JPS61154366A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体トランジスタの制御電極領域上にキャパ
シタを有する光電変換素子（以下、光センサセルとする
。）を１ライン以上配列した固体撮像装置に関する。

〔従来技術〕

第３図（４）は、光センサセルの断面図、第３図（Ｂ）
はその光センサセルの等価回路図である。

第３回頭において、ｎ＋シリコン基板１上に光センサセ
ルが形成され配列されておシ、各党センサセルはｓｉｏ
　　Ｉ　５１３Ｎ４　＃又はポリシリコン等より成る素
子分離領域２によって隣接する光センサセルから電気的
に絶縁されている。

各党センサセルは次のような構成を有する。

エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低（・
ｎ−領域３上にはｐタイプの不純物をドーピングするこ
とでｐ領域４が形成され、ｐ領域４には不純物拡散技術
又はイオン注入技術等によってｎ＋領域５が形成されて
いる。ｐ領域４およびｎ＋領域５は、各々バイポーラト
ランジスタのベースおよびエミッタである。

このように各領域が形成され友ｎ−領域３上には酸化膜
６が形成され、酸化膜６上に所定の面積を有するキャパ
シタ電極７が形成されている。キヤ・臂シタ電極７は酸
化膜６を挾んでｐ領域４と対向し、キャパシタ電極７に
パルス電圧を印加することで浮遊状態にされたｐ領域４
の電位を制御する。

その他に、ｎ＋領域５に接続されたエミッタ電極８、エ
ミッタ電極８から信号を外部へ読出す配線９、キャパシ
タ電極７に接続された配線１０、基板１の裏面に不純物
濃度の高いｎ＋領域１１、およびバイポーラトランジス
タのコレクタに電位を与えるための電極１２がそれぞれ
形成されている。

次に、基本的な動作を説明する。光１３はバイポーラト
ランジスタのペースであるｐ領域４へ入射し、光量に対
応した電荷（ここではホール）がｐ領域４に蓄積される
（蓄積動作）。

蓄積されたホールによってペース電位は正方向へ変化す
る。ここでキヤ・臂シタ電極７に読出し用の正電圧Ｖ、
を印加してｐ領域４を正方向にバイアスする。これによ
って、ホールが蓄積されたｐ領域４はｎ　領域５に対し
て順方向にバイアスされ、？領域５からｎ−領域３へ電
子による電流が流れ、浮遊状態にされた？領域５および
エミッタ電極８の電位が上昇する。その電位変化をエミ
ッタ電極８から読出すことで、入射光量に対応した電気
信号を得ることができる（読出し動作）。

また、ｐ領域４に蓄積された電荷を除去するには、エミ
ッタ電極８を接地し、キャパシタ電極７に正電圧Ｖｌの
パルスを印加する。この正電圧を印加することでｐ領域
４はｎ＋領域５に対して頭方向にバイアスされ、蓄積さ
れた電荷が除去される（リフレッシュ動作）。以後上記
の蓄積、読出し、リフレッシュという各動作が繰り返さ
れる。

要するに、上記光センサセルは、光入射によシ発生した
電荷を、ペースであるｐ領域４に蓄積し、その蓄積電荷
量によってエミッタ電極８からコレクタ電極１２に流れ
る電流をコントロールするものである。したがって、蓄
積された電荷を、各セルの増幅機能によシミ荷増幅して
から読出すわけである。この方式は、高出力、高感度、
しかも低雑音でｌ）、将来の高解像度化に対しても有利
なものである。

第４図は、上記光センサセルを２次元配列した従来の固
体撮像装置の回路図である。

同図において、２次元配列された光センサセル３０の各
キャパシタ電極７は水平ライン３１にライン毎に共通接
続され、各水平ライン３１は垂直走査部３２の出力端子
に各々接続されている。また、各党センサセル３０のエ
ミッタ電極８は垂直ライン３３に列毎に共通接続され、
各垂直ライン３３はＭＯＳ　）ランジスタを介して読出
しライン３４に共通接続されている。各ＭＯ８）ランジ
スタのｒ−）電極は水平シフトレジスタ３６の各出力端
子に接続され、各出力端子からの出力がシフトするタイ
ミングで、ＭＯＳ　）ランジスタは順次ＯＮ状態となる
。この水平走査によって、あるラインノ光センサセル３
０に蓄積されている光情報がシリアルに読出しライン３
４に読出され、アンプ３７によって増幅され外部へ出力
される。

このような従来の撮像装置では、通常、水平方向の画素
数（光センサセル３ｏの数）は２００〜５００画素であ
る。したがって、テレビにおける１走査期間６３．５μ
気を考慮すると、水平シフトレジスタ３６の動作周波数
は３〜８　ＭＨｌとなる。

これらの画素数および周波数は、技術的に従来の装置で
十分に対応することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、撮像装置が今後高解像度化の方向に進む
ことは確実であり、その場合の水平方向画素数は１０２
４個以上であると考えられる。この場合、上記と同様の
テレビレートを考慮すると、水平シフトレジスタ３６の
動作周波数は約１６ＭＨＳ以上となる。

このために、従来の回路構成では、特に水平シフトレジ
スタの動作が非常に高周波数となシ、設計上の制約が厳
しくなる。また、回路構成も複雑となり、歩留シの低下
をもたらす。

〔発明の概要〕

本発明による固体撮像装置は、上記従来の問題点を解決
しようとするものであシ、上記光センサセルを所望個数
毎に順次選択する選択手段を複数個設け、各選択手段を
順次動作させることによって前記光センサセルをひとつ
ずつ順次選択することを特徴とする。

〔作用〕

上記選択手段（たとえば水平シフトレジスタ）を複数個
に分割することで、高周波数動作を行う場合でも１個当
たシの選択手段の駆動周波数を低減させることができ、
回路設計および半導体素子のパターン設計における自由
度を大きくすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明による固体撮像装置の一実施例の回路図
である。ただし、本実施例では光センサセルなｎＸｎ個
配列し、ｎは偶数とする。

同図において、光センサセル３０のキャパシタ電極７は
、ライン毎に水平ラインＨＬ、〜ＨＬｎに共通接続され
、各水平ラインにはスイッチングトランジスタ（以下、
単にトランジスタとする。）Ｔｒ１〜Ｔｒｎを介して読
出し用の電圧ｖｒが印加される。また、各水平ラインに
はトランジスタＴｆ、〜Ｔ１　　を介してリフレッシュ
用の電圧ｖｆが印加される。

トランジスタＴｒ１〜Ｔｒｎの各ダート電極は、垂直シ
フトレジスター０１の端子り、〜Ｌｎにそれぞれ接続さ
れ、垂直走査が行われる。ま友、トランジスタＴｆ１〜
Ｔｆｎの各ダート電極には、リフレッシュ動作を行うタ
イミングを決定するリフレッシュ用のノ９ルスφｆが印
加される。

光センサセル３０の各エミッタ電極８は、列毎に垂直ラ
インｖＲ１〜ｖＲｎに共通接続されている。

そして、本実施例では、奇数番目の垂直ラインＶＲ１，
ＶＲ，、・・−ＶＲｎ、はトランジスタＴ鳳、〜ＴｓＬ
ｒｎ（７ｔだし、ｎ　＝　２　ｍである。）を介して読
出しライン１０２に接続され、トランジスタＴｅａ、〜
Ｔｅａｒｎを介して接地されている。偶数番目の垂直ラ
イｙ　ＶＲ２，ＶＲ４，−ＶＲｎは）　ラｙ　シスｆｉ
　Ｔｂ、〜Ｔｂ−を介して読出しライン１０２に接続さ
れ、トランジスタＴｃｂ、〜Ｔｃｂｒｎを介して接地さ
れている。

トランジスタＴａ１〜Ｔ＆ｍの各ダート電極は、水平シ
フトレジスタＡの端子Ｒａ　、〜Ｒａｍに各々接続され
、トランジスタＴｂ、〜Ｔｂｍは、水平シフトレノスタ
Ｂの端子Ｒｂ、〜Ｒｂｍに各々接続されている。

また、トランジスタＴ　ｅ　ａ　、〜Ｔｃａｍの各ダー
ト電極は共通に接続され、ノ々ルスφｅａが印加される
。トランジスタＴ　ａ　ｂ　、〜Ｔａｂ、の各ダート電
極も同様にしてクロックφｃｂが印加される。ここでは
、ノ臂ルスφｅａとφｃｂを同一とする。

読出しライン１０２は出力アンｆ１０３の入力端子に接
続されるとともに、トランジスタ１０４を介して接地さ
れ、トランジスタ１０４のダート電極にはノ等ルスφＣ
が印加される。

なお、すべての光センサセル３０のコレクタ電極１２は
、共通に接続されておシ、適時コレクタ電圧ｖｃが印加
される。

続いて、第２回国に示すタイミングチャートを用いて、
水平シフトレノスタＡおよびＢの動作を簡単に説明する
◎ 本実施例では、水平シフトレジスタを２個設けて水平走
査を行うために、水平シフトレジスタＡおよびＢの駆動
タイミングに半周期の位相差をもたせである。水平シフ
トレジスタＡには、クロックφ　、φ　とスタート・譬
ルスＰＳａが人力し、り１ａ　　　　　２＆ ロックφ、１に同期して端子Ｒａ、〜Ｒ−から順次ハイ
レベルが出力される。また、水平シフトレジスタＢには
、クロックφ　、φ　とスタートパルス１ｂ　　　２ｂ ＰＳｂが入力し、クロックφ１．に同期して端子Ｒｂ。

〜Ｒｂｒｎから順次ハイレベルが出力される。ただし、
クロックφ１．はクロックφ１．よシ半周期位相が遅し
ており、クロックφ２１と同位相となっている。

したがって、水平シフトレジスタＡおよびＢの端子から
は、Ｒａ１　ｅ　Ｒｂ１．　Ｒａ２．　Ｒｂ２＃　”・
というように交互にハイレベルが出力される。

次に、このような構成および基本動作を有する本実施例
の具体的動作を第２図Φ）に示すタイミング波形図を参
照しながら説明する。

まず、リフレッシュ期間において、各光センサセル３０
のコレクタ電極１２は接地電位とし、また、パルスφｅ
ａおよびφｃｂをハイレベルにしてトランジスタＴｅａ
、〜Ｔｅａｒｎ、　Ｔａｂ１〜ＴｃｂｍをＯＮ状態とし
てエミッタ電極８を接地する。この状態で、パルスφｆ
によシトランジスタＴｆ、〜ＴｆｎがＯＮ状態となり、
リフレッシュ用の電圧Ｖｆが水平ラインＨＬ、〜ＨＬｎ
に印加される。これによって、全ての光センサセル３０
のキャノシタ電極７に電圧ｖｆが印加され、リフレッシ
ュ動作が開始される。そして、電圧Ｖ１を接地電位に戻
し、パルスφｆがローレベルとなってリフレッシュ動作
が終了する。

次に、蓄積期間において、コレクタ電極１２には電圧ｖ
（Ｉが印加され、各エミッタ電極８は、ｄ’ルスφｃｍ
およびφａｂがひき続きハイレベルであるために接地さ
れている。この状態で光が入射し、各党センサセル３０
０ペース領域４に各々入射光量に対応したホールが蓄積
される。

次に、読出し期間において、）臂ルスφａｍおよびφｃ
ｂハローレベルとなす、トランジスｌ’　Ｔａ、〜Ｔ〜
８　Ｔｂ、〜Ｔｂｎ１はＯＦＦ状態となる。また、読出
し用の電圧ｖｒが垂直シフトレジスタ１０１の駆動タイ
ミングに従って水平ラインＨＬ、〜ＨＬｎに順次印加さ
れる。

まず、垂直シフトレジスタ１０１の端子り、からハイレ
ベルが出力されると、トランジスタＴｒ１がＯＮ状態と
なシ、電圧ｖｒが水平ラインＴ（Ｌ、に印加される。し
たがって、第１ラインの光センサセル３０が読出し状態
となる。その間に、水平シフトレジスタＡおよびＢの各
端子から順次かつ交互にハイレベルが出力される。今、
水平シフトレノスタＡの端子Ｒ＆１からハイレベルが出
力され友とすると、トランジスタＴ＆、がＯＮ状態とな
り、第１行第１列の光センサセル３０の信号が読出しラ
イン１０２に読出され、出力アンプ１０３で増幅される
。その直後、パルスφζによってトランジスタ１０４が
ＯＮ状態となり、読出しライン１０２が接地され、読出
しライン１０２の配線容量に蓄積されたキャリアが除去
される。続いて、水平シフトレノスタＢの端子Ｒｂ、か
らハイレベルが出力される。これによってトランジスタ
Ｔｂ、がＯＮ状態となシ、第１行第２列の光センサセル
３０の信号が垂直ラインＶＲ２およびトランジスタＴｂ
、を通して読出しライン１０２に読出され、出力アンプ
′　１０３で増幅される。その直後、同様に）４ルスφ
Ｃによりて読出しラインのリフレッシュが行われる。

このように水平シフトレジスタＡおよびＢの各端子から
交互にハイレベルが出力され、走査されることで、第１
ラインのすべての光センサセル３０に蓄積された光情報
をシリアルに出力することができる。その際、光センサ
セル３０を走査する周波数は各水平シフトレジスタＡお
よびＢの駆動周波数の２倍となっている。

こうして第１ラインの走査が終了すると、垂直ライン■
、〜ｖＲｎの蓄積キャリアを除去するために、ノクルス
φｅａ＞よびφｅｂをハイレベルとする。

このような第１ラインの動作を、垂直シフトレジスタ１
０１の駆動タイミングに従って、第２ライン、第３ライ
ン・・・でも行い、すべての光センサセル３０の光情報
をシリアルに出力アンプ１０３から出力させる。以下、
同様の動作が繰り返される。

なお、本実施例では、水平シフトレジスタを２分割した
が、勿論これに限定されるものではなく、複数分割であ
りても、本実施例から容易に回路構成されうる。

また、水平シフトレジスタを本実施例のように２分割し
た場合、水平シフトレジスタＡおよびＢを光センサセル
３０の配列の両側に配置しても、又片側にまとめて配置
してもよい。片側にまとめた場合は、読出しライン１０
２の配線長を短かくできるために、配線容量を低減でき
、出力電圧を高くすることができる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明による固体撮像装置
は、水平シフトレジスタ等の選択手段を複数個に分割す
ることで、高周波数動作を行う場合でも１個当たシの選
択手段の駆動周波数を低減させることができ、回路設計
および半導体素子のパターン設計における自由度を大き
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像装置の一実施例の回路図
、 第２回国は、本実施例における水平ソフトレノスタＡお
よびＢの動作タイミングチャート、第２図（Ｂ）は、本
実施例の動作を示すタイミング波形図、 第３回国は、光センサセルの断面図、第３図（Ｂ）はそ
の光センサセルの等価回路図、 第４図は、光センサセルを２次元配列した従来の固体撮
像装置の回路図である。 ７・・・キャノクシタ電極、８・・・エミッタ電極、Ａ
、Ｂ・・・水平シフトレノスタ、１０１・・・垂直シフ
トレノスタ、ＨＬ、〜ＨＬｎ・・・水平ライン、ＶＲ１
〜Ｖ礼・・・垂直ライン＠ 代理人　弁理士　　山　下　穣　平 第３図（Ａ） 第３図（Ｂ） 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体トランジスタの制御電極領域上にキャパシ
   タを有する光電変換素子を１ライン以上配列し、前記光
   電変換素子をライン毎に一素子ずつ順次選択し、選択さ
   れた光電変換素子の制御電極領域の電位を前記キャパシ
   タを介して制御することにより、前記制御電極領域に光
   励起によって発生したキャリアを蓄積し、該蓄積量に対
   応して発生した電圧を読出すという動作を行う固体撮像
   装置において、 前記光電変換素子を所望個数毎に順次選択する選択手段
   を複数個設け、各選択手段を順次動作させることによっ
   て前記光電変換素子を一素子ずつ順次選択することを特
   徴とする固体撮像装置。