光電変換装置、光電変換アレイおよび撮像装置
【課題】光電変換機能を有するｐｎ接合の逆方向電流がショットキ接合の逆方向電流ほど大きくならない技術を提供をする。
【解決手段】光電変換機能を有するｐｎ接合と電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、電界効果トランジスタのソースが接続されているｐｎ接合の１方の半導体領域が他方の半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる電位となった場合に、電界効果トランジスタが導通するゲート電位を供給することにより、２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射されても、ｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御する。
【解決手段】光電変換機能を有するｐｎ接合と電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、電界効果トランジスタのソースが接続されているｐｎ接合の１方の半導体領域が他方の半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる電位となった場合に、電界効果トランジスタが導通するゲート電位を供給することにより、２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射されても、ｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光強度、光波長などの光情報、光学像を、電流、電荷若しくは電圧又はデジタルデータを含む電子情報に変換する光電変換装置に関し、特に、性能が改善された光電変換装置に関する。本発明は更に、本発明を適用した光電変換セル、それをアレイ構成とした光電変換アレイ及びそれから構成される撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は光電変換機能を有する第１ｐｎ接合の一端を電気的に浮遊状態として該第１ｐｎ接合を流れる光電流を一定時間電荷として蓄積してまたは後述のように光電流で蓄積電荷を放電した結果を電気信号として検出する場合、光強度が該蓄積時間（積分時間ともいう）に対して大きいと該ｐｎ接合の一端に接続されている電気容量の充放電が過剰に進行し、該第１ｐｎ接合には該光電流が順方向に流れるようになり、深い順方向電圧にバイアスされ、該第１ｐｎ接合を構成する互いに逆導電型の２つの半導体領域の中にそれぞれ過剰少数キャリアが蓄積されるため、該第１ｐｎ接合を逆バイアス方向へスイッチングしようとすると、少数キャリアの寿命（lifetime）に関連した「飽和時間」と呼ばれる時間の間は逆バイアスにスイッチングされる時間が遅れて応答速度が損なわれるという問題があった。この現象を飽和現象という。
【０００３】
ｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされるのを防ぐ技術としては、該ｐｎ接合にショットキ（Schottky）接合を並列接続する技術が知られていた（特許文献１参照）。同じ電流がｐｎ接合に流れる場合とショットキ接合に流れる場合とで、順方向電圧がショットキ接合のほうが小さいのでほとんどの電流がｐｎ接合でなく、並列に接続されているショットキ接合に流れて、ｐｎ接合が深くバイアスされるのを防ぐことができる。しかし、ショットキ接合の逆方向電流がｐｎ接合と桁違いに大きいので光電変換素子としての総合的な暗電流が増加し高感度光電変換装置には使用できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭４７−１８５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では上記のように光電変換機能を有する第１ｐｎ接合が「深い順方向電圧にバイアスされる」いわゆる飽和状態を防止するが、該第１ｐｎ接合の逆方向電流にショットキ接合の逆方向電流ほど大きくならない技術の提供を課題とする。
【０００６】
なお本発明では「深い順方向電圧にバイアスされる」とは該光電流がすべて該第１ｐｎ接合へ流れたときの該第１ｐｎ接合の順方向電圧状態を指し、たとえば光電流の１／１０以下しか流れない状態では、上記飽和時間も１／１０程度に改善されるので、問題が改善されたとみなす。その場合の該第１ｐｎ接合の順方向電圧は該「深い順方向電圧にバイアスされた」状態より２．３ｋＴ／ｑ（＝室温では約６０ｍＶ）だけ小さい。放置しておけばｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされる環境で、ｐｎ接合をこの深い順方向電圧よりも２．３ｋＴ／ｑだけ小さく順方向バイアスされた状態、および、ｐｎ接合をゼロバイアスまたは逆バイアス状態に保つことを「飽和制御」と本発明では呼ぶ。ここでｋはボルツマン（Boltzman）定数、Ｔは該光電変換装置の絶対温度、ｑは電子の電荷素量である。
【０００７】
また第１導電型の第１半導体領域に接して逆導電型の第２半導体領域を設けることでこの第１ｐｎ接合を形成した場合、この蓄積された過剰少数キャリアは該第１ｐｎ接合の位置から該第１半導体領域の中に少数キャリアの拡散長の範囲に広がる。同様に第２半導体領域の中にもこの蓄積された過剰少数キャリアは該第１ｐｎ接合から少数キャリアの拡散長の範囲に広がる。なお、少数キャリアの拡散長はキャリアの種類（電子または正孔）、半導体領域の電気特性によって異なる。したがって第１半導体領域と第２半導体領域では拡散長の値は異なる。
【０００８】
更に、この拡散長の距離に光電変換機能を有する別の第２ｐｎ接合を設けると、該別の第２ｐｎ接合近傍に光が当たっていなくても該別の第２ｐｎ接合に電流が流れ、あたかも該第２ｐｎ接合の位置にも光が当たっているかのような誤動作を生ずる。この問題は第１半導体領域中に光電変換機能を有する複数のｐｎ接合など光電変換素子を配列して光電変換素子アレイを形成し、撮像装置を作った場合に、映像のボケを生じ、等価的に解像度が落ちた結果となる。
【０００９】
本発明ではこの映像のボケ、解像度の等価的な劣化を改善することも課題とする。
【００１０】
更に具体例で上記課題を説明する。フォトダイオードを具体例とした光電変換素子により、光情報（光強度、波長成分など）を電子情報へ変換して出力する方法を図１に示す。図に示すように上記第１ｐｎ接合に相当するフォトダイオード１０００のアノード１００２を、スイッチとして動作する電界効果トランジスタ３０００のソースまたはドレインへ接続した具体例を用いて説明する。該スイッチとして動作する電界効果トランジスタ３０００（以後「スイッチ電界効果トランジスタ」と略称）は、光照射時の光電流を該光電変換素子に付随する電気容量（この場合はアノード・カソード間電気容量Ｃａｎｃ）へ一時蓄積する目的で、該フォトダイオードのアノード１００２を蓄積時間の間浮遊状態にするためにオフとし、該蓄積された電荷を電流または電荷として取り出しのためにオンとする。
【００１１】
まずスイッチ電界効果トランジスタ３０００をオンとしてフォトダイオードの一端（図の場合はアノード１００２）をＶｒｅｆ電位とする。このとき、フォトダイオード１０００のアノード・カソード間電気容量はＶｄｄ−Ｖｒｅｆの電圧が充電される。ここで、Ｖｄｄは電源電圧、Ｖｒｅｆは読み出し時参照電圧である。
【００１２】
次にスイッチ電界効果トランジスタ３０００をオフにして光電変換素子に光を照射すると、フォトダイオード１０００のｐｎ接合で分離生成された光電流がフォトダイオード１０００のアノード１００２からフォトダイオードのアノード・カソード間電気容量Ｃａｎｃへ流れ込み、Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆだけ充電されていた初期状態から放電され、カソード電位はＶｄｄに向けて上昇してゆく。このように実際はアノード・カソード間電気容量Ｃａｎｃは該光電流により放電されるが、本発明では便宜上「光電流を電荷として蓄積する」と表現する場合がある。
【００１３】
オフ時間が長いか、光電流が大きいと、フォトダイオード１０００のアノード１００２はＶｄｄを越えカソード１００１と順方向電位となる。該光電流がすべてフォトダイオード１０００のアノード・カソード間に流れたとき最高値に達し、順方向電位の増加は停止する。本発明ではこの状態を深い順方向電圧にバイアスされたと称する。この状態ではフォトダイオード１０００を構成する半導体領域に過剰な少数キャリアが蓄積され、フォトダイオード１０００を逆バイアス方向へスイッチするとき動作の遅れが生ずる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では上記課題を解決するために次の各技術を提供する。
【００１５】
（１）光電変換機能を有する第１ｐｎ接合と
第１ソース、第１ドレイン、第１絶縁ゲートを有する第１電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、
該第１ｐｎ接合は少なくとも２つの異なる導電型の半導体領域から構成され、その１方の半導体領域と、該第１電界効果トランジスタの第１ソースとが接続され、
該２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射され、第１ｐｎ接合に光電流が流れる光電変換装置において、
該第１電界効果トランジスタは該２つの異なる導電型の半導体領域の該１方の領域と同一導電型のチャネルを有し、
該第１電界効果トランジスタの第１ドレインに、該２つの異なる導電型の半導体領域の該他方の半導体領域の電位に対して該第１ｐｎ接合がゼロバイアスまたは逆バイスとなる第２電位を供給し、
該第１電界効果トランジスタの第１ソースが接続されている該１方の半導体領域が該他方の半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる第１電位となった場合に該第１電界効果トランジスタが導通する第１ゲート電位を第１絶縁ゲートへ供給することにより、
該２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射されても、該第１ｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御することを特徴とする光電変換装置。
【００１６】
上記２つの異なる導電型の半導体領域の一方から前記第１電界効果トランジスタのソースを通して上記光電流の大部分（たとえば９割以上）をドレインへ流し、上記２つの異なる導電型の半導体領域の他方の半導体領域との間が深い順方向電圧にバイアスされないよう制御するためには前記第1ゲート電位は下記の電位条件に予め設定される必要がある。
【００１７】
（２）（１）において前記第１ゲート電位と前記２つの異なる導電型の半導体領域の他方の半導体領域の電位との差の絶対値は前記第１電界効果トランジスタのゲート閾値電圧の絶対値と等しいかそれ以上であることを特徴とする光電変換装置。
【００１８】
本発明の光電変換装置の光電変換を行う素子がフォトトランジスタである場合は、下記の構成をとる。
【００１９】
（３）（１）において前記第１ｐｎ接合は第１バイポーラトランジスタのベース・コレクタ接合であり、前記第１バイポーラトランジスタのベースと該第１電界効果トランジスタのソースとが接続されていることを特徴とする光電変換装置。
【００２０】
本発明の光電変換装置を選択、光電荷蓄積、電子情報読み出しのための第２電界効果トランジスタを設けた構成が下記（４）、（５）、（６）に提供される。
【００２１】
（４）（１）記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記アノードに接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から（電荷または電流の）電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置
【００２２】
（５）（３）記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記第１バイポーラトランジスタのエミッタに接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から（電荷または電流の）電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【００２３】
（６）（３）記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタと１つまたは複数のバイポーラトランジスタを設け、前記第１バイポーラトランジスタのエミッタは該１つまたは複数の第２バイポーラトランジスタの内の一つのベースに接続され、第２バイポーラトランジスタが複数の場合は更にベースとエミッタが相互接続され、ベースに接続されない残余のエミッタは第２ソース・ドレインの一方に接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から（電荷または電流の）電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【００２４】
本発明の（１）記載の光電変換装置の構造として下記の構造例が提供される。
【００２５】
（７）第１導電型を有する第１半導体領域と、
該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型（opposite conductivity）を有する第２半導体領域と、該第２半導体領域と離間して該第１半導体に接して設けられた逆導電型を有する第３半導体領域と、
少なくとも該第２、第３半導体領域に挟まれる該第１領域表面に設けられた第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上に該第２、第３半導体領域を橋渡すごとく設けた第１ゲートから成り、
該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射され、該第２半導体領域と該第１半導体領域間に光電流が流れる光電変換装置において、
該第３半導体領域に該第１半導体領域に対してゼロまたは逆バイアスとなる第２電位を供給し、該第２半導体領域が第１半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる第１電位となった場合に該第１、第２半導体領域間の該第１ゲート下の該第１半導体表面にチャネルまたは電流路が誘起される第１ゲート電位を第１ゲートへ供給することにより、該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射されても、該第２半導体領域が該第１半導体領域に対して深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御することを特徴とする光電変換装置。
【００２６】
前記第１半導体領域と第２半導体領域間の暗電流を削減するために、下記の構造をとることができる。
【００２７】
（８）（７）において前記第２半導体領域の上部を覆うようにかつ前記第１ゲートとはセルフアライン状態で第１導電型の該第４半導体領域を設けたことを特徴とする光電変換装置。通常、前記第４半導体領域は前記第１半導体領域と接続される。
【００２８】
本発明の光電変換装置の光電変換を行う素子がフォトトランジスタのように増幅機能を併せ持つ構造例が下記に提供される。
【００２９】
（９）（７）において、更に前記第２半導体領域に接して第１導電型の第５半導体領域を設け、前記第２半導体領域に流れた電流が、該第５半導体領域または第１半導体領域から増幅して得られることを特徴とする光電変換装置。
【００３０】
本発明の光電変換装置をアレイ化した構成例、撮像装置へ応用した例を下記に提供する。
【００３１】
（１０）交差する第１方向と第２方向に複数個配列された前記（４）または（５）または（６）記載の光電変換装置と、
第１方向へ延在する複数の第１配線と、
第２方向へ延在する複数の第２配線と、
前記第１ゲート電位を供給する少なくとも１つの第３配線と、
前記第２電位を供給する少なくとも１つの第４配線と、
該第１、第２、第３、第４配線は相互に絶縁され、
前記第２電界効果トランジスタのゲートは該第１方向へ延在する複数の第１配線の一つに接続され、前記第２電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方は該第２方向へ延在する複数の第２配線の一つに接続されたことを特徴とする光電変換アレイ。
【００３２】
（１１）（１０）記載の第２ドレインは隣接する光電変換装置で共通部分を有することを特徴とする光電変換アレイ
【００３３】
（１２）（１０）記載の光電変換アレイと、
前記第１配線をスキャンするＸドライブ回路と、
前記第２配線に接続された（複数の）電流または電荷センス回路と、
前記第２配線にソース・ドレインの一方が接続された（複数の）参照電位設定電界効果トランジスタと、
該参照電位設定電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方に接続された参照電位供給手段と、
第３配線に接続された第１ゲート電位供給手段と
第４配線に接続された第２電位供給手段と、
から構成され、
該電流または電荷センス回路は前記第２配線に接続された第１入力端子と第２入力端子を有する差動型であり、該第２入力端子には参照電位が供給されたことを特徴とする撮像装置。
【００３４】
（１３）（１２）記載の参照電位設定電界効果トランジスタは前記センス回路のセンス終了後、前記複数の第１配線の一つに接続された第２電界効果トランジスタがオフになる前に前記第２配線に参照電位を供給する、要すれば前記センス回路のセンス前のすべての第２電界効果トランジスタがオフのときに参照電位を供給することを特徴とする撮像装置。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、光電変換を行う素子での過剰少数キャリアの蓄積が少なくなるように制御されるので、光電変換装置のスイッチング遅延が小さくなり、読み出しの高速化が期待できる。また光電変換素子で構成される複数のセルをアレイ化した場合に隣接セルからの光電流の漏洩を防ぎ、そのアレイを用いた撮像装置から得られる画像のボケ、等価的な解像度の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来のスイッチつきフォトダイオード。
【図２】図１のフォトダイオードに飽和制御電界効果トランジスタを備えた本発明の回路例。
【図３】飽和制御電界効果トランジスタの本発明の動作説明グラフ。
【図４】図２からスイッチ電界効果トランジスタを除いた部分の断面構造例。
【図５ａ】本発明図４に対応する断面構造に第４半導体領域を設けた本発明の実施例の平面図。
【図５ｂ】本発明図４に対応する断面構造に第４半導体領域を設けた本発明の実施例の断面図。
【図６】本発明をフォトトランジスタに適用した実施例の等価回路図。
【図７】図６からスイッチ電界効果トランジスタを除いた部分の断面構造例。
【図８】本発明の光電変換装置を光電変換アレイ化する場合のセル構造例。
【図９】図８のセルの等価回路。
【図１０】本発明の光電変換アレイを用いた撮像装置。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の第１ｐｎ接合をフォトダイオード１０００として実施した例を図２に示す。図１と同じ数字は同じ機能を示す。図２ではフォトダイオード１０００のアノード１００２に前記スイッチ（第２）電界効果トランジスタ３０００のドレイン・ソースの一方に加えて、さらに飽和制御（第１）電界効果トランジスタ３０１０の第１ソース３０１２が接続されている。該第１電界効果トランジスタ３０１０は第１ソース３０１２、第１ドレイン３０１１、第１ゲート３０１３を有し、この実施例ではｐチャネル型である。
【００３８】
図においてカソード電位Ｖｄｄは読出参照電位Ｖｒｅｆより正側の電位である。該第１電界効果トランジスタの第１ゲート３０１３へは第１ゲート電位Ｖｇ１が与えられている。該第１電界効果トランジスタの第１ドレイン３０１１へはＶｄｄと等しいかＶｄｄよりＶｒｅｆ側の電位Ｖｓｉｎｋが供給されている。すなわち、Ｖｓｉｎｋは前記第１ｐｎ接合をゼロバイアスか逆バイアスする前記第２電位である。第１ゲート電位Ｖｇ１はＶｄｄ＋Ｖｔｈと等しいかそれより負側の電位である。これにより、前記第１ｐｎ接合のアノードが前記第１ｐｎ接合がゼロまたは逆バイアスする第１電位となったとき第１電界効果トランジスタが導通する。この例では第１電位はＶｇ１-Ｖｔｈである。この例では第１電界効果トランジスタがエンハンスメント型の場合はＶｔｈは負の値である。なお、フォトダイオードのカソード１００１が飽和制御第１電界効果トランジスタに接続される場合には、前記スイッチ電界効果トランジスタのソース・ドレインの一方もフォトダイオードのカソード１００１へ接続され、アノード電位ＶｄｄはＶｒｅｆより負側の電位であり、第１電界効果トランジスタがエンハンスメント型の場合はＶｔｈは正の値である。
【００３９】
まず、スイッチ（第２）電界効果トランジスタ３０００をオンとしてフォトダイオード１０００のカソード１００２を読出参照電位Ｖｒｅｆとした後、スイッチ電界効果トランジスタをオフとする。この状態で、フォトダイオードのアノード・カソード間の電気容量（主として接合容量）ＣａｎｃはＶｄｄ−Ｖｒｅｆに充電されている。またフォトダイオードのアノードと接地間の浮遊容量ＣａｎｓｔはＶｒｅｆに充電されている。
【００４０】
次に光照射されたフォトダイオードからの光電流ｉｐｈによりＣａｎｃは放電され、Ｃａｎｓｔはさらに充電され、アノード電位ＶａｎはＶｒｅｆからＶｄｄに向かって増加する。蓄積時間ｔｓｔｒ後に再度スイッチ電界効果トランジスタをオンすることによりスイッチ電界効果トランジスタのドレインまたはソースのフォトダイオードに接続されていない他方から電荷（Ｃａｎｃ＋Ｃａｎｓｔ）＊（Ｖａｎ−Ｖｒｅｆ）を読み出すことができる。スイッチ時間をｔｏｎとすれば、その間に平均して電流ｉｏｕｔ＝（Ｃａｎｃ＋Ｃａｎｓｔ）＊（Ｖａｎ−Ｖｒｅｆ）／ｔｏｎが読み出される。ここでは（Ｃａｎｃ＋Ｃａｎｓｔ）＊（Ｖａｎ−Ｖｒｅｆ）を蓄積光電荷と呼んで、過剰少数キャリア蓄積電荷と区別する。
【００４１】
蓄積時間ｔｓｔｒが長いか、光電流ｉｐｈが大きいと、ＶａｎはＶｄｄを超えてアノードがカソードに対して順バイアス関係になりｉｐｈの一部がフォトダイオードに流れはじめる。光電流ｉｐｈがすべてフォトダイオードに流れると、それ以上フォトダイオードの電圧は変化しなくなる。本発明ではこの電圧を「深い順方向電圧」と呼ぶ。太陽電池ではこの電圧を開放電圧と呼んでいる。
【００４２】
この状態では、フォトダイオードを構成する半導体領域（フォトダイオードは少なくとも２つの異なる導電型の半導体領域から構成される）の中に過剰少数キャリアが蓄積される。その量はフォトダイオードに流し込まれる順方向電流にほぼ比例し、この過剰少数キャリアを引き抜くために、スイッチ電界効果トランジスタをオンとしてもＶａｎがＶｄｄ以下になる、すなわちフォトダイオードが逆バイアスされるまでに時間遅れが生ずる。この過剰少数キャリアをゼロにすることは望ましいが、フォトダイオードに流れ込む順方向電流を光電流ｉｐｈの１／１０程度以下に抑えても効果は十分ある。すなわちフォトダイオードが順バイアスされたとしてもその順方向電圧が深い順方向電圧より６０ｍＶ程度以上小さく制御できればよい。もちろんフォトダイオードのアノード・カソード間電圧をゼロから逆バイアス電圧に制御できれば申し分ない。
【００４３】
次に飽和制御用に設けられた第１電界効果トランジスタ３０１０の動作を説明する。説明を簡単にするために第１ゲート電位Ｖｇ１をＶｄｄ＋Ｖｔｈとする。Ｖｔｈは通常負の電圧であるから、｜Ｖｔｈ｜だけＶｄｄよりＶｒｅｆ側の電位である。フォトダイオードのアノード１００２が光電流で放電され、ＶａｎがＶｒｅｆからＶｄｄへ変化すると、アノード１００２と第１ソース３０１２とは接続されているから、第１電界効果トラジスタ３０１０はオンとなり、光電流をソース３０１２からドレイン３０１１へバイパスし始める。そのためＶａｎはＶｄｄを超えてさらに大きく正の電位にはならない。すなわち、フォトダイオード１０００のカソード１００１はＶｄｄであるからＶａｎ−Ｖｄｄで計算されるフォトダイオード１０００のアノード・カソード間電圧は深く順方向電圧にバイアスされることはない。
【００４４】
該第１電界効果トランジスタのＶｔｈをソース・ドレイン間にたとえば１μＡ（の飽和電流）が流れるゲート・ソース間電圧と定義すれば、５０μｍ□以下の受光面積を有するフォトダイオードであれば、昼間の外光にたいしてもアノード・カソード電圧は０Ｖ近傍にクランプされる。第１電界効果トランジスタによりバイパスされる電流Ｉｓｉｎｋは図３に示すようにＶａｎがＶｒｅｆからＶｇ１−Ｖｔｈに近くなると指数関数的に増加して、Ｖｇ１−ＶｔｈではＩｔｈ（たとえば１μＡ）となる。いわゆる第１電界効果トランジスタのオフ電流値ＩｏｆｆはｐＡレベルに設計できるから、ショットキダイオードを並列接続したときに比べてフォトダイオードの等価暗電流に加算される電流は小さい。ＶａｎがＶｇ１−Ｖｔｈ−０．４〜０．５ＶからＶｇ１−Ｖｔｈまで変化する間にＩｓｉｎｋはＩｏｆｆのレベルからＩｔｈまで増加する。このＶａｎの変化幅０．４〜０．５Ｖはｓ＊ｌｏｇ（Ｉｔｈ／Ｉｏｆｆ）で与えられる。ここでｓはいわゆるsub-threshold slopeと呼ばれるデバイスパラメータである。
【００４５】
アノード・カソード間電圧を逆バイアス範囲に止めるためには前記第１ゲート電位Ｖｇ１をＶｄｄ＋ＶｔｈよりＶｒｅｆ側に設定すればよい。フォトダイオード１０００の受光面積が５０μｍ□より大きく真夏の直射太陽光を受ける場合の光電流ｉｐｈに対しても飽和制御するためには、同様な第１ゲート電位Ｖｇ１の設定と、第１電界効果トランジスタ３０１０のチャネル幅を、光電流を流すことができる幅Ｗに設定する。すなわち、ｉｐｈがＩｔｈより大きいときは、Ｖｇ１＜Ｖｄｄ＋Ｖｔｈとして、
Ｗ＝（ｉｐｈ−Ｉｔｈ）＊２Ｌ／（μＣｏｘ（Ｖｇ１−Ｖｄｄ−Ｖｔｈ）２）
ここでＬはチャネル長、Ｃｏｘはゲート絶縁膜単位面積電気容量である。
【００４６】
図２の本発明の光電変換装置のフォトダイオード１０００と第１電界効果トランジスタ３０１０部分のもっとも簡単な断面図例を図４に示す。１０１は第１導電型第１半導体領域、１０２は逆導電型第２半導体領域である。該第１半導体領域１０１と該第２半導体領域１０２の接合面で前記第１ｐｎ接合を形成する。該第２半導体領域１０２と該第１半導体領域の該第２半導体領域近傍（少数キャリア拡散長以内）部分とで該フォトダイオード１０００を形成する。
【００４７】
３１１は前記第２半導体領域１０２と離間して設けられた逆導電型の第３半導体領域で、前記第１電界効果トランジスタ３０１０の第１ドレインである。３１４は前記第１電界効果トランジスタの第１ゲート絶縁膜であり、少なくとも前記第２半導体領域と第３半導体領域の一部とその間に挟まれている前記第１半導体領域表面に接して設けられている。３１３は前記第１電界効果トランジスタの第１ゲートで前記第２半導体領域と第３半導体領域を橋渡すように該第１ゲート絶縁膜に接して設けられている。前記第１電界効果トランジスタの第１ソースはこの実施例ではフォトダイオードと第２半導体領域１０２を共有している。第１電界効果トランジスタのチャネルは該第２半導体領域と該第３半導体領域にはさまれた該第１半導体領域表面に該第１ゲートからの電界で誘起・消滅する。
【００４８】
該第１半導体領域は半導体基板そのものでも良いし、半導体基板または絶縁基板表面に電気的に分離されて設けられた領域でもよい。
【００４９】
図２と同じバイアスを与えるためには、前記第１半導体領域１０１へＶｄｄ、該第３半導体領域３１１へＶｄｄ＋Ｖｔｈ以下たとえばＶｒｅｆ、０Ｖなどの電位Ｖｓｉｎｋを、第１ゲート３１３へＶｇ１を供給する。
【００５０】
図５ａ、図５ｂは図４の構造にさらに前記第２半導体領域表面上に設けた第１導電型の第４半導体領域１０４とスイッチ電界効果トランジスタ（第２電界効果トラジスタ）３０００を追加した平面図（図５ａ）と断面図（図５ｂ）である。図５ｂは図５ａの平面図の１−１’線に沿って切断した断面図である。図５ａ、図５ｂで、３０１は前記第２半導体領域と離間して第１半導体領域表面に接して設けられた逆導電型の第５半導体領域で、前記スイッチ電界効果トランジスタ３０００の第２ドレインである。３０４は前記スイッチ電界効果トランジスタの第２ゲート絶縁膜であり、少なくとも前記第２半導体領域と該第５半導体領域の一部とその間に挟まれている前記第１半導体領域表面に接して設けられている。３０３は前記スイッチ電界効果トランジスタの第２ゲートで前記第２半導体領域と該第５半導体領域を橋渡すように該第２ゲート絶縁膜３０４に接して設けられている。該スイッチ電界効果トランジスタのソースはこの実施例では前記フォトダイオード１０００と前記第２半導体領域１０２を共有している。該スイッチ電界効果トランジスタ３０００のチャネルは前記第２半導体領域と該第５半導体領域にはさまれた該第１半導体領域表面に該第２ゲート３０３からの電界で誘起・消滅する。
【００５１】
図５ａ、図５ｂでは、前記第４半導体領域１０４は前記第２半導体領域上から第１半導体領域まで延在させることができる。前記第２半導体領域端部に第１ゲート３１３、第２ゲート３０３が位置する部分では、該ゲートと絶縁層を介してセルフアライン（self-align）させて形成することができる。前記第４半導体領域はフォトダイオード１０００の暗電流を小さく、安定化させる効果がある。さらにフォトダイオードのアノード・カソード間容量Ｃａｎｃを増加させ、光蓄積電荷の蓄積上限を増加させる効果がある。
【００５２】
図５ａ、図５ｂでスイッチ電界効果トランジスタの第２ドレイン３０１である第５半導体領域には、電位Ｖｒｅｆが供給されており、第２ゲート３０３（電位Ｖｇ０）にはスイッチ電界効果トランジスタ３０００をオフとするときにはＶｄｄを、オンとするときにはＶｒｅｆ＋Ｖｔｈより負側の電位を供給する（スイッチ電界効果トランジスタ３０００がｐチャネルの場合）。光蓄積電荷を読み出すときは、スイッチ電界効果トランジスタ３０００の第２ドレイン３０１から電荷またはスイッチ時間に流れる電流として読み出すことができる。同様にフォトダイオード１０００のカソード１０１からも読み出すことができる。
【００５３】
なお、上記飽和制御電界効果トランジスタ３０１０と上記スイッチ電界効果トランジスタ３０００を１つの電界効果トランジスタで共用することができる。まず、図２において、上記スイッチ電界効果トランジスタ３０００を取り外す。この回路の断面図例は図４そのものである。最初にフォトダイオードのアノード・カソード間電気容量ＣａｎｃをＶｄｄ−Ｖｒｅｆに充電するときは第１電界効果トランジスタの第１ドレイン３１１へＶｒｅｆ、第１ゲート３１３へＶｒｅｆ＋Ｖｔｈより負側の電位を供給する。次に光電荷蓄積フェーズのときは、第１ドレイン３１１の電位は変える必要がなく、第１ゲートへ電位Ｖｇ１（≦Ｖｄｄ＋Ｖｔｈ）を供給する。光蓄積電荷をまたはそれを電流として読み出すときは再び、第１ゲート３１３へＶｒｅｆ＋Ｖｔｈより負側の電位を供給する。この第１ゲート３１３への電位切り替えに同期して（センスアンプを電界効果トランジスタスイッチで接続または活性化して）、電荷または電流を第１ドレイン３１１から読み出すか、フォトダイオードのカソード１０１から読み出すことができる。フォトダイオードのカソードから読み出す場合は第１ゲートと同期したセンスアンプ接続または活性化作業は不要である。なお、活性化とはセンスアンプ入力をＶｒｅｆ電位に接続しておき読み出すフェーズで接続手段をオフにすることをさす。
【００５４】
図６は本発明の第１ｐｎ接合をフォトトランジスタのベース・コレクタ接合に適用した実施例である。フォトトランジスタ１０１０のベース１０１２へ第１電界効果トランジスタ３０１０のソース３０１２を接続し、ベース・コレクタ接合の飽和を制御する。第１ゲートへは前記Ｖｇ１を供給し、第１ドレイン３０１１へはＶｄｄ＋Ｖｔｈ以下たとえばＶｒｅｆ、０Ｖなどの第２電位Ｖｓｉｎｋを供給する。該フォトトランジスタのコレクタ１０１１へはＶｄｄを供給する。この場合、第１電位はＶｇ１-Ｖｔｈであり、コレクタ電位（この場合はＶｄｄ）と等しいか負側（ｎｐｎトランジスタの場合、ｐｎｐトランジスタの場合は等しいか正側）となるようにＶｇ１を設定する。エミッタ１０１３へはスイッチ電界効果トランジスタ３０００のソース・ドレインの一方を接続し、スイッチ電界効果トランジスタ３０００のソース・ドレインの他方へはＶｒｅｆを供給する。
【００５５】
まず、スイッチ電界効果トランジスタ３０００をオンとしてフォトトランジスタ１０１０のエミッタ１０１３を読出参照電位Ｖｒｅｆとした後、スイッチ電界効果トランジスタ３０００をオフとする。この状態で、フォトトランジスタ１０１０のベース・コレクタ間の電気容量（主として接合容量）ＣｂｃはＶｄｄ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅに充電されている。またフォトトランジスタ１０１０のベースとエミッタ間の電気容量ＣｂｅはＶｂｅに、ベースと接地間の浮遊容量ＣｂｓｔはＶｒｅｆ＋Ｖｂｅに充電されている。ここでＶｂｅはベースからエミッタへ光電流が流れたときのベース・エミッタ間順方向電圧である。光電流はフォトトランジスタ１０１０のコレクタまたはベースへの光照射により発生し、フォトトランジスタ１０１０のエミッタ、コレクタから増幅されて出力する。
【００５６】
次に光照射されたフォトトランジスタ１０１０のベース１０１２からの光電流ｉｐｈによりＣｂｃは放電され、Ｃｂｓｔはさらに充電され、ベース電位ＶｂはＶｒｅｆ＋ＶｂｅからＶｄｄに向かって増加する。蓄積時間ｔｓｔｒ後に再度スイッチ電界効果トランジスタ３０００をオンすることによりスイッチ電界効果トランジスタのドレイン・ソースの他方から増幅された電荷（ｈＦE＋１）（Ｃｂｃ＋Ｃｂｓｔ）＊（Ｖｂ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅ）を読み出すことができる。スイッチ時間をｔｏｎとすれば、その間に平均して増幅された電流ｉｏｕｔ＝（ｈＦE＋１）（Ｃｂｃ＋Ｃｂｓｔ）＊（Ｖｂ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅ）／ｔｏｎが読み出される。ここでは（Ｃｂｃ＋Ｃｂｓｔ）＊（Ｖｂ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅ）を蓄積光電荷と呼んで、過剰少数キャリア蓄積電荷と区別する。ｈＦEはフォトトランジスタ１０１０の増幅率である。なお、フォトトランジスタ１０１０のベースとエミッタ間の電気容量Ｃｂｅの電圧はほぼＶｂｅのままであるので、ここでは読み出しに考慮していない。
【００５７】
飽和の制御は第１電界効果トランジスタ３０１０の第１ゲート３０１３へＶｇ１（第１ソースが第１電位となったときに第１電界効果とランジスタがオンとなるための第１ゲート電位）を供給し、第１ドレインへＶｄｄ＋Ｖｔｈ以下のＶｒｅｆ、０Ｖ等の第２電位Ｖｓｉｎｋを供給することにより、フォトダイオードのときと同様に達成される。
【００５８】
図６の本発明の光電変換装置のフォトトランジスタ１０１０と第１電界効果トランジスタ３０１０部分の断面図例を図７に示す。１０１は第１導電型第１半導体領域で本実施例ではこの一部がフォトトランジスタ１０１０のコレクタとして機能する。１０２は該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型第２半導体領域であり本実施例ではフォトトランジスタ１０１０のベースとして機能する。１０３は該第２半導体領域と接して設けられた第１導電型の第６半導体領域でフォトトランジスタ１０１０のエミッタとして機能する。該第１半導体領域１０１と該第２半導体領域２０２の接合面で前記第１ｐｎ接合を形成する。該第２半導体領域１０２と該第１半導体領域の該第２半導体領域近傍（少数キャリア拡散長以内）部分とで光照射によって発生した電流が該第２半導体領域（本実施例ではベース）から光電流として得られる。
【００５９】
第１導電型の第４半導体領域１０４は第１ゲートとセルフアライン状態で前記第２半導体領域１０２表面に設けられており、第２半導体領域１０２が第１半導体領域１０１と接する表面部分では第４半導体領域１０４は第１半導体領域１０１へ延在して設けられている。また該第４半導体領域１０４は前記第６半導体領域１０３と離間して設けられている。該第４半導体領域１０４と前記第６半導体領域１０３との間のリーク電流路を防ぐためと電流増幅率の一定性を確保するために第７半導体領域１０７を該第４半導体領域１０４は前記第６半導体領域１０３との間の前記第２半導体領域の表面に設けることができる。第７半導体領域は逆導電型で、第２半導体領域よりも高不純物濃度を有する。
【００６０】
３１１は前記第２半導体領域１０２と離間して設けられた逆導電型の第３半導体領域で、前記第１電界効果トランジスタ３０１０の第１ドレインである。３１４は前記第１電界効果トランジスタの第１ゲート絶縁膜であり、少なくとも前記第２半導体領域と第３半導体領域の一部とその間に挟まれている前記第１半導体領域表面に接して設けられている。３１３は前記第１電界効果トランジスタの第１ゲートで前記第２半導体領域と第３半導体領域を橋渡すように該第１ゲート絶縁膜に接して設けられている。前記第１電界効果トランジスタの第１ソースはこの実施例ではフォトトランジスタと第２半導体領域１０２を共有している。第１電界効果トランジスタのチャネルは該第２半導体領域と該第３半導体領域にはさまれた該第１半導体領域表面に該第１ゲートからの電界で誘起・消滅する。該第１半導体領域は半導体基板そのものでも良いし、半導体基板または絶縁基板表面に電気的に分離されて設けられた領域でもよい。
【００６１】
なお、上記スイッチ第２電界効果トランジスタ３０００がない場合でも本発明の技術はフォトトランジスタに対しても実施できる。まず、図６において、上記スイッチ第２電界効果トランジスタ３０００を取り外す。この回路の断面図例は図７そのものである。最初にフォトトランジスタ１０１０のベース・コレクタ間電気容量ＣｂｃをＶｄｄ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅに充電、ＣｂｓｔへＶｒｅｆを充電するときはコレクタ１０１１へＶｄｄを供給し、エミッタ１０１３へＶｒｅｆを供給する。次に光電荷をＣｂｃ＋Ｃｂｓｔへ蓄積するためには、エミッタ１０１３をＶｄｄまたはＶｄｄ以上電位にスイッチする。このときベース・エミッタ接合は逆バイアスされ、ベース１０１２が浮遊状態となるので、ベースから流れ出す光電流によりＣｂｃの放電、Ｃｂｓｔの充電が始まる。第１電界効果トランジスタの第１ドレイン３１１へＶｓｉｎｋ、第１ゲートへ電位Ｖｇ１（≦Ｖｄｄ＋Ｖｔｈ）を供給することにより飽和の制御が可能となる。
【００６２】
光蓄積電荷を読み出すときは再び、エミッタ１０１３をＶｒｅｆに戻す。このエミッタ１０１３の電位切り替えに同期して（センスアンプを電界効果トランジスタスイッチで接続または活性化して）、光蓄積電荷またはそれを変換した電流をエミッタ１０１３から読み出すか、コレクタ１０１１から読み出すことができる。コレクタから読み出す場合はセンスアンプのスイッチ接続または活性化は不要である。
【００６３】
以上の説明で電位関係の大小、極性は電界効果トランジスタがｐチャネルの場合であったが、ｎチャネルの場合は大小関係、極性が逆になる。
【００６４】
本発明の光電変換装置をアレイ状に展開するにあたって、ユニットセルを図８に例を示すようにＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４で示される４種類を一組として、横、縦に配置することによって面積効率のよいアレイを構成することが出来る。飽和制御作用を司る第１電界効果トランジスタ３０１０の第１ドレイン３１１の引き出し配線Ｍ２３１１、第１ゲート３１３の引き出し配線Ｍ１３１３を隣接するセルと共用することにより面積効率を得ている。図８ではＭ２３１１とＭ１３１３は平面的には交差しているが、２層配線構造を適用し、２つの配線間は層間絶縁膜で絶縁されているので、電気的に短絡（electrically short-circuited）することはない。
【００６５】
図８では１つのセル内にフォトトランジスタの他に、更に増幅用の第２バイポーラトランジスタ２０１０を加えている。フォトトランジスタ１０１０のエミッタとして機能する第５半導体領域１０３が、逆導電型の領域２１７を介して該第２バイポーラトランジスタ２０１０のベースとして機能する逆導電型の半導体領域２１２に接続されている。該第２バイポーラトランジスタ２０１０のエミッタとして機能する第１導電型の半導体領域２１３が前記第２電界効果トランジスタのソース・ドレインの一方３０２に接続されている。図８の１つのセルの等価回路を図９に示す。
【００６６】
本発明を用いた撮像装置の例として、上記セルを展開したアレイと、該アレイのスイッチ第２電界効果トランジスタの第２ゲート３０３をＸ方向へ接続した複数の第１配線Ｍ１３０３−１、Ｍ１３０３−２、Ｍ１３０３−３、・・・、Ｍ１３０３−ｎをスキャンするＹドライブ回路９０１０、スイッチ第２電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方３０１をＹ方向へ接続した複数の出力線（第２配線）Ｍ２３０１−１、Ｍ２３０１−２、Ｍ２３０１−３、・・・、Ｍ２３０１−ｍに前記第１入力端子が接続された電流または電荷センス回路９０２０（複数、単数の場合は切替用電界効果とランジスタを介して接続）および参照電位設定電界効果トランジスタ３０９０（複数、単数の場合は切り替え用電界効果とランジスタを介して接続）からなる図１０に例を示す構成が提供される。該電流または電荷センス回路９０２０は前記第２入力端子（参照電位入力端子）９２２を有する差動型である。
【００６７】
前記センス回路９０２０の参照電位入力端子９２２へは参照電位供給手段６００１から参照電位Ｖｒｅｆが供給される。参照電位設定電界効果トランジスタ３０９０−１、３０９０−２、３０９０−３、・・・、３０９０−ｍのソース・ドレインの一方はそれぞれ、出力線（第２配線）Ｍ２３０１−１、Ｍ２３０１−２、Ｍ２３０１−３、・・・、Ｍ２３０１−ｍに接続され、該ソース・ドレインの他方へは該参照電位供給手段６００１から参照電位Ｖｒｅｆが供給される。前記センス回路９０２０−１、９０２０−２、９０２０−３、・・・、９０２０−ｍの出力は並列直列変換回路９０３０によりシリアル（serial）信号に変換される。
【００６８】
該出力線はセンス後、必要に応じてセンス前のすべてのスイッチ電界効果トランジスタがオフのときに参照電位設定電界効果トランジスタ３０９０により参照電位Ｖｒｅｆに充電される。前記飽和制御用第１電界効果トランジスタ３０１０のゲートの引き出し配線（第３配線）Ｍ２３１３には第１ゲート電位Ｖｇ１がチップ外からまたはチップ内でＶｄｄ＋Ｖｔｈと等しいか負側の電位発生回路により与えられる。前記飽和制御用第１電界効果トランジスタ３０１０のドレイン３１１の引き出し配線（第４配線）Ｍ２３１１には第２電位Ｖｓｉｎｋが与えられる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は光電変換を利用する、センサー、事務機器、科学機器の応用分野を広げる目的で利用される。高感度の光電変換装置、撮像装置を部分的に光強度、光照度の大きい環境で使う時のスイッチ遅れ、像の滲みを軽減して、利用範囲を拡大する。
【符号の説明】
【００７０】
１０１ ：第１半導体領域
１０２ ：第２半導体領域
１０４ ：第４半導体領域
１０７ ：第７半導体領域
２１２ ：第２バイポーラトランジスタ２０１０のベースとして機能する逆導電型の半導体領域
２１７ ：第２バイポーラトランジスタ２０１０の逆導電型領域
３０１ ：第２ドレイン
３０３ ：第２ゲート
３０４ ：第２ゲート絶縁膜
３１１ ：第３半導体領域、第１ドレイン
３１３ ：第１ゲート
３１４ ：第１ゲート絶縁膜
１０００ ：フォトダイオード
１００１ ：フォトダイオードのカソード
１００２ ：フォトダイオードのアノード
１０１０ ：フォトトランジスタ
１０１１ ：フォトトランジスタのコレクタ
１０１２ ：フォトトランジスタのベース
１０１３ ：フォトトランジスタのエミッタ
２０１０ ：第２バイポーラトランジスタ
３０００ ：（スイッチ）第２電界効果トランジスタ
３０１０ ：（飽和制御）第１電界効果トランジスタ
３０１１ ：第１ドレイン
３０１２ ：第１ソース
３０１３ ：第１ゲート
１００１−ｉ−ｊ（ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ） ：本発明の撮像装置用アレイを構成するセル
３０９０ ：参照電位設定電界効果トランジスタ
６００１ ：参照電位供給手段
９０１０ ：Ｙドライブ回路
９０２０ ：電流または電荷センス回路
９０３０ ：並列直列変換回路
Ｍ１３１３ ：第１ドレイン３１１の引き出し配線（第４配線）
Ｍ１３０３ ：第２ゲート３０３をＸ方向へ接続した複数の第１配線
Ｍ２３０１ ：スイッチ第２電界効果トランジスタ３０００のソース・ドレインの他方３０１をＹ方向へ接続した複数の出力線（第２配線）
Ｍ２３１１ ：第１ゲート３１３の引き出し配線（第３配線）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光強度、光波長などの光情報、光学像を、電流、電荷若しくは電圧又はデジタルデータを含む電子情報に変換する光電変換装置に関し、特に、性能が改善された光電変換装置に関する。本発明は更に、本発明を適用した光電変換セル、それをアレイ構成とした光電変換アレイ及びそれから構成される撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は光電変換機能を有する第１ｐｎ接合の一端を電気的に浮遊状態として該第１ｐｎ接合を流れる光電流を一定時間電荷として蓄積してまたは後述のように光電流で蓄積電荷を放電した結果を電気信号として検出する場合、光強度が該蓄積時間（積分時間ともいう）に対して大きいと該ｐｎ接合の一端に接続されている電気容量の充放電が過剰に進行し、該第１ｐｎ接合には該光電流が順方向に流れるようになり、深い順方向電圧にバイアスされ、該第１ｐｎ接合を構成する互いに逆導電型の２つの半導体領域の中にそれぞれ過剰少数キャリアが蓄積されるため、該第１ｐｎ接合を逆バイアス方向へスイッチングしようとすると、少数キャリアの寿命（lifetime）に関連した「飽和時間」と呼ばれる時間の間は逆バイアスにスイッチングされる時間が遅れて応答速度が損なわれるという問題があった。この現象を飽和現象という。
【０００３】
ｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされるのを防ぐ技術としては、該ｐｎ接合にショットキ（Schottky）接合を並列接続する技術が知られていた（特許文献１参照）。同じ電流がｐｎ接合に流れる場合とショットキ接合に流れる場合とで、順方向電圧がショットキ接合のほうが小さいのでほとんどの電流がｐｎ接合でなく、並列に接続されているショットキ接合に流れて、ｐｎ接合が深くバイアスされるのを防ぐことができる。しかし、ショットキ接合の逆方向電流がｐｎ接合と桁違いに大きいので光電変換素子としての総合的な暗電流が増加し高感度光電変換装置には使用できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭４７−１８５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では上記のように光電変換機能を有する第１ｐｎ接合が「深い順方向電圧にバイアスされる」いわゆる飽和状態を防止するが、該第１ｐｎ接合の逆方向電流にショットキ接合の逆方向電流ほど大きくならない技術の提供を課題とする。
【０００６】
なお本発明では「深い順方向電圧にバイアスされる」とは該光電流がすべて該第１ｐｎ接合へ流れたときの該第１ｐｎ接合の順方向電圧状態を指し、たとえば光電流の１／１０以下しか流れない状態では、上記飽和時間も１／１０程度に改善されるので、問題が改善されたとみなす。その場合の該第１ｐｎ接合の順方向電圧は該「深い順方向電圧にバイアスされた」状態より２．３ｋＴ／ｑ（＝室温では約６０ｍＶ）だけ小さい。放置しておけばｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされる環境で、ｐｎ接合をこの深い順方向電圧よりも２．３ｋＴ／ｑだけ小さく順方向バイアスされた状態、および、ｐｎ接合をゼロバイアスまたは逆バイアス状態に保つことを「飽和制御」と本発明では呼ぶ。ここでｋはボルツマン（Boltzman）定数、Ｔは該光電変換装置の絶対温度、ｑは電子の電荷素量である。
【０００７】
また第１導電型の第１半導体領域に接して逆導電型の第２半導体領域を設けることでこの第１ｐｎ接合を形成した場合、この蓄積された過剰少数キャリアは該第１ｐｎ接合の位置から該第１半導体領域の中に少数キャリアの拡散長の範囲に広がる。同様に第２半導体領域の中にもこの蓄積された過剰少数キャリアは該第１ｐｎ接合から少数キャリアの拡散長の範囲に広がる。なお、少数キャリアの拡散長はキャリアの種類（電子または正孔）、半導体領域の電気特性によって異なる。したがって第１半導体領域と第２半導体領域では拡散長の値は異なる。
【０００８】
更に、この拡散長の距離に光電変換機能を有する別の第２ｐｎ接合を設けると、該別の第２ｐｎ接合近傍に光が当たっていなくても該別の第２ｐｎ接合に電流が流れ、あたかも該第２ｐｎ接合の位置にも光が当たっているかのような誤動作を生ずる。この問題は第１半導体領域中に光電変換機能を有する複数のｐｎ接合など光電変換素子を配列して光電変換素子アレイを形成し、撮像装置を作った場合に、映像のボケを生じ、等価的に解像度が落ちた結果となる。
【０００９】
本発明ではこの映像のボケ、解像度の等価的な劣化を改善することも課題とする。
【００１０】
更に具体例で上記課題を説明する。フォトダイオードを具体例とした光電変換素子により、光情報（光強度、波長成分など）を電子情報へ変換して出力する方法を図１に示す。図に示すように上記第１ｐｎ接合に相当するフォトダイオード１０００のアノード１００２を、スイッチとして動作する電界効果トランジスタ３０００のソースまたはドレインへ接続した具体例を用いて説明する。該スイッチとして動作する電界効果トランジスタ３０００（以後「スイッチ電界効果トランジスタ」と略称）は、光照射時の光電流を該光電変換素子に付随する電気容量（この場合はアノード・カソード間電気容量Ｃａｎｃ）へ一時蓄積する目的で、該フォトダイオードのアノード１００２を蓄積時間の間浮遊状態にするためにオフとし、該蓄積された電荷を電流または電荷として取り出しのためにオンとする。
【００１１】
まずスイッチ電界効果トランジスタ３０００をオンとしてフォトダイオードの一端（図の場合はアノード１００２）をＶｒｅｆ電位とする。このとき、フォトダイオード１０００のアノード・カソード間電気容量はＶｄｄ−Ｖｒｅｆの電圧が充電される。ここで、Ｖｄｄは電源電圧、Ｖｒｅｆは読み出し時参照電圧である。
【００１２】
次にスイッチ電界効果トランジスタ３０００をオフにして光電変換素子に光を照射すると、フォトダイオード１０００のｐｎ接合で分離生成された光電流がフォトダイオード１０００のアノード１００２からフォトダイオードのアノード・カソード間電気容量Ｃａｎｃへ流れ込み、Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆだけ充電されていた初期状態から放電され、カソード電位はＶｄｄに向けて上昇してゆく。このように実際はアノード・カソード間電気容量Ｃａｎｃは該光電流により放電されるが、本発明では便宜上「光電流を電荷として蓄積する」と表現する場合がある。
【００１３】
オフ時間が長いか、光電流が大きいと、フォトダイオード１０００のアノード１００２はＶｄｄを越えカソード１００１と順方向電位となる。該光電流がすべてフォトダイオード１０００のアノード・カソード間に流れたとき最高値に達し、順方向電位の増加は停止する。本発明ではこの状態を深い順方向電圧にバイアスされたと称する。この状態ではフォトダイオード１０００を構成する半導体領域に過剰な少数キャリアが蓄積され、フォトダイオード１０００を逆バイアス方向へスイッチするとき動作の遅れが生ずる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では上記課題を解決するために次の各技術を提供する。
【００１５】
（１）光電変換機能を有する第１ｐｎ接合と
第１ソース、第１ドレイン、第１絶縁ゲートを有する第１電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、
該第１ｐｎ接合は少なくとも２つの異なる導電型の半導体領域から構成され、その１方の半導体領域と、該第１電界効果トランジスタの第１ソースとが接続され、
該２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射され、第１ｐｎ接合に光電流が流れる光電変換装置において、
該第１電界効果トランジスタは該２つの異なる導電型の半導体領域の該１方の領域と同一導電型のチャネルを有し、
該第１電界効果トランジスタの第１ドレインに、該２つの異なる導電型の半導体領域の該他方の半導体領域の電位に対して該第１ｐｎ接合がゼロバイアスまたは逆バイスとなる第２電位を供給し、
該第１電界効果トランジスタの第１ソースが接続されている該１方の半導体領域が該他方の半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる第１電位となった場合に該第１電界効果トランジスタが導通する第１ゲート電位を第１絶縁ゲートへ供給することにより、
該２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射されても、該第１ｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御することを特徴とする光電変換装置。
【００１６】
上記２つの異なる導電型の半導体領域の一方から前記第１電界効果トランジスタのソースを通して上記光電流の大部分（たとえば９割以上）をドレインへ流し、上記２つの異なる導電型の半導体領域の他方の半導体領域との間が深い順方向電圧にバイアスされないよう制御するためには前記第1ゲート電位は下記の電位条件に予め設定される必要がある。
【００１７】
（２）（１）において前記第１ゲート電位と前記２つの異なる導電型の半導体領域の他方の半導体領域の電位との差の絶対値は前記第１電界効果トランジスタのゲート閾値電圧の絶対値と等しいかそれ以上であることを特徴とする光電変換装置。
【００１８】
本発明の光電変換装置の光電変換を行う素子がフォトトランジスタである場合は、下記の構成をとる。
【００１９】
（３）（１）において前記第１ｐｎ接合は第１バイポーラトランジスタのベース・コレクタ接合であり、前記第１バイポーラトランジスタのベースと該第１電界効果トランジスタのソースとが接続されていることを特徴とする光電変換装置。
【００２０】
本発明の光電変換装置を選択、光電荷蓄積、電子情報読み出しのための第２電界効果トランジスタを設けた構成が下記（４）、（５）、（６）に提供される。
【００２１】
（４）（１）記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記アノードに接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から（電荷または電流の）電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置
【００２２】
（５）（３）記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記第１バイポーラトランジスタのエミッタに接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から（電荷または電流の）電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【００２３】
（６）（３）記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタと１つまたは複数のバイポーラトランジスタを設け、前記第１バイポーラトランジスタのエミッタは該１つまたは複数の第２バイポーラトランジスタの内の一つのベースに接続され、第２バイポーラトランジスタが複数の場合は更にベースとエミッタが相互接続され、ベースに接続されない残余のエミッタは第２ソース・ドレインの一方に接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から（電荷または電流の）電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【００２４】
本発明の（１）記載の光電変換装置の構造として下記の構造例が提供される。
【００２５】
（７）第１導電型を有する第１半導体領域と、
該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型（opposite conductivity）を有する第２半導体領域と、該第２半導体領域と離間して該第１半導体に接して設けられた逆導電型を有する第３半導体領域と、
少なくとも該第２、第３半導体領域に挟まれる該第１領域表面に設けられた第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上に該第２、第３半導体領域を橋渡すごとく設けた第１ゲートから成り、
該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射され、該第２半導体領域と該第１半導体領域間に光電流が流れる光電変換装置において、
該第３半導体領域に該第１半導体領域に対してゼロまたは逆バイアスとなる第２電位を供給し、該第２半導体領域が第１半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる第１電位となった場合に該第１、第２半導体領域間の該第１ゲート下の該第１半導体表面にチャネルまたは電流路が誘起される第１ゲート電位を第１ゲートへ供給することにより、該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射されても、該第２半導体領域が該第１半導体領域に対して深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御することを特徴とする光電変換装置。
【００２６】
前記第１半導体領域と第２半導体領域間の暗電流を削減するために、下記の構造をとることができる。
【００２７】
（８）（７）において前記第２半導体領域の上部を覆うようにかつ前記第１ゲートとはセルフアライン状態で第１導電型の該第４半導体領域を設けたことを特徴とする光電変換装置。通常、前記第４半導体領域は前記第１半導体領域と接続される。
【００２８】
本発明の光電変換装置の光電変換を行う素子がフォトトランジスタのように増幅機能を併せ持つ構造例が下記に提供される。
【００２９】
（９）（７）において、更に前記第２半導体領域に接して第１導電型の第５半導体領域を設け、前記第２半導体領域に流れた電流が、該第５半導体領域または第１半導体領域から増幅して得られることを特徴とする光電変換装置。
【００３０】
本発明の光電変換装置をアレイ化した構成例、撮像装置へ応用した例を下記に提供する。
【００３１】
（１０）交差する第１方向と第２方向に複数個配列された前記（４）または（５）または（６）記載の光電変換装置と、
第１方向へ延在する複数の第１配線と、
第２方向へ延在する複数の第２配線と、
前記第１ゲート電位を供給する少なくとも１つの第３配線と、
前記第２電位を供給する少なくとも１つの第４配線と、
該第１、第２、第３、第４配線は相互に絶縁され、
前記第２電界効果トランジスタのゲートは該第１方向へ延在する複数の第１配線の一つに接続され、前記第２電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方は該第２方向へ延在する複数の第２配線の一つに接続されたことを特徴とする光電変換アレイ。
【００３２】
（１１）（１０）記載の第２ドレインは隣接する光電変換装置で共通部分を有することを特徴とする光電変換アレイ
【００３３】
（１２）（１０）記載の光電変換アレイと、
前記第１配線をスキャンするＸドライブ回路と、
前記第２配線に接続された（複数の）電流または電荷センス回路と、
前記第２配線にソース・ドレインの一方が接続された（複数の）参照電位設定電界効果トランジスタと、
該参照電位設定電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方に接続された参照電位供給手段と、
第３配線に接続された第１ゲート電位供給手段と
第４配線に接続された第２電位供給手段と、
から構成され、
該電流または電荷センス回路は前記第２配線に接続された第１入力端子と第２入力端子を有する差動型であり、該第２入力端子には参照電位が供給されたことを特徴とする撮像装置。
【００３４】
（１３）（１２）記載の参照電位設定電界効果トランジスタは前記センス回路のセンス終了後、前記複数の第１配線の一つに接続された第２電界効果トランジスタがオフになる前に前記第２配線に参照電位を供給する、要すれば前記センス回路のセンス前のすべての第２電界効果トランジスタがオフのときに参照電位を供給することを特徴とする撮像装置。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、光電変換を行う素子での過剰少数キャリアの蓄積が少なくなるように制御されるので、光電変換装置のスイッチング遅延が小さくなり、読み出しの高速化が期待できる。また光電変換素子で構成される複数のセルをアレイ化した場合に隣接セルからの光電流の漏洩を防ぎ、そのアレイを用いた撮像装置から得られる画像のボケ、等価的な解像度の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来のスイッチつきフォトダイオード。
【図２】図１のフォトダイオードに飽和制御電界効果トランジスタを備えた本発明の回路例。
【図３】飽和制御電界効果トランジスタの本発明の動作説明グラフ。
【図４】図２からスイッチ電界効果トランジスタを除いた部分の断面構造例。
【図５ａ】本発明図４に対応する断面構造に第４半導体領域を設けた本発明の実施例の平面図。
【図５ｂ】本発明図４に対応する断面構造に第４半導体領域を設けた本発明の実施例の断面図。
【図６】本発明をフォトトランジスタに適用した実施例の等価回路図。
【図７】図６からスイッチ電界効果トランジスタを除いた部分の断面構造例。
【図８】本発明の光電変換装置を光電変換アレイ化する場合のセル構造例。
【図９】図８のセルの等価回路。
【図１０】本発明の光電変換アレイを用いた撮像装置。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の第１ｐｎ接合をフォトダイオード１０００として実施した例を図２に示す。図１と同じ数字は同じ機能を示す。図２ではフォトダイオード１０００のアノード１００２に前記スイッチ（第２）電界効果トランジスタ３０００のドレイン・ソースの一方に加えて、さらに飽和制御（第１）電界効果トランジスタ３０１０の第１ソース３０１２が接続されている。該第１電界効果トランジスタ３０１０は第１ソース３０１２、第１ドレイン３０１１、第１ゲート３０１３を有し、この実施例ではｐチャネル型である。
【００３８】
図においてカソード電位Ｖｄｄは読出参照電位Ｖｒｅｆより正側の電位である。該第１電界効果トランジスタの第１ゲート３０１３へは第１ゲート電位Ｖｇ１が与えられている。該第１電界効果トランジスタの第１ドレイン３０１１へはＶｄｄと等しいかＶｄｄよりＶｒｅｆ側の電位Ｖｓｉｎｋが供給されている。すなわち、Ｖｓｉｎｋは前記第１ｐｎ接合をゼロバイアスか逆バイアスする前記第２電位である。第１ゲート電位Ｖｇ１はＶｄｄ＋Ｖｔｈと等しいかそれより負側の電位である。これにより、前記第１ｐｎ接合のアノードが前記第１ｐｎ接合がゼロまたは逆バイアスする第１電位となったとき第１電界効果トランジスタが導通する。この例では第１電位はＶｇ１-Ｖｔｈである。この例では第１電界効果トランジスタがエンハンスメント型の場合はＶｔｈは負の値である。なお、フォトダイオードのカソード１００１が飽和制御第１電界効果トランジスタに接続される場合には、前記スイッチ電界効果トランジスタのソース・ドレインの一方もフォトダイオードのカソード１００１へ接続され、アノード電位ＶｄｄはＶｒｅｆより負側の電位であり、第１電界効果トランジスタがエンハンスメント型の場合はＶｔｈは正の値である。
【００３９】
まず、スイッチ（第２）電界効果トランジスタ３０００をオンとしてフォトダイオード１０００のカソード１００２を読出参照電位Ｖｒｅｆとした後、スイッチ電界効果トランジスタをオフとする。この状態で、フォトダイオードのアノード・カソード間の電気容量（主として接合容量）ＣａｎｃはＶｄｄ−Ｖｒｅｆに充電されている。またフォトダイオードのアノードと接地間の浮遊容量ＣａｎｓｔはＶｒｅｆに充電されている。
【００４０】
次に光照射されたフォトダイオードからの光電流ｉｐｈによりＣａｎｃは放電され、Ｃａｎｓｔはさらに充電され、アノード電位ＶａｎはＶｒｅｆからＶｄｄに向かって増加する。蓄積時間ｔｓｔｒ後に再度スイッチ電界効果トランジスタをオンすることによりスイッチ電界効果トランジスタのドレインまたはソースのフォトダイオードに接続されていない他方から電荷（Ｃａｎｃ＋Ｃａｎｓｔ）＊（Ｖａｎ−Ｖｒｅｆ）を読み出すことができる。スイッチ時間をｔｏｎとすれば、その間に平均して電流ｉｏｕｔ＝（Ｃａｎｃ＋Ｃａｎｓｔ）＊（Ｖａｎ−Ｖｒｅｆ）／ｔｏｎが読み出される。ここでは（Ｃａｎｃ＋Ｃａｎｓｔ）＊（Ｖａｎ−Ｖｒｅｆ）を蓄積光電荷と呼んで、過剰少数キャリア蓄積電荷と区別する。
【００４１】
蓄積時間ｔｓｔｒが長いか、光電流ｉｐｈが大きいと、ＶａｎはＶｄｄを超えてアノードがカソードに対して順バイアス関係になりｉｐｈの一部がフォトダイオードに流れはじめる。光電流ｉｐｈがすべてフォトダイオードに流れると、それ以上フォトダイオードの電圧は変化しなくなる。本発明ではこの電圧を「深い順方向電圧」と呼ぶ。太陽電池ではこの電圧を開放電圧と呼んでいる。
【００４２】
この状態では、フォトダイオードを構成する半導体領域（フォトダイオードは少なくとも２つの異なる導電型の半導体領域から構成される）の中に過剰少数キャリアが蓄積される。その量はフォトダイオードに流し込まれる順方向電流にほぼ比例し、この過剰少数キャリアを引き抜くために、スイッチ電界効果トランジスタをオンとしてもＶａｎがＶｄｄ以下になる、すなわちフォトダイオードが逆バイアスされるまでに時間遅れが生ずる。この過剰少数キャリアをゼロにすることは望ましいが、フォトダイオードに流れ込む順方向電流を光電流ｉｐｈの１／１０程度以下に抑えても効果は十分ある。すなわちフォトダイオードが順バイアスされたとしてもその順方向電圧が深い順方向電圧より６０ｍＶ程度以上小さく制御できればよい。もちろんフォトダイオードのアノード・カソード間電圧をゼロから逆バイアス電圧に制御できれば申し分ない。
【００４３】
次に飽和制御用に設けられた第１電界効果トランジスタ３０１０の動作を説明する。説明を簡単にするために第１ゲート電位Ｖｇ１をＶｄｄ＋Ｖｔｈとする。Ｖｔｈは通常負の電圧であるから、｜Ｖｔｈ｜だけＶｄｄよりＶｒｅｆ側の電位である。フォトダイオードのアノード１００２が光電流で放電され、ＶａｎがＶｒｅｆからＶｄｄへ変化すると、アノード１００２と第１ソース３０１２とは接続されているから、第１電界効果トラジスタ３０１０はオンとなり、光電流をソース３０１２からドレイン３０１１へバイパスし始める。そのためＶａｎはＶｄｄを超えてさらに大きく正の電位にはならない。すなわち、フォトダイオード１０００のカソード１００１はＶｄｄであるからＶａｎ−Ｖｄｄで計算されるフォトダイオード１０００のアノード・カソード間電圧は深く順方向電圧にバイアスされることはない。
【００４４】
該第１電界効果トランジスタのＶｔｈをソース・ドレイン間にたとえば１μＡ（の飽和電流）が流れるゲート・ソース間電圧と定義すれば、５０μｍ□以下の受光面積を有するフォトダイオードであれば、昼間の外光にたいしてもアノード・カソード電圧は０Ｖ近傍にクランプされる。第１電界効果トランジスタによりバイパスされる電流Ｉｓｉｎｋは図３に示すようにＶａｎがＶｒｅｆからＶｇ１−Ｖｔｈに近くなると指数関数的に増加して、Ｖｇ１−ＶｔｈではＩｔｈ（たとえば１μＡ）となる。いわゆる第１電界効果トランジスタのオフ電流値ＩｏｆｆはｐＡレベルに設計できるから、ショットキダイオードを並列接続したときに比べてフォトダイオードの等価暗電流に加算される電流は小さい。ＶａｎがＶｇ１−Ｖｔｈ−０．４〜０．５ＶからＶｇ１−Ｖｔｈまで変化する間にＩｓｉｎｋはＩｏｆｆのレベルからＩｔｈまで増加する。このＶａｎの変化幅０．４〜０．５Ｖはｓ＊ｌｏｇ（Ｉｔｈ／Ｉｏｆｆ）で与えられる。ここでｓはいわゆるsub-threshold slopeと呼ばれるデバイスパラメータである。
【００４５】
アノード・カソード間電圧を逆バイアス範囲に止めるためには前記第１ゲート電位Ｖｇ１をＶｄｄ＋ＶｔｈよりＶｒｅｆ側に設定すればよい。フォトダイオード１０００の受光面積が５０μｍ□より大きく真夏の直射太陽光を受ける場合の光電流ｉｐｈに対しても飽和制御するためには、同様な第１ゲート電位Ｖｇ１の設定と、第１電界効果トランジスタ３０１０のチャネル幅を、光電流を流すことができる幅Ｗに設定する。すなわち、ｉｐｈがＩｔｈより大きいときは、Ｖｇ１＜Ｖｄｄ＋Ｖｔｈとして、
Ｗ＝（ｉｐｈ−Ｉｔｈ）＊２Ｌ／（μＣｏｘ（Ｖｇ１−Ｖｄｄ−Ｖｔｈ）２）
ここでＬはチャネル長、Ｃｏｘはゲート絶縁膜単位面積電気容量である。
【００４６】
図２の本発明の光電変換装置のフォトダイオード１０００と第１電界効果トランジスタ３０１０部分のもっとも簡単な断面図例を図４に示す。１０１は第１導電型第１半導体領域、１０２は逆導電型第２半導体領域である。該第１半導体領域１０１と該第２半導体領域１０２の接合面で前記第１ｐｎ接合を形成する。該第２半導体領域１０２と該第１半導体領域の該第２半導体領域近傍（少数キャリア拡散長以内）部分とで該フォトダイオード１０００を形成する。
【００４７】
３１１は前記第２半導体領域１０２と離間して設けられた逆導電型の第３半導体領域で、前記第１電界効果トランジスタ３０１０の第１ドレインである。３１４は前記第１電界効果トランジスタの第１ゲート絶縁膜であり、少なくとも前記第２半導体領域と第３半導体領域の一部とその間に挟まれている前記第１半導体領域表面に接して設けられている。３１３は前記第１電界効果トランジスタの第１ゲートで前記第２半導体領域と第３半導体領域を橋渡すように該第１ゲート絶縁膜に接して設けられている。前記第１電界効果トランジスタの第１ソースはこの実施例ではフォトダイオードと第２半導体領域１０２を共有している。第１電界効果トランジスタのチャネルは該第２半導体領域と該第３半導体領域にはさまれた該第１半導体領域表面に該第１ゲートからの電界で誘起・消滅する。
【００４８】
該第１半導体領域は半導体基板そのものでも良いし、半導体基板または絶縁基板表面に電気的に分離されて設けられた領域でもよい。
【００４９】
図２と同じバイアスを与えるためには、前記第１半導体領域１０１へＶｄｄ、該第３半導体領域３１１へＶｄｄ＋Ｖｔｈ以下たとえばＶｒｅｆ、０Ｖなどの電位Ｖｓｉｎｋを、第１ゲート３１３へＶｇ１を供給する。
【００５０】
図５ａ、図５ｂは図４の構造にさらに前記第２半導体領域表面上に設けた第１導電型の第４半導体領域１０４とスイッチ電界効果トランジスタ（第２電界効果トラジスタ）３０００を追加した平面図（図５ａ）と断面図（図５ｂ）である。図５ｂは図５ａの平面図の１−１’線に沿って切断した断面図である。図５ａ、図５ｂで、３０１は前記第２半導体領域と離間して第１半導体領域表面に接して設けられた逆導電型の第５半導体領域で、前記スイッチ電界効果トランジスタ３０００の第２ドレインである。３０４は前記スイッチ電界効果トランジスタの第２ゲート絶縁膜であり、少なくとも前記第２半導体領域と該第５半導体領域の一部とその間に挟まれている前記第１半導体領域表面に接して設けられている。３０３は前記スイッチ電界効果トランジスタの第２ゲートで前記第２半導体領域と該第５半導体領域を橋渡すように該第２ゲート絶縁膜３０４に接して設けられている。該スイッチ電界効果トランジスタのソースはこの実施例では前記フォトダイオード１０００と前記第２半導体領域１０２を共有している。該スイッチ電界効果トランジスタ３０００のチャネルは前記第２半導体領域と該第５半導体領域にはさまれた該第１半導体領域表面に該第２ゲート３０３からの電界で誘起・消滅する。
【００５１】
図５ａ、図５ｂでは、前記第４半導体領域１０４は前記第２半導体領域上から第１半導体領域まで延在させることができる。前記第２半導体領域端部に第１ゲート３１３、第２ゲート３０３が位置する部分では、該ゲートと絶縁層を介してセルフアライン（self-align）させて形成することができる。前記第４半導体領域はフォトダイオード１０００の暗電流を小さく、安定化させる効果がある。さらにフォトダイオードのアノード・カソード間容量Ｃａｎｃを増加させ、光蓄積電荷の蓄積上限を増加させる効果がある。
【００５２】
図５ａ、図５ｂでスイッチ電界効果トランジスタの第２ドレイン３０１である第５半導体領域には、電位Ｖｒｅｆが供給されており、第２ゲート３０３（電位Ｖｇ０）にはスイッチ電界効果トランジスタ３０００をオフとするときにはＶｄｄを、オンとするときにはＶｒｅｆ＋Ｖｔｈより負側の電位を供給する（スイッチ電界効果トランジスタ３０００がｐチャネルの場合）。光蓄積電荷を読み出すときは、スイッチ電界効果トランジスタ３０００の第２ドレイン３０１から電荷またはスイッチ時間に流れる電流として読み出すことができる。同様にフォトダイオード１０００のカソード１０１からも読み出すことができる。
【００５３】
なお、上記飽和制御電界効果トランジスタ３０１０と上記スイッチ電界効果トランジスタ３０００を１つの電界効果トランジスタで共用することができる。まず、図２において、上記スイッチ電界効果トランジスタ３０００を取り外す。この回路の断面図例は図４そのものである。最初にフォトダイオードのアノード・カソード間電気容量ＣａｎｃをＶｄｄ−Ｖｒｅｆに充電するときは第１電界効果トランジスタの第１ドレイン３１１へＶｒｅｆ、第１ゲート３１３へＶｒｅｆ＋Ｖｔｈより負側の電位を供給する。次に光電荷蓄積フェーズのときは、第１ドレイン３１１の電位は変える必要がなく、第１ゲートへ電位Ｖｇ１（≦Ｖｄｄ＋Ｖｔｈ）を供給する。光蓄積電荷をまたはそれを電流として読み出すときは再び、第１ゲート３１３へＶｒｅｆ＋Ｖｔｈより負側の電位を供給する。この第１ゲート３１３への電位切り替えに同期して（センスアンプを電界効果トランジスタスイッチで接続または活性化して）、電荷または電流を第１ドレイン３１１から読み出すか、フォトダイオードのカソード１０１から読み出すことができる。フォトダイオードのカソードから読み出す場合は第１ゲートと同期したセンスアンプ接続または活性化作業は不要である。なお、活性化とはセンスアンプ入力をＶｒｅｆ電位に接続しておき読み出すフェーズで接続手段をオフにすることをさす。
【００５４】
図６は本発明の第１ｐｎ接合をフォトトランジスタのベース・コレクタ接合に適用した実施例である。フォトトランジスタ１０１０のベース１０１２へ第１電界効果トランジスタ３０１０のソース３０１２を接続し、ベース・コレクタ接合の飽和を制御する。第１ゲートへは前記Ｖｇ１を供給し、第１ドレイン３０１１へはＶｄｄ＋Ｖｔｈ以下たとえばＶｒｅｆ、０Ｖなどの第２電位Ｖｓｉｎｋを供給する。該フォトトランジスタのコレクタ１０１１へはＶｄｄを供給する。この場合、第１電位はＶｇ１-Ｖｔｈであり、コレクタ電位（この場合はＶｄｄ）と等しいか負側（ｎｐｎトランジスタの場合、ｐｎｐトランジスタの場合は等しいか正側）となるようにＶｇ１を設定する。エミッタ１０１３へはスイッチ電界効果トランジスタ３０００のソース・ドレインの一方を接続し、スイッチ電界効果トランジスタ３０００のソース・ドレインの他方へはＶｒｅｆを供給する。
【００５５】
まず、スイッチ電界効果トランジスタ３０００をオンとしてフォトトランジスタ１０１０のエミッタ１０１３を読出参照電位Ｖｒｅｆとした後、スイッチ電界効果トランジスタ３０００をオフとする。この状態で、フォトトランジスタ１０１０のベース・コレクタ間の電気容量（主として接合容量）ＣｂｃはＶｄｄ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅに充電されている。またフォトトランジスタ１０１０のベースとエミッタ間の電気容量ＣｂｅはＶｂｅに、ベースと接地間の浮遊容量ＣｂｓｔはＶｒｅｆ＋Ｖｂｅに充電されている。ここでＶｂｅはベースからエミッタへ光電流が流れたときのベース・エミッタ間順方向電圧である。光電流はフォトトランジスタ１０１０のコレクタまたはベースへの光照射により発生し、フォトトランジスタ１０１０のエミッタ、コレクタから増幅されて出力する。
【００５６】
次に光照射されたフォトトランジスタ１０１０のベース１０１２からの光電流ｉｐｈによりＣｂｃは放電され、Ｃｂｓｔはさらに充電され、ベース電位ＶｂはＶｒｅｆ＋ＶｂｅからＶｄｄに向かって増加する。蓄積時間ｔｓｔｒ後に再度スイッチ電界効果トランジスタ３０００をオンすることによりスイッチ電界効果トランジスタのドレイン・ソースの他方から増幅された電荷（ｈＦE＋１）（Ｃｂｃ＋Ｃｂｓｔ）＊（Ｖｂ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅ）を読み出すことができる。スイッチ時間をｔｏｎとすれば、その間に平均して増幅された電流ｉｏｕｔ＝（ｈＦE＋１）（Ｃｂｃ＋Ｃｂｓｔ）＊（Ｖｂ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅ）／ｔｏｎが読み出される。ここでは（Ｃｂｃ＋Ｃｂｓｔ）＊（Ｖｂ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅ）を蓄積光電荷と呼んで、過剰少数キャリア蓄積電荷と区別する。ｈＦEはフォトトランジスタ１０１０の増幅率である。なお、フォトトランジスタ１０１０のベースとエミッタ間の電気容量Ｃｂｅの電圧はほぼＶｂｅのままであるので、ここでは読み出しに考慮していない。
【００５７】
飽和の制御は第１電界効果トランジスタ３０１０の第１ゲート３０１３へＶｇ１（第１ソースが第１電位となったときに第１電界効果とランジスタがオンとなるための第１ゲート電位）を供給し、第１ドレインへＶｄｄ＋Ｖｔｈ以下のＶｒｅｆ、０Ｖ等の第２電位Ｖｓｉｎｋを供給することにより、フォトダイオードのときと同様に達成される。
【００５８】
図６の本発明の光電変換装置のフォトトランジスタ１０１０と第１電界効果トランジスタ３０１０部分の断面図例を図７に示す。１０１は第１導電型第１半導体領域で本実施例ではこの一部がフォトトランジスタ１０１０のコレクタとして機能する。１０２は該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型第２半導体領域であり本実施例ではフォトトランジスタ１０１０のベースとして機能する。１０３は該第２半導体領域と接して設けられた第１導電型の第６半導体領域でフォトトランジスタ１０１０のエミッタとして機能する。該第１半導体領域１０１と該第２半導体領域２０２の接合面で前記第１ｐｎ接合を形成する。該第２半導体領域１０２と該第１半導体領域の該第２半導体領域近傍（少数キャリア拡散長以内）部分とで光照射によって発生した電流が該第２半導体領域（本実施例ではベース）から光電流として得られる。
【００５９】
第１導電型の第４半導体領域１０４は第１ゲートとセルフアライン状態で前記第２半導体領域１０２表面に設けられており、第２半導体領域１０２が第１半導体領域１０１と接する表面部分では第４半導体領域１０４は第１半導体領域１０１へ延在して設けられている。また該第４半導体領域１０４は前記第６半導体領域１０３と離間して設けられている。該第４半導体領域１０４と前記第６半導体領域１０３との間のリーク電流路を防ぐためと電流増幅率の一定性を確保するために第７半導体領域１０７を該第４半導体領域１０４は前記第６半導体領域１０３との間の前記第２半導体領域の表面に設けることができる。第７半導体領域は逆導電型で、第２半導体領域よりも高不純物濃度を有する。
【００６０】
３１１は前記第２半導体領域１０２と離間して設けられた逆導電型の第３半導体領域で、前記第１電界効果トランジスタ３０１０の第１ドレインである。３１４は前記第１電界効果トランジスタの第１ゲート絶縁膜であり、少なくとも前記第２半導体領域と第３半導体領域の一部とその間に挟まれている前記第１半導体領域表面に接して設けられている。３１３は前記第１電界効果トランジスタの第１ゲートで前記第２半導体領域と第３半導体領域を橋渡すように該第１ゲート絶縁膜に接して設けられている。前記第１電界効果トランジスタの第１ソースはこの実施例ではフォトトランジスタと第２半導体領域１０２を共有している。第１電界効果トランジスタのチャネルは該第２半導体領域と該第３半導体領域にはさまれた該第１半導体領域表面に該第１ゲートからの電界で誘起・消滅する。該第１半導体領域は半導体基板そのものでも良いし、半導体基板または絶縁基板表面に電気的に分離されて設けられた領域でもよい。
【００６１】
なお、上記スイッチ第２電界効果トランジスタ３０００がない場合でも本発明の技術はフォトトランジスタに対しても実施できる。まず、図６において、上記スイッチ第２電界効果トランジスタ３０００を取り外す。この回路の断面図例は図７そのものである。最初にフォトトランジスタ１０１０のベース・コレクタ間電気容量ＣｂｃをＶｄｄ−Ｖｒｅｆ−Ｖｂｅに充電、ＣｂｓｔへＶｒｅｆを充電するときはコレクタ１０１１へＶｄｄを供給し、エミッタ１０１３へＶｒｅｆを供給する。次に光電荷をＣｂｃ＋Ｃｂｓｔへ蓄積するためには、エミッタ１０１３をＶｄｄまたはＶｄｄ以上電位にスイッチする。このときベース・エミッタ接合は逆バイアスされ、ベース１０１２が浮遊状態となるので、ベースから流れ出す光電流によりＣｂｃの放電、Ｃｂｓｔの充電が始まる。第１電界効果トランジスタの第１ドレイン３１１へＶｓｉｎｋ、第１ゲートへ電位Ｖｇ１（≦Ｖｄｄ＋Ｖｔｈ）を供給することにより飽和の制御が可能となる。
【００６２】
光蓄積電荷を読み出すときは再び、エミッタ１０１３をＶｒｅｆに戻す。このエミッタ１０１３の電位切り替えに同期して（センスアンプを電界効果トランジスタスイッチで接続または活性化して）、光蓄積電荷またはそれを変換した電流をエミッタ１０１３から読み出すか、コレクタ１０１１から読み出すことができる。コレクタから読み出す場合はセンスアンプのスイッチ接続または活性化は不要である。
【００６３】
以上の説明で電位関係の大小、極性は電界効果トランジスタがｐチャネルの場合であったが、ｎチャネルの場合は大小関係、極性が逆になる。
【００６４】
本発明の光電変換装置をアレイ状に展開するにあたって、ユニットセルを図８に例を示すようにＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４で示される４種類を一組として、横、縦に配置することによって面積効率のよいアレイを構成することが出来る。飽和制御作用を司る第１電界効果トランジスタ３０１０の第１ドレイン３１１の引き出し配線Ｍ２３１１、第１ゲート３１３の引き出し配線Ｍ１３１３を隣接するセルと共用することにより面積効率を得ている。図８ではＭ２３１１とＭ１３１３は平面的には交差しているが、２層配線構造を適用し、２つの配線間は層間絶縁膜で絶縁されているので、電気的に短絡（electrically short-circuited）することはない。
【００６５】
図８では１つのセル内にフォトトランジスタの他に、更に増幅用の第２バイポーラトランジスタ２０１０を加えている。フォトトランジスタ１０１０のエミッタとして機能する第５半導体領域１０３が、逆導電型の領域２１７を介して該第２バイポーラトランジスタ２０１０のベースとして機能する逆導電型の半導体領域２１２に接続されている。該第２バイポーラトランジスタ２０１０のエミッタとして機能する第１導電型の半導体領域２１３が前記第２電界効果トランジスタのソース・ドレインの一方３０２に接続されている。図８の１つのセルの等価回路を図９に示す。
【００６６】
本発明を用いた撮像装置の例として、上記セルを展開したアレイと、該アレイのスイッチ第２電界効果トランジスタの第２ゲート３０３をＸ方向へ接続した複数の第１配線Ｍ１３０３−１、Ｍ１３０３−２、Ｍ１３０３−３、・・・、Ｍ１３０３−ｎをスキャンするＹドライブ回路９０１０、スイッチ第２電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方３０１をＹ方向へ接続した複数の出力線（第２配線）Ｍ２３０１−１、Ｍ２３０１−２、Ｍ２３０１−３、・・・、Ｍ２３０１−ｍに前記第１入力端子が接続された電流または電荷センス回路９０２０（複数、単数の場合は切替用電界効果とランジスタを介して接続）および参照電位設定電界効果トランジスタ３０９０（複数、単数の場合は切り替え用電界効果とランジスタを介して接続）からなる図１０に例を示す構成が提供される。該電流または電荷センス回路９０２０は前記第２入力端子（参照電位入力端子）９２２を有する差動型である。
【００６７】
前記センス回路９０２０の参照電位入力端子９２２へは参照電位供給手段６００１から参照電位Ｖｒｅｆが供給される。参照電位設定電界効果トランジスタ３０９０−１、３０９０−２、３０９０−３、・・・、３０９０−ｍのソース・ドレインの一方はそれぞれ、出力線（第２配線）Ｍ２３０１−１、Ｍ２３０１−２、Ｍ２３０１−３、・・・、Ｍ２３０１−ｍに接続され、該ソース・ドレインの他方へは該参照電位供給手段６００１から参照電位Ｖｒｅｆが供給される。前記センス回路９０２０−１、９０２０−２、９０２０−３、・・・、９０２０−ｍの出力は並列直列変換回路９０３０によりシリアル（serial）信号に変換される。
【００６８】
該出力線はセンス後、必要に応じてセンス前のすべてのスイッチ電界効果トランジスタがオフのときに参照電位設定電界効果トランジスタ３０９０により参照電位Ｖｒｅｆに充電される。前記飽和制御用第１電界効果トランジスタ３０１０のゲートの引き出し配線（第３配線）Ｍ２３１３には第１ゲート電位Ｖｇ１がチップ外からまたはチップ内でＶｄｄ＋Ｖｔｈと等しいか負側の電位発生回路により与えられる。前記飽和制御用第１電界効果トランジスタ３０１０のドレイン３１１の引き出し配線（第４配線）Ｍ２３１１には第２電位Ｖｓｉｎｋが与えられる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は光電変換を利用する、センサー、事務機器、科学機器の応用分野を広げる目的で利用される。高感度の光電変換装置、撮像装置を部分的に光強度、光照度の大きい環境で使う時のスイッチ遅れ、像の滲みを軽減して、利用範囲を拡大する。
【符号の説明】
【００７０】
１０１ ：第１半導体領域
１０２ ：第２半導体領域
１０４ ：第４半導体領域
１０７ ：第７半導体領域
２１２ ：第２バイポーラトランジスタ２０１０のベースとして機能する逆導電型の半導体領域
２１７ ：第２バイポーラトランジスタ２０１０の逆導電型領域
３０１ ：第２ドレイン
３０３ ：第２ゲート
３０４ ：第２ゲート絶縁膜
３１１ ：第３半導体領域、第１ドレイン
３１３ ：第１ゲート
３１４ ：第１ゲート絶縁膜
１０００ ：フォトダイオード
１００１ ：フォトダイオードのカソード
１００２ ：フォトダイオードのアノード
１０１０ ：フォトトランジスタ
１０１１ ：フォトトランジスタのコレクタ
１０１２ ：フォトトランジスタのベース
１０１３ ：フォトトランジスタのエミッタ
２０１０ ：第２バイポーラトランジスタ
３０００ ：（スイッチ）第２電界効果トランジスタ
３０１０ ：（飽和制御）第１電界効果トランジスタ
３０１１ ：第１ドレイン
３０１２ ：第１ソース
３０１３ ：第１ゲート
１００１−ｉ−ｊ（ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ） ：本発明の撮像装置用アレイを構成するセル
３０９０ ：参照電位設定電界効果トランジスタ
６００１ ：参照電位供給手段
９０１０ ：Ｙドライブ回路
９０２０ ：電流または電荷センス回路
９０３０ ：並列直列変換回路
Ｍ１３１３ ：第１ドレイン３１１の引き出し配線（第４配線）
Ｍ１３０３ ：第２ゲート３０３をＸ方向へ接続した複数の第１配線
Ｍ２３０１ ：スイッチ第２電界効果トランジスタ３０００のソース・ドレインの他方３０１をＹ方向へ接続した複数の出力線（第２配線）
Ｍ２３１１ ：第１ゲート３１３の引き出し配線（第３配線）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換機能を有する第１ｐｎ接合と
第１ソース、第１ドレイン、第１絶縁ゲートを有する第１電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、
該第１ｐｎ接合は少なくとも２つの異なる導電型の半導体領域から構成され、その１方の半導体領域と、該第１電界効果トランジスタの第１ソースとが接続され、
該２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射され、該第１ｐｎ接合に光電流が流れる光電変換装置において、
該第１電界効果トランジスタは該２つの異なる導電型の半導体領域の該１方の領域と同一導電型のチャネルを有し、
該第１電界効果トランジスタの第１ドレインに、該２つの異なる導電型の半導体領域の他方の半導体領域の電位に対して該第１ｐｎ接合がゼロバイアスまたは逆バイスである第２電位を供給し、
該第１電界効果トランジスタの第１ソースが接続されている該１方の半導体領域が該他方の半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる第１電位となった場合に該第１電界効果トランジスタが導通する第１ゲート電位を第１絶縁ゲートへ供給することにより、
該２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射されても、該第１ｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第１ゲート電位と前記２つの異なる導電型の半導体領域の他方の半導体領域の電位との差の絶対値は前記第１電界効果トランジスタのゲート閾値電圧の絶対値と等しいかそれ以上であることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１ｐｎ接合は第１バイポーラトランジスタのベース・コレクタ接合であり、該第１バイポーラトランジスタのベースと前記第１電界効果トランジスタのソースとが接続されていることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項４】
請求項１記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記アノードに接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
請求項３記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記第１バイポーラトランジスタのエミッタに接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【請求項６】
請求項３記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタと１つまたは複数のバイポーラトランジスタを設け、前記第１バイポーラトランジスタのエミッタは該１つまたは複数の第２バイポーラトランジスタの内の一つのベースに接続され、第２バイポーラトランジスタが複数の場合は更にベースとエミッタが相互接続され、ベースに接続されない残余のエミッタを第２ソース・ドレインの一方に接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【請求項７】
第１導電型を有する第１半導体領域と、
該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第２半導体領域と、該第２半導体領域と離間して該第１半導体に接して設けられた逆導電型を有する第３半導体領域と、
少なくとも該第２、第３半導体領域に挟まれる該第１半導体領域表面に設けられた第１絶縁膜と該第１絶縁膜上に該第２、第３半導体領域を橋渡すごとく設けた第１ゲートから成り、
該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射され、該第２半導体領域と該第１半導体領域間に光電流が流れる光電変換装置において、
該第３半導体領域に該第１半導体領域に対してゼロまたは逆バイアスとなる第２電位を供給し、該第２半導体領域が第１半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる第１電位となった場合に該第１、第２半導体領域間の該第１ゲート下の該第１半導体表面にチャネルまたは電流路が誘起される第１ゲート電位を第１ゲートへ供給することにより、該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射されても、該第２半導体領域が該第１半導体領域に対して深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御することを特徴とする光電変換装置。
【請求項８】
請求項７記載の光電変換装置において、前記第２半導体領域の上部を覆うようにかつ前記第１ゲートとはセルフアライン状態で第１導電型の第４半導体領域を設けたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項９】
請求項７記載の光電変換装置において、更に前記第２半導体領域に接して第１導電型の第５半導体領域を設け、前記第２半導体領域に流れた電流が、該第５半導体領域または第１半導体領域から増幅して得られることを特徴とする光電変換装置。
【請求項１０】
交差する第１方向と第２方向に複数個配列された前記請求項４〜６のいずれかに記載の光電変換装置と、
第１方向へ延在する複数の第１配線と、
第２方向へ延在する複数の第２配線と、
前記第１ゲート電位を供給する少なくとも１つの第３配線と
前記第２電位を供給する少なくとも１つの第４配線と
該第１、第２、第３、第４配線は相互に絶縁され、
前記第２電界効果トランジスタのゲートは該第１方向へ延在する複数の第１配線の一つに接続され、前記第２電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方は該第２方向へ延在する複数の第２配線の一つに接続されたことを特徴とする光電変換アレイ。
【請求項１１】
前記第２ドレインは隣接する光電変換装置で共通部分を有することを特徴とする請求項１０記載の光電変換アレイ
【請求項１２】
請求項１０記載の光電変換アレイと、
前記第１配線をスキャンするＸドライブ回路と、
前記第２配線に接続された電流または電荷センス回路と、
前記第２配線にソース・ドレインの一方が接続された参照電位設定電界効果トランジスタと、
該参照電位設定電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方に接続された参照電位供給手段と、
第３配線に接続された第１ゲート電位供給手段と
第４配線に接続された第２電位供給手段と、
から構成され、
該電流または電荷センス回路は前記第２配線に接続された第１入力端子と第２入力端子を有する差動型であり、該第２入力端子には参照電位が供給されたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
前記参照電位設定電界効果トランジスタは前記センス回路のセンス終了後、前記複数の第１配線の一つに接続された第２電界効果トランジスタがオフになる前に前記第２配線に参照電位を供給する、要すれば前記センス回路のセンス前のすべての第２電界効果トランジスタがオフのときに参照電位を供給することを特徴とする請求項１２記載の撮像装置。
【請求項１】
光電変換機能を有する第１ｐｎ接合と
第１ソース、第１ドレイン、第１絶縁ゲートを有する第１電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、
該第１ｐｎ接合は少なくとも２つの異なる導電型の半導体領域から構成され、その１方の半導体領域と、該第１電界効果トランジスタの第１ソースとが接続され、
該２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射され、該第１ｐｎ接合に光電流が流れる光電変換装置において、
該第１電界効果トランジスタは該２つの異なる導電型の半導体領域の該１方の領域と同一導電型のチャネルを有し、
該第１電界効果トランジスタの第１ドレインに、該２つの異なる導電型の半導体領域の他方の半導体領域の電位に対して該第１ｐｎ接合がゼロバイアスまたは逆バイスである第２電位を供給し、
該第１電界効果トランジスタの第１ソースが接続されている該１方の半導体領域が該他方の半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる第１電位となった場合に該第１電界効果トランジスタが導通する第１ゲート電位を第１絶縁ゲートへ供給することにより、
該２つの異なる導電型の半導体領域のいずれかに光が照射されても、該第１ｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第１ゲート電位と前記２つの異なる導電型の半導体領域の他方の半導体領域の電位との差の絶対値は前記第１電界効果トランジスタのゲート閾値電圧の絶対値と等しいかそれ以上であることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１ｐｎ接合は第１バイポーラトランジスタのベース・コレクタ接合であり、該第１バイポーラトランジスタのベースと前記第１電界効果トランジスタのソースとが接続されていることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項４】
請求項１記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記アノードに接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
請求項３記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記第１バイポーラトランジスタのエミッタに接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【請求項６】
請求項３記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタと１つまたは複数のバイポーラトランジスタを設け、前記第１バイポーラトランジスタのエミッタは該１つまたは複数の第２バイポーラトランジスタの内の一つのベースに接続され、第２バイポーラトランジスタが複数の場合は更にベースとエミッタが相互接続され、ベースに接続されない残余のエミッタを第２ソース・ドレインの一方に接続され、該第２ゲートに導通信号を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
【請求項７】
第１導電型を有する第１半導体領域と、
該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第２半導体領域と、該第２半導体領域と離間して該第１半導体に接して設けられた逆導電型を有する第３半導体領域と、
少なくとも該第２、第３半導体領域に挟まれる該第１半導体領域表面に設けられた第１絶縁膜と該第１絶縁膜上に該第２、第３半導体領域を橋渡すごとく設けた第１ゲートから成り、
該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射され、該第２半導体領域と該第１半導体領域間に光電流が流れる光電変換装置において、
該第３半導体領域に該第１半導体領域に対してゼロまたは逆バイアスとなる第２電位を供給し、該第２半導体領域が第１半導体領域に対してゼロまたは逆バイスとなる第１電位となった場合に該第１、第２半導体領域間の該第１ゲート下の該第１半導体表面にチャネルまたは電流路が誘起される第１ゲート電位を第１ゲートへ供給することにより、該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射されても、該第２半導体領域が該第１半導体領域に対して深い順方向電圧にバイアスされないよう飽和制御することを特徴とする光電変換装置。
【請求項８】
請求項７記載の光電変換装置において、前記第２半導体領域の上部を覆うようにかつ前記第１ゲートとはセルフアライン状態で第１導電型の第４半導体領域を設けたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項９】
請求項７記載の光電変換装置において、更に前記第２半導体領域に接して第１導電型の第５半導体領域を設け、前記第２半導体領域に流れた電流が、該第５半導体領域または第１半導体領域から増幅して得られることを特徴とする光電変換装置。
【請求項１０】
交差する第１方向と第２方向に複数個配列された前記請求項４〜６のいずれかに記載の光電変換装置と、
第１方向へ延在する複数の第１配線と、
第２方向へ延在する複数の第２配線と、
前記第１ゲート電位を供給する少なくとも１つの第３配線と
前記第２電位を供給する少なくとも１つの第４配線と
該第１、第２、第３、第４配線は相互に絶縁され、
前記第２電界効果トランジスタのゲートは該第１方向へ延在する複数の第１配線の一つに接続され、前記第２電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方は該第２方向へ延在する複数の第２配線の一つに接続されたことを特徴とする光電変換アレイ。
【請求項１１】
前記第２ドレインは隣接する光電変換装置で共通部分を有することを特徴とする請求項１０記載の光電変換アレイ
【請求項１２】
請求項１０記載の光電変換アレイと、
前記第１配線をスキャンするＸドライブ回路と、
前記第２配線に接続された電流または電荷センス回路と、
前記第２配線にソース・ドレインの一方が接続された参照電位設定電界効果トランジスタと、
該参照電位設定電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方に接続された参照電位供給手段と、
第３配線に接続された第１ゲート電位供給手段と
第４配線に接続された第２電位供給手段と、
から構成され、
該電流または電荷センス回路は前記第２配線に接続された第１入力端子と第２入力端子を有する差動型であり、該第２入力端子には参照電位が供給されたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
前記参照電位設定電界効果トランジスタは前記センス回路のセンス終了後、前記複数の第１配線の一つに接続された第２電界効果トランジスタがオフになる前に前記第２配線に参照電位を供給する、要すれば前記センス回路のセンス前のすべての第２電界効果トランジスタがオフのときに参照電位を供給することを特徴とする請求項１２記載の撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−８５０３０（Ｐ２０１３−８５０３０Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２０２０（Ｐ２０１１−２２２０２０）
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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