JPS5839386B2 - 電荷転送形イメ−ジセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電荷転送形イメージセンサに係わり、特に強
い入射光がある場合にも良好な画質の搬体信号を得るこ
とができるイメージセンサに関するものである。

強い入射光がイメージセンサに照射されると、感光部に
蓄積できない過剰な電荷が発生し、隣接する画素や読出
しレジスメに過剰な電荷が流出し、良好な画像信号が得
られない。

この現象はブルーミング現象として知られている。

この現象を防ぐ方法の１つに、過剰な電荷をドレインに
排出する構造としたイメージセンサがある。

この構造のイメージセンサを第１図に示す。

第１図の装置は光信号を電荷信号に変換し、電荷を蓄積
するフォトダイオード１ａ、ｌｂ、１ｃ、ｌｄ、Ｉｅの
配列から成る感光部１と、感光部１に蓄積した信号電荷
を読出す２相駆動電荷転送形シフトレジスタ２と、感光
部１の電荷をシフトレジスメ２へ転送することを制御す
るシフト電極３ａ、３ｂ、３ｃ。

３ｄ、３ｅと、過剰な電荷を排出するドレイン４と、感
光部１とドレイン４の間に設けられたオーバーフロー・
ゲート電極５ａｔ ５ｂｔ ５ｃ＊５ｄｔ５ｅとから構
成されている。

この装置は、−導電形半導体基板上に集積されて形成さ
れることが通例である。

次に、この装置の動作について第２図を参照しながら説
明する。

第２図ａはシフト電極３に印加する積分時間Ｓの間隔で
設けられるパルス波形を、第２図す、ｃは電荷転送形シ
フトレジスタ２に印加する転荷転送のためのクロックパ
ルス波形を、第２図ｄはオーバーフロー・ゲート電極５
に印加する直流電圧を、第２図ｅは電荷転送形シフトレ
ジスメ２の一方の端に設けられたフローティング接合形
電荷検出部の出力信号波形を示す。

第２図ｅに示すＤＳの期間は５個のフォトダイオードの
出力信号に相当する。

シフト電極３にパルスが印加されると（時刻ｔ１）その
時点以前に感光部１に蓄積した電荷がレジスタ２へ転送
され、かつ読出される。

時刻ｔ１以後感光部１では入射光に応じて信号電荷が発
生し蓄積していく。

しかし、オーバーフロー・ゲート電極５には正の直流電
圧が印加されているので、オーバーフロー・ゲート電極
５下の電位障壁は小さくなっている。

これに対し、シフト電極３はＯＶであるためシフト電極
３下の電位障壁は大きい。

したがって、フォトダイオードｌａ、ｌｂ、１ｃｔ ’
ｉｔｉ、１ｅに蓄積する電荷量がある一定値を超えると
、大きい正の直流電圧が印加されているトレイン４ヘオ
ーバーフロー・ゲート電極５下を経て過剰な電荷が流出
するようになる。

そのため、発生した過剰な電荷が隣接する画素や読出し
のためのシフトレジスタ２へ流出することなく、出力画
像信号を損うことがない。

すなわち、ブルーミング現象は起きにくくなる。

前述した動作は、特に局部的に強い光信号があるとき非
常に有効である。

しかし、全体的に一様に強い光信号であるパターンが入
力された場合には、一様に飽和レベルに達して良好な画
像信号は得られない。

この場合には、積分時間を短かくしてイメージセンサの
実効的感度を下げることにより良好な画像信号を得るこ
とが可能となる。

すなわち、第２図に示すパルス波形全ての時間軸を縮め
たパルスを印加して高速動作させることにより実現でき
る。

しかし、一般的に、高速動作させると印加パルスを発生
する駆動回路や信号処理回路を構成する回路部品は高速
動作可能な高価なものを使用することになり、極めて不
都合である。

渣た消費電力も増加することも不都合な点である。

良好な画像を得るための他の方法として、オーバーフロ
ー・ゲート電極５にリセットパルスを印加することによ
り一定時間内にフォトダイオードに蓄積した電荷をドレ
イン４へ排出し、その後短い時間に蓄積した信号電荷を
電荷転送形シフトレジスタ２で読み出すようにすること
が考えられる。

しかしこの方法は、シフト電極３に印加するシフトパル
ス電圧とオーバーフロー・ゲート電極５に印加するリセ
ットパルス電圧が同一である必要がある。

この条件が満たされないと、フォトダイオードに残留す
る電荷量がリセット時とシフト時で異なり、その結果画
像出力信号の直線性が得られなくなり、ダイナミックレ
ンジが低下する。

これについて詳しく説明すると、フォトダイオードには
、多数の電子（電荷）があり、シフト電極およグオーバ
ーフロー電極を開いたとき（パルス印加時）には、一定
の電子（電荷）が残留する。

第３図ａはオーバーフロー・ゲー）５ａが開いたときで
あり、これ１で光発生してフォトダイオード１ａに蓄積
した電荷（Ｑｎ ）がドレイン４へ排出されるが、Ｑｒ
ｌの電荷が残留する。

この電荷Ｑｒ１は、オーバーフロー・ゲートＳａ下の電
位の井戸の深さによって決する。

第３図すは、シフト電極３ａが開いたときであり、リセ
ットパルスの終了時点からシフト電極３ａにパルスが印
加される１での間に光発生した信号電荷Ｑｓがシフトレ
ジスタへ転送される。

この場合もシフト電極３ａ下の電位の井戸の深さによっ
て決する一定の電荷Ｑｒ２がフォトダイオード１ａに蓄
積する。

もし、Ｑｒｌ＝Ｑｒ２であれば、シフトレジスタへ転送
される電荷ＱｏｓはＱｓに等しくなる。

ところが、Ｑｒｌ〉Ｑｒ２のときはＱｏｓはＱｓより大
きくなる。

すなわち、 Ｑｏ 、＝、Ｑｓ−１−Ｑｒ １−Ｑｒｚ （Ｑｎｌｒ
１−Ｑｒ２）Ｑｓ＋Ｑｎ （Ｑｎ＜Ｑｒｌ−
Ｑｒ２）となる。

一方Ｑｒｌ＜Ｑｒ２のときは、ＱｏｓはＱｓより小さく
なる。

すなわち、 Ｑｏ８＝（Ｑｓ （Ｑｒ２−Ｑｒｌ ）（Ｑｓ」ｒｚ
→ｒｔ）Ｑ （Ｑ ｓ ＜Ｑ ｒ ２
−Ｑｒｌ）となる。

以上のようにＱｒ１士Ｑｒ２の場合、出力信号電荷Ｑｏ
ｓは光信号電荷Ｑｓに比例した関係にない。

当然Ｑｒｌ＝Ｑｒ２を満たすためには、パルス印加時の
シフト電極下の電位の井戸の深さとパルス印加時のオー
バーフロー電極の電位の井戸の深さを等しくする必要が
ある。

すなわち、両者の印加電圧が等しくなければならない。

ところが、実際には、これらのパルス電圧を同一にする
ことは、過渡時のオーバーシュートや誘導による雑音な
どのために非常に難しく、従ってこの方法は調整に時間
がかかるという欠点がある。

さらにリセットパルスの低レベルはブルーミング防止の
ために第２図ｄに示すように正の一定電圧とすることが
必要であるため、パルス回路にもう１個の電源が必要と
なるという欠点もある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、第１の目的
は、シフト電極に印加するシフトパルス電圧とオーバー
フロー・ゲート電極に印加するリセットパルス電圧が多
少変動しても画像出力信号の直線性を保持し得、ダイナ
ミックレンジを常に大きく保持し得るようにした電荷転
送形イメージセンサを提供することにあり、また第２の
目的は電源数を増加しなくてもブルーミングを改善でき
る電荷転送形イメージセンサを提供することにある。

すなわち、感光領域例えばフォトダイオードとシフト電
極間、およびフォトダイオードとオーバーフロー・ゲー
ト間に信号電荷を蓄積するための電位井戸の信号成分の
底レベルを設定する直流電圧を印加したバリヤ・ゲート
電極を設けることにより、リセットパルス電圧に関係な
く一定電荷をフォトダイオードに残留させるようにして
、駆動回路を簡単化した電荷転送形イメージセンサを提
供するものである。

以下本発明について図面を参照して説明する。

第４図は本発明センサを５画素のリニアイメージセンサ
に適用した実施例を示す。

第４図ｇは装置の概略の回路構成図を示し、第４図すは
第４図ｇの一点鎖線部分の詳細な断面図を示す。

この装置は、フォトダイオード１１ａ、１１ｂ、ｌｉｅ
。

１１ｄ、１１ｅから成る感光部１１と、電荷読出し用の
２相駆動電荷転送形シフトレジスメ１２と、感光部１１
に蓄積した電荷をシフトレジスタ１２へ転送することを
制御するシフト電極１３ａ、１３ｂ。

１３ｃ、１３ｄ、１３ｅと１．過剰な電荷を排出するド
レイン１４と、感光部１１とドレイン１４の間に設けら
れたオーバーフロー・ゲート電極１５ａ、１５ｂ。

１５ｃ、１５ｄ、１５ｅと、感光部１１に隣接してバリ
ヤ・ゲート電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃ。

１６ｄ、１６ｅ、１γａｔ １７ｂ、１７ｃ、１７ｄ。

１７ｅとから構成されている。

この装置の詳細な構造は第４図ｇの一点鎖線の部分を代
表例として第４図すに示す。

半導体基板２０内表面に半導体基板２０と反対導電形の
島状の半導体領域２１ｃを設けた感光領域１１とドレイ
ン１４を設け、さらに半導体基板２０上に絶縁膜２５を
介してオーバーフロー・ゲート電極１５ｃと、バリヤ・
ゲート電極１６ｃ、１７ｃと、シフト電極１３ｃと、シ
フトレジスタ１２０転送電極（第４図すでは、転送電極
２１だけを示す）とを設け、また感光部１１以外の領域
に光が照射されることを防ぐ光シールド膜２６を設けた
構造になっている。

半導体基板２０と半導体領域２１ｃの接合部が、感光領
域１１−の一つのフォトダイオード１１ｃである。

なお、特に図示していないが、各フォトダイオード１１
ａ、１ ｌｂ、１ ｌｅｔ １ｔａ、ｌｉｅ間、各オー
バーフロー・ゲート電極１５ａ、１５ｂ。

１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ間、各シフト電極１３ａ。

１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ間、各バリヤ・ゲート
電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ。

１６ｅ間、各バリヤゲート電極１７ａ、１７ｂ。

１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ間の半導体基板２０内表面には
半導体基板２０と同一導電形の不純物を高濃度に含むチ
ャンネル阻止領域２２が設けられている。

さらにこの装置では、オーバーフロー・ゲート電極１５
ｃ下の半導体表面には半導体基板２０と反対導電形不純
物が例えばイオン注入法で軽くドープされている領域２
４ｃが存在する。

またシフトレジスタ１２の半導体基板２０内表面には半
導体基板２０と反対導電形の半導体層２３（埋込みチャ
ンネル）が設けられている。

次に半導体基板２０がＰ形の場合におけるこの装置の動
作を第５図と第６図を参照しながら説明する。

第５図はこの装置を動作する駆動パルスの一例である。

第５図ｇはシフト電極１３に印加するシフトパルス、第
５図すはオーバーフロー・ゲート電極１５に印加するリ
セットパルス、第５図ｃ、ｄはシフトレジスタ１２に印
加する電荷を転送するための２相クロツクパルス、第５
図ｅはシフトレジスタ１２の一方の端に設けられたフロ
ーティング接合形電荷検出部の出力信号波形を示す。

バリヤ・ゲート電極１６．１７には第５図ｆに示すよう
にＯＮ状態のシフトパルス電圧Ｖ１ よりやや小さい正
の直流電圧Ｖ、が印加され、またドレイン１４には第５
図ｇに示すように大きい正の直流電圧ｖ６が印加されて
いる。

第５図の時刻ｔ１で、ａ図のシフトパルスがＯＮになっ
た状態の第４図すの断面部分に対応して電位分布と電荷
の状態を第６図ｇに示す。

フォトダイオードＩｌｃの部分は深い電位の井戸に相当
し、バリヤ・ゲート電極１７ｃ下の電位の井戸の深さに
相当する表面電位ｖ′、が実質的な電位障壁となりフオ
トダイオ−ド１１ｃに電荷Ｑ１が残留し、信号電荷Ｑ／
Ｓはシフトレジスタ１２０転送電極２１下に転送され
ている状態を示している。

時刻ｔ２゛では第６図すに示すように光電変換により発
生した電荷Ｑ２がフォトダイオード１１ｃとバリヤ・ゲ
ート電極１６ｃ、１７ｃ下に蓄積する。

さらに時刻ｔ３で、入射光が強くフォトダイオード１１
ｃに多量の電荷が発生し、電位の井戸以上になると、第
６図Ｃに示すように電位の井戸が深い方のオーバーフロ
ー・ゲート電極１５ｃ下の表面電位Ｖ１４の電位障壁を
越えてトレイン１４へ過剰電荷が流出する。

そのため過剰電荷が読出し中のシフトレジス汐１２へ流
出せず、出力信号を損うことがない。

時刻ｔ４で第５図すのリセットパルスが印加されると第
６図ｄに示すようにオーバーフロー・ゲート電極１５ｃ
下の電位の井戸が深くなる。

換言すると、オーバーフロー・ゲートの電位障壁はなく
なるため、フォトダイオード１１ｃ及びバリヤゲート電
極１６ｃ下に蓄積した電荷はトレイン１４へ転送される
。

フォトダイオード１１ｃにはバリヤ・ゲート電極１６ｃ
下の電位の井戸に相当する電位障壁Ｖｌ、で決する電荷
Ｑ１が残留することになる。

次に時刻ｔ５ではリセットパルスがなくなった後、再び
オーバーフロー・ゲート電極下に電位障壁が形成され、
入射光により発生した電荷Ｑ３が第６図ｅに示すように
フォトダイオード１１ｃとバリヤ・ゲート電極１６ｃ＝
１７ｃ下の電位の井戸に蓄積する。

時刻ｔ６では、第６図ｆに示すように第５図ａのシフト
パルスにより、シフト電極１３ｃ下の電位の井戸が深く
なり、リセットパルス消滅以降フォトダイオードＩｌｃ
に発生した信号電荷Ｑｓがシフトパルスメ１２の転送電
極２１下に第６図ｆに示すように転送され、フォトダイ
オード１１ｃにはＱｌの電荷が残留する。

シフトレジス汐１２を転送されて一方の端に設けられた
電荷検出部を経て出力される。

以下同様の動作の繰返しにより次々と走査を行うことが
できる。

これ１での説明はフォトダイオード１１ｃに限っていた
が、他のフォトダイオードでも同様な動作が同時に行な
われる。

芽た当然のことながら積分期間中に強い入射光により多
量の電荷が発生しても第６図Ｃに示す状態と同じように
過剰な電荷はオーバーフロー・ゲート電極１５ｃ下を経
由してドレイン１４に流出するのでブルーミング現象は
起きない。

以上の動作説明から明らかなように第４図の実施例にお
いて、各フォトダイオードに残留する電荷Ｑ１は、リセ
ットパルスやシフトパルスに関係なく、バリヤ・ゲート
電極１６．１７下の電位障壁ｖ’、により決定されるの
で、リセットパルスとシフトパルスのＯＮ状態の電圧値
が多少変動しても一定に保持される。

そのため、低照度時の小さい信号の直線性が悪くなるこ
とは起きず、ダイナミックレンジを常に大きく保持でき
る。

すなわち、駆動回路の調整を殆んど行う必要がない。

また領域２４があるため、同一電圧に対してオーバーフ
ロー・ゲート電極１５下の電位の井戸はシフト電極１３
の電位の井戸より深く形成される。

ＯＦＦ状態のリセットパルス電圧ｖ４はＯＦＦ状態のシ
フトパルス電圧Ｖ２に等しく（例えばＯｖとする）して
もブルーミング防止が可能となっている。

したがって、この装置の駆動回路には新たな直流電源を
必要としない。

すなわち、本発明のイメージセンサを動作させる駆動回
路はパルス電圧を殆んど無調整で設定するだけでよく、
またブルーミング防止動作を行わない状態に比較し直流
電源が増加しない。

つまり本発明のイメージセンサは、駆動回路が非常に簡
単になるという利点がある。

さらに本発明の付随的な利点は、バリヤ・ゲート電極１
６．１７下にも信号電荷が蓄積するので感光部全体に蓄
積でき得る電荷量が増加し、ダイナミックレンジが大き
くとれるということである。

本発明は第４図の実施例の外に種々の形態で実現できる
。

例えば、本発明は第７図のようにフォトダイオード１１
ａ、１１ｂ・・・に近接して蓄積電極３７ａ、３７ｂ、
３７ｃ、３７ｄ、３７ｅを設けて感光領域１１を形成し
た構造のイメージセンサにも適用できる。

当然のことながら蓄積電極３７下は第７図すに示すよう
に表面チャネル形であっても、第７図Ｃに示すように埋
込みチャネル形であってもよい。

また、本発明は第４図および第７図の実施例のようにフ
ォトダイオードが１次元的に配列されたイメージセンサ
に限られることなく、当然のことながら２次元的にフォ
トダイカードが配列されたイメージセンサにも適用でき
る。

さらに、オーバフロー・ゲート電極１５のしきい値電圧
は、該電極子の半導体基板２０表面の不純物を制御する
ことの外に絶縁膜厚２５の制御または絶縁膜内の固定電
荷量を制御してもよい。

また当然のことながら、第４図と第７図の実施例のよう
に電荷読出し用の電荷転送レジスタば２相駆動埋込みチ
ャネル電荷結合形シフトレジスタを１個設けることに限
ることなく、シフトレジスタは感光部の両側に設けても
、玄た単相、３相、４相駆動方式のシフトレジスタでも
、表面チャネル電荷転送形シフトレジス汐でもよい。

さらに、バリヤ・ゲート電極には直流電圧を印加した実
施例について説明したが、バリヤ・ゲート電極下の半導
体表面内に半導体基板と反対導電形の半導体層を設ける
ことにより、バリヤ・ゲート電極にＯＶを印加して、実
効的にＶ’ｓの電位の井戸を形成する構造を採用しても
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電荷転送形イメージセンサ説明図、第２
図は第１図の動作説明図、第３図はシフト電極とオーバ
ーフロー電極を開いた時の電荷の状態を示す図、第４図
は本発明センサの実施例説明図、第５図お＋び第６図は
第４図の動作説明図、第７図は本発明の別な実施例の説
明図である。 ２０・・・半導体基板、３，１３・・・シフト電極、４
゜１４・・・ドレイン、５．１５・・・オーバーフロー
・ゲ−）電Ｌ １６，１７・・・バリヤ・ゲート電極
、３７・・・蓄積電極、１．１１・・・感光部、２，１
２・・・電荷転送形シフトレジスタ、２３・・・埋込み
チャネル半導体層、２４・・・半導体基板と反対導電形
不純物をドープした領域、２２・・・チャネル阻止領域
、２５・・・絶縁膜、２６・・・光シールド膜、２１・
・・転送電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １−導電形半導体基板に複数の感光領域を設け、この感
   光領域で生成した電荷をシフト電極による制御によって
   複数入力遅延装置に転送し、前記感光領域への入射光が
   大きい時前記感光領域で生成した電荷をオーバーフロー
   ・ゲートの電位を制御してドレインに転送排出するよう
   に構成されたイメージセンサにおいて、前記感光領域と
   前記シフト電極との間及び前記感光領域と前記オーバー
   フロー・ゲートとの間に、信号電荷を蓄積するための電
   位井戸の信号成分の底レベルを設定する手段を設け、こ
   の手段により前記電位井戸者々の底レベルを同一にする
   ことを特徴とする電荷転送形イメージセンサ。 ２ 前記電位井戸の底レベル設定手段は、前記半導体基
   板上に絶縁膜を介して設けられた電極に直流電圧が印加
   されるものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の電荷転送形イメージセンサ。 ３ 前記感光領域は、−導電形半導体基板内表面にこの
   基板に対して異なる導電形頂域を形成したものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電荷転送形
   イメージセンサ。 ４ 前記複数入力遅延装置は電荷転送素子により構成さ
   れたシフトレズス汐であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の電荷転送形イメージセンサ。