JPH0381351B2 - - Google Patents

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JPH0381351B2
JPH0381351B2 JP56022302A JP2230281A JPH0381351B2 JP H0381351 B2 JPH0381351 B2 JP H0381351B2 JP 56022302 A JP56022302 A JP 56022302A JP 2230281 A JP2230281 A JP 2230281A JP H0381351 B2 JPH0381351 B2 JP H0381351B2
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JP
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electrode
charge
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clock
solid
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JP56022302A
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English (en)
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JPS56138371A (en
Inventor
Gurairaaume Kooretsuto Maanitsukusu
Geritsuto Fuan Santen Yohanesu
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
Publication of JPS56138371A publication Critical patent/JPS56138371A/ja
Publication of JPH0381351B2 publication Critical patent/JPH0381351B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
    • H01L27/14887—Blooming suppression

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は半導体本体を有する光感応ターゲツト
を具え、該半導体本体は表面に多数の電荷蓄積容
量を具えていて、動作期間中、該電荷蓄積容量が
入射放射線の吸収によつて前記半導体本体中に局
部的に発生した第１タイプの電荷キヤリヤを蓄積
可能とし、これら電荷キヤリヤをある特定の積分
期間の間積分するようにし、さらに局部的な露出
過度となつている間に発生する過剰電荷キヤリヤ
が充満された電荷蓄積容量から隣接の電荷蓄積容
量へと前記半導体本体中を広がるのを防止する防
止手段を具えており、各電荷蓄積容量に関連して
前記防止手段に属する第１クロツク電極を具え、
該第１クロツク電極は前記表面を覆う絶縁層上に
設けられかつ電源に接続されており、該電源は、
前記積分期間中、前記第１クロツク電極の下側に
存在する前記半導体本体の表面領域を蓄積状態お
よび反転状態に交互にもたらすような電圧を供給
しその結果一方の状態において過剰電荷キヤリヤ
を前記表面領域中に集めることができかつ、該表
面領域に存在する表面状態を介して、他方の状態
において捕らえることができる、反対のタイプの
電荷キヤリヤと再結合させることによつて排出で
きるようにしてある固体撮像カメラに関する。
従来技術 光感応ターゲツトを、例えば、電荷結合形とし
てもよいことは一般に文献からも既知である。か
かるデバイスは前後に並べた一連のクロツク電圧
電極を具えていてこれら電極には動作期間中クロ
ツク電圧を印加してこれらクロツク電圧電極の下
側に形成されている電荷転送チヤネル中で電荷パ
ケツトの列を読出し部へ移動させ、そこで順次に
読出しできるようにしている。これら電荷パケツ
トは電荷結合デバイス（以下単にCCDと称する
場合もある）自体中に発生させ、ある積分期間に
CCD中に障壁により互いに分離させかつ入射放
射に対しアクセスできる電位井戸のパターンを誘
発することにより、これら電荷パケツトを蓄える
ことができるようにしている。このように、局部
的に発生された光電流を積分することによつて電
位井戸に得られた電荷パケツトのパターンへと放
射パターンを変換し、その積分期間の終了後に電
荷結合の方法で電荷パケツトを読出し部に転送で
きるようにしている。
このタイプのターゲツトでは、露出過度となつ
た場合に過剰の電荷キヤリヤが形成され、これら
が完全に満たされている電位井戸から未だ完全に
満たされていない隣接の電位井戸へと拡散すると
いう既知の問題が存在する。この現象はいわゆる
「ブルーミング（blooming）」と称せられ、同一
のCCDラインの電位井戸を最初に充満する傾向
にある。撮像画像を表示する際に、点状の露出過
度があると、画像を垂直方向に延在する白いライ
ンが現われ著しく煩らわしい。
1972年10月に発行された「ベル システム テ
クニカル ジヤーナル
（BellSystemTechnicalJournal）」の第1923〜
1926頁に記載されているC.H.Sequinによる論文
「ブルーミング サプレツシヨン イン チヤー
ジカツプルド エリア イメージング デバイス
（BloomingSuppressioninCharge−
CoupledAreaImagingDevices）」には、オーバー
フロー障壁（overflowbarriers）を介してCCDチ
ヤネルから分離されているドレイン・チヤネル
（drainchannels）をCCDレジスタ間に備えた光
感応ターゲツトが記載されている。これらオーバ
ーフロー障壁はCCDチヤネル中の順次の電位井
戸間の電位障壁よりも僅かに低いので、過剰電荷
がCCDチヤネルを越えて広がる前に、これら電
荷をオーバーフロー障壁およびドレイン・チヤネ
ルを介して移動させることができるようになつて
いる。
この方法は「ブルーミング」を防止するには非
常に有効的であるが、ドレイン区域（以下排出区
域とも称する）やオーバーフロー障壁を形成する
ための手段が存在しているために、センサが大型
かつ構造が複雑となる。これに加えて、半導体本
体の、CCDの間にあつて光感応表面の相当広い
部分を占めている一部分が光感知に寄与しないた
め、解像力や感度が低減し相当の部分にわたりブ
ルーミング防止の利点が損なわれてしまつてい
る。
1974年発行の「アール・シー エイ レビユー
（R.C.A.Review）」第35巻、第３／34頁のW.F.
Kosonucky等による論文「コントロール オブ
ブルーミング イン チヤージ−カツプルド
イメージヤズ（ControlofBloominginCharge−
CoupledImagers）」に開示されているブルーミン
グ防止方法では、表面チヤネル形のCCDを使用
する場合には、表面領域の、電位井戸間の電位障
壁の区域を、積分期間中、蓄積状態すなわち他方
のタイプの過剰電荷キヤリヤが存在するような状
態にもたらしている。
この方法によれば、センサは大型にならないと
ともに構造も複雑とならないという利点がある
が、拡散によるブルーミングがある程度発生する
ために最初に述べた方法に比べて効率が低く、そ
の上この方法は表面チヤネル形のCCDセンサに
しか使用できないという欠点がある。
この「ブルーミング」という現象はここで説明
した以外の、例えば、インターライン
（interline）形の電荷結合センサとか、ｘ方向お
よびｙ方向の光要素を選択することによつて読出
しが行われるいわゆるxy−センサとか等のデバ
イスにも生じ得る。
本発明は電荷結合デバイス自体において光電流
の発生および積分が起こる前述したような撮像セ
ンサに対して特に重要であるが、本発明は原理的
にはブルーミング現象が生じ得る他の光感応ター
ゲツトを有する撮像カメラにも適用できるもので
ある。
発明の開示 従つて、本発明の目的は、ブルーミングを効果
的に防止するとともに光感応ターゲツトが大型と
なつたりその構造が複雑となつたりするのを回避
するようにした固体撮像カメラを提供することに
ある。
本発明の他の目的はブルーミング現象を回避す
ることによつて放射像を高解像度で電気信号へ変
換することができるようにした固体撮像カメラを
提供することにある。
本発明は特にドレイン区域を介することによつ
てはもとより、いわゆる捕獲中心または深いエネ
ルギー状態を介して半導体本体中の区域において
もまた電荷キヤリヤを消失できるという事実を認
識して成されたものである。
本発明は、特許請求の範囲に記載の如くの構成
を特徴とする。すなわち本発明は、第１クロツク
電極の他に少くとも第２クロツク電極を具え、こ
の第２クロツク電極は前記反対タイプの電荷キヤ
リアの蓄積個所を規定し、さらにこの第２クロツ
ク電極は、第１クロツク電極に供給される交流電
圧と逆位相の交流電圧を供給する手段に接続し、
この第２クロツク電極に供給される交流電圧によ
り、前記反対タイプの電荷キヤリアが、前記第２
クロツク電極の下側の表面領域より第１クロツク
電極の下側の表面領域に転送される如くしたこと
を特徴とする。
このようにすれば、ブルーミング防止のために
CCDライン自体のクロツク電極を使用してもよ
いので、CCDライン間には何ら余分な手段を必
要とせず、光感応表面の著しく有効的な利用を図
ることができる。
本発明では他のタイプの電荷キヤリヤを第１お
よび第２電極間で移動できるので、マトリツクス
状に配列させたデバイス全体にわたつて十分に高
速度でブルーミング防止機構を実行するようにす
ることができる。
表面状態の通常の密度でかつ通常の読出し時間
で十分な強さの露出過度を得ることができる実施
例の場合には、前記電荷蓄積容量は、行列状に配
列されかつ例毎に読出しできる光感応要素から成
る系の一部分を形成しており、さらに前記電源は
前記クロツク電極に電圧を供給しよつて前記クロ
ツク電極の下側の表面領域を列の読出し時間当た
り少なくとも１回だけ前記一方の状態から前記他
方の状態へもたらすようにすることが好ましい。
記録画像を表示する際に反転状態と蓄積状態と
の間での移り変わりに基づく妨害信号を回避する
ようにした実施例においては前記クロツク電極を
一方の状態から他方の状態へ切換える瞬時はライ
ンフライバツク時間にあるようにするのが好まし
い。
実施例 以下図面により本発明を説明する。
第１図は本発明による撮像カメラを破線１０で
図式的に示す。このカメラは破線１０内で示すよ
うに光感応ターゲツト１１およびこれに関連した
クロツク発生器１２，１３，１４および１５を有
している。図示の明確のために、固体撮像カメラ
に通常用いられている他の構成成分、例えば、ガ
ンマ補正用の、レンズ、ダイアフラムその他のも
のは本発明とは関係がないので、図示を省略して
ある。
このターゲツト１１は光感応半導体デバイスに
よつて作られており、このデバイスは、入射放射
パターンによつて発生させられた所定のタイプの
電荷キヤリヤを、モザイク状に配列された電荷蓄
積容量で、ある積分期間にわたり積分することに
よつて前述の放射パターンを電荷パケツトのパタ
ーンに変換するようなタイプのものである。本実
施例では、センサは電荷結合タイプのものであつ
て、多数の並置された電荷結合デバイス１６を具
えている。第１図には５列の電荷結合デバイスし
か示していないが、実際にはこれより遥かに多
く、テレビジヨンに応用するためには少なくとも
300列とする。さらに第１図には、クロツク電圧
電極をラインφ1，φ2，φ3で図式的に示してある。
このセンサは公知のフレーム・フイールド転送
タイプのセンサであつて、２つの部分すなわち、
イメージ部（センサ部またはレジスタとも称す
る）Ａと、多数の垂直方向のCCDラインを有し
ているメモリ部Ｂと水平方向の読出しCCDライ
ン（以下レジスタとも称する）Ｃとを具えてい
る。変換しようとする画像をイメージ部Ａで捕ら
え、このイメージ部で積分期間中に形成される電
荷パターンをその積分期間後に速やかにメモリ部
Ｂヘ移動させる。次にレジスタＣでは電荷パター
ンを列毎に移動させることができる。出力端子１
７で出力信号を読出すことができる。その読出し
中に別の画像をイメージ部Ａに記録することがで
きる。
このセンサ１１はさらに局部的な露出過度によ
つてレジスレタＡ中に発生した過剰電荷キヤリヤ
が、一杯に満たされている電荷蓄積位置すなわち
容量からこれに隣接した蓄積容量へと拡散するの
を防止するためのブルーミング防止手段を具えて
いる。
本発明によれば、これらの手段は各電荷蓄積容
量と関連させたクロツク電極２４を具えていて、
これを電圧源すなわちクロツク発生器１２に接続
し、これより、積分期間中、クロツク電極の下側
に存在する半導体本体の表面領域を少なくとも露
出過度の場合には蓄積（accumulation）状態お
よびその逆の反転状態（inversion）に交互にも
たらすような電圧を供給する。これらの一方の状
態においては、電荷キヤリヤのタイプに応じて過
剰電荷キヤリヤが前述の表面領域に集められる。
この表面領域の表面状態を介して、過剰電荷キヤ
リヤを、他方の状態において捕らえられる他方の
タイプの電荷キヤリヤと再結合させることによつ
て、これら過剰電荷キヤリヤを消失させることが
できる。
第３図は電荷転送方向と交差する方向のイメー
ジ部Ａの一部分の断面図であり、この図に示すよ
うに、電荷結合デバイスのチヤネルすなわち
CCDチヤネル（転送チヤネルともいう）１６を
チヤネル画成領域１８によつてのみ互いに分離し
ている。本発明によるカメラにおいては、既知の
ブルーミング防止方法で使用されているような、
半導体本体中に相当広いスペースを占めている
CCDチヤネル１６間のドレイン領域を必要とし
ないので、相当高密度で光感応要素を持つている
小形（コンパクト）なセンサを使用できるという
利益がある。
この実施例では、クロツク電極と、その下側に
あるCCDチヤネルの部分とが光感応要素を構成
する。しかしながら、勿論これら光感応要素は行
列マトリツクスを形成してもよく、その場合
CCDチヤネルを光感応要素の列間に配置する。
本発明はCCDセンサに限定されないことはもと
より、光感応要素を例えばXY選択によつて読出
すようにしたセンサにも適用してもよい。
電荷結合デバイスは表面チヤネル形のものでも
よいが、この場合には埋込チヤネル形のものと
し、従つて電荷の転送は、半導体本体の表面から
ある距離だけ離れたところで（転送チヤネル１６
の導電形に応じた）多数電荷キヤリヤの形態で、
行われる。この目的のため、チヤネル１６の領域
（以下チヤネル領域１６と称する）の下側を、こ
のチヤネル領域１６が反対導電形の領域２０と形
成している逆ｐ−ｎ接合１９によつて、画成す
る。この領域２０を半導体本体の厚さ全体または
ほぼ厚さ全体にわたつて基板として延在させかつ
この領域にエピタキシまたはドーピングによりチ
ヤネル領域１６を設けてもよい。しかしながら、
本実施例では、半導体本体はチヤネル領域１６と
同じ導電形の基板２１を具え、一方領域２０は基
板２１とチヤネル領域１６との間の一領域を形成
しているにすぎない。この三層構造を適用するこ
とにより、上側表面から遠く離れた所で発生した
電荷キヤリヤが半導体本体中を拡散してさらに遠
く離れて位置している電荷蓄積の場所に達するこ
とができないという利点がある。
ある特定の実施例においては、半導体本体は厚
さが約300μmであつて抵抗率が１〜30Ω・cmの、
ｎ形珪素の基板２１を具えている。同様にｎ形で
あるチヤネル領域１６の厚さは約１〜3μmであ
り、そのドーピング濃度は1015〜1016原子／cm3で
ある。これらチヤネル領域を、厚さが約２〜5μm
でかつドーピング濃度が５・1014〜４・1015原
子／cm3の、中間のｐ形層すなわち領域２０によつ
て、基板２１から分離させ、さらにこれらチヤネ
ル領域の各々を互いにｐ形領域１８によつて分離
させてある。このｐ形領域１８をチヤネル領域１
６の厚さ全体にわたり領域２０にまで延在させる
ことができるが、この領域１８をその厚さの一部
分にわたつてのみ延在させ中間の、ｎ形領域によ
つて領域２０から分離させるのが好ましい。従つ
て、局部的に発生させられた電荷キヤリヤは消失
しないがｐ形領域１８のいずれかの側の転送チヤ
ネル１６へと流れることができる。
これら領域１６，１８および２０を一般に知ら
れている方法で設けることができるので、ここで
はそれ以上の説明をしない。この半導体本体の表
面上に酸化珪素の層２２を約700Åの厚さに成長
させる。この層上にクロツク電圧電極２３，２
４，２５，２３′，２４′，２５′および２３″を設
ける（第２図参照）。電極２３，２４，２５をイ
メージ部Ａのクロツクラインφ1，φ2，φ3に接続
し、さらにこれら電極はこのイメージ部を横切つ
て電荷転送方向とは垂直な方向に延在している。
オランダ国特許出願第8000999号に記載されて
いる一実施例について参考のために述べると、電
極φ1，φ2を図面に示された方向に設けることが
できるが、電極φ3はこれらと交差させるととも
に電荷転送方向と平行に延在させて電極間に光を
通す窓を得ることができるように、従つて青感度
の改善を図ることができるようにしている。メモ
リ部Ｂの電極２３′，２４′および２５′をクロツ
クラインφ1′，φ2′およびφ3′に接続し、さらに電
極２３″は第１図にのみ示されるようなクロツク
ラインφ1″，φ2″，φ3″を具えるレジスタＣのクロ
ツク電極の１つである。所要に応じて余分な転送
電極φTGをメモリ部ＢとレジスタＣとの間に設け
てもよく、この電極によりメモリ部Ｂとレジスタ
Ｃとの間での転送を制御する。第１図によれば、
この電極を個別の電圧源１５に接続しているが、
この電極をクロツクラインφ1″，φ2″およびφ3″の
うちのどれかに接続してもよい。
図示の簡単化のために、図中クロツク電極を並
置導電層として示しているが、実際には従来の
CCD技術において使用されているように多層の
多結晶珪素層を電極に使用し、これらを互いにオ
ーバーラツプさせること明らかである。
さらに第２図に示すように、メモリ部Ｂおよび
レジスタＣの上側に放射遮蔽層２６を設け、この
層を例えばAlで形成し得、酸化物層２７によつ
てその下側にあるクロツク電極から分離してもよ
い。所要に応じて、この遮蔽層の下側にある半導
体本体の一部分で入射放射が全くまたは少なくと
も実質的に吸収され得ないようにこの入射放射を
ストツプさせるようなこの遮蔽層でクロツク電極
の一部分を形成するようにしてもよい。
出力レジスタでもある第１図に示すレジスタＣ
はさらに出力段を具え、これはn+接点区域２８
を有し、この区域を、直列の電源２９および抵抗
３０を介して接地するとともに、出力端子１７に
も接続する。
勿論、これに代わる例えばソースホロワ回路の
ような他の既知の出力段を使用してもよい。
作動期間中は、例えば＋5Vのバイアス電圧を
出力区域である接点区域２８を介してチヤネル領
域１６に供給し、−5Vの負のバイアス電圧をｐ形
領域２０に供給する。従つてチヤネル領域１６が
完全に空乏化されて既知のようにデバイスがバル
クの形でまたは埋込チヤネル・モードで電荷転送
を行う態勢となり得る。第２図ではバイアス電圧
の電源を電源３１で示し、さらにｐ形層２０に対
するよりも正の電圧を電源３２からｎ形基板２１
に供給し得る。この基板２１の領域中に発生した
電荷キヤリヤを排出（drain）するように主とし
て作用するこの電圧の値を例えば＋5Vとする。
第４ａ図は作動期間中にイメージ部およびメモ
リ部のクロツク電極に印加されるクロツク電圧を
図式的に示す線図であり、第４ｂ図は直列のレジ
スタＣおよび転送電極TGに印加されるクロツク
電圧を示す線図である。時刻t0からt1の積分期間
にイメージ部Ａに入射した放射パターンが電荷パ
ケツトのパターンに変換される。積分ゲート（す
なわちクロツク電極の下側において、発生させら
れた電荷の積分を行うようなクロツク電極のシス
テム）として、一例として、クロツクラインφ1
に接続されたクロツク電極を選定し、これに例え
ば1Vという一定電圧を印加する。
それと同時に、それより前のある放射パターン
に相当する電荷パケツトのパターンをメモリ部に
記憶し、この電荷パターンを、例えば、転送ゲー
トTGを介して、レジスタＣにライン毎に導入す
ることができる。このラインの電荷パケツトを出
力区域２８へと水平方向に転送してそこで順次に
読出するようにし得る。その間に、メモリ部Ｂに
記憶された電荷パターンを１段階移動させること
ができかつ次のラインを転送ゲートTGの下側へ
移動させることができる。このラインは、前のラ
インの電荷パケツトが読出された時に第４ｂ図に
TBで示すライン抑制時間中にレジスタＣに移動
させることができる。レジスタＣの長さがＮビツ
トである場合には、このレジスタＣでの転送に用
いられるクロツク電圧φ1″，φ2″，φ3″の周波数は
メモリ部Ｂのクロツク電圧の周波数のＮ倍であ
る。センサが約300ラインの場合には、Ｎは約300
であり、このことはレジスタＣ中での転送がメモ
リ部Ｂ中における場合よりも約300倍速く行われ
るべきであるということを意味している。第４図
には、図示の簡単化のために、クロツク電圧
φ1′，φ2′，φ3′の周波数よりも数倍高い周波数を
有しているクロツク電圧φ1″，φ2″，φ3″を示して
あるが、その周波数差は実際にはこれよりも遥か
に大きいこと明らかである。
メモリ部Ｂに記憶された電荷パターンがライン
順次に読出されている時間に、イメージ部Ａに新
しい電荷パターンを発生させる。その目的のた
め、クロツクラインφ1に接続した電極２５に、
例えば1Vの一定の正の電位をセツトアツプする。
さらにクロツク電圧電極２３を例えば−4Vとし、
また前述したタイプのイメージセンサを有する通
常のカメラでは一定電位に保持されるような電極
２４の電位を本発明によるカメラでは、例えば−
4Vと＋6Vとの間の、２つのレベル間で変化する
ようにすることができる。
第５図は、イメージ部Ａの電極の積分期間に３
つの異なる時刻に印加される電圧によつて転送チ
ヤネルに形成される電圧プロフイールの一部分を
示す線図である。電極２５には＋1Vを印加する
ので、これら電極の下側には発生された電荷パケ
ツトを蓄積するための電位井戸が形成される。時
刻t1にクロツクラインφ3に接続されている電極２
３に−4Vの電圧を印加しかつクロツクラインφ2
に接続された電極２４に＋6Vの電圧を印加する。
従つて、転送チヤネルには、積分ゲート２５の下
側の電位井戸と、クロツク電極２３の下側のオー
バーフロー障壁と、クロツク電極２４の下側のよ
り深い電位井戸とを有する、第５ａ図に示すよう
な電位プロフイールが形成される。
ここで説明した印加電圧の値は電極２４の下側
の比較的深い（空の）電位井戸の最小値を表面か
ら所定の距離の所に位置させるような値である。
３２で示す放射による露出が弱い場合には、発生
する電荷キヤリヤの数も少なく、従つて電荷パケ
ツトを電極２４の下側の電位井戸の、表面から離
れたある距離の所に完全に蓄えることができ、電
荷は失われないが、露出過度の場合には、電荷パ
ケツトも大きくなり、従つてこの電荷パケツトが
電極２４の下側に集められると、この電荷は確実
に電極２４の下側の表面に蓄えられる。しかしな
がら、電荷パケツトがまだそれほど大きくない
と、例えばこれら電子は電極２３の下側の障壁を
越えて流れることができず従つて隣接する電位井
戸を満たすことができない。第５ｄ図は時刻t1に
おける、電極２４の下側の、表面と交差する方向
の電位プロフイールを示す線図で、曲線Ａは入射
放射の強度が弱い場合の電位プロフイールを示し
ている。この場合には、電子５０は酸化物層２２
とｐ形転送チヤネル１６との間の境界面から有限
な距離のところに蓄えられる。また曲線Ｂは露出
過度の場合の電位プロフイールを示している。こ
の場合には境界面でも電子の蓄積が行われ、従つ
て再結合による電荷の排出が行われる。本発明に
よればこのオーバーフロー（ブルーミング）を深
い表面状態によつて電荷キヤリヤを捕らえるよう
にすることによつて防止することができる。続い
て電極２４に−4Vの電圧を印加することによつ
て（第５ｂ図）、正孔を表わす＋印３３で第５図
に図式的に示した反転層（以下この層を３３で表
わす）を当該電極２４の下側に形成し、この反転
層３３の結果、電子を捕らえている表面状態が正
孔を捕らえることができる（捕らえられた電子の
再結合を行うことができる）。時刻t3において、
再び電極２４に電圧＋6Vを印加すると、当該電
極の下側において再び蓄積が生じて正孔を捕らえ
ている表面状態が電子を捕らえることができる。
このように、局部的に露出した結果形成された
過剰電荷キヤリヤを、積分電極２５のそばの電極
２４の下側の表面領域を反転状態または蓄積状態
に交互にすることによつて再結合させて、排出さ
せることができる。原理的には、蓄積状態と反転
状態とに交互に切換えられる電極は１個で十分で
あつて例えばこれを電極２４とし、一方電極２３
は一定電位に保持する。しかし、本発明により、
第４図に図式的に破線で示したように、電極２３
に加える電圧φ3を、電極２４に加える電圧φ2と
は互いに反対の位相となるように交互に切換える
と極めて好都合である。電圧φ2は例えば＋6Vと
−4Vの間とするが、電圧φ3は例えば−4Vと−
6Vの切換で充分正孔が電極２３の下側に集めら
れる。この場合、反転層３３に必要とされる正孔
を必ずしも常にｐ形領域１８，２０によつて供給
する必要はなく、そこの電極２３および２４間に
交互に戻してもよい。そのようにすると、領域２
０中の抵抗が比較的高いことに起因してデバイス
の周波数特性を低減させるような問題を防ぐこと
ができる。
どの程度の露出過度を許容できるかは表面状態
の濃度と、電極２４の下側の表面領域を蓄積状態
および反転状態に切換える周波数に依存する。あ
る場面の最大白レベルをデイスプレイする場合に
は、積分用の電位井戸（積分井戸）には約1011電
子／cm2で蓄えることができる。ここで説明する目
的に有益である表面状態の密度は現状の技術では
約1010／cm2・eVである。
禁止帯の、捕らえれた電荷キヤリヤが直ちには
伝導帯または価電子帯へと再び遷移できないよう
な十分長い時間∝｛Nc exp（−Ec−Et／kT）｝-1を有 するような深い状態のみが実質的には有用であ
る。このことは珪素について云えば伝導体または
価電子帯の0.10〜0.15eVのエネルギー帯内の状態
は有効的ではないことまたは有効性が乏しいこと
を意味している。これがため、適切なレベル全体
での濃度は約1010／cm2であり、これがため300本
のラインを有するセンサでは、１本のライン当た
り１回の、表面領域の反転状態から蓄積状態への
切換またはその逆の切換が行われる場合には、
300×1010＝30・1011個の電子／cm2を排出するこ
とができる。従つて、普通のセンサでは約30倍の
露出過度を許容でき、これは多くの応用に著しく
適したものである。積分期間に、ブルーミング防
止用の電極２４を切換える回数を増すことによつ
て簡単に倍率を一層高くすることができる。出力
信号にクロストークを与えないようにするため
に、ライン抑制時間TBに電極２４をクロツクす
るのが好ましい。電極２３を電極２４とは逆相で
クロツクさせないでこれに一定電位をセツトアツ
プするようにする場合には、この動作モードを有
益に使用し得る。有利に使用できる方法であつて
過剰に発生したキヤリヤの排出を増大させるため
の別の方法に表面状態の濃度を高める方法があ
る。その結果、表面状態が最早効果を有していな
いような、半導体本体中の深さのところで電荷転
送が行われ得るので、電荷結合デバイスの品質が
不利な影響を受けることがないしまたは少なくと
もほとんど不利な影響を受けることはない。
表面状態の濃度は技術の改良によつて将来は
益々低くなるであろうが、この濃度によつて種々
の方法で本発明の目的に適したレベルをもたらす
ことができる。第１の方法によれば、半導体本体
に対し適切に選定した温度、例えば、1100℃より
も低くかつ800℃および1100℃の間の温度で酸化
処理を行い得る。
第６図に実験により得られたこれら表面状態の
濃度Nssと酸化処理との関係を示す。この図から
明らかなように、一般には温度が上昇するとその
濃度が低下するので、適切な温度処理によつて所
望の値のNssを得ることができる。
深いレベルを得る他の方法として電荷結合デバ
イスの表面全体に或いは局所的に不純物をドーピ
ングする方法がある。使用して有益となり得る好
適な不純物として、例えば硫黄（Ｓ）があり、こ
れは価電子帯から0.25eVの深さにレベルを形成
し、そしてこの不純物をイオン・インプランテー
シヨンによつて所望の濃度にすることができる。
その他の適切なドーパントとしてPtがある（伝
導体から0.37eVのレベルを与える）。これら不純
物によつて得られる別の利点は、これら不純物に
よつては真性レベル（intrinsiclevel）のあたり
にエネルギー・レベルを導入しないので、ターゲ
ツトの漏洩電流に対する寄与も小さいということ
である。
上述したブルーミング防止方法では、ビツト当
たり少なくとも３個の電極が必要であり、その１
つは発生した電荷キヤリヤを積分するための電極
であり、第２は反転状態と蓄積状態とを交互に切
換えるための少なくとも１個の電極であり、第３
は電荷パケツト間の分離を確実に行うための電極
である。
次に第７図および第８図を参照してｎタイプの
ブルーミングの場合には積分電極自体をも使用で
きるので、ビツト当たり２個の電極が必要となる
のみであり、かつセンサを２相のCCDとして作
動させることができることを説明する。このよう
な撮像カメラの動作を説明するに当たり、先ず先
の実施例におけるターゲツトと似ているが、２相
構造の場合には普通であるように、各電極の下側
に、より高いおよびより低い濃度のｎドープ領域
が存在するターゲツトについて説明する。積分期
間には、積分電極２５に定電圧ではなくてクロツ
ク電圧を印加して、発生された光電流をこの電極
２５の下側で積分する一方定電圧を電極２４に供
給する。第８図は電圧φ1，φ2を図式的に示す線
図で、第７図は半導体本体中に形成された電位プ
ロフイールを図式的に示す線図である。垂直方向
に下方に電位をプロツトして示してあり、水平方
向に半導体層の表面までの距離をプロツトして示
してある。これら層は図中順次に電極２４または
２５、酸化物層２２、ｎ形チヤネル１６、ｐ形領
域２０およびｎ形基板２１として区別されてい
る。この電極２４は順次の電荷パケツトを互いに
分離する働きを有し、これら電極にｎチヤネル１
６よりも負の一定電位をセツト・アツプさせ、よ
つてこれら電極の下側の低ドープ部分には第７図
に曲線４０で示すようなプロフイールの電位を得
るようにする。これと同じ電圧とそれよりも遥か
に正の電圧を交互に電極２５に印加する。同一電
圧の場合には電極２５の下側の低ドープ部分には
第７図の曲線４０で示すプロフイールの電位が得
られるとともに一層高濃度のドープ部分には曲線
４１で示すプロフイールのような電位が得られ
る。曲線４１の平らな部分は電荷パケツトが電極
２５の下側に存在することを示している。両曲線
４０および４１によれば、表面における電位Ψは
ｐ形層２０に蓄積されている正孔が表面に引かれ
て酸化物層２２の下側に蓄積されるような電位と
なつている。電極２５に正の電圧を印加すると、
これら電極の下側の、低ドープ部分および高ドー
プ部分にはそれぞれ曲線４２および４３で示すプ
ロフイールのような電位が形成される。曲線４３
は露出過度の状態を示しており、この場合には形
成された信号パケツトは大きく電子が表面に達し
て再結合できる。最大寸法（最大白レベル）のパ
ケツトが存在する場合のみに蓄積が行われるよう
に正の電圧レベルを選ぶ。しかしながら、この電
圧レベルをあまり高く選ぶと、最小電位が半導体
本体の表面と一致し小さな電荷パケツトでも電子
が失われてしまうので、あまり高くしないのが好
ましい。この電圧レベルに好適な値は各場合につ
き当業者によつて簡単に決定することができる。
前の実施例の場合と同様に一定電圧の代わりに
第８図に破線で示すようなクロツク電圧を電極２
４に供給してもよい。この電極２４を電極２５と
逆相でクロツク作動させることによつて、電極２
４の下側に正孔を蓄え、電極２５の下側での反転
層の形成を加速し、よつて第２図に示すｐ形層２
０が比較的高オーミツクであるために生じ得る周
波数の問題を回避できるようにすることができ
る。
本発明は前述した実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲を逸脱することなく多くの変
形を行い得ること明らかである。
例えばバルク転送形の電荷転送デバイスの代わ
りに、表面転送形の電荷転送デバイスを使用し得
る。その場合には、半導体本体の導電形と比較し
て、少数電荷キヤリヤであるキヤリヤによつて積
分光電流を形成する。
第９図は半導体デバイスのイメージ部Ａの一部
分を示す断面図である。この場合には、クロツク
電極２３〜２５に対して表面隣接ｐ形領域２０の
電位よりも正の電圧を印加することによつて表面
隣接ｐ形領域２０に（ｎ形の）転送チヤネルすな
わちCCDチヤネルを誘発させる。第１０は第９
図に示す部分中の表面電位を示す。
積分電極２５のそばの電極２４を第１０ａ図に
示すように反転状態にさせて過剰に発生された電
荷キヤリヤを排出させ、よつて（ｎチヤネルデバ
イスの場合には）過剰の電子を表面状態によつて
捕らえることができる。次いで、積分電極のそば
のクロツク電圧電極２４を第１０ｂ図に示すよう
に蓄積状態にさせてこれら捕らえられた電荷キヤ
リヤを正孔と再結合させることができる。好まし
くは積分電極に対するよりも小さい正の電圧を並
置電極２４に印加して（反転状態）その場合に電
荷パケツトの全部ではなくほんの一部分例えば最
大白レベル以上の部分のみがこの並置電極へと移
動されるようにする。この好適実施例の利点の１
つは小さな電荷パケツトでは電極キヤリヤが不必
要にも失われることがないことである。
本発明はさらに飛越し原理によつて動作する装
置にも使用して有益である。種々の電極を用いて
過剰電荷を排出するようにカメラを作動させても
よい。しかし好ましくはそのために次に説明する
例のように同一の電極を使用するを可とする。
第１１図はセンサのイメージ部の一部分を示す
断面図であつて、大部分が第一実施例で説明した
部分に対応し、ｐ形層２０、チヤネルが形成され
るｎ形層であるチヤネル領域１６並びにクロツク
ラインφ1，φ2およびφ3を示している。第１１図
でクロツク電極を１２３，１２４および１２５で
示し、これら電極の形状配置は第１図〜第３図に
示したデバイスとは異なり、電極１２３はCCD
ラインの電荷転送方向と並列な長尺帯条片として
半導体表面上に延在し、一方電極１２４と１２５
はこれと交差する方向に延在している。この電極
の形状配置の利点は、オランダ国特許第8000999
号（特願昭56−22303号、特開昭56−134767号に
対応）に記載されているように電極構体中に窓が
得られこの窓によつて特にブルー感度が高めるこ
とができることにある。
場面の撮像期間に電極１２３〜１２５に印加す
るクロツク電圧を第１２ａおよび１２ｂ図に示
す。
第１２ａ図に示すように、１フレーム期間に電
極１２３の下側で光電流を積分する。電極１２５
には負電圧を印加して画素を互いに分離する。第
１実施例について説明したと同様に、電極１２４
にクロツク電圧を印加し、その下側の、層１６の
表面領域を交互に蓄積および反転の両状態として
過剰電荷を排出させる。これは第１２ａ図に示す
ように、好ましくはライン抑制期間に、正の電圧
パルスφ2をクロツク電極１２４に印加すること
によつて行う。これと同時に、既に説明したよう
に、クロツク電圧φ1を逆相でパルス的に生じさ
せて電極１２４の下側の表面領域から発生する正
孔を電極１２５の下側に一時的に蓄えるようにす
ることもできる。第１２ａ図に示すようなクロツ
ク電圧で画素（ピクセル）によつて占有される領
域は第１１図にＡで示す区域（面積）に相当す
る。
次のフレーム期間に、第１２ｂ図に示すような
クロツク電圧を電極１２３〜１２５に印加し、よ
つて領域Ａに対しシフトしている第１１図に示す
区域Ｂに画素が対応するようにする。クロツク電
極１２３に負電圧を印加して画素間の分離を行
う。電極１２４，１２５には比較的正の電圧を印
加して、生じた光電流を電極１２４，１２５の下
側で積分する。
第１２ｂ図では図示の明確のために電圧φ1，
φ2のレベルを違えて示してあるが、両レベルを
時間間隔TLの間等しいとしてもよい。過剰電荷
を排出するために、先ず電圧φ1とφ3との差電圧
を、好ましくはライン抑制時間TBの期間、反転
させ、第１２ａ図に示した場合と同様に、電極１
２３が蓄積容量としてかつ電極１２５が各画素間
の分離電極として作用するようにする。この場合
にも電極１２３および１２４の電荷蓄積容量によ
つて白の最大量を定めるのが有益であり、一方電
極１２４を使用して過剰電荷の排出を行うように
してもよい。この目的のため、時間期間TBでは
第１２ｂ図に示すように電極１２４には負の電圧
パルスを印加し、よつてこれら電極の下側で反転
が生じ蓄積状態に捕らえられている過剰電子を再
結合により消失させることができるようにするこ
とができる。
電圧φ1およびφ2間の差電圧を再び反転させ、
また次のライン時間Ｔにおいて電極１２４，１２
５の下側で再び電荷を積分できる。
前述した実施例における導電形を逆にし、これ
に適合する電圧を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による撮像カメラを図式的に示
す線図、第２図は第１図に示す撮像カメラに使用
される光感応ターゲツトを示す断面図、第３図は
第１図に示す撮像カメラに使用される光感応ター
ゲツトを示す断面図、第４図は撮像カメラの動作
中に印加されるクロツク電圧を時間の関数として
示す線図、第５図は動作中に電荷結合デバイスの
チヤネル中に形成される電位プロフイールを示す
線図、第６図は表面状態の濃度と酸化温度Ｔとの
間の関係を示す線図、第７図は第１図〜第３図に
示す電荷結合装置を異なる状態で作動させた場合
にCCDチヤネル内での電位プロフイールを示す
線図、第８図はクロツク電圧電極に印加されるク
ロツク電圧を示す線巣、第９図は表面チヤネルを
有する装置を示す断面図、第１０は第９図に示す
装置のCCDチヤネル内の電位プロフイールを示
す線図、第１１図は本発明による撮像カメラに使
用するための他の光感応ターゲツトを示す断面
図、第１２図は第１１図の実施例に適用されるク
ロツク電圧を示す線図である。 １０……撮像カメラ、１１……光感応ターゲツ
ト、１２〜１５……クロツク発生器、１６……電
荷結合デバイス（または転送チヤネルまたはチヤ
ネル領域）、１７……出力端子、１８……（チヤ
ネル画成）領域、１９……逆ｐ−ｎ接合、２０…
…領域（または層）、２１……基板、２２……層、
２３，２３′，２３″〜２５′，１２３〜１２５…
…クロツク電極、２６……放射遮蔽層、２７……
酸化物層、２８……接点区域（出力区域），２９
〜３２……電源、３０……抵抗、３３……反転
層、Ａ……イメージ部、Ｂ……メモリ部、Ｃ……
読出しCCD列（またはレジスタ）。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体本体を有する光感応ターゲツトを具
    え、該半導体本体は表面に多数の電荷蓄積容量を
    具えていて、動作期間中、該電荷蓄積容量が入射
    放射線の吸収によつて前記半導体本体中に局部的
    に発生した第１タイプの電荷キヤリヤを蓄積可能
    とし、これら電荷キヤリヤをある特定の積分期間
    の間積分するようにし、さらに局部的な露出過度
    となつている間に発生する過剰電荷キヤリヤが充
    満された電荷蓄積容量から隣接の電荷蓄積容量へ
    と前記半導体本体中を広がるのを防止する防止手
    段を具えており、各電荷蓄積容量に関連して前記
    防止手段に属する第１クロツク電極を具え、該第
    １クロツク電極は前記表面を覆う絶縁層上に設け
    られかつ電源に接続されており、該電源は、前記
    積分期間中、前記第１クロツク電極の下側に存在
    する前記半導体本体の表面領域を蓄積状態および
    反転状態に交互にもたらすような電圧を供給しそ
    の結果一方の状態において過剰電荷キヤリヤを前
    記表面領域中に集めることができかつ、該表面領
    域に存在する表面状態を介して、他方の状態にお
    いて捕らえることができる、反対のタイプの電荷
    キヤリヤと再結合させることによつて排出できる
    ようにしてある固体撮像カメラにおいて、 前記第１クロツク電極の他に少くとも第２クロ
    ツク電極を具え、この第２クロツク電極は前記反
    対タイプの電荷キヤリアの蓄積個所を規定し、さ
    らにこの第２クロツク電極は、第１クロツク電極
    に供給される交流電圧と逆位相の交流電圧を供給
    する手段に接続し、 この第２クロツク電極に供給される交流電圧に
    より、前記反対タイプの電荷キヤリアが、前記第
    ２クロツク電極の下側の表面領域より第１クロツ
    ク電極の下側の表面領域に転送される如くしたこ
    とを特徴とする固体撮像カメラ。 ２ 前記電荷蓄積容量は、行列状に配列されかつ
    ライン毎に読出しできる光感応要素から成る系の
    一部分を形成しており、さらに前記電源は前記第
    １クロツク電極に電圧を供給し前記第１クロツク
    電極の下側の表面領域ラインの読出し時間当たり
    少なくとも１回だけ前記一方の状態から前記他方
    の状態へもたらすようにしたことを特徴とする特
    許請求の範囲第１項記載の固体撮像カメラ。 ３ 前記第１クロツク電極を一方の状態から他方
    の状態へ切換える瞬時はラインフライバツク時間
    にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
    たは第２項記載の固体撮像カメラ。 ４ 前記ターゲツトは前記半導体本体の表面に設
    けられた電荷結合デバイスを具え、該電荷結合デ
    バイスによつて前記電荷蓄積容量に蓄えられた電
    荷を電荷パケツトの形で読出し部へ転送できるよ
    うにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
    ないし第３項のいずれか１項に記載の固体撮像カ
    メラ。 ５ 前記電荷結合デバイスは前記絶縁層上に設け
    られた一連のクロツク電圧電極を具え、前記半導
    体本体のこれらクロツク電圧電極の下側の部分で
    発生させられた光電流を積分期間に積分するよう
    にした電荷蓄積容量を形成していることを特徴と
    する特許請求の範囲第４項記載の固体撮像カメ
    ラ。 ６ 前記半導体本体の表面領域を蓄積状態および
    反転状態にもたらすことができる前記第１及び第
    ２クロツク電極を前記電荷結合デバイスのクロツ
    ク電圧電極により形成し、該クロツク電圧電極に
    より電荷パケツトを読出し部へと転送できるよう
    にしたことを特徴とする特許請求の範囲第５項記
    載の固体撮像カメラ。 ７ 前記ターゲツトは多数の並置された電荷転送
    チヤネルを有する多数の電荷結合デバイスを具
    え、該電荷転送チヤネルは前記半導体本体中を列
    方向に延在しかつ、該半導体本体中で前記電荷転
    送チヤネルを画成している介在区域によつてのみ
    互いに分離されていることを特徴とする特許請求
    の範囲第２項または第６項の固体撮像カメラ。 ８ 前記電荷結合デバイスは３相または３相以上
    の位相の電荷結合デバイスの群に属しており、い
    ずれの段であつても第１電極を積分期間中電荷蓄
    積容量の電極として使用し得、隣接する第２電極
    を使用してその下側の、半導体本体の表面領域を
    反転状態および蓄積状態に交互にもたらすように
    し、かつ第３電極を使用して並置された段の電荷
    パケツトを互いに絶縁するようにしたことを特徴
    とする特許請求の範囲第５項または第７項の固体
    撮像カメラ。 ９ 前記第２電極の下側にある表面領域が前記一
    方の状態にある時間間隔中に、前記第２電極の下
    側に前記第１電極の下側の電位井戸よりも深い電
    位井戸を形成し、これによつて前記第１電極の下
    側に蓄えられた電荷の一部分（少なくとも大部
    分）を隣接する表面領域に転送するようにしたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の固体
    撮像カメラ。 １０ 前記ターゲツトは、第１状態において前記
    第１及び第２クロツク電極の下側の表面領域を反
    転状態とし、かつ第２状態において蓄積状態とな
    すことができる表面チヤネルを有する電荷結合デ
    バイスを具え、前記第１電極の電圧は露出過度が
    生じていない光レベルに対応する電荷パケツトを
    前記第１電極の下側に完全に蓄えたままにする電
    圧とすることを特徴とする特許請求の範囲第８項
    記載の固体撮像カメラ。 １１ 前記ターゲツトはバルクまたは埋込チヤネ
    ルを有する電荷結合デバイスを具え、前記第１ク
    ロツク電極の下側の表面領域を第１状態では蓄積
    状態とし、かつ第２状態では反転状態とすること
    ができるようにしてあることを特徴とする特許請
    求の範囲第８項または第９項記載の固体撮像カメ
    ラ。 １２ 前記他方の状態において前記第２電極の下
    側の前記表面領域に蓄えられる他方のタイプの電
    荷キヤリヤを、前記第２電極の下側の前記表面領
    域が前記一方の状態に移つたとき、該表面領域に
    隣接する、第３電極の下側の表面領域に転送でき
    るようにした別の手段を具えていることを特徴と
    する特許請求の範囲第８項ないし第１１項のいず
    れか１項に記載の固体撮像カメラ。 １３ 前記半導体本体はその表面状態の濃度が２
    つのバンドの縁および真性レベルから少なくとも
    0.15eV離れているエネルギー・レベルを有して
    いる濃度に高められていることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項ないし第１２項のいずれか１項
    に記載の固体撮像カメラ。 １４ 前記高められた濃度を前記半導体本体中に
    供給された不純物によつて形成していることを特
    徴とする特許請求の範囲第１３項記載の固体撮像
    カメラ。 １５ 前記不純物を硫黄原子によつて形成してい
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１４項記載
    の固体撮像カメラ。 １６ 前記半導体本体は前記表面から比較的大き
    な距離だけ離れたところで発生する前記第１タイ
    プの電荷キヤリヤを排出できるようにした排出手
    段を具えることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項ないし第１５項のいずれか１項に記載の固体撮
    像カメラ。 １７ 前記半導体本体は一導電形の基板を具え、
    該基板の上側に電荷結合デバイスをもつた一導電
    形の表面隣接層を備えており、前記基板と該表面
    隣接層とは反対導電形の中間層によつて互いに分
    離されていることを特徴とする特許請求の範囲第
    １１項または第１６項のいずれか１項に記載の固
    体撮像カメラ。 １８ 前記半導体本体は反対導電形の基板を具
    え、該基板の上側に一導電形の表面層を備えてい
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１０項また
    は第１６項記載の固体撮像カメラ。 １９ 前記ターゲツトは飛越し原理に基づいて作
    動するようになつており、かつ２つの順次のフレ
    ーム期間の間に、同一電極を使用して生じ得る過
    剰の電荷キヤリヤを排出するようにしたことを特
    徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１８項の
    いずれか１項に記載の固体撮像カメラ。 ２０ 前記ターゲツトは飛越し原理に基づいて作
    動するようにしてあり、かつ、２つの順次のフレ
    ーム期間の間であつてライン制御時間の少なくと
    も相当の部分で、同一電極を使用して電荷パケツ
    トの蓄えを行うようにしてあることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項ないし第１９項のいずれか
    １項に記載の固体撮像カメラ。
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