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公開番号
2025010457
公報種別
公開特許公報(A)
公開日
2025-01-21
出願番号
2023122033
出願日
2023-07-08
発明の名称
低ノイズ超高速イメージセンサ
出願人
個人
代理人
主分類
H10F
39/18 20250101AFI20250114BHJP()
要約
【課題】Ge-on-Si構造のマルチフレーミングイメージセンサにより、可視光、NIR、1200nm以下のSWIR光に対して時間分解能100ps以下を実現する。最終ターゲットは10psである。さらに、Ge-on-Si構造のイメージセンサに伴う大きな暗電流やリーク電流の生成を抑制する。
【解決の手段】回路拡散層と光電変換層を隔絶するp-wellや絶縁層からなる垂直方向の電荷移動禁止層に3個以上の開口を備える。一つの手段は、前記の開口を画素中心から放射方向で等距離の位置に備え、光電変換層を貫通して各開口に達する縦型転送ゲートを備える。また、電荷移動禁止層と固定電荷層を積層し、これらを貫通する多数の25ナノメートル以下の小孔を備える。
【選択図】図9
特許請求の範囲
【請求項1】
半導体デバイスと、
入射電磁波または入射荷電粒子(以後、「入射光等」と呼ぶ)を前記の半導体デバイスの上に集光する手段と、前記の半導体デバイスを制御する手段と、前記の半導体デバイスから出力される信号を処理する手段とを備える撮影装置であって、
前記の入射光等の平均的入射方向を垂直方向と呼び、前記の垂直方向に直交する方向を放射方向と呼ぶとき、
前記の半導体デバイスは、M行N列(ここにMおよびNは正の整数)の画素を備え、
前記の各画素は、放射方向に延在するとともに垂直方向に積層して成る(1)前記の入射光等で信号電荷を生成する光電変換層と、(2)前記の信号電荷の垂直方向の移動を制限する電荷移動制限層と、(3)前記の信号電荷を一旦隔離、もしくは他の電気信号に変換する回路拡散層を備えるとともに、
前記の電荷移動制限層は、信号電荷の垂直移動を許容しない電荷移動禁止層と、前記の電荷移動禁止層に開けられた3個以上の信号電荷垂直移動領域(以後、「開口」と呼ぶ)を備えることを特徴とする。
続きを表示(約 630 文字)
【請求項2】
請求項1に記載の撮影装置であって、前記の回路拡散層の中心から放射方向の等距離に、3個以上の信号電荷を転送する転送デバイスを備えることを特徴とする。
【請求項3】
請求項2に記載の撮影装置であって、前記の転送デバイスが、前記の回路拡散層内を垂直方向に延在する縦型電極部分を備える縦型転送ゲートであって、前記の各縦型電極が、前記の開口の1個に達していることを特徴とする。
【請求項4】
請求項1に記載の撮影装置であって、前記の電荷移動禁止層が信号電荷に対する反発力を生じる層を備える。
【請求項5】
請求項4に記載の撮影装置であって、前記の信号電荷に対する反発力を生じる層が3型もしくは5型のイオンを注入した層から成る。
【請求項6】
請求項4に記載の撮影装置であって、前記の信号電荷に対する反発力を生じる層が、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、タンタル、チタン、イットリウムのうち、少なくとも1つの元素を含む層である。
【請求項7】
請求項4から請求項6までのいずれかに記載の撮影装置であって、前記の開口のサイズとピッチが共に25ナノメートル以下である。
【請求項8】
請求項1から請求項7のいずれかに記載の撮影装置であって、前記の光電変換層がゲルマニウムを含むか、もしくはインジウムとガリウムとヒ素のうちの少なくとも一つを含む半導体から成る。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本特許は超高速撮影のためのイメージセンサの構造の単純化と暗電流抑制技術に関する。
続きを表示(約 890 文字)
【0002】
特に、シリコン(Si)回路上にゲルマニウムフォトダイオード(Ge PD)を載せたGe-on-Si構造の超高速イメージセンサのさらなる高速化と低ノイズ化に関する。
【背景技術】
【】
【スーパー時間分解能】
【0003】
イメージセンサで達成することができる時間分解能には実質的な上限がある。この上限を限界時間分解能と呼ぶ。
【0004】
通常のイメージセンサでは、フォトダイオード(PD)で生成した信号電子をPD内で縦方向に転送する。
【0005】
発明者らは、信号電子がPD内を縦方向転送する場合について、限界時間分解能の式を導いた。また限界時間分解能より短い時間分解能をスーパー時間分解能(Super-Temporal- Resolution, STR)と呼ぶことを提唱した(非特許文献1)。
【0006】
限界時間分解能の式は、PD材料中の電荷のドリフト速度や拡散係数、光の特性等を代表する数個のパラメータを含む。その一つは入射光の波長に対するPDの吸収係数(1/平均侵入深さ)である。
【0007】
吸収係数については歴史的に非常に多くの測定値が示されている。
【0008】
可視光の代表的な波長として一般的に550nmが使われる。
【0009】
シリコン(Si)に対する550nm光の吸収係数と平均侵入深さのデータを、平均侵入深さで統一表示すると、0.85μmから1.73μmの広範囲に分布している。2つの値を平均すると1.29μmである。既存の多くのデータの平均値もこれに近い値になる。
【0010】
1.73μmは非特許文献2に開示されていた数値表から読み取った。吸収係数や平均侵入深さに関する多くのデータは図で与えられている。図から読み取ると任意性を免れない。従ってこれまでSiに対する550nm光の平均侵入深さとして1.73μmという値を使ってきた。
(【0011】以降は省略されています)
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