JPS6058778A - 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】 〔技術分野〕 この発明は、静電誘導形ｌ・ランジスタを用いた固体撮
像装置に関する。

〔従来技術〕

静電誘導形トランジスタ（以下ＳＩＴという）を光検出
及びスイッチング素子として一つの画素を構成した固体
撮像装置が、特開昭５８−１０５６７２号に提案されて
いる。

第１図囚は、かかる固体撮像装置の１画素を構成するＳ
Ｉ’Ｔ’の断面図であり、第１図（ト））は固体撮像装
置全体の回路構成図である。ＳＩＴは、第１図（５）に
示すように、ドレインを構成するｎシリコン基板１上に
、不純物濃度の低いｎ−シリコンエピタキシャル層２を
成長させ、このエビタキシャル層２の表面に、熱拡散法
などによりｎソース領域３、ｐケート領域４．４を形成
する。ゲート領域４上には５ｉ０２等の絶縁膜５が被着
され、更にその上に被着されたゲート電極６とによりコ
ンデンサ７が形成されている。８は両ゲート電極６．６
に接続されたゲート端子である。９は各セルを構成する
単位ＳＩＴを分離するために形成された埋込絶縁物など
からなる分離領域である。ｎ−エピタキシャル層２はＳ
ＩＴのチャネル領域を構成するものであり、ゲート電位
０■であってもチャネル領域はすてに空乏化され、ソー
ス・ドレイン間に電圧が印加されても、ソース・ドレイ
ン間にはＮ流が流れないようになっている。

このような構成のＳＩＴにおいて光入力が与えられると
、チャネル領域２内あるいはゲート空乏層内で、正孔−
電子対が生成され、このうち電子は接地されたドレイン
１に流れ去るが、正孔は信号蓄積ゲート領域４に蓄積さ
れ、これに接続され゛たゲートコンデンサ７を充電し、
ゲート電位を△ＶＧだけ変化させる。ここでゲートコン
デンサ７の容量をＱｏとし、光入力によって発生され、
信号蓄積ゲート領域４に蓄積された電荷をＱＴ、とする
と、△Ｖｃ　＝　ＱＬ／ＣＧとなる。ある蓄積時間が経
過した後、ゲート端子８にゲート読出しパルスＶφＧが
与えられると、ゲーＩ・電位は■φＧにΔＶＧが加わっ
たものと々す、信号蓄積ゲート領域４とソース領域３と
の間の電位は低下して空乏層が減少し、ソース・ドレイ
ン間に光入力に対応したドレイン電流が流れる。このド
レイン電流は、ＳＴＴの増幅作用のだめ△ｖＧが増幅度
倍されたものとなり、大きなものとなる。なお、ＳＩＴ
のソースとドレインとを入れ替えても同様の動作をする
ものである。

第１図（Ｉ３）は、上記構成のＳＩＴをマトリックス状
に配列して構成した固体撮像装置の回路構成を示すもの
であり、第１図（Ｑは同じくその動作を説明するだめの
信号波形図である。各５ＩＴＩＯ−１１、ＩＱ−１２、
・・・・・　・は上記のようなノーマリ−オフ形のｎチ
ャネルＳＩＴで、光入力に対する出力ビデオ信号をＸＹ
アドレス方式で読み出すようにしている。各画素を構成
するＳＩＴのドレインは接地され、Ｘ方向に配列された
各行のＳＩＴ群のノースは、それぞれ行ライン１１−１
．１１−２、・・・・・・に接続され、これらの各行ラ
インはそれぞれ行選択用トランジスタ１．２−１．１２
−２　、・・・・・・を介してビデオライン１３に共通
に接続されている。またＹ方向に配列された各列のＳＩ
Ｔ群のゲート端子は列ライン１４−１．１４−２、・・
・・・・・・・に接続されている。ビデオライン１３は
負荷抵抗１５を経て直流電源１６の正端子に接続し、こ
の電源の負端子は接地されている。

次に、かかる構成の固体撮像装置のＳＩＴからなる各画
素の出力が読み出される場合の動作について説明する。

例えば、行選択パルスφＳ１により、行ライン１１−１
に接続されたトランジスタ１２−１がオンとなっている
期間に、ゲート読出しパルスφＧ１が列ライン１４−１
に加えられると、５ＩＴＩＯ−１１が選択され、この５
ＩＴＩＯ−１１のドレイン電流がビデオライン１３を介
して負荷抵抗１５を流れ、出力端子に出力電圧Ｖｏｕｔ
が発生する。上記のように、とのドレイン電流はゲート
電圧の関数であり、ゲート電圧は光入力の関数となるか
ら、暗時の出力電圧からの増加分ΔＶｏｕ　ｔは光入力
に対応した電圧となる。しかも、この電圧△Ｖｏｕｔは
ＳＩＴの増幅作用により△■Ｇが増幅度倍された大きな
ものとなる。

次に列ライン１４−２にゲート読出しパルスφＧ２を与
えて、５ＩＴＩＯ−１２の読出しを行ない、−百分の読
出しが終了したら、トランジスタ１２〜２を行選択パル
スφＳ２でオンとして、次の行のＳ　Ｉ　Ｔ　１．０−
２１．１０−２２を順次読出するように構成されている
。

ところで、上記の如き従来の構成の固体撮像装置には、
次のような欠点があることが判明した。

すなわち、ゲート領域４にゲート読出しパルス電圧Ｖφ
Ｇが加わると、ゲート領域４とドレイン１からなるｐｎ
接合が順バイアスされ、この間に電流が流れる。この時
ゲート領域４に蓄積された正孔は次第に消滅し、それま
でに蓄積された光信号が失われて行く。光信号が見かけ
上完全に失われる時間は、ゲート領域４とドレイン１間
に流れる電流の大きさによって決まり、この電流の大き
さは、ゲート領域４とドレイン１間（以下４ｃｎという
）ノエビタキシャル層２の抵抗に制限されて決捷る。

したがって、読出し信号は石ＧＤのエピタキシャル層の
抵抗で決まる傾きをもつ減衰信号となり、特にこれが急
峻々傾きをもつ場合、読出し信号としては望捷しくない
。Ｊ３ａｏを大きくとるなどの方法で、読出し信号を定
常的なレベルに近づけるととはできるが、このことは反
面、ゲート領域４に蓄積された電荷を放電する能力を低
下させることになるだめ、新たな光電荷の蓄積量が制限
され、結果として感度を低下させてしまう。

したがって、上記構成の固体撮像装置においては、■φ
Ｇなる電圧の１つの読出しパルスで、良好な読出し信号
を得ることと、高感度を実現することは相反した事象と
々るため、同時に双方を満足させることはできなかった
。

また、上記固体撮像装置に用いられるノーマリ−オフ形
のＳＩＴを得るためには、ゲート領域の間隔Ｗｇを極め
てせまくする必要がある。しかしこれは製造上困難であ
る。また、ノーマリ−オフ形のＳＩＴは特性上電流密度
が小さく、信号電流が微少である。したがって、高感度
の撮像装置を構成することは困難であった。

〔目　的〕

本発明は、ＳＩＴを画素として用いた固体撮像装置にお
いて、光信号を、光電荷を非破壊のまま読出し、良好な
ビデオ信号を得るようにした高感度の固体撮像装置を提
供することを目的とするものである。

〔概　要〕

本発明は、チャネル領域の両端に設けられた主電極と、
該チャネル領域を制御するゲーｉ・コンデンサを備えた
第１ゲート及び第２ゲートとからなる静電誘導形ｌ・ラ
ンジスタを一画素としてマトリックス状に配列し、該ト
ランジスタの一方の主電極は接地し、Ｙ方向に配列され
た各列の前記トランジスタ群の他の主電極はそれぞれ各
列ラインに共通接続し、Ｘ方向に配列された各行の前記
トランジスタ群の第１ゲートはそれぞれ各第１行ライン
に、第２ゲートはそれぞれ各第２行ラインに共通接続し
、各第１行ラインには第１ゲートの光照射による蓄積電
荷をそれぞれ一定周期毎にリセットする制御信号を印加
し、各第２行ライン及び各列ラインには画素を選択し光
信号を読み出すだめの制御信号をそれぞれ印加し、短時
間で確実な光電荷のりセットを行ない、また、光電荷を
非破壊の″！ｆ、−１光信号を読出し、高感度の良好な
ビデオ信号を得るようにするものである。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例について説明する。第２図（５）
は、本発明の固体撮像装置の一実施例の平面図の一部、
第２図（′Ｂ）は、該装置の一画素を構成するＳＩＴの
断面図、第２図（ｑは、全体の回路構成図である。第２
図（Ｉ３）において、４′は主電極間すなわちソース３
とドレイ／１の間を流れるドレイン電流を制御する第２
のゲート制御領域で、絶縁膜５を介さずに直接電極が取
付けられ、端子１７が引出されており、この端子１７は
、第１ゲート制御領域４の電極６から取出された端子１
８とは、共通接続されず、第２図（Ａ）に示すように、
各行ライン毎′に共通に接続されている。これ以外の各
構成要素は、第１図囚に示した従来のものと同一である
が、本発明においては、各画素にはノーマリ−オン形の
ＳＩＴを用いるため、ゲート領域４．４′間の間隔Ｗｇ
は比較的大きく形成することができる。

第２図（ｑに示すように、本発明の固体撮像装置は、上
記構成のノーマリ−オン形のＳ　Ｉ　Ｔ　２０−１１．
２０−１２、−−　・−２Ｏ−Ｉｎ　、２０−２１．２
０−２２、＝・＝２０−ｍｎがマトリックス状に配置さ
れ、ＸＹアドレス方式により光信号が読出されるように
構成されている。

すなわち、各画素を構成するＳＩＴのドレインは接地さ
れ、Ｘ方向に配列された各行のＳＩＴ群の第１ゲートは
、第１行ライン２１−１．２１−２、・・・・・・・・
・２１−ｍに接続されている。更に、各行のＳＩＴ群の
第２ゲートは第２行ライン２８−１．２８−２　、・・
・・・・・・・２８−ｍに接続されている。また、Ｙ方
向に配列された各列のＳＩＴ群のソースは、列ライン２
２−１．２２−２、・・・・・・・・・２２−ｎ　に接
続され、これらの列ラインは、それぞれ列選択用トラン
ジスタ２３−１　、２３−２、・・・・・・・・・２３
−ｎを介してビデオライン２４に共通に接続されている
。ビデオライン２４には負荷抵抗２５を経てビデオ電圧
Ｖｓが加えられている。

そして、第１行ライン２１−１．２１−２　、・・・・
・・・・・２１−ｍは、リセットパルス走査回路２６に
接続され、それぞれパルス信号φＲ１，φＲ２、・・・
・・・・・・φＲｍが加わるようになっている。第２行
ライン２８−１．２８−２、・・・・・・・・・・・・
２８−ｍは垂直走査回路２９に接続され、それぞれパル
ス信号φｖ１、φＶ２、・・・・・・・・・φＶｍが加
わるようになっている。また、列選択用トランジスタ２
３−１．２３−２、・・・・・・・・・２３−ｎ　の各
ゲユト端子は水平走査回路２７に接続され、それぞれパ
ルス信号φＨ１、φＨ２、・・・・・・・・・・・φＨ
ｎが加わるように構成されている。

次に、第３図に示した波形図に基づいて、リセットパル
ス信号φＲ１、・・・・・・・・・、垂直走査信号φＶ
１、・・・・・・・・・、水平走査信号φＨ１、・・・
・・・・・・を説明する。第１行ラインに加えられるリ
セットパルス信号φＲ１。

φＲ２、・・・・・・・・・は、ゲート蓄積電荷を放電
せしめるための信号で、高レベルの電位■φＲは、各画
素のＳＩＴの第１ゲート領域４とドレイン１との間に形
成されているｐｎ接合ダイオードＤＧのビルトイン−ポ
テンシャルＶφＢ以上の電位に設定されている。

゛、：第２行ラインに加えられる垂直走査パルス信号φ
ｖ１、φＶ２、・・・・・・・は行ラインを選択し、光
信号を得るための信号で、この信号の低レベルは第１行
ライン２１−１．２１−２　、・・・・・・・・・にパ
ルスが印加されていない時、各画素のＳＩＴをオフさせ
る電位であり、高レベルは同じ状態で、ＳＩＴをオンさ
せる電位である。列選択用トランジスタのゲート端子に
加えられる水平走査パルス信号φ旧、φＨ２、・・・・
・・・・・は、列ラインを選択するだめの信号で、低レ
ベルは列選択用トランジスタをオフ、高レベルはオンせ
しめる電位である。

第４図（Ａ）は、各画素の動作を説明するための一画素
に対する回路図である。２０はノーマリ−オン形のＳＩ
Ｔで、第２図（ｒ３）に示した構成のもので、ゲート領
域４とドレイン１とは、点線で示したように、ｐｎ接合
ダイオード■を形成している。このダイオードＤＧの電
圧電流特性、すなわち、ゲートドレイン間電圧ＶＧＤと
ゲート・ドレイン間電流ＩＧＤとの関係は、第４図（Ｔ
３）に示すような特性であ電流ＩＧＤが流れる。この電
流ＩＧＤは電圧ＶＧＤにより定まる。

次に、第４図囚に示した一画素の動作原理を、第５図に
示した動作波形図に基づいて説明する。

時間ｔｏにおいて、ＳＩＴの第１ゲート４の端子１８に
電圧ＶφＲのリセットパルス信号φＲが印加されたとす
ると、コンデンサ７を介して、第１ゲート４とドレイン
１間のｐｎ接合ダイオード■に順方向電流が流れ、コン
デンサ７は急速に充電されて第１ゲート電位■Ｇｌは、
■Ｇ１−■φＢとなる。次に、時刻ｔ１において、パル
スφＲが立下がると、コンデンサ７には電圧（■φＲ−
ＶφＢ）が保たれるため、■Ｇｌ−−ＶφＲ十ＶφＢと
なる。このとき、ダイオードＤＧは逆バイアスされるた
め電流ＩＧＤは流れない。この後、光照射によって、第
１ゲートのゲートコンデンサ７の接合容量Ｄａに電荷が
蓄積されるわけであるが、時刻ｈ（ｔｔ＜ｔ２＜ｔ３）
における蓄積電荷がＱｔｚであったとすると、第１ゲー
ト電位■Ｇ１は、ｖＧ１＝−ＶφＲ＋■φＢ＋Ｑｔ２／
Ｃσトカル。ｊの、１第２ゲートに印加されている垂直
走査パルス信号φＶが高電位になると、このＳＩＴがオ
ンし、更に列選択トランジスタ２３が、水平走査パルス
信号φ■１の高電位によジオンして、その画素が選択さ
れると、ビデオライン２４には信号電流Ｉｓが流れる。

リセットパルス電圧ＶφＲが、同じ状態で光を遮断した
とき、すなわち、第１ゲートのゲート電位がＶａｌ−−
ＶφＲ＋ＶφＢのとき、ピンチオフするように選定され
ていたとすると、時刻ｔ２のときの信号電流は蓄積電荷
Ｑｔ２に対応した値ΔＩｓとなる。

この電流は負荷抵抗２５（抵抗値をＲｒ、とする）に電
圧降下△■５−ＲＴ、を生じ、ビデオ出力として、Ｖｏ
ｕｔ＝Ｖｓ　−△Ｉｓ　−Ｒｒ、カ得らレル。△■Ｓハ
Ｑｔ２ニヨリ変化するため、入力光量に対応した信号を
読出すことができる。

ところで、第１ゲート４の電位は、時刻ｔ２後も、次に
■φＲのリセットパルス電圧が印加される時刻１３″！
、で、光照射による電荷が蓄積されるので、上昇する。

時刻ｔ３の時、蓄積電荷量をＱｔ３とすると、第１ゲー
ト４の電位■Ｇ１は、■Ｇ１−−■φＲ十ｖφＢ’４．
＋　Ｑｔ３１０ａとなり、この時刻に■φＲのリセント
パルス電圧が印加されると、■Ｇ１−ｖφＢ　十Ｑｔ３
１０ｃとなり、再びダイオードＤＧは順ノくイアスされ
、順方向電流が流れる。この間に蓄積電荷Ｑｔ３は放電
し、パルスの立下がり時にはＱｔ３はクリアされて、再
びＶＧ　１＝−−ＶφＲ−１−ＶφＢとなり、次のフィ
ールドの電荷蓄積が開始される。

以上の説明からもわかるように、第２行ラインに加えら
れる垂直走査パルス信号φＶの低電位は、■フィールド
間において光照射による電荷が最大に蓄積される時刻ｔ
３でも、ＳＩＴをオフにするような低い電位に選定され
なければならない。また、同信号φ■の高電位はＳＩＴ
の動作点を決定するものであるから、高感度を得ること
のできる電位に選定されるのが望ましい。更に、画素を
構成するＳＩＴの第１ゲート４とドレイン１の間に存在
する接合ダイオードＤＧの順方向抵抗分は、第１ゲート
に印加されるリセットパルス信号φＲのノ（ルス電圧Ｖ
φＲのパルス幅に対応する時間以内に、第１ゲートに蓄
積された電荷を充分放電しうるように設定されていなけ
ればならない。

上記動作原理から、第２図（０）に示した固体撮像装置
の動作を説明する。垂直走査回路２９の動作により、第
２行ラインに印加される垂直走査パルス信号φＶｌが高
レベルになると、第２行ライン路＝１に接続されたＳＩ
Ｔ群が選択され、水平走査回路２７より出力される水平
走査パルス信号φ旧、φＨ２、・・・・・・・・　φＨ
ｎにより、水平選択トランジスタ２３−１．２３−２　
、・・・・・・・・２３−ｎが順次オンすると、Ｓ　Ｉ
　Ｔ　２０−１１．２０−１２　、・・・・・・・・・
２Ｏ−Ｉｎの光信号が、順次ビデオライン２４より出力
される。この行ラインに接続された全てのＳＩＴの光信
号が読出された後、リセットパルス走査回路２６から出
力されるリセットパルス信号φＲ１によって、この行ラ
イ／に接続されている各ＳＩＴの蓄積電荷はリセ７　ｔ
・される。

次いで、第２行ラインに印加される垂直走査パルス信号
φｖ２が高レベルになると、第２行ライン２８−２　に
接続されたＳＩＴ群が選択され、同様に水平走査回路２
７より出力される水平走査パルス信号φ旧、φＨ２、・
・・・・・・・・により水平選択トランジスタ２３−１
．２３−２　、・・・・・・・・・が順次オンすると、
５ＩＴ２０−２１．２０−２２、・・・・・・・・・２
Ｏ−２ｎ　の光信号が順次読出される。以下同様にして
、順次各画素の光信号が読出され、−フィールドのビデ
オ信号が得られる。

〔効　果〕

本発明は以上述べたように、固体撮像装置の各画素を構
成するＳＩＴの２つのゲートを分離して、それぞれ独立
した制御信号を与え、一方のゲートにおいては光電荷蓄
積及びそのリセット作用を行わせ、他方のゲートにおい
ては光信号読出し作用を行わせるように構成したので、
上記制御信号を適宜選定することにより、光電荷を非破
壊のまま光信号を読出し良好なビデオ信号を得ることが
でき、また、短時間で確実に光電荷をリセットすること
ができるので、高感度で良好な画質の固体撮像装置が得
られる。

また、固体撮像装置の各画素を構成するＳＩＴとしてノ
ーマリ−オン形のＳＩＴを用いることによって、製造が
容易で且つビデオ信号を大きくとれる固体撮像装置が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、従来の固体撮像装置の１画素を構成す
るＳＩＴの断面図、第１図（１３）は、該装置全体の回
路構成図、第１図（ｑは、第１図（Ｂ）に示した装置の
動作用信号波形図、第２図（Ａ）は、本発明の固体撮像
装置の一実施例の平面図、第２図の）は、第２図（Ａ）
に示した装置の１画素を構成するＳＩＴの断面図、第２
図＋０１は、装置全体の回路構成図、第３図は、第２図
（Ｑに示した装置の動作用信号波形図、第４図（５）は
、第２図（ｑに示した装置の動作原理を説明するだめの
回路図、第４図回は、ダイオードＤＧの特性図、第５図
は、第４図（Ａ）に示した回路の動作説明用波形図であ
る。 図において、■はドレイン、３はソース、４は第１ゲー
ト、４′は第２ゲート、５は絶縁膜、６はゲート電極、
７はゲートコンデンザ、２０−１１．２〇−１２、・・
・・・・・・・２０−ｍｎ　はノーマリ−オン形ＳＩＴ
。 ２１−１．２１−２・・・・・・・・・は第１行ライン
、２２−１．２２−２、・・・・・・・・・は列ライン
、２３−１１２３−２・・・・・・・・・は列選択用ト
ランジスタ、２４はビデオライン、２６はりセントパル
ス走査回路、２７は水平走査回路、２Ｂ−ｘ、２８−２
　、・・・・・・・・・は第２行ライン、２９は垂直走
査回路を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　チャネル領域の両端に設けられた主電極と、該
   チャネル領域を制御するゲートコンデンサを備えた第１
   ゲート及び第２ゲートとからなる静電誘導形トランジス
   タを一画素としてマトリックス状に配列し、該トランジ
   スタの一方の主電極は接地し、Ｙ方向に配列された各列
   の前記トランジスタ群の他の主電極はそれぞれ各列ライ
   ンに共通接続し、Ｘ方向に配列された各行の前記トラン
   ジスタ群の第１ゲートはそれぞれ各第１行ラインに、第
   ２ゲートはそれぞれ各第２行ラインに共通接続し、各第
   １行ラインには第１ゲートの光照射による蓄積電荷をそ
   れぞれ一定周期毎にリセットする制御信号を印加し、各
   第２行ライン及び各列ラインには画素を選択し光信号を
   読み出すための制御信号をそれぞれ印加するように構成
   したことを特徴とする固体撮像装置。
2. （２）前記静電誘導形トランジスタは、ノーマリ−オン
   形で構成されてい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。