JPH07506932A - 特に画像記録チップ用の画像セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 特に画像記録チップ用の画像セル 技術分野 本発明は、画像セルに関し、特に、２次元アレイとして配置された多数の画像セ ルと、記録された画像を続いて接続されている画像処理装置に読み出すことを可 能にする読み出し論理とを有する画像記録チップ用の画像セルに関する。

自然の光景は、場合よっては、１．０００．０００　：　１より大きい照射強度 動力学（ｄｙｎａｍｉｃｓ）を有する。この種類の光景を画像記録装置を用いて 同時に画像化するためには、信号処理連鎖の各要素、即ち、センサ素子、読み出 し論理、ならびに必要ならば、画像を画像処理装置に読み込むためにその後に接 続されるＡ／Ｄコンバータは、１２０ｄＢのダイナミックレンジを持つ必要があ るだろう。この種のダイナミックレンジは、特別の半導体ダイオード又は離散Ａ ／Ｄコンバータなどの個別の構成部品により達成可能であるが、ダイナミックレ ンジ１２０ｄＢを有する素子は、デジタルＣＭＯＳ処理に組み込むのには適して いない。他方、はとんど全ての動力学が、デジタル”側”で、即ち、それぞれの ハードウェアの複雑さを伴うその後に接続された画像処理装置で、達成すること が可能である。

現在の技術水準 光感受性素子が、発生信号が全て対数的に変換されるホトダイオード又はＭＯＳ ）ランジスタである画像記録チップが、米国特許第４．９７３．８３３号に提案 されている。電荷結合素子（ＣＣＤ）が、光感受性素子からの信号の記憶又は伝 送に利用されている。

しかし、該米国特許第４．９７３．８３３号から公知の画像記録チップは、入力 信号動力学（ｄｙｎａｍｉｃｓ）が、制御不可能であり、該米国特許第４．９７ ３．８３３号明細書に記述されている画像記録装置の場合は、むしろ、入力信号 動力学は、”対数的に”定義されている。さらに、画像データの直接かつ非破壊 性の読み出しは不可能である。

ＥＰ　Ｏ３９０２０５Ａ２には、電荷を電圧に変換する際の高度の増幅に特徴が ある電気回路が記載されている。

この回路は、電荷結合素子類（ＣＣＤ類）において広（用いられている。ＥＰ　 ０３９０２０５　Ａ２に記載されているこの回路においては、出力信号の圧縮を 制御することもできない。ＥＰ　０３９０２０５　Ａ２による増幅回路によれば 、小さい電荷に対する高度の増幅が可能になるが、増幅率を制御することができ ず、高い電荷により、すぐにその限度に達してしまう。

米国特許第４．４７３．８３６号は、ＭＯ８電界効果形トランジスタが光感受性 素子である画像記録チップを提案している。ＭＯ３電界効果形トランジスタのゲ ート電極は、浮動光感受性拡散領域に電気的に結合され、高入力信号動力学を低 減出力信号動力学に投影する画像セルをつくっている。このセルにより、さらに 、同じＭＯＳ法で製造された従来の回路により、更なる信号処理が可能になる。

なぜならば、非常に大幅に低減された動力学の要請がこれらの部品にはなされて いるからである。

しかし、米国特許第４．４７３．８３６号から公知の画像記録チップには、い（ つかの欠点がある。

一つは、入力信号動力学の出力信号動力学への投影は、ただ近似的に対数的に生 じるのみであり、特性曲線の正確なコースは、製造パラメータに大きく依存して いる。初めは、対数的な特性曲線が、”ルート特性曲線”に変化する。さらに、 デジタルＣＭＯ８−ＶＬＳＩ回路の電源電圧とは両立不可能な電源電圧を必要と する。

さらに、初めは対数的な信号圧縮を有する公知の画像記録装置は、処理パラメー タの変動に対する許容度がないため、アレイ配列用に製造されておらず、即ち特 別な方法を用いて製造されねばならない。

発明の説明 本発明の目的は、特定の範囲内で選択可能な特性曲線を有する高入力信号動力学 を、特に対数的に、出力信号動力学に投影する画像セル、特に、画像センサ用の それを提供することである。

この画像セルを、したがって各画像センサを、従来のＣＭＯ８技術用いて製造し 、デジタル回路構成部品と一体に組み込み、また、従来のデジタルＣＭＯ８回路 と両立可能な単一の電源電圧で作動させることが可能でなければならない。

さらに、本発明の画像センサは、低ノイズ信号増幅の実現ならびに読み出し中の 循環漏話の抑制を可能にするものでなければならない。さらに、高ピクセル反復 速度（＞＞５０Ｈｚ、高画質テレビ装置の場合に通常であるように）で、ランダ ムアクセスにより最大限度読み出すことができるものでなければならない。

本発明によるこの課題の解決は、請求の範囲の各項に記載されている。

本発明の要素は、高入力信号動力学の低減出力信号動力学への投影のために、各 画像セルの光感受性素子は、第１のＭＯＳトランジスタの一方の電極と第２のＭ ＯＳ）ランジスタのゲートに接続されることである。第１のＭＯＳトランジスタ の他方の電極は、電源電圧源の極に接続されている。

第１のＭＯＳ）ランジスタの一つの電極が、ソース電極であり、他方の電極がド レン電極であれば（請求の範囲第２項）好ましい。

本発明の画像セルは、特に、好適な制御電圧を第１のＭＯＳ）ランジスタのゲー ト電極に印加することにより、特定の範囲に設定可能な「照明強度、即ち照射強 度／出力信号」特性曲線を有している。この制御電圧により、入力信号動力学の 圧縮の制御が可能になる。

特許請求の範囲第４項により、第１のＭＯＳ）ランジスタのドレン電極及びゲー トが、短絡され、固定された電位が印加されるならば、画像データのラジオメト リック的に明確な評価を可能にする正確な対数的特性出力曲線が、７デケードよ り大きい範囲にわたって生じる。

本発明の画像セルは、そのほかに、さらに多くの利点を有する。

例えば、画像セル及びしたがって画像センサは、頂部で接触可能な電極のみを介 して電位をひきだすための、”接合”としての役目を果たす不活性化されたチッ プ上のセンサ素子としての細胞培養（Ｚｅｌ　１ｋｕｌｔｕｒｅｎ）を育成する ことなどの、はとんどいかなる方法を用いても製造できる。

センサ素子としての結合ショットキーダイオードも、特に、赤外線領域で可能で ある。さらに、電磁波に感受性を有するダイオード（特に光感受性ダイオード） も、センサ素子として考えてよい。

可視スペクトル範囲のための画像センサとして好ましい別のの好ましい態様にお いては、光感受性素子は、前記第１のＭｏＳトランジスタの前記一方の電極（請 求の範囲第３項）である。

特にこの場合は、本発明の画像センサは、２つの金属層と１つのポリシリコン層 を用いた方法などの、デジタル回路用の標準のＣＭＯ８法、ならびに２μｍｎ− もしくはｐ−トラフ法又は１．２μｍｐ−もしくはｎ−トラフ法（そしてさらに より小さいチャンネル幅でも）で実現してよい。本発明の画像センサは、そのと き、標準のＣＭＯ８電源レベルで作動させてもよい。

本発明の装置によれば、画像データは、画像データの破壊なしに、読み出すこと ができる。したがって、読み出し論理は、個別の画像セルにランダムにアクセス できるように設計してよい（請求の範囲第９項）。

このことは、記録された画像が、画像処理装置でさらに処理される場合に特に有 利である。なぜならば、あるシーンをチェックするために画像セルの一部を読み 出すだけで十分ということがしばしばあるからである。この場合、請求の範囲第 １０項のように、次に接続された画像処理装置が、バス及び読み出し論理を介し てランダムにアクセス可能なセルの読み出しを制御することが好ましい。

さらに、各個別の画像セルが、又は各センサ素子が、無給電容量負荷、例えば、 読み出しラインをトリガ可能にする好適な駆動装置を有することが好ましい。し かし、これらの駆動装置は、エネルギを節約し、熱雑音を低減するために、それ ぞれのセンサの環境を加熱しないように、アクセスのためにのみ活性化されてよ い。

請求の範囲第５項に記載のさらなる改良においては、第２のＭＯＳ−トランジス タは、ソースホロワとして設けられ、この目的のための読み出し増幅装置の一部 である。この場合、装置は、２段階（請求項７）に設計されることか好ましい。

これにより、センサ素子が高入力インピーダンスにより充電されることなく、（ ランダムな）アドレス指定に対する迅速な応答時間が得られる。第１の段階の好 適なゼロ信号電流は、回路により、第２の（電力段階）のレベル制御が十分な速 度で続（ように強制される。このように、従来のセンサ構造に比べて、かなり低 い電流消費のアレイが製造可能である。通常の値は、復号器を含む４０９６ピク セルサイズのアレイの場合１００ｍＷである。

さらに、”最悪の場合”でも、即ち照射強度く１μＷ／ｃｍ　２の場合でも、ピ クセル反復速度１　ｋＨｚが可能である。

請求項８に記載の更なる改良においては、光感受性があるとは想定されない領域 を覆う金属層が、回路に対する電源ラインとして利用されるが、これにより製造 法が簡単になるのみではなく電圧供給も改善される。

図面の簡単な説明 本発明を、図面に基づき、好適な態様を用いて以下に説明するが、本明細書中で より詳細に説明されなかった発明の細部の開示については、発明の全体の思想の 範囲又は精神を制限することなく、例として、本図面か明白に参照される。

図１は、本発明の画像記録アレイの一部である。

図２は、画像セルの断面である。

図３は、この好ましい態様を用いて得られる測定結果である。

図４ａ及び図４ｂは、本発明のセンサと”線形の感受性”を有する従来のセンサ との比較である。

好ましい態様の説明 図１は、２ｘ３の画像セルの部分、即ち画像記録アレイのセンサ素子１１．、． １３，２１．、．２３を描いたものである。図１の下部に示されているのは、デ ジタル入力のアナログマルチプレクサ３１．３２及び３３である。

図示された好ましい態様においては、各画像セル、即ち各センサ素子１１．．２ ３は、６つのＭＯＳ）ランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ　２　ａ　、　Ｍ　３、Ｍ３ａ 及びＭ４から構成され、それらは説明上例えばＰ−チャンネルエンハンスメント 形トランジスタであってよい。各画像セル１１．．２３の光感受性素子は、第１ のＭＯＳトランジスタＭ１のソース電極であり、それが、ソースホロワとして接 続されている第２のＭｏＳトランジスタＭ２のゲートに接続される。第１のＭＯ ＳトランジスタＭ１のドレン電極は、電圧供給源の一方の極Ｖｓｓに接続される 。

ソースホロワＭ２は、インピーダンス変換に利用され、良好な高周波数挙動を考 慮して、センサ素子、図示の実施例においてはトランジスタＭＬにすぐ隣接して 組み込まれている。

ＭＯＳ）ランジスタＭ３は、′負荷”素子、即ち、ソースホロワＭ２用の負荷の 役目をはたす。

もう一つのＭＯＳトランジスタＭ３ａもソースホロワとして接続されており、第 ２の増幅段階を構成する。ＭＯ３ｈラントランジスタは、この増幅段階用の負荷 として利用されている。一方、出力トランジスタＭ４は、パワートランジスタと して接続されている。

ＭＯＳトランジスタＭ２ａ及びＭ４は、読み出し過程でだけ切り替えられ、読み 出されるべき横列を選択するだめの”　ｒｏｗ　ｓｅｌ”で示された制御ライン に、有効に低電位が印加され、読み出し過程中でのみ電力を引き出す。

読み出されるべき縦列の選択（ｃｏｌ　５ｅｌ）は、アナログマルチプレクサ３ １．．３３を介して起き、それらは、デジタル入力信号（ｃｏｌ　５ｅｌ）を介 してトリガーされる。この回路部品の正確な設計については、図１が明示的に参 照される。

図示された回路によれば、センサ素子の直接の低ノイズ増幅及び所望のアレイ領 域の適合、即ち所望の読み出し時間が可能となる。

図１に描かれた回路において、ＭＯＳトランジスタの光活性ソース電極を除く全 ての回路部品は、アルミニウム遮蔽により覆われ、これが同時にチップに電気（ Ｖ　）を供給し電圧供給を安定化しくフィルタコ　Ｓ ンデンサ！とじての利用）、シたがってより大きな集積密度を可能にする。

図２は、画像セル１１．、．２３の可能な現実化の一例である。トランジスタＭ １〜Ｍ６は、ｎ　トラフ中のｐ−チャンネルエンハンスメント形トランジスタで あり、そのｎ−トラフには正電源電位Ｖｄｄ（５ｖ）が印加されるが、その下の 基板は、負の電源電位〜’　（ＯＶ）に接触している。

　Ｓ したかって、ｐ−トラフ中のｎ−チャンネルエンハンスメントトランジスタ又は いくつかのトラフ中のＣＭＯＳトランジスタのみから成る画像セルも、勿論、占 積率を犠牲にすれば実現可能である。

すでに述べたように、実際の光活性素子は、ＭＯＳトランジスタＭｌの”浮遊ソ ース”である。なぜならば、残余の回路は、アルミニウム遮蔽Ａ１に覆われ、こ れがそこに当たる放射粒子（図２のケースａ）が半導体材料に電荷キャリヤを発 生させるのを防いでいる。

”浮遊ソース”は、光の作用によってｎ−）ラフ中で発生し、拡散電流又は浮遊 電流（後者はほんの無視できる程度であるが）により空間電荷領域に達する、あ るいは直接空間電荷領域１で発生する”正孔”　（図２のケースＣ及びｄ）を集 める。ソース電極の表面に近い層で発生する電荷（ケースｂ）は、大部分”表面 トラップ”により補足され、したがって、発生する光電流にはほとんど貢献しな い。空間電荷領域２で発生する電荷は、トラフを介してそれぞれ基板から除去す ることができる。ソース電極の空間電荷領域で集められ、吸収された光エネルギ ーに正比例する電荷キャリヤのみが電位を上昇させるのに貢献するが、チャンネ ル内で反転層を形成するまでにはいたらない。何故ならば、５ｖがｎ−トラフに 印加されているのでソース電極は常に閾電圧より低いままであるがらである。

従来の、一体に組み込まれた光検出器とは逆に、本発明により設計された画像セ ルにおいては、電荷は、”閾値下”電流としてチャンネルにより除去される。即 ち、もし除去用トランジスタが正しい寸法であれば、例え可視光による照射が＜ ＬＯＷ／ｃｍ２の範囲で生じていても、飽和は起こり得ない。

”閾値下”電流は、最終的には、ソース電位に影響するが、次の式から算出して よい： Ｉ、　＝　（ＫＩＣＢ）＊（ＫＴ／ｑ）　＊ｅ［ｑ（φ、８−２φＦ）／ｋＴ］ 　＊Ｋｓ＝Ｓｉの誘電率、 ｋ　＝　ボルツマン定数 Ｔ　−ケルビン温度 ｑ　＝　電気素量 式（１）中の第２の指数因数は、■、８〉ｋＴ／ｑの場合は無視してよい。

図１に示されたセンサ素子の回路により、■　−Ｓ ■Ｂ８は、ｖ８には依存しない。即ち、定数である。したがって、式（３）中の φ　は、ＶＧＳに直接依存することになる。その結果、もし式（２）中で、利用 されればもう一つの定数になる。

式（１）における更新された使用により、■　に対Ｔ する■８の純粋に指数的依存性があること、即ち、光電流はソース電圧の対数に 比例し、したがって、照射される光力に比例することが示される。現在までに公 知の同様の構造（１）においては、ソースをゲートに接続する結果、式（２）及 び（３）は、さらに平方根依存性を示すものとなる。

図３は、照射強度の関数としてのｍＶでの出方電圧の従属性を描くものであり、 横軸は、任意の単位１０Ｘでかかれている。図３は、７デケードの範囲に亘って 、正確な線形一対数（Ｉｉｎ−ｌｏｇ）変換が生じることを示している。

図４ａは、上の方が、横軸に描かれた照明強度の関数としての本発明の画像セル の出方信号を示している。画像セル上の入射光の強度は、Ｘ方向の各段階毎に倍 になっている。対応する対数特性曲線を有する画像セルの対応する出力信号は、 ｙ軸上に任意の単位で描かれている。

図４ｂは、”線形の感受性”を有する従来の画像セルの対応する説明図である。

図４ａ及び４ｂの下部に描がれているのは、８ビツトのＡ／Ｄコンバータを用い たＡ／Ｄ変換が行われた場合、各画像セルの分解可能なコントラストである。

本発明の画像セルの場合は、分解可能なコントラストは、照射強度コントラスト には依存しないが、従来の画像セルの場合は、強度が増大するにつれて低下し、 低い値に落ちてい（。

本発明の画像セル、即ちセンサ素子により、光信号の正確な対数的圧縮が可能に なり、したがって、特に、高度にダイナミックな光信号の投影に好適である。標 準的なＣＭＯ３法（ｐ−トラフと同様ｎ−トラフにも好適）で処理可能な画像セ ル中へのセンサ素子及び読み出し増幅器の一体化により、このセンサ素子に、一 体化したデジタル画像処理を用いてＸＹ画像センサを構築する資格が与えられる 。

しかし、本発明の画像セルは、′独立型素子”としても好適であり、例えば、光 波伝導体用の中継器に用いる光感受性素子としてもよい。

’　［ＡＬＬｌ］　Ｅｍ（を咽ＩＪｅｌｌＪＩＭ図４ａ　図４ｂ 国際調査報告　。１，７゜、。ｔ／ｎｎ％７、　、、−＋＋　ＰＣＴ／ＤＥ　９ ３１００２６７フロントページの続き （７２）発明者　ランドグラフ　マルクアメリカ合衆国　カリフォルニア州 ９５６３０　フォルツム　１０６　スノウバースイ（７２）発明者　ゼーゲル　 ウルリヒ ドイツ連邦共和国　デー−７１１０６マツクシュタットゥ　ブルーシュトラーセ 　４６

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．電界効果形トランジスタを有する画像セルであって、特に、そのような画像 セルが多数２次元のアレイで配され、読み出し論理を有する画像記録チップ用の 画像セルにおいて、高入力信号動力学を低減出力信号動力学に投影するために、 前記画像セル（１１．．２３）の光感受性素子が、第１のＭＯＳトランジスタ（ Ｍ１）の一方の電極と第２のＭＯＳトランジスタ（Ｍ２）のゲートに接続されて おり、前記入力信号動力学の圧縮を制御可能な制御電圧が、前記第１のＭＯＳト ランジスタ（Ｍ１）のゲートに印加され、前記第１のＭＯＳトランジスタ（Ｍ１ ）の他方の電極が電圧供給源の一方の極（ＶＳＳ）に接続され、そして前記出力 信号は、前記第２のＭＯＳトランジスタ（２）の第２の電極からとられることを 特徴とする画像セル。
2. ２．前記第１のＭＯＳトランジスタ（Ｍ１）の一方の電極は、ソース電極であり 、他方の電極はドレン電極であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の画像 セル。
3. ３．前記光感受性素子は、前記第１のＭＯＳトランジスタ（Ｍ１）の一方の電極 に接続されていることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の画像セル 。
4. ４．前記第１のＭＯＳトランジスタ（Ｍ１）の前記ドレン電極及び前記ゲートは 、短絡されており、対数特性曲線が生じるように固定電位（ＶＳＳ）が印加され ることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の画像セ ル。
5. ５．ソースホロワ増幅器として設計される読み出し増幅器（Ｍ２）が設けられて いることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の画像 セル。
6. ６．２段階設計の第２の読み出し増幅器（Ｍ３ａ、Ｍ４）が、前記読み出し増幅 器（Ｍ２）のすぐ後に続き、該第２の読み出し増幅器の第１の段階（Ｍ３ａ）は 、わずかな零入力電流をピックアップし、電力段階として設計されたその第２段 階（Ｍ４）は、読み出し用にのみ活性化することを特徴とする請求の範囲第５項 記載の画像セル。
7. ７．前記ソースホロワ増幅器用の負荷として機能するＭＯＳトランジスタ（Ｍ２ ａ、Ｍ３）を備えることを特徴とする請求の範囲第５項又は第６項記載の画像セ ル。
8. ８．光感受性であるべきではない領域を覆い、回路の電源ラインとして利用され る金属層（Ａ１）を備えることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第７項のいず れか１項に記載の画像セル。
9. ９．画像データを、破壊することなく読み出すことが可能であり、前記読み出し 論理（ｒｏｗ＿ｓｅｌ、３１．．３３）は、個別の画像セル（１１．．２３）へ のランダムアクセスを可能にすることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項 のいずれか１項に記載の画像セルを有する画像記録チップ。
10. １０．続いて接続される画像処理装置が、バス（ｒｏｗ＿ｓｅｌ、ｃｏｌ＿ｓｅ ｌ）と読み出し論理を介してランダムにアクセス可能なセル（１１．．２３）の 読み出しを制御することを特徴とする請求の範囲第９項記載の画像セル。