CN102017154A - 固体摄像装置 - Google Patents
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Abstract
固体摄像装置(1)具备多个光电变换部(3)、第1以及第2移位寄存器(9，13)。各光电变换部(3)具有对应于光入射而产生电荷并且平面形状为由两条长边和两条短边形成的大致矩形的光感应区域(15)以及相对于光感应区域(15)而形成沿着平行于形成光感应区域(15)的平面形状的长边的规定的方向升高的电位梯度的电位梯度形成区域(17)。多个光电变换部(3)以沿着与上述规定的方向交叉的方向的方式并置。第1以及第2移位寄存器(9，13)取得分别从多个光电变换部(3)传输的电荷并且在与上述规定的方向交叉的方向上传输并输出。由此，实现了可以不使图像处理变得烦杂并且可以高速地读出在光感应区域中产生的电荷的固体摄像装置。
Description
技术领域
本发明涉及固体摄像装置。
背景技术
作为固体摄像装置，已知有分别具有对应于光入射而产生电荷并且平面形状为由两条长边和两条短边形成的大致矩形的光感应区域的多个光电变换部在一维方向(沿着光感应区域的短边方向的方向)上配置成矩阵状的固体摄像装置(例如参照专利文献1)。一直以来，这样的固体摄像装置被运用于各种各样的用途中，特别是作为分光器的光检测单元而被广泛应用地使用。
专利文献1：日本特开2005-164363号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，专利文献1所记载的固体摄像装置存在以下的问题。在专利文献1所记载的固体摄像装置中，产生于光感应区域的电荷从光感应区域的短边侧被读出。因此，所产生的电荷有必要在光感应区域的长边方向上移动，该移动距离较长。其结果，难以高速地读出所产生的电荷。
在专利文献1所记载的固体摄像装置中，分别邻接于光感应区域的一对短边而配置存储电荷的扩散区域以及放大并输出产生于该扩散区域的电压信号的放大区域。即在专利文献1所记载的固体摄像装置中，因为分别从邻接于光感应区域的各短边而配置的一对放大区域输出信号，所以，用于获得一维图像的信号处理成为必要，图像处理可能会变得繁杂。
因此，本发明的目的在于，提供一种可以不使图像处理变得繁杂并且可以高速地读出产生于光感应区域的电荷的固体摄像装置。
解决问题的技术手段
本发明所涉及的固体摄像装置分别具有对应于光入射而产生电荷并且平面形状为由两条长边和两条短边形成的大致矩形的光感应区域、以及相对于光感应区域而形成沿着平行于形成光感应区域的平面形状的长边的规定的方向升高的电位梯度的电位梯度形成区域，并且具备以沿着与上述规定的方向交叉的方向的方式并置的多个光电变换部、以及取得分别从多个光电变换部传输的电荷并在与规定的方向交叉的方向上传输并输出的第1和第2电荷输出部。
在本发明所涉及的固体摄像装置中，在各光电变换部中，因为由电位梯度形成区域而形成沿着上述规定的方向升高的电位梯度，所以，在光感应区域中产生的电荷沿着由所形成的电位梯度而得到的电势的倾斜，向任意的短边侧移动。由此，电荷的移动速度受电位梯度(电势的倾斜)支配，并且使电荷的读出速度高速化。
在本发明中，从多个光电变换部传输的电荷由第1或者第2电荷输出部取得并在与规定的方向交叉的上述方向上被传输并输出。其结果，根据本发明，不需要再次进行现有的技术中所必要的用于获得一维图像的信号处理，并能够防止图像处理的烦杂化。
然而，在本发明中，光感应区域的平面形状为由两条长边和两条短边形成的大致矩形。因此，光感应区域中的饱和电荷量大。
优选，电位梯度形成区域形成沿着作为上述规定的方向的从形成光感应区域的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的第1方向升高的电位梯度，第1以及第2电荷输出部被配置于形成光感应区域的平面形状的另一条短边侧，还具备分别对应于光电变换部并且被配置于各光电变换部与第1电荷输出部之间、将来自对应的光电变换部的光感应区域的电荷传输到第1电荷输出部的多个第1传输部、以及分别对应于光电变换部并且被配置于各第1电荷输出部与第2电荷输出部之间、将被传输到第1电荷输出部的电荷传输到第2电荷输出部的多个第2传输部。
因为由电位梯度形成区域而形成沿着上述第1方向升高的电位梯度，所以，在光感应区域中产生的电荷沿着由所形成的电位梯度得到的电势的倾斜，向另一条短边侧移动。向另一条短边侧移动的电荷在第1传输部中被取得并且在第1方向上被传输。从各第1传输部传输的电荷由第1电荷输出部而在与第1方向交叉的方向上被传输并输出。被存储于第1电荷输出部中的电荷由第2传输部而在第1方向上被传输。从各第2传输部传输的电荷由第2电荷输出部而在与第1方向交叉的方向上被传输并输出。
优选，电位梯度形成区域选择性地形成沿着作为上述规定的方向的从形成光感应区域的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的第1方向以及从形成光感应区域的平面形状的另一条短边侧朝向一条短边侧的第2方向中的任意的方向升高的电位梯度，第1电荷输出部被配置于形成光感应区域的平面形状的一条短边侧，第2电荷输出部被配置于形成光感应区域的平面形状的另一条短边侧，还具备分别对应于光电变换部并且被配置于各光电变换部与第1电荷输出部之间、将来自对应的光电变换部的光感应区域的电荷传输到第1电荷输出部的多个第1传输部、以及分别对应于光电变换部并且被配置于各光电变换部与第2电荷输出部之间、将来自对应的光电变换部的光感应领域的电荷传输到第2电荷输出部的多个第2传输部。
如果由电位梯度形成区域而形成沿着上述第2方向升高的电位梯度，那么在光感应区域中产生的电荷沿着由所形成的电位梯度得到的电势的倾斜，向一条短边侧移动。向一条短边侧移动的电荷在第1传输部中被取得并在第2方向上被传输。从各第1传输部传输的电荷由第1电荷输出部而在与第1方向交叉的方向上被传输并输出。如果由电位梯度形成区域而形成沿着上述第1方向升高的电位梯度，那么在光感应区域中产生的电荷沿着由所形成的电位梯度而得到的电势的倾斜，向另一条短边侧移动。向另一条短边侧移动的电荷在第2传输部中被取得并在第1方向上被传输。从各第2传输部传输的电荷由第2电荷输出部而在与第2方向交叉的方向上被传输并输出。
更加优选，第2电荷输出部从多个第2传输部取得在整个第1期间内在光电变换部中产生的电荷并在与规定的方向交叉的方向上传输并输出，第1电荷输出部从多个第1传输部取得在较第1期间短的整个第2期间内在光电变换部中产生的电荷并在与规定的方向交叉的方向上传输并输出。
如果存储在整个第1期间内在光电变换部中产生的电荷，那么由于曝光时间比较长，因而强的入射光由于信号饱和而难以恰当地检测出，弱的入射光可以作为足够大的信号而被检测出。如果存储在整个第2期间内在光电变换部中产生的电荷，那么由于曝光时间比较短，因而弱的入射光由于信号微弱而难以作为信号被充分地检测出，强的入射光不会发生饱和而可以作为信号被恰当地检测出。这样，不论入射光的强度，入射光均可以作为信号而被恰当地检测出，实际有效的动态范围变大。
在本发明中，因为具备第1以及第2电荷输出部，所以，传输在整个第2期间内在光电变换部中产生的电荷和传输在整个第1期间内在光电变换部中产生的电荷，彼此不会成为阻碍。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种可以不使图像处理变得烦杂并且可以高速地读出在光感应区域中产生的电荷的固体摄像装置。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的固体摄像装置的构成的图。
图2是用于说明沿着图1中的II-II线的截面构成的图。
图3是在第1实施方式所涉及的固体摄像装置中、所输入的各信号的时序图。
图4是用于说明图3中的在各时刻的电荷的存储以及排出动作的电势图。
图5是用于说明光电变换部中的电荷的移动的模式图。
图6是表示第2实施方式所涉及的固体摄像装置的构成的图。
图7是用于说明沿着图6中的VII-VII线的截面构成的图。
图8是在第2实施方式所涉及的固体摄像装置中、所输入的各信号的时序图。
图9是用于说明图8中的在各时刻的电荷的存储以及排出动作的电势图。
符号的说明
1…固体摄像装置、3…光电变换部、5…缓冲栅极部、7…第1传输部、9…第1移位寄存器、11…第2传输部、13…第2移位寄存器、15…光感应区域、17…电位梯度形成区域、23…放大部、61…固体摄像装置、62…第1缓冲栅极部、63…第1传输部、65…第2移位寄存器、66…第2缓冲栅极部、67…第2传输部、69…第2移位寄存器。
实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。此外，在说明的过程中，对相同的要素或者具有相同的功能的要素使用相同的符号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
图1是表示第1实施方式所涉及的固体摄像装置的构成的图。图2是用于说明沿着图1中的II-II线的截面构成的图。
第1实施方式所涉及的固体摄像装置1具备多个光电变换部3、多个缓冲栅极部5、多个第1传输部7、作为第1电荷输出部的第1移位寄存器9、多个第2传输部11、作为第2电荷输出部的第2移位寄存器13。固体摄像装置1能够作为分光器的光检测单元使用。
各光电变换部3具有光感应区域15和电位梯度形成区域17。光感应区域15感应光的入射并产生对应于入射光强度的电荷。电位梯度形成区域17相对于光感应区域15，形成沿着从形成光感应区域15的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的第1方向(沿着光感应区域15的长边方向的方向)升高的电位梯度。在光感应区域15中产生的电荷由电位梯度形成区域17而从光感应区域15的另一条短边侧排出。
光感应区域15的平面形状为由两条长边和两条短边形成的大致矩形。多个光电变换部3以沿着与上述第1方向交叉(例如垂直)的方向的方式并置，并在一维方向上配置成矩阵状。多个光电变换部3在沿着光感应区域15的短边方向的方向上并置。在本实施方式中，光感应区域15的长边方向上的长度被设定为例如1mm的程度左右，光感区域15的短边方向上的长度被设定为例如24μm左右。
相对于各光感应区域15，以在沿着光感应区域15的短边方向的方向上夹持该光感应区域15的方式，配置有隔离区域18和溢流漏极(OFD：overflow drain)区域19。隔离区域18邻接于光感应区域15的一条长边并在沿着光感应区域15的长边方向的方向上延伸。隔离区域18电气分离夹持隔离区域18而邻接的一对光感应区域15。
溢流漏极区域19邻接于光感应区域15的另一条长边并在沿着光感应区域15的长边方向的方向上延伸。溢流漏极区域19包含由栅极晶体管构成的溢流栅极(OFG：overflow gate)，并在光感应区域15中产生超过该光感应区域15的存储容量的电荷的时候，排出超过存储容量的部分的电荷。由此，可以防止从超过存储容量的光感应区域15溢出的电荷漏出到其它的光感应区域15的高光溢出(blooming)等的不良情况。
各缓冲栅极部5分别对应于光电变换部3并且被配置于形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧。即多个缓冲栅极部5在与上述第1方向交叉的方向(沿着光感应区域15的短边方向的方向)上被并置于形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧。缓冲栅极部5间隔开光电变换部3(光感应区域15)和第1传输部7。在本实施方式中，在缓冲栅极部5中存储由电位梯度形成区域17而从光感应区域15排出的电荷。隔离区域(图中没有表示)被配置于邻接的缓冲栅极部5之间，从而实现缓冲栅极部5之间的电气分离。
各第1传输部7分别对应于缓冲栅极部5并且被配置于缓冲栅极部5与第1移位寄存器9之间。即多个第1传输部7在与上述第1方向交叉的方向上被并置于形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧。第1传输部7取得被存储于缓冲栅极部5的电荷并朝向第1方向即朝向第1移位寄存器9传输所取得的电荷。隔离区域(图中没有表示)被配置于邻接的第1传输部7之间，从而实现第1传输部7之间的电气分离。
第1移位寄存器9相对于多个第1传输部7，在第1方向上与各第1传输部7邻接地配置。即第1移位寄存器9被配置于形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧。第1移位寄存器9接收分别从第1传输部7传输的电荷，并在与第1方向交叉的上述方向上传输，从而依次输出至放大部23。从第1移位寄存器9输出的电荷由放大部23而被变换成电压，并作为在与第1方向交叉的上述方向上并置的每个光电变换部3(光感应区域15)的电压而被输出至固体摄像装置1的外部。
各第2传输部11分别对应于缓冲栅极部5并且被配置于第1移位寄存器9与第2移位寄存器13之间。即多个第2传输部11在与上述第1方向交叉的方向上被并置于形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧。第2传输部11取得被存储于对应的第1移位寄存器9的区域的电荷并朝向第1方向即朝向第2移位寄存器13传输所取得的电荷。隔离区域(图中没有表示)被配置于邻接的第2传输部11之间，从而实现第2传输部11之间的电气分离。
第2移位寄存器13相对于多个第2传输部11，在第1方向上与各第2传输部11邻接地配置。即第2移位寄存器13与第1移位寄存器9相同，被配置于形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧。第2移位寄存器13接收分别从第2传输部11传输的电荷，并在与第1方向交叉的上述方向上传输，从而依次输出至放大部23。从第2移位寄存器13输出的电荷由放大部23而被变换成电压，并作为在与第1方向交叉的上述方向上并置的每个光电变换部3(光感应区域15)的电压而被输出至固体摄像装置1的外部。
如图2所示，多个光电变换部3、多个缓冲栅极部5、多个第1传输部7、第1移位寄存器9、多个第2传输部11以及第2移位寄存器13被形成于半导体基板30上。半导体基板30包含成为半导体基板30的基体的p型半导体层31、被形成于p型半导体层31的一个面侧的n型半导体层32，33，35，37，39、n-型半导体层34，36，38，40、以及p+型半导体层41。在本实施方式中，使用Si作为半导体。所谓“高杂质浓度”，是指例如杂质浓度为1×1017cm-3左右以上，将“+”标注成导电型。所谓“低杂质浓度”，是指杂质浓度为1×1015cm-3左右以下，将“-”标注成导电型。作为n型杂质，有砷等，作为p型杂质，有硼等。
p型半导体层31和n型半导体层32形成pn接合，由n型半导体层32构成由光的入射而产生电荷的光感应区域15。n型半导体层32在平面视图中为由两条长边和两条短边形成的大致矩形。n型半导体层32以沿着与第1方向(即沿着从形成n型半导体层32的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的n型半导体层32的长边方向的方向)交叉的方向的方式并置，并在一维方向上配置成矩阵状。各n型半导体层32在沿着n型半导体层32的短边方向的方向上并置。上述隔离区域19能够由p+型半导体层构成。
相对于n型半导体层32，配置有一对电极51，52。一对电极51，52由透过光的材料，例如多晶硅膜构成，经由绝缘层(图中没有表示)而被形成于n型半导体层32上。由一对电极51，52，构成电位梯度形成区域17。电极51，52也可以被形成为在与上述第1方向交叉的方向上连续地延伸，以遍及以沿着与上述第1方向交叉的方向的方式并置的多个n型半导体层32。当然，电极51，52也可以被形成于每个n型半导体层32上。
电极51构成所谓的电阻性栅极，在从形成n型半导体层32的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的方向(上述第1方向)上延伸而被形成。电极51通过将定电位差赋予给两端，从而形成对应于该电极51的第1方向上的电阻成分的电位梯度，即形成沿着上述第1方向升高的电位梯度。从控制电路(图中没有表示)将信号MGL赋予给电极51的一端，从控制电路(图中没有表示)将信号MGH赋予给电极51的另一端以及电极52。如果信号MGL为L电平并且信号MGH为H电平，那么在n型半导体层32上形成沿着上述第1方向升高的电位梯度。
电极53在第1方向上与电极52邻接地配置。电极53经由绝缘层(图中没有表示)而被形成于n型半导体层33上。n型半导体层33被配置于形成n型半导体层32的平面形状的另一条短边侧。电极53例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号BG赋予给电极53。由电极53以及电极53下的n型半导体层33，构成缓冲栅极部5。
传输电极54，55在第1方向上与电极53邻接地配置。传输电极54，55经由绝缘层(图中没有表示)而被分别形成于n-型半导体层34以及n型半导体层35上。n-型半导体层34以及n型半导体层35在第1方向上与n型半导体层33邻接地配置。传输电极54，55例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号TG1赋予给传输电极54，55。由传输电极54，55以及传输电极54，55下的n-型半导体层34以及n型半导体层35，构成第1传输部7。
一对传输电极56，57在第1方向上与传输电极55邻接地配置。传输电极56，57经由绝缘层(图中没有表示)而被分别形成于n-型半导体层36以及n型半导体层37上。n-型半导体层36以及n型半导体层37在第1方向上与n型半导体层35邻接地配置。传输电极56，57例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号P1H1等赋予给传输电极56，57。由传输电极56，57以及传输电极56，57下的n-型半导体层36以及n型半导体层37，构成第1移位寄存器9。
传输电极58在第1方向上与传输电极57邻接地配置。传输电极58经由绝缘层(图中没有表示)而被形成于n-型半导体层38上。n-型半导体层38在第1方向上与n型半导体层37邻接地配置。传输电极58例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号TG2赋予给传输电极58。由传输电极58以及传输电极58下的n-型半导体层38，构成第2传输部11。
传输电极59在第1方向上与传输电极58邻接地配置。传输电极59经由绝缘层(图中没有表示)而被形成于n-型半导体层40以及n型半导体层39上。n-型半导体层40在第1方向上与n-型半导体层38邻接地配置。n型半导体层39在第1方向上与n-型半导体层40邻接地配置。传输电极59例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号P1H2等赋予给传输电极59。由传输电极59和传输电极59下的n-型半导体层40以及n型半导体层39，构成第2移位寄存器13。
P+型半导体层41将n型半导体层32，33，35，37，39以及n-型半导体层34，36，38，40电气分离于半导体基板30的其它部分。上述的各绝缘层由透过光的材料，例如氧化硅膜构成。优选，除了n型半导体层32，n型半导体层33，35，37，39、n-型半导体层34，36，38，40(缓冲栅极部5、第1传输部7、第1移位寄存器9、第2传输部11以及第2移位寄存器13)为了防止产生不要的电荷而配置遮光部材等，从而被遮光。
接着，根据图3以及图4，对固体摄像装置1中的动作进行说明。图3是在本实施方式所涉及的固体摄像装置1中、输入到电极51～59的各信号MGL，MGH，BG，TG1，P1H1，TG2，P1H2的时序图。图4(a)～(e)是用于说明图3中的在各时刻t1～t5的电荷的存储以及排出动作的电势图。
然而，在n型半导体中存在正离子化的施主，在p型半导体中存在负离子化的受主。半导体中的电势为n型比p型高。换言之，能量带图中的电势由于朝下成为电势的正方向，所以n型半导体中的电势在能量带图中比p型半导体的电势深(高)，能级变低。如果将正电位施加于各电极，那么电极正下方的半导体区域的电势变深(在正方向上变大)。如果减小被施加于各电极的正电位大小，那么对应的电极正下方的半导体区域的电势变浅(在正方向上变小)。
如图3所示，在时刻t1，如果信号MGL，MGH，TG1，P1H1，TG2，P1H2为L电平且信号BG为H电平，那么n型半导体层33的电势φ33因为比n-型半导体层34的电势φ34深，所以形成电势φ32，φ33的井(参照图4(a))。在该状态下，如果光入射到n型半导体层32并产生电荷，那么所产生的电荷被存储于电势φ32，φ33的井内。电荷量QL1被存储于电势φ32，φ33中。
在时刻t2，如果信号MGH为H电平，那么在n型半导体层32上形成沿着上述第1方向升高的电位梯度，电势φ32以朝向n型半导体层33侧变深的方式发生倾斜，从而形成电势φ32的梯度(参照图4(b))。同样，在时刻t2，如果信号TG1为H电平，那么n-型半导体层34以及n型半导体层35的各电势φ34，φ35变深，从而形成电势φ35的井。被存储于电势φ32的井内的电荷也如图5所示沿着电势φ32的梯度移动，与被存储于电势φ33的井中的电荷一起，被传输到电势φ35的井内。电荷量QL1被存储于电势φ35中。
在时刻t3，如果信号TG1为L电平，那么电势φ34，φ35变浅。由此，形成电势φ32，φ33的井。此时，维持形成电势φ32的梯度的状态，并将所产生的电荷存储到电势φ33的井内。将电荷量QL2存储到电势φ32中(参照图4(c))。另外，在时刻t3，如果信号P1H1为H电平，那么n-型半导体层36以及n型半导体层37的各电势φ36，φ37变深，从而形成电势φ37的井。被存储于电势φ35的井内的电荷被传输至电势φ37的井内。电荷量QL1被存储于电势φ37中。
在时刻t4，如果信号TG1为H电平且信号P1H1为L电平，那么形成电势φ35的井(参照图4(d))。由此，被存储于电势φ33的井内的电荷被传输到电势φ35的井内。电荷量QL2被存储于电势φ35中。
同样，在时刻t4，如果信号TG2，P1H2为H电平，那么n-型半导体层38，40以及n型半导体层39的各电势φ38，φ40，φ39变深，从而形成电势φ39的井。被存储于电势φ37的井内的电荷被传输至电势φ39的井内。电荷量QL1被存储于电势φ39中。此后，电荷量QL1的电荷在电荷传输期间TP1的期间内，在与上述第1方向交叉的方向上依次被传输，并被输出至放大部23。省略图3中的图示，但是，在电荷传输期间TP1中，作为信号P1H2等而赋予用于在与上述第1方向交叉的方向上传输电荷量QL1的信号。
在时刻t5，如果信号MGH为L电平且信号TG1为L电平，那么与时刻t1相同，电势φ32的梯度消失，并且形成电势φ32，φ33的井(参照图4(e))。由此，与时刻t1相同，所产生的电荷被存储于电势φ32，φ33的井内。同样，在时刻t5，如果信号P1H1为H电平，那么与时刻t3相同，形成电势φ37的井。被存储于电势φ35的井内的电荷被传输至电势φ37的井内。电荷量QL2被存储于电势φ37中。此后，电荷量QL2的电荷在电荷传输期间TP2的期间内，在与上述第1方向交叉的方向上依次被传输，并被输出至放大部23。省略图3中的图示，但是，在电荷传输期间TP2中，作为信号P1H1等而赋予用于在与上述第1方向交叉的方向上传输电荷量QL2的信号。
如以上所述，在本实施方式中，光感应区域15的平面形状为由两条长边和两条短边形成的大致矩形。在此情况下，可以增大光感应区域15的长边方向上的长度，并能够增大各光感应区域15中的饱和电荷量，从而能够谋求SN比的提高。
多个光电变换部3以沿着与上述第1方向交叉的方向的方式并置，并在一维方向上配置成矩阵状。在本实施方式中，多个光电变换部3在沿着光感应区域15的短边方向的方向上并置。在各光电变换部3中，因为由电极51而形成沿着上述第1方向升高的电位梯度，所以，在光感应区域15中产生的电荷沿着由所形成的电位梯度得到的电势的倾斜，向另一条短边侧移动。由此，电荷的移动速度受电位梯度(电势的倾斜)支配，电荷的读出速度高速化。
向另一条短边侧移动的电荷被存储于缓冲栅极部5。被存储于缓冲栅极部5的电荷被第1传输部7取得，并在第1方向上被传输。然后，从各第1传输部7传输的电荷由第1移位寄存器9而在与上述第1方向交叉的方向上被传输并输出。被存储于第1移位寄存器9的电荷由第2传输部11而在第1方向上被传输。然后，从各第2传输部11传输的电荷由第2移位寄存器13而在与上述第1方向交叉的方向上被传输并输出。从多个光电变换部3传输的电荷由第1或者第2移位寄存器9，13取得，并在与上述第1方向交叉的方向上被传输。其结果，在固体摄像装置1中，不需要再次进行用于获得一维图像的信号处理，并能够防止图像处理的烦杂化。
在本实施方式中，光感应区域15的平面形状为由两条长边和两条短边形成的大致矩形。其结果，光感应区域15中的饱和电荷量较大。
在本实施方式中，连续且交替地输出在整个第1期间(图3中的期间T1)内在光电变换部3(光感应区域15)中产生的电荷(电荷量QL1)、以及在较第1期间T1短的整个第2期间(图3中的期间T2)内在光电变换部3(光感应区域15)中产生的电荷(电荷量QL2)。即在本实施方式中，将第1期间T1和第2期间T2之和作为一个读出周期，存储并输出在光电变换部3中产生的电荷。在本实施方式中，在整个第1期间内在光电变换部3中产生的电荷在电荷传输期间TP1中被读出，在整个第2期间内在光电变换部3中产生的电荷在电荷传输期间TP2中被读出。在本实施方式中，第1期间T1被设定为例如9.99ms左右，第2期间T2被设定为例如10μs左右，第1期间T1被设定成第2期间T2的大致1000倍。
在第1期间T1被设定为9.99ms，第2期间T2被设定为10μs的情况下，在整个第1期间T1内在光电变换部3中产生的电荷量发生饱和的时候，可以将基于在整个第2期间T2内在光电变换部3中产生的电荷量的输出调整到1000倍，并作为固体摄像装置1的输出。在整个第1期间T1内在光电变换部3中产生的电荷量不发生饱和的时候，也可以将基于在整个第1期间T1内在光电变换部3中产生的电荷量与在整个第2期间T2内在光电变换部3中产生的电荷量之和的输出作为固体摄像装置1的输出。
如果存储在整个第1期间T1内在光电变换部3中产生的电荷，那么由于曝光时间比较长，因而强的入射光由于信号饱和而难以恰当地检测出，弱的入射光可以作为足够大的信号而被检测出。另外，如果存储在整个第2期间T2内在光电变换部3中产生的电荷，那么由于曝光时间比较短，因而弱的入射光由于信号微弱而难以作为信号充分地检测出，强的入射光不发生饱和并可以作为信号恰当地检测出。如以上所述，在固体摄像装置1中，不论入射光的强度，入射光均可以作为信号而被恰当地检测，实际有效的动态范围变大。
在本实施方式中，固体摄像装置1具备第1或者第2移位寄存器9，13。由此，在整个第2期间T2内在光电变换部3中产生的电荷的传输和在整个第1期间T1内在光电变换部3中产生的电荷的传输，彼此不会成为阻碍。
(实施方式2)
图6是表示第2实施方式所涉及的固体摄像装置的构成的图。图7是用于说明沿着图6中的VII-VII线的截面构成的图。
第2实施方式所涉及的固体摄像装置61具备多个光电变换部3、多个第1缓冲栅极部62、多个第1传输部63、作为第1电荷输出部的第1移位寄存器65、多个第2缓冲栅极部66、多个第2传输部67、以及作为第2电荷输出部的第2移位寄存器69。固体摄像装置61也与上述的固体摄像装置1相同，能够作为分光器的光检测单元使用。
各光电变换部3具有光感应区域15和电位梯度形成区域17。电位梯度形成区域17相对于光感应区域15，选择性地形成沿着从形成光感应区域15的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的第1方向以及从形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧朝向一条短边侧的第2方向中的任意的方向升高的电位梯度。上述第1以及第2方向是沿着光感应区域15的长边方向的方向。在光感应区域15中产生的电荷由电位梯度形成区域17，从光感应区域15的另一条短边侧或者一条短边侧被排出。
各第1缓冲栅极部62分别对应于光电变换部3并且被配置于形成光感应区域15的平面形状的一条短边侧。即多个第1缓冲栅极部62在与上述第1以及第2方向交叉的第3方向(沿着光感应区域15的短边方向的方向)上被并置于形成光感应区域15的平面形状的一条短边侧。第1缓冲栅极部62间隔开光电变换部3(光感应区域15)和第1传输部63。在本实施方式中，在第1缓冲栅极部62中存储由电位梯度形成区域17而从光感应区域15排出的电荷。隔离区域(图中没有表示)被配置于邻接的第1缓冲栅极部62之间，从而实现第1缓冲栅极部62之间的电气分离。
各第1传输部63分别对应于第1缓冲栅极部62并且在第2方向上与对应的第1缓冲栅极部62邻接地配置。即多个第1传输部63也分别对应于光电变换部3并且在上述第3方向上被并置于形成光感应区域15的平面形状的一条短边侧。第1传输部63从第1缓冲栅极部62取得由电位梯度形成区域17而从光感应区域15排出的电荷，并在第2方向上传输所取得的电荷。隔离区域(图中没有表示)被配置于邻接的第1传输部63之间，从而实现第1传输部63之间的电气分离。
第1移位寄存器65相对于多个第1传输部63，在第2方向上与各第1传输部63邻接地配置。即第1移位寄存器65被配置于形成光感应区域15的平面形状的一条短边侧。第1移位寄存器65接收分别从第1传输部63传输的电荷，并在上述第3方向上传输，从而依次输出至放大部23。从第1移位寄存器65输出的电荷由放大部23而被变换成电压，并作为在上述第3方向上并置的每个光电变换部3(光感应区域15)的电压而被输出至固体摄像装置61的外部。
各第2缓冲栅极部66分别对应于光电变换部3并且被配置于形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧。即多个第2缓冲栅极部66在上述第3方向上被并置于形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧。第2缓冲栅极部66间隔开光电变换部3(光感应区域15)和第2传输部67。在本实施方式中，在第2缓冲栅极部66中存储由电位梯度形成区域17而从光感应区域15排出的电荷。隔离区域(图中没有表示)被配置于邻接的第2缓冲栅极部66之间，从而实现第2缓冲栅极部66之间的电气分离。
各第2传输部67分别对应于第2缓冲栅极部66并且在第1方向上与对应的第2缓冲栅极部66邻接地配置。即多个第2传输部67也分别对应于光电变换部3，并且在上述第3方向上被并置于形成光感应区域15的平面形状的一条短边侧。第2传输部67从第2缓冲栅极部66取得由电位梯度形成区域17而从光感应区域15排出的电荷，并在第1方向上传输所取得的电荷。隔离区域(图中没有表示)被配置于邻接的第2传输部67之间，从而实现第2传输部67之间的电气分离。
第2移位寄存器69相对于多个第2传输部67，在第1方向上与各第2传输部67邻接地配置。即第2移位寄存器69被配置于形成光感应区域15的平面形状的另一条短边侧。第2移位寄存器69接收分别从第2传输部67传输的电荷，并在上述第3方向上传输，从而依次输出至放大部23。从第2移位寄存器69输出的电荷由放大部23而被变换成电压，并作为在上述第3方向上并置的每个光电变换部3(光感应区域15)的电压而被输出至固体摄像装置61的外部。
如图7所示，多个光电变换部3、多个第1缓冲栅极部62、多个第1传输部63、第1移位寄存器65、多个第2缓冲栅极部66、多个第2传输部67以及第2移位寄存器69被形成于半导体基板30上。半导体基板30包含p型半导体层31、被形成于p型半导体层31的一个面侧的n型半导体层81，82，83，85，86，87，89、n-型半导体层84，88、以及p+型半导体层41。
p型半导体层31和n型半导体层81形成pn接合，由n型半导体层81而构成由光的入射而产生电荷的光感应区域15。n型半导体层81在平面视图中为由两条长边和两条短边形成的大致矩形。n型半导体层81以沿着与上述第1方向(即沿着从形成n型半导体层81的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的n型半导体层32的长边方向的方向)交叉的方向的方式并置，并在一维方向上配置成矩阵状。当然，n型半导体层81也以沿着与上述第2方向(即沿着从形成n型半导体层81的平面形状的另一条短边侧朝向一条短边侧的n型半导体层32的长边方向的方向)交叉的方向的方式并置。各n型半导体层81在沿着n型半导体层81的短边方向的方向上，即在上述第3方向上并置。上述隔离区域也能够由p+型半导体层构成。
相对于各n型半导体层81，配置一组电极91～93。一组电极91～93由透过光的材料，例如多晶硅膜构成，并经由绝缘层(图中没有表示)而被形成于n型半导体层32上。由一组电极91～93而构成电位梯度形成区域17。各电极91～93也可以被形成为在第3方向上连续地延伸，以遍及以沿着与第2方向交叉的方向的方式并置的多个n型半导体层81。当然，各电极91～93也可以被形成于每个n型半导体层81。
电极91构成所谓的电阻性栅极，并被形成为在从形成n型半导体层81的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的方向(上述第1方向)上以及在从另一条短边侧朝向一条短边侧的方向(上述第2方向)上延伸。电极91通过将定电位差赋予给两端，从而形成对应于该电极91的第1或者第2方向上的电阻成分的电位梯度，即形成沿着上述第1或者第2方向升高的电位梯度。电极92在第2方向上与电极91邻接地配置。电极93在第1方向上与电极91邻接地配置。从控制电路(图中没有表示)将信号MG1赋予给电极91的一端(一条短边侧的端部)以及电极92，并从控制电路(图中没有表示)将信号MG2赋予给电极91的另一端(另一条短边侧的端部)以及电极93。如果信号MG1为H电平并且信号MG2为L电平，那么在n型半导体层81上形成沿着上述第1方向升高的电位梯度。如果信号MG1为L电平并且信号MG2为H电平，那么在n型半导体层81上形成沿着上述第2方向升高的电位梯度。
电极94在第2方向上与电极92邻接地配置。电极94经由绝缘层(图中没有表示)而被形成于n型半导体层82上。n型半导体层82被配置于形成n型半导体层81的平面形状的一条短边侧。电极94例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号BG2赋予给电极94。由电极94以及电极94下的n型半导体层82，构成第1缓冲栅极部62。
传输电极95在第2方向上与电极94邻接地配置。传输电极95经由绝缘层(图中没有表示)而被形成于n型半导体层83上。n型半导体层83在第2方向上与n型半导体层82邻接地配置。传输电极95例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号TG2赋予给传输电极95。由传输电极95以及传输电极95下的n型半导体层83，构成第1传输部63。
一对传输电极96，97在第2方向上与传输电极95邻接地配置。传输电极96，97经由绝缘层(图中没有表示)而分别被形成于n-型半导体层84以及n形半导体层85上。n-型半导体层84以及n形半导体层85在第2方向上与n型半导体层83邻接地配置。传输电极96，97例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号P1H2等赋予给传输电极96，97。由传输电极96，97以及传输电极96，97下的n-型半导体层84以及n型半导体层85，构成第1移位寄存器65。
电极98在第1方向上与电极93邻接地配置。电极98经由绝缘层(图中没有表示)而被形成于n型半导体层86上。n型半导体层86被配置于形成n型半导体层81的平面形状的另一条短边侧。电极98例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号BG1赋予给电极98。由电极98以及电极98下的n型半导体层86，构成第2缓冲栅极部66。
传输电极99在第1方向上与电极98邻接地配置。传输电极99经由绝缘层(图中没有表示)而被形成于n型半导体层87上。n型半导体层87在第1方向上与n型半导体层86邻接地配置。传输电极99例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号TG1赋予给传输电极99。由传输电极99以及传输电极99下的n型半导体层87，构成第2传输部67。
一对传输电极100，101在第1方向上与传输电极99邻接地配置。传输电极100，101经由绝缘层(图中没有表示)而分别被形成于n-型半导体层88以及n形半导体层89上。n-型半导体层88以及n形半导体层89在第1方向上与n型半导体层87邻接地配置。传输电极100，101例如由多晶硅膜构成。从控制电路(图中没有表示)将信号P1H1等赋予给传输电极100，101。由传输电极100，101以及传输电极100，101下的n-型半导体层88以及n型半导体层89，构成第2移位寄存器69。
p+型半导体层41将n型半导体层81，82，83，85，86，87，89以及n-型半导体层84，88电气分离于半导体基板30的其它部分。上述的各绝缘层由透过光的材料，例如氧化硅膜构成。优选，除了n型半导体层81，n型半导体层81，82，83，85，86，87，89、n-型半导体层84，88(第1缓冲栅极部62、第1传输部63、第1移位寄存器65、第2缓冲栅极部66、第2传输部67以及第2移位寄存器69)为了防止产生不要的电荷而配置遮光部材等，从而被遮光。
接着，根据图8以及图9，对固体摄像装置61中的动作进行说明。图8是在本实施方式所涉及的固体摄像装置61中、输入到电极91～101的各信号MG1，MG2，BG1，BG2，TG1，TG2，P1H1，P1H2的时序图。图9(a)～(f)是用于说明图8中的在各时刻t1～t6的电荷的存储以及排出动作的电势图。
如图8所示，在时刻t1，如果信号MG1，BG1为H电平且信号MG2，BG2，TG1，TG2，P1H1，P1H2为L电平，那么在n型半导体层81上形成沿着上述第1方向升高的电位梯度，电势φ81以朝向n型半导体层86侧变深的方式发生倾斜，从而形成电势φ81的梯度(参照图9(a))。此时，因为n型半导体层86的电势φ86比n型半导体层87的电势φ87深，所以，形成电势φ86的井。在该状态下，如果光入射到n型半导体层81并产生电荷，那么所产生的电荷也如图5所示沿着电势φ81的梯度在第1方向上移动，并被存储于电势φ81，φ86的井内。电荷量QL1被存储于电势φ81，φ86中。
在时刻t2，如果信号TG1为H电平，那么n型半导体层87的电势φ87变深，从而形成电势φ86，φ87的井(参照图9(b))。电荷量QL1被存储于电势φ86，φ87中。
在时刻t3，如果信号MG1，BG1为L电平且信号MG2，BG2为H电平，那么在n型半导体层81上形成沿着上述第2方向升高的电位梯度，电势φ81以朝向n型半导体层82侧变深的方式发生倾斜，从而形成电势φ81的梯度(参照图9(c))。此时，因为n型半导体层82的电势φ82比n型半导体层83的电势φ83深，所以形成电势φ82的井。在该状态下，如果光入射到n型半导体层81并产生电荷，那么所产生的电荷沿着电势φ81的梯度在第2方向上移动，并被存储于电势φ82的井内。电荷量QL2被存储于电势82中。因为电势φ86变浅，所以电荷量QL1的电荷被存储于电势φ87的井中。
在时刻t4，如果信号TG1为L电平并且信号P1H1为H电平，那么电势φ87变浅，并且n-型半导体层88以及n型半导体层89的各电势φ88，φ89变深，从而形成电势φ89的井(参照图9(d))。被存储于电势φ87的井内的电荷被传输到电势φ89的井内。电荷量QL1被存储于电势φ89中。此后，电荷量QL1的电荷在电荷传输期间TP1的期间内，在上述第3方向上被依次传输，并被输出至放大部23。在电荷传输期间TP1中，作为信号P1H1等而赋予用于在第3方向上传输电荷量QL1的信号。
在时刻t4，如果信号TG2为H电平，那么n型半导体层83的电势φ83变深，从而形成电势φ82，φ83的井(参照图9(d))。电荷量QL2被存储于电势φ82，φ83中。
在时刻t5，如果信号BG2为L电平，那么由于电势φ82变浅，因而电荷量QL2的电荷被存储于电势φ83的井中(参照图9(e))。
在时刻t5，如果信号MG1，BG1为H电平，那么与时刻t1相同，形成电势φ81的梯度(以朝向n型半导体层86侧变深的方式发生倾斜的梯度)，并且形成电势φ86的井。因此，如果光入射到n型半导体层81而产生电荷，那么所产生的电荷沿着电势φ81的梯度在第1方向上移动，并被存储于电势φ86的井内。电荷量QL1被存储于电势φ86中。
在时刻t6，如果信号P1H2为H电平，那么n-型半导体层84以及n型半导体层85的各电势φ84，φ85变深，从而形成电势φ85的井(参照图9(f))。被存储于电势φ83的井内的电荷被传输至电势φ85的井内。电荷量QL2被存储于电势φ85中。此后，电荷量QL2的电荷在电荷传输期间TP2的期间内，在上述第3方向上被依次传输，并被输出至放大部23。在电荷传输期间TP2中，作为信号P1H2等而赋予用于在第3方向上传输电荷量QL2的信号。
在时刻t6，如果信号P1H1为L电平，那么各电势φ88，φ89变浅。此时，因为维持形成电势φ81的梯度的状态，所以，如果光入射到n型半导体层81而产生电荷，那么所产生的电荷沿着电势φ81的梯度在第1方向上移动，并被存储于电势φ86的井内。
如以上所述，在本实施方式中，在各光电变换部3中，因为由电极91而形成沿着第1方向或者第2方向升高的电位梯度，所以，在光感应区域15中产生的电荷沿着由所形成的电位梯度得到的电势的倾斜，向另一条或者一条短边侧移动。由此，电荷的移动速度受电位梯度(电势的倾斜)支配，电荷的读出速度高速化。
向另一条短边侧移动的电荷被存储于第2缓冲栅极部66中。被存储于第2缓冲栅极部66的电荷被第2传输部67取得，并在第1方向上被传输。从各第2传输部67传输的电荷由第2移位寄存器69而在上述第3方向上被传输并输出。向一条短边侧移动的电荷被存储于第1缓冲栅极部62。被存储于第1缓冲栅极部62的电荷被第1传输部63取得，并在第1方向上被传输。从各第1传输部63传输的电荷由第1移位寄存器65而在上述第3方向上被传输并输出。这样，从多个光电变换部3传输的电荷由第1或者第2移位寄存器65，69取得，并在第3方向上被传输。其结果，在固体摄像装置61中，不需要再次进行用于获得一维图像的信号处理，从而能够防止图像处理的烦杂化。
即使在本实施方式中，也能够连续且交替地输出在整个第1期间(图8中的期间T1)内在光电变换部3(光感应区域15)中产生的电荷(电荷量QL1)、在整个第2期间(图3中的期间T2)内在光电变换部3(光感应区域15)中产生的电荷(电荷量QL2)。其结果，与第1实施方式相同，固体摄像装置61中，不论入射光的强度，入射光均可以作为信号而被恰当地检测，实际有效的动态范围变大。
固体摄像装置61因为具备第1或者第2移位寄存器65，69，所以，传输在整个第2期间T2内在光电变换部3中产生的电荷和传输在整个第1期间T1内在光电变换部3中产生的电荷，彼此不会成为阻碍。
以上，虽然对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是，本发明并不一定限于上述的实施方式，只要在不脱离其宗旨的范围内，可以进行各种各样的变更。
产业上的利用可能性
本发明可以作为分光器的光检测单元而加以利用。
Claims (4)
1.一种固体摄像装置，其特征在于，
具备：
多个光电变换部，分别具有光感应区域和电位梯度形成区域，所述光感应区域对应于光入射而产生电荷并且平面形状为由两条长边和两条短边形成的大致矩形，所述电位梯度形成区域相对于所述光感应区域，形成沿着平行于形成所述光感应区域的平面形状的长边的规定的方向升高的电位梯度，并且所述多个光电变换部以沿着与所述规定的方向交叉的方向的方式并置；以及
第1以及第2电荷输出部，取得分别从所述多个光电变换部传输的电荷，并在与所述规定的方向交叉的所述方向上传输并输出。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述电位梯度形成区域形成沿着作为所述规定的方向的从形成所述光感应区域的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的第1方向升高的电位梯度，
所述第1以及第2电荷输出部被配置于形成所述光感应区域的平面形状的另一条短边侧，
所述固体摄像装置还具备：
多个第1传输部，分别对应于所述光电变换部并且被配置于各所述光电变换部与所述第1电荷输出部之间，将来自对应的光电变换部的光感应区域的电荷传输到所述第1电荷输出部；以及
多个第2传输部，分别对应于所述光电变换部并且被配置于各所述第1电荷输出部与所述第2电荷输出部之间，将被传输到所述第1电荷输出部的电荷传输到所述第2电荷输出部。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述电位梯度形成区域选择性地形成沿着作为所述规定的方向的从形成所述光感应区域的平面形状的一条短边侧朝向另一条短边侧的第1方向以及从形成所述光感应区域的平面形状的另一条短边侧朝向一条短边侧的第2方向中的任意的方向升高的电位梯度，
所述第1电荷输出部被配置于形成所述光感应区域的平面形状的一条短边侧，
所述第2电荷输出部被配置于形成所述光感应区域的平面形状的另一条短边侧，
所述固体摄像装置还具备：
多个第1传输部，分别对应于所述光电变换部并且被配置于各所述光电变换部与所述第1电荷输出部之间，将来自对应的光电变换部的光感应区域的电荷传输到所述第1电荷输出部；以及
多个第2传输部，分别对应于所述光电变换部并且被配置于各所述光电变换部与所述第2电荷输出部之间，将来自对应的光电变换部的光感应领域的电荷传输到所述第2电荷输出部。
4.如权利要求2或者3所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述第2电荷输出部从所述多个第2传输部取得在整个第1期间内在所述光电变换部中产生的电荷，并在与所述规定的方向交叉的所述方向上传输并输出，
所述第1电荷输出部从所述多个第1传输部取得在较所述第1期间短的整个第2期间内在所述光电变换部中产生的电荷，并在与所述规定的方向交叉的方向上传输并输出。
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