積層増幅型団体撮像素子

積層増幅型団体撮像素子

著者 黄 忠守

雑誌名 静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

巻 13

ページ 141‑142

発行年 1992‑03‑30

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1742

氏名 。 (本籍)

学 位 の 種 類 学 位 記 番 号 学位授与 の 日付 学位授与 の要件

雪品 暑蒜

学位論文 題 目

論文審査 委 員

黄       ^{忠    守}  (中 国

工 学 博 士

工博 甲第   54   ^号

平 成 2年 9月 25日 学位規則第 5条 第 1項 該当

電子科学研究科   ^{電子応用工学専攻}

績層増幅型団体撮像素子

(委

員長

教 授   助 り

教 授   萩 野 助教授   木   下

男 郎 隆 俊 藤 家 安 福

授   授 教   教

三 賞 久 徳     治

論 文 内 容 の 要 旨

近年 ,団 体撮像素子の画素密度の向上に伴 って ,感 度 ,飽 和信号量 ,ダ イナ ミツクレンジがほぼ画 素密度に反比例に減少する傾向がある。この問題を解決するために ,内 部増幅型団体撮像素子が提案 されている。 しか し ,増 幅型団体撮像素子は ,同 ^一

板の中に各画素の受光部 と増幅部並びに走 査回路を配置するので ,開 口率が小さく ,充 分な感度が得 られない欠点がある。本研究では ,開 口率 が 1に近い a̲si:H光 導電膜を MOSFETア レイの上に積層する積層増幅型固体撮像素子を提案 し

その特性に関する研究を行 らた。

積層増幅型素子は ,積 層する

Si:H膜 の構成並びに

板の導雷型を変える事により ,四 ^つの

素子構成 ,及 び出力電流が入射光強度 と共に増加する正極性モー ドと出力電流が入射光強度の増加 に つれて減少する負極性モー ドの 2つ の動作モー ドが可能である。素子構成 に関 して , Nチ ^ャネルの

MOSFETを 使用する二つの素子構成が高感度撮像素子に適用することが分かった。 2つ の動作 モー ドの光電変換特性を検討 した結果 ,正 極性モー ドでは負極性モー ドより大 きな飽和 レベルを持ち ,そ して

Si:H膜 のバイアス電

「

だけで簡単に飽和 レベルの大 きさを調節できることが分かった。そし て ,負 極性モー ドの素子では暗状態の出力電流が一番大きいのに対 して ,正 極性モー ドの素子では暗 状態の出力電流が一番小さいので ,高 密度の撮像素子では正極性モー ドの素子が好ましいことが分かつ

た。

次に ,信 号増幅の機構について ,信 号線抵抗 と寄生容量の効果を含む信号電荷利得と信号電流の理 論式を導出して ,素 子の画素密度 との関係を求めた。その結果 ,積 層増幅型素子に電流型増幅と容量

‑141‑

型増幅の 2つ の機構が存在する事が分かった。そして ,電 流型増幅は画素密度が小さい場合支配的で あり ,非 破壊読み出しモー ドで増幅を行 う。それに対 して ,容 量型増幅は画素密度が大 きい場合に支 配的になり ,破 壊読み出しモー ドで増幅を行 う事などを明 らかにした。また ,電 _{流型増幅では電荷利}

得が増幅用 FETの 伝達 コンダクタンスに正比例する事 ,容 量型増幅では電荷利得が信号線の容量 と 増幅用 FETの ゲー ト容量の比率に正比例することを示 した。

画素密度を向上する時 ,積 層増幅型団体撮像素子 と従来の団体撮像素子と比べて ,画 素寸法をスケ リング則に従 って k倍 _{縮小する場合} ,信 号電流 は CCD型 _{素子では約}

,非 積層構成の増幅型素子 では約 k倍 ,積 層増幅型素子では 1〜 k倍 で減少する事を明らかにした。積層構造の場合 ,画 素 ピッ チが光導電膜の厚さ

m)の 段階に縮小するまでは (2/3 inchの チップでは約 1千 6百 万以 上の画素数に相当する画素 ピッチ )ス ケ リング則に従って光導電膜の厚さを縮小する必要はないため

受光部か ら増幅部に伝送する信号雷 Fは 殆ど低下 しない。これは積層増幅型素子が高密度素子に適用 する主な理由である。

試作 した素子の温度特性を実験と理論両方から調べた。暗電流は a̲si:H膜 の暗電流により決まり

その影響を抑制できる適当な動作条件を明 らかにし ,現 状で室温か ら約

迄暗電流の影響を 1/2

以下に抑制できることを示 した。

増幅型団体撮像素子の リセット動作の数学モデルを与えて ,  リセットしたゲー ト電位が入射光量に 変調される現象を解明 した。理論計算 と実験結果により ,nチ ャネルのリセット用の MOSFETを 線 形領域で動作させる事により ,殆 ど除去できることを示 した。一方 ,  リセットしたゲー ト電位が入射 光量に変調される効果を利用する新 しい積分概念を基づいて ,残 像積分センサを提案 し ,個 別の素子 で残像積分モー ドの動作を確認 した。実験結果によると ,  このセンサの感度は低照度領域で従来の内 部増幅型撮像素子より更に

増加できることを示 した。更に ,  リセットパルスの幅を変えるだけ で ,簡 単に利得を調節できる事が分かった。このセンサは主に天文観察など被写体の移動速度が遅い

光照度が低い場合に適用する。長期間積分冷却 CCDセ ンサと比べて , 1.信 号利得 は入射光量 の低 下に伴 って自動的に増加 し , 2× 10 6w/耐 から

10 12w/cF(波 _長 =600ni)ま での広い光量 範囲の画像信号の検出に有効である ;2.通 常の放送用 TVカ メラと同 じフレーム周波数で動作で き

る等の利点があることが分かった。

これ らの結果を基にして素子の設計 と試作をした。感度は約

A/LX,光 電変換特性の線形性

を表す γ値 は 1,ゲ ー ト電圧は 3Vの _{時の信号電荷利得は約}

,ダ イナミックレンジでは負極性

モー ド素子には約 85dB,正 極性モー ド素子には約 100dBが ある事などを確認 した。ゲー トに換算 し

たランダムノイズは約 0.lmv,通 常の動作条件ではランダムノイズの主成分 は リッセ トノイズであ

る。固定パタンノイズは約 30mVで _,そ の主成分は増幅用の MOSFETの スレーショル ド電圧 のバ ラ

ツキである。