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光情報取得素子、光情報取得素子アレイ及びハイブリッド型固体撮像装置

国内特許コード P130009635
掲載日 2013年7月17日
出願番号 特願2011-552848
登録番号 特許第5648964号
出願日 平成23年2月4日(2011.2.4)
登録日 平成26年11月21日(2014.11.21)
国際出願番号 JP2011052447
国際公開番号 WO2011096549
国際出願日 平成23年2月4日(2011.2.4)
国際公開日 平成23年8月11日(2011.8.11)
優先権データ
  • 特願2010-024791 (2010.2.5) JP
発明者
  • 川人 祥二
出願人
  • 国立大学法人静岡大学
発明の名称 光情報取得素子、光情報取得素子アレイ及びハイブリッド型固体撮像装置
発明の概要 p型の半導体層(31)と、半導体層(31)とフォトダイオードを構成するように、半導体層(31)に埋め込まれたn型の表面埋込領域(33)と、表面埋込領域(33)に埋め込まれ、フォトダイオードが生成した電荷を蓄積するn型の電荷蓄積領域(36)と、表面埋込領域(33)に埋め込まれ、半導体層(31)と共に表面埋込領域(33)を挟むことにより電位障壁を形成するp型の障壁形成領域と、半導体層(31)に埋め込まれ、電位障壁を越えて電荷蓄積領域(36)から流出した過剰の電荷を収納し吐き出すn型の電荷吐出領域(34)とを備え、光通信信号を受信して、電荷蓄積領域(36)の電位の変化を信号として取り出すことにより、光が生成した電子を高速に転送する光情報取得素子、光情報取得素子アレイ、高速に画像取得と光通信による情報取得を行うハイブリッド型固体撮像装置を提供する。
従来技術、競合技術の概要


信号機や自動車のテールランプにLEDが使用されるようになってきたことから、LEDアレイを光源とし、光による空間無線通信により道路情報や、自動車が安全に走行するための情報を、信号機と自動車間(路車間)及び自動車間(車車間)でやり取りすることのできるシステムの実現に大きな期待が寄せられている。



例えば、図12(a)に示すような、p型の半導体層31と、半導体層31の上に配置されたn型の表面埋込領域33とでフォトダイオード(33,31)を構成した光情報取得素子が提案されている(非特許文献1参照。)。信号電荷を生成するフォトダイオードの接合容量は、フォトダイオードに並列に接続され、光電変換によって生成された電荷を蓄積する電荷蓄積用コンデンサとして機能する。表面埋込領域(受光カソード領域)33の上部には、接地電位(低位電源)GNDに接続されたp型のピニング層37が配置されている。更に、図12(a)の右側に示すように、半導体層31の表面には、表面埋込領域33と離間して浮遊拡散領域となるn型の電荷蓄積領域36が配置され、電荷蓄積領域36と離間して、リセットトランジスタのn型のリセットドレイン領域39が配置されている。電荷蓄積領域36は、リセットトランジスタのリセットソース領域としても機能する。電荷蓄積領域36とリセットドレイン領域39の間の半導体層31の上には第1のゲート絶縁膜が形成され、表面埋込領域33と電荷蓄積領域36の間の半導体層31の上には第2のゲート絶縁膜が形成されている。第1のゲート絶縁膜上には、リセットゲート電極が配置され、電荷蓄積領域36、リセットゲート電極及びリセットドレイン領域39とでリセットトランジスタとしてのnMOSFETを構成し、第2のゲート絶縁膜上には、バリアゲート電極が配置され、半導体層31をソース領域とし、バリアゲート電極及びドレイン領域となる電荷蓄積領域36とでバリアトランジスタとしてのnMOSFETを構成している。



図12(b)は、バリアゲート電極にハイレベルの電圧が印加され、バリアトランジスタが導通状態になり、同時に、リセットゲート電極にハイレベルの電圧が印加され、リセットトランジスタが導通状態になっているときの、半導体層31の表面部における伝導帯の電位レベルを示す。電荷生成領域(受光アノード領域)で生成されたキャリア(電子)は、表面埋込領域33よりもポテンシャルレベルの低い電荷蓄積領域36に注入される。表面埋込領域33の不純物密度を電荷蓄積領域36の不純物密度よりも低く設定することにより、フォトダイオードを完全空乏化電位で動作させ、そのキャパシタンスの大きさが電荷蓄積領域36での応答とは無関係にし、寄生容量CFDを小さくすることができる。このため、フォトダイオードの面積を十分に確保しながら、光通信信号に対して高速で応答することが可能になる。

産業上の利用分野


本発明は、光通信信号として受信した光が生成した電子を転送、蓄積する機能を持った光情報取得素子、及びこの光情報取得素子を1次元又は2次元に周期的に配列した光情報取得素子アレイ、及び光情報取得素子と画像信号用の画素とを同一半導体チップ上に配列したハイブリッド型固体撮像装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
第1導電型の半導体層と、
前記半導体層とフォトダイオードを構成するように、前記半導体層の上部の一部に埋め込まれた第2導電型の表面埋込領域と、
前記表面埋込領域の上部の一部に埋め込まれ、前記フォトダイオードが生成した電荷の一部を蓄積する第2導電型の電荷蓄積領域と、
前記表面埋込領域の上部の一部に前記電荷蓄積領域に隣接して埋め込まれた第1導電型の障壁形成領域であって、前記半導体層、前記表面埋込領域及び前記障壁形成領域の不純物密度が、前記半導体層と前記障壁形成領域との間に挟まれた前記表面埋込領域を完全空乏化するように選定され、該完全空乏化したときの電位障壁の高さによって、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷の流出に対する電位障壁を形成する前記障壁形成領域と、
前記半導体層の上部の他の一部に前記表面埋込領域に隣接して埋め込まれ、前記電位障壁を越えて前記電荷蓄積領域から流出した過剰の電荷を収納し吐き出す第2導電型の電荷吐出領域
とを備え、光通信信号のオン・オフに伴い、前記電位障壁の高さに依拠して前記電荷蓄積領域に蓄積される電荷で決まる前記電荷蓄積領域の電位の変化を信号として取り出すことを特徴とする光情報取得素子。

【請求項2】
第1導電型の半導体層と、
前記半導体層とフォトダイオードを構成するように、前記半導体層の上部の一部に埋め込まれた第2導電型の表面埋込領域と、
前記表面埋込領域の上部の一部に埋め込まれ、前記フォトダイオードが生成した電荷の一部を蓄積する第2導電型の電荷蓄積領域と、
前記表面埋込領域の上部の一部に前記電荷蓄積領域に隣接して埋め込まれた第1導電型の障壁形成領域であって、前記半導体層、前記表面埋込領域及び前記障壁形成領域の不純物密度が、前記半導体層と前記障壁形成領域との間に挟まれた前記表面埋込領域を完全空乏化するように選定され、該完全空乏化したときの電位障壁の高さによって、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷の流出に対する電位障壁を形成する前記障壁形成領域と、
前記半導体層の上部の他の一部に前記表面埋込領域に隣接して埋め込まれ、前記電位障壁を越えて前記電荷蓄積領域から流出した過剰の電荷を収納し吐き出す第2導電型の電荷吐出領域
とを備える光情報取得素子を複数個、同一の半導体チップ上に配列し、
光通信信号のオン・オフに伴い、前記電位障壁の高さに依拠して前記電荷蓄積領域に蓄積される電荷で決まる前記電荷蓄積領域の電位の変化を、複数個の前記光情報取得素子のそれぞれから信号として取り出すことを特徴とする光情報取得素子アレイ。

【請求項3】
第1導電型の半導体層と、
前記半導体層とフォトダイオードを構成するように、前記半導体層の上部の一部に埋め込まれた第2導電型の表面埋込領域と、
前記表面埋込領域の上部の一部に埋め込まれ、前記フォトダイオードが生成した電荷の一部を蓄積する第2導電型の電荷蓄積領域と、
前記表面埋込領域の上部の一部に前記電荷蓄積領域に隣接して埋め込まれた第1導電型の障壁形成領域であって、前記半導体層、前記表面埋込領域及び前記障壁形成領域の不純物密度が、前記半導体層と前記障壁形成領域との間に挟まれた前記表面埋込領域を完全空乏化するように選定され、該完全空乏化したときの電位障壁の高さによって、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷の流出に対する電位障壁を形成する前記障壁形成領域と、
前記半導体層の上部の他の一部に前記表面埋込領域に隣接して埋め込まれ、前記電位障壁を越えて前記電荷蓄積領域から流出した過剰の電荷を収納し吐き出す第2導電型の電荷吐出領域
とを備える光情報取得素子を、複数個の画像信号用の画素とともに複数個、同一の半導体チップ上に混載して配列し、
光通信信号のオン・オフに伴い、前記電位障壁の高さに依拠して前記電荷蓄積領域に蓄積される電荷で決まる前記電荷蓄積領域の電位の変化を、複数個の前記光情報取得素子のそれぞれから信号として取り出し、複数個の前記画像信号用の画素からそれぞれ画像信号を取り出すことを特徴とするハイブリッド型固体撮像装置。
産業区分
  • 半導体
  • 固体素子
  • テレビ
  • ファクシミリ
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2011552848thum.jpg
出願権利状態 登録
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