JPH0831988B2 - 固体撮像デバイス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は固体撮像デバイスに関するものである。

背景技術 撮像デバイスは一般に、広範囲の輝度分布を有する被
写体でも、また露光量の設定を誤っても適切な撮影が行
なわれるように、ダイナミックレンジが広い方が望まし
い。つまり、撮像デバイスの入出力特性における可能な
動作点を広範囲にわたって変えることができることが好
ましい。

たとえば電荷転送デバイス（CCD）は通常、ダイナミ
ックレンジが他の撮像デバイスと比べて比較的低く、高
々300程度である。広いダイナミックレンジを実現する
には素子の出力電流の範囲を広くすればよいが、そのた
めには撮像セルの蓄積可能電荷容量を大きくしなければ
ならない。しかしこれは、撮像セルの面積、構造および
印加電圧などの制限から限界がある。

そこで一般には、固体撮像デバイスの入出力特性にい
わゆるニー（knee）特性をもたせることによってダイナ
ミックレンジの拡大が行なわれている。すなわち、露光
量に対する出力電流の関係を示す曲線の勾配（すなわち
γ）を高入力領域において低入力領域より小さくする高
輝度圧縮を行なっている。

例えば、遠藤幸雄他による「CCDイメージセンサのKne
e特性制御」1978年テレビジョン学会全国大会論文2-1
2、または竹内映一他による「縦形オーバフロー構造CCD
イメージセンサの駆動法−その１−」テレビジョン学会
1982年全国大会論文２−６などでは、撮像セルの光感度
を経時的に変化させ、露光時間の前半では高く、後半で
は低くなるように制御する電荷転送撮像デバイスが提案
されている。これによって高輝度の入射光に対して電荷
蓄積が飽和するまでの時間を遅らせ、ニー特性を実現す
ることができる。

目的 本発明はダイナミックレンジの広い固体撮像デバイス
を提供することを目的とする。

本発明は、撮像セルの光感度を経時的に変化させるの
ではなく、実効的に光感度の異なる複数の撮像セルで１
つの画素を構成するという新規な技術的思想によってこ
の目的を達成するものである。

発明の開示 本発明によれば、入射光に応じてキャリアを発生して
蓄積する感光領域によって撮像セルが形成された固体撮
像デバイスにおいて、少なくとも第１および第２の撮像
セルによって１つの画素が構成され、第２の撮像セルに
は第１の撮像セルより実効的に低い光感度が与えられ、
第１および第２の撮像セルにおける蓄積キャリアを混合
して１画素の映像信号が形成される。

実施例の説明 次に添付図面を参照して本発明による固体撮像デバイ
スの実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明による固体撮像デバイスの１つの実施
例における１画素10の構造を断面端面図にて示す。同図
からわかるように、たとえばｐ型シリコン（Si）基板12
の主表面付近に２つのｎ＋領域14および16が感光領域と
して設けられ、これらは１画素分の撮像セルを形成して
いる。

同図において感光領域16の左側にはｎ−領域18が形成
され、これは同図の紙面に垂直な方向に多数配列されて
画素信号の垂直（Ｖ）転送路すなわちVCCDをなしてい
る。また感光領域14の右側にはｎ−領域20を介してｎ＋
＋領域22が形成され、これはｎ＋領域14から溢れた電荷
を排出するためのオーバーフロードレーンとして機能す
る。

これらの領域が形成されている主表面の上には、たと
えば酸化シリコン（SiO₂）などからなる絶縁層24が形成
され、MOSまたはMIS構造の一部をなしている。なおこの
１画素分の領域10は、ｐ＋領域のチャネルバリアすなわ
ちチャネルストッパ36で他の隣接画素と素子分離されて
撮像セルアレイを構成している。つまり、このような画
素10が１次元または２次元に配列され、２次元配列であ
ればたとえばインタライン転送型CCD撮像デバイスを構
成している。

２つのｎ＋領域14と16の間には、図示のように、たと
えば多結晶シリコンなどからなる電極26が、さらにｎ＋
領域16とVCCDのｎ−領域18との間には同様に多結晶シリ
コンなどからなる電極28がそれぞれ形成されている。電
極26は、後述するようにｎ＋領域14から同16へ電荷を移
送するためのゲート電極として機能し、電極28は、ｎ＋
領域16からｎ−領域18へ電荷を移送するためのゲート電
極として機能する。VCCDのｎ−領域18の上には、たとえ
ばやはり多結晶シリコンなどからなる電極30が形成さ
れ、これに印加されるクロックに応動して電荷をＶ方向
に転送する転送電極をなしている。勿論、ｎ＋領域14と
16の間、およびｎ＋領域16とｎ−領域18の間には、その
電位レベルを調整するための不純物層を設けてもよく、
この例ではｎ＋14領域と16の間にｎ−領域60が設けられ
たものが示されている。

このような構体の主面は、たとえばアルミニウムなど
の遮光層34で被覆されているが、図示のように、ｎ＋領
域14の受光面40の実質的に全部と、ｎ＋領域16の受光面
のほぼ中央付近は部分的に開口し、これらの領域14およ
び16が入射光32に対する感光領域として機能するように
構成されている。つまり本実施例では、遮光層34は領域
14の上は受光面40が全部開口するような光学的開口42を
有している。これに対し、領域16の上は領域14の場合に
比較してたとえばほぼ1/10程度の開口面積の光学的開口
38が設けられている。このように２つの撮像セルによっ
て１つの画素10が形成されている。

第２図を参照すると、本発明の他の実施例が示されて
いる。第１図の実施例と相違するところは、ｎ＋領域16
の受光面上には遮光層34が存在せず、その代りにNDフィ
ルタ層50が設けられている。なお、同図において第１図
に示すのと同様の要素は同じ参照符号で示されている。
NDフィルタ50は、ｎ＋領域14における入射光量のたとえ
ば約1/10の光量がｎ＋領域16に入射するような減光率の
ものが使用される。

第３図は、第１図または第２図の撮像セル構造に対応
して熱平衡状態における導電帯の底のポテンシャル分布
を示すが、エネルギーレベルは対応する領域または電極
の参照符号に100を加算した番号で示されている。これ
からわかるように、２つのｎ＋領域14および16には同じ
ようなレベルの電位の井戸114および116が形成され、両
者の間の電位障壁126は電極26の印加電圧によって制御
することができる。ｎ−転送領域18には図示のようなレ
ベルの電位の井戸118が形成され、その間の障壁128は電
極28の電位によって制御することができる。また、オー
バフロードレーン22とｎ＋領域14との間、及びｎ＋領域
14とｎ＋領域16との間にはそれぞれｎ−領域20及びｎ−
領域60によってそれぞれ異なるポテンシャルとなるよう
に電位障壁120及び126が形成されている。これらの電位
障壁128,126及び120の大きさはこの順に小さく設計され
ており、即ち128＞126＞120の関係となっている。電位
障壁126と120との間のポテンシャルの相違は各ｎ−領域
の拡散濃度を変化させることによって行なってもよい
が、同一拡散濃度としてｎ＋領域14と16との間を狭チャ
ンネル化することによってポテンシャルを下げるように
してもよい。

ところでこれらの実施例において、映像信号の処理上
１つの画素を形成する２つのｎ＋領域14および16に同じ
光量の入射光が照射されると、領域16には領域14に比べ
てこれらの実施例では1/10の速度で光キャリアが蓄積さ
れる。この様子は第３図からわかるように、ｎ＋領域14
には同16の10倍の速度で光キャリアが蓄積され、これか
ら溢れるとｎ−領域20の電位障壁120を越えてキャリア
がオーバフロードレーン22に流出する。したがって、そ
れ以上光が照射されて発生した光キャリアはｎ＋領域16
にｎ＋領域14の場合の1/10の速度で蓄積されることにな
る。

たとえば光学シャッタなどの露光手段（図示せず）に
よって所望の露出時間だけ撮像セル10に光を入射させる
と、２つのｎ＋領域14および16には第３図に示すような
状態に光キャリアが蓄積される。次にシャッタを閉成し
て入射光32を遮断し、蓄積キャリアの読出し動作に移
る。

第4A図を参照すると、まず、ｎ＋領域14および16の間
のゲート電極26にクロックパルスを印加してその電位を
上げ、電位の井戸114および116とほぼ同電位にする。こ
れによって２つの電位の井戸の蓄積キャリアは混合され
る。次に第4B図に示すように、ｎ＋領域16とｎ−18領域
の間のゲート電極28にクロックパルスを印加してその電
位を上げ、かつ転送電極30にクロックパルスを印加して
転送領域18の電位を電位の井戸114,126および116やゲー
ト領域28のそのときの電位128よりも上昇させる。これ
によって、それらに蓄積されている光キャリアは転送領
域18に転送される。なお、これら２つのステップ、すな
わち第4A図および第4B図のステップは実質的に同時に行
なってもよい。

電位の井戸114および116の蓄積キャリアが転送領域18
に転送された後、ゲート電極26および28の電位を元の状
態に復旧させると、第4C図に示すようにこれらの光キャ
リアは転送領域18に移送されたことになる。そこで、Ｖ
方向に配列されている複数の転送電極30を多相クロック
で順次駆動することにより、電位の井戸118に保持され
ている電荷を画素信号として順次Ｖ方向に転送する。こ
れが本撮像デバイスの出力映像信号として出力される。
なお、オーバフロードレーン22に流れ出た余剰キャリア
は遂時排出される。

第５図を参照すると、撮像セル10の入出力特性、すな
わちセル10の露光量Ｅに対する出力電流Ｉが両対数目盛
で示されている。たとえば、ｎ＋領域14が実線214で示
すような入出力曲線を有するとする。つまり、出力電流
がノイズレベル電流I0からある露光量E1で電流値I1に達
して飽和する。この露光量E1は前述の実施例において、
ｎ＋領域14に蓄積された光キャリアがｎ−領域20の電位
障壁120を越えてオーバフロードレーン22に流出し始め
る露光量に相当する。一方、ｎ＋領域16は、ｎ＋領域14
と実質的に同じ特性を有し、開口38またはフィルタ50に
よってｎ＋領域16の受光する光量が1/10に制限されてい
るので、ｎ＋領域16の入出力特性は、ｎ＋領域14と同じ
勾配を有し、入射光32の光量が値E2になると同じ飽和値
I1に達して飽和するような曲線216をたどる。この露光
量E2は前述の実施例において、ｎ＋領域16に蓄積された
光キャリアが電位障壁126を越えてｎ＋領域14及び電位
障壁120を経てオーバフロードレーン22に流出し始める
露光量に相当する。この場合、値E2は、値E1の10倍であ
るので、同図において１デケードだけ右にシフトしてい
る。

第4A図について前述したようにｎ＋領域14と同16の蓄
積電荷を混合して転送することは、映像信号の扱い上、
単一画素に含まれる撮像セルとして両領域14および16を
見た場合、第５図のグラフにおいて曲線214と216を加算
して一点鎖線200で示す入出力特性を形成することに相
当する。曲線200は、露光量E1以下では曲線214または21
6と同じ勾配（γ）をとり、露光量E1から同E2までは同E
1以下の部分より小さい勾配を有し、露光量E2以上で飽
和値I2をとる。この場合、電流値I2は値I1の２倍であ
る。

同図からわかるように、撮像セル10全体としてニー特
性が実現され、そのダイナミックレンジは、単一セルの
みの場合はS/N比が１となる出力電流I0に対応する露光
量E0から飽和電流I1に相当する露光量E1までであったの
が、２つのセルを合成した場合には露光量E0から飽和電
流I2に相当する露光量E2まで拡大している。

効果 このように本発明によれば、１つの画素セルに光感度
の異なる感光領域を複数設け、それらに蓄積された光キ
ャリアを合成することにより、ダイナミックレンジの広
い固体撮像デバイスが得られる。

なお、前述の実施例では、実効的に感光度の異なる２
つの感光領域が１つの画素セルに配置されているが、こ
れに限定されることなく、実効的に感光度の異なる３つ
以上のセルを配置してさらに細かく段階的に変化するニ
ー特性を入出力特性に与えてもよい。また、撮像セルへ
の入射光量を制限する光学開口やフィルタを用いる代り
に、感光領域の不純物濃度に差を設けるなどして、感光
領域自体の光感度を異ならせるようにしてもよい。要は
同一の被写体照度に対して第１及び第２の撮像セルが実
効的に異なる光感度を有していればよい。また、これま
でCCD構造の撮像デバイスについて説明したが、本発明
はこれのみに限定されるものではなく、たとえば、撮像
セルアレイをXYアドレス指定によって読み出す他の方式
の固体撮像デバイスにも適用可能なことはいうまでもな
い。

本発明はこのように、撮像セルの光感度を経時的に変
化させるのではなく、１画素に実効的に光感度の異なる
複数の感光セルを配置するという新規な技術的思想によ
ってニー特性を実現するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像デバイスの実施例におけ
る１画素の構造を示す断面端面図、 第２図は本発明による固体撮像デバイスの他の実施例に
おける１画素の構造を示す第１図と同様の断面端面図、 第３図は、第１図または第２図の撮像セル構造に対応し
て熱平衡状態における導電帯の底のポテンシャル分布を
示す図、 第4A図ないし第4C図は、第１図または第２図の撮像セル
構造における蓄積キャリアの転送を説明するための第３
図と同様の図、 第５図は、撮像セルの入出力特性、すなわちセルの露光
量Ｅに対する出力電流Ｉの関係を両対数目盛で示すグラ
フである。 主要部分の符号の説明 10……画素 14,16……感光領域 22……オーバフロードレーン 34……遮光層 38、42……光学開口 50……NDフィルタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射光に応じてキャリアを発生して蓄積す
   る感光領域によって撮像セルが形成された固体撮像デバ
   イスにおいて、 少なくとも第１および第２の撮像セルによって１つの画
   素が同一基板上に構成され、 第１の撮像セルは、露光量の少ない第１の露光量領域に
   おいて入射光に応じて変化する光感度を有し、第２の撮
   像セルは、第１の露光量領域より露光量の多い領域を少
   なくとも含む第２の露光量領域において入射光に応じて
   変化する光感度を有し、 露光期間中に第１および第２の撮像セルにそれぞれ蓄積
   された全蓄積キャリアの量を加算して１画素の映像信号
   を形成し、これによってハイライト部分が抑圧された出
   力特性を得ることを特徴とする固体撮像デバイス。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の固体撮像デバ
   イスにおいて、 第１および第２の撮像セルは、同じ光感度特性を有する
   第１および第２の感光領域をそれぞれ含み、 第２の感光領域には、その受光面への入射光を制限する
   制限手段が該受光面上に配設されていることを特徴とす
   る固体撮像デバイス。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載の固体撮像デバ
   イスにおいて、前記制限手段は、前記受光面の一部にの
   み入射光を導く光学的開口を有する遮光層を含むことを
   特徴とする電荷転送撮像デバイス。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第２項記載の固体撮像デバ
   イスにおいて、前記制限手段は、前記受光面への入射光
   を減光する光学フィルタを含むことを特徴とする固体撮
   像デバイス。