(57)【要約】      （修正有）【課題】複数画素の信号電荷を加算する加算読み出し方式において、分光感度特性を変化させることなく、且つ加算された信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止できる固体撮像素子の駆動方法を提供する。【解決手段】固体撮像素子は、センサ部２からの信号電荷を垂直転送部４又は水平転送部７で加算することなく転送する第１の動作モードと、センサ部２から読み出された信号電荷を垂直転送部４又は水平転送部７にて加算する第２の動作モードを選択可能である。第２の動作モード時には、露光期間の基板バイアス電圧が、第１の動作モード時の基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ１と同じ電圧に設定され、複数のセンサ部２から垂直転送部４へ読み出す前に基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ２に上昇させて、これらのセンサ部２の飽和を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に、行列状に配列された光電変換を行う複数のセンサ部と、
前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平転送する水平転送部とを有し、
前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算することなく独立に転送する第１の動作モードと、前記複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算する第２の動作モードを選択的に設定でき、前記第２の動作モード時には、露光期間の前記半導体基板の基板バイアス電圧が、前記第１の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定され、前記複数のセンサ部から前記垂直転送部へ読み出す前に前記基板バイアス電圧を上昇させることで、前記複数のセンサ部の飽和を制限するバイアス電圧制御手段を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記バイアス電圧制御手段は、前記半導体基板に接続された基板バイアス発生回路であ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】
半導体基板と、前記半導体基板上に行列状に配列された光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平転送する水平転送部と、を有する固体撮像素子の駆動方法であって、
前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算することなく独立に転送する第１の動作モードと、前記複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算する第２の動作モードを選択的に設定でき、前記第２の動作モード時には、露光期間の基板バイアス電圧が、前記第１の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定され、前記複数のセンサ部から前記垂直転送部へ読み出す前に前記基板バイアス電圧を上昇させることで、前記複数のセンサ部の飽和を制限することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法に関し、特に、センサ部の分光感度を変化させることなく撮像して得られた信号電荷を、加算して読み出すことができる固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子のセンサ部で得られた照射光量に比例した信号電荷を外部に読み出す方式として、複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送部又は水平転送部にて加算することなく独立に転送する非加算読み出し方式と、複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を垂直転送部又は水平転送部にて加算する加算読み出し方式と、が知られている。非加算読み出し方式は、解像度を優先する静止画の撮影に用いられることが多く、全画素の信号電荷を一斉に読み出す全画素読み出し方式、および偶数ラインと奇数ラインの各画素の信号電荷を交互に読み出すフレーム読み出し方式などがある。一方、加算読み出し方式は、フレームレートを上げることができるので、オートフォーカス（ＡＦ）制御、モニタリング、動画撮影（ＭＶ）などの際に用いられる。
【０００３】
加算読み出し方式の固体撮像素子およびその駆動方法としては、センサ部の飽和信号電荷量が１／ｎとなるように基板バイアス電圧を掛け、ｎ画素分の信号電荷を垂直転送部又は水平転送部にて加算して信号電荷の漏れを防止するようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、基板バイアス電圧を掛けると分光感度特性が変化することを利用して、分光感度特性を積極的に制御することにより、機械的フィルタを用いずに昼間撮影、夜間撮影などの撮影条件に対応可能としたものも知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−３０７９６１号公報
【特許文献２】特開２０００−１３３７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の固体撮像装置およびその駆動方法は、加算読み出し方式の場合、基板バイアス電圧を非加算読み出し方式の基板バイアス電圧より高く設定して、センサ部の飽和信号電荷量を１／加算画素数に制限し、これにより各画素の信号電荷を加算したとき、信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止している。しかし、基板バイアス電圧が高くなると、分光感度特性変化、特に長波長側の感度が低下する分光感度特性の変化が生じ（図３参照）、感度低下やホワイトバランスの崩れが生じる問題があった。
【０００６】
また、特許文献２の固体撮像装置は、基板バイアス電圧による分光感度特性の変化を利用したフィルタ機能を意図したものであり、加算読み出し方式の場合でも分光感度特性の変化がないようにすることを目的とする本発明とは、技術的に全く異なるものである。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数画素の信号電荷を加算する加算読み出し方式において、分光感度特性を変化させることなく、且つ加算された信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成できる。
（１）  半導体基板と、前記半導体基板上に、行列状に配列された光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平転送する水平転送部とを有し、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算することなく独立に転送する第１の動作モードと、前記複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算する第２の動作モードを選択的に設定でき、前記第２の動作モード時には、露光期間の前記半導体基板の基板バイアス電圧が、前記第１の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定され、前記複数のセンサ部から前記垂直転送部へ読み出す前に前記基板バイアス電圧を上昇させることで、前記複数のセンサ部の飽和を制限するバイアス電圧制御手段を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【０００９】
このように構成された固体撮像素子においては、複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送部又は水平転送部にて加算することなく独立に転送する第１の動作モードと、複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を垂直転送部又は水平転送部で加算する第２の動作モードとが選択可能である。第２の動作モードにおいて、露光期間の基板バイアス電圧を第１の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定すると共に、信号電荷をセンサ部から垂直転送部へ読み出す前に基板バイアス電圧を上昇させてセンサ部の飽和を制限するバイアス電圧制御手段を備える。これにより、露光期間の分光感度特性を変化させずに撮像し、且つ加算された信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止することができる。
【００１０】
（２）  前記バイアス電圧制御手段は、前記半導体基板に接続された基板バイアス発生回路であることを特徴とする上記（１）記載の固体撮像素子。
【００１１】
このように構成された固体撮像素子においては、基板バイアス発生回路により半導体基板に基板バイアス電圧を掛けるようにしたので、簡単な電気回路により半導体基板に任意の電圧の基板バイアス電圧を掛けて、センサ部の飽和を任意のレベルに制限することができる。
【００１２】
また、本発明に係る上記目的は、下記方法により達成できる。
（３）  半導体基板と、前記半導体基板上に行列状に配列された光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平転送する水平転送部と、を有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算することなく独立に転送する第１の動作モードと、前記複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算する第２の動作モードを選択的に設定でき、前記第２の動作モード時には、露光期間の基板バイアス電圧が、前記第１の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定され、前記複数のセンサ部から前記垂直転送部へ読み出す前に前記基板バイアス電圧を上昇させることで、前記複数のセンサ部の飽和を制限することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【００１３】
このような方法によれば、第２の動作モード時に、露光期間の基板バイアス電圧を第１の動作モード時のバイアス電圧と同じ電圧に設定し、センサ部から垂直転送部へ読み出す前に基板バイアス電圧を上昇させてセンサ部の飽和を制限するようにしたので、露光期間の分光感度特性が変化せずに第１の動作モードと同じ分光感度で撮像でき、且つ加算された信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を垂直転送部又は水平転送部で加算する第２の動作モードにおいて、露光期間の分光感度特性を変化させず、且つ加算された信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止可能な固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して、本発明にかかる固体撮像素子の一実施形態を説明する。
図１に固体撮像素子の概略構成図を示す。固体撮像素子１０は、図１に示すように、ＰＮ接合のフォトダイオードなどである光電変換を行う複数のセンサ部２が、半導体基板１上に水平及び垂直方向に二次元配列されている。列方向(縦方向)に配列された複数のセンサ部２に対応して垂直転送部４がそれぞれ配置され、各センサ部２と垂直転送部４の間には、読み出しゲート部３が置かれている。即ち、複数のセンサ部２、読み出しゲート部３および垂直転送部４により撮像エリア５が構成されている。
【００１６】
各垂直転送部４の一端（図１において撮像エリア５の下側）には、ラインメモリ部６、水平転送部７がこの順序で配置されており、垂直転送部４により垂直転送される信号電荷を、ラインメモリ部６で一時的に蓄積してから水平転送部７に転送する。水平転送部７のデータ転送方向先端には、電荷電圧変換部８および出力端子９が設けられている。センサ部２、読み出しゲート部３、垂直転送部４、ラインメモリ部６、水平転送部７および電荷電圧変換部８などは、半導体基板１上に形成されている。
【００１７】
固体撮像素子１０は、該固体撮像素子１０を駆動するための垂直転送クロックφＶ１〜φＶ８、水平転送クロックφＨ１〜φＨ２、ラインメモリクロックφＬＭおよびシャッタパルスφｓｕｂを発生するタイミング発生回路１１と、半導体基板１をバイアスする基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生するバイアス電圧制御手段の一例である基板バイアス発生回路１２を更に備えている。
【００１８】
基板バイアス発生回路１２で生成された基板バイアス電圧Ｖｓｕｂは、ダイオードＤを経て端子２１から半導体基板１に印加される。また、タイミング発生回路１１で生成されたシャッタパルスφｓｕｂは、コンデンサＣで直流カットされて端子２１から半導体基板１に印加される。端子２１とグランドＧとの間には、抵抗Ｒが接続されている。また、基板バイアス発生回路１２には、基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを制御するための電圧入力部ＤＣＩＮが接続されている。基板バイアス発生回路１２は、基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを変えることにより、センサ部２の飽和信号電荷量を制御することができる。
【００１９】
上記構成の固体撮像素子１０の動作について、以下に詳細に説明する。図１に示すように、センサ部２は、光が照射されると光電変換して光量に応じた電荷量の信号電荷を蓄積する。センサ部２に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部３に読み出しパルスが印加されて読み出しゲート部３が開くと、各センサ部２からいっせいに垂直転送部４に読み出される。垂直転送部４は、タイミング発生回路１１からの８相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ８によって駆動されて、読み出された信号電荷を垂直転送する。そして、ラインメモリ部６がフレーム単位で信号電荷を一時的に蓄積してから水平転送部７に転送する。垂直転送クロックφＶの相数は、８相に限定されるものではなく、垂直転送制御方法により、例えば４相であってもよい。
【００２０】
水平転送部７は、２相の水平転送クロックφＨ１〜φＨ２によって駆動されて垂直転送部４から転送された信号電荷を水平方向に転送する。そして、電荷電圧変換部８は、転送された信号電荷を信号電圧に変換して出力端子９から順次出力する。
【００２１】
次に、本発明の主旨である基板バイアス電圧Ｖｓｕｂの制御について、図２〜図４を参照して説明する。基板バイアス電圧Ｖｓｕｂは、複数のセンサ部２から読み出された信号電荷を垂直転送部４又は水平転送部７にて加算することなく独立に転送する第１の動作モード（非加算読み出し方式）と、複数のセンサ部２から読み出された画素数に応じた信号電荷を垂直転送部４又は水平転送部７で加算する第２の動作モード（加算読み出し方式）と、で異なる制御が行われる。
【００２２】
図２はセンサ部周辺の基板深さ方向のポテンシャル分布図、図３は基板バイアス電圧と感度の関係を示す分光感度特性図、図４は第２の動作モード（加算読み出し方式）における固体撮像素子の駆動タイミングチャート図である。
【００２３】
先ず、第１の動作モード（非加算読み出し方式）について簡単に説明する。第１の動作モード（非加算読み出し方式）では、電圧入力部ＤＣＩＮは常に“Ｌ”レベルに保持されており、半導体基板１には端子２１から低い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ１が印加されている。このときセンサ部２に蓄積される信号電荷の電荷量は、図２に示すように、ポテンシャル曲線１３によって決まり、高い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ２を印加した場合のポテンシャル曲線１４による電荷量ｅより大きい。
【００２４】
また、このとき（低い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ１印加時）の分光感度は、図３に示すように、分光感度特性曲線１７で表わされ、高い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ２を半導体基板１に印加した場合の分光感度特性曲線１８より高感度となっている。特に、長波長側での感度が大きい。センサ部２に蓄積された信号電荷は、前記したように垂直転送部４、ラインメモリ部６および水平転送部７によって転送され、更に電荷電圧変換部８で電圧信号に変換されて出力端子９から出力する。換言すれば、第１の動作モード（非加算読み出し方式）においては、分光感度特性曲線１７で表わされる高感度で撮像されてセンサ部２に蓄積された信号電荷は、該信号電荷の量に応じた電圧の電圧信号に変換されて出力端子９から出力される。
【００２５】
次に第２の動作モード（加算読み出し方式）について説明する。図４に示すように、第２の動作モード（加算読み出し方式）では、固体撮像素子１０のセンサ部２に光を照射して光量に応じた信号電荷を蓄積する露光期間（ｔ０〜ｔ１）の間、電圧入力部ＤＣＩＮは“Ｌ”レベルに保持されており、半導体基板１には端子２１から低い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ１が印加される。このときの分光感度は、第１の動作モードと同じであり、低い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ１の高感度の分光感度特性曲線１７となる（図３参照）。また、センサ部２に蓄積される信号電荷は、第１の動作モードと同じであり、ポテンシャル曲線１３に従う。即ち、高い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ２を印加した場合のポテンシャル曲線１４より大きい（図２参照）。
【００２６】
図４に戻って、露光期間（ｔ０〜ｔ１）が終了し、蓄積された信号電荷がセンサ部２から垂直転送部４に読み出される直前ｔ１において、電圧入力部ＤＣＩＮが“Ｈ”レベルに切り換えられて、半導体基板１に端子２１から高い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ２が半導体基板１に印加される。このときの基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ２は、加算される画素数に対応した電圧値であり、例えば、２画素加算される場合は、センサ部２の飽和信号電荷量を１／２に設定する電圧値となっている。
【００２７】
基板バイアス電圧がＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に切り換えられると、図２に示すように、ポテンシャル曲線もポテンシャル曲線１３からポテンシャル曲線１４に変化して飽和信号電荷量が１／２となって、過剰な信号電荷は半導体基板１に掃き出される。これにより、第１の動作モード（非加算読み出し方式）で読み出される信号電荷と、２画素加算された第２の動作モード（加算読み出し方式）の信号電荷との電荷量が等しくなる。
【００２８】
そして、露光期間後のタイミングｔ２でタイミング発生回路１１から読み出しパルスを読み出しゲート部３に出力すると、各センサ部２に蓄積していた信号電荷は、垂直転送部４に読み出される。その後、タイミングｔ３で基板バイアス電圧は再びＶｓｕｂ１に戻されて次の露光に備える。
【００２９】
垂直転送部４に読み出された信号電荷は、第１の動作モードと同様に、ラインメモリ部６および水平転送部７へと転送され、更に電荷電圧変換部８で信号電圧に変換されて出力端子９から出力する。上記したように、垂直転送部４に読み出される信号電荷の電荷量は、第１の動作モードおよび第２の動作モードで同じなので、信号電荷が垂直転送部４又は水平転送部７から漏れてブルーミングなどが発生することが防止される。
【００３０】
尚、上記説明において、加算読み出し方式において、２画素加算するものとして説明したが、これに限定されるもではなく、３画素以上の信号電荷を加算することもできる。この場合、基板バイアス電圧は、加算される画素数に対応した基板バイアス電圧に設定される。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態の固体撮像素子１０によれば、加算読み出し方式（第２の動作モード）で駆動するとき、露光時には基板バイアス電圧を低い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ１に維持し、これにより非加算読み出し方式（第１の動作モード）の分光感度特性と同じ高感度で露光するので、ホワイトバランスの崩れや感度低下を防止することができる。且つ、信号電荷がセンサ部２から垂直転送部４に読み出される直前で、高い基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ２に切り換えて、センサ部２の飽和信号電荷量を加算される画素数ｎに応じて１／ｎとするので、加算された信号電荷が垂直転送部４又は水平転送部７から漏れるのを防止することができる。即ち、分光感度特性と信号電荷の漏れとの相反する特性を両立させて、画像品質が良好であり、且つフレームレートを上げてＡＦ制御を容易にし、また滑らかなモニター画像や動画が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】固体撮像素子の概略構成図である。
【図２】センサ部周辺の基板深さ方向のポテンシャル分布図である。
【図３】基板バイアス電圧と感度の関係を示す分光感度特性図である。
【図４】固体撮像素子を駆動するタイミングチャート図である
【符号の説明】
【００３３】
１      半導体基板
２      センサ部
４      垂直転送部
７      水平転送部
１０    固体撮像素子
１２    基板バイアス発生回路（バイアス電圧制御手段）
ｎ      画素数
ｔ０〜ｔ１      露光期間
Ｖｓｕｂ１    基板バイアス電圧
Ｖｓｕｂ２    基板バイアス電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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