[发明专利]光电转换器、光电转换器阵列和成像器件

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

如稍后将描述的，光电流在电浮置状态(floating state)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。