JP2560984B2 - 電荷転送型固体撮像装置の撮像部とその駆動方法 - Google Patents

電荷転送型固体撮像装置の撮像部とその駆動方法

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JP2560984B2
JP2560984B2 JP5172813A JP17281393A JP2560984B2 JP 2560984 B2 JP2560984 B2 JP 2560984B2 JP 5172813 A JP5172813 A JP 5172813A JP 17281393 A JP17281393 A JP 17281393A JP 2560984 B2 JP2560984 B2 JP 2560984B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電荷転送型固体撮像装
置、特に電荷転送型固体撮像装置の撮像部とその駆動方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の電荷転送型固体撮像装置には、フ
レーム転送型とインターライン転送型とがある。図5は
典型的な電荷転送型撮像装置の撮像部の垂直レジスタの
断面構造と電子に対する静電電位を示す。
【0003】この撮像部は、N型半導体基板(シリコン
基板)501、この半導体基板501よりややドナー濃
度の高い領域502、絶縁膜503、絶縁膜中に等間隔
に形成された電極504、電極504の間に形成された
電極505、電極504を駆動する配線506、電極5
05を駆動する配線507よりなる。また電極504下
の絶縁膜503の一部は他の部分より厚くなっている。
また点線508は、配線507に配線506より大きな
電圧が印加されている場合の絶縁膜直下の電位分布を示
している。
【0004】次に、この撮像部の動作について説明す
る。今、電極504,505に前記のような電圧が与え
られ、点線508で示すような界面電位が発生している
と考える。そして一定期間(約1/60秒)、この素子
の表面より光が入射するとする。この時、入射光によっ
てシリコン基板中で電子,正孔対が発生する。そして、
電子は最も電位の高いA部に蓄えられ、正孔は基板50
1を通って外部回路に逃げる。このようにして蓄えられ
た電子は、配線506,507に与えられた電圧を反転
することによって半ビット下方に移動する。従って、こ
の反転を繰り返せば、更に下方に移動することができ
る。
【0005】典型的なフレーム転送型電荷撮像装置にお
いては(ここでは図示しないが)、今説明したような撮
像部の下にフレームメモリを持ち、更にこの下には電荷
検出部に電荷を転送するための電荷転送型水平シフトレ
ジスタを持っている。
【0006】撮像部でA点に蓄積されたすべての電荷
は、上述したような方法でフレームメモリに移される。
この移動は、通常、テレビジョンの垂直ブランキング期
間に行われる。このようにしてフレームメモリに移され
た電荷は、次のフレームの信号読み出し期間に一水平ラ
インずつ電荷転送型の水平シフトレジスタの電荷検出部
から読み出される。
【0007】上の説明からも解る通り、配線506,5
07は撮像部からフレームメモリへの転送に用いられ、
かつこの電荷転送は短い垂直ブランキング期間に行われ
なければならない。従って配線506,507に与えら
れるシフトパルスは非常に高速になる。
【0008】一方、配線506,507は、装置の水平
方向と同じ長さを持ち、その抵抗が大きい場合には、配
線506,507に与えられるパルスには伝播遅延が発
生する。従って十分抵抗を低くする必要がある。しか
し、抵抗を低くすると電極での光の吸収が大きくなると
いう欠点を生ずる。一般に、光の吸収は短波長光に対し
て著しく、色再現に対して問題を生ずる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
フレーム転送型固体撮像装置の撮像部においては、それ
を駆動するための電極によって光の吸収が起こり、光電
変換効率が低下するという欠点がある。この欠点は短波
長光に対して著しい。
【0010】本発明の目的は、このような電極による光
吸収が全くないフレーム転送型固体撮像装置の撮像部と
その駆動方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の電荷転送型固体
撮像装置の撮像部は、第1導電型半導体基板の表面に高
濃度の第2導電型半導体よりなる制御電極を形成し、
にその表面に高濃度の第1導電型半導体よりなる第1の
バリアと低濃度の第1導電型半導体よりなる第2のバリ
アとを電荷の転送方向に交互に繰り返し形成し、前記第
1のバリアの上に電荷の転送方向に順に低濃度の第2導
電型層よりなる第1の蓄積領域と、これよりやや濃度の
高い低濃度の第2導電型層よりなる第2の蓄積領域を形
成し、更に前記第2のバリア上に電荷の転送方向に順に
高濃度の第2導電型層よりなる第3の蓄積領域と、これ
より更に濃度の高い高濃度の第2導電型層よりなる第4
の蓄積領域を形成し、前記蓄積領域上に第1導電型表面
層を形成し、かつ、前記第1導電型表面層から前記基板
へかけて等間隔に高濃度の第1の導電層よりなる分離
領域をスリット状に設けたことを特徴とする。
【0012】また本発明の電荷転送型固体撮像装置の撮
像部の駆動方法は、前記表面層に基準電位を与え、前記
表面層がN型の場合、負の電圧を一定期間前記制御電極
に与えて固体撮像装置に光を入射し、発生した正孔を前
記蓄積領域に蓄え、蓄積期間が終わったら、前記制御電
極に前記負の電圧よりやや高い電圧と、基準電位よ
り約1ボルト低い電圧を交互に与えることを特徴とす
る。
【0013】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を用いて説
明する。
【0014】図1は本発明によるフレーム転送型固体撮
像装置の撮像部の構造を示す(便宜上、2行,2列のセ
ンサアレイを示す)。図1(a)は上面図、図1
(b),(c)は各々図1(a)のA−A′ラインおよ
びB−B′ラインに沿った断面図である。
【0015】図1において、101はN層、102,1
03,104,105はP層で104,105,10
2,103の順で濃度が高くなっている。107はN+
領域,108はN領域である。109はP領域,110
はN+ 領域,111はN基板である。
【0016】さらに詳しく説明する。N基板111の上
に、撮像部の動作を制御する電極(制御電極)109が
形成されており、その上には光電変換によって電荷を発
生または蓄積する領域(蓄積領域)102,103,1
04,105と制御電極109との間の電荷の移動のバ
リアとなる領域(バリア領域)107,108が形成さ
れている。
【0017】N+ 領域107は、その上に形成された蓄
積領域102,103の電荷量や電位分布を制御電極1
09から制御できないようにする領域である。一方、N
領域108は、その上に形成された蓄積領域104,1
05の電位分布や電荷量を制御できる領域である。
【0018】N層101は、蓄積領域102,103,
104,105の上に一面に形成された領域で、動作の
基準となる電圧を与えるためのものである。またN+
域110は分離領域で蓄積領域102,103,10
4,105、バリア領域107,108、制御電極10
9を縦方向に基板111まで分断している。従って、独
立した制御電極109の上に図1(c)の構造が作られ
たものが水平方向に多数配列されていることになる。
【0019】次に、図1の撮像部で光電変換および信号
蓄積を行う場合の駆動方法を説明する。
【0020】図2(a)は電荷蓄積中のセルの深さ方向
の電位分布であり、図2(b)は電荷蓄積を行うための
駆動パルス波形である。図3(a)は撮像部で電荷転送
を行うときのセルの深さ方向の電位分布であり、図3
(b)は電荷電送を行うための駆動波形を示す。図4は
図3に示した電位分布によって信号電荷が、蓄積領域を
シフトしていく様子を示したものである。
【0021】今、蓄積領域102〜105は完全に空乏
化しているとする。図2(b)に示すように制御電極1
09には、パルスφC が与えられVSTR のレベル(負で
絶対値大)が与えられるとする。この時のセル内の電位
分布は図2(a)のようになる。
【0022】図2(a)において203,204は領域
103102に対応した電位分布を示し、205,2
06は領域105104に対応する電位分布を示す。
このとき領域102〜105付近で発生した電子,正孔
対のうち正孔は,最も電位の低い領域104に蓄積さ
れ、ある一定量以上蓄積すると、制御ゲートに流出し
て、ブルーミングが起こらないようになっている。一
方、電子はN領域101或は分離領域110、バリア1
07,108、或は基板111を通って外部回路へ抜け
る。このような蓄積動作が図2(b)の蓄積期間の間行
われる。
【0023】図3は、このようにして蓄積した正孔を図
1の下方に転送する方法を示す。図3(a)は電荷転送
の際のセル内の電位分布である。図3(a)における曲
線303〜306はそれぞれ図2の曲線203〜206
に対応している。この場合、制御電極109に電圧V
LOW を与え、信号電荷は未だ移動せず領域104にある
と考えている。しかし制御電極109の電圧VLOW はV
STR よりやや高い(負で絶対値を小さくする)電圧にし
ている(VSTR <VLOW )。
【0024】今、制御電極109の電圧を図3(b)の
HIGHにすると電位分布203,204の形状は変わら
ず、電位分布205,206は電位分布301,302
になる。制御ゲート電圧の変化に対して、電位分布20
3,204が不変なのはバリア部の濃度を高く設定した
ため、VLOW でもVHIGHでもバリア領域には中性領域が
残るからである。また電位分布205,206が電位分
布301,302になるのは、電位分布205,206
では蓄積領域の電位がVLOW によって引き下げられてい
たのに対し、電位分布301,302では制御電極の電
位が上昇したため、中性領域が残るからである。
【0025】この時の電荷転送の様子を示したものが図
4である。すなわち制御電極109の電圧をVLOW から
HIGHにすると蓄積領域104に存在した電荷が1/2
転送段だけ下方の蓄積領域102に移る。
【0026】図3(b)に示したようなパルスを制御電
極109に印加すると、パルスがVLOW ,VHIGHの間で
変化する度に信号電荷は半ビットずつ下方に移動する。
なおVHIGHの電位は基準電位より約1ボルト低くする。
【0027】もし、この撮像部の下にフレームメモリ
部、さらに電荷検出部を持った水平レジスタが設けられ
ているならば、従来技術の項で説明したように、撮像部
に蓄積した電荷をフレームメモリに移し、更に一水平ラ
インずつ読み出すことができる。
【0028】なお、撮像部とフレームメモリ部の接続は
撮像部に存在する信号電荷を通常の電荷電送装置で受け
取るようにすればよい。このことは公知の技術で容易に
実行できる。
【0029】上述した駆動方法では簡単のため、蓄積領
域102〜105付近で発生した正孔が104に蓄積す
ると述べた。これをさらに正確に表現すれば、N領域1
01の中性領域で発生した正孔の一部は拡散によって領
104に蓄積され、N領域101の空乏層と蓄積領域
102〜105で発生したものはすべて領域104に蓄
積され、バリア領域のうち蓄積領域に接して空乏化して
いる領域で発生した正孔はすべて領域104に蓄積され
る。
【0030】従って光電変換時の損失は中性N領域10
1で発生した正孔のうち、このN領域中で再結合するも
のと、表面で再結合するものであり、これらは非常に小
さくすることができる。従って表面に電極が存在する場
合に比べてきわめて高い光電変換高率が得られる。この
効果は特に短波長光で著しい。
【0031】
【発明の効果】本発明によれば、電極による光吸収が全
くないフレーム転送型固体撮像装置の撮像部とその駆動
方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体撮像装置の撮像部を示す図で
あり、(a)は上面図、(b),(c)はそれぞれ
(a)のA−A′断面図、B−B′断面図である。
【図2】(a)は電荷蓄積中のセルの深さ方向の電位分
布を示す図であり、(b)は電荷蓄積を行うための駆動
パルス波形である。
【図3】(a)は撮像部で電荷転送を行う時のセルの深
さ方向の電位分布を示す図であり、(b)は電荷転送を
行うための駆動波形である。
【図4】図3に示した電位分布によって信号電荷が、蓄
積領域をシフトしていく様子を示した図である。
【図5】従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
101 N型表面層 102,103,104,105 P型蓄積領域 107,108 N型バリア層 109 P型制御電極 110 N型分離領域 111 N型基板 203,204,205,206 電荷蓄積時の電位分
301,302 ,303,304,305,306 電
送時の電位分布

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入射光量に応じた光電変換と光電変換によ
    り発生した信号電荷の転送とを行う手段を有する電荷転
    送型固体撮像装置において、第1導電型半導体基板の表
    面に高濃度の第2導電型半導体を形成し、更にその表面
    に高濃度の第1導電型半導体と低濃度の第1導電型半導
    体とを電荷の転送方向に交互に繰り返し形成し、前記の
    高濃度の第1導電型半導体上に電荷の転送方向に順に低
    濃度の第2導電型層と、これよりやや濃度の高い低濃度
    の第2導電型層を形成し、更に前記の低濃度の第1導電
    型半導体上に電荷の転送方向に順に高濃度の第2導電型
    層と、これより更に濃度の高い高濃度の第2導電型層を
    形成し、前記低濃度の第2導電型層および前記高濃度の
    第2導電型層上に第1導電型表面層を形成し、かつ、前
    記第1導電型表面層から前記基板へかけて等間隔に高濃
    度の第1の導電型層をスリット状に設けたことを特徴と
    する電荷転送型固体撮像装置の撮像部。
  2. 【請求項2】入射光量に応じた光電変換と光電変換によ
    り発生した信号電荷の転送とを行う手段を有する電荷転
    送型固体撮像装置において、第1導電型半導体基板の表
    面に高濃度の第2導電型半導体よりなる制御電極を形成
    し、更にその表面に高濃度の第1導電型半導体よりなる
    第1のバリアと低濃度の第1導電型半導体よりなる第2
    のバリアとを電荷の転送方向に交互に繰り返し形成し、
    前記第1のバリアの上に電荷の転送方向に順に低濃度の
    第2導電型層よりなる第1の蓄積領域と、これよりやや
    濃度の高い低濃度の第2導電型層よりなる第2の蓄積領
    域を形成し、更に前記第2のバリア上に電荷の転送方向
    に順に高濃度の第2導電型層よりなる第3の蓄積領域
    と、これより更に濃度の高い高濃度の第2導電型層より
    なる第4の蓄積領域を形成し、前記蓄積領域上に第1導
    電型表面層を形成し、かつ、前記第1導電型表面層から
    前記基板へかけて等間隔に高濃度の第1の導電型層より
    なる分離領域をスリット状に設けたことを特徴とする電
    荷転送型固体撮像装置の撮像部。
  3. 【請求項3】請求項2記載の電荷転送型固体撮像装置の
    駆動方法であって、前記表面層に基準電位を与え、前記
    表面層がN型の場合、負の電圧を一定期間前記制御電極
    に与えて固体撮像装置に光を入射し、発生した正孔を前
    記蓄積領域に蓄え、蓄積期間が終わったら、前記制御電
    極に前記負の電圧よりやや高い負の電圧と、基準電位よ
    り約1ボルト低い電圧を交互に与えることを特徴とする
    電荷転送型固体撮像装置の撮像部の駆動方法。
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