JPH04320373A - Image sensor - Google Patents
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- JPH04320373A JPH04320373A JP3113724A JP11372491A JPH04320373A JP H04320373 A JPH04320373 A JP H04320373A JP 3113724 A JP3113724 A JP 3113724A JP 11372491 A JP11372491 A JP 11372491A JP H04320373 A JPH04320373 A JP H04320373A
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Landscapes
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- Light Receiving Elements (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
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Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は撮像素子に関し、特にト
ランジスタ・イメージセンサ素子の撮像素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor, and more particularly to an image sensor such as a transistor image sensor element.
【0002】0002
【従来の技術】従来より撮像素子としては様々な方式が
提案されてきている。すなわちCCD型、MOS型など
がその主たるものである。しかし今日、高品位テレビに
代表されるごとく高解像度映像を得る必要性が生じてい
るのに際して、上記方式を採用する上で、次のような問
題点が予想されている。2. Description of the Related Art Various systems have been proposed for image pickup devices. That is, the main types are CCD type and MOS type. However, today, when there is a need to obtain high-resolution video as typified by high-definition television, the following problems are expected when adopting the above method.
【0003】その第一は多画素配列に伴う開口率の低下
である。The first problem is a decrease in aperture ratio due to the multi-pixel arrangement.
【0004】例えば、CCD型においては、1/2イン
チサイズの40万画素の撮像素子の場合、開口率は30
%程度に落ち込んでおり、光ショットノイズの影響が増
大化しつつある。高品位映像に要求される画素数(13
0万〜200万画素)を1インチから2/3インチサイ
ズで実現することを考えた場合、開口率は10〜20%
に低下すると予想されており、極めて不都合である。For example, in the case of a CCD type image sensor with 1/2 inch size and 400,000 pixels, the aperture ratio is 30.
%, and the influence of optical shot noise is increasing. Number of pixels required for high-quality video (13
00,000 to 2 million pixels) in 1 inch to 2/3 inch size, the aperture ratio is 10 to 20%.
This is extremely inconvenient.
【0005】第二には読み出し動作の高速化への不適合
である。例えばCCD型においては転送効率の低下が心
配される。The second problem is the incompatibility with increasing the speed of read operations. For example, in the CCD type, there is a concern that the transfer efficiency will decrease.
【0006】さらに、従来方式の問題点としてスミア、
ブルーミングがある。このような問題点は上記従来方式
での完全な解決は困難とされている。Furthermore, problems with the conventional method include smear,
There is blooming. It is said that it is difficult to completely solve these problems using the conventional methods described above.
【0007】上記従来方式にみられる課題を解決する撮
像素子として、特開昭64−14959号公報の「基体
電荷変調型トランジスタのしきい値をセンスする素子及
びその製法」によって紹介される新しい方式の撮像素子
が提案されている。この方式の撮像素子の特徴は、各感
光セルが基体電荷変調型トランジスタによって構成され
ていることである。[0007] As an image sensor that solves the problems seen in the above-mentioned conventional methods, a new method is introduced in Japanese Patent Application Laid-Open No. 14959/1983 entitled "Element for Sensing the Threshold of a Substrate Charge Modulation Type Transistor and its Manufacturing Method". Image sensors have been proposed. A feature of this type of image sensor is that each photosensitive cell is composed of a substrate charge modulation type transistor.
【0008】まず、上記撮像素子の概略的構成について
、図5及び図6を用いて説明する。図5は感光セルの平
面図、図6は図5のA−A線断面図である。[0008] First, the general configuration of the above-mentioned image sensor will be explained using FIGS. 5 and 6. FIG. 5 is a plan view of the photosensitive cell, and FIG. 6 is a sectional view taken along the line A--A in FIG.
【0009】図5に示すように、各感光セルはドレイン
領域18と、このドレイン領域18に囲まれており、さ
らにハニカム状(蜂の巣状)に配置されたゲート領域2
4、及びさらにそのゲート領域24の中心部に位置する
ソース領域26より成る。ソース領域26は各隣接セル
と信号読み出し線30で接続される。As shown in FIG. 5, each photosensitive cell includes a drain region 18 and a gate region 2 surrounded by the drain region 18 and further arranged in a honeycomb shape.
4, and a source region 26 located in the center of the gate region 24. The source region 26 is connected to each adjacent cell by a signal readout line 30.
【0010】一方、深さ方向について図6を用いて説明
すると、シリコン基板11の上に形成された埋込チャン
ネル34の上にさらにP型層38、さらにN型層36を
形成してゲート領域24が構成され、そしてゲートコン
ダクタ28をゲート領域24から分離するための酸化物
層40が形成され、さらにソースコンダクタ30から分
離するための酸化物層42が形成される。On the other hand, to explain the depth direction using FIG. 6, a P-type layer 38 and an N-type layer 36 are further formed on the buried channel 34 formed on the silicon substrate 11 to form a gate region. 24 is constructed and an oxide layer 40 is formed to separate gate conductor 28 from gate region 24, and an oxide layer 42 is formed to separate gate conductor 28 from source conductor 30.
【0011】次に、図7は感光セルのポテンシャルを示
す図である。前述したゲート領域24の層構造により、
深さに応じて、コンダクションバンド及びバレンスバン
ドのそれぞれの電位曲線96,98を生じる。距離Xd
1及びXd2は2個の空乏領域のそれぞれの厚さを示し
ている。電位曲線には正孔電位ウェル100、第1のウ
ェル102、第2のウェル103がある。光(hν)9
0が入射するとXd1領域で生成した正孔94はウェル
100に集まる。それにより電位分布が変化し、プロー
ビング電流がソースからドレインに流れる。Next, FIG. 7 is a diagram showing the potential of a photosensitive cell. Due to the layer structure of the gate region 24 described above,
Depending on the depth, respective potential curves 96, 98 of the conduction band and the valence band are generated. Distance Xd
1 and Xd2 indicate the respective thicknesses of the two depletion regions. The potential curve includes a hole potential well 100, a first well 102, and a second well 103. light (hν)9
When zero is incident, holes 94 generated in the Xd1 region gather in the well 100. This changes the potential distribution and causes a probing current to flow from the source to the drain.
【0012】それによってウェル102にたくわえられ
る電子の数は一定に保たれ、結果的にMOSトランジス
タのしきい値の変化として感知される。ウェル100に
蓄えられた正孔は、トランジスタゲートを正のパルスで
パルシングすることによって基板へ掃きだされる。さら
にウェル100は基板表面から離れたところに正孔をた
くわえるので、従来の場合のように酸化物との界面にお
けるトラップの影響を受けてリセット不良を引き起こす
ことなく、正のパルシングによって完全に取り除くこと
ができる。このことはリセットノイズ(KTCノイズ)
をほとんど生じないという利点がある。Thereby, the number of electrons stored in the well 102 is kept constant, and as a result, it is sensed as a change in the threshold value of the MOS transistor. Holes stored in well 100 are flushed out to the substrate by pulsing the transistor gate with a positive pulse. Furthermore, since the well 100 stores holes away from the substrate surface, they can be completely removed by positive pulsing without being affected by traps at the interface with the oxide and causing a reset failure as in the conventional case. Can be done. This is reset noise (KTC noise)
It has the advantage of causing almost no damage.
【0013】さらに、図8は撮像素子の等価回路を示す
ものである。アドレスデータ112が与えられたデコー
ダ110によって選択されたアドレスライン28、すな
わちゲートコンダクタ28に駆動パルスが加えられる。
感光セルはドレイン18、ゲート部24、ソース26よ
りなる。ソース26にはバイアストランジスタ118が
接続され、バイアス電源117につながる。また、ソー
ス26は読み出しライン120に接続され、クランプ回
路(クランプキャパシタCo122、トランジスタ12
6、及びパルス源128より成る)、サンプリング回路
(トランジスタ132より成る)を経てシフトレジスタ
回路46に入力され、不図示の出力アンプを通して信号
出力が出力される。Furthermore, FIG. 8 shows an equivalent circuit of the image sensor. A drive pulse is applied to the address line 28 selected by the decoder 110 to which the address data 112 is applied, that is, the gate conductor 28 . The photosensitive cell includes a drain 18, a gate portion 24, and a source 26. A bias transistor 118 is connected to the source 26 and connected to a bias power supply 117 . In addition, the source 26 is connected to the readout line 120, and the clamp circuit (clamp capacitor Co122, transistor 12
6 and a pulse source 128), the signal is inputted to the shift register circuit 46 via a sampling circuit (consisting of a transistor 132), and a signal output is outputted through an output amplifier (not shown).
【0014】[0014]
【発明が解決しようとしている課題】しかしこの方式の
場合、ゲートコンダクタ28は開口部上に設けるために
、導電性の透明電極で形成することが好ましく、特開昭
64−14959号公報にも記載の通りに酸化すずで形
成することも可能であるが、技術的課題も多く、一般的
にはポリシリコン(多結晶シリコン)を用いることが望
ましい。[Problems to be Solved by the Invention] However, in the case of this method, since the gate conductor 28 is provided above the opening, it is preferable to form it with a conductive transparent electrode. Although it is possible to form it with tin oxide, there are many technical problems, and it is generally preferable to use polysilicon (polycrystalline silicon).
【0015】本発明の目的は、ポリシリコン等の材料を
ゲートコンダクタとして用いることができる撮像装置を
提供することにある。An object of the present invention is to provide an imaging device that can use a material such as polysilicon as a gate conductor.
【0016】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明の撮像素子は、開
口部にゲートコンダクタを有する撮像素子であって、分
光感度のピークの一つが緑色感度のピークとなるように
前記ゲートコンダクタの厚さを設定したことを特徴とす
る。[Means for Solving the Problems] An image sensor of the present invention has a gate conductor in an aperture, and the thickness of the gate conductor is set such that one of the peaks of spectral sensitivity is the peak of green sensitivity. It is characterized by having been set.
【0017】[0017]
【作 用】本発明は、分光感度のピークの一つが、輝
度信号にもっとも関与し、S/N比を有利に導く緑色感
度のピークとなるように、ゲートコンダクタ厚を設定す
ることで、良好な分光感度分布を有する撮像素子を得る
ものである。[Operation] The present invention achieves a good performance by setting the gate conductor thickness so that one of the peaks of spectral sensitivity is the peak of green sensitivity that is most involved in the luminance signal and leads to an advantageous S/N ratio. This provides an image sensor having a spectral sensitivity distribution.
【0018】ゲートコンダクタとしてポリシリコン(こ
こではポリシリコンを取り上げるが、必ずしもかかる材
料に限定されるものではない。)を3000Å〜500
0Åで被着した場合、分光透過率に与える影響が大きく
、特に400nm〜500nm附近のいわゆる青色感度
の低下を引き起こすことが予想され、そのためできるだ
け薄く被着することが望まれる。しかし、一方で薄くな
ればなるほど低圧CVD法等による制御がむずかしくな
ることも事実であり、良好な感度分布とプロセス上の容
易さを両立させることはきわめてむずかしい。ゲートコ
ンダクタ厚は、例えば、ポリシリコンの物理特性及び多
層膜干渉理論を電子計算器を用いて予測することができ
、適正なゲートコンダクタ厚を求めることにより良好な
分光感度を持ちかつプロセス上の容易さを両立した撮像
素子を得ることができる。The gate conductor is made of polysilicon (polysilicon is taken up here, but is not necessarily limited to such a material) with a thickness of 3000 Å to 500 Å.
If it is deposited at a thickness of 0 Å, it is expected to have a large effect on the spectral transmittance, and in particular to cause a decrease in so-called blue sensitivity around 400 nm to 500 nm. Therefore, it is desirable to deposit it as thinly as possible. However, it is also true that the thinner the material, the more difficult it becomes to control it by low-pressure CVD, etc., and it is extremely difficult to achieve both a good sensitivity distribution and ease of processing. For example, the gate conductor thickness can be predicted using an electronic computer based on the physical properties of polysilicon and multilayer film interference theory. It is possible to obtain an image sensor that achieves both high and low performance.
【0019】[0019]
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。Embodiments Hereinafter, embodiments of the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.
【0020】本実施例では、ポリシリコンの物理特性及
び多層膜干渉理論を電子計算器を用いて予測することに
より、適正なゲートコンダクタ厚を得る。In this embodiment, an appropriate gate conductor thickness is obtained by predicting the physical properties of polysilicon and multilayer film interference theory using an electronic calculator.
【0021】なお、撮像素子の構成及びその動作につい
ては、図5〜図8を用いて説明した撮像素子と同じなの
で、説明を省略するものとし、ここでは、計算によりゲ
ートコンダクタ厚を得る方法及びその結果について説明
する。Note that the configuration and operation of the image sensor are the same as those of the image sensor described using FIGS. 5 to 8, so the explanation will be omitted here. The results will be explained.
【0022】図1はゲートコンダクタ厚を変化させた場
合の分光感度曲線を示すものである。なお、赤色(R)
は約610〜700nm、緑色(G)は約500〜57
0nm、青色(B)は約450〜500nm程度の波長
領域である。FIG. 1 shows spectral sensitivity curves when the gate conductor thickness is varied. In addition, red (R)
is about 610 to 700 nm, green (G) is about 500 to 57
0 nm, and blue (B) has a wavelength range of about 450 to 500 nm.
【0023】同図に示すように、ポリシリコン厚(ゲー
トコンダクタ厚)が極限まで薄い100Åの場合と比較
して、プロセス上の容易さが極めて向上する650Åの
場合においても、若干の赤色及び青色感度の低下がある
ものの輝度信号にもっとも関与し、S/N比を有利に導
く緑色感度についてはむしろ大きいことが明らかである
。そしてポリシリコン厚が3000Åの場合には分布形
状の波が大きく、特に緑色の感度が低いことがわかる。
可視光域内の主たる感度ピークは必ずしも一つである必
要ないが、一つに設定することにより、カラー化のため
にカラーフィルターを附着した場合に、各色の感度分布
が複雑化する(すなわち色再現性が悪化する)ことがな
く、さらにポリシリコン厚が製造上の原因によってばら
ついた時に各色の感度に差がでにくくなるということが
ある。As shown in the figure, even when the polysilicon thickness (gate conductor thickness) is 650 Å, which greatly improves process ease, compared to the extremely thin 100 Å, there are still some red and blue colors. Although there is a decrease in sensitivity, it is clear that the sensitivity for green color, which is most involved in luminance signals and leads to an advantageous S/N ratio, is rather high. It can be seen that when the polysilicon thickness is 3000 Å, the distribution shape has large waves, and the sensitivity of green color is particularly low. The main sensitivity peak in the visible light range does not necessarily have to be one, but if it is set to one, the sensitivity distribution for each color will become complicated (i.e. color reproduction will be Moreover, when the polysilicon thickness varies due to manufacturing reasons, it becomes difficult to see differences in the sensitivity of each color.
【0024】なお、不図示であるが、ポリシリコン厚を
650±100Åに設定すると、一般的な緑色の波長領
域あるいは人間の視感度のピーク波長領域に感度ピーク
をもってくることができる。Although not shown, if the polysilicon thickness is set to 650±100 Å, the sensitivity peak can be brought to the general green wavelength region or the peak wavelength region of human visual sensitivity.
【0025】以下に、撮像素子の分光分布の計算方法を
説明する。かかる分光分布を求めることにより適正なゲ
ートコンダクタ厚を求めることができる。A method of calculating the spectral distribution of the image sensor will be explained below. By determining such a spectral distribution, an appropriate gate conductor thickness can be determined.
【0026】まず、ポリシリコン及びバルクシリコンの
屈折率を図2、図3、図4に示す。屈折率は複素屈折率
n−iKであらわされ、吸収係数αとは、α=(2π/
λ)・Kなる関係を有する。ポリシリコンについて10
0Å程度(図3)、3000Å程度(図2)で屈折率が
変化しているのは厚さによってポリシリコンの結晶状態
が変化するためである。なお、複素屈折率n−iKの値
はこのようにポリシリコン厚によって変化するが、以下
の計算ではポリシリコン厚が100Å程度の場合のデー
タと3000Å程度の場合のデータとを用いて補完する
ことで、所定のポリシリコン厚での複素屈折率n−iK
を求めている。First, the refractive indices of polysilicon and bulk silicon are shown in FIGS. 2, 3, and 4. The refractive index is expressed by the complex refractive index n-iK, and the absorption coefficient α is α=(2π/
λ)·K. About polysilicon 10
The reason why the refractive index changes between about 0 Å (FIG. 3) and about 3000 Å (FIG. 2) is because the crystalline state of polysilicon changes depending on the thickness. Note that the value of the complex refractive index n-iK changes depending on the polysilicon thickness in this way, but in the following calculations, data for the case where the polysilicon thickness is about 100 Å and data when the polysilicon thickness is about 3000 Å are used to supplement the data. and the complex refractive index n−iK at a given polysilicon thickness
I'm looking for.
【0027】物質による光の吸収率は、吸収係数αを用
いて表わされる。The absorption rate of light by a substance is expressed using an absorption coefficient α.
【0028】I(x)=Io exp(−αx)ここで
Io は表面に入射した光の強度を表す。Si基板内部
に吸収された光はキャリヤを発生する。I(x)=Io exp(-αx) where Io represents the intensity of light incident on the surface. Light absorbed inside the Si substrate generates carriers.
【0029】基板表面からX位置での光励起キャリヤの
発生割合は、The generation rate of photoexcited carriers at the X position from the substrate surface is:
【0030】[0030]
【数1】
ここでIo は入射した光の強度、λは波長、Cは光速
度、hはプランク定数である。[Equation 1] Here, Io is the intensity of the incident light, λ is the wavelength, C is the speed of light, and h is Planck's constant.
【0031】前述したような構造の撮像素子について考
える。光電流に寄与すると考えられるのは、空間電荷領
域(Xd1<X<Xd2)内で発生したキャリヤである
。そこで発生する光電流Jは、Consider an image sensor having the structure described above. It is thought that carriers generated within the space charge region (Xd1<X<Xd2) contribute to the photocurrent. The photocurrent J generated there is
【0032】[0032]
【数2】 で表わされる。[Math 2] It is expressed as
【0033】ところで半導体デバイスではその構成から
表面がシリコン酸化膜や電極薄膜で被われる。このため
、各層間や半導体基板との間の界面で光の反射や吸収が
生じ、入射光量の損失を生む。By the way, the surface of a semiconductor device is covered with a silicon oxide film or a thin electrode film due to its structure. Therefore, light is reflected or absorbed at the interface between each layer or the semiconductor substrate, resulting in a loss in the amount of incident light.
【0034】(j−1)面まである多層膜に第j面をつ
け加えたときの反射率は、[0034] When the j-th plane is added to the multilayer film up to the (j-1) plane, the reflectance is:
【0035】[0035]
【数3】
(ただし光の入射角を0°とする)エネルギー反射率R
は、次のように表わされる。[Equation 3] (assuming the incident angle of light is 0°) Energy reflectance R
is expressed as follows.
【0036】R=|rj,o |2 ただし、R=|rj,o|2 however,
【0037】[0037]
【数4】
ここでNは屈折率であり、通常N=n−iKであらわさ
れる。##EQU00004## Here, N is a refractive index, which is usually expressed as N=n-iK.
【0038】したがって光の吸収物質を含む多層構造の
エネルギー透過率Tは次で表わされる。Therefore, the energy transmittance T of a multilayer structure containing a light absorbing material is expressed as follows.
【0039】T=(1−R)・A ここでAは吸収物質による光の減衰量である。T=(1-R)・A Here, A is the amount of attenuation of light by the absorbing substance.
【0040】したがってシリコン基板に入射する光量I
o は、センサ表面に入射する光量をIとすると、Io
=I・T
であらわされる。Therefore, the amount of light I entering the silicon substrate
o is Io, where I is the amount of light incident on the sensor surface.
=I・T.
【0041】なお、この計算においては以下の数値を用
いた。すなわち、
Xd1=0.05(μm)
Xd2=1.0 (μm)
シリコン酸化膜1(図6中40)=1000Åシリコン
酸化膜2(図6中42)=3000Åシリコン酸化膜の
屈折率=1.46
これらの数値は屈折率を除いて特開昭64−14959
号公報中に呈示されたデータである。[0041] In this calculation, the following numerical values were used. That is, Xd1 = 0.05 (μm) Xd2 = 1.0 (μm) Silicon oxide film 1 (40 in Figure 6) = 1000 Å silicon oxide film 2 (42 in Figure 6) = Refractive index of 3000 Å silicon oxide film = 1 .46 These values, excluding the refractive index,
This is the data presented in the publication.
【0042】本実施例では主に特開昭64−14959
号公報で開示された「基体電荷変調型トランジスタのし
きい値をセンスする素子」について述べたが、他にも開
口部にゲートコンダクタを用いる素子についても適用す
ることができる。[0042] In this example, we will mainly use Japanese Patent Application Laid-Open No.
Although the description has been made regarding the "element that senses the threshold value of a substrate charge modulated transistor" disclosed in the publication, the present invention can also be applied to other elements that use a gate conductor in the opening.
【0043】[0043]
【発明の効果】本発明によりプロセス上の困難を伴うこ
となく良好な分光感度分布を得ることが出来る効果があ
る。[Effects of the Invention] The present invention has the effect that a good spectral sensitivity distribution can be obtained without any difficulties in processing.
【図1】本実施例による分光感度の特性図である。FIG. 1 is a characteristic diagram of spectral sensitivity according to the present example.
【図2】ポリシリコン(3000Å)の屈折率を示す特
性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing the refractive index of polysilicon (3000 Å).
【図3】ポリシリコン(100Å)の屈折率を示す特性
図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the refractive index of polysilicon (100 Å).
【図4】バルクシリコンの屈折率を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the refractive index of bulk silicon.
【図5】基体電荷変調型素子を説明する図(感光セルの
平面図)である。FIG. 5 is a diagram (plan view of a photosensitive cell) illustrating a substrate charge modulation type element.
【図6】基体電荷変調型素子を説明する図(感光セルの
断面図)である。FIG. 6 is a diagram (cross-sectional view of a photosensitive cell) for explaining a substrate charge modulation type element.
【図7】基体電荷変調型素子を説明する図(感光セルの
ポテンシャル図)である。FIG. 7 is a diagram (potential diagram of a photosensitive cell) for explaining a substrate charge modulation type element.
【図8】基体電荷変調型素子を説明する図(素子の等価
回路)である。FIG. 8 is a diagram (equivalent circuit of the element) for explaining a substrate charge modulation type element.
11 シリコン基板、 18 ドレイン領域、
24 ゲート領域、 26ソース領域、 28
ゲートコンダクタ、 30 信号読み出し線(
ソースコンダクタ)、34 埋込チャンネル、 3
6 N型層、 38 P型層、 40酸化物層
、 42 酸化物層。11 silicon substrate, 18 drain region,
24 gate region, 26 source region, 28
Gate conductor, 30 signal readout line (
source conductor), 34 embedded channels, 3
6 N-type layer, 38 P-type layer, 40 oxide layer, 42 oxide layer.
Claims (3)
像素子であって、分光感度のピークの一つが緑色感度の
ピークとなるように前記ゲートコンダクタの厚さを設定
した撮像素子。1. An image sensor having a gate conductor in an opening, the thickness of the gate conductor being set so that one of the peaks of spectral sensitivity is the peak of green sensitivity.
が一つであるように、前記ゲートコンダクタの厚さを設
定したことを特徴とする請求項1記載の撮像素子。2. The image sensor according to claim 1, wherein the thickness of the gate conductor is set so that the main spectral distribution has one peak in the visible light range.
0±100Åのポリシリコンで構成したことを特徴とす
る請求項1記載の撮像素子。3. The gate conductor has a thickness of 65 mm.
2. The image sensor according to claim 1, wherein the image sensor is made of polysilicon with a thickness of 0±100 Å.
Priority Applications (4)
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DE69223841T DE69223841T2 (en) | 1991-04-19 | 1992-04-16 | Image receiving apparatus |
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US07/868,968 US5237185A (en) | 1991-04-19 | 1992-04-16 | Image pickup apparatus with different gate thicknesses |
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JP03113724A JP3123768B2 (en) | 1991-04-19 | 1991-04-19 | Imaging device and method of manufacturing the same |
Publications (2)
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Family Applications (1)
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