JPH10224560A - イメージセンサアレイ - Google Patents
イメージセンサアレイInfo
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- JPH10224560A JPH10224560A JP10005502A JP550298A JPH10224560A JP H10224560 A JPH10224560 A JP H10224560A JP 10005502 A JP10005502 A JP 10005502A JP 550298 A JP550298 A JP 550298A JP H10224560 A JPH10224560 A JP H10224560A
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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
- H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ダイナミックレンジの広いイメージセンサア
レイを提供する。 【解決手段】 センサアレイのピクセルエレメントとし
て使用するフォトダイオードセンサは、複数の個々の部
分にセグメント化されたセンサ領域Ａ、Ｂ、Ｃを含む。
各部分は、キャパシタンス又は感度のいずれかに関して
入射照度に対して個別の応答を有する。これらの部分
は、累積センサ部分に対する照度を表す合計電荷出力を
生成するようにデータライン１８に共通につながってい
る。累積した個々の部分のダイナミックレンジはどの単
一のセンサ部分よりも大きいため、センサが動作できる
ダイナミックレンジはより広くなる。
レイを提供する。 【解決手段】 センサアレイのピクセルエレメントとし
て使用するフォトダイオードセンサは、複数の個々の部
分にセグメント化されたセンサ領域Ａ、Ｂ、Ｃを含む。
各部分は、キャパシタンス又は感度のいずれかに関して
入射照度に対して個別の応答を有する。これらの部分
は、累積センサ部分に対する照度を表す合計電荷出力を
生成するようにデータライン１８に共通につながってい
る。累積した個々の部分のダイナミックレンジはどの単
一のセンサ部分よりも大きいため、センサが動作できる
ダイナミックレンジはより広くなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は概してイメージング
（結像）デバイスの分野に関し、より詳細にはアモルフ
ァスシリコンセンサアレイを含むデバイスに関する。
（結像）デバイスの分野に関し、より詳細にはアモルフ
ァスシリコンセンサアレイを含むデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】アモルファスシリコンの２次元センサア
レイは、入射エネルギーのリアルタイムイメージング用
の公知のデバイスである（アレイの構造の一般的な説明
に関しては、ストリートら（R. A. Street et al.)の "
Amorphous Silicon Arrays Develop a Medical Image"
、IEEE Circuits and Devices 、1993年７月、38-42
頁を参照のこと）。このようなセンサアレイは、比較的
大きなサイズのイメージセンサアレイを提供するため、
放射イメージングに特に有益である。センサアレイは、
センサに入射する可視光の量を表す電荷を集積する原理
に基づいて動作する。発光体変換器は、入射した高エネ
ルギー放射から可視光を生成する。このような発光体変
換器は、Ｘ線光子を吸収して高エネルギー電子を生成
し、電子は空孔の対を生成し、この空孔の対が電子及び
空孔の再結合の際に可視光を形成することによって動作
する。従って、発光体変換器において生成される可視光
の量は、発光体に入射する放射に直接関連している。
レイは、入射エネルギーのリアルタイムイメージング用
の公知のデバイスである（アレイの構造の一般的な説明
に関しては、ストリートら（R. A. Street et al.)の "
Amorphous Silicon Arrays Develop a Medical Image"
、IEEE Circuits and Devices 、1993年７月、38-42
頁を参照のこと）。このようなセンサアレイは、比較的
大きなサイズのイメージセンサアレイを提供するため、
放射イメージングに特に有益である。センサアレイは、
センサに入射する可視光の量を表す電荷を集積する原理
に基づいて動作する。発光体変換器は、入射した高エネ
ルギー放射から可視光を生成する。このような発光体変
換器は、Ｘ線光子を吸収して高エネルギー電子を生成
し、電子は空孔の対を生成し、この空孔の対が電子及び
空孔の再結合の際に可視光を形成することによって動作
する。従って、発光体変換器において生成される可視光
の量は、発光体に入射する放射に直接関連している。
【０００３】アレイの各センサは、２つの主な機能を行
う。第１にセンサは光を捕らえ、第２にセンサはこの光
によって生じる電荷を保存する。入射光がセンサによっ
て捕らえられると、入射光は電子に変換され、電子はセ
ンサのキャパシタンスによって電荷として保存される。
センサ内に保存できる電荷の最大量は、飽和電荷
（「Ｑ」）と呼ばれる。センサを横切って最初に印加さ
れるバイアス電圧をセンサのキャパシタンスと掛けるこ
とにより、あらゆるセンサの飽和電荷を計算することが
できる。（実際には、読み取りトランジスタのスイッチ
ング過渡電圧が生じるため、バイアス電圧をわずかに補
正することに注意する。）保存電荷が飽和電荷レベルに
達すると、それより多くの電荷を保存することができ
ず、センサはもはや入射光を表す信号を生成することが
できなくなる。従って、センサが飽和に達するようにセ
ンサアレイを動作させると、表示すべきイメージを生成
できなくなってしまう。このような発光体シリコンセン
サエレメントの典型的な飽和電荷は、（１ｐＦのキャパ
シタンス及び５Ｖのバイアスに相当する）約５ｐＣであ
る。
う。第１にセンサは光を捕らえ、第２にセンサはこの光
によって生じる電荷を保存する。入射光がセンサによっ
て捕らえられると、入射光は電子に変換され、電子はセ
ンサのキャパシタンスによって電荷として保存される。
センサ内に保存できる電荷の最大量は、飽和電荷
（「Ｑ」）と呼ばれる。センサを横切って最初に印加さ
れるバイアス電圧をセンサのキャパシタンスと掛けるこ
とにより、あらゆるセンサの飽和電荷を計算することが
できる。（実際には、読み取りトランジスタのスイッチ
ング過渡電圧が生じるため、バイアス電圧をわずかに補
正することに注意する。）保存電荷が飽和電荷レベルに
達すると、それより多くの電荷を保存することができ
ず、センサはもはや入射光を表す信号を生成することが
できなくなる。従って、センサが飽和に達するようにセ
ンサアレイを動作させると、表示すべきイメージを生成
できなくなってしまう。このような発光体シリコンセン
サエレメントの典型的な飽和電荷は、（１ｐＦのキャパ
シタンス及び５Ｖのバイアスに相当する）約５ｐＣであ
る。
【０００４】センサのダイナミックレンジとはセンサの
有用な動作範囲であり、これは、最大レベル、即ちセン
サの飽和レベルと、センサ出力において「ノイズ」を含
む最小レベルとの間に保存することができる電荷の量を
含む。キャパシタンスを増加させることによって最大レ
ベルを上げることができるが、キャパシタンスが増加す
るとセンサの感度が減少するため、ダイナミックレンジ
の拡大を制限する。
有用な動作範囲であり、これは、最大レベル、即ちセン
サの飽和レベルと、センサ出力において「ノイズ」を含
む最小レベルとの間に保存することができる電荷の量を
含む。キャパシタンスを増加させることによって最大レ
ベルを上げることができるが、キャパシタンスが増加す
るとセンサの感度が減少するため、ダイナミックレンジ
の拡大を制限する。
【０００５】従来では、入射エネルギーを表す信号の処
理を容易にするように線形ダイナミックレンジにおいて
動作するイメージセンサを用いてきた。しかし、線形応
答特性はダイナミックレンジを実質的に狭くする傾向が
あるため、殆どのセンサのダイナミックレンジは人間の
目よりもずっと狭い。人間の目は非常に大きなダイナミ
ックレンジを有し、その光応答は非線形であり、入射強
度のほぼ３乗で変化する。この非線形特性は、広いダイ
ナミックレンジを生じる重要な理由である。
理を容易にするように線形ダイナミックレンジにおいて
動作するイメージセンサを用いてきた。しかし、線形応
答特性はダイナミックレンジを実質的に狭くする傾向が
あるため、殆どのセンサのダイナミックレンジは人間の
目よりもずっと狭い。人間の目は非常に大きなダイナミ
ックレンジを有し、その光応答は非線形であり、入射強
度のほぼ３乗で変化する。この非線形特性は、広いダイ
ナミックレンジを生じる重要な理由である。
【０００６】イメージセンサアレイにおける広いダイナ
ミックレンジの望ましい点及び利点は、アレイが光のレ
ベルに関係なく優れたイメージを生成することができる
ことであり、これは、多くの技術用途において重要であ
る。例えば、医療イメージングに関しては、人物のＸ線
イメージは人物の大きさか又はイメージングされる身体
の部分に依存する。これらの例において、患者を通過す
ることができるＸ線の量に大きな差があることを理解す
ることができる。従って、医療イメージング用の広いダ
イナミックレンジのセンサアレイの利点は、検出器の正
確な範囲内で光を生成するかどうかを以前ほど心配する
ことがなく、Ｘ線の露光を最小にすることができるよう
なデバイス手段を使用することである。
ミックレンジの望ましい点及び利点は、アレイが光のレ
ベルに関係なく優れたイメージを生成することができる
ことであり、これは、多くの技術用途において重要であ
る。例えば、医療イメージングに関しては、人物のＸ線
イメージは人物の大きさか又はイメージングされる身体
の部分に依存する。これらの例において、患者を通過す
ることができるＸ線の量に大きな差があることを理解す
ることができる。従って、医療イメージング用の広いダ
イナミックレンジのセンサアレイの利点は、検出器の正
確な範囲内で光を生成するかどうかを以前ほど心配する
ことがなく、Ｘ線の露光を最小にすることができるよう
なデバイス手段を使用することである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来におい
て既知のセンサエレメントの限られたダイナミックレン
ジの問題を克服し、デザインが簡潔で、製造が経済的で
あり、入力パターンを表す電気イメージ情報を提供する
複数の使用に容易に適応可能である新しいセンサアレイ
を提供し、かつ、高性能の読み取りエレクトロニクスを
必要とせずに、広いダイナミックレンジと、マトリック
スアドレスによる（matrix addressed) アモルファスシ
リコンアレイの標準アレイ構造に入る入射エネルギーに
対する非線形応答を提供する、新しく改良されたエレメ
ントセンサ構造を提供する。
て既知のセンサエレメントの限られたダイナミックレン
ジの問題を克服し、デザインが簡潔で、製造が経済的で
あり、入力パターンを表す電気イメージ情報を提供する
複数の使用に容易に適応可能である新しいセンサアレイ
を提供し、かつ、高性能の読み取りエレクトロニクスを
必要とせずに、広いダイナミックレンジと、マトリック
スアドレスによる（matrix addressed) アモルファスシ
リコンアレイの標準アレイ構造に入る入射エネルギーに
対する非線形応答を提供する、新しく改良されたエレメ
ントセンサ構造を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に従って、アドレ
ス可能なピクセルエレメントのマトリックスとして配置
されるダイナミックレンジの広い複数のセンサを含むア
モルファスシリコンイメージセンサアレイが提供され、
このアレイにおいて各エレメントはゲートライン、デー
タライン、及びセンサに保存された電荷を放電するスイ
ッチに関連している。バイアス電圧ラインは、センサの
固有キャパシタンスをバイアスする。各ピクセルエレメ
ントは、複数の個々のセンサ部分にセグメント化された
アモルファスシリコンセンサを含む。集合部分の結合効
果が広範囲の有用な動作を提供するように、各部分は入
射照度に対して個別の応答を有する。これらの部分は、
入射照度を表す合計電荷出力を生成するデータラインに
共通につながっている。読み取りエレクトロニクスはデ
ータラインを選択的にアドレスし、合計電荷出力、即ち
照度を表す電気信号を生成する。
ス可能なピクセルエレメントのマトリックスとして配置
されるダイナミックレンジの広い複数のセンサを含むア
モルファスシリコンイメージセンサアレイが提供され、
このアレイにおいて各エレメントはゲートライン、デー
タライン、及びセンサに保存された電荷を放電するスイ
ッチに関連している。バイアス電圧ラインは、センサの
固有キャパシタンスをバイアスする。各ピクセルエレメ
ントは、複数の個々のセンサ部分にセグメント化された
アモルファスシリコンセンサを含む。集合部分の結合効
果が広範囲の有用な動作を提供するように、各部分は入
射照度に対して個別の応答を有する。これらの部分は、
入射照度を表す合計電荷出力を生成するデータラインに
共通につながっている。読み取りエレクトロニクスはデ
ータラインを選択的にアドレスし、合計電荷出力、即ち
照度を表す電気信号を生成する。
【０００９】本発明の別の態様に従って、各センサ部分
の個別の応答は異なる感度と電荷キャパシタンスを含
む。異なる感度は、異なるサイズの個別のセンサ部分を
用いることによって生じる。感度は、入射照射にさらさ
れるセンサの領域に比例する。各センサ部分は、センサ
の全キャパシタンスに比例する異なる電荷飽和を有す
る。センサ部分の固有のキャパシタンスを補うキャパシ
タンスは、センサとこの目的のために提供される接地接
続との間に形成されるコンデンサを含むことによって形
成される。
の個別の応答は異なる感度と電荷キャパシタンスを含
む。異なる感度は、異なるサイズの個別のセンサ部分を
用いることによって生じる。感度は、入射照射にさらさ
れるセンサの領域に比例する。各センサ部分は、センサ
の全キャパシタンスに比例する異なる電荷飽和を有す
る。センサ部分の固有のキャパシタンスを補うキャパシ
タンスは、センサとこの目的のために提供される接地接
続との間に形成されるコンデンサを含むことによって形
成される。
【００１０】本発明の使用によって得られる１つの利点
は、ダイナミックレンジの広いセグメント化ピクセルイ
メージャ（imager) である。
は、ダイナミックレンジの広いセグメント化ピクセルイ
メージャ（imager) である。
【００１１】本発明から得られる別の利点は、各セグメ
ントが異なる感度及び飽和電荷を有するセグメント化ピ
クセルイメージャである。コンデンサを追加することに
より、センサセグメントの固有のキャパシタンスを補
う。
ントが異なる感度及び飽和電荷を有するセグメント化ピ
クセルイメージャである。コンデンサを追加することに
より、センサセグメントの固有のキャパシタンスを補
う。
【００１２】本発明の更に別の利点は、セグメント化部
分の出力をまとめて合計してピクセルエレメントの出力
を形成することである。出力は非線形であり、高性能の
読み出しエレクトロニクスを必要とせずに従来のセンサ
エレメントよりも広いダイナミックレンジを得る。
分の出力をまとめて合計してピクセルエレメントの出力
を形成することである。出力は非線形であり、高性能の
読み出しエレクトロニクスを必要とせずに従来のセンサ
エレメントよりも広いダイナミックレンジを得る。
【００１３】本発明の新しいセンサアレイの他の利点
は、本明細書を読み、理解するにつれて当業者に明白に
なるであろう。
は、本明細書を読み、理解するにつれて当業者に明白に
なるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】ここで、本発明の好適な実施の形
態を例示するのみの目的であり、これを制限する目的で
はない図面を参照すると、図面は、複数の個々のピクセ
ルエレメントを含む水素化アモルファスシリコンイメー
ジセンサアレイ１０を示している。ａ−Ｓｉが用いられ
るのが好ましいが、セレン及びその合金又は有機光伝導
体のような他の材料を使用してもよい。各エレメント
は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１４、ゲートライン１
６及びデータライン１８によってマトリックスアドレス
可能である。各ピクセルエレメントの蓄積された電荷の
信号通信用の回路メタライゼーション構造は従来のもの
であり、図１は、センサアレイにメタライゼーションラ
インを含むエレメント構造の１つの典型的な概略的な実
施の形態である。アレイの各センサエレメント１２は従
来アモルファスシリコンフォトダイオードであり、これ
はドープされた接触（接点）層間に挟まれるドープされ
ていない層を含む。しかし、他のフォトダイオード構造
及び異なる材料を使用してもよい。
態を例示するのみの目的であり、これを制限する目的で
はない図面を参照すると、図面は、複数の個々のピクセ
ルエレメントを含む水素化アモルファスシリコンイメー
ジセンサアレイ１０を示している。ａ−Ｓｉが用いられ
るのが好ましいが、セレン及びその合金又は有機光伝導
体のような他の材料を使用してもよい。各エレメント
は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１４、ゲートライン１
６及びデータライン１８によってマトリックスアドレス
可能である。各ピクセルエレメントの蓄積された電荷の
信号通信用の回路メタライゼーション構造は従来のもの
であり、図１は、センサアレイにメタライゼーションラ
インを含むエレメント構造の１つの典型的な概略的な実
施の形態である。アレイの各センサエレメント１２は従
来アモルファスシリコンフォトダイオードであり、これ
はドープされた接触（接点）層間に挟まれるドープされ
ていない層を含む。しかし、他のフォトダイオード構造
及び異なる材料を使用してもよい。
【００１５】図２を参照すると、本発明の特徴として、
各センサエレメント１２の電荷蓄積層は異なるサイズの
個々の領域にセグメント化されており、各々は入射照度
に対する異なる感度と応答、異なるキャパシタンス及び
従って異なる電荷飽和を有する。この図は３つのセンサ
部分を示しているが、異なる数を使用してもよい。領域
Ａは、同等のセグメント化されていないピクセルの利用
可能なセンサ領域の約５０％を含む。領域Ａ内のセンサ
は追加のキャパシタンスをもたず、その表面全体が照射
にさらされる。そのキャパシタンスは、フォトダイオー
ドの固有のキャパシタンスによって与えられる。領域Ｂ
はセンサ領域の約２５％を占め、その下に配置されて接
地（ground) に接続された金属層２６を有し、それによ
りセンサ部分Ｂのキャパシタンスを約２倍にする。領域
Ｃは照射にさらされるアクティブセンサ領域の約１０％
を有するが、（キャパシタンスを２倍より大きくする）
バイアス金属ライン２８の下の利用可能なスペースを使
用すると共に、下に配置され接地に接続された金属層２
６を有する。この構造により、３つの領域のキャパシタ
ンスはほぼ等しいが、アクティブ領域の約１５％のみが
未使用であり、これはセグメント化センサの領域Ａ、Ｂ
及びＣ間のギャップによって主に占められている。従っ
て、接地が領域Ｂ及びＣならびに隣接ピクセルに接続さ
れているが、領域Ａには接続されないように、各セグメ
ントが組織されている。例えばゲート金属層を領域Ａの
下に配置し、光シールドを提供することが必要である場
合、この層を接地に接続せず、追加のキャパシタンスを
生じない。
各センサエレメント１２の電荷蓄積層は異なるサイズの
個々の領域にセグメント化されており、各々は入射照度
に対する異なる感度と応答、異なるキャパシタンス及び
従って異なる電荷飽和を有する。この図は３つのセンサ
部分を示しているが、異なる数を使用してもよい。領域
Ａは、同等のセグメント化されていないピクセルの利用
可能なセンサ領域の約５０％を含む。領域Ａ内のセンサ
は追加のキャパシタンスをもたず、その表面全体が照射
にさらされる。そのキャパシタンスは、フォトダイオー
ドの固有のキャパシタンスによって与えられる。領域Ｂ
はセンサ領域の約２５％を占め、その下に配置されて接
地（ground) に接続された金属層２６を有し、それによ
りセンサ部分Ｂのキャパシタンスを約２倍にする。領域
Ｃは照射にさらされるアクティブセンサ領域の約１０％
を有するが、（キャパシタンスを２倍より大きくする）
バイアス金属ライン２８の下の利用可能なスペースを使
用すると共に、下に配置され接地に接続された金属層２
６を有する。この構造により、３つの領域のキャパシタ
ンスはほぼ等しいが、アクティブ領域の約１５％のみが
未使用であり、これはセグメント化センサの領域Ａ、Ｂ
及びＣ間のギャップによって主に占められている。従っ
て、接地が領域Ｂ及びＣならびに隣接ピクセルに接続さ
れているが、領域Ａには接続されないように、各セグメ
ントが組織されている。例えばゲート金属層を領域Ａの
下に配置し、光シールドを提供することが必要である場
合、この層を接地に接続せず、追加のキャパシタンスを
生じない。
【００１６】センサＡ、Ｂ及びＣを別個のものとして相
互作用しないようにするために、これらはフォトリソグ
ラフィーによってパターン形成され、それによりフォト
ダイオード間のギャップにはセンサ材料は存在しない。
通常はシリコンオキシニトリド（silicon oxy-nitride)
であるパッシベーション層を上部に付着させてフォトダ
イオード間の電気絶縁を確実にし、あらゆる相互作用を
防ぐ。同様に、ＴＦＴがオフのときは、ＴＦＴ１４上の
３つの接点は絶縁されている。必要に応じてＴＦＴをオ
ンにすると、これらは全て共通のデータライン１８に接
続される。フォトダイオードが飽和に達すると、フォト
ダイオードにおいて再結合が生じるため、全ての追加の
電荷が失われる。
互作用しないようにするために、これらはフォトリソグ
ラフィーによってパターン形成され、それによりフォト
ダイオード間のギャップにはセンサ材料は存在しない。
通常はシリコンオキシニトリド（silicon oxy-nitride)
であるパッシベーション層を上部に付着させてフォトダ
イオード間の電気絶縁を確実にし、あらゆる相互作用を
防ぐ。同様に、ＴＦＴがオフのときは、ＴＦＴ１４上の
３つの接点は絶縁されている。必要に応じてＴＦＴをオ
ンにすると、これらは全て共通のデータライン１８に接
続される。フォトダイオードが飽和に達すると、フォト
ダイオードにおいて再結合が生じるため、全ての追加の
電荷が失われる。
【００１７】各センサ領域において蓄積された電荷の放
電信号の合計は、図２に示されるような態様で、互いの
間に２〜５μｍのギャップを介して領域端子端部４０、
４２、４４を有するようにＴＦＴ１４のソース接点をセ
グメント化することによって達成される。ＴＦＴがオフ
の場合は異なるソース電圧は接点間でリークせず、ＴＦ
Ｔがオンにされると出力部においてこれらを一緒に合計
する。
電信号の合計は、図２に示されるような態様で、互いの
間に２〜５μｍのギャップを介して領域端子端部４０、
４２、４４を有するようにＴＦＴ１４のソース接点をセ
グメント化することによって達成される。ＴＦＴがオフ
の場合は異なるソース電圧は接点間でリークせず、ＴＦ
Ｔがオンにされると出力部においてこれらを一緒に合計
する。
【００１８】図２の点線２６は、接地接続を輪郭づけて
いる。これは、センサＢ及びＣの下に配置され、通常は
ＴＦＴ１４のゲート誘電体を形成する層と同一の層であ
る絶縁層によってセンサから隔てられる金属層である。
接地接続はゲートライン１６と同一の金属を使用する
が、ゲートラインには接続されていない。接地面は、前
述の追加のキャパシタンスを提供する。接地面はピクセ
ルからピクセルへの連続的な金属層として接続されてお
り、アレイの周縁において、好適に選択される外部接地
接続に接続されるべきである。接地と呼ばれるが、あら
ゆるＤＣ電圧を使用することができる。
いる。これは、センサＢ及びＣの下に配置され、通常は
ＴＦＴ１４のゲート誘電体を形成する層と同一の層であ
る絶縁層によってセンサから隔てられる金属層である。
接地接続はゲートライン１６と同一の金属を使用する
が、ゲートラインには接続されていない。接地面は、前
述の追加のキャパシタンスを提供する。接地面はピクセ
ルからピクセルへの連続的な金属層として接続されてお
り、アレイの周縁において、好適に選択される外部接地
接続に接続されるべきである。接地と呼ばれるが、あら
ゆるＤＣ電圧を使用することができる。
【００１９】図３を参照すると、図２に示される物理的
な実施の形態を表す概略的な回路が示されている。異な
る感度のセンサ領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、図２の領域
Ａ、Ｂ及びＣにそれぞれ対応する。ゲートライン１６が
スイッチ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを閉じると、コンデン
サＣ１、Ｃ２、Ｃ３に蓄積された電荷がデータライン１
８の電圧として加算されることが理解できる。
な実施の形態を表す概略的な回路が示されている。異な
る感度のセンサ領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、図２の領域
Ａ、Ｂ及びＣにそれぞれ対応する。ゲートライン１６が
スイッチ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを閉じると、コンデン
サＣ１、Ｃ２、Ｃ３に蓄積された電荷がデータライン１
８の電圧として加算されることが理解できる。
【００２０】３つのセンサ（Ａ、Ｂ、Ｃ）は、キャパシ
タンスＣ1 、Ｃ2 、Ｃ3 及び感度σ 1 、σ2 及びσ
3 （ここで、σ1 ＞σ2 ＞σ3 ）を有する。一般に、セ
ンサの感度はセンサのアクティブ領域に比例するため、
σi をセンサｉの充填率（fill factor)として考えるこ
とができる。充填率は、光にさらされるセンサ領域によ
って占められるピクセル領域の分数（fraction) であ
る。照度Ｌ下で生成される電荷はＱi ＝Ｌσi であり、
飽和はＱi,sat ＝Ｃi ＶB で生じ、ここでＶB はバイア
ス電圧を表す。
タンスＣ1 、Ｃ2 、Ｃ3 及び感度σ 1 、σ2 及びσ
3 （ここで、σ1 ＞σ2 ＞σ3 ）を有する。一般に、セ
ンサの感度はセンサのアクティブ領域に比例するため、
σi をセンサｉの充填率（fill factor)として考えるこ
とができる。充填率は、光にさらされるセンサ領域によ
って占められるピクセル領域の分数（fraction) であ
る。照度Ｌ下で生成される電荷はＱi ＝Ｌσi であり、
飽和はＱi,sat ＝Ｃi ＶB で生じ、ここでＶB はバイア
ス電圧を表す。
【００２１】分析を簡潔にするために、急激な飽和を仮
定する。実際には、領域間の遷移は図４に示されるもの
よりも滑らかである。図４の領域Ａでは、全体の信号は
ＱA＝Ｌ（σ1 ＋σ2 ＋σ3 ）であり、光強度ＬA,sat
＝Ｃ1 ＶB ／σ1 で飽和し、ＱA,sat ＝Ｃ1 ＶB （１＋
（σ2 ＋σ3 )/σ1 ）である。
定する。実際には、領域間の遷移は図４に示されるもの
よりも滑らかである。図４の領域Ａでは、全体の信号は
ＱA＝Ｌ（σ1 ＋σ2 ＋σ3 ）であり、光強度ＬA,sat
＝Ｃ1 ＶB ／σ1 で飽和し、ＱA,sat ＝Ｃ1 ＶB （１＋
（σ2 ＋σ3 )/σ1 ）である。
【００２２】領域Ｂでは、信号はＱB ＝ＱA,sat ＋Ｌ
（σ2 ＋σ3 ）であり、ＬB,sat ＝Ｃ 2 ＶB ／σ2 で飽
和し、ＱB,sat ＝Ｃ1 ＶB ＋Ｃ2 ＶB （１＋σ3 ／
σ2 ）である。
（σ2 ＋σ3 ）であり、ＬB,sat ＝Ｃ 2 ＶB ／σ2 で飽
和し、ＱB,sat ＝Ｃ1 ＶB ＋Ｃ2 ＶB （１＋σ3 ／
σ2 ）である。
【００２３】最後に、領域Ｃでは、全体の信号はＱC ＝
ＱA,sat ＋ＱB,sat ＋Ｌσ3 であり、ＬC,sat ＝Ｃ3 Ｖ
B ／σ3 で飽和し、ＱC,sat ＝Ｃ1 ＶB ＋Ｃ2 ＶB ＋Ｃ
2 Ｖ B である。
ＱA,sat ＋ＱB,sat ＋Ｌσ3 であり、ＬC,sat ＝Ｃ3 Ｖ
B ／σ3 で飽和し、ＱC,sat ＝Ｃ1 ＶB ＋Ｃ2 ＶB ＋Ｃ
2 Ｖ B である。
【００２４】σ1:σ2:σ3 が比１：０．３：０．１であ
ると仮定すると、これらの３つの領域の感度の比は１．
４：０．４：０．１であり、ダイナミックレンジは約１
０倍増加する。これらの値を用いると、飽和電荷の比は
１．４Ｃ1 ：Ｃ1 ＋１．３３Ｃ2 ：Ｃ1 ＋Ｃ2 ＋Ｃ3 で
ある。キャパシタンスの値が等しいことによって飽和電
荷の比は１．４：２．３３：３になり、これによってダ
イナミックレンジが高感度領域においてより広くなる。
キャパシタンスの比が１：１．５：２であることによ
り、ダイナミックレンジは３つの領域においてほぼ同一
になる。
ると仮定すると、これらの３つの領域の感度の比は１．
４：０．４：０．１であり、ダイナミックレンジは約１
０倍増加する。これらの値を用いると、飽和電荷の比は
１．４Ｃ1 ：Ｃ1 ＋１．３３Ｃ2 ：Ｃ1 ＋Ｃ2 ＋Ｃ3 で
ある。キャパシタンスの値が等しいことによって飽和電
荷の比は１．４：２．３３：３になり、これによってダ
イナミックレンジが高感度領域においてより広くなる。
キャパシタンスの比が１：１．５：２であることによ
り、ダイナミックレンジは３つの領域においてほぼ同一
になる。
【００２５】センサ応答は主にσ1 及びＣ1 に依存する
が、これら２つはピクセルのデザインによって制約され
る。通常、センサはコンデンサ内にあるためＣ1 はσ1
に比例し、従ってσを小さくしてＣを大きくし、有効な
センサに必要な高い全充填率を維持する態様はすぐには
明らかにならない。本発明は、標準アレイ構造において
下記の２つの特徴を用いることにより、キャパシタンス
の値を調節してピクセルの有効なデザインを行うことを
教示する。 ａ）バイアスラインがセンサを横切り、必然的に光を妨
げる。 ｂ）ゲート金属パッドをセンサの下に配置でき（これ
は、時として追加の光シール ドを提供するのに使用さ
れる）、このパッドを接地（又はバイアス）に接続す
ることによってキャパシタンスを追加するのに使用する
ことができる。
が、これら２つはピクセルのデザインによって制約され
る。通常、センサはコンデンサ内にあるためＣ1 はσ1
に比例し、従ってσを小さくしてＣを大きくし、有効な
センサに必要な高い全充填率を維持する態様はすぐには
明らかにならない。本発明は、標準アレイ構造において
下記の２つの特徴を用いることにより、キャパシタンス
の値を調節してピクセルの有効なデザインを行うことを
教示する。 ａ）バイアスラインがセンサを横切り、必然的に光を妨
げる。 ｂ）ゲート金属パッドをセンサの下に配置でき（これ
は、時として追加の光シール ドを提供するのに使用さ
れる）、このパッドを接地（又はバイアス）に接続す
ることによってキャパシタンスを追加するのに使用する
ことができる。
【００２６】前述の特定のセグメンテーションスキーム
は、１つの可能な実施の形態にすぎない。ダイナミック
レンジの広いセンサデザインを同様に達成するのに非常
に多くの他の様々な構成が可能である。セグメントの数
を変えて、示される３つのセグメントよりも多いか又は
少ないセグメントを含むこともできる。センサ領域自体
を様々なサイズ及び形状に構成し、特に所望されるあら
ゆる応答を最適にすることができる。センサ領域と、
（これによってＴＦＴの応答にも影響を及ぼしうるが）
可能であればゲート金属光シールドを隔てる下層誘電体
の異なる厚みを選択することによって、キャパシタンス
を更に制御することもできる。３という数は広いダイナ
ミックレンジと充填率との間で工学技術的に優れた妥協
を提供すると思われるが、異なる数の領域へのセグメン
テーションも望ましい。セグメント領域を少なくすると
ダイナミックレンジの増加が小さくなり、セグメント領
域を多くすると全体の充填率において大きな損失を生じ
る。
は、１つの可能な実施の形態にすぎない。ダイナミック
レンジの広いセンサデザインを同様に達成するのに非常
に多くの他の様々な構成が可能である。セグメントの数
を変えて、示される３つのセグメントよりも多いか又は
少ないセグメントを含むこともできる。センサ領域自体
を様々なサイズ及び形状に構成し、特に所望されるあら
ゆる応答を最適にすることができる。センサ領域と、
（これによってＴＦＴの応答にも影響を及ぼしうるが）
可能であればゲート金属光シールドを隔てる下層誘電体
の異なる厚みを選択することによって、キャパシタンス
を更に制御することもできる。３という数は広いダイナ
ミックレンジと充填率との間で工学技術的に優れた妥協
を提供すると思われるが、異なる数の領域へのセグメン
テーションも望ましい。セグメント領域を少なくすると
ダイナミックレンジの増加が小さくなり、セグメント領
域を多くすると全体の充填率において大きな損失を生じ
る。
【００２７】読み取りエレクトロニクス５０（図３）
は、既存のセンサアレイシステムを有する従来のもので
ある。センサアレイを含むフィルムの厚みがほどよく均
一であるならば、アレイ応答を較正し、単一のルックア
ップテーブルを使用して応答を線形化することができ
る。
は、既存のセンサアレイシステムを有する従来のもので
ある。センサアレイを含むフィルムの厚みがほどよく均
一であるならば、アレイ応答を較正し、単一のルックア
ップテーブルを使用して応答を線形化することができ
る。
【００２８】本発明は、好適な実施の形態を参照して説
明された。本明細書を読み、理解するにつれて、変更が
他者に生じることは明らかである。このような変更が請
求項及びこの同等物の範囲内である限り、本発明はこの
ような変更を全て含むものと意図される。
明された。本明細書を読み、理解するにつれて、変更が
他者に生じることは明らかである。このような変更が請
求項及びこの同等物の範囲内である限り、本発明はこの
ような変更を全て含むものと意図される。
【図１】アモルファスシリコンセンサアレイの典型的な
構造の部分断面斜視図である。
構造の部分断面斜視図である。
【図２】異なる部分にセグメント化された個々のセンサ
エレメントを示し、信号通信用に組み合わされたメタラ
イゼーションラインを更に示す略平面図である。
エレメントを示し、信号通信用に組み合わされたメタラ
イゼーションラインを更に示す略平面図である。
【図３】本発明に従って形成される個々のセンサエレメ
ントの略回路図である。
ントの略回路図である。
【図４】本発明の拡張されたダイナミックレンジ及び入
射光に対する非線形応答を特に示す、出力電荷信号対セ
ンサエレメントの照射強度のグラフである。
射光に対する非線形応答を特に示す、出力電荷信号対セ
ンサエレメントの照射強度のグラフである。
１０ アモルファスシリコンイメージセンサアレイ １２ センサエレメント １４ ＴＦＴ １６ ゲートライン １８ データライン ２８ バイアス金属ライン ３０ スイッチ ４０、４２、４４ 領域端子端部 ５０ 読み取りエレクトロニクス
Claims (1)
- 【請求項１】 各々がゲートライン、データライン及び
バイアス電圧ラインに関連したマトリックスアドレス可
能なピクセルエレメントとして配置されるダイナミック
レンジの広い複数のセンサからなるイメージセンサアレ
イであって、 前記ピクセルエレメントの各々は複数の個々のセンサ部
分にセグメント化されたアモルファスシリコンセンサを
含み、各部分は入射照度に対して個別の応答を有し、前
記部分は前記照度を表す合計電荷出力を生成するように
前記データラインに共通につながっており、 前記データラインを選択的にアドレスし、前記照度を表
す電気信号を生成する読み取りエレクトロニクスを含
む、 イメージセンサアレイ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US787461 | 1997-01-22 | ||
| US08/787,461 US5789737A (en) | 1997-01-22 | 1997-01-22 | High dynamic range segmented pixel sensor array |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10224560A true JPH10224560A (ja) | 1998-08-21 |
| JP4100748B2 JP4100748B2 (ja) | 2008-06-11 |
Family
ID=25141549
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00550298A Expired - Lifetime JP4100748B2 (ja) | 1997-01-22 | 1998-01-14 | イメージセンサアレイ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5789737A (ja) |
| JP (1) | JP4100748B2 (ja) |
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