固态图象传感器及其驱动方法技术

在固态图象传感器中，将光电转换元件按矩阵形式两维地排列在半导体衬底上。把传输门部分靠近各光电转换元件排列，把垂直ＣＣＤ靠近传输门部分排列。电荷检测部分检测由水平ＣＣＤ传输的信号电荷并输出该信号电荷。沿信号电荷的垂直传输方向在垂直ＣＣＤ上相互邻接地形成四个垂直传输电极。第一垂直传输电极有大于第二垂直传输电极的长度，并作为控制传输门部分的传输电极。此外，还披露了这种固态图象传感器的驱动方法。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及全象素读出型，特别涉及用于把读出信号电荷传输给垂直CCD(电荷耦合器件)的垂直传输电极的结构，和施加给垂直传输电极的驱动电压的设定。近年来，采用固态图象传感器的商业或民用视频摄象机正流行起来。商业或民用的这些普通视频摄象机采用每隔一行扫描水平信号行的隔行扫描方式(邻接(interfaced)扫描方式)，以与TV制式(NTSC或PAL)一致。同时，近来已经广泛地开发了用于个人计算机的图象输入摄象机。这种类型的摄象机采用按照水平扫描方式的非隔行扫描方式，以获得高清晰度的静止图象和容易把图形输出给计算机显示器。用于非隔行扫描方式摄象机中的固态图象传感器必须同步和单独地读出所有象素的信号电荷。这种读出方式被称为全象素读出或逐行扫描(参见0kuya等人在1995 ITE Annual Convention,pp.93-94,1995上发表的“A 1/3-inch 330k Square-Piel Progressive-Scan IT-CCDImage Sensor”)。附图说明图10表示普通全象素读出型隔行(interline)CCD固态图象传感器。该图象传感器主要分为图象传感部分1、水平CCD 2和输出部分(电荷检测部分)3。在图象传感部分1中，按矩阵方式两维阵列排列用于存储光电转换信号电荷的多个光电二极管4。在光电二极管各行之间设置在垂直方向上传输信号电荷的垂直CCD 5。在光电二极管4和垂直CCD 5之间形成传输门区10，传输门区10从各光电二极管4读出信号电荷并传输给相应的垂直CCD 5。在图象传感部分1中，光电二极管4、垂直CCD 5和传输门区10以外的区域是元件隔离区11。下面，说明具有以上结构的固态图象传感器的工作。在预定周期内由光电二极管4光电转换的信号电荷通过传输门区10读给垂直CCD5。然后读给垂直CCD 5的信号电荷传输给水平行单元上的水平CCD 2。传输给水平CCD 2的信号电荷再传输给输出部分3并进行检测。图11表示图10中所示的固态图象传感器的光电二极管4和垂直CCD 5。图11表示在水平方向和垂直方向上的仅3×2个象素。图12表示图11中所示结构的放大的细节。图13表示沿图12中C-C线剖切的部分。参照图11至图13，在光电二极管行之间排列由多晶硅构成且带有垂直传输电极6、7、8及9的垂直CCD 5。通常在光电二极管4的单元中跨过垂直CCD 5形成四个垂直传输电极6至9。垂直传输电极8还用作从光电二极管4把信号电荷读给垂直CCD 5的传输电极。参照图13，在半导体衬底12和垂直传输电极6至9并在垂直传输电极中形成绝缘膜(未示出)。把四相位驱动脉冲φV1、φV2、φV3和φV4分别施加给垂直传输电极6、7、8和9。下面，说明驱动全象素读出型的上述固态图象传感器的垂直CCD 5的方法。图14A至图14D表示在读出时和紧接读出后的垂直传输周期期间施加给垂直传输电极6至9的驱动脉冲波形。图15A至图15G表示信号电荷存储的电位和在图14A至图14D所示的时间t0至t5时的传输状态。驱动脉冲电压越高，该电位也越高。在图15A至图15G中，电位向图示的下侧变高。换句话说，相对于电子的电位朝向图示的上侧升高。在时间t0，如图15B所示，高电平VH的驱动脉冲φV3施加给用作传输电极的垂直传输电极8(图14C)，以从光电二极管4把信号电荷读给垂直CCD 5。此时，驱动脉冲φV1和φV4为低电平VL(图14A和图14D)，驱动脉冲φV2为中间电平VM(VL＜VM＜VH)(图14B)。在时间t1，如图15C所示，将施加给垂直传输电极8的驱动脉冲φV3设定在中间电平VM上(图14C)，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV2和φV3的垂直传输电极7和8的下部。在时间t2，如图15D所示，将施加给垂直传输电极9的驱动脉冲φV4设定在中间电平VM(图14D)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV2、φV3和φV4的垂直传输电极7、8和9的下部。在时间t3，如图15E所示，将施加给垂直传输电极7的驱动脉冲φV2设定在低电平VL(图14B)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV3和φV4的垂直传输电极8和9的下部。在时间t4，如图15F所示，将施加给垂直传输电极6的驱动脉冲φV1设定在中间电平VM(图14A)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV3、φV4和φV1的垂直传输电极8、9和6的下部。在时间t5，如图15G所示，将施加给垂直传输电极8的驱动脉冲φV3设定在低电平VL(图14C)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV4和φV1的垂直传输电极9和6的下部。通过顺序地施加驱动脉冲，信号电荷30被传输至图的左边，如图15A至图15G所示。这种驱动脉冲施加方法被称为双时钟法。作为该方法的特征，在传输期间总将两个或更多个电极设定为中间电平VM而与状态无关。由施加给在垂直传输方向上相邻的两个垂直传输电极的驱动脉冲处于中间电平VM的状态限定由垂直CCD 5传输的最大电荷量，并且在时间t1、t3或t5，施加给其余的垂直传输电极的驱动脉冲为低电平VL。就是说，由在垂直传输方向上邻近的两个电极中存储的电荷量确定垂直CCD 5的最大传输电荷量。下面，将检查从光电二极管4读给垂直CCD 5的信号电荷。通过将高电平VH的驱动脉冲施加给还用作传输电极的垂直传输电极8，可读出存储在光电二极管4中的信号电荷。全部读出所需的读出电压取决于传输门区10的读出信道宽度W。更具体地说，当读出信道宽度W大时，施加低电压就可全部读出。另一方面，当读出信道宽度W小时，由于窄隧道效应(即阈值电压变高)，所以信道电位变低。因此，除非把高电压施加给用作传输电极的垂直传输电极8，否则不能进行全部读出。如图11所示，对各光电二极管形成四个垂直传输电极6至9。在这种情况下，当相等地分隔垂直传输电极以使垂直传输电极6至9在传输方向上有相等的电极长度时(图13中，L1=L2=L3=L4)，电极长度约为象素尺寸的1/4。例如，在象素尺寸为6.7μm2，和电极间隔为0.2μm时，各电极长度L1、L2、L3和L4为1.475μm。因此，传输门区10中的读出信道宽度W(=垂直传输电极8的电极长度L3)为1.475μm或更小。图16表示全部读出电压与读出信道宽度W之间依赖关系的模拟结果。由图16可知，当传输门区10中的读出信道宽度W为1.475μm时，全部读出电压约为15.5V。当考虑制造工差时，必须把读出脉冲设定在17.5V或更大，致使难以降低摄象机的电压。为了避免全部读出电压的增加，可以采用以下方法。图17表示在传输门区10中增加读出信道宽度W的CCD固态图象传感器的光电二极管4和垂直CCD 5。图17仅表示水平方向和垂直方向上的3×2个象素。作为如图17所示的固态图象传感器的特性，还用作传输电极的垂直传输电极8在垂直传输方向上的电极长度大于其余垂直传输电极的电极长度。利用这种配置，可以使传输门区10中读出信道宽度W更大，并可期望降低读出电压。图18A至图18G展示在具有图17所示电极结构的固态图象传感器中表示信号电荷存储和传输状态的电位。驱动垂直CCD 5的方法与具有图11所示电极结构的固态图象传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态图象传感器，其特征在于包括： 在半导体衬底（１１２、２１２）上按矩阵形式两维排列的光电转换元件（１０４、２０４）； 靠近各所述每个光电转换元件排列以读出存储在所述光电转换元件中的信号电荷的传输门部分（１１０、２１０）； 靠近所述传输门部分排列以在垂直方向上传输由所述光电转换元件中读出的信号电荷的垂直ＣＣＤ（１０５、２０５）； 水平ＣＣＤ（１０２、２０２），用于在水平方向上传输由所述垂直ＣＣＤ传输的信号电荷； 电荷检测部分（１０３、２０３），用于检测由所述水平ＣＣＤ传输的信号电荷并输出信号电荷；和 在信号电荷的垂直传输方向上于所述垂直ＣＣＤ上相互相邻地形成的四个垂直传输电极（１０６－１０９、２０６－２０９），所述垂直传输电极包括在信号电荷的垂直传输方向上相互相邻的第一传输电极和第二传输电极，所述第一传输电极的长度大于所述第二传输电极的长度，所述第一传输电极还用作控制所述传输门部分的传输电极。

【技术特征摘要】
JP 1998-2-18 35730/981．一种固态图象传感器，其特征在于包括在半导体衬底(112、212)上按矩阵形式两维排列的光电转换元件(104、204)；靠近各所述每个光电转换元件排列以读出存储在所述光电转换元件中的信号电荷的传输门部分(110、210)；靠近所述传输门部分排列以在垂直方向上传输由所述光电转换元件中读出的信号电荷的垂直CCD(105、205)；水平CCD(102、202)，用于在水平方向上传输由所述垂直CCD传输的信号电荷；电荷检测部分(103、203)，用于检测由所述水平CCD传输的信号电荷并输出信号电荷；和在信号电荷的垂直传输方向上于所述垂直CCD上相互相邻地形成的四个垂直传输电极(106-109、206-209)，所述垂直传输电极包括在信号电荷的垂直传输方向上相互相邻的第一传输电极和第二传输电极，所述第一传输电极的长度大于所述第二传输电极的长度，所述第一传输电极还用作控制所述传输门部分的传输电极。2．如权利要求1的器件，其特征在于，所述第一和第二垂直传输电极的长度之和在有效图象传感区的任何部分都是相等的。3．如权利要求2的器件，其特征在于，设定所述第二垂直传输电极的长度，利用该长度，存储在垂直传输方向上连续的所述三个垂直传输电极的下部电位阱中的最大电荷量变得不小于存储在所述两个垂直传输电极的下部电位阱中的最大电荷量。4．如权利要求2的器件，其特征在于，把所述第一垂直传输电极的长度设定得不大于2μm。5．如权利要求1的器件，其特征在于，所述垂直传输电极包括第三垂直传输电极，该电极不邻接所述第一垂直传输电极，并且在所有所述垂直传输电极中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：冨留宫正之，
申请(专利权)人：恩益禧电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]