JPS5916483A - 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、色分解用フィルり（以下色フィルりと略称）
を用いずに、単板構成でカラー化が可能な固体撮像装置
に関するものである。

これまでのカラー化固体撮像装置は、小型化に最も有利
な単板構成を中心に開発されて来ており、カラー化のた
めに色フィルりを画素に合わせてモザイク状に配置する
方法が採用されている。ところが、この様な方法では、
信頼性、性能の面で、解決しがたい次のような幾つかの
問題が残る。

（１）現在用い゛られている色フィルりはゼラチン膜で
構成する有機フィルりであるだめ、耐熱性。

耐光性が不十分で、半導体はどの長寿命は得られない。

（２）色フィルタの製作精度が半導体に比べて遥かに低
いので、固体撮像素子の小型化２画素数増加（高解像度
化）による画素寸法の微小化と共に色フィルりの製造が
極めて困％Ｆになる。

（３）色再現に必要な三原色（又は補色も含めた複数の
色）をモザイク状に配置する関係で、１つの色が２画素
あるいは３画素に１個となるだめ、色の解像度が極めて
不十分となる。

上記問題点（３）の解像度はカメラの最も重要な性能で
あシ、画質を大きく左右する要素である。一般に固体撮
像素子の解像度は、画素となるフォトダイオード（など
の光電変換部）の数で決まるが、現状は９１インチサイ
ズの受光面積に、垂直方向に約５００個、水平方向に約
４ｏ○個というのが代表的である。ところが、この固体
撮像素子でカラーネガフィルレム並みの解像度を実現す
るには、葆来の様なモザイク状の色フィルタを用いる限
シ最低でも、垂直約２２００個、水平約２２００個、画
素数として整うインチ受光面積に５００万画素は必要で
ある。（実際には、フィルムのｒν　ｍ。

Ｓ粒状度を考慮しなければならず、この値の更に２０〜
３０倍になる。）上記の様な画素数になると、１個の画
素を含むセルサイズは、（２／３インチ受光面積の場合
）垂直方向に約３μｍ、水平方向に約４μｍとなる為、
色フイルりの製作精度は超ＬＳＩの製作精度を要求され
、（至）めで困難になる。゛ この時、もし１画素から色再現に必要な色信号がすべて
得られるならば、カラーネガフィルレム並みの解像度を
実現するだめに、ダ３インチ受光面積で垂直方向に約１
３００個、水平方向に約１３００個の画素、画素数とし
て１７０万個もあればよいことになる。この場合、１画
素を含むセルサイズは、垂直方向に約５．１μｍ、水平
方向に約６．８μｍとなり、固体撮像素子の製作寸法も
遥かに容易ｄものとなることが分かる。

ところが、これまで、１画素から複数の色信号を同時に
読出す様な固体撮像素子は□提案されていない。これは
、複数の色信号を得る手段とそれを２次元情報として読
出す手段を同時に実現する事が極めて困難なためである
。

本発明の目的は、１画素の光電変換部から色再現に必要
な複数の色信号を得る手段と、それらを２次元情報とし
て各色囲時に読み、出す手段とを−１（に備えた新しい
固体撮像装置を実現することにある。

本発明の構成は、■複数の色信号を得るため、基板に垂
直な厚み方向に層状に形成した光電変換部と、■各層か
らの色信号を同時に読み出すために、埋め込まれた複数
の抵抗性ゲート電極（Ｒｅ５ｉｓｔｉｕｅ　Ｇａｔｅ電
極、以下ＲＧ電極と略記する。）を中心に構成された信
号読出し部とから成る。

まず、光電変換部について検討する。一般にｐ−ｎ接合
フ１）ダイオードの分光感度特性Ｒ（λ）は、 但し、Ｅｑ：真性半導体のバンドギャップλ。＝　ｈａ
　、バンドギャップＥ（ｌに対するｑ カットオフ波長 η（λ）：有効量子効率 Ｕ（λＧ−λ）た１　（λ≦λＧ） 二〇（λ〉λＧ） また、量子効率η（λ）は、吸収係数α（λ）、拡散深
さｘｊを用いると、近似的に次式で表わされる。

η（λ）＝１−ｅｘｐ　［−α（λ）・ｘｊ　　ｌ　　
　・旧・・（２）（１）、　（２）式から、光電変換部
の波長選択性を決めるのに次の２つの方法が考えられる
。

ＣＩ）ｐ−ｎ接合の拡散深さｘｊにょシ決まる分光感度
特性を利用する。

（Ｉｆ）　　Ｅｑの異なる半導体で構成されるヘテロ接
合の分光感度特性を利用する。

（１）に示した拡散深さｘｊの分光感度特性の影響を考
える前に、代表的な例としてＳｉ（シリコン）の分光感
度特性を調べると、第１図に示す様になっている。破線
で表わされる理想的な分光感度特性に対し実際は、表面
トラップのために短波長側（λ（４００ｎｍ　）が減衰
し、バルクトラップのために長波長側（λ）ｓｏｏｎｍ
）が減衰する。　この様な分光感度特性が拡散深さｘｊ
でどう変化するかを示したのが第２図である。第２図が
らｘｊ　　が小さくなると共に短波長側の改善の様子が
分かる。

従って層状に形成された光電変換部の拡散深さｘｊの違
いを利用すれば、異なる複数の色信号が得られることに
なる。

次に（…）に示したヘテロ接合のＥｑの影響を考えるた
めに、（１）式をＲｑ＋　）　Ｅｑ２の半導体のへテロ
接合の場合に適用すると、次式の様になる。

Ｕ（λＧ１−λ）＝１（λ≦λａ１） 二〇（λ〉λｃ＋） Ｕ（λＧ２−λ）＝１　（λ≦λＧ２）＝ｏ（λ〉λＧ
２） 光が入射する表面の半導体のバンドギャップかＥｇ＋で
ある場合、光の波長λが、λ〉λＧ１のときに、Ｕ（λ
ａ１−λ）＝ｏとなる。ということは、λ〉λＧ１の光
の波長λに苅して表示の半導体は透明になる事を表わす
。（これを一般に窓効果と称する）これは第３図（ＩＬ
）に示す様なヘテロ接合を用いて光電変換を行なうと第
３回申）に示すような分光感度特性が得られる事を意味
する。従って層状に形成された光電変換部のバンドギャ
ップＥｑの組合わせを利用すれば、異なる複数の色信号
が得られることになる。

次に信号読出し部に用いる抵抗性ゲー）　（Ｒ（、）電
極について検討する。

抵抗性ゲート電極の基本構成を第４図（ａ）に示す。

ｐ基板４０１上に形成されたｎ−領域４０２の上に絶縁
膜４０３を介して抵抗性ゲート電極４０４が作られ、そ
の両端に電圧Ｅが印加されると、第４図（ｂ）に示すよ
うな　ｎ−領域４０２のボテンシャル分布布が得られる
。この時、ｎ−領域４０２の空倉化電位をψ＝ψＧとす
ると、Ａで示された範囲が突合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
には、第５図（ａ）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６図（＆）、　（ｂ）は、それぞれ」二面図、断面図
を表わし、第５図（ｃ）はボテンシャル分布を示す。

ｐ基板５０１上に形成されだｎ−領域５０２の上に、絶
縁膜５０３を介して、抵抗性ゲート電極５０４及び６０
５が作られている。

抵抗性ゲート電極５０４の両端の端子１１３−０間に電
圧Ｅ１を印加した時、そのボテンシャル分布はψ１とな
り、抵抗性ゲート電極５０５の両端の端子Ｄ−Ｅ間に電
圧Σ２を印加した時、そのボテンシャル分布はψ２とな
る。

この時、ｎ−領域５０２の突合化電位をψ二ψ０とする
と抵抗性ゲート電極６０４に対してはＦで示された範囲
が突合化領域となり、抵抗性ゲート電極５０５に対して
は、Ｇで示された範囲が突合化領域となる。

従って、抵抗性ゲート電極５０４．ＳＯ５に直角な方向
でｎ−領域５０２を眺めると、Ｈで示される範囲にその
幅でチャネル（第５図（ｂ）ｎ−領域５０２の着色部）
が形成されることになる。

この様なチャネルを例えば右側に走査させるには、鋸歯
状波Ｒ１，Ｒ２をそれぞれＢ−Ｃ端子間、Ｄ−Ｅ端子間
に容量を介して供給すればよい。

以上述べたような、複数の色信号を得るだめの光電変換
部と、複数の色信号を読出すだめの抵抗性ゲート電極を
用いた信号読出し部とで構成される本発明の詳細を実施
例を用いて説明する。

第６図は、本発明の光電変換部の１実施例で１個の画素
に関する（ａ）」二面図、（ｂ）ｘ−Ｘ′断面図、（Ｃ
）Ｙ−Ｙ’断面図を示し−Ｃいる。

この画素はＹ−Ｙ’力方向連続と々る部分（例えばｎ＋
領域６１５，６０９，６０３など）が存在するので、固
体撮像素子は、Ｙ−Ｙ’力方向作られた複数画素のユニ
ツトをｘ−ｘ’力方向並べていくことによって構成され
る。

第６図は、ｐ基板６０２上に絶縁物６０１で分離された
ｎ＋領域６０３、ｎ＋領域６０３の」−に埋め込まれた
ｎ型抵抗性ゲート電極６０４，６０５を含むｐ領域６０
６、ｐ領域６０６の上に絶縁物６０１て分離されたｎ＋
領域６０７、ｎ＋領域６０７の上にｐ領域６０８、ｐ領
域６０８の十に絶縁物６０１で分離されたｎ＋領域６０
９、ｎ＋領域６０９の上に埋め込まれたｎ型抵抗性ゲー
ト電極６１０゜６１１を含むｐ領域６１２、ｐ領域６１
２の上に絶縁物６０１で分離されたｎ＋領域６１３、ｎ
＋領域６１３の上にｐ領域６１４、ｐ領域６１４の上に
絶縁物６０１で分離されたｎ＋領域６１５、ｎ＋領域６
１６の上に埋め込まれたｎ型抵抗性ゲ−１・電極６１６
，６１７を含むｐ領域６１８、ｐ領域６１゛８の上に絶
縁物６０１で分離されたｎ＋領域６１９、ｎ＋領域６１
９の上に保護膜６．２０という順に構成された画素の構
造を示している。

第６図に示した単位画素は厚み方向に、Ｂ、（１，。

Ｒの３領域に分けられ、３種の色信号を読み出すことが
可能である。

Ｂ領域ではｎ＋領域６１９が主な光電変換部であシ、４
００　ｎｍ　〜５５０　ｎｍ　（青色光に相当）を含む
波長の光に対応して光電変換を行ない、その結果、生じ
た信号電荷は抵抗性ゲート電極６１６゜・６１７で走査
された時にｎ＋領域６１９からｎ＋領域６１５に向かっ
て形成される厚み方向のチャネル（点線で表示）を通っ
て信号線ＳＬＢ　　に相当するｎ＋領域６１５に第１の
色信号として読出される。

Ｇ領域では、ｎ＋領域６１３が主な光電変換部であり、
５０ｏ　ｎｍ　〜ｅ　ｏ　ｏ　ｎｍ　（緑色光に相当）
を含む波長の光に対応して光電変換を行ない、その結果
、生じた信号電荷は抵抗性ゲート電極６１ｏ。

６１１で走査された時にｎ＋領域６１３からｎ＋領域６
０９に向かって形成される厚み方向のチャネル（点線で
示す）を通って信号線ＳＬｃに相当するｎ＋領域６０９
に第２の色信号として読出される。

Ｒ領域では、ｎ＋領域６０７が主な光電変換部であり、
５５０ｎｍ〜７００ｎｍ　（赤色光に４″１１当）を含
む波長の光に対応して光電変換を行ないその結果生じた
信号電荷は抵抗性ゲート電極６０４．６０５で走査され
た時にｎ＋領域６０７からｎ＋領域６０３に向かって形
成される厚み方向のチャネ／Ｉ／（点線で表示）を通っ
て信号線５ＬＲＫ相当するｎ＋領域６０３に第３の色信
号として読出される。なお、接地電位のｐ領域８０２，
６０６，６０８，６１２゜６１４．６１８に対して信号
線となる　ｎ＋領域６０３．６０９，６１５には正の電
圧が印加されている。

上記第１〜第３の色信号を得るだめの具体的な方法とし
て、 （り拡散深さｘｊによる分光性性の違いを利用。

（ＩＩ）バンドギャップエネルギーＥｑの異なるペテロ
接合の分光特性の違いを利用。

の２つが可能なことはすでに述べた。

第６図の単位画素に対して、（Ｉ）の拡散深さｘｊの効
果を適用する具体例を以下に述べる。

第６図の単位画素がＳｉ　（シリコン）だけで構成され
る場合、第２図を参考にして、Ｂ領域を１μｍ以内の深
さ方向に形成し、Ｇ領域を２μｍ以内の深さ方向に形成
し、Ｒ領域を４μｍ以内の深さ方向に形成すれば、Ｂ領
域で得られる第１の色信号Ｃ１は、青色光ｂ、緑色光ｑ
、赤色光ｒの全てに対応するので、 Ｃ＋＝ｒ十ｇ＋ｂ　　　　　　　　　　　・・・・・・
（４）同様にＧ領域で得られる第２の色信号Ｃ２は、Ｃ
２−＝ｒ＋ｑ　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
（６）Ｒ領域で得られる第３の色信号Ｃ３も又、同様に
、Ｃ３＝＝ｒ　　　　　　　　　　　　　　　　・・・
・・・（６）（４）、　（６）、　（６）式から、ｑ：
Ｃ２−Ｃｓ、　　ｂ＝ｃ＋　−Ｃ２＋　　ｒ−：！＝　
Ｃ３と三原色に対応する色信号が得られるので、第６図
に示す単位画素で得られる第１〜第３の色信号を用いれ
ば、色再現が可能であることが分る。

以上の様に、拡散深さｘｊの違いに伴なう分光特性の変
化を利用すれば色再現に必要な複数の色信号を同時に１
画素から得られることが明らかになった。この場合の画
素部は基板と同じ半導体だけで形成できるだめ、通常の
エピタキシャル結晶成長技術を主体としたプロセスを用
いれば作り易く、し力・も清浄な界面を得やすいという
特徴をもつ。

しかしながら、理論的には（２）式、定性的には（４）
、　（５）式から分かる様に、色再現に必要な複数の色
信号を狭帯域の波長領域で得にくいため、信号処理が必
要になるという問題が生じる。

この問題は、（ｆｆ）のバンドギャップエネルギーＥｑ
の異なるヘテロ接合で得られる分光特性の変化を利用す
れば、解決できるので、その具体例を以下に述べる。

はじめに第３図を用いて基本原理を説明する。

第３図（ａ）はｐ＋ｎ　ｎ＋槽構造へテロ接合フォトダ
イオードで、トップコンタクトとなるｐ十領域３０１と
ｎ子基板３０３とはＩｌｌ　−Ｖ族の２元化合物ＩｎＰ
で形成されており、ドリフト領域（突合領域）となるｎ
領域３０２は１１１−■族の３元化合物Ｇａ　Ａｓ　Ｓ
ｂで形成されている。ＩｎＰのバンドギャップエネルギ
ー（以下Ｅｑと略す）　ＥｑをＥｇ＋とすれば、カット
オフ波長λＧ１は　λｃ、１＝　ｈｃ／Ｅｇ＋となる。

まだ、Ｇａ　Ａｓ　ＳｂのｘｑをＥｑ２とすれば、その
カットオフ波長λＧ２は　λＧ２＝ｈｃ／Ｅｇ２で与え
られる。

この時、Ｅｇ＋　）　Ｅｑ２であるから色信号に対応す
る光の波長λは、第３図（ｂ）に示すようにλｌ　（λ
〈λＧ２ となる。

また、ｎ領域３０２は１１−　Ｖ族の４元化合物（例え
ば、ＩｎＧａＡｓＰ）を用いることも可能である。、− この他に固定された多元化合物のモル比とそれに対応す
る固定したカットオフ波長の制限から離れて設定の自由
度を増すために混合勾配（ａｏｍｐ。

５ｉｔｉｏｎａｌ　ｇｒａｄｉｎｇ　）という方法も利
用される。

（これは清浄な界面を得るためにも役立）これは第７図
に示すヘテロ接合フォトダイオードのように、トップコ
ンタクトのｐ＋領域７０２とｎ＋基板７０１とがＩｎＰ
で、ドリフト領域であるｎ型領域了０３がＩｎｘＧａ　
１−ｘ　Ａｓ、　Ｐ　１．ｙである時、混合勾配は領域
７０４．７０５のように、ＩｎＸＧａ１−ｘ　Ａｓｙ　
ｐ、　−ｙで表わされＩｎＰと接するところでは　ｘ　
＝　ｙ二〇で、ｌ１ｘＧａ、　−ｘ　Ａｓ、　Ｐ、−ｙ
と接するところではＸ−ｘ、ｙ＝ｙとなるようにモル比
の勾配で作られている。勾配の作り方はパラメータｘ、
　　ｙは連続的に変化するかステップ状に変化させるの
が一般的である。

もちろん混合勾配によらず、ＩｎＸＧａ、　−ｘ　Ａｓ
！ｐ、　−ｙだけで十分な場合もあり、用途に応じて使
い分ければよい。

以上の方法を第６図の単位画素に適用する具体例として
、Ｂ領域に青色光、Ｇ領域に緑色光、Ｒ領域に赤色光を
割当てる場合を説明する。

簡単のため、λＧ＋＝４００ｎｍ（Ｅｃ＋−＝３ｅＶに
対応）、λＧ２＝５００ｎｍ（Ｅｃ２＝２．４＋９Ｖに
対応）、λｅ３＝ｅｏｏｎｍ（ｘｃ３＝２ｅｖに対応）
、λＧ４−＝７００１ｍ（Ｅｅ４＝１．７ｅＶに対応）
を仮定し、Ｂ領域の第１色信号Ｏｎ、Ｃｒ領域の第２電
信号Ｃｃ、Ｒ領域の第３電信号ＯＲが応答する波長は、
ＣＢ；λＧ１〜λＣｔ２．Ｃｃ；λ０２〜λＧ５．Ｃ：
Ｒ；λＧ３〜λＧ４ である場合を考える。

上記条件を満足するために第６図でカッ１−オフ波長λ
Ｇ１〜λＧ４を割当てるには、例えば、ｎ４領域６１９
にλＧ１、ｐ領域６１８にλＧ２、ｎ４領域６１３にλ
Ｇ３、ｎ＋領域６０７にλＧ４とずればよいｏＢ領領域
λＧ１がなくても第１図で示したと同様、表面率によっ
て短波長の応答が減衰させられる筈だからｎ領域６１９
にλＧ２、ｎ＋＋域６１３にλＧ３、ｎ＋＋域６０７に
λＧ４と割当てもよい。なお、λＧ２〜λＧ４の割当て
には混合勾配で形成してもよい。

指定以外の部分は、λＧ１又はλＧ２を割当てればよい
。特に信号伝送用のｎ＋＋域６１５＋６０９゜６０３を
、光電変換される波長に対して、窓効果を表わすような
、化合物半導体で形成すれば、擬似信号の発生の心配が
不要になる。

次に、具体的にどの様な材料を用いるかについて説明す
る。

第８図はＩＩＩ−Ｖ族の多元化合物のＢｑと格子定数と
の関係を示すものである。

第８図から、上記λＧ１〜λＧ４に対応する化合物半導
体で格子定数の揃ったものが見出せないが、λＧ２〜λ
Ｇ４に対応する化合物半導体では格子定数を揃えること
が可能である。格子定数が揃う程、界面特性がよくなる
ので素子特性そのものが理想的になる。

たとえば、λＧ２にはＡＩ　ＰＸ　Ｓｂ　＋　−Ｘ　ｌ
　　λＧ３にはＧａｙ　Ａｌ　１−ｙ　Ａｓ　、　　λ
Ｇ４にはＧａｙ／ＡＩ、−ｙｚ　Ａｓ　　を用いればよ
い。この時、第６図の各部は、ｐ基板６０２、ｐ領域６
０６．　６０８．　６１２．　６１４．　６１８及び、
ｎ＋型低抵抗性ゲート電極６０４６０５゜６１０．６１
６，６１７、さらにｎ＋＋域６ｏ３゜６０９．６１５，
６１９がＡＩ　ＰｘＳｂ　、−ｘとなり、ｎ＋＋域６１
３がＧａｙ　Ａｌ　＋　−ｙ　Ａｓとなり、ｎ１領域６
０７がＧａｙｌＡｌｌ−ｙｌＡＳとなる。実際の製造に
は、Ｍ　Ｂ　Ｅ　（Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅ
ｐｉｔａｘｙ　）法によるエピタキシャル結晶成長技術
を用いればよい。

なお、上述のような化合物半導体を用いて、バンドギャ
ップエネルギーｘｇを設定できるが、不純物ドーピング
により若干の補正は可能である。

Ｉｌｌ　−Ｖ族化合物に用いる不純物は下表に示す通シ
であり、上述したＡＩ　ＰｘＳｂ　、−ｘをｎ＋型とす
るにはＬｉ、　　Ｓｅ、　　Ｔｅなどが用いられ、Ｇａ
ｙ　Ａｌ　１−ｙ　Ａｓをｎ＋型とするにはＬｉ、　　
Ｓｎ、　　Ｐｂ、　　Ｏ，Ｓ、　　Ｓｅ。

Ｔｅなどが用い得る。この時、不純物ドーピングが高く
なると、第９図に示すように縮退ドーピング（２Ｌ）又
は不純物ティ／Ｌ／（ｂ）という状態を実現しうる。

１１１−Ｖ族化合物に対する不純物の状態Ａ；アクセプ
タ　Ｄ；ドプーー　Ｎ；中性　０；孤立＊；深い準位　
　ｐ；対になってはいる第９図から、Ｅｇを大きくする
には縮退ドーピング状態を実現すればよいし、　Ｂｑを
小さくするには不純物テイル状態を実現すればよいこと
が分かる。

これまで、ＩＩＩ　−Ｖ族の多元化合物で第６図の単位
画素を構成することを述べて来たが、ＩＩ−Ｖｌ族の多
元化合物を用いることも可能である。

第１０図はｎ−■族の多元化合物のＥｑと格子定数との
関係を示すものである。

一例として、第６図のｎ＋＋域６１９にλｃ３−ｓｏｏ
ｎｍ　（Ｅｅ２＝２．４ｅＶに対応）、ｎ＋＋域６１３
にλＧ３＝＝６００ｎｍ　　（ＥＧ３＝２ｅＶに対応）
、ｎ＋＋域６０７にλｃ、ａ＝７００ｎｒｎ　　（Ｅｃ
＋−＝１．７ｅ’Ｖに対応）を割当てる場合を考えると
、第１０図から、λＧ２にはＺｎ）（Ｃｄ１−Ｘ　５ｙ
Ｔｅ　１−ｙ　、　　λＧＳにはＺｎｘ’　Ｃｄ＋　−
ｚ’　Ｓｙ　Ｔｏ　、−ｙ　、　λＧ４にはＺｎｘｕ　
Ｃｄ　、　−Ｘ／／　Ｔｅを用いればよい。但し、モル
比の変化に伴ない結晶構造が閃亜鉛鉱型からウルツ鉱型
に変わるため、混合勾配によって作る方が車重しい。

以上、述べて来た様にｇｇの異なるヘテロ接合により決
まる分光特性の変化を利用しても、色再現に必要な複数
の色信号を同時に一画素から読み出し得ることが明らか
になった。

次に、第６図の様な光電変換部を用いて構成される固体
撮像素子を具体例によシ説明する。

第１１図は、単位画素の断面構造とその等価回路を示し
ている。第１１図（ａ）は、第６図（ｂ）と同じで、バ
イアス電圧の印加状態を示している。

第１１図（ｂ）は、単位画素の等価回路で、フォトタイ
オードＤＢ＋はｎ＋領域６１９とｐ領域６１８のｐ−ｎ
＋接合フォトダイオードに対応し、フォｌ−ダイオード
ＤＢ２はｎ＋領域６１３とｐ領域６１２のｐ−ｎ＋接合
フォトダイオードに対応し、フォトダイオードＤＢ３は
ｎ＋領域６０７とｐ領域６０６のｐ−ｎ＋接合フォトダ
イオードに対応する。

また、抵抗性τ−ト電極ＧＢ＋、ＧＢ’＋はｎ＋ゲート
領域６１７，６１６に対応し、抵抗性ゲート電極Ｇ”　
＋　　Ｇ　Ｇ’　＋はｎ＋ゲート領域６１１，６１０に
対応し、抵抗性ゲート電極ＧＲ＋、　　ＧＲ’＋はｎ＋
ゲート領域６０５１　６０４に対応する。さらに、信号
線ＬＢは電圧ＥＢが印加されたｎ＋領域６１５に対応し
、信号線ＬＧは電圧Ｅｃが印加されたｎ＋領域６０９に
対応し、信号線ＬＲは電圧ＥＲが印加されたｎ＋領域６
０３に対応する。フォトダイオードＤＢ１の信号は、２
本の抵抗性ゲート電極ＣＢＩ。

ＣＢ’＋の着色部がオーバーラツプしているところで形
成されるチャネルを通して、信号線ＬＢに読出され、負
荷抵抗ＲＬＢで検出される。同様に、フォトダイオード
ＤＧ＋、　　ＤＨ＋の信号は、負荷抵抗ＲＬＧ、　　Ｒ
ＬＲで検出される。

第１１図（ｂ）の等価回路を用いて構成した固体撮像素
子の実施例を第１２図に示す。

第１２図において、第１１図の単位画素が、水平方向に
ｍ列、垂直方向にｎ行の行列配置されている。抵抗性ゲ
ート電極ＧＢ＋、　　ＧＢ’＋は、水平方向に並ぶｍ個
のフォ１−ダイオードＤ　Ｂ＋１からＤＢ１ｍの信号を
走査するのに用いられる。同様に、抵抗性ゲート電極Ｇ
Ｇ１．ＧＧ′１はｍ個のフォトダイオードＤ　Ｇｉｌか
らＤ　Ｇｅｍの信号を走査するのに用い、抵抗性ゲート
電ｉＧＲ＋、ＧＲ’＋はｍ個のフォトダイオードＤ　Ｂ
＋１からＤ　Ｈａｍの信号を走査するのに用いられる。

なお、抵抗性ゲート電極ＧＢ＋、　　ＧＧｌ、　　ＧＲ
＋は端子Ａ＋、　　Ａ１’は共通接続され、抵抗性ゲー
ト電極ＧＢ’＋、ＣＧ’＋、ＧＲ’１は端子Ｂ１．　　
Ｂ’＋に共通接続される。

更に、フォトタイオードの信号を読出すだめに端子Ａ１
．　　Ａ’＋１７４１に電圧Ｅ１が印加され、容量を介
して、鋸歯状波ＲＯ＋が印加されると共に、端子゛Ｂ＋
、　　Ｂ’、＋間に電圧Ｅ２が印加され、容量を介して
鋸歯状波ＲＯ２が印加されることにより、水平方向に走
査が行なわれ、フォトタイオードＤ　Ｂ＋１からＤ　Ｈ
ａｍの信号は信号線ＬＢ＋に読出され、フォトダイオー
ドＤ　ＧｉｌからＤ　Ｇｅｍの信号は信号線Ｌ（、＋に
読出され、フォトダイオードＤ　Ｂ＋１からＤＲ＋ｍの
信号は信号線ＬＲ＋に読み出される。

とれを、ｎ行は並ぶ、抵抗性ゲート電極の端子（Ａ＋、
Ａ’＋）　〜（Ａｎ　、Ａ’ｎ）及び（Ｂ１．　　Ｂ’
＋）　〜（Ｂｎ、　　Ｂ’ｎ）に同時に実施すれば、全
ての信号線（ＬＢ＋　〜ＬＢｎ）　、　（ＬＧ＋　〜Ｌ
Ｇｎ）　、　（ＬＲ＋ＬＲｎ）から同時並列に信号が読
出される。もし、垂直方向にも走査が必要なら、垂直走
査回路を導入すればよい。具体的には、第１４図の様に
、垂直走査回路１４０１から順次、パルス伝送線Ｘ＋。

Ｘ２．・・・・・・、　Ｘｎにパルスが印加されること
により、ＭＯＳスイッチ（Ｑ’＋　　Ｑ’＋、Ｒ１，Ｐ
’１）＋　　（Ｑ’＋、Ｑ２’　＋　　Ｂ２　ＨＰ２’
　）　ｒ　　”・・・・ｒ　（Ｑｎ　、Ｑ／ｎ　ｌ　　
Ｐｎ　ＨＰｎ’）が順次オンとなることで垂直走査が行
なわれる。

以」二の様に、本発明によれば、１画素の光電変換部か
ら色再現に必要な複数の色信号を得る手段と、それらを
２次元情報として各色間時に読出す手段とを共に備えた
新規な固体撮像装置が実現できる。

また、本発明は、厚み方向に３個の光電変換部を設けた
実施例で説明したが、用途に応じて光電変換部の個数を
増して分光特性を細かく分けて割り当ててもよい。

さらに、厚み方向に並ぶ光電変換部の分光特性を変えず
に、純粋に３次元情報検出用撮像素子として用いてよい
ことは勿論であり、この場合には分光特性の配慮がなく
なるだめ極めて容易に、固体撮像素子を実現できる。

以上、述べて来た本発明は１画素から、色再現に必要な
複数の色信号を得ることが可能なため、カラー用固体撮
像素子として次の効果を持つ。

（１）熱的に不安定な色分解用有機（ゼラチン）フィル
タが不要になる。

（２）色信号を独立に読出せるのでカラー化方式の自由
度が増す。

（３）半導体材料だけでカラー用撮像素子が構成できる
ので高信頼性が実現できる。

（４）カラー化時の解像度が白黒時と全く等しいので、
従来の固体撮像素子と同じ画素数ならば大幅な高解像度
化が実現できる。具体的には、水平１３００個×垂直１
３ｏＯ個の画素数で従来の色フィルりを用いてカラー化
する場合の水平２２００個×垂直２２００個の画素数に
匹敵する。

さらに、信号読出しを抵抗性ゲート電極の組合せで行な
うため次の効果を持つ。

（５）水平走査に高周波のクロックパルスが不要。

バイアス電源と低周波の鋸歯状波があれば水平走査が可
能。

（６）垂直走査回路を用いなければ全ての行から並列信
号読出しも可能で、情報処理用の高速読出しイメージ十
ンサとして利用できる。

こレバ、電子ステイルカメラ、放送用カラー固体カメラ
、リアルタイム処理用のポログラフィ情報検出カメラな
どの分野に対して十分な性能が発揮でき、撮像管を凌駕
する固体撮像装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＳｌのｐ−ｎ接合フォトダイオードの分光特性
の理論曲線と実験曲線を示す特性図、第２図はＳｉのｐ
−ｎ接合フォトダイオードの分光特性と拡散長ｘｊとの
関係を表わす特性図、第３図は２元及び３元のＩｎ　−
Ｖ族化合物半導体のへテロ接合フォトダイオードの構造
ａと分光特性すを表わす図、第４図は基本的な抵抗１’
Ｌゲー１昌１ｉ（１υｉの断面図ａとポテンシャル分布
すを表わす図、第５図は２本の抵抗性ゲート電極を用い
た走査回路の上面図ａ、断面図す、ポテンシャル分布Ｃ
を表わす図、第６図ａ、ｂ、ｃは本発明の一実施例にお
ける固体撮像装置の単位画素の上面図、　　ｘ−ｘ’断
面図、Ｙ　−Ｙ’断面図、第７図は混合勾配をもつヘテ
ロ°接合フォトダイオードの断面構造を表わす図、第８
図はＩｌｌ　−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネ
ルギーＥｇと格子定数の関係を表わす特性図、第９図は
高不純物状態でＥｑが変化する事を示すもので縮退ドー
ピングａと不純物ティ）ｖｂと呼ばれる状態を表わす図
、第１０図はＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体のバンドギャッ
プエネルギーＥｑと格子定数の関係を表わす図、第１１
図は本発明の一実施例における固体撮像装置の単位画素
の等価回路を表わす図、第１２図は本発明の一実施例の
単位画素を用いて構成された固体撮像素子の実施例を表
わす図、第１３図は垂直走査機能を有する本発明の固体
撮像素子の実施例を示す回路図である。 ６１９．６１３，６０７・・・・・・ｎ＋領領域光電変
換部）、６１５．６０９，６０３・・・・・訂領域（信
号伝送手段）　、６１７１６１６，６１１，６１０，６
０５，６０４・・・・・・ｎ＋領領域走査領域）。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名産１
図 λｍへ） 第２図 第３図 第４図 第５図 １ ６図 第７図 姫８図 玲８ＦＣ＋ぺ　（Ａ）９ 第９図 ｎ′−トービ七夕’　　　　　　　　　　　　　　Ｆ’
−）−ど、７゛第１０図 ａ−さえ罠ＣＡ〕 第１１図 Ｌｂ 手続補正書（す人） １事件の表示 昭和６７年特許願第１２６３９２号 ２発明の名称 固体撮像装置 ３補正をする者 事（’ｌとの間係　　　　　　特　　許　　出　　１ｉ
人住　所　　大阪府門真市大字門真１００６番地名　称
　（５８２）松下電器産業株式会社代表者　　　　山　
　下　　俊　　彦 ４代理人　〒５７１　　”

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）半導体基板上に行列状に割シ当てられた各々の画
   素領域が、前記基板に垂直な方向（厚み方向）に形成さ
   れた複数の光電変換部と前記光電変換部それぞれに対応
   する走査手段吉信号伝送手段とから成ることを特徴とす
   る固体撮像装置。 翰）上記各々の画素領域に対応して厚み方向に並ぶ複数
   の光電変換部の分光特性を異ならせることにより、１画
   素領域に入射する光情報に対して複数の異なる信号を独
   立に読み出す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ン　　上記厚み方向に並ぶ光電変換部の分光特性を
   異ならせるだめに上記光電変換部の形□成される深さの
   差を用いることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の固体撮像装置。 （４）上記厚み方向に並ぶ光電変換部の分光特性を異な
   らせるために上記光電変換部を形成する多元化合物半導
   体のバンドギャップエネルギーの差を用いることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の固体撮像装置。 （５）上記多元化合物半導体のバンドギャップエネルギ
   ーの差を決めるために混合勾配（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏ
   ｎａｌｇｒａｄｉｎｇ　）を用いることを特徴とする特
   許請求の範囲第４項記載の固体撮像装置。 （６）上記走査手段が上記光電変換部と各光電変換部に
   対応する信号伝送手段との間の上記基板内部の厚み方向
   に形成されるチャネルに沿って上下に分離して埋めこま
   れ、しかも光電変換部を基板平面と平行に走査する方向
   に連続する複数の抵抗性ゲート電極で構成されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （ア）上記抵抗性ゲート電極が、上記光電変換部の分光
   特性に含まれない短波長光に感度を有することを特徴と
   する特許請求の範囲第６項記載の固体撮像装置。 （８）上記信号伝送手段が、上記光電変換部を上記基板
   平面と平行に走査する方向に連続する信号線で構成され
   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
   像装置。 （９）上記信号線が、上記光電変換部の分光特性に含ま
   れない゛短波長光に感度を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第８項記載の固体撮像装置。