JPH06302799A

JPH06302799A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH06302799A
Application number: JP5087486A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Wakayama; 博之若山; Kenji Awamoto; 健司粟本
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-04-14
Filing date: 1993-04-14
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は光起電力型フォトダイオード等で発
生した信号電荷を映像信号として撮像を行う固体撮像装
置に関し、消費電力の低減かつ検出精度の向上を図るこ
とを目的とする。【構成】光電領域３２が所定数配列されるＰＶ型のフ
ォトダイオードアレイ２２と、フォトダイオードアレイ
２２で発生した信号電荷に基づいて所定の処理後に映像
信号とするマルチプレクサ２３とが、バンプ３４により
電気的に接続される。そして、フォトダイオードアレイ
２２に、該フォトダイオードアレイ２２で発生する暗電
流成分を相殺する逆極性の電流を供給する電流源２４を
接続する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光起電力（ＰＶ）型フ
ォトダイオード等で発生した信号電荷を映像信号として
撮像を行う固体撮像装置に係り、特に暗電流を除去した
赤外線センサに関する。

【０００２】近年、固体撮像装置としてＰＶ型フォトダ
イオードやフォトダイオードを用いた赤外線センサは、
高性能化に伴い、高機能、多画素、高密度が要求される
と共に、その小型化が望まれている。

【０００３】

【従来の技術】図５に、従来の赤外線センサの説明図を
示す。図５（Ａ）はその概略図であり、図５（Ｂ）はＩ
−Ｖ特性のグラフである。

【０００４】図５（Ａ）において、赤外線センサ１１
は、Ｐ−ＨｇＣｄＴｅ（水銀カドミウムテルル）に光電
領域のｎ⁺層１２ａが所定数形成され、受光により信号
電荷を発生するＰＶ型フォトダイオードアレイ１２と、
シリコン（Ｓ_i）基板上に形成され、該ＰＶ型フォトダ
イオードアレイ１２で発生した信号電荷を多重化、増幅
して映像信号とするマルチプレクサ１３とがＩｎ（イン
ジウム）のバンプ１４により接続される。このバンプ１
４は、ＰＶ型フォトダイオードアレイ１２に形成される
ｎ⁺層１２ａと、マルチプレクサ１３の入力部１３ａと
の間を接続する。マルチプレクサ１３は、ＰＶ型フォト
ダイオードアレイ１２からの注入電荷を取り扱うため
に、蓄積容量Ｃ_intの蓄積領域が設けられる。この場合
の蓄積容量Ｃ_intは、Ｃ_int＝Φ_PV×Ｔ_int＋Ｉ_dark／ｅ×Ｔ_int …（１）で表わされる。ここで、Φ_PVはＰＶ型フォトダイオード
アレイ１２から入射するフォトン数、Ｔ_intは蓄積時
間、Ｉ_darkは暗電流量、ｅは電荷量である。この場合の
暗電流は、熱励起による電子・ホール対の発生に起因し
て流れる電流であり、光信号電荷の蓄積時間が長くなる
と影響が大きくなる。

【０００５】例えば、ＰＶ型フォトダイオードのカット
オフ波長を１３．０μｍ、蓄積時間３０μＳ、ダイオー
ドサイズ１００×１００μｍの場合の蓄積容量Ｃ_intは
２．０×１０⁷電子となる。また、マルチプレクサ１３
においてバイアス電圧１０Ｖ、酸化膜厚７０ｎｍの条件
では、０．３２ｐＦの容量が必要であり、約７００μｍ
²のゲート面積に相当する。このうち、暗電流成分によ
る容量は約０．１６ｐＦであり、全容量の５０％を占め
ることになる。

【０００６】すなわち、図５（Ｂ）のＩ−Ｖ特性におい
て、曲線Ａが光入射されないときの暗電流成分であり、
曲線Ｂが背景輻射が入光したときの特性である。また曲
線Ｃは測定対象からの信号光を検知したときの特性を示
している。

【０００７】この暗電流成分は、測定対象を検知するに
あたっては不要のものであると共に、ノイズの原因にも
なる。そこで、この暗電流成分を相殺する方法として特
開昭６１−２５５０６０号に示される方法が知られてい
る。これは、暗電流成分の電荷と、背景輻射分の電荷を
別々の領域に蓄積して差動アンプにより差分をとって暗
電流成分を相殺するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、赤外線センサ
において高機能、高密度、多画素化を図ると、一画素に
許される面積が急激に縮小することとなり、必要な蓄積
容量を確保するためにゲートバイアス電圧を大きくし、
または蓄積時間を短くしなければならない。

【０００９】そのため、ゲートバイアス電圧の増大で消
費電力が増大することにより、冷却して動作させる赤外
線センサに必要な冷却温度が得られないという問題があ
る。また、蓄積時間を短縮させると測定対象からの信号
電荷量が減少し、検出性能の劣化を生じるという問題が
ある。

【００１０】そこで、本発明は上記課題に鑑みなされた
もので、消費電力の低減かつ検出精度の向上を図る固体
撮像装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１に、本発明の原理構
成図を示す。図１（Ａ）は概略構成図、図１（Ｂ）はそ
のＩ−Ｖ特性のグラフである。

【００１２】図１（Ａ）において固体撮像装置２１は、
光電変換部２２が、信号処理部２３の入力部２３ａに接
続されると共に、接地間で設けられる電流源２４に接続
される構成を含む。

【００１３】光電変換部２２は、受光量に応じて信号電
荷を発生する光電領域が所定数配列される。信号処理部
２３は入力部２３ａに表われる光電変換部２２で発生し
た信号電荷に基づいて、入力ゲート、蓄積ゲート、転送
ゲートにより多重化、増幅の信号処理を行い映像信号と
する。

【００１４】また、光電変換部２２は、図１（Ｂ）に示
すように、内部で発生する暗電流成分Ａの信号電荷、背
景輻射による受光成分Ｂの信号電荷、及び測定対象によ
る受光成分Ｃの信号電荷を発生する。そして、電流源２
４が、暗電流成分Ａを相殺する電流成分Ｄを光電変換部
２２に供給する。

【００１５】

【作用】図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、電流源２４
により光電変換部２２に発生する暗電流成分Ａの信号電
荷と同等の逆極性電荷の電流成分Ｄを該光電変換部２２
に供給し、暗電流成分Ａを除去する。

【００１６】従って、光電変換部２２から信号処理部２
３の入力部２３ａに表われる信号電荷は、図１（Ｂ）に
おける成分特性ＣとＡの差となる。

【００１７】これにより、多画素、高密度による画素サ
イズが縮小されても、信号処理部２３において十分な蓄
積容量を確保することが可能となると共に、性能劣化を
防止して検出精度の向上を図ることが可能となる。ま
た、画素サイズが従来と同じ場合には、蓄積容量の低減
によりゲートバイアス電圧を低減できることから消費電
力が低減され、装置の小型化を図ることが可能となる。

【００１８】

【実施例】図２に、本発明の一実施例の構成図を示す。
図２の固体撮像装置としての赤外線センサ２１におい
て、光電変換部２２は、Ｐ−ＨｇＣｄＴｅ化合物基板３
１上にインジウム（Ｉｎ）の拡散によりフォトダイオー
ドとなるｎ⁺層の光電領域３２が所定配列で形成された
ＰＶ型のフォトダイオードアレイである。この光電領域
３２は、例えば一次元的、又は二次元的に配列される。

【００１９】一方、信号処理部２３は、フォトダイオー
ドアレイ２２と別基板であって、Ｐ型シリコン（Ｓｉ）
基板３３に通常のＣＭＯＳ技術により従来と同様の信号
処理回路が形成され、フォトダイオードアレイ２２の光
電領域３２に対応する入力部２３ａがそれぞれ形成され
るマルチプレクサである。

【００２０】このマルチプレクサ２３の入力部２３ａ
と、フォトダイオードアレイ２２の光電領域３２とが金
属電極のバンプ３４を介して電気的に接続される。そし
て、フォトダイオード２２のＰ−ＨｇＣｄＴｅ基板３１
と接地間で外部に電流源２４が接続される。電流源２４
は、フォトダイオード２２で発生する暗電流と逆極性の
電流を供給する極性で接続されるものである。

【００２１】なお、マルチプレクサ２３は、図１（Ａ）
に示すように、一つの入力部２３ａに対して、入力ゲー
ト、蓄積ゲート、転送ゲートの回路が形成される。この
マルチプレクサ２３の信号処理を簡単に説明すると、フ
ォトダイオードアレイ２２で受光により発生したキャリ
ア（電子）がバンプ３４を介して入力部２３ａに表わ
れ、入力ゲートを介して蓄積ゲート下のポテンシャル井
戸に蓄積される。そして、転送ゲートによりＣＣＤ（Ch
arge Coupled Device)チャンネルに転送させることによ
り、ラインごとに多重化、増幅して映像信号とするもの
である。

【００２２】ところで、図２は固体撮像装置２１の要部
を示したものであって、全体的にはこれらが冷却装置内
に配置されるものである。

【００２３】そこで、図２の赤外線センサの動作につい
て説明する。まず、電流源２４からの供給する電流値を
零として、測定対象の７７Ｋ物体を撮像し、フォトダイ
オードアレイ２２に発生する信号電荷の電流成分を測定
する。この電流成分が暗電流成分となる。

【００２４】この測定された暗電流成分の９０％程度の
逆極性の電流を電流源２４より供給する。この９０％程
度とするのは、光電領域３２ごとの暗電流成分のばらつ
きを考慮したもので、測定対象の検知レベル低下を防止
するためである。

【００２５】ここで、図３に、図２の実験結果のＩ−Ｖ
特性のグラフを示す。図３のＩ−Ｖ特性は、受光におけ
る−１００．０ｎＡ〜１００．０ｎＡで２０．００ｎＡ
ごとの電流値と、接地電位を０．０ｍＶとしたときの−
５０．００ｎＶ〜１５０．０ｍＶで２０．００ｍＶごと
の電圧値とのものである。図３において、特性曲線Ａ
は、上述のように測定した暗電流成分Ｉ₁（約１８μ
Ａ）であり、特性曲線Ｂは３００Ｋ背景における電流成
分Ｉ₂である。

【００２６】従って、電流源２４により、暗電流成分Ｉ
₁の９０％程度の逆極性の電流Ｉ₁₁を供給し、３００Ｋ
背景を撮像した場合の電流成分Ｉ₃は、Ｉ₃＝Ｉ₂−Ｉ
₁₁となり、その特性曲線がＥとなったものである。

【００２７】そして、図２に戻って説明するに、フォト
ダイオードアレイ２２の受光により暗電流成分が除去さ
れたキャリアがバンプ３４を介してマルチプレクサ２３
に送られ、上述のような信号処理が行われる。

【００２８】すなわち、マルチプレクサ２３で処理され
る信号電荷は暗電流成分が除去されたものであることか
ら、当該赤外線センサ２１の多画素化、高密度化を図る
ことにより、画素サイズが縮小しても十分な蓄積容量を
確保することができ、検出精度を向上させることができ
る。また、画素サイズが縮小されない場合には蓄積容量
が低減されることとなり、ゲートバイアス電圧を低くす
ることができ消費電力を低減することができる。これに
より、冷却装置を小型化して、全体構成を小型化するこ
とができるものである。

【００２９】次に、図４に、本発明の他の実施例の構成
図を示す。図４（Ａ）は概念図であり、図４（Ｂ）はそ
の模式図である。

【００３０】図４（Ａ）は、電流源２４をＭＯＳトラン
ジスタで形成したものである。この場合、フォトダイオ
ードアレイ２２はＰ型基板で形成されることから、この
ＭＯＳトランジスタ２４はＰチャンネルでマルチプレク
サ２３上にオンチップ化される。

【００３１】すなわち、図４（Ｂ）に示すように、マル
チプレクサ２３はＰ型のシリコン基板３３で形成されて
いることから、上述の電流源２４となるＰチャンネルＭ
ＯＳトランジスタを形成するにあたり、まずＰ型のシリ
コン基板３３に拡散によりｎ型ウェル４１が形成され
る。

【００３２】このｎ型ウェル４１にｎ⁺と２つのＰ⁺の
拡散層が形成され、ｎ⁺とＰ⁺の拡散層上に電極４２が
形成されると共に、２つのＰ⁺拡散層上に電極４３が形
成される。

【００３３】そして、電極４２が電源Ｖ_Dに接続され、
ソース領域となるＰ⁺拡散層Ｓがフォトダイオードアレ
イ２２に接続される。また、電極４３がゲート端子とな
り、ゲート電圧により電流量が制御される。なお、この
場合のＩ−Ｖ特性は図３と同様である。

【００３４】このように、マルチプレクサ２３上に電流
源２４となるＭＯＳトランジスタをオンチップ化するこ
とで、より省スペースの小型化を図ることができるもの
である。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光電変換
部で発生する暗電流成分を相殺する電流を供給する電流
源を設けることにより、消費電力の低減、検出精度の向
上、装置の小型化を図ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】本発明の一実施例の構成図である。

【図３】図２の実験結果のＩ−Ｖ特性のグラフである。

【図４】本発明の他の実施例の構成図である。

【図５】従来の赤外線センサの説明図である。

【符号の説明】

２１固体撮像装置（赤外線センサ）２２光電変換部（フォトダイオードアレイ）２３信号処理部２３ａ入力部２４電流源３１Ｐ−ＨｇＣｄＴｅ基板３２Ｓｉ基板３４バンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光量に応じて信号電荷を発生する光電
領域（３２）が所定数配列される光電変換部（２２）
と、該光電変換部（２２）で発生した信号電荷に基づい
て所定の処理後に映像信号とする信号処理部（２３）と
を備える固体撮像装置において、前記光電変換部（２２）で発生する暗電流成分を相殺す
る電流を該光電変換部（２２）に供給する電流源（２
４）を設けることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】前記電流源（２４）を、前記光電変換部
（２２）及び前記信号処理部（２３）の外部に設けるこ
とを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】前記電流源（２４）を、前記信号処理部
（２３）上に設けることを特徴とする請求項１記載の固
体撮像装置。