JP2013084851A

JP2013084851A - 光電変換回路

Info

Publication number: JP2013084851A
Application number: JP2011225031A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Yoneda; 正明米田; Naoyuki Tokita; 直幸時田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-05-09

Abstract

【課題】ＢＰＤに濃度勾配を設ける特別なウェハプロセスを用いることなく、感度が高く規定の時間内にＢＰＤ内の信号電荷がＦＤに転送される光電変換回路を得る。
【解決手段】受光領域への入射光により電荷が生成され蓄積される複数のＢＰＤと、一方の端子に少なくとも２つの前記ＢＰＤが接続され、オン状態／オフ状態に切り替える制御信号が入力される制御端子が共通接続された少なくとも１つのＴＧと、各々の前記ＴＧの他方の端子が接続され、各々の前記ＴＧが同時にオン状態に切り替わることにより、各々の前記ＢＰＤの前記電荷が同時に転送され集約するＦＤとを備え、前記ＦＤから各々の前記ＢＰＤの前記受光領域の最遠部の間の最大距離が、規定の時間内で各々の前記ＢＰＤの前記電荷の全てが各々の前記ＢＰＤから前記ＦＤに転送される距離である。
【選択図】図２

Description

この発明は、イメージセンサなどの画像読取装置に使用される光電変換回路に関するものである。

近年、光電変換回路としては、埋め込み型フォトダイオード（以後ＢＰＤと略す）、転送用トランジスタ及びフローティングディフィージョン（以後ＦＤと略す）を用いた構成が用いられている。
ＦＤを用いた構成では、ＦＤに転送される電荷とＦＤの容量および転送用トランジスタのゲート容量により、感度である電圧変化量が決定される。このため、転送用トランジスタのゲート容量がほぼ固定と考えれば一般的にはＦＤの容量は小さいほど感度が良い画素となる。

一方、電荷に関しては、複写機などに利用されるリニアイメージセンサではフォトダイオードＰＤはカメラ等に用いられるエリアセンサに比べ寸法を大きくすることができ、光電変換による電荷量はＦＤの面積に比例するため、電荷量もより多く得ることができる。
しかしながら、ＢＰＤに蓄積される電荷量が多すぎるとＦＤの最大電荷許容量を超えてしまい線形性が崩れてしまう。また、ＦＤに蓄積できなかった電荷は次の読み取り時の残像の原因にもなる。
この対策として、例えば、特許第４２５８８７５のように、ＢＰＤに濃度勾配をつけることで、電界を利用し、信号電荷を転送しやすい構造にする方法がある。

特許第４２５８８７５号公報

しかしながら、ＢＰＤに濃度勾配をつけるためには、複数枚のマスクおよび複数回の製造工程が必要となるウェハプロセスとなるため、ウェハプロセスが複雑となる課題がある。

この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ＢＰＤに濃度勾配を設ける特別なウェハプロセスを用いることなく、感度が高く規定の時間内にＢＰＤ内の信号電荷がＦＤに転送される光電変換回路を得るものである。

この発明による光電変換回路は、受光領域への入射光により電荷が生成され蓄積される複数のフォトダイオードと、一方の端子に少なくとも２つの前記フォトダイオードが接続され、オン状態／オフ状態に切り替える制御信号が入力される制御端子が共通接続された少なくとも１つの転送ゲートと、各々の前記転送ゲートの他方の端子が接続され、各々の前記転送ゲートが同時にオン状態に切り替わることにより、各々の前記フォトダイオードの前記電荷が同時に転送され集約し、各々の前記転送ゲートが同時にオフ状態に切り替わることにより、各々の前記フォトダイオードと遮断されるフローティングディフィージョンとを備え、前記フローティングディフィージョンから各々の前記フォトダイオードの前記受光領域の最遠部の間の最大距離が、規定の時間内で各々の前記フォトダイオードの前記電荷の全てが各々の前記フォトダイオードから前記フローティングディフィージョンに転送される距離であるものである。

この発明によれば、感度が高く規定の時間内にＢＰＤ内の信号電荷がＦＤに転送される光電変換回路が得られる。

この発明の実施の形態１における固体撮像回路の回路構成例である。この発明の実施形態１における光電変換回路の構造を示す上面図である。図２において、Ａ−Ｂ間の断面図及びポテンシャル図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における固体撮像回路の回路構成例である。画素回路１００は、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１に蓄積された電荷を転送する制御信号によりオン／オフする転送ゲート（ＴＧ）２および埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１に転送された電荷を蓄積するフローティングディフィージョン（ＦＤ）３で構成される光電変換回路３１と、フローティングディフィージョン（ＦＤ）３の電圧を所定の電圧にリセットするためのリセットトランジスタ（ＭＲＳＴ）４、フローティングディフィージョン（ＦＤ）３の電圧を伝達するためのソースフォロワ用トランジスタ（Ｍ１）５と定電流源（ＳＦ＿ＢＩＡＳ）６、フローティングディフィージョン（ＦＤ）３から伝達された信号電圧を蓄積する信号電圧用サンプルホールド回路（ＳＩＧＳＨ）７、信号電圧用サンプルホールド回路（ＳＩＧＳＨ）７の電圧を後段へ伝えるための信号伝達アンプ（ＳＩＧＡＭＰ）８、フローティングディフィージョン（ＦＤ）３から伝達されたリセット信号を蓄積するリセット電圧用サンプルホールド回路（ＲＳＴＳＨ）９、リセット電圧用サンプルホールド回路（ＲＳＴＳＨ）９の電圧を後段へ伝えるためのリセット信号伝達アンプ（ＲＳＴＡＭＰ）１０により構成されている。この画素回路１００は必要な読み取り画素数に対応して複数配置される。

固体撮像回路２００は、各画素回路１００から出力される信号伝達アンプ（ＳＩＧＡＭＰ）８の信号とリセット信号伝達アンプ（ＲＳＴＡＭＰ）１０の信号との出力差分をとり所定の利得を乗ずる作動可変利得アンプ（ＣＤＳ）２１および固体撮像回路２００の外部へ信号を伝達する出力アンプ（ＯＵＴＡＭＰ）２２で構成される。

図１の動作説明を行う。まず、転送ゲート（ＴＧ）２を制御信号（図示しない）によりオフ状態とし、電荷が発生していない完全空乏状態の埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１の受光領域に光を照射し、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１に電荷を蓄積する。リセットトランジスタ（ＭＲＳＴ）４をオンにすることでフローティングディフィージョン（ＦＤ）３の電圧を基準電圧へリセットし、リセットトランジスタ（ＭＲＳＴ）４をオフにする。リセットした電圧は、ソースフォロワ用トランジスタ（Ｍ１）５と定電流源（ＳＦ＿ＢＩＡＳ）６によって構成されるソースフォロワを通して、リセット電圧用サンプルホールド回路（ＲＳＴＳＨ）９へ蓄積される。

次に、転送ゲート（ＴＧ）２を制御信号（図示しない）によりオン状態とし、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１に蓄積された電荷をフローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ転送する。フローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ転送された信号電荷により変動した信号電圧は、ソースフォロワを通して、信号電圧用サンプルホールド回路（ＳＩＧＳＨ）７へ蓄積される。信号電圧用サンプルホールド回路（ＳＩＧＳＨ）７およびリセット電圧用サンプルホールド回路（ＲＳＴＳＨ）９は、それぞれ信号伝達アンプ（ＳＩＧＡＭＰ）８およびリセット信号伝達アンプ（ＲＳＴＡＭＰ）１０を通して、画素回路１００の外部へ出力される。複数の画素回路１００は各々の画素回路１００に入力される出力制御信号（図示しない）により順次排他的に出力され、順次に各々の画素回路１００からのリセット電圧と信号電圧の差分出力が、作動可変利得アンプ（ＣＤＳ）２１を通して出力され、さらに出力アンプ（ＯＵＴＡＭＰ）２２を介して固体撮像素子２００の外部へ、順次出力される。

図２は、この発明の実施形態１における光電変換回路の構造を示す上面図である。図２において、光電変換回路３１は１個のフローティングディフィージョン（ＦＤ）３を挟んで２個の転送ゲート（ＴＧ）２が接続され、各々の転送ゲート（ＴＧ）２の両端に２個の埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１が接続されている構成となっており、結果、１個のフローティングディフィージョン（ＦＤ）３には４個の埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１が接続されている。また、図中の距離Ｄはフローティングディフィージョン（ＦＤ）３から埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１の受光領域の一番離れた電荷ｅまでの距離を表し、ここでは、規定の読出し時間内に電荷ｅの完全転送が可能な距離に設定されている。

図３は、図２において、Ａ−Ｂ間の断面図及びポテンシャル図である。図３（ａ）は図２のＡ−Ｂ間の断面図であり、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１はシリコン（Ｓｉ）基板の表面側に埋め込まれたＮ拡散層およびＮ拡散層の表面を覆うＰ拡散層で構成されており、転送ゲート（ＴＧ）２が埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１およびフローティングディフィージョン（ＦＤ）３に隣接しており、フローティングディフィージョン（ＦＤ）３を挟んで転送ゲート（ＴＧ）２および埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１が配置される構造となっている。なお、２個の転送ゲート（ＴＧ）２の制御端子は共通接続されている。また、図３（ｂ）および図３（ｃ）は受光時のポテンシャル図および転送時のポテンシャル図を表す。

図２の動作を説明する。フローティングディフィージョン（ＦＤ）３を基準電圧にリセット後、転送ゲート（ＴＧ）２をオフした状態で電荷ｅがない完全空乏化した埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１へ光を入射すると光電変換により電荷ｅが発生し、所定の蓄積時間が経過すると、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１および転送ゲート（ＴＧ）２およびフローティングディフィージョン（ＦＤ）３のポテンシャルは図３（ｂ）の状態となる。その後、転送ゲート（ＴＧ）２をオンにし、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１の電荷ｅをフローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ転送したときのポテンシャルは図３（ｃ）となる。ここで、電荷ｅが移動する距離Ｄは規定の読出し時間内に完全転送できるように決定しているので、電荷ｅが埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１に残ることはなく、フローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ完全転送されるため、残像は発生しない。

距離Ｄは、（（埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１からフローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ電荷ｅが移動する速度）×（転送の時間））で示され、即ち、（（電荷ｅが埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１内を移動する速度Ｖ１）×（電荷ｅが埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１内を移動する時間Ｔ１）＋（電荷ｅが埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１から転送ゲート（ＴＧ）２へ移動する速度Ｖ２）×（電荷ｅが埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１から転送ゲート（ＴＧ）２へ移動する時間Ｔ２）＋（電荷ｅが転送ゲート（ＴＧ）２からフローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ移動する速度Ｖ３）×（電荷ｅが転送ゲート（ＴＧ）２からフローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ移動する時間Ｔ３））で示される。

従って、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１からフローティングディフィージョン（ＦＤ）３への転送時間は、（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）となる。

光電変換回路３１の感度は、フローティングディフィージョン（ＦＤ）３への電荷ｅの注入前後の電圧変化量が大きいほど感度が高い。フローティングディフィージョン（ＦＤ）３への電荷ｅの注入前後の電圧変化量は、（（フローティングディフィージョン（ＦＤ）３への注入電荷ｅの電荷量）／（（フローティングディフィージョン（ＦＤ）３の容量）＋（ソースフォロワ用トランジスタ（Ｍ１）５のゲート容量）＋α（周辺寄生容量）））で示される。従って、フローティングディフィージョン（ＦＤ）３への注入電荷、即ち、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１に生成される電荷ｅの電荷量が多いほど画素３１の感度が高くなる。

埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１に生成される電荷ｅの電荷量を多くするためには、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１の面積が広くなるが、それに伴い距離Ｄも長くなるため、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１からフローティングディフィージョン（ＦＤ）３への転送時間が長くなるため、読出し時間が長くなり、短時間で動作させると残像が発生する。

逆に、短時間で動作させるため、距離Ｄを短くすると、埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１の面積が狭くなり、光電変換回路３１の感度が低下する。

図２においては、規定の読出し時間で埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１からフローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ電荷ｅが転送されるように距離Ｄを設定した埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１を、１個のフローティングディフィージョン（ＦＤ）３に４個接続しているため、規定の読出し時間で埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１からフローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ電荷ｅが転送されると共に、４個の埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１の電荷ｅが１個のフローティングディフィージョン（ＦＤ）３に転送されるので、転送される電荷ｅの電荷量も１個の埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１よりも多くなり感度も高くなる。

このように、この発明の実施の形態１においては、規定の読出し時間で埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１に発生した電荷ｅがフローティングディフィージョン（ＦＤ）３へ完全転送される高感度の光電変換回路が得られる。

この発明の実施の形態１においては、１個のフローティングディフィージョン（ＦＤ）３の周囲に、４個の矩形状の埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１を矩形状に配置した構成としたが、前述した、規定の転送時間と所定のフローティングディフィージョン（ＦＤ）３への電荷ｅ注入前後の電圧変化量を得るように、１個のフローティングディフィージョン（ＦＤ）３に複数の任意形状で所定の面積の埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）１を接続するように構成しても良い。

１埋め込み型フォトダイオード（ＢＰＤ）
２転送ゲート（ＴＧ）
３フローティングディフィージョン（ＦＤ）
４リセットトランジスタ（ＭＲＳＴ）
５ソースフォロワ用トランジスタ（Ｍ１）
６定電流源（ＳＦ＿ＢＩＡＳ）
７信号電圧用サンプルホールド回路（ＳＩＧＳＨ）
８信号伝達アンプ（ＳＩＧＡＭＰ）
９リセット電圧用サンプルホールド回路（ＲＳＴＳＨ）
１０リセット信号伝達アンプ（ＲＳＴＡＭＰ）
２１差動可変利得アンプ（ＣＤＳ）
２２出力アンプ（ＯＵＴＡＭＰ）
３１光電変換回路
１００画素回路
２００固体撮像回路
ＰＰ型拡散層
ＮＮ型拡散層
ｅ電荷
Ｄ規定の読出し時間内にＢＰＤからＦＤへ転送可能な最大距離
ＶＤＤ電源電圧

Claims

受光領域への入射光により電荷が生成され蓄積される複数のフォトダイオードと、
一方の端子に少なくとも２つの前記フォトダイオードが接続され、オン状態／オフ状態に切り替える制御信号が入力される制御端子が共通接続された少なくとも１つの転送ゲートと、
各々の前記転送ゲートの他方の端子が接続され、各々の前記転送ゲートが同時にオン状態に切り替わることにより、各々の前記フォトダイオードの前記電荷が同時に転送され集約し、各々の前記転送ゲートが同時にオフ状態に切り替わることにより、各々の前記フォトダイオードと遮断されるフローティングディフィージョンとを備え、
前記フローティングディフィージョンから各々の前記フォトダイオードの前記受光領域の最遠部の間の最大距離が、規定の時間内で各々の前記フォトダイオードの前記電荷の全てが各々の前記フォトダイオードから前記フローティングディフィージョンに転送される距離である光電変換回路。