JPH01129454A - イメージ・センサ - 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） 本発明はイメージ・センサに関し、特にダイナミック・
レンジを改善したイメージ・センサに関する。

（従来技術） 従来のイメージ・センサは、例えば第９図に示す構造の
ものがある。同図はインターライン転送方式の電荷転送
デバイスの受光部を部分的に示す。

即ち、チャンネル・ストップ（同図中の実線で囲まれた
斜線部分）に囲まれた複数個のフォト・ダイオードＰＤ
１１．　　ＦＤ＋２．　　ＰＤ１３．　　ＰＤ１４．　
　・・・・、ＰＤ２１１ＰＤ、□、　ＰＤ２３．　ＰＤ
２４．・・・・・・が設けられ、これらのフォト・ダイ
オード群の間に電荷転送チャンネルＣＨＩ、　ＣＨ２，
ＣＨ３，・・・・・・が形成され、更に、図中の１点鎖
線及び２点鎖線で示すポリシリコンから成る転送電極群
Ｇ　１ｗ　Ｇ　２．　Ｇ　ｓ、　Ｇ　４．・・−・・・
が電荷転送チャンネル上を覆うように積層されている。

各転送電極群Ｇｌ、　Ｇ２．　Ｇ３．　Ｇ４．・・・・
・・には所謂４相駆動方式の駆動信号φ１．φ２．φ３
．φ、が印加され、これらの駆動信号の周期的な電圧変
化に従って電荷転送チャンネル内の信号電荷を転送する
。又、フォト・ダイオード群と電荷転送チャンネル群と
の間に所謂トランスファ・ゲートＴＧ、、、　ＴＧ、□
＋　ＴＧ１３＋ＴＧ１４・・・、ＴＧ２１．　ＴＧ２□
、　ＴＧ２＋、　ＴＧ２４・・・・　が設けられ、所定
の高電圧信号を偶数番目の転送電極Ｇ２゜Ｇ４．・・・
・・・に印加することにより各フォト・ダイオードに発
生した信号電荷を電荷転送チャンネルへ転送する。

各フォト・ダイオードＰＤＩＩ、　　ＰＤＩ２．　　Ｐ
Ｄ１３．　　ＰＤ１４・・・・、ＰＤ２．、　ＰＤ、□
、　ＰＤ２３．　ＰＤ２４．　””の上面には、特定配
列の微細な光学フィルタ群やストライプ状の光学フィル
タ群より成る所謂カラー・フィルタが積層されており、
原色あるいはその補色の色相を示す信号電荷を発生する
ようになっている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来のイメージ・センサにあ
っては、各フォト・ダイオードのダイナミック・レンジ
が色相毎に異なり、その結果、イメージ・センサのダイ
ナミック・レンジは最も低い色相におけるダイナミック
・レンジに制限される欠点があった。

更に、これを第１０図の特性曲線図に基づいて説明すれ
ば、ある色温度における入射光について同図に示すよう
に、赤の感度が最も高く、次に緑、そして青の順に感度
が低下する場合、最も感度の良い赤を受光するフォト・
ダイオードが最も早く最大の電荷量を発生しく同図はこ
の電荷量を出力電圧ＶＰ１１に換算して示す）、次に緑
、そして青の順となる。即ち、青色に関する信号電荷の
発生量が最大に達する前に、赤及び緑色の信号電荷を発
生するフォト・ダイオードが逸ち早く飽和してしまい、
その結果このイメージ・センサのダイナミック・レンジ
は赤色を検出するためのフォト・ダイオードのそれに限
定されることとなる。

又、色温度が異なれば上記の赤、緑、青の順とならない
場合があるが、いづれにしても最も感度の良いフォト・
ダイオードのダイナミック・レンジに制限されることと
なる。

（問題点を解決するための手段） 本発明はこのような問題点に鑑みて成されたものであり
、あるの特定の色相についてのダイナミック・レンジに
制限されることなく、広いダイナミック・レンジを得る
ことのできるイメージ・センサを提供することを目的と
する。

この目的を達成するため本発明は、各フォト・ダイオー
ドの一端に設けられたスイッチング素子を介して接する
導電層を設け、各色相に応じた所定の電圧を該導電層に
印加しつつそれぞれのスイッチング素子を導通にするこ
とにより、色相毎の感度に応じて各フォト・ダイオード
の初期ポテンシャル・レベルを設定するようにしたこと
を技術的要点とする。これにより、感度の高いフォト・
ダイオードの初期ポテンシャル・レベルを深くし、低い
フォト・ダイオードはど初期ポテンシャル・レベルを浅
くすることで、蓄積可能な信号電荷量を調整して、全て
の色相に関する飽和点を一律とすると共に、ダイナミッ
ク・レンジを広げることが出来るようにしたものである
。

（実施例） 以下、本発明によるイメージ・センサの一実施例を図面
と共に説明する。

第１図はインターライン転送方式の電荷転送デバイスの
受光部を部分的に示す。尚、同図において第９図と同−
又は相当する部分は同一符号で示す。

まず、第１図に基づいて構造を述べると、チャンネル・
ストップ（同図中の実線で囲まれた斜線部分）に囲まれ
た複数のフォト・ダイオードＰＤ、、。

ＰＤ、□、　ＦＤ＋３．　ＰＤ１４．・・・・・・、Ｐ
Ｄ２＋、　ＰＤ２□、　ＰＤ２３゜ＰＤ２．、・・・・
が設けられ、これらのフォト・ダイオード群の間に電荷
転送チャンネルＣＨ＋、　ＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４・・
・・が形成されている。

電荷転送チャンネルＣＨ，，ＣＨ，、ＣＨ３，ＣＨ，・
・・・・・に隣接して拡散層（以下、導電層と言う）Ｅ
ｌ、Ｅ２゜Ｅ３−・・・が設けられ、各フォト・ダイオ
ードＰＤｚ。

ＰＤ、□、　ＰＤ１３．　ＰＤ１４．・・・・・・、Ｐ
Ｄ２１．　ｐｎ２□、　Ｐ［］。３゜ＰＤ２．、・・・
・はそれぞれに設けられたトランスファ・ゲー）Ｆｅ１
２．　　Ｆｅ１３．　　　Ｆｅ１４　　・・・・　、Ｆ
ｅ２゜、　　Ｆｅ２３゜Ｆｅ１２・・・・　を介して特
定の導電層Ｅｌ、Ｅ２．Ｅ３・・・・・・に接続してい
る。

フォト・ダイオード群と電荷転送チャンネル群との間は
所謂トランスファ・ゲートＴＧ＋＋、　ＴＧ＋□。

ＴＧ　＋　ｓ、　ＴＧ　、　４・・・、ＴＧ２．、　Ｔ
Ｇ２□、　ＴＧ２３．　ＴＧ２４・・−が設けられてい
る。

更に、図中の１点鎖線及び２点鎖線で示すポリシリコン
から成る転送電極群Ｇ　ｒ、　Ｇ　２．　Ｇ　３．　Ｇ
　ａ、・・・・・・が電荷転送チャンネル上を覆うよう
に積層されている。各転送電極群Ｇ、、Ｇ２．Ｇｌ、Ｇ
、、・・・・には所謂４相駆動方式の駆動信号φ６．φ
２．φ３．φ４が印加され、これらの駆動信号の周期的
な電圧変化に従って電荷転送チャンネル内を信号電荷が
転送される。

これらの転送電極のうち、奇数番目の転送電極ＧＩ、Ｇ
３．・・・・・・に上記駆動信号とは別の所定の高電圧
信号を印加すると、トランスファ・ゲートＦＧＩ２．　
ＦＣｌ２．　ＦＣｌ２・・・、Ｆｅ２２．　Ｆｅ１２．
　Ｆｅ２４・・・が導通となり、各フォト・ダイオード
群が特定の導電層に接続する。一方、偶数番目の転送電
極Ｇ２゜Ｇ４．・・・・・・に同様の他の高電圧信号を
印加すると、トランスファ・ゲートＴＧ＋　＋、　ＴＧ
Ｉ２．　Ｔｅ１３．　Ｔｅ１４・・・・・・　、ＴＧ２
□、　ＴＧ２□、　Ｔｅ２３．　Ｔｅ２４・・・が導通
となり各フォト・ダイオードに発生した信号電荷を電荷
転送チャンネルへ転送する。

尚、各フォト・ダイオードＰＤ、、、　ＰＤ、□、　Ｐ
Ｄ、３゜ＰＤ、、・・・・、ＰＤ２１．　ＰＤ２□、　
ＰＤ２３．　ＰＤ２４．・・・・の上面には、電荷転送
チャンネルの延設される方向ｙに同一色のフィルタを有
する所謂ストライプ・カラー・フィルタが積層されてお
り、原色あるいはその補色の色相を示す信号電荷を発生
するようになっている。

第２図は、第１図中の各フォト・ダイオード近傍の構成
をフォト・ダイオードＰＤ、□を代表して示すため、点
線Ｘに沿って切った場合の縦断面を示す。半導体基板の
Ｐウェル領域（Ｐ−ｗｅｌｌ）内にフォト・ダイオード
ＦＤ、２を形成する為のｎ゛層が設けられ、トランスフ
ァ・ゲー）ＴＧ、、を介して電荷転送チャンネルＣＨ２
を形成するためのｎ゛層が設けられ、トランスファ・ゲ
ートＦＧ、□を介して導電層Ｅ１を形成するためのｎ＋
層が設けられている。

次に、かかる構造のイメージ・センサの作動を第３図の
タイミング・チャートに基づいて説明する。

尚、４相駆動刃式の駆動信号φ１．φ３を印加し、偶数
番目の転送電極Ｇ、、Ｇ、、・・・・・−に４相駆動刃
式の駆動信号φ２．φ４を印加するものとする。

まず、本来の撮像動作を開始する前（例えば、電子カメ
ラ等に応用する場合は、ブランキング期間ＴＢ内）にお
いて、リセット動作を行う。

即ち、時刻ｔ、において、偶数番目の転送電極Ｇ２．Ｇ
４．・・・・・・に通常の駆動信号φ２．φ４のレベル
Ｖ。より高電位ＶＷの信号を印加することによりトラン
スファ・ゲートＴＧ＋＋、　ＴＧ＋□、　ＴＧ　１３．
　ＴＧ　１４・・・・　、ＴＧ２＋、　ＴＧ２□、　Ｔ
ｅ２３．　Ｔｅ２４・・・を導通にして全てのフォト・
ダイオードに残存する不要な電荷を電荷転送チャンネル
へ転送し、再びトランスファ・ゲートＴＧＩＩ、　Ｔｅ
１２．　Ｔｅ１３．　Ｔｅ１４・・・・・・・、Ｔｅ２
１．　Ｔ’Ｇ、□、　Ｔｅ２３．　Ｔｅ２４・−・を非
導通にする。

次に、時刻ｔ２において、導電層Ｅ　＋、　Ｅ　２．　
Ｅ　ｓ・・・・・・にそれぞれ所定の電圧を印加すると
同時に、奇数番目の転送電極Ｇ＋、Ｇｔ、・・・・・・
に高電圧信号Ｖ４を印加してトランスファ・ゲートＦＧ
１２．　ＦＣｌ３゜Ｆｅ１２・・・・・、ＦＧｚｚ、　
Ｆｅ１２．　Ｆｅ２４・・・・　を導通とすることによ
り、全フォト・ダイオードのポテンシャル・レベルの深
さを初期化する。そして、リセットが完了すると周知の
撮像動作及び電荷転送動作を行う（時点ｔ３以後）。

ここで、赤（Ｒ）のフィルタが設けられるフォト・ダイ
オードｐＰＤ＋２．　ＰＤ２□・・・・・に隣接する導
電層Ｅ１に電圧Ｖ、Ｒ，緑（Ｇ）のフィルタが設けられ
るフォト・ダイオード群ＰＤ、３．　ＰＤ２３・・・・
・・−に隣接する導電層Ｅ２に電圧ＶＰＧ、青（Ｂ）の
フィルタが設けられるフォト・ダイオード群ＰＤ＋ａ。

ＰＤ２４・・・・・に隣接する導電層Ｅ３に電圧ｖｐＢ
を印加し、これらの電圧は、ＶＦＲ＞　Ｖｐｃ　＞　Ｖ
ｐａに設定されている。これにより、青の信号電荷を発
生するフォト・ダイオード群のポテンシャル・レベルＬ
Ｂ、緑の信号電荷を発生するフォト・ダイオード群のポ
テンシャル・レベルＬＧ及び赤の信号電荷を発生するフ
ォト・ダイオード群のポテンシャル・レベルＬＲは第４
図（ａ）に示すように相互に異なり、第１０図において
最も早く飽和した赤のフォトダイオードのポテンシャル
・レベルが最モ深く設定される。したがって、赤色用の
フォト・ダイオードには多量の信号電荷を保持すること
が可能となり、緑、青用のフォト・ダイオードについて
も同様に感度に応じた所定のポテンシャル・レベルが設
定される。この結果、第５図に示すように、同一のダイ
ナミック・レンジＤＲを設定することができ、従来のよ
うな最も感度の良いフォト・ダイオードのダイナミック
・レンジに制限されることなく、所望の広いダイナミッ
ク・レンジを得ることができる。

上記実施例はストライプ・フィルタを用いた場合を示す
が、ベイヤ配列等のモザイク状のカラー・フィルタを用
いた場合にも本発明を適用することができる。この場合
は、例えば第１図における奇数列・奇数行目のフォト・
ダイオードＰＤ、、。

ＰＤＩ３．　ＰＤ１５．・・・・・及び偶数列・偶数行
目のフォト・ダイオードＦＤ、□、　ＰＤ２４．　ＰＤ
２Ｓ、・・・・が緑色に関する信号電荷を発生し、奇数
列・偶数行目のフォト・ダイオードＰＤ１２．　ＰＤ１
４・・・・・・・　が赤色に関する信号電荷を発生し、
偶数列・奇数行目のフォト・ダイオードＰＤ２１．　Ｐ
Ｄ２３・・・・・　が青色に関する信号電荷を発生する
ようなベイヤ配列のカラー・フィルタが設けられること
となり、第６図に示すタイミングに従ってリセット動作
が行われる。尚、第６図は第１図に示す導電層Ｅ１．　
Ｅ２．　Ｅ３．　Ｅ４とそれに隣接するフォト・ダイオ
ードＰＤＩ２．　ＰＤ１３゜ＦＤ＋４及びＰＤ２゜、　
ＰＤ２３．　ＰＤ２４を代表して示す。

第６図の時刻ｔ１において、偶数番目の転送電極Ｇ２．
Ｇ４．・・・・・・に通常の駆動信号φ２．φ、のレベ
ルＶＷより高電位Ｖ）Ｉの信号を印加することによりト
ランスファ・ゲー）ＴＧ、□、　ＴＧＩ３．　ＴＧＩ４
・・・、ＴＧ２□、　Ｔｅ２３．　Ｔｅ２４・・・を導
通にして全てのフォト・ダイオードに残存する不要な電
荷を電荷転送チャンネルへ転送し、再びトランスファ・
ゲートＴＧＩ２．　Ｔｅ１３．　Ｔｅ１４・・・・・・
・、Ｔｅ２２．　Ｔｅ２３．　Ｔｅ２４・・・を非導通
にする。

次に、時刻ｔ２において、奇数番目の導電層Ｅ＋。

Ｅ３・・・・・・に所定の電圧Ｖ、□を印加すると共に
偶数番目の導電層Ｅ２＋・・・・・・　に所定の電圧Ｖ
、。を印加し、同時に奇数番目の転送電極Ｇ＋、Ｇｓ、
・・・・・・に高電圧信号ＶＨを印加してトランスファ
・ゲー１−ＦＧ、。、　　ＦＧ１３．ＦＧ１４　・・・
・・、ＦＧ、。、　　ＦＧ３３．　　ＦＧ３゜・・・・
　を導通とすることにより、奇数列目のフォト　・ダイ
オードＰＤＩ２．　　ＰＤ１３．　　ＰＤＩ４　・・・
・・、ＰＤ、２゜ＰＤ３３．　ＰＤ３．−−−−　　の
ポテンシャル・レベルの深さを初期化し、再びトランス
ファ・ゲー）ＦＧ、□、　ＦＧ、３、　ＦＧ１４・・・
・・、ＦＧ３゜、　ＦＧ３３．　ＦＧ３４・・・・　を
非導通にする。

次に、時刻ｔ、において、奇数番目の導電層Ｅ、。

Ｅ３・・・・・・に所定の電圧ｖｐｃを印加すると共に
偶数番目の導電層Ｅ２．・・・・・・　に所定の電圧Ｖ
ＰＢを印加しくＶＦＲ＞　Ｖｐ５　＞　ＶｐＨの関係に
ある）、同時に奇数番目の転送電極Ｇ３．Ｇ７．・・・
・・・に高電圧信号ＶＨを印加してトランスファ・ゲー
トＦＧ２２．　ＦＧ２３、　ＦＧ２４・・・・−１ＦＧ
４゜、　ＦＧ４３．　ＦＧ４４・・・・　を導通とする
ことにより、偶数列目のフォト・ダイオードＰＤｚｚ、
　ＰＤ２３．　ＰＤ２４・・・・・、ＰＤ４２．　ＰＤ
４３．　ＰＤ４４・・・のポテンシャル・レベルを初期
化し、再びトランスファ・ゲートＦＧ２２．　ＦＧ２３
．　ＦＧ２４・・・・・、ＦＧ４２．　ＦＧ４３、　Ｆ
Ｇ４４　””　　を非導通にする。そして、リセットが
完了すると周知の撮像動作及び電荷転送動作を行う（時
点ｔ４以後）。

このリセット動作により、第４図と同様に各色に対応す
るポテンシャル・レベルが各フォト・ダイオードに初期
設定され、広いダイナミック・レンジを得ることができ
る。

更に、第７図は第３の実施例を示し、上記第２の実施例
と同様に、奇数列・奇数行目のフォト・ダイオードＰＤ
＋＋、　Ｐ貼。、　ＰＤ、５．・・・・・及び偶数列・
偶数行目のフォト・ダイオードＰＤ２２．　ＰＤ２４．
　ＰＤ２６゜・・・・が緑色に関する信号電荷を発生し
、奇数列・偶数行目のフメト・ダイオードＰＤ１２．　
ＰＤ１４・・・・・・が赤色に関する信号電荷を発生し
、偶数列・奇数行目のフォト・ダイオードＰＤ２０．　
ＰＤ２３・・・・・　が青色に関する信号電荷を発生す
るようなベイヤ配列のカラー・フィルタを設け、青色に
関する信号電荷を発生するフォト・ダイオードＰＤ２１
．　ＰＤ２３・・・・のダイナミック・レンジを基準と
して他の赤と緑の信号電荷を発生するフォト・ダイオー
ド群の初期ポテンシャル・レベルだけを制御する様にし
たものである。即ち、第７図に示したように青色に関す
る感度が最も低い場合はそれを基準として他の色に関す
るダイナミック・レンジを拡大するだけでも全体のダイ
ナミック・レンジを拡大することとなる点に着目したも
のであり、青色に関するフォト・ダイオードＰＤ２１．
　ＰＤ２３・・・・には導電層に接続するトランスファ
・ゲートが設けられていない。第８図はこの場合のリセ
ット動作を示すタイミング・チャートであり、第６図に
対応しているので説明を省略する。

これらの実施例は第７図に示す従来の欠点を改善するた
めのものであるが、その他に光の色温度の違いに応じて
各色に関する感度が異なる場合は、感度の高いフォト・
ダイオードのポテンシャル・レベルを深くするように適
宜に設定する。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、各フォト・ダイオ
ードの一端に設けられたスイッチング素子を介して接続
する導電層を設け、各色相に応じた所定電圧を該導電層
に印加し、上記スイッチング素子を導通にすることによ
り、各色相の感度に応じた深さのポテンシャル・レベル
を各フォト・ダイオードの設定するようにしたので、ダ
イナミック・レンジを適宜に設定することができると共
に、広いダイナミック・レンジを設定することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるイメージ・センサの第１の実施例
の構造を説明するために受光部の要部を示す部分平面図
、第２図は第１図中の点線Ｘで切ったときの縦断面図、
第３図は第１の実施例の作動を説明するためのタイミン
グ・チャート、第４図はリセットにより設定される各フ
ォト・ダイオードのポテンシャル・レベルを示すポテン
シャル・プロフィール、第５図は第１の実施例における
色相毎の受光特性を示す特性曲線図、第６図は第２の実
施例の作動を説明するためのタイミング・チャート、第
７図は第３の実施例の構造を説明するために受光部の要
部を示す部分平面図、第８図は第３の実施例の作動を説
明するためのタイミング・チャート、第９図は従来のイ
メージ・センサの構造を説明する部分平面図、第１０図
は従来のイメージ・センサの各色相についての受光特性
を示す特性曲線図である。 ＰＤ＋ｔ、　ＦＤ＋□、　ＰＤ１３．　ＰＤ１４・・・
・、ＰＤ２＋、　ＦＤ２□、　ＰＤ２３．　ＰＤ２４・
・：フオト・ダイオードＦＧＩ□、　Ｆｅ１２．　Ｆｅ
１４・・・・、ＦＧ２□、　Ｆｅ２３．　Ｆｅ２４・・
　：トランスファ・ゲートＴＧＩ□、　ＴＧ　Ｉ　２．
　ＴＧ　＋　ｓ　、　Ｔｅ　ｌ　４・・・・、ＴＧ、、
、　ＴＧ２□、　ＴＧ２３．　ＴＧ２４・・；トランス
ファ・ゲートＣＨＩ、　ＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４・・・
・：電荷転送チャンネルＥ、、　Ｅ２．　Ｅ３・・・・
・−・・：導電層Ｇ　＋、　Ｇ　２．　Ｇ　３．　Ｇ　
４・・・・：転送電極代理人　弁理士（８１０７）　　
佐々木　滑降（ほか３名）、。 ′　・ゴー・層 第３図 第４図 第　　５　　図 第　　６　　図 第　　８　　図 １　　　　１　　　　　′ ’Ｉ　　ｔ２ｔ３　　　ｔ４ 第１０図 光強／Ｌ（ｆｘ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　マトリックス状に配列された複数個のフォト・ダイオ
   ードと、これらのフォト・ダイオードに積層されたカラ
   ー・フィルタと、これらのフォト・ダイオードの間に設
   けられた電荷転送チャンネル群とを有するイメージ・セ
   ンサにおいて、 前記各フォト・ダイオードの一端に設けられたスイッチ
   ング素子を介して接続する導電層を設け、各色相に応じ
   た所定の電圧を該導電層群とそれぞれのスイッチング素
   子を介して印加する構造を具備することを特徴とするイ
   メージ・センサ。