JPS6050101B2 - solid-state imaging device - Google Patents

solid-state imaging device

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JPS6050101B2
JPS6050101B2 JP55101617A JP10161780A JPS6050101B2 JP S6050101 B2 JPS6050101 B2 JP S6050101B2 JP 55101617 A JP55101617 A JP 55101617A JP 10161780 A JP10161780 A JP 10161780A JP S6050101 B2 JPS6050101 B2 JP S6050101B2
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JP
Japan
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potential
gate
drain
charge
photodiode
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JP55101617A
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Japanese (ja)
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JPS5725777A (en
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隆博 山田
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Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6050101B2 publication Critical patent/JPS6050101B2/en
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一次元、二次元等の光情報を電気信号に変換す
る固体撮像装置に関し、光る被写体を写した場合に画質
劣化の大きな原因となるプルーミング状態の発生を除去
する事を目的とする。
[Detailed Description of the Invention] The present invention relates to a solid-state imaging device that converts one-dimensional, two-dimensional, etc. optical information into electrical signals, and eliminates the occurrence of pluming, which is a major cause of image quality deterioration when photographing a shining subject. The purpose is to do.

ブルーミングとは、受光部にある光電変換素子に蓄積し
得る最大電荷量を越えて発生する過剰電荷により、強い
光の当たる部分(又は光源)の周囲に広がるか、その部
分を中心に画面の縦方向に延ひる由い帯となつて現われ
るものてある。特に後者はXY−アドレス方式の代表で
あるMOSデバイス及ひX−Yアドレス方式の受光部と
電荷転送方式の水平転送部を呼ひ水転送を用いてハイブ
リッド構成とした撮像素子(Char朋Priming
Devlce■CPDと略す)において顕著に現われる
ものである。そこて、ますCPDの構成及ひ動作説明を
済ませてから、ブルーミング状態の発生条件を示し、続
いてMOSテバイスで試みられたブルーミング状態除去
対策を含む従来の例を述べる。
Blooming is caused by excess charge generated in excess of the maximum amount of charge that can be accumulated in the photoelectric conversion element in the light receiving area, which spreads around the area exposed to strong light (or the light source), or spreads along the screen vertically around that area. There are things that appear as bands that extend in different directions. In particular, the latter is a MOS device that is representative of the XY-address method, and an image sensor (Char-priming) that has a hybrid configuration using a water transfer method that combines a light receiving section of the X-Y address method and a horizontal transfer section of the charge transfer method.
This phenomenon appears conspicuously in Devlce (abbreviated as CPD). First, we will explain the configuration and operation of the CPD, then show the conditions under which a blooming state occurs, and then describe conventional examples including countermeasures for removing the blooming state attempted in MOS devices.

前述した様にCPDは、XYアドレス方式、特にその代
表であるMOSデバイスの受光部及び垂直走査回路と、
電荷転送方式、特にその代表であるCCDデバイスの水
平CCD部とを、例えば2個の転送ゲートと1個の蓄積
部から成る呼び水転送部で構成される垂直−水平変換手
段で結合する事によりハイブリッド化した構造のデバイ
スで、原理的に固定パターン雑音が発生しないという特
徴をもつ。
As mentioned above, CPD uses the XY addressing method, especially the light receiving part and vertical scanning circuit of the MOS device, which is a typical example.
The charge transfer method, especially the horizontal CCD section of a typical CCD device, is combined with a vertical-to-horizontal conversion means consisting of a priming transfer section consisting of, for example, two transfer gates and one storage section, thereby creating a hybrid system. This device has a unique structure and is characterized by the fact that, in principle, fixed pattern noise does not occur.

本出願人は特願昭54−85274(特開昭56−89
68号公報参照)に於いて、この様なCPDにおいてブ
ルーミング軽減する方法について既に提案した。
The applicant has filed Japanese Patent Application No. 54-85274 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 56-89)
We have already proposed a method for reducing blooming in such CPDs (see Publication No. 68).

第1図をもとに、その内容を説明する。The contents will be explained based on FIG.

第1図においてMOSFETは全てnチャネル型とする
。垂直走査回路101から、アドレスパルスが行ライン
104に印加されると、行ライン104にゲート電極が
接続されたMOSFETIO3は同一の行に並ぶ他のM
OSFETと共に“゛ON’’となる。この時、p−n
接合フォトダイオード102で光電変換された信号電荷
は、列ライン(垂直信号線)105に移動する。一方、
端子111からゲート112に正電圧が印加される事に
よりMOSFETIO6のドレイン110は一定電位V
Dに設定される。
In FIG. 1, all MOSFETs are of n-channel type. When an address pulse is applied to the row line 104 from the vertical scanning circuit 101, the MOSFETIO3 whose gate electrode is connected to the row line 104 is connected to the other MOSFETIO3 arranged in the same row.
It becomes "ON" together with OSFET. At this time, p-n
Signal charges photoelectrically converted by the junction photodiode 102 move to a column line (vertical signal line) 105. on the other hand,
By applying a positive voltage from the terminal 111 to the gate 112, the drain 110 of MOSFETIO6 is at a constant potential V.
It is set to D.

その後、端子107に正電圧を印加して、MOSFET
IO6をVDより更に深い電位V。で゛“ON’’する
とMOSFETIO6のドレイン110の電位VDとの
差(Vs−VD)に相当するバイアス電荷がMOSFE
TlO6のドレイン110に接続されたキャパシタ10
9から列ライン105に注入される。
After that, by applying a positive voltage to the terminal 107, the MOSFET
IO6 is set to a potential V that is deeper than VD. When it is "ON", a bias charge corresponding to the difference (Vs-VD) between the potential VD of the drain 110 of MOSFETIO6 is applied to the MOSFET IO6.
Capacitor 10 connected to drain 110 of TlO6
9 to column line 105.

このバイアス電荷を「呼ひ水電荷」と呼び、後述する様
にこのバイアス電荷(すなわち呼び水電荷)に信号電荷
を乗せて運ぶ動作が呼び水という動作と類似している所
に命名の由来がある。
This bias charge is called a "priming charge", and the name derives from the fact that the operation of carrying a signal charge on top of this bias charge (i.e., priming charge) is similar to the action of priming, as will be described later.

これまでの結果で、列ライン105上には、フォトダイ
オード102から読出した信号電荷とバイアス電荷の両
方が存在する。他の列ラインも同様てある。次に端子1
08に正電圧を印加すると、静電誘導効果により、キャ
パシタ109を通してMOSFETlO6のドレイン1
10の電位に重畳されるので、■sより更に深い■Mと
なる。従つてVsく■Mとなつた結果、列ライン105
上の信号電荷とバイアス電荷はポテンシャル的に最も深
いMOSFETlO6のドレイン110の側に転送され
る。この状態が呼び水を入れてそれ以上の水を得る動作
に類似しているので「呼び水転送」と呼ぶ。MOSFE
TlO6のドレイン110に呼び水転送された信号電荷
とバイアス電荷の中で信号電荷のみを、トランスファゲ
ート112(これはMOSFETlO6のドレイン11
0に対して電位■oの障害を設定する役目を持つ)によ
つて水平CCDl3lに転送する。
According to the results so far, both the signal charge read from the photodiode 102 and the bias charge exist on the column line 105. The other column lines are similar. Next, terminal 1
When a positive voltage is applied to MOSFET 108, the drain 1 of MOSFET lO6 flows through the capacitor 109 due to the electrostatic induction effect.
Since it is superimposed on the potential of 10, it becomes ■M, which is deeper than ■s. Therefore, as a result of Vs × M, column line 105
The upper signal charges and bias charges are transferred to the drain 110 side of MOSFET lO6, which is potentially the deepest. This state is similar to the operation of priming water to obtain more water, so it is called ``priming water transfer.'' MOSFE
Of the signal charges and bias charges primed and transferred to the drain 110 of TlO6, only the signal charges are transferred to the transfer gate 112 (this is the drain 11 of MOSFET lO6).
0) to the horizontal CCD 13l.

なお、この様に信号電荷のみをゲートを通して転送する
方法か、上澄み液を取り去る動作と類似しているのでス
キミング動作と呼び、この動作を行なうトランスファゲ
ート112をスキミングゲートとも呼ぶ。
This method of transferring only signal charges through the gate is called a skimming operation because it is similar to the operation of removing the supernatant liquid, and the transfer gate 112 that performs this operation is also called a skimming gate.

次に水平CCDl3lで信号電荷を水平転送動作を行な
う。
Next, the horizontal CCD 13l performs a horizontal transfer operation of the signal charge.

なお、水平CCDl3lは通常のラインCCDと同様に
、ソース電極113、ドレイン電極123、入力ゲート
114、フローテイングデイフユージヨンゲート124
を有するフローテイングデイフユージヨンアンプ(E.
D.Aと略記)125、4相駆動電極117〜120、
出力ゲート121、リセットゲート122などから成り
、負荷抵抗Rしの電位変化として端子130から信号出
力を得る。具体的には、例えば列ライン105上の信号
電荷は、水平CCDl3lの1ビットに相当する駆動電
極126〜129の下に形成される空乏層に運ばれた後
、水平転送される。更に、水平CCDl3lの4相駆動
電極117〜120に印加された駆動パルスは、各ビッ
トに相当する駆動電極上を配線し、黒印でコンタクトを
設けている電極に印加される。一方、水平CCDl3l
に列ラインから運ばれた電荷が不要な場合又は除去する
必要が生じた場合には、クリア用端子115に正電圧を
印加して、この不要電荷を外部電源Eに排除する。
Note that the horizontal CCD 13l has a source electrode 113, a drain electrode 123, an input gate 114, and a floating diffusion gate 124, like a normal line CCD.
A floating diffusion amplifier (E.
D. A) 125, 4-phase drive electrodes 117 to 120,
It consists of an output gate 121, a reset gate 122, etc., and receives a signal output from a terminal 130 as a change in potential across a load resistor R. Specifically, for example, signal charges on the column line 105 are carried to a depletion layer formed under the drive electrodes 126 to 129 corresponding to one bit of the horizontal CCD 13l, and then horizontally transferred. Further, the drive pulses applied to the four-phase drive electrodes 117 to 120 of the horizontal CCD 13l are applied to the electrodes wired on the drive electrodes corresponding to each bit and provided with contacts as indicated by black marks. On the other hand, horizontal CCDl3l
When the charge carried from the column line is unnecessary or needs to be removed, a positive voltage is applied to the clearing terminal 115 to remove the unnecessary charge to the external power supply E.

例えば、列ライン105上の不要電荷が、駆動電極12
6〜128で形成される1ビット分に相当する空乏層に
転送された場合は、この不要電荷はクリア用端子115
に正電圧を印加して“゜0N゛となるクリアゲート11
6を通して外部電源Eに排除される。従つて、信号電荷
を水平転送する場合には、クリアゲート116に印加さ
れるパルスは取り除く。以上の様にして、CPDによつ
て不要電荷の重畳されない信号電荷のみを水平CCDl
3lで水平転送し、映像信号として読み出す事が可能と
なる。
For example, unnecessary charges on the column line 105 may be removed from the drive electrode 12.
When transferred to the depletion layer corresponding to one bit formed by 6 to 128, this unnecessary charge is transferred to the clearing terminal 115.
The clear gate 11 becomes “゜0N” by applying a positive voltage to
6 to the external power supply E. Therefore, when horizontally transferring signal charges, the pulse applied to the clear gate 116 is removed. In the above manner, only the signal charge without unnecessary charge is transferred to the horizontal CCD by CPD.
It is possible to horizontally transfer the signal using 3L and read it out as a video signal.

しかしながら、この様な構成のCPDにおいてブルーミ
ング状態のフォトダイオードで発生する過剰電荷は周囲
に比べ若干低いポテンシャルを有するMOSFETのゲ
ート部のチャネルを通して列ライン上にあふれ出るが、
水平CCDl3lを横断して外部電源Eに排除できる全
電荷量は、呼び水転送で転送可能な最大信号電荷量によ
つて決まり、その量はフォトダイオードの最大蓄積電荷
量”の数倍が設計上の限界である。
However, in a CPD with such a configuration, the excess charge generated in the photodiode in the blooming state overflows onto the column line through the channel of the gate part of the MOSFET, which has a slightly lower potential than the surrounding area.
The total amount of charge that can be removed across the horizontal CCD13l to the external power supply E is determined by the maximum amount of signal charge that can be transferred by priming transfer, and this amount is several times the maximum accumulated charge amount of the photodiode in the design. This is the limit.

つまりこれがブルーミング抑圧度の限界である。従つて
、これ以上の過剰電荷を効率よく排除するための新しい
構造となり構成を導入する事が望まれる。これまで、こ
の様なブルーミング状態で発生する過剰電荷の除去対策
としては、1光電変換部に特殊な素子あるいは構成を採
用する“゜構造的対策゛と、2光電変換部に構造的対策
は導入せず、回路的な処理で行なう“゜回路的対策゛l
とが考えられる。
In other words, this is the limit of blooming suppression degree. Therefore, it is desirable to introduce a new structure and configuration to efficiently eliminate any more excess charge. Up until now, as measures to remove the excess charge that occurs in such a blooming state, there have been two approaches: structural measures, in which special elements or configurations are used in the first photoelectric conversion section, and structural measures have been introduced in the second photoelectric conversion section. "゜Circuit countermeasures゛l" which is performed by circuit processing instead of
You could think so.

2は、構造的に複雑な構成を受光部に導入する事なく回
路的に除去する事から、撮像素子の量産性と無関係に性
能を改善する事が可能である。
2, since a structurally complex configuration is removed from the circuit without introducing it into the light receiving section, it is possible to improve the performance regardless of the mass productivity of the image sensor.

しかし原理的に発生するものを取除く方法では、飽和信
号電荷量の150噌程度までブルーミング発生を抑える
のが限界であり電圧、温度等に依存した動作条件の変動
等による不確かさは免れ得ない。従つてこれは本質的な
対策方法ではない。それに比べ1は、原理的に過剰電圧
を発生させない事も可能であり、本質的な対策方法とも
なり得る。
However, with methods that theoretically eliminate the occurrence of blooming, the limit is to suppress the occurrence of blooming to about 150 degrees of the saturated signal charge, and uncertainties due to fluctuations in operating conditions depending on voltage, temperature, etc. cannot be avoided. . Therefore, this is not an essential countermeasure. In comparison, method 1 can theoretically prevent the generation of excessive voltage, and can be an essential countermeasure.

しかしながら、必然的にプロセスが複雑となるため、ブ
ルーミング発生に対する防止効果が顕著てなければ、量
産性に関する負担を増すばかりてある。そして、これま
でブルーミング防止効果の顕著な構造的な対策方法は提
案されていないが、その軽減のための試みがMOSデバ
イスで行なわれている。
However, since the process is inevitably complicated, unless the effect of preventing blooming from occurring is significant, the burden on mass production will only increase. Although no structural countermeasure method with a significant blooming prevention effect has been proposed so far, attempts to reduce the blooming problem have been made using MOS devices.

以下、第2図、第3図を用いて、ブルーミング状態の説
明をした後で構造的なブルーミング防止手段を備えたM
OSデバイスを具体的な構成をもつ従来の例において、
光電変換部に限つて、構造、動作、欠点などを説明する
In the following, after explaining the blooming state using FIGS. 2 and 3,
In the conventional example where the OS device has a specific configuration,
The structure, operation, drawbacks, etc. of the photoelectric conversion unit will be explained.

〔ブルーミング状態のフォトダイオード〕第2図aは、
MOS型の固体撮像デバイスの受光部にれはCPDの受
光部と全く同一である。
[Photodiode in blooming state] Figure 2a shows
The light receiving section of a MOS type solid-state imaging device is exactly the same as the light receiving section of a CPD.

)のフォトダイオード部に着目し、等価回路で示したも
のであり、第2図bは、強い光が当たつているフォトダ
イオード201と対応したMOSFET,2O7C′0
FF゛状態にある)をポテンシャルで表わした図である
。強い光の当たつているフォトダイオード201はそれ
に蓄積された第2図bに示す多量の電荷209によつて
順方向にバイアスされるようにな!る。
) is shown as an equivalent circuit, focusing on the photodiode section of 201, and Figure 2b shows the MOSFET, 2O7C'0, corresponding to the photodiode 201 that is exposed to strong light.
FIG. 3 is a diagram showing potential (in the FF state). The photodiode 201, which is exposed to strong light, becomes forward biased by the large amount of charge 209 shown in FIG. 2b accumulated therein! Ru.

それ以後、光電変換によつて生じる電荷はゲート204
、ソース205、ドレイン206から成るMOSFET
2O7の下に形成される第2図aに示す寄生トランジス
タ208を通して列ライン203にあふれ出す。1水平
期間にあふれ出したこ電荷211は、以後の水平期間に
も同じ列ライン203に接続された他のフォトダイオー
ドの電荷を読出す時と同時に読出されるため、ブルーミ
ングを生じる結果となる。
After that, the charge generated by photoelectric conversion is transferred to the gate 204.
, a source 205, and a drain 206.
spills onto column line 203 through parasitic transistor 208, shown in FIG. 2a, formed below 2O7. The charges 211 overflowing in one horizontal period are read out at the same time as the charges of other photodiodes connected to the same column line 203 are read out in subsequent horizontal periods, resulting in blooming.

なお第2図a(7)CpDはフォトダイオードの等価容
量、CALは列ライン2043の等価容量を示す。この
ブルーミング状態を抑制するために、MOSデバイスで
試みられた垂直n+Pn構造について第3図を用いて原
理から説明する。
Incidentally, in FIG. 2A (7), CpD indicates the equivalent capacitance of the photodiode, and CAL indicates the equivalent capacitance of the column line 2043. In order to suppress this blooming state, a vertical n+Pn structure attempted in a MOS device will be explained in principle with reference to FIG.

〔垂直n+Pn構造によるブルーミング対策〕第3図a
はn+Pnの垂直構造を持つフオトタイオード部を示し
ている。
[Blooming countermeasures using vertical n+Pn structure] Figure 3a
indicates a photodiode section having an n+Pn vertical structure.

フォトダイオード周辺はLOCOS酸化膜302で他の
フォトダイオードと分離している。n+層のフォトダイ
オード305に入射した光301はSiに吸収されて電
子、正孔対を作り、n+領域305には電子が蓄積され
、一方pウェル303には正孔が集まり外部電源Eの負
側へ排出て゛きる。
The area around the photodiode is separated from other photodiodes by a LOCOS oxide film 302. Light 301 incident on the n+ layer photodiode 305 is absorbed by Si to create electron-hole pairs, and electrons are accumulated in the n+ region 305, while holes are collected in the p-well 303 and connected to the negative side of the external power source E. It can be discharged to the side.

なおn基板304で発生した電子はそのままn基板30
4を通して外部電源Eの正側へ排出され、正孔はpウェ
ル303に集められて同様に外部電源Eの負側へ排出さ
れる。従つて、フォトダイオード305に蓄積される電
子は、n+領域305とpウェル303で発生したもの
である。
Note that the electrons generated in the n-substrate 304 are directly transferred to the n-substrate 30.
4 to the positive side of the external power source E, and the holes are collected in the p-well 303 and similarly discharged to the negative side of the external power source E. Therefore, the electrons accumulated in the photodiode 305 are generated in the n+ region 305 and the p well 303.

〔ブルーミング抑圧動作の説明〕[Explanation of blooming suppression operation]

第3図aのフォトダイオード部の等価回路が第3図bで
ある。
FIG. 3b shows an equivalent circuit of the photodiode section of FIG. 3a.

CpOはフォトダイオード305の接合容量、Q、はゲ
ート306、ソース305、ドレイン308より成るM
OSFETであり、THはQvに寄生した横方向のNp
nバイポーラトランジスタであり、フォトダイオード3
05をエミッタ(E)、pウェル303をベース(B)
、列ライン307に接続するドレイン308をコレクタ
(C)としている。
CpO is the junction capacitance of the photodiode 305, and Q is M consisting of the gate 306, source 305, and drain 308.
It is an OSFET, and TH is a lateral Np parasitic to Qv.
n bipolar transistor, photodiode 3
05 as emitter (E), p-well 303 as base (B)
, the drain 308 connected to the column line 307 is used as a collector (C).

一方、Tvは垂直Npn構造により得られる縦方向のト
ランジスタであり、n形基板304はトランジスタTv
のコレクタとなつている。第3図cに示すように、両ト
ランジスタTH,Tvのコレクタ面積をA8、Avとし
、電流増幅率をH,e(H)、Hfe,V)と表わすと
、両者の電流の比RVHは次のようになる。ただし、 ここで、 WV,.WHはトランジスタTv,THのベース幅、L
NPウェル領域の電子の拡散距離、LN>Wv、LN>
WHと設定できるので式(1)は次のように簡単化され
る。
On the other hand, Tv is a vertical transistor obtained by a vertical Npn structure, and the n-type substrate 304 is a transistor Tv
It has become a collector of. As shown in Figure 3c, if the collector areas of both transistors TH and Tv are A8 and Av, and the current amplification factors are expressed as H, e (H), Hfe, V), the ratio of their currents RVH is as follows. become that way. However, here, WV, . WH is the base width of the transistor Tv, TH, L
Electron diffusion distance in NP well region, LN>Wv, LN>
Since WH can be set, equation (1) can be simplified as follows.

〔効 果〕〔effect〕

一般にコレクタ面積Avはフォトダイオード305の面
積に等しく、一方面積AHも実効的にはその面に隣接す
る面の影響も考える必要があるために、(Av/AH)
は10〜20倍程度となる。
In general, the collector area Av is equal to the area of the photodiode 305, and on the other hand, the effective area AH is also (Av/AH) because it is necessary to consider the influence of the adjacent surface.
is approximately 10 to 20 times larger.

更に、実際のレイアウト面積等の制約により(WH/W
のは約1程度とならざるを得ないのが実情である。その
結果、ブルーミングの発生を垂直n+Pn構造としても
、10〜20倍程度の改善にとどまる事が予想され、実
際の実験結果でも同程度の値となつている。〔欠 点〕 しかも、撮像素子の小型が進むと共に、(Av/AH)
の値は、増々小さくなるので、垂直n+Pn構造による
ブルーミング対策は、決して根本的な対策でない事が明
らかとなる。
Furthermore, due to constraints such as actual layout area (WH/W
The reality is that it has to be about 1. As a result, even if the blooming occurs in a vertical n+Pn structure, it is expected that the improvement will be limited to about 10 to 20 times, and actual experimental results show similar values. [Disadvantages] Moreover, as image sensors become smaller, (Av/AH)
As the value of becomes smaller and smaller, it becomes clear that the blooming countermeasure using the vertical n+Pn structure is by no means a fundamental countermeasure.

この時たとえばプロセス技術の進歩で、PVH】10〜
20の値を維持したとしても、プロセスの複雑さを補な
う程のブルーミング抑圧効果が得られる訳ではない。
At this time, for example, due to advances in process technology, PVH】10~
Even if the value of 20 is maintained, the blooming suppression effect will not be sufficient to compensate for the complexity of the process.

従つて、特開昭54−96321号に示されるごとく簡
単な回路的処理によるブルーミング対策によつても同程
度の効果が実験により得られている事からもつと有効な
方法が必要である。以上によりプロセスを複雑にする構
造的な対策によりブルーミング対策を行なう場合には少
なくとも、回路的対策による抑圧効果の1桁〜2桁程度
上回るものでなければならない。本発明は、撮像素子の
フォトダイオード部に、新しい垂直構造を導入したもの
で、この構造を例えばCPDの受光部に組み込む事によ
り、ブルーミング除去能力を飛躍的に増大し、原理的に
ブルーミングが発生しない機能を実現することを可能に
するものてある。
Therefore, there is a need for an effective method, since similar effects have been obtained experimentally using simple circuit processing as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 54-96321. If blooming countermeasures are taken using structural countermeasures that complicate the process as described above, the suppression effect must be at least one to two orders of magnitude greater than the suppression effect achieved by circuit countermeasures. The present invention introduces a new vertical structure to the photodiode section of an image sensor. By incorporating this structure into the light receiving section of a CPD, for example, the ability to remove blooming can be dramatically increased, and in principle, blooming does not occur. There are things that make it possible to realize functions that are not possible.

フォトダイオード部に導入した新しい垂直構造とは、垂
直n+n−n+構造とし、n一領域の周囲に配置したp
領域に印加したバイアスにより『領域中の空乏層を制御
するものである。
The new vertical structure introduced in the photodiode section is a vertical n+n-n+ structure, with p
The bias applied to the region controls the depletion layer in the region.

具体的な実施例の説明に入る前に、p+ゲート部をもつ
垂直n+n−n+構造の動作を説明する基本的な原理と
して静電誘導トランジスタ(Staticinduct
iOntransjstOr略してS.I.Tと呼ぶ。
Before going into the description of specific embodiments, we will explain the basic principle of a static induction transistor (Static Induct transistor) to explain the operation of a vertical n+n-n+ structure with a p+ gate section.
iOntransjstOr abbreviated as S. I. It's called T.

)の動作を説明する。〔S.I.Tの構造と動作説明〕 第4図aはSITの基本構造を示している。) operation is explained. [S. I. Structure and operation explanation of T] Figure 4a shows the basic structure of SIT.

ソース401からドレイン403まで同じ導電型(ここ
ではn型)て構成されるSIT(いまは接合型を対象と
する。また、SITの記号表示は第4図bに示す。)に
おいて、ソース401からドレイン403に向かつて流
れる多数キャリアの量をゲート405の電位により制御
するという動作が行なわれる。しかも、チャネル409
の不純物密度(NO)が低い特徴をもちソース401か
らチャネル409、ドレイン403の順にみればn+n
−n+構造となる。チャネル409の不純物密度(NO
)が低いためSITでは零ゲートバイアス時あるいはわ
ずかな逆方向電圧をゲートに印加した状態ですでにチャ
ネルが完全に空乏層410で包われたピンチオフ状態と
なり、第3図のA−N断面、B−B″断面のポテンシャ
ルを示す第3図cによれば、ソース前面に(鞍部点状の
)電位障壁407が現われ、この電位障壁の高さが主と
してソース401からドレイン403に流れるキャリア
の流量制御を行なう。
In an SIT (currently, the junction type is targeted. The symbol representation of the SIT is shown in FIG. 4b), which is composed of the same conductivity type (here, n-type) from the source 401 to the drain 403. An operation is performed in which the amount of majority carriers flowing toward the drain 403 is controlled by the potential of the gate 405. Moreover, channel 409
It has a characteristic that the impurity density (NO) of
−n+ structure. Impurity density of channel 409 (NO
) is low, so in SIT, the channel is already in a pinch-off state completely covered by the depletion layer 410 at zero gate bias or when a slight reverse voltage is applied to the gate. According to FIG. 3c, which shows the potential of the -B'' cross section, a potential barrier 407 (in the shape of a saddle point) appears in front of the source, and the height of this potential barrier mainly controls the flow rate of carriers flowing from the source 401 to the drain 403. Do the following.

この電位障壁407は真のゲート(Intrinsic
gate)の役割をする。
This potential barrier 407 is a true gate (intrinsic gate).
(gate).

ドレイン電流はこの障壁を越えてソース401(ソース
ポテンシャル404を有する)からドレイン403(ド
レインポテンシャル406を有する)側に流れるキャリ
アによつて決まる。また、通常ゲート402(ゲートポ
テンシャル405を有する)とドレイン403間もわず
かなドレイン電圧で全領域空乏層となりそれ以上にドイ
ン電圧を印加するとドレインポテンシャル406が低下
し、ほとんど下レイン電圧に比例して真のゲート407
の障壁高さは低下し、同時に障壁位置もソース403側
に移動するため、障壁407を越えるキャリア量が増し
てドレイン電圧の増加と共にドレイン電流は増加する。
The drain current is determined by carriers flowing across this barrier from the source 401 (having a source potential 404) to the drain 403 (having a drain potential 406). Furthermore, even with a small drain voltage, the entire region between the gate 402 (which has a gate potential 405) and the drain 403 becomes a depletion layer, and when a higher drain voltage is applied, the drain potential 406 decreases, almost in proportion to the lower drain voltage. true gate 407
The barrier height decreases, and at the same time, the barrier position moves toward the source 403, so the amount of carriers crossing the barrier 407 increases, and the drain current increases as the drain voltage increases.

電位障壁407を越えたキャリアはn一領域409中の
ドリフト電界によりほとんど飽和速度で走行するから″
ドレイン電流は電位障壁407を越えるキャリア量にほ
とんど比例する。その結探βITの出力特性は不飽和特
性を示す。一方、多数キャリア注入量制御を動作機構と
するSITの他の特徴は、大電流領域で温度特性が負で
あり、チャネル409の抵抗が小さいことから熱雑音は
極めて小さく、多数キャリア注入に伴なうショット雑音
が主雑音源であるという低雑音特性を有する。
Carriers that have crossed the potential barrier 407 travel at almost saturation speed due to the drift electric field in the n-region 409.
The drain current is almost proportional to the amount of carriers that cross the potential barrier 407. The output characteristic of the resultant βIT shows an unsaturated characteristic. On the other hand, other features of SIT whose operation mechanism is majority carrier injection amount control are that the temperature characteristics are negative in the large current region, the resistance of the channel 409 is small, so the thermal noise is extremely small, and the It has low noise characteristics, with shot noise being the main noise source.

なお、第4図dに、チャネル不純物濃度ND(Cm−3
)とチャネル厚さd(μTrL,)との関係ででSIT
動作を実現し得る範囲408(斜線部)を示している。
In addition, in FIG. 4d, the channel impurity concentration ND (Cm-3
) and the channel thickness d(μTrL, ), SIT
A range 408 (shaded area) in which the operation can be realized is shown.

但しこれは個別部品のSITに対するものてIC化した
場合にはもつと大きな不純物濃度NOでも十分なことが
知られている。更に接合形SITは、チャネルの寸法及
び不純物濃度を制御することにより零ゲートバイアス状
態で導通状態となるノーマリオン形にも、また零ゲート
バイアス状態で遮断状態となるノーマリ・オフ形にも設
計できるという特徴をもつ。ノーマリ・オフ形のSIT
は、BSITとも呼ばれ、バイポーラトランジ゛スタ同
様ある値以上の順方向バイアスをゲートに印加して“O
N゛とするものである。このSITにみられるp+ゲー
ト部を有する垂直n+n−n+構造をフォトダイオード
部に導入する事によるブルーミング対策方法を以下実施
例にもとずいて説明する。
However, it is known that even a large impurity concentration NO is sufficient when the individual components are integrated into an IC. Furthermore, by controlling the channel dimensions and impurity concentration, junction SITs can be designed into either a normally-on type, which is conductive at zero gate bias, or a normally-off type, which is turned off at zero gate bias. It has the following characteristics. Normally off type SIT
BSIT is also called BSIT, and like bipolar transistors, a forward bias of more than a certain value is applied to the gate.
It shall be N. A method for counteracting blooming by introducing a vertical n+n-n+ structure having a p+ gate section, which is found in this SIT, into a photodiode section will be described below based on an embodiment.

〔本発明の第1の実施例〕 第5図aはLOCOS酸化膜501で分離されたフォト
ダイオード部に垂直n+『n+構造を導入したもので、
n一領域505を取り囲むpウェル502はn一領域5
05のチャネルに対しゲートの役割をする。
[First Embodiment of the Present Invention] FIG. 5a shows a structure in which a vertical n+'n+ structure is introduced into a photodiode section separated by a LOCOS oxide film 501.
The p-well 502 surrounding the n-region 505 is the n-region 5.
It serves as a gate for the 05 channel.

つまり、pウェル502と酎基板503間の印加電圧E
″によりn一領域505であるチャネル中に生ずる空乏
層506により設定される電位障壁を制御して導通状態
を決めるのである。ブルーミングを生じない様な光入力
状態では、光電変換により耐ソース領域504に蓄積さ
れた電子はゲート電極507に電圧を印加して酎ドレイ
ン領域508に読出され、アルミ配線509などに取り
出した後、外部に読み出す。
In other words, the applied voltage E between the p-well 502 and the substrate 503
'' to determine the conduction state by controlling the potential barrier set by the depletion layer 506 generated in the channel which is the n-region 505. In a light input state that does not cause blooming, the source-resistant region 504 is closed by photoelectric conversion. The accumulated electrons are read out to the drain region 508 by applying a voltage to the gate electrode 507, taken out to an aluminum wiring 509, etc., and then read out to the outside.

一方、通常の素子でブレーミングの状態を生ずるような
強い光が入射した場合では、n+ソース領域504の最
大蓄積電荷量を越える過剰電荷を垂速にn+基板503
を通して外部電源E″みに排除する事が可能である。
On the other hand, when strong light that causes blaming occurs in a normal device, excessive charges exceeding the maximum accumulated charge amount of the n+ source region 504 are transferred to the n+ substrate 503 at a vertical velocity.
It is possible to remove the external power source E'' through the external power source E''.

これは、ゲート507の下のチャネルの障壁電位V,よ
り若干低い電位V2に、『領域のチャネルの障壁電位を
設定することにより実現できる。このフォトダイオード
部等価回路は第5図bに示したようにフォトダイオード
510にSIT5llが組み合わされたものとして表現
されている。なお、第5図bのCPDはフォトダイオー
ド等価容量、CAしは列ライン容量を示す。第5図cは
同aのフォトダイオードのA一A″断面及びB−B断面
のポテンシャル図であり、ゲート507の設定する電位
■1よりΔ■だ“け低い電位を、n一領域のチャネル5
05の障壁電位V2となるようにpウェル502に電圧
を印加するならば、過剰電荷512は基板503側を通
して外部電源E″に排出されることとなる。
This can be realized by setting the barrier potential of the channel in the region to a potential V2 slightly lower than the barrier potential V of the channel below the gate 507. This photodiode equivalent circuit is expressed as a combination of a photodiode 510 and an SIT 5ll, as shown in FIG. 5b. Note that CPD in FIG. 5b indicates photodiode equivalent capacitance, and CA indicates column line capacitance. FIG. 5c is a potential diagram of the A-A'' cross section and the B-B cross section of the photodiode shown in FIG. 5
If a voltage is applied to the p-well 502 so as to have a barrier potential V2 of 05, the excess charge 512 will be discharged to the external power source E'' through the substrate 503 side.

この様なフォトダイオード部を受光部に用いた撮像素子
を第6図を用いて説明する。MOSFETは全てnチャ
ネルとする。垂直走査回路601からアドレスパルスが
行ライン605に印加されると行ライン605にゲート
電極が接続されたMOSFET6O3は同一の行に並ぶ
他のMOSFETと共に6℃NOとなる。
An image sensor using such a photodiode section as a light receiving section will be explained with reference to FIG. All MOSFETs are n-channel. When an address pulse is applied to the row line 605 from the vertical scanning circuit 601, the MOSFET 6O3 whose gate electrode is connected to the row line 605 becomes 6° C.NO together with the other MOSFETs lined up in the same row.

この時、p−n接合フォトダイオード602で光電変換
された信号電荷は、列ライン606に移動する。この時
、強い光がフォトダイオード602に照射された場合、
光電変換で生じた過剰電荷はMOSFET6O3の′6
0FF″時のチャネル障壁電位よりわずかに低いチャネ
ル障壁電位をもつSIT6O4を通して外部電源E″に
排出される。この事は他のフォトダイオードでも同様で
ある。この後、列ライン606をはじめ全ての列ライン
上に読み出された信号電荷を映像信号として出力端子1
30から得るための構成はMて指定された部分であり、
これは第1図のMで指定された部分に全く等しく、動作
方法も第1図の場合と同じである。この実施例に示され
るように、p+ゲート部を有する垂直n+n−n+構造
をフォトダイオード部に導入する事により、強い光がフ
ォトダイオードに照射されて過剰電荷が発生しても外部
電源E″で障壁電位を設定されたSIT構造を通して過
剰電荷は外部電源Eに排出されるため、原理的にブルー
ミングが発生しないという特徴を有する。
At this time, the signal charge photoelectrically converted by the pn junction photodiode 602 moves to the column line 606. At this time, if strong light is irradiated onto the photodiode 602,
The excess charge generated by photoelectric conversion is '6' of MOSFET6O3.
It is discharged to the external power source E'' through SIT6O4, which has a channel barrier potential slightly lower than the channel barrier potential at 0FF''. This also applies to other photodiodes. After that, the signal charges read out on all the column lines including the column line 606 are output to the output terminal 1 as a video signal.
The configuration to obtain from 30 is the part specified by M,
This is exactly the same as the part designated by M in FIG. 1, and the operation method is the same as in FIG. As shown in this example, by introducing a vertical n+n-n+ structure with a p+ gate section into the photodiode section, even if excessive charge is generated due to strong light being irradiated onto the photodiode, the external power source E'' can be used. Excess charges are discharged to the external power source E through the SIT structure with a set barrier potential, so that blooming does not occur in principle.

次に列ライン(606など)上の不要電荷とかとり残し
電荷を呼び水転送段及び水平CCDl3lを横断して外
部電源Eに排出するのではなく、フォトダイオードの過
剰電荷と同様その場で垂直にn+基板を通して外部電源
E″に排除するため、フォトダイオードもドレインも垂
直n+Pn+構造とした受光部て構成した撮像素子を第
7図、8図とともに説明する。
Next, instead of discharging the unnecessary charges or leftover charges on the column lines (606, etc.) across the priming transfer stage and the horizontal CCD 13l to the external power supply E, they are directly connected vertically to the n+ An image pickup device constructed of a light receiving section in which both the photodiode and the drain have a vertical n+Pn+ structure in order to extract the light to the external power source E'' through the substrate will be described with reference to FIGS. 7 and 8.

〔本発明の第2の実施例〕 第7図aはIOCOS酸化膜701で分離された受光部
のフォトダイオード704とドレイン708に垂直n+
n一耐構造を導入したもので、n一領域705を取り囲
むpウェル702はn一領域705のチャネルに対しゲ
ートの役割をする。
[Second Embodiment of the Invention] FIG. 7a shows an n+
An n-type resistive structure is introduced, and the p-well 702 surrounding the n-type region 705 serves as a gate for the channel of the n-type region 705.

つまり、pウェル702とn+基板703間の印加電圧
E″によりn一領域705のチャネルに生ずる空乏層7
06により設定される電位障壁を制御して導通状態を決
めるのである。ブルーミングを生じない光入力の場合で
は、光電変換によりn+ソース領域704に蓄積された
電子はゲート電極707に電圧を印加してn+ドレイン
領域708に読出される。
In other words, a depletion layer 7 is formed in the channel of the n-region 705 due to the applied voltage E'' between the p-well 702 and the n+ substrate 703.
The conduction state is determined by controlling the potential barrier set by 06. In the case of optical input that does not cause blooming, electrons accumulated in the n+ source region 704 due to photoelectric conversion are read out to the n+ drain region 708 by applying a voltage to the gate electrode 707.

この時、アルミ配線709は、n坪レイン領域708と
直流的に絶縁された容量カップル状態なのでn+ドレイ
ン領域708の電位変化に応じた電位変化を静電誘導で
生じるのでこれを信号として出力部に読出すことができ
る。なお、このn+ドレイン領域に読出された信号電荷
をアルミライン709の電位変動として検出した後、容
量710を介して端子711からパルスをアルミライン
709に印加する。これは更に容量715を介してn+
ドレイン708に印加される。これはブートストラップ
効果を利用して、酎ドレイン領域708の電位を深いV
3(第7図c)から浅いV″3に変えている。この結果
ドレイン708の電位V″3はドレイン下のn一領域7
12のチャネルの障壁電位V4(第7図c)よりも小さ
くなる。これにより、n+ドレイン領域708に残留し
ている検出後の不要電局をn一領域712を通してn+
基板に接続される外方電源E″に排除する事が可能にな
る。一方、通常の素子でブルーミングの状態を生ずるよ
うな強い光が入射する場合では、n+ソース領域704
の最大蓄積電荷量を越える過剰電荷を垂直にn+基板7
03を通して外部電源E″に排出する事が必要である。
At this time, since the aluminum wiring 709 is in a capacitive couple state with DC insulation from the n+ drain region 708, a potential change corresponding to the potential change of the n+ drain region 708 is generated by electrostatic induction, and this is sent as a signal to the output section. Can be read. Note that after detecting the signal charge read to the n+ drain region as a potential fluctuation of the aluminum line 709, a pulse is applied to the aluminum line 709 from the terminal 711 via the capacitor 710. This is further connected to n+ via capacitor 715.
applied to drain 708. This utilizes the bootstrap effect to lower the potential of the drain region 708 to a deep V
3 (FIG. 7c) to a shallow V''3. As a result, the potential V''3 of the drain 708 is lower than that of the n-region 7 below the drain.
12 (FIG. 7c). As a result, unnecessary electrical stations remaining in the n+ drain region 708 after detection are passed through the n+ region 712.
On the other hand, when strong light that would cause blooming in a normal element is incident, the n+ source region 704
Excess charge exceeding the maximum accumulated charge amount is vertically transferred to the n+ substrate 7.
03 to an external power source E''.

これは、ゲート707の下のチャネルの障壁電位V5よ
り若干低い電位■4にn一領域のチャネルの障壁電位を
設定する事により実現できる。この受光体の等価回路は
第7図bに示すようにフォトダイオード713とSIT
7l4を組み合わせたものとして表現されている。なお
、第7図b(7)CpDはフォトダイオード等価容量で
あり、CDはドレイン等価容量である。第7図cは第4
図aの受光部のC−C″断面及びD−D″断面のポテン
シャル図であり、ゲート703の設定する電位V5より
Δ■だけ低い電位をn一領域のチャネル705の障壁電
位■4とする。
This can be realized by setting the barrier potential of the channel in the n-region to a potential (4) that is slightly lower than the barrier potential V5 of the channel below the gate 707. The equivalent circuit of this photoreceptor is shown in FIG.
It is expressed as a combination of 7l4. Note that, in FIG. 7b (7), CpD is the photodiode equivalent capacitance, and CD is the drain equivalent capacitance. Figure 7c is the fourth
These are potential diagrams of the C-C'' cross section and the D-D'' cross section of the light-receiving part in Figure a, where a potential lower by Δ■ than the potential V5 set by the gate 703 is the barrier potential ■4 of the channel 705 in the n-region. .

これはpウェル702とn+基板703との電圧関係で
設定することができ、この結果過剰電荷715は基板7
03側を通して外部電源E″に排出されることになる。
このような受光部を用いた撮像素子を第8図を用いて説
明する。
This can be set by the voltage relationship between the p-well 702 and the n+ substrate 703, and as a result, the excess charge 715 is removed from the substrate 703.
It will be discharged to the external power source E'' through the 03 side.
An image sensor using such a light receiving section will be explained using FIG. 8.

MOSFETは全てnチャネルとする。垂直走査回路8
01からアドレスパルスが行ライン809に印加される
と、行ライン809゛にゲート電極が接続されたMOS
FET8O5は同一の行に並ふ他のMOSFETと共に
′40N″となる。この時、フォトダイオード802で
光電変換された信号電荷はドレイン部806に移動する
。この結果、容量807を介した静電誘導で信号電荷と
一定の関係をもつた電位変化を列ライン808に生ずる
ことになる。この電位変化が列ライン808に生ずると
いう事は等価的に列ライン808上へ信号電荷が移動し
た事に対応する。
All MOSFETs are n-channel. Vertical scanning circuit 8
When an address pulse from 01 is applied to the row line 809, the MOS whose gate electrode is connected to the row line 809'
FET8O5 becomes '40N'' along with other MOSFETs lined up in the same row. At this time, the signal charge photoelectrically converted by photodiode 802 moves to drain part 806. As a result, electrostatic induction via capacitor 807 , a potential change that has a certain relationship with the signal charge is generated on the column line 808. The fact that this potential change occurs on the column line 808 equivalently corresponds to the movement of the signal charge onto the column line 808. do.

この時、通常の素子ではブルーミングを生ずる様な強い
光入射がある場合、光電変換で生じた過剰電局はMOS
FET8O5のチャネルの障壁電位よりわずかに低く設
定されたチャネルの障壁電位を有するSIT8O3を通
して外部電源E″に排除される。従つてフォトダイオー
ド802においてブルーミングは原理的に生じない。一
方、端子814からゲート818に正電圧を印加する事
により、MOSFET8l5のドレイン816は一定電
位VDに設定される。
At this time, if there is strong light incident that would cause blooming in a normal device, the excess electricity generated by photoelectric conversion will be transferred to the MOS.
It is rejected to the external power supply E'' through SIT8O3, which has a channel barrier potential set slightly lower than the channel barrier potential of FET8O5.Therefore, blooming does not occur in the photodiode 802 in principle. By applying a positive voltage to MOSFET 818, the drain 816 of MOSFET 815 is set to a constant potential VD.

その後、端子812に正電圧を印加してMOSFET8
l5をVOより更に深い電位■3で゜゜0N゛にすると
、MOSFET8l5のドレイン816の電位■。との
差(■,−■。)に相当するバイアス電荷がMOSFE
T8l5のドレイン816に接続されたキャパシタ81
7から列ライン808に注入される。この注入電荷は「
呼び水電荷」であり内部バイアス電荷である。これまで
の動作で、列ライン808上には、フォトダイオード8
02から読出した信号電荷と一定の関係にある等価的な
信号電荷とバイアス電荷の両方が存在する。
After that, a positive voltage is applied to the terminal 812 and the MOSFET 8
When l5 is set to ゜゜0N゛ at a potential ■3 deeper than VO, the potential ■ of the drain 816 of MOSFET 8l5. The bias charge corresponding to the difference (■, -■.) from the MOSFE
Capacitor 81 connected to drain 816 of T8l5
7 to column line 808. This injected charge is “
It is a priming charge and an internal bias charge. In the operation so far, the photodiode 8 is on the column line 808.
There are both equivalent signal charges and bias charges that have a fixed relationship with the signal charges read from 02.

次に、端子813に正電圧を印加すると、静電誘導効果
によりキャパシタ817のドレイン816の電位に重畳
されるので、V,より更に深い電位■9となる。
Next, when a positive voltage is applied to the terminal 813, it is superimposed on the potential of the drain 816 of the capacitor 817 due to the electrostatic induction effect, so that the voltage becomes a potential (9) deeper than V.

従つてV,く■9となつた事により、列ライン808上
の信号電荷とバイアス電荷は、ポテンシャル的に最も深
い電位■9を有するMOSFET8l5のドレイン81
6の側に転送される。この状態を呼び水転送されたとい
う。一方、列ライン808上の信号電荷が容量817に
移動した後MOSFET8O5のドレイン部806にフ
ォトダイオード802から移動した信号電荷は不要とな
るので、容量811を介して端子810からアルミライ
ン808にパルスを印加する。それは更に容量807を
介してドレイン806に印加する。これは、静電誘導効
果を利用して、ドレイン806の電位を、外部電源E″
により設定されたSIT8O4のチャネルの障壁電位よ
りも小さい電位に持ち上げた事になる。この結果、MO
SFET8O5のドレイン806に残つていた不要な信
号電荷はSIT8O4を通つて外部電−源E″に排出さ
れる。次に、前述したように、列ライン808から、M
OSFET8l5のドレイン816に呼び水転送された
信号電荷とバイアス電荷の中で、信号電荷のみは、トラ
ンスファゲート816を通して、ス.キミング動作によ
り水平CCD8l9に転送される。この後、水平CCD
8l9で信号電荷を水平転送動作を行なう。
Therefore, the signal charge and bias charge on the column line 808 are transferred to the drain 81 of MOSFET 8l5, which has the deepest potential (9).
Transferred to the 6th side. This state is called priming transfer. On the other hand, after the signal charges on the column line 808 move to the capacitor 817, the signal charges transferred from the photodiode 802 to the drain part 806 of MOSFET8O5 are no longer needed, so a pulse is sent from the terminal 810 to the aluminum line 808 via the capacitor 811. Apply. It is further applied to drain 806 via capacitor 807. This uses the electrostatic induction effect to change the potential of the drain 806 to the external power supply E''
This means that the potential is raised to a level smaller than the barrier potential of the channel of SIT8O4 set by . As a result, M.O.
The unnecessary signal charge remaining in the drain 806 of SFET8O5 is discharged to the external power supply E'' through SIT8O4.Next, as described above, from the column line 808, M
Among the signal charges and bias charges primed and transferred to the drain 816 of the OSFET 815, only the signal charges are transferred through the transfer gate 816. The signal is transferred to the horizontal CCD 819 by the skimming operation. After this, horizontal CCD
8l9 performs a horizontal transfer operation for signal charges.

なお、水平CCD8l9は通常のラインCCDと同様に
、ソース電極820、ド.レイン電極832、入力ゲー
ト821、フローテイングデイフユージヨンゲート83
3を有するフローテイングデイフユージヨンアンプ(E
.D.A)834、4相駆動電極822〜825、出力
ゲート830、リセットゲート831などで構成さ−れ
、負荷抵抗RLの電位変化として端子835から信号出
力を得る。なお、具体的には、列ライン808上の信号
電荷は、水平CCD8l9の1ビットに相当する駆動電
極826〜829の下に形成される空乏層に運ばれた後
、水平転送される。更に水平CCD8l9の4相駆動電
極822〜825に印加された駆動パルスは各ビットに
相当する駆動電極上を配線し、黒印?でコンタクトを設
けている電極に印加される。以上、本発明の第2の実施
例によれば、p+ゲート部として働くpウェルの中に形
成されたフォトダイオード及びドレインの下の垂直n+
n−n+構造により、1強い光入射に対してフォトダイ
オードて光電変換された過剰電荷は、垂直に酎基板まで
運ばれ、外部に排出されるので、原理的にブルーミング
が生じない。
Note that the horizontal CCD 8l9 has a source electrode 820, a dot 820, and Rain electrode 832, input gate 821, floating diffusion gate 83
Floating diffusion amplifier (E
.. D. A) 834, four-phase drive electrodes 822 to 825, an output gate 830, a reset gate 831, etc., and a signal output is obtained from a terminal 835 as a change in the potential of the load resistor RL. Specifically, the signal charge on the column line 808 is carried to a depletion layer formed under the drive electrodes 826 to 829 corresponding to one bit of the horizontal CCD 819, and then horizontally transferred. Furthermore, the drive pulses applied to the four-phase drive electrodes 822 to 825 of the horizontal CCD 8l9 are wired on the drive electrodes corresponding to each bit, and the black marks ? is applied to the electrode providing the contact. As described above, according to the second embodiment of the present invention, the photodiode formed in the p well serving as the p+ gate part and the vertical n+
Due to the n-n+ structure, the excess charge photoelectrically converted by the photodiode in response to strong light incidence is carried vertically to the substrate and discharged to the outside, so that blooming does not occur in principle.

2フォトダイオードからドレイン部に移動した信号電荷
に対応した列ライン上の電位変化が読み出された後、ド
レイン部に残つた不要な信号電荷は、ドレイン部の電位
を小さくする事によつて、ドレイン部下のSIT構造の
チャネルに相当するn一領域の障壁電位を越えてn+基
板へ排出するためドレイン部を確実にリセットできる。
2. After the potential change on the column line corresponding to the signal charge moved from the photodiode to the drain part is read out, the unnecessary signal charge remaining in the drain part is removed by reducing the potential of the drain part. The drain portion can be reliably reset because the drain exceeds the barrier potential of the n-region corresponding to the channel of the SIT structure under the drain and discharges to the n+ substrate.

という利点を実現する事が可能となる。次に、電荷注入
素子(ChargeIn耘CtiOnDevice)に
対して垂直n+n−n+構造を導入すれば不要電荷の基
板への電荷注入時間を極めて小さくできるので、従来(
し)で困難とされた小型化・多画素高密度化を可能にす
る。
It is possible to realize this advantage. Next, if a vertical n+n-n+ structure is introduced to the charge injection device (ChargeInCtiOnDevice), the time required to inject unnecessary charges into the substrate can be extremely shortened.
This enables miniaturization and high pixel density, which was previously considered difficult to achieve.

これについて、本発明の第3の実施例として第9図、1
0図をもとにして次に説明する。〔本発明の第3の実施
例〕 第9図aは、10C0S酸化膜901で分離された受光
部のn+領域902を制御するゲート903,904の
下に、垂直n+n一耐構造を導入したもので、n一領域
905,906を取り囲むpウェル907は、『領域の
チャネルの空乏層908,909を制御するゲートとな
つている。
Regarding this, as a third embodiment of the present invention, FIG.
This will be explained next based on Figure 0. [Third Embodiment of the Present Invention] FIG. 9a shows a structure in which a vertical n+n single resistance structure is introduced under gates 903 and 904 that control the n+ region 902 of the light receiving section separated by a 10C0S oxide film 901. The p-well 907 surrounding the n-regions 905 and 906 serves as a gate for controlling the channel depletion layers 908 and 909 of the regions.

なお、p+領域910はゲート903とゲート904の
影響が夫々独立に働く様に電気的に分離するためのもの
である。n一領域905,906の空乏層908,90
9はpウェル907とn+基板911間に印加した外部
電源Fにより制御され、その結果、n一領域905,9
06のチャネルの障壁電位が設定される。
Note that the p+ region 910 is for electrically isolating the gates 903 and 904 so that their effects work independently. Depletion layers 908, 90 in n-regions 905, 906
9 is controlled by an external power supply F applied between the p-well 907 and the n+ substrate 911, and as a result, the n-regions 905, 9
The barrier potential of channel 06 is set.

これにより垂直n+n−ギ構造と周囲のpウエルで構成
されるSITの導通状態を決めることがてきる。通常の
撮像素子でブルーミングを生じないような光入力の場合
では、ゲート903、ゲート904共に電圧を印加する
と、n+領域902中に光電変換された電荷が蓄積され
る。
This makes it possible to determine the conduction state of the SIT consisting of the vertical n+n-gi structure and the surrounding p-well. In the case of light input that does not cause blooming in a normal image sensor, when a voltage is applied to both gates 903 and 904, photoelectrically converted charges are accumulated in n+ region 902.

この電荷を読み出す方法は、第9図dのようにゲート9
03,904共に電圧印加された状態に対し、ゲート9
04の印加電圧を除くと、第9図eのように光電変換さ
れた電荷912は全てゲート903の下の空乏層918
に集められる。その後、ゲート904の電圧を基準電位
に設定してから、ゲート903の印加電圧を除くことに
より、第9図fのように光電変換された電荷は全てゲー
ト904の下の空乏層919に集められ、その結果静電
誘導により生じるゲート904の電位変化分として信号
が検出される。その後、光電変換された電荷912は不
要となるので、ゲート904の印加電圧を除くことによ
り、第9図gの様に空乏層電位V7が垂直n+n−n+
領域のチャネルの障壁電位V6より小さくなるため、n
一領域905,906を通つて酎基板911に移動し、
外部電源E″に排出される。一方、通常の素子でブルー
ミングを生ずる様な強い光入射がある場合、n+領域9
02の最大蓄積電荷量を越える過剰電荷917を垂直に
n+基板まで移動して外部電源『に排出する事が必要と
なる。
The method of reading out this charge is as shown in FIG.
For the state where voltage is applied to both 03 and 904, gate 9
When the applied voltage 04 is removed, the photoelectrically converted charges 912 are all transferred to the depletion layer 918 under the gate 903 as shown in FIG. 9e.
are collected in. Thereafter, by setting the voltage of the gate 904 to the reference potential and removing the voltage applied to the gate 903, all the photoelectrically converted charges are collected in the depletion layer 919 under the gate 904, as shown in FIG. As a result, a signal is detected as a potential change of the gate 904 caused by electrostatic induction. Thereafter, the photoelectrically converted charges 912 are no longer needed, so by removing the voltage applied to the gate 904, the depletion layer potential V7 is vertically n+n-n+ as shown in FIG. 9g.
Since it is smaller than the barrier potential V6 of the channel in the region, n
Move to the sake board 911 through one area 905, 906,
On the other hand, when there is strong light incident that causes blooming in a normal element, the n+ region 9
It is necessary to move the excess charge 917 exceeding the maximum accumulated charge amount of 02 vertically to the n+ substrate and discharge it to the external power supply.

これは、ゲート903,904の印加電圧を除いた時の
酎領域902の埋込みチャネルの電位V7より若干低い
電位■6にn一領域905,906のチャネルの障壁電
位を設定することにより実現てきる。この受光部の等価
回路は第9図bに示すように、コンデンサ913,91
4とSIT9l5,9l6の組み合わせて表現できる。
This can be achieved by setting the barrier potential of the channels of the n-regions 905 and 906 to a potential 6 that is slightly lower than the potential V7 of the buried channel of the bottom region 902 when the voltage applied to the gates 903 and 904 is removed. . The equivalent circuit of this light receiving section is as shown in FIG. 9b, with capacitors 913 and 91
It can be expressed by combining 4 and SIT9l5, 9l6.

なお、第9図bのCV,CHは夫々ゲート903,90
4の下の空乏層の容量に対応している。なお、第9図c
は第9図aの受光部のE〜E″断面のポテンシャル図で
あり、ゲート903,904に印加電圧のない時の電位
V7よりΔ■だけわずかに低い電位V6にn一領域90
5,906のチャネルの障害電位を設定し、過剰電荷9
17はこの障壁を越えてn+基板側911に流れ、外部
電源E″に排出される。
Note that CV and CH in FIG. 9b are gates 903 and 90, respectively.
This corresponds to the capacitance of the depletion layer below 4. In addition, Fig. 9c
is a potential diagram of a cross section from E to E'' of the light receiving section in FIG.
Set the failure potential of the channel at 5,906 and the excess charge at 9
17 flows over this barrier to the n+ substrate side 911 and is discharged to the external power supply E''.

また、第9図d−gは、光照射で光電変換されたのち電
荷が蓄積された状態から、信号を読み出し、次の蓄積状
態までの動作状態の一連の変化を表わしたもので、第9
図dは非選択状態、第9図eは半選択状態、第9図fは
読出し状態、第9図gはリセット状態に対応する。
In addition, FIGS. 9 d to 9 g show a series of changes in the operating state from a state in which charges are accumulated after photoelectric conversion by light irradiation to the next accumulation state when a signal is read out.
9d corresponds to a non-selected state, FIG. 9e corresponds to a half-selected state, FIG. 9f corresponds to a read state, and FIG. 9g corresponds to a reset state.

なおn一領域905,906は共通にして、一つの領域
にしてもよいことは明らかである。この様な受光部を用
いた撮像素子を、第10図を用いて説明する。
Note that it is clear that the n-areas 905 and 906 may be made into one area in common. An image sensor using such a light receiving section will be explained using FIG. 10.

MOSFETは全てnチャネルとする。垂直走査回路1
001からアドレスパルスが出力されない場合、行ライ
ン1002と同様全ての行ラインに正の電圧が印加され
ているものとする。
All MOSFETs are n-channel. Vertical scanning circuit 1
When no address pulse is output from 001, it is assumed that a positive voltage is applied to all row lines, similar to row line 1002.

これにより行ラインに接続されたゲート下に形成される
空乏層に光電変換された信号電荷が蓄積する。いま、端
子810に負方向のパルスを印加すると容量811を介
してブートストラップ効果により、列ライン1003の
電位を持ち上げることとなり、これは再びブートストラ
ップ効果により容量1005を介してSITlOO7の
ソース電位を持ち上げる。
As a result, photoelectrically converted signal charges are accumulated in a depletion layer formed under the gate connected to the row line. Now, when a negative direction pulse is applied to the terminal 810, the potential of the column line 1003 is raised via the capacitor 811 due to the bootstrap effect, which again raises the source potential of SITlOO7 via the capacitor 1005 due to the bootstrap effect. .

この結尿βITlOO7のソース部にあつた不要電荷は
基板を通して外部電源E″に排除され、この後、端子8
10の負方向のパルスを除くと、列ライン1003は端
子812〜814の印加電圧て設定される電位となる。
この時受光部で光電変換された信号は、全て行うイン(
たとえば1004など)に接続されたゲ”一ト下の空乏
層に蓄積するように、列ラインの電位より大きな電位を
行ラインに対して設定する。
The unnecessary electric charge that has been applied to the source of the urine condensation βITlOO7 is removed to the external power supply E'' through the substrate, and then the terminal 8
When the 10 negative direction pulses are removed, the column line 1003 is at the potential set by the voltages applied to the terminals 812-814.
At this time, the signal photoelectrically converted in the light receiving section is transferred to the input (
For example, a potential greater than the potential of the column line is set for the row line so that the potential is accumulated in the depletion layer below the gate connected to the gate (eg, 1004).

次に、垂直走査回路1001から負方向のアドレスパル
ス(以下負パルスと略)が行ライン1002に印加され
ると、行ライン1009に接続されたゲート1004は
同一の行に並ぶ同じ様な他のゲートと共に、そのゲート
下の空乏層が消失する。従つて、負パルスが印加された
行ライン1003に接続されたゲート下の空乏層に蓄積
された電荷は、各々の列ライン(たとえば1003など
)に接続されたゲート下の空乏層に移動する。
Next, when a negative direction address pulse (hereinafter abbreviated as negative pulse) is applied to the row line 1002 from the vertical scanning circuit 1001, the gate 1004 connected to the row line 1009 The depletion layer under the gate disappears together with the gate. Therefore, the charge accumulated in the depletion layer under the gate connected to the row line 1003 to which the negative pulse was applied moves to the depletion layer under the gate connected to each column line (eg, 1003, etc.).

これにより、各々の列ライン上の電位は列ラインに接続
したゲート下に光電変換された信号電荷が集められる結
果、静電誘導により変化する。この様に列ライン上の信
号電荷に対応する電位変化は、第8図のN枠部分と同様
に構成された第10図のN枠部分の動作により信号変化
として出力部835に読み出される。
As a result, the potential on each column line changes due to electrostatic induction as a result of photoelectrically converted signal charges being collected under the gate connected to the column line. In this way, the potential change corresponding to the signal charge on the column line is read out to the output section 835 as a signal change by the operation of the N frame part in FIG. 10, which is configured similarly to the N frame part in FIG.

一方、強い光が受光部に照射された時に生じる過剰電荷
は行ライン(たとえば1002など)に接続されたゲー
ト下に形成されたSIT(たとえば1006など)及び
列ライン(例えば1003)に接続されたゲート下に形
成されたSIT(例えば1007など)を通して、基板
を経て、外部電源E″に排出される。
On the other hand, excess charge generated when strong light is irradiated to the light receiving part is removed from the SIT (for example, 1006, etc.) formed under the gate connected to the row line (for example, 1002, etc.) and the column line (for example, 1003). It passes through the SIT (for example, 1007) formed under the gate, passes through the substrate, and is discharged to an external power source E''.

以上、本発明の第3の実施例によれば、 1各ゲート下の垂直n+n−n+構造とpウェルゲート
構成により、受光部て生じる過剰電荷はn+n−n+構
造を経て、n+基板まで運ばれ外部に排出されるので、
原理的にブルーミングが生じない。
As described above, according to the third embodiment of the present invention, 1. Due to the vertical n+n-n+ structure under each gate and the p-well gate configuration, excess charge generated in the light receiving section is carried to the n+ substrate via the n+n-n+ structure. Because it is discharged to the outside,
Blooming does not occur in principle.

2不要電荷の基板注入時間か速いので、従来のCIDで
問題であつた注入に要する時定数はn+『耐構造による
ドリフト電界の寄与によつて極めて短かくなり、高密度
化に最適てある。
Since the time required to inject two unnecessary charges into the substrate is fast, the time constant required for injection, which was a problem in conventional CID, is extremely short due to the contribution of the drift electric field due to the n+' resistance structure, making it ideal for high density.

という利点を実現する事が可能となる。なお、以上の3
つの実施例ては、ゲート機能を有するpウェル部を接地
しているが、負電圧を印加して動作させてもよい。また
、第11図aに示す様に、垂直n+n一耐構造のn一領
域のチャネルに対し、ゲートとして働くpウェル部11
01は、酎基板1102と接触する必要はなく、空乏層
1103が十分に形成されるのであれば、第11図bに
示すpウェル1103のように、n+基板1104から
分離しても構わない。以上示した3つの実施例ても分る
ように、本発明によれはpウェルをゲートとして有する
垂直n+n−n+構造はBBD.CCDの様な従来提案
された撮像素子の全ての種類の受光部にも適用できるも
のであり、その結果、原理的にブルーミングが生じない
という長所を備える事が可能となる。
It is possible to realize this advantage. In addition, the above 3
In one embodiment, the p-well portion having the gate function is grounded, but it may be operated by applying a negative voltage. Further, as shown in FIG. 11a, a p-well portion 11 serving as a gate for the channel of the n-region of the vertical n+n-resistance structure is provided.
01 does not need to be in contact with the substrate 1102, and may be separated from the n+ substrate 1104 as in the p well 1103 shown in FIG. 11b, as long as the depletion layer 1103 is sufficiently formed. As can be seen from the three embodiments shown above, according to the present invention, a vertical n+n-n+ structure having a p-well as a gate can be used as a BBD. The present invention can be applied to all types of light receiving sections of conventionally proposed image pickup devices such as CCDs, and as a result, it is possible to have the advantage that blooming does not occur in principle.

そして、これは固体カラーカメラの性能を飛躍的に拡大
する点で大なる価値を有するものである。
This has great value in dramatically expanding the performance of solid-state color cameras.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はブルーミング軽減法を含む従来のChar?−
Priming−Deviceの基本回路構成図、第2
図aはブルーミング状態のホトダイオード部の等価回路
図、同bは同aの状態におけるMOSFET部のポテン
シャル図、第3図aはブルーミング対策を施した従来の
ホトダイオードの構造図、同bはその等価回路図、同c
は同ダイオードの構造斜視図、第4図aは静電誘導トラ
ンジスタ(SIT)の原理構造図、同bは同aの等価回
路図、同cは同a(7)A−A″線、B−B″線のポテ
ンシャル状態図、同dはSIT動作の実現範囲を示す図
、第5図aは本発明の第1の実施例の受光部の構造図、
同bはaの等価回路図、同cは同AOA一A″,B−B
″線のポテンシャル状態図、第6図は第5図を用いた固
体撮像素子の回路図、第7図aは本発明の第2の実施例
の受光部の構造図、同bは同aの等価回路図、同cは同
a(7)C−C゛,D−D″線部のポテンシャル状態図
、第8図は第7図を用いた固体撮像装置の回路図、第9
図aは本発明の第3の実施例の受光部の構造図、同bは
aの等価回路図、同cはa(7)E上線部分のポテンシ
ャル状態図、同d−gはその動作状態図、第10図は第
9図を用いた固体撮像装置の回路構成図、第11図A,
bは本発明においてブルーミン”グ対策を施した他の構
造図てある。 502,702,907・・・・・pウェル、504,
704,902・・・・・・酎領域、503,703,
911・・・・・・耐基板、505,705,905・
・・・・・n一領域。
Figure 1 shows the conventional Char? −
Basic circuit diagram of Priming-Device, Part 2
Figure 3a is an equivalent circuit diagram of the photodiode section in the blooming state, Figure 3b is a potential diagram of the MOSFET section in the state of Figure 3a, Figure 3a is a structural diagram of a conventional photodiode with blooming countermeasures, and Figure 3b is its equivalent circuit. Figure, same c.
4A is a structural perspective view of the same diode, FIG. -B'' line potential state diagram, d is a diagram showing the realization range of SIT operation, FIG. 5a is a structural diagram of the light receiving section of the first embodiment of the present invention,
The same b is the equivalent circuit diagram of a, and the same c is the same AOA-A'', B-B
6 is a circuit diagram of a solid-state image sensing device using FIG. 5, FIG. Equivalent circuit diagram, c is a potential state diagram of the (7) C-C゛, D-D'' line section, Fig. 8 is a circuit diagram of a solid-state imaging device using Fig. 7, Fig. 9
Figure a is a structural diagram of the light receiving section of the third embodiment of the present invention, figure b is an equivalent circuit diagram of a, figure c is a potential state diagram of the overlined part of a(7)E, and figure d-g are its operating states. 10 is a circuit configuration diagram of a solid-state imaging device using FIG. 9, FIG. 11A,
502, 702, 907... p-well, 504,
704,902...Chochu area, 503,703,
911... Substrate resistant, 505, 705, 905.
...n area.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 第1の導電型の半導体基板の一表面側に選択的に形
成された第2の導電型の高不純物濃度の光電変換領域と
、上記基板の他表面側に形成された第2の導電型の高不
純物濃度の過剰電荷収集領域を有し、上記光電変換領域
と過剰電荷収集領域とに接するとともにこれらの二領域
間の上記基板中に選択的に形成された第2の導電型の低
不純物濃度の過剰信号電荷に対する垂直転送領域を有す
ることを特徴とする固体撮像装置。
1 A high impurity concentration photoelectric conversion region of a second conductivity type selectively formed on one surface side of the semiconductor substrate of the first conductivity type, and a second conductivity type formed on the other surface side of the substrate. a low impurity impurity of a second conductivity type selectively formed in the substrate in contact with the photoelectric conversion region and the excess charge collection region and between these two regions; A solid-state imaging device characterized by having a vertical transfer region for excessive signal charge concentration.
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