CN101103461A - 固体摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固体摄像装置，其可以实现线性特性及动态范围两者的提高。固体摄像装置的各像素部(Pm，n)包括：埋入型光敏二极管(PD)，产生与入射光强度的量相应的电荷；电容元件(C)，与埋入型光敏二极管(PD)并联连接，储存由该埋入型光敏二极管(PD)产生的电荷；放大晶体管(T1)，输出与输入到门极端子的电压值相应的电压值；传送晶体管(T2)，将与电容元件(C)的储存电荷量相应的电压值向放大晶体管(T1)的门极端子输入；放电晶体管(T3)，进行电容元件(C)的电荷的放电；选择晶体管(T4)，选择性地向配线(Ln)输出从放大晶体管(T1)输出的电压值。
Description
技术领域
本发明涉及多个像素部被排列为一维或二维状的固体摄像装置。
背景技术
固体摄像装置是在受光部多个像素部被排列为一维或二维状的装置，这些多个像素部上分别设置有光电转换元件。作为光电转换元件一般使用光敏二极管。通常的具有pn接合构造的光敏二极管将相应于光的入射而产生的电荷储存于接合电容部。因此，通常的光敏二极管在被施加一定的偏压电压之后，进行切断并向其入射光的话，则会相应于储存电荷量而使接合电容部的电容值发生变动，从而使输出电压也发生变动。也就是说，已知会满足Q(储存电荷量)＝C(接合电容)×V(输出电压)的关系，但是由于该接合电容C会相应于储存电荷量Q的变化而发生变化，故输出电压V不会相对于储存电荷量做线性变化。
作为可以解决该问题的光敏二极管，已知专利文件1所公开的埋入型光敏二极管。在埋入型光敏二极管中，例如，在p型第1半导体区域上形成n-型第2半导体区域，在该第2半导体区域及其周围上形成p+型第3半导体区域，由第1半导体区域上及第2半导体区域来形成pn接合，另外，由第2半导体区域上及第3半导体区域来形成pn接合。这样的埋入型光敏二极管，可以完全地使第2半导体区域耗尽，从而使接合电容的电压依赖性为零，若完全耗尽地使用则会减少接合电容，使输出电压相对于储存电荷量作线性变化，可以几乎完全读出在pn接合部产生的电荷，由于耗尽层(Depletion Layer)不会接触于半导体区域和一般设置在半导体区域上的绝缘膜区域的界面，可以抑制在半导体区域和绝缘膜区域的界面产生的泄漏电流，使光检测的S/N比以及线性特性优良。
专利文献1：日本特开平11-274454号公报
发明内容
然而，对于埋入型光敏二极管而言存在如下问题点：若完全耗尽化则会使接合电容值会变小，电荷马上就会饱和，在扩大动态范围这点上存在极限。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种可以实现提高线性及动态范围两者的固体摄像装置。
本发明的固体摄像装置，是多个像素部被排列为一维或二维状的固体摄像装置，其特征在于，多个像素部分别具备：埋入型光敏二极管，产生与入射光强度的量相应的电荷；电容元件，与埋入型光敏二极管并联连接，储存由埋入型光敏二极管产生的电荷。根据本发明，随着光的入射而在埋入型光敏二极管PD产生的电荷，储存在与该埋入型光敏二极管PD并联设置的电容元件C中。然后，输出与储存于该电容元件C中的电荷量相应的电压值。由此，该固体摄像装置可以实现提高线性及动态范围两者的目的。
另外，优选为，电容元件形成在埋入型光敏二极管的上方，包含透明的一对电极层和被夹在该一对电极层之间的透明电介质层；并且，埋入型光敏二极管接受透过电容元件而入射的光。此时，由于埋入型光敏二极管PD接受透过电容元件C而入射的光，各个像素部Pm，n的布局面积可以缩小。或者，可以抑制各个像素部Pm，n的布局面积的扩大，并且可以确保埋入型光敏二极管PD的受光面积和灵敏度。
另外，优选为，多个像素部分别还具备：放大晶体管，输出与输入到门极端子的电压值相应的电压值；传送晶体管，将与电容元件的储存电荷量相应的电压值向放大晶体管的门极端子输入；放电晶体管，进行电容元件的电荷的放电；选择晶体管，选择性地输出从放大晶体管输出的电压值。
另外，根据本发明的固体摄像装置还具备：配线，连接于包含在1个像素列的多个像素部的每一个选择晶体管的输出；第1保持部，连接于配线，保持第1期间中从各像素部输出的亮信号成分；第2保持部，连接于配线，保持第2期间中从各像素部输出的暗信号成分；差运算部，输入第1及第2保持部的输出，输出输入信号的差分。此时，暗信号成分会被去除，使S/N比更优良。
根据本发明的固体摄像装置可以实现提高线性特性及动态范围两者的目的。
附图说明
图1是本实施方式相关的固体摄像装置1的整体构成图。
图2是各像素部Pm，n的电路图。
图3是各像素部Pm，n的一部分的剖面图。
图4是各电压保持部Hn的电路图。
图5是用于说明本实施方式的固体摄像装置1的动作的时序图。
图6(a)、图6(b)、图6(c)是表示其它实施方式中各像素部Pm，n的布局的平面示意图。
符号说明
1：固体摄像装置
2：受光部
3：读出部
4：控制部
Pm，n：像素部
Hn：电压保持部
S：差运算部
具体实施方式
以下参照附图详细说明用于实施本发明的最佳方式。另外，附图说明中对相同要素标以相同符号，并省略重复说明。
图1是本实施方式的固体摄像装置1的整体构成图。此图中所示的固体摄像装置1具备受光部2、读出部3及控制部4。这些形成在共同的半导体基板上。
受光部2具有以二维状排列的M行N列的M×N个像素部P1，1～PM，N。各像素部Pm，n位于第m行第n列。在此，M及N分别是2以上的整数，m为1以上M以下的任意整数，n为1以上N以下的任意整数。各像素部Pm，n具有共同的构造，是包含埋入型光敏二极管等的APS(主动式像素传感器)型，向配线Ln输出与入射到该光敏二极管的光的强度相应的电压值。各配线Ln共同连接于位于第n列的M个像素部P1，n～PM，n的各个输出端。
读出部3经由N条配线L1～LN连接于受光部2，在将从各像素部Pm，n输出到配线Ln的电压值加以输入并对其进行特定处理之后，依次输出代表入射到各像素部Pm，n的光的强度的电压值Vout，m，n。读出部3包含N个电压保持部H1～HN及1个差运算部S。各电压保持部Hn经由配线Ln分别连接于位于第n列的M个像素部P1，n～PM，n的输出端；依次输入从各像素部Pm，n往配线Ln输出的2种电压值Vm，n，1及Vm，n，2并加以保持。差运算部S经由2条配线L31及L32连接于各电压保持部Hn的输出端，依次输入从各电压保持部Hn往配线L31、L32输出的2种电压值Vm，n，1及Vm，n，2进行差运算[Vm，n，1-Vm，n，2]，输出代表其运算结果的电压值Vout，m，n。
控制部4控制受光部2及读出部3各自的动作。该控制部4例如通过移位寄存器电路在规定时刻产生各种控制信号，并将这些控制信号分别向受光部2及读出部3传送。另外，图1中省略了用于传送控制信号的配线的图。
图2是各像素部Pm，n的电路图。各像素部Pm，n包含：埋入型光敏二极管PD，产生与入射光强度的量相应的电荷；电容元件C，与埋入型光敏二极管PD并联连接，储存该埋入型光敏二极管PD所产生的电荷；放大晶体管T1，输出与输入到门极端子的电压值相应的电压值；传送晶体管T2，将响应电容元件C的储存电荷量的电压值输入到放大晶体管T1的门极端子；放电晶体管T3，将电容元件C的电荷加以放电；选择晶体管T4，将从放大晶体管T1所输出的电压值选择性地向配线Ln输出。
与先前的APS型的构成相比，该像素部Pm，n的特点在于，与埋入型光敏二极管PD并联地设置有电容元件C。等效地而言，先前的APS型的像素部中，光敏二极管的接合电容部与光敏二极管并联地设置。但是，在本实施方式的固体摄像装置1的像素部Pm，n中，电容元件C故意与埋入型光敏二极管PD的接合电容部分开地形成。
使放大晶体管T1的漏极端子为偏压电位。传送晶体管T2，其漏极端子连接于放大晶体管T1的门极端子，其源极端子连接于光敏二极管PD的阴极以及电容元件C的一个端子。光敏二极管PD的阳极与电容元件C的相反侧的端子连接于接地电位。放电晶体管T3，其源极端子连接于放大晶体管T1的门极端子，使其漏极端子为偏压电位。选择晶体管T4，其源极端子连接于放大晶体管T1的源极端子，其漏极端子连接于配线Ln。另外，该配线Ln与恒电流源相连。放大晶体管T1及选择晶体管T4与恒电流源一起构成源极跟随器(Source follower)电路。
向传送晶体管T2的门极端子输入传送控制信号Trans。向放电晶体管T3的门极端子输入放电控制信号Reset。另外，向选择晶体管T4的门极端子输入选择控制信号Address。当传送控制信号Trans为高电平、放电控制信号Reset为低电平时，传送晶体管T2将与电容元件C的储存电荷量相应的电压值输入到放大晶体管T1的门极端子。当传送控制信号Trans为高电平、放电控制信号Reset也为高电平时，传送晶体管T2及放电晶体管T3放出电容元件C的电荷。另外，当选择控制信号Address为高电平时，选择晶体管T4将从放大晶体管T1输出的电压值向配线Ln输出。
这样构成的各像素部Pm，n，通过使传送控制信号Trans为低电平、放电控制信号Reset为高电平，使放大晶体管T1的门极端子的电荷放电，若选择控制信号Address为高电平，则从该初期化状态的放大晶体管T1输出的电压值(暗信号成分)经过选择晶体管T4而输出到配线Ln。另一方面，当放电控制信号Reset为低电平、传送控制信号Trans及选择控制信号Address分别为高电平时，与在光敏二极管PD产生并储存于电容元件C的电荷量相应的电压值，输入到放大晶体管T1的门极端子，然后，相应于该输入电压值而从放大晶体管T1输出的电压值(亮信号成分)，经过选择晶体管T4而输出到配线Ln。
图3是各像素部Pm，n的一部分的剖面图。此图表示埋入型光敏二极管PD、电容元件C及传送晶体管T2的剖面。如此图所示，各像素部Pm，n具有形成在半导体基板10上的p型第1半导体区域11，n-型第2半导体区域12、p+型第3半导体区域13、n+型第4半导体区域14、n+型第5半导体区域15、绝缘层16、门极电极层17、第1电极层18、电介质层19及第2电极层20。
p+型第3半导体区域13和n+型第4半导体区域14分别形成在p型第1半导体区域11以及n-型第2半导体区域12两者的上方。n+型第5半导体区域15形成在p型第1半导体区域11上。绝缘层16形成在该半导体层的除了一部分以外的大致整体的上方。门极电极层17形成在n+型第4半导体区域14与n+型第5半导体区域15之间的p型第1半导体区域11的上方，且形成在绝缘层16上。第1电极层18、电介质层19及第2电极层20形成在p+型第3半导体区域13的上方，且依次形成在绝缘层16上。第1电极层18电连接于p型第1半导体区域11，第2电极层20电连接于n+型第4半导体区域14。
p型第1半导体区域11、n-型第2半导体区域12及p+型第3半导体区域13构成埋入型光敏二极管PD。p型第1半导体区域11、n+型第4半导体区域14、n+型第5半导体区域15以及门极电极层17构成传送晶体管T2。另外，第1电极层18、电介质层19及第2电极层20构成电容元件C。
如此，优选在埋入型光敏二极管PD的上方形成有电容元件C，构成电容元件C的第1电极层18、电介质层19及第2电极层20分别是透明的。此时，由于埋入型光敏二极管PD可以接受透过电容元件C而入射的光，故可缩小各像素部Pm，n的布局面积。例如，一对电极层18、20由多晶硅所构成，被夹在该一对电极层18、20之间的电介质层19则由石英玻璃(SiO2)所构成。
图4是各电压保持部Hn的电路图。如此图所示，各电压保持部Hn包含第1保持部Hn，1和第2保持部Hn，2。第1保持部Hn，1和第2保持部Hn，2分别是互相相同的构造，可以输入并保持从位于第n列的M个像素部P1，n～PM，n各自的选择晶体管T4所依次输出的电压值，并且可以输出该保持的电压值。
第1保持部Hn，1包含晶体管T11、晶体管T12及电容元件C1。电容元件C1的一端为接地电位，电容元件C1的另一端则分别连接于晶体管T11的漏极端子以及晶体管T12的源极端子。晶体管T11的源极端子经由配线Ln而连接于像素部Pm，n的选择晶体管T4。晶体管T12的漏极端子连接于配线L31。具有这样的构成的第1保持部Hn，1，当输入于晶体管T11的门极端子的第1输入控制信号Swm1为高电平时，将从经由配线Ln连接的像素部Pm，n所输出的电压值保持于电容元件C1；当输入于晶体管T12的门极端子的输出控制信号Read为高电平时，则将保持于电容元件C1的电压Vm，n，1输出到配线L31。
第2保持部Hn，2包含晶体管T21、晶体管T22及电容元件C2。电容元件C2的一端为接地电位，电容元件C2的另一端则分别连接于晶体管T21的漏极端子以及晶体管T22的源极端子。晶体管T21的源极端子经由配线Ln而连接于像素部Pm，n的选择晶体管T4。晶体管T22的漏极端子连接于配线L32。具有如此构成的第2保持部Hn，2，当输入于晶体管T21的门极端子的第2输入控制信号Swm2为高电平时，将从经由配线Ln连接的像素部Pm，n所输出的电压值保持于电容元件C2；当输入于晶体管T22的门极端子的输出控制信号Read为高电平时，则将保持于电容元件C2的电压Vm，n，2输出到配线L32。
第1保持部Hn，1和第2保持部Hn，2分别在不同的时刻进行动作。例如，在经由配线Ln连接的像素部Pm，n中，当传送控制信号Trans为低电平、而放电控制信号Reset及选择控制信号Address分别为高电平时，第2保持部Hn，2输入并保持从放大晶体管T1输出的电压值(暗信号成分)Vm，n，2。另一方面，在经由配线Ln连接的像素部Pm，n中，当放电控制信号Reset为低电平、而传送控制信号Trans及选择控制信号Address分别为高电平时，第1保持部Hn，1输入并保持从放大晶体管T1输出的电压值(亮信号成分)Vm，n，1。
另外，传送控制信号Trans、放电控制信号Reset、选择控制信号Address、第1输入控制信号Swm1、第2输入控制信号Swm2以及输出控制信号Read分别是从控制部4输出的。
图5是用于说明本实施方式的固体摄像装置1的动作的时序图。另外，以下对1个像素部Pm，n的动作进行说明，但实际上，通过输入到各像素部Pm，n的选择晶体管T4的门极端子的选择控制信号Address，以及输入到各电压保持部Hn的晶体管T12及T22各自的门极端子的输出控制信号Read，对M×N个像素部P1，1～PM，N依次从读出部3输出与入射光强度相应的电压值Vout，1，1～Vout，M，N。
在该图中，从上面依次表示了各自的电平变化：输入到像素部Pm，n的传送晶体管T2的门极端子的传送控制信号Trans；输入到像素部Pm，n的放电晶体管T3的门极端子的放电控制信号Reset；输入到第1保持部Hn，1的晶体管T11的门极端子的第1输入控制信号Swm1；输入到第2保持部Hn，2的晶体管T12的门极端子的第2输入控制信号Swm2。另外，在从读出部3输出与向像素部Pm，n的入射光线强度相应的电压值Vout，m，n的期间中，输入到该像素部Pm，n的选择晶体管T4的门极端子的选择控制信号Address为高电平。
在时刻t1之前，传送控制信号Trans为低电平，放电控制信号Reset为高电平，第1输入控制信号Swm1及第2输入控制信号Swm2为低电平。放电控制信号Reset在时刻t1转变为低电平。然后，第2输入控制信号Swm2在时刻t2转变为高电平，在时刻t3转变为低电平。在该第2输入控制信号Swm2为高电平的时刻t2到时刻t3的期间内，从像素部Pm，n的放大晶体管T1输出的电压值(暗信号成分)Vm，n，2被第2保持部Hn，2的电容元件C2所保持。
接着，传送控制信号Trans在时刻t4转变为高电平，在时刻t5转变为低电平。由此，在光敏二极管PD产生并储存于电容元件C的电荷量所对应的电压值，被输入到放大晶体管T1的门极端子。再接下来，第1输入控制信号Swm1在时刻t6转变为高电平，在时刻t7转变为低电平。在该第1输入控制信号Swm1为高电平的时刻t6到时刻t7的期间内，从像素部Pm，n的放大晶体管T1输出的电压值(亮信号成分)Vm，n，1被第1保持部Hn，1的电容元件C1所保持。
然后，传送控制信号Trans在时刻t8转变为高电平，在时刻t9转变为低电平。放电控制信号Reset在时刻t9转变为高电平。由此，使电容元件C的电荷进行放电。
另外，在时刻t7之后，输出控制信号Read会在一定期间成为高电平。在此期间，由第1保持部Mn，1的电容元件C1所保持的电压值(亮信号成分)Vm，n，1输出到配线L31，同时，由第2保持部Hn，2的电容元件C2所保持的电压值(暗信号成分)Vm，n，2输出到配线L32。然后，这些电压值Vm，n，1及Vm，n，2输入到差运算部S，通过该差运算部S进行差运算[Vm，n，1-Vm，n，2]，并输出代表该运算结果的电压值Vout，m，n。如此，从读出部3所输出的电压值Vout，m，n，是与入射到像素部Pm，n的埋入型光敏二极管PD的光的强度相应的值，其暗信号成分被去除，而S/N比优良。
在本实施方式中，随着光线的入射而在埋入型光敏二极管PD中所产生的电荷，储存在与该埋入型光敏二极管PD并联设置的电容元件C中。然后，该电容元件C中存储的电荷量所对应的电压值Vm，n，1从选择晶体管T4输出到配线Ln。如此，由于使用埋入型光敏二极管PD，故可以使第2半导体区域12完全耗尽(deplete)、使接合电容值减少，可以几乎完全读出在pn接合部产生的电荷，抑制泄漏电流的产生，使光检测的S/N比以及线性特性更优良。另外，与埋入型光敏二极管PD并联地形成有电容元件C，在埋入型光敏二极管PD产生的电荷储存于电容元件C中，因此，解决了在埋入型光敏二极管的接合电容部中电荷饱和的问题，可以扩大动态范围。如此，该固体摄像装置1可以实现同时提高线性特性及动态范围的目的。
另外，在本实施方式中，在埋入型光敏二极管PD的上方形成有电容元件C，构成电容元件C的第1电极层18、电介质层19及第2电极层20分别是透明的。由此，由于埋入型光敏二极管PD可以接受透过电容元件C而入射的光，故可以使各像素部Pm，n的布局面积缩小。或者，可以抑制Pm，n的布局面积的扩大，并可以确保埋入型光敏二极管PD的受光面积和灵敏度。
本发明并不限定于上述实施方式，而可以有各种变形。例如，在各像素部Pm，n中，埋入型光敏二极管PD、电容元件C及晶体管T1～T4的布局并不限于上述实施方式。图6是表示其它实施方式的各像素部Pm，n的布局的平面示意图。在该图中，符号FET表示配置晶体管T1～T4的区域。图6(a)、图6(b)、图6(c)所分别表示的布局的任意一个，分别与埋入型光敏二极管PD及电容元件C的配置区域相分开。
图6(a)所示的布局中，晶体管T1～T4的配置区域被埋入型光敏二极管PD的配置区域及电容元件C的配置区域所包围。图6(b)所示的布局中，晶体管T1～T4的配置区域和电容元件C的配置区域分别位于埋入型光敏二极管PD的配置区域的外侧。图6(c)所示的布局中，晶体管T1～T4的配置区域位于埋入型光敏二极管PD的配置区域的外侧，电容元件C的配置区域被埋入型光敏二极管PD的配置区域所包围。在这些情况下，电容元件可以是不透明的，但在使用透明的电容元件时，透过电容的光会在电容元件C的配置区域的半导体区域产生电荷，其进行扩散而被埋入型光敏二极管PD的配置区域所捕捉，从而可以进一步提高效率。
产业上利用的可能性
本发明可以使用于固体摄像装置。
Claims (4)
1.一种固体摄像装置，多个像素部被排列为一维或二维状，其特征在于，
所述多个像素部分别具备：
埋入型光敏二极管，产生与入射光强度的量相应的电荷；和
电容元件，与所述埋入型光敏二极管并联连接，储存由所述埋入型光敏二极管产生的电荷。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述电容元件形成在所述埋入型光敏二极管的上方，包含透明的一对电极层和被夹在该一对电极层之间的透明电介质层；
所述埋入型光敏二极管接受透过所述电容元件而入射的光。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述多个像素部分别还具备：
放大晶体管，输出与输入到门极端子的电压值相应的电压值；
传送晶体管，将与所述电容元件的储存电荷量相应的电压值向所述放大晶体管的门极端子输入；
放电晶体管，进行所述电容元件的电荷的放电；
选择晶体管，选择性地输出从所述放大晶体管输出的电压值。
4.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具备：
配线，连接于包含在1个像素列的多个像素部的每一个所述选择晶体管的输出；
第1保持部，连接于所述配线，保持第1期间中从各像素部输出的亮信号成分；
第2保持部，连接于所述配线，保持第2期间中从各像素部输出的暗信号成分；
差运算部，输入所述第1及第2保持部的输出，输出输入信号的差分。
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