JPH01133359A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は接合型電荷結合素子（ＪＣＣＤ）を用いた固体
撮像装置に関するものである。

〔従来の技術〕

Ｊ　ＣＣＤに関する従来技術には、例えばソリッドφス
テート・エレクトロニクス（Ｓｏｌ　１ｄ−ｓｔａｔｅ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　）　Ｖｏｌ、　　２　Ｌ　　
ｐｐ、　　１００５〜１０１１に示されたものなどがあ
るが、このＪＣＣＤを用いた固体撮像装置は、一般的に
は第４図に示される構成となっている。

第４図は従来の固体撮像装置の構成を示し、同図（ａ）
は平面配置図、同図（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図、同図
（ｃ）はＣ−Ｃ線断面図である。

同図（ａ）の通り、固体撮像装置は半導体基板１の受光
領域に形成された複数のフォトダイオード（ＰＤ）２１
〜２ｎと、ＪＣＣＤアナログシフトレジスタをなす水平
シフトレジスタ３と、これらの間に介在させられた転送
領域４とから構成される。

同図（ｂ）に示す通り、半導体基板１はｐ型の第１の半
導体層１１と、この第１の半導体層１１の内部に形成さ
れたｎ型の第２の半導体層１２からなり、第２の半導体
層１２はｐ型の分離層１３を介して他の素子部分から分
離され名と共に、ｎ型のバイアス層１４を介して所定バ
イアスＶＢが与えられるようになっている。そして、Ｊ
ＣＣＤアナログシフトレジスタは第２の半導体層１２の
内部に形成された複数の電荷転送層３０、。

３０　．３０３．・・・により構成され、このｐ型の電
荷転送層３０には転送りロックφが印加されるようにな
っている。

同図（ｃ）に示す通り、受光領域にはｐ型の受光層２０
が設けられ、これと電荷転送層３０との間にはｐ型の転
送ゲート層４０が形成される。そして、転送ゲート層４
０にはゲートパルスＴＧが印加されるようになっている
。また、従来の固体撮像装置では一般に、受光層２０に
は電圧が印加されておらず、いわゆるフローティング状
態となっている。

第５図は従来の駆動波形を示しており、図示の転送りロ
ックφおよびゲートパルスＴＧが第４図の電荷転送層３
０および転送ゲート層４０に印加される。まず、時点ｔ
１以前においては転送りロックφおよびゲートパルスＴ
Ｇは共に低レベルであり、この間に受光層２Ｄの領域下
で信号電荷の蓄積がなされる。そして、時点ｔ　ｌ−ｔ
　２の間では転送りロックφのみが高レベルとなり、電
荷転送層３０のポテンシャル井戸が深くなり、時点ｔ２
〜ｔ３の間ではゲートパルスＴＧも高レベルとなって転
送ゲート層４０のポテンシャル井戸が深くなるので、受
光層２０の領域下に蓄積された信号電荷は、転送ゲート
層４０を通って電荷転送層３０の領域下に転送されるこ
とになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記の従来技術では下記の問題があった
。

第１は、第５図の時点１　−１３における電荷転送が不
十分となって、一部の電荷が転送されずに受光層２０の
領域下に残ってしまうことである。

すると、この残留電荷は次の蓄積電荷に加算されてしま
い、いわゆる残像を招くことになる。

第２は、受光層２０の領域下の蓄積可能な電荷量を大き
くすることが難しいことである。この可能量が少ないと
、必然的に固体撮像装置の感度は低下することになる。

第３は、第５図の時点ｔ１以前に蓄積される信号電荷が
多くなりすぎると、これが転送ゲート層４０の領域から
溢れ出し、電荷転送層３０の領域下に流れこんでしまう
ことである。このような蓄積電荷の飽和による信号の溢
れ出しは、一般にはブルーミングと呼ばれ、固体撮像装
置の大きな欠点となっていた。

そこで本発明は、高感度でしかも残像が現われることな
く、望ましくはブルーミングも抑制することのできる固
体撮像装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段〕 本発明に係る固体撮像装置は、第１導電型の第１の半導
体層と、この第１の半導体層内部に形成された第２導電
型の第２の半導体層と、この第２の半導体層内部に形成
された第１導電型の複数の受光層と、第２の半導体層内
部でＪＣＣＤアナログシフトレジスタを構成するように
形成された第１導電型の複数の電荷転送層と、複数の受
光層領域下の信号電荷を複数の電荷転送層領域下に転送
するように、第２の半導体層内部に形成された第１導電
型の転送ゲート層の受光層とを備える固体撮像装置にお
いて、上記の複数の受光層には所定電圧レベルの受光部
レベル制御信号を印加するための制御電極が設けられて
いることを特徴とする。

〔作用〕

本発明の構成によれば、信号電荷の蓄積のための受光層
には所定レベルの受光部レベル制御信号が印加されるの
で、このレベルの設定により蓄積可能な電荷量を大きく
したり、電荷転送層への転送効率を高くしたりすること
ができ、また電荷が溢れ出すときはこれを基板側へ流す
ことが可能になる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。な
お、図面の説明において、同一要素には同一の符号を付
す。

第１図は第１実施例の構成と作用の説明図である。同図
（ａ）は断面構造を示し、同図（ｂ）は信号の波形を示
し、同図（Ｃ１）〜（Ｃ７）はボア／シャル井戸の変化
を示している。そして、同図（ａ）の構造が第４図（ｃ
）の従来例と異なる点は、受光層２０に外部電極（制御
電極）が設けられ、ここに受光部レベル信号ＶＰＤが与
えられることである。なお、第１図（ｂ）において低レ
ベルは、通常は接地レベルに設定される。

次に、上記実施例の作用を説明する。

まず、第１図（ｂ）の時点ｔ１以前においては、転送り
ロックφおよびゲートパルスＴＧは低レベルとなってお
り、受光部レベル信号ｖＰＤは高レベルとなっている。

このため、ポテンシャル井戸は同図（Ｃ１）に示すよう
に、受光層２０の部分のみが深くなっている。このとき
、受光層２０に光入力があると、発生した信号電荷Ｑは
このポテンシャル井戸に蓄積される。この実施例では、
受光部レベル信号ＶＰＤのレベルによってポテンシャル
井戸の深さを変える（設定する）ことができ、従って蓄
積可能な信号電荷量を設定して感度を自在に設定するこ
とが可能である。

時点ｔ　ｔ　−ｔ　２においては、転送りロックφが低
レベルから高レベルに変る。このため、第１図（Ｃ２）
に示すように電荷転送層３０の部分のポテンシャル井戸
は深くなる。次いで、時点ｔ２〜ｔ３ではゲートパルス
ＴＧも高レベルとなり、従って転送ゲート層４０の部分
のポテンシャル井戸も深くなる。このため、受光層２０
領域下に蓄積されていた信号電荷Ｑは転送ゲート層４０
を過つて電荷転送層３０の領域下に流れこみ、いわゆる
信号電荷の転送がなされる。ここで、信号蓄積期間の受
光部レベル信号ｖＰＤのレベル（受光部レベル信号ＶＰ
Ｄの高レベル）は転送りロックφおよびゲートパルスＴ
Ｇの高レベルより低くなっており、従って時点ｔ　−ｔ
３における受光層２０のボテンシャル井戸は、電荷転送
層３０および転送ゲート層４０のポテンシャル井戸より
浅くなっている。

このため、受光層２０から電荷転送層３０への電荷転送
は効率よく行なわれ、受光層２０での残存電荷によるい
わゆる残像は、大幅に改善することができる。

次に、時点ｔ３〜ｔ４では受光部レベル信号■ＰＤが低
レベルとなる。このため、受光層２０のポテンシャルは
第１図（Ｃ４）のようになり、残っていた全ての電荷は
電荷転送層３０および転送ゲート層４０の領域下に転送
される。そして、時点１　−１　　で受光部レベル信号
ｖＰＤが高レベルとなり、ポテンシャル井戸が第１図（
Ｃ５）のようになっても、受光層２０の領域下には全く
電荷が残らなくなる。このため、次の信号電荷Ｑ′の蓄
積をゼロから再開できる。

次に、時点ｔ　　−ｔ　ａではゲートパルスＴＧが低レ
ベルとなり、全ての信号電荷Ｑは電荷転送層３０の領域
下に送られる。そして、時点ｔ６で転送りロックφが低
レベルとなると、信号電荷ＱはＪ　ＣＣＤアナログシフ
トレジスタを転送されていくことになり、受光層２０の
領域下では次の信号電荷Ｑ′の蓄積が進行していく。

第２図は上記実施例による残像特性の改善を示している
。同図において斜線部分８１は従来例による残像成分で
あり、信号出力に対して１０％程度の大きさになるのが
通常である。本発明によれば、この信号読み出し直後の
残像成分は１％以下になり、実線で示すような良好な出
力が得られる。

次に、第３図を参照して本発明の第２の実施例を説明す
る。

第３図はそのときの信号波形図であって、これによりい
わゆるブルーミングの抑制が図られる。

この例では、信号蓄積期間（時点ｔ１以前）の受光部レ
ベル信号Ｖ　のレベルＶφを転送りロックＤ φおよびゲートパルスＴＧの高レベルと同一にし、更に
この高レベルをｎ型のバイアス層１４（第４図）のレベ
ル（所定バイアスＶＢ）と同じにする。

このようにすると、第１図の受光層２０、第２の半導体
層１２および第１の半導体層１１で構成される縦型ｐｎ
ｐ　）ランジスタがオンとなり、ブルーミングを招く過
剰電荷はいったん第２の半導体層１２に流れ、これによ
り受光層２０と第１の半導体層１１の間に電流が流れる
。従って、信号蓄積期間におけるブルーミングを効果的
に抑制できる。

一方、受光部レベル信号Ｖ　の低レベルｖＬをＰＤ ■φレベルより低くすれば、電荷の転送期間中に電位の
勾配をつけることができるので、転送を良好にして残像
を改善することができる。従って、残像かブルーミング
かのいずれかのみが問題となるときは、受光部レベル信
号ｖＰＤをＶφレベルあるいはＶＬレベルのＤＣバイア
スにすればよい。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の
変形が可能である。

例えば、基板や各半導体層の導電型は、実施例と逆にな
ってもよい。また、第３図の例において、レベルＶφは
信号電荷が蓄積可能な量を越えたときに上記の縦型ｐｎ
ｐ　トランジスタが動作するレベルであれば、いかなる
ものでもよい。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明の固体撮像装置によれば、信号電荷
の蓄積のための受光層には所定レベルの受光部レベル制
御信号が印加されるので、このレベルの設定により蓄積
可能な電荷量を大きくしたり、電荷転送層への転送効率
を高くしたりすることができ、また電荷が溢れ出すとき
はこれをいったん第２の半導体層へ流し、これによって
受光層と基板側の第１の半導体層の間で電流を流すこと
が可能になる。従って、高感度でしかも残像が現われる
ことなく、望ましくはブルーミングも抑制することがで
きるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の構
成と作用を示す図、第２図は残像特性の改善を示す信号
出力波形図、第３図は第２の実施例に係るタイミング波
形図、第４図は従来の固体撮像装置の構成図、第５図は
従来の駆動波形図である。 １・・・半導体基板、２・・・フォトダイオード（ＰＤ
）　、３・・・水平シフトレジスタ（ＪＣＣＤアナログ
シフトレジスタ）、４・・・転送領域、１１・・・第１
の半導体層、１２・・・第２の半導体層、１３・・・分
離層、１４・・・バイアス層、２０・・・受光層、３０
・・・電荷転送層、４０・・・転送ゲート層。 第２図 第３図 第１図 従来の駆動波形 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１導電型の第１の半導体層と、この第１の半導体
   層内部に形成された第２導電型の第２の半導体層と、こ
   の第２の半導体層内部に形成された第１導電型の複数の
   受光層と、前記第２の半導体層内部でＪＣＣＤアナログ
   シフトレジスタを構成するように形成された第１導電型
   の複数の電荷転送層と、前記複数の受光層領域下の信号
   電荷を前記複数の電荷転送層領域下に転送するように、
   前記第２の半導体層内部に形成された第１導電型の転送
   ゲート層とを備える固体撮像装置において一前記複数の
   受光層には所定電圧レベルの受光部レベル制御信号を印
   加するための制御電極が設けられていることを特徴とす
   る固体撮像装置。 ２、前記受光部レベル制御信号が、前記電荷レベルより
   低いレベルのＤＣ電圧である特許請求の範囲第１項記載
   の固体撮像装置。 ３、前記電荷転送層および転送ゲート層に印加される信
   号の高レベルが前記第２の半導体層のバイアスレベルと
   ほぼ同一レベルであり、前記受光層の信号蓄積期間にお
   ける前記受光部レベル制御信号が前記第２の半導体層の
   バイアスレベルとほぼ同一レベルとなるパルス電圧であ
   る特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。