JP3483261B2 - イメージセンサ - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般的には電荷増倍装置
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】本発明の範囲を限定することなく、小型
画素のＣＣＤイメージセンサを例にとって本発明の背景
について説明することにする。 【０００３】これまでこの分野において、消費者市場か
らのより高い分解能を有するＣＣＤカメラを求める要求
が増大すると共に、設計者はそれらの製品に使用される
ＣＣＤイメージセンサ中へより多くの画素を組み込んで
きた。同時に、それらのセンサのコストを維持もしくは
低下させるようにとの競合的な圧力によって、チップ寸
法の縮小、従って能動画素エリアの縮小を余儀なくされ
てきた。この避けられない傾向は、最近の技術論文の中
に見てとれるし、更に多くの製品カタログ中でも明かで
ある。しかし、このことは２つの重大な問題につなが
る：１つは画素検知感度の低下であり、もう１つは信号
対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の低下である。 【０００４】イメージセンサの感度は、画素面積、開口
部効率、量子効率、蓄積時間、そして電荷から電圧への
変換因子に比例する。現代のイメージセンサの最大セン
サ感度は通常、収集した電荷を出力電圧へ変換する電荷
検出増幅器の雑音フロア（ｎｏｉｓｅ ｆｌｏｏｒ）に
よって決定される。この制限がなければ、個々の光子を
検出して光子計数動作を実現することも可能であろう
し、従って物理的な基本法則によって決定される究極の
イメージセンサ特性を得ることも可能なはずである。 【０００５】しかし、電荷検出増幅器の雑音フロアを低
減することは容易な作業ではない。より優れた特性を達
成するために、センサの設計者は、複雑なｋＴＣ雑音抑
制回路を用いたり（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｃｏ
ｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ誌の１９８９年
８月号、第３５巻、第３号の頁３６８−３７４に記載さ
れた“高解像度ＣＣＤカメラ用の新しい雑音抑制法（Ａ
Ｎｅｗ ＮｏｉｓｅＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｅｔ
ｈｏｄ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｃ
ＣＤ Ｃａｍｅｒａ）”）、電流変調技術を用いたり
（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄ
ｅｖｉｃｅｓ誌の１９９１年５月号、第ＥＤ−３８巻の
頁１０２１−１０２７に記載された“高感度モードで動
作する２５０ｋ画素ＳＩＴイメージセンサ（Ａ ２５０
ｋ−Ｐｉｘｅｌ ＳＩＴ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ
Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ｉｔｓ Ｈｉｇｈ−Ｓｅｎ
ｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｍｏｄｅ）”）、あるいはその他多
くの新しい電荷検出機構を採用する（ＩＥＥＥ Ｔｒａ
ｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ誌の１
９９１年５月号、第ＥＤ−３８巻の頁１０４８−１０５
１に記載された“高解像度ＣＣＤイメージセンサ用の新
しい低雑音出力増幅器（Ｎｅｗ Ｌｏｗ−Ｎｏｉｓｅ
Ｏｕｔｐｕｔ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ
−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ＣＣＤ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎ
ｓｏｒ）”）ことによって電荷から電圧への各種の変換
方式を開発してきた。しかし、良く知られた技術があっ
て、その技術はイメージオルシコン撮像管で長い間使用
されてきた。それはキャリア増倍方式である。 【０００６】現在、何らかの形でキャリア増倍方式を採
用している固体方式の装置は市場に数多くある。それら
の装置は典型的には“電子なだれ（アバランシェ）フォ
トダイオード（ＡＰＤ）”と呼ばれ、光通信の分野で使
用されている。このテーマに関しては膨大な量の論文が
蓄積されており、優れたレビューも見つけることができ
る（ニューヨーク、アカデミックプレス社から１９８５
年に出版された、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎ
ｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓシリーズの第２２巻、“光波
通信技術（Ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａ
ｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）”）。最近では、エ
リアイメージセンサで使用することができる、センシン
グ画素でのキャリア増倍に関して説明した論文も現れた
（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄ
ｅｖｉｃｅｓ誌の１９９０年８月号、第ＥＤ−３７巻の
頁１８６１−１８６８に記載された“電荷蓄積モードに
おけるＳｉのｐ−ｎ電子なだれフォトダイオードに基づ
く新しい高利得イメージセンサセル（Ａ ｎｏｖｅｌ
Ｈｉｇｈ−Ｇａｉｎ Ｉｍａｇｅ ＳｅｎｓｏｒＣｅｌ
ｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉ ｐ−ｎ ＡＰＤ ｉｎ
Ｃｈａｒｇｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｍｏｄｅ Ｏｐｅｒａ
ｔｉｏｎ）”）。 【０００７】キャリア増倍方式は、この過程に伴う雑音
が非常に少ないために、それが固体方式のＡＰＤセンサ
や通常の真空管光電子増倍管に使用されているように、
感度増大や信号対雑音比の増大に効果的である。この方
式はセンサがキャリア数を増幅器の雑音フロアよりも十
分大きいレベルにまで増大させることを許容し、従って
光子計数動作モードを提供できる。出力信号の信号対雑
音比は、従って電荷検出増幅器の雑音によって制限され
るのではなく、入力の光子束の信号対雑音比にほとんど
等しくなる。しかし、ＡＰＤ方式の装置は画素アレイ中
に組み込むためには大きすぎ、また利得も制限される。 【０００８】設計者が当面している問題点のいくつか
は、（イメージの記録を行わない）真空管光子検出器と
同等のより高いキャリア増倍因子を実現するように電荷
増倍機能を固体方式のイメージセンサアレイに組み込む
ことが困難なことと、フォトサイト（ｐｈｏｔｏｓｉｔ
ｅ）でキャリアの増倍を行う装置で可能な以上のより高
い増倍因子を達成できる方法を開発することである。従
って、上述の問題点のそれぞれ、あるいはすべてを解決
する進展が現在、求められている。 【０００９】 【発明の概要】ここにおいて、電荷増倍能力を持つＣＣ
Ｄイメージセンサに対する需要が存在することが理解さ
れる。本発明はそれらの需要に応えるものである。 【００１０】一般的に、そして本発明の１つの形態にお
いて、ＣＣＤセル中での電荷キャリアの衝突電離を引き
起こす工程を含むＣＣＤセル中での電荷増倍の方法が開
示される。 【００１１】本発明の別の１つの形態では、ＣＣＤセル
中の電位井戸（ウエル）中に電荷を一時的に保持するこ
と、前記電位井戸から分離されたＣＣＤセルの部分に電
界領域を生成することであって前記電界を横切るキャリ
アによって衝突電離が引き起こされるような十分高い電
界を生成すること、前記電位井戸中の電荷を前記電界領
域中へ流すことであって、その電荷の流れによって衝突
電離によって電荷の増倍を得るように流すこと、の工程
を含むＣＣＤセル中での電荷増倍の方法が開示される。 【００１２】本発明の別の１つの形態では、イメージセ
ンサアレイ中へイメージを検知すること、前記アレイ中
のイメージによって発生する電荷レベルを検出するこ
と、前記検出されたレベルに応答して前記アレイへのバ
イアスレベルを調節すること、前記バイアスレベルが、
前記アレイ中の少なくとも１つのセル中に比例的な電界
領域を発生し、その電界を通過する電荷キャリアによっ
て衝突電離が引き起こされるようにすること、の工程を
含むイメージセンサアレイ中での自動的利得制御の方法
が開示される。 【００１３】本発明の更に別の１つの形態では、ＣＣＤ
セル中での電荷キャリアの衝突電離によって電荷が増倍
されるようになった電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセル
が開示される。 【００１４】本発明の更に別の１つの形態では、一時的
に電荷を保持するための電位井戸、前記電位井戸から分
離されたＣＣＤセルの部分中の電界領域であって前記電
界を横切るキャリアによって衝突電離が引き起こされる
のに十分強い電界を有する領域、前記電位井戸中の電荷
を前記電界領域へ流れ出させる手段であってそれによっ
て衝突電離によって電荷の増倍を得るための手段、を含
む電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセルが開示される。 【００１５】本発明の更に別の１つの形態では、イメー
ジを検知するためのアレイ、前記アレイの出力へつなが
れて前記アレイ中のイメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと検出器とへつ
ながれて前記検出されたレベルに応答して前記アレイへ
のバイアスレベルを調節するための回路であって、前記
バイアスレベルが前記アレイの少なくとも１つのセル中
に比例的な電界を生成してその電界中を移動する電荷キ
ャリアによって衝突電離を引き起こすための回路、を含
む自動利得制御機能を備えたイメージセンサアレイが開
示される。 【００１６】本発明の更に別の１つの形態では、イメー
ジを検知するためのアレイ、前記アレイの出力へつなが
れて前記アレイ中のイメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと検出器とへつ
ながれて前記検出されたレベルに応答して前記アレイへ
のバイアスレベルを調節するための回路であって、前記
バイアスレベルが前記アレイの少なくとも１つのセル中
に比例的な電界を生成してその電界中を移動する電荷キ
ャリアによって衝突電離を引き起こすための回路、を含
む自動利得制御機能を備えたイメージセンサアレイを含
む映画用（ｍｏｔｉｏｎ）ビデオカメラが開示される。 【００１７】本発明の更に別の１つの形態では、イメー
ジを検知するためのアレイ、前記アレイの出力へつなが
れて前記アレイ中のイメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと検出器とへつ
ながれて前記検出されたレベルに応答して前記アレイへ
のバイアスレベルを調節するための回路であって、前記
バイアスレベルが前記アレイの少なくとも１つのセル中
に比例的な電界を生成してその電界中を移動する電荷キ
ャリアによって衝突電離を引き起こすための回路、を含
む自動利得制御機能を備えたイメージセンサアレイを含
むスチル用（ｓｔｉｌｌ）ビデオカメラが開示される。 【００１８】本発明の特徴は、本発明が、より高い感
度、進歩した信号対雑音比、そして可変利得を備えたイ
メージセンサを可能とするということである。 【００１９】本発明の以上の、およびそれ以外の点につ
いて、図面を参照して説明する。図面では、同様な部品
には同じ参照符号を付してある。 【００２０】 【実施例】本発明は、センシング画素中ではなく、典型
的なＣＣＤイメージセンサ中で、電荷転送過程において
キャリアの増倍を行うようになったイメージセンサを提
供する。この新規な方式は、従ってイメージオルシコン
の動作に同等もしくはそれを凌ぐ特性を備えた固体方式
のイメージセンサ構築への道を開くものである。 【００２１】電荷増倍をＣＣＤ装置へ組み込むことによ
ってそれの重要な特長が強調される。ＭＯＳまたはＣＩ
Ｄセンサに対するＣＣＤの優位性は、フォトサイトで収
集された電荷が離れた位置の（通常は同一チップ上の）
センシング増幅器へ効率よく転送できることにある。そ
のため、実質的に配置上の制約がないので、増幅器は最
大特性を達成できるように最適化することができる。電
荷検出増幅器への転送は、多くの画素位置から実質的に
損失無しで高速に行うことができる。 【００２２】本発明の概念を用いて、電荷転送経路中へ
低雑音電荷増倍構造を付加することも可能である。これ
によって電荷センシング検出器へ到達するキャリア数は
増加し、特に高周波において低レベル信号の検出が容易
になる。この概念を採用するＣＣＤイメージセンサは、
従って、より高い感度、より低い雑音、そして電荷増倍
領域での電界強度を外部から制御することによる可変利
得という特長を備えることになる。 【００２３】図１は一般的に１０で示された簡単な４相
ＣＣＤ構造を示しており、それはこの分野で既知の方法
で構成されたものである。図２は、図１の装置におい
て、装置を通しての（電荷増倍なしの）標準的な４相の
電荷転送を実現するために、図１の４個のゲート電極１
２、１４、１６、そして１８へそれぞれ与えられるパル
スを示すタイミング図である。図１の電位図は、図２の
タイミング図に示された各時点でのＣＣＤチャネル中の
電位分布を示している。当業者には明かなように、電荷
の移動する方向の先端に電位井戸を生成し、後端で電位
井戸を取り除くことを次々と行うことによって電荷がチ
ャネルに沿って転送されていく。このように電荷パケッ
ト２０はＣＣＤチャネルに沿って左から右へと移動す
る。ｔ1 からｔ1 ′の期間が１クロックサイクルを表
し、その間に電荷バケット２０は４相領域を移動する。 【００２４】図３には本発明の第１の好適実施例が一般
的に５０で示されている。これは図１の従来技術のＣＣ
Ｄセルに電荷増倍機能を組み込んだものである。図４
は、図３の装置中を通して電荷の転送と増倍とを達成す
るために、４個のゲート電極５２、５４、５６、そして
５８へそれぞれ供給されるパルスを示すタイミング図で
ある。直流バイアスされた転送障壁が位相３電極５６の
下に形成され、一時的な蓄積井戸が位相２電極５４の下
に形成される。位相１は画素分離器として作用し、高電
界領域が位相３電極５６と位相４電極５８との界面に形
成される。位相２電極５４のバイアスが低下すると（す
なわち電位が上昇すると）、蓄積されている電荷は位相
３電極５６の下の転送障壁を越えて、位相３電極５６と
位相４電極５８との間の高電界領域中へ注入される（高
電界の生成については後述する）。キャリアがＣＣＤチ
ャネル中を移動する間に、それは格子を構成する原子と
相互作用を行ってそれのエネルギーを失う前に、平均的
に“平均自由行程”を移動する。しかし、チャネル中の
電界が十分強ければ、キャリアはそれの平均自由行程を
移動する間に電界から十分なエネルギーを得ることがで
き、格子原子と衝突することによって価電子帯から付加
的な電子を解放する。初期キャリアは、衝突によって生
成した正孔および電子と共に衝突領域を離れて自由にな
る。この過程は衝突電離と呼ばれる。この過程中に電子
−正孔対はＣＣＤの表面に垂直な方向の電界によって分
離され、電子のみが位相４電極５８の下の井戸中に集め
られる。正孔は、ＣＣＤ構造とそれらの生成場所とに依
存して、バルク方向、またはシリコンと二酸化シリコン
界面方向へ流れる。生成した正孔は通常、それ以上増倍
過程に関与しない。従って、増倍は単一のキャリアのみ
を含むことになり、これは本質的に低雑音過程になるこ
とが知られている。 【００２５】すべてのキャリアが高電界領域を転送され
て、増倍された後に、それらの転送は次に段階へ進むこ
とができる。このことは位相１電極５２を高レベルへ、
また位相４電極５８を低レベルへバイアスし、それに続
いて位相２電極５４を高レベルへ、位相１電極５２をそ
れの元の低レベルへ戻すようにバイアスすることによっ
て行われる。この時点で、キャリアは次の段階の一時的
な蓄積井戸中にあって、次の増倍のための準備ができて
いる。次の段階は位相４電極５８を高レベルへバイアス
して、再び電荷を位相３電極５６下の電位障壁を越えて
注入することで開始される。図３から明かなように、キ
ャリアを位相２電極５４下の一時的蓄積井戸へ戻すよう
に転送することもできる。このことは位相４電極５８の
バイアスを下げ、位相２電極５４のバイアスを上げるこ
とによって行われる。この場合、位相２電極５４と位相
３電極５６との間に（これらの２つの領域間の大きい電
位差のために）高電界領域が生成され、増倍されたキャ
リアはそれらが元もと出発した井戸（すなわち位相２）
へ集められる。双方向性の転送によってキャリア増倍を
行うこの方法は、数多い段階を備えた長い構造のための
十分な場所がない時や、転送回数を外部から変更する必
要のある場合などに有利である。 【００２６】ＣＣＤチャネルにおいて電荷増倍を達成す
るためには、大きい横方向電界を有する複数の領域を通
してキャリアを転送することが必要である。これらの電
界は、２つの隣接するゲート電極間に電位差を与える
か、または２つの隣接する領域で（イオン打ち込みやヘ
テロエピタキシャル成長によって）異なるドーピング分
布を持たせることによって生成される。典型的なＣＣＤ
装置では、この大きい電界がゲート電極間の領域に存在
する。しかし、キャリアの増倍は通常起こらない。最近
のＣＣＤの設計は１つのゲートから次のゲートへ滑らか
な電位の分布を持たせることによって、各ゲート下でフ
リンジ（ｆｒｉｎｇｉｎｇ）（横方向）電界ができるだ
け遠くまで達するようにして最適化が図られている。こ
の設計の理由は電荷転送効率（ＣＴＥ）を最大に保ちな
がら、高速の電界援用電荷転送を達成することである。
ゲートへのバイアスが変化するに伴って、電荷はほとん
ど直ちに電位の最小場所へ到達するように流れ、通常は
既に存在しない大きな電界に出会うことはない。ゲート
のバイアスがそれの最大レベルに到達すると、通常はす
べての電荷が既に次の井戸に蓄えられている。標準的な
ＣＣＤチャネルでキャリアの増倍が起こらない理由は典
型的なＣＣＤがそれの井戸容量いっぱいの状態において
動作するように設計されているからである。チャネル中
の多量の電荷は内部電界を低下させ、そのため電子なだ
れ条件の形成が阻止される。 【００２７】電荷増倍を行うためには、３つの要求が充
たされることが望ましい。第１は、ゲート上のバイアス
が変化して大きいフリンジ電界が形成されるための時間
がある場合に、転送障壁の後ろの蓄積井戸中に電荷が一
時的に蓄積されなければならない。この転送遅延は、外
部のクロック駆動器の制約からゲート上のバイアスがそ
れほど敏速に変化することができないため必要である。
電界がそれらの最大強度に到達した後、電荷は転送障壁
を越えて高電界領域へ注入されることができる。第２の
条件は、加速されたキャリアがＣＣＤチャネルの材料中
で衝突電離を引き起こすために十分大きいエネルギーを
得られるように電界が十分強いものでなければならない
ということである。最後に、ＣＣＤチャネル中で転送さ
れる電荷量は、電界の自己クエンチ（ｓｅｌｆ−ｑｕｅ
ｎｃｈｉｎｇ）効果を避けるために、ＣＣＤチャネル容
量に比べて小さくなければならない。しかし、特定の応
用においては、この自己制限機能は、信号圧縮を通して
装置のダイナミックレンジを拡大するという特長として
利用される。 【００２８】今日頻繁に使用されているＣＣＤ装置には
２つの型がある：表面チャネルＣＣＤと埋め込みチャネ
ルＣＣＤである。本発明の好適実施例は埋め込みチャネ
ル装置を採用しているが、電荷増倍の概念はこれら２つ
の型のいずれにも適用できる。しかし、克服すべき問題
点は、表面から離れ、ゲート電極から特定の距離にある
チャネル中を電荷が移動することである。不幸にも、電
極からのチャネルの距離が大きくなるほど、横方向の電
位分布は滑らかになる傾向がある。最も大きい横方向電
界はゲート電極間にあり、バルク中への距離が増えるほ
ど減少する。この結果、埋め込みチャネル装置において
高い電子なだれ電界を生成することはより困難になる。
このことは図５に、電荷増倍ゲート（すなわち、図３の
位相４電極５８）下のＣＣＤチャネルのエリアに対する
断面の二次元的な電位分布の概略図として示されてお
り、この図はＣＭＤゲートのすぐ隣の最も高いレベルに
ある電位を示している。 【００２９】図６は従来技術の仮想位相（ｖｉｒｔｕａ
ｌ ｐｈａｓｅ）埋め込みチャネルＣＣＤ装置（テキサ
スインスツルメンツＴＣ２１１）を一般的に７０で示し
ており、これの動作は本発明の第２の好適実施例を実験
的に実証するように修正されている。このＣＣＤ自体の
標準的な動作は、ここに参考のために引用する、本発明
の出願人に譲渡された米国特許第４，６７９，２１２号
に詳細に述べられている。 【００３０】図６から、もし装置に適正なクロックが供
給されるならば、ＴＣ２１１に付属している標準的なア
ンチブルーミング（ａｎｔｉｂｌｏｏｍｉｎｇ）ゲート
をＣＭＤゲート７４として利用できることが分かる。高
電界は、ゲート電極７２下のクロックを与えられる井戸
から電荷が注入される前に、領域７６の下に存在する仮
想障壁（ｖｉｒｔｕａｌ ｂａｒｒｉｅｒ）とＣＭＤゲ
ート７４との間の界面に生成される。電界の注入が終了
すると、ＣＭＤゲート７４のバイアスは下げることがで
き、仮想井戸（ｖｉｒｔｕａｌ ｗｅｌｌ）へ転送され
た電荷は領域７８の下に見いだされ、次のサイクルの準
備ができている。タイミング図が図７に示され、実験の
設定は図８に一般的に８０で示されている。 【００３１】ＣＣＤ構造における電荷増倍の効果をはっ
きり実証するために、図８のＴＣ２１１装置８４はイメ
ージセンシングエリア上へ投影された水平バーのパター
ン（水平シフトレジスタに平行）を与えられている。Ｔ
Ｃ２１１センサ８４はフルフレーム（ｆｕｌｌ ｆｒａ
ｍｅ）装置であるため、照明のために使用されるＬＥＤ
光源８２には蓄積時間のあいだだけパルスが供給され
る。ＬＥＤ８２は良好な一様性でイメージセンシングエ
リアを照明する。図７のタイミングパルスが、予めプロ
グラムされたタイミングＩＣ９０の制御下で駆動器８６
と８８によってセンサ８０へ供給される。センサ８４か
らの直列シフトレジスタ出力は駆動器８６からのφSRに
よって制御されて、増幅器９２、標本化および保持回路
９４、そして別の増幅器９６へと送られる。この出力は
次にオシロスコープ９８上に表示される。 【００３２】図９のオシロスコープ像は電荷増倍機能が
働いていない場合の、この回路のビデオ出力を示してい
る。明らかなように、出力はイメージとして用いられた
水平バーの明るい領域と暗い領域とが交互に並んだ一様
な照明の様子を反映している。これと対照的に、図１０
のオシロスコープ像は電荷増倍機能を働かせた場合の図
８の回路の結果のビデオ出力を示している。この像か
ら、イメージセンサ８４の直列シフトレジスタの近くに
位置するストライプからの（像の左側からの）電荷は少
数のＣＣＤ段階（従って、少数の電荷増倍段階）しか転
送されていないため、あまり大きな増倍を示しておら
ず、最小のレベルを有していることが分かる。他方、イ
メージエリアの最上部（像の右側）からの電荷は約１６
５段階を通って転送されているが、十分に増倍されてい
ることが分かる。この像は、このように図６の装置の修
正された動作に期待される電荷増倍の振る舞いを確認さ
せるものである。 【００３３】図８の回路から得られる最大の増倍はおよ
そ５倍である。この装置が１６５本のラインを含んでい
ることを考慮に入れると、この増倍率は１転送当たりに
約Ｍo＝１．０１という利得に変換される、または１段
階当たりほどよい１％程度の信号レベル増倍に変換され
る。このような特性レベルが既存の市販されているＣＣ
Ｄイメージセンサに対して簡単なバイアスの修正を施す
ことによって得られたということは、もし装置設計を電
荷増倍機能に関して最適化するならば、ずっと大きい増
倍因子も達成できるであろうことが期待できる。 【００３４】以上のように、ＣＣＤチャネルについて電
荷増倍機能を実証してきたが、従来技術の小型画素のＣ
ＣＤイメージセンサに固有な低感度と高雑音の問題に対
する解答であることを実証することに関心がある。調べ
るべき重要なパラメータは、増倍因子Ｍに加えて、電荷
増倍過程それ自身の間に発生する雑音である。この雑音
は次の式で定義される過剰雑音因子（ｅｘｃｅｓｓ ｎ
ｏｉｓｅ ｆａｃｔｏｒ）Ｆによって通常、特徴づけら
れる： 【００３５】 【数１】 Ｆ＝（１／Ｍ2 ）＜ｎ2 ＞／＜ｎo 2 ＞ (1) 上の式(1) の尖った括弧は集合の平均を意味し、＜ｎ2
＞と＜ｎo 2 ＞はそれぞれ増倍の前後の信号キャリア変
動であり、Ｍは次の式で定義される増倍因子である： 【００３６】 【数２】 Ｍ＝＜ｎ＞／＜ｎo ＞ (2) 【００３７】この増倍利得因子Ｍはまず図８の装置につ
いて測定され、結果は図１０に示されている。このグラ
フは利得のＣＭＤゲート高レベルバイアスに対する依存
性を示し、期待通りの勾配を有している。２０ボルト付
近のゲートバイアスについて本質的な利得の増加が認め
られる。第１の顕著な１よりも大きい利得の見られるし
きい値は約１４ボルトである。ゲートバイアスを２２ボ
ルトよりも大きくすると、列と列とでの非一様性が増大
し、出力が飽和に近づく。この時点で、ＣＣＤチャネル
を通って移動する多量の電荷によって電子なだれ電界が
クエンチを初めていることが仮定されており、その場合
の増倍度はいくらか減少する。 【００３８】過剰雑音因子Ｆの結果は図１１に示されて
いる。この図から過剰雑音因子は約Ｆ＝１に等しいこと
が明かである。これはまた、増倍因子Ｍにほとんど無関
係である。このことは非常に有利な結果であって、標準
的なＣＣＤイメージセンサから光子計数特性に近い動作
が可能であることを示唆している。このことは次のよう
に表される： 【００３９】 【数３】 （Ｓ／Ｎ）p ＝（ｎp ）1/2 (3) 【数４】 （Ｓ／Ｎ）st＝ｎp （ｎp ＋ｎa 2 ）-1/2 (4) 【数５】 （Ｓ／Ｎ）cmd ＝ｎp （ｎp Ｆ＋（ｎa ／Ｍ）2 ）-1/2 (5) ここで、ｎp は光子励起生成されたキャリアの数、（Ｓ
／Ｎ）p は光子励起生成されたキャリアの信号対雑音
比、（Ｓ／Ｎ）stは標準的なＣＣＤイメージセンサの信
号対雑音比、（Ｓ／Ｎ）cmd は電荷増倍を備えたＣＣＤ
イメージセンサの信号対雑音比、そしてｎa は等価な電
子の数で表した増幅器雑音フロアである。ＣＭＤ装置を
備えたＣＣＤの信号対雑音比を入力信号の信号対雑音比
に対して生起化することによって、次の評価指数Ｑm ： 【００４０】 【数６】 （Ｑm ）cmd ＝（Ｆ＋（ｎa ／Ｍ）2 ／ｎp ）-1/2 (6) を定義することができる。この式から、例えばＭ＝２０
というような中程度の利得に関しても、ｎa ＝２０の電
子数の雑音フロアを容易に達成できるＣＤＳ（相関二重
標本化、ここに参考のために引用する、本発明の出願人
に譲渡された米国特許第４，６５６，５０３号に定義さ
れている）回路を備えた従来の電荷検出増幅器を用い
て、ｎp ＝１の電子数において（Ｑm ）cmd ＝０．７０
７を達成することが可能であることが容易に分かる。他
方、もしＣＭＤが使用されなければ、（Ｑm ）stは次の
ようになる： 【００４１】 【数７】 （Ｑm ）st＝（１＋ｎa 2 ／ｎp ）-1/2 (7) この場合、（Ｑm ）st＝０．７０７はやっとｎp ＝４０
０電子で達成できよう。これは標準的なＣＣＤイメージ
センサがＣＭＤを備えたセンサに対して競争力を失わせ
るあまりに低い特性である。 【００４２】ＣＭＤ概念の特長のいくつかは次のような
ものである：ＣＭＤは多相（ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ）装
置から単一位相の仮想ゲート（ｖｉｒｔｕａｌ ｇａｔ
ｅ）ＣＣＤに至る広い範囲の既存ＣＣＤ構造の任意のも
のに容易に組み込むことができる。高利得を実現するた
めに数多くの段階をカスケード接続することができる。
利得はＣＭＤゲートクロック振幅を調節することによっ
て外部から制御することができる。最後に、電荷注入と
増倍の間の必要な時にのみ、高電界をパルスとして与え
ることができる。起こり得る望ましくないダークキャリ
ア発生を最小化するために、電荷を増倍する必要がない
時には高電界はオフされる。 【００４３】別の１つの特長は、新しい電荷増倍概念の
基本的な特長を保ちながら可能な、装置配置の柔軟性が
大きいことである。いくつかの例を図１３に示してあ
る。図１３ａはＣＭＤ機能をＣＣＤチャネルの各段階
へ、あるいは一群の段階へ組み込んだ直接的な方式を示
す。電荷増倍因子Ｍは各段階または段階群に関して独立
的に制御され、あるいはすべての制御ラインを単一の駆
動器へつなぐ。図１３ｂは空間が厳しく制限されている
応用で、電荷の繰り返し増倍を許容する新規な構造を示
している。信号は従来のＣＣＤチャネル１００中へ直列
的に入力される。それは次にＣＭＤチャネル１０２中へ
並列的にシフトされ、そこにおいて右へ直列的にシフト
され、各シフト毎に増倍される。その後、出力ＣＣＤチ
ャネル１０４へ並列的にシフトされ、更に増幅器１０６
へ送られる。この特定の実施例は、ＣＭＤチャネル１０
２中へ一旦入ると、信号は、必要とされる電荷増倍が達
成されるまで、左から右へ、右から左へと繰り返しシフ
トされる。電荷増倍のこのレベルは固定されてもよい
し、外部条件に依存して連続的に変化させてもよい。図
１３ｃは“レーストラック（ｒａｃｅｔｒａｃｋ）方
式”に配置されたＣＣＤ構造の例を示している。信号は
標準的なＣＣＤチャネル１１０中へ直列的に入力され、
ＣＭＤチャネル１１２中へ並列的にシフトされ、そこで
望みの電荷増倍を達成するために必要な回数ループ状に
直列シフトされ、その後出力ＣＣＤレジスタ１１４へ並
列的にシフトされ、更に増幅器１１６へ送られる。この
配置はまた、非常に小さい空間中に数多くの増倍段階を
許容する。最後の図１３ｄはいくつかの並列ＣＣＤチャ
ネル１１８を示しており、それは単一の制御ラインの制
御下にあるＣＭＤセル１９９を含んでいる。ＣＣＤチャ
ネル１１８はすべて直列シフトレジスタ１２１中へシフ
トを行って空になっており、直列シフトレジスタ１２１
はその電荷を出力へシフトする。この配置は多くの同様
なあるいは類似の配置と同じように、いくつかの並列Ｃ
ＣＤチャネルのそれぞれに同量の利得を導入することを
許容するため、イメージセンサアレイに使用するのに大
いに有用である。 【００４４】本発明の電荷増倍の概念は当該分野で既知
の任意のＣＣＤ設計に容易に採用することができる。例
えば、電荷増倍から利益を得るＣＣＤ設計の例には次の
ものが含まれる：打ち込みされた井戸領域を備えた、あ
るいは備えていない多相ＣＣＤ、二次元電子ガス構造に
基づくＣＣＤ、仮想位相ＣＣＤ、埋め込みチャネル装
置、表面チャネル装置等。 【００４５】当業者は、ＣＭＤ装置の可変利得特性がＣ
ＭＤ装置を、帰還を組み込んだ自動利得制御（ＡＧＣ）
システムに特に適したものとしていることに容易に気づ
かれるであろう。このことはイメージセンシングシステ
ム中のＣＣＤがシステムの動作条件に依存する利得因子
を有することを許容する。典型的なシステムのブロック
図を図１４に示す。ここで、レンズ１２０がＣＭＤ／Ｃ
ＣＤイメージセンサアレイ１２２上にイメージを結像
し、イメージセンサアレイは信号の電荷レベルを増倍し
てビデオ信号プロセッサ１２４へ直列出力を供給し、ビ
デオ信号プロセッサ１２４の出力はモニタおよび／また
はビデオレコーダへ送られる。ビデオ信号プロセッサの
出力はピーク／平均信号検出器１２６によって、外部プ
ログラム入力とタイミング発生器１２８からのウエイト
（ｗｅｉｇｈｔ）制御とに基づいて、標本化される。ピ
ーク／平均信号検出器１２６はＣＭＤ／ＣＣＤ駆動器回
路１３０へ、システムレンズが見るシーンの照明レベル
に比例したＣＭＤ利得制御出力を供給する。この制御信
号はＣＭＤ／ＣＣＤ駆動器回路１３０によって用いられ
て、ＣＭＤ／ＣＣＤイメージセンサ１２２へ送られる制
御信号を調節し、それによって電界の強度を、従って装
置の利得を制御する。このようにして、このシステムは
レンズ１２０に対する絞り制御を不要とし、その結果拡
張されたダイナミックレンジを備えた装置を提供すると
共に、低価格のレンズを実現し、機械的な方式よりも信
頼性高い電子式の絞り制御を提供する。 【００４６】以上のように、いくつかの好適実施例につ
いて詳細に説明した。本発明の範囲にはここに述べたも
のとは異なる実施例であって、本発明の範囲内に含まれ
る実施例を包含することを理解されたい。 【００４７】例えば、電荷増倍を最大化し、装置の信号
対雑音比を最大化する特殊なゲート構造を電荷増倍領域
に採用したり、ＣＭＤゲート下に特殊な高電界打ち込み
領域を使用したり、ビルトインの固定電界領域を採用し
たりすることが考えられる。 【００４８】含むという表現は本発明の範囲に関する場
合、非排他的と解釈されるべきである。 【００４９】内部および外部の接続はオーミックなもの
でも容量性のものでもよく、直接的でも中間回路等を介
しての間接的なものでもよい。本発明の組み込みは、個
別部品としてでもよいし、光学その他の技術に基づく形
態および実施例の他に、シリコン、ガリウム砒素、その
他の電子材料群中への完全集積化された回路としてでも
よい。 【００５０】本発明は例示された実施例に関して説明し
てきたが、この説明は限定的な意図のものではない。例
示した実施例の各種の修正や組み合わせが、本発明のそ
の他の実施例と共に可能であることは本明細書を参考に
することで当業者には明らかになるであろう。従って、
本発明の特許請求の範囲はそれらの修正やその他の実施
例を包含するものと理解すべきである。 【００５１】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1) ＣＣＤセル中で電荷を増倍するための方法であっ
て、前記ＣＣＤセル中で電荷キャリアの衝突電離を引き
起こす工程を含む方法。 【００５２】(2) ＣＣＤセル中で電荷を増倍するため
の方法であって：前記ＣＣＤセル中の電位井戸中に電荷
を一時的に保持すること、前記ＣＣＤセル中の前記電位
井戸から分離された部分に電界領域を生成することであ
って、前記電界を横切るキャリアによって衝突電離が引
き起こされるような十分強い電界を有する領域を生成す
ること、前記電位井戸中の前記電荷を前記電界領域中へ
流れ出させることであって、前記流れが衝突電離によっ
て前記電荷の増倍をもたらすように流れを引き起こすこ
と、の工程を含む方法。 【００５３】(3) 第２項記載の方法であって、前記流
れを引き起こす工程が前記電位井戸の寸法を減少させる
ことによって実現され、それによってそこにある前記電
荷が前記井戸を越えて流れ出し、次に前記電界領域中へ
流れ出すようにする方法。 【００５４】(4) イメージセンサアレイ中での自動利
得制御のための方法であって：前記アレイ中にイメージ
を検知すること、前記アレイ中の前記イメージによって
発生する電荷レベルを検出すること、前記検出されたレ
ベルに応答して前記アレイへ供給されるバイアスレベル
を調節することであって、前記バイアスレベルが前記ア
レイの少なくとも１つの中に、前記電界中を移動する電
荷キャリアによって衝突電離を引き起こすための比例的
な電界を生成するように、バイアスレベルを調節するこ
と、の工程を含む方法。 【００５５】(5) 第４項記載の方法であって、前記イ
メージセンサアレイが映画用ビデオカメラの一部である
方法。 【００５６】(6) 第４項記載の方法であって、前記イ
メージセンサアレイがスチル用ビデオカメラの一部であ
る方法。 【００５７】(7) 電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセル
であって、電荷が前記ＣＣＤセル中の電荷キャリアの衝
突電離によって増倍されるようになった装置。 【００５８】(8) 第１項記載の方法または第７項記載
の装置であって、前記衝突電離が前記高電界領域中での
前記キャリアの加速によって引き起こされる方法または
装置。 【００５９】(9) 第１項記載の方法または第７項記載
の装置であって、前記衝突電離がＣＣＤチャネルの各セ
ル中で起こるようになった方法または装置。 【００６０】(10) 電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセル
であって：一時的に電荷を保持するための電位井戸、前
記電位井戸から分離された前記ＣＣＤセルの一部分中の
電界領域であって、前記電界が電界を横切るキャリアに
よって衝突電離が引き起こされるに十分な強さであるよ
うな電界領域、前記電位井戸中の前記電荷を前記電界領
域中への流出を引き起こす手段であって、その流れの結
果、衝突電離によって前記電荷の増倍がもたらされるよ
うに流れを引き起こす手段、を含む装置。 【００６１】(11) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記電位井戸が前記ＣＣＤセルの表
面上のエリアへ電位を供給することによって生成される
ようになった方法または装置。 【００６２】(12) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記電界が前記ＣＣＤセルの表面上
の２つのエリア間に電位差を形成することによって生成
されるようになった方法または装置。 【００６３】(13) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記電界が前記ＣＣＤセルの表面上
の２つの領域間に、前記領域にそれぞれ異なるドーピン
グを施すことによって電位差を形成することによって生
成されるようになった方法または装置。 【００６４】(14) 第１３項記載の方法または装置であ
って、前記ドーピングがイオン打ち込みによって行われ
る方法または装置。 【００６５】(15) 第１３項記載の方法または装置であ
って、前記ドーピングがヘテロエピタキシャル堆積によ
って行われる方法または装置。 【００６６】(16) 第１０項記載の装置であって、前記
流れを引き起こす手段が電位を供給された前記電位井戸
上に取り付けられたゲートであって、前記電位を下げる
ことによって前記井戸の寸法が減少し、それによってそ
こにある電荷が前記井戸のサイドを越えて、前記電界領
域中へ流れ出すようになった装置。 【００６７】(17) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが打ち込み井戸を備
えた多相装置である方法または装置。 【００６８】(18) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが打ち込み井戸を備
えていない多相装置である方法または装置。 【００６９】(19) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが仮想位相装置であ
る方法または装置。 【００７０】(20) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが埋め込みチャネル
装置である方法または装置。 【００７１】(21) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが表面チャネル装置
である方法または装置。 【００７２】(22) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが二次元電子ガス構
造に基づいている方法または装置。 【００７３】(23) 自動利得制御を有するイメージセン
サアレイであって：イメージを検知するためのアレイ、
前記アレイの出力へつながれて前記アレイ中の前記イメ
ージによって発生する電荷レベルを検出するための検出
器、前記アレイと前記検出器へつながれて、前記検出さ
れたレベルに応答して前記アレイへ供給されるバイアス
レベルを調節する回路であって、前記バイアスレベル
が、前記電界中を移動する電荷キャリアによって衝突電
離が引き起こされるように前記アレイの少なくとも１つ
の中に比例的な電界を生成するようになった回路、を含
むイメージセンサアレイ。 【００７４】(24) 映画用ビデオカメラであって：自動
利得制御を備えたイメージセンサアレイであって：イメ
ージを検知するアレイ、前記アレイの出力へつながれて
前記アレイ中の前記イメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと前記検出器へ
つながれて、前記検出されたレベルに応答して前記アレ
イへ供給されるバイアスレベルを調節する回路であっ
て、前記バイアスレベルが、前記電界中を移動する電荷
キャリアによって衝突電離が引き起こされるように前記
アレイの少なくとも１つの中に比例的な電界を生成する
ようになった回路、を含むイメージセンサアレイ、を含
む映画用ビデオカメラ。 【００７５】(25) スチル用ビデオカメラであって：自
動利得制御を備えたイメージセンサアレイであって：イ
メージを検知するアレイ、前記アレイの出力へつながれ
て前記アレイ中の前記イメージによって発生する電荷レ
ベルを検出するための検出器、前記アレイと前記検出器
へつながれて、前記検出されたレベルに応答して前記ア
レイへ供給されるバイアスレベルを調節する回路であっ
て、前記バイアスレベルが、前記電界中を移動する電荷
キャリアによって衝突電離が引き起こされるように前記
アレイの少なくとも１つの中に比例的な電界を生成する
ようになった回路、を含むイメージセンサアレイ、を含
むスチル用ビデオカメラ。 【００７６】(26) 一般的に、そして本発明の１つの形
態において、ＣＣＤセル中で電荷を増倍するための方法
であって、前記ＣＣＤセル中で電荷キャリアの衝突電離
を引き起こす工程を含む方法が開示されている。その他
の装置、システム、および方法もまた開示されている。 【００７７】
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】本発明の範囲を限定することなく、小型
画素のＣＣＤイメージセンサを例にとって本発明の背景
について説明することにする。 【０００３】これまでこの分野において、消費者市場か
らのより高い分解能を有するＣＣＤカメラを求める要求
が増大すると共に、設計者はそれらの製品に使用される
ＣＣＤイメージセンサ中へより多くの画素を組み込んで
きた。同時に、それらのセンサのコストを維持もしくは
低下させるようにとの競合的な圧力によって、チップ寸
法の縮小、従って能動画素エリアの縮小を余儀なくされ
てきた。この避けられない傾向は、最近の技術論文の中
に見てとれるし、更に多くの製品カタログ中でも明かで
ある。しかし、このことは２つの重大な問題につなが
る：１つは画素検知感度の低下であり、もう１つは信号
対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の低下である。 【０００４】イメージセンサの感度は、画素面積、開口
部効率、量子効率、蓄積時間、そして電荷から電圧への
変換因子に比例する。現代のイメージセンサの最大セン
サ感度は通常、収集した電荷を出力電圧へ変換する電荷
検出増幅器の雑音フロア（ｎｏｉｓｅ ｆｌｏｏｒ）に
よって決定される。この制限がなければ、個々の光子を
検出して光子計数動作を実現することも可能であろう
し、従って物理的な基本法則によって決定される究極の
イメージセンサ特性を得ることも可能なはずである。 【０００５】しかし、電荷検出増幅器の雑音フロアを低
減することは容易な作業ではない。より優れた特性を達
成するために、センサの設計者は、複雑なｋＴＣ雑音抑
制回路を用いたり（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｃｏ
ｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ誌の１９８９年
８月号、第３５巻、第３号の頁３６８−３７４に記載さ
れた“高解像度ＣＣＤカメラ用の新しい雑音抑制法（Ａ
Ｎｅｗ ＮｏｉｓｅＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｅｔ
ｈｏｄ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｃ
ＣＤ Ｃａｍｅｒａ）”）、電流変調技術を用いたり
（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄ
ｅｖｉｃｅｓ誌の１９９１年５月号、第ＥＤ−３８巻の
頁１０２１−１０２７に記載された“高感度モードで動
作する２５０ｋ画素ＳＩＴイメージセンサ（Ａ ２５０
ｋ−Ｐｉｘｅｌ ＳＩＴ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ
Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ｉｔｓ Ｈｉｇｈ−Ｓｅｎ
ｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｍｏｄｅ）”）、あるいはその他多
くの新しい電荷検出機構を採用する（ＩＥＥＥ Ｔｒａ
ｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ誌の１
９９１年５月号、第ＥＤ−３８巻の頁１０４８−１０５
１に記載された“高解像度ＣＣＤイメージセンサ用の新
しい低雑音出力増幅器（Ｎｅｗ Ｌｏｗ−Ｎｏｉｓｅ
Ｏｕｔｐｕｔ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ
−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ＣＣＤ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎ
ｓｏｒ）”）ことによって電荷から電圧への各種の変換
方式を開発してきた。しかし、良く知られた技術があっ
て、その技術はイメージオルシコン撮像管で長い間使用
されてきた。それはキャリア増倍方式である。 【０００６】現在、何らかの形でキャリア増倍方式を採
用している固体方式の装置は市場に数多くある。それら
の装置は典型的には“電子なだれ（アバランシェ）フォ
トダイオード（ＡＰＤ）”と呼ばれ、光通信の分野で使
用されている。このテーマに関しては膨大な量の論文が
蓄積されており、優れたレビューも見つけることができ
る（ニューヨーク、アカデミックプレス社から１９８５
年に出版された、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎ
ｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓシリーズの第２２巻、“光波
通信技術（Ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａ
ｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）”）。最近では、エ
リアイメージセンサで使用することができる、センシン
グ画素でのキャリア増倍に関して説明した論文も現れた
（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄ
ｅｖｉｃｅｓ誌の１９９０年８月号、第ＥＤ−３７巻の
頁１８６１−１８６８に記載された“電荷蓄積モードに
おけるＳｉのｐ−ｎ電子なだれフォトダイオードに基づ
く新しい高利得イメージセンサセル（Ａ ｎｏｖｅｌ
Ｈｉｇｈ−Ｇａｉｎ Ｉｍａｇｅ ＳｅｎｓｏｒＣｅｌ
ｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉ ｐ−ｎ ＡＰＤ ｉｎ
Ｃｈａｒｇｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｍｏｄｅ Ｏｐｅｒａ
ｔｉｏｎ）”）。 【０００７】キャリア増倍方式は、この過程に伴う雑音
が非常に少ないために、それが固体方式のＡＰＤセンサ
や通常の真空管光電子増倍管に使用されているように、
感度増大や信号対雑音比の増大に効果的である。この方
式はセンサがキャリア数を増幅器の雑音フロアよりも十
分大きいレベルにまで増大させることを許容し、従って
光子計数動作モードを提供できる。出力信号の信号対雑
音比は、従って電荷検出増幅器の雑音によって制限され
るのではなく、入力の光子束の信号対雑音比にほとんど
等しくなる。しかし、ＡＰＤ方式の装置は画素アレイ中
に組み込むためには大きすぎ、また利得も制限される。 【０００８】設計者が当面している問題点のいくつか
は、（イメージの記録を行わない）真空管光子検出器と
同等のより高いキャリア増倍因子を実現するように電荷
増倍機能を固体方式のイメージセンサアレイに組み込む
ことが困難なことと、フォトサイト（ｐｈｏｔｏｓｉｔ
ｅ）でキャリアの増倍を行う装置で可能な以上のより高
い増倍因子を達成できる方法を開発することである。従
って、上述の問題点のそれぞれ、あるいはすべてを解決
する進展が現在、求められている。 【０００９】 【発明の概要】ここにおいて、電荷増倍能力を持つＣＣ
Ｄイメージセンサに対する需要が存在することが理解さ
れる。本発明はそれらの需要に応えるものである。 【００１０】一般的に、そして本発明の１つの形態にお
いて、ＣＣＤセル中での電荷キャリアの衝突電離を引き
起こす工程を含むＣＣＤセル中での電荷増倍の方法が開
示される。 【００１１】本発明の別の１つの形態では、ＣＣＤセル
中の電位井戸（ウエル）中に電荷を一時的に保持するこ
と、前記電位井戸から分離されたＣＣＤセルの部分に電
界領域を生成することであって前記電界を横切るキャリ
アによって衝突電離が引き起こされるような十分高い電
界を生成すること、前記電位井戸中の電荷を前記電界領
域中へ流すことであって、その電荷の流れによって衝突
電離によって電荷の増倍を得るように流すこと、の工程
を含むＣＣＤセル中での電荷増倍の方法が開示される。 【００１２】本発明の別の１つの形態では、イメージセ
ンサアレイ中へイメージを検知すること、前記アレイ中
のイメージによって発生する電荷レベルを検出するこ
と、前記検出されたレベルに応答して前記アレイへのバ
イアスレベルを調節すること、前記バイアスレベルが、
前記アレイ中の少なくとも１つのセル中に比例的な電界
領域を発生し、その電界を通過する電荷キャリアによっ
て衝突電離が引き起こされるようにすること、の工程を
含むイメージセンサアレイ中での自動的利得制御の方法
が開示される。 【００１３】本発明の更に別の１つの形態では、ＣＣＤ
セル中での電荷キャリアの衝突電離によって電荷が増倍
されるようになった電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセル
が開示される。 【００１４】本発明の更に別の１つの形態では、一時的
に電荷を保持するための電位井戸、前記電位井戸から分
離されたＣＣＤセルの部分中の電界領域であって前記電
界を横切るキャリアによって衝突電離が引き起こされる
のに十分強い電界を有する領域、前記電位井戸中の電荷
を前記電界領域へ流れ出させる手段であってそれによっ
て衝突電離によって電荷の増倍を得るための手段、を含
む電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセルが開示される。 【００１５】本発明の更に別の１つの形態では、イメー
ジを検知するためのアレイ、前記アレイの出力へつなが
れて前記アレイ中のイメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと検出器とへつ
ながれて前記検出されたレベルに応答して前記アレイへ
のバイアスレベルを調節するための回路であって、前記
バイアスレベルが前記アレイの少なくとも１つのセル中
に比例的な電界を生成してその電界中を移動する電荷キ
ャリアによって衝突電離を引き起こすための回路、を含
む自動利得制御機能を備えたイメージセンサアレイが開
示される。 【００１６】本発明の更に別の１つの形態では、イメー
ジを検知するためのアレイ、前記アレイの出力へつなが
れて前記アレイ中のイメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと検出器とへつ
ながれて前記検出されたレベルに応答して前記アレイへ
のバイアスレベルを調節するための回路であって、前記
バイアスレベルが前記アレイの少なくとも１つのセル中
に比例的な電界を生成してその電界中を移動する電荷キ
ャリアによって衝突電離を引き起こすための回路、を含
む自動利得制御機能を備えたイメージセンサアレイを含
む映画用（ｍｏｔｉｏｎ）ビデオカメラが開示される。 【００１７】本発明の更に別の１つの形態では、イメー
ジを検知するためのアレイ、前記アレイの出力へつなが
れて前記アレイ中のイメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと検出器とへつ
ながれて前記検出されたレベルに応答して前記アレイへ
のバイアスレベルを調節するための回路であって、前記
バイアスレベルが前記アレイの少なくとも１つのセル中
に比例的な電界を生成してその電界中を移動する電荷キ
ャリアによって衝突電離を引き起こすための回路、を含
む自動利得制御機能を備えたイメージセンサアレイを含
むスチル用（ｓｔｉｌｌ）ビデオカメラが開示される。 【００１８】本発明の特徴は、本発明が、より高い感
度、進歩した信号対雑音比、そして可変利得を備えたイ
メージセンサを可能とするということである。 【００１９】本発明の以上の、およびそれ以外の点につ
いて、図面を参照して説明する。図面では、同様な部品
には同じ参照符号を付してある。 【００２０】 【実施例】本発明は、センシング画素中ではなく、典型
的なＣＣＤイメージセンサ中で、電荷転送過程において
キャリアの増倍を行うようになったイメージセンサを提
供する。この新規な方式は、従ってイメージオルシコン
の動作に同等もしくはそれを凌ぐ特性を備えた固体方式
のイメージセンサ構築への道を開くものである。 【００２１】電荷増倍をＣＣＤ装置へ組み込むことによ
ってそれの重要な特長が強調される。ＭＯＳまたはＣＩ
Ｄセンサに対するＣＣＤの優位性は、フォトサイトで収
集された電荷が離れた位置の（通常は同一チップ上の）
センシング増幅器へ効率よく転送できることにある。そ
のため、実質的に配置上の制約がないので、増幅器は最
大特性を達成できるように最適化することができる。電
荷検出増幅器への転送は、多くの画素位置から実質的に
損失無しで高速に行うことができる。 【００２２】本発明の概念を用いて、電荷転送経路中へ
低雑音電荷増倍構造を付加することも可能である。これ
によって電荷センシング検出器へ到達するキャリア数は
増加し、特に高周波において低レベル信号の検出が容易
になる。この概念を採用するＣＣＤイメージセンサは、
従って、より高い感度、より低い雑音、そして電荷増倍
領域での電界強度を外部から制御することによる可変利
得という特長を備えることになる。 【００２３】図１は一般的に１０で示された簡単な４相
ＣＣＤ構造を示しており、それはこの分野で既知の方法
で構成されたものである。図２は、図１の装置におい
て、装置を通しての（電荷増倍なしの）標準的な４相の
電荷転送を実現するために、図１の４個のゲート電極１
２、１４、１６、そして１８へそれぞれ与えられるパル
スを示すタイミング図である。図１の電位図は、図２の
タイミング図に示された各時点でのＣＣＤチャネル中の
電位分布を示している。当業者には明かなように、電荷
の移動する方向の先端に電位井戸を生成し、後端で電位
井戸を取り除くことを次々と行うことによって電荷がチ
ャネルに沿って転送されていく。このように電荷パケッ
ト２０はＣＣＤチャネルに沿って左から右へと移動す
る。ｔ1 からｔ1 ′の期間が１クロックサイクルを表
し、その間に電荷バケット２０は４相領域を移動する。 【００２４】図３には本発明の第１の好適実施例が一般
的に５０で示されている。これは図１の従来技術のＣＣ
Ｄセルに電荷増倍機能を組み込んだものである。図４
は、図３の装置中を通して電荷の転送と増倍とを達成す
るために、４個のゲート電極５２、５４、５６、そして
５８へそれぞれ供給されるパルスを示すタイミング図で
ある。直流バイアスされた転送障壁が位相３電極５６の
下に形成され、一時的な蓄積井戸が位相２電極５４の下
に形成される。位相１は画素分離器として作用し、高電
界領域が位相３電極５６と位相４電極５８との界面に形
成される。位相２電極５４のバイアスが低下すると（す
なわち電位が上昇すると）、蓄積されている電荷は位相
３電極５６の下の転送障壁を越えて、位相３電極５６と
位相４電極５８との間の高電界領域中へ注入される（高
電界の生成については後述する）。キャリアがＣＣＤチ
ャネル中を移動する間に、それは格子を構成する原子と
相互作用を行ってそれのエネルギーを失う前に、平均的
に“平均自由行程”を移動する。しかし、チャネル中の
電界が十分強ければ、キャリアはそれの平均自由行程を
移動する間に電界から十分なエネルギーを得ることがで
き、格子原子と衝突することによって価電子帯から付加
的な電子を解放する。初期キャリアは、衝突によって生
成した正孔および電子と共に衝突領域を離れて自由にな
る。この過程は衝突電離と呼ばれる。この過程中に電子
−正孔対はＣＣＤの表面に垂直な方向の電界によって分
離され、電子のみが位相４電極５８の下の井戸中に集め
られる。正孔は、ＣＣＤ構造とそれらの生成場所とに依
存して、バルク方向、またはシリコンと二酸化シリコン
界面方向へ流れる。生成した正孔は通常、それ以上増倍
過程に関与しない。従って、増倍は単一のキャリアのみ
を含むことになり、これは本質的に低雑音過程になるこ
とが知られている。 【００２５】すべてのキャリアが高電界領域を転送され
て、増倍された後に、それらの転送は次に段階へ進むこ
とができる。このことは位相１電極５２を高レベルへ、
また位相４電極５８を低レベルへバイアスし、それに続
いて位相２電極５４を高レベルへ、位相１電極５２をそ
れの元の低レベルへ戻すようにバイアスすることによっ
て行われる。この時点で、キャリアは次の段階の一時的
な蓄積井戸中にあって、次の増倍のための準備ができて
いる。次の段階は位相４電極５８を高レベルへバイアス
して、再び電荷を位相３電極５６下の電位障壁を越えて
注入することで開始される。図３から明かなように、キ
ャリアを位相２電極５４下の一時的蓄積井戸へ戻すよう
に転送することもできる。このことは位相４電極５８の
バイアスを下げ、位相２電極５４のバイアスを上げるこ
とによって行われる。この場合、位相２電極５４と位相
３電極５６との間に（これらの２つの領域間の大きい電
位差のために）高電界領域が生成され、増倍されたキャ
リアはそれらが元もと出発した井戸（すなわち位相２）
へ集められる。双方向性の転送によってキャリア増倍を
行うこの方法は、数多い段階を備えた長い構造のための
十分な場所がない時や、転送回数を外部から変更する必
要のある場合などに有利である。 【００２６】ＣＣＤチャネルにおいて電荷増倍を達成す
るためには、大きい横方向電界を有する複数の領域を通
してキャリアを転送することが必要である。これらの電
界は、２つの隣接するゲート電極間に電位差を与える
か、または２つの隣接する領域で（イオン打ち込みやヘ
テロエピタキシャル成長によって）異なるドーピング分
布を持たせることによって生成される。典型的なＣＣＤ
装置では、この大きい電界がゲート電極間の領域に存在
する。しかし、キャリアの増倍は通常起こらない。最近
のＣＣＤの設計は１つのゲートから次のゲートへ滑らか
な電位の分布を持たせることによって、各ゲート下でフ
リンジ（ｆｒｉｎｇｉｎｇ）（横方向）電界ができるだ
け遠くまで達するようにして最適化が図られている。こ
の設計の理由は電荷転送効率（ＣＴＥ）を最大に保ちな
がら、高速の電界援用電荷転送を達成することである。
ゲートへのバイアスが変化するに伴って、電荷はほとん
ど直ちに電位の最小場所へ到達するように流れ、通常は
既に存在しない大きな電界に出会うことはない。ゲート
のバイアスがそれの最大レベルに到達すると、通常はす
べての電荷が既に次の井戸に蓄えられている。標準的な
ＣＣＤチャネルでキャリアの増倍が起こらない理由は典
型的なＣＣＤがそれの井戸容量いっぱいの状態において
動作するように設計されているからである。チャネル中
の多量の電荷は内部電界を低下させ、そのため電子なだ
れ条件の形成が阻止される。 【００２７】電荷増倍を行うためには、３つの要求が充
たされることが望ましい。第１は、ゲート上のバイアス
が変化して大きいフリンジ電界が形成されるための時間
がある場合に、転送障壁の後ろの蓄積井戸中に電荷が一
時的に蓄積されなければならない。この転送遅延は、外
部のクロック駆動器の制約からゲート上のバイアスがそ
れほど敏速に変化することができないため必要である。
電界がそれらの最大強度に到達した後、電荷は転送障壁
を越えて高電界領域へ注入されることができる。第２の
条件は、加速されたキャリアがＣＣＤチャネルの材料中
で衝突電離を引き起こすために十分大きいエネルギーを
得られるように電界が十分強いものでなければならない
ということである。最後に、ＣＣＤチャネル中で転送さ
れる電荷量は、電界の自己クエンチ（ｓｅｌｆ−ｑｕｅ
ｎｃｈｉｎｇ）効果を避けるために、ＣＣＤチャネル容
量に比べて小さくなければならない。しかし、特定の応
用においては、この自己制限機能は、信号圧縮を通して
装置のダイナミックレンジを拡大するという特長として
利用される。 【００２８】今日頻繁に使用されているＣＣＤ装置には
２つの型がある：表面チャネルＣＣＤと埋め込みチャネ
ルＣＣＤである。本発明の好適実施例は埋め込みチャネ
ル装置を採用しているが、電荷増倍の概念はこれら２つ
の型のいずれにも適用できる。しかし、克服すべき問題
点は、表面から離れ、ゲート電極から特定の距離にある
チャネル中を電荷が移動することである。不幸にも、電
極からのチャネルの距離が大きくなるほど、横方向の電
位分布は滑らかになる傾向がある。最も大きい横方向電
界はゲート電極間にあり、バルク中への距離が増えるほ
ど減少する。この結果、埋め込みチャネル装置において
高い電子なだれ電界を生成することはより困難になる。
このことは図５に、電荷増倍ゲート（すなわち、図３の
位相４電極５８）下のＣＣＤチャネルのエリアに対する
断面の二次元的な電位分布の概略図として示されてお
り、この図はＣＭＤゲートのすぐ隣の最も高いレベルに
ある電位を示している。 【００２９】図６は従来技術の仮想位相（ｖｉｒｔｕａ
ｌ ｐｈａｓｅ）埋め込みチャネルＣＣＤ装置（テキサ
スインスツルメンツＴＣ２１１）を一般的に７０で示し
ており、これの動作は本発明の第２の好適実施例を実験
的に実証するように修正されている。このＣＣＤ自体の
標準的な動作は、ここに参考のために引用する、本発明
の出願人に譲渡された米国特許第４，６７９，２１２号
に詳細に述べられている。 【００３０】図６から、もし装置に適正なクロックが供
給されるならば、ＴＣ２１１に付属している標準的なア
ンチブルーミング（ａｎｔｉｂｌｏｏｍｉｎｇ）ゲート
をＣＭＤゲート７４として利用できることが分かる。高
電界は、ゲート電極７２下のクロックを与えられる井戸
から電荷が注入される前に、領域７６の下に存在する仮
想障壁（ｖｉｒｔｕａｌ ｂａｒｒｉｅｒ）とＣＭＤゲ
ート７４との間の界面に生成される。電界の注入が終了
すると、ＣＭＤゲート７４のバイアスは下げることがで
き、仮想井戸（ｖｉｒｔｕａｌ ｗｅｌｌ）へ転送され
た電荷は領域７８の下に見いだされ、次のサイクルの準
備ができている。タイミング図が図７に示され、実験の
設定は図８に一般的に８０で示されている。 【００３１】ＣＣＤ構造における電荷増倍の効果をはっ
きり実証するために、図８のＴＣ２１１装置８４はイメ
ージセンシングエリア上へ投影された水平バーのパター
ン（水平シフトレジスタに平行）を与えられている。Ｔ
Ｃ２１１センサ８４はフルフレーム（ｆｕｌｌ ｆｒａ
ｍｅ）装置であるため、照明のために使用されるＬＥＤ
光源８２には蓄積時間のあいだだけパルスが供給され
る。ＬＥＤ８２は良好な一様性でイメージセンシングエ
リアを照明する。図７のタイミングパルスが、予めプロ
グラムされたタイミングＩＣ９０の制御下で駆動器８６
と８８によってセンサ８０へ供給される。センサ８４か
らの直列シフトレジスタ出力は駆動器８６からのφSRに
よって制御されて、増幅器９２、標本化および保持回路
９４、そして別の増幅器９６へと送られる。この出力は
次にオシロスコープ９８上に表示される。 【００３２】図９のオシロスコープ像は電荷増倍機能が
働いていない場合の、この回路のビデオ出力を示してい
る。明らかなように、出力はイメージとして用いられた
水平バーの明るい領域と暗い領域とが交互に並んだ一様
な照明の様子を反映している。これと対照的に、図１０
のオシロスコープ像は電荷増倍機能を働かせた場合の図
８の回路の結果のビデオ出力を示している。この像か
ら、イメージセンサ８４の直列シフトレジスタの近くに
位置するストライプからの（像の左側からの）電荷は少
数のＣＣＤ段階（従って、少数の電荷増倍段階）しか転
送されていないため、あまり大きな増倍を示しておら
ず、最小のレベルを有していることが分かる。他方、イ
メージエリアの最上部（像の右側）からの電荷は約１６
５段階を通って転送されているが、十分に増倍されてい
ることが分かる。この像は、このように図６の装置の修
正された動作に期待される電荷増倍の振る舞いを確認さ
せるものである。 【００３３】図８の回路から得られる最大の増倍はおよ
そ５倍である。この装置が１６５本のラインを含んでい
ることを考慮に入れると、この増倍率は１転送当たりに
約Ｍo＝１．０１という利得に変換される、または１段
階当たりほどよい１％程度の信号レベル増倍に変換され
る。このような特性レベルが既存の市販されているＣＣ
Ｄイメージセンサに対して簡単なバイアスの修正を施す
ことによって得られたということは、もし装置設計を電
荷増倍機能に関して最適化するならば、ずっと大きい増
倍因子も達成できるであろうことが期待できる。 【００３４】以上のように、ＣＣＤチャネルについて電
荷増倍機能を実証してきたが、従来技術の小型画素のＣ
ＣＤイメージセンサに固有な低感度と高雑音の問題に対
する解答であることを実証することに関心がある。調べ
るべき重要なパラメータは、増倍因子Ｍに加えて、電荷
増倍過程それ自身の間に発生する雑音である。この雑音
は次の式で定義される過剰雑音因子（ｅｘｃｅｓｓ ｎ
ｏｉｓｅ ｆａｃｔｏｒ）Ｆによって通常、特徴づけら
れる： 【００３５】 【数１】 Ｆ＝（１／Ｍ2 ）＜ｎ2 ＞／＜ｎo 2 ＞ (1) 上の式(1) の尖った括弧は集合の平均を意味し、＜ｎ2
＞と＜ｎo 2 ＞はそれぞれ増倍の前後の信号キャリア変
動であり、Ｍは次の式で定義される増倍因子である： 【００３６】 【数２】 Ｍ＝＜ｎ＞／＜ｎo ＞ (2) 【００３７】この増倍利得因子Ｍはまず図８の装置につ
いて測定され、結果は図１０に示されている。このグラ
フは利得のＣＭＤゲート高レベルバイアスに対する依存
性を示し、期待通りの勾配を有している。２０ボルト付
近のゲートバイアスについて本質的な利得の増加が認め
られる。第１の顕著な１よりも大きい利得の見られるし
きい値は約１４ボルトである。ゲートバイアスを２２ボ
ルトよりも大きくすると、列と列とでの非一様性が増大
し、出力が飽和に近づく。この時点で、ＣＣＤチャネル
を通って移動する多量の電荷によって電子なだれ電界が
クエンチを初めていることが仮定されており、その場合
の増倍度はいくらか減少する。 【００３８】過剰雑音因子Ｆの結果は図１１に示されて
いる。この図から過剰雑音因子は約Ｆ＝１に等しいこと
が明かである。これはまた、増倍因子Ｍにほとんど無関
係である。このことは非常に有利な結果であって、標準
的なＣＣＤイメージセンサから光子計数特性に近い動作
が可能であることを示唆している。このことは次のよう
に表される： 【００３９】 【数３】 （Ｓ／Ｎ）p ＝（ｎp ）1/2 (3) 【数４】 （Ｓ／Ｎ）st＝ｎp （ｎp ＋ｎa 2 ）-1/2 (4) 【数５】 （Ｓ／Ｎ）cmd ＝ｎp （ｎp Ｆ＋（ｎa ／Ｍ）2 ）-1/2 (5) ここで、ｎp は光子励起生成されたキャリアの数、（Ｓ
／Ｎ）p は光子励起生成されたキャリアの信号対雑音
比、（Ｓ／Ｎ）stは標準的なＣＣＤイメージセンサの信
号対雑音比、（Ｓ／Ｎ）cmd は電荷増倍を備えたＣＣＤ
イメージセンサの信号対雑音比、そしてｎa は等価な電
子の数で表した増幅器雑音フロアである。ＣＭＤ装置を
備えたＣＣＤの信号対雑音比を入力信号の信号対雑音比
に対して生起化することによって、次の評価指数Ｑm ： 【００４０】 【数６】 （Ｑm ）cmd ＝（Ｆ＋（ｎa ／Ｍ）2 ／ｎp ）-1/2 (6) を定義することができる。この式から、例えばＭ＝２０
というような中程度の利得に関しても、ｎa ＝２０の電
子数の雑音フロアを容易に達成できるＣＤＳ（相関二重
標本化、ここに参考のために引用する、本発明の出願人
に譲渡された米国特許第４，６５６，５０３号に定義さ
れている）回路を備えた従来の電荷検出増幅器を用い
て、ｎp ＝１の電子数において（Ｑm ）cmd ＝０．７０
７を達成することが可能であることが容易に分かる。他
方、もしＣＭＤが使用されなければ、（Ｑm ）stは次の
ようになる： 【００４１】 【数７】 （Ｑm ）st＝（１＋ｎa 2 ／ｎp ）-1/2 (7) この場合、（Ｑm ）st＝０．７０７はやっとｎp ＝４０
０電子で達成できよう。これは標準的なＣＣＤイメージ
センサがＣＭＤを備えたセンサに対して競争力を失わせ
るあまりに低い特性である。 【００４２】ＣＭＤ概念の特長のいくつかは次のような
ものである：ＣＭＤは多相（ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ）装
置から単一位相の仮想ゲート（ｖｉｒｔｕａｌ ｇａｔ
ｅ）ＣＣＤに至る広い範囲の既存ＣＣＤ構造の任意のも
のに容易に組み込むことができる。高利得を実現するた
めに数多くの段階をカスケード接続することができる。
利得はＣＭＤゲートクロック振幅を調節することによっ
て外部から制御することができる。最後に、電荷注入と
増倍の間の必要な時にのみ、高電界をパルスとして与え
ることができる。起こり得る望ましくないダークキャリ
ア発生を最小化するために、電荷を増倍する必要がない
時には高電界はオフされる。 【００４３】別の１つの特長は、新しい電荷増倍概念の
基本的な特長を保ちながら可能な、装置配置の柔軟性が
大きいことである。いくつかの例を図１３に示してあ
る。図１３ａはＣＭＤ機能をＣＣＤチャネルの各段階
へ、あるいは一群の段階へ組み込んだ直接的な方式を示
す。電荷増倍因子Ｍは各段階または段階群に関して独立
的に制御され、あるいはすべての制御ラインを単一の駆
動器へつなぐ。図１３ｂは空間が厳しく制限されている
応用で、電荷の繰り返し増倍を許容する新規な構造を示
している。信号は従来のＣＣＤチャネル１００中へ直列
的に入力される。それは次にＣＭＤチャネル１０２中へ
並列的にシフトされ、そこにおいて右へ直列的にシフト
され、各シフト毎に増倍される。その後、出力ＣＣＤチ
ャネル１０４へ並列的にシフトされ、更に増幅器１０６
へ送られる。この特定の実施例は、ＣＭＤチャネル１０
２中へ一旦入ると、信号は、必要とされる電荷増倍が達
成されるまで、左から右へ、右から左へと繰り返しシフ
トされる。電荷増倍のこのレベルは固定されてもよい
し、外部条件に依存して連続的に変化させてもよい。図
１３ｃは“レーストラック（ｒａｃｅｔｒａｃｋ）方
式”に配置されたＣＣＤ構造の例を示している。信号は
標準的なＣＣＤチャネル１１０中へ直列的に入力され、
ＣＭＤチャネル１１２中へ並列的にシフトされ、そこで
望みの電荷増倍を達成するために必要な回数ループ状に
直列シフトされ、その後出力ＣＣＤレジスタ１１４へ並
列的にシフトされ、更に増幅器１１６へ送られる。この
配置はまた、非常に小さい空間中に数多くの増倍段階を
許容する。最後の図１３ｄはいくつかの並列ＣＣＤチャ
ネル１１８を示しており、それは単一の制御ラインの制
御下にあるＣＭＤセル１９９を含んでいる。ＣＣＤチャ
ネル１１８はすべて直列シフトレジスタ１２１中へシフ
トを行って空になっており、直列シフトレジスタ１２１
はその電荷を出力へシフトする。この配置は多くの同様
なあるいは類似の配置と同じように、いくつかの並列Ｃ
ＣＤチャネルのそれぞれに同量の利得を導入することを
許容するため、イメージセンサアレイに使用するのに大
いに有用である。 【００４４】本発明の電荷増倍の概念は当該分野で既知
の任意のＣＣＤ設計に容易に採用することができる。例
えば、電荷増倍から利益を得るＣＣＤ設計の例には次の
ものが含まれる：打ち込みされた井戸領域を備えた、あ
るいは備えていない多相ＣＣＤ、二次元電子ガス構造に
基づくＣＣＤ、仮想位相ＣＣＤ、埋め込みチャネル装
置、表面チャネル装置等。 【００４５】当業者は、ＣＭＤ装置の可変利得特性がＣ
ＭＤ装置を、帰還を組み込んだ自動利得制御（ＡＧＣ）
システムに特に適したものとしていることに容易に気づ
かれるであろう。このことはイメージセンシングシステ
ム中のＣＣＤがシステムの動作条件に依存する利得因子
を有することを許容する。典型的なシステムのブロック
図を図１４に示す。ここで、レンズ１２０がＣＭＤ／Ｃ
ＣＤイメージセンサアレイ１２２上にイメージを結像
し、イメージセンサアレイは信号の電荷レベルを増倍し
てビデオ信号プロセッサ１２４へ直列出力を供給し、ビ
デオ信号プロセッサ１２４の出力はモニタおよび／また
はビデオレコーダへ送られる。ビデオ信号プロセッサの
出力はピーク／平均信号検出器１２６によって、外部プ
ログラム入力とタイミング発生器１２８からのウエイト
（ｗｅｉｇｈｔ）制御とに基づいて、標本化される。ピ
ーク／平均信号検出器１２６はＣＭＤ／ＣＣＤ駆動器回
路１３０へ、システムレンズが見るシーンの照明レベル
に比例したＣＭＤ利得制御出力を供給する。この制御信
号はＣＭＤ／ＣＣＤ駆動器回路１３０によって用いられ
て、ＣＭＤ／ＣＣＤイメージセンサ１２２へ送られる制
御信号を調節し、それによって電界の強度を、従って装
置の利得を制御する。このようにして、このシステムは
レンズ１２０に対する絞り制御を不要とし、その結果拡
張されたダイナミックレンジを備えた装置を提供すると
共に、低価格のレンズを実現し、機械的な方式よりも信
頼性高い電子式の絞り制御を提供する。 【００４６】以上のように、いくつかの好適実施例につ
いて詳細に説明した。本発明の範囲にはここに述べたも
のとは異なる実施例であって、本発明の範囲内に含まれ
る実施例を包含することを理解されたい。 【００４７】例えば、電荷増倍を最大化し、装置の信号
対雑音比を最大化する特殊なゲート構造を電荷増倍領域
に採用したり、ＣＭＤゲート下に特殊な高電界打ち込み
領域を使用したり、ビルトインの固定電界領域を採用し
たりすることが考えられる。 【００４８】含むという表現は本発明の範囲に関する場
合、非排他的と解釈されるべきである。 【００４９】内部および外部の接続はオーミックなもの
でも容量性のものでもよく、直接的でも中間回路等を介
しての間接的なものでもよい。本発明の組み込みは、個
別部品としてでもよいし、光学その他の技術に基づく形
態および実施例の他に、シリコン、ガリウム砒素、その
他の電子材料群中への完全集積化された回路としてでも
よい。 【００５０】本発明は例示された実施例に関して説明し
てきたが、この説明は限定的な意図のものではない。例
示した実施例の各種の修正や組み合わせが、本発明のそ
の他の実施例と共に可能であることは本明細書を参考に
することで当業者には明らかになるであろう。従って、
本発明の特許請求の範囲はそれらの修正やその他の実施
例を包含するものと理解すべきである。 【００５１】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1) ＣＣＤセル中で電荷を増倍するための方法であっ
て、前記ＣＣＤセル中で電荷キャリアの衝突電離を引き
起こす工程を含む方法。 【００５２】(2) ＣＣＤセル中で電荷を増倍するため
の方法であって：前記ＣＣＤセル中の電位井戸中に電荷
を一時的に保持すること、前記ＣＣＤセル中の前記電位
井戸から分離された部分に電界領域を生成することであ
って、前記電界を横切るキャリアによって衝突電離が引
き起こされるような十分強い電界を有する領域を生成す
ること、前記電位井戸中の前記電荷を前記電界領域中へ
流れ出させることであって、前記流れが衝突電離によっ
て前記電荷の増倍をもたらすように流れを引き起こすこ
と、の工程を含む方法。 【００５３】(3) 第２項記載の方法であって、前記流
れを引き起こす工程が前記電位井戸の寸法を減少させる
ことによって実現され、それによってそこにある前記電
荷が前記井戸を越えて流れ出し、次に前記電界領域中へ
流れ出すようにする方法。 【００５４】(4) イメージセンサアレイ中での自動利
得制御のための方法であって：前記アレイ中にイメージ
を検知すること、前記アレイ中の前記イメージによって
発生する電荷レベルを検出すること、前記検出されたレ
ベルに応答して前記アレイへ供給されるバイアスレベル
を調節することであって、前記バイアスレベルが前記ア
レイの少なくとも１つの中に、前記電界中を移動する電
荷キャリアによって衝突電離を引き起こすための比例的
な電界を生成するように、バイアスレベルを調節するこ
と、の工程を含む方法。 【００５５】(5) 第４項記載の方法であって、前記イ
メージセンサアレイが映画用ビデオカメラの一部である
方法。 【００５６】(6) 第４項記載の方法であって、前記イ
メージセンサアレイがスチル用ビデオカメラの一部であ
る方法。 【００５７】(7) 電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセル
であって、電荷が前記ＣＣＤセル中の電荷キャリアの衝
突電離によって増倍されるようになった装置。 【００５８】(8) 第１項記載の方法または第７項記載
の装置であって、前記衝突電離が前記高電界領域中での
前記キャリアの加速によって引き起こされる方法または
装置。 【００５９】(9) 第１項記載の方法または第７項記載
の装置であって、前記衝突電離がＣＣＤチャネルの各セ
ル中で起こるようになった方法または装置。 【００６０】(10) 電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセル
であって：一時的に電荷を保持するための電位井戸、前
記電位井戸から分離された前記ＣＣＤセルの一部分中の
電界領域であって、前記電界が電界を横切るキャリアに
よって衝突電離が引き起こされるに十分な強さであるよ
うな電界領域、前記電位井戸中の前記電荷を前記電界領
域中への流出を引き起こす手段であって、その流れの結
果、衝突電離によって前記電荷の増倍がもたらされるよ
うに流れを引き起こす手段、を含む装置。 【００６１】(11) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記電位井戸が前記ＣＣＤセルの表
面上のエリアへ電位を供給することによって生成される
ようになった方法または装置。 【００６２】(12) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記電界が前記ＣＣＤセルの表面上
の２つのエリア間に電位差を形成することによって生成
されるようになった方法または装置。 【００６３】(13) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記電界が前記ＣＣＤセルの表面上
の２つの領域間に、前記領域にそれぞれ異なるドーピン
グを施すことによって電位差を形成することによって生
成されるようになった方法または装置。 【００６４】(14) 第１３項記載の方法または装置であ
って、前記ドーピングがイオン打ち込みによって行われ
る方法または装置。 【００６５】(15) 第１３項記載の方法または装置であ
って、前記ドーピングがヘテロエピタキシャル堆積によ
って行われる方法または装置。 【００６６】(16) 第１０項記載の装置であって、前記
流れを引き起こす手段が電位を供給された前記電位井戸
上に取り付けられたゲートであって、前記電位を下げる
ことによって前記井戸の寸法が減少し、それによってそ
こにある電荷が前記井戸のサイドを越えて、前記電界領
域中へ流れ出すようになった装置。 【００６７】(17) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが打ち込み井戸を備
えた多相装置である方法または装置。 【００６８】(18) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが打ち込み井戸を備
えていない多相装置である方法または装置。 【００６９】(19) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが仮想位相装置であ
る方法または装置。 【００７０】(20) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが埋め込みチャネル
装置である方法または装置。 【００７１】(21) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが表面チャネル装置
である方法または装置。 【００７２】(22) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが二次元電子ガス構
造に基づいている方法または装置。 【００７３】(23) 自動利得制御を有するイメージセン
サアレイであって：イメージを検知するためのアレイ、
前記アレイの出力へつながれて前記アレイ中の前記イメ
ージによって発生する電荷レベルを検出するための検出
器、前記アレイと前記検出器へつながれて、前記検出さ
れたレベルに応答して前記アレイへ供給されるバイアス
レベルを調節する回路であって、前記バイアスレベル
が、前記電界中を移動する電荷キャリアによって衝突電
離が引き起こされるように前記アレイの少なくとも１つ
の中に比例的な電界を生成するようになった回路、を含
むイメージセンサアレイ。 【００７４】(24) 映画用ビデオカメラであって：自動
利得制御を備えたイメージセンサアレイであって：イメ
ージを検知するアレイ、前記アレイの出力へつながれて
前記アレイ中の前記イメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと前記検出器へ
つながれて、前記検出されたレベルに応答して前記アレ
イへ供給されるバイアスレベルを調節する回路であっ
て、前記バイアスレベルが、前記電界中を移動する電荷
キャリアによって衝突電離が引き起こされるように前記
アレイの少なくとも１つの中に比例的な電界を生成する
ようになった回路、を含むイメージセンサアレイ、を含
む映画用ビデオカメラ。 【００７５】(25) スチル用ビデオカメラであって：自
動利得制御を備えたイメージセンサアレイであって：イ
メージを検知するアレイ、前記アレイの出力へつながれ
て前記アレイ中の前記イメージによって発生する電荷レ
ベルを検出するための検出器、前記アレイと前記検出器
へつながれて、前記検出されたレベルに応答して前記ア
レイへ供給されるバイアスレベルを調節する回路であっ
て、前記バイアスレベルが、前記電界中を移動する電荷
キャリアによって衝突電離が引き起こされるように前記
アレイの少なくとも１つの中に比例的な電界を生成する
ようになった回路、を含むイメージセンサアレイ、を含
むスチル用ビデオカメラ。 【００７６】(26) 一般的に、そして本発明の１つの形
態において、ＣＣＤセル中で電荷を増倍するための方法
であって、前記ＣＣＤセル中で電荷キャリアの衝突電離
を引き起こす工程を含む方法が開示されている。その他
の装置、システム、および方法もまた開示されている。 【００７７】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の４相ＣＣＤセルの断面図。
【図２】図１の４相ＣＣＤセルのタイミング図。
【図３】本発明の第１の好適実施例の断面図。
【図４】本発明の第１の好適実施例の電荷増倍動作を示
すタイミング図。 【図５】本発明の第１の好適実施例の電荷増倍ゲート下
のエリアの断面の二次元的電位分布図。 【図６】本発明の第２の好適実施例の断面図。 【図７】本発明の第２の好適実施例の電荷増倍動作を示
すタイミング図。 【図８】本発明の第２の好適実施例の装置における電荷
増倍の様子を示すための実験回路の模式回路図。 【図９】一様に照明を与えられた水平バーのパターンに
曝された場合の、電荷増倍を行っていない状態での図８
の回路のビデオ出力のオシロ波形。 【図１０】一様に照明を与えられた水平バーのパターン
に曝された場合の、電荷増倍を行った状態での図８の回
路のビデオ出力のオシロ波形。 【図１１】図８の回路に関する電荷増倍因子ＭとＣＭＤ
ゲートバイアスとの関係。 【図１２】図８の回路に関する過剰雑音因子Ｆと電荷増
倍因子Ｍとの関係。 【図１３】ＣＭＤ機能を組み込む装置配置例の模式図で
あって、図１３ａはＣＭＤ機能をＣＣＤ各チャネルへ組
み込んだ例、図１３ｂは限られたＣＣＤチャネルを使用
して電荷の繰り返し増倍を可能にする新しい構造、図１
３ｃはレーストラック方式のＣＣＤ構造の例、また図１
３ｄは並列ＣＣＤの例。 【図１４】自動的電子絞り制御を備えたＣＭＤ／ＣＣＤ
イメージシステムの模式図。 【符号の説明】 １０ ＣＣＤ構造 １２，１４，１６，１８ ゲート電極 ２０ 電荷パケット ５０ 第１の実施例の装置 ５２，５４，５６，５８ ゲート電極 ７０ 仮想位相埋め込みチャネルＣＣＤ装置 ７２ ゲート電極 ７４ ＣＭＤゲート ７６ 高電界領域 ７８ 仮想井戸領域 ８２ ＬＥＤ光源 ８４ ＴＣ２１１装置 ８６，８８ 駆動器 ９０ タイミングＩＣ ９２ 増幅器 ９４ 標本化および保持回路 ９６ 増幅器 ９８ オシロスコープ １００ ＣＣＤチャネル １０２ ＣＭＤチャネル １０４ 出力ＣＣＤチャネル １０６ 増幅器 １１０ 標準ＣＣＤチャネル １１２ ＣＭＤチャネル １１４ 出力ＣＣＤレジスタ １１６ 増幅器 １１８ ＣＣＤチャネル １２０ レンズ １２１ 直列シフトレジスタ １２２ ＣＭＤ／ＣＣＤイメージセンサアレイ １２４ ビデオ信号プロセッサ １２６ ピーク／平均信号検出器 １２８ タイミング発生器 １３０ ＣＭＤ／ＣＣＤ駆動器回路 １９９ ＣＭＤセル
すタイミング図。 【図５】本発明の第１の好適実施例の電荷増倍ゲート下
のエリアの断面の二次元的電位分布図。 【図６】本発明の第２の好適実施例の断面図。 【図７】本発明の第２の好適実施例の電荷増倍動作を示
すタイミング図。 【図８】本発明の第２の好適実施例の装置における電荷
増倍の様子を示すための実験回路の模式回路図。 【図９】一様に照明を与えられた水平バーのパターンに
曝された場合の、電荷増倍を行っていない状態での図８
の回路のビデオ出力のオシロ波形。 【図１０】一様に照明を与えられた水平バーのパターン
に曝された場合の、電荷増倍を行った状態での図８の回
路のビデオ出力のオシロ波形。 【図１１】図８の回路に関する電荷増倍因子ＭとＣＭＤ
ゲートバイアスとの関係。 【図１２】図８の回路に関する過剰雑音因子Ｆと電荷増
倍因子Ｍとの関係。 【図１３】ＣＭＤ機能を組み込む装置配置例の模式図で
あって、図１３ａはＣＭＤ機能をＣＣＤ各チャネルへ組
み込んだ例、図１３ｂは限られたＣＣＤチャネルを使用
して電荷の繰り返し増倍を可能にする新しい構造、図１
３ｃはレーストラック方式のＣＣＤ構造の例、また図１
３ｄは並列ＣＣＤの例。 【図１４】自動的電子絞り制御を備えたＣＭＤ／ＣＣＤ
イメージシステムの模式図。 【符号の説明】 １０ ＣＣＤ構造 １２，１４，１６，１８ ゲート電極 ２０ 電荷パケット ５０ 第１の実施例の装置 ５２，５４，５６，５８ ゲート電極 ７０ 仮想位相埋め込みチャネルＣＣＤ装置 ７２ ゲート電極 ７４ ＣＭＤゲート ７６ 高電界領域 ７８ 仮想井戸領域 ８２ ＬＥＤ光源 ８４ ＴＣ２１１装置 ８６，８８ 駆動器 ９０ タイミングＩＣ ９２ 増幅器 ９４ 標本化および保持回路 ９６ 増幅器 ９８ オシロスコープ １００ ＣＣＤチャネル １０２ ＣＭＤチャネル １０４ 出力ＣＣＤチャネル １０６ 増幅器 １１０ 標準ＣＣＤチャネル １１２ ＣＭＤチャネル １１４ 出力ＣＣＤレジスタ １１６ 増幅器 １１８ ＣＣＤチャネル １２０ レンズ １２１ 直列シフトレジスタ １２２ ＣＭＤ／ＣＣＤイメージセンサアレイ １２４ ビデオ信号プロセッサ １２６ ピーク／平均信号検出器 １２８ タイミング発生器 １３０ ＣＭＤ／ＣＣＤ駆動器回路 １９９ ＣＭＤセル
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭61−44465（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−72165（ＪＰ，Ａ)
ＳＵＤＨＩＲ Ｋ．ＭＡＤＡＮ，ＢＡ
ＳＡＢＩ ＢＨＡＵＭＩＫ，ＪＵＺＥＲ
Ｍ．ＶＡＳＩ，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ
ＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯ
Ｎ ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．ＥＤ−
30，Ｎｏ．６，ｐ．694−699
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/339
H01L 29/762
H01L 27/148
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 自動利得制御を有するイメージセンシン
グシステムであって： イメージを検知するためのイメージセンサアレイであっ
てＣＣＤチャネルを有する前記イメージセンサアレイ、 前記イメージセンサアレイの出力へ接続されて前記イメ
ージセンサアレイ中の前記イメージによって発生する電
荷レベルを検出するための検出器、 前記イメージセンサアレイと前記検出器へ接続されて、
前記検出された電荷レベルに応答して前記イメージセン
サアレイへ供給されるバイアスレベルを調節する回路で
あって、前記バイアスレベルが前記イメージセンサアレ
イの前記ＣＣＤチャネル内の少なくとも１つのＣＣＤセ
ルの中を移動する電荷によって前記ＣＣＤセルの電極下
部に衝突電離による電荷増倍が引き起こされるように電
界を生成するバイアスレベル調節回路、 を含むイメージセンシングシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18409292A JP3483261B2 (ja) | 1992-07-10 | 1992-07-10 | イメージセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18409292A JP3483261B2 (ja) | 1992-07-10 | 1992-07-10 | イメージセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07176721A JPH07176721A (ja) | 1995-07-14 |
| JP3483261B2 true JP3483261B2 (ja) | 2004-01-06 |
Family
ID=16147261
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18409292A Expired - Lifetime JP3483261B2 (ja) | 1992-07-10 | 1992-07-10 | イメージセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3483261B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1983739A2 (en) | 2007-04-18 | 2008-10-22 | Hamamatsu Photonics K.K. | Imaging apparatus and gain adjusting method for the same |
| US7692692B2 (en) | 2007-05-16 | 2010-04-06 | Hamamatsu Photonics K.K. | Imaging apparatus with dilution of pixel data for improved visibility |
| US7733403B2 (en) | 2006-06-05 | 2010-06-08 | Fujifilm Corporation | Method of driving CCD type solid-state imaging device and solid-state imaging apparatus |
| US7750376B2 (en) | 2006-05-31 | 2010-07-06 | Fujifilm Corporation | Solid-state imaging device and imaging apparatus |
| US7821042B2 (en) | 2006-07-31 | 2010-10-26 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Imaging device including a multiplier electrode |
| US7834304B2 (en) | 2006-07-27 | 2010-11-16 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Imaging device |
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| US6885827B2 (en) * | 2002-07-30 | 2005-04-26 | Amplification Technologies, Inc. | High sensitivity, high resolution detection of signals |
| JP4285641B2 (ja) | 2002-08-30 | 2009-06-24 | 富士フイルム株式会社 | 撮像装置 |
| WO2006009164A1 (ja) | 2004-07-20 | 2006-01-26 | Shimadzu Corporation | 固体撮像装置、撮像装置並びに撮像素子 |
| US7728899B2 (en) | 2004-10-07 | 2010-06-01 | Shimadzu Corporation | Image sensor, and image pickup apparatus using same, and manufacturing method for manufacturing image sensor |
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| JP2008192648A (ja) | 2007-01-31 | 2008-08-21 | Sanyo Electric Co Ltd | 撮像装置 |
| JP5108369B2 (ja) | 2007-05-07 | 2012-12-26 | 富士フイルム株式会社 | 撮像素子の製造方法及び撮像素子の駆動方法 |
| JP5573978B2 (ja) | 2012-02-09 | 2014-08-20 | 株式会社デンソー | 固体撮像素子およびその駆動方法 |
| JP5924132B2 (ja) * | 2012-05-28 | 2016-05-25 | 株式会社デンソー | 固体撮像素子 |
| WO2016114377A1 (ja) | 2015-01-16 | 2016-07-21 | 雫石 誠 | 半導体素子とその製造方法 |
-
1992
- 1992-07-10 JP JP18409292A patent/JP3483261B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ＳＵＤＨＩＲ Ｋ．ＭＡＤＡＮ，ＢＡＳＡＢＩ ＢＨＡＵＭＩＫ，ＪＵＺＥＲ Ｍ．ＶＡＳＩ，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．ＥＤ−３０，Ｎｏ．６，ｐ．６９４−６９９ |
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| US7834304B2 (en) | 2006-07-27 | 2010-11-16 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Imaging device |
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| EP1983739A2 (en) | 2007-04-18 | 2008-10-22 | Hamamatsu Photonics K.K. | Imaging apparatus and gain adjusting method for the same |
| US7907194B2 (en) | 2007-04-18 | 2011-03-15 | Hamamatsu Photonics K.K. | Imaging apparatus and gain adjusting method for the same |
| US7692692B2 (en) | 2007-05-16 | 2010-04-06 | Hamamatsu Photonics K.K. | Imaging apparatus with dilution of pixel data for improved visibility |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07176721A (ja) | 1995-07-14 |
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