(57)【要約】【課題】基板電圧の印加範囲の制約を回避し、分光特性、感度、およびリニアリティを悪化させることなく、画素混合モードによる駆動を可能とした固体撮像装置を提供する。【解決手段】本発明の固体撮像装置は、全画素モードと画素混合モードの各モードに応じてｎ型基板７に印加する基板電圧Ｖｓｕｂを異ならせ、フォトダイオード１における飽和電荷量を制御するタイミング発生回路８とコンデンサ１２の間に切替回路１３が接続されている。タイミング発生回路８はｎ型基板７にシャッタパルスＳＰに加えて制御パルスＣＯＮも供給し、切替回路１３はシャッタパルスＳＰ供給端子１５、および制御パルスＣＯＮ供給端子１６を選択的に切替えてコンデンサ１２を接続端子１４に接続し、シャッタパルスＳＰまたは制御パルスＣＯＮのいずれかが、コンデンサ１２を介して、標準電圧に重畳されて基板電圧Ｖｓｕｂとしてｎ型基板７に印加される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、読み出し信号により前記光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出す読み出し部と、制御電圧により設定される飽和電荷量を超えた過剰電荷を前記光電変換部から排出する過剰電荷排出部と、前記過剰電荷排出部に前記制御電圧を供給する制御電圧供給部とを備え、
前記光電変換部は、第１導電型の半導体基板中に設けられた第２導電型領域と前記第２導電型領域中に設けられた第１導電型領域とを含んで構成されており、
前記過剰電荷排出部へ供給する制御電圧を、電荷蓄積期間と、少なくとも前記読み出し信号を印加し前記光電変換部の信号電荷を読み出す電荷移送期間を含む制御電圧変調期間とで異ならせることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記制御電圧は前記半導体基板に印加されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記電荷移送期間の前記制御電圧は、前記電荷蓄積期間の前記制御電圧よりも高電圧であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記電荷移送期間の開始前に、前記電荷移送期間の制御電圧を前記電荷蓄積期間の制御電圧よりも高電圧に変化させることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記半導体基板に標準電圧を印加する標準電圧供給部を備え、前記制御電圧は、その交流成分が前記標準電圧に重畳されて前記基板に印加されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記制御電圧供給部は、電子シャッタパルスを供給する手段と共通に構成されることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記電荷蓄積期間と前記制御電圧変調開始点から前記電荷移送期間までの期間との比率を用いて、ホワイトバランスを調整するホワイトバランス調整手段を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記ホワイトバランス調整手段は前記制御電圧に応じて調整量の変更が可能であることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記ホワイトバランス調整手段は、所定の電荷蓄積期間に所定の制御電圧を印加し、前記電荷移送期間まで前記制御電圧を変更することのない駆動を行ったときに得られる出力の分光特性を記録する手段を持つことを特徴とする請求項７または８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記読み出し部は、前記光電変換部から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記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水平転送部と、前記水平転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部とを備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
駆動モードとして、全画素の蓄積電荷を個別に検出して画像データを作成する全画素モードと、ラインを間引きつつ情報加算する画素混合モードとを有し、
前記全画素モードでは、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を、各ライン毎に個別に前記電荷検出部に転送し、前記画素混合モードでは、信号電荷を、所定個数分加算混合して前記電荷検出部に転送して、垂直方向の所定間隔毎に一本分のラインの信号電荷を前記電荷検出部に転送するように駆動することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記画素混合モードで駆動される場合の前記電荷移送期間における前記飽和電荷量は、混合された信号電荷が、前記垂直転送部および前記水平転送部において実質的に溢れない範囲に設定されることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
信号電荷を混合する画素数に応じて、前記電荷移送期間における前記制御電圧を異ならせることを特徴とする請求項１１または１２に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリクス状に配列された複数の光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出して、二次元の画像信号を得るように構成された固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像部、あるいはファックスやイメージスキャナの画像認識部を構成し、撮像素子としてはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサが広く用いられている。
【０００３】
従来例のＣＣＤ型イメージセンサを用いた固体撮像装置の平面構造について、図９の模式図を参照して説明する（例えば特許文献１参照）。１は光電変換部を形成するフォトダイオードであり、マトリクス状に複数配列されている。フォトダイオード１の各列間に、垂直ＣＣＤ２が配列されて撮像領域３が形成されている。各フォトダイオード１に蓄積された電荷は垂直ＣＣＤ２へ移送され、垂直ＣＣＤ２により、水平ＣＣＤ４へ向けて垂直方向に並列転送される。従って水平ＣＣＤ４には、複数本の垂直ＣＣＤ２から１走査線に相当する信号電荷が順次転送される。水平ＣＣＤ４に達した電荷は水平方向へ転送されて、電荷検出部５により信号電圧に変換され、出力アンプ６で増幅された後、撮像出力ＯＵＴとして導出される。以上の要素がｎ型基板７上に形成されている。
【０００４】
垂直ＣＣＤ２は、タイミング発生回路８から供給される、例えば４相の転送クロックφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４によって転送駆動される。これにより、垂直ＣＣＤ２に読み出された信号電荷は、水平ブランキング期間に１走査線に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送される。水平ＣＣＤ４は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１，φＨ２によって転送駆動される。これにより、１走査線分の信号電荷は、水平ブランキング期間後の水平走査期間において、順次水平方向に転送される。
【０００５】
ｎ型基板７は抵抗１１を介して接地されており、ｎ型基板７と抵抗１１の接続点に、標準電圧発生回路９がダイオード１０を介して接続されている。標準電圧発生回路９が発生する標準電圧は、基板電圧Ｖｓｕｂとしてｎ型基板７に印加される。基板電圧Ｖｓｕｂは、後述するように、フォトダイオード１に蓄積される信号電荷の飽和量を決定するために印加される電圧である。ＣＣＤ型イメージセンサの製造ばらつきに伴う、基板電圧Ｖｓｕｂにより形成されるポテンシャル障壁の高さのばらつきを考慮して、標準電圧は、個々の素子（チップ）ごとに最適値に設定されている。
【０００６】
一方、電子シャッター動作が可能なＣＣＤイメージセンサでは、タイミング発生回路８でシャッタパルスＳＰを生成し、このシャッタパルスＳＰがコンデンサ１２で直流カットされた後、ｎ型基板７に印加される。このとき、シャッタパルスＳＰの低レベルは、ダイオード１０によって標準電圧の直流レベルにクランプされる。
【０００７】
図９のＡ−Ａ線に沿った素子断面図を、図１０に示す。ｎ型基板７の上部にｐウェル領域１７が形成され、その中にフォトダイオード１、および垂直ＣＣＤチャンネル２ａが形成されている。その上に、垂直ＣＣＤの転送電極とフォトダイオード１からの信号電荷の移送を制御する電極を兼ねた電極１８が形成されている。１９は素子分離領域である。この構造の素子は、３値のパルスによって駆動され、最も高い電圧が印加された時に、フォトダイオード１から移送ゲート領域２４を通って、信号電荷が垂直ＣＣＤチャンネル２ａに移送される。
【０００８】
この素子における、ブルーミング抑制のための動作について、図１０のＢ−Ｃ−Ｄ線に沿った電位分布を表わす図１１を参照して説明する。同図における各領域は、対応するフォトダイオード１、移送ゲート領域２４、垂直ＣＣＤチャンネル２ａ、ｐウェル領域１７、ｎ型基板７と同一の参照番号を用いて示す。ｐウェル領域１７とｎ型基板７間には基板電圧Ｖｓｕｂが印加されているので、ｐｎ接合されたフォトダイオード１の下部のｐウェル領域１７は空乏化され、実線で示される電位分布において電位障壁が形成されている。また、移送ゲート領域２４の実線で示される電位は、信号電荷が移送されないときの状態を示す。信号電荷を移送するときは破線で示される電位になる。
【０００９】
移送ゲート領域２４が破線で示す電位になったときに、フォトダイオード１の電荷が垂直ＣＣＤチャンネル２ａへ移送されることにより、フォトダイオード１は電位２５ａで示す空の状態になる。移送期間が終了し蓄積期間が開始されると、入射する光により電荷が蓄積されるのに伴い、フォトダイオード１のポテンシャルの井戸は電位２５ｂに示すように浅くなっていく。電位２５ｂが、実線の電位分布におけるｐウェル領域１７の電位２６ａよりも下がると、過剰電荷がｐウェル領域１７を通過してｎ型基板７に排出される。このようにして、ｐウェル領域１７の電位障壁で決まる飽和電荷量を超えてフォトダイオード１に電荷が蓄積されたとき、過剰電荷がｎ型基板７に排出されることにより、ブルーミングが抑制される。基板電圧Ｖｓｕｂを高くすれば、電位分布は破線で示す状態になり、ｐウェル領域１７の電位２６ｂで示される飽和電荷量が低い値に設定される。基板電圧Ｖｓｕｂを適宜設定することにより、素子の特性に適合したブルーミング抑制効果を得ることができる。
【００１０】
しかしこのブルーミング抑制方法には次のような欠点がある。すなわち、図１１に示す移送ゲート領域２４を破線で示す電位にして信号電荷を移送する期間中においては、フォトダイオード１で発生した電荷は、蓄積された電荷による電位２５ｂが、ｐウェル領域１７の電位２６ａよりも低くなる電荷量に達するまで、垂直ＣＣＤチャンネル２ａ、移送ゲート領域２４、フォトダイオード１に蓄積される。ところが、垂直ＣＣＤチャンネル２ａ内の隣接した領域とのバリヤーが電位２６ａよりも高いと、過剰電荷がｎ型基板７に溢れ始める前に、垂直ＣＣＤチャンネル２ａ内の隣接した領域に電荷が溢れ出す。即ち、フォトダイオード１から信号電荷を移送する期間中は、事実上ブルーミング抑制作用が機能しなくなる。
【００１１】
電荷移送期間中もブルーミング抑制作用を機能させるために、特許文献２には、フォトダイオードへの電荷蓄積期間と電荷移送期間とにｎ型基板７へ異なる電位を与える構成が記載されている。すなわち、信号電荷蓄積期間の殆んどはｐウェル領域１７を従来と同じ低レベルの電位２６ａの状態とし、移送期間中に、高レベルの電位２６ｂの状態とする。それにより、電荷移送期間には、過剰電荷を排出する電位２６ｂよりも浅い（低い）電荷は、フォトダイオード１に蓄積されずにｎ型基板７に排出され、ブルーミング抑制作用が機能する。但し、垂直ＣＣＤ２の隣接領域とのバリヤーは、電位２６ｂより低いことが必要である。
【００１２】
また、特許文献３にはフィールド読出／フレーム読出のモードに対して基板電圧Ｖｓｕｂを切り替える技術が公開されている。
【特許文献１】特開平７−２８４０２６号公報
【特許文献２】特開昭６１−２６３７５号公報
【特許文献３】特開平５−２１１３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
例えばデジタルカメラ用途の高画素数ＣＣＤには、全画素の蓄積電荷を個別に検出して画像データを作成する全画素モード（例えば静止画モード）と、ラインを間引きつつ情報加算することで情報量を減らしフレームレートを高める画素混合モード（例えばモニタモード、動画モード）とがある。画素混合モードでは、同一の垂直ＣＣＤに読み出される同一色画素の信号電荷を、所定個数分加算混合して電荷検出部に転送することにより、垂直方向の所定間隔毎に一本のラインの画像信号を得るように駆動する。
【００１４】
画素混合モードでは、複数画素の電荷を混合するため、加算された電荷量が大きくなるので、垂直あるいは水平ＣＣＤにおける転送能力を超えないように、転送すべき電荷量を制限する必要がある。そのため、画素混合モードの場合は基板電圧Ｖｓｕｂを高くして、フォトダイオードに蓄積される電荷を制限し、加算された電荷量が転送に支障を生じない範囲になるように制御している。
【００１５】
電荷を加算する画素数が多い程、基板電圧Ｖｓｕｂを高くして飽和電荷量を低下させる必要があるが、設定可能な電圧は素子として制約を受ける。すなわち、電荷を加算する画素数が多過ぎると、基板電圧Ｖｓｕｂを対応する高い電圧に設定することが不可能になる。
【００１６】
また、電荷蓄積時に高い基板電圧Ｖｓｕｂを印加して、フォトダイオードの固有の電荷蓄積能力に対して極めて低い飽和電荷量となるように制御すると、全画素転送モードの場合に比べて分光特性、および感度が変化し、またリニアリティが劣化する。
【００１７】
特許文献２に記載の方法においては、画素混合モードによる駆動は想定されていないため、信号電荷移送期間中のブルーミングを一律に抑制することのみが考慮され、画素混合モードによる駆動における上述のような問題を解決するものではない。
【００１８】
また、特許文献３には上述の通りフィールド読出／フレーム読出のモードに対して基板電圧Ｖｓｕｂを切り替える技術が公開されているが、上記の２モードに対する取り扱い電荷量の調整ということのみが考慮され、やはり、上述のような課題を解決する手段は講じられていない。
【００１９】
本発明は、基板電圧として印加可能な電圧の制約を回避し、分光特性、感度、およびリニアリティを悪化させることなく、画素混合モードによる駆動を可能とした固体撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、読み出し信号により前記光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出す読み出し部と、制御電圧により設定される飽和電荷量を超えた過剰電荷を前記光電変換部から排出する過剰電荷排出部と、前記過剰電荷排出部に前記制御電圧を供給する制御電圧供給部とを備え、前記光電変換部は、第１導電型の半導体基板中に設けられた第２導電型領域と前記第２導電型領域中に設けられた第１導電型領域とを含んで構成されており、前記過剰電荷排出部へ供給する制御電圧を、電荷蓄積期間と、少なくとも前記読み出し信号を印加し前記光電変換部の信号電荷を読み出す電荷移送期間を含む制御電圧変調期間とで異ならせることを特徴とする。
【００２１】
前記制御電圧は前記半導体基板に印加されることが好ましい。
【００２２】
前記電荷移送期間の前記制御電圧は、前記電荷蓄積期間の前記制御電圧よりも高電圧であることが好ましい。
【００２３】
前記電荷移送期間の開始前に、前記電荷移送期間の制御電圧を前記電荷蓄積期間の制御電圧よりも高電圧に変化させることが好ましい。
【００２４】
前記半導体基板に標準電圧を印加する標準電圧供給部を備え、前記制御電圧は、その交流成分が前記標準電圧に重畳されて前記基板に印加されることが好ましい。
【００２５】
前記制御電圧供給部は、電子シャッタパルスを供給する手段と共通に構成されることが好ましい。
【００２６】
前記電荷蓄積期間と前記制御電圧変調開始点から前記電荷移送期間までの期間との比率を用いて、ホワイトバランスを調整するホワイトバランス調整手段を備えることが好ましい。
【００２７】
前記ホワイトバランス調整手段は前記制御電圧に応じて調整量の変更が可能であることが好ましい。
【００２８】
前記ホワイトバランス調整手段は、所定の電荷蓄積期間に所定の制御電圧を印加し、前記電荷移送期間まで前記制御電圧を変更することのない駆動を行ったときに得られる出力の分光特性を記録する手段を持つことが好ましい。
【００２９】
前記読み出し部は、前記光電変換部から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記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水平転送部と、前記水平転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部とを備えていることが好ましい。
【００３０】
駆動モードとして、全画素の蓄積電荷を個別に検出して画像データを作成する全画素モードと、ラインを間引きつつ情報加算する画素混合モードとを有し、前記全画素モードでは、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を、各ライン毎に個別に前記電荷検出部に転送し、前記画素混合モードでは、信号電荷を、所定個数分加算混合して前記電荷検出部に転送して、垂直方向の所定間隔毎に一本分のラインの信号電荷を前記電荷検出部に転送するように駆動することが好ましい。
【００３１】
前記画素混合モードで駆動される場合の前記電荷移送期間における前記飽和電荷量は、混合された信号電荷が、前記垂直転送部および前記水平転送部において実質的に溢れない範囲に設定されることが好ましい。
【００３２】
信号電荷を混合する画素数に応じて、前記電荷移送期間における前記制御電圧を異ならせることが好ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の固体撮像装置によれば、電荷蓄積期間には、フォトダイオードの固有の電荷蓄積能力を活かして、分光特性、感度、およびリニアリティを損なうことなく電荷蓄積を行うことが可能であり、電荷移送期間には、不要な電荷を排出し電荷量を減らして移送することにより、印加可能な電圧の制約を回避して画素混合モードによる良好な駆動が可能となる。
【００３４】
また、制御電圧変調期間にも読み出し信号が印加されるまではフォトダイオードに入射した光による光電変換と信号電荷の蓄積が起こる。通常の電荷蓄積期間では制御電圧変調期間中の信号電荷は全体の電荷蓄積期間の信号電荷に対して十分小さいが、電荷蓄積期間が電子シャッター等により数千分の１程度に短く設定された場合、前述の光電変換による信号電荷量が全体の信号電荷に対して無視できなくなる。このような場合にも本発明によれば、電荷蓄積期間及び変調Ｖｓｕｂ電圧に応じて感度特性、ホワイトバランスを調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に、本発明の実施の形態における固体撮像装置およびその駆動方法について、図面を参照して具体的に説明する。
【００３６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の平面構造を示す模式図である。基本的な構造は図９に示した固体撮像装置と同様であるので、同様の構成要素については、各々同一の参照番号を付して具体的な説明に代える。また、素子の断面構造は、図１０に示した従来例と、フォトダイオード１の周辺の電位分布は図１１とそれぞれ同様であるので、図１０および図１１も参照して説明する。
【００３７】
本実施の形態における固体撮像装置は、駆動モードとして、上述のような全画素モードと画素混合モードを備える。駆動モードに応じてｎ型基板７に印加する基板電圧Ｖｓｕｂを異ならせて、フォトダイオード１における飽和電荷量を制御するために、タイミング発生回路８とコンデンサ１２の間に、切替回路１３が接続されている。タイミング発生回路８は、ｎ型基板７に印加するパルス電圧として、シャッタパルスＳＰに加えて、制御パルスＣＯＮも供給する。切替回路１３は、コンデンサ１２に接続された端子１４に対して、シャッタパルスＳＰが供給される端子１５、および制御パルスＣＯＮが供給される端子１６を選択的に切替えて接続する。従って、シャッタパルスＳＰまたは制御パルスＣＯＮのいずれかが、コンデンサ１２を介して、標準電圧に重畳されて基板電圧Ｖｓｕｂとしてｎ型基板７に印加される。基板電圧Ｖｓｕｂは、図７に示されるように、フォトダイオード１における飽和電荷量を制御する制御電圧として機能する。
【００３８】
切替回路１３による上記の選択は、図示されていない駆動モード選択部による選択に応じて供給されるモード選択信号Ｓｍにより切替えられる。制御パルスＣＯＮは、駆動モードが画素混合モードのときに、標準電圧発生回路９により供給される標準電圧に重畳されてｎ型基板７に印加される。
【００３９】
図２に、本実施の形態における駆動モードに応じた各部の駆動パルスを示す。図２（ａ）に示すクロックパルス２０は、垂直ＣＣＤ２の転送電極とフォトダイオード１からの信号電荷の移送を制御する電極を兼ねた電極１８へ印加される。電圧２０ａ、２０ｂが交互に印加されることにより垂直ＣＣＤ２内を電荷が転送される。電圧２０ｃが印加されている期間が、電荷の移送期間である。これは従来と同じである。
【００４０】
図２（ｂ）は、全画素モードの場合にｎ型基板７に印加される基板電圧２１を示す。電圧２１ａは、標準電圧発生回路９から供給される標準電圧に対応し、電荷蓄積期間および電荷移送期間を通して一定である。但し、切替回路１３を介してタイミング発生回路８から供給されるシャッタパルスＳＰについては、説明の簡略化のため図示を省略する。電圧２１ａは、図７に示した過剰電荷を排出する閾値、すなわち飽和電荷量を規定する電位２６ａに対応する。すなわち、電圧２１ａがｎ型基板７に印加されたときに、ｐウェル領域１７における電位障壁は電位２６ａに設定される。このように、全画素モードの場合には、電荷蓄積期間および電荷移送期間を通して一定の、図７に示した低い電位２６ａにより飽和電荷量が規定される。
【００４１】
図２（ｃ）には、画素混合モードの場合にｎ型基板７に印加される基板電圧２２を示す。電圧２１ｂは、タイミング発生回路８から供給される制御パルスＣＯＮに対応する。すなわち基板電圧２２は、標準電圧発生回路９から供給される標準電圧に、制御パルスＣＯＮが重畳された波形を有する。基板電圧２２は、クロックパルス２０における電荷移送期間に対応して、高レベルの電圧２１ｂになり、その他の期間には低レベルの電圧２１ａである。電圧２１ｂは、図７に示した飽和電荷量を規定する電位２６ｂに対応する。このように、画素混合モードの場合の飽和電荷量は、電荷蓄積期間には大きく設定され、電荷移送期間には小さく設定される。それにより、電荷蓄積期間には、フォトダイオード１の固有の電荷蓄積能力を活かして、分光特性、感度、およびリニアリティを損なうことなく電荷蓄積を行うことができる。しかも、電荷移送期間には、不要な電荷を排出し電荷量を減らして移送することにより、印加可能な電圧の制約を回避して画素混合モードによる良好な駆動が可能となる。基板電圧としてこの電圧２１ｂが印加されている期間を制御電圧変調期間と定義している。
【００４２】
次に、図２（ａ）のクロックパルス２０と、図２（ｃ）の基板電圧２２における高レベルの電圧２１ｂの位相関係について、図３を参照して説明する。図２（ａ）のクロックパルス２０、および図２（ｃ）の基板電圧２２について、図２に示した期間Ｅを拡大して、それぞれ図３（ａ）および（ｂ）に模式的に示す。また、基板電圧２２の他の例を図３（ｃ）および（ｄ）に示す。
【００４３】
図３（ｃ）に示す基板電圧２３の制御電圧変調期間すなわち電圧２１ｂとなる期間は、図３（ａ）の電圧２０ｃの期間より早くに始まっている。このとき、フォトダイオード１に蓄積されていた電荷は、電位２６ｂよりも浅い（低い）電荷はフォトダイオード１に蓄積されずにｎ型基板７に排出される。
【００４４】
このときの電圧２１ｂはフォトダイオード１の電荷を複数画素混合した後でも転送溢れが発生しないように調整された電圧を印加されている。
【００４５】
前述の制御電圧変調期間は電圧２０ｃの電荷移送期間よりも早くに始まるため、制御電圧変調期間中にも電荷移送期間が開始するまではフォトダイオード１に入射した光は光電変換により信号電荷として蓄積される。
【００４６】
制御電圧変調期間中に発生する信号電荷は全体の電荷蓄積期間に対して小さい量であるので、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷は、ほぼ全てが電圧２１ａの基板電圧の状態で光電変換された信号電荷であり、光電変換時の分光特性は通常通りとなる。
【００４７】
電荷蓄積期間全体を電圧２１ｂに設定する場合には、フォトダイオード１には基板電圧が高い状態で光電変換された電荷が蓄積されることとなり、分光特性が全く異なる。
【００４８】
従って、本発明の様に電荷移送期間の直前にフォトダイオード１の過剰電荷を排出することにより、取り扱い電荷量の調整と分光特性の維持ということを両立することができる。
【００４９】
図４は、本実施の形態における各色毎の出力比率の基板電圧依存性を示した図である。なお、撮像条件として、色温度５１００Ｋの白色光源をＲＧＢの原色カラーフィルター構成を持つ固体撮像装置で撮像している。
【００５０】
図４によると、基板電圧の上昇により感度特性、分光特性の変化が顕著であることが判る。これは基板電圧の変化によりフォトダイオードの深さ方向の電位が変化したことが原因である。一般に光は波長により深さ方向に到達距離が異なり、長波長の光ほど深くまで到達し吸収される。この光吸収の深さ方向依存性とフォトダイオード１の電位変化とが合わさり、感度特性、分光特性の変動を起こしている。
【００５１】
しかし本発明によれば、電圧２１ａの期間での信号発生を極力抑えることにより、上記の特性変動を最小限に抑制することができ且つ、電荷蓄積期間には、フォトダイオード１の固有の電荷蓄積能力を活かして、分光特性、感度、およびリニアリティを損なうことなく電荷蓄積を行うことができる。
【００５２】
前述の制御電圧変調期間の開始点は、取り扱い電荷量制御の安定性から数十μｓｅｃ〜数百μｓｅｃ電荷移送期間より早くに設定するのが望ましい。
【００５３】
電荷移送期間の開始点と、制御電圧変調期間の開始点が一致する図３（ｂ）や、制御電圧変調期間の開始点が逆に遅れる図３（ｄ）の場合は、前述のようにフォトダイオード１の過剰電荷を調整する前に電荷が移相されてしまい、取り扱い電荷量調整が十分できないことがある。よって、制御電圧変調期間は電荷移送期間より早めに開始するのが望ましい。
【００５４】
以上の説明では、画素混合モードの場合の電荷移送期間に印加する基板電圧Ｖｓｕｂとして、単一の電圧のみが供給される例を示したが、電荷が混合される画素数に応じて電荷移送期間に印加する基板電圧Ｖｓｕｂを異ならせて、各々の場合に最適の飽和電荷量に設定することができる。例えば、デジタルカメラにおいては、全画素モードである静止画モードに対して、画素混合モードとしてモニターモードと動画モードがある。モニターモードでは２画素の電荷を混合し、動画モードでは９画素の電荷を混合する。静止画モードの場合に飽和電荷量を適切に設定するためには、基板電圧ＶｓｕｂとしてＤＣ４Ｖを印加する。これに対して、画素混合モードでは、混合後の電荷量を転送能力内に制限するために、モニターモードでは基板電圧ＶｓｕｂとしてＤＣ電圧６Ｖを印加し、動画モードでは基板電圧ＶｓｕｂとしてＤＣ電圧１４Ｖを印加する必要がある。従って、本実施の形態を適用した画素混合モードの場合、電荷蓄積期間には基板電圧Ｖｓｕｂとして４Ｖを印加し、電荷移送期間には、６Ｖあるいは１４Ｖの基板電圧Ｖｓｕｂを印加する。
【００５５】
また、画素混合モードでは、同一色の画素、あるいは垂直方向に並んだ画素どうしに限らず、種々の態様で信号電荷を混合する場合があり得るが、本実施の形態は、どのような形態で画素を混合する場合にも適用可能である。
【００５６】
また、図１に示した構成では、標準電圧発生回路９から供給される標準電圧に対して、制御パルスＣＯＮをＡＣ結合で重畳することにより所定の基板電圧Ｖｓｕｂを印加するが、このような構成に限定されず、所定の絶対値を持つ基板電圧ＶｓｕｂをＤＣ結合により印加する構成としてもよい。但し、図１に示した構成であれば、基板電圧Ｖｓｕｂの低レベルが標準電圧の直流レベルにクランプされるので、個々のチップごとに最適値に設定された標準電圧の値を反映した状態で、基板電圧Ｖｓｕｂを変化させることが可能となる利点がある。
【００５７】
標準電圧発生回路９は、図５に示す一例のように構成することができる。この回路は、電源端子φｐと接地（ＧＮＤ）間に、複数の抵抗を直列に接続した抵抗分割回路である。多数の抵抗Ｒ、Ｒ１およびＲ２の各接続点にパッドＰ１〜Ｐ１０が形成されている。各接続点はまた、それぞれフューズＦを介して標準電圧供給用のパッドＰ１１と接続されている。また、各フューズとパッドＰ１１とを接続する配線の途中に共通パッドＰ１２が形成されている。各フューズは、パッドＰ１〜Ｐ１０のうち対応するものと共通パッドＰ１２の間に電圧を印加することにより切断される。不要なフューズＦを選択的に切断することにより所定の電圧を発生させ、その電圧をパッドＰ１１から供給する。それにより、チップ個々の製造ばらつきを補償して、最適な標準電圧を設定することができる。
【００５８】
このように、画素混合モードの場合の飽和電荷量は、電荷蓄積期間には大きく設定され、電荷移送期間には小さく設定される。それにより、電荷蓄積期間には、フォトダイオード１の固有の電荷蓄積能力を活かして、分光特性、感度、およびリニアリティを損なうことなく電荷蓄積を行うことができる。しかも、電荷移送期間には、不要な電荷を排出し電荷量を減らして移送することにより、印加可能な電圧の制約を回避して画素混合モードによる良好な駆動が可能となる。基板電圧としてこの電圧２１ｂが印加されている期間を制御電圧変調期間と定義している。
【００５９】
なお、本実施の形態では、電荷排出部がｐウェル構造の例について説明したが、これに限定されるものではなく、フォトダイオードから過剰電荷を基板に排出する機能を有するものであれば何でもよい。
【００６０】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置について、図面を参照して具体的に説明する。図６は本発明第２の実施の形態における固体撮像装置の構成を示す模式図である。基本的な構造は図１に示した固体撮像装置と同様であるので、同様の構成要素については、各々同一の参照番号を付して具体的な説明に代える。また、素子の断面構造は、図１０に示した従来例と、フォトダイオード１の周辺の電位分布は図１１とそれぞれ同様であるので、図１０および図１１も参照して説明する。
【００６１】
本実施の形態における固体撮像装置は、出力アンプ６からの出力信号を受ける信号処理部３１を備え、且つ、タイミング発生回路８から蓄積時間判別信号が信号処理部３１に入力される構成となっている。蓄積時間判別信号は電子シャッターなどにより蓄積時間が短くなったときに、前記制御信号変調期間との時間比を判別するための信号である。
【００６２】
信号処理部３１では例えば図４に示したような各基板電圧時に得られる出力の色比率を記録する手段を備えており、タイミング発生回路８からの蓄積期間判別信号に応じて制御信号変調期間中の信号量を例えば時間比率を用いてホワイトバランス調整を行うことができる。ホワイトバランス調整の具体例は後に述べる。
【００６３】
図７に、本実施の形態における各部の駆動パルスを示す。図７（ａ）に示すクロックパルス２０は、垂直ＣＣＤ２の転送電極とフォトダイオード１からの信号電荷の移送を制御する電極を兼ねた電極１８へ印加される。電圧２０ａ、２０ｂが交互に印加されることにより垂直ＣＣＤ２内を電荷が転送される。電圧２０ｃが印加されている期間が、電荷の移送期間である。これは従来と同じである。
【００６４】
クロックパルス２０−１と２０−２はそれぞれ近傍の別のフォトダイオードに印加されるパルスを示す。電圧２０ａ、２０ｂはそれぞれ異なる位相となっており、この２つのフォトダイオードに蓄積された信号電荷は異なったタイミングで垂直ＣＣＤ２内に転送される。
【００６５】
図７（ｂ）は、第１の実施の形態と同様である。全画素モードの場合にｎ型基板７に印加される基板電圧２１を示す。電圧２１ａは、標準電圧発生回路９から供給される標準電圧に対応し、電荷蓄積期間および電荷移送期間を通して一定である。但し、切替回路１３を介してタイミング発生回路８から供給されるシャッタパルスＳＰについては、説明の簡略化のため図示を省略する。電圧２１ａは、図７に示した過剰電荷を排出する閾値、すなわち飽和電荷量を規定する電位２６ａに対応する。すなわち、電圧２１ａがｎ型基板７に印加されたときに、ｐウェル領域１７における電位障壁は電位２６ａに設定される。このように、全画素モードの場合には、電荷蓄積期間および電荷移送期間を通して一定の、図１１に示した低い電位２６ａにより飽和電荷量が規定される。
【００６６】
図７（ｃ）には、画素混合モードの場合にｎ型基板７に印加される基板電圧２２を示す。電圧２１ｂは、タイミング発生回路８から供給される制御パルスＣＯＮに対応する。すなわち基板電圧２２は、標準電圧発生回路９から供給される標準電圧に、制御パルスＣＯＮが重畳された波形を有する。基板電圧２２は、クロックパルス２０における電荷移送期間に対応して、高レベルの電圧２１ｂになり、その他の期間には低レベルの電圧２１ａである。電圧２１ｂは、図１１に示した飽和電荷量を規定する電位２６ｂに対応する。
【００６７】
電圧２１ｃは電圧２１ｂよりさらに高レベルになり、図１１に示した飽和電荷量を規定する電位は２５ａより低いレベルとなり、フォトダイオード１には電荷が蓄積されない状態となる。これはすなわち基板側への電荷掃き出しが行われていることを示す。
【００６８】
この電圧２１ｃによりフォトダイオード１の信号電荷は一旦ゼロとなり、このパルス以降が電荷蓄積期間となる。電荷蓄積期間開始時刻から制御電圧変調開始時刻すなわち基板電圧が２１ｂとなる時刻までの期間をＴ１、制御電圧変調開始時刻からクロックパルス２０−１の電圧が２０ｃとなりこのフォトダイオードの信号電荷が転送されるまでの期間をＴ２、制御電圧変調開始時刻からクロックパルス２０−２の電圧が２０ｃとなりこれに対応するフォトダイオードの信号電荷が転送されるまでの期間をＴ３とする。
【００６９】
電荷蓄積期間Ｔ１にて各フォトダイオード１に蓄積されている信号電荷は読出動作にて垂直ＣＣＤ２への転送の前に制御電圧変調の電圧２１ｂにより飽和電荷量を調整される。しかしながら各フォトダイオードは読出動作が行われるまでの期間は、期間Ｔ１のみでなく期間Ｔ２もしくは期間Ｔ３まで光電変換を行い信号電荷を蓄積し続けている。
【００７０】
このとき、基板電圧２１ａと２１ｂでは光電変換時の分光特性が異なることは先に述べた。Ｔ１が十分大きいときはＴ２もしくはＴ３での光電変換による信号電荷量は無視できるが、Ｔ１が１ｍｓｅｃ以下になってくるとＴ２、Ｔ３で発生した信号電荷の寄与が無視できなくなり、基板電圧が異なった時の光電変換による信号電荷が混合することにより分光特性が変動してしまう。
【００７１】
上記のような場合においても本発明の技術によれば分光の変動を抑制することができる。
【００７２】
図８は光の波長に対する信号出力の比率で表したフォトダイオード１の分光特性を示した図である。図８（ａ）と図８（ｂ）はそれぞれ基板電圧を２１ａ、２１ｂの状態にて取得した分光特性を示す。これらは駆動モードとしては全画素モードにて、図２（ｂ）もしくは図８（ｂ）の状態にて基板電圧をＤＣ的に２１ａと２１ｂと設定したときに取得している。これらは通常の全画素モードの蓄積時間Ｔ０での出力値を元に比率計算した図であり、各波長に対しての出力値のデータを持つ。
【００７３】
図６における信号処理部３１では上記の図８（ａ）、８（ｂ）の各波長に対応した出力値データを記録してあり、タイミング発生回路８からの蓄積期間情報すなわち図７におけるＴ１、Ｔ２、Ｔ３の情報を得て後に、各波長に対応した出力値データをこれら蓄積期間比に従って算出し直す。
【００７４】
例えば、図７のクロックパルス２０−１に対応するフォトダイオードで、且つ、ＲＧＢ中のＲ色に相当するフォトダイオードのある波長に対応した出力値が基板電圧２１ａの時にＲ１、基板電圧２１ｂの時にＲ２で有るとすると、Ｔ１により蓄積期間が調整された後の出力値は、
Ｒ１×（Ｔ１／Ｔ０）＋Ｒ２×（Ｔ２／Ｔ０）                            （式１）
から算出できる。またクロックパルス２０−２に対応するフォトダイオードの場合であれば同様に、
Ｒ１×（Ｔ１／Ｔ０）＋Ｒ２×（Ｔ３／Ｔ０）                            （式２）
となる。これらを各ＲＧＢ全色に施し、データを総合すると上記の電荷蓄積期間の場合の分光特性を得ることができる。これと通常の分光特性との差分もしくは比を用いてホワイトバランスを調整することができる。
【００７５】
高照度シーンを撮像する時などは、電子シャッターなどにより電荷蓄積期間を大幅に短くすることがある。この期間が１ｍｓｅｃ程度以下になると、制御電圧変調期間に発生した信号電荷量が無視できなくなるが、本実施の形態によれば変動したホワイトバランス調整を補正することができ、色合いの変動等の画像不具合を防止することができる。
【００７６】
本実施の形態では信号出力の光の波長依存性を信号処理部３１に記録し補正に利用していたが、予め所定色温度に対するＲＧＢ出力の色比率を記録し、補正に利用してもよい。このようにすることで補正の計算を簡略化することができる。
【００７７】
また、予めデータを記録させるだけでなく、使用時にテストシーン取り込みにより補正用のデータを記録させることでも補正が有効に行われる。
【００７８】
なお、色出力はＲＧＢ原色のフィルターに対応して説明したが、補色フィルターの場合でも同様であることはいうまでもない。
【００７９】
また、３版カメラや色順次式のカメラにおいては各画素毎に色が異なる方式ではないが、光電変換特性としては同じであるので、それぞれの色に対応した信号出力に対して同様に補正を掛けることで同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の固体撮像装置は、電荷蓄積期間には、分光特性、感度、およびリニアリティを損なうことなく電荷蓄積を行うことが可能であり、電荷移送期間に不要な電荷を排出し電荷量を減らして移送することにより、印加可能な電圧の制約を回避して画素混合モードによる良好な駆動が可能となるので、一体型ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、医療用内視鏡のイメージセンサとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の平面構造を示す模式図
【図２】本発明の第１の実施の形態における各部の駆動パルスを示す図
【図３】本発明の第１の実施の形態における各部の駆動パルスの詳細を示す図
【図４】本発明の第１の実施の形態における各色毎の出力比率の基板電圧依存性を示す図
【図５】本発明の第１の実施の形態における標準電圧供給部の一例を示す回路図
【図６】本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の平面構造を示す模式図
【図７】本発明の第２の実施の形態における各部の駆動パルスを示す図
【図８】光の波長に対する信号出力の比率で表したフォトダイオードの分光特性を示す図
【図９】従来の技術における固体撮像装置の平面構造を示す模式図
【図１０】従来の技術におけるフォトダイオード周辺部の断面図
【図１１】従来の技術におけるフォトダイオード周辺部における電位分布を示す図
【符号の説明】
【００８２】
１  フォトダイオード
２  垂直ＣＣＤ
２ａ  垂直ＣＣＤチャンネル
３  撮像領域
４  水平ＣＣＤ
５  電荷検出部
６  出力アンプ
７  ｎ型基板
８  タイミング発生回路
９  標準電圧発生回路
１０  ダイオード
１１  抵抗
１２  コンデンサ
１３  切替回路
１４、１５、１６  端子
１７  ｐウェル領域
１８  電極
１９  素子分離領域
２０  クロックパルス
２０ａ、２０ｂ  電圧
２１、２２、２３  基板電圧
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ  電圧
２４  移送ゲート領域
２５ａ、２５ｂ  電位
２６ａ、２６ｂ  電位
３１  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】
2006261896.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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