JPH03195278A - 固体撮像装置の光電変換制御方法 - 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〕 本発明は電荷転送素子を用いた撮像装置に関するもので
あり、詳しくは、固体撮像装置の光電変換特性を制御す
る方法に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、撮像装置において、ダイナミックレンジを大き
くするために光電変換のガンマ特性を変化させる方法は
信号処理を用いて行なわれている。

従来電荷転送装置、特に電荷結合素子（ＣＯＤ）を用い
た転送装置の光電変換特性制御方法については持回５０
−７６９１８号、或いは１９７６年アイイーイーイ　イ
ンターナショナル　ンリソドステート　ザーキット　カ
ンファレンス（ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　
　５ｏｌｉｄ−３ｔａｔｅ　　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ　　Ｃ
ｏｎ−ｆｅｒｅｎｃｅ）のダイジェスト　オブ　テクニ
カルペーパー（Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａ
ｌ　Ｐａｐｅｒ）の第３８頁から第３９頁までのメンラ
ド　フォーベリインダ　ガンマ　イン　チャージ　カッ
プルドイメージャーズ（Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｖａｒ
ｙｉｎｇ　Ｇａｍｍ１ｎ　Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅ
ｄ　Ｉｍａｇｅｒｓ）に見られるようにＣＣＤ撮像装置
の光情報を蓄積する電荷蓄積電極のバイアス電圧が電荷
蓄積期間の初期より終点時を大きくすることにより電荷
転送撮像装置のダイナミックレンジを広げる方式が提案
されている。

しかしこの従来の方式において蓄積期間における最大蓄
積電荷量は蓄積電極電位によって決まり、最大蓄積電荷
が発生した場合、その電荷は基板内に掃き出される。し
かしこの掃き出された過剰電荷は基板内を拡散して飽和
絵素近傍の電位井戸へ吸収される。これはブルーミング
現象（基板ブルーミング）で撮像装置として好ましくな
い。蓄積期間の終点近くで蓄積電極の電位を大きくする
と、すでに飽和している電位井戸は再び電荷蓄積をする
。従って従来の撮像方式による撮像画面を観察すると光
強度の高い入射像ではブルーミング現象（基板ブルーミ
ング）の上に光の強い部分の画像が現われるため見苦し
い撮像画面となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の電荷転送撮像装置のダイナミックレンジ
を広げる方式において、蓄積期間の終点時に至るまでに
最大蓄積電荷量以上の電荷が発生した場合、オーバーフ
ロードレインを持っていない為、その過剰電荷が基板を
拡散して飽和した絵素近傍の電位井戸へ吸収される。こ
れはブルーミングという見苦しい画面になる欠点があっ
た。

本発明の目的はブルーミング現象を抑制してかつダイナ
ミックレンジを広げられる固体撮像装置の光電変換制御
方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、第１導電型の半導体基板上の第２導電
型のウェルに選択的に設けられた第１導電型の領域との
間で接合を形成してなるフォトダ５ イオードと、前記第１導電型の半導体基板又は前記第２
導電型のウェル表面に設けられた第１の絶縁膜を介して
前記第２導電型のウェル直上部に前記フォトダイオード
に隣接して設けられた読み出し及び転送を行うゲート電
極と、前記読み出し及び転送を行うゲート電極上に第２
の絶縁膜を介して設けられた前記第１導電型領域直上部
に開口を有するフォトシールド電極と、前記第１導電型
の基板と第２導電型のウェルとの間に基板バイアス電圧
を印加し、前記フォトシールド電極と前記第２導電型の
ウェルとの間にフォトシールドバイアス電圧を印加する
ことによって、前記フォトダイオードの各々に蓄積でき
る最大電荷量以上の過剰電荷を前記半導体基板に吸収す
る手段とを有する固体撮像装置の光電変換制御方法を得
る。

〔実施例〕

次に、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

先ず本発明の詳細な説明する。第５図に示す様なＮ−型
フォトダイオード１　（以後ＰＤとする）は完全に空乏
化させて使用している。このためＰＤ１以外の垂直レジ
スタ２や垂直転送ゲート電極を遮光しているフォ１−シ
ールド電極４　（以後ＰＳ電極とする）はフローティン
グ状態だと表面側の電位が不安定なため、接地あるいは
第５図の様に一定電圧（ＤＣ）を印加していた。実験に
よればＰＳ電極４に印加する電圧（以後φＰＳバイアス
電圧とする）とＣＣＤ出力電圧の関係は第７図の様にな
りＣＣＤ出力電圧ばφ、Ｓバイアス電圧Ｖｐ５に大きく
依存する。φ、−、バイアス電圧Ｖｐ３を挙げるとそれ
に比例してＣＣＤ出力も増加し、逆にφＰ８バイアス電
圧Ｖｐ３を下げるとＣＣＤ出力も減少する。

この現象を第６図を用いて説明する。ＰＤＩは開口率が
狭く、遮光アルミニウムが厚いため、アルミニウムの側
面から電気力線６がＰＤＩの前面に作用して等測的に遮
光アルミニウムがＰＤ］を覆っているのと同様になり蓄
積電化量がφｐｓバイアス電圧ＶＰＳで制御されると考
えられている。

方、第８図の様にＶＰＳでＶ　ｓ　ｕ　ｂの制御特性も
変化する。

電荷の蓄積動作は第９図に示すタイミングチャートに示
す。電荷の蓄積はφｓｕｂバイアス電圧に通常使用電圧
２本発明では１０Ｍに設定する。

またφＰ８バイアス電圧はφｓｕｂバイアス電圧の逆極
性のパルスであり、ＰＤＩに十分電荷を蓄積出来る電圧
５ｖに設定する。

電荷のＰＤＩからの引き抜きは、前述の２つのパルスを
同じタイミングで逆極性にすることに依って行なわれる
。φｓｕｂバイアス電圧はハイレベルの４０■、φＰ８
バイアス電圧は四−レベル１０Ｖに設定することに依り
、ＰＤＩに蓄積されていた電荷は基板側に引き抜かれる
。この様にして高輝度被写体撮像時のブルーミング現象
を完全に抑制するができる。また蓄積期間ｔ２を一定と
したときの入射光量に応じてＰＤＩに蓄積される信号電
荷量は比例する。すなわちガンマ“１″であることも知
られている。

第１図は本発明の一実施例の撮像装置、第２図はそのタ
イミングチャートを示す。第１図においては１セルの断
面図とφｓｕｂ、φｐｓの駆動回路ブロック図を示す。

本発明においては、１周期内に占める蓄積期間が２つの
周期に分割され、かつそれぞれの周期でφｓｏｂ、φＰ
３のバイアス電圧値が異なることに特徴がある。蓄積期
間中の途中の任意の時刻ｔ１までφｓ　Ｌ＋　＋］バイ
アス電圧は■１に、φＩ’Ｓバイアス電圧は■４である
。この状態でＰＤＩはブルーミング抑制をし、かつ信号
電荷の蓄積も可能である。次に時刻ｔ１でφｓｕｂバイ
アス電圧は■２に、φ、Ｓバイアス電圧は■３に変化す
る。この２つのバイアス電圧の変化によって、さらに信
号電荷の蓄積が可能な状態となる。第３図は第２図に示
すφｓｕｂバイアス電圧、φＰＳバイアス電圧が印加さ
れたときにＰＤＩに蓄積される電荷量と蓄積時間の関係
を示す図である。φｓｕｂバイアス電圧Ｖ　Ｉ　Ｎ　φ
ｐｓバイアス電圧Ｖ４の場合と、φｓ　１１１）バイア
ス電圧■２、φＰＳバイアス電圧■３の場合のそれぞれ
に対応して蓄積される最大電荷量をＱ　１．　Ｑ　２と
している。また曲線］、０１，１０２，１０３はそれぞ
れ異なる入射光量に応じて蓄積される電荷量の時間変化
を示すものであり、それぞれの傾きが入射光量に対応し
ている。すなわち傾きが大きいほど入射光量が大きいこ
とを示している。同図において、直線１０１に示す入射
光量以下の光照射に対しては、入射光量と蓄積電荷量は
比例している。すなわちガンマは１である。ところが直
線１０１と曲線１０２の間の入射光量に対する蓄積電荷
量は、最大電荷量Ｑ１で一旦飽和したのち、時刻ｔ１以
降で再び蓄積が開始され、蓄積期間の終了時刻ｔ２で最
大電荷量Ｑ２以下の電荷量となる。このことは入射光量
に対する蓄積電荷量の割合が、直線１０１に示す入射光
量以下の場合に比べて圧縮されていることを示している
。

次に、曲線１０２に示す入射光量以上の光照射、例えば
曲線１０３に対する蓄積電荷は電荷量Ｑ２で必ず飽和す
る。以上に述べた入射光量と蓄積電荷量の関係をまとめ
ると第４図の実線のごとくなる。ここでは従来の光電特
性を破線で示している。

同図に示すごとく、本発明による光電変換制御方法によ
れば、入射光量に対して蓄積電荷量が圧縮された領域２
０１が存在するため、撮像可能な入１０− 射光量範囲を拡大することができる。すなわち、被写体
コントラスト 出力される映像振幅は規定値に抑えられるので、固体撮
像装置の後段に設けられる映像信号処理回路で白の圧縮
、白クリップ等を行う必要はない。

なお第２図において、φｓ　ＩＪ　ｌ）バイアス電圧、
φＰ８バイアス電圧を蓄積期間の終了時刻ｔ２の間で破
線で示すごとく直線状に低くしても、前述したのと全く
同様な光電変換特性が得られる。

第１０図は本発明の他の実施例のタイミングチャートで
ある。駆動パルスのφｓｕｂバイアス電圧、φ，，バイ
アス電圧を蓄積期間中の時刻ｔ，とｔ４とで、実線で示
す様に２回階段状に変化させるか、あるいは破線で示す
様に直線状の電圧変化の傾きを２回変化させている。第
３図の説明に従うと、この場合の入射光量に対する蓄積
電荷量の関係は、第１１図に示すように３点の折れ曲り
点ａ，ｂ，ｃ，ができ、撮像可能な入射光量範囲をさら
にすることができる。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば光電変換素子に蓄
積できる最大電荷量以上の過剰電荷をφＳｌｌｌ］Ｓｌ
ｌｌ型圧、φｐｓバイアス電圧を使って半導体基板に吸
収する機能を備えた固体撮像装置において、電荷蓄積期
間初期のφｓｕｂバイアス電圧、φｐｓバイアス電圧を
蓄積期間終了時の電圧により大きくすることにより、ブ
ルーミング現象のない固体撮像装置の光電特性を任意に
制御できる。

なお、本発明による撮像装置の駆動において、再生画像
の雑音を少なくするためには、第２図あるいは第１０図
に示す、φｓｕｂバイアス電圧、φ１，バイアス電圧の
変化を水平ブランキング期間中で行わせるのが好ましい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による光量制御回路の図、第
２図は本発明の一実施例のタイミングチャート、第３図
は蓄積時間と蓄積電荷量の関係を示した本発明の一実施
例の動作を説明するためのグラフ、第４図は本発明の一
実施例により得ろれた撮像装置の光電変換特性の一例を
示すグラフである。第５図は従来の駆動回路の断面図、
第６図はフォトシールド（ＰＳ）の影響を説明する図、
第７図はＣＯＤ出力のＶＰＳ依存性を示すグラフ、第８
図はＣＯＤ出力のＶ　ｓ　ｕ　ｂ依存性を示すグラフ、
第９図はｊフィールドのタイミングチャート、第１０図
は本発明の他の実施例のタイミングチャート、第１１図
は本発明の他の実施例より得られた撮像装置の光電変換
特性の一例を示す図である。 ］・・・・・・フォトダイオード（Ｐ　Ｄ）、２・・・
・・・垂直レジスタ、３・・・・・・垂直転送ゲート電
極、４・・・・・・フォトシールド電極（ＰＳ電極）、
５・・・・・・タイミング発生回路、６・・・・・・電
気力線。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１導電型の半導体基板上の第２導電型のウェル
   に選択的に設けられた第１導電型の領域との間で接合を
   形成してなるフォトダイオードと、前記第１導電型の半
   導体基板又は前記第２導電型のウェル表面に設けられた
   第１の絶縁膜を介して前記第２導電型のウェルの直上部
   に前記フォトダイオードに隣接して設けられた読み出し
   及び転送を行うゲート電極と、前記読み出し及び転送を
   行うゲート電極上に第２の絶縁膜を介して設けられた前
   記第１導電型の領域の直上部に開口を有するフォトシー
   ルド電極と、前記第１導電型の半導体基板と前記第２導
   電型のウェルとの間に基板バイアス電圧を印加し、前記
   フォトシールド電極と前記第２導電型ウェルとの間にフ
   ォトシールドバイアス電圧を印加した固体撮像素子にお
   いて、電荷蓄積期間の初期における第１の基板バイアス
   電圧と第１のフォトシールドバイアス電圧を蓄積期間の
   終点時以前に前記第１の基板バイアス電圧より低い第２
   の基板バイアス電圧と、前記第１の基板バイアス電圧の
   変化と同時に前記第１のバイアス電圧のフォトシールド
   バイアス電圧より高い第２のフォトシールドバイアス電
   圧を印加することによって、フォトダイオードの各々に
   蓄積できる最大電荷量以上の過剰電荷を前記半導体基板
   に吸収することを特徴とする固体撮像装置の光電変換制
   御方法。
2. （２）電荷蓄積期間中に前記基板バイアス電圧を順次低
   くし、前記フォトシールドバイアス電圧を前記基板バイ
   アス電圧と同時に順次高くするように複数回階段状に変
   化させることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   固体撮像装置の光電変換制御方法。
3. （３）電荷蓄積期間中の任意の期間から前記基板バイア
   ス電圧を直線状に低くし、前記フォトシールドバイアス
   電圧を前記基板バイアス電圧と同時に直線上に高く変化
   させることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固
   体撮像装置の光電変換制御方法。