TWI474031B - Solid-state imaging device - Google Patents

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Harumichi Mori
Kazuki Fujita
Ryuji Kyushima
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

固體攝像裝置
本發明係關於一種固體攝像裝置者。
固體攝像裝置係亦於在進行X線等之放射線攝像之際使用，例如亦用於牙科等之醫療用。此種固體攝像裝置係具備：分別包括光二極體(photo diode)之M×N個像素部P1,1 ~PM,N 2次元排列成M列N行之受光部、以覆蓋此受光部之方式所設之閃爍體(scintillator)層、將與在受光部之各像素部所含之光二極體中所產生之電荷之量對應之電壓值予以輸出之信號讀出部、及用以控制受光部及信號讀出部等之動作之控制部。此外，在固體攝像裝置中，亦有受光部、信號讀出部及控制部等形成在半導體基板上之情形。
在此固體攝像裝置中，係依據放射線對於閃爍體層之入射而產生閃爍光，且依據閃爍光對於在受光部之任一個像素部所含之光二極體之入射，而在該光二極體產生電荷。再者，與在受光部之各像素部所含之光二極體中所產生之電荷之量對應之電壓值係從信號讀出部輸出。如此一來即獲得放射線像。
然而，在此種固體攝像裝置中，若穿透閃爍體層之放射線或閃爍光入射至受光部以外之區域(例如信號讀出部或控制部之區域、供打線接合(wire bonding)之圖場(field)區域等。以下稱此區域為「周邊區域」)，則在該入射位置亦有電荷產生之情形。再者，在該周邊區域產生之電荷，係有從產生位置移動，而儲存於受光部之任一個像素部所含之光二極體之接合電容部之情形。此種情形下，在從受光部之該像素部輸出之電荷中，不僅在該像素部之光二極體中所產生之電荷，亦將包含在周邊區域所產生之電荷作為雜訊(noise)。因此，無法獲得正確之放射線像。
企圖解除此種問題之發明係揭示於專利文獻1。此文獻所揭示之發明之固體攝像裝置，係具備阻止放射線對於周邊區域之入射之遮蔽構件。此遮蔽構件係在受光部之上具有開口部，可使放射線入射至設於受光部之上之閃爍體層。
專利文獻1：日本特開2004-177217號公報
然而，在上述專利文獻1所揭示之發明之固體攝像裝置中，即使設有遮蔽構件，於放射線入射於閃爍體層或遮蔽構件之際，亦因康普頓(Compton)效應而產生散射放射線。因康普頓效應而產生之散射放射線較入射之放射線為低能量，因此在構成固體攝像裝置電路之矽中之吸收較大。所以無法充分防範因為此種散射放射線或閃爍光對於周邊區域入射所致之雜訊產生。在周邊區域之面積較大之情形下尤其容易產生雜訊。
本發明係為解除上述問題點而完成者，其目的在於提供一種可充分抑制在周邊區域產生電荷之影響之固體攝像裝置。
本發明之固體攝像裝置之特徵為包括：(1)受光部，其將分別包括產生與入射光強度對應之量之電荷之光二極體及與此光二極體連接之開關之M×N個像素部P1,1 ~PM,N 2次元排列成M列N行，且光二極體在各像素部Pm,n 中經由開關而連接於讀出用佈線LO,n ；(2)閃爍體層，其以覆蓋受光部之方式設置，且依據放射線之入射而產生閃爍光；(3)虛設(dummy)用受光部，其包括與受光部之第1列及第M列各個外側鄰接而配置之虛設用光二極體；(4)信號讀出部，其設於受光部之第1列或第M列之外側，包括N個積分電路S1 ~SN 及N個保持電路H1 ~HN ，在各積分電路Sn 中將經過讀出用佈線LO,n 所輸入之電荷儲存於電容元件而輸出與該儲存電荷量對應之電壓值，在各保持電路Hn 中保持並輸出從積分電路Sn 所輸出之電壓值；及(5)放電機構，其將虛設用光二極體之接合電容部予以放電。其中，M、N係2以上之整數，m係1以上M以下之整數，n係1以上N以下之整數。此外，M小於N，而受光部係在一方向長者。
在此固體攝像裝置中，係依據放射線對於閃爍體層之入射而產生閃爍光，且依據閃爍光對於在受光部之任一像素部所含之光二極體之入射，而在該光二極體產生電荷。再者，與在受光部之各像素部所含之光二極體中所產生之電荷之量對應之電壓值係從包括積分電路及保持電路之信號讀出部輸出。如此一來即獲得放射線像。在進行此種攝像之期間，若穿透閃爍體層之放射線或閃爍光入射至受光部以外之周邊區域(例如信號讀出部、控制部等)，則在該入射位置亦有電荷產生之情形。在此等周邊區域產生之雜訊電荷亦有從產生位置移動而朝向受光部去之情形。然而，在本發明中，由於設有包括虛設用光二極體之虛設用受光部，因此該雜訊電荷被儲存於虛設用光二極體之接合電容部。再者，由於虛設用光二極體之接合電容部藉由放電機構放電被初始化，因此可抑制雜訊電荷進入受光部。
在本發明之固體攝像裝置中，最好放電機構係藉由對於虛設用光二極體施加一定電壓，而將該虛設用光二極體之接合電容部予以放電。此外，或是在本發明之固體攝像裝置中，最好虛設用受光部進一步包括與虛設用光二極體連接之虛設用開關，虛設用光二極體係經由虛設用開關，藉由N條讀出用佈線LO,1 ~LO,N 之任一條而連接於N個積分電路S1 ~SN 之任一個；放電機構藉由使虛設用開關成為閉狀態，並且將N個積分電路S1 ~SN 之中所連接之積分電路之電容元件予以放電，而將虛設用光二極體之接合電容部予以放電。
在本發明之固體攝像裝置中，最好虛設用受光部包括與受光部之第1列及第M列各個鄰接而配置成複數列之虛設用光二極體。最好1個虛設用光二極體之光感應區域之面積大於各像素部Pm,n 所含之1個光二極體之光感應區域之面積。此外，最好虛設用受光部進一步包括與受光部之第1行或第N行之外側鄰接而配置之虛設用光二極體。此等情形下，可進一步抑制雜訊電荷進入受光部。
依據本發明，可充分抑制在周邊區域產生電荷之影響。
以下，參照附圖詳細說明用以實施本發明之最佳形態。另外，在圖式之說明中對於同一要素係賦予同一符號，且省略重複之說明。
圖1係為本實施形態之固體攝像裝置1之俯視圖剖面圖。同圖(a)係表示俯視圖，同圖(b)、(c)係表示剖面圖。在本實施形態之固體攝像裝置1中，係於半導體基板2之背面黏合基材3，來補強半導體基板2。在該半導體基板2之表面，形成有受光部10、虛設用受光部11、12、信號讀出部20、列選擇部31及接合焊墊(bonding pad)40等。在半導體基板2之表面之各電路係可藉由CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體)技術形成。此外，在其表面設有閃爍體層50。
受光部10係將分別包括光二極體及開關之M×N個像素部P1,1 ~PM,N 2次元排列成M列N行者。在此，在同圖(a)之俯視圖中，受光部10中之第1列係位於受光部10之上邊側，而受光部10中之第M列係位於受光部10之下邊側，受光部10中之第1行係位於受光部10之左邊側，此外，受光部10中之第N行係位於受光部10之右邊側。M、N係為2以上之整數。M係較N小，在同圖(a)之俯視圖中，受光部10係在左右方向為長條狀，例如，受光部10之左右方向之長度係為148mm，而受光部10之上限方向之寬度係為6mm。
虛設用受光部11係與受光部10之第1列(受光部10之上邊側)鄰接而配置，在左右方向具有與受光部10相同程度之長度。此外，虛設用受光部12係與受光部10之第M列(受光部10之下邊側)鄰接而配置，在左右方向具有與受光部10相同程度之長度。此等虛設用受光部11、12各個係包括虛設用光二極體。另外，如後所述由於虛設用光二極體並非使用作為發光元件者，因此在虛設用受光部11、12之全部或一部份之上，亦可設有用以將信號讀出部20等遮光之遮光膜。此遮光膜係由經由絕緣膜所形成之例如Al膜所組成。
信號讀出部20係設於受光部10之第M列之外側。在信號讀出部20與受光部10之間配置有虛設用受光部12。列選擇部31係設於受光部10之第1行(受光部10之左邊側)之外側及受光部10之第N行(受光部10之右邊側)之外側之雙方或任何一方。接合焊墊部40係設於信號讀出部20之下方。
閃爍體層50係以至少覆蓋受光部10之方式設置，依據X線等之放射線之入射而產生閃爍光。閃爍體層50係以不僅受光部10，亦以覆蓋虛設用受光部11、12、信號讀出部20及列選擇部31之方式設置為較佳。閃爍體層50係例如由CsI所組成，藉由蒸鍍而形成於半導體基板2之表面。另外，在圖1(a)中並未表示有閃爍體層50。
在此固體攝像裝置1中，係在藉由包括列選擇部31之控制部之控制之下，概略性地動作如下。依據放射線對於閃爍體層50之入射而產生閃爍光，且依據閃爍光對於在受光部10之任一個像素部所含之光二極體之入射，而在該光二極體產生電荷。再者，與受光部10之各像素部所含之光二極體中所產生之電荷之量對應之電壓值係從信號讀出部20輸出，且該電壓值係經由接合焊墊部40而輸出至外部。如此一來即獲得放射線像。
假使，若穿透閃爍體層50之放射線或閃爍光入射至受光部10以外之區域(周邊區域)，則會有在該入射位置亦產生電荷之情形。再者，在該周邊區域所產生之電荷，從產生位置移動，若儲存於受光部10之任一個像素部所含之光二極體之接合電容部，則在從該像素部輸出之電荷中，不僅在該像素部之光二極體中所產生之電荷，亦將包含在周邊區域所產生之電荷作為雜訊，而無法獲得正確之放射線像。因此，在本實施形態中，係設有分別包括虛設用光二極體之虛設用受光部11、12，以解除此種問題。
圖2係為本實施形態之固體攝像裝置1之構成圖。在此圖中係表示有受光部10、虛設用受光部11、12、信號讀出部20及控制部30。
受光部10係為將M×N個像素部P1,1 ~PM,N 2次元排列成M列N行者。像素部Pm,n 係位於第m列第n行。在此，M、N各個係為2以上之整數，M係較N小。此外，m係為1以上M以下之各整數，n係為1以上N以下之各整數。各像素部Pm,n 係為PPS(Passive Pixel Sensor，被動畫素感測器)方式者’具有共通之構成，包括光二極體及開關。第m列之N個像素部Pm,1 ~Pm,N 係藉由共通之控制線與控制部30連接。第n行之M個像素部P1,n ~PM,n 各個之輸出端係藉由第n行讀出用佈線LO,n 而與信號讀出部20所含之積分電路Sn連接。
信號讀出部20係包括N個積分電路S1 ~SN 及N個保持電路H1 ~HN 。各積分電路Sn 係具有共通之構成。此外，各保持電路Hn 係具有共通之構成。
各積分電路Sn 係具有與讀出用佈線LO,n 連接之輸入端，且儲存輸入於此輸入端之電荷，而將與該儲存電荷量對應之電壓值從輸出端輸出至保持電路Hn 。N個積分電路S1 ~SN 係藉由共通之控制線而與控制部30連接。
各保持電路Hn 係具有與積分電路Sn 之輸出端連接之輸入端，且保持輸入於此輸入端之電壓值，而將該所保持之電壓值從輸出端輸出至輸出用佈線Lout 。N個保持電路H1 ~HN 係藉由共通之控制線而與控制部30連接。此外，各保持電路Hn 係亦藉由個別之控制線而與控制部30連接。
虛設用受光部11與虛設用受光部12係包夾受光部10而設。虛設用受光部11係設於相對於受光部10為與信號讀出部20相反之側，將2×N個虛設用像素部D-P1,1 ~D-P2,N 2次元排列成2列N行者。此外，虛設用受光部12係設於受光部10與信號讀出部20之間，將2×N個虛設用像素部D-P3,1 ~D-P4,N 2次元排列成2列N行者。此等4×N個虛設用像素部D-P1,1 ~D-P4,N 係具有共通之構成，包括虛設用光二極體。另外，圖中所示之控制信號D-Vsel(1)~D-Vsel(4)在後述之第1態樣之情形下雖不需要，惟在後述之第2態樣之情形下則需要。
控制部30係為將第m列選擇控制信號Vsel(m)分別給予至第m列N個像素部Pm,1 ~Pm,N 。M個列選擇控制信號Vsel(1)~Vsel(M)係依序設為有意義值。控制部30係為了將M個列選擇控制信號Vsel(1)~Vsel(M)依序輸出作為有意義值而包括位移暫存器(shift registor)。另外，圖1中所示之列選擇部31係為將此等M個列選擇控制信號Vsel(1)~Vsel(M)予以輸出者。
控制部30係將第n行選擇控制信號Hsel(n)給予至保持電路Hn 。N個行選擇控制信號Hsel(1)~Hsel(N)係依序設為有意義值。控制部30係為了將N個行選擇控制信號Hsel(1)~Hsel(N)依序輸出作為有意義值而包括位移暫存器。另外，將N個行選擇控制信號Hsel(1)~Hsel(N)予以輸出之行選擇部，在圖1(a)之俯視圖中，亦可配置於信號讀出部20與接合焊墊部40之間。
控制部30係為將放電控制信號Reset分別給予至N個積分電路S1 ~SN ，此外，將保持控制信號Hold分別給予至N個保持電路H1 ~HN 。
控制部30係如以上所述，控制受光部10中M×N個像素部P1,1 ~PM,N 各個所含之開關之開閉動作，並且控制信號讀出部20中之電壓值之保持動作及輸出動作。藉此，控制部30係從信號讀出部20重複輸出電壓值作為訊框(frame)資料，該電壓值係為與在受光部10中之M×n個像素部P1,1 ~PM,N 各個所含之光二極體中所產生之電荷之量對應者。
此外，固體攝像裝置1係具備用以將虛設用受光部11、12之虛設用像素部D-P1,1 ~D-P4,N 所含之虛設用光二極體之接合電容部予以放電之放電機構。此放電機構係可為藉由對於虛設用光二極體施加一定電壓，而將該虛設用光二極體之接合電容部予以放電者(第1態樣)，此外，亦可與將各像素部Pm,n 所含之光二極體之接合電容部予以放電同樣之方式以藉由控制部30之控制而將虛設用光二極體之接合電容部予以放電者(第2態樣)。以下就放電機構之第1態樣及第2態樣各個進行說明。
首先，使用圖3及圖4說明本實施形態之固體攝像裝置1之第1態樣。圖3係為本實施形態之固體攝像裝置1之第1態樣之電路圖。在此圖中，係表示有虛設用像素部D-P1,n 、像素部Pm,n 、虛設用像素部D-P3,n 、積分電路Sn 及保持電路Hn 各個電路圖。在此，係代表M×N個像素部P1,1 ~PM,N 來表示像素部Pm,n 之電路圖，且代表N個積分電路S1 ~SN 來表示積分電路Sn 之電路圖。此外，代表N個保持電路H1 ~HN 來表示保持電路Hn 之電路圖。亦即，表示有與第m列第n行之像素部Pm,n 及第n行讀出用佈線LO,n 關聯之電路部份。再者，代表虛設用受光部11所含之2×N個虛設用像素部D-P1,1 ~D-P2,N 來表示虛設用像素部D-P1,n ，此外，代表虛設用受光部12所含之2×N個虛設用像素部D-P3,1 ~DP4,N 來表示虛設用像素部D-P3,n 。
像素部Pm,n 係包括光二極體PD及開關SW1 。光二極體PD之陽極端子係接地。位於第n行之M個像素部P1,n ~PM,n 各個所含之光二極體PD之陰極端子，係經由開關SW1 而與第n行讀出用佈線LO,n 連接。光二極體PD係產生與入射光強度對應之量之電荷，且將其所產生之電荷儲存於接合電容部。像素部Pm,n 之開關SW1 係從控制部30給予第m行選擇控制信號Vsel(m)。第m列選擇控制信號Vsel(m)係為用以指示受光部10中之第m列N個像素部Pm,1 ~Pm,N 各個所含之開關SW1 之開閉動作者。
在此像素部Pm,n 中，係於第m列選擇控制信號Vsel(m)為低位準時，開關SW1 打開，而在光二極體PD所產生之電荷，未輸出至第n行讀出用佈線LO,n ，而儲存於接合電容部。另一方面，第m列選擇控制信號Vsel(m)為高位準時，則開關SW1 關閉，到目前為止在光二極體PD產生而儲存於接合電容部之電荷，係經由開關SW1 ，而輸出至第n行讀出用佈線LO,n 。
第n行讀出用佈線LO,n 係與受光部10中第n行M個像素部P1,n ~PM,n 各個所含之開關SW1 連接。第n行讀出用佈線LO,n 係將在M個像素部P1,n ~PM,n 之中任一個像素部所含之光二極體PD所產生之電荷，經由該像素部所含之開關SW1 來讀出，且傳送至積分電路Sn 。
積分電路Sn 係包括放大器(amplifier)A2 、積分用電容元件C2 及放電用開關SW2 。積分用電容元件C2 及放電用開關SW2 係彼此並聯連接，且設於放大器A2 之輸入端子與輸出端子之間。放大器A2 之輸入端子係與第n行讀出用佈線LO,n 連接。放電用開關SW2 係從控制部30給予放電控制信號Reset。放電控制信號Reset係為用以指示N個積分電路S1 ~SN 各個所含之放電用開關SW2 之開閉動作者。
在此積分電路Sn 中，放電控制信號Reset為高位準時，放電用開關SW2 關閉，積分用電容元件C2 放電，而從積分電路Sn 輸出之電壓值被初期化。放電控制信號Reset為低位準時，放電用開關SW2 打開，輸入於輸入端之電荷儲存於積分用電容元件C2 ，而與該儲存電荷量對應之電壓值從積分電路Sn 輸出。
保持電路Hn 係包括輸入用開關SW31 、輸出用開關SW32 、及保持用電容元件C3 。保持用電容元件C3 之一端係接地。保持用電容元件C3 之另一端係經由輸入用開關SW31 而與積分電路Sn 之輸出端連接，且經由輸出用開關SW32 而與電壓輸出用佈線Lout 連接。輸入用開關SW31 係從控制部30給予保持控制信號Hold。保持控制信號Hold係為用以指示N個保持電路H1 ~HN 各個所含之輸入用開關SW31 之開閉動作者。輸出用開關SW32 係從控制部30給予第n行選擇控制信號Hsel(n)。第n行選擇控制信號Hsel(n)係為用以指示保持電路Hn 所含之輸出用開關SW32 之開閉動作者。
在此保持電路Hn 中，若保持控制信號Hold從高位準轉為低位準，則輸出用開關SW31 即從閉狀態轉為開狀態，而該時輸入於輸入端之電壓值即保持於保持用電容元件C3 。此外，第n行選擇控制信號Hsel(n)為高位準時，輸出用開關SW32 關閉，而保持於保持用電容元件C3 之電壓值輸出至電壓輸出用佈線Lout 。
虛設用像素部D-P1,1 ~D-P4,N 各個係包括虛設用光二極體D-PD。虛設用光二極體D-PD之陽極電極係接地。虛設用光二極體D-PD之陰極端子係與偏壓(bias)電壓供給用佈線Lbias 連接，用以施加一定電壓值之偏壓電壓值Vbias 。藉由此偏壓電壓值Vbias 之施加，虛設用光二極體D-PD之接合電容部係放電且被初期化。
控制部30係在將與受光部10中之第m列N個像素部Pm,1 ~Pm,N 各個受光強度對應之電壓值予以輸出之際，藉由放電控制信號Reset，指示將N個積分電路S1 ~SN 各個所含之放電用開關SW2 一旦關閉之後要打開之後，藉由第m列選擇控制信號Vsel(m)，指示將受光部10中之第m列N個像素部Pm,1 ~Pm,N 各個所含之開關SW1 遍及特定期間關閉。控制部30係在該特定期間藉由保持控制信號Hold，指示將N個保持電路H1 ~HN 各個所含之輸入用開關SW31 從閉狀態轉為開狀態。再者，控制部30係在該特定期間之後，藉由行選擇控制信號Hsel(1)~Hsel(N)，指示將N個保持電路H1 ~HN 各個所含之輸出用開關SW32 依序僅關閉一定期間。控制部30係就各列依序進行如以上之控制。
圖4係為說明本實施形態之固體攝像裝置1之第1態樣之動作之時序圖。在本實施形態之固體攝像裝置1中，係可在藉由控制部30之控制之下，藉由M個列選擇控制信號Vsel(1)~Vsel(M)、N個行選擇控制信號Hsel(1)~Hsel(N)、放電控制信號Reset及保持控制信號Hold各個在特定之時序位準變化，將入射於受光部10之光之像進行攝像而獲得訊框資料。
在此圖中，係從上依順序表示有(a)用以指示N個積分電路S1 ~SN 各個所含之放電用開關SW2 之開閉動作之放電控制信號Reset、(b)用以指示受光部10中之第1列N個像素部P1,1 ~P1,N 各個所含之開關SW1 之開閉動作之第1列選擇控制信號Vsel(1)、(c)用以指示受光部10中之第2列N個像素部P2,1 ~P2,N 各個所含之開關SW1 之開閉動作之第2列選擇控制信號Vsel(2)、(d)用以指示受光部10中之第3列N個像素部P3,1 ~P3,N 各個所含之開關SW1 之開閉動作之第3列選擇控制信號Vsel(3)、(e)用以指示受光部10中之第m列N個像素部Pm,1 ~Pm,N 各個所含之開關SW1 之開閉動作之第m列選擇控制信號Vsel(m)、及(f)用以指示受光部10中之第M列N個像素部PM,1 ~PM,N 各個所含之開關SW1 之開閉動作之第M列選擇控制信號Vsel(M)。
此外，在此圖中，係進一步繼續依順序表示有(g)用以指示N個保持電路H1 ~HN 各個所含之輸入用開關SW31 之開閉動作之保持控制信號Hold、(h)用以指示保持電路H1 所含之輸出用開關SW32 之開閉動作之第1行選擇控制信號Hsel(1)、(i)用以指示保持電路H2 所含之輸出用開關SW32 之開閉動作之第2行選擇控制信號Hsel(2)、(j)用以指示保持電路H3 所含之輸出用開關SW32 之開閉動作之第3行選擇控制信號Hsel(3)、(k)用以指示保持電路Hn 所含之輸出用開關SW32 之開閉動作之第n行選擇控制信號Hsel(n)、及(1)用以指示保持電路HN 所含之輸出用開關SW32 之開閉動作之第N行選擇控制信號Hsel(N)。
在第1列N個像素部P1,1 ~P1,N 各個所含之光二極體PD中產生且儲存於接合電容部之電荷之讀出，係以以下之方式進行。在時刻t10 前，M個列選擇控制信號Vsel(1)~Vsel(M)、N個行選擇控制信號Hsel(1)~Hsel(N)及保持控制信號Hold各個係設為低位準。在時刻t10 前，從控制部30輸出之放電控制信號Reset成為高位準，藉此，在N個積分電路S1 ~SN 各個中，放電用開關SW2 關閉，而積分用電容元件C2 放電，且輸出電壓值被初期化。
從時刻t10 到時刻t11 之期間，放電控制信號Reset成為低位準，藉此，在N個積分電路S1 ~SN 各個中，放電用開關SW2 打開，而成為電荷可儲存於積分用電容元件C2 之狀態。從時刻t10 到時刻t11 之期間內之一定期間中，從控制部30輸出之第1列選擇控制信號Vsel(1)成為高位準，藉此，受光部10中之第1列N個像素部P1,1 ~P1,N 各個所含之開關SW1 即關閉。此外，在此第1列選擇控制信號Vsel(1)成為高位準之期間內之一定期間中，從控制部30輸出之保持控制信號Hold成為高位準，藉此，輸入用開關SW31 在N個保持電路H1 ~HN 各個中關閉。
期間(t10 ~t11 )之中放電控制信號Reset為低位準且第1列選擇控制信號Vsel(1)為高位準之期間中，第1列各像素部P1,n 所含之開關SW1 係關閉，而各積分電路Sn 之放電用開關SW2 係打開，因此至目前為止在像素部P1,n 之光二極體PD中所產生而儲存於接合電容部之電荷，係通過該像素部P1,n 之開關SW1 及第n行讀出用佈線LO,n ，傳送至積分電路Sn 之積分用電容元件C2 予以儲存。再者，與儲存於各積分電路Sn 之積分用電容元件C2 之電荷之量對應之電壓值係從積分電路Sn 之輸出端輸出。
在期間(t10 ~t11 )內藉由保持控制信號Hold從高位準轉為低位準，在N個保持電路H1 ~HN 各個中，輸入用開關SW31 即從閉狀態轉為開狀態，且此時從積分電路Sn 之輸出端輸出而輸入於保持電路Hn 之輸入端之電壓值係保持於保持用電容元件C3 。
再者，在該期間之後之期間(t11 ~t20 )內，從控制部30輸出之行選擇控制信號Hsel(1)~Hsel(N)依序成為高位準僅一定期間，藉此，將N個保持電路H1 ~HN 各個所含之輸出用開關SW32 依序僅關閉一定期間，而保持於各保持電路Hn 之保持用電容元件C3 之電壓值係經由輸出用開關SW32 而依序輸出至電壓輸出用佈線Lout 。輸出至此電壓輸出用佈線Lout 之電壓值Vout 係為用以表示第1列N個像素部P1,1 ~P1,N 各個所含之光二極體PD中之發光強度者。
接下來，在第2列N個像素部P2,1 ~P2,N 各個所含之光二極體PD中產生且儲存於接合電容部之電荷之讀出，係以以下之方式進行。
從時刻t20 到時刻t21 之期間，放電控制信號Reset成為低位準，藉此，在N個積分電路S1 ~SN 各個中，放電用開關SW2 打開，而成為電荷可儲存於積分用電容元件C2 之狀態。從時刻t20 到時刻t21 之期間內之一定期間中，從控制部30輸出之第2列選擇控制信號Vsel(2)成為高位準，藉此，受光部10中之第2列N個像素部P2,1 ~P2,N 各個所含之開關SW2 即關閉。此外，在此第2列選擇控制信號Vsel(2)成為高位準之期間內之一定期間中，從控制部30輸出之保持控制信號Hold成為高位準，藉此，輸入用開關SW31 在N個保持電路H1 ~HN 各個中關閉。
期間(t20 ~t21 )之中放電控制信號Reset為低位準且第2列選擇控制信號Vsel(2)為高位準之期間中，第2列各像素部P2,n 所含之開關SW1 係關閉，而各積分電路Sn 之放電用開關SW2 係打開，因此至目前為止在各像素部P2,n 之光二極體PD中所產生而儲存於接合電容部之電荷，係通過該像素部P2,n 之開關SW1 及第n行讀出用佈線LO,n ，傳送至積分電路Sn 之積分用電容元件C2 予以儲存。再者，與儲存於各積分電路Sn 之積分用電容元件C2 之電荷之量對應之電壓值係從積分電路Sn 之輸出端輸出。
在期間(t20 ~t21 )內藉由保持控制信號Hold從高位準轉為低位準，在N個保持電路H1 ~HN 各個中，輸入用開關SW31 即從閉狀態轉為開狀態，且此時從積分電路Sn 之輸出端輸出而輸入於保持電路Hn 之輸入端之電壓值係保持於保持用電容元件C3 。
再者，在該期間之後之期間(t21 ~t30 )內，從控制部30輸出之行選擇控制信號Hsel(1)~Hsel(N)依序成為高位準僅一定期間，藉此，將N個保持電路H1 ~HN 各個所含之輸出用開關SW32 依序僅關閉一定期間，而保持於各保持電路Hn 之保持用電容元件C3 之電壓值係經由輸出用開關SW32 而依序輸出至電壓輸出用佈線Lout 。輸出至此電壓輸出用佈線Lout 之電壓值Vout 係為用以表示第2列N個像素部P2,1 ~P2,N 各個所含之光二極體PD中之發光強度者。
接續關於以上之第1列及第2列之動作，在以後從第3列到第M列進行同樣之動作，而獲得表示藉由1次攝像所獲得之圖像之訊框資料。此外，關於第M列若動作終了，則再度從第1列進行同樣之動作，而獲得表示下一個圖像之訊框資料。如此，以一定周期重複同樣之動作，藉此將表示受光部10所受光之光之像之2次元強度分布之電壓值Vout 輸出至電壓輸出用佈線Lout ，重複進行而獲得訊框資料。
在藉由以上方式重複進行而獲得訊框資料之期間，若穿透閃爍體層50之放射線或閃爍光入射至受光部10以外之周邊區域(例如信號讀出部20、控制部30、接合焊墊部40等)，則在該入射位置亦有電荷產生之情形。尤其是閃爍體層50蒸鍍於半導體基板2之表面上而形成之情形下，在閃爍體層50之周緣部，由於較薄而使放射線容易穿透，而容易產生雜訊電荷。此外，如圖1(a)之俯視圖所示，受光部10在左右方向較上下方向為長條狀之情形下，在受光部10之上側或下側之周邊區域配置信號讀出部20或接合焊墊部40，而配置此等之周邊區域之部份之面積係較受光部10之面積大，由此亦可明瞭，在此周邊區域中容易產生雜訊電荷。再者，有因為在信號讀出部20所含之放大器之發熱而產生雜訊電荷之情形。
在此等周邊區域所產生之雜訊電荷，亦有從產生位置移動，而朝向受光部10之情形。然而，在本實施形態中，由於設有分別包括虛設用光二極體D-PD之虛設用受光部11、12，因此該雜訊電荷係儲存於虛設用光二極體D-PD之接合電容部。再者，在第1態樣中，由於係對於虛設用光二極體施加一定電壓，而使該虛設用光二極體之接合電容部放電且初期化，因此抑制雜訊電荷進入受光部10。藉此，在本實施形態之固體攝像裝置1中，係可獲得正確之放射線像。
接著使用圖5及圖6說明本實施形態之固體攝像裝置1之第2態樣。圖5係為本實施形態之固體攝像裝置1之第2態樣之電路圖。在此圖中，係表示有虛設用像素部D-P1,n 、像素部Pm,n 、虛設用像素部D-P3,n 、積分電路Sn 及保持電路Hn 各個電路圖。在此，係代表M×N個像素部P1,1 ~PM,N 而表示像素部Pm,n 之電路圖，且代表N個積分電路S1 ~SN 而表示積分電路Sn 之電路圖，此外，代表N個保持電路H1 ~HN 而表示保持電路Hn 之電路圖。亦即，表示有關於第m列第n行之像素部Pm,n 及第n行讀出用佈線LO,n 之電路部份。再者，代表虛設用受光部11所含之2×N個虛設用像素部D-P1,1 ~D-P2,N 而表示虛設用像素部D-P1,n ，此外代表虛設用受光部12所含之2×N個虛設用像素部D-P3,1 ~D-P4,N 而表示有虛設用像素部D-P3,n 。
若與圖3所示之第1態樣之構成比較，在該圖5所示之第2態樣之構成中，係在4×N個虛設用像素部D-P1,1 ～D-P4,N 各個之構成之點相異，此外，在此等虛設用像素部之連接關係之點相異。虛設用像素部D-P1,1 ~DP4,N 各個係包括虛設用光二極體D-PD及虛設用開關D-SW。虛設用光二極體D-PD之陽極端子係接地。位於第n行之4個虛設用像素部D-P1,n ~D-P4,N 各個所含之虛設用光二極體D-PD之陰極端子，係經由虛設用開關D-SW而與第n行讀出用佈線LO,n 連接。
N個虛設用像素部D-P1,1 ~D-P1,N 各個之虛設用開關D-SW之開閉動作，係藉由從控制部30輸出之控制信號D-Vsel(1)來控制。N個虛設用像素部D-P2,1 ~D-P2,N 各個之虛設用開關D-SW之開閉動作，係藉由從控制部30輸出之控制信號D-Vsel(2)來控制。N個虛設用像素部D-P3,1 ~D-P3,N 各個之虛設用開關D-SW之開閉動作，係藉由從控制部30輸出之控制信號D-Vsel(3)來控制。此外，N個虛設用像素部D-P4,1 ~D-P4,N 各個之虛設用開關D-SW之開閉動作，係藉由從控制部30輸出之控制信號D-Vsel(4)來控制。
圖6係為說明本實施形態之固體攝像裝置1之第2態樣動作之時序圖。在本實施形態之固體攝像裝置1中，係在藉由控制部30之控制之下，藉由M個列選擇控制信號Vsel(1)~Vsel(M)、N個行選擇控制信號Hsel(1)~Hsel(N)、放電控制信號Reset、保持控制信號Hold及4個控制信號D-Vsel(1)~D-Vsel(4)各個在特定之時序位準變化，將入射於受光部10之光之像進行攝像而獲得訊框資料。
在此圖6所示之第2態樣之流程圖中，若與圖4所示之第1態樣之時序圖比較，進一步表示有4個控制信號D-Vsel(1)~D-Vsel(4)各個。此外，從此圖6所示之第2態樣之流程圖中之時刻t10 到時刻t0 之動作，係與圖4所示之第1態樣之流程圖中從受光部10之第1列到第M列之動作同樣。
在第2態樣中，係在較受光部10之第1列之動作開始之時刻t10 之前，且於放電控制信號Reset為高位準之期間，控制信號D-Vsel(1)及控制信號D-Vsel(2)各個成為高位準僅一定期間。此外，在第2態樣中，係在較受光部10之第M列之動作結束之時刻t0 之後，且於放電控制信號Reset為高位準之期間，控制信號D-Vsel(3)及控制信號D-Vsel(4)各個成為高位準僅一定期間。
若放電控制信號Reset為高位準，則在N個積分電路S1 ~SN 各個中，放電用開關SW2 關閉，且積分用電容元件C2 放電，而輸出電壓值被初期化。此時，若控制信號D-Vsel(1)成為高位準，則在虛設用受光部11之N個虛設用像素部D-P1,1 ~D-P1,N 各個中，虛設用開關D-SW關閉，而虛設用光二極體D-PD之接合電容部放電且初期化。若控制信號D-Vsel(2)成為高位準，則在虛設用受光部11之N個虛設用像素部D-P2,1 ~D-P2,N 各個中，虛設用開關D-SW關閉，而虛設用光二極體D-PD之接合電容部放電且初期化。若控制信號D-Vsel(3)成為高位準，則在虛設用受光部12之N個虛設用像素部D-P3,1 ~D-P3,N 各個中，虛設用開關D-SW關閉，而虛設用光二極體D-PD之接合電容部放電且初期化。此外，若控制信號D-Vsel(4)成為高位準，則在虛設用受光部12之N個虛設用像素部D-P4,1 ~D-P4,N 各個中，虛設用開關D-SW關閉，而虛設用光二極體D-PD之接合電容部放電且初期化。
在第2態樣中，亦有在周邊區域產生之雜訊電壓，從產生位置移動而朝向受光部10之情形。然而，在本實施形態中，由於設有分別包括虛設用光二極體D-PD之虛設用受光部11、12，因此該雜訊電荷係儲存於虛設用光二極體D-PD之接合電容部。再者，在第2態樣中，係藉由虛設用像素部D-P1,1 ~D-P4,N 各個虛設用開關D-SW設為閉狀態，並且將積分電路Sn 之電容元件C2 放電，而使虛設用光二極體D-PD之接合電容部放電且初期化，因此抑制雜訊電荷進入受光部10。藉此，在本實施形態之固體攝像裝置1中，即可獲得正確之放射線像。
此外，在第1態樣中雖需用以對於虛設用像素部D-P1,1 ~D-P4,N 各個虛設用光二極體D-PD施加一定之偏壓電壓值Vbias 之偏壓電壓供給用佈線Lbias ，然而在第2態樣中，不需要此種偏壓電壓供給用佈線Lbias 。因此，與第1態樣比較，在第2態樣中，可將受光部10中之開口率提高。
本發明並不限定於上述實施形態，亦可作各種變形。例如，虛設用受光部11、12各個在上述實施形態中雖係為將2×N個虛設用像素部2次元排列成2列N行者，惟不限定於2列，亦可為1列，亦可為更多列。
虛設用受光部11、12各個，在上述實施形態中雖係為在各列排列有N個虛設用像素部者，惟關於各列並不限定於N個，亦可為較N個少，亦可較N個多。在虛設用受光部11、12各個中，於各列排列有未達N個虛設用像素部之情形下，各虛設用像素部D-P所含之1個虛設用光二極體D-PD之光感應區域之面積，係以較各像素部Pm,n 所含之1個光二極體PD之光感應區域之面積大為較佳(參照圖7)。此外，在虛設用受光部11、12各個中，亦可在各列設有1個虛設用像素部D-P，且該虛設用像素部D-P所含之虛設用光二極體D-PD之光感應區域在左右方向延伸(參照圖8)。
包括虛設用光二極體之虛設用受光部，不僅與受光部10之第1列及第M列之外側鄰接而設，亦可與受光部10之第1行或第N行之外側鄰接而設。此外，亦可以包圍受光部10之周圍之方式配置虛設用受光部13(參照圖9)。在與受光部10之第1行或第N行之外側鄰接而設之虛設用受光部中，所排列之虛設用光二極體之列數或行數係為任意，且虛設用光二極體之光感應區域之大小或形狀亦為任意。亦可以1個虛設用光二極體之光感應區域包圍受光部10之周圍之方式配置。
1．．．固體攝像裝置
2．．．半導體基板
3．．．基材
10．．．受光部
11、12．．．虛設用受光部
20．．．信號讀出部
30．．．控制部
31．．．列選擇部
40．．．接合焊墊部
50．．．閃爍體層
P1,1 ~PM,N ．．．像素部
PD．．．光二極體
SW1 ．．．開關
D-P1,1 ~D-P4,N ．．．虛設用像素部
D-PD．．．虛設用光二極體
D-SW．．．虛設用開關
S1 ~SN ．．．積分電路
C2 ．．．積分用電容元件
SW2 ．．．放電用開關
A2 ．．．放大器
H1 ~HN ．．．保持電路
C3 ．．．保持用電容元件
SW3l ．．．輸入用開關
SW32 ．．．輸出用開關
LO,n ．．．第n行讀出用佈線
Lbias ．．．偏壓電壓供給用佈線
Lout ．．．電壓輸出用佈線
圖1(a)~(c)係為本實施形態之固體攝像裝置1之俯視圖及剖面圖。
圖2係為本實施形態之固體攝像裝置1之構成圖。
圖3係為本實施形態之固體攝像裝置1之第1態樣之電路圖。
圖4係為說明本實施形態之固體攝像裝置1之第1態樣之動作之時序圖。
圖5係為本實施形態之固體攝像裝置1之第2態樣之電路圖。
圖6係為說明本實施形態之固體攝像裝置1之第2態樣之動作之時序圖。
圖7係為表示本實施形態之固體攝像裝置1之變形例之圖。
圖8係為表示本實施形態之固體攝像裝置1之變形例之圖。
圖9係為表示本實施形態之固體攝像裝置1之變形例之圖。
1．．．固體攝像裝置
2．．．半導體基板
3．．．基材
10．．．受光部
11．．．虛設用受光部
12．．．虛設用受光部
20．．．信號讀出部
31．．．列選擇部
40．．．接合焊墊部
50．．．閃爍體層

Claims (7)

  1. 一種固體攝像裝置，其特徵為：設M、N為2以上之整數，M<N，m為1以上M以下之整數，n為1以上N以下之整數，包括：受光部，其係使M×N個像素部P1,1 ~PM,N 2次元排列成M列N行，該M×N個像素部P1,1 ~PM,N 係分別包括產生與入射光強度對應之量之電荷的光二極體及與此光二極體連接之開關，且前述光二極體在各像素部Pm,n 中經由前述開關而連接於讀出用佈線LO,n ；閃爍體層，其以覆蓋前述受光部之方式設置，且依據放射線之入射而產生閃爍光；虛設(dummy)用受光部，其包括與前述受光部之第1列及第M列各個外側鄰接而配置之虛設用光二極體；信號讀出部，其設於前述受光部之第1列或第M列之外側，包括N個積分電路S1 ~SN 及N個保持電路H1 ~HN ，在各積分電路Sn 中將經過讀出用佈線LO,n 所輸入之電荷儲存於電容元件而輸出與該儲存電荷量對應之電壓值，在各保持電路Hn 中保持並輸出從積分電路Sn 所輸出之電壓值；及放電機構，其將前述虛設用光二極體之接合電容部予以放電；其中上述受光部、上述虛設用受光部及上述信號讀出部係形成於同一半導體基板之表面。
  2. 如請求項1之固體攝像裝置，其中 前述放電機構係藉由對於前述虛設用光二極體施加一定電壓，而將該虛設用光二極體之接合電容部予以放電。
  3. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述虛設用受光部進一步包括與前述虛設用光二極體連接之虛設用開關，前述虛設用光二極體係經由前述虛設用開關，藉由N條讀出用佈線LO,1 ~LO,N 之任一條而連接於N個積分電路S1 ~SN 之任一個；前述放電機構藉由使前述虛設用開關成為閉狀態，並且將N個積分電路S1 ~SN 之中所連接之積分電路之電容元件予以放電，而將前述虛設用光二極體之接合電容部予以放電。
  4. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述虛設用受光部包括與前述受光部之第1列及第M列各個鄰接而配置成複數列之虛設用光二極體。
  5. 如請求項1之固體攝像裝置，其中1個前述虛設用光二極體之光感應區域之面積大於各像素部Pm,n 所含之1個光二極體之光感應區域之面積。
  6. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述虛設用受光部進一步包括與前述受光部之第1行或第N行之外側鄰接而配置之虛設用光二極體。
  7. 一種固體攝像裝置，其特徵在於包括：受光部，其係像素部2次元排列，上述像素部包含光二極體及連接於前述光二極體之開關，且前述光二極體 係經由前述開關而連接至讀出用佈線；閃爍體層，其係覆蓋前述受光部；信號讀出部，其包含積分電路及保持電路，該積分電路係將經由前述讀出用佈線而輸入之電荷加以儲存，輸出與儲存電荷量對應之電壓值，該保持電路係保持從前述積分電路所輸出之電壓值；虛設用受光部，其係配置於前述受光部與前述信號讀出部之間，且包含虛設用光二極體；及放電機構，其將前述虛設用光二極體之接合電容部予以放電；其中上述受光部、上述虛設用受光部及上述信號讀出部係形成於同一半導體基板之表面。
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