JPH1022489A

JPH1022489A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH1022489A
Application number: JP8191502A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Watabe; 知行渡部
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1996-07-02
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】固定パターン雑音が小さく、ＳＮ比が大き
く、高感度な固体撮像素子を得る。【解決手段】半導体基板上に、１次元もしくは２次元
に配列された複数個の画素を具備してなる固体撮像素子
において、各画素を、少なくとも１個の受光素子１と、
この受光素子１が生成する光起電力を電源として動作し
前記光起電力に応じた周波数で発振する可変周波数発振
器２とを具備したものとして構成する。可変周波数発振
器２の出力信号の周波数によって、各画素の受光強度を
検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体基板上
に、２次元配列された複数個の画素を具備してなる固体
撮像素子にかかわり、特に高感度で低雑音の固体撮像素
子の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子は、１枚の撮像画像に対応
して、半導体基板上に、１次元もしくは２次元の配列、
例えば、横方向（水平方向）および縦方向（垂直方向）
に、それぞれ多数個の画素をマトリクス状に配列したも
ので、各画素はイメージセルと呼ばれる回路の単位で構
成されているものである。なお、以下の説明において
は、構成がより複雑である２次元配列の構造について説
明するが、１次元配列の構造、すなわち、リニアセンサ
についても、同様に適用できるものである。以下の２次
元配列の構造の固体撮像素子の説明において、横方向を
行、縦方向を列と呼ぶことにする。

【０００３】従来から、種々の固体撮像素子が提供され
ており、また最近は高感度の固体撮像素子の検討も行わ
れている。

【０００４】固体撮像素子の、最近の技術動向について
は、文献：アイ・エス・エス・シー・シー９６、セッシ
ョン１、プレナリーセッション、ＴＡ１．２（１９９６
年２月）第２２頁ないし第２５頁（ISSCC96 ，Session
１，Plenary Session ，ＴＡ1.2 （Feb. １９９６）ｐ
ｐ．２２−２５）などにおいて論じられている。

【０００５】図１２は、従来の固体撮像素子の一例を示
す図であり、この例は、現在多用されている標準的なＣ
ＣＤ型固体撮像素子である。なお、説明の簡略化のた
め、１つのイメージセルとその周辺のみを示してある。

【０００６】図１２に示すように、イメージセル２００
は、ホトダイオード２０１と、ＭＯＳトランジスタから
なるトランスファーゲート２０２と、ＭＯＳトランジス
タからなるオーバーフローゲート２０３と、垂直ＣＣＤ
２０４の一部（図でＭＯＳトランジスタで示した部分）
とで構成される。そして、このイメージセル２００の周
辺には、トランスファーゲート２０２のゲート電極が接
続される行アドレス信号線２０５と、オーバーフローゲ
ート２０３のゲート電極およびソース電極が接続されオ
ーバーフロー電位（ＶＯＦＧ）が与えられる電位線２０
６と、水平ＣＣＤ２０７とが設けられる。

【０００７】行アドレス信号線２０５には、対応する同
一行のすべての画素のそれぞれからの受光強度を検出す
るタイミングで、各イメージセル２００のトランスファ
ーゲート２０２を開にする行アドレス信号φＹが供給さ
れる。

【０００８】ホトダイオード２０１で生成された光電荷
は、トランスファゲート２０２の開により垂直ＣＣＤ２
０４へ導かれる。垂直ＣＣＤ２０４へ導かれた電荷は、
垂直ＣＣＤ２０４と水平ＣＣＤ２０７を順次転送され、
水平ＣＣＤ２０７の出力端子２０８より、転送された電
荷に応じた出力信号が出力される。

【０００９】以上のように、トランスファゲート２０２
のゲートに与えられる行アドレス信号φＹのタイミング
が適宜調整されて、ホトダイオード２０１に蓄積された
光電荷が、所望の周期で垂直ＣＣＤ２０４へ導かれるよ
うに調整される。

【００１０】このときホトダイオード２０１の受光光量
が大きすぎる場合、過剰な電荷が垂直ＣＣＤ２０４へ流
入してＣＣＤの周囲に拡散し、画像に悪影響を及ぼす。
オーバーフローゲート２０３は、これを防ぐためのもの
であり、ある閾値以上の余分な電荷が、外部へ排出され
る。この場合、オーバーフロー電位（ＶＯＦＧ）が調整
されて、外部へ排出する余分となる電荷の閾値が調整さ
れ制御される。

【００１１】このＣＣＤ型固体撮像素子は、ホトダイオ
ード２０１の生成電荷をそのまま忠実に縦方向と横方向
に転送し、出力端子２０８まで運ぶものである。このと
きＣＣＤの、電荷の転送効率は高い。例えば、前述の文
献によれば、１段の転送効率は９９．９５％程度に達し
ている。このため、他の方式に比べて、チップ上の出力
端子から遠い位置にあるイメージセルからの信号でも、
あまり劣化を生じないで出力端子まで送ることができ
る。したがって、従来、多用されてきた。

【００１２】図１３は、従来の固体撮像素子の他の例を
示す図である。これは、増幅型固体撮像素子もしくはＡ
ＰＳ（ＡｃｔｉｖｅＰｉｘｅｌＳｅｎｓｏｒ）等と
呼ばれるもので、増幅素子を用いて高感度化する構造で
あり、前記文献のＦｉｇｕｒｅ５等に紹介されている。

【００１３】図１３は、イメージセル３００とその周辺
回路の概要を、前記の図１２のＣＣＤ型固体撮像素子と
対応した配置にして示したものである。この場合のイメ
ージセル３００は、ホトダイオード３０１と、増幅トラ
ンジスタ３０２と、リセットトランジスタ３０３と、出
力電流読み出し用のスイッチングトランジスタ３０４と
を含んで構成されている。

【００１４】ホトダイオード３０１の一端（アノード
側）は、所定の電位Ｖｐが与えられる端子に接続され
る。電位Ｖｐとしては、通常、接地電位が用いられる。
ホトダイオード３０１の他端は、増幅トランジスタ３０
２のゲートに接続される。

【００１５】スイッチングトランジスタ３０４のゲート
は、行アドレス信号線３０５に接続される。行アドレス
信号線３０５には、対応する同一行のすべての画素とし
ての各イメージセル３００のスイッチングトランジスタ
３０４をオンにする行アドレス信号（垂直方向のアドレ
ス信号）φＹが供給される。

【００１６】リセットトランジスタ３０３のゲートに
は、リセット信号線３０６を通じて定期的にリセット信
号φＲが供給される。リセットトランジスタ３０３は、
ホトダイオード３０１に蓄積された電荷を、リセット信
号φＲが供給されるタイミングにより定期的に排出す
る。これにより増幅トランジスタ３０１のゲート電位を
定期的にリセットする。

【００１７】この場合、ホトダイオード３０１は、リセ
ット信号φＲのタイミングで、電源電圧ＶＤＤにより逆
バイアスされる。そして、このホトダイオード３０１の
電荷量が、受光量に応じて、光電荷で、変化することに
より、このホトダイオード３０１の両端電圧が変化す
る。このため、増幅トランジスタ３０２のゲート電位が
変化する。その結果、増幅トランジスタ３０２のソース
・ドレイン間の抵抗が変化するので、このときの増幅ト
ランジスタ３０２のドレイン電流を、イメージセル３０
０の出力電流として、スイッチングトランジスタ３０４
を介して読み出す。

【００１８】スイッチングトランジスタ３０４のゲート
に与える行アドレス信号φＹを調整し、上記出力電流
を、所望のタイミングで垂直信号線３０７に取り出す。
垂直信号線３０７は、スイッチングトランジスタ３０８
を介して出力信号線３０９に接続されている。スイッチ
ングトランジスタ３０８のゲートには、水平走査回路３
１０から、水平方向の１行の各画素からの出力電流を読
み出すためのタイミング信号（水平方向の走査信号）φ
Ｘが供給される。したがって、出力端子３１１には、Ｘ
Ｙマトリックス状に配列された各画素からの出力電流
が、順次に読み出されて出力される。

【００１９】この例の固体撮像素子は、ホトダイオード
３０１に生成される光電荷を、外部に取り出して転送す
ることはしない。代わりにこの光電荷によって発生する
光電圧を、増幅トランジスタ３０２のゲートに印加し、
このときの増幅トランジスタ３０２のドレイン電流を検
出する。すなわち、この図１３の例の固体撮像素子は、
電流検出型の素子である。

【００２０】したがって、この図１３の例の固体撮像素
子は、ホトダイオード３０１の電荷を取り出さないの
で、出力電流を読み出しても、ホトダイオード３０１の
電荷は失われない。このため、リセットするまでは、１
度の受光で形成した画像を、画像を損なわずに何度でも
読み出せる特徴がある。また、増幅トランジスタ３０２
で増幅した信号を外部回路で読み出すので、高感度であ
るという特徴がある。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たＣＣＤ型固体撮像素子では、高精細化が進み、画素数
が大きくなるにつれて、ＣＣＤによって転送される段数
が増大するため、転送による劣化が問題となってきてい
る。例えばＣＣＤによって１０００段の転送をおこなう
と、上記のように１段の転送効率が高くても、６０％程
度の電荷しか送れなくなる。

【００２２】このため、出力端子２０８とイメージセル
との距離に応じて送ることができる電荷量が異なり、同
じ光強度であっても、出力端子２０８に近いイメージセ
ルからの光強度出力と、出力端子２０８から遠いイメー
ジセルからの光強度出力とで違いが生じ、これが固定パ
ターン雑音となる。また、転送により電荷量が減衰する
ことから、感度の低下をもたらす。したがって、ＣＣＤ
型固体撮像素子では、高感度化、低固定パターン雑音化
に限界があった。

【００２３】また、ＣＣＤ型固体撮像素子では、ホトダ
イオードに発生した、微弱な光生成電荷を、そのままＣ
ＣＤで転送するだけで、生成電荷の増倍もしくは信号の
増幅は、ＣＣＤの出力端子まで行わない。このため、微
小光量に対応する微小電荷を転送するとき、ＣＣＤ素子
内に発生する雑音電荷の影響で、ＳＮ比が劣化する問題
がある。したがって、高感度化には、この点でも、なお
不十分であるという問題がある。

【００２４】一方、他の従来例として説明した増幅型固
体撮像素子は、画素ごとにアナログアンプを持つため、
アンプの利得とオフセットによって出力信号レベルにバ
ラツキが生じやすい。そして、これが固定パターン雑音
になるという問題があった。

【００２５】さらに、上記増幅型固体撮像素子は、電流
検出素子であるため、出力電流を、走査回路の配線層
で、出力端子まで導いている。このとき、チップ上で出
力端子に近い位置にあるイメージセルからの出力信号
と、出力端子から遠い位置にあるイメージセルからの出
力信号とで、配線層の長さに差が生じる。そして、出力
端子から遠い位置にあるイメージセルの配線が長くな
り、その寄生抵抗や寄生容量が大きくなる。したがっ
て、特に微小光量時に、出力端子から遠い位置にあるイ
メージセルからの出力信号が劣化しやすい。これも固定
パターン雑音の原因になるという問題があった。

【００２６】この発明は、以上の問題点にかんがみ、高
感度で、ＳＮ比が大きく、固定パターン雑音の小さい固
体撮像素子を提供することを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】この発明の基本的な考え
方を説明する。従来の固体撮像素子は、上記の２種類の
従来技術を含め、感度や雑音等に問題があった。これは
いずれもアナログ処理を基本にしているからである。す
なわち、ＣＣＤ型固体撮像素子では、受光素子が生成し
た光電荷を、電荷量を保存して転送する。増幅型固体撮
像素子でも、各画素の発生する出力電流の値を読み出
す。いずれもアナログ的に、各画素の光電荷に応じた出
力信号を取り出すものである。このため、画素数が多く
なるとチップの出力端子と画素の間の距離が遠くなり、
必然的にＳＮ比等が劣化するという欠点を有する。

【００２８】発明者は、この問題を解決するため、生物
の網膜に学ぶことを考えた。生物の網膜では、各々の視
細胞は、受光強度に応じた頻度で出力パルスを発生す
る。この出力パルスがそれぞれ神経を通じて、脳の視覚
領域に送られる。すなわち、各画素が、光の強度に応じ
た周波数のパルスを発生し、脳は、パルス数すなわち周
波数をカウントして読み取るのである。したがって、こ
れは画素ごとに並列処理されるデジタル回路システムと
いうことができる。

【００２９】この場合、脳は、信号の周波数（パルスの
頻度）だけを読み取るから、波形のなまり、信号強度の
低下やＳＮ比の劣化等は問題にならない。このような系
が半導体チップで実現できれば、チップサイズが大きく
なっても、安定して高品質の出力信号が得られると考え
られる。

【００３０】この発明は、各画素が、受光量に応じた光
起電力を発生する受光素子、すなわち太陽電池と、これ
を電源として動作する、周波数が変化する発振器とを有
することを基本概念とするものである。

【００３１】すなわち、請求項１の発明による固体撮像
素子は、後述の実施の形態の参照符号を対応させると、
半導体基板（１１）上に、１次元もしくは２次元に配列
された複数個の画素（１０）を具備してなる固体撮像素
子において、前記各画素（１０）は、少なくとも１個の
受光素子（１）と、この受光素子（１）が生成する光起
電力を電源として動作し前記光起電力に応じた周波数で
発振する可変周波数発振器（２）とを具備し、前記可変
周波数発振器（２）の出力信号の周波数によって、前記
各画素の受光強度を検出するとすることを特徴とするも
のである。

【００３２】また、請求項２の発明においては、上記請
求項１の発明の可変周波数発振器（２）が、奇数個のイ
ンバータ（２１、２２、２３）からなるリングオシレー
タ（２０）で構成されることを特徴とする。

【００３３】さらに、請求項３の発明においては、請求
項２のリングオシレータは、集積注入論理回路（ＩＩ
Ｌ；ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＩｎｊｅｃｔｉｏｎＬｏ
ｇｉｃ以下ＩＩＬと略記する）で構成することを特徴と
するものである。

【００３４】また、さらに、請求項４の発明において
は、請求項２に記載の固体撮像素子において、前記リン
グオシレータは、ＩＩＬインバータを奇数段用いた構成
とすることを特徴とする。

【００３５】また、請求項５の発明においては、請求項
４に記載の固体撮像素子において、前記集積注入論理回
路構成のインバータを構成する各段のトランジスタのベ
ース・コレクタ間を接続して、高速化構造としたことを
特徴とする。

【００３６】

【作用】上記の構成の請求項１の発明によれば、画素ご
とに、光強度に応じた周波数のパルスを発生するデジタ
ル方式の固体撮像素子が形成される。したがって、高感
度で、ＳＮ比が大きく、固定パターン雑音の小さい固体
撮像素子を提供することをできる。

【００３７】また、請求項２の発明によれば、可変周波
数発振器がリングオシレータで構成される。このリング
オシレータは、インバータを奇数段接続することで、簡
単に構成することができる。

【００３８】また、請求項３の発明によれば、リングオ
シレータがＩＩＬ回路で構成されるので、受光素子が構
成する太陽電池の発生電圧でちょうど最適に動作する回
路方式となる。

【００３９】すなわち、太陽電池は、通常、ｐｎ接合ダ
イオードで構成され、出力電圧はその順方向電圧、すな
わち約０．７Ｖである。一方、ＩＩＬ回路は、動作電圧
が、丁度、ｐｎ接合の順方向電圧すなわち約０．７Ｖで
ある。

【００４０】さらに、請求項４の発明によれば、可変周
波数発振器としてＩＩＬインバータを奇数段用いたリン
グオシレータが用いられる。この場合、１画素当たりの
トランジスタ数は、スイッチ・トランジスタを加えて
も、５個のトランジスタで構成できる。

【００４１】また、請求項５の発明によれば、ＩＩＬト
ランジスタが高速化構造とされることにより、発振器の
応答性が速くなる。このため、太陽電池の受光光量の変
化に追随して、発振周波数がすみやかに変化するので、
各画素の出力信号として、受光強度に忠実な周波数を持
つ信号を取り出すことができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】

［第１の実施例］図１は、この発明による固体撮像素子
の実施の形態の全体の構成の概要を示すものであり、こ
の例は、２次元配列構造の固体撮像素子の例である。す
なわち、この例の固体撮像素子は、半導体基板（図１に
は、図示せず）上に、イメージセル１０を横方向（水平
方向）と、縦方向（垂直方向）とに、多数個配列して、
マトリクス状配列の画素群を構成する。

【００４３】各イメージセル１０は、すべて同じ構成を
有するもので、図２の構成概念図にも示すように、受光
量に応じた光起電力を発生する受光素子、すなわち、太
陽電池１と、この太陽電池１を電源として動作する可変
周波数発振器２と、この可変周波数発振器２の出力パル
スを適宜のタイミングで出力するためのスイッチ手段３
とで構成される。

【００４４】太陽電池１は、この例の場合、ｐｎ接合ダ
イオードで構成され、電池としての出力電圧はその順方
向電圧、すなわち、約０．７Ｖである。受光量が所定値
以上になると、太陽電池１の出力電圧値は、おおよそ約
０．７Ｖで安定（０．４Ｖから１．０Ｖ程度の範囲）と
なるが、受光量（受光強度）に応じた電流を発生する。
すなわち、太陽電池１は、受光量に応じた光起電力を発
生するものである。

【００４５】可変周波数発振器２は、電源の起電力に応
じて発振周波数が変化するように構成されるもので、こ
の例では、電源として動作する太陽電池１の、前記受光
量に応じて変化する電流値に応じた周波数ｆｏｓｃの発
振パルスを出力する。

【００４６】スイッチ手段３は、可変周波数発振器２の
出力端子に、直列に接続され、後述するように、行アド
レス信号φＹによってオンとなる。スイッチ手段３は、
イメージセル１０の１列毎に設けられる垂直信号線５に
接続されており、そのオンのときの可変周波数発振器２
の出力周波数ｆｏｓｃのパルスを垂直信号線５に出力す
る。

【００４７】行アドレス信号φＹは、図１に示すよう
に、垂直走査回路４から、イメージセル１０の１行毎に
設けられる行アドレス線４０を通じて供給されるもので
ある。垂直走査回路４は、図１に示すように、行アドレ
ス信号を、φＹ１、φＹ２、…というように１行単位
で、順次に印加する。行アドレス信号が印加されると、
その行のすべてのイメージセル１０のスイッチ手段３が
オンとされ、可変周波数発振器２の出力パルスを垂直信
号線５に出力する状態になる。

【００４８】垂直信号線５のそれぞれは、スイッチ手段
としてのＭＯＳトランジスタ６をそれぞれ通じて出力信
号線７に接続されている。そして、それぞれＭＯＳトラ
ンジスタ６のゲートには、水平走査回路８から水平走査
信号φＸ１、φＸ２、…が順次に印加される。ＭＯＳト
ランジスタ６は、この水平走査信号φＸ１、φＸ２、…
により順次にオンとなり、オンとなったＭＯＳトランジ
スタ６が接続されている垂直信号線５に接続される１列
のイメージセル１０のうちの、そのときにスイッチ手段
３がオンとなっているイメージセル１０からの出力パル
スを出力線７に導出する。

【００４９】この実施例の固体撮像素子では、各イメー
ジセル１０では、受光素子としての太陽電池１に光が入
射すれば、可変周波数発振器２がその受光強度に応じた
周波数ｆｏｓｃで発振する。

【００５０】この場合、太陽電池１および可変周波数発
振器２には特にリセット信号等は与えない。イメージセ
ル１０は、光強度が時間的に変化するのに応じて、リア
ルタイムで周波数が変わる出力信号を発生し続ける。

【００５１】そして、その発振出力パルスは、上述した
ような適宜のタイミングで、出力端子９に導出されるも
のである。すなわち、まず、読み出したい行のイメージ
セル１０にアドレス信号φＹを与えて、その時点での当
該行のイメージセル１０の出力信号を垂直信号線５に導
く。行アドレス信号φＹが与えられていない行のイメー
ジセル１０のスイッチ手段３はオフしており、垂直信号
線５との接続は切れている。

【００５２】そして、水平走査回路８からの水平走査信
号φＸ１、φＸ２、…により順次に、対応するＭＯＳト
ランジスタ６をオンとする。これにより、垂直信号線５
に出力信号が取り出されている行のイメージセル１０の
うちの、ＭＯＳトランジスタ６がオンとされている列に
属するイメージセル１０の出力パルス信号が、出力線７
を通じて順次に出力端子９に導出される。

【００５３】なお、出力端子９から導出された出力パル
ス信号は、図示しない周波数測定手段により、各イメー
ジセル単位ごとに周波数が測定される。そして、測定結
果の周波数を、あらかじめ校正されたルールで、光強度
に変換して、各イメージセル１０の光強度出力を得るよ
うにする。

【００５４】なお、以上の実施例は、より複雑な構造で
ある２次元配列構造の固体撮像素子に関するものであ
る。しかし、例えば、図１において横１行だけの構成と
し、行アドレス信号φＹがφＹ１のみとし、φＹ２以降
は存在しない構成としても同様に適用できる。この場合
は、いわゆるリニアセンサ（ラインセンサ）と呼ばれる
１次元配列構造である。このリニアセンサにも、この発
明が適用できることは言うまでもない。

【００５５】図３は、上述した第１の実施例の場合のイ
メージセル１０の具体回路例を示す図である。

【００５６】この図３の例では、図１および図２で示し
た可変周波数発振器２として、リングオシレータ２０を
用いる。リングオシレータはインバータを奇数段、縦続
に接続することで構成されるもので、この例のリングオ
シレータ２０は、３個のインバータ２１、２２、２３を
縦続に接続、すなわち、インバータを３段接続した構成
である。

【００５７】ここで、一般に、太陽電池１の受光強度
は、その起電力（電圧が０．７Ｖでほぼ一定になる領域
では、電流）にほぼ比例する。また、一般に、電源の起
電力はインバータの遅延時間にほぼ反比例する。さら
に、一般に、インバータの遅延時間は、リングオシレー
タの発振周波数にほぼ反比例する。したがって、一般
に、リングオシレータ２０の発振周波数は、太陽電池１
の受光強度にほぼ比例する。

【００５８】以上により、イメージセル１０の出力信号
の周波数の値が、当該イメージセル１０の受光強度に対
応する。したがって、このイメージセル単位ごとの周波
数を測定することにより、各イメージセルごとの光強度
出力を得ることができる。

【００５９】なお、負荷トランジスタ２４は、リングオ
シレータ２０の出力信号が解放となるタイミングにハイ
レベル電位を与えるための負荷であり、太陽電池１とリ
ングオシレータ２０の出力端との間に設けられる。

【００６０】スイッチトランジスタ３１は、前述のスイ
ッチ手段３に対応するもので、この例では、ｎ型のＭＯ
Ｓトランジスタにより構成される。このスイッチトラン
ジスタ３１のゲートには、行アドレス信号φＹが供給さ
れ、読み出し時にオンされるように構成されている。

【００６１】なお、前述もしたように、この例の太陽電
池はｐｎ接合ダイオードで形成され、出力電圧はその順
方向電圧であり、約０．７Ｖである。このため、リング
シレータ２０は、太陽電池１の起電力で、動作する低電
圧動作回路で構成されることが望ましい。なお、この例
に限らず、太陽電池は、一般にｐｎ接合等のダイオード
で構成され、出力電圧は、約０．７Ｖである。

【００６２】もっとも、１画素中に複数の太陽電池を形
成し、これを直列接続し、電圧を高めた構成としてもよ
い。この場合には、可変周波数発振器２の電源電圧は、
高くなるので、ＭＯＳトランジスタ等の、低電圧動作で
ないデバイスを用いて可変周波数発振器２を構成するこ
とができる。

【００６３】図４は、第１の実施例によるイメージセル
の詳細回路例を示す図であり、図３の回路例の詳細回路
例である。この例は、可変周波数発振器２を構成するリ
ングオシレータ２０が、１個の太陽電池で動作する低電
圧動作回路で構成された場合の例である。

【００６４】すなわち、この例の場合のリングオシレー
タ２０はＩＩＬで構成する。ＩＩＬは、ｐｎｐトランジ
スタとｎｐｎトランジスタの１対で、１つのインバータ
を構成する。以下、このインバータをＩＩＬインバータ
と称する。図４の例は、ＩＩＬを用いた３段リングオシ
レータであり、図３の例に対応するものである。

【００６５】すなわち、ＩＩＬインバータ２１は、ｐｎ
ｐトランジスタ２１Ｐとｎｐｎトランジスタ２１Ｑの１
対で構成され、ＩＩＬインバータ２２は、ｐｎｐトラン
ジスタ２２Ｐとｎｐｎトランジスタ２２Ｑの１対で構成
され、ＩＩＬインバータ２３は、ｐｎｐトランジスタ２
３Ｐとｎｐｎトランジスタ２３Ｑの１対で構成される。
ｐｎｐトランジスタ２１Ｐ，２２Ｐ，２３Ｐは、各ＩＩ
Ｌインバータ２１、２２、２３のバイアス電流供給回路
を構成する。

【００６６】また、ｐｎｐトランジスタ２２ＰはＩＩＬ
インバータ２１の負荷として動作し、ｐｎｐトランジス
タ２３ＰはＩＩＬインバータ２２の負荷として動作し、
ｐｎｐトランジスタ２１Ｐおよび２４はＩＩＬインバー
タ２３の負荷として動作する。

【００６７】そして、ｎｐｎトランジスタ２３Ｑはダブ
ルコレクタの構成とされ、その一方のコレクタが負荷ト
ランジスタ２４のコレクタ・エミッタ間を通じて太陽電
池１に接続されると共に、その他方のコレクタがｎｐｎ
トランジスタ２１Ｑのベースに接続されて、リングオシ
レータ２０が構成される。

【００６８】図４の回路構成において、インバータの負
荷あるいはバイアス電流供給回路として動作する４個の
ｐｎｐトランジスタ２１Ｐ，２２Ｐ，２３Ｐ，２４は、
図に示すように、ベース接地で動作する。このため、電
源電圧は、トランジスタのベース・エミッタ電圧の１段
分でよい。この電圧は、ちょうどダイオードの順方向電
圧に等しい。したがって、太陽電池１が生成する光起電
力が、ちょうど、この電源電圧に適合して動作する。こ
のように、ＩＩＬは、他の論理回路に比較した特徴の１
つとして、電源電圧が低い特徴を有し、図４の例は、こ
れを生かしたものである。

【００６９】次に、図４の回路構成の場合の半導体構造
の例について、説明する。図５は、この実施例における
１個のイメージセル１０の半導体構造の斜視図である。
また、図６は、この実施例の場合のイメージセル１０の
平面パターン図である。図５は、図６において、Ａ−Ａ
線で切断して、このＡ−Ａ線よりも上の領域を斜視図と
したものに等しい。なお、図５および図６において、一
点鎖線１０１は、イメージセル１０の境界線を示してい
る。

【００７０】図５に示すように、この例の固体撮像素子
のイメージセル１０は、共通のｎ＋半導体基板１１上に
それぞれ構成されるもので、イメージセル１０の境界
は、ｎ＋層１２で囲まれており、これによりイメージセ
ル１０間が互いに分離される。

【００７１】そして、各イメージセル１０においては、
共通のｎ＋型半導体基板１１中に、ｎ−層１３１および
１３２を形成する。そして、ｎ−層１３１に、受光部と
してのｐ層１４０と、インバータ２１、２２、２３を構
成するためのｐ層１４１、１４２、１４３と、負荷トラ
ンジスタ２４を構成するためのｐ層１４４（図６参照）
を形成する。また、ｎ−層１３２に、スイッチトランジ
スタ３１を構成するためのｐ層１４５を形成する。そし
て、ｐ層１４１にはｎ＋層１５１を、ｐ層１４２にはｎ
＋層１５２を、ｐ層１４３にはｎ＋層１５３および１５
４を、それぞれ形成する。また、ｐ層１４５にはｎ＋層
１５５および１５６を形成する。

【００７２】受光部であるｐ層１４０とその下側のｎ−
層１３１との間で、ホトダイオードを形成し、これが太
陽電池１として動作する。ｐ層１４０が太陽電池１の正
電位を発生する陽極である。また、ｎ−層１３１は太陽
電池１の陰極で、共通のｎ＋半導体基板１１に一体化し
て接続され、接地される。

【００７３】受光部のｐ層１４０の右側に、ＩＩＬイン
バータの３つのｎｐｎトランジスタ２１Ｑ，２２Ｑ，２
３Ｑの部分が形成される。各々のトランジスタはＩＩＬ
のｎｐｎトランジスタとして周知の、逆ｎｐｎトランジ
スタ構造とされている。

【００７４】すなわち、３つのｎｐｎトランジスタ部分
２１Ｑ，２２Ｑ，２３Ｑに対応して、それぞれ上側のｎ
＋層１５１、１５２、１５３、１５４がコレクタ、ｐ層
１４１、１４２、１４３がベース、下側のｎ−層１３１
がエミッタである。通常のトランジスタは上側のｎ＋層
１５１、１５２、１５３をエミッタ、下側のｎ−層１３
１をコレクタとして使う。これと逆向きの接続であるた
め逆ｎｐｎトランジスタと呼ばれる。この構成によれ
ば、エミッタである下側のｎ−層１３１は、その下のｎ
＋半導体基板１１に一体化して接続でき、共通に接地で
きる。

【００７５】ＩＩＬインバータ２１、２２、２３のｐｎ
ｐトランジスタ２１Ｐ，２２Ｐ，２３Ｐは、太陽電池１
の陽極であるｐ層１４０と、逆ｎｐｎトランジスタ２１
Ｑ，２２Ｑ，２３Ｑのベースであるｐ層１４１、１４
２、１４３との間で構成される。このとき、太陽電池１
の陽極であるｐ層１４０の右端部分がそれ自体で、ｐｎ
ｐトランジスタ２１Ｐ，２２Ｐ，２３Ｐのエミッタを兼
ねる。また、逆ｎｐｎトランジスタ２１Ｑ，２２Ｑ，２
３Ｑのベースであるｐ層１４１、１４２、１４３の左端
部分がそれ自体で、ｐｎｐトランジスタ２１Ｐ，２２
Ｐ，２３Ｐのコレクタを兼ねる。さらに、ｐ層１４０と
ｐ層１４１、１４２、１４３の間のすき間領域（ｎ−層
１３１）がそれ自体で、ｐｎｐトランジスタ２１Ｐ，２
２Ｐ，２３Ｐのベースを兼ねる。

【００７６】したがって、この図５の実施例によれば、
ＩＩＬインバータ２１、２２、２３の電流バイアス用ト
ランジスタであるｐｎｐトランジスタ２１Ｐ，２２Ｐ，
２３Ｐは、特にパターンの形成が不要である。また、こ
のため、太陽電池１の陽極とｐｎｐトランジスタ２１
Ｐ，２２Ｐ，２３Ｐのエミッタを結ぶ配線も不要であ
る。したがって、この第１の実施例によれば、１画素あ
たりの素子数を大幅に削減できる効果がある。

【００７７】また、図６に示すｐ層１４４は、負荷トラ
ンジスタであるｐｎｐトランジスタ２４のコレクタであ
り、ｐ層１４０がエミッタ、ｐ層１４０とｐ層１４４と
の間のｎ−層１３１がベースである。

【００７８】さらに、スイッチトランジスタ３１を構成
するｎ型ＭＯＳトランジスタについて説明すると、ｐ層
１４５がｐウエルであり、その周囲のｎ＋層１２と接続
されて、接地されている。また、ｐ層１４５の中のｎ＋
層１５５が、スイッチトランジスタ３１のドレイン、ｎ
＋層１５６が、ソースである。そして、その上側の図５
および図６において、黒く塗りつぶしたパターン１６
が、ゲートである。なお、図５および図６中の太線と黒
丸は、配線層と接続点をそれぞれ示している。

【００７９】図７は、図６のＡ−Ａ線に沿った断面構造
を示す。この図７に示すように、イメージセル１０のそ
れぞれとして、上述したようにして、各素子を形成した
半導体基板１１の表面上には、アルミニウム等による金
属配線層１７と、絶縁層としてのＳｉＯ₂層１８が設け
られる。

【００８０】以上の説明および図６から分かるように、
この第１の実施例の場合、１画素を構成するイメージセ
ル１０当たりの素子数は、太陽電池１を形成するｐ層１
４０の他に、トランジスタ領域としては、５素子だけで
よい。

【００８１】すなわち、第１の実施例によれば、ＩＩＬ
インバータの奇数段、この例では、３段で構成したリン
グオシレータで可変周波数発振器を構成したことによ
り、１画素あたりの素子数が極めて少ない構成で、所望
の回路を構成できる。

【００８２】また、ＩＩＬで構成したリングオシレータ
は、その発振出力について、不要輻射の大きさは小さ
く、このため、隣接するイメージセルの出力信号の飛び
込みノイズの影響は少ない。そのうえ、イメージセル１
０間の境界を構成するｎ＋領域の、リングオシレータの
出力信号に対する抵抗が一般に大きいため、この実施例
においては、隣接イメージセルからの漏れ電荷の飛び込
みに対する対策として、特殊な施策を必要としないとい
う効果もある。

【００８３】以上説明したようにして、上述した第１の
実施例の固体撮像素子においては、所望の画素を選択し
た時点の出力信号を、順に外部へ取り出すことができ
る。そして、この出力信号は、前述したように、画素の
受光強度にほぼ比例した周波数ｆｏｓｃのパルス信号で
あるので、この周波数ｆｏｓｃだけを、画素毎に、周波
数カウンタで読み取れば、各画素の受光強度を検出する
ことができる。このため、信号波形の劣化や雑音等の影
響を、ほとんど受けないという、大きな特徴がある。

【００８４】また、この実施例によれば、固定パターン
雑音をさらに低減する手法である、デジタルキャンセル
法を適用しやすいという効果がある。このデジタルキャ
ンセル法は、例えば、従来の技術の欄で示した文献の、
「ＣＭＯＳＳｅｎｓｏｒｓ」の章に紹介されているも
ので、あらかじめ、固体撮像素子に基準照度の光を照射
し、その時の各画素の出力信号の値をＲＡＭなどのメモ
リに格納しておき、これを撮像時の出力信号から差し引
いて、実際の出力とするものである。これにより、画素
ごとの基準レベルのばらつきによる固定パターン雑音
を、キャンセルできるものである。

【００８５】前述した第１の実施例においては、出力信
号が周波数のデジタルカウントデータなので、基準照度
時の各画素の出力周波数の値をＲＡＭに格納しておき、
撮像時の各画素の出力との比をとる構成とすることによ
り、容易にデジタルキャンセル法を適用できる。

【００８６】以上のように、上述の第１の実施例によれ
ば、極めて少ない素子数で、高精度で固定パターン雑音
の少ない、固体撮像素子を実現できる。

【００８７】［第２の実施例］図８は、この発明の第２
の実施例によるイメージセル１０の断面構造図である。
この第２の実施例は、太陽電池１を構成するホトダイオ
ードを非晶質シリコン層（ａ−Ｓｉ；アモルファスシリ
コン）１９０で構成し、これを、可変周波数発振器を形
成した半導体基板の上に、積層して形成したものであ
る。

【００８８】この第２の実施例の回路構成は、ＩＩＬイ
ンバータの３段により可変周波数発振器２０を構成する
点を含んで、図４に示した第１の実施例の回路構成と同
様である。図８は、図７の断面図に対応するものであ
り、図７と対応する部位には、同一符号を付与すること
とする。

【００８９】この第２の実施例の場合、非晶質シリコン
層１９０の中に形成されたｐ型の非結晶シリコン層１９
１およびｎ−型の非晶質シリコン層１９２からなるｐｎ
−接合により、各イメージセル１０の太陽電池１として
のホトダイオードを形成する。

【００９０】この場合、ｎ−型の非晶質シリコン層１９
２は、固体撮像素子のすべてのイメージセル１０に共通
に一体化形成され、その上部の透明電極１７２に接続さ
れる。この透明電極１７２は接地される。すなわち、ｎ
−型の非晶質シリコン層１９２と、透明電極１７２とは
画素毎には分離されておらず、固体撮像素子全体につい
て共通である。

【００９１】一方、ｐ型の非晶質シリコン層１９１は、
画素ごとに分離形成され、各々、イメージセル１０ごと
に設けられるピクセル電極１７１に接続される。ピクセ
ル電極１７１は、モリブデンやタングステン等の高融点
金属などで形成され、その下方の半導体基板１１に対す
る遮光膜を兼ねる。

【００９２】この例の場合、ＩＩＬインバータ２１、２
２、２３のｐｎｐトランジスタ２１Ｐ，２２Ｐ，２３Ｐ
は、図５および図６に示した構造と異なる。すなわち、
この例の場合には、ｎ−層１３１にｐ層１４０に代わる
ｐ層１４６が形成される。このｐ層１４６は、ＩＩＬの
ｐｎｐトランジスタ２１Ｐ，２２Ｐ，２３Ｐのエミッタ
すなわちインジェクタで、周知の構造のものである。す
なわち、図８の場合、ｐ層１４３の左側がｐｎｐトラン
ジスタ２３Ｐのコレクタとなり、これとエミッタである
ｐ層１４６との間のｎ−層１３１がベースとなる。他の
ｐｎｐトランジスタ２１Ｐ、２２Ｐについても同様に構
成される。

【００９３】ピクセル電極１７１は、絶縁層１８に開け
たスルーホールを介して、上述したＩＩＬインバータ２
１、２２、２３のｐｎｐトランジスタ２１Ｐ，２２Ｐ，
２３Ｐの共通エミッタであるｐ層１４６に接続される。

【００９４】この第２の実施例によれば、太陽電池１と
して働くホトダイオードを完全にＩＩＬ回路の上に積層
することができる。このため、１画素あたりの平面的な
素子数が少なくなると共に、１画素あたりの平面的な面
積を、大幅に低減できる。また、ホトダイオードを、ほ
ぼ画素の全面の上に形成できるので、画素面積に占める
受光面積の割合、すなわち受光効率が大幅に向上する。

【００９５】［第３の実施例］図９は、この発明の第３
実施例によるイメージセル１０の詳細回路図である。ま
た、図１０は、この第３の実施例によるイメージセル１
０の半導体構造の断面図であり、第１の実施例の図７、
第２の実施例の図８に対応する図である。

【００９６】この第３の実施例は、基本的な回路構成と
しては、前述の例と同様に、可変周波数発振器２とし
て、ＩＩＬインバータを３段用いたリングオシレータ２
０を用いるものであるが、ＩＩＬ回路において、ＩＩＬ
素子の高速化構造を用いた点に特徴がある。

【００９７】すなわち、この第３の実施例においては、
図９に示すように、ＩＩＬリングオシレータ２０を構成
する３個のＩＩＬインバータ２１、２２、２３のｎｐｎ
トランジスタ２１Ｑ，２２Ｑ，２３Ｑの各々について、
コレクタを１つづつ追加し、当該追加したコレクタをそ
れぞれ自己のトランジスタのベースに接続する。

【００９８】図１０は、ＩＩＬインバータ２３、つま
り、トランジスタ２３Ｑおよび２３Ｐの部分を示すもの
である。この図１０に示すように、半導体構造的には、
トランジスタ２３Ｑのベースおよびトランジスタ２３Ｐ
のコレクタとなるｐ層１４３中に、トランジスタ２３Ｑ
の新たに追加したコレクタとなるｎ＋層１５７を設け
る。そして、この部分のアルミニウムの配線層１７ｂ
を、新たに追加したコレクタのｎ＋層１５７と、ベース
のｐ層１４３とを接続する状態で設ける。

【００９９】他のＩＩＬインバータ２２、２３のトラン
ジスタ２２Ｑ、２３Ｑについても、上述と同様に構成さ
れる。

【０１００】この図９の構造による高速化の、詳細原理
は省略するが、各ｎｐｎトランジスタ２１Ｑ，２２Ｑ，
２３Ｑのコレクタとベースとを接続することにより、こ
れらコレクタとベースとの間の接合が、深い順方向バイ
アスになるのを防止でき、トランジスタの飽和を防げる
ものである。すなわち、ｎｐｎトランジスタ２１Ｑ，２
２Ｑ，２３Ｑがオンしている状態から、オフ状態へ、高
速に変移することができ、発振周波数を高くすることが
できる。

【０１０１】この第３の実施例によれば、ＩＩＬトラン
ジスタを高速化構造にすることにより、発振器の応答性
が速くなる。このため、ホトダイオードである太陽電池
１の受光光量の変化に追随して、発振周波数がすみやか
に変化する。したがって、出力信号として、受光強度に
忠実な周波数を持つ信号を取り出すことができる。

【０１０２】［第４の実施例］図１１は、この発明の第
４の実施例による固体撮像素子のイメージセルの断面構
造図であり、これも、第１の実施例の図７、第２の実施
例の図８、第３の実施例の図１０に対応する図である。

【０１０３】この第４の実施例は、太陽電池１は、図８
で示した第２の実施例の積層型のホトダイオードを用い
ると共に、これに加えて、第３の実施例で示したＩＩＬ
素子の高速化構造を用いるものである。

【０１０４】すなわち、図１０の例のｐ層１４０に代え
て、ｐ層１４７がｎ−層１３１に形成される。このｐ層
１４７は、図８の例と同様に、ＩＩＬインバータ２１、
２２、２３のｐｎｐトランジスタ２１Ｐ，２２Ｐ，２３
Ｐのエミッタとなる。

【０１０５】そして、図８の例と同様に、上記のような
構成の可変周波数発振器を形成した半導体基板の上に、
非晶質シリコン層（ａ−Ｓｉ）１９０で構成した太陽電
池１としてのホトダイオードを積層して形成する。この
図１１において、図８と対応する部位には、同一符号を
付して、その説明を省略する。

【０１０６】この第４の実施例によれば、積層型である
ため、大幅な素子数の低減と受光面積率の向上が得られ
るのに加えて、高速化構造であるため、光強度の変化に
追随する高速応答性が得られる。

【０１０７】なお、前述もしたが、受光素子としての太
陽電池は、１個のｐｎ接合ではなく、複数個のｐｎ接合
を直列に接続して、０．７Ｖ以上の電源電圧とすれば、
可変周波数発振器は、上述のようなリングオシレータ等
の低電圧動作回路の構成に限られるものではない。

【０１０８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、固定パターン雑音が小さく、ＳＮ比が大きく、高感
度な固体撮像素子が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による固体撮像素子の一実施の形態の
回路図である。

【図２】この発明の第１の実施例によるイメージセルの
構成概念図である。

【図３】この発明の第１の実施例によるイメージセルの
回路図である。

【図４】この発明の第１の実施例によるイメージセルの
詳細回路図である。

【図５】この発明の第１の実施例によるイメージセルの
半導体構造を示す斜視図である。

【図６】この発明の第１の実施例によるイメージセルの
半導体構造の平面パターン図である。

【図７】この発明の第１の実施例によるイメージセルの
半導体構造の断面図である。

【図８】この発明の第２の実施例によるイメージセルの
半導体構造の断面図である。

【図９】この発明の第３の実施例によるイメージセルの
詳細回路図である。

【図１０】この発明の第３の実施例によるイメージセル
の半導体構造の断面図である。

【図１１】この発明の第４の実施例によるイメージセル
の半導体構造の断面図である。

【図１２】従来の固体撮像素子の一例を示す図である。

【図１３】従来の固体撮像素子の他の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１太陽電池２可変周波数発振器３スイッチ手段４垂直走査回路５垂直信号線６スイッチングトランジスタ７出力線８水平走査回路９出力端子１０イメージセル１１半導体基板１２ｎ＋層１６ゲート１７金属配線層１８絶縁層（ＳｉＯ₂層）２０リングオシレータ２１〜２３インバータ２４負荷トランジスタ３１スイッチトランジスタ１３１、１３２ｎ−層１４０ｐ層（ホトダイオードの陽極）１４１〜１４３ｐ層（逆ｎｐｎトランジスタのベー
ス）１４４ｐ層（負荷ｐｎｐトランジスタ２４のコレク
タ）１４５ｐ層（ＭＯＳトランジスタのｐウエル）１４６ｐ層（ＩＩＬのインジェクタ）１５１〜１５４ｎ＋層（逆ｎｐｎトランジスタのコレ
クタ）１５５、１５６ｎ＋層（ＭＯＳトランジスタのソー
ス、ドレイン）１５７ｎ＋層（逆ｎｐｎトランジスタの追加コレク
タ）１７１ピクセル電極（兼遮光膜）１７２透明電極１９０非晶質シリコン層１９１ｐ型非晶質シリコン層１９２ｎ−型非晶質シリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、１次元もしくは２次元に
配列された複数個の画素を具備してなる固体撮像素子に
おいて、前記各画素は、少なくとも１個の受光素子と、この受光
素子が生成する光起電力を電源として動作し前記光起電
力に応じた周波数で発振する可変周波数発振器とを具備
し、前記可変周波数発振器の出力信号の周波数によって、前
記各画素の受光強度を検出することを特徴とする固体撮
像素子。
【請求項２】前記可変周波数発振器は、奇数個のインバ
ータからなるリングオシレータで構成されることを特徴
とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】請求項２に記載の固体撮像素子において、
前記リングオシレータは、集積注入論理回路で構成され
ることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】請求項２に記載の固体撮像素子において、
前記リングオシレータは、集積注入論理回路構成のイン
バータを奇数段用いた構成とすることを特徴とする固体
撮像素子。
【請求項５】請求項４に記載の固体撮像素子において、
前記集積注入論理回路構成のインバータを構成する各段
のトランジスタのベース・コレクタ間を接続して、高速
化構造としたことを特徴とする固体撮像素子。