JPS633455A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマ結合袋Ｎ（Ｐｌａｓｍａ　Ｃｏｕｐ
ｌｅｄＤｅｖｉｃｅ；以下、ＰＣＤという。）による半
導体光検出装面に関し、特に半導体基板上に構成し、撮
像装置、位置検出装置、あるいは光学式文字読み取り装
置に使用される集積化された固体撮像装置に関する。

（従来の技術） 従来から、複数の光電変換素子、およびＰＣＤによる走
査回路を半導体基板上に集積化して構成した固体撮像装
置は公知である。

例えば、第４図は従来技術によるＰＣＤの基板構造の一
例を示す構造図である。第４図において、１０１はＮ形
シリコン半導体基板、１０２はＮ＋形半導体層によるベ
ース、１０３はＰ形半導体層によるエミッタ、１０４は
ｎｐｎｐ）ランジスタの中間Ｐ層を構成するＰ形半導体
層、１０５はｎｐｎｐｌ−ランジスタのコレクタを構成
するＮ＋形半導体層、１０６はＮ＋形半専体層による細
長いベースを形成する共通領域、１０７は前述ベース１
０２．１０６に直流電圧を加えるための直流電源、１０
８〜１１０はそれぞれエミッタ１０３へクロックφ１〜
φ３を与えるための抵抗器である。

第４図において、共通の細長いベース１０６と、島状の
エミッタ１０３と、フック付コレクタ１０５によって単
位要素となるセルが構成される。第５図は、第４図に示
すＰＣＤの単位要素の等価回路を示す説明図である。第
５図において、１１１はＰ形半導体層１０３と、Ｎ形半
導体基板１０１と、Ｐ形半導体層１０４とによって構成
されたｐｎｐ）ランジスタ、１１２はＮ形半導体基板１
０１と、Ｐ形半導体層”１ｉ１０４と、Ｎ”形半導体層
１０５とによって構成されたｎｐｎ）ランジスタである
。

上記単位要素となるセルはフック構造をもつ単接合トラ
ンジスタをラテラル形にしたもので、ベース・コレクタ
間に定電圧源Ｖｂｃを接続した状態では、エミッタ１０
３とコレクタ１０５との間に第６図に示すような負性抵
抗特性が現れる。負性抵抗が始まる点の電圧をピーク点
電圧Ｖｐと呼ぶ、負性抵抗のオン状態、すなわち低抵抗
状態ではエミッタ１０３とコレクタ１０５との間に多数
の電子・正孔対によるプラズマが存在するが、この場合
のようにラテラル構造で、コレクタ面積が十分に小さい
ときにはプラズマはコレクタ電極のまわりに蓄積され、
その周辺に広がる。

いま、クロックφ１の信号源に接続された１番目の要素
のエミッタ１０３にＶｐよりも大きな電圧を加えてオン
状態にしておき、クロックφ２の信号源に接続された２
番目の要素の電流対電圧特性を測定すると、ピーク点電
圧Ｖｐが第６図のｖ　ｐｌによって示すように減少する
。これは、１番目の要素に形成された電子・正孔対プラ
ズマの伝導度変調によるもので、プラズマ結合効果と呼
ばれる。

したがって、２番目の要素をあらかじめ■ｐ′より大き
く、Ｖｐより小さくなるようにバイアスしておけば、最
初にオフ状態であったものを、１番目の要素をオンにす
ることによって同様にオン状態にさせることができる。

この状態で１番目の要素の電圧を低下させてオフにすれ
ば、結果的にオン状態が１番目から２番目に移ったこと
になる。

第４図に示すように、３相のシフトパルス電圧φ１〜φ
３をＰＣＤに加えると、オン状態が左の要素から右の要
素へと順次転送される。

上記が、ＰＣＤの基本となる３相形シフトレジスタの動
作である。第７図は、このようなＰＣＤによるシフトレ
ジスタを使用して構成した固体撮像装置の斜視図である
。

第７図において、第４図と同じ要素には同じ番号が付し
である。第７図において、１１３はＮ＋＋半導体層、１
１５はＰ形半導体層、１１６はＮ＋＋半導体層、１１７
はＮ＋＋半導体層、１１８はＰ形半導体層である。Ｎ＋
形半導体層１１６およびＰ形半導体層１１５，１１８に
よってアドレススイッチ１１が構成されている。Ｎ形半
導体基板１０１とＰ形半導体層１１８とによってホトダ
イオード１２が形成され、ホトダイオード１２の出力は
アドレススイッチ１１を介して出力される。

第７図に示すＰＣＤによるシフトレジスタ１０の構造は
、第４図に示したものとほぼ同様である。

しかし、固体撮像装置として用いる場合には、走査出力
はコレクタ領域１０５の近傍に形成されたＮ１形半導体
層１１３により、コレクタ１０５の近傍の電位変化とし
て取り出される。単位素子セルがオフの状態にあれば、
ベース１０６とコレクタ１０５との間の直流バイアス電
圧は、逆バイアスを与えるフックとコレクタ１０５との
間に加えられるので、Ｎ＋形形溝導体層１１３電位はベ
ース１０６　（あるいは半導体基板１０１）の電位にほ
ぼ等しい。単位素子がオン状態になると、コレクタ１０
５の近傍の伝導度変調によってＮ＋形形溝導体層１１３
電位は低下し、コレクタ１０５の電位に近づく。

この電位の変化をアドレス信号として光検出部に伝達し
、アドレススイッチをオンさせることができる。

上述のように固体撮像装置の各画素には１個のホトダイ
オードと、１個のスイッチと、１段の走査回路とがそれ
ぞれ対応しており、第７図の断面構造からも明らかなよ
うに、ＰＣＤ形固体撮像装置はＮ形半導体基板１０１上
にＰ形、およびＮ形の不純物領域が形成されているだけ
で、他のバイポーラデバイスのような分離領域や埋込み
領域などの複雑な製造プロセスは必要ない。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来技術によれば、ＰＣＤによるシフトレジス
タは基本的にはプラズマ結合効果によって動作する。し
たがって、分離領域や埋込み領域が必要ではない為に、
集積度が向上できたり、あるいはプロセスが容易になる
などの利点がある。

反面、素子間に分離がないために、ＰＣＤによるシフト
レジスタのうちの任意の１段がオンになり、その段の走
査電極の電位が低下しているときには、プラズマ結合効
果による電気的なりロストークが生じる結果として、そ
の両側の段の走査電極の電位も低下し、結局、数個のア
ドレススイッチを同時にオンしてしまい、信号の純度が
低下するという欠点がある。

このとき、クロストークを防止しようとしてＰＣＤによ
るシフトレジスタに分離領域を形成すれば、プラズマ結
合効果が不十分になり、転送動作がスムーズに行われな
くなる。

さらに、上記従来技術によれば、ＰＣＤによるシフトレ
ジスタでは、単位素子セルを配列するピンチによってエ
ミッタ、コレクタ、ならびにベースの大きさと配置とが
決定されてしまう度合が強く、ＰＣＤによるシフトレジ
スタの走査電極をそのまま光検出部のアドレススイッチ
に結線しても、アドレススイッチを開閉するための駆動
能力が不十分で、スイッチング動作が効率よく行われな
いという欠点がある。

本発明の目的は、ＰＣＤによるシフトレジスタとアドレ
ススイッチとの間に一体化して集積化した複合トランジ
スタによるスイッチ手段を設けることにより上記欠点を
除去し、上記スイッチ手段の採用によって単位素子セル
間に生ずる不要の結合を減するとともにスイッチング動
作を確保することができるように構成した固体撮像装置
を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明による固体撮像装置は第１の導電形を有する半導
体基板上に第２の導電形により形成され、入射光により
発生した信号電荷を蓄積するための受光部と、信号電荷
を読み出すためのアドレススイッチとを備えた光電変換
素子を１次元、あるいは２次元状に配置し、かつ、アド
レススイッチを時間順次的に選択するためのプラズマ結
合装置による走査回路を備えて構成したものの改良であ
る。

本発明においては、走査回路の各段においてプラズマ結
合装置の後段に複合スイッチトランジスタを設け、スイ
ッチトランジスタの出力を光電変換素子のアドレススイ
ッチに加えることができるように構成したものである。

（実施例） 本発明を図面等を参照して、さらに詳しく説明する。

第１図は、本発明による固体撮像装置の主要部分の一実
施例を示す構成図である。第１図において、第４図〜第
７図と同様な作用をする要素には同様な番号を付しであ
る。第１図において、１はＰ形半導体層、２はＮ形半導
体層、３はＰ形半導体層、４はＮ“形半導体層、５はＮ
＋＋半導体層。

６はＮ＋＋半導体層による分離領域、７は電源電圧■３
を与える電源端子、１３は本発明を特徴づける複合トラ
ンジスタ、すなわちスイッチ手段１３である。

第２図は、第１図に示すＰＣＤによるレジスタ１０およ
びスイッチ手段１３の等価回路を示す説明図である。第
２図において、トランジスタ１１１．１１２はそれぞれ
第５図に示すトランジスタ１１１．１１２と同様な作用
をする。

ｐ’ｎｐトランジスタ８は、第１図におけるＰ形半導体
層１と、Ｎ形半導体層２と、Ｐ形半導体層３とによって
形成されるものである。−方、ｎｐｎトランジスタ９は
Ｎ＋形半導体層５に対して電気的に接続された半導体基
板１０１の内部領域と、Ｐ形半導体層３と、Ｎ＋形形溝
導体層４によって形成されるものである。

第１図において、ｐｎｐ）ランジスタ８の電源端子７に
は適当なりＣバイアス電圧、あるいはシフトパルスの周
波数に等しい周波数の方形波を加え、ｎｐｎ）ランジス
タ９のエミッタ４は接地電位に保つよう、共通接続して
おく。シフトレジスタ１０は従来と同様な方法で駆動し
、ＰＣＤによるシフトレジスタ１０からのアドレス信号
をｐｎｐトランジスタ８のベースに加える。したがって
、シフトレジスタ１０の走査出力が低レベルに下がった
ときｐｎｐトランジスタ８がオンになり、ｎｐｎ）ラン
ジスタ９のベースに正孔が注入され、ｎｐｎトランジス
タ９をオンにする。

ｎｐｎトランジスタ９のコレクタ領域の近傍にはＮ＋不
純物拡散をしたＮ＋形半導体層５が配置されていて、ｎ
ｐｎ）ランジスタ９がオン状態のときにはコレクタ領域
の直下で半導体基板１０１の電位が低下する。そこで、
半導体基板１０１がＮ形であるため、Ｎ＋形半導体層５
の電位も低下し、この電位変化がアドレス信号として光
検出部に伝達され、アドレススイッチ１１をオンにする
。

上記構造を採用することにより、ＰＣＤによるシフトレ
ジスタ１０では素子セル間を分離することができる。す
なわち、シフトレジスタ１０の後段に設けられたラテラ
ルｐｎｐトランジスタ８とパーティカルｎｐｎ　）ラン
ジスタ９とにより複合トランジスタ１３を構成し、この
複合トランジスタによって素子間を分離することができ
る。よって、ｐｎｐ　トランジスタ８のエミッタ１に加
えられる電圧ＶｓＯ高レベル値を適当な値に設定すれば
、複合トランジスタ１３より成るスイッチＮ＋形半導体
層５に発生するアドレスパルスにはクロストークを含ま
ない。したがって、得られたアドレスパルスをアドレス
スイッチ１１に加えれば、信号の純度を高めることがで
きる。

第１図に示す実施例においては、ＰＣＤによるシフトレ
ジスタ１０の後段の複合トランジスタ１３によりアドレ
スパルスが再生され、駆動能力を大きくでき、アドレス
スイッチ１１の開閉を効率よく行うことができる。

第３図は、第１図に示す固体撮像装置を改良して構成し
た他の実施例を示す平面図である。

第３図に示す固体撮像装置の各単位素子セルは、それぞ
れ第１図に示すものと同様であるが、第３図では千鳥状
の配置を採用している。第３図においては、千鳥状のセ
ル配置により、複合トランジスタおよび分離領域の設計
の余裕度を高めている。

したがって、第１図に示す素子のセル配置より素子間の
分離を完全に行うことができ、複合トランジスタ１３自
身の大きさや配置も比較的自由に選択することが可能と
なり、駆動能力を太き（でき、さらにアドレススイッチ
１１の開閉を効率よく行うことができる。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、ＰＣＤによるシフトレジ
スタとアドレススイッチとの間に一体化して集積化した
複合トランジスタによるスイッチ手段を設けることによ
り、上記スイッチ手段の採用によって単位素子セル間に
生ずる不要な結合を減するとともにスイッチング動作を
確保できるため、得られた光信号の解像度を著しく向上
できるとともに、不要なノイズ成分のレベルを著しく低
くすることができると言う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による固体撮像装置の一実施例を部分
的に示す構造図である。 第２図は、第１図に示す固体撮像装置のシフトレジスタ
およびスイッチ手段の等価回路を示す説明図である。 第３図は、本発明による固体撮像装置の他の実施例を部
分的に示す平面図である。 第４図は、従来技術による半導体プラズマ結合装置（Ｐ
ＣＤ）の−例を示す構造図である。 第５図は、第４図に示すＰＣＤの等価回路を示す説明図
である。 第６図は、第４図に示すＰＣＤの基本要素の電流対電圧
特性の一例を示す説明図である。 第７図は、従来技術により構成したＰＣＤによる固体撮
像装置の一例を示す斜視図である。 １．３，１０３，１０４，１１５，１１８・・・・・・
・・・Ｐ形半導体層 ２．４，５，１０１，１０２，１０５，１０６１１３．
１１６，１１７ ・・・・・・・・・Ｎ形半導体層 ７・・・・・・・・・・・・端子 １０・・・・・・・・・シフトレジスタ１１・・・・・
・・・・アドレススイッチ１２・・・・・・・・・ホト
ダイオード１３・・・・・・・・・スイッチ手段 １０７・・・・−・電源 １０８〜１１０・・・・・・抵抗器 １１１．１１２・・・・・・トランジスタ特許出願人　
浜松ホトニクス株式会社 代理人　弁理士　　井　ノ　ロ　　壽 才２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の導電形を有する半導体基板上に第２の導電形によ
   り形成され、入射光により発生した信号電荷を蓄積する
   ための受光部と、前記信号電荷を読み出すためのアドレ
   ススイッチとを備えた光電変換素子を１次元、あるいは
   ２次元状態に配置し、かつ、前記アドレススイッチを時
   間順次的に選択するためのプラズマ結合装置による走査
   回路を備えて構成した固体撮像装置において、前記走査
   回路の各段において前記プラズマ結合装置の後段に複合
   スイッチトランジスタを設け、前記スイッチトランジス
   タの出力を前記光電変換素子の前記アドレススイッチに
   加えることができるように構成したことを特徴とする固
   体撮像装置。