JPH0586670B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は固体撮像素子に関するものである。

背景技術 撮像デバイスは一般に、広範囲の輝度分布を有
する被写体でも、また露光量の設定を誤つても適
切な撮影が行なわれるように、ダイナミツクレン
ジが広い方が望ましい。つまり、撮像デバイスの
入出力特性における可能な動作点を広範囲にわた
つて変えることができることは好ましい。

たとえば電荷結合デバイス（CCD）は通常、
ダイナミツクレンジが他の撮像デバイスと比べて
比較的低く、高々300程度である。広いダイナミ
ツクレンジを実現するには素子の出力電流の範囲
を広くすればよいが、そのためには撮像セルの蓄
積可能電荷容量を大きくしなければならない。し
かしこれは、撮像セルの面積、構造および印加電
圧などの制限から限界がある。

そこで一般には、固体撮像デバイスの入出力特
性にいわゆるニー（knee）特性をもたせること
によつてダイナミツクレンジの拡大が行なわれて
いる。すなわち、露光量に対する出力電流の関係
を示す曲線の勾配（すなわちγ）を高入力領域に
おいて低入力領域より小さくする高輝度圧縮を行
なつている。

たとえば、遠藤幸雄他による「CCDイメージ
センサのknee特性制御」1978年テレビジヨン学
会全国大会論文２−12、または竹内映一他による
「縦形オーバフロー構造CCDイメージセンサの駆
動法−その１−」テレビジヨン学会1982年全国大
会論文２−６などでは、撮像セルの光感度を経時
的に変化させ、露光時間の前半では高く、後半で
は低くなるように制御する電荷転送撮像デバイス
が提案されている。これによつて高輝度の入射光
に対して電荷蓄積が飽和するまでの時間を遅ら
せ、ニー特性を実現することができる。

目 的 本発明はダイナミツクレンジの広い固体撮像素
子を提供することを目的とする。

本発明は、撮像セルの光感度を経時的に変化さ
せるのではなく、光キヤリア発生領域の光感度を
１つの画素において部分的に異ならせるという新
規な技術的思想によつてこの目的を達成するもの
である。

発明の開示 本発明による固体撮像素子は、入射光に応じて
キヤリアを発生しそのキヤリアを局在させる材料
層を含む感光領域と、感光領域に入射する入射光
を各画素において部分的に制限する制限手段と、
材料層に発生したキヤリアを各画素ごとに集めて
各画素の映像信号として読み出す読出し手段とを
含むものである。

前記材料層は非晶質光導電体材料が有利に適用
される。

実施例の説明 次に添付図面を参照して本発明による固体撮像
素子の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明による固体撮像素子の１つの実
施例における１画素１０の構造を断面端面図にて
示す。同図からわかるように、たとえばｐ型シリ
コン（Si）基板１２の主表面付近にn⁺領域１４が
キヤリア蓄積領域として設けられている。

同図において蓄積領域１４の左側にはn^-領域
１８が形成され、これは同図の紙面に垂直な方向
に多数配列されて画素信号の垂直（Ｖ）転送路す
なわちVCCDをなしている。

これらの領域が形成されている主表面の上に
は、たとえば酸化シリコン（SiO₂）などからな
る絶縁層２４が形成され、MOSまたはMIS構造
の一部をなしている。なおこの１画素分の領域１
０は、p⁺領域のチヤネルバリアすなわちチヤネ
ルストツパ３６で他の隣接画素と素子分離されて
撮像セルアレイを構成している。つまり、このよ
うな画素１０が１次元または２次元に配列され、
２次元配列であればたとえばインタライン転送型
CCD撮像デバイスを構成している。

n⁺領域１４とVCCDのn^-領域１８との間には
たとえば多結晶シリコンなどからなる電極２８が
形成されている。電極２８は、n⁺領域１４から
n^-領域１８へ電荷を移送するためのゲート電極
として機能する。VCCDのn^-領域１８の上には、
たとえばやはり多結晶シリコンなどからなる電極
３０が形成され、これに印加されるクロツクに応
動して電荷をＶ方向に転送する転送電極をなして
いる。勿論、n⁺領域１４とn^-領域１８の間には、
その電位レベルを調整するための不純物層を設け
てもよい。

このような構体の主面の上にさらに、たとえば
アルミニウムなどの電極３４が形成されている。
電極３４はほぼ１画素分の光学開口に相当する面
積を有し、n⁺領域１４と電気的に接続されてい
る。これらの上にさらに、たとえば水素化非晶質
シリコンａ−SiHなどの光導電性の非晶質層５２
が形成されている。非晶質層５２の表面の上に
は、たとえば酸化インジウムスズ（ITO）などの
透明電極層５４が被覆されている。この透明電極
層にはバイアス電源（図示せず）から電圧が印加
され、コンデンサとして働く非晶質層５２を充電
する。

非晶質層５２は、入射光に応じ充電電荷を放電
させて、これによつて発生したフオトキヤリアを
電極３４に蓄積させる感光領域として機能する。
また、電極２８，３０および３４、蓄積領域１
４、ならびに転送領域１８などは画素信号の読出
し回路として機能する。

このような構造の構体の上には、図示のように
部分的にNDフイルタ層５０が設けられている。
NDフイルタ５０は本実施例では、第３図Ａに示
すようにたとえばほぼ円形の光学開口３８を有
し、それ以外の部分は入射光量のたとえば約1/10
の光量を透過させるような減光率のものが使用さ
れる。そのフイルタ色素濃度Ｄの分布は、同図Ａ
に対応して同Ｂに示すように段階的に変化してい
てもよく、また同図Ｃに示すように連続的に変化
していてもよい。

非晶質層５２は、入射光３２に応動して光キヤ
リアを発生するキヤリア発生領域として機能し、
その厚さは、たとえば約20μm四方の画素１０の
大きさに対して約1μm程度でよい。前述のよう
に、フイルタ５０は1/10の減光率を有するので、
たとえば１つの画素に入射光３２が一様に入射す
ると、非晶質層５２におけるフイルタ層５０の下
の部分５２Ａでは、光学開口３８の下の部分５２
Ｂにおけるより1/10の速度で光キヤリアを発生す
る。したがつて、光量の多い光３２が入射して
も、部分５２Ｂでは多くのキヤリアが発生し、比
較的早期に飽和状態に達するが、部分５２Ａでは
これの1/10の速度でキヤリアが蓄積される。した
がつて、領域５２Ｂの飽和光量の10倍の光量の光
３２が入射するまで飽和状態に達しない。このよ
うにして両部分５２Ａおよび５２Ｂに発生した光
キヤリアは、非晶質層５２内を横方向すなわち撮
像セル配列方向に拡散することなく、局在する。

前述のように、透明電極５４はこの撮像セル配
列の全域にわたつて配設されているが、電極３４
は各画素１０ごとにそれぞれ独立して配設されて
いる。両電極５４と３４の間に電圧が印加される
と、非晶質層５２内には基板の深さ方向に電界が
形成される。

たとえば光学シヤツタなどの露光手段（図示せ
ず）によつて所望の露出時間だけ撮像セル１０に
光を入射させると、非晶質層５２にはこのように
部分的に異なるキヤリア密度で光キヤリアが発生
する。この光キヤリアは電極３４に集められ、
n⁺領域１４に移送される。これによつて、非晶
質５２の部分５２Ａに発生したキヤリアと部分５
２Ｂに発生したキヤリアとが混合され、n⁺領域
１４に蓄積される。次にシヤツタを閉成して入射
光３２を遮断し、蓄積キヤリアの読出し動作に移
る。

n⁺領域１４とn^-領域１８の間のゲート電極２
８にクロツクパルスを印加してその電位を上げ、
かつ転送電極３０にクロツクパルスを印加して転
送領域１８の電位をn⁺領域１４の電位の井戸や
ゲート領域２８のそのときの電位よりも上昇させ
る。これによつて、深い電位の井戸が転送領域１
８に形成され、蓄積領域１４に蓄積されていた光
キヤリアは転送領域１８に転送される。

蓄積領域１４の電位の井戸の蓄積キヤリアが転
送領域１８に転送された後、ゲート電極２８の電
位を元の状態に復旧させると、光キヤリアは転送
領域１８に移送されたことになる。そこで、Ｖ方
向に配列されている複数の転送電極３０を多相ク
ロツクで順次駆動することにより、その電位の井
戸に保持されている電荷を画素信号として順次Ｖ
方向に転送する。これが本撮像デバイスの出力映
像信号として出力される。

第２図を参照すると、本発明の他の実施例が示
されている。第１図の実施例と相違するところ
は、第１図のものが２次元の撮像セル配列から蓄
積キヤリアを読み出すのに電荷結合素子構造をと
つているのに対し、第２図のものはいわゆるXY
アドレス指定方式によるMOSトランジスタ構成
をとつていることである。

ｎ−Si基板１２の上に形成されたｐ型エピタキ
シヤル成長層１０２には、図示のようにp⁺領域
およびn⁺領域１０６が形成され、光キヤリアの
蓄積領域としてのpn接合をなしている。また、
n⁺領域１０６と対向して他のn⁺領域１０８が形
成され、その間のSiO₂酸化膜層１１０には、た
とえば多結晶シリコンなどからなるゲート電極１
１２が形成されている。これら２つのn⁺領域１
０６および１０８、ならびにゲート電極１１２に
よつて蓄積キヤリア読出し用のMOSトランジス
タが構成されている。

両n⁺領域１０６および１０８の上には、たと
えばアルミニウムなどの電極１１４および１１６
がそれぞれ形成され、MOSトランジスタの読出
し用電極となつている。

第１図の実施例と同様に、このような構体の主
面の上にさらに、たとえばアルミニウムなどの電
極３４が形成されている。電極３４はほぼ１画素
分の光学開口に相当する面積を有し、電極１１４
と電気的に接続されている。これらの上にさら
に、たとえば水素化非晶質シリコンａ−SiHなど
の光導電性の非晶質層５２が形成されている。非
晶質層５２の表面の上には、たとえば酸化インジ
ウムスズ（ITO）などの透明電極層５４が被覆さ
れている。

このような構造の構体の上には、図示のように
部分的にNDフイルタ層５０が設けられている。
NDフイルタ５０は第１図の実施例と同様のもの
でよい。第２図の実施例では、入射光３２に対す
る光キヤリアの蓄積動作は、第１図の実施例と同
様である。つまり、１つの画素に入射光３２が一
様に入射すると、非晶質層５２におけるフイルタ
層５０の下の部分５２Ａでは、光学開口３８の下
の部分５２Ｂにおけるより1/10の速度で光キヤリ
アが発生する。

透明電極５４はこの撮像セル配列の全域にわた
つて配設されているが、電極３４は各画素１０ご
とにそれぞれ独立して配設されている。そこで、
両電極５４と３４の間に電圧を印加して非晶質層
５２内に基板の深さ方向に電界が形成されると、
非晶質層５２で発生した光キヤリアは電極３４に
集められ、n⁺領域１０６に移送される。これに
よつて、非晶質層５２の部分５２Ａに発生したキ
ヤリアと部分５２Ｂに発生したキヤリアとが混合
され、n⁺領域１０６とp⁺領域１０４との間のpn
接合領域に保持されたことになる。

そこで光学シヤツタを閉じた後、XYアドレス
方式によつて画素セル１０のゲート電極１１０に
読出しクロツクを印加してアドレス指定し、２つ
のn⁺領域１０６および１０８の間のチヤネルを
導通させる。これによつて、ソース領域１０６の
蓄積キヤリアはソース領域１０６とドレーン領域
１０８の間を流れるチヤネル電流として電極１１
６から外部回路に読み出される。

なお、これらの実施例において各画素ごとに部
分的に入射光を制限する制限手段としてNDフイ
ルタ５０が使用されているが、この代りに、たと
えば小径の光学開口を有する遮光膜や、網目状に
多数の開口を有する遮光膜を使用してもよい。

第４図を参照すると、撮像セル１０の入出力特
性、すなわちセル１０の露光両Ｅに対する出力電
流Ｉが両対数目盛で示されている。たとえば、フ
イルタ５０の存在しない非晶質層５２の部分５２
Ｂが実線２００Ｂで示すような入出力曲線を有す
るとする。つまり、出力電流がノイズレベル電流
１０からある露光量Ｅ１で電流値Ｉ１に達して飽
和する。この露光量Ｅ１は、前述の実施例におい
て、フイルタの存在しない部分５２Ｂにおける非
晶質層の充電電荷が全て放電されたことに相当す
る。一方、フイルタ５０の存在する部分５２Ａは
フイルタ５０によつてn⁺領域１６の受光する光
量が1/10に制限されているので、フイルタ５０の
濃度分布が第３図Ｂに示すような階段状であれば
部分５２Ａの入出力特性は、部分５２Ｂのそれと
同じ勾配を有し、入射光３２の光量が値Ｅ２にな
ると同じ飽和値Ｉ１に達して飽和するような曲線
２００Ａをたどる。この場合、値Ｅ２は、値Ｅ１
の10倍であるので、同図において１デケードだけ
右にシフトしている。

前述したように非晶質層５２の部分５２Ａと５
２Ｂの蓄積電荷を混合して読み出すことは、映像
信号の扱い上、単一画素に含まれる撮像セルとし
て両部分５２Ａおよび５２Ｂを見た場合、第４図
のグラフにおいて曲線２００Ａと２００Ｂを加算
して一点鎖線２００で示す入出力特性を形成する
ことに相当する。曲線２００は、露光量Ｅ１以下
では曲線２００Ａまたは２００Ｂと同じ勾配
（γ）をとり、露光量Ｅ１から同Ｅ２までは同Ｅ
１以下の部分より小さい勾配を有する。

同図からわかるように、撮像セル１０全体とし
てニー特性が実現され、そのダイナミツクレンジ
は、フイルタ５０を設けない場合はＳ／Ｎ比が１
となる出力電流１０に対応する露光量Ｅ０から飽
和電流Ｉ１に相当する露光量Ｅ１まで（すなわり
DR１）であつたので、フイルタ５０を部分的に
設けてキヤリア発生層５２の入射光感度を異なら
せ、両部分５２Ａおよび５２Ｂのキヤリアを混合
した場合には露光量Ｅ０から飽和電流Ｉ２に相当
する露光量Ｅ２まで（すなわちDR２）拡大して
いる。また、第３図Ｃについて説明したように、
フイルタ５０の減光率分布をなめらかに変化させ
た場合には、第４図の曲線２００のような折線と
ならず、なめらかに曲率が変化して飽和状態に達
する入出力曲線が得られる。

効 果 このように本発明によれば、光キヤリア発生領
域における光キヤリアの発生速度、つまり光感度
を１つの画素において部分的に異ならせ、それら
に蓄積された光キヤリアを読出し時に混合するこ
とにより、ダイナミツクレンジの広い固体撮像デ
バイスが得られる。

前述した実施例では、光キヤリアの発生領域に
非晶質材料を用いているので、発生したキヤリア
が画素配列方向に拡散することがなく、隣接画素
との混色がない。また、各画素の周縁部にフイル
タ層を設けて中央部より光感度を低くしているの
で、撮像デバイスの撮像面にカラーフイルタを配
設する場合、その色セグメントの整合位置精度が
多少悪くても、混色を発生しにくく画質に与える
影響が少ない特徴がある。

本発明はこのように、撮像セルの光感度を経時
的に変化させるのではなく、１画素に光感度の異
なる複数の感光セルを配置するという新規な技術
的思想によつてニー特性を実現するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像素子の実施例に
おける１画素の構造を示す断面端面図、第２図は
本発明による固体撮像素子の他の実施例における
１画素の構造を示す第１図と同様の断面端面図、
第３図Ａは、第１図または第２図の実施例におけ
るフイルタ層の例を示す平面図、第３図Ｂおよび
Ｃは同Ａに示すフイルタの色素濃度分布を示す分
布図、第４図は、撮像セルの入出力特性、すなわ
ちセルの露光量Ｅに対する出力電流Ｉの関係を両
対数目盛で示すグラフである。 主要部分の符号の説明、１０……画素、１４…
…蓄積領域、１８……転送領域、３４……電極、
３８……光学開口、５０……NDフイルタ、５２
……非晶質層、５２Ａ，５２Ｂ……非晶質層の部
分、５４……透明電極、１０６……ソース領域、
１０８……ドレーン領域、１１０……ゲート電
極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 画素に入射した入射光に応じた映像信号を出
   力する固体撮像素子において、該素子は、 前記入射光に応じてキヤリアを発生し、該キヤ
   リアを局在させる材料層を含む感光領域と、 前記感光領域にて発生したキヤリアを各画素ご
   とに集める電極と、 該電極に集められたキヤリアを画素単位で蓄積
   して各画素の映像信号として読み出す読出手段と
   を含み、該素子はさらに、 各画素内における前記感光領域に入射する入射
   光量を所定の制限条件に基づいて制限する制限手
   段であつて、前記入射光量が前記制限条件にて制
   限されてキヤリアの発生速度が制限された第１の
   領域と、前記入射光量が前記制限条件にて制限さ
   れない第２の領域とに前記感光領域を区別する制
   限手段を含み、 前記電極は、前記感光領域の第１の領域にて発
   生したキヤリアと、前記感光領域の第２の領域に
   て発生したキヤリアとをそれぞれ集めることを特
   徴とすることを特徴とする固体撮像素子。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の固体撮像素子に
   おいて、前記材料層は非晶質光導電体材料を含む
   ことを特徴とする固体撮像素子。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   固体撮像素子において、前記制限手段は、前記入
   射光のうち各画素毎にその一部に入射する入射光
   を減光する光学フイルタを含むことを特徴とする
   固体撮像素子。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の固体撮像素子に
   おいて、前記光学フイルタの減光率は、各画素の
   中央付近において実質的に０であり、各画素の周
   縁部において大きいことを特徴とする固体撮像素
   子。 ５ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   固体撮像素子において、前記制限手段は、各画素
   内にて多数の開口を有する遮光膜を含むことを特
   徴とする固体撮像素子。