JP4296025B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーバフロードレイン(OFD)構造のCCD(Charge Coupled Device)を用いた固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機などの画像を記録する電子機器が普及し、高解像度化に伴ってCCD撮像素子等のイメージセンサの微細化が進んでいる。
【0003】
図10は、特許文献1等に開示された従来のCCD固体撮像素子の構成を示すブロック図である。同図において、固体撮像素子10は、二次元配列された複数のフォトダイオード11と、複数の読み出しゲート部12と、複数の垂直CCD13と、水平CCD15と、出力アンプ16と、基板バイアス発生回路20と、トランジスタQ1とを有する。また、同図には、固体撮像素子の半導体基板のバイアス電圧(以下基板バイアスと呼ぶ)Vsubを変調する回路として、トランジスタQ2、抵抗R1〜R3も併せて図示してある。
【0004】
特許文献1等には、基板バイアスVsubの制御によって、フレーム読み出し時における飽和信号電荷量Qsの減少を見込んで、予めその減少分を増加させておく技術が開示されている。ここでフレーム読み出しは、露光時間経過後にメカニカルシャッター(図外)を閉状態にして、奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールド単位に読み出す方式をいい、1枚の静止画像を取得する場合によく用いられる。
【0005】
図10において、複数のフォトダイオード11は二次元配列され撮像エリア14を形成する。各フォトダイオード11は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する。各フォトダイオード11は例えばPN接合のフォトダイオードからなっている。垂直列をなすフォトダイオード11に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部12に読み出しパルスXSGが印加されることにより垂直CCD13に読み出される。
【0006】
垂直CCD13は、フォトダイオード11の垂直列毎に設けられ、各フォトダイオード11から読み出しゲート部12を介して読み出された信号電荷を水平CCD15に垂直転送する。インターライン・トランスファー(IT)方式の固体撮像素子の場合、各垂直CCD13には、例えば4相の垂直転送クロックφV1〜φV4によって転送駆動するための垂直転送ゲート電極が繰り返し配置され、フォトダイオード11から読み出された信号電荷を順に垂直方向に転送する。これにより、複数の垂直レジスタ13から水平ブランキング期間において1走査線(1ライン)分の信号電荷が水平レジスタ15に出力される。4相の垂直転送クロックΦV1〜ΦV4のうち2相目と4相目のΦV2とφV4とは、垂直転送のためのローレベルとミドルレベルの2値をとりうる。これに対して、1相目および3相目に対応する垂直転送ゲート電極は、読み出しゲート部12の読み出しゲート電極も兼用しているので、垂直転送クロックφV1とφV3とは、ローレベル、ミドルレベル及びハイレベルの3値をとりうる。この3値目のハイレベルのパルスは読み出しゲート部12に与えられる読み出しパルスXSGとなる。
【0007】
水平CCD15は、水平ブランキング期間において複数の垂直CCD13から転送された1ライン分の電荷を1水平走査期間内で順次水平転送し、出力アンプ16を介して出力する。この水平CCD15は、例えば2相の水平転送クロックφH1,φH2によって転送駆動され、複数本の垂直CCD13から移された1ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。
【0008】
出力アンプ16は、水平CCD15によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。
【0009】
基板バイアス電圧発生回路20は、基板バイアス電圧Vsubを発生し、トランジスタQ1を介して基板17に印加する。この基板バイアスVsubは、VsubCont信号の制御の下で、トランジスタQ2がオフのときは第1のバイアス電圧に、トランジスタQ2がオンのときはより低電圧の第2のバイアス電圧に設定される。
【0010】
上記の固体撮像素子10は、半導体基板(以下基板と呼ぶ)17上に形成される。基板17には、フォトダイオード11に蓄積された信号電荷を基板17へ掃き出すための基板シャッターパルスφSUBなどの各種のタイミング信号が印加される。なお、基板シャッターパルスφSUBによる基板シャッターをはじめ、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を全てドレインに掃き出す機能は電子シャッターとも呼ばれる。
【0011】
図11(a)は、フォトダイオード11の基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。このフォトダイオード11に蓄積される信号電荷eの電荷量は、オーバーフローバリアOFBのポテンシャルバリアの高さによって決定される。すなわち、オーバーフローバリアOFBは、フォトダイオード11に蓄積される飽和信号電荷量Qsを決める。蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Qsを越えた場合に、その越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板17側へ掃き出される。このような縦型オーバーフロードレイン構造におけるオーバーフローバリアOFBのポテンシャルは、オーバーフロードレインバイアス、即ち基板バイアスVsubによって制御可能である。つまり障壁の高さを基板バイアスVsubにより制御可能である。
【0012】
図12は、基板バイアスVsubの制御を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像素子の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッターの開閉状態と、基板バイアスVsub(図中の基板電圧)と、フォトダイオード11から垂直CCD13への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦV1、ΦV3とを示している。垂直転送クロックΦV1、ΦV3のハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスXSGである。
【0013】
モニター期間では、メカニカルシャッターが開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が読み出され、動画像として表示されている(高速動画撮像モードと呼ぶ)。
【0014】
また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッターを併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像(静止画撮像モードと呼ぶ)が開始する。まず、基板バイアスVsubには、複数個の基板シャッターパルスΦSUB(図中の、基板シャッター電圧のパルス)が印加される。基板シャッターとは、ΦSUBによって基板バイアスVsubを高くすることにより、オーバーフローバリアの障壁をなくしてフォトダイオード11の全ての信号電荷を基板17に掃き出すことをいう(図11(b)参照)。基板シャッターパルスの印加終了によりフォトダイオード11の信号電荷の蓄積量がゼロになる。基板シャッターパルスの印加終了からメカニカルシャッターが閉じるまでの期間は、露光期間となる。これに続いて、垂直CCD13内の信号電荷を事前に掃き出す高速掃き出し期間、第1フィールド出力期間、高速掃き出し期間、第2フィールド出力期間、無効データ出力期間が順に設けられる。第1、第2フィールドの読み出し期間のそれぞれの先頭では、ΦV1、ΦV3に重畳される読み出しパルスXSGによるフォトダイオード11から垂直CCDへの第1、第2フィールドの信号電荷の読み出しがなされる。その後、無効データ出力期間を経てモニター出力期間に戻る。
【0015】
基板バイアスVsubについては、高速動画撮像モード(モニター期間中)では第1バイアス電圧が印加される。静止画撮像モードでは、同図のように第1バイアス電圧と第2バイアス電圧とが切り換えられる(基板バイアス変調と呼ぶ)。第2バイアス電圧は第1バイアス電圧より低いので、オーバーフローバリアOFBの高さは、第2バイアス電圧の方が高くなり、飽和信号蓄積量Qsが増加する。第2バイアス電圧の期間は、同図では露光期間中からも無効データ出力期間であるが、少なくとも第2フィールド出力期間を含む。第1フィールドと第2フィールドの飽和信号電荷量Qsの違い(段差)を少なくすることが可能となる。
【0016】
これにより、メカニカルシャッターの遮光時に時間の経過とともに減少する飽和信号電荷量Qsを、その減少分を見込んで増加させることができる。その結果、時間の経過とともに飽和信号電荷量Qsが減少することに起因するS/Nやダイナミックレンジ等の特性の悪化を防止している。
【0017】
【特許文献1】
特開平10−150183号公報
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術によれば、近年のセルの微細化に伴って読み出しゲートの幅が短くなりつつあることから読み出しゲート電極(ΦV1、ΦV3に対応する電極)のブルーミングが発生しやすくなっているという問題がある。
【0019】
より具体的に、図13を用いて説明する。図13は、垂直CCD13とフォトダイオード11のポテンシャル分布を示す図である。横軸に示したX−Y間は垂直CCD13からフォトダイオード11までの基板水平方向を、Y−Z間はフォトダイオード11の基板深さ方向を示す。縦軸は下向きに高くなるポテンシャル(電位)を示す。読み出しゲート電極がミドルレベルである場合(図中のM)、ローレベルである場合(図中のL)と比較してポテンシャルが高くなり、オーバーフローバリアーに対する障壁としての高さが低くなってしまう。その結果、例えば図13に示した第1フィールド出力期間において垂直転送クロックΦV3が印加されている読み出しゲート電極Φ3は、ミドルレベルになっているので、第1フィールド出力期間及び高速掃き出し期間の間、ブルーミングが発生しやすくなっている。
【0020】
さらに、固体撮像装置の微細化に伴ってゲート電極等が微細化しまた飽和信号電荷量の容量そのものの増大も図り難いことから、量子効率(光電変換効率)を改善し感度を向上させることが必要とされている。
【0021】
本発明は、メカニカルシャッターを閉じた状態でフィールドをインターレース読み出しする場合に、ブルーミングの発生を防止する固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【0022】
さらに、本発明は、感度を向上させた固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出しゲート電極を介して垂直CCDに読み出す固体撮像素子と、前記固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段と、駆動手段とを備えた固体撮像装置であって、前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷を前記ドレインに排出する電子シャッターから前記遮光手段を閉じるまでの露光期間の後に、n対1インターレース方式により前記フォトダイオードで蓄積された前記信号電荷を読み出す第1フィールド出力期間とそれ以外の出力期間である第2フィールド出力期間を順次備えたn個のフィールド出力期間があり、前記フィールド出力期間中の水平有効期間において各フィールドに対応する読み出しゲート電極に印加される電圧には、少なくともミドルレベル電圧とローレベル電圧があり、前記駆動手段は前記第1フィールド出力期間に読み出される前記フィールドの前記読み出しゲート電極に前記第1フィールド出力期間に前記ミドルレベル電圧を与え、前記第2フィールド出力期間に読み出される前記フィールドの前記読み出しゲート電極に前記第1フィールド出力期間の前記水平有効期間中に前記ローレベル電圧を与え、前記駆動手段は、さらに、前記電子シャッター終了直後に基板バイアス電圧を第1のバイアス電圧から第1のバイアス電圧よりも低電圧である第2のバイアス電圧に変更することを特徴とする。
【0024】
この構成によれば、1番目からm番目(1≦m<n)までの各フィールド出力期間において、(m+1)番目のフィールド以降に読み出されるフォトダイオードに対応した読み出しゲート電極のうち、ミドルレベルに設定される読み出しゲート電極の数を最小にすることができるため、ブルーミングの発生量が抑制される。
【0025】
ここで、前記駆動手段は、先頭のフィールド出力期間においてのみ前記ミドルレベル電圧が印加される前記読み出しゲート電極に対応する前記フィールドから前記信号電荷を読み出す構成としてもよい。
【0026】
この構成によれば、例えば2対1や3対1インターレース方式の場合、水平有効期間において、前記高電圧が印加される読み出しゲート電極に対応するフォトダイオードの信号電荷は、第1フィールド出力期間の最初に読み出されてしまうため、全てのフィールド出力期間において以降に読み出されるフォトダイオードに対応した読み出しゲート電極はすべてローレベルに設定されるため、ブルーミングを防止するとができる。特に微細化により読み出しゲートが狭小化している場合に効果的である。
【0027】
ここで、前記駆動手段は、さらに、前記電子シャッター終了直後に基板バイアス電圧を第1のバイアス電圧から第1のバイアス電圧よりも低電圧である第2のバイアス電圧に変更する構成としている。
【0028】
この構成によれば、露光期間における光電変換効率を改善し感度を向上させることができる。特に、入射光のうち波長が長い程感度を向上させることができる。
【0029】
また、本発明における固体撮像装置の駆動方法についても、上記と同様の手段及び作用を有する。
【0030】
【発明の実施の形態】
<構成>
図1は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。固体撮像装置1は、レンズ2、メカニカルシャッター3、駆動部4、信号処理部5、垂直CCD及び水平CCDを有する固体撮像素子10を備え、(A)メカニカルシャッター3を閉状態にしてフィールドを順に読み出すフレーム読み出し方式において、第1フィールド出力期間の先頭で垂直CCDの第1フィールド読み出しゲート電極をミドルレベル状態にしておき、その状態でハイレベルのパルスを印加することにより第1フィールドの信号電荷を垂直CCDに読み出し、さらに、(B)露光期間の開始前に基板バイアス電圧を第1基板バイアス電圧から第2バイアス電圧に低下させるバイアス変調を行う構成としている。ここで、第1バイアス電圧は、メカニカルシャッター3の開状態での動画撮像モードにおける基板バイアス電圧である。第2バイアス電圧は、第1バイアス電圧よりも低電圧で、オーバーフローバリアを高くして飽和信号蓄積量Qsを増加させるための基板バイアス電圧である。(A)は、第1フィールド出力期間で読み出されない第2フィールドのブルーミングの発生を防止し、(B)はフォトダイオード11の光電変換効率を改善して感度を向上するためである。
【0031】
同図において、被写体(図示せず)からの入射光は、レンズ2等の光学系およびメカニカルシャッター3を経てCCD固体撮像素子10の撮像エリアに入射する。 メカニカルシャッター3は、CCD固体撮像素子10の撮像エリアへの入射光を制御する。なお、メカニカルシャッター3の代わりに遮光する機能を有する液晶シャッター等を有していてもよい。
【0032】
固体撮像素子10は、図10に示した固体撮像素子と同様である。図2(a)は、固体撮像素子10におけるフォトダイオードの配列と垂直CCD13の垂直転送電極の配列を示す一例である。フォトダイオードの配列は、いわゆるベイヤー配列である。同図のように、垂直CCD13の垂直転送電極は、4相クロックパルスΦV1〜ΦV4に対応するΦ1〜Φ4の4種類が繰り返し配列される。このうちΦ1、Φ3は、それぞれ奇数ライン、偶数ラインのフォトダイオードから信号電荷を垂直CCDに読み出すための読み出しゲート電極を兼ねている。静止画撮像モードにおけるフレーム読み出しでは、露光期間の後に、図2(b)のような、読み出しゲート電極Φ1から読み出された奇数ラインからなる第1フィールドの読み出しと、図2(c)のような、読み出しゲート電極Φ3から読み出された偶数ラインからなる第2フィールドの読み出しとが順次になされる。
【0033】
駆動部4は、固体撮像素子10の垂直CCDの転送を制御する4相クロックパルスΦV1〜ΦV4、水平CCDの転送を制御する2層クロックパルスΦH1、ΦH2、基板バイアス電圧制御信号VsubCont、基板シャッターパルスΦsub等を生成し、固体撮像素子10に供給する。4相クロックパルスのうちΦV1、ΦV3は、ローレベル、ミドルレベル、ハイレベルの3値をとりうる信号であり、そのハイレベルパルスは読み出しゲート電極に印加される読み出しパルスXSGである。
【0034】
また、駆動部4は、読み出しゲート電極Φ1をミドルレベル、読み出しゲート電極Φ3をローレベルにするように4相の垂直転送クロックを制御する。これにより、第1フィールド期間の水平有効期間中に、フォトダイオード11に信号電荷が読み出されずに残っている第2フィールドの読み出しゲート電極Φ3の電圧がローレベルとなり、水平有効期間中の読み出しゲート電極Φ3でのブルーミングの発生を防止している。このとき第1フィールドの読み出しゲート電極Φ1はミドルレベルであるが、信号電荷が読み出された後なので読み出しゲート電極Φ1でのブルーミングは発生しない。ここで、水平有効期間とは、第1又は第2フィールド出力期間のうち、水平CCD15において水平転送動作がなされる期間であって、垂直CCD13において垂直転送クロックパルスが変化していない期間をいう。
【0035】
さらに、駆動部4は、基板バイアス電圧について、静止画撮像モードにおいて露光期間の開始前に第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に下げ、第2フィールド読み出し完了後に第1バイアス電圧に戻すように基板バイアス変調を行う。
【0036】
信号処理部5は、固体撮像素子10からの出力信号に対して、自動ホワイトバランス調整などの種々の信号処理を行い、撮像信号として外部に出力する。
【0037】
図3は、フォトダイオード11及び垂直CCD13周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。同図において、例えばN型の基板17の表面にP型のウェル領域31が形成されている。ウェル領域31の表面にはN型の信号電荷蓄積領域32が形成され、さらにその上にP+ 型の正孔蓄積領域33が形成され、フォトダイオード11が構成されている。
【0038】
このフォトダイオード11に蓄積される信号電荷eの電荷量は、P型のウェル領域31で構成されるオーバーフローバリアOFBのポテンシャルバリアの高さによって決定される。このオーバーフローバリアOFBは、フォトダイオード11に蓄積される飽和信号電荷量Qsを決めるものであり、蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Qsを越えた場合、越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板17側へ掃き出される。
【0039】
このようにして、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造のフォトダイオード11が構成されている。
【0040】
フォトダイオード11の横方向には、P型領域31のうち読み出しゲート部12を構成する部分を介してN型の信号電荷転送領域35およびP+ 型のチャネルストッパ領域36が形成されている。信号電荷転送領域35の下には、スミア成分の混入を防止するためのP+ 型の不純物拡散領域37が形成されている。さらに、信号電荷転送領域35の上方には、例えば多結晶シリコンからなる転送電極39が配されることにより、垂直CCD13が構成されている。転送電極39は、P型領域31の上方に位置する部分が、読み出しゲート部12のゲート電極を兼ねている。
【0041】
基板17には、フォトダイオード11に蓄積される信号電荷の電荷量を決定する(即ちオーバーフローバリアOFBのポテンシャルを決める)基板バイアスVsubが印加されるようになっている。
【0042】
<動作説明>
図4は、基板バイアスVsub変調を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像装置10の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッターの開閉状態と、基板バイアスVsub(図中の基板電圧)と、フォトダイオード11から垂直CCD13への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦV1、ΦV3とを示している。垂直転送クロックΦV1、ΦV3に重畳されるハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスXSGである。
【0043】
モニター期間(高速動画撮像モード)では、メカニカルシャッターが開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が連続的に読み出され、動画像表示されている。
【0044】
また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッターを併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像(静止画撮像モード)が開始する。この静止画撮像モードでは、まず、基板バイアスVsubに、複数個の基板シャッターパルスΦSUBが印加される。
【0045】
図5(a)に基板シャッターパルスΦSUB印加時のポテンシャル分布を示す。横軸に示したX−Yは図2に示した垂直CCD13からフォトダイオード11までの基板水平方向を、Y−Zは図2に示すフォトダイオード11の基板深さ方向を示す。縦軸はポテンシャル(電位)を示す。図5(a)に示すように基板シャッターパルス印加時には、基板バイアスVsubを高くすることにより、オーバーフローバリアの障壁をなくしてフォトダイオード11の全ての信号電荷を半導体基板に掃き出すことになる。こうして、複数の基板シャッターパルスΦSUBの印加終了時にはフォトダイオード11の全ての信号電荷の掃き出されている。
【0046】
さらに、露光期間の開始前に、駆動部4は基板バイアス電圧Vsubを第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に下げるバイアス変調を行う。ただし、図4では、複数の基板シャッターパルスのうち最後の基板シャッターパルスの印加完了時になっている。
【0047】
図5(b)は、第1バイアス電圧及び第2バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。同図のように、オーバーフローバリアOFBは、第1バイアス電圧よりも第2バイアス電圧印加時の方が高くなり、飽和信号蓄積量Qsが増加する。さらに、飽和信号蓄積量Qsの増加にとどまらず、感度の向上が見られる。感度の向上は、フォトダイオードのオーバーフローバリアが基板深さ方向でより深い位置となり、光電変換により発生した信号電荷をより多くフォトダイオードに蓄積できること、すなわち光電変換効率の向上による。
【0048】
図6は、第1バイアス電圧及び第2バイアス電圧印加時の、入射光の波長と分光感度との特性を示す。実線、破線は、第1、第2バイアス電圧印加時の特性を示す。入射光の波長が長いほど感度の向上が見られる。これは、波長が長い光ほどより深くまで到達し、オーバーフローバリアの深さの影響が大きくなるためである。
【0049】
露光期間の後、垂直CCD13の電荷を垂直転送により掃き出すために、駆動部4は、高速掃き出しを行う。高速掃き出しでは、垂直CCD13に垂直転送クロックパルスΦV1〜ΦV4が速い周期で連続的に印加され、垂直CCD13の信号電荷を垂直転送により掃き出す。この高速掃き出しの代わりにダミーフィールドにより掃き出してもよい。
【0050】
高速掃き出し期間に続く、第1フィールド出力期間の先頭で、駆動部4は、第1フィールドの読み出しゲート電極Φ1の電圧をミドルレベルに、Φ3をローレベルにするよう垂直転送クロックΦV1〜ΦV3の位相を制御する。図4では、モニター出力期間も含めて、読み出しゲート電極Φ1の電圧をミドルレベルに、Φ3をローレベルにするようにタイミング設定されている。
【0051】
この状態で、駆動部4は、読み出しゲート電極Φ1に読み出しパルスXSGを印加して、フォトダイオード11から垂直CCD13に第1フィールドの信号電荷を読み出し、水平CCD15が1ライン分の信号電荷を順次水平転送するように水平転送クロックΦH1、ΦH2を印加し、水平ブランキング期間において垂直CCD13が1ライン分の信号電荷を水平CCD15に垂直転送するように垂直転送クロックΦV1〜ΦV4を印加する。
【0052】
この第1フィールド出力期間において、水平ブランキング期間以外の水平有効期間が時間的には大部分を占めており、水平有効期間では、読み出しゲート電極を兼用する垂直転送電極Φ1、Φ3は、それぞれミドルレベル、ローレベルに設定されている。読み出しゲート電極Φ3は、まだ読み出されていない信号電荷を保持するフォトダイオード11に接続されているが、ローレベルに設定されているので、ブルーミングの発生を防止することができる。
【0053】
第1フィールドに続く高速掃き出し期間の後、駆動部4は、読み出しゲート電極Φ3に読み出しパルスXSGを印加して、フォトダイオード11から垂直CCD13に第2フィールドの信号電荷を読み出し、水平CCD15が1ライン分の信号電荷を順次水平転送するように水平転送クロックΦH1、ΦH2を印加し、水平ブランキング期間において垂直CCD13が1ライン分の信号電荷を水平CCD15に垂直転送するように垂直転送クロックΦV1〜ΦV4を印加する。
【0054】
この第2フィールド出力期間の先頭でフォトダイオード11から読み出された信号電荷は、第1フィールド期間の間に読み出しゲート電極がローレベルになっていたので、ブルーミングが発生していないきれいな第2フィールドの画像を得ることができる。
【0055】
これ以降は、無効データ出力期間の後、モニターモードに戻る。
<第2バイアス電圧>
上記の基板バイアス電圧は、露光期間の前に第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に低下される。これは、露光期間のほぼ全域に渡って第2バイアス電圧を印加させることにより感度が向上するからである。
【0056】
さらに望ましくは、基板シャッターパルスの印加が完了した直後に第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に切り換えるべきである。基板シャッターパルスの印加前あるいは印加中に第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に下げると、オーバーフローバリアOFBがより高い状態で基板シャッターパルスを印加することになってしまい、より波高値の高い基板シャッターを印加しないと信号電荷を掃き出すことができなくなるという不具合が生じるからである。
【0057】
また、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第2バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は、本実施の形態では短いほど望ましい。なぜなら、立ち下げ開始までの時間が短いほど露光時間に占める第2バイアス電圧レベルの期間が長くなり、露光感度が向上するからである。
【0058】
一般的に、高速電子シャッター時(例えば1/2000秒)において、機械的要因によりメカニカルシャッターが閉じる時刻がばらつき、露光時間すなわち露光量は10%程度ばらつくが、カメラシステムにおいて実用上許容されている。したがって、露光時間の誤差として許容される時間は露光時間の10%程度ある。よって、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第2バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は露光時間の10%以内とすることが望ましい。
【0059】
具体的には基板シャッターにより実現される高速電子シャッターの露光時間が500μSであれば、許容誤差を10%以内とした場合は50μS以下の時間であることが望ましい。
【0060】
以上説明してきたように本実施の形態における固体撮像装置によれば、メカニカルシャッター3を閉状態にして第1、第2フィールドを順に読み出すフレーム読み出し方式において、第2フィールド出力期間で読み出されるフィールドの読み出しゲート電極Φ1を第1フィールド出力期間の水平有効期間中にローレベルにしている。そのため、第1フィールド出力期間で読み出されるフィールドの読み出しゲート電極Φ3をその水平有効期間中にミドルレベルにしている。これにより、第1フィールド出力期間中に信号電荷を保存しているフォトダイオード11から垂直CCD13へのブルーミングを防止している。特に微細化により読み出しゲートが狭小化している場合に効果的である。
【0061】
さらに、露光期間の開始時点である基板シャッター印加直後に基板バイアス電圧を第1基板バイアス電圧から第2バイアス電圧に低下させるバイアス変調を行う構成としている。これにより、露光期間のほぼ全域に渡って、基板バイアスVsubを第2バイアス電圧としているので、光電変換の効率(量子効率)が向上する。その結果、露光感度を向上させることができる。感度の向上により、色のS/Nが良くなり、低照度であっても撮像時の画質が向上する。また、感度の向上は、波長の長い方つまりR(赤)から赤外線(IR)領域にかけて向上率が高いので、固体撮像装置を監視カメラや暗視カメラとして利用する場合の性能向上を図ることができる。
【0062】
なお、図10における基板バイアス電圧発生回路20、トランジスタQ1、Q2、抵抗R1〜R3、Cは、その全部又は一部を、固体撮像素子10の基板上に形成してもよいし、基板外部に設けてもよい。また、基板バイアス電圧発生回路20は、電源とグラウンド間で直列接続されたブリーダ抵抗による分圧値として基板バイアス電圧Vsubを発生させる構成としてもよい。
【0063】
<他の実施形態>
上記実施の形態において、2対1のインターレース・スキャンでのインターライン・トランスファー方式によるフレーム読み出しの場合を例にとって説明したが、3対1、4対1などの多対1インターレース方式の読み出しでもよい。ここでは、本発明を3対1インターレース方式で読み出される固体撮像素子に適用した例について説明する。
【0064】
図7(a)は、3対1インターレース方式で読み出される固体撮像素子におけるフォトダイオードの配列と垂直CCDの転送電極の配列を示す一例である。この場合、垂直CCDの垂直転送電極は、6相クロックパルスΦV1〜ΦV6に対応するΦ1〜Φ6の6種類が繰り返し配列される。このうちΦ1、Φ3、Φ5は、それぞれ第1、第2、第3フィールドを構成するラインのフォトダイオードから信号電荷を垂直CCDに読み出すための読み出しゲート電極を兼ねている。静止画撮像モードにおけるフレーム読み出しでは、露光期間の後に、3つのフィールドが順に読み出される(図7(b)〜(d)参照)。
【0065】
3つのフィールド読み出しでは、水平有効期間中にミドルレベルが印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドを優先して読み出せばよい。
【0066】
図8は、この場合の固体撮像装置の動作タイミングの一例をタイムチャートである。同図のように、高速掃き出し期間に続く、3つのフィールド出力期間では、第2フィールド、第1フィールド、第3フィールドの順にフィールド読み出しが行われている。
【0067】
最初に読み出される第2フィールドの出力期間では、ΦV1はローレベル、ΦV3はミドル、ΦV5はローレベルになっている。最初に読み出された第2フィールドに対応する読み出しゲート電極はΦ3であり、読み出されていない第1及び第3フィールドに対応する読み出しゲート電極はΦ1及びΦ5である。この第2フィールドの出力期間において、信号電荷を保存しているフォトダイオードに接続された読み出しゲート電極Φ1及びΦ5はローレベルになっているので、フォトダイオードから垂直CCDへのブルーミングを防止することができる。
【0068】
2番目に読み出される第1フィールドの出力期間でも、ΦV1はローレベル、ΦV3はミドル、ΦV5はローレベルになっている。この第1フィールドの出力期間において信号電荷を保存しているフォトダイオードに接続された読み出しゲート電極Φ3はローレベルになっているので、フォトダイオードから垂直CCDへのブルーミングを防止することができる。
【0069】
3番目に読み出される第3フィールドの出力期間でも、読み出しゲート電極は同様であるが、フォトダイオードが信号電荷を保存していないので、もはやフォトダイオードから垂直CCDへのブルーミングが生じない。
【0070】
図8の動作タイミング例では、読み出しフィールドの順序が第2、第1、第3フィールドの順としているのは、垂直CCDの転送電極Φ6を水平CCDへの転送の制御電極と兼用することを想定しており、水平有効期間にミドルレベルが印加される電極すなわち蓄積電極が、Φ2、Φ3、Φ4の3電極で、第2フィールドに対応した読み出し電極Φ3を含んでいるためである。
【0071】
水平有効期間において、ミドルレベルが印加されている読み出しゲート電極に対応するフォトダイオードの信号電荷は、第1番目のフィールド出力期間の最初に読み出されてしまうため、全てのフィールド出力期間において以降に読み出されるフォトダイオード対応した読み出しゲート電極は全てローレベルに設定されて読み出しゲート電極における障壁が高く設定されるためブルーミングを防止することができる。
【0072】
加えて、図9のように、水平有効期間中のΦV1、ΦV3、ΦV5の電圧がそれぞれミドル、ミドル、ローとなるような駆動にした場合には、ミドル、ミドル、ロー、といった形でミドルを優先して読み出すのが良い。この場合には、水平有効期間中にミドルレベルが印加される蓄積電極は、Φ1、Φ2、Φ3、V4の4電極となり、垂直CCDの最大転送電荷量が増大する。
【0073】
このように、2対1以上の多対1インターレース方式の場合、水平有効期間中にミドルレベルが印加される読み出しゲート電極に対応するフィールドを先に読み出す、あるいは、先頭のフィールド出力期間で読み出されるフィールドの読み出しゲート電極のみがその水平有効期間中にミドルレベル(以下Mと略す)となるようにすればよい。これにより、先頭のフィールド出力期間中にまだ読み出されていない他のフィールドの読み出しゲート電極は、先のフィールド出力期間の水平有効期間中にローレベル(以下Lと略す)となる。
【0074】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置によれば、先頭のフィールド出力期間を含む1つ以上の連続するフィールド出力期間において、先行するフィールドの出力期間をにおいて、後のフィールドの信号電荷を保存しているフォトダイオードから垂直CCDへのブルーミングを防止することができる。特に微細化により読み出しゲートが狭小化している場合に効果的である。また、露光期間における感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】(a)固体撮像素子におけるフォトダイオードの配列と垂直CCDの転送電極の配列を示す一例である。
(b)奇数ラインからなる第1フィールドの読み出しの説明図である。
(c)偶数ラインからなる第2フィールドの読み出しの説明図である。
【図3】フォトダイオード及び垂直CCD周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【図4】固体撮像装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図5】(a)基板シャッターパルス印加時のポテンシャル分布を示す。
(b)第1バイアス電圧及び第2バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。
【図6】第1バイアス電圧及び第2バイアス電圧印加時の、入射光の波長と分光感度との特性を示す。
【図7】(a)固体撮像素子におけるフォトダイオードの配列と垂直CCDの転送電極の配列を示す一例である。
(b)第1フィールドの読み出しの説明図である。
(c)第2フィールドの読み出しの説明図である。
(d)第3フィールドの読み出しの説明図である。
【図8】固体撮像装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図9】固体撮像装置の他の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図10】CCD固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図11】(a)フォトダイオードの基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。(b)基板シャッター時の基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。
【図12】従来技術における基板バイアスVsubの制御を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像素子の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図13】垂直CCDとフォトダイオードのポテンシャル分布を示す図である。
【符号の説明】
1 固体撮像装置
2 レンズ
3 メカニカルシャッター
4 駆動部
5 信号処理部
10 固体撮像素子
11 フォトダイオード
12 読み出しゲート
13 垂直CCD
14 撮像エリア
15 水平CCD
16 出力アンプ
17 半導体基板
Claims (4)
- フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出しゲート電極を介して垂直CCDに読み出す固体撮像素子と、前記固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段と、駆動手段とを備えた固体撮像装置であって、
前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷を前記ドレインに排出する電子シャッターから前記遮光手段を閉じるまでの露光期間の後に、n対1インターレース方式により前記フォトダイオードで蓄積された前記信号電荷を読み出す第1フィールド出力期間とそれ以外の出力期間である第2フィールド出力期間を順次備えたn個のフィールド出力期間があり、
前記フィールド出力期間中の水平有効期間において各フィールドに対応する読み出しゲート電極に印加される電圧には、少なくともミドルレベル電圧とローレベル電圧があり、
前記駆動手段は前記第1フィールド出力期間に読み出される前記フィールドの前記読み出しゲート電極に前記第1フィールド出力期間に前記ミドルレベル電圧を与え、前記第2フィールド出力期間に読み出される前記フィールドの前記読み出しゲート電極に前記第1フィールド出力期間の前記水平有効期間中に前記ローレベル電圧を与え、
前記駆動手段は、さらに、前記電子シャッター終了直後に基板バイアス電圧を第1のバイアス電圧から第1のバイアス電圧よりも低電圧である第2のバイアス電圧に変更することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記駆動手段は、先頭のフィールド出力期間においてのみ前記ミドルレベル電圧が印加される前記読み出しゲート電極に対応する前記フィールドから前記信号電荷を読み出すことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出しゲート電極を介して垂直CCDに読み出す固体撮像素子と、前記固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段とを備え、前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷の全てを前記ドレインに排出する電子シャッターから前記遮光手段を閉じるまでの露光期間の後に、n対1インターレース方式により第1フィールド出力期間とそれ以外の出力期間である第2フィールド出力期間を順次備えたn個のフィールド出力期間に前記フォトダイオードで蓄積された前記信号電荷を読み出す固体撮像装置の駆動方法であって、
前記フィールド出力期間中の水平有効期間において各フィールドに対応する読み出しゲート電極に印加される電圧には、少なくともミドルレベル電圧とローレベル電圧があり、
前記第1フィールド出力期間に読み出される前記フィールドの前記読み出しゲート電極を前記第1フィールド出力期間に前記ミドルレベル電圧とし、前記第2フィールド出力期間に読み出される前記フィールドの前記読み出しゲート電極を前記第1フィールド出力期間の前記水平有効期間中に前記ローレベル電圧とし、
前記電子シャッター終了直後に基板バイアス電圧を第1のバイアス電圧から第1のバイアス電圧よりも低電圧である第2のバイアス電圧に変更することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 前記駆動方法は、先頭の前記フィールド出力期間においてのみ前記ミドルレベル電圧が印加される前記読み出しゲート電極に対応する前記フィールドから前記信号電荷を読み出すことを特徴とする請求項3記載の固体撮像装置の駆動方法。
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