JPS58151180A

JPS58151180A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPS58151180A
Application number: JP57032468A
Authority: JP
Inventors: Kayao Takemoto; 一八男竹本; Shinya Oba; 大場　信弥; Masakazu Aoki; 正和青木; Haruhisa Ando; 安藤　治久; Masaaki Nakai; 中井　正章; Toshibumi Ozaki; 俊文尾崎; Takuya Imaide; 宅哉今出
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-03-03
Filing date: 1982-03-03
Publication date: 1983-09-08
Also published as: US4621291A

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】本発明は、光ダイオードと絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタ（以下、ＭＯ８Ｔ）からなる画素のアレー〇垂直
走査管シフトレジスタで行ない、水平走査を電荷転送素
子（ＣＴＤ）で行なう方式の二次元固体撮僧装置に関す
る。

固体撮倫装置は、従来、絶縁ゲート電界効果トランジス
タ（以下本明細書においては、ＭＯ８Ｔと称する。）を
用いるＭＯ８方式と、電荷転送素子（以下本明細書にお
いてｉ、ＣＴＤと略称する。）を用いるＣＴＤ方式の２
穐類が知られている。

前者は後者に較べて元の利用率が高く、信号電荷量も多
いが、読出しの際の雑音が大きいなど、それぞれ一長一
短を有している。

この二つの方式の長所を兼ね備えた固体撮偉装置として
、第１図に示すような、受光部にＭＯ８方式を、読出し
レジスタにＣＴＤ方式を用いた固体撮儂装置が提案され
ている。

第１図は受光部にホトダイオード−アレー、読出しレジ
スタＣＴＤ＝ｉ有する。従来の固体撮儂装置の１例の回
路模式図を示す。第１図において、１１はＣＴＤの入力
部、１２は出力部、１３は電荷転送部である。１４はホ
トダイオード、１５は垂直スイッチ用ＭＯ８Ｔ、１６は
垂直信号線、１７は垂直走査回路、１８は転送ゲートで
ある。

この装置において転垂直信号線１６の信号電荷は水平グ
ラ／キング期間内にＣＴＤへ転送される。水平ブランキ
ング期間に入いり、ある垂直ゲ−ＨｌＩ　０（７）を位
が高レベルになると、ある行のホトダイオードの信号電
荷はそれぞれの垂直信号線１６へ移る。ついで、転送ゲ
ー）１８（ＴＸ）およびＣＴＤの移送ノ（ルスが高レベ
ルになると。

垂直信号線にある信号電荷はＣＴＤに向って流れる。移
送の最終時点において、垂直信号線１６は式（１）で定
義される電位Ｖｃにクランプされる。

Ｖｃ　　＝Ｖｔ−Ｖｔｂ　　（ＴＸ）　　・・”・＝・
（１）ここで、Ｖｔｉ転送ゲー）ＴＸの高レベルの電圧
、Ｖ　ｔｋ（ＴＸ　）　ｎ基板バイアス効果も含め、転
送ゲ−）ＴＸの実効閾電圧を意味する。

この従来例においては、ＭＯＳ型とＣＴＤ型の長所を組
み合わせた装置として優れた性能が期待された。しかし
ながら、実際には下記の理由から極めて不十分な性能し
か得られない。

垂直信号線のクランプ電位を決める転送ゲートの高レベ
ルの電圧のゆらぎによって式（２）で表わされるランダ
ム雑音が生じる。

＜ｑ”＞　＝　−８，（０）Ｃｖ”／ｌ　−・・・・・
・・・（２）ここで、Ｓ、（Ｏ）Ｕクロックのゆらぎの
パワー・スペクトラム、Ｃｖｌｄ垂直信号線の静電容量
、ｔは転送時間を表わす。

例えば１通例のパルス駆動法においては、ＦフＯ）−＝
　０．７μＶ／μｌ”　　（１ｓｋＨ，で１０Ｖ振幅ｔ
とつ７’ｃ時Ｏ８／Ｎ＝１００　ｄＢ１１度で、Ｃｖ　
＝１．６　ｐＦ％　ｔ＝２μ８ｅｏとすると、電流値に
して１２ｎＡ程度の雑音値となる。

この雑音を低減するには、垂直信号線のクランプ電位を
決める転送ゲートのスイッチ・オン時の電圧のゆらぎを
減少させなければならない。

受光部にホトダイオード参アレー、読出しレジスタにＣ
ＴＤを用いた固体撮倫装置の他の従来例として、実開昭
５６−７８３６４に、第２図に示すようなブルーミング
防止回路性の装置が提案されている。第２図において、
２１Ａ、２１ＢはＣＴＤの入力部、２２Ａ、２２Ｂは出
力部、２３Ａ。

２３Ｂは電荷転送部である。２４はホトダイオード、２
５は垂直スイッチＭＯ８Ｔ、２６は垂直信号線、２７は
垂直走査回路、２８Ａ、２８Ｂは第１転送ゲート、２９
Ａ、２９Ｂは第２転送ゲート、３０Ａ、３０Ｂはブルー
ミング防止回路である。

この装置の動作全以下に説明する。第３図は第２図の固
体撮偉装置の各パルスのタイミング・チャートである。

水平走査期間にＣＴＤが動作し、各信号を出力段へ転送
すると同時に、入力部から一定のバイアス電荷を１１次
転送してきて、水平走査期間の終りには信号が全て読み
出されているとともに、　ＣＴＤの各段には一定量の電
荷ＣＧが存在している状態となる。

水平ブランキング期間に入り、ますＡチャネルの動作が
開始される。図のＴＸ２とＢＬＧ−が高レベルに、ＢＬ
Ｄが低レベルになると、ＢＬＤからの電荷が垂直信号線
へ流入する。その後、ＢＬＤを高レベルにすると、逆に
垂直信号線から電荷がＢＬＤへ流出し、垂直信号線は次
式で示される電位Ｖｖｃにクランプされ、電荷の流出は
止まる。

Ｖｖｃ　＝　Ｖｒｘ＠　　Ｖ＠ｈｔｘ＠−−０−（３）
ここでｂ　Ｖｔｘ＊　１Ｖｔｈｔｘ２　　ＵそれぞれＴ
Ｘ２の高レベル電圧、ＴＸ２ゲー）　（２９）の基板バ
イアス効果を含む実効閾電圧である。

ＢＬＧが低レベルになり、以下の動作ではＢＬＧとＢＬ
Ｄは関与しない。つぎに、ＴＸＩが高レベルとなり、Ｃ
ＴＤの移送パルスであるＨｌを低レベルにすると、ＣＴ
Ｄの入力部から送られてきた各バイアス電荷ＣＧがそれ
ぞれの垂直信号線へ転送される。この、Ｈｌが低レベル
のとき、電荷がＣＴＤの隣の電極へ移送しないように、
各電位関係を設定しておく必要がある。具体的にＵ、Ｃ
ＴＤチャネルの閾電圧、転送ゲー）ＴＸＩの閾電圧、Ｃ
ＴＩ）の移送パルスＨ２の低レベル、転送パルスＴＸＩ
の高レベルをそれぞれＶｔｈｃ、ＶｔｈｔｘＩ。

ＨｌＬ　、　Ｖｔｘｌ　　とすると、Ｖ？Ｘ１　−Ｖｔｂｔｘｌ　　’；２Ｈ＠ｔ、　　−Ｖ
＊ｈｃ　　”・・　（４）であればよい。

この時、ある垂直ゲート線（第２図の２０）の電位Ｖｔ
Ｏが高レベルにすると、ある行のホトダイオードの信号
電荷は、それぞれの垂直信号線へ移り、Ｃ’ｌ’Ｄから
のバイアス電荷と混合する。

つぎに、ＣＴＤの移送パルスＨ１を高レベルにすると、
垂直信号線にあるバイアス電荷と信号電荷が、垂直信号
線が式（３）のＶｖｃになるまで、　ＣＴＤへ流れる。

転送パルスＴＸＩを低レベルにすると、垂直信号線とＣ
ＴＤｆｌ電気的に切れるが、この時ＣＴＤには１元あっ
たバイアス電荷に加え、ホトダイオードからの信号電荷
もあることになる。

以上ＡチャネルのＣＴＤＫｎ行目の信号を入れる動作を
示したが、同じ水平ブランキング期間の後半にもう一方
のＢチャネルＣＴＤに（ｎ＋１）行目の信号を移すＡチ
ャネルと同じ動作が行なわれる。そして、水平走査期間
にＡ、Ｂ両チャネルのＣＴＤが動作し、２行の信号が二
つの出力段から順次読みぬされるととＫなる。この方式
によＶ。

２行同時読み出し方式の固体撮偉装置となる。もちろん
、Ａチャネルのみを設ければ、１行読み出し方式の固体
撮儂装置となる。

この従来例においては、信号を読み出す前に、ＢＬＤと
ＢＬＧの動作により各垂直信号線の電位の各チャネルご
とに式（３）で示されるクランプ電位に設定することに
よ、９．１０ｍＶ〜１００ｍＶのＡチャネルの第２転送
ゲートとＢチャネルの第２転送ゲートの閾値電圧のばら
つき、および各垂直信号線ごとの閾値電圧のばらつきの
悪影響をなくし、ＭＯＳ型とＣＴＤ型の長所を組み合わ
せた装置として優れた特性が期待された。しかし、実際
には、第１図の従来例と同様に、第２転送ゲートのパル
ス駆動により生じるランダム雑音により。

十分な特性は得られない。

そこで、これを改善するために、信号読出し用ＣＴＤと
垂直信号線の間にある転送ゲートに、垂直信号線のクラ
ンプ・レベルを決めるクランプゲートが直列に接続され
、クランプゲートは直流駆動、転送ゲートはパルス駆動
され、直流動作をしているＭＯ８Ｔが垂直信号線のクラ
ンプ・レベルを決めるように電位関係が定められる固体
撮儂装置が提案された。（実願昭５６−５３７４４．実
願昭５６−７４５８４ン第４図はその回路模式図である。第４図において、１１
から１８までは第１図の同じ引用番号と同じものを意味
し、１９は第２の転送ゲートである。

第４図に示す素子の動作の要点は、信号電荷に移送する
際に、垂直信号線のクランプ電位を決めるり２ンブゲー
）１９を直流動作させている点にある。動作原理は第１
図に示す装置と全く同じである。クランプゲート下の電
位Ｖ　？！！　−Ｖｔｂｔｘｌは式（５）のように定め
られ、第２転送ゲートが垂直信号線のクランプ−レベル
を決める。

Ｖｔｘ＆　−Ｖｔｂｔｘｌ　　＞Ｔｔｘ鵞　　　Ｖｔｈ
ｔｇ・・・・・・・・・・・・（５）ここで、■〒！□は転送ゲー）１８（ＴＸＩ）の高しヘ
ル電圧％Ｖテロはクランプケ−）　１９　（ＴＸ２）に
かかる直流電圧、Ｖ　ｔｈｔｘ１Ｂ転送ゲート１８（Ｔ
ＸＩ）の実効閾電圧、Ｖｔｂｔｘｌはクランプゲ−）１
９（ＴＸ２）の実効閾電圧である。

転送ゲー）１８（ＴＸＩ）にかかる直流電圧のゆらぎは
、素子外部あるいは内部のローパスフィルタにより低減
することが可能であり、式（５）かられかるように、ゲ
ート電圧のゆらぎによるランダム雑音を低減させること
ができる。

この例において、転送ゲー）１８（ＴＸＩ）とクランプ
ゲート１９（ＴＸ２）の間に拡散層を設けても、拡散層
を設けなくてもよい。また、ゲート１８（ＴＸＩ）を直
流動作させ、ゲート１９（ＴＸ２）ｅパルス駆動しても
よい。このとｔｋ。

式（５）に代る条件は式（６）のようになる。

■！Ｋｌ　　−Ｖｔｈｙｘｌ　　＜Ｖｔｘｌ　　−Ｖｓ
ｂｔｘ鵞・・・・・・・・・・・・・・・（６）第５図
は、第２図に示す装置に直流駆動クランプゲートを付加
した回路模式図である。

第５図において、２０から３０までは第２図の同じ引用
番号と同じ部分を示し、５１Ａおよび５１Ｂはクランプ
ゲートである。動作原理は第２図に示す装置と同じで、
垂直信号線のクランプ・レベルを決めるクランプゲー）
５１Ａ、５１Ｂ（ＴＸ３Ａ、ＴＸ３Ｂ）を直流駆動して
いる点でのみ異なっている（第３図参照）６し九がって
、直線で表わされているＴＸ３ＡおよびＴＸ３Ｂが加わ
っている点を除いて、第２図について述べた説明に第３
図についてもそのまま成り立つ。

クランプゲート５１Ａ、５１Ｂ（ＴＸ３Ａ。

ＴＸ３Ｂ）を加えることによって、ゲート電圧のゆらぎ
によるランダム雑音を大幅に低減できることに前の実施
例におけるのと全く同じである。

第６図（Ａ）は、第５図における垂直信号線２６からＣ
ＴＤ２３Ａに至る素子断面構造の概略で、同図（ｂ）は
この構造に沿った素子内のポテンシャル図である。リセ
ット用トランジスタ３０ＡＨここでは無関係であり、省
いである。

この素子の動作は実願昭５６−７４５８４に詳述しであ
るが、問題は垂直信号線２６（６５）からＣＴＤ、２３
Ａへの電荷転送の終りに起こる。

プトランジスタ５１Ａのゲート６７の形成するしきい６
０２を越す分だけ、ｎ０拡敏層６６、ＭＯ８Ｔ、２９Ａ
のゲート６８の下、水平スイッチＭＯ８Ｔ、２８Ａのゲ
ート６９の下を経て、ＣＴＤ、２３Ａのｎ一層６３に流
れ込む。この動作の終りにおいて、ゲート６８の下には
電子が無く、ｎ９拡散層６６の電位はゲート６８の作る
障壁６０３に落着くことが必要である。

しかしながら、ｎ０拡散層６６には多数キャリアである
多量な電子６０４が存在し、熱的に励起された電子が障
壁６０３を越して飛び出す確率がある（これがＭＯ８Ｔ
のゾール電流という寄生効果が生じる訳である）。この
電流はｎ１拡散層６６のポテンシャル低下と共に指数関
数的に低下（〜１桁／　０．　Ｉ　Ｖ　）するが、この
結果、障壁６０３の性質はシャープさを欠く。特にＭＯ
８Ｔ、２９Ａは、水平スイッチ用ＭＯ８Ｔ、２８Ａとリ
セット用ＭＯ８Ｔ、３０Ａを継むぐために、ゲート長の
長い、したがってコンダクタンスの低いものとならざる
を得ず、ｎ９拡散層６６のポテンシャル低下速度は遅く
、ゲート６８下には無視できない量の電荷６０５が居続
けることになる。この糧の電荷６０５は信号電荷とは別
の余計な電荷であるが、信号に混入するため実質的には
一種の読み取り誤差である。リセット動作においても同
様なことが起こる。水平方向に並んだＭＯ８Ｔ、２９Ａ
および２９Ｂの特性がバラ付くと、この誤差もバラ付き
、その結果再生画面上で縦縞となって現われるにせ信号
、すなわち固定雑音を生む。この固定雑音レベルが信号
検出の下限を押し上げ、結局撮儂素子の感度低下をもた
らしている。

本発明は、このゲート６８下に居続ける電荷６０５を無
くシ、固定雑音低下をはかり、したがって固体撮儂素子
の感度向上を実現するものである。

本発明の骨子とするところは、まずｎ＋拡散層６６のポ
テンシャル変化速度を早めて、安定電位にする事を早め
、同時にゲート６８下の電荷を流し出しきり、固定雑音
を低下させることにあり、具体的には、ゲート長が小さ
くコンダクタンスの高いＭＯ８Ｔを追加し、拡散層６６
に対するしきい動作を分担させるものである。

第７図は１本発明の一実施例を示す。ＭＯ８Ｔ。

２９Ａとクランプ用ＭＯ８Ｔ、５１Ａの関（同様にＭＯ
８Ｔ、２９ＢとＭＯ８’ｒ、５１Ｂの間にも）に、第３
転送ゲートとなるＭＯ８Ｔ、７１Ａ（７１Ｂ）を挿入し
たもので、具体的には第６図（Ａ）に合わせた第８図（
Ａ）に示す構造の実施例のごとく、ｎ＋拡散ｌ１１６６
とゲート６８の間に、ゲート長が４μｍ程度の短かいゲ
ート８１を設ける。この２つのＭＯ８Ｔの間にｎ０拡散
層がないことが重要である。動作は第８図（Ｂ）に示す
ごとく、ｎ０拡散層６６に対するしきいは、ゲート８１
で作った障壁８０１で行ない、ゲート６８の作るポテン
シャル６０３をこれより充分低くする。

障壁８０１は長さが小さいために、電荷は速やかに流れ
、ｎ０層のポテンシャル変化は速く、ゲート６８下への
電子の流入は速かに低下する。さらに、この動作を明確
にするためには、一定時間経過後ゲート８１に負のパル
スを与え、障壁８０２のごとく高くして完全に電流を止
めれば良い。新たな電流注入が無いため、ゲート６８下
の電荷も運やかにＣＴＤ、２３Ａのｎ一層６３に流用し
きり、読み取り誤差はなくなる。リセット動作において
も、筐たＣＴＤ、２３Ｂ側においても、全く同様な効果
があり、従ってＭＯ８Ｔ、２９Ａおよび２９Ｂのパラ付
に係わりなくこの種の転送誤差による固定雑音をなくす
ることができる。

以上説明したごとく、本発明により、垂直信号線２６か
らＣＴＤ、２３Ａおよび２３Ｂへの電荷転送に対するＭ
Ｏ８Ｔの寄生効果の影響を押え、期待される通りの高性
能の固体掃倫素子を実現することができる。

なお、本発明は、１ケのＣＴＤで同じ機能を果すことを
目的とした固体撮倫素子に対しても、全く同様な効果が
ある。

又、先に述べたランダム雑音が問題にならない場合には
、直流駆動のクランプゲート５１Ａ（５１Ｂ）を省略し
ても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図、第５図に従来の固体
撮儂素子の説明図、第６図は従来装置の動作を説明する
ための断面構造とポテンシャル関係の説明図、第７図は
本発明の実施例の回路構成図、第８図は本発明の実施例
の断面構造とポテンシャル関係の説明図である。２３Ａおよび２３Ｂ・・・ＣＴＤ、２７・・・垂直走査
用シフトレジスタ、２４・・・元ダイオード、２５・・
・垂直スイッチＭＯ８Ｔ、２６・・・垂直信号線、２９
Ａおよび２９Ｂ・・・転送用ＭＯ８Ｔ、２８Ａおよび２
８Ｂ・・・水平スイッチＭＯ８Ｔ、３０Ａおよび３０Ｂ
・・・リセットＭＯ８Ｔ、６１・・・ＣＴＤの転送電極
、６２・・・ｐ形Ｓｉ基板、６３・・・ＣＴＤのチャン
ネル用ｎ“層、６４および６６・・・ｎ＋拡散層、６５
・・・垂直信号線間Ａｔ配線、６．７．６８，６９゜囁
　　１　　図 ’％Ｚ　　図Ｉ　Ｊ　口Ｖ２￥Ｊ　　４　　図第　５　図藁　６　　図（Ａ）（Ｂ）シν０　　　　　　６シｑ寄　７　　図￥Ｊ　８　　図（Ａ）（Ｉ３）第１頁の続き０発　明　者　中井正章国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番地株式会社日立製作所中央研究所内０発　明　者　尾崎俊文国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番地株式会社日立製作所中央研究所内０発　明　者　今出宅哉横浜市戸塚区吉田町２９２番地株式会社日立製作所家電研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

１、垂直信号出力線と水平スイッチ用ＭＯ８）ランジス
タ（ＭＯ８Ｔ）の間に転送用ＭＯ８Ｔを設け、該転送用
ＭＯ８Ｔと前記水平スイッチ用ＭＯ８Ｔの接続点にリセ
ット用ＭＯ８Ｔを接続してなり、信号の転送直前に垂直
信号線の電位を基準電位に設定する機構を備えた固体撮
儂装置において、前記水平スイッチ用ＭＯ８Ｔと前記リ
セット用ＭＯ８Ｔの接続点と、前記転送用ＭＯ８Ｔとの
間、および前記水平スイッチ用ＭＯ８Ｔと前記リセット
用ＭＯ８Ｔの接続点との間に高濃度不純物濃度領域を介
さず、かつ相互の間にも高濃度不純物濃度領域を介さず
直列接続した２ケのＭＯ８Ｔによシ前記転送ＭＯ８Ｔが
なることを特徴とする固体撮倫装置。