JPH0338794B2

JPH0338794B2 -

Info

Publication number: JPH0338794B2
Application number: JP56087983A
Authority: JP
Inventors: Ei Chatsupuman Richaado
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1981-06-08
Filing date: 1981-06-08
Publication date: 1991-06-11
Also published as: JPS57204684A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、赤外線画像を形成する方法および装
置に関し、特に、転送ゲートを用いた赤外線検出
マトリツクスをもつた赤外線画像を形成する方法
および装置に関する。

従来から、赤外線検出装置には、ステアリング
（staring）および非ステアリング（non−
staring）の２つの形式のものがある。ステアリ
ング形装置は走査装置を必要としないが、非ステ
アリング形装置は走査装置をもつている。さらに
従来技術の赤外線検出装置はトランスジユーサ形
のものであつた。すなわち、入射赤外線エネルギ
が電荷を発生させ、その電荷が数フレームにつき
集められて合成される形式のものであつた。この
合成された信号は増幅されて動作信号となり、ビ
デオ処理を受けた。この検出装置は比較的高価で
寸法も大きく、非効率的な動作特性を有してい
た。

従つて、本発明は、量産が可能な、比較的小形
で、実質的に効率が改善された、赤外線エネルギ
画像を形成する方法および装置を提供することを
目的とする。

本発明のもう１つの目的は、実質的なブルーミ
ング（blooming）および漏話が軽減された赤外
線エネルギ画像を形成する方法および装置を提供
することである。

本発明のさらにもう１つの目的は、電荷受入容
量を増加させて、長に積分期間を可能にすること
である。

簡単に述べれば、この赤外線画像装置は、光学
装置、走査装置、赤外線検出マトリツクス、およ
びビデオ信号処理装置を包含している。もし撮像
装置がステアリング形のものならば、走査装置は
省略される。光学装置が視野内のシーンから来る
赤外線エネルギを光学路に沿つて収束させ、走査
装置がそれを走査し、走査された赤外線エネルギ
は赤外線検出マトリツクスへ入射せしめられる。
この赤外線検出マトリツクスはランダムアクセス
撮像装置（random access imager；RAI）であ
り、これは入射赤外線エネルギを、その表示であ
る電荷量に変換し、その電荷量はビデオ信号処理
装置によつて処理されてビデオ信号になる。

本発明の新しい諸特徴は、特許請求の範囲に記
載されている。しかし、本発明自体および本発明
の他の諸目的および諸利点は、添付図面を参照し
た実施例についての以下の詳細な説明によつて明
らかになる。

添付図面において、前方視界形赤外線
（foward looking infrared）（FLIR）画像装置
（第１図）は、レンズ装置１２、走査装置１４、
検出装置１６、ビデオ電子回路１８、および光源
２０を包含している。ステアリング形装置におい
ては、走査装置１４は省略される。レンズ装置１
２は、３つのレンズ素子（図示されていない）を
包含しており、これらのレンズは赤外領域で働く
ゲルマニウム素子である。これらのレンズはシー
ンから放射される赤外線エネルギを集め、このエ
ネルギを走査装置１４の回転鏡（図示されていな
い）上に収束させる。回転鏡には、例えば両面形
平面鏡が使用される。この鏡の第１面すなわち前
面は赤外線エネルギを受けるのに用いられ、第２
面すなわち裏面は光源２０からの変調された可視
光線を走査するのに用いられる。この走査鏡は、
その「Ｙ」軸が光軸に直角に、またその「Ｘ」軸
が光軸に対して45゜の角をなして配置される。こ
の配置においては、走査鏡は赤外線エネルギを折
り曲げ鏡（図示されていない）に向けて反射し、
それによつてさらに検出装置１６の検出マトリツ
クスへ反射させる。ビデオ電子回路１８は、検出
アレイのそれぞれの出力を光源２０の例えば発光
ダイオードに接続し、それぞれの発光ダイオード
の出力を変調するという、信号処理における補助
機能を行なう。最後に、光源からの可視光線は折
り曲げ鏡（folding mirror）（図示されていない）
に入射せしめられ、この折り曲げ鏡は可視光線の
コリメータ・レンズを経て走査鏡の第２面すなわ
ち後面に反射し、観察者が観察できるようにす
る。検出マトリツクスの出力はビデオ電子回路で
TV形式に処理し、ブラウン管上にデイスプレイ
することもできる。以下に説明する検出マトリツ
クス以外の、これらの装置の適当な構造の詳細に
ついては、1975年10月14日にRichard G.
Hoffman、に与えられた「振動鏡走査装置の
位相偏移補償用オプトメカニカル・デバイス」と
題する米国特許第3912927号を参照されたい。

第２ａ図において、ランダムアクセス撮像装置
（RAI）２２は、３×３検出マトリツクスを包含
している。３×３検出マトリツクスは、単に説明
用として示したものであり、例えば64×64素子の
マトリツクス・アレイの方が実用的な設計のもの
といえる。検出素子は行および列をなして配列さ
れている。素子の行はそれぞれ２４，２６，２８
で示されている。検出素子のそれぞれの行は、検
出器アドレス線路３０，３２，３４のそれぞれに
よつてアドレスされる。検出素子２４，２６，２
８の列は、それぞれ転送ゲート３６，３８，４０
により読取線路４２，４４，４６に接続されてい
る。読取線路４２，４４，４６はそれぞれ出力コ
レクタ４８，５０，５２に接続されている。

次に第３ａ図は、第２ａ図のＡ−Ａ線におけ
る、１検出器とそれに関連する読取線路の断面図
である。第１実施例のRAI２２（第２ａ図）にお
いては、検出素子２４，２６，２８および転送ゲ
ート３６，３８，４０は、金属／絶縁体／半導体
（MIS）形式の構造を有し、出力コレクタ４８，
５０，５２はｐ−ｎ接合になつている。この実施
例においては、基板５４（第３ａ図）として、ｐ
形またはｎ形のどちらの伝導性の半導体材料でも
使用できる。使用される材料は、検出されるべき
赤外線の波長によつて決定される。例えば、シリ
コンは1.1ミクロンの可視波長のために用いられ、
水銀／カドミウム／テルル化物は、３〜５ミクロ
ンの波長帯または８〜14ミクロンの波長帯に用い
られる。材料のバンドギヤツプは決定因子とな
る。第３ａ図および第２ｃ図に示されているよう
に、基板５４はｎ形HgCdTeから成る。ｐ−ｎ接
合読取線路４２は、例えば、HgCdTe基板５４上
に厚さ約500Å〜700Åの間の固有（基板材料の）
酸化物層５６を形成することによつて作られる。
この酸化物は陽極処理によつて形成される。酸化
物層５６はパターン化され、その中には乳酸を用
いたエツチングで径路（穴）が形成される。その
後、イオン打込み、または不純物拡散、または水
銀の出入拡散（in−or−out diffusion）によつ
て、ｐ形伝導性領域５４′が形成され、接合が作
られる。酸化物は接合の形成後そのまま残される
か、または除去されて再酸化が行なわれ、基板に
前にエツチングされた位置ぎめマークを用いて径
路が作り直される。MIS電極製造を進める前に、
接合への径路上へ薄い金属層（図示されていな
い）を直接堆着（デジポツト）させることができ
る。この金属層は、ZnS絶縁層を通しての最後の
径路エツチングにおける径路エツチング止めを形
成する。

ｐ−ｎ接合が形成された後、例えばZnSのよう
な絶縁材料の500Å〜1500Åの厚さの層５８が、
固有酸化物層５６上に熱蒸着される。次に、ZnS
層５８はマスクされ、例えば厚い（200Å〜1500
Å）アルミニウムまたはニツケル電極である、フ
イールド・プレート／チヤネル・ストツプMIS電
極６０が、ZnS層５８上にパターン化される。電
極６０は、好ましくは写真食刻法を用いて形成さ
れる。ここまでの説明のデバイスは第２ｃ図に示
されている。

基板５４と、絶縁層５８と、チヤネルストツプ
電極（第１レベルの電極）６０とで形成されるチ
ヤネルストツプMIS構造は、300Å〜500Åの間の
厚さの第２絶縁層６２により被覆される。層６２
は好ましくはZnSで形成する。次に、第２絶縁層
６２はまず、写真食刻法または化学的エツチング
法を用いて金属被覆されることにより、検出素子
の行２４，２６，２８のそれぞれに対する薄い
（150Å）半透明電極６４の形成を受ける（第２ｂ
図）。この薄電極は好ましくはニツケル電極とす
る。次に、第２絶縁層６２は、写真食刻法を用い
て再び金属被覆され（第３ａ図）、厚い（200Å〜
2000Å）不透明な金属（アルミニウム）アドレス
線路３０，３２，３４が形成される（第２ｂ図）。
アルミニウムアドレス線路３０，３２，３４は、
薄いニツケル電極６４の上に重なつており、検出
素子の行２４，２６，２８（第２ｂ図）はアドレ
ス線路３０，３２，３４に電気的に接続されてい
る。

次に、以上の金属被覆上に絶縁材料（ZnS）の
第３の層６６（第３ａ図）が1000Åから3000Åま
での間の厚さで堆着され、次いで、写真食刻法を
用いて不透明な転送ゲート３６が形成されること
により、厚い（1000Å〜5000Å）アルミニウム電
極３６，３８，４０が作られる（第２ａ図）。最
後に、絶縁材料（ZnS）のもう１つの層６８（第
３ａ図）（1000Å〜5000Å）が堆積され、全ての
電極および基板への径路７０（第２ａ図）がエツ
チングされる。例えばインジウムのような軟質ボ
ンド材を用いてボンデイングパツドおよび前記径
路を経て所望電極に接触する拡大接点が形成され
る。ｐ−ｎ接合読取線路においては、接続の必要
はない。それはMOSFETの浮動ソースがリセツ
トされるのと同様にリセツトされるからである。

第２実施例（第３ｂ図）は、第２ａ図のＡ−Ａ
線における断面図によつて示されており、この場
合は、ランダムアクセス撮像装置は全体が金属−
絶縁体−半導体（MIS）構造になつている。すな
わち、読取線路４２，４４，４６および出力コレ
クタ４８，５０，５２はMIS構造のものである。
この構造は、MIS実施例の場合にｎ形HgCdTe基
板５４が陽極処理によつて固有酸化物層５６を形
成されている点を除けば、第３ａ図の構造と全く
同じものである。ZnSの絶縁層５８が固有酸化物
層５６上に形成され、フイールドプレート／チヤ
ネルストツプ６０および読取線路４２，４４，４
６（第２ａ図）の読取線路電極７２がZnS層５８
上に形成される（第３ｂ図）。電極７２は第３ａ
図のｐ−ｎ接合読取線路の代わりになるものであ
る。構造完成のため次に、第１のZnS絶縁層５８
上に支持されているフイールドプレート／チヤネ
ルストツプ６０および読取線路７２を被覆する第
2ZnS絶縁層が形成される。第2ZnS絶縁層の上に
は検出素子薄電極６４およびバス３０が形成さ
れ、その上には第3ZnS層６６が被覆される。第
3ZnS絶縁層６６上には、第３電極すなわちDC転
送ゲート３６が形成される。転送ゲート３６は、
検出素子を読取線路から分離するガードリングを
なす。

第４図にもMIS構造が示されているが、これは
第２ａ図のＢ−Ｂ線における断面図である。この
構造においては、HgCdTe基板５４は固有酸化物
層５６およびZnS絶縁層５８を支持している。フ
イールドプレート／チヤネルストツプ電極６０
と、出力コレクタ電極７４に接触する読取線路電
極７２とは、絶縁層５８上に金属被覆されたもの
で、第１レベル電極区域を形成している。この第
１レベル金属被覆はZnS絶縁層６２および６６に
よつて被覆され、層６６は転送ゲート３６を支持
している。転送ゲート電極３６は、読取線路およ
び出力コレクタの周囲の空間７６を覆つており、
ガードリング電極としての役目ももつている。

もう１つの実施例（第５図）においては、相接
触していた読取線路４２，４４，４６および出力
コレクタ４８，５０，５２（第２ａ図）は、ギヤ
ツプ７６だけ間隔をもつて形成され、このギヤツ
プを流れる電荷を制御するためにパルス作動バリ
アスイツチ（pulsed barrier switch）７８が利
用される。MIS構造であるこの実施例は（第６
図）、固有酸化物層５６とZnS絶縁層５８とを支
持するHgCdTe基板５４を包含しており、絶縁層
５８の上には第１レベル金属被覆が形成されてい
る。この第１レベル金属被覆には、フイールドプ
レート／チヤネルストツプ６０、読取線路電極７
２、および出力コレクタ電極７４が包含されてい
る。読取線路電極７２と出力コレクタ電極とは、
間隔をおいてギヤツプ７６を形成している。これ
らの第１レベル電極は、ZnS絶縁層６２によつて
被覆され、バリアダイオード電極８０がギヤツプ
７６の上部のZnS層６２上に形成される。ZnS絶
縁層６６はバリアダイオード電極８０を被覆し、
このZnS絶縁層６６上に転送ゲート３６が形成さ
れる。ZnS層６６を通して径路８２（第５図）が
エツチングされ、その内部に電気接続のためのイ
ンジウム接点が形成される。

パルス作動バリアダイオード７８の使用によ
り、ｐ−ｎ接合読取線路およびMIS出力ダイオー
ド、または、MIS読取線路およびｐ−ｎ接合出力
ダイオード、が可能になる。

ランダムアクセス撮像装置（RAI）は、非ラン
プ様式（non−ramped mode）またはランプ様
式（ramped mode）によつて動作しうる。非ラ
ンプ様式においては、RAI（第７ａ図）は、水平
走査発生器８４と、検出マトリツクス２２と、リ
セツトおよびバツフア電界効果トランジスタ回路
８６と、前置増幅器８８と、クランプ・サンプ
ル・ホールド回路９０と、を包含している。ラン
プ動作の場合は、水平走査発生器８４とRAI２２
との間にランプ波形発生器９２が包含されるが、
その他の点では両構造は全く同様である。

非ランプ構造においては、例えばリングカウン
タである水平走査発生器８４が、検出器アドレス
線路３０，３２，３４に後述の波形を供給する。
読取線路３６，３８，４０およびこれらに対応す
る出力コレクタ４８，５０，５２（第２ａ図）
は、それぞれリセツトおよびバツフアFET回路
８６（第７ａ図）に接続されている。リセツトお
よびバツフアFET回路８６はまた前置増幅器８
８にも接続されている。前置増幅器８８の出力
は、クランプ・サンプル・ホールド回路９０に接
続されている。

ランプ様式（第７ｂ図）においては、水平走査
発生器８４のそれぞれの出力がランプ波形発生器
９２を作動させる。この波形発生器は、例えば、
RC充電回路とそれに続く演算増幅器とから成り、
その形式の場合はRC立上り時間の直線部分が利
用される。他の実施例においては、ランプ発生器
は一連のわずかの間隔をもつた電圧の段階的上昇
を与えることによつて、直線的ランプを近似す
る。

それぞれの出力コレクタの電荷を検出するため
のRAI出力回路（第８図）は、それぞれの素子列
に対して同じ回路が用いられる。従つて、１回路
のみを説明する。この回路は、陽極がリセツト
MOSFET９６のソース９４に接続されたｐ−ｎ
接合出力ダイオード４８、または、電極がリセツ
トMOSFET９６のソース９４に接続されたMIS
構造、を包含している。MOSFET９６のドレイ
ン９８は基準電圧に接続され、そのゲート１００
はプレセツトパルスに接続されている。プレセツ
トパルスが受信されると、ｐ−ｎ接合出力ダイオ
ードの陽極と、バツフアMOSFET１０４のゲー
ト１０２とに負の基準電圧が印加される。バツフ
アMOSFET１０４のソース１０８は負電圧V_SS
に接続され、そのドレイン１１０は正電圧源V_DD
に接続された負荷抵抗１１２とバイポーラ・トラ
ンジスタ１１６のベース１１４とに接続されてい
る。トランジスタ１１６のエミツタ１１８は負電
圧V_SSに接続され、そのコレクタ出力は電圧源
V_DDに接続された負荷抵抗１２２とクランプ・サ
ンプル・ホールド回路９０の入力とに接続されて
いる。

出力コレクタがMIS構造である実施例の場合に
は、第８図に点線で示されている注入パルスコン
デンサ１１０が備えられている。

リセツトおよびバツフアMOSFETは検出器
RAIチツプに隣接した別個のシリコンチツプに形
成されたものでもよく、あるいは、RAIと同じチ
ツプ上に直接形成されたものでもよい。出力ダイ
オード４８を用いたこのモノリシツク構造のもの
においては、このダイオードをリセツト
MOSFETのソースにすることができる。

第９ａ図、第９ｂ図、第９ｃ図は、ｎ形材料を
用いた場合に、検出器行２４，２６，２８に印加
される電圧を示しており、ゼロボルトは「オフ」
電圧、−V₁または−V₂は「オン」電圧であり、こ
れらによつて行電極２４，２６，２８の下に電位
の井戸が形成される。行井戸２４がターンオフさ
れると、行井戸２６がターンオンされ、以下同様
になる。行２４のターンオフと行２６のターンオ
ンとは同時でもよく、また、行２４は行２６がタ
ーンオフするわずか前にターンオフされてもよ
い。以下についても同様である。第９ａ図、第９
ｂ図、第９ｃ図の下部の波形は、４８，５０，５
２における出力電圧を示している。矢印はクラン
プおよびサンプルパルスのタイミングを示してい
る。

次に、第９ａ図を参照しつつ、ｐ−ｎ接合形
（ダイオード）コレクタ４８，５０，５２が用い
られた時のデバイスの動作を説明する。

検出素子行２４がオフ状態になつてそれらの電
荷がコレクタ・ダイオード４８，５０，５２（第
２ａ図）に放出されてしまい、検出素子行２６お
よび２８がオン状態になつて充電されている状態
で、時間t₀−t₁の間に負のプレセツト電圧パルス
が電荷コレクタ・ダイオード４８，５０，５２に
印加される。このプレセツトパルスは、行２６の
検出器からダイオードに電荷が放出される前に、
ダイオードを一定電圧にセツトする。次に、時間
t₁−t₂の間には、プレセツトパルスはターンオフ
され、ダイオード４８，５０，５２上の電圧がバ
ツフア１０４（第８図）により測定され増幅され
て、クランプ・サンプル・ホールド（CS＆Ｈ）
回路９０によつてクランプされる。時刻t₂には検
出素子行２６はターンオフされ、時間t₂−t₃の間
にはそれらの電位井戸内の電荷は読取線路４２，
４４，４６（第２ａ図）を経てコレクタダイオー
ド４８，５０，５２へ放出される。コレクタダイ
オード４８，５０，５２の出力電圧はCS＆Ｈ回
路９０（第８図）によつてバツフアされサンプル
される。サンプルされた電圧からクランプされた
電圧が減算され、その差は第２検出素子行２６上
に入射した赤外線光子束の強度を表わす。時刻t₃
（これは時刻t₀でもある）には、第２プレセツト
パルスにより第２検出素子行が充電のためにター
ンオンされて第２サイクルが開始される。第２サ
イクルの終りt₃には、第３検出素子行２８の電荷
が決定され、検出素子行２８がターンオンされ
る。次いで、検出素子行２４がターンオフされた
状態で第３サイクルが開始され、第３のサイクル
の終りには第１検出素子行２４の電荷が決定さ
れ、第１検出素子行２４は再びターンオンされ
る。RAI動作を通じてこのサイクルが継続され
る。以上においては行の選択は順次に行なわれる
ものとされたが、行の選択は不規則にも行なわれ
うる。

RAIのMIS実施例の動作におけるタイミングお
よび波形が第９ｂ図に示されている。検出素子行
２４がオフ状態にされて電荷放出され検出素子行
２６および２８が充電されている時刻t₀における
状態で、プレセツトパルスがMIS出力素子４８，
５０，５２に印加され、これらのMIS電極の下部
にある電位井戸を一定の固定された表面電位にセ
ツトする。時刻t₁においてプレセツトパルスはタ
ーンオフされる。t₀とt₁との間で第２検出素子行
２６がターンオフされ、それらの電荷が読取線路
４２，４４，４６へ放出される。時間t₁−t₂の間
に、MIS出力電極４８，５０，５２の電圧がバツ
フアおよびCS＆Ｈ回路（第８図）により測定さ
れてクランプされる。時間t₂−t₃（第９ｂ図）に
おいては、t₂の少し前にターンオフされt₃の少し
後でターンオンされるバリアゲート７８に注入パ
ルスが印加される。注入パルスが印加されている
時間中はバリアゲートはオフ状態にあるので、
MIS出力電極の下部にある電荷は第５図の読取線
路４２および４４へ帰ることなく基板内へ注入さ
れる。次に、時間t₃−t₄の間には、電荷コレクタ
４８，５０，５２がCS＆Ｈ回路（第８図）によ
りサンプルされ、クランプ電圧とサンプル電圧と
の差が決定される。この差電圧は、検出素子行２
６上へ入射した赤外線光子束の強度を表わしてい
る。サイクルの時刻t₄すなわちt₀においては、第
３検出素子行２８の電荷を決定するための第２プ
レセツトパルスが印加される。最後には、第１検
出素子行２４の電荷を決定するための第３サイク
ルとしてのサイクルが繰返される。このサイクル
はRAI動作を通じて継続される。第９ｂ図におい
て、クランプおよびサンプルパルスは注入パルス
を軸として示されており、それによつて基板に注
入された電荷が検出される。これに代わる方法と
して、プレセツトパルスを検出素子行２６のター
ンオフの前に印加しターンオフするようにし、ク
ランプおよびサンプルパルスが検出素子行２６の
ターンオフのまわりに集まるようにして、それに
よつて出力MIS電極４８，５０，５２の下部へ転
送された電荷を検出するようにすることもでき
る。

検出器行２４，２６，２８がランプされる時
は、第９ｃ図に示されているように多振幅電圧が
印加される。電位井戸は、MIS素子行２４，２
６，２８（第２ａ図）の金属ゲート３６（第３ｂ
図）を、半導体表面から多数キヤリアが駆逐され
て空乏層内に不純物電荷密度Q_Dが現われ、電位
井戸内に表面密度ψsをもつた移動キヤリア電荷
密度Q_INVが集まるような電圧Ｖまでバイアスする
ことによつて形成される。ψs、Ｖ、Ｑ、および
単位面積あたりの絶縁体キヤパシタンスC_INSの間
の関係は次の通りである。

−（Ｖ−Ψs）＝Ｑ／C_INS＝Q_INV／C_INS ＋Q_D／C_INS (1) Q_INVを含有する層の厚さ（10^-6cmより小）は、
Q_Dを含有する層の厚さ（10^-4cmより大）に比較
すれば省略することができ、ｇを電子電荷、Ｎを
半導体中の正味不純物濃度、ξ₀を自由空間の誘電
率、εを半導体の誘電定数とするとき、Q_DはV₀
＝（ｇNξ₀ε）／C_INS ²を用いΨsで表わすことがで
きる。ｐ形半導体に対する結果は、正のＶおよび
Ψs、および負のQ_INVで、次の通りである。

−Ｖ＋ΨsQ_INV／C_INS−√2₀ (2) √＝−√₀２＋√₀２＋＋_INV _INS (3) 半導体表面における電界Esは次のようになる。

Es＝√2ｇ（₀）電位井戸内に蓄えられる電荷は方程式(2)により
ψsまたはEsに関係している。すなわち、 Q_INV＝−C_INS（Ｖ−ψs−√2₀） (4) 充満した井戸の場合には、 Q_FW＝C_INS（Ｖ−V_T） (5) ただし、V_T＝反転スレツシヨルドとなる。

CTDの通常の動作様式においては、ゲート電
圧は最大および最小ゲート電圧の間でパルス動作
する。この様式においては、最大の空井戸の深さ
ψs（または電界Es）を与えるMISゲート電圧Ｖ
は、一方では井戸が含有しうる最大電荷量Q_FWを
決定する。最大のEsは半導体内の電気的降伏に
より決定される。もし半導体内の最大Esが極め
て大きければ、最大ゲート電圧は絶縁体内の電気
的降伏によつて決定される。シリコンMISデバイ
スの場合は、最大Esは10⁶V／cmの範囲内にあり、
最大のψs、Ｖ、およびQ_FWは絶縁体内の電気的降
伏によつて決定される。半導体内において許容さ
れる最大電界は、バンドギヤツプの狭い半導体、
例えばInSbおよびInAsおよび合金半導体
HgCdTe、InAsSb、GaInSb、およびPbSnTeに
おいては、ずつと小さくなる。HgCdTeの場合
は、10μmの長波長応答スレツシヨルドを有する
赤外線応答を与える合金組成では最大Esは
10⁴V／cm、5μmの応答スレツシヨルドを与える
合金組成では最大Esは３×10⁴V／cmである。こ
の波長スレツシヨルドは、半導体のEsとバンド
ギヤツプE_Gとに関係するトンネル電流降伏値I_Tに
よつて決定される。

I_T＝（AEs⁴／E_G ²）exp（−BE_G ²／Es） (5) で、ここにＡおよびＢは定数、E_Gは半導体の禁
止バンドギヤツプ・エネルギであり、E_Gはプラ
ンク定数ｈおよび光速度Ｃによつてカツトオフ波
長λcと関係している（E_G＝hc／λc）。

可視光線画像または赤外線画像が検出される場
合、光子は半透明基板または半透明電極を透過し
て半導体に吸収され、その吸収の過程において少
数キヤリアが発生せしめられてCTDの電位井戸
内に集められる。赤外線センサとしてのCTDの
感度は、その電位井戸が赤外線信号により発生せ
しめられた電荷を集めうる最大時間（最大合成時
間）に比例する。赤外線CTDの信号対雑音比は
最大合成時間の平方根に比例する。都合が悪いこ
とには、赤外線信号により発生せしめられる電荷
以外に、観察室内のバツクグラウンド温度から生
じる赤外線によつて発生せしめられるずつと多く
の電荷が存在する。このバツクグランド赤外線に
よつて発生せしめられる電荷が、赤外線信号によ
つて発生せしめられる電荷に対する合成時間を制
限する。HgCdTeのような長波長応答半導体にお
ける比較的低い最大Esは、電位井戸の最大電荷
容量を強く制限することになり、その結果、最大
合成時間、最大信号、および赤外線に感じる
CTDの最大信号対雑音比をも強く制限すること
になる。

第１０ａ図は、CTDアレイのMIS電位井戸に
よる赤外線検出の標準的様式を示しており、この
場合ゲート電圧が最初の低い値から大きい値まで
パルス変動せしめられて半導体内に電位井戸を形
成する。発生せしめられる最初のψsは、第１０
ａ図に示されている電位井戸の深さによつて与え
られる。第１０ａ図は、最初のψsがトンネル・
スレツシヨルドψs（max）の値より大きい場合を
示している。この場合は、電荷は極めて急速に電
位井戸へトンネル効果によつて達し、該電位井戸
をψs（max）にある破線まで部分的に満たす。こ
の最初のトンネル電流の後、時刻t₁およびt₂に対
して図示されているように、赤外線によつて発生
せしめられた少数キヤリアがゆつくり電位井戸を
満たし始める。最後に、第１０ａ図の最下部に示
されているように、電位井戸は満ちあふれること
になるが、そのわけは、トンネル電流が赤外線に
より発生せしめられた少数キヤリアを蓄積するた
めの電荷容量を減少させたからである。信号電荷
が、トンネル効果およびバツクグラウンド効果に
よつて発生せしめられたキヤリアが完全に電位井
戸を満たすための時間より長い時間にわたつて集
められることは不可能である。

少数キヤリア電流密度J₀ Ａ／cm²を生ぜしめる
バツクグラウンド赤外線の存在のもとでMISゲー
ト電圧がランプされた時は、Q_INVはＶの増加と同
時に増加する。方程式(3)は、もしQ_INV／C_INSの増
加速度がＶの増加速度dv／dtとちようど平衡す
れば、表面電位ψsが変化しないことを示してい
る。J₀＝−dQ_INV／dtであるから、部分的に満た
された電位井戸のランプ中にψsが一定になるた
めの条件は dv／dt＝J₀／C_INS (6) が成立することである。もし、dv／dtがJ₀／C_INS
よりわずか大きければ、表面電位はゆつくり増加
する。もし、（dv／dt−J₀／C_INS）が十分小さけ
れば、ψsがψs（max）に達するまでに極めて長い
時間がかかる。従つて、第１０ａ図のパルス作動
様式の場合に問題であつたバツクグラウンド赤外
線による大きい電荷発生速度は、ゲート電圧のラ
ンプが用いられる時はトンネル効果によつて生ぜ
しめられる電荷の発生を抑制するために利用され
うる。

第１０ｂ図は、ランプされたMISにおいて、第
１０ａ図に示されているのと同じ時間内に行なわ
れる、表面電位および蓄積電荷の増加を示してい
る。第１０ａ図および第１０ｂ図に示されている
表面電位の増加を測定するためには、同じMIS構
造が用いられた。第１０ｂ図においては、電位井
戸内にトンネル効果による電荷が現われないため
に、あふれが起こらない。最大合成時間を大きく
増加させるためには、平衡に近いランプを用いれ
ばよい。ランプ作動様式における最大合成時間
は、周囲放射に対する20゜の視野と長波長カツト
オフ9.4μmとを有するHgCdTe MISの場合、パ
ル作動様式における最大合成時間の17倍長くでき
る。

ψsに対する所望のランプ効果は、小さい不透
明領域を有し、大きい面積の透明領域におけるよ
りもやや小さい反転スレツシヨルドを有するMIS
電極を利用したデバイス設計により、改善するこ
とができる。この設計においては、ランプの最初
の効果により、赤外線に感じない不透明電極の下
に小さい空の電位井戸が形成される。ゲート電圧
がMISの大面積透明ゲート領域の反転スレツシヨ
ルドより大きくなると、赤外線に感じる電位井戸
は、光子によつて発生したキヤリアが電位井戸の
不透明部分へ分散するため部分的に空になり始め
る。ランプ速度は、ゲート電圧が電位井戸の両部
分をターンオンするのに十分な大きさになつた後
に、表面電位が増加しないように選択される。
MISの透明および不透明両部分の間のフラツトバ
ンド電圧の差は、不透明電極部分の下部の電位井
戸を、透明電極部分の下部の電位井戸がターンオ
ンする前にトンネルスレツシヨルドに達せしめる
差よりも小さくなければならない。

このようにして、第９ｃ図に示されているよう
に、出力コレクタ４８，５０，５２を基準電圧に
セツトするため、プレセツトパルス１２２が印加
される。プレセツトパルス１２２の印加中に、第
１検出素子行２４はターンオフされ、それらの電
荷は読取線路へ放出される。オフ状態になつてい
る間に、クランプ・サンプル・ホールド（CS＆
Ｈ）回路９０は、クランプ期間１２４中に出力コ
レクタのバツフアされた出力をクランプし、出力
コレクタ４８，５０，５２の電圧をホールドす
る。次に、第１検出素子行がオフ状態にある間
に、MIS出力コレクタ４８，５０，５２に注入パ
ルス１２６が印加され、これらの電位井戸が無く
されると同時にバリアゲート７８が閉鎖されるの
で、MISコレクタの下部の電荷は基板に注入され
る。次に、期間１２８中に出力コレクタ４８，５
０，５２のバツフアされた出力がCS＆Ｈ回路９
０によつてサンプルされ、電圧差が決定される。
この電圧差は、ランプされた第１検出素子行２４
内に蓄積された、赤外線により発生した電荷の値
を表わす。もし、ｐ−ｎ接合ダイオード４８，５
０，５２が使用されている場合ならば、第９ａ図
の下部に示されている出力様式が用いられうる。

サンプリングの終り近くで第１検出素子行２４
はターンオンされ（−V₁）、電圧−V₂へのランプ
が開始される。第２プレセツトパルス１３０中に
出力コレクタは基準電圧にセツトされ、第２検出
素子行２６がターンオフされて、第２検出素子行
の電荷が読取線路へダンプされる。次に、クラン
プ期間１３２中に、出力コレクタ４８，５０，５
２のバツフアされた電圧がCS＆Ｈ回路９０によ
つてクランプされる。

次に、第２検出素子行２６がオフ状態にある間
にバリアゲート７８ターンオフされ、第２注入パ
ルス１３４が出力コレクタ４８，５０，５２に印
加されて、バツフアされた出力がサンプル期間１
３６中にCS＆Ｈ回路９０によりサンプルされる。
得られる電圧差は、第２検出素子行２６内に赤外
線によつて発生した電荷を表わす。この時間中に
おいて、第１検出素子行２４のランプは継続され
る。第２検出素子行のサンプリングの終り近く
に、第２検出素子行２６は電圧−V₁によつてタ
ーンオンされ、電圧−V₂へのランプが開始され
る。このサイクルは、再び出力コレクタを基準電
圧にセツトする第３のプレセツトパルス１３８に
よつて完了する。このプレセツト中に第３検出素
子行２８がターンオフされ、それらの電荷が読取
線路へダンプされる。出力コレクタはクランプ期
間１４０中にクランプされ、第３検出素子行２８
の出力を受ける。

次に、第３検出素子行２８がまだオフ状態にあ
る間に、注入パルス１４２が出力コレクタ電極４
８，５０，５２に印加されると同時にバリアゲー
ト７８がターンオフされて、出力電荷コレクタ４
８，５０，５２内の電荷が基板内へ放出される。
電荷コレクタ４８，５０，５２のバツフアされた
出力がサンプル期間１４４中にCS＆Ｈ回路９０
によつてサンプルされ、得られる電圧差は第３検
出素子行２８内に赤外線エネルギにより発生した
電荷の値を表わす。サンプリング１４４の終り近
くに第１検出素子行２４のランプは完了し、第２
検出素子行２６のランプは継続される。次に、プ
レセツトパルス１４６が出力コレクタ４８，５
０，５２に印加されてそれらを基準電圧にセツト
し、第１検出器行２４がターンオフされて、それ
らの電荷が読取線路にダンプされ、新しい動作サ
イクルが開始される。以上の３段階中に形成され
る電位井戸は、第４図に示されている（ａ，ｂお
よびｃ）。

好適な実施例では、第４図の読取線路電極７２
を利用して、検出器２４，２６，２８の電位井戸
から出力デバイス４８，５０，５２へのキヤリア
の高速な流れを与える。第６図のバリア電極８０
の１つの目的は、MIS読取線路内にバツクグラウ
ンド電荷を生ぜしめて、この読取線路の応答時間
を短くすることである。

以上においては、本発明のいくつかの実施例に
ついて説明したが、本技術分野に精通している者
ならば、本発明の範囲から逸脱することなくここ
に図示され説明された構造の詳細に対して各種の
改変を施しうることがわかるはずである。例え
ば、DC転送ゲート３６，３８，４０の領域へス
レツシヨルド偏移イオン打込みを行なえば、DC
転送ゲートを用いることなくこれらの領域に所望
の電位を形成できるので、電極を１組省略するこ
とができる。また、フイールドストツプ領域６０
においてイオン打込み、および／または、厚い絶
縁体を使用するならば、この打込みおよび／また
は絶縁体により、６０の下部の表面を十分蓄積状
態に保ちうるので、フイールドプレート／チヤネ
ルストツプMIS電極は省略されうる。

以下の説明に関連して更に以下の項を開示す
る。

(1) シーンから放射される赤外線エネルギにより
画像を形成する方法であつて、イ）シーンから放射される赤外線エネルギを
ランダムアクセス撮像装置のMIS検出素子マ
トリツクス上に収束せしめる段階と、ロ）前記検出素子マトリツクスに直線的に増
大する電圧を印加して入射赤外線エネルギに
よつて生じた電荷の増加に対応して容量が増
大する電位の井戸を形成する段階と、ハ）前記検出素子のそれぞれの行に対する転
送ゲートを順次付勢してそれぞれの検出素子
の電荷を列毎に読取線路へダンプする段階
と、ニ）それぞれの前記読取線路から電荷を電荷
コレクタへ集める段階と、ホ）出力ダイオードを作動せしめてそれぞれ
の出力ダイオード内の電荷を電荷受入れ量決
定回路へ供給することによりシーンから発生
した赤外線エネルギを表わす電気信号を発生
せしめる段階とを有する、赤外線画像形成方法。

(2)イ）シーンから放射される赤外線エネルギを
収束させるレンズ装置と、ロ）前記収束せしめられた赤外線エネルギの
径路内に置かれ該エネルギを電気信号エネル
ギに変換する検出素子を包含したランダムア
クセス・撮像装置と、ハ）その電気信号を処理してビデオ信号にす
るための信号処理装置、とを有する、赤外線画像形成装置。

(3)イ）シーンから放射される赤外線エネルギを
収束させるレンズ装置と、ロ）水平走査発生器と、赤外線エネルギを受
け入射したその赤外線エネルギを表わす電荷
を蓄積するための複数の検出素子であつてそ
れらの検出素子が行および列をなして配置さ
れそれらの検出素子のそれぞれの行が前記水
平走査発生器に接続されて順次動作せしめら
れるようになつている複数の検出素子と、前
記検出素子の列に接続されてそれらの検出素
子の前記電荷を選択的に集めるための出力コ
レクタと、前記出力コレクタに接続され前記
検出素子に入射した赤外線エネルギを表わす
電荷の量を決定する回路装置と、を包含する
ランダムアクセス撮像装置と、ハ）シーンから放射される赤外線エネルギを
表わす電気信号エネルギを処理してビデオ信
号にするための信号処理装置、とを有する、赤外線画像形成装置。

(4) 第３項において、さらに入力が前記水平走査
発生器に接続されその出力が前記検出素子の諸
行に接続されていて前記検出素子に直線的に増
加する電圧を供給するようになつているランプ
波形発生器を包含している、赤外線画像形成装
置。

(5) 第３項において、前記ランダムアクセス撮像
装置および出力コレクタ装置が、１伝導形の半
導体材料の基板と第１レベルの諸電極であつて
検出器区域と出力コレクタ装置と前記検出素子
を前記水平走査発生器に接続する電気導線とを
画定する前記第１レベルの諸電極と、前記基板
と前記第１レベルの諸電極との間に挾まれた第
１絶縁材層と、その第１絶縁材層および前記第
１レベルの諸電極を被覆する第２絶縁材料と、
その第２絶縁材層上に形成された前記検出素子
のための第２レベルの諸電極と、前記第２絶縁
材層および前記第２レベルの諸電極の上に形成
された第３絶縁材層と、その第３絶縁材層の上
に形成された第３レベルの諸電極であつて前記
出力コレクタを選択的に前記検出素子の諸列に
接続する転送ゲートを形成する前記第３レベル
の諸電極と、を包含している赤外線画像形成装
置。

(6) 第３項において、前記ランダムアクセス撮像
装置および出力コレクタ装置が、第１伝導形の
半導体材料の基板と、その基板内において前記
出力コレクタ装置を画定するｐ−ｎ接合領域を
形成する第２伝導形領域と、前記基板を被覆す
る第１絶縁材層と、フイールドプレート・チヤ
ネルストツプを形成する前記第１絶縁材層上に
形成された第１レベルの諸電極と、前記第１レ
ベルの諸電極および前記第１絶縁材層を被覆す
る第２絶縁材層と、前記第２絶縁材層上に形成
された赤外線エネルギに対し透明な諸電極であ
つてMIS検出素子区域と該透明諸電極を選択的
に接続する前記第２絶縁材層上に形成された諸
導線とを画定する前記透明諸電極と、前記透明
諸電極および前記諸導線および前記第２絶縁材
層上に形成された第３絶縁材層と、前記ｐ−ｎ
接合領域の上方における前記第３絶縁材層上に
形成され前記検出素子を選択的に前記出力コレ
クタ装置に接続する転送ゲート電極と、を包含
している赤外線画像形成装置。

(7) 第３項において、前記出力コレクタ装置が読
取線路と電荷コレクタとを包含している、赤外
線画像形成装置。

(8) 第７項において、前記読取線路と前記電荷コ
レクタとが間隔をもつた位置関係にあり、前記
出力コレクタ装置がさらに前記読取線路と前記
電荷コレクタとを選択的に接続するためのバリ
アゲートを包含している、赤外線画像形成装
置。

(9) 第８項において、前記読取線路がMIS構造で
あり、前記電荷コレクタがｐ−ｎ接合である、
赤外線画像形成装置。

(10) 第８項において、前記読取線路がｐ−ｎ接合
であり、前記電荷コレクタがMIS構造である、
赤外線画像形成装置。

(11) 第８項において、前記読取線路および前記電
荷コレクタがMIS構造である、赤外線画像形成
装置。

(12) 第８項において、前記読取線路および前記電
荷コレクタがｐ−ｎ接合である、赤外線画像形
成装置。

(13) 第８項において、前記バリアゲートがMIS
構造である、赤外線画像形成装置。

【図面の簡単な説明】

第１図は、前方視界形赤外線撮像装置のブロツ
ク図である。第２ａ図は、ランダムアクセス撮像
装置（RAI）の平面図である。第２ｂ図は、第２
ａ図のRAIの部分平面図で、転送ゲート／ガード
リング金属層を除去して、検出素子の金属層およ
び接続バスを明示したものである。第２ｃ図は、
第２ｂ図のRAIの部分平面図で、検出素子の金属
層および接続バスを除去して、絶縁体、半導体基
板上のフイールドプレート／チヤネルストツプ金
属層を明示した図である。第３ａ図は、第２ａ図
のＡ−Ａ線における断面図である。第３ｂ図は、
第２ａ図のＡ−Ａ線における断面図で、読取線路
のもう１つの実施例を示している。第４図は、第
２ａ図のＢ−Ｂ線における断面図である。第５図
は、ランダムアクセス撮像装置の部分平面図で、
読取線路および出力ダイオードの第２実施例を示
している。第６図は、第５図のＢ−Ｂ線における
断面図で、第２ａ図のＢ−Ｂ線における読取線路
の読取構造の第２実施例を示している。第７ａ図
および第７ｂ図は、それぞれ、ランピングを行な
う場合およびランピングを行なわない場合に、
RAIアレイに対して必要な回路のブロツク図であ
る。第８図は、RAIアレイのそれぞれの出力ダイ
オードに対する出力回路を示す図である。第９ａ
図、第９ｂ図、および第９ｃ図は、それぞれ、ラ
ンピングを行なわない場合のダイオードおよび
MIS電荷コレクタ装置、およびランピングを行な
う場合のMIS電荷コレクタ装置、に対する、タイ
ミングおよびアドレス波形を示す図である。第１
０ａ図および第１０ｂ図は、それぞれ、同じ積分
時間内における、ランピングを行なわない場合お
よびランピングを行なう場合の、電位井戸の充填
状況を示す図である。１２…レンズ装置、１８…ビデオ電子回路、２
２…ランダムアクセス・イメージヤ（RAI）、２
４，２６，２８…検出素子（の行）、４２，４４，
４６…読取線路、４８，５０，５２…出力コレク
タ、９０…クランプ・サンプル・ホールド回路。

Claims

【特許請求の範囲】１イ）シーンから放射される赤外線エネルギ
を収束するレンズ装置と、ロ）水平走査発生器と、赤外線エネルギを受け
入射したその赤外線エネルギを表わす電荷を蓄
積するための複数の検出素子であつてそれらの
検出素子が行および列をなして配置されそれら
の検出素子のそれぞれの行が前記水平走査発生
器に接続されて順次動作する複数の検出素子
と、前記検出素子の列に接続されて前記検出素
子の電荷を選択的に集めるための出力コレクタ
手段とを含むランダムアクセス撮像装置であつ
て、前記検出素子と前記出力コレクタ手段が、一
伝導形の半導体材料の基板と、検出領域と出力
コレクタ段を画定する第一レベル電極と、前記
基板と第一レベル電極間に挾まれた第一絶縁層
と、前記第一の絶縁層と第一レベル電極を被覆
する第二絶縁層と、前記検出素子のため前記第
二絶縁層上に形成された第二レベル電極と、前
記第二絶縁層と第二レベル電極上に形成された
第三絶縁層と、前記第三絶縁層上に形成された
第三レベル電極であつて前記出力コレクタを選
択的に前記検出素子の列に接続する転送ゲート
を形成する第三レベル電極と、前記出力コレク
タ手段に接続され前記検出素子に入射した赤外
線エネルギを表わす電荷量を決定する回路手段
とを含み、ハ）シーンから放射される赤外線エネルギを表
わす電気エネルギをビデオ信号に処理するため
の信号処理手段とを含む赤外線画像装置。２イ）シーンから放射される赤外線エネルギ
を収束するレンズ装置と、ロ）水平走査発生器と、赤外線エネルギを受け
入射したその赤外線エネルギを表わす電荷を蓄
積するための複数の検出素子であつてそれらの
検出素子が行および列をなして配置されそれら
の検出素子のそれぞれの行が前記水平走査発生
器に接続されて順次動作する複数の検出素子と、前記検出素子の列に接続
されて前記検出素子の電荷を選択的に集めるた
めの出力コレクタ手段とを含むランダムアクセ
ス撮像装置であつて、その撮像装置と前記出力コレクタ手段が、第
一伝導形の半導体材料の基板と、その基板に出
力コレクタ手段を画定するＰ−Ｎ接合領域を形
成する第二伝導形領域と、前記基板を被覆する
第一絶縁層と、前記第一絶縁層上に形成されフ
イールドプレート・チヤネルストツプを形成す
る第一レベル電極と、前記第一絶縁層と第一レ
ベル電極を被覆する第二絶縁層と、前記第二絶縁層上に形成された赤外線エネル
ギに対し透明な電極であつてMIS検出素子領域
を画定する電極と、前記第二絶縁層上に形成さ
れ前記透明電極を選択的に接続するリードと、
そのリードと前記第二絶縁層上に形成された第
三絶縁層と、前記Ｐ−Ｎ領域を覆つて前記第三
絶縁層上に形成され前記検出素子を前記出力コ
レクタ手段に選択的に接続する転送ゲート電極
と、前記出力コレクタ手段に接続され前記検出
素子に入射した赤外線エネルギを表わす電荷量
を決定する回路手段とを含み、ハ）シーンから放射される赤外線エネルギを表
わす電気エネルギをビデオ信号に処理するため
の信号処理手段とを含む赤外線画像装置。