(57)【要約】  本発明は、ピクセルの行および列として構成されるマトリクス・イメージ・センサーに、より詳しくはＭＯＳ技術の活性ピクセルにより製造されるイメージ・センサーに関する。このマトリクスは、感度を高めるために、少なくとも２個のピクセルのグループ（ＰＤ１〜ＰＤ４）として、２個のピクセル中において発生した電荷を１個のピクセル中にグループ化する手段とともに、構成される。一時的に電荷を蓄積する少なくとも１個のゲート（Ｇ２１）、非対称の形態のこのゲートは、第１ピクセルのフォトダイオード（ＰＤ１）と第２ピクセルのフォトダイオード（ＰＤ２）の間に配置可能であり、一連の電位を一時蓄積ゲートに加える手段を設ける。これらの電位は、ゲートの非対称性により、第１に電荷集積期間中における第１と第２フォトダイオード間の電荷の通過の阻止、次にゲートの下におけるフォトダイオード中に蓄積された電荷の収集、次にこれらの電荷の第２フォトダイオードのみへの放電を可能にする。この方法により単一のフォトダイオード中にグループ化された電荷を、当該ピクセルにおいて読み取る。
2014525673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピクセルの行および列のマトリクスをもつイメージ・センサーであって、各ピクセルが電荷を蓄積するためのフォトダイオードおよびノードをもち、かつ、電荷集積期間の終了時に前記フォトダイオードに蓄積された前記電荷を収集し、前記マトリクスが少なくとも２個のピクセルのグループとして、２個の前記ピクセルに生ずる前記電荷を１個のピクセル中にグループ化する手段とともに、構成され、一時的に電荷を蓄積する少なくとも１個のゲート（Ｇ２１）、前記ゲートは、上流側と下流側間において非対称性を示し、かつ、前記第１ピクセルの前記フォトダイオード（ＰＤ１）と前記第２ピクセルの前記フォトダイオード（ＰＤ２）の間に配置される、および下記の電位：
−  前記電荷集積期間中に前記第１および第２フォトダイオード間の電荷の移動を阻止する低電位
−  次に、前記一時蓄積ゲートの下の２個の前記フォトダイオード中に蓄積された前記電荷の放電を可能にする高電位一時蓄積制御信号
−  次に、前記中間蓄積ゲート上の前記電荷の前記第１フォトダイオード方向のみへの放電を可能にする低電位
を前記一時蓄積ゲートに加える手段をもつことを特徴とするイメージ・センサー。
【請求項２】
前記フォトダイオードが第１導電型の活性半導体層中に作成され、かつ、前記活性層の基準電位に接続される前記第１型の表面層により覆われる第２導電型の拡散をもつことと、前記一時蓄積ゲートが前記第１型の活性層部分の上に配置され、かつ、
−  前記第１ピクセルの前記フォトダイオード（ＰＤ１）に、前記フォトダイオードの方向に伸びる少なくとも１つの狭いフィンガ（ＤＧＴ）の端部により、隣接している
−  前記第２ピクセルの前記フォトダイオード（ＰＤ２）に、狭い前記フィンガより広い側面により、隣接している
−  かつ、狭い前記フィンガの端部を除いて、前記フォトダイオードの前記表面領域より強くドーピングされており、かつ、前記領域と同様に、前記活性層の電位を与えられるドーピングされた前記第１導電型絶縁領域により前記第１ピクセルの前記フォトダイオードから離隔されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のイメージ・センサー。
【請求項３】
前記ゲートの下に位置する前記活性層部分が、前記第１ピクセルの前記フォトダイオードの方向に伸び、かつ、前記フォトダイオードに隣接する端部をもつ複数の狭いフィンガをもつことを特徴とする請求項２に記載のイメージ・センサー。
【請求項４】
前記マトリクスが４個のピクセルからなるグループとして構成され、４個からなるグループ中の第１（ＰＤ１）および第２（ＰＤ２）ピクセルがピクセルの第１行の２個の隣接ピクセルであり、かつ、第３（ＰＤ３）および第４（ＰＤ４）ピクセルが前記第１に隣接する別の行の２つの隣接ピクセルであり、また、４個の前記ピクセルの前記フォトダイオード上の電荷の前記第４ピクセルの前記フォトダイオード中へのグループ化を可能にするために少なくとも３個の非対称一時蓄積ゲート（ＧＴ１、Ｇ３２、Ｇ４３）が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のイメージ・センサー。
【請求項５】
第１一時記憶ゲート（Ｇ２１）が前記第１と第２ピクセル間に設けられ、第２ゲート（Ｇ３２）が前記第２と第３ピクセル間に設けられ、かつ、第３ゲート（Ｇ４３）が前記第３と第４ピクセル間に設けられ、また、前記ゲートを連続して制御するための手段が設けられ、前記第２ゲート（ＳＴ３２）のための前記蓄積制御信号が前記第１ゲートに加えられる前記蓄積制御信号（ＳＴ２１）の終了後に初めて前記第２ゲートに加えられ、かつ、前記第３ゲート（ＳＴ４３）のための前記蓄積制御信号が前記第２ゲートに加えられる前記蓄積制御信号（ＳＴ３２）の終了後に初めて前記第３ゲートに加えられることを特徴とする請求項４に記載のイメージ・センサー。
【請求項６】
第１一時蓄積ゲート（Ｇ４１）が前記第１と第４ピクセル間に設けられ、第２ゲート（Ｇ３２）が前記第２と第３ピクセル間に設けられ、かつ、第３ゲート（Ｇ４３）が前記第３と第４ピクセル間に設けられ、また、前記ゲートを２つの連続ステップにより制御する手段が設けられ、前記第１ゲートの前記蓄積制御信号が前記第２ゲートの前記蓄積制御信号と同時に前記第１ゲートに加えられ、かつ、前記第３ゲートの前記蓄積信号が前記第１および第２ゲートに加えられる前記蓄積制御信号の終了後に初めて前記第３ゲートに加えられることを特徴とする請求項４に記載のイメージ・センサー。
【請求項７】
前記マトリクスがｎｘｍ個（ただしｎ＋ｍ）＞＝２）のピクセルのグループとして構成され、かつ、ｎｘｍ個のピクセルのグループから電荷をグループ化するために隣接ピクセルのフォトダイオード間の（ｎｘｍ−１）個の一時蓄積ゲートをもつことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のイメージ・センサー。
【請求項８】
前記マトリクスの前記一時蓄積ゲートを制御するｎ＋ｍ−２とおりの制御信号を作成する手段をもつことを特徴とする請求項７に記載のイメージ・センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピクセルの行および列として構成されるマトリクス・イメージ・センサー、より詳しくはＭＯＳ技術の活性ピクセルにより製造されるイメージ・センサーに関する。このイメージ・センサーの各ピクセルは、ピクセルにおける電荷／電圧変換を行うために使用される少なくとも１個のフォトダイオードおよびトランジスタを含む。
【背景技術】
【０００２】
ユーザーの選択に応じて複数の隣接ピクセルをグループ化することにより解像度および感度を変更することができるマトリクス・センサーの製造は、すでに提案されている。高い解像度が必要な場合には、ピクセルは、お互いに独立に読み取られる。解像力低下の下に感度を高める場合には、ピクセルをグループ化し、ピクセルの各グループについて単一の信号を供給する。隣接ピクセルは、２×２または４×４またはより一般的にはｍ×ｎによりグループ化できる。ここで、ｍおよびｎは２つの整数であり、それらの少なくとも１つは２以上である。
【０００３】
ピクセルのグループ化（またはビニング）は、ＣＣＤ（電荷移動装置）技術において使用されてきた。前記技術では、それは簡単な電荷移動により光生成電荷を加え合わせることを可能にするので、特に効果的である。活性ピクセルＭＯＳ技術では、それは、より複雑である。ピクセルからの出力信号は電圧であるからである。ピクセルをグループ化するために電圧をデジタル化し、かつ、複数のデジタル信号を加え合わせた場合、雑音も同様に加え合わされる。
【０００４】
しかし、活性ピクセルＭＯＳ技術においてさえ、複数のピクセルにおいて光生成された電荷のアナログ形態の無制限のグループ化を可能にする電荷転送構造がすでに提案されている。電荷を電圧に変換する前に隣接ピクセルの電荷蓄積ノードを共有することにより電荷をグループ化する。提案された装置の不利益は、個々のピクセルをグループ化することを欲しない場合にそれらの読み取りを複雑化することである。さらに、これらの装置の電荷／電圧変換率は、ピクセルがグループ化された場合、それらが別々である場合より低下する。
【０００５】
一例であるが、英国特許第２４７４０１４号明細書は、２個の隣接ピクセルの電荷蓄積ノードを接続するかまたは接続しないトランジスタの手段により２個のピクセル間の電荷の条件付き共有を可能にするアーキテクチャを提案している。この共有が行われたとき、電荷蓄積ノードの容量は著しく増加し、それにより電荷／電圧変換率が低下する。
【０００６】
最後に、米国特許第６４５２１５３号明細書は、フォトダイオードと電荷蓄積ノード間の絶縁トランジスタを持たず、かつ、その代わりに、ＤＣバイアスされる「スキミング・トランジスタ」と呼ばれるものを備えるピクセルの枠組み内の電荷共有を提案している。前記特許は、グループ化トランジスタをもつアーキテクチャを使用する。このアーキテクチャは、複数のフォトダイオードの出力をピクセルのうちのただ１個のピクセルの読み取りトランジスタに結合するように構成される。ピクセルが分離されたときとグループ化されたときに、電荷／電圧変換率は変わらないが、この特許において記述されている解決方法には、グループ化ピクセルから最も遠いフォトダイオード上の電荷がこのピクセルの読み取り回路に到着するのが困難であるために転送効率が低いという大きな不利益がある。転送されなかった電荷が次の画像に現れ、画像を損なう遅延現象を引き起こす。さらに、この構造は、低い信号レベルにおいて効率が非常に低い。それは、一定レベルより上の電荷をスキミングすることにより働くからである。電荷のグループ化は、低い光源レベルに特に興味がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】英国特許第２４７４０１４号明細書
【特許文献２】米国特許第６４５２１５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、変換率を著しく変えることなく、それにも関わらず良好なレベルの転送効率をもってピクセルをグループ化することができるセンサーを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるセンサーは、少なくとも２個の隣接ピクセルにおける光生成電荷の独立またはグループ化収集を可能にする。それは、２個のピクセルのフォトダイオード間の一時蓄積ゲートおよびこのゲートの制御手段をもつ。電荷集積中、このゲートは、２個のピクセルのフォトダイオード間の電荷の通過を禁止する電位を与えられる。各ピクセル中の集積された電荷は、ピクセルをグループ化する要求がない場合、個別に読み取られる。電荷集積期間の終了時にピクセルをグループ化する要求がある場合、一時蓄積ゲートは、それを高電位にする一時蓄積制御信号を受け取る。このためにこの２個のフォトダイオード上の電荷は、このゲートの下で放電する。次に、一時蓄積制御信号の終了時に、ゲートは、ゲートが蓄積していた電荷を排出する傾向をもつ低電位に戻る。このゲートは、この最終段階における電荷転送の指向性を確保するために、その上流側（電荷を受け取る側）とその下流側（電荷を供給する側）の間で非対称に構成されており、そのために一時蓄積ゲートの下で蓄積された電荷は、２個のフォトダイオードのただ一方のみに向かって再び流れ始める。次に、２個のピクセルの電荷をこのようにグループ化したフォトダイオードに対応するピクセルが読み取られる。
【００１０】
中間蓄積ゲートのこの非対称は、一時蓄積ゲートの下で、かつ、その一方の側（それは上流側と呼ぶことにする）において、上流に位置するフォトダイオードからの電荷の通過にとって狭い通路を作成することにより構成することが好ましい。この通路は、基準電位を与えられるドーピングされた領域により囲まれており、かつ、それは、一時蓄積信号の終了後に通路の電位（それは通路の両側のこれらのドーピングされた領域の影響を受ける）が下流側のゲートの下の電位より低い状態にとどまるために十分狭い。したがって、この狭い通路に電位障壁が作成され、それは、一時蓄積ゲートの下で蓄積された電荷を下流側から向かわせる。
【００１１】
したがって、本発明は、ピクセルの行および列のマトリクスをもつイメージ・センサーを提案する。その各ピクセルは、電荷を蓄積するフォトダイオードおよびノードをもち、それにより電荷集積期間の終了時にフォトダイオードに蓄積された電荷を収集する。このマトリクスは、少なくとも２個のピクセルのグループとして、２個のピクセルに生じた電荷を１個のピクセルにグループ化する手段とともに、構成される。このセンサーは、それが一時的に電荷を蓄積するゲート（それは、上流側と下流側の間の非対称を示し、第１ピクセルのフォトダイオードと第２ピクセルのフォトダイオードの間に構成される）および以下に示す一連の電位を一時蓄積ゲートに加える手段をもつことにより特徴づけられる：
−  電荷集積期間中、第１フォトダイオードと第２フォトダイオード間の電荷の移動を禁止する低電位；
−  次に、２個のフォトダイオードに蓄積された電荷の一時蓄積ゲートの下の放電を可能にする高電位一時蓄積制御信号；
−  次に、中間蓄積ゲート上の電荷の第１フォトダイオードへの方向のみの放電を可能にする低電位。
【００１２】
一時蓄積ゲートの非対称は、電荷転送の方向における非対称となっており、上流側は下流側と異なっている。これは、電荷転送の方向と平行である軸に関する対称を排除しない。
【００１３】
実際には、フォトダイオードは、第１導電型の活性半導体層中に作成され、活性層の基準電位に接続されている第１型の表面層により覆われている第２導電型層の拡散をもっている。一時蓄積ゲートは、第１型の活性層部分の上に構成されているが、この活性層部分は、以下のとおりである：
−  このフォトダイオードに向かって伸びる少なくとも１つの狭い通路の端部により第１ピクセルのフォトダイオードに隣接している；
−  狭い通路より広い側により第２ピクセルのフォトダイオードに隣接している；
−  かつ、狭い通路の端部を除いて、第１導電型のドーピングされた絶縁領域により第１ピクセルのフォトダイオードから離隔されている。この領域は、フォトダイオードの表面層より濃厚にドーピングされ、この層と同様に、活性層の基準電位を与えられる。
【００１４】
この通路は、下流側より高い電位障壁を活性層中に設定するために十分狭い。上流側に複数の狭い通路が存在してもよい。ただし、それは、それらのそれぞれが活性層中にかかる電位障壁を設定するために十分に狭いことを条件とする。第１導電型のドーピングされた絶縁領域は、これらの狭い通路の端部外でくまなく活性層部分のフォトダイオードを離隔する。
【００１５】
１つの可能な実施形態では、マトリクスは、４個のピクセルのグループとして構成され、４個からなるグループ中の第１および第２のピクセルは、ピクセルの第１行の２個の隣接ピクセルであり、かつ、第３および第４のピクセルは、最初の行に隣接する行中の２個の隣接ピクセルであり、かつ、４個のピクセルのフォトダイオード上の電荷を第４のピクセルのフォトダイオードにグループ化することを可能にするために少なくとも３個の非対称一時蓄積ゲート（前述した意味の）が設けられる。
【００１６】
電荷のグループ化は、一時蓄積ゲートの制御に応じて、いくつかの方法が可能である。
【００１７】
１つの解決方法では、第１の一時蓄積ゲートは第１と第２のピクセル間に設けられ、第２のゲートは第２と第３のピクセル間に設けられ、第３のゲートは第３と第４のピクセル間に設けられ、かつ、連続してこれらのゲートを制御する手段が設けられる。第２ゲートの蓄積制御信号は、第１ゲートに加えられる蓄積制御信号の終了後に初めて第２ゲートに加えられ、かつ、第３ゲートの蓄積制御信号は、第２ゲートに加えられる蓄積制御信号の終了後に初めて第３ゲートに加えられる。したがって、電荷は第１電極から第２電極へ進み、次に第３電極に進み、最後に第４電極に達する。
【００１８】
もう１つの解決方法では、第１一時蓄積ゲートは、第１と第４ピクセルの間に設けられ、第２ゲートは第２と第３ピクセルの間に設けられ、第３ゲートは第３と第４ピクセルの間に設けられ、かつ、これらのゲートを２つの連続するステップで制御する手段が設けられる。第１ゲートの蓄積制御信号は、第２ゲートの蓄積制御信号と同時に第１ゲートに加えられ、また、第３ゲートの蓄積制御信号は、第１および第２ゲートに加えられた蓄積制御信号の終了後に初めて第３ゲートに加えられる。したがって、電荷は、同時に、第１および第２フォトダイオードから第４および第３フォトダイオードに、それぞれ移行する。次に電荷は、第３から第４フォトダイオードに移行する。
【００１９】
最後に、このマトリクスは、同様に、ｎｘｍ個のピクセルのグループとして、ピクセルのフォトダイオードと隣接ピクセルのそれぞれとの間の（ｎｘｍ−１）個の一時蓄積ゲートとともに、構成することもできる。最終ピクセルにおけるグループ化を行うために少なくとも（ｍ＋ｎ−２）個のグループ化信号が必要である。
【００２０】
すべての場合において、電荷／電圧変換率は、マトリクスがピクセルのグループ化を行うか否かに関係なく同じである。それは、ピクセルの電荷蓄積ノードの容量に関連している変換率である。
【００２１】
本発明のその他の特徴および長所は、添付図面を参照して行う以下の詳細説明の読了により明らかとなるであろう。図面の内容は、次のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】５個のトランジスタおよび１個のフォトダイオードをもつ活性ピクセルの在来の配線図を示す。
【図２】このピクセルの大まかな上面図であり、この配線図の種々の要素を示している。
【図３】本発明による４個のピクセルのグループの構成の上面図を示す。
【図４】隣接ピクセルの２個のフォトダイオードを離隔する一時蓄積ゲートの図３のラインＡ−Ａ沿いの垂直断面を示す。
【図５】一時蓄積ゲートの図３のラインＢ−Ｂ沿いの別の断面を示す。
【図６】グループ化動作中の半導体における連続電位の図を示す。図の左は、ラインＡ−Ａ沿いの電位であり、図の右はラインＢ−Ｂ沿いの電位である。
【図７】ピクセル・グループ化モードにおいて光生成された電荷を読み取るためにピクセルに加えられる信号のタイミング図を示す。
【図８】４個のピクセルからなるグループの一時蓄積ゲートの変更実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１の略図は、多数のピクセル行および列をもつマトリクス・センサーの一部であるピクセルを示す。各ピクセルは、以下を含んでいる：
−  フォトダイオードＰＤ；
−  転送トランジスタＴ１。これは、オフのとき、フォトダイオードと電荷蓄積ノードＦＤ間の完全な絶縁を可能とし、次に、オンになったとき、フォトダイオードに生成された電荷の電荷蓄積ノードＦＤへの転送を可能にする。トランジスタＴ１は、マトリクス全体に共通とするかまたは少なくともピクセルの行に共通とすることができる転送信号ＴＲＡにより制御される；
−  トランジスタＴ２。これは、トランジスタＴ１により制御される転送の前に蓄積ノードの電位の再初期設定を可能にする。オンにされたとき、このトランジスタは、蓄積ノードの電位を基準電圧とする。この基準電圧は、たとえば、一般供給電位Ｖｄｄでよい。再初期設定制御は、行ごとに行われる；
−  電圧フォロワとして接続される読み取りトランジスタＴ３。このトランジスタは、このトランジスタのゲート上に存在する電位のソースへの転送を可能にする。そのゲートは、蓄積ノードＦＤに接続されている；
−  行選択トランジスタＴ４。このトランジスタは、読み取りトランジスタのソースを列導電体ＣＣに接続する。列導電体ＣＣは、同一列のすべてのピクセルに共通である。トランジスタＴ４は、同一行中のすべてのピクセルに共通である行導電体ＬＳにより制御される。この行導電体は、選択信号ＳＥＬにより制御される。選択信号ＳＥＬは、ピクセルの種々の行を次々にアドレス指定する行デコーダから生ずる。
【００２４】
オプションのトランジスタＴ５は、電荷集積期間の開始時にフォトダイオードの電位を再初期設定するために設けることができる。この目的のために、このトランジスタは、マトリクス全体にグローバルな信号ＧＲにより制御される。
【００２５】
在来、ピクセルの単一行のトランジスタＴ４は導通され、信号読み取りは二重抽出法の手段により行われる：行のピクセルのそれぞれにおける電荷蓄積を表す電位が列導電体ＣＣ上に個々に収集され、次に考察対象の行の蓄積ノードの電位が再初期設定され、再初期設定電位が列導電体上に収集される。読み取りは、各ピクセルについて収集された２つの電位間の差異の手段により行われる。
【００２６】
図２は、図１の配線図の可能な物理的構成の上面図を示す。この図の要素は、たとえば、弱くドーピングされたＰ−型の活性半導体層から形成される。
【００２７】
フォトダイオードＰＤは、このＰ−層中のＮ型拡散であるが、Ｐ−型半導体層の電位である低基準電位を与えられる微細表面Ｐ型層により覆うことが好ましい。したがって、それは、「ピン型」のフォトダイオードであり、その表面電位は、電荷集積中、固定される。
【００２８】
このフォトダイオードは、横方向に、局部的またはその外縁のほぼ全体にわたってさえ、フォトダイオードの表面層よりも深くかつより強くドーピングされたＰ＋型層により区切ることができる。このＰ＋絶縁層は、同様に半導体層の電位を与えられ、かつ、Ｐ−半導体層の基準電位をフォトダイオードの表面拡散に与える働きをする。Ｐ＋層は、活性層中の電荷のフォトダイオードから電荷蓄積ノードＦＤへの通過（ゲートの制御下の）を可能にするために、いずれにせよ、外縁の一部で中断される。このノードは、半導体層中のＮ＋型拡散である。フォトダイオードと蓄積ノードＦＤ間におけるＰ＋層の中断は、図１におけるトランジスタＴ１のゲートである絶縁ゲートＧ１により覆われる。フォトダイオードＰＤと蓄積ノードＦＤ間の絶縁は、ゲートＧ１が低電位にあるときに、形成される。フォトダイオードから蓄積ノードへの電荷転送は、ゲートＧ１が高電位にあるときに行われる。
【００２９】
絶縁ゲートＧ２（図１の再初期設定トランジスタＴ２のゲート）は、蓄積ノードＦＤを再初期設定するために基準電位（この場合、供給電位Ｖｄｄ）を与えられる別のＮ＋型拡散から蓄積ノードＦＤを離隔する。このＮ＋型拡散は、トランジスタＴ２のドレインとして働き、また、同様に読み取りトランジスタＴ３のドレインとしても働く。トランジスタＴ３のドレインは、そのソースから（別のＮ＋拡散）そのゲートＧ３により離隔される。ゲートＧ３は、接続により蓄積ノードＦＤに電気的に接続される。トランジスタＴ３のソースとして働くＮ＋拡散は、同様に選択トランジスタＴ４のドレインとして働く。このトランジスタＴ４のソースは、列導電体ＣＣに接続されている。トランジスタＴ４のゲートＧ４は、そのソースをそのドレインから離隔する。最後に、フォトダイオードの電位を再初期設定するためにトランジスタＴ５がピクセル中に設けられる場合、追加ゲートＧ５が電位Ｖｄｄを与えられるＮ＋型ドレイン拡散からフォトダイオードを離隔する。このゲートは、フォトダイオードを囲むＰ＋領域中の別の中断を覆う。
【００３０】
Ｎ＋型およびＰ＋型の領域は、それら自体、電荷の流れ得ないまたは蓄積され得ない絶縁領域ＳＴＩにより区切られている。これらの絶縁領域は、一般的に、活性Ｐ−型半導体層中に作成される絶縁酸化ケイ素の充填された溝により形成されている。電荷は、フォトダイオードとＮ＋領域の間または２つのＮ＋領域の間のみ、その流れを許容するかまたは禁止するゲートに加えられる電位のレベルに基づいて、流れる。
【００３１】
図３は、本発明による４個のピクセルの構成を示す。この構成は、各ピクセルの個別読み取りまたは４個のピクセルのグループ読み取りを可能にする。一時蓄積ゲートは、隣接ピクセルに属する２個のフォトダイオード間に設けられ、これらのゲートは、そのゲートにより蓄積電荷のフォトダイオードのうちの１個のみへの転送を行う方向的転送を可能にするために非対称であるという特殊機能をもっている。
【００３２】
図３からわかるように、種々のピクセルの同様な要素間の接続を容易にするために、４個のピクセルの配置は、１つの列から次へ、または１つの行から次へ反転するのが好ましい。同一電位に接続する必要がある隣接ピクセルの近接配置される拡散は、１個のピクセルから隣接ピクセルに伸びる単一の拡散の中に結合することができる。同じ方法により、同一信号により制御される必要がある隣接ピクセルのゲートは、１個のピクセルから隣接ピクセルに伸びる単一のゲートの中に結合することができる。これは、１行中の２個の隣接ピクセルの両トランジスタＴ５のドレイン拡散に関する図３の場合である。これは、１行中の２個の隣接ピクセルの両ゲートＧ５の場合であり、および１列中の２個の隣接ピクセルの両ゲートＧ２の場合も同様である。これは、１列中の隣接ピクセルの両ゲートＧ１の場合も同様であるが、蓄積ノードへの電荷転送を行ごとに行いたい場合には該当しない（「巻き上げシャッター」と呼ばれる電荷集積方法）。
【００３３】
本発明に従って、少なくとも２つの隣接フォトダイオード間に電荷の一時蓄積ゲートを設ける。２個の隣接フォトダイオード間に配置される一時蓄積ゲートは、集積期間中に２個のフォトダイオードにより生成された電荷の合計を収集することができる。この目的のために、一時蓄積制御信号が集積期間の終了時に送出され、この制御信号中に２個のフォトダイオードからの電荷がゲートの下に集まる。これらのゲートは、さらに、２つのフォトダイオードのうちの一方のみにおいて、ゲートの下に蓄積された電荷を蓄積制御信号が終了したときに放電するために、それらの上流側と下流側の間で非対称に構成されている。
【００３４】
４個のピクセルのグループ化を可能にする例示実施形態では、以下が設けられている：
−  ゲートＧ２１：１行中のフォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２上の電荷のグループ化およびフォトダイオードＰＤ２への放電を可能にする；
−  ゲートＧ３２：１行中のフォトダイオードＰＤ２およびＰＤ３上の電荷のグループ化およびフォトダイオードＰＤ３への放電を可能にする；
−  およびゲートＧ４３：１行中のフォトダイオードＰＤ３およびＰＤ４上の電荷のグループ化およびフォトダイオードＰＤ４への放電を可能にする。
【００３５】
３つのゲートの一時蓄積制御信号は、集積期間の終了時に連続して送出される。フォトダイオードＰＤ１上の電荷は、フォトダイオードＰＤ２の中に移行する。フォトダイオードＰＤ２に蓄積された電荷は、次にフォトダイオードＰＤ３の中に移行する。そして最後に、フォトダイオードＰＤ３に蓄積された電荷は、フォトダイオードＰＤ４の中に移行する。
【００３６】
したがって、３つの連続中間蓄積信号の後に、集積期間中に４個のピクセルにおいて発生した電荷は、フォトダイオードＰＤ４中にグループ化される。次にこれらの電荷をフォトダイオードＰＤ４に対応する列導電体上で読み取ることができる。
【００３７】
一時蓄積ゲートは、活性Ｐ−型半導体層の上に配置されており、それから微細絶縁層により絶縁されている。フォトダイオードのそれぞれを囲むＰ＋領域は、一時蓄積ゲートの場所で中断されており（それがＧ１およびＧ５の場所で中断されているように）、したがってフォトダイオードは、この場所で、一時蓄積ゲートにより覆われている活性Ｐ−型半導体層部分と隣接している。
【００３８】
続いて、一時蓄積ゲートにより覆われている活性Ｐ−型層部分の形状が一時蓄積ゲートそれ自体の形状と同じであることと見做す。一時ゲートが電荷を蓄積することのできる活性層部分を超えて溢れ出る（たとえば、絶縁領域ＳＴＩの上に）ことはあり得るが、しかし重要なことは、電荷の蓄積の可能にする活性層部分すなわち、微細絶縁層によりゲートから離隔されている活性層部分の形状である。ゲートの形状とゲートの下で電荷を蓄積できる活性層部分の形状の間に同一性が存在すると見做すのは、この理由からである。ゲートの絶縁領域ＳＴＩへのあり得る溢出は、一時蓄積ゲートの一部であるとは見なされないからである。一時蓄積ゲートは２個のフォトダイオード間に配置されており、かつ、ゲートにより覆われている活性層部分は２個のフォトダイオードに隣接している。問題を分かりやすくするために、語彙の拡張により、フォトダイオードに隣接しているのは実際にはゲートの下の活性Ｐ−層部分であるとしても、一時蓄積ゲートはフォトダイオードに隣接していることにする。
【００３９】
ゲートの非対称性は、次の方法により得られる：下流フォトダイオード（ゲートＧ２１のフォトダイオードＰＤ２）は、一時蓄積制御信号の終了時に電荷が放電される先のフォトダイオードを指す。上流フォトダイオード（ゲートＧ２１のフォトダイオードＰＤ１）は、この信号の終了時に電荷を受け取ることができないフォトダイオードである。ゲートＧ２１により覆われている活性層部分は、それが上流フォトダイオードＰＤ１に隣接しているところよりも広い幅にわたり、下流フォトダイオードＰＤ２に隣接している。したがって電荷は、広い通路を経てフォトダイオードＰＤ２からゲートＧ２１の下の活性層部分に移行することができるが、しかし電荷は、活性層の基準電位を与えられているＰ＋型絶縁領域間に囲まれている狭い通路のみを経てフォトダイオードＰＤ１からゲートＧ２１に移行できる。この通路の幅は、この通路の電位がそれを囲んでいるＰ＋領域の存在により影響を受けるために十分なほどに狭い。対照的に、ゲートが下流フォトダイオードに隣接しているところでは、通路の幅は、活性層部分の電位がどの場所においてもＰ＋領域の存在の影響を受けないほどに十分なほど広い。この場合、いくつかの狭い通路が存在しても、それらの各通路がそれを囲んでいるＰ＋領域の電位の影響を受けるほどに十分に狭いならば、差し支えない。
【００４０】
したがって一時蓄積ゲートＧ２１、Ｇ３２およびＧ４３は、それぞれ、図３から分かるように、下流に位置するフォトダイオードに隣接する広い側面をもち、かつ、上流側に、上流に位置するフォトダイオードに隣接する端部をもつ少なくとも１個の狭いフィンガＤＧＴをもっている。このフィンガの側面は、活性層の基準電位を与えられるＰ＋型領域の間に囲まれている。
【００４１】
ゲートの形状およびゲートとフォトダイオード間の通路の幅のこの非対称性は、狭い通路について、一時蓄積制御信号の終了時に電位障壁を形成して電荷の上流フォトダイオードへの帰還を阻止するが、下流側には障壁を形成せず、電荷の下流フォトダイオードへ帰還を可能にする。この電位障壁の存在について、以下においてさらに詳しく説明する。
【００４２】
図４は、図３のラインＡ−Ａ沿いに一時蓄積ゲートＧ２１を通る垂直断面を示す。絶縁ゲートは、弱くＰ−ドーピングされている活性半導体層部分の上に載っている。フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２は、それぞれ、ゲートのすぐ左と右に位置している。この断面は、活性層部分を上流フォトダイオードＰＤ１に接続する狭いフィンガを通過している。上流フォトダイオードＰＤ１のＮ拡散は、前記ゲートの左端の狭いゲート・フィンガの下およびこの狭いフィンガの下のみで活性Ｐ−型層部分に接触している。
【００４３】
図５は、図３のラインＢ−Ｂ沿いに一時蓄積ゲートＧ２１を通る垂直断面、すなわち、狭いフィンガの外側を示す。上流フォトダイオードＰＤ１のＮ拡散は、ゲートの下に位置する活性Ｐ−型層部分に接触しない。それは、狭いフィンガを枠にはめているＰ＋領域によりそこから離隔されているからである。下流フォトダイオードから、ゲートはフォトダイオードのところまで進み、ゲートの全幅にわたりそれと隣接する。
【００４４】
電荷は、上流フォトダイオードＰＤ１から一時蓄積ゲートへ狭い通路のみを通って流れることができる。それ以外の至る所にＰ＋領域が存在し、フォトダイオードとゲートにより監視される領域の間の電子の通過を阻止する電位障壁を形成する。電荷は、以下で分かるようにゲートから上流フォトダイオードへ通過できない。
【００４５】
図６は、最初に電荷集積期間中、次に集積期間終了時の一時蓄積信号の印可時、最後に一時蓄積信号の終了時における活性半導体層中の半導体における電位の図を示す。図６の左側の部分は、図４に対応するラインＡ−Ａ沿いに作成した電位図、したがって狭い通路の電位図である。右側の部分は、図５に対応するラインＢ−Ｂ沿いに作成した電位図である。電位は、電子のポテンシャル井戸および電位障壁の慣例的表現に従って、電位は下方に向かって上昇する。
【００４６】
図６の第１行において：集積期間中、一時蓄積信号の前、ゲートＧ２１は、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ２間の電荷の通過を阻止するゲート全体の下の電位障壁を形成する低電位に保たれている。光によりピクセル中に生成された電荷は、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２に蓄積する。電位障壁は、狭いフィンガＤＧＴの下で、ゲートの残余の部分の下より、わずかに高く、かつ、Ｐ＋領域においてさらに高いが、しかしこれは、この段階では重要ではない。
【００４７】
図６の第２行において：電荷グループ化の要求がある場合にのみ送出される一時蓄積信号は、ゲートの下にポテンシャル井戸を形成する高電位のニッチである。この井戸は、電荷を含まないと考えられるフォトダイオードの下のポテンシャル・レベルより深い。フォトダイオードＰＤ１上のすべての電荷は、狭いフィンガ（図６の左側の部分）の下を通ることにより、しかし、ほかの部分（Ｐ＋領域中の高い電位障壁の存在する図６の右側の部分）を通らずに、ゲートＧ２１の下に放電する。狭い通路中の活性層の電位は、この狭い通路を枠にはめるＰ＋層の電位の影響のために蓄積ゲートのほかの部分の下の電位より低いが、それからもたらされる段は、フォトダイオードＰＤ１からゲートＧ２１への電荷の通過を阻止しない。反対側では、上流フォトダイオードＰＤ２からの電荷も、ゲートＧ２１に下に作成されたポテンシャル井戸中に、電位障壁なしに、放電する。
【００４８】
図６の第３行において：蓄積信号の終了によりゲートの電位は低い値に戻る。狭いフィンガＤＧＴ（図６の左側の部分）の下の電位は、この狭い通路を枠にはめるＰ＋領域の影響のためにゲートＧ２１の下の電位より低くなる（より高い障壁）。狭いフィンガの下にこのように形成される電位障壁は、Ｐ＋領域（図６の右側の部分）により形成される障壁と同じ効果（同じ高さでないとしても）をもつ。それは、そのような障壁の存在しない上流側から電荷を放電させる。すべての電荷は、フォトダイオードＰＤ２に流れ込む。
【００４９】
図７は、図３の４個のピクセルからの電荷をグループ化したい場合におけるマトリクスのピクセルの制御信号のタイミング図を示す。グループ化する要望がない場合、制御信号は、通常のピクセル・マトリクスのための制御信号であり、一時蓄積ゲートは単に低電位に保たれて、フォトダイオード間の電荷転送を阻止する。ピクセルは、お互いに独立に読み取られ、かつ、行導電体によりアドレスされた各ピクセルは、そのそれぞれの列導電体上のその照明に対応する電位レベルを与える。
【００５０】
グループ化の場合、手順は次のとおりである。第１に、電荷集積は在来のままである。一例として、マトリクス全体のフォトダイオードのグローバル再初期設定信号ＧＲをすべてのピクセルのゲートＧ５に加える。この信号の終了は、集積期間の開始を規定する。一時蓄積ゲートは、集積期間Ｔｉｎｔ全体を通じて低電位レベルに保持されるのみである。
【００５１】
集積期間の終了の直前に、３個の一時蓄積パルス、ＳＴ２１、ＳＴ３２およびＳＴ４３を連続して送出し、それぞれ、ゲートＧ２１、Ｇ３２、次にＧ４３に加える。第２パルスは、第１パルスの終了後に初めて始まり、第３パルスは、第２パルスの終了後に初めて始まる。各パルスは、図６の略図に従って、対応するゲートを低電位に戻す前に、それを低電位から高電位に変える。
【００５２】
第１のパルスは、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２上の電荷をフォトダイオードＰＤ２中にグループ化する。第２のパルスは、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２およびＰＤ３上の電荷をフォトダイオードＰＤ３中にグループ化する。第３のパルスは、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３およびＰＤ４上の電荷の合計をフォトダイオードＰＤ４中にグループ化する。
【００５３】
これらのパルスは、マトリクス中の４個のピクセルからなるすべてのグループに共通である。
【００５４】
３個のパルスから構成されるグループ化時間Ｔｂｉｎは、集積時間Ｔｉｎｔよりはるかに短い。
【００５５】
第３のパルスＳＴ４３の終了後、マトリクスのピクセルのすべての転送トランジスタＴ１を導通させ、これによりピクセルのフォトダイオードに存在する電荷をこのピクセルからの電荷を蓄積するそれぞれのノード中に転送する。この時刻においてすべての電荷を含んでいるのはフォトダイオードＰＤ４であるから、これらの電荷を収集するのは、第４ピクセルの蓄積ノードである。
【００５６】
グループ化されたピクセルは、４個からなる各グループ中の第４のピクセルをアドレス指定することにより読み取られる。これは、この第４ピクセルに対応する行を選択すること、およびこの第４ピクセルに対応する列導電体上の電位を監視することを含む。
【００５７】
読み取りは、二重抽出法の手段により、行ごとに（第４ピクセルのみ影響を受けるのであるからマトリクスの２行中の１行）連続して行うことが好ましい。列導電体上に存在し、かつ、（アドレス指定された行中の第４ピクセルのフォトダイオード中にグループ化され、かつ、放電された電荷）に対応する電位レベルがこのピクセルの蓄積ノードに蓄積される。次に考察対象のピクセルの行中の蓄積ノードの再初期設定トランジスタが駆動され、そして列導電体上に存在する電位レベルが蓄積される。２つの電位レベル間の差異が測定され、デジタルに変換される。
【００５８】
「巻き上げシャッター」と呼ばれる集積モードで操作することも可能である。この場合、転送トランジスタは、以下のように各行について連続して行ごとに制御される：行中の蓄積ノードの再初期設定、再初期設定レベルの読み取り、一時蓄積ゲートに加えられる信号による電荷の単一フォトダイオードへのグループ化、蓄積ノードへの電荷転送および転送された電荷の読み取り。
【００５９】
図８に示した変形実施形態では、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ２の間に一時蓄積ゲートＧ２１は設けないが、しかしフォトダイオードＰＤ１とＰＤ４の間に蓄積ゲートＧ４１が設けられ、フォトダイオードＰＤ１が上流フォトダイオードとなる。２つの連続一時蓄積信号のみ使用する。最初の信号は、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ４の上の電荷をＰＤ４中にグループ化するために、かつ、フォトダイオードＰＤ２とＰＤ３の上の電荷をＰＤ３中にグループ化するために、ゲートＧ４１およびＧ３２を同時に制御する。第２の信号は、図３の場合と同様に、フォトダイオードＰＤ３およびＰＤ４の上の電荷をフォトダイオードＰＤ４中にグループ化するためにゲートＧ４３を制御する。
【００６０】
図８におけるゲートの構成では、最初にゲートＧ３２を制御し、次にゲートＧ４１およびＧ４３を同時に制御することも可能である。
【００６１】
本発明は、４個のピクセルのグループ化について説明した。しかし、それは、ただ２個ずつのピクセルをグループ化したい場合にも適用できる。したがって、２個のピクセルのフォトダイオード相互間の一時蓄積ゲートで十分である。本発明は、行中の２個超のピクセルおよび列中の２個超のピクセルをグループ化したい場合にも適用できる。ｎｘｍ個のピクセル（ただし、（ｎ＋ｍ）≧２）をグループ化したい場合、ピクセルのフォトダイオードと隣接ピクセルのそれぞれとの間に（ｎｘｍ−１）個の一時蓄積ゲートを設ける必要がある。原理上、マトリクス中のグループのそれぞれの最終ピクセル中へのグループ化を行うために、（ｍ＋ｎ−２）個の連続グループ化信号が必要である。
【００６２】
一般的に、たとえ全部がグループ化のために使用されないとしても、すべての隣接ピクセル間に一時蓄積ゲートを設けることが可能である。これは、所望グループ化に基づいて制御信号をゲートに加えることにより可変個数のピクセルのグループ化の選択を可能にする。これは、全く使用されない蓄積ゲートの存在のおかげで、ピクセルすべての挙動を標準化することも可能にする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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