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JPS6030282A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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Publication number
JPS6030282A
JPS6030282A JP58139756A JP13975683A JPS6030282A JP S6030282 A JPS6030282 A JP S6030282A JP 58139756 A JP58139756 A JP 58139756A JP 13975683 A JP13975683 A JP 13975683A JP S6030282 A JPS6030282 A JP S6030282A
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JP
Japan
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transistor
signal
photoelectric conversion
amplification
solid
Prior art date
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Application number
JP58139756A
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English (en)
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JPH0247912B2 (ja
Inventor
Tadashi Hirao
正 平尾
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Priority to US06/620,704 priority patent/US4651016A/en
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Publication of JPS6030282A publication Critical patent/JPS6030282A/ja
Publication of JPH0247912B2 publication Critical patent/JPH0247912B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14681Bipolar transistor imagers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L27/14643Photodiode arrays; MOS imagers

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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (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。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、同体く半導体)撮像装置の構成の改良に関
する。
従来、半導体撮像装置(5eiiconclIIcto
r I 111a(Je 3ensor 、以下、rs
IsJと略称する)は、MOS型、CCD型に限られて
いた。現在、市販されているMO8型818の1桧素と
なる基本セル(以下、「セル」ど略称する)の等価回路
図およびこれに接続される続出用のトランジスタ回路を
第1図に示す。第1図に示すように、フォトダイオード
POとMOSスイッチングトランジスタT Rsとから
セルが構成される。フォトダイオードPOに光が当たる
ことにより変換されて生じた電荷はTR,がオンするこ
とで、配線容I Cvに蓄えられ、次いで、続出用MO
SトランジスタTRoがオンして容1clIへ移って、
その電圧がビデオ出力となる。そのとき、容M Cvが
容M CHの1/100以下と小さいため、信号電流は
、第2図に示すビデオ出力の出力電流のタイムチャ=1
・のように、クロックノイズに重畳した微小電流となり
、ビデA出ノjのダイナミックレンジが大きく制限され
るため、フォトダイオードPDの面積を大きくして、光
電変tfA電流を十分にとる必要がある。
第3図はMO3型SISの1つのセルと、これの両側に
隣接するセルの一部とを示り一断面図である。図におい
て、ロー型基板1土には、フォトダイオードPDのアノ
ードの働きを〜bするp型ウェル2が形成される。n+
層3はp型つ1ル2の表面部に選択的に形成されフォト
ダイオードPDのカソードとなるとともにMOSスイッ
ヂング1−ランジスタT Rsのソースとなる。n +
W44はp型ウェル2内にn+ll’93との間にヂセ
ネル形成領爪を設【ノるように形成され、MOSスイッ
チング]・ランジスタTR,のトレインとなる。また、
酸化膜5がn+型1ii3.4上を含めてp型ウェル2
上に形成される。また、多結晶シリコンからなるゲート
電極6が酸化膜5のjν10Sスー(−/″FF−ング
トランジスタT sのチャネル形成領域上の部分である
ゲート酸化股上に設けられる。また、眉間絶縁m−iが
ゲート電aiG上を含め−C酸化膜5−ヒに形成される
。さらに、ドレイン電極8が酸化llA3および層間絶
縁WJ 7に形成された1lITJ部を通じてn+N4
に接着される。ゲート電極6はインタレース回路〈図示
せず)に接続され、ドレイン電極8は読出用M OS 
トランジスタT Roに接続される。
フォトダイオードPD部分のn+!i!、3.T)型ウ
ェル2.n−型基板1によって形成される1〜ランジス
タTRr (第1図において点線で示すトランジスタ)
Vよ過飽和の光による過剰電流を吸収するものである。
上述のようなMO8!¥!313を高@度とするために
は、フォトダイオードPOのカソードとなるn+拡散層
3の面積を大きくすることが考えられる。しかしながら
、SISへの光の入射面積がシン2″等の光学系で決ま
っているため、画素数(セル)を一定としたときのセル
面積は自ずと制限され、カソード面積を自由に大きくす
ることは不可能である。そこで、フォトダイオードPD
から読取った光宵変挽信号を増幅して感度を向上させる
方法が考えられる。しかしながら、この場合読出用クロ
ッ゛りのクロックノイズや固定パターンノイズも増幅さ
れてしまい、結局感度を上げることができない。
それゆえに、この発明の主たる目的は、上述のような種
々の問題を生じることなく感度を向上することができる
固体撮像装置を提供することである。
この発明は、要約すれば、光電変換部と信@読出手段と
の間に増幅用トランジスタを介挿し、光電変換部から読
出される光電変換信号をこのlI!幅用トランジスタで
増幅した後信号読出手段に与えるようにしたものである
この発明の上述の目的およびその他の目的と特徴は、図
面を参照して行なう以下の詳細な説明から一層明らかと
なろう。
第4図はこの発明の一実施例の等価回路図である。図に
おいて、この実施例は以下の点を除いて第1図の回路と
同様である。すなわち、この実施例の特徴は、フォトダ
イオードPDとMOSスイッチングトランジスタT R
sとの間に増幅用トランジスタTRA@設けたことであ
る。この増幅用トランジスタTR,のベース31はフォ
トダイオードPDのカソード3に接続される。また、増
幅用トランジスタTRAのコレクタはフォトダイオード
PDのアノード2とともに接地される。さらに、増幅用
トランジスタTRAのエミッタ21はMOSスイッチン
グトランジスタT Rsのソース41に接続される。な
お、MOSスイッチングトランジスタT Rsのゲート
6は第1図の回路と同様に図示しないインタレース回路
へ接続される。
ま/C%そのドレイン4は読出用MO8I−ランジスタ
TRo(第4図では図示していない)に接続される。
第5図は第4図の等両回路で表わされるこの発明の一実
施例の固体撮像@置の断面図である。図中第3図と同様
の部分には同じ参照番号を付している。前述のように、
この実施例の特徴は、フォトダイオードPDとMOSス
イッチングトランジスタT Rsとの間に増幅用トラン
ジスタTRAを設けたことである。この増幅用トランジ
スタTR1を形成゛するために、フォトダイオードPD
の7ノードとなる0層2内に低濃度の0層31が形成さ
れる。このn1131はフォトダイオードPDのカソー
ド3となるn+層3に平面的に〜部が接続するように形
成される。また、この0層31内に高濃度のp+層21
が形成される。これら□+層21、n131およびnt
12でいわゆる縦型構造(バーデカル構造)のpnρト
ランジスタ〈増幅用トランジスタTRA)が構成される
。そして、p+層21はこのpnp トランジスタのエ
ミッタとなり、0層31はベースとなり、1層2はコレ
クタとなる。さらに、p+層21とMOSスイッチング
トランジスタT Rsのソースとなるn”H41とが低
抵抗金W1481で配線される。
上述のような構成において、フォトトランジスタPDの
カソード3に光信号が入ると、ホール/電子のペアが発
生し、空乏層内に光信号に比例して電子が蓄積される。
この光電変換信号としての蓄積電荷が増幅用トランジス
タT RAのベース31に注入される。このとき、発生
したホールはライフタイム、移動度の差から電子のよう
に注入されず途中でトラップされる。MOSスイッチン
グトランジスタT Rsがオンすれば、増幅用トランジ
スタTRAもオンする。今、増幅用トランジスタTR,
の電流増幅率をβとすれば、増幅用トランジスタ1’R
Aはそのベース31に注入された電荷のβ倍の電流をM
OSスイッチングトランジスタT Rsから吸込む。し
たがって、MOSスイッチングトランジスタTR6のド
レイン電極8にはフォトダイオードPDに蓄積された電
荷のβ倍の光電変換信号が流れることになる。
以上のように上述の実施例ではフォトダイオードPDか
ら読出される光電変換信号がMOSスイッチングトラン
シタT Rsに与えられる前に増幅用トランジスタTR
Aで増幅するようにしたので、光電変換信号のみを増幅
することができる。したがって、S/N比を下げずに感
度を向上づることができる。
また、上述の実施例では、増幅用トランジスタTRAと
してpnp トランジスタを使用しているので、フォト
ダイオードPDの電荷蓄積効果を増すことができる。も
し、増幅用トランジスタ■RAとしてnpn トランジ
スタを使用すると、ベース(p m)へ注入された電荷
によってエミッタ(0層)とのバリア(0,6〜0.8
V)以上になったとぎ、MOSスイッチングトランジス
タ1−R1のオンオフに関係なく注入電荷が漏れ出して
しまう。すなわち、フォトダイオードPDで光電変換さ
れた電荷が成る聞以上になると濡れ出してそれ以上電荷
を蓄積できなくなる。
また、上述の実施例では、増幅用1〜ランジスタTRA
を縦型構造としたので、高い電流増幅率βを有するトラ
ンジスタを容易にかっm度良く実現できる。周知のよう
に、横型41I造のトランジスタでは、電流増幅率βを
大きくすることが難しく(βは2〜5程度)、かつ写真
製版精度によってベース幅が変化しβが大きくばらつく
さらに、集積密度について君えば、増幅用トランジスタ
TRAを形成するスペースが必要になるが、電流増幅率
βをたとえば1層程度にすればフォトダイオードPDの
n ” 1!13を従来の115に縮小しても感度は約
2倍になるので、感度を犠牲にせずにかえって集積密度
を上げることができる。
たとえば、MO3型818のセルが従来3000μm2
で開口率30%のフォトトランジスタではカソードとな
るn + IFIは約100μ■2であった。
このようなセルにβ−10の増幅用トランジスタを形成
すれば、フォトダイオードの「1+膚としては10μm
2でよく、残りの90μrR2に増幅用トランジスタを
入れることは縦型構造とすることで容易に行なえる。
また、従来通り過飽和の光に対しては第4図の点線で示
すトランジスタTRPによって過剰電流が吸収され、ブ
ルーミングを押えることができる。
なお、以上説明した実施例では、MO8型31Sについ
て説明したが、MOSスイッチングトランジスタ1− 
Rsの代わりにCOD (Charge Couple
d Device )を使用したCCD型818につい
ても本願発明を適用できることはもちろんである。
以上のように、この発明によれば、光電変換部から導出
される光電変換信号を直接°受けて増幅する増幅トラン
ジスタを設けるようにしたので、S/N比を下げること
なく光電′lIi換信号を増幅でき、感度を向上するこ
とができる。また、感度の向上に応じて、光電変換部を
縮小することができ、集積喰を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のMO8型SISの等価回路図である。第
2図は第1図の回路の出力電流のタイムチャートである
。第3図は第1図の等両回路で表わされる固体撮像素子
の断面図である。第4図はこの発明の一実施例の等価回
路図である。第5図は第4図の等両回路で示される固体
撮像素子の断面図である。 図において、1はn−基板、2はpウェル、3゜4およ
び41はn+層、5おJ:び7は耐化股、6はポリシリ
コン膜、8および81は低抵抗配線、21はP+隅、3
1はNl!ベース、PDはフォ1へダイオード、TR,
は増幅用トランジスタ、TR5はMOSスイッチングI
・ランジスタ、丁R0は読出用MOSトランジスタを示
す。 代理人 大 岩 増 雄 第1図 第2図 兜3図 第4図 第5図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 入射した光に応じてf!?;iが蓄積される光
    電変換部と、該光電変換部に蓄積された電荷を光電変換
    信号として読出す信号続出手段とを含む固体ll1l録
    装置において、 前記光電変換部と前記信号続出手段との間に介挿され、
    前記光電変換部から前記信PI読出手段に読出される光
    電変換信号をj1幅する増幅用トランジスタを設けたこ
    とを特徴どする固体m像装置。
  2. (2) 前記光電変N!部としてI’i”−1)ダイオ
    ードを用い、 舶&!増幅用トランジスタどしてpBp トランジスタ
    を用い、 前記増幅用トランジスタは、そのベースが前記n + 
    −、+1ダイオードのカソードに接続され、そのコレク
    タが前記n+ pダイオードのアノードに接続され、そ
    のエミッタが前記信号続出手段に接続されたことを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の同体撮像装置。
  3. (3) 前記増幅用トランジスタはバーチカル構造(縦
    型構造)のトランジスタである、粕rf請求の範囲第1
    項またはI#2項記載の固体撮像装[!1゜
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