JPS585086A - 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】 本発明は、固体撮像装置に関る。

従来、固体撮像装置としてはホトダイオードを光検知部
とし、これをマトリックス状に配置し、さらにＸＹ走査
のたｂの電界効果トランジスタ回路を組合せたもの（以
下ＸＹマトリックス型という。例えば特公昭４５−３０
７６８号）がある。

また最近、ＸＹ７トリツクス「ｊにみられるような走査
パルスに伴うスパイクノイズの少ない自己走査型撮像装
置として開発されたものに、ＢＢＤ。

ＣＯＤを用いたもの（以下電荷転送型という。例えば特
開昭４６−１２２１号、特開昭 ４７−２６０９１号）がある。しかし、いずれも光検知
部のホトダイオードはＸＹ走査のための電界効果トラン
ジスタあるいは電荷転送用の電極部とともに同一基板面
に構成される必要があるため、その単位面積あたりの光
利用効率がたかだか％〜％となっていた。

これらの欠点を除去すべく、光検°知部のホトダイオー
ドの代りに光導電体に光感度をもたせ、これをＸＹマト
リックス型と組合せた固体撮像装置（例えば特開昭４９
−９１１１６号）および電荷転送型と組合せた固体撮像
装置（例えば特開昭６０−２１１６６号）が提案されて
いるが、いずれの場合も光導電体膜上の電極は直流電位
に保たれていた。

本発明は、上記のような構成の固体撮像装置に３４５、 おいて、光導電体上の電極にパルス電圧を印加する機構
を具備することによりプルーミングを抑制する機能を備
えた固体撮像装置を提供するものであるっ 以下、従来の一例を図面とともに説明する。

第１図はシリコン基板上に形成された回路素子が電荷転
送型の場合の固体撮像装置の一単位の断面構造を示した
例である。ｐ型半導体基板１ｏにｎ＋型領領域１１形成
しダイオードを設ける。１２はｐ＋型領領域、ＣＣＤ動
作の場合にｎ＋型領領域１１らの電子の注入を阻止する
ための電位障壁であり、１３はｎ＋型領領域、ＢＢＤ動
作の場合の電位の井戸であシ、それぞれＣＯＤ　、ＢＢ
Ｄの時のみ設置すればよい。ＣＣＤ動作、ＢＢＤ動作は
基本。

的に〕じ電荷転送であるので、以下はｎ＋型領領域１３
あるＢＢＤ動作で説明を行なう。

１４は第１ゲート電極でありｎ＋型領領域１１の重なり
部分を有している。１６は半導体基板１゜と第１ゲート
電極１４との間の絶縁体膜でゲート酸化膜である。１６
は第１電極１７と半導体基板１ｏ及び第１ゲート電極１
４とを電気的に分離するための絶縁体層である。１７は
第１電極で♂梨型領域１１と電気的に接続したダイオー
ドの電極であるとともに正孔阻止層１８の電極ともなっ
ている。１９は（Ｚｎ１−ＩＣｄｘＴｅ　）１−ｙ　（
Ｉ　ｎ２Ｔｅａ　）ｙよりなる光導電体であり、その上
に透明電極２ｏが形成されており、電圧源２１により正
の直流電位ＶＤが印加されている。しかしこれは正電位
に限定されるものではなく、光導電体の特性により、負
電位を印加する場合もあり得る。

この第１図に示した従来の固体撮像素子構造の光情報読
み込み動作を説明する。

第２図に、この素子を駆動するパルスの波形図と、前記
の第１電極１７における電位変化を示す。

時間ｔ　において、第１ゲート電極１４に電圧がｖｃＨ
の絵素読み込みパルスを印加すると、電極１７における
電位は第２図すに示した如く、ｖｃＲにチャージされる
。

但し、ｖｃＲは次の関係を有する電位である。

このような関係式を有す理由は後に詳述する。

ここで、ｖＲは前記の第１ゲート電極に電圧Ｖφの転送
パルスを印加し、該素子をＢＢＤ動作させるときの基準
電圧であシ、次の関係を有する。

ｖＲ＝ｖφ−ｖＴＢ ここで％　ｖＴＢ　はＢＢＤ素子を構成するＭＯＳトラ
ンジスタの閾値電圧である。

このＢＢＤ素子は、同図中において信号電荷の転送方向
Ｔに示した方向に設けられている。

”ＴＲは前記のｎ＋＋域１１．１３および第１ゲート電
極１４より構成されるＭＯＳ）ランジスタの、基板バイ
アス効果を含んだ閾値電圧である。

今、入射光２２があると、光導電体１９において電子−
正孔対が生成され、それぞれ電極１７　、２０に到達し
て電極１７の電位が低下する。この電位低下は入射光量
に比例し、１フイ一ルド期間蓄積されるので、ｖｓ　ま
で低下する。さらに時点ｔ２において第１ゲート電極１
４にｖｃＨを印加すると、その下の半導体の表面電位は
上昇し、その結果ｎ＋型領領域１からｎ＋型領領域１３
電子の移送が行なわれる。その結果、ｎ＋型領領域１１
電位は再び上昇し、ｖｃＲとなる。従って、ｎ＋型領領
域１゛３移動した電荷の総量は入射光の照度に対応する
。

以上は光検知部と第１ゲート電極１４による固体素子の
一単位についての説明であ、るが、♂型領域１３に読込
まれた光電変換信号を自己走査によって出力部に送り出
す手段について以下に説明する。

第３図は第１図に示した固体素子の一単位を一次元に配
置した場合の平面図であり、破線でかこまれた部分２３
は上記一単位を示している。その他の数字°は第１図の
数字に対応している。隣り合う単位に含まれる第１ゲー
ト電極１４．２６との間に第２ゲート電極２４．２６が
付設されている。

前述した一連の操作で第１ゲート電極１４で読み込まれ
た電荷は第２のゲート電極２４に第２図に示した正の転
送パルスを加えることにより電荷転送の形で第２ゲート
電極２４の下に移動する。さらに第２ゲート電極２４の
下に移動した電荷は同様の原理に基づいて第１ゲート電
極２５．第２ゲート電極２６と次々に転送され出力段ま
で転送される。すなわち光検出部で光電変換された信号
を２相のクロック信号で出力段に送り出すことができる
。

次にこの従来のものの特徴である第２電極への直流電圧
のバイアス効果について詳述する。バイアス効果の１つ
にブルーミングの防止がある。ブルーミング現象とは強
い入射光があった場合に光生成キャリアが横方向に拡が
り入射光サイズ以上に光信号が拡がる現象であるが、電
荷転送型の固体撮像装置では、その機能上転送方向への
白い線として生じる。それを第２図を用いて説明すると
、リードパルスによりｖｃＲに設定されたダイオード電
位は、光入射により１フィ、−ルド期間中にｖｓまで低
下する力ζ光入射力強くなりすぎると、ダイオード電位
はＶＢ以下となり（ｂ図一点鎖線）転送パルスの印加時
も第１ゲート電極１４直下のチャンネルは導通し、ｎ＋
領域１３からｎ＋領域１１へ電流が供給される結果、転
送方向の絵素があたかも光信号があるかの如く電位変動
を起こし白い線となる。一方、第１図に示したように形
成された光導電体上に設けられた電極２０に正バイアス
ｖＤ２１を印加しておくと、光入射によるダイオニド電
位の低下はＶＤ以下になり得す、このＶＤをｖＲ以上に
設定しておくなら転送パルスによる読み込み動作は生ぜ
ずプルーミング現象は軽減される。

このような従来の方法によるブルーミング現象を軽減す
る方法には、次に述べるような欠点がある。

すなわち、プルーミング抑制の程度が顕著ではなく、シ
かもこのような方法を用いたときは信号弁の低下、すな
わちダイナミックレンジの低下を招く。

第２図で示したＶｓａｔは強い光が入射したときの信号
量に対応する電圧成分である。

この値’Ｖｓａ’ｔ　は、光入射が強くて飽和をきたし
ている量と考えられ、次の関係を有する。

Ｖ！ｌａｔ　＝Ｖｃｎ　　ＶＤ 上述のように、ダイオード電位は光蓄積期間中強い光が
入射されてもｖＲ以下になり得ないように、すなわちＶ
Ｄ　）ＶＲの関係に選ばれる。

しかるに、この場合のダイオード電位ＶＤが但ければ低
い程この電位に対応した光信号によるキャリア（この場
合は電子）が、全問題としているダイオードの近辺に設
けられたダイオード、或いは転送段の空乏層領域に基板
を通じて、拡散されてブルーミングの症状がやはり発生
する。

すなわち、たとえ転送パルスの印加時にも前記第１ゲー
ト電極直下のチャンネルが非導通になるような高い電位
に、直流電源ＶＤによシダイオード電位をほぼＶＤに設
定しようとしても、完全に非導通とすることはできない
。

なぜなら、前述のように、ダイオードに蓄わ見られた信
号キャリアの一部が、この近辺に存在するダイオードや
転送段の空乏層のもつ電位ポテンシャルによる電位勾配
のためにこれらの空乏層領域に拡散されるからである。

このように、近辺に拡散されてプルーミングと０ なる信号キャリア成分（以後、過剰キャリアと呼ぶ）の
量は、前記のダイオード電位ＶＤが低ければ低いほど、
或いは光入射光が強いほど大きくなる。　　　。

このことは、主に次のことを音吐する。すなわち、過剰
キャリアの量を少なく抑制しようとすれば、直流電源Ｖ
ｐ　（ダイオード電位もほぼこの値）の値を上昇させね
ばならない。ところが、このようにすると飽和信号量で
−もある信号成分Ｖｓａｔが減少してしまう。すなわち
、ダイナミックレンジが低下することが問題となる。

又、ｖｐを上げると、光導電体の性質として焼き付き現
象を呈することも、実験的事実としても知られている。

更に、強大光が入射したとき、例えば、信号成分が飽和
する光量すなわち飽和光量の約１０〜１ｏｏ倍以上もの
強い光が入射したとき、過剰キャリアはこの入射する光
の飽和光量の倍数に比例して増加し、強いプルーミング
を発生する。

これを防止するためには、電電電源ＶＤの値を高くしな
ければならないが、上に述べたように、高くすればする
ほどダイナミックレンジの低下や焼き付きの程度が増大
してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上述のようなダイナミックレンジの
低下や焼き付きをきたすことなく、かつプルーミング抑
制効果を飛躍的に向上することのできる固体撮像素子を
提供することを目的とするものである。

本発明において用いることのできる固体撮像装置の一単
位としては、第１図に示したものと同様のものが一例と
して考えられる。

この等価回路を第４図に示す。図において、φ′はトラ
ンジスタＴＢの第１のゲート電極（第１図での１４）に
絵素読み込みノ（ルスｖＣＨ或いは転送パルスＶφを印
加する端子、ＣＢは転送動作にＢＢＤを用いるときのバ
ケツ容量、Ｃ，は接合容量、ＤＮは光導電体、ＤＳはト
ランジスタＴＲのソースを形成するダイオードであり、
該ＤＮとＤＳは電気的に同図のＭ点（第１図の１７）で
結合されている。

ＣＮ、Ｃ８は、光導電体ＤＮ、　　ダイオードＤｓの各
々の容量を等測的に表わしたものである。

φ’ＢＳは、第１図で述べた透明電極２ｏと対応する電
極、すなわち光導電体ＤＮの上と電気的に接触する電極
Ｉに電気信号を印加する端子である。

従来は、この端子φ’ＢＳ　に直流電圧を印加すること
によシ、成る程度のプルーミングを抑制していたのは上
述のとおりである。

然るに、本発明では、この端子φ’ＢＳにパルス信号を
印加することによシ、ブルーミングの飛躍的な抑制効果
を発揮させるものである。

次に、電極端子φ’ＢＳ　　にパルス信号を印加した場
合の動作の要旨を述べる。

第６図において、ａ図は端子φ′に印加する絵素信号を
読み込むための絵素読み込みパルスと信号電荷を転送す
るためのクロックパルスとより構成されるクロックパル
スφの波形図である。これら、絵素読み込みパルスと転
送パルスは電圧ＶＣＨ，Ｖφを各々有するものとする。

ｂ図は電極端子φ’ＢＳに印加するノくルスである。

ハイレベルがｖｃ、ローレベルがＶＬの各々の電圧値を
示す。

以上のようなりロツクノくルスφとプルーミング抑制パ
＃２１１１ＢＢ　を各々端子φ′、φ’ＢＳ　　（第４
図参照）に印加したときのＭ点のダイオード電位（第４
図参照）の電位変化図を横軸を時間先にとり、各期間Ｔ
０〜Ｔ３　に対して０図に示す。

この第６図Ｃを第４図の等価回路にもとづいて詳述する
。なお、以下の説明に際して、時定数過渡応答は無視し
得るので省いて説明する。

１）１０時 強力な光入力時にＭ点のダイオード電位（第４図）が下
ろうとしても、ブルーミング抑制ノ（ルスφＢＳ　のロ
ーレベル電圧ｖＬによって電極端子φ’ＢＳを通じて、
Ｍ点のダイオード電位が一定しベルＶＬ（説明の明白化
のため、光導電体ＤＮの順方向電圧降下分ＶＦを無視す
る）にクランプされる。

従って、Ｍ点のダイオード電位はＶＩ、以下に下り得す
、その結果、過剰キャリアは基板中を拡散することなく
φ′ＢＳ端子を介して外部へ排出されるので、ブルーミ
ングを抑制することができる。

プルーミングの抑制効果は、該電位ＶＬを高くすること
により増大するが、先に説明した様に、光導電膜へのバ
イアス電圧が低下するため、ダイナミックレンジの低下
や焼き付き等をきたすため、該電位を高く設定すること
はできない。

ｉｉ）　Ｔ１時 この期間において、読み込みノ（ルスｖＣＨが端子ダに
印加される。すなわち、転送段ＴＢのＡ点にＶＣ）（の
電位がＣＢと０５に容量分割された電位分だけ、あらか
じめＡ点の有する電位ｖＲ（＝　Ｖφ−ＶＴＢ　ｖＴＢ
　’転送段ＴＢの閾値電圧）に重畳されて加わる。

この突型された瞬時のＡ点の電位ｖｈは、となる。

このように転送段に電位が重畳されると同時に、絵素信
号読み込みトランジスタＴＲのケートカ導通してＡ点よ
りＭ点に充電電流が流れる。

この結果、Ｍ点の電位ｖ２は該トランジスタＴＲのカッ
トオフ点壕で上昇する。

すなわち、 ｖ２＝ｖＯ（−ｖＴｃ−ΔＫｓＢ　　・・・・・・・・
・・■但し、 ｖＴｃ　；　絵素読み込みトランジスタＴＨの閾値電圧 ΔＫＳＢ　’基板バイアス効果による閾値電圧の増加又
、上記の動作を行うためにはｖｈはｖ２に比して充分ｖ
ＴＢゝＶＴＣ＋ΔＫＳＢとすれば が満されているものとする。

１ｉｊ）１２時 この期間において、光導電体に光が入射し、この光量に
応じてＭ点のダイオード電位が降下する。

この降下した電位分が映像信号として転送段ＴＢに読み
込まれるが、光が飽和光量の例えば数十倍以上の強い光
であっても、電位ｖＬでＭ点のダイオード電位がクラン
プされる。

また、この時点でのφ′の電位は零である。

このため、トランジスタＴＲを導通状態とするＭ点の電
位は、−ｖＴｃ−ΔＫＳＢ　　（ＶＴＣ：　’ｒＲの閾
値電圧、ΔＫｓＢ：基板バイアス効果による閾値電圧増
加分）である。Ｍ点が負電圧になると、ダイオードＤＢ
　に蓄積された信号電荷は基板内に拡散し、ブルーミン
グを発生するためＭ点電位は正の電位に保たねばならな
い。以上のことから、前記ｖＬ電位は、わずかな正電位
とすることでブルーミング抑制をなしうる。

ｉＶ）　１３時 １２時においてはＭ点のダイオード電位は上記で計算し
たｖ２、の値からＴ２期間で光電流によって低下した電
位Δｖｓ　を減じた値ｖ２′であシ、このとき絵素読み
込みトランジスタＴＲはカットオフであるので、Ｍ点の
両端の容量ＣＮとＣ８に分割されて該電位ｖ′２によっ
て電荷が０７Ｍだけ蓄わえられている。

すなわち、 Ｑ’Ｍ＝（Ｖ’ＲＶＬ）ＣＮ＋Ｖ’２Ｃ３””（ｆ）で
ある。

Ｔ３期間が始まった瞬間に、φ’ＢＳ端子の電位がＶＬ
からＶＣに変化すると、この時のＭ点のタ゛イオード電
位ｖ３は初期電荷保存則により次の関係を有す。

Ｑ／Ｍ：（ｖ３−ｖｃ）ＣＮ＋ｖ３Ｃ８・・・・・・・
・・■従って、■、■式より となる。

この時、ｖ３の電位がトランジスタＴＲを遮断状態にす
る条件を満たせば、ブルーミングの発生はない。１３時
におけるこの条件は、１３時におけるφ′の電位Ｖφか
ら、Ｖφ−ｖＴＣ−ΔＫＳＢより高い電位であるように
保つこととなる。

となる。

また、■２′は強い光電流により最も低い電位となる場
合はクランプ電位ｖＬである力）ら、を満すよりなφ’
ＢＳ　”ルス電圧ＶＣ２ｖＬを印カロすることで１３時
におけるブルーミングを抑缶１１できる。

Ｖ）　　Ｔ’２＋　”３１　””２・・・・・・時及び
Ｔ０時ＴＩ　　’ｆｌ　　Ｔ”　　Ｔ“３・・・・・・
はＴ２，１３時の動作２ν　３嘗　２Ｉ の繰返しである。

この様にして、ブルーミング抑制条件を満しながら再び
読み込み時Ｔ。に至るが１０時点での最も低下した電位
、（光電流により、Ｍ点の電位カニ最も低下した電位）
は、クランプ電位ＶＬである。

それゆえ、本駆動によって得られる飽和信号量ΔＶ′は Δｖ／＝ｖ２−ｖＬ　　　　　…・・−・・・・・ｅ・
・・・■となる。

また、光導電膜に印加される電圧は、φ’ＢＳを加える
ためパルス状のものであるが、実際に用いられるパルス
巾すなわちＴ３の時間巾は、その多くが水平ブランキン
グ期間に相当する。この場合、Ｔ３＋Ｔ２＝　６３．６
　ｐ　ｓｅａ　　Ｔ２＝　１１　ｐ　ｓｅａであシ、φ
ＢＳの平均値は となる。す力わち、光導電膜の平均のバイアス電圧分Ｎ
は となる。この電圧＋Ｎが光導電膜のニーポイント以上に
なるようなりｃＨとすることで、ダイナミックレンジの
減少や焼付けの発生を生じることなく、ブルーミングの
抑制を可能とすることができる。

この効果を更に説明するために、第６図ｄに、従来のよ
うに前記端子φ’ＢＳ　に直流電圧を印加したときのＭ
点のダイオード電位の変化図を本発明による場合のそれ
に対応する第６図Ｃと並べて比較する。

すなわち、この場合は、Ｍ点のダイオード電位は絵素読
み込みパルスが電位ｖｃＨ分だけ端子φ′に加わると得
られるＭ点のダイオード電位は上述の０式で示す電位ｖ
２までしか上昇しない。

従って、このとき得られる飽和信号量ΔＶ′はＩＶ’　
＝　Ｖ２−　ｖｃ　　　　　・・・・・・・・・・・…
・・０本発明によるＭ点のとり得るダイオード電位は、
従来のφ’ＢＳ端子に直流電圧を加える方法に比べて、
必らずｖＢｓだけ高いことが、０式と０式を比較すれば
分る。

従って、本発明によると、ダイオード電位、すなわち絵
素信号成分が飽和をきたすまでは、従来の方法に比べて
上記のｖＢｓの電位分だけマージンを有することになる
。

故に、本発明によれば、ダイナミックレンジの低下をき
たすことなく、また焼き付きも生じず、かつブルーミン
グ抑制効果の飛躍的な増大を図ることができる。

以上の本発明に用いる固体撮像素子は第４図で示した等
価回路のように、ＤＮは光電変換機能を有す光導電体で
、Ｄｓは絵素読み込みトランジスタのソース端を形成す
不ダイオードとしたが、必らずしもこの関係は必要では
ない。この関係と逆の関係すなわち、■が単なるダイオ
ード作用を有する材料より構成され、Ｄｓが光電変換機
能を有する材料より構成されていてもよい。

このような実施例について、第６図に１絵素の断面図を
、第７図にその等価回路を示す。

同図において、１１１は基板１０とは反対の導電型より
なる不純物♂領域（基板がｐ型のとき）であシ、この領
域に光が入射されて、該領域１１１と基板１０とで光電
変換機能を有する。

７１は不純物？領域１１１中に設けられた不純物ｐ＋領
領域あり、このｐ＋領領域電極７２と電気的に結合され
ている。

このｐ＋領域７１と不純物ｎ＋領領域１１とがダイオー
ド機能を有する。

２ 同図において、他の各番号で示した各部の構成要素は第
１図にもとづいて述べたものと同一のものである。

以上のように構成された固体撮像素子において、電極７
２の端子φＢｓ１に第６図で述べたようなパルスφＢＳ
　　を印加すればよい。

なお、第７図に示した等価回路において、Ｄｓ′は不純
物り領域７１と不純物ｎ＋領領域１１とで構成されるダ
イオードで容量Ｃ８′を有する。また、Ｄ′Ｎは不純物
ｎ＋領領域１１と基板１０とで構成されるフォｔダイオ
ードで容量Ｃ′Ｎを有する。

以上のように構成された固体撮像素子の電極φＢｓ１に
、第６図で述べたようなパルス電圧φＢＳを印加すると
、同図にもとづいて述べたのと同様のブルーミング抑制
効果を生じさせ得ることは明らかである。

以上のように、本発明は素子駆動パルスと同期したパル
スを実質的に光導電体中に印加することによシ、ダイナ
ミックレンジの低下を防ぎ、光蓄積期間中に発生した過
剰キャリアは上述のグイオ−一≦− 一ド電位を一定電位にクランプすることによりプルーミ
ング発生を防止することができる。

また、基板がｎ型の半導体で形成されるときは、用いた
不純物領域とは全て反対の導電型の不純物領域を用いる
こともできることは明らかである。

また、本発明は一次元、二次元の固体撮像素子に適用し
得ることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像装置の要部の断面図、第２図は従来の
固体撮像装置の動作を説明する波形図、第３図はその要
部の平面図、第４図は本発明の一実施例における固体撮
像装置の等価回路図、第６図はその動作を説明する波形
図、第６図は本発明の別の実施例における固体撮像装置
の要部の断面図、第７図はその等価回路図である。 １０・・・・・・ｐ型半導体基板、１１・−・・・・・
ｎ＋型領領域１２１１・…・ｐ＋型領領域１３０・・・
・ｎ＋型領領域１４・・・・・・第１ゲート電極、１６
・−・・・・ゲート酸化膜、１６・・・・・・絶縁体層
、１７・・・・・・第１電極、１８・・・・・・正孔阻
止層、１９・・・・・・光導電体、２０・・・・・・透
明電極、２１・・・・・・電圧源、２２・・・・・・入
射光、２３・・…・・固体素子の１単位、２４．２６・
・・・・・第２ゲート電極、２６・・・・・・第１ゲー
ト電極、１１１・・・・・・・不純物♂領域、７１・・
・・・・不純物ｐ領域、７２・・・・・・電極、ＴＢ、
ＴＲトランジスタ、φ′・・・・・・絵素読み込みパル
ス、転送パルス印加端子、φ’ＢＳ・・・・・・・・電
源電圧、パルス信号印加端子、ＣＢ・・・・・・・バケ
ツ容量、Ｃ１・・・・・・接合容量、■・・・・・・・
光導電体、Ｄｓ・・・・・・・ダイオード、ＣＮ、Ｃ８
・・・・・・　容量。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第２
図 第３図 第５図 （ψａｓ’ン 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板中に多数の第１の半導体領域を設け、該第１
   の半導体領域と直列関係に第１の電極を介して第２の半
   導体領域を設け、該第２の半導体領域に第２の電極を設
   け、該第１もしくは第２の半導体領域より得られる光電
   変換信号を走査して映像信号を得るようにした固体撮像
   装置において、像装置。