JP2884929B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次元像情報を時系列
電気信号に変換する固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の固体撮像素子では、イメージ領域
内には、光検出素子が２次元に配列され、垂直電荷結合
素子が光検出素子列間に設けられており、その下部に
は、水平電荷結合素子との間にダミー領域が設けられて
いる。このダミー領域における電荷結合素子列ピッチ
は、イメージ領域中の垂直電荷結合素子列のピッチと同
一かつ一定になっており、従って、イメージ領域の画素
ピッチと水平電荷結合素子の段ピッチとは同一になって
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】２次元の固体撮像素子
の駆動は、垂直転送１段毎に水平転送全段が行われるた
め、水平電荷結合素子の駆動周波数は極めて高い。一般
に電荷結合素子は駆動周波数が高くなるにつれて転送効
率が低下する。このため水平電荷結合素子の転送効率の
良否が素子性能を大きく左右する。電荷結合素子の転送
効率と強い相関を持つチャネル内部電界は、チャネル長
の２乗に逆比例するので、電荷結合素子の段数が同じで
も全長が長く段ピッチが大きいと、転送効率が加速度的
に劣化する。従来の固体撮像素子では、前述のようにイ
メージ領域の画素ピッチと水平電荷結合素子の段ピッチ
とが一致している。このため、画素ピッチが大きくなる
と水平電荷結合素子の転送効率が劣化してしまうという
欠点がある。

【０００４】本発明の目的は、イメージ領域の画素ピッ
チが大きく水平長が長い場合にも、水平電荷結合素子の
転送効率が劣化することのない固体撮像素子を提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、光検出素
子が２次元に配列され、光検出素子から垂直電荷結合素
子及び水平電荷結合素子の組み合わせにより光信号電荷
を転送し、出力部から時系列電気信号として出力する固
体撮像素子において、光検出素子が２次元に配列された
イメージ領域と水平電荷結合素子との間に、イメージ領
域の垂直電荷結合素子列からつながる電荷結合素子列の
間のピッチが水平電荷結合素子へ近づくに従って減少す
るピッチ減少ダミー領域を備えることを特徴としてい
る。

【０００６】また、第２の発明は、第１の発明において
ピッチ減少ダミー領域の段数がイメージ領域の段数とイ
メージ領域に付随するダミーの段数とを合わせた数以上
であることを特徴としている。

【０００７】さらに、第３の発明は、光検出素子が２次
元に配列され、光検出素子から垂直電荷結合素子および
水平電荷結合素子の組み合わせにより光信号電荷を転送
し、出力部から時系列電気信号として出力する固体撮像
素子において、光検出素子が２次元に配列されたイメー
ジ領域と水平電荷結合素子との間に、イメージ領域の垂
直電荷結合素子列からつながる電荷結合素子列の間のピ
ッチが水平電荷結合素子へ近づくに従って減少するピッ
チ減少ダミー領域を備え、イメージ領域とピッチ減少ダ
ミー領域との間に第１の読出し制御ゲートを備え、ピッ
チ減少ダミー領域と水平電荷結合素子との間に一水平ラ
イン分の信号電荷を蓄える蓄積部および第２の読出し制
御ゲートを備え、イメージ領域とピッチ減少ダミー領域
とが別の駆動系統になっており、ピッチ減少ダミー領域
の駆動系が一水平ライン分の信号電荷について複数回の
転送動作で一水平期間に蓄積部への電荷転送を完了する
駆動系であることを特徴とする。

【０００８】

【作用】第１の発明の固体撮像素子では、イメージ領域
と水平電荷結合素子との間にイメージ領域の垂直電荷結
合素子列からつながる電荷結合素子列の間のピッチが水
平電荷結合素子へ近づくに従って減少するピッチ減少ダ
ミー領域を具備しているので、画素ピッチが大きくなっ
ても水平電荷結合素子の段ピッチを細かくすることがで
き、全長も短くすることができる。従って、高い転送効
率を持たせることができる。

【０００９】ピッチ減少ダミー領域のピッチ減少量が大
きい場合、段数が少ないと端の方の電荷結合素子の段ピ
ッチが極めて大きくなり、転送不良を起こしてしまう危
険が発生する。このためピッチ減少ダミー領域の段数は
ピッチ減少量に伴って多くする必要がある。信号出力期
間と垂直ブランキング期間とが定められた状況下で、ピ
ッチ減少ダミー領域の段数とイメージ領域の垂直段数と
の割合が垂直ブランキング期間と信号出力期間との割合
を越えない範囲であれば問題はないが、越える場合ピッ
チ減少ダミー領域段数相当分だけ転送周波数を変更して
高くしなければならないなど駆動方法が複雑になる問題
が生じる。

【００１０】第２の発明の固体撮像素子では、ピッチ減
少ダミー領域の段数がイメージ領域の段数とイメージ領
域に付随するダミーの段数とを合わせた数以上になって
いるので、転送周波数を変更することなくイメージ領域
とピッチ減少ダミー領域とをまったく同一の駆動信号で
駆動させるだけで、１フィールド期間の遅延は発生する
が、垂直ブランキング期間と信号出力期間との割合を満
足する出力信号を得ることができる。

【００１１】上述の構造では、ピッチ減少ダミー領域の
ピッチ減少量を大きく取ると素子寸法が大きくなるとい
う問題がある。駆動系統が多少複雑になるが素子寸法縮
小を可能にするのが第３の発明の固体撮像素子である。
第３の発明の固体撮像素子では、イメージ領域とピッチ
減少ダミー領域とが別の駆動系統になっており、イメー
ジ領域とピッチ減少ダミー領域との間に第１の読出し制
御ゲートを有し、ピッチ減少ダミー領域と水平電荷結合
素子との間に蓄積部および第２の読出し制御ゲートを有
する。

【００１２】この構造で、第１の読出し制御ゲートの操
作によりイメージ領域の１段分の電荷がピッチ減少ダミ
ー領域に移される毎に、ピッチ減少ダミー領域は高速で
数回の転送動作をさせ、蓄積部に電荷を運び込む。高速
といっても水平電荷結合素子が全段転送しあげる期間に
１段分の電荷を蓄積部に送り込めばよいので、水平電荷
結合素子に比べれば充分低速である。蓄積部に運んだ電
荷は第２読出し制御ゲートの操作により水平電荷結合素
子に移される。ピッチ減少ダミー領域は転送効率が多少
悪かろうと転送動作を繰り返すことにより転送漏れ電荷
をすべて蓄積部へ運び込むことができる。このため、ピ
ッチ減少ダミー領域のピッチ減少量が大きくとも、段数
を少なくすることができ、素子寸法を小さくすることが
できる。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１４】図１は、第１の発明の固体撮像素子の一実
施例を示す平面構成図である。図１において、イメージ
領域３内には、光検出素子１が２次元に配列され、垂直
電荷結合素子２が光検出素子列間に設けられており、そ
の下部には、電荷結合素子列間ピッチが下方に行くに従
って減少するピッチ減少ダミー領域４が設けられてい
る。ピッチ減少ダミー領域４内の電荷結合素子は、イメ
ージ領域３の垂直電荷結合素子２と連続でつながってい
る。ピッチ減少ダミー領域４の下部に水平電荷結合素子
５が設けられている。図１に紛らわしさを避けるために
描かれていないが、ピッチ減少ダミー領域４と水平電荷
結合素子５との間に読出し制御ゲートを設けるのが普通
である。水平電荷結合素子５の終端には出力部６が接続
されている。

【００１５】次に、本実施例の動作について説明する。
本実施例の動作は従来のものと同様である。光検出素子
１において光電変換により発生した信号電荷をそれ自身
が一定期間蓄積した後、光検出素子群から垂直電荷結合
素子列に信号電荷が移される。信号電荷を移した後、光
検出素子１は再び光電変換および電荷蓄積動作状態とな
る。一水平期間のうちに、垂直電荷結合素子列およびピ
ッチ減少ダミー領域４の電荷結合素子群が一段下方への
電荷転送動作によって一水平ライン分を水平電荷結合素
子５に転送し、水平電荷結合素子５から出力部６を経て
順次外部に読出す動作をする。この一水平ライン分の読
出しを一水平期間毎に繰り返し、ダミーも含めた全画素
の読出しを光検出素子１の蓄積期間に行う。従って、垂
直電荷結合素子列に読出された信号電荷は、ピッチ減少
ダミー領域４の段数に対応する水平期間の後に外部に順
次読出される。

【００１６】図１に示すように、本発明の固体撮像素子
では、水平電荷結合素子の段ピッチをイメージ領域の画
素ピッチより細かくでき、かつ、全長をイメージ領域の
水平長より短縮できるので、転送効率を高くすることが
できる。

【００１７】なお、実施例にはないがピッチ減少ダミー
領域の他に、イメージ領域に付随するダミーを持ってい
てもかまわない。

【００１８】図２は、第２の発明の固体撮像素子の一実
施例を示す平面構成図である。ｍ段イメージ領域８内に
は、第１の発明の実施例のイメージ領域３同様、光検出
素子が２次元に配列され、光検出素子列間に垂直電荷結
合素子が設けられている。また、（ｌ＋ｍ＋ｎ）段ピッ
チ減少ダミー領域１０内にも、第１の発明の実施例のピ
ッチ減少ダミー領域４同様、下方に行くに従ってピッチ
が減少する電荷結合素子群が設けられている。これらは
簡単のため図２で省略されている。ｍ段イメージ領域８
の上方にｌ段イメージ領域上ダミー７が設けてあり、ｍ
段イメージ領域８と（ｌ＋ｍ＋ｎ）段ピッチ減少ダミー
領域１０との間にｎ段イメージ領域下ダミー９が設けら
れている。これらｌ段イメージ領域上ダミー７とｎ段イ
メージ領域下ダミー９とがイメージ領域に付随するダミ
ーである。従って、ピッチ減少ダミー領域の段数は、イ
メージ領域上ダミーとイメージ領域とイメージ領域下ダ
ミーの段数の和である（ｌ＋ｍ＋ｎ）段以上設ける必要
があり、本実施例では（ｌ＋ｍ＋ｎ）段としている。

【００１９】次に、本実施例の動作について説明する。
ｍ段イメージ領域８内の光検出素子において光電変換に
より発生した信号電荷をそれ自身が一定期間蓄積した
後、光検出素子群から垂直電荷結合素子列に信号電荷が
移される。信号電荷を移した後、光検出素子は再び光電
変換および電荷蓄積動作状態となる。一水平期間のうち
に、ｌ段イメージ領域上ダミー７、ｍ段イメージ領域８
内の垂直電荷結合素子列、ｎ段イメージ領域下ダミー９
および（ｌ＋ｍ＋ｎ）段ピッチ減少ダミー領域１０内の
電荷結合素子群が一段分下方への電荷転送動作によって
一水平ライン分を水平電荷結合素子５に転送し、水平電
荷結合素子５から出力部６を経て順次外部に読出す動作
をする。

【００２０】この一水平ライン分の読出しを一水平期間
毎に繰り返すのであるが、ｌ段イメージ領域上ダミー
７、ｍ段イメージ領域８およびｎ段イメージ領域下ダミ
ー９の電荷がすべて（ｌ＋ｍ＋ｎ）段ピッチ減少ダミー
領域１０に移った時点で、再びｍ段イメージ領域８内に
おいて光検出素子群から垂直電荷結合素子列に信号電荷
が移される。従って、外部には、ｌ段イメージ領域上ダ
ミー７とｎ段イメージ領域下ダミー９の段数の和に相当
する垂直ブランキング期間を持った信号が、１フィール
ド期間の遅延が掛かった状態で出力される。要求される
垂直ブランキング期間対信号出力期間の割合に（ｌ＋
ｎ）段対ｍ段の割合を合わせておけば、出力信号は要求
を満足するものとなる。

【００２１】なお、ピッチ減少ダミー領域の段数がイメ
ージ領域の段数とイメージ領域に付随するダミーの段数
とを合わせた数より多い場合は、イメージ領域とイメー
ジ領域に付随するダミーの電荷がすべてピッチ減少ダミ
ー領域に移動した後、ピッチ減少ダミー領域の過剰段数
分空転送し、それからイメージ領域内において光検出素
子群から垂直電荷結合素子列に信号電荷を移す。

【００２２】以上のように本実施例では、ピッチ減少ダ
ミー領域のピッチ減少量が大きいために段数を多くする
必要がある場合にも、１フィールド期間の遅延は掛かる
が、従来と大差のない駆動で垂直ブランキング期間と信
号出力期間との割合を満足する出力信号を得ることがで
きる。

【００２３】図３は、第３の発明の固体撮像素子の一実
施例を示す平面構成図である。イメージ領域３内には、
第１の発明の実施例同様、光検出素子が２次元に配列さ
れ、光検出素子列間に垂直電荷結合素子が設けられてい
る。また、ピッチ減少ダミー領域４内にも、第１の発明
の実施例同様、下方に行くに従ってピッチが減少する電
荷結合素子群が設けられている。これらは簡単のため図
３で省略されている。イメージ領域３とピッチ減少ダミ
ー領域４との間に、第１読出し制御ゲートおよびその電
極１１が設けられ、ピッチ減少ダミー領域４と水平電荷
結合素子５との間に、蓄積部およびその制御電極１２
と、第２読出し制御ゲートおよびその電極１３とが連続
して設けられている。

【００２４】本実施例では、イメージ領域３とピッチ減
少ダミー領域４は、どちらも４相の場合を示しており、
イメージ領域垂直電荷結合素子駆動信号１４（φＶ１〜
φＶ４）とピッチ減少ダミー領域電荷結合素子駆動信号
１６（φＤ１〜φＤ４）で駆動される。また、水平電荷
結合素子５は、２相の場合を示しており、水平電荷結合
素子駆動信号１９（φＨ１，φＨ４）で駆動される。こ
れらの電荷結合素子の形式および駆動信号は別の相でも
かまわない。

【００２５】次に、本実施例の動作について説明する。
イメージ領域３内の光検出素子において光電変換により
発生した信号電荷をそれ自身が一定期間蓄積した後、光
検出素子群から垂直電荷結合素子列に信号電荷が移され
る。信号電荷を移した後、光検出素子は再び光電変換お
よび電荷蓄積動作状態となる。一水平期間のうちに、垂
直電荷結合素子列が一段分下方への電荷転送動作によっ
て一水平ライン分をピッチ減少ダミー領域４へ第１読出
し制御ゲートを介して転送し、第１読出し制御ゲートを
閉状態とした後、ピッチ減少ダミー領域４が高速転送動
作を数回繰り返して一水平ライン分を蓄積部に送り込
み、第２読出し制御ゲートを開状態として蓄積部から水
平電荷結合素子５に一水平ライン分を転送し、水平電荷
結合素子５から出力部６を経て、順次外部に読出す動作
をする。この一水平ライン分の読出しを一水平期間毎に
繰り返し、ダミーも含めた全画素の読出しを光検出素子
の蓄積期間に行う。

【００２６】本実施例では、ピッチ減少ダミー領域の転
送効率が多少悪かろうと一水平ライン分について転送動
作を数回繰り返すので転送漏れ電荷をすべて蓄積部へ運
び込むことができる。このため、図３に示すように、ピ
ッチ減少ダミー領域の占める割合を小さくでき、素子寸
法を小さくすることができる。

【００２７】なお、本実施例にはないが、ピッチ減少ダ
ミー領域の他にイメージ領域に付随するダミーを持って
いてもかまわない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように第１の発明の固体撮
像素子は、水平電荷結合素子の段ピッチをイメージ領域
の画素ピッチより細かくでき、かつ、全長をイメージ領
域の水平長より短縮できるので、転送効率を高くするこ
とができるという効果を有する。

【００２９】また、第２の発明の固体撮像素子は、ピッ
チ減少ダミー領域の段数がイメージ領域の段数とイメー
ジ領域に付随するダミーの段数とを合わせた以上になっ
ているので、良好な転送を行うことができるという効果
を有する。

【００３０】さらに、第３の発明の固体撮像素子は、一
水平ライン分について転送動作を数回繰り返すので転送
漏れ電荷をすべて蓄積部へ運ぶことができるためにピッ
チ減少ダミー領域を小さくでき、素子寸法を小さくする
ことができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の固体撮像素子の一実施例を示す平
面構成図である。

【図２】第２の発明の固体撮像素子の一実施例を示す平
面構成図である。

【図３】第３の発明の固体撮像素子の一実施例を示す平
面構成図である。

【符号の説明】

１ 光検出素子 ２ 垂直電荷結合素子 ３ イメージ領域 ４ ピッチ減少ダミー領域 ５ 水平電荷結合素子 ６ 出力部 ７ ｌ段イメージ領域上ダミー ８ ｍ段イメージ領域 ９ ｎ段イメージ領域下ダミー １０ （ｌ＋ｍ＋ｎ）段ピッチ減少ダミー領域 １１ 第１読出し制御ゲートおよびその電極 １２ 蓄積部およびその制御電極 １３ 第２読出し制御ゲートおよびその電極 １４ イメージ領域垂直電荷結合素子駆動信号 １５ 第１読出し制御信号 １６ ピッチ減少ダミー領域電荷結合素子駆動信号 １７ 蓄積部制御信号 １８ 第２読出し制御信号 １９ 水平電荷結合素子駆動信号

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光検出素子が２次元に配列され、光検出素
   子から垂直電荷結合素子および水平電荷結合素子の組み
   合わせにより光信号電荷を転送し、出力部から時系列電
   気信号として出力する固体撮像素子において、 光検出素子が２次元に配列されたイメージ領域と水平電
   荷結合素子との間に、イメージ領域の垂直電荷結合素子
   列からつながる電荷結合素子列の間のピッチが水平電荷
   結合素子へ近づくに従って減少するピッチ減少ダミー領
   域を備え、 ピッチ減少ダミー領域の段数がイメージ領域の段数とイ
   メージ領域に付随するダミーの段数とを合わせた数以上
   であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】光検出素子が２次元に配列され、光検出素
   子から垂直電荷結合素子および水平電荷結合素子の組み
   合わせにより光信号電荷を転送し、出力部から時系列電
   気信号として出力する固体撮像素子において、 光検出素子が２次元に配列されたイメージ領域と水平電
   荷結合素子との間に、イメージ領域の垂直電荷結合素子
   列からつながる電荷結合素子列の間のピッチが水平電荷
   結合素子へ近づくに従って減少するピッチ減少ダミー領
   域を備え、 イメージ領域とピッチ減少ダミー領域との間に第１の読
   出し制御ゲートを備え、 ピッチ減少ダミー領域と水平電荷結合素子との間に一水
   平ライン分の信号電荷を蓄える蓄積部および第２の読出
   し制御ゲートを備え、 イメージ領域とピッチ減少ダミー領域とが別の駆動系統
   になっており、ピッチ減少ダミー領域の駆動系が一水平
   ライン分の信号電荷について複数回の転送動作で一水平
   期間に蓄積部への電荷転送を完了する駆動系であること
   を特徴とする固体撮像素子。