(57)【要約】【課題】フォトダイオードのリニア特性を改善し感度を向上させ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の駆動部は、基板バイアス電圧を第１バイアス電圧よりも低電圧であってオーバーフローバリアーの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも高く設定するための第２バイアス電圧に変更し、露光期間の終了後でかつ垂直ＣＣＤの全信号電荷掃き出し前に、第２バイアス電圧に飽和信号量制御用パルスを重畳させることによりオーバーフローバリアを低くする。【選択図】図４
2004328682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、フォトダイオードに蓄積された電荷の全てをドレインに排出する電子シャッター機能を有し、読み出しゲートを介してフォトダイオードの信号電荷を読み出す垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤにより信号電荷を転送する固体撮像素子と、固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段と、オーバーフロードレイン構造でのオーバーフローバリアの高さを設定するバイアス電圧を変調する駆動部とを備える固体撮像装置であって、
前記駆動部は、前記バイアス電圧の変調として、電子シャッターから遮光手段が閉じるまでを期間とする露光期間の終了以前にオーバーフローバリアーを高く変化させる第１バイアス変調と、露光期間の終了後でかつ垂直ＣＣＤの電荷掃き出し前にオーバーフローバリアーの高さを低く変化させる第２バイアス変調とを行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、フォトダイオードに蓄積された電荷の全てをドレインに排出する電子シャッター機能を有し、読み出しゲートを介してフォトダイオードの信号電荷を読み出す垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤにより信号電荷を転送する固体撮像素子と、固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段と、オーバーフロードレイン構造でのオーバーフローバリアの高さを設定するバイアス電圧を変調する駆動部とを備える固体撮像装置であって、
前記駆動部は、前記バイアス電圧の変調として、電子シャッターから遮光手段が閉じるまでを期間とする露光期間の終了以前にオーバーフローバリアーを高く変化させる第１バイアス変調と、露光期間の終了後でかつ垂直ＣＣＤの電荷掃き出し前にオーバーフローバリアーの高さを一時的に低くした後に高く変化させる第２バイアス変調とを行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記駆動部は、前記第１バイアス変調において前記オーバーフローバリアーの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも高く設定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記駆動部は、前記第１バイアス変調において前記オーバーフローバリアーの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低い状態から高い状態に変化させる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記駆動部は、第２バイアス変調において前記オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低くする
ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記駆動部は、
前記第１バイアス変調において、第１バイアス電圧から第１バイアス電圧よりも低電圧の第２バイアス電圧に変更することによりオーバーフローバリアーの高さを高く設定し、
前記第２バイアス変調において、第２バイアス電圧よりも高電圧の第３バイアス電圧に変更する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記駆動部は、
前記第１バイアス変調において、第１バイアス電圧から第１バイアス電圧よりも低電圧の第２バイアス電圧に変更することによりオーバーフローバリアーの高さを高く設定し、
前記第２バイアス変調において、第２バイアス電圧に飽和信号量制御用パルスを重畳させることによりオーバーフローバリアの高さを一時的に低くする
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１バイアス電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低く設定する電圧である
ことを特徴とする請求項６又は７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第２バイアス電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも高く設定する電圧である
ことを特徴とする請求項６又は７記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第３バイアス電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低く設定する電圧である
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記飽和信号制御用パルスのハイレベル電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低く設定する電圧である
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記飽和信号量制御用パルスのハイレベル電圧は第１バイアス電圧と等しい
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記飽和信号量制御用パルスのハイレベル電圧は第１バイアス電圧より高い
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記飽和信号量制御用パルスのハイレベル電圧は第１バイアス電圧より低い
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記駆動部は、
前記第１バイアス変調を前記電子シャッターの終了直後に行う
ことを特徴とする請求項１から１４の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、フォトダイオードに蓄積された電荷の全てをドレインに排出する電子シャッター機能を有し、読み出しゲートを介してフォトダイオードの信号電荷を読み出す垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤにより信号電荷を転送する固体撮像素子と、固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段と、オーバーフロードレイン構造でのオーバーフローバリアの高さを設定するバイアス電圧を変調する駆動部とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記バイアス電圧の変調として、電子シャッターから遮光手段が閉じるまでを期間とする露光期間の終了以前にオーバーフローバリアーを高く変化させる第１バイアス変調を行う第１ステップと、
露光期間の終了後でかつ垂直ＣＣＤの電荷掃き出し前にオーバーフローバリアーの高さを低く変化させる第２バイアス変調を行う第２ステップと
を有することを特徴とする駆動方法。
【請求項１７】
フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、フォトダイオードに蓄積された電荷の全てをドレインに排出する電子シャッター機能を有し、読み出しゲートを介してフォトダイオードの信号電荷を読み出す垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤにより信号電荷を転送する固体撮像素子と、固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段と、オーバーフロードレイン構造でのオーバーフローバリアの高さを設定するバイアス電圧を変調する駆動部とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記バイアス電圧の変調として、電子シャッターから遮光手段が閉じるまでを期間とする露光期間の終了以前にオーバーフローバリアーを高く変化させる第１バイアス変調を行う第１ステップと、
露光期間の終了後でかつ垂直ＣＣＤの電荷掃き出し前にオーバーフローバリアーの高さを一時的に低くした後に高く変化させる第２バイアス変調を行う第２ステップと
を有することを特徴とする駆動方法。
【請求項１８】
前記第１ステップの第１バイアス変調において、前記オーバーフローバリアーの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも高く設定する
ことを特徴とする請求項１６又は１７記載の駆動方法。
【請求項１９】
前記第１ステップの第１バイアス変調において、前記オーバーフローバリアーの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低い状態から高い状態に変化させる
ことを特徴とする請求項１６又は１７記載の駆動方法。
【請求項２０】
前記第２ステップの第２バイアス変調において前記オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低くする
ことを特徴とする請求項１６又は１７記載の駆動方法。
【請求項２１】
前記第１ステップの第１バイアス変調において、第１バイアス電圧から第１バイアス電圧よりも低電圧の第２バイアス電圧に変更することによりオーバーフローバリアーの高さを高く設定し、
前記第２ステップの第２バイアス変調において、第２バイアス電圧よりも高電圧の第３バイアス電圧に変更する
ことを特徴とする請求項１６記載の駆動方法。
【請求項２２】
前記第１ステップの第１バイアス変調において、第１バイアス電圧から第１バイアス電圧よりも低電圧の第２バイアス電圧に変更することによりオーバーフローバリアーの高さを高く設定し、
前記第２ステップの第２バイアス変調において、第２バイアス電圧に飽和信号量制御用パルスを重畳させることによりオーバーフローバリアの高さを一時的に低くする
ことを特徴とする請求項１７記載の駆動方法。
【請求項２３】
前記第１バイアス電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低く設定する電圧である
ことを特徴とする請求項２１又は２２記載の駆動方法。
【請求項２４】
前記第２バイアス電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも高く設定する電圧である
ことを特徴とする請求項２１又は２２記載の駆動方法。
【請求項２５】
前記第３バイアス電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低く設定する電圧である
ことを特徴とする請求項２１記載の駆動方法。
【請求項２６】
前記飽和信号制御用パルスのハイレベル電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低く設定する電圧である
ことを特徴とする請求項２２記載の駆動方法。
【請求項２７】
前記飽和信号量制御用パルスのハイレベル電圧は第１バイアス電圧と等しい
ことを特徴とする請求項２２記載の駆動方法。
【請求項２８】
前記飽和信号量制御用パルスのハイレベル電圧は第１バイアス電圧より高い
ことを特徴とする請求項２２記載の駆動方法。
【請求項２９】
前記飽和信号量制御用パルスのハイレベル電圧は第１バイアス電圧より低い
ことを特徴とする請求項２２記載の駆動方法。
【請求項３０】
前記第１ステップにおいて、前記第１バイアス変調を前記電子シャッターの終了直後に行う
ことを特徴とする請求項１６から２９の何れかに記載の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーバフロードレイン（ＯＦＤ）構造のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機などの画像を記録する電子機器が普及し、高解像度化に伴ってＣＣＤ撮像素子等のイメージセンサの微細化が進んでいる。
【０００３】
図１７は、特許文献１等に開示された従来のＣＣＤ固体撮像素子の構成を示すブロック図である。同図において、固体撮像素子１０は、二次元配列された複数のフォトダイオード１１と、複数の読み出しゲート部１２と、複数の垂直ＣＣＤ１３と、水平ＣＣＤ１５と、出力アンプ１６と、基板バイアス発生回路２０と、トランジスタＱ１とを有する。また、同図には、固体撮像素子の半導体基板のバイアス電圧（以下基板バイアスと呼ぶ）Ｖｓｕｂを変調する回路として、トランジスタＱ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３も併せて図示してある。
【０００４】
特許文献１等には、基板バイアスＶｓｕｂの制御によって、フレーム読み出し時における飽和信号電荷量Ｑｓの減少を見込んで、予めその減少分を増加させておく技術が開示されている。ここでフレーム読み出しは、露光時間経過後にメカニカルシャッター（図外）を閉状態にして、奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールド単位に読み出す方式をいい、１枚の静止画像を取得する場合によく用いられる。
【０００５】
図１７において、複数のフォトダイオード１１は二次元配列され撮像エリア１４を形成する。各フォトダイオード１１は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する。各フォトダイオード１１は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなっている。垂直列をなすフォトダイオード１１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部１２に読み出しパルスＸＳＧが印加されることにより垂直ＣＣＤ１３に読み出される。
【０００６】
垂直ＣＣＤ１３は、フォトダイオード１１の垂直列毎に設けられ、各フォトダイオード１１から読み出しゲート部１２を介して読み出された信号電荷を水平ＣＣＤ１５に垂直転送する。インターライン・トランスファー（ＩＴ）方式の固体撮像素子の場合、各垂直ＣＣＤ１３には、例えば４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって転送駆動するための垂直転送ゲート電極が繰り返し配置され、フォトダイオード１１から読み出された信号電荷を順に垂直方向に転送する。これにより、複数の垂直レジスタ１３から水平ブランキング期間において１走査線（１ライン）分の信号電荷が水平レジスタ１５に出力される。４相の垂直転送クロックΦＶ１〜ΦＶ４のうち２相目と４相目のΦＶ２とφＶ４とは、垂直転送のためのローレベルとミドルレベルの２値をとりうる。これに対して、１相目および３相目に対応する垂直転送ゲート電極は、読み出しゲート部１２の読み出しゲート電極も兼用しているので、垂直転送クロックφＶ１とφＶ３とは、ローレベル、ミドルレベル及びハイレベルの３値をとりうる。この３値目のハイレベルのパルスは読み出しゲート部１２に与えられる読み出しパルスＸＳＧとなる。
【０００７】
水平ＣＣＤ１５は、水平ブランキング期間において複数の垂直ＣＣＤ１３から転送された１ライン分の電荷を１水平走査期間内で順次水平転送し、出力アンプ１６を介して出力する。この水平ＣＣＤ１５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、複数本の垂直ＣＣＤ１３から移された１ライン分の信号電荷を、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する。
【０００８】
出力アンプ１６は、水平ＣＣＤ１５によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。
【０００９】
基板バイアス電圧発生回路２０は、基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生し、トランジスタＱ１を介して基板１７に印加する。この基板バイアスＶｓｕｂは、ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号の制御の下で、トランジスタＱ２がオフのときは第１のバイアス電圧に、トランジスタＱ２がオンのときはより低電圧の第２のバイアス電圧に設定される。
【００１０】
上記の固体撮像素子１０は、半導体基板（以下基板と呼ぶ）１７上に形成される。基板１７には、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷を基板１７へ掃き出すための基板シャッターパルスφＳＵＢなどの各種のタイミング信号が印加される。なお、基板シャッターパルスφＳＵＢによる基板シャッター機能は電子シャッターとも呼ばれる。
【００１１】
図１８は、フォトダイオード１１の基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。このフォトダイオード１１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、オーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。すなわち、オーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決める。蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを越えた場合に、その越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板１７側へ掃き出される。このような縦型オーバーフロードレイン構造におけるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルは、オーバーフロードレインバイアス、即ち基板バイアスＶｓｕｂによって制御可能である。つまり障壁の高さを基板バイアスＶｓｕｂにより制御可能である。
【００１２】
図１９は、基板バイアスＶｓｕｂの制御を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像素子の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッターの開閉状態と、基板バイアスＶｓｕｂ（図中の基板電圧）と、フォトダイオード１１から垂直ＣＣＤ１３への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３とを示している。垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３のハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスＸＳＧである。
【００１３】
モニター期間では、メカニカルシャッターが開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が読み出され、動画像として表示されている（高速動画撮像モードと呼ぶ）。
【００１４】
また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッターを併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像（静止画撮像モードと呼ぶ）が開始する。まず、基板バイアスＶｓｕｂには、複数個の基板シャッターパルスΦＳＵＢ（図中の、基板シャッター電圧のパルス）が印加される。基板シャッターとは、ΦＳＵＢによって基板バイアスＶｓｕｂを高くすることにより、オーバーフローバリア（図１８参照）の障壁をなくしてフォトダイオード１１の全ての信号電荷を基板１７に掃き出すことをいう。基板シャッターパルスの印加終了によりフォトダイオード１１の信号電荷の蓄積量がゼロになる。基板シャッターパルスの印加終了からメカニカルシャッターが閉じるまでの期間は、露光期間となる。これに続いて、垂直ＣＣＤ１３内の信号電荷を事前に掃き出す高速掃き出し期間、第１フィールド出力期間、高速掃き出し期間、第２フィールド出力期間、無効データ出力期間が順に設けられる。第１、第２フィールドの読み出し期間のそれぞれの先頭では、ΦＶ１、ΦＶ３に重畳される読み出しパルスＸＳＧによるフォトダイオード１１から垂直ＣＣＤへの第１、第２フィールドの信号電荷の読み出しがなされる。その後、無効データ出力期間を経てモニター出力期間に戻る。
【００１５】
基板バイアスＶｓｕｂについては、高速動画撮像モード（モニター期間中）では第１バイアス電圧が印加される。静止画撮像モードでは、同図のように第１バイアス電圧と第２バイアス電圧とが切り換えられる（基板バイアス変調と呼ぶ）。第２バイアス電圧は第１バイアス電圧より低いので、オーバーフローバリアＯＦＢの高さは、第２バイアス電圧の方が高くなり、飽和信号電荷量Ｑｓが増加する。第２バイアス電圧の期間は、同図では露光期間中からも無効データ出力期間であるが、少なくとも第２フィールド出力期間を含む。
【００１６】
基板バイアスの変調およびそのタイミングについては、非特許文献１において具体的に開示されている。
【００１７】
【特許文献１】
特開平１０−１５０１８３号公報
【００１８】
【非特許文献１】
ソニー（株）“ＩＣＱ２３２ＢＱ仕様書（対角５ｍｍ（１／３．６型）正方画素型カラー用フレーム読み出し方式固体撮像素子）”、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１５年４月２３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｏｎｙ．ｃｏ．ｊｐ／￣ｓｅｍｉｃｏｎ／ｊａｐａｎｅｓｅ／ｉｍｇ／ｓｏｎｙｊ０１／ｅ６８０１３８３．ｐｄｆ＞
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術においては、露光終了前に基板バイアス変調した場合、メカニカルシャッターの遮光時に時間の経過とともに減少する飽和信号電荷量Ｑｓを、その減少分を見込んで増加させることができるが、全ての期間でブルーミングを防止するために、第２のバイアス電圧によるオーバーフローバリアＯＦＢの高さを読み出しゲートの障壁よりも低く設定しておく必要があり、バイアス変調量には限度がある。したがって、飽和信号電荷量Ｑｓの増加は多く見込めない。
【００２０】
また、露光後に基板バイアス変調すると、電荷蓄積時に比べて読み出し時のオーバーフローバリアＯＦＢのが高くなるため第１フィールドと第２フィールドとの飽和電荷量Ｑｓの差を少なくすることができるが、電荷蓄積時のオーバーフローバリアＯＦＢは高く変更されないため飽和信号電荷量Ｑｓは一切増加しない。
【００２１】
従来技術によれば時間の経過とともに飽和信号電荷量が減少することによる特性劣化を防止するにとどまっている。近年の固体撮像装置の微細化に伴ってフォトダイオードの面積、ゲート電極等が微細化しているが、飽和信号電荷量の容量増大に加え、量子効率（光電変換効率）を改善し感度を向上させることが必要とされている。
【００２２】
本発明は、フォトダイオードのリニア特性を改善し感度を向上させた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。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、フォトダイオードに蓄積された電荷の全てをドレインに排出する電子シャッター機能を有し、読み出しゲートを介してフォトダイオードの信号電荷を読み出す垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤにより信号電荷を転送する固体撮像素子と、固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段と、オーバーフロードレイン構造でのオーバーフローバリアの高さを設定するバイアス電圧を変調する駆動部とを備える固体撮像装置であって、前記駆動部は、前記バイアス電圧の変調として、電子シャッターから遮光手段が閉じるまでを期間とする露光期間の終了以前にオーバーフローバリアーを高く変化させる第１バイアス変調と、露光期間の終了後でかつ垂直ＣＣＤの電荷掃き出し前にオーバーフローバリアーの高さを低くする第２バイアス変調とを行うことを特徴とする。
【００２４】
ここで、第２バイアス変調は一時的に低くした後に高くするようにしてもよい。
【００２５】
また、前記第１バイアス変調において、第１バイアス電圧よりも低電圧の第２バイアス電圧に変更することによりオーバーフローバリアーの高さを高く設定し、前記第２バイアス変調において、第２バイアス電圧よりも高電圧であってオーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低く設定するための第３バイアス電圧に変更するようにしてもよい。
【００２６】
この構成によれば、第１バイアス変調により、読み出しゲートの障壁高さまで信号電荷を蓄積させ、さらに、第２バイアス変調により読み出しゲートの障壁高さまでぎりぎり一杯の過剰な信号電荷を基板に排出することができるので、ブルーミングの発生を抑え、かつフォトダイオードのリニア範囲を拡大することができる。
【００２７】
また、露光期間における量子効率（光電変換効率）を改善することにより感度を向上させることができ、特に入射光の波長が長いほど感度が向上する。
【００２８】
ここで、前記第１バイアス変調を前記基板シャッターの終了直後に行う構成としてもよい。
【００２９】
また、前記駆動部は、前記第１バイアス変調において、第１バイアス電圧から第１バイアス電圧よりも低電圧の第２バイアス電圧に変更することによりオーバーフローバリアーの高さを高く設定し、前記第２バイアス変調において、第２バイアス電圧よりも高電圧の第３バイアス電圧に変更する構成としてもよい。前記第１バイアス電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低く設定する電圧であり、前記第２バイアス電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも高く設定する電圧であり、前記第３バイアス電圧は、オーバーフローバリアの高さを読み出しゲートにおける障壁よりも低く設定する電圧であるとしてもよい。
【００３０】
また、前記駆動部は、前記第１バイアス変調において、第１バイアス電圧から第１バイアス電圧よりも低電圧の第２バイアス電圧に変更することによりオーバーフローバリアーの高さを高く設定し、前記第２バイアス変調において、第２バイアス電圧に飽和信号量制御用パルスを重畳させることによりオーバーフローバリアの高さを一時的に低くする構成としてもよい。
【００３１】
ここで、前記飽和信号量制御用パルスのハイレベル電圧は第１バイアス電圧と等しいように構成してもよい。
【００３２】
この構成によれば、駆動部の構成は従来と同様の構成とすることができ上記パルスを印加するためのタイミング信号を発生するだけの簡単な構成とすることができる。
【００３３】
また、前記飽和信号量制御用パルスのハイレベル電圧は第１バイアス電圧より高いように構成してもよい。
【００３４】
この構成によれば、飽和信号量制御用パルスによりオーバーフローバリアが一時的に第１バイアス電圧印加時よりも一時的に低くなるので、第２バイアス変調による過剰信号電荷の排出による目標値に達するまでの時間（パルス幅）を短くとることができ、高速化に適している。
【００３５】
また、前記飽和信号量制御用パルスのハイレベル電圧は第１バイアス電圧より低いように構成してもよい。
【００３６】
この構成によれば、飽和信号量制御用パルスによりオーバーフローバリアが一時的に第１バイアス電圧印加時よりも高く位置で一時的に低くなるので、第２バイアス変調による過剰信号電荷の排出による目標値に達するまでの時間（パルス幅）を長くとることができ、時間経過により確実に精度よく目標値にすることができる。
【００３７】
また、本発明における固体撮像装置の駆動方法についても、上記と同様の手段及び作用を有する。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態における固体撮像装置は、（Ａ）露光期間開始時に（図４のＴ３〜Ｔ４参照）におけるオーバーフローバリアーＯＦＢの障壁高さを読み出しゲートの障壁よりもあえて高く設定し（図９（ａ）参照）、（Ｂ）これに加えて、露光期間完了後でかつ垂直ＣＣＤの高速掃き出し前に（図４のＴ５参照）、オーバーフローバリアーＯＦＢの障壁高さを一時的に低くして、過剰電荷を基板に掃き出す（図１０、図１１参照）ことを特徴としている。これにより、フォトダイオードにおけるリニア特性を改善し感度を向上させている。
【００３９】
図１は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。固体撮像装置１は、レンズ２、メカニカルシャッター３、駆動部４、信号処理部５、固体撮像素子１０を備える。
【００４０】
同図において、被写体（図示せず）からの入射光は、レンズ２等の光学系およびメカニカルシャッター３を経てＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像エリアに入射する。
【００４１】
メカニカルシャッター３は、ＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像エリアへの入射光を制御する。なお、メカニカルシャッター３の代わりに遮光する機能を有する液晶シャッター等を有していてもよい。
【００４２】
固体撮像素子１０は、図１７に示した固体撮像素子と同様である。図２（ａ）は、固体撮像素子１０におけるフォトダイオードの配列と垂直ＣＣＤ１３の垂直転送電極の配列を示す一例である。フォトダイオードの配列は、いわゆるベイヤー配列である。垂直ＣＣＤ１３の垂直転送電極は、４相クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ４に対応するΦ１〜Φ４の４種類が繰り返し配列される。このうちΦ１、Φ３は、それぞれ奇数ライン、偶数ラインのフォトダイオードから信号電荷を垂直ＣＣＤに読み出すための読み出しゲート電極を兼ねている。静止画撮像モードにおけるフレーム読み出しでは、露光期間の後に、図２（ｂ）のような、読み出しゲート電極Φ１から読み出された奇数ラインからなる第１フィールドの読み出しと、図２（ｃ）のような、読み出しゲート電極Φ３から読み出された偶数ラインからなる第２フィールドの読み出しとが順次になされる。
【００４３】
駆動部４は、固体撮像素子１０の垂直ＣＣＤの転送を制御する４相クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ４、水平ＣＣＤの転送を制御する２層クロックパルスΦＨ１、ΦＨ２、基板バイアス電圧制御信号ＶｓｕｂＣｏｎｔ、基板シャッターパルスΦｓｕｂ等を生成し、固体撮像素子１０に供給する。４相クロックパルスのうちΦＶ１、ΦＶ３は、ローレベル、ミドルレベル、ハイレベルの３値をとりうる信号であり、そのハイレベルパルスは読み出しゲート電極に印加される読み出しパルスＸＳＧである。この駆動部４は、基板バイアス電圧について、静止画撮像モードにおいて露光期間の開始時に、第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げ、第２フィールド読み出し完了後に第１バイアス電圧に戻すように基板バイアス変調を行う。
【００４４】
ここで、第１バイアス電圧は、メカニカルシャッター３の開状態での動画撮像モードにおける基板バイアス電圧である。第２バイアス電圧は、第１バイアス電圧よりも低電圧で、オーバーフローバリアを高くして飽和信号電荷量Ｑｓを増加させるための基板バイアス電圧である。第２バイアス電圧によるオーバーフローバリアＯＦＢの障壁高さは、読み出しゲートの障壁よりも高くなるように設定される。図５（ａ）に第１のバイアス電圧及び第２のバイアス電圧によるオーバーフローバリアのポテンシャル分布図を示す。横軸のＸ−Ｙは図３に示した垂直ＣＣＤ１３からフォトダイオード１１までの基板水平方向を、Ｙ−Ｚは図３に示したフォトダイオード１１の基板深さ方向を示す。縦軸はポテンシャル（電位）を示す。比較例として図５（ｂ）に従来技術における第１のバイアス電圧及び第２のバイアス電圧によるオーバーフローバリアのポテンシャル分布図を示す。同図（ａ）のように、オーバーフローバリアＯＦＢの障壁高さが読み出しゲートの障壁よりも高くなることにより、飽和信号電荷量Ｑｓを増加させ、しかも、飽和領域（ニー（ｋｎｅｅ）領域とも呼ばれる）に達するまでのリニア領域を拡大することができる。図５（ａ）（ｂ）における、オーバーフローバリアのピーク位置Ｐａ、Ｐｂを比較すると、本実施形態におけるピーク位置Ｐａは従来技術におけるピーク位置Ｐｂよりも深い位置になっている。これにより、光電変換によって発生した信号電荷を集めて蓄積することができる領域が拡大したことを意味し、飽和信号電荷量Ｑｓが増加するだけでなく、量子効率（光電変換効率）を改善し、感度を向上することができる。
【００４５】
これに対して、従来技術における第２のバイアス電圧によるオーバーフローバリアＯＦＢの障壁高さは、図５（ｂ）に示すように、読み出しゲートの障壁よりも低くなるように設定されている。これは、いわゆるブルーミング（垂直ＣＣＤ１３側へ信号電荷がこぼれだすこと）の発生を防止するためである。
【００４６】
図５（ａ）では、読み出しゲートの障壁の方がオーバーフローバリアＯＦＢの障壁よりも低くなるので、露光期間中に過剰信号電荷が垂直ＣＣＤ１３側にこぼれることになるが、こぼれた信号電荷はフォトダイオード１１の信号電荷読み出し前の垂直ＣＣＤ１３の高速掃き出しにおいて掃き出されてしまうので、画質に影響を与えない。しかも、ブルーミングの発生については、露光期間の後でかつ高速掃き出しの前に、飽和信号量制御パルスを印加することにより、一時的にオーバーフローバリアを低くして過剰電荷を基板１７に排出することにより防止している。
【００４７】
また、パルス印加後の基板バイアス電圧は、信号電荷が熱励起により基板に放出されないような電圧に設定することで、第１フィールド、第２フィールド間の出力信号段差をなくすことができる。
【００４８】
信号処理部５は、固体撮像素子１０からの出力信号に対して、自動ホワイトバランス調整などの種々の信号処理を行い、撮像信号として外部に出力する。
【００４９】
図３は、フォトダイオード１１及び垂直ＣＣＤ１３周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。同図において、例えばＮ型の基板１７の表面にＰ型のウェル領域３１が形成されている。ウェル領域３１の表面にはＮ型の信号電荷蓄積領域３２が形成され、さらにその上にＰ＋  型の正孔蓄積領域３３が形成され、フォトダイオード１１が構成されている。
【００５０】
このフォトダイオード１１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、Ｐ型のウェル領域３１で構成されるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。このオーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決めるものであり、蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを越えた場合、越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板１７側へ掃き出される。
【００５１】
このようにして、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造のフォトダイオード１１が構成されている。
【００５２】
フォトダイオード１１の横方向には、Ｐ型領域３１のうち読み出しゲート部１２を構成する部分を介してＮ型の信号電荷転送領域３５およびＰ＋  型のチャネルストッパ領域３６が形成されている。信号電荷転送領域３５の下には、スミア成分の混入を防止するためのＰ＋  型の不純物拡散領域３７が形成されている。さらに、信号電荷転送領域３５の上方には、例えば多結晶シリコンからなる転送電極３９が配されることにより、垂直ＣＣＤ１３が構成されている。転送電極３９は、Ｐ型領域３１の上方に位置する部分が、読み出しゲート部１２のゲート電極を兼ねている。
【００５３】
基板１７には、フォトダイオード１１に蓄積される信号電荷の電荷量を決定する（即ちオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルを決める）基板バイアスＶｓｕｂが印加されるようになっている。
【００５４】
図４は、基板バイアスＶｓｕｂ変調を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像装置１０の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッター３の開閉状態と、基板バイアスＶｓｕｂ（図中の基板電圧）と、フォトダイオード１１から垂直ＣＣＤ１３への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３とを示している。垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３に重畳されるハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスＸＳＧである。以下、図４中の時刻Ｔ１〜Ｔ７の順に説明する。
【００５５】
（時刻Ｔ１：）モニター期間（高速動画撮像モード）では、メカニカルシャッター３が開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が連続的に読み出され、動画像表示されている。図６は、高速動画撮像モード（図４の時刻Ｔ１）におけるポテンシャル分布を示す図である。図６のように、高速動画撮像モードでは、第１のバイアス電圧によるオーバーフローバリアＯＦＢが、読み出しゲートの障壁よりも低く設定されている。
【００５６】
（時刻Ｔ２：）また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッター３を併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像（静止画撮像モード）が開始する。この静止画撮像モードでは、まず、基板バイアスＶｓｕｂに、複数個の基板シャッターパルスΦＳＵＢが印加される。図７は、基板シャッターパルスΦＳＵＢ印加時（図４の時刻Ｔ２）のポテンシャル分布を示す図である。同図に示すように基板シャッターパルス印加時には、基板バイアスＶｓｕｂを高くすることにより、オーバーフローバリアの障壁をなくしてフォトダイオード１１の全ての信号電荷を半導体基板に掃き出すことになる。こうして、複数の基板シャッターパルスΦＳＵＢの印加終了時にはフォトダイオード１１の全ての信号電荷の掃き出されている。
【００５７】
（時刻Ｔ３：）さらに、駆動部４は、複数の基板シャッターパルスのうち最後の基板シャッターパルスの印加完了の直後に、駆動部４は基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げるバイアス変調を行う。基板シャッターパルスの印加完了により露光期間が開始する。図８（ａ）は、露光期間における第２バイアス電圧が印加されているとき（時刻Ｔ３）のポテンシャル分布図である。同図（ａ）のように、オーバーフローバリアＯＦＢは、読み出しゲートの障壁よりも高いので、飽和信号電荷量Ｑｓが増加する。入射光により飽和信号電荷量Ｑｓを超えて発生した過剰信号電荷は、読み出しゲートの障壁を超えて垂直ＣＣＤ１３側にこぼれることになるが、後の垂直ＣＣＤ１３の高速掃き出しにより掃きだされるので画質には影響しない。
【００５８】
また、同図（ａ）のポテンシャル分布では、飽和信号電荷量Ｑｓの増加だけでなくリニア領域を拡大することができる。比較例として、図８（ｂ）に従来技術における第２バイアス電圧でのポテンシャル分布を示す。図１３は、フォトダイオード１１に入射される光量−出力信号特性を示すグラフである。同図の破線は図８（ａ）に示した本実施形態における特性を、実線は図８（ｂ）に示した従来技術における特性を示す。図１３において、水平に近いグラフ部分は飽和領域（ニー領域）であり、本実施形態における飽和領域（破線）が従来技術における飽和領域（実線）よりも出力信号が大きくなっている（飽和信号電荷量Ｑｓが増大している）。それだけでなく、傾きの大きいリニア領域（図中のリニアリティ範囲）も本実施の形態では拡大している。
【００５９】
さらに、本実施形態では感度が向上する。感度の向上は、オーバーフローバリアのピーク位置が深くなり、光電変換により発生した信号電荷を集めて蓄積することができる領域が拡大したことにより光電変換効率が向上するからである。図１５は、フォトダイオード１１の入射光の波長−感度（分光感度）特性を示すグラフである。同図の破線は本実施形態における特性を、実線は従来技術における特性を示す。入射光の波長が長いほど感度の向上が見られる。これは、波長が長いほど空乏層の深くまで到達するからである。同図のように、色温度３２００Ｋでは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各波長について、約１０％、約７％、約３％程度感度が向上する。
【００６０】
（時刻Ｔ４：）さらに、メカニカルシャッター３が閉じることにより露光期間が完了する。図９（ａ）はメカニカルシャッター３が閉じたときの（時刻Ｔ３）のポテンシャル分布図である。比較例として図９（ｂ）にメカニカルシャッター３が閉じたときの従来のポテンシャル分布図を示す。フォトダイオード１１に飽和信号電荷量Ｑｓは、図９（ｂ）のように従来技術ではオーバーフローバリアＯＦＢの高さで決まるのに対して、図９（ａ）のように本実施形態ではゲート電極の障壁高さで決まり、飽和信号電荷量Ｑｓが増加しリニア領域が拡大されることになる。
【００６１】
（時刻Ｔ５：）図９（ａ）のようにゲート電極の障壁高さのぎりぎり一杯まで信号電荷が蓄積されていると、ブルーミングが発生しやすくなってしまう。そこで、駆動部４は基板シャッターを閉じた後で、かつ垂直ＣＣＤの高速掃き出しの前に、飽和信号電荷量を減らすために飽和信号制御パルスを印加している。図１０は、飽和信号制御パルスを印加したとき（時刻Ｔ５）のポテンシャル分布を示す図である。同図のように、オーバーフローバリアのポテンシャルは、一時的につまり飽和信号制御パルスのハイレベル期間だけ下がるので、過剰電荷が基板１７に排出され、読み出しゲート電極の障壁高さよりも低い位置に飽和信号電荷量を制御している。これにより、ブルーミングの発生を抑えることができ、かつフォトダイオード１１のリニア範囲を拡大することができる。
【００６２】
図１４は、飽和信号制御パルスの印加時間と信号電荷の蓄積量との関係を示す図である。同図において横軸は飽和信号制御パルスのハイレベル印加時間を、縦軸は飽和信号制御パルスの印加後の最大の蓄積信号量（図中飽和信号量）を示す。３本の実線は、パルスの波高値（ハイレベル電圧）が低い順に上から並んでいる。同図のように、飽和信号量を目標値にまで減らすためには、波高値が低い場合には、当該パルス印加時間が長くかかるという短所と、確実に安定して目標値へ達することができるという長所とがある。波高値が高い場合には、当該パルス印加時間を短くできるという長所と、目標値に確実に達したかどうか不安定であるという短所がある。また、波高値を第１バイアス電圧と同じにすれば、ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号を用いて飽和信号制御パルスを発生させることができるので、制御が簡単になる。
【００６３】
（時刻Ｔ６：）図１１は、飽和信号制御パルスの印加が完了したとき（時刻Ｔ６）のポテンシャル分布を示す図である。同図のよう、基板バイアス電圧は第２のバイアス電圧に戻っている。垂直ＣＣＤ１３には、露光期間中にこぼれだした過剰電荷が残っている。時刻Ｔ６の直後の高速掃き出し期間において転送出力される。すなわち、高速掃き出しにおいて、垂直ＣＣＤ１３には転送クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ４が速い周期で連続的に印加されるので、垂直ＣＣＤ１３に露光期間にこぼれだした過剰信号電荷は、転送出力されていく。垂直転送クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ４の周期は、通常のフィールド出力期間では１水平走査期間とに１ラインを送する周期であるが、高速掃き出し期間ではそれよりももっと速い周期となる。この高速掃き出しの代わりにダミーフィールドにより掃き出してもよい。
【００６４】
（時刻Ｔ７：）図１２は、垂直ＣＣＤ１３の高速掃き出し期間が完了したとき（時刻Ｔ７）のポテンシャル分布を示す図である。同図のようにこ、垂直ＣＣＤ１３の信号電荷が高速掃き出しによって転送出力され存在しなくなっている。
【００６５】
また、図４において第１フィールド出力期間以降の動作タイミングについては、図１９とほぼ同様であるので説明を省略する。
【００６６】
以上説明してきたように本実施の形態における固体撮像装置によれば、露光期間開始時に（図４の時刻Ｔ３〜Ｔ４参照）におけるオーバーフローバリアーＯＦＢの障壁高さを読み出しゲートの障壁よりもあえて高く設定し（図９（ａ）参照）、さらに、露光期間完了後でかつ垂直ＣＣＤの高速掃き出し前に（図４の時刻Ｔ５参照）、オーバーフローバリアーＯＦＢの障壁高さを一時的に低くして、過剰電荷を基板に掃き出す（図１０、図１１参照）ことを特徴としている。これにより、フォトダイオード１１のリニア特性を拡大して感度を向上させることができる。
【００６７】
＜変形例＞
上記実施の形態では、（Ａ）露光期間開始時ににおけるオーバーフローバリアーＯＦＢの障壁高さを読み出しゲートの障壁よりもあえて高く設定し、（Ｂ）これに加えて、露光期間完了後でかつ垂直ＣＣＤの高速掃き出し前にオーバーフローバリアーＯＦＢの高さを読み出しゲート部における障壁よりも一時的に低くして、過剰電荷を基板に掃き出す構成について説明した。ここでは、上記実施形態の変形例として、（Ａ）に続く（Ｂ）においてオーバーフローバリアの低くすることを一時的ではなく、（Ｂ’）低くしてそのまま維持する構成について説明する。
【００６８】
本変形例にける固体撮像装置は、図１、３、１７に示した固体撮像装置の構成とほぼ同じであるが、駆動部４における基板バイアス電圧の駆動方法が若干異なる。同じ点は説明を省略して、以下、異なる点を中心に説明する。
【００６９】
図１６は、本変形例における固体撮像装置の動作タイミングを示す図である。同図は、図４と比較して、駆動部４による基板バイアス電圧の駆動方法が一部異なっている。
【００７０】
すなわち、駆動部４は、飽和信号量制御パルスを印加する代わりに、当該パルスと同様のタイミングで、基板バイアス電圧を第２バイアス電圧から第３バイアス電圧に電圧レベルを高くしている。ここで第３バイアス電圧は、図１６のように、読み出しゲート部における障壁よりもオーバーフローバリアの高さを低くする電圧値であればよく、第１バイアス電圧と第２バイアス電圧の範囲内の電圧でよい。
【００７１】
このように、本変形例における（Ａ）（Ｂ’）によっても上記実施形態と同様にリニア特性を拡大して感度を向上させるという効果を得ることができる。ただし、飽和信号電荷量Ｑｓは若干減少する。
【００７２】
なお、第３のバイアス電圧を第１のバイアス電圧と同じ電圧値とすれば、より簡単な構成で変形例を実現することができる。
【００７３】
＜第１の補足説明＞
続いて、本実施の形態における固体撮像装置について第１の補足説明として基板シャッターの望ましいタイミングについて説明する。
【００７４】
上記の第２バイアス電圧は、図４では、基板シャッターパルスの印加が完了した直後から第２フィールドの読み出し期間が完了するまで印加されているが、基板シャッターパルスの印加中あるいは印加前であっても、リニア特性を改善するという効果を得ることができる。なぜなら、露光期間の全域に渡って第２バイアス電圧が印加されることにより露光期間の飽和信号電荷量Ｑｓが増し、これに伴い、飽和信号電荷量Ｑｓの一定比率が決まるリニア領域が拡大するからである。
【００７５】
さらに、望ましくは、基板シャッターパルスの印加が完了した直後に、第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に切り換えるべきである。なぜなら、基板シャッターパルスの印加前あるいは印加中に第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げると、オーバーフローバリアＯＦＢがより高い状態で基板シャッターパルスを印加することになってしまい、より波高値の高い基板シャッターを印加しないと信号電荷を掃き出すことができなくなるという不具合が生じるからである。
【００７６】
また、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第２バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は、本実施の形態では短いほど望ましい。なぜなら、立ち下げ開始までの時間が短いほど露光時間に占める第２バイアス電圧レベルの期間が長くなり、露光感度が向上するからである。
【００７７】
一般的に、高速電子シャッター時（例えば１／２０００秒）において、機械的要因によりメカニカルシャッターが閉じる時刻がばらつき、露光時間すなわち露光量は１０％程度ばらつくが、カメラシステムにおいて実用上許容されている。したがって、露光時間の誤差として許容される時間は露光時間の１０％程度ある。よって、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第２バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は露光時間の１０％以内とすることが望ましい。
【００７８】
具体的には基板シャッターにより実現される高速電子シャッターの露光時間が５００μＳであれば、許容誤差を１０％以内とした場合は５０μＳ以下の時間であることが望ましい。
【００７９】
このように露光期間のほぼ全域に渡って、基板バイアスＶｓｕｂを第２バイアス電圧とすることにより、光電変換の効率（量子効率）が向上する。その結果、露光感度を向上させることができる。感度の向上により、色のＳ／Ｎが良くなり、低照度であっても撮像時の画質が向上する。また、感度の向上は、波長の長い方つまりＲ（赤）から赤外線（ＩＲ）領域にかけて向上率が高いので、固体撮像装置を監視カメラや暗視カメラとして利用する場合の性能向上を図ることができる。
【００８０】
＜第２の補足説明＞
続いて、第２の補足説明として、水平走査期間中の読み出しゲート電極の望ましい電圧について説明する。
【００８１】
まず、図４の第１フィールド出力期間、第２フィールド出力期間において水平有効期間を次のように定義する。すなわち、水平有効期間とは、水平ＣＣＤ１５において水平転送動作がなされる期間であって、垂直ＣＣＤ１３において垂直転送クロックパルスが変化していない期間をいう。
【００８２】
図４では、第１フィールド出力期間では、ミドルレベル電圧に重畳された読み出しパルスＸＳＧが読み出しゲート電極Φ１に印加されることにより第１フィールドを構成する信号電荷が各垂直ＣＣＤ１３に読み出され、この後の水平有効期間において、第１フィールドの読み出しゲート電極Φ１の電圧ΦＶ１はミドルレベル電圧になっているケース（以下、ＶＭ読み出しケースと呼ぶ。）を示している。これとは逆に、第１フィールド出力期間において、第１フィールドの読み出しゲート電極Φ１の電圧ΦＶ１がローレベル電圧というケース（以下ＶＬ読み出しケースと呼ぶ。）もあり得る。第１フィールド読み出し期間において何れのケースにするかは任意である。同様に第２フィールド読み出し期間において第２フィールドを何れのケースにするかは任意である。
【００８３】
インターレース読み出しにおいては、図４のように、第１フィールドではＶＭ読み出しケースとすることが望ましい。なぜなら、フォトダイオード１１に信号電荷が読み出されずに残っている第２フィールドの読み出しゲート電極Φ３の電圧がミドルレベルの場合とローレベルの場合とでは、ローレベルの方がブルーミングが発生しにくいからである。第１フィールドがＶＭ読み出しケースである場合は、水平有効期間における第２フィールドの読み出しゲート電極Φ３の電圧はＶΦ３はローレベルになる。これは、垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３は４相クロック信号の１相目と３相目であり、通常、水平走査期間において一方がローレベルのときは通常は他方がミドルレベルだからである。
【００８４】
したがって、メカニカルシャッターを閉じた後に、複数のフィールドを順次読み出す場合には、図４に示したように、先に読み出されない第２フィールドの読み出しゲート電極Φ３を水平有効期間中にローレベルにするために、先に読み出される第１フィールドをＶＭケースで読み出すことようにしている。言い換えれば、第１フィールド出力期間では読み出されずにフォトダイオード１１に信号電荷を保存している第２フィールドの読み出しゲート電極Φ３は、ブルーミングの発生しやすいミドルレベルではなく、ブルーミングの発生しにくいローレベルにしている。そのために、先に読み出される第１フィールドは、読み出された後の水平有効期間でブルーミングが発生しないので、第１フィールドの読み出しゲート電極Φ１は水平有効期間にミドルレベルとなるＶＭケースとしている。なお、２対１インターレースに限らず多対１インターレースの場合も、読み出されていないフィールドの読み出しゲート電極をローレベルにすれば、同様の効果を得ることができる。
【００８５】
なお、図１７における基板バイアス電圧発生回路２０、トランジスタＱ１、Ｑ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、Ｃは、その全部又は一部を、固体撮像素子１０の基板上に形成してもよいし、基板外部に設けてもよい。また、基板バイアス電圧発生回路２０は、電源とグラウンド間で直列接続された抵抗による分圧値として基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生させる構成としてもよい。
【００８６】
また、上記実施の形態において、２対１のインターレース・スキャンでのインターライン・トランスファー方式によるフレーム読み出しの場合を例にとって説明したが、基板シャッターとメカニカルシャッター３と併用して露光時間が決定される撮像の場合であればよく、これに限らない。例えば、３対１等多対１のインタレース・スキャン方式でもよいし、プログレッシブ・スキャン方式の読み出しの場合でもよい。
【００８７】
また、上記実施の形態では縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子を例に説明したが、横型オーバーフロードレイン構造であっても同様に本願発明を適用できる。
【００８８】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置によれば、フォトダイオードのリニア特性を拡大して感度を向上させることができる。ブルーミングの発生を抑えることができ、かつフォトダイオード１１のリニア範囲を拡大することができる。
【００８９】
また、露光期間における量子効率（光電変換効率）を改善することにより感度を向上させることができ、特に入射光の波長が長いほど感度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）固体撮像素子におけるフォトダイオードの配列と垂直ＣＣＤの転送電極の配列を示す一例である。
（ｂ）奇数ラインからなる第１フィールドの読み出しの説明図である。
（ｃ）偶数ラインからなる第２フィールドの読み出しの説明図である。
【図３】フォトダイオード及び垂直ＣＣＤ周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【図４】基板バイアスＶｓｕｂ変調を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図５】（ａ）本発明における第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。
（ｂ）従来技術における第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。
【図６】第１バイアス電圧印加時（時刻Ｔ１）のポテンシャル分布を示す図である。
【図７】基板シャッターパルス印加時（時刻Ｔ２）のポテンシャル分布を示す図である。
【図８】（ａ）本実施の形態における時刻Ｔ３のポテンシャル分布を示す図である。
（ｂ）従来技術における時刻Ｔ３のポテンシャル分布を示す図である。
【図９】（ａ）本実施の形態における時刻Ｔ４のポテンシャル分布を示す図である。
（ｂ）従来技術における時刻Ｔ４のポテンシャル分布を示す図である。
【図１０】飽和信号制御パルスを印加したとき（時刻Ｔ５）のポテンシャル分布を示す図である。
【図１１】飽和信号制御パルスの印加が完了したとき（時刻Ｔ６）のポテンシャル分布を示す図である。
【図１２】垂直ＣＣＤの高速掃き出し期間が完了したとき（時刻Ｔ７）のポテンシャル分布を示す図である。
【図１３】フォトダイオードに入射される光量−出力信号特性を示すグラフである。
【図１４】飽和信号制御パルスの印加時間と信号電荷の蓄積量との関係を示す図である。
【図１５】フォトダイオードの入射光の波長−感度（分光感度）特性を示すグラフである。
【図１６】実施の形態の変形例における固体撮像装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図１７】ＣＣＤ固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図１８】フォトダイオードの基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。
【図１９】従来技術における固体撮像装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１  固体撮像装置
２  レンズ
３  メカニカルシャッター
４  駆動部
５  信号処理部
１０  固体撮像素子
１１  フォトダイオード
１２  読み出しゲート
１３  垂直ＣＣＤ
１４  撮像エリア
１５  水平ＣＣＤ
１６  出力アンプ
１７  半導体基板
【図１】
2004328682.tif 000003
【図２】
2004328682.tif 000004
【図３】
2004328682.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004328682.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2004328682.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2004328682.tif 000017
【図１６】
2004328682.tif 000018
【図１７】
2004328682.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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