(57)【要約】【課題】電荷転送装置が転送できる電荷を多くするとともに、電荷の転送効率を高くする。【解決手段】ＣＣＤ撮像部１００（電荷転送装置）は、垂直ＣＣＤ１１０，１２０（第一の電荷結合素子、第二の電荷結合素子）を有する。垂直ＣＣＤ１１０は、電荷を下方向（所定の方向）へ転送する。垂直ＣＣＤ１２０は、垂直ＣＣＤ１１０が転送した電荷を受け取って、下方向へ転送する。垂直ＣＣＤ１２０が転送する電荷量は、垂直ＣＣＤ１１０が転送する電荷量よりも多い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電荷結合素子と、第二の電荷結合素子とを有し、
上記第一の電荷結合素子は、電荷を所定の方向へ転送し、
上記第二の電荷結合素子は、上記第一の電荷結合素子が転送した電荷を受け取って、上記所定の方向へ転送し、上記第一の電荷結合素子よりも転送する電荷量が多いことを特徴とする電荷転送装置。
【請求項２】
上記第一の電荷結合素子は、埋め込みチャネルモードで動作し、
上記第二の電荷結合素子は、表面チャネルモードで動作することを特徴とする請求項１に記載の電荷転送装置。
【請求項３】
上記第一の電荷結合素子及び上記第二の電荷結合素子は、ｐ型半導体基板と、上記ｐ型半導体基板の表面に設けられた複数の電極とを有し、
上記ｐ型半導体基板は、上記複数の電極との間に絶縁層を有し、
上記第一の電荷結合素子のｐ型半導体基板は、更に、上記絶縁層の直下にｎ型層を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電荷転送装置。
【請求項４】
上記電荷転送装置は、更に、第一の転送電圧印加回路と、第二の転送電圧印加回路とを有し、
上記第一の電荷結合素子及び上記第二の電荷結合素子は、ｐ型半導体基板と、上記ｐ型半導体基板の表面に設けられた複数の電極とを有し、
上記ｐ型半導体基板は、上記複数の電極との間に絶縁層を有し、上記絶縁層の直下にｎ型層を有し、
上記第一の転送電圧印加回路は、上記第一の電荷結合素子の複数の電極それぞれに、第一の電圧と、上記第一の電圧より高い第二の電圧とを交互に印加することにより、上記電荷を上記所定の方向へ転送し、
上記第二の転送電圧印加回路は、上記第二の電荷結合素子の複数の電極それぞれに、上記第二の電圧より低い第三の電圧と、上記第二の電圧より高い第四の電圧とを交互に印加することにより、上記電荷を上記所定の方向へ転送することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電荷転送装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電荷転送装置と、走査部とを有し、
上記第一の電荷結合素子及び上記第二の電荷結合素子は、撮像対象が発した光を受光して生成された電荷を、転送する電荷に加えながら転送し、
上記走査部は、上記撮像対象の同じ位置から発した光を受光して生成された電荷が、上記第一の電荷結合素子及び上記第二の電荷結合素子が転送する同じ電荷に加えられるよう、上記撮像対象から発した光と、上記電荷転送装置との間の位置関係を制御することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）及びそれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤを用いた撮像装置において、撮像する画像の解像度を高くするため、ＣＣＤのセルのピッチを小さくすると、一つのセルあたりの受光量が減るとともに、セルが転送できる電荷が少なくなる。
受光量が減る点を解決する技術として、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：時間遅延蓄積）方式がある。
ＴＤＩ方式においては、垂直ＣＣＤの段数を増やすことによって、積分される電荷の量を増やし、受光量の低下を補うことができる。
【０００３】
また、ＣＣＤにおける電荷の転送効率を高める技術として、ＣＣＤを埋め込みチャネルモードで動作させる方式がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−５７５５２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊ．Ｈｕａｎｇ著「Ｃｈａｒｇｅ  Ｈａｎｄｌｉｎｇ  Ｃａｐａｃｉｔｙ  ｉｎ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ、第２４巻第１０号、１２３４〜１２３８ページ、１９７７年１０月。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＣＣＤ全体における電荷の転送効率は、１段当たりの転送効率の累乗で効いてくるので、垂直ＣＣＤの段数が多い場合、１段当たりの転送効率がてきるだけ高いことが望まれる。
埋め込みチャネルモードは、電荷の転送効率が高い反面、転送できる電荷の最大値が小さい。セルのピッチを小さくすることにより、更に転送できる電荷の最大値が小さくなる。転送できる電荷の最大値は、撮像装置が受光できる光の最大強度を決める要因となるので、撮像する画像のダイナミックレンジを大きくするためには、転送できる電荷の最大値が大きいことが望まれる。
この発明は、例えば、上記のような課題を解決するためになされたものであり、転送できる電荷の最大値を大きくするとともに、電荷の転送効率を高くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明にかかる電荷転送装置は、
第一の電荷結合素子と、第二の電荷結合素子とを有し、
上記第一の電荷結合素子は、電荷を所定の方向へ転送し、
上記第二の電荷結合素子は、上記第一の電荷結合素子が転送した電荷を受け取って、上記所定の方向へ転送し、上記第一の電荷結合素子よりも転送する電荷量が多いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明にかかる電荷転送装置によれば、上流側にある第一の電荷結合素子よりも下流側にある第二の電荷結合素子のほうが転送する電荷量が多いので、例えば、ＴＤＩ型の撮像装置に用いられる場合のように、転送の途中で電荷が蓄積されていき、上流側では転送すべき電荷量が少ないのに対して下流側では転送すべき電荷量が多い場合に、全体として、転送できる電荷量を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１における撮像装置８００の全体構成の一例を示す全体構成図。
【図２】実施の形態１におけるＣＣＤ撮像部１００の構成の一例を示すブロック構成図。
【図３】実施の形態１におけるＣＣＤ撮像部１００の物理的構造の一例を示す断面斜視図。
【図４】実施の形態１における電極２３１〜２４４に印加される電圧の推移の一例を示す図。
【図５】実施の形態１における垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１内のポテンシャル及び電荷分布の一例を示す図。
【図６】実施の形態１における垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２内のポテンシャル及び電荷分布の一例を示す図。
【図７】実施の形態２におけるＣＣＤ撮像部１００の物理的構造の一例を示す断面斜視図。
【図８】実施の形態２における垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１内及び垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２内のポテンシャル及び電荷分布の一例を示す図。
【図９】実施の形態３における垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１内及び垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２内のポテンシャル及び電荷分布の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
実施の形態１について、図１〜図６を用いて説明する。
【００１１】
図１は、この実施の形態における撮像装置８００の全体構成の一例を示す全体構成図である。
撮像装置８００は、いわゆるＴＤＩ方式により、撮像対象４００を撮像して二次元画像を生成する装置である。撮像装置８００は、ＣＣＤ撮像部１００、走査部８１０、転送電圧印加回路８２０、撮像信号処理部８３０を有する。
ＣＣＤ撮像部１００は、撮像対象４００からの光を受光して、例えば水平方向の一次元画像を生成する。
走査部８１０は、撮像対象４００に対してＣＣＤ撮像部１００が撮像する一次元画像の位置を例えば垂直方向に移動（走査）することにより、撮像対象４００の二次元画像を撮像できるようにする。走査部８１０が走査をするための構成は、撮像対象４００を固定してＣＣＤ撮像部１００を移動させる構成であってもよいし、ＣＣＤ撮像部１００を固定して撮像対象４００を移動させる構成であってもよいし、ＣＣＤ撮像部１００及び撮像対象４００を固定して、撮像対象４００からの光をＣＣＤ撮像部１００に受光させる経路に存在する光学系（図示せず）を何らかの形で移動させる構成であってもよい。
転送電圧印加回路８２０は、走査部８１０による走査と同期して、転送電圧を生成する。
撮像信号処理部８３０は、ＣＣＤ撮像部１００が出力した信号を処理して、二次元画像を生成し、出力する。
なお、ここでいう「水平方向」「垂直方向」とは、ＣＣＤ撮像部１００が撮像する一次元画像の方向と、走査部８１０が走査する方向とを区別するための便宜的な呼称であって、重力の方向とは無関係である。
【００１２】
図２は、この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００の構成の一例を示すブロック構成図である。
ＣＣＤ撮像部１００は、二次元ＣＣＤイメージセンサである。ＣＣＤ撮像部１００は、複数組の垂直ＣＣＤ１１０，１２０、電荷蓄積部１３０、水平ＣＣＤ１４０を有する。
【００１３】
一組の垂直ＣＣＤ１１０，１２０は、ＣＣＤ撮像部１００が撮像する一次元画像の一画素に対応する。垂直ＣＣＤ１１０は、複数のセル２０１を有する。垂直ＣＣＤ１２０は、複数のセル２０２を有する。なお、垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１と垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２とを区別しない場合は、これを総称して「セル２００」と呼ぶ。セル２００は、垂直方向に一列に並んでいる。セル２００は、撮像対象４００からの光を受光して、電荷に変換するとともに、変換した電荷を下方向に隣接したセル２００に転送する。
垂直ＣＣＤ１１０の一番下のセル２０１は、垂直ＣＣＤ１２０の一番上のセル２０２に電荷を転送する。垂直ＣＣＤ１２０の一番下のセル２０２は、電荷蓄積部１３０に対して電荷を転送する。
【００１４】
走査部８１０による走査により、撮像対象４００の同じ位置から発した光の到達位置が、セル２００一つ分下に移動するのと同期して、転送電圧印加回路８２０が生成した転送電圧により、セル２００は、電荷を一つ下のセル２００に転送する。これにより、撮像対象４００の同じ位置から発した光により発生した電荷が、セル２００を移動しながら蓄積されていく。
【００１５】
電荷蓄積部１３０は、複数のセル２０３を有する。セル２０３は、水平方向に一列に並んでいる。一つのセル２０３は、ＣＣＤ撮像部１００が撮像する一次元画像の一画素に対応する。セル２０１は、同じ画素に対応する垂直ＣＣＤ１２０の一番下のセル２００から電荷を受け取り、受け取った電荷を水平ＣＣＤ１４０に対して転送する。
【００１６】
水平ＣＣＤ１４０は、複数のセル２０４を有する。セル２０４は、水平方向に一列に並んでいる。一つのセル２０４は、ＣＣＤ撮像部１００が撮像する一次元画像の一画素に対応する。セル２０４は、同じ画素に対応する電荷蓄積部１３０のセル２０３から電荷を受け取る。セル２０４は、受け取った電荷を、右方向に隣接したセル２０２に転送する。
水平ＣＣＤ１４０の一番右のセル２０４は、出力回路１５０に対して電荷を転送する。
【００１７】
出力回路１５０は、水平ＣＣＤ１４０の一番右のセル２０４から電荷を受け取り、受け取った電荷を電圧に変換して、出力する。
【００１８】
転送電圧印加回路８２０が生成した転送電圧により、垂直ＣＣＤ１１０及び垂直ＣＣＤ１２０のセル２００が蓄積した電荷を一つ下のセル２００に転送する。電荷蓄積部１３０は、垂直ＣＣＤ１２０の一番下のセル２００から電荷を受け取る。これにより、電荷蓄積部１３０には、ＣＣＤ撮像部１００が撮像する一次元画像を構成する一列分の電荷が蓄積される。
電荷蓄積部１３０は、受け取った電荷を水平ＣＣＤ１４０に転送する。これにより、水平ＣＣＤ１４０は、ＣＣＤ撮像部１００が撮像する一次元画像を構成する一列分の電荷を受け取る。
【００１９】
水平ＣＣＤ１４０の各セル２０４は、受け取った電荷を一つ右のセル２０４に転送する。出力回路１５０は、水平ＣＣＤ１４０の一番右のセル２０４から電荷を受け取り、電圧に変換して出力する。これにより、撮像対象４００が撮像する一次元画像の一番右の画素に対応する信号が出力される。
水平ＣＣＤ１４０の各セル２０４は、次々と、転送された電荷を一つ右のセル２０４に転送し、出力回路１５０は、水平ＣＣＤ１４０の一番右のセル２０４から受け取った電荷を電圧に変換して出力する。これにより、撮像対象４００が撮像する一次元画像を構成する画素に対応する信号が、右側の画素から順に出力される。
このようにして、水平ＣＣＤ１４０が電荷蓄積部１３０から受け取った電荷すべてを、出力回路１５０が電圧に変換して出力する。これにより、ＣＣＤ撮像部１００が撮像する一次元画像に対応する信号が出力される。
【００２０】
その後、転送電圧印加回路８２０が生成した転送電圧により、垂直ＣＣＤ１１０及び垂直ＣＣＤ１２０のセル２００が蓄積した電荷を一つ下のセル２００に転送する。電荷蓄積部１３０は、垂直ＣＣＤ１２０の一番下のセル２００から電荷を受け取る。これにより、電荷蓄積部１３０には、ＣＣＤ撮像部１００が撮像する一次元画像を構成する一列分の電荷が蓄積される。電荷蓄積部１３０に蓄積される電荷は、撮像対象４００の一列分上から発した光により発生した電荷である。これを水平ＣＣＤ１４０が転送して、出力回路１５０が電圧に変換して出力することにより、一列上の一次元画像に対応する信号が出力される。
【００２１】
これを繰り返すことにより、ＣＣＤ撮像部１００は、撮像対象４００を一列ずつ撮像した一次元画像に対応する信号を繰り返し出力する。撮像信号処理部８３０は、この信号を処理して、二次元画像を構成し、構成した二次元画像を表わす信号を生成して、出力する。
【００２２】
図３は、この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００の物理的構造の一例を示す断面斜視図である。
ＣＣＤ撮像部１００は、一枚のｐ型半導体基板２１０により構成されている。
この図には、ｐ型半導体基板２１０のうち、垂直ＣＣＤ１１０と垂直ＣＣＤ１２０との境界付近の部分を切り出して示している。
【００２３】
ｐ型半導体基板２１０は、例えばシリコンなどの半導体にホウ素などの不純物（アクセプタ）を添加した結晶で構成される。
ｐ型半導体基板２１０の表面には、ポリシリコンや金属などにより電極２３１〜２４４が形成されている。電極２３１〜２４４は、垂直ＣＣＤ１１０，１２０を横切る形で水平方向に長く延びていて、１つのセル２００あたり四つの電極がある。すなわち、この例における垂直ＣＣＤ１１０，１２０は、四相転送方式である。なお、垂直ＣＣＤ１１０，１２０の構成は、四相転送方式に限らず、三相あるいは二相の転送方式であってもよい。その場合、１つのセル２００あたりの電極の数はそれぞれ、三つあるいは二つとなる。
電極２３１〜２４４は、酸化シリコンなどにより形成された絶縁層２２０に覆われている。
絶縁層２２０は、電極２３１〜２４４を保護するとともに、電極２３１〜２４４相互および電極２３１〜２４４とｐ型半導体基板２１０との間を絶縁する。
【００２４】
ｐ型半導体基板２１０の表面に近い内部には、ｐ型イオンを集中的に注入するなどして形成したチャネルストップ２１２がある。チャネルストップ２１２は、垂直ＣＣＤ１１０，１２０と平行に垂直方向に長く延びていて、隣接する垂直ＣＣＤ１１０間及び垂直ＣＣＤ１２０間における電荷（電子）の水平方向への移動をブロックする。これにより、セル２００に蓄積された電荷は、垂直方向にのみ移動する。
また、ｐ型半導体基板２１０のうち、垂直ＣＣＤ１１０に相当する部分の表面に近い内部には、ｎ型イオンを注入するなどして形成したｎ型層２１１がある。ｎ型層２１１は、チャネルストップ２１２の間にあり、垂直方向に延びている。
【００２５】
ｐ型半導体基板２１０のうち、チャネルストップ２１２により仕切られた垂直方向に細長い部分が、垂直ＣＣＤ１１０及び垂直ＣＣＤ１２０である。このうち、ｎ型層２１１が設けられた部分が垂直ＣＣＤ１１０であり、ｎ型層２１１が設けられていない部分が垂直ＣＣＤ１２０である。このうち、垂直ＣＣＤ１１０の一つのセル２０１は、一組の電極２３１〜２３４に対向する部分であり、垂直ＣＣＤ１２０の一つのセル２０２は、一組の電極２４１〜２４４に対向する部分である。
【００２６】
絶縁層２２０及び電極２３１〜２４４は、透明である。ＣＣＤ撮像部１００が撮像対象４００から受光した光は、絶縁層２２０及び電極２３１〜２４４を通り抜けて、ｐ型半導体基板２１０の内部に到達し、光電子を励起する。これにより、各セル２００には、受光した光の強さに比例した数の電子と正孔との対が発生する。
【００２７】
図４は、この実施の形態における電極２３１〜２４４に印加される電圧の推移の一例を示す図である。
横軸は、時刻を表わす。縦軸は、電圧を表わす。
転送電圧印加回路８２０は、電圧ｖ１〜ｖ４，ｖ’１〜ｖ’４を生成する。電圧ｖ１は電極２３１に、電圧ｖ２は電極２３２に、電圧ｖ３は電極２３３に、電圧ｖ４は電極２３４に、電圧ｖ’１は電極２４１に、電圧ｖ’２は電極２４２に、電圧ｖ’３は電極２４３に、電圧ｖ’４は電極２４４に、それぞれ印加される。電圧ｖ’１〜ｖ’４はそれぞれ、電圧ｖ１〜ｖ４と同じタイミングで高電位と低電位とを繰り返す。電圧ｖ１〜ｖ４の高電位及び低電位は互いに同じである。電圧ｖ’１〜ｖ’４の高電位及び低電位も互いに同じであるが、電圧ｖ１〜ｖ４の高電位及び低電位とは異なる。
【００２８】
撮像対象４００から受光した光によって発生した電子は、高電位の電極２３１〜２４４に引き寄せられる。例えば、時刻ｔ１では、電極２３１，２３２，２４１，２４２が高電位であり、電極２３３，２３４，２４３，２４４が低電位なので、電子は、電極２３１，２３２，２４１，２４２に引き寄せられる。
時刻ｔ２では、電極２３１，２４１が低電位になり、その代わり、電極２３３，２４３が高電位になるので、電子は、電極２３２，２３３，２４２，２４３に引き寄せられる。これにより、セル２０１，２０２に蓄積された電子は、４分の１セル分移動する。そこに、受光した光によって新たに発生した電子が加わって蓄積される。
時刻ｔ３では、電極２３２，２４２が低電位になり、その代わり、電極２３４，２４４が高電位になるので、電子は、電極２３３，２３４，２４３，２４４に引き寄せられ、更に４分の１セル分移動する。そこに、受光した光によって新たに発生した電子が更に加わって蓄積される。
【００２９】
このようにして、受光した光によって発生した電子を加えて蓄積しながら、セル２００からセル２００へと電子が転送されていく。
したがって、垂直ＣＣＤ１１０の一番上のセル２０１が転送すべき電子の量は少なく、下方向へいくほど転送すべき電子の量が増えていって、垂直ＣＣＤ１２０の一番下のセル２０２が転送すべき電子の量が一番多くなる。このため、垂直ＣＣＤ１２０の（一番下の）セル２０２が転送できる電子の量が、ＣＣＤ撮像部１００が受光できる光の最大強度を決定する。ＣＣＤ撮像部１００は、それよりも強い光を受光しても、垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２が転送できる以上の電子を転送しないので、同じ強さの光としてしか認識できない。また、転送できない電子が、隣のセル２００に溢れ出すなどして、画像が潰れてしまう。
【００３０】
図５は、この実施の形態における垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１内のポテンシャル及び電荷分布の一例を示す図である。
横軸は、ｐ型半導体基板２１０の表面からの深さを表わし、左から順に、電極２３１〜２３４、絶縁層２２０、ｎ型層２１１、ｐ型半導体基板２１０を示す。縦軸は、電子のポテンシャル及び電荷量を表わす。電子のポテンシャルなので下向きが正であるが、以下の説明では、上向きを「高い」、下向きを「低い」と表現する。
【００３１】
曲線５１１は、電極２３１〜２３４を低電位（例えば０Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯（バンドギャップ）の上端を示す。電子は、曲線５１１より下のエネルギー状態をとることができない。電子は、なるべくエネルギーが低い状態をとろうとするので、禁制帯の上端が低くなっているところに集まる。
【００３２】
ｐ型半導体基板２１０のｎ型層２１１でない領域内には、電荷として、イオン６１１と正孔６３１とが存在する。イオン６１１は、ｐ型半導体基板２１０に混入されたホウ素などの不純物によるもので、負の電荷を有する。正孔６３１は、ｐ型半導体基板２１０内の多数キャリアであり、イオン６１１と打ち消しあう正の電荷を有する。ｎ型層２１１との境界に近い領域には、正孔６３１が存在せず、空乏層６４１が形成される。
ｎ型層２１１内には、電荷として、イオン６１２が存在する。イオン６１２は、ｎ型層２１１に注入されたｎ型イオンによるもので、正の電荷を有する。セル２０１が電荷を蓄積していない場合、ｎ型層２１１には電子が存在せず、空乏層６４２が形成される。
電極２３１〜２３４内には、絶縁層２２０との境界付近に、空乏層６４２の正電荷に引き寄せられた電子６２４が存在する。
【００３３】
曲線５２１〜５２３は、電極２３１〜２３４を高電位（例えば５Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯の上端を示す。曲線５２１は、セル２０１に電荷が蓄積されていない状態、曲線５２２は、セル２０１に電荷がある程度蓄積された状態、曲線５２３は、セル２０１に電荷が最大量まで蓄積された状態を示す。
【００３４】
電極２３１〜２３４を高電位にしたことにより、低電位の場合（曲線５１１）よりも禁制帯の上端が下がり、電子を引き寄せる。電子６２２は、禁制帯の上端が最も低い領域に蓄積される。したがって、電子６２２は、絶縁層２２０との境界よりもｎ型層２１１の内側寄りの領域に蓄積される。すなわち、垂直ＣＣＤ１１０は、いわゆる埋め込みチャネルモードで動作する。
この領域は、絶縁層２２０との境界付近と比較して、電子を捕まえるトラップが少ないので、この領域に電子を蓄積することにより、転送効率が高くなる。
また、この領域には、ちょうどイオン６１２と釣り合う電荷量の電子６２２が蓄積される。それよりも多くの電子を蓄積しようとすると、その部分が負に帯電するので、電子が反発して別の領域に移動するからである。
これを電子のポテンシャルとして見るならば、曲線５２２に示すように、禁制帯の上端が持ち上がり、電子が蓄積された部分が平らな底を形成する。（禁制帯の上端が斜めであれば、電子は、エネルギーの低いほうへ移動する。電子が移動せずに留まっているということは、禁制帯の上端が水平であることを意味する。）
【００３５】
セル２０１に蓄積された電子が更に増えて、禁制帯の上端（曲線５２３）の底が、電極２３１〜２３４が低電位の場合の禁制帯の上端（曲線５１１）の底と同じ高さまで持ち上がると、それ以上電子を蓄積しようとしても、低電位の電極により形成されているセル２０１の境界を越えて、電子が溢れ出してしまう。したがって、この状態が、セル２０１に蓄積できる電子の最大量である。
【００３６】
図６は、この実施の形態における垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２内のポテンシャル及び電荷分布の一例を示す図である。
横軸は、ｐ型半導体基板２１０の表面からの深さを表わし、左から順に、電極２４１〜２４４、絶縁層２２０、ｐ型半導体基板２１０を示す。縦軸は、電子のポテンシャル及び電荷量を表わす。
【００３７】
曲線５３１は、電極２４１〜２４４を低電位（例えば５Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０内の禁制帯の上端を示す。
【００３８】
ｐ型半導体基板２１０内には、電荷として、イオン６１１と正孔６３１とが存在する。イオン６１１は、ｐ型半導体基板２１０に混入されたホウ素などの不純物によるもので、負の電荷を有する。正孔６３１は、ｐ型半導体基板２１０内の多数キャリアであり、イオン６１１と打ち消しあう正の電荷を有する。絶縁層２２０との境界に近い領域には、正孔６３１が存在せず、空乏層６４１が形成される。
電極２４１〜２４４内において、絶縁層２２０との境界付近は、自由電子が空乏層６４１の負電荷に反発して電子が不足し、正の電荷６３４に帯電している。
【００３９】
曲線５４１，５４２は、電極２４１〜２４４を高電位（例えば１０Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０内の禁制帯の上端を示す。曲線５４１は、セル２０２に電荷が蓄積されていない状態、曲線５４２は、セル２０２に電荷がある程度蓄積された状態を示す。
【００４０】
電極２４１〜２４４を高電位にしたことにより、低電位の場合（曲線５３１）よりも禁制帯の上端が下がり、電子を引き寄せる。このとき、禁制帯の上端が最も低いのは、絶縁層２２０に最も近い領域なので、ここに電子６２３が蓄積される。すなわち、垂直ＣＣＤ１２０は、いわゆる表面チャネルモードで動作する。
この領域には、イオン６１１とは無関係に、それよりも多い電荷量の電子６２３が蓄積される。禁制帯の上端（曲線５４２）が左下がりなので、電子６２３は、絶縁層２２０側へ移動しようとするが、絶縁層２２０に阻まれて移動できない。このため、この領域には、大量の電子６２３を蓄積することができる。
この領域に電子６２３を蓄積したことにより、絶縁層２２０内の電界が強くなり、その分、禁制帯の上端（曲線５４２）が持ち上がる。
【００４１】
セル２０２に蓄積された電子が更に増えて、禁制帯の上端（曲線５４２）が、曲線５３１に一致すると、それ以上電子を蓄積しようとしても、低電位の電極により形成されているセル２０２の境界を越えて、電子が溢れ出してしまう。したがって、この状態が、セル２０２に蓄積できる電子の最大量である。
【００４２】
なお、垂直ＣＣＤ１１０と垂直ＣＣＤ１２０との境界において、垂直ＣＣＤ１１０の一番下のセル２０１から垂直ＣＣＤ１２０の一番上のセル２０２へ電荷を転送するには、電子をｎ型層２１１からｐ型半導体基板２１０のｎ型層２１１へ移動させる必要がある。このため、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４に印加する電圧は、全体として、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４に印加する電圧よりも高くする。例えば、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を低電位にするときの電圧は、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を高電位にするときの電圧と等しくする。
【００４３】
垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を低電位にするときの電圧をあまり高くすると、禁制帯の上端（曲線５３１）のうち一番低いエネルギーＥ１が、セル２０１に最大量の電子を蓄積した場合の禁制帯の上端（曲線５２３）のうち一番低いエネルギーＥ２より低くなり、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を低電位にしても、垂直ＣＣＤ１１０の一番下のセル２０１と垂直ＣＣＤ１２０の一番上のセル２０２との間の境界を電子が乗り越えて、溢れて出してしまう。したがって、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を低電位にするときの電圧は、Ｅ１がＥ２より高くなる範囲内で設定する。
【００４４】
また、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を高電位にするときの電圧は、以下の二つの条件を満たすよう設定する。
第一に、セル２０１に蓄積された電子がすべてセル２０２に転送されるようにするため、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を高電位にしたとき、セル２０２に電子が蓄積されていない状態における禁制帯の上端（曲線５４１）のうち一番低いエネルギーＥ３が、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を高電位にしたとき、セル２０１に電荷が蓄積されていない状態における禁制帯の上端（曲線５２１）のうち一番低いエネルギーＥ４よりも低くなるようにする。
第二に、セル２０１に最大量の電子が蓄積されているとき、これを転送されたセル２０２から電子がセル２０１に逆流しないようにするため、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を高電位にしたとき、セル２０１に蓄積できる最大量の電子がセル２０２に蓄積された状態における禁制帯の上端（曲線５４２）のうち一番低いエネルギーＥ５が、セル２０１の電極２３１〜２３４を低電位にしたときの禁制帯の上端（曲線５１１）のうち一番低いエネルギーＥ６（これはＥ２と等しい。）よりも低くなるようにする。
【００４５】
上述したように、垂直ＣＣＤ１１０は、転送効率が高い反面、転送できる電子の最大量が小さい。逆に、垂直ＣＣＤ１２０は、転送できる電子の最大量が大きい反面、絶縁層２２０とｐ型半導体基板２１０との境界で電子がトラップされる可能性が高く、転送効率が落ちる。
【００４６】
例えば、垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１一段当たりの転送効率が９９．９９％、垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２一段当たりの転送効率が９９．５％である場合、二つの垂直ＣＣＤ１１０，１２０がともに１２段のセル２００で構成されているとすると、垂直ＣＣＤ１１０全体の転送効率は、９９．９９％の１２乗で、約９９．８８％である。垂直ＣＣＤ１２０全体の転送効率は、９９．５％の１２乗で、約９４．１６％である。したがって、二つの垂直ＣＣＤ１１０，１２０とを合わせた全体の転送効率は、９９．８８％と９４．１６％との積で、約９４．０５％である。
これに対して、２４段のセル２００すべてを、垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２と同じ構成にしたとすると、全体の転送効率は、９９．５％の１２乗で、約８８．６７％である。
【００４７】
このように、転送できる電荷の量は少ないが転送効率が高い埋め込みチャネルモードで動作する垂直ＣＣＤ１１０と、転送効率は低いが転送できる電荷の量が多い表面チャネルモードで動作する垂直ＣＣＤ１２０とを組み合わせて、転送すべき電子の量が少ない上流側に垂直ＣＣＤ１１０を配置し、転送すべき電子の量が多い下流側に垂直ＣＣＤ１２０を配置する。
これにより、電荷の転送効率をあまり低下させることなく、転送できる電荷の最大量を増やすことができる。
【００４８】
転送できる電荷の最大量が多いと、その分、強い光を受光でき、電荷の転送効率が高いと、その分、受光した光の微妙な差が区別できるので、ＣＣＤ撮像部１００のダイナミックレンジが広くなる。
【００４９】
この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００（電荷転送装置）は、第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）と、第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）とを有する。
上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）は、電荷（電子）を所定の方向（下方向）へ転送する。
上記第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）は、上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）が転送した電荷（電子）を受け取って、上記所定の方向（下方向）へ転送し、上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）よりも転送する電荷量が多い。
【００５０】
この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００（電荷転送装置）によれば、上流側にある第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）よりも下流側にある第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）のほうが転送する電荷量が多いので、例えば、ＴＤＩ型の撮像装置８００に用いられる場合のように、転送の途中で電荷が蓄積されていき、上流側では転送すべき電荷量が少ないのに対して下流側では転送すべき電荷量が多い場合に、全体として、転送できる電荷量を増やすことができる。
【００５１】
この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００（電荷転送装置）において、上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）は、埋め込みチャネルモードで動作する。
上記第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）は、表面チャネルモードで動作する。
【００５２】
この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００（電荷転送装置）によれば、転送できる電荷量は少ないが転送効率が高い埋め込みチャネルモードで動作する第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０と、転送効率が低いが転送できる電荷量が多い表面チャネルモードで動作する第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）とを組み合わせることにより、全体として、転送できる電荷量を多くするとともに、転送効率を高めることができる。
【００５３】
この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００（電荷転送装置）において、上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）及び上記第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）は、ｐ型半導体基板２１０と、上記ｐ型半導体基板２１０の表面に設けられた複数の電極２３１〜２４４とを有する。
上記ｐ型半導体基板２１０は、上記複数の電極２３１〜２４４との間に絶縁層２２０を有する。
上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）のｐ型半導体基板２１０は、更に、上記絶縁層２２０の直下にｎ型層２１１を有する。
【００５４】
この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００（電荷転送装置）によれば、ｐ型半導体基板２１０の上に、ｎ型層２１１を設けることにより垂直ＣＣＤ１１０を構成し、ｎ型層２１１を設けないことにより垂直ＣＣＤ１２０を構成するので、埋め込みチャネルモードで動作する垂直ＣＣＤ１１０と表面チャネルモードで動作する垂直ＣＣＤ１２０とを有するＣＣＤ撮像部１００を容易に製造することができる。
【００５５】
この実施の形態における撮像装置８００は、電荷転送装置（ＣＣＤ撮像部１００）と、走査部８１０とを有する。
上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）及び上記第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）は、撮像対象４００が発した光を受光して生成された電荷（光電子）を、転送する電荷（電子）に加えながら転送する。
上記走査部８１０は、上記撮像対象４００の同じ位置から発した光を受光して生成された電荷（光電子）が、上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）及び上記第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）が転送する同じ電荷に加えられるよう、上記撮像対象４００から発した光と、上記電荷転送装置（ＣＣＤ撮像部１００）との間の位置関係を制御する。
【００５６】
この実施の形態における撮像装置８００によれば、ＴＤＩ型の撮像装置に上記電荷転送装置（ＣＣＤ撮像部１００）を用いることにより、撮像する画像のダイナミックレンジを広くすることができる。
【００５７】
以上のように、飽和電荷量を減少させることなく転送効率を向上させることができる。
これにより、十分な転送効率を維持したまま高い飽和電荷量を持つＴＤＩ型固体撮像装置を提供することができる。
【００５８】
実施の形態２．
実施の形態２について、図７〜図８を用いて説明する。
なお、実施の形態１で説明した撮像装置８００と共通する部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５９】
図７は、この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００の物理的構造の一例を示す断面斜視図である。
実施の形態１と異なり、ｐ型半導体基板２１０のうち、垂直ＣＣＤ１２０に相当する部分の表面に近い内部にも、ｎ型イオンを注入するなどして形成したｎ型層２１１がある。
【００６０】
図８は、この実施の形態における垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１内及び垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２内のポテンシャル及び電荷分布の一例を示す図である。
横軸は、ｐ型半導体基板２１０の表面からの深さを表わし、左から順に、電極２３１〜２３４、絶縁層２２０、ｎ型層２１１、ｐ型半導体基板２１０を示す。縦軸は、電子のポテンシャル及び電荷量を表わす。
【００６１】
曲線５１１は、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を低電位（例えば０Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯の上端を示す。
曲線５２１〜５２３は、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を高電位（例えば５Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯の上端を示す。
曲線５１１，５２１〜５２３については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。
【００６２】
曲線５３１は、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を低電位（例えば０Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯の上端を示す。垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を低電位にするときの電圧は、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を低電位にするときの電圧と同じに設定する。
曲線５４１〜５４３は、電極２４１〜２４４を高電位（例えば８Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯の上端を示す。垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を高電位にするときの電圧は、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を高電位にするときの電圧より高く設定する。
曲線５４１は、セル２０２に電荷が蓄積されていない状態、曲線５４２は、セル２０２に埋め込みチャネルモードの限界まで電荷が蓄積された状態、曲線５４３は、セル２０２が転送できる最大量の電荷が蓄積された状態を示す。
【００６３】
垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を高電位にしたときの電圧を高く設定しているので、セル２０２に埋め込みチャネルモードの電子６２２が蓄積して禁制帯の上端（曲線５４２）の底が持ち上がっても、電極２４１〜２４４を低電位にしたときの禁制帯の上端（曲線５３１）の底と同じ高さに届く前に、蓄積された電子６２２が、絶縁層２２０とｎ型層２１１との境界部分に達する。
まだ、禁制帯の上端（曲線５４２）が、電極２４１〜２４４を低電位にしたときの禁制帯の上端（曲線５３１）の底と同じ高さに達していないので、セル２０２は、更に電子６２３を蓄積することができる。更に蓄積される電子６２３は、絶縁層２２０との境界に最も近い領域に蓄積される。すなわち、垂直ＣＣＤ１２０は、表面チャネルモードで動作する。
【００６４】
このように、垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１と垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２とを、ｎ型層２１１を設けた同じ構造で形成し、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を高電位にするときの電位より、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を高電位にするときの電位を高くすることにより、垂直ＣＣＤ１１０を埋め込みチャネルモードで動作させ、垂直ＣＣＤ１２０を表面チャネルモードで動作させる。
垂直ＣＣＤ１１０は、埋め込みチャネルモードで動作するので、転送できる電荷量は少ないが転送効率が高く、垂直ＣＣＤ１２０は、表面チャネルモードで動作するので、転送効率が低いが転送でる電荷量が多い。
したがって、実施の形態１と同様、全体として、転送できる電荷量を多くするとともに、転送効率を高めることができる。
【００６５】
このように、垂直ＣＣＤ１１０と垂直ＣＣＤ１２０との間で、物理的構造の違いによりチャネルモードの違いを生み出すのではなく、印加する電圧の違いによりチャネルモードの違いを生み出す。これにより、ＣＣＤ撮像部１００の製造工程が単純化し、歩留まりが向上するので、製造コストが安くなる。
また、垂直ＣＣＤ１１０と垂直ＣＣＤ１２０とは、物理的構造が同じなので、垂直ＣＣＤ１１０と垂直ＣＣＤ１２０の境界にはｐｎ接合が形成されていない。したがって、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４に印加する電圧を、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４に印加する電圧より高くしなくても、垂直ＣＣＤ１１０から垂直ＣＣＤ１２０へ電荷を転送することができる。垂直ＣＣＤ１１０の電極２４１〜２４４に印加する電圧を高く設定するのは、上述したように、垂直ＣＣＤ１２０を表面チャネルモードで動作させて転送できる電荷量を増やすためであり、垂直ＣＣＤ１１０から垂直ＣＣＤ１２０へ電荷を転送するためではない。このため、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を高電位にするときの電圧は、実施の形態１より低くてよい。
【００６６】
この実施の形態における撮像装置８００（電荷転送装置）は、更に、転送電圧印加回路８２０（第一の転送電圧印加回路及び第二の転送電圧印加回路）を有する。
上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）及び上記第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）は、ｐ型半導体基板２１０と、上記ｐ型半導体基板２１０の表面に設けられた複数の電極２３１〜２４４とを有する。
上記ｐ型半導体基板２１０は、上記複数の電極２３１〜２４４との間に絶縁層２２０を有し、上記絶縁層２２０の直下にｎ型層２１１を有する。
上記第一の転送電圧印加回路８２０は、上記第一の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０）の複数の電極２３１〜２３４それぞれに、第一の電圧（低電位の電圧）と、上記第一の電圧より高い第二の電圧（高電位の電圧）とを交互に印加することにより、上記電荷（電子）を上記所定の方向（下方向）へ転送する。
上記第二の転送電圧印加回路８２０は、上記第二の電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１２０）の複数の電極２４１〜２４４それぞれに、上記第二の電圧より低い第三の電圧（低電位の電圧）と、上記第二の電圧より高い第四の電圧（高電位の電圧）とを交互に印加することにより、上記電荷（電子）を上記所定の方向（下方向）へ転送する。
【００６７】
この実施の形態における撮像装置８００（電荷転送装置）によれば、ｐ型半導体基板２１０の上に、ｎ型層２１１を設けることにより垂直ＣＣＤ１１０及び垂直ＣＣＤ１２０を構成し、転送電圧印加回路８２０が電極２３１〜２４４に印加する転送電圧を変えることで、垂直ＣＣＤ１１０を埋め込みチャネルモードで動作させ、垂直ＣＣＤ１２０を表面チャネルモードで動作させるので、埋め込みチャネルモードで動作する垂直ＣＣＤ１１０と表面チャネルモードで動作する垂直ＣＣＤ１２０とを有するＣＣＤ撮像部１００を容易に製造することができる。
【００６８】
以上説明した撮像装置８００（固体撮像装置）において、前記垂直電荷転送部である電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０，１２０）は、水平電荷転送部（水平ＣＣＤ１４０）から遠い領域（垂直ＣＣＤ１１０）の転送電極２３１〜２３４に印加される転送パルスの高電圧は、近い領域（垂直ＣＣＤ１２０）の転送電極２４１〜２４４に印加される転送パルスの高電圧よりも低い。
【００６９】
以上説明した固定撮像装置８００は、画素エリアＡの部分（垂直ＣＣＤ１１０）だけに埋め込みチャネル形成のためのｎ型層を形成するのではなく、すべての画素エリア（垂直ＣＣＤ１１０，１２０）に埋め込みチャネルを形成している。
【００７０】
以上のように、画素エリアＡおよびＢを同じＣＣＤ構造であるが、画素エリアＢに印加するクロック電圧を高くすることにより電荷量が大きい表面チャネルモードで動作させることができる。
【００７１】
実施の形態３．
実施の形態３について、図９を用いて説明する。
なお、実施の形態１または実施の形態２で説明した撮像装置８００と共通する部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７２】
この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００物理的構造は、実施の形態２と同様である。
【００７３】
実施の形態２では、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜電極２４４には、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４と異なる電圧を印加することにより、垂直ＣＣＤ１１０を埋め込みチャネルモードで動作させ、垂直ＣＣＤ１２０を表面チャネルモードで動作させる。
この実施の形態では、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４にも、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４にも、同じ電圧を印加する。
【００７４】
図９は、この実施の形態における垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１内及び垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２内のポテンシャル及び電荷分布の一例を示す図である。
横軸は、ｐ型半導体基板２１０の表面からの深さを表わし、左から順に、電極２３１〜２３４、絶縁層２２０、ｎ型層２１１、ｐ型半導体基板２１０を示す。縦軸は、電子のポテンシャル及び電荷量を表わす。
【００７５】
曲線５３１は、垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４を低電位（例えば０Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯の上端を示す。曲線５４１〜５４３は、電極２４１〜２４４を高電位（例えば８Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯の上端を示す。
曲線５３１，５４１〜５４３については、実施の形態２と同様なので、説明を省略する。
【００７６】
曲線５１１は、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を低電位（例えば０Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯の上端を示す。垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を低電位にするときの電圧は、垂直ＣＣＤ１２０の電極を低電位にするときの電圧と同じに設定する。したがって、曲線５１１は、曲線５３１と同じである。
曲線５２１〜５２３は、電極２４１〜２４４を高電位（例えば８Ｖ）にした場合におけるｐ型半導体基板２１０及びｎ型層２１１内の禁制帯の上端を示す。垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４を高電位にするときの電圧は、垂直ＣＣＤ１２０の電極を高電位にするときの電圧と同じに設定する。したがって、曲線５２１〜５２３はそれぞれ、曲線５４１〜５４３と同じである。
【００７７】
垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１と、垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２とは、物理的構造も、印加する電圧も同じなので、転送できる電荷の最大値は等しい。セル２００に蓄積された電荷の量が所定の閾値（以下「チャネルモード閾値」と呼ぶ。）未満のとき、垂直ＣＣＤ１１０，１２０は、埋め込みチャネルモードで動作し、セル２００に蓄積された電荷の量がチャネルモード閾値以上最大値以下のとき、垂直ＣＣＤ１１０，１２０は、表面チャネルモードで動作する。
【００７８】
ＴＤＩ型の撮像装置８００において、セル２００に蓄積される電荷は、セル２００自身の受光によって発生した電荷と、前の段のセル２００から転送された電荷との合計であるから、段数に比例する。例えば、２４段目のセル２００に蓄積される電荷は、１段目のセル２００に蓄積される電荷の２４倍である。１２段目のセル２００に蓄積される電荷は、１段目のセル２００に蓄積される電荷の１２倍であり、２４段目のセル２００に蓄積される電荷の半分である。
【００７９】
すなわち、垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１の数と、垂直ＣＣＤ１２０のセル２０２の数とが同じ場合、垂直ＣＣＤ１１０の一番下のセル２０１に蓄積される電荷は、垂直ＣＣＤ１２０の一番下のセル２０２に蓄積される電荷の半分になる。
したがって、チャネルモード閾値が、転送できる電荷の最大値の半分以上であれば、垂直ＣＣＤ１１０は、表面チャネルモードでは動作せず、埋め込みチャネルモードで動作する。
【００８０】
このように、垂直ＣＣＤ１１０と垂直ＣＣＤ１２０とを同じ構造で形成し、電極２３１〜２４４に印加する電圧も同じにした場合でも、垂直ＣＣＤ１１０を埋め込みチャネルモードで動作させ、垂直ＣＣＤ１２０を表面チャネルモードで動作させることができる。
【００８１】
実施の形態１及び実施の形態２では、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４に印加する電圧と垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４に印加する電圧とが異なるので、ＣＣＤ撮像部１００には、それぞれに印加する電圧を入力するための端子が必要である。これに対して、この実施の形態では、垂直ＣＣＤ１１０の電極２３１〜２３４に印加する電圧と垂直ＣＣＤ１２０の電極２４１〜２４４に印加する電圧とが同じであるから、印加する電圧を入力するための端子をまとめて一つにすることができる。これにより、ＣＣＤ撮像部１００の端子数を少なくすることができるので、ＣＣＤ撮像部１００を小型化でき、ＣＣＤ撮像部１００の構造を簡単にすることができるので、歩留まりを良くし、製造コストを削減することができる。
【００８２】
なお、この実施の形態において、垂直ＣＣＤ１１０と垂直ＣＣＤ１２０とは、ｐ型半導体基板２１０上の構造が同じであるだけでなく、印加する電圧が同じであり、電極２３１〜２３４と電極２４１〜２４４とが接続される入力端子も同じであるから、構造上の区別は存在せず、概念上、区別されるに過ぎない。
すなわち、全体として一つの垂直ＣＣＤのうち、埋め込みチャネルモードで動作する部分を垂直ＣＣＤ１１０と呼び、表面チャネルモードで動作する部分を垂直ＣＣＤ１２０と呼んでいるに過ぎない。ここで、垂直ＣＣＤ全体のセル２００の数に対する垂直ＣＣＤ１１０のセル２０１の数の割合は、セル２００が転送できる電荷の最大値に対するチャネルモード閾値の割合に一致する。
【００８３】
セル２００が転送できる電荷の最大値に対するチャネルモード閾値の割合は、４分の１以上４分の３以下であることが望ましい。この割合が小さ過ぎると、垂直ＣＣＤ１１０の段数が少なくなるので、全体としての転送効率が低下し、逆に大き過ぎると、垂直ＣＣＤ１２０の段数が少なくなるので、全体として転送できる電荷の最大値が小さくなる。この割合が、４分の１以上４分の３以下であれば、全体としての転送効率と、転送できる電荷の最大値とのバランスがよい。
【００８４】
この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００（電荷転送装置）は、電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０，１２０）を有する。
電荷結合素子（垂直ＣＣＤ１１０，１２０）は、電荷を転送し、転送する電荷の量が所定の閾値より少ない場合、埋め込みチャネルモードで動作し、転送する電荷の量が上記所定の閾値より多い場合、表面チャネルモードで動作する。
【００８５】
この実施の形態におけるＣＣＤ撮像部１００（電荷転送装置）によれば、構造を複雑にすることなく、例えば、ＴＤＩ型の撮像装置８００に用いられる場合のように、転送の途中で電荷が蓄積されていき、上流側では転送すべき電荷量が少ないのに対して下流側では転送すべき電荷量が多い場合に、上流側を埋め込みチャネルモードで動作させ、下流側を表面チャネルモードで動作させることができるので、全体として、転送できる電荷量を増やすとともに、転送効率を高くすることができる。
【００８６】
ＣＣＤ撮像部１００が受光できる光の最大強度は、垂直ＣＣＤが転送できる電荷の最大値により定まるが、ＣＣＤ撮像部１００が受光した光が最大強度より弱い場合、セル２００に蓄積される電荷が少なくなるので、チャネルモード閾値を超えにくくなる。すなわち、埋め込みチャネルモードで動作するセル２０１の数が増え、表面チャネルモードで動作するセル２０２の数が減る。このため、受光した光が弱い場合には、電荷の転送効率が更に高くなる。
例えば、セル２００が転送できる電荷の最大値に対してチャネルモード閾値が２分の１である場合、最大強度の光を受光すると、全セル２００のうち、上流側の半分のセル２００が埋め込みチャネルモードで動作し、下流側の半分のセル２００が表面チャネルモードで動作する。これに対し、受光した光の強度が最大強度の３分の２なら、全セル２００のうち、上流側の４分の３のセル２００が埋め込みチャネルモードで動作し、下流側の４分の１のセル２００が表面チャネルモードで動作する。更に、受光した光の強度が最大強度の半分なら、全セル２００が埋め込みチャネルモードで動作する。埋め込みチャネルモードで動作するセル２００の割合が多いほど、全体としての転送効率は高くなる。
したがって、ＣＣＤ撮像部１００が受光できる光の最大強度を大きくできるとともに、受光した光が弱い場合の強度分解能を高くすることができる。
【００８７】
この実施の形態における撮像装置８００によれば、受光した光の強度に応じて、埋め込みチャネルモードで動作するセル２０１と表面チャネルモードで動作するセル２０２との割合が自動的に変化し、受光した光が弱い場合の転送効率が更に高くなる。
【００８８】
以上のように、標準撮像照度までの光量に対して、埋め込みチャネルモードでの転送となるため高い転送効率が得られ、標準撮像照度を超える光量に対しては表面チャネルモードでの転送で転送効率は悪くなるものの飽和しないため高いダイナミックレンジが得られる。
【符号の説明】
【００８９】
１００  ＣＣＤ撮像部、１１０，１２０  垂直ＣＣＤ、１３０  電荷蓄積部、１４０  水平ＣＣＤ、１５０  出力回路、２００〜２０４  セル、２１０  ｐ型半導体基板、２１１  ｎ型層、２１２  チャネルストップ、２２０  絶縁層、２３１〜２４４  電極、４００  撮像対象、５１１〜５４３  曲線、６１１，６１２  イオン、６２１〜６２４  電子、６３１  正孔、６３４  電荷、６４１，６４２  空乏層、８００  撮像装置、８１０  走査部、８２０  転送電圧印加回路、８３０  撮像信号処理部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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