光デバイス／受光素子

２７．ＣＭＯＳの固体撮像素子への応用

　かつて、ビデオカメラのテレビコマーシャルに「ＣＭＯＳセンサーだから・・・」というコピーが使われていました。固体撮像素子としてはそれまでＣＣＤが中心的な存在でしたが、最近は携帯電話用のカメラやデジタルカメラなどの撮像素子にＣＭＯＳイメージセンサーが多く使われるようになっています。

　ＣＭＯＳのＣは「相補型」という意味です（半導体集積回路、７項参照）。ｎチャンネルとｐチャンネルのＩＧＦＥＴを対にして使うことにより、単独で使うより消費電力を大幅に減らすことができるのが特徴です。この消費電力が少ないという特徴が電池で動く携帯用の機器には向いているのです。ＣＣＤは電荷を転送するのに複数の電圧の電源が必要で、消費電力が結構大きいのです。

　それではＣＭＯＳをどのようにして撮像素子として使うのでしょうか。図２７－１を見て下さい。どこかで見たような回路ではありませんか。そうですね。ＤＲＡＭなどのメモリやアクティブマトリックス方式の液晶表示装置などで使われている縦横２次元にＩＧＦＥＴを並べた回路とよく似ています。なおこの図は単独のＩＧＦＥＴを使った回路を示していますが、これはＣＭＯＳをその通りに描くと複雑になり見にくいので簡略にするためです。

　さて、図を見るとＤＲＡＭでコンデンサが繋がっていたところ（ＩＧＦＥＴのドレイン）に受光素子ＰＤ（図は２×２部分が示され、ＰＤには11～22の添字が付けられています）が繋がっています。この受光素子はｐｎ接合ダイオードで、光が当たって吸収されると電子と正孔の対ができ、その電子と正孔が電流となります。受光素子とスイッチとしてはたらくＩＧＦＥＴが繋げられ、これがセルを構成しています。撮像素子では画素と言った方が良いでしょう。ＣＭＯＳイメージセンサーといってもＣＭＯＳ自身が光を検知するわけではなく、ＣＭＯＳはスイッチとしてはたらくだけです。

　ＩＧＦＥＴのゲートはワード線Ｗに繋がっています。またＩＧＦＥＴのソースにはビット線Ｂが繋げられています。このビット線の先にはＩＧＦＥＴ、ＴＢによるスイッチがあり、このＴＢのゲートはゲート信号線Ｇに繋がっています。

　両方のＩＧＦＥＴがｎチャンネル型としますと、ワード線Ｗ１の電圧をプラス電圧にし、ゲート信号線Ｇ１の電圧もプラスにすると、両方のＩＧＦＥＴがオンになって受光素子ＰＤ11の情報だけが、画像信号出力端子に出てきます。Ｗ1をそのままにし、Ｇ1を０に戻してＧ２をプラスにすれば、今度は受光素子12の情報が出力されます。このようにつぎつぎと各線の電圧を切り換えれば、各画素の情報が電気信号として得られます(1)。

　このような考え方はむしろ普通で、ＣＣＤのように特別な構造の素子で、電荷を転送するやり方は大変巧妙ですが、むしろ特殊と言えます。このような普通のやり方がなぜあまり使われなかったかと言うと、理由は肝心の光を受光する感度があまり高くなかったことと、雑音が多いので、弱い光をうまく撮像できなかったことが原因です。また２個のＩＧＦＥＴを対にして使うので、素子の面積が大きくなってしまい、これを小さくするためにはトランジスタを小さく作る高度な技術が必要だったことも原因です。

　ＣＭＯＳイメージセンサーの問題点だった感度、雑音の問題を改良するいろいろな努力がなされてきました。その一つが能動画素センサー（ＡＰＳ）というものです(2)。その典型的な回路（１画素分）を図２７－２に示します。上記のＣＭＯＳセンサーは受光素子で光を電流に変換し、それをそのまま出力します。ＡＰＳでは各画素で受光素子に電荷を貯めるようにし、その電荷量を正確に検出するようにしました。例えある一瞬ノイズが入っても貯まる電荷量にはあまり影響が出ません。

　Ｔ３のＩＧＦＥＴはリセット用です。最初にこれをオンにして受光素子ＰＤに貯まった電荷をリセットします。光を受光している間はＴ３はオフにします。受光素子ＰＤはｐｎ接合ですので、逆バイアス状態では導通せずコンデンサになり、光によって発生した電荷を自分で貯めます。受光素子ＰＤは右側のＩＧＦＥＴ：Ｔ１のゲートにも繋がっていますが、ゲートから電流が流れることはありませんから、電荷はＴ１側に流れることはありません。

　一定時間後、もう一つのＩＧＦＥＴ：Ｔ２をオンにするとＴ１のゲート電圧、すなわち受光素子に貯まった電荷量に従って２つのＩＧＦＥＴ：Ｔ１、Ｔ２のソース－ドレイン回路に電流が流れます。これで当たった光の強度が電流に変換されます。

　しかしこの回路には１画素当たりＩＧＦＥＴが３個も使われています。各トランジスタをＣＭＯＳで置き換えるとさらに倍のトランジスタが必要になります。ここでは立ち入りませんが、小さな画素の面積内にこのような回路を押し込めるためにはトランジスタを小さくしたり、トランジスタの数を減らす工夫がなされています。

　ＣＭＯＳは論理回路として集積化の技術が目覚ましく進んできました。同じ技術がイメージセンサにも使えるので、上記のような感度やノイズの問題解決が進むに連れ、1990年代後半辺りからＣＣＤの置き換えが進んできています。

(1)特開昭62－059472号

(2)特開平11－261895号

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