(57)【要約】【課題】  相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）集積技術を利用した光センサを提供する。【解決手段】  対数応答及び広範な温度作動範囲を有するマトリクスアレイセンサが提供され、このセンサは、各々がソーラーセルモードで作動するフォトダイオード（ＰＤ）によって規定された複数のアクティブ画素を含み、フォトダイオードは、基板（１１）内の半導体接合部によって形成され、逆バイアス接合部（２０）は、基板内の電荷キャリアの拡散距離よりも短いフォトダイオードの接合部からの距離（ｄ）に存在し、この接合部は、拡散によって、フォトダイオードに隣接するセンサのトランジスタのソース又はドレインの形成に使用される深さ（ｐ’）より大きい深さ（ｐ）に形成される。【選択図】      図２
2018504780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広範な温度作動範囲を有する対数応答マトリクスアレイセンサであって、
各々がソーラーセルモードで作動するフォトダイオード（ＰＤ）によって規定された複数のアクティブ画素を含み、
前記フォトダイオードは、基板（１１）内の半導体接合部によって形成され、逆バイアス接合部（２０）が、前記基板内の電荷キャリアの拡散距離よりも短い、前記フォトダイオードの接合部からの距離（Ｄ）に存在し、前記センサは、基準電圧を生成するのに使用されて前記アクティブ画素の応答における温度関連変動を補償するように作用する１又は２以上の基準画素を含み、前記基準画素は、入射光からマスクされて、前記フォトダイオードの接合部に電流を注入することによって、実質的に、所定の照明状態のもとに配置される、センサ。
【請求項２】
前記フォトダイオードが受け入れる照度を表す電圧の読み出しの前に、前記フォトダイオード（ＰＤ）に電荷を注入して前記フォトダイオードに順バイアスをかけるためのキャパシタンス（４０）を含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記電流は、前記フォトダイオード（ＰＤ）によって生成される光電電流と同じ方向での電流を生成する電源（３０）に接続された電気抵抗（３１）を介して前記基準画素のフォトダイオードに注入される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記電流は、前記フォトダイオードによって生成される光電電流と同じ方向での電流を生成するランプ電源に接続されたキャパシタンス（３３）を介して前記基準画素のフォトダイオードに注入される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記基板（１１）は、Ｐ型半導体、具体的にはＰ型シリコンであり、前記フォトダイオード（ＰＤ）は、Ｎ+型領域を含む、請求項１から４のいずれかに記載のセンサ。
【請求項６】
前記逆バイアス接合部（２０）は、Ｎ+型領域によって生成される、請求項１から５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項７】
前記逆バイアス接合部（２０）のＮ+型領域は、前記フォトダイオードの電圧を読み取るためのＰＭＯＳトランジスタのＮドープウェルによって規定される、請求項１から６のいずれかに記載のセンサ。
【請求項８】
前記画素の各々に対して、オン状態にある場合に、所定の電圧を前記フォトダイオードに印加し、前記フォトダイオード（ＰＤ）をリセットするためのトランジスタ（１０）を含む、請求項１から７のいずれかに記載のセンサ。
【請求項９】
前記電圧の読み出し前に前記フォトダイオード（ＰＤ）に電荷を注入して前記フォトダイオードに順バイアスをかけるための前記キャパシタンス（４０）は、前記リセットトランジスタ（１０）の寄生容量である、請求項２を含む、請求項１から８のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０】
前記電圧の読み出し前に前記フォトダイオードに電荷を注入して前記フォトダイオードに順バイアスをかけるための前記キャパシタンス（４０）は、特定の目的で作られたキャパシタンスである、請求項２を含む、請求項１から８のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１１】
前記キャパシタンスによる電荷注入の後の前記フォトダイオード（ＰＤ）の初期バイアス電圧は、０．１Ｖから０．２Ｖの間である、請求項２を含む、請求項１から１０のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１２】
前記逆バイアス接合部（２０）は、前記フォトダイオード（ＰＤ）の接合部の下に広がる、請求項１から１１のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１３】
前記逆バイアス接合部（２０）は、前記フォトダイオードの接合部の両側の少なくとも２つの反対側に広がり、さらに適切には、前記フォトダイオードの周りであらゆる向きに広がる、請求項１から１２のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれかに記載のセンサ等のセンサを作動させるための方法であって、該方法は、リセットトランジスタ（１０）を閉じることによって前記ダイオード（ＰＤ）をリセットする段階と、前記フォトダイオードが受け入れた光を測定するフェーズの開始時に、順バイアスをかけるために前記フォトダイオードに電荷を注入する段階と、広範な温度範囲の作動範囲での対数応答を取得する段階と、を含む方法。
【請求項１５】
前記温度範囲は、少なくとも−１５°Ｃから６０°Ｃまでの範囲、さらに適切には、−５０°Ｃから１００°Ｃまでの範囲を包含する、請求項１４に記載のセンサ。
【請求項１６】
アクティブ画素の前記フォトダイオードの電圧は、基準画素から読み取った電圧によって補正され、前記アクティブ画素が受け入れた照度を表しかつ前記作動範囲での前記温度に依存しない信号が生成される、請求項１４、１５、又は１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ランプは、前記リセットトランジスタの制御信号の立ち下がり前面で構成される、請求項１４から１６のいずれか及び請求項４又は８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センサに関し、より具体的には、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）集積技術を利用した光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ集積技術は、良好な解像度及び適正な画像品質のモノリシックビデオカメラ用のチップを製造することを可能にする。このモノリシックビデオカメラは、主に、携帯電話、デジタルカメラ、又はラップトップなどの携帯機器を対象とする。このビデオカメラによって撮影された画像は、基本的にスクリーン又はインターネット上で閲覧するのに適する。
【０００３】
このタイプのビデオカメラの非常に効率的な性質は、自動車のスマートエアバッグ、幹線道路上での自動車の横方向及び前後方向制御、又は管理区域のビデオ監視などのビデオ支援システムの中の複数の用途に対してその点で絶え間のない高い関心をもたらす。
【０００４】
このようなビデオカメラの使用で直面する第１の問題は、所与のシーンにおける照度変動の度合いに帰する。この変動は、高照度ゾーンと低照度ゾーンとの間で軽く１２０ｄＢを超える場合がある。従来型ＣＣＤ又はＣＭＯＳビデオカメラは、線形応答を有するので、これらのビデオカメラは、この変動に容易に適応することができず、多くの場合、完全に又は部分的に飽和状態になった画像を生成し、関連情報の損失及び不安定なビジョンシステムがもたらされる。
【０００５】
第２の問題は、動的シーンにおける輝度の変動の大きさ及び変動率に帰する。従来型ビデオカメラの露光を自動的に制御するための機構は、この露光に適切に応答することができないので、結果として、システムの正確な動作に極めて不利な完全な又は部分的な飽和状態がもたらされる。
【０００６】
多くの方法は、高輝度の場合に、より低い感度を呈する非線形光電応答によって高められる動的作動範囲を有するアクティブ画素構造を生成することによって、これらの問題を解決することを提案する。
【０００７】
従って、欧州特許出願第１３５４３６０号には、光起電力形（ソーラーセルモードとも呼ばれる）フォトダイオードの使用に基づく、対数応答のアクティブ画素構造が記載されている。このフォトダイオードは、Ｐ型基板内のＮ型拡散から形成されたＰＮ接合部で形成することができる。光起電力の動作中、このフォトダイオードは、絶対値がフォトダイオード上に向かう照度の対数に比例した負の開回路電圧を生成する。リセットトランジスタは、このフォトダイオードにおいて短絡回路を作り出して、通常の照明の存在下で暗闇をシミュレートすることを可能にする。フォトダイオードによって生成される開回路電圧と短絡回路電圧との間の差分の読み出し情報は、読み取りチェーンにおける固定パターンノイズ（ＦＰＮ）を抑制し、従って、鮮明な画像を得ることを可能にする。
【０００８】
仏国特許第２，９２０，５９０号及び仏国特許第２，９４３，１７８号には、その画素がソーラーセルモードで作動するフォトダイオードを使用するセンサに対するいくつかの改良点が記載されている。
【０００９】
国際公開第２０１４／０６４２７４号には、光起電力モードで作動する第１のフォトダイオード及び統合モードで作動する第２のフォトダイオードを含み、第１のフォトダイオードで生成された電荷キャリアを蓄積するアクティブ画素構造が開示されている。
【００１０】
米国特許公開第２００２／００２４０５８号には、アバランシェフォトダイオードを含む光検出器回路が開示されている。
【００１１】
これら全ての実施形態は、画像撮影に関して良好な性能を実現するが、作動温度に対してドリフトする。この温度ドリフトは、センサから出力される画像に対して一定であるが非常に均一なオフセット電圧を加える。これは単純な観測用途では不都合なはいが、光計測学、サーモグラフィ、又はカラーイメージングなどのセンサの絶対的応答が重要である用途に関しては不都合がある。
【００１２】
従って、本発明の目的の１つは、非常に広範な動的作動範囲、及び温度に対して安定性のある光電応答を有する光センサを提供することである。
【００１３】
さらに、温度関連電圧オフセットは、従来、暗部に配置された画素によって生成される基準信号を用いて補正される。安定度を一層高めるために、暗部に配置された画素グループが使用され、その応答は、安定した基準レベルを得るために平均化される。
【００１４】
次に、各読み出し時、温度に対して安定性のある応答を得るために、この基準レベルは、光を当てられたフォトダイオードから読み取った信号から差し引かれる。
【００１５】
この方法は、多数の公知の画像センサにおいて、これらの画像センサの、温度に対する応答又は構成要素パラメータの分散に対する応答のいずれかを安定化するのに使用される。
【００１６】
しかしながら、この方法は、ソーラーセルモードでフォトダイオードを使用する対数応答画素に対しては、多くの理由から完全には効果的ではない。
【００１７】
第１に、非常に広範な作動範囲にわたって光をマスクすることは困難である。この目的で使用される金属層は、特に高照度において必然的に金属層を光に対して透過性とする微小クラックを含む。
【００１８】
さらに、多層膜の解決策は、増大させるのではなく吸収が強まることを意味する金属層間の光学共鳴により、望まれるほど効果的でない。例えば、２つの金属層を積み重ねることは、単に減衰を２倍にする。
【００１９】
最後に、金属マスキング層の端部からの光漏れは、対数応答画素が低照度に対して非常に高感度なので、暗レベルにおいて許容できない変動を引き起こす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】欧州特許出願第１３５４３６０号
【特許文献２】仏国特許第２，９２０，５９０号
【特許文献３】仏国特許第２，９４３，１７８号
【特許文献４】国際公開第２０１４／０６４２７４号
【特許文献５】米国特許公開第２００２／００２４０５８号
【特許文献６】国際公開第２０１４／１３１７０４号
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Ｓ．Ｍ．セー著「Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ」ウィレット及びソンス出版、１９８１年（ＩＳＢＮ  ０−４７１−０５６６１−８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従って、この欠点を是正する必要がある。
【００２３】
従来型ＣＭＯＳ光センサ、すなわちその画素がソーラーセルモードで作動しないフォトダイオードを含むＣＭＯＳ光センサは、本発明が関連するセンサとは対照的に、露出オーバーに対して非常に敏感であり、本発明のセンサは、対数応答によって露出オーバーに対してそれほど敏感ではない。
【００２４】
国際公開第２０１４／１３１７０４号に詳細に記載されるように、フォトダイオードに隣接した拡散を用いてこの露出オーバーに対処することが知られており、例えば、この拡散は、フォトダイオードのリセットトランジスタのゲートを用いて形成される。しかしながら、この公報は、このような拡散が、対数応答画素の動作に関する温度依存性に対して有利な効果のために使用できることに全く言及していない。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、前述の欠点の全て又は一部を是正することを意図しており、本発明の主題の１つは、本発明の態様の１つによる、広範な温度作動範囲を有する対数応答マトリクスアレイセンサであり、このセンサは、各々がソーラーセルモードで作動するフォトダイオードによって規定された複数のアクティブ画素を含み、フォトダイオードは、基板内の半導体接合部によって形成され、逆バイアス接合部は、基板内の電荷キャリアの拡散距離よりも短いフォトダイオードの接合部からの距離に存在し、好ましくは、この接合部は、基板内の拡散によって、フォトダイオードに隣接するセンサのこれらのトランジスタのソース又はドレインの形成に使用される深さより大きい深さに形成される。
【００２６】
従って、本発明による逆バイアス接合部は、フォトダイオードに隣接するトランジスタのソース又はドレインを形成するのに必要な拡散とは異なる。
【００２７】
各拡散は、局所的かつ離散的であり、それぞれのフォトダイオードの１つだけに関連することができる。
【００２８】
しかしながら、好ましくは、逆バイアス接合部は、複数のフォトダイオードに共通する拡散によって得られ、フォトダイオードの下に広がるか又はフォトダイオードの下に広がりかつ各フォトダイオードの少なくとも２つの側面を取り囲む。
【００２９】
複数のフォトダイオードに共通する拡散の利点は、フォトダイオードの高密度の注入を可能にすることであり、各フォトダイオードを取り囲む拡散層の利点は、より望ましいアンチブルーミング効果を得ることを可能にすることであり、ダイナミック動作レンジをさらに高めることが可能になる。
【００３０】
拡散の深さは、表面から測定した拡散の下限値に対応する。
【００３１】
寄生電流が好適なゲート制御を妨げるのを防止するめに、トランジスタのソース又はドレインを形成するのに使用される拡散は、表面近くに制限されることが好ましく、逆バイアス接合部を形成するのに使用される拡散は、より深いことが好ましく、対数画素の温度挙動における能動的役割を果たすことができる。
【００３２】
好都合な構成は、ソーラーセルモードでのフォトダイオードの接合部を、基板に対して逆バイアスがかけられたウェル内に配置することである。この構成は、隣接フォトダイオードの間のブルーミング効果に起因したクロストークを完全に除去する。
【００３３】
隣に配置された逆バイアス拡散により、本発明によるフォトダイオードの応答は、温度上昇に伴う単純な変動として合計することができる温度効果に被る。本発明は、対数応答が、広い温度範囲、具体的には−５０°Ｃから１００°Ｃの間で得られることを可能にする。
【００３４】
好ましくは、本センサは、フォトダイオードが受け入れた照度を表す電圧の読み出しの前に、フォトダイオードに順バイアスをかけるために、電荷を注入するためのキャパシタンスを含む。このような注入は、より低い温度であっても対数応答を得ることを可能にする。
【００３５】
また、好ましくは、本センサは、基準電圧を生成するのに使用されてアクティブ画素の応答における温度関連変動を補償する役割を果たす基準画素を含み、１又は複数の基準画素は、入射光からマスクされており、基準画素のフォトダイオードの接合部に電流を注入することによって、実質的に、所定の非ゼロの照明状態のもとに配置される。
【００３６】
この電流は、照明の作用の下でフォトダイオードによって生成される光電電流と同じ方向での電流を生成する電源に接続された電気抵抗を介して、基準画素のフォトダイオードに注入することができる。変形例として、この電流は、フォトダイオードによって生成される光電電流と同じ方向での電流を生成するランプ電源に接続されたキャパシタンスを介して、基準画素のフォトダイオードに注入することができる。
【００３７】
従って、本発明のこの態様により、特定の照明レベルに対応する基準レベルは、暗基準レベルを生成する代わりに、１又は２以上の基準画素においてこの照明を電気的にシミュレートすることによって生成される。従って、基準信号に対する寄生光の影響が高照明レベルでは少ないので、暗基準レベルの使用に関して前述した欠点が回避される。
【００３８】
基板は、Ｐ型半導体、具体的にはＰ型シリコンとすることができ、フォトダイオードは、Ｎ+型領域を含むことができる。
【００３９】
逆バイアス接合部は、Ｎ+型領域によって実現することができる。好都合には、逆バイアス接合部のＮ型領域は、フォトダイオードの電圧を読み取るためのＰＭＯＳトランジスタのＮドープウェルによって規定される。
【００４０】
本センサは、各画素に対して、オン状態にある場合に、所定のバイアス電圧をフォトダイオードに印加して、フォトダイオードをリセットするためのトランジスタを含むことができる。
【００４１】
露光の前に順バイアスをかけるためにフォトダイオードに電荷を注入するためのキャパシタンスは、開発しようとするこのリセットトランジスタの寄生ゲートドレインキャパシタンスとすること、又は変形例として専用のキャパシタンスとすることができる。
【００４２】
この電荷注入により得られるフォトダイオードの初期バイアス電圧は、０．１Ｖから０．２Ｖの間とすることができる。
【００４３】
本発明のさらに別の主題は、本発明によるセンサ、すなわち、上記に定義したセンサ等のセンサを作動させるための方法であり、本方法は、リセットトランジスタを閉じることによってフォトダイオードをリセットする段階と、フォトダイオードが受け取った光へ露出するフェーズの開始時に、順バイアスをかけるためにフォトダイオードに電荷を注入する段階と、広範な温度作動範囲での対数応答を得る段階と、を含む。
【００４４】
この温度範囲は、少なくとも−１５°Ｃから６０°Ｃの範囲、さらに適切には、−５０°Ｃから１００°Ｃの範囲を包含することができる。
【００４５】
好ましくは、アクティブ画素のフォトダイオードの電圧は、基準画素から読み取った電圧によって、例えば、減算によって補正されて、アクティブ画素が受け入れた照度を表しかつこの作動範囲での温度に依存しない信号が生成される。
【００４６】
基準画素の特定の照明レベルをシミュレートする電流を生成する役割を果たす前述のランプは、リセットトランジスタの制御信号の立ち下がり前面（ｆａｌｌｉｎｇ  ｆｒｏｎｔ）で構成することができる。
【００４７】
本発明は、その非限定的で例示的な実施形態の以下の詳細な説明を解釈して添付図面を考察することでより完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明によるセンサの画素の等価回路図である。
【図２】画素のＣＭＯＳ構造を概略的かつ部分的に示す。
【図３】フォトダイオードの基板内の電荷特性を示す。
【図４】図１に類似した、画素の別の実施形態の図である。
【図５】基準画素における露光をシミュレートする電流の生成を示す。
【図６】図５に類似した、別の実施形態の図である。
【図７】ランプによって注入される電荷を生成する方法を示すタイミング図である。
【図８】アノード−カソード方向でのフォトダイオードの電圧の読み出しの前に電荷の注入がない場合の、照明レベルの関数としての画素によって生成される電圧変動を示す。
【図９】フォトダイオードの露光開始前で電荷注入後に、本発明による画素によってアノードカソード方向で生成される、照明レベルの関数としての電圧を示す。
【図１０】フォトダイオードの簡略的な等価回路の概略図である。
【図１１】センサの別の実施形態を概略的に示す。
【図１２】センサの別の実施形態を概略的に示す
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、本発明による光センサの画素の電子回路を概略的かつ部分的に示している。この画素は、画素の横列及び縦列を含む検出器マトリクスアレイの一部分を形成する。各画素は、その電圧を読み取るための電子回路に関連するフォトダイオードＰＤを含み、この電子回路は、詳細に説明されていないが、ソーラーセルモードでフォトダイオードを読み取るための回路の例は、例えば、仏国特許第２，９４３，１７８号に記載されている。
【００５０】
ソーラーセルモードでのフォトダイオードＰＤの開回路電圧は、１４において出力信号を通してサンプリングされる。図１に示されているように、フォトダイオードは、各読み取りサイクルの後、信号ＲＳＴによって制御されるリセットトランジスタ１０を閉じることによってリセットされ（リセット動作）、このトランジスタは、閉じられた場合に、所定の電位をフォトダイオードの端子に印加する。
【００５１】
図２に示されているように、フォトダイオードＰＤは、従来型ＣＭＯＳ集積技術を利用してＮ型ドーパントをＰ型基板１１に拡散することによって形成することができる。
【００５２】
リセット動作は、フォトダイオードＰＤのカソード上に蓄積された光電電荷が空になることを可能にするが、さらに、基板に蓄積された電荷が空にする必要がある。
【００５３】
センサのマトリクスアレイ内の画素の密度が低い場合には、この電荷を構成する電荷キャリアは、必然的に基板内で再結合する。対照的に、本発明によるセンサが当てはまるが、画素マトリクスアレイが高密度である場合には、これらの電荷キャリアは、明示的に吸収される必要がある。
【００５４】
本発明によれば、逆バイアス接合部２０は、拡散距離よりも短いフォトダイオードＰＤからの距離ｄで基板１１に形成される。
【００５５】
リセットトランジスタ４０は、接合部４１及び４２を含み、接合部のＮ++領域は、領域２０の深さｐよりも小さい深さｐ’に広がる。
【００５６】
拡散距離は、少数キャリアが、再結合する前に基板内で移動する距離を特徴付ける。この距離は、考慮される実施例の場合、一般にＰ型基板内のＬｐと呼ばれる。Ｌｐは、例えば、Ｓ．Ｍ．セー著の１９８１年にジョン  ウィレット及びソンスから出版された文献「Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ」（ＩＳＢＮ  ０−４７１−０５６６１−８）に記載されているように特定される。Ｌｐは、例えば、ＣＭＯＳ回路製造用の一般的な基板において、５０μｍから２００μｍの間である。
【００５７】
接合部２０は、Ｎ+型領域、例えば、フォトダイオードＰＤの電圧の読み出しに使用される少なくとも１つのＰＭＯＳトランジスタのウェルＮwellを用いて形成することができ、このトランジスタは、明瞭化のために図示されていない。ＰＭＯＳトランジスタを使用した読み取り回路の例は、仏国特許第２，９４３，１７８号に記載されている。
【００５８】
変形例として、特に使用される読み取り回路が、仏国特許第２，９２０，５９０号に記載されているようなＮＭＯＳトランジスタのみを含む場合、Ｎ型拡散層は、フォトダイオードＰＤの近くに形成することができる。このＮ型拡散層は、画素の能動又は受動素子、例えば、ＮＭＯＳトランジスタのソース又はドレインを形成する拡散層の一部分を形成することができる。
【００５９】
シリコンで作られているＰ型基板１１の場合、フォトダイオードのＮ+型領域は、例えば、ヒ素又はリンを用いて拡散又はイオン注入のいずれかによって形成され、同様のプロセスが、逆バイアスＮ+型領域に使用される。
【００６０】
基板内の単一のフォトダイオードの場合には、以下の数式（１）が、フォトダイオードの電流ＩDと電圧ＶDとの間の関係を決定する。
【数１】
2018504780.tif 000003
（１）
【００６１】
Ｖtは、熱的起源の電圧であり、典型的には、２０°Ｃにおいて約２６ｍＶであり、Ｉｓは、フォトダイオードの接合部の飽和電流である。
【００６２】
ソーラーセルモードでの、照明を当てたダイオードの静的開回路電圧は、以下の数式（２）で与えられる。Ｉλは光電電流である。
【数２】
2018504780.tif 000004
（２）
【００６３】
フォトダイオードの両端の電圧は、Ｉｓが大きくなった場合に、もはや対数的に変化しないことを理解することができる。Ｉｓは、シリコンにおいて約７°Ｃごとに２倍になることに留意されたい。
【００６４】
フォトダイオードの近くで、すなわち拡散距離Ｌｐよりも短い距離で、接合部２０によって形成されたＮドープ領域により、フォトダイオードの両端の電圧の変動は、このＮドープ領域のバイアスの影響を受ける。
【００６５】
フォトダイオードと近傍のＮドープ領域との間の少数電荷キャリアの拡散に基づくモデルによって、フォトダイオードの電圧及び電流に関する数式を導き出すことができる。
【００６６】
図３に示すように、ソーラーセルモードでフォトダイオードの近くで、電圧ＶAB（露光過多保護電圧と呼ばれる）によって逆バイアスがかけられたＮ型拡散は、Ｐ型ゾーンの少数キャリアの特性（すなわち、まさのこの事例における電子）を変化させる。従って、フォトダイオードによって基板１１に注入される電荷は、拡散法則に従って、逆バイアスをかけられたＮドープ領域に向かって拡散する。
【００６７】
画像センサの製造を意図した基板において、結晶品質は優れている。従って、拡散距離に対して各Ｎ型領域の間の距離が短い場合、少数キャリアの分布は、実質的に三角形である。
【００６８】
このフォトダイオードに関する電流−電圧の関係、すなわち
【数３】
2018504780.tif 000005
（３）
を導き出すことができる。
【００６９】
この関係式（３）から、フォトダイオードの電流／電圧曲線は、点（０，０）を通過しないことを理解することができる。この点（０，０）からの逸脱が、暗闇に対応するフォトダイオードの電流がゼロである場合にフォトダイオードの両端の電圧がゼロでないので、温度ドリフト効果が認められる理由である。
【００７０】
ソーラーセルモードでのフォトダイオードの両端の電圧は、以下の関係式（４）で表すことができる。
【数４】
2018504780.tif 000006
（４）
【００７１】
−ＶAB／Ｖtに依存する指数項は無視できるので、Ｎドープ接合部２０に逆バイアスをかけると、電流Ｉｓが大きい場合であっても実質的な対数変動を維持できることが分かるはずである。
【００７２】
この場合、それにもかかわらず、温度に対する電流Ｉｓの変動は、フォトダイオードが暗部に存在する場合に電圧ドリフトを引き起こすが、以下に説明するようにこの電圧ドリフトを補正することができる。
【００７３】
フォトダイオードＰＤがリセットトランジスタ１０に関連する場合、フォトダイオードは、ＶD0で示される初期電圧とは異なる。
【００７４】
図１０に示されている単純な等価回路は、リセット動作後のフォトダイオードの動的挙動をモデル化するのに使用することができる。この等価回路の解析により、微分方程式（５）を導き出すことができ、その解は、露光時間ｔの後のフォトダイオードの電圧Ｖdである。
【数５】
2018504780.tif 000007
（５）
【００７５】
この方程式において、ＩAB＝Ｉsｅｘｐ（−ＶAB／Ｖt）であり、ＶDOは、フォトダイオードの両端の初期電圧であり、ＣDは、フォトダイオードのキャパシタンスであり、その他の項は、式（４）と同様の意味を有する。
【００７６】
画像センサにおいて、露光時間は、一定であり、撮影期間よりも短い又はそれに等しい値に設定される場合が多い。
【００７７】
露光終了時のフォトダイオードの両端の電圧が、フォトダイオード上に当たる照明レベルの関数としてプロットされる場合、図８に示すように、様々な温度レベル及び電流Ｉsに対して複雑な応答が得られる。
【００７８】
高光束時において、応答は厳密に対数であるが、低光束時において、応答は、低い温度で線形とすることができ、その理由は、リセット動作後、フォトダイオードの寄生容量を再充電する必要があるためである。
【００７９】
近くに逆バイアス接合部２０がないソーラーセルモードのフォトダイオードと比較すると、光電応答は、温度に対して急速に崩壊する。この場合には、後続の処理によって感度の損失を復元することは不可能である。
【００８０】
式（５）から、ソーラーセルモードでのフォトダイオードの初期電圧ＶD0が、正値に設定される場合、すなわちリセットフェーズの間に、フォトダイオードが短絡されるのでなく順バイアスがかけられる場合、応答は、温度範囲全体にわたって対数になることを理解できるはずである。次に、応答に対する温度の影響は、図９に示すように、単純な平行移動として合計することができ、照度の関数としての電圧変動は、−２０°Ｃから９０°Ｃまで広がる温度範囲に関して示されている。
【００８１】
ＭＯＳトランジスタを用いて順バイアスフォトダイオードをリセットすることは困難であり、その理由は、この場合、リセットトランジスタのソース及びドレインが、同様に順バイアスがかけられるからである。これらの順バイアス接合部は、電荷を基板に注入し、これは光電電荷と同じ特性であり、その結果、画像センサ内のフォトダイオードの正確な作動が阻止される。
【００８２】
キャパシタンス４０は、リセットトランジスタが開になった後に、フォトダイオードに順バイアスがかけられるように、フォトダイオードに電荷を注入するのに使用することができる。
【００８３】
キャパシタンス４０は、図１に示されているリセットトランジスタ１０の寄生容量とすること又は図４に示されている特定のキャパシタンスとすることができる。このキャパシタンスを介してフォトダイオードに印加される初期順バイアス電圧ＶD0は、例えば、０．１５Ｖである。
【００８４】
キャパシタンスの値は、低温において求められている対数応答を得る程度の大きさである。
【００８５】
例えば、Ｔ＝−１５°Ｃでは、２５°Ｃに対して１％よりも小さい、応答における分散を得ることが要求される。ここで、分散は、応答曲線の間の相対偏差として定義される。
【００８６】
さらに、好都合には、本発明による光センサは、入射光から保護されており、基準電圧を発生して温度シフトを補償することを可能にするように作用する、１又は２以上の基準画素を含み、結果として、対数でありかつ広範囲にわたって温度に依存しない信号を得ることができる。
【００８７】
これら１又は２以上の基準画素は、入射光に対するスクリーンを形成する金属層によってマスクされるが、公知の解決策と対照的に、その中で所定の基準照明状態がシミュレートされる。
【００８８】
この基準照明レベルが十分に高く設定された場合、ＣＭＯＳ製造プロセスを使用した光マスクからの光漏れの作用を減衰すること又は除去することが容易になる。
【００８９】
例えば、金属層が、２０００の減衰係数を得るのを可能にし、対数画素の感度閾値が、０．０１ルクスである場合、暗部に配置された基準画素の許容最大照度は２０ルクスであり、この照度は非常に低い。
【００９０】
提案する解決策では、基準照度が１０，０００ルクスに設定された場合、基準画素が２００，０００ルクスを受け取る場合であっても基準レベルにおいて１％のみの変動が存在する。
【００９１】
必要であれば、さらに高い精度となるように１又は２以上の基準画素に複数の金属層を施工することが可能である。一般的に、精度は、電子的にシミュレートされた照明レベルと共に高くなる。
【００９２】
この照明レベルをシミュレートするために、等価の照明状態をシミュレートする電流を生成すること、従って、図５に示されているように、電気抵抗３１によってフォトダイオードＰＤに接続された電源３０を使用して、フォトダイオードのソーラーセルモードでの動作によって生成されるのと同じ方向に流れる電流を生成することが可能である。考慮される実施例において、この電源は負であり、電源３０の電圧の選択及び抵抗３１の値の選択によって、所望の電流を得ることが可能になる。
【００９３】
別の好都合な解決策は、図６に示すようにキャパシタンス３３を経由してフォトダイオードのカソードに接続されたランプ電源を使用することである。照明状態をシミュレートする電流は、キャパシタンスの値及びランプの勾配を選択することによって調整することができる。
【００９４】
ランプ電源は、要求される電流を生成することが特に意図されている。しかしながら、センサのトランジスタの制御信号、具体的には、図７に示されているリセットトランジスタの制御信号ＲＳＴの立ち下がり前面を活用することが好都合な場合がある。この信号ＲＳＴは、フォトダイオードＰＤの各露光サイクルの前にトリガされる。
【００９５】
図１１及び１２は、本発明によるセンサの２つの実施例を示しており、この実施例では、基板１１内の接合部２０は、拡散で形成されており、フォトダイオードＰＤの接合部の下に広がる。
【００９６】
図１１の実施例では、接合部２０は、あるフォトダイオードＰＤに関して、拡散距離Ｌよりも短い距離ｄだけその下に広がり、それによって、高密度注入を維持することが可能になる。
【００９７】
図１２の実施例では、接合部を形成するのに役立つ拡散は、各フォトダイオードＰＤの両側で水平方向に延び、好ましくは、フォトダイオードの下にも広がる。
【００９８】
例えば、拡散は、カップを形作り、各カップ内には各フォトダイオードＰＤの１つが配置される。
【００９９】
基板１１は、Ｐ型とすることができ、フォトダイオードＰＤの接合部及び逆バイアス接合部は、Ｎ型とすることができる。
【０１００】
逆バイアス接合部を形成する拡散の深さｐは比較的大きい。
【０１０１】
この深さｐは、例えば、０．１８μｍ技術の場合には、少なくとも０．５μｍである。より大きな深さは、長い波長の光子（６５０ｎｍより長い）によって生成された光電電荷が吸収されることを可能にする。
【０１０２】
本発明は、記載された実施例に限定されるものではない。特に、Ｎ型及びＰ型キャリアは逆にすることができる。
【０１０３】
深さｐ及び距離ｄは、センサ内で様々とすることができ、局所値である。深さｐ及び距離ｄは、電子顕微鏡スキャニングによって容易に求めることができる。
【０１０４】
表現「含む」は、別途指示されない限り、「少なくとも１つのものを含む」と同じ意味であることを理解されたい。
【符号の説明】
【０１０５】
１０  リセットトランジスタ
１１  基板
２０  逆バイアス接合部
３０  電源
３１  電気抵抗
３３、４０  キャパシタンス
【図１】
2018504780.tif 000008
【図２】
2018504780.tif 000009
【図３】
2018504780.tif 000010
【図４】
2018504780.tif 000011
【図５】
2018504780.tif 000012
【図６】
2018504780.tif 000013
【図７】
2018504780.tif 000014
【図８】
2018504780.tif 000015
【図９】
2018504780.tif 000016
【図１０】
2018504780.tif 000017
【図１１】
2018504780.tif 000018
【図１２】
2018504780.tif 000019
【国際調査報告】
2018504780.tif 000020
2018504780.tif 000021
2018504780.tif 000022
2018504780.tif 000023
2018504780.tif 000024
2018504780.tif 000025