JP4740648B2 - 固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置に関する。
図１を参照して固体撮像装置の構成を説明すると、ＣＣＤ等の固体撮像素子を有する固体撮像装置１００は、固体撮像素子１５０と、固体撮像素子１５０に駆動信号を入力する素子駆動部１７０とを備え、素子駆動部１７０からの出力信号に基づいて固体撮像素子１００が駆動制御される。
固体撮像素子１００は、二次元状に配列された複数のフォトダイオード（光電変換部）１１と、各フォトダイオード１１で発生した信号電荷をフォトダイオード１１配列の列方向に読み出して、この列方向に順次転送する複数列の垂直シフトレジスタ（以下、垂直電荷転送路とも呼称する）１３と、これらの垂直シフトレジスタ１３の端部に配置され各々の垂直シフトレジスタ１３からの信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタ（以下、水平電荷転送路とも呼称する）１５と、さらに水平シフトレジスタ１５の電荷転送方向先端側に配置され、転送されてくる信号を電圧値に変換して出力する出力アンプ１７と、を備えている。上記固体撮像素子１００は、一般に電荷結合素子（ＣＣＤ）と呼ばれるものであり、次に示す駆動波形により制御される。
固体撮像素子１００は、二次元状に配列された複数のフォトダイオード（光電変換部）１１と、各フォトダイオード１１で発生した信号電荷をフォトダイオード１１配列の列方向に読み出して、この列方向に順次転送する複数列の垂直シフトレジスタ（以下、垂直電荷転送路とも呼称する）１３と、これらの垂直シフトレジスタ１３の端部に配置され各々の垂直シフトレジスタ１３からの信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタ（以下、水平電荷転送路とも呼称する）１５と、さらに水平シフトレジスタ１５の電荷転送方向先端側に配置され、転送されてくる信号を電圧値に変換して出力する出力アンプ１７と、を備えている。上記固体撮像素子１００は、一般に電荷結合素子（ＣＣＤ）と呼ばれるものであり、次に示す駆動波形により制御される。
図５は一般的な固体撮像素子の駆動波形を示している。信号電荷の読み出し期間ＴＲにおいて、上記フォトダイオード１１で発生した信号電荷を、読み出しゲート１９の電極にＶＨを印加することで垂直シフトレジスタ１３に読み出す。読み出しゲート１９の電極は、垂直シフトレジスタ１３の駆動電極を兼ねており、信号電荷の転送期間ＴＴにおいて、中電位ＶＭ／低電位ＶＬのパルスを駆動電極に順次印加することで水平シフトレジスタ１５への転送動作を行う。転送期間ＴＴ中には、垂直シフトレジスタ１３の転送動作の合間に、水平シフトレジスタ１５の水平転送を行っている。この駆動動作は、図示のようにＨＭ／ＨＬパルスによる周知の２相駆動動作を用いている。これにより、出力アンプ１７から、フォトダイオード１１の受光量に応じた出力ソース信号ＯＳが出力される。
次に、固体撮像素子１００の具体的構成例について説明する。
図６は固体撮像素子の模式的な平面図である（なお、図示した電極の幅や配置等は、実際の素子構造とは必ずしも一致していない部分があり、模式的に示したものに過ぎない）。また、図７は図６に示すＡ１−Ａ２断面の構造の模式図、図８は図６に示すＢ１−Ｂ２断面の構造の模式図、図９は図７に示すＣ１−Ｃ２断面における電位分布の模式図である。
図６は固体撮像素子の模式的な平面図である（なお、図示した電極の幅や配置等は、実際の素子構造とは必ずしも一致していない部分があり、模式的に示したものに過ぎない）。また、図７は図６に示すＡ１−Ａ２断面の構造の模式図、図８は図６に示すＢ１−Ｂ２断面の構造の模式図、図９は図７に示すＣ１−Ｃ２断面における電位分布の模式図である。
図６〜図８に示すように、本構成例においては、垂直方向に同一列のフォトダイオード１１に対して同一列の転送を担う垂直シフトレジスタ１３が二電極で構成されている。即ち、垂直シフトレジスタ１３は、ｎ型不純物層２５の上方に第１の電極２１及び第２の電極２３の対を信号電荷の転送方向に沿って複数配置してなる。
また、素子分離帯２７は、隣接するフォトダイオード１１の領域を画成するように形成されている。
また、素子分離帯２７は、隣接するフォトダイオード１１の領域を画成するように形成されている。
図７に示すＡ１−Ａ２断面の構成は、ｎ型のシリコン基板４１の表面にｐ型の不純物ウェル層４３が形成され、さらにその上にＳｉＮ／ＳｉＯ２／ＳｉＮ膜（ＯＮＯ膜）からなる絶縁層４５が形成されている。また、不純物ウェル層４３の表面から高濃度のｐ型不純物層４７と、さらにその下部にｎ型不純物層４９が形成され、これによりフォトダイオード１１が構成されている。
また、フォトダイオード１１の読み出しゲート１９を挟んだ側方には、前述のｎ型不純物層２５が形成され、ｎ型不純物層２５の下部に高濃度のｐ型不純物層５１が形成されている。ｎ型不純物層２５上方の絶縁層４５の表面には、第２の電極２３が形成され、この第２の電極２３は絶縁層５３により覆われている。
さらに、フォトダイオード１１と垂直電荷転送路となるｎ型不純物層２５とを含む１画素領域を囲むように、高濃度のｐ型不純物層からなる素子分離帯２７が形成されている。
さらに、フォトダイオード１１と垂直電荷転送路となるｎ型不純物層２５とを含む１画素領域を囲むように、高濃度のｐ型不純物層からなる素子分離帯２７が形成されている。
第２の電極２３は、垂直電荷転送路に沿って複数形成されており、その断面構造が図８に示されている。
ここで、図６に示す第２の電極２３（φＶ１又はφＶ３）に対して、十分高い電圧（ＶＨ）を印加することで、図９に示すように、フォトダイオード１１の電位に対して垂直シフトレジスタ１３に向かっての障壁５７はなくなり、蓄積された信号電荷Ｄは、全て垂直シフトレジスタ１３に移動する。これは即ち、フォトダイオード１１が完全空乏化した状態であることを意味する。読み出し時のフォトダイオードの完全空乏化が行われないと、例えばムービー動作のように読み出し動作と転送動作が連続的に繰り返される場合、フォトダイオード１１を完全空乏化することができない。その場合、フォトダイオード１１に残った信号電荷が、次の読み出し時までに蓄積された信号電荷に重畳され、所謂残像現象となってムービー画像の著しい画像劣化を招く。従って、読み出し時においては、フォトダイオード１１を完全空乏化させるために十分な電圧（最低限の電圧を「最小空乏化電圧」と称する）を印加する必要がある。
一方、画素を微細化するにあたって電極長（図６、図８に示すＬａ，Ｌｂ）を短くする努力が行われている。しかし、読み出し電極である第２の電極２３を短くした場合、フォトダイオード１１から信号を読み出す際に電圧ＶＨを印加したとき、隣り合う電極（第１の電極２１）又は素子分離帯２７の電位が低いことに起因して、周囲のフリンジング電界によってなだらかな電位勾配を生じ、電極が十分長い場合に比べると低い電位になってしまう。これは即ちナローチャネル効果であり、所望の電位を得るにはより高い電圧を印加せざるを得なくなる。その結果、最小駆動電圧の上昇を招く問題を生じてしまう。この問題の対策として、第２の電極の長さＬｂを第１の電極の長さＬａよりも長くして（Ｌｂ＞Ｌａ）、読み出し電極の面積を拡大することが行われている。これによりナローチャネル効果が緩和して、フォトダイオードの空乏化電圧が低く抑えられる。
上記のような固体撮像素子の垂直フォトレジスタの電荷転送制御を行っている他の例としては、例えば特許文献１や特許文献２等が挙げられる。
特開平１１−３５５６６３号公報
特開２００４−３２８３１４号公報
ところが、図６、図８に示すように、読み出し電極となる第２の電極２３に対する電荷転送方向の電極長さＬｂを、その他の電極（第１の電極２１）の電極長さＬａと異ならせ、Ｌｂ＞Ｌａとした場合には、次の２つの理由により信号電荷転送が完全には行われなくなる。
（１）隣接する電極のフリンジング電界が弱まったことで信号電荷の移動スピードが遅くなる。
（２）読み出し電極下を電子電荷が移動しなければならない距離が延びたために、読み出し電極下の信号電荷の移動は他の電極よりも時間がかかる。
従って、読み出し電極下において信号電荷転送が完全には行われず、一部の電荷が取り残される。この取り残された信号電荷は画面上では縦スジとして観察され、著しい画像劣化が引き起こされる。
（１）隣接する電極のフリンジング電界が弱まったことで信号電荷の移動スピードが遅くなる。
（２）読み出し電極下を電子電荷が移動しなければならない距離が延びたために、読み出し電極下の信号電荷の移動は他の電極よりも時間がかかる。
従って、読み出し電極下において信号電荷転送が完全には行われず、一部の電荷が取り残される。この取り残された信号電荷は画面上では縦スジとして観察され、著しい画像劣化が引き起こされる。
以下に上記の現象について説明する。
図１０に垂直電荷転送路の駆動タイミングチャート、図１１に図６のＢ１−Ｂ２断面における転送路の電位分布の概念図を示した。
垂直電荷転送路の４系統の転送電極（第１の電極２１，第２の電極２３）に対する垂直駆動パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が素子駆動部１７０のドライバ３３（図１参照）から印加されるものとする。なお、ここでは４相の垂直駆動パルスがそれぞれ高レベル（ＶＭ）と低レベル（ＶＬ）の二値をとるものとし、１ライン分の信号電荷の転送が、ｔ１〜ｔ８の期間からなる垂直転送周期内で行われる。
図１０に垂直電荷転送路の駆動タイミングチャート、図１１に図６のＢ１−Ｂ２断面における転送路の電位分布の概念図を示した。
垂直電荷転送路の４系統の転送電極（第１の電極２１，第２の電極２３）に対する垂直駆動パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が素子駆動部１７０のドライバ３３（図１参照）から印加されるものとする。なお、ここでは４相の垂直駆動パルスがそれぞれ高レベル（ＶＭ）と低レベル（ＶＬ）の二値をとるものとし、１ライン分の信号電荷の転送が、ｔ１〜ｔ８の期間からなる垂直転送周期内で行われる。
まず、垂直転送開始前の期間ｔ０では、φＶ２、φＶ３が高レベル（ＶＭ）となっているため、図１１に示すように電極Ｖ２，Ｖ３の下に深いポテンシャル井戸が形成される。そして、そのポテンシャル井戸に信号電荷が蓄積された状態となって、この状態で垂直転送周期（ｔ１〜ｔ８）に遷移する。
即ち、期間ｔ１では、φＶ４が高レベルになると、深いポテンシャル井戸が電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４にわたって広がるため、これらの電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の下に信号電荷が蓄積される。
次に、期間ｔ２でφＶ２が低レベルになると、電極Ｖ２の下のポテンシャル井戸が浅くなるため、電極Ｖ３，Ｖ４の下に信号電極が蓄積される。その際、電極Ｖ２の下では、信号電荷Ｄが電極Ｖ３，Ｖ４に向かって転送される。
そして、期間ｔ３ではφＶ１が高レベルになり、電極Ｖ１の下のポテンシャル井戸が深くなる。さらに期間ｔ４では、φＶ３が低レベルになり、電極Ｖ３の下のポテンシャル井戸が浅くなる。すると、電極Ｖ２から電極Ｖ３までの間にポテンシャル井戸の浅い領域が形成され、これにより、ポテンシャルの傾斜が緩和されて信号電荷の移動スピードが遅くなる。このために、蓄積されていた信号電荷の一部が電極Ｖ３の下に残存する場合が生じる。
次いで、期間ｔ５ではφＶ２が高レベルになり、ポテンシャル井戸の浅い領域が減少する。このとき、電極Ｖ３の下に残存した信号電荷Ｄは、比較的ゆっくりと転送されて電極Ｖ４の下を含むポテンシャル井戸に流れ出ようとする。しかし、期間ｔ６でφＶ４が低レベルになると、残存する信号電荷Ｄの転送が停留し、電極Ｖ３の下に残こる場合が生じる。この状態で、期間ｔ７においてφＶ３が低レベルにされると、本来蓄積されるはずのポテンシャル井戸の深い領域６１に戻らず、隣接する他のポテンシャル井戸の深い領域６３に重畳される。領域６３に残存する信号電荷Ｄが取り残された電荷となり、画像劣化の原因となる。
さらに期間ｔ８でφＶ１が低レベルにされると、期間ｔ４と同じ状況になり、信号電荷の取り残しが繰り返される。このように、読み出し電極となる第２の電極２３に低レベルの駆動パルスが印加された後、隣接する第１の電極２１に低レベルの駆動パルスが印加されるまでの期間をＴすると、この期間Ｔは垂直転送周期の中で常に一定となる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光電変換部から信号電荷を読み出す読み出し電極の電荷転送方向に対する長さが他の電極より長い場合であっても、信号電荷を取り残すことなく完全に転送させることのできる固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 水平及び垂直方向に二次元配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、該複数の垂直電荷転送路からそれぞれ転送される信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路とを備えた固体撮像素子であって、前記垂直電荷転送路は、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す第１の電極と、該第１の電極に隣接して電荷転送方向に沿って配置された第２の電極との対を複数有し、前記第１の電極と前記第２の電極は、電荷転送方向に対する電極長さを互いに異ならせてあり、前記複数の光電変換部から読み出された信号電荷を、前記第１の電極及び前記第２の電極へ駆動パルスを印加することにより垂直方向に転送する固体撮像素子の駆動方法において、
前記垂直電荷転送路の信号電荷を転送する駆動パルスを、前記電極長さが相対的に長い電極から短い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を長く設定し、前記電極長さが相対的に短い電極から長い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を短く設定することで、前記垂直電荷転送路全体としての信号電荷の転送時間を遅らせないことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
（１） 水平及び垂直方向に二次元配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、該複数の垂直電荷転送路からそれぞれ転送される信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路とを備えた固体撮像素子であって、前記垂直電荷転送路は、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す第１の電極と、該第１の電極に隣接して電荷転送方向に沿って配置された第２の電極との対を複数有し、前記第１の電極と前記第２の電極は、電荷転送方向に対する電極長さを互いに異ならせてあり、前記複数の光電変換部から読み出された信号電荷を、前記第１の電極及び前記第２の電極へ駆動パルスを印加することにより垂直方向に転送する固体撮像素子の駆動方法において、
前記垂直電荷転送路の信号電荷を転送する駆動パルスを、前記電極長さが相対的に長い電極から短い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を長く設定し、前記電極長さが相対的に短い電極から長い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を短く設定することで、前記垂直電荷転送路全体としての信号電荷の転送時間を遅らせないことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
この固体撮像素子の駆動方法によれば、電極長さが相対的に長い電極から短い電極へ信号電荷を転送する場合には電荷転送時間を長く、電極長さが相対的に短い電極から長い電極へ信号電荷を転送する場合には電荷転送時間を短くすることにより、電界のポテンシャルの勾配が緩やかになる場合でも電荷転送を確実に完了させることができ、電荷の取り残しを無くすことができる。また、電荷転送スピードの速い電極からの電荷転送時間を短縮することで、固体撮像素子の駆動サイクルを遅らせることがない。
（２） 水平及び垂直方向に二次元配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、該複数の垂直電荷転送路からそれぞれ転送される信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路とを備えた固体撮像素子、及び、前記固体撮像素子を駆動制御する素子駆動部を備えた固体撮像装置であって、
前記垂直電荷転送路は、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す第１の電極と、該第１の電極に隣接して電荷転送方向に沿って配置された第２の電極との対を複数有し、前記第１の電極と前記第２の電極は、電荷転送方向に対する電極長さを互いに異ならせてあり、
前記素子駆動部は、前記垂直電荷転送路の信号電荷を転送する駆動パルスを、前記電極長さが相対的に長い電極から短い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を長く設定し、前記電極長さが相対的に短い電極から長い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を短く設定することで、前記駆動パルスを前記垂直電荷転送路全体としての信号電荷の転送時間を遅らせないことを特徴とする固体撮像装置。
前記垂直電荷転送路は、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す第１の電極と、該第１の電極に隣接して電荷転送方向に沿って配置された第２の電極との対を複数有し、前記第１の電極と前記第２の電極は、電荷転送方向に対する電極長さを互いに異ならせてあり、
前記素子駆動部は、前記垂直電荷転送路の信号電荷を転送する駆動パルスを、前記電極長さが相対的に長い電極から短い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を長く設定し、前記電極長さが相対的に短い電極から長い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を短く設定することで、前記駆動パルスを前記垂直電荷転送路全体としての信号電荷の転送時間を遅らせないことを特徴とする固体撮像装置。
この固体撮像装置によれば、素子駆動部による制御によって、電界のポテンシャルの勾配が緩やかになる場合でも電荷転送を確実に完了させることができ、電荷の取り残しを無くすことができる。また、電荷転送スピードの速い電極からの電荷転送時間を短縮することで、固体撮像素子の駆動サイクルを遅らせることがない。
本発明に係る固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置によれば、光電変換部から信号電荷を読み出す読み出し電極の電荷転送方向に対する長さが他の電極より長い場合であっても、信号電荷を取り残すことなく完全に転送させることのできる。
以下、本発明に係る固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１に本発明に係る固体撮像装置の概略構成図を示した。
固体撮像装置１００は、ＣＣＤ等の固体撮像素子１５０と、固体撮像素子１５０に駆動信号を入力する素子駆動部１７０とを備えている。素子駆動部１７０は、水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤに基づいて、固体撮像素子１５０を駆動するための種々のパルス信号を生成するタイミング信号生成部３１と、タイミング信号生成部３１から供給された種々のパルスを所定レベルのドライブパルスにして固体撮像素子１５０に供給するドライバ３３と、固体撮像素子１５０にドレイン電圧ＶＤＤ及びリセットドレイン電圧ＶＲＤを印加し、ドライバ３３に所定の電圧を供給する駆動電源３５と、を含んで構成される。固体撮像素子１００は、素子駆動部１７０からの出力信号に基づいて駆動制御される。
図１に本発明に係る固体撮像装置の概略構成図を示した。
固体撮像装置１００は、ＣＣＤ等の固体撮像素子１５０と、固体撮像素子１５０に駆動信号を入力する素子駆動部１７０とを備えている。素子駆動部１７０は、水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤに基づいて、固体撮像素子１５０を駆動するための種々のパルス信号を生成するタイミング信号生成部３１と、タイミング信号生成部３１から供給された種々のパルスを所定レベルのドライブパルスにして固体撮像素子１５０に供給するドライバ３３と、固体撮像素子１５０にドレイン電圧ＶＤＤ及びリセットドレイン電圧ＶＲＤを印加し、ドライバ３３に所定の電圧を供給する駆動電源３５と、を含んで構成される。固体撮像素子１００は、素子駆動部１７０からの出力信号に基づいて駆動制御される。
前述したように、固体撮像素子１００は、二次元状に配列された複数のフォトダイオード１１と、各フォトダイオード１１で発生した信号電荷を垂直方向に順次転送する複数列の垂直シフトレジスタ１３と、これらの垂直シフトレジスタ１３からの信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタ１５と、さらに水平シフトレジスタ１５の電荷転送方向先端側に配置され、転送されてくる信号を電圧値に変換して出力する出力アンプ１７と、を備えている。
ここで、本実施形態の固体撮像素子１５０の垂直電荷転送路は、図６、図８に示すように、読み出し電極となる第２の電極２３に対する電荷転送方向の電極長さＬｂを、その他の電極（第１の電極２１）の電極長さＬａと異ならせ、その関係をＬｂ＞Ｌａとしている。
そして、垂直電荷転送路の駆動タイミングを変更することにより、隣接する電極のフリンジング電界が弱まったことで信号電荷の移動スピードが遅くなっても、その影響を受けにくくし、また、読み出し電極下を電子電荷が移動しなければならない距離が延びたために、読み出し電極下の信号電荷の移動が他の電極よりも時間がかかるという問題も解消している。
そして、垂直電荷転送路の駆動タイミングを変更することにより、隣接する電極のフリンジング電界が弱まったことで信号電荷の移動スピードが遅くなっても、その影響を受けにくくし、また、読み出し電極下を電子電荷が移動しなければならない距離が延びたために、読み出し電極下の信号電荷の移動が他の電極よりも時間がかかるという問題も解消している。
以下、本発明に係る固体撮像素子の駆動方法の詳細を説明する。
図２に垂直電荷転送路の駆動タイミングチャート、図３に図２のＢ１−Ｂ２断面における転送路の電位分布の概念図を示した。
ここにおいても、前述と同様に垂直電荷転送路の４系統の転送電極（第１の電極２１，第２の電極２３）に対する垂直駆動パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が素子駆動部１７０のドライバ３３（図１参照）から印加されるものとする。また、４相の垂直駆動パルスがそれぞれ高レベル（ＶＭ）と低レベル（ＶＬ）の二値をとるものとし、１ライン分の信号電荷の転送が、ｔ１〜ｔ８の期間からなる垂直転送周期内で行われる。
図２に垂直電荷転送路の駆動タイミングチャート、図３に図２のＢ１−Ｂ２断面における転送路の電位分布の概念図を示した。
ここにおいても、前述と同様に垂直電荷転送路の４系統の転送電極（第１の電極２１，第２の電極２３）に対する垂直駆動パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が素子駆動部１７０のドライバ３３（図１参照）から印加されるものとする。また、４相の垂直駆動パルスがそれぞれ高レベル（ＶＭ）と低レベル（ＶＬ）の二値をとるものとし、１ライン分の信号電荷の転送が、ｔ１〜ｔ８の期間からなる垂直転送周期内で行われる。
まず、垂直転送開始前の期間ｔ０では、φＶ２、φＶ３が高レベル（ＶＭ）となっているため、図３に示すように電極Ｖ２，Ｖ３の下に深いポテンシャル井戸が形成される。そのポテンシャル井戸に信号電荷が蓄積された状態となって、この状態で垂直転送周期（ｔ１〜ｔ８）に遷移する。
即ち、期間ｔ１では、φＶ４が高レベルになると、深いポテンシャル井戸が電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４にわたって広がるため、これらの電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の下に信号電荷が蓄積される。
次に、期間ｔ２でφＶ２が低レベルになると、電極Ｖ２の下のポテンシャル井戸が浅くなるため、電極Ｖ３，Ｖ４の下に信号電極が蓄積される。その際、電極Ｖ２の下では、信号電荷Ｄが電極Ｖ３，Ｖ４に向かって転送される。
そして、期間ｔ３ではφＶ１が高レベルになり、電極Ｖ１の下のポテンシャル井戸が深くなる。さらに期間ｔ４では、φＶ３が低レベルになり、電極Ｖ３の下のポテンシャル井戸が浅くなる。すると、電極Ｖ２から電極Ｖ３までの間にポテンシャル井戸の浅い領域が形成され、これにより、ポテンシャルの傾斜が緩和されて信号電荷の移動スピードが遅くなる。そこで、期間ｔ４から期間ｔ５までの電荷転送時間を期間Ｔ１として、図１０に示す従来の期間Ｔよりも長く確保する。
期間ｔ５ではφＶ２が高レベルになり、ポテンシャル井戸の浅い領域が減少する。このとき、電極Ｖ３の下に残存した信号電荷Ｄは、十分な電荷転送時間Ｔ１が確保されているため、比較的ゆっくりではあるが、確実に転送されて電極Ｖ４の下を含むポテンシャル井戸に流れ出る。
次いで、期間ｔ６でφＶ４が低レベルになると、信号電荷Ｄは、電極Ｖ１，Ｖ２下のポテンシャル井戸の深い領域６５に蓄積される。そして、期間ｔ７においてφＶ３が低レベルにされると、信号電荷Ｄは、本来蓄積されるはずのポテンシャル井戸の深い領域６１に戻る。
さらに期間ｔ８でφＶ１が低レベルにされると、期間ｔ４と同じ状況になり、信号電荷の転送が繰り返される。このように、読み出し電極となる第２の電極２３に低レベルの駆動パルスが印加された後、隣接する第１の電極２１に低レベルの駆動パルスが印加されるまでの期間をＴ１として、この期間Ｔ１を電荷転送に必要十分なレベルに長く設定することにより、電荷の取り残しが防止される。また、期間Ｔ１を長く設定した分、期間ｔ２〜期間ｔ５開始までの期間Ｔ２を逆に短く設定することで、垂直電荷転送路全体としての信号電荷の転送時間を遅らせることはない。
つまり、垂直電荷転送路に対する信号電荷の転送動作を、電極長さが相対的に長い電極から短い電極へ信号電荷を転送する場合には電荷転送時間を長く、電極長さが相対的に短い電極から長い電極へ信号電荷を転送する場合には電荷転送時間を短くすることで、電荷の取り残しを生じさせることなく、正確かつ安定した画像取り込みが行えるようになる。
以上説明したように、本実施形態の駆動方法では、読み出し電極となる第２の電極２３にＶＬレベルの駆動パルスが印加された後、隣接する第１の電極２１にＶＬレベルの駆動パルスが印加されるまでの期間をＴ１と長く設定し、その一方で第１の電極２１に対する該当期間はＴ２と短く設定した。これにより、読み出し電極下を信号電荷が移動するための時間を従来よりも延ばすことで完全転送を実現でき、また、他の電極においては電極長が短いため、該当期間を短くしても信号電荷の移動は完全に行われる。
従って、本発明に係る固体撮像素子の駆動方法によれば、読み出し電極下において信号電荷転送を完全に行うことができ、従来生じていた一部の電荷が取り残されることに起因する画面上の縦スジ等、画像劣化の発生を確実に防止することができ、高品位な画像を安定して得ることができる。
従って、本発明に係る固体撮像素子の駆動方法によれば、読み出し電極下において信号電荷転送を完全に行うことができ、従来生じていた一部の電荷が取り残されることに起因する画面上の縦スジ等、画像劣化の発生を確実に防止することができ、高品位な画像を安定して得ることができる。
ここで、垂直電荷転送路の第１の電極２１と第２の電極２３の構成は、図４に示すような張り出し部を逆にして有する構成としても構わない。
なお、上記した固体撮像素子１５０は、フォトダイオード１１を水平及び垂直方向に正方格子配列させた構成として説明したが、この正方格子配列を４５゜傾斜させた、所謂ハニカム配列とした構成に本発明を適用することもできる。
なお、上記した固体撮像素子１５０は、フォトダイオード１１を水平及び垂直方向に正方格子配列させた構成として説明したが、この正方格子配列を４５゜傾斜させた、所謂ハニカム配列とした構成に本発明を適用することもできる。
１１ フォトダイオード
１３ 垂直フォトレジスタ
１５ 水平フォトレジスタ
１７ 出力アンプ
１９ 読み出しゲート
２１ 第１の電極
２３ 第２の電極（読み出し電極）
２５ ｎ型不純物層（垂直電荷転送路）
２７ 素子分離帯
３１ タイミング信号生成部
３３ ドライバ
３５ 駆動電源
４１ シリコン基板
４３ ｐ型の不純物ウェル層
４５ 絶縁層
４７ 高濃度のｐ型不純物層
４９ ｎ型不純物層
５１ 高濃度のｐ型不純物層
５３ 絶縁層
５７ 障壁
６１，６３，６５ ポテンシャル井戸の深い領域
１００ 固体撮像装置
１５０ 固体撮像素子
１７０ 素子駆動部
Ｄ 信号電荷
１３ 垂直フォトレジスタ
１５ 水平フォトレジスタ
１７ 出力アンプ
１９ 読み出しゲート
２１ 第１の電極
２３ 第２の電極（読み出し電極）
２５ ｎ型不純物層（垂直電荷転送路）
２７ 素子分離帯
３１ タイミング信号生成部
３３ ドライバ
３５ 駆動電源
４１ シリコン基板
４３ ｐ型の不純物ウェル層
４５ 絶縁層
４７ 高濃度のｐ型不純物層
４９ ｎ型不純物層
５１ 高濃度のｐ型不純物層
５３ 絶縁層
５７ 障壁
６１，６３，６５ ポテンシャル井戸の深い領域
１００ 固体撮像装置
１５０ 固体撮像素子
１７０ 素子駆動部
Ｄ 信号電荷
Claims (2)
- 水平及び垂直方向に二次元配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、該複数の垂直電荷転送路からそれぞれ転送される信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路とを備えた固体撮像素子であって、前記垂直電荷転送路は、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す第１の電極と、該第１の電極に隣接して電荷転送方向に沿って配置された第２の電極との対を複数有し、前記第１の電極と前記第２の電極は、電荷転送方向に対する電極長さを互いに異ならせてあり、前記複数の光電変換部から読み出された信号電荷を、前記第１の電極及び前記第２の電極へ駆動パルスを印加することにより垂直方向に転送する固体撮像素子の駆動方法において、
前記垂直電荷転送路の信号電荷を転送する駆動パルスを、前記電極長さが相対的に長い電極から短い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を長く設定し、前記電極長さが相対的に短い電極から長い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を短く設定することで、前記垂直電荷転送路全体としての信号電荷の転送時間を遅らせないことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 水平及び垂直方向に二次元配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、該複数の垂直電荷転送路からそれぞれ転送される信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路とを備えた固体撮像素子、及び、前記固体撮像素子を駆動制御する素子駆動部を備えた固体撮像装置であって、
前記垂直電荷転送路は、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す第１の電極と、該第１の電極に隣接して電荷転送方向に沿って配置された第２の電極との対を複数有し、前記第１の電極と前記第２の電極は、電荷転送方向に対する電極長さを互いに異ならせてあり、
前記素子駆動部は、前記垂直電荷転送路の信号電荷を転送する駆動パルスを、前記電極長さが相対的に長い電極から短い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を長く設定し、前記電極長さが相対的に短い電極から長い電極へ信号電荷を転送する場合の電荷転送時間を短く設定することで、前記駆動パルスを前記垂直電荷転送路全体としての信号電荷の転送時間を遅らせないことを特徴とする固体撮像装置。
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