JPS6337994B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像装置、特に赤外線検知素子と
信号処理用の電荷転送装置を組合せた赤外線撮像
装置の構成に関するものである。

近年赤外線検知素子アレイと電荷転送装置とを
組合せて赤外線撮像装置を構成したものが研究、
開発されている。

一般にこのような赤外線撮像装置は、たとえば
インジウムアンチモナイド（InSb）等の多元半
導体基板にｐ−ｎ接合を形成して光起電力型の赤
外線検知素子アレイを構成し、またシリコン
（Si）等の半導体基板に電荷転送装置を形成し、
これらを結合して一体化したものである。そして
入射赤外線量に応じて生じた赤外線検知素子から
の信号電荷を電荷転送装置に注入して転送するこ
とにより、時系列的に画信号を読出すようになつ
ている。

ところで、たとえば宇宙衛星用の赤外線撮像装
置において、地表の温度分布を測定するような場
合、赤外線検知素子からの信号成分のうち、その
大部分（たとえば90％程度）が背景光からの不要
な信号成分であり、有効な画信号は10％以下とい
われている。しかしてこのような不要な信号成分
を含んだ信号電荷をそのまま電荷転送装置に注入
して転送することは、その電荷転送装置の電荷収
容容量を大きくする必要を生じ、その結果電荷転
送装置の大型化を招き高密度、高速化の障害とな
るのみならず、観測対象物の温度を精密に測定す
ることも困難となる。そこでこのような信号電荷
のうち不要な電荷をあらかじめ切除してから電荷
転送装置に注入する方法が採られている。つまり
この方法は赤外線検知素子からの信号レベルのう
ち所定レベル以下の不要な背景信号成分を切除し
て有効な信号成分を出力するというレベル調整機
能を入力素子にもたせたものである。なお以後こ
のような操作を「足切り」と呼ぶことにする。

また一方電荷転送装置の動作原理を応用して、
撮像時の感度を実質的に高くする時間遅延積分
（Time Delay Integration：TDI）と呼ばれる方
式がある。このTDI方式は、周知のように所定方
向に所定速度で移動している対象物とその対象物
を撮像して得た画信号を同期して転送し、逐次画
信号電荷を加算するようにしたもので、この方式
によればｎ回の加算によりＳ／Ｎも√倍に改善
される。

そこで赤外線撮像装置を構成する電荷転送装置
に前述のような足切り機能とTDI機能とを付与せ
しめることは撮像装置の性能向上に極めて有効で
ある。しかしこのような撮像装置においてはTDI
機能をそなえた複数系統の積分用電荷転送素子
（以後電荷転送素子をCTDと略記する）から同時
に出力される信号電荷を時系列信号に変換するた
めの並列−直列変換用CTDを必要とし、この
CTDはかなり高速動作すなわち速い転送速度を
要求されるので、そのCTDの電荷転送方向にお
ける転送電極幅をできるだけ狭く形成しなければ
ならない。また積分用CTDも並列−直列変換用
CTDに対応してできるだけ高密度に形成する必
要がある。

ところが赤外線検知素子からの信号電荷が注入
される足切り機能を有する入力素子は検知素子か
らの不要な背景光成分を含んだ信号電荷を蓄積し
なけれならないので、電荷収容容量を大きくしな
ければならず、その結果入力素子の占有面積は必
然的に大きくなる。従つてこのような大きな占有
面積を要する入力素子を積分用CTDと直接結合
して形成することは配置上極めて困難であり、こ
れを強いて行うとすれば積分用CTDを不必要に
大きく形成しなければならず、ひいては並列−直
列変換CTDのピツチも大きくなり高速、高密度
化に対して極めて大きな障害となつていた。

本発明は前述の点に鑑みなされたもので、その
目的は比較的大きな占有面積を要する足切り機能
をそなえた入力素子を容易に配置でき、かつTDI
機能をそなえた積分用CTDを高密度に構成し、
もつて並列−直列変換用CTDのピツチも小さく
し、高速動作が可能な高性能固体撮像装置を提供
することであり、その特徴は複数の光電変換素子
に対応して光電変換信号にもとづく電荷を受け、
その電荷のうち所定量の電荷を切除するレベル調
整機能をそなえた複数の入力素子と、遅延時間を
異にした複数の入力端を有する積分用電荷転送素
子とをそなえた固体撮像装置において、前記複数
の入力素子を群として入力ユニツトを構成すると
ともに該入力ユニツトの各入力素子と前記積分用
電荷転送素子の各入力端とを接続用導電体を介し
て連結したところにある。

以下本発明の実施例につき図面を参照して説明
する。

第１図は本発明による赤外線撮像装置の一例構
成を模式的に示した要部概念図である。図におい
てＡは光電変換部を示し、その光電変換部Ａはマ
トリツクス状に配列された多元半導体からなる光
電変換素子群すなわち赤外線検知素子１ａ〜１
ｄ，２ａ〜２ｄなどからなつている。またＢはSi
基板上に構成した入力ユニツトであつて、その入
力ユニツトＢは各赤外線検知素子からの光電変換
信号にもとづく電荷を受け、その電荷のうち所定
量の不要な電荷を切除し、有効な信号電荷を出力
するいわゆる足切り機能をそなえた入力素子５ａ
〜５ｄ，６ａ〜６ｄなどで構成され、さらに積分
用CTD８，９，１０などが前記入力ユニツトＢ
を構成したと同一のSi基板上に形成してある。ま
たこれら積分用CTDに隣接して並列−直列変換
用電荷転送素子Ｃが配設してあり、この並列−直
列変換用CTDは積分用CTD８，９，１０などか
らの電荷を同時に受けて実線矢印Ｔで示した方向
に電荷を転送し出力端子Ｐから時系列信号として
取出すようになつている。

ところで前述のごとく、赤外線検知素子１ａ〜
１ｄ，２ａ〜２ｄなどからの電荷のうち、そのほ
とんどが背景光からの不要な電荷を含んだ信号電
荷であり、有効な電荷は10％以下である。従つて
このような不要な電荷を含んだ赤外線検知素子か
らの信号電荷を受入れる各入力素子５ａ〜５ｄ，
６ａ〜６ｄなどは電荷収容容量を大きくしなけれ
ばならず、その占有面積も大きくなり、各入力素
子からの足切り後の電荷を受け入れる積分用
CTDの一段当りの面積の10倍程度の面積を必要
とする。第１図における各入力素子５ａ〜５ｄ，
６ａ〜６ｄなどは模式的に示したものであつて、
実際の各入力素子の占有面積は積分用CTD８，
９，１０などの占有面積に比べて図に見るよりも
はるかに大きなものとなる。従つてこのように大
きな占有面積を有する入力素子を積分用CTD８，
９，１０などの各入力端８ａ〜８ｄ，９ａ〜９ｄ
などに直接隣接して結合配置することは極めて困
難であり、強いてこれを行うとすれば積分用
CTD８，９，１０などの占有面積が必要以上に
大きくなつて、高密度化に極めて不都合である。
そこで本発明においては各入力素子５ａ〜５ｄ，
６ａ〜６ｄなどを積分用CTDとは別の領域に離
して、群として配設して入力ユニツトＢを構成
し、各入力素子５ａ〜５ｄ，６ａ〜６ｄなどと積
分用CTDの各入力端８ａ〜８ｄ，９ａ〜９ｄと
を接続用導電体で連結してある。このようにする
ことにより大きな占有面積を要する入力素子を容
易に配置することができ、積分用CTDの占有面
積を不必要に大きくすることなく高密度に形成し
得て、これら積分用CTD８，９，１０などに隣
接配設する並列−直列変換用CTDの電極幅を狭
くすることができ、該CTDの高速動作をも可能
にすることができる。ここで電極幅とは転送電極
の転送方向Ｔにおける方向の寸法を指す。なお矢
印Ｄは撮像すべき対象物からの光像の移動方向を
示すものである。

次に前述の赤外線撮像装置の要部の構造につき
説明する。第２図は本発明による赤外線撮像装置
の構造の一例を説明するための要部上面図であ
り、第１図と同等部分には同一符号を付してあ
る。同図において一点鎖線で各々囲んで示した
Ｂ，Ｃおよび８，９，は、Si基板上に形成した入
力ユニツト、並列−直列変換用CTDおよび積分
用CTDであり、入力ユニツトＢにおける各入力
素子５ａ，６ａ，６ｂなどには入力ダイオード１
３，１４，１５が各々形成してあり、それら入力
ダイオード１３，１４，１５に図示を省略したが
赤外線検知素子１ａ，２ａ，２ｂ（第１図参照）
からの信号電荷が注入される。またＧ１は入力ゲ
ート、Ｇ２は蓄積ゲート、Ｇ３，φ１，Ｇ４は転
送ゲート、φBは排出ゲート、１６，１７はダイ
オードであつて排出ドレインを構成する。さらに
転送ゲートＧ４に隣接して出力ダイオード１８，
１９，２０が形成してある。また積分用CTD８
および９には入力端となるダイオード８ａ〜８ｄ
および９ａ〜９ｄと、それら各ダイオードに隣接
して移転ゲートＧ５〜Ｇ１１が配設され、さらに
転送ゲートφ２〜φ９および出力ゲートＧ１２が
設けてある。また出力ゲートＧ１２と並列−直列
変換用CTD，Ｃとの間には移転ゲートφ１０が
設けてあり、この移転ゲートφ１０は転送ゲート
φ９の電荷を並列−直列変換用CTD，Ｃへ同時
に移転させる用をなす。このような構成の積分用
CTD８，９の第１段目の入力端８ａ，９ａは入
力素子５ａ，６ａの出力ダイオード１８，１９に
接続用導電体１１ａ，１２ａで各々接続してあ
り、積分用CTD９の第２段目の入力端９ｂは入
力素子６ｂの出力ダイオード２０に同じく接続用
導電体１２ｂで接続してある。このように積分用
CTDの第３段目および第４段目の入力端８ｃ，
９ｃおよび８ｄ，９ｄなども接続用導電体１１
ｃ，１２ｃおよび１１ｄ，１２ｄでもつて図示を
省略したが各入力素子の出力ダイオードに各々接
続してある。なお前記接続用導電体はSi基板上に
SiO₂層を介してAlなどの蒸着膜で形成すること
もできるし、その他、Si基板への拡散層などによ
つて形成することもできる。

このような構成において入力ゲートＧ１にたと
えば0.5Vの直流電圧を印加し、また蓄積ゲート
Ｇ２にたとえば10V、転送ゲートＧ３，Ｇ４、移
送ゲートＧ５〜Ｇ１１、出力ゲートＧ１２の各々
にたとえば3Vの直流電圧が印加してあり、各印
加電圧に対応したレベルで各々のゲートは開状態
に保たれている。いまたとえば赤外線検知素子２
ａ（第１図参照）からの信号電荷が入力素子６ａ
の入力ダイオード１４に注入されると、その注入
された電荷は入力ゲートＧ１を通つて入力素子６
ａの蓄積ゲートG2に蓄積される。この場合前述
のように検知素子からの信号成分は背景光にもと
づく不要な電荷がほとんどであり有効な成分は僅
かである。従つて蓄積ゲートＧ２に蓄積された電
荷もほとんどが不要な電荷であるから、不要な成
分を所定レベルで切除するいわゆる足切りをする
必要がある。そこで蓄積ゲートＧ２に形成する電
位の井戸の深さを所定のレベルで常に一定に設定
しておく。一方この時点において排出ゲートφB
の電圧を0Vにして排出ゲートφBを閉状態とし、
かつ転送ゲートφ１にたとえば10Vの電圧を印加
すると蓄積ゲートＧ２に蓄積された電荷のうち所
定レベル以上のいわゆる足切りされた有効な信号
成分を含む電荷のみが転送ゲートＧ３を通つて転
送ゲートφ１に流入する。そして転送ゲートφ１
の電圧を0Vに切替えるとともに積分用CTDの転
送ゲートφ２の印加電圧をたとえば10Vにすると
転送ゲートφ１の電荷は転送ゲートＧ４、出力ダ
イオード１９、接続用導電体１２ａダイオード９
ａおよび移転ゲートＧ５を通つて転送ゲートφ２
に流入する。そして転送ゲートφ２電圧を0V、
転送ゲートφ３電圧を10Vに順次切替えると転送
ゲートφ２の電荷は転送ゲートφ３に転送され、
さらにゲートφ３電圧を0V、ゲートφ４電圧を
10Vに順次切替えることにより、転送ゲートφ３
の電荷は第２段目の転送ゲートφ４に転送され
る。この結果、入力素子６ａの蓄積ゲートＧ２に
は足切りされた所定レベル以下の不要な電荷が残
ることとなる。一方このような操作の間に排出ゲ
ートφBの電圧をたとえば15Vに切替えてφBを開
状態にするとともに排出ドレイン１６にたとえば
15Vの直流電圧を印加しておくことにより、前記
蓄積ゲートＧ２に残された不要電荷が排出ゲート
φBを通つて排出ドレイン１６から排出される。

次に、先に検知素子２ａで撮像した対象物を次
段の検知素子２ｂ（第１図参照）で撮像して得た
信号電荷は入力素子６ｂの入力ダイオード１５に
注入され、入力ゲートＧ１を通つて入力素子６ｂ
の蓄積ゲートＧ２に蓄積される。そして前述と同
様の操作によつて足切りされた所定レベル以上の
電荷が出力ダイオード２０、接続用導電体１２
ｂ、積分用CTDの第２段目の入力端９ｂおよび
移送ゲートＧ９を通つて積分用CTD９の第２段
目の転送ゲートφ４に転送されて、先に積分用
CTDの第１段目から転送されていた電荷に加算
される。そして、このように転送ゲートφ４の加
算された電荷はさらに転送ゲートφ４，φ５，φ
６の駆動により、積分用CTD９の第３段目の転
送ゲートφ６に転送される。一方入力素子６ｂの
蓄積ゲートＧ２に足切りされて残つた不要電荷も
前述と同様の操作によつて排出ドレイン１７から
排出される。そしてまた、検知素子２ｂで撮像さ
れた対象物を検知素子２ｃ，２ｄで順次撮像して
得た信号電荷も図示を省略したが入力素子６ｃ，
６ｄ（第１図参照）でもつて、入力素子６ａ，６
ｂなどで行なつたと同じ操作により、所定レベル
で足切りされて接続用導電体１２ｃおよび１２ｄ
を通り、積分用CTDの第３段目および第４段目
の転送ゲートφ６およびφ８に順次転送され、最
終的に積分用CTD９の転送ゲートφ９には第１
段〜第４段から転送された電荷が順次加算された
形で転送される。

以上のような方法で検知素子１ａ〜１ｄなどの
その他の検知素子からの信号電荷も、それぞれ入
力素子において所定レベルで足切りされ、不要電
荷を排出するととも有効な信号電荷が積分用
CTDに転送されて順次加算される。そして積分
用CTDの移転ゲートφ１０の印加電圧をたとえ
ば0Vから10Vに切替えることにより、積分用
CTDから前記加算された電荷を並列−直列交換
用CTD，Ｃに同時に転送し、そのCTD，Ｃによ
つて、これら転送された電荷を時系列信号として
読出すのである。

以上の説明から明らかなごとく本発明は要する
に足切り機能をそなえた比較的大きな占有面積を
要する入力素子を、TDI機能をそなえた積分用
CTDとは別の領域に、群として構成し、その各
入力素子と積分用CTDの各入力端との間を接続
用導電体で連結したものであり、大きな占有面積
を要する入力素子を容易に配置することができ、
積分用CTDを高密度に形成し得て、それら積分
用CTDに隣接配置する並列−直列変換用CTDの
ピツチも小さくでき、特に赤外線撮像装置用の電
荷転送装置の性能向上ができる利点がある。

なお前述の実施例では各入力素子の出力ダイオ
ードと積分用CTDの各入力端を構成するダイオ
ードとの間を接続用導電体で直接接続して出力ダ
イオードからの信号を積分用CTDの入力端へ電
荷の形で注入するものについて述べたが、各入力
素子の出力ダイオードから出力される電荷量に対
応した電圧を出力する変換回路を各入力素子の出
力部として構成し、該変換回路と積分用CTDの
各入力端との間を接続用導電体で連結することも
できる。また入力ユニツトと積分用CTDとを
各々別の基板に形成することも勿論可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による赤外線撮像装置の一例構
成を模式的に示した要部概念図、第２図は本発明
による赤外線撮像装置の構造の一例を説明するた
めの要部上面図である。 Ａ：光電変換部、１ａ〜１ｄ，２ａ〜２ｄ，３
ａ，４ａ：赤外線検知素子、Ｂ：入力ユニツト、
５ａ〜５ｄ，６ａ〜６ｄ，７ａ：入力素子、８〜
１０：積分用電荷転送素子、８ａ〜８ｄ，９ａ〜
９ｄ：積分用電荷転送素子の入力端、１１ａ〜１
１ｄ，１２ａ〜１２ｄ：接続用導電体、１３〜１
５：入力ダイオード、１６，１７：排出ドレイ
ン、１８〜２０：出力ダイオード、Ｃ：並列−直
列変換用電荷転送素子、Ｇ１：入力ゲート、Ｇ
２：蓄積ゲート、Ｇ３，Ｇ４，φ１〜φ９：転送
ゲート、φB：排出ゲート、Ｇ５〜Ｇ１１，φ１
０：移送ゲート、Ｇ１２：出力ゲート、Ｄ：撮像
すべき対象物からの光像の移動方向。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 撮像対象物の移動方向に配列した複数の光電
   変換素子１ａ−１ｄの列を複数列併設した光電変
   換部Ａと、各列の光電変換素子に個別に対応して
   光電変換信号にもとづく電荷を一旦蓄積する蓄積
   部とその電荷のうち所定量の電荷を切除するレベ
   ル調整部をそなえた複数の入力素子５ａ−５ｄ…
   …と、前記各列毎の光電変換素子対応に遅延時間
   を異にすべく順次異なる転送段に設けられた入力
   端を有し、上記撮像対象物の移動速度に同期した
   転送速度で各入力端子に入力した光電変換信号電
   荷を逐次加算する複数列の積分用電荷転送素子
   ８，９……と各積分用電荷転送素子の出力段に隣
   接して配置された並列−直列変換用の電荷転送素
   子Ｃとをそなえた固体撮像装置において、前記積
   分用電荷転送素子８，９……の入力端子側の離れ
   た位置に上記出力用の並列−直列変換用電荷転送
   素子Ｃと略平行に前記複数の入力素子５ａ−５ｄ
   ……を配設して各素子の各蓄積部が共通の蓄積ゲ
   ートＧ２下で一列に並んだ入力ユニツトＢを構成
   するとともに該入力ユニツトの各入力素子の出力
   部と前記積分用電荷転送素子の各入力端とを接続
   用導電体１１ａ−１１ｄ……を介して連結したこ
   とを特徴とする固体撮像装置。