JPH01147972A - 電荷移送型固体撮像素子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板上に光電変換素子、および各素子
の光学情報を取出す電荷移送素子（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏ
ｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ、　　以下ＣＣＤと略称する
。）を用いた固体撮像素子に関するものである。

〔従来の技術〕

固体撮像素子は現行のテレビジョン放送で使用されてい
る撮像用電子管波みの解像力を備えることを必要とし、
このため垂直方向に５００個、水平方向に８００〜１０
００個を配列した絵素（光電変換素子）マトリックスと
それに相当する走査素子が必要となる。したがって、上
記固体撮像素子は高集積化が必要なＭＯ８大規模回路技
術を用いて作られ、構成素子として一般にＣＣＤあるい
はＭＯＳトランジスタ等が使用されている。第２図はス
メア雑音の小さいフレームインターライン方式（以下、
ＦＩＴ方式と略称する）のＣＣＤ固体撮像素子を示して
いる。この素子は例えば、堀居ほか。

“小型ＣＣＤ固体撮像素子の検討″テレビジョン学会誌
、３７巻、　ｐ、７８８　（１９８３）に記載されてい
る。

１は撮像領域であり、垂直ＣＣＤシフトレジスタ２、光
電変換素子３（例えば光ダイオード）、転送ゲート４９
等から成っている。５は光ダイオードの貯えた信号電荷
を一時蓄積する蓄積領域であり２選択ゲート６、蓄積用
ＣＣＤシフトレジスタ７から成っている。また、８は蓄
積用ＣＣＤシフトレジスタ７が１列ずつ送り出す各行の
信号を出力９に向けて転送する水平ＣＣＤシフトレジス
タである。

この構成の撮像素子においては、光ダイオード３から読
出した信号電荷を、ＣＣＤシフトレジスタ２，７を高速
で動作させることにより、撮像領域１から蓄積領域５に
高速（短時間）で転送する。

したがって、信号転送時に垂直ＣＣＤシフトレジスタ２
に漏洩する光にせ信号は、従来のインターライン方式素
子の数十分の１から百分の１に減少し、スメア雑音を著
しく減らすことが可能になる。

ここで、スメアとは、垂直ＣＣＤシフトレジスタ２に漏
洩した光にせ信号が原因となり、モニター上に輝度の高
い光学情報パターン（すなわち明るいパターン）の上下
にも縦縞状のパターンが現われる現象である。これは固
体撮像素子に特有の現象であり、これまで画質低下の主
因になってきた現象である。一方、ＦＩＴ方式ではスメ
アが大きく減少し、高い画質が得られるようになり２本
方式の素子は将来が期待されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記ＦＩＴ方式の素子も含めて一般にＣ
ＣＤ撮像素子の開口率（すなわち受光面積）はＭＯ８撮
像素子の約１／２と低く、これが光感度の低下を招いて
いる。また、光ダイオードに蓄積できる電荷量は垂直Ｃ
ＣＤシフトレジスタ２の電荷蓄積容量によって制限され
、ＣＣＤ撮像素子の蓄積電荷量（すなわちダイナミック
レンジ）はＭＯ８撮像素子の１７４〜１１５と少ない。

ここで、開口率を上げようとすると垂直ＣＣＤシフトレ
ジスタなど光電変換に関係しない領域の面積を小さくす
る必要があるが、これはもともと小さい垂直ＣＣＤシフ
トレジスタの蓄積電荷量（ダイナミックレンジ）をさら
に小さくしてしまう。したがって、ＦＩＴ方弐方式Ｄ撮
像素子の性能を向上するためには垂直ＣＣＤシフトレジ
スタのダイナミックレンジを上げることが大切な課題と
なる。

本発明の目的は、上記の問題点を解決することにあり、
ＦＩＴ方弐方式Ｄ撮像素子の開口率及びダイナミックレ
ンジの拡大された電荷移送型固体撮像素子を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記本発明の目的は、同一半導体基板上に、光電変換素
子群と、転送スイッチと、上記光電変換素子群のたくわ
えた光信号電荷を運ぶ走査素子とから成る撮像領域と、
この撮像領域で検出した光信号を一時的に蓄積する蓄積
領域とを集積化した固体撮像素子において、上記転送ス
イッチに加えるパルス電圧を制御することにより、上記
光電変換素子のたくわえた光信号電荷を複数回に分割し
て読出す手段と前記読出された信号電荷を逐次上記走査
素子の高速転送動作により上記蓄積領域に送り込む手段
とを具備して成ることを特徴とする電荷移送型固体撮像
素子によって達成される。

そして、上記本発明の特徴点を更に具体的に説明すると
、撮像領域を構成する光電変換素子の蓄積した光信号電
荷を、転送スイッチに印加するスイッチパルス電圧を制
御することにより、１フィールド期間もしくは１フレー
ム期間の間に、前記蓄積された光信号電荷を複数回に分
割して読出し。

この分割して垂直ＣＣＤシフトレジスタに読出した信号
電荷を読出す毎に、垂直ＣＣＤシフトレジスタの高速転
送動作により蓄積領域へ送り込むようにしたところに特
徴がある。

上記光電変換素子に蓄積された光信号電荷を複数回に分
割して読出し、垂直ＣＣＤシフトレジスタを介して蓄積
領域へ送り込むタイミングとじては、何回に分割しても
かまわないが、実用的には２〜５回に分割することが好
ましく、より好ましくは３〜４回である。また、１回に
送り出す（読出す）光信号電荷量は２分割回数の平均値
としてもよく、また２分割回数をＮ回とした場合、最初
の１回目を１／Ｎの量とし、残りの電荷量をＮ−１回で
均等もしくは不均等に分割してもよく１分割の仕方につ
いては任意の方法でよい。いずれにしても本発明で重要
なのは、光電変換素子に蓄積された光信号電荷を複数回
に分割して垂直ＣＣＤシフトレジスタから高速に蓄積領
域に送り込むことである。

〔作用〕

上述のとおり９本発明電荷移送型置体撮像素子において
は、光電変換素子に蓄積された画像信号電荷を、転送ゲ
ートを複数回（Ｎ回）に分割してスイッチングさせて垂
直ＣＣＤに呼出し、この電荷を高速動作により蓄積領域
に運ぶことができる。

したがって、垂直ＣＣＤの電荷蓄積容量を大きくしなく
とも転送ゲートのスイッチング回数を所定の回数に分割
して動作させれば光電変換素子に蓄積された電荷は十分
に移送可能である。

〔実施例〕

以下９本発明を実施例を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の骨子となる実施例を示す図で。

電荷移送型固体撮俄素子の平面パターンを模式的に示し
たものである。第１図（ａ）において。

２′は垂直ＣＣＤシフトレジスタ（以下、垂直ＣＯＤと
称する）、３′は光ダイオードであり、これらは撮像領
域１′を構成している。１０は取込みゲート、　１１は
蓄積用ＣＣＤシフトレジスタ（以下。

蓄積用ＣＣＤと称する）であり、これらは蓄積領域５′
を構成している。１フィールド期間、或いは１フレーム
期間の間に光ダイオードに貯えられた光信号電荷Ｑは転
送ゲート４′を複数回（Ｎ回二Ｎは２以上の正の整数）
に渡って開閉することにより、垂直ＣＯＤを介して蓄積
領域を構成する蓄積用ＣＣＤ１１に送り込まれる。この
分割転送動作を第１図（ｂ）に示した転送ゲート駆動パ
ルス（ＲＰ）を用いて説明する。ＲＰＣは従来のＣｃＤ
場像素像素子送ゲート４（第２図に図示）を駆動するた
めのパルスで２本発明の素子と構成、動作２等を比較す
るために掲載したものである。このパルスは垂直帰線期
間（ｔ　ａし）の間に、転送ゲートを１回通通状態に置
くことを示している。−方、ＲＰＮは本発明の素子の転
送ゲート４′　（第１図（ａ）に図示）を駆動するため
のパルスであり、ここに−例として示した５パルスは垂
直帰線期間の間に転送ゲート４′を２回通通状態に置く
ことを示している。転送ゲートをＮ回に渡って導通状態
に置くには垂直帰線期間の間にＮ個のパルスを発生させ
るようにすればよいが、ここでは、動作説明を簡単にす
るため、Ｎ＝２の場合を例にとって本発明の素子の動作
を説明する。

（１）時間ｔ□□において゛′Ｍ″レベルの電圧振幅を
持つパルスＲＰＮを転送ゲート４′に印加する。第１図
（Ｑ）は撮像領域を構成する画素の構造を模式的に示し
た説明図であり、４”Ｅは転送ゲート電極、２’−Ｅは
垂直ＣＣＤを構成する電極。

３′−Ｄは光ダイオード用拡散層（例えばＮ個）。

１２は半導体基板（例えばＰ型）、　２’−Ｂは垂直Ｃ
ＣＤを埋込み型チャンネルにするための不純物層（例え
ばｎ型）、１３は電極２’−Ｅ、４’−Ｅと基板を絶縁
分離するためのゲート酸化膜（例えばＳｉＯ２）である
。前記のパルスＲＰ）４（ｔｘ、）の印加により画素部
の各領域にはφ、□、のような電位が形成される。ここ
で、φｔ１□（４′）はＭレベル転送ゲートパルスＲＰ
Ｎ（ｔ□□〉により転送ゲート下に形成される電圧、φ
（２′）は電荷読出し時に垂直ＣｃＤ電極に印加する所
定の電圧レベルを有した垂直ＣＣＤ駆動用パルス（ｖｐ
、図示せず）により。

垂直ＣＣＤ電極下に形成される電位である。また。

φ（３’Ｌ）は前回の読出しく前のフィールド、或は前
のフレームにおける読出し）の際にＨレベル転送ゲート
パルスにより電荷読出し完了後に光ダイオードが置かれ
る電位（以下、リセット電位と称する）、φ（％Ｕ）は
フィールド期間（ＴＦ（□）＝Ｔ　Ｆ　（２）　）　＋
或は、フレーム期間ＣＴＦ＜ｘ＞　＋　ＴＦ（２）　）
に入射した光により光ダイオードに貯えられる電荷Ｑに
より形成される電位である。この電位φ（３′υ）の上
限は第２図Ｃに点線で示すように上限はＬレベルの転送
ゲートパルスＲＰＮにより転送ゲート下に形成される電
位によって決められる。

蓄積電荷による電位上昇分をΔＶ　（＝φ（３’　Ｕ）
−φ（３’　Ｌ）　）とすると２ＭレレベパルスＲＰ　
Ｎ（ｔｉ、）により転送ゲート下の電位φ、１□（４′
）をφ（３’Ｌ）＋ればよい。このような電位に設定す
ることにより。

光ダイオードの電荷は電位φ（３′υ）から電位Δ■ φ（３’Ｕ）−□になるまで転送ゲート４′を介して垂
直ＣＣＤに読出されることになる。すなわち。

第１回の読出しにより光ダイオードに蓄積した電荷Ｑの
半分（Ｑ／２）が垂直ＣＯＤに送り込まれることになる
。垂直ＣＯＤに送り込まれた電荷Ｑ／２は、この後、垂
直ＣＣＤ２’（第１図（ａ）に図示）の高速転送動作に
より蓄積領域５′に送り込まれる。

（２）第１回目の蓄積領域への電荷転送が完了すると２
時間ｔ１□でＨレベルをもつ転送ゲートパルスＲＰＮ（
ｔ工２）が転送ゲート４′に印加される。

垂直ＣＣＤの電極下は第１回目の読出し時と同様の電位
φ（２’）　（第１回目と同一の電位に設定する必要は
なく、転送ゲート下より低い電位になるようにすればよ
い）、また転送ゲート下はＲＰ　Ｈ（ｔ□２）により電
位φｔｉｚ（４’＞　（＝φ（Ｊ　’　Ｌ）　）に設定
される。したがって、光ダイオードの電位はΔＶ φ（ｉ’Ｕ）−□から、電荷の読出しが完了するとφ（
３’　Ｌ）に降下する。この結果、光ダイオードの電位
はΔＶ／２だけ下降し、光ダイオードに残されていた残
り半分の電荷が転送ゲートを介して垂直ＣＣＤに送り込
まれることになる。第２回目に読出されたこの電荷は、
この後、垂直ＣＣＤの高速転送動作により蓄積領域５′
に送り込まれる。

この高速転送は垂直帰線期間内（ｔ　ＢＬ）に行われる
。

（３）第２フイールドの垂直帰線期間においても、前回
のフィールドと同じレベルをもつ転送ゲートパルスＲＰ
Ｎ（ｔｚ□）　ｓ　ＲＰ　Ｎ（□２）を転送ゲート４′
に印加することにより、光ダイオードの貯えた電荷は第
１回、第２回に分けて、前回と同様の動作により蓄積領
域５′に送り込まれる。

以上、光ダイオードに蓄積された電荷を２回に分けて読
出し、２回の垂直ＣＣＤの高速動作によりこの電荷を蓄
積領域５′に送り込む動作を説明した。転送パルスを垂
直帰線期間にＮ回発生するようにすれば、電荷をＮ回に
分割して運ぶことができるようになる。したがって、垂
直ＣＣＤの電荷蓄積容量は１回で全部を送る従来の読出
し方式の場合に較べると、１／Ｎに減らしても構わない
ことになる。すなわち、垂直ＣＣＤのチャンネル幅を縮
少すること、或は垂直ＣＣＤの段数を増やしくビット数
を増やし）、多種類の光信号電荷を送ることができるよ
うになる。また、前述の説明では読出しをＮ回に分は毎
回等量の電荷（Ｑ／Ｎ）を送る動作を示したが、異なる
量の電荷を送るようにしても勿論構わない（例えば、２
回読出しの場合第１回目でＱ／３．第２回目で２Ｑ／３
という量を読出すようにしてもよい）。

次に、上記のようにＮ回に分けて読出した電荷を蓄積領
域５′で同一記憶セルに集める方法について実施例を用
いて説明する。なお、同一の光ダイオードから読出した
電荷は出力時にはＮ回分を加算した形で取出す必要があ
る。但し、出力部９（素子内部でも外部でもよい）にメ
モリ等が用意されている場合は加算の必要はなく、各回
分を独立に取出すようにしてもよい。

第３図の実施例において、１０−１は取込みゲート、　
１１−．１　、１１−２は蓄積用ＣＣＵ、１４は加算回
路。

１５、１６は蓄積領域転送ゲートである。

（１）第１回目の読出しで電荷ｑ工がゲート１０−１を
介して先ず蓄積用ＣＧＤ１１−１に送り込まれる。

（２）続いて、転送ゲート１５を導通状態に置くことに
より、蓄積用ＣＣＤｌｌ−１に一時保持されていた電荷
ｑ工は蓄積用ＣＣＤｌｌ−２に移される。

（３）続いて第２回目の読出し電荷ｑ２がゲート１０−
１を介して蓄積用ＣＣＤ　１１−１に送り込まれる。

蓄積用ＣＧＤＩｌ−１，１１−２に保持された電荷ｑｘ
　＋ｑ２は転送ゲート１６を介して加算回路１４に送り
込まれ、ここで分割して読出された電荷ｑ１ｅ　ｑ２が
合流しＱ　（”　ｑｔ＋　９２）となる。

（４）回路１４で加算された電荷Ｑは水平ＣＣＤ８に送
り込まれ、出力９から時間順次に取出される。

ここでは、説明を簡単にするため電荷を２回に分けて蓄
積用ＣＣＤに送り込む場合について述べたが、Ｎ回に分
けて読出してもよく、この場合には例えば蓄積用ＣＣＤ
ｔｉ−Ｎ個設けるような構成を考えることができる。

第４図の実施例において、１０−２は取込みゲート、　
１１−１　、１１−２は蓄積用ＣＣＤである。

（１）第１回目の読出しで電荷ｑ工はゲートｌ０−２の
選択動作により蓄積用ＣＣＤｌｌ−１に送り込まれる。

（２）第２回目の読出し電荷ｑ２はゲート１０−２の選
択動作により蓄積用ＣＣＤｌｌ−２に送り込まれる。

（３）この後、前述のような加算動作を行い電荷Ｑを出
力より取出す。

第５図（ａ）は、第１回目の電荷ｑ□、第２回目の電荷
ｑ２を第３図、或は第４図に示したような方法により蓄
積用ＣＣＤｌｌ−１、１１−２に送り込んだ電荷を加算
回路を設けることなく取出す実施例を示している。ここ
では、２つに分割した電荷ｑｘ＋　９２は矢印１７−１
　、１７−２で示すように各々独立に水平ＣＣＤ８　’
に送り込まれ周知の電荷移送方法により、矢印１７−３
で示すように水平ＣＣＤの転送動作により２つの電荷が
加算される。

第５図（ｂ）において、第１回目の電荷ｑ工。

第２回目の電荷ｑ２は第３図、或は第４図に示したよう
な方法により蓄積用ＣＣＤｌｌ−１，１１−２に送り込
まれる。電荷ｑ工＋　ｑｚは矢印１９−１　、１９−２
で示すように各々独立に水平ＣＣＤ８’−１，８’−２
に送り込まれる。水平ＣＣＤ内を転送された電荷ｑｓｐ
　ｑ２は水平ＣＣＤの出力端に設けた加算回路１８で加
算された後、出力９から順次取出される。

第５図（ｃ）は電荷ｑｔｔｑ２を水平ＣＣ，Ｄ８’−１
，８’−２により転送し、直接に（加算しないで）出力
９−１．９−２に取出すようにした構成を示している。

ｑｘｅｑｚの加算は出力９−１．９−２の後に設けた加
算回路（図示せず）で行う。この加算回路は素子の中に
集積化してもよいし、或は素子外部に別途設けるように
してもよい。

〔発明の効果〕 以上、実施例を用いて詳細に説明したように。

本発明によれば、光電変換素子の貯えた信号電荷を複数
回（Ｎｌ：Ｎは２以上の正の整数）に分けて垂直ＣＣＤ
シフトレジスタによって蓄積領域へ運ぶことができるの
で、垂直ＣＯＤシフトレジスタのダイナミックレンジを
Ｎ倍に拡大することができるという効果がある。したが
って、これまで問題とされてきた垂直ＣＣＤシフトレジ
スタの狭いダイナミックレンジは解消することができる
。

また２本発明によれば垂直ＣＣＤシフトレジスタのチャ
ンネル幅を従来の１／Ｎに縮少しても従来と同様のダイ
ナミックレンジを確保することが可能になる。これは、
将来２画素数の増加（高解像度化）を図る場合、或は、
感度の向上を図る場合に非常に優れた手段となり９本発
明のもたらす実用的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＣＣＤ固体撮像素子の構成および動作
を示す図、第２図は従来のＣＣＤ固体撮像素子の構成を
示す図、第３図、第４図および第５図は本発明の第２図
の実施例とは異なる素子構成を示す図である。 図において。 １．１′・・・撮像領域 ２．２′・・・垂直ＣＣＤシフトレジスタ３．３′・・
・光電変換素子 ４．４′・・・転送ゲート　５，５′・・・蓄積領域７
．１１・・・蓄積用ＣＣＤシフトレジスタ８・・・水平
ＣＣＤシフトレジスタ ９・・・出力　　　　　　　１４・・・加算回路代理人
弁理士　　中　村　純之助 第１図 （Ｑ） １′−−−め瞼ｆｌ　ｑ戚　　　　　８−一一永子ＣＣ
Ｄシフトレジη２゛−−一會遣てＣＤシフ邑ｐブタ　９
−−−と力５′−に巾夕域 第２図 ９−一−ｔカ ＠１１（φｔ１２ン　　　　　１１シ２イ土（φｔ、リ
−〇− 第３図 １０−２・−散区突ヶニド 第５図 （ａ） １０−２・−取Δとゲート 第５図 （ｂ） １０−２−ｍ−取込）＋ｙ：ト

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同一半導体基板上に、光電変換素子群と、転送スイ
   ッチと、上記光電変換素子群のたくわえた光信号電荷を
   運ぶ走査素子とから成る撮像領域と、この撮像領域で検
   出した光信号を一時的に蓄積する蓄積領域とを集積化し
   た固体撮像素子において、上記転送スイッチに加えるパ
   ルス電圧を制御することにより、上記光電変換素子のた
   くわえた光信号電荷を複数回に分割して読出す手段と前
   記読出された信号電荷を逐次上記走査素子の高速転送動
   作により上記蓄積領域に送り込む手段とを具備して成る
   ことを特徴とする電荷移送型固体撮像素子。 ２、上記光電変換素子のたくわえた光信号電荷を複数回
   に分割するタイミングを１フィールド期間もしくは１フ
   レーム期間内としたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の電荷移送型固体撮像素子。 ３、上記光信号電荷の分割回数を２〜５回としたことを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の電荷移送型固体
   撮像素子。