(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷転送方向に順次並べられた転送電極に所定のパルスを印加して、２以上の数ｎ個の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって保持された電荷を、１又はｎ未満の数ｍ個ずれたｎ個の隣接する転送電極に対向する空乏層に移動させる動作を繰り返すことにより電荷を転送する電荷転送装置の駆動方法であって、
前記電荷を移動させる動作において、電荷移動前のｎ個の転送電極及び電荷移動後のｎ個の転送電極を含むｎ＋ｍ個の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する状態を介在させ、前記ｎ＋ｍ個の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間を前記電荷移動後のｎ個の転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間より短く設定することを特徴とする電荷転送装置の駆動方法。
【請求項２】
前記転送電極に４相の転送パルスが順次印加され、２つの隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって保持された電荷を、１つずれた２つの隣接する転送電極に対向する空乏層に移動させる際に、電荷移動前の２つの転送電極及び電荷移動後の２つの転送電極を含む３つの隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する状態を介在させ、前記３つの隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間を前記電荷移動後の２つの転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間より短く設定することを特徴とする請求項１記載の電荷転送装置の駆動方法。
【請求項３】
前記ｎ＋ｍ個の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間を前記ｎ個の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間の１〜１０％の範囲内に設定する請求項１又は２記載の電荷転送装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば一体型ビデオカメラに固体撮像素子（イメージセンサ）として用いられている電荷転送装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一体型ビデオカメラ等に広く用いられている埋め込み型電荷転送装置（以下、ＢＣＣＤと略記する）の断面構造を図１に示す。図１において、１はＰ型基板であり、２は埋め込み型電荷転送部としてのｎ-埋め込み層であり、３はｎ+拡散層である。ＩＳは電荷注入電位を設定する入力ソース電極であり、ＩＧは電荷注入量を制御する入力ゲート電極である。Ｇ１〜Ｇ４は４相クロックにより電荷転送を実行する転送電極であり、ＯＧは出力ゲート電極である。ＯＳは信号電荷Ｑを電圧Ｖに変換して出力する信号出力電極であり、ｎ+拡散層３に接続されている。ＯＤは出力ドレイン電極であり、ＲＧはリセットゲート電極である。
【０００３】
出力ゲート電極ＯＧには約２ボルトの直流電圧が印加される。出力ドレイン電極ＯＤ及び入力ソース電極ＩＳにはチャンネルが空乏化する電圧（例えば１０ボルト）より大きい直流電圧が印加される。４つのゲート電極Ｇ１〜Ｇ４のうちのＧ１及びＧ２に１０ボルトが印加され、Ｇ３及びＧ４に０ボルトが印加される場合のチャンネル空乏化電位の分布（以下、ポテンシャル分布という）の例を図２に示す。
【０００４】
従来の第１の駆動方法では、図３に示すような駆動パルスが各電極Ｇ１〜Ｇ４、ＩＧ、及びＲＧに印加される。図３において、例えば、Ｈ（高）レベルは５Ｖ、Ｌ（低）レベルは０Ｖである。φＧ１〜φＧ４は転送電極Ｇ１〜Ｇ４に印加される信号、φＩＧは入力電極ＩＧに印加される信号、φＲＧはリセットゲート電極ＲＧに印加される信号をそれぞれ示している。
【０００５】
図４〜６は、図３の時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ１８におけるポテンシャル分布を示している。まず、時刻ｔ＝ｔ１において、パルスφＧ１、φＧ２及びφＩＧがＨレベル、その他のパルスがＬレベルであり、電荷が注入される。時刻ｔ＝ｔ２ではφＩＧがＬレベルになっているので、電荷がゲート電極Ｇ１及びＧ２の下にためられる。時刻ｔ＝ｔ３ではパルスφＧ１及びφＧ２に加えてφＧ３もＨレベルになっており、電荷は３つのゲートＧ１、Ｇ２及びＧ３にわたって拡散している（この期間を便宜上拡散期間と呼ぶ）。
【０００６】
時刻ｔ＝ｔ４ではパルスφＧ１がＬレベルに変化しており、転送電極（ゲート電極）Ｇ１の電極下にあった電荷は、フリンジ電界により２つの転送電極Ｇ２及びＧ３の電極下に転送されている（この期間を便宜上転送期間と呼ぶ）。時刻ｔ＝ｔ５ではパルスφＧ２及びφＧ３に加えてパルスφＧ４もＨレベルになっており、電荷は３つのゲートφＧ２、φＧ３及びφＧ４にわたって拡散している。つまり、再び拡散期間になっている。
【０００７】
以後、同様にして、拡散期間と転送期間を繰り返すことにより図４〜６において右方向へ電荷が転送され、最終的にＯＳ端子から電荷が出力される。
つぎに、従来の第２の駆動方法では、図７に示すような駆動パルスφＧ１〜φＧ４、φＩＧ、及びφＲＧが各電極Ｇ１〜Ｇ４、ＩＧ、及びＲＧに印加される。この駆動方法が適用される電荷転送装置は上記の第１の駆動方法と同じく図１に示すような構造を有するＢＣＣＤである。以下、従来の第２の駆動方法を図４、７及び８に基づいて説明する。
【０００８】
まず、時刻ｔ＝ｔ１において、パルスφＧ１、φＧ２及びφＩＧがＨレベル、その他のパルスがＬレベルであり、電荷が注入される。時刻ｔ＝ｔ２ではφＩＧがＬレベルになっているので、電荷がゲート電極Ｇ１及びＧ２の下に貯められる。ｔ＝ｔ３において、パルスφＧ１及びφＧ３が同時に変化する。つまり、パルスφＧ１がＨレベルからＬレベルに立ち下がると同時にパルスφＧ３がＬレベルからＨレベルに立ち上がる。この時の時間軸を引き伸ばした詳細タイミングを図８に示す。
【０００９】
図８からわかるように、パルスφＧ１がＨレベルからＬレベルに立ち下がるタイミングとパルスφＧ３がＬレベルからＨレベルに立ち上がるタイミングが同時である。パルスφＧ１がＨレベルの５０％まで下降したときにパルスφＧ３がＨレベルの５０％まで上昇している。
【００１０】
ｔ＝ｔ４ではパルスφＧ２及びφＧ３がＨレベル、その他のパルスがＬレベルになっており、転送電極Ｇ１の電極下にあった電荷は、フリンジ電界により２つの転送電極Ｇ２及びＧ３の電極下に転送されている（転送期間）。
【００１１】
ｔ＝ｔ５では、パルスφＧ２及びφＧ４が同時に変化する。つまり、パルスφＧ２がＨレベルからＬレベルに立ち下がると同時にパルスφＧ４がＬレベルからＨレベルに立ち上がる。この時の詳細タイミングは図８に示したパルスφＧ１及びφＧ３の変化と同様である。
【００１２】
ｔ＝ｔ６ではパルスφＧ３及びφＧ４がＨレベル、その他のパルスがＬレベルになっており、転送電極Ｇ２の電極下にあった電荷は、フリンジ電界により２つの転送電極Ｇ３及びＧ４の電極下に転送されている。
【００１３】
以後、同様にして、図４〜６において右方向へ電荷が転送され、最終的にＯＳ端子から電荷が出力される。この駆動方法方法では、第１の駆動方法における拡散期間、つまり電荷は３つのゲート電極Ｇ１、Ｇ２及びＧ３にわたって拡散している期間（図４〜６のｔ＝ｔ３，ｔ５，ｔ７，・・・，ｔ１７）は実質的に存在しない。２つのゲート電極Ｇ１及びＧ２、又はＧ２及びＧ３の電極下に電荷が存在する電荷転送期間が繰り返され、その２つのゲート電極が図４〜６において右方向へ移動していく。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の第１の駆動方法は、電荷拡散期間と電荷転送期間が交互に繰り返されることにより電荷移動は確実に行われる反面、転送時間が長くかかる点が不利である。つまり、電荷拡散期間と電荷転送期間がほぼ等しく、４電極ＣＣＤの１段当たりの転送に必要な時間は、例えばｔ＝ｔ１〜ｔ８の８単位時間となる。
【００１５】
一方、従来の第２の駆動方法では、上述のように電荷拡散期間が実質的に存在せず、電荷転送期間のみによって電荷転送が行われるので、第１の駆動方法の約半分の時間で電荷を転送することができる。しかし、例えば、パルスφＧ１の立ち下がりとパルスφＧ３の立ち上がりがほぼ同時に行われるので、そのタイミング制御がクリティカルでなければならない。仮に、パルスφＧ１の立ち下がりがパルスφＧ３の立ち上がりより早くなり、４つのゲートパルスパルスφＧ１〜φＧ４のうちφＧ２のみがＨレベルである期間が生じたとすると、転送電荷がその電極下からあふれることになる。あるいは、そのようなオーバーフローを防ぐために、最大転送電荷量を下げる必要が生ずる。ゲート容量が各電極で異なるため、ゲートに印加されるパルスのタイミングが正確に一致していても実際の素子内部のタイミングに差が生ずる場合もある。
【００１６】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、短時間での電荷転送を可能にしながら、ゲート容量のばらつき等に起因するパルス遅延時間の差の影響を受けにくい電荷転送装置の駆動方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による電荷転送装置の駆動方法は、２以上の数ｎ個の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって保持された電荷を、１又はｎ未満の数ｍ個ずれたｎ個の隣接する転送電極に対向する空乏層に移動させる動作を繰り返すことにより電荷を転送するものであり、前記電荷を移動させる動作において、電荷移動前のｎ個の転送電極及び電荷移動後のｎ個の転送電極を含むｎ＋ｍ個の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する状態を介在させ、ｎ＋ｍ個の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間を電荷移動後のｎ個の転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間より短く設定することを特徴とする。
【００１８】
具体的な構成として、転送電極に４相の転送パルスが順次印加され、２つの隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって保持された電荷を、１つずれた２つの隣接する転送電極に対向する空乏層に移動させる際に、電荷移動前の２つの転送電極及び電荷移動後の２つの転送電極を含む３つの隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する状態を介在させ、３つの隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間を電荷移動後の２つの転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間より短く設定する。
【００１９】
ｎ＋ｍ個（例えば３個）の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間をｎ個（例えば２個）の隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間の１〜１０％の範囲内に設定することが好ましい。
【００２０】
上記のような構成によれば、転送期間と次の転送期間との間に短時間の拡散期間を設けるので、等しい長さの転送期間と拡散期間が交互に発生する従来の第１の駆動方法に比べて短時間での電荷転送を可能にしながら、従来の第２の駆動方法の問題であったゲート容量のばらつき等に起因するパルス遅延時間の差の影響を受けにくい駆動方法を提供することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態は、従来例で説明した第２の駆動方法において、例えばパルスφＧ１及びφＧ３を同時に変化させるのではなく、パルスφＧ１がＨレベルからＬレベルに立ち下がるタイミングとパルスφＧ３がＬレベルからＨレベルに立ち上がるタイミングとの間にあらかじめ遅延時間を設けることが特徴である。
【００２２】
図８に示した従来のタイミングと異なり、本実施形態では図９に示すようなタイミングを設定する。つまり、パルスφＧ３がＨレベルの５０％まで上昇してから遅延時間Δｔ後にパルスφＧ１がＨレベルの５０％まで下降する。
【００２３】
従来例の第２の駆動方法の説明と同様に図４〜７をも参照しながら、本実施形態の駆動方法を説明する。
時刻ｔ＝ｔ１において、パルスφＧ１、φＧ２及びφＩＧがＨレベル、その他のパルスがＬレベルであり、電荷が注入される。時刻ｔ＝ｔ２ではφＩＧがＬレベルになっているので、電荷がゲート電極Ｇ１及びＧ２の下に貯められる。ｔ＝ｔ３において、パルスφＧ１及びφＧ３がほぼ同時に変化する。この時の時間軸を引き伸ばした詳細タイミングを図９に示す。
【００２４】
図９からわかるように、パルスφＧ３がＨレベルの５０％まで上昇してから遅延時間Δｔ後にパルスφＧ１がＨレベルの５０％まで下降する。遅延時間Δｔは、ゲート容量のばらつき等に起因して実際の素子内部で生じ得るタイミングの差を考慮して決められる。
【００２５】
通常、２つのゲート電極Ｇ１及びＧ２（又はＧ２及びＧ３）の電極下に電荷が保持される転送期間の１〜１０％の範囲内に設定することが好ましい。１％以上であれば、ゲート容量のばらつき等に起因して実際の素子内部で生ずるタイミング差によりパルスφＧ３の立ち上がりタイミングよりパルスφＧ１の立ち下がりタイミングが早くなることはない。また、１０％以下であれば、遅延時間Δｔを設けたことによる転送時間の増加は小さく、従来例の第２の転送方法とほぼ同等の速さで電荷を転送することができる。なお、この実施形態の場合、遅延時間Δｔが、３つの隣接する転送電極に対向する空乏層にわたって電荷を保持する期間（拡散期間）に相当する。
【００２６】
つぎに、ｔ＝ｔ４において、パルスφＧ２及びφＧ３がＨレベル、その他のパルスがＬレベルになっており、転送電極Ｇ１の電極下にあった電荷は、フリンジ電界により２つの転送電極Ｇ２及びＧ３の電極下に転送されている（転送期間）。
【００２７】
ｔ＝ｔ５では、パルスφＧ２及びφＧ４がほぼ同時に変化する。つまり、パルスφＧ４がＨレベルの５０％まで上昇してから遅延時間Δｔ後にパルスφＧ２がＨレベルの５０％まで下降する。遅延時間Δｔは、図９に示したパルスφＧ１及びφＧ３間の遅延時間Δｔと同じであり、ゲート容量のばらつき等に起因して実際の素子内部で生じ得るタイミングの差を考慮して決められる。
【００２８】
ｔ＝ｔ６ではパルスφＧ３及びφＧ４がＨレベル、その他のパルスがＬレベルになっており、転送電極Ｇ２の電極下にあった電荷は、フリンジ電界により２つの転送電極Ｇ３及びＧ４の電極下に転送されている。以後、同様にして、図４〜６において右方向へ電荷が転送され、最終的にＯＳ端子から電荷が出力される。
【００２９】
なお、本発明の電荷転送装置の駆動方法は、４極駆動のＢＣＣＤに限らず、他の構造の電荷転送装置でも適用することができる。また、本発明の駆動方法が適用されるイメージセンサは２次元センサでも１次元センサでもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転送期間と次の転送期間との間に短時間の拡散期間を設けることにより、等しい長さの転送期間と拡散期間が交互に発生する従来の第１の駆動方法に比べて短時間での電荷転送を可能にしながら、従来の第２の駆動方法の問題であったゲート容量のばらつき等に起因するパルス遅延時間の差の影響を受けにくい駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電荷転送装置の転送部の電極構成を示す断面図
【図２】電荷転送装置のポテンシャル分布を示す図
【図３】従来の第１の駆動方法における各駆動パルスを示す図
【図４】電荷転送装置の電荷転送動作を説明するためのポテンシャル分布図
【図５】電荷転送装置の電荷転送動作を説明するためのポテンシャル分布図
【図６】電荷転送装置の電荷転送動作を説明するためのポテンシャル分布図
【図７】従来の第２の駆動方法における各駆動パルスを示す図
【図８】図７の駆動パルスの部分拡大図
【図９】本発明の駆動方法における駆動パルスの部分拡大図
【符号の説明】
１  Ｐ型基板
２  ｎ-埋め込み層
３  ｎ+拡散層
Ｇ１〜Ｇ４転送電極
ＩＳ  入力ソース電極
ＩＧ  入力ゲート電極
ＯＧ  出力ゲート電極
ＯＳ  信号出力電極
ＯＤ  出力ドレイン電極
ＲＧ  リセットゲート電極
【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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