JPS6040232B2

JPS6040232B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPS6040232B2
Application number: JP55049702A
Authority: JP
Inventors: 隆夫近村; 卓夫柴田; 豊宮田; 慎司藤原; 正一深井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1980-04-15
Filing date: 1980-04-15
Publication date: 1985-09-10
Also published as: JPS56146375A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、電荷走査機能を有する半導体基板上に受光素
子として光導電体を形成してなる固体撮像装置に関する
もので、特に高感頚度でブルーミングの少ない岡体撮像
装置を提供するものである。

従来、ホトダィオードを光検知部としてこのホトダィオ
ードーこ蓄積された電荷を転送する電荷転送素子（以後
ＣＣＤと呼ぶ）を用いた固体撮像装置があるが、これら
の多くはホトダィオードと電荷転送用の電極部とを同Ｊ
基板面に構成する必要があるため、その単位面積あたり
の光利用効率はたかだか１′３〜１／５となっていた。
また、フルーミングの抑制のためオーバフロ−ドレィン
を形成すると光利用効率は、更に低下していた。この欠
点を除去すべく、光検知部のホトダイオードの代りに光
導電体に光感度をもたせ、これをＣＣＤと頚合せた固体
撮像装置が提案されているが、（例えば袴関昭５１一９
５７２び旨公報）、通常のテレビカメラとして必要とさ
れる２０方個以上の高密度な絵素数を有する固体撮像装
置を得ようとした場合には、ホトダィオード部の容量が
、電荷転送段の容量より大きくなるため、入射光量が強
くなるとホトダィオード部の電荷が転送段の電荷より大
きくなり、ブルーミングやハイライト残像（強い入射光
量の像を映して動かした時、尾をひく現象）が生じたり
していた。そのため、光導電体を用いたことにより高感
度となる最扉所も、ブルーミング等の発生によりその効
果は相殺されていた。本発明は、上記のようなクＣ点を
除去すべく提案されたもので、整流特性を有する光導電
体上に設けられた複数個の第二電極のうち少なくとも１
個の第二電極に他の第二電極とは異なる電位を与えるこ
とにより、高感度を保持したまま電荷が転送段にあふれ
出ることを防ぎ、ブルーミングを抑制する園体撮像装置
を提供するものである。

以下本発明を電荷転送素子を用いた実施例に基し、て図
面と共に説明する。

第１図ａ，ｂは本発明による固体擬像装置の一単位の断
面構造を示したものである。

第１図ａは電荷蓄積部がダイオードで電荷転送部が表面
チャンネルＣＣＤの場合である。以下は、この構成に基
づき説明するが、本発明はこれに限定されるものではな
く、第１図ｂに示すように例えば電荷蓄積部はゲート電
極９によりポテンシャル井戸８を形成してもよく、また
電荷転送部は埋込みチャンネルＣＣＤあるいはＢＢＤで
もよい。まずｐ型半導体基板１０にｎ十型領域１１を形
成しダイオードを設ける。

１２は電荷転送のためのゲート電極でこれにより半導体
基板１０中に空乏層１３が形成される。

１４はダイオード１１に蓄積された電荷を転送部１３に
読み込むための第一ゲート電極であり、１５は絶縁体層
である。

１６はダイオード１１と電気的に結合し、かつ各絵素毎
に分離している第一電極である。

１７は整流特性を有する光導電体である。

１８，１９は第二電極で、絵素を構成する第一電極１６
上に対応して二個以上形成され、それぞれ異なる電位Ｖ
，．Ｖ２に設定されている。

２０は入射光である。

第２図に、第１図ａ，ｂに示した単位絵素の電荷転送部
を平面的に構成したものを示した。同一の数字はそれぞ
れ第１図に対応している。２１，２１′は転送ゲート電
極で、印加パルスはゲート電極１２と２１，２１′にお
いて１８００異なる。

また２２，２２′は転送方向を決めるためのｎ‐領域で
ある。第３図ａ〜ｄに本発明の固体撮像装置を駆動する
ためのパルス波形を示した。第１図から第３図までを用
いて、本発明の固体撮像装置の読み込み動作を説明する
。

はじめに第一ゲート電極１４に読み込みパルスＶｃＨを
印加することによりダイオード１１の電位は第３図ｄに
示したように（ＶｃＨ−ＶＴ）となる。ここでＶＴはし
きし、値電圧である。入射光２０が光導電体１７に入る
と電子正孔対を生成し、電子は第一電極１６に収集され
、正孔は第二電極１８および１９に収集され、第３図ｄ
に示したようにダイオード電位を低下させる。しかし、
この電位降下はＶ，＞Ｖ２とすると（Ｖ，一Ｖｑ）以下
とはならない。Ｖｂ，は光導電体１７のビルトインポテ
ンシャルである。なぜなら、ダイオード１１の電位が入
射光により（Ｖ，一Ｖｂ，）以下となると第二電極１８
の下の部分の光導電体１７のダイオードは順方向となり
電荷を補給するからである。一方、第二電極１９の下の
部分の光導電体１７のダイオードは逆方向であり、入射
光が強くなりダイオード１１の電位が下ろうとすると第
二電極下１８の下の部分の光導電体１７のダイオードか
ら更に電荷が補給されダイオード電位１１は（Ｖ，一Ｖ
ｂ）に保持される。入射光２０があまり強くない場合に
は、ダイオード電位は１フレーム期間蓄積されてＶｓと
なる。１フレーム後に第１ゲート電極１４に読み込みパ
ルスが印加され、ダイオード１１の電位は再び（ＶｃＨ
−ＶＴ）に設定されるとともに、ダイオード１１に蓄積
された電荷は、第３図ｂ，ｃに示すようにゲート電極１
２にパルスＶＪが印加されるのでその下のポテンシャル
１３に移される。

この電荷は電位の低いｎ‐領域２２に流れ込む。さらに
ゲート電極２１にパルスが印加されるため、電荷はｎ‐
領域２２からゲ−ト電極２１の下のポテンシャルに移り
、ひきつづきｎ‐領域２２′に流れ込む。このようにし
て、読み出された電荷は次々転送され出力される。第４
図に、第一電極１６，１６′，１６″に対する第二電極
１８，１９の配置の２次元に形成した場合の全体構成の
１例を示した。

第二電極は第４図のように二個あるいはそれ以上で少な
くとも１個の第二電極に異なる電圧を印加してあれば本
発明の動作が可能となる。このような固体撮像板は以下
のようにして作られる。

まずｐ型ｓｉ基板１０にｎ＋型領域１１を拡散法により
形成する。また、ダイオードのポテンシャルは、第１図
ｂに示すように、一部を除去したポリーｓｉゲート電極
９により構成してもよい。次に絶縁酸化した半導体基板
１０上に、ポリ−ｓｊにより転送ゲート電極１２を形成
し、絶縁分離した後、ポリーｓｉｌこより第１ゲート電
極１４を形成する。ひきつづき、絶縁体層１５として低
融点ガラス（例えばリンシリケートガラス）を形成し、
ｎ十拡散層１１に位置するようにコンタクトホールを設
けた後、１１００００に昇温しメルトフローを行ない表
面の段差を緩和する。次にＭｏあるいはＴａ等により第
１電極１６を形成し、各単位絵秦毎に分離する。その上
に、整流特性を有する光導電体層１７としてスバ、ソタ
蒸着法によりアモルファスｓｊを０．５〜２仏ｍ形成す
る。また光導電体層１７として真空蒸着法により、Ｚｎ
Ｓｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ等のｎ型半導体と（Ｚｎ，‐ｘ
ＣｄｘＴｅ），‐ｙ（ＩＱＴｅ３）ｙとよりなる異種接
合を０．５〜２．０仏ｍ形成した後真空処理を施したも
のを用いてもよい。更に、その上に第２電極１８，１
９として透明電極Ｓｎ０２（Ｓｂ）あるし・は（１比
０３）．‐２（Ｓｎ０３）２を０．０５〜０．２一ｍを
スパッタ葵着法により形成し、第４図に示したようにエ
ッチングすることにより、本発明の団体撮像装置が得ら
れる。次に本発明の特徴について詳細に論ずる。

現在、カラーカメラは２／３インチサイズの小型化へと
進展している。

この場合、充分な解像度を得ようとすると少なくとも水
平約５０庇会素、垂直約４０晩会素、即ち全画面で約２
０万個が必要とされている。従って、単位絵素のサイズ
としては水平約２４山ｍ、垂直約１４仏ｍとなる。この
大きさの単位絵素の中にィンタラィン転送型ＣＣＤのよ
うにダイオード部、読み込みゲート部および転送部を設
けると、現在の集積回路技術では転送部容量を最大とな
るように設計した場合においても、たかだか半導体基板
のダイオード容量と同等となるくらし、である。（第１
表参照）しかし高感度化をはかるため光導電体層１７を
形成した場合には、半導体基板１０のみのダイオード容
量に光導電体層１７の容量および、寄生容量が付加され
るためダイオード容量は転送段容量の数倍に達する。各
部における２′３インチサイズの時の容量の一例を第１
表に示した。これらの容量は、設計上で改善されてもた
かだか２倍程度であり、ダイオード容量が転送段容量よ
り大きいという関係は依然として成立している。一方、
固体撮像装置は、集積回路技術の進展と共に、チップサ
イズの小さい１／２インチサイズの素子へと移行してい
くものと考えられ、その場合には、第１表にもまして転
送段容量がダイオード容量より減少していくことが推定
され、その場合には、ますますブルーミングの増加やダ
イナミックレンジの減少等が発生する。本発明は上記の
ような欠点が除去されるもので、第二電極を二つ以上形
成し、少なくとも一つの第二電極に異なる電圧を印加す
ることにより、フルーミングの少ない固体撮像装置を提
供するものである。第１表 ※・基板濃度ｌｘｌｏ１５伽‐３と面積約６０〃〆よ
り導出。

※２光導電膜ＺｎＳｅ−（Ｚｎ〇．７０ｄ〇．３Ｔｅ
）。〇５（ｌｎ２Ｔｅ３）〇．〇５の膜厚１〃ｍ
、面積２００〃のより導出。※３設計にょり大幅に異
なるが、大部分の寄与は第二ゲート電極と第一電極間容
り量で、絶縁体層１５の膜厚を１〃ｍ、面積１００〃ｍ
として導出。

※４基板濃度１×ｌｏ１５伽‐３と埋込み層１３′の
ト・一ズ量ｌｘｌｏ１２／のゲート酸化膜厚化膜厚ＩＵ
ＯＯＡより導出。第５図に本発明のブルーミング抑制を
説明するための等価回路を示した。

図中の同一番号はそれぞれ第１図〜第４図に対応してい
る。本発明の格徴は、第５図に示したように第二電極を
１８，１９と複数個設け、異なる電位を与えることにあ
る。いま、第二電極１８にはＶ，なる電位を与え、第二
電極にはＶ２なる電位を与える。ここでＶ．＞Ｖ２とす
る。第一ゲート電極１４により、ダイオード電位は（Ｖ
ｃＨ−ＶＴ）に設定されるので第二電極１８，１９の下
の光導電体１７は逆バイアスされたダイオードとなる。
一方、入射光によりダイオード電位は降下をはじめ（Ｖ
，一Ｖｑ）以下となると第二電極１８の下の光導電体１
７は順バイアスされたダイオードとなり、電荷（今の場
合は正孔である）を補給されダイオード電位は（Ｖ，一
ＶＱ）に固定される。どんなに強い入射光があってもダ
イオード電位は（Ｖ，一Ｖｂ，）に固定されているので
、第一ゲート電極１４にパルスが印加されない限り、転
送部のポテンシャル１３に電荷は流れ込むことはなくブ
ルーミングが発生しない。また、第二電極を複数個設け
異なる電位を与えることの特徴は、光導電膜１７の動作
電圧を高く設定できることである。

第６図ａ〜ｄに読み込みパルスと光導電膜への印加電圧
を従来の第二電極が単一場合と比較して示した。第６図
ｂに示すようにダイオード電泣は（Ｖ，一Ｖｂ，）に固
定されるので、光導電体１７への印加電圧は、同図ｃの
ように（ＶＣＨ−ＶＴ−Ｖ２）から｛（Ｖ，一ＶＰ）−
Ｖ２｝まで変化する。一方、従来の第二電極が単一の場
合には同図ｄのように光導黄体１７への印加電圧は｛（
ＶｃＨ−Ｖ丁）−Ｖ２｝からＯＶまで変化する。従って
本発明では、入射光が強い場合においてもＶ，およびＶ
２の選択により光導電体１７への印加電圧を高い状態で
使用することができる。一般に、光導電体１７は、製造
法で述べたようにアモルファス−ｓｉやＺｎＳｅ−（Ｚ
ｎ，‐ｘＣｄｘＴｅ）ｒｙ（１仏Ｔｅ３）ｙのような高
抵抗物質を用いるため動作電圧が高くなりやすい。この
ような光導電体１７を低電圧で動作すると、感度の減少
や暁付けの発生等が生じ使用に耐えられなくなる。本発
明は、Ｖ，およびＶ２の選定により光導電体１７の動
作電圧を高く保持したまま使用でき、かつフルーミング
抑制もできるためその効果は大なるものである。さらに
、第二電極を複数個設け、異なる電位を与えることの今
一つの特徴は、光導電体の蓄積電荷量の制御出来ること
である。

光導電体容量をＣＮとすると蓄積電荷量はＣＮ｛（Ｖｃ
Ｈ−Ｖ丁）−（Ｖ，一Ｖｂ，）｝であらわすことができ
る。従って、Ｖ，の設定により蓄積電荷量を制御するこ
とができる。転送段容量が充分ある場合にはＶ，を小さ
くとると蓄積電荷量が増してダイナミックレンジが増大
する。逆に、絵素密度が増して転送段容量が小さい場合
にはＶ，を大きくとるとダイオードの蓄積電荷量は減少
するためブルーミングを抑制することができる。以上ま
とめると、光導電体１７上に複数個の第二電極を設けて
なる電位を与えることの効果は、ダイオード電位をある
電位に保持できること、および光導電体１７の蓄積電荷
を制御できるためブルーミングを制御し得ること、およ
び光導電体１７の動作電圧を高く保持できるため感度が
向上し、碗付け等を少なくできることである。

以上は電荷走査デバイスとして電荷転送素子を中心に述
べてきたが本発明はＭＯＳ型マトリックス素子において
も同様な効果が得られるものであり、これに限定される
ものではない。本発明は第二電極が２個の場合について
述べてきたが、２個以上であればこれに限定されるもの
ではない。

以上述べてきたように、本発明は実用的な絵素数を有す
るような固体撮像装置において高感度でフルーミングの
少ない固体撮像装置を提供するもので、その産業上の意
義はきわめて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは本発明の各実施例を示す一単位の断面構
造図、第２図は本発明の−実施例の姿部平面図、第３図
ａ〜ｄは同実施例の駆動パルス波形とダイオード電位を
示す図、第４図は第二電極の配置例を示す図、第５図は
本発明の動作を説明するための等価回路図、第６図ａ〜
ｄは読み込みパルス波形と光導電体への印加電圧の変化
を示す図である。１０・・…・半導体基板、１１・・・・・・電荷蓄積部
、１２，１４・・・・・・ゲート電極、１３・・・・・
・電荷転送部、１５・・・・・・絶縁層、１６・・・・
・・第一電極、１７・・…・光導電体、１８，１９・・
・・・・第二電極。第１図第２図第３図第４図第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

１電荷蓄積部およびこの電荷蓄積部に蓄積された電荷
を走査する電荷走査部を有する半導体基板と、前記電荷
蓄積部の一部に開孔部を有するように前記半導体基板上
に設けられた絶縁層と、前記開孔部を介して前記電荷蓄
積部と電気的に結合するように前記絶縁層上に単位要素
毎に形成された第一電極と、前記第一電極および前記絶
縁層をおおうように形成された整流特性を有する光導電
体と、前記各第一電極上に対応する前記光導電体上に形
成された複数個の第二電極とを有し、前記複数個の第二
電極のうち少なくとも２個の第二電極に異なる電圧が印
加されたことを特徴とする固体撮像装置。