JPS5946466B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光情報を電気信号に変換する固体撮像装置に関
する。

従来、光情報を電気信号に変換する装置で、自己走査機
能を持つものとして電荷転送素子（ＢＢＤ、ＣＣＤ等）
を用いた装置が提案されている。

これらの装置では光電変換機能と信号読み出し機能とを
それぞれ別々の素子で行なわせて、信号電荷転送中の外
部光による光学ひずみが起こらない様に工夫されている
。その方式は一般に、ホトダイオード、ホトトランジス
タ等からなる光電変換セルと電荷転送部との組み合わせ
、或いは前記のよう身な光電変換セルとＭＯＳ−ＦＥＴ
との組み合せにより光情報を電気信号に変換して読み出
丁という方式になつている。従来の光電変換セルと電荷
転送部とを組合わせた装置の一例を第１図にブロック図
で示す。

同図において、１は光電変換セル、２は電荷転送素子列
を示す。また矢印は電荷の流れの方向を示す。このよう
な構造の装置においては、光電変換セル１によつて感知
された光情報は、１対１の対応をもつて電荷転送素子列
２の所定の段に読み込まれ・る構造になつており、光電
変換セル１の光情報が隣りの段の電荷転送素子列に混入
しないように、第１図の３で示したような素子分離領域
あるいはチャネルストッパ部を設置することにより、信
号混入のない所望の光電変換出力を得ていｚなお、チャ
ネルストッパ部３の構成は、チャネル部と比較して大幅
に厚い酸化膜で形成するか、あるいは基板と同導電型の
不純物を拡散、ドープトオキサィド法、イオン注入法等
により拡散して形成するか、あるいは前記両者の組み合
わせにより形成する、等々の方法に基いて構成される。
ところが、上述のようにして素子分離領域あるいはチャ
ネルストッパ部３を構成すれば、その領域を形成するた
めのスペース及び拡散された不純物が以後の熱処理工程
によつて拡がるための安全性を考慮したスペースのため
に、固体撮像装置のうちで素子分離領域あるいはチャネ
ルストッパ部が占める面積の割合は非常に大きなものと
なつてしまう。

このことは固体撮像装置の解像度を上げるため高密度化
を計る場合に大きな障害となることは明らかである。ま
た、固体撮像装置を製作するプロセスにおいても、素子
分離領域（チヤネルストッバ部）３を形成するという余
分のプロセスが必要であり、プロセス的にも煩雑である
。本発明は、前述のような問題点を解決するために、光
電変換セルと電荷転送部との間に素子分離領域を設ける
ことなく、構造が簡単で高密度化可能な固体撮像装置を
提供するものである。以下に本発明の図面を用いて説明
する。

第２図に本発明の一実施例のプロツク図を示す。

同図において、１１はホトダイオード等からなる光電変
換セルを示し、１２−Ａ〜１２−Ｎは電荷転送素子列を
示す。また、矢印は電荷の流れの方向を示す。１フレー
ム分の出力信号を出力端子１７に出力した後には、各電
荷転送素子列１２−Ａ〜１２−Ｎは、それぞれの電荷転
送素子列１２一Ａ〜１２−Ｎの入出力端より与えられる
設定電圧により、ある初期電位に設定されているものと
する。

この状態で、光電変換セル１１によつて感知された光電
変換信号を両隣に設けられた二本の電荷転送素子列、１
２−Ａおよび１２−Ｂ，ｌ２一Ｂおよび１２−Ｃ，〜１
２−Ｍおよび１２−Ｎに読み出すという駆動を行なう。
ここで、各電荷転送素子列１２−Ａ〜１２−Ｎの各段で
転送できる電荷の量が、各光感知用素子１１で得られる
光電変換信号の電荷量の２倍以上であるとすれば、各光
電変換セルより得られた光電変換信号は、転送素子列内
に於いて飽和をきたすことなく正しく両隣の二本の電荷
転送素子列の各段に分割して読み出される。今、第２図
に記した各光電変換セル１１（ＡＡ，ａＢ，・・・・・
・ＡＮ，ｂＡ，ｂＢ，・・・・・・， ＢＮ，・・・・
・・ＮＡ，ｎＢ，・・・・・・ＮＮ）で得られた光電変
換信号が、どのように各電荷転送素子列１２−Ａ〜１２
−Ｎの各段に読み出されるかを記す。

光電変換セルＡＡで得られた光電変換信号は隣接する二
つの電荷転送素子列１２−Ａｆ）ａ段および電荷転送素
子列１２−Ｂｆ）ａ段への読み出しゲートが共通に作成
されて同一のクロツク信号が印加される訳であるから光
電変換セルＡＡの電荷（光電変換信号）は一ずつ１２−
Ａのａ段と１２−Ｂ（７）ａ段へ分配される。以下、Ｂ
Ａの電荷も１２−Ａｆ）ｂ段および１２−Ｂのｂ段へ一
ずつ分配され、ＣＡの電荷も１２一Ａ（７）ｃ段および
１２−Ｂｆ）ｃ段へ一ずつ分配され、ＮＡの電荷も１２
−Ａｌ７）ｎ段および１２−Ｂのｎ段へ一ずつ分配され
る。

また、ＡＢの電荷も共通につながつた読み出しゲートに
同一のクロツク信号を印加して１２−Ｂのａ段と１２−
Ｃのａ段へ一ずつ分配される。

以下、ＢＢの電荷も１２−Ｂｆ）ｂ段および１２一Ｃｆ
）ｂ段へ一ずつ分配され、ＣＢ電荷も１２一Ｂｆ）ｃ段
および１２−Ｃのｃ段へ一ずつ分配され、ｎＢ電荷も１
２−Ｂのｎ段および１２−Ｃｆ）ｃ段ヘ一ずつ分配され
る。以上の電荷を各電荷転送素子列１２−Ａ〜１２Ｎご
とにまとめると次の様になる。

すなわち、電荷転送素子列１２−Ａの最終ビツトａには
−Ｘ（ＡＡの電荷） その前ビツトＢＶＣは一×（ＢＡの電荷）その前ビツト
ｃには一×（ＣＡの電荷） 初ピツトｎには−Ｘ（ＮＡの電荷） が読み出される。

次に電荷転送素子列１２−Ｂの最終ピツトａには一×（
ＡＡの電荷）＋−×（ＡＢ（７）駒 その前ビツトｂには−Ｘ（ＢＡの電荷） ＋−×（ＢＢの電荷） その前ビツトｃには−Ｘ（ＣＡの電荷） が読み出される。

また、その後の電荷転送素子列１２−Ｄ・・・・・・１
２−Ｎに読み出される光電変換信号も同様に考えられる
。このようにして各電荷転送素子列に読み出された光電
変換信号は垂直方向に転送されて、第２図の１４で示し
た水平方向出力取り出し装置にそれぞれ入力される。

ここで、この水平方向出力取り出し装置１４としては、
電荷転送素子列（ＣＣＤ，ＢＢＤ等）を用いてもよいし
、シフトレジスタを用いて垂直方向の電荷転送素子列１
２−Ａ，ｌ２一Ｂ，・・・・・・， １２−Ｎの出力を
順次取り出してもよい。ここでは説明の簡単のため電荷
転送素子列で構成した場合を示した。今、固体撮像装置
の１フレーム目の第１水平走査期期間目の出力信号を取
り出す場合を考えると、水平方向出力取り出し用電荷転
送素子列１４の最終ビツトＡには−Ｘ（ＡＡの電荷）そ
の前ビツトＢには一（ＡＡの電荷） がそれぞれ入力される。

こうして、水平方向出力取り出し用電荷転送素子列１４
に入力された固体撮像装置の光電変換信号は順次出力端
子１７の方向に転送されるのであるが、１つ手前の一水
平走査期間の画像出力が終了した後には、１ピツト信号
遅延回路１５には、零信号が入力されているものとすれ
ば、第１水平走査期間目の第１ビツト目の出力は、水平
方向出力取り出し装置１４の最終ビットの信号一×（Ａ
Ａの電荷）から、１ビツト信号遅延回路１５の零電荷が
、差動増幅装置（増幅度αとする）１６により差動増幅
されて、出力α端子１７に一×（ＡＡの電荷）なる光電
変換信号が取り出される。

この出力信号はインバータ（増幅度１／αとする）１８
を介して、１ピツト信号遅延回路１５に入力して、次の
第２ピツト目の出力は、水平方向出力取り出し装置１４
の信号｛−Ｘ（ＡＡの電荷）＋−×（ＡＢの電荷）｝か
ら、１ビツ卜信号遅延回路１５の信号一×（ＡＡの電荷
）を差α動増幅して出力端子１７に一×（ＡＢの電荷）
なる光電変換信号として取り出される。

同様にして、α第３ピツト目の光電変換出力信号は−Ｘ
（Ａｃの電荷）となる。

このようにして、固体撮像装置の第１フレーム目の第１
水平走査期間目の出力信号は、ホトダイオード（ＡＡの
電荷）、（ＡＢの電荷）、（ＡＣの電荷）・・・・・・
が正確に再生される。次に第１フレーム目の第２水平走
査期間目の出力信号は、α
α α同様に−
Ｘ（ＢＡの電荷）、−×（ＢＢの電荷）−×（ＢＣの電
荷）となる。こうして、全てのホトダイオードの電荷を
出力端子１７に正確に読み出すことにより、固体撮像装
置の所望の出力信号を得ることができる。次に第２フレ
ーム目の出力信号を得るためには、第１フレーム目の出
力信号を得るのに用いたホトダイオードと同一のホトダ
イオードを用いてもよいが、第２図のホトダイオードＡ
ＡとＢＡの間にさらに新しいホトダイオードを設けて、
それに対応する電荷転送素子列の１ピツトに光電変換信
号を読み出せば、インタレース走査を行なわせることが
可能となる。

以上で述べた様に、光電変換セルと光電変換信号出力用
電荷転送素子列との間に素子間分離領域を設けることな
く、１つの光電変換セルによつて感知された光電変換信
号を、両隣に設けられた２本の電荷転送素子列に読み出
す本実施例の固体撮像装置は、光電変換セルを高密度に
配置でき、正確に光電変換セルの光電変換信号が読み出
される。

なお本実施例では、１水平走査期間の出力信号と、その
後の１水平期間の出力信号とを差動増幅する装置を示し
たが、光電変換セルの高密度化により、２つの出力信号
を差動増幅することなくそのまま出力しても、画像の乱
れや不鮮明さはほとんど現われず、実用上支障のない画
像が得られる。ここで、上述のような固体撮像装置を実
際に実現する場合の一実施例を示す。第３図には本発明
を特願昭５０−５８８２６号明細書（特開昭５１一１３
４０８９号公報参照）Ｖｃ記載の回路に適用した場合の
等価回路図である。光電変換セルとしては１１′で示し
たホトダイオード、電荷転送素子列としては１２′で示
したバケツトブリゲート素子列が使用されている。なお
、この回路の特徴は、ホトダイオードから電荷転送素子
列への光電変換信号の読み出しに特別の制御ゲートを設
けることなく、φ１，φ２なるクロツク端子のみで駆動
を行なうことである。第３図の回路の駆動は、第４図に
示した駆動クロツクで駆動される。このようＶＣ，駆動
クロツクは、電圧Ｖ１なる信号転送りロツクφＰと、電
圧Ｖ，（Ｖ２〉Ｖ１）なる光電変換信号読み込みパルス
φ、で構成される。第３図の各バケツトプリゲート素子
列１２′の入力端にはＩｎなる入力電圧、最終段には。

なるりファレンズ電圧が印加されている。今、説明の簡
単のためＩｎ＋８とすれば、前フレームの信号を出力し
た後の各バケツトブリゲート素子列の各ビツトの電荷は
ほぼであるっこの状態で、クロツク端子φ，に光電変換
信号読み込みパルスφ、を印加すると、各バケツトブリ
ゲート素子列の各ピツトの電圧が（ＶＲ＋Ｖ２）となり
、今相隣る２つのホトダイオードの電位が、電位Ｖ，か
ら光情報を得ることにより、それぞれ（Ｖ，一ΔＶ），
Ｖ，−△Ｖつ となつているとすれば、この相隣る２つ
のホトダイオードの間にあるバケツトブリゲート素子列
の１つのピツトの電位は｛（ＶＲ＋１１Ｖ２）−（−Δ
Ｖ）−ーΔＶ′｝ となる。

従つて、このバケットブリゲート素子列によつて、φ２
なする転送りロツクで転送される信号電荷は（−△Ｖ＋
−ΔＶつとなる。

この垂直方向に転送された信号電荷を出力端子に読み出
す操作方法は第２図の説明で行なつた通りである。なお
、正確な光電変換信号を得るためには、各ホトダイオー
ド１１′で得られる光電変換信号の電荷量は、電荷転送
素子の各ピツトで転送される電荷量の一以下である必要
がある。すなわち、Ｖ２二２Ｖ，なるクロツクで駆動す
る時、ΔＶ，ΔＶ／≦−Ｖ１なる電圧範囲で１駆動させ
る必要がある。さて、第３図で示した等価回路を実際に
半導体基板上に製作する場合を考えよう。

その一例を第５図に示した。第５図において、５１はホ
トダイオード、５２が電荷転送素子列である。

５１のホトダイオードは半導体基板に反対導電型の不純
物を拡散したものである。

５２なる電荷転送素子列は、５２−１で示した不純物拡
散層からなる転送段と、５２一２で示した約１０００Ｘ
程度の薄いゲート酸化膜からなる転送ゲートで構成され
るバケツトプリゲート素子列により構成される。

５４はポリシリコン等で構成されたクロツク信号φ１，
φ２を印加するためのクロツク電極である。

各ホトダイオード５１で得られた光電変換信号は、信号
読み込みゲート５３（これも１０００Ｘ程度の薄い酸化
膜で形成される）により各転送段５２−１に読み込まれ
る。第５図に示したように本発明によれば、非常に簡単
な構造の固体撮像装置が得られる。

また、本図の構造では制御クロツクゲートもφ１，φ２
だけで複雑な制御クロツクを用いる必要はない。なお、
本発明の説明では、主にホトダイオードとバケツトブリ
ゲート素子列の組み合わせで説明を行なつたが、他の原
理に基づく光電変換セルと電荷転送素子夕！滅いはＭＯ
Ｓ−ＦＥＴｌまた、光電変換セルの信号電荷を導電性の
共通母線に読み出す場合も同様に説明できる。さらに、
本発明の説明は任意の光電変換セルの信号電荷を二列の
電荷転送素子列に同時に移送する場合について行なつた
が、二列以上に同時に移送した場合も同様に説明しうる
。以上に述べたように、本発明の固体撮像装置では、構
造が簡単で、駆動方法も簡単な固体撮像装置が得られ、
さらに装置自体の高密度化を著しく高める効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の説明図、第２図は本発明の一実施例を
示すプロック図、第３図は本発明の他の実施例を示す等
価回路図、第４図は第３図の回路の駆動クロツク図、第
５図は第３図の回路の半導体基板上への一実施例を示す
図である。 １，１１，１１′， ５１・・・・・・光量変換セル、
２，１２，１２′，５２・・・・・・電荷転送素子夕１
ｋ１４・・・・・・出力取り出し装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 行状に配置された複数の垂直転送手段と、前記垂直
   転送手段の行間に行状に配置され、前記垂直転送手段に
   電気信号を出力する複数の光電変換セルと、前記垂直転
   送手段の各行から前記電気信号を順次列状に取り出す手
   段とを有し、同じ前記光電変換セルの電気信号を隣接す
   る二つ以上の前記垂直転送手段に同時に出力することを
   特徴とする固体撮像装置。