JPH11234575A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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- JPH11234575A JPH11234575A JP10035594A JP3559498A JPH11234575A JP H11234575 A JPH11234575 A JP H11234575A JP 10035594 A JP10035594 A JP 10035594A JP 3559498 A JP3559498 A JP 3559498A JP H11234575 A JPH11234575 A JP H11234575A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＣＣＤイメージセンサのダイナミックレンジ
及び飽和ラムを改善した固体撮像装置を提供する。 【解決手段】 入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変
換素子で得られた信号電荷は垂直転送部を介して水平転
送部に送られるようにした固体撮像装置において、前記
光電変換素子の電荷蓄積時間を可変させることで、見か
け上感度の異なる光電変換素子を得るように構成したこ
とを特徴とする。
及び飽和ラムを改善した固体撮像装置を提供する。 【解決手段】 入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変
換素子で得られた信号電荷は垂直転送部を介して水平転
送部に送られるようにした固体撮像装置において、前記
光電変換素子の電荷蓄積時間を可変させることで、見か
け上感度の異なる光電変換素子を得るように構成したこ
とを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に関
する。
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ＣＣＤ固体撮像素子においては、
２次元状に配置した光電変換部より出力される蓄積電荷
を、インタライン転送方式またはプログレッシブ転送方
式により順次出力して撮像結果を出力するようになされ
ている。図１１は、この種のＣＣＤ固体撮像素子を示す
平面図である。ＣＣＤ固体撮像素子１は、光電変換部２
がマトリックス状に配置されると共に、水平方向に連続
するこれら光電変換部２の間に、垂直転送素子３が配置
され、この垂直転送素子３の下端に、水平転送素子４が
配置される。ここで光電変換部２は、入射光を光電変換
して蓄積電荷を生成する。各垂直転送素子３は、例えば
４相の駆動パルスにより駆動されて、各光電変換部２の
蓄積電荷を一定周期で読み出し、読み出した蓄積電荷を
水平転送素子４に順次転送する。
２次元状に配置した光電変換部より出力される蓄積電荷
を、インタライン転送方式またはプログレッシブ転送方
式により順次出力して撮像結果を出力するようになされ
ている。図１１は、この種のＣＣＤ固体撮像素子を示す
平面図である。ＣＣＤ固体撮像素子１は、光電変換部２
がマトリックス状に配置されると共に、水平方向に連続
するこれら光電変換部２の間に、垂直転送素子３が配置
され、この垂直転送素子３の下端に、水平転送素子４が
配置される。ここで光電変換部２は、入射光を光電変換
して蓄積電荷を生成する。各垂直転送素子３は、例えば
４相の駆動パルスにより駆動されて、各光電変換部２の
蓄積電荷を一定周期で読み出し、読み出した蓄積電荷を
水平転送素子４に順次転送する。
【０００３】水平転送素子４は、例えば２相の駆動パル
スにより駆動されて、垂直転送素子３より転送される蓄
積電荷を電荷検出部５に向かって順次転送し電荷検出部
５より出力する。電荷検出部５は、この蓄積電荷を出力
ゲートＨＯＧを介してフローティングディフュージョン
部ＦＤに蓄積し、増幅回路６を介して電気信号として出
力する。また電荷検出部５は、このフローディングディ
フュージョン部ＦＤに隣接してリセットゲートＲＧ及び
リセットドレインＲＤが順次形成され、必要に応じてフ
ローディングディフュージョン部ＦＤの蓄積電荷を放電
する。これによりＣＣＤ固体撮像素子１では、各光電変
換部２により生成された蓄積電荷を電気信号に変換して
出力するようになされている。
スにより駆動されて、垂直転送素子３より転送される蓄
積電荷を電荷検出部５に向かって順次転送し電荷検出部
５より出力する。電荷検出部５は、この蓄積電荷を出力
ゲートＨＯＧを介してフローティングディフュージョン
部ＦＤに蓄積し、増幅回路６を介して電気信号として出
力する。また電荷検出部５は、このフローディングディ
フュージョン部ＦＤに隣接してリセットゲートＲＧ及び
リセットドレインＲＤが順次形成され、必要に応じてフ
ローディングディフュージョン部ＦＤの蓄積電荷を放電
する。これによりＣＣＤ固体撮像素子１では、各光電変
換部２により生成された蓄積電荷を電気信号に変換して
出力するようになされている。
【０００４】ところで、現在のＣＣＤ固体撮像素子にお
いては、チップサイズの縮小や多画素化の為にセルサイ
ズの縮小が図られているが、セルサイズ縮小に伴い光電
変換部及び垂直転送素子が小さくなり、このことにより
ダイナミックレンジが低下する。よって、ダイナミック
レンジの改善が求められている。この１つの方法とし
て、菰淵他は、１９９５年のＩＥＥＥワークショップ予
稿集、アイイーイーイーワークショプ（ＩＥＥＥ Ｗｏ
ｒｋｓｓｈｏｐ）の「１／４ Ｉｎｃｈ ＮＴＳＣ Ｆ
ｏｒｍａｔ Ｈｙｐｅｒ−Ｄ ＩＬ−ＣＣＤ」において
高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とを隣接して
配置し、ＣＣＤ固体撮像素子１より出力される撮像信号
を外部回路により処理する方法を提案している。ＣＣＤ
固体撮像素子１の隣接する光電変換部２において、電荷
蓄積時間を異なる時間に設定することにより、高感度の
光電変換部と低感度の光電変換部とを形成する。さらに
隣接する高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とで
１対の画素を形成するように、外部回路において、この
高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とから得られ
る撮像信号を加算する。このとき高感度の光電変換部よ
り出力される撮像信号においては、一定のスライスレベ
ルでスライスして加算する。
いては、チップサイズの縮小や多画素化の為にセルサイ
ズの縮小が図られているが、セルサイズ縮小に伴い光電
変換部及び垂直転送素子が小さくなり、このことにより
ダイナミックレンジが低下する。よって、ダイナミック
レンジの改善が求められている。この１つの方法とし
て、菰淵他は、１９９５年のＩＥＥＥワークショップ予
稿集、アイイーイーイーワークショプ（ＩＥＥＥ Ｗｏ
ｒｋｓｓｈｏｐ）の「１／４ Ｉｎｃｈ ＮＴＳＣ Ｆ
ｏｒｍａｔ Ｈｙｐｅｒ−Ｄ ＩＬ−ＣＣＤ」において
高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とを隣接して
配置し、ＣＣＤ固体撮像素子１より出力される撮像信号
を外部回路により処理する方法を提案している。ＣＣＤ
固体撮像素子１の隣接する光電変換部２において、電荷
蓄積時間を異なる時間に設定することにより、高感度の
光電変換部と低感度の光電変換部とを形成する。さらに
隣接する高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とで
１対の画素を形成するように、外部回路において、この
高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とから得られ
る撮像信号を加算する。このとき高感度の光電変換部よ
り出力される撮像信号においては、一定のスライスレベ
ルでスライスして加算する。
【０００５】ところがこの方法の場合、高感度の撮像信
号と低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子
より出力する必要があり、その分ＣＣＤ固体撮像素子の
構成が煩雑になる問題がある。またＣＣＤ固体撮像素子
から１系統により撮像信号を出力して別途分離処理する
方法もあるが、この場合同一解像度の撮像結果を得よう
とすると、その分増幅回路６の帯域を２倍に拡大する必
要があり、また外部回路の構成も、複雑になる問題があ
る。
号と低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子
より出力する必要があり、その分ＣＣＤ固体撮像素子の
構成が煩雑になる問題がある。またＣＣＤ固体撮像素子
から１系統により撮像信号を出力して別途分離処理する
方法もあるが、この場合同一解像度の撮像結果を得よう
とすると、その分増幅回路６の帯域を２倍に拡大する必
要があり、また外部回路の構成も、複雑になる問題があ
る。
【０００６】他の方法としては、図１２に示したよう
に、光電変換素子個々で基板方向に高輝度信号による過
剰な電荷を掃き出す事によりクリップ動作を行う方法が
知られている。これは、以下のような方法である。基板
に排出することにより感光画素ごとにクリップ動作を行
う縦型オーバーフロードレイン構造をもつ固体撮像装置
において、高感度の光電変換部Ａから読み出された電荷
及び低感度の光電変換部Ｂから読み出された電荷がそれ
ぞれ水平ＣＣＤの中で交互に配置するように転送し、そ
の後、水平ＣＣＤにおいては、アンプ部の方向に転送さ
れる。この際、高感度の光電変換部Ａは、縦型オーバー
フロードレイン構造により高輝度信号により発生した電
荷は個々に縦型オーバーフロードレイン構造により定ま
る光電変換部における最大電荷量（以下ニーポイントに
おける電荷量と記載する）においてクリップされてい
る。
に、光電変換素子個々で基板方向に高輝度信号による過
剰な電荷を掃き出す事によりクリップ動作を行う方法が
知られている。これは、以下のような方法である。基板
に排出することにより感光画素ごとにクリップ動作を行
う縦型オーバーフロードレイン構造をもつ固体撮像装置
において、高感度の光電変換部Ａから読み出された電荷
及び低感度の光電変換部Ｂから読み出された電荷がそれ
ぞれ水平ＣＣＤの中で交互に配置するように転送し、そ
の後、水平ＣＣＤにおいては、アンプ部の方向に転送さ
れる。この際、高感度の光電変換部Ａは、縦型オーバー
フロードレイン構造により高輝度信号により発生した電
荷は個々に縦型オーバーフロードレイン構造により定ま
る光電変換部における最大電荷量（以下ニーポイントに
おける電荷量と記載する）においてクリップされてい
る。
【０００７】この後、Ａ画素により発生した電荷とＢ画
素により発生した電荷の加算操作を行う。ただし縦型オ
ーバーフロードレイン構造により高輝度信号をクリップ
する場合、フォトダイオードのＮ型領域及びその下部の
Ｐ型ウエル層の画素ごとの注入プロファイルがばらつい
た場合、ニーポイントとなる電位が画素ごとにばらつ
く。このことにより高輝度の信号が入射した場合、フォ
トダイオードの飽和電荷量が画素ごとにばらつく事とな
る。これを実際の画像として見た場合、飽和した際の白
いムラが固定パターンノイズとして検出されるという問
題がある。
素により発生した電荷の加算操作を行う。ただし縦型オ
ーバーフロードレイン構造により高輝度信号をクリップ
する場合、フォトダイオードのＮ型領域及びその下部の
Ｐ型ウエル層の画素ごとの注入プロファイルがばらつい
た場合、ニーポイントとなる電位が画素ごとにばらつ
く。このことにより高輝度の信号が入射した場合、フォ
トダイオードの飽和電荷量が画素ごとにばらつく事とな
る。これを実際の画像として見た場合、飽和した際の白
いムラが固定パターンノイズとして検出されるという問
題がある。
【０００８】なお、高感度の光電変換部と低感度の光電
変換部を用いたものとしては、例えば、特開平９−１１
６８１５号公報「固体撮像装置」が知られている。
変換部を用いたものとしては、例えば、特開平９−１１
６８１５号公報「固体撮像装置」が知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を改良し、特に、高感度の光電変換
部と低感度の光電変換部とで１対の画素を形成するよう
にしてダイナミックレンジを向上する場合に、全体構成
を簡略化することができる固体撮像装置を提案しようと
するものである。
した従来技術の欠点を改良し、特に、高感度の光電変換
部と低感度の光電変換部とで１対の画素を形成するよう
にしてダイナミックレンジを向上する場合に、全体構成
を簡略化することができる固体撮像装置を提案しようと
するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、本発明に係わる固
体撮像装置の第１態様は、入射光量に応じて電荷を蓄積
する光電変換素子で得られた信号電荷が垂直転送部を介
して水平転送部に送られるように構成した固体撮像装置
において、前記信号電荷の過剰電荷が、前記水平転送部
と電荷検出部との間に設けた空転送部でクリップされる
手段を設けたことを特徴とするものであり、又、第２態
様は、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子で
得られた信号電荷が垂直転送部を介して水平転送部に送
られるように構成した固体撮像装置において、前記光電
変換素子の電荷蓄積時間を可変させることで、見かけ上
感度の異なる光電変換素子を得るように構成したことを
特徴とする固体撮像装置。
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、本発明に係わる固
体撮像装置の第１態様は、入射光量に応じて電荷を蓄積
する光電変換素子で得られた信号電荷が垂直転送部を介
して水平転送部に送られるように構成した固体撮像装置
において、前記信号電荷の過剰電荷が、前記水平転送部
と電荷検出部との間に設けた空転送部でクリップされる
手段を設けたことを特徴とするものであり、又、第２態
様は、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子で
得られた信号電荷が垂直転送部を介して水平転送部に送
られるように構成した固体撮像装置において、前記光電
変換素子の電荷蓄積時間を可変させることで、見かけ上
感度の異なる光電変換素子を得るように構成したことを
特徴とする固体撮像装置。
【００１１】前記感度の低い光電変換素子の電荷蓄積時
間を基板シャッタを用い可変するように構成したことを
特徴とするものであり、又、第３態様は、入射光量に対
して感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子
とが設けられ、前記光電変換素子で得られた信号電荷は
垂直転送部を介して水平転送部に送られるようにした固
体撮像装置において、前記感度の低い光電変換素子の電
荷蓄積時間を基板シャッタを用い可変するように構成し
たことを特徴とするものであり、又、第４態様は、水平
方向に前記感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変
換素子とを交互に配置したことを特徴とするものであ
り、又、第５態様は、垂直方向に前記感度の高い光電変
換素子と感度の低い光電変換素子とを交互に配置したこ
とを特徴とするものであり、又、第６態様は、前記感度
の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子とを市松
模様状に交互に配置したことを特徴とするものであり、
又、第７態様は、前記過剰電荷をクリップする手段は、
オーバーフロードレインであることを特徴とするもので
ある。
間を基板シャッタを用い可変するように構成したことを
特徴とするものであり、又、第３態様は、入射光量に対
して感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子
とが設けられ、前記光電変換素子で得られた信号電荷は
垂直転送部を介して水平転送部に送られるようにした固
体撮像装置において、前記感度の低い光電変換素子の電
荷蓄積時間を基板シャッタを用い可変するように構成し
たことを特徴とするものであり、又、第４態様は、水平
方向に前記感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変
換素子とを交互に配置したことを特徴とするものであ
り、又、第５態様は、垂直方向に前記感度の高い光電変
換素子と感度の低い光電変換素子とを交互に配置したこ
とを特徴とするものであり、又、第６態様は、前記感度
の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子とを市松
模様状に交互に配置したことを特徴とするものであり、
又、第７態様は、前記過剰電荷をクリップする手段は、
オーバーフロードレインであることを特徴とするもので
ある。
【００１２】又、本発明に係る固体撮像装置の撮像方法
の態様は、光電変換素子に蓄積された電荷を電気信号に
変換する固体撮像装置において、前記光電変換素子に蓄
積された電荷量を基板シャッタを用い可変することでダ
イナミックレンジを広くすることを特徴とするものであ
る。
の態様は、光電変換素子に蓄積された電荷を電気信号に
変換する固体撮像装置において、前記光電変換素子に蓄
積された電荷量を基板シャッタを用い可変することでダ
イナミックレンジを広くすることを特徴とするものであ
る。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明に係る固体撮像装置は、入
射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子で得られた
信号電荷は垂直転送部を介して水平転送部に送られるよ
うにした固体撮像装置において、前記光電変換素子の電
荷蓄積時間を可変させることで、見かけ上感度の異なる
光電変換素子を得るように構成したものであり、又、入
射光量に対して感度の高い光電変換素子と感度の低い光
電変換素子とが設けられ、前記光電変換素子で得られた
信号電荷は垂直転送部を介して水平転送部に送られるよ
うにした固体撮像装置において、前記感度の低い光電変
換素子の電荷蓄積時間を基板シャッタを用い可変するよ
うに構成したものである。
射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子で得られた
信号電荷は垂直転送部を介して水平転送部に送られるよ
うにした固体撮像装置において、前記光電変換素子の電
荷蓄積時間を可変させることで、見かけ上感度の異なる
光電変換素子を得るように構成したものであり、又、入
射光量に対して感度の高い光電変換素子と感度の低い光
電変換素子とが設けられ、前記光電変換素子で得られた
信号電荷は垂直転送部を介して水平転送部に送られるよ
うにした固体撮像装置において、前記感度の低い光電変
換素子の電荷蓄積時間を基板シャッタを用い可変するよ
うに構成したものである。
【００１４】
【実施例】図１は、本発明の第１の具体例のＣＣＤ固体
撮像素子を、図１１との対比により示す平面図である。
なおこの図１に示す構成において、図１１と同一部分に
は同一符号を付して示し、その説明は省略する。このＣ
ＣＤ固体撮像素子１０は、縦ストライプの減光フィルタ
を撮像面に配置し、これにより水平方向に、斜線で示し
た高感度の光電変換部Ａと低感度の光電変換部Ｂとを交
互に形成する。すなわちこの減光フィルタは、入射光を
ほぼ透過する透過率の高い領域と、入射光量を１／Ｎに
減ずる透過率の低い領域とが、光電変換部２の形成ピッ
チで繰り返し形成され、これら透過率の高い領域と透過
率の低い領域とが各光電変換部２にそれぞれ対応するよ
うにＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像面に保持されるよう
になされている。
撮像素子を、図１１との対比により示す平面図である。
なおこの図１に示す構成において、図１１と同一部分に
は同一符号を付して示し、その説明は省略する。このＣ
ＣＤ固体撮像素子１０は、縦ストライプの減光フィルタ
を撮像面に配置し、これにより水平方向に、斜線で示し
た高感度の光電変換部Ａと低感度の光電変換部Ｂとを交
互に形成する。すなわちこの減光フィルタは、入射光を
ほぼ透過する透過率の高い領域と、入射光量を１／Ｎに
減ずる透過率の低い領域とが、光電変換部２の形成ピッ
チで繰り返し形成され、これら透過率の高い領域と透過
率の低い領域とが各光電変換部２にそれぞれ対応するよ
うにＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像面に保持されるよう
になされている。
【００１５】さらに、オーバーフロードレインＯＦＤ
が、図１中の電荷検出部５の近くの水平ＣＣＤの空転送
素子のうち、任意の１ヶ所に設けられている。なお、６
はＯＦＤが形成されている転送部を示している。このよ
うに構成されたＣＣＤ撮像素子で水平転送素子４は、高
感度の光電変換部Ａより出力される蓄電電荷Ａ（以下高
感度の蓄積電荷と呼ぶ）と、低感度の光電変換部Ｂより
出力される蓄積電荷Ｂ（以下低感度の蓄積電荷と呼ぶ）
とが、連続して水平転送素子４より出力されるようにな
され、ＣＣＤ固体撮像素子１０では、この連続する高感
度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂとを加算して１
画素分の撮像結果を生成するようになされている。
が、図１中の電荷検出部５の近くの水平ＣＣＤの空転送
素子のうち、任意の１ヶ所に設けられている。なお、６
はＯＦＤが形成されている転送部を示している。このよ
うに構成されたＣＣＤ撮像素子で水平転送素子４は、高
感度の光電変換部Ａより出力される蓄電電荷Ａ（以下高
感度の蓄積電荷と呼ぶ）と、低感度の光電変換部Ｂより
出力される蓄積電荷Ｂ（以下低感度の蓄積電荷と呼ぶ）
とが、連続して水平転送素子４より出力されるようにな
され、ＣＣＤ固体撮像素子１０では、この連続する高感
度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂとを加算して１
画素分の撮像結果を生成するようになされている。
【００１６】即ち、図２に示すように、ＣＣＤ固体撮像
素子において、このように高感度の蓄電電荷Ａは、入射
光量に応じて直線的に電荷量が変化した後、所定値を境
に飽和する。図２においてＱＬＨは、ＯＦＤが形成され
ている転送部が蓄積可能な電荷量、ＱＳは、光電変換部
２の飽和信号電荷量である。図２において、各光電変換
部によって、この飽和レベルが異なるのは、各光電変換
部により、トランスファーゲートの読み出し電圧のしき
い値が異なるためである。
素子において、このように高感度の蓄電電荷Ａは、入射
光量に応じて直線的に電荷量が変化した後、所定値を境
に飽和する。図２においてＱＬＨは、ＯＦＤが形成され
ている転送部が蓄積可能な電荷量、ＱＳは、光電変換部
２の飽和信号電荷量である。図２において、各光電変換
部によって、この飽和レベルが異なるのは、各光電変換
部により、トランスファーゲートの読み出し電圧のしき
い値が異なるためである。
【００１７】これに対して図３に示すように、低感度の
蓄積電荷Ｂは、減光フィルタの透過率１／Ｎに対応し
て、飽和レベルに対応する入射光量がＮ倍に拡大するこ
とになる。これによりＣＣＤ固体撮像素子１０は、高感
度の蓄積電荷Ａを所定のＯＦＤによりスライスした後、
低感度の蓄積電荷Ｂと加算し、図４に示すようにダイナ
ミックレンジを拡大した入出力特性を確保している。
蓄積電荷Ｂは、減光フィルタの透過率１／Ｎに対応し
て、飽和レベルに対応する入射光量がＮ倍に拡大するこ
とになる。これによりＣＣＤ固体撮像素子１０は、高感
度の蓄積電荷Ａを所定のＯＦＤによりスライスした後、
低感度の蓄積電荷Ｂと加算し、図４に示すようにダイナ
ミックレンジを拡大した入出力特性を確保している。
【００１８】次に、本発明に用いられるＯＦＤの構成方
法に関して説明を行う。図５に出力アンプ付近のＯＦＤ
が設けられた水平ＣＣＤ内の１転送部を含む水平ＣＣＤ
の１部分の拡大図を示す。図５において、５１はＮ型半
導体基板、５２はＰ−ウエル、５３はＮ型半導体領域、
５４はＮ−型半導体領域、５９は絶縁膜であり、これら
が順次設けられている。このＮ形の領域によりチャネル
が形成される。さらに、５３のＮ型半導体領域の脇には
５８のＰ＋型半導体領域が設けられ、これがチャネルス
トップとなっている。
法に関して説明を行う。図５に出力アンプ付近のＯＦＤ
が設けられた水平ＣＣＤ内の１転送部を含む水平ＣＣＤ
の１部分の拡大図を示す。図５において、５１はＮ型半
導体基板、５２はＰ−ウエル、５３はＮ型半導体領域、
５４はＮ−型半導体領域、５９は絶縁膜であり、これら
が順次設けられている。このＮ形の領域によりチャネル
が形成される。さらに、５３のＮ型半導体領域の脇には
５８のＰ＋型半導体領域が設けられ、これがチャネルス
トップとなっている。
【００１９】図５におけるＯＦＤにおいては、Ｎ型半導
体領域による電位障壁部が、ナローチャネル効果を用い
て両脇のバリア間の距離Ｗを所定の幅に設定することに
より設けられ、この部分における電位障壁ΨＢは、チャ
ネルストップによる電位障壁ΨＨＢよりも低くなってい
る。Ｎ型半導体領域５５からなる電位障壁部の隣に不要
な電荷を基板に排出する不要電荷排出部となるＮ＋型半
導体領域５６、および、バスライン配線形成領域５７が
設けられている。さらに、Ｎ型半導体領域５３、Ｐ＋型
半導体領域５８、Ｎ型半導体領域５５及びＮ＋型半導体
領域５６の上部には、第１層電極１ＰＳ６０、及び第２
層電極２ＰＳ６１が形成されている。
体領域による電位障壁部が、ナローチャネル効果を用い
て両脇のバリア間の距離Ｗを所定の幅に設定することに
より設けられ、この部分における電位障壁ΨＢは、チャ
ネルストップによる電位障壁ΨＨＢよりも低くなってい
る。Ｎ型半導体領域５５からなる電位障壁部の隣に不要
な電荷を基板に排出する不要電荷排出部となるＮ＋型半
導体領域５６、および、バスライン配線形成領域５７が
設けられている。さらに、Ｎ型半導体領域５３、Ｐ＋型
半導体領域５８、Ｎ型半導体領域５５及びＮ＋型半導体
領域５６の上部には、第１層電極１ＰＳ６０、及び第２
層電極２ＰＳ６１が形成されている。
【００２０】具体的にＣＣＤ固体撮像素子１０におい
て、ＯＦＤのバリアの電位ΨＢを所定値に設定すること
により、ＯＦＤが設けられた転送部の蓄積可能な電荷量
ＱＬＨを制限し、これにより光電変換部Ａより出力され
る蓄積電荷を、この電荷量ＱＬＨにスライスする。この
とき、蓄積可能な電荷量ＱＬＨを設定することにより、
余剰の蓄積電荷については、ＯＦＤにおけるバリアを介
して不要電荷排出部より排出する。
て、ＯＦＤのバリアの電位ΨＢを所定値に設定すること
により、ＯＦＤが設けられた転送部の蓄積可能な電荷量
ＱＬＨを制限し、これにより光電変換部Ａより出力され
る蓄積電荷を、この電荷量ＱＬＨにスライスする。この
とき、蓄積可能な電荷量ＱＬＨを設定することにより、
余剰の蓄積電荷については、ＯＦＤにおけるバリアを介
して不要電荷排出部より排出する。
【００２１】このＯＦＤが設けられた水平ＣＣＤ内の１
転送部上の水平転送電極ＬＨの蓄積可能な電荷量ＱＬＨ
が、水平転送素子４の他の電極が転送可能な電荷量ＱＨ
より小さくなり、さらにＱＳより小さくなるように設定
し、これにより飽和ムラを有効に回避する。即ち、ＱＬ
Ｈ＜ＱＨとＱＬＨ＜ＱＳの関係が成立するように５４の
電位障壁部における内部ポテンシャルΨＢを設定する。
転送部上の水平転送電極ＬＨの蓄積可能な電荷量ＱＬＨ
が、水平転送素子４の他の電極が転送可能な電荷量ＱＨ
より小さくなり、さらにＱＳより小さくなるように設定
し、これにより飽和ムラを有効に回避する。即ち、ＱＬ
Ｈ＜ＱＨとＱＬＨ＜ＱＳの関係が成立するように５４の
電位障壁部における内部ポテンシャルΨＢを設定する。
【００２２】なお、本発明におけるＯＦＤの電位障壁部
５５はナローチャネル効果を用いて設けられているが、
通常のＰ型不純物の注入により電位障壁部を設けてもよ
い。図６に図１のＣＣＤ固体撮像素子における水平転送
素子及び電荷検出部を示す。なお点線６で囲まれた領域
はＯＦＤが形成された転送部及び上部電極を示してい
る。図６の断面図に示すように、水平転送素子４には、
垂直転送素子３に対応したピッチにより第１層電極１Ｐ
Ｓが形成された後、Ｐ形不純物をイオン注入することに
より第１層電極１ＰＳ間に内部ポテンシャルの浅いＮ−
型半導体領域５４が形成される。続いて水平転送素子４
は、第１層電極１ＰＳ間に、一部積層して第２層電極２
ＰＳが形成され、隣接する第１層電極及び第２層電極を
接続して形成される。
５５はナローチャネル効果を用いて設けられているが、
通常のＰ型不純物の注入により電位障壁部を設けてもよ
い。図６に図１のＣＣＤ固体撮像素子における水平転送
素子及び電荷検出部を示す。なお点線６で囲まれた領域
はＯＦＤが形成された転送部及び上部電極を示してい
る。図６の断面図に示すように、水平転送素子４には、
垂直転送素子３に対応したピッチにより第１層電極１Ｐ
Ｓが形成された後、Ｐ形不純物をイオン注入することに
より第１層電極１ＰＳ間に内部ポテンシャルの浅いＮ−
型半導体領域５４が形成される。続いて水平転送素子４
は、第１層電極１ＰＳ間に、一部積層して第２層電極２
ＰＳが形成され、隣接する第１層電極及び第２層電極を
接続して形成される。
【００２３】次に、電荷検出部の一例に関して説明を行
う。電荷検出部５は、水平転送素子４の第１層電極１Ｐ
Ｓ又は第２層電極２ＰＳを形成する際に、同時にリセッ
トゲートＲＧの電極が形成され、また水平転送素子４の
第２層電極２ＰＳを形成する際に、同時に出力ゲートＨ
ＯＧの電極が形成される。電荷検出部５は、ＲＧ及びＨ
ＯＧ間の領域に、別途Ｎ形不純物がイオン注入され、Ｒ
Ｇの両側のポテンシャルが深く設定される。これにより
電荷検出部５は、ＲＧ及びＨＯＧ間の領域がフローティ
ングディフュージョン部ＦＤに、リセットゲートＲＧの
外側の領域がリセットドレインＲＤに割り当てられる。
う。電荷検出部５は、水平転送素子４の第１層電極１Ｐ
Ｓ又は第２層電極２ＰＳを形成する際に、同時にリセッ
トゲートＲＧの電極が形成され、また水平転送素子４の
第２層電極２ＰＳを形成する際に、同時に出力ゲートＨ
ＯＧの電極が形成される。電荷検出部５は、ＲＧ及びＨ
ＯＧ間の領域に、別途Ｎ形不純物がイオン注入され、Ｒ
Ｇの両側のポテンシャルが深く設定される。これにより
電荷検出部５は、ＲＧ及びＨＯＧ間の領域がフローティ
ングディフュージョン部ＦＤに、リセットゲートＲＧの
外側の領域がリセットドレインＲＤに割り当てられる。
【００２４】さらにこの具体例では、このＨＯＧにＨ２
がオンの状態と同程度の一定電圧ＶＣＣを印加すること
により、ＯＦＤの設けられた転送部における電荷検出部
に面した電位障壁が常にΨＢよりも低くならないように
設定する。さらに各光電変換部に対応した撮像信号を順
次出力する通常のＣＣＤ固体撮像素子と異なり、ＲＧを
オン状態に設定するタイミングを水平転送パルスの２周
期単位に設定し、これによりＦＤにおいて、高感度及び
低感度の蓄積電荷Ａ及びＢを加算する。
がオンの状態と同程度の一定電圧ＶＣＣを印加すること
により、ＯＦＤの設けられた転送部における電荷検出部
に面した電位障壁が常にΨＢよりも低くならないように
設定する。さらに各光電変換部に対応した撮像信号を順
次出力する通常のＣＣＤ固体撮像素子と異なり、ＲＧを
オン状態に設定するタイミングを水平転送パルスの２周
期単位に設定し、これによりＦＤにおいて、高感度及び
低感度の蓄積電荷Ａ及びＢを加算する。
【００２５】即ち、図７に示すように、水平転送素子４
は、相補的に信号レベルが変化する２相の駆動パルスＨ
１及びＨ２（図７（Ａ）及び（Ｂ））により駆動されて
蓄積電荷を順次転送する。電荷検出部５は、駆動パルス
Ｈ１及びＨ２の２周期毎に信号レベルが立ち上がるよう
に、且つこの駆動パルスＨ１及びＨ２の信号レベルが切
り換わるタイミングを間に挟んで信号レベルが立ち上が
るように、リセットパルスが生成され（図７（Ｃ））、
このリセットパルスによりＲＧが駆動される。
は、相補的に信号レベルが変化する２相の駆動パルスＨ
１及びＨ２（図７（Ａ）及び（Ｂ））により駆動されて
蓄積電荷を順次転送する。電荷検出部５は、駆動パルス
Ｈ１及びＨ２の２周期毎に信号レベルが立ち上がるよう
に、且つこの駆動パルスＨ１及びＨ２の信号レベルが切
り換わるタイミングを間に挟んで信号レベルが立ち上が
るように、リセットパルスが生成され（図７（Ｃ））、
このリセットパルスによりＲＧが駆動される。
【００２６】これにより各電極との対比により図８に示
すように、リセットパルスが立ち上がった直後の時点Ｔ
１において（図８（Ａ）及び（Ｂ））、水平転送素子４
及び電荷検出部５は、それまでＦＤに保持していた１画
素前の蓄積電荷をＲＤより放電する。続いて駆動パルス
Ｈ１及びＨ２の信号レベルが切り換わる直前の時点Ｔ３
においてＦＤは、リセットパルスが立ち下がっているこ
とにより、ＲＧは遮断され、蓄積電荷を保持可能な状態
に切り換えられて保持される。そして、Ｔ２やＴ３にお
けるＨ１がオン、Ｈ２がオフの期間中にＯＦＤが設けら
れた転送部においては余剰な電荷は不要電荷排出部に吐
き出され高輝度信号によって発生した電荷はＱＬＨの量
に一定にスライスされる。
すように、リセットパルスが立ち上がった直後の時点Ｔ
１において（図８（Ａ）及び（Ｂ））、水平転送素子４
及び電荷検出部５は、それまでＦＤに保持していた１画
素前の蓄積電荷をＲＤより放電する。続いて駆動パルス
Ｈ１及びＨ２の信号レベルが切り換わる直前の時点Ｔ３
においてＦＤは、リセットパルスが立ち下がっているこ
とにより、ＲＧは遮断され、蓄積電荷を保持可能な状態
に切り換えられて保持される。そして、Ｔ２やＴ３にお
けるＨ１がオン、Ｈ２がオフの期間中にＯＦＤが設けら
れた転送部においては余剰な電荷は不要電荷排出部に吐
き出され高輝度信号によって発生した電荷はＱＬＨの量
に一定にスライスされる。
【００２７】これにより続いて駆動パルスＨ１及びＨ２
の信号レベルが切り換わると、時点Ｔ３において図８
（Ｄ）に示すように、水平転送素子４及び電荷検出部５
は、ＨＯＧを介して高感度の蓄積電荷ＡをＦＤに転送保
持し、続く駆動パルスＨ１及びＨ２の信号レベルの切り
換わりに応動して（図８（Ｅ）及び（Ｆ）、時点Ｔ４及
びＴ５）、このＦＤに低感度の蓄積電荷Ｂを転送する。
の信号レベルが切り換わると、時点Ｔ３において図８
（Ｄ）に示すように、水平転送素子４及び電荷検出部５
は、ＨＯＧを介して高感度の蓄積電荷ＡをＦＤに転送保
持し、続く駆動パルスＨ１及びＨ２の信号レベルの切り
換わりに応動して（図８（Ｅ）及び（Ｆ）、時点Ｔ４及
びＴ５）、このＦＤに低感度の蓄積電荷Ｂを転送する。
【００２８】従って、この具体例において、増幅回路６
より出力される撮像信号Ｓ１（図７（Ｄ））は、ＲＧの
信号レベルが立ち上げられている期間の間（時点Ｔ１に
対応する）、リセットレベルに保持されるのに対し、Ｆ
Ｄに高感度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂが保持
されている期間の間は（時点Ｔ６に対応する）、スライ
スされた高感度の蓄積電荷Ａと低感度の蓄積電荷Ｂとを
加算した信号レベルに保持されることになる。
より出力される撮像信号Ｓ１（図７（Ｄ））は、ＲＧの
信号レベルが立ち上げられている期間の間（時点Ｔ１に
対応する）、リセットレベルに保持されるのに対し、Ｆ
Ｄに高感度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂが保持
されている期間の間は（時点Ｔ６に対応する）、スライ
スされた高感度の蓄積電荷Ａと低感度の蓄積電荷Ｂとを
加算した信号レベルに保持されることになる。
【００２９】これにより、この具体例では、ＣＣＤ固体
撮像素子１０の出力信号を処理する相関二乗サンプリン
グ回路において、この時点Ｔ３及びＴ６に対応するサン
プルホールドパルスＳＨ１及びＳＨ２（図７（Ｅ−１）
及び（Ｅ−２））により撮像信号Ｓ１をそれぞれサンプ
ルホールドした後、これらのサンプルホールド結果を減
算することにより、蓄積電荷Ａ及びＢを加算してなるダ
イナミックレンジの大きな撮像結果を得ることができ
る。
撮像素子１０の出力信号を処理する相関二乗サンプリン
グ回路において、この時点Ｔ３及びＴ６に対応するサン
プルホールドパルスＳＨ１及びＳＨ２（図７（Ｅ−１）
及び（Ｅ−２））により撮像信号Ｓ１をそれぞれサンプ
ルホールドした後、これらのサンプルホールド結果を減
算することにより、蓄積電荷Ａ及びＢを加算してなるダ
イナミックレンジの大きな撮像結果を得ることができ
る。
【００３０】以上の構成において、ＣＣＤ固体撮像素子
１０の入射光は、縦ストライプの減光フィルタにより、
水平方向に連続する光電変換部２に対して、交互に入射
光量が低減されて入射し、ここで光電変換されて蓄積電
荷が生成される。これにより減光フィルタにより入射光
量が減じられない高感度の光電変換部と、減光フィルタ
により入射光量が減じられる低感度の光電変換部とが水
平方向に順次形成される。
１０の入射光は、縦ストライプの減光フィルタにより、
水平方向に連続する光電変換部２に対して、交互に入射
光量が低減されて入射し、ここで光電変換されて蓄積電
荷が生成される。これにより減光フィルタにより入射光
量が減じられない高感度の光電変換部と、減光フィルタ
により入射光量が減じられる低感度の光電変換部とが水
平方向に順次形成される。
【００３１】これら高感度及び低感度の光電変換部で生
成された高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、所定
周期で垂直転送素子３に読み出された後、この垂直転送
素子３を水平転送素子４に向かって１ライン毎に転送さ
れる。これによりＣＣＤ固体撮像素子１０では、水平方
向に隣接する高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢが、
交互に電荷検出部５に出力される。
成された高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、所定
周期で垂直転送素子３に読み出された後、この垂直転送
素子３を水平転送素子４に向かって１ライン毎に転送さ
れる。これによりＣＣＤ固体撮像素子１０では、水平方
向に隣接する高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢが、
交互に電荷検出部５に出力される。
【００３２】このとき、ＯＦＤが設けられた水平ＣＣＤ
内の１転送部においては、ナローチャネル効果によりＯ
ＦＤの電位障壁部及び不要電荷排出部が形成されてお
り、電位障壁部のバリアの高さΨＢは一定の高さに保持
されている（図５）。このことにより、ＯＦＤが設けら
れた転送部の蓄積可能な電荷量が所定の電荷量ＱＬＨ
（図２）に設定されていることから、各蓄積電荷Ａ及び
Ｂにおいて、この電荷量ＱＬＨを越える余剰の蓄積電荷
がＯＦＤにおける電位障壁部より不要電荷排出部に溢れ
出し、図７のＴ２〜３の期間中にＯＦＤ部における電位
障壁部より不要電荷排出部に放電される。これにより高
感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、ＯＦＤが形成さ
れた転送部により電荷量ＱＬＨに制限されて電荷検出部
５に転送される。
内の１転送部においては、ナローチャネル効果によりＯ
ＦＤの電位障壁部及び不要電荷排出部が形成されてお
り、電位障壁部のバリアの高さΨＢは一定の高さに保持
されている（図５）。このことにより、ＯＦＤが設けら
れた転送部の蓄積可能な電荷量が所定の電荷量ＱＬＨ
（図２）に設定されていることから、各蓄積電荷Ａ及び
Ｂにおいて、この電荷量ＱＬＨを越える余剰の蓄積電荷
がＯＦＤにおける電位障壁部より不要電荷排出部に溢れ
出し、図７のＴ２〜３の期間中にＯＦＤ部における電位
障壁部より不要電荷排出部に放電される。これにより高
感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、ＯＦＤが形成さ
れた転送部により電荷量ＱＬＨに制限されて電荷検出部
５に転送される。
【００３３】さらにこの電荷検出部５において、ＲＤに
印加されるリセットパルス（図７（Ｃ））が駆動パルス
Ｈ１、Ｈ２の２周期毎に立ち上げられ、ＦＤの蓄積電荷
が２周期毎に放電されることにより、高感度の蓄積電荷
ＡがＦＤに保持されたままの状態で、続く低感度の蓄積
電荷ＢがＦＤに転送される（図８（Ｄ）〜（Ｆ））。こ
れにより連続して電荷検出部５に転送される高感度及び
低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、ＦＤにおいて加算され、
ＣＣＤ固体撮像素子１０では、水平方向に連続する２つ
の光電変換部２を１つの画素に設定してダイナミックレ
ンジが拡大される。
印加されるリセットパルス（図７（Ｃ））が駆動パルス
Ｈ１、Ｈ２の２周期毎に立ち上げられ、ＦＤの蓄積電荷
が２周期毎に放電されることにより、高感度の蓄積電荷
ＡがＦＤに保持されたままの状態で、続く低感度の蓄積
電荷ＢがＦＤに転送される（図８（Ｄ）〜（Ｆ））。こ
れにより連続して電荷検出部５に転送される高感度及び
低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、ＦＤにおいて加算され、
ＣＣＤ固体撮像素子１０では、水平方向に連続する２つ
の光電変換部２を１つの画素に設定してダイナミックレ
ンジが拡大される。
【００３４】このようにしてＦＤにおける蓄積電荷の変
化は、増幅回路６を介して撮像信号Ｓ１として出力され
る（図７（Ｄ））。これにより続く相関二重サンプリン
グ回路において、ＦＤの蓄積電荷を放電したタイミング
（図７（Ｅ−１）によるサンプルホールド効果と、ＦＤ
に高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢを蓄積したタイ
ミング（図７（Ｅ−２））によるサンプルホールド結果
とを減算して、ダイナミックレンジを拡大してなる撮像
結果を得ることができる（図２〜図４）。
化は、増幅回路６を介して撮像信号Ｓ１として出力され
る（図７（Ｄ））。これにより続く相関二重サンプリン
グ回路において、ＦＤの蓄積電荷を放電したタイミング
（図７（Ｅ−１）によるサンプルホールド効果と、ＦＤ
に高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢを蓄積したタイ
ミング（図７（Ｅ−２））によるサンプルホールド結果
とを減算して、ダイナミックレンジを拡大してなる撮像
結果を得ることができる（図２〜図４）。
【００３５】以上の構成によれば、第１に、高感度の蓄
積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂとが連続して電荷検出
部５に入力するようにし、またＯＦＤ部の電位障壁部Ψ
ＢのポテンシャルによりＯＦＤが設けられた転送部に保
持可能な電荷量を設定して蓄積電荷量を制限し、さらに
ＦＤにおける蓄積電荷の放電を２周期毎に実行して高感
度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂを加算すること
により、簡易な構成で、水平方向に隣接する高感度の光
電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂとを１画素に設定
してなる撮像結果を出力することができ、これによりダ
イナミックレンジを拡大することができる。
積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂとが連続して電荷検出
部５に入力するようにし、またＯＦＤ部の電位障壁部Ψ
ＢのポテンシャルによりＯＦＤが設けられた転送部に保
持可能な電荷量を設定して蓄積電荷量を制限し、さらに
ＦＤにおける蓄積電荷の放電を２周期毎に実行して高感
度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂを加算すること
により、簡易な構成で、水平方向に隣接する高感度の光
電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂとを１画素に設定
してなる撮像結果を出力することができ、これによりダ
イナミックレンジを拡大することができる。
【００３６】第２に、従来のように高感度の撮像信号と
低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子より
出力する必要がなく、その分ＣＣＤ固体撮像素子の構成
が煩雑にはならない。第３に、従来では、光電変換素子
個々でクリップ動作を行っていたため、読み出し電圧の
しきい値のムラが固定パターンノイズとして現れていた
が、これも同一の箇所にてクリップ動作を行うことによ
り解除される。
低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子より
出力する必要がなく、その分ＣＣＤ固体撮像素子の構成
が煩雑にはならない。第３に、従来では、光電変換素子
個々でクリップ動作を行っていたため、読み出し電圧の
しきい値のムラが固定パターンノイズとして現れていた
が、これも同一の箇所にてクリップ動作を行うことによ
り解除される。
【００３７】図９は、本発明の第２の具体例のＣＣＤ固
体撮像素子を示す平面図である。このＣＣＤ固体撮像素
子２０においては、第１の具体例の減光フィルタの配列
を水平方向に代えて垂直方向に形成し、これにより垂直
方向に連続して高感度の光電変換部Ａ及び低感度の光電
変換部Ｂを形成する。また水平転送素子２１は、垂直転
送素子３の形成ピッチに比して１／２のピッチにより転
送電極が形成され、駆動パルスにより、垂直転送素子３
から１ライン分、高感度の蓄積電荷Ａを入力すると、こ
の高感度の蓄積電荷Ａを電荷検出部５に向かって１転送
周期分転送した後、続いて垂直転送素子３から１ライン
分、低感度の蓄積電荷Ｂを入力する。
体撮像素子を示す平面図である。このＣＣＤ固体撮像素
子２０においては、第１の具体例の減光フィルタの配列
を水平方向に代えて垂直方向に形成し、これにより垂直
方向に連続して高感度の光電変換部Ａ及び低感度の光電
変換部Ｂを形成する。また水平転送素子２１は、垂直転
送素子３の形成ピッチに比して１／２のピッチにより転
送電極が形成され、駆動パルスにより、垂直転送素子３
から１ライン分、高感度の蓄積電荷Ａを入力すると、こ
の高感度の蓄積電荷Ａを電荷検出部５に向かって１転送
周期分転送した後、続いて垂直転送素子３から１ライン
分、低感度の蓄積電荷Ｂを入力する。
【００３８】これによりこのＣＣＤ固体撮像素子２０で
は、水平転送素子２１に蓄積電荷を入力する際に、垂直
方向に連続する２ラインの蓄積電荷Ａ及びＢが交互に連
続するように蓄積電荷Ａ及びＢを配列し、これら蓄積電
荷Ａ及びＢを電荷検出部５において第１の具体例と同様
に処理する。これによりこの具体例では、垂直方向に連
続する２つの光電変換部２により１画素を形成し、ダイ
ナミックレンジを拡大した撮像結果を出力する。
は、水平転送素子２１に蓄積電荷を入力する際に、垂直
方向に連続する２ラインの蓄積電荷Ａ及びＢが交互に連
続するように蓄積電荷Ａ及びＢを配列し、これら蓄積電
荷Ａ及びＢを電荷検出部５において第１の具体例と同様
に処理する。これによりこの具体例では、垂直方向に連
続する２つの光電変換部２により１画素を形成し、ダイ
ナミックレンジを拡大した撮像結果を出力する。
【００３９】図９に示す構成によれば、垂直方向に高感
度の光電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂを形成して
も、第１の具体例と同様の効果を得ることができる。図
１０は、本発明の第３の具体例のＣＣＤ固体撮像素子を
示す平面図であり、このＣＣＤ固体撮像素子３０におい
ては、光電変換部２の電荷蓄積時間を可変し、垂直方向
に高感度の光電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂを交
互に形成する。
度の光電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂを形成して
も、第１の具体例と同様の効果を得ることができる。図
１０は、本発明の第３の具体例のＣＣＤ固体撮像素子を
示す平面図であり、このＣＣＤ固体撮像素子３０におい
ては、光電変換部２の電荷蓄積時間を可変し、垂直方向
に高感度の光電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂを交
互に形成する。
【００４０】具体的には、ある一定の期間の後に基板シ
ャッタを用い、基板への掃き出し動作を行った後、蓄積
を行い、蓄積期間が終了した後に、トランスファゲート
部を介して光電変換部Ａからのみ垂直ＣＣＤレジスタへ
の読み出しを行う。その後、光電変換部Ａよりも蓄積期
間が長くなるように、光電変換部Ｂにおいては、基板シ
ャッタを行わないで光電変換部Ａの蓄積時間を含め、次
の垂直ＣＣＤレジスタへの読み出し時まで蓄積を行い、
その後、蓄積期間が終了した後に、トランスファゲート
部を介して光電変換部Ｂからのみ垂直ＣＣＤレジスタへ
の読み出しを行う。
ャッタを用い、基板への掃き出し動作を行った後、蓄積
を行い、蓄積期間が終了した後に、トランスファゲート
部を介して光電変換部Ａからのみ垂直ＣＣＤレジスタへ
の読み出しを行う。その後、光電変換部Ａよりも蓄積期
間が長くなるように、光電変換部Ｂにおいては、基板シ
ャッタを行わないで光電変換部Ａの蓄積時間を含め、次
の垂直ＣＣＤレジスタへの読み出し時まで蓄積を行い、
その後、蓄積期間が終了した後に、トランスファゲート
部を介して光電変換部Ｂからのみ垂直ＣＣＤレジスタへ
の読み出しを行う。
【００４１】このように減光フィルタに代えて、光電変
換部２での電荷蓄積時間を可変にすることにより高感度
及び低感度の光電変換部を形成しても、上述の実施の形
態と同様の効果を得ることができる。なお、光電変換部
２での電荷蓄積時間を可変にする方法としては、基板シ
ャッタによる蓄積開始時間を任意の時間に設定する方法
以外に、固体撮像素子の一方の出力からの信号読み出し
のタイミングを可変にすることによって両者の信号の蓄
積時間を変化させることにより一個の固体撮像素子３０
から感度の異なる二種類以上の信号を取り出すこともで
きる。
換部２での電荷蓄積時間を可変にすることにより高感度
及び低感度の光電変換部を形成しても、上述の実施の形
態と同様の効果を得ることができる。なお、光電変換部
２での電荷蓄積時間を可変にする方法としては、基板シ
ャッタによる蓄積開始時間を任意の時間に設定する方法
以外に、固体撮像素子の一方の出力からの信号読み出し
のタイミングを可変にすることによって両者の信号の蓄
積時間を変化させることにより一個の固体撮像素子３０
から感度の異なる二種類以上の信号を取り出すこともで
きる。
【００４２】
【発明の効果】上述のように本発明によれば、高感度の
光電変換部と低感度の光電変換部とを隣接して配置し、
水平転送素子のアンプに近く、垂直転送素子からの電荷
が直接転送されない、いわゆる水平空転送素子の一ヶ所
にＯＦＤを設けることにより、従来のように高感度の撮
像信号と低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像
素子より出力する必要がなく、その分ＣＣＤ固体撮像素
子の構成が煩雑になる問題もない。また本発明において
は、ＣＣＤ固体撮像素子から１系統により撮像信号を出
力して別途分離処理するが、その場合においても従来の
ように増幅回路の帯域を２倍に拡大する必要はない。
光電変換部と低感度の光電変換部とを隣接して配置し、
水平転送素子のアンプに近く、垂直転送素子からの電荷
が直接転送されない、いわゆる水平空転送素子の一ヶ所
にＯＦＤを設けることにより、従来のように高感度の撮
像信号と低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像
素子より出力する必要がなく、その分ＣＣＤ固体撮像素
子の構成が煩雑になる問題もない。また本発明において
は、ＣＣＤ固体撮像素子から１系統により撮像信号を出
力して別途分離処理するが、その場合においても従来の
ように増幅回路の帯域を２倍に拡大する必要はない。
【００４３】また、従来技術では、光電変換素子個々で
クリップ動作を行っていたため、読み出し電圧のしきい
値のムラが固定パターンノイズとして現れていたが、こ
れも同一の箇所にてクリップ動作を行うことにより解決
される。このように本発明に従い、高感度の光電変換部
より出力される蓄積電荷を一定レベルに制限した後、フ
ローティングディフュージョン部において低感度の蓄積
電荷と加算することにより、簡易な構成でダイナミック
レンジを拡大した撮像結果を得ることができる。
クリップ動作を行っていたため、読み出し電圧のしきい
値のムラが固定パターンノイズとして現れていたが、こ
れも同一の箇所にてクリップ動作を行うことにより解決
される。このように本発明に従い、高感度の光電変換部
より出力される蓄積電荷を一定レベルに制限した後、フ
ローティングディフュージョン部において低感度の蓄積
電荷と加算することにより、簡易な構成でダイナミック
レンジを拡大した撮像結果を得ることができる。
【００４４】なお、本発明は上記各実施例に限定され
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適
宜変更され得ることは明らかである。
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適
宜変更され得ることは明らかである。
【図１】本発明の第１の具体例のＣＣＤ固体撮像素子を
示す平面図である。
示す平面図である。
【図２】図１のＣＣＤ固体撮像素子における高感度の光
電変換部の特性を示す特性曲線である。
電変換部の特性を示す特性曲線である。
【図３】図１のＣＣＤ固体撮像素子における低感度の光
電変換部の特性を示す特性曲線である。
電変換部の特性を示す特性曲線である。
【図４】図２及び図３の特性より得られる図１のＣＣＤ
固体撮像素子の総合特性を示す特性曲線である。
固体撮像素子の総合特性を示す特性曲線である。
【図５】本発明の第１の具体例のオーバーフロードレイ
ンを示す平面図、断面図及びポテンシャル図である。
ンを示す平面図、断面図及びポテンシャル図である。
【図６】図１のＣＣＤ固体撮像素子における水平転送素
子及び電荷検出部を示す断面図である。
子及び電荷検出部を示す断面図である。
【図７】図１のＣＣＤ固体撮像素子の駆動信号を示す信
号波形図である。
号波形図である。
【図８】図１のＣＣＤ固体撮像素子の動作を説明する図
である。
である。
【図９】本発明の第２の具体例のＣＣＤ固体撮像素子を
示す平面図である。
示す平面図である。
【図１０】本発明の第３の具体例のＣＣＤ固体撮像素子
を示す平面図である。
を示す平面図である。
【図１１】従来のＣＣＤ固体撮像素子を示す平面図であ
る。
る。
【図１２】従来のＣＣＤ固体撮像素子を示す平面図であ
る。
る。
１、２０、３０……ＣＣＤ固体撮像素子 ２……光電変換部、３……垂直転送素子、４，２１……
水平転送素子 ５……電荷検出部、６……ＯＦＤが形成された転送部及
び上部水平転送電極 ＦＤ……フローティングディフュージョン部、ＨＯＧ…
…出力ゲート ＬＨ……ＯＦＤが設けられた水平ＣＣＤ内の１転送部上
の水平転送電極 ５１……Ｎ型半導体基板、５２……Ｐ−ｗｅｌｌ、５
３，５５……Ｎ型半導体領域 ５４……Ｎ−型半導体領域、５６……Ｎ＋型半導体領域 ５７……バスライン配線形成領域、５８……Ｐ＋型半導
体領域 ５９……絶縁膜、６０……第１層電極、６１……第２層
電極
水平転送素子 ５……電荷検出部、６……ＯＦＤが形成された転送部及
び上部水平転送電極 ＦＤ……フローティングディフュージョン部、ＨＯＧ…
…出力ゲート ＬＨ……ＯＦＤが設けられた水平ＣＣＤ内の１転送部上
の水平転送電極 ５１……Ｎ型半導体基板、５２……Ｐ−ｗｅｌｌ、５
３，５５……Ｎ型半導体領域 ５４……Ｎ−型半導体領域、５６……Ｎ＋型半導体領域 ５７……バスライン配線形成領域、５８……Ｐ＋型半導
体領域 ５９……絶縁膜、６０……第１層電極、６１……第２層
電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年３月２９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 固体撮像装置
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 固体撮像装置
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に関
する。
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ＣＣＤ固体撮像素子においては、
２次元状に配置した光電変換部より出力される蓄積電荷
を、インタライン転送方式またはプログレッシブ転送方
式により順次出力して撮像結果を出力するようになされ
ている。図１１は、この種のＣＣＤ固体撮像素子を示す
平面図である。ＣＣＤ固体撮像素子１は、光電変換部２
がマトリックス状に配置されると共に、水平方向に連続
するこれら光電変換部２の間に、垂直転送素子３が配置
され、この垂直転送素子３の下端に、水平転送素子４が
配置される。ここで光電変換部２は、入射光を光電変換
して蓄積電荷を生成する。各垂直転送素子３は、例えば
４相の駆動パルスにより駆動されて、各光電変換部２の
蓄積電荷を一定周期で読み出し、読み出した蓄積電荷を
水平転送素子４に順次転送する。
２次元状に配置した光電変換部より出力される蓄積電荷
を、インタライン転送方式またはプログレッシブ転送方
式により順次出力して撮像結果を出力するようになされ
ている。図１１は、この種のＣＣＤ固体撮像素子を示す
平面図である。ＣＣＤ固体撮像素子１は、光電変換部２
がマトリックス状に配置されると共に、水平方向に連続
するこれら光電変換部２の間に、垂直転送素子３が配置
され、この垂直転送素子３の下端に、水平転送素子４が
配置される。ここで光電変換部２は、入射光を光電変換
して蓄積電荷を生成する。各垂直転送素子３は、例えば
４相の駆動パルスにより駆動されて、各光電変換部２の
蓄積電荷を一定周期で読み出し、読み出した蓄積電荷を
水平転送素子４に順次転送する。
【０００３】水平転送素子４は、例えば２相の駆動パル
スにより駆動されて、垂直転送素子３より転送される蓄
積電荷を電荷検出部５に向かって順次転送し電荷検出部
５より出力する。電荷検出部５は、この蓄積電荷を出力
ゲートＨＯＧを介してフローティングディフュージョン
部ＦＤに蓄積し、増幅回路６を介して電気信号として出
力する。また電荷検出部５は、このフローディングディ
フュージョン部ＦＤに隣接してリセットゲートＲＧ及び
リセットドレインＲＤが順次形成され、必要に応じてフ
ローディングディフュージョン部ＦＤの蓄積電荷を放電
する。これによりＣＣＤ固体撮像素子１では、各光電変
換部２により生成された蓄積電荷を電気信号に変換して
出力するようになされている。
スにより駆動されて、垂直転送素子３より転送される蓄
積電荷を電荷検出部５に向かって順次転送し電荷検出部
５より出力する。電荷検出部５は、この蓄積電荷を出力
ゲートＨＯＧを介してフローティングディフュージョン
部ＦＤに蓄積し、増幅回路６を介して電気信号として出
力する。また電荷検出部５は、このフローディングディ
フュージョン部ＦＤに隣接してリセットゲートＲＧ及び
リセットドレインＲＤが順次形成され、必要に応じてフ
ローディングディフュージョン部ＦＤの蓄積電荷を放電
する。これによりＣＣＤ固体撮像素子１では、各光電変
換部２により生成された蓄積電荷を電気信号に変換して
出力するようになされている。
【０００４】ところで、現在のＣＣＤ固体撮像素子にお
いては、チップサイズの縮小や多画素化の為にセルサイ
ズの縮小が図られているが、セルサイズ縮小に伴い光電
変換部及び垂直転送素子が小さくなり、このことにより
ダイナミックレンジが低下する。よって、ダイナミック
レンジの改善が求められている。この１つの方法とし
て、菰淵他は、１９９５年のＩＥＥＥワークショップ予
稿集、アイイーイーイーワークショプ（ＩＥＥＥ Ｗｏ
ｒｋｓｓｈｏｐ）の「１／４ Ｉｎｃｈ ＮＴＳＣ Ｆ
ｏｒｍａｔ Ｈｙｐｅｒ−Ｄ ＩＬ−ＣＣＤ」において
高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とを隣接して
配置し、ＣＣＤ固体撮像素子１より出力される撮像信号
を外部回路により処理する方法を提案している。ＣＣＤ
固体撮像素子１の隣接する光電変換部２において、電荷
蓄積時間を異なる時間に設定することにより、高感度の
光電変換部と低感度の光電変換部とを形成する。さらに
隣接する高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とで
１対の画素を形成するように、外部回路において、この
高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とから得られ
る撮像信号を加算する。このとき高感度の光電変換部よ
り出力される撮像信号においては、一定のスライスレベ
ルでスライスして加算する。
いては、チップサイズの縮小や多画素化の為にセルサイ
ズの縮小が図られているが、セルサイズ縮小に伴い光電
変換部及び垂直転送素子が小さくなり、このことにより
ダイナミックレンジが低下する。よって、ダイナミック
レンジの改善が求められている。この１つの方法とし
て、菰淵他は、１９９５年のＩＥＥＥワークショップ予
稿集、アイイーイーイーワークショプ（ＩＥＥＥ Ｗｏ
ｒｋｓｓｈｏｐ）の「１／４ Ｉｎｃｈ ＮＴＳＣ Ｆ
ｏｒｍａｔ Ｈｙｐｅｒ−Ｄ ＩＬ−ＣＣＤ」において
高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とを隣接して
配置し、ＣＣＤ固体撮像素子１より出力される撮像信号
を外部回路により処理する方法を提案している。ＣＣＤ
固体撮像素子１の隣接する光電変換部２において、電荷
蓄積時間を異なる時間に設定することにより、高感度の
光電変換部と低感度の光電変換部とを形成する。さらに
隣接する高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とで
１対の画素を形成するように、外部回路において、この
高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とから得られ
る撮像信号を加算する。このとき高感度の光電変換部よ
り出力される撮像信号においては、一定のスライスレベ
ルでスライスして加算する。
【０００５】ところがこの方法の場合、高感度の撮像信
号と低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子
より出力する必要があり、その分ＣＣＤ固体撮像素子の
構成が煩雑になる問題がある。またＣＣＤ固体撮像素子
から１系統により撮像信号を出力して別途分離処理する
方法もあるが、この場合同一解像度の撮像結果を得よう
とすると、その分増幅回路６の帯域を２倍に拡大する必
要があり、また外部回路の構成も、複雑になる問題があ
る。
号と低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子
より出力する必要があり、その分ＣＣＤ固体撮像素子の
構成が煩雑になる問題がある。またＣＣＤ固体撮像素子
から１系統により撮像信号を出力して別途分離処理する
方法もあるが、この場合同一解像度の撮像結果を得よう
とすると、その分増幅回路６の帯域を２倍に拡大する必
要があり、また外部回路の構成も、複雑になる問題があ
る。
【０００６】他の方法としては、図１２に示したよう
に、光電変換素子個々で基板方向に高輝度信号による過
剰な電荷を掃き出す事によりクリップ動作を行う方法が
知られている。これは、以下のような方法である。基板
に排出することにより感光画素ごとにクリップ動作を行
う縦型オーバーフロードレイン構造をもつ固体撮像装置
において、高感度の光電変換部Ａから読み出された電荷
及び低感度の光電変換部Ｂから読み出された電荷がそれ
ぞれ水平ＣＣＤの中で交互に配置するように転送し、そ
の後、水平ＣＣＤにおいては、アンプ部の方向に転送さ
れる。この際、高感度の光電変換部Ａは、縦型オーバー
フロードレイン構造により高輝度信号により発生した電
荷は個々に縦型オーバーフロードレイン構造により定ま
る光電変換部における最大電荷量（以下ニーポイントに
おける電荷量と記載する）においてクリップされてい
る。
に、光電変換素子個々で基板方向に高輝度信号による過
剰な電荷を掃き出す事によりクリップ動作を行う方法が
知られている。これは、以下のような方法である。基板
に排出することにより感光画素ごとにクリップ動作を行
う縦型オーバーフロードレイン構造をもつ固体撮像装置
において、高感度の光電変換部Ａから読み出された電荷
及び低感度の光電変換部Ｂから読み出された電荷がそれ
ぞれ水平ＣＣＤの中で交互に配置するように転送し、そ
の後、水平ＣＣＤにおいては、アンプ部の方向に転送さ
れる。この際、高感度の光電変換部Ａは、縦型オーバー
フロードレイン構造により高輝度信号により発生した電
荷は個々に縦型オーバーフロードレイン構造により定ま
る光電変換部における最大電荷量（以下ニーポイントに
おける電荷量と記載する）においてクリップされてい
る。
【０００７】この後、Ａ画素により発生した電荷とＢ画
素により発生した電荷の加算操作を行う。ただし縦型オ
ーバーフロードレイン構造により高輝度信号をクリップ
する場合、フォトダイオードのＮ型領域及びその下部の
Ｐ型ウエル層の画素ごとの注入プロファイルがばらつい
た場合、ニーポイントとなる電位が画素ごとにばらつ
く。このことにより高輝度の信号が入射した場合、フォ
トダイオードの飽和電荷量が画素ごとにばらつく事とな
る。これを実際の画像として見た場合、飽和した際の白
いムラが固定パターンノイズとして検出されるという問
題がある。
素により発生した電荷の加算操作を行う。ただし縦型オ
ーバーフロードレイン構造により高輝度信号をクリップ
する場合、フォトダイオードのＮ型領域及びその下部の
Ｐ型ウエル層の画素ごとの注入プロファイルがばらつい
た場合、ニーポイントとなる電位が画素ごとにばらつ
く。このことにより高輝度の信号が入射した場合、フォ
トダイオードの飽和電荷量が画素ごとにばらつく事とな
る。これを実際の画像として見た場合、飽和した際の白
いムラが固定パターンノイズとして検出されるという問
題がある。
【０００８】なお、高感度の光電変換部と低感度の光電
変換部を用いたものとしては、例えば、特開平９−１１
６８１５号公報「固体撮像装置」が知られている。
変換部を用いたものとしては、例えば、特開平９−１１
６８１５号公報「固体撮像装置」が知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を改良し、特に、高感度の光電変換
部と低感度の光電変換部とで１対の画素を形成するよう
にしてダイナミックレンジを向上する場合に、全体構成
を簡略化することができる固体撮像装置を提案しようと
するものである。
した従来技術の欠点を改良し、特に、高感度の光電変換
部と低感度の光電変換部とで１対の画素を形成するよう
にしてダイナミックレンジを向上する場合に、全体構成
を簡略化することができる固体撮像装置を提案しようと
するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、本発明に係わる固
体撮像装置の第１態様は、入射光量に対して感度の高い
光電変換素子と感度の低い光電変換素子とが設けられ、
前記光電変換素子で得られた信号電荷が垂直転送部を介
して水平転送部に送られ、更に、前記信号電荷が前記水
平転送部から電荷検出部に送られるように構成した固体
撮像装置において、前記水平転送部は複数の水平転送素
子からなり、前記電荷検出部より前段で、且つ、前記垂
直転送部から直接信号電荷を受けない前記水平転送素子
の一部に前記信号電荷の過剰電荷をクリップする手段を
設けたことを特徴とするものである。
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、本発明に係わる固
体撮像装置の第１態様は、入射光量に対して感度の高い
光電変換素子と感度の低い光電変換素子とが設けられ、
前記光電変換素子で得られた信号電荷が垂直転送部を介
して水平転送部に送られ、更に、前記信号電荷が前記水
平転送部から電荷検出部に送られるように構成した固体
撮像装置において、前記水平転送部は複数の水平転送素
子からなり、前記電荷検出部より前段で、且つ、前記垂
直転送部から直接信号電荷を受けない前記水平転送素子
の一部に前記信号電荷の過剰電荷をクリップする手段を
設けたことを特徴とするものである。
【００１１】又、第２態様は、前記クリップする手段
は、オーバーフロードレイン構造を含み、このオーバー
フロードレインの電位障壁が電位障壁部の幅により定め
られることを特徴とするものであり、又、第３態様は、
前記感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子
とを水平方向に交互に配置したことを特徴とするもので
あり、又、第４態様は、前記感度の高い光電変換素子と
感度の低い光電変換素子とを垂直方向に交互に配置した
ことを特徴とするものであり、又、第５態様は、前記感
度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子とを市
松模様状に交互に配置したことを特徴とするものであ
り、又、第６態様は、減光フィルタを用いることで、前
記感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子と
を構成することを特徴とするものであり、又、第７態様
は、前記感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換
素子とは、電荷蓄積時間が異なることを特徴とするもの
である。
は、オーバーフロードレイン構造を含み、このオーバー
フロードレインの電位障壁が電位障壁部の幅により定め
られることを特徴とするものであり、又、第３態様は、
前記感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子
とを水平方向に交互に配置したことを特徴とするもので
あり、又、第４態様は、前記感度の高い光電変換素子と
感度の低い光電変換素子とを垂直方向に交互に配置した
ことを特徴とするものであり、又、第５態様は、前記感
度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子とを市
松模様状に交互に配置したことを特徴とするものであ
り、又、第６態様は、減光フィルタを用いることで、前
記感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換素子と
を構成することを特徴とするものであり、又、第７態様
は、前記感度の高い光電変換素子と感度の低い光電変換
素子とは、電荷蓄積時間が異なることを特徴とするもの
である。
【００１２】又、第８態様は、前記感度の低い光電変換
素子は、基板への電荷掃き出し動作と光電変換素子への
電荷蓄積動作とを行うことを特徴とするものであり、
又、第９態様は、前記感度の高い光電変換素子から、及
び、前記感度の低い光電変換素子からの信号読出しのタ
イミングが異なるように構成したことを特徴とするもの
である。
素子は、基板への電荷掃き出し動作と光電変換素子への
電荷蓄積動作とを行うことを特徴とするものであり、
又、第９態様は、前記感度の高い光電変換素子から、及
び、前記感度の低い光電変換素子からの信号読出しのタ
イミングが異なるように構成したことを特徴とするもの
である。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明に係る固体撮像装置は、入
射光量に対して感度の高い光電変換素子と感度の低い光
電変換素子とが設けられ、前記光電変換素子で得られた
信号電荷が垂直転送部を介して水平転送部に送られ、更
に、前記信号電荷が前記水平転送部から電荷検出部に送
られるように構成した固体撮像装置において、前記水平
転送部は複数の水平転送素子からなり、前記電荷検出部
より前段で、且つ、前記垂直転送部から直接信号電荷を
受けない前記水平転送素子の一部に前記信号電荷の過剰
電荷をクリップする手段を設けたことを特徴とするもの
である。
射光量に対して感度の高い光電変換素子と感度の低い光
電変換素子とが設けられ、前記光電変換素子で得られた
信号電荷が垂直転送部を介して水平転送部に送られ、更
に、前記信号電荷が前記水平転送部から電荷検出部に送
られるように構成した固体撮像装置において、前記水平
転送部は複数の水平転送素子からなり、前記電荷検出部
より前段で、且つ、前記垂直転送部から直接信号電荷を
受けない前記水平転送素子の一部に前記信号電荷の過剰
電荷をクリップする手段を設けたことを特徴とするもの
である。
【００１４】
【実施例】図１は、本発明の第１の具体例のＣＣＤ固体
撮像素子を、図１１との対比により示す平面図である。
なおこの図１に示す構成において、図１１と同一部分に
は同一符号を付して示し、その説明は省略する。このＣ
ＣＤ固体撮像素子１０は、縦ストライプの減光フィルタ
を撮像面に配置し、これにより水平方向に、斜線で示し
た高感度の光電変換部Ａと低感度の光電変換部Ｂとを交
互に形成する。すなわちこの減光フィルタは、入射光を
ほぼ透過する透過率の高い領域と、入射光量を１／Ｎに
減ずる透過率の低い領域とが、光電変換部２の形成ピッ
チで繰り返し形成され、これら透過率の高い領域と透過
率の低い領域とが各光電変換部２にそれぞれ対応するよ
うにＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像面に保持されるよう
になされている。
撮像素子を、図１１との対比により示す平面図である。
なおこの図１に示す構成において、図１１と同一部分に
は同一符号を付して示し、その説明は省略する。このＣ
ＣＤ固体撮像素子１０は、縦ストライプの減光フィルタ
を撮像面に配置し、これにより水平方向に、斜線で示し
た高感度の光電変換部Ａと低感度の光電変換部Ｂとを交
互に形成する。すなわちこの減光フィルタは、入射光を
ほぼ透過する透過率の高い領域と、入射光量を１／Ｎに
減ずる透過率の低い領域とが、光電変換部２の形成ピッ
チで繰り返し形成され、これら透過率の高い領域と透過
率の低い領域とが各光電変換部２にそれぞれ対応するよ
うにＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像面に保持されるよう
になされている。
【００１５】さらに、オーバーフロードレインＯＦＤ
が、図１中の電荷検出部５の近くの水平ＣＣＤの転送素
子のうち、任意の１ヶ所に設けられている。なお、６は
ＯＦＤが形成されている転送部を示している。このよう
に構成されたＣＣＤ撮像素子で水平転送素子４は、高感
度の光電変換部Ａより出力される蓄電電荷Ａ（以下高感
度の蓄積電荷と呼ぶ）と、低感度の光電変換部Ｂより出
力される蓄積電荷Ｂ（以下低感度の蓄積電荷と呼ぶ）と
が、連続して水平転送素子４より出力されるようになさ
れ、ＣＣＤ固体撮像素子１０では、この連続する高感度
の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂとを加算して１画
素分の撮像結果を生成するようになされている。
が、図１中の電荷検出部５の近くの水平ＣＣＤの転送素
子のうち、任意の１ヶ所に設けられている。なお、６は
ＯＦＤが形成されている転送部を示している。このよう
に構成されたＣＣＤ撮像素子で水平転送素子４は、高感
度の光電変換部Ａより出力される蓄電電荷Ａ（以下高感
度の蓄積電荷と呼ぶ）と、低感度の光電変換部Ｂより出
力される蓄積電荷Ｂ（以下低感度の蓄積電荷と呼ぶ）と
が、連続して水平転送素子４より出力されるようになさ
れ、ＣＣＤ固体撮像素子１０では、この連続する高感度
の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂとを加算して１画
素分の撮像結果を生成するようになされている。
【００１６】即ち、図２に示すように、ＣＣＤ固体撮像
素子において、このように高感度の蓄電電荷Ａは、入射
光量に応じて直線的に電荷量が変化した後、所定値を境
に飽和する。図２においてＱＬＨは、ＯＦＤが形成され
ている転送部が蓄積可能な電荷量、ＱＳは、光電変換部
２の飽和信号電荷量である。図２において、各光電変換
部によって、この飽和レベルが異なるのは、各光電変換
部により、トランスファーゲートの読み出し電圧のしき
い値が異なるためである。
素子において、このように高感度の蓄電電荷Ａは、入射
光量に応じて直線的に電荷量が変化した後、所定値を境
に飽和する。図２においてＱＬＨは、ＯＦＤが形成され
ている転送部が蓄積可能な電荷量、ＱＳは、光電変換部
２の飽和信号電荷量である。図２において、各光電変換
部によって、この飽和レベルが異なるのは、各光電変換
部により、トランスファーゲートの読み出し電圧のしき
い値が異なるためである。
【００１７】これに対して図３に示すように、低感度の
蓄積電荷Ｂは、減光フィルタの透過率１／Ｎに対応し
て、飽和レベルに対応する入射光量がＮ倍に拡大するこ
とになる。これによりＣＣＤ固体撮像素子１０は、高感
度の蓄積電荷Ａを所定のＯＦＤによりスライスした後、
低感度の蓄積電荷Ｂと加算し、図４に示すようにダイナ
ミックレンジを拡大した入出力特性を確保している。
蓄積電荷Ｂは、減光フィルタの透過率１／Ｎに対応し
て、飽和レベルに対応する入射光量がＮ倍に拡大するこ
とになる。これによりＣＣＤ固体撮像素子１０は、高感
度の蓄積電荷Ａを所定のＯＦＤによりスライスした後、
低感度の蓄積電荷Ｂと加算し、図４に示すようにダイナ
ミックレンジを拡大した入出力特性を確保している。
【００１８】次に、本発明に用いられるＯＦＤの構成方
法に関して説明を行う。図５に出力アンプ付近のＯＦＤ
が設けられた水平ＣＣＤ内の１転送部を含む水平ＣＣＤ
の１部分の拡大図を示す。図５において、５１はＮ型半
導体基板、５２はＰ−ウエル、５３はＮ型半導体領域、
５４はＮ−型半導体領域、５９は絶縁膜であり、これら
が順次設けられている。このＮ形の領域によりチャネル
が形成される。さらに、５３のＮ型半導体領域の脇には
５８のＰ＋型半導体領域が設けられ、これがチャネルス
トップとなっている。
法に関して説明を行う。図５に出力アンプ付近のＯＦＤ
が設けられた水平ＣＣＤ内の１転送部を含む水平ＣＣＤ
の１部分の拡大図を示す。図５において、５１はＮ型半
導体基板、５２はＰ−ウエル、５３はＮ型半導体領域、
５４はＮ−型半導体領域、５９は絶縁膜であり、これら
が順次設けられている。このＮ形の領域によりチャネル
が形成される。さらに、５３のＮ型半導体領域の脇には
５８のＰ＋型半導体領域が設けられ、これがチャネルス
トップとなっている。
【００１９】図５におけるＯＦＤにおいては、Ｎ型半導
体領域による電位障壁部が、ナローチャネル効果を用い
て両脇のバリア間の距離Ｗを所定の幅に設定することに
より設けられ、この部分における電位障壁ΨＢは、チャ
ネルストップによる電位障壁ΨＨＢよりも低くなってい
る。Ｎ型半導体領域５５からなる電位障壁部の隣に不要
な電荷を基板に排出する不要電荷排出部となるＮ＋型半
導体領域５６、および、バスライン配線形成領域５７が
設けられている。さらに、Ｎ型半導体領域５３、Ｐ＋型
半導体領域５８、Ｎ型半導体領域５５及びＮ＋型半導体
領域５６の上部には、第１層電極１ＰＳ６０、及び第２
層電極２ＰＳ６１が形成されている。
体領域による電位障壁部が、ナローチャネル効果を用い
て両脇のバリア間の距離Ｗを所定の幅に設定することに
より設けられ、この部分における電位障壁ΨＢは、チャ
ネルストップによる電位障壁ΨＨＢよりも低くなってい
る。Ｎ型半導体領域５５からなる電位障壁部の隣に不要
な電荷を基板に排出する不要電荷排出部となるＮ＋型半
導体領域５６、および、バスライン配線形成領域５７が
設けられている。さらに、Ｎ型半導体領域５３、Ｐ＋型
半導体領域５８、Ｎ型半導体領域５５及びＮ＋型半導体
領域５６の上部には、第１層電極１ＰＳ６０、及び第２
層電極２ＰＳ６１が形成されている。
【００２０】具体的にＣＣＤ固体撮像素子１０におい
て、ＯＦＤのバリアの電位ΨＢを所定値に設定すること
により、ＯＦＤが設けられた転送部の蓄積可能な電荷量
ＱＬＨを制限し、これにより光電変換部Ａより出力され
る蓄積電荷を、この電荷量ＱＬＨにスライスする。この
とき、蓄積可能な電荷量ＱＬＨを設定することにより、
余剰の蓄積電荷については、ＯＦＤにおけるバリアを介
して不要電荷排出部より排出する。
て、ＯＦＤのバリアの電位ΨＢを所定値に設定すること
により、ＯＦＤが設けられた転送部の蓄積可能な電荷量
ＱＬＨを制限し、これにより光電変換部Ａより出力され
る蓄積電荷を、この電荷量ＱＬＨにスライスする。この
とき、蓄積可能な電荷量ＱＬＨを設定することにより、
余剰の蓄積電荷については、ＯＦＤにおけるバリアを介
して不要電荷排出部より排出する。
【００２１】このＯＦＤが設けられた水平ＣＣＤ内の１
転送部上の水平転送電極ＬＨの蓄積可能な電荷量ＱＬＨ
が、水平転送素子４の他の電極が転送可能な電荷量ＱＨ
より小さくなり、さらにＱＳより小さくなるように設定
し、これにより飽和ムラを有効に回避する。即ち、ＱＬ
Ｈ＜ＱＨとＱＬＨ＜ＱＳの関係が成立するように５４の
電位障壁部における内部ポテンシャルΨＢを設定する。
転送部上の水平転送電極ＬＨの蓄積可能な電荷量ＱＬＨ
が、水平転送素子４の他の電極が転送可能な電荷量ＱＨ
より小さくなり、さらにＱＳより小さくなるように設定
し、これにより飽和ムラを有効に回避する。即ち、ＱＬ
Ｈ＜ＱＨとＱＬＨ＜ＱＳの関係が成立するように５４の
電位障壁部における内部ポテンシャルΨＢを設定する。
【００２２】なお、本発明におけるＯＦＤの電位障壁部
５５はナローチャネル効果を用いて設けられているが、
通常のＰ型不純物の注入により電位障壁部を設けてもよ
い。図６に図１のＣＣＤ固体撮像素子における水平転送
素子及び電荷検出部を示す。なお点線６で囲まれた領域
はＯＦＤが形成された転送部及び上部電極を示してい
る。図６の断面図に示すように、水平転送素子４には、
垂直転送素子３に対応したピッチにより第１層電極１Ｐ
Ｓが形成された後、Ｐ形不純物をイオン注入することに
より第１層電極１ＰＳ間に内部ポテンシャルの浅いＮ−
型半導体領域５４が形成される。続いて水平転送素子４
は、第１層電極１ＰＳ間に、一部積層して第２層電極２
ＰＳが形成され、隣接する第１層電極及び第２層電極を
接続して形成される。
５５はナローチャネル効果を用いて設けられているが、
通常のＰ型不純物の注入により電位障壁部を設けてもよ
い。図６に図１のＣＣＤ固体撮像素子における水平転送
素子及び電荷検出部を示す。なお点線６で囲まれた領域
はＯＦＤが形成された転送部及び上部電極を示してい
る。図６の断面図に示すように、水平転送素子４には、
垂直転送素子３に対応したピッチにより第１層電極１Ｐ
Ｓが形成された後、Ｐ形不純物をイオン注入することに
より第１層電極１ＰＳ間に内部ポテンシャルの浅いＮ−
型半導体領域５４が形成される。続いて水平転送素子４
は、第１層電極１ＰＳ間に、一部積層して第２層電極２
ＰＳが形成され、隣接する第１層電極及び第２層電極を
接続して形成される。
【００２３】次に、電荷検出部の一例に関して説明を行
う。電荷検出部５は、水平転送素子４の第１層電極１Ｐ
Ｓ又は第２層電極２ＰＳを形成する際に、同時にリセッ
トゲートＲＧの電極が形成され、また水平転送素子４の
第２層電極２ＰＳを形成する際に、同時に出力ゲートＨ
ＯＧの電極が形成される。電荷検出部５は、ＲＧ及びＨ
ＯＧ間の領域に、別途Ｎ形不純物がイオン注入され、Ｒ
Ｇの両側のポテンシャルが深く設定される。これにより
電荷検出部５は、ＲＧ及びＨＯＧ間の領域がフローティ
ングディフュージョン部ＦＤに、リセットゲートＲＧの
外側の領域がリセットドレインＲＤに割り当てられる。
う。電荷検出部５は、水平転送素子４の第１層電極１Ｐ
Ｓ又は第２層電極２ＰＳを形成する際に、同時にリセッ
トゲートＲＧの電極が形成され、また水平転送素子４の
第２層電極２ＰＳを形成する際に、同時に出力ゲートＨ
ＯＧの電極が形成される。電荷検出部５は、ＲＧ及びＨ
ＯＧ間の領域に、別途Ｎ形不純物がイオン注入され、Ｒ
Ｇの両側のポテンシャルが深く設定される。これにより
電荷検出部５は、ＲＧ及びＨＯＧ間の領域がフローティ
ングディフュージョン部ＦＤに、リセットゲートＲＧの
外側の領域がリセットドレインＲＤに割り当てられる。
【００２４】さらにこの具体例では、このＨＯＧにＨ２
がオンの状態と同程度の一定電圧ＶＣＣを印加すること
により、ＯＦＤの設けられた転送部における電荷検出部
に面した電位障壁が常にΨＢよりも低くならないように
設定する。さらに各光電変換部に対応した撮像信号を順
次出力する通常のＣＣＤ固体撮像素子と異なり、ＲＧを
オン状態に設定するタイミングを水平転送パルスの２周
期単位に設定し、これによりＦＤにおいて、高感度及び
低感度の蓄積電荷Ａ及びＢを加算する。
がオンの状態と同程度の一定電圧ＶＣＣを印加すること
により、ＯＦＤの設けられた転送部における電荷検出部
に面した電位障壁が常にΨＢよりも低くならないように
設定する。さらに各光電変換部に対応した撮像信号を順
次出力する通常のＣＣＤ固体撮像素子と異なり、ＲＧを
オン状態に設定するタイミングを水平転送パルスの２周
期単位に設定し、これによりＦＤにおいて、高感度及び
低感度の蓄積電荷Ａ及びＢを加算する。
【００２５】即ち、図７に示すように、水平転送素子４
は、相補的に信号レベルが変化する２相の駆動パルスＨ
１及びＨ２（図７（Ａ）及び（Ｂ））により駆動されて
蓄積電荷を順次転送する。電荷検出部５は、駆動パルス
Ｈ１及びＨ２の２周期毎に信号レベルが立ち上がるよう
に、且つこの駆動パルスＨ１及びＨ２の信号レベルが切
り換わるタイミングを間に挟んで信号レベルが立ち上が
るように、リセットパルスが生成され（図７（Ｃ））、
このリセットパルスによりＲＧが駆動される。
は、相補的に信号レベルが変化する２相の駆動パルスＨ
１及びＨ２（図７（Ａ）及び（Ｂ））により駆動されて
蓄積電荷を順次転送する。電荷検出部５は、駆動パルス
Ｈ１及びＨ２の２周期毎に信号レベルが立ち上がるよう
に、且つこの駆動パルスＨ１及びＨ２の信号レベルが切
り換わるタイミングを間に挟んで信号レベルが立ち上が
るように、リセットパルスが生成され（図７（Ｃ））、
このリセットパルスによりＲＧが駆動される。
【００２６】これにより各電極との対比により図８に示
すように、リセットパルスが立ち上がった直後の時点Ｔ
１において（図８（Ａ）及び（Ｂ））、水平転送素子４
及び電荷検出部５は、それまでＦＤに保持していた１画
素前の蓄積電荷をＲＤより放電する。続いて駆動パルス
Ｈ１及びＨ２の信号レベルが切り換わる直前の時点Ｔ３
においてＦＤは、リセットパルスが立ち下がっているこ
とにより、ＲＧは遮断され、蓄積電荷を保持可能な状態
に切り換えられて保持される。そして、Ｔ２やＴ３にお
けるＨ１がオン、Ｈ２がオフの期間中にＯＦＤが設けら
れた転送部においては余剰な電荷は不要電荷排出部に吐
き出され高輝度信号によって発生した電荷はＱＬＨの量
に一定にスライスされる。
すように、リセットパルスが立ち上がった直後の時点Ｔ
１において（図８（Ａ）及び（Ｂ））、水平転送素子４
及び電荷検出部５は、それまでＦＤに保持していた１画
素前の蓄積電荷をＲＤより放電する。続いて駆動パルス
Ｈ１及びＨ２の信号レベルが切り換わる直前の時点Ｔ３
においてＦＤは、リセットパルスが立ち下がっているこ
とにより、ＲＧは遮断され、蓄積電荷を保持可能な状態
に切り換えられて保持される。そして、Ｔ２やＴ３にお
けるＨ１がオン、Ｈ２がオフの期間中にＯＦＤが設けら
れた転送部においては余剰な電荷は不要電荷排出部に吐
き出され高輝度信号によって発生した電荷はＱＬＨの量
に一定にスライスされる。
【００２７】これにより続いて駆動パルスＨ１及びＨ２
の信号レベルが切り換わると、時点Ｔ３において図８
（Ｄ）に示すように、水平転送素子４及び電荷検出部５
は、ＨＯＧを介して高感度の蓄積電荷ＡをＦＤに転送保
持し、続く駆動パルスＨ１及びＨ２の信号レベルの切り
換わりに応動して（図８（Ｅ）及び（Ｆ）、時点Ｔ４及
びＴ５）、このＦＤに低感度の蓄積電荷Ｂを転送する。
の信号レベルが切り換わると、時点Ｔ３において図８
（Ｄ）に示すように、水平転送素子４及び電荷検出部５
は、ＨＯＧを介して高感度の蓄積電荷ＡをＦＤに転送保
持し、続く駆動パルスＨ１及びＨ２の信号レベルの切り
換わりに応動して（図８（Ｅ）及び（Ｆ）、時点Ｔ４及
びＴ５）、このＦＤに低感度の蓄積電荷Ｂを転送する。
【００２８】従って、この具体例において、増幅回路６
より出力される撮像信号Ｓ１（図７（Ｄ））は、ＲＧの
信号レベルが立ち上げられている期間の間（時点Ｔ１に
対応する）、リセットレベルに保持されるのに対し、Ｆ
Ｄに高感度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂが保持
されている期間の間は（時点Ｔ６に対応する）、スライ
スされた高感度の蓄積電荷Ａと低感度の蓄積電荷Ｂとを
加算した信号レベルに保持されることになる。
より出力される撮像信号Ｓ１（図７（Ｄ））は、ＲＧの
信号レベルが立ち上げられている期間の間（時点Ｔ１に
対応する）、リセットレベルに保持されるのに対し、Ｆ
Ｄに高感度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂが保持
されている期間の間は（時点Ｔ６に対応する）、スライ
スされた高感度の蓄積電荷Ａと低感度の蓄積電荷Ｂとを
加算した信号レベルに保持されることになる。
【００２９】これにより、この具体例では、ＣＣＤ固体
撮像素子１０の出力信号を処理する相関二乗サンプリン
グ回路において、この時点Ｔ３及びＴ６に対応するサン
プルホールドパルスＳＨ１及びＳＨ２（図７（Ｅ−１）
及び（Ｅ−２））により撮像信号Ｓ１をそれぞれサンプ
ルホールドした後、これらのサンプルホールド結果を減
算することにより、蓄積電荷Ａ及びＢを加算してなるダ
イナミックレンジの大きな撮像結果を得ることができ
る。
撮像素子１０の出力信号を処理する相関二乗サンプリン
グ回路において、この時点Ｔ３及びＴ６に対応するサン
プルホールドパルスＳＨ１及びＳＨ２（図７（Ｅ−１）
及び（Ｅ−２））により撮像信号Ｓ１をそれぞれサンプ
ルホールドした後、これらのサンプルホールド結果を減
算することにより、蓄積電荷Ａ及びＢを加算してなるダ
イナミックレンジの大きな撮像結果を得ることができ
る。
【００３０】以上の構成において、ＣＣＤ固体撮像素子
１０の入射光は、縦ストライプの減光フィルタにより、
水平方向に連続する光電変換部２に対して、交互に入射
光量が低減されて入射し、ここで光電変換されて蓄積電
荷が生成される。これにより減光フィルタにより入射光
量が減じられない高感度の光電変換部と、減光フィルタ
により入射光量が減じられる低感度の光電変換部とが水
平方向に順次形成される。
１０の入射光は、縦ストライプの減光フィルタにより、
水平方向に連続する光電変換部２に対して、交互に入射
光量が低減されて入射し、ここで光電変換されて蓄積電
荷が生成される。これにより減光フィルタにより入射光
量が減じられない高感度の光電変換部と、減光フィルタ
により入射光量が減じられる低感度の光電変換部とが水
平方向に順次形成される。
【００３１】これら高感度及び低感度の光電変換部で生
成された高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、所定
周期で垂直転送素子３に読み出された後、この垂直転送
素子３を水平転送素子４に向かって１ライン毎に転送さ
れる。これによりＣＣＤ固体撮像素子１０では、水平方
向に隣接する高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢが、
交互に電荷検出部５に出力される。
成された高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、所定
周期で垂直転送素子３に読み出された後、この垂直転送
素子３を水平転送素子４に向かって１ライン毎に転送さ
れる。これによりＣＣＤ固体撮像素子１０では、水平方
向に隣接する高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢが、
交互に電荷検出部５に出力される。
【００３２】このとき、ＯＦＤが設けられた水平ＣＣＤ
内の１転送部においては、ナローチャネル効果によりＯ
ＦＤの電位障壁部及び不要電荷排出部が形成されてお
り、電位障壁部のバリアの高さΨＢは一定の高さに保持
されている（図５）。このことにより、ＯＦＤが設けら
れた転送部の蓄積可能な電荷量が所定の電荷量ＱＬＨ
（図２）に設定されていることから、各蓄積電荷Ａ及び
Ｂにおいて、この電荷量ＱＬＨを越える余剰の蓄積電荷
がＯＦＤにおける電位障壁部より不要電荷排出部に溢れ
出し、図７のＴ２〜３の期間中にＯＦＤ部における電位
障壁部より不要電荷排出部に放電される。これにより高
感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、ＯＦＤが形成さ
れた転送部により電荷量ＱＬＨに制限されて電荷検出部
５に転送される。
内の１転送部においては、ナローチャネル効果によりＯ
ＦＤの電位障壁部及び不要電荷排出部が形成されてお
り、電位障壁部のバリアの高さΨＢは一定の高さに保持
されている（図５）。このことにより、ＯＦＤが設けら
れた転送部の蓄積可能な電荷量が所定の電荷量ＱＬＨ
（図２）に設定されていることから、各蓄積電荷Ａ及び
Ｂにおいて、この電荷量ＱＬＨを越える余剰の蓄積電荷
がＯＦＤにおける電位障壁部より不要電荷排出部に溢れ
出し、図７のＴ２〜３の期間中にＯＦＤ部における電位
障壁部より不要電荷排出部に放電される。これにより高
感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、ＯＦＤが形成さ
れた転送部により電荷量ＱＬＨに制限されて電荷検出部
５に転送される。
【００３３】さらにこの電荷検出部５において、ＲＤに
印加されるリセットパルス（図７（Ｃ））が駆動パルス
Ｈ１、Ｈ２の２周期毎に立ち上げられ、ＦＤの蓄積電荷
が２周期毎に放電されることにより、高感度の蓄積電荷
ＡがＦＤに保持されたままの状態で、続く低感度の蓄積
電荷ＢがＦＤに転送される（図８（Ｄ）〜（Ｆ））。こ
れにより連続して電荷検出部５に転送される高感度及び
低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、ＦＤにおいて加算され、
ＣＣＤ固体撮像素子１０では、水平方向に連続する２つ
の光電変換部２を１つの画素に設定してダイナミックレ
ンジが拡大される。
印加されるリセットパルス（図７（Ｃ））が駆動パルス
Ｈ１、Ｈ２の２周期毎に立ち上げられ、ＦＤの蓄積電荷
が２周期毎に放電されることにより、高感度の蓄積電荷
ＡがＦＤに保持されたままの状態で、続く低感度の蓄積
電荷ＢがＦＤに転送される（図８（Ｄ）〜（Ｆ））。こ
れにより連続して電荷検出部５に転送される高感度及び
低感度の蓄積電荷Ａ及びＢは、ＦＤにおいて加算され、
ＣＣＤ固体撮像素子１０では、水平方向に連続する２つ
の光電変換部２を１つの画素に設定してダイナミックレ
ンジが拡大される。
【００３４】このようにしてＦＤにおける蓄積電荷の変
化は、増幅回路６を介して撮像信号Ｓ１として出力され
る（図７（Ｄ））。これにより続く相関二重サンプリン
グ回路において、ＦＤの蓄積電荷を放電したタイミング
（図７（Ｅ−１）によるサンプルホールド効果と、ＦＤ
に高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢを蓄積したタイ
ミング（図７（Ｅ−２））によるサンプルホールド結果
とを減算して、ダイナミックレンジを拡大してなる撮像
結果を得ることができる（図２〜図４）。
化は、増幅回路６を介して撮像信号Ｓ１として出力され
る（図７（Ｄ））。これにより続く相関二重サンプリン
グ回路において、ＦＤの蓄積電荷を放電したタイミング
（図７（Ｅ−１）によるサンプルホールド効果と、ＦＤ
に高感度及び低感度の蓄積電荷Ａ及びＢを蓄積したタイ
ミング（図７（Ｅ−２））によるサンプルホールド結果
とを減算して、ダイナミックレンジを拡大してなる撮像
結果を得ることができる（図２〜図４）。
【００３５】以上の構成によれば、第１に、高感度の蓄
積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂとが連続して電荷検出
部５に入力するようにし、またＯＦＤ部の電位障壁部Ψ
ＢのポテンシャルによりＯＦＤが設けられた転送部に保
持可能な電荷量を設定して蓄積電荷量を制限し、さらに
ＦＤにおける蓄積電荷の放電を２周期毎に実行して高感
度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂを加算すること
により、簡易な構成で、水平方向に隣接する高感度の光
電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂとを１画素に設定
してなる撮像結果を出力することができ、これによりダ
イナミックレンジを拡大することができる。
積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂとが連続して電荷検出
部５に入力するようにし、またＯＦＤ部の電位障壁部Ψ
ＢのポテンシャルによりＯＦＤが設けられた転送部に保
持可能な電荷量を設定して蓄積電荷量を制限し、さらに
ＦＤにおける蓄積電荷の放電を２周期毎に実行して高感
度の蓄積電荷Ａ及び低感度の蓄積電荷Ｂを加算すること
により、簡易な構成で、水平方向に隣接する高感度の光
電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂとを１画素に設定
してなる撮像結果を出力することができ、これによりダ
イナミックレンジを拡大することができる。
【００３６】第２に、従来のように高感度の撮像信号と
低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子より
出力する必要がなく、その分ＣＣＤ固体撮像素子の構成
が煩雑にはならない。第３に、従来では、光電変換素子
個々でクリップ動作を行っていたため、読み出し電圧の
しきい値のムラが固定パターンノイズとして現れていた
が、これも同一の箇所にてクリップ動作を行うことによ
り解除される。
低感度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子より
出力する必要がなく、その分ＣＣＤ固体撮像素子の構成
が煩雑にはならない。第３に、従来では、光電変換素子
個々でクリップ動作を行っていたため、読み出し電圧の
しきい値のムラが固定パターンノイズとして現れていた
が、これも同一の箇所にてクリップ動作を行うことによ
り解除される。
【００３７】図９は、本発明の第２の具体例のＣＣＤ固
体撮像素子を示す平面図である。このＣＣＤ固体撮像素
子２０においては、第１の具体例の減光フィルタの配列
を水平方向に代えて垂直方向に形成し、これにより垂直
方向に連続して高感度の光電変換部Ａ及び低感度の光電
変換部Ｂを形成する。また水平転送素子２１は、垂直転
送素子３の形成ピッチに比して１／２のピッチにより転
送電極が形成され、駆動パルスにより、垂直転送素子３
から１ライン分、高感度の蓄積電荷Ａを入力すると、こ
の高感度の蓄積電荷Ａを電荷検出部５に向かって１転送
周期分転送した後、続いて垂直転送素子３から１ライン
分、低感度の蓄積電荷Ｂを入力する。
体撮像素子を示す平面図である。このＣＣＤ固体撮像素
子２０においては、第１の具体例の減光フィルタの配列
を水平方向に代えて垂直方向に形成し、これにより垂直
方向に連続して高感度の光電変換部Ａ及び低感度の光電
変換部Ｂを形成する。また水平転送素子２１は、垂直転
送素子３の形成ピッチに比して１／２のピッチにより転
送電極が形成され、駆動パルスにより、垂直転送素子３
から１ライン分、高感度の蓄積電荷Ａを入力すると、こ
の高感度の蓄積電荷Ａを電荷検出部５に向かって１転送
周期分転送した後、続いて垂直転送素子３から１ライン
分、低感度の蓄積電荷Ｂを入力する。
【００３８】これによりこのＣＣＤ固体撮像素子２０で
は、水平転送素子２１に蓄積電荷を入力する際に、垂直
方向に連続する２ラインの蓄積電荷Ａ及びＢが交互に連
続するように蓄積電荷Ａ及びＢを配列し、これら蓄積電
荷Ａ及びＢを電荷検出部５において第１の具体例と同様
に処理する。これによりこの具体例では、垂直方向に連
続する２つの光電変換部２により１画素を形成し、ダイ
ナミックレンジを拡大した撮像結果を出力する。
は、水平転送素子２１に蓄積電荷を入力する際に、垂直
方向に連続する２ラインの蓄積電荷Ａ及びＢが交互に連
続するように蓄積電荷Ａ及びＢを配列し、これら蓄積電
荷Ａ及びＢを電荷検出部５において第１の具体例と同様
に処理する。これによりこの具体例では、垂直方向に連
続する２つの光電変換部２により１画素を形成し、ダイ
ナミックレンジを拡大した撮像結果を出力する。
【００３９】図９に示す構成によれば、垂直方向に高感
度の光電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂを形成して
も、第１の具体例と同様の効果を得ることができる。図
１０は、本発明の第３の具体例のＣＣＤ固体撮像素子を
示す平面図であり、このＣＣＤ固体撮像素子３０におい
ては、光電変換部２の電荷蓄積時間を可変し、垂直方向
に高感度の光電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂを交
互に形成する。
度の光電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂを形成して
も、第１の具体例と同様の効果を得ることができる。図
１０は、本発明の第３の具体例のＣＣＤ固体撮像素子を
示す平面図であり、このＣＣＤ固体撮像素子３０におい
ては、光電変換部２の電荷蓄積時間を可変し、垂直方向
に高感度の光電変換部Ａ及び低感度の光電変換部Ｂを交
互に形成する。
【００４０】具体的には、ある一定の期間の後に、露光
時間を制御する基板上に形成した電子シャッタ（以降、
基板シャッタという）を用い、基板への掃き出し動作を
行った後、蓄積を行い、蓄積期間が終了した後に、トラ
ンスファゲート部を介して光電変換部Ａからのみ垂直Ｃ
ＣＤレジスタへの読み出しを行う。その後、光電変換部
Ａよりも蓄積期間が長くなるように、光電変換部Ｂにお
いては、基板シャッタを行わないで光電変換部Ａの蓄積
時間を含め、次の垂直ＣＣＤレジスタへの読み出し時ま
で蓄積を行い、その後、蓄積期間が終了した後に、トラ
ンスファゲート部を介して光電変換部Ｂからのみ垂直Ｃ
ＣＤレジスタへの読み出しを行う。
時間を制御する基板上に形成した電子シャッタ（以降、
基板シャッタという）を用い、基板への掃き出し動作を
行った後、蓄積を行い、蓄積期間が終了した後に、トラ
ンスファゲート部を介して光電変換部Ａからのみ垂直Ｃ
ＣＤレジスタへの読み出しを行う。その後、光電変換部
Ａよりも蓄積期間が長くなるように、光電変換部Ｂにお
いては、基板シャッタを行わないで光電変換部Ａの蓄積
時間を含め、次の垂直ＣＣＤレジスタへの読み出し時ま
で蓄積を行い、その後、蓄積期間が終了した後に、トラ
ンスファゲート部を介して光電変換部Ｂからのみ垂直Ｃ
ＣＤレジスタへの読み出しを行う。
【００４１】このように減光フィルタに代えて、光電変
換部２での電荷蓄積時間を可変にすることにより高感度
及び低感度の光電変換部を形成しても、上述の実施の形
態と同様の効果を得ることができる。なお、光電変換部
２での電荷蓄積時間を可変にする方法としては、基板シ
ャッタによる蓄積開始時間を任意の時間に設定する方法
以外に、固体撮像素子の一方の出力からの信号読み出し
のタイミングを可変にすることによって両者の信号の蓄
積時間を変化させることにより一個の固体撮像素子３０
から感度の異なる二種類以上の信号を取り出すこともで
きる。
換部２での電荷蓄積時間を可変にすることにより高感度
及び低感度の光電変換部を形成しても、上述の実施の形
態と同様の効果を得ることができる。なお、光電変換部
２での電荷蓄積時間を可変にする方法としては、基板シ
ャッタによる蓄積開始時間を任意の時間に設定する方法
以外に、固体撮像素子の一方の出力からの信号読み出し
のタイミングを可変にすることによって両者の信号の蓄
積時間を変化させることにより一個の固体撮像素子３０
から感度の異なる二種類以上の信号を取り出すこともで
きる。
【００４２】
【発明の効果】上述のように本発明によれば、高感度の
光電変換部と低感度の光電変換部とを隣接して配置し、
水平転送素子のアンプに近く、垂直転送素子からの電荷
が直接転送されない水平転送素子の一ヶ所にＯＦＤを設
けることにより、従来のように高感度の撮像信号と低感
度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子より出力
する必要がなく、その分ＣＣＤ固体撮像素子の構成が煩
雑になる問題もない。また本発明においては、ＣＣＤ固
体撮像素子から１系統により撮像信号を出力して別途分
離処理するが、その場合においても従来のように増幅回
路の帯域を２倍に拡大する必要はない。
光電変換部と低感度の光電変換部とを隣接して配置し、
水平転送素子のアンプに近く、垂直転送素子からの電荷
が直接転送されない水平転送素子の一ヶ所にＯＦＤを設
けることにより、従来のように高感度の撮像信号と低感
度の撮像信号とをそれぞれＣＣＤ固体撮像素子より出力
する必要がなく、その分ＣＣＤ固体撮像素子の構成が煩
雑になる問題もない。また本発明においては、ＣＣＤ固
体撮像素子から１系統により撮像信号を出力して別途分
離処理するが、その場合においても従来のように増幅回
路の帯域を２倍に拡大する必要はない。
【００４３】また、従来技術では、光電変換素子個々で
クリップ動作を行っていたため、読み出し電圧のしきい
値のムラが固定パターンノイズとして現れていたが、こ
れも同一の箇所にてクリップ動作を行うことにより解決
される。このように本発明に従い、高感度の光電変換部
より出力される蓄積電荷を一定レベルに制限した後、フ
ローティングディフュージョン部において低感度の蓄積
電荷と加算することにより、簡易な構成でダイナミック
レンジを拡大した撮像結果を得ることができる。
クリップ動作を行っていたため、読み出し電圧のしきい
値のムラが固定パターンノイズとして現れていたが、こ
れも同一の箇所にてクリップ動作を行うことにより解決
される。このように本発明に従い、高感度の光電変換部
より出力される蓄積電荷を一定レベルに制限した後、フ
ローティングディフュージョン部において低感度の蓄積
電荷と加算することにより、簡易な構成でダイナミック
レンジを拡大した撮像結果を得ることができる。
【００４４】なお、本発明は上記各実施例に限定され
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適
宜変更され得ることは明らかである。
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適
宜変更され得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の具体例のＣＣＤ固体撮像素子を
示す平面図である。
示す平面図である。
【図２】図１のＣＣＤ固体撮像素子における高感度の光
電変換部の特性を示す特性曲線である。
電変換部の特性を示す特性曲線である。
【図３】図１のＣＣＤ固体撮像素子における低感度の光
電変換部の特性を示す特性曲線である。
電変換部の特性を示す特性曲線である。
【図４】図２及び図３の特性より得られる図１のＣＣＤ
固体撮像素子の総合特性を示す特性曲線である。
固体撮像素子の総合特性を示す特性曲線である。
【図５】本発明の第１の具体例のオーバーフロードレイ
ンを示す平面図、断面図及びポテンシャル図である。
ンを示す平面図、断面図及びポテンシャル図である。
【図６】図１のＣＣＤ固体撮像素子における水平転送素
子及び電荷検出部を示す断面図である。
子及び電荷検出部を示す断面図である。
【図７】図１のＣＣＤ固体撮像素子の駆動信号を示す信
号波形図である。
号波形図である。
【図８】図１のＣＣＤ固体撮像素子の動作を説明する図
である。
である。
【図９】本発明の第２の具体例のＣＣＤ固体撮像素子を
示す平面図である。
示す平面図である。
【図１０】本発明の第３の具体例のＣＣＤ固体撮像素子
を示す平面図である。
を示す平面図である。
【図１１】従来のＣＣＤ固体撮像素子を示す平面図であ
る。
る。
【図１２】従来のＣＣＤ固体撮像素子を示す平面図であ
る。
る。
【符号の説明】 １、２０、３０……ＣＣＤ固体撮像素子 ２……光電変換部、３……垂直転送素子、４，２１……
水平転送素子 ５……電荷検出部、６……ＯＦＤが形成された転送部及
び上部水平転送電極 ＦＤ……フローティングディフュージョン部、ＨＯＧ…
…出力ゲート ＬＨ……ＯＦＤが設けられた水平ＣＣＤ内の１転送部上
の水平転送電極 ５１……Ｎ型半導体基板、５２……Ｐ−ｗｅｌｌ、５
３，５５……Ｎ型半導体領域 ５４……Ｎ−型半導体領域、５６……Ｎ＋型半導体領域 ５７……バスライン配線形成領域、５８……Ｐ＋型半導
体領域 ５９……絶縁膜、６０……第１層電極、６１……第２層
電極
水平転送素子 ５……電荷検出部、６……ＯＦＤが形成された転送部及
び上部水平転送電極 ＦＤ……フローティングディフュージョン部、ＨＯＧ…
…出力ゲート ＬＨ……ＯＦＤが設けられた水平ＣＣＤ内の１転送部上
の水平転送電極 ５１……Ｎ型半導体基板、５２……Ｐ−ｗｅｌｌ、５
３，５５……Ｎ型半導体領域 ５４……Ｎ−型半導体領域、５６……Ｎ＋型半導体領域 ５７……バスライン配線形成領域、５８……Ｐ＋型半導
体領域 ５９……絶縁膜、６０……第１層電極、６１……第２層
電極
Claims (9)
- 【請求項１】 入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変
換素子で得られた信号電荷が垂直転送部を介して水平転
送部に送られるように構成した固体撮像装置において、 前記信号電荷の過剰電荷が、前記水平転送部と電荷検出
部との間に設けた空転送部でクリップされる手段を設け
たことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項２】 入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変
換素子で得られた信号電荷が垂直転送部を介して水平転
送部に送られるように構成した固体撮像装置において、 前記光電変換素子の電荷蓄積時間を可変させることで、
見かけ上感度の異なる光電変換素子を得るように構成し
たことを特徴とする固体撮像装置。前記感度の低い光電
変換素子の電荷蓄積時間を基板シャッタを用い可変する
ように構成したことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項３】 入射光量に対して感度の高い光電変換素
子と感度の低い光電変換素子とが設けられ、前記光電変
換素子で得られた信号電荷が垂直転送部を介して水平転
送部に送られるように構成した固体撮像装置において、 前記感度の低い光電変換素子の電荷蓄積時間を基板シャ
ッタを用い可変するように構成したことを特徴とする固
体撮像装置。 - 【請求項４】 水平方向に前記感度の高い光電変換素子
と感度の低い光電変換素子とを交互に配置したことを特
徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の固体撮像装
置。 - 【請求項５】 垂直方向に前記感度の高い光電変換素子
と感度の低い光電変換素子とを交互に配置したことを特
徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の固体撮像装
置。 - 【請求項６】 前記感度の高い光電変換素子と感度の低
い光電変換素子とを市松模様状に交互に配置したことを
特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の固体撮像装
置。 - 【請求項７】 前記過剰電荷をクリップする手段は、オ
ーバーフロードレインであることを特徴とする請求項１
乃至６の何れかに記載の固体撮像装置。 - 【請求項８】 前記過剰電荷をクリップする手段は、ナ
ローチャンネル効果を用いたものであることを特徴とす
る請求項７記載の固体撮像装置。 - 【請求項９】 光電変換素子に蓄積された電荷を電気信
号に変換する固体撮像装置において、 前記光電変換素子に蓄積された電荷量を基板シャッタを
用い可変することでダイナミックレンジを広くすること
を特徴とする固体撮像装置の撮像方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10035594A JPH11234575A (ja) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | 固体撮像装置 |
| KR1019990005414A KR19990072735A (ko) | 1998-02-18 | 1999-02-18 | 고체상태이미지픽업장치및그픽업방법 |
| US09/985,884 US20020027189A1 (en) | 1998-02-18 | 2001-11-06 | Solid-state image pick-up device and image pick-up method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10035594A JPH11234575A (ja) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | 固体撮像装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11234575A true JPH11234575A (ja) | 1999-08-27 |
Family
ID=12446136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10035594A Pending JPH11234575A (ja) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | 固体撮像装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20020027189A1 (ja) |
| JP (1) | JPH11234575A (ja) |
| KR (1) | KR19990072735A (ja) |
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| JP2001267543A (ja) * | 2000-03-21 | 2001-09-28 | Sony Corp | 固体撮像素子およびこれを用いたカメラシステム |
| JP2003524347A (ja) * | 2000-02-23 | 2003-08-12 | ザ トラスティーズ オブ コロンビア ユニヴァーシティ イン ザ シティ オブ ニューヨーク | 高ダイナミックレンジ画像を獲得する方法及び装置 |
| KR100394570B1 (ko) * | 1999-11-08 | 2003-08-14 | 가시오게산키 가부시키가이샤 | 포토센서 시스템 및 그 구동제어 방법 |
| JP2005286104A (ja) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Fuji Film Microdevices Co Ltd | 広ダイナミックレンジカラー固体撮像装置及びこの固体撮像装置を搭載したデジタルカメラ |
| US7796185B2 (en) | 2006-04-25 | 2010-09-14 | Panasonic Corporation | Driving method for solid-state imaging device and solid-state imaging device |
| US8018516B2 (en) | 2008-06-16 | 2011-09-13 | Panasonic Corporation | Solid-state image sensor and signal processing method of same |
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| US7382407B2 (en) * | 2002-08-29 | 2008-06-03 | Micron Technology, Inc. | High intrascene dynamic range NTSC and PAL imager |
| US7430011B2 (en) * | 2003-01-22 | 2008-09-30 | Omnivision Technologies, Inc. | Image sensor having dual automatic exposure control |
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-
1998
- 1998-02-18 JP JP10035594A patent/JPH11234575A/ja active Pending
-
1999
- 1999-02-18 KR KR1019990005414A patent/KR19990072735A/ko active IP Right Grant
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- 2001-11-06 US US09/985,884 patent/US20020027189A1/en not_active Abandoned
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR19990072735A (ko) | 1999-09-27 |
| US20020027189A1 (en) | 2002-03-07 |
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