WO2021193066A1 - 固体撮像素子および撮像システム - Google Patents

固体撮像素子および撮像システム Download PDF

Info

Publication number
WO2021193066A1
WO2021193066A1 PCT/JP2021/009537 JP2021009537W WO2021193066A1 WO 2021193066 A1 WO2021193066 A1 WO 2021193066A1 JP 2021009537 W JP2021009537 W JP 2021009537W WO 2021193066 A1 WO2021193066 A1 WO 2021193066A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor
charge storage
solid
image sensor
storage unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2021/009537
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
後藤　浩成
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toppan Inc
Original Assignee
Toppan Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toppan Inc filed Critical Toppan Inc
Priority to CN202180020789.5A priority Critical patent/CN115336255B/zh
Priority to EP21775284.9A priority patent/EP4131940B1/en
Publication of WO2021193066A1 publication Critical patent/WO2021193066A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to US17/935,336 priority patent/US12568698B2/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/79—Arrangements of circuitry being divided between different or multiple substrates, chips or circuit boards, e.g. stacked image sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/771—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising storage means other than floating diffusion
    • 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
    • H10F39/803—Pixels having integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H10F39/8037—Pixels having integrated switching, control, storage or amplification elements the integrated elements comprising a transistor
    • 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
    • H10F39/809—Constructional details of image sensors of hybrid 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
    • 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
    • H10F39/184—Infrared image sensors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state image sensor and an image pickup system.
  • the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2020-054149 filed in Japan on March 25, 2020, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • Image pickup devices are used in various fields. One of them is an imaging system capable of measuring distance.
  • Such an image pickup system generally includes a light source that generates light to irradiate a subject and an image pickup device.
  • the image sensor functions as an image sensor that captures the reflected light from the subject.
  • Patent Document 1 discloses a device in which a photodiode is formed in a layer containing Ge and silicon (Si).
  • the device described in Patent Document 1 includes a first semiconductor on which a photodiode is formed and a second semiconductor formed on a silicon substrate.
  • the electric charge generated by the photoelectric conversion in the first semiconductor is transferred to the second semiconductor to perform charge-voltage conversion, but there is no explanation about how the electric charge is specifically transferred, and the conductor wiring Only known interconnections with diffusion layers are exemplified.
  • Patent Document 1 also describes a TOF (time of flight) type optical sensor in which charges transferred to a second semiconductor are distributed and driven into two charge storage regions.
  • TOF time of flight
  • an object of the present invention is to provide a solid-state image sensor that can efficiently use light in the wavelength band from near infrared to short wavelength infrared and can perform good distribution driving.
  • the solid-state image sensor includes a first semiconductor and a second semiconductor having a composition different from that of the first semiconductor and electrically connected to the first semiconductor.
  • the first semiconductor is a photodiode that performs photoelectric conversion by incident light, a plurality of first charge storage units that store charges generated by photoelectric conversion, and a charge generated by photoelectric conversion in one of the first charge storage units. It has a transfer controller to move.
  • the second semiconductor has a second charge storage unit capable of accumulating charges and a potential detector for detecting the potential of the second charge storage unit.
  • the solid-state image sensor further includes a resetter that resets the potential of the first charge storage unit to a predetermined potential.
  • the image pickup system includes a light source unit that emits emitted light having a predetermined wavelength profile, and a solid-state image pickup device according to the first aspect.
  • light in the wavelength band from near infrared to short wavelength infrared can be efficiently used, and distribution driving can be performed satisfactorily.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of the solid-state image sensor 1 according to the present embodiment.
  • the solid-state image sensor 1 is configured by electrically connecting the first semiconductor 10 and the second semiconductor 30.
  • the first semiconductor 10 and the second semiconductor 30 have different composition of constituent elements and have different lattice constants from each other.
  • the first semiconductor 10 has a known photodiode (PD, Photodiode) 11 and is configured to be capable of photoelectrically converting incident light and accumulating signal charges.
  • the photodiode 11 can be omitted depending on the impurity concentration of the first semiconductor 10 and the like. In this case, the geometric region occupied by the photodiode 11 in the first semiconductor 10 has a photoelectric conversion function.
  • the first semiconductor 10 is configured to contain a large amount of elements or compounds having excellent light absorption characteristics in the wavelength band from near infrared to short wavelength infrared, particularly in the wavelength band of about 1350 nm to 1400 nm, at least in the portion of the photodiode 11. Has been done.
  • Ge is typical as such a substance, and other germanium compounds such as GeSi (germanium silicon) and GaSb (gallium antimonide) can be exemplified.
  • germanium compounds such as GeSi (germanium silicon) and GaSb (gallium antimonide)
  • these substances may be collectively referred to as "Ge, etc.”
  • the physical structure of the first semiconductor 10 is not particularly limited, and may have a uniform composition as a whole formed by Ge alone or a mixed crystal such as Ge, or Ge or the like may be combined with other substances such as silicon. It may have a structure in which they are laminated alternately.
  • the first semiconductor 10 has a plurality of first charge storage units 12.
  • the first charge storage unit 12 of the present embodiment is, for example, an n + type semiconductor region.
  • the first semiconductor 10 is provided with two first charge storage units 12 including a first charge storage unit 12A and a first charge storage unit 12B.
  • a transfer gate (transfer controller) 13 is provided between the photodiode 11 and each of the first charge storage units 12.
  • the transfer gate (transfer controller) 13 transfers the charge generated by the photoelectric conversion of the photodiode to one of the plurality of first charge storage units 12.
  • the structure of the transfer gate 13 is known, and is, for example, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure.
  • the second semiconductor 30 is a semiconductor that mainly performs signal processing, and is made of, for example, silicon.
  • the second semiconductor 30 is electrically connected to the first semiconductor 10 by an interconnection via a diffusion layer.
  • the second semiconductor 30 includes a second charge storage unit 33, a drain 32 of the reset transistor (resetter) 35, a potential detection node 31 (potential detector), and a reset gate 34 of the reset transistor (resetter) 35.
  • Each second charge storage unit 33 is connected to a readout circuit (not shown).
  • the potential detection node 31 (potential detector) detects the potential of the second charge storage unit 33.
  • the reset gate 34 of the reset transistor (resetter) 35 controls charge transfer between the second charge storage unit 33 and the drain 32.
  • the reset transistor (resetter) 35 resets the potential of the first charge storage unit 12 to a predetermined potential.
  • the reset transistor 35 may be, for example, a FET (Field Effect Transistor).
  • the second charge storage unit 33, the drain 32, the potential detection node 31, and the reset gate 34 are provided corresponding to the first charge storage units 12A and 12B, and the potential detection node 31 corresponds to the first charge storage unit 12.
  • the potential of the two charge storage units 33 can be detected.
  • the electric charge generated in the photodiode 11 by applying the voltage as a control signal to each transfer gate 13 is the first charge storage unit 12A. , 12B is transferred to either one.
  • the charge distribution drive is performed by changing the charge transfer destination over time by the control signal.
  • the charges generated in the photodiode 11 are distributed and driven in the first semiconductor 10, and then the first charge storage unit 12 (12A, 12B) which is a diffusion layer and the corresponding second charge storage unit 12 are used. It is transferred to the capacitance consisting of 33, a connection line (not shown) connecting the first charge storage unit 12 and the second charge storage unit 33, and a gate electrode in the second semiconductor 30. Therefore, the electric charge that has entered the capacitance is not distributed thereafter.
  • characteristic problems are likely to occur when the charge distribution operation is performed with a relatively large capacitance. In particular, when high-speed distribution occurs, it may be difficult to realize good distribution characteristics because the charge transfer time from the capacitance becomes a problem.
  • the distribution drive is performed in the first semiconductor 10. Therefore, the problem of charge transfer from a large capacitance does not occur. As a result, the distribution drive is preferably performed.
  • the solid-state image sensor 1 of the present embodiment includes a first semiconductor 10 having a transfer gate 13 as a transfer controller and a first charge storage unit 12 as a transfer destination.
  • the photodiode 11 of the first semiconductor 10 is configured with Ge or the like as a main substance.
  • the structure can be suitably operated as a multi-gate type TOF sensor that uses light in a wavelength band from near infrared to short wavelength infrared, particularly in a wavelength band of about 1350 nm to 1400 nm.
  • the number of first charge storage units can be set as appropriate. That is, in the above-mentioned example, the example having two first charge storage parts has been described, but three or more charge storage parts may be provided.
  • FIG. 2 shows a schematic view of the solid-state image sensor 1A according to a modified example of the present embodiment.
  • a p + type semiconductor region 15 is provided between the photodiode 11 and the first charge storage unit 12 instead of the transfer gate 13.
  • a voltage signal generation unit 16 is connected to each p + type semiconductor region 15, and the charge generated in the photodiode 11 based on the signal of the voltage signal generation unit 16 is either the first charge storage unit 12A or 12B. Transferred to one side. That is, the transfer controller 17 of the solid-state image sensor 1A has a p + type semiconductor region 15 and a voltage signal generation unit 16, and performs distribution driving by a known current assisted method.
  • the transfer controller is not limited to the gate electrode, and even with such a configuration, the above-mentioned effect can be similarly obtained.
  • the p + type semiconductor region 15 is provided between the photodiode 11 and the first charge storage unit 12, but if the p + type semiconductor region 15 is located in the vicinity of the first charge storage unit 12. Often, there may be some freedom in terms of placement.
  • FIG. 2 shows a surface-illuminated (FSI, Front Side Illumination) solid-state image sensor in which the photodiode 11 is formed on the side of the first semiconductor 10 that does not face the second semiconductor.
  • All the solid-state image sensors described in the present specification can have either a front-illuminated type or a back-illuminated type (BSI, Back Side Illumination) configuration, depending on the application, the relationship with other configurations, and the like. It can be selected as appropriate.
  • the solid-state image pickup device can be used alone, but an image pickup device having a plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix may be configured.
  • An example of such an image sensor is shown as a block diagram in FIG.
  • the image pickup device 40 has a light receiving region 41 in which a plurality of solid-state image pickup devices 1 are two-dimensionally arranged.
  • the image pickup device 40 includes a control circuit 50, a vertical drive circuit 60, a horizontal drive circuit 70, an AD conversion circuit 80, and an output circuit 90. This is an example, and various known image pickup devices 40 are known in consideration of specifications and the like. The configurations may be combined as appropriate.
  • the number and arrangement mode of the solid-state image sensor arranged in the light receiving region 41 can be appropriately set.
  • the plurality of solid-state image pickup devices may be arranged two-dimensionally without gaps. At that time, a plurality of solid-state image sensors arranged two-dimensionally on a single semiconductor wafer may be formed.
  • FIG. 4 schematically shows an example of an image pickup system to which the solid-state image sensor of the present embodiment is applied.
  • the image pickup system 100 shown in FIG. 4 includes a light source unit 110 having a light source 101 and a light receiving unit 120 having an image pickup sensor 121.
  • the light source unit 110 includes a light source 101, a filter that adjusts the wavelength of light emitted from the light source 101 as needed, and emits emitted light L1 having a predetermined wavelength and wavelength band (wavelength profile) toward the subject O. ..
  • the emitted light L1 may be light in a wavelength region from near infrared to short wavelength infrared (for example, a wavelength band of about 1350 nm to 1400 nm).
  • the reflected light L2 generated by the emitted light L1 being reflected by the subject O is incident on the image sensor 121 of the light receiving unit 120.
  • the image sensor 121 one or more solid-state image sensors of the present embodiment can be used.
  • distance measurement or the like by the TOF method is preferably performed without being affected by external light even when used outdoors. be able to.
  • the drain 32 and the reset gate 34 of the reset transistor 35 may be provided in the first semiconductor 10.
  • the second semiconductor 30 is merely capacitively coupled to the second semiconductor 30 via the high resistance gate electrode, the distributed charges move only in the first semiconductor 10.
  • the degree of freedom in setting the reset voltage and the like is large, and the characteristics can be improved without mixing noise through the second charge storage unit 33 which is the diffusion layer.
  • the configuration of the reset transistor is not limited to the example shown in FIG.
  • the reset transistor (resetter) 35A of the modified example shown in FIG. 6 does not have a reset gate 34 and has a voltage signal generation unit 36.
  • the depletion layer around the drain 32 is connected to the depletion layer of the first charge storage unit 12A, and the potential of the first charge storage unit 12A is coupled and depleted. It can be set to a characteristic voltage determined by the potential distribution of the layer. That is, the first charge storage unit 12A can be reset. As a result, the potential of the first charge storage unit can be reset without using an FET gate such as the reset gate 34.
  • each first charge storage unit and the drain 32 it is possible to make a difference in the impurity concentrations of each first charge storage unit and the drain 32. It is also possible to form an appropriate impurity region between each first charge storage unit and the drain 32 for the same purpose.
  • FIG. 7 is a diagram in which a reset transistor 35A is provided on the solid-state image sensor 1A.
  • the solid-state image sensor 1A has a transfer controller 17 and performs distribution driving by an externally applied voltage. Therefore, when the reset transistor 35A is provided, the FET gate does not exist in the first semiconductor 10. As a result, the manufacturing process can be greatly simplified and the manufacturing cost can be significantly reduced.
  • FIG. 8 is an example in which a drain structure 38 for eliminating signal charges (electrons when the first semiconductor 10 is P-type) is added to the first semiconductor 10.
  • the drain structure 38 has a voltage signal generation unit 39.
  • a voltage that is in a reverse bias state with that of the first semiconductor 10 is applied from the voltage signal generation unit 39 to the drain structure 38, unnecessary charges of the first charge storage unit 12A are discharged to the drain structure 38.
  • unnecessary charges can be eliminated in advance and the S / N ratio of the distribution signal is improved.
  • FIG. 9 is a diagram in which a drain structure 38 is added to the solid-state image sensor 1A. Also in this case, it is not necessary to form the FET gate in the first semiconductor 10. In both FIGS. 8 and 9, the drain structure 38 is combined with the reset transistor 35A. In this case, the drain structure 38 and the reset transistor 35A may share a part of the structure.
  • a charge discharging unit 18 connected to the photodiode 11 via a gate may be provided in the first semiconductor 10.
  • the electric charges generated by the incident light generated in the photodiode 11 and the electric charges generated by the dark current can be suitably discharged.
  • one part of the first charge storage part 12B and each part of the associated second semiconductor 30 are omitted.
  • the transfer gate 13 of the solid-state image sensor 1B is replaced with a transfer controller 17 having a p + type semiconductor region 15 and a voltage signal generation unit 16, and the gate of the charge discharge unit 18 is replaced with a p + type semiconductor region 18a and a voltage signal generation unit.
  • the first semiconductor 10 has a configuration in which the FET gate does not exist, and the above-mentioned advantages can be obtained.
  • the charge discharge unit 18 may be combined with a reset transistor or a drain structure.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

固体撮像素子は、第一半導体と、第一半導体と異なる組成を有し、第一半導体と電気的に接続された第二半導体とを備える。第一半導体は、入射光により光電変換を行うフォトダイオードと、光電変換により発生した電荷を蓄積する複数の第一電荷蓄積部と、光電変換により発生した電荷を複数の第一電荷蓄積部のいずれかに移動させる転送ゲートとを有する。第二半導体は電荷を蓄積することのできる第二電荷蓄積部と、第二電荷蓄積部の電位を検出する電位検出ノードとを有する。固体撮像素子は、さらに、第一電荷蓄積部の電位を所定の電位にリセットするリセットトランジスタを備える。

Description

固体撮像素子および撮像システム
　本発明は、固体撮像素子、および撮像システムに関する。
　本願は、２０２０年３月２５日に日本に出願された特願２０２０－０５４１４９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　撮像素子は、様々な分野で利用されている。その一つに、測距可能な撮像システムがある。
　このような撮像システムは、一般に被写体に照射する光を生成する光源と、撮像素子とを備える。撮像素子は、被写体からの反射光を撮像する撮像センサとして機能する。
　上記撮像素子に関する課題として、外光に起因するノイズがある。このノイズを低減する対策の一つとして、太陽光にほとんど含まれない近赤外から短波長赤外の波長帯域（好ましくは、太陽光にほとんど含まれない１３５０ｎｍ～１４００ｎｍ程度）の光を使用することが検討されている。これにより、太陽光を含む多くの外光の影響をほぼゼロにできる。
　このような波長帯域の光を使用して測距可能な撮像システムを構築するためには、当該波長帯域の光を効率よく光電変換できる撮像素子が必要であり、高い吸収係数を有するゲルマニウム（Ｇｅ）などを用いて構成することが考えられている。
　特許文献１には、Ｇｅおよびケイ素（Ｓｉ）を含有する層にフォトダイオードを形成したデバイスが開示されている。
米国特許出願公開第２０１７／００４０３６２号明細書
　特許文献１に記載のデバイスは、フォトダイオードが形成された第一の半導体と、シリコン基板に形成された第二の半導体とを有する。第一の半導体で光電変換により発生した電荷は第二の半導体に移動されて電荷電圧変換が行われるが、電荷が具体的にどのように転送されるかについては説明がなく、導電体配線と拡散層とを用いた公知のインターコネクションが例示されているのみである。
　撮像素子において、フォトダイオードで発生した電荷が、複数の電荷蓄積領域に振り分け駆動されることがある。特許文献１にも、第二の半導体に転送された電荷が二つの電荷蓄積領域に振り分け駆動されるＴＯＦ（time of flight）方式の光センサが記載されている。
　しかし、特許文献１に記載のデバイスにおいて第一の半導体と第二の半導体とが例示された上述の態様で接合されている場合、フォトダイオードと振り分けを行うゲートとの間に拡散層が存在するため、実際には振り分け駆動が好適に行われない可能性がある。
　上記事情を踏まえ、本発明は、近赤外から短波長赤外の波長帯域の光を効率よく利用でき、かつ振り分け駆動が良好に行える固体撮像素子を提供することを目的とする。
　本発明の第一の態様に係る固体撮像素子は、第一半導体と、第一半導体と異なる組成を有し、第一半導体と電気的に接続された第二半導体とを備える。
　第一半導体は、入射光により光電変換を行うフォトダイオードと、光電変換により発生した電荷を蓄積する複数の第一電荷蓄積部と、光電変換により発生した電荷を第一電荷蓄積部のいずれかに移動させる転送コントローラーとを有する。
　第二半導体は、電荷を蓄積することのできる第二電荷蓄積部と、第二電荷蓄積部の電位を検出する電位ディテクターとを有する。
　固体撮像素子は、さらに、第一電荷蓄積部の電位を所定の電位にリセットするリセッターを備えている。
　本発明の第二の態様に係る撮像システムは、所定の波長プロファイルを有する出射光を出射する光源部と、第一の態様に係る固体撮像素子とを備える。
　本発明の上記態様によれば、近赤外から短波長赤外の波長帯域の光を効率よく利用でき、振り分け駆動が良好に行える。
本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の模式図である。 同固体撮像素子の変形例の模式図である。 同固体撮像素子を複数用いた撮像素子の一例を示す図である。 同固体撮像素子を用いた撮像システムの一例を示す図である。 本発明の変形例に係る固体撮像素子の部分模式図である。 本発明の変形例に係る固体撮像素子の部分模式図である。 本発明の変形例に係る固体撮像素子の部分模式図である。 本発明の変形例に係る固体撮像素子の部分模式図である。 本発明の変形例に係る固体撮像素子の部分模式図である。 本発明の変形例に係る固体撮像素子の模式図である。 本発明の変形例に係る固体撮像素子の模式図である。
　本発明の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
　図１は、本実施形態に係る固体撮像素子１の構成を示す模式図である。固体撮像素子１は、第一半導体１０と、第二半導体３０とが電気的に接続されて構成されている。第一半導体１０と第二半導体３０とは、構成元素の組成が異なっており、互いに異なる格子定数を有する。
　第一半導体１０は、公知のフォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）１１を有し、入射した光を光電変換し、信号電荷を蓄積可能に構成されている。フォトダイオード１１は、第一半導体１０の不純物濃度等により省略することも可能である。この場合は第一半導体１０においてフォトダイオード１１が占めている幾何学的な領域が光電変換の機能を持つ。
　第一半導体１０は、少なくともフォトダイオード１１の部分において、近赤外から短波長赤外の波長帯域、特に１３５０ｎｍ～１４００ｎｍ程度の波長帯域の光の吸収特性に優れた元素あるいは化合物を多く含んで構成されている。このような物質としては、Ｇｅが典型的であり、他にＧｅＳｉ（ゲルマニウムシリコン）等のゲルマニウム化合物やＧａＳｂ（アンチモン化ガリウム）等を例示できる。以下、これらの物質を総称して、「Ｇｅ等」と称することがある。
　第一半導体１０の物理的構造には特に制限はなく、全体がＧｅ単独またはＧｅ等の混晶で形成された一様の組成であってもよいし、Ｇｅ等がシリコン等の他の物質と交互に積層された構成を有してもよい。
　以下、第一半導体１０がＰ型であることを前提として説明を行うが、第一半導体１０がＮ型である場合も同様な説明が可能である。また、半導体がＰ型である場合には、図中に「ｐ」を付す場合がある。同様に、Ｎ型である場合には「ｎ」を、ｐ＋型半導体領域である場合には「ｐ＋」を、ｎ＋型半導体領域である場合には「ｎ＋」を、付す場合がある。
　第一半導体１０は、複数の第一電荷蓄積部１２を有する。本実施形態の第一電荷蓄積部１２は、例えばｎ＋型半導体領域である。第一半導体１０には、第一電荷蓄積部１２Ａと第一電荷蓄積部１２Ｂとを含む２つの第一電荷蓄積部１２が設けられている。フォトダイオード１１と各々の第一電荷蓄積部１２との間には、転送ゲート（転送コントローラー）１３が設けられている。転送ゲート（転送コントローラー）１３は、フォトダイオードの光電変換により発生した電荷を複数の第一電荷蓄積部１２のうちのいずれかに移動させる。転送ゲート１３の構造は公知であり、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）構造である。
　第二半導体３０は、主に信号処理を行う半導体であり、例えばシリコンで形成されている。第二半導体３０は、拡散層を介したインターコネクションにより、第一半導体１０と電気的に接続されている。
　第二半導体３０は、第二電荷蓄積部３３と、リセットトランジスタ（リセッター）３５のドレイン３２と、電位検出ノード３１（電位ディテクター）と、リセットトランジスタ（リセッター）３５のリセットゲート３４とを有する。各第二電荷蓄積部３３は、図示しない読み出し回路に接続されている。電位検出ノード３１（電位ディテクター）は、第二電荷蓄積部３３の電位を検出する。リセットトランジスタ（リセッター）３５のリセットゲート３４は、第二電荷蓄積部３３とドレイン３２との間の電荷移動を制御する。
　リセットトランジスタ（リセッター）３５は、第一電荷蓄積部１２の電位を所定の電位にリセットする。リセットトランジスタ３５は、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）であってもよい。
　第二電荷蓄積部３３と、ドレイン３２と、電位検出ノード３１、およびリセットゲート３４は、各第一電荷蓄積部１２Ａおよび１２Ｂに対応して設けられており、電位検出ノード３１は、対応する第二電荷蓄積部３３の電位を検出可能に構成されている。
　上記のように構成された本実施形態の固体撮像素子１においては、各転送ゲート１３に制御信号としての電圧が印加されることにより、フォトダイオード１１に生じた電荷が、第一電荷蓄積部１２Ａ、１２Ｂのいずれか一方に転送される。制御信号により、電荷の転送先が経時的に変更されることにより、電荷の振り分け駆動が行われる。
　固体撮像素子１においては、フォトダイオード１１に生じた電荷は第一半導体１０内で振り分け駆動された後、拡散層である第一電荷蓄積部１２（１２Ａ、１２Ｂ）および対応する第二電荷蓄積部３３、ならびに第一電荷蓄積部１２と第二電荷蓄積部３３とを接続する接続線(不図示)と、第二半導体３０内のゲート電極とからなる静電容量に転送される。したがって、静電容量に入った電荷はそれ以降振り分けされない。
　一般に、電荷振り分け動作が比較的容量の大きな静電容量で行われるときは特性的な問題が起こりやすい。特に、高速の振り分けが起こる場合は、静電容量からの電荷移動時間が問題となるので、良好な振り分け特性の実現が困難である場合がある。
　本実施形態の固体撮像素子１においては、振り分け駆動が第一半導体１０内で行われる。そのため、大きな静電容量からの電荷移動という問題が生じない。その結果、振り分け駆動が好適に行われる。
　以上により、本実施形態の固体撮像素子１は、転送コントローラーとしての転送ゲート１３と転送先としての第一電荷蓄積部１２とを有する第一半導体１０を備える。これにより、異質の半導体である第一半導体１０および第二半導体３０をヘテロ接合した構成でありながら、好適な振り分け駆動を実現できる。
　固体撮像素子１では、Ｇｅ等を主要物質として第一半導体１０のフォトダイオード１１が構成されている。これにより、近赤外から短波長赤外の波長帯域、特に１３５０ｎｍ～１４００ｎｍ程度の波長帯域の光を用いるマルチゲートタイプのＴＯＦセンサとして好適に動作可能な構造であると言える。
　本実施形態において、第一電荷蓄積部の数は適宜設定できる。すなわち、上述の例では２つの第一電荷蓄積部を有する例を説明したが、３以上の電荷蓄積部が設けられてもよい。
　図２に、本実施形態の変形例に係る固体撮像素子１Ａの模式図を示す。固体撮像素子１Ａにおいては、転送ゲート１３に代えてｐ＋型半導体領域１５がフォトダイオード１１と第一電荷蓄積部１２との間に設けられている。各ｐ＋型半導体領域１５には、電圧信号発生部１６が接続されており、電圧信号発生部１６の信号に基づいて、フォトダイオード１１に生じた電荷が、第一電荷蓄積部１２Ａ、１２Ｂのいずれか一方に転送される。
　すなわち、固体撮像素子１Ａの転送コントローラー１７はｐ＋型半導体領域１５および電圧信号発生部１６を有し、公知のcurrent assistedの手法により振り分け駆動を行う。
　本実施形態の固体撮像素子において、転送コントローラーはゲート電極には限られず、このような構成でも、上述した効果を同様に奏する。
　図２では、ｐ＋型半導体領域１５がフォトダイオード１１と第一電荷蓄積部１２との間に設けられているが、ｐ＋型半導体領域１５は第一電荷蓄積部１２の近傍に位置していればよく、配置に関して自由度があってもよい。
　なお、図２では、第一半導体１０において、フォトダイオード１１が第二半導体と対向しない側に形成されており、表面照射型（ＦＳＩ、Front Side Illumination）の固体撮像素子を示している。本明細書に記載されたすべての固体撮像素子は、表面照射型および裏面照射型（ＢＳＩ、Back Side Illumination）のいずれの構成もとることができ、用途や他の構成との関係等に応じて適宜選択できる。
　本実施形態に係る固体撮像素子は、単独でも使用できるが、二次元マトリクス状に複数配置されて複数画素を有する撮像素子を構成してもよい。
　このような撮像素子の一例を図３にブロック図として示す。撮像素子４０は、複数の固体撮像素子１が二次元配列された受光領域４１を有する。撮像素子４０は、制御回路５０、垂直駆動回路６０、水平駆動回路７０、およびＡＤ変換回路８０、および出力回路９０を備えているが、これは一例であり、仕様等を考慮して公知の各種構成が適宜組み合わされてもよい。
　撮像素子４０においては、受光領域４１に配置される固体撮像素子の数や配置態様についても、適宜設定できる。複数の固体撮像素子は、隙間なく二次元配列されてもよい。その際、単一の半導体ウエハに二次元配列された複数の固体撮像素子を形成してもよい。
　図４に、本実施形態の固体撮像素子を適用した撮像システムの一例を模式的に示す。図４に示す撮像システム１００は、光源１０１を有する光源部１１０と、撮像センサ１２１を有する受光部１２０とを備える。
　光源部１１０は、光源１０１と、必要に応じて光源１０１から出る光の波長を整えるフィルタ等を備え、所定の波長および波長帯域（波長プロファイル）を有する出射光Ｌ１を被写体Ｏに向けて出射する。出射光Ｌ１は、近赤外から短波長赤外の波長領域の光（例えば、１３５０ｎｍ～１４００ｎｍ程度の波長帯域）としてもよい。出射光Ｌ１が被写体Ｏに反射されて生じた反射光Ｌ２は、受光部１２０の撮像センサ１２１に入射する。撮像センサ１２１としては、本実施形態の固体撮像素子を単独または複数使用できる。
　撮像システム１００においては、出射光Ｌ１の波長プロファイルを１３５０ｎｍ～１４００ｎｍ程度の波長帯域とすることにより、屋外で使用しても外光の影響をほとんど受けずにＴＯＦ法による測距等を好適に行うことができる。
　以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。
　例えば、図５に示す変形例の様に、リセットトランジスタ３５のドレイン３２およびリセットゲート３４が第一半導体１０に設けられてもよい。この場合、第二半導体３０とは単に高抵抗のゲート電極を介して容量結合しているだけであるため、振り分けられた電荷は第一半導体１０内のみを移動することになる。その結果、リセット電圧等の設定の自由度が大きく、また拡散層である第二電荷蓄積部３３を介したノイズの混入もなく、特性の改善が可能である。
　リセットトランジスタの構成は、図５に示す例に限られない。
　図６に示す変形例のリセットトランジスタ（リセッター）３５Ａは、リセットゲート３４を有さず、電圧信号発生部３６を有している。電圧信号発生部３６の信号により、ドレイン３２の印加電圧が上昇すると、ドレイン３２周辺の空乏層が第一電荷蓄積部１２Ａの空乏層とつながって、第一電荷蓄積部１２Ａの電位を、結合空乏層の電位分布で決まる特性的な電圧に設定できる。すなわち、第一電荷蓄積部１２Ａをリセットできる。これにより、リセットゲート３４のようなＦＥＴゲートを用いることなく第一電荷蓄積部の電位をリセットできる。なお、リセット動作を制御性良く行うために、各第一電荷蓄積部とドレイン３２の不純物濃度に差異をもたせることも可能である。また、同じ目的で各第一電荷蓄積部とドレイン３２との間に適当な不純物領域を形成することも可能である。
　図７は、固体撮像素子１Ａにリセットトランジスタ３５Ａを設けた図である。この場合も、上述と同様の効果を得ることができる。固体撮像素子１Ａは転送コントローラー１７を有し、外部印加電圧により振り分け駆動を行う。このため、リセットトランジスタ３５Ａを設けると、第一半導体１０にＦＥＴゲートが存在しない構成となる。その結果、製造プロセスを大幅に簡素化でき、製造コストを著しく低減できる。
　図８は、第一半導体１０に信号電荷（第一半導体１０がＰ型の場合は電子）を排除するドレイン構造３８を付け加えた例である。ドレイン構造３８は、電圧信号発生部３９を有する。電圧信号発生部３９から第一半導体１０と逆バイアス状態となる電圧がドレイン構造３８に印加されると、第一電荷蓄積部１２Ａの不要な電荷がドレイン構造３８に排出される。その結果、不要な電荷を予め排除できて振分信号のＳ／Ｎ比が改善される。
　図９は、固体撮像素子１Ａにドレイン構造３８を付け加えた図である。この場合も、第一半導体１０にＦＥＴゲートを形成する必要がない。
　図８および図９のいずれにおいても、ドレイン構造３８は、リセットトランジスタ３５Ａと組み合わせられる。この場合、ドレイン構造３８とリセットトランジスタ３５Ａとで、一部の構造を共用してもよい。
　また、図１０に示す変形例の固体撮像素子１Ｂのように、ゲートを介してフォトダイオード１１と接続された電荷排出部１８が第一半導体１０に設けられてもよい。この場合、 第一半導体１０にて電荷の振り分け駆動をしていない期間において、フォトダイオード１１に生じた入射した光によって発生する電荷や暗電流によって発生する電荷を好適に排出できる。なお、図１０においては、同一面に示すことが難しいため、一方の第一電荷蓄積部１２Ｂおよび対応付けられた第二半導体３０の各部を省略している。
　図１１は、固体撮像素子１Ｂの転送ゲート１３を、ｐ＋型半導体領域１５および電圧信号発生部１６を有する転送コントローラー１７に置き換え、電荷排出部１８のゲートをｐ＋型半導体領域１８ａおよび電圧信号発生部１８ｂに置き換えた例である。この場合も、第一半導体１０にＦＥＴゲートが存在しない構成となり、上述の利点が得られる。
　電荷排出部１８は、リセットトランジスタやドレイン構造と組み合わされてもよい。
１、１Ａ、１Ｂ　固体撮像素子
１０　第一半導体
１１　フォトダイオード
１２、１２Ａ、１２Ｂ　第一電荷蓄積部
１３　転送ゲート（転送コントローラー）
１７　転送コントローラー
３０　第二半導体
３１　電位検出ノード（電位ディテクター）
３３　第二電荷蓄積部
３５、３５Ａ　リセットトランジスタ（リセッター）
４０　撮像素子
１００　撮像システム
１１０　光源部
Ｌ１　出射光

Claims (5)

  1. 　第一半導体と、
    　前記第一半導体と異なる組成を有し、前記第一半導体と電気的に接続された第二半導体と、
    　を備え、
    　前記第一半導体は、
    　　入射光により光電変換を行うフォトダイオードと、
    　　前記光電変換により発生した電荷を蓄積する複数の第一電荷蓄積部と、
    　　前記光電変換により発生した電荷を前記第一電荷蓄積部のいずれかに移動させる転送コントローラーと、を有し、
    　前記第二半導体は
    　　電荷を蓄積することのできる第二電荷蓄積部と、
    　　前記第二電荷蓄積部の電位を検出する電位ディテクターと、を有し、
    　前記第一電荷蓄積部の電位を所定の電位にリセットするリセッターを備える、
    　固体撮像素子。
  2. 　前記リセッターが前記第一半導体に設けられている、
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 　前記フォトダイオードを構成する主要元素がゲルマニウムである、
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  4. 　所定の波長プロファイルを有する出射光を出射する光源部と、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載の固体撮像素子と、
    　を備える、
    　撮像システム。
  5. 　前記光源部は、前記出射光として近赤外から短波長赤外の波長領域の光を出射する、
    　請求項４に記載の撮像システム。
PCT/JP2021/009537 2020-03-25 2021-03-10 固体撮像素子および撮像システム Ceased WO2021193066A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202180020789.5A CN115336255B (zh) 2020-03-25 2021-03-10 固体摄像元件以及摄像系统
EP21775284.9A EP4131940B1 (en) 2020-03-25 2021-03-10 Solid-state image sensor and imaging system
US17/935,336 US12568698B2 (en) 2020-03-25 2022-09-26 Solid-state image sensor and imaging system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020-054149 2020-03-25
JP2020054149A JP7505221B2 (ja) 2020-03-25 2020-03-25 固体撮像素子および撮像システム

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US17/935,336 Continuation US12568698B2 (en) 2020-03-25 2022-09-26 Solid-state image sensor and imaging system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021193066A1 true WO2021193066A1 (ja) 2021-09-30

Family

ID=77891459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/009537 Ceased WO2021193066A1 (ja) 2020-03-25 2021-03-10 固体撮像素子および撮像システム

Country Status (6)

Country Link
US (1) US12568698B2 (ja)
EP (1) EP4131940B1 (ja)
JP (1) JP7505221B2 (ja)
CN (1) CN115336255B (ja)
TW (1) TWI878502B (ja)
WO (1) WO2021193066A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024057470A1 (ja) * 2022-09-15 2024-03-21 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出装置およびその製造方法、並びに電子機器
US12417615B2 (en) 2023-05-16 2025-09-16 Bank Of America Corporation System and method for consolidation of alerts and events using image matching of heatmap descriptions of infrastructure status
US12505003B2 (en) 2023-05-17 2025-12-23 Bank Of America Corporation System and method for multi image matching for outage prediction, prevention, and mitigation for technology infrastructure using hybrid deep learning
US12373271B2 (en) 2023-05-25 2025-07-29 Bank Of America Corporation System and method for matching multiple featureless images across a time series for outage prediction and prevention

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170040362A1 (en) * 2015-08-04 2017-02-09 Artilux Corporation Germanium-silicon light sensing apparatus
WO2020017345A1 (ja) * 2018-07-18 2020-01-23 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子および測距モジュール
JP2020054149A (ja) 2018-09-27 2020-04-02 日本電産株式会社 モータ

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004304331A (ja) * 2003-03-28 2004-10-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体撮像装置
JP2008244021A (ja) * 2007-03-26 2008-10-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体撮像装置およびそれを用いたカメラ
WO2017022218A1 (ja) * 2015-08-04 2017-02-09 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像装置
CN113099137A (zh) * 2015-09-30 2021-07-09 株式会社尼康 拍摄元件
JP6706482B2 (ja) * 2015-11-05 2020-06-10 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像装置および電子機器
CN112929586B (zh) * 2015-12-03 2024-12-06 松下知识产权经营株式会社 摄像装置
WO2018191539A1 (en) 2017-04-13 2018-10-18 Artilux Corporation Germanium-silicon light sensing apparatus ii
US10192911B2 (en) * 2017-05-09 2019-01-29 Apple Inc. Hybrid image sensors with improved charge injection efficiency
TW202003938A (zh) * 2018-05-18 2020-01-16 雁丞有限公司 疊紗與夾入織物

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170040362A1 (en) * 2015-08-04 2017-02-09 Artilux Corporation Germanium-silicon light sensing apparatus
WO2020017345A1 (ja) * 2018-07-18 2020-01-23 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子および測距モジュール
JP2020054149A (ja) 2018-09-27 2020-04-02 日本電産株式会社 モータ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4131940A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP4131940A4 (en) 2023-08-23
TW202141778A (zh) 2021-11-01
JP2021158418A (ja) 2021-10-07
US12568698B2 (en) 2026-03-03
US20230014856A1 (en) 2023-01-19
TWI878502B (zh) 2025-04-01
JP7505221B2 (ja) 2024-06-25
CN115336255A (zh) 2022-11-11
EP4131940A1 (en) 2023-02-08
EP4131940B1 (en) 2026-05-06
CN115336255B (zh) 2026-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021193066A1 (ja) 固体撮像素子および撮像システム
JP6108280B2 (ja) 固体撮像装置
CN109300924B (zh) 摄像装置
EP2752877B1 (en) Unit pixel and light receiving element for image sensor
CN101488509B (zh) 传感器、固体摄像器件、摄像装置及其制造方法
JP2023073519A (ja) 撮像装置
CN104377215B (zh) 摄像元件和摄像装置
WO2012004923A1 (ja) 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法
JP2009506725A (ja) ４方向共有のピクセル上に２方向共有の蓄積ゲートを設ける方法及び装置
Burke et al. CCD technology
US10735652B2 (en) Method for controlling imaging device, and imaging device
US20250259952A1 (en) Semiconductor element, apparatus, and chip
CN106129074A (zh) 背照式cmos图像传感器
JP2024015381A (ja) 撮像装置
CN111370433A (zh) 摄像装置以及其制造方法
CN113016071B (zh) 摄像装置
JP2015037155A5 (ja)
US11647641B2 (en) Photo-sensitive device and a method for light detection in a photo-sensitive device
CN117242585A (zh) 光接收元件、x射线成像元件和电子设备
US20250374690A1 (en) Image sensor
JP2021082785A (ja) 固体撮像素子および撮像装置
KR20130007901A (ko) 후면 조사형 이미지 센서
CN115295568A (zh) 图像传感器及其制作方法
DURINI formerly Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems
Burke et al. Overview paper-CCD technology

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21775284

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021775284

Country of ref document: EP

Effective date: 20221025