JPS60210080A - 固体イメ−ジングセンサ− - 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】 この発明は、感知されるイメージの平均レベルの変化に
従って装置の感度を自動的に調節する固体イメージセン
サ−に関する。

、（従来技術） この発明と同様の概念の先行技術のイメージセンサ−は
第１図に示されている。この装置に於いては、イメージ
センサ−アレイ５は複数の行列状ピクセル１０（画素）
から成っており、その各々は感知されるイメージの対応
部分の光に感応する。

ピクセル１０は水平方向に伸びる電極２１−１〜２１−
４の交点に配置され、その電極は垂直シフトレジスタ２
０の対応出力に接続され、そして垂直方向に伸びる電極
６３−１〜６６−４に結合され、その電極はそれぞれの
ＦＦ１Ｔスイツチングデバイス３２−１〜６２−３を経
てアウトプット回路に結合されている。出力回路は出力
線２４とアース又は別の基準ポテンシャルとの間に接続
された抵抗２６を具備している。出力線２４に実際のア
ースを供給する作動アンプを抵抗２６のかわりに使用す
ることができる。デバイス６２−１〜６２−４のゲート
は水平シフトレジスタ３０のそれぞれの出力６１−１〜
６１−４に接続されている。

第１図に於いて、６×３マトリツクスのピクセル（画素
）のみを便宜上図示しているが、勿鴎多くのピクセルを
使用し得るものである。

さらに第１図に示すように、各ピクセル１０の等価回路
は水平方向に伸びる電極２１−１〜２１−４のそれぞれ
の電極に接続されたゲート及び垂直方向に伸びる電極６
６−１〜３６−４の対応する電極に接続されたドレイン
とを有したＦＥＴデバイス１２を具備している。各ピク
セルは接地されたアノードと対応するＦＥＴデバイス１
２のソース端子に接続されたカソードとを有したダイオ
ードを具備している。光感知電流は並列−接続された抵
抗１４とキャパシタ１５とを経てダイオード１６のカソ
ードに供給され、ダイオード１３の反対側の端子は固定
電圧ｖ１の電圧源に接続されている。

第１図に示される全てのコンポーネントは単一のＩＯチ
ップ上に形成されるのが望ましい。第２図を参照するに
、チップの断面図が示され、ピクセル１０の１つの構成
を一般的に示している。アレイはＰ型基板４０上に構成
される。１ソースとドレイン拡散４１と４４はＰ型基板
４ｏに形成される。電界酸化物領域４５と４６は膨接ピ
クセルのソースとドレイン拡散とを分離している。金属
層４８はソース拡散４１に接触し、そしてこのピクセル
によって占められたチップの大部分の領域に拡がってい
る。チャンネル４６はゲートｒ４極４２の下に形成され
、その電極は水平方向に伸びる電極２１−１〜２１−４
の１つの一部分を形成する。層４８と電極４２は酸化物
層４７によって互に絶縁されている。酸化物層４７と金
属層４８とは光導電性フィルム４９によっておおわれて
いる。チップ外から固定電圧ｖＴを供給する電圧源５１
は透明電極５０に接続されている。

第１図にもどると、センサーアレイ５のヒリセルを読出
すために、電極２１−１〜２１−４は垂直シフトレジス
タ２ｏによって電極２１−１〜２１−４にシーケンスに
従って正電圧パルスを与えることによって順次駆動され
る。例えば、電極２１−２には垂直シフトレジスタ２ｏ
によって正パルスが与えられているので、電ｍ２１−２
に接続されたビクセル行の各ヒリセル１ｏは、ＦＥＴデ
バイス３２−１〜３２−６のそれぞれのゲートに水平シ
フトレジスタ３ｏの対応する出力６１−１〜６１〜４を
介してデバイス６２−１〜６２−６のゲートに正パルス
をシーケンスに従って供給し、順次ターン・オンするこ
とによって読出す。

Ｉ’ＥＴデバイス１２と６２−１は両方ともターンオン
されると、キャパシタ１５は接地とポテンシャルｖＴと
の間の抵抗１３を介して接続されているのでｖｌにチャ
ージされる。デバイス１２と６２−１が次にターンオフ
されると、キャパシタ　１５は抵抗１４を介してディス
チャージ可能となるので、抵抗１４の抵抗値はピクセル
１ｏの光の強度に従って変化する。したがって、読出動
作中に生ずるディスチャージの量は、読出動作中の時間
にヒリセル１０に照射される光の積分された強度によっ
て決められる。それ故、各ビクセル読出動作中、抵抗２
６に沫じる電圧は直前の読出動作に続く時間中に各ピク
セル１０に照射された平均光強度を表わす。

第１図と第２図の装置は強い感知イメージが存在すると
ピクセルが飽和するという欠点があった。

即ち、感知、されるイメージが充分に強いと多数の又は
全てのピクセルは、それぞれのキャパシタ１５がＫＩＢ
期間に完全にディスチャージされ、飽和する。そのよう
な場合、いかなる出カビクチャー情報も得られない。

この問題を解決する１つの先行技術はイメージセンサを
採用するカメラにメカニカルシャッタを備えることであ
った。メカニカルシャッタは満足のいく出力信号が得ら
れるまで手動又は自動的に調節することができる。メカ
ニカルシャッタの使用は飽和の問題を解決したが、メカ
ニカルシャッタは高価であり、その作動はゆっくりとし
ておりそして、半導体回路に比して信頼性がないという
欠点がある。

（発明の目的） 従って、この発明の目的は、メカニカルシャッタを備え
ることなく幅広い光強度であってもピクセル飽和がない
固体イメージセンサ−を提供することである。

（発明の構成） この発明の概要は、発明の他の目的と同様に、固体イメ
ージセンサに集約される。その固体イメージセンサ−は
、キャパシティブ蓄積手段、それぞれのピクセルの照射
光の強度に従ってキャパシティブ蓄積手段をチャージす
るための光導電手段、センサーの照射光の強度に従って
その電圧が決定されるチャージングポテンシャルをキャ
パシティブ蓄積手段の各々に供給するための手段、とを
具備しているピクセルの各々をマトリックス状に配列し
た多数のヒリセルである。すべての望ましい実施例に於
いて、チャージポテンシャル供給手段は電圧増幅手段で
あり、それはある実施例に於いては光感応的であり他の
実施例に於いてはそうではない。いずれの場合も、電圧
増幅手段と多数のピクセルは単一の半導体基板上に形成
されることが望ましい。チャージポテンシャル供給手段
をキャパシティブ蓄積手段に予め定められた電圧を供給
する手段として用い、フォトダイオード手段をセンサー
の照度光の強度に従って予め定められた電圧を減するた
めの手段として用いることもできる。

この場合、キャパシティブ蓄積手段に予め定められたポ
テンシャルを供給するための手段は非光感応電圧増幅手
段であることが望ましい。フォトダイオード手段はマト
リックス状ビクセルの少くとも両側に沿って位置してい
る。

更に詳細には、回路構成で言えば、発明は第１と第２の
組の電極を含んでいる固体イメージセンサ−、マトリッ
クス状に配置された多数のピクセル、そしてセンサーの
照射光の強度に従って決められた電圧を有しビクセル内
で使用されるチャージポテンシャルを供給するための手
段とを含んでいる固体イメージセンサ−によって実施す
ることができる。第１と第２組の電極の電極はセット内
では一般に並列であり、第１と第２組の電極は互に直交
している。各ピクセルは第１組電極のそれぞれの電極と
第２組電極のそれぞれの電極との交点に形成される。各
ピクセルは第１組のそれぞれの電極に結合されたドレイ
ンと第２組のそれぞれの電極に結合されたゲートとを有
するＦＥＴデバイスと、基準ポテンシャル（接地）端子
とＦＥＴデバイスのソースとの間に結合されたフォトダ
イオード、そのＦＥＴデバイスのソースとチャージポテ
ンシャルが与えられる弘“４子との間に結合されたキャ
パシターとを具０１ａシている。チャージポテンシャル
を与えるための手段は固定ポテンシャルのソースとチャ
ージポテンシャル端子との間に結合された固定ポテンシ
ャルのソースと電圧増幅手段とを有している。電圧増幅
手段は光感応電圧増幅デバイスである。この場合、互に
直列に結合されたチャンネル（ソースとドレイン端子間
に形成された可変導電性チャンネル）と対応ソースに結
合されたゲートとを有するＦＥＴデバイスを多数具備し
ている。直列結合ＦＥＴデバイスの端部のＦ］ｎＴデバ
イスのソースは固定ポテンシャルに結合されており、直
列結合ＦＥＴデバイスの反対側端部のＩＦｌｌｔＴデバ
イスのドレインはチャージポテンシャルに結合されてい
る。キャパシターは第１端子を有し、直列結合デバイス
のそれぞれのデバイスのソースに結合されており、そし
てそれぞれのフォトダイオードはキャパシタの第２端子
と基準ポテンシャル端子との間に結合されている。偶数
番目と奇数番目とのキャパシタの第２の端子は反対位相
のドライビング信号を与えるために相互に接続されてい
る。特に、第１．３．５−−・のキャパシタは第２端子
を有し、第１の方形波信号源に、他方節２．４．６・・
・のキャパシタは第２端子を有し、第１のそれと１８０
°位相がシフトしている第２の方形波信号源に結合され
ている。

他の実施例に於いて、電圧増幅手段は非光感応である。

この場合、チャージポテンシャル端子に与えられたポテ
ンシャルの変化は、すべてのピクセルに結合された透明
電極の形をしているチャージポテンシャル端子と基準ポ
テンシャル端子との間に結合されている。これらのフォ
トダイオードを有するマトリックス状のピクセルの少く
とも両サイドに沿って配置されたフォトダイオードによ
って生ぜしめられる。

半導体構造によれば、各ピクセルは半導体基板の一面上
に形成されたソース拡散層とドレイン拡散層とを含んで
いる。第１組電極の電極の１つは各ピクセルのソースと
ドレイン拡散層の間のゲートを形成する。ソース拡散層
にはそれぞれのピクセルによって占められた基板の大部
分の領域に拡がっているアモルファス半導体の層が接続
されている。透明電極がピクセルの全マトリックスをお
おっており、各ピクセルのアモルファス半導体層に接触
している。フォトダイオードがピクセルのマトリックス
の少くとも両側にある場合には、ピクセルのソースとド
レインの拡散と同じタイプの拡散がピクセルのマトリッ
クスの両側に並行に形成されている。この拡散は透明電
極と結合している。

第１図の固体イメージヤ−のピクセル１０の１つの利得
（又は感度）は下記の式で表わされる。

末：　Ｓｚｅ、Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　Ｓｅｍ１ｏｏｎ
−ｄｕｃｔｏｒｓ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｐａｒｔ　？１０
．１２ Ｇは利得であり、Ｌは自由キャリヤー寿命時間、μはキ
ャリヤー移動度、Ｌは電極間隔そしてｖＴ′はチャージ
ングポテンシャルである。

したがって、ｖＪを変えることによって、ビクセルの感
度を変えることができる。この発明はピクセル感度がこ
のように可変であるという長所がある。

今、発明の第１実施例に従って第６図を自照すると、光
感知電圧増幅回路５２は固定電圧源５１と導電電極５０
との間に存り、その電極の電圧は続出期間中はキャパシ
タ１５の１つの端子に与えられる電圧ＶＴである。電圧
増幅回路５２はアレイに向う光の一部を受光する場所に
ある。光感知電圧増幅回路５２の目的は固定電圧ＶＴ’
からセンサーの照射光の平均強度工に従って変化する可
変電圧ＶＴ　（１）を発生させることである。特に、非
常に高いＳ＆の光が感知されると、電圧ＶＴ（１）が減
少し、それによってセンサーの感度も下がり飽和を防止
する。したがって、この発明ではメカニカルシャッタの
必要はない。

第４図は第６図で示された光感知電圧増倍回路５２のダ
イヤグラム図である。電圧増倍回路は互に区外に接続さ
れた導電性チャンネルを有する多数のＦＥＴデバイス６
２−１〜６２−４を具備している。（４つのデバイスの
みが例として示されているが、通常はもつと多くのデバ
イスが備えられている。）デバイス６２−１〜６２−４
のゲートは同じデバイスのソースに接続されている。単
−Ｆ　Ｅ　Ｔデバイス６１は固定ポテンシャル■１とデ
バイス６２−１のソースとの間に接続されている。

キャパシタ６４−１〜６４−４はＦＥＴデバイス６２−
１〜６２−４のそれぞれ１つのソースに接続された第１
端子を有している。各キャパシタ６４−１〜６４−４の
第２端子はそれぞれフォトダイオード６６−１〜６６−
４のカソードに接続され、そのフォトダイオードのアノ
ードは接地されている。キャパシタ６４−１〜６４−４
の偶数番目（６１−２，６４−４）の第２端子は相互に
接続され、キャパシタ６４−１〜６４−４の奇数番目の
第２端子も同様である。相互接続点、７０と７１、は、
特に、周知の方法で接続されたＦＥＴデバイス６６．６
７．６８そして６９から構成されたドライバーによって
ドライビング信号ｊ号中１とΦ２を供給される。フォト
ダイオード６５（図中点線で示しており、以下で詳細に
説明される）はいくつかの実施例には備わっている。

ドライビング信号Φ、とΦ２は第５図の時間ダイヤグラ
ムに示されている。好ましくは、第５図の下部分に示さ
れたように、ドライビング信号Φ、のロー状態がドライ
ビング信号Φ２のノ１イ状態の立上り部分と立下がり部
分の両方をオーバーラツプしている。

動作に於いて、メート（交点）１に最初に蓄えられたチ
ャージはドライビング信号Φ、とｑ）２の制御の下で“
１バケツトプリゲート（電荷転送）″　動作で出力端子
７６にノード２．６そして４を経てシーケンスに従って
移動させられる。チャージパケットが線に沿って進むに
したがって、フォトダイオード６６−１〜６６−４の１
つを流れるチャージに比例して大きさが減少させられ、
ダイオード６６−１〜６６−４の強度が高ければ高い程
、より多くのチャージが減じられ、しかも、出力端子７
６に最終的に生ずる電圧ＶＴ　（１）電１はより低くな
る。

第６Ａ図と第６Ｂ図は、特に、第４図の回路の工Ｃ実施
化時の平面図と断面図で、第６Ｂ図では第６Ａ図の線Ａ
　−Ａ’で切断されたものである。拡散７７（点線）は
基板８０に形成される。

好ましくは、基板はＰ型で、他方拡散はＮ〜が望ましい
。拡散７７のは順次並列導体７０及び７１に交互に接続
されている。透明電極７６は示されたパターンの拡散７
７上に形成される。好ましくは、透明電極は工Ｔｏ（イ
ンジュム錫酸化物）で形成されるのがよいが、ポリシリ
コンはブルー系光の感度の減少のために用いられる。各
透明電極７６はそれぞれのコネクター７２に接続されて
いる。第２コネクター７６は、好ましくはポリシリコン
材で作られるのがよいが、ソースとドレイン拡散７４と
７５との間にそれぞれのコネクター７２の低端部から延
びて、薄い酸化物層によって基板の表面と隔たっている
。Ｆ］１ＩｉＴデバイス６２−１〜６２−４はしたがっ
て対応するソースと、ドレイン拡散７４と７５との同に
形成される。各コネクター７２はドレイン拡散７５を瞬
接七ルのソース拡散７４と結合する。不活性層（ｐａｓ
ｓｉＹａ−ｔｉＯｎ　１ａｙｅｒ）８４は保製の目的で
全回路にわたって形成される。

発明の別の実施例は第７図と第８図に示されている。こ
の実施例によれば、第６図の電圧増倍回路は備わってい
るが、例えば透明電極７６を不透明な金属層に置きかえ
ることによって、光に不感知にされている。撮像素子へ
の照射光の濃度に従って撮像素子の感度を制御するため
に、制御領域９０と９１はイメージセンサ−アレイ５の
両側に備えられている。制御領域９０と９１の目的は撮
像素子の照射光の濃度に従って電圧増倍回路の負荷を可
変すること即ちキャパシタ１５に与えられるチャージ電
圧を可変することである。

第７図の線Ｂ　−Ｂ’で切断された第８図の断面図に示
されるように、制御領域９１は同一の半導体基板上のイ
メージングセンサーアレイに隣接して加えられている。

ヒリセル構成は第２図及び第６図に記述されたものと同
じである。制御領域９１は基板８０に形成されたＮ”ｊ
ｍ散９６を含んでいる。

Ｎ＋拡散９３は金属コネクター８５によって透明電ａｌ
ｉ５０に接続されている。Ｎ＋拡散９６はＰＳＧ（フォ
スファーグラス）層９５、蒸着酸化物層９６そして不活
性層８４とによっておおわれている。

動作に於いて、制御領域９０と９１にとどく光の強度が
比較的に低いと　Ｈｔ拡散９６と基板８０とによって形
成されたフォトダイオードはほとんど電気を通さない。

光の強度が増大するにつれて、フォトダイオードは電気
を通しやすくなり　（低い抵抗値となる）、透明電極５
０を経て電圧増倍回路に増大した負荷を与えその結果Ｖ
Ｔ　（１）を低くする。

もつと別の実施例に於いては、即ち、第４図と第７図の
実施例が結合されている実施例に於いて、光感知電圧増
倍回路は第７図の実施例を用いている。このｉ！４！ｆ
Ｒはセンサーによって取扱われる光強度の予期される幅
が非常に広くそして重複制御が必要である場合に有効で
ある。

以上がこの発明の好ましい実施例の記述であるが、多く
の変更・修正は、この発明の精神及び観点からいつ脱し
ない範囲に於いて可能なことは当業者には容易に理解で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に関係する一般的タイブの先行技術の
１．５１体イメージセンサ−の図である。 第２図はセンザー第１図のビクセルの１つの部分の断面
図である。 第６図は発明に従って構成された固体イメージセンサ−
を示す第２図に類似した図である。 第４図は第３図のイメージヤ−に利用された光感知電圧
増幅回路の図である。 第５図は第４図の回路の動作を説明するために用いられ
た波形ダイヤグラムである。 第６Ａ図は第４図の回路の工０化実施例の平面図であり
、第６Ｂ図はその断面図である。 第７図は発明の別の実施例の固体イメージセンサ−の平
面図である。 第８図は第７図のａＢ−Ｂに沿って切断された断面図で
ある。 図中符号遅 １〜４・・ノード ５・・イメージセンサ−アレイ １０・・ピクセル １２・・ＦＥＴデバイス １６・・ダイオード １４・・抵　抗 １５・・キャパシタ ２０・・ｉｔシフトレジスタ ２１−１〜２１−４−・電　極 ２６・・抵抗 ２４・・出力線 ３０・・水平シフトレジスタ ３１−１〜６１−４・・出　力 ３２−１〜３２−３°・・ＦＩＴスイッチングデバイ□
３３−１〜３３−４−・花　極 ４０・・Ｐ型基板 ４１　・・　Ｎ１ソース ４２・・ゲート電極 ４６・・チャンネル ４４・・ドレイン拡散 ４５．４６・・電界酸化物領域 ４７・・酸化物質 ４８・・金属Ｍ４８ ４９・・光導電性フィルム ５０・・導電電極 ５１・・固定電圧源 ５２・・電圧増倍回路 ６１・・ＦＥＴデバイス ６２−１〜６２−４・・ＦＥ’ｌ’デバイス６６−１〜
６６−４・・フォトダイオード６６．６７．６８．６９
・・ＦＥｔＴデバイ゛スフ０．７１・・導　体 ７２・・コネクター ７６・・出力端子 ７４・・ソース ７５・・ドレイン拡散 ７６・・透明電極 ７７・・拡　散 ８０・・基　板 ８４・・不活性層 ８５・・金属コネクター ９０．９１・・制御領域 ９６・・１１＋拡散 ９５・・ＰＳＧ層 （はか６名ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）各々のヒリセルがキャパシティブ蓄積手段と、ピク
   セル上に照射される光の強度に従って、前記キャパシテ
   ィブ蓄積手段をチャージするための光導電手段とを有す
   る、複数個のマトリックス状に配置されたビクセルと、 前記光導電手段にセンサー上の光強度に従って決定され
   た電圧に対応する電荷を供給するためのチャージポテン
   シャル供給手段、とからなる固体イメージングセンサー
   。 ２）該チャージポテンシャル供給手段が電圧増倍手段か
   ら成る特許請求の範囲第１項記載の固体イメージセンサ
   −０ ３）該電圧増倍手段が光感知性である特許請求の範囲第
   ２項記載の固体イメージングセンサー。 ４）該電圧増倍手段と該多数のピクセルとが単一の半導
   体基板上に形成される特許請求の範囲第３項記載の固体
   イメージングセンサー。 ５）該チャージポテンシャル供給手段が、前記キャパシ
   ティブ蓄積手段に予め定められた電圧を供給する手段と
   、該予め定められた電圧を前記センサー上に照射された
   光強度に従って減少させるフォトダイオード手段から構
   成される特許請求の範囲第１項に記載の固体イメージセ
   ンサ−０６）該フォトダイオード手段がビクセルの該マ
   トリクスの少くとも両側に沿って位置しているところの
   特許請求の範囲＠５項記載の固体イメージングセンサー
   。 ７）該予め定められたポテンシャルを与えるための該手
   段が先非感知電圧増倍手段から成るところの特許請求の
   範囲第６項記載の固体イメージングセンサー。 ８）該予め定められたポテンシャルを与えるための該手
   段が光感知電圧増倍手段から成るところの特ｙｆＦ請求
   の範囲第６項記載の固体イメージングセンサー。 ９）通常並列に配置された第１の電極組と、前記第１の
   電極組とは直交しておりかつ絶縁され通常並列に配置さ
   れた第２の電極組と、 各々のピクセルがそれぞれ対応する前記第１の電極組及
   び第２の電極組の交点に配置されており、かつ各々のビ
   クセル内のＦＦｔＴＦＥＴデバイスインが前記第１の電
   極組の対応する電極に、ゲートが前記第２の電極組の対
   応する電極に接続されており、前記ＰＥＴデバイスのソ
   ースと基準電圧端子間に接続されているフォト・ダイオ
   ードと、前記ＩＰＥＴＦＥＴデバイスージングポテンシ
   ャル端子間に接続されているキャパシタとから構成され
   る複数のピクセルと、 固定ポテンシャルのソース及び該固定ポテンシャルのソ
   ースと前記チャージングポテンシャル端子間に接続され
   ている電圧増倍手段とからなり、前記チャージングポテ
   ンシャル端子に前記センサーに照射される光強度に失う
   大きさの電位を供給する手段、 とからなることを特徴とする特許請求の範囲第１Ｕ）前
   記電圧増倍手段は、 各々のチャンネルが互いに直列に、ゲートが対応するソ
   ースに接続されており、前記直列接続されているＦＥＴ
   装置の一端のソースが前記固定ポテンシャルのソースに
   かつ他端のドレインが前記チャージングポテンシャル端
   子に接続されている複数個のＦＥＴデバイスと、 各々の第１端子が直列接続されたＦ１ｉｉＴデバイスの
   対応するソースに接続されている複数個のキャパシタと
   、 各々が前記キャパシタの対応する第２端子及び前記参照
   ポテンシャル端子に接続されている複数個のフォトダイ
   オードと、 各々が前記キャパシタの第２端子の偶＠長目と奇数番目
   の接続されており、前記キャパシタの偶数及び奇数番目
   の第２端子にそれぞれ位相が１８０゜異なる駆動信号を
   供給する第１及び第２の手段とから構成されることを特
   徴とする特許請求の範囲