JPH0347624B2 - - Google Patents

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JPH0347624B2
JPH0347624B2 JP56129374A JP12937481A JPH0347624B2 JP H0347624 B2 JPH0347624 B2 JP H0347624B2 JP 56129374 A JP56129374 A JP 56129374A JP 12937481 A JP12937481 A JP 12937481A JP H0347624 B2 JPH0347624 B2 JP H0347624B2
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JP
Japan
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potential
state imaging
solid
imaging device
diode
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JP56129374A
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English (en)
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JPS5831670A (ja
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Yutaka Myata
Takao Chikamura
Shinji Fujiwara
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Priority to US06/816,980 priority patent/US4670766A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14665Imagers using a photoconductor layer
    • H01L27/14672Blooming suppression

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、固体撮像装置の改良に関するもの
であり、より詳細に言うならば固体撮像装置に発
生するブルーミング現像が抑制された固体撮像装
置に関するものである。
家庭VTR用カメラあるいは、工業用カメラと
して固体撮像装置が注目されているが、なかでも
光導電膜を受光部とし、Si走査デバイスで信号処
理を行なう光導電膜積層型固体撮像装置は、高感
度でスメアリングが少ないことから、特に小型カ
メラ用として最適であると言われている。
Si走査デバイスとしては、MOSスイツチング
素子をマトリクス状に配置し、PN接合で形成し
たダイオード部よりシフトレジスターで信号読み
出しを行なうMOS型、及びPN接合で形成したダ
イオード部からMOS型FETで電荷転送素子
(CCDあるいはBBD)へ信号を読み込んだ後、出
力段へ転送する電荷転送型が主流となつてきてい
る。
まず、従来の固体撮像装置を図面に基づいて説
明する。第1図は、走査デバイスとして埋め込み
チヤンネルCCDを用い、ダイオード部から電荷
転送段への信号読み込みを、埋め込みチヤンネル
MOS型FETで行なうように構成された光導電膜
積層型固体撮像装置の構造を示す平面図であつ
て、第2図に示されたような駆動パルスによつて
作動される。この固体撮像装置における1セル
は、第3図に示されるような断面構造を有してい
る。
このように構成された固体撮像装置は、垂直帰
線消去期間中、時間t1において第3図に示す透明
電極20にパルスが印加されると、光導電膜19
の容量結合を介して第1電極16の電位が下る
が、この第1電極16は、ダイオード11と電気
的に接続されているので、ダイオード電位と第1
電極の電位(以下、ノード電位と言う)とが等し
くなる。その後、時間t2においてリードパルスが
印加されると、ダイオード11および光導電膜1
9に蓄積されていた信号電荷が、電荷転送のn−
ウエル12に移動すると共に、ダイオード11お
よび光導電膜19は、或る初期設定電位(以下、
リセツト電位と言う)にまで充電され、その後1
フレーム期間(33.3ms)、光信号を蓄積した後、
再びリセツトされる。転送段に移動した電荷は、
15.75kHzの周波数で出力段へ転送される。この電
荷転送段には、第1図に示すように、電位阻止領
域30−1〜30−4と蓄積領域31−1〜31
−4が設けてあり二相駆動を可能としている。以
上がフイールドAの信号読み込み動作である。フ
イールドBにおいては、1フイールド(16.67m
s)後、フイールドA同様にリセツトされる。
第3図は、固体撮像装置における1セルの構造
を示す断面図であつて、P型半導体基板10に
n+領域を形成してダイオード11とする。12
は、BCCDのためのn−ウエルであり、MOS型
FETのチヤネル13と同時に形成した後に、こ
のチヤネル部とn−ウエルの隣接絵素間に、ほう
素をイオン注入し、ポテンシヤル障壁を形成す
る。14,15はそれぞれ上記MOS型FETのゲ
ートおよびゲート酸化膜である。16は、ZnSe
からなる正孔阻止層17の電極であり、ダイオー
ド11の一部を除いて信号走査回路とは、りん硅
酸ガラスの絶縁体層18で絶縁されている。19
は、(ZnxCd1-xTe)1-y(In2Te3yからなる光導電
膜であり、その上に透明電極20を形成し、透明
電極20側より入射光21が照射される。
上記のような固体撮像装置において、光導電膜
上の電極20は、正電位や接地電位としたり(例
えば、特開昭54−103630号公報参照)、或は負電
位としたり(例えば、特開昭55−1151号公報参
照)しており、特に定められていないのが現状で
ある。
また、MOS型FETのチヤンネル部13とn−
ウエルの電位阻止領域30−1〜30−4とは、
理想的には同一の電位レベルにあるはずである
が、不純物イオンの注入量のばらつき或はFET
の寸法の微小化による狭チヤンネル効果や短チヤ
ンネル効果のため同一とならないのが常である。
特に、走査デバイスとしてCCD等の電荷転送
素子と光導電膜を組み合わせた構成の固体撮像装
置の場合、光導電膜で生成する信号電荷量に比し
電荷転送素子の最大取扱電荷量が少ないことが多
く、従つて信号電荷の取扱には十分注意されなく
てはならない。しかし、従来この点に関する理解
が十分ではなく、さらに上述したようなことが原
因となつてブルーミング現象を抑制できなかつ
た。
次に、本発明の固体撮像装置を第2図ないし第
4図を用いて説明する。第2図における、リード
および転送パルスと透明電極パルスの印加時にお
ける各時間〜のノード電位VXは、 (イ) 時間では、 VX=VS−β(V1H−V1L) (1) (ロ) 時間では、 VX=γVCH+VPM (2) (ハ) 時間では、 VX=γVCH+VPM (3) (ニ) 時間では、 VX=γVCH+VPM+β(V1H−V1L) (4) となる。ここで VS:光入射により変化した信号電位 γ:ゲート電圧印加によるMOS型FETチヤネル
部の電位変化の割合 Ct:光導電膜容量CN、ダイオード容量CSの和 β:CN/Ct VPM:MOS型FETのピンチオフ電圧 である。
また、暗状態、飽和照度以下の光入射および飽
和照度以上の光入射のある時のノード電位の変化
はそれぞれ第2図c,d,eのようになる。
上記動作の場合に、垂直電荷転送段に読み込ま
れる信号電荷量QSは、 QS=Ct{γVCH+VPM−VS +β(V1H−V1L)} (5) であるが、VSは、入射したフオトン数をnp、量
子効率をηとすると VS=γVCH+VPM+β(V1H−V1L)−ηop/Ct (6) であるから QS=ηnp (7) となり、入射光強度に応じた信号が出力されるこ
ととなる。
理想的には、(7)式で示される信号電荷量は、あ
らゆる照度のもとで、電荷転送の最大取扱い電荷
量より小さいことが望ましいが、転送効率の良い
BCCDを用いたり、デバイスの縮少化をはかつた
場合、電荷転送段の最大取扱い電荷量は、信号電
荷より小さくなることが多い。この場合、電荷転
送段最大取扱い電荷量を越える余分な電荷は
MOS型FETがOFFの時のチヤネル電位VPMによ
りしきられ、ノード電位VXはVX<γVCH+VPM
なる。
第4図は、上述の状態を井戸型ポテンシヤル図
で示すもので、第1図におけるX−X′−Yの断
面について考えたものである。以上のような状況
のもとで、第4図cのように、電荷転送段の障壁
電位がVPMよりも高いと、信号を読み込んだ絵素
の両隣りに電荷Qexがあふれることとなる。すな
わち、電荷転送段の障壁ポテンシヤルVpbにより
最大取扱い電荷量は制限されるとともに、Qex分
は、不完全転送となるため、スポツト光照射の場
合、スポツトの下に尾引き、すなわちブルーミン
グが生ずる。このスポツトの拡がりは、転送段取
扱い電荷量をQmaxとするとスポツトの(1+
Qex/Qmax)倍となる。従つて、上記のブルー
ミング現象を抑制するためには、 Vpb<VPM の条件を満たさなければいけない。
次に、電荷蓄積期間の動作について、さらに説
明する。まず、蓄積期間において飽和照度以上の
光入射が固体撮像装置にある場合において、ノー
ド電位VXは、光導電膜19で発生した電荷によ
り低下するが、この時、VPMが透明電極電位より
高ければ、第4図dに示したものと同様な状況と
なる。この結果、信号電荷がMOS型FETのチヤ
ネル13を通して電荷転送段(n−ウエル)12
側へ流れ込み、ブルーミングを引き起こすことと
なる。従つて、 VPM<V1H であるように、透明電極20の電位を制御する。
このような条件のもとでは、第2図eに示したよ
うに、飽和照度以上の光入射が固体撮像装置にあ
つても、光導電膜19にバイアスがかからなくな
り、光感度がなくなるため、ノード電位VXは、
V1H近辺に保持されブルーミングは生じない。
一方、上記の飽和照度以上の光入射があり、ノ
ード電位VXがV1H近辺に保持された状態で垂直消
去帰線期間に入り、透明電極電位がV1Lになる
と、光導電膜は逆バイアスされ、光感度を有する
こととなる。垂直帰線消去期間は約600μsである
から、飽和照度の33.3/600×10-3=50倍程度の強い光 が入射すると、ノード電位はV1Lまで下がること
が可能となる。このとき、VPM>V1Lであれば、
第4図dに示すようにMOS型FETのOFF時にお
いてもノード電位は、チヤネルの障壁より高く、
電荷転送段へ光導電膜で生成したキヤリアが注入
され、電荷転送段でオーバーフローしてブルーミ
ング現象となる。従つて、垂直帰線消去期間中の
透明電極のローレベル電圧V1Lは、VPM<V1Lを満
たさなくてはならない。
このように構成された本発明の固体撮像装置で
は、第5図および第6図に示されたように顕著な
効果がある。すなわち、第5図は、Vpb<VPM
したときのブルーミング量をプロツトしたもの
で、スポツトの縦の長さLpに対するブルーミング
によるスポツトの拡がりで表わしている。第6図
は、VPM<V1Lとしたときのブルーミング量であ
り、縦軸は、第5図と同じである。これらの図か
ら明らかなように、電荷転送段のオーバーフロー
によるブルーミング現象は激減していることがわ
かる。飽和照度の倍率の高いところで少し増加し
ているのは保護ガラスの乱反射によるもので、こ
れでも通常の撮像管の半分以下の値である。
この実施例においては、電荷転送段として、ほ
う素をイオン注入した擬似2相BCCDで信号読み
込みと電荷転送を同一の電極で行なう場合につい
て説明したが、本発明は上記構成に限られるもの
ではなく、3相および4相駆動であつてもかまわ
ないし、信号読み込みと電荷転送が別々の電極で
あつてもよい。また電荷転送素子としてBBDを
用いても、全くさしつかえない。さらに、信号読
み込み用MOS型FETはデイプリーシヨン型で記
したが、これとてエンハンスメント型でも全く同
様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、Si走査デバイスがCCDである光導
電膜層積型固体撮像装置の平面図、第2図は、第
1図の固体撮像装置の駆動パルス波形とノード電
位の変化を示す図、第3図は、第1図の固体撮像
装置の1セル分の断面図、第4図は、ポテンシヤ
ル図によるブルーミング現象の説明のための図、
第5図、第6図は、本発明のブルーミング抑制効
果を示す図である。 10……P型半導体基板、11……ダイオー
ド、12……n−ウエル、13……MOS型FET
のチヤネル、14……MOS型FETのゲート、1
5……ゲート酸化膜、16……電極、17……正
孔阻止層、18……絶縁体層、19……光導電
膜、20……透明電極、21……入射光、30−
1〜30−4……電位阻止領域、31−1〜31
−4……蓄積領域。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 信号走査回路とダイオードとを形成した半導
    体基板と、上記ダイオードと電気的に接続するよ
    うに上記半導体基板上に形成した光導電膜と、上
    記光導電膜上に形成した透明電極とからなる固体
    撮像装置において、上記信号走査回路の一部で上
    記ダイオードから信号電荷を読み出すための
    MOS型FETのOFF時のチヤネル電位VPMおよび
    上記透明電極電位VIが、少なくとも上記ダイオ
    ードと光導電体のリセツト期間以外は、 VPM<VI の関係を満たすように制御されていることを特徴
    とする固体撮像装置。 2 前記信号走査回路の一部が、電荷転送素子で
    形成されていると共に、その障壁電位Vpbが、 Vpb<VPM の関係を満すように制御されていることを特徴と
    する特許請求の範囲の第1項に記載された固体撮
    像装置。
JP56129374A 1981-08-20 1981-08-20 固体撮像装置 Granted JPS5831670A (ja)

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JPS5831670A JPS5831670A (ja) 1983-02-24
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