JPS6282793A

JPS6282793A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPS6282793A
Application number: JP60221844A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yamamoto; 英明山本; Akira Sasano; 笹野　晃
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-07
Filing date: 1985-10-07
Publication date: 1987-04-16

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】〔発明の利用分野〕本発明は、光電変換部（画素）の構成を改善して、高感
度化した固体撮像素子に関するものである。

〔発明の背景〕

従来の固体撮像素子では、塚本著：固体撮像デバイスの
基礎（オーム社刊、昭和５７年６月発行、ｐ８９〜９７
）に記載されているように、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）
、青（Ｂ）の３種の色フィルタを持つ画素を２次元状に
配列し、互いに隣接した画素の信号から色信号を読取る
という、第７図にその等価回路図を示したような方法が
採用されている。しかしながら上記のような方法では、
入射した光の大部分が色フィルタに吸収されて無駄にな
るため、撮像素子の感度の点で問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は、従来の画素部の構成と機能とを変えて、高感
度な固体撮像素子を得ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明において、感度を向上させるために用いる光導電
素子を第６図に示すが、第６図の（ａ）。

（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ上記光導電素子の平面図、断
面図、等価回路図を示している。第６図（ａ）および（
ｂ）において、１は下地基板、２は光導電体、３と５は
電極、４は中点電位検出用の配線、６は色フィルタであ
る。電極３．５および中点電位検出用配線４の材料とし
ては金属の他に透明電極材料を用いることができる。光
導電素子は光が照射されると、光の光量に比例して導電
率が増大する性質を有している。したがって第６図（ｂ
）で上方から光が入射した場合、例えば色フィルタ６に
赤色フィルタを使用したとして、（Ｃ）の等価回路で示
した光導電素子Ｒ１には入射光中の赤色成分の情報が反
映し、Ｒ２にはフィルタがないので白色光の情報が反映
する。すなわち。

一＝　ｋ、　ｒ、（Ｒ）　　　　　　・・・・・・・曲
・（１）一部に、Ｌ　　　　　　　・・・・・・・・・
・・・（２）で示される。一方、中点電位Ｅ　Ｍは次式
で示される。

ここで、Ｌ（Ｒ）は入射光の赤色成分、Ｌは入射光量（
白色成分）、Ｅｏは光導電素子に印加する電圧、ｋｌ、
Ｒ２は定数である。上式（３）よりＥＸ工□・Ｅ。

１＋　（Ｒ，／Ｒ２）（１）（２）式を代入してＬｋ□　Ｒ６−ＥＭしたがって、中点な位ＥＭが検出できれば、入射光の赤
色成分／白色成分比がわかることになる、光導電体とし
ては、Ｓｉ、Ｏｓ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ。

ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、水素化非晶質シリコン（
Ｂ、Ｐドーピング膜を一部含んでもよい）などの材料を
用いることができる。例えば赤色光と緑色光の色フィル
タを用いた２種の光導電素子を使用すれば、赤色光成分
／白色光成分、緑色光成分／白色光成分の２つの比がわ
かる。さらに従来使用されているホトダイオードで色フ
ィルタをつけずに白色光の量そのものを検知すれば、Ｃ
＝　Ｌ　＝　Ｌ（Ｒ）＋Ｌ（Ｇ）＋Ｌ（Ｂ）ここにＬ（
Ｇ）は緑色光成分、Ｌ（Ｂ）は青色光成分である。上記
のようにして３つの量Ａ、Ｂ、Ｃを検知できることにな
る。

Ｌ（Ｒ）　＝　ｐ、−ｃＬ（Ｇ）　＝　Ｂ−ＣＬ（Ｂ）　＝　（１−Ａ−Ｂ）・Ｃとなり、入射光の赤、緑、青色の成分を検出できること
になる。なお第６図（ｂ）では電極３．４゜５を上部に
配置しているが、下部に配置しても全く差支えない。さ
らに光導電素子を用いた場合。

一般に光電利得（Ｇ）が高いため１例えばＣｄＳではＱ
　＝３００００．　ａ　−Ｓｉではａ＝ｉｏｏｏｏであ
り感度の面で有利である０本発明の固体撮像素子は、上
記の２つの光導電素子と１つのホトダイオードとで画素
を構成し、上記画素をモザイク状に配列したものである
６【発明の実施例〕つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による固体撮像素子の等価回路図、第２
図（ａ）は上記固体撮像素子の画素配置側図、同図（ｂ
）は画素配置の他の例を示す図、第３図（ａ）および（
ｂ）は上記画素の断面構造を示す図、第４図はホトダイ
オードの一例を示す図、第５図は固体撮像素子における
画素群の平面配置を示す図である。第１図において、１
１は水平走査用のシフトレジスト、１２は垂直走査用の
シフトレジスト、１３は光導電素子用バイアス電源、１
４はホトダイオード用バイアス電源、１５は負荷抵抗、
１６．１７．１８はそれぞれ、白色光（ホトダイオード
）、緑色光／白色光比、赤色光／白色光比の出力信号端
子を示している。１９．２１は光導電素子のバイアスラ
イン、２０．２２は垂直方向走査ライン、２３．２６は
赤色光／白色光比信号ライン、２４．２７は緑色光／白
色光比信号ライン、２５．２８は白色光信号ラインであ
る。Ｑ１４、Ｑ１２、Ｑ工、およびＱ２いＱ２□、ｑｚ
３は水平方向走査用のスイッチ用トランジスタをそれぞ
れ示し、ＰｌいＰ１□、Ｐｌ、およびＰ２いＰ２□、Ｐ
２３は垂直方向走査用のスイッチ用トランジスタを示し
ている。ｒｌｌ、ｒ１□およびｒｚｘ、ｒ２□は光導電
用素子であり、ｒ’ｔｘもしくはｒａｔは白色光を受光
し、ｒ□２もしくはｒ２２は赤色光を受光し、この対で
赤色光／白色光比を検出する。これらの中間端子はトラ
ンジスタＰ１１およびＰ２□のソース電極に接続されて
いる。同じくｒ１３、ｒ工。

およびｒｌｌ、ｒｚ４のそれぞれの組は緑色光／白色光
比を検出する。第１図に破線内で示す領域がカラー読取
りのための１画素となる。上記各画素を２次元配列して
固体撮像素子が完成する。第１図の破線内で示す部分の
平面配置図を第２図（ａ）に示す。第２図（ａ）のＷ領
域およびＲ領域は第１図のｒ１ｔ＊　　ｒｔ□にそれぞ
対応し、白色光と赤色光の受光領域である。第２図（ａ
）のＷとＧ領域はそれぞれ第１図のｒｔａ、ｒ１４に対
応し、白色光と緑色光の受光部である。Ｒ，Ｇ領域とＷ
領域との比は色フィルタの分光透過率によって変えるこ
とができる。Ｗ領域は第１図の白色光受光用ホトダイオ
ードＰＤ１に対応する。なお第２図（ａ）の他に、例え
ば同図（ｂ）に示すような配置とすることができるのは
もちろんである。第３図（ａ）、（ｂ）に光導電素子と
ホトダイオード部との断面構造を示す。本実施例はＭＯ
３Ｏ３形デバイスに適用したものであるから、第１図の
走査部は標準的なｎチャネルＭＯＳプロセスを用いて形
成するが、製作上従来と異なる点は、光導電素子とホト
ダイオードからなる受光部が、従来、第３図（ｂ）に示
すホトダイオードの２次元配列であったのを、同図（ａ
）に示すような構造に変えて作ることである。第３図に
おいて、３０はｎ型基板、３１はＰウェル、３２はソー
ス、ドレインのｎ＋領領域３３はゲート酸化膜、３４は
絶縁膜、３５はゲート電極。

３６は信号線（金属配線）、３７は絶縁膜、３８は光導
電素子の中点電位検出用配線、３９は光導電体であって
、第３図（ａ）のようにホトダイオードがあった部分を
小さくし、コンタクトホールを作り、該コンタクトホー
ルから中点電位検出用の配線３８をＭやＣｒなどの金属
を用いて形成する。同時に光導電素子用電極も形成する
。この上に約２戸の膜厚の水素化非晶質シリコンをプラ
ズマＣＶＤにより形成し、ホトエツチングプロセスを用
いて光導電素子領域３９だけを残し他の部分を除去する
。

つぎに第２図のＲ領域の部分に対応する光導電素子の上
に赤色の有機フィルタを形成し、Ｇ領域の部分に対応す
る光導電素子の上に緑色の有機フィルタを形成して、固
体撮像素子が完成する６第３図（ａ）から明らかなよう
に、光導電体３９はスイッチ部の上方に配置できるため
光導電素子は非常に狭い領域に形成可能である。このた
め第２図のように赤色光／白色光凡用、緑色光／白色光
凡用の光導電素子を小さくすることができ、その分だけ
白色光用ホトダイオードの受光部を広くすることができ
る。また、光導電素子は常に電流が流れており、走査は
単に中点の電位を読むだけであり、走査用パルスによる
雑音発生がなく、Ｓ／Ｎ比よく赤色光／白色光比、緑色
光／白色光比が得られる。

従来のＭＯ３形撮像素子は第６図に示すように、第３図
（ｂ）に示すホトダイオードだけを画素とし、赤色光、
緑色光、青色光用の各素子は、上記ダイオード上にそれ
ぞれ色フィルタを形成して得られていた。色フィルタを
形成した場合、透過光は約１７５〜１／４程度の光量に
なるため、著しく感度が低下する。これに対し、上記し
た本発明ではスイッチ部の上に赤色光／白色光比、緑色
光／白色光凡用の高感度な光導電素子を形成するため、
従来の１画素の面積内に上記赤色光／白色光比、緑色光
／白色光凡用の各素子が形成でき、その分白色光用の画
素（第２図のＷホトダイオード部）を２倍に拡げること
ができ、上記Ｗ部には色フィルタが必要ないので、感度
としては等価的に〜５倍程度にすることができる。

さらに本発明において第３図（ｂ）に示した従来形のホ
トダイオード以外にも第４図に示すホトダイオードを使
用することができる。第４図において、３０〜３８は第
３図（ａ）と同じであり、４０は半導体薄膜で、非晶質
シリコン（ＢやＰのドーピング膜を含む）、５ｅ−Ａｓ
−Ｔｅ系のカルコケナイトガラス、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、
ＣｄＴｅなどを用いる。

４１は透明電極でありＳｎＯ，やＩｎ２Ｏ，などを用い
る。なお、上記ダイオードを用いる場合、透明電極４１
は光導電素子の電圧供給線に接続して使用する。

第５図に完成した固体撮像素子における画像群の平面配
置図を示す。同図中における数字は第１図に対応する。

本実施例では光導電体に水素化非晶質シリコンを用いた
が、全く同様にＣｄＳ、ＣｄＳｅを用いても形成できる
ことはもちろんである。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による固体撮像素子は５２次元状に
配列した光電変換素子と、該光電変換素子に発生した光
信号を時系列的に取出すためのスイッチ群および走査素
子を集積化した固体撮像素子において、上記光電変換素
子が白色光を光電変換する素子、および赤色光／白色光
、青色光／白色光、緑色光／白色光の３つの比のうち、
少なくとも２つの比に対応する信号を発生する光電変換
素子の組からなり、上記組をモザイク状に配列したこと
により、従来のＭＯ３形撮像素子では１画素の寸法が約
２５／／Ｉ１１角であったが、本発明における赤色光／
白色光比、緑色光／白色光凡用の２つの画素は従来の］
画素の面積内に形成することができ、等測的に１画素分
のスペースを作ることが可能なため、この分だけ白色光
用ホトダイオ−・ドの受光面積を増し、約２倍にするこ
とができた。上記の大きなホトダイオードで得られた信
号を赤色光／白色光比、緑色光／白色光比検出用光導電
素子で得られた値でＲ，Ｇ、Ｂ信号に分解したところ、
従来の赤色、緑色、青色の各色フイルタ分解で得られた
色信号の約５倍の感度が得られ、高感度な固体撮像素子
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像素子の等価回路図、第２
図（ａ）は上記固体撮像素子の画素配置図、同図（ｂ）
は他の画素配置例図、第３図（ａ）および（ｂ）は上記
画素の断面構造を示す図、第４図はホトダイオードの一
例を示す図、第５図は固体撮像素子における画素群の平
面配置を示す図。第６図は光導電素子を示し、（ａ）は平面図。（ｂ）は断面図、（Ｃ）は等価回路図、第７図は従来の
固体撮像素子の等価回路図である。１１・・・水平走査用シフトレジスト１２・・・垂直走査用シフトレジストＱ□□、Ｑ　１２　、　Ｑ　ｔ　３、Ｑ２いＱ２□、Ｑ
２．・・・水平方向走査用スイッチ用トランジスタＰ工１、Ｐ１□、Ｐ□１、Ｐ２□、Ｐ２□、Ｐ２３・・
・垂直方向走査用スイッチ用トランジスタｒｘｘ−ｒ　１２１　１”ｔ３＋　　　’１４＋　　　
ｒ２１＋　　　’２２＋　　　ｒ２３＋ｒ２４・・・光
導電用素子代理人弁理士　　中　村　純之助十１　図す！１：、ｉＣ平式８１甲シフトレジスト　　１２・、壱
直売Ｉｋ租５７ト糾ジ又ト！２　図（ａ）　　　　　　　（ｂ）矛５　図？６ツ

Claims

【特許請求の範囲】

２次元状に配列した光電変換素子と、該光電変換素子に
発生した光信号を時系列的に取出すためのスイッチ群お
よび走査素子を集積化した固体撮像素子において、上記
光電変換素子が、白色光を光電変換する素子、および赤
色光／白色光、青色光／白色光、緑色光／白色光の３つ
の比のうち、少なくとも２つの比に対応する信号を発生
する光電変換素子との組からなり、上記組をモザイク状
に配列したことを特徴とする固体撮像素子。