CN103314440A - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

固体摄像装置(1)具备:具有多个光感应区域(13)的光电转换部(2)、与相对于多个光感应区域(13)而配置的电位梯度形成部(3)。各光感应区域(13)的平面形状成由两条长边与两条短边而形成的大致矩形形状。多个光感应区域(13)并列设置于与长边交叉的第1方向上。电位梯度形成部(3)形成沿着自光感应区域(13)的一个短边朝向另一短边的第2方向的电位梯度。电位梯度形成部(3)具有形成沿第2方向降低的电位梯度的第1电位梯度形成区域、与形成沿第2方向升高的电位梯度的第2电位梯度形成区域。第2电位梯度形成区域相对于第1电位梯度形成区域而并列设置于第2方向。

Description

固体摄像装置
技术领域
本发明涉及一种固体摄像装置。
背景技术
作为固体摄像装置,已知有下述装置,其具备:具有多个光感应区域的光电转换部、取得自光感应区域分别传输的电荷且传输并输出的电荷输出部、及放出自光感应区域分别传输的电荷的电荷放出部(例如,参照专利文献1)。在记载于专利文献1的固体摄像装置中,各光感应区域成大致矩形形状。电荷输出部配置于光感应区域的一边侧。电荷放出部配置于邻接于上述一边的光感应区域的另一边侧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平6-283704号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而,近年来,一直追求可检测微弱的光的固体摄像装置。为了能够检测微弱的光,有效的方法是增大光感应区域,增加对应于光入射的电荷的产生量(提高对于入射光的灵敏度),且较长地设定电荷的存储期间。电荷的存储一般在进行不需要的电荷的放出后开始。因此,为使可在一定的存储期间内较长地设定电荷的存储期间,有必要缩短电荷的放出所费的期间。
在专利文献1记载的固体摄像装置中,关于电荷的存储期间具有以下的问题点。若通过加长配置有电荷输出部的侧的边而增大光感应区域,则会导致放出电荷时在光感应区域内的电荷移送距离增长。因此,无法缩短电荷的放出所费的期间。若通过加长配置有电荷放出部的侧的边而增大光感应区域且配合光感应区域而增大电荷放出部,则可保持电荷放出时的光感应区域内的电荷移送距离较短。但,由于电荷放出部的电气应答变慢,因此直至开始电荷放出的期间较长,从而无法缩短电荷的放出所费的期间。基于这些状况,若增大光感应区域,则无法较长地设定电荷的存储期间。
因此,本发明的目的在于提供一种对于入射光的灵敏度较高且可较长地设定电荷的存储期间的固体摄像装置。
解决问题的技术手段
本发明的固体摄像装置,具备:光电转换部,其具有对应于光入射而产生电荷且平面形状成由两条长边与两条短边而形成的大致矩形形状,且并列设置于与长边交叉的第1方向上的多个光感应区域;电位梯度形成部,其相对于多个光感应区域而配置,且形成沿着自一个短边朝向另一短边的第2方向的电位梯度;第1电荷输出部,其配置于一个短边侧,且将自多个光感应区域分别传输的电荷在第1方向上传输并输出;第2电荷输出部,其配置于另一短边侧,且将自多个光感应区域分别传输的电荷在第1方向上传输并输出;第1电荷放出部,其配置于一个短边侧,且放出自多个光感应区域分别传输的电荷;第2电荷放出部,其配置于另一短边侧,且放出自多个光感应区域分别传输的电荷;且电位梯度形成部具有形成沿第2方向降低的电位梯度的第1电位梯度形成区域、与形成沿第2方向升高的电位梯度的第2电位梯度形成区域,第2电位梯度形成区域相对于第1电位梯度形成区域并列设置于第2方向。
在本发明的固体摄像装置中,光感应区域由于其平面形状成沿长边延伸的形状,因此具有比较广的面积。由此,可提高对于向光感应区域的入射光的灵敏度。
在本发明中,电位梯度形成部具有第1电位梯度形成区域及第2电位梯度形成区域。光感应区域之中对应于第1电位梯度形成区域的区域中产生的电荷,通过第1电位梯度形成区域所形成的电位梯度而移送至上述一个短边侧。移送至光感应区域的上述一个短边侧的电荷,作为无用电荷由第1电荷放出部而放出。光感应区域之中对应于第2电位梯度形成区域的区域中产生的电荷,通过第2电位梯度形成区域所形成的电位梯度而移送至上述另一短边侧。移送至光感应区域的上述另一短边侧的电荷,作为无用电荷由第2电荷放出部而放出。以如此的方式,由于产生于光感应区域的电荷向一个短边侧及另一短边侧分别移送,因此当产生于光感应区域的电荷作为无用电荷放出时,其放出所费时间较短。因此,可较长地设定电荷的存储期间。
第1电荷放出部及第2电荷放出部可对应于每个光感应区域而配置。该情形,来自各光感应区域的电荷的放出所费期间更短。
第1电荷放出部及第2电荷放出部可对应于在第1方向邻接的每两个光感应区域而配置。该情形,可削减第1电荷放出部及第2电荷放出部的数量,而可使各第1电荷放出部及第2电荷放出部较大地形成。因此,可容易形成第1电荷放出部及第2电荷放出部。
再者,第1电荷放出部与第2电荷放出部可沿第1方向交替配置。在各第1电荷放出部及第2电荷放出部中,有自对应的两个光感应区域的一侧传输的电荷的放出速度、与自另一侧传输的电荷的放出速度不同的情形。即使如此的情形,由于各光感应区域自上述一侧传输电荷至第1电荷放出部及第2电荷放出部的一方,自上述另一侧传输电荷至另一方,因此可减轻每个光感应区域的电荷放出期间的差异。
进而可具备对自第1电荷输出部输出的电荷加上自第2电荷输出部输出的电荷的相加部。该情形下,无需在固体摄像装置的外部的相加处理。
可进而具备配置于一个短边侧且存储自多个光感应区域分别传输的电荷的第1电荷存储部、与配置于另一短边侧且存储自多个光感应区域分别传输的电荷的第2电荷存储部,且第1电荷输出部在第1方向上传输并输出自第1电荷存储部传输的电荷,第1电荷放出部放出自第1电荷存储部传输的电荷,第2电荷输出部在第1方向上传输并输出自第2电荷存储部传输的电荷,第2电荷放出部放出自第2电荷存储部传输的电荷。该情形下,由于无需使第1电荷输出部、第2电荷输出部、第1电荷放出部、及第2电荷放出部邻接于光感应区域,因此各部的配置的自由度较高。
电位梯度形成部可具有与多个光感应区域相对配置的导电性构件、连接于导电性构件在第2方向上的两端部的一对电极、及在两端部之间连接于导电性构件的电极。该情形下,以导电性构件及电极之类的简单构成而形成电位梯度。
上述固体摄像装置可为背面入射型。
发明的效果
根据本发明,可提供一种对于入射光的灵敏度较高且可较长地设定电荷的存储期间的固体摄像装置。
附图说明
图1为显示本实施方式的固体摄像装置的结构的平面图。
图2为说明沿图1的II-II线的截面结构的图。
图3为说明沿图1的III-III线的截面结构的图。
图4为说明沿图1的IV-IV线的截面结构的图。
图5为在本实施方式的固体摄像装置输入的各信号的时序图。
图6为用以说明电荷的放出动作的电位图。
图7为用以说明电荷的读出动作的电位图。
图8为显示本实施方式的固体摄像装置的变形例的平面图。
图9为显示本实施方式的固体摄像装置的另一变形例的平面图。
符号说明
1    固体摄像装置
2    光电转换部
3    电位梯度形成部
3a   第1电位梯度形成区域
3b   第2电位梯度形成区域
4    第1电荷存储部
6    第1电荷放出部
7    第1移位寄存器
8    第2电荷存储部
10   第2电荷放出部
11   第2移位寄存器
12   相加部
13   光感应区域
14   导电性构件
15a、15b、16   电极
具体实施方式
以下,参照附加图式,详细说明本发明的优选实施方式。另,在说明中,对于同一要件或具有同一功能的要件,使用同一符号,省略重复的说明。
图1是显示本实施方式的固体摄像装置的结构的平面图。图2为说明沿图1的II-II线的截面结构的图。图3为说明沿图1的III-III线的截面结构的图。图4为说明沿图1的IV-IV线的截面结构的图。
本实施方式的固体摄像装置1具备光电转换部2、电位梯度形成部3、多个第1电荷存储部4、多个第1电荷传输部5、多个第1电荷放出部6、作为第1电荷输出部的第1移位寄存器7、多个第2电荷存储部8、多个第2电荷传输部9、多个第2电荷放出部10、作为第2电荷输出部的第2移位寄存器11、及相加部12。固体摄像装置1可作为例如光谱仪的光检测机构而使用。
光电转换部2具有对应于光入射而产生电荷的多个光感应区域13。各光感应区域13的平面形状成由两条长边与两条短边而组成的大致矩形形状。多个光感应区域13在与长边交叉的第1方向(此处为沿着短边的一维方向)上并列设置。在邻接的光感应区域13之间,分别配置有隔离区域(未图示),使光感应区域13之间电气分离。在本实施方式中,第1方向与长边正交。
电位梯度形成部3具有导电性构件14、一对电极15a、15b、及电极16。电位梯度形成部3形成沿着自各光感应区域13的一个短边朝向另一短边的第2方向的电位梯度。导电性构件14以与各光感应区域13相对的方式配置。电位电极15a、15b分别配置于导电性构件14在第2方向上的两端部。电极15a配置于上述一个短边侧的端部,电极15b配置于上述另一短边侧的端部。电极15a、15b分别配置于较导电性构件14在第2方向上的边缘更内侧。电极15a、15b也可分别配置于导电性构件14在第2方向上的边缘。电极16配置于电极15a、15b的大致中间位置。
各第1电荷存储部4在上述一个短边侧,配置于每个光感应区域13。各第1电荷存储部4与对应的光感应区域13在第2方向上邻接。即,多个第1电荷存储部4,在上述一个短边侧,在第1方向上并列设置。在邻接的第1电荷存储部4之间,分别配置有隔离区域(未图示),使第1电荷存储部4之间电气分离。各第1电荷存储部4,存储自对应的光感应区域13传输的电荷。各第1电荷存储部4,将电荷传输至各第1电荷传输部5。各第1电荷存储部4,将电荷传输至各第1电荷放出部6。
各第1电荷传输部5,配置于每个第1电荷存储部4中。各第1电荷传输部5,与对应的第1电荷存储部4在第2方向邻接。即,多个第1电荷传输部5,在上述一短边侧,在第1方向上并列设置。在邻接的第1电荷传输部5之间,分别配置有隔离区域(未图示),使第1电荷传输部5之间电气分离。各第1电荷传输部5,取得自对应的第1电荷存储部4传输的电荷,并向第1移位寄存器7传输。
各第1电荷放出部6,配置于每个第1电荷存储部4中。即,多个第1电荷放出部6,对应于各光感应区域13而配置。各第1电荷放出部6,与对应的第1电荷存储部4在第1方向邻接。各第1电荷放出部6,在上述一个短边侧,沿第1方向与第1电荷存储部4交替并列设置。各第1电荷放出部6,放出自对应的第1电荷存储部4传输的电荷。
第1移位寄存器7与各第1电荷传输部5在第2方向上邻接。即,第1移位寄存器7配置于上述一个短边侧。第1移位寄存器7分别取得自各第1电荷传输部5传输的电荷,在第1方向上传输而依序输出至相加部12。
各第2电荷存储部8在上述另一短边侧,配置于各光感应区域13。各第2电荷存储部8与对应的光感应区域13在第2方向上邻接。即,多个第2电荷存储部8,在上述另一短边侧,在第1方向上并列设置。在邻接的第2电荷存储部8之间,分别配置有隔离区域(未图示),使第2电荷存储部8之间电气分离。各第2电荷存储部8,存储自对应的光感应区域13传输的电荷。各第2电荷存储部8,将电荷传输至各第2电荷传输部9。各第2电荷存储部8,将电荷传输至各第2电荷放出部10。
各第2电荷传输部9,配置于各第2电荷存储部8。各第2电荷传输部9,与对应的第2电荷存储部8在第2方向上邻接。即,多个第2电荷传输部9,在上述另一短边侧,在第1方向上并列设置。在邻接的第2电荷传输部9之间,分别配置有隔离区域(未图示),使第2电荷传输部9之间电气分离。各第2电荷传输部9,取得自对应的第2电荷存储部8传输的电荷,并向第2移位寄存器11传输。
各第2电荷放出部10,配置于各第2电荷存储部8。即,多个第2电荷放出部10,对应于各光感应区域13而配置。各第2电荷放出部10,与对应的第2电荷存储部8在第1方向上邻接。各第2电荷放出部10,在上述另一短边侧,沿第1方向与第2电荷存储部8交替并列设置。各第2电荷放出部10,放出自对应的第2电荷存储部8传输的电荷。
第2移位寄存器11与各第2电荷传输部9在第2方向上邻接。即,第2移位寄存器11配置于上述另一短边侧。第2移位寄存器11分别取得自各第2电荷传输部9传输的电荷,在第1方向上传输而依序输出至相加部12。
相加部12对自第1移位寄存器7输出的电荷加上自第2移位寄存器11输出的电荷而输出。自相加部12输出的电荷,由放大部17转换成电压,而输出至固体摄像装置1的外部。
光电转换部2、电位梯度形成部3、多个第1电荷存储部4、多个第1电荷传输部5、多个第1电荷放出部6、第1移位寄存器7、多个第2电荷存储部8、多个第2电荷传输部9、多个第2电荷放出部10、及第2移位寄存器11,如图2~4所示,形成于半导体基板20上。半导体基板20含有:成为基体的p型半导体层21;形成于p型半导体层21的一面侧的多个n型半导体层22、23、25、27、29、31、33;多个n-型半导体层24、26、30、32;及p+型半导体层28、34。如图3所示,半导体基板20含有形成于p型半导体层21的一面侧的p+型半导体层35。如图4所示,半导体基板20含有形成于p型半导体层21的一面侧的n-型半导体层36、38及n+半导体层37、39。
在本实施方式中,作为基板材料使用Si。「高杂质浓度」是指杂质浓度为例如1×1017cm-3左右以上。通过在导电型附上「+」,显示其为「高杂质浓度」。「低杂质浓度」是指杂质浓度为例如1×1015cm-3左右以下。通过在导电型附上「-」,显示其为「低杂质浓度」。作为n型杂质有砷或磷等,作为p型杂质有硼等。
如图2所示,各n型半导体层22与p型半导体层21形成pn接合,由各n型半导体层22而构成有各光感应区域13。固体摄像装置1为背面入射型的固体摄像装置,光自p型半导体层21侧入射。各n型半导体层22的平面形状,成由两条长边与两条短边所组成的大致矩形形状,该平面形状与各光感应区域13的平面形状对应。多个n型半导体层22在第1方向上并列设置。在邻接的n型半导体层22之间,分别配置有p+型半导体层35,由该p+型半导体层35而构成有光感应区域13之间的隔离区域(参照图3)。
在各n型半导体层22上配置有导电性构件14。导电性构件14隔着绝缘层(未图示)而形成于各n型半导体层22上。电极15a、15b分别连接于导电性构件14的在第2方向的两端部。电极16在电极15a、15b的大致中间位置连接于导电性构件14。导电性构件14、及电极15a、15b、16,以在第1方向上延伸而跨各n型半导体层22的方式形成(参照图1)。在本实施方式中,作为导电性构件14的材料,可使用多晶硅等,作为电极15a、15b、16的材料,可使用铝等。
导电性构件14构成所谓电阻性栅极。对电极15a、15b,自控制电路(未图示)赋予信号MGH,对电极16,自控制电路(未图示)赋予信号MGL。若信号MGL与信号MGH为L电平,则不会于导电性构件14形成电位梯度。信号MGL在H电平的施加电压与信号MGH在H电平的施加电压不同。信号MGH在H电平的施加电压高于信号MGL在H电平的施加电压。因此,若信号MGL与信号MGH为H电平,则于导电性构件14形成自电极15a向电极16(沿第2方向)降低的电位梯度,且于导电性构件14形成自电极16向电极15b(沿第2方向)升高的电位梯度。因此,电位梯度形成部3如图2所示,具有形成沿第2方向降低的电位梯度的第1电位梯度形成区域3a、与形成沿第2方向升高的电位梯度的第2电位梯度形成区域3b。第2电位梯度形成区域3b相对于第1电位梯度形成区域3a而并列设置于第2方向上。
各n型半导体层23,在上述一短边侧,配置于各n型半导体层22。各n型半导体层23与对应的n型半导体层22在第2方向上邻接。即,多个n型半导体层23,在上述一短边侧,在第1方向上并列设置。由各n型半导体层23而构成各第1电荷存储部4。各n型半导体层23的平面形状,成由沿着第2方向的二边与交叉于第2方向的二边所组成的大致矩形形状。各n型半导体层23的交叉于第2方向的一边相接于对应的n型半导体层22的上述一短边。第1电荷存储部4,对应于n型半导体层23的平面形状,具有由沿着第2方向的二边与交叉于第2方向的二边所组成的大致矩形形状的第1电荷存储区域A1。在邻接的n型半导体层23之间,与n型半导体层22的情形同样分别配置有p+型半导体层35,而构成有第1电荷存储部4之间的隔离区域。
在各n型半导体层23上配置有电极41。电极41隔着绝缘层(未图示)而形成于各n型半导体层23上。电极41以在第1方向延伸而遍及各n型半导体层23的方式形成。电极41也可形成于各n型半导体层23。对电极41,自控制电路(未图示)赋予信号BG,而驱动第1电荷存储部4。
各n-型半导体层24配置于各n型半导体层23。各n-型半导体层24与对应的n型半导体层23在第2方向上邻接。即,多个n-型半导体层24在上述一短边侧,并列设置于第1方向上。各n型半导体层25配置于各n-型半导体层24。各n型半导体层25与对应的n-型半导体层24在第2方向上邻接。即,多个n型半导体层25在上述一短边侧,并列设置于第1方向。由各n-型半导体层24及各n型半导体层25构成有各第1电荷传输部5。各n-型半导体层24以相接于对应的n型半导体层23的边之中的与第2方向交叉的一边的方式而配置。各第1电荷传输部5配置于对应的第1电荷存储区域A1的边之中的与第2方向交叉的一边侧。在相邻的n-型半导体层24之间及相邻的n型半导体层25之间,与n型半导体层22的情形同样分别配置有p+型半导体层35,而构成第1电荷传输部5之间的隔离区域。
在各n-型半导体层24及各n型半导体层25上配置有电极42。电极42隔着绝缘层(未图示)而形成于各n-型半导体层24及各n型半导体层25上。电极42以在第1方向延伸且遍及各n-型半导体层24及各n型半导体层25的方式而形成。电极42可形成于各n-型半导体层24、及各n型半导体层25。对电极42赋予信号TG而驱动第1电荷传输部5。
各n-型半导体层26配置于各n型半导体层25。各n-型半导体层26与对应的n型半导体层25在第2方向上邻接。即,多个n-型半导体层26在上述一个短边侧,并列设置于第1方向。各n型半导体层27配置于各n-型半导体层26。各n型半导体层27与对应的n-型半导体层26在第2方向邻接。即,多个n型半导体层27在上述一短边侧,并列设置于第1方向。相邻的n-型半导体层26及相邻的n型半导体层27互相连接。由多个n-型半导体层26及多个n型半导体层27而构成第1移位寄存器7。
在各n-型半导体层26及各n型半导体层27上配置有电极43。电极43隔着绝缘层(未图示)而形成于各n-型半导体层26及各n型半导体层27上。电极43形成于每对的n-型半导体层26及n型半导体层27。对电极43,赋予信号PG而驱动第1移位寄存器7。
各n型半导体层29,在上述另一个短边侧,配置于各n型半导体层22。各n型半导体层29与对应的n型半导体层22在第2方向邻接。即,多个n型半导体层29,在上述另一短边侧,在第1方向上并列设置。由各n型半导体层29构成各第2电荷存储部8。各n型半导体层29的平面形状,成由沿着第2方向的二边与交叉于第2方向的二边所组成的大致矩形形状。各n型半导体层29的交叉于第2方向的一边相接于对应的n型半导体层22的上述另一短边。第2电荷存储部8,对应于n型半导体层29的平面形状,具有由沿着第2方向的二边与交叉于第2方向的二边所组成的大致矩形形状的第2电荷存储区域A2。在邻接的n型半导体层29之间,与n型半导体层22的情形同样分别配置有p+型半导体层35,而构成有第2电荷存储部8之间的隔离区域。
在各n型半导体层29上配置有电极44。电极44隔着绝缘层(未图示)而形成于各n型半导体层29上。电极44以在第1方向上延伸而遍及各n型半导体层29的方式形成。电极44可形成于各n型半导体层29。对电极44,自控制电路(未图示)赋予信号BG,而驱动第2电荷存储部8。
各n-型半导体层30配置于各n型半导体层29。各n-型半导体层30与对应的n型半导体层29在第2方向上邻接。即,多个n-型半导体层30,在上述另一短边侧,在第1方向上并列设置。各n型半导体层31配置于各n-型半导体层30。各n型半导体层31与对应的n-型半导体层30在第2方向上邻接。即,多个n型半导体层31,在上述另一短边侧,在第1方向并列设置。由各n-型半导体层30及各n型半导体层31构成各第2电荷传输部9。各n-型半导体层30,以相接于对应的n型半导体层29的边之中的与第2方向交叉的一边的方式而配置。各第2电荷传输部9,配置于对应的第2电荷存储区域A2的边之中的与第2方向交叉的一边侧。在邻接的n-型半导体层30之间及邻接的n型半导体层31之间,与n型半导体层22的情形同样分别配置有p+型半导体层35,而构成有第2电荷传输部9之间的隔离区域。
在各n-型半导体层30及各n型半导体层31上配置有电极45。电极45隔着绝缘层(未图示)而形成于各n-型半导体层30及各n型半导体层31上。电极45以于第1方向延伸而遍及各n-型半导体层30及各n型半导体层31的方式而形成。电极45可形成于各n-型半导体层30、及各n型半导体层31。对电极45,赋予信号TG而驱动第2电荷传输部9。
各n-型半导体层32配置于各n型半导体层31。各n-型半导体层32与对应的n型半导体层31在第2方向上邻接。即,多个n-型半导体层32,在上述另一短边侧,在第1方向上并列设置。各n型半导体层33配置于各n-型半导体层32。各n型半导体层33与n-型半导体层32在第2方向上邻接。即,多个n型半导体层33,在上述另一短边侧,在第1方向上并列设置。邻接的n-型半导体层32及邻接的n型半导体层33互相连接。由多个n-型半导体层32及多个n型半导体层33而构成第2移位寄存器11。
在各n-型半导体层32及各n型半导体层33上配置有电极46。电极46隔着绝缘层(未图示)而形成于各n-型半导体层32及各n型半导体层33上。电极46形成于每对的n-型半导体层32及n型半导体层33。对电极46赋予信号PG而驱动第2移位寄存器11。
p+型半导体层28与n型半导体层27在第2方向上邻接。p+型半导体层34与n型半导体层33在第2方向上邻接。p+型半导体层28、34,使多个n型半导体层22、23、25、27、29、31、33及多个n-型半导体层24、26、30、32自半导体基板20的其它部分电气分离。
如图4所示,各n-型半导体层36配置于各n型半导体层23。各n-型半导体层36与对应的n型半导体层23在第1方向上邻接。各n+型半导体层37配置于各n-型半导体层36。各n+型半导体层37与对应的n-型半导体层36在第1方向上邻接。即,多个n-型半导体层36及n+型半导体层37,与多个n型半导体层23交替并列设置于第1方向上。由各n-型半导体层36及各n+型半导体层37构成各第1电荷放出部6。各n-型半导体层36,以相接于对应的n型半导体层23的边之中的沿着第2方向的一边的方式而配置。各第1电荷放出部6,配置于对应的第1电荷存储区域A1的之中的沿着第2方向的一边侧。
在各n-型半导体层36上配置有电极47。电极47隔着绝缘层(未图示)而形成于各n-型半导体层36上。电极47形成于各n-型半导体层36。各n+型半导体层37连接于控制电路(未图示),传输至各n+型半导体层37的电荷放出至控制电路。对电极46赋予信号RG而驱动第1电荷放出部6。
各n-型半导体层38配置于各n型半导体层29。各n-型半导体层38与对应的n型半导体层29在第1方向上邻接。各n+型半导体层39配置于各n-型半导体层38。各n+型半导体层39与对应的n-型半导体层38在第1方向邻接。即,多个n-型半导体层38及n+型半导体层39,与多个n型半导体层23交替并列设置于第1方向上。由各n-型半导体层38及各n+型半导体层39构成各第2电荷放出部10。各n-型半导体层38,以相接于对应的n型半导体层29的边之中的沿着第2方向的一边的方式而配置。各第2电荷放出部10,配置于对应的第2电荷存储区域A2的边之中的沿着第2方向的一边侧。
在各n-型半导体层38上配置有电极48。电极48隔着绝缘层(未图示)而形成于各n-型半导体层38上。电极48形成于各n-型半导体层38。各n+型半导体层39连接于控制电路(未图示),传输至各n+型半导体层39的电荷放出至控制电路。对电极48,赋予信号RG而驱动第2电荷放出部10。
上述的各绝缘层包含例如氧化硅膜。p型半导体层21之中,与n型半导体层22形成pn结的部分以外,可通过配置遮光构件等而予以遮光。该情形可防止产生无用的电荷。多个n型半导体层22、23、25、27、29、31、33及多个n-型半导体层24、26、30、32,可通过配置遮光构件等而予以遮光。该情形可进一步防止产生无用的电荷。
接着,基于图5~7,说明固体摄像装置1的动作。图5为于在本实施方式的固体摄像装置输入的各信号的时序图。图6为用以说明电荷的放出动作的电位图。图7为用以说明电荷的读出动作的电位图。
另,在n型的半导体中存在正离子化的施主,在p型的半导体中存在负离子化的受主。pn结的电位,n型高于p型。换言之,能带图的电位,由于下方向为正方向,因此n型的半导体的电位,在能带图中深(高)于p型的半导体的电位。若对各电极15a、15b、16、41~48施加正电位,则电极正下方的半导体区域的电位变深(正方向上增大)。若减小施加于各电极的正电位的大小,则对应的电极正下方的半导体的电位变浅(正方向上缩小)。
图5所示的时刻t3被设为光检测的对象的期间的开始时刻,时刻t5被设为光检测的对象的期间的结束时刻。在光检测中,首先,在设为光检测的对象的期间的到开始时刻为止产生的电荷作为无用电荷放出。接着,在设为光检测的对象的期间的到结束时刻为止产生的电荷作为信号电荷而存储。其后,读出经存储的信号电荷。信号电荷的读出由电荷传输部5、9而进行,在本实施方式中,信号电荷的存储与读出同时进行。在本实施方式中,自时刻t2至时刻t3之间,设定成放出无用电荷的电荷放出期间Ta,自时刻t3至时刻t4之间,设定成存储信号电荷的电荷存储期间Tb,自时刻t4至时刻t5之间,设定成同时进行信号电荷的存储与读出的电荷读出期间Tc,时刻t5以后的特定期间,设定成向外部的电荷读出期间Td。电荷放出期间Ta,设定成可使到时刻t3为止存储的电荷全部放出的长度。
在较时刻t2更前的时刻t1,若各信号MGL、MGH、TG、PG为L电平,信号BG为H电平,则n型半导体层22的电位φ22深于n-型半导体层24、30的电位φ24、φ30及n-型半导体层36、38的电位φ36、φ38(参照图6(a))。n型半导体层23、29的电位φ23、φ29更深于电位φ22(参照图7(a))。由此,形成电位φ22、φ23、φ29的井。光入射于光感应区域13而产生的电荷,存储于电位φ22、φ23、φ29的井内。即,在光感应区域13产生的电荷存储于光感应区域13、第1电荷存储部4、及第2电荷存储部8。
在时刻t2,若各信号MGL、MGH自L电平变成H电平,则会形成沿着第2方向的电位梯度。对应该电位梯度,在电位φ22形成有向电位φ23加深的电位梯度φ22a、与向电位φ29加深的电位梯度φ22b(参照图6(b))。存储于电位φ22的井的电荷,由电位梯度φ22a移动至电位φ23的井,由电位梯度φ22b移动至电位φ29的井。即,存储于光感应区域13的电荷自光感应区域13传输,而存储于第1电荷存储部4及第2电荷存储部8。
同样在时刻t2,若信号RG自L电平变成H电平,则n-型半导体层36、38的电位φ36、φ38深于电位φ23、φ29。n+型半导体层37、39的电位φ37、φ39更深于电位φ36、φ38,而形成电位φ37、φ39的井。存储于电位φ23的井内的电荷移动至电位φ37的井。存储于电位φ29的井内的电荷移动至电位φ39的井。移动至电位φ37、φ39的井的电荷放出至控制电路(未图示)。即,自第1电荷存储部4传输的电荷作为无用电荷,由第1电荷放出部6而放出,自第2电荷存储部8传输的电荷作为无用电荷,由第2电荷放出部10而放出(参照图6(b))。信号MGH、RG自L电平变成H电平的时刻可设定成较时刻t2更前。
在时刻t3,若各信号MGL、MGH自H电平变成L电平,信号RG自H电平变成L电平,则电位φ22、φ36、φ38返回至时刻t1的深度,成为可在电位φ22、φ23、φ29的井内存储电荷的状态(参照图6(c))。在电荷存储期间Tb在光感应区域13产生的电荷,存储于电位φ22、φ23、φ29的井内。即,在电荷存储期间Tb在光感应区域13产生的电荷,存储于光感应区域13、第1电荷存储部4、及第2电荷存储部8(参照图7(a))。
在时刻t4,若各信号MGL、MGH自L电平变成H电平,则会形成与时刻t2相同的电位梯度φ22a、φ22b(参照图7(b))。在电荷存储期间Tb存储于电位φ22的井的电荷,由电位梯度φ22a而移动至电位φ23的井,由电位梯度φ22b而移动至电位φ29的井。即,在电荷存储期间Tb存储于光感应区域13的电荷自光感应区域13传输,而存储于第1电荷存储部4及第2电荷存储部8。
同样在时刻t4,若信号TG自L电平变成H电平,则n-型半导体层24、30的电位φ24、φ30深于电位φ23、φ29。n型半导体层25、31的电位φ25、φ31更深于电位φ24、φ30。由此,形成电位φ24、φ25的井及电位φ30、φ31的井。存储于电位φ23的井内的电荷移动至电位φ25的井。存储于电位φ29的井内的电荷移动至电位φ31的井。即,自第1电荷存储部4传输的电荷作为信号电荷而由第1电荷传输部5取得,自第2电荷存储部8传输的电荷作为信号电荷而由第2电荷传输部9取得(参照图7(b))。各信号MGL、MGH、TG自L电平变成H电平的时刻可设定成较时刻t4更后。
在时刻t5,若各信号MGL、MGH、TG自H电平变成L电平,PG自L电平变成H电平,则n-型半导体层26、32的电位φ26、φ32深于电位φ25、φ31。n型半导体层27、33的电位φ27、φ33更深于电位φ26、φ32。由此,形成电位φ26、φ27的井及φ32、φ33的井。存储于电位φ25的井内的电荷移动至电位φ27的井。存储于电位φ31的井内的电荷移动至电位φ33的井。即,自第1电荷传输部5传输的电荷由第1移位寄存器7取得,自第2电荷传输部9传输的电荷由第2移位寄存器11取得(参照图7(c))。
其后,在第1移位寄存器7及第2移位寄存器11取得的电荷,在第1方向传输,依序输出至相加部12。在相加部12,对自第1移位寄存器7输出的电荷加上自第2移位寄存器11输出的电荷,输出至放大部17。在图5的图示中虽然省略,第1移位寄存器7及第2移位寄存器11的第1方向上的电荷传输,利用信号PG等而进行。
以如上的方式,在本实施方式中,光感应区域13,由于其平面形状成沿长边延伸的形状,因此具有比较广的面积。由此,可提高固体摄像装置1对于入射光的灵敏度。
在电荷放出期间Ta,第1电位梯度形成区域3a(电位梯度形成部3)形成自电极15a向电极16(沿第2方向)降低的电位梯度,且第2电位梯度形成区域3b(电位梯度形成部3)形成自电极16向电极15b(沿第2方向)升高的电位梯度。光感应区域13中的对应于第1电位梯度形成区域3a的区域所产生的电荷,由自电极15a向电极16降低的电位梯度而移送至上述一个短边侧。移送至光感应区域13的上述一个短边侧的电荷,作为无用电荷由第1电荷放出部6而放出。光感应区域13中的对应于第2电位梯度形成区域3b的区域所产生的电荷,由自电极16向电极15b升高的电位梯度而移送至上述另一短边侧。移送至光感应区域13的上述另一短边侧的电荷,也作为无用电荷由第2电荷放出部10而放出。这样,由于产生于光感应区域13的电荷分别向一个短边侧及另一短边侧移送,因此当产生于光感应区域13的电荷作为无用电荷放出时,其放出所费期间较短。因此,可较短地设定电荷放出期间Ta而较长地设定电荷存储期间Tb。
在电荷读出期间Tc,第1电位梯度形成区域3a形成自电极15a向电极16(沿第2方向)降低的电位梯度,且第2电位梯度形成区域3b形成自电极16向电极15b(沿第2方向)升高的电位梯度。光感应区域13中的对应于第1电位梯度形成区域3a的区域所产生的电荷,由自电极15a向电极16降低的电位梯度而移送至上述一个短边侧,其后由第1移位寄存器7而被传输于第1方向上。光感应区域13中的对应于第2电位梯度形成区域3b的区域所产生的电荷,由自电极16向电极15b升高的电位梯度而移送至上述另一短边侧,其后,由第2移位寄存器11而被传输于第1方向上。由于产生于光感应区域13的电荷分别向一个短边侧及另一短边侧移送,因此当产生于光感应区域13的电荷作为信号电荷被读出时,其读出所费期间较短。因此,可较短地设定电荷读出期间Tc。
在向外部的电荷读出期间Td,进行由上述的第1移位寄存器7及第2移位寄存器11的向第1方向的电荷的传输。
第1电荷放出部6及第2电荷放出部10,对应于各光感应区域13而配置。由此,来自各光感应区域13的电荷的放出所费期间更短。
固体摄像装置1具备对自第1移位寄存器7输出的电荷加上自第2移位寄存器11输出的电荷的相加部12。由此,无需在固体摄像装置1的外部的相加处理。
固体摄像装置1具备第1电荷存储部4及第2电荷存储部8。第1移位寄存器7在第1方向上传输并输出自第1电荷存储部4传输的电荷,第1电荷放出部6放出自第1电荷存储部4传输的电荷。第2移位寄存器11在第1方向上传输并输出自第2电荷存储部8传输的电荷,第2电荷放出部10放出自第2电荷存储部8传输的电荷。因此,在固体摄像装置1中,无需使第1移位寄存器7、第1电荷放出部6、第2移位寄存器11、及第2电荷放出部10邻接于光感应区域13,从而各部的配置的自由度较高。
第1移位寄存器7、第1电荷传输部5、及第1电荷存储部4在第2方向上并列设置。第1电荷放出部6与第1电荷存储部4在第1方向上并列设置。自第1电荷存储部4向第1移位寄存器7的电荷传输(电荷读出)的方向、与自第1电荷存储部4向第1电荷放出部6的电荷传输(电荷放出)的方向互相交叉。因此,电荷放出时自第1电荷存储部4传输的电荷的通路形成于电荷读出时没有自第1电荷存储部4传输的电荷的通路的方向。由此,较大地形成电荷放出时自第1电荷存储部4传输的电荷的通路,使电荷的放出所费期间更短。由于第1移位寄存器7与第1电荷存储部4在第2方向上并列设置,因此,第1电荷存储部4不会妨碍由第1移位寄存器7的向第1方向的电荷传输。
第2电荷存储部8、第2电荷传输部9、及第2移位寄存器11在第2方向并列设置。第2电荷放出部10与第2电荷存储部8在第1方向上并列设置。因此,自第2电荷存储部8向第2移位寄存器11的电荷传输(电荷读出)的方向、与自第2电荷存储部8向第2电荷放出部10的电荷传输(电荷放出)的方向互相交叉。因此,电荷放出时自第2电荷存储部8传输的电荷的通路形成于电荷读出时没有自第2电荷存储部8传输的电荷的通路的方向。由此,较大地形成电荷放出时自第2电荷存储部8传输的电荷的通路,使电荷的放出所费期间更短。由于第2移位寄存器11与第2电荷存储部8在第2方向上并列设置,因此,第2电荷存储部8不会妨碍由第2移位寄存器11的向第1方向的电荷传输。
在第1电荷存储部4构成有第1电荷存储区域A1。第1电荷存储区域A1具有由沿着第2方向的二边与交叉于第2方向的二边所组成的大致矩形形状的平面形状。第1电荷传输部5及第1移位寄存器7配置于第1电荷存储区域A1的边之中的与第2方向交叉的一边侧。第1电荷放出部6配置于第1电荷存储区域A1的边之中的沿着第2方向的一边侧。因此,电荷放出时自第1电荷存储部4传输的电荷的通路形成于电荷读出时没有自第1电荷存储部4传输的电荷的通路的方向。由此,较大地形成电荷放出时自第1电荷存储部4传输的电荷的通路,使电荷的放出所费期间更短。
在第2电荷存储部8构成有第2电荷存储区域A2。第2电荷存储区域A2具有由沿着第2方向的二边与交叉于第2方向的二边所组成的大致矩形形状的平面形状。第2电荷传输部9及第2移位寄存器11配置于第2电荷存储区域A2的边之中的与第2方向交叉的一边侧。第2电荷放出部10配置于第2电荷存储区域A2的边之中的沿着第2方向的一边侧。因此,电荷放出时自第2电荷存储部8传输的电荷的通路形成于电荷读出时没有自第2电荷存储部8传输的电荷的通路的方向。由此,较大地形成电荷放出时自第2电荷存储部8传输的电荷的通路,使电荷的放出所费期间更短。
电位梯度形成部3具有导电性构件14、及电极15a、15b、16,故以导电性构件及电极之类的简单结构而形成电位梯度。
固体摄像装置1为背面入射型,向光感应区域13的光的入射方向设为p型半导体层21侧。导电性构件14及电极15a、15b、16未形成于p型半导体层21上。因此,导电性构件14及电极15a、15b、16不会成为入射光的障碍。
以上,虽已说明本发明的优选实施方式,但本发明并非限定于上述的实施方式,在不脱离其要旨的范围内可进行各种的变更。
在本实施方式中,第1电荷放出部6及第2电荷放出部10虽对应于各光感应区域13而配置,但并非限定于此。例如,如图8所示,第1电荷放出部6及第2电荷放出部10可与在第1方向邻接的每两个光感应区域13对应而配置。
图8所示的多个第1电荷放出部6对应于邻接的每两个第1电荷存储部4而配置。各第1电荷放出部6与对应的两个第1电荷存储部4邻接配置。各第1电荷放出部6放出自对应的两个第1电荷存储部4传输的电荷。多个第2电荷放出部10对应于邻接的每两个第2电荷存储部8而配置。各第2电荷放出部10与对应的两个第2电荷存储部8邻接配置。各第2电荷放出部10放出自对应的两个第2电荷存储部8传输的电荷。
在图8所示的固体摄像装置1中,相较于图1所示的固体摄像装置1,可削减第1电荷放出部6及第2电荷放出部10的数量,而可较大地形成各第1电荷放出部6及第2电荷放出部10。因此,可容易形成第1电荷放出部6及第2电荷放出部10。
再者,如图9所示,第1电荷放出部6与第2电荷放出部10可沿第1方向交替配置。
在图8及图9所示的各第1电荷放出部6及第2电荷放出部10中,有自对应的两个光感应区域13的一侧传输的电荷的放出速度、与自另一侧传输的电荷的放出速度不同的情形。即使如此的情形下,图9所示的各光感应区域13,在第1电荷放出部6及第2电荷放出部10的一方,自上述一侧传输电荷,在另一方,自上述另一侧传输电荷。因此,在图9所示的固体摄像装置1中,相较于图8所示的固体摄像装置1,可减轻各光感应区域13的电荷放出期间的差异。
导电性构件14及电极15a、15b、16虽以在第1方向延伸,且遍及各光感应区域7的方式而形成,但可分割成多个而形成。
光感应区域13虽并列设置于沿短边的1维方向,但也可并列设置于沿长边的方向从而配置于沿短边方向与长边方向的2维方向。
固体摄像装置1虽设为光自p型半导体层21侧入射的背面入射型,但并非限定于此。固体摄像装置1可设为光自n型半导体层22侧入射的表面入射型。
产业上的可利用性
本发明可利用于光谱仪的光检测机构。

Claims (8)

1.一种固体摄像装置,其特征在于,
具备:
光电转换部,其具有对应于光入射而产生电荷且平面形状成由两条长边与两条短边形成的大致矩形形状,且并列设置于与所述长边交叉的第1方向上的多个光感应区域;
电位梯度形成部,其与所述多个光感应区域相对配置,且形成沿自一个所述短边朝向另一所述短边的第2方向的电位梯度;
第1电荷输出部,其配置于所述一个短边侧,且将自所述多个光感应区域分别传输的电荷在所述第1方向上传输并输出;
第2电荷输出部,其配置于所述另一短边侧,且将自所述多个光感应区域分别传输的电荷在所述第1方向上传输并输出;
第1电荷放出部,其配置于所述一个短边侧,且放出自所述多个光感应区域分别传输的电荷;
第2电荷放出部,其配置于所述另一短边侧,且放出自所述多个光感应区域分别传输的电荷;且
所述电位梯度形成部具有形成沿所述第2方向降低的电位梯度的第1电位梯度形成区域、与形成沿所述第2方向升高的电位梯度的第2电位梯度形成区域,所述第2电位梯度形成区域相对于所述第1电位梯度形成区域并列设置于所述第2方向上。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置,其特征在于,
所述第1电荷放出部及所述第2电荷放出部对应于每个所述光感应区域而配置。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置,其特征在于,
所述第1电荷放出部及所述第2电荷放出部对应于在所述第1方向上邻接的每两个所述光感应区域而配置。
4.如权利要求3所述的固体摄像装置,其特征在于,
所述第1电荷放出部与所述第2电荷放出部沿所述第1方向交替配置。
5.如权利要求1至4中任一项所述的固体摄像装置,其特征在于,
进一步具备对自所述第1电荷输出部输出的电荷加上自所述第2电荷输出部输出的电荷的相加部。
6.如权利要求1至5中任一项所述的固体摄像装置,其特征在于,
进一步具备:
配置于所述一个短边侧且存储自所述多个光感应区域分别传输的电荷的第1电荷存储部;及
配置于所述另一短边侧且存储自所述多个光感应区域分别传输的电荷的第2电荷存储部;且
所述第1电荷输出部在所述第1方向上传输并输出自所述第1电荷存储部传输的电荷,所述第1电荷放出部放出自所述第1电荷存储部传输的电荷;
所述第2电荷输出部在所述第1方向上传输并输出自所述第2电荷存储部传输的电荷,所述第2电荷放出部放出自所述第2电荷存储部传输的电荷。
7.如权利要求1至6中任一项所述的固体摄像装置,其特征在于,
所述电位梯度形成部具有与所述多个光感应区域相对配置的导电性构件、连接于所述导电性构件的在所述第2方向上的两端部的一对电极、及在所述两端部之间连接于所述导电性构件的电极。
8.如权利要求1至7中任一项所述的固体摄像装置,其特征在于,
所述固体摄像装置为背面入射型。
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