JP3447326B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device

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JP3447326B2
JP3447326B2 JP15506493A JP15506493A JP3447326B2 JP 3447326 B2 JP3447326 B2 JP 3447326B2 JP 15506493 A JP15506493 A JP 15506493A JP 15506493 A JP15506493 A JP 15506493A JP 3447326 B2 JP3447326 B2 JP 3447326B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は多画素混合型のMOS型
固体撮像素子に係わり、特にアバランシェ増倍作用を利
用して高感度化を達成する固体撮像素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-pixel mixed MOS type solid-state image pickup device, and more particularly to a solid-state image pickup device which achieves high sensitivity by utilizing an avalanche multiplication effect.

【0002】[発明の概要]本発明は多画素混合型のM
OS型固体撮像素子において、光電変換された蓄積電荷
を混合する際、画素混合用FETによって、電荷のアバ
ランシェ増倍作用を生じさせることにより、高感度で、
高利得の固体撮像素子を実現可能にしたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a multi-pixel mixed type M
In the OS-type solid-state image sensor, when the photoelectrically converted accumulated charges are mixed, the pixel mixing FET causes an avalanche multiplication action of the charges, so that the sensitivity is high.
It is possible to realize a high-gain solid-state imaging device.

【0003】[0003]

【従来の技術】従来、多画素混合型のMOS型固体撮像
素子は、固体撮像素子の開口率を向上させ、高解像度化
および多画素化を実現するための手段として用いられて
きた。
2. Description of the Related Art Conventionally, a multi-pixel mixed MOS type solid-state image pickup device has been used as a means for improving the aperture ratio of the solid-state image pickup device and realizing a higher resolution and a larger number of pixels.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
多画素混合型のMOS型固体撮像素子では、光電変換に
よって生じた電荷より大きな電荷量を、ホトダイオード
出力として取り出すことができないという問題があっ
た。
However, the conventional multi-pixel mixed type MOS solid-state image pickup device has a problem that a charge amount larger than the charge generated by photoelectric conversion cannot be taken out as a photodiode output.

【0005】また、このような多画素混合型のMOS型
固体撮像素子では、ノイズの理論により、光電変換部と
増幅部とが離れていると、配線の引き回しによって生じ
る外来ノイズや、スイッチングノイズなどが付加される
ことから、高S/N(信号対雑音比)の撮像デバイスを
実現するために、光電変換部により近いところに信号増
幅部を設けることが必要であり、その分だけ素子の配置
余裕度が小さくなってしまうという問題があった。
Further, in such a multi-pixel mixed type MOS solid-state image pickup device, if the photoelectric conversion part and the amplification part are separated from each other, the external noise and the switching noise caused by the wiring are caused by the theory of noise. Therefore, in order to realize an image pickup device with high S / N (signal-to-noise ratio), it is necessary to provide a signal amplification section closer to the photoelectric conversion section, and the arrangement of elements by that much. There was a problem that the margin was reduced.

【0006】そこで、このような問題を解決するため、
固体撮像素子の出力にアンプを設けることも行われてい
るが、このような方法では、撮像素子自身が持っている
S/Nより大きなS/Nを得ることはできないという問
題があった。
Therefore, in order to solve such a problem,
Although an amplifier is provided at the output of the solid-state image pickup device, such a method has a problem that an S / N larger than the S / N of the image pickup device itself cannot be obtained.

【0007】また、他の方法として、高感度化(高SN
比化)の目的を実現するため、ホトダイオード自身に光
電流の増倍作用のあるAPD(アバランシェ ホトダイ
オード)を用いる固体撮像素子が既に提案されている
(H.Komobuchi,M.Morimoto,andT.Ando,IEEE Electron De
vice Letters,vol.10,no.5 May,1989) 。
As another method, high sensitivity (high SN
In order to realize the purpose of (ratioing), a solid-state image sensor using an APD (avalanche photodiode) having a photocurrent multiplying action has already been proposed in the photodiode itself.
(H.Komobuchi, M.Morimoto, andT.Ando, IEEE Electron De
vice Letters, vol.10, no.5 May, 1989).

【0008】しかしながら、このようなAPDを使用す
る方法では、素子構造や回路構成が複雑になってしまう
という問題があった。
However, the method of using such an APD has a problem that the element structure and the circuit configuration become complicated.

【0009】本発明は、上記事情に鑑み、APDより簡
単な構造、回路構成にしながら、受光画素の近傍に蓄積
電荷のアバランシェ増倍機構を持たせ、光電変換により
生じた電荷より大きな電荷量を、出力として取り出すこ
とができる固体撮像素子を提供することを目的としてい
る。
In view of the above-mentioned circumstances, the present invention has a simpler structure and circuit configuration than the APD, but has an avalanche multiplication mechanism for accumulated charges in the vicinity of the light-receiving pixel so that a larger amount of charge than that generated by photoelectric conversion can be obtained. It is an object of the present invention to provide a solid-state image sensor that can be taken out as an output.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、複数の単位画素センサを格子状に配置し
て光電変換を行なう固体撮像素子において、前記各単位
画素センサを多画素混合型にし、これらの各単位画素セ
ンサを構成する各ホトダイオードの間に、蓄積電荷混合
用FETを形成し、この蓄積電荷混合用FETのソー
ス、ドレイン領域の不純物濃度に蓄積電荷のアバランシ
ェ増倍が生じるに足る濃度差を設ける処理、または蓄積
電荷混合時に蓄積電荷混合用FETのソース、ドレイン
領域の電位に蓄積電荷のアバランシェ増倍が生じるに足
る電位差を設ける処理を行ない、前記単位画素センサに
よって多画素混合型のMOS型固体素子を構成すること
を特徴としている。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a solid-state image pickup device for performing photoelectric conversion by arranging a plurality of unit pixel sensors in a grid pattern, and each of the unit pixel sensors has multiple pixels. A mixed charge type FET is formed between the photodiodes constituting each unit pixel sensor, and the accumulated charge mixing FET is formed to have an avalanche multiplication of the accumulated charge depending on the impurity concentration of the source and drain regions of the accumulated charge mixing FET. A process for providing a sufficient concentration difference or a process for providing a potential difference sufficient to cause avalanche multiplication of stored charges in the potentials of the source and drain regions of the stored charge mixing FET when the stored charges are mixed is performed by the unit pixel sensor. It is characterized in that a pixel-mixed MOS type solid-state element is configured.

【0011】[0011]

【0012】[0012]

【作用】上記の構成の本発明では、光電変換された蓄積
電荷が混合されるとき、ホトダイオード間に形成された
蓄積電荷混合用FETのチャネル領域によって電荷の増
倍作用が行なわれて光電変換により生じた電荷より大き
な電荷量がホトダイオード出力として取り出される。
In the present invention having the above-mentioned structure, when the photoelectrically converted accumulated charges are mixed, the charge multiplication action is performed by the channel region of the accumulated charge mixing FET formed between the photodiodes, and photoelectric conversion is performed. A charge amount larger than the generated charge is taken out as a photodiode output.

【0013】また、第2の発明では、光電変換された蓄
積電荷がホトダイオードから垂直転送路に転送される
際、アバランシェ増倍を生ずるに足る電位差によって電
荷の増倍作用が行われて光電変換により生じた電荷より
大きな電荷量がホトダイオード出力として取り出され
る。
In the second aspect of the invention, when the photoelectrically converted accumulated charges are transferred from the photodiodes to the vertical transfer path, the charge multiplication action is performed by the potential difference sufficient to cause the avalanche multiplication, and the photoelectric conversion is performed. A charge amount larger than the generated charge is taken out as a photodiode output.

【0014】[0014]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0015】図1は本発明による固体撮像素子のうち、
2画素混合型固体撮像素子の一実施例の単位画素センサ
の概略構成を示す回路図である。
FIG. 1 shows a solid-state image sensor according to the present invention.
It is a circuit diagram which shows the schematic structure of the unit pixel sensor of one Example of a 2 pixel mixing type solid-state image sensor.

【0016】この図に示す固体撮像素子の単位画素セン
サ1は固体撮像素子としてP型基板上に形成された2画
素混合型のAMI(Amplified MOS Imager)を構成するセ
ンサであり、前記P型基板上に、ドーズ量が小さくなる
ように構成されるとともに、各アノードが前記P型基板
に接続され、入射した光の光量に応じた電荷を生成する
第1A側ホトダイオード2および第1B側ホトダイオー
ド3と、これら第1A側、第1B側ホトダイオード2、
3より不純物濃度(ドーズ量)が大きくなるように構成
され、アノードが前記P型基板に接続されるとともに、
カソードがn層に接続され、入射した光の光量に応じた
電荷を生成する第2ホトダイオード4と、ソース・ドレ
イン間の不純物濃度が蓄積電荷のアバランシェ増倍が生
じるに足る濃度差となるように構成され、ゲートがA側
フィールド選択線5に接続されるとともに、ソースが前
記第1A側ホトダイオード2のカソードに接続され、ド
レインが前記第2ホトダイオード4のカソードに接続さ
れる蓄積電荷混合用A側FET6とを備えている。
The unit pixel sensor 1 of the solid-state image pickup device shown in this figure is a sensor which constitutes a two-pixel mixed type AMI (Amplified MOS Imager) formed on a P-type substrate as the solid-state image pickup device. A first A-side photodiode 2 and a first B-side photodiode 3 which are configured to have a small dose amount and whose anodes are connected to the P-type substrate to generate charges according to the amount of incident light. , These first A side and first B side photodiodes 2,
The impurity concentration (dose amount) is higher than that of No. 3, and the anode is connected to the P-type substrate, and
The cathode is connected to the n-layer, and the impurity concentration between the source and drain of the second photodiode 4 that generates electric charges according to the amount of incident light and the impurity concentration between the source and drain become a concentration difference sufficient to cause avalanche multiplication of accumulated charges. A side for mixing stored charges, which is configured such that the gate is connected to the A-side field selection line 5, the source is connected to the cathode of the first A-side photodiode 2, and the drain is connected to the cathode of the second photodiode 4. And a FET 6.

【0017】さらに、前記単位画素センサ1は前記蓄積
電荷混合用A側FET6と同様に、ソース・ドレイン間
の不純物濃度が蓄積電荷のアバランシェ増倍が生じるに
足る濃度差となるように構成され、ゲートがB側フィー
ルド選択線7に接続されるとともに、ソースが前記第1
B側ホトダイオード3のカソードに接続され、ドレイン
が前記第2ホトダイオード4のカソードに接続される蓄
積電荷混合用B側FET8と、ゲートがリセット用選択
線9に接続されるとともに、ドレインがリード電圧線1
0に接続され、ソースが前記第2ホトダイオード4のカ
ソードに接続されるリセット用FET11と、ゲートが
前記第2ホトダイオード4のアノードに接続されるとと
もに、ドレインが前記リード電圧線10に接続される信
号増幅用FET12と、ゲートが垂直選択線13に接続
されるとともに、ドレインが前記信号増幅用FET12
のソースに接続され、ソースが信号出力線14に接続さ
れる画素選択用FET15とを備えている。
Further, the unit pixel sensor 1 is configured so that the impurity concentration between the source and the drain has a concentration difference sufficient to cause avalanche multiplication of the accumulated charges, like the accumulated charge mixing A-side FET 6. The gate is connected to the B-side field selection line 7, and the source is the first
The stored charge mixing B-side FET 8 connected to the cathode of the B-side photodiode 3 and the drain thereof connected to the cathode of the second photodiode 4, the gate thereof connected to the reset selection line 9, and the drain thereof connected to the read voltage line. 1
A signal which is connected to 0 and whose source is connected to the cathode of the second photodiode 4 and whose gate is connected to the anode of the second photodiode 4 and whose drain is connected to the lead voltage line 10. The amplification FET 12 and the gate are connected to the vertical selection line 13, and the drain is the signal amplification FET 12
And a pixel selection FET 15 whose source is connected to the signal output line 14.

【0018】次に、図1に示す回路を参照しながら、こ
の単位画素センサ1の信号読出し動作を説明する。
Next, the signal reading operation of the unit pixel sensor 1 will be described with reference to the circuit shown in FIG.

【0019】まず、この単位画素センサ1では、蓄積電
荷混合用A側FET6と、蓄積電荷混合用B側FET8
とを2画素の電荷混合用FETとして使用し、撮像時の
フィールドごとに、蓄積電荷混合用A側FET6と、蓄
積電荷混合用B側FET8とを交互に切り替えて、第1
A側ホトダイオード2の蓄積電荷または第1B側ホトダ
イオード3の蓄積電荷のいずれか一方を第2ホトダイオ
ード4の蓄積電荷と混合する。
First, in the unit pixel sensor 1, the accumulated charge mixing A-side FET 6 and the accumulated charge mixing B-side FET 8 are used.
And 2 are used as charge mixing FETs of two pixels, and the accumulated charge mixing A-side FET 6 and the accumulated charge mixing B-side FET 8 are alternately switched for each field at the time of imaging, and
Either the accumulated charge of the A-side photodiode 2 or the accumulated charge of the first B-side photodiode 3 is mixed with the accumulated charge of the second photodiode 4.

【0020】この場合、初期状態において、第1A側、
第1B側ホトダイオード2、3が空乏化されるととも
に、第2ホトダイオード4がリセット電圧にセットされ
る。
In this case, in the initial state, the first A side,
The first B-side photodiodes 2 and 3 are depleted, and the second photodiode 4 is set to the reset voltage.

【0021】この後、第2ホトダイオード4が受光する
と、光励起された電子、正孔対のうち正孔が基板側に流
出し、電子が第2ホトダイオードのn層側(A点)に移
動するため、入射光に応じてA点の電位が減少する。
After that, when the second photodiode 4 receives light, holes of the photoexcited electron-hole pairs flow out to the substrate side, and the electrons move to the n-layer side (point A) of the second photodiode. , The potential at point A decreases according to the incident light.

【0022】そして、最初のフィールド(フィールド
A)では、A側フィールド選択線5に選択パルスが印加
されて蓄積電荷混合用A側FET6がオンされ、第1A
側ホトダイオード2の蓄積電荷が、よりポテンシャルの
低い第2ホトダイオード4側に流れ込まされ、この第2
ホトダイオード4の蓄積電荷と混合されてA点の電位が
減少する。
In the first field (field A), a selection pulse is applied to the A-side field selection line 5 to turn on the accumulated charge mixing A-side FET 6 to turn on the first A field.
The accumulated charge of the side photodiode 2 flows into the side of the second photodiode 4 having a lower potential,
It is mixed with the accumulated charges of the photodiode 4 and the potential at the point A decreases.

【0023】また、第2ホトダイオード4の動作と同様
にして、第1A側ホトダイオード2が受光すると、入射
光に応じてB点の電位が減少する。
Similarly to the operation of the second photodiode 4, when the first A-side photodiode 2 receives the light, the potential at the point B decreases according to the incident light.

【0024】同様に、第1B側ホトダイオード3側が受
光すると、入射光に応じてC点の電位が減少する。
Similarly, when the first B side photodiode 3 side receives light, the potential at point C decreases in accordance with the incident light.

【0025】そして、この電位変化が信号増幅用FET
12のゲートに加えられて増幅され、垂直選択線13に
印加された読み出しパルスによって画素選択用FET1
5がスイッチングされて信号出力線14を介して映像信
号として外部に読み出される。
This potential change is a signal amplification FET.
The pixel selection FET 1 is applied by the read pulse applied to the vertical selection line 13 to the pixel selection FET 12 after being amplified and amplified.
5 is switched and read out as a video signal to the outside through the signal output line 14.

【0026】次に、リセット用選択線9にリセットパル
スが印加されてリセット用FET11がオンされ、第2
ホトダイオード4の蓄積電荷がキャンセルされる。
Next, a reset pulse is applied to the reset selection line 9 to turn on the reset FET 11 and the second
The accumulated charge of the photodiode 4 is canceled.

【0027】そして、次のフィールド(フィールドB)
では、B側フィールド選択線7に選択パルスが印加され
て蓄積電荷混合用B側FET8がオンされて、第1B側
ホトダイオード3の蓄積電荷が、よりポテンシャルの低
い第2ホトダイオード4側に流れ込まされ、この第2ホ
トダイオード4の蓄積電荷と、混合され、A点の電位が
下げられる。
Then, the next field (field B)
Then, a selection pulse is applied to the B-side field selection line 7 to turn on the accumulated charge mixing B-side FET 8, and the accumulated charge of the first B-side photodiode 3 flows into the side of the second photodiode 4 having a lower potential. The charge accumulated in the second photodiode 4 is mixed, and the potential at the point A is lowered.

【0028】以下、フィールドAの動作と同様に、電位
変化が信号増幅用FET12のゲートに加えられて増幅
され、垂直選択線13に印加された読み出しパルスによ
って画素選択用FET15がスイッチングされて信号出
力線14を介して映像信号として外部に読み出された
後、リセット用選択線9にリセットパルスが印加されて
リセット用FET11がオンされ、第2ホトダイオード
4の蓄積電荷がキャンセルされる。
Thereafter, similar to the operation of the field A, the potential change is applied to the gate of the signal amplification FET 12 to be amplified, and the read pulse applied to the vertical selection line 13 switches the pixel selection FET 15 to output a signal. After being read out to the outside as a video signal via the line 14, a reset pulse is applied to the reset selection line 9 to turn on the reset FET 11, and the charge accumulated in the second photodiode 4 is canceled.

【0029】次に、図2および図3に示すポテンシャル
図を参照しながら、単位画素センサ1のアバランシェ増
倍動作を説明する。
Next, the avalanche multiplication operation of the unit pixel sensor 1 will be described with reference to the potential diagrams shown in FIGS.

【0030】まず、この図2および図3は図1に示す第
1A側ホトダイオード2と、第2ホトダイオード4と、
第1B側ホトダイオード3とのポテンシャルの状態のう
ち、最初のフィールド(フィールドA)におけるポテン
シャルの状態を示しており、縦軸によって電子に対する
エネルギーポテンシャルが表され、上に行くほど電子の
エネルギーが高くなっている。
First, in FIGS. 2 and 3, the first A side photodiode 2 and the second photodiode 4 shown in FIG.
Of the potential states with the first B-side photodiode 3, the potential state in the first field (field A) is shown, the energy potential for electrons is represented by the vertical axis, and the energy of the electrons becomes higher as it goes up. ing.

【0031】そして、図1に示す単位画素センサ1で
は、第1A側、第1B側ホトダイオード2、3に対する
不純物のドース量と、第2ホトダイオード4に対する不
純物のドース量との違いから第1A側、第1B側ホトダ
イオード2、3におけるポテンシャルの深さが第2ホト
ダイオード4のポテンシャルの深さより浅くなり、これ
によって第1A側、第1B側ホトダイオード2、3のポ
テンシャルがグランドレベル近傍に位置するとともに、
これら第1A側、第1B側ホトダイオード2、3におけ
るポテンシャルの深さと、第2ホトダイオード4のリセ
ット電圧に対するポテンシャルの差がΔEになる。
In the unit pixel sensor 1 shown in FIG. 1, due to the difference between the impurity dose amount for the first A side and first B side photodiodes 2 and 3 and the impurity dose amount for the second photodiode 4, the first A side, The potential depth of the first B-side photodiodes 2 and 3 becomes shallower than the potential depth of the second photodiode 4, so that the potentials of the first A-side and first B-side photodiodes 2 and 3 are located near the ground level, and
The difference between the depth of the potential in the first A side and first B side photodiodes 2 and 3 and the potential with respect to the reset voltage of the second photodiode 4 is ΔE.

【0032】ここで、図1に示す単位画素センサ1に光
が入射すると、図2に示す如く第1A側、第1B側ホト
ダイオード2、3に光電変換された電荷Q1が蓄積さ
れ、第2ホトダイオード4に光電変換された電荷Q2が
蓄積される。
When light is incident on the unit pixel sensor 1 shown in FIG. 1, the photoelectrically converted charges Q1 are accumulated in the first A side and first B side photodiodes 2 and 3 as shown in FIG. The photoelectrically converted electric charge Q2 is accumulated in 4.

【0033】この状態で、第2ホトダイオード4の読み
出し動作をする前に、蓄積電荷混合用A側FET6がオ
ンされると、第1A側ホトダイオード2の電荷Q1が、
よりポテンシャルの低い第2ホトダイオード4側に流れ
込み電荷Q2と混合される。
In this state, if the accumulated charge mixing A-side FET 6 is turned on before the reading operation of the second photodiode 4, the charge Q1 of the first A-side photodiode 2 becomes
It flows into the side of the second photodiode 4 having a lower potential and is mixed with the charge Q2.

【0034】そして、これら電荷Q1と、電荷Q2とが
混合されるとき、ポテンシャルの差ΔEがアバランシェ
増倍を生じさせるのに必要なポテンシャルの深さの差Δ
EBKd に近づくにつれて、蓄積電荷混合用A側FET6
のゲートチャネルと、ドレイン接合部とにおけるアバラ
ンシェによりキャリヤの増殖Mが起こる。これは、経験
的に次の式で表すことができる。
Then, when the charges Q1 and the charges Q2 are mixed, the potential difference ΔE required for causing the avalanche multiplication is ΔD.
As it approaches EBKd, the A-side FET6 for mixing accumulated charge
Carrier multiplication M occurs due to the avalanche at the gate channel and drain junction of the. This can be empirically expressed by the following equation.

【0035】M=1/{1−(ΔE/ΔEBKd )n } このとき、実際のシリコンの例では、係数nが“4”で
あることが多く、またアバランシェ増倍が生じるのに必
要なポテンシャルの深さの差ΔEBKd がソース、ドレイ
ン間の不純物濃度差および印加電圧差の関数で与えられ
る。
M = 1 / {1- (ΔE / ΔEBKd) n } At this time, in an actual silicon example, the coefficient n is often “4”, and the potential required for avalanche multiplication to occur. Depth difference ΔEBKd is given as a function of the impurity concentration difference between the source and drain and the applied voltage difference.

【0036】ここで、このアバランシェ増倍により増え
た電荷量をΔQ1とすると、図3に示す如く電荷Q1と
電荷Q2との混合時の増倍を用いることにより光電変換
により生じた電荷(Q1+Q2)より大きな電荷量(Q
1+Q2+ΔQ1)を出力として取り出すことができ
る。
Assuming that the amount of charge increased by this avalanche multiplication is ΔQ1, the charge (Q1 + Q2) generated by photoelectric conversion by using the multiplication when the charges Q1 and Q2 are mixed as shown in FIG. Larger charge (Q
1 + Q2 + ΔQ1) can be taken as an output.

【0037】図4は、図1に示す単位画素センサ1をマ
トリックス状に配置してエリアセンサにした場合の回路
構成図である。
FIG. 4 is a circuit configuration diagram in the case where the unit pixel sensors 1 shown in FIG. 1 are arranged in a matrix to form an area sensor.

【0038】この図に示すエリアセンサ21は第1A側
ホトダイオード2と第1B側ホトダイオード3とが互い
に共用されるように、マトリックス状に配置される複数
の単位画素センサ1と、これの各単位画素センサ1を構
成する各リセット用FET11を順次、オン/オフさせ
るリセット用垂直走査回路20と、前記各単位画素セン
サ1を構成する各画素選択用FET15を順次、オン/
オフさせる読出し用垂直走査回路16と、各水平位置毎
に読出しパルスを順次、生成する水平走査回路17と、
この水平走査回路17から順次、出力される読出しパル
スによってオン/オフされ、前記各単位画素センサ1を
構成する各信号出力線14の信号を順次、選択して出力
端子18から外部に出力する複数の水平走査用FET1
9とを備えている。
The area sensor 21 shown in this drawing has a plurality of unit pixel sensors 1 arranged in a matrix so that the first A side photodiode 2 and the first B side photodiode 3 are shared with each other, and each unit pixel thereof. The reset vertical scanning circuit 20 for sequentially turning on / off each reset FET 11 constituting the sensor 1 and each pixel selection FET 15 constituting each unit pixel sensor 1 are sequentially turned on / off.
A vertical scanning circuit 16 for reading which is turned off, a horizontal scanning circuit 17 which sequentially generates a reading pulse for each horizontal position,
A plurality of signals are sequentially turned on / off by the read pulse output from the horizontal scanning circuit 17 and sequentially selected from the signal output lines 14 constituting the unit pixel sensors 1 and output from the output terminal 18 to the outside. Horizontal scanning FET1
9 and 9.

【0039】そして、読出し用垂直走査回路16によっ
て各単位画素センサ1をライン単位で順次、オン状態に
しながら、水平走査回路17によって各水平走査用FE
T19を水平方向に順次、オン状態にするとともに、オ
ン状態にしたラインの各単位画素センサ1から出力され
信号を順次、選択してこれを出力端子18から外部に出
力する。
While the reading vertical scanning circuit 16 sequentially turns on each unit pixel sensor 1 line by line, the horizontal scanning circuit 17 causes each horizontal scanning FE to be turned on.
T19 is sequentially turned on in the horizontal direction, and the signals output from each unit pixel sensor 1 of the turned on line are sequentially selected and output from the output terminal 18 to the outside.

【0040】また、この動作と並行し、所定のタイミン
グでリセット用垂直走査回路20によって各単位画素セ
ンサ1をライン単位で順次、リセットする。
In parallel with this operation, each unit pixel sensor 1 is sequentially reset line by line by the reset vertical scanning circuit 20 at a predetermined timing.

【0041】この場合、図1に示す各単位画素センサ1
によってエリアセンサ21を構成し、各単位画素センサ
1を構成する第1A側、第1B側ホトダイオード2、3
の各電荷と、第2ホトダイオード4の電荷とを混合する
とき、蓄積電荷混合用A側FET6と、蓄積電荷混合用
B側FET8とによって電荷をアバランシェ増倍させる
ようにしているので、APDより簡単な構造、回路構成
にしながら、受光画素の近傍に蓄積電荷のアバランシェ
増倍機構を持たせ、光電変換により生じた電荷より大き
な電荷量を、出力として取り出すことができる。
In this case, each unit pixel sensor 1 shown in FIG.
The area sensor 21 is configured by the above, and the first A-side and first B-side photodiodes 2 and 3 that configure each unit pixel sensor 1
When the respective charges of 1 and the charge of the second photodiode 4 are mixed, the charges are avalanche-multiplied by the accumulated charge mixing A-side FET 6 and the accumulated charge mixing B-side FET 8, which is simpler than the APD. With such a structure and circuit configuration, an avalanche multiplication mechanism for accumulated charges is provided in the vicinity of the light receiving pixel, and a charge amount larger than the charges generated by photoelectric conversion can be taken out as an output.

【0042】但し、図1の単位画素センサ1において
は、第1A側ホトダイオード2と、第1B側ホトダイオ
ード3の蓄積電荷がアバランシェ増倍されるが、第2ホ
トダイオード4の蓄積電荷がアバランシェ増倍されない
ことから、水平ラインむらなどが生ずる可能性もある。
However, in the unit pixel sensor 1 of FIG. 1, the accumulated charges of the first A side photodiode 2 and the first B side photodiode 3 are avalanche multiplied, but the accumulated charges of the second photodiode 4 are not avalanche multiplied. Therefore, horizontal line unevenness may occur.

【0043】そこで、このような不都合を取り除くため
に、各単位画素センサ1を構成する第2ホトダイオード
4を遮光するようにしても良い。
Therefore, in order to eliminate such inconvenience, the second photodiode 4 constituting each unit pixel sensor 1 may be shielded from light.

【0044】このようにすることにより、図5に示す如
く第2ホトダイオード4の蓄積電荷Q2を無視できる程
度にすることができ、これによって第1A側ホトダイオ
ード2の電荷Q1を第2ホトダイオード4の電荷Q2と
混合させたとき、図6に示す如く第2ホトダイオード4
の電荷Q2をほぼ零にして水平ラインむらが生じないよ
うにすることができる。
By doing so, the accumulated charge Q2 of the second photodiode 4 can be made negligible as shown in FIG. 5, whereby the charge Q1 of the first A-side photodiode 2 becomes the charge of the second photodiode 4. When mixed with Q2, the second photodiode 4 as shown in FIG.
It is possible to make the electric charge Q2 of the above substantially zero and prevent the horizontal line unevenness from occurring.

【0045】しかし、この方法では、水平ライン数が半
分となる(現行NTSC方式の場合、226本)ので、
水平ラインの画素数を倍にする必要がある。
However, with this method, the number of horizontal lines is halved (226 in the case of the current NTSC system).
It is necessary to double the number of pixels in the horizontal line.

【0046】また、上述した実施例においては、不純物
濃度を変えて、蓄積電荷混合用A側FET6および蓄積
電荷混合用B側FET8のソース、ドレイン間のポテン
シャルの深さの差ΔEを増やすようにしているが、より
効果的に差ΔEを増やすために、第1A側、第1B側ホ
トダイオード2、3と、第2ホトダイオード4とのバイ
アス電圧を分離して印加するようにしても良い。
In the above-described embodiment, the impurity concentration is changed to increase the potential difference ΔE between the source and drain of the accumulated charge mixing A-side FET 6 and the accumulated charge mixing B-side FET 8. However, in order to increase the difference ΔE more effectively, the bias voltages of the first A side and first B side photodiodes 2 and 3 and the second photodiode 4 may be separately applied.

【0047】この場合の1つの方法としては、図1にお
いて、リード電圧線10に印加されるリード電圧VRDを
より高い電位に設定し、図7に示す如く上述した実施例
に比べて第2ホトダイオード4のポテンシャルをより更
に低くするようにすれば良い。
As one method in this case, in FIG. 1, the read voltage VRD applied to the read voltage line 10 is set to a higher potential, and as shown in FIG. The potential of 4 should be made lower.

【0048】これによって、第1A側ホトダイオード2
の電荷Q1を第2ホトダイオード4の電荷Q2と混合さ
せたとき、図8に示す如く光電変換により生じた電荷
(Q1+Q2)より大きな電荷量(Q1+Q2+ΔQ
1)を出力として取り出すことができる。
As a result, the first A side photodiode 2
When the charge Q1 of the second photodiode 4 is mixed with the charge Q2 of the second photodiode 4, a charge amount (Q1 + Q2 + ΔQ) larger than the charge (Q1 + Q2) generated by photoelectric conversion as shown in FIG.
1) can be taken as an output.

【0049】また、このような方法に加えて、第1A
側、第1B側ホトダイオード2、3と第2ホトダイオー
ド4のバイアス用配線を分離するようにしても良い。
In addition to this method, the first A
The bias wirings of the first and second B-side photodiodes 2 and 3 and the second photodiode 4 may be separated.

【0050】図9はこのようなバイアス用配線を分離す
る方法を適用した単位画素センサ1bの回路構成図であ
る。なお、この図において、図1の各部と同じ部分に
は、同じ符号が付してある。
FIG. 9 is a circuit diagram of a unit pixel sensor 1b to which such a method for separating the bias wiring is applied. In this figure, the same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.

【0051】この図に示す単位画素センサ1bが図1に
示す単位画素センサ1と異なる点は、第1A側、第1B
側ホトダイオード2、3のポテンシャルを高めるため、
2つの新たなバイアス用選択線25、26と、2つのバ
イアス用FET27、28を設け、バイアス用選択線2
5、26によって第1A側、第1B側ホトダイオード
2、3のリセットレベルをより低いバイアス電圧にし、
これによって第1A側、第1B側ホトダイオード2、3
の底のポテンシャルをより高いポテンシャルレベルに設
定することにより、第1A側、第1B側ホトダイオード
2、3のポンテシャルと、第2ホトダイオード4のポテ
ンシャルとの差ΔEを更に高めるとともに、図7および
図8の場合と同様に、リード電圧線10に印加されるリ
ード電圧VRDを高い電位レベルに設定し、第2ホトダイ
オード4のポテンシャルを図2および図3に示すポテン
シャルに比べてより深くするようにしたことである。
The unit pixel sensor 1b shown in this figure is different from the unit pixel sensor 1 shown in FIG.
To increase the potential of the side photodiodes 2 and 3,
Two new bias selection lines 25 and 26 and two bias FETs 27 and 28 are provided, and the bias selection line 2
5, 26 makes the reset level of the first A side and first B side photodiodes 2 and 3 a lower bias voltage,
As a result, the first A side and first B side photodiodes 2, 3
By setting the potential at the bottom of the second photodiode 4 to a higher potential level, the difference ΔE between the potentials of the first A side and first B side photodiodes 2 and 3 and the potential of the second photodiode 4 can be further increased, and FIGS. As in the case of, the read voltage VRD applied to the read voltage line 10 is set to a high potential level, and the potential of the second photodiode 4 is made deeper than the potentials shown in FIGS. 2 and 3. Is.

【0052】この場合、読み出し機構(図示は省略す
る)によって画素混合の後、蓄積電荷混合用A側FET
6がオフ状態にされたままで、バイアス用FET27が
オンされて、第1A側、第1B側ホトダイオード2、3
のリセットレベルより、低く設定される。
In this case, after the pixels are mixed by the reading mechanism (not shown), the accumulated charge mixing A-side FET is used.
6 is kept off, the bias FET 27 is turned on to turn on the first A side and first B side photodiodes 2, 3
It is set lower than the reset level of.

【0053】これによって、この実施例では、図10お
よび図11に示す如く最初のフィールド(フィールドA
とする)における第1A側ホトダイオード2と、第2ホ
トダイオード4と、第1B側ホトダイオード3とのポテ
ンシャル状態から明らかなように、上述した各実施例に
比べて第1A側、第1B側ホトダイオード2、3のポテ
ンシャルを高めることができる。
As a result, in this embodiment, as shown in FIGS. 10 and 11, the first field (field A
As is clear from the potential states of the first A-side photodiode 2, the second photodiode 4, and the first B-side photodiode 3 in (1), the first A-side photodiode 1 and the first B-side photodiode 2, The potential of 3 can be increased.

【0054】この結果、第1A側、第1B側ホトダイオ
ード2、3におけるポテンシャルの深さと、第2ホトダ
イオード4のリセット電圧に対するポテンシャルの差Δ
Eを大きくすることができ、アバランシェ増倍を容易に
実現できるとともに、アバランシェ増倍により生じる電
荷ΔQ1を大きくすることができる。
As a result, the difference Δ in potential between the first A side and first B side photodiodes 2 and 3 and the potential of the second photodiode 4 with respect to the reset voltage.
E can be increased, avalanche multiplication can be easily realized, and the charge ΔQ1 generated by avalanche multiplication can be increased.

【0055】また、上述した各実施例においては、第1
A側、第1B側ホトダイオード2、3の蓄積電荷を別の
第2ホトダイオード4に混合する際に生じるアバラシェ
増倍を用いて電荷を増加させる2画素混合型のAMIを
例にとって本発明を説明しているが、2つ以上のホトダ
イオードの蓄積電荷を別の1つ以上のホトダイオードに
混合する、いわゆる多画素混合型のAMIに対して本発
明を適用するようにしても良い。
In each of the above embodiments, the first
The present invention will be described with reference to an example of a two-pixel mixed type AMI in which charges are increased by using the Abarache multiplication that occurs when the charges stored in the A-side and first B-side photodiodes 2 and 3 are mixed into another second photodiode 4. However, the present invention may be applied to a so-called multi-pixel mixed type AMI in which the accumulated charges of two or more photodiodes are mixed with another one or more photodiodes.

【0056】また、上述した各実施例においては、半導
体基板としてp型基板を使用するようにしているが、n
型基板を用いて同様な回路を構成するようにしても良
い。
Further, in each of the above-mentioned embodiments, the p-type substrate is used as the semiconductor substrate.
A similar circuit may be configured using a mold substrate.

【0057】また、上述した各実施例においては、AM
Iに応用した例を示したが、一般的な、MOS型イメー
ジセンサに応用するようにしても良い。
In each of the above embodiments, the AM
Although the example applied to I is shown, it may be applied to a general MOS type image sensor.

【0058】また、上述した各実施例においては、第1
A側、第1B側ホトダイオード2、3の蓄積電荷を別の
第2ホトダイオードに混合する際に生じるアバラシェ増
倍を利用するようにしているが、本発明をCCD型固体
撮像素子に適用し、光電変換された蓄積電荷を第2ホト
ダイオード4から垂直転送路に転送する時に、アバラン
シェ増倍を生ずるに足る電位差を設けるようにしても良
い。
In each of the above embodiments, the first
Avalanche multiplication that occurs when the charges stored in the A-side and first B-side photodiodes 2 and 3 are mixed with another second photodiode is used. However, the present invention is applied to a CCD type solid-state imaging device, and When transferring the converted accumulated charges from the second photodiode 4 to the vertical transfer path, a potential difference sufficient to cause avalanche multiplication may be provided.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
電変換された蓄積電荷の混合時に、ホトダイオード間に
形成された蓄積電荷混合用FETのチャネル領域に電荷
の増倍作用を持たせることにより光電変換により生じた
電荷より大きな電荷量を、ホトダイオード出力として取
り出すことができ、これによって従来より、高感度で高
S/Nの固体撮像素子を実現することができる。
As described above, according to the present invention, when the photoelectrically converted accumulated charges are mixed, the channel region of the accumulated charge mixing FET formed between the photodiodes has a charge multiplication effect. As a result, a charge amount larger than the charge generated by photoelectric conversion can be taken out as a photodiode output, which makes it possible to realize a solid-state image sensor with higher sensitivity and higher S / N than ever before.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による固体撮像素子のうち、2画素混合
型固体撮像素子の一実施例の単位画素センサの概略構成
を示す回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a unit pixel sensor of an embodiment of a two-pixel mixed type solid-state imaging device among solid-state imaging devices according to the present invention.

【図2】図1に示す単位画素センサの最初のフィールド
における画素混合前のポテンシャル状態を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing a potential state before pixel mixing in a first field of the unit pixel sensor shown in FIG.

【図3】図1に示す単位画素センサの最初のフィールド
における画素混合後のポテンシャル状態を示す図であ
る。
3 is a diagram showing a potential state after pixel mixing in the first field of the unit pixel sensor shown in FIG.

【図4】図1に示す単位画素センサをマトリックス状に
配置してエリアセンサにした場合の回路構成図である。
FIG. 4 is a circuit configuration diagram when the unit pixel sensors shown in FIG. 1 are arranged in a matrix to form an area sensor.

【図5】図4に示す各単位記画素の第2ホトダイオード
を遮光したとき、最初のフィールドにおける画素混合前
のポテンシャル状態を示す図である。
5 is a diagram showing a potential state before pixel mixing in a first field when the second photodiode of each unit pixel shown in FIG. 4 is shielded from light.

【図6】図4に示す各単位記画素の第2ホトダイオード
を遮光したとき、最初のフィールドにおける画素混合後
のポテンシャル状態を示す図である。
6 is a diagram showing a potential state after pixel mixing in the first field when the second photodiode of each unit pixel shown in FIG. 4 is shielded from light.

【図7】図4に示す各単位記画素のリード電圧VRDを高
く設定したとき、最初のフィールドにおける画素混合前
のポテンシャル状態を示す図である。
7 is a diagram showing a potential state before pixel mixing in the first field when the read voltage VRD of each unit pixel shown in FIG. 4 is set high.

【図8】図4に示す各単位記画素のリード電圧VRDを高
く設定したとき、最初のフィールドにおける画素混合後
のポテンシャル状態を示す図である。
8 is a diagram showing a potential state after pixel mixing in the first field when the read voltage VRD of each unit pixel shown in FIG. 4 is set high.

【図9】本発明による固体撮像素子のうち、2画素混合
型固体撮像素子の他の実施例の単位画素センサの概略構
成を示す回路図である。
FIG. 9 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a unit pixel sensor of another embodiment of a two-pixel mixed type solid-state imaging device of the solid-state imaging devices according to the present invention.

【図10】図9に示す各単位記画素のリード電圧VRDを
高く設定したとき、最初のフィールドにおける画素混合
前のポテンシャル状態を示す図である。
10 is a diagram showing a potential state before pixel mixing in the first field when the read voltage VRD of each unit pixel shown in FIG. 9 is set high.

【図11】図9に示す各単位記画素のリード電圧VRDを
高く設定したとき、最初のフィールドにおける画素混合
後のポテンシャル状態を示す図である。
11 is a diagram showing a potential state after pixel mixing in the first field when the read voltage VRD of each unit pixel shown in FIG. 9 is set high.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 単位画素センサ 2 第1A側ホトダイオード(ホトダイオード) 3 第1B側ホトダイオード(ホトダイオード) 4 第2ホトダイオード(ホトダイオード) 5 A側フィールド選択線 6 蓄積電荷混合用A側FET 7 B側フィールド選択線 8 蓄積電荷混合用B側FET 9 リセット用選択線 10 リード電圧線 11 リセット用FET 12 信号増幅用FET 13 垂直選択線 14 信号出力線 15 画素選択用FET 1 unit pixel sensor 2 First A side photodiode (photodiode) 3 First B side photodiode (photodiode) 4 Second photodiode (photodiode) 5 A side field selection line 6 A side FET for mixing accumulated charge 7 B side field selection line 8 B-side FET for mixing accumulated charge 9 Reset selection line 10 Lead voltage line 11 Reset FET 12 Signal amplification FET 13 Vertical selection line 14 Signal output line 15 Pixel selection FET

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04N 5/335 H01L 27/146 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H04N 5/335 H01L 27/146

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 複数の単位画素センサを格子状に配置し
て光電変換を行なう固体撮像素子において、 前記各単位画素センサを多画素混合型にし、これらの各
単位画素センサを構成する各ホトダイオードの間に、蓄
積電荷混合用FETを形成し、 この蓄積電荷混合用FETのソース、ドレイン領域の不
純物濃度に蓄積電荷のアバランシェ増倍が生じるに足る
濃度差を設ける処理、 または蓄積電荷混合時に蓄積電荷混合用FETのソー
ス、ドレイン領域の電位に蓄積電荷のアバランシェ増倍
が生じるに足る電位差を設ける処理を行ない、 前記単位画素センサによって多画素混合型のMOS型固
体素子を構成することを特徴とする固体撮像素子。
1. A solid-state image sensor for performing photoelectric conversion by arranging a plurality of unit pixel sensors in a grid pattern, wherein each unit pixel sensor is of a multi-pixel mixed type, and each of the photodiodes constituting each unit pixel sensor is In the meantime, a process for forming a stored charge mixing FET and providing a concentration difference in the impurity concentration of the source and drain regions of the stored charge mixing FET that is sufficient to cause avalanche multiplication of the stored charge, or the stored charge when the stored charge is mixed A multi-pixel mixed type MOS solid-state element is configured by the unit pixel sensor, by performing a process of providing a potential difference sufficient to cause avalanche multiplication of accumulated charges in the source and drain regions of the mixing FET. Solid-state image sensor.
【請求項2】 前記単位画素センサを構成する各ホトダ
イオードのうち、混合される側のホトダイオードを遮光
する請求項1記載の固体撮像素子。
2. The solid-state image pickup device according to claim 1, wherein among the photodiodes forming the unit pixel sensor, the photodiodes on the mixed side are shielded from light.
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