(57)【要約】  電荷の転送不良の発生を抑制しつつ、良質な画像データを取得する。固体撮像素子（１）は、受光素子（フォトダイオード１１）１行分の電荷（１００）の量が閾値よりも少ない場合にのみ、当該受光素子（フォトダイオード１１）１行分の電荷（１００）を電荷増倍処理部（１４）に転送する水平転送部（水平転送ＣＣＤ１３）を備える。
2017073524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して電荷を生成する、２次元的に配された複数の受光素子と、
上記複数の受光素子から上記電荷を読み出して、垂直方向に転送する垂直転送部と、
上記垂直転送部から転送された上記電荷を、受光素子１行分の電荷毎に水平方向に転送する水平転送部と、
上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷に対して電荷増倍処理を施すことにより、増倍電荷を生成する電荷増倍処理部と、
上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷、および上記電荷増倍処理部から転送された上記増倍電荷を、電気信号に変換して出力する信号出力部と、を備え、
上記水平転送部は、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ない場合にのみ、上記受光素子１行分の電荷を上記電荷増倍処理部に転送することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
上記信号出力部は、第１信号出力部と第２信号出力部とを含み、
上記第１信号出力部は、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷を上記電気信号に変換して出力するとともに、上記第２信号出力部は、上記電荷増倍処理部から転送された上記増倍電荷を上記電気信号に変換して出力することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
上記水平転送部には、受光素子１つ当り４つの電極が、上記水平方向に直列的に配置されているとともに、上記４つの電極の各々は、隣り合う２つの電極のいずれか一方と１組になって同一のパルス電圧が印加され、
上記水平転送部は、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ないか否かに応じて、上記１組を構成する２つの電極の組合せを切り替えることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
上記電荷増倍処理部には、受光素子１つ当り３つの電極が、上記水平方向に直列的に配置されており、
上記３つの電極のうち、上記信号出力部に最も近い側に配置された第１電極には、第１パルス電圧が印加され、上記信号出力部に最も遠い側に配置された第２電極には、上記第１パルス電圧のｈｉｇｈ電圧よりも低いｈｉｇｈ電圧となる第２パルス電圧が印加されるとともに、
上記第１電極と上記第２電極との間に配置された第３電極には、上記第１パルス電圧のｈｉｇｈ電圧よりも低く、かつ、上記第２パルス電圧のｌｏｗ電圧よりも高い定電圧が印加されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
上記第３電極における、上記水平方向の電極の長さであるゲート長は、上記第１電極の上記ゲート長および上記第２電極の上記ゲート長よりも短いことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、暗い場所においても良好に撮影をすることができる電荷増倍型の固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等に代表される固体撮像素子の開発が活発に行われている。例えば、特許文献１には、電荷増倍が可能な電荷増倍装置ＣＣＤセルが開示されている。また、特許文献２には、出力レジスタからの信号電荷が転送される増倍レジスタを備えたＣＣＤイメージャが開示されている。また、特許文献３には、光電変換部で検出した信号電荷の転送方向を、外部から印加する駆動波形に応じて第１方向または第２方向のいずれかに切り替えることが可能な水平転送部を備えた固体撮像装置が開示されている。【０００３】
さらに、従来の固体撮像素子の代表的な構成として、例えば、図１３に示すような固体撮像素子５を挙げることができる。図１３に示すように、固体撮像素子５は、平面視において２次元的に配置された複数のフォトダイオード５１にて、入射光を光電変換して電荷を生成する。生成された電荷は、垂直転送ＣＣＤ５２によって水平転送ＣＣＤ５３に向けて垂直方向に転送されるとともに、水平転送ＣＣＤ５３は、フォトダイオード５１の垂直方向１ライン毎の電荷を読み出して出力回路５５に向けて転送する。また、水平転送ＣＣＤ５３と出力回路５５との間には電荷増倍用電荷転送部５４が設けられている。電荷増倍用電荷転送部５４は、高電圧が印加されることによって、水平転送ＣＣＤ５３から転送されてきた電荷に対して数段から数千段の電荷増倍処理を行い、当該処理によって生成された増倍電荷を出力回路５５に転送する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国公開特許公報「特開平０７−１７６７２１号公報（１９９５年７月１４日公開）」
【特許文献２】日本国公開特許公報「特開平１０−３０４２５６号公報（１９９８年１１月１３日公開）」
【特許文献３】日本国公開特許公報「特開平０３−１２３２７８号公報（１９９１年５月２７日公開）」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された電荷増倍装置ＣＣＤセル、および特許文献２に開示されたＣＣＤイメージャは、電荷（信号電荷）の量によって電荷増倍処理を行う場合と行わない場合とに分かれる構成にはなっていない。そのため、例えば明るい場所を撮影する場合でも、上記の電荷増倍装置ＣＣＤセル等は電荷増倍処理を行うことから、この場合に取得した撮影画像の少なくとも一部が白く飛んだ状態になるという問題点があった。【０００６】
また、特許文献３に開示された固体撮像装置は、正立像および鏡像の映像信号を得ることを目的とするものであり、撮影対象となる場所の明るさに拘らず良質な画像データを取得することを目的とするものではない。また、上記の固体画像装置は、信号電荷に電荷増倍処理を施すことが可能な構成にはなっていない。そのため、特に暗い場所を撮影した場合の画像データの画質が低下するという問題点があった。【０００７】
さらに、従来の固体撮像素子５においては、水平転送ＣＣＤ５３から転送されてきた電荷は、電荷増倍処理を行うか否かに拘らず、電荷増倍処理部５４を経由した上で出力回路５５に転送される。そして、電荷増倍処理を行う場合、電極間に高電界差を設けるために、電荷増倍処理部５４のゲート電極（図示せず）に印加する電圧はｌｏｗ時−４．５Ｖ程度、ｈｉｇｈ時２２．０Ｖ程度と非常に高い電圧となる。一方、電荷増倍処理を行わない通常転送の場合、上記印加電圧は、ｌｏｗ時０Ｖ程度、ｈｉｇｈ時３．０Ｖ程度と、電荷増倍処理を行う場合の印加電圧に比べてかなり低い電圧となる。【０００８】
ここで、電荷増倍処理部５４には、ゲート電極下に、転送部本体となるＮ型不純物層、および電荷転送の方向付けを行うためのＰ型不純物層（ともに図示せず）が形成されている。そして、これらの不純物層の設定は、ゲート電極に印加する電圧、電荷増倍処理部５４に必要な電荷容量および転送効率によって最適な条件が異なってくる。それゆえ、電荷増倍処理部５４において、ゲート電極に印加する電圧が−４．５Ｖ〜２２．０Ｖ程度の場合の不純物層設定と、０Ｖ〜３．０Ｖ程度の場合の不純物層設定とを、電荷の取り残し等の転送不良を発生させることなく両立させることが非常に困難であった。【０００９】
本発明は、上記の各問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、撮影対象となる場所の明るさに拘らず良質な画像データを取得でき、かつ、低電圧印加時における電荷の転送不良の発生が抑制された固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、入射光を光電変換して電荷を生成する、２次元的に配された複数の受光素子と、上記複数の受光素子から上記電荷を読み出して、垂直方向に転送する垂直転送部と、上記垂直転送部から転送された上記電荷を、受光素子１行分の電荷毎に水平方向に転送する水平転送部と、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷に対して電荷増倍処理を施すことにより、増倍電荷を生成する電荷増倍処理部と、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷、および上記電荷増倍処理部から転送された上記増倍電荷を、電気信号に変換して出力する信号出力部と、を備え、上記水平転送部は、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ない場合にのみ、上記受光素子１行分の電荷を上記電荷増倍処理部に転送する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、電荷の量に応じて水平転送部からの転送先を異ならせることにより、撮影対象となる場所の明るさに拘らず良質な画像データを取得でき、かつ、低電圧印加時における電荷の転送不良の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の主要部を示す概略図である。
【図２】（ａ）は、水平転送ＣＣＤの主要部を示す断面図である。（ｂ）および（ｃ）は、フォトダイオード１行分の電荷をＲ１１方向に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。（ｄ）および（ｅ）は、フォトダイオード１行分の電荷をＲ１２方向に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。
【図３】（ａ）は、上記固体撮像素子における、フォトダイオードに入射する入射光の光量と出力回路から出力される電気信号の出力値との関係を示すグラフである。（ｂ）は、前記グラフを用いた、フォトダイオード１行分の電荷の量の閾値の設定方法を示す図である。
【図４】電荷増倍処理部の主要部の一例を示す断面図、および増倍電荷を生成する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態の一例を示すグラフである。
【図５】電荷増倍処理部の主要部の他の例を示す断面図、および増倍電荷を生成する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態の他の例を示すグラフである。
【図６】電荷増倍処理部の各ゲート電極に印加するパルス電圧の一例を示す表である。
【図７】（ａ）は、プリスキャン部と電荷増倍処理部との接続箇所付近の構成を示す断面図、およびフォトダイオード１行分の電荷をプリスキャン部から電荷増倍処理部に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。（ｂ）は、プリスキャン部および電荷増倍処理部の各ゲート電極に印加するパルス電圧の一例を示す表である。
【図８】本発明の実施形態２に係る固体撮像素子の主要部の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る固体撮像素子の主要部の他の例を示す概略図である。
【図１０】（ａ）は、水平転送ＣＣＤにおける、１パケットと必要なゲート電極との関係を示す図である。（ｂ）は、電荷増倍処理部における、１パケットと必要なゲート電極との関係を示す図である。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は、垂直転送ＣＣＤからの電荷の読み出しから第２出力回路への増倍電荷の転送までの、一連の流れを示す概略図である。
【図１２】第１出力回路から出力された電気信号に基づく画像データと、第２出力回路から出力された電気信号に基づく画像データとの関係を示す概略図である。
【図１３】従来の固体撮像素子の主要部を示す概略図である。
【図１４】（ａ）は、従来の通常転送用水平転送部の主要部の一例を示す断面図である。（ｂ）および（ｃ）は、フォトダイオード１行分の電荷をＲ５１方向に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。
【図１５】従来の通常転送用水平転送部の主要部の他の例を示す断面図である。
【図１６】（ａ）は、従来の電荷増倍用転送部の主要部の構成を示す断面図である。（ｂ）〜（ｄ）は、増倍電荷をＲ５２方向に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図７を参照しながら、詳細に説明する。
【００１４】
＜固体撮像素子の構成＞
まず、固体撮像素子１の主要な構成について説明する。図１は、固体撮像素子１の主要部を示す概略図である。固体撮像素子１は、入射光を光電変換して電荷１００（図２等参照）を生成し、生成された電荷１００に基づいて２次元画像のデータを構成する電気信号を出力するものである。図１に示すように、固体撮像素子１は、フォトダイオード（受光素子）１１、垂直転送ＣＣＤ（垂直転送部）１２、水平転送ＣＣＤ（水平転送部）１３、電荷増倍処理部１４、出力回路（信号出力部）１５、湾曲転送部１６、プリスキャン部１７および１８を備えている。
【００１５】
なお、固体撮像素子１は、スマートフォン、カメラ付き携帯電話機、デジタルビデオカメラ、ドアホン、スキャナ等の各種電子機器に適用することができる。
【００１６】
フォトダイオード１１は、入射光を光電変換して電荷１００を生成するものであり、平面視において、ｍ行×ｎ列の合計ｍ×ｎ個のフォトダイオード（複数の受光素子）１１が２次元マトリックス状に配置されている。なお、フォトダイオード１１の個数および配置については、２次元的に配置されている限り特に限定されないが、図１では、図示を簡単にするため４行×５列の配列を例示している。
【００１７】
垂直転送ＣＣＤ１２は、フォトダイオード１１で生成された電荷１００を読み出して、垂直方向に転送するものであり、各フォトダイオード１１に対応して設けられている。
【００１８】
水平転送ＣＣＤ１３は、垂直転送ＣＣＤ１２から転送された電荷１００を、フォトダイオード１１の行分（受光素子１行分）の電荷１００毎に水平方向に転送する。また、水平転送ＣＣＤ１３は、図１に示すように、フォトダイオード１１の行分の電荷１００を、Ｒ１１方向（紙面向かって左方向）およびＲ１２方向（紙面向かって右方向）の両方向に転送することができる。さらに、水平転送ＣＣＤ１３は、電荷増倍処理を行わない通常転送用の転送部であることから、低電圧の印加に適した設計となっている。水平転送ＣＣＤ１３の主要な構成および転送方向の切り替え方式については後述する。
【００１９】
電荷増倍処理部１４は、水平転送ＣＣＤ１３から転送されたフォトダイオード１１の行分の電荷１００に対して電荷増倍処理を施すことにより、増倍電荷１１０（図４等参照）を生成するとともに、生成した増倍電荷１１０を出力回路１５に転送する。また、電荷増倍処理部１４は、電荷増倍処理に対応するために高電圧に印加に適した設計となっている。電荷増倍処理部１４の主要な構成および増倍電荷１１０の生成／転送方式については後述する。
【００２０】
出力回路１５は、水平転送ＣＣＤ１３から直接転送されたフォトダイオード１１の行分の電荷１００、および電荷増倍処理部１４から転送された増倍電荷１１０を、それぞれ電気信号に変換して出力する。
【００２１】
湾曲転送部１６、プリスキャン部１７および１８は、電荷１００および増倍電荷１１０を単に転送するだけの空転送部としての機能を果たすものである。具体的には、湾曲転送部１６はフォトダイオード１１の行分の電荷１００を転送し、プリスキャン部１７はフォトダイオード１１の行分の電荷１００または増倍電荷１１０を転送する。また、プリスキャン部１８は、フォトダイオード１１の行分の電荷１００および増倍電荷１１０を出力回路１５に転送する。湾曲転送部１６、プリスキャン部１７および１８は、水平転送ＣＣＤ１３と略同一の構成となっており、水平転送ＣＣＤ１３とともに、フォトダイオード１１の行分の電荷１００を通常転送する機能を果たす。
【００２２】
＜水平転送ＣＣＤ＞
次に、図２、図３、図１４および図１５を用いて、水平転送ＣＣＤ１３の主要な構成および転送方向の切り替え方式について説明する。図２の（ａ）は、水平転送ＣＣＤ１３の主要部を示す断面図である。図２の（ｂ）および（ｃ）は、フォトダイオード１１の行分の電荷１００をＲ１１方向に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。図２の（ｄ）および（ｅ）は、フォトダイオード１１の行分の電荷１００をＲ１２方向に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。
【００２３】
また、図３の（ａ）は、固体撮像素子１における、フォトダイオード１１に入射する入射光の光量と出力回路１５から出力される電気信号の出力値との関係を示すグラフである。図３の（ｂ）は、前記グラフを用いた、フォトダイオード１１の行分の電荷１００の量の閾値の設定方法を示す図である。
【００２４】
さらに、図１４の（ａ）は、従来の通常転送用水平転送部の一例である、水平転送ＣＣＤ５３の主要部を示す断面図である。図１４の（ｂ）および（ｃ）は、フォトダイオード１１の行分の電荷１００をＲ５１方向（図１３参照）に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。図１５は、従来の通常転送用水平転送部の他の例である、水平転送ＣＣＤ５３’の主要部を示す断面図である。
【００２５】
従来の通常転送用水平転送部は、フォトダイオード１行分の電荷毎に転送を行うため、１フレーム中に、フォトダイオードの行数に相当する回数の転送を行う必要がある。そのため、通常転送用垂直転送部に比べて高速な転送が要求されることから、従来の通常転送用水平転送部においては、２相駆動転送を採用することが一般的になっている。なお、「１フレーム」とは、２次元的に配された複数のフォトダイオードから１枚の２次元画像のデータを読み出すのに要する時間を指す。
【００２６】
ここで、従来の通常転送用水平転送部の主要な構成、および２層駆動転送の方式について、固体撮像素子５（図１３参照）に備えられた水平転送ＣＣＤ５３を例に挙げて説明する。
【００２７】
図１４の（ａ）に示すように、水平転送ＣＣＤ５３は、不純物層７４および当該不純物層７４に電界を加えるための複数のゲート電極７１が、鉛直下側からこの順で積層配置された構成となっている。不純物層７４は、ポテンシャル形成のためのＮ型不純物層７２と、電荷転送の方向付けと電荷蓄積領域を形成するためのＮ型＋Ｐ型不純物層７３とが交互に配置された構成となっている。また、２つのゲート電極７１を１組にした上で、互いに隣り合うゲート電極７１の組であるφＨ１およびφＨ２に対して、パルス電圧を交互に反転させて印加する。
【００２８】
図１４の（ｂ）に示すように、φＨ１に印加するパルス電圧をｌｏｗ電圧、φＨ２に印加するパルス電圧をｈｉｇｈ電圧とした場合、階段状になったポテンシャルに基づいて転送された電荷５００は、φＨ２におけるＮ型不純物層７２の領域に蓄積される。次に、図１４の（ｃ）に示すようにパルス電圧を反転させて、φＨ１に印加するパルス電圧をｈｉｇｈ電圧、φＨ２に印加するパルス電圧をｌｏｗ電圧とした場合、階段状になったポテンシャルに基づいて転送された電荷５００は、φＨ１におけるＮ型不純物層７２の領域に蓄積される。
【００２９】
このように、２層駆動転送においては１回のパルス電圧の反転によって１組のゲート電極７１の下を電荷５００が移動していくため、高速転送には向いている反面、電荷５００を蓄積できる領域がＮ型不純物層７２のみになる。そのため、２層駆動転送は、電荷容量の観点からは不利な転送方式であり、特に、構造上面積を大きくできない通常転送用垂直転送部等には不向きな転送方式である。また、２層駆動転送では１方向にしか電荷５００を転送することができず、電荷５００の転送方向を適宜切り替えることができない。
【００３０】
なお、水平転送ＣＣＤ５３は、Ｎ型不純物層７２に対向するゲート電極７１とＮ型＋Ｐ型不純物層７３に対向するゲート電極７１とが、配線によって電気的に接続されている構成になっていることから、この構成と実質的に同一となる構成を採用した通常転送用水平転送部を用いてもよい。例えば、図１５に示すように、ゲート電極７１の代わりに１組のＮ型不純物層７２およびＮ型＋Ｐ型不純物層７３に対向するゲート電極７１’を備えている水平転送ＣＣＤ５３’を、通常転送用水平転送部として用いてもよい。
【００３１】
ここで、水平転送ＣＣＤ５３は、Ｎ型不純物層７２と、当該Ｎ型不純物層７２に対して紙面向かって右側のＮ型＋Ｐ型不純物層７３とを１組にして、紙面向かって左側に電荷５００を転送している（図１４参照）。したがって、Ｎ型不純物層７２と、当該Ｎ型不純物層７２に対して紙面向かって左側のＮ型＋Ｐ型不純物層７３とが１組になるような２つのゲート電極７１の組合せにすれば、水平転送ＣＣＤ５３は、紙面向かって右側に電荷５００を転送することができる。
【００３２】
すなわち、水平転送ＣＣＤ１３は、上記のような２つのゲート電極７１の組合せを切り替えるという発想を取り入れている。具体的には、図２に示すように、Ｎ型不純物層１３ｂに対向する２つのゲート電極１３ａをそれぞれφＨ１、φＨ２とし、Ｎ型＋Ｐ型不純物層１３ｃに対向する２つのゲート電極１３ａをそれぞれφＨＡ、φＨＢとする。そして、これら水平方向に直列的に配置された４つのゲート電極（４つの電極）１３ａを１パケットとして、１つのフォトダイオード（受光素子１つ当り）１１から読み出される電荷１００の転送に対応させる。
【００３３】
フォトダイオード１１の行分の電荷１００をＲ１１方向に転送させる場合、水平転送ＣＣＤ１３は、図２の（ｂ）および（ｃ）に示すように、φＨ１とφＨＡ、φＨ２とφＨＢをそれぞれ１組にして、それぞれの組に同一のパルス電圧（ｌｏｗ電圧：０Ｖ、ｈｉｇｈ電圧：＋３．０Ｖ、図７の（ｂ）参照）が印加されるようにする。Ｒ１１方向に転送されたフォトダイオード１１の行分の電荷１００は、出力回路１５に直接入力される（図１参照）。一方、Ｒ１２方向に転送させる場合、水平転送ＣＣＤ１３は、図２の（ｄ）および（ｅ）に示すように、φＨ１とφＨＢ、φＨ２とφＨＡをそれぞれ１組にして、それぞれの組に同一のパルス電圧が印加されるようにする。Ｒ１２方向に転送されたフォトダイオード１１の行分の電荷１００は、電荷増倍処理部１４において電荷増倍処理が施された上で出力回路１５に入力される（図１参照）。
【００３４】
換言すれば、水平転送ＣＣＤ１３は、フォトダイオード１１の行分の電荷１００の転送方向に応じて、Ｎ型不純物層１３ｂに対向するゲート電極１３ａ（φＨ１、φＨ２）とＮ型＋Ｐ型不純物層１３ｃに対向するゲート電極１３ａ（φＨＡ、φＨＢ）との組合せを切り替える。
【００３５】
ここで、水平転送ＣＣＤ１３によるフォトダイオード１１の行分の電荷１００の転送方向の切り替えは、垂直転送ＣＣＤ１２から読み出したフォトダイオード１１の行分の電荷１００の量が閾値よりも少ないか否かを判定することにより行われる。具体的には、水平転送ＣＣＤ１３は、出力回路１５から出力された電気信号の出力値（すなわち、電荷１００の量）を検知し、検知した電気信号の出力値が後述する下限閾値よりも少ない場合、撮影対象となる場所が暗いと判定する。この場合、水平転送ＣＣＤ１３は、フォトダイオード１１の行分の電荷１００を電荷増倍処理部１４に向けて（Ｒ１２方向）転送するために、同一のパルス電圧が印加されるゲート電極１３ａの組として、φＨ１とφＨＢ、φＨ２とφＨＡをそれぞれ１組にする。
【００３６】
一方、検知した電気信号の出力値が後述する上限閾値以上の場合、水平転送ＣＣＤ１３は、撮影対象となる場所が明るいと判定する。この場合、水平転送ＣＣＤ１３は、フォトダイオード１１の行分の電荷１００を出力回路１５に向けて（Ｒ１１方向）転送するために、同一のパルス電圧が印加されるゲート電極１３ａの組として、φＨ１とφＨＡ、φＨ２とφＨＢをそれぞれ１組にする。換言すれば、水平転送ＣＣＤ１３は、フォトダイオード１１の行分の電荷１００の量が閾値よりも少ない場合にのみ、フォトダイオード１１の行分の電荷１００を電荷増倍処理部１４に転送する。
【００３７】
ここで、上記各閾値の設定方法について、図３を用いて説明する。まず、固体撮像素子１（試作品等でもよい）を用いて、フォトダイオード１１に入射する入射光と出力回路１５から出力される電気信号の出力値とを、通常転送の場合および増倍転送の場合のそれぞれについて測定する。そして、測定結果に基づいて、図３の（ａ）に示すような、入射光の光量と電気信号の出力値との関係を示すグラフを作成する。図３の（ａ）に示すように、電荷増倍処理部１４による増倍電荷１１０の転送は、例えば、プリスキャン部１７等の電荷容量によって制限されることから、入射光の光量が所定の値以上になった場合、増倍転送における電気信号の出力値は一定になって飽和する。
【００３８】
そこで上記のグラフを用いて、図３の（ｂ）に示すように、増倍転送の場合における、出力値が飽和する光量よりも若干少ない光量（以下、「基準光量」とする）に対応する出力値を上限閾値として設定する。これにより、増倍転送時に出力信号が飽和する少し手前の出力値（上限閾値）以上の出力値が出力された場合、次フレームからは通常転送を行う。一方、通常転送の場合における、基準光量に対応する出力値を下限閾値として設定する。これにより、下限閾値を下回る出力値が出力された場合、次フレームからは増倍転送へと転送を切り替える。このように上限閾値および下限閾値を設定することで、増倍転送中に出力回路１５からの電気信号の出力値が飽和することなく、電荷１００の転送方向を切り替えることができる。
【００３９】
なお、上記転送方向の切り替えの判定基準となる閾値は、例えば、固体撮像素子１を搭載した電子機器等の製造時において、固体撮像素子１の内部あるいは外部に備えられた記憶部（図示せず）に予め記憶させてもよい。また例えば、固体撮像素子１を搭載した電子機器等の操作入力部（図示せず）からユーザ操作をすること等により、ユーザが任意に設定してもよい。
【００４０】
＜電荷増倍処理部＞
次に、図４〜図６および図１６を用いて、電荷増倍処理部１４の主要な構成および増倍電荷１１０の生成方式について説明する。図４は、電荷増倍処理部１４の主要部の一例を示す断面図、および増倍電荷１１０を生成する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態の一例を示すグラフである。図５は、電荷増倍処理部１４の主要部の他の例を示す断面図、および増倍電荷１１０を生成する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態の他の例を示すグラフである。図６は、電荷増倍処理部１４の各ゲート電極に印加するパルス電圧の一例を示す表である。
【００４１】
また、図１６の（ａ）は、従来の電荷増倍用転送部５４の主要部の構成を示す断面図である。図１６の（ｂ）〜（ｄ）は、増倍電荷５１０をＲ５２方向に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。
【００４２】
まず、従来の増倍電荷処理部の主要な構成および増倍電荷の生成／転送方式について、固体撮像素子５（図１３参照）に備えられた電荷増倍処理部５４を例に挙げて説明する。図１６の（ａ）に示すように、電荷増倍処理部５４についても、電荷増倍処理が行われない従来の通常転送用水平転送部と同様の構成になっている（水平転送ＣＣＤ５３、図１４の（ａ）参照）。
【００４３】
ここで、図１６の（ｂ）〜（ｄ）に示すように、電荷増倍処理部５４における増倍電荷５１０の転送方式は、従来の通常転送用水平転送部と同様の２相駆動転送方式となる（図１４の（ｂ）および（ｃ）参照）。また、電荷増倍処理部５４の各ゲート電極７１に印加されるパルス電圧のｈｉｇｈ電圧は、電荷増倍反応が生じる＋２０．０Ｖ以上の電圧値に設定される。このような増倍電荷５１０の生成／転送方式では、図１６の（ｃ）に示すように、各ゲート電極７１に印加されたパルス電圧の反転途中状態においてポテンシャル差が小さくなる時点が生じてしまい、電荷増倍反応が十分に起こらない可能性がある。
【００４４】
その点、電荷増倍処理部１４は、図４の断面図に示すように、出力回路１５に近い側から順に、第１ゲート電極（第１電極）１４ａ、第３ゲート電極（第３電極）１４ｃおよび第２ゲート電極（第２電極）１４ｂが水平方向に直列的に配置された構成となっている。また、これら３つの電極（３つの電極）は全て同一形状であるとともに、各電極の鉛直下側には、紙面向かって左側にＮ型不純物層１４ｄが、紙面向かって左側にＮ型＋Ｐ型不純物層１４ｅが、それぞれ配置されている。
【００４５】
また、図６に示すように、第１ゲート電極１４ａは電荷増倍用ゲートφＥＭ２として、ｌｏｗ電圧が−４．５Ｖ、ｈｉｇｈ電圧が＋２２．０Ｖとなる第１パルス電圧が印加される。第２ゲート電極１４ｂは転送／蓄積用ゲートφＥＭ１として、ｌｏｗ電圧が−４．５Ｖ、ｈｉｇｈ電圧が＋３．０Ｖとなる第２パルス電圧が印加される。第３ゲート電極１４ｃは固定ポテンシャル用ゲートＥＭＨとして、−３．０Ｖの定電圧が印加される。
【００４６】
換言すれば、出力回路１５に最も近い側に配置された第１ゲート電極１４ａには、第１パルス電圧が印加され、出力回路１５に最も遠い側に配置された第２ゲート電極１４ｂには、第１パルス電圧のｈｉｇｈ電圧よりも低いｈｉｇｈ電圧となる第２パルス電圧が印加される。また、第１ゲート電極１４ａと第２ゲート電極１４ｂとの間に配置された第３ゲート電極１４ｃには、第１パルス電圧のｈｉｇｈ電圧よりも低く、かつ、第２パルス電圧のｌｏｗ電圧よりも高い定電圧が印加される。
【００４７】
具体的には、図４の紙面向かって上側のグラフのように、ゲートφＥＭ１にｈｉｇｈ電圧（＋３．０Ｖ）が印加された状態で、電荷１００はゲートφＥＭ１下のＮ型不純物層１４ｄに蓄積される。ここで、ゲートφＥＭ２にｈｉｇｈ電圧（＋２２．０Ｖ）を印加して、ゲートφＥＭ２に形成されたポテンシャルが待ち受けている状態にしておく。
【００４８】
次に、図４の紙面向かって中央のグラフのように、ゲートφＥＭ１にｌｏｗ電圧（−４．５Ｖ）を印加すると、ゲートφＥＭ１下に蓄積されていた電荷１００は、ゲートＥＭＨに形成されたポテンシャルを介して、ゲートＥＭ２に形成されたポテンシャルに向けて急激に移動を開始する。そして、電荷１００がゲートＥＭ２に形成されたポテンシャルに転送されることにより当該電荷１００に電荷増倍反応が生じ、増倍電荷１１０が生成される。生成された増倍電荷１１０は、ゲートφＥＭ２下のＮ型不純物層１４ｄに蓄積される。
【００４９】
次に、図４の紙面向かって下側のグラフのように、ゲートφＥＭ２下のＮ型不純物層１４ｄに蓄積された増倍電荷１１０は、ゲートφＥＭ２にｌｏｗ電圧（−４．５Ｖ）を印加し、ゲートφＥＭ１にｈｉｇｈ電圧（＋３．０Ｖ）を印加することによりゲートφＥＭ２からゲートφＥＭ１に転送される。そして、再びゲートφＥＭ１下のＮ型不純物層１４ｄに蓄積される。
【００５０】
なお、電荷増倍処理部１４は、３つの電極（第１ゲート電極１４ａ〜第３ゲート電極１４ｃ）のそれぞれについて、その鉛直下側に、Ｎ型不純物層１４ｄおよびＮ型＋Ｐ型不純物層１４ｅが配置された構成になっているが、このような構成に限定する必要はない。例えば、固定ポテンシャル用ゲートＥＭＨ（第３ゲート電極１４ｃ）は、電荷増倍反応が十分に生じるように、転送／蓄積用ゲートφＥＭ１（第２ゲート電極１４ｂ）から電荷増倍用ゲートφＥＭ２（第１ゲート電極１４ａ）への電荷の移動を一旦止めておく役割を果たす。したがって、ゲートＥＭＨにおける水平方向の電極の長さであるゲート長を、ショートチャネルが生じない程度まで短くすることが可能である。また、ゲートＥＭＨの鉛直下側にＮ型不純物層１４ｄを配置する必要は必ずしもない。
【００５１】
以上のことから、図５の（ａ）に示すように、ゲートＥＮＨの鉛直下側にＮ型＋Ｐ型不純物層１４ｅのみが配置されるようにゲートＥＭＨのゲート長を短くするとともに、前記ゲート長を短くした分だけゲートφＥＭ１およびゲートφＥＭ２のゲート長を長くした、電荷増倍処理部１４’のような構成を採用してもよい。このような構成にすることで、電荷増倍処理部１４と同程度の電荷増倍効果を得つつ（図１６の（ｂ）〜（ｄ））、電荷増倍処理部の電荷容量をより大きくすることができる。
【００５２】
なお、固体撮像素子１に備えられる電荷増倍処理部として、例えば電荷増倍処理部５４のような、従来の電荷増倍処理部を採用してもよい。
【００５３】
＜プリスキャン部と電荷増倍処理部との接続＞
次に、図７を用いて、プリスキャン部１７と電荷増倍処理部１４との接続について説明する。図７の（ａ）は、プリスキャン部１７と電荷増倍処理部１４との接続箇所付近の構成を示す断面図、およびフォトダイオード１１の行分の電荷１００をプリスキャン部１７から電荷増倍処理部１４に転送する場合における、パルス電圧およびポテンシャルの状態を示すグラフである。図７の（ｂ）は、プリスキャン部１７および電荷増倍処理部１４の各ゲート電極に印加するパルス電圧の一例を示す表である。
【００５４】
電荷増倍処理部１４の転送／蓄積用ゲートφＥＭ１（第２ゲート電極１４ｂ）のｈｉｇｈ電圧は、電荷１００の転送／蓄積を行うのみであれば、固定ポテンシャル用ゲートＥＭＨ（第３ゲート電極１４ｃ）の定電圧よりも高ければよい。したがって、例えば、ゲートφＥＭ１のｈｉｇｈ電圧を０Ｖ程度に設定しても、電荷１００の転送／蓄積自体に支障は生じない。
【００５５】
しかし、図７の（ａ）に示すように、電荷増倍処理部１４と接続しているプリスキャン部１７は、水平転送ＣＣＤ１３と同一の構成となっている。また、プリスキャン部１７に配置された各ゲート電極１３ａには、図７の（ｂ）に示すように、水平転送ＣＣＤ１３に印加されるパルス電圧（ｌｏｗ電圧：０Ｖ、ｈｉｇｈ電圧：＋３．０Ｖ）と同じパルス電圧が印加される。したがって、ゲートφＥＭ１のｈｉｇｈ電圧をプリスキャン部１７に印加されるパルス電圧のｈｉｇｈ電圧と同じ＋３．０Ｖにしなければ、プリスキャン部１７から電荷増倍処理部１４への上記電荷１００の転送ができなくなってしまう。
【００５６】
そこで、図７の（ｂ）に示すように、電荷増倍処理部１４のゲートφＥＭ１は、ｈｉｇｈ電圧が＋３．０Ｖとなる第２パルス電圧が印加されるようにする。そして、図７の（ａ）のグラフに示すように、プリスキャン部１７の最終ゲート（φＨ１、φＨＡの組）にｌｏｗ電圧（０Ｖ）が印加される時に、電荷増倍処理部１４の開始ゲート（φＥＭ１）にｈｉｇｈ電圧（＋３．０Ｖ）が印加されるようにする。このようにすることで、フォトダイオード１１の行分の電荷１００を、プリスキャン部１７から電荷増倍処理部１４に転送することができる。
【００５７】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図８および図９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。後述する実施形態３についても同様である。
【００５８】
本発明に係る固体撮像素子の実施形態としては、上述の固体撮像素子１のみならず、様々なバリエーションが想定されるものである。
【００５９】
先ず、本発明に係る固体撮像素子は、図８に示すように、フォトダイオード１１の行分の電荷１００が転送される第１出力回路（第１信号出力部）２５、および増倍電荷１１０が転送される第２出力回路（第２信号出力部）を備えた固体撮像素子２を実施形態として含む。第１出力回路２５は、水平転送ＣＣＤから転送されたフォトダイオード１１の行分の電荷１００を電気信号に変換して出力する。また、第２出力回路２６は、電荷増倍処理部５４から転送された増倍電荷１１０を電気信号に変換して出力する。さらに、固体撮像素子２は、プリスキャン部１７および１８に代えてプリスキャン部２８および２９を備えている。
【００６０】
このように、通常転送用の出力回路と電荷増倍用の出力回路と別々にすることで、水平転送ＣＣＤ１３を低電圧印加用に適した設計にし、電荷増倍処理部１４を高電圧印加用に適した設計にすることがより簡単になる。
【００６１】
次に、本発明に係る固体撮像素子は、図９に示すように、電荷増倍処理部１４が２段設けられた固体撮像素子３を実施形態として含む。固体撮像素子３は、上記の固体撮像素子２と同様に、第１出力回路２５、第２出力回路２６、プリスキャン部２８および２９を備えている。また、固体撮像素子３は、固体撮像素子１および２と異なり、プリスキャン部３７および湾曲転送部３６をさらに備えている。
【００６２】
１段の電荷増倍処理部１４の電荷増倍処理では、約１％程度の増倍率でしか増倍電荷１１０が生成されないことから、固体撮像素子１および２の構成では、所望の増倍率を得ることができない可能性がある。したがって、図９に示すように、１段目の電荷増倍処理部１４の増倍電荷出力側にさらに湾曲転送部３６を設けて２段目の電荷増倍処理部１４を追加することにより、電荷増倍処理部１４全体としての増倍率を高くすることができる。
【００６３】
なお、本発明に係る固体撮像素子における電荷増倍処理部１４の増倍段数は、固体撮像素子３のような２段には限定されない。ユーザが所望する増倍率が得られる程度まで、電荷増倍処理部１４の増倍段数を増やしてもよい。
【００６４】
〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図１０〜図１２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図１０の（ａ）は、水平転送ＣＣＤ１３における、１パケットと必要なゲート電極との関係を示す図である。図１０の（ｂ）は、電荷増倍処理部１４における、１パケットと必要なゲート電極との関係を示す図である。図１１は、垂直転送ＣＣＤ１２からの電荷１００の読み出しから第２出力回路２６への増倍電荷１１０の転送までの、一連の流れを示す概略図である。図１２は、第１出力回路２５から出力された電気信号に基づく画像データと、第２出力回路２６から出力された電気信号に基づく画像データとの関係を示す概略図である。
【００６５】
＜水平転送ＣＣＤおよび電荷増倍処理部のパケット総数と空転送部の設置との関係＞
上述の固体撮像素子１〜３では、図１０の（ａ）に示すように、水平転送ＣＣＤ１３については、φＨ１、φＨ２、φＨＡおよびφＨＢの４つのゲート電極１３ａが１パケットとなる。また、図１０の（ｂ）に示すように、電荷増倍処理部１４については、電荷増倍用ゲートφＥＭ２（第１ゲート電極１４ａ）、転送／蓄積用ゲートφＥＭ１（第２ゲート電極１４ｂ）、および固定ポテンシャル用ゲートＥＭＨ（第３ゲート電極１４ｃ）が１パケットとなる。
【００６６】
したがって、水平転送ＣＣＤ１３に配置されるゲート電極１３ａの総数は、最低限、フォトダイオード１行分の数の４倍になる必要がある。換言すれば、φＨ１、φＨ２、φＨＡおよびφＨＢの４つのゲート電極１３ａの総数（４つの電極の総数）が、フォトダイオード１行分の数の４倍以上になっている必要がある。
【００６７】
一方、電荷増倍処理部１４については、ゲートφＥＭ２、ゲートφＥＭ１およびゲートＥＭＨの３つの電極の総数がフォトダイオード１行分の数の３倍になる必要は必ずしもない。但し、電荷増倍処理部１４に配置された上記３つの電極の総数が増倍段数の３倍になっている方が、１段の電荷増倍処理部１４で実行される電荷増倍処理毎に電荷増倍反応を精度高く生じさせることができ、好ましい。
【００６８】
ここで、図１１の（ａ）および（ｂ）に示すように、水平転送ＣＣＤ１３は、垂直転送ＣＣＤ１２からフォトダイオード１１の行分の電荷１００毎に読み出して水平方向に転送する。そして、図１１の（ｃ）に示すように、フォトダイオード１１の１行目の電荷１００の全てを転送した時点で、水平転送ＣＣＤ１３は垂直転送ＣＣＤ１２から２行目の電荷１００を読み出す。３行目の電荷１００の読み出しについても同様である（図１１の（ｄ）および（ｅ））。したがって、電荷増倍処理部１４のパケット総数が水平転送ＣＣＤ１３のパケット総数（フォトダイオード１１の行分の数に相当）と同じであった方が、電荷１００の読み出しから電気信号の出力までをスムーズに行うことができる。
【００６９】
すなわち、電荷増倍処理部１４の増倍段数には制限はないが、電荷増倍処理部１４のパケット総数がフォトダイオード１１の行分の数に満たない場合、その不足分を、増倍電荷１１０の転送のみを行う空転送部（図示せず）で補うことが好ましい。換言すれば、電荷増倍処理部１４のパケット総数がフォトダイオード１１の行分の数に満たない場合、電荷増倍処理部１４は、増倍電荷１１０の転送のみを行う空転送部を、フォトダイオード１１の行分の数（受光素子１行分の数）から増倍段数を差し引いた数の分だけ備えていることが好ましい。なお、空転送部１パケットは、水平転送ＣＣＤ１３の１パケットと同一の構成になっている。
【００７０】
例えば、フォトダイオード１１の行分の数が５００枚の場合、水平転送ＣＣＤ１３のゲート電極１３ａの総数は最低２０００枚必要となる。また、電荷増倍処理部１４を３００段設けている場合、電荷増倍処理部１４におけるゲートφＥＭ２、ゲートφＥＭ１およびゲートＥＭＨの３つの電極の総数が９００枚、すなわち電荷増倍処理部１４のパケット総数が３００パケットであることが好ましい。この場合、電荷増倍処理部１４のパケット総数は、水平転送ＣＣＤ１３のパケット総数５００パケットに対して２００パケット不足していることから、不足分２００パケットの空転送部（ゲート電極１３ａの総数は８００枚）を設置することが好ましい。
【００７１】
＜左右ミラー反転した画像の処理＞
これまで述べてきたように、本発明に係る固体撮像素子は、通常転送の場合は電荷１００をＲ１１方向に、電荷増倍処理を行う場合はＲ１１方向と反対方向のＲ１２方向に、それぞれ水平転送ＣＣＤ１３によって転送する構成になっている（図１参照）。したがって、例えば、第１出力回路２５および第２出力回路２６を備える固体撮像素子２の構成を採用した場合、図１２に示すように、第１出力回路２５から得られた画像データ（図中の「Ｂ」）に対して、第２出力回路から得られた画像データは、左右ミラー反転した画像となる。
【００７２】
そこで、本発明に係る固体撮像素子においては、上記各出力回路から得られた画像データを当該固体撮像素子の外部に設けられた記憶部（図示せず）に一旦格納し、左右ミラー反転した画像に対応する画像データに対して、左右を反転させる処理を行う。なお、この処理は、フォトダイオード１１の行毎に行ってもよいし、画像データ全体に対して一括して行ってもよい。
【００７３】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る固体撮像素子（１、２、３）は、入射光を光電変換して電荷（１００）を生成する、２次元的に配された複数の受光素子（フォトダイオード１１）と、上記複数の受光素子から上記電荷を読み出して、垂直方向に転送する垂直転送部（垂直転送ＣＣＤ１２）と、上記垂直転送部から転送された上記電荷を、受光素子１行分の電荷毎に水平方向に転送する水平転送部（水平転送ＣＣＤ１３）と、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷に対して電荷増倍処理を施すことにより、増倍電荷（１１０）を生成する電荷増倍処理部（１４、１４’）と、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷、および上記電荷増倍処理部から転送された上記増倍電荷を、電気信号に変換して出力する信号出力部（出力回路１５、第１出力回路２５、第２出力回路２６）と、を備え、上記水平転送部は、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ない場合にのみ、上記受光素子１行分の電荷を上記電荷増倍処理部に転送する。
【００７４】
上記構成によれば、水平転送部は、垂直転送部から転送された受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ない場合にのみ、当該受光素子１行分の電荷を電荷増倍処理部に転送する。したがって、垂直転送部から転送された受光素子１行分の電荷の量が閾値以上の場合、水平転送部は、当該受光素子１行分の電荷を信号出力部に転送することになる。
【００７５】
ここで、受光素子に入射した光の明るさと当該受光素子が生成する電荷の量とは比例関係にあることから、水平転送部は、受光素子に所定の光の明るさよりも暗い光が入射した場合に、受光素子１行分の電荷を電荷増倍処理部に転送する。そして、電荷増倍処理部は、増倍電荷を生成するとともに当該増倍電荷を信号出力部に転送する。また、水平転送部は、受光素子に所定の光の明るさ以上の明るい光が入射した場合に、受光素子１行分の電荷を信号出力部に転送する。したがって、信号出力部は、受光素子に入射した光の明るさに拘らず、良質な画像データが得られる光の明るさに対応した電気信号を出力することができる。
【００７６】
そのため、本発明に係る固体撮像素子は、暗い場所を撮影する場合には電荷増倍処理部で電荷増倍処理を行うことにより、明るい場所を撮影する場合には受光素子１行分の電荷を水平転送部から信号出力部に直接転送することにより、撮影対象となる場所の明るさに拘らず良質な画像データを取得することができる。
【００７７】
また、本発明に係る固体撮像素子は、電荷の通常転送を行う水平転送部と、電荷増倍処理を行う電荷増倍処理部とが別々に備えられていることから、水平転送部については低電圧での最適化設計を行い、電荷増倍処理部については高電圧での最適化設計を行うことができる。そのため、低電圧印加時における、電荷の取り残し等の転送不良の発生を防止することができる。
【００７８】
本発明の態様２に係る固体撮像素子（２、３）は、上記態様１において、上記信号出力部は、第１信号出力部（第１出力回路２５）と第２信号出力部（第２出力回路２６）とを含み、上記第１信号出力部は、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷を上記電気信号に変換して出力するとともに、上記第２信号出力部は、上記電荷増倍処理部から転送された上記増倍電荷を上記電気信号に変換して出力することが好ましい。
【００７９】
電荷増倍処理が施された増倍電荷の電荷数は、水平転送部から通常転送された電荷の電荷数に比べてかなり多い。したがって、増倍電荷および通常転送された電荷が同一の信号出力部に入力される場合、当該信号出力部が通常転送用に設計されたものであれば、増倍電荷を電気信号に変換し切れなくなる可能性がある。
【００８０】
その点、上記構成によれば、第１信号出力部には水平転送部から受光素子１行分の電荷が直接転送され、第２信号出力部には増倍電荷が転送される。したがって、第１信号出力部を通常転送に適するように設計し、第２信号出力部を電荷増倍処理に適するように設計することが可能となる。それゆえ、本発明に係る固体撮像素子は、通常転送された電荷および増倍電荷のそれぞれについて、確実に電気信号に変換することができる。
【００８１】
本発明の態様３に係る固体撮像素子（１、２、３）は、上記態様１または２において、上記水平転送部には、受光素子１つ当り４つの電極（ゲート電極１３ａ）が、上記水平方向に直列的に配置されているとともに、上記４つの電極の各々は、隣り合う２つの電極のいずれか一方と１組になって同一のパルス電圧が印加され、上記水平転送部は、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ないか否かに応じて、上記１組を構成する２つの電極の組合せを切り替えることが好ましい。
【００８２】
上記構成によれば、水平方向に直列的に配置された４つの電極の各々は、隣り合う２つの電極のいずれか一方と１組になって同一のパルス電圧が印加される。また、水平転送部は、受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ないか否かに応じて、上記１組を構成する２つの電極の組合せを切り替えることができる。
【００８３】
したがって、受光素子に所定の光の明るさよりも暗い光が入射した場合、水平転送部は、同一のパルス電圧を印加する１組として、電荷増倍処理部に近い方の電極をＮ型不純物層に対応する電極とし、遠い方の電極をＮ型＋Ｐ型不純物層に対応する電極とすることによって、受光素子１行分の電荷を電荷増倍処理部に転送することができる。また、受光素子に所定の光の明るさ以上の明るい光が入射した場合であれば、同一のパルス電圧を印加する１組として、信号出力部に近い方の電極をＮ型不純物層に対応する電極とし、遠い方の電極をＮ型＋Ｐ型不純物層に対応する電極とすることによって、受光素子１行分の電荷を信号出力部に転送することができる。
【００８４】
それゆえ、本発明に係る固体撮像素子は、受光素子に入射した光の明るさに応じて同一のパルス電圧を印加する２つの電極の組の組合せを適宜切り替えることにより、受光素子に入射した光の明るさに拘らず、良質な画像データを取得することができる。
【００８５】
本発明の態様４に係る固体撮像素子は、上記態様１から３のいずれかにおいて、上記電荷増倍処理部には、受光素子１つ当り３つの電極が、上記水平方向に直列的に配置されており、上記３つの電極のうち、上記信号出力部に最も近い側に配置された第１電極（第１ゲート電極１４ａ）には、第１パルス電圧が印加され、上記信号出力部に最も遠い側に配置された第２電極（第２ゲート電極１４ｂ）には、上記第１パルス電圧のｈｉｇｈ電圧よりも低いｈｉｇｈ電圧となる第２パルス電圧が印加されるとともに、上記第１電極と上記第２電極との間に配置された第３電極（第３ゲート電極１４ｃ）には、上記第１パルス電圧のｈｉｇｈ電圧よりも低く、かつ、上記第２パルス電圧のｌｏｗ電圧よりも高い定電圧が印加されることが好ましい。
【００８６】
上記構成によれば、電荷増倍処理部において水平方向に直列的に配置された３つの電極のうち、第１電極には第１パルス電圧が印加され、第２電極には第２パルス電圧が印加される。したがって、第１パルス電圧のｈｉｇｈ電圧を第２パルス電圧のｈｉｇｈ電圧よりもかなり高く設定した上で、第１電極にｈｉｇｈ電圧を印加すると同時に第２電極にｌｏｗ電圧を印加することで、電荷増倍反応が生じる程度のポテンシャル差を作ることができる。また、電荷増倍処理によって生成された増倍電荷を信号出力部に転送することができる。
【００８７】
また、一般に、電荷増倍用の転送部に定電圧印加用の電極が存在しない場合、各電極に印加されたパルス電圧の反転途中状態においてポテンシャル差が小さくなる時点が生じてしまい、電荷増倍反応が十分に起こらない可能性がある。その点、上記構成によれば、第３電極には定電圧が印加されることから、上記のポテンシャル差が小さくなる時点が存在しなくなる。それゆえ、電荷増倍処理を精度高く行う固体撮像素子を実現することができる。
【００８８】
本発明の態様５に係る固体撮像素子は、上記態様４において、上記第３電極における、上記水平方向の電極の長さであるゲート長は、上記第１電極の上記ゲート長および上記第２電極の上記ゲート長よりも短いことが好ましい。
【００８９】
上記構成によれば、第３電極のゲート長は、第１電極のゲート長および第２電極のゲート長よりも短い。したがって、例えば、第３電極の鉛直下側にＮ型＋Ｐ型不純物層のみが配置されるように第３電極のゲート長を短くするとともに、前記ゲート長を短くした分だけ第１電極および第２電極のゲート長を長くすることで、十分な電荷増倍効果を得つつ、電荷増倍処理部の電荷容量をより大きくすることができる。
【００９０】
本発明の態様６に係る固体撮像素子は、上記態様３において、上記４つの電極の総数が、受光素子１行分の数の４倍以上になっていることが好ましい。
【００９１】
上記構成によれば、水平転送部に配置された４つの電極の総数は、少なくとも受光素子１行分の数の４倍になっている。したがって、受光素子の行を構成する各受光素子に対して、確実に４つの電極を割り当てることができる。それゆえ、水平転送部は、垂直転送部から転送された受光素子１行分の電荷全ての転送方向を、受光素子に入射した光の明るさに応じて適宜切り替えることができることから、水平方向転送時における電荷の取り残しを防止することができる。
【００９２】
本発明の態様７に係る固体撮像素子は、上記態様４または５において、上記３つの電極の総数が、上記電荷増倍処理部の個数である増倍段数の３倍になっていることが好ましい。
【００９３】
上記構成によれば、電荷増倍処理部に配置された３つの電極の総数は、増倍段数の３倍になっている。したがって、本発明に係る固体撮像素子は、１段の電荷増倍処理部で実行される電荷増倍処理毎に、電荷増倍反応を精度高く生じさせることができる。それゆえ、電荷増倍処理をより精度高く行う固体撮像素子を実現することができる。
【００９４】
本発明の態様８に係る固体撮像素子は、上記態様７において、上記電荷増倍処理部は、上記増倍電荷の転送のみを行う空転送部を、受光素子１行分の数から上記増倍段数を差し引いた数の分だけ備えていることが好ましい。
【００９５】
一般に、通常転送用の水平転送部のパケット総数は、受光素子１行分の数と同数になっている。ここで、電荷増倍用の転送部のパケット総数が通常転送用の水平転送部のパケット総数、すなわち受光素子１行分の数に満たない場合、受光素子１行分の電荷に対して電荷増倍処理が行われている最中に、垂直転送部の最終段から通常転送用の水平転送部への読み出しが行われることとなる。この場合、電気信号に誘導信号が入り込み、当該誘導信号に対応する不要な画像データが現れてしまう。
【００９６】
したがって、電荷の読み出しから電気信号の出力までをスムーズに行うためには、受光素子１行分の電荷に対する電荷増倍処理が終了した後に、電荷の読み出しが行われることが望ましい。換言すれば、受光素子１行分の数（通常転送用の水平転送部のパケット総数）と電荷増倍用の転送部のパケット総数とが同数になっていることが望ましい。ここで、各転送部において、１回の電荷蓄積および電荷転送に割り当てられた複数の電極を１組として１パケットとする。
【００９７】
その点、上記構成によれば、電荷増倍処理部は、受光素子１行分の数から増倍段数を差し引いた数の分だけ空転送部を備えている。ここで、増倍段数は電荷増倍処理部のパケット総数と同数になることから、電荷増倍処理部には、当該電荷増倍処理部のパケット総数の不足分だけ空転送部が備えられることになる。したがって、電荷増倍処理部から全ての増倍電荷が出力された後に、水平転送部による受光素子１行分の電荷の読み出しがなされることになる。
【００９８】
それゆえ、本発明に係る固体撮像素子は、電荷増倍処理部のパケット総数が受光素子１行分の数に満たない場合においても誘導信号の発生を抑制することができ、電荷の読み出しから電気信号の出力までをスムーズに行うことができる。
【００９９】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１、２、３        固体撮像素子
１１              フォトダイオード（受光素子）
１２              垂直転送ＣＣＤ（垂直転送部）
１３              水平転送ＣＣＤ（水平転送部）
１３ａ            ゲート電極（電極）
１４、１４’      電荷増倍処理部
１４ａ            第１ゲート電極（第１電極）
１４ｂ            第２ゲート電極（第２電極）
１４ｃ            第３ゲート電極（第３電極）
１５              出力回路（信号出力部）
２５              第１出力回路（第１信号出力部）
２６              第２出力回路（第２信号出力部）
【図１】
2017073524.tif 000003
【図２】
2017073524.tif 000004
【図３】
2017073524.tif 000005
【図４】
2017073524.tif 000006
【図５】
2017073524.tif 000007
【図６】
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【図７】
2017073524.tif 000009
【図８】
2017073524.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2017073524.tif 000012
【図１１】
2017073524.tif 000013
【図１２】
2017073524.tif 000014
【図１３】
2017073524.tif 000015
【図１４】
2017073524.tif 000016
【図１５】
2017073524.tif 000017
【図１６】
2017073524.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月11日(2018.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して電荷を生成する、２次元的に配された複数の受光素子と、
上記複数の受光素子から上記電荷を読み出して、垂直方向に転送する垂直転送部と、
受光素子１つ当り４つの電極が、水平方向に直列的に配置されているとともに、上記垂直転送部から転送された上記電荷を、受光素子１行分の電荷毎に上記水平方向に転送する水平転送部と、
上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷に対して電荷増倍処理を施すことにより、増倍電荷を生成する電荷増倍処理部と、
上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷、および上記電荷増倍処理部から転送された上記増倍電荷を、電気信号に変換して出力する信号出力部と、を備え、
上記４つの電極の各々は、隣り合う２つの電極のいずれか一方と１組になって同一のパルス電圧が印加され、
上記水平転送部は、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ないか否かに応じて、上記１組を構成する２つの電極の組合せを切り替えるとともに、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ない場合にのみ、上記受光素子１行分の電荷を上記電荷増倍処理部に転送することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
上記信号出力部は、第１信号出力部と第２信号出力部とを含み、
上記第１信号出力部は、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷を上記電気信号に変換して出力するとともに、上記第２信号出力部は、上記電荷増倍処理部から転送された上記増倍電荷を上記電気信号に変換して出力することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
上記電荷増倍処理部には、受光素子１つ当り３つの電極が、上記水平方向に直列的に配置されており、
上記３つの電極のうち、上記信号出力部に最も近い側に配置された第１電極には、第１パルス電圧が印加され、上記信号出力部に最も遠い側に配置された第２電極には、上記第１パルス電圧のｈｉｇｈ電圧よりも低いｈｉｇｈ電圧となる第２パルス電圧が印加されるとともに、
上記第１電極と上記第２電極との間に配置された第３電極には、上記第１パルス電圧のｈｉｇｈ電圧よりも低く、かつ、上記第２パルス電圧のｌｏｗ電圧よりも高い定電圧が印加されることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
上記第３電極における、上記水平方向の電極の長さであるゲート長は、上記第１電極の上記ゲート長および上記第２電極の上記ゲート長よりも短いことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明は、上記の各問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、撮影対象となる場所の明るさ、および受光素子に入射した光の明るさに拘らず良質な画像データを取得できるようにすることにある。また、定電圧印加時における電荷の転送不良の発生が抑制された固体撮像素子を提供することにある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の一様態に係る固体撮像素子は、入射光を光電変換して電荷を生成する、２次元的に配された複数の受光素子と、上記複数の受光素子から上記電荷を読み出して、垂直方向に転送する垂直転送部と、受光素子１つ当り４つの電極が、水平方向に直列的に配置されているとともに、上記垂直転送部から転送された上記電荷を、受光素子１行分の電荷毎に上記水平方向に転送する水平転送部と、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷に対して電荷増倍処理を施すことにより、増倍電荷を生成する電荷増倍処理部と、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷、および上記電荷増倍処理部から転送された上記増倍電荷を、電気信号に変換して出力する信号出力部と、を備え、上記４つの電極の各々は、隣り合う２つの電極のいずれか一方と１組になって同一のパルス電圧が印加され、上記水平転送部は、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ないか否かに応じて、上記１組を構成する２つの電極の組合せを切り替えるとともに、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ない場合にのみ、上記受光素子１行分の電荷を上記電荷増倍処理部に転送する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の一様態によれば、電荷の量に応じて同一のパルス電圧を印加する２つの電極の組の組合せを切り替え、かつ水平転送部からの転送先を異ならせることにより、撮影対象となる場所の明るさ、および受光素子に入射した光の明るさに拘らず良質な画像データを取得することができる。また、低電圧印加時における電荷の転送不良の発生を抑制する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
本発明の様態１に係る固体撮像素子（１、２、３）は、入射光を光電変換して電荷（１００）を生成する、２次元的に配された複数の受光素子（フォトダイオード１１）と、上記複数の受光素子から上記電荷を読み出して、垂直方向に転送する垂直転送部（水帳転送ＣＣＤ１２）と、受光素子１つ当り４つの電極（ゲート電極１３ａ）が、水平方向に直列的に配置されているとともに、上記垂直転送部から転送された上記電荷を、受光素子１行分の電荷毎に上記水平方向に転送する水平転送部（水平転送ＣＣＤ１３）と、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電気に対して電荷増倍処理を施すことにより、増倍電荷（１１０）を生成する電荷増倍処理部（１４、１４’）と、上記水平転送部から転送された上記受光素子１行分の電荷、および上記電荷増倍処理部から転送された上記増倍電荷を、電気信号に変換して出力する信号出力部（出力回路１５、第１出力回路２５、第２出力回路２６）と、を備え、上記４つの電極の各々は、隣り合う２つの電極のいずれか一方と１組になって同一のパルス電圧が印加され、上記水平転送部は、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ないか否かに応じて、上記１組を構成する２つの電極の組合せを切り替えるとともに、上記受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ない場合にのみ、上記受光素子１行分の電荷を上記電荷増倍処理部に転送する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
上記構成によれば、水平転送部は、垂直転送部から転送された受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ない場合にのみ、当該受光素子１行分の電荷を電荷増倍処理部に転送する。したがって、垂直転送部から転送された受光素子１行分の電荷の量が閾値以上の場合、水平転送部は、当該受光素子１行分の電荷を信号出力部に転送することになる。また、上記構成によれば、水平方向に直列的に配置された４つの電極の各々は、隣り合う２つの電極のいずれか一方と１組になって同一のパルス電圧が印加される。また、水平転送部は、受光素子１行分の電荷の量が閾値よりも少ないか否かに応じて、上記１組を構成する２つの電極の組合せを切り替えることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
ここで、受光素子に入射した光の明るさと当該受光素子が生成する電荷の量とは比例関係にあることから、水平転送部は、受光素子に所定の光の明るさよりも暗い光が入射した場合に、受光素子１行分の電荷を電荷増倍処理部に転送する。そして、電荷増倍処理部は、増倍電荷を生成するとともに当該増倍電荷を信号出力部に転送する。また、水平転送部は、受光素子に所定の光の明るさ以上の明るい光が入射した場合に、受光素子１行分の電荷を信号出力部に転送する。したがって、信号出力部は、受光素子に入射した光の明るさに拘らず、良質な画像データが得られる光の明るさに対応した電気信号を出力することができる。また、受光素子に所定の光の明るさよりも暗い光が入射した場合、水平転送部は、同一のパルス電圧を印加する１組として、電荷増倍処理部に近い方の電極をＮ型不純物層に対応する電極とし、遠い方の電極をＮ型＋Ｐ型不純物層に対応する電極とすることによって、受光素子１行分の電荷を電荷増倍処理部に転送することができる。また、受光素子に所定の光の明るさ以上の明るい光が入射した場合であれば、同一のパルス電圧を印加する１組として、信号出力部に近い方の電極をＮ型不純物層に対応する電極とし、遠い方の電極をＮ型＋Ｐ型不純物層に対応する電極とすることによって、受光素子１行分の電荷を信号出力部に転送することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
そのため、本発明に係る固体撮像素子は、暗い場所を撮影する場合には電荷増倍処理部で電荷増倍処理を行うことにより、明るい場所を撮影する場合には受光素子１行分の電荷を水平転送部から信号出力部に直接転送することにより、撮影対象となる場所の明るさに拘らず良質な画像データを取得することができる。また、本発明に係る固体撮像素子は、受光素子に入射した光の明るさに応じて同一のパルス電圧を印加する２つの電極の組の組合せを適宜切り替えることにより、受光素子に入射した光の明るさに拘らず、良質な画像データを取得することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2017073524.tif 000019
2017073524.tif 000020
2017073524.tif 000021