リニアイメージセンサ及びその駆動方式
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、リニアイメージセンサ及びその駆動方式に関し、特に電子シャッター機構を備えたものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年のシリコンＬＳＩ技術の進歩にともない、半導体基板上に１次元アレイ状に配設した多数の光検出器と、該光検出器の内部の信号電荷を転送する電荷結合素子（Charge Coupled Device : ＣＣＤ）とを組み合わせてなるリニアイメージセンサが実用化されている。ここで上記光検出器には、ＰＮ接合を利用したフォトダイオードやショットキーバリアダイオードなどが用いられており、上記リニアイメージセンサは、その検出波長の違いによって、可視イメージセンサ，赤外線イメージセンサなどと呼ばれており、その中には光検出器での信号電荷の飽和を防ぐために開発された、電子シャッター機構を有するものもある。
【０００３】図１５はこのような電子シャッター機構を備えた従来の赤外線リニアイメージセンサを説明するための図であり、図１５(a) は該センサを構成する素子のレイアウトの概略を示す平面図である。
【０００４】図において、２００は赤外線リニアイメージセンサで、Ｐ型シリコン基板９上に１次元アレイ状に配列された赤外線検出器（以下光検出器とも言う。）１と、上記赤外線検出器１の両側にその配列方向と平行に配置されたＣＣＤ１２及びオーバフロードレイン１３とを有している。また上記個々の赤外線検知器１とＣＣＤ１２との間には上記赤外線検出器１からＣＣＤ１２への電荷転送を制御するためのトランスファーゲート（ＴＧ）４が、上記個々の赤外線検知器１とオーバフロードレイン１３との間には赤外線検出器１からオーバフロードレイン１３への電荷転送を制御するためのシャッターゲート（ＳＧ）１５が配設されている。そしてこれらのトランスファーゲート４及びシャッターゲート１５を構成するトランジスタのゲートは制御クロックを与えるための入力端子Ｉt ，Ｉs に接続されている。
【０００５】ここで上記ＣＣＤ１２は上記赤外線検出器１で発生した信号電荷を上記検知器１の配列方向に転送する電荷転送回路を構成しており、この回路の出力側には出力アンプ８が接続されている。また上記オーバフロードレイン１３は外部から正電位にバイアスされていて、上記検知器１で発生した信号電荷がここに掃き出されるようになっている。
【０００６】次に上記リニアイメージセンサ２００の断面構造を説明する。図１５(b) は図１５(a) のＸＶｂ−ＸＶｂ線断面図であり、図中、１０は上記赤外線検出器１を構成する PtSi/Siショットキーバリアダイオードで、上記Ｐ型シリコン基板９上に選択的に形成された白金シリサイド層１ａと、該層１ａと接触してショットキ接合を形成するＰ型シリコン領域９ａとからなっており、また上記Ｐ型シリコン領域９ａの周囲には、該領域９ａ周縁部での上記光検出器１からのリーク電流が抑制されるよう、Ｎ型不純物領域からなるガードリング１１が形成されている。またこのガードリング１１及び上記白金シリサイド層１ａは上記赤外線検出器１の電荷蓄積領域となっている。
【０００７】上記赤外線検出器１のＰ型シリコン領域９ａの両側には、それぞれＣＣＤチャネルを構成するＮ型不純物領域１２ｄ及び上記オーバフロードレイン１３であるＮ型不純物拡散領域が上記Ｐ型シリコン領域９ａから所定間隔離して形成されている。またこのＮ型不純物領域１２ｄ上にはゲート絶縁膜１０ａを介してポリシリコンからなるＣＣＤ転送ゲート１２ａが形成されており、これはＣＣＤ１２に転送クロックを与える入力端子Ｉc に接続されている。
【０００８】また上記ガードリング１１とＣＣＤチャネル１２ｄとの間、及びガードリング１１とオーバフロードレインであるＮ型不純物領域１３との間には、それぞれ所定濃度のＰ型不純物領域４ｂ及び１５ｂが形成され、その上には上記ゲート絶縁膜１０ａを介してポリシリコンからなるゲート電極４ａ，１５ａが形成されており、これにより上記トランスファーゲート４及びシャッターゲート１５としてのトランジスタが構成されている。これらのトランジスタは、上記Ｎ型不純物領域４ｂ及び１５ｂの濃度の変化により、その特性，ここではオン状態でのポテンシャルレベルやオフ状態のポテンシャルレベルが変化するため、その濃度はこれらのポテンシャルレベルが両ゲートのトランジスタで一致するよう設定されている。
【０００９】次に従来の赤外線リニアイメージセンサの動作について説明する。図１６はこのイメージセンサの電荷読出サイクル（Ｘr)におけるトランスファーゲートとシャッターゲートの動作を、また図１７は電荷読出動作中における図１５のＸＶｂ−ＸＶｂ線に沿ったポテンシャル分布の変化を示しており、これらの図を用いて電荷読出動作について説明する。
【００１０】まず、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔa0）、このゲートが開き、つまり図１７(f) に示すように該ゲート４のポテンシャルレベルがオフレベルＥtoffからオンレベルＥton に低下し、それまでに光検出器１０内で蓄積された信号電荷Ｃs2がＮ型不純物領域４ｂを通ってＣＣＤチャネル１２ｄ内に転送される。その後上記駆動クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa1）、図１７(a) に示すようにゲート４のポテンシャルレベルはもとのレベルＥtoffに戻り、上記ゲート４は閉じる。この時赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidは上記トランスファーゲート４のオンレベルＥton （エネルギーレベルψt ）にリセットされることとなる。
【００１１】すなわち、上記トランスファーゲート４を開けると、フローティング状態であった白金シリサイド層１ａがこれよりポテンシャルレベルの低いＣＣＤチャネル１２ｄとつながることとなり、これにより信号電荷Ｃs2が該白金シリサイド層１ａから該ゲート４を介してＣＣＤチャネル１２ｄへ向かって移動し、その後上記ゲート４を閉じると、上記白金シリサイド層１ａは上記ＣＣＤチャネル１２ｄと切り離され、もとのフローティング状態となり、この移動した電荷分だけ上記白金シリサイド層１ａが充電されることとなり、またこの際の電荷の移動は赤外線検出器１のポテンシャルレベルが上記トランスファーゲート４の低下したポテンシャルレベルＥton と一致するまで行われるからである。
【００１２】一方赤外線検出器１では、シャッターゲート５が開くまでの期間（Ｔa1＜ｔ＜Ｔa2）は、図１７(b) に示すように赤外線の入射量に応じて信号電荷Ｃs1が蓄積される。そしてシャッターゲート５の駆動クロックＣＬs が立ち上がると（ｔ＝Ｔa2）、このゲート５が開き、つまり図１７(c) に示すように該ゲート５のポテンシャルレベルがオフレベルＥsoffからオンレベルＥson に低下し、それまでに光検出器１０内で蓄積された信号電荷Ｃs1がＮ型不純物領域１５ｂを通ってオーバフロードレインのＮ型不純物領域１３内に掃き出される。その後上記駆動クロックＣＬs が立ち下がると（ｔ＝Ｔa3）、ゲート5 のポテンシャルレベルはもとのレベルＥsoffに戻り、上記ゲート５は閉じる（図１７(d) ）。この時赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidは上記トランスファーゲート４の開閉動作の場合と同様、上記シャッターゲート５のオンレベルＥson （エネルギーレベルψs）にリセットされることとなる。このリセットレベルψs は上記リセットレベルψt と一致している。
【００１３】その後赤外線検出器１では、トランスファーゲート４が開くまでの期間（Ｔa3＜ｔ＜Ｔa4），つまりシャッター時間（Ｘs)の間は、図１７(e) に示すように赤外線の入射量に応じて信号電荷Ｃs2が蓄積され、さらにこの間（Ｘs)に蓄積された電荷Ｃs2は、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt のパルス期間（Ｔa4≦ｔ＜Ｔa5）内にＣＣＤチャネル１２へ転送される（図１７１７(f) ）。その後は順次電荷読出サイクル（Ｘr ）にて、図１７(a) 〜(f) により説明したように光検出器１からＣＣＤ１２への電荷読出を行う。
【００１４】この電荷読出サイクル（Ｘr ）の期間中、上記ＣＣＤ１２は、光検出器１からの信号電荷Ｃs の転送動作を行っており、以下その電荷転送動作を図１８〜図２０を用いて説明する。
【００１５】図１８は図１５のリニアイメージセンサのＣＣＤ転送ゲートの構造及び該転送ゲートとその駆動クロックとの接続関係を示しており、また図１９は上記図１６１６のトランスファーゲート４及びシャッターゲート５の駆動クロックＣＬt 及びＣＬs の波形に加えて、ＣＣＤ１２の３相駆動クロックφ1 〜φ3 の波形を示す図、図２０はＣＣＤ１２内で、ある光検出器からの信号電荷がその隣の光検出器に対応する位置まで運ばれる様子を示す図である。
【００１６】図１８に示すようにＣＣＤ１２は、３相駆動ＣＣＤで、つまり１つの光検出器１に対応して３つの転送ゲート１２ａ〜１２ｃを有するもので、ここでは転送ゲート１２ａの位置にトランスファーゲート４が配置されており、光検出器１の信号電荷をＣＣＤチャネル１２ｄの転送ゲート１２ａ直下部分に流し込むようになっている。また各光検出器１とオーバーフロードレイン１３との間にはシャッターゲート１５が配置されている。
【００１７】上記転送ゲート１２ａの直下の領域のみにポテンシャル井戸が形成されている期間（Ｔa0≦ｔ＜Ｔa1）と同期して、上記トランスファーゲート入力Ｉt に駆動クロックＣＬt のパルスを印加すると、図１７(a) で説明したように、各光検出器１に対応する第１転送ゲート１２ａのポテンシャル井戸内に信号電荷Ａ〜Ｃが読み出される（図２０参照）。そして上記駆動クロックＣＬt の立ち下がり（ｔ＝Ｔa1）と同時に電荷転送動作が開始される。
【００１８】すなわち上記ＣＣＤ駆動信号φ1 〜φ3 は、それぞれ位相が１２０度づつ異なっているため、図２０に示すように第１転送期間（Ｔa1≦ｔ＜ｔ1 ）では、第１及び第２転送ゲート１２ａ，１２ｂの下にポテンシャル井戸ができ、次の第２転送期間（ｔ1 ≦ｔ＜ｔ2 ）では、第２転送ゲート１２ｂの直下のみに、またさらに次の第３転送期間（ｔ2 ≦ｔ＜ｔ3 ）には第２及び第３転送ゲート１２ｂ，１２ｃの下にポテンシャル井戸ができ、このようにしてさらに第４及び第５転送期間（ｔ3 ≦ｔ＜ｔ4 ），（ｔ4 ≦ｔ＜ｔ5 ）が経過すると、信号電荷Ａ〜Ｄは光検出器１つ分だけ転送されることとなる。そしてＣＣＤ１２はこのような転送動作を、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt の次の立ち上がりまで繰り返して転送動作を終える。
【００１９】ところがこのような電子シャッター機構を有するリニアイメージセンサ２００では、トランスファーゲート４の開閉動作の際にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψt と、シャッターゲート１５の開閉の際にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψs とが少しでも異なると、正確な赤外線量を検知することができないという問題点がある。つまり上記電荷読み取り時の検出器リセットレベルψt はトランスファーゲートトランジスタの特性によって決まり、また電荷掃き出し時の検出器リセットレベルψs はシャッターゲートトランジスタの特性によって決まるため、ウェハプロセス上のばらつきによって両方のトランジスタ特性がわずかでも異なると、ＣＣＤ１２への電荷転送の場合とオーバーフロードレイン１３への電荷掃き出しの場合とで、光検出器１のリセットレベルに差が生じ、信号電荷の読み残しや余分な読み出しが生じるという問題点があった。
【００２０】以下この問題点を図２１及び図２２を用いて詳しく説明する。図２１(a) 〜(f) 及び図２２(a) 〜(f) はそれぞれ図１７(a) 〜(f) に対応するタイミングのポテンシャル分布を示しており、図２１に示すように、電荷掃き出し時にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψs が電荷転送時にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψt より低い場合、図２１(c) に示すようにシャッターゲート５が動作すると蓄積電荷Ｃs1の他に電荷Ｃ0 が余分に掃き出されてしまい、その後トランスファーゲート４が動作して電荷の読出を行う際、図２１(f) に示すようにトランスファーゲート４の導通時のレベルＥton とシャッターゲート５の導通時のレベルＥson との差，つまりエネルギー差（ψt −ψs ）以下の小さい蓄積レベルの信号電荷Ｃs3は読み出すことができないという問題点があった。
【００２１】また逆に図２２に示すように電荷掃き出し時にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψs が電荷転送時にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψt より高い場合、図２２(c) に示すようにシャッターゲート５が動作すると、蓄積電荷Ｃs1の一部Ｃs5しか掃き出されず、電荷Ｃs4が残ってしまい、その後トランスファーゲート４が動作して電荷の読出を行う際には、トランスファーゲート４の導通時のレベルＥton とシャッターゲート５の導通時のレベルＥson との差、つまりエネルギー差（ψt −ψs ）分の電荷Ｃs4を信号電荷Ｃs2の他に余分に読み出してしまい、信号のコントラストが低下するという問題点があった。
【００２２】そこで本件発明者はこのような問題点を解決した、改良型のリニアイメージセンサをすでに開発しており、以下このリニアイメージセンサについて説明する。
【００２３】図２３は改良型のリニアイメージセンサを説明するための図であり、図２３(a) は該センサを構成する素子のレイアウトの概略を示す平面図、図２３(b) は図２３(a) のＸＸIII ｂ−ＸＸIII ｂ線断面図である。図において、３００はこの改良型のリニアイメージセンサで、このセンサ３００では、オーバフロードレイン３及びＣＣＤ１２を共に光検出器１列の片側に配置し、しかもオーバフロードレイン３と光検出器１との間にＣＣＤ１２が位置するようにしている。またこのためシャッターゲート５はＣＣＤ１２とオーバフロードレイン３との間に配設し、光検出器１からオーバフロードレイン３への電荷の掃き出しをＣＣＤ１２を介して行うようにしている。なお、５ｂは上記ＣＣＤ１２の転送チャネル１２ｂとオーバフロードレイン３のＮ型不純物領域との間に形成されたＰ型不純物領域、５ａは該領域上にゲート絶縁膜１０ａを介して形成されたポリシリコンゲートで、これらは上記シャッターゲートトランジスタを構成している。その他の構成は図１５に示すリニアイメージセンサと同一である。
【００２４】次に動作について図２４ないし図２６を用いて説明する。図２４は上記リニアイメージセンサ３００のＣＣＤ転送ゲートの構造及び該転送ゲートとその駆動クロックとの接続関係を、また図２５はこのリニアイメージセンサの電荷読出動作中における図２３(a) のＸＸIII ｂ−ＸＸIII ｂ線に沿ったポテンシャル分布の変化を示しており、また図２６はこのリニアイメージセンサの各ゲートに印加する信号の波形図であり、これらの図を用いて電荷読出動作について説明する。
【００２５】まず、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔa0）、このゲート４が開き、つまり該ゲート４のポテンシャルレベルがオフレベルＥtoffからオンレベルＥton に低下し、それまでに光検出器１内で蓄積された信号電荷Ｃs がＮ型不純物領域４ｂを通ってＣＣＤチャネル１２ｄ内に転送される（図２５(f) ）。その後上記駆動クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa1）、ゲート４のポテンシャルレベルはもとのレベルＥtoffに戻り、上記ゲート４は閉じる。この時赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidは図１５R>５のセンサ２００の場合と同様の理由で上記トランスファーゲート４のオンレベルＥton （エネルギーレベルψt)にリセットされることとなる。
【００２６】これと同時に、ＣＣＤ１２では電荷転送動作が開始され、その後転送期間（Ｘt ）が経過するまでの期間（Ｔa1＜ｔ＜Ｔb2）中、図２５(a) に示すように赤外線検出器１では電荷の蓄積が、またＣＣＤ１２では電荷転送動作が行われる。その後さらに赤外線検出器１ではシャッターゲート５が開くまでの期間（Ｔb2≦ｔ＜Ｔb3）は、図２５(b) に示すように赤外線の入射量に応じて信号電荷Ｃe が蓄積される。そしてシャッターゲート５の駆動クロックＣＬs 及びトランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔb3）、この両ゲート５，４が開き、つまり図２５(c) に示すように該ゲート５，４のポテンシャルレベルがそれぞれオフレベルＥsoff，ＥtoffからオンレベルＥson ，Ｅton に低下し、それまでに光検出器１内で蓄積された信号電荷Ｃe がＣＣＤ１２のチャネル１２ｂを通ってオーバフロードレインのＮ型不純物領域３内に掃き出される。
【００２７】その後上記両駆動クロックＣＬs ，ＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔb4）、両ゲート５，４のポテンシャルレベルはもとのレベルＳtoff，Ｅtoffに戻り、上記両ゲート５，４は閉じる（図２５(d) ）。この時赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidはシャッターゲート５のオンレベルＥson とは関係なく、上記トランスファーゲート４の開閉動作の場合と同様、上記トランスファーゲート４のオンレベルＥton （ψt ）にリセットされることとなり、電荷読出時と電荷掃出時とで赤外線検出器１のポテンシャルレベルが変動することはない。
【００２８】その後赤外線検出器１では、トランスファーゲート４が開くまで，つまりシャッター時間（Ｘs ）が経過するまでの期間（Ｔb4＜ｔ＜Ｔb5）は、図２５(e) に示すように赤外線の入射量に応じて信号電荷Ｃs が蓄積され、さらにこの間に蓄積された電荷Ｃs は、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt のパルス期間（Ｔb5≦ｔ＜Ｔb6）内にＣＣＤチャネル１２へ転送される（図２５(f) ）。その後上記駆動クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔb6）、ＣＣＤ１２では電荷転送を開始する（図２５(g) ）。そして順次電荷読出サイクル（Ｘr ）にて図２５(a) 〜(g) により説明したように光検出器１からＣＣＤ１２への電荷読出を行う。
【００２９】ここで以上の動作を行うためには素子各部のポテンシャルレベルが、トランスファーゲート（Ｅton)、ＣＣＤチャネル（Ｅcc）、シャッターゲート（Ｅson ）、オーバーフロードレイン（Ｅod）の順に深くなっていくように設定する必要があるが、素子各部のＰ型およびＮ型不純物領域の不純物濃度を制御するなどの方法によって容易に実現できる。
【００３０】なお、上記改良型のリニアイメージセンサのように光検出器の信号電荷をＣＣＤを介してオーバフロードレイン等に引き抜くという考え方は、特開昭62−200761号公報や特開昭60−120555号公報に開示されており、例えば特開昭62−200761号公報には固体撮像素子において、一次元アレイ状の光検出器の片側に電荷転送部を、さらに光検出器からみて電荷転送部の向こう側にオーバフロードレインを配置し、光検出器の信号電荷を電荷転送部を介してオーバフロードレインに掃き出すようにしたものが、また特開昭60−120555号公報には固体撮像装置において、一次元アレイ状の光検出器の両側にＣＣＤレジスタを、さらに該両レジスタの外側にそれぞれダミーシフトレジスタを配置し、光検出器の残留電荷をＣＣＤシフトレジスタを介してダミーシフトレジスタに引き抜くようにしたものが示されている。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】上記説明した改良型のリニアイメージセンサでは、赤外線検出器１に蓄積された信号電荷Ｃe を、ＣＣＤ１２を通してオーバフロードレイン３に掃き出すようにしているため、ＣＣＤ転送中に電荷掃き出し動作を行おうとすると、転送中の信号電荷と掃き出された電荷とが混ざり合う場合があり、ＣＣＤ１２の転送動作中はシャッターゲート５を導通させることができず、このためＣＣＤ転送期間と電荷掃き出し期間とを別々の時間帯に設定しているが、この場合シャッター時間（Ｘs)が電荷読出サイクル（Ｘr)における電荷転送期間（Ｘt)経過後の短い時間に制限されてしまい、特に赤外線の入射量が少ない場合には、十分な信号電荷の蓄積に支障をきたすという問題点があった。
【００３２】この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、電荷読み出し時と電荷掃き出し時とで検出器のリセットレベルがシフトすることなく、完全な電子シャッター動作を行うことができ、しかもシャッター時間を電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができ、赤外線の入射量が少ない場合であっても十分な信号電荷の蓄積を行うことができるリニアイメージセンサ及びその駆動方式を得ることを目的とする。
【００３３】
【課題を解決するための手段】この発明に係るリニアイメージセンサは、一次元アレイ配列の光検出器列とオーバフロードレインとの間に配置された電荷転送部を、上記光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有し、個々の光検出器からの信号電荷を上記光検出器配列方向へ転送する電荷結合素子と、上記各々の光検出器とこれに対応する４つ以上の転送ゲートのうちの特定の１つとの間に設けられ、光検出器から電荷結合素子への電荷転送を制御するトランスファーゲートと、上記特定の転送ゲートと電荷排出部との間に設けられ、電荷転送部から電荷排出部への電荷転送を制御するシャッターゲートとから構成し、上記４つ以上の転送ゲートを４相以上の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うようにしたものである。
【００３４】この発明は上記リニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたものである。
【００３５】この発明は上記リニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを４相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたものである。
【００３６】この発明は上記リニアイメージセンサにおいて、上記各光検出器に対応する複数の転送ゲートを、該転送ゲート数以上の相数の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うようにしたものである。
【００３７】この発明に係るリニアイメージセンサの駆動方式は、リニアイメージセンサの電荷転送回路として、一次元アレイ配列の光検出器の１つに対して４つ以上の転送ゲートを有する電荷結合素子を用い、上記４つ以上の転送ゲートに４相以上の駆動クロックを印加して光検出器からの信号電荷の転送動作を行うとともに、上記個々の光検出器とこれに対応する４つ以上の転送ゲートの特定の１つとの間に挿入されたトランスファーゲート、及び該特定の転送ゲートと電荷排出回路との間に挿入されたシャッターゲートを、それぞれ上記特定の転送ゲート両側の転送ゲートがオフしているタイミングで導通するようにし、これにより個々の光検出器からの信号電荷を電荷転送回路により転送すると同時に、該信号電荷を上記電荷転送回路を介して外部に排出するようにしたものである。
【００３８】
【作用】この発明においては、一次元アレイ配列の光検出器列とオーバフロードレインとの間に配置された電荷転送部の電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有する構成とし、４相以上の駆動クロックを対応する転送ゲートに印加するようにしたから、電荷転送動作中に最低限隣接する３つの転送ゲートがすべて閉じた状態が発生することとなり、このため転送中の信号電荷と掃き出された電荷とが混ざり合うことなく、この真ん中の転送ゲートを通して光検出器から電荷排出部への電荷の掃き出しを行うことができる。つまり、電荷転送部での信号電荷の転送動作中に信号電荷の掃き出しを行うことができ、これによりシャッターゲートを開けるタイミングを電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができる。
【００３９】またこの発明においては、さらに上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたので、信号電荷の転送動作における蓄積電荷の掃き出しに５つの転送ゲートのうち隣接する３つの転送ゲートを用いても、残りの２つを転送動作に用いることができ、光検出器からの信号電荷を転送ゲート２つ分によるポテンシャル井戸内に受け入れて、転送ゲート２つ分のポテンシャル井戸に対応した量の電荷を転送することができる。
【００４０】この発明においては、上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを４相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたので、５相駆動の場合に比べて、転送ゲート及び駆動クロックを１つづつ少なくすることができ、ＣＣＤ部分の構成の簡略化を図ることができる。
【００４１】
【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明する。図１はこの発明の一実施例による赤外線リニアイメージセンサの構成を示す平面図であり、従来の改良型リニアイメージセンサの説明に用いた図２４に対応している。図において、２は第１〜第５の５相のクロック信号φ1 〜φ5 により駆動されるＣＣＤで、１つの光検出器１に対して５つの第１〜第５転送ゲート２ａ〜２ｅを有しており、該各転送ゲートには対応するクロック信号が印加されるようになっている。そしてその他の構成は図２４２４に示した従来のリニアイメージセンサ３００と同一であり、例えば上記トランスファーゲート４は第１転送ゲート２ａと光検出器１との間に、またシャッターゲート５は第１転送ゲート２ａとオーバフロードレイン３との間に配設されている。なお２ｆは上記ＣＣＤ２のＮ型チャネル領域である。
【００４２】次に図２〜図５を用いて動作について説明する。図２は電荷読出の際上記リニアイメージセンサの各ゲートに印加されるクロック信号を、また図３は電荷読出動作中の図１のIII −III 線断面に沿ったポテンシャル分布の変化を示しており、さらに図４は信号電荷がＣＣＤ中を転送される様子を、図５は電荷転送中に信号電荷が掃き出されるタイミングを示している。
【００４３】まずＣＣＤ２の通常の電荷転送動作について説明する。上記ＣＣＤ２の第１及び第２転送ゲート２ａ，２ｂの下側にのみポテンシャル井戸が形成されている期間中（Ｔa0≦ｔ＜Ｔa1）に、トランスファーゲート制御クロックＣＬt が立ち上がり（ｔ＝Ｔa0）、図３(f) のようにトランスファーゲート４が開くと、赤外線検出器１内に蓄積された信号電荷Ｃs が上記ポテンシャル井戸内に流れ込み、その後上記制御クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa1）、図３(g) のようにトランスファーゲート４が閉じ、その後図４に示すようにこの信号電荷Ｃs の転送が開始される。なお、図４では各光検出器１からそれぞれに対応する第１及び第２転送ゲート２ａ，２ｂのポテンシャル井戸に転送された電荷をＡ〜Ｄで示している。
【００４４】以下この転送動作を、上記ＣＣＤ駆動クロックが５相である、つまり各クロックφ1 〜φ5 の位相が順次７２°（２π／５）づつ遅らせてあるため、信号電荷を１つの光検出器１から次の光検出器１に対応する位置まで転送するための期間を第１〜第１０の転送期間に分けて説明する。
【００４５】まず、第１転送期間（Ｔa1≦ｔ＜ｔ1 ）には、上記第１及び第２転送ゲート２ａ，２ｂの下側に形成されていたポテンシャル井戸が第３転送ゲート２ｃの下側に広がり、その次の第２転送期間（ｔ1 ≦ｔ＜ｔ2 ）には第１転送ゲート２ａの下側のポテンシャル井戸が消失するため、赤外線検出器１からＣＣＤ２に転送された信号電荷Ａ〜Ｄは、上記両転送期間中に転送ゲート１つ分移動することとなる。
【００４６】さらに続く第３転送期間（ｔ2 ≦ｔ＜ｔ3 ）及び第４転送期間（ｔ3 ≦ｔ＜ｔ4 ）でも上記と同様にして信号電荷Ａ〜Ｄがまた転送ゲート１つ分移動し、その後このような信号電荷の移動が第５及び第６転送期間、第７及び第８転送期間、さらに第９及び第１０転送期間にそれぞれ転送ゲート１つ分づづ行われ、これによって信号電荷Ａ〜Ｄが光検出器１一つ分の距離転送されることとなる。
【００４７】上記ＣＣＤ２はこのような転送動作を繰り返すことにより、信号電荷を順次出力アンプ８を介して外部に出力する。
【００４８】次に、このような電荷転送動作中にシャッター動作，つまり赤外線検出器１から信号電荷を掃き出す動作について図３及び図５を用いて説明する。図３(a) 〜(g) はそれぞれシャッター動作が行われる転送期間（ｔn0≦ｔ≦ｔn7）において、図１のIII −III 線に沿ったポテンシャル分布を示しており、特に図３(a) は第１転送ゲート２ａにポテンシャル井戸が形成されている期間（ｔn0＜ｔ＜ｔn1）を、また図３(b) はシャッター動作が行われる第４転送期間の１つ前の第３転送期間（ｔn3≦ｔ＜Ｔc2）を示している。ここで第４転送期間（Ｔc2≦ｔ＜Ｔc3）は、通常の電荷転送動作中には第１転送ゲート２ａとその両側の第５，第２転送ゲート２ｅ，２ｂの下側にはポテンシャル井戸が形成されない期間である。
【００４９】上記電荷転送中にシャッター動作を行う転送サイクルでは、上記第４転送期間に第１転送ゲート２ａの駆動クロックφ1 及びトランスファーゲート制御クロックＣＬｔを、シャッターゲート制御クロックＣＬs とともに立ち上げ（ｔ＝Ｔc2）、これにより図３(c) に示すようにトランスファーゲート４及びシャッターゲート５のポテンシャルレベルをそれぞれＥton ，Ｅson まで下げる同時に、第１転送ゲート２ａのポテンシャルレベルを転送井戸の形成時のレベルＥccまでさげる。これにより赤外線検出器１内に蓄積されていた信号電荷Ｃｅが図５に示すように第１転送ゲート２ａの下側のポテンシャル井戸を通過してオーバフロードレイン３に掃き出される。
【００５０】そして上記制御クロックＣＬt およびＣＬs が立ち下がると（図３(d) ）、赤外線検出器１，ＣＣＤ２およびオーバフロードレイン３が分離され、その後は赤外線検出器１では信号電荷の蓄積が行われ、またＣＣＤ２では信号電荷が順次第１転送ゲート２ａを通過して転送されることとなる。図３(e) はこのような動作中のある時間（ｔ＝ｔ7 ）におけるポテンシャル分布を示している。
【００５１】そしてトランスファーゲート４の制御クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔa4）、図３(f) のようにトランスファーゲート４が開き、赤外線検出器１内に蓄積された信号電荷Ｃs が上記第１及び第２転送ゲート２ａ，２ｂのポテンシャル井戸内に流れ込み、その後上記制御クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa5）、図３(g) のようにトランスファーゲート４が閉じ、以後ＣＣＤ２では上述したようにこの信号電荷Ｃs の転送が開始される。
【００５２】このように本実施例では、一次元アレイ配列の光検出器１列とオーバフロードレイン３との間に配置された電荷転送部のＣＣＤ２を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲート２ａ〜２ｅを有する構成とし、５相の駆動クロックφ1 〜φ5 を対応する転送ゲートに印加するようにしたので、電荷転送動作中に隣接する３つの転送ゲートがすべて閉じた状態が発生することとなり、このためこの真ん中の第１転送ゲート２ａを通して光検出器１からオーバフロードレイン３への電荷の掃き出しを、この電荷とＣＣＤ２の転送電荷とが混ざり合うことなく行うことができる。つまり、電荷転送部での信号電荷の転送動作中に信号電荷の掃き出しを行うことができ、これによりシャッターゲートを開けるタイミングを電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができる。
【００５３】また上記電荷結合素子２を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲート２ａ〜２ｅを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックφ1 〜φ5 により制御して電荷転送を行う構成としたので、信号電荷の転送動作において転送ゲート１つ分の余裕ができることとなり、つまりこれを転送動作に用いることができることとなり、光検出器からの信号電荷を転送ゲート２つ分によるポテンシャル井戸内に受け入れることができ、転送電荷の量を２倍にすることができる。
【００５４】さらに信号電荷読み出し時と電荷掃き出し時との検出器リセットレベルの変動を防止することができる。つまり電荷蓄積時には、赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidはトランスファーゲート４のポテンシャルレベルＥton にリセットされ、また電荷掃き出し時にはトランスファーゲート４およびシャッターゲート５に正電圧が印加され、図３(c) のようにトランスファーゲート４及びシャッターゲート５のポテンシャルレベルがともにレベルＥton ，Ｅson まで下がり、信号電荷Ｃs はＣＣＤチャネル１２を通過してオーバーフロードレイン３へと転送されるが、この場合も、検出器のポテンシャルレベルＥidはトランスファーゲート４のポテンシャルレベルＥton にリセットされる。したがって、検出器のリセットレベルはトランスファーゲート４のトランジスタの特性によってのみ決まり、電荷読み出し時でも掃き出し時でも常にエネルギーレベルψT となり、ウェハプロセスのばらつきによって両レベルがシフトすることなく、完全な電子シャッター動作が行える。
【００５５】なお上記実施例では、ＣＣＤとして５相駆動のものを示したが、これは電荷転送量が少なくてよい場合には、構造が簡単な４相駆動のものを用いてもよい。
【００５６】以下本発明の第２の実施例によるリニアイメージセンサとして、４相駆動ＣＣＤを用いたものについて説明する。図６〜図１０は本発明の第２の実施例によるリニアイメージセンサを説明するための図であり、それぞれ上記第１実施例の説明に用いた図１〜図５に対応しており、図６は赤外線リニアイメージセンサの各素子のレイアウトを示しており、図７は電荷読出の際、上記リニアイメージセンサの各ゲートに印加されるクロック信号を、また図８は電荷読出動作中の図６のＶIII −ＶIII 線断面に沿ったポテンシャル分布の変化を示しており、さらに図９は信号電荷がＣＣＤ中を転送される様子を、図１０は電荷転送中に信号電荷が掃き出されるタイミングを示している。
【００５７】この実施例では、電荷結合素子として、１つの光検出器１に対して第１〜第４の４つの転送ゲート２０ａ〜２０ｄを有し、４相駆動クロックφ1 〜φ4 により駆動される４相ＣＣＤ２０を用いており、その他の構成は上記第１の実施例と全く同一である。なお２０ｅはＣＣＤ２０のＮ型電荷転送チャネルである。
【００５８】次に動作について説明する。まずＣＣＤ２０の通常の電荷転送動作について説明する。上記ＣＣＤ２０の第１転送ゲート２０ａの下側にのみポテンシャル井戸が形成されている期間中（Ｔa0≦ｔ＜Ｔa1）に、トランスファーゲート制御クロックＣＬt が立ち上がり（ｔ＝Ｔa0）、図８(f) のようにトランスファーゲート４が開くと、赤外線検出器１内に蓄積された信号電荷Ｃs が上記ポテンシャル井戸内に流れ込み、その後上記制御クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa1）、図８(g) のようにトランスファーゲート４が閉じ、その後図９R>９に示すようにこの信号電荷Ｃs の転送が開始される。なお、図９では各光検出器１からそれぞれに対応する第１転送ゲート２０ａのポテンシャル井戸に転送された電荷をＡ〜Ｅで示している。
【００５９】以下この転送動作を、上記ＣＣＤ駆動クロックが４相である、つまり各クロックφ1 〜φ4 の位相が順次９０°づつ遅らせてあるため、信号電荷を１つの光検出器１から次の光検出器１に対応する位置まで転送するための期間を第１〜第８の転送期間に分けて説明する。
【００６０】まず、第１転送期間（Ｔa1≦ｔ＜ｔ1 ）には、上記第１転送ゲート２０ａの下側に形成されていたポテンシャル井戸が第２転送ゲート２０ｂの下側に広がり、その次の第２転送期間（ｔ1 ≦ｔ＜ｔ2 ）には第１転送ゲート２０ａの下側のポテンシャル井戸が消失するため、赤外線検出器１からＣＣＤ２０に転送された信号電荷Ａ〜Ｅは、上記両転送期間中に転送ゲート１つ分移動することとなる。
【００６１】さらに続く第３転送期間（ｔ2 ≦ｔ＜ｔ3 ）及び第４転送期間（ｔ3 ≦ｔ＜ｔ4 ）でも上記と同様にして信号電荷Ａ〜Ｅがまた転送ゲート１つ分移動し、その後このような信号電荷の移動が第５及び第６転送期間、さらに第７及び第８転送期間にそれぞれ転送ゲート１つ分づづ行われ、これによって信号電荷Ａ〜Ｅが光検出器１一つ分に相当する距離転送されることとなる。
【００６２】そして上記ＣＣＤ２０はこのような転送動作を繰り返すことにより、信号電荷を順次出力アンプ８を介して外部に出力する。
【００６３】次に、このような電荷転送動作中でのシャッター動作，つまり赤外線検出器１から信号電荷を掃き出す動作について図８及び図１０を用いて説明する。図８R>８(a) 〜(g) はそれぞれシャッター動作が行われる転送期間（ｔn0≦ｔ≦ｔn7）において、図６のＶIII −ＶIII 線に沿ったポテンシャル分布を示しており、特に図８(a) は第１転送ゲート２ａにポテンシャル井戸が形成されている期間（ｔn0＜ｔ＜ｔn1）を、また図８(b) はシャッター動作が行われる第４転送期間の１つ前の第３転送期間（ｔn3≦ｔ＜Ｔd2）を示している。ここで第４転送期間（Ｔd2≦ｔ＜Ｔd3）は、通常の電荷転送動作中には第１転送ゲート２ａとその両側の第４，第２転送ゲート２０ｄ，２０ｂの下側にはポテンシャル井戸が形成されない期間である。
【００６４】上記電荷転送中にシャッター動作を行う転送サイクルでは、上記第４転送期間に第１転送ゲート２０ａの駆動クロックφ1 及びトランスファーゲート制御クロックＣＬｔを、シャッターゲート制御クロックＣＬs とともに立ち上げ（ｔ＝Ｔd2）、これにより図８(c) に示すようにトランスファーゲート４及びシャッターゲート５のポテンシャルレベルをそれぞれオンレベルＥton ，Ｅson まで下げると同時に、第１転送ゲート２０ａのポテンシャルレベルを転送井戸の形成時のレベルＥccまでさげる。これにより赤外線検出器１内に蓄積されていた信号電荷Ｃｅが図１０に示すように第１転送ゲート２０ａの下側のポテンシャル井戸を通過してオーバフロードレイン３に掃き出される。
【００６５】そして上記制御クロックＣＬt およびＣＬs が立ち下がると（ｔ＝Ｔd3）、赤外線検出器１，ＣＣＤ２およびオーバフロードレイン３が分離され（図８(d) ）、赤外線検出器１では信号電荷Ｃs の蓄積が行われ、またＣＣＤ２０では信号電荷が順次第１転送ゲート２０ａを通過して転送されることとなる。図８(e) はこのような動作中のある時間（ｔ＝ｔ7 ）におけるポテンシャル分布を示している。
【００６６】そしてトランスファーゲート４の制御クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔa4）、図８(f) のようにトランスファーゲート４が開き、赤外線検出器１内に蓄積された信号電荷Ｃs が上記第１転送ゲート２ａのポテンシャル井戸内に流れ込み、その後上記制御クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa5）、図８(g) のようにトランスファーゲート４が閉じ、以後ＣＣＤ２０では上述したようにこの信号電荷Ｃs の転送が開始される。
【００６７】このように本実施例では、一次元アレイ配列の光検出器１とオーバフロードレイン３との間に配置された電荷転送部のＣＣＤ２０を、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲート２０ａ〜２０ｄを有する構成とし、４相の駆動クロックφ1〜φ4 を対応する転送ゲートに印加するようにしたので、上記実施例と同様ＣＣＤ２０での信号電荷の転送動作中に信号電荷の掃き出しを、掃出電荷とＣＣＤ中の転送電荷との混ざり合いを招くことなく行うことができ、これによりシャッターゲートを開けるタイミングを電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができる。
【００６８】また５相駆動ＣＣＤに比べて転送ゲートおよび駆動クロックが１つ少なくすることができ、構造の簡略化を図ることができるが、ＣＣＤの転送電荷容量が半減するというデメリットもあり、用途によっては５相以上のＣＣＤを用いる方が有利である場合もある。
【００６９】なお、上記各実施例では、各光検出器の転送ゲートの個数と、転送ゲートを駆動する駆動クロックの相数とが同一である場合について示したが、これは転送ゲートを、各光検出器の転送ゲート数より多い相数の駆動クロックにより駆動するようにしてもよい。
【００７０】次に本発明の第３の実施例によるリニアイメージセンサとして、各光検出器に対して転送ゲートが４つある電荷転送素子を８相の駆動クロックにより駆動するようにしたものについて説明する。図１１〜図１４はこの実施例のリニアイメージセンサを説明するための図であり、それぞれ上記第２実施例の説明に用いた図６R>６，図７，図９，図１０に対応している。つまり図１１は赤外線リニアイメージセンサの各素子のレイアウトを示しており、図１２は電荷読出の際、上記リニアイメージセンサの各ゲートに印加されるクロック信号を、また図１３は信号電荷がＣＣＤ中を転送される様子を、図１４R>４は電荷転送中に信号電荷が掃き出されるタイミングを示している。なお電荷読出動作中の図１１のＸ−Ｘ線断面に沿ったポテンシャル分布の変化は上記第２の実施例のもの（図８参照）と同一である。
【００７１】この実施例では、図１１に示すように電荷転送素子の駆動クロックとして８相駆動クロックφ1'〜φ8'を用い、一次元アレイ状に配列された光検出器のうち奇数番目の光検出器１の転送ゲート２０ａ〜２０ｄには第１〜第４の駆動クロックφ1'〜φ4'を、偶数番目の光検出器１′の転送ゲート２０ａ′〜２０ｄ′には第５〜第８の駆動クロックφ5'〜φ8'を印加するようにしており、その他の構成は上記第２の実施例と全く同一である。
【００７２】ここで、第１〜第８の駆動クロックφ1'〜φ8'は、ＣＣＤ駆動パルスの周期がそれぞれ第２実施例の駆動クロックの２分の１となっており、また上記ＣＣＤ駆動パルスの位相については順次４５度づつ遅らせてある。言い換えるとクロックφ1'とφ5'、φ2'とφ6'、φ3'とφ7'、φ4'とφ8'を重合わせたものが、それぞれ上記第２実施例で用いた駆動クロックφ1 ，φ2 ，φ3 ，φ4 となっている。但し上記第１の駆動クロックφ1'と第５の駆動クロックφ5'とは、シャッターゲート制御クロックＣＬs が発生するタイミング（ｔ＝Ｔd2）で同時に、光検出器１内の蓄積電荷を掃き出すためのパルスを発生するようになっている（図１２参照）。
【００７３】このような構成の第３の実施例では、ＣＣＤ２０の通常の電荷転送動作は図１３に示すように、また電荷転送動作中でのシャッター動作については図１４に示すように上記第２の実施例のリニアイメージセンサと全く同様に行われ、第２の実施例と同様の効果を奏する。
【００７４】
【発明の効果】以上のように、この発明に係るリニアイメージセンサ及びその駆動方式によれば、一次元アレイ配列の光検出器列とオーバフロードレインとの間に配置された電荷転送部の電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有する構成とし、４相以上の駆動クロックを対応する転送ゲートに印加するようにしたので、電荷転送動作中に最低限隣接する３つの転送ゲートがすべて閉じた状態が発生することとなり、これにより転送中の信号電荷と掃き出された電荷とが混ざり合うことなく、この真ん中の転送ゲートを通して光検出器から電荷排出部への電荷の掃き出しを行うことができる。つまり、電荷転送部での信号電荷の転送動作中に信号電荷の掃き出しを行うことができ、これによりシャッターゲートを開けるタイミングを電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができる効果がある。
【００７５】またこの発明によれば上記リニアイメージセンサにおいて、さらに上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたので、信号電荷の転送動作における蓄積電荷の掃き出しに５つの転送ゲートのうち隣接する３つの転送ゲートを用いても、残りの２つを転送動作に用いることができ、光検出器からの信号電荷を転送ゲート２つ分によるポテンシャル井戸内に受け入れて、転送ゲート２つ分のポテンシャル井戸に対応した量の電荷を転送することができる効果がある。
【００７６】またこの発明によれば上記リニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを４相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたので、５相駆動の場合に比べて、転送ゲート及び駆動クロックを１つづつ少なくすることができ、ＣＣＤ部分の構造の簡略化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による赤外線リニアイメージセンサの構造を示す平面図である。
【図２】上記イメージセンサにおける５相駆動ＣＣＤの電荷読出動作を説明するための信号波形図である。
【図３】上記電荷読出動作中における図１のIII −III 線に沿ったポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図４】上記５相ＣＣＤの電荷転送動作中における電荷転送方向のポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図５】この電荷転送動作中における蓄積電荷の掃き出しタイミングを示すＣＣＤ部のポテンシャル分布図である。
【図６】この発明の第２の実施例による、４相駆動ＣＣＤを備えた赤外線リニアイメージセンサの構造を示す平面図である。
【図７】上記イメージセンサにおける４相駆動ＣＣＤの電荷読出動作を説明するための信号波形図である。
【図８】上記電荷読出動作中における図６のＶIII −ＶIII 線に沿ったポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図９】上記４相ＣＣＤの電荷転送動作中における電荷転送方向のポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図１０】この電荷転送動作中における蓄積電荷の掃き出しタイミングを示すＣＣＤ部のポテンシャル分布図である。
【図１１】この発明の第３の実施例による、第２実施例のＣＣＤを８相の駆動クロックにより駆動するようにした赤外線リニアイメージセンサの構造を示す平面図である。
【図１２】このイメージセンサにおける８相駆動ＣＣＤの電荷読出動作を説明するための信号波形図である。
【図１３】上記８相駆動ＣＣＤの電荷転送動作中における電荷転送方向のポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図１４】この電荷転送動作中における蓄積電荷の掃き出しタイミングを示すＣＣＤ部のポテンシャル分布図である。
【図１５】従来の電子シャッター機構を搭載した赤外線リニアイメージセンサの構成図であり、図１５(a) は概略平面図、図１５(b) はそのＸＶｂ−ＸＶｂ線の断面図である。
【図１６】このイメージセンサにおける電荷読出サイクルとシャッター時間との関係を示す波形図である。
【図１７】このイメージセンサの電荷読出動作中における図１５のＸＶｂ−ＸＶｂ線に沿ったポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図１８】上記従来の赤外線リニアイメージセンサにおける各部のゲート電極の配置を示す図である。
【図１９】この赤外線リニアイメージセンサの電荷転送動作を行うための信号波形を示す図である。
【図２０】この電荷転送動作中のＣＣＤ部におけるポテンシャル井戸の変化を示す図である。
【図２１】従来のリニアイメージセンサにおける、トランスファーゲートのオン時のポテンシャルがシャッターゲートのものより高い場合の問題点を説明するためのポテンシャル分布図である。
【図２２】図２１の場合とは逆に、トランスファーゲートのオン時のポテンシャルがシャッターゲートのものより低い場合の問題点を説明するためのポテンシャル分布図である。
【図２３】上記従来の赤外線リニアイメージセンサにおける問題点を解決した改良型の赤外線リニアイメージセンサを説明するための図であり、図２３(a) は概略平面図、図２３(b) はそのＸＸIII ｂ−ＸＸIII ｂ線の断面図である。
【図２４】この改良型赤外線リニアイメージセンサにおける各部のゲート電極の配置を示す図である。
【図２５】このイメージセンサの電荷読出動作中における図２３のＸＸIII ｂ−ＸＸIIIｂ線に沿ったポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図２６】このイメージセンサの電荷読出動作を行うための信号波形を示す図である。
【符号の説明】
１，１′ 赤外線検出器
１ａ 白金シリサイド層
２，２０ ＣＣＤ
２ａ〜２ｅ 第１〜第５の転送ゲート
２ｆ，２０ｅ ＣＣＤ電荷転送チャネル
３ オーバフロードレイン
４ トランスファーゲート
４ｂ トランスファーゲート用トランジスタのチャネル形成領域
５ シャッターゲート
５ｂ シャッターゲート用トランジスタのチャネル形成領域
８ 出力アンプ
９ Ｐ型シリコン基板
９ａ ダイオード形成用Ｐ型Ｓｉ領域
１０ ショットキダイオード
１０ａ ゲート絶縁膜
１１ ガードリング
２０ａ〜２０ｄ，２０ａ′〜２０ｄ′ 第１〜第４の転送ゲート
１００，１２０ 赤外線リニアイメージセンサ
Ｃe 掃出電荷
Ｃs 信号電荷
Ｅid 検出器ポテンシャルレベル
Ｅcc ＣＣＤポテンシャルレベル
Ｅod オーバーフロードレインポテンシャルレベル
Ｅson ，Ｅsoff シャッターゲートのオン時，オフ時のポテンシャルレベル
Ｅton ，Ｅtoff トランスファーゲートのオン時，オフ時のポテンシャルレベル
Ｉc ＣＣＤ転送ゲート入力端子
Ｉs シャッターゲート入力端子
Ｉt トランスファーゲート入力端子
φ1 〜φ5 、φ1'〜φ8' ＣＣＤ駆動クロック
ψs シャッター動作によるリセットレベル
ψt トランスファー動作によるリセットレベル
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、リニアイメージセンサ及びその駆動方式に関し、特に電子シャッター機構を備えたものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年のシリコンＬＳＩ技術の進歩にともない、半導体基板上に１次元アレイ状に配設した多数の光検出器と、該光検出器の内部の信号電荷を転送する電荷結合素子（Charge Coupled Device : ＣＣＤ）とを組み合わせてなるリニアイメージセンサが実用化されている。ここで上記光検出器には、ＰＮ接合を利用したフォトダイオードやショットキーバリアダイオードなどが用いられており、上記リニアイメージセンサは、その検出波長の違いによって、可視イメージセンサ，赤外線イメージセンサなどと呼ばれており、その中には光検出器での信号電荷の飽和を防ぐために開発された、電子シャッター機構を有するものもある。
【０００３】図１５はこのような電子シャッター機構を備えた従来の赤外線リニアイメージセンサを説明するための図であり、図１５(a) は該センサを構成する素子のレイアウトの概略を示す平面図である。
【０００４】図において、２００は赤外線リニアイメージセンサで、Ｐ型シリコン基板９上に１次元アレイ状に配列された赤外線検出器（以下光検出器とも言う。）１と、上記赤外線検出器１の両側にその配列方向と平行に配置されたＣＣＤ１２及びオーバフロードレイン１３とを有している。また上記個々の赤外線検知器１とＣＣＤ１２との間には上記赤外線検出器１からＣＣＤ１２への電荷転送を制御するためのトランスファーゲート（ＴＧ）４が、上記個々の赤外線検知器１とオーバフロードレイン１３との間には赤外線検出器１からオーバフロードレイン１３への電荷転送を制御するためのシャッターゲート（ＳＧ）１５が配設されている。そしてこれらのトランスファーゲート４及びシャッターゲート１５を構成するトランジスタのゲートは制御クロックを与えるための入力端子Ｉt ，Ｉs に接続されている。
【０００５】ここで上記ＣＣＤ１２は上記赤外線検出器１で発生した信号電荷を上記検知器１の配列方向に転送する電荷転送回路を構成しており、この回路の出力側には出力アンプ８が接続されている。また上記オーバフロードレイン１３は外部から正電位にバイアスされていて、上記検知器１で発生した信号電荷がここに掃き出されるようになっている。
【０００６】次に上記リニアイメージセンサ２００の断面構造を説明する。図１５(b) は図１５(a) のＸＶｂ−ＸＶｂ線断面図であり、図中、１０は上記赤外線検出器１を構成する PtSi/Siショットキーバリアダイオードで、上記Ｐ型シリコン基板９上に選択的に形成された白金シリサイド層１ａと、該層１ａと接触してショットキ接合を形成するＰ型シリコン領域９ａとからなっており、また上記Ｐ型シリコン領域９ａの周囲には、該領域９ａ周縁部での上記光検出器１からのリーク電流が抑制されるよう、Ｎ型不純物領域からなるガードリング１１が形成されている。またこのガードリング１１及び上記白金シリサイド層１ａは上記赤外線検出器１の電荷蓄積領域となっている。
【０００７】上記赤外線検出器１のＰ型シリコン領域９ａの両側には、それぞれＣＣＤチャネルを構成するＮ型不純物領域１２ｄ及び上記オーバフロードレイン１３であるＮ型不純物拡散領域が上記Ｐ型シリコン領域９ａから所定間隔離して形成されている。またこのＮ型不純物領域１２ｄ上にはゲート絶縁膜１０ａを介してポリシリコンからなるＣＣＤ転送ゲート１２ａが形成されており、これはＣＣＤ１２に転送クロックを与える入力端子Ｉc に接続されている。
【０００８】また上記ガードリング１１とＣＣＤチャネル１２ｄとの間、及びガードリング１１とオーバフロードレインであるＮ型不純物領域１３との間には、それぞれ所定濃度のＰ型不純物領域４ｂ及び１５ｂが形成され、その上には上記ゲート絶縁膜１０ａを介してポリシリコンからなるゲート電極４ａ，１５ａが形成されており、これにより上記トランスファーゲート４及びシャッターゲート１５としてのトランジスタが構成されている。これらのトランジスタは、上記Ｎ型不純物領域４ｂ及び１５ｂの濃度の変化により、その特性，ここではオン状態でのポテンシャルレベルやオフ状態のポテンシャルレベルが変化するため、その濃度はこれらのポテンシャルレベルが両ゲートのトランジスタで一致するよう設定されている。
【０００９】次に従来の赤外線リニアイメージセンサの動作について説明する。図１６はこのイメージセンサの電荷読出サイクル（Ｘr)におけるトランスファーゲートとシャッターゲートの動作を、また図１７は電荷読出動作中における図１５のＸＶｂ−ＸＶｂ線に沿ったポテンシャル分布の変化を示しており、これらの図を用いて電荷読出動作について説明する。
【００１０】まず、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔa0）、このゲートが開き、つまり図１７(f) に示すように該ゲート４のポテンシャルレベルがオフレベルＥtoffからオンレベルＥton に低下し、それまでに光検出器１０内で蓄積された信号電荷Ｃs2がＮ型不純物領域４ｂを通ってＣＣＤチャネル１２ｄ内に転送される。その後上記駆動クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa1）、図１７(a) に示すようにゲート４のポテンシャルレベルはもとのレベルＥtoffに戻り、上記ゲート４は閉じる。この時赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidは上記トランスファーゲート４のオンレベルＥton （エネルギーレベルψt ）にリセットされることとなる。
【００１１】すなわち、上記トランスファーゲート４を開けると、フローティング状態であった白金シリサイド層１ａがこれよりポテンシャルレベルの低いＣＣＤチャネル１２ｄとつながることとなり、これにより信号電荷Ｃs2が該白金シリサイド層１ａから該ゲート４を介してＣＣＤチャネル１２ｄへ向かって移動し、その後上記ゲート４を閉じると、上記白金シリサイド層１ａは上記ＣＣＤチャネル１２ｄと切り離され、もとのフローティング状態となり、この移動した電荷分だけ上記白金シリサイド層１ａが充電されることとなり、またこの際の電荷の移動は赤外線検出器１のポテンシャルレベルが上記トランスファーゲート４の低下したポテンシャルレベルＥton と一致するまで行われるからである。
【００１２】一方赤外線検出器１では、シャッターゲート５が開くまでの期間（Ｔa1＜ｔ＜Ｔa2）は、図１７(b) に示すように赤外線の入射量に応じて信号電荷Ｃs1が蓄積される。そしてシャッターゲート５の駆動クロックＣＬs が立ち上がると（ｔ＝Ｔa2）、このゲート５が開き、つまり図１７(c) に示すように該ゲート５のポテンシャルレベルがオフレベルＥsoffからオンレベルＥson に低下し、それまでに光検出器１０内で蓄積された信号電荷Ｃs1がＮ型不純物領域１５ｂを通ってオーバフロードレインのＮ型不純物領域１３内に掃き出される。その後上記駆動クロックＣＬs が立ち下がると（ｔ＝Ｔa3）、ゲート5 のポテンシャルレベルはもとのレベルＥsoffに戻り、上記ゲート５は閉じる（図１７(d) ）。この時赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidは上記トランスファーゲート４の開閉動作の場合と同様、上記シャッターゲート５のオンレベルＥson （エネルギーレベルψs）にリセットされることとなる。このリセットレベルψs は上記リセットレベルψt と一致している。
【００１３】その後赤外線検出器１では、トランスファーゲート４が開くまでの期間（Ｔa3＜ｔ＜Ｔa4），つまりシャッター時間（Ｘs)の間は、図１７(e) に示すように赤外線の入射量に応じて信号電荷Ｃs2が蓄積され、さらにこの間（Ｘs)に蓄積された電荷Ｃs2は、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt のパルス期間（Ｔa4≦ｔ＜Ｔa5）内にＣＣＤチャネル１２へ転送される（図１７１７(f) ）。その後は順次電荷読出サイクル（Ｘr ）にて、図１７(a) 〜(f) により説明したように光検出器１からＣＣＤ１２への電荷読出を行う。
【００１４】この電荷読出サイクル（Ｘr ）の期間中、上記ＣＣＤ１２は、光検出器１からの信号電荷Ｃs の転送動作を行っており、以下その電荷転送動作を図１８〜図２０を用いて説明する。
【００１５】図１８は図１５のリニアイメージセンサのＣＣＤ転送ゲートの構造及び該転送ゲートとその駆動クロックとの接続関係を示しており、また図１９は上記図１６１６のトランスファーゲート４及びシャッターゲート５の駆動クロックＣＬt 及びＣＬs の波形に加えて、ＣＣＤ１２の３相駆動クロックφ1 〜φ3 の波形を示す図、図２０はＣＣＤ１２内で、ある光検出器からの信号電荷がその隣の光検出器に対応する位置まで運ばれる様子を示す図である。
【００１６】図１８に示すようにＣＣＤ１２は、３相駆動ＣＣＤで、つまり１つの光検出器１に対応して３つの転送ゲート１２ａ〜１２ｃを有するもので、ここでは転送ゲート１２ａの位置にトランスファーゲート４が配置されており、光検出器１の信号電荷をＣＣＤチャネル１２ｄの転送ゲート１２ａ直下部分に流し込むようになっている。また各光検出器１とオーバーフロードレイン１３との間にはシャッターゲート１５が配置されている。
【００１７】上記転送ゲート１２ａの直下の領域のみにポテンシャル井戸が形成されている期間（Ｔa0≦ｔ＜Ｔa1）と同期して、上記トランスファーゲート入力Ｉt に駆動クロックＣＬt のパルスを印加すると、図１７(a) で説明したように、各光検出器１に対応する第１転送ゲート１２ａのポテンシャル井戸内に信号電荷Ａ〜Ｃが読み出される（図２０参照）。そして上記駆動クロックＣＬt の立ち下がり（ｔ＝Ｔa1）と同時に電荷転送動作が開始される。
【００１８】すなわち上記ＣＣＤ駆動信号φ1 〜φ3 は、それぞれ位相が１２０度づつ異なっているため、図２０に示すように第１転送期間（Ｔa1≦ｔ＜ｔ1 ）では、第１及び第２転送ゲート１２ａ，１２ｂの下にポテンシャル井戸ができ、次の第２転送期間（ｔ1 ≦ｔ＜ｔ2 ）では、第２転送ゲート１２ｂの直下のみに、またさらに次の第３転送期間（ｔ2 ≦ｔ＜ｔ3 ）には第２及び第３転送ゲート１２ｂ，１２ｃの下にポテンシャル井戸ができ、このようにしてさらに第４及び第５転送期間（ｔ3 ≦ｔ＜ｔ4 ），（ｔ4 ≦ｔ＜ｔ5 ）が経過すると、信号電荷Ａ〜Ｄは光検出器１つ分だけ転送されることとなる。そしてＣＣＤ１２はこのような転送動作を、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt の次の立ち上がりまで繰り返して転送動作を終える。
【００１９】ところがこのような電子シャッター機構を有するリニアイメージセンサ２００では、トランスファーゲート４の開閉動作の際にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψt と、シャッターゲート１５の開閉の際にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψs とが少しでも異なると、正確な赤外線量を検知することができないという問題点がある。つまり上記電荷読み取り時の検出器リセットレベルψt はトランスファーゲートトランジスタの特性によって決まり、また電荷掃き出し時の検出器リセットレベルψs はシャッターゲートトランジスタの特性によって決まるため、ウェハプロセス上のばらつきによって両方のトランジスタ特性がわずかでも異なると、ＣＣＤ１２への電荷転送の場合とオーバーフロードレイン１３への電荷掃き出しの場合とで、光検出器１のリセットレベルに差が生じ、信号電荷の読み残しや余分な読み出しが生じるという問題点があった。
【００２０】以下この問題点を図２１及び図２２を用いて詳しく説明する。図２１(a) 〜(f) 及び図２２(a) 〜(f) はそれぞれ図１７(a) 〜(f) に対応するタイミングのポテンシャル分布を示しており、図２１に示すように、電荷掃き出し時にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψs が電荷転送時にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψt より低い場合、図２１(c) に示すようにシャッターゲート５が動作すると蓄積電荷Ｃs1の他に電荷Ｃ0 が余分に掃き出されてしまい、その後トランスファーゲート４が動作して電荷の読出を行う際、図２１(f) に示すようにトランスファーゲート４の導通時のレベルＥton とシャッターゲート５の導通時のレベルＥson との差，つまりエネルギー差（ψt −ψs ）以下の小さい蓄積レベルの信号電荷Ｃs3は読み出すことができないという問題点があった。
【００２１】また逆に図２２に示すように電荷掃き出し時にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψs が電荷転送時にリセットされる赤外線検出器１のポテンシャルレベルψt より高い場合、図２２(c) に示すようにシャッターゲート５が動作すると、蓄積電荷Ｃs1の一部Ｃs5しか掃き出されず、電荷Ｃs4が残ってしまい、その後トランスファーゲート４が動作して電荷の読出を行う際には、トランスファーゲート４の導通時のレベルＥton とシャッターゲート５の導通時のレベルＥson との差、つまりエネルギー差（ψt −ψs ）分の電荷Ｃs4を信号電荷Ｃs2の他に余分に読み出してしまい、信号のコントラストが低下するという問題点があった。
【００２２】そこで本件発明者はこのような問題点を解決した、改良型のリニアイメージセンサをすでに開発しており、以下このリニアイメージセンサについて説明する。
【００２３】図２３は改良型のリニアイメージセンサを説明するための図であり、図２３(a) は該センサを構成する素子のレイアウトの概略を示す平面図、図２３(b) は図２３(a) のＸＸIII ｂ−ＸＸIII ｂ線断面図である。図において、３００はこの改良型のリニアイメージセンサで、このセンサ３００では、オーバフロードレイン３及びＣＣＤ１２を共に光検出器１列の片側に配置し、しかもオーバフロードレイン３と光検出器１との間にＣＣＤ１２が位置するようにしている。またこのためシャッターゲート５はＣＣＤ１２とオーバフロードレイン３との間に配設し、光検出器１からオーバフロードレイン３への電荷の掃き出しをＣＣＤ１２を介して行うようにしている。なお、５ｂは上記ＣＣＤ１２の転送チャネル１２ｂとオーバフロードレイン３のＮ型不純物領域との間に形成されたＰ型不純物領域、５ａは該領域上にゲート絶縁膜１０ａを介して形成されたポリシリコンゲートで、これらは上記シャッターゲートトランジスタを構成している。その他の構成は図１５に示すリニアイメージセンサと同一である。
【００２４】次に動作について図２４ないし図２６を用いて説明する。図２４は上記リニアイメージセンサ３００のＣＣＤ転送ゲートの構造及び該転送ゲートとその駆動クロックとの接続関係を、また図２５はこのリニアイメージセンサの電荷読出動作中における図２３(a) のＸＸIII ｂ−ＸＸIII ｂ線に沿ったポテンシャル分布の変化を示しており、また図２６はこのリニアイメージセンサの各ゲートに印加する信号の波形図であり、これらの図を用いて電荷読出動作について説明する。
【００２５】まず、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔa0）、このゲート４が開き、つまり該ゲート４のポテンシャルレベルがオフレベルＥtoffからオンレベルＥton に低下し、それまでに光検出器１内で蓄積された信号電荷Ｃs がＮ型不純物領域４ｂを通ってＣＣＤチャネル１２ｄ内に転送される（図２５(f) ）。その後上記駆動クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa1）、ゲート４のポテンシャルレベルはもとのレベルＥtoffに戻り、上記ゲート４は閉じる。この時赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidは図１５R>５のセンサ２００の場合と同様の理由で上記トランスファーゲート４のオンレベルＥton （エネルギーレベルψt)にリセットされることとなる。
【００２６】これと同時に、ＣＣＤ１２では電荷転送動作が開始され、その後転送期間（Ｘt ）が経過するまでの期間（Ｔa1＜ｔ＜Ｔb2）中、図２５(a) に示すように赤外線検出器１では電荷の蓄積が、またＣＣＤ１２では電荷転送動作が行われる。その後さらに赤外線検出器１ではシャッターゲート５が開くまでの期間（Ｔb2≦ｔ＜Ｔb3）は、図２５(b) に示すように赤外線の入射量に応じて信号電荷Ｃe が蓄積される。そしてシャッターゲート５の駆動クロックＣＬs 及びトランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔb3）、この両ゲート５，４が開き、つまり図２５(c) に示すように該ゲート５，４のポテンシャルレベルがそれぞれオフレベルＥsoff，ＥtoffからオンレベルＥson ，Ｅton に低下し、それまでに光検出器１内で蓄積された信号電荷Ｃe がＣＣＤ１２のチャネル１２ｂを通ってオーバフロードレインのＮ型不純物領域３内に掃き出される。
【００２７】その後上記両駆動クロックＣＬs ，ＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔb4）、両ゲート５，４のポテンシャルレベルはもとのレベルＳtoff，Ｅtoffに戻り、上記両ゲート５，４は閉じる（図２５(d) ）。この時赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidはシャッターゲート５のオンレベルＥson とは関係なく、上記トランスファーゲート４の開閉動作の場合と同様、上記トランスファーゲート４のオンレベルＥton （ψt ）にリセットされることとなり、電荷読出時と電荷掃出時とで赤外線検出器１のポテンシャルレベルが変動することはない。
【００２８】その後赤外線検出器１では、トランスファーゲート４が開くまで，つまりシャッター時間（Ｘs ）が経過するまでの期間（Ｔb4＜ｔ＜Ｔb5）は、図２５(e) に示すように赤外線の入射量に応じて信号電荷Ｃs が蓄積され、さらにこの間に蓄積された電荷Ｃs は、トランスファーゲート４の駆動クロックＣＬt のパルス期間（Ｔb5≦ｔ＜Ｔb6）内にＣＣＤチャネル１２へ転送される（図２５(f) ）。その後上記駆動クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔb6）、ＣＣＤ１２では電荷転送を開始する（図２５(g) ）。そして順次電荷読出サイクル（Ｘr ）にて図２５(a) 〜(g) により説明したように光検出器１からＣＣＤ１２への電荷読出を行う。
【００２９】ここで以上の動作を行うためには素子各部のポテンシャルレベルが、トランスファーゲート（Ｅton)、ＣＣＤチャネル（Ｅcc）、シャッターゲート（Ｅson ）、オーバーフロードレイン（Ｅod）の順に深くなっていくように設定する必要があるが、素子各部のＰ型およびＮ型不純物領域の不純物濃度を制御するなどの方法によって容易に実現できる。
【００３０】なお、上記改良型のリニアイメージセンサのように光検出器の信号電荷をＣＣＤを介してオーバフロードレイン等に引き抜くという考え方は、特開昭62−200761号公報や特開昭60−120555号公報に開示されており、例えば特開昭62−200761号公報には固体撮像素子において、一次元アレイ状の光検出器の片側に電荷転送部を、さらに光検出器からみて電荷転送部の向こう側にオーバフロードレインを配置し、光検出器の信号電荷を電荷転送部を介してオーバフロードレインに掃き出すようにしたものが、また特開昭60−120555号公報には固体撮像装置において、一次元アレイ状の光検出器の両側にＣＣＤレジスタを、さらに該両レジスタの外側にそれぞれダミーシフトレジスタを配置し、光検出器の残留電荷をＣＣＤシフトレジスタを介してダミーシフトレジスタに引き抜くようにしたものが示されている。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】上記説明した改良型のリニアイメージセンサでは、赤外線検出器１に蓄積された信号電荷Ｃe を、ＣＣＤ１２を通してオーバフロードレイン３に掃き出すようにしているため、ＣＣＤ転送中に電荷掃き出し動作を行おうとすると、転送中の信号電荷と掃き出された電荷とが混ざり合う場合があり、ＣＣＤ１２の転送動作中はシャッターゲート５を導通させることができず、このためＣＣＤ転送期間と電荷掃き出し期間とを別々の時間帯に設定しているが、この場合シャッター時間（Ｘs)が電荷読出サイクル（Ｘr)における電荷転送期間（Ｘt)経過後の短い時間に制限されてしまい、特に赤外線の入射量が少ない場合には、十分な信号電荷の蓄積に支障をきたすという問題点があった。
【００３２】この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、電荷読み出し時と電荷掃き出し時とで検出器のリセットレベルがシフトすることなく、完全な電子シャッター動作を行うことができ、しかもシャッター時間を電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができ、赤外線の入射量が少ない場合であっても十分な信号電荷の蓄積を行うことができるリニアイメージセンサ及びその駆動方式を得ることを目的とする。
【００３３】
【課題を解決するための手段】この発明に係るリニアイメージセンサは、一次元アレイ配列の光検出器列とオーバフロードレインとの間に配置された電荷転送部を、上記光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有し、個々の光検出器からの信号電荷を上記光検出器配列方向へ転送する電荷結合素子と、上記各々の光検出器とこれに対応する４つ以上の転送ゲートのうちの特定の１つとの間に設けられ、光検出器から電荷結合素子への電荷転送を制御するトランスファーゲートと、上記特定の転送ゲートと電荷排出部との間に設けられ、電荷転送部から電荷排出部への電荷転送を制御するシャッターゲートとから構成し、上記４つ以上の転送ゲートを４相以上の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うようにしたものである。
【００３４】この発明は上記リニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたものである。
【００３５】この発明は上記リニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを４相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたものである。
【００３６】この発明は上記リニアイメージセンサにおいて、上記各光検出器に対応する複数の転送ゲートを、該転送ゲート数以上の相数の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うようにしたものである。
【００３７】この発明に係るリニアイメージセンサの駆動方式は、リニアイメージセンサの電荷転送回路として、一次元アレイ配列の光検出器の１つに対して４つ以上の転送ゲートを有する電荷結合素子を用い、上記４つ以上の転送ゲートに４相以上の駆動クロックを印加して光検出器からの信号電荷の転送動作を行うとともに、上記個々の光検出器とこれに対応する４つ以上の転送ゲートの特定の１つとの間に挿入されたトランスファーゲート、及び該特定の転送ゲートと電荷排出回路との間に挿入されたシャッターゲートを、それぞれ上記特定の転送ゲート両側の転送ゲートがオフしているタイミングで導通するようにし、これにより個々の光検出器からの信号電荷を電荷転送回路により転送すると同時に、該信号電荷を上記電荷転送回路を介して外部に排出するようにしたものである。
【００３８】
【作用】この発明においては、一次元アレイ配列の光検出器列とオーバフロードレインとの間に配置された電荷転送部の電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有する構成とし、４相以上の駆動クロックを対応する転送ゲートに印加するようにしたから、電荷転送動作中に最低限隣接する３つの転送ゲートがすべて閉じた状態が発生することとなり、このため転送中の信号電荷と掃き出された電荷とが混ざり合うことなく、この真ん中の転送ゲートを通して光検出器から電荷排出部への電荷の掃き出しを行うことができる。つまり、電荷転送部での信号電荷の転送動作中に信号電荷の掃き出しを行うことができ、これによりシャッターゲートを開けるタイミングを電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができる。
【００３９】またこの発明においては、さらに上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたので、信号電荷の転送動作における蓄積電荷の掃き出しに５つの転送ゲートのうち隣接する３つの転送ゲートを用いても、残りの２つを転送動作に用いることができ、光検出器からの信号電荷を転送ゲート２つ分によるポテンシャル井戸内に受け入れて、転送ゲート２つ分のポテンシャル井戸に対応した量の電荷を転送することができる。
【００４０】この発明においては、上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを４相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたので、５相駆動の場合に比べて、転送ゲート及び駆動クロックを１つづつ少なくすることができ、ＣＣＤ部分の構成の簡略化を図ることができる。
【００４１】
【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明する。図１はこの発明の一実施例による赤外線リニアイメージセンサの構成を示す平面図であり、従来の改良型リニアイメージセンサの説明に用いた図２４に対応している。図において、２は第１〜第５の５相のクロック信号φ1 〜φ5 により駆動されるＣＣＤで、１つの光検出器１に対して５つの第１〜第５転送ゲート２ａ〜２ｅを有しており、該各転送ゲートには対応するクロック信号が印加されるようになっている。そしてその他の構成は図２４２４に示した従来のリニアイメージセンサ３００と同一であり、例えば上記トランスファーゲート４は第１転送ゲート２ａと光検出器１との間に、またシャッターゲート５は第１転送ゲート２ａとオーバフロードレイン３との間に配設されている。なお２ｆは上記ＣＣＤ２のＮ型チャネル領域である。
【００４２】次に図２〜図５を用いて動作について説明する。図２は電荷読出の際上記リニアイメージセンサの各ゲートに印加されるクロック信号を、また図３は電荷読出動作中の図１のIII −III 線断面に沿ったポテンシャル分布の変化を示しており、さらに図４は信号電荷がＣＣＤ中を転送される様子を、図５は電荷転送中に信号電荷が掃き出されるタイミングを示している。
【００４３】まずＣＣＤ２の通常の電荷転送動作について説明する。上記ＣＣＤ２の第１及び第２転送ゲート２ａ，２ｂの下側にのみポテンシャル井戸が形成されている期間中（Ｔa0≦ｔ＜Ｔa1）に、トランスファーゲート制御クロックＣＬt が立ち上がり（ｔ＝Ｔa0）、図３(f) のようにトランスファーゲート４が開くと、赤外線検出器１内に蓄積された信号電荷Ｃs が上記ポテンシャル井戸内に流れ込み、その後上記制御クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa1）、図３(g) のようにトランスファーゲート４が閉じ、その後図４に示すようにこの信号電荷Ｃs の転送が開始される。なお、図４では各光検出器１からそれぞれに対応する第１及び第２転送ゲート２ａ，２ｂのポテンシャル井戸に転送された電荷をＡ〜Ｄで示している。
【００４４】以下この転送動作を、上記ＣＣＤ駆動クロックが５相である、つまり各クロックφ1 〜φ5 の位相が順次７２°（２π／５）づつ遅らせてあるため、信号電荷を１つの光検出器１から次の光検出器１に対応する位置まで転送するための期間を第１〜第１０の転送期間に分けて説明する。
【００４５】まず、第１転送期間（Ｔa1≦ｔ＜ｔ1 ）には、上記第１及び第２転送ゲート２ａ，２ｂの下側に形成されていたポテンシャル井戸が第３転送ゲート２ｃの下側に広がり、その次の第２転送期間（ｔ1 ≦ｔ＜ｔ2 ）には第１転送ゲート２ａの下側のポテンシャル井戸が消失するため、赤外線検出器１からＣＣＤ２に転送された信号電荷Ａ〜Ｄは、上記両転送期間中に転送ゲート１つ分移動することとなる。
【００４６】さらに続く第３転送期間（ｔ2 ≦ｔ＜ｔ3 ）及び第４転送期間（ｔ3 ≦ｔ＜ｔ4 ）でも上記と同様にして信号電荷Ａ〜Ｄがまた転送ゲート１つ分移動し、その後このような信号電荷の移動が第５及び第６転送期間、第７及び第８転送期間、さらに第９及び第１０転送期間にそれぞれ転送ゲート１つ分づづ行われ、これによって信号電荷Ａ〜Ｄが光検出器１一つ分の距離転送されることとなる。
【００４７】上記ＣＣＤ２はこのような転送動作を繰り返すことにより、信号電荷を順次出力アンプ８を介して外部に出力する。
【００４８】次に、このような電荷転送動作中にシャッター動作，つまり赤外線検出器１から信号電荷を掃き出す動作について図３及び図５を用いて説明する。図３(a) 〜(g) はそれぞれシャッター動作が行われる転送期間（ｔn0≦ｔ≦ｔn7）において、図１のIII −III 線に沿ったポテンシャル分布を示しており、特に図３(a) は第１転送ゲート２ａにポテンシャル井戸が形成されている期間（ｔn0＜ｔ＜ｔn1）を、また図３(b) はシャッター動作が行われる第４転送期間の１つ前の第３転送期間（ｔn3≦ｔ＜Ｔc2）を示している。ここで第４転送期間（Ｔc2≦ｔ＜Ｔc3）は、通常の電荷転送動作中には第１転送ゲート２ａとその両側の第５，第２転送ゲート２ｅ，２ｂの下側にはポテンシャル井戸が形成されない期間である。
【００４９】上記電荷転送中にシャッター動作を行う転送サイクルでは、上記第４転送期間に第１転送ゲート２ａの駆動クロックφ1 及びトランスファーゲート制御クロックＣＬｔを、シャッターゲート制御クロックＣＬs とともに立ち上げ（ｔ＝Ｔc2）、これにより図３(c) に示すようにトランスファーゲート４及びシャッターゲート５のポテンシャルレベルをそれぞれＥton ，Ｅson まで下げる同時に、第１転送ゲート２ａのポテンシャルレベルを転送井戸の形成時のレベルＥccまでさげる。これにより赤外線検出器１内に蓄積されていた信号電荷Ｃｅが図５に示すように第１転送ゲート２ａの下側のポテンシャル井戸を通過してオーバフロードレイン３に掃き出される。
【００５０】そして上記制御クロックＣＬt およびＣＬs が立ち下がると（図３(d) ）、赤外線検出器１，ＣＣＤ２およびオーバフロードレイン３が分離され、その後は赤外線検出器１では信号電荷の蓄積が行われ、またＣＣＤ２では信号電荷が順次第１転送ゲート２ａを通過して転送されることとなる。図３(e) はこのような動作中のある時間（ｔ＝ｔ7 ）におけるポテンシャル分布を示している。
【００５１】そしてトランスファーゲート４の制御クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔa4）、図３(f) のようにトランスファーゲート４が開き、赤外線検出器１内に蓄積された信号電荷Ｃs が上記第１及び第２転送ゲート２ａ，２ｂのポテンシャル井戸内に流れ込み、その後上記制御クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa5）、図３(g) のようにトランスファーゲート４が閉じ、以後ＣＣＤ２では上述したようにこの信号電荷Ｃs の転送が開始される。
【００５２】このように本実施例では、一次元アレイ配列の光検出器１列とオーバフロードレイン３との間に配置された電荷転送部のＣＣＤ２を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲート２ａ〜２ｅを有する構成とし、５相の駆動クロックφ1 〜φ5 を対応する転送ゲートに印加するようにしたので、電荷転送動作中に隣接する３つの転送ゲートがすべて閉じた状態が発生することとなり、このためこの真ん中の第１転送ゲート２ａを通して光検出器１からオーバフロードレイン３への電荷の掃き出しを、この電荷とＣＣＤ２の転送電荷とが混ざり合うことなく行うことができる。つまり、電荷転送部での信号電荷の転送動作中に信号電荷の掃き出しを行うことができ、これによりシャッターゲートを開けるタイミングを電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができる。
【００５３】また上記電荷結合素子２を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲート２ａ〜２ｅを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックφ1 〜φ5 により制御して電荷転送を行う構成としたので、信号電荷の転送動作において転送ゲート１つ分の余裕ができることとなり、つまりこれを転送動作に用いることができることとなり、光検出器からの信号電荷を転送ゲート２つ分によるポテンシャル井戸内に受け入れることができ、転送電荷の量を２倍にすることができる。
【００５４】さらに信号電荷読み出し時と電荷掃き出し時との検出器リセットレベルの変動を防止することができる。つまり電荷蓄積時には、赤外線検出器１のポテンシャルレベルＥidはトランスファーゲート４のポテンシャルレベルＥton にリセットされ、また電荷掃き出し時にはトランスファーゲート４およびシャッターゲート５に正電圧が印加され、図３(c) のようにトランスファーゲート４及びシャッターゲート５のポテンシャルレベルがともにレベルＥton ，Ｅson まで下がり、信号電荷Ｃs はＣＣＤチャネル１２を通過してオーバーフロードレイン３へと転送されるが、この場合も、検出器のポテンシャルレベルＥidはトランスファーゲート４のポテンシャルレベルＥton にリセットされる。したがって、検出器のリセットレベルはトランスファーゲート４のトランジスタの特性によってのみ決まり、電荷読み出し時でも掃き出し時でも常にエネルギーレベルψT となり、ウェハプロセスのばらつきによって両レベルがシフトすることなく、完全な電子シャッター動作が行える。
【００５５】なお上記実施例では、ＣＣＤとして５相駆動のものを示したが、これは電荷転送量が少なくてよい場合には、構造が簡単な４相駆動のものを用いてもよい。
【００５６】以下本発明の第２の実施例によるリニアイメージセンサとして、４相駆動ＣＣＤを用いたものについて説明する。図６〜図１０は本発明の第２の実施例によるリニアイメージセンサを説明するための図であり、それぞれ上記第１実施例の説明に用いた図１〜図５に対応しており、図６は赤外線リニアイメージセンサの各素子のレイアウトを示しており、図７は電荷読出の際、上記リニアイメージセンサの各ゲートに印加されるクロック信号を、また図８は電荷読出動作中の図６のＶIII −ＶIII 線断面に沿ったポテンシャル分布の変化を示しており、さらに図９は信号電荷がＣＣＤ中を転送される様子を、図１０は電荷転送中に信号電荷が掃き出されるタイミングを示している。
【００５７】この実施例では、電荷結合素子として、１つの光検出器１に対して第１〜第４の４つの転送ゲート２０ａ〜２０ｄを有し、４相駆動クロックφ1 〜φ4 により駆動される４相ＣＣＤ２０を用いており、その他の構成は上記第１の実施例と全く同一である。なお２０ｅはＣＣＤ２０のＮ型電荷転送チャネルである。
【００５８】次に動作について説明する。まずＣＣＤ２０の通常の電荷転送動作について説明する。上記ＣＣＤ２０の第１転送ゲート２０ａの下側にのみポテンシャル井戸が形成されている期間中（Ｔa0≦ｔ＜Ｔa1）に、トランスファーゲート制御クロックＣＬt が立ち上がり（ｔ＝Ｔa0）、図８(f) のようにトランスファーゲート４が開くと、赤外線検出器１内に蓄積された信号電荷Ｃs が上記ポテンシャル井戸内に流れ込み、その後上記制御クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa1）、図８(g) のようにトランスファーゲート４が閉じ、その後図９R>９に示すようにこの信号電荷Ｃs の転送が開始される。なお、図９では各光検出器１からそれぞれに対応する第１転送ゲート２０ａのポテンシャル井戸に転送された電荷をＡ〜Ｅで示している。
【００５９】以下この転送動作を、上記ＣＣＤ駆動クロックが４相である、つまり各クロックφ1 〜φ4 の位相が順次９０°づつ遅らせてあるため、信号電荷を１つの光検出器１から次の光検出器１に対応する位置まで転送するための期間を第１〜第８の転送期間に分けて説明する。
【００６０】まず、第１転送期間（Ｔa1≦ｔ＜ｔ1 ）には、上記第１転送ゲート２０ａの下側に形成されていたポテンシャル井戸が第２転送ゲート２０ｂの下側に広がり、その次の第２転送期間（ｔ1 ≦ｔ＜ｔ2 ）には第１転送ゲート２０ａの下側のポテンシャル井戸が消失するため、赤外線検出器１からＣＣＤ２０に転送された信号電荷Ａ〜Ｅは、上記両転送期間中に転送ゲート１つ分移動することとなる。
【００６１】さらに続く第３転送期間（ｔ2 ≦ｔ＜ｔ3 ）及び第４転送期間（ｔ3 ≦ｔ＜ｔ4 ）でも上記と同様にして信号電荷Ａ〜Ｅがまた転送ゲート１つ分移動し、その後このような信号電荷の移動が第５及び第６転送期間、さらに第７及び第８転送期間にそれぞれ転送ゲート１つ分づづ行われ、これによって信号電荷Ａ〜Ｅが光検出器１一つ分に相当する距離転送されることとなる。
【００６２】そして上記ＣＣＤ２０はこのような転送動作を繰り返すことにより、信号電荷を順次出力アンプ８を介して外部に出力する。
【００６３】次に、このような電荷転送動作中でのシャッター動作，つまり赤外線検出器１から信号電荷を掃き出す動作について図８及び図１０を用いて説明する。図８R>８(a) 〜(g) はそれぞれシャッター動作が行われる転送期間（ｔn0≦ｔ≦ｔn7）において、図６のＶIII −ＶIII 線に沿ったポテンシャル分布を示しており、特に図８(a) は第１転送ゲート２ａにポテンシャル井戸が形成されている期間（ｔn0＜ｔ＜ｔn1）を、また図８(b) はシャッター動作が行われる第４転送期間の１つ前の第３転送期間（ｔn3≦ｔ＜Ｔd2）を示している。ここで第４転送期間（Ｔd2≦ｔ＜Ｔd3）は、通常の電荷転送動作中には第１転送ゲート２ａとその両側の第４，第２転送ゲート２０ｄ，２０ｂの下側にはポテンシャル井戸が形成されない期間である。
【００６４】上記電荷転送中にシャッター動作を行う転送サイクルでは、上記第４転送期間に第１転送ゲート２０ａの駆動クロックφ1 及びトランスファーゲート制御クロックＣＬｔを、シャッターゲート制御クロックＣＬs とともに立ち上げ（ｔ＝Ｔd2）、これにより図８(c) に示すようにトランスファーゲート４及びシャッターゲート５のポテンシャルレベルをそれぞれオンレベルＥton ，Ｅson まで下げると同時に、第１転送ゲート２０ａのポテンシャルレベルを転送井戸の形成時のレベルＥccまでさげる。これにより赤外線検出器１内に蓄積されていた信号電荷Ｃｅが図１０に示すように第１転送ゲート２０ａの下側のポテンシャル井戸を通過してオーバフロードレイン３に掃き出される。
【００６５】そして上記制御クロックＣＬt およびＣＬs が立ち下がると（ｔ＝Ｔd3）、赤外線検出器１，ＣＣＤ２およびオーバフロードレイン３が分離され（図８(d) ）、赤外線検出器１では信号電荷Ｃs の蓄積が行われ、またＣＣＤ２０では信号電荷が順次第１転送ゲート２０ａを通過して転送されることとなる。図８(e) はこのような動作中のある時間（ｔ＝ｔ7 ）におけるポテンシャル分布を示している。
【００６６】そしてトランスファーゲート４の制御クロックＣＬt が立ち上がると（ｔ＝Ｔa4）、図８(f) のようにトランスファーゲート４が開き、赤外線検出器１内に蓄積された信号電荷Ｃs が上記第１転送ゲート２ａのポテンシャル井戸内に流れ込み、その後上記制御クロックＣＬt が立ち下がると（ｔ＝Ｔa5）、図８(g) のようにトランスファーゲート４が閉じ、以後ＣＣＤ２０では上述したようにこの信号電荷Ｃs の転送が開始される。
【００６７】このように本実施例では、一次元アレイ配列の光検出器１とオーバフロードレイン３との間に配置された電荷転送部のＣＣＤ２０を、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲート２０ａ〜２０ｄを有する構成とし、４相の駆動クロックφ1〜φ4 を対応する転送ゲートに印加するようにしたので、上記実施例と同様ＣＣＤ２０での信号電荷の転送動作中に信号電荷の掃き出しを、掃出電荷とＣＣＤ中の転送電荷との混ざり合いを招くことなく行うことができ、これによりシャッターゲートを開けるタイミングを電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができる。
【００６８】また５相駆動ＣＣＤに比べて転送ゲートおよび駆動クロックが１つ少なくすることができ、構造の簡略化を図ることができるが、ＣＣＤの転送電荷容量が半減するというデメリットもあり、用途によっては５相以上のＣＣＤを用いる方が有利である場合もある。
【００６９】なお、上記各実施例では、各光検出器の転送ゲートの個数と、転送ゲートを駆動する駆動クロックの相数とが同一である場合について示したが、これは転送ゲートを、各光検出器の転送ゲート数より多い相数の駆動クロックにより駆動するようにしてもよい。
【００７０】次に本発明の第３の実施例によるリニアイメージセンサとして、各光検出器に対して転送ゲートが４つある電荷転送素子を８相の駆動クロックにより駆動するようにしたものについて説明する。図１１〜図１４はこの実施例のリニアイメージセンサを説明するための図であり、それぞれ上記第２実施例の説明に用いた図６R>６，図７，図９，図１０に対応している。つまり図１１は赤外線リニアイメージセンサの各素子のレイアウトを示しており、図１２は電荷読出の際、上記リニアイメージセンサの各ゲートに印加されるクロック信号を、また図１３は信号電荷がＣＣＤ中を転送される様子を、図１４R>４は電荷転送中に信号電荷が掃き出されるタイミングを示している。なお電荷読出動作中の図１１のＸ−Ｘ線断面に沿ったポテンシャル分布の変化は上記第２の実施例のもの（図８参照）と同一である。
【００７１】この実施例では、図１１に示すように電荷転送素子の駆動クロックとして８相駆動クロックφ1'〜φ8'を用い、一次元アレイ状に配列された光検出器のうち奇数番目の光検出器１の転送ゲート２０ａ〜２０ｄには第１〜第４の駆動クロックφ1'〜φ4'を、偶数番目の光検出器１′の転送ゲート２０ａ′〜２０ｄ′には第５〜第８の駆動クロックφ5'〜φ8'を印加するようにしており、その他の構成は上記第２の実施例と全く同一である。
【００７２】ここで、第１〜第８の駆動クロックφ1'〜φ8'は、ＣＣＤ駆動パルスの周期がそれぞれ第２実施例の駆動クロックの２分の１となっており、また上記ＣＣＤ駆動パルスの位相については順次４５度づつ遅らせてある。言い換えるとクロックφ1'とφ5'、φ2'とφ6'、φ3'とφ7'、φ4'とφ8'を重合わせたものが、それぞれ上記第２実施例で用いた駆動クロックφ1 ，φ2 ，φ3 ，φ4 となっている。但し上記第１の駆動クロックφ1'と第５の駆動クロックφ5'とは、シャッターゲート制御クロックＣＬs が発生するタイミング（ｔ＝Ｔd2）で同時に、光検出器１内の蓄積電荷を掃き出すためのパルスを発生するようになっている（図１２参照）。
【００７３】このような構成の第３の実施例では、ＣＣＤ２０の通常の電荷転送動作は図１３に示すように、また電荷転送動作中でのシャッター動作については図１４に示すように上記第２の実施例のリニアイメージセンサと全く同様に行われ、第２の実施例と同様の効果を奏する。
【００７４】
【発明の効果】以上のように、この発明に係るリニアイメージセンサ及びその駆動方式によれば、一次元アレイ配列の光検出器列とオーバフロードレインとの間に配置された電荷転送部の電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有する構成とし、４相以上の駆動クロックを対応する転送ゲートに印加するようにしたので、電荷転送動作中に最低限隣接する３つの転送ゲートがすべて閉じた状態が発生することとなり、これにより転送中の信号電荷と掃き出された電荷とが混ざり合うことなく、この真ん中の転送ゲートを通して光検出器から電荷排出部への電荷の掃き出しを行うことができる。つまり、電荷転送部での信号電荷の転送動作中に信号電荷の掃き出しを行うことができ、これによりシャッターゲートを開けるタイミングを電荷読出サイクル中の任意の時間に設定することができる効果がある。
【００７５】またこの発明によれば上記リニアイメージセンサにおいて、さらに上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたので、信号電荷の転送動作における蓄積電荷の掃き出しに５つの転送ゲートのうち隣接する３つの転送ゲートを用いても、残りの２つを転送動作に用いることができ、光検出器からの信号電荷を転送ゲート２つ分によるポテンシャル井戸内に受け入れて、転送ゲート２つ分のポテンシャル井戸に対応した量の電荷を転送することができる効果がある。
【００７６】またこの発明によれば上記リニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子を、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを４相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行う構成としたので、５相駆動の場合に比べて、転送ゲート及び駆動クロックを１つづつ少なくすることができ、ＣＣＤ部分の構造の簡略化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による赤外線リニアイメージセンサの構造を示す平面図である。
【図２】上記イメージセンサにおける５相駆動ＣＣＤの電荷読出動作を説明するための信号波形図である。
【図３】上記電荷読出動作中における図１のIII −III 線に沿ったポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図４】上記５相ＣＣＤの電荷転送動作中における電荷転送方向のポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図５】この電荷転送動作中における蓄積電荷の掃き出しタイミングを示すＣＣＤ部のポテンシャル分布図である。
【図６】この発明の第２の実施例による、４相駆動ＣＣＤを備えた赤外線リニアイメージセンサの構造を示す平面図である。
【図７】上記イメージセンサにおける４相駆動ＣＣＤの電荷読出動作を説明するための信号波形図である。
【図８】上記電荷読出動作中における図６のＶIII −ＶIII 線に沿ったポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図９】上記４相ＣＣＤの電荷転送動作中における電荷転送方向のポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図１０】この電荷転送動作中における蓄積電荷の掃き出しタイミングを示すＣＣＤ部のポテンシャル分布図である。
【図１１】この発明の第３の実施例による、第２実施例のＣＣＤを８相の駆動クロックにより駆動するようにした赤外線リニアイメージセンサの構造を示す平面図である。
【図１２】このイメージセンサにおける８相駆動ＣＣＤの電荷読出動作を説明するための信号波形図である。
【図１３】上記８相駆動ＣＣＤの電荷転送動作中における電荷転送方向のポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図１４】この電荷転送動作中における蓄積電荷の掃き出しタイミングを示すＣＣＤ部のポテンシャル分布図である。
【図１５】従来の電子シャッター機構を搭載した赤外線リニアイメージセンサの構成図であり、図１５(a) は概略平面図、図１５(b) はそのＸＶｂ−ＸＶｂ線の断面図である。
【図１６】このイメージセンサにおける電荷読出サイクルとシャッター時間との関係を示す波形図である。
【図１７】このイメージセンサの電荷読出動作中における図１５のＸＶｂ−ＸＶｂ線に沿ったポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図１８】上記従来の赤外線リニアイメージセンサにおける各部のゲート電極の配置を示す図である。
【図１９】この赤外線リニアイメージセンサの電荷転送動作を行うための信号波形を示す図である。
【図２０】この電荷転送動作中のＣＣＤ部におけるポテンシャル井戸の変化を示す図である。
【図２１】従来のリニアイメージセンサにおける、トランスファーゲートのオン時のポテンシャルがシャッターゲートのものより高い場合の問題点を説明するためのポテンシャル分布図である。
【図２２】図２１の場合とは逆に、トランスファーゲートのオン時のポテンシャルがシャッターゲートのものより低い場合の問題点を説明するためのポテンシャル分布図である。
【図２３】上記従来の赤外線リニアイメージセンサにおける問題点を解決した改良型の赤外線リニアイメージセンサを説明するための図であり、図２３(a) は概略平面図、図２３(b) はそのＸＸIII ｂ−ＸＸIII ｂ線の断面図である。
【図２４】この改良型赤外線リニアイメージセンサにおける各部のゲート電極の配置を示す図である。
【図２５】このイメージセンサの電荷読出動作中における図２３のＸＸIII ｂ−ＸＸIIIｂ線に沿ったポテンシャル分布の変化を示す図である。
【図２６】このイメージセンサの電荷読出動作を行うための信号波形を示す図である。
【符号の説明】
１，１′ 赤外線検出器
１ａ 白金シリサイド層
２，２０ ＣＣＤ
２ａ〜２ｅ 第１〜第５の転送ゲート
２ｆ，２０ｅ ＣＣＤ電荷転送チャネル
３ オーバフロードレイン
４ トランスファーゲート
４ｂ トランスファーゲート用トランジスタのチャネル形成領域
５ シャッターゲート
５ｂ シャッターゲート用トランジスタのチャネル形成領域
８ 出力アンプ
９ Ｐ型シリコン基板
９ａ ダイオード形成用Ｐ型Ｓｉ領域
１０ ショットキダイオード
１０ａ ゲート絶縁膜
１１ ガードリング
２０ａ〜２０ｄ，２０ａ′〜２０ｄ′ 第１〜第４の転送ゲート
１００，１２０ 赤外線リニアイメージセンサ
Ｃe 掃出電荷
Ｃs 信号電荷
Ｅid 検出器ポテンシャルレベル
Ｅcc ＣＣＤポテンシャルレベル
Ｅod オーバーフロードレインポテンシャルレベル
Ｅson ，Ｅsoff シャッターゲートのオン時，オフ時のポテンシャルレベル
Ｅton ，Ｅtoff トランスファーゲートのオン時，オフ時のポテンシャルレベル
Ｉc ＣＣＤ転送ゲート入力端子
Ｉs シャッターゲート入力端子
Ｉt トランスファーゲート入力端子
φ1 〜φ5 、φ1'〜φ8' ＣＣＤ駆動クロック
ψs シャッター動作によるリセットレベル
ψt トランスファー動作によるリセットレベル
【特許請求の範囲】
【請求項１】 半導体基板上に１次元アレイ状に配列され、入射光を受けて信号電荷を発生する複数の光検出器と、該光検出器列の片側にこれと平行に配置され、各光検出器内に蓄積された信号電荷を転送する電荷転送部と、該電荷転送部の片側であって上記光検出器列と反対側に位置するよう配置され、上記各光検出器内の蓄積電荷を上記電荷転送部を介して受けて外部に排出する電荷排出部とを備えたリニアイメージセンサにおいて、上記電荷転送部を、上記光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有し、個々の光検出器からの信号電荷を上記光検出器配列方向へ転送する電荷結合素子と、上記各々の光検出器と、これに対応する４つ以上の転送ゲートのうちの特定の１つとの間に設けられ、光検出器から電荷結合素子への電荷転送を制御するトランスファーゲートと、上記特定の転送ゲートと電荷排出部との間に設けられ、電荷転送部から電荷排出部への電荷転送を制御するシャッターゲートとから構成し、上記各光検出器の転送ゲートを４相以上の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うようにしたことを特徴とするリニアイメージセンサ。
【請求項２】 請求項１記載のリニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子は、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うものであることを特徴とするリニアイメージセンサ。
【請求項３】 請求項１記載のリニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子は、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを４相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うものであることを特徴とするリニアイメージセンサ。
【請求項４】 請求項１記載のリニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子は、上記各光検出器に対応する複数の転送ゲートを、該転送ゲート数以上の相数の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うものであることを特徴とするリニアイメージセンサ。
【請求項５】 リニアイメージセンサを、その個々の光検出器からの信号電荷が電荷転送回路により転送されるとともに、該信号電荷が該電荷転送回路を介して電荷排出回路に送られて外部に排出されるよう駆動するリニアイメージセンサの駆動方式において、上記電荷転送回路として、光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有する電荷結合素子を用い、上記４つ以上の転送ゲートに４相以上の駆動クロックを印加して光検出器からの信号電荷の転送動作を行い、上記個々の光検出器とこれに対応する４つ以上の転送ゲートの特定の１つとの間に挿入されたトランスファーゲート、及び該特定の転送ゲートと電荷排出回路との間に挿入されたシャッターゲートを、それぞれ上記特定の転送ゲート両側の転送ゲートがオフしているタイミングで導通するようにしたことを特徴とするリニアイメージセンサの駆動方式。
【請求項１】 半導体基板上に１次元アレイ状に配列され、入射光を受けて信号電荷を発生する複数の光検出器と、該光検出器列の片側にこれと平行に配置され、各光検出器内に蓄積された信号電荷を転送する電荷転送部と、該電荷転送部の片側であって上記光検出器列と反対側に位置するよう配置され、上記各光検出器内の蓄積電荷を上記電荷転送部を介して受けて外部に排出する電荷排出部とを備えたリニアイメージセンサにおいて、上記電荷転送部を、上記光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有し、個々の光検出器からの信号電荷を上記光検出器配列方向へ転送する電荷結合素子と、上記各々の光検出器と、これに対応する４つ以上の転送ゲートのうちの特定の１つとの間に設けられ、光検出器から電荷結合素子への電荷転送を制御するトランスファーゲートと、上記特定の転送ゲートと電荷排出部との間に設けられ、電荷転送部から電荷排出部への電荷転送を制御するシャッターゲートとから構成し、上記各光検出器の転送ゲートを４相以上の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うようにしたことを特徴とするリニアイメージセンサ。
【請求項２】 請求項１記載のリニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子は、上記光検出器１つに対して５つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを５相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うものであることを特徴とするリニアイメージセンサ。
【請求項３】 請求項１記載のリニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子は、上記光検出器１つに対して４つの転送ゲートを有し、これらの転送ゲートを４相の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うものであることを特徴とするリニアイメージセンサ。
【請求項４】 請求項１記載のリニアイメージセンサにおいて、上記電荷結合素子は、上記各光検出器に対応する複数の転送ゲートを、該転送ゲート数以上の相数の駆動クロックにより制御して電荷転送を行うものであることを特徴とするリニアイメージセンサ。
【請求項５】 リニアイメージセンサを、その個々の光検出器からの信号電荷が電荷転送回路により転送されるとともに、該信号電荷が該電荷転送回路を介して電荷排出回路に送られて外部に排出されるよう駆動するリニアイメージセンサの駆動方式において、上記電荷転送回路として、光検出器１つに対して４つ以上の転送ゲートを有する電荷結合素子を用い、上記４つ以上の転送ゲートに４相以上の駆動クロックを印加して光検出器からの信号電荷の転送動作を行い、上記個々の光検出器とこれに対応する４つ以上の転送ゲートの特定の１つとの間に挿入されたトランスファーゲート、及び該特定の転送ゲートと電荷排出回路との間に挿入されたシャッターゲートを、それぞれ上記特定の転送ゲート両側の転送ゲートがオフしているタイミングで導通するようにしたことを特徴とするリニアイメージセンサの駆動方式。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図６】
【図７】
【図１６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２４】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図６】
【図７】
【図１６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２４】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２５】
【図２６】
【特許番号】第２９７５２１６号
【登録日】平成１１年（１９９９）９月３日
【発行日】平成１１年（１９９９）１１月１０日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−１８６２１８
【出願日】平成４年（１９９２）６月１８日
【公開番号】特開平６−６５１５
【公開日】平成６年（１９９４）１月１４日
【審査請求日】平成９年（１９９７）８月２１日
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【登録日】平成１１年（１９９９）９月３日
【発行日】平成１１年（１９９９）１１月１０日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）６月１８日
【公開番号】特開平６−６５１５
【公開日】平成６年（１９９４）１月１４日
【審査請求日】平成９年（１９９７）８月２１日
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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