光電轉換器、光電轉換器陣列和成像器件的制作方法
【專利摘要】光電轉換器包括：包括不同傳導類型的至少兩個半導體區域的第一pn結；以及包括與半導體區域之一連接的第一源極、第一漏極、第一絕緣柵極以及與半導體區域之一的傳導類型溝道相同的傳導類型溝道的第一場效應晶體管。用在其第一pn結相對于其他半導體區域的電勢變為0偏置或反向偏置的第二電勢供應第一漏極。當第一源極轉到第一電勢且第一半導體區域之一相對于其他半導體區域變為0偏置或反向偏置時，即使半導體區域中的任一個暴露給光時，通過向第一絕緣柵極供應第一柵極電勢控制第一pn結不被深度正向電壓偏置。
【專利說明】光電轉換器、光電轉換器陣列和成像器件
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請基于并要求于2011年10月6日提交的日本專利申請第號的優先權，其公開通過引用整體合并于此。
【技術領域】
[0003]本申請涉及用來轉換作為光強度和波長等的光學信息以及光學圖像為電流、電荷或包括數字數據的電信息的改進的光電轉換器，以及涉及光電轉換單元、由作為光電轉換器的光電轉換單元構成的光電轉換器陣列以及合并這樣的陣列的成像器件。
【背景技術】
[0004]如稍后將描述的，光電流在電浮置狀態(floating state)下流過具有光電轉換功能的第一 pn結的一端并且在一個特定時間段內累積為電荷或累積的電荷被光電流放電。為了作為電信號檢測其結果，一般地，如果光強度相對于累積時間或積累時間大，則與第一pn結的所述一端連接的電容被過充電或放電。這使得光電流流向第一 pn結。結果是,第一Pn結被深度(de印)正向電壓偏置并且過量的少數載流子在第一pn結的相反傳導類型的兩個半導體區域中累積。這引起了響應速度劣化的問題，因為由于切換第一 pn結到相反偏置所花費的所謂飽和時間引起的延遲與少數載流子的壽命相關聯。此現象稱為飽和效應。
[0005]日本專利公開第S47-18561號公開了為了防止pn結被深度正向電壓偏置而將pn節與肖特基結并行連接的技術。因為在肖特基結處的正向電壓小于在pn結處的正向電壓以使得多數電流流入肖特基結，所以Pn結可以防止被深度偏置。然而，在肖特基結處的反向電流比pn結處的反向電流大若干數量級，這增加了暗電流的總量。因此，此技術不能被采用于高敏感度光電轉換器。
[0006]這里，當這里全部光電流作為正向電流流動時，被深度正向電壓偏置的第一 pn結指代第一 Pn結處的正向電壓。如果作為正向電流的光電流流動的量減少到十分之一或更少以減少飽和時間到大約十分之一，則認為解決了飽和問題。在此情況下第一 pn結處的正向電壓小于深度偏置狀態下的正向電壓2.3kT/q(室溫下大約60mV)。這里，在pn結如果不受控制就變得被深度正向電壓偏置的環境條件下，使得Pn結維持在O偏置或反向偏置狀態并使得正向電壓小于此深度正向電壓2.3kT/q的控制稱為飽和控制，其中k是Bolzman常數，T是光電轉換器的絕對溫度，而q是電子的基本電荷。
[0007]如果第一 pn結由第一傳導類型的第一半導體區域以及第二傳導類型(何與其相鄰的第一傳導類型相反)的第二半導體區域形成，則累計的過量少數載流子在第一和第二半導體區域中的少數載流子的擴散長度內從第一 Pn結發散。擴散長度取決于載流子的類型、電子或空穴，或者半導體區域的電子特性而不同，并且第一和第二半導體區域之間的擴散長度不同。
[0008]此外，將在擴散長度內額外提供具有光電轉換功能的第二 pn結，即使第二 pn結未暴露給光，電流也在第二 pn結中流動，使得光電轉換器出現故障。這導致了圖像模糊以及包括光電轉換器陣列的成像器件中相當劣化的分辨率，在該光電轉換器陣列中，在第一半導體區域中布置作為Pn結的光電轉換元件。
[0009]現在，參考圖1，使用光電二極管作為光電轉換元件的示例，描述如何將作為光強度和波長分量的光學信息轉換為用于輸出的電信息。圖1示出了作為具有陽極1002a的第一 pn結的光電二極管IOOOa和操作為開關的場效應晶體管3000a，其中陽極1002與場效應晶體管3000a的源極或漏極連接。場效應晶體管3000a在累積時間期間關斷光電二極管IOOOa的陽極1002a以將其置于浮置狀態，以便于臨時累積光電流在與光電轉換元件(在此情況下，陽極-陰極電容)關聯的電容中，并將其接通以輸出已累積的電荷作為電流或電荷。
[0010]首先，接通場效應晶體管3000a以使得光電二極管IOOOa的一端(圖中的陽極1002)位于Vref電勢并且光電二極管IOOOa的陽極-陰極電容用Vdd-Vref電壓充電。Vdd是電源電壓并且Vref是讀取基準電壓。
[0011]接著，關斷場效應晶體管3000a并用光照射光電轉換元件。然后，在pn結處分別生成的光電流從光電二極管IOOOa的陽極1002a流入陽極-陰極電容Canc并將以Vdd-Vref充電的電容單獨放電。由此，陰極電勢向電源電壓Vdd上升。因此，陽極-陰極電容實際上被光電流放電。然而，出于方便這里可以表達光電流存儲為電荷。
[0012]借助長的關斷時間或大光電流，光電二極管IOOOa的陽極1002a超出Vdd并達到正向電勢。該正向電勢繼續上升并且當全部光電流流過光電二極管IOOOa的陽極和陰極之間時達到最大值。這被稱為“被深度正向電壓偏置”。在此狀態，過量少數載流子存儲在光電二極管IOOOa的半導體區域中，引起了切換光電二極管IOOOa到反向偏置方向中的延遲。

【發明內容】

[0013]本發明的目標是提供光電轉換器，其防止具有光電轉換功能的第一 pn結被置于第一 pn結被深度正向電壓偏置的飽和狀態中，同時控制在第一 pn結處的反向電流不和在肖特基結處的電流一樣大。另一目標是提供可以防止圖像模糊并改進分辨率的相當劣化的光電轉換器。
[0014]為了解決以上目標，在本發明中提供以下解決方案。
[0015](解決方案I)
[0016]光電轉換器包括具有光電轉換功能并包括不同傳導類型的至少兩個半導體區域的第一 pn結，以及包括第一源極、第一漏極、第一絕緣柵極的第一場效應晶體管，該第一源極與半導體區域之一連接，其中，當半導體區域中的任一個暴露給光時，光電流流到第一 pn結中，其中，第一場效應晶體管包括與半導體區域之一的傳導類型溝道相同的傳導類型溝道，用第二電勢供應第一場效應晶體管的第一漏極，在該第二電勢，第一 pn結相對于其他半導體區域的電勢是O偏置或反向偏置，并通過向第一絕緣柵極供應當第一源極達到在其所述半導體區域之一變得相對于其他半導體區域O偏置或反向偏置的第一電勢時使得第一場效應晶體管傳導的第一柵極電勢，光電轉換器配置為即使兩個半導體區域中的任一個暴露給光時，控制第一 pn結的飽和不被深度正向電壓偏置。
[0017]為了通過使得大多數(例如，90%或更多)光電流通過第一場效應晶體管的源極流到漏極來控制不同傳導類型的兩個半導體區域不被深度正向電壓偏置，第一柵極電勢需要在特定條件下預設。
[0018](解決方案2)
[0019]根據解決方案I的光電轉換器，其中
[0020]在第一柵極電勢和其他半導體區域的電勢之間的差的絕對值等于或大于第一場效應晶體管的柵極閾值電壓的絕對值。
[0021]在本發明的光電轉換器的光電元件是光晶體管的情況下，應用以下架構。
[0022](解決方案3)
[0023]根據解決方案I的光電轉換器，其中
[0024]第一 pn結是第一雙極晶體管的基極-集電極結；并
[0025]第一雙極晶體管的基極與第一場效應晶體管的源極連接。
[0026]提供合并了用于選擇光電轉換器或從其讀取已存儲光電電荷或電信息的第二場效應晶體管的架構作為解決方案4、5和6。
[0027](解決方案4)
[0028]根據解決方案I的光電轉換器，進一步包括
[0029]包括第二源極、第二漏極和第二柵極的第二場效應晶體管，其中
[0030]該第二源極和第二漏極之一與pn結的陽極連接，并從第二源極和第二漏極的另一個獲得關于在第二柵極上供應傳導信號以使得第二場效應晶體管傳導的電信息(電荷或電流)。
[0031](解決方案5)
[0032]根據解決方案3的光電轉換器，進一步包括
[0033]包括第二源極、第二漏極和第二柵極的第二場效應晶體管，其中
[0034]該第二源極和第二漏極之一與第一雙極晶體管的射極連接，并從第二源極和第二漏極的另一個獲得關于在第二柵極上供應傳導信號以使得第二場效應晶體管傳導的電信息(電荷或電流)。
[0035](解決方案6)
[0036]根據解決方案3的光電轉換器,進一步包括
[0037]包括第二源極、第二漏極和第二柵極的第二場效應晶體管；以及
[0038]單個或多個第二雙極晶體管，其中
[0039]第一雙極晶體管的射極與該單個或多個第二雙極晶體管的基極連接；
[0040]該多個雙極晶體管的基極和射極彼此連接；
[0041]未與基極連接的射極與第二源極和第二漏極之一連接，并從第二源極和第二漏極的另一個獲得關于在第二柵極上供應傳導信號以使得第二場效應晶體管傳導的電信息(電荷或電流)。
[0042]如下示出用于解決方案I的光電轉換器的結構的示例。
[0043](解決方案7)
[0044]一種光電轉換器，包括:
[0045]第一傳導類型的第一半導體區域；
[0046]與該第一半導體區域接觸的第二傳導類型的第二半導體區域，該第二傳導類型與該第一傳導類型相反；[0047]第二傳導類型的第三半導體區域，與第一半導體區域接觸并與第二半導體區域分隔地提供；
[0048]第一絕緣體膜，提供在第二和第三半導體區域之間的第一半導體區域的表面上；以及
[0049]第一柵極，提供在該第一絕緣體膜上以橋接第二和第三半導體區域，其中，當第二半導體區域或接近第二半導體區域的第一半導體區域的一部分暴露給光時，光電流在第一和第二半導體區域之間流動，其中
[0050]向第三半導體區域供應第二電勢，在該第二電勢處，第二半導體區域相對于第一半導體區域是O偏置或反向偏置，并當第二半導體區域轉到在其第二半導體區域變得相對于第一半導體區域O偏置或反向偏置的第一電勢時，光電轉換器被配置為即使當第二半導體區域或接近第二半導體區域的第一半導體區域的一部分暴露給光時，通過向第一柵極供應第一柵極電勢以根據第一柵極在第一半導體區域的表面上引起溝道或電流路徑，控制第二半導體區域的飽和不被深度正向電壓偏置。
[0051]為了減少在第一半導體區域和第二半導體區域之間的結處的暗電流，提供以下架構。
[0052](解決方案8)
[0053]根據解決方案7的光電轉換器，進一步包括:
[0054]第一傳導類型的第四半導體區域，被提供以覆蓋第二半導體區域的上部并且與第一柵極自對準。
[0055]在本發明的光電轉換器中，提供了用于具有放大功能的光電轉換元件的結構的示例。
[0056](解決方案9)
[0057]根據解決方案7的光電轉換器，進一步包括:
[0058]第一傳導類型的第五半導體區域，與第二半導體區域接觸，以使得已經流過第二半導體區域的電流通過第一或第五半導體區域被放大。
[0059]本光電轉換器的陣列結構和本光電轉換器的成像裝置的示例如下提供。
[0060](解決方案10)
[0061 ] 一種光電轉換器陣列，包括:
[0062]根據解決方案4的多個光電轉換器，在彼此交叉的第一和第二方向上布置；
[0063]在第一方向上延伸的多個第一互連；
[0064]在第二方向上延伸的多個第二互連；
[0065]第三互連，用以供應第一柵極電勢；以及
[0066]第四互連，用以供應第二電勢，其中
[0067]第一到第四互連互相絕緣；并且
[0068]第二場效應晶體管的第二柵極與在第一方向上延伸的第一互連之一連接；并且
[0069]第二場效應晶體管的第二源極和第二漏極中的另一個與在第二方向上延伸的第二互連之一連接。
[0070](解決方案11)
[0071]根據解決方案10的光電轉換器陣列,其中[0072]布置第二漏極以在相鄰光電轉換器中具有公共部分。
[0073](解決方案12)
[0074]一種成像器件，包括:
[0075]根據解決方案10的光電轉換器陣列；
[0076]掃描第一互連的驅動電路；
[0077]與第二互連連接的電流或電荷感測電路；
[0078]用于電勢設置的第三場效應晶體管，在源極和漏極之一處與第二互連連接；
[0079]與第三場效應晶體管的源極和漏極中的另一個連接的基準電勢供應器；
[0080]與第三互連連接的第一柵極電勢供應器；以及
[0081]與第四互連連接的第二柵極電勢供應器，其中
[0082]電流或電荷感測電路是差分類型，具有與第二互連連接的第一輸入端子和第二輸入端子，并在第二輸入端子處被供應基準電勢。
[0083](解決方案13)
[0084]根據解決方案12的成像器件，其中
[0085]第三場效應晶體管被配置為在感測電路完成感測之后并且在第二場效應晶體管被關斷之前向第二互連供應基準電勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0086]參考附圖，本發明的特征、實施例和優勢將根據以下詳細描述而顯而易見:
[0087]圖1示出了具有開關的現有技術光電二極管；
[0088]圖2是包括具有根據本發明的一個實施例的第一場效應晶體管的光電二極管的示例性電路圖；
[0089]圖3是描述用于飽和控制的第一場效應晶體管的操作的圖；
[0090]圖4是以示例方式排除了第二場效應晶體管的圖2中的電路的截面圖；
[0091]圖5A是圖4中電路的平面圖，該電路包括根據本發明一個實施例的第四半導體區域，并圖5B是該電路的截面圖；
[0092]圖6是根據本發明的光電轉換器應用到光電晶體管的等效電路圖；
[0093]圖7是排除了第二場效應晶體管的圖6中電路的截面圖；
[0094]圖8示出了根據本發明的一個實施例的光電轉換器以陣列布置的單元結構的示例；
[0095]圖9是圖8中單元的等效電路圖；并且
[0096]圖10示出了根據本發明的一個實施例的光電轉換器陣列應用于的成像器件的示例。
【具體實施方式】
[0097]以下，將參考附圖詳細描述本發明的實施例。只要合適，將貫穿附圖使用相同的附圖標記指代相同或類似部件。
[0098]第一實施例
[0099]圖2是包括第一和第二場效應晶體管3010、3000以及光電二極管1000作為根據第一實施例的第一Pn結的電路圖。在圖2中，光電二極管1000在陽極1002處與第二場效應晶體管3000的漏極和源極之一以及與第一場效應晶體管3010的第一源極3012連接。第一場效應晶體管3010是飽和控制晶體管而第二場效應晶體管3000是開關晶體管(switchingtransistor)。在本實施例中，第一場效應晶體管3010是p溝道型的并包括第一源極3012、第一漏極3011和第一柵極3013。
[0100]在圖中，陰極電勢Vdd比讀取基準電勢Vref更正。第一場效應晶體管的第一柵極3013被施加以第一柵極電勢Vgl，其第一漏極3011被供應以等于陰極電勢Vdd或比Vdd更接近Vref的電勢Vsink。S卩，Vsink是反向偏置或O偏置第一 pn結的第二電勢。第一柵極電勢Vgl等于Vdd+Vth或比此更負。因此，當第一 pn結的陽極達到在其第一 pn結變得反向偏置或O偏置的第一電勢時，第一場效應晶體管變成傳導。在本實施例中，第一電勢是Vgl-Vth，且當第一場效應晶體管是增強型時Vth是負值。另一方面，當陰極1001與第一場效應晶體管連接時，光電二極管1000的陰極1001還與第二場效應晶體管的源極和漏極中的一個連接。陽極電勢Van比Vref更負且當第一場效應晶體管是η溝道型且是增強型時Vth是正值。
[0101]首先，第二場效應晶體管3000接通以使得光電二極管1000的陰極1002轉到讀取基準電勢Vref，并將其關斷。在此狀態下，電容(主要是結電容)Canc以Vdd-Vref充電。光電二極管的陽極和接地之間的電容Canst以基準電勢Vref充電。
[0102]接著，電容Canc被放電并且電容Canst通過來自暴露給光的光電二極管1000的光電流iph進一步充電，而陽極電勢Van從Vref增加到Vdd。在存儲時間tstr之后，再次接通第二場效應晶體管3000以能夠從未與光電二極管1000連接的源極和漏極的另一個輸出電荷(Canc+Canst) * (Van-Vref)。在開關時間ton期間，平均電流iout =(Canc+Canst) * (Van-Vref)/ton 平均地輸出。電荷(Canc+Canst) * (Van-Vref)稱為已存儲光電荷以將其與過量少數載流子的已存儲電荷區分。
[0103]在長存儲時間tstr中或以大光電流iph，陽極電勢Van超出陰極電勢Vdd以使得陽極相對于陰極正向偏置并且光電流iph部分開始流入光電二極管。當全部光電流iph流入光電二極管時，光電二極管的電壓停止變化。該電壓稱為“深度正向電壓”。將其稱為太陽能電池中的開路電壓。
[0104]過量少數載流子存儲在光電二極管的半導體區域中并且載流子的量與流入光電二極管的正向電流近似成比例。為了抽出過量少數載流子，接通第二場效應晶體管。然而，從第二場效應晶體管的接通到光電二極管的被反向偏置或陽極電勢Van達到陰極電勢Vdd或更低，時間延遲出現。盡管優選減少過量載流子到0，但是將到光電二極管的正向電流減少到大約光電流iph的十分之一或更少就足夠有效。即，在正向偏置的光電二極管中，正向電壓必須被控制為比深度正向電壓小大約60mV或更多。最優選地，控制光電二極管的陽極-陰極電壓從O到反向偏置電壓。
[0105]接著，描述用于飽和控制的第一場效應晶體管3010。為了簡單，第一柵極電勢Vgl被設置到陰極電勢Vdd+柵極閾值電壓Vth。柵極閾值電壓Vth典型為負并從Vdd以Ivth更接近Vref。光電二極管1000的陽極1002由光電流放電，以使得電勢Van從Vref變化到Vdd。這由于陽極1002和第一源極3012的連接而接通第一場效應晶體管3010以開始將光電流從源極3012旁路到漏極3011。因此，防止陽極電勢Van超出正陰極電勢Vdd。換言之，從Van減去Vdd計算出的光電二極管1000的陽極-陰極電壓將不再被深度正向電壓深
度偏置。
[0106]第一場效應晶體管的柵極閾值電壓Vth被定義為柵極-源極電壓，其使得在源極和柵極之間流動1μ A的飽和電流。在白天環境光下，在具有50μπι2或更少的光接收面積的光電二極管中，陽極-陰極電壓被鉗位在大約0V。如圖3所示，當陽極電勢Van從Vref接近Vgl-Vth并例如在Vgl-Vth的陽極電勢Van處達到I μ A的Ith時,被第一場效應晶體管旁路的電流Isink指數地增加。因為第一場效應晶體管的關斷電流值1ff可以指定為在PA級別，所以增加到光電二極管的等效暗電流的電流量小于當光電二極管與肖特基二極管并聯時的電流量。當陽極電勢Van從Vgl-Vth-(0.4到0.5V)改變到Vgl-Vth時，電流Isink 從 1ff 增加到 Ith。Van 的變化范圍(0.4-0.5V)以 s*log(Ith/1ff)給出，其中 s是作為所謂的子閾值斜率的器件參數。
[0107]為了保持陽極-陰極電壓在反向偏置范圍中，第一柵極電勢Vgl必須設置為比Vdd+Vth更接近Vref。此外，為了控制在仲夏的直接日光之下在具有比50 μ m2更大的光接收面積的光電二極管1000的光電流iph的飽和，除了第一柵極電勢Vgl如上設置之外，第一場效應晶體管3010的溝道寬度還設置為足以讓光電流經過的寬度W。S卩，在大于Ith的光電流iph處，寬度W由以下表達式確定:
[0108]W = (iph-1th) *2L/μ Cox (Vgl-Vdd-Vth)2)
[0109]其中，Vgl〈Vdd+Vth，L是溝道長度，Cox是柵極絕緣膜的每單位區域的電容。
[0110]圖4不出了圖2中光電轉換器的光電二極管1000和第一場效應晶體管3010的最簡單示例的橫截面。光電轉換器包括第一傳導類型的第一半導體區域101、與第一傳導類型相反的第二傳導類型的第二半導體區域102。第一和第二半導體區域101，102的結平面形成第一 pn結。光電二極管1000由第二半導體區域102和在少數載流子的擴散長度內與該第二半導體區域相鄰的第一半導體區域101的一部分形成。
[0111]還包括第二傳導類型的第三半導體區域，其與第二半導體區域102分隔地被提供為第一場效應晶體管3010的第一漏極。提供第一場效應晶體管的第一絕緣體膜314，以接觸第二和第三半導體區域102、103的一部分以及它們之間的半導體區域101的表面。形成其第一柵極以接觸第一柵極絕緣膜以使得橋接第二和第三半導體區域。在本實施例中，第一場效應晶體管的第一源極與光電二極管1000共享第二半導體區域102。在第二和第三半導體區域之間的第一半導體區域的表面中，其溝道由第一柵極的電場引起或消失。
[0112]第一半導體區域可以是半導體基底或在半導體基底或絕緣基底上電分離的區域。
[0113]為了施加和圖2的偏置一樣的偏置，向第一半導體區域101供應電勢Vdd，向第三半導體區域103供應作為Vdd+Vth或更少(例如，基準電壓Vref或0V)的電勢Vsink，并且向第一柵極313供應Vgl。
[0114]圖5A、5B分別是與第二半導體區域接觸的第一傳導類型的第四半導體區域104以及以圖4中的結構額外布置的第二場效應晶體管3000的平面圖和截面圖。圖5B是圖5A中從I到I’線看到的橫截面。第二傳導類型的第五半導體區域301與第一半導體區域接觸并與第二半導體區域分隔地提供，并且是第二場效應晶體管3000的第二漏極。提供第二場效應晶體管3000的第二柵極絕緣膜304以接觸第二和第五半導體區域的一部分以及它們之間的第一半導體區域的表面。提供第二場效應晶體管的第二柵極303以接觸第二柵極絕緣膜304并且橋接第二和第五半導體區域。在本實施例中，其源極與光電二極管1000共享第二半導體區域。在第二和第五半導體區域之間的第一半導體區域的表面上，其溝道由第二柵極303的電場引起或消失。
[0115]在圖5A、5B中，第四半導體區域104可以從第二半導體區域延伸到第一半導體區域。它可以經由絕緣膜在第二半導體區域的兩端與第一和第二柵極313、303自對準。第四半導體區域可以減少并穩定暗電流。此外，可以增加光電二極管1000的陽極-陰極電容Canc并增加已存儲光電荷的上限。
[0116]此外，以基準電勢Vref供應作為第二場效應晶體管3000的第二漏極的第五半導體區域，并且以Vdd供應第二柵極303 (電勢VgO)以關斷晶體管3000并且以比Vref+Vth更負的電勢供應第二柵極303以接通晶體管3000 (如果晶體管3000是p溝道)。在開關時間期間，已存儲光電荷可以作為電荷或電流從第二場效應晶體管3000的第二漏極301和光電二極管1000的陰極101讀取。
[0117]對第一和第二場效應晶體管3010、3000可以使用單一場效應晶體管。排除了第二場效應晶體管3000的圖2中的電路的截面圖與圖4中的電路完全相同。為了首先以Vdd-Vref向光電二極管1000的陽極-陰極電容Canc充電，向第一漏極311供應電勢Vref，并且向第一場效應晶體管的第一柵極313供應比Vref+Vth更負的電勢。接著，在光電荷存儲階段，第一柵極311的電勢不需要被改變，并且向第一柵極供應電勢Vgl ( ( Vdd+Vth)。為了讀取已存儲光電荷或讀取它們作為電流，再次向第一柵極313供應比Vref+Vth更負的電勢。通過將感測放大器與場效應晶體管連接以與到第一柵極313的電勢中的改變同步地連接或激活它，可以從光電二極管1000的第一漏極311或陰極101讀取電荷或電流。通過場效應晶體管的對感測放大器的連接或激活對于從光電二極管的陰極101讀取電荷或電流不是必要的。注意，激活指的是在讀取階段關斷感測放大器到Vref電勢的連接器，否則其輸入與Vref電勢連接。
[0118]第二實施例
[0119]圖6示出了作為光電晶體管1010的基極-集電極而施加的第一 pn結的示例。第一場效應晶體管的源極3012與光電晶體管1010的基極1012連接，以控制基極-集電極結的飽和。當以Vdd+Vth或更少的第二電勢Vsink(諸如Vref或0V)供應第一漏極3011的同時，以電勢Vgl供應第一柵極。以Vdd供應光電晶體管的集電極1011。這里,第一電勢是Vgl-Vth而Vgl設置為等于集電極電勢(Vdd)或比集電極電勢更負(當使用npn晶體管時，而當使用pnp晶體管時，等于或更正)。射極1013連接到第二場效應晶體管3000的源極或漏極而Vref供應到源極和漏極中的另一個。
[0120]首先，接通第二場效應晶體管3000以設置光電晶體管1010的射極來具有讀取基準電勢Vref，并且關斷它。現在，光電晶體管1010的基極和集電極之間的電容Cbc(主要是結電容)用Vdd-Vref-Vbe充電。光電晶體管1010的基極和射極之間的電容Cbe用Vbe充電，而基極和接地之間的電容Cbst。用Vref+Vbe充電。當光電流從基極流入射極時，Vbe是基極和射極之間的正向電壓。光電流在集電極或基極暴露給光時生成，并從光電二極管1010的射極和集電極放大并輸出。
[0121]然后，電容Cbc被放電而電容Cbst被來自暴露給光的光電晶體管1010的基極1012的光電流iph進一步充電，以將基極電勢Vb從Vref+Vbe增加到Vdd。在存儲時間tstr之后，第二場效應晶體管3000再次被接通，以能夠從其漏極和源極中的另一個讀取放大后的電荷=(hFE+l) (Cbc+Cbst)*(Vb-Vref-Vbe)，其中hFE是光電晶體管1010的放大因子。在開關時間tm期間，讀取平均放大電流iout = (hFE+l) (Cbc+Cbst)* (Vb-Vref-Vbe)/tono (Cbc+Cbst)*(Vb-Vref-Vbe)稱為已存儲光電荷并且與過量少數載流子的已存儲電荷區分。注意，光電晶體管1010的基極和射極之間的電容Cbe保持在電壓Vbe，以使得不考慮讀出。
[0122]pn結的飽和可以通過將第一電勢Vgl供應到第一柵極3013并將第二電勢Vsink供應到第一漏極而控制，如同在光電二極管的情況中那樣。
[0123]接著，圖7是圖6中光電轉換器的光電晶體管1010以及第一場效應晶體管3010的截面圖。第一傳導類型的第一半導體區域101的一部分用作光電晶體管1010的集電極。第二傳導類型的第二半導體區域102與第一半導體區域101接觸地提供，并且用作光電晶體管1010的基極。第一傳導類型的第六半導體區域103與第二半導體區域接觸地提供，并且用作光電晶體管1010的射極。第一 pn結由第一和第二半導體區域101、102之間的結平面形成。當第二半導體區域102和與之接近的第一半導體區域的一部分(少數載流子的擴展長度內)暴露給光時光電流iph被生成，并且從作為基極的第二半導體區域102被獲取。
[0124]第一傳導類型的第四半導體區域104在第二半導體區域102的表面上與第一柵極自對準。它在第二半導體區域102接觸第一半導體區域101的表面上延伸到第一半導體區域101。第四半導體區域104與第六半導體區域103分離。為了防止漏電流路徑并維持第一和第六半導體區域104、103之間的恒定電流放大因子，可以與它們之間的第二半導體區域的表面接觸地提供第二傳導類型的第七半導體區域107。第七半導體區域107擁有比第二半導體區域更高的雜質濃度。 [0125]第二傳導類型的第三半導體區域311與第二半導體區域102分隔地提供并是第一場效應晶體管3010的第一漏極。提供其第一柵極絕緣膜314以接觸第二和第三半導體區域的一部分以及它們之間的第一半導體區域的表面。提供其第一柵極313以接觸第一柵極絕緣膜，從而橋接第二和第三半導體區域。本實施例中，第一源極與光電晶體管共享了第二半導體區域102。其溝道由第二和第三半導體區域之間的第一半導體區域的表面中的第一柵極的電場引起或消失。第一半導體區域可以是半導體基底或半導體基底或絕緣基底上的電隔離區域。
[0126]根據本實施例的技術可應用于不包括第二場效應晶體管3000的光電晶體管。排除了第二場效應晶體管3000的圖6中電路的截面圖與圖7的截面圖完全相同。為了首先用Vdd-Vref-Vbe充電光電二極管1010的基極-集電極電容Cbc并用Vref充電電容Cbst，向集電極1011供應電勢Vdd并向射極1013供應Vref。接著，為了在電容Cbc、Cbst中累積光電荷，射極1013被切換到Vdd或更高的電勢。基極-射極結被反向偏置并且該基極被置于浮置狀態以使得電容Cbc被放電并且電容Cbst被從基極流動的光電流充電。因此，通過向第一場效應晶體管的第一漏極311供應電勢Vsink并且向第一柵極供應電勢Vgl ( ^ Vdd+Vth),可以控制飽和。
[0127]為了再次讀取已存儲光電荷，將射極1013的電勢返回到Vref。從射極1013或集電極1011可以讀取電荷或轉換后的電流。感測放大器的切換連接或激活對于從集電極1011讀取電荷或電流不是必要的。[0128]以上，描述了作為P溝道的場效應晶體管的電勢和極性的幅度關系。對于η溝道場效應晶體管，它們將相反。
[0129]圖8示出了其中作為一個組的4個單位單元Cl、C2、C3、C4被垂直和水平布置的溝道轉換器陣列的示例。通過與相鄰單元共享進行飽和-控制第一場效應晶體管3010的第一漏極311的互連Μ2311以及第一柵極313的互連Μ1313，可以構建面積有效的陣列。盡管互連Μ2311和Μ1313在圖中彼此交叉，但是陣列是雙層互連結構并兩個互連通過絕緣膜而彼此絕緣，以使得它們將永不電短路。
[0130]圖8中的陣列除了每個單元中的光電晶體管之外還包括第二雙極晶體管2010用于放大。作為光電晶體管1010的射極的第五半導體區域103經由第二傳導類型的半導體區域217連接到作為第二雙極晶體管2010的基極的第二傳導類型的半導體區域212。作為第二雙極晶體管2010的射極的第一傳導類型的半導體區域213連接到第二場效應晶體管的源極和漏極中的一個302.在圖9中示出圖8中單個單元的等效電路圖。
[0131]圖10示出了合并根據本發明的一個實施例的光電轉換器陣列的成像器件的結構的示例。成像器件包括如上的光電轉換器陣列；在水平或X方向上連接第二場效應晶體管的第二柵極303的第一互連Μ1303-1、Μ1303-2、…、Μ1303_η ;用以掃描第一互連的Y驅動電路；在垂直或Y方向上連接第二場效應晶體管的源極和漏極中的另一個301的作為輸入線的第二互連M2303-l、M2303-2、...、M2303-m ;具有連接到第二互連的第一輸入端子的電流或電荷感測電路9020 ;以及用于設置基準電勢的第三場效應晶體管3090-1、3090-2、…3090-m。電流或電荷感測電路9020是包括用于基準電勢的第二輸入端子922的差分輸入類型。利用單一電流或電荷感測電路，掃描場效應晶體管連接到輸出線順序切換輸出線中的一個到單一電流或電荷感測電路。 [0132]向感測電路9020的第二輸入端子922供應來自基準電勢供應器6001的基準電勢Vref。第三場效應晶體管3090-1、3090-2、…3090_m的每一個的源極和漏極中的一個連接到第二互連并且向其另一個供應來自基準電勢供應器6001的基準電勢Vref。感測電路的輸出通過串行-并行轉換器電路9030被轉換為串行信號。
[0133]當全部第二場效應晶體管截止時，在感測到需要時之后通過第三場效應晶體管3090以基準電勢Vref充電輸出線。通過芯片內或來自芯片外的電勢生成器電路向用于飽和控制的第一場效應晶體管3010的柵極的第三互連M2313供應等于Vdd+Vth或比Vdd+Vth更負的第一柵極電勢Vgl。向用于飽和控制的第一場效應晶體管3010的漏極311的第四互連M2311供應第二電勢Vsink。
[0134]根據以上實施例的光電轉換器可以在光電轉換元件中減少過量少數載流子的存儲，以能夠降低切換延遲并改善讀取速度。此外，在光電轉換器陣列中，可以防止來自相鄰單元的光電流的泄露。這導致防止了圖像模糊以及合并該光電轉換器陣列的成像器件的分辨率中的等效劣化。
[0135]本發明可以使用光電轉換拓寬傳感器、辦公設備其以及科學儀器的應用領域，并減輕部分在大光強度和亮度的環境條件下使用的高靈敏度光電轉換器或成像器件的切換延遲或圖像模糊。
[0136]盡管本發明已經關于示例性實施例描述，但是其不限于此。應當理解，本領域技術人員可以在不背離由以下權利要求定義的本發明的范圍的情況下在所述實施例中做出變 型和修改。
【權利要求】
1.一種光電轉換器，包括: 第一 pn結，具有光電轉換功能并包括不同傳導類型的至少兩個半導體區域；以及第一場效應晶體管，包括第一源極、第一漏極、第一絕緣柵極，所述第一源極與所述半導體區域之一連接，其中，當所述半導體區域的任一個暴露給光時，光電流流入所述第一 pn結中，其中: 所述第一場效應晶體管包括與半導體區域之一的傳導類型溝道相同的傳導類型溝道； 用第二電勢供應所述第一場效應晶體管的第一漏極，在該第二電勢，所述第一 Pn結相對于其他所述半導體區域的電勢是O偏置或反向偏置；以及 通過向第一絕緣柵極供應當所述第一源極達到在其所述半導體區域之一變得相對于其他所述半導體區域O偏置或反向偏置的第一電勢時使得所述第一場效應晶體管傳導的第一柵極電勢，所述光電轉換器配置為即使兩個所述半導體區域中的任一個暴露給光時，控制所述第一 pn結的飽和不被深度正向電壓偏置。
2.根據權利要求1的光電轉換器，其中 在所述第一柵極電勢和其他所述半導體區域的電勢之間的差的絕對值等于或大于所述第一場效應晶體管的柵極閾值電壓的絕對值。
3.根據權利要求1的 光電轉換器，其中 所述第一 Pn結是第一雙極晶體管的基極-集電極結；并且 所述第一雙極晶體管的基極與所述第一場效應晶體管的源極連接。
4.根據權利要求1的光電轉換器，進一步包括 第二場效應晶體管，包括第二源極、第二漏極和第二柵極，其中所述第二源極和第二漏極之一與所述Pn結的陽極連接，并從所述第二源極和所述第二漏極中的另一個獲得關于在所述第二柵極上供應傳導信號以使得所述第二場效應晶體管傳導的電信息。
5.根據權利要求3的光電轉換器,進一步包括 第二場效應晶體管，包括第二源極、第二漏極和第二柵極，其中所述第二源極和所述第二漏極之一與所述第一雙極晶體管的射極連接，并從所述第二源極和所述第二漏極中的另一個獲得關于在所述第二柵極上供應傳導信號以使得所述第二場效應晶體管傳導的電信息。
6.根據權利要求3的光電轉換器,進一步包括 第二場效應晶體管，包括第二源極、第二漏極和第二柵極；以及 單個或多個第二雙極晶體管，其中 所述第一雙極晶體管的射極與所述單個或多個第二雙極晶體管的基極連接； 多個雙極晶體管的基極和射極彼此連接； 未與所述基極連接的射極與所述第二源極和所述第二漏極之一連接，并從所述第二源極和所述第二漏極中的另一個獲得關于在所述第二柵極上供應傳導信號以使得所述第二場效應晶體管傳導的電信息。
7.一種光電轉換器，包括: 第一傳導類型的第一半導體區域；與所述第一半導體區域接觸的第二傳導類型的第二半導體區域，所述第二傳導類型與該第一傳導類型相反； 第二傳導類型的第三半導體區域，與所述第一半導體區域接觸并與第二半導體區域分隔地提供； 第一絕緣體膜，提供在第二和第三半導體區域之間的所述第一半導體區域的表面上；以及 第一柵極，提供在所述第一絕緣體膜上以橋接第二和第三半導體區域，其中，當所述第二半導體區域或接近所述第二半導體區域的第一半導體區域的一部分暴露給光時，光電流在第一和第二半導體區域之間流動，其中 向所述第三半導體區域供應第二電勢，在該第二電勢處，所述第二半導體區域相對于所述第一半導體區域變為O偏置或反向偏置，并當所述第二半導體區域轉到所述第二半導體區域變得相對于第一半導體區域是O偏置或反向偏置的第一電勢時，所述光電轉換器被配置為即使當第二半導體區域或接近第二半導體區域的第一半導體區域的一部分暴露給光時，通過向所述第一柵極供應第一柵極電勢以根據所述第一柵極引起第一半導體區域的表面上的溝道或電流路徑，控制所述第二半導體區域的飽和不被深度正向電壓偏置。
8.根據權利要求7的光電轉換器,進一步包括: 第一傳導類型的第四半導體區域，被提供以覆蓋所述第二半導體區域的上部并且與所述第一柵極自對準。
9.根據權利要求7的光電轉換器,進一步包括: 第一傳導類型的第五半導體區域，與第二半導體區域接觸，以使得已經流過所述第二半導體區域的電流通過第一或第五半導體區域被放大。
10.一種光電轉換器陣列，包括: 根據權利要求4的多個光電轉換器,在彼此交叉的第一和第二方向上布置； 在第一方向上延伸的多個第一互連； 在第二方向上延伸的多個第二互連； 第三互連，用以供應第一柵極電勢；以及 第四互連，用以供應第二電勢，其中 第一到第四互連互相絕緣；并且 第二場效應晶體管的第二柵極與在第一方向上延伸的第一互連之一連接；并且第二場效應晶體管的第二源極和第二漏極中的另一個與在第二方向上延伸的第二互連之一連接。
11.根據權利要求10的光電轉換器陣列，其中 布置所述第二漏極以在相鄰光電轉換器中具有公共部分。
12.—種成像器件,包括: 根據權利要求10的光電轉換器陣列； 驅動電路，用以掃描第一互連； 電流或電荷感測電路，與第二互連連接； 用于電勢設置的第三場效應晶體管，在源極和漏極之一處與第二互連連接； 基準電勢供應器，與第三場效應晶體管的源極和漏極中的另一個連接；第一柵極電勢供應器，與第三互連連接；以及 第二柵極電勢供應器，與第四互連連接，其中 所述電流或電荷感測電路是差分類型，具有與第二互連連接的第一輸入端子和第二輸入端子，并在第二輸入端子處被供應基準電勢。
13.根據權利要求12的成像器件，其中 第三場效應晶體管被配置為在感測電路完成感測之后并且在第二場效應晶體管被關斷之前向第二互連供應基準電勢。
【文檔編號】H04N5/3745GK103975581SQ201280060268
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年10月5日 優先權日:2011年10月6日
【發明者】林豐, 太田敏隆, 永宗靖, 渡邊博文, 根來寶昭, 君野和也 申請人:獨立行政法人產業技術總合研究所, 株式會社理光