JPS5917582B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像素子に係り、感光部をスイッチング素
子上に積層形成すると共に、スイッチング素子を例えば
共通ドレイン方式とすることによ０ り、所望の光波長
領域に対して高感度としえ、また簡単に製造しうる固体
撮像素子を提供することを目的とする。

従来、ＣＣＤ（チャージ、カツプルド・デバイス）やＢ
ＢＤ（パケット・ブリゲード・デバイス）５等の電荷転
送素子を用い、その半導体基板内に光によりキャリアを
励起せしめ、これを転送する固体撮像素子や、感光部と
スイッチング素子（例えばＭＯＳ型電界効果トランジス
タ等）とから一つの画素を構成し、これを複数個マトリ
ックス状に０ 配設し、これらをＸ軸（水平）走査部と
Ｙ軸（垂直）走査部とから互いに直交する信号線に夫々
接続し、（Ｘ、Ｙ）座標で指定された１画素に上記Ｘ軸
、Ｙ軸の各走査部から走査パルスを与えて映像信号を取
り出す固体撮像素子があつた。

これら５ の従来の固体撮像素子は、一般にシリコンで
基板、スイッチング素子、感光部を構成していたため、
光感度がシリコン固有の光波長感度で制限され、赤外域
にピークをもつ光感度特性となる。このため、従来の固
体撮像素子をテレビジョンカメラ用０ に適した光波長
感度をもたせるべき補正を行なうと、その補正は光波長
感度の最も低い光波長領域（シリコンの場合、青色光波
長領域）に感度を合せることになるため、テレビジョン
カメラとして感度は大幅に減少し、現在の撮像管の感度
の約５１／１０ぐらいまで低下するため、未だ実用に供
されていない。そこで、本出願人は先に特開昭５４一 １３４５１７号で、テレビジヨンカメラ用としても実用
に供しうるような、光波長感度の優れた固体撮像素子を
提案した。

すなわち、この提案になる固体撮像素子は単一の半導体
基板上にマトリツクス状に配列されたスイツチング素子
上、感光部を全面に被覆形成したものであり、これによ
り受光面積を大幅に大としえ、大幅な感度増大が期待で
き、また単一基板の素材にかかわりなく可視光波長領域
において極めて良好な感度の撮像装置を構成できる。本
発明は上記の本出願人の提案になる固体撮像素子の改良
に関するものであり、以下図面と共に説明する。

第１図は本発明になる固体撮像素子の原理を説明するた
めの例の一画素当りの縦断面図及びこれより出力信号を
得るための回路図を示す。

同図において、１は半導体基板でアイソレート部２及び
第１、第２のソース部３，３′が夫々形成されており、
これらの上に例えばＳｉＯ２あるいはＳｉＮ２等よりな
る絶縁膜４が被覆されている。ただし、第１のソース部
３上の絶縁膜４は局部的に窓が開けられており、ここに
直接チヤージ収集用電極５が設けられており、上記絶縁
膜４はこの電極５を囲撓すべく形成されている。また絶
縁膜４内にぱ、第２のソース部３′の一部とアイソレー
ト部２上に直線状のゲート電極（例えばポリシリコンよ
りなる）６が形成され、またこのゲート電極６の長手方
向と直交する方向に延在するゲート電極７が形成され、
更にこのゲート電極７は、長手方向がゲート電極６と同
方向の第１のソース部３の一部と第２のソース部３″の
一部の上方に位置する分岐部７ａを有する。第２図は上
記のゲート電極６，７の配設状態を示す上面図で、Ｉ−
１線に沿う断面図を示す第１図と同一部分には同一符号
が付してある。なお、第２図では絶縁膜４は省略してあ
る。ゲ・一ト電極６はＸ軸シフトレジスタ（図示せず）
よりのパルスが印加され、またゲート電極７にはＹ軸シ
フトレジスタ（図示せず）よりのパルスが印加される。
上記絶縁膜４及びチヤージ収集用電極５上には、光導電
膜８が全面に亘つて被覆形成され、更にこの光導電膜８
上には透明電極９が被着形成される。

このように、この固体撮像素子は、半導体基板１、アイ
ソレート部２、第１、第２のソース部３，３′、チャー
ジ収集用電極５、絶縁膜４、第１、第２のゲート電極６
，ｒよりダブルゲートのＭＯＳ型電界効果トランジスタ
を構成し、かつ、そのドレイン部を半導体基板１で共通
に構成した点に特徴を有する。これにより、固体撮像素
子を簡単にして小型に構成でき、光導電膜８の材料を適
当に選ぶことにより光波長感度特性を自由に選択できる
。第１図では、光導電膜８は単一層としているが、通常
、多層で構成される。第３図は第１図及び第２図に示し
た固体撮像素子の一部切截斜視図で、複数個の画素が平
面上マトリツクス状に配設されていることを示す。

同図中、第１図と同一部分には同一符号を付し、また同
一種類のものが複数あるものについては添字を付してあ
る。次に上記固体撮像素子の動作について第１図と共に
説明する。

被写体よりの光は第１図中、透明電極９を透過して光導
電膜８に入射され、ここで、伝導キャリアを発生する。
この伝導キヤリアがＰ型のときは前記第１、第２のソー
ス部３，３″、半導体基板１は夫々Ｐ型半導体で構成さ
れ、アィソレート部２はＮ型半導体で構成され、他方、
上記伝導キヤリアがＮ型のときは上記とは逆の半導体で
夫々構成される。ここでは、伝導キヤリアはＰ型として
説明する。ここで、透明電極９に正、半導体基板（ドレ
イン部）１には負の直流電圧が電源１０より印加されて
おり、光導電膜８の等価容量Ｃは予め充電されている。

この状態において、上記Ｐ型伝導キヤリアの発生により
、光導電膜８の等価抵抗Ｒの値が入射光の強度、波長に
応じて減少する。これにより、予め充電されていた等価
容量Ｃの充電電荷は、入射光の強度に応じた量だけ等価
抵抗Ｒを通して放電する。そして、この放電中にＸ軸シ
フトレジスタよりの走査パルスがゲート電極６に印加さ
れ、かつ、これと同様にＹ軸シフトレジスタからの走査
パルスがゲート電極７に印加されることにより、ＭＯＳ
型電界効果トランジスタがオンとなる。これにより、上
記等価容量に残留していた電荷は、チャージ収集電極５
、第１のソース部３、ゲート電極７の直下にできたチヤ
ンネル、第２のソース部３′、ゲート電極６の直下にで
きたチャンネル、半導体基板（ドレイン部）１を順次通
つて放電され、このとき負荷抵抗１１の両端間に電圧が
発生する。この負荷抵抗１１の両端間に生じた電圧は１
画素当りの映像信号として出力端子１２より出力される
。ところで、上記ゲート電極７だけに走査パルス（電圧
）が印加されても、等価容量Ｃの充電電荷は、半導体基
板１には放出されない。

またゲート電極７に走査パルスを印加し（ゲート電極６
には走査パルスが印加されていない）、その後に走査パ
ルスの印加が無くなると、第２のソース部３′に一部の
電荷が残留する。この間にゲート電極６に走査パルスが
印加されると、第２のソース部３に残留していた電荷が
半導体基板（ドレイン部）１に流れ出し、ノイズ信号と
して出力されてしまうので好ましくない。従つて、ここ
では、ゲート電極７に走査パルスが印加されている期間
中に、ゲート電極６に走査パルスを印加したり遮断した
りする。

以上は１画素当りの動作であるが、画素が複数個マトリ
ツクス状に配列された第３図に示す如き固体撮像素子の
ゲート電極６１１，６２１等にＸ軸シフトレジスタより
の走査パルスを順次加え、またゲート電極７２１等にＹ
軸シフトレジスタよりの走査パルスを加えることにより
、各画素を構成するスイツチング素子（ここではダブル
ゲートのＭＯＳ型電界効果トランジスタ）が順次時分割
的にオンとされ、これにより負荷抵抗１１の両端には、
各画素よりの時系列化された電圧が生じ、映像信号とし
て出力端子１２より出力される。

第３図に示す例では、上記の光導電膜８として半導体基
板１とは異なる素材を用いており、その素材としてシリ
コン材特有の青色光感度低下のない可視光波長領域にお
いて最高感度の素材を選定することにより、従来にくら
べてＳＮ比の良い映像信号を得ることができ、また用途
に応じて光波長感度特性を自由に選択できる。また、第
３図に示す例では、ドレイン部が各画素共通の構成とし
たため、構造が簡単となり、また駆動回路も簡単となる
。第４図は本発明になる固体撮像素子の一実施例の第５
図の−線沿う縦断面図及びこれより出力信号を得るため
の回路図、第５図は第４図示の固体撮像素子の上面図を
示し、各図中第１図と同一部分には同一符号を付し、そ
の説明を省略する。

半導体基板（ドレイン部）１には、ソース領域１４１及
びこれと同時拡散で作られたチヤンネル領域１３１が形
成されて、いわゆるＤ−ＭＯＳ構造とされている。本実
施例はこのＤ−ＭＯＳ構造のゲート電極１５を、第４図
及び第５図に示す如く、チヤンネル領域１３１とソース
領域１４１及びドレイン領域１の各一部の上方であつて
絶縁膜４内にＸ軸方向（又はＹ軸方向）すなわち画素の
列（又は行）方向の駆動電極として形成し、かつ、第５
図に１６１，１６２で示す如く透明電極をゲート電極１
５に対して夫々の長手方向が互いに直交するような各画
素の行（又は列）毎に分離された形状に形成し、これを
Ｙ軸方向（又はＸ軸方向）すなわち画素の行（又は列）
方向の１駆動電極として兼用するようにした点が前記の
第１図に示した例と異なる。なお、第５図中、５２，１
３２，１４２及び１６２は夫々チヤージ収集用電極、チ
ヤンネル領域、ソース領域及び透明電極を示す。次に上
記の実施例の動作について第４図と共に説明するに、被
写体からの光は透明電極１６１等を透過して光導電膜８
に入射され、伝導キヤリアが励起される。これにより、
前述した如く入射光の強度に応じて等価容量Ｃの電荷が
放電される。ここで、透明電極１６１と半導体基板１に
電源１０′より直流電圧が加えられ、次にゲート電極１
５にＤ−ＭＯＳ構造のトランジスタをオンとするような
パルスがＸ軸シフトレジスタより印加されると、電源１
０′、負荷抵抗１Ｖ、透明電極１６１、光導電膜８、チ
ャージ収集用電極５１、ソース領域１４１、半導体基板
１は閉回路を構成し、放電された電荷に見合う分だけを
、電源１０″は等価容量Ｃに電荷を補充する（充電）。
この時、上記補充に要した電荷分は、負荷抵抗１１′の
両端間にそれに応じた電圧を発生せしめ、出力端子１２
より出力される。このサイクルを繰り返すことにより、
ある時間内に入射した光量に見合つた電圧が間欠的に映
像信号として出力端子１２から取り出されることになる
。以上は１画素あたりの固体撮像素子の説明であるが、
固体撮像素子は上記のＤ−ＭＯＳ構造のトランジスタが
複数個Ｘ−Ｙ平面上にマトリツクス状に配列されており
、１５等のゲート電極に加えられるＸ軸方向の走査パル
スと、１６１，１６２等の互いに分離したストライプ状
の透明電極に加えられるＹ軸方向の走査パルスとが、夫
々同時に印加されたＤ−ＭＯＳ構造のトランジスタのみ
がオン状態となり、その画素に入射されている光に応じ
た電圧が前述した動作により共通の出力端子１２より映
像信号として出力される。

マトリツクス状に配列されたＤ−ＭＯＳ構造の複数個の
トランジスタは、順次にオンとされ、これにより各画素
の入射光に応じた映像信号が出力端子１２より出力され
る。本実施例は透明電極を画素の行（又は列）方向に共
通に形成され、かつ、各画素の行（又は列）毎に分離さ
れた形状にし、これをゲート電極と長手方向が互いに直
交するように配設し、かつ、この透明電極が少なくとも
各画素を構成する領域を覆う大きさとされており、この
透明電極を駆動電極（ここではＹ軸走査パルスが印加さ
れる駆動電極）としても使用するようにしたため、第１
図乃至第３図に示した例に比し更に構造を簡単なものと
することができ、ＭＯＳ型電界効果トランジスタのスイ
ツチングは、ゲート電極１５等に印加されるＸ軸方向の
走査パルスのみで行なわれる。

又、透明電極が画素の各行（又は列）毎に分離されてい
るため、上下方向（又は左右方向）に対して像のボケ（
解像度）が改善される。

第６図は本発明になる固体撮像素子の変形例の要部を示
す上面図である。

本変形例においてはストライプ状透明電極１６１−２ク
１６１−１７１６１７１６１＋１，１６１＋２（ｉは正
の整数）の下に形成される各画素の電界効果トランジス
タのソース領域、チヤンネル領域、チャージ収集用電極
の上面が夫々略円形のときの例で、ゲート電極１８ｊ−
１，１８ｊ，１８ｊ＋１（ｊは正の整数）はその長手方
向が透明電極１６１−２〜１６１＋２のそれと互いに直
交するように配設せしめられるが、電界効果トランジス
タの部分でのみ円形部１９を有する。

このような構成とすることにより、表面の占有面積に対
する接合面の周辺長が大となるので、ゲートがオンのと
きソース電流は四方へ同時に流れ出すので、流れる方向
による時間差が小さく周波数応答が速くなり、またチヤ
ンネル幅も広がり、トランジスタとしてのＧｍも向上し
低電圧駆動が可能となる。なお、ゲート電極１８ｊ−１
〜１８ｊ＋１は円形部１９の代りに他の形状を有するよ
うに構成してもよいことは勿論である。

上述の如く、本発明になる固体撮像素子は、感光部を複
数個のスイツチング素子上全面に被覆された光導電膜と
この光導電膜上に形成された透明電極とより構成すると
共に、透明電極を少なくとも各スイツチング素子の各画
素を構成する領域の上方を覆い、画素の行（又は列）方
向に共通に形成され、かつ、各画素の行（又ぱ列）毎に
分離された形状としたため、駆動回路が従来にくらべて
極めて簡単となり、またこの固体撮像素子により小型、
軽量、小電力の撮像装置を構成でき、また透明電極が画
素の各行（又は列）毎に分離されているため、上下方向
（又は左右方向）に対して像のボケ（解像度）が改善さ
れる等の数々の特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる固体撮像素子の原理を説明するた
めの例の一画素当りの縦断面図及びこれより出力信号を
得るための回路図、第２図は第１図の上面図、第３図は
第１図及び第２図に示した固体撮像素子の一部切截斜視
図、第４図は本発明になる固体撮像素子の一実施例の縦
断面図及びこれより出力信号を得るための回路図、第５
図は第４図の上面図、第６図は本発明になる固体撮像素
子の変形例の要部を示す上面図である。 １・・・・・・半導体基板（ドレイン部）、２，２１１
〜２３１・・・・・・アイソレート部、３，３″，３１
１，３３１，３１／〜３３／・・・・・・第１、第２の
ソース部、４・・・・・・絶縁膜、５，５１１〜５３１
，５２１〜５２３・・・・・・チャージ収集用電極、６
，７，６１１，６２１，７１１，７２１・・・・・・第
１、第２のゲート電極、８・・・・・・光導電膜、９・
・・・・・透明電極、１３１，１３２・・・・・・チャ
ンネル領域、１４１，１４２・・・・・・ソース領域、
１５・・・・・・ゲート電極、１６１，１６２，１６１
−２〜１６１＋２・・・・・・ストライブ状電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 単一基板上に感光部とスイッチング素子とを形成し
   て画素を構成し、これらが該単一基板上に複数個マトリ
   ックス状に配列されてＸ軸、Ｙ軸の各走査部からのパル
   スにより上記複数個のスイッチング素子を順次スイッチ
   ングして各画素からの映像信号を得る固体撮像素子にお
   いて、上記感光部を、上記複数個のスイッチング素子上
   全面に被覆された光導電膜と、該光導電膜上に形成され
   た透明電極とより構成すると共に、上記透明電極を、少
   なくとも上記各スイッチング素子の各画素を構成する領
   域の上方を覆い、画素の行（又は列）方向に共通に形成
   され、かつ、各画素の行（又は列）毎に分離された形状
   としたことを特徴とする固体撮像素子。