JPH0445030B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体撮像装置の信号読み出し方法に
関するもので、さらに詳しくは、SITイメージセ
ンサにおいて、特に微弱光検出感度に優れ、かつ
Ｘ−Ｙアドレス方式における信号読み出し線のキ
ヤパシタを利用する読み出し方法で、SITの主電
極の全てがアドレス線又は信号読み出し線となる
方式に、画素分離特性も良好で安定で均一にしか
も高感度に画像を検出し、低消費電力、高速、大
容量の固体撮像装置の信号読み出し方法を与える
ものである。

本発明では、放送局用のテレビカメラ、家庭向
ビデオカメラ、電子スチルカメラなどの他、高感
度なことを利用した天体観測器や高速なことを利
用した理化学用精密測定器に応用できる。

〔従来の技術〕

従来の静電誘導ホトトランジスタ（Static
Induction Phototransistor（以下SIPTと略称す
る））を用いたゲート蓄積方式による２次元固体
撮像装置において、SIPTのソース及びドレイン
がそれぞれ信号読み出しライン又はアドレスライ
ンとなる２次元固体撮像装置の構成及び信号読み
出し方法については，特開昭60−199277号「２次
元固体撮像装置」に開示されている。

この開示された信号読み出し方法について、ま
ず従来の技術の例として説明する。

第４図ａにこの例の構成方法の、ｂに読み出し
パルスの、その一例を示す。C_ijはこの２次元固
体撮像装置の一画素で、一つのSIPTとキヤパシ
タからなる。画素C_ijのSIPTのドレインは信号読
み出しラインSL_iに、ソースは埋め込みライン
BL_jに、ゲートはキヤパシタを通して垂直アドレ
スラインにGL_jに接続されている。信号読み出し
ラインSL_iにはプリチヤージトランジスタQ_Pが接
続され、このQ_Pを通してプリチヤージ電源V_Pに
接続されている。このQ_Pはゲートが共通になさ
れ、プリチヤージパルスφ_Pが印加される。さら
にSL_iはトランスフアートランジスタQ_Tを通して
スイツチトランジスタQ_Sに接続されている。Q_T
はゲートが共通になされ、トランスフアーパルス
φ_Tが印加される。Q_Sのゲートは水平シフトレジ
スタ４２に導かれている。Q_Sは抵抗R_Lを通して
ビデオ電源Vvに接続され、出力はQ_TとQ_Sに共通
して接続されたトランスフアーキヤパシタC_Tを
Q_Sを導通状態にしてVvにより充電することによ
るR_Lの電圧降下によつてV_put端子から得られる。
さらに埋め込みラインBL_jは埋め込みライン選択
トランジスタQ_Bを通して接地され、BL_jに接続さ
れたQ_BのゲートはGL_jに接続され、GL_jは垂直シ
フトレジスタ４１に導かれている。

第４図ｂを参照して、読み出し方法を説明す
る。まずトランスフアーパルスφ_Tによつてトラ
ンスフアートランジスタQ_Tが導通状態のときに、
プリチヤージパルスQ_Pによつてプリチヤージト
ランジスタQ_Pを通して、信号読み出しラインSL_i
及びトランスフアーキヤパシタC_TをV_Pによつて
充電する。次に、垂直アドレスパルスφ_Gjによつ
て垂直アドレスラインGL_jに接続された画素C_1j
〜C_ojの各SIPTは入射光量に応じた放電をする。
φ_Gjとφ_Tが同時に切れることによつて画素C_1j〜
C_ojの光情報はトランスフアーキヤパシタC_Tの放
電量として記憶される。水平シフトレジスタ４２
からの読み出しパルスφ_S1〜φ_SoによつてV_put端子
から順次出力が得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のSIPTを用いた２次元固体撮像装置は、
SIPT本来の高い光感度を利用し得るものである。
つまり垂直アドレスラインGL_j上の画素C_1j〜C_oj
を構成する各SITのソースを共通の埋め込みライ
ンBL_jに接続し、かつBL_jには接地との間に埋め
込みライン選択トランジスタQ_Bを接続し、かつ
そのQ_Bのゲートは垂直アドレスラインGL_jに接続
することで、垂直アドレスラインGL_jの選択と同
時にBL_jのみが接地面電位となり、同一の信号読
み出しライン上の画素間のクロストークをおさえ
ている。

しかし、より高い光感度をもつSIPTはノーマ
リ−オンに近い特性を有するため、飽和光量レベ
ルに近いくらいの光強度を有する光が入射した画
素を構成するSIPTは非選択時であつてもソー
ス・ドレイン間を流れるゼロゲートバイアス時の
リーク電流は大きい。このような高感度なSIPT
によつて２次元固体撮像装置を前述の方法によつ
て構成することは、プリチヤージパルスφ_Pによ
つて、信号読み出しライン（表面ラインSL）が
充電された後の、非選択画素によるリークの影響
による信号読み出しラインの電圧変動が各信号読
み出しライン毎にばらつきが起こりやすく、安定
な読み出し動作という点で、SIPTをノーマリ−
オフに近い特性を持たせる必要があつた。従つ
て、本来高感度であるSIPTもノーマリ−オフ化
することで若干感度を落して設計する必要があつ
た。

上述の２次元固体撮像装置では、非選択の画素
のSIPTのソースは、トランジスタによつて接地
電位と切り離されているものの、SIPTのソース
が接続されている埋め込みラインは、接地に対し
てある容量を持つている。この容量はたとえ小さ
くとも、全ての埋め込みラインのものについての
和は無視できない。従つてこの容量がある程度充
電されるまでは、非選択画素のSIPTのリーク電
流によつて信号読み出しラインの電位が変動して
しまう。特にSIPTのリーク電流は強い入射光が
あると、それに伴つて大きくなる。

このため上述の２次元固体撮像装置では、非選
択画素による信号読み出しラインの電圧変動を極
力低くする為に埋め込みラインの接地に対する容
量を低くおさえ、プリチヤージ（信号読み出しラ
インのプリチヤージ電源V_Pによる充電）後の垂
直アドレスパルスとトランスフアーパルスのタイ
ミングの最適化などの他に、SIPTの設計条件に
おいても制限があり、SIPTを非常に高感度な条
件で適用するには、上述の如き問題点があつた。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の２次元固体撮像装置では、各画素の
SIPTに信号読み出しラインによつてバイアス電
圧を印加する為に、同一信号読み出しラインに接
続された画素によるリークによつてこのバイアス
電圧が変動してしまう。そこで、本発明の固体撮
像装置の読み出し方法では、各画素のSIPTへの
バイアス電圧の印加を埋め込みラインを用いて行
なう。第２図を用いて本発明による読み出し方法
の動作原理を説明する。

第２図ａに一画素の読み出し回路を示す。画素
C_ijはSIPT２０とゲートキヤパシタ２４から成
り、SIPT２０のソース２１は信号読み出しライ
ンSL_i２５に、ドレイン２２は埋め込みライン
BL_jに、ゲート２３はゲートキヤパシタC_G２４を
通して垂直アドレスラインGL_jに接続されてい
る。SL_i２５はリセツトトランジスタQ_Rを通して
接地され、Q_Rのゲートにはリセツトパルスφ_Rが
印加される。さらにSL_iはトランスフアートラン
ジスタQ_Tを通してスイツチトランジスタQ_Sに接
続され、Q_Sは負荷抵抗R_Lによつて接地され、こ
のR_LのQ_Sに接続する点が出力端子２５（V_put）と
なる。Q_Tのゲートにはトランスフアーパルスφ_T
が、Q_Sのゲートには読み出しパルスφ_Siが、それ
ぞれ印加される。BL_jは埋め込みライン選択トラ
ンジスタQ_Bを通して電源電圧V_DDに接続されてい
る。GL_jはQ_Bのゲートに接続され、垂直アドレス
パルスφ_Gjが印加される。C_SLは信号読み出しライ
ンSL_jの接地に対して持つ容量を、C_Tはトランス
フアーラインTL_iが接地に対して持つ容量を、C_B
はBL_jが接地に対して持つ容量を、それぞれ表し
ている。

第２図ｂに、読み出しのパルスのタイミングチ
ヤートと、トランスフアーラインTL_iの電位変化
V_TLiと出力端子２５の電位変化を示す。

時刻t₁に、まずトランスフアーパルスφ_Tによつ
てトランスフアートランジスタQ_Tが導通状態と
なり、信号読み出しラインSL_iにトランスフアー
ラインが結合される。次に、時刻t₂においてリセ
ツトパルスφ_RによつてリセツトトランジスタQ_R
が導通状態になり、V_TLiは接地電位となる。時刻
t₃にQ_Rが遮断状態になつた後、垂直アドレスパル
スφ_Gjが時刻t₄に印加される。このとき、埋め込
みライン選択トランジスタQ_Bが導通状態となり、
SIPT２０は電源電圧V_DDによつてバイアスされ
る。同時にSIPT２０はゲートキヤパシタC_G２４
を通してパルスφ_Gjが加わり、SIPT２０には一定
の期間内に入射した光量に応じた放電電流が流れ
る。第２図ｂにおいて、V_TLiの変化は、点線ａが
暗状態つまり入射光がない場合、一点鎖線ｂは通
常の光照射状態つまり入射光量が飽和光量未満の
とき、実線ｃは飽和光量の光が入射した場合に対
応している。時刻t₅にφ_Tとφ_Gjが切れて、Q_Tが遮
断状態になることによつてSIPT２０から得られ
た画素C_ijの光情報はC_Tに記憶される。次に時刻t₆
に読み出しパルスφ_Siによつてスイツチトランジ
スタQ_Sが導通状態となり、負荷抵抗R_Lを通して
C_Tが放電し、出力が得られる。この時のV_putの変
化はV_TLiの値に応じて、画素C_ijへの入射光が暗状
態の時は点線ａ、通常の光照射の時は一点鎖線、
飽和光量の時は実線ｃのようになる。

〔作用〕

本発明の固体撮像装置の読み出し方法では、各
画素を構成するSIPTへのバイアスを、信号読み
出しラインではなく、埋め込みラインを用いて印
加することにより、アドレスされた画素のSIPT
のみにそして常に一定のバイアス電圧を印加する
ことができる。従つて大容量の２次元固体撮像装
置を安定でかつ均一に読み出すことができる。

第２図ｂの時刻t₄からt₅において、同一の信号
読み出しライン上の画素を構成するSIPTは逆動
作にバイアスされ、この非選択画素を構成する
SIPTのソース・ドレイン間のリーク電流による
信号読み出しラインへの影響が考えられる。しか
し、倒立動作のSIPTは正立動作のSIPTに比べて
電流増幅率は小さく、前述の従来の読み出し方法
に対しては十分に改善であるといえる。

〔実施例〕

本発明の固体撮像装置の読み出し方法の実施例
を第１図に、又、一画素分のデバイス構造の一例
を第３図に示す。

第１図ａを用いて、まず、２次元固体撮像装置
の構成について説明する。

２次元マトリクス状に並べられたｎ×ｍ個の画
素の１つC_ijは一つのSIPTとゲートキヤパシタか
ら成る。この画素C_ijのSIPTのソースは信号読み
出しラインSL_iに、ドレインは埋め込みライン
BL_jに、ゲートはゲートキヤパシタを通して垂直
アドレスラインGL_jに接続している。BL_jとGL_j
は平行でSL_iに直交している。信号読み出しライ
ンSL_iはリセツトトランジスタQ_Riを通して接地さ
れ、Q_Rのゲートは全て共通になされリセツトパ
ルスφ_Rが印加される。さらにSL_iはトランスフア
ートランジスタQ_Tiを通して、スイツチトランジ
スタQ_Siに接続されている。Q_Tのゲートは全て共
通になされ、トランスフアーパルスφ_Tが印加さ
れる。Q_TiとQ_Siの接続部には適当なキヤパシタC_Ti
が設けられ、Q_Siはさらに全てのQ_Sに共通して適
当な負荷抵抗R_Lによつて接地され、この負荷抵
抗が全てのQ_Sに接続されている点が出力端子V_put
１７となる。スイツチトランジスタQ_Siのゲート
には水平シフトレジスタ１２に導かれ、読み出し
パルスφ_Siが印加される。埋め込みラインBL_jは埋
め込みライン選択トランジスタQ_Bjを通して、電
源V_DDに接続されている。Q_Bjのゲートは垂直アド
レス線GL_jに接続され、GL_jは垂直シフトレジス
タ１に導かれ、垂直アドレスパルスφ_Gjが印加さ
れる。

第１図ｂに読み出しパルスのタイミングチヤー
トを示す。垂直シフトレジスタは垂直アドレスパ
ルスφ_G1，……，φ_Gnを順次出力するが、第２図ｂ
ではちようどφ_Gjとそれにつづくφ_Gj+1のところを
示している。

時刻t₁で、トランスフアーパルスφ_Tが入り、ト
ランスフアートランジスタQ_Tが導通状態になつ
た後、時刻t₂でリセツトパルスφ_Rによつてリセツ
トトランジスタQ_Rを通して信号読み出しライン
はC_Tとともに接地電位となる。時刻t₃で垂直アド
レスパルスφ_Gjが入り、垂直アドレスラインGL_j
上の各画素C_1j，……，C_ojは入射光量に応じて
C_T1，……，C_Tiを充電する。時刻t₄でφ_Tと同時に
φ_Gjが切れ、C_1j，……，C_ojの光情報はそれぞれに
対応するC_T1，……，C_Tiに記憶される。φ_Tが切れ
た後、水平シフトレジスタは読み出しパルスφ_S1，
……，φ_Soを発生させ、スイツチトランジスタ
Q_S1，……，Q_Soを順次導通させてC_Tに蓄えられた
電荷をR_Lを通して放電させ、C_1j，……，C_ojの出
力が順次V_putの電位変化として出力される。こう
して時刻t₈までにC₁ｊ，……，C_ojの水平１列の
光情報が出力し終ると、次にC_1j+1，……，C_oj+1
の光情報を読み出すべく、同様の手順が繰返され
る。

第１図ａにおいては、Q_R，Q_T，Q_B，Q_Sとして
全てMOSトランジスタとして表示してあるが、
これらはいずれも全てMOSトランジスタである
必要はなく、SIT、バイポーラトランジスタ、
JFETなどであつてもよい。

第３図を用い一画素についてのデバイス構造の
１例について説明する。

第３図ａはその表面構造を、ｂはＡ−A′で示
される線での断面構造を模式的に示してある。こ
こに示したデバイス構造の例では、ｐ型Si基板３
１８上に作られたｎチヤンネルSIPTと、ポリシ
リコンなどの導電性透明電極３１１と、SiO₂な
どの透明絶縁膜３１２がSIPTのp⁺ゲート３１６
によつて構成されるMOSキヤパシタによつて一
画素が構成されている。

第３図ｂにおいて、n⁺領域３１４はSIPTのソ
ース領域、n⁺領域３１５はSIPTのドレイン領
域、n^-領域３１７はSIPTのチヤンネル領域、領
域３１３は分離領域で各画素を分離している。図
には示されていないが第３図ａにおいて縦に隣り
合う画素も同様に分離されている。ソース領域３
１４はポリシリコンなどの導電性透明電極３１９
によつて電極がとられている。埋め込まれたドレ
イン領域３１５は表面から電極３４がとられてい
る。これは埋め込まれたドレイン領域３１５は図
中紙面に垂直な方向に連続しているが、表面から
Al−Siのような高い導電性の電極をつけること
によつて抵抗を小さくしようとするためである。
ゲートキヤパシタの電極３１１は同一の物質で構
成される垂直アドレス線３５に接続され、３５の
上にはAl−Siのような高い導電性の物質３６に
よつて抵抗を減少させてある。

第３図ａは画素C_ijに相当する部分が示してあ
る。図中一点鎖線で囲まれた部分がそれである。
３５は垂直アドレス線GL_j、３４は埋め込みライ
ンBL_j、３９は信号読み出し線SL_iである。BL_j３
４とGL_j３５は平行に、そして3Li３９には直交
している。交差部分はSiO₂やPSG等の絶縁性の
物質によつて絶縁されている。さらに図中には信
号読み出し線SL_i-1３１、埋め込みラインBL_j-1３
３、垂直アドレス線GL_j+1３７が示されている。
３２，３８，３１０は３６と同様の物質で、それ
ぞれSL_i-1３１、GL_j+1３７、SL_i３９の抵抗を減
少させるために設けられたものである。

画素の構成が上で説明したように、全ての配線
が表面で取られているので、読み出しの為のプリ
チヤージトランジスタ、トランスフアートランジ
スタ、埋め込みライン選択トランジスタ、スイツ
チトランジスタを同一チツプ上に製作することは
容易である。トランスフアーキヤパシタは配線の
浮遊容量を利用してもよいし、SIPTのゲート上
のMOSキヤパシタと同様に製作してもよい。

〔発明の効果〕

本発明の固体撮像装置の信号読み出し方法は、
垂直アドレスパルスによつて選択された画素の
SIPTのみがバイアスされること、そのバイアス
電圧は常に一定の値であること、選択された画素
のSIPTは正立動作であるのに対して同一信号読
み出しライン上の非選択の画素のSIPTは倒立動
作にしかバイアスされないこと、によつて微弱光
検出感度に優れた、安定かつ均一に大容量の固体
撮像装置を読み出す方法である。

これは、SIPTの正立動作が倒立動作より光電
流増幅率が大きい上に、光電流増幅率がドレイン
バイアス電圧によつて増大するという特徴がある
為に、高い光感度のSIPTは非選択時のリーク電
流も大きいが、同一信号読み出しライン上の画素
のクロストークを十分におさえることができたか
らである。

第５図は第３図に示した構造の画素を第１図に
示した方法により読み出した時の一画素の光電変
換特性の例を示している。一画素の寸法は85μ×
65μである。電源電圧はV_DD＝2V、負荷抵抗R_L＝
1kΩ、光積分時間（アドレスから次のアドレスま
での周期）T_LI＝10msで波長655nm（赤）の光を
照射しており、横軸はその入射光量（μW／cm²）、
縦軸は暗状態との出力電圧V_putの差ΔV_put（mV）
を示している。入射光量10^-4μW／cm²という微弱
光から1μW／cm²まで、80dBという広いダイナミ
ツクレンジを有するとともに、微弱光であるほど
高感度な信号読み出しができることがわかる。

このように本発明ではSIPTの持つ高い光感度
の特性を充分に利用でき、光積分時間10msで
10^-4μW／cm²の光量の光を検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で、ａは構成を、ｂは
読み出しの動作波形を示す図、第２図は本発明の
動作を説明するための図で一画素の動作を示し、
ａは構成を、ｂは読み出しの動作波形を示す図、
第３図は一画素の構成例で、ａは表面構造、ｂは
断面構造を示す図、第４図は従来の技術を説明す
る為の図で、ａは構成を、ｂは読み出し動作波形
を示す図、第５図は本発明の効果を示す為の図
で、試作及び実験で確かめられた光電変換の図で
ある。 １４……静電誘導ホトトランジスタ、１……静
電誘導ホトトランジスタのソース、２……静電誘
導ホトトランジスタのドレイン、３……静電誘導
ホトトランジスタのゲート、１３……ゲートキヤ
パシタ、１６……電源電圧、１５……負荷抵抗、
１７……出力端子（V_put）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 静電誘導ホトトランジスタとゲートキヤパシ
   タから構成された画素C_ijをｎ×ｍのマトリクス
   に構成し、垂直アドレスラインGL_j（ｊ＝１〜ｍ）
   は前記画素C_ij（ｉ＝１〜ｎ）を構成する前記静電
   誘導ホトトランジスタのゲートに前記ゲートキヤ
   パシタを介して共通に接続され、信号読み出しラ
   インSL_i（ｉ＝１〜ｎ）は前記画素C_ij（ｊ＝１〜
   ｍ）を構成する前記静電誘導ホトトランジスタの
   ソースに共通に接続され、埋め込みラインBL_j
   （ｊ＝１〜ｍ）は前記画素C_ij（ｉ＝１〜ｎ）を構
   成する前記静電誘導ホトトランジスタのドレイン
   に共通に接続され、前記埋め込みラインBL_j（ｊ
   ＝１〜ｍ）にはスイツチトランジスタQ_Bjが接続
   され、前記スイツチトランジスタQ_Bjのゲートは
   前記垂直アドレスラインGL_jに接続され、前記信
   号読み出しラインSL_i（ｉ＝１〜ｎ）は二つの直列
   に接続されたスイツチトランジスタQ_Ti及びスイ
   ツチトランジスタQ_Siを介して負荷抵抗に接続さ
   れ、前記スイツチトランジスタQ_Tiと前記スイツ
   チトランジスタQ_Siの接続点に所定のキヤパシタ
   C_Tiを持たせ、前記負荷抵抗と前記スイツチトラ
   ンジスタQ_Sとの接続点を出力端子とした２次元
   固体撮像装置において、全ての前記静電誘導ホト
   トランジスタは正立動作でかつドレインバイアス
   電圧は前記スイツチトランジスタQ_Bj（ｊ＝１〜
   ｍ）を通してなされ、前記信号読み出しライン
   SL_i（ｉ＝１〜ｎ）には信号検出前に前記信号読み
   出しラインSL_iを接地電位にするためのスイツチ
   トランジスタQ_Riが設けられ、前記スイツチトラ
   ンジスタQ_Ti（ｉ＝１〜ｎ）が導通状態のときに前
   記スイツチトランジスタQ_Riによつて前記信号読
   み出しラインSL_iと前記キヤパシタC_Tiを接地電位
   とした後に前記垂直アドレスラインの１つGL_j
   （ｊ＝１〜ｍ）に垂直アドレスパルスを入力して
   前記画素C_ij（ｉ＝１〜ｎ）を選択し前記画素C_ijの
   光情報に応じて前記信号読み出しラインSL_iとと
   もに前記キヤパシタC_Tiを充電し前記スイツチト
   ランジスタQ_Tiを遮断状態にした後、前記スイツ
   チトランジスタQ_Si（ｉ＝１〜ｎ）を通して順次前
   記キヤパシタC_Tiを放電させることで１列の前記
   画素C_ij（ｉ＝１〜ｎ）の光情報を読み出すことを
   特徴とする固体撮像装置の信号読み出し方法。