JP2011166634A

JP2011166634A - 固体撮像装置およびその駆動方法

Info

Publication number: JP2011166634A
Application number: JP2010029609A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsumoto; 博志松本; Mamoru Yasaka; 守家坂
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】端子数の増大を伴わずに複数行の水平ＣＣＤを用いて画素信号出力を高速化することが可能な固体撮像装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。
【解決手段】複数行の水平ＣＣＤ（１１１，１１２，１１３）を用いて水平転送する場合であっても、水平ＣＣＤ（１１１，１１２，１１３）を構成するゲート部を４相駆動構成にし、それぞれの種類のゲート部を駆動するクロックパルスを共通化し、各水平ＣＣＤ間の水平間ゲートの駆動パルスを共通化することにより、端子数の増大を伴わずに複数行の水平ＣＣＤ（１１１，１１２，１１３）を用いて画素信号出力を高速化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数並列させた水平ＣＣＤを用いて水平転送する固体撮像装置およびその駆動方法に関する。

近年の映像フォーマットは多画素化によるデータの高精細化、高フレームレート化が進んでいる。例えば、テレビジョンでは従来のＮＴＳＣなどに代表されるＳＤ（スタンダードディフィニジョン）からハイビジョンなどのＨＤ（高精細・ハイデフィニジョン）へと移行し、更には２Ｋ４Ｋのように超高精細な次世代の映像フォーマットも存在する。また高精細化だけでなく、これまで毎秒６０フィールド（３０ｆｐｓ、２：１インターレース）が主流だったフレームレートも、プログレス６０ｆｐｓへと高速化してきている。

また、デジタルスチルカメラに於いては、１０００万画素を超える程に多画素化された商品が一般的に流通する一方で、高速に連写撮影する機能も重要度が増している。
これらの映像・画像を撮影するには大量の画素情報を高速に読み出せるカメラ、即ち、画素情報の出力を高速化できる固体撮像装置が求められている。

例えば、ＣＣＤ撮像素子の画素情報出力を高速化する方法の一つに、水平ＣＣＤを複数本配置して並列に電荷を転送することで、１つの水平ＣＣＤに印加する駆動パルスを低速化する技術がある。一般的なＣＣＤ撮像素子の多くは、数百から数千列の垂直ＣＣＤにより転送された電荷信号を、１行の水平ＣＣＤで信号出力部に転送する構成を用いており、多画素化や高フレームレート化のためには、水平ＣＣＤを高速に駆動する必要がある。この問題を回避するために、複数本の水平ＣＣＤを配して画素信号出力を高速化する技術が、これまでにも実現されている。

以下、図１４，図１５を用いて、従来の複数本の水平ＣＣＤを配した個体撮像装置の構成を説明する。なお、従来の固体撮像装置は、複数行（ｎ行：ｎは２以上の整数）の水平ＣＤＤと各水平ＣＤＤ間に水平ＣＤＤ間の電荷の転送を行うｎ−１個の水平間ゲートから構成される。また、水平ＣＣＤは複数個（ｍ個：ｍは２以上の整数）の転送電極単位が複数個集まった転送段が、複数段集まって構成される。ここでは、ｎ＝３，ｍ＝２の場合を例に説明する。

図１４は従来の固体撮像装置における水平転送部の構成を示す図であり、図１５は従来の固体撮像装置における動作タイミングを例示するタイミングチャートである。
図１４，図１５に示す様に、従来の固体撮像装置における水平転送部は、並列する３行の水平ＣＣＤ９１１，９１２，９１３と、水平ＣＣＤ９１１，９１２間に設けられる水平間ゲート９２１と、水平ＣＣＤ９１２，９１３間に設けられる水平間ゲート９２２とから構成される。水平ＣＣＤ９１１，９１２，９１３は複数段の転送段から構成され、各転送段は２つの転送電極を１組として３組が集まって構成される。したがって、各転送段は６つの転送電極から構成されている。水平間ゲート９２１にゲートパルスΦＨＨＧ１を印加することにより、水平ＣＣＤ９１１から水平ＣＣＤ９１２に信号電荷が転送される。同様に、水平間ゲート９２２にゲートパルスΦＨＨＧ２を印加することにより、水平ＣＣＤ９１２から水平ＣＣＤ９１３に信号電荷が転送される。また、６つの転送電極には６相のクロックパルスΦＨ１〜ΦＨ６が印加され、クロックパルスΦＨ１〜ΦＨ６の印加により、対応する転送電極に蓄積された信号電荷が水平転送される。

このような構成により、垂直転送された信号電荷を３つの水平ＣＣＤ９１１，９１２，９１３に分散し、同時に転送することができるため、画素信号出力を高速化することを可能としていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３１２６６４号公報

従来の構成を用いれば、２行のみならず３行以上の並列水平ＣＣＤの駆動が可能となり、画素データ出力レートを高速化できるが、一方で、並列して配置する水平ＣＣＤの行数を増加させると、印加するゲートパルスやクロックパルス等の駆動パルスの種類も増大することとなる。

また、駆動パルスの種類が増大すると、固体撮像装置やパッケージや回路基板等の端子数が増加し、設計自由度が低下する。更には、駆動パルスを生成するタイミングジェネレータやドライバのチャンネルを多く必要とするため、周辺回路の構成が複雑になる。

しかしながら、高度な多画素化と映像フォーマットの高フレームレート化は普及型のデジタルカメラやビデオカメラにおいても進んでおり、技術障壁を低くして簡便な構成で画素信号の出力を高速化することが求められている。

そこで、本発明は、端子数の増大を伴わずに複数行の水平ＣＣＤを用いて画素信号出力を高速化することが可能な固体撮像装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、２次元状に配列された複数の受光部と、それぞれが前記受光部の列に対応して設けられ、該対応する受光部の列の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部により転送された前記信号電荷を水平方向に転送する３行以上並列に配置された水平転送部と、前記水平転送部間に１つずつ配置されて前記水平転送部間の前記信号電荷の転送を制御する複数の水平間ゲートと、前記水平転送部の一方の端部から前記信号電荷を出力する出力部とを備え、前記水平転送部は４相の駆動パルスで制御される４枚の水平転送ゲートを１組として水平方向に繰り返し連続に配置され、並列する水平転送部は共通の駆動パルスで駆動され、前記４枚のゲートのうち１枚は垂直転送部と垂直方向に反対側で水平間ゲート部と接し、水平間ゲート部へ電荷を転送することが可能な送り出しゲート部であり、前記４枚のゲートのうち別の１枚は垂直転送部と同じ側部で水平間ゲート部と接し、水平間ゲートから電荷を受け取ることが可能な受け取りゲート部であり、各前記送り出しゲート部と受け取りゲート部は互いに水平方向に隣接せず、第１行目の水平転送部は、他の水平転送部の受け取りゲートと同相のパルスが印加される水平転送ゲートが垂直転送部と接続され、前記水平間ゲートは共通のゲートパルスによって駆動されることを特徴とする。

また、並列に配置された複数の各前記水平転送部のうち、少なくとも１つの前記水平転送部の前記出力部を他の前記水平転送部の前記出力部と逆側の端部に配置しても良い。
また、隣り合う前記水平転送部の前記出力部を互いに逆側の端部に配置しても良い。

さらに、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、２次元状に配列された複数の受光部と、それぞれが前記受光部の列に対応して設けられ、該対応する受光部の列の前記信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、水平転送ゲートである送り出しゲート部と受け取りゲート部とからなり、前記複数の垂直転送部により転送された前記信号電荷を水平方向に転送するｎ行の水平転送部と、前記水平転送部により転送された前記信号電荷を出力する出力部と、前記水平転送部間に１つずつ配置されて前記水平転送部間の前記信号電荷の転送を制御するｎ−１の水平間ゲートとを備える固体撮像装置の駆動方法であって、前記垂直転送部から第１行目の前記水平転送部へ転送された前記信号電荷を前記第１行目の水平転送部の前記送り出しゲート部へ転送する工程と、前記送り出しゲート部の水平転送方向に対して前後の前記水平転送ゲートにＬｏｗレベル電圧を印加して前記送り出しゲート部を挟み込むようにポテンシャルバリアを形成した状態で前記水平間ゲートおよび前記受け取りゲート部にＨｉｇｈレベル電圧を印加した後に、前記送り出しゲート部と前記水平間ゲートに順次Ｌｏｗレベル電圧を印加して前記信号電荷を前記水平間ゲートを介して隣接する次行の前記水平転送部の前記受け取りゲート部へ転送する水平間転送工程と、前記次行の前記受け取りゲート部から前記次行の前記送り出しゲート部へ前記信号電荷を転送する水平シフト工程とを有し、３行目からｎ行目の前記水平転送部まで前記水平間転送工程と前記水平シフト工程とを繰り返した後、前記水平転送部に前記水平転送駆動パルスを印加して前記信号電荷を前記各水平転送部で平行して出力することを特徴とする。

以上により、端子数の増大を伴わずに複数行の水平ＣＣＤを用いて画素信号出力を高速化することができる。

以上のように、複数行の水平ＣＣＤを用いて水平転送する場合であっても、水平ＣＣＤを構成するゲート部を４相駆動構成にし、それぞれの種類のゲート部を駆動するクロックパルスを共通化し、各水平ＣＣＤ間の水平間ゲートの駆動パルスを共通化することにより、端子数の増大を伴わずに複数行の水平ＣＣＤを用いて画素信号出力を高速化することができる。

実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示す図実施の形態１の固体撮像装置における水平転送部の構成を示す図実施の形態１の固体撮像装置における動作タイミングを例示するタイミングチャート実施の形態１に係る固体撮像装置の各タイミングにおける信号電荷の状態を示す図実施の形態１に係る固体撮像装置の各タイミングにおける信号電荷の状態を示す図実施の形態１に係る固体撮像装置の各タイミングにおける信号電荷の状態を示す図実施の形態１に係る固体撮像装置の各タイミングにおける信号電荷の状態を示す図実施の形態１に係る固体撮像装置の各タイミングにおける信号電荷の状態を示す図実施の形態１に係る固体撮像装置の各タイミングにおける信号電荷の状態を示す図実施の形態１に係る固体撮像装置の各タイミングにおける信号電荷の状態を示す図実施の形態１における並列する２行の４相水平ＣＣＤを持つ水平転送領域の概略図本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の構成を示す図実施の形態２の固体撮像装置における水平転送部の構成を示す図従来の固体撮像装置における水平転送部の構成を示す図従来の固体撮像装置における動作タイミングを例示するタイミングチャート

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示す図である。

固体撮像装置１は、図１に示されるように、２次元状に配列された光電変換手段としての複数のフォトダイオード（受光部）１００、複数の読み出し部１０１、シフトレジスタである複数の垂直ＣＣＤ（垂直転送部）１０２、転送制御部１３０、シフトレジスタである３行の水平ＣＣＤ（水平転送部）１１１、１１２、１１３（以降、第１〜第３水平ＣＣＤとする）、行状に配置された２行の水平間ゲート（ＨＨＧ）１２１、１２２（以降、第１〜第２ＨＨＧとする）および複数の信号出力部１５０を備える。

複数の垂直ＣＣＤ１０２は、それぞれがフォトダイオード１００の列に対応して設けられ、対応するフォトダイオード１００の列から信号電荷を読み出し、信号電荷を垂直方向に転送する。垂直ＣＣＤ１０２は、垂直ＣＣＤゲート電極（図示せず）を有する。

転送制御部１３０は、複数の垂直ＣＣＤ１０２により転送された信号電荷を選択的に、第１水平ＣＣＤに転送する。転送制御部１３０は、転送制御ゲート電極（図示せず）を有する。

垂直転送部および転送制御部の転送ゲートには、フォトダイオードからの電荷を読み出すためのＶ−Ｈｉｇｈレベル電圧、電荷を蓄積するためのＶ−Ｍｉｄｄｌｅレベル電圧、ポテンシャルウェルバリアを形成するためのＶ−Ｌｏｗレベル電圧を印加して駆動する。ここでは、垂直転送部と転送制御部のＶ−Ｍｉｄｄｌｅレベル電圧は、水平転送部のＬｏｗレベル電圧と同一の電圧の駆動パルスであることとする。

図２は実施の形態１の固体撮像装置における水平転送部の構成を示す図であり、図１の転送制御部１３０、水平ＣＣＤ（１１１〜１１３）、ＨＨＧ（１２１，１２２）の一部の詳細を示した図である。

第１水平ＣＣＤ１１１は、転送制御部１３０により転送された信号電荷の一部を水平方向に転送し、一部を垂直方向に第１ＨＨＧ１２１へ転送する。第１水平ＣＣＤ１１１は、信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤゲート電極１４１〜１４４を有する。第１水平ＣＣＤ１１１は、受け取りゲート部としてＨ４ゲート部１４４とＨ１ゲート部１４１が垂直ＣＣＤ最終ゲート部１３１と接続されており、垂直ＣＣＤ最終ゲート部１３１から第１水平ＣＣＤ１１１へ信号電荷を転送する際は、第１水平ＣＣＤのＨ４ゲート１４４とＨ１ゲート１４１にＨｉｇｈレベル電圧を印加し、垂直ＣＣＤ最終ゲート１３１にＬｏｗレベル電圧を印加することで、信号電荷を第１水平ＣＣＤ１１１のＨ４ゲート部１４４またはＨ１ゲート部１４１で受け取る。
第１ＨＨＧ１２１は、第１水平ＣＣＤ１１１により転送された信号電荷を垂直方向に第２水平ＣＣＤ１１２へ転送する。第１ＨＨＧ１２１は、隣接する第１水平ＣＣＤ１１１と第２水平ＣＣＤ１１２との間の信号電荷の転送を制御するΦＨＨＧが入力されるＨＨＧゲート電極１４５を有する。

第２水平ＣＣＤ１１２は、第１ＨＨＧ１２１により転送された信号電荷の一部を水平方向に転送し、一部を垂直方向に第２ＨＨＧ１２２へ転送する。第２水平ＣＣＤ１１２は、水平ＣＣＤゲート電極１４１〜１４４を有する。

第２ＨＨＧ１２２は、第２水平ＣＣＤ１１２により転送された信号電荷を垂直方向に第３水平ＣＣＤ１１３へ転送する。第２ＨＨＧ１２２は、隣接する第２水平ＣＣＤ１１２と第３水平ＣＣＤ１１３との間の信号電荷の転送を制御するΦＨＨＧが入力されるＨＨＧゲート電極１４５を有する。

第３水平ＣＣＤ１１３は、第２ＨＨＧ１２２により転送された信号電荷を水平方向に転送する。第３水平ＣＣＤ１１３は、水平ＣＣＤゲート電極１４１〜１４４を有する。
垂直ＣＣＤ１０２、転送制御部１３０、第１水平ＣＣＤ１１１、第２水平ＣＣＤ１１２、第３水平ＣＣＤ１１３、第１ＨＨＧ１２１、第２ＨＨＧ１２２は、ポテンシャルバリアで区切られる連続したポテンシャルウェルで転送される複数の信号電荷からなる信号電荷パケットを転送する。

図３は実施の形態１の固体撮像装置における動作タイミングを例示するタイミングチャートであり、転送制御部１３０、水平ＣＣＤ（１１１〜１１３）、ＨＨＧ（１２１，１２２）の駆動パルスについて示した図である。ΦＶｘは図示していない垂直ＣＣＤゲート、ΦＶＬは垂直ＣＣＤ最終ゲート１３１、ΦＨ１〜４は水平ＣＣＤゲート１４１〜１４４、ΦＨＨＧは水平間ゲート１４５にそれぞれ印加するゲートパルスを示している。

図４〜図１０は実施の形態１に係る固体撮像装置の各タイミングにおける信号電荷の状態を示す図であり、順に図３に示す駆動パルスにおけるＡ〜Ｎのタイミングに対応する信号電荷パケットを示した図である。

図２に示すように、実施の形態１における水平ＣＣＤを構成する、第１水平ＣＣＤ１１１，第２水平ＣＣＤ１１２，第３水平ＣＣＤ１１３は、４種類のゲート部Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４（１４１〜１４４）が繰り返し配置される構成であり、各水平ＣＣＤにおける配置は互いに２段ずつ転送電極の配置がずらされている。また、水平ＣＣＤゲートのうちΦＨ１ゲート部１４１は受け取りゲートとしての機能を兼ね、ΦＨ３ゲート部１４３は送り出しゲートとしての機能を兼ねる。水平ＣＣＤ１１０〜１１２の全てのゲート部Ｈ１，Ｈ４，Ｈ３，Ｈ２、ＨＨＧにそれぞれクロックパルスΦＨ１，ΦＨ４，ΦＨ３，ΦＨ２が接続され、各ゲート下のポテンシャルウェルは、ゲートにＨｉｇｈレベル電圧およびＬｏｗレベル電圧を印加されることにより駆動される。ＨＨＧ１２１，１２２は上段の水平ＣＣＤの送り出しゲート部と下段の水平ＣＣＤの受け取りゲート部と間に水平間ゲートが設けられる。また、ＨＨＧ１２１，１２２の水平間ゲートには共通のゲートパルスΦＨＨＧが接続され、Ｈｉｇｈレベル電圧およびＬｏｗレベル電圧を印加されることで駆動される。。従来の固体撮像素子は、第１水平ＣＣＤの２枚のゲート部に対し１列の垂直ＣＣＤが接続されている。この場合、ｎ行の水平ＣＣＤが並列する場合、ｎ列分の信号電荷をｎ行の水平ＣＣＤへ展開するよう水平間転送を行う必要がある。このとき１行目の水平ＣＣＤで水平転送する信号電荷は、第１水平ＣＣＤ内に保持する必要があり、また、ｎ×２枚の水平ＣＣＤゲート単位に１箇所の水平間転送部が配置されているため、ｎ×２相駆動の転送パルスを生成、印加する必要がある。また、第２水平ＣＣＤ以降へ信号電荷を水平間転送する工程は、行き先となる水平ＣＣＤによって駆動パルスのパターンが異なり、駆動パルスを繰り返し化できない。従って、各水平ＣＣＤ間の水平間ゲートの駆動パルスを共通化できない。

一方、本発明の固体撮像素子は、４枚のゲートを単位とする４相駆動の水平ＣＣＤが並列し、単位である４枚の水平ＣＣＤゲートに対し１列の垂直ＣＣＤが接続する。本構成の場合、垂直ＣＣＤから第１水平ＣＣＤへ転送した信号電荷パケットは、その行全体を第２水平ＣＣＤ（以降）へ一括して転送し、空白となった第１水平ＣＣＤへ、２行目の信号電荷パケットを垂直ＣＣＤから受け取る。この後、１・２行目の信号電荷パケットを第３・第２水平ＣＣＤへ転送する駆動パルスの工程は、１行目の信号電荷パケットを第２水平ＣＣＤへ転送する駆動パルスの工程と同じであり、４行以上の水平ＣＣＤが並列する場合においても、当該工程の繰り返し回数を変更するだけで駆動するため、水平間転送ゲートに印加する駆動パルスは各水平ＣＣＤ間で共通化することが可能となる。

ここで、水平ＣＣＤゲート（送り出しゲート部，受け取りゲート部を含む）および水平間ゲートの各ゲートは、Ｈｉｇｈレベル電圧を印加されるとゲート下ポテンシャルウェルに電荷を蓄積し、Ｌｏｗレベル電圧を印加されるとゲート下ポテンシャルウェルがバリアを形成することによって電荷の移動を駆動する。

転送方向前後のゲート下のポテンシャルをＬｏｗレベルにすることによりポテンシャルバリアを形成し、信号電荷パケットを転送している。例えば、第１行目の水平転送部の送り出しゲート部へ転送された信号電荷を、隣接する第２行目の水平転送部の受け取りゲート部へ転送する際には、まず、送り出しゲート部の水平転送方向に対して前後の受け取りゲート部にＬｏｗレベル電圧を印加して送り出しゲート部を挟み込むようにポテンシャルバリアを形成し、次に、水平間ゲートおよび受け取りゲート部にＨｉｇｈレベル電圧を印加し、次いで、送り出しゲート部と水平間ゲートに順次Ｌｏｗレベル電圧を印加することにより、信号電荷を水平間ゲートを介して隣接する第２行目の水平転送部の受け取りゲート部へ転送する。

上記構造を有する固体撮像装置では、フォトダイオード１００において光電変換が行われ、フォトダイオード１００に入射した光量に応じた量の信号電荷が生成される。生成した信号電荷は、読み出しを兼ねた垂直ＣＣＤゲート電極に印加される読み出しパルスにより読み出し部１０１から垂直ＣＣＤ１０２に読み出される。読み出された信号電荷は、信号電荷パケット１９０として垂直ＣＣＤゲート電極に印加される垂直転送パルスにより垂直ＣＣＤ１０２を垂直方向に転送される。以後、図３に示すように入力パルスを制御することにより、水平ＣＣＤへの流入、水平ＣＣＤでの水平転送が行われる。

まず、読み出し部１０１のΦＶｘにｈｉｇｈレベルを印加し、垂直ＣＣＤ１０２のΦＶＬにＨｉｇｈレベルを印加することにより、信号電荷パケット１９０を転送制御部１３０を介して垂直方向に転送し（タイミングＡ、図４（ａ））、垂直ＣＣＤ最終ゲート１３１を通過して第１水平ＣＣＤ１１１に流入させる（タイミングＢ、図４（ｂ））。

第１水平ＣＣＤ１１１に流入した１行目の信号電荷パケット１９０は第１水平ＣＣＤ１１１のＨ４ゲート電圧がＨｉｇｈからＬｏｗ切り替わることで、あらかじめＨ２ゲートにＬｏｗレベル電圧が印加されているため、Ｈ２とＨ４に挟まれるＨ１ゲート部（Ｈｉｇｈレベル）に電荷が集まるよう移動し（タイミングＣ、図５（ａ））、第１ＨＨＧ１２１のΦＨＨＧと受け取りゲート部であるＨ３ゲート部のクロックパルスΦＨ３を順次ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベル電圧へ変化する駆動パルスが印加することにより第１ＨＨＧ１２１を通過し（タイミングＤ、図５（ｂ））、送り出しゲート部Ｈ１と第１ＨＨＧ１２１とに順次Ｌｏｗレベル電圧が印加されると第２水平ＣＣＤ１１２のＨ３ゲート部へ移動する（タイミングＥ〜Ｇ、図６）。転送制御部１３０から第１水平ＣＣＤ１１１へ転送された１行目の信号電荷パケット１９０は、ΦＨ４とΦＨ１パルスが順次ＬｏｗからＨｉｇｈレベルへ電圧となり、ΦＨ３パルスがＨｉｇｈからＬｏｗレベル電圧となることで第２水平ＣＣＤ１１２内をＨ４とＨ１へ移動する（タイミングＧ、図７（ａ））。

次に、垂直ＣＣＤ１０２を転送されてきた２行目の信号電荷パケット１９０は垂直ＣＣＤ最終ゲートを通過し（タイミングＨ、図７（ｂ））、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ４とＨ１ゲート部へ流入する。このタイミングＨは初めに転送制御部１３０から第１水平ＣＣＤ１１１に信号電荷を転送したタイミングＡと比べて、駆動パルスの状態が同じゲート電圧である。ここから各ゲート電極には１行目と同様の工程となる駆動パルスが印加される。ΦＨ４にＨｉｇｈからＬｏｗとなる駆動パルスが印加されると、Ｈ１ゲート部に電荷が集中し、第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲート部には１行目の信号電荷パケット１９０が、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ１ゲート部には２行目の信号電荷パケット１９０が存在する（タイミングＪ、図８（ａ））。ΦＨＨＧとΦＨ３に順次ＬｏｗからＨｉｇｈレベル電圧となる駆動パルスが印加され、ΦＨ１とΦＨＨＧに順次ＨｉｇｈからＬｏｗレベル電圧となる駆動パルスを印加すると、２行の信号電荷パケットはそれぞれ第３水平ＣＣＤ１１３と第２水平ＣＣＤ１１２のＨ３ゲート部へと移動する（タイミングＫ〜Ｌ、図８（ｂ）、図９（ａ））。ΦＨ４とΦＨ１パルスが順次ＬｏｗからＨｉｇｈレベルへ電圧となり、ΦＨ３パルスがＨｉｇｈからＬｏｗレベル電圧となることで、第２水平ＣＣＤ１１２と第３水平ＣＣＤ１１３内の信号電荷パケット１９０はＨ４とＨ１ゲート部へ移動する（タイミングＭ、図９（ａ））。

次に、垂直ＣＣＤ１０２を転送されてきた３行目の信号電荷パケット１９０は垂直ＣＣＤ最終ゲート１３１を通過し、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ４とＨ１ゲート部へ流入すると（タイミングＭ〜Ｎ、図９（ｂ）、図１０）、第１〜第３の３つの水平ＣＣＤ（１１１，１１２，１１３）は信号電荷パケット１９０で満たされ、３行の水平ＣＣＤゲートに水平転送パルスが印加されることにより信号電荷パケット１９０は信号出力部１５０へ転送される。

以上のように、水平ＣＣＤを３行並列に設ける場合であっても、各水平ＣＣＤを４枚のゲートを１組として構成し、それぞれの水平ＣＣＤゲートは共通の４相駆動パルスを印加できるよう共通の端子に配線し、４枚のゲートのうち１枚は垂直転送部と垂直方向に反対側で水平間ゲート部と接し、水平間ゲート部へ電荷を転送することが可能な送り出しゲート部であり、４枚のゲートのうち別の１枚は垂直転送部と同じ側部で水平間ゲート部と接し、水平間ゲートから電荷を受け取ることが可能な受け取りゲート部であり、各前記送り出しゲート部と受け取りゲート部は互いに水平方向に隣接せず、第１行目の水平転送部は、他の水平転送部の受け取りゲートと同相のパルスが印加される水平転送ゲートが垂直転送部と接続することにより、水平ＣＣＤ間の水平間転送ゲートを共通の駆動パルスで駆動できるため、水平転送を３つの水平ＣＣＤで平行して行ってフレームレートを３倍にしながら、パルスの印加にかかる端子を削減することができる。そして、画素信号出力を高速化することで映像の高フレームレート化や画像の高速連写が可能となり、端子数や駆動パルスの種類が増加せず、回路基板やタイミングジェネレータ、ドライバなど周辺回路の高価化を伴わない。よって、固体撮像装置特性の最大化が図れ、多画素化や高フレームレート化が普及商品の中でも進む今日における本発明の実用的価値は極めて高くなる。

ここで、並列する２行の４相水平ＣＣＤを固体撮像装置の例に挙げて実施の形態１に係る固体撮像装置の特徴を説明する。
図１１は実施の形態１における並列する２行の４相水平ＣＣＤを持つ水平転送領域の概略図である。図１１の構造を有する固体撮像装置では、水平転送および水平ＣＣＤ間転送のために、第１水平ＣＣＤ１１１，第２水平ＣＣＤ１１２は水平ＣＣＤゲートであるゲート部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４が繰り返し配置され、第１水平ＣＣＤ１１１，第２水平ＣＣＤ１１２間には水平間ゲートが設けられ、合計５種類のゲートが配置される構造である。そのため、各ゲートを個別に駆動するため、２行の並列水平ＣＣＤを駆動する場合においても、５種類の駆動パルスが必要であることがわかる。この点は本実施の形態の固体撮像装置１と同じである。

言い換えると、本実施の形態の固体撮像装置およびその駆動方法を用いれば、２行の並列する４相水平ＣＣＤと同じ種類（系統数）のゲートパルスで３行の並列する４相水平ＣＣＤを駆動できる。即ち、ピン数、パルス系統数の増加等の技術障壁を高めることなく高速な信号出力を実現できる。

ここで、タイミングＭは１行目および２行目の信号電荷パケット１９０を転送制御部１３０から第１水平ＣＣＤ１１１に信号電荷を転送したタイミングＡおよびＨと比べて、駆動パルスの状態が同じゲート電圧である。また、図３を見ればわかるように、タイミングＡ〜ＨとタイミングＨ〜Ｍとでは、同じ駆動パルスの工程である。言い換えると、１行目と２行目の信号電荷パケット１９０は、当該駆動パルスの工程を２回繰り返すことで３行目の信号電荷パケット１９０を垂直ＣＣＤ最終ゲート１３１から第１水平ＣＣＤ１１１へ転送する準備状態に移行している。要するに、ｎ行が並列する水平ＣＣＤを擁する場合、タイミングＡ〜Ｈの駆動パルス工程をｎ−１回繰り返すことで、ｎ行目の信号電荷パケット１９０を垂直ＣＣＤ最終ゲート１３１から第１水平ＣＣＤ１１１へ転送する準備状態に移行していることを意味する。例えば、４行の水平ＣＣＤが並列する場合においては、タイミングＡ〜Ｈの駆動パルス工程を３回の繰り返すことで４行目の信号電荷パケット１９０を垂直ＣＣＤ最終ゲート１３１から第１水平ＣＣＤ１１１へ転送する準備状態に移行させることが可能となる。

以上のように、水平転送ＣＣＤを３行以上並列に配置し、水平転送ＣＣＤ間の転送を共通化した１つのゲートパルスで行い、各水平転送ＣＣＤを４の種類のゲート部を繰り返して構成し、同じ種類のゲート部には同じクロックパルスを入力する構成とすることにより、少ないパルス入力で垂直転送を行いながら、フレームレートを１行の水平ＣＣＤを用いた場合の水平ＣＣＤの行数倍にすることができ、水平転送を高速にしながら端子数の増加を抑制することができる。

本実施の形態は、３行の水平ＣＣＤが並列する例を挙げて説明したが、本発明を用いれば、４列以上の水平ＣＣＤが並列する構成においても同様の効果を享受できることは明白である。
（実施の形態２）
次に、図１２，図１３を用いて実施の形態２に係る固体撮像装置について説明する。

図１２は本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図１３は実施の形態２の固体撮像装置における水平転送部の構成を示す図であり、図１２の転送制御部１３０、水平ＣＣＤ（１１１，２１２，１１３）、ＨＨＧ（１２１，１２２）の一部の詳細を示した図である。

固体撮像装置２は、図１２に示されるように、複数のフォトダイオード１００、複数の読み出し部１０１、複数の垂直ＣＣＤ１０２、転送制御部１３０、第１水平ＣＣＤ１１１、第２水平ＣＣＤ２１２、第３水平ＣＣＤ１１３、第１ＨＨＧ１２１、第２ＨＨＧ１２２および複数の信号出力部１５０を備え、個々の構成および駆動方法は実施の形態１と同様である。

実施の形態２では、第２水平ＣＣＤ２１２は、図１２に示されるように、信号出力部１５０が第１水平ＣＣＤ１１１および第３水平ＣＣＤ１１３と比較して左右逆側に配置されることが特徴である。

並列する３行の水平ＣＣＤ（１１１，２１２，１１３）は、互いに共通の４相ゲートパルスを印加できるよう配線されているが、ゲート部のうち、奇数番ゲート部（Ｈ１、Ｈ３）と偶数番ゲート部（Ｈ２、Ｈ４）の配線は、隣接する水平ＣＣＤ間で交差するように配線されている。これにより第１水平ＣＣＤ１１１および第３水平ＣＣＤ１１３が右から左にＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ１の順にゲートが繰り返し配置されているのに対し、第２水平ＣＣＤはＨ１、Ｈ４、Ｈ３、Ｈ２、Ｈ１のように逆順に配置されることなり、互いに共通（同相）の水平転送パルスを印加した場合、第２水平ＣＣＤ２１２は、上下に隣接する水平ＣＣＤ（１１１，１１３）と逆方向に信号電荷パケットを転送される。

一方で、固体撮像装置２の各水平ＣＣＤ（１１１，２１２，１１３）の受け取りゲート部および送り出しゲート部と、垂直ＣＣＤ最終ゲート１３１および各ＨＨＧ（１２１，１２２）との関係は、図１に示す固体撮像装置１と同じであるため、固体撮像装置１と固体撮像装置２は、例えば図３に示されるような同一の駆動パルスによって制御することが可能である。

以上により、実施の形態１と同様に、少ないパルス入力で垂直転送を行いながら、フレームレートを１行の水平ＣＣＤを用いた場合の水平ＣＣＤの行数倍にすることができ、水平転送を高速にしながら端子数の増加を抑制することができる。

先述にもあるように、本実施の形態においても４列以上の水平ＣＣＤが並列するように構成を拡張でき、加えて、並列する各水平ＣＣＤの転送方向は目的に応じて任意に設定することが可能である。

本実施の形態の構成を用いれば、信号出力部１５０を並列する水平ＣＣＤ（１１１，２１２，１１３）の同じ端部に配置することによるレイアウト上の制約を軽減し、固体撮像装置の設計自由度を高められる。また、転送方向を並列する水平ＣＣＤの各行で交互となるよう構成することで、出力信号が固体撮像装置２の両端から均等に出力され、出力信号の空間的な揺らぎや左右不均一性を改善することができる。

本発明の固体撮像装置は、主にシリコン半導体基板上に正・負極性の不純物を注入することで構造を形成する。各転送ゲートは多結晶シリコンで形成され、それぞれは半導体基板外部へのインターフェースである端子との間をタングステンやアルミなどの金属で配線する。水平ＣＣＤゲートについて図中では単層多結晶シリコンで形成し各ゲート間を金属配線で結線する例を示しているが、２層或いは３層などの複数層多結晶シリコンプロセスを用いて隣接する水平ＣＣＤ間を跨いで連続する多結晶シリコンゲートを形成して構成することも可能である。特に実施の形態２の場合、偶数番ゲートとＨＨＧを第１多結晶シリコン層、奇数番ゲートを第２多結晶シリコン層で形成し、ＨＨＧは別の金属配線層で配線することもあり得る。

本発明は、端子数の増大を伴わずに複数行の水平ＣＣＤを用いて画素信号出力を高速化することができ、複数並列させた水平ＣＣＤを用いて水平転送する固体撮像装置およびその駆動方法等に有用である。

１、２固体撮像装置
１００フォトダイオード
１０１読み出し部
１０２垂直ＣＣＤ
１１１第１水平ＣＣＤ
１１２第２水平ＣＣＤ
１１３第３水平ＣＣＤ
１２１第１ＨＨＧ
１２２第２ＨＨＧ
１３０転送制御部
１３１垂直ＣＣＤ最終ゲート部
１５０信号出力部
１９０信号電荷パケット
２１１第２水平ＣＣＤ
９１１水平ＣＣＤ
９１２水平ＣＣＤ
９１３水平ＣＣＤ
９２１水平間ゲート
９２２水平間ゲート

Claims

２次元状に配列された複数の受光部と、
それぞれが前記受光部の列に対応して設けられ、該対応する受光部の列の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の垂直転送部により転送された前記信号電荷を水平方向に転送する３行以上並列に配置された水平転送部と、
前記水平転送部間に１つずつ配置されて前記水平転送部間の前記信号電荷の転送を制御する複数の水平間ゲートと、
前記水平転送部の一方の端部から前記信号電荷を出力する出力部と
を備え、
前記水平転送部は４相の駆動パルスで制御される４枚の水平転送ゲートを１組として水平方向に繰り返し連続に配置され、
並列する水平転送部は共通の駆動パルスで駆動され、
前記４枚の水平転送ゲートのうち１枚は垂直転送部と垂直方向に反対側で水平間ゲート部と接し、
水平間ゲート部へ電荷を転送することが可能な送り出しゲート部であり、
前記４枚の水平転送ゲートのうち別の１枚は垂直転送部と同じ側部で水平間ゲート部と接し、水平間ゲートから電荷を受け取ることが可能な受け取りゲート部であり、
各前記送り出しゲート部と受け取りゲート部は互いに水平方向に隣接せず、
第１行目の水平転送部は、他の水平転送部の受け取りゲートと同相のパルスが印加される水平転送ゲートが垂直転送部と接続され、
前記水平間ゲートは共通のゲートパルスによって駆動されることを特徴とする固体撮像装置。
２次元状に配列された複数の受光部と、
それぞれが前記受光部の列に対応して設けられ、該対応する受光部の列の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の垂直転送部により転送された前記信号電荷を水平方向に転送する３行並列に配置された水平転送部と、
前記水平転送部間に１つずつ配置されて前記水平転送部間の前記信号電荷の転送を制御する２つの水平間ゲートと、
前記水平転送部の一方の端部から前記信号電荷を出力する出力部と
を備え、前記水平転送部は連続する２つの送り出しゲート部と連続する２つの受け取りゲート部とが転送方向に１列に配置された転送段が複数配置され、１組の前記転送段を構成する前記送り出しゲート部および前記受け取りゲート部を駆動するクロックパルスは、前記１つの転送段を構成する４つの前記送り出しゲート部および前記受け取りゲート部毎に入力され、前記転送段に共通の４相の前記クロックパルスが入力され、前記水平間ゲートは共通のゲートパルスによって駆動されることを特徴とする固体撮像装置。
並列に配置された複数の各前記水平転送部のうち、少なくとも１つの前記水平転送部の前記出力部を他の前記水平転送部の前記出力部と逆側の端部に配置することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の固体撮像装置。
隣り合う前記水平転送部の前記出力部を互いに逆側の端部に配置することを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
２次元状に配列された複数の受光部と、それぞれが前記受光部の列に対応して設けられ、該対応する受光部の列の前記信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、水平転送ゲートである送り出しゲート部と受け取りゲート部とからなり、前記複数の垂直転送部により転送された前記信号電荷を水平方向に転送するｎ行（ｎは３以上の整数）の水平転送部と、前記水平転送部により転送された前記信号電荷を出力する出力部と、前記水平転送部間に１つずつ配置されて前記水平転送部間の前記信号電荷の転送を制御するｎ−１の水平間ゲートとを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記垂直転送部から第１行目の前記水平転送部へ転送された前記信号電荷を前記第１行目の水平転送部の前記送り出しゲート部へ転送する工程と、
前記送り出しゲート部の水平転送方向に対して前後の前記水平転送ゲートにＬｏｗレベル電圧を印加して前記送り出しゲート部を挟み込むようにポテンシャルバリアを形成した状態で前記水平間ゲートおよび前記受け取りゲート部にＨｉｇｈレベル電圧を印加した後に、前記送り出しゲート部と前記水平間ゲートに順次Ｌｏｗレベル電圧を印加して前記信号電荷を前記水平間ゲートを介して隣接する次行の前記水平転送部の前記受け取りゲート部へ転送する水平間転送工程と、
前記次行の前記受け取りゲート部から前記次行の前記送り出しゲート部へ前記信号電荷を転送する水平シフト工程と
を有し、３行目からｎ行目の前記水平転送部まで前記水平間転送工程と前記水平シフト工程とを繰り返した後、前記水平転送部に前記水平転送駆動パルスを印加して前記信号電荷を前記各水平転送部で平行して出力することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。