JPH09181976A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JPH09181976A
JPH09181976A JP8316407A JP31640796A JPH09181976A JP H09181976 A JPH09181976 A JP H09181976A JP 8316407 A JP8316407 A JP 8316407A JP 31640796 A JP31640796 A JP 31640796A JP H09181976 A JPH09181976 A JP H09181976A
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JP
Japan
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photodiode
solid
illuminance
state image
state imaging
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Application number
JP8316407A
Other languages
English (en)
Inventor
Sang-Sik Park
尚植 朴
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Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/12—Image sensors
    • H10F39/15—Charge-coupled device [CCD] image sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80—Constructional details of image sensors
    • H10F39/802—Geometry or disposition of elements in pixels, e.g. address-lines or gate electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低照度では急激な傾斜度を有する出力で高感
度を示し、高照度ではスムーズな傾斜度を有する出力で
固体撮像素子のダイナミック範囲を拡大することのでき
る固体撮像素子を提供する。 【解決手段】 第１フォトダイオード２２と、この第１
フォトダイオード２２より電位ウェルが深く、光感度が
低い第２フォトダイオード２４で構成される受光部と、
前記第１フォトダイオード２２に蓄積される電荷を伝送
素子に伝達する第１伝達ゲート３０ａと、前記第２フォ
トダイオード２４に蓄積される電荷を伝送素子に伝達す
る第２伝達ゲート３０ｂで構成される伝達部とを含むこ
とを特徴とする固体撮像素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子に係り、
特に受光部を２つのフォトダイオードで構成する固体撮
像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】電荷結合素子型の固体撮像素子は受光
部、伝達部及び出力部で構成される。図１は従来の固体
撮像素子の受光部及び伝達部を示す概略平面図である。
単位受光部はフォトダイオード１２で構成され、伝達部
は伝達ゲート１８、チャンネル層１０及び第１，第２ゲ
ート電極１４，１６で構成される。
【０００３】フォトダイオード１２は外部の光源から光
を受光してこれを電荷に変える。伝達ゲート１８はフォ
トダイオード１２に蓄積された電荷をチャンネル層１０
に伝達する。チャンネル層１０に伝達された電荷は第
１，第２ゲート電極１４，１６に印加されるクロックパ
ルスにより一定の方向に伝送される。
【０００４】この際、フォトダイオード１２に飽和照度
以上の光が受光されると、飽和照度以上に発生する電荷
はオーバーフロードレイン（以下、“ＯＦＤ”と称す
る）動作により基板に排出される。チャンネル層１０に
伝達される電荷の量は一定のレベル（飽和レベル）とな
る。したがって、飽和照度以上の光に対して同じ出力を
発生させ、飽和照度以上の情報をチャンネル層に与えな
いので、固体撮像素子のダイナミック範囲が限定され
る。
【０００５】図２は従来の固体撮像素子の照度に応じる
出力を示すグラフである。図２のグラフによれば、飽和
照度以上の光が受光されても、飽和信号量以上の信号は
チャンネル層に伝達されないということがわかる。フォ
トダイオードの容量を増大して飽和照度をさらに高める
と、伝達ゲートの取扱容量が限定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低照
度では急激な傾斜度を有する出力で高感度を示し、高照
度ではスムーズな傾斜度を有する出力で固体撮像素子の
ダイナミック範囲を拡大することのできる固体撮像素子
を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明による固体撮像素子は、第１フォトダイオード
と、前記第１フォトダイオードより電位ウェルが深く、
光感度が低い第２フォトダイオードで構成される受光部
と、前記第１フォトダイオードに蓄積される電荷を伝送
素子に伝達する第１伝達ゲートと、前記第２フォトダイ
オードに蓄積される電荷を伝送素子に伝達する第２伝達
ゲートで構成される伝達部とを含むことを特徴とする。
本発明の固体撮像素子において、前記第２フォトダイオ
ードにドーピングされている不純物イオンの濃度が前記
第１フォトダイオードにドーピングされている不純物イ
オンの濃度より高いことを特徴とする。本発明の固体撮
像素子において、前記第２フォトダイオードは前記第１
フォトダイオードより小さいことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき本発
明の実施の形態を詳しく説明する。図３は本発明による
固体撮像素子の受光部及び伝達部を示す概略平面図であ
る。本発明による固体撮像素子は、従来のように受光
部、伝達部及び出力部で構成される。前記図３での出力
部は図示しない。
【０００９】まず、受光部は、第１フォトダイオード２
２と、この第１フォトダイオード２２より電位ウェルが
深く、単位面積当たり受光量の少ない第２フォトダイオ
ード２４で構成される。前記第２フォトダイオード２４
は前記第１フォトダイオード２２よりその面積が小さ
く、前記第２フォトダイオード２４の内部にドーピング
されている不純物の濃度は前記第１フォトダイオード２
２の濃度より高い。
【００１０】オンチップ(on-chip)型のマイクロレンズ
の焦点は前記第１フォトダイオード２２に合わせて第２
フォトダイオード２４に入射する光量を前記第１フォト
ダイオード２２に入射する光量より少なくする。伝達部
は、前記第１フォトダイオード２２に蓄積された電荷を
チャンネル層２０に伝達する第１伝達ゲート３０ａ、前
記第２フォトダイオード２４に蓄積された電荷をチャン
ネル層２０に伝達する第２伝達ゲート３０ｂ、前記２つ
のフォトダイオードから伝達された電荷を一定の方向に
伝送するチャンネル層２０、及び前記電荷の伝送のため
にクロックパルスが印加される第１，第２ゲート電極２
６，２８で構成される。
【００１１】以下、本発明の固体撮像素子の動作原理を
説明する。飽和照度より低い照度の光が入射するとき、
図４は本葉詰めの固体撮像素子を構成する受光部と伝達
部の電位分布図であり、飽和照度より低い照度の光が入
射するときの電位の分付を示す。
【００１２】図４において、“ａ”は第１フォトダイオ
ード（図３の２２参照）における電位ウェルを、“ｂ”
は第２フォトダイオード（図３の２４参照）における電
位ウェルを、“ｃ”は第１，第２伝達ゲート３０ａ，３
０ｂにおける電位ウェルを示す。
【００１３】第２フォトダイオード２４で電荷が発生し
ても、前記第２フォトダイオードの電位ウェルｂの電位
が第２伝達ゲート３０ｂの“オン”状態の電位より低い
ため、前記電荷は第２伝達ゲート３０ｂを通過すること
ができない。すなわち、フィールドシフトを行うとして
も、第２フォトダイオード２４から信号が全く発生しな
い、所謂“イメージラグ”(image lag)現象により、前
記電荷は出力信号に寄与しない。
【００１４】第２フォトダイオード２４に蓄積された電
荷はＯＦＤの電子シャッターの動作によりフィールドご
とに取り除かれる。したがって、第１フォトダイオード
２２から発生された電荷のみが出力に寄与する（図５の
ｆ参照）。
【００１５】飽和照度より高い照度の光が入射すると
き、第１フォトダイオード２２は飽和されて飽和信号量
を出力する（図５のｂ参照）。すなわち、第１フォトダ
イオード２２は飽和信号量以上の情報を出力しない。し
かしながら、第２フォトダイオード２４は電荷を発生し
つづけて第２フォトダイオード２４の電位ウェルの電位
を第２伝達ゲート３０ｂの“オン”状態の電位（Ｖs）
より高くする。
【００１６】フィールドシフトを行うときは、伝達ゲー
トの“オン”状態の電位より低い電位を有する電位ウェ
ルに蓄積された電荷は第２フォトダイオード２４に残留
してＯＦＤに排出され、その超過分のみが伝達ゲートを
通してチャンネル層２０に伝達される。この超過分の電
荷は飽和照度以上の照度に対する情報を示す。したがっ
て、チャンネル層２０に伝達される全体信号量はフォト
ダイオード２２から発生された飽和信号量と第２フォト
ダイオード２４から伝達された飽和照度の超過分が加え
られることにより得られる（図５のａ参照）。
【００１７】図５は本発明による固体撮像素子の照度に
よる出力を示すグラフである。参照符号“ａ”は実際に
伝達される電荷を、“ｂ”は第１フォトダイオード２２
で飽和された電荷を、“ｃ”は第２フォトダイオード２
４で発生した電荷を、“ｄ”は第２フォトダイオード２
４から伝達された電荷を、“ｅ”は第２フォトダイオー
ド２４に残留する電荷を、“ｆ”は第１フォトダイオー
ドで発生してチャンネル層２０に伝達される電荷を示
す。
【００１８】
【発明の効果】本発明による固体撮像素子によれば、第
２フォトダイオードの受光量が少ないので、飽和照度以
上では照度に応じる出力の傾斜度が減る。これにより、
伝達端の容量を超過せずに飽和照度以上に対する情報を
表示することができるので、固体撮像素子のダイナミッ
ク範囲を拡大させ得る。本発明は前記実施例に限るもの
でなく、多くの変形が本発明の技術的思想内において当
分野の通常の知識を持つ者により実施可能なのは明らか
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の固体撮像素子の受光部及び伝達部を示
す概略平面図である。
【図２】 従来の固体撮像素子の照度に応じる出力を示
すグラフである。
【図３】 本発明による固体撮像素子の受光部及び伝達
部を示す概略平面図である。
【図４】 本発明による固体撮像素子を構成する受光部
及び伝達部の電位分布図である。
【図５】 本発明による固体撮像素子の照度に応じる出
力を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ チャンネル層、１２ フォトダイオード、１４
第１ゲート電極、１６第２ゲート電極、１８ 伝達ゲー
ト、２０ チャンネル層、２２ 第１フォトダイオー
ド、２４ 第２フォトダイオード、２６ 第１ゲート電
極、２８ 第２ゲート電極、３０ａ 第１伝達ゲート、
３０ｂ 第２伝達ゲート

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１フォトダイオードと、前記第１フォ
    トダイオードより電位ウェルが深く、光感度が低い第２
    フォトダイオードで構成される受光部と、 前記第１フォトダイオードに蓄積される電荷を伝送素子
    に伝達する第１伝達ゲートと、前記第２フォトダイオー
    ドに蓄積される電荷を伝送素子に伝達する第２伝達ゲー
    トで構成される伝達部とを含むことを特徴とする固体撮
    像素子。
  2. 【請求項２】 前記第２フォトダイオードにドーピング
    されている不純物イオンの濃度が前記第１フォトダイオ
    ードにドーピングされている不純物イオンの濃度より高
    いことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 【請求項３】 前記第２フォトダイオードは前記第１フ
    ォトダイオードより小さいことを特徴とする請求項１に
    記載の固体撮像素子。
  4. 【請求項４】 焦点が前記第１フォトダイオードに合わ
    せられるように形成されるマイクロレンズをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
JP8316407A 1995-11-29 1996-11-27 固体撮像素子 Pending JPH09181976A (ja)

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KR1019950044907A KR0183761B1 (ko) 1995-11-29 1995-11-29 고체촬상소자 및 그 제조방법
KR1995-P-044907 1995-11-29

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