JP2009272333A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像処理が煩雑になることなく、光感応領域に発生した電荷を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】固体撮像装置１は、複数の光電変換部３と、第１及び第２のシフトレジスタ９，１３とを備えている。各光電変換部３は、光入射に応じて電荷を発生し且つ平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成す光感応領域１５と、光感応領域１５に対して光感応領域１５の平面形状を成す長辺に平行な所定の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する電位勾配形成領域１７と、を有している。複数の光電変換部３は、上記所定の方向に交差する方向に沿うように併置されている。第１及び第２のシフトレジスタ９，１３は、複数の光電変換部３からそれぞれ転送された電荷を取得し、上記所定の方向に交差する方向に転送して出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

固体撮像装置として、光入射に応じて電荷を発生し且つ平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成す光感応領域をそれぞれ有する複数の光電変換部が、一次元方向（光感応領域の短辺方向に沿う方向）にアレイ状に配置されているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような固体撮像装置は、従来より様々な用途に用いられているが、特に、分光器の光検出手段として広く用いられている。
特開２００５−１６４３６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の固体撮像装置は、以下の問題点を有している。特許文献１に記載の固体撮像装置では、光感応領域に発生した電荷は、光感応領域の短辺側から読み出されることとなる。このため、発生した電荷は光感応領域の長辺方向に移動する必要があり、その移動距離が長くなってしまう。この結果、発生した電荷を高速に読み出すことが困難となる。

また、特許文献１に記載の固体撮像装置では、光感応領域の一対の短辺それぞれに隣接して、電荷を蓄積するディフュージョン領域及び当該ディフュージョン領域に生じた電圧信号を増幅して出力するアンプ領域が配置されている。すなわち、特許文献１に記載の固体撮像装置では、光感応領域の各短辺に隣接して配置された一対のアンプ領域からそれぞれ信号が出力されるため、一次元画像を得るための信号処理が必要となり、画像処理が煩雑となる懼れがある。

そこで、本発明の課題は、画像処理が煩雑になることなく、光感応領域に発生した電荷を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することである。

本発明に係る固体撮像装置は、光入射に応じて電荷を発生し且つ平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成す光感応領域と、光感応領域に対して光感応領域の平面形状を成す長辺に平行な所定の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する電位勾配形成領域と、をそれぞれ有すると共に、所定の方向に交差する方向に沿うように併置された複数の光電変換部と、複数の光電変換部からそれぞれ転送された電荷を取得し、所定の方向に交差する方向に転送して出力する第１及び第２の電荷出力部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像装置では、各光電変換部において、電位勾配形成領域により上記所定の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿っていずれかの短辺側に移動する。これにより、電荷の移動速度は、電位勾配（ポテンシャルの傾斜）に支配されることとなり、電荷の読出し速度が高速化する。

また、本発明では、複数の光電変換部から転送された電荷は、第１又は第２の電荷出力部により取得されて所定の方向に交差する上記方向に転送されて出力される。この結果、本発明によれば、従来の技術にて必要とされるような一次元画像を得るための信号処理をあらためて実行する必要はなく、画像処理の煩雑化を防ぐことができる。

ところで、本発明では、光感応領域は、平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。このため、光感応領域における飽和電荷量が大きい。

本発明では、電位勾配形成領域は、上記所定の方向として、光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第１の方向に沿って高くされた電位勾配を形成し、第１及び第２の電荷出力部は、光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置されており、光電変換部にそれぞれ対応し且つ各光電変換部と第１の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を第１の電荷出力部へ転送する複数の第１の転送部と、光電変換部にそれぞれ対応し且つ各第１の電荷出力部と第２の電荷出力部との間に配置され、第１の電荷出力部に転送された電荷を第２の電荷出力部へ転送する複数の第２の転送部と、を更に備えていることが好ましい。

この場合、電位勾配形成領域により上記第１の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方の短辺側に移動する。他方の短辺側に移動した電荷は、第１の転送部に取得されて、第１の方向に転送される。そして各第１の転送部から転送された電荷は、第１の電荷出力部により、第１の方向に交差する方向に転送されて出力される。また、第２の転送部により、第１の電荷出力部に蓄積されている電荷は、第１の方向に転送される。そして各第２の転送部から転送された電荷は、第２の電荷出力部により、第１の方向に交差する方向に転送されて出力される。

また、本発明では、電位勾配形成領域は、上記所定の方向として、光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第１の方向及び光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側から一方の短辺側に向かう第２の方向のいずれかの方向に沿って高くされた電位勾配を選択的に形成し、第１の電荷出力部は、光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側に配置され、第２の電荷出力部は、光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置されており、光電変換部にそれぞれ対応し且つ各光電変換部と第１の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を第１の電荷出力部へ転送する複数の第１の転送部と、光電変換部にそれぞれ対応し且つ各光電変換部と第２の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を第２の電荷出力部へ転送する複数の第２の転送部と、を更に備えていることが好ましい。

電位勾配形成領域により上記第２の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されると、光感応領域に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って一方の短辺側に移動する。一方の短辺側に移動した電荷は、第１の転送部に取得されて、第２の方向に転送される。そして各第１の転送部から転送された電荷は、第１の電荷出力部により、第１の方向に交差する方向に転送されて出力される。電位勾配形成領域により上記第１の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されると、光感応領域に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方の短辺側に移動する。他方の短辺側に移動した電荷は、第２の転送部に取得されて、第１の方向に転送される。そして各第２の転送部から転送された電荷は、第２の電荷出力部により、第２の方向に交差する方向に転送されて出力される。

更に、本発明では、第２の電荷出力部は、第１の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を複数の第２の転送部から取得して、所定の方向に交差する方向に転送して出力し、第１の電荷出力部は、第１の期間より短い第２の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を複数の第１の転送部から取得して、所定の方向に交差する方向に転送して出力することが好ましい。

第１の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的長くなることから、強い入射光は、信号が飽和するために適切に検出することが困難となるが、弱い入射光は、十分大きな信号として検出される。一方、第２の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的短くなることから、弱い入射光は、信号が微弱となるため、信号として十分に検出することが困難となるが、強い入射光は、飽和することなく、信号として適切に検出される。このように、入射光の強さに関わらず、入射光が信号として適切に検出されることとなり、実効的なダイナミックレンジが大きくなる。

なお、本発明では、第１及び第２の電荷出力部を備えていることから、第２の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷の転送と第１の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷の転送とが、互いに障害となることはない。

本発明によれば、画像処理が煩雑になることなく、光感応領域に発生した電荷を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面構成を説明するための図である。

第１実施形態に係る固体撮像装置１は、複数の光電変換部３と、複数のバッファゲート部５と、複数の第１の転送部７と、第１の電荷出力部としての第１のシフトレジスタ９と、複数の第２の転送部１１と、第２の電荷出力部としての第２のシフトレジスタ１３と、を備えている。固体撮像装置１は、分光器の光検出手段として用いることができる。

各光電変換部３は、光感応領域１５と、電位勾配形成領域１７と、を有している。光感応領域１５は、光の入射に感応して、入射光強度に応じた電荷を発生する。電位勾配形成領域１７は、光感応領域１５に対して、光感応領域１５の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第１の方向（光感応領域１５の長辺方向に沿う方向）に沿って高くされた電位勾配を形成する。電位勾配形成領域１７により、光感応領域１５に発生した電荷は、光感応領域１５の他方の短辺側から排出される。

光感応領域１５の平面形状は、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。複数の光電変換部３は、上記第１の方向に交差（例えば、直交）する方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。複数の光電変換部３は、光感応領域１５の短辺方向に沿う方向に併置されている。本実施形態では、光感応領域１５の長辺方向での長さは、例えば１ｍｍ程度に設定され、光感応領域１５の短辺方向での長さは例えば２４μｍ程度に設定されている。

各光感応領域１５に対して、当該光感応領域１５を光感応領域１５の短辺方向に沿う方向に挟むようにして、アイソレーション領域１８とオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）領域１９とが配置されている。アイソレーション領域１８は、光感応領域１５の一方の長辺に隣接して、光感応領域１５の長辺方向に沿う方向に伸びている。アイソレーション領域１８は、アイソレーション領域１８を挟んで隣り合う一対の光感応領域１５を電気的に分離する。

オーバーフロードレイン領域１９は、光感応領域１５の他方の長辺に隣接して、光感応領域１５の長辺方向に沿う方向に伸びている。オーバーフロードレイン領域１９は、ゲートトランジスタにより構成されるオーバーフローゲート（ＯＦＧ）を含み、光感応領域１５にて当該光感応領域１５の蓄積容量を超える電荷が発生した際に、蓄積容量を超えた分の電荷を排出する。これにより、蓄積容量を超えた光感応領域１５から溢れた電荷が他の光感応領域１５へ漏れ出すブルーミング等の不都合が防止される。

各バッファゲート部５は、光電変換部３にそれぞれ対応し且つ光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。すなわち、複数のバッファゲート部５は、光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第１の方向に交差する方向（光感応領域１５の短辺方向に沿う方向）に併置されている。バッファゲート部５は、光電変換部３（光感応領域１５）と第１の転送部７とを仕切る。本実施形態では、バッファゲート部５には、電位勾配形成領域１７によって光感応領域１５から排出された電荷が蓄積される。隣り合うバッファゲート部５の間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、バッファゲート部５の間における電気的な分離を実現している。

各第１の転送部７は、バッファゲート部５にそれぞれ対応し且つバッファゲート部５と第１のシフトレジスタ９との間に配置されている。すなわち、複数の第１の転送部７は、光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第１の方向に交差する方向に併置されている。第１の転送部７は、バッファゲート部５に蓄積されている電荷を取得し、取得した電荷を第１の方向、すなわち第１のシフトレジスタ９に向けて転送する。隣り合う第１の転送部７の間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、第１の転送部７の間における電気的な分離を実現している。

第１のシフトレジスタ９は、複数の第１の転送部７に対して、各第１の転送部７と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、第１のシフトレジスタ９は、光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。第１のシフトレジスタ９は、第１の転送部７からそれぞれ転送された電荷を受け取り、第１の方向に交差する上記方向に転送して、アンプ部２３に順次出力する。第１のシフトレジスタ９から出力された電荷は、アンプ部２３によって電圧に変換され、第１の方向に交差する上記方向に併置された光電変換部３（光感応領域１５）毎の電圧として固体撮像装置１の外部に出力される。

各第２の転送部１１は、バッファゲート部５にそれぞれ対応し且つ第１のシフトレジスタ９と第２のシフトレジスタ１３との間に配置されている。すなわち、複数の第２の転送部１１は、光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第１の方向に交差する方向に併置されている。第２の転送部１１は、対応する第１のシフトレジスタ９の領域に蓄積された電荷を取得し、取得した電荷を第１の方向、すなわち第２のシフトレジスタ１３に向けて転送する。隣り合う第２の転送部１１の間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、第２の転送部１１の間における電気的な分離を実現している。

第２のシフトレジスタ１３は、複数の第２の転送部１１に対して、各第２の転送部１１と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、第２のシフトレジスタ１３は、第１のシフトレジスタ９と同じく、光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。第２のシフトレジスタ１３は、第２の転送部１１からそれぞれ転送された電荷を受け取り、第１の方向に交差する上記方向に転送して、アンプ部２３に順次出力する。第２のシフトレジスタ１３から出力された電荷は、アンプ部２３によって電圧に変換され、第１の方向に交差する上記方向に併置された光電変換部３（光感応領域１５）毎の電圧として固体撮像装置１の外部に出力される。

複数の光電変換部３、複数のバッファゲート部５、複数の第１の転送部７、第１のシフトレジスタ９、複数の第２の転送部１１、及び第２のシフトレジスタ１３は、図２に示されるように、半導体基板３０上に形成される。半導体基板３０は、半導体基板３０の基体となるｐ型半導体層３１と、ｐ型半導体層３１の一方面側に形成されたｎ型半導体層３２，３３，３５，３７，３９、ｎ⁻型半導体層３４，３６，３８，４０、及びｐ^＋型半導体層４１と、を含んでいる。なお、本実施形態では、半導体としてＳｉを用いており、「高不純物濃度」とは例えば不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としては砒素などがあり、ｐ型不純物としては硼素などがある。

ｐ型半導体層３１とｎ型半導体層３２とはｐｎ接合を形成しており、ｎ型半導体層３２により、光の入射により電荷を発生する光感応領域１５が構成されることとなる。ｎ型半導体層３２は、平面視で、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。ｎ型半導体層３２は、上記第１の方向（すなわち、ｎ型半導体層３２の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう、ｎ型半導体層３２の長辺方向に沿う方向）に交差する方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。各ｎ型半導体層３２は、ｎ型半導体層３２の短辺方向に沿う方向に併置されている。上記アイソレーション領域１９は、ｐ^＋型半導体層により構成できる。

ｎ型半導体層３２に対して、一対の電極５１，５２が配置されている。一対の電極５１，５２は、光を透過する材料、例えば、ポリシリコン膜からなり、絶縁層（図示せず）を介してｎ型半導体層３２上に形成されている。一対の電極５１，５２により、電位勾配形成領域１７が構成されることとなる。電極５１，５２は、上記第１の方向に交差する方向に沿うように併置されている複数のｎ型半導体層３２にわたるように、上記第１の方向に交差する方向に連続して伸びて形成されていてもよい。もちろん、電極５１，５２は、ｎ型半導体層３２ごとに形成されていてもよい。

電極５１は、いわゆる抵抗性ゲートを構成しており、ｎ型半導体層３２の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう方向（上記第１の方向）に伸びて形成されている。電極５１は、両端に定電位差を与えることにより、当該電極５１の第１の方向での電気抵抗成分に応じた電位勾配、すなわち上記第１の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する。電極５１の一端には制御回路（図示せず）から信号ＭＧＬが与えられ、電極５１の他端及び電極５２には制御回路（図示せず）から信号ＭＧＨが与えられる。信号ＭＧＬがＬレベルであると共にＭＧＨがＨレベルであると、ｎ型半導体層３２において上記第１の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されるようになっている。

電極５２と第１の方向に隣接して、電極５３が配置されている。電極５３は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ型半導体層３３に形成されている。ｎ型半導体層３３は、ｎ型半導体層３２の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。電極５３は、例えば、ポリシリコン膜からなる。電極５３には、制御回路（図示せず）から信号ＢＧが与えられる。電極５３及び電極５３下のｎ型半導体層３３によって、バッファゲート部５が構成されることとなる。

電極５３と第１の方向に隣接して、転送電極５４，５５が配置されている。転送電極５４，５５は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ⁻型半導体層３４及びｎ型半導体層３５上にそれぞれ形成されている。ｎ⁻型半導体層３４及びｎ型半導体層３５は、ｎ型半導体層３３と第１の方向に隣接して配置されている。転送電極５４，５５は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極５４，５５には、制御回路（図示せず）から信号ＴＧ１が与えられる。転送電極５４，５５及び転送電極５４，５５下のｎ⁻型半導体層３４及びｎ型半導体層３５によって、第１の転送部７が構成されることとなる。

転送電極５５と第１の方向に隣接して、一対の転送電極５６，５７が配置されている。転送電極５６，５７は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ⁻型半導体層３６及びｎ型半導体層３７上にそれぞれ形成されている。ｎ⁻型半導体層３６及びｎ型半導体層３７は、ｎ型半導体層３５と第１の方向に隣接して配置されている。転送電極５６，５７は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極５６，５７には、制御回路（図示せず）から信号Ｐ１Ｈ１等が与えられる。転送電極５６，５７及び転送電極５６，５７下のｎ⁻型半導体層３６及びｎ型半導体層３７によって、第１のシフトレジスタ９が構成されることとなる。

転送電極５７と第１の方向に隣接して、転送電極５８が配置されている。転送電極５８は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ⁻型半導体層３８上に形成されている。ｎ⁻型半導体層３８は、ｎ型半導体層３７と第１の方向に隣接して配置されている。転送電極５８は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極５８には、制御回路（図示せず）から信号ＴＧ２が与えられる。転送電極５８及び転送電極５８下のｎ⁻型半導体層３８によって、第２の転送部１１が構成されることとなる。

転送電極５８と第１の方向に隣接して、転送電極５９が配置されている。転送電極５９は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ⁻型半導体層４０及びｎ型半導体層３９上に形成されている。ｎ⁻型半導体層４０は、ｎ⁻型半導体層３８と第１の方向に隣接して配置されている。ｎ型半導体層３９は、ｎ⁻型半導体層４０と第１の方向に隣接して配置されている。転送電極５９は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極５９には、制御回路（図示せず）から信号Ｐ１Ｈ２等が与えられる。転送電極５９並びに転送電極５９下のｎ⁻型半導体層４０及びｎ型半導体層３９によって、第２のシフトレジスタ１３が構成されることとなる。

ｐ^＋型半導体層４１は、ｎ型半導体層３２，３３，３５，３７，３９及びｎ⁻型半導体層３４，３６，３８，４０を、半導体基板３０の他の部分から電気的に分離している。上述した各絶縁層は、光を透過する材料、例えば、シリコン酸化膜からなる。ｎ型半導体層３２を除く、ｎ型半導体層３３，３５，３７，３９、ｎ⁻型半導体層３４，３６，３８，４０（バッファゲート部５、第１の転送部７、第１のシフトレジスタ９、第２の転送部１１、及び第２のシフトレジスタ１３）は、不要な電荷が生じるのを防ぐために、遮光部材を配置するなどして、遮光されていることが好ましい。

続いて、図３及び図４に基づいて、固体撮像装置１における動作を説明する。図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１において、電極５１〜５９に入力される各信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＢＧ，ＴＧ１，Ｐ１Ｈ１，ＴＧ２，Ｐ１Ｈ２のタイミングチャートである。図４（ａ）〜（ｅ）は、図３における各時刻ｔ１〜ｔ５での電荷の蓄積及び排出動作を説明するためのポテンシャル図である。

ところで、ｎ型の半導体では正にイオン化したドナーが存在し、ｐ型の半導体では負にイオン化したアクセプターが存在する。半導体におけるポテンシャルは、ｐ型よりもｎ型の方が高くなる。換言すれば、エネルギーバンド図におけるポテンシャルは、下向きがポテンシャルの正方向となるため、ｎ型の半導体におけるポテンシャルは、エネルギーバンド図においてはｐ型の半導体のポテンシャルよりも深くなり（高くなり）、エネルギー準位は低くなる。また、各電極に正電位を印加すると、電極直下の半導体領域のポテンシャルが深くなる（正方向に大きくなる）。各電極に印加される正電位の大きさを小さくすると、対応する電極直下の半導体領域のポテンシャルが浅くなる（正方向に小さくなる）。

図３に示されるように、時刻ｔ１にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ１Ｈ１，ＴＧ２，Ｐ１Ｈ２がＬレベルであり、信号ＢＧがＨレベルであると、ｎ型半導体層３３のポテンシャルφ_３３はｎ⁻型半導体層３４のポテンシャルφ_３４より深いことから、ポテンシャルφ_３２，φ_３３の井戸が形成されている（図４（ａ）参照）。この状態で、ｎ型半導体層３２に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷は、ポテンシャルφ_３２，φ_３３の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ_３２，φ_３３には、電荷量ＱＬ_１が蓄積されている。

時刻ｔ２にて、信号ＭＧＨがＨレベルであると、ｎ型半導体層３２において上記第１の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されており、ポテンシャルφ_３２はｎ型半導体層３３側に向けて深くなるように傾斜し、ポテンシャルφ_３２の勾配が形成されている（図４（ｂ）参照）。同じく、時刻ｔ２にて、信号ＴＧ１がＨレベルであると、ｎ⁻型半導体層３４及びｎ型半導体層３５の各ポテンシャルφ_３４，φ_３５が深くなり、ポテンシャルφ_３５の井戸が形成されている。ポテンシャルφ_３２の井戸内に蓄積されていた電荷は、図５にも示されるようにポテンシャルφ_３２の勾配に沿って移動し、ポテンシャルφ_３３の井戸に蓄積されていた電荷と共に、ポテンシャルφ_３５の井戸内に転送される。ポテンシャルφ_３５には、電荷量ＱＬ_１が蓄積されている。

時刻ｔ３にて、信号ＴＧ１がＬレベルであると、ポテンシャルφ_３４，φ_３５は浅くなる。これにより、テンシャルφ_３２，φ_３３の井戸が形成される。このとき、ポテンシャルφ_３２の勾配が形成された状態が維持されており、発生した電荷がポテンシャルφ_３３の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ_３２には、電荷量ＱＬ_２が蓄積されている（図４（ｃ）参照）。また、時刻ｔ３にて、信号Ｐ１Ｈ１がＨレベルであると、ｎ⁻型半導体層３６及びｎ型半導体層３７の各ポテンシャルφ_３６，φ_３７は深くなり、ポテンシャルφ_３７の井戸が形成されている。ポテンシャルφ_３５の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ_３７の井戸内に転送される。ポテンシャルφ_３７には、電荷量ＱＬ_１が蓄積されている。

時刻ｔ４にて、信号ＴＧ１がＨレベルであると共に、信号Ｐ１Ｈ１がＬレベルであると、ポテンシャルφ_３５の井戸が形成されている（図４（ｄ）参照）。これにより、ポテンシャルφ_３３の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ_３５の井戸内に転送される。ポテンシャルφ_３５には、電荷量ＱＬ_２が蓄積されている。

同じく、時刻ｔ４にて、信号ＴＧ２，Ｐ１Ｈ２がＨレベルであると、ｎ⁻型半導体層３８，４０及びｎ型半導体層３９の各ポテンシャルφ_３８，φ_４０，φ_３９が深くなり、ポテンシャルφ_３９の井戸が形成されている。ポテンシャルφ_３７の井戸内に蓄積されていた電荷は、ポテンシャルφ_３９の井戸内に転送される。ポテンシャルφ_３９には、電荷量ＱＬ_１が蓄積されている。この後、電荷量ＱＬ_１の電荷は、電荷転送期間ＴＰ１の間において、上記第１の方向に交差する方向に順次転送されて、アンプ部２３に出力されることとなる。図３での図示は省略するが、電荷転送期間ＴＰ１では、電荷量ＱＬ_１を上記第１の方向に交差する方向に転送するための信号が信号Ｐ１Ｈ２等として与えられる。

時刻ｔ５にて、信号ＭＧＨがＬレベルであると共に信号ＴＧ１がＬレベルであると、時刻ｔ１と同じく、ポテンシャルφ_３２の勾配が無くなると共に、ポテンシャルφ_３２，φ_３３の井戸が形成されている（図４（ｅ）参照）。これにより、時刻ｔ１と同じく、発生した電荷がポテンシャルφ_３２，φ_３３の井戸内に蓄積される。同じく、時刻ｔ５にて、信号Ｐ１Ｈ１がＨレベルであると、時刻ｔ３と同じく、ポテンシャルφ_３７の井戸が形成されている。ポテンシャルφ_３５の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ_３７の井戸内に転送される。ポテンシャルφ_３７には、電荷量ＱＬ_２が蓄積されている。この後、電荷量ＱＬ_２の電荷は、電荷転送期間ＴＰ２の間において、上記第１の方向に交差する方向に順次転送されて、アンプ部２３に出力されることとなる。図３での図示は省略するが、電荷転送期間ＴＰ２では、電荷量ＱＬ_２を上記第１の方向に交差する方向に転送するための信号が信号Ｐ１Ｈ１等として与えられる。

以上のように、本実施形態では、光感応領域１５の平面形状が、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。この場合、光感応領域１５の長辺方向での長さを大きくすることが可能となり、各光感応領域１５での飽和電荷量を大きくして、ＳＮ比の向上を図ることができる。

そして、複数の光電変換部３は、上記第１の方向に交差する上記第１の方向に交差する方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。本実施形態では、複数の光電変換部３は、光感応領域１５の短辺方向に沿う方向に併置されている。各光電変換部３において、電極５１により上記第１の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域１５に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方の短辺側に移動する。これにより、電荷の移動速度は、電位勾配（ポテンシャルの傾斜）に支配されることとなり、電荷の読出し速度が高速化する。

他方の短辺側に移動した電荷は、バッファゲート部５に蓄積される。バッファゲート部５に蓄積された電荷は、第１の転送部７に取得されて、第１の方向に転送される。そして各第１の転送部７から転送された電荷は、第１のシフトレジスタ９により、上記第１の方向に交差する方向に転送されて出力される。また、第２の転送部１１により、第１のシフトレジスタ９に蓄積されている電荷は、第１の方向に転送される。そして各第２の転送部１１から転送された電荷は、第２のシフトレジスタ１３により、上記第１の方向に交差する方向に転送されて出力される。複数の光電変換部３から転送された電荷は、第１又は第２のシフトレジスタ９，１３により取得されて上記第１の方向に交差する方向に転送される。この結果、固体撮像装置１においては、一次元画像を得るための信号処理をあらためて実行する必要はなく、画像処理の煩雑化を防ぐことができる。

本実施形態では、光感応領域１５は、平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。この結果、光感応領域１５における飽和電荷量が大きい。

本実施形態では、第１の期間（図３における期間Ｔ１）にわたって光電変換部３（光感応領域１５）にて発生した電荷（電荷量ＱＬ_１）と、第１の期間Ｔ１より短い第２の期間（図３における期間Ｔ２）にわたって光電変換部３（光感応領域１５）にて発生した電荷（電荷量ＱＬ_２）と、を連続して交互に出力している。すなわち、本実施形態では、第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２との和を一つの読出し周期として、光電変換部３にて発生した電荷が蓄積されて、出力されることとなる。すなわち、本実施形態では、第１の期間にわたって光電変換部３にて発生した電荷が電荷転送期間ＴＰ１において読み出され、第２の期間にわたって光電変換部３にて発生した電荷が電荷転送期間ＴＰ２において読み出されることとなる。本実施形態では、第１の期間Ｔ１は、例えば９．９９ｍｓ程度に設定され、第２の期間Ｔ２は例えば１０μｓ程度に設定され、第１の期間Ｔ１が第２の期間Ｔ２の略１０００倍とされている。

第１の期間Ｔ１が９．９９ｍｓに設定され、第２の期間Ｔ２が１０μｓに設定されている場合、第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷量が飽和しているときには、第２の期間Ｔ２にわたって光電変換部３にて発生した電荷量に基づく出力を１０００倍して、固体撮像装置１の出力としてもよい。また、第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷量が飽和していないときには、第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷量と第２の期間Ｔ２にわたって光電変換部３にて発生した電荷量との和に基づく出力を固体撮像装置１の出力としてもよい。

第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的長くなることから、強い入射光は、信号が飽和するために適切に検出することが困難となるが、弱い入射光は、十分大きな信号として検出される。一方、第２の期間Ｔ２にわたって光電変換部３にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的短くなることから、弱い入射光は、信号が微弱となるため、信号として十分に検出することが困難となるが、強い入射光は、飽和することなく、信号として適切に検出される。このように、固体撮像装置１では、入射光の強さに関わらず、入射光が信号として適切に検出されることとなり、実効的なダイナミックレンジが大きくなる。

本実施形態では、固体撮像装置１は第１又は第２のシフトレジスタ９，１３を備えている。これにより、第２の期間Ｔ２にわたって光電変換部３にて発生した電荷の転送と第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷の転送とが、互いに障害になることはない。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図７は、図６におけるVII−VII線に沿った断面構成を説明するための図である。

第２実施形態に係る固体撮像装置６１は、複数の光電変換部３と、複数の第１のバッファゲート部６２と、複数の第１の転送部６３と、第１の電荷出力部としての第１のシフトレジスタ６５と、複数の第２のバッファゲート部６６と、複数の第２の転送部６７と、第２の電荷出力部としての第２のシフトレジスタ６９と、を備えている。固体撮像装置６１も、上述した固体撮像装置１と同様に、分光器の光検出手段として用いることができる。

各光電変換部３は、光感応領域１５と、電位勾配形成領域１７と、を有している。電位勾配形成領域１７は、光感応領域１５に対して、光感応領域１５の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第１の方向及び光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側から一方の短辺側に向かう第２の方向のうちいずれかの方向に沿って高くされた電位勾配を選択的に形成する。上記第１及び第２の方向は、光感応領域１５の長辺方向に沿う方向である。電位勾配形成領域１７により、光感応領域１５に発生した電荷は、光感応領域１５の他方の短辺側又は一方の短辺側から排出される。

各第１のバッファゲート部６２は、光電変換部３にそれぞれ対応し且つ光感応領域１５の平面形状を成す一方の短辺側に配置されている。すなわち、複数の第１のバッファゲート部６２は、光感応領域１５の平面形状を成す一方の短辺側に、上記第１及び第２の方向に交差する第３の方向（光感応領域１５の短辺方向に沿う方向）に併置されている。第１のバッファゲート部６２は、光電変換部３（光感応領域１５）と第１の転送部６３とを仕切る。本実施形態では、第１のバッファゲート部６２には、電位勾配形成領域１７によって光感応領域１５から排出された電荷が蓄積される。隣り合う第１のバッファゲート部６２の間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、第１のバッファゲート部６２の間における電気的な分離を実現している。

各第１の転送部６３は、第１のバッファゲート部６２にそれぞれ対応し且つ対応する第１のバッファゲート部６２と第２の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数の第１の転送部６３も、光電変換部３にそれぞれ対応すると共に、光感応領域１５の平面形状を成す一方の短辺側に、上記第３の方向に併置されている。第１の転送部６３は、電位勾配形成領域１７によって光感応領域１５から排出された電荷を第１のバッファゲート部６２から取得し、取得した電荷を第２の方向に転送する。隣り合う第１の転送部６３の間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、第１の転送部６３の間における電気的な分離を実現している。

第１のシフトレジスタ６５は、複数の第１の転送部６３に対して、各第１の転送部６３と第２の方向に隣接して配置されている。すなわち、第１のシフトレジスタ６５は、光感応領域１５の平面形状を成す一方の短辺側に配置されている。第１のシフトレジスタ６５は、第１の転送部６３からそれぞれ転送された電荷を受け取り、上記第３の方向に転送して、アンプ部２３に順次出力する。第１のシフトレジスタ６５から出力された電荷は、アンプ部２３によって電圧に変換され、上記第３の方向に併置された光電変換部３（光感応領域１５）毎の電圧として固体撮像装置６１の外部に出力される。

各第２のバッファゲート部６６は、光電変換部３にそれぞれ対応し且つ光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。すなわち、複数の第２のバッファゲート部６６は、光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第３の方向に併置されている。第２のバッファゲート部６６は、光電変換部３（光感応領域１５）と第２の転送部６７とを仕切る。本実施形態では、第２のバッファゲート部６６には、電位勾配形成領域１７によって光感応領域１５から排出された電荷が蓄積される。隣り合う第２のバッファゲート部６６の間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、第２のバッファゲート部６６の間における電気的な分離を実現している。

各第２の転送部６７は、第２のバッファゲート部６６にそれぞれ対応し且つ対応する第２のバッファゲート部６６と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数の第２の転送部６７も、光電変換部３にそれぞれ対応すると共に、光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第３の方向に併置されている。第２の転送部６７は、電位勾配形成領域１７によって光感応領域１５から排出された電荷を第２のバッファゲート部６６から取得し、取得した電荷を第１の方向に転送する。隣り合う第２の転送部６７の間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、第２の転送部６７の間における電気的な分離を実現している。

第２のシフトレジスタ６９は、複数の第２の転送部６７に対して、各第２の転送部６７と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、第２のシフトレジスタ６９は、光感応領域１５の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。第２のシフトレジスタ６９は、第２の転送部６７からそれぞれ転送された電荷を受け取り、上記第３の方向に転送して、アンプ部２３に順次出力する。第２のシフトレジスタ６９から出力された電荷は、アンプ部２３によって電圧に変換され、上記第３の方向に併置された光電変換部３（光感応領域１５）毎の電圧として固体撮像装置６１の外部に出力される。

複数の光電変換部３、複数の第１のバッファゲート部６２と、複数の第１の転送部６３、第１のシフトレジスタ６５、複数の第２のバッファゲート部６６と、複数の第２の転送部６７、及び第２のシフトレジスタ６９は、図７に示されるように、半導体基板３０上に形成される。半導体基板３０は、ｐ型半導体層３１と、ｐ型半導体層３１の一方面側に形成されたｎ型半導体層８１，８２，８３，８５，８６，８７，８９、ｎ⁻型半導体層８４，８８、及びｐ^＋型半導体層４１と、を含んでいる。

ｐ型半導体層３１とｎ型半導体層８１とはｐｎ接合を形成しており、ｎ型半導体層８１により、光の入射により電荷を発生する光感応領域１５が構成されることとなる。ｎ型半導体層８１は、平面視で、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。ｎ型半導体層８１は、上記第１の方向（すなわち、ｎ型半導体層８１の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう、ｎ型半導体層３２の長辺方向に沿う方向）に交差する方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。もちろん、ｎ型半導体層８１は、上記第２の方向（すなわち、ｎ型半導体層８１の平面形状を成す他方の短辺側から一方の短辺側に向かう、ｎ型半導体層３２の長辺方向に沿う方向）に交差する方向にも沿うように併置されている。各ｎ型半導体層８１は、ｎ型半導体層８１の短辺方向に沿う方向、すなわち上記第３の方向に併置されている。上記アイソレーション領域も、ｐ^＋型半導体層により構成できる。

各ｎ型半導体層８１に対して、一組の電極９１〜９３が配置されている。一組の電極９１〜９３は、光を透過する材料、例えば、ポリシリコン膜からなり、絶縁層（図示せず）を介してｎ型半導体層３２上に形成されている。一組の電極９１〜９３により、電位勾配形成領域１７が構成されることとなる。各電極９１〜９３は、第２の方向に交差する方向に沿うように併置されている複数のｎ型半導体層８１にわたるように、第３の方向に連続して伸びて形成されていてもよい。もちろん、各電極９１〜９３は、ｎ型半導体層８１ごとに形成されていてもよい。

電極９１は、いわゆる抵抗性ゲートを構成しており、ｎ型半導体層８１の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう方向（上記第１の方向）及び他方の短辺側から一方の短辺側に向かう方向（上記第２の方向）に伸びて形成されている。電極９１は、両端に定電位差を与えることにより、当該電極９１の第１又は第２の方向での電気抵抗成分に応じた電位勾配、すなわち上記第１又は第２の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する。電極９２は、電極９１と第２の方向に隣接して配置されている。電極９３は、電極９１と第１の方向に隣接して配置されている。電極９１の一端（一方の短辺側の端）及び電極９２には制御回路（図示せず）から信号ＭＧ１が与えられ、電極９１の他端（他方の短辺側の端）及び電極９３には制御回路（図示せず）から信号ＭＧ２が与えられる。信号ＭＧ１がＨレベルであると共に信号ＭＧ２がＬレベルであると、ｎ型半導体層８１において上記第１の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されるようになっている。信号ＭＧ１がＬレベルであると共に信号ＭＧ２がＨレベルであると、ｎ型半導体層８１において上記第２の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されるようになっている。

電極９２と第２の方向に隣接して、電極９４が配置されている。電極９４は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ型半導体層８２に形成されている。ｎ型半導体層８２は、ｎ型半導体層８１の平面形状を成す一方の短辺側に配置されている。電極９４は、例えば、ポリシリコン膜からなる。電極９４には、制御回路（図示せず）から信号ＢＧ２が与えられる。電極９４及び電極９４下のｎ型半導体層８２によって、第１のバッファゲート部６２が構成されることとなる。

電極９４と第２の方向に隣接して、転送電極９５が配置されている。転送電極９５は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ型半導体層８３上に形成されている。ｎ型半導体層８３は、ｎ型半導体層８２と第２の方向に隣接して配置されている。転送電極９５は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極９５には、制御回路（図示せず）から信号ＴＧ２が与えられる。転送電極９５及び転送電極９５下のｎ型半導体層８３によって、第１の転送部６３が構成されることとなる。

転送電極９５と第２の方向に隣接して、一対の転送電極９６，９７が配置されている。転送電極９６，９７は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ⁻型半導体層８４及びｎ型半導体層８５上にそれぞれ形成されている。ｎ⁻型半導体層８４及びｎ型半導体層８５はｎ型半導体層８３と第２の方向に隣接して配置されている。転送電極９６，９７は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極９６，９７には、制御回路（図示せず）から信号Ｐ１Ｈ２等が与えられる。転送電極９６，９７及び転送電極９６，９７下のｎ⁻型半導体層８４及びｎ型半導体層８５によって、第１のシフトレジスタ６５が構成されることとなる。

電極９３と第１の方向に隣接して、電極９８が配置されている。電極９８は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ型半導体層８６に形成されている。ｎ型半導体層８６は、ｎ型半導体層８１の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。電極９８は、例えば、ポリシリコン膜からなる。電極９８には、制御回路（図示せず）から信号ＢＧ１が与えられる。電極９８及び電極９８下のｎ型半導体層８６によって、第２のバッファゲート部６６が構成されることとなる。

電極９８と第１の方向に隣接して、転送電極９９が配置されている。転送電極９９は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ型半導体層８７上に形成されている。ｎ型半導体層８７は、ｎ型半導体層８６と第１の方向に隣接して配置されている。転送電極９９は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極９９には、制御回路（図示せず）から信号ＴＧ１が与えられる。転送電極９９及び転送電極９９下のｎ型半導体層８７によって、第２の転送部６７が構成されることとなる。

転送電極９９と第１の方向に隣接して、一対の転送電極１００，１０１が配置されている。転送電極１００，１０１は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ⁻型半導体層８８及びｎ型半導体層８９上にそれぞれ形成されている。ｎ⁻型半導体層８８及びｎ型半導体層８９は、ｎ型半導体層８７と第１の方向に隣接して配置されている。転送電極１００，１０１は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極１００，１０１には、制御回路（図示せず）から信号Ｐ１Ｈ１等が与えられる。転送電極１００，１０１及び転送電極１００，１０１下のｎ⁻型半導体層８８及びｎ型半導体層８９によって、第２のシフトレジスタ６９が構成されることとなる。

ｐ^＋型半導体層４１は、ｎ型半導体層８１，８２，８３，８５，８６，８７，８９及びｎ⁻型半導体層８４，８８を、半導体基板３０の他の部分から電気的に分離している。上述した各絶縁層は、光を透過する材料、例えば、シリコン酸化膜からなる。ｎ型半導体層８１を除く、ｎ型半導体層８１，８２，８３，８５，８６，８７，８９、ｎ⁻型半導体層８４，８８（第１のバッファゲート部６２、第１の転送部６３、第１のシフトレジスタ６５、第２のバッファゲート部６６、第２の転送部６７、及び第２のシフトレジスタ６９）は、不要な電荷が生じるのを防ぐために、遮光部材を配置するなどして、遮光されていることが好ましい。

続いて、図８及び図９に基づいて、固体撮像装置６１における動作を説明する。図８は、本実施形態に係る固体撮像装置６１において、電極９１〜１０１に入力される各信号ＭＧ１，ＭＧ２，ＢＧ１，ＢＧ２，ＴＧ１，ＴＧ２，Ｐ１Ｈ１，Ｐ１Ｈ２のタイミングチャートである。図９（ａ）〜（ｆ）は、図８における各時刻ｔ１〜ｔ６での電荷の蓄積及び排出動作を説明するためのポテンシャル図である。

図８に示されるように、時刻ｔ１にて、信号ＭＧ１，ＢＧ１がＨレベルであり、信号ＭＧ２，ＢＧ２，ＴＧ１，ＴＧ２，Ｐ１Ｈ１，Ｐ１Ｈ２がＬレベルであると、ｎ型半導体層８１において上記第１の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されており、ポテンシャルφ_８１はｎ型半導体層８６側に向けて深くなるように傾斜し、ポテンシャルφ_８１の勾配が形成されている（図９（ａ）参照）。このとき、ｎ型半導体層８６のポテンシャルφ_８６はｎ型半導体層８７のポテンシャルφ_８７より深いことから、ポテンシャルφ_８６の井戸が形成されている。この状態で、ｎ型半導体層８１に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷は、図５にも示されるようにポテンシャルφ_８１の勾配に沿って第１の方向に移動し、ポテンシャルφ_８１，φ_８６の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ_８１，φ_８６には、電荷量ＱＬ_１が蓄積されている。

時刻ｔ２にて、信号ＴＧ１がＨレベルであると、ｎ型半導体層８７のポテンシャルφ_８７が深くなり、ポテンシャルφ_８６，φ_８７の井戸が形成されている（図９（ｂ）参照）。ポテンシャルφ_８６，φ_８７には、電荷量ＱＬ_１が蓄積されている。

時刻ｔ３にて、信号ＭＧ１，ＢＧ１がＬレベルであり、信号ＭＧ２，ＢＧ２がＨレベルであると、ｎ型半導体層８１において上記第２の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されており、ポテンシャルφ_８１はｎ型半導体層８２側に向けて深くなるように傾斜し、ポテンシャルφ_８１の勾配が形成されている（図９（ｃ）参照）。このとき、ｎ型半導体層８２のポテンシャルφ_８２はｎ型半導体層８３のポテンシャルφ_８３より深いことから、ポテンシャルφ_８２の井戸が形成されている。この状態で、ｎ型半導体層８１に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷は、ポテンシャルφ_８１の勾配に沿って第２の方向に移動し、ポテンシャルφ_８２の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ_８２には、電荷量ＱＬ_２が蓄積されている。また、ポテンシャルφ_８６が浅くなることから、ポテンシャルφ_８７の井戸に電荷量ＱＬ_１の電荷が蓄積されている。

時刻ｔ４にて、信号ＴＧ１がＬレベルであると共に、信号Ｐ１Ｈ１がＨレベルであると、ポテンシャルφ_８７が浅くなると共に、ｎ⁻型半導体層８８及びｎ型半導体層８９の各ポテンシャルφ_８８，φ_８９は深くなり、ポテンシャルφ_８９の井戸が形成されている（図９（ｄ）参照）。ポテンシャルφ_８７の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ_８９の井戸内に転送される。ポテンシャルφ_８９には、電荷量ＱＬ_１が蓄積されている。この後、電荷量ＱＬ_１の電荷は、電荷転送期間ＴＰ１の間において、上記第３の方向に順次転送されて、アンプ部２３に出力されることとなる。電荷転送期間ＴＰ１では、電荷量ＱＬ_１を第３の方向に転送するための信号が信号Ｐ１Ｈ１等として与えられる。

また、時刻ｔ４にて、信号ＴＧ２がＨレベルであると、ｎ型半導体層８３のポテンシャルφ_８３が深くなり、ポテンシャルφ_８２，φ_８３の井戸が形成されている（図９（ｄ）参照）。ポテンシャルφ_８２，φ_８３には、電荷量ＱＬ_２が蓄積されている。

時刻ｔ５にて、信号ＢＧ２がＬレベルであると、ポテンシャルφ_８２が浅くなることから、ポテンシャルφ_８３の井戸に電荷量ＱＬ_２の電荷が蓄積されている（図９（ｅ）参照）。

また、時刻ｔ５にて、信号ＭＧ１，ＢＧ１がＨレベルであると、時刻ｔ１と同じく、ポテンシャルφ_８１の勾配（ｎ型半導体層８６側に向けて深くなるように傾斜した勾配）が形成されると共に、ポテンシャルφ_８６の井戸が形成されている。したがって、ｎ型半導体層８１に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷はポテンシャルφ_８１の勾配に沿って第１の方向に移動し、ポテンシャルφ_８６の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ_８６には、電荷量ＱＬ_１が蓄積されている。

時刻ｔ６にて、信号Ｐ１Ｈ２がＨレベルであると、ｎ⁻型半導体層８４及びｎ型半導体層８５の各ポテンシャルφ_８４，φ_８５は深くなり、ポテンシャルφ_８５の井戸が形成されている（図９（ｆ）参照）。ポテンシャルφ_８３の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ_８５の井戸内に転送される。ポテンシャルφ_８５には、電荷量ＱＬ_２が蓄積されている。この後、電荷量ＱＬ_２の電荷は、電荷転送期間ＴＰ２の間において、上記第３の方向に順次転送されて、アンプ部２３に出力されることとなる。電荷転送期間ＴＰ２では、電荷量ＱＬ_２を第３の方向に転送するための信号が信号Ｐ１Ｈ２等として与えられる。

また、時刻ｔ６にて、信号Ｐ１Ｈ１がＬレベルであると、各ポテンシャルφ_８８，φ_８９は浅くなる。このとき、ポテンシャルφ_８１の勾配が形成された状態が維持されているので、ｎ型半導体層８１に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷はポテンシャルφ_８１の勾配に沿って第１の方向に移動し、ポテンシャルφ_８６の井戸内に蓄積される。

以上のように、本実施形態では、各光電変換部３において、電極９１により第１の方向又は第２の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域１５に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方又は一方の短辺側に移動する。これにより、電荷の移動速度は、電位勾配（ポテンシャルの傾斜）に支配されることとなり、電荷の読出し速度が高速化する。

他方の短辺側に移動した電荷は、第２のバッファゲート部６６に蓄積される。第２のバッファゲート部６６に蓄積された電荷は、第２の転送部６７に取得されて、第１の方向に転送される。そして各第２の転送部６７から転送された電荷は、第２のシフトレジスタ６９により、上記第３の方向に転送されて出力される。また、一方の短辺側に移動した電荷は、第１のバッファゲート部６２に蓄積される。第１のバッファゲート部６２に蓄積された電荷は、第１の転送部６３に取得されて、第１の方向に転送される。そして各第１の転送部６３から転送された電荷は、第１のシフトレジスタ６５により、上記第３の方向に転送されて出力される。このように、複数の光電変換部３から転送された電荷は、第１又は第２のシフトレジスタ６５，６９により取得されて第３の方向に転送される。この結果、固体撮像装置６１においては、一次元画像を得るための信号処理をあらためて実行する必要はなく、画像処理の煩雑化を防ぐことができる。

本実施形態においても、第１の期間（図８における期間Ｔ１）にわたって光電変換部３（光感応領域１５）にて発生した電荷（電荷量ＱＬ_１）と、第２の期間（図３における期間Ｔ２）にわたって光電変換部３（光感応領域１５）にて発生した電荷（電荷量ＱＬ_２）と、を連続して交互に出力している。この結果、第１実施形態と同じく、固体撮像装置６１では、入射光の強さに関わらず、入射光が信号として適切に検出されることとなり、実効的なダイナミックレンジが大きくなる。

そして、固体撮像装置６１は第１又は第２のシフトレジスタ６５，６９を備えているので、第２の期間Ｔ２にわたって光電変換部３にて発生した電荷の転送と第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷の転送とが、互いに障害になることはない。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

第１実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。 図１におけるII−II線に沿った断面構成を説明するための図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置において、入力される各信号のタイミングチャートである。 図３における各時刻での電荷の蓄積及び排出動作を説明するためのポテンシャル図である。 光電変換部における電荷の移動を説明するための模式図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。 図６におけるVII−VII線に沿った断面構成を説明するための図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置において、入力される各信号のタイミングチャートである。 図８における各時刻での電荷の蓄積及び排出動作を説明するためのポテンシャル図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、３…光電変換部、５…バッファゲート部、７…第１の転送部、９…第１のシフトレジスタ、１１…第２の転送部、１３…第２のシフトレジスタ、１５…光感応領域、１７…電位勾配形成領域、２３…アンプ部、６１…固体撮像装置、６２…第１のバッファゲート部、６３…第１の転送部、６５…第２のシフトレジスタ、６６…第２のバッファゲート部、６７…第２の転送部、６９…第２のシフトレジスタ。

Claims (4)

1. 光入射に応じて電荷を発生し且つ平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成す光感応領域と、前記光感応領域に対して前記光感応領域の平面形状を成す長辺に平行な所定の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する電位勾配形成領域と、をそれぞれ有すると共に、前記所定の方向に交差する方向に沿うように併置された複数の光電変換部と、
   前記複数の光電変換部からそれぞれ転送された電荷を取得し、前記所定の方向に交差する前記方向に転送して出力する第１及び第２の電荷出力部と、を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記電位勾配形成領域は、前記所定の方向として、前記光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第１の方向に沿って高くされた電位勾配を形成し、
   前記第１及び第２の電荷出力部は、前記光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置されており、
   前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記光電変換部と前記第１の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を前記第１の電荷出力部へ転送する複数の第１の転送部と、
   前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記第１の電荷出力部と前記第２の電荷出力部との間に配置され、前記第１の電荷出力部に転送された電荷を前記第２の電荷出力部へ転送する複数の第２の転送部と、を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記電位勾配形成領域は、前記所定の方向として、前記光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第１の方向及び前記光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側から一方の短辺側に向かう第２の方向のいずれかの方向に沿って高くされた電位勾配を選択的に形成し、
   前記第１の電荷出力部は、前記光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側に配置され、
   前記第２の電荷出力部は、前記光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置されており、
   前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記光電変換部と前記第１の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を前記第１の電荷出力部へ転送する複数の第１の転送部と、
   前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記光電変換部と前記第２の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を前記第２の電荷出力部へ転送する複数の第２の転送部と、を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２の電荷出力部は、第１の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷を前記複数の第２の転送部から取得して、前記所定の方向に交差する前記方向に転送して出力し、
   前記第１の電荷出力部は、前記第１の期間より短い第２の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷を前記複数の第１の転送部から取得して、前記所定の方向に交差する前記方向に転送して出力することを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
   

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