JPS6350059A - 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】 本発明はソリッドステートイメージセンサおよび電子シ
ャッタを有する撮像装置であって、前記イメージセンサ
は半導体基板内に、画像情報積分期間中入射光をバイア
スされた半導体接合にまたがる電荷損失に変換する撮像
素子と、この撮像素子に結合され、制御信号発生器によ
り生ぜしめられるクロックパルス信号による制御の下で
前記の電荷損失を画像信号取出用のセンサ出力端子にシ
フトする並列入力直列出力のシフトレジスタとを有して
おり、前記電子シャッタは、前記制御信号発生器により
生ぜしめられるシャッタ信号による制御の下で画像情報
積分期間の一部にわたって前記撮像素子において電荷接
続により動作するようになっている撮像装置に関するも
のである。

この種類の撮像装置は米国特許第３７１５４８５号明細
書に開示されている。この米国特許の装置において基板
内の撮像素子の各々には、ｐ型およびｎ型半導体材料間
のバイアスされる光感応半導体接合と、この光感応半導
体接合をシフトレジスタに結合する第１スイツチングト
ランジスタと、シャッタ信号による制御の下で前記の光
感応半導体接合をイメージセンサの基板に結合する第２
スイツチングトランジスタとが形成されている。この米
国特許明細書にはさらに画像情報積分期間の第１の可調
整部分中、基板に対する第２スイツチングトランジスタ
が導通し、電荷接続部を構成し、前記光感応半導体接合
が電荷損失を画像情報として蓄積しないようにすること
が記載されている。

前記の画像情報積分期間の残りの第２の部分中、全ての
第１および第２スイツチングトランジスタがターン・オ
フし、したがって入射光の強度に依存する電荷損失が画
像情報として蓄積され、次に第１スイツチングトランジ
スタを経て並列入力直列出力のシフトレジスタにシフト
される。したがって電子シャッタは一定の画像情報積分
期間中、可調整の先非感応および光感応期間が生じるよ
うに動作する。このようにすることによって所定の撮像
素子の局部的な過露光が生じた場合に隣接の撮像素子に
情報が広がって画像信号の表示にプルーミング作用を及
ぼす惧れが回避される。

本発明の目的は所定の既知の種類のソリッドステートイ
メージセンサに上述したように電子シャッタを有効に用
いうるようにすることにある。本発明はソリッドステー
トイメージセンサおよび電子シャッタを有する撮像装置
であって、前記イメージセンサは半導体基板内に、画像
情報積分期間中入射光をバイアスされた半導体接合にま
たがる電荷損失に変換する撮像素子と、この撮像素子に
結合され、制御信号発生器により生ぜしめられるクロッ
クパルス信号による制御の下で前記の電荷損失を画像信
号取出用のセンサ出力端子にシフトする並列入力直列出
力のシフトレジスタとを有しており、前記電子シャッタ
は、前記制御信号発生器により生ぜしめられるシャッタ
信号による制御の下で画像情報積分期間の一部にわたっ
て前記撮像素子において電荷接続により動作するように
なっている撮像装置において、第１導電型、それと反対
の第２導電型、第１導電型の半導体材料の少くとも３つ
の層の層構造を有するイメージセンサを用い、ドーピン
グされた第１導電型の半導体材料の前記基板が、この基
板面上でこの基板より高濃度にドーピングされた第２導
電型の半導体材料の細条状領域と、さらに高濃度にドー
ピングされた第１ｓ電型の半導体材料の細条状領域とを
交互に有しており、゛この基板内で前記の第２導電型細
条状領域が前記第１ｓ電型細条状領域の下方まで延在し
ており、これら第１導電型ψ細条状領域の中心軸線の近
くでその厚みにおいて減少しており、−６＝ 前記の細条状領域に対して直角に向けられた電極システ
ムがこのイメージセンサの撮像素子に存在している場合
、前記電子シャッタが前記の画像情報積分期間中に生じ
るシャッタパルスを有するシャッタ信号により動作し、
第１導電型の細条状領域と第１導電型の基板との間の導
電接続として前記の電荷接続が延在するようになってい
ることを特徴とする。

以下本発明を図面につき詳細に説明する。

第１ａ図はイメージセンサ１の平面図であり、その−点
鎖線上を断面とする断面図を第１ｂ図に示す。第１ｂ図
の断面に示すように、イメージセンサ１は各々少くとも
３つのｎ導電型の半導体材料層２と、これと反対のｐ導
電型の半導体材料層３と、ｎ導電型の半導体材料層４と
の少くとも３つの層を有する層構造をもって構成されて
いる。

この代りにｐ−ｎ−ｐ層構造をも用いることができる。

しかしこの場合、後に説明すべき電圧の極性をこれに適
合する必要がある。半導体材料層２はｎによりしめして
あり、このｎは例えば約５Ｘ１０”原子／印３のｎ型の
ドーピング濃度を意味する。

半導体材料層２がこのようにドーピングされたｎ型半導
体材料の基板として存在しており、その中に半導体材料
Ｎ３および４が細条状領域として片側に交互に存在して
いる。細条状ｐ型頭域３は基板より高いドーピング濃度
を有しており、その領域３の表面におけるドーピング濃
度を、例えば約３ＸＩＱ”原子／　ｃｍ　”とする。細
条状ｎ型領域４はさらに高いドーピング濃度を有してお
り、その領域４の表面におけるドーピング濃度を、例え
ば約１０１ｂ原子／　ｃｍ”とする。第１ａ図の平面図
にはこれら細条状領域を破線により示しており、かつこ
れら領域をｎ、ｐ、ｎ、ｐおよびｎにより示している。

基板２中ではｐ型頭域３がｎ型領域４の下方まで延在し
ている。これらｐ型頭域３を第１ｂ図で互いに離間させ
て示しであるが、これら領域は連続層とすることもでき
る。ただしここで重要なことは半導体材料層３の厚さを
ｎ型領域４の中心軸線の近くで減少させることである。

イメージセンサ１は、後に示すようにｎ型領域４をソー
スとして、ｐ型頭域３をゲートとして、基板２をドレイ
ンとして作用せしめうる“バーチカル”′トランジスタ
構造を有している。このトランジスタ構造では、光感応
ｐ−ｎ半導体接合（３，４）が領域３および領域４間に
存在する。半導体接合（３，４）がバイアスされた場合
には、入射光の光子により生ぜしめされる正孔電子対が
これら接合にまたがって電荷損失を生せしめる。

第１ｂ図に示すイメージセンサ１には基板表面上に細条
状ｎ型領域４およびｐ型頭域３と、透明絶縁層５とが設
けられており、この透明絶縁層５の上には電極細条６が
存在している。これらの層５．６は図中で斜線を付しで
ある。この電極６は透明電極システム（６１〜６４）の
一部を構成しており、これら電極システムを多数の順次
の電極細条６１〜６４を有する４相電極システムとして
第１ａ図に示す。この４相電極システム（６１〜６４）
を、例えば後に記載する文献に説明するイメージセンサ
の具体例と関連させて示した。

第１ａ図および１ｂ９のイメージセンサ１は、第１ｂ図
の素子２〜６および第１ａ図の電極システム（６１〜６
４）で示した部分に加え、シフト部材７と、センサ出力
端子９に結合された並列入力直列出力のシフトレジスタ
８とを有している。

シフト部材７は画像情報を記憶する記憶部材の形態にす
ることができる。シフト（および記憶）部材７とシフト
レジスタ８とは入射光から遮蔽されている。電極システ
ム（６１〜６４）を有する撮像部材は、入射光をバイア
スされた半導体接合（３，４）にまたがる電荷損失に変
換する撮像素子を有する撮像部材である。

第１ｂ図に示すイメージセンサ１の層構造は、文献“′
アイ・イー・イー・イー　トランザクション　オン　エ
レクトロン　デバイシズ（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉ
ｏｎ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ　）”
Ｖｏｌ　、ＥＤ−３２、Ｎｏ、　８．１９８５年８月８
日の第１４３０〜１４３８ページに“ア　フレーム　ト
ランスファ　シー・シー・ディー　カラー　イメージヤ
−ウィズ　バチカル　アンチブルーミング（Ａ　Ｆｒａ
ｍｅ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　ＣＣＤＣｏ１ｏｕｒ　　Ｉｍ
ａｇｅｒ　　１Ｉｌｉｔｈ　　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　　Ａ
ｎｔｉｂｌｏｏｍｉｎｇ）　　”＝１０− と題する章に開示されている。例えば細条状領域３およ
び４における正確なドーピング濃度分布に対しては、こ
の文献を参照しうる。この種類のイメージセンサの７ａ
御に対しては、１９８６年４月にフィリップス社により
発行された、“ザ　フレーム−トランスファ　センサ（
Ｔｈｅ　ｆｒａｍｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒｓｅｎｓｏｒ　
）　”と題する技術文献を参照しうる。第１ａ図では、
この技術文献に合せて符号１０は制御信号発生器を示し
ており、この制御信号発生器は、制御信号ＣＰＩ、ＣＦ
２、ＣＦ２およびＣＦ２を電極細条状６１，６２．６３
および６４に夫々供給し、他の制御信号ＣＰ７およびＣ
Ｆ２をシフト（および記憶）部材７およびシフトレジス
タ８に夫々供給するものとする。これら信号ＣＰ７およ
びＣＦ２を供給する接続リード線に付しである符号Ｘお
よびＹは、これらリード線が数本のリード線を有する多
重形態であることを示している。

シフト信号、クロックパルス信号、それらより長い持続
時間を有するパルスおよびそれらの組合せの信号を発生
するための制御信号発生器１０の詳細な構造に対しては
、上記の技術文献を参照しうる。このことに基いて、数
個の制御信号線図を制御信号ＣＰＩ、ＣＦ２、ＣＦ２お
よびＣＦ４に対する時間もの関数として第２図に示す。

第１ａ図において、電極システム（６１〜６４）に対す
るこれら制御信号の組合せを以下に説明するシャッタ信
号（ＣＰＩ〜ＣＰ４、ＳＰ）の一部であるＣＰＩ〜ＣＰ
４によって示しである。第２図にはいくつかの瞬時ｔ１
〜ｔ７を示す。瞬時ｔ１の前および瞬時ｔ７の後には、
既知のように制御信号ＣＰ１〜ＣＰ４内にシフトクロッ
クパルスＴＰが存在する。前記技術文献に示されている
ように２．５ＭＨｚのクロックパルス周波数および４に
よる分周から始めて、１．６ａ秒のパルス周期を有する
９０°移和されたシフトクロックパルスＴＰが制御信号
発生器１０により生ぜしめられる。第２図には瞬時ｔ１
から瞬時ｔ７までＩＴにより表わされた画像情報積分期
間を示す。第２図中の期間ＩＴを各々ＩＴＩ、ＩＴ２お
よびＩＴ３により示す第１、第２および第３の持続時間
に分割する。第２図には、−例として瞬時ｔ３および瞬
時ｔ５間の持続時間ＩＴ２は４．８ａ秒、すなわちパル
スＴＰの周期の３倍と等しいことが示されている。実際
この持続時間は、最小持続時間を目的とする前記文献に
記載されたセンサの具体例における、以下に説明する効
果を得るのに最適であることを確かめた。あるいはまた
持続時間ＩＴ２を瞬時ｔ３ではなく瞬時ｔ１で開始する
ことができる。このことは持続時間ＩＴＩが存在しなく
なることを意味する。第２図は、パルスＴＰが例えばＯ
Ｖと＋１０Ｖとの間の振幅を有していることも示してい
る。

第１ｂ図には、基板２が例えば＋２０Ｖの電圧を与える
接続部に接続されていることを示している。

本発明の主たる特徴は期間ＩＴの持続時間ＩＴ２中、制
御信号ＣＰ１〜ＣＰ４に、すなわちこれら制御信号の組
合せに例えば−５■の電圧が存在することである。第２
図にシャッタパルスＳＰとして示す一５■のパルスが存
在するために、シャッタ信号（ＣＰＩ〜ＣＰ４、ｓｐ）
は第１図のイメージセンサ１において電子シャック（２
〜６、３Ｐ）に対して作用する。画像情報積分期間ＩＴ
は、可調整の先非感応持続時間（ＩＴｉ＋ＩＴ２）と光
感応持続時間ＩＴ３とに分割される、この場合最大の積
分期間である。第２図において符号ＩＰは、制御信号Ｃ
Ｐ２、ＣＦ２およびＣＦ２において＋ＩＯＶの電圧の積
分パルスを示している。

以下にイメージセンサ１およびシャッタ信号（ＣＰ１〜
４、ＳＰ）で作動する電子シャッタ（２〜６、ＳＰ）の
動作を説明する。始動点は第２図に示す瞬時ｔ１である
。信号ＣＰＩにより電極細条６１にＯｖの電圧が与えら
れ、電極細条６２゜６３および６４に各々信号ＣＰ２、
ＣＦ２およびＣＦ２が供給されることによりこれら細条
に＋１゜■の電圧が与えられる。＋ＩＯＶの電圧がｎ型
領域４から電子を引付け、これにより半導体接合（３，
４）がバイアスされる。上側にある電極細条にＯＶの電
圧を与える場合には、領域４の下部およびその隣接部や
、さらに離れて位置する部分から電子が引付けられる。

瞬時ｔ１から入射光の光子により正孔電子対を住ぜしめ
、したがってバイアスされた半導体接合（３，４）にま
たがる電圧が減少する。半導体接合（３，４）における
電荷損失は電極細条６２．６３および６４の下方の自由
負電荷、すなわちそこに存在し寸法が局部露光の強度お
よびその持続時間に依存する自由電荷パケットと対応す
る。このようにして瞬時ｔ２に電極細条６２．６３およ
び６４の下方に自由電荷パケットが生じる。

次に瞬時ｔ３に全ての電極細条６１〜６４に一５Ｖの電
圧が印加される。その結果、ソース４およびドレイン２
を有する全ての″バーチカル°。

トランジスタが導通し、電荷接続部（２，３，４）が半
導体接合（３，４）に形成される。電荷接続部（２，３
，４）が瞬時ｔ３から瞬時ｔ４まで電流を流し、瞬時ｔ
４から導通状態にバイアスされ、光子により生ぜしめら
れた電子がただちに空乏化される一例を示した。瞬時ｔ
５において瞬時ｔ１に対して説明した状態が再現され、
瞬時ｔ２に対応する瞬時ｔ６で光積分が再び開始される
。

瞬時ｔ７からは半導体接合（３，４）で生ずる電荷損失
は、既知のように電荷パケットとして電極システム（６
１〜６４）の下方からシフト（および記憶）部材７にシ
フトされる。

前述した層構造およびドーピング濃度を有するイメージ
センサ１の構造は、実際に満足な動作を行なう撮像装置
における電子シャッタ（２〜６、ＳＰ）となる。バイア
スされた光感応半導体接合（３，４）にまたがる電荷損
失およびそれに対応し電極システム（６１〜６４）の下
方にある自由電荷パケットがシャッタ動作中補充された
り空乏化されたりする。

センサ出力端子９に生じる画像信号を、テレビジョンに
おいて通常の信号処理動作後にテレビジョン表示に用い
る場合には、撮像装置はテレビジョンカメラの一部を形
成する。さらに端子９に生じる画像信号を映画撮影表示
に適した信号に処理することもでき、この場合撮像装置
は撮像部材として映画撮影カメラの一部を形成する。さ
らに画像信号を写真記録またはスライド記録に処理する
こともでき、この場合、撮像装置は撮像部材として写真
カメラの一部を形成する。写真記録の間には、しばしば
ポーズがある。撮像部材、記憶部材およびシフトレジス
タ部材を有するイメージセンサ１の上述したフレーム転
換設計を基にして、電子シャッタ（２〜６、ＳＰ）を、
写真記録の場合に撮像部材おらび記憶部材の双方で電荷
接続部（２，３，４）を得るのに用いることができる。

写真記録の前に前記の２つの部材はクリアされる。

このクリア動作はシャッタ信号（ＣＰ１〜４、ＳＰ）を
撮像部材および記憶部材の双方の電極システムに供給す
ることにより実行しうる。写真記録の場合には、さらに
逆極性のシャッタパルスを有するシャッタ信号を撮像部
材および記憶部材に共通の基板に供給することによりク
リアシャッタ動作を行なうこともできる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、本発明による撮像装置の一部を示す線図、 第１ｂ図は、この撮像装置の中にあるイメージセンサの
断面を示す断面図、 第２図は、第１ａ図および第１ｂ図の撮像装置の動作を
説明するための制御信号を時間の関数として示す線図で
ある。 １・・・イメージセンサ ２・・・半導体材料層（ｎ型領域：基板）３・・・半導
体材料層（ｐ型頭域） ４・・・半導体材料層（ｎ型領域） ５・・・透明絶縁層　　　　６・・・電極細条７・・・
シフト（記憶）部材 ８・・・シフトレジスタ　　９・・・センサ出力端子１
０・・・制御信号発生器　６１〜６４・・・電極細条特
許出願人　　　エヌ・ベー・フィリップス・フルーイラ
ンペンファプリケン −１８＝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ソリッドステートイメージセンサおよび電子シャッ
   タを有する撮像装置であって、前記イメージセンサは半
   導体基板内に、画像情報積分期間中入射光をバイアスさ
   れた半導体接合にまたがる電荷損失に変換する撮像素子
   と、この撮像素子に結合され、制御信号発生器により生
   ぜしめられるクロックパルス信号による制御の下で前記
   の電荷損失を画像信号取出用のセンサ出力端子にシフト
   する並列入力直列出力のシフトレジスタとを有しており
   、前記電子シャッタは、前記制御信号発生器により生ぜ
   しめられるシャッタ信号による制御の下で画像情報積分
   期間の一部にわたって前記撮像素子において電荷接続に
   より動作するようになっている撮像装置において、 第１導電型、それと反対の第２導電型、第 １導電型の半導体材料の少くとも３つの層の層構造を有
   するイメージセンサを用い、ドーピングされた第１導電
   型の半導体材料の前記基板が、この基板面上でこの基板
   より高濃度にドーピングされた第２導電型の半導体材料
   の細条状領域と、さらに高濃度にドーピングされた第１
   導電型の半導体材料の細条状領域とを交互に有しており
   、この基板内で前記の第２導電型細条状領域が前記第１
   導電型細条状領域の下方まで延在しており、これら第１
   導電型の細条状領域の中心軸線の近くでその厚みにおい
   て減少しており、前記の細条状領域に対して直角に向け
   られた電極システムがこのイメージセンサの撮像素子に
   存在している場合、 前記電子シャッタが前記の画像情報積分期 間中に生じるシャッタパルスを有するシャッタ信号によ
   り動作し、第１導電型の細条状領域と第１導電型の基板
   との間の導電接続として前記の電荷接続が延在するよう
   になっていることを特徴とする撮像装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の撮像装置において、
   前記のシャッタパルスを有するシャッタ信号が前記イメ
   ージセンサの撮像装置において前記電極システムの全て
   の電極に供給されるようになっていることを特徴とする
   撮像装置。 ３、特許請求の範囲第１項に記載の撮像装置において、
   前記のシャッタパルスを有するシャッタ信号が前記イメ
   ージセンサの基板に供給されるようになっていることを
   特徴とする撮像装置。