JP2008516464A - 効率的な電荷転送レートを有するＣＣＤｓ - Google Patents

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Abstract

カメラは、第1伝導型を有する基板又はウエル、第2伝導型を有する埋め込みチャネル、前記基板上に設けられる誘電体、前記誘電体上に設けられ、(1)から(6)まで順次空間的に配置されている6個のゲートを有する。6個のゲートは、第1モード及び第2モードで、以下のように信号を受信する。第1モードでは、交互に位置するゲートが実質的に相補的なクロック周期を受信する。第2モードでは、ゲ―ト1及びゲ―ト4は相補的なクロック周期を受信し、ゲ―ト2及びゲ―ト5は第1一定電圧にほぼ保持され、ゲ―ト3及びゲ―ト6は第2一定電圧にほぼ保持される。

Description

本発明は一般的に、電荷結合素子の分野に関し、特に電荷がより高速に転送される電荷結合素子に関する。
図1を参照すると、特許文献1で説明されている従来技術の電荷結合素子(CCD)が図示されている。特許文献1は、CCD10について開示している。CCD10は、リニア型CCD又はエリアアレイ型CCDのいずれかであって良い。CCD10は、p型ウエル又は基板12上に作製される。ウエルの場合には、n型基板中のp型ウエルであって良い。この構成は、インターライン型CCDアレイにおいて周知の構成である。p型基板である場合には、基板それ自体でも良い。この構成は、フルフレーム型又はリニア型CCDアレイにおいて一般的な構成である。ウエル又は基板12中には、n型埋め込みチャネル14が存在する。このn型埋め込みチャネル14は、電荷パケット20を運ぶ層を形成する。埋め込みチャネル14はチャネル調節インプラント18を含む。チャネル調節インプラント18は、ゲートH1、ゲートH2及びゲートH3又はそれらのゲートの一部の下のチャネルポテンシャルを変化させる。ゲートは、絶縁性のゲート誘電体16によって埋め込みチャネル14から隔離される。図示されているCCDは、当技術分野では、疑似2相構造と呼ばれている。ゲートは、3の制御信号H1、H2及びH3によってクロックされることで、電荷パケット20はCCD10を介して移動する。H3信号は1つおきに送られ、H3ゲート間のゲート信号は、H1とH2とで交互に送られる。図2は、通常速度でかつフルレゾリューションでの電荷転送でのゲート電圧を図示している。H1ゲート及びH2ゲートは、等しい電圧でクロックされ、かつH3とは相補的である。図1に図示されているように、時間T0から時間T1までの1/2クロック周期で、電荷パケット20は1ゲート分進む。
図4に図示されているように、ゲートへ印加される電圧を変化させることによって、CCD10の機能は変化する。この場合、1つとびのゲート(H3)が一定電圧に保持される一方で、H3のいずれかの側にあるゲート、つまりH1及びH2は、相補的になるようにクロックされる。その結果は図3に図示されている。図3では、時間T0から時間T1までの1/2クロック周期では、電荷パケット22は2ゲート分進む。これにより、CCDを介する電荷は、図2のタイミングの2倍の速度で転送される。
従来技術は、2つの動作モードに限定される。第1モードは通常の電荷転送速度で、第2モードは2倍の電荷転送速度である。2倍よりもさらに速い電荷転送レートが望ましい場合は存在する。そのような状況は、像の解像度を減少させる目的で、CCD中で3つの隣接する電荷パケットを一緒にすることが望ましいときに生じる。たとえば、通常の1920画素の領域アレイから、より高速のフレームレートで640個の水平画素を得ることが望ましい。1つの水平CCDで3つの画素を一緒にすることによって、3倍速のCCDは、従来技術よりも3倍の速さでラインを読み出す。
米国特許第6462779号明細書
従って、現在市販されている2倍速の転送レートよりも高速の読み出しが可能なCCDが必要とされている。
本発明は上述の問題のうちの1つ以上を解決することに関する。簡単にまとめると、本発明の一の態様に従うと、本発明は、以下のような電荷結合素子にその本質が見られる。当該電荷結合素子は、第1伝導型を有する基板又はウエル、第2伝導型を有する埋め込みチャネル、前記基板上に設けられる誘電体、前記誘電体上に設けられ、1から6まで順次空間的に配置されている6個のゲートを有する。6個のゲートは、第1モード及び第2モードで、以下のように信号を受信する。第1モードでは、交互に位置するゲートが実質的に互いに相補的なクロック周期を受信する。第2モードでは、ゲ―ト1及びゲ―ト4は相補的なクロック周期を受信し、ゲ―ト2及びゲ―ト5は第1一定電圧にほぼ保持され、ゲ―ト3及びゲ―ト6は第2一定電圧にほぼ保持される。
本発明に係る上記及び他の態様、目的、特徴及び利点は、本発明の好適実施例に関する詳細な説明及び添付請求項、並びに添付された図を参照することで明らかとなる。
本発明は、CCDsにおいて高転送レートを実現するという利点を有する。
最初に、本発明の好適実施例について説明する。図5を参照すると、CCD50が図示されている。CCD50は、リニア型CCD、エリアアレイ型CCD又は垂直又は水平型CCDのいずれかであって良い。CCD50は、p型ウエル又は基板52上に作製される。ウエルの場合には、n型基板中のp型ウエルであって良い。この構成は、インターライン型CCDアレイにおいて一般的な構成である。p型基板である場合には、基板それ自体でも良い。この構成は、フルフレーム型又はリニア型CCDアレイにおいて一般的な構成である。ウエル又は基板52中には、n型埋め込みチャネル54が存在する。このn型埋め込みチャネル54は、電荷パケット58を運ぶ層を形成する。埋め込みチャネル54はチャネル調節インプラント60を含む。チャネル調節インプラント60は、ゲートH1からゲートH6又はそれらのゲートの一部の下のチャネルポテンシャルを変化させる。ゲートは、絶縁性のゲート誘電体66によって埋め込みチャネル54から隔離される。ゲート状態H5につき2つのゲートレベル62及び64を有するCCD50が図示されている。ゲートレベルの一部の下のチャネルポテンシャル調節インプラント60で1つのゲートレベルのみを利用することは、当業者にとっては等価なものと見なされる。ゲート誘電体の厚さ変化のような、他のチャネルポテンシャル調節手段もまた等価なものと見なされる。
図5のゲートは、6の制御信号H1〜H6と接続している。CCD50は、2つのモードで動作することができる。図6に図示されているように、第1モードでは、ゲートH1〜H6は印加電圧を受信する。ゲートH1、ゲートH3及びゲートH5は、ゲートH2、ゲートH4及びゲートH6とは相補的にクロックされる。つまり、図6での第1モードのゲート電圧がCCD50に印加されるとき、交互に位置するゲートは相補的なクロック信号を受信する。
本明細書での議論のため、相補性を、一のクロックがその電圧を増大させる一方で、他のクロックはその電圧を減少させる状態として定義する。遷移期間中の少なくとも一時期に、一のクロック及び他のクロックの両方が同時に電圧を変化させる限り、一のクロックは他のクロックの前にその遷移を開始又は終了して良い。
この第1モードでは、電荷パケット58は、一のゲート長と同じ長さの距離を介して転送される。このモードは、フルレゾリューション1×速度の像読み出しである。
第2モードでは、CCD50は、図8に図示されたゲート電圧でクロックされる。ここで2つのゲートH2及びH5は第1一定電圧に保持され、ゲートH3及びH6は第2一定電圧に保持される。残り2つのゲートH1及びH4は相補的電圧でクロックされる。この新しいクロックの効果は図7に図示されている。電荷パケット58は、時間ステップT0から時間ステップT1までに、3つのゲート長に等しい距離にわたって転送される。H1とH4との間のゲートでの第1及び第2一定電圧は、距離に対して増加するチャネルポテンシャルを供するように設定される。
これら2つのモードの利点は、印加されるクロック電圧とタイミングを単純に変化させるだけで、CCD50が、1x速度フルレゾリューションモード又は3x速度1/3解像度モードのいずれかで動作できることである。3x速度モードでは、クロック電圧振幅は一般的に、1x速度モードの3倍以上である。
ここで代替的実施例について説明する。図9を参照すると、CCD70は、p型ウエル又は基板72上に作製される。ウエル又は基板72中には、n型埋め込みチャネル74が存在する。このn型埋め込みチャネル74は、電荷パケット78を運ぶ層を形成する。埋め込みチャネル54はチャネル調節インプラント80を含む。チャネル調節インプラント80は、ゲートH1からゲートH12又はそれらのゲートの一部の下のチャネルポテンシャルを変化させる。ゲートは、絶縁性のゲート誘電体76によって埋め込みチャネル74から隔離される。H1からH12までのゲートパターンは、CCD70の長さ全体にわたって、12ゲート毎に繰り返される。
この代替的実施例では、CCD70は3つのモードで動作して良い。第1モードは1x速度フルレゾリューション、第2モードは2x速度1/2解像度で、第3モードは3x速度1/3解像度である。第1モードでは、ゲート電圧が図10に図示されている。ゲートH1、ゲートH3、ゲートH5、ゲートH7、ゲートH9及びゲートH11は、ゲートH2、ゲートH4、ゲートH6、ゲートH8、ゲートH10及びゲートH12と相補的にクロックされる。換言すれば、交互に位置するゲートは互いに相補的にクロックされている。この第1モードクロックの結果が図9に図示されている。図9では、時間ステップT0から時間ステップT1の間、電荷パケット78は1つのゲート長に等しい距離にわたって転送される。
第2モードでは、ゲート電圧が図12に図示されている。ゲートH1、ゲートH5及びゲートH9は、ゲートH3、ゲートH7及びゲートH11と相補的にクロックされる。ゲートH2、ゲートH4、ゲートH6、ゲートH8、ゲートH10及びゲートH12は、高クロック電圧と低クロック電圧との間のほぼ半分の大きさを有する一定電圧で保持されている。第2モードでのクロック電圧の振幅は、第1モードでのクロック電圧の振幅の2倍以上である。第2モードクロックの結果は図11に図示されている。電荷パケット78は、時間ステップT0から時間ステップT1の間、2つのゲート長に等しい距離にわたって転送される。
第3モードでは、ゲート電圧が図14に図示されている。ゲートH1及びゲートH7は、ゲートH4及びゲートH10と相補的にクロックされる。ゲートH2、ゲートH5、ゲートH8及びゲートH11は第1一定電圧に保持され、ゲートH3、ゲートH6、ゲートH9及びゲートH12は第2一定電圧に保持される。ゲート上の第1及び第2一定電圧は、距離に対して増大するチャネルポテンシャルを供するように設定される。第3モードでのクロック電圧の振幅は、第1モードでのクロック電圧の振幅の3倍以上である。第3モードクロックの結果は図13に図示されている。電荷パケット78は、時間ステップT0から時間ステップT1の間、3つのゲート長に等しい距離にわたって転送される。
図15は、本明細書で図示された、最良の形態又は実施例1のいずれかの像センサ100を1つ以上有するカメラ102を図示している。カメラ102は、様々な動作モード間での切り換えを行う手段を有する。
従来技術CCDの断面図である。 図1に図示された従来技術CCDのクロックダイヤグラムである。 別な従来技術CCDの断面図である。 図3に図示された従来技術CCDのクロックダイヤグラムである。 本発明のCCDの断面図である。 図5に図示されたCCDのクロックダイヤグラムである。 別な電荷転送レートでの図5のCCDを図示している。 図7のクロックダイヤグラムである。 本発明の別な実施例である。 図9のクロックダイヤグラムである。 別な電荷転送レートでの図9のCCDを図示している。 図11のクロックダイヤグラムである。 さらに別な電荷転送レートでの図9のCCDを図示している。 図13のクロックダイヤグラムである。 本発明のCCDの典型的な商業上の実施例を表すカメラである。
符号の説明
10 CCD
12 p型ウエル又は基板
14 n型埋め込みチャネル
16 絶縁性ゲート誘電体
18 チャネル調節インプラント
20 電荷パケット
22 電荷パケット
50 CCD
52 p型ウエル又は基板
54 n型埋め込みチャネル
56 絶縁性ゲート誘電体
58 電荷パケット
60 チャネル調節インプラント
62 ゲートレベル
64 ゲートレベル
70 CCD
72 p型ウエル又は基板
74 n型埋め込みチャネル
76 絶縁性ゲート誘電体
78 電荷パケット
80 チャネル調節インプラント
100 像センサ
102 カメラ
H1-H12 ゲート/制御信号
T0 時間ステップ
T1 時間ステップ

Claims (7)

  1. 第1伝導型を有する基板又はウエル；
    第2伝導型を有する埋め込みチャネル；
    前記基板上に設けられる誘電体；及び
    前記誘電体上に設けられ、1から6まで順次空間的に配置されている6個のゲート；
    を有し、
    前記6個のゲートは、
    第1モードで、交互に位置するゲートが実質的に相補的なクロック周期を受信し、第2モードでは、ゲ―ト1とゲ―ト4とは実質的に相補的なクロック周期を受信し、
    ゲ―ト2及びゲ―ト5は第1一定電圧にほぼ保持され、ゲ―ト3及びゲ―ト6は第2一定電圧にほぼ保持される、
    電荷結合素子。
  2. 第1伝導型を有する基板又はウエル；
    第2伝導型を有する埋め込みチャネル；
    前記基板上に設けられる誘電体；及び
    前記誘電体上に設けられ、1から12まで順次空間的に配置されている12個のゲート；
    を有し、
    前記12個のゲートは、
    第1モードで、交互に位置するゲートが実質的に相補的なクロック周期を受信し、
    第2モードでは、ゲ―ト1、ゲ―ト5及びゲ―ト9は、ゲ―ト3、ゲ―ト7及びゲ―ト11とは実質的に相補的なクロック周期を受信し、かつゲート2、ゲート4、ゲート6、ゲート8、ゲート10及びゲート12は第1一定電圧でほぼ保持され、かつ
    第3モードでは、ゲート1及びゲート7は、ゲート4及びゲート10と相補的にクロックされ、ゲート2、ゲート5、ゲート8及びゲート11は第2一定電圧に保持され、かつゲート3、ゲート6、ゲート9及びゲート12は第3一定電圧にほぼ保持される、
    電荷結合素子。
  3. 前記第1一定電圧と前記第2一定電圧とが実質的に等しい、請求項2に記載の電荷結合素子。
  4. 前記第1一定電圧と前記第3一定電圧とが実質的に等しい、請求項2に記載の電荷結合素子。
  5. 第1伝導型を有する基板又はウエル；
    第2伝導型を有する埋め込みチャネル；
    前記基板上に設けられる誘電体；及び
    前記誘電体上に設けられ、1から6まで順次空間的に配置されている6個のゲート；
    を有し、
    前記6個のゲートは、
    第1モードで、交互に位置するゲートが実質的に相補的なクロック周期を受信し、第2モードでは、ゲ―ト1とゲ―ト4とは実質的に相補的なクロック周期を受信し、
    ゲ―ト2及びゲ―ト5は第1一定電圧にほぼ保持され、ゲ―ト3及びゲ―ト6は第2一定電圧にほぼ保持される、
    電荷結合素子を有するカメラ。
  6. 第1伝導型を有する基板又はウエル；
    第2伝導型を有する埋め込みチャネル；
    前記基板上に設けられる誘電体；及び
    前記誘電体上に設けられ、1から12まで順次空間的に配置されている12個のゲート；
    を有し、
    前記12個のゲートは、
    第1モードで、交互に位置するゲートが実質的に相補的なクロック周期を受信し、
    第2モードでは、ゲ―ト1、ゲ―ト5及びゲ―ト9は、ゲ―ト3、ゲ―ト7及びゲ―ト11とは実質的に相補的なクロック周期を受信し、かつゲート2、ゲート4、ゲート6、ゲート8、ゲート10及びゲート12は第1一定電圧でほぼ保持され、かつ
    第3モードでは、ゲート1及びゲート7は、ゲート4及びゲート10と相補的にクロックされ、ゲート2、ゲート5、ゲート8及びゲート11は第2一定電圧に保持され、かつゲート3、ゲート6、ゲート9及びゲート12は第3一定電圧にほぼ保持される、
    電荷結合素子を有するカメラ。
  7. 前記第1一定電圧と前記第2一定電圧とが実質的に等しい、請求項6に記載のカメラ。
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