TWI539585B - Solid state camera device - Google Patents

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TWI539585B TW100144678A TW100144678A TWI539585B TW I539585 B TWI539585 B TW I539585B TW 100144678 A TW100144678 A TW 100144678A TW 100144678 A TW100144678 A TW 100144678A TW I539585 B TWI539585 B TW I539585B
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Tomohiro IKEYA
Yasuhito Yoneta
Hisanori Suzuki
Masaharu Muramatsu
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

固態攝像裝置
本發明係關於一種固態攝像裝置。
作為固態攝像裝置，已知有包含具有複數個光感應區域之光電轉換部、取得自光感應區域分別傳送之電荷且傳送輸出之電荷輸出部、及排放自光感應區域分別傳送之電荷之電荷排放部者(例如，參照專利文獻1)。在記載於專利文獻1之固態攝像裝置中，各光感應區域成大致矩形狀。電荷輸出部配置於光感應區域之一邊側。電荷排放部配置於鄰接於上述一邊之光感應區域之另一邊側。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開平6-283704號公報
然而，近年來，一直追求可檢測微弱之光之固態攝像裝置。為使可檢測微弱之光，有效的方法是增大光感應區域，增加相應於光入射之電荷之產生量(提高對於入射光之感度)，且較長地設定電荷之蓄積期間。電荷之蓄積一般在進行不需要之電荷之排放後開始。因此，為使可在一定之蓄積期間內較長地設定電荷之蓄積期間，有必要縮短電荷之排放所費之期間。
於專利文獻1記載之固態攝像裝置，關於電荷之蓄積期間具有以下之問題點。若藉由加長配置有電荷輸出部之側之邊而增大光感應區域，則會導致排放電荷時光感應區域內之電荷移送距離增長。因此，無法縮短電荷之排放所費之期間。若藉由加長配置有電荷排放部之側之邊而增大光感應區域且配合光感應區域而增大電荷排放部，則可保持電荷排放時之光感應區域內之電荷移送距離較短。但，由於電荷排放部之電性應答變慢，因此直至開始電荷排放之期間較長，從而無法縮短電荷之排放所費之期間。基於該等狀況，若增大光感應區域，則無法較長地設定電荷之蓄積期間。
因此，本發明之目的在於提供一種對於入射光之感度較高且可較長地設定電荷之蓄積期間之固態攝像裝置。
本發明之固態攝像裝置，包含：光電轉換部，其具有相應於光入射而產生電荷且平面形狀成由兩條長邊與兩條短邊而形成之大致矩形狀，並並置於與長邊交叉之第1方向上之複數個光感應區域；電位梯度形成部，其係對向於複數個光感應區域而配置，且形成沿著自一短邊朝向另一短邊之第2方向之電位梯度；第1電荷輸出部，其係配置於一短邊側，且將自複數個光感應區域分別傳送之電荷於第1方向傳送輸出；第2電荷輸出部，其係配置於另一短邊側，且將自複數個光感應區域分別傳送之電荷於第1方向傳送輸出；第1電荷排放部，其係配置於一短邊側，且排放自複數個光感應區域分別傳送之電荷；第2電荷排放部，其係配置於另一短邊側，且排放自複數個光感應區域分別傳送之電荷；且電位梯度形成部具有形成沿第2方向降低之電位梯度之第1電位梯度形成區域、與形成沿第2方向升高之電位梯度之第2電位梯度形成區域，第2電位梯度形成區域相對於第1電位梯度形成區域而並置於第2方向。
在本發明之固態攝像裝置中，光感應區域由於其平面形狀成沿長邊延伸之形狀，因此具有比較廣之面積。藉此，可提高對於向光感應區域之入射光之感度。
在本發明中，電位梯度形成部具有第1電位梯度形成區域及第2電位梯度形成區域。產生於光感應區域之中對應於第1電位梯度形成區域之區域之電荷，藉由第1電位梯度形成區域形成之電位梯度而移送至上述一短邊側。移送至光感應區域之上述一短邊側之電荷，作為無用電荷藉由第1電荷排放部而排放。產生於光感應區域之中對應於第2電位梯度形成區域之區域之電荷，藉由第2電位梯度形成區域形成之電位梯度而移送至上述另一短邊側。移送至光感應區域之上述另一短邊側之電荷，作為無用電荷藉由第2電荷排放部而排放。以如此之方式，由於產生於光感應區域之電荷向一短邊側及另一短邊側分別移送，因此當產生於光感應區域之電荷作為無用電荷排放時，其排放所費時間較短。因此，可較長地設定電荷之蓄積期間。
第1電荷排放部及第2電荷排放部可對應於各光感應區域而配置。該情形，來自各光感應區域之電荷之排放所費期間更短。
第1電荷排放部及第2電荷排放部可對應於各在第1方向鄰接之兩個光感應區域而配置。該情形，可削減第1電荷排放部及第2電荷排放部之數量，而可使各第1電荷排放部及第2電荷排放部較大地形成。因此，可容易形成第1電荷排放部及第2電荷排放部。
再者，第1電荷排放部與第2電荷排放部可沿第1方向交互配置。在各第1電荷排放部及第2電荷排放部，有自對應之兩個光感應區域之一側傳送之電荷之排放速度、與自另一側傳送之電荷之排放速度不同之情形。即使如此之情形，由於各光感應區域自上述一側傳送電荷至第1電荷排放部及第2電荷排放部之一方，自上述另一側傳送電荷至另一方，因此可減輕各光感應區域之電荷排放期間之差異。
進而可具備對自第1電荷輸出部輸出之電荷加上自第2電荷輸出部輸出之電荷之相加部。該情形無需在固態攝像裝置之外部之相加處理。
可進而具備配置於一短邊側且蓄積自複數個光感應區域分別傳送之電荷之第1電荷蓄積部、與配置於另一短邊側且蓄積自複數個光感應區域分別傳送之電荷之第2電荷蓄積部，且第1電荷輸出部於第1方向傳送輸出自第1電荷蓄積部傳送之電荷，第1電荷排放部排放自第1電荷蓄積部傳送之電荷，第2電荷輸出部於第1方向傳送輸出自第2電荷蓄積部傳送之電荷，第2電荷排放部排放自第2電荷蓄積部傳送之電荷。該情形，由於無需使第1電荷輸出部、第2電荷輸出部、第1電荷排放部、及第2電荷排放部鄰接於光感應區域，因此各部之配置之自由度較高。
電位梯度形成部可具有對向於複數個光感應區域而配置之導電性構件、連接於導電性構件在第2方向之兩端部之一對電極、及在兩端部之間連接於導電性構件之電極。該情形以導電性構件及電極之類的簡單構成而形成電位梯度。
上述固態攝像裝置可為背面入射型。
根據本發明，可提供一種對於入射光之感度較高且可較長地設定電荷之蓄積期間之固態攝像裝置。
以下，參照附加圖式，詳細說明本發明之較佳實施形態。另，在說明中，於同一要件或具有同一功能之要件，使用同一符號，省略重複之說明。
圖1係顯示本實施形態之固態攝像裝置之構成之俯視圖。圖2係說明沿圖1之II-II線之剖面構成之圖。圖3係說明沿圖1之III-III線之剖面構成之圖。圖4係說明沿圖1之IV-IV線之剖面構成之圖。
本實施形態之固態攝像裝置1具備光電轉換部2、電位梯度形成部3、複數個第1電荷蓄積部4、複數個第1電荷傳送部5、複數個第1電荷排放部6、作為第1電荷輸出部之第1移位暫存器7、複數個第2電荷蓄積部8、複數個第2電荷傳送部9、複數個第2電荷排放部10、作為第2電荷輸出部之第2移位暫存器11、及相加部12。固態攝像裝置1可作為例如光譜儀之光檢測機構而使用。
光電轉換部2具有相應於光入射而產生電荷之複數個光感應區域13。各光感應區域13之平面形狀成由兩條長邊與兩條短邊而組成之大致矩形狀。複數個光感應區域13在與長邊交叉之第1方向(此處為沿著短邊之一維方向)上並置。於鄰接之光感應區域13之間，分別配置有隔離區域(未圖示)，使光感應區域13之間電性分離。在本實施形態中，第1方向與長邊正交。
電位梯度形成部3具有導電性構件14、一對電極15a、15b、及電極16。電位梯度形成部3形成沿著自各光感應區域13之一短邊朝向另一短邊之第2方向之電位梯度。導電性構件14以對向於各光感應區域13之方式配置。電位電極15a、15b分別配置於導電性構件14在第2方向之兩端部。電極15a配置於上述一短邊側之端部，電極15b配置於上述另一短邊側之端部。電極15a、15b分別配置於較導電性構件14在第2方向之端更內側。電極15a、15b亦可分別配置於導電性構件14在第2方向之端。電極16配置於電極15a、15b之大致中間位置。
各第1電荷蓄積部4在上述一短邊側，配置於各光感應區域13。各第1電荷蓄積部4與對應之光感應區域13在第2方向鄰接。即，複數個第1電荷蓄積部4，在上述一短邊側，於第1方向並置。於鄰接之第1電荷蓄積部4之間，分別配置有隔離區域(未圖示)，使第1電荷蓄積部4之間電性分離。各第1電荷蓄積部4，蓄積自對應之光感應區域13傳送之電荷。各第1電荷蓄積部4，將電荷傳送至各第1電荷傳送部5。各第1電荷蓄積部4，將電荷傳送至各第1電荷排放部6。
各第1電荷傳送部5，配置於各第1電荷蓄積部4。各第1電荷傳送部5，與對應之第1電荷蓄積部4在第2方向鄰接。即，複數個第1電荷傳送部5，在上述一短邊側，於第1方向並置。於鄰接之第1電荷傳送部5之間，分別配置有隔離區域(未圖示)，使第1電荷傳送部5之間電性分離。各第1電荷傳送部5，取得自對應之第1電荷蓄積部4傳送之電荷，並向第1移位暫存器7傳送。
各第1電荷排放部6，配置於各第1電荷蓄積部4。即，複數個第1電荷排放部6，對應於各光感應區域13而配置。各第1電荷排放部6，與對應之第1電荷蓄積部4在第1方向鄰接。各第1電荷排放部6，在上述一短邊側，沿第1方向與第1電荷蓄積部4交互並置。各第1電荷排放部6，排放自對應之第1電荷蓄積部4傳送之電荷。
第1移位暫存器7與各第1電荷傳送部5在第2方向鄰接。即，第1移位暫存器7配置於上述一短邊側。第1移位暫存器7分別取得自各第1電荷傳送部5傳送之電荷，於第1方向傳送而依序輸出至相加部12。
各第2電荷蓄積部8在上述另一短邊側，配置於各光感應區域13。各第2電荷蓄積部8與對應之光感應區域13在第2方向鄰接。即，複數個第2電荷蓄積部8，在上述另一短邊側，於第1方向並置。於鄰接之第2電荷蓄積部8之間，分別配置有隔離區域(未圖示)，使第2電荷蓄積部8之間電性分離。各第2電荷蓄積部8，蓄積自對應之光感應區域13傳送之電荷。各第2電荷蓄積部8，將電荷傳送至各第2電荷傳送部9。各第2電荷蓄積部8，將電荷傳送至各第2電荷排放部10。
各第2電荷傳送部9，配置於各第2電荷蓄積部8。各第2電荷傳送部9，與對應之第2電荷蓄積部8在第2方向鄰接。即，複數個第2電荷傳送部9，在上述另一短邊側，於第1方向並置。於鄰接之第2電荷傳送部9之間，分別配置有隔離區域(未圖示)，使第2電荷傳送部9之間電性分離。各第2電荷傳送部9，取得自對應之第2電荷蓄積部8傳送之電荷，並向第2移位暫存器11傳送。
各第2電荷排放部10，配置於各第2電荷蓄積部8。即，複數個第2電荷排放部10，對應於各光感應區域13而配置。各第2電荷排放部10，與對應之第2電荷蓄積部8在第1方向鄰接。各第2電荷排放部10，在上述另一短邊側，沿第1方向與第2電荷蓄積部8交互並置。各第2電荷排放部10，排放自對應之第2電荷蓄積部8傳送之電荷。
第2移位暫存器11與各第2電荷傳送部9在第2方向鄰接。即，第2移位暫存器11配置於上述另一短邊側。第2移位暫存器11分別取得自各第2電荷傳送部9傳送之電荷，於第1方向傳送而依序輸出至相加部12。
相加部12於自第1移位暫存器7輸出之電荷加上自第2移位暫存器11輸出之電荷而輸出。自相加部12輸出之電荷，藉由放大部17轉換成電壓，而輸出至固態攝像裝置1之外部。
光電轉換部2、電位梯度形成部3、複數個第1電荷蓄積部4、複數個第1電荷傳送部5、複數個第1電荷排放部6、第1移位暫存器7、複數個第2電荷蓄積部8、複數個第2電荷傳送部9、複數個第2電荷排放部10、及第2移位暫存器11，如圖2~4所示，形成於半導體基板20上。半導體基板20含有：成為基體之p型半導體層21；形成於p型半導體層21之一面側之複數個n型半導體層22、23、25、27、29、31、33；複數個n-型半導體層24、26、30、32；及p+型半導體層28、34。如圖3所示，半導體基板20含有形成於p型半導體層21之一面側之p+型半導體層35。如圖4所示，半導體基板20含有形成於p型半導體層21之一面側之n-型半導體層36、38及n+半導體層37、39。
在本實施形態中，作為基板材料使用Si。「高雜質濃度」是指雜質濃度為例如1×1017 cm-3左右以上。藉由於導電型附上「+」，顯示其為「高雜質濃度」。「低雜質濃度」是指雜質濃度為例如1×1015 cm-3左右以下。藉由於導電型附上「-」，顯示其為「低雜質濃度」。作為n型雜質有砷或磷等，作為p型雜質有硼等。
如圖2所示，各n型半導體層22與p型半導體層21形成pn接合，藉由各n型半導體層22而構成有各光感應區域13。固態攝像裝置1為背面入射型之固態攝像裝置，光自p型半導體層21側入射。各n型半導體層22之平面形狀，成由兩條長邊與兩條短邊所組成之大致矩形狀，該平面形狀與各光感應區域13之平面形狀對應。複數個n型半導體層22於第1方向並置。於鄰接之n型半導體層22之間，分別配置有p+型半導體層35，藉由該p+型半導體層35而構成有光感應區域13之間的隔離區域(參照圖3)。
於各n型半導體層22上配置有導電性構件14。導電性構件14介隔絕緣層(未圖示)而形成於各n型半導體層22上。電極15a、15b分別連接於導電性構件14在第2方向之兩端部。電極16在電極15a、15b之大致中間位置連接於導電性構件14。導電性構件14、及電極15a、15b、16，以於第1方向延伸而跨各n型半導體層22之方式形成(參照圖1)。在本實施形態中，作為導電性構件14之材料，可使用多晶矽等，作為電極15a、15b、16之材料，可使用鋁等。
導電性構件14構成所謂電阻性閘極。對電極15a、15b，自控制電路(未圖示)賦予信號MGH，對電極16，自控制電路(未圖示)賦予信號MGL。若信號MGL與信號MGH為L位準，則不會於導電性構件14形成電位梯度。信號MGL在H位準之施加電壓與信號MGH在H位準之施加電壓不同。信號MGH在H位準之施加電壓高於信號MGL在H位準之施加電壓。因此，若信號MGL與信號MGH為H位準，則於導電性構件14形成自電極15a向電極16(沿第2方向)降低之電位梯度，且於導電性構件14形成自電極16向電極15b(沿第2方向)升高之電位梯度。因此，電位梯度形成部3如圖2所示，具有形成沿第2方向降低之電位梯度之第1電位梯度形成區域3a、與形成沿第2方向升高之電位梯度之第2電位梯度形成區域3b。第2電位梯度形成區域3b相對第1電位梯度形成區域3a而並置於第2方向。
各n型半導體層23，在上述一短邊側，配置於各n型半導體層22。各n型半導體層23與對應之n型半導體層22在第2方向鄰接。即，複數個n型半導體層23，在上述一短邊側，於第1方向並置。藉由各n型半導體層23而構成有各第1電荷蓄積部4。各n型半導體層23之平面形狀，成由沿著第2方向之二邊與交叉於第2方向之二邊所組成之大致矩形狀。各n型半導體層23之交叉於第2方向之一邊相接於對應之n型半導體層22之上述一短邊。第1電荷蓄積部4，對應於n型半導體層23之平面形狀，具有由沿著第2方向之二邊與交叉於第2方向之二邊所組成之大致矩形狀之第1電荷蓄積區域A1。於鄰接之n型半導體層23之間，與n型半導體層22之情形同樣分別配置有p+型半導體層35，而構成有第1電荷蓄積部4之間的隔離區域。
於各n型半導體層23上配置有電極41。電極41介隔絕緣層(未圖示)而形成於各n型半導體層23上。電極41以於第1方向延伸而跨各n型半導體層23之方式形成。電極41亦可形成於各n型半導體層23。對電極41，自控制電路(未圖示)賦予信號BG，而驅動第1電荷蓄積部4。
各n-型半導體層24配置於各n型半導體層23。各n-型半導體層24與對應之n型半導體層23在第2方向鄰接。即，複數個n-型半導體層24在上述一短邊側，並置於第1方向。各n型半導體層25配置於各n-型半導體層24。各n型半導體層25與對應之n-型半導體層24在第2方向鄰接。即，複數個n型半導體層25在上述一短邊側，並置於第1方向。藉由各n-型半導體層24及各n型半導體層25而構成有各第1電荷傳送部5。各n-型半導體層24以相接於對應之n型半導體層23之邊之中與第2方向交叉之一邊之方式而配置。各第1電荷傳送部5配置於對應之第1電荷蓄積區域A1之邊之中與第2方向交叉之一邊側。於相鄰之n-型半導體層24之間及相鄰之n型半導體層25之間，與n型半導體層22之情形同樣分別配置有p+型半導體層35，而構成第1電荷傳送部5之間的隔離區域。
於各n-型半導體層24及各n型半導體層25上配置有電極42。電極42介隔絕緣層(未圖示)而形成於各n-型半導體層24及各n型半導體層25上。電極42以於第1方向延伸且跨各n-型半導體層24及各n型半導體層25之方式而形成。電極42可形成於各n-型半導體層24、及各n型半導體層25。對電極42賦予信號TG而驅動第1電荷傳送部5。
各n-型半導體層26配置於各n型半導體層25。各n-型半導體層26與對應之n型半導體層25在第2方向鄰接。即，複數個n-型半導體層26在上述一短邊側，並置於第1方向。各n型半導體層27配置於各n-型半導體層26。各n型半導體層27與對應之n-型半導體層26在第2方向鄰接。即，複數個n型半導體層27在上述一短邊側，並置於第1方向。相鄰之n-型半導體層26及相鄰之n型半導體層27互相連接。藉由複數個n-型半導體層26及複數個n型半導體層27而構成第1移位暫存器7。
於各n-型半導體層26及各n型半導體層27上配置有電極43。電極43介隔絕緣層(未圖示)而形成於各n-型半導體層26及各n型半導體層27上。電極43形成於每對之n-型半導體層26及n型半導體層27。對電極43，賦予信號PG而驅動第1移位暫存器7。
各n型半導體層29，在上述另一短邊側，配置於各n型半導體層22。各n型半導體層29與對應之n型半導體層22在第2方向鄰接。即，複數個n型半導體層29，在上述另一短邊側，於第1方向並置。藉由各n型半導體層29而構成有各第2電荷蓄積部8。各n型半導體層29之平面形狀，成由沿著第2方向之二邊與交叉於第2方向之二邊所組成之大致矩形狀。各n型半導體層29之交叉於第2方向之一邊接於對應之n型半導體層22之上述另一短邊。第2電荷蓄積部8，對應於n型半導體層29之平面形狀，具有由沿著第2方向之二邊與交叉於第2方向之二邊所組成之大致矩形狀之第2電荷蓄積區域A2。於鄰接之n型半導體層29之間，與n型半導體層22之情形同樣分別配置有p+型半導體層35，而構成有第2電荷蓄積部8之間的隔離區域。
於各n型半導體層29上配置有電極44。電極44介隔絕緣層(未圖示)而形成於各n型半導體層29上。電極44以於第1方向延伸而跨各n型半導體層29之方式形成。電極44可形成於各n型半導體層29。對電極44，自控制電路(未圖示)賦予信號BG，而驅動第2電荷蓄積部8。
各n-型半導體層30配置於各n型半導體層29。各n-型半導體層30與對應之n型半導體層29在第2方向鄰接。即，複數個n-型半導體層30，在上述另一短邊側，於第1方向並置。各n型半導體層31配置於各n-型半導體層30。各n型半導體層31與對應之n-型半導體層30在第2方向鄰接。即，複數個n型半導體層31，在上述另一短邊側，於第1方向並置。藉由各n-型半導體層30及各n型半導體層31而構成有各第2電荷傳送部9。各n-型半導體層30，以接於對應之n型半導體層29之邊之中與第2方向交叉之一邊之方式而配置。各第2電荷傳送部9，配置於對應之第2電荷蓄積區域A2之邊之中與第2方向交叉之一邊側。於鄰接之n-型半導體層30之間及鄰接之n型半導體層31之間，與n型半導體層22之情形同樣分別配置有p+型半導體層35，而構成有第2電荷傳送部9之間的隔離區域。
於各n-型半導體層30及各n型半導體層31上配置有電極45。電極45介隔絕緣層(未圖示)而形成於各n-型半導體層30及各n型半導體層31上。電極45以於第1方向延伸而跨各n-型半導體層30及各n型半導體層31之方式而形成。電極45可形成於各n-型半導體層30、及各n型半導體層31。對電極45，賦予信號TG而驅動第2電荷傳送部9。
各n-型半導體層32配置於各n型半導體層31。各n-型半導體層32與對應之n型半導體層31在第2方向鄰接。即，複數個n-型半導體層32，在上述另一短邊側，於第1方向並置。各n型半導體層33配置於各n-型半導體層32。各n型半導體層33與n-型半導體層32在第2方向鄰接。即，複數個n型半導體層33，在上述另一短邊側，於第1方向並置。鄰接之n-型半導體層32及鄰接之n型半導體層33互相連接。藉由複數個n-型半導體層32及複數個n型半導體層33而構成有第2移位暫存器11。
於各n-型半導體層32及各n型半導體層33上配置有電極46。電極46介隔絕緣層(未圖示)而形成於各n-型半導體層32及各n型半導體層33上。電極46形成於每對之n-型半導體層32及n型半導體層33。對電極46賦予信號PG而驅動第2移位暫存器11。
p+型半導體層28與n型半導體層27在第2方向鄰接。p+型半導體層34與n型半導體層33在第2方向鄰接。p+型半導體層28、34，使複數個n型半導體層22、23、25、27、29、31、33及複數個n-型半導體層24、26、30、32自半導體基板20之其他部分電性分離。
如圖4所示，各n-型半導體層36配置於各n型半導體層23。各n-型半導體層36與對應之n型半導體層23在第1方向鄰接。各n+型半導體層37配置於各n-型半導體層36。各n+型半導體層37與對應之n-型半導體層36在第1方向鄰接。即，複數個n-型半導體層36及n+型半導體層37，與複數個n型半導體層23交互並置於第1方向。藉由各n-型半導體層36及各n+型半導體層37而構成有各第1電荷排放部6。各n-型半導體層36，以接於對應之n型半導體層23之邊之中沿著第2方向之一邊之方式而配置。各第1電荷排放部6，配置於對應之第1電荷蓄積區域A1之邊之中沿著第2方向之一邊側。
於各n-型半導體層36上配置有電極47。電極47介隔絕緣層(未圖示)而形成於各n-型半導體層36上。電極47形成於各n-型半導體層36。各n+型半導體層37連接於控制電路(未圖示)，傳送至各n+型半導體層37之電荷排放至控制電路。對電極47賦予信號RG而驅動第1電荷排放部6。
各n-型半導體層38配置於各n型半導體層29。各n-型半導體層38與對應之n型半導體層29在第1方向鄰接。各n+型半導體層39配置於各n-型半導體層38。各n+型半導體層39與對應之n-型半導體層38在第1方向鄰接。即，複數個n-型半導體層38及n+型半導體層39，與複數個n型半導體層23交互並置於第1方向。藉由各n-型半導體層38及各n+型半導體層39而構成有各第2電荷排放部10。各n-型半導體層38，以接於對應之n型半導體層29之邊之中沿著第2方向之一邊之方式而配置。各第2電荷排放部10，配置於對應之第2電荷蓄積區域A2之邊之中沿著第2方向之一邊側。
於各n-型半導體層38上配置有電極48。電極48介隔絕緣層(未圖示)而形成於各n-型半導體層38上。電極48形成於各n-型半導體層38。各n+型半導體層39連接於控制電路(未圖示)，傳送至各n+型半導體層39之電荷排放至控制電路。對電極48，賦予信號RG而驅動第2電荷排放部10。
上述之各絕緣層包含例如氧化矽膜。p型半導體層21之中，與n型半導體層22形成pn接合之部分以外，可藉由配置遮光構件等而予以遮光。該情形可防止產生無用之電荷。複數個n型半導體層22、23、25、27、29、31、33及複數個n-型半導體層24、26、30、32，可藉由配置遮光構件等而予以遮光。該情形可進一步防止產生無用之電荷。
接著，基於圖5~7，說明固態攝像裝置1之動作。圖5係於本實施形態之固態攝像裝置輸入之各信號之時序圖。圖6係用以說明電荷之排放動作之電位圖。圖7係用以說明電荷之讀出動作之電位圖。
另，在n型之半導體中存在正離子化之施體，在p型之半導體中存在負離子化之受體。pn接合之電位，n型高於p型。換言之，能帶圖之電位，由於下方向為正方向，因此n型之半導體之電位，在能帶圖中深(高)於p型之半導體之電位。若於各電極15a、15b、16、41~48施加正電位，則電極正下方之半導體區域之電位變深(正方向上增大)。若縮小施加於各電極之正電位之大小，則對應之電極正下方之半導體之電位變淺(正方向上縮小)。
圖5所示之時刻t3係設為光檢測之對象之期間之開始時刻，時刻t5係設為光檢測之對象之期間之結束時刻。在光檢測中，首先，在設為光檢測之對象之期間之開始時刻之前產生之電荷作為無用電荷排放。接著，在設為光檢測之對象之期間之結束時刻之前產生之電荷作為信號電荷而蓄積。其後，讀出經蓄積之信號電荷。信號電荷之讀出藉由電荷傳送部5、9而進行，在本實施形態中，信號電荷之蓄積與讀出同時進行。在本實施形態中，自時刻t2至時刻t3之間，設定成排放無用電荷之電荷排放期間Ta，自時刻t3至時刻t4之間，設定成蓄積信號電荷之電荷蓄積期間Tb，自時刻t4至時刻t5之間，設定成同時進行信號電荷之蓄積與讀出之電荷讀出期間Tc，時刻t5以後之特定期間，設定成向外部之電荷讀出期間Td。電荷排放期間Ta，設定成可使在時刻t3之前蓄積之電荷全部排放之長度。
在較時刻t2更前之時刻t1，若各信號MGL、MGH、TG、PG為L位準，信號BG為H位準，則n型半導體層22之電位Φ22深於n-型半導體層24、30之電位Φ24、Φ30及n-型半導體層36、38之電位Φ36、Φ38(參照圖6(a))。n型半導體層23、29之電位Φ23、Φ29更深於電位Φ22(參照圖7(a))。藉此，形成電位Φ22、Φ23、Φ29之井。光入射於光感應區域13而產生之電荷，蓄積於電位Φ22、Φ23、Φ29之井內。即，在光感應區域13產生之電荷蓄積於光感應區域13、第1電荷蓄積部4、及第2電荷蓄積部8。
在時刻t2，若各信號MGL、MGH自L位準變成H位準，則會形成沿著第2方向之電位梯度。對應該電位梯度，於電位Φ22形成有向電位Φ23加深之電位梯度Φ22a、與向電位Φ29加深之電位梯度Φ22b(參照圖6(b))。蓄積於電位Φ22之井之電荷，藉由電位梯度Φ22a而移動至電位Φ23之井，藉由電位梯度Φ22b而移動至電位Φ29之井。即，蓄積於光感應區域13之電荷自光感應區域13傳送，而蓄積於第1電荷蓄積部4及第2電荷蓄積部8。
同樣在時刻t2，若信號RG自L位準變成H位準，則n-型半導體層36、38之電位Φ36、Φ38深於電位Φ23、Φ29。n+型半導體層37、39之電位Φ37、Φ39更深於電位Φ36、Φ38，而形成電位Φ37、Φ39之井。蓄積於電位Φ23之井內之電荷移動至電位Φ37之井。蓄積於電位Φ29之井內之電荷移動至電位Φ39之井。移動至電位Φ37、Φ39之井之電荷排放至控制電路(未圖示)。即，自第1電荷蓄積部4傳送之電荷作為無用電荷，藉由第1電荷排放部6而排放，自第2電荷蓄積部8傳送之電荷作為無用電荷藉由第2電荷排放部10而排放(參照圖6(b))。信號MGH、RG自L位準變成H位準之時刻可設定成較時刻t2更前。
在時刻t3，若各信號MGL、MGH自H位準變成L位準，信號RG自H位準變成L位準，則電位Φ22、Φ36、Φ38返回至時刻t1之深度，成為可於電位Φ22、Φ23、Φ29之井內蓄積電荷之狀態(參照圖6(c))。於電荷蓄積期間Tb在光感應區域13產生之電荷，蓄積於電位Φ22、Φ23、Φ29之井內。即，於電荷蓄積期間Tb在光感應區域13產生之電荷，蓄積於光感應區域13、第1電荷蓄積部4、及第2電荷蓄積部8(參照圖7(a))。
在時刻t4，若各信號MGL、MGH自L位準變成H位準，則會形成與時刻t2相同之電位梯度Φ22a、Φ22b(參照圖7(b))。於電荷蓄積期間Tb蓄積於電位Φ22之井之電荷，藉由電位梯度Φ22a而移動至電位Φ23之井，藉由電位梯度Φ22b而移動至電位Φ29之井。即，於電荷蓄積期間Tb蓄積於光感應區域13之電荷自光感應區域13傳送，而蓄積於第1電荷蓄積部4及第2電荷蓄積部8。
同樣在時刻t4，若信號TG自L位準變成H位準，則n-型半導體層24、30之電位Φ24、Φ30深於電位Φ23、Φ29。n型半導體層25、31之電位Φ25、Φ31更深於電位Φ24、Φ30。藉此，形成電位Φ24、Φ25之井及電位Φ30、Φ31之井。蓄積於電位Φ23之井內之電荷移動至電位Φ25之井。蓄積於電位Φ29之井內之電荷移動至電位Φ31之井。即，自第1電荷蓄積部4傳送之電荷作為信號電荷而由第1電荷傳送部5取得，自第2電荷蓄積部8傳送之電荷作為信號電荷而由第2電荷傳送部9取得(參照圖7(b))。各信號MGL、MGH、TG自L位準變成H位準之時刻可設定成較時刻t4更後。
在時刻t5，若各信號MGL、MGH、TG自H位準變成L位準，PG自L位準變成H位準，則n-型半導體層26、32之電位Φ26、Φ32深於電位Φ25、Φ31。n型半導體層27、33之電位Φ27、Φ33更深於電位Φ26、Φ32。藉此，形成電位Φ26、Φ27之井及Φ32、Φ33之井。蓄積於電位Φ25之井內之電荷移動至電位Φ27之井。蓄積於電位Φ31之井內之電荷移動至電位Φ33之井。即，自第1電荷傳送部5傳送之電荷由第1移位暫存器7取得，自第2電荷傳送部9傳送之電荷由第2移位暫存器11取得(參照圖7(c))。
其後，於第1移位暫存器7及第2移位暫存器11取得之電荷，於第1方向傳送，依序輸出至相加部12。在相加部12，於自第1移位暫存器7輸出之電荷加上自第2移位暫存器11輸出之電荷，輸出至放大部17。在圖5之圖示省略，第1移位暫存器7及第2移位暫存器11之第1方向之電荷傳送，利用信號PG等而進行。
以如上之方式，在本實施形態中，光感應區域13，由於其平面形狀成沿長邊延伸之形狀，因此具有比較廣之面積。藉此，可提高固態攝像裝置1對於入射光之感度。
在電荷排放期間Ta，第1電位梯度形成區域3a(電位梯度形成部3)形成自電極15a向電極16(沿第2方向)降低之電位梯度，且第2電位梯度形成區域3b(電位梯度形成部3)形成自電極16向電極15b(沿第2方向)升高之電位梯度。產生於光感應區域13之中對應於第1電位梯度形成區域3a之區域之電荷，藉由自電極15a向電極16降低之電位梯度而移送至上述一短邊側。移送至光感應區域13之上述一短邊側之電荷，作為無用電荷藉由第1電荷排放部6而排放。產生於光感應區域13之中對應於第2電位梯度形成區域3b之區域之電荷，藉由自電極16向電極15b升高之電位梯度而移送至上述另一短邊側。移送至光感應區域13之上述另一短邊側之電荷，亦作為無用電荷藉由第2電荷排放部10而排放。如此般，由於產生於光感應區域13之電荷分別向一短邊側及另一短邊側移送，因此當產生於光感應區域13之電荷作為無用電荷排放時，其排放所費期間較短。因此，可較短地設定電荷排放期間Ta而較長地設定電荷蓄積期間Tb。
在電荷讀出期間Tc，第1電位梯度形成區域3a形成自電極15a向電極16(沿第2方向)降低之電位梯度，且第2電位梯度形成區域3b形成自電極16向電極15b(沿第2方向)升高之電位梯度。產生於光感應區域13之中對應於第1電位梯度形成區域3a之區域之電荷，藉由自電極15a向電極16降低之電位梯度而移送至上述一短邊側，其後藉由第1移位暫存器7而被傳送於第1方向。產生於光感應區域13之中對應於第2電位梯度形成區域3b之區域之電荷，藉由自電極16向電極15b升高之電位梯度而移送至上述另一短邊側，其後，藉由第2移位暫存器11而被傳送於第1方向。由於產生於光感應區域13之電荷分別向一短邊側及另一短邊側移送，因此當產生於光感應區域13之電荷作為信號電荷被讀出時，其讀出所費期間較短。因此，可較短地設定電荷讀出期間Tc。
在向外部之電荷讀出期間Td，進行藉由上述之第1移位暫存器7及第2移位暫存器11之向第1方向之電荷之傳送。
第1電荷排放部6及第2電荷排放部10，對應於各光感應區域13而配置。藉此，來自各光感應區域13之電荷之排放所費期間更短。
固態攝像裝置1具備於自第1移位暫存器7輸出之電荷加上自第2移位暫存器11輸出之電荷之相加部12。藉此，無需在固態攝像裝置1之外部之相加處理。
固態攝像裝置1具備第1電荷蓄積部4及第2電荷蓄積部8。第1移位暫存器7於第1方向傳送輸出自第1電荷蓄積部4傳送之電荷，第1電荷排放部6排放自第1電荷蓄積部4傳送之電荷。第2移位暫存器11於第1方向傳送輸出自第2電荷蓄積部8傳送之電荷，第2電荷排放部10排放自第2電荷蓄積部8傳送之電荷。因此，在固態攝像裝置1中，無需使第1移位暫存器7、第1電荷排放部6、第2移位暫存器11、及第2電荷排放部10鄰接於光感應區域13，而各部之配置之自由度較高。
第1移位暫存器7、第1電荷傳送部5、及第1電荷蓄積部4於第2方向並置。第1電荷排放部6與第1電荷蓄積部4於第1方向並置。自第1電荷蓄積部4向第1移位暫存器7之電荷傳送(電荷讀出)之方向、與自第1電荷蓄積部4向第1電荷排放部6之電荷傳送(電荷排放)之方向互相交叉。因此，電荷排放時自第1電荷蓄積部4傳送之電荷之通路形成於電荷讀出時沒有自第1電荷蓄積部4傳送之電荷之通路之方向。藉此，當電荷排放時較大地形成自第1電荷蓄積部4傳送之電荷之通路，使電荷之排放所費期間更短。由於第1移位暫存器7與第1電荷蓄積部4於第2方向並置，因此，第1電荷蓄積部4不會妨礙藉由第1移位暫存器7之向第1方向之電荷傳送。
第2電荷蓄積部8、第2電荷傳送部9、及第2移位暫存器11於第2方向並置。第2電荷排放部10與第2電荷蓄積部8於第1方向並置。因此，自第2電荷蓄積部8向第2移位暫存器11之電荷傳送(電荷讀出)之方向、與自第2電荷蓄積部8向第2電荷排放部10之電荷傳送(電荷排放)之方向互相交叉。因此，電荷排放時自第2電荷蓄積部8傳送之電荷之通路形成於電荷讀出時沒有自第2電荷蓄積部8傳送之電荷之通路之方向。藉此，當電荷排放時較大地形成自第2電荷蓄積部8傳送之電荷之通路，使電荷之排放所費期間更短。由於第2移位暫存器11與第2電荷蓄積部8於第2方向並置，因此，第2電荷蓄積部8不會妨礙藉由第2移位暫存器11之向第1方向之電荷傳送。
於第1電荷蓄積部4構成有第1電荷蓄積區域A1。第1電荷蓄積區域A1具有由沿著第2方向之二邊與交叉於第2方向之二邊所組成之大致矩形狀之平面形狀。第1電荷傳送部5及第1移位暫存器7配置於第1電荷蓄積區域A1之邊之中與第2方向交叉之一邊側。第1電荷排放部6配置於第1電荷蓄積區域A1之邊之中沿著第2方向之一邊側。因此，電荷排放時自第1電荷蓄積部4傳送之電荷之通路形成於電荷讀出時沒有自第1電荷蓄積部4傳送之電荷之通路之方向。藉此，當電荷排放時較大地形成自第1電荷蓄積部4傳送之電荷之通路，使電荷之排放所費期間更短。
於第2電荷蓄積部8構成有第2電荷蓄積區域A2。第2電荷蓄積區域A2具有由沿著第2方向之二邊與交叉於第2方向之二邊所組成之大致矩形狀之平面形狀。第2電荷傳送部9及第2移位暫存器11配置於第2電荷蓄積區域A2之邊之中與第2方向交叉之一邊側。第2電荷排放部10配置於第2電荷蓄積區域A2之邊之中沿著第2方向之一邊側。因此，電荷排放時自第2電荷蓄積部8傳送之電荷之通路形成於電荷讀出時沒有自第2電荷蓄積部8傳送之電荷之通路之方向。藉此，當電荷排放時較大地形成自第2電荷蓄積部8傳送之電荷之通路，使電荷之排放所費期間更短。
電位梯度形成部3具有導電性構件14、及電極15a、15b、16，故以導電性構件及電極之類的簡單構成而形成電位梯度。
固態攝像裝置1為背面入射型，向光感應區域13之光之入射方向設為p型半導體層21側。導電性構件14及電極15a、15b、16未形成於p型半導體層21上。因此，導電性構件14及電極15a、15b、16不會成為入射光之障礙。
以上，雖已說明本發明之較佳實施形態，但本發明並非限定於上述之實施形態，在不脫離其要旨之範圍內可進行各種之變更。
在本實施形態中，第1電荷排放部6及第2電荷排放部10雖對應於各光感應區域13而配置，但並非限定於此。例如，如圖8所示，第1電荷排放部6及第2電荷排放部10可與在第1方向鄰接之每兩個光感應區域13對應而配置。
圖8所示之複數個第1電荷排放部6對應於鄰接之每兩個第1電荷蓄積部4而配置。各第1電荷排放部6與對應之兩個第1電荷蓄積部4鄰接配置。各第1電荷排放部6排放自對應之兩個第1電荷蓄積部4傳送之電荷。複數個第2電荷排放部10對應於鄰接之每兩個第2電荷蓄積部8而配置。各第2電荷排放部10與對應之兩個第2電荷蓄積部8鄰接配置。各第2電荷排放部10排放自對應之兩個第2電荷蓄積部8傳送之電荷。
在圖8所示之固態攝像裝置1中，相較於圖1所示之固態攝像裝置1，可削減第1電荷排放部6及第2電荷排放部10之數量，而可較大地形成各第1電荷排放部6及第2電荷排放部10。因此，可容易形成第1電荷排放部6及第2電荷排放部10。
再者，如圖9所示，第1電荷排放部6與第2電荷排放部10可沿第1方向交互配置。
在圖8及圖9所示之各第1電荷排放部6及第2電荷排放部10中，有自對應之兩個光感應區域13之一側傳送之電荷之排放速度、與自另一側傳送之電荷之排放速度不同之情形。即使如此之情形，圖9所示之各光感應區域13，於第1電荷排放部6及第2電荷排放部10之一方，自上述一側傳送電荷，於另一方，自上述另一側傳送電荷。因此，在圖9所示之固態攝像裝置1中，相較於圖8所示之固態攝像裝置1，可減輕各光感應區域13之電荷排放期間之差異。
導電性構件14及電極15a、15b、16雖以於第1方向延伸，且跨各光感應區域7之方式而形成，但可分割成複數個而形成。
光感應區域13雖並置於沿短邊之1維方向，但可亦並置於沿長邊之方向而配置於沿短邊方向與長邊方向之2維方向。
固態攝像裝置1雖設為光自p型半導體層21側入射之背面入射型，但並非限定於此。固態攝像裝置1可設為光自n型半導體層22側入射之表面入射型。
產業上之可利用性
本發明可利用於光譜儀之光檢測機構。
1．．．固態攝像裝置
2．．．光電轉換部
3．．．電位梯度形成部
3a．．．第1電位梯度形成區域
3b．．．第2電位梯度形成區域
4．．．第1電荷蓄積部
6．．．第1電荷排放部
7．．．第1移位暫存器
8．．．第2電荷蓄積部
10．．．第2電荷排放部
11．．．第2移位暫存器
12．．．相加部
13．．．光感應區域
14．．．導電性構件
15a．．．電極
15b．．．電極
16．．．電極
17．．．放大部
A1．．．第1電荷蓄積區域
A2．．．第2電荷蓄積區域
II-II．．．II-II線
III-III．．．III-III線
IV-IV．．．IV-IV線
圖1係顯示本實施形態之固態攝像裝置之構成之俯視圖。
圖2係說明沿圖1之II-II線之剖面構成之圖。
圖3係說明沿圖1之III-III線之剖面構成之圖。
圖4係說明沿圖1之IV-IV線之剖面構成之圖。
圖5係於本實施形態之固態攝像裝置輸入之各信號之時序圖。
圖6(a)~(c)係用以說明電荷之排放動作之電位圖。
圖7(a)~(c)係用以說明電荷之讀出動作之電位圖。
圖8係顯示本實施形態之固態攝像裝置之變化例之俯視圖。
圖9係顯示本實施形態之固態攝像裝置之另一變化例之俯視圖。
1．．．固態攝像裝置
2．．．光電轉換部
3．．．電位梯度形成部
4．．．第1電荷蓄積部
5．．．第1電荷傳送部
6．．．第1電荷排放部
7．．．第1移位暫存器
8．．．第2電荷蓄積部
9．．．第2電荷傳送部
10．．．第2電荷排放部
11．．．第2移位暫存器
12．．．相加部
13．．．光感應區域
14．．．導電性構件
15a．．．電極
15b．．．電極
16．．．電極
17．．．放大部
A1．．．第1電荷蓄積區域
A2．．．第2電荷蓄積區域
II-II．．．II-II線
III-III．．．III-III線
IV-IV．．．IV-IV線

Claims (8)

  1. 一種固態攝像裝置，其包含：光電轉換部，其具有相應於光入射而產生電荷且平面形狀成由兩條長邊與兩條短邊而形成之大致矩形狀，且並置於與上述長邊交叉之第1方向上之複數個光感應區域；電位梯度形成部，其係對向於上述複數個光感應區域而配置，且形成沿著自一上述短邊朝向另一上述短邊之第2方向之電位梯度；第1電荷輸出部，其係配置於上述一短邊側，且將自上述複數個光感應區域分別傳送之電荷於上述第1方向傳送輸出；第2電荷輸出部，其係配置於上述另一短邊側，且將自上述複數個光感應區域分別傳送之電荷於上述第1方向傳送輸出；第1電荷排放部，其係配置於上述一短邊側，且排放自上述複數個光感應區域分別傳送之電荷；第2電荷排放部，其係配置於上述另一短邊側，且排放自上述複數個光感應區域分別傳送之電荷；且上述電位梯度形成部具有形成沿上述第2方向降低之電位梯度之第1電位梯度形成區域、與形成沿上述第2方向升高之電位梯度之第2電位梯度形成區域，上述第2電位梯度形成區域相對於上述第1電位梯度形成區域而並置於上述第2方向。
  2. 如請求項1之固態攝像裝置，其中上述第1電荷排放部及上述第2電荷排放部對應於上述各光感應區域而配置。
  3. 如請求項1之固態攝像裝置，其中上述第1電荷排放部及上述第2電荷排放部對應於在上述第1方向鄰接之每兩個上述光感應區域而配置。
  4. 如請求項3之固態攝像裝置，其中上述第1電荷排放部與上述第2電荷排放部沿上述第1方向交互配置。
  5. 如請求項1至4中任一項之固態攝像裝置，其中進而包含對自上述第1電荷輸出部輸出之電荷加上自上述第2電荷輸出部輸出之電荷之相加部。
  6. 如請求項1至4中任一項之固態攝像裝置，其中進而包含：配置於上述一短邊側且蓄積自上述複數個光感應區域分別傳送之電荷之第1電荷蓄積部；及配置於上述另一短邊側且蓄積自上述複數個光感應區域分別傳送之電荷之第2電荷蓄積部；且上述第1電荷輸出部於上述第1方向傳送輸出自上述第1電荷蓄積部傳送之電荷，上述第1電荷排放部排放自上述第1電荷蓄積部傳送之電荷；上述第2電荷輸出部於上述第1方向傳送輸出自上述第2電荷蓄積部傳送之電荷，上述第2電荷排放部排放自上述第2電荷蓄積部傳送之電荷。
  7. 如請求項1至4中任一項之固態攝像裝置，其中上述電位梯度形成部具有對向於上述複數個光感應區域而配置之 導電性構件、連接於上述導電性構件在上述第2方向之兩端部之一對電極、及在上述兩端部之間連接於上述導電性構件之電極。
  8. 如請求項1至4中任一項之固態攝像裝置，其中上述固態攝像裝置為背面入射型。
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