JP4695550B2

JP4695550B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法

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Publication number: JP4695550B2
Application number: JP2006172649A
Authority: JP
Inventors: 任村山
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2026-06-22
Also published as: JP2008005213A

Description

本発明は、光電変換により撮像を行う固体撮像装置およびその駆動方法に関し、特に、ＣＣＤ（charge coupled device）型の固体撮像装置およびその駆動方法に関する。

ＣＣＤイメージセンサに代表される従来の固体撮像装置には、カラー画像を得るために、可視光（波長：約３８０ｎｍ〜７７０ｎｍ）中の特定の波長帯の光を受光素子（フォトダイオード）に入射させるように、カラーフィルタ（例えば、赤、緑、青の３原色の光を透過させる原色カラーフィルタ）が設けられている。しかし、カラーフィルタは、赤外光（波長：約８００ｎｍ〜１５００ｎｍ）に対してはある程度の透過性を有し、受光素子は、可視光だけでなく赤外光にも感度を有するため、カラーフィルタに入射した赤外光の一部は、受光素子によって受光されてしまう。このため、デジタルカメラなどでは、不要な赤外光を遮断するために、ＩＲ（Infrared）カットフィルタを固体撮像装置の入射面側に配設している。

ところで、近年、固体撮像装置の用途が大きく広がり、固体撮像装置を、赤外光の受光センサとして積極的に利用する技術が出現している。下記の特許文献１，２には、発光部から赤外光を被写体に照射した後、被写体から反射されてくる反射光を、高速シャッタを介して固体撮像装置によって撮像することにより、被写体の距離情報を取得する技術が開示されている。特許文献１に記載の技術では、発光部からパルス状の赤外光を被写体に照射し、被写体距離に応じて遅延する各反射成分を受光することで、被写体の距離情報を取得している。一方、特許文献２に記載の技術では、赤外発光部からサイン波変調した赤外光を照射し、このサイン波に対して一定間隔で位相をずらした画像を取得することで被写体の距離情報を取得している。また、特許文献１，２では、可視光による通常の画像とともに、画像中の被写体の距離情報を取得することを目的としている。
米国特許第６０５７９０９号明細書米国特許第６８５６３５５号明細書

しかしながら、上記の特許文献１，２に記載の技術では、赤外光の受光に用いられる固体撮像装置は、赤外光の受光のみを行うセンサとして構成されているため、可視光の通常画像を得るためには、通常の固体撮像装置が別途必要であるとともに、被写体光を可視光と赤外光とに分離し、各固体撮像装置へ導くためのプリズムなども必要である。

また、上記の特許文献１，２に記載の技術では、赤外光の照射後、所定の距離範囲の被写体からの反射される極短い時間幅の光のみを受光するために、高速動作を行う電気光学シャッタやイメージ・インテンシファイア等のシャッタ装置を用いて露光時間（シャッタ速度）を制御しているが、これらのシャッタ装置は、駆動時に高電圧が要され、また、高価であるといった欠点がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、単板構成にて可視光および赤外光を受光することができるとともに、上記のようなシャッタ装置を必要とせず、赤外光の露光時間を、可視光の露光時間とは独立して制御を行うことができる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。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、一導電型半導体基板の表層に形成された反対導電型ウェル層中に各部が形成されてなる固体撮像装置において、可視光の３原色のうちの第１色光を受光して信号電荷を蓄積する第１受光部と、前記３原色のうちの第２色光を受光して信号電荷を蓄積する第２受光部と、前記３原色のうちの第３色光を受光して信号電荷を蓄積する第３受光部と、赤外光を受光して信号電荷を蓄積する第４受光部と、前記第１〜第４受光部の信号電荷を前記一導電型半導体基板に掃き捨てる縦型オーバーフロードレインと、前記第４受光部の信号電荷を、掃き捨てゲートを介して前記反対導電型ウェル層に形成された一導電型のドレイン領域に掃き捨てる横型オーバーフロードレインと、前記第１〜第４受光部から信号電荷を読み出す読み出しゲートと、前記読み出しゲートによって読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から各信号電荷を受け取り、水平転送を行う水平転送部と、前記水平転送部によって水平転送された各信号電荷を電荷量に応じた画素信号に変換して出力を行う信号出力部と、を備えることを特徴とする。なお、一導電型とは、ｎ型またはｐ型のいずれか一方の導電型であり、反対導電型とは、一導電型とは反対の導電型である。

本発明の固体撮像装置において、前記掃き捨てゲートおよび前記読み出しゲートは、垂直転送部の転送電極によって制御されることが好ましい。また、前記第１〜第４受光部は、それぞれ４画素に１つの割合で均等に平面配列されていることが好ましい。また、前記ドレイン領域は、前記第１〜第４受光部の１垂直列を間に挟んで、前記垂直転送部と対向するように配置されていることが好ましい。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、前記固体撮像装置の駆動方法において、前記縦型オーバーフロードレインによる前記第１〜第４受光部からの信号電荷の掃き捨て、前記横型オーバーフロードレインによる前記第４受光部からの信号電荷の掃き捨て、前記読み出しゲートによる前記第１〜第４受光部からの信号電荷の読み出しの順に前記固体撮像装置を駆動することにより、前記第１〜第３受光部による可視光の露光時間と、前記第４受光部による赤外光の露光時間とを異ならせることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、単板構成にて、可視光および赤外光を受光することができるとともに、従来のようなシャッタ装置を用いることなく、電子シャッタ方式にて、赤外光の露光時間を、可視光の露光時間とは独立して制御を行うことができる。

図１において、本発明に係わる固体撮像装置１０は、青色（Ｂ）光を受光してＢ信号電荷を蓄積するＢ受光部１１ａと、緑色（Ｇ）光を受光してＧ信号電荷を蓄積するＧ受光部１１ｂと、赤色（Ｒ）光を受光してＲ信号電荷を蓄積するＲ受光部１１ｃと、赤外（ＩＲ）光を受光してＩＲ信号電荷を蓄積するＩＲ受光部１１ｄと、受光部１１ａ〜１１ｄから信号電荷を読み出す読み出しゲート（ＲＧ）１２ａ〜１２ｄと、信号電荷を垂直転送する垂直ＣＣＤ１３と、信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤ１４と、信号電荷を電圧信号に変換して出力する出力アンプ１５と、ＩＲ受光部１１ｄに接続された掃き捨てゲート（ＥＧ）１６と、ＩＲ受光部１１ｄの信号電荷が掃き捨てられるドレイン領域１７とから構成された、インターライン転送方式のＣＣＤイメージセンサである。なお、ＥＧ１６とドレイン領域１７とによって横型オーバーフロードレイン（ＬＯＤ）が構成されている。また、受光部１１ａ〜１１ｄ下には、後述するｐウェル層２１の薄部２１ａ〜２１ｄとｎ型半導体基板２０とによって縦型オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）が構成されている。

受光部１１ａ〜１１ｄは、垂直方向（Ｖ方向）および水平方向（Ｈ方向）に沿って平面配列され、全体としては正方格子状配列となっている。Ｂ受光部１１ａには“Ｂ”、Ｇ受光部１１ｂには“Ｇ”、Ｒ受光部１１ｃには“Ｒ”、ＩＲ受光部１１ｄには“ＩＲ”を付して配列順を示している。垂直方向には、Ｂ，ＩＲ，Ｇ，Ｒ，Ｂ，ＩＲ，・・・の順に受光部１１ａ〜１１ｄが配列されており、奇数行と偶数行とで配列周期が半周期（２画素分）ずれている。これにより、水平方向は、Ｂ受光部１１ａとＧ受光部１１ｂとが交互に配列された奇数行と、ＩＲ受光部１１ｄとＲ受光部１１ｃとが交互に配列された偶数行とからなる。各受光部１１ａ〜１１ｄは、４画素に１つの割合で均等に配列されている。

垂直ＣＣＤ１３は、受光部１１ａ〜１１ｄの垂直列ごとに配設されており、垂直ＣＣＤ１３と各受光部１１ａ〜１１ｄとの間には、ＲＧ１２ａ〜１２ｄがそれぞれ設けられている。各受光部１１ａ〜１１ｄからは、Ｂ，Ｇ，Ｒ，ＩＲの各信号電荷がＲＧ１２ａ〜１２ｄを介して垂直ＣＣＤ１３に読み出される。垂直ＣＣＤ１３は、ＲＧ１２ａ〜１２ｄを介して読み出された各信号電荷を水平ＣＣＤ１４に向けて１行ずつ垂直転送を行う。垂直ＣＣＤ１３の垂直転送は、図２に示すように、画素の１水平行につき２本ずつ設けられた４種の垂直転送電極１８ａ〜１８ｄに印加される垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ４により、４相駆動によって制御される。垂直転送電極１８ａ〜１８ｄのうち、第１相の垂直転送パルスＶφ１が印加される垂直転送電極１８ａは、ＲＧ１２ａ，１２ｂの読み出しゲート電極として兼用されている。また、第３相の垂直転送パルスＶφ３が印加される垂直転送電極１８ｃは、ＲＧ１２ｃ，１２ｄの読み出しゲート電極として兼用されている。さらに、第４相の垂直転送パルスＶφ４が印加される垂直転送電極１８ｄは、ＥＧ１６の掃き捨てゲート電極として兼用されている。

水平ＣＣＤ１４は、水平転送電極（図示せず）に印加される水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２により２相駆動され、垂直ＣＣＤ１３から転送された１行分の信号電荷を、出力アンプ１５に向けて水平転送する。出力アンプ１５は、例えば、フローティング・ディフュージョン・アンプからなり、水平ＣＣＤ１４から転送された信号電荷を検出して電荷量に応じた電圧信号に変換し、各受光部１１ａ〜１１ｄに対応した画素信号を時系列的に出力する。

ドレイン領域１７は、受光部１１ａ〜１１ｄの垂直列ごとに配設されており、同一列に属するＩＲ受光部１１ｄにＲＧ１２ｄを介して共通に接続されている。ドレイン領域１７は、ＥＧ１６を介してＩＲ受光部１１ｄに接続されており、ＩＲ受光部１１ｄから信号電荷が掃き捨てられる。

なお、図１中の矩形領域１９は、１つの画素（ピクセル）領域を示している。

図３は、図１のＩ−Ｉ線に沿う、Ｂ受光部１１ａを含む画素の断面を示す。ｎ型半導体基板（ｎ型シリコン基板）２０の表層には、ｐウェル層２１が形成されており、ｐウェル層２１の深部には、ｎ型半導体層からなるＢ信号電荷蓄積部２２が形成されている。Ｂ信号電荷蓄積部２２は、遮光膜２３の開口２３ａ下に層状に広がっており、水平方向の一端は、ｐウェル層２１の表面に達している。

Ｂ信号電荷蓄積部２２とその下のｐウェル層２１との界面に形成されるｐｎ接合部２２ａが、Ｂ光を光電変換してＢ信号電荷を生成するフォトダイオードとなっている。このｐｎ接合部２２ａは、波長が短く、ｐウェル層２１の表面からの侵入距離が短いＢ光に対して高い感度を有するように、比較的浅い位置に形成されている。ｐウェル層２１は、Ｂ信号電荷蓄積部２２下において薄く形成されており、この薄部２１ａが、ＶＯＤの電位障壁として機能する。ｎ型半導体基板２０に、基板電圧としてＶＯＤパルスが印加されると、薄部２１ａの電位障壁が低下し、Ｂ信号電荷蓄積部２２内の信号電荷がｎ型半導体基板２０へ掃き出される。

開口２３ａ下のｐウェル層２１の表層には、暗電流成分の発生を抑制するために高濃度にｐ型不純物が注入されたｐ^＋層２４が形成されている。また、遮光膜２３下のｐウェル層２１の表層には、ｎ型半導体層からなる転送チャネル２５、およびｎ^＋型半導体層からなるドレイン領域１７が形成されており、転送チャネル２５とドレイン領域１７とは、ｐ^＋型半導体層からなる画素分離部２６によって分離されている。

転送チャネル２５は、ｐウェル層２１を介してＢ信号電荷蓄積部２２と離間しており、この離間部分および転送チャネル２５の上方には、全面に形成された透明なゲート絶縁膜２７を介して、前述の垂直転送電極１８ａが形成されている。転送チャネル２５は、垂直方向（図１のＶ方向）に延設されており、その上方に交差する垂直転送電極１８ａ〜１８ｄとによって、前述の４層駆動の垂直ＣＣＤ１３を構成している。また、転送チャネル２５とＢ信号電荷蓄積部２２との離間部分は、その上方の垂直転送電極１８ａとによって、前述のＲＧ１２ａを構成している。Ｂ信号電荷蓄積部２２のＢ信号電荷は、垂直転送電極１８ａに高電圧の読み出しパルスが印加されると、上記離間部分を介して転送チャネル２５に移送され、垂直転送電極１８ａ〜１８ｃに印加される垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ４に応じて転送チャネル２５内を移動する。

ドレイン領域１７は、遮光膜２３下に延設されたｐ^＋層２４の延設部分２４ａを介してＢ信号電荷蓄積部２２と離間されており、この離間部分およびドレイン領域１７の上方には、ゲート絶縁膜２７を介して、前述の垂直転送電極１８ａが形成されている。ｐ^＋層２４の延設部分２４ａは、チャネルストッパとして機能するため、垂直転送電極１８ａに読み出しパルスが印加されたとしても、その部分にチャネルは形成されず、Ｂ信号電荷蓄積部２２内の信号電荷がドレイン領域１７へ掃き出されることはない。

遮光膜２３は、層間絶縁膜２８を介して、垂直転送電極１８ａ〜１８ｄ上を覆っており、前述のフォトダイオードに光を入射させる開口２３ａが形成されている。遮光膜２３および開口２３ａから露出したゲート絶縁膜２７の上には、透明絶縁体からなる平坦化層２９が形成されている。そして、平坦化層２９の上には、波長に応じて選択的に光を透過させる分光層３０が形成されている。

分光層３０は、画素ごとに区分けされた複数種類の光学フィルタによって構成されており、本画素の平坦化層２９上には、可視光からＢ光（波長：約４００ｎｍ〜５００ｎｍ）のみを透過させるＢフィルタ３０ａと、ＩＲ光（波長：約８００ｎｍ〜１５００ｎｍ）を遮断するＩＲカットフィルタ３０ｂとが順に積層されている。さらに、分光層３０の上には、開口２３ａ内へ光を集光するためのマイクロレンズ３１が形成されている。

図４は、図１のII−II線に沿う、Ｇ受光部１１ｂを含む画素の断面を示す。本画素は、信号電荷蓄積部と光学フィルタの構成以外は、図３と同一であるため、異なる部分のみについて説明を行う。

本画素において、開口２３ａ下のｐウェル層２１中には、Ｇ信号電荷蓄積部３２が形成されている。Ｇ信号電荷蓄積部３２とその下のｐウェル層２１との界面に形成されるｐｎ接合部３２ａが、Ｇ光を光電変換してＧ信号電荷を生成するフォトダイオードとなっている。このｐｎ接合部３２ａは、Ｂ光より波長が長く、ｐウェル層２１内へより深く侵入するＧ光に対して高い感度を有するように、上記のｐｎ接合部２２ａより深い位置に形成されている。ｐウェル層２１は、Ｇ信号電荷蓄積部３２下において薄く形成されており、この薄部２１ｂが、ＶＯＤの電位障壁として機能する。ｎ型半導体基板２０にＶＯＤパルスが印加されると、薄部２１ｂの電位障壁が低下し、Ｇ信号電荷蓄積部３２内の信号電荷がｎ型半導体基板２０へ掃き出される。

Ｇ信号電荷蓄積部３２は、端部が表面に達しており、転送チャネル２５とｐウェル層２１を介して離間している。この離間部分は、その上方の垂直転送電極１８ａとによって、ＲＧ１２ｂを構成している。また、Ｇ信号電荷蓄積部３２は、チャネルストッパとして機能するｐ^＋層２４の延設部分２４ａを介してドレイン領域１７から離間されており、Ｇ信号電荷蓄積部３２内の信号電荷がドレイン領域１７へ掃き出されることはない。

そして、本画素の平坦化層２９上には、可視光からＧ光（波長：約５００ｎｍ〜６００ｎｍ）のみを透過させるＧフィルタ３０ｃと、前述のＩＲカットフィルタ３０ｂとが順に積層されており、ＩＲカットフィルタ３０ｂの上には、マイクロレンズ３１が積層されている。

図５は、図１のIII−III線に沿う、Ｒ受光部１１ｃを含む画素の断面を示す。本画素は、信号電荷蓄積部と光学フィルタの構成以外は、図３，４と同一であるため、異なる部分のみについて説明を行う。

本画素において、開口２３ａ下のｐウェル層２１中には、Ｒ信号電荷蓄積部３３が形成されている。Ｒ信号電荷蓄積部３３とその下のｐウェル層２１との界面に形成されるｐｎ接合部３３ａが、Ｒ光を光電変換してＲ信号電荷を生成するフォトダイオードとなっている。このｐｎ接合部３３ａは、Ｇ光より波長が長く、ｐウェル層２１内へより深く侵入するＲ光に対して高い感度を有するように、上記のｐｎ接合部３２ａより深い位置に形成されている。ｐウェル層２１は、Ｒ信号電荷蓄積部３３下において薄く形成されており、この薄部２１ｃが、ＶＯＤの電位障壁として機能する。ｎ型半導体基板２０にＶＯＤパルスが印加されると、薄部２１ｃの電位障壁が低下し、Ｒ信号電荷蓄積部３３内の信号電荷がｎ型半導体基板２０へ掃き出される。

Ｒ信号電荷蓄積部３３は、端部が表面に達しており、転送チャネル２５とｐウェル層２１を介して離間している。この離間部分は、その上方の垂直転送電極１８ｃとによって、ＲＧ１２ｃを構成している。また、Ｒ信号電荷蓄積部３３は、チャネルストッパとして機能するｐ^＋層２４の延設部分２４ａを介してドレイン領域１７から離間されており、Ｒ信号電荷蓄積部３３内の信号電荷がドレイン領域１７へ掃き出されることはない。

そして、本画素の平坦化層２９上には、可視光からＲ光（波長：約６００ｎｍ〜７００ｎｍ）のみを透過させるＲフィルタ３０ｄと、前述のＩＲカットフィルタ３０ｂとが順に積層されており、ＩＲカットフィルタ３０ｂの上には、マイクロレンズ３１が積層されている。

図６は、図１のIV−IV線に沿う、ＩＲ受光部１１ｄを含む画素の断面を示す。本画素は、信号電荷蓄積部と光学フィルタの構成、およびＥＧ１６が設けられていること以外は、図３〜図５と同一であるため、異なる部分のみについて説明を行う。

本画素において、開口２３ａ下のｐウェル層２１中には、ＩＲ信号電荷蓄積部３４が形成されている。ＩＲ信号電荷蓄積部３４とその下のｐウェル層２１との界面に形成されるｐｎ接合部３４ａが、ＩＲ光を光電変換してＩＲ信号電荷を生成するフォトダイオードとなっている。このｐｎ接合部３３ａは、Ｒ光より波長が長く、ｐウェル層２１内へより深く侵入するＩＲ光に対して高い感度を有するように、上記のｐｎ接合部３３ａより深い位置に形成されている。ｐウェル層２１は、ＩＲ信号電荷蓄積部３４下において薄く形成されており、この薄部２１ｄが、ＶＯＤの電位障壁として機能する。ｎ型半導体基板２０にＶＯＤパルスが印加されると、薄部２１ｄの電位障壁が低下し、ＩＲ信号電荷蓄積部３４内の信号電荷がｎ型半導体基板２０へ掃き出される。

ＩＲ信号電荷蓄積部３４は、２つの端部が表面に達しており、転送チャネル２５側の端部は、転送チャネル２５とｐウェル層２１を介して離間している。この離間部分は、その上方の垂直転送電極１８ｃとによって、ＲＧ１２ｄを構成している。また、ＩＲ信号電荷蓄積部３４のドレイン領域１７側の端部も同様に、ドレイン領域１７とｐウェル層２１を介して離間している。この離間部分には、チャネルストッパ（ｐ^＋層２４の延設部分２４ａ）は形成されておらず、この離間部分とその上方の垂直転送電極１８ｄとによって、ＥＧ１６を構成している。垂直転送電極１８ｄに高電圧のＬＯＤパルスが印加されると、この離間部分の電位障壁が低下し、ＩＲ信号電荷蓄積部３４内の信号電荷がドレイン領域１７に掃き出される。

そして、本画素の平坦化層２９上には、ＩＲ光（波長：約８００ｎｍ〜１５００ｎｍ）を透過させ、可視光をカットする赤外光透過・可視光カットフィルタ３０ｅと、透明膜３０ｆとが順に積層されており、透明膜３０ｆの上には、マイクロレンズ３１が積層されている。なお、透明膜３０ｆは、マイクロレンズ３１下を平坦化するために設けたものであるが、透明膜３０ｆを設けず、分光層３０を構成する各光学フィルタの厚さを調節することによって、マイクロレンズ３１下の平坦化を行ってもよい。また、マイクロレンズ３１の下に、分光層３０の上面全体を覆う平坦化層を別途設けてもよい。

次に、図７は、以上のように構成された固体撮像装置１０が組み込まれた撮影装置を例示している。撮影装置４０は、各部を統括的に制御する制御部４１と、被写体に向けてＩＲ光を発するＩＲ発光部４２と、被写体光を集光して固体撮像装置１０に入射させるレンズ４３と、前述の固体撮像装置１０と、固体撮像装置１０を駆動するための各種の駆動パルスを発生するタイミングジェネレータ（ＴＧ）４４と、固体撮像装置１０から出力された撮像信号を信号処理して、可視光画像とＩＲ画像とを生成する信号処理部４５と、信号処理部４５によって生成された可視光画像とＩＲ画像とを記録するメモリ４６とから構成されている。

ＩＲ発光部４２は、ＩＲ光を発光するＬＥＤ（発光ダイオード）やレーザダイオードなどの光源４２ａと、光源４２ａを駆動するドライバ４２ｂと、光源４２ａから発光されるＩＲ光をパルス状に変調する変調器４２ｃとから構成されており、パルス状のＩＲ光（以下、ＩＲパルスと称す。）を生成し、被写体に照射する。なお、変調器４２ｃを設けず、ドライバ４２ｂによる光源４２ａの駆動信号を変調することによりＩＲパルスを生成することも可能である。

レンズ４３は、可視光からなる通常の被写体光とともに、被写体から反射されるＩＲパルスを固体撮像装置１０に入射させる。同図に示すように、被写体が複数の距離位置に存在する場合には、固体撮像装置１０へのＩＲパルスの入射タイミングは、各距離に応じて分散される。光源４２ａおよび固体撮像装置１０から、ある１つの被写体までの距離をＬ、光速をｃとすると、光源４２ａがＩＲパルスを発してから固体撮像装置１０に入射されるまでの飛程時間（ＴＯＦ：Time of Flight）τは、τ＝２Ｌ／ｃと表される。

ＴＧ４４は、固体撮像装置１０を後述するタイミングで駆動し、所定の飛程時間τで被写体から反射されてくるＩＲパルスを受光するとともに、通常の被写体光（可視光）の受光も行い、固体撮像装置１０は、ＩＲ光の画素信号と可視光（Ｂ，Ｇ，Ｒ）の画素信号とが混合された撮像信号を、画素ごとに時系列的に出力する。信号処理部４５は、図８に示すように、固体撮像装置１０から出力された撮像信号に対して、ゲイン補正、Ａ／Ｄ変換、画素補間処理を順に行い、Ｂ，Ｇ，Ｒの画素信号から可視光画像を生成するとともに、ＩＲの画素信号から距離画像（所定の距離位置にある被写体像）を生成し、両画像データをメモリ４６に書き込む。

図９は、ＴＧ４４から固体撮像装置１０に入力される駆動パルスのうちの、ＶＯＤパルス、ＬＯＤパルス、読み出しパルスと、固体撮像装置１０から出力される撮像信号と、ＩＲ発光部４２から発せられるＩＲパルスとの各タイミングを示している。各パルスは、１フレーム期間（１垂直走査期間）ごとに発生される。このタイミングチャートに基づいて、固体撮像装置１０の動作を説明する。

まず、固体撮像装置１０にＶＯＤパルスが入力されると、前述のｐウェル層２１の薄部２１ａ〜２１ｄの電位障壁が低下し、各受光部１１ａ〜１１ｄの信号電荷蓄積部２２，３２〜３４に存在する信号電荷がｎ型半導体基板２０に掃き捨てられ、信号電荷蓄積部２２，３２〜３４が全て空の状態となる。このとき、各受光部１１ａ〜１１ｄには、被写体光として可視光が入射されており、ＶＯＤパルスの入力にともなって、露光（信号電荷の蓄積）が開始する。

次いで、ＩＲ発光部４２から、パスル幅ｔ_１のＩＲパルスが発せられる。この後、時間ｔ_２経過後に、ＬＯＤパルスが固体撮像装置１０に入力され、これにより、ＩＲ受光部１１ｄのＩＲ信号電荷蓄積部３４内の信号電荷がＥＧ１６を介してドレイン領域１７に掃き捨てられる。この時点からＩＲ受光部１１ｄの露光が開始し、時間ｔ_３経過後に読み出しパルスが固体撮像装置１０に入力される。この読み出しパルスにより、各受光部１１ａ〜１１ｄの信号電荷蓄積部２２，３２〜３４に蓄積された信号電荷がＲＧ１２ａ〜１２ｄを介して垂直ＣＣＤ１３に転送される。この時点で、全ての受光部１１ａ〜１１ｄの露光が終了し、時間ｔ_３がＩＲ受光部１１ｄの露光時間（信号電荷蓄積時間）、また、ＶＯＤパルスが入力されてから読み出しパルスが入力されるまでの時間ｔ_４がＢ，Ｇ，Ｒ受光部１１ａ〜１１ｃの露光時間となる。なお、ＩＲ受光部１１ｄの露光時間ｔ_３は、被写体から反射されるＩＲパルスの１パスル分の受光を行うように、パスル幅ｔ_１とほぼ等しい値に設定されている。

この後、不図示の垂直・水平転送パルスが固体撮像装置１０に入力されるとともに、出力アンプ１５から撮像信号が出力される。この信号電荷の読み出しおよび転送の方式は、いわゆる「全画素読み出し方式」であり、１垂直転送期間に出力される撮像信号は、Ｂ，Ｇ，Ｒ，ＩＲの各画素信号からなる。そして、各フレーム期間において、ＩＲパルスの発光タイミングを決定する時間ｔ_２を変えながら撮像を繰り返す。時間ｔ_２は、上記の飛程時間τに対応し、異なる距離位置の距離画像が順に取得される。ここで上記と同様に、高速をｃ、撮影装置４０から距離画像を取得する被写体までの距離をＬとすると、時間ｔ_２は、Ｌ＝ｃ・ｔ_２／２の関係より、ｔ_２＝２Ｌ／ｃと決定される。

以上説明したように、固体撮像装置１０は、単板構成にて、可視光とともにＩＲ光を受光することができる。また、ＩＲ受光部１１ｄにのみＬＯＤを設け、ＶＯＤとは独立した電荷排出を可能としているので、ＩＲ光の露光時間を、可視光の露光時間とは独立して制御することができる。

また、固体撮像装置１０を、可視光およびＩＲ光の受光を目的とした撮影装置に適用することにより、装置のコンパクト化および低コスト化を図ることができる。さらに、上記の撮影装置４０によって取得された被写体画像と距離画像とを用いて画像処理を行うことで、画像から人物のみを抽出して背景を入れ替えるといった、従来はクロマキー技術にて実施していた画像合成を、特別な設備を用意せずに容易に行うことができ、また、３次元画像の作成なども可能となる。

なお、上記実施形態では、ＬＯＤを構成するドレイン領域１７を、受光部１１ａ〜１１ｄの垂直列ごとに配設し、同一列のＩＲ受光部１１ｄに共通に接続しているが、本発明はこれに限定されず、ドレイン領域１７の形態は適宜変更してよく、例えば、各ＩＲ受光部１１ｄに個別にドレイン領域１７を設けてもよい。

また、上記実施形態では、受光部１１ａ〜１１ｄを全体として正方格子状に平面配列しているが、本発明はこれに限定されず、水平方向に隣接する受光部の垂直列を垂直方向に半ピッチ（画素配列ピッチの半分）だけずらして配列した、いわゆるハニカム配列としてもよい。

また、上記実施形態では、光電変換によって生成される電子−正孔対のうち電子を信号電荷として扱うように、半導体基板内の各部の導電型を設定しているが、本発明はこれに限定されず、電子とは反対の極性の正孔を信号電荷として扱うように、半導体基板内の各部の導電型を、上記とは反対の導電型としてもよい。

本発明の固体撮像装置の構成を示す概略平面図である。垂直転送電極の構成を示す概略平面図である。図１のＩ−Ｉ線に沿う概略断面図である。図１のII−II線に沿う概略断面図である。図１のIII−III線に沿う概略断面図である。図１のIV−IV線に沿う概略断面図である。本発明の固体撮像装置を適用した撮影装置の構成を示すブロック図である。信号処理部の処理内容を説明するフローチャートである。固体撮像装置の駆動パルスおよびＩＲパルスのタイミングを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０固体撮像装置
１１ａＢ受光部（第１受光部）
１１ｂＧ受光部（第２受光部）
１１ｃＲ受光部（第３受光部）
１１ｄＩＲ受光部（第４受光部）
１２ａ〜１２ｄ読み出しゲート
１３垂直ＣＣＤ（垂直転送部）
１４水平ＣＣＤ（水平転送部）
１５出力アンプ（信号出力部）
１６掃き捨てゲート
１７ドレイン領域
１８ａ〜１８ｄ垂直転送電極
２０ｎ型半導体基板（一導電型半導体基板）
２１ｐウェル層（反対導電型ウェル層）
２１ａ〜２１ｄ薄部
２２Ｂ信号電荷蓄積部
２２ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａｐｎ接合部
２５転送チャネル
３０ａＢフィルタ
３０ｂＩＲカットフィルタ
３０ｃＧフィルタ
３０ｄＲフィルタ
３０ｅ赤外光透過・可視光カットフィルタ
３０ｆ透明膜
３２Ｇ信号電荷蓄積部
３３Ｒ信号電荷蓄積部
３４ＩＲ信号電荷蓄積部
４０撮影装置
４２ＩＲ発光部

Claims

一導電型半導体基板の表層に形成された反対導電型ウェル層中に各部が形成されてなる固体撮像装置において、
可視光の３原色のうちの第１色光を受光して信号電荷を蓄積する第１受光部と、
前記３原色のうちの第２色光を受光して信号電荷を蓄積する第２受光部と、
前記３原色のうちの第３色光を受光して信号電荷を蓄積する第３受光部と、
赤外光を受光して信号電荷を蓄積する第４受光部と、
前記第１〜第４受光部の信号電荷を前記一導電型半導体基板に掃き捨てる縦型オーバーフロードレインと、
前記第４受光部の信号電荷を、掃き捨てゲートを介して前記反対導電型ウェル層に形成された一導電型のドレイン領域に掃き捨てる横型オーバーフロードレインと、
前記第１〜第４受光部から信号電荷を読み出す読み出しゲートと、
前記読み出しゲートによって読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から各信号電荷を受け取り、水平転送を行う水平転送部と、
前記水平転送部によって水平転送された各信号電荷を電荷量に応じた画素信号に変換して出力を行う信号出力部と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記掃き捨てゲートおよび前記読み出しゲートは、垂直転送部の転送電極によって制御されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記第１〜第４受光部は、それぞれ４画素に１つの割合で均等に平面配列されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
前記ドレイン領域は、前記第１〜第４受光部の１垂直列を間に挟んで、前記垂直転送部と対向するように配置されていることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
請求項１ないし４いずれか記載の固体撮像装置の駆動方法において、
前記縦型オーバーフロードレインによる前記第１〜第４受光部からの信号電荷の掃き捨て、前記横型オーバーフロードレインによる前記第４受光部からの信号電荷の掃き捨て、前記読み出しゲートによる前記第１〜第４受光部からの信号電荷の読み出しの順に前記固体撮像装置を駆動することにより、前記第１〜第３受光部による可視光の露光時間と、前記第４受光部による赤外光の露光時間とを異ならせることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。