JPH11312798A - リニアイメージセンサ - Google Patents
リニアイメージセンサInfo
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- 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
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Abstract
ニアイメージセンサの残像特性を改善すること。 【解決手段】 受光素子の一部を光の一部を透過する電
極105で覆った受光MOSダイオードとし、光電荷の
蓄積時には受光MOSダイオードを反転状態にし、発生
した光電荷をその反転領域106とフォトトランジスタ
のベース領域103に蓄積する、この蓄積状態の時に反
転領域106とフォトトランジスタのベース領域103
の電位を制限することで電極105とn型シリコン半導
体基板101との絶縁膜中に掛かる電界強度を0.7M
V/cm以下とする、または待機状態中の電極105の
電位をVddに固定、あるいはフローティングとし電界
が掛からない様にし、n型シリコン半導体基板101表
面の再結合を安定させた。
Description
電送する、ファクシミリやイメージスキャナに好適なリ
ニアイメージセンサに関する。
は、公開特許公報・昭61−124171号公報にある
ようなリニアイメージセンサの受光素子が知られてい
る。その構造を図8に示す。図8中の4が分離層で、3が
エピタキシャル層でコレクタに、6がベース、9がエミ
ッタになっている。
・コレクタ接合部が広いために接合容量も大きく、かつ
ベース領域が浮遊状態になっているため、読み取り画像
が明状態から暗状態に変わっても、読み出した信号に前
の明状態の信号が残るという残像の問題があり鮮明な画
像を得られぬという問題点があった。
ために、本発明は受光素子の一部を光の一部を透過する
電極で覆った受光MOSダイオードとし、光電荷を蓄積
する間は受光MOSダイオードを反転状態で動作させ、
発生した光電荷をその反転領域と、フォトトランジスタ
のベース領域に蓄積し、外部へ読み出した後のリセット
時には受光MOSダイオードを蓄積状態にさせて、外部
へ読み出しきれなかった残留電荷をベース領域に移して
ベース領域の光電荷密度を上げた状態で、エミッタを介
しリセットし、残像となる残留電荷を減らした。読み出
し時にも受光MOSダイオードを蓄積状態にすること
で、受光MOSダイオード下に蓄積された光電荷をベー
ス領域に移して、ベース・エミッタ間電圧を大きくする
事でフォトトランジスタのバイポーラトランジスタ動作
をさせやすくし、前述した特性とは逆の、読み取り画像
が暗状態から明状態に変わって時にも、読み出した信号
が十分な明状態の信号よりやや低いという立ち上がりの
特性を改善した。
に0.7MV/cm以上の電界が掛からない様にするた
めにベース電位を制限する事で、ゲート酸化膜界面が与
える表面再結合電流の影響を安定させ、さらに画素に太
陽光や蛍光燈下で照度の高い光が入射した場合、吸収し
きれなかった光電荷が隣接する画素付近への漏れ込みを
改善した。また待機状態時には受光MOSダイオードの
ゲートの電位をハイに固定、あるいはフローティングと
することで受光MOSダイオードのゲート酸化膜に電界
が掛からない様に改善した。
て詳細に説明する。図1は本発明の実施形態を示すリニ
アイメージセンサの受光素子の断面構造図である。10
1はn型シリコン半導体基盤、102はその半導体基盤
に電位を与えるために形成された不純物濃度の高いn型
領域、112はその金属電極、103はバイポーラ・フ
ォトトランジスタのp型ベース領域、113はその金属
電極、104はバイポーラ・フォトトランジスタのn型
エミッタ領域、114はその金属電極、105は受光M
OSダイオードのゲート電極で、光の少なくとも一部を
透過する多結晶シリコン等からできている。106は受
光MOSダイオードのゲート電極105に正の電位が印
加され、n型シリコン半導体基盤101の表面が反転状
態になった時の反転領域を示し、n型シリコン半導体基
盤101が、受光MOSダイオードの基盤領域とフォト
トランジスタのコレクタ領域とになる。107は遮光
膜、108は光を透過する透明保護膜、110は、フォ
トトランジスタと受光MOSダイオードとが形成されて
いる受光素子領域である。いま原稿画像を読み取る蓄積
期間中に受光素子領域110に光が照射されると、n型
シリコン半導体基盤101中で発生した光電荷の正孔
は、ベース103や反転領域106に蓄積される。ここ
で反転領域106が形成されていない場合には、発生し
た光電荷の正孔の一部は、その受光素子領域110中の
ベース103に到達し蓄積されるが、ベース103に到
達せずに消滅したり、近傍の他の受光素子領域や負の電
位の領域へ拡散やドリフトしたりして、結果としてその
受光素子領域で発生した光電荷をその受光素子で十分に
蓄積できず、外部に読み出す事ができなくなってしま
う。受光MOSダイオード下に反転領域106を形成し
て電荷を蓄積する事により、従来例の広いベース領域を
有するフォトトランジスタからなる受光素子と同程度の
光電変換効率を得ることができるようになった。蓄積動
作の後、外部へ画像信号を読み出すが、外部へ読み出し
た後のリセット時には、ゲート電極105に正の電位を
印加し、受光MOSダイオード下のn型シリコン半導体
基盤101の表面が反転状態から蓄積状態に成るように
する。こうすることによって、外部へ読み出しきれなか
った残留電荷をベース領域103に移してベース領域の
光電荷密度を上げた状態で、エミッタ104を介しリセ
ット電位にリセットし、残像となる残留電荷を減らし
た。また、読み出し時にも、受光MOSダイオード下の
n型シリコン半導体基盤101の表面を蓄積状態にする
ことで、その前の反転領域106に蓄積された光電荷の
正孔をベース領域103に移して、ベース・エミッタ間
電圧を大きくする事でフォトトランジスタのバイポーラ
トランジスタ動作をさせやすくし、その結果として、前
述の残像の課題とは逆の特性の、読み取り画像が暗状態
から明状態に変わって時に、読み出した信号が十分な明
状態の信号に比べ、やや小さいという暗から明への立ち
上がりの特性を改善した。
電型と、フォトトランジスタのベース103の導電型を
同じにする事で、単位受光素子を構成する素子数を少な
くした。また受光MOSダイオード下の反転領域106
に蓄積した光電荷を、確実にフォトトランジスタのベー
ス103に転送するために、受光MOSダイオードのゲ
ート電極105が、絶縁膜を介してフォトトランジスタ
のベースの少なくとも一部を覆うようにした。
造図で、MOSトランジスタからなるスイッチング素子
やリセット素子を含んでいる。図1で示した受光素子領
域110に加え、109は遮光用の金属薄膜、121は
n型シリコン半導体基盤101と導電型を異にするpウ
エル、123と124はpウエル121中に形成された
スイッチング用nチャネルMOSトタンジスタのドレイ
ン領域とソース領域、128はそのMOSトランジスタ
のゲート電極、127はドレイン領域123からの引き
出し電極で前述のエミッタ104の金属電極114と接
続され同電位になっている。125と126は同じくp
ウエル121中に形成されたリセット用のnチャネルM
OSトタンジスタのドレイン領域とソース領域、130
はそのMOSトランジスタのゲート電極、131はソー
ス領域126からの引き出し電極でリセット電位となる
Gnd電位を与える拡散領域122と接続されている。
この拡散領域123はpウエル121と同じ導電型で、
pウエルにも電位を与えている。前述のスイッチング用
MOSトランジスタのソース領域124とリセット用M
OSトランジスタのドレイン領域125が金属配線12
9で接続されている。金属配線129は受光素子で得ら
れた信号を外部へ読み出す回路へも接続されている。こ
のようにする事で、読み出し時およびリセット時に、受
光MOSダイオードのゲート電極105と、スイッチン
グ用nチャネルMOSトランジスタのゲート電極128
を接続することができ、光電荷蓄積時には、受光MOS
ダイオードのゲート電極105と、スイッチング用nチ
ャネルMOSトランジスタのゲート電極128を、同時
に負電位にし、反転領域106を形成するとともにスイ
ッチングMOSトランジスタを非導通状態にし、光電荷
をベース103と反転領域106に蓄積することがで
き、また読み出し時およびリセット時には、受光MOS
ダイオードのゲート電極105と、スイッチング用nチ
ャネルMOSトランジスタのゲート電極128を、同時
に正電位にし、スイッチング用nチャネルMOSトラン
ジスタを導通状態にするとともに、受光MOSダイオー
ド下の反転領域106を蓄積領域に変えて、反転領域1
06に蓄積された光電荷をベース領域103に移し、ベ
ース・エミッタ間電圧を高めて読み出しおよびリセット
をしやすくする。またこの時、受光MOSダイオードの
ゲート電極105が、絶縁膜を介してフォトトランジス
タのベース領域103の少なくとも一部を覆う構造にな
っているため、反転領域106に蓄積した光電荷を、確
実にベース領域103に移せ、それによって複数の受光
素子間で均一な光電変換効率が得られる。以上より受光
MOSダイオードのゲート電極105と、スイッチング
用nチャネルMOSトランジスタのゲート電極128と
を同一の走査回路で制御でき、リニアイメージセンサの
回路を構成する素子数を低減できた。すなわち、受光素
子からの信号を外部へ読み出すスイッチング用のMOS
トランジスタを、受光MOSダイオードが形成される基
板の導電型と異なる導電型の基盤上に形成し、ゲート電
極を共通にする事で、回路規模を小さく抑えるととも
に、複数の受光素子間で均一な光電変換効率を得た。な
お、リセット動作は、読み出しが終わった後に、スイッ
チング用のMOSトランジスタを導通状態にさせたまま
にして、リセット用MOSトランジスタを、読み出し時
の非道通状態から、導通状態にして、リセット電位を、
リセット用MOSトランジスタ、およびスイッチング用
MOSトランジスタを介し、フォトトランジスタのエミ
ッタ102に印加することでなされる。便宜上、n型シ
リコン半導体基盤101を用いて説明したが、p型シリ
コン半導体基盤でもよい。また受光MOSダイオードの
ゲート電極105には多結晶シリコンを用いたがITO
等の透明導電薄膜でも良い。
図で、複数のフォトトランジスタから成る受光素子アレ
イと複数のスイッチング素子から成るアナログ・スイッ
チ・アレイと走査回路となるシフト・レジスタおよびシ
フト・レジスタを駆動する走査入力回路とクロック・バ
ッファそして、走査回路の出力信号および受光素子で得
られた画像信号とを出力する出力回路からなる。
アイメージセンサの受光素子の第一の回路図である。単
位受光回路は次のように構成されている。受光素子とな
るフォトトランジスタ201のコレクタ電極が電源電圧
VDD、フォトトランジスタ201のベース領域と受光
MOSダイオードのpチャネルMOSトランジスタ20
2の第一電極は共通の拡散領域で接続されている。 M
OSトランジスタ202の第一電極はフローティングで
ある。フォトトランジスタ201のエミッタ領域にはス
イッチング用nチャネルMOSトランジスタ203の第
一電極とリミッタ回路205が接続されており。 MO
Sトランジスタ203の第二電極は共通信号線204に
接続されている。MOSトランジスタ202の第三電極
ゲート及びMOSトランジスタ203の第三電極ゲート
はΦSchが接続されている。ΦSchがロウになると
MOSトランジスタ203はオフし、MOSトランジス
タ202はオンし蓄積期間中となる、ここでフォトトラ
ンジスタ201に光が照射されると、図1のごとくn型
シリコン半導体基盤101中で発生した光電荷の正孔
は、ベース103や反転領域106に蓄積される。しか
し強い光が照射された場合、発生した光電荷の正孔の一
部は、その受光素子領域110中のベース103に到達
し蓄積されるが、近傍の他の受光素子領域や負の電位の
領域や拡散へドリフトする。また受光MOSダイオード
のゲート電極105と反転領域106の間の絶縁膜の界
面の発生再結合中心は、蓄えられた光電荷量に影響し光
電特性の不安定要因となる。これを阻止するためベース
103と反転領域106の電位Vbcを最大2.5Vと
した。これにより絶縁膜中の最大電界強度は0.7MV
/cm以下となり、膜中に流れる電荷量は抑制される。
図4(a)はフォトトランジスタ201のエミッタ領域
の電圧を制限する場合であり、リミッタ回路205のリ
ミット電圧Vlimは、ここでフォトトランジスタ20
1のベース・コレクタ間電圧をVbc,ベース・コレク
タ間容量をCbc,電流増幅率をhfe、配線容量20
6の容量値をCL、とすると
本発明の実施形態を示すリニアイメージセンサの受光素
子の第二の回路図である。このようにフォトトランジス
タ201のベース領域の電圧を直接制限する構成とし
た。また便宜上、受光MOSダイオードの電極がある場
合で説明したが、受光MOSダイオードのゲートが無い
フォトトランジスタ201のベース領域がフローティン
グの場合でも良く、光電荷が近傍の他の受光素子領域や
負の電位の領域や拡散へのドリフトを抑える事が出来
る。
アイメージセンサのリミッタ回路の第一の回路図であ
る。nチャネルMOSトランジスタ207のソースと基
板はGNDに接続し、ゲート電極とドレイン電極が端子
208に接続されており、端子208とGND間の電圧
を制限する。 このMOSトランジスタ207の合わせ
込まれた閾値電圧がリミット電圧Vlimとなる。この
場合は単位受光回路にMOSトランジスタ1個の為セル
面積の縮小が可能である。図5図5(b)は本発明の実
施形態を示すリニアイメージセンサのリミッタ回路の第
二の回路図である。pn接合で形成されたダイオード2
09のp型領域をGNDに接続し、n型領域は端子21
0に接続されており、端子209とGND間の電圧を制
限する。
ット電圧Vlimとなる。図5(c)は本発明の実施形
態を示すリニアイメージセンサのリミッタ回路の第三の
回路図である。nチャネルMOSトランジスタを多数段
シリアルに接続した物で、MOSトランジスタ211の
みソースと基板はGNDに接続し、ゲート電極とドレイ
ン電極が接続されている、MOSトランジスタ211か
ら端子213までの間の、あるnチャネルMOSトラン
ジスタのソースは次のnチャネルMOSトランジスタの
ドレインに接続されている。一番端子側のnチャネルM
OSトランジスタ212のゲート電極とドレイン電極は
端子213に接続されており、端子213とGND間の
電圧を制限する。 このMOSトランジスタ211から
MOSトランジスタの段数分の閾値電圧がリミット電圧
Vlimとなる。このため図5(a)の回路は図2のご
とくC−MOS領域と同一の拡散での構成が可能であ
り、また図5(b)同一の閾値電圧のNチャネルMOS
トランジスタでの構成が可能でありプロセス工程数の変
更なしで形成することが出来る。
アイメージセンサの回路図である。画像情報を読み取る
フォトトランジスタ201と受光MOSダイオードのp
チャネルMOSトランジスタ202と、そのフォトトラ
ンジスタ201とMOSトランジスタ202で得られた
信号を外部に読み出すためのスイッチング用nチャネル
MOSトランジスタ203と、走査の為に端子214か
ら入力するスタートパルスΦSIを受けて、同じく走査
の為に端子215から入力するクロックΦCLKを受け
てシフトレジスタを駆動する走査回路216と、待機状
態の検出の為に端子214から入力するスタートパルス
ΦSIを受けて、同じく待機状態検出の為に端子215
から入力するクロックΦCLKを受けて待機状態を検出
する待機状態検出回路217と、待機状態検出回路21
7から出力するコントロールパルスΦCTRLを受けて
MOSトランジスタ202を制御する制御回路218か
ら構成する。ここではフォトトランジスタ201とMO
Sトランジスタ202とMOSトランジスタ203と制
御回路218で構成される単位受光回路のブロックと全
く同じ構成のブロックが、少なくとも出力ビットと同じ
数だけ入っている。
すリニアイメージセンサの単位受光素子の第一のタイム
チャート図である。スタート信号ΦSIが入力される
と、クロックパルスΦCLKに同期してMOSトランジ
スタ202のゲートにΦSch−1からΦSch−nが
順次入力され、同じくクロックパルスΦCLKに同期し
てMOSトランジスタ203のゲートにΦQ1からΦQ
nが順次入力され、共通信号線204に各ビットのフォ
トトランジスタ201の出力が読み出される。全ビット
の出力が終了し、期間T1から待機状態となり、クロッ
クパルスΦCLK、同じくスタート信号ΦSIの電位が
VDDあるいはGNDに固定されると、待機状態検出回
路217のコントロールパルスΦCTRLがハイとなる
と、ΦSch−1からΦSch−nはハイとなり、MO
Sトランジスタ202のゲートにはVDDが与えられ
る。これにより図1のごとく受光MOSダイオードのゲ
ート電極105の絶縁膜の界面には電界は加わらなくな
る。図7(b)は本発明の第2の実施形態を示すリニア
イメージセンサの単位受光素子の第二のタイムチャート
図である。期間T1から待機状態となり、クロックパル
スΦCLK、同じくスタート信号ΦSIの電位がVDD
あるいはGNDに固定されると、待機状態検出回路21
7のコントロールパルスΦCTRLがハイとなると、Φ
Sch−1からΦSch−nはフローティングとなり、
MOSトランジスタ202のゲートはフローティングと
なる。これにより図1のごとく受光MOSダイオードの
ゲート電極105の絶縁膜の界面には電界は加わらなく
なる。また便宜上コントロールパルスΦCTRLは待機
状態をハイの場合で説明したが、待機状態でロウとし、
それ以外をハイとしてΦSch−1からΦSch−nを
制御する事も可能である。
り、読み出し後のフォトトランジスタのベース領域に残
留する電荷が低減し、残像特性が改善した。また、本発
明を用いる事により、残像特性を改善しかつ、光電変換
効率を維持できた。
コレクタ間容量が低減でき、信号電荷を読み出しやすく
なり、暗状態から明状態に変わった時の立ち上がり特性
も改善できた。また、本発明を用いる事により、複数の
受光素子間の光電変換効率の均一性を向上する事ができ
た。
の素子数を低減でき、安価なリニアイメージセンサを実
現できた。また、本発明を用いる事により、強い外来光
による受光素子間のクロストークを低減する事と、受光
MOSダイオードのゲート電極と反転領域間の絶縁膜の
界面の表面再結合を抑える事ができた。
面構造図である。
イッチング素子の断面構造図である。
ある。
光素子の第一の回路図である。(b)は、本発明のリニ
アイメージセンサの受光素子の第二の回路図である。
ミッタ回路の第一の回路図である。(b)は、本発明の
リニアイメージセンサのリミッタ回路の第二の回路図で
ある。(c)は、本発明のリニアイメージセンサのリミ
ッタ回路の第三の回路図である。
センサの回路図である。
アイメージセンサの単位受光素子の第一のタイムチャー
ト図である。(b)は、本発明の第2の実施形態を示す
リニアイメージセンサの単位受光素子の第二のタイムチ
ャート図である。
構造図である。
ス領域 104 バイポーラ・フォトトランジスタのn型エミ
ッタ領域 105 受光MOSダイオードのゲート電極 106 反転領域 107 遮光膜 108 透明保護膜 110 受光素子領域 121 pウエル 123 スイッチング用nチャネルMOSトタンジス
タのドレイン領域 124 スイッチング用nチャネルMOSトタンジス
タのソース領域 128 スイッチング用nチャネルMOSトランジス
タのゲート電極 125 リセット用nチャネルMOSトタンジスタの
ドレイン領域 126 リセット用nチャネルMOSトタンジスタの
ソース領域 130 リセット用nチャネルMOSトランジスタの
ゲート電極
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体基板上に直線状に配置された画像
情報を読み取る複数のバイポーラのフォトトランジスタ
と、前記フォトトランジスタで得られた信号を外部へ読
み出すために各フォトトランジスタに入力端子接続され
るスイッチング素子と、複数の前記スイッチング素子の
制御端子を駆動する走査回路とから構成されるリニアイ
メージセンサにおいて、各々の前記フォトトランジスタ
に近接して、受けた光の少なくとも一部を透過するゲー
ト電極で覆った受光MOSダイオードを各々設けた事を
特徴とするリニアイメージセンサ。 - 【請求項2】 前記フォトトランジスタのベース電位を
制限する請求項1記載のリニアイメージセンサ。 - 【請求項3】 前記フォトトランジスタのベース電位は
2.5V以下とする請求項2記載のリニアイメージセン
サ。 - 【請求項4】 前記フォトトランジスタのエミッタ電位
を制限する請求項1記載のリニアイメージセンサ。 - 【請求項5】 前記フォトトランジスタのエミッタ電位
は2.5V以下とする請求項4記載のリニアイメージセ
ンサ。 - 【請求項6】 動作していない時は、受けた光の少なく
とも一部を透過する前記ゲート電極の電位を固定する請
求項1記載のリニアイメージセンサ。 - 【請求項7】 動作していない時は、受けた光の少なく
とも一部を透過する前記ゲート電極の電位はフローティ
ングとなる請求項1記載のリニアイメージセンサ。
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