JPS62152161A - 一次元半導体撮像装置 - Google Patents

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】 卒業上の利用分野 本発明は、−次元半導体撮像装置及びそのための−次元
半導体光センサに関し、更に詳述するならば、静電誘導
トランジスタを光センサセルとして画素セルを構成し、
これを１列に多数配列し、各画素セルの光学情報を取り
出す走査回路を集積した、−次元半導体撮像装置に関す
るものである。

従来の技術 従来、−次元半導体撮像装置の光センサセルとしては、
様々なものが提案され、また、使用されている。その中
で、走査間隔の間に受けた光により生成するキャリアを
蓄積して光信号を出力することができる光電流蓄積型の
光センサセルが現在広く使用されている。その光電流蓄
積型の光センサセルの代表的なものに、光検出用のホト
ダイオードとスイッチ用のＭＯＳ　）ランジスタを組合
せたものがある。この光センサセルは、光検出をホトダ
イオードで行ない、このダイオードで検出した光信号そ
のものをＭＯＳ　）ランジスタを介して出力信号として
取り出すようになされている。

発明が解決しようとする問題点 光検出用のホトダイオードとスイッチ用のＭＯＳトラン
ジスタを組合せた光センサセルは、ホトダイオード自体
に増幅作用はなく、またＭＯＳ）ランジスタも増幅素子
としては使用していないので、出力信号レベルが小さく
感度が悪いという欠点があった。従って、かかる従来の
半導体撮像装置では感度の点から集積度を高める上に限
界がある。

また、ホトダイオードとＭＯＳ　）ランジスタとの組合
せでは、ＭＯＳ　）ランジスタの速度限界によりその動
作速度が制限される。

更に、同一基板に複数のホトダイオードを形成している
場合、局所的に強い人力光が照射されると各画素セルか
らの信号電流が混合する問題もあった。

また、各光センサセルの走査により光信号を読出したあ
とも、各光センサセルに光電荷が残留し、それが次の走
査のときに読出される光信号にとってノイズとなる。そ
のため、従来の半導体撮像装置では、出力パルスを併用
することにより、新たなるリセットパルスを必要として
いた。

そこで、本発明の目的は、このような従来の欠点を改善
して、単位セル当りの出力電流が大きくとれ、また、高
速動作可能な一次元半導体光センサを提供することであ
る。

また、本発明の目的は、局所的に強い人力光が照射され
ても各画素セルからの信号電流が混合しない一次元半導
体撮像装置を提供することである。

更に、本発明の目的は、走査パルスとして出力パルスと
リセットパルスを必要としない一次元半導体撮像装置を
提供することである。

問題点を解決するための手段 すなわち、本発明の第１の特徴によるならば、複数の光
センサセルが１列に配列されてなる一次元半導体光セン
サが提供される。その−次元半導体光センサの各光セン
サセルは、高抵抗半導体と、該高抵抗半導体の互いに対
向する品分に形成されてその間の高抵抗半導体の領域を
チャネル領域とする第１及び第２の主電極と、該第１及
び第２の主電極間に流れる電流を制御するように前記チ
ャネル領域に接した前記高抵抗半導体に設けられた異な
る導電型の半導体領域から成るゲート領域と、該ゲート
領域の少なくとも一部にコンデンサを介して形成された
ゲート電極とを有し、光励起によって生じた電子−正孔
対の１方が、前記ゲート領域に蓄積され、これによって
前記両主電極間の電流を制御しうるようになされた静電
誘導トランジスタから構成される。そして、前記高抵抗
半導体と前記第２の主電極とは、全光センサセルに共通
になされる。

上記した本発明による一次元半導体光センサの実施例で
は、前記高抵抗半導体は、一導電型の又は真性の半導体
層であり、前記第１の主電極は、前記一導電型半導体層
の一方の面に形成された一導電型半導体の低抵抗半導体
領域にオーミック接触して設けられ、前記第２の主電極
は、前記半導体層の他方の面に実質的に広がって形成さ
れた一導電型半導体の低抵抗半導体層にオーミック接触
して設けられる。そして、前記ゲート領域は、前記一導
電型と異なる他導電型の半導体領域で構成されている。

また、前記コンデンサは、前記ゲート領域と、前記ゲー
ト電極と、それらゲート領域とゲート電極との間の絶縁
膜とから構成される。

更に、本発明の第２の特徴によるならば、上記した一次
元半導体光センサを使用した一次元半導体撮像装置が提
供される。その−次元半導体撮像装置は、各静電誘導ト
ランジスタの前記第１の主電極はそれぞれ位相の異なる
走査信号により開閉されるスイッチを介して共通のビデ
オ信号出力端に接続され、該出力端は負荷抵抗を介して
ビデオ電源の１端に接続され、前記第２の主電極は共通
にされ、前記ビデオ電源の他端に接続され、各静電誘導
トランジスタの前記ゲート電極は、それぞれ位相の異な
る別の走査信号を受けるようになされている。

そして、本発明による一次元半導体撮像装置の実施例で
は、前記スイッチは、スイッチングトランジスタにより
構成され、また、各光センサセルの静電誘導トランジス
タのゲート電極と、走査方向に隣接する光センサセルの
スイッチの制御端子とが共通接続されて、同一の走査信
号が印加されるようになされる。

詐月 以上の本発明による一次元半導体光センサでは、光セン
サセルの光検出部をトランジスタで構成しているので、
光増幅作用が大きく、従って、各画素セルごとに大きな
出力電流が得られる。

また、そのトランジスタが、静電誘導トランジスフであ
るので、高速動作が可能である。

更に、各光センサセルをなす静電誘導トランジスタは、
ゲート領域により互いに分離されているので、局部的に
強い光が入射しても、光電流が混同することはない。

また、本発明による一次元半導体撮像装置においては、
使用している光センサセルの上記した特徴に加えて、第
１の主電極をスイッチを介してビデオ信号出力端に接続
されているので光電流が混同することはない。

そして、各光センサセルの静電誘導トランジスタのゲー
ト電極と、走査方向に隣接する光センサセルのスイッチ
の制御端子とが共通接続されて、同一の走査信号が印加
されるようになされると、各画累セルのリセットに要す
るパルスを走査回路からの出力パルスを併用することが
でき、新たなるリセットパルスを必要としない。

実施例 以下、添付図面を参照して本発明による一次元半導体光
センサ及び−次元半導体撮像装置の実施例を説明する。

第１図は、本発明の一次元半導体光センサの１実施例の
１つの光センサセルを示す断面図である。

図示の光センサセルは、Ｓｉのｎ１基板１を有しており
、その基板１の一方の面には、高抵抗なｎ一層（ないし
は真性半導体層）２が形成され、そのｎ一層２には、高
不純物密度のｐ°領領域らなるゲート領域３が形成され
ている。そのゲート領域３の頂面上には、シリコン窒化
物（Ｓ１３Ｎ４）膜のような絶縁膜４を介してゲート電
極５が設けられている。すなわち、ゲート領域３とゲー
ト電極５との間にコンデンサＣｊｐが形成される。

そして、ゲート領域３に囲まれるように、ｎ一層２に、
高不純物密度のｎ＋領領域ら成るソース領域６が形成さ
れている。そのソース領域の頂面上には、ソース電極７
がオーミック接触している。

それらゲート電極５及びソース電極７を除＜ｎ一層２の
表面には、シリコン酸化物（Ｓ１０゜）膜のような保護
膜８が設けられている。

一方、基板ｌ自体はドレイン領域を構成しており、基板
１の他方の面には、全光センサセル共通にドレイン電極
９が設けられている。

更に、ソース電極７は、電界効果トランジスタのような
スイッチング用トランジスタＳＳ、を介してそしてビデ
オ信号線１０を介してビデオ信号出力端１１に接続され
ている。そのビデオ信号線１０は、負荷抵抗ＲＬを介し
てビデオ電圧電源Ｖｎの一方の端子に接続され、その他
方の端子は、ドレイン電極９に接続されている。

更に、スイッチング用トランジスタＳＳｐ　とゲート電
極には、ＳＳＰ用制御パルス信号φ、とリセット用制御
パルス信号φＰＨ１が図示しない画素Ｊｆｌ択回路から
出力される。このφＰとφＰａ＋　とは、φＰａ＋　が
φ、より１クロツタ分遅れている。

なお、参照番号１２は、光入力を示している。

静電誘導トランジスタとするためには、チャネルとなる
ｎ−領域２の不純物密度は、おおよそＩＸ　１０１６　
Ｃｍ　３以下、ゲート、ソース及びドレイン領域の不純
物密度はおおよそＩ　Ｘｌ０１０ｃｍ−３以上とする。

ゲート電圧が０■でもドレイン電流が、流れないために
は、拡散電位のみで、ゲートとゲートの間及びチャネル
が既に空乏化するような寸法と不純物密度を選ぶ。

第２図は、第１図の等価回路図である。同図において、
光入力１２により静電誘導トランジスタＴｐのゲート領
域に光励起された正孔が流れ込み光信号の書き込みが行
なわれる。トランジスタＳＳＰのゲートにφ２というパ
ルス電圧が加わり、トランジスタＳＳＰが導通して、ビ
デオ電圧電源■。

が静電誘導トランジスタＴｐにかかり、光入力１２に対
応して、ドレイン電流が生じ、出力端子１１より光出力
信号が得られる。このときφＰ＋１　は印加されていな
い。φＰが印加されて後、１クロック分遅れてφＰａ１
　がコンデンサＣｊｐに印加され、静電誘導トランジス
タＴ、のゲート領域は、リセットされ、初期状態に戻る
。かくして、光入力１２の強弱によって出力端子１１の
光出力は変化し、大きなダイナミックレンジが得られ、
光増幅率は、１０３と、従来のバイポーラホトトランジ
スタよりも１桁以上高感度である。

本実施例においては、第１図の素子断面構造を有する撮
像素子を単位セルとしてライン状に配列し、個々の単位
セルが１つの独立したトランジスタとして作用し、従来
の撮像セルに比して高速且つ大出力電流の特性が得られ
る。

第３図は、本発明による一次元半導体撮像装置の実施例
である。第３図は、第１図に示した素子構造をもつ光セ
ンサセルを画素セルとして１列に多数配列された一次元
半導体撮像装置の実施例を表わす要部の電気回路図であ
る。

画素セル（静電誘導トランジスタ）Ｔ１〜Ｔ、、の共通
ドレイン電極は、ビデオ電源■、の正極に接続されてい
る。各々の画素セルから信号を読み出すために、静電誘
導トランジスタＴ、−Ｔｎのソースに接続されたスイッ
チングトランジスタ（絶縁ゲート型電界効果トランジス
タなど）ＳＳ、〜ＳＳ、のゲートは、走査回路１３の走
査パルス出力φ１〜φ。の対応する端子に接続されてい
る。そして、スイッチングトランジスタの出力端子は、
共通のビデオ信号線１０に接続されている。そのビデオ
信号線１０は、負荷抵抗ＲＬを介してビデオ電源■。の
負極に接続されている。

一方、静電誘導トランジスタＴ１〜Ｔｎのゲート電極す
なわちコンデンサＣｊｌ〜Ｃｊｎは、走査回路１３の走
査パルス出力φ２〜φｎ＋１の対応する端子に接続され
ている。すなわち、各光センサセルの静電誘導トランジ
スタのゲート電極すなわちコンデンサＣＪｌと、走査方
向に隣接する光センサセルのスイッチングトランジスタ
ＳＳｉ＋、のゲートの制御端子とは共通接続されて、同
一の走査パルス出力φ、が印加されるようになされてい
る。

次に、上記した一次元半導体撮像装置の動作について説
明する。スイッチングトランジスタＳＳ＋〜ＳＳ、、が
走査回路１３からの走査パルスφ！〜φ。

により順次オンされると、ビデオ電圧電源■。の出力電
圧が、各画素セルをなす静電誘導トランジスタのソース
・ドレイン間に順次印加され、負荷抵抗ＲＬを介して、
ビデオ信号電流が流れ、信号として読み出される。光入
力があると発生した正孔は、静電誘導トランジスタＴ１
〜Ｔｎのゲート領域に蓄積される。ゲート領域に蓄積さ
れた電荷量が、静電誘導トランジスタ毎で異なる場合、
第１図に示すように、ドレイン電極９とソース電極７の
間のチャネル層２にできるところの真のゲート点の電位
が相違することから、ソース・ドレイン間の実効抵抗が
変化し、出力端子１１に現われるビデオ電圧が変化する
ものである。云いかえれば、各セルごとの照射光量履歴
に応じた出力信号を各セル読み出しパルス印加ごとに独
立して、共通のビデオラインを通じて得ることができる
わけである。

第３図から明らかなように、スイッチングトランジスタ
ｓｓ、−ｓｓ、、に印加される読み出しパルスに比べ、
１クロック分遅れたパルスがコンデンサＣＪｌ”＝　Ｃ
３ｎに印加されるように配線されている。

従って、各画素は走査回路から出力されたパルスφ１〜
φ。によって、スイッチングトランジスタＳ８１〜ＳＳ
ｎがオンされて、出力信号が読み出され、その後、各画
素は１クロック分遅れた走査回路から出力されるφ２〜
φ、、＋１が、順次コンデンサＣＪ、−Ｃ，。にそれぞ
れ印加され、各画素セルのゲート領域は常に、各画素セ
ルの信号読み出しタイミングから１クロック分遅れてリ
セットされる。

リセットされた各画素セルのゲート領域の電位は、第１
図に示されているようにコンデンサＣｊｐと、ゲート領
域３とチャネル領域２との間に形成される接合窓ｆｔｃ
との容量分割比で決められる値に設定される。従って、
コンデンサＣｊｐに印加されるパルス電圧値に近づける
には、コンデンサＣｊｐの値を、接合容量Ｃに比べ十分
大きな値になるよう設計すれば良い。また、このような
リセット方式を採用することにより、各画素は光励起に
よって発生した電荷を蓄積している時間を全く等しくす
ることができる。

更に、リセットパルスが同じ走査回路から出力され、読
み出しパルスを兼ねていることから、余分にリセットパ
ルス発生回路を集積化する必要がなく、素子製作が容易
である。

以上の実施例においては、ｎチャネルで説明したが、も
ちろんｐチャネルでもよいことは明らかである。また、
上記実施例では、すべてゲート側のｎ゛のソース領域６
側を接地し、ｎ＋基板１側にビデオ電源を印加したが、
逆にｎ＋基板ｌ側のドレイン電極９を接地し、ｎ＋層６
にビデオ電源を印加する逆動作としてもよい。

また、スイッチングトランジスタｓｓ、−ｓｓ、。

は、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、
静電誘導トランジスタなど、どれを用いても良いことも
明らかである。

発明の効果 以上、説明したように、本発明によれば、静電誘導トラ
ンジスタで、各画素セルを構成し、これを１列に配列し
てラインセンサとしたものであり、画素セルの受光部が
静電誘導トランジスタ構造であるため、光増幅作用が大
きく、単位セル当りの出力も大きくとれ、装置の小型化
、簡易化、高集積化が図れ、また高速動作が可能である
。

更に、走査回路からの出力パルスが、信号読み出しパル
スにも各画素のリセットパルスにも使用され、余分なリ
セットパルス発生回路が不必要であり、また、各画素セ
ルごとにスイッチが設けられているため、局所的に強い
入射光が生じても、ビデオ信号線上で、出力信号が混じ
ることなく、優れた一次元半導体撮像装置となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一次元半導体撮像装置に使′用する
画素セルの実施例を示す断面図、第２図は、第１図の等
価回路図、 第３図は、本発明の一次元半導体撮像装置の実施例を示
す回路平面図である。 （主な参照番号） １・・ｎ＋基板、　　　２・・ｎ一層、３・・ゲート領
域、　　４・・絶縁膜、５・・ゲート電極、　　６・・
ソース領域、７・・ソース電極、　　８・・保護膜、９
・・ドレイン電極、 ＳＳ、及びｓｓ、−ｓｓ、、・・ スイッチングトランジスタ、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の光センサセルが１列に配列されてなる一次
   元半導体光センサを使用してなる一次元半導体撮像装置
   にして、各光センサセルは、 高抵抗半導体と、 該高抵抗半導体の互いに対向する部分に形成されてその
   間の高抵抗半導体の領域をチャネル領域とする第１及び
   第２の主電極と、 該第１及び第２の主電極間に流れる電流を制御するよう
   に前記チャネル領域に接した前記高抵抗半導体に設けら
   れた異なる導電型の半導体領域から成るゲート領域と、 該ゲート領域の少なくとも一部にコンデンサを介して形
   成されたゲート電極と を有し、 光励起によって生じた電子−正孔対の１方が、前記ゲー
   ト領域に蓄積され、これによって前記両主電極間の電流
   を制御しうるようになされた静電誘導トランジスタから
   構成されており、 各静電誘導トランジスタの前記第１の主電極はそれぞれ
   位相の異なる走査信号により開閉されるスイッチを介し
   て共通のビデオ信号出力端に接続され、 該出力端は負荷抵抗を介してビデオ電源の１端に接続さ
   れ、 前記第２の主電極は共通にされ、前記ビデオ電源の他端
   に接続され、 各静電誘導トランジスタの前記ゲート電極は、それぞれ
   位相の異なる別の走査信号を受けるようになされている
   ことを特徴とする一次元半導体撮像装置。
2. （２）前記スイッチは、スイッチングトランジスタによ
   り構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項記載の一次元半導体撮像装置。
3. （３）各光センサセルの静電誘導トランジスタのゲート
   電極と、走査方向に隣接する光センサセルのスイッチの
   制御端子とが共通接続されて、同一の走査信号が印加さ
   れるようになされていることを特徴とする特許請求の範
   囲第（１）項または第（２）項記載の一次元半導体撮像
   装置。
4. （４）複数の光センサセルが１列に配列されてなる一次
   元半導体光センサにして、各光センサセルは、高抵抗半
   導体と、 該高抵抗半導体の互いに対向する部分に形成されてその
   間の高抵抗半導体の領域をチャネル領域とする第１及び
   第２の主電極と、 該第１及び第２の主電極間に流れる電流を制御するよう
   に前記チャネル領域に接した前記高抵抗半導体に設けら
   れた異なる導電型の半導体領域から成るゲート領域と、 該ゲート領域の少なくとも一部にコンデンサを介して形
   成されたゲート電極と を有し、前記高抵抗半導体と前記第２の主電極とは、全
   光センサセルに共通であり、 光励起によって生じた電子−正孔対の１方が、前記ゲー
   ト領域に蓄積され、これによって前記両主電極間の電流
   を制御しうるようになされた静電誘導トランジスタから
   構成されていることを特徴とする一次元半導体光センサ
   。
5. （５）前記高抵抗半導体は、一導電型の又は真性の半導
   体層であり、前記第１の主電極は、前記一導電型半導体
   層の一方の面に形成された一導電型半導体の低抵抗半導
   体領域にオーミック接触して設けられ、前記第２の主電
   極は、前記半導体層の他方の面に実質的に広がって形成
   された一導電型半導体の低抵抗半導体層にオーミック接
   触して設けられており、前記ゲート領域は、前記一導電
   型と異なる他導電型の半導体領域で構成されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第（４）項記載の一次元半
   導体光センサ。
6. （６）前記コンデンサは、前記ゲート領域と、前記ゲー
   ト電極と、それらゲート領域とゲート電極との間の絶縁
   膜とから構成されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第（４）項または第（５）項記載の一次元半導体光セ
   ンサ。