(57)【要約】【課題】ビニング動作を高速且つ簡易に行うことが可能な固体撮像装置を提供すること。【解決手段】エネルギー線感応領域１１は、その水平方向が、垂直方向を長手方向とするｍ個の列に、また垂直方向が、水平方向を長手方向とするｎ個の行に分割されて、ｍ×ｎ個の二次元配列された光電変換部１３を含んでいる。この光電変換部１３それぞれは、エネルギー線の入射に感応して電荷を発生する。エネルギー線感応領域１１の表面側には、当該エネルギー線感応領域１１を覆うように、複数の転送電極１５が設置されている。複数の転送電極１５は、水平方向を長手方向としてそれぞれ設けられ、垂直方向に沿って整列している。各々の転送電極１５は分圧抵抗１７により電気的に接続されている。この分圧抵抗１７は、各転送電極１５に対応して設けられており、直流電源１９からの直流出力電圧を分圧して直流出力電位を生成し、当該直流出力電位を対応する転送電極１５に与えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面側に形成され、２次元配列されている複数の光電変換部を有して構成され、エネルギー線の入射に感応して電荷を発生するエネルギー線感応領域と、
前記エネルギー線感応領域の表面側に前記２次元配列における第１の方向を長手方向としてそれぞれ設けられ、前記電荷を前記２次元配列における第２の方向に転送するための複数の転送電極と、
前記転送電極に対応して設けられ、直流電源からの直流出力電圧を分圧して直流出力電位を生成し、当該直流出力電位を対応する前記転送電極に与える分圧抵抗と、を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
半導体基板の表面側に形成され、２次元配列されている複数の光電変換部を有して構成され、エネルギー線の入射に感応して電荷を発生するエネルギー線感応領域と、
前記エネルギー線感応領域の表面側に前記２次元配列における第１の方向を長手方向としてそれぞれ設けられ、前記電荷を前記２次元配列における第２の方向に転送するための複数の転送電極と、を備え、
前記複数の転送電極のそれぞれには、当該複数の転送電極下に形成されるポテンシャルが電荷転送方向で徐々に高くなるように、所定の電位が与えられていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の転送電極により転送された電荷を前記第２の方向に配列された光電変換部群毎に蓄積して、当該光電変換部群毎に蓄積した電荷を一括して出力する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部から前記第２の方向に配列された前記光電変換部群毎に出力された電荷を入力して、順次出力する電荷出力部と、を更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
半導体基板の表面に絶縁層を介して設けられ、一方向に沿って整列した転送電極群を備えた固体撮像装置であって、
各々の転送電極を電気的に接続する分圧抵抗を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
前記分圧抵抗は、直流電源からの直流出力電圧を分圧することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記転送電極群により転送された電荷を蓄積して、蓄積した電荷を一括して出力する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部から出力された電荷を入力して、順次出力する電荷出力部と、を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微弱な光の分布を高精度で検出できるように、画素が２次元配列されたエネルギー線感応部を有する固体撮像装置をビニング（ラインビニング）動作させて、１次元のラインセンサとして使用させている固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
ビニング動作とは、行方向および列方向に二次元配列された複数の画素（光電変換部）毎に蓄積された光電荷を列方向全体にわたって転送し、列方向の各画素に蓄積された電荷を各列毎に一度に加算し、その後に、列毎に一度に加算された電荷を、行方向に転送することである。このビニング動作によれば、列方向の各画素に蓄積された電荷を各列毎に加算することから、微弱な光であっても、行方向の光の分布を比較的高精度で検出することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１９６０７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたような構成の固体撮像装置では、行方向を長手方向として形成された転送電極に所定位相の駆動電圧（転送電圧）を印加することにより、画素に蓄積された電荷を次の画素に順次転送しているので、画素数分だけの転送時間が必要となり、各画素に蓄積された電荷を列毎に加算するのに時間がかかってしまう。また、１画素に対して複数の転送電極が設けられている場合には、夫々の転送電極に対して位相の異なる複数相の駆動電圧を印加する必要があり、転送制御が複雑になってしまう。
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ビニング動作を高速且つ簡易に行うことが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板の表面側に形成され、２次元配列されている複数の光電変換部を有して構成され、エネルギー線の入射に感応して電荷を発生するエネルギー線感応領域と、エネルギー線感応領域の表面側に２次元配列における第１の方向を長手方向としてそれぞれ設けられ、電荷を２次元配列における第２の方向に転送するための複数の転送電極と、転送電極に対応して設けられ、直流電源からの直流出力電圧を分圧して直流出力電位を生成し、当該直流出力電位を対応する転送電極に与える分圧抵抗と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
ここで、エネルギー線とは、紫外線、赤外線、可視光の他に電子線、放射線、Ｘ線も含まれるものとする。
【０００９】
本発明に係る固体撮像装置では、複数の転送電極のそれぞれには、対応する分圧抵抗により生成された直流出力電位が与えられるので、当該複数の転送電極下に形成されるポテンシャルは電荷転送方向で徐々に高くなり、第２の方向に配列された光電変換部群に対して１つのポテンシャルの傾斜が形成されることとなる。このため、発生した電荷は上記ポテンシャルの傾斜に沿って移動することとなり、電荷転送に際して従来技術のように所定位相の駆動電圧を印加する必要はなく、電荷転送を簡易に行うことができる。また、転送速度は、ポテンシャルの傾斜に支配されることとなり、高速化されて、転送時間を短くすることができる。
【００１０】
また、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板の表面側に形成され、２次元配列されている複数の光電変換部を有して構成され、エネルギー線の入射に感応して電荷を発生するエネルギー線感応領域と、エネルギー線感応領域の表面側に２次元配列における第１の方向を長手方向としてそれぞれ設けられ、電荷を２次元配列における第２の方向に転送するための複数の転送電極と、を備え、複数の転送電極のそれぞれには、当該複数の転送電極下に形成されるポテンシャルが電荷転送方向で徐々に高くなるように、所定の電位が与えられていることを特徴としている。
【００１１】
本発明に係る固体撮像装置では、複数の転送電極下に形成されるポテンシャルは電荷転送方向で徐々に高くなり、第２の方向に配列された画素群に対して１つのポテンシャルの傾斜が形成されることとなる。このため、発生した電荷は上記ポテンシャルの傾斜に沿って移動することとなり、電荷転送に際して従来技術のように所定位相の駆動電圧を印加する必要はなく、電荷転送を簡易に行うことができる。また、転送速度は、ポテンシャルの傾斜に支配されることとなり、高速化されて、転送時間を短くすることができる。
【００１２】
また、複数の転送電極により転送された電荷を第２の方向に配列された光電変換部群毎に蓄積して、当該光電変換部群毎に蓄積した電荷を一括して出力する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から第２の方向に配列された光電変換部群毎に出力された電荷を入力して、順次出力する電荷出力部と、を更に備えることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板の表面に絶縁層を介して設けられ、一方向に沿って整列した転送電極群を備えた固体撮像装置であって、各々の転送電極を電気的に接続する分圧抵抗を備えたことを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る固体撮像装置では、各々の転送電極が分圧抵抗にて電気的に接続されているので、転送電極群下に形成されるポテンシャルは、転送電極の整列方向、すなわち電荷転送方向で徐々に高くなり、転送電極群に対して１つのポテンシャルの傾斜が形成されることとなる。このため、発生した電荷は上記ポテンシャルの傾斜に沿って移動することとなり、電荷転送に際して従来技術のように所定位相の駆動電圧を印加する必要はなく、電荷転送を簡易に行うことができる。また、転送速度は、ポテンシャルの傾斜に支配されることとなり、高速化されて、転送時間を短くすることができる。
【００１５】
また、分圧抵抗は、直流電源からの直流出力電圧を分圧することが好ましい。このように構成した場合、上記ポテンシャルを安定して形成することができる。
【００１６】
また、転送電極群により転送された電荷を蓄積して、蓄積した電荷を一括して出力する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から出力された電荷を入力して、順次出力する電荷出力部と、を更に備えることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置を示す概略構成図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構成を説明するための図である。
【００１９】
固体撮像装置１は、フルフレーム転送（ＦＦＴ）型ＣＣＤであって、図１に示されるように、エネルギー線感応領域１１と、電荷蓄積部としての垂直トランスファーゲート部２１と、電荷出力部としての水平シフトレジスタ３１とを有している。
【００２０】
エネルギー線感応領域１１は、ｍ列（ｍは２以上の整数である。）ｎ行（ｎは２以上の整数であり、本実施形態においては「６」に設定されている。）に２次元配列されている複数の光電変換部１３を含んでいる。この光電変換部１３それぞれは、エネルギー線（紫外線、赤外線、可視光、電子線等）の入射に感応して電荷を発生する。
【００２１】
エネルギー線感応領域１１の表面側には、当該エネルギー線感応領域１１を覆うように、複数の転送電極１５が設置されている。複数の転送電極１５は、水平方向（上記２次元配列における第１の方向）を長手方向としてそれぞれ設けられ、垂直方向（上記２次元配列における第２の方向）に沿って整列している。なお、本実施形態において、転送電極１５は各行に対して２つ設けられており、２種類の異なる電圧が抵抗分割により印加される。
【００２２】
各々の転送電極１５は分圧抵抗１７により電気的に接続されている。この分圧抵抗１７は、各転送電極１５に対応して設けられており、直流電源１９からの直流出力電圧を分圧して直流出力電位を生成し、当該直流出力電位を対応する転送電極１５に与えている。
【００２３】
垂直トランスファーゲート部２１は、各光電変換部１３にて生じた電荷を、垂直方向に配列された光電変換部１３群毎に蓄積するｍ個の蓄積部２３を含んでいる。各蓄積部２３は、対応する光電変換部１３群から転送されてきた電荷を蓄積し、当該光電変換部１３群毎に蓄積した電荷を一括して出力する。
【００２４】
水平シフトレジスタ３１は、垂直トランスファーゲート部２１の各蓄積部２３にて蓄積され、出力された電荷を受け取り、水平方向に転送して、アンプ部４１に順次出力する。水平シフトレジスタ３１から出力された電荷は、アンプ部４１によって電圧に変換され、垂直方向に配列された光電変換部１３群毎、すなわち列毎の電圧として固体撮像装置１の外部に出力される。
【００２５】
エネルギー線感応領域１１、転送電極１５、垂直トランスファーゲート部２１、水平シフトレジスタ３１、分圧抵抗１７及びその他の回路は、図２に示されるように、半導体基板５１上に形成される。半導体基板５１は、導電型がＰ型であって半導体基板５１の基体となるＰ型Ｓｉ基板５３と、その表面側に形成された、Ｎ型半導体層５５及びＰ＋型半導体層（図示せず）とを含んでいる。Ｎ型半導体層５５及びＰ＋型半導体層は、エネルギー線感応領域１１の垂直方向を長手方向として水平方向に交互に設けられている。Ｐ型Ｓｉ基板５３とＮ型半導体層５５とはｐｎ接合を構成しており、Ｎ型半導体層５５はエネルギー線の入射により電荷を生成するエネルギー線感応領域となっている。そして、Ｎ型半導体層５５は、エネルギー線感応領域１１の各列を構成している。Ｐ＋型半導体層は、各列を分離するアイソレーション領域として機能する。
【００２６】
転送電極１５は、半導体基板５１の表面に絶縁層５７を介して設けられる。転送電極１５はエネルギー線感応領域１１の水平方向を長手方向として、垂直方向に交互に設けられており、各行を構成している。そして、これらＮ型半導体層５５及び転送電極１５によって、ｎ行ｍ列に２次元配列される光電変換部１３が構成されることとなる。転送電極１５及び絶縁層５７はエネルギー線を透過する材料からなり、本実施形態においては、転送電極１５はポリシリコン膜からなり、絶縁層５７はシリコン酸化膜からなる。
【００２７】
また、半導体基板５１の表面上には、絶縁層５７を介してゲート電極５９及び水平転送電極６１群が設けられている。ゲート電極５９は、エネルギー線感応領域１１の水平方向を長手方向として、電荷転送方向に見て最も下流に位置する転送電極１５に隣接して設けられている。ゲート電極５９は、端子５９ａを介して電圧レベルがＨレベル又はＬレベルであるクロック信号が入力される。半導体基板５１は、転送電極１５寄りに位置するゲート電極５９下のＮ型半導体層５５に低濃度のＮ型半導体となるように形成されたバリア領域６３を有している。このバリア領域６３は、エネルギー線感応領域１１の垂直方向を長手方向として設けられている。したがって、ゲート電極５９下には、バリア領域６３とＮ型半導体の領域５５ａとがそれぞれ存在し、これらゲート電極５９及び両領域６３，５５ａによって、垂直トランスファーゲート部２１が構成されることとなる。
【００２８】
水平転送電極６１群は、ゲート電極５９に隣接して、エネルギー線感応領域１１の水平方向に沿って整列している。水平転送電極６１群及び水平転送電極６１群下のＮ型半導体層５５等によって、水平シフトレジスタ３１が構成されることとなる。
【００２９】
続いて、上述した構成の固体撮像装置１における動作を説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る固体撮像装置における動作を説明するためのタイミングチャートであり、図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ時刻ｔａ，ｔｂでの電荷の様子を示す垂直方向のポテンシャル図である。
【００３０】
分圧抵抗１７は直流電源１９に直列に接続されており、図３（ａ）及び（ｂ）に示されるように、分圧抵抗１７群の一端１７ａ側は常に一定の負の電位に保たれ（図３（ａ）参照）、また、他端１７ｂ側は常に一定の正の電位に保たれている（図３（ｂ）参照）。これにより、複数の転送電極１５のそれぞれには、対応する分圧抵抗１７により生成された直流出力電位が与えられるので、図４（ａ）及び（ｂ）に示されるように、当該複数の転送電極１５下のＮ型半導体層５５に形成されるポテンシャルは電荷転送方向で徐々に高くなり、垂直方向に配列された光電変換部１３群に対して１つのポテンシャルの傾斜（階段状の傾斜）が形成されることとなる。このため、各転送電極１５下のＮ型半導体層５５にて生成された電荷は、上記ポテンシャルの傾斜に沿って移動する。なお、必ずしも分圧抵抗１７群の一端１７ａを負の電位に保ち、他端１７ｂを正の電位に保つ必要はなく、例えば分圧抵抗１７群の一端１７ａに−８Ｖ、他端１７ｂに−２Ｖというように、分圧抵抗１７群の一端１７ａよりも他端１７ｂの方が高い電位で保たれていればよい。
【００３１】
時刻ｔａにおいては、図３（ｃ）に示すように、ゲート電極５９に入力するクロック信号の電圧レベルがＨレベルである。このとき、図４（ａ）に示されるように、ゲート電極５９下のＮ型半導体層５５（領域）に、Ｈレベルの電圧に従ったポテンシャル井戸が発生し、当該ポテンシャル井戸に上記ポテンシャルの傾斜に沿って移動してきた電荷が蓄積される。これにより、電荷が垂直トランスファーゲート部２１に転送されて、垂直方向に配列された光電変換部１３群毎に加算（ラインビニング）されることとなる。なお、バリア領域６３よりもｎ型半導体の領域５５ａの方がポテンシャルが高くなっている。
【００３２】
次に、ゲート電極５９に入力されるクロック信号の電圧レベルが切り替えられる。切り替え後の時刻ｔｂにおいては、図３（ｃ）に示すように、電極に入力するクロック信号の電圧レベルがＬレベルであり、ゲート電極５９下のＮ型半導体層５５（領域）及びバリア領域６３のポテンシャルは、図４（ｂ）に示されるように、低くなる。そして、ゲート電極５９下のＮ型半導体層５５の領域に蓄積されていた電荷は、水平転送電極６１群下のＮ型半導体層５５に転送される。これにより、垂直トランスファーゲート部２１に蓄積されていた電荷が水平シフトレジスタ３１に出力されることとなる。
【００３３】
水平シフトレジスタ３１の水平転送電極６１群には、図３（ｄ）に示されるように、電極に入力するクロック信号の電圧レベルがＬレベルからＨレベルに切り替わる、すなわち垂直トランスファーゲート部２１に蓄積されていた電荷が水平シフトレジスタ３１に出力されると、クロック信号が入力される。これにより、水平シフトレジスタ３１に出力された電荷が水平方向に順次転送されて、アンプ部４１に出力されることとなる。
【００３４】
上述した動作により、固体撮像装置１は、１次元ホトダイオードアレイと同様にラインセンサとして機能することとなる。
【００３５】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置１では、複数の転送電極１５下に形成されるポテンシャルは電荷転送方向で徐々に高くなり、垂直方向に配列された光電変換部１３群に対して１つのポテンシャルの傾斜が形成されることとなる。このため、光電変換部１３（Ｎ型半導体層５５）において発生した電荷は上記ポテンシャルの傾斜に沿って移動することとなり、電荷転送に際して従来技術のように所定位相の駆動電圧を印加する必要はなく、電荷転送を簡易に行うことができる。
【００３６】
また、電荷の転送速度は、ポテンシャルの傾斜、すなわち電荷そのものの速度に支配されることとなり、高速化されて、転送時間を短くすることができる。
【００３７】
従来の２次元ＣＣＤのラインビニング動作では６画素ビニングするのには、６回の電荷転送が必要となる。これに対し、本実施形態の固体撮像装置１では、６画素の転送が非常に早い１回の転送ですむ。
【００３８】
また、本実施形態の固体撮像装置１において、分圧抵抗１７は、直流電源１９からの直流出力電圧を分圧している。これにより、上記ポテンシャルを安定して形成することができる。
【００３９】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、各行に設けられる転送電極１５の数も「２」に限られるものではなく、「１」あるいは「３」以上であってもよい。また、本実施形態においては、発生した電荷を垂直トランスファーゲート部２１（電荷蓄積部）にて一度蓄積して加算しているが、これに限られず、垂直トランスファーゲート部２１を設けることなく、水平シフトレジスタ３１（電荷出力部）にて蓄積して加算するように構成してもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ビニング動作を高速且つ簡易に行うことが可能な固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る固体撮像装置を示す概略構成図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構成を説明するための図である。
【図３】本実施形態に係る固体撮像装置における動作を説明するためのタイミングチャートであり、（ａ）は、分圧抵抗１７群の一端１７ａ側の電圧を示し、（ｂ）は、分圧抵抗１７群の他端１７ｂ側の電圧を示し、（ｃ）は、ゲート電極５９に入力されるクロック信号の電圧レベルを示し、（ｄ）は、水平転送電極６１群に入力されるクロック信号の電圧レベルを示している。
【図４】（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像装置における時刻ｔａでの電荷の様子を示す垂直方向のポテンシャル図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る固体撮像装置における時刻ｔｂでの電荷の様子を示す垂直方向のポテンシャル図である。
【符号の説明】
１…固体撮像装置、１１…エネルギー線感応部、１３…画素、１５…転送電極、１７…分圧抵抗、１９…直流電源、２１…垂直トランスファーゲート部、３１…水平シフトレジスタ、４１…アンプ部、５１…半導体基板、５３…Ｐ型Ｓｉ基板、５５…Ｎ型半導体層、５７…絶縁層、５９…ゲート電極、６１…水平転送電極、６３…バリア領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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