JPH05275671A - フォトトランジスタおよびそれを用いたイメージセンサ - Google Patents
フォトトランジスタおよびそれを用いたイメージセンサInfo
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- JPH05275671A JPH05275671A JP4072051A JP7205192A JPH05275671A JP H05275671 A JPH05275671 A JP H05275671A JP 4072051 A JP4072051 A JP 4072051A JP 7205192 A JP7205192 A JP 7205192A JP H05275671 A JPH05275671 A JP H05275671A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は高感度フォトトランジスタおよび原
稿を高速、高感度で読み取ることを可能イメージセンサ
を提供することを目的とする。 【構成】 実施例１のフォトトランジスタはベース層が
増幅作用をする第１ベース拡散層と光電変換作用をする
第２ベース拡散層、第２ベース拡散層の表面には基板と
同一導電型の薄い拡散層からなり、実施例２のフォトト
ランジスタは第２ベース拡散層の表面にＳｉＯ2、Ｓｉ
ＯxＮ1-x、ＳｉＮの薄膜を設けることにより第２のベー
ス拡散層の表面に反転層を形成させた構造である。この
構造により動作バイアス状態で第２ベース層を完全空乏
化でき、Ｃbcが削減できて出力信号感度が大幅に向上す
る。本発明によるフォトトランジスタのアレイ、バッフ
ァートランジスタ、シフトレジスタ、スイッチ用ＦＥＴ
からなるイメージセンサは、フォトトランジスタからの
信号電圧を減衰を少なくして出力ラインに取り出せる。
稿を高速、高感度で読み取ることを可能イメージセンサ
を提供することを目的とする。 【構成】 実施例１のフォトトランジスタはベース層が
増幅作用をする第１ベース拡散層と光電変換作用をする
第２ベース拡散層、第２ベース拡散層の表面には基板と
同一導電型の薄い拡散層からなり、実施例２のフォトト
ランジスタは第２ベース拡散層の表面にＳｉＯ2、Ｓｉ
ＯxＮ1-x、ＳｉＮの薄膜を設けることにより第２のベー
ス拡散層の表面に反転層を形成させた構造である。この
構造により動作バイアス状態で第２ベース層を完全空乏
化でき、Ｃbcが削減できて出力信号感度が大幅に向上す
る。本発明によるフォトトランジスタのアレイ、バッフ
ァートランジスタ、シフトレジスタ、スイッチ用ＦＥＴ
からなるイメージセンサは、フォトトランジスタからの
信号電圧を減衰を少なくして出力ラインに取り出せる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】画像処理、画像通信機器の進展に
伴って、高性能イメージセンサのニーズが高まってい
る。本発明はイメージセンサを構成するためのフォトト
ランジスタおよび原稿情報を高速、高品質で読み取るこ
とを可能にするイメージセンサに関するものである。
伴って、高性能イメージセンサのニーズが高まってい
る。本発明はイメージセンサを構成するためのフォトト
ランジスタおよび原稿情報を高速、高品質で読み取るこ
とを可能にするイメージセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】集積回路を利用したイメージセンサは光
検知素子としてフォトダイオード、またはフォトトラン
ジスタを用いている。光電流はフォトダイオードで約１
ｎＡ／ｌｘ／ｍｍ2、フォトトランジスタで約１００ｎ
Ａ／ｌｘ／ｍｍ2である。フォトトランジスタは検知素
子自体で増幅機能があるために光電流が大である。ま
た、フォトトランジスタはフォトダイオードとトランジ
スタの複合素子と見なされ、フォトダイオードに発生し
た信号電圧をトランジスタによるエミッタフォロア動作
により低インピーダンスで出力させることができる。イ
メージセンサは解像度を高くするに伴って受光面積が小
さくなり光電流が小さくなる。また高感度化のために一
定の時間だけ光電流を蓄積し、信号の出力のタイミング
で集中的に出力させる電荷蓄積モードによる駆動方式が
各種のイメージセンサで採用されている。例えば、ＣＣ
Ｄイメージセンサは読み取りタイミングで一斉にフォト
ダイオードに蓄積された光信号電荷をＣＣＤのポテンシ
ャル井戸に導き、その後、ポテンシャル井戸に沿って出
力アンプ側に転送して画像信号を得ている。ＭＯＳイメ
ージセンサはフォトダイオードまたはフォトトランジス
タに一定の電荷を充電した後、次の読み取りタイミング
までの間、光電流によって放電させ、次の再充電によっ
て蓄積画像信号を得ている。バイポーライメージセンサ
はフォトトランジスタに一定の電荷を充電した後、次の
読み取りタイミングまでの間、光電流によって放電さ
せ、次の再充電のタイミングでトランジスタ機能によっ
て増幅した後、蓄積画像信号を得ている。
検知素子としてフォトダイオード、またはフォトトラン
ジスタを用いている。光電流はフォトダイオードで約１
ｎＡ／ｌｘ／ｍｍ2、フォトトランジスタで約１００ｎ
Ａ／ｌｘ／ｍｍ2である。フォトトランジスタは検知素
子自体で増幅機能があるために光電流が大である。ま
た、フォトトランジスタはフォトダイオードとトランジ
スタの複合素子と見なされ、フォトダイオードに発生し
た信号電圧をトランジスタによるエミッタフォロア動作
により低インピーダンスで出力させることができる。イ
メージセンサは解像度を高くするに伴って受光面積が小
さくなり光電流が小さくなる。また高感度化のために一
定の時間だけ光電流を蓄積し、信号の出力のタイミング
で集中的に出力させる電荷蓄積モードによる駆動方式が
各種のイメージセンサで採用されている。例えば、ＣＣ
Ｄイメージセンサは読み取りタイミングで一斉にフォト
ダイオードに蓄積された光信号電荷をＣＣＤのポテンシ
ャル井戸に導き、その後、ポテンシャル井戸に沿って出
力アンプ側に転送して画像信号を得ている。ＭＯＳイメ
ージセンサはフォトダイオードまたはフォトトランジス
タに一定の電荷を充電した後、次の読み取りタイミング
までの間、光電流によって放電させ、次の再充電によっ
て蓄積画像信号を得ている。バイポーライメージセンサ
はフォトトランジスタに一定の電荷を充電した後、次の
読み取りタイミングまでの間、光電流によって放電さ
せ、次の再充電のタイミングでトランジスタ機能によっ
て増幅した後、蓄積画像信号を得ている。
【０００３】光検知部の感度はフォトトランジスタを用
いた蓄積方式が最も高い。従来例におけるフォトトラン
ジスタの平面および断面構造を図３（ａ）、（ｂ）に示
す。これはｎ型Ｓｉ基板１上にトランジスタの増幅機能
および光電変換作用をするベース拡散層２を形成し、そ
の表面にｎ型のエミッタ拡散層４を形成した構造であ
り、通常のバイポーラトランジスタのベース拡散層を広
くして光電変換部としたものであり、コレクタ・ベース
間容量が大である。フォトトランジスタを用いたイメー
ジセンサの画素部の等価回路を図４に示す。ベース・コ
レクタ接合で発生した光電流がベース・コレクタ容量に
蓄えられた電荷を放電させ、その結果コレクタ・ベース
間電圧が減少する。この電圧変化をフォトトランジスタ
１２のエミッタ電極からアクセススイッチ１３を導通さ
せることにより画像出力ライン１９に導き画像信号を出
力し、それに引き続いてリセットスイッチ１４を導通さ
せることによってフォトトランジスタ１１のエミッタ電
位を零電位にリセットする。この方式は回路が簡単でか
なり高感度であるが、再充電のための時定数が大きいた
め高速読み取りが難しいという問題点がある。従って、
Ｇ３クラスのＦａｘ用としては使えるが、Ｇ４クラスの
Ｆａｘ用としてはアクセスから信号出力までの遅れ時間
と再充電の不完全性により感度、残像性能が低下する。
いた蓄積方式が最も高い。従来例におけるフォトトラン
ジスタの平面および断面構造を図３（ａ）、（ｂ）に示
す。これはｎ型Ｓｉ基板１上にトランジスタの増幅機能
および光電変換作用をするベース拡散層２を形成し、そ
の表面にｎ型のエミッタ拡散層４を形成した構造であ
り、通常のバイポーラトランジスタのベース拡散層を広
くして光電変換部としたものであり、コレクタ・ベース
間容量が大である。フォトトランジスタを用いたイメー
ジセンサの画素部の等価回路を図４に示す。ベース・コ
レクタ接合で発生した光電流がベース・コレクタ容量に
蓄えられた電荷を放電させ、その結果コレクタ・ベース
間電圧が減少する。この電圧変化をフォトトランジスタ
１２のエミッタ電極からアクセススイッチ１３を導通さ
せることにより画像出力ライン１９に導き画像信号を出
力し、それに引き続いてリセットスイッチ１４を導通さ
せることによってフォトトランジスタ１１のエミッタ電
位を零電位にリセットする。この方式は回路が簡単でか
なり高感度であるが、再充電のための時定数が大きいた
め高速読み取りが難しいという問題点がある。従って、
Ｇ３クラスのＦａｘ用としては使えるが、Ｇ４クラスの
Ｆａｘ用としてはアクセスから信号出力までの遅れ時間
と再充電の不完全性により感度、残像性能が低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】フォトトランジスタは
光電変換部を有するために通常のトランジスタに比べ
て、ベース・コレクタ間の接合容量Ｃbcは大きくなる。
そのために、光電流×蓄積時間／Ｃbcで表わされる信号
電圧の感度が小さくなる。また電荷蓄積モードでの動作
では図２に示したように、ベース電極がフローティング
の状態でＣbcを充電するものであるが、充電回路に直列
にベース・エミッタ接合が介在し、これが非線形抵抗と
なって接合容量への充電時間がＣbcの増大と共に極端に
増大する。従って、充電時間を長く取れない高速走査時
には再充電が不完全になり残像性能の低下をもたらす。
高抵抗Ｓｉ基板上にフォトトランジスタを形成すること
によるＣbcを削減する試みもされているが、製造技術面
で基板の更なる高抵抗化には限界がある。
光電変換部を有するために通常のトランジスタに比べ
て、ベース・コレクタ間の接合容量Ｃbcは大きくなる。
そのために、光電流×蓄積時間／Ｃbcで表わされる信号
電圧の感度が小さくなる。また電荷蓄積モードでの動作
では図２に示したように、ベース電極がフローティング
の状態でＣbcを充電するものであるが、充電回路に直列
にベース・エミッタ接合が介在し、これが非線形抵抗と
なって接合容量への充電時間がＣbcの増大と共に極端に
増大する。従って、充電時間を長く取れない高速走査時
には再充電が不完全になり残像性能の低下をもたらす。
高抵抗Ｓｉ基板上にフォトトランジスタを形成すること
によるＣbcを削減する試みもされているが、製造技術面
で基板の更なる高抵抗化には限界がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の実施例１による
フォトトランジスタはＳｉ基板上に増幅作用をする第１
ベース拡散層と光電変換作用をする第２ベース拡散層を
形成し、第１ベース拡散層にはエミッタ拡散層を形成
し、第２ベース拡散層の表面には基板と接続または基板
と拡散層でつながった基板と同一の導電型の薄い拡散層
を形成した構造であり、第２ベース拡散層の不純物濃度
を小さくして、コレクタ・エミッタ間に数Ｖの電圧を印
加する動作バイアス状態で第２ベース層を完全空乏状態
にする。本発明の実施例２によるフォトトランジスタは
ｎ型Ｓｉ基板上に増幅作用をする第１ベース拡散層と光
電変換作用をする第２ベース拡散層を形成し、第１ベー
ス拡散層にはエミッタ拡散層を形成し、第２ベース拡散
層の表面には順にＳｉＯ2、ＳｉＯxＮ1-x、ＳｉＮの薄
膜を形成した構造であり、第２ベース層の不純物濃度を
小さくしてコレクタ・エミッタ間に数Ｖの電圧を印加す
る動作バイアス状態で第２のベース層を完全空乏状態に
する。本発明によるフォトトランジスタのアレイ、バッ
ファー用トランジスタ、アクセス用およびリセット用の
電界効果型トランジスタ、走査用シフトレジスタからイ
メージセンサを構成する。
フォトトランジスタはＳｉ基板上に増幅作用をする第１
ベース拡散層と光電変換作用をする第２ベース拡散層を
形成し、第１ベース拡散層にはエミッタ拡散層を形成
し、第２ベース拡散層の表面には基板と接続または基板
と拡散層でつながった基板と同一の導電型の薄い拡散層
を形成した構造であり、第２ベース拡散層の不純物濃度
を小さくして、コレクタ・エミッタ間に数Ｖの電圧を印
加する動作バイアス状態で第２ベース層を完全空乏状態
にする。本発明の実施例２によるフォトトランジスタは
ｎ型Ｓｉ基板上に増幅作用をする第１ベース拡散層と光
電変換作用をする第２ベース拡散層を形成し、第１ベー
ス拡散層にはエミッタ拡散層を形成し、第２ベース拡散
層の表面には順にＳｉＯ2、ＳｉＯxＮ1-x、ＳｉＮの薄
膜を形成した構造であり、第２ベース層の不純物濃度を
小さくしてコレクタ・エミッタ間に数Ｖの電圧を印加す
る動作バイアス状態で第２のベース層を完全空乏状態に
する。本発明によるフォトトランジスタのアレイ、バッ
ファー用トランジスタ、アクセス用およびリセット用の
電界効果型トランジスタ、走査用シフトレジスタからイ
メージセンサを構成する。
【０００６】
【作用】本発明のフォトトランジスタのベース・コレク
タ接合の容量Ｃbcは第１のベース・コレクタ接合の容量
と第２のベース・コレクタ接合の容量の和になるが、第
２のベース領域は完全空乏状態にあるためにその接合容
量は殆ど０であり、Ｃbcは第１のベース層とコレクタ領
域による接合容量のみになり非常に小さくなる。その結
果、信号電圧感度が大で、且つ再充電の速度は大にな
る。従って、高感度であると同時に高速読み取りに時に
も残像性能が低下しない。本発明のイメージセンサはバ
ッファー用トランジスタのエミッタフォロアー作用によ
り、各フォトトランジスタのエミッタ電極に現われた信
号電圧を減衰の少ない状態で出力ラインに取り出すこと
ができる。
タ接合の容量Ｃbcは第１のベース・コレクタ接合の容量
と第２のベース・コレクタ接合の容量の和になるが、第
２のベース領域は完全空乏状態にあるためにその接合容
量は殆ど０であり、Ｃbcは第１のベース層とコレクタ領
域による接合容量のみになり非常に小さくなる。その結
果、信号電圧感度が大で、且つ再充電の速度は大にな
る。従って、高感度であると同時に高速読み取りに時に
も残像性能が低下しない。本発明のイメージセンサはバ
ッファー用トランジスタのエミッタフォロアー作用によ
り、各フォトトランジスタのエミッタ電極に現われた信
号電圧を減衰の少ない状態で出力ラインに取り出すこと
ができる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。図４は電荷蓄積モードでフォトトランジスタ
を動作させる場合の画素部についての周知の等価回路で
あり、フォトトランジスタ１２、アクセス用電界効果ト
ランジスタ（以下ＦＥＴ）１３、リセット用ＦＥＴ１
４、電源１５からなっている。ここでは、フォトトラン
ジスタ１２を光電流源１６、コレクタ・ベース間容量１
７およびトランジスタ１８で表わしている。蓄積時間の
間隔でリセット用ＦＥＴ１４のゲート電極にリセットパ
ルスを印加することによってフォトトランジスタ１２の
エミッタ電圧を０または所望の電圧にリセットし、各リ
セットの直前にアクセス用ＦＥＴ１３のゲート電極にア
クセスパルスを印加することによってフォトトランジス
タのエミッタに現われた信号電圧を出力ライン１９に出
力する。フォトトランジスタのコレクタ・ベース接合に
発生する光電流をＩL、蓄積時間Ｔ、蓄積容量Ｃbcとす
ると、出力電圧ＶoはＩL×Ｔ／Ｃbcになる。Ｃbcの増大
と共に信号電圧が低下するので、信号電圧の感度を上げ
るにはＣbcの削減が必要である。
説明する。図４は電荷蓄積モードでフォトトランジスタ
を動作させる場合の画素部についての周知の等価回路で
あり、フォトトランジスタ１２、アクセス用電界効果ト
ランジスタ（以下ＦＥＴ）１３、リセット用ＦＥＴ１
４、電源１５からなっている。ここでは、フォトトラン
ジスタ１２を光電流源１６、コレクタ・ベース間容量１
７およびトランジスタ１８で表わしている。蓄積時間の
間隔でリセット用ＦＥＴ１４のゲート電極にリセットパ
ルスを印加することによってフォトトランジスタ１２の
エミッタ電圧を０または所望の電圧にリセットし、各リ
セットの直前にアクセス用ＦＥＴ１３のゲート電極にア
クセスパルスを印加することによってフォトトランジス
タのエミッタに現われた信号電圧を出力ライン１９に出
力する。フォトトランジスタのコレクタ・ベース接合に
発生する光電流をＩL、蓄積時間Ｔ、蓄積容量Ｃbcとす
ると、出力電圧ＶoはＩL×Ｔ／Ｃbcになる。Ｃbcの増大
と共に信号電圧が低下するので、信号電圧の感度を上げ
るにはＣbcの削減が必要である。
【０００８】本発明の実施例１におけるフォトトランジ
スタの断面および平面構造を図１（ａ）、（ｂ）に示
す。ｎ型Ｓｉ基板１、エミッタに近接してＳｉ基板上に
形成したｐ型の第１ベース拡散層２、エミッタと接しな
いように形成した光電変換作用をするｐ型の第２ベース
拡散層３、第１ベース拡散層上に形成したｎ型のエミッ
タ拡散層４、第２ベース拡散層上に形成したｎ型の薄い
拡散層５からなり、薄い拡散層５はｎ型基板１とその拡
散層を介して接続する。なお６は保護酸化膜であり、７
はコレクタ拡散層である。第２ベース拡散層３はｎ型基
板１と表面からの薄い拡散層５によるサンドイッチ構造
であり、その不純物濃度を低くすればコレクタ・エミッ
タ間に数Ｖ以上の電圧を印加するだけで基板側および表
面側からの空乏層の広がりによって第２ベース領域３を
完全空乏化できる。ｎ型Ｓｉ基板の不純物濃度を９×１
０14 ／ｃｍ3 、エミッタ拡散層の不純物濃度を９×１
０18／ｃｍ3 として種々のベース拡散層の不純物濃度に
ついて、表面側接合のベース拡散層内の空乏層の厚さお
よび基板側接合のベース拡散層内の空乏層の厚さをバイ
アス電圧２Ｖ、４Ｖの場合について解析した結果をそれ
ぞれ（表１）、（表２）に示す。ベース不純物濃度１×
１０16／ｃｍ3以下であれば、表面側接合と基板側接合
の空乏層の厚さの和は０.８μｍ以上になる。従って、
ベース拡散層の厚さを０.８μｍ以下にすればベース層
を完全空乏化できることを示している。
スタの断面および平面構造を図１（ａ）、（ｂ）に示
す。ｎ型Ｓｉ基板１、エミッタに近接してＳｉ基板上に
形成したｐ型の第１ベース拡散層２、エミッタと接しな
いように形成した光電変換作用をするｐ型の第２ベース
拡散層３、第１ベース拡散層上に形成したｎ型のエミッ
タ拡散層４、第２ベース拡散層上に形成したｎ型の薄い
拡散層５からなり、薄い拡散層５はｎ型基板１とその拡
散層を介して接続する。なお６は保護酸化膜であり、７
はコレクタ拡散層である。第２ベース拡散層３はｎ型基
板１と表面からの薄い拡散層５によるサンドイッチ構造
であり、その不純物濃度を低くすればコレクタ・エミッ
タ間に数Ｖ以上の電圧を印加するだけで基板側および表
面側からの空乏層の広がりによって第２ベース領域３を
完全空乏化できる。ｎ型Ｓｉ基板の不純物濃度を９×１
０14 ／ｃｍ3 、エミッタ拡散層の不純物濃度を９×１
０18／ｃｍ3 として種々のベース拡散層の不純物濃度に
ついて、表面側接合のベース拡散層内の空乏層の厚さお
よび基板側接合のベース拡散層内の空乏層の厚さをバイ
アス電圧２Ｖ、４Ｖの場合について解析した結果をそれ
ぞれ（表１）、（表２）に示す。ベース不純物濃度１×
１０16／ｃｍ3以下であれば、表面側接合と基板側接合
の空乏層の厚さの和は０.８μｍ以上になる。従って、
ベース拡散層の厚さを０.８μｍ以下にすればベース層
を完全空乏化できることを示している。
【０００９】
【表１】
【００１０】
【表２】
【００１１】光電変換作用をするベース層の面積が７０
００μｍ2の従来のフォトトランジスタではＣbc＝１.２
ｐＦであったが、本発明による同一サイズのフォトトラ
ンジスタではＣbc＝０.１３ｐＦになった。ベース層が
完全空乏化しても光励起によって発生する光電流は空乏
化していない場合とほぼ同一であり、理論的には出力信
号電圧はＩL×Ｔint／Ｃbcで表わされる。そこで、ＩL
は光電流、Ｔintは蓄積時間である。ベース層が完全空
乏化しても光励起によって発生する光電流はほぼ同一で
あると考えられる。実験の結果、従来のフォトトランジ
スタのフォトトランジスタの出力信号感度は約１１Ｖ／
Ｌｘ.ｓであったが、本実施例のフォトトランジスタの
出力信号感度は約８３Ｖ／Ｌｘ.ｓになり極めて高感度
になった。また、残像性能は従来のフォトトランジスタ
が約７％であったが、本発明のフォトトランジスタでは
約２％であった。
００μｍ2の従来のフォトトランジスタではＣbc＝１.２
ｐＦであったが、本発明による同一サイズのフォトトラ
ンジスタではＣbc＝０.１３ｐＦになった。ベース層が
完全空乏化しても光励起によって発生する光電流は空乏
化していない場合とほぼ同一であり、理論的には出力信
号電圧はＩL×Ｔint／Ｃbcで表わされる。そこで、ＩL
は光電流、Ｔintは蓄積時間である。ベース層が完全空
乏化しても光励起によって発生する光電流はほぼ同一で
あると考えられる。実験の結果、従来のフォトトランジ
スタのフォトトランジスタの出力信号感度は約１１Ｖ／
Ｌｘ.ｓであったが、本実施例のフォトトランジスタの
出力信号感度は約８３Ｖ／Ｌｘ.ｓになり極めて高感度
になった。また、残像性能は従来のフォトトランジスタ
が約７％であったが、本発明のフォトトランジスタでは
約２％であった。
【００１２】図１はｎ型基板の場合であったが、導電型
を全く逆にしても同様の作用と効果を発揮させることが
できる。つまり、ｐ型基板上にｎ型の拡散層からなる第
１ベース拡散層と第２ベース拡散層を形成して、第１の
ベース拡散層上にｐ型のエミッタ拡散層を形成した後、
第２ベース拡散層上にｐ型の薄い拡散層を形成すること
によって、動作バイアス状態で第２ベース拡散層を完全
空乏化できる。その結果、図１のフォトトランジスタと
同様に実効的なコレクタ・ベース間容量を大幅に削減す
ることができる。
を全く逆にしても同様の作用と効果を発揮させることが
できる。つまり、ｐ型基板上にｎ型の拡散層からなる第
１ベース拡散層と第２ベース拡散層を形成して、第１の
ベース拡散層上にｐ型のエミッタ拡散層を形成した後、
第２ベース拡散層上にｐ型の薄い拡散層を形成すること
によって、動作バイアス状態で第２ベース拡散層を完全
空乏化できる。その結果、図１のフォトトランジスタと
同様に実効的なコレクタ・ベース間容量を大幅に削減す
ることができる。
【００１３】本発明の実施例２におけるフォトトランジ
スタの断面および平面構造を図２に示す。このフォトト
ランジスタはｎ型Ｓｉ基板１、基板上に形成したｐ型の
第１ベース拡散層２、光電変換部として作用するｐ型の
第２ベース拡散層３、第１ベース拡散層２上に形成した
ｎ型のエミッタ拡散層４、第２ベース拡散層３上に形成
したＳｉＯ2層８、ＳｉＯXＮ1ーX層９、ＳｉＮ層１０の
絶縁薄膜からなる。ＳｉＯ2の厚さを数十ｎｍとし、そ
の表面にＳｉＮを形成するとＳｉＯ2／ＳｉＮ界面に自
動的にＳｉＯxＮ1-xが形成される。このような構造にす
ることにより、絶縁薄膜中または絶縁薄膜とｐ型の第２
ベース拡散層３の界面には通常のＭＯＳトランジスタの
場合に比べて大量の正電荷（＞１０12／ｃｍ2）が存在
し、ベース拡散層３の表面での不純物濃度が低い場合、
この正電荷によってベース拡散層３の表面に反転層１１
が形成される。容易に反転層１１を形成させるためには
ベース層の不純物濃度は１×１０16／ｃｍ2以下でなけ
ればならない。第２ベース拡散層３はｎ型基板と反転層
１１によるサンドイッチ構造になり、その不純物濃度を
低くすればコレクタ・基板間に数Ｖ以上の電圧を印加す
るだけで基板側および表面側からの空乏層の広がりによ
って第２ベース層３を完全空乏化できる。実施例１に比
べて本実施例は絶縁膜中または絶縁膜とＳｉ界面に存在
し、組成または表面処理状態によって決まる正電荷によ
って反転層１１が形成されるために、接合は浅く且つ均
一である。従って、フォトトランジスタの短波長での感
度が実施例１のものに比べ大幅に改善される。
スタの断面および平面構造を図２に示す。このフォトト
ランジスタはｎ型Ｓｉ基板１、基板上に形成したｐ型の
第１ベース拡散層２、光電変換部として作用するｐ型の
第２ベース拡散層３、第１ベース拡散層２上に形成した
ｎ型のエミッタ拡散層４、第２ベース拡散層３上に形成
したＳｉＯ2層８、ＳｉＯXＮ1ーX層９、ＳｉＮ層１０の
絶縁薄膜からなる。ＳｉＯ2の厚さを数十ｎｍとし、そ
の表面にＳｉＮを形成するとＳｉＯ2／ＳｉＮ界面に自
動的にＳｉＯxＮ1-xが形成される。このような構造にす
ることにより、絶縁薄膜中または絶縁薄膜とｐ型の第２
ベース拡散層３の界面には通常のＭＯＳトランジスタの
場合に比べて大量の正電荷（＞１０12／ｃｍ2）が存在
し、ベース拡散層３の表面での不純物濃度が低い場合、
この正電荷によってベース拡散層３の表面に反転層１１
が形成される。容易に反転層１１を形成させるためには
ベース層の不純物濃度は１×１０16／ｃｍ2以下でなけ
ればならない。第２ベース拡散層３はｎ型基板と反転層
１１によるサンドイッチ構造になり、その不純物濃度を
低くすればコレクタ・基板間に数Ｖ以上の電圧を印加す
るだけで基板側および表面側からの空乏層の広がりによ
って第２ベース層３を完全空乏化できる。実施例１に比
べて本実施例は絶縁膜中または絶縁膜とＳｉ界面に存在
し、組成または表面処理状態によって決まる正電荷によ
って反転層１１が形成されるために、接合は浅く且つ均
一である。従って、フォトトランジスタの短波長での感
度が実施例１のものに比べ大幅に改善される。
【００１４】図５は本発明によるフォトトランジスタを
用いて構成したイメージセンサの等価回路であり、フォ
トトランジスタによって発生した信号電圧を減衰を少な
くして出力ラインに取り出すことを特徴とする。各画素
はフォトトランジスタ２１ａ〜２１ｄ、バッファー用ト
ランジスタ２２ａ〜２２ｄ、アクセス用ＦＥＴ２３ａ、
〜２３ｄ、リセット用ＦＥＴ２４ａ〜２４ｄから構成し
ている。なお、２５ａ〜２５ｄはフォトトランジスタの
エミッタ電極およびバッファートランジスタのベース電
極に付随する寄生容量である。２６はリセット電源、２
７は走査用シフトレジスタ、２８は出力ライン、２９は
出力ライン２８のリセット用ＦＥＴ、３０は正電源ライ
ンである。走査用シフトレジスタは外部からのスタート
信号ＳＴ、クロック信号ＣＫによって動作し、その並列
出力端子に走査用信号Ｙ1〜Ｙ4、Ｙ5を発生させる。な
お、Ｅｘｔは走査終了信号端子であり、複数個のイメー
ジセンサチップを連続的に接続してマルチチップ型イメ
ージセンサを作る場合、前段チップのＥｘｔ信号を後段
チップのＳＴ信号として用いる。各アクセス用ＦＥＴの
ゲート電極には順次、走査用信号Ｙ1〜Ｙ4が印加され、
各リセット用ＦＥＴのゲート電極には順次走査用信号Ｙ
2〜Ｙ5が印加される。左端の画素について動作を説明す
る。リセット信号Ｙ2によってリセット用ＦＥＴが導通
してフォトトランジスタのエミッタ電極およびバッファ
トランジスタのベース電極をリセット電源の電圧値にリ
セットする。次に、リセット用ＦＥＴを非導通にして蓄
積時間に入ると、フォトトランジスタのコレクタ・ベー
ス間に蓄えられた電荷が光電流によって放電し、フォト
トランジスタのベース電極およびエミッタ電極の電圧が
上昇する。蓄積時間の後、アクセス信号Ｙ1によってア
クセス用ＦＥＴ２３ａが導通してフォトトランジスタの
エミッタ電圧がバッファー用トランジスタを介して出力
ライン２８に導かれる。一般に出力ラインは全画素共通
に接続されているためにライン容量が十〜数十ｐＦにな
り、フォトトランジスタのエミッタ電極に現われた信号
電圧を直接アクセス用ＦＥＴを介して出力ラインに取り
出した場合、このラインの大きな容量によって出力信号
電圧が大幅に減衰し、また信号波形の立ち上がり速度も
小さくなる。本発明はバッファートランジスタをフォト
トランジスタのエミッタ電極とアクセス用ＦＥＴの間に
挿入することにより、バッファートランジスタのエミッ
タフォロア作用により信号電圧の減衰が最小限に抑えら
れ、且つ出力信号電圧のスルーレートを大きくできる。
用いて構成したイメージセンサの等価回路であり、フォ
トトランジスタによって発生した信号電圧を減衰を少な
くして出力ラインに取り出すことを特徴とする。各画素
はフォトトランジスタ２１ａ〜２１ｄ、バッファー用ト
ランジスタ２２ａ〜２２ｄ、アクセス用ＦＥＴ２３ａ、
〜２３ｄ、リセット用ＦＥＴ２４ａ〜２４ｄから構成し
ている。なお、２５ａ〜２５ｄはフォトトランジスタの
エミッタ電極およびバッファートランジスタのベース電
極に付随する寄生容量である。２６はリセット電源、２
７は走査用シフトレジスタ、２８は出力ライン、２９は
出力ライン２８のリセット用ＦＥＴ、３０は正電源ライ
ンである。走査用シフトレジスタは外部からのスタート
信号ＳＴ、クロック信号ＣＫによって動作し、その並列
出力端子に走査用信号Ｙ1〜Ｙ4、Ｙ5を発生させる。な
お、Ｅｘｔは走査終了信号端子であり、複数個のイメー
ジセンサチップを連続的に接続してマルチチップ型イメ
ージセンサを作る場合、前段チップのＥｘｔ信号を後段
チップのＳＴ信号として用いる。各アクセス用ＦＥＴの
ゲート電極には順次、走査用信号Ｙ1〜Ｙ4が印加され、
各リセット用ＦＥＴのゲート電極には順次走査用信号Ｙ
2〜Ｙ5が印加される。左端の画素について動作を説明す
る。リセット信号Ｙ2によってリセット用ＦＥＴが導通
してフォトトランジスタのエミッタ電極およびバッファ
トランジスタのベース電極をリセット電源の電圧値にリ
セットする。次に、リセット用ＦＥＴを非導通にして蓄
積時間に入ると、フォトトランジスタのコレクタ・ベー
ス間に蓄えられた電荷が光電流によって放電し、フォト
トランジスタのベース電極およびエミッタ電極の電圧が
上昇する。蓄積時間の後、アクセス信号Ｙ1によってア
クセス用ＦＥＴ２３ａが導通してフォトトランジスタの
エミッタ電圧がバッファー用トランジスタを介して出力
ライン２８に導かれる。一般に出力ラインは全画素共通
に接続されているためにライン容量が十〜数十ｐＦにな
り、フォトトランジスタのエミッタ電極に現われた信号
電圧を直接アクセス用ＦＥＴを介して出力ラインに取り
出した場合、このラインの大きな容量によって出力信号
電圧が大幅に減衰し、また信号波形の立ち上がり速度も
小さくなる。本発明はバッファートランジスタをフォト
トランジスタのエミッタ電極とアクセス用ＦＥＴの間に
挿入することにより、バッファートランジスタのエミッ
タフォロア作用により信号電圧の減衰が最小限に抑えら
れ、且つ出力信号電圧のスルーレートを大きくできる。
【００１５】
【発明の効果】本発明のフォトトランジスタは動作バイ
アス状態で光電変換作用をするベース層を完全に空乏化
し、ベース・コレクタ間容量を大幅に削減することがで
きる。従って、フォトトランジスタのエミッタ電極に出
力される信号電圧の感度およびスルーレート、残像性能
が大幅に向上する。また、このフォトトランジスタのア
レイ、バッファートランジスタ、スイッチ用ＦＥＴ、シ
フトレジスタによって構成したイメージセンサは高い信
号電圧感度になり、低露光量でも高いＳ／Ｎが得られ
る。従って、本発明は電荷蓄積モードで動作する光検出
素子および文書読み取り用イメージセンサとして有用で
あり、その産業上の効果は大である。
アス状態で光電変換作用をするベース層を完全に空乏化
し、ベース・コレクタ間容量を大幅に削減することがで
きる。従って、フォトトランジスタのエミッタ電極に出
力される信号電圧の感度およびスルーレート、残像性能
が大幅に向上する。また、このフォトトランジスタのア
レイ、バッファートランジスタ、スイッチ用ＦＥＴ、シ
フトレジスタによって構成したイメージセンサは高い信
号電圧感度になり、低露光量でも高いＳ／Ｎが得られ
る。従って、本発明は電荷蓄積モードで動作する光検出
素子および文書読み取り用イメージセンサとして有用で
あり、その産業上の効果は大である。
【図１】本発明の実施例１におけるフォトトランジスタ
の平面、断面図
の平面、断面図
【図２】本発明の実施例２におけるフォトトランジスタ
の平面、断面図
の平面、断面図
【図３】従来例におけるフォトトランジスタの平面、断
面図
面図
【図４】電荷蓄積モードで動作するフォトトランジスタ
の等価回路図
の等価回路図
【図５】本発明によるフォトトランジスタを用いたイメ
ージセンサの等価回路図
ージセンサの等価回路図
１ Ｓｉ基板 ２ 第１ベース拡散層 ３ 第２ベース拡散層 ４ エミッタ拡散層 ５ 薄い拡散層 ６ 保護酸化膜 ７ ＳｉＯ2層 ８ ＳｉＯxＮ1-x層 ９ ＳｉＮ層 １０ 反転層 １１ フォトトランジスタ １２ アクセス用ＦＥＴ １３ リセット用ＦＥＴ １４ 正電源 １５ 光電流 １６ コレクタ・ベース間容量 １７ トランジスタ １８ 出力ライン ２１ａ〜２１ｄ フォトトランジスタ ２２ａ〜２２ｂ バッファートランジスタ ２３ａ〜２３ｂ アクセス用ＦＥＴ ２４ａ〜２４ｂ リセット用ＦＥＴ ２７ 走査用シフトレジスタ ２８ 画像信号出力ライン
Claims (6)
- 【請求項１】Ｓｉ基板、基板をコレクタとし、基板上に
拡散法で形成したベース層、ベース層上に拡散法で形成
したエミッタ層からなるフォトトランジスタにおいて、
ベース層がエミッタ周辺の増幅作用をする第１ベース拡
散層と光電変換作用をする第２ベース拡散層からなり、
且つ第２ベース拡散層の表面には基板と電気的つながっ
た基板と同一の導電型の薄い拡散層を付加し、動作バイ
アス状態で第２ベース層を完全空乏状態にしたことを特
徴とするフォトトランジスタ。 - 【請求項２】Ｓｉ基板がｎ型で、第１ベース拡散層が不
純物濃度１０17〜１０ 18／ｃｍ3のｐ形層であり、第２
ベース拡散層が不純物濃度１０14〜１０16／ｃｍ3のｐ
型層であることを特徴とする請求項１のフォトトランジ
スタ。 - 【請求項３】Ｓｉ基板がｐ型で、第１ベース拡散層が不
純物濃度１０17〜１０ 18／ｃｍ3のｎ型層であり、第２
ベース拡散層が不純物濃度１０14〜１０16／ｃｍ3のｎ
型層であることを特徴とする請求項１のフォトトランジ
スタ。 - 【請求項４】ｎ型Ｓｉ基板、基板をコレクタとし、基板
上に拡散法で形成したｐ型ベース層、ベース層上に拡散
法で形成したｎ型エミッタ層からなるフォトトランジス
タにおいて、ｐ型ベース層がエミッタ周辺の増幅作用を
する第１ベース拡散層と光電変換作用をする第２ベース
拡散層からなり、且つ第２ベース拡散層の表面にＳｉＯ
2、ＳｉＮXＯ1-XおよびＳｉＮの薄膜を設け、薄膜中お
よびＳｉ／薄膜界面に存在する正電荷によって第２ベー
ス表面に反転層を形成させ、動作バイアス状態で第２ベ
ース層を完全空乏状態にしたことを特徴とするフォトト
ランジスタ。 - 【請求項５】第２ベース層の平均不純物濃度が１×１０
14〜３×１０15／ｃｍ 3であることを特徴とする請求項
４のフォトトランジスタ。 - 【請求項６】請求項１または請求項４に示すフォトトラ
ンジスタのアレイ、各フォトトランジスタのエミッタ電
極にベース電極を接続したバッファー用トランジスタ、
各トランジスタのエミッタと出力ライン間に接続したア
クセス用電界効果トランジスタ、フォトトランジスタの
エミッタ電位をリセットするためのリセット用電界効果
トランジスタ、リセット電源および走査用シフトレジス
タ等からなり、各フォトトランジスタのエミッタ電極に
現われた信号電圧の減衰を少なくして出力ラインから画
像信号を出力させることを特徴とするイメージセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4072051A JPH05275671A (ja) | 1992-03-30 | 1992-03-30 | フォトトランジスタおよびそれを用いたイメージセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4072051A JPH05275671A (ja) | 1992-03-30 | 1992-03-30 | フォトトランジスタおよびそれを用いたイメージセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05275671A true JPH05275671A (ja) | 1993-10-22 |
Family
ID=13478197
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4072051A Pending JPH05275671A (ja) | 1992-03-30 | 1992-03-30 | フォトトランジスタおよびそれを用いたイメージセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05275671A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006101498A (ja) * | 2004-09-02 | 2006-04-13 | Ricoh Co Ltd | 画像読取装置 |
| JP2010034360A (ja) * | 2008-07-30 | 2010-02-12 | Victor Co Of Japan Ltd | 固体撮像素子、固体撮像素子を備えた固体撮像装置、及び固体撮像素子の製造方法 |
| EP2816602A3 (en) * | 2013-06-17 | 2015-05-13 | Ricoh Company Ltd. | A photoelectric conversion device |
| US10298869B2 (en) | 2015-06-30 | 2019-05-21 | Ricoh Company, Ltd. | Photoelectric conversion device and image generation device |
-
1992
- 1992-03-30 JP JP4072051A patent/JPH05275671A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006101498A (ja) * | 2004-09-02 | 2006-04-13 | Ricoh Co Ltd | 画像読取装置 |
| JP4616129B2 (ja) * | 2004-09-02 | 2011-01-19 | 株式会社リコー | 画像読取装置 |
| JP2010034360A (ja) * | 2008-07-30 | 2010-02-12 | Victor Co Of Japan Ltd | 固体撮像素子、固体撮像素子を備えた固体撮像装置、及び固体撮像素子の製造方法 |
| EP2816602A3 (en) * | 2013-06-17 | 2015-05-13 | Ricoh Company Ltd. | A photoelectric conversion device |
| US10298869B2 (en) | 2015-06-30 | 2019-05-21 | Ricoh Company, Ltd. | Photoelectric conversion device and image generation device |
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