JPS58201473A - 固体撮像装置 - 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】 本発明は、クロックパルスを用いることなく画素の走査
を行ない、しかも並列信号読出しを可能とする固体撮像
装置、に関するものである。

従来の固体撮像素子としては、大きく分けてＭＯＳ型と
ＣＣＤ型の２種類が存在する。

代表的なＭＯ８型固体撮像素子においては、拡散、もし
くはイオン注入等で製造されたフォトダイオードによっ
て集められた信号電荷が、フォトダイオードに隣接する
ＭＯＳＦＥＴ（以下、垂直ＭＯ８Ｔと呼ぶ。）を通して
垂直の信号伝送線（以下、垂直伝送線と呼ぶ）に導びか
れた後、垂直伝線末端に隣接するＭＯＳＦＥＴ（以下、
水平ＭＯ３Ｔと呼ぶ。）を通し２て水平の信号伝送線（
以下、水平伝送線と呼ぶ。）に導ひかれると同時に信号
出力部で電気信号として読み出される。ここで、垂直Ｍ
Ｏ８Ｔは、垂直走査回路からのパルスで選択された時に
オンとなり、水平ＭＯ３Ｔは、水平走査回路からのパル
スで選択された時にオンとなる。

一方、代表的なＣＯＤ型固体撮像素子（ここではインタ
ーライン構成を例に採用する。）においては、ＭＯＳ型
と同様に作られたフォトダイオードによって集められた
信号電荷がフォトダイオードに隣接するＭＯＳゲートを
介して垂直のＣＯＤレジスタ（以下、垂直ＣＯＤと呼ぶ
）に導びかれた後、転送動作により水平のＣＯＤレジス
タ（以下、水平ＣＯＤ復呼ぶ。）に導びかれ、更に転送
動作により信号出力部まで運ばれて、電気信号として読
み出される。

この様な固体撮像素子の解像度は、画素となるフォトダ
イオードの数で決まるのが、現状は、％インチサイズの
受光面積に、垂直約５００個、水平約４００個というの
が一般的である。ところが、この固体撮像素子でカラー
ネガフィルム並みの解像産金実現するためには、最低で
も、垂直２５００個水平２０００個、画素数として％イ
ンチサイズ受光面積に５００万画素は必要である。（実
際には、フィルムのｒ、ｍ、ｓ粒状度を考慮しなければ
ならず、この値の更に２０〜３ｏ倍になる。）水平の画
素数が２０００個というと１つの画素を含むセルサイズ
は（％インチ受光面積の場合）水平方向に約４．８μｍ
となる。（垂直の画素数は２６００個であるから、垂直
方向のセルサイズは約２，８μｍとなる。） この様な高密度化された画素数を実現しようとする場合
、ＭＯＳ型では、１走査回路の設計が極めて困難になり
２駆動パルスの周波数として水平走査回路では約３５Ｍ
Ｈｑになる為、駆動そのものも極めて困難になる。ＣＣ
Ｄ型でも、１ＣＣＤの転送電極の設計が極めて困難にな
り２駆動パルスの周波数として水平ＣＣＤでは３５　Ｍ
ＨｑｌＣなる為、ＭＯ８型同様、駆動そのものが極めて
困難となる。

この様に、従来の代表的な走査方法は、固体撮像素子の
高解像度化（すなわち高密度化）に対して不適当である
ことが分かる。

そこで、本発明は固体撮像素子の高解像度化（すなわち
高密度化）に適した走査方法を実現することのできる固
体撮像装置を提供することＸｒ：　ｆ−１的とするもの
である。

本発明では、上記目的を達成するために、半導体基板の
一方に形成されたフォトダイオードの信号電荷が複数の
抵抗性ゲート電極によってオンされるチャネルを経由し
て基板の反対側に読み出されるようにしたことに特徴が
ある。

抵抗性ゲート電極の基本構成を第１図ｆａｌに示す。

Ｐ基板１０１Ｊ：に形’ｆｆ１６れたｎ−領域１０２の
上に絶縁膜１０３を介して抵抗性ゲート電極１０４が作
られ、その両端に電圧Ｅが印加されると、第１図（ｂ）
に示すようなｎ−領域１０２のポテンシャル分布が得ら
れる。この時、ｎ−領域１０２の空乏化電位をψ−ψ。

とすると、Ａで示された範囲が空乏化する領域に対応す
る。

この様な抵抗性ゲート電極を用いて走査機能を実現する
にｊ・寸、第２図に示すように、最低２本の抵抗性ゲー
ト電極があればよい。

第２図（ａ）　、　（ｂ）は、それぞれその上面図、断
面図を表わし、第２図（ｃ）はポテンシャル分布を示す
。

Ｐ基板２０１上に形成されたｎ−領域２０２の上に絶縁
膜２０３を介して、抵抗性ゲート電極２０４および２０
５が作られている。

抵抗性ゲート電極２０４の両端の端子Ｂ−Ｃ間に電圧Ｅ
１　を印加しく対応するポテンシャルをψ１）、抵抗性
ゲート電極２０５の両端の端子Ｄ−Ｅ間に電圧Ｅ２を印
加している。（対応するポテンシャルをψ２　）この時
、ｎ−領域２０２の空乏化電位をψ−ψ。とすると抵抗
性ゲート電極２０４に対してはＦで示された範囲が空乏
化領域となり、抵抗性ゲート電極２０６に対してＩ、、
ｊ：、Ｑで示された範囲が空乏化領域となる。従って、
抵抗性ゲート電極２０４．２０５に直角な方向でｎ−領
域２０２を眺めると、Ｈで示される範囲にチャネルが形
成されることになる。

このような、チャネルを例えは右側に走査させるには、
鋸歯状波Ｒ１＋　Ｒ２全それぞれ、Ｂ　−Ｃ端子間、Ｄ
−Ｅ端子間に容量を介して供給すればよい。

本発明は、この様な複数の抵抗性ゲート電極によって得
られる走査機能を、基板に埋めこまれた複数の抵抗性ゲ
ート電極に適用するもので、以下、本発明の詳細を実施
例を用いて説明する。

第３図は、本発明の一実施例を示すもので、１個の画素
に藺して、（ａ）は下面図、（ｂ）はｘ−ｘ’　　断面
図、（Ｃ）はＹ−Ｙ’　　断面図、ｆｄ）は等価回路図
を示している。

第３図で、ソリコンなどの半導体から成るｎ−基板３０
１の一表面に絶縁物３０２で分離されたｎ＋　領域３０
３が、透明な膜３０４で被われている。一方、ｎ−基板
３０１の反対表面には、ｎ＋領域３０３に相対してｎ＋
領域３０５が形成され、絶縁膜３０６の開口部で信号伝
送線３０７と接続されている。

ｎ　領域３０３は、フォトダイオードの機能をもち、こ
のＲ４−ｌ域３０３とｎ＋領域３０５との間のｎ−領域
は、第１の抵抗性ゲート電極として働くＰ領域３０８と
第２の抵抗性ゲート電極として働くＰ領域３０９とにｎ
−領域３０１が空乏化する電圧が印加された時、ｎ　領
域３０３の信号をｎ＋領域３０５に読出すためのチャネ
ルが形成される。

このことを分かり易く表現したものが、第３図（ｄｌの
等何回路である。ここでｎ＋領域３０３に対応するのが
フォトダイオード３１０、ｎ＋領域３０５に対応するの
が、ドレイン端子３１１、第１の抵抗性ゲート電極とし
てＰ領域３０８に対応するのが、第１ゲート部３１２、
第２の抵抗性ゲート電極として働くＰ領域３０９に対応
するのが第２ゲート部３１３であり、第１ゲート部３１
２および第２ゲート部３１３の着色部が空乏化状態の範
囲を表わしている。従って、第３図（ｄ）の等何回路の
ゲート部３１４と交叉する第１ゲート３１２および第２
ゲート３１３が共に着色していれば、ゲート部３１４の
下にチャネルが形成され、フォトダイオード３１０の信
号主局はドレイン端子３１１側に読み出される。

以上のような単位画素をアレイとすることにより一次元
又は二次元の撮像素子が構成できる。

第４図は、第３図に示した単位画素を２次元に配列した
固体撮像装置の実施例を示す。（これは、第３図（ｄ）
に示した等何回路を用いて、３次元構造を２次元的に表
示している。） 半導体基板の一表面にフォトダイオード４０１が２次元
配列されており、各行ごとに、電圧Ｅ１が印加された第
１の抵抗性ゲート電極４０２および電圧Ｅ２が印加され
た第２の抵抗性ゲート電極４０３によって開かれるチャ
ネルを通して、フォトダイオード４０１の信号電荷が半
導体基板の反対表面の信号伝送線４０４に読み出される
。この実施例における水平走査は、鋸歯状波Ｒ１および
Ｒ２を、それぞれ端子Ｂ−Ｃ問および端子Ｄ−Ｅ間に容
量を介して印加することにより行なわれる。

また、垂直走査は、本実施例では行なわず、信号は各行
同時出力としている。

以上の様に、本装置によれば、離散的に２次元配列され
たフォトダイオードを走査する場合に、従来の様なりロ
ックパルスが不要になる。この結果、従来の固体撮像装
置で画素の高密度化に伴ない走査を行なわせるために避
けられなかった。０）高速の走査回路の設計が困難であ
る。（２）高速のクロックパルスで駆動するため消費電
力が極めて犬きくなる。その結果（３）発熱が生じる。

という問題がなくなる。

第４図の実施例では、信号が各行同時出力となっている
が、従来の固体撮像装置の様な信号の順次出力も可能で
ある。

第６図は、信号の順次出力が可能な固体撮像装置の実施
例である。（第６図も、第３図（ｄ）に示した等何回路
を用いて、３次元構造を２次元的に表示している。） 半導体基板の一表面にフォトダイオード６０１が２次元
配列されており、各行ごとに、第１０抵抗性ゲート電極
５ｏ２、および第２の抵抗性ゲート電極５０３によって
開かれるチャネルを通してフォトダイオード６０１の信
号電荷が半導体基板の反対表面の信号伝送線５０４に読
み出される。

この実施例では垂直走査にも抵抗性ゲート電極を用いて
いる。すなわち、各行の第１の抵抗性ゲート電極５０２
の両端は、第３の抵抗性ゲート電極５０５、および第４
の抵抗性ゲート電極５０６によって開かれるチャネルを
通してそれぞれ端子ＢおよびＣに接続される。１だ、各
行の第２の抵抗性ゲート電極５０３０両端は、第３の抵
抗性ゲート電極６０６、および第４の抵抗性ゲート電極
５０６によって開かれるチャネルを通して、それぞれ端
子りおよびＥに接続される。

この実施例における垂直走査は、鋸歯状波Ｒ３を電圧Ｅ
３の印加された第３の抵抗性ゲート電極５０５の両端Ｆ
−Ｇ間に容量を介して印加し、鋸歯状波Ｒ４を電圧Ｅ４
の印加された第４の抵抗性ゲート電極５０６の両端Ｈ−
Ｉ間に容量を介して印加することにより行なわれる。第
５図では、抵抗性ゲート電極の着色部が空乏化状態を示
しており、■の範囲にある行が走査されていることを表
わす。（すなわち同時２行読出しと一慇に呼Ｌｌ’れて
いる走査方法である。） この実施例における水平走査は、第４図と基本的に同一
で鋸歯状波Ｒ１およびＲ２を電圧Ｅ１が接続された端子
Ｂ−Ｃ問および電圧Ｅ２が印加された端子Ｄ−Ｅ間に容
量を介して印加することにより行なわれる。（もちろん
、垂直走査された行に限られる。） これまでの実施例は、２次元配列された離散的なフォト
ダイオードを用いた為、水平走査信号は離散的な信号と
して出力される。

しかるに、本発明は離散的なフォトダイオードだけに限
定されず、連続的な光導電膜に対しても適用可能である
。

第６図は、その様な実施例で１個の基本画素単位に関し
て、ｆａｌは下面図、（ｂ）ばｘ−ｘ’　　断面図、（
ｃ）はＹ−Ｙ’　　断面図、（ｄ）は等価回路を示して
いる。

第６図で、シリコンなどの半導体、からなるｎ−基板６
０１の一表面に、光導電材料（Ｐｂ、Ｃｄなどの硫化物
又はセレン化物、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓなどの■−ｖ様な
どが利用でき、単結晶・蒸着膜・焼結膜などの使用条件
に応じて使い分けれはよい。）で形成された光導電体領
域６０２が形成され、透明な膜６０３で被われている。

一方、ｎ−基基板６０１灰 絶縁膜６０５の開口部で信号伝送線ｅｏｅと接続されて
いる。

光導電体領域６０２に１１、伝導電荷の主体が正孔（Ｐ
型）の場合と電子（ｎ型）の場合とがありｎ十領域３０
３と組合わせるときに前者は電子空乏動作、後者は電子
空乏動作として機能させることが必要となる。

この光導電体領域６０２とｎ十領域６０４との間のｎ−
領域は、第１の抵抗性ゲート電極として働くＰ領域６０
７と第２の抵抗性ゲート電極として働くＰ領域６０８と
に、ｎ＝領域６０１か完全に空乏化する電圧が印加され
た時、光導電体領域６０２の信号電荷をｎ十領域６０４
に読出すためのチャネルが形成される。

以上のことを分かり易く表現したものが、第６図ｆｄ）
の等価回路である。第６図（ｄ）において、光導電体領
域６０２に対応するのが光導電体領域６０９、ｎ十領域
６０４に対応するのがｎ十領域６１０、第１の抵抗性ゲ
ート電極として働くＰ領域６０７に対応するのが第１ゲ
ート部６１１、第２の抵抗１牛ゲート電極として働くＰ
領域６０８に対応するのが第２ゲート部６１２であり、
第１ゲート部６１１および第２ゲート部６１２の着色部
が空乏状態の範囲を表わしている。従って、第６図（ｄ
）においては、Ｋで示す幅に対応するチャネルが光導電
体領域６０９からｎ十領域６１０に向かって開かれ、光
導電体領域６０９の信号電荷がｎ十領域６１０側に読み
出される。（Ｋで示す幅は自由に設定できるので、この
幅を狭くすれば、高解像度の目的が達成される。） 以上の様な、基本画素単位を平面に配列することにより
、−次元又は二次元の撮像素子が構成できる。

第７図は、第６図に示した基本画素単位を２次元に配列
した固体撮像装置の実施例を示す。（これは、第６図（
ｄ）の等価回路を用いて、３次元構造を２次元的に表示
している。） 半導体基板の１表面に光導電体領域がすき間なく形成さ
れ（これは光導電体の溝方向の抵抗が十分大きいためで
ある。）、垂直方向に分離されているｎ十領域７０４が
各行を表わしている。この各行ごとに電圧Ｅ１　が印加
された第１の抵抗性ゲート電極７０２および電圧Ｅ２が
印加された第２の抵抗性ゲート電極子０３によって開か
れるチャネルを通して、光導電体領域７０１の信号電荷
が半導体基板の反対表面のｎ十領域７０４に読み出され
る。この実施例における水平走査１ｄ鋸歯状波Ｒ１およ
びＲ２をそれぞれ端子Ｂ　−０問および端子Ｄ−Ｅ間に
容量を介して印加することにより行なわれる。また、垂
直走査は、本実施例でｒｒ１行なわず、信号は各行同時
出力としているが、第６図と同様にして垂直走査するこ
とも可能である。

以上の様に、本装置によれば、連続的に２次元形成され
た光導電体を走査する場合に、従来の撮像管の場合と同
様な手法が応用でき、走査方法の簡略化、低消費電力化
が容易に実現されるだけでなく、高解像度化も極めて容
易に実現できる。

第８図は、第６図の基本画素単位の一変形であり、（ｄ
）は下面図、（ｂ）はｘ−ｘ’　　断面図を示している
。第６図のものと異なるところは、第６図（ｂ）で埋め
こまれていた第１の抵抗性ゲート電極６０７をｎ十領域
６０４を取り囲む様に形成し、第２の抵抗性ゲート電極
６０８を絶縁物８０１で分離し、かつ光導電体６０２に
接して形成している点で、プロセス的に第６図（ｄ）よ
り簡単になっている。

以上の実施例でばｎ−型半導体基板としたが、本発明の
原理や構造は、導電型が逆になった場合でも、また他の
半導体であっても関係なく成立するものである。

以上、述べた様に、本発明によれば ■画素の走査にクロックパルスを用いないので駆動方法
の簡略化・低消費電力化が容易に実現できる。

■半導体基板の１表面全体を受光部として利用できる為
、感度の点で有利となる。

■クロックパルスを用いない、いわゆる撮像管の場合に
対応するアナログ的な走査方法であるから、受光素子と
して離散的なフォトダイオードでも、連続的な光導電体
でも利用できる。

■２本の抵抗性ゲート電極で制御されると空乏化範囲を
制御することにより、走査時の幅が設定できる為、光導
電体を用いた時は高解像度読出しが容易に実現できる。

■抵抗性ゲート電極を用いることにより、信号の並列出
力が容易に実現できる。

という特徴を有することにより、電子ステイルカメラ、
放送用固体カメラ、ホロクラフィ情報検出カメラなどの
分野に対して応用が可能になり、撮像管を充分に凌駕す
る固体撮像装置を実現し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂは基本的な抵抗性ゲート電極の断面図とポ
テンシャル分布図、第２図ａ、ｂ、ｃは２本の抵抗性ゲ
ート電極を用いた走査回路の上面図、断面図およびポテ
ンシャル分布図、第３図ａｌ　ｂｌ　’　ｌ　ｄは本発
明の一実施例における固体撮像装置の単位画素を示す下
面図、ｘ−ｘ’断面図。 Ｙ−Ｙ’　　断面図および等価回路図、第４図は第３置
に垂直走査機能を具備させた構成例を示す回路図、第６
図ａ、ｂ、ｃ、ｄは本発明の別の実施例における固体撮
像装置の基本画素単位を示す下面図、ｘ−ｘ’断面図、
Ｙ−Ｙ’断面図および等価回路図、第７図は第６図の実
施例の基本画素単位を２次元形成した固体撮像装置の構
成を示す回路図、第８図ａ、ｂは第６図の実施例の基本
画素単位の一変形例の下面図およびｘ−ｘ’断面図であ
る。 １０１　、２０１　・＝−−−−Ｐ基板、１０２．２０
２−・・・・・ｎ−領域、１０３．２０３・・・・・・
絶縁膜、１ｏ４゜２０４．２０５・川・抵抗性ゲート膜
、３０１・・・・・・ｎ−領域、３０２，３０６・・・
・・・絶縁膜、３０３・・・・・・ｎ→領領域３０６・
・・・・・ｎ十領域、３０７．４０５．６０４・・・・
・信号伝送線、３０８．３０９・・・・・・Ｐ領域、３
１０，４０１，６０１・・・・・・フォトダイオード、
３１１　・・・・・ドレイン端子、３１２，４０２．６
０２・・・・・第１ゲート部、３１３，４０３゜５０３
・・・・・第２ゲート部、５０６・・・・・第３の抵抗
性電極、６０６・・・・・・＄４の抵抗性ゲート電極、
６０１・・・・・　ｎ−基板、６０２・・・・・・光導
電体領域、６０３・・・・・・透明模、６０４・・・・
・・ｎ十領域、６０５・・・・・絶縁膜、６０６・・・
・・信号伝送線、６０７゜６０８・・・・・Ｐ領域。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第　
１　図 第２図 ２ ３８４− 第３図 ３６６　　　　　　３ρン 、３０．３３−４ 第８図 ｔρ８（６０７）６θｌ／（６０７） ６θ６ ｂｏ、ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）半導体基板の一表面に形成された光電変換領域と
   、前記基板の反対表面に形成された信号伝送領域との間
   の前記基板内部に形成されるチャネルに沿って分離して
   埋めこまれ、しかも前記光電変換領域を走査する方向に
   連続する複数の抵抗性ゲート電極を有することを特徴と
   する固体撮像装置。 （２）光電変換領域として、離散的な光電変換素子を行
   列状に配置したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の固体撮像装置。 （３）光電変換領域として、連続的な光導電体を平面的
   に形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の固体撮像装置。 （４）信号伝送領域として、光電変換領域を走査する方
   向に接続され、走査方向と直角な方向で分離されており
   、かつ、各々の信号伝送領域から読み出される信号が並
   列に、同時に出力されるものとしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （６）複数の抵抗性ゲート電極として、第１ゲートと第
   ２ゲートより成り、前記第１ゲートの両端と第２ゲート
   の両端とに逆向きの電位勾配が形成されるように電圧を
   印加し、かつ増減が逆の鋸歯状波を交流的に印加するこ
   とで走査を行なうものとしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の固体撮像装置。