JP4036831B2 - 光電子センサ - Google Patents

Description

この発明は、光電子センサ、ラインセンサまたはこれらのセンサによって構成された画像センサ、ならびに一般的に従属請求項の前段の記載に従った光検出方法に関する。

今日、ＣＭＯＳ（相補形金属酸化膜半導体）技術によるエリア（二次元）画像センサは、変化の大きな衝突光の光強度を有する画像（超動的画像）を捕捉する必要がある用途において広範に使用されている。高速動作シーンからなる画像が捕捉される場合、画像の動作歪みを防止するために全ての画像点が同時に露光される必要がある。ＣＭＯＳ技術の画像センサの画像データは通常順次的に読み出さなければならないため、画像データは読み出される前にそのピクセルの光検出器の近くに局部的に保存しなければならない。この種の局部的保存は決して完璧なものではなく、保存された信号は所要の露光時間が経過した後も検出器に衝突する光信号の影響を受ける（後段露光）。このことは、特に極めて明るい照明を伴ったシーンの捕捉において信号の飽和を防止するために読み出し時間に比べて極めて短い露光時間が必要とされる場合に、データの損失に通じる。この場合後段露光によって最後に読み出されるデータについて検出器出力の飽和がもたらされる。

発明の概要

従って、本発明の目的は、検出器アレー内に画像情報を局部的に保存する可能性を有すると同時に後段露光によって生成される飽和によるデータの破壊を防止することができる光検出器を提供することである。

前記の課題は請求項１記載の光検出器によって解決され、これは光によって生成される電荷を集積するために適するように不純物添加されるとともにアース電位と検出ノードとの間に接続された半導体材料の領域を含み、前記検出ノードはその入口部にキャパシタンスを備えている電圧検出回路に接続され、前記電圧検出回路のキャパシタンス上の電圧信号を一時的にサンプリングおよび保留するために検出ノードを電圧検出回路から切断する手段を備え、前記キャパシタンスは電圧検出回路の飽和を防止するために適した非線形電圧相互コンダクタンス要素に接続される。

従って、本発明の核は非線形電圧相互コンダクタンス要素であり、これは電圧検出回路の入口部のキャパシタンスに接続されており、検出器の露光／集積時間の後に前記キャパシタンスの端子間で計測される電圧に影響を与える可能性を提供し、従って後段露光効果のための計測電圧の歪によって露光時間中に捕捉された実際の情報の欠落／劣化がもたらされることは無い。これによって非線形電圧相互コンダクタンス要素は電圧検出回路の入口部の前記キャパシタンスの端子間電圧の非線形特性をもたらし、この非線形性は測定された電圧が決して飽和レベルより下に降下しないという効果をもたらしその結果異なった電圧初期値による混乱を防止する。

本発明の好適な構成形態によれば、光検出器はアース電位と検出ノードとの間に半導体材料の領域に並列に追加的にキャパシタンスを備えている。

本発明の別の好適な構成形態によれば、光検出器は、光生成された電荷を集積するように適宜に不純物添加された半導体材料の領域がフォトダイオードであるとともに、このフォトダイオードの検出ノードがトランジスタ手段、好適にはＭＯＳトランジスタ手段によって電圧検出回路に接続されるかあるいはこれから切断されることを特徴としている。

別の好適な構成形態によれば、非線形電圧相互コンダクタンス要素はトランジスタ、好適にはＭＯＳトランジスタによって構成され、そのゲートが適宜な電位に接続されることを特徴とする。従って、トランジスタのゲートをそのソースに接続し得ることが好適である。さらに、トランジスタのゲートを外部制御された信号に接続することも可能である。この外部制御された信号は追加的に時間変化させることもできる。

非線形電圧相互コンダクタンス要素に関して、これはトランジスタあるいはダイオードのいずれかによって構成することができ、これは他方の端子が時間によって変化しないあるいは時間変化する適宜な電位に接続される。

従って、光検出器は、光生成された電荷を集積するように適宜に不純物添加された好適にはフォトダイオードである半導体材料の領域が衝突光の強度に対して非線形の応答を示すことを特徴とする。

本発明の別の好適な構成形態によれば、非線形構成要素がストレージノードをリセットするかあるいはストレージノードおよびダイオードをリセットするために使用される。

本発明のその他の好適な構成形態は主請求項に従属する請求項によって示される。

加えて、本発明は、少なくとも部分的に前述した光検出器によって構成されたラインセンサまたは画像センサの形式の一次元あるいは二次元のアレーに関するものである。

発明の説明

典型的なＣＭＯＳ画像センサにおいて、各画像点に対して特にフォトダイオード２からなる１つの光検出器が検出回路に接続されている（図１参照）。露光時間の後画像点が読出されるまで光検出器の信号を保存するために、光検出器は特にＭＯＳトランジスタであるスイッチ９（Ｍ１）手段によって読出し回路から切断される。検出器２が切断された場合、その出力電圧は読出し回路に関連付けられた寄生キャパシタンス８に蓄積される（ストレージノード１０）。通常、ストレージノード１０は後段露光を防止するために光シールドによって遮蔽される。しかしながら、従来の処理技術において入手可能な光シールドはストレージノードを完全に遮蔽するものではない。加えて、不完全な切換え特性ならびに該当する光検出器領域２の外部の電荷生成のため、検出器が依然としてストレージノード１０に影響を与える可能性がある。露光時間に比べて長い時間の間信号値がストレージノード１０上に保存されるとともにセンサ２が高い光強度によって露光される場合、ストレージノード１０上の電圧が電圧検出回路の初期レベルを超過するかあるいはそれより下に降下し易くなり、従って飽和の危険性が生じる。

ここでの説明は全てＮ−ＭＯＳデバイスに関するものであるが、当業者においては本発明がＰ−ＭＯＳデバイスについても同様に機能することが理解されよう。

極めて強力な照明かつ長い保存時間の環境下においてもストレージノードの飽和を防止するために、本発明に係るセンサはストレージノード１０に接続された非線形応答要素１１を備えて構成される（図２参照）。好適には、非線形応答要素１１はＭＯＳトランジスタ１２からなり、そのゲート１３は固定あるいは外部制御される電位Ｖ_{Ｃｏｎｔｒｏｌ}に接続されている（図３参照）。他方、非線形要素は単純なダイオード１５とするか（図４参照）、あるいは前述した原理と同様に動作するその他の任意の非線形回路とすることができる。図５の好適な実施例を参照すると、独立したＭＯＳがフォトダイオード２に接続されており、これにより露光後即座にフォトダイオード電位をリセット電位に固定して、ストレージノード１０に対するフォトダイオード２の影響を最小限化する。このＭＯＳトランジスタＭ３は、さらにフォトダイオードの応答の非線形圧縮を形成するために使用することができる。より詳細には国際公開第０１／４６６５５号パンフレットを参照することができ、この国際公開第０１／４６６５５号パンフレットの内容全体がここにおいて参照に組み入れてあり、特に検出ノード１６の応答を特定の方式で非線形化するためのトランジスタＭ３の使用、ならびにＭ３に関しての国際公開第０１／４６６５５号パンフレットの開示と本出願によって提案される手段（１１，１２，Ｍ２）との組み合わせが含まれている。

露光時間中において光検出器２はＭＯＳトランジスタＭ１によってストレージノード１０に接続される。衝突光の強度に応じて光検出器２ならびにストレージノードの電位はその初期値から逸脱する。集積が完了した後、ＭＯＳトランジスタＭ１のゲートに電位を付加してこのトランジスタを遮断することによってストレージノード１０がフォトダイオード２から切断される。ここで、最終的な信号値がストレージノード１０の寄生キャパシタンス８（Ｃ_{Ｓｔｏｒａｇｅ}）上に保存される。保存時間の間、スイッチＭ１の漏れによって生成された電流ならびに光シールドを貫通した照明によって生成された電流の合計がストレージノード１０の電位をその初期値から逸脱させる。数式１によりストレージノード１０の電圧が後段露光電流（Ｉ_Ｌｅａｋ＋Ｉ_{Ｓｈｉｅｌｄ}）と露光時間の関数として示されている。Ｖ_{Ｅｘｐｏｓｕｒｅ}はストレージノード１０が光検出器２から切断された直後のストレージノード１０の電位を示している。

数式１

第１回目において、ストレージノード１０は時間増加に従って線形的に初期レベルから逸脱し、また後段露光電流Ｉ_ＬｅａｋおよびＩ_{Ｓｈｉｅｌｄ}の合計に従って線形的に逸脱する。最初、ストレージノード１０に接続されている非線形回路１１，１２，１５は電流を導通しないよう構成されている。好適には、非線形回路はＭＯＳトランジスタ１２によって構成され、そのゲート１３は、露光されていないセンサ（Ｖ_ｒｅｓ）の電圧レベル＋１つの閾値電圧（Ｖ_ＴＨすなわちＶ_ｒｅｆ＋Ｖ_ＴＨ）と検出回路の飽和電圧＋１つの閾値電圧（Ｖ_ＴＨすなわちＶ_ｓａｔ＋Ｖ_ＴＨ）との間の電圧に接続される。最初、非線形回路（ＭＯＳトランジスタＭ２）は電流を通流させない。一度ストレージノード１０の電圧がＭ２のゲート電圧より小さい数値１Ｖ_ＴＨに到達するとトランジスタが導通を開始する。この瞬間から、ストレージノード電圧は数式１によって定義されるものではなくなり、非線形回路のその時点の電圧関数によって定義されるものとなる。好適な実施例においてはＭＯＳトランジスタＭ２のゲート−ソース電圧によるものとなる。ゲート−ソース電圧ならびにストレージノード１０上の電圧は数式２によって表される。通常後段露光の光電流および漏れ電流は、フェムトアンペアないしナノアンペアの領域となる。従って、ＭＯＳトランジスタＭ２は弱反転モードで動作する。

数式２

Ｋはプロセスに依存するトランジスタのパラメータ、Ｉ_０は弱反転モードのオンセットにおけるドレイン電流、ならびにＶ_ＴＨはトランジスタ閾値電圧である。ｋＴ／ｑは通常の周囲気温中において約２６ｍＶである。

一度ストレージノードが非線形要素が電流を導通させる電位に到達すると、読み出される最終値は露光後の信号に依存するばかりでなく、集積された後段露光電流および読出しにおける最新の後段露光電流に依存する。線形要素の端子間電圧の、それ自体衝突光の強度の関数である後段露光電流への依存性のため、ストレージノード電位は完全には飽和せず、衝突光の強度に相関し続ける。図６には、３つの異なった衝突光強度についてストレージノードの電圧が時間関数として示されている。衝突光の強度が比較的低い場合、ストレージノードは非線形要素が導通であるモードには転換しない（曲線Ａ）。光強度がより高い場合、非線形要素が導通になるモードに転入するために充分な程ストレージノードの電位が高速に降下する。最終的なストレージノード電位は後段露光電流の関数となる（曲線Ｂ）。さらに高い光強度において、ストレージノード電位は非線形要素が導通となる値に極めて高速に降下する。より重大な後段露光電流のため、より小さい光強度の場合と比べて非線形要素の端子間電圧はより重大なものとなる（曲線Ｃ）。従って、曲線ＢおよびＣに該当する２つの強度について、非線形要素を備えていない場合に生じるような読出しの混乱は生じない（点線で示されている非線形要素を備えていない場合のストレージノード電圧の特性を参照）。曲線ＢおよびＣは電圧検出回路の飽和レベルＶ_ｓａｔに到達しており、従って混乱が生じその結果データの損失につながる。

典型的なＣＭＯＳ画像センサの構成を示すブロック線図である。 本発明に係る画像センサの一実施例を示すブロック線図である。 本発明に係る画像センサの別の実施例を示すブロック線図である。 本発明に係る画像センサの別の実施例を示すブロック線図である。 本発明に係る画像センサの別の実施例を示すブロック線図である。 ３つの異なった衝突光強度についてストレージノードの電圧を時間関数として示した説明図である。

符号の説明

２ フォトダイオード
４ アース電圧線
６ フォトダイオードキャパシタ
８ ストレージキャパシタ
９ ストレージスイッチ
１０ ストレージノード
１１ 非線形応答要素
１２ ＭＯＳトランジスタ
１３ ゲート
１４ ドレイン
１５ ダイオード
１６ ソース

Claims (16)

1. 光によって生成される電荷を集積するために適するように不純物添加されるとともにグランドノード（４）と検出ノード（１６）との間に接続された半導体材料の領域（２）を備え、
   その入口部ノードとグランドノードとの間に接続されたキャパシタンス（８）を備えている電圧検出回路を備え、
   前記検出ノード（１６）は前記電圧検出回路の入口部ノードに接続され、
   前記電圧検出回路のキャパシタンス（８）上の電圧信号を一時的にサンプリングおよび保留するために検出ノード（１６）を電圧検出回路から切断する切り替え手段（９）を備え、
   前記キャパシタンス（８）は電圧検出回路の飽和を後段露光効果により防止するために適した非線形相互コンダクタンス要素に接続される、
   ことからなる光検出器。
2. 電圧検出回路のキャパシタンス（８）が寄生キャパシタンスであることを特徴とする請求項１記載の光検出器。
3. グランドノード（４）と検出ノード（１６）との間において半導体材料の領域に並列にキャパシタンス（６）が結合されることを特徴とする請求項１記載の光検出器。
4. 光生成された電荷を集積するように適宜に不純物添加された半導体材料の前記領域がフォトダイオード（２）であるとともに、このフォトダイオード（２）の検出ノード（１６）の接続または切断のスイッチ手段は、トランジスタ（Ｍ１）によって作動することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光検出器。
5. 非線形相互コンダクタンス要素（１１）はトランジスタ（１２，Ｍ２）によって構成され、そのゲート（１３）が適宜な電位に接続されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光検出器。
6. トランジスタ（１２，Ｍ２）のゲート（１３）はそのソース（１６）に接続されることを特徴とする請求項５記載の光検出器。
7. トランジスタ（１２，Ｍ２）のゲート（１３）がそのドレイン（１４）に接続されることを特徴とする請求項５記載の光検出器。
8. トランジスタ（１２，Ｍ２）のゲート（１３）は外部制御された信号に接続されることを特徴とする請求項５記載の光検出器。
9. トランジスタ（１２，Ｍ２）のゲート（１３）は外部制御された時間変化する信号に接続されることを特徴とする請求項５記載の光検出器。
10. 非線形相互コンダクタンス要素（１１）はダイオード（１５）によって構成され、このダイオードの他方の端子が固定された電位に接続されることを特徴とする請求項１記載の光検出器。
11. 非線形相互コンダクタンス要素（１１）はダイオード（１５）によって構成され、このダイオードの他方の端子が時間変化する電位に接続されることを特徴とする請求項１記載の光検出器。
12. 第二非線形相互コンダクタンス要素（Ｍ３）が、光生成された電荷を集積するように適宜に不純物添加された半導体材料の領域（２）に接続されることにより、突光の強度に対して非線形の応答を示すことを特徴とする請求項１記載の光検出器。
13. 前記第二非線形相互コンダクタンス要素（Ｍ３）がトランジスタであることを特徴とする請求項１２記載の光検出器。
14. 非線形相互コンダクタンス要素（１１）がストレージノード（１０）をリセットするかあるいはストレージノードおよびダイオード（１５）をリセットするために使用されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の光検出器。
15. 少なくとも部分的に請求項１ないし１４に記載の光検出器によって構成された、一次元あるいは二次元アレー。
16. 前記アレーはラインセンサまたは画像センサを形成することを特徴とす る請求項１４記載の一次元あるいは二次元アレー。

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