JP2671548B2 - 赤外線センサ - Google Patents
赤外線センサInfo
- Publication number
- JP2671548B2 JP2671548B2 JP2055447A JP5544790A JP2671548B2 JP 2671548 B2 JP2671548 B2 JP 2671548B2 JP 2055447 A JP2055447 A JP 2055447A JP 5544790 A JP5544790 A JP 5544790A JP 2671548 B2 JP2671548 B2 JP 2671548B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photodiode
- charge
- photodiodes
- infrared sensor
- accumulated
- 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.)
- Expired - Lifetime
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- Light Receiving Elements (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、赤外線センサに関するものである。
（従来の技術） 波長が３〜５μｍの赤外線を検出する１次元または２
次元センサでは、ホトダイオードの１次元または２次元
アレイとCCDを組み合せたものが使用されている。第11
図に示すようにホトダイオードには、Ｐ型シリコン基板
100上に白金シリサイド膜10を形成したショットキーバ
イア型ダイオードが使われている。このとき形成される
バイアハイトは、0.24eV程度であり、これにより高いエ
ネルギーの赤外線を光電変換する。第12図は等価回路を
示すように、ホトダイオードで発生した信号電荷は、ホ
トダイオードと並列接続された容量またはホトダイオー
ド自身の接続容量に蓄積され、蓄積時間終了後トランス
ファゲートTG（MOS型スイッチ）をオンしてCCDで電荷転
送している。バリアハイトが0.24eVと小さいためと暗電
流成分を小さくするために、77K程度に冷却して使用し
ている。ホトダイオード上には、酸化膜６とAl層３から
なるキャビティ構造を形成している。赤外線は基板裏面
より入射するが、こうすることにより白金シリサイド膜
10で吸収されなかった赤外線を、Al層３で反射するので
光電変換効率を向上できる。
次元センサでは、ホトダイオードの１次元または２次元
アレイとCCDを組み合せたものが使用されている。第11
図に示すようにホトダイオードには、Ｐ型シリコン基板
100上に白金シリサイド膜10を形成したショットキーバ
イア型ダイオードが使われている。このとき形成される
バイアハイトは、0.24eV程度であり、これにより高いエ
ネルギーの赤外線を光電変換する。第12図は等価回路を
示すように、ホトダイオードで発生した信号電荷は、ホ
トダイオードと並列接続された容量またはホトダイオー
ド自身の接続容量に蓄積され、蓄積時間終了後トランス
ファゲートTG（MOS型スイッチ）をオンしてCCDで電荷転
送している。バリアハイトが0.24eVと小さいためと暗電
流成分を小さくするために、77K程度に冷却して使用し
ている。ホトダイオード上には、酸化膜６とAl層３から
なるキャビティ構造を形成している。赤外線は基板裏面
より入射するが、こうすることにより白金シリサイド膜
10で吸収されなかった赤外線を、Al層３で反射するので
光電変換効率を向上できる。
（発明が解決しようとする課題） ホトダイオードの蓄積された電荷は、CCDで転送され
るので、CCDの容量よりもホトダイオードの電荷を蓄積
する容量を小さくしている。このようにホトダイオード
の最大電荷量には制限があるが、必要な信号電荷のほか
に、不必要な暗電流による電荷が通常はかなり存在して
いる。このことは、CCDの電荷転送能力に比べ信号量が
小さくダイナミックレンジが小さいなどの問題を生じ
る。この不必要な電荷は熱励起による逆方向電流などに
よるものであり、デバイス温度を更に冷却することによ
り低減することができるが、CCDの転送効率の低下や冷
却方法などの問題が新たに生ずる。また、CCDの面積が
大きくしてCCDの容量を増加させる方法もあるがフィル
ファクターの低下を招く。
るので、CCDの容量よりもホトダイオードの電荷を蓄積
する容量を小さくしている。このようにホトダイオード
の最大電荷量には制限があるが、必要な信号電荷のほか
に、不必要な暗電流による電荷が通常はかなり存在して
いる。このことは、CCDの電荷転送能力に比べ信号量が
小さくダイナミックレンジが小さいなどの問題を生じ
る。この不必要な電荷は熱励起による逆方向電流などに
よるものであり、デバイス温度を更に冷却することによ
り低減することができるが、CCDの転送効率の低下や冷
却方法などの問題が新たに生ずる。また、CCDの面積が
大きくしてCCDの容量を増加させる方法もあるがフィル
ファクターの低下を招く。
（課題を解決するための手段） 第１発明の赤外線センサは光電変換特性が異なる２つ
のホトダイオードを直列に接続したことを特徴としてい
る。
のホトダイオードを直列に接続したことを特徴としてい
る。
第２の発明の赤外線センサは、赤外線を遮光する構造
を持つダイオードと、赤外線を光電変換するホトダイオ
ードとを直列に接続したことを特徴としている。
を持つダイオードと、赤外線を光電変換するホトダイオ
ードとを直列に接続したことを特徴としている。
（作用） ホトダイオードに蓄積される電荷には、暗電流による
電荷と信号電荷がある。この信号電荷は光電変換特性を
変えることによって、その大きさを変化させることがで
きる。従って、第１の発明のように、この２つのダイオ
ードを直列に接続すると、信号電荷の差のみをホトダイ
オード２に蓄積することができ、不要な暗電流による電
荷を削減できる。
電荷と信号電荷がある。この信号電荷は光電変換特性を
変えることによって、その大きさを変化させることがで
きる。従って、第１の発明のように、この２つのダイオ
ードを直列に接続すると、信号電荷の差のみをホトダイ
オード２に蓄積することができ、不要な暗電流による電
荷を削減できる。
また第２の発明の赤外線を遮光する構造の第１のダイ
オードには、暗電流のみが生じる。従って、これと通常
のホトダイオードを直列に接続すると、暗電流による不
要電荷を削減でき、第２のホトダイオードには信号電荷
のみを蓄積できる。
オードには、暗電流のみが生じる。従って、これと通常
のホトダイオードを直列に接続すると、暗電流による不
要電荷を削減でき、第２のホトダイオードには信号電荷
のみを蓄積できる。
（実施例） 第１図は、第１の発明による１次元または２次元セン
サの１画素の部分の断面を示している。ホトダイオード
として、ｐ型Siと白金シリサイド（以下PtSiと表示す
る）から構成されたショットキ型ダイオードを使用した
場合を示している。ホトダイオード１と２は、PtSi膜10
a、ｂの厚さが異なりホトダイオード１の方が厚くなっ
ている。更に、ホトダイオード２の上部のみに反射アル
ミ３が形成され、キャビティ構造となっている。ホトダ
イオード１周辺のp+層４とホトダイオード２とのオーミ
ック接触により、ホトダイオード１と２は、直列接続し
ている。赤外線は裏面、すなわち図の下部より入射す
る。そしてホトダイオード２に蓄積された電荷を、トラ
ンスファゲート（TG）20にパルス電圧をかけて垂直CCD
に読み出す。第２図に等価回路を示す。ホトダイオード
１には正の一定電圧V1をかけ、TGにパルス電圧をかけ
て、ホトダイオード１と２の接続点をV2にリセットす
る。このときV2を、ホトダイオード１、２の暗電流が等
しくなるようにする。
サの１画素の部分の断面を示している。ホトダイオード
として、ｐ型Siと白金シリサイド（以下PtSiと表示す
る）から構成されたショットキ型ダイオードを使用した
場合を示している。ホトダイオード１と２は、PtSi膜10
a、ｂの厚さが異なりホトダイオード１の方が厚くなっ
ている。更に、ホトダイオード２の上部のみに反射アル
ミ３が形成され、キャビティ構造となっている。ホトダ
イオード１周辺のp+層４とホトダイオード２とのオーミ
ック接触により、ホトダイオード１と２は、直列接続し
ている。赤外線は裏面、すなわち図の下部より入射す
る。そしてホトダイオード２に蓄積された電荷を、トラ
ンスファゲート（TG）20にパルス電圧をかけて垂直CCD
に読み出す。第２図に等価回路を示す。ホトダイオード
１には正の一定電圧V1をかけ、TGにパルス電圧をかけ
て、ホトダイオード１と２の接続点をV2にリセットす
る。このときV2を、ホトダイオード１、２の暗電流が等
しくなるようにする。
この構造により、ホトダイオード２の光電変換特性は
ホトダイオード１のそれより高くなる。つまりホトダイ
オード２の上にキャビティ構造を形成しているのでホト
ダイオードへの入射光量を増加できることと、ホトダイ
オード２のPtSi層10bの方がホトダイオード１のPtSi層1
0aより膜厚が薄いことによる。膜厚が厚いほど光電変換
特性は劣化する（オプチカルエンジニアリング（Optica
l Engineering）26巻209ページ（1987））。
ホトダイオード１のそれより高くなる。つまりホトダイ
オード２の上にキャビティ構造を形成しているのでホト
ダイオードへの入射光量を増加できることと、ホトダイ
オード２のPtSi層10bの方がホトダイオード１のPtSi層1
0aより膜厚が薄いことによる。膜厚が厚いほど光電変換
特性は劣化する（オプチカルエンジニアリング（Optica
l Engineering）26巻209ページ（1987））。
第３図にエネルギーバンド図を示す。ホトダイオード
１と２はバリアハイトは同じなので、逆バイアスを等し
くすれば両者の暗電流の値を等しくできる。その場合ホ
トダイオード２で発生した電子は、ホトダイオード１に
よる正孔と再結合して、暗電流による不要電荷が削減で
きる。一方、信号光が入射した場合には、ホトダイオー
ド２の方が１より多く信号電荷が発生し、その差が蓄積
される。その様子を第４図に示す。ここでＱmax、PDは
ホトダイオード２に蓄積できる最大電荷量である。
１と２はバリアハイトは同じなので、逆バイアスを等し
くすれば両者の暗電流の値を等しくできる。その場合ホ
トダイオード２で発生した電子は、ホトダイオード１に
よる正孔と再結合して、暗電流による不要電荷が削減で
きる。一方、信号光が入射した場合には、ホトダイオー
ド２の方が１より多く信号電荷が発生し、その差が蓄積
される。その様子を第４図に示す。ここでＱmax、PDは
ホトダイオード２に蓄積できる最大電荷量である。
次に第２の発明の実施例を説明する。
第６図、第７図、及び第８図は、本発明による１次元
または２次元センサの１画素の部分を示している。まず
第６図の実施例について説明する。ホトダイオードに、
Ｐ型Siと白金シリサイド膜10a、ｂ（以下PtSi膜と表
示）から構成されたショトッキ型ダイオードを使用した
場合を示している。ホトダイオード１の上部のみに遮光
アルミ３を設けてあり赤外線から遮光された構造となっ
ている。ホトダイオード１と２は、ホトダイオード１周
辺のp+層４とホトダイオード２とのオーミック接触によ
り、直列接続している。赤外線は表面すなわち図の上部
より入射する。そしてホトダイオード２に蓄積された電
荷を、トランスファゲート（TG）にパルス電圧をかけて
垂直CCDに読み出す。等価回路としては第２図に示した
ものと同じであり、動作も同じである。
または２次元センサの１画素の部分を示している。まず
第６図の実施例について説明する。ホトダイオードに、
Ｐ型Siと白金シリサイド膜10a、ｂ（以下PtSi膜と表
示）から構成されたショトッキ型ダイオードを使用した
場合を示している。ホトダイオード１の上部のみに遮光
アルミ３を設けてあり赤外線から遮光された構造となっ
ている。ホトダイオード１と２は、ホトダイオード１周
辺のp+層４とホトダイオード２とのオーミック接触によ
り、直列接続している。赤外線は表面すなわち図の上部
より入射する。そしてホトダイオード２に蓄積された電
荷を、トランスファゲート（TG）にパルス電圧をかけて
垂直CCDに読み出す。等価回路としては第２図に示した
ものと同じであり、動作も同じである。
第９図にエネルギーバンド図を示す。ホトダイオード
１と２の暗電流は、V2の値で等しくでき、その場合ホト
ダイオード２で発生した電子は、ホトダイオード１によ
る正孔と再結合して、暗電流による不要電荷を削減でき
る。一方、信号光が入射した場合には、ホトダイオード
２でのみ信号電荷が発生するのでそれが蓄積される。そ
の様子を第10図に示す、ここでＱmax、FDはホトダイオ
ード２に蓄積できる最大電荷量である。
１と２の暗電流は、V2の値で等しくでき、その場合ホト
ダイオード２で発生した電子は、ホトダイオード１によ
る正孔と再結合して、暗電流による不要電荷を削減でき
る。一方、信号光が入射した場合には、ホトダイオード
２でのみ信号電荷が発生するのでそれが蓄積される。そ
の様子を第10図に示す、ここでＱmax、FDはホトダイオ
ード２に蓄積できる最大電荷量である。
つぎに第７図の実施例について説明する。第６図の実
施例のホトダイオードのp+層４を受光部下部に高濃度に
厚く形成し、ホトダイオード２の上部に反射アルミ12を
形成している。赤外線は裏面、すなわち図の下部より入
射する。赤外線はp+層４で吸収されるので、ホトダイオ
ード１には照射されない構造となっている。ホトダイオ
ード２の反射アルミは、なくとも本発明の効果はある
が、第７図のようにキャビティ構造を有することで表面
照射の第６図の実施例よりも光電変換特性を向上でき
る。
施例のホトダイオードのp+層４を受光部下部に高濃度に
厚く形成し、ホトダイオード２の上部に反射アルミ12を
形成している。赤外線は裏面、すなわち図の下部より入
射する。赤外線はp+層４で吸収されるので、ホトダイオ
ード１には照射されない構造となっている。ホトダイオ
ード２の反射アルミは、なくとも本発明の効果はある
が、第７図のようにキャビティ構造を有することで表面
照射の第６図の実施例よりも光電変換特性を向上でき
る。
最後に第８図の実施例について説明する。裏面照射の
デバイスにおいて、裏面に第８図のようにマイクロレン
ズを形成し、赤外線がホトダイオード２のみの入射する
ようにしている。こうすることにより、フィルファクタ
の低下を相殺できる。
デバイスにおいて、裏面に第８図のようにマイクロレン
ズを形成し、赤外線がホトダイオード２のみの入射する
ようにしている。こうすることにより、フィルファクタ
の低下を相殺できる。
また以上述べた第１、第２の発明の実施例すべてに適
用できることであるが、ホトダイオード１の逆バイアス
を大きくする他に、ホトダイオード１の障壁の高さを小
さくし暗電流密度を大きくすることにより、ホトダイオ
ード１の面積を小さくできる。障壁の高さを小さくする
には、（１）ホトダイオード１の金属をより仕事関数の
大きなイリジウムに変える、（２）ホトダイオード１で
Si基板の金属接触部分のＰ型不純物濃度を大きくする方
法がある。
用できることであるが、ホトダイオード１の逆バイアス
を大きくする他に、ホトダイオード１の障壁の高さを小
さくし暗電流密度を大きくすることにより、ホトダイオ
ード１の面積を小さくできる。障壁の高さを小さくする
には、（１）ホトダイオード１の金属をより仕事関数の
大きなイリジウムに変える、（２）ホトダイオード１で
Si基板の金属接触部分のＰ型不純物濃度を大きくする方
法がある。
なお本発明は、ホトダイオードとしてショットキバリ
ア型に限ったものではなく、HgCdTe等を開いたpn接合型
赤外線センサや特開昭63−237583号公報（特願昭62−73
240号）に記載のホモ接合型赤外線センサ等にも適用で
きる。
ア型に限ったものではなく、HgCdTe等を開いたpn接合型
赤外線センサや特開昭63−237583号公報（特願昭62−73
240号）に記載のホモ接合型赤外線センサ等にも適用で
きる。
（発明の効果） 第５図の右図は入射光量に対するホトダイオードの蓄
積電荷量を従来例と本発明の実施例とで比較したもので
ある。あわせて左図に垂直CCDポテンシャル井戸に蓄え
られる電荷を示す。従来の暗電流による電荷Ｑdark、PD
のために、ホトダイオードの容量を全部は有効に使え
ず、その結果飽和入射光量Fmax（ダイナミックレンジ）
が小さかった。しかし本発明ではＱdark、PDを削除する
（最良の場合はＱdark、PDをなくす）ことができ、ホト
ダイオードの容量のほとんどを信号電荷の蓄積に使うこ
とができる。従って、ホトダイオードの最大蓄積電荷量
Ｑmax、PDを同じにする（第５図はこの場合を示してい
る）なら、従来より蓄積信号電荷量を大きくでき、ダイ
ナミックレンジを大きく（Ｆ′max）することができ
る。またFmaxを一定とした場合には、Ｑmax、PDを小さ
くできる。このことはCCDの最大転送電荷量を小さくで
きる、つまりCCDの面積を小さくできることを意味し、
フィルファクタを向上できる。
積電荷量を従来例と本発明の実施例とで比較したもので
ある。あわせて左図に垂直CCDポテンシャル井戸に蓄え
られる電荷を示す。従来の暗電流による電荷Ｑdark、PD
のために、ホトダイオードの容量を全部は有効に使え
ず、その結果飽和入射光量Fmax（ダイナミックレンジ）
が小さかった。しかし本発明ではＱdark、PDを削除する
（最良の場合はＱdark、PDをなくす）ことができ、ホト
ダイオードの容量のほとんどを信号電荷の蓄積に使うこ
とができる。従って、ホトダイオードの最大蓄積電荷量
Ｑmax、PDを同じにする（第５図はこの場合を示してい
る）なら、従来より蓄積信号電荷量を大きくでき、ダイ
ナミックレンジを大きく（Ｆ′max）することができ
る。またFmaxを一定とした場合には、Ｑmax、PDを小さ
くできる。このことはCCDの最大転送電荷量を小さくで
きる、つまりCCDの面積を小さくできることを意味し、
フィルファクタを向上できる。
他の効果としては、従来例での赤外線センサでは暗電
流をなるべく小さくするために、77Kまで冷却していた
が、本発明では暗電流分は除去されるので、ダイオード
特性が満足される温度（例えば90K）まで冷却温度を上
げることができる。
流をなるべく小さくするために、77Kまで冷却していた
が、本発明では暗電流分は除去されるので、ダイオード
特性が満足される温度（例えば90K）まで冷却温度を上
げることができる。
また、本発明のセンサは光電変換によって発生した電
荷のみを取り扱うが、光電変換特性の温度依存性は暗電
流よりも小さいので、従来のセンサよりも特性が温度変
化に影響されなくなるという効果もある。
荷のみを取り扱うが、光電変換特性の温度依存性は暗電
流よりも小さいので、従来のセンサよりも特性が温度変
化に影響されなくなるという効果もある。
第１図は第１の発明による１次元または２次元センサの
１画素分を示す図、第２図は等価回路図、第３図は第１
の発明のホトダイオード部のエネルギーバンド図であ
り、第４図は第１の発明の構造を持った光電変換部に蓄
積される電荷量を入射光量に対して示した図、第５図
は、入射光量に対する電荷量を、従来例と第１、第２の
発明について示した図、第６図、第７図、第８図は、第
２の発明による１次元または２次元センサの１画素分を
示す図、第９図は、第２の発明のホトダイオード部のエ
ネルギーバンド図であり、第10図は第２の発明の構造を
持った光電変換部に蓄積される電荷量を入射光量に対し
て示した図、第11図、第12図は、それぞれ従来の２次元
センサの位画素部分を示す図とその等価回路図である。 １、２……ホトダイオード、10a、ｂ……PtSi膜、20…
…トランスファゲート（TG）、３、12……反射アルミ、
４……p+層、５……ｎ層、６……CVD酸化膜、７……熱
酸化膜、８……n+層、９……ｐ層、11……ポリシリコ
ン、100……ｐ型基板、13……マイクロレンズ
１画素分を示す図、第２図は等価回路図、第３図は第１
の発明のホトダイオード部のエネルギーバンド図であ
り、第４図は第１の発明の構造を持った光電変換部に蓄
積される電荷量を入射光量に対して示した図、第５図
は、入射光量に対する電荷量を、従来例と第１、第２の
発明について示した図、第６図、第７図、第８図は、第
２の発明による１次元または２次元センサの１画素分を
示す図、第９図は、第２の発明のホトダイオード部のエ
ネルギーバンド図であり、第10図は第２の発明の構造を
持った光電変換部に蓄積される電荷量を入射光量に対し
て示した図、第11図、第12図は、それぞれ従来の２次元
センサの位画素部分を示す図とその等価回路図である。 １、２……ホトダイオード、10a、ｂ……PtSi膜、20…
…トランスファゲート（TG）、３、12……反射アルミ、
４……p+層、５……ｎ層、６……CVD酸化膜、７……熱
酸化膜、８……n+層、９……ｐ層、11……ポリシリコ
ン、100……ｐ型基板、13……マイクロレンズ
Claims (2)
- 【請求項１】１次元または２次元に配置されたホトダイ
オードと電荷結合素子とホトダイオードに蓄積された電
荷を電荷結合素子へ送るためのトランスファゲートを有
する赤外線センサにおいて、異なる光電変換特性を持つ
２つのホトダイオードを同じ向きになるように直列に接
続し、トランスファゲートを介して２つのホトダイオー
ドの暗電流が等しくなる電圧で接続点をリセットし、接
続点に接続している容量に蓄積された電荷をトランスフ
ァゲートを介して電荷結合素子に読み出して転送するこ
とを特徴とする赤外線センサ。 - 【請求項２】１次元または２次元に配置されたホトダイ
オードと電荷結合素子とホトダイオードに蓄積された電
荷を電荷結合素子へ送るためのトランスファゲートを有
する赤外線センサにおいて、赤外線が遮光されたホトダ
イオードと赤外線を光電変換するホトダイオードを同じ
向きになるように直列に接続し、トランスファゲートを
介して２つのホトダイオードの暗電流が等しくなる電圧
で接続点をリセットし、接続点に接続している容量に蓄
積された電荷をトランスファゲートを介して電荷結合素
子に読み出して転送することを特徴とする赤外線セン
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2055447A JP2671548B2 (ja) | 1990-03-06 | 1990-03-06 | 赤外線センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2055447A JP2671548B2 (ja) | 1990-03-06 | 1990-03-06 | 赤外線センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03256369A JPH03256369A (ja) | 1991-11-15 |
| JP2671548B2 true JP2671548B2 (ja) | 1997-10-29 |
Family
ID=12998854
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2055447A Expired - Lifetime JP2671548B2 (ja) | 1990-03-06 | 1990-03-06 | 赤外線センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2671548B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005026301B3 (de) * | 2005-06-08 | 2007-01-11 | Atmel Germany Gmbh | Verfahren zum Herstellen eines Metall- Halbleiter-Kontakts bei Halbleiterbauelementen |
| US7923362B2 (en) | 2005-06-08 | 2011-04-12 | Telefunken Semiconductors Gmbh & Co. Kg | Method for manufacturing a metal-semiconductor contact in semiconductor components |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS50101080A (ja) * | 1973-12-28 | 1975-08-11 | ||
| JPS59225564A (ja) * | 1983-06-06 | 1984-12-18 | Mitsubishi Electric Corp | 固体撮像装置 |
| DE3604971A1 (de) * | 1986-02-17 | 1987-08-20 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Photosensoreinrichtung mit dunkelstromkompensation |
-
1990
- 1990-03-06 JP JP2055447A patent/JP2671548B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03256369A (ja) | 1991-11-15 |
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