JPS5847375A - 撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＣＯＤ等の電荷蓄積形固体撮像素子の改喪ＫＩ
Ａする。

従来この種のｉ＆置は、１つの画素に対する光電変換領
域が単一の領域として構成されていたので、各１ｉＩＩ
Ｉ素に対応する領域内で演算を行うことができなかった
。従って撮像素子の特性を調整する為には別に調整用の
回路を必要としていた。

本発明は上述従来技術の欠点を解消する事を目的とした
ものでその特徴とする処は電荷蓄積特性の異なる複数の
充電変換部により一画素分の光電変換領域を形成してい
るので撮像素子の充電変換特性を画素レベルで自由に設
定し得る点にある。

更に前記複数の光電変換部間の電荷の移動を可能とする
手段を設けているので、これらの光電変換部に蓄積され
た１画素分の電荷をこの内の１つの光電変換部の出力に
より代表させる事ができる。

従ってｒ特性をｒ＜１の範囲で折線特によ快適 近似もる事が可能となり、ブラウン管等に出力する１９
に格別のｒ変換回路を設ける必要がなくなり、かつダイ
ナミックレンジが広くとれ、同時にブルーミングも防止
し得る様になるという効果を有するものである。

以下本発明を図面に基づき詳細に説明する。

第１図（ａ）は本発明の第一の実施例の構成を示す図で
１０．１１は第１．第２の光電変換領域でｌＯと１１を
あわせた領域が従来の１ｌｊｉ素に対応する。１２はア
ナログシフトレジスタ。１３は第２の光電変換領域の信
号電荷をアナログシフトレジスタ１２に転送するための
＄１のゲートでクロックφ寓で制御される。１４は余分
な電荷をドレインに捨てるための電荷リセット用の第２
のゲートでφ３によりＶｌｊ御される。１５は第１の光
電変換領域と第２の光電変換領域を連結、隔離するため
の、本発明に係る第３のゲートで、クロックφ１で制御
される。第１図（ｂ）、　（ｅ）は同構成に於ける断面
のポテンシャルを示した本ので１６社光電変換領域を横
に切断したときのポテンシャルの概形を示し、１７は縦
に切ったときのポテンシャルの概形を示す。１３’、１
４’、　Ｉｓ’は各々第１．第２．第３のゲートに対応
する。

＄１．第２の光電変換領域では露光中第１．第２のゲー
トを閉めておくと該領域のポテンシャル井戸に、光電変
換されてできた電荷ｑ１８が蓄積される０ｗ！光または
蓄積終了後第３のゲート１５を閉じて、電荷ｑを第１の
光電変換領域ｌＯと＄２の光電変換領域１１に分割する
０分割された電荷を９１とｑ！とすると Ｑ　　＝　（Ｈ＋ｑ鵞　　　　　・−−（１）なる関係
が成立つ。次に第１のゲート１３を開きアナログシフト
レジスタ１２に第２の光電変換領域に分割された電荷Ｑ
ｓを転送し、つづいて第１のゲート１１３を閉１じる。

アナログシフトレジスタに送られた電荷は同図矢印のよ
うに転送されて出力アンプを経て出力される。一方、第
１の′光電変換領域に残った電荷Ｆｉ、第２のゲートを
開くことによ抄ドレイＸＫ捨て、電荷をリセットする。

第２のゲートは露光または蓄積開始時まで開けておき電
荷は常に捨てるようにしておく、また、第２のゲートは
第１図（Ｃ）のように第１のゲート（閉まった状態）よ
り低くつくっておき、露光または電荷蓄積中に第１．第
２の光電変換領域にたまりすぎた電荷を第２のゲート（
閉まった状態）を越えてドレインに流れ出すように、い
わゆるオーバーフロードレインゲート構造にしておけば
プルーミングが防げる。

さて、光電変換領域のポテンシャルの井戸の形を（ｂ）
、　（Ｃ）に示すようにしておけば上記の手順でゲート
を制御することにより、非線形に電荷をと抄出すことが
できる。す力わち、同図で、ｑが少ないときは全ての電
荷がｔＩＩＩＪ２の光電変換領域にたまっており、 ｑｓ−ｑ　　　（ｑが少）−−−−・（２）なる関係が
成立つ。ｑが多いときにはＱｓはｑｓ＜ｑ　　　（ｑが
大）　・−−−−−（３）となり電荷量ｑをｑ３に非線
形変換を行ったことになる。この非線形性はポテンシャ
ル井戸の底の形と光電変換領域の分割のしかたと、ゲー
トの開は閉めに依存する。

＄２図（ａ）は第１図の構造を集塊するための電極の構
成を示したもので、２０は一アナｐグシフプ、２３．２
４は第１．第２０光電変換領域、２５は第１のゲート電
極２６は第２のゲート電極、２７はオーバーフロードレ
イン、２８は第３のゲート電極、φ４．φＳはアナログ
シフトレジスタのシフトパルス、φ・、φ１．φｍ　ハ
２４１　。

第２．第３のゲートの制御クロックである。同図（ｂｌ
、　（Ｃ）は充電変換領域を横に切ったときの切断面の
ポテンシャルの概形の実施例である。

第３図は本発明の撮像素子の第２の実施例を示す図で、
１００は光電変換領域、１００畠、１００ｂは第１．第
２の充電変換領域である。１０１は第１のゲー）、１０
２はアナログシフトレジスタ、１０６は第２のゲートと
してのオーバーフロードレインゲート、１０５は第１の
オーバーフロードレイン、１０７は第３のゲート１０３
は第４のオーバーフロードレイ／ゲート、１０４は第２
のオーバーフロードレインである。第３図のように第３
のゲートを第１．第２のゲートと平行に付けることによ
り電極構造が簡単になる。父、第１、第２のオーバーフ
ロードレインを第３のゲートの両側に設けているので電
荷リセットが容易にできる。即ち電荷リセットのために
アナログシフトレジスタを経由してオーバーフロードレ
イｙ　１０４へ電荷を捨てる構造をとることにより第２
の光電変換領域の電荷のリセットが容易にできる。また
、露光中又は蓄積中にたま妙すぎた電荷はオーバーフロ
ードレインゲート１０６を経由してオーバーフロードレ
イン１０５に捨てられる。

ｆ４４図（ＩＩ）、　（ｂ）は夫々第３図示素子の電極
構造とポテンシャル構造の一例を示す図で、第５図はエ
リアセンナに拡張した例である。１２０は光電変換領域
、１２１は第１のゲート１２２はアナログシフトレジス
タ、１２６は第２のゲート、１２５は第１のオーバーフ
ロードレイン、１２７は第３のゲート、１２８．　１２
９は第１、ｆ４２の電極で、第１の光電変換領域をカバ
ーしている。１３０は第３の電極で第２０光電変換領埴
に対応する。

１２３は第４のゲート、１２４は第２のオーバーフロー
ドレインである。

第４図（ｂ）は第４図（ａ）のポテンシャルプロプイー
ルを示した図で、ｇｔ　ｔ　ｇｔ　ｅ　ｇｌ　＋　ｇｌ
は各々第１、第２．第３．第４のゲート信号ｅｌ、６ｇ
。

Ｃ１は谷々＠１．第２．第３の電極のポテンシャルを示
す。曙光俊、ある光電変換領域ｉに蓄積される電荷ｔ　
ｑ厚誼充電変換領域に入射するで表わせる。一般に（０
，ｆ）でＩＬの変化が少なければ　　　　　　　　　　
　　　　　　タｑ４　ｃｓ’−１１丁（’） となる、一方、蓄積された電荷量ｑｉは、第３の電極下
のポテンシャル井戸の底からｈの高さまでたまったとす
ると、ｋを比例定数として・・・　幡） と表わせる。

さて、光電変換された電荷Ｑｉのうちアナログシフトレ
ジスタに転送される電荷９１・は第３の電極下にたまっ
た電荷Ｑｉｓであるから、ｑｉ＠＋＋＋ｍｑｉ−，ｋｃ
ｉ、ｈ　　　　　　　　　　　　（７Ｊとなる。ｄ４が
無視できるとすると −・・−（８） となるので、Ｊ、は ・・・・−（９） と書ける。したがって（Ｑｌ−Ｑ、、）特性は３折線と
なり、非線形性をもたぬことができる。例えばとすると １１：ａｌ：ａｌ＝ｏ、１４：０．４４：１　　　−　
　（１１）となり、第４図（Ｃ）に示すように、　ｘ　
ｘｏ・４５　の曲線を３折線で近似した特性が得られる
。同図に於てＱｉｍａｘ　、　Ｑｉｏｍａｘはそれぞれ
ｈ−ｈｓのときのＱｉとＱｉｏの値とし、この値で正規
化してグラフにしである。したがって、ｈｈｈｓ、ｈｓ
の比は折線の接点、ｄｌ、　ｄｓ、　ｄｓＯ比は折線の
利得に関係する量となることがわかる。ｈ　＞　ｈ、に
おいては電荷はこれ以上蓄積されずオーバー７０−ドレ
イン１２５へあふれ出すので光電変換領域１２０に蓄積
される総電荷量の最大はＱｉｍａｘである。結局ある画
素に入射する光のエネルギーＩｉはＱｉと比例するので
光電変換特性として第４図（Ｃ）のような特性が得られ
る。第４図（ｂ）の光電変換領域のポテンシャル井戸の
形は電極の電位により＊１＋御できるが、イオン注入等
、別の方法でも成形可能で段の数を多くすれば近似精度
はあがる。

第５図は第３図示の実施例をエリアセンサに拡張したも
ので、１４ｏは画先電変換領域、１４１は第１のアナロ
グシフトレジスタ、１４２．　１４３゜１４４、　１４
５は第１．第２ｓ　＠　３＊　ｖＪ４　Ｏ％極、１４６
はオーバフロードレイン１４７は第２のアナログ・シフ
トレジスタである。尚第１のアナログシフトレジスタへ
電荷を転送するまでのシーケンスは第３図示の実施列の
場合と同じである。

第１のアナログシフトレジスタ１４１がら第２のアナロ
グシフトレジスタへ転送し、読み出す方法は良く知られ
ているので省略する。

第６図は非線形なｌｌ−ｑｉｏ　　特性を得るための本
発明の第３の実施例で、１５ｏは第１０光電変換領域、
１５１は第２の充電変換領域、１５２は第３の光電変換
領域、１５３はチャンネルストップ、１５４は第１のゲ
ート、１５８はアナログシフトレジスタ、１５９はオー
バーフロードレイ／である。

該実施形では第′ｌのゲートは第１〜第３の光電変換領
域に蓄積された電荷をアナログシフトレジスタ１５８へ
転送する丸めの転送ゲートで転送時のみひらく、１５５
〜１５７は第２のゲートとしてのオーバーフロードレイ
ンゲートで、電荷リセット時のみひらく、電荷蓄積中は
一定電位に保つが、第７図（ｂ）のように第１．第２．
第３のオーバーフロードレインゲートの高さを変えてお
く。第１．　＄２．第３の光電変換領域の大きさ、形は
いろいろな形状が可能である。第７図には比較的単純に
３分割した例を示すが分割数はこれに限らない。１７０
は第１の光電変換領域、１７１は第２０光電変換領域、
１７２は第３０光電変換領域、１７４は第１のゲート、
１７５〜１７７は夫々オーバーフロードレインゲート１
５５〜１５７に対応する１７３はチャンネルストップテ
する。

第１．第２．第３の光電変換領域の面積をす。

ｂＭ　ＴｂＳとし、オーバーフロードレインゲート１７
５〜１７７の高さを夫々ｈ４．ｈ、、−とすると、蓄積
時間τの間に光電変換されて生成される電荷ｉｌｑは該
ｉｉｉ累に入射する光の量ｌと比ψ−するから、ｋを比
例定数として ｑ　−ｋｉｔ　　　　　　　　　　　　　　（１２）と
表わせる。この時第１．第２．第３の充電変換領域では
各々 なる電荷が生成されたことになる。−万電荷が第１．第
２．第３０光電変換領域で各々ｘｌ　ｅ　ＸＩ　ｅＸｓ
ｔでたまったとすると、このとき第１．第λｔ４３の光
電変換領域に蓄積される電荷量８１．８９゜３ｓは となる＠　ＸＩ、　）１４．　Ｘ４の最大は各々ｈ４．
ｈ＠、−であるから各光電変換領域で蓄積できる電荷量
の鰻大ｑｘｍｅ　ＱＪＢ　ｅ　Ｑ咄は で、これ以上電荷が生成されてもオーバーフロードレイ
ン１５９へ捨てられてしまう。

１　　　　　　　ｋ ”　”　ｂｔ　＋ｂｓ　＋ｂｍ　　ｋ’　　“Ｉ（１６
）とおくと となる、したがって、アナログシフトレジスタへ”１　
ｍ　、　”雪＊　ＩＳＯ和を転送すると、転送した電荷
量ガは ９１町＋８１　＋Ｓタ　　　　　　　　　　　　　　（
１８）となる。以上をまとめると、（ｈａ＜ｂｓ＜−と
する）−（１９） となり とすると、前述の第４図（Ｃ）のような特性が得られる
。

第８図は前記・喜７図の実施列を一部変更した第４の実
施例を示す図で１８０．　１８１．　１８２は第１、第
２．第３の光電変換領域、１８３はチャンネルストップ
、１８４はオーバーフロードレインケートで、第１．第
２．第３のポテンシャル井戸の底の深さが変えてあり、
オーバーフロードレインゲートとの相対的深さが第１．
第２．第３０光電変換領戚で異なっており、結果的に第
７図の実施例と同じ機能をもつ。

第９図は本発明の第５の実施例を示す図で、２００　、
　２０１は＠ｌ、第２の光電変’７１４＠域、２０２は
アナログシフトレジスタ、２０３は第１のゲート（シフ
トゲート）２０４は第２のゲート（リセットゲートまた
はオーバーフロードレイングー）　）　２ｏｓは第３の
ゲート（分割ゲート）、２０６はオーバーフロードレイ
ンである。２０４’　、　　２０６’はオーバーフロー
ドレインゲート２０４とオーバーフロードレイン２０６
のポテンシャルヲ示ス。

第１０図に第１．第２．第３のゲートのタインング図を
示す。τは蓄積時間である。Ｈが開いた状態りが閉じた
状態を示す。この＃ｌ遺り第３図示の実施ヤリと似てい
るがオーバーフロードレインゲート２０４を図の位置に
設けた点が異な抄このため電荷のリセットは２０４０オ
ーバーフｐ−ドレインゲートを開けるだけで完了する。

即ちリセットゲートを閉じてから分割ゲート２０５を閉
じ、この間に１ｇ２の光電変換領域の電荷をシフトゲー
ト２０３を介してレジスター２０２に転送する。その後
再びリセットゲート２０４を開くようにする。

第１１図は本発明の第６の実施例で２２（）−２２２は
第１．第２．第３の光電変換領域、２２３はオーバーフ
ロードレインゲート、２２４はシフトゲ−）　２２５は
チャンネルストップである。第１゜＠２．第３の光電変
換領域の蓄積時間をτｌｓ’ｌ＠τ３とすると、入射光
のエネルギーＩに対し単位面積当り、単位時間にマの電
荷が生成されるとすれば、 Ｖ寓ｋ　Ｉ　　　　　　　　　　　　（２１）なる関係
が成艶立ち第１．第２．第３の光電変換領域で生成され
る電荷量ＩＱ、Ｖｌ、マ３は、となる、第１．第２．第
３０光電変換領域にためることのできる最大電荷量をマ
１ｍ＊　ｖ１ｍ＠　ｖｓｍとすると、ｋを比例定数とし
て ｆｌ　＞Ｔ雪〉７ｍ　　　　　　　　　　　　（２４）
とすると、全蓄積時間τＩＭＩ　ＴＩの間に第１．＄２
゜第３の充電変換領域に蓄積される電荷のｌｖは、とな
る、ここで τ、　二丁、　：τ、　＝τ：ατ：βＴ　　　　　　
　　　　　　　　　　　・・（２６）であるとすれば ・・・（２７） となる。し九がって Ｃ１：Ｃ１：０３元０．４２　：　０．３０　：　０．
２８１：α：β＝、　　１　；０．９３：０．５とする
と第４図（Ｃ）のような特性が得られる。

以上説明したように、１つの内素に対する光電変換領域
を複数個に分別し、各々の分割領域に異なるｍ遺をもた
せ九抄、各々の分割領唆の＃積状ＭＡを個々に設定する
ことによりＣＯＤの光電変換領域からアナログシフトレ
ジスタへ電荷を転送するまでにｒ％性を容易に変換する
ことができ、ＴＶシステム等に於てｒ補正を必要とする
システムに有効であり、系の小型化が可能となると共に
ダイナミックレンジを広くとる事ができる等の効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａＬ　ｔｂ）、　（ｃ）は本発明の撮像素子の
第１の実施例を示す図で、（ａ）は平面的模式図、（１
））は横方向のポテンシャル状態を示す図、（Ｃ）は縦
方向のポテンシャル状態を示す図、第２図（ａ）＋　（
ｂ）ｔ（Ｃ）は第１図示素子の構成を示す平面図、←）
、　（Ｃ）は夫々そのポテンシャル状態の例を示す図で
ある。第３図は本発明の撮像素子の第２の実施例（ｂ）
はポテンシャル状態を示す図、（Ｃ）は本発明の撮像素
子のｒ％性を示す図である。第５図は第３図示素子を工
ＩＪア型素子として構成した場合の図、第６図は本発明
の撮像素子の第３の実施例を示す模式図、第７図（ａ）
、　（ｂ）、　（ｅ）は第６図示素子のポテンシャル状
態を示す図で同図（ａ）は光電変換領域の平面的模式図
、（ｂ）はその横方向の断面に於けるポテンシャル状態
を示す図、（Ｃ）はその縦方向断面に於けるポテンシャ
ル状態を示断面のポテンシャル状態を示す図であ慝、１
９図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）は本発明の第５の実施
例を示す図で、同図（ＩＩ）はその平面的模式図、（ｂ
）は横方向のポテンシャル状態を示す図、（Ｃ）は縦方
向のポテンシャル状態を示す図である。第１０図社第９
図示Ｏ如き素子の駆動タイミングの一例を示す図、第１
１図（ａ）、　（ｂ）、　−（Ｃ）は本発明の撮像素子
のｒ４６の実施例を示す図で、同図（ａ）はその平面的
模式図、（ｂ）は横方向のポテンシャル状態を示す図、
（Ｃ）は縦方向のポテンシャル状態を示す図である。 ｌＯ・−＠１の光電変換部、 １１・・・第２の充電変換部、 １２・・・アナログシフトレジスタ、 １３・−第１のゲート、 １４・・・ｖＪ２のゲート、 １５・・・第３のゲート。 ｃ（Ｌ）　　　　　　　　（ｃ） （幻　　　　（す （ｆ））

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　電荷蓄積特性の異なる複数の光電変換部によ
   り一画素分の光電変換領域を構成する様にした事を特徴
   とする撮像素子。 （２）前記複数の光電変換部間の電荷の移動を可能とす
   ると共にこの内の１つの光電変換部の出力によ抄−画素
   に対応するａｌｊ儂情報を得る様にした特許請求の範囲
   第口）項記載の撮像素子。 （３）前記複数の光電変換部内の所定の複数の光電変換
   部からの出力により一画素に対応するｌ１ｉＩｉ儂情報
   を得る様にした特許請求の範囲第（１）項記載Ｏ撮像素
   子。 （４）前記複数の光電変換部は夫々異なる特性のオーバ
   ーフロードレインゲートを有する事を特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項記載の撮像素子。 （５）　　前記複数の光電変換部は夫々特性の異攻るポ
   テンシャル井戸を有する事を特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載の撮像素子。 ） （６）　　１１１１記複数・め光電変換部は夫々異なる
   面積を有する事を特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載の撮像素子。 （７）前記複数の光電変換部に於ける電荷の蓄積紘夫々
   異なる時間だけ行なわれる禄高される事を特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項記載のは撮像素子からの出力の
   ガンマ特性が略ｌになる様設定されている事を特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）ｌｊ記載の撮像素子。 （９）前記複数の充電変換部間の電荷移動を可能とする
   手段を有する事を特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載の撮像素子。