JPS5837703B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一次元または二次元の光情報を半導体装置を介
して電気信号として得る装置に関するものである。

従来、光情報を電気信号に変換する装置として、たとえ
ば自己走査機能を有したものとして、〔Ｉ ＥＥＥＴｒ
ａｎ ＥＩｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ ， ＥＤ１８
，Ａｌｌ（１９７１））の表題「ｓｅｌｆ 一Ｓｃａｎ
ｎｅｄ Ｉｍａｇｅ ＳｅｎｓｏｒＪという論文に発表
されている様に、光センサーと電荷転送素子（ＢＢＤま
たはＣＣＤ等）との組合わせにより、光情報を電気信号
に変換して読み出す装置がある。

ここでいう光センサーとしては、ホトダイオード、ホト
トランジスタ等がある。

一方、電荷電送素子に直接光を照射して光電変換機能と
信号読み出し機能を同一素子で行わせる装置があるが、
この方式では信号電荷転送中にも素子に常に光が当って
いるために大きな光学ひずみが生じ、現在ではあまり使
用されていない。

本発明は、前者の光センサーと電荷転送素子の組合わせ
による装置に関するものであり、光センサ一部と電荷転
送部との間の光電変換信号のやりとりを、特別の制御ラ
インを付加することなく、単に電荷転送のためのクロツ
ク信号ライン（二相またはそれ以上）に制御パルスを印
加することだけにより、光電変換信号を電荷転送部に読
み込むことを可能にするものである。

したがって、特別の読み込み制御ラインを必要としない
ので、二次元マトリックスを構成する際に、センサーの
高密度化を可能にし、さらに装置の制御ラインがクロツ
ク信号ラインのみであることから装置の取り扱いを簡単
にするばかりでなく、二次元光情報読み出し装置として
の性能を著しく改善するものである。

第１図は、光センサーと電荷転送素子との組合わせによ
る装置の従来の構成の一例を示す等価回路である。

同図において、トランジスタＱ１ ，Ｑ３はホトダイオ
ードＤ１，Ｄ２を一定時間一定電位に設定するためのも
のであり、Ｑ２小゛イオート″Ｄ１の光電変換信号を電
荷転送素子列のバケツ容量ＣＢ ｎに読み込むためのト
ランジスタである。

また、インターレース信号を得るためには、トランジス
タＱ４によって、ダイオードＤ２の光電変換信号を電荷
転送素子列のバケツ容量ＣＢｎ ＋ １に読み込む。

なお、トランジスタＴｒｎ，Ｔｒｎ＋１は電荷転送段を
構成している。

この回路においては、電荷転送素子列を駆動するための
クロツク信号ラインψ１ ，ψ２の他にホトダイオード
を一定電位に設定するための制御ラインψ８および光電
変換信号を電荷転送素子列に読み込むための読み込み制
御ライン〜１，〜２が必要であり、二次元センサーを構
成するために二次元マトリックスを実現する場合には、
これらの制御ラインがセンサーの高密度化の障害となる
。

ここで、制御ラインが多いということが、何故センサー
の高密度化の障害となるかという理由を簡単に説明して
おく。

上記第１図の回路を半導体平面上に実現する場合である
が、ダイオードＤ１ ，Ｄ２は光情報を得るために光照
射される必要があるために、上述の制御ラインψ８〜，
，〜２およびクロツク信号ラインψ１ ，ψ２は、配線
が光遮蔽を起さないように、ダイオード上を避けて配線
されなければならない。

したがって、二次元のマトリックスセンサーを実現する
場合に、これらの制御ラインは、光情報に対するアクテ
ィブな領域以外に余分な配線のための領域を領有するこ
とになり、センサーの高密度化にとって、大きな障害と
なるのである。

また、制御ラインが多いということは、制御ライン信号
系が煩雑であるということである。

第２図は、上記の不都合を一部改善した本出願人の特許
出願にかかる特願昭第４９−１０１０８３号の一例であ
る。

この動作の要点は第１図における読み込みゲー｝Ｑ２，
Ｑ４の制御ライン〜１，〜２をクロツク信号ラインψ１
，ψ２と共通にすることにより、制御ラインをψ８
，ψ１ ，ψ２の合計三ラインにしたことにより、セン
サーの二次元配置における高密度化を可能にしたもので
あるが、ψ８ ラインの存在が上述したような理由で、
なお装置の高密度化に対する障害となっている。

そこで、本発明は以上の上述したような装置の機能をそ
のまま有し、かつ特定の駆動条件のもとで制御ラインと
しては電荷転送のためのクロツク信号ラインψ１ ，ψ
２のみで駆動可能な、高密度化可能な自己走査形の固体
撮像を提供するものである。

以下、本発明の詳細を図面により説明する。

第３図は本発明の一実施例にかかるＭＯＳ｝ランジスタ
回路を用いた光センサーの構成の一例を示すものである
。

Ｔｒｎ ，Ｔｒｎ＋１は電荷転送素子列を構成するトラ
ンジスタであり、ＣＢｎ，ＣＢｎ＋１は電荷転送段を構
成するバケツ容量である。

Ｄ１ ，Ｄ２は光情報を得るためのホトダイオードであ
り、Ｑ２ ，Ｑ４はホトダイオードの光電変換信号を電
荷転送段に読み込むためのトランジスタである。

電荷転送素子列を駆動するために、電荷転送素子列を構
戒するトランジスタには、二相のクロツク信号ψ１ ，
ψ２が供給されている。

またホトダイオードＤ１，Ｄ２の光電変換信号を読み込
むためのトランジスタＱ２ ，Ｑ４の制御ラインは、
それぞれ電荷転送のためのクロツク信号制御ラインψ１
，ψ２と共通に結線されている。

したがって本発明例によれば、装置の制御ラインは電荷
転送のためのクロツク信号ラインψ１ ，ψ２の２本に
減少することができる。

第４図は、第３図の回路構成を半導体基板表面上に実現
した場合の平面構造パターンの一例を示す。

同図において、１，２，３はＴｒｎ，Ｔｒｎ＋１を構成
するための半導体基板と反対導電型の拡散層、４，５は
ホトダイオードとして光を感知するための半導体基板と
は反対導電型の拡散層、６，１はクロツク制御信号ψ１
，ψ２を供給するためのゲート電極をそれぞれ示して
いる。

第３図におけるトランジスタＴｒｎ ，Ｔｒｎ＋１ ｔ
Ｑ２ ，Ｑ４は、番４図中に示したチャネル領域に
形成されている。

また、第３図におげるバケツ容量ＣＢｎ，ＣＢ ｎ ＋
１ は、それぞれ拡散層２，３とゲート電極６，７と
間の重ね合わせ領域に形成されている。

第５図は第４図の平面構造において、一点鎖線ｖ−ｖ’
で示した部分の断面図の一例を示すものである。

同図において、１０はＰ型半導体基板、２は前述した電
荷転送段のドレイン（ソース）電極を構成するｎ型拡散
層を示し、ｎ型拡散層４はホトダイオードを構成し、６
はクロツク信号ψ１ψ２を印加するためのゲート電極を
示している。

また２０は酸化膜である。

第５図中のチャネル領域Ｑ２が第３図の等価回路におけ
るトランジスタＱ２に当たり、ホトダイオード４で得ら
れた光情報をドレイン領域２に読み込むためのトランジ
スタを形成している。

第３，４，５図から明らかなように、本発明の例によれ
ば、クロツク信号ラインが２本に減少できるために、光
情報を得るためのアクティブな領？を大幅に増大するこ
とができる。

つぎに第３，４．５図の光センサーの動作について第６
図とともに説明する。

第６図は、第３図に示す回路構成を駆動するためのクロ
ツク信号パルスψ，，ψ２の一例を示してある。

なお、このクロック信号パルスの例は、クロツク電圧■
１の電荷転送素子列を駆動するためのクロツク信号ψ２
の系列に対して、クロツク電圧■２のホトダイオードか
ら光電変換信号を電荷転送素子列に読み込むための制御
パルスψ８を加え合わせたものとなっている。

なお一般にＶ２＞■１であり、Ｖ２二１２Ｖ，Ｖ１二６
■または■２＝１５■，Ｖ１＝８■において、適正な動
作が実験で確認されているので、Ｖ２−＝２Ｖ１ とす
るのが適当である。

今、第３図のゲート端子ψ１に制御パルスψ（電圧■２
）を印加すると、光電変換信号読み込み用のトランジ
スタＱ２のゲートが開いて、ダイオードＤ１は制御パル
スψ８の電圧ｖ２に対応した一定電位ＶＲ２（一般にｖ
Ｒ２＝■２−■。

，■１はＭＯＳ｝ランジスタの閾値電圧）に設定される
。

ψ８が切れてもダイオードＤ１は電圧■Ｒ２に設定され
たままである。

この状態でダイオードＤ１から半導体基板（ＧＮＤ）方
向にリーク電流が流れ、その結果ダイオードの電位がΔ
■低下する。

この値Δ■は照射光量に比例した値である。

この状態でゲート端子ψ１に制御パルスψ、を印加する
と、読み込みトランジスタＱ２のドレイン領域は電荷転
送段のドレイン領域と共通であり、ゲート電極と容量性
結合をしているために正の高い電圧に引き上げられる。

一般には、電荷転送素子列の入力端子Ｖｉｎには■１
に近い電圧が、出力側のドレイン端子からもＶ１ に近
い電圧が供給されながら、光照射期間中に、電荷転送が
行なわれているので、制御パルスψ。

を印加する前には、電荷転送素子や各バケツ容量は電圧
ｖ１ は対応した一定電圧ＶＲＩ（一般に■Ｒ１−■１
−■１，■１はＭＯＳトランジスタの閾値電圧）に設定
されている。

したがって、ゲート端子ψ１に制御パルスψを印加する
と、上記ドレイン領域の電圧は（ｖＲ１＋■２）に引き
上げられ、電荷のやりとりは上記ドレイン領域とホトダ
イオードとの間で行なわれる。

今、光照射によりホトダイオードの電位は（ＶＲ２ΔＶ
）に下がっているため、ドレイン領域からホトダイオー
ドに電流が流れ込む。

その結果ドレイン領域の電位はΔＶだげ低下する。

この電位に対応する電荷量は一定時間の光照射により、
ダイオードより半導体基板方向に流れた総電荷量に比例
している。

制御パルスψ。が切れると、電荷転送段のドレイン領域
、すなわちバケツ容量の電位は（ＶＲＩ−Δ■）となり
、光電変換信号を制御パルスψ８の印加により、電荷転
送素子列に読み込むことができる。

なお同時に、ψ、の印加により、ダイオードの電位は、
前述の一定電位ＶＲ２に設定され、次の光情報を感知す
るための準備がなされたことになる。

読み込まれた信号は、電荷転送のための電圧Ｖ，のクロ
ツク信号ψ１により電荷転送されて、出力回路によって
、光情報として読み出される。

この時、ダイオードの電位はＶ１ よりも高電位である
ため、転送信号にダイオード電位が影響を及ぼすことは
ない。

したがって、本発明のこの例の場合に許される最大の光
電変換信号ΔＶｍａｘは、Δ■ｍａＸ−■２−■，であ
る。

なお、前述の説明ではゲート端子ψ１に制御パルスψ８
を印加する場合のみを述べたが、第６図に示したように
、ゲート端子ψ２に制御パルスψ。

を印加すれば、上記の光情報信号に対するインターレー
ス信号が得られる。

また、第６図に示したＴｗは光情報をダイオードに蓄積
する積分時間を表わし、この例の場合は、光情報信号系
の１フレーム時間に相当するため、出力電圧を相当大き
な値にすることが可能であり、ダイオードの感度をも向
上させることが可能である。

上述の様に、本発明による回路構或によれば、クロツク
信号ラインψ１ ，ψ２のみを持つ、自己走査型の、高
密度化可能な二次元固体撮像半導体装置が可能となり、
さらに装置の性能を著しく改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光センサーの回路構成を示す等価回路図
、第２図は本出願人の提案にかかる光センサーの回路構
成を示す等価回路図、第３図は本発明の一実施例の光セ
ンサーの回路構成の一例を示す等価回路図、第４図は第
３図の装置の平面配置構成図、第５図は第４図のｖ−ｖ
’ 線断面図、第６図は第３図の装置を１駆動するため
のクロツク信号制御パルスの一例である。 １０・・・・・・半導体基板、１，２，３，４，５・・
・・・・ｎ型拡散層、６・・・・・・クロツク信号用ゲ
ート電極、ψ１ ，゛ψ２・・・・・・クロツク信号ハ
ルス、ψ１・・・・・・電荷転送素子列を駆動するため
のクロック信号、ψ８・・・・・・制御パルス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の光感知素子と、複数の電荷転送素子よりなる
   電荷転送素子列と、上記光感知素子を一定時間一定電位
   に保持し上記光感知素子に得られる光電変換信号を上記
   電荷転送素子列の上記光感知素子に対応する特定の段に
   読込むためのゲート電極とを有し、上記電荷転送素子列
   を駆動するクロツク電極と共通に形成された上記ゲート
   電極に、読込みゲート制御信号を印加して上記光感知素
   子の光電変換信号を上記電荷転送素子列に読込み、しか
   るのち上記電荷転送素子列の上記クロツク電極にクロツ
   ク信号を印加することにより、上記光電変換信号を一連
   の直列信号として読み出すことを特徴とする半導体装置
   。