JPS5813080A

JPS5813080A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPS5813080A
Application number: JP56111848A
Authority: JP
Inventors: Makoto Fujimoto; 眞藤本; Takahiro Yamada; 隆博山田; Omichi Tanaka; 田中　大通
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-07-16
Filing date: 1981-07-16
Publication date: 1983-01-25

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】本発明は、固体撮像素子の構成に関し、受光部の面積を
広くすることができて感度を高くすることができると共
に、電荷の垂直転送容量をでき“るだけ多くしてダイナ
ミックレンジを広げること、の−１できる素子を提供し
ようとするものである。

従来の主な固体撮像素子は、Ｃ０Ｄ（チャージカプルド
デバイス）を使用したもので、信号電荷の読み出し構成
法によシ、フレームトランスファ型と、インターライン
型との２種類がある。前者のフレームトランスファ型Ｃ
ＯＤは、第１図に示す様に、受光部Ａと蓄積部Ｂと、水
平転送門Ｃとによシ構成されている。受光部Ａは一画素
に対応する受光素子１０１　を複数個２次元的に配置し
たものであり、水平方向に連続したポリシリコン実極よ
シなり、垂直方向に１水平ライン毎に接続され、またチ
ャンネルストッパ１０６により水平方向を分離させてい
る。

垂直方向に１水平ライン毎に接続された２つの電極には
、φｖ、：φｖ２の２相りロック信号が印加される。第
２図ａはテレビ信号のブランキングパルスを示し、同図
ｂ　、ｃには垂直転送パルスφｖ、。

φＶ２　を示す。第１フイールドでは、φＶ、が印加さ
れている画素は蓄積状態にあシ、垂直ブランキング期間
に入ると、φＶ１とφＶ２の約１ＭＨｚ程度の垂直転送
パルスで、各画素に蓄積された信号電荷は第１図の矢印
の方向に転送される。

この時、第１図の蓄積部Ｂも、受光部Ａと対応、させて
同様な構成と画素数を持っていて、同図に示す様に、垂
直方向に接続されている。したがってこの蓄積部Ｂの垂
直方向に一水平ライン毎に接続された２つの一電極にも
、第２図ｄ、ｅに示す様に垂直ブランキング期間中に受
光部Ａと同様な垂直転送パルスφｖ１′　とφＶ２’　
とを印加することにより、受光部への信号電荷はこの蓄
積部Ｂに高速で転送される。

次に、蓄積部Ｂに転送された信号電荷は、φＶ１′とφ
Ｖ２’の水平ブランキング期間中のノくルスにより、１
水平期間で１ビツトずつ矢印の方向に転送され、水平転
送部Ｃの各エレメント１０３に読み込〜まれ、この水平
転送部９では、第２図ｇ、ｈに示す水平転送パルスφＨ
１とφＨ２によシ水平方向に転送されて、信号取出し部
１０４よシ映像信号として取り出すものである。

第２図ｆはφＨ１とφＨ２の時間軸を明確にするための
水平ブランキングパルスである。

この様な構成のフレームトランスファ型ＣＯＤは、垂直
転送部と受光部を共用しているため、垂直転送部として
は、面積が広く取れるので、最大転送容量が大きく取れ
るが、受光部としては、転送用ポリシリコンが覆ってい
るため短波長域の感度が低下し、可視光域のバランスの
取れた分光感度が必要であるカラーカメラ用の固体撮像
素子としては不適当である。

また、前記の様に、垂直転送部と受光部を共用している
ため、垂直ブランキング期間中に垂直転送を高速で行な
っているが、この期間中にも、受光しているため、特に
強い光が入射した時には、垂直方向に流れて見えるスメ
ア現象を発生する欠点もある。

また、水平方向には、チャンネルストッパーにより受光
素子が分離されているが、垂直方向はφＶ１とφＶ２が
ポリシリコン電極に印加されて生しるポテンシャルウェ
ルが画素となるため、隣接　　　　　（５されたポテン
シャルウェルの生じていない部分にする欠点もある。

この様な構成および特長を持つフレームトランスファ型
ＣＯＤに対し、これらの欠点を改良するものとして、第
３図に示すインターライン型ＣＯＤがある。このインタ
ーラインＣＯＤは受光部Ａと水平転送部Ｂとで構成され
、受光部Ａは複数個の受光素子３０１　　と、これらの
受光素子３０１　に蓄積される信号電荷を読み出すため
のゲー）３０２と、このゲー）３０２を通って読み出さ
れた信号電荷を垂直転送するＣＯＤで構成された垂直転
送ライン３０３で成り、受光素子３０１以外の部分は、
アルミマスク等により遮光されている。

第４図の駆動パルスの波゛形図を使用して動作を説明す
る。第゛４図ａは全体のタイミングを示すための同期信
号発生器より取り出しだブランキング信号であり、受光
素子３０１に蓄積された信号電荷は第４図すに示すゲー
トパルスφＧにより、垂直７゛う″′グ期間中に読み出
さ′Ｆ″千・？−０時・垂直転送ＣＣＤ　３０３には、
第４図ｃ、ｄに示す垂直クロックパルスφｖ１．φｖ２
が垂直方向に１水平ライン毎に印加されているため、ゲ
ートパルスφＧが印加されている期間に垂直クロノクツ
（ルスがハイレプルになっているφ■、の印加により生
じたポテンシャルウェルにのみ信号電荷が読み適寸れる
。次のフィールドではこの関係を逆にしておけば、イン
ターレース動作を行なったことになる。

この様に、垂直転送ＣＯＤのポテンシャルウェルに読み
込まれた信号は垂直転送パルスφｖ１　　とφＶ２　に
よシ１水平走査期間ごとに１ビツトづつ転送されて、水
平転送ＣＯＤの各ニレメン）３０４に読み込まれ、第４
図（９で示した水平転送パルスφＨ１，φＨ２により水
平転送されて、信号出力部３０６よす映像信号として取
り出されるものである。第４図ｅは水平転送パルスのタ
イミングを示すだめの水平ブランキングパルスである。

この様゛な構成のインターライン型ＣＯＤでは、受光素
子と転送部が分離されていて、この転送部は遮光されて
いるため転送時に光蓄積されて稙する光スメアの現象は
起らなａ。また、この受光部としてはポリシリコン等の
覆っていない構成がと、れるだめ、短波長域の感度を低
下させることもな、い。また、受光部は第３図チャンネ
ルストッパー３０７により独立して配置されているため
、ＭＴＦを低下させることもない。

しかしながら、このインターライン型ＣＯＤの最大の欠
点は、一つの画素内に受光素子部、ゲート部および垂直
転送部の３部分があるため、受光素子部の面積を広くす
ると垂直転送部の面積が狭くなって転送容量が減少し、
カメラとしてのダイナミックレンジが狭くなるというこ
とである。また、転送容量を増加させるために垂直転送
部の面積を広くすると、受光部が狭くなって感度が低下
してし１う。

−これは、固体撮像素子を立体構成として受光部の面積
を広げた積層型固体撮像素子に卦いては光蓄積される信
号電荷は、彫）３図の構成のものより４〜５倍以上にも
達するため、特に、チップサイズを小形化した場合にお
いては、転送容量以上の過剰電荷はオーバーフローして
プルーシングとなるなどの重大な問題を発生させる。

また、別の従来例として拡散層による垂直転送チャンネ
ルにレジステイブゲートを使用したもの（特開昭５２−
１３７２１０号公報、特開昭５３−２４７９５号公報）
があるが、レジステイブゲートでは、電位傾斜を使用し
て電荷を移動させているため、大面積でのプロセスの困
難さと各受光素子からのゲート部による電位傾斜の凸凹
で、縦縞の固定ノイズを発生したり、移動距離が垂直方
向で上部と下部では大巾に異なるために取り残し分によ
るシェーディングや部分的な残像が発生しておシ、これ
らの理由で実用上使用できなかった。

そこで、本発明はかかる従来の欠点を解決して。

受光部の面積ｒ広くすることができて感度を充分に高く
することができ、しかも、電荷の垂直転送容量も大きく
することができてダイナミックレンジを広げることめで
きる固体撮像素子を提供することを目的とするものであ
る。　　　　　　　　　　　　　　１以下、本発明の一
実施例を第５〜８図を参照して説明する。

第５図はその回路構成を示すもので、同図にお。

いて、５０８はＰＮ接合等によるフォトダイオードで、
固体撮像素子上に結像された被写体像を電気信号（信号
電荷）に変換する。変換された信号電荷は、読出しゲー
ト部５０７を介して垂直転送部５１０に導かれる。この
時、読出しゲート部５０７はシフトレジスタ駆動パルス
φｖ及びシフトレジスタスタートパルスφＳＴ　により
駆動されるシフトレジスタ５０９によって水平列ごとに
垂直方向に順次導通状態とされる。

ここで、同一時刻に導通状態となる読出しゲート部は同
一水平列のみ、すなわち垂直方向には１つの水平列のみ
である。

垂直転送部５１０は固定バイアス電極６１１を先・の読
出しゲート部５０７と共通にしておシ、転送電極６０６
に垂直転送パルスφＴを印加することで動作する１相Ｃ
ＣＤとなっている。この垂直転送部６１０に導かれた信
号電荷は、垂直方向に転送され一度蓄積部６１２に蓄え
られ、その後水平走査ごとに開閉する垂直読出しゲート
６０６を１゜介して、入力端子５０４からの垂直読出しパルスφＰに
同期して水平転送部６０３に送られる。水平転送部５０
３は水平走査期間に同期した水平転送パルスφＨにより
駆動され、信号電荷を水平走査に同期して信号電圧に変
換する出力アンプ５０２に送る。

以上の様にして、フォトダイオード６０８で電気信号に
変換された被写体像は、垂直及び水平に走査され、映像
信号として出力端５０１　　より出力される。

次に、本素子の特徴を明確化するためにフォトダイオー
ド６０８　、読出しゲート６０７及び垂直転送部６１０
の一部の構造の一具体例を第６図に示す。

第６図において、６０１はフォトダイオード５０８を構
成するＰＮ接合であり、６０２はシフトレジスタ５０９
より読出しゲート５０７のゲート電極及び垂直転送部５
１０の固定バイヤス電極６１１へ導びかれ、前記各電極
を構成するもので・ある。すなわち、読出しグー）５０
７は電極６０２と同電極下の浅いポテンシャルを形成す
る不純層。

６０３とによシ構成されている。また、垂直転送部６１
０は４つの異る不純物濃度の領域６０４゜６０５．６０
６，６０７により後述する階段状のビルトインポテンシ
ャルを作り、°この上に先の固定バイアス電極６０２と
転送用の電極６０８を配することで一相ＣＣＤを構成し
ている。

この様に構成されたイメージエリアは、電極を２相構造
としているため非常にシンプルな構成となり、素子表面
を低段差構造にすることができる。

また、垂直転送部の転送電極を金属電極とすることによ
って垂直転送部を遮光することができ、スメア防止が可
能となる。

次に、この実施例の詳細な動作を、第７図及び第８図を
参照して説明する。

第８図は実施例に示した素子の駆動ノζルスを示したも
のであり、第８図は先、の第６図中のｃ　ｃ　／にそっ
て水平転送部６０３に至るポテンシャル図を示したもの
である。

まず、第７、図の駆動パルスから説明する。　　　　゛
第７図ａ、ｂに示すｖＳＰ　及びφｖ１，２はシフトレ
ジスタ６０９を駆動するノ（ルスで、とのＶＳＰはシフ
トレジスタ５０９のスタートタイミングを決めるパルス
であシ、垂直走査期間に同期して印加される。又φｖ１
，２は水平走査期間に同期したシフトレジスタのクロッ
クツ（ルスである。これより水平方向に走る電極に垂直
及び水平走査に同期した読出しパルスφＧを垂直方向に
順次出力する。

ｄに示したＨＢＬＫは水平ブランキング期間を示すパル
スであり、ｅに示したφＨ１，２は水平転送部６０３の
駆動パルスを示すものである。また、量に示したφＴは
垂直転送部の駆動〕＜ルスであり、ｑに示したφＰは垂
直の読出しゲートのゲート・（ルス、ｈに示０たφＳは
蓄積部の転送・（ルスである。

さて、読出しパルスφＳにより垂直転送部に読み出され
た信号電荷は、水平ブランキング期間に垂直転送パルス
φＴによって垂直方向に転送され　　　　　ｊ゛る。こ
の時、垂直転送部の転送・；ケラト各゛段に入る信号電
荷は１つのフォトダイオードから出力さ３れる信号電荷に対して複数個のパケットが用いら。

れる。すなわち、水平走査期間中宮に信号電荷を蓄積部
へ移動してい名。この関係は、後に第８図を用いて詳説
する。

垂直方向に転送された信号電荷は、一度蓄積部６１２に
蓄えられる。すなわち、複数のパケットで運ばれた信号
電荷は再びここでもとの量に再現される。次にゲートパ
ルスφＰにより水平ブランキング期間中に開かれる垂直
読出しゲートを通って、転送パルスφＳを零とすること
で、蓄積部より水平ブランキンゝグ期間中に固定したポ
テンシャルを作る水平ＣＣＤ　５０３の１つのパケット
に導かれる。

次に、水平転送部は、水平走査期間に同期した水圧転送
パルスφ　　　によシ駆動され、水平走１１２査期間に同期して信号電荷を出力する。

この様に、水平走査期間中に常に垂直方向に電荷転送を
行うようにすることによって、本固体撮像素子における
垂直転送部で扱うことのできる最大信号電荷量を垂直転
送部の一つのパケットの最大信号電荷量によって制限さ
れないですむようにすることができる。このことは、垂
直転送部の１つのパケットの容量を小さくすることがで
きることになり、すなわち、転送部の面積を小さく設計
することができることになる。逆に言えば、フォトダイ
オードの面積をその分だけ大きくすることができる。

また、先にも述べた様に、積層膜型の素子に適用した場
合にも、同様に、最大電荷量に対する制限を実質的にな
くすることにできることになり、この点でも有利である
。

次に、第８図を用いて信号電荷の読出し機構について説
明する。

第８図において、ａは水平ブランキング期間に。

ｂは水平走査期間に、それぞれ読み出しパルスφＧによ
り読み出されるときの、フォトダイオードから垂直転送
部を介して水平転送部に至るポテンシャル状態を示した
ものである。

ここで、８０１はフォトダイオード５０８と６０１のポ
テンシャルで、８０２は電極６０２．８０３は転送電極
６０８を示している。また、８０７は。

読出しグー）５０７と６０３のポテンシャルｆ、ｓＯ９
。

８１０．８１１．８１２は垂・直伝送部のビルトインポ
テンシャル（不純物層６０４，６０５，６０６゜６０７
によって作られるポテンシャル）を示している。８０４
は蓄積部５１２であり、８０６は読出しゲート６０６で
あシ、８１３は読出しゲート下のポテンシャルである。

また、８２０，８２１は水平転送部の転送電極である。

フォトダイオードのポテンシャル８０１に蓄積された信
号電荷は、読出しゲート電極下のポテンシャル８０７に
よってｉ直伝送部へは流れないようにされている。

水平走査期間（第８図ｂ）において、読出し電極８０２
に読出しパルスφＧｎ　が加克られると、読出しゲート
のポテンシャル自０７及び垂直転送部□ のポテンシャル８０８は８１４，８１６のように低くな
り、信号電荷は垂直転送部へ流れ出す。ここ′で、垂直
転送電極８０３にφＶＴ　　パルスが印加されると、ポ
テンシャルは８０９，８１９の状態から８１６．８１７
へ移る。これによって、信号電荷はＡ部分に入る。Ａ部
分に入った信号電荷は、φＴパルスが零になることで８
１６　、８１７にあったポテンシャルの位置が８０９，
８１０となり、Ｂ点に移り、さらに０点に移る。０点ま
で運ばれた電荷は初期のフォトダイオードの信号電荷の
一部である。

ここで再びφＴパルスが加わると、ポテンシャルは８１
６，８１７に移り、残シの信号電荷の一部がＡ点に入る
とともに、０点の電荷はＤ点に移る。

同様のサイクルをくり返すことで、信号電荷はＤ点から
さらにＥ点に運ばれる。

ここで、Ｅ点は蓄積部であシ、走査期間中はφＳに加え
られる電圧で深いレベルにあり、転送されてくる信号電
荷を蓄える。次に水平ブランキング期間において、φｉ
が零になると蓄積部のポテンシャルは８１８になシ、同
時に垂直読出しゲート　　　　　　１部のポテンシャル
はφＰパルスで８１３から８１９になることで信号電荷
はＥ点から１点さらにＧ点７に移る。

Ｇ点は水平ＣＯＤの２つの転送電極の内一つの下に作ら
れるポテンシャルであり、水平ブランキング期間中は充
分深いレベルに保たれている。こノタメ、φＳ、φＰパ
ルスで送られてきた信号電荷は水平転送部の１つのパケ
ットに送られる。水平転送部に入った信号電荷は、水平
走査期間に水平転送パルスφＨ１１φＨ２に従いＧ点よ
ｐＨ，Ｉ、Ｊと水平方向へ転送されてゆき映像信号とし
て出力される。

なお、以上の実施例においては画素の読み出し期間ある
いは垂直転送期間を、水平ブランキング期間あるいは水
平走査期間として説明したが、これらの動作は基本的に
は水平走査に同期して行えば・よい。

以上詳述したように、本発明に°よれば、次のような効
果を得ることができる。

１　電荷転送素子による垂直転送部の面積を狭くしても
、複数の転送パケットを用いて転送するだめに転送容量
が大きく取れるため、受光素子の面積を広くすることが
でき、感度が向上する。

２　受光部に光蓄積された信号電荷を強制的にすべて転
送できるため、残像等の現象が発生しない“。

３　強い入射光により大量に信号電荷が発生しても、全
て強制的に転送されるため、プルーミングが発生しにく
い。

４　垂直ＣＯＤは単相駆動であるため、この電極を金属
とすることで垂直転送段全体を容易に遮光でき、スメア
の発生を防止できる。

６　蓄積部にオーバーフロードレインを設置しただけで
、容易に受光部全体のプルーミングを抑制することがで
きる。

６　チップサイズが小型である程、垂直ＣＯＤの浮遊容
量も少なくなり、動作が容易になる。

７　表面構造が簡単であるために素子表面を低段差構造
にでき、従来の積層構造の素子に対して７有利である。

【図面の簡単な説明】

１９第１図は従来のフレームトランスファ型ＣＣＤ。による固体撮像素子の構成を示す平面図、第２図は同フ
レームトランスファ型ＣＯＤの駆動ノくルスの波形図、
第３図は従来のインターライン型ＣＯＤによる固体撮像
素子の構成を示す平面図、第４図は同インターライン型
ＣＯＤの駆動パルスの波形図、第６図は本発明の一実施
例における固体撮像素子の構成を示す回路図、第６図ａ
、ｂ、ｃは同素子の構造を示す平面図、断正面図、断側
面図、第７図は同素子の駆動パルスの波形図、第８図は
同素子の転送動作説明のだめのポテンシャル図である。５０１　　・・・・・・出力端子、５０２　　・・・・
・・出力アンプ、５０３　・・・・・・水平転送部、５
０４・・・・・・垂直読餡パルス入力端子、５０５　　
・・・・・・垂直読出ゲート、５０６　・・・・・・転
送電極、６０テ　・・・・・・読出ゲート部、５０８　
　・・・・・・フォトダイオード、６Ｐ９・・・・・・
シフトレジスタ、５１０　・・・・・・垂直転送部、６
１１　・・・・・・固定バイアス電極。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名ｌＩ
　１　図第３図（８）　　　　　　　　　　　　　　ψＨ２第５Ｖ４ ψ８第７図ｈ　　　　　　　　む

Claims

【特許請求の範囲】

複数の受光素子を２次元に配置し、前記受光素子の信号
電荷を１水平ライン毎に読み出すゲート部と、この読み
出された信号電荷を垂直方向に転送する電荷転送素子に
よる垂直転送部と、垂直方向に転送され角信号電荷を蓄
積する蓄積部とを設けるとともに、前記垂直転送部を前
記ゲート部を構成する第１の電極と前記°転送部を駆動
する第２の電極とによシ構成したことを特徴とする固体
撮像素子。