JPH0646655B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
- Publication number
- JPH0646655B2 JPH0646655B2 JP60068671A JP6867185A JPH0646655B2 JP H0646655 B2 JPH0646655 B2 JP H0646655B2 JP 60068671 A JP60068671 A JP 60068671A JP 6867185 A JP6867185 A JP 6867185A JP H0646655 B2 JPH0646655 B2 JP H0646655B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- voltage
- accumulated
- potential
- base
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 15
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 7
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- 101100114490 Neurospora crassa (strain ATCC 24698 / 74-OR23-1A / CBS 708.71 / DSM 1257 / FGSC 987) cox-13 gene Proteins 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices 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
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14681—Bipolar transistor imagers
Landscapes
- 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】 ［技術分野］ 本発明は固体撮像装置、特に改良された光電変換装置に
関する。
関する。
［従来の技術］ 第１図(a) は光電変換装置としての高センサセルの平面
図、第１図(b) は、そのＡ−Ａ′線断面図、第２図は、
その等価回路である。なお、各部位において共通するも
のについては同一の番号をつけている。
図、第１図(b) は、そのＡ−Ａ′線断面図、第２図は、
その等価回路である。なお、各部位において共通するも
のについては同一の番号をつけている。
第１図では、整列配置方式で平面図を示したが、水平方
向解像度を高くするために、画素ずらし方式（補間配置
方式）にも配置できることはもちろんのことである。
向解像度を高くするために、画素ずらし方式（補間配置
方式）にも配置できることはもちろんのことである。
この光センサセルは、次のような構造を有している。
第１図(a),(b) に示すごとく、ｎ型シリコン基盤１の上
に、 パシベーション膜２； シリコン酸化膜より成る絶縁酸化膜３； となり合う光センサセルとの間を電気的に絶縁するため
の絶縁膜またはポリシリコン膜等で構成される素子分離
領域４； エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低いｎ
-領域５； その上に、バイポーラトランジスタのベースとなるｐ領
域６； バイポーラトランジスタのエミッタとなるｎ+領域７； 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウム(A1)等
の導電材料で形成される配線８； ｐ領域６に絶縁膜３をはさんで対向し、浮遊状態になさ
れたｐ領域６にパルスを印加するためのキャパシタ電極
９； キャパシタ電極９に接続された配線10； 基板１の裏面にオーミックコンタクトをとるために形成
されたｎ+領域11； そして、バイポーラトランジスタのコレクタ電位を与え
るための電極１２； がそれぞれ形成され、上記光センサセルを構成してい
る。
に、 パシベーション膜２； シリコン酸化膜より成る絶縁酸化膜３； となり合う光センサセルとの間を電気的に絶縁するため
の絶縁膜またはポリシリコン膜等で構成される素子分離
領域４； エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低いｎ
-領域５； その上に、バイポーラトランジスタのベースとなるｐ領
域６； バイポーラトランジスタのエミッタとなるｎ+領域７； 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウム(A1)等
の導電材料で形成される配線８； ｐ領域６に絶縁膜３をはさんで対向し、浮遊状態になさ
れたｐ領域６にパルスを印加するためのキャパシタ電極
９； キャパシタ電極９に接続された配線10； 基板１の裏面にオーミックコンタクトをとるために形成
されたｎ+領域11； そして、バイポーラトランジスタのコレクタ電位を与え
るための電極１２； がそれぞれ形成され、上記光センサセルを構成してい
る。
第２図に示す等価回路において、コンデンサCox13 は、
電極９，絶縁膜３，ｐ領域６のMOS 構造より構成され、
またバイポーラトランジスタ14は、エミッタとしてのｎ
+領域７、ベースとしてのｐ領域６，コレクタとしての
ｎ-領域５および領域１の各部分より構成されている。
これらの図面から明らかなように、ｐ領域６は浮遊領域
になされている。
電極９，絶縁膜３，ｐ領域６のMOS 構造より構成され、
またバイポーラトランジスタ14は、エミッタとしてのｎ
+領域７、ベースとしてのｐ領域６，コレクタとしての
ｎ-領域５および領域１の各部分より構成されている。
これらの図面から明らかなように、ｐ領域６は浮遊領域
になされている。
また、バイポーラトランジスタ14の等価回路は、ベース
・エミッタの接合容量Cbe15 、ベース・エミッタのpn接
合ダイオードDbe16 、ベース・コレクタの接合容量Cbc1
7 、ベース・コレクタのpn接合ダイオードDbc18 および
電流源19，20で表現される。
・エミッタの接合容量Cbe15 、ベース・エミッタのpn接
合ダイオードDbe16 、ベース・コレクタの接合容量Cbc1
7 、ベース・コレクタのpn接合ダイオードDbc18 および
電流源19，20で表現される。
次に、このような構造を有する光センサセルの基本動作
を説明する。
を説明する。
この光センサセルの基本動作は、光入射による電荷蓄積
動作、読出し動作およびリフレッシュ動作より構成され
る。電荷蓄積動作においては、例エミッタは、配線８を
通して設置され、コレクタ配線12通して正電位にバイア
スされている。またベースは、あらかじめエミッタ７に
対して逆バイアス状態にされているものとする。
動作、読出し動作およびリフレッシュ動作より構成され
る。電荷蓄積動作においては、例エミッタは、配線８を
通して設置され、コレクタ配線12通して正電位にバイア
スされている。またベースは、あらかじめエミッタ７に
対して逆バイアス状態にされているものとする。
この状態において、第１図に示すように光センサセルの
表側から光20が入射してくると、半導体内においてエレ
クトロン・ホール対が発生する。この内、エレクトロン
は、ｎ領域１が正電位にバイアスされているのでｎ領域
１側に流れだしていってしまうが、ホールはｐ領域６に
どんどん蓄積されていく。このホールのｐ領域への蓄積
によりｐ領域６の電位は次第に正電位に向かって変化し
ていく。この時、光により励起されたホールがベースに
蓄積することにより発生する電位VpはVp＝Q/C で与えら
れる。Ｑは蓄積されるホールの電荷量であり、ＣはCbe1
5 とCbc17 を加算した接合容量である。
表側から光20が入射してくると、半導体内においてエレ
クトロン・ホール対が発生する。この内、エレクトロン
は、ｎ領域１が正電位にバイアスされているのでｎ領域
１側に流れだしていってしまうが、ホールはｐ領域６に
どんどん蓄積されていく。このホールのｐ領域への蓄積
によりｐ領域６の電位は次第に正電位に向かって変化し
ていく。この時、光により励起されたホールがベースに
蓄積することにより発生する電位VpはVp＝Q/C で与えら
れる。Ｑは蓄積されるホールの電荷量であり、ＣはCbe1
5 とCbc17 を加算した接合容量である。
ここで注目すべきことは、高解像度化され、セルサイズ
が縮小化されていった時に、一つの光センサセルあたり
に入射する光量が減少し、蓄積電荷量Ｑが共に減少して
いくが、セルの縮小化に伴ない接合容量もセルサイズに
比例して減少していくので、光入射により発生する電位
Vpはほぼ一定にたもたれるということである。これはこ
の光センサセルが第１図に示すごとく、きわめて簡単な
構造をしており有効受光面がきわめて大きくとれる可能
性を有しているからである。
が縮小化されていった時に、一つの光センサセルあたり
に入射する光量が減少し、蓄積電荷量Ｑが共に減少して
いくが、セルの縮小化に伴ない接合容量もセルサイズに
比例して減少していくので、光入射により発生する電位
Vpはほぼ一定にたもたれるということである。これはこ
の光センサセルが第１図に示すごとく、きわめて簡単な
構造をしており有効受光面がきわめて大きくとれる可能
性を有しているからである。
以上のようにしてｐ領域６の蓄積された電荷により発生
した電圧を外部へ読出す動作について次に説明する。
した電圧を外部へ読出す動作について次に説明する。
読出し動作状態では、エミッタ配線８は浮遊状態に、コ
レクタは正電位Vcc に保持される。
レクタは正電位Vcc に保持される。
今、光を照射する前に、ベース６を負電位にバイアスし
た時の電位を−Vbとし、光照射により発生した蓄積電圧
をVpとすると、ベース電位は-Vb ＋Vpなる電位になって
いる。この状態で配線10を通して電極９に読出し用の正
の電圧Vrを印加すると、この正の電位Vrは酸化膜容量Co
x13 と、ベース・エミッタ間接合容量Cbe15 およびベー
ス・コレクタ間接合容量Cbc17 により容量分割され、ベ
ース電位は、 となる。ここで、ベース電位を次式に示すVbs だけ、余
分に順方向にバイアスすると、 ベース電位は、光照射により発生した蓄積電圧Vpよりさ
らに順方向にバイアスされる。そのために、エレクトロ
ンはエミッタからベースに注入され、コレクタ電位が正
電位になっているために、ドリフト電界に加速されてコ
レクタに到達する。
た時の電位を−Vbとし、光照射により発生した蓄積電圧
をVpとすると、ベース電位は-Vb ＋Vpなる電位になって
いる。この状態で配線10を通して電極９に読出し用の正
の電圧Vrを印加すると、この正の電位Vrは酸化膜容量Co
x13 と、ベース・エミッタ間接合容量Cbe15 およびベー
ス・コレクタ間接合容量Cbc17 により容量分割され、ベ
ース電位は、 となる。ここで、ベース電位を次式に示すVbs だけ、余
分に順方向にバイアスすると、 ベース電位は、光照射により発生した蓄積電圧Vpよりさ
らに順方向にバイアスされる。そのために、エレクトロ
ンはエミッタからベースに注入され、コレクタ電位が正
電位になっているために、ドリフト電界に加速されてコ
レクタに到達する。
第３図(a) は、Vbs ＝0.6 Ｖとした場合の蓄積電圧Vpに
対する読出し電圧の関係を示すグラフである。
対する読出し電圧の関係を示すグラフである。
同グラフによれば、100nsec 程度以上の読出し時間（読
出し電圧Vrをキャパシタ電極９に印加している時間）を
とれば、蓄積電圧Vpと読出し電圧は、４桁程度の範囲に
わたって直線性が確保され、高速読出しが可能であるこ
とを示している。上記の計算例では、配線８の容量を４
pF、接合容量Cbe ＋Cbc を０．０１４pF とした場合で
あり、その容量比は約300 倍になっているが、ｐ領域６
に発生した蓄積電圧Vpは何らの減衰も受けず、且つバイ
アス電圧Vbs の効果により、きわめて高速に読出し動作
が行われたことを示している。これは、上記光センサセ
ルのもつ増幅機能が有効にはたらいたからである。この
ように、出力電圧が大きいために、固定パターン雑音、
出力容量に起因するランダム雑音が相対的に小さくな
り、極めて良好なS/N 比の信号を得ることができる。
出し電圧Vrをキャパシタ電極９に印加している時間）を
とれば、蓄積電圧Vpと読出し電圧は、４桁程度の範囲に
わたって直線性が確保され、高速読出しが可能であるこ
とを示している。上記の計算例では、配線８の容量を４
pF、接合容量Cbe ＋Cbc を０．０１４pF とした場合で
あり、その容量比は約300 倍になっているが、ｐ領域６
に発生した蓄積電圧Vpは何らの減衰も受けず、且つバイ
アス電圧Vbs の効果により、きわめて高速に読出し動作
が行われたことを示している。これは、上記光センサセ
ルのもつ増幅機能が有効にはたらいたからである。この
ように、出力電圧が大きいために、固定パターン雑音、
出力容量に起因するランダム雑音が相対的に小さくな
り、極めて良好なS/N 比の信号を得ることができる。
先に、バイアス電圧Vbs を0.6Vに設定した時、４桁程度
の直線性が100nsec 程度の高速読出し時間で得られるこ
とを示したが、この直線性および読出し時間とバイアス
電圧Vbs との関係を第３図(b) に示す。
の直線性が100nsec 程度の高速読出し時間で得られるこ
とを示したが、この直線性および読出し時間とバイアス
電圧Vbs との関係を第３図(b) に示す。
第３図(b) に示すグラフによれば、バイアス電圧Vbs に
よる、読出し電圧が蓄積電圧の所望の割合（％）に達す
るのに必要な読出し時間を知ることができる。したがっ
て、撮像装置の全体の設計から読出し時間および必要な
直線性が決定されると、必要とされるバイアス電圧Vbs
が第３図(b) のグラフ用いることにより決定することが
できる。
よる、読出し電圧が蓄積電圧の所望の割合（％）に達す
るのに必要な読出し時間を知ることができる。したがっ
て、撮像装置の全体の設計から読出し時間および必要な
直線性が決定されると、必要とされるバイアス電圧Vbs
が第３図(b) のグラフ用いることにより決定することが
できる。
上記構成に係る光センサセルのもう一つの利点は、ｐ領
域６に蓄積されたホールはｐ領域６におけるエレクトロ
ンとホールの際結合確率がきわめて小さいことから非破
壊的に読出し可能なことである。このことは、上記構成
に係る光センサセルを撮像装置として構成した時に、シ
ステム動作上、新しい機能を提供することができること
を意味する。
域６に蓄積されたホールはｐ領域６におけるエレクトロ
ンとホールの際結合確率がきわめて小さいことから非破
壊的に読出し可能なことである。このことは、上記構成
に係る光センサセルを撮像装置として構成した時に、シ
ステム動作上、新しい機能を提供することができること
を意味する。
さらに、ｐ領域６に蓄積電圧Vpを保持できる時間は極め
て長く、最大保持時間は、むしろ接合の空乏層中におい
て熱的に発生する暗電流によって制限を受ける。しか
し、上記光センサセルにおいて、空乏層が広がっている
領域は、極めて不純物濃度が低い領域５であるために、
その結晶性が良好であり、熱的に発生するエレクトロン
・ホール対は少ない。
て長く、最大保持時間は、むしろ接合の空乏層中におい
て熱的に発生する暗電流によって制限を受ける。しか
し、上記光センサセルにおいて、空乏層が広がっている
領域は、極めて不純物濃度が低い領域５であるために、
その結晶性が良好であり、熱的に発生するエレクトロン
・ホール対は少ない。
次いでｐ領域６に蓄積された電荷をリフレッシュする動
作について説明する。
作について説明する。
上記構成に係る光センサセルでは、すでに述べたごと
く、ｐ領域６に蓄積された電荷は、読出し動作では消滅
しない。このため新しい光情報を入力するためには、前
に蓄積されていた電荷を消滅させるためのリフレッシュ
動作が必要である。また同時に、浮遊状態になされてい
るｐ領域６の電位を所定の負電圧に帯電させておく必要
がある。
く、ｐ領域６に蓄積された電荷は、読出し動作では消滅
しない。このため新しい光情報を入力するためには、前
に蓄積されていた電荷を消滅させるためのリフレッシュ
動作が必要である。また同時に、浮遊状態になされてい
るｐ領域６の電位を所定の負電圧に帯電させておく必要
がある。
上記構成に係る光センサセルでは、リフレッシュ動作も
読出し動作と同様、配線10を通して電極９に正電圧を印
加することにより行う。このとき、配線８を通してエミ
ッタを接地する。コレクタは、電極１２を通して接地ま
たは正電位にしておく。第４図(a) にリフレッシュ動作
の等価回路を示す。但しコレクタ側を接地した状態の例
を示している。
読出し動作と同様、配線10を通して電極９に正電圧を印
加することにより行う。このとき、配線８を通してエミ
ッタを接地する。コレクタは、電極１２を通して接地ま
たは正電位にしておく。第４図(a) にリフレッシュ動作
の等価回路を示す。但しコレクタ側を接地した状態の例
を示している。
この状態で正電圧Vrh なる電圧が電極９に印加される
と、ベース22には、酸化膜容量Cox13 、ベース・エミッ
タ間接合容量Cbe15 、ベース・コレクタ間接合容量Cbc1
7 の容量分割により、 なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的にかか
る。この電圧により、ベース・エミッタ間接合ダイオー
ドDbe16 およびベース・コレクタ間接合ダイオードDbe1
8 は順方向バイアスされて導通状態となり、電流が流れ
始め、ベース電位は次第に低下していく。
と、ベース22には、酸化膜容量Cox13 、ベース・エミッ
タ間接合容量Cbe15 、ベース・コレクタ間接合容量Cbc1
7 の容量分割により、 なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的にかか
る。この電圧により、ベース・エミッタ間接合ダイオー
ドDbe16 およびベース・コレクタ間接合ダイオードDbe1
8 は順方向バイアスされて導通状態となり、電流が流れ
始め、ベース電位は次第に低下していく。
この時、浮遊状態にあるベースの電位の変化について計
算した結果を、ベース電位の時間依存性の一例として第
４図(b) に示す。横軸は、リフレッシュ電圧Vrh が電極
９に印加された瞬間からの時間経過すなわちリフレッシ
ュ時間を、縦軸は、ベース電位をそれぞれ示し、ベース
の初期電位をパラメータにしている。ベースの初期電位
とは、リフレッシュ電圧Vrh が加わった瞬間に、浮遊状
態にあるベースが示す電位であり、Vrh,Cox,Cbe,Cbc お
よびベースに蓄積されている電荷によってきまる。
算した結果を、ベース電位の時間依存性の一例として第
４図(b) に示す。横軸は、リフレッシュ電圧Vrh が電極
９に印加された瞬間からの時間経過すなわちリフレッシ
ュ時間を、縦軸は、ベース電位をそれぞれ示し、ベース
の初期電位をパラメータにしている。ベースの初期電位
とは、リフレッシュ電圧Vrh が加わった瞬間に、浮遊状
態にあるベースが示す電位であり、Vrh,Cox,Cbe,Cbc お
よびベースに蓄積されている電荷によってきまる。
この第４図(b) をみれば、ベースの電位は初期電位によ
らず、ある時間経過後には必ず、片対数グラフ上で一つ
の直線にしたがって下っていくことがわかる。
らず、ある時間経過後には必ず、片対数グラフ上で一つ
の直線にしたがって下っていくことがわかる。
ｐ領域６が、MOS キャパシタCox を通して正電圧をある
時間印加し、その正電圧を除去すると負電位に帯電する
仕方には、２通りの仕方がある。一つは、ｐ領域６から
正電荷を持つホールが、主として設置状態にあるｎ領域
１に流れ出すことによって、負電荷が蓄積される動作で
ある。
時間印加し、その正電圧を除去すると負電位に帯電する
仕方には、２通りの仕方がある。一つは、ｐ領域６から
正電荷を持つホールが、主として設置状態にあるｎ領域
１に流れ出すことによって、負電荷が蓄積される動作で
ある。
一方、ｎ+領域７やｎ領域１からの電子が、ｐ領域６に
流れ込み、ホールと再結合することによって、ｐ領域６
に負電荷が蓄積する動作も行える。
流れ込み、ホールと再結合することによって、ｐ領域６
に負電荷が蓄積する動作も行える。
上記構成に係る光センサセルによる固体撮像装置では、
リフレッシュ動作により全てのセンサセルのベース電位
をゼロボルトまで持っていく完全リフレッシュモードと
（このときは第４図(b) の例では10[sec]を要する）、
ベース電位にはある一定電圧は残るものの蓄積電圧Vpに
よる変動成分が消えてしまう過渡的リフレッシュモード
の二つのが存在するわけである（このときは第４図(b)
の例では、10［μsec］〜10[sec]のリフレッシュパルス
となる）。
リフレッシュ動作により全てのセンサセルのベース電位
をゼロボルトまで持っていく完全リフレッシュモードと
（このときは第４図(b) の例では10[sec]を要する）、
ベース電位にはある一定電圧は残るものの蓄積電圧Vpに
よる変動成分が消えてしまう過渡的リフレッシュモード
の二つのが存在するわけである（このときは第４図(b)
の例では、10［μsec］〜10[sec]のリフレッシュパルス
となる）。
完全リフレッシュモードで動作させるか、過渡的リフレ
ッシュモードで動作させるかの選択は撮像装置の使用目
的によって決定される。
ッシュモードで動作させるかの選択は撮像装置の使用目
的によって決定される。
以上が光入射による電荷蓄積動作、読出し動作、リフレ
ッシュ動作よりなる上記構成に係る光センサセルの基本
動作の説明であり、各動作を基本サイクルとして、入射
光の観測または光情報の読出しを行うことが可能とな
る。
ッシュ動作よりなる上記構成に係る光センサセルの基本
動作の説明であり、各動作を基本サイクルとして、入射
光の観測または光情報の読出しを行うことが可能とな
る。
以上説明したごとく、上記構成に係る光センサセルの基
本構造は、特開昭56-150878 号、特開昭56-157073 号、
特開昭56-165473 号の各公報に記載された撮像装置と比
較してきわめて簡単な構造であり、将来の高解像度化に
十分対応できることともに、それらのもつ優れた特徴で
ある増幅機能からくる低雑音、高出力、広ダイナミック
レンジ、非破壊読出し等のメリットをそのまま保存して
いる。
本構造は、特開昭56-150878 号、特開昭56-157073 号、
特開昭56-165473 号の各公報に記載された撮像装置と比
較してきわめて簡単な構造であり、将来の高解像度化に
十分対応できることともに、それらのもつ優れた特徴で
ある増幅機能からくる低雑音、高出力、広ダイナミック
レンジ、非破壊読出し等のメリットをそのまま保存して
いる。
［目 的］ 本発明は上述のような固体撮像装置において、任意の情
報を書き込むことを可能とし、これによって、任意の情
報の上に光による情報を、またこれとは逆に光による情
報の上に位の情報を重ね合せることができる固体撮像装
置を提供することを目的とする。
報を書き込むことを可能とし、これによって、任意の情
報の上に光による情報を、またこれとは逆に光による情
報の上に位の情報を重ね合せることができる固体撮像装
置を提供することを目的とする。
［構成］ このような目的を達成するために、本発明の固体撮像装
置では、 第１導電型の半導体基板と、 該半導体基板内に形成され、被写体情報を電荷信号に変
換して蓄積するための第２導電型の制御電極領域(6)
と、 該制御電極領域に蓄積された電荷信号を読み出すために
前記制御電極領域内に設けられ第１の導電型を有する読
み出し電極領域(7) と、 前記半導体基板内に離間して設けられた第導電型の第
１，第２の蓄積領域(21,22) と、 該第１と蓄積領域と前記制御電極領域との間に設けられ
選択的に電荷を移動させる第１のゲート手段(23)と、 前記第１の蓄積領域と第２の蓄積領域との間に設けられ
選択的に電荷を移動させる第２のゲート手段(24)と、 前記第２の蓄積領域に電荷を入力する入力手段(25)と、 を有することを特徴とする。
置では、 第１導電型の半導体基板と、 該半導体基板内に形成され、被写体情報を電荷信号に変
換して蓄積するための第２導電型の制御電極領域(6)
と、 該制御電極領域に蓄積された電荷信号を読み出すために
前記制御電極領域内に設けられ第１の導電型を有する読
み出し電極領域(7) と、 前記半導体基板内に離間して設けられた第導電型の第
１，第２の蓄積領域(21,22) と、 該第１と蓄積領域と前記制御電極領域との間に設けられ
選択的に電荷を移動させる第１のゲート手段(23)と、 前記第１の蓄積領域と第２の蓄積領域との間に設けられ
選択的に電荷を移動させる第２のゲート手段(24)と、 前記第２の蓄積領域に電荷を入力する入力手段(25)と、 を有することを特徴とする。
［実施例］ 第５図は本発明の一実施例を示す断面図であり、21およ
び22はｐ領域、23はゲート電極であって、これと、ｎ-
領域５，ｐ領域６，絶縁酸化膜３およびｐ領域21とによ
ってMOS トランジスタを構成する。24は別のゲート電極
であって、これとｎ-領域５，ｐ領域21，22および絶縁
酸化膜３とによって別のMOS トランジスタを構成する。
25は信号を書き込むためのあるいはベース電位をリセッ
トするための配線、26は受光部分以外を遮光するための
例えばアルミニウム(Al)からなる遮光膜である。
び22はｐ領域、23はゲート電極であって、これと、ｎ-
領域５，ｐ領域６，絶縁酸化膜３およびｐ領域21とによ
ってMOS トランジスタを構成する。24は別のゲート電極
であって、これとｎ-領域５，ｐ領域21，22および絶縁
酸化膜３とによって別のMOS トランジスタを構成する。
25は信号を書き込むためのあるいはベース電位をリセッ
トするための配線、26は受光部分以外を遮光するための
例えばアルミニウム(Al)からなる遮光膜である。
２はパシベーション膜、３はシリコン酸化膜より成る絶
縁酸化膜、４はとなり合う光センサセルとの間を電気的
に絶縁するための絶縁膜またはポリシリコン膜等で構成
される素子分離領域、７はバイポーラトランジスタのエ
ミッタとなるｎ+領域、８は信号を外部へ読出すため
の、例えばアルミニウム(Al)等の導電材料で形成される
配線、９はｐ領域６に絶縁膜３をはさんで対向し、浮遊
状態になされたｐ領域６にパルスを印加するためのキャ
パシタ電極、11は基板１の裏面にオーミックコタクトを
とるために形成されたｎ+領域、そして12はバイポーラ
トランジスタのコレクタ電位を与えるための電極であ
る。さらにバイポーラトランジスタは、エミッタとして
のｎ+領域７、ベースとしてのｐ領域６，コレクタとし
てのｎ-領域５および領域１の各部分より構成されてい
る。
縁酸化膜、４はとなり合う光センサセルとの間を電気的
に絶縁するための絶縁膜またはポリシリコン膜等で構成
される素子分離領域、７はバイポーラトランジスタのエ
ミッタとなるｎ+領域、８は信号を外部へ読出すため
の、例えばアルミニウム(Al)等の導電材料で形成される
配線、９はｐ領域６に絶縁膜３をはさんで対向し、浮遊
状態になされたｐ領域６にパルスを印加するためのキャ
パシタ電極、11は基板１の裏面にオーミックコタクトを
とるために形成されたｎ+領域、そして12はバイポーラ
トランジスタのコレクタ電位を与えるための電極であ
る。さらにバイポーラトランジスタは、エミッタとして
のｎ+領域７、ベースとしてのｐ領域６，コレクタとし
てのｎ-領域５および領域１の各部分より構成されてい
る。
以上のような構成において、第１の例として受光して蓄
積された情報に任意の電気的情報を重ね合せる場合の動
作を説明する。
積された情報に任意の電気的情報を重ね合せる場合の動
作を説明する。
例えばベース：ｐ領域６，エミッタ：ｎ+領域７，コレ
クタ：ｎ-領域５および領域１からなるバイポーラトン
ラジスタにおいて、エミッタは配線８を通して接地さ
れ、コレクタは配線12を通して正電位にバイアスされて
いる。また、ベースはあらかじめエミッタに対して逆バ
イアス状態にされているものとする。
クタ：ｎ-領域５および領域１からなるバイポーラトン
ラジスタにおいて、エミッタは配線８を通して接地さ
れ、コレクタは配線12を通して正電位にバイアスされて
いる。また、ベースはあらかじめエミッタに対して逆バ
イアス状態にされているものとする。
この状態において、第５図に示すように光センサの表側
から光20が入射してくると半導体内において、エレクト
ロン・ホール対が発生する。この内エレクトロンはｎ領
域１が正電位にバイアスされているので、ｎ領域１側に
流れだしていってしまうが、ホールはｐ領域６に蓄積さ
れていく。
から光20が入射してくると半導体内において、エレクト
ロン・ホール対が発生する。この内エレクトロンはｎ領
域１が正電位にバイアスされているので、ｎ領域１側に
流れだしていってしまうが、ホールはｐ領域６に蓄積さ
れていく。
次に、ゲート24に負の電圧を加え配線25を通して任意の
電圧をｐ領域２２に加える。しかる後にゲート24をゼロ
電位にするとｐ領域22に加えられた電圧に応じた電荷が
ｐ領域21に蓄積される。
電圧をｐ領域２２に加える。しかる後にゲート24をゼロ
電位にするとｐ領域22に加えられた電圧に応じた電荷が
ｐ領域21に蓄積される。
次にゲート23に負の電圧を加えると、ｐ領域21に蓄積さ
れた電荷とｐ領域６に蓄積された電荷とは領域５中にで
きたチャンネル内を移動してそれぞれの領域の容量に応
じた量になるように分割され各領域に蓄積される。しか
る後にゲート23をゼロ電位にすると、ｐ領域６とｐ領域
21とは分離され、ｐ領域６には、結局、受光して蓄積し
た電荷とｐ領域22に加えた任意の電圧に対応した任意の
電荷とが重ね合さって蓄積されたことになる。ｐ領域６
に蓄積された電荷（情報）の読み出しは前述の例と同様
に行う。すなわち、エミッタ，配線８は浮遊状態に、コ
レクタは正電位に、ベースは所定バイアス電圧に保持
し、電極９に読み出し電圧を加える。
れた電荷とｐ領域６に蓄積された電荷とは領域５中にで
きたチャンネル内を移動してそれぞれの領域の容量に応
じた量になるように分割され各領域に蓄積される。しか
る後にゲート23をゼロ電位にすると、ｐ領域６とｐ領域
21とは分離され、ｐ領域６には、結局、受光して蓄積し
た電荷とｐ領域22に加えた任意の電圧に対応した任意の
電荷とが重ね合さって蓄積されたことになる。ｐ領域６
に蓄積された電荷（情報）の読み出しは前述の例と同様
に行う。すなわち、エミッタ，配線８は浮遊状態に、コ
レクタは正電位に、ベースは所定バイアス電圧に保持
し、電極９に読み出し電圧を加える。
次にリフレッシュ動作について説明する。ゲート24とゲ
ート23とに同時に負の電圧を加え、配線８を通じてｐ領
域22にリフレッシュ基準電圧を加えると、ｐ領域６，ｐ
領域21および22は前記同様にリフレッシュされる。
ート23とに同時に負の電圧を加え、配線８を通じてｐ領
域22にリフレッシュ基準電圧を加えると、ｐ領域６，ｐ
領域21および22は前記同様にリフレッシュされる。
上述の動作を第６図のタイミングで示す。第６図におい
て、31φＲはキャパシタ電極９に加えられるREAD（読み
出し）パルス、32Vcは電極12に加えられるコレクタ電
圧、33φC1はゲート24に加えられるゲートパルス、34φ
C2はゲート23に加えられるゲートパルス、35は配線25を
通してｐ領域22に加えられる信号電圧である。またこの
図において、T1は受光期間、Ｔ２およびＴ２′は読み出
し期間、T3は書き込み期間およびT4はリフレッシュ期間
である。
て、31φＲはキャパシタ電極９に加えられるREAD（読み
出し）パルス、32Vcは電極12に加えられるコレクタ電
圧、33φC1はゲート24に加えられるゲートパルス、34φ
C2はゲート23に加えられるゲートパルス、35は配線25を
通してｐ領域22に加えられる信号電圧である。またこの
図において、T1は受光期間、Ｔ２およびＴ２′は読み出
し期間、T3は書き込み期間およびT4はリフレッシュ期間
である。
次に第２の例として、逆にｐ領域６にｐ領域22に入力さ
れた信号に対応して蓄積された電荷に光電変換によって
発生した電荷を加え合せる場合を示す。
れた信号に対応して蓄積された電荷に光電変換によって
発生した電荷を加え合せる場合を示す。
例えば、エミッタは配線８を通して接地され、コレクタ
は配線12を通して正電位にバイアスされている。ベース
（ｐ領域６）およびｐ領域21エミッタ（領域７）に対し
て逆バイアス状態にされているものとする。
は配線12を通して正電位にバイアスされている。ベース
（ｐ領域６）およびｐ領域21エミッタ（領域７）に対し
て逆バイアス状態にされているものとする。
この状態において、ゲート24に負の電圧を加えると同時
に配線25を通してｐ領域22に信号を加え、しかる後にゲ
ート24にゼロ電位にすると、ｐ領域22に入力された入力
信号に応じた電荷がｐ領域21に蓄積される。次にゲート
23に負電極を加え、しかる後にゲート23をゼロ電位にす
ると、ｐ領域21に蓄積された電荷はｐ領域21およびｐ領
域の６のそれぞれの容量に応じた割合で分割され各領域
６，21 に蓄積される。
に配線25を通してｐ領域22に信号を加え、しかる後にゲ
ート24にゼロ電位にすると、ｐ領域22に入力された入力
信号に応じた電荷がｐ領域21に蓄積される。次にゲート
23に負電極を加え、しかる後にゲート23をゼロ電位にす
ると、ｐ領域21に蓄積された電荷はｐ領域21およびｐ領
域の６のそれぞれの容量に応じた割合で分割され各領域
６，21 に蓄積される。
次に光センサに光を当てるとｐ領域６に光電変換で発生
した電荷が重ね合せられる。そして再びゲート23に負の
電圧を加え、しかる後にゲート23をゼロ電圧にすると、
ｐ領域21，ｐ領域６とに重ね合された電荷が分割・蓄積
される。読み出しおよびリフレッシュ動作は前述と同様
である。
した電荷が重ね合せられる。そして再びゲート23に負の
電圧を加え、しかる後にゲート23をゼロ電圧にすると、
ｐ領域21，ｐ領域６とに重ね合された電荷が分割・蓄積
される。読み出しおよびリフレッシュ動作は前述と同様
である。
上述の第２の例の動作を第７図にタイミングチャートで
示す。T5は書き込み期間、T6およびT6′は読み出し期
間、T7は受光期間、T8は加算期間である。
示す。T5は書き込み期間、T6およびT6′は読み出し期
間、T7は受光期間、T8は加算期間である。
次に前述の第１の例および第２の例の動作を用いた演算
例を示す。
例を示す。
第５図においてｐ領域21およびｐ領域６それぞれの容量
をC21およびC6とする。ゲート24に正の電圧を加え、配
線25を通して領域22に電圧Vsを加え、しかる後にゲート
24をゼロ電位にするとき、ｐ領域21に蓄積される電荷Qs
は、 Qs＝C21Vs ……(1) で与えられる。
をC21およびC6とする。ゲート24に正の電圧を加え、配
線25を通して領域22に電圧Vsを加え、しかる後にゲート
24をゼロ電位にするとき、ｐ領域21に蓄積される電荷Qs
は、 Qs＝C21Vs ……(1) で与えられる。
また、光電変換によってｐ領域６に蓄積される電荷Ｑl
は、入射光が単一波長λ，照度ｌ，および照射時間ｔの
とき、 Ｑl＝Ｋ×Ｆ（λ，ｌ，ｔ） ……(2) Ｋ：センサ固有の値と表わすことができるとし、 前述の第１の例において、光を単一波長λ１，照度
ｌ１，および照射時間ｔ１の条件で入射し、領域22への
書き込み信号電圧をVs1とすると、T3期間（第６図参
照）が終った時点で、ｐ領域に蓄積された電荷Ｑ01は、 となる。
は、入射光が単一波長λ，照度ｌ，および照射時間ｔの
とき、 Ｑl＝Ｋ×Ｆ（λ，ｌ，ｔ） ……(2) Ｋ：センサ固有の値と表わすことができるとし、 前述の第１の例において、光を単一波長λ１，照度
ｌ１，および照射時間ｔ１の条件で入射し、領域22への
書き込み信号電圧をVs1とすると、T3期間（第６図参
照）が終った時点で、ｐ領域に蓄積された電荷Ｑ01は、 となる。
前述の第２の例において、上述と同じ入射光および信号
電圧でT8期間（第７図参照）が終った時点でのｐ領域６
に蓄積された電荷Ｑは、 となり、式(3)および(4)は一致する。
電圧でT8期間（第７図参照）が終った時点でのｐ領域６
に蓄積された電荷Ｑは、 となり、式(3)および(4)は一致する。
すなわち、第１の例，第２の例に示すような手順に相異
にかかわらず光と電圧との加算が出来ることになる。
にかかわらず光と電圧との加算が出来ることになる。
［効 果］ 以上説明したように、本発明によれば、光および電気信
号のいずれか一方または両方のかたちの任意の情報を単
独または重ね合せて書き込み、読み出すことができ、た
とえば光コンピュータのメモリおよび演算器，マトリッ
クス状に配列したイメージセンサに適用することができ
る。
号のいずれか一方または両方のかたちの任意の情報を単
独または重ね合せて書き込み、読み出すことができ、た
とえば光コンピュータのメモリおよび演算器，マトリッ
クス状に配列したイメージセンサに適用することができ
る。
第1 図(a) は、光センサセルの平面図、 第1 図(b) は、第１図(A) のA-A′断面図、 第2 図は、上記光センサセルの等価回路図、 第3 図(a) は、バイアス電圧Vbs＝0.6Vとした場合の蓄
積電圧Vpに対する読出し電圧の関係を示すグラフ、 第3 図(b) は、バイアス電圧Vbs に対する読出し時間の
関係を示すグラフ、 第4 図(a) は、リフレッシュ動作時の光センサセルの等
価回路図、 第4 図(b) は、リフレッシュ時間に対するベース電位の
変化を示すグラフ、 第5 図は、本発明一実施例の断面図、 第6 図および第7 図は本発明一実施例の書き込みモード
時の各部波形を示す図である。
積電圧Vpに対する読出し電圧の関係を示すグラフ、 第3 図(b) は、バイアス電圧Vbs に対する読出し時間の
関係を示すグラフ、 第4 図(a) は、リフレッシュ動作時の光センサセルの等
価回路図、 第4 図(b) は、リフレッシュ時間に対するベース電位の
変化を示すグラフ、 第5 図は、本発明一実施例の断面図、 第6 図および第7 図は本発明一実施例の書き込みモード
時の各部波形を示す図である。
Claims (1)
- 【請求項１】第１導電型の半導体基板と、 該半導体基板内に形成され、被写体情報を電荷信号に変
換して蓄積するための第２導電型の制御電極領域(6)
と、 該制御電極領域に蓄積された電荷信号を読み出すために
前記制御電極領域内に設けられ第１の導電型を有する読
み出し電極領域(7) と、 前記半導体基板内に離間して設けられた第２導電型の第
１，第２の蓄積領域(21,22)と、 該第１の蓄積領域と前記制御電極領域との間に設けられ
選択的に電荷を移動させる第１のゲート手段(23)と、 前記第１の蓄積領域と第２の蓄積領域との間に設けられ
選択的に電荷を移動させる第２のゲート手段(24)と、 前記第２の蓄積領域に電荷を入力する入力手段(25)と、 を有することを特徴とする固体撮像装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60068671A JPH0646655B2 (ja) | 1985-04-01 | 1985-04-01 | 固体撮像装置 |
| US06/842,241 US4737832A (en) | 1985-04-01 | 1986-03-21 | Optical signal processor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60068671A JPH0646655B2 (ja) | 1985-04-01 | 1985-04-01 | 固体撮像装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61226954A JPS61226954A (ja) | 1986-10-08 |
| JPH0646655B2 true JPH0646655B2 (ja) | 1994-06-15 |
Family
ID=13380407
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60068671A Expired - Lifetime JPH0646655B2 (ja) | 1985-04-01 | 1985-04-01 | 固体撮像装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4737832A (ja) |
| JP (1) | JPH0646655B2 (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5245203A (en) * | 1988-06-06 | 1993-09-14 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric converter with plural regions |
| FR2638042A1 (fr) * | 1988-10-14 | 1990-04-20 | Thomson Csf | Procede pour reduire la remanence d'un phototransistor, notamment de type nipin |
| GB2239986A (en) * | 1990-01-10 | 1991-07-17 | Philips Electronic Associated | A semiconductor device with increased breakdown voltage |
| US5097305A (en) * | 1991-02-19 | 1992-03-17 | Synaptics Corporation | Integrating photosensor and imaging system having wide dynamic range |
| US5324958A (en) * | 1991-02-19 | 1994-06-28 | Synaptics, Incorporated | Integrating imaging systgem having wide dynamic range with sample/hold circuits |
| US5260592A (en) * | 1991-02-19 | 1993-11-09 | Synaptics, Incorporated | Integrating photosensor and imaging system having wide dynamic range with varactors |
| US5406332A (en) * | 1992-03-06 | 1995-04-11 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric converting device |
| EP0576022B1 (en) * | 1992-06-25 | 1998-09-02 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion device and method of driving the same |
| US6476868B1 (en) | 1994-04-11 | 2002-11-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Image pickup apparatus provided with enlargement process means for enlarging image signals output from an image pickup device |
| US6878977B1 (en) * | 1999-02-25 | 2005-04-12 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion device, and image sensor and image input system making use of the same |
| US6940551B2 (en) | 2000-09-25 | 2005-09-06 | Foveon, Inc. | Active pixel sensor with noise cancellation |
| JP5127390B2 (ja) * | 2007-10-12 | 2013-01-23 | キヤノン株式会社 | 信号処理装置、信号処理方法、プログラム |
| EP2566071B1 (en) * | 2011-07-26 | 2017-06-21 | Alcatel Lucent | A circuit and a method for mixing an optical and an electrical signal |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56150878A (en) * | 1980-04-22 | 1981-11-21 | Semiconductor Res Found | Semiconductor image pickup device |
| JPS56157073A (en) * | 1980-05-06 | 1981-12-04 | Semiconductor Res Found | Semiconductor image pickup unit |
| JPS56163585A (en) * | 1980-05-17 | 1981-12-16 | Semiconductor Res Found | Semiconductor memory |
| JPS56165473A (en) * | 1980-05-24 | 1981-12-19 | Semiconductor Res Found | Semiconductor pickup device |
| JPS5738073A (en) * | 1980-08-20 | 1982-03-02 | Hitachi Ltd | Solid-state image sensor |
| FR2494044A1 (fr) * | 1980-11-12 | 1982-05-14 | Thomson Csf | Phototransistor a heterojonction en technologie planar et procede de fabrication d'un tel phototransistor |
| US4686554A (en) * | 1983-07-02 | 1987-08-11 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric converter |
-
1985
- 1985-04-01 JP JP60068671A patent/JPH0646655B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1986
- 1986-03-21 US US06/842,241 patent/US4737832A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4737832A (en) | 1988-04-12 |
| JPS61226954A (ja) | 1986-10-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA1270058A (en) | Image sensing apparatus | |
| Burke et al. | Charge injection imaging: Operating techniques and performances characteristics | |
| JPH0312510B2 (ja) | ||
| JPS6149822B2 (ja) | ||
| JPH0646655B2 (ja) | 固体撮像装置 | |
| JPH0654957B2 (ja) | 光電変換装置 | |
| JPS5928110B2 (ja) | 赤外線イメ−ジセンサ回路配置 | |
| US4980735A (en) | Solid state imaging element | |
| US4712138A (en) | Low-noise apparatus for image pickup and combination of light and electric signals | |
| JPS6033346B2 (ja) | 固体撮像装置 | |
| JPS6155784B2 (ja) | ||
| US4429330A (en) | Infrared matrix using transfer gates | |
| JPH0964332A (ja) | Ｍｏｓ増幅型撮像装置 | |
| JP2556885B2 (ja) | 半導体装置 | |
| EP0065599B1 (en) | Infrared imaging system with infrared detector matrix, and method of imaging infrared energy | |
| JPS6376477A (ja) | 光電変換装置 | |
| JP2790096B2 (ja) | 赤外線固体撮像素子の駆動方法及びその装置 | |
| JPH05275671A (ja) | フォトトランジスタおよびそれを用いたイメージセンサ | |
| JPS61157179A (ja) | 撮像装置 | |
| JPS63128666A (ja) | 光電変換装置 | |
| JPH0338794B2 (ja) | ||
| JPH0562868B2 (ja) | ||
| JP2501207B2 (ja) | 光電変換装置 | |
| JPS61141272A (ja) | 光電変換装置 | |
| JPS61156867A (ja) | 固体撮像素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |