JPS63172476A - 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】 ［産業上の利用分野Ｊ 本発明は、光信号電荷を制御電極領域に蓄積し、非破壊
読出しが可能な光電変換装置に係り、特に非破壊読出し
と光信号電荷の効率的な消去とを両立させることを企図
した光電変換装置に関する。

［従来技術およびその問題点］ 光電変換装置としては、光信号電荷を静電誘導トランジ
スタのゲートに蓄積する静電誘導型、バイポーラトラン
ジスタのベースに蓄積するベース蓄ＩＩｉ型等が提案さ
れている。これらの光電変換装置は非破壊読出しが可能
であるという利点を有しているが、その反面として、蓄
積した光信号電荷□の消去が問題となる。

以下、ベース蓄積型の光電変換装置を例にとって、蓄積
された光信号電荷の消去方法について述べる。

第３図は、従来の光電変換装置の概略的断面図である。

同図において、ＣＺｎ　（１００）１０Ω−ｃｍの基板
１に不純物濃度ｌＸ１０１８ｃｍ−３，拡散の深さｌｐ
ｍのｐベース領域２、更に不純物濃度ｌＸ１０２０ｃｍ
−３，拡散の深さ０．３ｇｍのｎ十エミッタ領域３が形
成されてバイポーラトランジスタが構成されている。ｐ
ベース領域２上には厚さ５００人の絶縁膜４を挟んでキ
ャパシタ電極５が形成され、ｐベース領域２の電位を制
御するためのキャパシタを構成している。また、ｎ＋エ
ミッタ領域３に接合してエミッタ電極６が形成され、基
板１（７）Ｗ面には図示されていないコレクタ電極が形
成されている。

このような光電変換装置の基本動作は、まず。

負電位にバイアスされたｐベース領域２を浮遊状態とし
、光励起により発生した電子・ホール対のうちホールを
Ｐベース領域２に蓄積する（蓄ｖ１動作）。

続いて、エミッタ電極６に一５■を印加し、キャパシタ
電極５に＋５ｖを印加して蓄積されたホールをエミッタ
側へ読出す（読出し動作）。

続いて、エミッタ側を接地してキャパシタ電極５に正電
圧のパルスを印加し、ｐベース領域２に蓄積されたホー
ルを消滅させる（リフレッシュ動作）。

このようなベース蓄積型の光電変換装置は、蓄積された
電荷をバイポーラトランジスタの増幅機能により電荷増
幅してから読出すわけであり、高出力、高感度、さらに
低雑音を達成できる。また、構造的に単純であるために
、将来の高解像度化に対しても有利なものであると言え
る。

しかしながら、上記リフレッシュ動作は、非破壊読出し
動作と木質的に同じ動作であるために、両者の完全な達
成は困難である。

しかも、ベース領域において、光信号電荷を蓄積する部
分（ポテンシャルが高い部分）と、エミッタ電流が流れ
易い部分（ポテンシャルが低い部分）とが存在し、光信
号電荷がなかなか再結合によって消滅しない、そのため
に、リフレッシュ動作によっても蓄積電荷の消去は不完
全となり。

残像特性が良好とは言えない（出力電圧換算で７０ｍＶ
）という問題点を有していた。

このような問題点を解決するものとして、リフレシュ用
のＭＯＳトランジスタを設けた光電変換装置が提案され
ている。

第４図は、リフレシュ用のＭＯＳ）ランジスタを設けた
従来の光電変換装置の概略的断面図である。

同図において、基板ｌ上にドレイン領域として不純物濃
度ＩＸ１０２ＧｃｍｌＸ１０２Ｇ十領域７を形成し、ゲ
ート電極８およびｐベース領域２とともに、しきい値電
圧−１，Ｏｖのリフレシュ用のＭＯＳトランジスタを構
成している。

この方法では、ゲート電極８に負電圧−５Ｖを印加する
ことでリフレッシュ用ＭＯＳトランジスタを導通させ、
ｐベース領域２に蓄積されている光信号電荷をドレイン
電流として除去するために、完全なリフレッシュ動作を
行うことができ。

良好な残像特性（出力電圧換算で１．５ｍＶ）を得るこ
とができる。

しかしながら、バイポーラトランジスタの他にリフレッ
シュ用ＭＯＳトランジスタを形成する必要があるために
、セルサイズが大きくなり、高集積化する上での問題と
なっていた。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記従来の問題点を解決しようとするもので
あり、その［１的は残像特性が良好で、かつ、高集積化
に適した光電変換装置を提供することにある。

本発明による光゛屯変換装置は、 光信号電荷を蓄積する一導電型半導体の制御電極領域と
、該制御電極領域に接合した反対導電型半導体から成る
第１および第２の主電極領域とを有する光電変換装置に
おいて。

前記制御電極領域に絶縁層を介して対向すると共に、第
１および第２の主電極領域にわたって形成されたゲート
電極を有することを特徴とする。

［作用］ 蓄積された光信号電荷を消去するリフレッシュ動作時に
、上記ゲート電極に電圧を印加して対向した制御電極領
域にチャネルを発生させ、光信号電荷を効率的に再結合
させる。一方、ゲート電極に電圧を印加しなければ、第
１および第２主電極領域は導通せず１通常の非破壊読出
しを行うことができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明
する。

第１図は、本発明による光電変換装置の一実施例の概略
的断面図である。なお、本実施例ではベース蓄積型の場
合を述べるが、静電誘導型でも同様である。

同図において、基板ｌは、ＣＺ法によるｎ型シリコン（
ｔｏｏ）、ｔｏｏ−ｃｍであり、バイポーラトランジス
タのコレクタ領域となる。

Ｐベース領域２はシート抵抗〜１にΩ／口、深さｌｐｍ
の拡散層であり、基板ｌに不純物拡散によって形成され
る。

Ｐベース領域２の底面は実効ベース部分であり、読出し
動作に寄与し、高いｈｆｅを与えるために不純物濃度は
比較的低く形成されている。

一方、ｐベース領域２の酸化＠４との界面付近は、光信
号電荷を蓄積し固定しておくために、また効率良く再結
合を起こさせて光信号電荷を消去するために不純物濃度
ｌＸ１０１８ｃｍ−３に形成されている。

このような拡散プロファイルは１通常の拡散工程によっ
て自然に形成されるものでもよいし、後述するように階
段状に濃度差を形成してもよい。

ｎ十エミッタ領域３は、シート抵抗〜２０Ω／ロ、深さ
〜０．３ＩＬｍであり、ｐベース領域２内に不純物拡散
により形成される。

ｐベース領域２の表面には厚さ５００人の醸化膜４を挟
んでゲート電極ｌＯが形成され、後述する機能を発揮す
るようにｐベース領域２の表面の一部又は全部を覆って
いる。また、ここではゲート電極１０はコレクタ領域で
ある基板ｌの表面およびｎ十エミッタ領域３の表面と若
干オーバーラツプしているが、必ずしもオーバーラツプ
する必要はない、要は、後述するように、ｐベース領域
２の界面にチャネルが形成され、エミッタ領域３と基板
ｌとが導通状態となるようにゲート電極ｌＯを設ければ
よい。

こうして、ゲート電極１０．ｎ＋エミッタ領域３および
コレクタ領域であるｎ基板ｌによってＭＯＳトランジス
タが構成されている。

このような構成において、ゲート電極ｌＯに正電圧Ｖｇ
＝＋５Ｖを印加すると、ｐベース領域２の界面付近のポ
テンシャルは低下し、それに伴って蓄積した光信号電荷
であるホールの分布は広がる。そして表面にチャネルが
形成されると、電子が流れ込み、ｐベース領域２に蓄積
されている光信号電荷（ホール）との再結合が始まる。

界面付近の再結合中心は実効ベース（底面）付近に比べ
て多いために、光信号電荷は急速に消滅し、高速のリフ
レッシュ動作を行うことができる。

これに対して、非破壊読出し動作の場合は、ゲート電極
ｌＯに電圧が印加されない、したがって、キャパシタ電
極（図示せず）に読出し用正電圧＋５ｖのパルスを印加
することによって、電流は主としてＰペース領域２の実
効ベース（底面）部分を流れ、光信号電荷量に対応した
信号がエミッタ側へ読出される。その際、光信号電荷の
消滅は少ないために、非破壊読出しが可能となる。−こ
のように、読出し動作の場合とリフレッシュ動作の場合
とで電流の経路が異なるために、非破壊読出しと完全な
リフレッシュという相反する動作を共に十分達成するこ
とが可能となる。

読出し時には光信号電荷を逃がさず、リフレッシュ時に
は効率良く再結合させるために、ｐベース領域２を二段
階のエネルギポテンシャルヲ形成してもよい。

第２図は、深さ方向にエネルギレベルを示すグラフであ
る。

同図において、ψｅはｎ十エミッタ領域３のエネルギレ
ベル（＋０．６Ｖ）、ψｂｉｎはｐベース領域２の実効
ベース（底面）のエネルギレベル（−０，３Ｖ）、ψｂ
ｅｘはｐベース領域２の酸化膜４との界面付近のエネル
ギレベル（−０，５Ｖ）である。

このようなポテンシャルでは、ゲート電極ｌＯに正電圧
＋５ｖが印加されてエネルギレベルが低下しても、ψｂ
ｅｘとψｂｉｎとの差が大きいために、その障壁を越え
てホールが広がることはなく再結合が効率良く継続され
る。

また、キャパシタ電極に印加されるパルス電圧又はエミ
ッタ電圧Ｖｅを読出し時とリフレッシュ時とで変化させ
ることにより、再結合を更に効率化することもできる・ なお、上記実施例ではベース蓄Ｍ　ｐｌ！の光電変換装
置の場合を説明したが、静電誘導型のものでも同様に適
用できる。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように本発明による光電変換装置は
、蓄積された光信号電荷を消去するリフレッシュ動作時
に、ゲート電極に電圧を印加して対向した制御電極領域
にチャネルを発生させ、光信号電荷を効率的に再結合さ
せ消滅させることができる。このために良好な残像特性
（出力電圧換算１ｍＶ）が得られ、しかも従来のような
リフレッシュ用トランジスタを別個に形成する必要がな
いために、高集積化に適したものとなる。

一方、ゲート電極に電圧を印加しなければ、第１および
第２主電極領域は導通せず、゛通常の非破壊読出しを行
うことができる。

このように、非破壊読出し時とリフレッシュ時とで電流
の経路が別個であるために、非破壊読出しと光信号電荷
の効率的な消滅という相反する特性を両立させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

・　第１図は１本発明による光電変換装置の一実施例の
概略的断面図。 第２図は、深さ方向にエネルギレベルを示すグラフ、 第３図は、従来の光電変換装置の概略的断面図、 第４図は、リフレシュ川のＭＯＳ）ランジスタを設けた
従来の光電変換装置の概略的断面図である。 ｌ・・・ｎ型基板 ２・・・ｐベース領域 ３・・・ｎ十エミッタ領域 ４Φ・―酸化膜 ５・・・キャパシタ電極 ６・・・エミッタ電極 １０＠・・ゲート電極 代理人　弁理士　山　下　穣　平 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光信号電荷を蓄積する一導電型半導体の制御電極
   領域と、該制御電極領域に接合した反対導電型半導体か
   ら成る第１および第２の主電極領域とを有する光電変換
   装置において、 前記制御電極領域に絶縁層を介して対向すると共に、第
   １および第２の主電極領域にわたって形成されたゲート
   電極を有することを特徴とする光電変換装置。