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HIGH-SPEED CHARGE TRANSFER PHOTODIODE, LOCK-IN PIXEL, AND SOLID-STATE IMAGING DEVICE

Patent code P09P006974
File No. ShIP-8036C-KW72
Posted date Feb 26, 2010
Application number P2008-198872
Publication number P2010-040594A
Patent number P5283216
Date of filing Jul 31, 2008
Date of publication of application Feb 18, 2010
Date of registration Jun 7, 2013
Inventor
  • (In Japanese)川人 祥二
  • (In Japanese)竹下 裕章
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人静岡大学
Title HIGH-SPEED CHARGE TRANSFER PHOTODIODE, LOCK-IN PIXEL, AND SOLID-STATE IMAGING DEVICE
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-speed charge transfer photodiode formed so that an electric field distribution in a charge transfer direction becomes a constant and large value over a range as wide as possible, a lock-in pixel and a solid-state imaging device.
SOLUTION: The high-speed charge transfer photodiode which comprises a first conduction-type semiconductor layer 20 that functions as a charge generation region and a second conduction-type surface buried region 21a that is selectively buried in part of the upper portion of this semiconductor layer 20 and functions as a charge transfer region of the charge generated in the charge generation region. A specific direction of the surface buried region 21a defined within a surface parallel to the surface of the semiconductor layer 20 is set as a charge transfer direction of the charge, and at least one of the change of the width of the surface buried region 21a measured in the direction perpendicular to the charge transfer direction and an impurity density distribution of the surface buried region 21a along the charge transfer direction is set so that the electric field distribution in the charge transfer direction becomes constant.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


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

Field of industrial application (In Japanese)


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。

Scope of claims (In Japanese)
【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2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3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5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7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58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6又は8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6又は8に記載の固体撮像装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2008198872thum.jpg
State of application right Registered
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