(57)【要約】【課題】ハイブリッド形赤外線撮像デバイス等を構成する場合に使用する画像信号読み出し回路に関し、信号電荷の利用効率を高め、画像信号のＳ／Ｎ比を改善できるようにする。【解決手段】フォトダイオード２１からの信号電荷をポテンシャルウエル２５、２９に蓄積する。ポテンシャルウエル２９に蓄積された信号電荷をポテンシャルウエル３１に転送し、ポテンシャルウエル２５に蓄積された信号電荷は、オーバーフロードレインＯＦＤに廃棄する。以下、同様の動作を繰り返し、ポテンシャルウエル３１に信号電荷を転送して積分する。積分期間が終了したら、ポテンシャルウエル３１に蓄積されていた信号電荷をｎ形領域３３に転送する。【選択図】　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成され、光センサからの信号電荷を第１、第２のポテンシャルウエルに蓄積し、前記第２のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を第３のポテンシャルウエルに転送し、前記第１のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を廃棄する工程を繰り返すことにより、前記第３のポテンシャルウエルに信号電荷を蓄積し、前記第３のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を用いて画像信号を読み出すように制御されることを特徴とする画像信号読み出し回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオードアレイとシリコン集積回路とをハイブリッド化してなる赤外線撮像デバイス（ｈｙｄｒｉｄ　ｔｙｐｅ　ＩＲＣＣＤ）等を構成する場合に使用して好適な画像信号読み出し回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は従来のハイブリッド形赤外線撮像デバイスの一例の一画素部分を示す回路図である。図１７中、１はフォトダイオード、２はフォトダイオード１に対応して設けられた画像信号読み出し回路であり、３はトランジスタ、４、５はキャパシタ、６、７はスイッチ、８はアンプ、Ｖｒｅｓｅｔはリセット電圧である。
【０００３】
このハイブリッド形赤外線撮像デバイスでは、積分期間前に、トランジスタ３＝ＯＦＦ、スイッチ６、７＝ＯＮとされ、キャパシタ４、５がリセットされる。積分期間になると、トランジスタ３＝ＯＮ、スイッチ６、７＝ＯＦＦとされ、フォトダイオード１からの信号電荷がキャパシタ４に転送されて積分される。
【０００４】
その後、非積分期間になると、トランジスタ３＝オフ、スイッチ７＝ＯＮとされ、キャパシタ４に蓄積された信号電荷がスイッチ７を介してキャパシタ５にサンプルホールドされ、フォトダイオード１が出力した信号電荷量に対応した画像信号がアンプ８から出力される。
【０００５】
ここで、アンプ８から出力される画像信号のＳ（信号電圧）／Ｎ（雑音電圧）比を良くするためには、キャパシタ４での信号電荷の積分時間を長くし、キャパシタ４への蓄積電荷量を増やす必要がある。このためには、キャパシタ４の容量値を大きくするか、リセット電圧Ｖｒｅｓｅｔを高くする必要がある。
【０００６】
しかし、シリコン集積回路には画素数に対応した多数の画像信号読み出し回路を設ける必要がある関係上、面積に制限があって、キャパシタ４の容量値を大きくするにも限界があり、また、リセット電圧Ｖｒｅｓｅｔにも限界がある。
【０００７】
図１８は従来のハイブリッド形赤外線撮像デバイスの他の例の一画素部分を示す回路図である。図１８中、９はフォトダイオード、１０はフォトダイオード９に対応して設けられた画像信号読み出し回路（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｒｅａｄｏｕｔ）であり、１１はトランジスタ、１２〜１５はキャパシタ、１６〜１９はスイッチ、２０はアンプである。
【０００８】
このハイブリッド形赤外線撮像デバイスの場合には、まず、トランジスタ１１＝ＯＦＦ、スイッチ１６〜１９＝ＯＮとされ、キャパシタ１２〜１５がリセットされる。積分期間になると、トランジスタ１１＝ＯＮ、スイッチ１７＝ＯＮ、スイッチ１６、１８、１９＝ＯＦＦとされ、フォトダイオード９からの信号電荷がキャパシタ１２、１３に蓄積される。
【０００９】
その後、トランジスタ１１＝ＯＦＦ、スイッチ１７＝ＯＦＦ、スイッチ１８＝ＯＮとされ、キャパシタ１３に蓄積された信号電荷の一部がキャパシタ１４に配分される。続いて、スイッチ１６、１７＝ＯＮ、スイッチ１８＝ＯＦＦとなり、キャパシタ１２、１３がリセットされる。
【００１０】
以下、同様の動作が繰り返され、非積分期間になると、トランジスタ１１＝ＯＦＦ、スイッチ１６〜１８＝ＯＦＦの下で、スイッチ１９＝ＯＮとされ、キャパシタ１４に蓄積された信号電荷がスイッチ１９を介してキャパシタ１５にサンプルホールドされ、フォトダイオード９が出力した信号電荷量に対応した画像信号がアンプ２０から出力される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図１８に示す従来のハイブリッド形赤外線撮像デバイスにおいては、キャパシタ１２〜１５をリセットした後、キャパシタ１２、１３に対する信号電荷の蓄積と、キャパシタ１３に蓄積された信号電荷の一部のキャパシタ１４への配分及びキャパシタ１２、１３のリセットが繰り返されるので、キャパシタ１２、１３への蓄積電荷量の制限を受けることがない。したがって、積分時間を長くすることができ、アンプ２０から出力される画像信号のＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００１２】
しかしながら、キャパシタ１３に蓄積された信号電荷の一部をキャパシタ１４に配分した後、キャパシタ１３をリセットし、キャパシタ１３に残っている信号電荷を廃棄するという動作を行うため、信号電荷の利用効率が悪く、その分、アンプ２０から出力される画像信号のＳ／Ｎ比の更なる向上を阻害しているという問題点があった。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑み、信号電荷の利用効率を高め、画像信号のＳ／Ｎ比の更なる向上を図ることができるようにした画像信号読み出し回路を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像信号読み出し回路は、半導体基板に形成され、光センサからの信号電荷を第１、第２のポテンシャルウエル（電位井戸）に蓄積し、第２のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を第３のポテンシャルウエルに転送し、第１のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を廃棄する工程を繰り返すことにより、第３のポテンシャルウエルに信号電荷を蓄積し、第３のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を用いて画像信号を読み出すように制御されるというものである。
【００１５】
本発明においては、第２のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を第３のポテンシャルウエルに転送して積分し、第１のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を廃棄する工程が繰り返されるので、蓄積電荷量の制限を受けることがない。また、第２のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷は第３のポテンシャルウエルに転送され、第２のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷の一部が廃棄されるということがなく、信号電荷の利用効率が高い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１６を参照して、本発明の一実施形態について、本発明をハイブリッド形赤外線撮像デバイスの画像信号読み出し回路に適用した場合を例にして説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施形態を備えたハイブリッド形赤外線撮像デバイスの一画素部分を示す概略的平面図、図２は図１のＸ―Ｘ線に沿った概略的断面図、図３は図１のＹ−Ｙ線に沿った概略的断面図である。
【００１８】
図１、図２又は図３において、２１はフォトダイオードアレイ中の１個のフォトダイオード（例えば、ＨｇＣｄＴｅフォトダイオード）、２２はシリコン集積回路の基板をなすＰ形シリコン基板であり、２３はフォトダイオード２１に対応して設けられた本発明の一実施形態（画像信号読み出し回路）である。また、破線ＰＦはＰ形シリコン基板２２の表面のポテンシャルプロフィールを示している。
【００１９】
本発明の一実施形態２３において、２４はバンプ（図示せず）を介してフォトダイオード２１との結合を図るｎ形領域からなる結合部、ＩＧは固定電位ＶＩＧが印加されるインプットゲートである。
【００２０】
ＳＧ１は固定電位ＶＳＧ１が印加される第１蓄積ゲートであり、第１蓄積ゲートＳＧ１の下方の基板表面には、固定電位ＶＳＧ１によってレベルを固定としたポテンシャルウエル２５が形成される。
【００２１】
ＯＦＧは駆動パルスφＯＦＧが印加されるオーバーフローゲートであり、オーバーフローゲートＯＦＧの下方の基板表面には、駆動パルスφＯＦＧによってレベルを可変としたポテンシャルバリア（電位障壁）２６が形成される。
【００２２】
ＯＦＤは固定電位ＶＯＦＤが印加されるｎ形領域からなるオーバーフロードレイン、２７はオーバーフロードレインＯＦＤに固定電位ＶＯＦＤを印加するための電極である。
【００２３】
ＰＧ１は駆動パルスφＰＧ１が印加される第１分割ゲートであり、第１分割ゲートＰＧ１の下方の基板表面には、駆動パルスφＰＧ１によってレベルを可変とするポテンシャルバリア２８が形成される。
【００２４】
ＳＧ２は駆動パルスφＳＧ２が印加される第２蓄積ゲートであり、第２蓄積ゲートＳＧ２の下方の基板領域には、駆動パルスφＳＧ２によってレベルを可変とするポテンシャルウエル２９が形成される。
【００２５】
ＰＧ２は固定電位ＶＰＧ２が印加される第２分割ゲートであり、第２分割ゲートＰＧ２の下方の基板表面には、固定電位ＶＰＧ２によってレベルを固定としたポテンシャルバリア３０が形成される。
【００２６】
ＳＧ３は駆動パルスφＳＧ３が印加される第３蓄積ゲートであり、第３蓄積ゲートＳＧ３の下方の基板表面には、駆動パルスφＳＧ３によってレベルを可変とするポテンシャルウエル３１が形成される。
【００２７】
ＯＧは固定電位ＶＯＧが印加される出力ゲートであり、出力ゲートＯＧの下方の基板表面には、固定電位ＶＯＧによってレベルを固定としたポテンシャルバリア３２が形成される。
【００２８】
３３はアンプ３４の入力端に接続されたｎ形領域、ＲＧは駆動パルスφＲＧが印加されるリセットゲートであり、リセットゲート３３の下方の基板表面には、駆動パルスφＲＧによってレベルを可変とするポテンシャルバリア３５が形成される。
【００２９】
ＲＤは固定電位ＶＲＤが印加されるｎ形領域からなるリセットドレイン、３６はリセットドレインＲＤに固定電位ＶＲＤを印加するための電極である。
【００３０】
図４は本発明の一実施形態２３の動作を説明するための波形図、図５〜図１５は本発明の一実施形態２３の動作を説明するための概略的断面図である。本発明の一実施形態２３を備えたハイブリッド形赤外線撮像デバイスの場合、時刻Ｔ１の直前では、駆動パルスφＯＦＧ、φＰＧ１、φＳＧ２、φＳＧ３＝Ｈレベル、駆動パルスφＲＧ＝Ｌレベルとされている。
【００３１】
この結果、図５に示すように、ポテンシャルバリア２６のレベルは、ポテンシャルウエル２５のレベルよりも低くなる。また、ポテンシャルバリア２８のレベル及びポテンシャルウエル２９のレベルはポテンシャルウエル２５のレベルと同一となる。また、ポテンシャルウエル３３のレベルは、ポテンシャルウエル２５よりも深くなる。
【００３２】
時刻Ｔ１になると、駆動パルスφＯＦＧ＝Ｌレベルとされる。この結果、図６に示すように、ポテンシャルバリア２６のレベルが上がり、フォトダイオード２１からの信号電荷がポテンシャルウエル２５、２９に蓄積される。
【００３３】
時刻Ｔ２になると、駆動パルスφＰＧ１＝Ｌレベルとされる。この結果、図７に示すように、ポテンシャルバリア２８のレベルが上がり、ポテンシャルウエル２５、２９が分割される。
【００３４】
時刻Ｔ３になると、駆動パルスφＳＧ２＝Ｌレベルとされる。この結果、図８に示すように、ポテンシャルウエル２９は浅くなり、ポテンシャルウエル２９に蓄積されていた信号電荷は、ポテンシャルバリア３０を介してポテンシャルウエル３１に転送される。
【００３５】
時刻Ｔ４になると、駆動パルスφＯＦＧ＝Ｈレベルとされる。この結果、図９に示すように、ポテンシャルバリア２６のレベルが下がり、ポテンシャルウエル２５に蓄積されていた信号電荷は、オーバーフロードレインＯＦＤに廃棄される。
【００３６】
時刻Ｔ５になると、駆動パルスφＳＧ２＝Ｈレベルとされる。この結果、図１０に示すように、ポテンシャルウエル２９のレベルは、ポテンシャルウエル２５のレベルと同一になる。
【００３７】
時刻Ｔ６になると、駆動パルスφＰＧ１＝Ｈレベルとされる。この結果、図１１に示すように、ポテンシャルバリア２８のレベルは、ポテンシャルウエル２５と同一レベルになり、ポテンシャルウエル２５、２９が一体化される。
【００３８】
時刻Ｔ７になると、駆動パルスφＯＦＧ＝Ｌレベルとされる。この結果、図１２に示すように、ポテンシャルバリア２６のレベルが上がり、フォトダイオード２１からの信号電荷は、ポテンシャルウエル２５、２９に蓄積される。
【００３９】
以下、同様の動作が繰り返されて、図１３に示すように、ポテンシャルウエル２９に蓄積された信号電荷がポテンシャルウエル３１に転送され積分される。そして、積分期間が終了し、時刻Ｔ８になると、駆動パルスφＲＧ＝Ｈレベルとされ、この結果、図１４に示すように、ポテンシャルバリア３５のレベルが下がり、ｎ形領域３３がリセットされる。
【００４０】
更に、時刻Ｔ９になると、駆動パルスφＳＧ３＝Ｌレベルとされ、図１５に示すように、ポテンシャルウエル３１のレベルが上がり、ポテンシャルウエル３１に蓄積されていた信号電荷はｎ形領域３３に転送される。そして、ｎ形領域３３に転送された信号電荷がアンプ３４によって検知され、フォトダイオード２１から出力された信号電荷量に対応した画像信号がアンプ３４から出力される。
【００４１】
図１６は本発明の一実施形態２３の効果を説明するための図である。図１６では、横軸に、ポテンシャルウエル２９からポテンシャルウエル３１への信号電荷の転送回数（以下、サンプル数という）、縦軸に、図１７に示す従来の画像信号読み出し回路２の場合のＳ／Ｎ比を１とした場合のＳ／Ｎ比向上率を示しており、曲線３６は本発明の一実施形態２３の場合、曲線３７は図１８に示す従来の画像信号読み出し回路１０の場合である。
【００４２】
但し、図１８に示すキャパシタ１２及びポテンシャルウエル２５の容量値をＣ１、図１８に示すキャパシタ１３及びポテンシャルウエル２９の容量値をＣ２、図１８に示すキャパシタ１４及びポテンシャルウエル３１の容量値をＣ３とし、Ｃ０＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＝１．６ｐＦ、Ｃ１：Ｃ２＝Ｃ３：Ｃ２＝１００：１としている。
【００４３】
図１６から明らかなように、サンプル数＝２００回の場合、本発明の一実施形態２３では、約１０倍のＳ／Ｎ比向上率が得られているが、図１８に示す従来の画像信号読み出し回路１０では、Ｓ／Ｎ比向上率は約９倍にしかなっていない。図１８に示す従来の画像信号読み出し回路１０の場合には、キャパシタ１３に蓄積された信号電荷の一部をキャパシタ１４に配分した後、キャパシタ１３に残っている信号電荷を廃棄するという動作を行うために、信号電荷の利用効率が良くないからである。
【００４４】
ここで、図１７に示す従来の画像信号読み出し回路２の場合、キャパシタ４の容量値を１．６［ｐＦ］、積分時間を１２０［μｓｅｃ］、キャパシタ４に蓄積される信号電荷を３．２×１０−１２［Ｃ］とすると、キャパシタ４に印加される信号電圧＝３．２×１０−１２／１．６×１０−１２＝２．０［Ｖ］、雑音電圧＝（３．２×１０−１２×１．６×１０−１９）１／２／１．６×１０−１２＝４．４７２×１０−４［Ｖ］となる。したがって、Ｓ／Ｎ比＝２．０／４．４７２×１０−４＝４．４７２×１０３となる。
【００４５】
これに対して、本発明の一実施形態２３の場合には、ポテンシャルウエル２５、２９に信号電圧２．０［Ｖ］を得るために１回に積分されるべき信号電荷は、３．２×１０−１２×（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ０＝１．６０８×１０−１３［Ｃ］となり、１回の積分に要する時間は、１２０［μｓｅｃ］×（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ０＝６０．３０［μｓｅｃ］となり、サンプル数が２００回の場合の積分時間は、６０．３０［μｓｅｃ］×２００＝１２．０６［ｍｓｅｃ］となる。すなわち、サンプル数が２００回であっても、普通のＴＶフォーマットの１フレーム３３［ｍｓｅｃ］の時間内にＳ／Ｎ比を１０倍向上させた画像データを２フレーム以上の取得が可能である。
【００４６】
以上のように、本発明の一実施形態２３によれば、ポテンシャルウエル２５、２９に信号電荷を蓄積し、ポテンシャルウエル２９に蓄積された信号電荷をポテンシャルウエル３１に転送し、ポテンシャルウエル２５に蓄積されている信号電荷をオーバーフロードレインＯＦＤに廃棄するという工程が繰り返されるので、蓄積電荷量の制限を受けることなく、また、ポテンシャルウエル２９に蓄積された信号電荷は全てポテンシャルウエル３１に転送され、ポテンシャルウエル２９に蓄積された信号電荷の一部が廃棄されるということがなく、信号電荷の利用効率が高いので、Ｓ／Ｎ比の更なる向上を図ることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第２のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を第３のポテンシャルウエルに転送して積分し、第１のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷を廃棄するという工程が繰り返されるので、蓄積電荷量の制限を受けることがなく、また、第２のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷は第３のポテンシャルウエルに転送され、第２のポテンシャルウエルに蓄積された信号電荷の一部が廃棄されるということがなく、信号電荷の利用効率が高いので、Ｓ／Ｎ比の更なる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を備えたハイブリッド形赤外線撮像デバイスの一画素部分を示す概略的平面図である。
【図２】図１のＸ―Ｘ線に沿った概略的断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ線に沿った概略的断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の動作を説明するための波形図である。
【図５】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図９】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図１５】本発明の一実施形態の動作を説明するための概略的断面図である。
【図１６】本発明の一実施形態の効果を説明するための図である。
【図１７】従来のハイブリッド形赤外線撮像デバイスの一例の一画素部分を示す回路図である。
【図１８】従来のハイブリッド形赤外線撮像デバイスの他の例の一画素部分を示す回路図である。
【符号の説明】
ＩＧ…インプットゲート
ＳＧ１…第１蓄積ゲート
ＯＦＧ…オーバーフローゲート
ＯＦＤ…オーバーフロードレイン
ＰＧ１…第１分割ゲート
ＳＧ２…第２蓄積ゲート
ＰＧ２…第２分割ゲート
ＳＧ３…第３蓄積ゲート
ＯＧ…出力ゲート
ＲＧ…リセットゲート
ＲＤ…リセットドレイン
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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