JP2008118421A - 撮像装置、固体撮像素子、及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】微細化によって光電変換素子の飽和容量に対して垂直電荷転送路の転送容量が小さく足りなくなる場合でも、正しく信号を読み出すことが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】複数の光電変換素子51と複数の垂直電荷転送路52が、ある光電変換素子51に注目したときに、注目した光電変換素子51の側部に2つの垂直電荷転送路52が水平方向に並んで配置されるように半導体基板50上に配設された固体撮像素子5を駆動する撮像素子駆動部10は、光電変換素子51で発生した電荷を、該光電変換素子51の側部にある2つの垂直電荷転送路52を用いて転送する駆動を行う第一の駆動モードと、該光電変換素子51で発生した電荷を、該光電変換素子51の側部にある2つの垂直電荷転送路52のうちの該光電変換素子51に隣接する垂直電荷転送路52を用いて転送する駆動を行う第二の駆動モードで固体撮像素子5を駆動する。
【選択図】図3
【解決手段】複数の光電変換素子51と複数の垂直電荷転送路52が、ある光電変換素子51に注目したときに、注目した光電変換素子51の側部に2つの垂直電荷転送路52が水平方向に並んで配置されるように半導体基板50上に配設された固体撮像素子5を駆動する撮像素子駆動部10は、光電変換素子51で発生した電荷を、該光電変換素子51の側部にある2つの垂直電荷転送路52を用いて転送する駆動を行う第一の駆動モードと、該光電変換素子51で発生した電荷を、該光電変換素子51の側部にある2つの垂直電荷転送路52のうちの該光電変換素子51に隣接する垂直電荷転送路52を用いて転送する駆動を行う第二の駆動モードで固体撮像素子5を駆動する。
【選択図】図3
Description
本発明は、半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を半導体基板表面の垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の各々と交差する方向に延びた電極であって、前記複数の垂直電荷転送路の各々上方で前記垂直方向に配列された複数の電極とを含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える撮像装置に関する。
図15は、従来のCCD(Charge Coupled Device)型固体撮像素子の平面模式図である。
図15に示した固体撮像素子は、半導体基板50表面の垂直方向とこれに直交する水平方向に配列された多数の光電変換素子51と、多数の光電変換素子51の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路52と、複数の垂直電荷転送路52の各々を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路53と、水平電荷転送路53を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部54とを含んで構成される。
図15に示した固体撮像素子は、半導体基板50表面の垂直方向とこれに直交する水平方向に配列された多数の光電変換素子51と、多数の光電変換素子51の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路52と、複数の垂直電荷転送路52の各々を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路53と、水平電荷転送路53を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部54とを含んで構成される。
多数の光電変換素子51は、水平方向に並ぶn個(nは2以上の自然数)の光電変換素子51からなる光電変換素子行を垂直方向にm(mは2以上の自然数)個配列した構成、又は、垂直方向に並ぶm個の光電変換素子51からなる光電変換素子列を水平方向にn個配列した構成となっている。奇数番目の光電変換素子行は、偶数番目の光電変換素子行に対して、各光電変換素子行の光電変換素子配列ピッチの略1/2だけ水平方向にずらして配置された、所謂、ハニカム配列となっている(例えば特許文献1参照)。
奇数番目の光電変換素子行を構成する光電変換素子51は、緑色の波長域の光を検出するものとなっており、図15では符号Gを記してある。
偶数番目の光電変換素子行には、青色の波長域の光を検出する光電変換素子51(以下、B光電変換素子51という。図15では符号Bを記した)と、赤色の波長域の光を検出する光電変換素子51(以下、R光電変換素子51という。図15では符号Rを記した)を、B光電変換素子51を先頭にして水平方向に交互に配列したBR光電変換素子行と、R光電変換素子51を先頭にして水平方向に交互に配列したRB光電変換素子行とが含まれ、これら2つの光電変換素子行が垂直方向に交互に配列されている。
各光電変換素子列には、1つの垂直電荷転送路52が対応して設けられ、各垂直電荷転送路52には、ここに対応する光電変換素子列に含まれるm個の光電変換素子51から電荷が読み出されるようになっている。
各光電変換素子列の光電変換素子51とそれに対応する垂直電荷転送路52との間には、図中に破線で示した電荷読み出し領域55が形成されており、この電荷読み出し領域55を介して、露光期間中に光電変換素子51で発生した電荷が、それに対応する垂直電荷転送路52に読み出される。
半導体基板50上の水平方向には、各光電変換素子51を避けるように蛇行して複数の垂直転送電極(図示せず)が敷設されている。垂直電荷転送路52と、この上に設けられ垂直方向に配列される複数の垂直転送電極とによって、VCCDが構成される。
尚、「垂直」「水平」という用語を使用して説明したが、これは、半導体基板表面に沿う「1方向」「この1方向に対して略直角の方向」という意味である。
図15に示す固体撮像素子のように、ある光電変換素子51に着目したときに、その着目した光電変換素子51の側部に、2つの垂直電荷転送路52が近接して存在するように、光電変換素子51及び垂直電荷転送路52の形状や配列が決定されている固体撮像素子においては、垂直電荷転送路52の転送容量が光電変換素子51の飽和容量よりも小さいと、光電変換素子51から垂直電荷転送路52に読み出された電荷が、垂直電荷転送路52同士が近接する部分において隣の垂直電荷転送路52に流れ込む現象(以下、V−Vブルーミングという)が発生してしまい、これが混色の原因となる。例えば、図15中の太い破線の丸で囲った部分でV−Vブルーミングが発生すると、緑色成分の電荷が隣の赤色成分の電荷や青色成分の電荷と混ざってしまう。
このV−Vブルーミングは、光電変換素子の飽和容量に対して垂直電荷転送路の転送容量が十分に大きければ発生する心配はない。しかし、近年、セルピッチの微細化が進むにつれ、光電変換素子と垂直電荷転送路の面積を十分にとることが難しくなっている。このような状況下で高感度化に対応するために光電変換素子の面積を大きくしようとすると、垂直電荷転送路の面積が更に小さくなり、垂直電荷転送路の転送容量が十分に確保できなくなってしまう。この結果、V−Vブルーミングが発生する可能性が高くなってしまい、混色を招く恐れがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、微細化によって光電変換素子の飽和容量に対して垂直電荷転送路の転送容量が小さく足りなくなる場合でも、正しく信号を読み出すことが可能な撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の撮像装置は、半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を半導体基板表面の垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の各々と交差する方向に延びた電極であって、前記複数の垂直電荷転送路の各々上方で前記垂直方向に配列された複数の電極とを含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える撮像装置であって、前記複数の光電変換素子と前記複数の垂直電荷転送路は、ある前記光電変換素子に注目したときに、前記注目した光電変換素子の側部に2つの前記垂直電荷転送路が前記水平方向に並んで配置されるように、前記半導体基板上に配設され、前記駆動手段は、複数の駆動モードで前記固体撮像素子を駆動可能であり、前記複数の駆動モードは、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記注目した光電変換素子の側部にある前記2つの垂直電荷転送路を用いて転送する駆動を行う第一の駆動モードと、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記注目した光電変換素子の側部にある前記2つの垂直電荷転送路のうちの前記注目した光電変換素子に隣接する垂直電荷転送路(以下、隣接垂直電荷転送路という)を用いて転送する駆動を行う第二の駆動モードとを含む。
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記隣接垂直電荷転送路に読み出すための、それぞれ独立に読み出し電圧を印加可能な2つの電荷読出し領域を備え、前記駆動手段は、前記第一の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記2つの電荷読出し領域の一方のみを用いて前記隣接垂直電荷転送路に読み出す駆動を行い、前記第二の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記2つの電荷読出し領域を用いて前記隣接垂直電荷転送路に読み出す駆動を行う。
本発明の撮像装置は、前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、前記複数のパケット領域は、大パケット領域と小パケット領域を含み、前記大パケット領域は、前記小パケット領域よりもその面積が大きく、前記2つの電荷読出し領域は、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記小パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記大パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域であり、前記2つの電荷読出し領域の一方とは、前記第一の電荷読出し領域である。
本発明の撮像装置は、前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、前記複数のパケット領域は、短パケット領域と長パケット領域を含み、前記短パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に短く、前記長パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に長く、前記2つの電荷読出し領域は、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記短パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記長パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域であり、前記2つの電荷読出し領域の一方とは、前記第一の電荷読出し領域である。
本発明の撮像装置は、前記短パケット領域の面積が、前記長パケット領域の面積よりも小さい。
本発明の撮像装置は、前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、前記複数のパケット領域は、大パケット領域と小パケット領域を含み、前記大パケット領域は、前記小パケット領域よりもその面積が大きく、前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記小パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記大パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域とを備え、前記駆動手段は、前記第一の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記第一の電荷読出し領域を介して前記小パケット領域に読み出す駆動を行い、前記第二の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記第二の電荷読出し領域を介して前記大パケット領域に読み出す駆動を行う。
本発明の撮像装置は、前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、前記複数のパケット領域は、短パケット領域と長パケット領域を含み、前記短パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に短く、前記長パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に長く、前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記短パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記長パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域とを備え、前記駆動手段は、前記第一の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記第一の電荷読出し領域を介して前記短パケット領域に読み出す駆動を行い、前記第二の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記第二の電荷読出し領域を介して前記長パケット領域に読み出す駆動を行う。
本発明の撮像装置は、前記短パケット領域の面積が、前記長パケット領域の面積よりも小さい。
本発明の撮像装置は、 前記2つの垂直電荷転送路が点対称の関係となるように、前記パケット領域の形状及び配置が決められている。
本発明の撮像装置は、前記光電変換素子の数が4つ以上であり、前記4つ以上の光電変換素子は、前記半導体基板表面の前記水平方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子行を前記垂直方向に複数配列した配置となっており、隣接する前記光電変換素子行同士が、前記光電変換素子行の光電変換素子の配列ピッチの略1/2だけ前記水平方向にずれて配置されている。
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子が、前記2つの垂直電荷転送路同士の間に設けられた素子分離領域と、前記素子分離領域に電圧を印加するための電圧印加用電極とを備え、前記駆動手段は、前記第一の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記隣接垂直電荷転送路に読み出してから前記電荷の転送を開始するまでの間に、前記素子分離領域によって形成される電位障壁を押し下げるための電圧を前記電圧印加用電極に印加する。
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子が、前記2つの垂直電荷転送路同士の間に設けられた素子分離領域を備え、前記素子分離領域は、前記水平方向に並ぶそれぞれポテンシャルの異なる複数の領域からなり、前記複数の領域の各々のポテンシャルは、前記隣接垂直電荷転送路から前記水平方向に遠ざかるにつれて高くなっている。
本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を半導体基板表面の垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の各々と交差する方向に延びた電極であって、前記複数の垂直電荷転送路の各々上方で前記垂直方向に配列された複数の電極とを含む固体撮像素子であって、前記複数の光電変換素子と前記複数の垂直電荷転送路は、ある前記光電変換素子に注目したときに、前記注目した光電変換素子の側部に2つの前記垂直電荷転送路が前記水平方向に並んで配置されるように、前記半導体基板上に配設され、前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記隣接垂直電荷転送路に読み出すための、それぞれ独立に読み出し電圧を供給可能な2つの電荷読出し領域を備え、前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、前記複数のパケット領域は、大パケット領域と小パケット領域を含み、前記大パケット領域は、前記小パケット領域よりもその面積が大きく、前記2つの電荷読出し領域は、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記小パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記大パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域である。
本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を半導体基板表面の垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の各々と交差する方向に延びた電極であって、前記複数の垂直電荷転送路の各々上方で前記垂直方向に配列された複数の電極とを含む固体撮像素子であって、前記複数の光電変換素子と前記複数の垂直電荷転送路は、ある前記光電変換素子に注目したときに、前記注目した光電変換素子の側部に2つの前記垂直電荷転送路が前記水平方向に並んで配置されるように、前記半導体基板上に配設され、前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記隣接垂直電荷転送路に読み出すための、それぞれ独立に読み出し電圧を供給可能な2つの電荷読出し領域を備え、前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、前記複数のパケット領域は、短パケット領域と長パケット領域を含み、前記短パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に短く、前記長パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に長く、前記2つの電荷読出し領域は、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記短パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記長パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域である。
本発明の固体撮像素子は、前記短パケット領域の面積が、前記長パケット領域の面積よりも小さい。
本発明の固体撮像素子は、前記2つの垂直電荷転送路が点対称の関係となるように、前記パケット領域の形状及び配置が決められている。
本発明の固体撮像素子は、記光電変換素子の数が4つ以上であり、前記4つ以上の光電変換素子は、前記半導体基板上の前記水平方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子行を前記垂直方向に複数配列した配置となっており、隣接する前記光電変換素子行同士が、前記光電変換素子行の光電変換素子の配列ピッチの略1/2だけ前記水平方向にずれて配置されている。
本発明の固体撮像素子は、前記2つの垂直電荷転送路同士の間に設けられた素子分離領域と、前記素子分離領域に電圧を印加するための電極とを備える。
本発明の固体撮像素子は、前記2つの垂直電荷転送路同士の間に設けられた素子分離領域を備え、前記素子分離領域は、前記水平方向に並ぶそれぞれポテンシャルの異なる複数の領域からなり、前記複数の領域の各々のポテンシャルは、前記隣接垂直電荷転送路から前記水平方向に遠ざかるにつれて高くなっている。
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を半導体基板表面の垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の各々と交差する方向に延びた電極であって、前記複数の垂直電荷転送路の各々上方で前記垂直方向に配列された複数の電極とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、前記複数の光電変換素子と前記複数の垂直電荷転送路は、ある前記光電変換素子に注目したときに、前記注目した光電変換素子の側部に2つの前記垂直電荷転送路が前記水平方向に並んで配置されるように、前記半導体基板上に配設され、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記注目した光電変換素子の側部にある前記2つの垂直電荷転送路を用いて転送する駆動を行う第一の駆動ステップと、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記注目した光電変換素子の側部にある前記2つの垂直電荷転送路のうちの前記注目した光電変換素子に隣接する垂直電荷転送路を用いて転送する駆動を行う第二の駆動ステップとを備える。
本発明によれば、微細化によって光電変換素子の飽和容量に対して垂直電荷転送路の転送容量が小さく足りなくなる場合でも、正しく信号を読み出すことが可能な撮像装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ1と、CCD型の固体撮像素子5と、この両者の間に設けられた絞り2と、赤外線カットフィルタ3と、光学ローパスフィルタ4とを備える。
図1は、本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ1と、CCD型の固体撮像素子5と、この両者の間に設けられた絞り2と、赤外線カットフィルタ3と、光学ローパスフィルタ4とを備える。
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部11は、フラッシュ発光部12及び受光部13を制御し、レンズ駆動部8を制御して撮影レンズ1の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部9を介し絞り2の開口量を制御して露光量調整を行う。
又、システム制御部11は、撮像素子駆動部10を介して固体撮像素子5を駆動し、撮影レンズ1を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部11には、操作部14を通してユーザからの指示信号が入力される。
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子5の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部6と、このアナログ信号処理部6から出力されたRGBの色信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路7とを備え、これらはシステム制御部11によって制御される。
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ16と、メインメモリ16に接続されたメモリ制御部15と、補間演算やガンマ補正演算,RGB/YC変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部17と、デジタル信号処理部17で生成された画像データをJPEG形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部18と、測光データを積算しデジタル信号処理部17が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部19と、着脱自在の記録媒体21が接続される外部メモリ制御部20と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部23が接続される表示制御部22とを備え、これらは、制御バス24及びデータバス25によって相互に接続され、システム制御部11からの指令によって制御される。
固体撮像素子5の平面模式図は、図15に示したものと同様であるため、これを援用する。
図2は、固体撮像素子5の平面模式図における部分拡大図である。
図2に示すように、半導体基板50上の水平方向には、各光電変換素子51を避けるように蛇行して垂直転送電極V1〜V8が敷設されている。垂直電荷転送路52は、この上に設けられ垂直方向に配列される垂直転送電極V1〜V8に撮像素子駆動部10から8相の駆動パルスが供給されることで駆動される。以下では、垂直電荷転送路52のうち、垂直転送電極V1〜V8と重なる領域をそれぞれパケット領域v1〜v8という。尚、本実施形態では、パケット領域v1〜v8の各々の大きさは同じであり、各々に蓄積することのできる電荷量(以下、パケット容量という)は、光電変換素子51に蓄積することのできる電荷量(以下、蓄積容量という)よりも少ない(例えば半分)とする。
図2に示すように、半導体基板50上の水平方向には、各光電変換素子51を避けるように蛇行して垂直転送電極V1〜V8が敷設されている。垂直電荷転送路52は、この上に設けられ垂直方向に配列される垂直転送電極V1〜V8に撮像素子駆動部10から8相の駆動パルスが供給されることで駆動される。以下では、垂直電荷転送路52のうち、垂直転送電極V1〜V8と重なる領域をそれぞれパケット領域v1〜v8という。尚、本実施形態では、パケット領域v1〜v8の各々の大きさは同じであり、各々に蓄積することのできる電荷量(以下、パケット容量という)は、光電変換素子51に蓄積することのできる電荷量(以下、蓄積容量という)よりも少ない(例えば半分)とする。
垂直転送電極V1は、BR光電変換素子行に対応して、BR光電変換素子行の上側部に配置されている。垂直転送電極V1は、BR光電変換素子行の各光電変換素子51と垂直電荷転送路52との間にある電荷読み出し領域55の一部とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V1に読み出しパルスを印加することで、BR光電変換素子行に含まれる各光電変換素子51で発生した電荷を、各光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52のパケット領域v1に読み出すことができる。
垂直転送電極V2は、BR光電変換素子行に対応して、BR光電変換素子行の下側部に配置されている。垂直転送電極V2は、BR光電変換素子行の各光電変換素子51と垂直電荷転送路52との間にある電荷読み出し領域55の一部とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V2に読み出しパルスを印加することで、BR光電変換素子行に含まれる各光電変換素子51で発生した電荷を、各光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52のパケット領域v2に読み出すことができる。
垂直転送電極V5は、RB光電変換素子行に対応して、RB光電変換素子行の上側部に配置されている。垂直転送電極V5は、RB光電変換素子行の各光電変換素子51と垂直電荷転送路52との間にある電荷読み出し領域55の一部とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V5に読み出しパルスを印加することで、RB光電変換素子行に含まれる各光電変換素子51で発生した電荷を、各光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52のパケット領域v5に読み出すことができる。
垂直転送電極V6は、RB光電変換素子行に対応して、RB光電変換素子行の下側部に配置されている。垂直転送電極V6は、RB光電変換素子行の各光電変換素子51と垂直電荷転送路52との間にある電荷読み出し領域55の一部とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V6に読み出しパルスを印加することで、RB光電変換素子行に含まれる各光電変換素子51で発生した電荷を、各光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52のパケット領域v6に読み出すことができる。
垂直転送電極V3は、偶数番目の光電変換素子行のうちの垂直転送電極V2と垂直転送電極V5の間に配置される光電変換素子行に対応して、この光電変換素子行の上側部に配置されている。垂直転送電極V3は、この光電変換素子行の各光電変換素子51と垂直電荷転送路52との間にある電荷読み出し領域55の一部とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V3に読み出しパルスを印加することで、この光電変換素子行に含まれる各光電変換素子51で発生した電荷を、各光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52のパケット領域v3に読み出すことができる。
垂直転送電極V4は、偶数番目の光電変換素子行のうちの垂直転送電極V2と垂直転送電極V5の間に配置される光電変換素子行に対応して、この光電変換素子行の下側部に配置されている。垂直転送電極V4は、この光電変換素子行の各光電変換素子51と垂直電荷転送路52との間にある電荷読み出し領域55の一部とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V4に読み出しパルスを印加することで、この光電変換素子行に含まれる各光電変換素子51で発生した電荷を、各光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52のパケット領域v4に読み出すことができる。
垂直転送電極V7は、偶数番目の光電変換素子行のうちの垂直転送電極V1と垂直転送電極V6の間に配置される光電変換素子行に対応して、この光電変換素子行の上側部に配置されている。垂直転送電極V7は、この光電変換素子行の各光電変換素子51と垂直電荷転送路52との間にある電荷読み出し領域55の一部とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V7に読み出しパルスを印加することで、この光電変換素子行に含まれる各光電変換素子51で発生した電荷を、各光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52のパケット領域v7に読み出すことができる。
垂直転送電極V8は、偶数番目の光電変換素子行のうちの垂直転送電極V1と垂直転送電極V6の間に配置される光電変換素子行に対応して、この光電変換素子行の下側部に配置されている。垂直転送電極V8は、この光電変換素子行の各光電変換素子51と垂直電荷転送路52との間にある電荷読み出し領域55の一部とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V8に読み出しパルスを印加することで、この光電変換素子行に含まれる各光電変換素子51で発生した電荷を、各光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52のパケット領域v8に読み出すことができる。
以下の説明では、電荷読み出し領域55のうち、垂直転送電極V2,V4,V6,V8と重なる領域を第一の電荷読み出し領域55といい、垂直転送電極V1,V3,V5,V7と重なる領域を第二の電荷読み出し領域55という。
次に、撮像素子駆動部10が行う固体撮像素子5の駆動方法を説明する。
撮像素子駆動部10は、第一の駆動モードと、第二の駆動モードとを含む複数の駆動モードで固体撮像素子25を駆動可能である。以下、第一の駆動モードと第二の駆動モードの詳細について説明する。
撮像素子駆動部10は、第一の駆動モードと、第二の駆動モードとを含む複数の駆動モードで固体撮像素子25を駆動可能である。以下、第一の駆動モードと第二の駆動モードの詳細について説明する。
<第一の駆動モード>
第一の駆動モードは、光電変換素子51で発生した電荷を、光電変換素子51の側部にある2つの垂直電荷転送路52を用いて転送する駆動を行うモードである。
第一の駆動モードは、光電変換素子51で発生した電荷を、光電変換素子51の側部にある2つの垂直電荷転送路52を用いて転送する駆動を行うモードである。
例えば、撮像素子駆動部10は、第一の駆動モード時、まず、垂直転送電極V2,V6に読み出しパルスを印加して、奇数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読出し領域を介してパケット領域v2,v6に読み出す駆動を行う。このときの状態を表した図が図3(a)である。
垂直転送電極V2,V6に読み出しパルスが印加されると、図3(a)の太い白抜きの矢印で示すようにパケット領域v2,v6に電荷が読み出される。パケット領域v2,v6に読み出された電荷がパケット領域v2,v6のパケット容量よりも多かった場合、V−Vブルーミングが発生し、この電荷は、図中の細い白抜き矢印で示したように、隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v2,v6に流れ込む。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v2,v6に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v2,v6に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V4,V8に読み出しパルスを印加して、偶数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読出し領域を介してパケット領域v4,v8に読み出す駆動を行う。
パケット領域v4,v8に読み出された電荷がパケット領域v4,v8のパケット容量よりも多かった場合、V−Vブルーミングが発生し、この電荷は、隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v4,v8に流れ込む。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v4,v8に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v4,v8に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
このような駆動によって、固体撮像素子5からは、各光電変換素子51で発生した電荷に応じた信号が2つに分割されて出力されてくるため、固体撮像素子5の後段において、この分割された信号同士を加算する処理を行うことで、通常の撮像と同様に、各光電変換素子51から1つの信号を得ることができる。尚、水平電荷転送路53において、各光電変換素子51で発生して2つに分割された電荷を水平方向で加算したり、出力部54のフローティングディフュージョン領域にて電荷を加算したりする駆動を行うことでも、同様に、各光電変換素子51から1つの信号を得ることができる。
以上のように、第一の駆動モードでは、1つの光電変換素子51で発生した電荷を、V−Vブルーミングを積極的に利用して、2つの垂直電荷転送路52で転送するようにしているため、光電変換素子51から1つのパケット領域のパケット容量以上の電荷が読み出された場合でも、混色の発生を防ぐことができ、高画質化を実現することができる。
尚、第一の駆動モードでは、カラー画像を生成するために、信号を2フィールドに分けて読み出す必要があるため、高速処理が必要な撮影モード(オートフォーカスを行うための撮影モードや、動画撮影モード)よりも、高速処理があまり要求されない静止画撮影モードに適している。このため、撮像素子駆動部10は、静止画撮影モードにおいて第一の駆動モードを実施する。
<第二の駆動モード>
第二の駆動モードは、光電変換素子51で発生した電荷を、光電変換素子51の側部にある2つの垂直電荷転送路52のうちの該光電変換素子51に隣接する垂直電荷転送路52を用いて転送する駆動を行うモードである。
第二の駆動モードは、光電変換素子51で発生した電荷を、光電変換素子51の側部にある2つの垂直電荷転送路52のうちの該光電変換素子51に隣接する垂直電荷転送路52を用いて転送する駆動を行うモードである。
例えば、撮像素子駆動部10は、第二の駆動モード時、垂直転送電極V1,V2,V7,V8に読み出しパルスを印加して、偶数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読出し領域55及び第二の電荷読み出し領域55を介してパケット領域v7,v8に読み出し、BR光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読出し領域55及び第二の電荷読み出し領域55を介してパケット領域v1,v2に読み出す駆動を行う。このときの状態を表した図が図3(b)である。
垂直転送電極V1,V2,V7,V8に読み出しパルスが印加されると、図3(b)の太い白抜きの矢印で示すように、電荷がパケット領域v1,v2,v7,v8に読み出される。パケット領域v1,v2のパケット容量の合計とパケット領域v7,v8のパケット容量の合計は、それぞれ光電変換素子51の蓄積容量と同じになっているため、第一の駆動モードのときに比べてV−Vブルーミングの発生は抑制される。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v1,v2,v7,v8に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v1,v2,v7,v8に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
このような駆動によって、固体撮像素子5からは、垂直転送電極V1,V2,V7,V8に対応する光電変換素子51から信号を得ることができ、垂直1/2間引き読み出しを実現することができる。又、第二の駆動モードによれば、光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読み出し領域55と第二の電荷読み出し領域55の2箇所から垂直電荷転送路52に読み出しているため、第一の電荷読み出し領域55又は第二の電荷読み出し領域55のみから垂直電荷転送路52に電荷を読み出す場合に比べてV−Vブルーミングが発生する可能性を低くすることができる。
以上のように、第二の駆動モードでは、1つの光電変換素子51で発生した電荷を、1つの垂直電荷転送路52内の2つのパケット領域で転送するようにしているため、V−Vブルーミングの発生を防いで混色を防ぐことができ、高画質化を実現することができる。尚、第二の駆動モードでは、カラー画像を生成するために、信号を2フィールドに分けて読み出す必要がない。このため、第二の駆動モードは、高速処理が必要な動画撮影モードやオートフォーカスレンズの合焦位置決定のために必要な撮影を行うAFモードに適している。このため、撮像素子駆動部10は、動画撮影モードやAFモードでは第二の駆動モードを実施する。
このように、本実施形態のデジタルカメラでは、撮像素子駆動部10が、撮影モードによって第一の駆動モードと第二の駆動モードを切り替えて実施するため、撮影モードによって最適な駆動を実現することができる。
(第二実施形態)
本実施形態では第一実施形態で説明した固体撮像素子5の変形例を説明する。本実施形態の固体撮像素子は、第一実施形態で説明した固体撮像素子5において、パケット領域v1〜v8の形状を変えた点と、撮像素子駆動部10による駆動方法を変更した点とが異なる。以下、この異なる点について説明する。
本実施形態では第一実施形態で説明した固体撮像素子5の変形例を説明する。本実施形態の固体撮像素子は、第一実施形態で説明した固体撮像素子5において、パケット領域v1〜v8の形状を変えた点と、撮像素子駆動部10による駆動方法を変更した点とが異なる。以下、この異なる点について説明する。
図4は、第二実施形態の固体撮像素子の部分拡大平面模式図である。図4において図2と同じ構成には同一符号を付してある。又、図4では、垂直転送電極V1〜V8の図示は省略し、垂直転送電極V1〜V8と垂直電荷転送路52とが重なる部分の領域であるパケット領域v1〜v8と、光電変換素子51と、電荷読み出し領域55のみを図示してある。
図4に示す固体撮像素子は、図2に示した固体撮像素子5において、各光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接する2つのパケット領域の面積に差を持たせた構成となっている。パケット領域は、面積を変えることで、そのパケット容量を変化させることができる。
例えば、BR光電変換素子行に含まれる光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接するパケット領域v1,v2は、パケット領域v1の方がパケット領域v2よりもその面積が大きくなるように垂直転送電極V1及びV2の形状が決められている。
垂直転送電極V1は、光電変換素子51で発生した電荷が、この光電変換素子51に隣接するパケット領域v1にのみ移動できるように、電荷読み出し領域55の一部と重なるように配置されている。垂直転送電極V2は、光電変換素子51で発生した電荷が、この光電変換素子51に隣接するパケット領域v2にのみ移動できるように、電荷読み出し領域55の一部と重なるように配置されている。又、このパケット領域v1のパケット容量は、例えば光電変換素子51の蓄積容量と同じであり、このパケット領域v2のパケット容量は、例えば光電変換素子51の蓄積容量の半分であるものとする。
同様に、RB光電変換素子行に含まれる光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接するパケット領域v5,v6は、パケット領域v5の方がパケット領域v6よりもその面積が大きくなるように垂直転送電極V5及びV6の形状が決められている。
垂直転送電極V5は、光電変換素子51で発生した電荷が、この光電変換素子51に隣接するパケット領域v5にのみ移動できるように、電荷読み出し領域55の一部と重なるように配置されている。垂直転送電極V6は、光電変換素子51で発生した電荷が、この光電変換素子51に隣接するパケット領域v6にのみ移動できるように、電荷読み出し領域55の一部と重なるように配置されている。又、このパケット領域v5のパケット容量は、例えば光電変換素子51の蓄積容量と同じであり、このパケット領域v6のパケット容量は、例えば光電変換素子51の蓄積容量の半分であるものとする。
同様に、偶数番目の光電変換素子行に含まれる光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接するパケット領域v3,v4は、パケット領域v4の方がパケット領域v3よりもその面積が大きくなるように垂直転送電極V3及びV4の形状が決められている。
垂直転送電極V3は、光電変換素子51で発生した電荷が、この光電変換素子51に隣接するパケット領域v3にのみ移動できるように、電荷読み出し領域55の一部と重なるように配置されている。垂直転送電極V4は、光電変換素子51で発生した電荷が、この光電変換素子51に隣接するパケット領域v4にのみ移動できるように、電荷読み出し領域55の一部と重なるように配置されている。又、このパケット領域v4のパケット容量は、例えば光電変換素子51の蓄積容量と同じであり、このパケット領域v3のパケット容量は、例えば光電変換素子51の蓄積容量の半分であるものとする。
同様に、偶数番目の光電変換素子行に含まれる光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接するパケット領域v7,v8は、パケット領域v8の方がパケット領域v7よりもその面積が大きくなるように垂直転送電極V7及びV8の形状が決められている。
垂直転送電極V7は、光電変換素子51で発生した電荷が、この光電変換素子51に隣接するパケット領域v7にのみ移動できるように、電荷読み出し領域55の一部と重なるように配置されている。垂直転送電極V8は、光電変換素子51で発生した電荷が、この光電変換素子51に隣接するパケット領域v8にのみ移動できるように、電荷読み出し領域55の一部と重なるように配置されている。又、このパケット領域v8のパケット容量は、例えば光電変換素子51の蓄積容量と同じであり、このパケット領域v7のパケット容量は、例えば光電変換素子51の蓄積容量の半分であるものとする。
又、図4に示す固体撮像素子では、隣接する2つの垂直電荷転送路52同士が点対称の関係となるように、該2つの垂直電荷転送路52のパケット領域v1〜v8の形状及び配置が決まっている。
次に、本実施形態の撮像素子駆動部10の動作を説明する。
撮像素子駆動部10は、第一の駆動モード時、まず、垂直転送電極V2,V6に読み出しパルスを印加して、奇数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読出し領域55を介してパケット領域v2,v6に読み出す駆動を行う。このときの状態を表した図が図5(a)である。
撮像素子駆動部10は、第一の駆動モード時、まず、垂直転送電極V2,V6に読み出しパルスを印加して、奇数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読出し領域55を介してパケット領域v2,v6に読み出す駆動を行う。このときの状態を表した図が図5(a)である。
垂直転送電極V2,V6に読み出しパルスが印加されると、図5(a)の太い白抜きの矢印で示すように電荷がパケット領域v2,v6に読み出される。パケット領域v2,v6のパケット容量は光電変換素子51の蓄積容量よりも少ないため、V−Vブルーミングが発生しやすくなっている。パケット領域v2,v6に読み出された電荷が、パケット領域v2,v6のパケット容量よりも多かった場合、V−Vブルーミングが発生し、この電荷は、図中の細い白抜き矢印で示したように、隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v2,v6に流れ込む。隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v2,v6は、パケット容量が光電変換素子51の蓄積容量と同じになっているため、ここから電荷が溢れてしまうことはない。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v2,v6に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v2,v6に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V3,V7に読み出しパルスを印加して、偶数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第二の電荷読出し領域を介してパケット領域v3,v7に読み出す駆動を行う。
パケット領域v3,v7に読み出された電荷が、パケット領域v3,v7のパケット容量よりも多かった場合、V−Vブルーミングが発生し、この電荷は、隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v3,v7に流れ込む。隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v3,v7は、パケット容量が光電変換素子51の蓄積容量と同じになっているため、ここから電荷が溢れてしまうことはない。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v3,v7に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v3,v7に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
このような駆動によって、固体撮像素子5からは、各光電変換素子51で発生した電荷に応じた信号が2つに分割されて出力されてくるため、固体撮像素子52の後段において、この分割された信号同士を加算する処理を行うことで、通常の撮像と同様に、各光電変換素子51から1つの信号を得ることができる。
撮像素子駆動部10は、第二の駆動モード時、垂直転送電極V1に読み出しパルスを印加して、垂直転送電極V1に対応する光電変換素子51で発生した電荷を、第二の電荷読み出し領域55を介してパケット領域v1に読み出すと共に、垂直転送電極V4に読み出しパルスを印加して、垂直転送電極V4に対応する光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読み出し領域55を介してパケット領域v4に読み出す駆動を行う。このときの状態を表した図が図5(b)である。
垂直転送電極V1,V4に読み出しパルスが印加されると、図5(b)の太い白抜きの矢印で示すように、電荷がパケット領域v1,v4に読み出される。パケット領域v1,v4の各々のパケット容量は、光電変換素子51の蓄積容量と同じであるため、第一の駆動モードのときに比べてV−Vブルーミングの発生は抑制される。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v1,v4に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v1,v4に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
このような駆動によって、固体撮像素子5からは、垂直転送電極V1,V4に対応する光電変換素子51から信号を得ることができ、垂直1/2間引き読み出しを実現することができる。
以上のように、本実施形態によれば、第一の駆動モードで電荷が読み出されるパケット領域と、第二の駆動モードで電荷が読み出されるパケット領域とで面積を異ならせることで、第一の駆動モード時にはV−Vブルーミングの発生を促進することができ、第二の駆動モード時には、V−Vブルーミングの発生を抑制することができる。このため、第一の駆動モード及び第二の駆動モードを良好に実施することができる。
図2に示すG光電変換素子51の蓄積容量を例えば100とし、このG光電変換素子51に隣接するパケット領域v3,v4の各々のパケット容量を例えば80としたときに、第一の駆動モードと第二の駆動モードを問題なく(電荷を漏らすことなく)実施可能であるものとすると、図4に示した固体撮像素子では、G光電変換素子51に隣接するパケット領域v3のパケット容量を例えば50とし、パケット領域v4のパケット容量を例えば100としても、第一の駆動モードと第二の駆動モードを実施可能である。このため、図4に示した固体撮像素子の方が、図2に示した固体撮像素子5よりも素子面積を縮小することができる。
尚、本実施形態では、第二の駆動モード時の撮像素子駆動部10の動作を第一実施形態で説明したものと同じにしても良い。
(第三実施形態)
本実施形態では第一実施形態で説明した固体撮像素子5の変形例を説明する。本実施形態の固体撮像素子は、第一実施形態で説明した固体撮像素子において、パケット領域v1〜v8の形状を変えた点と、撮像素子駆動部10による駆動方法を変えた点が異なる。以下、この異なる点について説明する。
本実施形態では第一実施形態で説明した固体撮像素子5の変形例を説明する。本実施形態の固体撮像素子は、第一実施形態で説明した固体撮像素子において、パケット領域v1〜v8の形状を変えた点と、撮像素子駆動部10による駆動方法を変えた点が異なる。以下、この異なる点について説明する。
図6は、第三実施形態の固体撮像素子の部分拡大平面模式図である。図6において図2と同じ構成には同一符号を付してある。又、図6では、垂直転送電極V1〜V8の図示は省略し、垂直転送電極V1〜V8と垂直電荷転送路52とが重なる部分の領域であるパケット領域v1〜v8と、光電変換素子51と、電荷読み出し領域55のみを図示してある。
図6に示す固体撮像素子は、図2に示した固体撮像素子において、パケット領域v1〜v8の各々の面積は同一のままとし、各光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接する2つのパケット領域の各々の、そこに隣接する垂直電荷転送路52に対向する辺の長さに差を持たせた構成となっている。
例えば、BR光電変換素子行に含まれる光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接するパケット領域v1,v2は、それぞれ、そこに隣接する垂直電荷転送路52に対向する辺の長さが、パケット領域v1の方がパケット領域v2よりも大きくなるように垂直転送電極V1及びV2の形状が決められている。
同様に、RB光電変換素子行に含まれる光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接するパケット領域v5,v6は、それぞれ、そこに隣接する垂直電荷転送路52に対向する辺の長さが、パケット領域v5の方がパケット領域v6よりも大きくなるように垂直転送電極V5及びV6の形状が決められている。
同様に、偶数番目の光電変換素子行に含まれる光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接するパケット領域v3,v4は、それぞれ、そこに隣接する垂直電荷転送路52に対向する辺の長さが、パケット領域v3の方がパケット領域v4よりも大きくなるように垂直転送電極V3及びV4の形状が決められている。
同様に、偶数番目の光電変換素子行に含まれる光電変換素子51の電荷読み出し領域55に隣接するパケット領域v7,v8は、それぞれ、そこに隣接する垂直電荷転送路52に対向する辺の長さが、パケット領域v7の方がパケット領域v8よりも大きくなるように垂直転送電極V7及びV8の形状が決められている。
又、図6に示す固体撮像素子では、隣接する2つの垂直電荷転送路52同士が線対称の関係となるように、該2つの垂直電荷転送路52のパケット領域v1〜v8の形状及び配置が決まっている。
垂直電荷転送路52は、半導体基板50に不純物をドープすることで形成する。垂直電荷転送路52は、半導体基板50内に同じ深さ(加速電圧)で不純物をドープして形成しても、不純物がドープされる領域が広くなっているところほどポテンシャルが深くなり、その領域が狭くなっているところほどポテンシャルが浅くなるといった特性を持つ。つまり、例えば、正三角形の形に不純物をドープした場合、その三角形の中心部が最もポテンシャルが深く、各頂点に近づくほどポテンシャルは浅くなる。
このため、図6に示した固体撮像素子では、垂直電荷転送路52のパケット領域v2,v4,v6,v8が、それに隣接する垂直電荷転送路52に近づくほど、そのポテンシャルが浅くなっており、V−Vブルーミングが発生しやすい構造となっており、第一の駆動モード時のV−Vブルーミングの発生を促進することができる。
次に、図6に示した固体撮像素子の駆動方法を説明する。
第一の駆動モード時の撮像素子駆動部10の動作は、第一実施形態と同様であるため説明を省略する。
第一の駆動モード時の撮像素子駆動部10の動作は、第一実施形態と同様であるため説明を省略する。
撮像素子駆動部10は、第二の駆動モード時、垂直転送電極V1に読み出しパルスを印加して、垂直転送電極V1に対応する光電変換素子51で発生した電荷を、第二の電荷読み出し領域55を介してパケット領域v1に読み出すと共に、垂直転送電極V3に読み出しパルスを印加して、垂直転送電極V3に対応する光電変換素子51で発生した電荷を、第二の電荷読み出し領域55を介してパケット領域v3に読み出す駆動を行う。
垂直転送電極V1,V3に読み出しパルスが印加されると、パケット領域v1,v3に電荷が読み出されるが、パケット領域v1,v3は、V−Vブルーミングが発生しにくい構造となっているため、第一の駆動モードのときに比べてV−Vブルーミングの発生は抑制される。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v1,v3に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v1,v3に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
このような駆動によって、固体撮像素子5からは、垂直転送電極V1,V3に対応する光電変換素子51から信号を得ることができ、垂直1/2間引き読み出しを実現することができる。
尚、本実施形態においては、第二実施形態のように、第一の駆動モードで電荷が読み出されるパケット領域と、第二の駆動モードで電荷が読み出されるパケット領域とで面積を異ならせる構成を適用することも可能である。つまり、図6において、パケット領域v2,v4,v6,v8の面積を、パケット領域v1,v3,v5,v7の面積よりも小さくし、第一の駆動モードではパケット領域v2,v4,v6,v8に電荷を読み出し、第二の駆動モードではパケット領域v1,v3,v5,v7に電荷を読み出す駆動を行うことで、第二実施形態で説明したような効果を得ることもできる。
又、本実施形態では、第二の駆動モード時の撮像素子駆動部10の動作を、第一実施形態で説明したものと同じにしても良い。
(第四実施形態)
本実施形態では第一実施形態で説明した固体撮像素子5の変形例を説明する。本実施形態の固体撮像素子は、第三実施形態で説明した固体撮像素子において、パケット領域v1〜v8の形状を変えた点と、撮像素子駆動部10による駆動方法を変更した点とが異なる。以下、この異なる点について説明する。
本実施形態では第一実施形態で説明した固体撮像素子5の変形例を説明する。本実施形態の固体撮像素子は、第三実施形態で説明した固体撮像素子において、パケット領域v1〜v8の形状を変えた点と、撮像素子駆動部10による駆動方法を変更した点とが異なる。以下、この異なる点について説明する。
図7は、第四実施形態の固体撮像素子の部分拡大平面模式図である。図7において図6と同じ構成には同一符号を付してある。又、図7では、垂直転送電極V1〜V8の図示は省略し、垂直転送電極V1〜V8と垂直電荷転送路52とが重なる部分の領域であるパケット領域v1〜v8と、光電変換素子51と、電荷読み出し領域55のみを図示してある。
図7に示す固体撮像素子は、図6に示した固体撮像素子において、隣接する2つの垂直電荷転送路52同士が点対称の関係となるように、該2つの垂直電荷転送路52のパケット領域v1〜v8の形状及び配置を変更したものである。
例えば、図7に示す固体撮像素子は、図6に示した固体撮像素子の垂直電荷転送路52のうち、左から数えて2番目と4番目の垂直電荷転送路52の構成はそのままとし、左から数えて1番目と3番目の垂直電荷転送路52を、2番目と4番目の垂直電荷転送路52を180度回転させた形状とすることで実現可能である。
次に、本実施形態の撮像素子駆動部10の動作を説明する。
撮像素子駆動部10は、第一の駆動モード時、まず、垂直転送電極V2,V6に読み出しパルスを印加して、奇数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読出し領域55を介してパケット領域v2,v6に読み出す駆動を行う。パケット領域v2,v6は、上述したように隣接する垂直電荷転送路52に近づくほどポテンシャルが浅くなっているため、V−Vブルーミングの発生が促進される。
撮像素子駆動部10は、第一の駆動モード時、まず、垂直転送電極V2,V6に読み出しパルスを印加して、奇数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第一の電荷読出し領域55を介してパケット領域v2,v6に読み出す駆動を行う。パケット領域v2,v6は、上述したように隣接する垂直電荷転送路52に近づくほどポテンシャルが浅くなっているため、V−Vブルーミングの発生が促進される。
パケット領域v2,v6に読み出された電荷が、パケット領域v2,v6のパケット容量よりも多かった場合、V−Vブルーミングが発生し、この電荷は、隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v2,v6に流れ込む。隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v2,v6は、電荷が読み出された垂直電荷転送路52に対向する辺の長さが、電荷が読み出されたパケット領域v3,v7の辺よりも大きくなっているため、図6に示した構成に比べて、V−Vブルーミングによる電荷移動先のパケット領域の容量が大きくなる。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v2,v6に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v2,v6に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V3,V7に読み出しパルスを印加して、偶数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、第二の電荷読出し領域55を介してパケット領域v3,v7に読み出す駆動を行う。パケット領域v3,v7は、上述したように隣接する垂直電荷転送路52に近づくほどポテンシャルが浅くなっているため、V−Vブルーミングの発生が促進される。
パケット領域v3,v7に読み出された電荷が、パケット領域v3,v7のパケット容量よりも多かった場合、V−Vブルーミングが発生し、この電荷は、隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v3,v7に流れ込む。隣接する垂直電荷転送路52のパケット領域v3,v7は、電荷が読み出された垂直電荷転送路52に対向する辺の長さが、電荷が読み出されたパケット領域v3,v7の辺よりも大きくなっているため、図6に示した構成に比べて、V−Vブルーミングによる電荷移動先のパケット領域の容量が大きくなる。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v3,v7に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v3,v7に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
このような駆動によって、固体撮像素子5からは、各光電変換素子51で発生した電荷に応じた信号が2つに分割されて出力されてくるため、固体撮像素子5の後段において、この分割された信号同士を加算する処理を行うことで、通常の撮像と同様に、各光電変換素子51から1つの信号を得ることができる。
撮像素子駆動部10は、第二の駆動モード時、垂直転送電極V1,V4に読み出しパルスを印加して、垂直転送電極V1,V4に対応する光電変換素子51で発生した電荷をパケット領域v1,v4に読み出す駆動を行う。パケット領域v1,v4は、上述したように隣接する垂直電荷転送路52に近づくほどポテンシャルが深くなっているため、V−Vブルーミングの発生は抑制される。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v1,v4に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路53及び出力部54を駆動して、パケット領域v1,v4に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
このような駆動によって、固体撮像素子5からは、垂直転送電極V1,V4に対応する光電変換素子51から信号を得ることができ、垂直1/2間引き読み出しを実現することができる。
尚、本実施形態においては、第二実施形態のように、第一の駆動モードで電荷読み出されるパケット領域と、第二の駆動モードで電荷読み出されるパケット領域とで面積を異ならせる構成を適用することも可能である。
つまり、図7において、隣接する垂直電荷転送路52と対向する辺の長さが相対的に短いパケット領域の面積を、隣接する垂直電荷転送路52と対向する辺の長さが相対的に長いパケット領域の面積よりも小さくすることで、第二実施形態で説明したような効果を得ることもできる。
又、本実施形態では、第二の駆動モード時の撮像素子駆動部10の動作を、第一実施形態で説明したものと同じにしても良い。
以上のように、本実施形態によれば、図6に示した構成において、隣接する2つの垂直電荷転送路52同士が点対称の関係となるようにすることで、光電変換素子51から電荷が読み出されるパケット領域の面積が小さい場合でも、V−Vブルーミングによる電荷の移動先のパケット領域の飽和を確保することができるため、第一の駆動モード及び第二の駆動モードを良好に実施することができる。
(第五実施形態)
ある光電変換素子に着目したときに、その着目した光電変換素子の側部に、2つの垂直電荷転送路が近接して存在するように、光電変換素子及び垂直電荷転送路の形状や配列が決定されているといった条件を満たす固体撮像素子であれば、本発明は適用可能である。そこで、本実施形態では、上記のような条件を満たす固体撮像素子の別の例を説明する。
ある光電変換素子に着目したときに、その着目した光電変換素子の側部に、2つの垂直電荷転送路が近接して存在するように、光電変換素子及び垂直電荷転送路の形状や配列が決定されているといった条件を満たす固体撮像素子であれば、本発明は適用可能である。そこで、本実施形態では、上記のような条件を満たす固体撮像素子の別の例を説明する。
図8は、第五実施形態の固体撮像素子の平面模式図である。
図8に示す固体撮像素子は、半導体基板70上の垂直方向とこれに直交する水平方向に配列された多数の光電変換素子70と、多数の光電変換素子70の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路72と、複数の垂直電荷転送路72の各々を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路73と、水平電荷転送路73を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部74とを含んで構成される。
図8に示す固体撮像素子は、半導体基板70上の垂直方向とこれに直交する水平方向に配列された多数の光電変換素子70と、多数の光電変換素子70の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路72と、複数の垂直電荷転送路72の各々を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路73と、水平電荷転送路73を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部74とを含んで構成される。
多数の光電変換素子71は、水平方向に並ぶN個(Nは2以上の自然数)の光電変換素子71からなる光電変換素子行を垂直方向にM(Mは1以上の自然数)個配列した構成、又は、垂直方向に並ぶM個の光電変換素子71からなる光電変換素子列を水平方向にN個配列した構成となっている。
N個の光電変換素子列には、緑色の波長域の光を検出する光電変換素子71(以下、G光電変換素子71という。図8では符号Gを記してある)と、赤色の波長域の光を検出する光電変換素子71(以下、R光電変換素子71という。図8では符号Rを記してある)をこの順に交互に垂直方向に配列したGR光電変換素子行と、青色の波長域の光を検出する光電変換素子71(以下、B光電変換素子71という。図8では符号Bを記してある)とG光電変換素子71をこの順に交互に垂直方向に配列したBG光電変換素子列とが含まれる。GR光電変換素子列とBG光電変換素子列は、水平方向に交互に配列されている。
光電変換素子列同士の間の領域には、1領域おきに2本の垂直電荷転送路72が設けられ、各垂直電荷転送路72には、ここに隣接する光電変換素子列に含まれるM個の光電変換素子71から電荷が読み出されるようになっている。
図9は、図8に示した固体撮像素子の部分拡大平面模式図である。
図9に示すように、半導体基板70上の水平方向には、各光電変換素子71を避けるようにして垂直転送電極V1〜V4が敷設されている。垂直電荷転送路72は、この上に設けられ垂直方向に配列される垂直転送電極V1〜V4に、図1に示す撮像素子駆動部10から4相の駆動パルスが供給されることで駆動される。以下では、垂直電荷転送路72のうち、垂直転送電極V1〜V4と重なる領域をそれぞれパケット領域v1〜v4という。尚、本実施形態では、パケット領域v1〜v4の各々のパケット容量は同じであり、各々のパケット容量は、例えば光電変換素子71の蓄積容量の半分とする。
図9に示すように、半導体基板70上の水平方向には、各光電変換素子71を避けるようにして垂直転送電極V1〜V4が敷設されている。垂直電荷転送路72は、この上に設けられ垂直方向に配列される垂直転送電極V1〜V4に、図1に示す撮像素子駆動部10から4相の駆動パルスが供給されることで駆動される。以下では、垂直電荷転送路72のうち、垂直転送電極V1〜V4と重なる領域をそれぞれパケット領域v1〜v4という。尚、本実施形態では、パケット領域v1〜v4の各々のパケット容量は同じであり、各々のパケット容量は、例えば光電変換素子71の蓄積容量の半分とする。
垂直転送電極V1は、各光電変換素子行に対応して、各光電変換素子行の上側部に配置されている。垂直転送電極V1は、BG光電変換素子列の各光電変換素子71と、それに隣接する垂直電荷転送路72との間にある電荷読み出し領域76とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V1に読み出しパルスを印加することで、BG光電変換素子列に含まれる各光電変換素子71で発生した電荷を、各光電変換素子71に隣接する垂直電荷転送路72のパケット領域v1に読み出すことができる。
垂直転送電極V2は、各光電変換素子行に対応して、各光電変換素子行の下側部に配置されている。垂直転送電極V2は、GR光電変換素子列の各光電変換素子71と、それに隣接する垂直電荷転送路72との間にある電荷読み出し領域76とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V2に読み出しパルスを印加することで、GR光電変換素子列に含まれる各光電変換素子71で発生した電荷を、各光電変換素子71に隣接する垂直電荷転送路72のパケット領域v2に読み出すことができる。
垂直転送電極V3,V4は、垂直転送電極V1とV2の間に垂直方向に並べて配置されている。
半導体基板70表面には、隣接する垂直電荷転送路72同士の間と、隣接する光電変換素子71同士の間に、これらを分離するための素子分離領域75が形成されている。
次に、図8に示した固体撮像素子の駆動方法を説明する。
第一の駆動モード時、撮像素子駆動部10は、光電変換素子71で発生した電荷を、光電変換素子71の側部にある2つの垂直電荷転送路72を用いて転送する駆動を行う。
第一の駆動モード時、撮像素子駆動部10は、光電変換素子71で発生した電荷を、光電変換素子71の側部にある2つの垂直電荷転送路72を用いて転送する駆動を行う。
例えば、撮像素子駆動部10は、第一の駆動モード時、まず、垂直転送電極V2に読み出しパルスを印加して、GR光電変換素子列の光電変換素子71で発生した電荷をパケット領域v2に読み出す駆動を行う。このときの状態を表した図が図10(a)である。
垂直転送電極V2に読み出しパルスが印加されると、図10(a)の太い白抜きの矢印で示すように電荷がパケット領域v2に読み出される。パケット領域v2に読み出された電荷がそのパケット領域v2のパケット容量よりも多かった場合、V−Vブルーミングが発生し、この電荷は、図中の細い白抜き矢印で示したように、隣接する垂直電荷転送路72のパケット領域v2に流れ込む。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V4に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v2に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路73及び出力部74を駆動して、パケット領域v2に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1に読み出しパルスを印加して、BG光電変換素子列の光電変換素子71で発生した電荷をパケット領域v1に読み出す駆動を行う。このときの状態を表した図が図10(b)である。
垂直転送電極V1に読み出しパルスが印加されると、図10(b)の太い白抜きの矢印で示すように電荷がパケット領域v1に読み出される。パケット領域v1に読み出された電荷がそのパケット領域v1のパケット容量よりも多かった場合、V−Vブルーミングが発生し、この電荷は、図中の細い白抜き矢印で示したように、隣接する垂直電荷転送路72のパケット領域v1に流れ込む。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V4に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v1に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路73及び出力部74を駆動して、パケット領域v1に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
このような駆動によって、固体撮像素子5からは、各光電変換素子71で発生した電荷に応じた信号が2つに分割されて出力されてくるため、固体撮像素子5の後段において、この分割された信号同士を加算する処理を行うことで、通常の撮像と同様に、各光電変換素子71から1つの信号を得ることができる。
ここで、V−Vブルーミングの発生原理について簡単に説明する。
図11は、図9に示す光電変換素子71周辺のポテンシャルを示した図である。図11には、光電変換素子(PD)71と、光電変換素子71に隣接する電荷読み出し領域(TG)76と、その電荷読み出し領域76に隣接する隣接垂直電荷転送路(VCCD)72と、隣接垂直電荷転送路72の水平方向隣にある垂直電荷転送路(VCCD)72と、これら2つの垂直電荷転送路72の間の素子分離領域(LCS)75の各々のポテンシャルを示した。
図11は、図9に示す光電変換素子71周辺のポテンシャルを示した図である。図11には、光電変換素子(PD)71と、光電変換素子71に隣接する電荷読み出し領域(TG)76と、その電荷読み出し領域76に隣接する隣接垂直電荷転送路(VCCD)72と、隣接垂直電荷転送路72の水平方向隣にある垂直電荷転送路(VCCD)72と、これら2つの垂直電荷転送路72の間の素子分離領域(LCS)75の各々のポテンシャルを示した。
電荷読み出しに際し、TGに読み出しパルスが供給されると、図中の破線で示したように、TGとVCCDが高電位となり、PDから電荷が読み出される。しかし、このとき、LCSにも同様の読み出し電圧が供給されるため、このLCSによる電位障壁の意味は低くなり、V−Vブルーミングが発生しやすくなるのである。
駆動の説明に戻り、第二の駆動モード時、撮像素子駆動部10は、光電変換素子71で発生した電荷を、光電変換素子71の側部にある2つの垂直電荷転送路72のうちのその光電変換素子71に隣接する垂直電荷転送路72を用いて転送する駆動を行う。
例えば、撮像素子駆動部10は、第二の駆動モード時、垂直転送電極V1,V2に読み出しパルスを印加して、BG光電変換素子列の光電変換素子71で発生した電荷をパケット領域v1に読み出し、GR光電変換素子列の光電変換素子71で発生した電荷をパケット領域v2に読み出す駆動を行う。このときの状態を表した図が図12である。
垂直転送電極V1,V2に読み出しパルスが印加されると、図12の太い白抜きの矢印で示すように、電荷読み出し領域76に隣接するパケット領域v1,v2に電荷が読み出される。ここに読み出された電荷は、図中の格子ハッチで示すように、このパケット領域v1,v2に隣接するパケット領域v1,v2にも蓄積される。パケット領域v1とパケット領域v2のパケット容量の合計は、光電変換素子51の蓄積容量と同じになっているため、第一の駆動モードのときに比べてV−Vブルーミングの発生は抑制される。
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V1〜V4に所定パターンの転送パルスを印加して、パケット領域v1,v2に蓄積された電荷を垂直方向に転送する駆動を行う。そして、水平電荷転送路73及び出力部74を駆動して、パケット領域v1,v2に蓄積された電荷に応じた信号を出力させる。
このような駆動によって、固体撮像素子5からは、全ての光電変換素子71からの信号を得ることができ、全画素読み出しを実現することができる。尚、図8に示すような構成の固体撮像素子においても、垂直転送電極の数を増やせば、第二の駆動モードにおいて垂直間引き読み出しを行うことが可能である。
以上のように、本実施形態によれば、固体撮像素子5が図8に示すような構成であっても、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、図8に示したような構成だと、光電変換素子71の対称性が崩れてしまうという問題があるが、微細化が進めばこのような問題は無視できるようになるため、このような構成も有用である。
(第六実施形態)
第一実施形態〜第五実施形態で説明した固体撮像素子は、ある光電変換素子に注目したときに、その光電変換素子の側部に2つの垂直電荷転送路が水平方向に並んで配置されている構成であるため、この2つの垂直電荷転送路の間には、これらを分離するための素子分離領域が設けられる。本実施形態では、第一実施形態〜第五実施形態で説明した固体撮像素子の素子分離領域上方に、この素子分離領域に電圧を印加するための電極を設けるものとしている。
第一実施形態〜第五実施形態で説明した固体撮像素子は、ある光電変換素子に注目したときに、その光電変換素子の側部に2つの垂直電荷転送路が水平方向に並んで配置されている構成であるため、この2つの垂直電荷転送路の間には、これらを分離するための素子分離領域が設けられる。本実施形態では、第一実施形態〜第五実施形態で説明した固体撮像素子の素子分離領域上方に、この素子分離領域に電圧を印加するための電極を設けるものとしている。
図13は、本実施形態の固体撮像素子の光電変換素子周辺のポテンシャルを示した図である。図13には、第一実施形態〜第五実施形態のいずれかで説明した固体撮像素子の光電変換素子(PD)と、その光電変換素子に隣接する電荷読み出し領域(TG)と、その電荷読み出し領域に隣接する隣接垂直電荷転送路(VCCD)と、隣接垂直電荷転送路の水平方向隣にある垂直電荷転送路(VCCD)と、これら2つの垂直電荷転送路の間の素子分離領域(LCS)の各々のポテンシャルを示した。
図13に示すように、LCS上方には、このLCSに電圧を供給するための電極80が設けられる。第一の駆動モード時、撮像素子駆動部10によってTGに読み出しパルスが印加されると、図中の実線で示したポテンシャルが、太い破線で示したポテンシャルに変化して、PDからVCCDへ電荷が移動する。このとき、撮像素子駆動部10が、LCSによって形成される電位障壁を押し下げるための電圧を電極80に印加すれば、LCSのポテンシャルは図中の細い破線で示したようになり、V−Vブルーミングの発生を促進することができる。
尚、電極80に電圧を印加するタイミングは、少なくとも、VCCDに電荷が読み出されてからこの電荷の転送が開始されるまでの間とすれば、このような効果を得ることができる。又、第二の駆動モード時には電極80に電圧を印加しないようにすることで、第二の駆動モード時にはV−Vブルーミングの発生を抑制することができる。
(第七実施形態)
第六実施形態の固体撮像素子では、素子分離領域に電圧を印加することで、V−Vブルーミングの発生を促進するものとしたが、本実施形態では、素子分離領域のポテンシャルを調整することで、V−Vブルーミングの発生を促進するものとしている。
第六実施形態の固体撮像素子では、素子分離領域に電圧を印加することで、V−Vブルーミングの発生を促進するものとしたが、本実施形態では、素子分離領域のポテンシャルを調整することで、V−Vブルーミングの発生を促進するものとしている。
図14は、本実施形態の固体撮像素子の光電変換素子周辺のポテンシャルを示した図である。図14には、第一実施形態〜第五実施形態のいずれかで説明した固体撮像素子の光電変換素子(PD)と、その光電変換素子に隣接する電荷読み出し領域(TG)と、その電荷読み出し領域に隣接する隣接垂直電荷転送路(VCCD)と、隣接垂直電荷転送路の水平方向となりにある垂直電荷転送路(VCCD)と、これら2つの垂直電荷転送路の間の素子分離領域(LCS)の各々のポテンシャルを示した。
図14に示すように、素子分離領域LCSは、水平方向に並ぶそれぞれポテンシャルの異なる複数(図14では2つ)の領域からなり、複数の領域の各々のポテンシャルが、隣接垂直電荷転送路から水平方向に遠ざかるにつれて高くなっている。このようにすることで、隣接垂直電荷転送路に読み出された電荷が、その隣の垂直電荷転送路に移動しやすくなり、V−Vブルーミングの発生を促進することができる。
5 固体撮像素子
10 撮像素子駆動部
51 光電変換素子
52 垂直電荷転送路
53 水平電荷転送路
54 出力部
55 電荷読み出し領域
10 撮像素子駆動部
51 光電変換素子
52 垂直電荷転送路
53 水平電荷転送路
54 出力部
55 電荷読み出し領域
Claims (20)
- 半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を半導体基板表面の垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の各々と交差する方向に延びた電極であって、前記複数の垂直電荷転送路の各々上方で前記垂直方向に配列された複数の電極とを含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える撮像装置であって、
前記複数の光電変換素子と前記複数の垂直電荷転送路は、ある前記光電変換素子に注目したときに、前記注目した光電変換素子の側部に2つの前記垂直電荷転送路が前記水平方向に並んで配置されるように、前記半導体基板上に配設され、
前記駆動手段は、複数の駆動モードで前記固体撮像素子を駆動可能であり、
前記複数の駆動モードは、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記注目した光電変換素子の側部にある前記2つの垂直電荷転送路を用いて転送する駆動を行う第一の駆動モードと、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記注目した光電変換素子の側部にある前記2つの垂直電荷転送路のうちの前記注目した光電変換素子に隣接する垂直電荷転送路(以下、隣接垂直電荷転送路という)を用いて転送する駆動を行う第二の駆動モードとを含む撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記隣接垂直電荷転送路に読み出すための、それぞれ独立に読み出し電圧を印加可能な2つの電荷読出し領域を備え、
前記駆動手段は、前記第一の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記2つの電荷読出し領域の一方のみを用いて前記隣接垂直電荷転送路に読み出す駆動を行い、前記第二の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記2つの電荷読出し領域を用いて前記隣接垂直電荷転送路に読み出す駆動を行う撮像装置。 - 請求項2記載の撮像装置であって、
前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、
前記複数のパケット領域は、大パケット領域と小パケット領域を含み、
前記大パケット領域は、前記小パケット領域よりもその面積が大きく、
前記2つの電荷読出し領域は、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記小パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記大パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域であり、
前記2つの電荷読出し領域の一方とは、前記第一の電荷読出し領域である撮像装置。 - 請求項2記載の撮像装置であって、
前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、
前記複数のパケット領域は、短パケット領域と長パケット領域を含み、
前記短パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に短く、
前記長パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に長く、
前記2つの電荷読出し領域は、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記短パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記長パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域であり、
前記2つの電荷読出し領域の一方とは、前記第一の電荷読出し領域である撮像装置。 - 請求項4記載の撮像装置であって、
前記短パケット領域の面積が、前記長パケット領域の面積よりも小さい撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、
前記複数のパケット領域は、大パケット領域と小パケット領域を含み、
前記大パケット領域は、前記小パケット領域よりもその面積が大きく、
前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記小パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記大パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域とを備え、
前記駆動手段は、前記第一の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記第一の電荷読出し領域を介して前記小パケット領域に読み出す駆動を行い、前記第二の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記第二の電荷読出し領域を介して前記大パケット領域に読み出す駆動を行う撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、
前記複数のパケット領域は、短パケット領域と長パケット領域を含み、
前記短パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に短く、
前記長パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に長く、
前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記短パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記長パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域とを備え、
前記駆動手段は、前記第一の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記第一の電荷読出し領域を介して前記短パケット領域に読み出す駆動を行い、前記第二の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記第二の電荷読出し領域を介して前記長パケット領域に読み出す駆動を行う撮像装置。 - 請求項7記載の撮像装置であって、
前記短パケット領域の面積が、前記長パケット領域の面積よりも小さい撮像装置。 - 請求項3〜8のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記2つの垂直電荷転送路が点対称の関係となるように、前記パケット領域の形状及び配置が決められている撮像装置。 - 請求項1〜9のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記光電変換素子の数が4つ以上であり、
前記4つ以上の光電変換素子は、前記半導体基板表面の前記水平方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子行を前記垂直方向に複数配列した配置となっており、
隣接する前記光電変換素子行同士が、前記光電変換素子行の光電変換素子の配列ピッチの略1/2だけ前記水平方向にずれて配置されている撮像装置。 - 請求項1〜10のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子が、前記2つの垂直電荷転送路同士の間に設けられた素子分離領域と、前記素子分離領域に電圧を印加するための電圧印加用電極とを備え、
前記駆動手段は、前記第一の駆動モード時、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記隣接垂直電荷転送路に読み出してから前記電荷の転送を開始するまでの間に、前記素子分離領域によって形成される電位障壁を押し下げるための電圧を前記電圧印加用電極に印加する撮像装置。 - 請求項1〜10のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子が、前記2つの垂直電荷転送路同士の間に設けられた素子分離領域を備え、
前記素子分離領域は、前記水平方向に並ぶそれぞれポテンシャルの異なる複数の領域からなり、前記複数の領域の各々のポテンシャルは、前記隣接垂直電荷転送路から前記水平方向に遠ざかるにつれて高くなっている撮像装置。 - 半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を半導体基板表面の垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の各々と交差する方向に延びた電極であって、前記複数の垂直電荷転送路の各々上方で前記垂直方向に配列された複数の電極とを含む固体撮像素子であって、
前記複数の光電変換素子と前記複数の垂直電荷転送路は、ある前記光電変換素子に注目したときに、前記注目した光電変換素子の側部に2つの前記垂直電荷転送路が前記水平方向に並んで配置されるように、前記半導体基板上に配設され、
前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記隣接垂直電荷転送路に読み出すための、それぞれ独立に読み出し電圧を供給可能な2つの電荷読出し領域を備え、
前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、
前記複数のパケット領域は、大パケット領域と小パケット領域を含み、
前記大パケット領域は、前記小パケット領域よりもその面積が大きく、
前記2つの電荷読出し領域は、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記小パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記大パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域である固体撮像素子。 - 半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を半導体基板表面の垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の各々と交差する方向に延びた電極であって、前記複数の垂直電荷転送路の各々上方で前記垂直方向に配列された複数の電極とを含む固体撮像素子であって、
前記複数の光電変換素子と前記複数の垂直電荷転送路は、ある前記光電変換素子に注目したときに、前記注目した光電変換素子の側部に2つの前記垂直電荷転送路が前記水平方向に並んで配置されるように、前記半導体基板上に配設され、
前記固体撮像素子が、前記注目した光電変換素子と前記隣接垂直電荷転送路との間の領域に、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記隣接垂直電荷転送路に読み出すための、それぞれ独立に読み出し電圧を供給可能な2つの電荷読出し領域を備え、
前記垂直電荷転送路のうち前記複数の電極の各々と平面視上重なる領域をパケット領域とし、
前記複数のパケット領域は、短パケット領域と長パケット領域を含み、
前記短パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に短く、
前記長パケット領域は、そこに隣接する前記垂直電荷転送路と対向する辺の長さが相対的に長く、
前記2つの電荷読出し領域は、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記短パケット領域に読み出すための第一の電荷読出し領域と、前記注目した光電変換素子で発生した電荷を前記長パケット領域に読み出すための第二の電荷読出し領域である固体撮像素子。 - 請求項14記載の固体撮像素子であって、
前記短パケット領域の面積が、前記長パケット領域の面積よりも小さい固体撮像素子。 - 請求項13〜15のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記2つの垂直電荷転送路が点対称の関係となるように、前記パケット領域の形状及び配置が決められている固体撮像素子。 - 請求項13〜16のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換素子の数が4つ以上であり、
前記4つ以上の光電変換素子は、前記半導体基板上の前記水平方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子行を前記垂直方向に複数配列した配置となっており、
隣接する前記光電変換素子行同士が、前記光電変換素子行の光電変換素子の配列ピッチの略1/2だけ前記水平方向にずれて配置されている固体撮像素子。 - 請求項13〜17のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記2つの垂直電荷転送路同士の間に設けられた素子分離領域と、
前記素子分離領域に電圧を印加するための電極とを備える固体撮像素子。 - 請求項13〜17のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記2つの垂直電荷転送路同士の間に設けられた素子分離領域を備え、
前記素子分離領域は、前記水平方向に並ぶそれぞれポテンシャルの異なる複数の領域からなり、前記複数の領域の各々のポテンシャルは、前記隣接垂直電荷転送路から前記水平方向に遠ざかるにつれて高くなっている固体撮像素子。 - 半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を半導体基板表面の垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記複数の垂直電荷転送路の各々と交差する方向に延びた電極であって、前記複数の垂直電荷転送路の各々上方で前記垂直方向に配列された複数の電極とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、
前記複数の光電変換素子と前記複数の垂直電荷転送路は、ある前記光電変換素子に注目したときに、前記注目した光電変換素子の側部に2つの前記垂直電荷転送路が前記水平方向に並んで配置されるように、前記半導体基板上に配設され、
前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記注目した光電変換素子の側部にある前記2つの垂直電荷転送路を用いて転送する駆動を行う第一の駆動ステップと、
前記注目した光電変換素子で発生した電荷を、前記注目した光電変換素子の側部にある前記2つの垂直電荷転送路のうちの前記注目した光電変換素子に隣接する垂直電荷転送路を用いて転送する駆動を行う第二の駆動ステップとを備える固体撮像素子の駆動方法。
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JP2006300045A JP2008118421A (ja) | 2006-11-06 | 2006-11-06 | 撮像装置、固体撮像素子、及び固体撮像素子の駆動方法 |
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