JPH0779445B2

JPH0779445B2 - 電荷転送撮像装置の駆動方法

Info

Publication number: JPH0779445B2
Application number: JP1222049A
Authority: JP
Inventors: 和夫小沼
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-08-28
Filing date: 1989-08-28
Publication date: 1995-08-23
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: JPH0385071A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は電荷転送撮像装置の駆動方法に関する。

〔従来の技術〕

第４図はインターライン型電荷転送撮像装置の単位画素
の一例を模式的に示したものである。光電変換素子（以
降フォトダイオードと記す）101、トランスファゲート1
02、垂直レジスタ103より構成されている。前記垂直レ
ジスタは単位画素当り２電極で構成されている。前記垂
直レジスタは４層駆動されるのが一般的であり、垂直方
向に隣接した２つの単位画素の計４電極で一組の電極群
を構成する。ここで、前記トランスファゲートの役割を
かねる電極10をφV2電極とする。φV2電極の下方の電極
をφV3電極、φV3電極の下方の電極をφV4電極とする。
第５図に、第４図の単位画素を有する電荷撮像装置の従
来の駆動方法の一例を示す。

第５図（ａ）は各電極に印加するクロック波形を示し、
第５図（ｂ），（ｃ）はクロック波形の各タイミング
′〜′における各部（各電極下）のポテンシャルを
模式的に表してある。第５図（ｂ）で、Ａ−Ａ′は第４
図における垂直レジスタ103部分の、縦方向の電極部分
の断面模式図であり、第７図（ｃ）のＢ−Ｂ′はフォト
ダイオード101、トランスファゲート102、垂直レジスタ
103部分の水平方向の電極部分の断面模式図である。こ
こで、フォトダイオード101として、ショットキダイオ
ードを描いてある。第５図（ａ）において、φV1電極の
電位をVHレベルにすると、前記トランスファゲートが開
き、フォトダイオードに蓄積されていた信号電荷が垂直
レジスタに読み出される。読み出された信号電荷は、φ
V1、φV2、φV3およびφV4電極に印加されるクロック波
形にしたがって、転送される。この動作を順をおって説
明する。′のタイミングでは、トランスファ電極をか
ねているφV1電極が、VMレベルであり、フォトダイオー
ドに蓄積された信号電荷Ｑは、転送されない。′のタ
イミングでは、φV1電極がVHレベルとなり、前記信号電
荷は垂直レジスタへ読み出される。読み出された信号電
荷はVLレベルのφV3、φV4電極により形成されたポテン
シャルバリアに囲まれた、VMレベルのφV2およびVHレベ
ルのφV1電極下の低ポテンシャル領域に蓄えられる。
′のタイミングで、φV1電極がVMレベルになり、トラ
ンスファゲート領域のポテンシャルが高くなることで、
フォトダイオードと垂直レジスタとが電気的に分離され
る。′のタイミングでは、φV2、φV3電極下が低ポテ
ンシャルで、φV1、φV4下がポテンシャルバリアとな
り、前記信号電荷は、φV2、φV3電極下に蓄えられる。
′から′にかけて、信号電荷が、第５図（ｂ）にお
いて、右方向に、第４図の単位画素において、下方向に
一電極分転送されたことになる。第５図（ａ）のクロッ
ク波形により、第５図（ｂ）では右方向に第４図では下
方向に順次信号電荷が転送されていく。実際のインター
ライン型電荷転送撮像装置においては、並行して下方に
転送された各フォトダイオードの信号電荷は、水平レジ
スタにより順次電荷検出部へ転送される。従来のインタ
ーライン型電荷転送撮像装置では、フレーム蓄積駆動ま
たは、フィールド蓄積駆動による2:1インターレース動
作や、垂直方向に隣接する２画素の信号電荷を足し合わ
せるノンインターレース動作等の駆動方法があるが、フ
ォトダイオードからの信号電荷読み出しおよび垂直レジ
スタにおける転送は、第５図を用いて説明した動作で行
っている。

第２図は、FIT型電荷転送撮像装置である。フォトダイ
オード101,トランスファゲート102,垂直レジスタ103,メ
モリ領域104,水平レジスタ105,上部ゲート106,ドレイン
107,中部ゲート108,下部ゲート109,電荷検出部110で構
成されている。前記FIT型電荷転送撮像装置の場合も、
フォトダイオード101で蓄積された信号電荷の読み出し
動作は第５図で説明した方法と同じである。FIT型電荷
転送撮像装置の場合には、シャッタ動作により駆動する
こともある。

〔発明が解決しようとする課題〕

インターレース型およびFIT型電荷転送撮像装置におい
て、フォトダイオードの蓄積信号電荷量が垂直レジスタ
転送可能電荷量を越えてしまうと、フォトダイオードの
信号電荷読み出し動作の際レジスタブルーミングが生じ
て、映像が劣化する。このため、従来は第４図で示す単
位画素の、フォトダイオードと垂直レジスタの面積比
は、フォトダイオードの最大蓄積電荷量が、垂直レジス
タの転送可能電荷量を越えないように決められてきた。
フォトダイオードの最大蓄積電荷量は、フォトダイオー
ドの単位面積当りの蓄積容量と、面積と、印加電圧の積
で決まる。単位画素当りのフォトダイオードの割合が小
さくなると不感領域が増えてしまい、かつ、感度が低下
する問題が生じ、一方、フォトダイオードの感度は逆バ
イアス印加電圧依存性があり、印加電圧を下げると感度
も低下してしまい、また、トランスファゲートのしきい
値のバラツキによる感度ムラの問題も増大する。従来の
インターライン型およびFIT型電荷転送撮像装置の駆動
方法においては、上述したフォトダイオードと垂直レジ
スタとの面積比率およびフォトダイオードの面積と印加
電圧値の制約条件をすべて満足させなければならず、フ
ォトダイオードの面積比率および感度が低くなってしま
う問題を抱えていた。

本発明の目的は、このような従来の欠点を除去した電荷
転送撮像装置の新しい駆動方法を提供する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、半導体基板上に二次元的に配列された
複数の光電変換素子と前記各光電変換素子に蓄積された
信号電荷を読み出すトランファゲートと、前記信号電荷
を並列転送する垂直レジスタと、信号電荷を掃き出すド
レイン領域と、前記光電変換素子に対応して、垂直レジ
スタ下部に設けられたメモリ領域と、前記メモリ領域下
部に設けられた前記信号電荷を順次転送する水平レジス
タと、前記水平レジスタの一端に設けられた電荷検出部
を少なくとも備えた電荷電送撮像装置の駆動方法におい
て、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷のうち、垂
直レジスタの最大転送電荷量を越えない電荷量を前記ト
ランスファゲートおよび前記垂直レジスタを介して前記
メモリ領域に転送した後、前記信号電荷の一部を転送し
た際に前記トランスファゲートに印加した電圧よりも高
い電圧をトランスファゲートに印加して前記光電変換素
子に残された残留信号電荷を前記トランスファゲートお
よび前記垂直レジスタを介して、前記ドレイン領域に掃
き出す一連の動作を垂直ブランキング期間に行った後、
前記メモリ領域に蓄えられていた前記信号電荷を前記水
平レジスタを介して順次、前記電荷検出部へ転送するこ
とを特徴とする電荷転送撮像装置の駆動方法が得られ
る。

〔作用〕

本発明では、トランスファゲートに読み出しとリセット
の２通りのクロック電圧を印加することで、前者の読み
出しクロック電圧をフォトダイオードから読み出される
信号電荷量が垂直レジスタ転送可能電荷量を越えないよ
うに印加することと、後者のリセットクロック電圧を高
電圧にすることで、レジスタブルーミングの抑制とフォ
トダイオードの感度を向上させることが独立に行なえ
る。リセットクロック電圧は、フォトダイオードが光電
変換を開始するスタートの電位を与える。つまり、フォ
トダイオードの逆バイアス印加電圧の初期値を与える。
この電圧を印加された直後からフォトダイオードはフロ
ート状態となり、入射光およびリーク電流により逆バイ
アス電位から電位が低下していく。この一連の動作を光
蓄積と呼ぶ。リセットクロック電圧を高く印加するショ
ットキ障壁型のフォトダイオードではショットキバリア
の低下に伴う、光電変換効率の向上がおこり、PN接合型
のフォトダイオードでは、光に感じる部分である空乏層
幅の増大による感度向上がおこる。いずれの場合も、リ
セットクロック電圧の増加により感度が向上する。しか
しながらリセットクロック電圧を高くした分、フォトダ
イオードの空乏層容量がほぼリセットクロック電圧の1/
2乗に比例して増大してしまう。もしもこの増大分をそ
のまま垂直レジスタに転送する場合には以下の点を考え
なければならない。CCDでは垂直レジスタで転送できる
最大転送電荷量Q_MAXCCDとフォトダイオード最大蓄積電
荷流Q_MAXPDの間には必ずQ_MAXCCD＞Q_MAXPDの関係を保た
なければならない。さもないとレジスターブルーミング
という現象が起こり、画質を大きく劣化させることにな
る。上記関係を保つためにはフォトダイオードの面積を
小さくするか、リセットクロック電圧を低くしなければ
ならない。

上記問題を解決する方法の１つとして、スキミグがあ
る。スキミングとはフォトダイオードに蓄積した信号電
荷の一部（有効信号と呼ぶ）を読み出し、残り（不要信
号と呼ぶ）を捨てしまう手法である。本発明はこの手法
を採用している。すなわちリセットクロック電圧でスタ
ートした光蓄積は次の読み出しクロック電圧印加まで続
く。この時点で有効信号が読み出される。この動作がス
キミング動作である。これによりリセットクロック電圧
の上記制約条件がなくなる。読み出しクロック電圧でス
キミングした後のフォトダイオードには不要信号が残っ
ているのでこれを捨てなければ次の光蓄積信号にうわの
せされてしまう。この不要信号をフォトダイオードから
垂直レジスタを介してオーバーフロードレイン部に捨て
る動作をリセットクロック電圧およびそれ以後の垂直レ
ジスタ転送で行っている。この時に、重要なことは、リ
セットクロック電圧印加前に、垂直レジスタが空（つま
り信号がない）状態になっていることである。本発明で
は上記動作が行えている。このため、フォトダイオード
の面積比率を大きく確保することと、フォトダイオード
印加電圧を高くすることで感度を向上させることを同時
に行うことができる。また、本発明は、信号電荷の一部
を光電変換素子から垂直レジスタを介してメモリ領域に
転送する動作と、光電変換素子に残された残留信号電荷
（不要電荷）を垂直レジスタを介してドレイン領域に掃
き出す一連の動作を垂直ブランキング期間に行っている
ため、光蓄積時間（リセットクロック電圧印加から読み
出しクロック電圧印加まで）が長くできるので（例えば
１フィールド16.5ms）のうち、ブランキング期間を1ms
とすると15.5msとなる）光電変換で得られる信号電荷量
が大きくなり、感度向上が計れる。

〔実施例〕

第４図はインターライン型電荷転送撮像装置の単位画素
の一例を模式的に示したものである。フォトダイオード
101,トランスファゲート102,垂直レジスタ103より構成
されている。前記垂直レジスタは単位画素当り２電極で
構成されている。前記垂直レジスタは４相駆動されるの
で、垂直方向に隣接した２つの単位画素の計４電極で一
組の電荷群を構成する。ここで、前記トランスファゲー
トの役割をかねる電極10をφV1電極，その下方の電極11
をφV2電極とする。φV2電極の下方の電極をφV3電極，
φV3電極の下方の電極をφV4電極とする。第４図で示し
た単位画素は、第２図で示したFIT型と呼ばれる電荷転
送撮像装置の単位画素の構成と同じである。FIT型電荷
転送撮像装置は第４図で示した単位画素の下方にメモリ
領域104,上方にドレイン領域107および、付属のゲート
を有した構成となっており、詳しくは、従来の技術の章
で説明した。

第１図は第２図で示したFIT型電荷転送撮像装置の本発
明による駆動方法の一実施例を示した図で、第１図
（ａ）は各電荷に印加されるクロック波形を示し、第１
図（ｂ），（ｃ）は第１図（ａ）の各タイミング〜
における各電極下のポテンシャルおよび信号電荷を模式
的に示している。各電極に印加されるクロックレベルに
ついての説明は従来の技術の章で詳しく説明した。の
タイミングでは、第１図（ｂ），（ｃ）のに示したよ
うに、フォトダイオード101に信号電荷Ｑが蓄積されて
いる。のタイミングでφV1電極にVH1レベルの電圧が
印加されると第１図（ｂ），（ｃ）のに示すように、
フォトダイオードに蓄積されていた信号電荷Ｑの一部ｑ
がトランスファゲートを介して、垂直レジスタに読み出
される。読み出される信号電荷が、φV3およびφV4電極
下のバリアポテンシャルで囲まれた、φV,φV2電極下の
蓄積領域の容量を越えないように、読み出しのためのク
ロック電圧レベルVH1を調節しておく。のタイミング
では、第１図（ｂ），（ｃ）に示すように、トランス
ファゲート領域のバリアポテンシャルによって、垂直レ
ジスタとフォトダイオードが電気的に分離される。の
タイミングからのタイミングまでの期間に、φV3電極
下のポテンシャルが下げられ、φV1電極下のポテンシャ
ルが上げられることにより、第１図（ｂ）で右方向に１
電極分、第２図に示す電荷転送撮像装置では下方向に１
電極分転送される。第１図（ａ）ののタイミング以降
に示すクロック波形により、フォトダイオードから読み
出された前記信号電荷は、対応するメモリ領域104に一
時蓄積され、水平レジスタ105により順次、電荷検出部1
10に転送される。第１図（ａ）ののタイミングでは、
全ての前記信号電荷がメモリ領域に転送された後であ
り、第１図（ｂ），（ｃ）に示すように、垂直レジス
タには、信号電荷が残されていない。のタイミング
で、トランスファゲートをかねたφV1電極にVH1レベル
よりも高いVH2レベルの電圧が印加される。この時、第
１図（ｂ），（ｃ）に示すように、フォトダイオード
に残留していた電荷は全て、トランスファゲートを介し
て、垂直レジスタに転送される。VH2レベルを高くする
ことにより、フォトダイオードの感度が向上する。の
タイミングでは、トランスファゲート下のバリアポテン
シャルにより、フォトダイオードと垂直レジスタとは電
気的に分離される。のタイミングからのタイミング
までの期間で、垂直レジスタに転送された前記残留電荷
は、第１図（ｂ）で左方向、第２図で上方向に１電極分
転送される。タイミング以降のクロック波形により、
前記残留電荷は、第２図ドレイン107に掃き出される。

第２図の構成の電荷転送撮像装置で行った本発明の駆動
方法は、第３図の構成の電荷転送撮像装置でも同様に実
現できる。この場合には、第１図の，のタイミング
と以降のクロック波形で、第１図（ｂ）で左方向に転
送していたのを、右方向に転送するようなクロック波形
に変更すれば良い。

本発明の駆動方法は内部メモリ領域を有さないインター
レース型電荷転送撮像装置の場合にも実現できる。この
場合には、垂直レジスタで転送されてきた一段ごとの信
号電荷に対応して水平レジスタで順次転送すればよい。

本発明の駆動方法は、第１図では赤外線受光のためのシ
ョットキ型ダイオードをフォトダイオードに用いた実施
例について説明したが、PN接合型ダイオード、MIS型ダ
イオードをフォトダイオードに用いた場合にも同様に実
現できる。本発明は狭バンドギャップ半導体である水銀
カドミニウムテルルやインジウムアンチモンとバンプ電
極等によりハイブリッドに組み合わせた電荷転送撮像装
置を駆動した場合にも同じ効果がある。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、トランスファゲートに
読み出しとリセットの２通りのクロック電圧を印加する
ので、フォトダイオードの面積比率を大きく確保できる
と同時に、フォトダイオードに高い印加電圧を与えるこ
とによる感度向上をすることができ、不感領域の少ない
電荷転送撮像装置で、高い感度の撮像を行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電荷転送撮像装置駆動方法を示す図、
第２図および第３図は、本発明の駆動方法を実施する電
荷転送撮像装置の一構成例を示す図、第４図は第２図、
第３図に示した装置およびインターレース型電荷転送撮
像装置の単位画素の平面図、第５図は、電荷転送撮像装
置の従来の駆動方法を示した模式図である。図において、10はφV1電極、11はφV2電極、101はフォ
トダイオード、102はトランスファゲート、103は垂直レ
ジスタ、104はメモリ領域、105は水平レジスタ、106は
上部ゲート、107はドレイン、108は中部ゲート、109は
下部ゲート、110は電荷検出部を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に二次元的に配列された複数
の光電変換素子と、前記各光電変換素子に蓄積された信
号電荷を読み出すトランファゲートと、前記信号電荷を
並列転送する垂直レジスタと、信号電荷を掃き出すドレ
インと、前記光電変換素子に対応して、垂直レジスタ下
端に接続して設けられたメモリ領域と、前記メモリ領域
下端に接続して設けられた前記信号電荷を順次転送する
水平レジスタと、前記水平レジスタの一端に設けられた
電荷検出部を少なくとも備えた電荷転送撮像装置の駆動
方法において、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷
のうち、垂直レジスタの最大転送電荷量を越えない電荷
量を前記トランスファゲートおよび前記垂直レジスタを
介して前記メモリ領域に転送した後、前記信号電荷の一
部を転送した際に前記トランスファゲートに印加した電
圧よりも高い電圧をトランスファゲートに印加して前記
光電変換素子に残された残留信号電荷を前記トランスフ
ァゲートおよび前記垂直レジスタを介して、前記ドレイ
ン領域に掃き出す一連の動作を垂直ブランキング期間に
行った後、前記メモリ領域に蓄えられていた前記信号電
荷を前記水平レジスタを介して順次、前記電荷検出部へ
転送することを特徴とする電荷転送撮像装置の駆動方
法。