(57)【要約】【課題】信号電荷の増倍をインパクトイオン化現象を利用して行うときのＣＣＤ型固体撮像素子の耐性を高め素子の信頼性向上を図る。【解決手段】アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、該電荷転送路を構成する転送電極のうちの増倍用電極に増倍パルスを印加することで該信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、転送電極Ｖ１〜Ｖ８のうち増倍用電極とする電極を周期的に変更する（Ｖ１→Ｖ３→Ｖ１…）。【選択図】図２
2008312120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、該電荷転送路を構成する転送電極のうちの増倍用電極に増倍パルスを印加することで該信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記転送電極のうち前記増倍用電極とする電極を周期的に変更することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
前記増倍パルスのパルス立ち上がりエッヂ，立ち下がりエッヂの少なくとも一方を、光電変換素子から信号電荷を読み出すときに読出電極に印加される読出パルスのパルスエッヂより傾斜させることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項３】
前記増倍パルスのパルス高を、前記光電変換素子から信号電荷を前記電荷転送路に読み出すときに印加される読出パルスのパルス高より低くしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項４】
信号電荷が光電変換素子から読み出され空となっている該光電変換素子に隣接する転送電極を前記増倍用電極として用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項５】
動画像読出時に信号電荷の読み出し対象となっていない光電変換素子に隣接する読出電極でない転送電極を前記増倍用電極とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】
アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、該電荷転送路を構成する転送電極のうちの増倍用電極に増倍パルスを印加することで該信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記増倍パルスのパルス立ち上がりエッヂ，立ち下がりエッヂの少なくとも一方を傾斜させることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
前記増倍パルスのパルス高を、前記光電変換素子から信号電荷を前記電荷転送路に読み出すときに印加される読出パルスのパルス高より低くしたことを特徴とする請求項６に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、該電荷転送路を構成する転送電極のうちの増倍用電極に増倍パルスを印加することで該信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、信号電荷が光電変換素子から読み出され空となっている該光電変換素子に隣接する転送電極を前記増倍用電極として用いることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項９】
アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、該電荷転送路を構成する転送電極のうちの増倍用電極に増倍パルスを印加することで該信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、動画像読出時に信号電荷の読み出し対象となっていない光電変換素子に隣接する読出電極でない転送電極を前記増倍用電極とすることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１０】
ＣＣＤ型固体撮像素子と、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の増倍パルスを生成し前記ＣＣＤ型固体撮像素子に供給する撮像素子駆動手段とを搭載したことを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
前記ＣＣＤ型固体撮像素子がラインセンサであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記ＣＣＤ型固体撮像素子がエリアセンサであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記ＣＣＤ型固体撮像素子の画素配列がハニカム画素配列であることを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記ＣＣＤ型固体撮像素子の画素配列が正方格子配列であることを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３は、ＣＣＤ型固体撮像素子の説明図である。図１３（ａ）は、半導体基板表面部に形成された奇数行の画素（光電変換素子（フォトダイオード：ＰＤ））１２に対して偶数行の画素の配列を１／２ピッチずらした所謂ハニカム画素配置の固体撮像素子を示し、図１３（ｂ）は各画素を正方格子状に配列した固体撮像素子を示している。
【０００３】
各画素列には隣接して垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１１が設けられており、各垂直電荷転送路１１の端部に沿って水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１３が設けられ、水平電荷転送路１３の出力端部に、信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像信号として出力するアンプ１４が設けられる。
【０００４】
図１４は、図１に示す各画素の拡大図である。各画素１２には２枚の転送電極が隣接して設けられており、図示の例では、下側（水平電荷転送路側）の転送電極が読出電極を兼用している。
【０００５】
画素１２から検出電荷（信号電荷）を垂直電荷転送路１１に読み出し、この信号電荷を水平電荷転送路１３まで転送する様子を例示する図が図１５である。状態Ｔ０で読出電極Ｖ２下に読み出された信号電荷（電子）１６は、読出電極Ｖ２下に形成されている電位井戸（電荷パケット）１７内に収納されている。
【０００６】
この電荷パケット１７を、状態Ｔ１で電極Ｖ２，Ｖ３下に伸長し、次の状態Ｔ２で電極Ｖ３下に縮小し、次の状態Ｔ３で電極Ｖ３，Ｖ４下に伸長し、次の状態Ｔ４で電極Ｖ４下に収縮し、…という電荷パケット伸縮動作を繰り返すことで、信号電荷１６を水平電荷転送路１３まで転送する。電荷パケットを伸縮するための駆動パルスすなわち垂直転送パルスは、例えば０Ｖと−８Ｖの電圧で形成される。
【０００７】
尚、この例では、電荷パケットを１電極分→２電極分→１電極分→…と伸縮しているが、３電極分→４電極分→３電極分→…など、種々の形態がある。
【０００８】
近年のＣＣＤ型固体撮像素子は素子の微細化が進み、一画素一画素の飽和電荷量が小さくなってきており、暗いシーンを高感度撮影すると、各画素に蓄積される信号電荷量は非常に小さくなってしまう。このため、信号増幅が必要となるが、ＣＣＤ型固体撮像素子の出力段に設けられたフローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）１４やその後段回路はノイズの影響を受け易く、出力段で信号増幅してもＳ／Ｎの高い増幅出力を得ることはできない。
【０００９】
このため、ＣＣＤ型固体撮像素子の出力段ではなく、信号電荷転送経路の上流側で信号増幅を行うのが好ましく、下記の特許文献１記載の従来技術では、信号電荷を発生させる画素１２に近い垂直電荷転送路１１上で信号増幅を行っている。この信号増幅は、インパクトイオン化現象を利用することで行われる。
【００１０】
図１６は、垂直電荷転送路１１上で信号増幅を行う様子を示す説明図である。この信号増幅は、図１５で説明した信号電荷の転送前に行う。図示する例では、電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４下に形成した電荷パケット１８内に信号電荷を一旦蓄積し（状態Ｔ１）、この信号電荷をＶ６，Ｖ７下に形成した電荷パケット１９内に一時閉じ込める（状態Ｔ２）。そして、空いている電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４下に別の電荷パケット２０を形成する（状態Ｔ３）。この電荷パケット２０の中央の電極Ｖ３下の電位井戸２１をより深くしておく。
【００１１】
次の状態Ｔ４で、両電荷パケット１９，２０間の電極Ｖ５下の障壁を下げることで、電荷パケット１９内の信号電荷が深い電位井戸２１内に流れ落ち、アバランシェ効果により電子量が増倍される。
【００１２】
一回の電子増倍の増倍率が「１．０１」倍と微小であっても、例えば１００回繰り返すと２．７倍となる。そこで、状態Ｔ５で、増倍された信号電荷を電極Ｖ６，Ｖ７下に形成した電荷パケット１９内に移動させ、再び状態Ｔ３→Ｔ４→Ｔ５→Ｔ３→…と繰り返すことで、所望の電子増倍率を得る。
【００１３】
【特許文献１】特開２００２―２９０８３６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
電子増倍を行う場合、図１６で説明した電極Ｖ３下に深い電位井戸を形成する必要があり、電子増倍毎に高電圧を電極Ｖ３に印加することになる。この電圧は、画素１２から信号電荷を垂直電荷転送路１１に読み出すときの読出電圧（例えば１５Ｖ）と同程度の高電圧であり、この高電圧が繰り返し特定電極に印加されることになる。
【００１５】
このため、電子増倍を行うＣＣＤ型固体撮像素子では、高電圧が繰り返し特定電極に印加されてもこの特定電極部分が静電破壊されないように物理的耐性の高い材料で製造する必要が生じる。しかし、半導体や電極を耐性の高い材料や構造で製造するのは、製造コストが嵩んでしまうという問題が生じる。
【００１６】
本発明の目的は、製造コストの低減と固体撮像素子の信頼性の向上を図ることができるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、該電荷転送路を構成する転送電極のうちの増倍用電極に増倍パルスを印加することで該信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記転送電極のうち前記増倍用電極とする電極を周期的に変更することを特徴とする。
【００１８】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記増倍パルスのパルス立ち上がりエッヂ，立ち下がりエッヂの少なくとも一方を、光電変換素子から信号電荷を読み出すときに読出電極に印加される読出パルスのパルスエッヂより傾斜させることを特徴とする。
【００１９】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記増倍パルスのパルス高を、前記光電変換素子から信号電荷を前記電荷転送路に読み出すときに印加される読出パルスのパルス高より低くしたことを特徴とする。
【００２０】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、信号電荷が光電変換素子から読み出され空となっている該光電変換素子に隣接する転送電極を前記増倍用電極として用いることを特徴とする。
【００２１】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、動画像読出時に信号電荷の読み出し対象となっていない光電変換素子に隣接する読出電極でない転送電極を前記増倍用電極とすることを特徴とする。
【００２２】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、該電荷転送路を構成する転送電極のうちの増倍用電極に増倍パルスを印加することで該信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記増倍パルスのパルス立ち上がりエッヂ，立ち下がりエッヂの少なくとも一方を傾斜させることを特徴とする。
【００２３】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記増倍パルスのパルス高を、前記光電変換素子から信号電荷を前記電荷転送路に読み出すときに印加される読出パルスのパルス高より低くしたことを特徴とする。
【００２４】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、該電荷転送路を構成する転送電極のうちの増倍用電極に増倍パルスを印加することで該信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、信号電荷が光電変換素子から読み出され空となっている該光電変換素子に隣接する転送電極を前記増倍用電極として用いることを特徴とする。
【００２５】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、該電荷転送路を構成する転送電極のうちの増倍用電極に増倍パルスを印加することで該信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、動画像読出時に信号電荷の読み出し対象となっていない光電変換素子に隣接する読出電極でない転送電極を前記増倍用電極とすることを特徴とする。
【００２６】
本発明の撮像装置は、ＣＣＤ型固体撮像素子と、上記のいずれかに記載の増倍パルスを生成し前記ＣＣＤ型固体撮像素子に供給する撮像素子駆動手段とを搭載したことを特徴とする。
【００２７】
本発明の撮像装置の前記ＣＣＤ型固体撮像素子がラインセンサであることを特徴とする。
【００２８】
本発明の撮像装置の前記ＣＣＤ型固体撮像素子がエリアセンサであることを特徴とする。
【００２９】
本発明の撮像装置の前記ＣＣＤ型固体撮像素子の画素配列がハニカム画素配列であることを特徴とする。
【００３０】
本発明の撮像装置の前記ＣＣＤ型固体撮像素子の画素配列が正方格子配列であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、高電圧である増倍パルスの印加に起因して半導体や電極に加わるストレスが緩和されるため、ＣＣＤ型固体撮像素子の増倍パルスに対する耐性を高めることができ、ＣＣＤ型固体撮像素子の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。図示する固体撮像素子は、図１３（ａ）に示されるハニカム画素配列の固体撮像素子であり、その一列分の画素（ＰＤ）列及び垂直電荷転送路の状態変位（Ｔ１〜Ｔ８）を示している。
【００３４】
図示する画素ＰＤに隣接する転送電極のうち、読出電極兼用の転送電極は、Ｖ２，Ｖ６であり、この電極に高電圧が印加されると、画素ＰＤの蓄積電荷が垂直電荷転送路に読み出されることになる。図１３（ａ）に示す様に、ハニカム画素配列では、図１に示す画素列の次の画素列は１／２ピッチずれているのでその読出電極はＶ４，Ｖ８となる。
【００３５】
このため電極Ｖ４，Ｖ８に高電圧が印加されると、この画素の蓄積電荷は垂直電荷転送路に蓄積電荷が読み出されることになる。従って、読出電極以外の電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７に高電圧を印加しても、この固体撮像素子では、画素（フォトダイオード）から垂直電荷転送路に信号電荷が読み出されることはない。
【００３６】
図１において、垂直転送電極内を白抜きで書いている電極にはロー電位（例えば−８ボルト）ＶＬが印加（電位井戸が無くなる。）され、ハッチングで書いている電極には中電位（例えば０ボルト）ＶＭが印加（中位深さの電位井戸が形成される。）され、黒塗りで書いている電極には高電位（例えば＋１５ボルト）ＶＨが印加（深い電位井戸が形成される。）される。
【００３７】
図２は、図１の転送電極印加電圧の変化に従って変化する電位井戸の様子を示した図であり、図３は、各転送電極Ｖ１〜Ｖ８に印加する駆動パルスを示した図である。
【００３８】
図２において、本実施形態の状態Ｔ１では、電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５下に中位深さの電位井戸３１が形成され、このとき電極Ｖ２に読出パルスＶＨが短時間印加されると、図３の該当画素の信号電荷がこの電位井戸３１内に読み出される。尚、読出パルスＶＨが電極Ｖ２に印加された瞬間には電極Ｖ２下の電位井戸だけ短時間深くなるが、この様子の図示は省略している。
【００３９】
次の状態Ｔ２で、電極Ｖ６，Ｖ７下に中位深さの電位井戸３２を形成し、電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５下の電位井戸３１をこの順に消失させていくと、電位井戸３１内の信号電荷が電位井戸３２内に移動し蓄積される。
【００４０】
次の 状態Ｔ３で、電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４下に電位井戸３３を形成する。このとき、中間の電極Ｖ３に高電圧（増倍パルス）を印加し、電極Ｖ３下の電位井戸３４の深さを深くする。
【００４１】
次の状態Ｔ４で、電極Ｖ５に電圧ＶＭを印加すると、電位井戸３２と電位井戸３３との間の障壁部３５がなくなり、電位井戸３２内の信号電荷は、深い電位井戸３４方向に移動しこの電位井戸３４内に落ち込む。
【００４２】
中位深さの電位井戸３２と深い深さの電位井戸３４との間の電位差は大きいため、電位井戸３２から電位井戸３４に信号電荷（電子）が落ち込むと、アバランシェ降伏により、電子増倍が起き、電子数が増加する。
【００４３】
次の状態Ｔ５で、電極Ｖ５，Ｖ６下に中位深さの電位井戸３６を形成し、他の電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８下の電位井戸を消失させると、電子増倍された信号電荷は、電位井戸３６内に集められ蓄積される。
【００４４】
次の状態Ｔ６で、Ｖ８，Ｖ１，Ｖ２下に電位井戸３７を形成する。このとき、中間の電極Ｖ１に高電圧（増倍パルス）を印加し、電極Ｖ１下の電位井戸３８の深さを深くする。
【００４５】
次の状態Ｔ７で、電極Ｖ３に電圧ＶＭを印加すると、電位井戸３６と電位井戸３７との間の障壁部３９がなくなり、電位井戸３６内の信号電荷は、深い電位井戸３８方向に移動しこの電位井戸３８内に落ち込む。これにより、再び、電子増倍が起き、電子数が増加する。
【００４６】
次の状態Ｔ８で、状態Ｔ２と同様に、電極Ｖ６，Ｖ７下に形成した電位井戸３２に信号電荷を移動させて蓄積し、状態Ｔ３に戻る。即ち、以上説明した状態Ｔ３〜Ｔ８を所定回数繰り返し、所望の電子増倍率を得る。
【００４７】
この様に、本実施形態では、高電圧である電子増倍パルスを印加する電極を、Ｖ３→Ｖ１→Ｖ３→Ｖ１→…と、固定しない構成としたため、電子増倍を繰り返し行ったときの耐性を、垂直電荷転送路の駆動タイミングを上記の様に工夫することで高めることができ、固体撮像素子の製造コストを増大させることなく固体撮像素子の信頼性を高めることが可能となる。
【００４８】
尚、上記実施形態では、電子増倍パルスを印加する電極を、Ｖ３→Ｖ１→Ｖ３→Ｖ１→…と、電子増倍を１回行う毎に変化させたが、例えば電子増倍を５回行う毎、電子増倍を１００回行う毎など、周期的に変化させれば良い。また、電子増倍が必要となるのはデジタルカメラ等で高感度撮影を行う場合など、電子増倍を常時行う構成になっていない場合がある。この様な場合には、前回の電子増倍をどの電極で行ったかを不揮発性メモリ等に記憶しておき、今回の電子増倍時にどの電極に電子増倍パルス印加するかを決定する様にするのが良い。
【００４９】
（第２実施形態）
図４〜図６は、本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図であり、夫々の図は、第１実施形態の図１〜図３に対応する。本実施形態は、図１３（ｂ）に示したＣＣＤ型固体撮像素子に第１実施形態と同様の駆動方法を適用したものである。
【００５０】
図示する例では、画素ＰＤに隣接する転送電極のうち、読出電極兼用の転送電極は、Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７であり、この電極に高電圧が印加されると、画素ＰＤの蓄積電荷が垂直電荷転送路に読み出されることになる。しかし、該当する画素から既に信号電荷が読み出され空になっている状態では、高電圧を読出電極に印加しても信号電荷が読み出されることはない。
【００５１】
図４の垂直転送電極内を「白抜き」「ハッチング」「黒塗り」が示す状態は、第１実施形態と同じである。
【００５２】
図５において、本実施形態の状態Ｔ１では、電極Ｖ８，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４下に中位深さの電位井戸３１が形成され、このとき電極Ｖ１に読出パルスＶＨが短時間印加されると、該当の画素から信号電荷がこの電位井戸３１内に読み出される。
【００５３】
次の状態Ｔ２で、電極Ｖ４，Ｖ５下に中位深さの電位井戸３２を形成し、電極Ｖ８，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３下の電位井戸３１をこの順に消失させていくと、電位井戸３１内の信号電荷が電位井戸３２内に移動し蓄積される。
【００５４】
次の 状態Ｔ３で、電極Ｖ８，Ｖ１，Ｖ２下に電位井戸３３を形成する。このとき、中間の電極Ｖ１に高電圧（増倍パルス）を印加し、電極Ｖ１下の電位井戸３４の深さを深くする。電極Ｖ１は、この画素の読出電極であるが、既に信号電荷が読み出された後であるため、電極Ｖ１に高電圧を印加しても、信号電荷がこの画素から読み出されることは無いのは当然である。従って、電極Ｖ１を増倍パルス印加用電極として使用可能である。
【００５５】
次の状態Ｔ４で、電極Ｖ３に電圧ＶＭを印加すると、電位井戸３２と電位井戸３３との間の障壁部３５がなくなり、電位井戸３２内の信号電荷は、深い電位井戸３４方向に移動しこの電位井戸３４内に落ち込む。
【００５６】
中位深さの電位井戸３２と深い深さの電位井戸３４との間の電位差は大きいため、電位井戸３２から電位井戸３４に信号電荷（電子）が落ち込むと、アバランシェ降伏により、電子増倍が起き、電子数が増加する。
【００５７】
次の状態Ｔ５で、電極Ｖ５，Ｖ６下に中位深さの電位井戸３６を形成し、他の電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８下の電位井戸を消失させると、電子増倍された信号電荷は、電位井戸３６内に集められ蓄積される。
【００５８】
次の状態Ｔ６で、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３下に電位井戸３７を形成する。このとき、中間の電極Ｖ２に高電圧（増倍パルス）を印加し、電極Ｖ２下の電位井戸３８の深さを深くする。
【００５９】
次の状態Ｔ７で、電極Ｖ４に電圧ＶＭを印加すると、電位井戸３６と電位井戸３７との間の障壁部３９がなくなり、電位井戸３６内の信号電荷は、深い電位井戸３８方向に移動しこの電位井戸３８内に落ち込む。これにより、再び、電子増倍が起き、電子数が増加する。
【００６０】
次の状態Ｔ８で、状態Ｔ２と同様に、電極Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６に形成した電位井戸３２に信号電荷を移動させて蓄積し、状態Ｔ３に戻る。以上説明した状態Ｔ３〜Ｔ８を所定回数繰り返し、所望の電子増倍率を得る。
【００６１】
この様に、画素が正方格子配列されたＣＣＤ型固体撮像素子においても、電子増倍パルスを印加する電極を、第１実施形態と同様に周期的に変化させ固定することがないため、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性を垂直電荷転送路の駆動方法を工夫することで高めることが可能となる。
【００６２】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。高電圧の電子増倍パルスは、画素から信号電荷を垂直電荷転送路上に読み出すときに使用される読出パルス（ＴＧ）と同様に、例えば０Ｖ（ＶＭ）と＋１５Ｖ（ＶＨ）の２値パルス電圧として生成される。
【００６３】
しかし、この電子増倍パルスの立ち上がり，立ち下がりのエッヂが急峻（ほぼ垂直）であると、電子増倍パルスが印加される転送電極の電位変化が急峻となり、この転送電極及びその近傍に加わる電界変化が大きくなり、電極や近傍の半導体部分に静電破壊をもたらす虞が生じる。しかも、電子増倍パルスは何回も繰り返し印加されるため、静電破壊に至らなくても、その物理的特性を劣化させる虞がある。
【００６４】
そこで、本実施形態では、図７下段に示す様に、電子増倍パルスの立ち上がり，立ち下がりの少なくとも一方を傾斜させる。ＣＣＤ型固体撮像素子の駆動パルスの各パルスエッヂは、図７上段に示す様に通常はほぼ垂直であるが、正確に言えば、コンデンサ等の影響でパルス波形のエッヂ部分は若干傾斜している。本実施形態の電子増倍パルスのパルスエッヂは、それより傾斜させることを意味し、例えば、光電変換素子から信号電荷を読み出すときに読出電極に印加される読出パルス（ＴＧ）のパルスエッヂより傾斜させる。
【００６５】
好適には、パルス立ち上がり，立ち下がりの両方のパルスエッヂに、数ナノ秒程度の幅の傾斜（時間幅）を持たせ、急峻な電界変化を回避する電子増倍パルスを生成し、これで垂直電荷転送路の駆動を行う。
【００６６】
この様な駆動を行うことで、例えば図１６で説明した様に転送電極Ｖ３を電子増倍パルスの印加電極として固定した場合でも、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性の向上，信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００６７】
（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。高電圧の電子増倍パルスは、上述した様に、画素から信号電荷を垂直電荷転送路上に読み出すときに使用される読出パルス（ＴＧ）と同様に、例えば０Ｖ（ＶＭ）と＋１５Ｖ（ＶＨ）の２値パルス電圧として生成される。
【００６８】
この高電圧が電子増倍パルス印加用の転送電極に印加されると、この転送電極及びその近傍に加わる電界変化が大きくなり、電極や近傍の半導体部分に静電破壊をもたらす虞が生じる。しかも、電子増倍パルスの印加回数は膨大な数になるため、静電破壊に至らなくても、その物理的特性を劣化させる虞がある。
【００６９】
そこで、本実施形態では、図８に示す様に、通常の読出パルスに較べて、電子増倍パルスのパルス高を低くする。例えば、通常の読出パルスのパルス高が１５Ｖである場合、１２Ｖ程度に下げる。これにより、例えば図１６で説明した様に転送電極Ｖ３を電子増倍パルスの印加電極として固定した場合でも、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性の向上，信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００７０】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態では、上述した第３実施形態と第４実施形態を組み合わせることで構成される。即ち、電子増倍パルスのパルス高を読出パルスより下げると共に、立ち上がり，立ち下がりのパルスエッヂのうち少なくとも一方、好適には両方に傾斜を設ける。これにより、ＣＣＤ型固体撮像素子の一層の耐性向上を図ることが可能になる。
【００７１】
（第６実施形態）
図９は、本発明の第６実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。本実施形態では、上述した第１実施形態と第３実施形態を組み合わせることで構成される。
【００７２】
即ち、図１に示す増倍パルスのパルスエッヂのうち、立ち上がり，立ち下がりの少なくとも一方、好適には両方に傾斜を設けることで、図９に示す垂直電荷転送路の駆動パルスを生成する。
【００７３】
本実施形態では、電子増倍パルスの印加電極が固定されず、しかも、電子増倍パルスのパルスエッヂが傾斜を持ち電界変化がなだらかとなるため、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性が向上し、信頼性が向上する。
【００７４】
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態では、上述した第１実施形態と第４実施形態を組み合わせることで構成される。即ち、電子増倍パルスの印加電極を固定せず、しかも、電子増倍パルスのパルス高を読出パルスより下げることで構成される。この構成によっても、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性が向上し、信頼性が向上する。
【００７５】
（第８実施形態）
本発明の第８実施形態では、上述した第１実施形態と第５実施形態を組み合わせることで構成される。即ち、電子増倍パルスの印加電極を固定せず、しかも、電子増倍パルスのパルス高を読出パルスより下げ、更に、電子増倍パルスのパルスエッヂのうち、立ち上がり，立ち下がりの少なくとも一方、好適には両方に傾斜を設ける構成とする。この構成によっても、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性が向上し、信頼性が向上する。
【００７６】
（第９実施形態）
図１０は、本発明の第９実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。本実施形態では、上述した第２実施形態と第３実施形態を組み合わせることで構成される。
【００７７】
即ち、図６に示す増倍パルスのパルスエッヂのうち、立ち上がり，立ち下がりの少なくとも一方、好適には両方に傾斜を設けることで、図１０に示す垂直電荷転送路の駆動パルスを生成する。
【００７８】
本実施形態では、画素が正方格子配列されたＣＣＤ型固体撮像素子で、電子増倍パルスの印加電極が固定されず、しかも、電子増倍パルスのパルスエッヂが傾斜を持ち電界変化がなだらかとなるため、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性が向上し、信頼性が向上する。
【００７９】
（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態では、上述した第２実施形態と第４実施形態を組み合わせることで構成される。即ち、画素が正方格子配列されたＣＣＤ型固体撮像素子で、電子増倍パルスの印加電極を固定せず、しかも、電子増倍パルスのパルス高を読出パルスより下げることで構成される。この構成によっても、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性が向上し、信頼性が向上する。
【００８０】
（第１１実施形態）
本発明の第１１実施形態では、上述した第２実施形態と第５実施形態を組み合わせることで構成される。即ち、画素が正方格子配列されたＣＣＤ型固体撮像素子で、電子増倍パルスの印加電極を固定せず、しかも、電子増倍パルスのパルス高を読出パルスより下げ、更に、電子増倍パルスのパルスエッヂのうち、立ち上がり，立ち下がりの少なくとも一方、好適には両方に傾斜を設けることで構成される。この構成によっても、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性が向上し、信頼性が向上する。
【００８１】
（第１２実施形態）
図１１は、本発明の第１２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。ＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラ等の撮像装置では、通常、静止画像撮像モードと動画像撮像モードとが設けられており、ユーザがいずれか一方のモードを選択する様になっている。また、静止画像撮像モードであっても、静止画像撮像動作を実際に行う前には、オートフォーカス処理や自動露出処理を予備動作として行っており、この予備動作時には、動画撮像モードと同様に撮像画像信号が固体撮像素子から読み出されている。
【００８２】
本実施形態は、動画像撮像時（予備動作時を含む）の駆動方法に関するものである。図示する固体撮像素子の画素配列は正方格子配列であり、カラーフィルタ（Ｒ＝赤，Ｇ＝緑，Ｂ＝青）がベイヤー配列されている。
【００８３】
読出電極はＶ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７であり、静止画像撮像時には、全画素から信号電荷がマルチフィールド読み出しされる。動画像撮像では画素間引きして信号電荷を読み出すのが普通であり、図示の例では、２行置きの画素行からしか垂直電荷転送路に信号電荷の読み出しは行わない。
【００８４】
動画像撮像時には、フレーム毎に読出画素行から繰り返し信号電荷の垂直電荷転送路への読み出しが行われる。即ち、その画素行の読出電極には高電圧の読出パルスが繰り返し印加されることになる。
【００８５】
そこで、本実施形態では、予備動作時を含む動画像撮像時には、電子増倍パルスを印加する転送電極を、読出行以外の画素に隣接する電極を用いて行う。図１１に示す例では、Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６が、読出行以外の画素に隣接する電極であるが、電極Ｖ３，Ｖ５は、読出電極を兼用しているため、この電極に高電圧を印加すると、画素の信号電荷が垂直電荷転送路に読み出されてしまう。そこで、電極Ｖ４，Ｖ６のいずれか（固定でも良いが、第１，第２実施形態と同様に周期的交代するのが良い。）を用いて電子増倍駆動を行う。また、他の実施形態と組み合わせて電子像倍を行うのが良い。
【００８６】
これにより、ＣＣＤ型固体撮像素子の耐性が向上し素子の信頼性が向上する。この実施形態は、正方格子配列のＣＣＤ型固体撮像素子ばかりでなく、ハニカム画素配列のＣＣＤ型固体撮像素子においても適用可能である。
【００８７】
以上述べたＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、ＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラ等の撮像装置において、ＣＣＤ型固体撮像素子の駆動制御を行うタイミングジェネレータ等の撮像素子駆動部で、図３，図６，図９，図１０に示す様な駆動パルスを生成しＣＣＤ型固体撮像素子に供給することで行う。
【００８８】
（第１３実施形態）
図１２は、上述したＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を実施する信頼性の高いデジタルカメラ（撮像装置）の機能ブロック構成図である。このデジタルカメラは、撮像部５１と、撮像部５１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部５２と、アナログ信号処理部５２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）５３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）５９からの指示によってＡ／Ｄ５３，アナログ信号処理部５２，撮像部５１の駆動制御を行う駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）５４と、ＣＰＵ５９からの指示によって発光するフラッシュ５５とを備える。
【００８９】
撮像部５１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系５１ａと、該光学レンズ系５１ａを通った光を絞る絞りやメカニカルシャッタ５１ｂと、光学レンズ系５１ａによって集光され絞りによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力するＣＣＤ型固体撮像素子１００とを備える。
【００９０】
本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ５３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部５６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部５７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部５８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）５９と、フレームメモリ等の内部メモリ６０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア６２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部６１と、これらを相互に接続するバス７０とを備え、また、システム制御部５９には、ユーザからの指示入力を行う操作部６３が接続されている。
【００９１】
斯かるデジタルカメラで、例えばユーザが操作部６３から「高感度撮影指示」を入力した場合には、ＣＰＵ５９は、駆動部５４に対して電子増倍指示を行い、これにより、駆動部５４は、上述した各実施形態で説明した増倍パルスを生成してＣＣＤ型固体撮像素子１００を駆動し、撮像で得られた極めて少ない信号電荷量を垂直電荷転送路上で増倍させ、出力させる。
【００９２】
以上述べた様に、高電圧に対する物理的耐性が高くなる材料で固体撮像素子を製造しなくても、高電圧パルスの印加対象電極や高電圧パルスに上述した工夫を施すことで、高電圧（読出パルスや増倍パルス）印加箇所が偏在しなくなり、高電圧印加に伴うストレス集中を回避できるので、既存のＣＣＤ型固体撮像素子であっても電子増倍を容易に行うことが可能となり、高感度撮影等が可能となる。
【００９３】
尚、上述した各実施形態では、エリアセンサとしてのＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明したが、ラインセンサにも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、電子増倍に対する耐性を高め電子増倍を行う場合でも素子の信頼性を向上させることができるため、デジタルカメラ等に搭載されるＣＣＤ型固体撮像素子に適用すると有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。
【図２】図１に示す駆動方法による転送電極下に形成される電位井戸の変化説明図である。
【図３】図１，図２に示す駆動方法を実現する垂直電荷転送路の駆動パルス例を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。
【図５】図４に示す駆動方法による転送電極下に形成される電位井戸の変化説明図である。
【図６】図４，図５に示す駆動方法を実現する垂直電荷転送路の駆動パルス例を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法説明図である。
【図９】本発明の第６実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の垂直電荷転送路駆動パルス例を示す図である。
【図１０】本発明の第９実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の垂直電荷転送路駆動パルス例を示す図である。
【図１１】本発明の第１２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の垂直電荷転送路駆動パルス例を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る撮像装置のブロック構成図である。
【図１３】ハニカム画素配列（ａ）と正方格子配列（ｂ）のＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。
【図１４】ＣＣＤ型固体撮像素子の読出電極説明図である。
【図１５】ＣＣＤ型固体撮像素子の垂直電荷転送の様子を示す図である。
【図１６】電子像倍駆動の説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
１１  垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
１２  画素（フォトダイオード）
３１，３３，３６，３７  電位井戸
３４，３８  電子像倍用電位井戸
５４  駆動部
１００  ＣＣＤ型固体撮像素子
【図１】
2008312120.tif 000003
【図２】
2008312120.tif 000004
【図３】
2008312120.tif 000005
【図４】
2008312120.tif 000006
【図５】
2008312120.tif 000007
【図６】
2008312120.tif 000008
【図７】
2008312120.tif 000009
【図８】
2008312120.tif 000010
【図９】
2008312120.tif 000011
【図１０】
2008312120.tif 000012
【図１１】
2008312120.tif 000013
【図１２】
2008312120.tif 000014
【図１３】
2008312120.tif 000015
【図１４】
2008312120.tif 000016
【図１５】
2008312120.tif 000017
【図１６】
2008312120.tif 000018