像情報光に基く光電流
によって次第に放電し、これにより薄膜トランジスタ２
１はゲート電圧が上昇し、そのゲート電圧により制御さ
れてドレイン電流が流れる。このドレイン電流によって
コンデンサ１６里が充電される。このコンデンサ１６１
には次にスイッチ１３１．１７ｔが再びオンとなるまで
電荷が蓄積され、その電荷がスイッチ１７１のオンによ
り読出されて出力増幅器１８に導かれ、出力端子１９に
電圧信号として取出される。他の薄膜トランジスタ２２
〜２ルおよびフォトダイオード３２〜３ｎについても同
様の電荷蓄積ｅＨ出し動作が行なわれ、その結果、出力
端子１９より画像読取り出力が得られる。
第３図は薄膜トランジスタのゲート・ソース間電圧Ｖａ
ｓと、ドレイン電流ＩＤのＳ／Ｎとの関係を示したもの
である。この因に示されるように、薄膜トランジスタの
閾値電圧は２〜３■程度であり、Ｖａｓｓを数Ｖ程度変
化させることでドレイン電流は１００ｄＢ以上のＳ／Ｎ
が得られる。一方、上述したようなサンドインチ構造の
フォトダイオードから出方される信号電圧（電極間容量
の両端に生じる電圧）は前述の如＜０．５ ｌｘ −
５ｅａ以下の入射光量で０〜７■程度である。従って、
この発明のようにフォトダイオードからの信号電圧で薄
膜トランジスタのゲート電圧を制御し、そのドレイン電
流を検出すれば、１００ｄＢ前後のダイナミックレンジ
の出力が得られ、Ｓ／Ｎの非常に良好な画像読取り出力
を得ることが可能となる。
ｓと、ドレイン電流ＩＤのＳ／Ｎとの関係を示したもの
である。この因に示されるように、薄膜トランジスタの
閾値電圧は２〜３■程度であり、Ｖａｓｓを数Ｖ程度変
化させることでドレイン電流は１００ｄＢ以上のＳ／Ｎ
が得られる。一方、上述したようなサンドインチ構造の
フォトダイオードから出方される信号電圧（電極間容量
の両端に生じる電圧）は前述の如＜０．５ ｌｘ −
５ｅａ以下の入射光量で０〜７■程度である。従って、
この発明のようにフォトダイオードからの信号電圧で薄
膜トランジスタのゲート電圧を制御し、そのドレイン電
流を検出すれば、１００ｄＢ前後のダイナミックレンジ
の出力が得られ、Ｓ／Ｎの非常に良好な画像読取り出力
を得ることが可能となる。
しかも、このようにフォトダイオードからの信号電圧の
変化が画像読取り出力の大きな変化として取出されるば
かりでなく、スイッチングノイズや暗電流ノイズ等のノ
イズ電圧は薄膜トランジスタの閾ｍＭ圧前後であること
により逆に圧縮される傾向となることから、Ｓ／Ｎ向上
の効果はさらに顕著となる。
変化が画像読取り出力の大きな変化として取出されるば
かりでなく、スイッチングノイズや暗電流ノイズ等のノ
イズ電圧は薄膜トランジスタの閾ｍＭ圧前後であること
により逆に圧縮される傾向となることから、Ｓ／Ｎ向上
の効果はさらに顕著となる。
次に、第４図にサンドイッチ型フォトダイオード単独の
光センサの出力の温度依存性４１と、この発明に基く光
センサの出力の温度依存性４２を示す。図に示すように
、この発明によれば０〜・ ８０℃の温度範囲で１０
０ｄＢ以上のＳ／Ｎが実現されることがわかる。これは
前述した解像度１６ドツト／＃１．読取り速度ｉ ｍ
５ｅｃという高性能イメージセンサの要求仕様を満足で
きる値である。
光センサの出力の温度依存性４１と、この発明に基く光
センサの出力の温度依存性４２を示す。図に示すように
、この発明によれば０〜・ ８０℃の温度範囲で１０
０ｄＢ以上のＳ／Ｎが実現されることがわかる。これは
前述した解像度１６ドツト／＃１．読取り速度ｉ ｍ
５ｅｃという高性能イメージセンサの要求仕様を満足で
きる値である。
以上述べたように、この発明によれば高解像度。
高速および高Ｓ／Ｎのイメージセンサを得るのに適した
光センサを提供することができる。
光センサを提供することができる。
なお、この発明はイメージセンサに限定されるものでは
なく、フォトダイオード、薄膜トランジスタおよび読出
しのための回路が１組の光センサとしても使用できるこ
とはいうまでもない。また、実施例では薄膜トランジス
タのドレイン電流を電荷蓄積用のコンデンサ１６に一旦
充電し、その後スイッチ１７を介して読出すようにした
が、ドレイン電流を直接電圧信号に変換して光検出出力
または画像読取り出力として取出してもよい。その他、
この発明は要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施が可能
である。
なく、フォトダイオード、薄膜トランジスタおよび読出
しのための回路が１組の光センサとしても使用できるこ
とはいうまでもない。また、実施例では薄膜トランジス
タのドレイン電流を電荷蓄積用のコンデンサ１６に一旦
充電し、その後スイッチ１７を介して読出すようにした
が、ドレイン電流を直接電圧信号に変換して光検出出力
または画像読取り出力として取出してもよい。その他、
この発明は要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施が可能
である。
第１図はこの発明の一実施例に係る光センサの構成図、
第２図は同光センサを用いたイメージセンサの回路構成
図、第３図は薄膜トランジスタのゲート・ソース間電圧
とドレイン電流のＳ／Ｎとの関係を示す図、第４図は従
来の光センサとこの発明に基く光センサの光検出出力の
温度依存性を示す図、第５図および第６図はこの発明の
他の実施例に係る光センサの要部の構造を示す断面図、
第７図は従来の光センサにおける信号電圧および各種ノ
イズ電圧と温度との関係を示す図である。 １・・・基板、２・・・薄膜トランジスタ、３・・・フ
ォトダイオード、４・・・ンース電極、５・・・ドレイ
ン電極、６・・・活性層、７・・・ゲート絶縁膜、８・
・・ゲート電極、９・・・カソード電極、１ｏ・・・ａ
−３ｉ：ｌ−１膜、１１・・・アノード電極、１２・・
・画像情報光、１３．１７・・・スイッチ、１４・・・
直流電源、１６・・・電°荷蓄積用コンデンサ、１８・
・・出力増幅器、１９・・・出力端子。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第３図 ゲート・ソー人閑゛危圧ＶＧｓ（Ｖ） 第４図 ’Ａ ｔ（’ Ｃ） 第５図 第６図 第７図 塩＆、（’Ｃ）
第２図は同光センサを用いたイメージセンサの回路構成
図、第３図は薄膜トランジスタのゲート・ソース間電圧
とドレイン電流のＳ／Ｎとの関係を示す図、第４図は従
来の光センサとこの発明に基く光センサの光検出出力の
温度依存性を示す図、第５図および第６図はこの発明の
他の実施例に係る光センサの要部の構造を示す断面図、
第７図は従来の光センサにおける信号電圧および各種ノ
イズ電圧と温度との関係を示す図である。 １・・・基板、２・・・薄膜トランジスタ、３・・・フ
ォトダイオード、４・・・ンース電極、５・・・ドレイ
ン電極、６・・・活性層、７・・・ゲート絶縁膜、８・
・・ゲート電極、９・・・カソード電極、１ｏ・・・ａ
−３ｉ：ｌ−１膜、１１・・・アノード電極、１２・・
・画像情報光、１３．１７・・・スイッチ、１４・・・
直流電源、１６・・・電°荷蓄積用コンデンサ、１８・
・・出力増幅器、１９・・・出力端子。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第３図 ゲート・ソー人閑゛危圧ＶＧｓ（Ｖ） 第４図 ’Ａ ｔ（’ Ｃ） 第５図 第６図 第７図 塩＆、（’Ｃ）
Claims (2)
- （１）基板上に形成され、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を金属からな
るカソード電極と透光性導電膜からなるアノード電極と
で挟んで構成されたフォトダイオードと、このフォトダ
イオードに隣接して前記基板上に形成され、ドレイン電
極が前記カソード電極に接続され、ゲート電極が前記ア
ノード電極に接続された薄膜トランジスタと、前記フォ
トダイオードの前記カソード電極とアノード電極との間
の電極間容量を周期的に充電する手段と、前記フオトダ
イオードへの光入射による前記電極間容量からの放電電
荷に基く前記薄膜トランジスタのドレイン電流を検出し
て光検出出力を得る手段とを備えたことを特徴とする光
センサ。 - （２）薄膜トランジスタのドレイン電流を検出して光検
出出力を得る手段は、ドレイン電流によつて充電される
コンデンサと、このコンデンサの蓄積電荷を読出すスイ
ッチと、このスイッチにより読出された電荷を電圧信号
として取出す出力増幅器とを含むものであることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光センサ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59204806A JPS6182466A (ja) | 1984-09-29 | 1984-09-29 | 光センサ |
| KR1019850007015A KR900006952B1 (ko) | 1984-09-29 | 1985-09-24 | 광센서 |
| US06/780,598 US4823178A (en) | 1984-09-29 | 1985-09-26 | Photosensor suited for image sensor |
| DE8585306847T DE3578269D1 (de) | 1984-09-29 | 1985-09-26 | Als bildaufnahmevorrichtung verwendbarer photosensor. |
| EP85306847A EP0177275B1 (en) | 1984-09-29 | 1985-09-26 | Photosensor suited for image sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59204806A JPS6182466A (ja) | 1984-09-29 | 1984-09-29 | 光センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6182466A true JPS6182466A (ja) | 1986-04-26 |
Family
ID=16496670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59204806A Pending JPS6182466A (ja) | 1984-09-29 | 1984-09-29 | 光センサ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4823178A (ja) |
| EP (1) | EP0177275B1 (ja) |
| JP (1) | JPS6182466A (ja) |
| KR (1) | KR900006952B1 (ja) |
| DE (1) | DE3578269D1 (ja) |
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- 1985-09-26 DE DE8585306847T patent/DE3578269D1/de not_active Expired - Lifetime
- 1985-09-26 EP EP85306847A patent/EP0177275B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1985-09-26 US US06/780,598 patent/US4823178A/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5075244A (en) * | 1989-11-16 | 1991-12-24 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Method of manufacturing image sensors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0177275A2 (en) | 1986-04-09 |
| EP0177275B1 (en) | 1990-06-13 |
| KR900006952B1 (ko) | 1990-09-25 |
| EP0177275A3 (en) | 1988-09-07 |
| US4823178A (en) | 1989-04-18 |
| DE3578269D1 (de) | 1990-07-19 |
| KR860002741A (ko) | 1986-04-28 |
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