[发明专利]光控场效应晶体管和使用它的集成光电检测器

说明书

技术领域

本发明涉及对光控场效应晶体管(此后亦称为光控FET)的改进，其中光电二极管和场效应晶体管(此后亦称为FET)被集成于单片中。 

背景技术

在医药、灾害预防和工业检测领域等各种应用中，对近红外区域的光电检测器，尤其是以一维或者二维排列了多个光电检测器的光电检测器阵列作为用于光谱系统或者红外线照相机的红外光电检测器具有很高需求。例如，在医学和生物测量学领域，非介入行为被重新肯定并商品化为利用红外附近区域中的0.7～0.9μm之间的血色素光谱特征的“活体内氧分监控装置”或者“血管图像认证系统”。适用范围还可扩展至利用光断层照相术的诊断或者测量波长设定为1.2至1.5μm的红外区域的生物测量。在此条件下，活体渗透性进一步增加，能够实现即使注视光源也是安全的所谓“眼睛安全”条件。 

同样，鉴于由单质氧造成的活体发射波长为1269nm等事实，与近来广受关注的利用荧光标签进行的单分子检测有关，对于红外区域内的弱光的检测系统的需求很大。在灾害预防和安全领域，比较强的光照是可的，因此，期待实现强化了利用物质的特定红外光吸收特性、例如温度和湿度、进行活体识别以及温度测量功能的夜视照相机。此外，当波长范围扩展至4μm时，就可以检测热图像或者有毒气体，如CO，以及服务于灾害预防和遥感。 

另一重要应用领域为利用具有所谓“智能像素”功能的成像装置进行距离识别或者移动体识别。例如，如在文献1中所公开的，已开发出了一种照相机，该照相机根据数MHz频率的调制光的相位来测量距离。该照相机利用与硅CCD(电荷耦合元件)以调制频率同步的开关进行所谓的锁定检测。 

文献1：Robert Lange and Peter Seitz，“Solid-StateTime-of-Flight Range Camera”，IEEE JOURNAL of QUANTUMELECTRONICS，VOL.37，NO.3，p.390-397(MARCH 2001)。 

在此，根据基本光电检测器自身的结构，可检测红外区域的现有光电检测器可大致分为以下所示的1)至3)三类。 

1)光电倍增管(PMT)，将由入射光激发而从光电转换表面发射的电子倍增来检测电荷，或者具有电子倍增机制(例如，电子轰击CCD照相机：Hamamatsu Photonics K.K生产的EB-CCD照相机)。 

2)检测化合物半导体中的光产生电流的PIN二极管。 

3)将半导体内的光产生电流倍增的雪崩光电二极管。 

但是，在PMT和光电二极管的情况下，在建立检测器阵列方面存在内在问题，原因是需要高加速电压用于加速和倍增在真空管或者固体物质中由光产生的电子，以及其倍增特性的变化比较大。 

同样，在EB-CCD照相机中，由于感应静电放电在数伏电压下会破坏微CCD，事实上难以将CCD与需要1KV加速电压的电子倍增板组合。因此，EB-CCD照相机作为产品太过昂贵，达不到满足广泛需求的程度。另一方面，尽管使用化合物半导体的PIN光电二极管的结构简单和相对易于集成，但PIN光电二极管的检测限制远差于硅CCD，其原因在于其感光度低并受到来自外部放大器的读出噪声的极大影响，以及不像硅CCD那样具有电荷存储机制。 

由现有光电检测器引起的另一严重问题是感光波长区域有限。尽管开发出了在可见光区域内的各种摄像器件，但在波长在150nm～300nm的紫外区域和波长大于1μm的红外区域的感光度不足。为了处理宽范围的波长区域需要设置多个具有不同感光特性的光电检测器，导致复杂的光学系统。 

在不是化合物半导体系光电检测器，而是具有硅感光层并处理从可见光到近红外区域的波长的光电检测器中，将利用集成于半导体中 的晶体管放大光感生电流的光电晶体管用于光中继或者摄像器件。尤其是，CMOS图像传感器作为高分辨率照相机或者摄像机的摄像器件越来越普及。因其采用了具有光电检测器和组合于单个像素内的MOSFET的有源单元系统，故易于进行高密度集成。 

此外，下述的文献2和3公开了一种被称为VMIS(阈值电压调制图像传感器)的硅基光电检测器，其中试图利用元件内的p型阱将来自内置光电二极管的输出与MOSFET的背栅互连，从而将光电检测器和FET组合起来。 

文献2：JP-A2004-241487