光电转换器、光电转换器阵列和成像器件制造技术

光电转换器包括：包括不同传导类型的至少两个半导体区域的第一pn结；以及包括与半导体区域之一连接的第一源极、第一漏极、第一绝缘栅极以及与半导体区域之一的传导类型沟道相同的传导类型沟道的第一场效应晶体管。用在其第一pn结相对于其他半导体区域的电势变为0偏置或反向偏置的第二电势供应第一漏极。当第一源极转到第一电势且第一半导体区域之一相对于其他半导体区域变为0偏置或反向偏置时，即使半导体区域中的任一个暴露给光时，通过向第一绝缘栅极供应第一栅极电势控制第一pn结不被深度正向电压偏置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光电转换器、光电转换器阵列和成像器件相关申请的交叉引用本申请基于并要求于2011年10月6日提交的日本专利申请第2011-222020号的优先权，其公开通过引用整体合并于此。
本申请涉及用来转换作为光强度和波长等的光学信息以及光学图像为电流、电荷或包括数字数据的电信息的改进的光电转换器，以及涉及光电转换单元、由作为光电转换器的光电转换单元构成的光电转换器阵列以及合并这样的阵列的成像器件。
技术介绍
如稍后将描述的，光电流在电浮置状态(floatingstate)下流过具有光电转换功能的第一pn结的一端并且在一个特定时间段内累积为电荷或累积的电荷被光电流放电。为了作为电信号检测其结果，一般地，如果光强度相对于累积时间或积累时间大，则与第一pn结的所述一端连接的电容被过充电或放电。这使得光电流流向第一pn结。结果是，第一pn结被深度(deep)正向电压偏置并且过量的少数载流子在相反传导类型的两个半导体区域中累积以形成第一pn结。这引起了响应速度劣化的问题，因为由于切换第一pn结到相反偏置所花费的所谓饱和时间引起的延迟与少数载流子的寿命相关联。此现象称为饱和效应。日本专利公开第S47-18561号公开了为了防止pn结被深度正向电压偏置而将pn节与肖特基结并行连接的技术。因为在肖特基结处的正向电压小于在pn结处的正向电压以使得多数电流流入肖特基结，所以pn结可以防止被深度偏置。然而，在肖特基结处的反向电流比pn结处的反向电流大若干数量级，这增加了暗电流的总量。因此，此技术不能被采用于高敏感度光电转换器。这里，当这里全部光电流作为正向电流流动时，被深度正向电压偏置的第一pn结指代第一pn结处的正向电压。如果作为正向电流的光电流流动的量减少到十分之一或更少以减少饱和时间到大约十分之一，则认为解决了饱和问题。在此情况下第一pn结处的正向电压小于深度偏置状态下的正向电压2.3kT/q(室温下大约60mV)。这里，在pn结如果不受控制就变得被深度正向电压偏置的环境条件下，使得pn结维持在0偏置或反向偏置状态并使得正向电压小于此深度正向电压2.3kT/q的控制称为饱和控制，其中k是Bolzman常数，T是光电转换器的绝对温度，而q是电子的基本电荷。如果第一pn结由第一传导类型的第一半导体区域以及第二传导类型(何与其相邻的第一传导类型相反)的第二半导体区域形成，则累计的过量少数载流子在第一和第二半导体区域中的少数载流子的扩散长度内从第一pn结发散。扩散长度取决于载流子的类型、电子或空穴，或者半导体区域的电子特性而不同，并且第一和第二半导体区域之间的扩散长度不同。此外，将在扩散长度内额外提供具有光电转换功能的第二pn结，即使第二pn结未暴露给光，电流也在第二pn结中流动，使得光电转换器出现故障。这导致了图像模糊以及包括光电转换器阵列的成像器件中相当劣化的分辨率，在该光电转换器阵列中，在第一半导体区域中布置作为pn结的光电转换元件。现在，参考图1，使用光电二极管作为光电转换元件的示例，描述如何将作为光强度和波长分量的光学信息转换为用于输出的电信息。图1示出了作为具有阳极1002a的第一pn结的光电二极管1000a和操作为开关的场效应晶体管3000a，其中阳极1002与场效应晶体管3000a的源极或漏极连接。场效应晶体管3000a在累积时间期间关断光电二极管1000a的阳极1002a以将其置于浮置状态，以便于临时累积光电流在与光电转换元件(在此情况下，阳极-阴极电容)关联的电容中，并将其接通以输出已累积的电荷作为电流或电荷。首先，接通场效应晶体管3000a以使得光电二极管1000a的一端(图中的阳极1002)位于Vref电势并且光电二极管1000a的阳极-阴极电容用Vdd-Vref电压充电。Vdd是电源电压并且Vref是读取基准电压。接着，关断场效应晶体管3000a并用光照射光电转换元件。然后，在pn结处分别生成的光电流从光电二极管1000a的阳极1002a流入阳极-阴极电容Canc并将以Vdd-Vref充电的电容单独放电。由此，阴极电势向电源电压Vdd上升。因此，阳极-阴极电容实际上被光电流放电。然而，出于方便这里可以表达光电流存储为电荷。借助长的关断时间或大光电流，光电二极管1000a的阳极1002a超出Vdd并达到正向电势。该正向电势继续上升并且当全部光电流流过光电二极管1000a的阳极和阴极之间时达到最大值。这被称为“被深度正向电压偏置”。在此状态，过量少数载流子存储在光电二极管1000a的半导体区域中，引起了切换光电二极管1000a到反向偏置方向中的延迟。
技术实现思路
本专利技术的目标是提供光电转换器，其防止具有光电转换功能的第一pn结被置于第一pn结被深度正向电压偏置的饱和状态中，同时控制在第一pn结处的反向电流不和在肖特基结处的电流一样大。另一目标是提供可以防止图像模糊并改进分辨率的相当劣化的光电转换器。为了解决以上目标，在本专利技术中提供以下解决方案。(解决方案1)光电转换器包括具有光电转换功能并包括不同传导类型的至少两个半导体区域的第一pn结，以及包括第一源极、第一漏极、第一绝缘栅极的第一场效应晶体管，该第一源极与半导体区域之一连接，其中，当半导体区域中的任一个暴露给光时，光电流流到第一pn结中，其中，第一场效应晶体管包括与半导体区域之一的传导类型沟道相同的传导类型沟道，用第二电势供应第一场效应晶体管的第一漏极，在该第二电势，第一pn结相对于其他半导体区域的电势是0偏置或反向偏置，并通过向第一绝缘栅极供应当第一源极达到在其所述半导体区域之一变得相对于其他半导体区域0偏置或反向偏置的第一电势时使得第一场效应晶体管传导的第一栅极电势，光电转换器配置为即使两个半导体区域中的任一个暴露给光时，控制第一pn结的饱和不被深度正向电压偏置。为了通过使得大多数(例如，90％或更多)光电流通过第一场效应晶体管的源极流到漏极来控制不同传导类型的两个半导体区域不被深度正向电压偏置，第一栅极电势需要在特定条件下预设。(解决方案2)根据解决方案1的光电转换器，其中在第一栅极电势和其他半导体区域的电势之间的差的绝对值等于或大于第一场效应晶体管的栅极阈值电压的绝对值。在本专利技术的光电转换器的光电元件是光晶体管的情况下，应用以下架构。(解决方案3)根据解决方案1的光电转换器，其中第一pn结是第一双极晶体管的基极-集电极结；并第一双极晶体管的基极与第一场效应晶体管的源极连接。提供合并了用于选择光电转换器或从其读取已存储光电电荷或电信息的第二场效应晶体管的架构作为解决方案4、5和6。(解决方案4)根据解决方案1的光电转换器，进一步包括包括第二源极、第二漏极和第二栅极的第二场效应晶体管，其中该第二源极和第二漏极之一与半导体区域之一连接，并从第二源极和第二漏极的另一个获得关于在第二栅极上供应传导信号以使得第二场效应晶体管传导的电信息(电荷或电流)。(解决方案5)根据解决方案3的光电转换器，进一步包括包括第二源极、第二漏极和第二栅极的第二场效应晶体管，其中该第二源极和第二漏极之一与第一双极晶体管的射极连接，并从第二源极和第二漏极的另一个获得关于在第二栅极上供应传导信号以使得第二场效应晶体管传导的电信息(电荷或电流)。(解决方案6)根据解决方案3的光电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电转换器，包括：第一pn结，具有光电转换功能并包括不同传导类型的至少两个半导体区域；以及第一场效应晶体管，包括第一源极、第一漏极、第一绝缘栅极，所述第一源极与所述半导体区域之一连接，其中，当所述半导体区域的任一个暴露给光时，光电流流入所述第一pn结中，其中：所述第一场效应晶体管包括与半导体区域之一的传导类型沟道相同的传导类型沟道；用第二电势供应所述第一场效应晶体管的第一漏极，在该第二电势，所述第一pn结相对于其他所述半导体区域的电势是0偏置或反向偏置；以及通过向第一绝缘栅极供应当所述第一源极达到在其所述半导体区域之一变得相对于其他所述半导体区域0偏置或反向偏置的第一电势时使得所述第一场效应晶体管传导的第一栅极电势，所述光电转换器配置为即使两个所述半导体区域中的任一个暴露给光时，控制所述第一pn结的饱和不被深度正向电压偏置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.06 JP 2011-2220201.一种光电转换器，包括：第一pn结，具有光电转换功能并包括不同传导类型的至少两个半导体区域；以及第一场效应晶体管，包括第一源极、第一漏极、第一绝缘栅极，所述第一源极与所述半导体区域之一连接，其中，当所述半导体区域的任一个暴露给光时，光电流流入所述第一pn结中，其中：所述第一场效应晶体管包括与半导体区域之一的传导类型沟道相同的传导类型沟道；用第二电势供应所述第一场效应晶体管的第一漏极，在该第二电势，所述第一pn结相对于其他所述半导体区域的电势是0偏置或反向偏置；以及通过总是向所述第一绝缘栅极供应当所述第一源极达到在其所述半导体区域之一变得相对于其他所述半导体区域0偏置或反向偏置的第一电势时使得所述第一场效应晶体管传导的第一栅极电势，所述光电转换器配置为即使两个所述半导体区域中的任一个暴露给光时，控制所述第一pn结的饱和不被深度正向电压偏置。2.根据权利要求1的光电转换器，其中在所述第一栅极电势和其他所述半导体区域的电势之间的差的绝对值等于或大于所述第一场效应晶体管的栅极阈值电压的绝对值。3.根据权利要求1的光电转换器，其中所述第一pn结是第一双极晶体管的基极-集电极结；并且所述第一双极晶体管的基极与所述第一场效应晶体管的源极连接。4.根据权利要求1的光电转换器，进一步包括第二场效应晶体管，包括第二源极、第二漏极和第二栅极，其中所述第二源极和第二漏极之一与所述pn结的阳极连接，并从所述第二源极和所述第二漏极中的另一个获得关于在所述第二栅极上供应传导信号以使得所述第二场效应晶体管传导的电信息。5.根据权利要求3的光电转换器，进一步包括第二场效应晶体管，包括第二源极、第二漏极和第二栅极，其中所述第二源极和所述第二漏极之一与所述第一双极晶体管的射极连接，并从所述第二源极...

【专利技术属性】
技术研发人员：林丰，太田敏隆，永宗靖，渡边博文，根来宝昭，君野和也，
申请(专利权)人：独立行政法人产业技术总合研究所，株式会社理光，
类型：发明
国别省市：日本;JP