(57)【要約】【課題】高速駆動と過剰電荷掃き出しが可能な固体撮像装置と駆動方法の提供。【解決手段】固体撮像装置１は、垂直転送部１０２の信号電荷を水平転送するｎ行の水平転送部１１１〜１１３と、水平転送部間での垂直電荷転送を制御する水平間ゲート部ＨＨＧと、水平転送部から電荷を掃き出す水平ドレイン１１５と、電荷掃き出しを制御するドレイン制御ゲート１１４とを備える。各水平転送部は、第１〜４の水平転送ゲートを繰り返し含む。第１ＨＨＧは、垂直転送部側から電荷を受け取ると共に、反対側に電荷を送り出す。垂直方向に並ぶ水平転送ゲートは共通のパルス、各ＨＨＧ及びドレイン制御ゲートは異なるパルスで駆動される。【選択図】図２
2014131248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に配列された複数の受光部と、
それぞれが前記受光部の列に対応して設けられ、該対応する受光部の列の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の垂直転送部により転送された前記信号電荷を水平方向に転送するｎ行（ｎは２以上の整数）の水平転送部と、
前記水平転送部の間にそれぞれ配置され、前記水平転送部間における垂直方向の電荷の転送を制御する水平間ゲート部と、
最も前記垂直転送部とは離れた側に位置する第ｎ行の前記水平転送部に対して前記垂直転送部とは反対側に設けられ、前記水平転送部から電荷を掃き出すための水平ドレインと、
第ｎ行の前記水平転送部と前記水平ドレインとの間に設けられ、前記第ｎ行の前記水平転送部から前記水平ドレインへの電荷の転送を制御するドレイン制御ゲートと、
前記水平転送部の一方の端部から前記信号電荷を出力する出力部とを備え、
それぞれの前記水平転送部は、第１から第ｋ（ｋは４以上の整数）の水平転送ゲートをこの順に並ぶ１組として水平方向に繰り返し連続に含み、
前記水平転送部における第１の水平転送ゲートは、垂直方向について前記垂直転送部側から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、前記垂直転送部とは反対側に電荷を転送する送り出しゲート部であり、
垂直方向に並ぶ前記水平転送ゲートは共通の駆動パルスによって駆動され、
、それぞれの前記水平間ゲート部及び前記ドレイン制御ゲートは、異なるゲートパルスによって駆動されることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１の固体撮像装置において、
ｎは３以上であり、
前記第１行の水平転送部の前記第１の水平転送ゲートは、前記垂直転送部と接続され、前記垂直転送部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、垂直転送部とは反対側において前記水平間ゲート部と接し、前記水平間ゲート部へ電荷を転送することが可能な送り出しゲート部であり、
第２行から第ｎ−１行の前記水平転送部の前記第１の水平転送ゲートは、前記垂直転送部側及びその反対側の両方において前記水平間ゲート部と接し、前記垂直転送部側の前記水平間ゲート部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、前記垂直転送部とは反対側の前記水平間ゲート部へ電荷を転送する送り出しゲート部であり、
前記第ｎ行の水平転送部の前記第１の水平転送ゲートは、前記垂直転送部側において前記水平間ゲート部と接すると共に、前記垂直転送部とは反対側において前記ドレイン制御ゲートと接しており、水平間ゲート部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、前記水平ドレインへ電荷を掃き出す送り出しゲート部であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１の固体撮像装置において、
ｎは２であり、
前記第１行の水平転送部の前記第１の水平転送ゲートは、前記垂直転送部と接続され、前記垂直転送部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、垂直転送部とは反対側において前記水平間ゲート部と接し、前記水平間ゲート部へ電荷を転送することが可能な送り出しゲート部であり、
前記第２行の水平転送部の前記第１の水平転送ゲートは、前記垂直転送部側において前記水平間ゲート部と接すると共に、前記垂直転送部とは反対側において前記ドレイン制御ゲートと接しており、水平間ゲート部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、前記水平ドレインへ電荷を掃き出す送り出しゲート部であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つにおいて、
前記水平転送部は、相数がｋ相であるパルスによって駆動されることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
２次元状に配列された複数の受光部と、
それぞれが前記受光部の列に対応して設けられ、該対応する受光部の列の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
水平転送ゲートである第１から第ｋ（ｋは４以上の整数）の水平転送ゲートをこの順に並ぶ１組として水平方向に繰り返し連続に含み、前記複数の垂直転送部により転送された前記信号電荷を水平方向に転送するｎ行（ｎは２以上の整数）水平転送部と、
前記水平転送部の間にそれぞれ配置され、前記水平転送部間における垂直方向の電荷の転送を制御する水平間ゲート部と、
最も前記垂直転送部とは離れた側に位置する第ｎ行の前記水平転送部に対して前記垂直転送部とは反対側に設けられ、前記水平転送部から電荷を掃き出すための水平ドレインと、
第ｎ行の前記水平転送部と前記水平ドレインの間に設けられ、前記第ｎ行の前記水平転送部から前記水平ドレインへの電荷の転送を制御するドレイン制御ゲートと、
前記水平転送部の一方の端部から前記信号電荷を出力する出力部とを備える固体撮像装置の駆動方法において、
前記垂直転送部から第１行の前記水平転送部の第１水平転送ゲートに転送された前記信号電荷を、前記水平間ゲート部を介して、第１行の前記水平転送部から第ｎ行の前記水平転送部まで順次転送して、ｎ行分の垂直転送の信号電荷を各行の第１水平転送ゲートに蓄積する水平間転送工程と、
第１行から第ｎ行の前記水平転送部における各第１の水平転送ゲートに蓄積された電荷を、第１行から第ｎ行の前記水平転送部における第３の水平転送ゲートに輸送する水平シフト工程と、
前記第３の水平転送ゲートの両側に位置する前記水平転送ゲートにＬｏｗレベル電圧を印加することにより、前記第３の水平転送ゲートを挟むようにポテンシャルバリアを形成した状態において、第１の前記水平転送ゲートにＨｉｇｈレベル電圧を印加する過剰電荷の蓄積工程と、
前記水平間ゲート及び前記ドレイン制御ゲートに、順次Ｈｉｇｈレベル電圧を印加した後にＬｏｗレベル電荷を印加して、前記ドレイン制御ゲートを介して前記過剰電荷を前記水平ドレインに掃き出す過剰電荷掃き出し工程とを有し、
第１行から第ｎ行の前記水平転送部において、前記水平間転送工程、前記水平シフト工程、前記過剰電荷の蓄積工程及び前記過剰電荷掃き出し工程を行なった後、前記水平転送部に水平転送駆動パルスを印加し、前記信号電荷を前記各水平転送部により並行して出力することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記過剰電荷掃き出し工程を複数回行なった後に、前記各水平転送部による前記信号電荷の出力を行なうことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
請求項５又は６において、
前記水平転送駆動パルスは、相数がｋ相であることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、複数並列させた水平ＣＣＤを用いて水平転送する固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の映像フォーマットは多画素化によるデータの高精細化、高フレームレート化が進んでいる。例えば、テレビジョンでは従来のＮＴＳＣなどに代表されるＳＤ（スタンダードディフィニジョン）からハイビジョンなどのＨＤ（高精細・ハイデフィニジョン）へと移行し、更には２Ｋ４Ｋのように超高精細な次世代の映像フォーマットも存在する。
【０００３】
また高精細化だけでなく、これまで毎秒６０フィールド（３０fps 、２：１インターレース）が主流だったフレームレートも、プログレス６０fpsへと高速化し、１２０fps やそれ以上のフレームレートを実現する高速化の要望が強くなっている。更に高速化が必要な、科学計測用の撮像分野や、ＦＡ（ファクトリーオートメーション）等の工業用撮像分野では、６０fps から数百fps までの高速性が要求されている。
【０００４】
これらの映像・画像を撮影するには大量の画素情報を高速に読み出せるカメラ、即ち、画素情報の出力を高速化できる固体撮像装置が求められている。
【０００５】
一般的なＣＣＤ撮像素子の多くは、数百から数千列の垂直ＣＣＤにより転送された電荷信号を、１行の水平ＣＣＤで信号出力部に転送する構成を用いており、多画素化や高フレームレート化のためには、水平ＣＣＤを高速に駆動する必要がある。この問題を回避するために、複数本の水平ＣＣＤを配して画素信号出力レートを高速化する技術が、これまでにも実現されている。例えば、ＣＣＤ撮像素子の画素情報出力を高速化する方法の一つに、水平ＣＣＤを複数本配置して並列に電荷を転送することで、１つの水平ＣＣＤに印加する駆動パルスを低速化する技術がある。また、駆動周波数が同一であれば、水平ＣＣＤをｎ本構成して並列に電荷を転送することで、ｎ倍のフレームレートを実現できる。
【０００６】
以下、図２０を用いて、従来の複数本の水平ＣＣＤを配した個体撮像装置の構成を説明する。尚、従来の固体撮像装置は、複数行（ｎ行：ｎは２以上の整数）の水平ＣＤＤと各水平ＣＤＤ間に水平ＣＤＤ間の電荷の転送を行うｎ−１個の水平間ゲートから構成される。また、水平ＣＣＤは複数個（ｍ個：ｍは２以上の整数）の転送電極単位が複数個集まった転送段が、複数段集まって構成される。ここでは、ｎ＝２，ｍ＝４の場合を例に説明する。
【０００７】
図２０は従来の固体撮像装置の構成を示す図であり、図２１は従来の固体撮像装置における水平転送部のゲート構成を示す図である。
【０００８】
図２０及び図２１に示すように、従来の固体撮像装置における水平転送部は、並列する２行の水平ＣＣＤ９１１及び９１２と、これらの水平ＣＣＤ９１１及び９１２の間に設けられる水平間ゲート９２１と、水平ＣＣＤ９１２の過剰電荷を掃き出すための水平ドレイン９２３と、当該掃き出しの際に過剰電荷が乗り越える電位バリア９２２とから構成される。水平ＣＣＤ９１１及び９１２は複数段の転送段から構成され、各転送段は４つの転送電極を１組として構成される。水平間ゲート９２１にゲートパルスΦＨＨＧを印加することにより、水平ＣＣＤ９１１から水平ＣＣＤ９１２に信号電荷が転送される。
【０００９】
高輝度の被写体を撮像した時には、水平ＣＣＤ９１２の信号電荷のうち過剰電荷は電位バリア９２２を乗り越えて、水平ドレイン９２３に捨てられる。これにより、水平ＣＣＤのオーバーフローを抑制できる。
【００１０】
第１水平ＣＣＤ９１１と比較して、第２水平ＣＣＤ９１２の電位ポテンシャルは深く設計され、水平間転送ゲートＨＨＧ部の電位は斜めに設計されている。このような電位ポテンシャル構造によって第１水平ＣＣＤ９１１から第２水平ＣＣＤ９１２への水平間転送を行っている。
【００１１】
尚、４つの転送電極には４相のクロックパルスΦＨ１〜ΦＨ４が印加され、クロックパルスΦＨ１〜ΦＨ４の印加により、対応する転送電極に蓄積された信号電荷が水平転送される。
【００１２】
このような構成により、垂直転送された信号電荷を２つの水平ＣＣＤ９１１及び９１２に分散し、同時に転送することができるため、画素信号出力を高速化することを可能としている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１１４６３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
以上に説明した構成を用いることにより、２行の並列水平ＣＣＤの駆動が可能となり、画素データ出力レートを高速化できる。
【００１５】
また、このような構成の固体撮像装置によって高輝度被写体を撮像した際に生じる過剰電荷のうち、第２行の水平ＣＣＤの過剰電荷については、当該第２行の水平ＣＣＤと水平ドレインとの間の電位バリアを乗り越えることによって掃き出すことができる。しかし、第１行の水平ＣＣＤの過剰電荷の掃き出しはできない。
【００１６】
例えば、第１行の水平ＣＣＤの過剰電荷を水平ドレインから掃き出そうとすると、電荷パケットが存在する第２行の水平ＣＣＤを通過させなければならず、第１行の水平ＣＣＤの信号電荷と第２行の水平ＣＣＤの信号電荷が混合してしまい、正しい信号出力ができなくなるからである。
【００１７】
また、仮に第１行と第２行の転送パルス配線を独立させて、第２行の信号電荷パケットを水平方向に移動し、第１行の過剰電荷と混合しないようにしたとしても、第１行の水平ＣＣＤの過剰電荷を掃き出すことはできない。これは、水平ドレインへの電位バリアを越えるためには、第２行の水平ＣＣＤのパケットが電荷で満杯になるまで過剰電荷が蓄積されなければならないからである。
【００１８】
更に、垂直ＣＣＤと第１行の水平ＣＣＤの間に掃き出しドレインを形成することも考えられる。しかし、このためには、信号電荷を掃き出すための深い電位ポテンシャルの形成、ＤＣ電圧電源の接続等の複雑な構造が必要となり、現実的ではない。
【００１９】
従って、第１行の水平ＣＣＤの過剰電荷の掃き出しができない。そこで、第１行の水平ＣＣＤの過剰電荷がオーバーフローしないように、チャネル幅を大きく設計する必要がある。しかしながら、第１行の水平ＣＣＤのチャネル幅を大きく設計すると、水平ＣＣＤの転送ゲートの寄生容量が増加する。また、消費電力の増加、転送パルスの伝播遅延による水平転送効率の悪化が起こることもある。
【００２０】
また、並列して配置する水平ＣＣＤの行数を増加させてｎ行（ｎは３以上の整数）とした場合、第ｎ行の水平ＣＣＤの過剰電荷については、２行の並列水平ＣＣＤ構造における第２行と同様に過剰電荷を掃き出すことができる。しかし、第１行から第ｎ−１行の水平ＣＣＤについては、２行の並列水平ＣＣＤ構造における第１行と同様に、過剰電荷を掃き出すことができなくなる。
【００２１】
これに対し、高度な多画素化と映像フォーマットの高フレームレート化は普及型のデジタルカメラやビデオカメラから、科学計測や工業用カメラのようなマシンビジョンにまでも進んでおり、技術障壁を低くして簡便な構成で、高輝度被写体を撮像したときの過剰電荷のオーバーフローによる画質劣化がなく、画素信号の出力を高速化することが求められている。
【００２２】
そこで、本開示の技術は、簡易な構造であり、且つ、複数行の水平ＣＣＤの過剰電荷の掃き出しを可能にして、画素信号出力を高速化することが可能な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。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記の目的を達成するために、本開示の固体撮像装置は、２次元状に配列された複数の受光部と、それぞれが受光部の列に対応して設けられ、該対応する受光部の列の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、複数の垂直転送部により転送された信号電荷を水平方向に転送するｎ行（ｎは２以上の整数）水平転送部と、水平転送部の間にそれぞれ配置され、水平転送部間における垂直方向の電荷の転送を制御する水平間ゲート部と、最も垂直転送部とは離れた側に位置する第ｎ行の水平転送部に対して垂直転送部とは反対側に設けられ、水平転送部から電荷を掃き出すための水平ドレインと、第ｎ行の水平転送部と水平ドレインとの間に設けられ、第ｎ行の水平転送部から水平ドレインへの電荷の転送を制御するドレイン制御ゲートと、水平転送部の一方の端部から信号電荷を出力する出力部とを備え、それぞれの水平転送部は、第１から第ｋ（ｋは４以上の整数）の水平転送ゲートをこの順に並ぶ１組として水平方向に繰り返し連続に含み、水平転送部における第１の水平転送ゲートは、垂直方向について垂直転送部側から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、垂直転送部とは反対側に電荷を転送する送り出しゲート部であり、垂直方向に並ぶ水平転送ゲートは共通の駆動パルスによって駆動され、それぞれの水平間ゲート部及びドレイン制御ゲートは、異なるゲートパルスによって駆動される。
【００２４】
このような固体撮像装置によると、水平転送部に並ぶ各水平転送ゲートに所定のパターンでＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルの電圧を印加することにより、信号電荷が蓄積された水平転送ゲートから過剰電荷を別の水平転送ゲートに溢れさせることができる。つまり、複数の連続した水平転送ゲートを蓄積用のゲートとして信号電荷を蓄積した後、該信号電荷をより少ない数の水平転送ゲートに集めると共に、他の水平転送ゲートを空パケットとして準備する。これにより、蓄積用のゲートに入り切らなくなった電荷が過剰電荷として溢れ、空パケットに移動する。
【００２５】
更に、溢れさせた過剰電荷を垂直方向に転送し、水平ドレインに掃き出すことができる。これは、第ｎ行の水平転送部に隣接する水平ドレインを利用してｎ行全ての水平転送部について行なうことができるので、第１行から第ｎ−１行の水平転送部のチャネル幅を広くすることは不要であり、チップ面積の増加を招くこともなく簡易な構造にて実現できる。
【００２６】
これにより、例えば高輝度被写体を撮像する際にも過剰電荷による水平ＣＣＤのオーバーフローによる画質劣化を伴わずに複数行の水平ＣＣＤを用いて画素信号出力を高速化することができる。
【００２７】
尚、ｎは３以上であり、第１行の水平転送部の第１の水平転送ゲートは、垂直転送部と接続され、垂直転送部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、垂直転送部とは反対側において水平間ゲート部と接し、水平間ゲート部へ電荷を転送することが可能な送り出しゲート部であり、第２行から第ｎ−１行の水平転送部の第１の水平転送ゲートは、垂直転送部側及びその反対側の両方において水平間ゲート部と接し、垂直転送部側の水平間ゲート部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、垂直転送部とは反対側の水平間ゲート部へ電荷を転送する送り出しゲート部であり、第ｎ行の水平転送部の第１の水平転送ゲートは、垂直転送部側において水平間ゲート部と接すると共に、垂直転送部とは反対側においてドレイン制御ゲートと接しており、水平間ゲート部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、水平ドレインへ電荷を掃き出す送り出しゲート部であっても良い。
【００２８】
３行以上の水平転送部を有する（ｎが３以上である）場合には、このような構成とすることができる。
【００２９】
また、ｎは２であり、第１行の水平転送部の第１の水平転送ゲートは、垂直転送部と接続され、垂直転送部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、垂直転送部とは反対側において水平間ゲート部と接し、水平間ゲート部へ電荷を転送することが可能な送り出しゲート部であり、第２行の水平転送部の第１の水平転送ゲートは、垂直転送部側において水平間ゲート部と接すると共に、垂直転送部とは反対側においてドレイン制御ゲートと接しており、水平間ゲート部から電荷を受け取る受け取りゲート部であると共に、水平ドレインへ電荷を掃き出す送り出しゲート部であっても良い。
【００３０】
２行の水平転送部を有する（ｎが２である）場合には、このような構成とすることができる。
【００３１】
また、水平転送部は、相数がｋ相であるパルスによって駆動されてもよい。
【００３２】
水平転送部の駆動方法としてこのようにしてもよい。
【００３３】
また、前記の目的を達成するために、本開示の固体撮像装置の駆動方法は、２次元状に配列された複数の受光部と、それぞれが受光部の列に対応して設けられ、該対応する受光部の列の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、水平転送ゲートである第１から第ｋ（ｋは４以上の整数）の水平転送ゲートをこの順に並ぶ１組として水平方向に繰り返し連続に含み、複数の垂直転送部により転送された信号電荷を水平方向に転送するｎ行（ｎは２以上の整数）の水平転送部と、水平転送部の間にそれぞれ配置され、水平転送部間における垂直方向の電荷の転送を制御する水平間ゲート部と、最も垂直転送部とは離れた側に位置する第ｎ行の水平転送部に対して垂直転送部とは反対側に設けられ、水平転送部から電荷を掃き出すための水平ドレインと、第ｎ行の水平転送部と水平ドレインの間に設けられ、第ｎ行の水平転送部から水平ドレインへの電荷の転送を制御するドレイン制御ゲートと、水平転送部の一方の端部から信号電荷を出力する出力部とを備える固体撮像装置の駆動方法において、垂直転送部から第１行の水平転送部の第１水平転送ゲートに転送された信号電荷を、水平間ゲート部を介して、第１行の水平転送部から第ｎ行の水平転送部まで順次転送して、ｎ行分の垂直転送の信号電荷を各行の第１水平転送ゲートに蓄積する水平間転送工程と、第１行から第ｎ行の水平転送部における各第１の水平転送ゲートに蓄積された電荷を、第１行から第ｎ行の水平転送部における第３の水平転送ゲートに輸送する水平シフト工程と、第３の水平転送ゲートの両側に位置する水平転送ゲートにＬｏｗレベル電圧を印加することにより、第３の水平転送ゲートを挟むようにポテンシャルバリアを形成した状態において、第１の水平転送ゲートにＨｉｇｈレベル電圧を印加する過剰電荷の蓄積工程と、水平間ゲート及びドレイン制御ゲートに、順次Ｈｉｇｈレベル電圧を印加した後にＬｏｗレベル電圧をを印加して、ドレイン制御ゲートを介して過剰電荷を水平ドレインに掃き出す過剰電荷掃き出し工程とを有し、第１行から第ｎ行の水平転送部において、水平間転送工程、水平シフト工程、過剰電荷の蓄積工程及び過剰電荷掃き出し工程を行なった後、水平転送部に水平転送駆動パルスを印加し、信号電荷を各水平転送部により並行して出力する。
【００３４】
これは本開示の固体撮像装置の駆動方法であり、このようにすると、ｎ行全ての水平転送部について過剰電荷の掃き出しを行なうことができる。
【００３５】
尚、過剰電荷掃き出し工程を複数回行なった後に、各水平転送部による信号電荷の出力を行なっても良い。
【００３６】
このようにすると、より確実に過剰電荷を掃き出すことができ、過剰電荷による水平駆動部のオーバーフローをより確実に抑制できる。
【００３７】
また、水平転送駆動パルスは、相数がｋ相であっても良い。
【００３８】
このような水平駆動転送パルスを用いて、固体撮像装置を駆動することができる。
【発明の効果】
【００３９】
以上のように、複数行の水平駆動部を用いて水平転送する場合であっても、ｎ行の水平駆動部における過剰電荷を掃き出すことでオーバーフロー抑制することができ、チップ面積の増大を伴わずに複数行の水平駆動部を用いた画素信号出力の高速化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の固体撮像装置における水平転送部の構成を示す図である。
【図３】図３は、図１の固体撮像装置における動作タイミングを例示するタイミングチャートである。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＡ及びＢにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＣ及びＤにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＥ及びＦにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図７】図７（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＧ及びＨにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＩ及びＪにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図９】図９（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＫ及びＬにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＭ及びＮにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＯ及びＰにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＱ及びＲにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図１３】図１３（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＳ及びＴにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図１４】図１４（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＵ及びＶにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図１５】図１５（ａ）及び（ｂ）は、図１の固体撮像装置のタイミングＷ及びＸにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図１６】図１６は、図１の固体撮像装置のタイミングＹにおける信号電荷の状態を示す図である。
【図１７】図１７は、図１の固体撮像装置における水平転送部の電位ポテンシャル図である。
【図１８】図１８は、図１の固体撮像装置における第３水平ＣＣＤから水平ドレインへの電荷転送について示す図である。
【図１９】図１９は、図１の固体撮像装置における過剰電荷の分離について示す図である。
【図２０】図２０は、背景技術の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図２１】図２１は、背景技術の固体撮像装置における水平転送部のゲート構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本開示の一実施形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００４２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る例示的固体撮像装置の構成を模式的に示す図である。
【００４３】
固体撮像装置１は、図１に示されるように、２次元状に配列された光電変換手段としてのフォトダイオード１００（受光部）と、複数の読み出し部１０１と、シフトレジスタである複数の垂直ＣＣＤ１０２（垂直転送部）と、転送制御部１３０と、シフトレジスタである３行の水平ＣＣＤ（水平転送部）、つまり、第１水平ＣＣＤ１１１、第２水平ＣＣＤ１１２及び第３水平ＣＣＤ１１３と、第１水平ＣＣＤ１１１と第２水平ＣＣＤ１１２との間に行状に配置された第１水平間ゲート１２１（第１ＨＨＧ１２１）と、第２水平ＣＣＤ１１２と第３水平ＣＣＤ１１３との間に行状に配置された第２水平間ゲート１２２（第２ＨＨＧ１２２）と、ＤＣ電圧を印加し、過剰な電荷を掃き出すためのドレインである水平ドレイン１１５と、水平ドレイン１１５と第３水平ＣＣＤ１１３との間に行状に配置された水平ドレイン制御ゲート１１４（ＨＤＧ１１４）と、複数の信号出力部１５０とを備える。
【００４４】
複数の垂直ＣＣＤ１０２は、それぞれがフォトダイオード１００の列に対応して設けられ、対応するフォトダイオード１００の列から信号電荷を読み出し、当該信号電荷を垂直方向に転送する。また、垂直ＣＣＤ１０２は、垂直ＣＣＤゲート電極（図示せず）を有する。
【００４５】
転送制御部１３０は、複数の垂直ＣＣＤ１０２により転送された信号電荷を、選択的に第１水平ＣＣＤに転送する。転送制御部１３０は、転送制御ゲート電極（図示せず）を有する。
【００４６】
垂直転送部及び転送制御部の転送ゲートには、フォトダイオードからの電荷を読み出すためのＶ−Ｈｉｇｈレベル電圧、電荷を蓄積するためのＶ−Ｍｉｄｄｌｅレベル電圧、ポテンシャルウェルバリアを形成するためのＶ−Ｌｏｗレベル電圧を印加することができ、これによって固体撮像装置１を駆動する。
【００４７】
ここでは、垂直転送部及び転送制御部のＶ−Ｍｉｄｄｌｅレベル電圧は、水平転送部のＶ−Ｌｏｗレベル電圧と同一の電圧の駆動パルスであることとする。
【００４８】
上記構造を有する固体撮像装置では、フォトダイオード１００において光電変換が行われ、フォトダイオード１００に入射した光量に応じた量の信号電荷が生成される。生成した信号電荷は、読み出しを兼ねた垂直ＣＣＤゲート電極に印加される読み出しパルスにより、読み出し部１０１から垂直ＣＣＤ１０２に読み出される。読み出された信号電荷は、信号電荷パケットとして、垂直ＣＣＤゲート電極に印加される垂直転送パルスによって垂直ＣＣＤ１０２を垂直方向に転送される。以後、入力パルスを制御することにより、水平ＣＣＤへの流入、水平ＣＣＤ間転送、水平ドレインへの過剰電荷の掃き出し、水平ＣＣＤでの水平転送が行われる。
【００４９】
次に、図２は本実施形態の固体撮像装置１における水平転送部の構成を示す図であり、それぞれＣＣＤからなる３行の水平転送部を設ける場合を示している。図２には、図１の転送制御部１３０、水平ＣＣＤ（第１水平ＣＣＤ１１１、第２水平ＣＣＤ１１２及び第３水平ＣＣＤ１１３）、第１ＨＨＧ１２１、第２ＨＨＧ１２２、水平ドレイン制御ゲート１１４及び水平ドレイン１１５について、一部の詳細が示されている。
【００５０】
また、図３は、本実施形態の固体撮像装置１における動作タイミングを例示するタイミングチャートであり、転送制御部１３０、第１水平ＣＣＤ１１１〜第３水平ＣＣＤ１１３、第１ＨＨＧ１２１及び第２ＨＨＧ１２２、水平ドレイン制御ゲート１１４の駆動パルスについて示している。ここで、ΦＶｘは図示していない垂直ＣＣＤゲート、ΦＶＬは垂直ＣＣＤ最終ゲート部１３１、ΦＨ１〜４は水平転送部（第１〜第３水平ＣＣＤ１１１〜１１３）における第１〜第４の水平転送ゲート（Ｈ１ゲート部１４１〜Ｈ４ゲート部１４４）、ΦＨＨＧ１及びΦＨＨＧ２は第１水平間ゲート１２１（第１ＨＨＧ１２１）及び第２水平間ゲート１２２（第２ＨＨＧ１２２）ΦＨＤＧは水平ドレイン制御ゲート１１４（ＨＤＧ１１４）にそれぞれ印加するゲートパルスを示している。
【００５１】
また、図１７に、垂直ＣＣＤ１０２、転送制御部１３０、第１水平ＣＣＤ１１１、第１ＨＨＧ１２１、第２水平ＣＣＤ１１２、第２ＨＨＧ１２２、第３水平ＣＣＤ１１３、水平ドレイン制御ゲート１１４、水平ドレイン１１５の電位ポテンシャル図を示す。ポテンシャルバリアによって区切られる連続したポテンシャルウェルが形成されており、複数の信号電荷から成る信号電荷パケットを転送する。
【００５２】
つまり、第１水平ＣＣＤ１１１と比較して第２水平ＣＣＤ１１２の電位ポテンシャルは深く設計されている。更に、第２水平ＣＣＤ１１２と比較して第３水平ＣＣＤ１１３の電位ポテンシャルは深く設計されている。また、第１ＨＨＧ１２１、第２ＨＨＧ１２２及び水平ドレイン制御ゲート１１４のゲート制御部分の電位ポテンシャルには、電位の傾斜をつける設計がなされている。
【００５３】
この電位ポテンシャル設計により、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ１ゲート部１４１から、第１ＨＨＧ１２１のゲート部分を介して、第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲート部１４１への電荷転送が行われる。同様に、第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲート部１４１から、第２ＨＨＧ１２２のゲート部分を介して、第３水平ＣＣＤ１１３のＨ１ゲート部１４１への電荷転送が行われる。同様に、第３水平ＣＣＤ１１３のＨ１ゲート部１４１から、水平ドレイン制御ゲート１１４（ＨＤＧ１１４）のゲート部分を介して、水平ドレイン１１５への電荷転送が行われる。図１８には、最後の場合を示している。つまり、ＨＤＧ１１４のゲート部分の電圧がＬｏｗレベル（バリア）となっており、第３水平ＣＣＤ１１３に電荷が蓄積された状態から、ゲート部分の電圧がＨｉｇｈレベルに変化してバリアが無くなることで電荷が水平ドレイン１１５に転送され、その後、ゲート部分の電圧が再度Ｌｏｗレベルに戻る過程が示されている。
【００５４】
図２に示す通り、水平ＣＣＤを構成する第１〜第３の水平ＣＣＤ１１１〜１１３は、いずれも４種類の水平転送ゲート、つまり、Ｈ１ゲート部１４１、Ｈ２ゲート部１４２、Ｈ３ゲート部１４３及びＨ４ゲート部１４４がこの順に繰り返し並んだ構成を有する。各水平ＣＣＤにおける水平転送ゲートの配置は互いに同じであり、各ゲート部１４１〜１４４は垂直方向に並んでいる。また、各水平ＣＣＤゲートのうちＨ１ゲート部１４１は、水平ＣＣＤ間における垂直方向の電荷転送の受け取りゲートとしての機能と、送り出しゲートとしての機能を兼ねる。
【００５５】
第１水平ＣＣＤ１１１は、転送制御部１３０により転送された信号電荷の一部について、水平方向に転送する動作と、垂直ＣＣＤ１０２とは反対側の垂直方向に（つまり、第１ＨＨＧ１２１に）転送する動作が可能である。
【００５６】
また、第１水平ＣＣＤ１１１は、受け取りゲート部であって、Ｈ４ゲート部１４４及びＨ１ゲート部１４１が垂直ＣＣＤ最終ゲート部１３１と接続されている。垂直ＣＣＤ最終ゲート部１３１から第１水平ＣＣＤ１１１へ信号電荷を転送する際は、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ４ゲート部１４４及びＨ１ゲート部１４１にＨｉｇｈレベル電圧を印加し、垂直ＣＣＤ最終ゲート部１３１にＬｏｗレベル電圧を印加する。このようにして、信号電荷を第１水平ＣＣＤ１１１のＨ４ゲート部１４４又はＨ１ゲート部１４１によって受け取る。
【００５７】
次に、第１ＨＨＧ１２１は、上段の第１水平ＣＣＤ１１１の送り出しゲート部と下段の第２水平ＣＣＤ１１２の受け取りゲート部との間に水平間ゲートとして設けられている。これにより、第１ＨＨＧ１２１は、第１水平ＣＣＤ１１１により転送された信号電荷を垂直方向に（つまり、第２水平ＣＣＤ１１２に）転送する。また、第１ＨＨＧ１２１は、第１ＨＨＧゲート電極１５１を有する。第１ＨＨＧゲート電極１５１には、垂直方向に隣接する第１水平ＣＣＤ１１１と第２水平ＣＣＤ１１２との間における信号電荷の転送を制御するためのΦＨＨＧ１が入力される。
【００５８】
次に、第２水平ＣＣＤ１１２は、第１ＨＨＧ１２１により転送された信号電荷の一部を水平方向に転送する動作と、垂直方向に（つまり、第２ＨＨＧ１２２に）転送する動作が可能である。
【００５９】
次に、第２ＨＨＧ１２２は、上段の第２水平ＣＣＤ１１２の送り出しゲート部と下段の第３水平ＣＣＤ１１３の受け取りゲート部との間に水平間ゲートとして設けられている。これにより、第２水平ＣＣＤ１１２により転送された信号電荷を垂直方向に（つまり、第３水平ＣＣＤ１１３に）転送する。また、第２ＨＨＧ１２２は、第２ＨＨＧゲート電極１５２を有する。第２ＨＨＧゲート電極１５２には、垂直方向に隣接する第２水平ＣＣＤ１１２と第３水平ＣＣＤ１１３との間における信号電荷の転送を制御するためのΦＨＨＧ２が入力される。
【００６０】
次に、第３水平ＣＣＤ１１３は、第２ＨＨＧ１２２により転送された信号電荷を水平方向に転送する動作と、垂直方向に水平ドレイン制御ゲート１１４を介して水平ドレイン１１５へ転送する動作が可能である。
【００６１】
次に、水平ドレイン制御ゲート１１４は、第３水平ＣＣＤ１１３の送り出しゲート部から下段の水平ドレイン１１５への掃き出し転送用ゲートとして設けられている。水平ドレイン制御ゲート１１４は、第３水平ＣＣＤ１１３により転送された信号電荷を垂直方向に（つまり、水平ドレイン１１５に）転送する。また、水平ドレイン制御ゲート１１４は、ＨＤＧゲート電極１５３を有する。ＨＤＧゲート電極１５３には、隣接する第３水平ＣＣＤ１１３と水平ドレイン１１５との間の信号電荷の転送を制御するΦＨＤＧが入力される。
【００６２】
第１〜第３水平ＣＣＤ１１１〜１１３の全てのゲート部（Ｈ１ゲート部１４１〜Ｈ４ゲート部１４４）、第１ＨＨＧ１２１、第２ＨＨＧ１２２、水平ドレイン制御ゲート１１４に対し、それぞれクロックパルスΦＨ１、ΦＨ４、ΦＨ３、ΦＨ２、ΦＨＨＧ１、ΦＨＨＧ２、ΦＨＤＧが接続され、各ゲート下のポテンシャルウェルは、ゲートにＨｉｇｈレベル電圧及びＬｏｗレベル電圧を印加されることにより駆動される。
【００６３】
各水平ＣＣＤのＨ１ゲート部１４１〜Ｈ４ゲート部１４４（送り出しゲート部、受け取りゲート部を含む）、第１ＨＨＧ１２１及び第２ＨＨＧ１２２、水平ドレイン制御ゲート１１４の各ゲートは、Ｈｉｇｈレベル電圧が印加されるとゲート下ポテンシャルウェルに電荷を蓄積し、Ｌｏｗレベル電圧が印加されるとゲート下ポテンシャルウェルがバリアを形成することによって電荷の移動を駆動する。
【００６４】
また、第１ＨＨＧ１２１にはゲートパルスΦＨＨＧ１が接続され、第２ＨＨＧ１２２にはゲートパルスΦＨＨＧ２が接続され、水平ドレイン制御ゲート１１４の水平ドレイン制御ゲートにはゲートパルスΦＨＤＧが接続され、Ｈｉｇｈレベル電圧およびＬｏｗレベル電圧を印加されることで駆動される。
【００６５】
電荷の転送を行なう際には、転送方向前後のゲート下のポテンシャルをＬｏｗレベルにすることによりポテンシャルバリアを形成する。例えば、第１行（第１水平ＣＣＤ１１１）の水平転送部の送り出しゲート部（Ｈ１ゲート部１４１）に転送された信号電荷を、隣接する第２行（第２水平ＣＣＤ１１２）の水平転送部の受け取りゲート部へ転送する場合を考える。この場合、まず、送り出しゲート部の水平転送方向に対して前後の受け取りゲート部（Ｈ２ゲート部１４２及びＨ４ゲート部１４４）にＬｏｗレベル電圧を印加し、送り出しゲート部を挟み込むようにポテンシャルバリアを形成する。次に、水平間ゲート（第１ＨＨＧゲート電極１５１）にＨｉｇｈレベル電圧を印加した後、続いて、水平間ゲートにＬｏｗレベル電圧を印加する。これにより、信号電荷を、水平間ゲートを介して隣接する第２行の水平転送部の受け取りゲート部であるＨ１ゲート部１４１に転送する。
【００６６】
また、第３行（第３水平ＣＣＤ１１３）の水平転送部の送り出しゲート部（Ｈ１ゲート部１４１）に転送された信号電荷を、隣接する水平ドレイン１１５へ転送する場合を考える。このとき、まず、送り出しゲート部の水平転送方向に対して隣接するゲート部（Ｈ２ゲート部１４２及びＨ４ゲート部１４４）にＬｏｗレベル電圧を印加し、送り出しゲート部を挟み込むようにポテンシャルバリアを形成する。次に、水平ドレイン制御ゲートにＨｉｇｈレベル電圧を印加した後、続いて、水平ドレイン制御ゲート１１４（ＨＤＧゲート電極１５３）にＬｏｗレベル電圧を印加する。これにより、信号電荷を水平ドレイン制御ゲートを介して隣接する水平ドレインへ掃き出す。
【００６７】
次に、図４（ａ）〜図１６は、本実施形態に係る固体撮像装置１の各タイミングにおける信号電荷の状態及び各部に印加された電圧を示す図であり、順に、図３に示す駆動パルスにおけるＡ〜Ｙのタイミングに対応する信号電荷パケット１９０を示している。
【００６８】
以下、これについてより詳しく説明する。
【００６９】
まず、図４（ａ）に示すタイミングＡにおいて、読み出し部１０１のΦＶｘにｈｉｇｈレベルの電圧を印加し、垂直ＣＣＤ１０２のΦＶＬにＨｉｇｈレベルの電圧を印加することにより、転送制御部１３０を介して信号電荷パケット１９０を垂直方向に転送する。この際、Ｈ１ゲート部１４１及びＨ４ゲート部１４４にはＨｉｇｈレベル電圧、Ｈ２ゲート部１４２、Ｈ３ゲート部１４３、第１ＨＨＧ１２１及び第２ＨＨＧ１２２にはＬｏｗレベル電圧が印加されている。
【００７０】
続いて、図４（ｂ）に示すタイミングＢにおいて、ΦＶｘ及びΦＶＬの電圧をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。これにより、信号電荷パケット１９０に垂直ＣＣＤ最終ゲート部１３１を通過させて、第１水平ＣＣＤ１１１（Ｈ１ゲート部１４１及びＨ４ゲート部１４４）に流入させる。
【００７１】
続いて、図５（ａ）に示すタイミングＣにおいて、Ｈ４ゲート部１４４の電圧がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わる。この結果、Ｈ４ゲート部１４４と、既にＬｏｗレベル電圧が印加されているＨ２ゲート部１４２とに挟まれるＨ１ゲート部１４１（Ｈｉｇｈレベル）に信号電荷パケット１９０が移動する。
【００７２】
続いて、図５（ｂ）に示すタイミングＤにおいて、第１ＨＨＧ１２１のΦＨＨＧ１をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える。これにより、信号電荷パケット１９０は第１ＨＨＧ１２１を通過する。
【００７３】
続いて、図６（ａ）に示すタイミングＥにおいて、第１ＨＨＧ１２１のΦＨＨＧ１をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。これにより、信号電荷パケット１９０は、第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲート部１４１に移動する。
【００７４】
以上により、転送制御部１３０から第１水平ＣＣＤ１１１へ転送された第１行の信号電荷パケット１９０が、第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲートに保持された状態となる。
【００７５】
続いて、図６（ｂ）に示すタイミングＦにおいて、ΦＶｘ及びΦＶＬの電圧をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えると共に、Ｈ４ゲート部１４４の電圧をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える。これにより、転送制御部１３０を介して信号電荷パケット１９０を垂直方向に転送する。このタイミングＦにおける駆動パルスの状態は、初めに転送制御部１３０から第１水平ＣＣＤ１１１に信号電荷パケット１９０を転送したタイミングＡにおける駆動パルスの状態と同じである。
【００７６】
続いて、図７（ａ）に示すタイミングＧにおいて、ΦＶｘ及びΦＶＬの電圧をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。これにより、垂直ＣＣＤ１０２を転送されてきた第２行の信号電荷パケット１９０が垂直ＣＣＤ最終ゲート部１３１を通過し、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ４ゲート部１４４及びＨ１ゲート部１４１に流入する。この時の駆動パルスの状態は、タイミングＢの駆動パルスの状態と同じである。
【００７７】
この後も、第１行と類似の工程となる駆動パルスが印加される。
【００７８】
具体的に、図７（ｂ）に示すタイミングＨにおいて、Ｈ４ゲート部１４４の電圧がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わると、Ｈ１ゲート部１４１に電荷が集中する。つまり、第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲート部１４１に第１行の信号電荷パケット１９０が配置されると共に、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ１ゲート部１４１に第２行の信号電荷パケット１９０が配置される。
【００７９】
続いて、図８（ａ）に示すタイミングＩにおいて、第２ＨＨＧ１２２のΦＨＨＧ２をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える。これにより、第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲート部１４１に位置していた第１行の信号電荷パケット１９０は、第２ＨＨＧ１２２を通過する。
【００８０】
続いて、図８（ｂ）に示すタイミングＪにおいて、第２ＨＨＧ１２２のΦＨＨＧ２をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。これにより、第１行の信号電荷パケット１９０は、第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲート部１４１に移動する。
【００８１】
続いて、図９（ａ）に示すタイミングＫにおいて、第１ＨＨＧ１２１のΦＨＨＧ１をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える。これにより、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ１ゲート部１４１に位置していた第２行の信号電荷パケット１９０は、第１ＨＨＧ１２１を通過する。
【００８２】
続いて、図９（ｂ）に示すタイミングＬにおいて、第１ＨＨＧ１２１のΦＨＨＧ１をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。これにより、第２行の信号電荷パケット１９０は、第３水平ＣＣＤ１１３のＨ１ゲート部１４１に移動する。
【００８３】
以上により、転送制御部１３０から第１水平ＣＣＤ１１１へ転送された第１行及び第２行の信号電荷パケット１９０が、順に、第３水平ＣＣＤ１１３のＨ１ゲート部１４１及び第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲートに保持された状態となる。
【００８４】
続いて、図１０（ａ）に示すタイミングＭにおいて、ΦＶｘ及びΦＶＬの電圧をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えると共に、Ｈ４ゲート部１４４の電圧をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える。これにより、転送制御部１３０を介して信号電荷パケット１９０を垂直方向に転送する。
【００８５】
続いて、図１０（ｂ）に示すタイミングＮにおいて、ΦＶｘ及びΦＶＬの電圧をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。これにより、垂直ＣＣＤ１０２を転送されてきた第３行の信号電荷パケット１９０が垂直ＣＣＤ最終ゲート部１３１を通過し、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ４ゲート部１４４及びＨ１ゲート部１４１に流入する。
【００８６】
以上により、第１〜第３の水平ＣＣＤ１１１〜１１３におけるＨ４ゲート部１４４及びＨ１ゲート部１４１は、それぞれ信号電荷パケット１９０によって満たされた状態となる。
【００８７】
次に、過剰電荷掃き出しの準備である水平シフト工程を行なう。
【００８８】
具体的に、図１１（ａ）に示すタイミングＯにおいて、３行の水平ＣＣＤ全てにおけるＨ２ゲート部１４２のΦＨ２パルスがＬｏｗレベル電圧からＨｉｇｈレベル電圧に変化すると共に、Ｈ４ゲート部１４４のΦＨ４パルスがＨｉｇｈレベル電圧からＬｏｗレベル電圧に変化する。これにより、各水平ＣＣＤにおいて、Ｈ１ゲート部１４１及びＨ４ゲート部１４４に位置していた信号電荷パケット１９０は、Ｈ２ゲート部１４２及びＨ１ゲート部１４１に移動する。
【００８９】
続いて、図１１（ｂ）に示すタイミングＰにおいて、３行の水平ＣＣＤ全てにおけるΦＨ３パルスの電圧がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化すると共に、ΦＨ１パルスの電圧がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化する。これにより、各水平ＣＣＤにおいて、信号電荷パケット１９０は、Ｈ３ゲート部１４３及びＨ２ゲート部１４２に移動する。
【００９０】
続いて、３行の水平ＣＣＤそれぞれにおいて、信号電荷パケット１９０の過剰電荷を掃き出すための電荷量制限の工程を行なう。
【００９１】
まず、図１２（ａ）に示すタイミングＱにおいて、３行の水平ＣＣＤ全てにおけるΦＨ２パルスの電圧がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化し、ΦＨ３パルスの電圧はＨｉｇｈレベルを維持する。また、ΦＨ２パルスの変化と同時に、ΦＨ１パルスの電圧がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する。
【００９２】
このように、Ｈ１ゲート部１４１及びＨ３ゲート部１４３にはＨｉｇｈレベル電圧、Ｈ２ゲート部１４２及びＨ４ゲート部１４４にはＬｏｗレベル電圧が印加された状態とする。これにより、Ｈ３ゲート部１４３の１ゲートにより信号電荷パケット１９０を蓄積することになり、且つ、Ｈ１ゲート部１４１には信号電荷が存在しない空のパケットである電荷蓄積パケットが発生する。
【００９３】
ここで、タイミングＰにおいてＨ３ゲート部１４３及びＨ２ゲート部１４２の２ゲートに蓄積されていた電荷が、タイミングＱではＨ３ゲート部１４３の１ゲートに蓄積されることになる。このように、電荷の蓄積に用いるゲートを２ゲートから１ゲートに絞られると、１ゲートでは電荷を受け入れることができない。そこで、過剰な電荷は、Ｈ３ゲート部１４３に隣接しているＨ２ゲート部１４２及びＨ４ゲート部１４４のＬｏｗレベル電圧におる電位バリアを乗り越え、空のパケットであるＨ１ゲート部１４１に移動して蓄積される。
【００９４】
図１９に、このようにしてＨ３ゲート部１４３の過剰電荷１９１が電位バリアを乗り越えてＨ１ゲート部１４１に移動し蓄積される動作を示す。
【００９５】
このように、本実施形態では、水平ＣＣＤのゲート下における電位バリアを利用して過剰電荷を絞り出し、水平転送動作にて掃き出す。
【００９６】
尚、Ｈ３ゲート部１４３のゲート面積等の特性を設計することにより、固体撮像装置の飽和電荷量を設計することができる。
【００９７】
続いて、３行の水平ＣＣＤにおけるＨ１ゲート部１４１に蓄積された過剰電荷は不要な電荷であるから、水平ドレイン１１５に掃き出す。このためには、ΦＨ１と、水平間転送パルスΦＨＨＧ１及びΦＨＨＧ２と、水平ドレイン制御パルスΦＨＤＧとを制御し、３行の水平ＣＣＤにおけるＨ１ゲート部１４１の過剰電荷を順次転送する。
【００９８】
具体的には、図１２（ｂ）に示すタイミングＲにおいて、ΦＨＨＧ１の電圧をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させる。これにより、第１水平ＣＣＤ１１１のＨ１ゲート部１４１における過剰電荷は、第１ＨＨＧ１２１を通過する。
【００９９】
続いて、図１３（ａ）に示すタイミングＳにおいて、ΦＨＨＧ１の電圧をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させる。これにより、第１水平ＣＣＤ１１１の過剰電荷パケットは第２水平ＣＣＤ１１２のＨ１ゲート部１４１に移動し、そこに存在する第２水平ＣＣＤ１１２の過剰電荷パケットに加算される。
【０１００】
同様に、図１３（ｂ）及び図１４（ａ）に示すタイミングＴ及びタイミングＵにおいて、ΦＨＨＧ２の電圧を一旦ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させた後、再びＬｏｗレベルに戻す。これにより、第２水平ＣＣＤ１１２の過剰電荷パケットが第２ＨＨＧ１２２を通過して、第３水平ＣＣＤ１１３のＨ１ゲート部１４１に移動し、そこに存在する第３水平ＣＣＤ１１３の過剰電荷パケットに加算される。
【０１０１】
続いて、図１４（ｂ）及び図１５（ａ）に示すタイミングＶ及びタイミングＷにおいて、ΦＨＤＧの電圧を一旦ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させた後、再びＬｏｗレベルに戻す。これにより、第３水平ＣＣＤ１１３のＨ１ゲート部１４１に蓄積された３行分の過剰電荷パケットが、水平ドレイン制御ゲート１１４を通過して水平ドレイン１１５に掃き出される。
【０１０２】
以上の動作により、第１水平ＣＣＤ１１１、第２水平ＣＣＤ１１２及び第３水平ＣＣＤ１１３のＨ１ゲート部１４１に蓄積されていた過剰電荷パケットを順次転送して、水平ドレイン１１５に掃き出すことができる。
【０１０３】
この後、図１５（ｂ）に示すタイミングＸにおいて、ΦＨＤＧの電圧をＨｉｇｈレベルに変化からＬｏｗレベルに変化させる。また、ΦＨ１の電圧をＨｉｇｈレベルに変化からＬｏｗレベルに変化させると共に、ΦＨ４の電圧をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させる。これにより、Ｈ３ゲート部１４３に蓄積されていた信号電荷パケット１９０は、Ｈ３ゲート部１４３及びＨ４ゲート部１４４に位置するようになる。
【０１０４】
続いて、図１６に示すタイミングＹにおいて、ΦＨ１の電圧をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させると共に、ΦＨ３の電圧をＨｉｇｈからＬｏｗレベルに変化させる。これにより、信号電荷パケット１９０は、Ｈ３ゲート部１４３及びＨ４ゲート部１４４の２ゲートから、Ｈ４ゲート部１４４及びＨ１ゲート部１４１の２ゲートに移動する。
【０１０５】
このように、水平転送パルスが３行の水平ＣＣＤに印加させることにより、信号電荷パケット１９０は信号出力部１５０に水平転送される。
【０１０６】
以上のように、本実施形態では、水平転送ＣＣＤを３行以上並列に配置し、水平ＣＣＤ間の転送と、水平ＣＣＤと水平ドレイン間の転送とを行う。また、各水平ＣＣＤを４種類のゲート部が繰り返される構成し、同じ種類のゲート部には同じクロックパルスを入力する構成とする。これにより、３行の水平ＣＣＤの過剰電荷を制御しながら、フレームレートを１行の水平ＣＣＤを用いた場合の３倍にすることができる。従って、水平転送を高速にしながらチップ面積の増加や消費電力の増加や水平転送効率の劣化を抑制し、高輝度被写体の撮像時に水平ＣＣＤのオーバーフローによる画質劣化の無い画像を撮影することができる。
【０１０７】
尚、本実施の形態は、３行の水平ＣＣＤが並列する例を挙げて説明した。しかしながら、本開示の構造を用いれば、水平ＣＣＤが２行又は４行以上並列する構成においても同様の効果を享受できる。
【０１０８】
また、Ｈ１ゲート部１４１から水平ドレイン１１５への過剰電荷の転送工程を複数回行なっても良い。これにより、転送劣化の原因となる電荷ポケットが存在する場合、及び、微小な信号電荷である場合にも、転送劣化を抑制して転送することができる。従って、水平チャンネル間転送の転送劣化による縦線などの画質劣化を防ぐことができる。
【０１０９】
また、本実施形態では、各画素のフォトダイオードの出力を加算せず出力するプログレッシブ動作について説明した。しかしながら、これには限らない。
【０１１０】
つまり、複数の垂直転送路から流入した信号電荷を水平ＣＣＤにおいて信号加算する水平画素加算の動作を行う場合にも、固体撮像装置の飽和電荷量を水平ＣＣＤによって制御できるので、画素加算の駆動パルスタイミングの設計自由度を高められる。
【０１１１】
また、一般的に画素加算動作の場合は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤのオーバーフローの防止のために、フォトダイオード１００の信号電荷量を制御する。このために、固体撮像装置の半導体基板電圧を決定する基板電圧制御が必要である。これに対し、本実施形態では、水平ＣＣＤによって飽和電荷量を制御できるので、基板電圧の制御が不要となる。従って基板電圧変調回路を固体撮像装置に実装する必要がなく、固体撮像装置のチップ面積の縮小が可能である。
【０１１２】
また、水平ＣＣＤのレイアウト設計において、過剰電荷を掃き出すことを前提にした固体撮像装置の飽和電荷量の設計が可能であるから、水平ＣＣＤの転送チャネル幅を縮小できる。これにより、レイアウト上の制約を軽減し、固体撮像装置のレイアウト設計の自由度を高められる。
【０１１３】
また、水平ＣＣＤ間転送と、水平ドレインへの電荷掃き出しのための転送（タイミングＱ〜Ｖ、図１２（ａ）〜図１４（ｂ））を複数回行うことにより、水平ＣＣＤ間の電荷転送時に、電荷転送路内の局所的な電荷ポケットによる転送残りに起因する転送効率低下を防ぐことも可能である。
【０１１４】
また、水平ドレインに対して過剰電荷の掃き出しを行いつつ、特定の垂直ＣＣＤ列からの信号電荷も掃き出しドレインに捨てることによって、映像信号の列間引きによる水平方向の出力信号の削減が可能である。これにより、映像信号の出力レートの高速化が一層可能である。
【０１１５】
また、水平ＣＣＤのパルス相数については、４相以外でも可能である。例えば、水平ＣＣＤをＨ１〜Ｈ６の６つのゲート部の繰り返しにより構成し、水平ＣＣＤ転送パルスをＨ１〜Ｈ６の６相の駆動パルスで転送するようにしても良い。この場合にも、過剰電荷掃き出し用の空パケットの形成が可能であり、本実施形態と同様に、水平ＣＣＤにおける過剰電荷の掃き出しを行いながら高速化が可能である。またこの場合、３ゲート以上の連続したゲート部に信号電荷を蓄積した後、電荷の蓄積に用いるゲート数を減らす（例えば２ゲートにする）ことで過剰電荷を溢れさせるようにすることもできる。
【０１１６】
また、駆動タイミングの設計と、駆動パルス配線レイアウトの設計によっては、ＨＤＧパルス、ＨＨＧ１パルス、ＨＨＧ２パルスを垂直ＣＣＤ転送パルスと共用することで、個体撮像装置の端子数の削減が可能である。
【０１１７】
本開示の固体撮像装置は、例えば、主にシリコン半導体基板上に正・負極性の不純物を注入することによって形成できる。つまり、各転送ゲートは多結晶シリコンを用いて形成し、それぞれ、半導体基板外部へのインターフェースである端子との間をタングステン、アルミ等の金属により配線する。水平ＣＣＤゲートについては、２層又は３層等の複数層多結晶シリコンプロセスを用い、隣接する水平ＣＣＤ間を跨いで連続する多結晶シリコンゲートを形成して構成することも可能である。また、第１ＨＨＧ１２１、第２ＨＨＧ１２２及び水平ドレイン制御ゲート１１４を第１金属によって配線し、Ｈ１ゲート部１４１、Ｈ２ゲート部１４２、Ｈ３ゲート部１４３及びＨ４ゲート部１４４は別の金属配線層によって配線することもあり得る。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本開示の技術は、チップ面積の増大を抑えながら過剰電荷の掃き出し及び画素信号出力の高速化を可能とするので、固体撮像装置及びその駆動方法として有用である。
【符号の説明】
【０１１９】
１      固体撮像装置
１００      フォトダイオード
１０１      読み出し部
１０２      垂直ＣＣＤ
１１１      第１水平ＣＣＤ（第１水平転送部）
１１２      第２水平ＣＣＤ（第２水平転送部）
１１３      第３水平ＣＣＤ（第３水平転送部）
１１４      水平ドレイン制御ゲート（ＨＤＧ）
１１５      水平ドレイン
１２１      第１水平間ゲート（第１ＨＨＧ）
１２２      第２水平間ゲート（第２ＨＨＧ）
１３０      転送制御部
１３１      垂直ＣＣＤ最終ゲート部
１４１      Ｈ１ゲート部
１４２      Ｈ２ゲート部
１４３      Ｈ３ゲート部
１４４      Ｈ４ゲート部
１５０      信号出力部
１５１      第１ＨＨＧゲート電極
１５２      第２ＨＨＧゲート電極
１５３      ＨＤＧゲート電極
１９０      信号電荷パケット
１９１      過剰電荷
【図１】
2014131248.tif 000003
【図２】
2014131248.tif 000004
【図３】
2014131248.tif 000005
【図４】
2014131248.tif 000006
【図５】
2014131248.tif 000007
【図６】
2014131248.tif 000008
【図７】
2014131248.tif 000009
【図８】
2014131248.tif 000010
【図９】
2014131248.tif 000011
【図１０】
2014131248.tif 000012
【図１１】
2014131248.tif 000013
【図１２】
2014131248.tif 000014
【図１３】
2014131248.tif 000015
【図１４】
2014131248.tif 000016
【図１５】
2014131248.tif 000017
【図１６】
2014131248.tif 000018
【図１７】
2014131248.tif 000019
【図１８】
2014131248.tif 000020
【図１９】
2014131248.tif 000021
【図２０】
2014131248.tif 000022
【図２１】
2014131248.tif 000023