JP2008099174A - 信号電荷の読出方法および固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子増倍を用いながらノイズの増幅を低減した撮像装置および信号電荷の読出方法を提供。
【解決手段】撮像素子10は、光電変換により生成した信号電荷を蓄積する蓄積領域36と、蓄積領域36に電圧を印加する透明電極42と、蓄積領域36から読み出された信号電荷を転送する垂直CCD 14とを含む。垂直CCD 14には、垂直CCD 14に電圧を印加するゲート電極34がある。蓄積領域36から垂直CCD 14に信号電荷を読み出すときに、透明電極42とゲート電極34に電圧を印加して、通常の読出し時よりも大きな電位差を作り、電子増倍を生じさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子増倍を用いた信号電荷の読出方法、および該方法を用いた固体撮像装置に関するものである。

従来、半導体技術において、電子増倍は、主として故障解析に関して検討されてきた。ここで、電子増倍とは、インパクトイオン化（衝突電離）またはホットエレクトロン等により、電荷、すなわち電子または正孔が、なだれ的に増えることをいう。電子増倍は、たとえばインパクトイオン化により次のように発生する。

インパクトイオン化とは、電荷が高電界領域中を通過するとき、電界によって加速されて、中性原子に衝突し、次々と多数の新たな電荷を生じさせるものである。シリコン(Si)基板中に形成される高電界領域中の電界により加速された電荷は、中性のSi原子に衝突し、別の電荷（自由電子とホール）を発生させる。そして、その発生した電荷がさらに別の中性原子に衝突して、再び新たな電荷を発生させる。このように、電荷は次々と衝突を繰り返し、多数の新たな電荷を発生させ、なだれ的に電荷量を増加させる。これを電子増倍と呼ぶ。

そのため、従来技術では、特許文献１のように、電子増倍を抑える技術に関する特許が多い。一方で、撮像素子では、特許文献２のように、電子増倍を利用した高感度撮像素子もある。特許文献２では、垂直転送路を信号電荷が転送されているときに、垂直転送路において、繰り返しインパクトイオン化を生じさせて、電子増倍を行っている。
特開平８−３４００９９号公報 特開２００２−２９０８３６号公報

しかし、特許文献２に記載されるような従来技術では、アンプ部の直前に増幅部を設けることが多く、アンプ部に到達するまでに混入するノイズも、電子増倍により増幅してしまう。

本発明はこのような課題に鑑み、電子増倍を用いながらノイズの増幅を低減した撮像装置および信号電荷の読出方法を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、光電変換により生成した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送部とを含む撮像素子における電荷蓄積部から電荷転送部への信号電荷の読出方法において、電荷蓄積部に電圧を印加する蓄積部電極と、電荷転送部に電圧を印加する転送部電極とを設け、電荷蓄積部から電荷転送部に信号電荷を読み出すときに、蓄積部電極と転送部電極に電圧を印加して、電子増倍を生じさせることを特徴とする。

これによれば、本発明は、画素部の電荷蓄積部から電子を読み出す際に電子増倍をかける構造を有する。そして、電荷蓄積部の近くに、たとえばフォトダイオードの開口付近に透明電極を配置する。フォトダイオードの表面近傍を、電荷読出電圧（たとえば、プラス(＋)）の逆電位（たとえば、マイナス(−)）にすることで電位差を大きくし、電子増倍を生じさせる。本発明では、アンプ部から離れている電荷蓄積部から読み出すときに電子増倍が生じるため、電子増倍を用いながらノイズの増幅を低減することができる。

本発明において、蓄積部電極に印加される電圧および転送部電極に印加される電圧のうち少なくとも一方を可変にすることができる。たとえば、可変な電圧の大きさを、電子増倍が生じない大きさに設定することができる。これによれば、電子増倍を起こす場合と、起こさない場合を切り替えられる。このときの電圧としては、たとえば、フォトダイオードの表面近傍の電位を、通常の読出し時の読出電圧と同程度にする。この結果、蓄積部から転送部に読み出す電位差が小さくなり、電子増倍が起きないようにできる。このような動作をさせる目的は、信号電荷の量によって、電子増倍を行うかどうかを選択できるようにするためである。たとえば、高輝度被写体を撮影する際や、低感度撮影時のように、蓄積部に蓄積される信号電荷が多いときは、電子増倍を起こさずに読み出す。一方、低輝度被写体を撮影する高感度撮像時のように、蓄積部に蓄積される信号電荷が少ないときは、読出し時に電子増倍を生じさせる。

電子増倍を行う場合でも、可変な電圧の大きさを変えることにより、電子増倍の大きさ、すなわち増幅率を制御することができる。たとえば、フォトダイオードの表面近傍の電位を、転送部に印加される電荷読出電圧と逆電位にすることで電位差を大きくし、その電圧をコントロールすることで電子増倍の増倍率を変える。これによって、信号電荷量に応じて増幅率を変えることができ、転送路の飽和信号量等も考慮して、増幅率を、読出し電位差を制御することによって任意に設定することができる。

本発明においては、蓄積部電極および転送部電極に電圧を、読出し時とは反対方向に信号電荷が流れるように印加し、電荷転送部に読み出された信号電荷を、電荷蓄積部に戻した後、蓄積部電極と転送部電極に、電子増倍を生じさせる電圧を再度印加して、再読出しを行うこととしてもよい。

これは、電子増倍を何度も起こさせることを目的として、たとえばフォトダイオード表面に高電圧をかけることで、転送部に読み出された信号電荷を読み戻すことを可能とするものである。読み戻した信号電荷を再度読み出し、その際に電子増倍を起こすことで増倍率をコントロールする。

たとえば、フォトダイオードの表面近傍を、通常の読出し時の電荷読出し電圧と同じ電位にするとともに、転送部を、この電圧よりも低く設定することで、転送部の電荷をフォトダイオードに読み戻す。その後、再度転送部への読み出しを行い、その際に電子増倍が起きるように電圧を設定する。読戻し回数を増減させることによって、電子増倍率を増減させることができる。これによれば、信号電荷の量に応じて増幅率を変えることができ、読出し回数に応じて増倍率を任意に設定することができる。

さらに本発明においては、電子増倍を生じさせる電圧を、印加中に変化させることとしてもよい。これは、電圧を印加しているときの様子を、過渡解析的に分析すると、電荷蓄積部、たとえばフォトダイオード内の蓄積信号量に応じて、読出しに要する時間が変化していることに着目したものである。読出しに要する時間内に電圧を変化させることで、読出し時間、すなわち信号量に応じて電子増倍率を設定することができる。そのために、たとえばμ秒オーダで印加電圧の制御を行う駆動部を用いる。そして、フォトダイオードの蓄積電荷量（信号量）が、転送部に読み出されていくことに合わせて、読出し電圧を変化させる。このように読出し電圧の変化を制御することで、増幅後の信号量を任意のものにすることができる。すなわち、印加電圧を発生し出力するタイミングジェネレータなどの駆動部を用いて、所定のパターンを有する電圧の印加を行うことで、信号量に応じた電荷の増幅が可能となる。

変化する電圧の変化は、印加中に電圧の大きさが減少する変化であってもよく、また、変化する電圧の変化は、印加中に電圧の大きさが増加する変化であってもよい。印加中に電圧の大きさが増加する場合、読出し電圧の大きさを、読み出しパルス印加時に上げていくことになり、読出し時間の長い（信号量の多い）画素ほど、増幅効果が大きくなる。すなわち電子増幅率を、読出し電圧の印加時に制御することにより、ダイナミックレンジの拡大ができる。

さらに本発明は、上述の課題を解決する既述の方法を実施するために、光電変換により信号電荷を生成する光電変換部と、生成した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送部とを含む固体撮像装置において、電荷蓄積部に電圧を印加する蓄積部電極と、電荷転送部に電圧を印加する転送部電極と、蓄積部電極と転送部電極に電子増倍を生じさせることが可能な電圧を印加する駆動部とを含み、電荷蓄積部から電荷転送部に信号電荷を読み出すときに、電子増倍を生じさせることを特徴とする。

さらに、本発明の固体撮像装置において、上述のように、読出し時のダイナミックレンジの拡大が達成されることに注目して、これを活用した優れた画素構造と、プログレッシブスキャンの同時実現を目的として、電荷蓄積部の面積は、電子増倍を行わない電荷蓄積部の面積より小さく、電荷転送部の面積は、電子増倍を行わない電荷転送部の面積より大きくする。

これは、本発明においては電荷蓄積部、たとえばフォトダイオードの感度を飽和状態に近い状態にすることができるため、転送部、たとえば垂直転送路の転送飽和量を大きくすることが重要になることに注目したものである。すなわち、１画素内のフォトダイオードの面積占有率を落として(小さくして)、垂直転送路の面積占有率を上げることができる。このように十分に垂直転送路の容量を確保することで、垂直転送を２回に分けて行うフィールド読出しを用いる必要がなくなるため、プログレッシブスキャンが可能である。すなわち、ダイナミックレンジの拡大と、プログレッシブスキャンの実現を両立させることができる。

また、本発明では上述の課題を解決するために、光電変換により生成した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から信号電荷を読み出す電荷読出部とを含む撮像素子における電荷蓄積部から該電荷読出部への信号電荷の読出方法において、電荷蓄積部に電圧を印加する蓄積部電極と、電荷読出部に電圧を印加する読出部電極とを設け、電荷蓄積部から電荷読出部に信号電荷を読み出すときに、蓄積部電極と読出部電極に電圧を印加して、電子増倍を生じさせることができる。

本発明によれば、画素部から電子等の電荷を読み出す際に電子増倍をかける構造を持つため、電子増倍を用いながらノイズの増幅を低減した撮像装置および信号電荷の読出方法を提供できる。また、読出し時に高電圧を用いる電子増倍において、電子増倍の有無を切り替えることや、電子増幅を効率よく生じさせること、さらに電子増倍を複数回繰り返し行うこと等ができる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の実施例を詳細に説明する。最初に、固体撮像装置に含まれる撮像素子の構造について説明する。図１は、撮像素子10の光電変換領域及び電荷転送領域の断面構造を示す。本実施例は、フォトダイオード12を用いたCCD(Charge Coupled Device)型撮像素子である。フォトダイオード12は、光電変換により信号電荷を生成する光電変換部と、生成した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とを兼ねている。なお本発明は、光電変換部と電荷蓄積部が分離している撮像素子、たとえば、光電変換部が有機光電変換膜であり、有機光電変換膜とは別に、CMOS回路等からなる電荷蓄積部を設けた撮像素子にも適用できる。また、本発明は、CCD型撮像素子のみならず、MOS型撮像素子にも適用できるものである。

電荷蓄積部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送部として、CCD型撮像素子では、垂直CCD 14を用いる。フォトダイオード12から垂直CCD 14への信号電荷の読出しを制御するために、読出しゲート16を設ける。なお、以下においては、同様なものに対しては、同一の参照符号を用いる。

次に、各部の構造について説明する。図１において、シリコンよりなるＮ型半導体基板18の表面部にＰ型ウェル領域20が形成されている。Ｐ型ウェル領域20内に垂直CCD 14のＰ型ウェル領域22が形成されている。Ｐ型ウェル領域22内にＮ型不純物拡散層24が形成されており、Ｐ型ウェル領域20内にフォトダイオード12のＮ型不純物拡散層26が形成されている。Ｎ型不純物拡散層26の上部にＰ型不純物拡散層28が形成されている。さらにＰ型不純物拡散層30が、隣接する画素を分離するために形成されている。撮像素子10の上部には、酸化膜等よりなる絶縁膜32を介して、ポリシリコンよりなるゲ−ト電極34が設けられている。

Ｐ型ウェル領域20およびＮ型不純物拡散層26よりなるフォトダイオ−ドによって、光電変換を行ない、光電変換によって生成された信号電荷は、蓄積領域36に蓄積される。Ｐ型ウェル領域22およびＮ型不純物拡散層24によって、信号電荷を転送する垂直電荷転送部が構成される。読出チャンネル38は、Ｐ型不純物拡散層28とＮ型不純物拡散層24との間に形成される。ゲ−ト電極34を覆うようにして遮光膜40を設けている。

ゲ−ト電極34と遮光膜40との間には絶縁膜32aを設けている。絶縁膜32および絶縁膜32bを介して、透明電極42を設けている。透明電極42は、蓄積領域36に電圧を印加するためのものである。均質な透明電極42としては、酸化錫(SnO₂)、酸化チタン(TiO₂)、酸化インジウム(InO₂)、酸化インジウム-錫(ITO)薄膜を用いるが、これに限るものではない。

この撮像素子10において、従来の読出方法の場合における電圧の印加状態を図2(a)に示す。図２において、横軸は時間、縦軸は電圧である。図2(a)の(1)は、垂直同期信号44であり、これに同期させて、図2(a)の(2)に示す電圧46が、ゲ−ト電極34に印加される。具体的には、垂直同期信号44に同期して、ハイレベルの読出しパルス46aがゲ−ト電極34に印加されて、蓄積領域36から信号電荷が垂直CCD 14に読み出される。読み出された後、中間レベルの電圧46bおよびローレベルの電圧46cがゲ−ト電極34に、交互に印加される。その結果、読み出された信号が、垂直CCD 14を垂直方向に、順次転送される。中間レベルの電圧46bおよびローレベルの電圧46cは、いわゆる３相、４相などの転送電圧であり、本発明では、どのようなものでも利用できる。

図2(a)の(2)に示す電圧46が、ゲ−ト電極34に印加されたときの垂直CCD 14、フォトダイオード12、読出しゲート16のポテンシャルを示すポテンシャル図を図３に示す。図３の縦軸は、電子に関するポテンシャルを示し、縦軸の矢印の向きにポテンシャルが低い。したがって、電子は、矢印50のように低いポテンシャルの方へ移動する。ポテンシャル48a、48b、48cは、それぞれ、図2(a)の(2)の読出しパルス46a、中間レベルの電圧46bおよびローレベルの電圧46cが印加されたときのポテンシャルを示す。本図に示すように、読出しパルス46aが印加されると、垂直CCD 14のポテンシャルが、蓄積領域36のポテンシャルよりも下がり、そのため、読出しが、矢印50のように起こる。

中間レベルの電圧46bおよびローレベルの電圧46cが印加されたときは、蓄積領域36のポテンシャルよりも高くなることがあるが、読出しゲート16のポテンシャルが障害となって、垂直CCD 14と、蓄積領域36との間では、信号電荷の移動は起こらない。また、垂直CCD 14のポテンシャルと、蓄積領域36のポテンシャルとの間の差は小さく、ポテンシャル48aの勾配は緩やかであるため、電子増倍は起こらない。

図２に戻って、図2(b)は、本実施例における印加電圧を示す。図2(b)の(1)は、垂直同期信号44であり、図2(b)の(2)は、ゲ−ト電極34に印加される電圧46を示す。垂直同期信号44、および電圧46は、図2(a)と同様である。図2(b)の(3)は、透明電極42に、印加される電圧52を示す。電圧52は、読出し時に透明電極42に、ハイレベルの読出しパルス46aと逆の極性のパルス52aを印加する。画素部の透明電極に負の電位をかけることにより、読み出し時のフォトダイオード12と垂直CCD 14との間の電位差を大きくする。したがって、電子増倍が起きる。一方、読出し時以外は、電圧52は、オフ状態である。

図2(a)の(2)、(3)に示す電圧46、52が、ゲ−ト電極34および透明電極42に印加されたときの垂直CCD 14、フォトダイオード12、読出しゲート16のポテンシャルを示すポテンシャル図を図1(b)に示す。図1(b)の縦軸は、電子に関するポテンシャルを示し、縦軸の矢印の向きにポテンシャルが低い。この点は、以下のポテンシャル図についても同様である。垂直CCD 14、および読出しゲート16のポテンシャル48a、48b、48cは、図３と同じである。フォトダイオード12のポテンシャルは、パルス52aが印加される前のポテンシャル54aから、パルス52aが印加されたときの低電位のポテンシャル54bに変わる。読出し時における垂直CCD 14のポテンシャルと、蓄積領域36のポテンシャルとの間の差は、矢印56で示すように、図３の場合よりも大きくなり、ポテンシャルの勾配が急であるため、電子増倍が起こる。

次に、本発明の別の実施例を説明する。本実施例では、蓄積部電極に印加される電圧を可変にする。可変な電圧の大きさを変えることにより、電子増倍の大きさを変える。さらに、可変な電圧の大きさを、電子増倍が生じない大きさに設定することも行う。電子増倍の大きさの変化のさせ方については、高輝度被写体を撮影する際や、低感度撮影時のように、蓄積部に蓄積される信号電荷が多いときは、電子増倍を起こさずに読み出す。一方、低輝度被写体を撮影する高感度撮像時のように、蓄積部に蓄積される信号電荷が少ないときは、読み出し時に電子増倍を起こさせる。その際に、露出値から増幅率を決定し、電子増倍の大きさを変える。本実施例では、カメラのユーザが、低感度撮影か高感度撮影かを指定し、高感度撮影が指定されたときは、自動的に露出値から増幅率を決定し、電子増倍の大きさを決定する。なお、撮像素子10は、図１に示す構造を有する。

図４は、蓄積部電極に印加される電圧を変える本実施例におけるポテンシャルを示し、図５は、図４のポテンシャルを実現するために印加される電圧を示す。図５において、横軸は時間、縦軸は電圧である。図5(1)は、垂直同期信号44であり、図5(2)は、ゲ−ト電極34に印加される電圧46を示す。垂直同期信号44、および電圧46は、図2(a)と同様である。図5(3)は、透明電極42に印加される電圧58を示す。電圧58には、ハイレベルの読出しパルス46aと逆の極性のパルス58aが含まれ、このパルス58aが読出し時に透明電極42に印加される。パルス58aは、本実施例では、ローレベル60a、中間レベル60b、ハイレベル60cの３段階に変更することが可能である。中間レベル60bは、図2(b)の(3)に示すパルス52aと同じパルス波高である。

図5の(2)、(3)に示す電圧46、58が、ゲ−ト電極34および透明電極42に印加されたときの垂直CCD 14、フォトダイオード12、読出しゲート16のポテンシャルを、図４は示す。図４の縦軸は、電子に関するポテンシャルを示し、縦軸の矢印の向きにポテンシャルが低い。垂直CCD 14の位置におけるポテンシャル48a、48b、48cは、図３と同じである。フォトダイオード12のポテンシャルは、パルス58aがローレベル60a、中間レベル60b、ハイレベル60cの３段階に変化することにそれぞれ応じて、ローレベル62a、中間レベル54b、ハイレベル62bの３段階に変わる。中間レベル54bは、図1(b)のポテンシャル54bと同じレベルである。透明電極の電位を任意の値に変化させることで、読出し時の電位差を制御して、電位勾配を任意に制御する。電位勾配に応じて、電子増倍の大きさが異なるため、電子増倍率を任意の値に変化させることができる。

次に、この撮像素子を用いた撮像装置について図６により説明する。本撮像装置は、本実施例の固体撮像素子をディジタルカメラ64に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。以下の説明で、信号は、その現れる接続線の参照番号で指示する。

ディジタルカメラ64の光学系66は、被写界からの入射光を、撮像部68において画像に結像させる。撮像部68には、図１に示す構造を有する固体撮像素子10が含まれる。固体撮像素子10は、図示しない色フィルタにより入射光を色分解し、この分解された色成分の光をフォトダイオード12で信号電荷に変換し、蓄積し、さらに電気信号として出力する。固体撮像素子10は、蓄積された信号電荷を、図示しない垂直転送路および水平転送路を経て、出力信号70として、前処理部72に供給する。

前処理部72は、アナログフロントエンド（AFE）機能を有する。この機能は、供給されるアナログ電気信号70に対する相関二重サンプリング（CDS）によるノイズ除去と、ノイズが除去されたアナログ電気信号のディジタル化、すなわちA/D変換である。前処理部72は、得られたディジタル信号74をメモリ部76に出力する。

メモリ部76は、供給されるディジタル信号74を一時格納し、出力する機能を有する。メモリ部76は、入力されたディジタル信号74をディジタル信号78として、バス80、信号線82を介して信号処理部84に出力する。

信号処理部84は、供給されるディジタル信号82に信号処理を施す機能を有する。信号処理部26は、図示しないAF制御機能部、AE制御機能部、AWB（Automatic White Balance）制御機能部等を含む。AF制御機能部は、生成した画像データを基に焦点調節する機能を有する。AE制御機能部は、生成した画像データを基に露出値を求めて、絞りおよびシャッタ速度を調節する機能を有する。AF制御機能部およびAE制御機能部は、得られたレンズ駆動情報および露出値を信号線82、バス80および信号線86を経てシステム制御部88に送る。AWB制御機能部は、生成した画像データを基にホワイトバランスを調節する機能を有する。

操作部90は、ユーザの指示を入力する操作装置であり、操作者の操作状態、たとえばシャッタボタン（図示せず）のストローク操作に応じて、操作信号92をシステム制御部88に供給する機能を有する。シャッタボタンは、半押しと全押しの２段押しが可能なものである。半押しされたときに、予備撮影が行われ、AF制御機能部、AE制御機能部により、レンズ駆動情報および露出値を生成する。全押しされたときに、生成されたレンズ駆動情報および露出値にしたがって、本撮影が行われる。操作部90には、感度指定ボタン94があり、感度指定ボタン94によりユーザは、低感度撮影を行う低感度撮影モードと、高感度撮影を行う高感度撮影モードのいずれかを指定することができる。指定された撮影モードは、操作信号92としてシステム制御部88に供給される。

システム制御部88は、入力されたレンズ駆動情報、露出値および操作信号92に従って、撮像部68およびレンズ66を制御する制御信号96を生成して、タイミングジェネレータ98に、信号線96を介して出力する。なお、システム制御部88は、具体的にはCPU(Central Processing Unit: 中央処理装置)により構成することができる。制御信号96には、低感度撮影モードと高感度撮影モードのいずれかを指定する信号が含まれる。高感度撮影モードが指定されているときは、システム制御部88は、露出値より増幅率を決定し、電子増倍の大きさを決定する。低感度撮影モードが指定されているときは、電子増倍は行われず、図2(a)に示す信号が撮像素子10に印加される。このときは、画素部の透明電極42に電圧をかけないため、従来技術の電位差と同じになり、電子増倍は起きない。

本実施例の高感度撮影モードにおいて、電子増倍の大きさは、ローレベル、中間レベル、ハイレベルの３段階である。システム制御部88は、露出値が大きいほど、すなわち入射光量が大きくなるにつれ、電子増倍の大きさは小さくする。すなわち、露出値の大、中、小に応じて、電子増倍の大きさを、ローレベル、中間レベル、ハイレベルとする。システム制御部88は、決定した電子増倍の大きさに対応する撮像部の駆動モードを決定する。駆動モードには、電子増倍の大きさのローレベル、中間レベル、ハイレベルに対応したモードと、電子増倍を行わないモードがある。決定された駆動モードをタイミングジェネレータ98に、信号線96を介して出力する。

タイミングジェネレータ98は、入力された制御信号96に従って、撮像部68の固体撮像素子10に対して垂直および水平同期信号、読出し信号(フィールドシフトゲート信号)、垂直および水平タイミング信号等、各種のタイミング信号を生成して、信号線100を介して撮像部68の固体撮像素子10に出力する機能を有する。垂直同期信号および読出し信号としては、図5(1)、図5(2)にそれぞれ示す信号を生成して出力する。タイミングジェネレータ98は、高感度撮影モードが指定されたときは、システム制御部88が決定した電子増倍の大きさに従って、透明電極42に印加される電圧58として、図5(3)に示すローレベル、中間レベル、ハイレベルのうちのいずれかを生成して、固体撮像素子10に出力する。低感度撮影モードが指定されているときは、図2(a)に示す信号を生成して、固体撮像素子10に出力する。なお、タイミングジェネレータ98は、カメラ64の各部の同期を取るための信号を、カメラ64の各部に供給しているが、これについては、本発明と直接関係がないため、これ以上言及しない。

固体撮像素子10は、タイミングジェネレータ98から入力された同期信号、読出し信号および透明電極42への印加電圧58等に従って、駆動され、得られた画像信号を出力する。

次に、この実施例における固体撮像装置64の動作を、図７のフローチャートを参照して説明する。この撮像装置64では、ユーザは、撮影開始前に操作部90の感度指定ボタン94により、高感度撮影モードと低感度撮影モードのいずれかを指定することができる。ユーザが感度を指定しないときは、デフォルトとして、低感度撮影モードが指定される。その後、ユーザがレリーズボタンを半押しして、予備撮像を指示すると、予備撮像指示を示す操作信号92がシステム制御部88に供給される。

システム制御部88は、操作信号92に応じて予備撮像指示を示す制御信号96を、タイミングジェネレータ98に供給する。タイミングジェネレータ98では、この制御信号96に応じてタイミング信号100を生成し、撮像部68に供給する。

被写界からの入射光が撮像部68に入射し、被写界像が撮像面に結像される。撮像部68では、タイミング信号100に応じて撮像面上の信号電荷が読み出され、アナログ電気信号70が生成されて前処理部72に供給される。このようにして、感度判定用画像の取り込みが行われる(ステップS10)。

前処理部72においてアナログ電気信号70は、CDS、GCAおよびA/D変換などの前処理が施されてディジタル画像信号78が生成される。ディジタル画像信号78は、画像メモリ76を介して、信号処理部84に供給される。

信号処理部24のAF制御機能部は、予備撮像により得られた画像データを基に焦点調節する。AE制御機能部は、この画像データを基に露出値を求めて、絞りおよびシャッタ速度を調節する。AF制御機能部およびAE制御機能部は、得られたレンズ駆動情報および露出値をシステム制御部88に送る。

システム制御部88は、入力された操作信号92に従って、本撮影のために必要な感度を判断する(ステップS12)。また、撮像部68およびレンズ66を制御する制御信号96を生成して、タイミングジェネレータ98に、信号線96を介して出力する。高感度撮影モードが指定されているときは、ステップS14に進む。このモードは、電子増倍(インパクトイオン化)現象を利用した処理である。システム制御部88は、露出値に基づいて必要な増幅率を判定する(ステップS16)。その増幅率を達成するために透明電極42に印加する電圧を、図5(3)に示すローレベル、中間レベル、ハイレベルの３段階のなかからシステム制御部88は設定する。設定後、システム制御部88は、ローレベル、中間レベル、ハイレベルに対応した駆動モードを決定する(ステップS18)。システム制御部88は、駆動モードをタイミングジェネレータ98に、信号線96を介して出力する(ステップS20)。タイミングジェネレータ98は、入力された駆動モードに従って、所定の信号を生成し、撮像部68に出力する。撮像部68は、その信号により駆動されて本撮像を行う。本撮像された画像データは、予備撮像のときと同様に、前処理部72、信号処理部84等により処理されて、本撮像は終了する。

ステップS12において、低感度撮影モードが指定されているときは、ステップS22に進む。このモードは、電子増倍を利用しない従来と同様の処理である。システム制御部88は、駆動モードとして、図2(a)に示す信号を生成する駆動モードを決定する。その後、ステップS20に進んで、撮影を終了する。

本実施例によれば、被写体の輝度、言い換えると、露出値または信号電荷量に応じて増幅率を変えることができ、転送路の飽和信号量等も考慮して、増幅率を、読出し電位差に応じて任意に設定することができる。

本実施例においては、露出値に応じた必要な増幅率を実現するために、透明電極に印加する電圧を変える方式を採用した。しかし、露出値に応じた必要な増幅率を実現する方法はこれ以外にも可能である。たとえば、次に説明する本発明の別の実施例のように、読み出しを繰り返すことにより、読出し回数を増減することにより、必要な増幅率を実現することもできる。

この実施例を図８、９により説明する。本実施例では、蓄積部電極および転送部電極に電圧を、読出し時とは反対方向に信号電荷が流れるように印加し、電荷転送部に読み出された信号電荷を、電荷蓄積部に戻した後、蓄積部電極と転送部電極との間に、電子増倍を生じさせる電圧を再度印加する。

すなわち、一度読み出した後、透明電極42によりフォトダイオードの表面近傍を、通常の読出し時の電荷読出し電圧と同じ電位にするとともに、転送部を、この電圧よりも低く設定することで、転送部の電荷をフォトダイオードに読み戻す。その後、再度転送部への読み出しを行い、その際に電子増倍が起きるように電圧を設定する。読戻し回数を増減させることによって、積算された実効的な電子増倍率を増減させることができる。前述の実施例と同様に信号電荷の量に応じて増幅率を変えることができ、読み出し回数に応じて増倍率を任意に設定することができる。なお、撮像素子10は、図１に示す構造を有する。

図８は、読み戻しを行う本実施例におけるポテンシャルを示し、図９は、図８のポテンシャルを実現するために印加される電圧を示す。図９において、横軸は時間、縦軸は電圧である。図9(1)は、垂直同期信号44であり、図9(2)は、ゲ−ト電極34に印加される電圧102、図9(3)は、透明電極42に印加される電圧104を示す。垂直同期信号44は図2(a)と同様である。

本実施例では、３回の読み出しと、２回の読み戻しを行う。電圧102は、１回目、２回目、３回目の読出し時にゲ−ト電極34に印加されるパルス102a、102b、102cを含み、電圧104は、これに対応して、１回目、２回目、３回目の読出し時に透明電極42に印加されるパルス104a、104b、104cを含む。パルス102a、102b、102cは、図2(2)に示すパルス46aと同一のパルス幅とパルス高を有する。パルス104a、104b、104cは、図2(3)に示すパルス52aと同一のパルス幅とパルス高を有する。

１回目と２回目の読出しの間に１回目の読み戻しを行ない、２回目と３回目の読出しの間に２回目の読み戻しを行なう。そのために、電圧102は、１回目、２回目の読戻し時に中間レベル102d、102eになる。電圧104は、これに対応して、１回目、２回目の読戻し時に透明電極42に印加されるパルス104d、104eを含む。パルス104d、104eは、図2(2)に示すパルス46aと同一のパルス幅とパルス高を有する。

図９の(2)、(3)に示す電圧102、104が、ゲ−ト電極34および透明電極42に印加されたときの垂直CCD 14、フォトダイオード12、読出しゲート16のポテンシャルを、図８は示す。図８の縦軸は、電子に関するポテンシャルを示し、縦軸の矢印の向きにポテンシャルが低い。フォトダイオード12から垂直CCD 14に読み出すときのポテンシャルを示すフォトダイオード12、垂直CCD 14、および読出しゲート16のポテンシャル54a、48a、48b、48cは、図３と同じである。ポテンシャル106a、106bは、垂直CCD 14からフォトダイオード12に読み戻すときの垂直CCD 14およびフォトダイオード12のポテンシャルを示す。垂直CCD 14のポテンシャルは、フォトダイオード12のポテンシャルよりも高いため、信号電荷は、垂直CCD 14からフォトダイオード12に流れる。このときの電位差は、矢印146が示すように、電子増倍を起こす電位差よりも小さく設定されているため、電子増倍は起こらない。

３回目の読出しを行った後に、通常の垂直転送を行う。図８には、読出し時の電子増倍を引き起こす図1(b)のポテンシャルは、図の明確化のために示さない。本実施例では、電子増倍を起こしながら３回の読み出しを行っているため、電子増倍を１回用いた読出しよりも信号電荷の量を増やすことができる。読み戻しの回数は、３回に限られるものではなく、必要な増幅率に応じて、回数を増減することができる。

次に、本発明の別の実施例を説明する。本実施例では、電子増倍を生じさせる電圧を印加中に変化させることとしてもよい。これは、電圧を印加中の様子を過渡解析的に詳細に分析すると、フォトダイオード内の蓄積信号量に応じて、読出しに要する時間が変化することに着目したものである。この読出しに要する時間内に電圧を変化させることで、読出し時間、すなわち信号量に応じて電子増倍率を設定することができる。そのために、たとえばμ秒オーダで印加電圧の制御を行う駆動部を用いる。そして、フォトダイオードの蓄積電荷量（信号量）が、転送部に読み出されていくことに合わせて、読出し電圧を変化させる。このように読出し電圧の変化を制御することで、増幅後の信号量を任意のものにすることができる。すなわち、印加電圧を発生し出力するタイミングジェネレータ等を用いて、所定のパターンを有する電圧の印加を行うことで、信号量に応じた電荷の増幅が可能となる。

フォトダイオード内の蓄積信号量に応じて、読出しに要する時間が変化することを図10により説明する。図10(a)は、図2(a)を再掲したものである。パルス46aは、本図に示すように矩形波と通常考えられる。しかし、図10(a)の電圧46を、図10(b)に示すように、時間的に拡大して示すと、矩形波の立ち上がり、立ち下がりに実際は時間を要しているために、台形に近い形である。

図10(a)の電圧46は、図に示すように、その最高値はハイレベル(Hi)であるが、図10(c)(1)では、電圧105の最高値を、電圧46のハイレベル(Hi)よりも高いハイレベル(Hi(max))としている。このハイレベル(Hi(max))を印加したときに、フォトダイオード内の蓄積信号量に応じて、読出しに要する時間が変化することを、図10(c)(2)により説明する。図10(c)(2)は、図10(c)(1)の電圧105をゲ−ト電極34に印加したときのフォトダイオード12および垂直CCD 14に存在する信号電荷量の時間変化を、信号電荷が多いときと少ないときについて示すグラフである。

グラフ106a、106b、106cは、信号電荷が多いときに、フォトダイオード内の蓄積信号量が、読出し開始から読出し終了までの間にどのように減少していくかを示す。グラフ108a、108b、108cは、グラフ106a、106b、106cに対応するものであり、フォトダイオードから読み出された信号電荷が、電子増倍を受けて、垂直CCDにどのように蓄積されていくかを示す。

一方、グラフ110a、110b、110cは、信号電荷が少ないときに、フォトダイオード内の蓄積信号量が、読出し開始から読出し終了までの間にどのように減少していくかを示す。グラフ112a、112b、112cは、グラフ110a、110b、110cに対応するものであり、フォトダイオードから読み出された信号電荷が、電子増倍を受けて、垂直CCDにどのように蓄積されていくかを示す。グラフ108a、108b、108cとグラフ112a、112b、112cとを比較すると、信号電荷量が多いほど、読み出しに時間が掛かることがわかる。本実施例では、この点に着目して、読出しに要する時間内に電圧を変化させることで、読出し時間、すなわち信号量に応じて電子増倍率を設定する。

図11に、読出しに要する時間内に電圧を変化させた例を示す。図11(a)は、図10(c)(1)に対応するものであり、ゲ−ト電極34に印加される電圧114を示す。図11(a)において、横軸は時間、縦軸は電圧である。電圧114は、図10(c)(1)の電圧105と異なり、電圧114aのようにハイレベル(Hi(max))に達した後、電圧値が徐々に低下する。図10(c)(1)の電圧105は、ハイレベル(Hi(max))に達した後、そのレベルを所定時間維持する。

図11(b)は、図11(a)の電圧114をゲ−ト電極34に印加したときのフォトダイオード12および垂直CCD 14に存在する信号電荷量の時間変化を、信号電荷が多いときと少ないときについて示すグラフである。フォトダイオード12に蓄積された信号量106a、110aは、図10(c)(2)と同じ量とする。グラフ116bは、信号電荷が多いときに、フォトダイオード内の蓄積信号量が、読出し開始から読出し終了までの間にどのように減少していくかを示す。比較のために、図10(c)(2)のグラフ106bも示す。グラフ118bは、グラフ116bに対応するものであり、フォトダイオードから読み出された信号電荷が、電子増倍を受けて、垂直CCDにどのように蓄積されていくかを示す。比較のために、図10(c)(2)のグラフ108bも示す。

一方、グラフ120bは、信号電荷が少ないときに、フォトダイオード内の蓄積信号量が、読出し開始から読出し終了までの間にどのように減少していくかを示す。グラフ122bは、グラフ120bに対応するものであり、フォトダイオードから読み出された信号電荷が、電子増倍を受けて、垂直CCDにどのように蓄積されていくかを示す。グラフ118bとグラフ108bとを比較すると、図11の場合の方が、増倍率が低く、転送路に読み出された信号電荷量が少ないことがわかる。図10(c)(1)にハッチングで示す領域Ａの面積の方が、図11(a)にハッチングで示す領域Ｂの面積より大きく、図10と図11を比較すると、図11の方が、増倍率が低くなる。このように、ゲート電極に印加する電圧を時間的に変化させることで、増倍率を変えることができる。

次に、図11とは異なる実施例を、図12により説明する。本実施例では、ゲート電極に印加する電圧を、印加中にその大きさを増加させるものである。読出し電圧の大きさを、読出しパルス印加時に上げていき、読出し時間の長い（信号量の多い）画素ほど、増幅効果が大きくなるようにする。すなわち電子増幅率を、読出し電圧の印加時に制御することにより、ダイナミックレンジを拡大する。

図12(a)は、ゲ−ト電極34に印加される電圧124を示す。図12(a)において、横軸は時間、縦軸は電圧である。電圧124は、図11(a)の電圧114と異なり、電圧124aに示すように、徐々にハイレベル(Hi(max))に達した後、ただちに電圧値が低下する。図11(a)の電圧114は、急速にハイレベル(Hi(max))に達した後、徐々にレベルを下げていくものであった。

図12(b)は、図12(a)の電圧124をゲ−ト電極34に印加したときのフォトダイオード12および垂直CCD 14に存在する信号電荷量の時間変化を、信号電荷が多いときと少ないときについて示すグラフである。フォトダイオード12に蓄積された信号量106a、110aは、図11と同じ量とする。グラフ126bは、信号電荷が多いときに、フォトダイオード内の蓄積信号量が、読出し開始から読出し終了までの間にどのように減少していくかを示す。グラフ128bは、グラフ126bに対応するものであり、フォトダイオードから読み出された信号電荷が、電子増倍を受けて、垂直CCDにどのように蓄積されていくかを示す。比較のために、図10(c)(2)のグラフ108bも示す
一方、グラフ130bは、信号電荷が少ないときに、フォトダイオード内の蓄積信号量が、読出し開始から読出し終了までの間にどのように減少していくかを示す。さらに、グラフ132bは、グラフ122bに対応するものであり、フォトダイオードから読み出された信号電荷が、電子増倍を受けて、垂直CCDにどのように蓄積されていくかを示す。グラフ128bとグラフ108bとを比較すると、図12の場合の方が、増倍率が高く、転送路に読み出された信号電荷量が多いことがわかる。ダイナミックレンジが拡大している。

なお、図11と図12の電圧波形を組み合せることも可能である。すなわち、図11(a)の電圧114aは、徐々に下がる波形であり、図12(a)の電圧124aは、徐々に上がる波形であるが、これらを組合せて、徐々に電圧を上げた後、徐々に電圧を下げる波形としてもよい。

次に、本発明によれば、読出し時のダイナミックレンジの拡大が達成されることに注目して、これを活用した画素構造と、プログレッシブスキャンの同時実現を目的として、電荷蓄積部の面積は、電子増倍を行わない電荷蓄積部の面積より小さく、電荷転送部の面積は、電子増倍を行わない電荷転送部の面積より大きくした実施例について説明する。

これは、本発明においては電荷蓄積部、たとえばフォトダイオードの感度を飽和状態にすることができるため、転送部、たとえば垂直転送路の転送飽和量を大きくすることが重要になることに注目したものである。すなわち、１画素内のフォトダイオードの面積占有率を小さくして、垂直転送路の面積占有率を上げることができる。このように十分に垂直転送路の容量を確保することで、垂直転送を２回に分けて行うフィールド読出しを用いる必要がなくなるため、プログレッシブスキャンが可能である。すなわち、ダイナミックレンジの拡大と、プログレッシブスキャンの実現を両立させることができる。

本実施例の撮像素子10における画素の平面配置を図13に示す。本実施例における固体撮像素子10では、図13に示すように、同一の行方向と同一の列方向に配される受光素子(フォトダイオード)12の間隔を、同一のピッチPPに設定し、一つの受光素子12に隣接する受光素子12を互いに行方向と列方向に1/2ピッチずらして配する。これは、いわゆるハニカム配列である。受光素子134の入射光側に形成するカラーフィルタは、三原色RGBを用いたものである。このように画素または受光素子12をずらして配しているため、垂直転送路14は、画素を迂回するように蛇行して形成される。

なお、図13において、撮像素子10全体でフォトダイオード12の占める割合と、転送路14の占める割合は、１画素のユニット単位134において、フォトダイオード12の占める割合と、転送路14の占める割合と同じである。そこで、１画素のユニット単位134において、両者の比を検討することにより、撮像素子10全体での両者の比がわかる。以下では、１画素のユニット単位134で、両者の比を検討する。

これまで述べてきたように本発明では、フォトダイオードから読み出す信号量が、読出し時に電子増倍により増幅されて大きくなるため、フォトダイオードの飽和容量を大きくすることなく、フォトダイオードから読み出す信号量を増やすことができる。そこで、フォトダイオードの飽和容量を増やすことよりも、転送路の飽和容量を大きくすることが求められる。また、フォトダイオードの蓄積信号量を、読出し時に増幅しているため、フォトダイオードの面積占有率を減らしたとしても、感度が下がるということはない。

そのため、１画素のユニット単位におけるフォトダイオード138および転送路140の従来の場合の面積占有割合を示す図14(a)に対して、本発明では、図14(b)のように、フォトダイオード142の面積占有率を減らし、転送路144の面積占有率を上げることが可能となる。このような占有率が、本発明に最適な画素構造である。この構造によれば、撮像素子の製造が容易であり、また十分に垂直転送路の容量を確保することができるため、垂直転送効率が向上し、また全画素読出しも可能となる。

本発明の一実施例に係る撮像素子10の光電変換領域及び電荷転送領域の断面図と、ポテンシャルを示すポテンシャル図である。 従来の読出方法および本発明の読出方法の場合における印加電圧を示す説明図である。 図２の場合における垂直CCD、フォトダイオード、読出しゲートのポテンシャルを示すポテンシャル図である。 本発明の別の実施例における垂直CCD、フォトダイオード、読出しゲートのポテンシャルを示すポテンシャル図である。 図４の読出方法の場合における印加電圧を示す説明図である。 本発明に係る固体撮像装置の一実施例を示すブロック図である。 図６に示す撮像装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の別の実施例における垂直CCD、フォトダイオード、読出しゲートのポテンシャルを示すポテンシャル図である。 図８の読出方法における印加電圧を示す説明図である。 本発明の他の実施例の概念を説明するために、電圧および信号電荷量の変化を示す図である。 読出しに要する時間内に電圧を徐々に下げるときの電圧および信号電荷量の変化を示す図である。 読出しに要する時間内に電圧を徐々に上げるときの電圧および信号電荷量の変化を示す図である。 撮像素子における画素の配置を示す平面図である。 フォトダイオードおよび転送路の面積占有割合を示す説明図である。

符号の説明

10 撮像素子
12 フォトダイオード
14 垂直CCD
16 読出しゲート
34 ゲ−ト電極
36 蓄積領域
42 透明電極
46、52、58、102、104、105、114、124 電圧

Claims (17)

1. 光電変換により生成した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、該電荷蓄積部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送部とを含む撮像素子における該電荷蓄積部から該電荷転送部への信号電荷の読出方法において、該方法は、
   前記電荷蓄積部に電圧を印加する蓄積部電極と、前記電荷転送部に電圧を印加する転送部電極とを設け、
   前記電荷蓄積部から前記電荷転送部に信号電荷を読み出すときに、該蓄積部電極と該転送部電極に電圧を印加して、電子増倍を生じさせることを特徴とする読出方法。
2. 請求項１に記載の読出方法において、前記蓄積部電極に印加される電圧および前記転送部電極に印加される電圧のうち少なくとも一方を可変にすることを特徴とする読出方法。
3. 請求項２に記載の読出方法において、前記可変な電圧の大きさを、電子増倍が生じない大きさに設定することを特徴とする読出方法。
4. 請求項２に記載の読出方法において、前記可変な電圧の大きさを変えることにより、電子増倍の大きさを変えることを特徴とする読出方法。
5. 請求項１に記載の読出方法において、前記蓄積部電極および前記転送部電極に電圧を、前記読出し時とは反対方向に前記信号電荷が流れるように印加し、前記電荷転送部に読み出された信号電荷を、前記電荷蓄積部に戻した後、前記蓄積部電極と前記転送部電極に、電子増倍を生じさせる電圧を再度印加して読出しを行うことを特徴とする読出方法。
6. 請求項１から５までのいずれかに記載の読出方法において、前記電子増倍を生じさせる電圧を印加中に変化させることを特徴とする読出方法。
7. 請求項６に記載の読出方法において、前記変化する電圧の変化は、印加中に該電圧の大きさが減少する変化であることを特徴とする読出方法。
8. 請求項６に記載の読出方法において、前記変化する電圧の変化は、印加中に該電圧の大きさが増加する変化であることを特徴とする読出方法。
9. 光電変換により信号電荷を生成する光電変換部と、該生成した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、該電荷蓄積部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送部とを含む固体撮像装置において、該装置は、
   前記電荷蓄積部に電圧を印加する蓄積部電極と、前記電荷転送部に電圧を印加する転送部電極と、該蓄積部電極と該転送部電極に、電子増倍を生じさせることが可能な電圧を印加する駆動部とを含み、前記電荷蓄積部から前記電荷転送部に信号電荷を読み出すときに、電子増倍を生じさせることを特徴とする固体撮像装置。
10. 請求項９に記載の固体撮像装置において、前記駆動部は、前記蓄積部電極に印加される電圧および前記転送部電極に印加される電圧のうち少なくとも一方を可変にすることを特徴とする固体撮像装置。
11. 請求項９に記載の固体撮像装置において、前記駆動部は、前記蓄積部電極および前記転送部電極に電圧を、前記読出し時とは反対方向に前記信号電荷が流れるように印加し、前記電荷転送部に読み出された信号電荷を、前記電荷蓄積部に戻した後、前記蓄積部電極と前記転送部電極に、電子増倍を生じさせることが可能な電圧を再度印加して読出しを行うことを特徴とする固体撮像装置。
12. 請求項９から11までのいずれかに記載の固体撮像装置において、前記駆動部が印加する電子増倍を生じさせる電圧は、印加中に変化することを特徴とする固体撮像装置。
13. 請求項12に記載の固体撮像装置において、前記変化する電圧の変化は、印加中に該電圧の大きさが減少する変化であることを特徴とする固体撮像装置。
14. 請求項12に記載の固体撮像装置において、前記変化する電圧の変化は、印加中に該電圧の大きさが増加する変化であることを特徴とする固体撮像装置。
15. 請求項９に記載の固体撮像装置において、前記電荷蓄積部の面積は、前記電子増倍を行わない電荷蓄積部の面積より小さく、前記電荷転送部の面積は、前記電子増倍を行わない電荷転送部の面積より大きいことを特徴とする固体撮像装置。
16. 光電変換により生成した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、該電荷蓄積部から信号電荷を読み出す電荷読出部とを含む撮像素子における該電荷蓄積部から該電荷読出部への信号電荷の読出方法において、該方法は、
    前記電荷蓄積部に電圧を印加する蓄積部電極と、前記電荷読出部に電圧を印加する読出部電極とを設け、
    前記電荷蓄積部から前記電荷読出部に信号電荷を読み出すときに、該蓄積部電極と該読出部電極に電圧を印加して、電子増倍を生じさせることを特徴とする読出方法。
17. 光電変換により信号電荷を生成する光電変換部と、該生成した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、該電荷蓄積部から信号電荷を読み出す電荷読出部とを含む固体撮像装置において、該装置は、
    前記電荷蓄積部に電圧を印加する蓄積部電極と、前記電荷読出部に電圧を印加する読出部電極と、該蓄積部電極と該読出部電極に、電子増倍を生じさせることが可能な電圧を印加する駆動部とを含み、前記電荷蓄積部から前記電荷読出部に信号電荷を読み出すときに、電子増倍を生じさせることを特徴とする固体撮像装置。