JPS6338865B2 - - Google Patents

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JPS6338865B2
JPS6338865B2 JP57095443A JP9544382A JPS6338865B2 JP S6338865 B2 JPS6338865 B2 JP S6338865B2 JP 57095443 A JP57095443 A JP 57095443A JP 9544382 A JP9544382 A JP 9544382A JP S6338865 B2 JPS6338865 B2 JP S6338865B2
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charge transfer
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charge
gate
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Mitsubishi Electric Corp
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    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/148Charge coupled imagers
    • H01L27/14831Area CCD imagers
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/73Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors using interline transfer [IT]
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    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は信号読出に特徴を有する2次元の固
体撮像装置に関するものである。
一般に、固体撮像素子はシリコンのような半導
体材料上に光検出器と走査機構を設けたものであ
り、光検出器に適当なものを選べば、可視から赤
外領域までの撮像が可能となるものである。そし
て、固体撮像素子は従来の撮像管に較べて、小
型・軽量・高信頼性の上、撮像装置を製作する上
で調整箇所が非常に少なくなるという利点を持つ
ており、広い分野から注目を集めている。
さて、固体撮像装置の走査機構としては従来
MOSスイツチを用いたものやCCD(Charge
Coupled Device)を用いたものが主であつたが、
前者のMOSスイツチを用いたものの場合、信号
を読出す時に用いるMOSスイツチに起因したス
パイク雑音が信号に混入し、S/Nを低下させる
とともに、このスパイク雑音は読出す列間で異な
つており、これが固定パターン雑音と呼ばれる雑
音となつて、S/Nをさらに低下させるという欠
点を有し、高いS/Nが要求される微弱な信号検
出には用いることができないという問題を有して
いた。また、後者のCCDを用いたもの、特に前
者のMOS方式と同様に光検出器を自由に選択で
きるため最近広く用いられているインターライン
方式のCCD方式では検出器列と検出器列の間に
CCDが配置されるため、検出器の有効面積を大
きくするために、CCD部の面積はできるだけ小
さく設計することが望ましい。一方CCDの電荷
転送能力は構造を同一とすれば、CCD1段当りの
蓄積ゲート面積に比例する。従つてCCD部の面
積を小さくすることは取扱える電荷の最大値が制
限されることになる。こうした問題は特に赤外線
固体撮像素子のように大きな背景中の小さな信号
を検出する際には大きな問題となる。
この発明は上記した点に鑑みてなされたもので
あり、固体撮像装置の水平、垂直走査機構の少な
くとも一方を複数のMOSゲートが隣接して配置
された電荷転送部を具備した電荷転送走査機構と
し、この電荷転送部にて信号電荷を転送するよう
にして、スパイク雑音の発生をなくし、取扱える
電荷量を大きくすることを目的とするものであ
る。
以下本発明の一実施例を図に従つて説明する。
第1図は本発明に関する固体撮像素子のブロツク
図で簡単のために3×4のアレイで示してある。
図中1は半導体基体上に2次元的に配列された光
検出器、2は同一基板上に形成されたMOSトラ
ンジスタで形成されたトランスフアーゲート、3
は上記半導体基板に形成された垂直電荷転送部、
4は上記半導体基板に形成された水平CCD5と
のインターフエースを形成するインターフエース
部、6は出力プリアンプ、7はこのプリアンプの
出力である。この様に構成された固体撮像装置に
おいて水平CCD5と出力プリアンプ6は従来の
CCD型の固体撮像素子と全く同じでよく、垂直
方向の電荷転送に関する部分、つまり垂直電荷転
送部3およびインターフエース部4に特徴を有す
るものであり、この部分の構造及び動作を第2図
a〜j及び第3図を用いて説明する。まず、この
部分の構造について第2図aを用いて説明する
と、第2図aは第1図A−A′の断面を示したも
のであり、垂直電荷転送部3は4つのゲート電極
3−1〜3−4で構成され、インターフエース部
4は2つのゲート電極4−1,4−2から構成さ
れており、インターフエース部4の端は水平
CCD5の1つのゲート電極5−1に接している
ものである。そして8は半導体基板であり、各々
のゲート下にチヤネルが形成されるものである。
このチヤネルは表面チヤネルであつても、埋め込
みチヤネルであつても差しつかえないものであ
る。なお、第2図aにおいては各々のゲート電極
間がギヤツプを持つた構造となつているが、多層
のゲート電極構造を用いてゲート間にオーバーラ
ツプ部を設けたものであつても良いものである。
一方、各ゲート電極3−1〜3−4,4−1,4
−2,5−1には第3図に示したようなクロツク
信号φV1〜φV4,φS1,φTが印加されるものである。
但しこの実施例においてはNチヤネル場合であ
り、Pチヤネルの場合にはクロツク信号の極性を
反転したものとすれば良いものである。
次に、第2図aに示したものの垂直方向の電荷
転送について、第2図b〜jに基づいて説明する
と、第2図b〜jはそれぞれのタイミングにおけ
る第2図aの位置に対応したチヤネルのポテンシ
ヤルの状態を示したものであり、第2図bは第3
図においてt1のタイミングに相当する時のポテン
シヤルである。この時クロツク信号φV1〜φV4はす
べて“H”レベルになつているので、ゲート3−
1〜3−4下には大きな電位井戸(以下ポテンシ
ヤルウエルと称す。)が形成されており、またク
ロツク信号φSはクロツク信号φV1〜φV4より高い
“H”レベルになつているのでゲート4−1下に
は、より深いポテンシヤルウエルが形成されてい
るとともに、クロツク信号φTは“L”レベルと
なつているもので、ゲート4−2の下には、浅い
ポテンシヤルウエルが形成されている。一方水平
CCD5はこの状態の時に電荷転送を行なつてお
り、図中点線で示したようなポテンシヤル状態の
間を往復しているものである。そしてこの状態に
おいて、縦方向中任意の1つのトランスフアーゲ
ート2をONして、垂直電荷転送部3中に検出器
1の内容を読み出すと、ゲート3−1〜3−4の
所定位置に信号電荷Qsigが存在することになる
ものである。次に第3図に示すt2のタイミング、
つまりクロツク信号φV1が“L”レベルにされる
と第2図cに示す如く、ゲート3−1下のポテン
シヤルが浅くなるため信号電荷Qsigは空間的に
広がりながら、第2図図示矢印A方向へ押される
ことになる。さらに第3図に示すようにt3,t4
t5のタイミングにクロツク信号φV2〜φV4が順次
“L”レベルにされ、第2図d〜fに示す如く、
ゲート3−2〜3−4下のポテンシヤルが順次浅
くなり、信号電荷Qsigが、第2図図示矢印A方
向へ押し出されてゆき、クロツク信号φV4が“L”
となつた時点では、信号電荷Qsigはゲート4−
1の下のポテンシヤルウエルに蓄えられることに
なるものである。なお、ゲート4−1は信号電荷
Qsigを十分蓄えられるだけの大きさが必要であ
るが、上記実施例に示す如く、クロツク信号φS
“H”時のポテンシヤルがゲート3−1〜3−4
の下のポテンシヤルより深くなる必要はなく同じ
深さでも良いものである。この様にして、信号電
荷Qsigがゲート4−1に集められ、水平CCD5
の1水平線分の走査が終つた後、第3図に示すt6
のタイミングにゲート4−2に接する水平CCD
5のゲート5−1のクロツク信号φHを“H”レ
ベルとするとともに、ゲート4−2のクロツク信
号φTが“H”レベルにされるため、それぞれの
ゲート下のポテンシヤルは第2図gに示す如くな
る。なお、この時ゲート4−2下のポテンシヤル
がゲート4−1及びゲート5−1下のポテンシヤ
ルより高くなるようにしているが、必らずしも高
くする必要はなく同一レベルであつてよいもので
ある。次に第3図に示すt7のタイミングにクロツ
ク信号φSが“L”レベルとされ、第2図hに示す
如く、ゲート4−1下のポテンシヤルは浅くなる
ため、信号電荷Qsigはゲート5−1下のポテン
シヤルウエル内に移動させられることになる。そ
の後、第3図に示すt8のタイミングにてクロツク
信号φTが“L”レベルとなり、第2図iに示す
如くゲート4−2下のポテンシヤルは浅くなり、
信号電荷Qsigは水平CCD5により転送されるこ
とになるものである。つまり、信号(信号電荷
Qsig)を受けとつた水平CCD5は順次出力プリ
アンプ6に信号を転送することになり、信号が水
平CCD5に転送されると、つまり第3図に示すt9
のタイミングで、クロツク信号φV1〜φV4,φSは再
び“H”レベルとなり、t1のタイミングの時と同
じ条件になり、上記で述べたサイクルを繰り返す
ことになるものである。
なお、上記実施例の動作説明では、1つの垂直
電荷転送部3にある検出器1の内容を読み出した
場合について説明したが、それぞれの垂直信号転
送部3が同時に上記で述べたと同様の動作を行な
つているものである。
この様にしたことにより、電荷の転送は従来の
CCD方式と同様にポテンシヤルウエル内を通し
て行なわれるので、MOS方式の様なスパイク雑
音が全くなく、しかも取り扱える信号電荷量は垂
直電荷転送部3の一垂直線分全体のポテンシヤル
ウエルで決まるため、非常に大きくとることがで
き、しかも、垂直信号線を形成するチヤネルの幅
を小さくしても充分大きくとれるものである。ま
た、ゲート4−1と水平CCD5は検出器1アレ
イの外側に形成でき、大きさの制約が少なくなる
ため必要な電荷量に従つて垂直電荷転送部3ある
いは水平CCD5を大きくすることが容易となる
ものである。一方、上記実施例においては、垂直
電荷転送部3が1水平期間中に走査され(通常、
最も長いものは1フレーム時間近くの期間をかけ
て垂直電荷転送部3を転送される。)、信号電荷
Qsigがチヤネル内に存在する時間が短かくなる
ため、チヤネルリーク電流やスミヤが低減できる
効果をも有するものである。
なお、上記実施例では、垂直電荷転送部3を4
つのゲート3−1〜3−4で構成されたものにつ
いて述べたが、ゲート数は複数であれば何個のゲ
ートで構成されても同様の効果を奏し、この時、
転送効率を考慮して1ゲートの大きさと段数を決
定すれば良いものである。また、垂直電荷転送機
構3のチヤネルもN型で説明したがP型のもので
あつても良いものである。さらに上記実施例で
は、垂直電荷転送部3を構成するゲートとトラン
スフアーゲート2とを別個のゲートとしたが、従
来のCCD方式で用いられているように3値のク
ロツク信号を用いて、垂直電荷転送部3を構成す
る1つのゲートとトランスフアーゲートとを共通
のゲートとしても良いものである。
この場合、第3図のt1に相当するタイミングに
おいて、選択されるべきフオトダイオードにつな
がつたゲートに加わるクロツクレベルは他のゲー
トのクロツクレベル“H”より高い“HH”レベ
ルとすればよく、他のタイミングにおいては第3
図のタイミグt2〜t9と同様のレベルとすればよ
い。
この発明は、光検出器からの出力を読み出し出
力する水平走査機構及び垂直走査機構を有する二
次元固体撮像装置において、上記水平走査機構及
び垂直走査機構を構成する少なくとも一方を、複
数のMOSゲートが隣接して配置された電荷転送
部と、この電荷転送部の複数のMOSゲートに信
号を与えるMOSゲート制御部とを具備した電荷
転送走査機構とし、信号電荷が電荷転送部の
MOSゲート下を移動させるようにしたので、ス
パイク雑音がなく、しかも取り扱える信号電荷量
を大きくとれるという効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第3図はこの発明の一実施例を示し、
第1図は固体撮像装置のブロツク図、第2図aは
第1図の断面A−A′を示す図、第2図b〜jは、
第2図a部における動作を説明するための電位
図、第3図はクロツクタイミング図である。な
お、各図中同一符号は同一または相当部分を示
す。 図において、1は光検出部、2はトランスフア
ーゲート、3は垂直転送部、4はインターフエー
ス部、5は水平CCD、6はプリアンプである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 光検出器からの信号電荷を読み出し出力する
    水平走査機構及び垂直走査機構を有する2次元の
    固体撮像装置において、 上記水平走査機構及び垂直走査機構の少なくと
    も一方を、複数のMOSゲートが隣接して配置さ
    れた電荷転送部と、 この電荷転送部の複数のMOSゲートに信号を
    与え、第1の期間に、上記電荷転送部の全ての
    MOSゲート下に電位井戸を形成させ、第2の期
    間に、上記信号電荷を上記電位井戸に注入し、第
    3の期間に信号を転送する方向とは逆の端にある
    MOSゲート下から順次電位井戸を消滅させる
    MOSゲート制御部とを具備し、 上記信号電荷を電荷転送部のMOSゲート下を
    移動させる電荷転送走査機構としたことを特徴と
    する固体撮像装置。 2 MOSゲート下に形成されるチヤネルを表面
    チヤネルとした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。 3 MOSゲート下に形成されるチヤネルを埋込
    みチヤネルとした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。 4 上記垂直走査機構を電荷転送走査機構とした
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第
    3項のいずれかに記載の固体撮像装置。 5 光検出器からの信号電荷を読み出し出力する
    水平走査機構及び垂直走査機構を有する2次元の
    固体撮像装置において、 上記垂直走査機構を、複数のMOSゲートが隣
    接して配置された電荷転送部と、 この電荷転送部の複数のMOSゲートに信号を
    与え、第1の期間に、上記電荷転送部の全ての
    MOSゲート下に電位井戸を形成させ、第2の期
    間に、上記信号電荷を上記電位井戸に注入し、第
    3の期間に信号を転送する方向とは逆の端にある
    MOSゲート下から順次電位井戸を消滅させる
    MOSゲート制御部とを具備し、 上記信号電荷を電荷転送部のMOSゲート下を
    移動させる電荷転送走査機構とし、 上記水平走査機構は、上記電荷転送走査機構か
    らの信号電荷を出力する電荷結合素子であり、上
    記電荷転送走査機構と該電荷結合素子とは少なく
    とも2つのMOSゲートで結合されていることを
    特徴とする固体撮像装置。
JP57095443A 1982-06-01 1982-06-01 固体撮像装置 Granted JPS58210663A (ja)

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