JPS59144278A - 固体撮像素子 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、カラー・テレビカメラ用固体撮像素子に関し
、詳しくはＸ、Ｙのスイッチマトリクスによシ光電変換
素子を順次走査するＭＯＳ形の固体撮像素子に関するも
のである。

〔従来技術〕

固体撮像素子は、光電変換と蓄積の機能を有する２次元
配列の画素群と、各画素に蓄積された信号電荷を時系列
で順次域シ出す走査機能を有する回路とを、一体構造と
して固体化したものである。

このうち、走査方式はＸＳＹのスイッチマ）　ＩＪクス
によるＸＹアドレス走査形（ＭＯＳ形）と、自己転送機
能を有するＣＣＤ、ＢＢＤ等を用いる電荷転送形とに分
けられる。

第１図は、ＸＹアドレス走査形（ＭＯＳ形）固体撮像素
子の構成図である。

第１図の回路構成は、すでに提案されている特願昭５２
−８２９６５号明細書、あるいはＩ　ＥＥＥ　Ｔｒａｎ
ｓＢＤ−２９Ａ４ＰＰ７４５−７５０（１９８２，Ｍｌ
ｌＡｏｋｉｅｔａｌ）に詳述されている。

第１図に示すＭＯ８形固体撮像素子では、垂直シフトレ
ジスタ１１の出力線によりインターレース・スイッチ１
７を制御し、奇数フィールドではスイッチ１７が端子１
８−１に切換え接続されるため、水平出力線０，１１、
Ｏｙの２本が同時に順次送出される。これによって、最
初の水平走査期間では（１，１）　（Ｌ２）　（１，３
）　（１１４）・・・・・・と（２，１）　（２，２）
（２，３）　（２，４）・・・・・−の２行のＭＯＳ　
）ランジスタがすべてオン状態になるので、第１行目の
Ｑ、ｉ）　（１゜２）　（１，３）　（Ｌ４）・・・・
・・のフォト・ダイオード１３Ｒ，１３Ｇで得られた光
信号がそれぞれ垂直信号線１４ｈ、１４ｇに移され、第
２行目の（２，１）　（２，２）　（２ｔ３）　（２？
４）・・・・・・のフォト・ダイオード１３Ｇ、１３Ｂ
で得られた光信号がそれぞれ垂直信号線１４ｆ、１４１
に移される。

一方、水平走査期間に水平シフトレジスタ１２から出力
線Ｏｘ□、Ｏｘ２、Ｏｘ３・・・・・・に順次送られる
出力パルスは同時に２つの水平スイッチ・トランジスタ
１５ｆ、１５ｈおよび１５ｇ　、　　１５ｉを順次オン
状態にし、それぞれに接続された垂直信号線１４ｆ１１
４１および１４ｈ、１４ｇ上の信号を、信号出力線１６
ｆ、１６１および１６ｇ、１６ｈから出力する。すなわ
ち、信号出力線１６ｇ、１６ｈからは、第１行目のフォ
ト・ダイオード１３Ｒ１１３Ｇの信号が得られ、信号出
力線１６ｆ　、１６ｉからは、第２行目のフォト・ダイ
オード１３Ｇ、１３Ｂの信号が同時に得られる。

また、偶数フィールドでは、スイッチ１７が端子１８−
２に切換え接続されるため、Ｏｙ、Ｏｙ２の２本が同時
に順次送出される。これにより、垂直シフトレジスタ１
１から加えられたパルスで水平出力線Ｏｙ、Ｏｙ２の２
本が同時に送出される。これにより、最初の水平走査期
間には、第２行目（２，１）（２，２）　（２，３）　
（２，４）・・・のフォトΦダイオード１３Ｇ、１３Ｂ
の光信号がそれぞれ垂直信号線１４ｆ、１４１に移され
、また第３行目（３，１）　（３，２）　（３，３）　
（３，４）・・・のフォト・ダイオード１３Ｊ　１３Ｇ
の光信号がそれぞれ垂直信号線１４ｈ、１４ｇに移され
る。この結果、水平走査期間に信号出力線１６ｆ、１６
１からは第２行目のフォト・ダイオード１３Ｇ、　１３
Ｂの光信号が得られ、信号出力線１６ｇ、１６ｈからは
第３行目のフォト・ダイオード１３Ｒ，１３Ｇの光信号
が得られる。、 このようにして、信号出力線１６ｆ〜１６ｉから得られ
る信号を加算した信号は、空間的な位置の重みがフィー
ルドごとにフォト・ダイオードの１行分だけ上下に移動
するので、インターレース動作が実現される。そして、
このインターレース動作によれば、すべての行のフォト
・ダイオードで得られる光信号が、各フィールドごとに
信号出力端子から出力されるので、被写体が動いたとき
、フォトやダイオードに残る残像の長さは１フイ一ルド
期間（１／６０秒）に動いた距離に対応した量となり、
視覚上目ざわシな残像を防止できる。さらに、光ダイオ
ードに配置されたマトリクス色フィルタとの組み合わせ
によって、カラー信号再生に適した全く独立した２種の
色信号を常時同時に引き出すことができるため、単板カ
ラー撮像素子としてきわめて利点が大きい。

しかし、従来の固体撮像素子では、画面の一部に強い光
が入射した場合、再生画面上で光点の上下に明るい線を
生ずるプルーミングおよびスメアという偽信号が生ずる
。

第２図は、第１図における基本画素の断面構造図である
。第２図により、ブルーミングとスメアの現象を説明す
る。１はフォト・ダイオードの１拡散層、２はＰ形Ｓｉ
基板、３はｎ＋拡散層、４は垂直信号線、５はゲート、
６．７は光電子、８は入射光である。

フォト・ダイオードを形成するｎ＋拡散層１は、入射光
８によって生成された光電子６を集めるが、入射光８が
強すぎる場合には当然光電子６が溢れる。この溢れだ光
電子６は、近接した垂直信号線４につながる１拡散層３
すなわちドレインに流入し、垂直信号線４を共有する他
の画素、つまり垂直に並んだ画素の信号に混入して偽信
号を発生する。これがプルーミング（Ｂｌｏｏｍｉｎｇ
）現象である。

これに対し、スメア（Ｓｍｅａｒ）は、Ｓｉ基板２の内
部で光電子７が熱拡散し、ｎ＋拡散層３に流入、あるい
は散乱光によシｎ＋拡散層３が感光することによって、
ゲート５の選択の有無によらず、垂直信号線４に光偽信
号を生成するものである。

ドレインで発生した光電子は、ＭＯＳトランジスタのオ
ン・オフにかかわらず垂直信号線４に移されるが、垂直
信号線には上下に並んだ数１００のＭＯＳトランジスタ
のすべてのドレインが接続されているので、各ＭＯ８）
ランジスタ上に投影されたこの種光情報は垂直信号線４
に混合加算されて蓄積される。つ−ｇ、各垂直信号線４
には、投影された被写体像の垂直方向の積分光量に対応
した信号電流が蓄積されることになる。この信号は、画
面上に各水平走査期ごとに通常の信号に重畳して出てく
るので、一部に明るい部分の存在する被写体像を撮像し
た場合、再生画面上では、上下方向に尾引き状の偽信号
が発生する。これは、固体撮像素子に特有の垂直スメア
と呼ばれる。

これらの現象を抑止するため、第３図に示すような画素
構造が提案されている（特公昭５７−３０３５０号公報
および前記引用文献参照）。

第３図では、画素構造を、ｎ＋拡散層１と薄いＰ形つェ
ル２２と、ｎ形Ｓｉ基板２４の３層構造とし、寄生バイ
ポーラ・トランジスタ２５によシ余剰光電子をｎ形基板
２４に吸い出してプルーミングをほぼ完全に抑止し、ス
メア電荷も拡散成分はＰ形つェル２２とｎ形基板２４の
間の障壁のだめ大幅に低下する。なおｐ＋領域２３は、
信号容量を増加するだめの補助手段である。

しかしながら、入射光量には際限がなく、実用的にはさ
らに１桁以上のスメア抑圧が必要であり、前記引用文献
（Ｍ、　Ａｏｋｉ　ｅｔａｌ　）の素子においても、実
用化に際しては、外部補助回路によりさらに１桁のスメ
ア抑圧が行われている。

まだ、従来の固体撮像素子は、感度つまり信号対雑音比
の面で問題がある。

先ず、信号の方は、第１図に示すように画素配列１列当
シ２本の垂直信号線を配置しているが、垂直信号線１４
は最も高速な信号を扱うため、アルミニウム（ＡＩ）等
の金属を用いることが不可欠であシ、この信号線を２本
設けることが画素の光入射用開口を制限し、光感度を損
っている。

また、雑音の方は、やはり前記引用文献ＱｌｌＪ、Ａ−
ｏｋｉ　ｅｔａｌ　）に詳述されているように、大きく
分ければ、水平走査において大きな寄生容量（第１図の
１９）を有する垂直信号線１４をサンプリングすること
によシ発生する内部雑音”Ｎ１、および水平信号線１６
の寄生容量、パッケージのビン容量を含めた容量Ｃｏと
プリアンプ入力容量Ｃｉの和とプリアンプ人力部の等価
抵抗Ｒｅで定まるプリアンプ雑音ＩＮ２がある。

ちなみに、上記各雑音ＩＮ′□、Ｉ２□は次式で表わさ
れる。

Ｉ、、”１＝２ｋＴＣｖｆ、Ｂ・・−・・・・−・・・
・・・・・−・・・・・−・・・・・・・・・・（１）
■Ｎ％　＝　背π２（ＣＯ＋Ｃ１）２ｋＴＲｅＢ３・・
・・・・・・・・・・・・・（２）ここで、ｋはボルツ
マン定数、Ｔは絶対温度、ｆｓは水平走査周波数、Ｂは
信号帯域である。これらが固体撮像素子の感度を制限し
ているわけであるが、内部雑音ｌＮ２１は素子固有の成
分であって、どのように優れたプリアンプを用いても改
良されず、また雑音の周波数スペクトラムが平担で６Ｃ
１低周波の成分は同じ雑音エネルギでも再生画像で目立
ち易い性質があるため、感度を制限する支配的要素とな
っている。

第４図は、従来の改良形固体撮像素子の回路構成図であ
る。

例えば、テレビジ、７学会誌Ｖ０１．２６、／ｌ６１Ｐ
Ｐ３３〜４６（１９７２安藤他）等の文献に、第４図の
構成について報告されている。これは、画素に、垂直、
水平の２つのＭＯＳトランジスタ・スイッチ３１，３２
を配設したもので、信号は垂直走査線３３で選択された
水平信号線３６、垂直走査線３４を介して引き出される
。第４図から明らかなように、この素子では、映像期間
内に大きな寄生容量を有する信号線のサンプリングは行
われないため、上記の内部雑音縁、は発生しない。また
、プルーミングおよびスメアについては、偽信号が水平
信号線３６に流入した場合に限られるわけであるが、連
続した画素の読み取りの度にイ為信号がクリアされる形
になυ、その時間が最も短い水平走査１画素分の読み取
シ時間に限られるため、例えば標準の垂直５００画素、
水平４００画素の素子の場合、単純には第１図に示す素
子に比べて１／４００程度に低下する。

しかし、第４図の素子においては、光ダイオード１３に
接続されたＭＯＳ）ランジスタ３１は、その画素が選択
されていない問いたずらにスイッチ動作を続けるわけで
あるが、この場合、ＭＯＳ）ランジスタ共通の現象とし
て、フォト・ダイオード１３から電子を引き出し基板に
叩き込むチャージ・ポンプ現象が生ずる。この量が各画
素ととＫばらつくために、画素ごとに固有の固定雑音を
生じ、画面上では場所によって固定した大きなばらつき
となり、一様性が悪くなるため、結局は感度が高くなら
ない。

さらに、水平信号線３６は、非選択期間、つまシ（１フ
イ一ルド期間）マイナス（１水平走査期間）の長い間、
プルーミング電荷およびスメア電荷を１水平ライン分だ
け貯え続けるわけであるが、この量は第１図の素子に比
べて２５０倍にも及び、これが各水平走査の第１画素読
み出し時に読み出されることになるため、光量が大きく
なると短時間では読み出しきれず、画面が不安定になっ
てしまう。

さらに垂直ＭＯ８）ランジスタ・スイッチ３２は水平信
号線３６に接続されているが、ＭＯＳ）ランジスタはオ
ン状態においてゲートとドレインの結合容量が非常に大
きく、この接続では信号読み出し時に１行のＭＯＳ　）
ランジスタが全てこの状態になシ、垂直走査線３３と水
平信号線３６の間に大きな寄生容量を生じ、この結果プ
リアンプ雑音が大きくなり、感度低下をきたす。

さらに、第４図のままの構成では、複数の色信号を常時
読み出すことができないので、カラー素子に適さず、ま
たインターレース方式にも合わせることかできない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来の問題を改善するだめ
、感度を高めるとともに、プルーミング、スメアを大幅
に低下させることができる固体撮像素子を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

本発明の固体撮像素子は、光電変換素子およびスイッチ
素子からなる画素の′アレーと、これら画素のアレーを
順次選択走査する水平および垂直走査回路を有する固体
撮像素子において、上記画素内のスイッチ素子が上記光
電変換素子に接続され、かつ垂直走査回路で駆動される
スイッチ素子と、水平信号出力線に接続し、かつ水平走
査回路で駆動されるスイッチ素子の直列接続からなり、
さらに上記水平信号出力線が上記垂直走査回路によって
駆動されるスイッチ素子を介して垂直信号線に接続され
ることに特徴がある。

〔発明の実施例〕

第５図は、本発明の実施例を示す固体撮像素子の回路構
成図である。

第５図に示す本発明の構成は、第４図、第１図の従来の
構成に比較して、次の点で異なっておシ、それによる利
点も下記のとおシである。

先ず（１）画素に２個のＭＯＳトランジスタ・スイッチ
３１．３２を直列接続するが、その接続順序を第４図の
場合と逆にして、フォト・トランジスタ１３がらＭＯＳ
）ランジスタ３２．３１の順序で接続し、水平信号線３
６に光信号を送出している。これにょシ、水平走査にお
いてチャージ・ポンプ現象がフォト・ダイオード１３に
影響を及ぼさないよ、うにしている。（１）リセット・
ライン４７を設けて、スメア信号、チャージ・ポンプ電
流を排除し、かつフィールドごとに全画素の信号を読み
出すようにして、残像をなくしている。（ｉｉＱスイッ
チ１７を設けてインターレース方式を可能にしている。

（ｉｖ）複数本の信号出力線４９．５０を設け、単板カ
ラー撮像に適した水平２行の同時走査を可能にしている
。

これらの動作について、さらに詳しく説明する。

すなわち、画素においては、フォト・ダイオード１３に
垂直ＭＯ８）ランジスタ・スイッチ３２を接続し、この
トランジスタ３２と水平信号線３６０間に水平ＭＯ８）
ランジスタ・スイッチ３１を接続する。これによって、
非選択時のチャージポンプは水平信号線３６に対して生
ずるのみであり、フォト・ダイオード１３の信号に影響
を及ぼさない。周知のように、水平走査の周期、つまり
水平シフト・レジスタ１２からの出力の周期は非常に短
時間でちり、高速走査が行われるのに対して、垂直走査
の周期、つまり垂直シフト・レジスタ１１からの出力の
周期は非常に長く、画面１枚に１回、すなわち光信号の
読み取シ時に１回出力されるのみである。しだがって、
第５図では、フォト・ダイオード１３から電荷を引き出
して基板に叩き込むチャージ・ポンプ現象が垂直走査時
にだけ（１フイールドに１回のみ）起るため、水平走査
時ごとに起る第４図の場合より固定雑音が著しく少なく
なシ、画面上での一様性は良好となって、感度が高くな
る。

次に、走査については、第１図の素子の場合と同じく、
インターレース・スイッチ１７により２行同時に行う。

すなわち、インターレース・スイッチ１７が上方に切換
え接続されると、垂直シフトレジスタ１１の出力により
、最初の水平走査期間には２行の垂直ＭＯＳトランジス
タ３２がすべてオン状態になり、さらに短かい周期で水
平走査期間に移って、水平シフト・レジスタ１２からの
出力によｐ２行の水平ＭＯ８）ランジスタ３１が次々に
オン状態となる。これにより、フォト・ダイオード１３
Ｒ，１３Ｇの光信号が水平信号線３６に移され、垂直シ
フト・レジスタ１１の出力によって垂直スイッチＭＯＳ
トランジスタ３７がオン状態となるので、２行分の水平
信号線３６に送出された光信号は、それぞれ別個の垂直
信号線４１．４２に移される。これによって、水平２行
の光信号を独立した信号出力線４９．５０に同時に出力
することができる。

インターレース方式が実現できるので、各フィールドご
とに全画素の信号を読み出すことができ、視覚上目ざわ
シな等価残像は生じない。また、カラー撮像では、複数
の色信号を同時に出力しなければならないが、第５図で
は、垂直信号線を複数本設けているため、カラー化が可
能でｓｂ、特に単板カラー化に適したものとなる。なお
、モノクロ素子として用いる場合には、垂直信号線４１
．４２を１本にまとめてもよい。

次に、リセット用ＭＯ８）ランジスタ４８には、各水平
走査のブランキング期間ごとにリセット・ライン４７を
介して正のパルスが印加され、全水平信号線３６をビデ
オ電源４０の電圧にリセットする。この手段により、水
平信号線３６の受は取るプルーミング電荷、スメア電荷
、およびチャージ・ポンプ電荷は、水平走査期間ごとに
排出され、全く問題とならなくなる。すなわち、水平信
号線３６には大きな寄生容量が存在し、ここにブルーミ
ング電荷およびスメア電荷が１水平走査期間の長い間蓄
積されるが、リセット用ＭＯ８）ランジスタ４８により
これらをすべて放電させるので、スメアは第４図の場合
の１／４００に低下する。なお、水平走査線３６はアル
ミニウム（Ａｌ）等の金属を用い、垂直走査線３３は多
結晶シリコン（８ｉ）等のゲート配線材料を用いるが、
殆んどの部分を重畳して形成することができる。この結
果として、フォト°ダイオード１３の開口を増加させる
ことができ、しかも前述のように内部雑音がなくなるの
で、感度が大幅に向上する。

なお、第５図における画素構造に対して、フォト拳ダイ
オードをフォト・トランジスタに変更したり、あるいは
第３図に示す改良された画素構造を適用することができ
、これによってさらに高性能の素子を実現することがで
きる。また、水平走査線３６の各水平ブランキング期間
におけるリセット方法、出力方法等は、最も簡単な方法
を実施例で説明したが、リセット動作および複数信号の
独立な出力動作という基本概念が同一であれば、これに
限定されることなく、他の方法も適用可能である。さら
に、実施例では、ｎチャネル素子で説明しだが、ｎチャ
ネル素子に対しても極性を逆に接続することにより、全
く同じように適用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したようＫ、本発明によれば、光電変換素子と
水平信号線の間に、垂直走査回路により駆動されるスイ
ッチ素子、および水平走査回路により駆動されるスイッ
チ素子の直列接続を、光電変換素子よりこの接続順序で
挿入したので、ブルーミングやスメア等の光偽信号が発
生することなく、かつ高感度の固体撮像素子を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＭＯ８形固体撮像素子の構成図、第２図
は第１図における基本画素の断面構造図、第３図は従来
の改良形基本画素の断面構造図、第４図は従来の改良形
固体撮像素子の回路構成図、第５図は本発明の実施例を
示す固体撮像素子の回路構成図である。 １．３：ｎ＋拡散層、２：Ｐ形Ｓｉ基板、４：垂直信号
線、５：ゲート、１１：垂直走査回路（シフト・レジス
タ）、１２：水平走査回路（シフト・レジスタ）、１３
：フォト・ダイオード、１７：インターレース拳スイッ
チ、３３：垂直走査線、３６：水平信号線、３４゜４１
　、４２　：垂直信号線、３１：水平ＭＯＳトランジス
タ◆スイッチ、３２：垂直ＭＯ８）ランジスタ・スイッ
チ、３７：垂直スイッチＭＯ８）ランジスタ、４８：リ
セット・トランジスタ、３８．４５．４６：プリアンプ 特許出願人　株式会社　日立製作新 築　　　１　　　図 第　　　２　　　図 第　　　３　　　図 第　　　４　　　図 １２ 第５図 ２

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光電変換素子およびスイッチ素子からなる画素の
   アレーと、該画素のアレーを順次選択走査する水平およ
   び垂直走査回路を有する固体撮像素子において、上記画
   素内のスイッチ素子は、上記光電変換素子に接続され、
   かつ垂直走回路で駆動されるスイッチ素子と、水平信号
   出力線に接続され、かつ水平走査回路で駆動されるスイ
   ッチ素子の直列接続からなり、さらに上記水平信号出力
   線は上記垂直走査回路で駆動される別のスイッチ素子を
   介して垂直信号出力線に接続されることを特徴とする固
   体撮像素子。
2. （２）前記水平信号出力線に対し、水平走査のブランキ
   ング期間ごとに所定の電圧にリセットする機構を有する
   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
   素子。
3. （３）　＠記水平信号出力線は、フィールドごとに組合
   わせの変わる水平２行が同時に選択走査され、光信号が
   送出されることを特徴とする特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の固体撮像素子。
4. （４）前記水平信号出力線は、それぞれ独立した垂直、
   信号出力線に接続されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項、第２項または第３項記載の固体撮像素子。