JPH035671B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、光電変換素子を半導体基板上に配置
形成した固体撮像装置に関する。

発明の技術的背景 光電変換素子を基板上に２次元的に配置形成し
た２次元固体撮像装置（エリアイメージセンサ）
は、テレビカメラ用の撮線部材として特に有用で
ある。第１図にこのような従来のラインアドレス
形２次元固体撮像装置の平面概略図を示し、第２
図ａ，ｂにｐ−ｎフオトダイオードから垂直信号
ラインを経て電荷転送装置に至る断面概略図及び
各部のポテンシヤル図を示す。

第１図には、第１のフオトダイオード列１−ａ
〜１−ｆ，第２のフオトダイオード列２−ａ〜２
−ｆ，第３のフオトダイオード列３−ａ〜３−
ｆ，第４のフオトダイオード列４−ａ〜４−ｆ及
び第５のフオトダイオード列５−ａ〜５−ｆがマ
トリツクス状に設けられている。これらのフオト
ダイオードによつて光電変換された信号を垂直信
号線に移送するために、前記フオトダイオードの
各々に第１〜第５ラインアドレスゲート６−ａ−
６−ｆ，７−ａ−７−ｆ，８−ａ〜８−ｆ，９−
ａ〜９−ｆ，１０−ａ〜１０−ｆを介して第１〜
第５アドレス線が接続されている。第１〜第５ア
ドレス線には第１〜第５アドレスゲートに順次移
送パルスを供給するためにラインアドレス走査回
路ブロツク１１が、また垂直信号線に移送された
信号電荷を−ラインごとに並列に受け入れ、出力
回路１３へ向つて順次直列転送するための水平転
送手段１２がそれぞれ接続されている。

第２図ａにおいて、半導体基板、例えばＰ形光
導体基板にｐ−ｎフオトダイオードとなるｎ形不
純物層１４、ラインアドレスゲート１５、垂直信
号線をなすn⁺形導電層１６が設けられており、
この垂直信号線から電荷転送装置１２へ信号を移
送する並列移送ゲート１７を介して、電荷転送装
置１２の転送電極１８、埋め込みチヤネル不純物
層１９が形成される。また、埋め込みチヤネル不
純物層１９に沿つてP⁺形不純物層よりなるチヤ
ネルストツプ２０が形成されている。

第２図ｂにおいて、垂直信号線をなす不純物導
電層１６の残存キヤリア２１、信号キヤリア２
２、ｐ−ｎフオトダイオードのｎ層１４に存在す
る残存キヤリア２３、ラインアドレスゲート下の
ポテンシヤル２４、並列移送ゲート１７下のポテ
ンシヤル２５、電荷転送装置のチヤネルポテンシ
ヤル２６を各々示す。動作原理は、まず第１ライ
ンアドレスゲートへ移送パルスを印加して第１フ
オトダイオード列の信号電荷を各垂直信号線へ移
送し、さらに並列移送ゲートを経て水平転送手段
１２へ並列転送する。しかる後、電荷転送装置１
２を動作させることにより、第１フオトダイオー
ドの各フオトダイオードの信号を時系列信号とし
て出力回路１３から取り出す。以下、同様の動作
により第２ラインアドレスゲート、第３アドレス
ゲートに移送パルスを印加することにより、全て
の信号を取り出すことができる。

背景技術の問題点 以上説明した従来のラインアドレス形２次元セ
ンサでは、次のような本質的欠点が存在する。即
ち、第２図の断面概略図に示すようにｐ−ｎフオ
トダイオードで発生し、蓄積される信号電荷量に
垂直信号線の静電容量が極めて大きいため、垂直
信号線に信号を移送した際の垂直信号線の電位変
動は極めて小さい。しかも、垂直信号線をなす不
純物層１６から埋め込みチヤネル不純物層１９へ
信号を移送する際の移送形態は、周知のBBDモ
ードであり、いわゆる不完全転送モードである。
従つて、信号電荷が電荷転送装置で移送される時
間は極めて長く、その時間を長くしても時間とと
もに移送量が増加するためにＳ／Ｎ比の顕著な改
善を計ることができない。さらに、熱的なキヤリ
ア放出が垂直信号線の残存キヤリア２１から電荷
転送装置のチヤネルポテンシヤル２６に向つて起
こるため、正確な信号電荷量を電荷転送装置へ転
送するのが困難である。加えて、各垂直信号線の
上記特性のバラツキは雑音成分として出力され、
それを防ぐのは困難である。

このように従来、固体撮像装置としては信号の
読み出し方法の異なるいくつかの有力な方法があ
るが、同時に回避困難な欠点を各々有する。たと
えばインターライン転送形CCDイメージセンサ
では、各光電変換素子毎に一対の転送電極から成
る１つの転送段が配設されるようにして光電変換
素子間の狭い領域にCCDを形成せしめて信号を
転送するため、信号電荷量に制限があり、大きな
ダイナミツクレンジを得るのが難しく、かつ光電
変換素子に入射した光の洩れ成分による偽信号
（スミア成分）が含まれ易い。又、ラインアドレ
ス形センサでは、従来例に示すように大きなダイ
ナミツクレンジを得ることはできるが、垂直信号
線の容量に対して信号電荷束が小さいため、Ｓ／
Ｎが低く電圧変動（じよう乱）を起こし易い。

発明の目的 本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、
前記BBD移送につる不完全転送モードに起因し
た欠点を克服し、Ｓ／Ｎ比の高いしかも高速信号
読み出しが実現できる固体撮像装置を提供するこ
とを目的とする。

発明の概要 本発明は、階段状あるいは斜面状に形成された
電位井戸と電荷結合原理を組合わせた完全転送モ
ード（CCDモード）信号路を形成するとともに、
１個の転送段例に対応して複数の光電変換素子列
を配設し、これらの光電変換素子列を順次アドレ
スして信号電荷を垂直転送路へ送出する時、これ
ら光電変換素子のうち隣接する転送段に属する光
電変換素子列と、これに相隣り合う光電変換素子
列とを１同−転送期間にアドレス指定して信号電
荷を垂直転送路へ送出することにより、信号電荷
を時系列信号として得るようにしている。本発明
では、光電変換素子数に対して垂直転送段を少な
くしており、各転送段の転送容量（ダイナミツク
レンジ）を増加させた構造の２次固体撮像装置を
簡単な駆動パルスで動作させ、得られる信号が従
来のインタートランスフア方式と同様に時系列信
号として送出し得ることに特徴がある。

発明の実施例 第３図は光電変換素子を半導体基板上に列方向
及び行方向に２次元的に配列した固体撮像装置の
平面概略図である。図において２０−ａ〜２８−
ｅは例えばフオトダイオード等で構成された第１
光電変換素子列、以下同様に２９−ａ〜２９−
ｅ，…３３−ａ〜３３−ｅは第２〜第６光電変換
素子列、３４−ａ〜３４−ｅはこれら光電変換素
子行間に設けられ、これら光電変換素子列で発生
した信号電荷を垂直方向に並列転送するための垂
直転送電極、３５はこれら垂直転送電極３４−ａ
〜３４−ｅに垂直転送パルスφ_v1を印加する端子、
３６はこれら垂直転送電極３４ａ〜３４ｅに垂直
転送パルスφ_v2を印加する端子、３７〜４０は上
記各素子列を順次アドレスし、信号を垂直転送路
に移すためのラインアドレスパルスを発生するた
めのラインアドレス走査回路（図示せず）からの
アドレスパルスA₁〜A₆をそれぞれ各列のアドレ
スゲートに印加する端子、４１は上記垂直転送電
極３４−ａ３４−ｅにより並列転送されてきた信
号を受け取り、移動制御パルスφ_SHによつて後述
する水平転送レジスタ４２へ移送するための移送
制御電極、４２は並列転送されてきた信号電荷を
水平に順次転送するための水平転送レジスタ、４
３は水平転送レジスタ４２から送られてくる信号
電荷を検出し、外部に取り出す出力回路である。

つまり第３図ａにおいては、それぞれ位相の異
なる転送パルスが印加される２個の垂直転送電極
によつて１個の垂直転送段が構成されており、例
えば転送段１０１は転送電極３４−ｅと３４１に
より構成され、転送段１０２は転送電極３４２と
３４３により構成され、転送段１０３は転送電極
３４４と３４５により構成されている。

第３図ｂは第３図ａのＹ−Ｙ線に沿う断面溝造
を示しており、４４は水平転送パルスφ_H1が印加
される水平転送電極、４５はＰ形半導体基板、４
６は転送チヤネルとして作用し、上記基板４５と
反対導電形のｎ形不純物層、４７は転送チヤネル
として作用し、前記基板４５と同一導電形の低濃
度Ｐ形不純物層、４８，５０，５２は前記転送パ
ルスφ_V1が印加される垂直転送電極、４９，５１，
５３は前記転送パルスφ_V2が印加される垂直転送
電極である。

第３図ｃ〜ｉは後述するタイムチヤートの時間
t₁〜t₇に転送チヤネル４６，４７に形成される電
位分布図を示している。図中、５４は前記光電変
換素子２８−ｃで光電変換された信号電荷束、同
様に５５〜５８はそれぞれ前記光電変換素子２９
−ｃ，３０−ｃ，３１−ｃ，３２−ｃで光電変換
された信号電荷束である。

次に、第３図の装置の動作を第４図に示す各種
信号のパルスのタイムチヤートを参照して説明す
る。入射した光によつて各光電変換素子２８−ａ
〜３３−ｅで発生した信号電荷は各光電変換素子
内に蓄積される。一定時間の後、時刻t₁にてライ
ンアドレス走査回路から端子３７を介して第１素
子列のアドレスゲートに第１列アドレスパルス
A₁が印加され、第１列の素子２８−ａ〜２８−
ｅの信号電極は各々対応する垂直レジスタに転送
される。この転送前に、第３図ａのＹ−Ｙ線に沿
う断面の電位は、転送パルスφ_V1，φ_V2が共に高レ
ベルなので転送電極４８〜５３下の電位井戸が深
くなつており、転送電極４８下に光電変換素子２
８−ｃからの信号電荷５４が転送される（第３図
Ｇ参照）。時刻t₂においては、転送パルスφ_V1が低
レベルになつて垂直転送電極４８下の電位井戸が
浅くなつており、この状態のときに移相制御パル
スφ_SHが高電位になつて移相制御電極４１下の電
位井戸が深くなると、上記垂直転送電極４８下の
電荷束５４は第３図ｄに示すように水平転送レジ
スタ４２へ移される。以下同様に第２〜第６列の
転送および移送が行なわれる。すなわち、時刻t₃
において、端子３８を介して第２列、第３列のア
ドレスパルスA₂，₃が印加されると、第２列、第
３列の電荷束５５，５６が第３図ａに示すように
垂直レジスタ３４−ｃに各々転送される。次い
で、時刻t₄においては第３図ｆに示すように第２
列の電荷束５５のみが次段へ転送される。さら
に、時刻t₅では、第３図ｇに示すように移送制御
パルスφ_SHによつて第２列の電荷束５５が水平レ
ジスタ４２へ移され、電荷束５６は次段に転送さ
れる。時刻t₆においては、第４、第５列のアドレ
スパルスA₄，₅が端子３９を介して第４列、第５
列のアドレスゲートに印加され、第４列、第５列
の電荷束５７，５８が同時に第３図ｈに示すよう
に各々垂直レジスタに転送される。さらに、時刻
t₇においては、第３図ｉに示すように電荷束５
７，５８が次段へ転送される。このようにして、
各列の信号電荷束が水平転送レジスタ４２を介し
て出力回路４３から時系列的に読み出される。な
お、第４図に示すように前記アドレスパルス
（A₁〜A₆）の走査周波数と転送パルスφ_V1，φ_V2、
移送制御パルスφ_SHの周波数とは等しい。

上記実施例では、垂直方向の２つの光電変換素
子に対応して一対の転送電極から成る１個の垂直
転送段が形成されているので、各光電変換素子毎
に１個の垂直転送段を必要とする前述したインタ
ーライントランスフア構造に比べて垂直転送段数
は1/2に減少している。このように垂直転送段数
が1/2なので転送電極数も1/2になるため、転送電
極の面積が同一チヤネル幅に対して垂直方向に２
倍に増加でき、従つて垂直レジスタのダイナミツ
クレンジ（電荷転送容量）が２倍に増加する。

第５図は本発明の他の実施例に係る２次元固体
撮像装置の平面構成を示している。図において、
５９−ａ〜５９−ｃは第１光電変換素子列、同様
に６０−ａ〜６０−ｃ，…，８７−ａ〜８７−ｃ
は第２〜第20光電変換素子列である。また、８８
−ａ〜８８ｃは第４段垂直蓄積転送電極、９０−
ａ〜９０−ｃは第３段垂直蓄積転送電極、９２−
ａ〜９２−ｃは第２段垂直蓄積転送電極、９４−
ａ〜９４−ｃは第１段垂直蓄積転送電極、８９−
ａ〜８９−ｃは異なる一定バツフア電圧が印加さ
れた複数個の電極からなる第４段垂直転送路、同
様に９１−ａ〜９１−ｃは第３垂直転送路、９３
−ａ〜９３−ｃは第２段垂直転送路、９５−ａ〜
９５−ｃは第１段垂直転送路、９６は垂直蓄積転
送パルスφ_Vを印加するための端子、９７は垂直
転送された電荷を移送制御パルスφ_SHによつて水
平転送レジスタ移送するための移送制御電極、９
８は電荷を出力回路へ転送するための水平転送レ
ジスタ、９９〜１１８は第１光電変換素子列５９
−ａ〜５９−ｃ〜第20光電変換素子列５９−ａ〜
９５−ｃで得られた電荷を各対応する垂直転送路
で転送するための第１〜第20アドレスゲートであ
る。この場合、第５、第６アドレスゲート同志、
第10、第11アドレスゲート同志、第15、第16アド
レスゲート同志は共通接続されている。そして上
記各アドレスゲートに対応してアドレスパルス
A₁〜A₂₀が印加されている。これらのアドレスパ
ルスA₁〜A₂₀および前記転送パルスφ_V、移送制御
パルスφ_SHのタイミング関係を第６図に示す。

つまり第５図では、１個の垂直転送段に対して
光電変換素子を５個配設する構成であり、例えば
９４−ｃおよび９５−ｃより成る垂直転送段９５
０に対しては５個の光電変換素子８３−ｃ〜８７
−ｃが配設されている。

第７図ａは第５図のＺ−Ｚ線に沿う断面構成を
示している。図において、１２４〜１２７は第４
段垂直転送路８９−ｃを構成し、各々異なる一定
電圧が印加された垂直転送電極で、基板４５上に
絶縁膜１２２を介して配設されている。同様に１
２８〜１３１は第３段垂直転送路９１−ｃを構成
し、各々異なる一定電圧が印加された垂直転送電
極、１３２〜１３５は第２段垂直転送路９３−ｃ
を構成し、各々異なる一定電圧が印加された垂直
転送電極、１３６〜１３９は第１段垂直転送路９
５−ｃを構成し、各々異なる一定電圧が印加され
た垂直転送電極、１４０は第１〜第４段垂直転送
路８９−ｃ，９１−ｃ，９３−ｃ，９５−ｃの電
気的に分離された各独立電極１２４〜１３９に必
要な直流電圧を供給するために電源１４１の電圧
を分割するための電圧分割用抵抗素子である。そ
の他、第３図ｂ中と同一部分には同一符号を付し
ている。

第７図ｂ〜ｈは第６図のタイミングにおける時
間ｔ＝t₁〜t₇における垂直転送チヤネルの電位分
布図を示しており、LS１は光電変換素子５９−
ｃで得られた信号電荷束であり、同様にLS５，
LS６，LS１３，LS１４，LS１５，LS１６，LS
１７はそれぞれ光電変換素子７２−ｃ，７３−
ｃ，８０−ａ，８１−ａ，８２−ａ，８３−ａ，
８４−ａで得られた信号電荷束である。

次に、上記した他の実施例の場合における動作
を説明する。第５図の第１〜第20のアドレスゲー
ト９９〜１１８にそれぞれ対し第６図のアドレス
ゲートパルスA₁〜A₂₀が印加される。そこで、時
間ｔ＝t₁においては、第１アドレスゲート９９に
アドレスパルスA₁が印加され、光電変換素子列
５９−ａ〜５９−ｃで得られた信号電荷束LS１
は第４段垂直蓄積転送路８９−ｃへ転送される。
この時の垂直転送チヤネル内の電位分布を第７図
ｂに示す。時間ｔ＝t₂において、電荷束LS１は
第７図ｃに示すように移送制御パルスφ_SHによつ
て水平転送レジスタ９８内へ移送される。その
後、第２〜第４アドレスゲートにアドレスパルス
A₂〜A₄が印加され、順次アドレスされた信号電
荷が上記同様に水平転送レジスタ９８内に移送さ
れる。時刻t₃においては、第５、第６アドレスゲ
ートがアドレスパルスA₅，₆により同時にアドレ
スされ、第５、第６列の信号電荷束LS５，LS６
のうち電荷束LS５は第４段垂直転送路８９−ｃ
へ、電荷束LS６は第３段垂直蓄積転送電極下へ
転送され、第７図ｄのような電位分布となる。さ
らに、時刻ｔ＝t₄において、信号電荷束LS５，
LS６は第７図ｅに示すよう転送動作により各々
次段へ転送される。同様にして、第７〜第９アド
レスゲートにアドレスパルスA₇〜A₉が印加され
てアドレス指定された後、第10、第11アドレスゲ
ートがアドレスパルスA₁₀，₁₁によりアドレス指定
され、さらに第12〜14アドレスゲートがアドレス
パルスA₁₂〜A₁₄によりアドレス指定され後、時
間ｔ＝t₅になると第15、第16アドレスゲートがア
ドレスパルスA₁₅，₁₆によりアドレス指定される。
この様子を第７図ｆに示し、このとき第４〜第１
垂直転送電極８８−ｃ，９０−ｃ，９２−ｃ，９
４−ｃ下には各々第13列、第14列、第15列の光電
変換素子８０−ａ，８１−ａ，８２−ａ，８３−
ａで得られた信号電荷束LS１３〜LS１６が存在
する。時間ｔ＝t₆において、これらの信号電荷束
は第７図ｇに示すように各々次段に転送され、さ
らに時間ｔ＝t₇では新たに第17光電変換素子列８
４−ａの信号電荷束LS１７が転送される。この
時の転送チヤネル内の電位分布を第７図ｈに示
す。

このようにして各光電変換素子で得られた信号
電荷束は時系列信号として全て送り出すことがで
きる。しかも、必必要なパルスは第６図に示すよ
うな簡単な同期性パルスだけである。本実施例の
場合には、垂直方向５個の光電変換素子に対応し
て１個の垂直蓄積電極と、異なる直流電圧が印加
された複数個の電極を有する１個の垂直転送路が
存在する構造としていることに特徴がある。つま
り、電荷の蓄積転送を担う垂直蓄積転送電極の大
きさを数個の光電変換素子にわたつて自由に選択
できるところにある。従つて、垂直転送手段の転
送容量を数倍にすることができ、素子のダイナミ
ツクレンジをインタートランスフア方式に比べ数
倍に増加することができる。なお、アドレスパル
スはA₅，₆，A₁₀，₁₁，A₁₅，₁₆のように２つのパルス
として示してあるが、これは１つのパルスで良い
ことは言うまでもない。

本発明は上記実施例に限定されることなく種々
変形実施できる。例えば垂直転送路電極として抵
抗性電極を用いるか、あるいは絶縁膜の膜厚を制
御することによつてチヤネル電位を階段状でなく
傾斜を有したものとしても良く、また１組の電荷
転送電極に対応して設けられる光電変換素子の数
はいくつであつても良い。

発明の効果 本発明の固体撮像装置によれば、光電変換素子
数に対して垂直転送段を少なくしているのでダイ
ナミツクレンジを増加し、Ｓ／Ｎ比の高い、しか
も時系列的に高速信号読出しが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１は従来のラインアドレス形２次元固体撮像
装置を示す平面概略図、第２図ａ，ｂは第１図の
Ｘ−Ｘ線に沿う断面構造図とそのポテンシヤル
図、第３図ａは本発明の第１実施例に係る２次元
固体撮像装置の平面概略図、第３図ｂは第３図ａ
のＹ−Ｙ線に沿う断面構成図、第３図ｃ〜ｉはそ
れぞれ第３図ｂのポテンシヤル図、第４図は第３
図の動作を説明するためのタイミングパルス図、
第５図は本発明の第２実施例に係る２次固体撮像
装置の平面概略図、第６図は第５図の装置の動作
を説明するためのタイミングパルス図、第７図ａ
は第５図のＺ−Ｚ線に沿う断面構造図、第７図ｂ
〜ｈは第７図ａのポテンシヤル図である。 ２８−ａ〜３３−ｅ，５９−ａ〜８７−ｃ……
光電変換素子列、３４−ａ〜３４−ｅ，８８−ａ
〜９４−ｃ……垂直蓄積転送電極、４１，９７…
…移送制御電極、４２，９８……水平転送レジス
タ、４４……水平転送電極、４５……半導体基
板、４６，４７……不純物層、４８，５３，１２
４〜１３９……垂直転送電極、５４〜５８，LS
１〜LS１７……信号電荷束、８９−ａ〜９５−
ｃ……垂直転送路、９９〜１１５……アドレスゲ
ート、A₁〜A₂₀……アドレスパルス、φ_SH……移
送制御パルス、φ_V1，φ_V2……移送制御パルス、
φ_H1，φ_H2……水平転送パルス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上にマトリクス状に配設され入射強度に
   応じた信号電荷を発生する光電変換素子と、この
   光電変換素子に沿つて設けられこれら光電変換素
   子で得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直
   転送手段と、この垂直転送手段によつて並列転送
   された信号電荷を水平転送するための水平転送手
   段と、この水平転送手段からの信号電荷を外部に
   時形列的に取出す出力回路とを具備する固体撮像
   装置において、前記垂直転送手段を複数個の転送
   段列で構成し、１個の転送段列に対して少なくと
   も２個以上の光電変換素子列を配設し、前記光電
   変換素子列を順次アドレス指定して信号電荷を上
   記垂直転送手段へ転送する時、上記光電変換素子
   列のうち隣接する転送段に属する光電変換素子列
   とこれに相隣り合う光電変換素子列とを同一転写
   期間にアドレス指定して同一転送期間に上記垂直
   転送手段に信号電荷を送出するようにしてなるこ
   とを特徴とする固体撮像装置。 ２ 前記光電変換素子にはそれぞれ対応するアド
   レスゲートが設けられており、前記同一転送期間
   にアドレス指定される相隣り合う光電変換素子列
   のアドレスゲートは共通結線されて同一アドレス
   ゲートにより駆動されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ３ 前記垂直転送段に存在する信号電荷束が１段
   転送されるごとに１アドレスパルスが１列のアド
   レスゲートに印加されることを特徴とする特許請
   求の範囲第２項記載の固体撮像装置。 ４ 前記アドレスパルスのアドレス走査周波数、
   垂直転送段を駆動する垂直転送パルスの周波数及
   び垂直転送手段から水平転送手段へ信号電荷を移
   送するための移送制御パルスの周波数は同一周波
   数であることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   または第３項にいずれかに記載の固体撮像装置。