JPH11251571A

JPH11251571A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH11251571A
Application number: JP10069454A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Toma; 哲夫笘
Original assignee: Fujifilm Microdevices Co Ltd; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp; Fujifilm Microdevices Co Ltd
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 1999-09-17
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: JP3805097B2

Abstract

(57)【要約】【課題】受光エレメントにおいて蓄積可能な信号電荷の
飽和電荷量を増加させる。【解決手段】半導体基板３上のｐウェル領域４内に、受
光エレメントとなるｎ型半導体層５とｐ⁺型半導体層
６、垂直転送路となるｎ型半導体層８、転送ゲートとな
るｐ型の隙間領域７が形成され、更に、ｎ型半導体層８
と隙間領域７上に転送電極ＶＧ１が配設され、ｎ型半導
体基板３に端子１２が接続されている。露光時には、転
送電極ＶＧ１に所定電圧を印加することで、隙間領域７
のチャネル障壁を高くし、更に、端子１２を介してｎ型
半導体基板３に所定の電圧Ｖ_OFDを印加することで、受
光エレメント下に生じるポテンシャル障壁の高さをチャ
ネル障壁より高くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受光エレメントに
おいて蓄積可能な信号電荷の飽和電荷量を増加させた固
体撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の固体撮像装置として、電荷結合型
固体撮像デバイス（以下、ＣＣＤ撮像デバイスという）
が知られている。一例として、インターライン転送方式
のＣＣＤ撮像デバイスでは、マトリクス状に配列された
多数のフォトダイオードと、各フォトダイオードに生じ
た信号電荷を垂直転送方向へ転送する垂直転送路と、垂
直転送路から転送されてくる信号電荷を水平転送方向へ
転送する水平転送路、及び水平転送路から転送されてく
る信号電荷を信号処理可能な電圧または電流の画素信号
に変換して出力する出力回路を備えて構成されている。

【０００３】上記の各フォトダイオードは、入射光を信
号電荷に変換して蓄積する感光蓄積機能を有しており、
画素の基本単位となる受光エレメントを構成している。

【０００４】また、各フォトダイオードと垂直転送路と
の間に転送ゲートが設けられており、転送ゲート下のチ
ャネル障壁の高さを制御することによって、各フォトダ
イオードにおける感光蓄積と、各フォトダイオードに蓄
積された信号電荷の垂直転送路への移送を可能にしてい
る。

【０００５】すなわち、露光時には、転送ゲート下のチ
ャネル障壁を高くすることによって各フォトダイオード
中に被写体照度に応じた信号電荷を感光蓄積させ、露光
完了後に信号電荷を読み出すときには、まず転送ゲート
下のチャネル障壁を一時的に低くすることにより、各フ
ォトダイオード中に蓄積されている信号電荷を垂直転送
路へ移送させ、再びチャネル障壁を高い状態にして上記
の垂直転送路と水平転送路により信号電荷の読み出しを
行っている。

【０００６】更に、転送ゲート下のチャネル障壁を制御
するだけでは、いわゆるセンサブルーミング現象が起き
る場合があるため、この現象を防止する手段として、各
フォトダイオードの隣に、転送ゲート下のチャネル障壁
とは異なるポテンシャル障壁を介してオーバーフロード
レインが形成されている。

【０００７】すなわち、仮にオーバーフロードレインが
形成されていないものとすると、フォトダイオードに強
い（過大な）光が入射して過剰な電荷が発生した場合
に、この過剰電荷が転送ゲートのチャネル障壁を乗り越
えて垂直転送路へ漏れ込むという現象が生じる。この現
象がセンサブルーミング現象と呼ばれており、垂直・水
平転送路を通して読み出された画素信号に基づいて画像
再生を行うと、再生画像上に垂直方向の縦縞が生じて、
画質悪化の原因となる。

【０００８】そこで、各フォトダイオードの隣に上記の
オーバーフロードレインを形成し、更に、各フォトダイ
オードとオーバーフロードレイン間に設けられた上記ポ
テンシャル障壁の高さＨ_OFDを転送ゲート下のチャネル
障壁の高さＨ_TGより低く設定して露光を行うことによ
り、過剰な電荷をオーバーフロードレン側へ流して、垂
直転送路には漏れ込まないようにしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のインターライン転送方式のＣＣＤ撮像デバイスで
は、オーバーフロードレイン側のポテンシャル障壁の高
さＨ_OFDを転送ゲート下のチャネル障壁の高さＨ_TGより
低く設定した状態で露光が行われることによる問題があ
った。

【００１０】すなわち、上記のチャネル障壁とポテンシ
ャル障壁の高さを、Ｈ_TG＞Ｈ_OFDの関係に設定して露光
を行うことは、センサブルーミング現象の発生防止にと
って効果的ではあるが、ポテンシャル障壁の高さＨ_OFD
とチャネル障壁の高さＨ_TGとの間の信号電荷が常にオー
バーフロードレイン側へ廃棄されてしまうことから、フ
ォトダイオードにおいて蓄積可能な最大の信号電荷量
（以下、飽和電荷量という）がこれら障壁の高さの差｜
Ｈ_TG−Ｈ_OFD｜の分だけ減ることとなり、結果的に飽和
電荷量が小さくなってしまう。このため、広ダイナミッ
クレンジで高感度等の、より特性の優れたＣＣＤ撮像デ
バイスを製造することが困難となっていた。

【００１１】本発明は、上記従来技術の課題を克服する
ためになされたものであり、受光エレメントにおいて蓄
積可能な信号電荷の飽和電荷量を増加させた固体撮像装
置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、半導体基板上にすくなくとも、受光
エレメントと、前記受光エレメントに転送ゲートを介し
て隣接する垂直転送路と、前記受光エレメントに隣接す
るオーバーフロードレインとが形成され、前記受光エレ
メントと前記オーバーフロードレインとの間のポテンシ
ャル障壁及び前記転送ゲート下のチャネル障壁を共に高
い状態に設定して前記受光エレメントによる露光を行う
インターライントランスファ型ＣＣＤの固体撮像装置に
おいて、前記チャネル障壁より前記ポテンシャル障壁を
高い状態に設定して前記受光エレメントによる露光を行
わせる制御手段を備える構成とした。

【００１３】かかる構成により、ポテンシャル障壁の高
さをチャネル障壁の高さより低くして露光を行う場合に
較べて、受光エレメントにおいて蓄積可能な信号電荷の
飽和電荷量が増加する。

【００１４】また、半導体基板上にすくなくとも、受光
エレメントと、前記受光エレメントに転送ゲートを介し
て隣接する垂直転送路と、前記受光エレメントに隣接す
るオーバーフロードレインとが形成され、前記受光エレ
メントと前記オーバーフロードレインとの間のポテンシ
ャル障壁及び前記転送ゲート下のチャネル障壁を共に高
い状態に設定して前記受光エレメントによる露光を行う
インターライントランスファ型ＣＣＤの固体撮像装置に
おいて、被写体像を観察するためのモニターモードと、
被写体像を静止画撮影するための本撮影モードとを有
し、前記モニターモードでは、前記ポテンシャル障壁を
前記チャネル障壁より低い状態に設定して前記受光エレ
メントによる露光を行わせ、前記本撮影モードでは、前
記ポテンシャル障壁を前記モニターモードでの露光時よ
り高い状態に設定して前記受光エレメントによる露光を
行わせる制御手段を備える構成とした。

【００１５】かかる構成によれば、モニターモード時に
おける露光では、ポテンシャル障壁の高さがチャネル障
壁の高さより低くなることにより、過大な光が受光エレ
メントに入射して過剰な電荷が発生しても、この過剰電
荷はオーバーフロードレインへ廃棄され、垂直転送路へ
は漏れ込まない。このため、ブルーミングやスメア等の
無い鮮明な画像再生が実現される。一方、本撮影モード
では、ポテンシャル障壁の高さをモニターモードでの露
光時より高くして露光を行うことで、受光エレメントに
おいて蓄積可能な信号電荷の飽和電荷量が増加する。

【００１６】また、前記本撮影モードでは、前記チャネ
ル障壁を高くした状態で前記垂直転送路による不要電荷
の転送読み出しを行った後、前記露光により前記受光エ
レメントに感光蓄積された信号電荷を前記垂直転送路で
転送読み出しする構成とした。

【００１７】かかる構成によれば、垂直転送路による不
要電荷の転送読み出しを行った後、本撮影モード時に受
光エレメントに感光蓄積された信号電荷を垂直転送路で
転送読み出しすることにより、ブルーミングやスメア等
の原因となる不要電荷が信号電荷に混入するのを防止し
て、鮮明な静止画像を再生することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体撮像装置をイ
ンターライン転送方式のＣＣＤ撮像デバイスに適用した
実施の形態について説明する。

【００１９】（第１の実施の形態）第１の実施の形態に
係るインターライン転送方式のＣＣＤ撮像デバイス（以
下、ＩＬＣＣＤという）は、電子スチルカメラに適用さ
れるものであり、更にその電子スチルカメラに設けられ
ている光開閉手段（シャッター手段）の後方に配置され
て、撮像動作を行うものである。

【００２０】光開閉手段の具体例としては、フォーカル
プレーンシャッター等の機械式シャッターや、入射光の
透過を電気的にオン・オフ制御する液晶シャッター等の
電気光学デバイスや、ＩＬＣＣＤの受光領域の前方に傾
倒自在に設けられた反射鏡等が適用されている。なお、
本実施の形態では、機械式シャッターを用いた場合につ
いて説明することとする。

【００２１】図１は、本実施の形態に係るＩＬＣＣＤの
概略構成を示す図、図２は、受光エレメントと垂直転送
路の要部構造を示す図である。

【００２２】図１（ａ）の平面図において、ＩＬＣＣＤ
１は、半導体集積回路製造技術によって同一の半導体基
板上に一体に形成されており、その受光領域２には、垂
直転送方向ｉと水平転送方向ｊに沿ってマトリクス状に
配列されたＩ×Ｊ個のｐｎ接合型フォトダイオードＰＤ
_1,1〜ＰＤ_I,Jと、これらのフォトダイオードＰＤ_1,1〜
ＰＤ_I,Jの横隣りに転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,Jを介し
て並設されたＪ本の垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jと、垂
直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jの終端に配設された水平転送
路ＨＣＴと、水平転送路ＨＣＴの終端部に設けられた出
力回路ＯＵＴとが備えられている。また、ＩＬＣＣＤ１
の裏面に基板電圧制御信号Ｖ_OFDを印加するための端子
１２が設けられている。また、フォトダイオードＰＤ
_1,1〜ＰＤ_I _,Jの光入射面（受光面）を除いて、受光領域
２の全面がアルミ遮光膜で覆われることにより、不要な
光電荷の発生が抑えられている。

【００２３】フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jと転送
ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,Jのうち、奇数列に位置するフォ
トダイオードと転送ゲートが奇数フィールド、偶数列に
位置するフォトダイオードと転送ゲートが偶数フィール
ドに属しており、露光時にフォトダイオードＰＤ_1,1〜
ＰＤ_I,Jに蓄積した１フレーム画相当の信号電荷が、奇
数フィールド読み出しと偶数フィールド読み出しの２回
に分けて読み出されるようになっている。

【００２４】すなわち、奇数フィールド読み出し期間で
は、奇数フィールドに属するフォトダイオードに蓄積さ
れた信号電荷を、垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jが４相駆
動信号Ｖ１〜Ｖ４に同期して垂直転送方向ｉへ垂直転送
し、更に１列分ずつ垂直転送されてくる信号電荷を、水
平転送路ＨＣＴが２相駆動信号Ｈ１，Ｈ２に同期して水
平転送方向ｊへ水平転送し、これら垂直転送と水平転送
を繰り返しながら出力回路ＯＵＴから出力することによ
り、奇数フィールドの画素信号Ｖoutを読み出す。

【００２５】一方、偶数フィールド読み出し期間では、
偶数フィールドに該当するフォトダイオードに蓄積され
た信号電荷を、垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jが４相駆動
信号Ｖ１〜Ｖ４に同期して垂直転送方向ｉへ垂直転送
し、更に１列分ずつ垂直転送されてくる信号電荷を、水
平転送路ＨＣＴが２相駆動信号Ｈ１，Ｈ２に同期して水
平転送方向ｊへ水平転送し、これら垂直転送と水平転送
を繰り返しながら出力回路ＯＵＴから出力することによ
り、偶数フィールドの画素信号Ｖoutを読み出す。

【００２６】図１（ｂ）は、奇数フィールドに位置する
フォトダイオードＰＤ_i,jと偶数フィールドに位置する
フォトダイオードＰＤ_i+1,j及びそれらに隣接する垂直
転送路ＶＣＴ_jの構成を代表して示している。

【００２７】同図（ｂ）において、垂直転送路ＶＣＴ_j
には、４本を一組とするオーバーラッピングゲート構造
の転送電極ＶＧ１〜ＶＧ４が垂直転送方向ｉに沿って繰
り返して配設され、後述するタイミング発生回路１３で
形成される４相駆動信号Ｖ１〜Ｖ４がそれぞれ対応付け
て印加されている。４相駆動信号Ｖ１〜Ｖ４が所定電圧
範囲内において所定タイミングに同期して変化すること
で、垂直転送路ＶＣＴ_j中にその電圧変化に応じたポテ
ンシャル井戸が形成され、更に、ポテンシャル井戸の変
化に乗じて信号電荷が画素単位に分離されて垂直転送方
向ｉへ転送されるようになっている。

【００２８】フォトダイオードＰＤ_i,jと垂直転送路Ｖ
ＣＴ_jの間に設けられた転送ゲートＴＧ_i,jは、第１の転
送電極ＶＧ１の一端部がゲート電極となって構成されて
いる。駆動信号Ｖ１に所定のしきい値電圧Ｖthより高い
移送パルスを重畳させて転送電極ＶＧ１に印加すること
で、転送ゲートＴＧ_i,j下のチャネル障壁が低くなり、
フォトダイオードＰＤ_i,jと垂直転送路ＶＣＴ_jとの間が
導通状態となる。

【００２９】フォトダイオードＰＤ_i,jと垂直転送路Ｖ
ＣＴ_jの間に設けられた転送ゲートＴＧ_i,jについても同
様に、第３の転送電極ＶＧ３の一端部がゲート電極とな
って構成されている。駆動信号Ｖ３に所定のしきい値電
圧Ｖthより高い移送パルスを重畳させて転送電極ＶＧ３
に印加することで、転送ゲートＴＧ_i,j下のチャネル障
壁が低くなり、フォトダイオードＰＤ_i,jと垂直転送路
ＶＣＴ_jとの間が導通状態となる。

【００３０】図２（ａ）は、図１（ｂ）中の一点鎖線Ｘ
−Ｘに沿った垂直転送路ＶＣＴ_jと転送ゲートＴＧ_i,jと
フォトダイオードＰＤ_i,j及びそれらの周辺部分のコラ
ム構造を示す縦断面図である。

【００３１】同図（ａ）において、ｎ型半導体基板３上
に積層されたｐ型ウェル領域４内に、フォトダイオード
ＰＤ_i,jとなるｎ型半導体層５とｐ⁺型半導体層６とが形
成されている。これらの半導体層５，６の横には、転送
ゲートＴＧ_i,jとなる隙間領域７を介して、垂直転送路
ＶＣＴ_jとなるｎ型半導体層８が形成されている。

【００３２】更に、ｐ型ウェル領域４内には、上記の半
導体層５，６，８と隙間領域７を囲むｐ型半導体から成
るチャンネルストッパ９が形成され、これによりフォト
ダイオードＰＤ_i,jと垂直転送路ＶＣＴ_j及び転送ゲート
ＴＧ_i,j中に存在する信号電荷の漏れ防止が果されてい
る。

【００３３】ｎ型半導体層８と隙間領域７上には、層間
絶縁膜１０を介して、ポリシリコンから成る転送電極Ｖ
Ｇ１が配設されると共に、ｐ⁺型半導体層６の所定領域
を除く受光領域２の全面がアルミ遮光膜１１で覆われ、
更に、ｎ型半導体基板２の裏面に金属蒸着が施されて端
子１２に接続されている。

【００３４】図２（ｂ）は、同図（ａ）中に示す一点鎖
線Ｙ−Ｙに沿った部分のポテンシャルプロファイルを示
している。すなわち、垂直転送路ＶＣＴ_jと転送ゲート
ＴＧ_i _,j及びフォトダイオードＰＤ_i,jの一部までの基板
水平方向と、フォトダイオードＰＤ_i,jからｎ型半導体
基板３までの基板深さ方向に沿ったポテンシャルプロフ
ァイルを示している。

【００３５】同図（ｂ）において、ｐ型半導体のチャン
ネルストッパ９によって最も高く且つ固定化されたポテ
ンシャル障壁Ｐ１が形成され、フォトダイオードＰＤ
_i,j下のｐ型ウェル領域４によってポテンシャル障壁Ｐ
２が形成されている。これらのポテンシャル障壁Ｐ１，
Ｐ２の間に、垂直転送路ＶＣＴ_jのポテンシャル井戸Ｐ
３と、転送ゲートＴＧ_i,j下のチャネル障壁Ｐ４と、ｎ
型半導体層５及びｐ⁺型半導体層６によるｐｎ接合Ｐ５
が形成されている。

【００３６】ここで、駆動信号Ｖ１が所定のしき値電圧
Ｖth以下のときは、転送ゲートＴＧ_i,j下のチャネル障
壁Ｐ４が図示のように高くなる。駆動信号Ｖ１にしき値
Ｖthより高い移送パルスが重畳したときには、図示の点
線で示すように、転送ゲートＴＧ_i,j下のチャネル障壁
Ｐ４がｐｎ接合Ｐ５のポテンシャルより低くなり、フォ
トダイオードＰＤ_i,j中の信号電荷がこの低いチャネル
障壁Ｐ４を通って垂直転送路ＶＣＴ_jへ移送される。

【００３７】また、ポテンシャル障壁Ｐ２の高さは、基
板電圧制御信号Ｖ_OFDの電圧が高いほど低くなり、基板
電圧制御信号Ｖ_OFDの電圧が低いほど高くなる。

【００３８】また、駆動信号Ｖ１が上記のしき値電圧Ｖ
th以下の所定電圧範囲内で変化することにより、垂直転
送路ＶＣＴ_j内に信号電荷を転送するためのポテンシャ
ル井戸が形成される。

【００３９】そして、フォトダイオードＰＤ_i,jと転送
ゲートＴＧ_i,jを除く他のフォトダイオードＰＤ_1,1〜Ｐ
Ｄ_I,Jと転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J及び垂直転送路Ｖ
ＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jも同様のポテンシャルプロファイルを有
している。

【００４０】本実施の形態では、これらの駆動信号Ｖ１
〜Ｖ４と基板電圧制御信号Ｖ_OFDの電圧を制御して、転
送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下の各チャネル障壁Ｐ４とフ
ォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jに付随する各ポテンシ
ャル障壁Ｐ２の高さを調節することにより、フォトダイ
オードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jに残存している不要電荷をｎ型
半導体基板３へ廃棄したり、フォトダイオードＰＤ_1,1
〜ＰＤ_I,Jによる露光を行わせたり、露光時にフォトダ
イオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中に蓄積した信号電荷を垂直
転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ移送させたり、更に、垂直転
送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jによる垂直転送動作を行わせる等
の処理を行っている。

【００４１】次に、図３（ａ）を参照して、ＩＬＣＣＤ
１に垂直・水平電荷転送を行わせるための回路と、基板
電圧制御信号Ｖ_OFDを形成するための基板電圧制御回路
の構成を説明する。

【００４２】図３（ａ）において、垂直・水平電荷転送
を行わせるための回路が、タイミング発生回路１３と駆
動回路１４で構成され、上記基板電圧制御回路が、電子
ボリウム調整器１５と電子シャッター用タイミング発生
回路１６、駆動回路１７と整流ダイオード１８及び結合
コンデンサ１９で構成されている。

【００４３】タイミング発生回路１３からは、垂直転送
路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_jを駆動するための４相駆動信号Ｖ１
〜Ｖ４と、水平転送路ＨＣＴを駆動するための２相駆動
信号Ｈ１，Ｈ２と、出力回路ＯＵＴのセット／リセット
動作を制御するためのタイミング信号Ｓ_RSとが出力さ
れ、更に、駆動回路１４が４相駆動信号Ｖ１〜Ｖ４を電
力増幅して垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_j上の転送電極Ｖ
Ｇ１〜ＶＧ４に供給している。

【００４４】電子ボリウム調整回路１５は、本電子スチ
ルカメラに内蔵されているマイクロプロセッサ（図示
略）の指示に従って、図３（ｂ）に示すような直流電圧
Ｖ_OFD1またはＶ_OFD2のいずれかの電圧からなる基準電圧
信号Ｖ_BIASを出力する。

【００４５】電子シャッター用タイミング発生回路１６
は、上記マイクロプロセッサの指示に同期して、図３
（ｂ）に示すような、３個の矩形波信号を１組とする電
子シャッター信号ＯＦＤを出力する。ここで、この矩形
波信号は、１水平期間（１Ｈ期間）に同期して高レベル
と低レベルに変化し、高レベルの振幅がφ_OFDに設定さ
れている。

【００４６】駆動回路１７は、タイミング発生回路１３
から供給される開閉タイミング信号Ｗに同期して、電子
シャッター信号ＯＦＤを有効または無効にして出力する
ための切換え動作を行う。すなわち、本電子スチルカメ
ラに設けられた前記の機械式シャッターが開成状態のと
きには、開閉タイミング信号Ｗが論理“Ｌ”となり、機
械式シャッターが閉成状態のときには、開閉タイミング
信号Ｗが論理“Ｈ”となる。そして、駆動回路１７に論
理“Ｌ”の開閉タイミング信号Ｗが供給されると、電子
シャッター信号ＯＦＤ中の上記矩形波信号を有効にし、
論理“Ｈ”の開閉タイミング信号Ｗが供給されると、電
子シャッター信号ＯＦＤ中の上記矩形波信号を無効にす
る。この切換え動作により、駆動回路１７からは、前記
機械式シャッターの開成期間中だけ上記の矩形波信号が
含まれた電子シャッター信号ＯＦＤが出力されるように
なっている。

【００４７】そして、電子ボリウム調整器１５から出力
される基準電圧信号Ｖ_BIASと駆動回路１７から出力され
る電子シャッター信号ＯＦＤとが、整流ダイオード１８
と結合コンデンサ１９によって加算されることにより、
図３（ｂ）に示すような基板電圧制御信号Ｖ_OFDが形成
され、端子１２に供給される。

【００４８】なお、直流電圧Ｖ_OFD1とＶ_OFD2は、Ｖ_OFD1
＜Ｖ_OFD2の電圧関係に設定され、電子シャッター信号Ｏ
ＦＤ中の矩形波信号の振幅φ_OFDは、φ_OFD＞Ｖ_OFD2−Ｖ
_OFD1に設定されている。したがって、基準電圧信号Ｖ
_BIASが直流電圧Ｖ_OFD2に切り換えられた場合には、基板
電圧制御信号Ｖ_OFDの基底電圧レベルがＶ_OFD2となり、
電子シャッター信号ＯＦＤの重畳した部分での最大振幅
Ｖ_OFD3がＶ_OFD2＋φ_OFDとなる。また、基準電圧信号Ｖ
_BIASが直流電圧Ｖ_OFD1に切り換えられた場合には、基板
電圧制御信号Ｖ_OFDの基底電圧レベルがＶ_OFD1となり、
電子シャッター信号ＯＦＤの重畳した部分での最大振幅
Ｖ_OFD4がＶ_OFD1＋φ_OFD（ただし、Ｖ_OFD2＜Ｖ_OFD1＋φ
_OFD＜Ｖ_OFD3）となる。

【００４９】次に、図４に示すタイミングチャートを参
照して、ＩＬＣＣＤ１を内蔵した電子スチルカメラの撮
影動作について説明する。

【００５０】図４において、本電子スチルカメラには、
実際の撮影を行うことなく単に被写体を観察するための
モニターモードと、被写体像を静止画撮影するための本
撮影モードが備えられている。

【００５１】モニターモード期間Ｔmonでは、前記の機
械式シャッターが開成状態のまま保持され、偶数フィー
ルド読み出しと奇数フィールド読み出しが交互に繰り返
されることにより、フィールド撮影が行われる。また、
機械式シャッターが開成状態となるのに伴って開閉タイ
ミング信号Ｗが論理“Ｌ”となり、電子スチルカメラに
設けられたシャッター釦スイッチが押下されるまでは電
子ボリウム調整器１５の基準電圧信号Ｖ_BIASが電圧Ｖ
_OFD2となる。

【００５２】更に、モニターモード期間Ｔmonにおける
偶数フィールド読み出し期間τ_EVENでは、まず垂直ブラ
ンキング期間において、水平４相駆動信号Ｖ１〜Ｖ４の
うちの駆動信号Ｖ３にしきい値電圧Ｖth以上の移送パル
スＰＬ１が重畳され（時点ｔ１参照）、その後、偶数フ
ィールド読み出し期間τ_EVENが終わるまでは、４相駆動
信号Ｖ１〜Ｖ４がしきい値電圧Ｖth以下の所定電圧範囲
内で変化することにより、垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J
の垂直転送が行われ、更にこの垂直転送と共に水平転送
路ＨＣＴによる水平転送が行われて画素信号Ｖoutが出
力される。

【００５３】また、上記時点ｔ１の経過後の一定期間τ
_ST内において電子シャッター用タイミング発生回路１６
から電子シャッター信号ＯＦＤが出力される。したがっ
て、基板電圧制御信号Ｖ_OFDが、電圧Ｖ_OFD2に電子シャ
ッター信号ＯＦＤが重畳した波形となる。

【００５４】かかる状態で偶数フィールド読み出し期間
τ_EVENにおける読み出し処理が行われると、まず時点ｔ
１では、図５（ａ）に示すように、しきい値電圧Ｖthよ
り高電圧の移送パルスＰＬ３により、偶数フィールドに
属する転送ゲート下のチャネル障壁Ｐ４が低くなり、偶
数フィールドのフォトダイオードに蓄積された信号電荷
が垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ移送される。

【００５５】次に、この信号電荷の移送後、しきい値電
圧Ｖth以下の４相駆動信号Ｖ１〜Ｖ４に同期して垂直転
送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jが垂直転送を開始する。この垂直
転送時には全ての転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャ
ネル障壁Ｐ４が高くなるため、フォトダイオードＰＤ
_1,1〜ＰＤ_I,Jと垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jの間が完全
に遮断された状態となる。

【００５６】次に、期間τ_STにおいて、基板電圧制御信
号Ｖ_OFD中の電子シャッター信号ＯＦＤがｎ型半導体基
板３に印加される。これにより、図５（ｂ）に示すよう
に、その電圧Ｖ_OFD3に応じてフォトダイオードＰＤ_1,1
〜ＰＤ_I,Jに付随する全てのポテンシャル障壁Ｐ２が低
くなり、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中に残留し
ている不要電荷がｎ型半導体基板３へ廃棄される。

【００５７】次に、期間τ_ST後、基板電圧制御信号Ｖ
_OFDが再び電圧Ｖ_OFD2になり、図６（ａ）に示すよう
に、ポテンシャル障壁Ｐ２が電圧Ｖ_OFD2に応じた高さと
なる。ここで、ポテンシャル障壁Ｐ２の高さは、転送ゲ
ートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁Ｐ４より若干低
くなる。そして、偶数フィールド読み出し期間τ_EVENが
終わるまでの期間τ_PD中、図６（ａ）に示すポテンシャ
ルプロファイルが保持される。

【００５８】このように、偶数フィールド読み出し期間
τ_EVENでは、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中に感
光蓄積された信号電荷のうち偶数フィールドに属する信
号電荷が時点ｔ１で垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ移送
されて偶数フィールド読み出しが開始され、次に、ｎ型
半導体基板３に電子シャッター信号ＯＦＤが印加される
ことにより不要電荷が廃棄された後の期間τ_PDが露光期
間となる。

【００５９】ここで、露光期間τ_PDでは、図６（ａ）に
示したように、チャネル障壁Ｐ４よりポテンシャル障壁
Ｐ２の方が低くなるため、強い（過大な）光が入射して
フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中に過剰な電荷が発
生しても、その過剰電荷はポテンシャル障壁Ｐ２を超え
てｎ型半導体基板３側へ流出する。このため、垂直電荷
転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ過剰電荷が漏れることがな
く、センサブルーミング現象の発生が防止される。

【００６０】一方、モニターモード期間Ｔmonにおける
奇数フィールド読み出し期間τ_ODDにおいても偶数フィ
ールド読み出し期間τ_EVENと同様の処理が行われる。す
なわち、まず偶数フィールド読み出し期間τ_EVENの開始
時点ｔ２で、図５（ａ）に示すのと同様に、駆動信号Ｖ
１に重畳した移送パルスＰＬ１により奇数フィールドに
属する転送ゲート下のチャネル障壁Ｐ４が低くなり、奇
数フィールドのフォトダイオードに蓄積された信号電荷
が垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ移送される。

【００６１】次に、この信号電荷の移送後、しきい値電
圧Ｖth以下の電圧範囲内で変化する４相駆動信号Ｖ１〜
Ｖ４に同期して、垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jが垂直転
送を開始する。この垂直転送時には全ての転送ゲートＴ
Ｇ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁Ｐ４が高くなるため、
フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jと垂直転送路ＶＣＴ
₁〜ＶＣＴ_Jの間は完全に遮断された状態となる。

【００６２】次に、期間τ_STにおいて、基板電圧制御信
号Ｖ_OFD中の電子シャッター信号ＯＦＤがｎ型半導体基
板３に印加され、これにより、図５（ｂ）に示すのと同
様に、その電圧Ｖ_OFD3に応じてフォトダイオードＰＤ
_1,1〜ＰＤ_I,Jに付随する全てのポテンシャル障壁Ｐ２が
低くなり、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中に残留
していた不要電荷がｎ型半導体基板３へ廃棄される。

【００６３】そして、基板電圧制御信号Ｖ_OFDが再び電
圧Ｖ_OFD2になり、図６（ａ）に示すのと同様に、ポテン
シャル障壁Ｐ２が電圧Ｖ_OFD2に応じた高さとなる。ここ
で、電圧Ｖ_OFD2によって生じるポテンシャル障壁Ｐ２の
高さは、転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁
Ｐ４の高さより若干低くなり、奇数フィールド読み出し
期間τ_ODDが終わるまでの期間τ_PD中、図６（ａ）に示
すポテンシャルプロファイルが保持される。

【００６４】ここで、期間τ_PDが露光期間となり、図６
（ａ）に示したように、チャネル障壁Ｐ４よりポテンシ
ャル障壁Ｐ２の方が低くなる。したがって、強い（過大
な）光が入射してフォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中
に過剰な電荷が発生しても、その過剰電荷はポテンシャ
ル障壁Ｐ２を超えてｎ型半導体基板３側へ流出し、垂直
電荷転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ漏れることがないため、
センサブルーミング現象の発生が防止される。

【００６５】このように、モニターモード期間Ｔmonで
は、各フィールド読み出し期間τ_EVE _N，τ_ODDにおい
て、電子シャッター信号ＯＦＤによる不要電荷の廃棄を
行った後に露光期間τ_SPが設定されるので雑音成分の抑
えられた信号電荷が得られ、この信号電荷に基づいて出
力される画素信号Ｖoutを本電子スチルカメラに設けら
れた液晶モニター等に供給することにより、高品質の再
生画像をモニター表示させることができる。

【００６６】更に、露光期間τ_SP中は、チャネル障壁Ｐ
４よりポテンシャル障壁Ｐ２が若干低く設定されている
ので、過剰電荷が垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ漏れ込
むことがないため、上記液晶モニター等に再生画像を表
示した場合に、再生画像中に縦縞が生じるセンサブルー
ミング現象が生じることがなく、高品質の再生画像をモ
ニター表示することができる。

【００６７】次に、上記モニターモード期間Ｔmon中の
任意の時点、たとえば図４中の時点ｔ３において、電子
スチルカメラに設けられているシャッター釦スイッチが
押下されると、それに同期して電子ボリウム調整器１５
の基準電圧信号Ｖ_BIASが電圧Ｖ_OFD1に切り替えられた
後、次のフィールド読み出し期間τ_EXPに同期して、本
撮影モード期間Ｔ_EXとなる。

【００６８】なお、このフィールド読み出し期間τ_EXP
は、前記シャッター釦スイッチが押下された時点ｔ３が
奇数フィールド読み出し期間τ_ODD内であれば、偶数フ
ィールド読み出し期間が該当し、逆に、前記シャッター
釦スイッチが押下された時点ｔ３が偶数フィールド読み
出し期間τ_EVEN内であれば、奇数フィールド読み出し期
間が該当することになる。

【００６９】このフィールド読み出し期間τ_EXPでは、
基板電圧制御信号Ｖ_OFDの基底電圧レベルがＶ_OFD1とな
り、これに電子シャッター信号ＯＦＤが重畳した部分の
最大振幅Ｖ_OFD4が、Ｖ_OFD1＋φ_OFDとなる。更に、電子
シャッター信号ＯＦＤは、前記モニターモード期間Ｔmo
nの各フィールド読み出し期間τ_EVEN，τ_ODDの場合と同
じタイミングで電子シャッター用タイミング回路１６か
ら出力される。

【００７０】この電子シャッター信号ＯＦＤがｎ型半導
体基板３に印加されると、図５（ａ）に示したのと同様
に、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jに付随する全て
のポテンシャル井戸Ｐ２が低くなり、フォトダイオード
ＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中に残存する不要な電荷がｎ型半導体
基板３側へ廃棄される。

【００７１】そして、電子シャッター信号ＯＤＦの終了
後、本電子スチルカメラに設定されているシャッター速
度に対応する期間τ_ONの経過直後に、前記機械式シャッ
ターが閉成される。したがって、期間τ_ONが静止画撮影
のための露光期間となる。

【００７２】なお、この露光期間τ_ONでは、基板電圧制
御信号Ｖ_OFDが電圧Ｖ_OFD1となっているため、図６
（ｂ）に示すのと同様に、ポテンシャル障壁Ｐ２が高く
なる。ただし、このときのポテンシャル障壁Ｐ２の高さ
は、転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_i,j下のチャネル障壁Ｐ４
よりも高くなるため、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ
_I,J中に蓄積可能な最大電荷量、すなわち飽和電荷量が
転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁Ｐ４の高
さによって決まる。したがって、ポテンシャル障壁Ｐ２
の高さを転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_i,j下のチャネル障壁
Ｐ４よりも低く設定した場合と較べて、飽和電荷量の増
加が実現される。

【００７３】次に、所定期間τ_Bにおいて、４相駆動信
号Ｖ１〜Ｖ４及び２相駆動信号をＨ１，Ｈ２を通常の読
み出し期間のときより高速化させることにより、垂直転
送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J及び水平転送路ＨＣＴによる高速
読み出しを行う。また、４相駆動信号Ｖ１〜Ｖ４に代え
て、２相の駆動信号に同期して垂直転送路ＶＣＴ₁〜Ｖ
ＣＴ_jを駆動することにより、高速読み出しを行わせ
る。

【００７４】かかる高速読み出しを行うと、露光期間τ
_ON中に垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jに漏れ込んだ不要電
荷等が外部へ掃き出され、図６（ｃ）に示すように、垂
直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J及び水平転送路ＨＣＴから不
要電荷が一掃される。

【００７５】次に、この不要電荷の掃き出し処理の後、
奇数フィールド読み出し期間τ_ODDとなり、フォトダイ
オードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jのうち奇数フィールドに属する
フォトダイオードに蓄積されている信号電荷が読み出さ
れる。

【００７６】次に、奇数フィールド読み出し期間τ_ODD
後、再び不要電荷の掃き出し期間τ_Bとなり、垂直転送
路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J及び水平転送路ＨＣＴによる高速読
み出しが行われることにより、垂直転送路ＶＣＴ₁〜Ｖ
ＣＴ_J及び水平転送路ＨＣＴ中の不要電荷が一掃され
る。

【００７７】次に、偶数フィールド読み出し期間τ_EVEN
となり、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jのうち偶数
フィールドに属するフォトダイオードに蓄積されている
信号電荷が読み出される。

【００７８】そして、これら奇数フィールド読み出しと
偶数フィールド読み出しが完了すると、本撮影モード期
間Ｔ_EXが終了（時点ｔ４参照）し、それと同時に機械式
シャッターが開成されて、再びモニターモード期間Ｔmo
nの処理に移行する。

【００７９】このように、本実施の形態のＩＬＣＣＤ１
によれば、本撮影モード期間Ｔ_EX中の露光期間τ_ONにお
いて、ポテンシャル障壁Ｐ２の高さを転送ゲートＴＧ
_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁Ｐ４より高くしたので、
フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jにおいて蓄積可能な
飽和電荷量を増加させることができる。

【００８０】なお、図７は、基板電圧制御信号Ｖ_OFDに
対する飽和電荷量Ｖsatの実験結果を示しており、基板
電圧制御信号Ｖ_OFDを電圧Ｖ_OFD1にすることでポテンシ
ャル障壁Ｐ２をチャネル障壁Ｐ２より高くして露光を行
った場合の飽和電荷量の方が、基板電圧制御信号Ｖ_OFD
を電圧Ｖ_OFD2にすることでポテンシャル障壁Ｐ２をチャ
ネル障壁Ｐ２より低くして露光を行った場合の飽和電荷
量に比べて、明らかにΔＶsatの電荷量の増加が達成さ
れることが確認された。

【００８１】また、露光期間τ_ONにおいて蓄積された信
号電荷を読み出す前に、垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J及
び水平転送路ＨＣＴ中に残存する不要電荷を掃き出す
（期間τ_B参照）ので、ブルーミングやスメアの原因と
なる雑音成分が抑えられた高品質な静止画像を提供する
ことができる。

【００８２】また、露光期間τ_ONにおいて、ポテンシャ
ル障壁Ｐ２を転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル
障壁Ｐ４より高くして露光を行うこととした結果、過大
な光の入射に伴って生じる過剰電荷が垂直転送路ＶＣＴ
₁〜ＶＣＴ_Jへ漏れ込む場合があるが、前記不要電荷の掃
き出し期間τ_Bにおいて不要電荷を一掃した後に、フォ
トダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中の信号電荷を読み出す
ので、雑音成分の抑えられ静止画像を得ることができ
る。

【００８３】このように、本実施の形態によれば、モニ
ターモードでは、ポテンシャル障壁Ｐ２よりチャネル障
壁Ｐ４の方を高くして露光することでセンサブルーミン
グ現象の発生を防止することができるので、鮮明なモニ
ター表示用の画像が得られる。一方、静止画撮影のとき
には、チャネル障壁Ｐ４よりポテンシャル障壁Ｐ２の方
を高くして露光することで飽和電荷量を増加させること
ができるので、広ダイナミックレンジの静止画像が得ら
れる。更に、静止画撮影のときには、垂直転送路中の不
要電荷を一掃した後、信号電荷を転送読み出しするの
で、ブルーミングやスメアの無い鮮明な静止画像が得ら
れる。

【００８４】（第２の実施の形態）次に、第２の実施の
形態のＩＬＣＣＤについて、図８と図９を参照して説明
する。なお、図８、図９において、図１〜図７と同一ま
たは相当する部分を同一符号で示している。

【００８５】本実施の形態は、他の構成の基板電圧制御
回路を備えたＩＬＣＣＤに関するものであり、基板電圧
制御回路を除く部分は第１の実施の形態と同様の構成と
なっている。

【００８６】図８において、本実施の形態に係る基板電
圧制御回路は、電子ボリウム調整器２０と、アナログス
イッチ２１、電子シャッター用タイミング発生回路２
２、駆動回路２３、Ｄ型フリップフロップ（以下、ＤＦ
Ｆという）２４、整流ダイオード２５，２６及び結合コ
ンデンサ２７を備えて構成されている。

【００８７】電子ボリウム調整器２０は、電子スチルカ
メラに内蔵されているマイクロプロセッサ（図示略）で
指定された値の直流電圧Ｖ_OFD2を出力する可変電圧源で
構成されている。

【００８８】電子シャッター用タイミング発生回路２２
は、図８（ｂ）に示すように、電子スチルカメラに設け
られているシャッター釦スイッチが押下された時点ｔ３
と、機械式シャッターが開成状態から閉成状態に切り替
わった時点ｔ４で論理“Ｈ”となるタイミングパルス信
号Ｘ_ONを発生する。

【００８９】また、電子シャッター用タイミング発生回
路２２は、上記マイクロプロセッサからの指示に同期し
て、図８（ｂ）に示すような、３個の矩形波信号を１組
とする電子シャッター信号ＯＦＤを出力する。ここで、
この矩形波信号は、１水平期間（１Ｈ期間）に同期して
高レベルと低レベルに変化し、高レベルの振幅がφ_OF _D
に設定されている。また、駆動回路２３は、電子シャッ
ター用タイミング発生回路２２から出力される電子シャ
ッター信号ＯＦＤを電力増幅して結合コンデンサ２７へ
供給する。

【００９０】ＤＦＦ２４は、タイミングパルス信号Ｘ_ON
に同期して出力Ｑの論理レベルを交互に反転させ、整流
ダイオード２６を介してアナログスイッチ２１に切り替
え制御信号として供給する。なお、上記マイクロプロセ
ッサからＤＦＦ２４のリセット端子Ｒに、機械式シャッ
ターが開成状態から閉成状態に切り替わった時点ｔ４に
同期したリセット信号ＲＥＳが供給されることで、機械
式シャッターの開閉動作に同期した出力Ｑが発生する。

【００９１】アナログスイッチ２１は、２入力１出力の
アナログスイッチからなり、一方の入力接点には固定化
された直流電圧Ｖ_OFD1、他方の入力接点には電子ボリウ
ム調整器２０の直流電圧Ｖ_OFD2がそれぞれ供給されてい
る。そして、ＤＦＦ２４から供給される上記出力Ｑに同
期してアナログスイッチ２１が切り替え動作することに
より、図８（ｂ）に示すような、電圧Ｖ_OFD1又はＶ_OFD2
のいずれかの電圧からなる基準電圧信号Ｖ_BIASを出力す
る。

【００９２】そして、アナログスイッチ２１から出力さ
れる基準電圧信号Ｖ_BIASと駆動回路２３から出力される
電子シャッター信号ＯＦＤとが、整流ダイオード２５と
結合コンデンサ２７によって加算されることにより、図
８（ｂ）に示すような基板電圧制御信号Ｖ_OFDが形成さ
れ、ＩＬＣＣＤ１の基板電圧制御用の端子１２に供給さ
れる。

【００９３】なお、基準電圧信号Ｖ_BIASが直流電圧Ｖ
_OFD2に切り換えられた場合には、基板電圧制御信号Ｖ
_OFDの基底電圧レベルがＶ_OFD2となり、電子シャッター
信号ＯＦＤの重畳した部分での最大振幅Ｖ_OFD3がＶ_OFD2
＋φ_OFDとなる。また、基準電圧信号Ｖ_BIASが直流電圧
Ｖ_OFD1に切り換えられた場合には、電子シャッター信号
ＯＦＤが無効となって重畳しないため、基準電圧信号Ｖ
_BIASは直流電圧Ｖ_OFD1と等しくなる。

【００９４】次に、図９に示すタイミングチャートを参
照して、本実施の形態のＩＬＣＣＤを内蔵した電子スチ
ルカメラの動作を説明する。本電子スチルカメラも第１
の実施の形態と同様に、モニターモードと本撮影モード
が備えられている。

【００９５】モニターモード期間Ｔmonでは、電子スチ
ルカメラに設けられている機械式シャッターが開成状態
に設定されると共に、基板電圧制御信号Ｖ_OFDと４相駆
動信号Ｖ１〜Ｖ４及び２相駆動信号Ｈ１，Ｈ２が第１の
実施の形態と同様のタイミングで発生することにより、
偶数フィールド読み出し期間τ_EVENと奇数フィールド読
み出し期間τ_ODDが繰り返される。

【００９６】各々の読み出し期間τ_EVEN，τ_ODDにおい
ては、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中に感光蓄積
されていた信号電荷を、各垂直ブランキング期間中に、
所定のしき値電圧Ｖthより高い電圧の移送パルスＰＬ
１，ＰＬ３に同期して垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ移
送した後、垂直・水平転送による読み出しが行われる。
更に、期間τ_ST中に、直流電圧Ｖ_OFD2に振幅φ_OFDの電
子シャッター信号ＯＦＤの重畳した基板電圧制御信号Ｖ
_OFDがＩＬＣＣＤ１のｎ型半導体基板３に印加されるこ
とにより不要電荷の廃棄が行われ、更に、期間τ_PD中
に、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jによる露光が行
われる。

【００９７】ここで、モニターモード期間Ｔmon中の露
光期間τ_PDでは、基板電圧制御信号Ｖ_OFDが電圧Ｖ_OFD2
になるため、図６（ａ）に示したのと同様に、転送ゲー
トＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁Ｐ４よりポテンシ
ャル障壁Ｐ２が若干低くなり、過大な光がフォトダイオ
ードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jに入射して過剰な電荷が発生した
としても、過剰電荷はポテンシャル障壁Ｐ２を通してｎ
型半導体基板３側へ廃棄され、垂直転送路ＶＣＴ₁〜Ｖ
ＣＴ_Jへ漏れ込むことがない。このため、電子スチルカ
メラに設けられている液晶モニター等に再生画像を表示
した場合に、再生画像中に縦縞が生じるセンサブルーミ
ング現象が生じることがなく、高品質の再生画像をモニ
ター表示することができる。

【００９８】モニターモード期間Ｔmon中の任意の時点
に、電子スチルカメラに設けられているシャッター釦ス
イッチが押下されると、そのシャッター釦スイッチが押
されたときのフィールド読み出し期間の次のフィールド
読み出し期間τ_EXPにおいて、電子シャッター信号ＯＦ
Ｄに同期した不要電荷の廃棄処理（期間τ_ST）が行わ
れ、その廃棄処理完了直後（時点ｔ３参照）にタイミン
グパルス信号Ｘ_ONが発生する。

【００９９】そして、本電子スチルカメラに設定されて
いるシャッター速度に対応する期間τ_ONの経過直後に、
前記機械式シャッターが閉成される。したがって、期間
τ_ONが静止画撮影のための露光期間となる。

【０１００】なお、この露光期間τ_ONでは、基板電圧制
御信号Ｖ_OFDが電圧Ｖ_OFD1となり、この電圧Ｖ_OFD1によ
り、図６（ｂ）に示すのと同様に、ポテンシャル障壁Ｐ
２が高くなる。ただし、このポテンシャル障壁Ｐ２の高
さは、転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_i,j下のチャネル障壁Ｐ
４よりも高くなる。したがって、フォトダイオードＰＤ
_1,1〜ＰＤ_I,J中に蓄積可能な最大電荷量、すなわち飽和
電荷量は転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁
Ｐ４の高さによって決まるため、飽和電荷量の増加が実
現される。

【０１０１】そして、露光期間τ_ONが完了すると、期間
τ_Bにおいて垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J及び水平転送
路ＨＣＴ中の不要電荷が一掃された後、偶数フィールド
読み出し期間τ_ODDにおいて偶数フィールド読み出しが
行われ、更に次の期間τ_Bにおいて垂直転送路ＶＣＴ₁〜
ＶＣＴ_J及び水平転送路ＨＣＴ中の不要電荷が一掃され
た後、偶数フィールド読み出し期間τ_EVENに偶数フィー
ルド読み出しが行われることにより、静止画撮影が完了
する。

【０１０２】静止画撮影が完了すると（時点ｔ４参
照）、再び機械式シャッターが開成され、これと同時に
タイミングパルス信号Ｘ_ONが発生して、再びモニターモ
ード期間Ｔmonの処理に移行する。

【０１０３】このように、本実施の形態のＩＬＣＣＤ１
によれば、本撮影モード期間Ｔ_EX中の露光期間τ_ONにお
いて、ポテンシャル障壁Ｐ２の高さを転送ゲートＴＧ
_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁Ｐ４より高くしたので、
フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jにおいて蓄積可能な
飽和電荷量を増加させることができる。

【０１０４】また、露光期間τ_ONにおいて蓄積された信
号電荷を読み出す前に、垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J及
び水平転送路ＨＣＴによる不要電荷の掃き出し処理を行
うので、雑音成分の抑えられた高品質な静止画像を提供
することができる。

【０１０５】また、露光期間τ_ONにおいて、ポテンシャ
ル障壁Ｐ２を転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル
障壁Ｐ４より高くして露光を行うと、過大な光の入射に
伴って生じる過剰電荷が垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ
漏れ込む場合があるが、前記不要電荷の掃き出し期間τ
_Bにおいて不要電荷を一掃した後に、フォトダイオード
ＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中の信号電荷を読み出すので、雑音成
分の抑えられた静止画像が得られる。

【０１０６】（第３の実施の形態）次に、第３の実施の
形態のＩＬＣＣＤについて、図１０と図１１を参照して
説明する。なお、図１０において、図１及び図２と同一
または相当する部分を同一符号で示している。

【０１０７】上記第１，第２の実施の形態のＩＬＣＣＤ
では、図２に示したように、基板電圧制御信号Ｖ_OFDを
ｎ型半導体基板３に印加して、フォトダイオードＰＤ
_1,1〜ＰＤ_I,J下のポテンシャル障壁Ｐ２の高さを制御す
ることにより、不要な電荷をｎ型半導体基板３側へ廃棄
する縦方向のオーバーフロードレイン構造が採用されて
いる。

【０１０８】これに対し、本実施の形態のＩＬＣＣＤで
は、半導体基板に制御電圧を印加するのではなく、図１
０（ａ）に示すように、フォトダイオードＰＤ_1,1〜Ｐ
Ｄ_I,Jの横隣りに、垂直転送方向ｉに延びる転送ゲート
ＴＤ₁〜ＴＤ_JとオーバーフロードレインＯＤ₁〜ＯＤ_Jを
設けることにより、不要な電荷をオーバーフロードレイ
ンＯＤ₁〜ＯＤ_J側へ廃棄する横方向のオーバーフロード
レイン構造が採用されている。また、半導体基板に制御
電圧を印加するための端子は設けられていない。

【０１０９】そして、転送ゲートＴＤ₁〜ＴＤ_Jに印加す
る制御電圧Ｖ_ODを可変制御することによって、転送ゲー
トＴＤ₁〜ＴＤ_J下のポテンシャル障壁の高さを調節し、
これにより、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中の不
要電荷をオーバーフロードレインＯＤ₁〜ＯＤ_Jへ廃棄し
たり、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J中に蓄積可能
な飽和電荷量を設定する。

【０１１０】図１０（ｂ）は、任意のフォトダイオード
ＰＤ_i,jとそれに隣接する垂直転送路ＶＣＴ_j、転送ゲー
トＴＧ_i,j，ＴＤ_j及びオーバーフロードレンＯＤ_jのセ
ル構造を代表して示す縦断面図である。

【０１１１】同図（ｂ）において、ｐ型半導体基板２８
内に、フォトダイオードＰＤ_i,jとなるｎ型半導体層２
９と、垂直転送路ＶＣＴ_jとなるｎ型半導体層３０が形
成され、これらｎ型半導体層２９，３０の間に、転送ゲ
ートＴＧ_i,jとなる隙間領域３１が設けられている。ｎ
型半導体層２９の横には、転送ゲートＯＤ_jとなる薄い
ｎ型半導体領域３２と、オーバーフロードレインＯＤ_j
となるｎ⁺型半導体層３３が形成されている。更に、ｎ
型半導体層３０とｎ⁺型半導体層３３の両側には、ｐ型
半導体から成るチャンネルストッパ３４が形成されてい
る。

【０１１２】ｎ型半導体層３０と隙間領域３１上には、
４相駆動信号Ｖ１〜Ｖ４が印加される転送電極３６が層
間絶縁膜３５を介して配設され、ｎ型半導体領域３２上
には、制御電圧Ｖ_ODが印加される転送電極３７が層間絶
縁膜３５を介して配設されている。ｎ型半導体層２９の
所定領域を除く受光領域２の全面がアルミ遮光膜３９で
覆われている。また、転送電極３７とｎ⁺型半導体層３
３が電気的に接続されて、制御電圧ＶＯＤを印加するた
めの端子３９に接続されている。

【０１１３】そして、フォトダイオードＰＤ_i,jとそれ
に隣接する垂直転送路ＶＣＴ_j、転送ゲートＴＧ_i,j，Ｔ
Ｄ_j及びオーバーフロードレンＯＤ_jを除く他の部分につ
いても、同様の構造となっている。

【０１１４】なお、端子３８には、図３（ａ）又は図８
（ａ）に示した基板電圧制御回路と同様の回路構成から
成るドレイン電圧制御回路（図示略）が接続されてお
り、前記基板電圧制御回路から出力される基板電圧制御
信号Ｖ_OFDと同じ波形のドレイン電圧制御信号Ｖ_ODが端
子３８に印加されている。

【０１１５】次に、本実施の形態のＩＬＣＣＤ１を電子
スチルカメラに適用した場合の動作を説明する。本実施
の形態の電子スチルカメラにおいても、図４または図９
に示したのと同様のタイミングに基づいて、モニターモ
ードと静止画撮影が行われる。ただし、図４または図９
において、基板電圧制御信号Ｖ_OFDはドレイン電圧制御
信号Ｖ_ODとなっている。

【０１１６】これらの図４、図９のタイミングにおい
て、モニターモード期間Ｔmon中の露光期間τ_PDでは、
電圧Ｖ_OFD2のドレイン電圧制御信号Ｖ_ODが転送ゲートＴ
Ｄ₁〜ＴＤ_Jに印加されることにより、図１１（ａ）に示
すように、オーバーフロードレインＯＤ₁〜ＯＤ_J側の転
送ゲートＴＤ₁〜ＴＤ_J下のポテンシャル障壁が、垂直転
送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J側の転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J
下のチャネル障壁より若干低くなる。このため、この露
光期間τ_PD中に過大な光がフォトダイオードＰＤ_1,1〜
ＰＤ_I,Jに入射することによる過剰電荷が発生した場合
には、この過剰電荷はポテンシャル障壁を通してオーバ
ーフロードレインＯＤ₁〜ＯＤ_Jへ廃棄されることとな
り、垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_Jへ漏れ込むことがな
い。よって、電子スチルカメラに設けられている液晶モ
ニター等に再生画像を表示した場合に、再生画像中に縦
縞が生じるセンサブルーミング現象が生じることがな
く、高品質の再生画像をモニター表示することができ
る。

【０１１７】また、本撮影モード期間Ｔ_EX中の静止画撮
影のための露光期間τ_ONでは、電圧Ｖ_OFD1のドレイン電
圧制御信号Ｖ_ODが転送ゲートＴＤ₁〜ＴＤ_Jに印加される
ことにより、図１１（ｂ）に示すように、オーバーフロ
ードレインＯＤ₁〜ＯＤ_J側の転送ゲートＴＤ₁〜ＴＤ_J下
のポテンシャル障壁が、垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J側
の転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁よりも
高くなる。このため、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ
_I,Jにおいて蓄積可能な飽和電荷量を増加させることが
できる。

【０１１８】また、露光期間τ_ONにおいて蓄積された信
号電荷を読み出す前に、垂直転送路ＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J及
び水平転送路ＨＣＴによる不要電荷の掃き出し処理（期
間τ_B参照）を行うことにより、図１１（ｃ）に示すよ
うに、不要電荷を一掃した後に、フォトダイオードＰＤ
_1,1〜ＰＤ_I,J中の信号電荷を読み出すので、雑音成分の
抑えられた静止画像を得ることができる。

【０１１９】このように本実施の形態によれば、フォト
ダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jの横に転送ゲートＴＤ₁〜
ＴＤ_Jを介してオーバーフロードレインＯＤ₁〜ＯＤ_Jを
設け、転送ゲートＴＤ₁〜ＴＤ_J下のポテンシャル障壁の
高さを転送ゲートＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J下のチャネル障壁よ
り高くして静止画撮影のための露光を行うようにしたの
で、フォトダイオードＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,Jにおける信号電
荷の飽和蓄積量を増加させることができる。

【０１２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、チ
ャネル障壁よりポテンシャル障壁を高い状態に設定して
露光を行うので、ポテンシャル障壁の高さをチャネル障
壁の高さより低くして露光を行う従来の技術に較べて、
受光エレメントにおいて蓄積可能な信号電荷の飽和電荷
量を増加させることができる。この結果、広ダイナミッ
クレンジで高感度等の、より特性の優れた固体撮像装置
を製造することができる。

【０１２１】特に、より画素数の多い固体撮像装置を製
造することとすると、各受光エレメントの受光面が小さ
くなり信号電荷量が小さくなるという問題が生じること
となるが、本発明により、飽和電荷量を増加させること
ができるため、画素数の多い固体撮像装置の実現に大き
な効果を発揮する。

【０１２２】また、モニターモードと本撮影モードを備
える固体撮像装置においては、モニターモードでは、ポ
テンシャル障壁をチャネル障壁の高さより低くして露光
を行うので、過大な光が受光エレメントに入射して過剰
な電荷が発生しても、その過剰電荷はオーバーフロード
レインへ廃棄されて、垂直転送路へは漏れ込まない。こ
のため、受光エレメントで感光蓄積された信号電荷を垂
直転送路で転送読み出しする際に、この信号電荷にブル
ーミングやスメア等の原因となる上記過剰電荷に起因す
る不要電荷が混入することは無く、鮮明なモニター表示
用の再生画像を得ることができる。一方、本撮影モード
では、モニターモードでの露光時よりもポテンシャル障
壁を高い状態に設定して露光を行うので、受光エレメン
トにおいて蓄積可能な信号電荷の飽和電荷量が増加して
鮮明な画像が得られる。よって、鮮明なモニター表示と
高品質な静止画撮像との両者を巧みに実現する固体撮像
装置を提供することができる。

【０１２３】また、モニターモードと本撮影モードを備
える固体撮像装置において、垂直転送路による不要電荷
の転送読み出しを行った後、本撮影モード時に受光エレ
メントに感光蓄積された信号電荷を垂直転送路で転送読
み出しすることとしたので、ブルーミングやスメア等の
原因となる不要電荷が信号電荷に混入するのを防止し
て、鮮明な静止画像を再生することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係るＩＬＣＣＤの構成を示
す説明図である。

【図２】図１のＩＬＣＣＤのコラム構造及びポテンシャ
ルプロファイルを示す説明図である。

【図３】図１のＩＬＣＣＤに接続する基板電圧制御回路
の構成及び動作を示す説明図である。

【図４】第１の実施の形態のＩＬＣＣＤを適用した電子
スチルカメラの動作を説明するタイミングチャートであ
る。

【図５】第１の実施の形態のＩＬＣＣＤの動作を説明す
るためのポテンシャルプロファイルを示す説明図であ
る。

【図６】第１の実施の形態のＩＬＣＣＤの動作を更に説
明するためのポテンシャルプロファイルを示す説明図で
ある。

【図７】飽和電荷量が増加することを示す特性図であ
る。

【図８】第２の実施の形態に係る基板電圧制御回路の構
成及び動作を示す説明図である。

【図９】第２の実施の形態のＩＬＣＣＤを適用した電子
スチルカメラの動作を説明するタイミングチャートであ
る。

【図１０】第３の実施の形態に係るＩＬＣＣＤの構成及
びコラム構造を示す説明図である。

【図１１】第３の実施の形態のＩＬＣＣＤの動作を説明
するためのポテンシャルプロファイルを示す説明図であ
る。

【符号の説明】

ＰＤ_1,1〜ＰＤ_I,J…フォトダイオードＴＧ_1,1〜ＴＧ_I,J…転送ゲートＶＣＴ₁〜ＶＣＴ_J…垂直転送路ＨＣＴ…水平転送路ＴＤ₁〜ＴＤ_J…転送ゲートＯＤ₁〜ＯＤ_J…オーバーフロードレイン１２，３８…端子１５，２０…電子ボリウム調整器１６，２２…電子シャッター用タイミング発生回路１７，２３…駆動回路１８，２５，２６…整流ダイオード１９，２７…結合コンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上にすくなくとも、受光エレ
メントと、前記受光エレメントに転送ゲートを介して隣
接する垂直転送路と、前記受光エレメントに隣接するオ
ーバーフロードレインとが形成され、前記受光エレメントと前記オーバーフロードレインとの
間のポテンシャル障壁及び前記転送ゲート下のチャネル
障壁を共に高い状態に設定して前記受光エレメントによ
る露光を行うインターライントランスファ型ＣＣＤの固
体撮像装置において、前記チャネル障壁より前記ポテンシャル障壁を高い状態
に設定して前記受光エレメントによる露光を行わせる制
御手段を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】半導体基板上にすくなくとも、受光エレ
メントと、前記受光エレメントに転送ゲートを介して隣
接する垂直転送路と、前記受光エレメントに隣接するオ
ーバーフロードレインとが形成され、前記受光エレメントと前記オーバーフロードレインとの
間のポテンシャル障壁及び前記転送ゲート下のチャネル
障壁を共に高い状態に設定して前記受光エレメントによ
る露光を行うインターライントランスファ型ＣＣＤの固
体撮像装置において、被写体像を観察するためのモニターモードと、被写体像
を静止画撮影するための本撮影モードとを有し、前記モニターモードでは、前記ポテンシャル障壁を前記
チャネル障壁より低い状態に設定して前記受光エレメン
トによる露光を行わせ、前記本撮影モードでは、前記ポ
テンシャル障壁を前記モニターモードでの露光時より高
い状態に設定して前記受光エレメントによる露光を行わ
せる制御手段を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】前記制御手段は、前記ポテンシャル障壁を
前記チャネル障壁より高い状態に設定して、前記本撮影
モードでの前記受光エレメントによる露光を行わせるこ
とを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】前記固体撮像装置は、入射光を通過又は遮
断させる切換え制御を行う光開閉手段と共に、前記入射
光の光路上に併設され、前記本撮影モードでは、前記光開閉手段が入射光を通過
させるように切換わった状態下で前記受光エレメントに
よる露光を行った後、前記光開閉手段が入射光を遮断さ
せるように切換わった状態下で、前記露光により受光エ
レメントに感光蓄積された信号電荷を前記垂直転送路で
転送読み出しすることを特徴とする請求項２又は請求項
３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】前記本撮影モードでは、前記チャネル障壁
を高くした状態で前記垂直転送路による不要電荷の転送
読み出しを行った後、前記露光により前記受光エレメン
トに感光蓄積された信号電荷を前記垂直転送路で転送読
み出しすることを特徴とする請求項２ないし請求項４の
いずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】前記オーバーフロードレインが前記半導
体基板の深さ方向に形成され、前記制御手段が前記半導
体基板への印加電圧を制御することにより前記ポテンシ
ャル障壁の高さを設定することを特徴とする請求項１な
いし請求項５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】前記オーバーフロードレインが前記半導
体基板の横方向に形成され、前記オーバーフロードレイ
ンと前記受光エレメント間のポテンシャル障壁の高さを
調節する制御電圧が印加される転送ゲートが、前記オー
バーフロードレインと前記受光エレメントとの間に形成
されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５の
いずれか１項に記載の固体撮像装置。