JP2009218738A - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】信号が飽和レベルに達する強い光入射条件下でも画質劣化なく画像の再生を可能とし、ダイナミックレンジを広げる。
【解決手段】二次元状に配列された複数のフォトダイオード１（ＰＤ）と、フォトダイオード１で発生された信号電荷を読み出して所定方向に電荷転送する垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）と、フォトダイオード１（ＰＤ）で過剰に発生した信号電荷を基板５側に排出する縦型オーバーフロードレインとを有する固体撮像装置２００であって、１フレーム期間内にフォトダイオード１（ＰＤ）から垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）への信号電荷の読出しを複数回行い、読み出された信号電荷のうち一定量の信号電荷を超えた部分の信号電荷をフォトダイオード１（ＰＤ）に逆転送すると共に、複数回読み出された信号電荷を垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）上で加算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、１フレーム期間内に複数回受光して、被写体からの画像光を光電変換して撮像する固体撮像装置、これに用いられる固体撮像装置の駆動方法、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、玄関監視カメラや車載用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

近年、この種の固体撮像素子は、カメラ付き携帯電話装置の普及に伴い大幅に需要が伸びている。この固体撮像素子の中でもＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型固体撮像素子（以下ＣＣＤという）は低雑音特性を有することから、スチルカメラやビデオカメラや監視カメラなど、主に画質が要求される用途に用いられている。

以下、従来のＣＣＤについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

図６は、従来のＣＣＤの平面構成を説明するための模式図である。

図６において、従来のＣＣＤ１００は、複数のフォトダイオード１（ＰＤ）が行列方向に２次元でマトリクス状に配列され、複数のフォトダイオード１から所定の垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）に信号電荷を読み出し、その信号電荷を所定の垂直電荷転送路２により垂直方向に電荷転送する。次に、垂直電荷転送路２からの信号電荷を水平電荷転送路３に転送し、垂直電荷転送路２から受け取った信号電荷を水平電荷転送路３により水平方向に電荷転送する。この水平電荷転送路３の電荷転送端部には信号検出部４が設けられており、この信号検出部４において、水平電荷転送路３から電荷転送された信号電荷を受け取って、その信号電荷の電荷量に応じた電圧を撮像信号として出力する。

上記垂直電荷転送路２上の転送電極に駆動パルスφ_Ｖを印加して信号電荷を図６の上から下（縦方向；列方向）に電荷転送するが、その詳細については後述する。

図７（ａ）は、図６の点線で囲まれた平面部分Ｐの拡大図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ｂ線の縦断面図である。

図７（ａ）に示すように、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）は、例えば４枚の各転送電極Ｖ_１〜Ｖ_４を一組とし、それぞれに４相の垂直転送クロックφ_Ｖ１〜φ_Ｖ４のそれぞれを供給して電荷転送駆動するように構成されている。まず、この転送電極Ｖ_１は、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷を垂直電荷転送路２により電荷転送するための転送ゲートＴＧも兼ねている。

図７（ｂ）に示すように、従来のＣＣＤ１００は、Ｎ型シリコン基板５の表面側にＰ型ウェル６が設けられている。このＰ型ウェル６の表面側に、フォトダイオード１を構成するＮ型領域７が設けられている。更にその表面側には、暗電流を低減するための表面Ｐ＋型拡散層８が設けられている。

一方、垂直電荷転送路２を構成するＮ型拡散層９上および、このＮ型拡散層９とＮ型領域７間のＰ型ウェル６のＰ型領域上に、絶縁膜１０を介して転送ゲート電極１１が形成されている。この転送ゲート電極１１（転送電極Ｖ_１）に正電位が印加されると、転送ゲート下のＰ型ウェル６のＰ型領域にチャネルが形成され、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷は垂直電荷転送路２のＮ型拡散層９に読み出される。

上記転送ゲート電極１１をはじめとする垂直転送電極や水平転送電極の上部には、アルミニウム材料などで遮光膜１２が設けられている。

また、Ｎ型シリコン基板５には、Ｐ型ウェル６に対して逆バイアスになるような電圧が印加されて、フォトダイオード１のポテンシャル井戸以上の過剰光入射時に発生する過剰な信号電荷をＮ型シリコン基板５側に掃き出す縦型オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造を採用している。

次に、従来のＣＣＤ１００の信号電荷読出し動作の概要について、図８〜図１０を用いて詳細に説明する。

図８は、図６のＣＣＤ１００における垂直転送ゲートの駆動タイミングを示す４相の垂直転送クロックφ_Ｖ１〜φ_Ｖ４の波形図である。

図９は、図７（ａ）のＡ−Ｂ線の縦断面におけるポテンシャルプロファイル図であり、図１０は、図７（ａ）のＣ−Ｄ線の縦断面におけるポテンシャルプロファイル図である。
フォトダイオード１（ＰＤ）から垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）への信号読出し動作に関し、期間ｔ２１〜ｔ２４間のそれぞれの動作を図９および図１０を用いて説明する。なお、上記転送ゲート電極１１に電圧Ｖ_Ｘが印加されているときの転送ゲートＴＧ，垂直電荷転送路ＶＣＣＤの表面ポテンシャルをφ_ＴＧ（Ｖ_Ｘ）、φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_Ｘ）と表す。

図８に示すように、まず、時刻ｔ２１は信号電荷蓄積期間の一部である。図９（ａ）および図１０（ａ）は、この時刻ｔ２１のポテンシャルプロファイルを示している。転送電極Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４にはそれぞれ、Ｖ_Ｍ１，Ｖ_Ｍ１，Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｌの電圧がそれぞれ印加されている。

時刻ｔ２１での垂直転送クロックφ_Ｖ１，φ_Ｖ２の転送電圧Ｖ_Ｍ１は、信号蓄積期間でのフォトダイオード１（ＰＤ）と垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）との間のＰ型領域５におけるポテンシャル障壁φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ１）を形成しており、図９（ａ）で示すように、フォトダイオード１（ＰＤ）に入射光の受光により発生した信号電荷がポテンシャル障壁φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ１）により垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）側へ漏れ出すことなく、フォトダイオード１（ＰＤ）内に蓄積された状態となっている。

次に、信号読出し期間ｔ２２〜ｔ２３において、フォトダイオード１（ＰＤ）から垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）への電荷転送を行う。

転送電極Ｖ_１に電圧Ｖ_Ｈを印加することにより、フォトダイオード１（ＰＤ）、転送ゲートＴＧおよび垂直電荷転送路２（ＶＣＣ）のポテンシャルプロファイルは、図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示すように、φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_Ｈ）＞φ_ＴＧ（Ｖ_Ｈ）＞φ_ＰＤの関係が成立する。このため、フォトダイオード１（ＰＤ）で発生した信号電荷Ｑ_ＰＤは、転送ゲートＴＧを経て垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）に読み出される。

時刻ｔ２３で、フォトダイオード１（ＰＤ）から垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）への信号電荷Ｑ_ＰＤの転送は完了し、フォトダイオード１（ＰＤ）では新たに次のフレームで読み出される信号電荷Ｑ_ＰＤの蓄積が開始されている。即ち、フォトダイオード１で信号電荷を蓄積し得る最大の時間は、この蓄積開始時から次の開始時までとなる。

図９（ｃ）および図１０（ｃ）は時刻２３でのフォトダイオード１（ＰＤ）と垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）のポテンシャルプロファイル図である。

続いて、図８の期間ｔ２４〜ｔ２１’において、フォトダイオード１（ＰＤ）から読み出された信号電荷が、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）を通り、水平電荷転送路３（ＨＣＣＤ）へと順次転送されるように、垂直転送電極Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４に４相の垂直転送クロックφ_Ｖ１〜φ_Ｖ４を印加する。また、水平電荷転送路３（ＨＣＣＤ）では、垂直転送クロックの休止期間に水平電荷転送路３（ＨＣＣＤ）に転送された一垂直列分の信号電荷を高速に電荷転送して増幅し、それを外部に撮像信号として出力する。

以上の動作を行うＣＣＤ１００に強い光が入射した場合、フォトダイオード１（ＰＤ）で発生した信号電荷が周辺の垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）側に漏れるブルーミングという現象が起きて、画質を大幅に損ねる。

このブルーミングの発生のメカニズムには、以下の２種類がある。
まず、第１のブルーミングの発生は、過剰光入射により信号電荷蓄積期間中に蓄積電荷量が増え、フォトダイオード１（ＰＤ）のポテンシャルφ_ＰＤが大幅に上昇し、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）とフォトダイオード１（ＰＤ）との間のポテンシャル障壁φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ）を超えて、過剰電荷が垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）側に漏れ込んでしまうことにより起こる。

また、第２のブルーミングの発生は、信号読出し期間ｔ２２〜ｔ２３にフォトダイオード１（ＰＤ）で発生した信号電荷を全て垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）に電荷転送した際、信号電荷Ｑ_ＰＤが垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）の取り扱い電荷量（Ｑ_ＶＣＣＤ）を超え、過剰な信号電荷が垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）の電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_Ｌ）を超えて隣接する電荷蓄積領域に漏れこむことのより起こる。

これに対して、ブルーミング抑圧の手法として、この漏れ出す信号電荷をシリコン基板５側に掃き捨てる縦型オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造が従来技術として知られている。

通常時のＣＣＤ１００のダイナミックレンジは電荷量Ｑ_ＶＣＣＤで制限されている。取り扱い電荷量Ｑ_ＶＣＣＤを増加させるには、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）の面積を大きく、また、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）に印加する電圧を大きくする必要がある一方、ＣＣＤ１００の感度を上げるためには、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）の面積を小さくしてフォトダイオード１（ＰＤ）の占める面積の割合を大きくする必要がある。従来より、ＣＣＤ１００の微細化・低電圧化が進む中、効率よく信号電荷を電荷転送するために、信号電荷Ｑ_{ＰＤＭＡＸ}と電荷量Ｑ_ＶＣＣＤは、ほぼ同じ値になるように調整されている。

図１１は、過剰な信号電荷をＮ型シリコン基板５側に掃き出す縦型オーバーフロードレイン構造（ＶＯＤ構造）のポテンシャルプロファイル図である。なお、この縦軸はＰＤ領域のポテンシャルを示し、横軸はＰＤ領域の深さを示している。

入射光によってフォトダイオード１（ＰＤ）で発生した信号電荷は、シリコン基板５の電位Ｖ_ｓｕｂＮによって規定されるポテンシャルφＶＯＦＤ障壁内に蓄積される。図１１の実線は、このときのＶＯＤ構造のポテンシャルプロファイルを表わしている。このモードでは、一定の電荷Ｑ_{ＰＤＭＡＸ}までの信号電荷はフォトダイオード１（ＰＤ）に蓄積され、それ以上に発生した信号電荷は、φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ）＜φ_ＶＯＦＤの条件が満たされていれば、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）側に漏れ込むことなく、Ｎ型シリコン基板５側に掃き捨てられて、ブルーミングの発生を抑えることができる。

また、信号蓄積期間中にＶＯＤ構造のシリコン基板１に所定の電圧Ｖ_ｓｕｂＳを印加することにより、フォトダイオード１（ＰＤ）に蓄積された信号電荷を全てシリコン基板５側に掃き捨てる電子シャッター動作がある。図１１の点線は、電子シャッターが行なわれたときのＶＯＤ構造のポテンシャルプロファイルを表わしている。この電子シャッターによって、信号蓄積時間を制御することが可能となり、強い光入射時には信号蓄積時間を短くすることで、ブルーミングの発生を抑えることができる。

しかしながら、上記従来のＶＯＤ構造によるブルーミングの抑圧方法や電子シャッター制御を用いた従来のＣＣＤでは、フォトダイオード１および垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）で蓄積できる最大信号電子数は数万電子であり、アンプなどから発生する無信号時の雑音電子数（１０数電子）に対するダイナミックレンジは６０〜７０（ｄＢ）である。

このためダイナミックレンジが広い、即ち、高輝度な領域と低輝度な領域が混在するような被写体を撮像した場合、画像つぶれが生じて画質を著しく低下させるという問題を有していた。

このため、例えば特許文献１に示す従来の撮像装置のように、フォトダイオード１で第１の蓄積を行い、この第１の蓄積による信号電荷を垂直電荷転送部に送った後、直ちに第１の蓄積より蓄積時間が長い第２の蓄積を開始し、第１の蓄積による信号電荷をＣＣＤから出力させた後に、第２の蓄積による信号電荷を垂直電荷転送部に送り、第２の蓄積による信号電荷をＣＣＤから出力することにより、異なる蓄積時間の撮像信号をＣＣＤから出力し、この出力した撮像信号を合成して合成撮像信号を形成することにより、ダイナミックレンジを拡大する手法が提案されている。

しかし、上記特許文献１の場合には、１フレームの画像を得るには通常の２倍の情報量を読み出す必要が生じ、消費電力の増大を招くばかりでなく、最近のＣＣＤでは高画素化に進んでいることから、実現性が乏しくなる。
また、例えば特許文献２に示す従来の固体撮像装置の駆動方法では、フォトダイオードで第１の蓄積を行い、この第１の蓄積による信号電荷を垂直電荷転送部に送った後に、直ちにフォトダイオードでその第１の蓄積より蓄積時間の短い第２の蓄積を開始し、その後、第２の蓄積による信号電荷を垂直電荷転送部に送り、その垂直電荷転送部において、２つの信号電荷を合成してから、従来のＣＣＤのように垂直電荷転送部および水平電荷転送部をそれぞれ駆動して合成した信号電荷を得る手法が提案されている。

以下に、この手法の詳細について説明する。

この手法の駆動方法について、駆動タイミングを示す図１２の波形図を用い、デバイス内部のポテンシャルについては前述の図９および図１０を用いて説明する。
図１２に示す時刻ｔ１１は信号電荷蓄積期間の一部である。図９（ａ）および図１０（ａ）はこの時刻ｔ１１のポテンシャルプロファイルを示している。このとき、転送電極Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４にはそれぞれＶ_Ｍ１，Ｖ_Ｍ１，Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｌの電圧がそれぞれ印加されている。

まず、時刻ｔ１１での垂直転送クロックφ_Ｖ１，φ_Ｖ２の転送電圧Ｖ_Ｍ１は、信号蓄積期間でのフォトダイオード１（ＰＤ）と垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）との間のポテンシャル障壁φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ１）を形成しており、図９（ａ）で示すように、フォトダイオード１（ＰＤ）には受光により発生した信号電荷がポテンシャル障壁φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ１）により垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）へ漏れ出すことなく、フォトダイオード１（ＰＤ）内に電荷蓄積されている。また、時刻ｔ１１での垂直転送クロックφ_Ｖ３，φ_Ｖ４の転送電圧Ｖ_Ｌは、図１０に示すように、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）間のポテンシャル障壁φ_ＴＧ（Ｖ_Ｌ）を作り出している。

次の期間ｔ１２〜ｔ１３において、フォトダイオード１（ＰＤ）から垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）側への電荷転送を行う。

この期間ｔ１２〜ｔ１３での垂直転送クロックφ_Ｖ１，φ_Ｖ２において、転送電極Ｖ_１に転送電圧Ｖ_Ｈを印加することにより、フォトダイオード１（ＰＤ）、転送ゲートＴＧおよび垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）のポテンシャルプロファイルは、図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示すように、φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_Ｈ）＞φ_ＴＧ（Ｖ_Ｈ）＞φ_ＰＤの関係が成立する。

ここで、前フレームからフォトダイオード１（ＰＤ）で発生した信号電荷Ｑ_ＰＤは、転送ゲートＴＧを経て垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）に読み出される。この読み出された信号電荷を第１の蓄積信号とし、フォトダイオード１（ＰＤ）に隣接した垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）内に保持される。

この時刻ｔ１３において、フォトダイオード１（ＰＤ）から垂直電荷転送路ＶＣＣＤ側への信号電荷Ｑ_ＰＤの転送は完了し、フォトダイオード１（ＰＤ）では新たに信号電荷Ｑ_ＰＤの蓄積が開始される。

続いて、期間ｔ１７〜ｔ１８において、フォトダイオード１（ＰＤ）から垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）側への２度目の電荷転送を行う。この信号電荷を第２の蓄積信号とし、電荷転送に伴い垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）において、第１の蓄積信号と第２の蓄積信号の加算を行う。この場合、第１の蓄積信号の露光時間は長く、第２の蓄積信号の露光時間は短い。

この後に、期間ｔ１９〜ｔ１１’において、フォトダイオード１（ＰＤ）から読み出された信号電荷が、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）を通り、水平電荷転送路３（ＨＣＣＤ）へと順次、電荷転送が行なわれるように、垂直転送電極Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４に４相の垂直転送クロックφ_Ｖ１〜φ_Ｖ４を印加する。また、水平電荷転送路３（ＨＣＣＤ）では、垂直転送クロックφ_Ｖ１〜φ_Ｖ４の休止期間に水平電荷転送路３（ＨＣＣＤ）に電荷転送された一垂直列分の信号電荷を高速に電荷転送して増幅し、その増幅した撮像信号を外部に出力する。

この手法は、２つの信号電荷の合成により擬似的にガンマ特性などの非線形特性を持たせることができる。

即ち、入射光量の少ない画素では第１の蓄積信号および第２の蓄積信号とも入射光量に比例した出力を得ることができ、それらを合成した信号電荷では入射光量に線形な特性を示す。

また、以前の受光素子では信号電荷が飽和して応答がなくなるような入射光量の大きい画素では、第１の蓄積において、前記ブルーミング抑圧によりフォトダイオードが飽和状態となり一定量の信号電荷しか得られないが、蓄積時間の短い第２の蓄積において入射光量に応じた信号を得ることができ、それら２つの信号電荷の合成によって、線形性は失われるものの、入射光量に応答した出力を得ることができる。

よって、画素内の全ての領域において応答が実現でき、即ち、特許文献２の手法は、ダイナミクレンジの向上が可能となる。
特開平４−２０７５８１号公報 特開平６−１１３２０７号公報

しかしながら、上記従来の特許文献２の構成では、入射光量の大きい画素での第１の蓄積信号であるフォトダイオードの飽和信号量は、プロセス条件の影響の大きい縦型オーバーフロードレインが縦型トランジスタ特性やフォトダイオード容量により決定されることから、実際には画素毎に大幅にばらつくことになる。

このため、入射光量の大きい画素では、一定量の信号となるべき第１の蓄積信号、即ち画素の飽和信号量が画素毎にばらつくことになり、第２の蓄積信号との合成信号のＳ／Ｎ比の確保ができず、広ダイナミックレンジ時に画質劣化を招く。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、駆動周波数の増大や画質の劣化を抑えた上で、広ダイナミックレンジの応答を得ることができる固体撮像装置、これに用いられる固体撮像装置の駆動方法、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いたカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的としている。

本発明の固体撮像装置は、二次元状に配列された複数のフォトダイオードと、該フォトダイオードで形成された信号電荷を読み出して所定方向に電荷転送する電荷転送手段と、 該フォトダイオードで過剰に発生した信号電荷を基板側に排出するオーバーフロードレイン手段とを有する固体撮像装置であって、該電荷転送手段は、１フレーム期間内に、該フォトダイオードから信号電荷の読出しを複数回行い、該読み出された信号電荷のうち一定量を超えた信号電荷を該フォトダイオード側に逆転送させると共に、該複数回読み出された信号電荷を加算するように制御が為されるものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像装置における複数回読み出された信号電荷の蓄積時間がそれぞれ異なっている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における複数回読み出された信号電荷の蓄積時間が順次減少している。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置におけるフォトダイオードに逆転送した信号電荷を基板側に排出するシャッタ手段をさらに有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における電荷転送手段の電荷転送路に読み出された信号電荷は、該電荷転送路を用いて一定の電荷量が計量されるように、一定量を超えた信号電荷を前記フォトダイオード側に逆転送させる。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における電荷転送路側のポテンシャル障壁φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_L）は、前記フォトダイオードと該電荷転送路間のポテンシャル障壁φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ２）と比較して、φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_L）＜φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ２）の条件が成立している。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における複数回の信号電荷の読み出しで計量される電荷量は、順次増加されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記フォトダイオードから前記電荷転送路の電荷蓄積領域に信号電荷を読み出す際に、駆動クロックにより該電荷転送路に設ける電荷蓄積領域を、読み出し回数に伴って順次拡げる。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数回の信号電荷の読み出しのうち、最後の信号電荷の読出し時以外では、信号電荷の読み出し直後に、前記フォトダイオードと前記電荷転送手段の電荷転送路との間のポテンシャル障壁を該電荷転送路に隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低く設定した期間が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、ＣＣＤ型固体撮像装置である。

本発明の固体撮像装置の駆動方法は、二次元状に配列された複数のフォトダイオードと、 該フォトダイオードで形成された信号電荷を読み出して所定方向に電荷転送する電荷転送手段と、該フォトダイオードで過剰に発生した信号電荷を基板側に排出するオーバーフロードレイン手段とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、１フレーム期間内に、該フォトダイオードから該電荷転送手段に信号電荷の読出しを複数回行い、読み出された信号電荷のうち一定量を超えた信号電荷を該フォトダイオード側に逆転送させる逆転送ステップと、該逆転送ステップの前または後に、該複数回読み出された信号電荷を該電荷転送手段上で加算するステップとを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明においては、１フレーム期間内にフォトダイオードから電荷転送手段への信号電荷の読出しを複数回行い、読み出された信号電荷のうち一定量の信号電荷を超えた部分の信号電荷をフォトダイオード側に逆転送すると共に、複数回読み出された信号電荷を電荷転送手段（電荷転送路）上で加算する。これによって、信号電荷が飽和レベルに達する強い光入射条件下でも画質劣化なく画像の再生を可能とし、ダイナミックレンジを広げることが可能となる。

以上により、本発明によれば、１フレーム期間内にフォトダイオードから電荷転送手段への信号電荷の読出しを複数回行い、読み出された信号電荷のうち一定量の信号電荷を超えた部分の信号電荷をフォトダイオード側に逆転送すると共に、複数回読み出された信号電荷を電荷転送手段（電荷転送路）上で加算するため、駆動周波数の増大や画質の劣化を抑えた上で、高輝度な領域と低輝度な領域が混在するような被写体を撮像した場合であっても、従来のように画像つぶれが生じることなく、広ダイナミックレンジの応答を得ることができる。

以下に、本発明の固体撮像装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態のＣＣＤ２００の全体平面構成は、図６の従来のＣＣＤ１００の場合と同様である。即ち、図６に示すように、本実施形態のＣＣＤ２００は、複数のフォトダイオード１（ＰＤ）が行列方向に２次元でマトリクス状に配列され、複数のフォトダイオード１から所定の垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）に信号電荷を読み出し、その信号電荷を所定の垂直電荷転送路２により垂直方向に電荷転送する。次に、複数の垂直電荷転送路２からの信号電荷をそれぞれ水平電荷転送路３に転送し、各垂直電荷転送路２から受け取った信号電荷を水平電荷転送路３により水平方向に電荷転送する。この水平電荷転送路３の電荷転送端部には信号検出部４が設けられており、この信号検出部４により、水平電荷転送路３から電荷転送された信号電荷を受け取って、その信号電荷の電荷量に応じた電圧に増幅して撮像信号として出力する。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の一部平面部分（図６の平面部分Ｐ）の拡大図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ｂ線の縦断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の電荷転送手段は、フォトダイオード１で発生した信号電荷を読み出して垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）により所定方向に電荷転送する。垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）を構成する例えば４枚の各転送電極Ｖ_１〜Ｖ_４を一組とし、各転送電極Ｖ_１〜Ｖ_４それぞれに、電荷転送駆動部２１Ａから４相の垂直転送クロックφ_Ｖ１〜φ_Ｖ４をそれぞれ供給して電荷転送駆動するように構成されている。まず、この転送電極Ｖ_１は、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷を垂直電荷転送路２に読み出すための転送ゲートＴＧも兼ねている。この電荷転送手段は、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）および電荷転送駆動部２１Ａを有しており、読み出された信号電荷のうち一定量を超えた信号電荷をフォトダイオード１側に逆転送すると共に、１フレーム期間内に、フォトダイオード１から信号電荷の読出しを複数回行い、複数回読み出された信号電荷を加算するように制御が為されるようになっている。この場合、フォトダイオード１に逆転送した信号電荷を基板５側に排出するシャッタ手段（図示せず）をさらに有している。これが本発明の特徴構成であり、これについて詳細に後述する。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態のＣＣＤ２００は、Ｎ型シリコン基板５の表面側にＰ型ウェル６が設けられている。このＰ型ウェル６の表面側に、フォトダイオード１を構成するＮ型領域７が設けられている。更にその表面側には、暗電流を低減するための表面Ｐ＋型拡散層８が設けられている。

一方、垂直電荷転送路２を構成するＮ型拡散層９上および、このＮ型拡散層９とＮ型領域７間のＰ型ウェル６のＰ型領域上に、絶縁膜１０を介して転送ゲート電極１１が形成されている。この転送ゲート電極１１（転送電極Ｖ_１）に正電位が印加されると、転送ゲート下のＰ型ウェル６のＰ型領域にチャネルが形成され、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷が垂直電荷転送路２のＮ型拡散層９に読み出される。

上記転送ゲート電極１１をはじめとする垂直転送電極や水平転送電極の上部には、アルミニウム材料などで遮光膜１２が設けられている。

また、Ｎ型シリコン基板５には、Ｐ型ウェル６に対して逆バイアスになるような電圧が印加されて、フォトダイオード１のポテンシャル井戸以上の過剰光入射時に発生する過剰な信号電荷をＮ型シリコン基板５側に掃き出すオーバーフロードレイン手段としての縦型オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造を採用している。

上記構成により、以下、その動作について説明する。
図２は、本実施形態におけるＣＣＤ２００の駆動タイミングを示す駆動パルスの波形図である。

図２に示す駆動パルスのように、ＣＣＤ２００の垂直電荷転送路２の転送電極Ｖ_１〜Ｖ_４にそれぞれ駆動パルスΦ_Ｖ１〜Φ_Ｖ４を印加し、ｎ基板５にパルスＶ_ｓｕｂを印加する。
このときの画素内部のようすを、図３および図４に示している。

図３は、図１（ａ）のＡ−Ｂ線断面のポテンシャルプロファイルであり、図４は、図１（ａ）のＣ−Ｄ線断面のポテンシャルプロファイルである。
本実施形態のＣＣＤ２００に、強い入射光領域と弱い入射光領域が混在して入射した場合について考える。

従来の駆動方法と同様に、１フレーム前のフォトダイオード１（ＰＤ）から垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）への信号電荷の転送完了後から、新たにフォトダイオード１（ＰＤ）で信号電荷Ｑ_ＰＤが蓄積されている。

期間ｔ２〜ｔ３に信号蓄積時間の長い第１の信号読み出しを行う。

まず、信号電荷蓄積期間である時刻ｔ１では、図３（ａ）に示したように弱い入射光領域にある画素ではフォトダイオード１に光電変換によって発生した信号電荷Ｑ_１が蓄積され、強い入射光領域の画素では強い光を受光してフォトダイオード１の最大取り扱い電荷量を超えた電荷が発生するが、縦型オーバーフロードレイン構造による上記ブルーミング抑圧により過剰電荷は基板５側に排出され、Ｑ_{ＰＤＭＡＸ}の信号電荷がフォトダイオード１（ＰＤ）に蓄積される。

図５（ａ）は、その信号出力の光電変換特性を示し、横軸は入射光量を示し、縦軸は蓄積電荷量を示している。また、特性３１は、強い入射光領域にある画素の光電変換特性であり、特性３２は、弱い入射光領域にある画素の光電変換特性である。また、破線で示した３１ａは、縦型オーバーフロードレイン構造がないとした場合の強い入射光領域にある画素の光電変換特性である。また、破線で示す特性３１ｂは、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）を用いて垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）に読み込まれた第１の蓄積信号に関して一定量の信号電荷の計量を行い、その一定量の信号電荷を超える部分の信号電荷をフォトダイオード１（ＰＤ）に逆転送した後の垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）の信号電荷の量を示しており、これについては後述する。

図５（ａ）の特性３１から明らかなように、強い入射光領域にある画素では、入射光量に比例して蓄積電荷量が増加し、入射光量がある一定量を超えると、蓄積電荷量は、Ｑ_{ＰＤＭＡＸ}に飽和する。一方、図５（ａ）の特性３１から明らかなように、弱い入射光領域にある画素では、入射光量に比例して蓄積電荷量Ｑ_１が増加している。

次に、期間ｔ２〜ｔ３に転送電極Ｖ_１に電圧Ｖ_Ｈが印加されて、図３（ｂ）に示したように信号電荷蓄積期間にフォトダイオード１（ＰＤ）に蓄積されていた信号電荷は、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）に電荷転送される。

この時、特に強い入射光領域の画素ではＱ_{ＰＤＭＡＸ}が読み出されるのであるが、前述の課題のようにＱ_{ＰＤＭＡＸ}は画素レベルのプロセス・加工条件のばらつきにより、画素毎に大幅にばらついている。

次に、図３（ｃ）は、期間ｔ３〜ｔ４の図１（ａ）のＡ−Ｂ線断面のポテンシャルプロファイルである。この期間ｔ３〜ｔ４において、転送電極Ｖ_１に電圧Ｖ_Ｍ２が印加されており、転送ゲートＴＧでの表面ポテンシャルφ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ２）がフォトダイオード１（ＰＤ）と垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）のポテンシャル障壁となっている。この転送電極Ｖ_１に隣接した垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）の転送電極Ｖ_２およびＶ_４の電位はＶ_Ｌであり、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）側のポテンシャル障壁φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_L）となっている。この、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）側のポテンシャル障壁φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_L）は、図３（ｃ）に示すようにフォトダイオード１（ＰＤ）と垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）との間のポテンシャル障壁φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ２）と比較して、φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_Ｍ２）＜φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ２）の条件が成立しており、信号電荷Ｑ_{ＰＤＭＡＸ}以上の余剰な信号電荷は、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）間に漏れ出すことなくフォトダイオード１（ＰＤ）の方に掃き出される。図３（ｄ）のようにＣＣＤ２００の電位で決定される一定量の信号電荷が蓄積される。前述したように、ＣＣＤ２００の電位で決定される一定量の信号電荷は、図５（ａ）の特性３１ｂに示すＱ_{ＣＣＤＭＡＸ}となる。このように、第１の読み出し動作によって垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）に蓄積された信号を第１の蓄積信号とする。

その後、図３（ｅ）のように、転送電極Ｖ_１に通常の駆動と同様の電圧Ｖ_Ｍ１を印加する。

上記フォトダイオード１（ＰＤ）に掃き戻された電荷をそのままにしておくと、第２の信号電荷を蓄積するときに残像として画質の劣化を引き起こしてしまう。そこで、掃き戻された余剰な信号電荷は、信号読み出し終了後の時刻ｔ４以降にＮ型シリコン基板５に電圧Ｖ_ｓｕｂＳを印加して、電子シャッター動作により図３（ｆ）のようにＮ型シリコン基板５側に掃き出し、電圧印加完了後の時刻ｔ５からフォトダイオード１で次の短時間蓄積となる第２の信号蓄積が開始される。

以上の第１の読み出し動作によって、弱い入射光領域に対応した画素では、入射光量に対応した第１の信号電荷Ｑ_１が垂直電荷転送路２内に蓄積され、強い入射光領域に対応した画素では上記計量動作によりばらつき無く計量された電荷Ｑ_{ＣＣＤＭＡＸ}が蓄積された状態となる。
第２の蓄積信号は、強い入射光領域においても飽和しないよう設定された蓄積時間、即ち短い蓄積時間で行われ、弱い入射光領域および強い入射光領域どちらにおいても入射光量に比例した第２の信号電荷Ｑ_２となる。

次に、一定時間経過後、第２の蓄積信号の読み出しである第２の信号読み出しが行われる。

まず、時刻ｔ６に転送電極Ｖ_２に電圧Ｖ_Ｍ１が印加されて、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）の取り扱い電荷量を増大させる。

さらに、期間ｔ７〜ｔ８に、フォトダイオード１（ＰＤ）から垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）への２度目の電荷転送を行う。この信号電荷を第２の蓄積信号とし、電荷転送に伴い垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）において、長時間露光信号である第１の蓄積信号との加算を行う。

上述したように、時刻ｔ６で、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）の取り扱い電荷量を増大させたので、第１の蓄積信号と第２の蓄積信号とが加算された後に、加算された蓄積信号が垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）においてより確実に保持される。

この後、期間ｔ９〜ｔ１’において、フォトダイオード１（ＰＤ）から読み出された信号電荷が、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）を通り、水平電荷転送路３（ＨＣＣＤ）へと順次転送が行なわれるよう、垂直転送電極Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４に４相駆動用クロックを印加する。

また、水平電荷転送路３（ＨＣＣＤ）では、垂直転送クロックの休止期間に水平電荷転送路３（ＨＣＣＤ）に電荷転送された一垂直列分の信号電荷を高速で信号転送を行い、増幅して外部に出力する。

このとき、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）で加算された信号は、弱い入射光領域の画素では、
Ｑ＝Ｑ_１＋Ｑ_２
となり、
強い入射光領域の画素では、
Ｑ＝Ｑ_{ＣＣＤＭＡＸ}＋Ｑ_２
となる。

このときの応答を図５（ｂ）に示している。図５（ｂ）において、横軸は入射光量を示し、縦軸は蓄積電荷量を示している。また、特性３３は、垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）で加算された信号の応答を示す。特性３３に示すように、線形性はないものの、広い入射光量の範囲において応答が可能である。

以上により、本実施形態によれば、第１の信号が飽和レベルに達している場合においても、飽和信号のばらつきの発生を抑えることができ、第２の読み出しによる短い蓄積時間の信号のデータを合成することにより、ダイナミックレンジの改善を図ったＣＣＤ２００において、高輝度な被写体を精度よく撮像することができ、ダイナミックレンジを大幅に改善することができる。

ここで、本実施形態のＣＣＤ２００についてまとめて説明する。

本実施形態のＣＣＤ２００では、前述したように、マトリクス状に配列された複数のフォトダイオード１と、このフォトダイオードによって発生した信号電荷を列方向に電荷転送する垂直電荷転送路および水平電荷転送路を含む電荷転送手段と、フォトダイオード１で発生した過剰な信号電荷を基板の深さ方向に排出するための縦型オーバーフロードレイン構造とを有し、全画素の信号電荷の出力を行う１フレームの間に、全てのフォトダイオード１から垂直電荷転送路２への蓄積時間の異なる信号電荷の読出しを少なくとも２回以上実施し、長い蓄積時間の信号蓄積および信号読み出しを先に行い、読み出し時に読み出された信号電荷について垂直電荷転送路２を用いて一定量の信号電荷を計量し、計量して過剰となった信号電荷をフォトダイオード１側に逆転送し、シャッタ機能を用いて基板５側に排出した後、蓄積時間より蓄積時間の短い蓄積を行った後に信号読み出しを行い、先に読み出した信号電荷と垂直転送路２において加算した後に、順次読み出すことを特徴としている。

この場合、垂直電荷転送路２に読み出された信号電荷は、垂直電荷転送路２を用いて一定の電荷量が計量されるように、一定量を超えた信号電荷をフォトダイオード１側に逆転送させているが、複数回の信号電荷の読み出しで計量される一定の電荷量は、順次増加されている。要するに、フォトダイオード１から垂直電荷転送路２の電荷蓄積領域に信号電荷を読み出す際に、印加垂直転送駆動クロックにより垂直電荷転送路２に設ける電荷蓄積領域を、読み出し回数に伴い順次拡げる。２回目の読み出し以降は垂直電荷転送領域（信号電荷蓄積領域）を拡げて加算する。

また、最後の電荷読出し時以外では、電荷読み出し直後にフォトダイオード１と垂直電荷転送路２との間のポテンシャル障壁を上記垂直電荷転送路２に隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低く設定した期間を設け、読み出しゲート内に設けた電位差で信号電荷を計量し、読み出し時に電荷蓄積領域内に読み込まれる信号電荷のうち、上記計量によって過剰になった信号電荷は、フォトダイオード１に逆転送され、シャッタ手段による機能を用いて縦型オーバーフロードレインへと排出される。

上記構成のＣＣＤ２００によれば、一例として２種の露光条件での信号加算時には、上記フォトダイオード１から垂直電荷転送路２の電荷蓄積領域に信号電荷を転送する第１の電荷転送直後に、フォトダイオード１と垂直電荷転送路２との間のポテンシャル障壁を垂直電荷転送路２に隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低くし、垂直電荷転送路２に隣接する電荷蓄積領域間に漏れ出すのを防止しているため、過剰光が入射したフォトダイオード１から垂直電荷転送路２に信号電荷を読み出した際に、前後の電荷蓄積領域に溢れることなく信号読出しができる。

また同時に、過剰光入射画素の電荷蓄積領域では、電荷蓄積領域に設けたポテンシャル障壁で決定される一定量の信号電荷のみが読み出されることで、飽和信号量のばらつきによるザラの発生を抑えることができる。

これらの動作により、特許文献２の課題である入射光量の大きい画素での飽和信号量が画素毎にばらつくことなく、入射光量の大きい領域で一定の飽和信号が得られ、この後、第２の電荷蓄積を終えた信号を加算することで、高画質なワイドダイナミックレンジを有した画像を得ることが可能となる。

以上、２種の露光条件での信号加算の手法について説明してきたが、第２の蓄積電荷を読み出し後に、電極Ｖ_２にＶ_Ｌ＜Ｖ_Ｘ＜Ｖ_Ｍ１なる電位Ｖｘを印加することで第２の計量を行い、第３の蓄積信号の読み出しを行い信号の合成を行う３種の露光条件での信号加算も容易に実現できる。

１フレーム期間内に３回以上の信号電荷の読み出しを行う場合に、読み出される信号電荷の蓄積時間を、それぞれ異ならせることにより、より広ダイナミックレンジの応答を得ることができる。さらに、好ましくは、１フレーム期間内に３回以上の信号電荷の読み出しを行う場合に読み出される信号電荷の蓄積時間を、順次減少させることにより、さらにより広ダイナミックレンジの応答を得ることができる。
また同様に、Ｖ_Ｘを順次大きくする手法により４種以上の露光条件の信号加算も実現できる。

なお、上記実施形態では、１画素当たり４枚の電極で垂直電荷転送路２（ＶＣＣＤ）を形成し、１フレームに全画素を出力する４相駆動ＣＣＤについて説明してきたが、これに限らない。即ち、垂直方向２画素毎に４枚の電極で垂直電荷転送路ＶＣＣＤを形成し、第１のフィールドで垂直方向１画素おきに信号読み出しを行い、第２のフィールドに残りの画素を読み出すフレーム蓄積モードや、各フィールドにおいて全ての画素を読み出し、フィールド順次に加算方向を変えながら上下２画素加算を行い出力するフィールド蓄積モードを行うＣＣＤにも適用可能である。

また、本実施形態では、４枚の電極において垂直電荷転送路２を形成するＣＣＤ２００について説明したが、これに限らず、その他の任意の枚数で垂直電荷転送路２を形成するＣＣＤにおいても本実施形態を適用することができる。

なお、上記実施形態では、特に説明しなかったが、上記実施形態のＣＣＤ２００を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラおよび携帯電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態のＣＣＤを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、１フレーム期間内に複数回受光して、被写体からの画像光を光電変換して撮像する固体撮像装置、これに用いられる固体撮像装置の駆動方法、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、玄関監視カメラや車載用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、駆動周波数の増大や画質の劣化を抑えた上で、高輝度な領域と低輝度な領域が混在するような被写体を撮像した場合、画像つぶれが生じることなく広ダイナミックレンジの応答を得ることができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の一部平面部分の拡大図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ｂ線の縦断面図である。 本実施形態におけるＣＣＤの駆動タイミングを示す駆動パルスの波形図である。 図１（ａ）のＡ−Ｂ線断面のポテンシャルプロファイルである。 図１（ａ）のＣ−Ｄ線断面のポテンシャルプロファイルである。 （ａ）および（ｂ）は、入射光量に対する蓄積電荷量を示す光電変換特性図である。 従来のＣＣＤの平面構成を説明するための模式図である。 （ａ）は、図６の点線で囲まれた平面部分Ｐの拡大図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ｂ線の縦断面図である。 図６のＣＣＤにおける垂直転送ゲートの駆動タイミングを示す４相の垂直転送クロックの波形図である。 図７（ａ）のＡ−Ｂ線の縦断面におけるポテンシャルプロファイル図である。 図７（ａ）のＣ−Ｄ線の縦断面におけるポテンシャルプロファイル図である。 過剰な信号電荷をＮ型シリコン基板側に掃き出す縦型オーバーフロードレイン構造（ＶＯＤ構造）のポテンシャルプロファイル図である。 特許文献２に開示されている従来の固体撮像装置の駆動方法による駆動タイミングを示す４相の垂直転送クロックの波形図である。

符号の説明

１ フォトダイオード
２ 垂直電荷転送路
３ 水平電荷転送路
４ 電荷検出回路
５ ｎ基板
６ ｐウエル
１０ 酸化膜
１１ 電極
１２ 遮光膜
２００ ＣＣＤ（固体撮像装置）
φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_L） 電荷転送路側のポテンシャル障壁
φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ２） フォトダイオードと電荷転送路間のポテンシャル障壁

Claims (12)

1. 二次元状に配列された複数のフォトダイオードと、
   該フォトダイオードで形成された信号電荷を読み出して所定方向に電荷転送する電荷転送手段と、
   該フォトダイオードで過剰に発生した信号電荷を基板側に排出するオーバーフロードレイン手段とを有する固体撮像装置であって、
   該電荷転送手段は、
   １フレーム期間内に、該フォトダイオードから信号電荷の読出しを複数回行い、該読み出された信号電荷のうち一定量を超えた信号電荷を該フォトダイオード側に逆転送させると共に、該複数回読み出された信号電荷を加算するように制御が為される固体撮像装置。
2. 前記複数回読み出された信号電荷の蓄積時間がそれぞれ異なっている請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数回読み出された信号電荷の蓄積時間が順次減少している請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記フォトダイオードに逆転送した信号電荷を基板側に排出するシャッタ手段をさらに有する請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記電荷転送手段の電荷転送路に読み出された信号電荷は、該電荷転送路を用いて一定の電荷量が計量されるように、一定量を超えた信号電荷を前記フォトダイオード側に逆転送させる請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 前記電荷転送路側のポテンシャル障壁φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_L）は、前記フォトダイオードと該電荷転送路間のポテンシャル障壁φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ２）と比較して、φ_ＶＣＣＤ（Ｖ_L）＜φ_ＴＧ（Ｖ_Ｍ２）の条件が成立している請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記複数回の信号電荷の読み出しで計量される電荷量は、順次増加されている請求項５に記載の固体撮像装置。
8. 前記フォトダイオードから前記電荷転送路の電荷蓄積領域に信号電荷を読み出す際に、駆動クロックにより該電荷転送路に設ける電荷蓄積領域を、読み出し回数に伴って順次拡げる請求項５または７に記載の固体撮像装置。
9. 前記複数回の信号電荷の読み出しのうち、最後の信号電荷の読出し時以外では、信号電荷の読み出し直後に、前記フォトダイオードと前記電荷転送手段の電荷転送路との間のポテンシャル障壁を該電荷転送路に隣接する電荷蓄積領域間のポテンシャル障壁よりも低く設定した期間が設けられている請求項５または７に記載の固体撮像装置。
10. ＣＣＤ型固体撮像装置である請求項１に記載の固体撮像装置。
11. 二次元状に配列された複数のフォトダイオードと、
    該フォトダイオードで形成された信号電荷を読み出して所定方向に電荷転送する電荷転送手段と、
    該フォトダイオードで過剰に発生した信号電荷を基板側に排出するオーバーフロードレイン手段とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    １フレーム期間内に、該フォトダイオードから該電荷転送手段に信号電荷の読出しを複数回行い、読み出された信号電荷のうち一定量を超えた信号電荷を該フォトダイオード側に逆転送させる逆転送ステップと、
    該逆転送ステップの前または後に、該複数回読み出された信号電荷を該電荷転送手段上で加算するステップとを有する固体撮像装置の駆動方法。
12. 請求項１〜１０のいずれかに記載の固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。

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