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高速電荷転送フォトダイオード、ロックインピクセル及び固体撮像装置 UPDATE

国内特許コード P09P006974
整理番号 ShIP-8036C-KW72
掲載日 2010年2月26日
出願番号 特願2008-198872
公開番号 特開2010-040594
登録番号 特許第5283216号
出願日 平成20年7月31日(2008.7.31)
公開日 平成22年2月18日(2010.2.18)
登録日 平成25年6月7日(2013.6.7)
発明者
  • 川人 祥二
  • 竹下 裕章
出願人
  • 国立大学法人静岡大学
発明の名称 高速電荷転送フォトダイオード、ロックインピクセル及び固体撮像装置 UPDATE
発明の概要 【課題】 電荷転送方向の電界分布をできるだけ広い範囲にわたって一定で大きな値となるような形状した高速電荷転送フォトダイオード、ロックインピクセル、固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 前記電荷生成領域として機能する第1導電型半導体層20と、この半導体層20の上部の一部に選択的に埋め込まれ、電荷生成領域で生成された電荷の電荷転送領域として機能する第2導電型表面埋込領域21aとを備え、半導体層20の表面に平行な面内において定義された表面埋込領域21aの特定方向を電荷の電荷転送方向とし、この電荷転送方向に対し垂直方向に測った表面埋込領域21aの幅の変化、及び電荷転送方向に沿った表面埋込領域21aの不純物密度分布の少なくとも一方が、電荷転送方向の電界分布を一定にするように設定されている。
【選択図】 図3
従来技術、競合技術の概要


1994年に発表された「強度変調された照射野の検出及び復調のための装置(特許文献1参照。)」等の画素内に光で発生した電子の検出を時間領域で変調する機能をもったセンサ要素は、「ロックインピクセル」とも呼ばれる。



この様なロックインピクセルからなるセンサ要素を、最近のCMOSイメージセンサの用いられている埋め込みフォトダイオード構造に適用して、ロックインイメージセンサを実現することができれば、量産性に優れるため、安価で高性能なセンサが得られると期待される。



例えば、CMOS製造技術を用いて共通のIC上に形成されたピクセル光検知ディテクタ及び専用の電子回路及び対応する処理回路の2次元アレイを含んだ3次元画像化システムが提案されている(特許文献1参照。)。特許文献1の一つの実施例においては、各ディテクタは、システムによって放射され、物体の点から反射され、そしてフォーカスされたピクセルディテクタによって検出されたパルスについての飛行時間(TOF)に比例するクロックパルス数を積算する対応する高速カウンタを有している。TOFデータは、特定のピクセルから、放射された光パルスを反射する物体上の点までの距離についての直接のディジタル的な尺度を与える。特許文献1の第2実施例では、カウンタ及び高速クロック回路は設けられず、代わりに電荷蓄積器及び電子シャッタ(SI)が各ピクセルディテクタに設けられる。各ピクセルディテクタは電荷を蓄積し、その総量が往復のTOFの直接的な尺度を与える。
【特許文献1】
特表平10-508736号公報
【特許文献2】
特表2003-510561号公報

産業上の利用分野


本発明は高速電荷転送フォトダイオード、この高速電荷転送フォトダイオードを有するロックインピクセル、及びこのロックインピクセルを1次元及び2次元配列した固体撮像装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
高速電荷転送フォトダイオードを2次元マトリクス状に配列し、各高速電荷転送フォトダイオードが水平シフトシフトレジスタ及び垂直シフトレジスタを用いて2次元アクセスされる固体撮像装置に用いられる高速電荷転送フォトダイオードであって、
電荷生成領域として機能する第1導電型半導体層と、
該半導体層の上部の一部に選択的に埋め込まれ、前記電荷生成領域で生成された電荷の電荷転送領域として機能する第2導電型表面埋込領域とを備え、
前記半導体層の表面に平行な面内において定義された前記表面埋込領域の特定方向を前記電荷の電荷転送方向とし、該電荷転送方向に対し垂直方向に測った前記表面埋込領域の幅を前記電荷転送方向に沿ってステップ状に増大させ、
該ステップ状に増大させる前記表面埋込領域の幅の増加率を前記荷転送方向に沿って増大させることにより、前記表面埋込領域の幅の変化の関数として表される前記表面埋込領域中の空乏化電位が、前記関数の前記転送方向への距離による1次微分係数が一定となるようにして、
前記電荷転送方向の電界分布を一定にするように設定されていることを特徴とする高速電荷転送フォトダイオード。

【請求項2】
ロックインピクセルを2次元マトリクス状に配列し、各ロックインピクセルが水平シフトレジスタ及び垂直シフトレジスタを用いて2次元アクセスされる固体撮像装置に用いられる2次元アクセスする固体撮像装置において、対象物が反射したパルス光を光信号として受光し、電荷生成領域で信号電荷に変換し、該信号電荷を電荷転送領域に注入する高速電荷転送フォトダイオードと、前記電荷転送領域に接続し、前記電荷転送領域と同一の半導体領域からなる電荷収集領域と、前記電荷収集領域と同一の半導体領域からなる第1及び第2転送チャネルの電位を該第1及び第2転送チャネルの上部にそれぞれ形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、前記電荷生成領域において生成した信号電荷を前記電荷収集領域に収集後、前記第1及び第2転送チャネルを介して交互に転送する第1及び第2転送ゲート電極と、前記第1及び第2転送ゲート電極により転送された前記信号電荷を、順次それぞれ蓄積する第1及び第2浮遊拡散領域とを備えるロックインピクセルであって、前記高速電荷転送フォトダイオードが、
前記電荷生成領域として機能する第1導電型半導体層と、
該半導体層の上部の一部に選択的に埋め込まれ、前記信号電荷を転送する前記電荷転送領域として機能する第2導電型表面埋込領域とを備え、
前記半導体層の表面に平行な面内において定義された前記表面埋込領域の特定方向を前記電荷の電荷転送方向とし、該電荷転送方向に対し垂直方向に測った前記表面埋込領域の幅を前記電荷転送方向に沿ってステップ状に増大させ、
該ステップ状に増大させる前記表面埋込領域の幅の増加率を前記荷転送方向に沿って増大させることにより、前記表面埋込領域の幅の変化の関数として表される前記表面埋込領域中の空乏化電位が、前記関数の前記転送方向への距離による1次微分係数が一定となるようにして、前記電荷転送方向の電界分布を一定にするように設定されており、
前記第1及び第2転送ゲート電極に、前記パルス光と同期して、順次制御パルス信号を与えて動作させることにより、前記第1及び第2浮遊拡散領域に蓄積された電荷の配分比から前記対象物までの距離を測定することを特徴とするロックインピクセル。

【請求項3】
前記電荷収集領域と同一の半導体領域からなる排出チャネルの電位を該排出チャネルの上部に形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、背景光を受光して前記電荷生成領域が生成した背景光電荷を前記電荷収集領域に収集後、排出する排出ゲート電極と、
前記排出ゲート電極により排出された前記背景光電荷を受け入れる排出ドレイン領域とを更に備え、前記第1、第2転送ゲート電極及び前記排出ゲート電極に、前記パルス光と同期して、順次制御パルス信号を与えて動作させることにより、前記第1及び第2浮遊拡散領域に蓄積された電荷の配分比から前記対象物までの距離を測定することを特徴とする請求項に記載のロックインピクセル。

【請求項4】
前記排出ゲート電極に加える制御パルス信号の時間幅が、前記第1及び第2転送ゲート電極に加える制御パルス信号の時間幅よりも長いことを特徴とする請求項に記載のロックインピクセル。

【請求項5】
対象物が反射したパルス光を光信号として受光し、電荷生成領域で信号電荷に変換し、該信号電荷を電荷転送領域に注入する高速電荷転送フォトダイオードと、前記電荷転送領域に接続し、前記電荷転送領域と同一の半導体領域からなる電荷収集領域と、前記電荷収集領域と同一の半導体領域からなる第1及び第2転送チャネルの電位を該第1及び第2転送チャネルの上部にそれぞれ形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、前記電荷生成領域において生成した信号電荷を前記電荷収集領域に収集後、前記第1及び第2転送チャネルを介して交互に転送する第1及び第2転送ゲート電極と、前記第1及び第2転送ゲート電極により転送された前記信号電荷を、順次それぞれ蓄積する第1及び第2浮遊拡散領域とを備えるロックインピクセルを1次元方向に配列した固体撮像装置であって、前記高速電荷転送フォトダイオードが、
前記電荷生成領域として機能する第1導電型半導体層と、
該半導体層の上部の一部に選択的に埋め込まれ、前記信号電荷を転送する前記電荷転送領域として機能する第2導電型表面埋込領域とを備え、
前記半導体層の表面に平行な面内において定義された前記表面埋込領域の特定方向を前記電荷の電荷転送方向とし、該電荷転送方向に対し垂直方向に測った前記表面埋込領域の幅を前記電荷転送方向に沿ってステップ状に増大させ、
該ステップ状に増大させる前記表面埋込領域の幅の増加率を前記荷転送方向に沿って増大させることにより、前記表面埋込領域の幅の変化の関数として表される前記表面埋込領域中の空乏化電位が、前記関数の前記転送方向への距離による1次微分係数が一定となるようにして前記電荷転送方向の電界分布を一定にするように設定され、
前記パルス光と同期して、すべてのロックインピクセルの前記第1及び第2転送ゲート電極に順次制御パルス信号を与え、それぞれのロックインピクセルにおいて、前記第1及び第2浮遊拡散領域に蓄積された電荷の配分比から前記対象物までの距離を測定することを特徴とする固体撮像装置。

【請求項6】
前記ロックインピクセルのそれぞれが、
前記電荷収集領域と同一の半導体領域からなる排出チャネルの電位を該排出チャネルの上部に形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、背景光を受光して前記電荷生成領域が生成した背景光電荷を前記電荷収集領域に収集後排出する排出ゲート電極と、
前記排出ゲート電極により排出された前記背景光電荷を受け入れる排出ドレイン領域とを更に備え、前記第1、第2転送ゲート電極及び前記排出ゲート電極に、前記パルス光と同期して、順次制御パルス信号を与えて動作させることにより、前記第1及び第2浮遊拡散領域に蓄積された電荷の配分比から前記対象物までの距離を測定することを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。

【請求項7】
対象物が反射したパルス光を光信号として受光し、電荷生成領域で信号電荷に変換し、該信号電荷を電荷転送領域に注入する高速電荷転送フォトダイオードと、前記電荷転送領域に接続し、前記電荷転送領域と同一の半導体領域からなる電荷収集領域と、前記電荷収集領域と同一の半導体領域からなる第1及び第2転送チャネルの電位を該第1及び第2転送チャネルの上部にそれぞれ形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、前記電荷生成領域において生成した信号電荷を前記電荷収集領域に収集後、前記第1及び第2転送チャネルを介して交互に転送する第1及び第2転送ゲート電極と、前記第1及び第2転送ゲート電極により転送された前記信号電荷を、順次それぞれ蓄積する第1及び第2浮遊拡散領域とを備えるロックインピクセルを2次元マトリクス状に配列した固体撮像装置であって、前記高速電荷転送フォトダイオードが、
前記電荷生成領域として機能する第1導電型半導体層と、
該半導体層の上部の一部に選択的に埋め込まれ、前記信号電荷を転送する前記電荷転送領域として機能する第2導電型表面埋込領域とを備え、
前記半導体層の表面に平行な面内において定義された前記表面埋込領域の特定方向を前記電荷の電荷転送方向とし、該電荷転送方向に対し垂直方向に測った前記表面埋込領域の幅を前記電荷転送方向に沿ってステップ状に増大させ、
該ステップ状に増大させる前記表面埋込領域の幅の増加率を前記荷転送方向に沿って増大させることにより、前記表面埋込領域の幅の変化の関数として表される前記表面埋込領域中の空乏化電位が、前記関数の前記転送方向への距離による1次微分係数が一定となるようにして前記電荷転送方向の電界分布を一定にするように設定され、前記パルス光と同期して、すべてのロックインピクセルの前記第1及び第2転送ゲート電極に順次制御パルス信号を与え、それぞれのロックインピクセルにおいて、前記第1及び第2浮遊拡散領域に蓄積された電荷の配分比から前記対象物までの距離を測定し、全ロックインピクセルを2次元アクセスし、前記測定された距離に対応する2次元画像を得ることを特徴とする固体撮像装置。

【請求項8】
前記ロックインピクセルのそれぞれが、
前記電荷収集領域と同一の半導体領域からなる排出チャネルの電位を該排出チャネルの上部に形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、背景光を受光して前記電荷生成領域が生成した背景光電荷を前記電荷収集領域に収集後排出する排出ゲート電極と、前記排出ゲート電極により排出された前記背景光電荷を受け入れる排出ドレイン領域とを更に備え、前記パルス光と同期して、すべてのロックインピクセルの前記第1、第2転送ゲート電極及び前記排出ゲート電極に、順次制御パルス信号を与え、それぞれのロックインピクセルにおいて、前記第1及び第2浮遊拡散領域に蓄積された電荷の配分比から前記対象物までの距離を測定し、全ロックインピクセルを2次元アクセスし、前記測定された距離に対応する2次元画像を得ることを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。

【請求項9】
前記排出ゲート電極に加える制御パルス信号の時間幅が、前記第1及び第2転送ゲート電極に加える制御パルス信号の時間幅よりも長いことを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の固体撮像装置。

【請求項10】
前記光信号は対象物で反射した励起光パルスと、該励起光パルスを受けて前記対象物から発生した蛍光とを含み、前記励起光パルスの立ち下がり後の一定期間において前記信号電荷を選択的に前記表面埋込領域から前記第1及び第2浮遊拡散領域へ転送し、
前記励起光照射時においては前記表面埋込領域から電荷を前記排出ドレイン領域に排出することを特徴とする請求項又はに記載の固体撮像装置。

【請求項11】
前記光信号は対象物で反射した励起光パルスと、該励起光パルスを受けて前記対象物から発生した蛍光とを含み、前記励起光パルスの立ち下がり後の第1の期間内において前記信号電荷の一部を前記表面埋込領域から前記第1及び第2浮遊拡散領域へ転送し、前記第1及び第2浮遊拡散領域に蓄積した前記信号電荷を第1の蓄積電荷量として読み出し、
前記第1の期間後の第2の期間において前記信号電荷の他の一部を前記表面埋込領域から前記第1及び第2浮遊拡散領域へ転送し、前記第1及び第2浮遊拡散領域に蓄積した前記信号電荷を第2の蓄積電荷量として読み出し、
前記第1及び第2の蓄積電荷量の比から、前記蛍光の寿命を測定することを特徴とする請求項又はに記載の固体撮像装置。
国際特許分類(IPC)
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