(57)【要約】【課題】  受光部から読み出し部に電気信号を高速に転送することができる撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置を提供することを目的とする。【解決手段】  ＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）１において、フォトダイオード２からゲート電極３に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設ける。具体的には、フォトダイオード２を構成する不純物を『Ｘ』字状に拡散して、不純物の幅Ｌがフォトダイオード２からゲート電極３に向かって逐次に広がるように構成する。このような勾配を設けることで、フォトダイオード２からゲート電極３までの間に電気信号が滞ることなく、ポテンシャル勾配Ｐに沿って電気信号が円滑に転送される。その結果、フォトダイオード２からゲート電極３に電気信号を高速に転送することができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部とを備えた撮像素子であって、受光部から前記読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像素子において、前記受光部を構成する不純物の幅を、受光部から前記読み出し部に向かって逐次に広げることで前記ポテンシャル勾配を設けることを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、前記受光部を構成する不純物の濃度を、受光部から前記読み出し部に向かって逐次に高くすることで前記ポテンシャル勾配を設けることを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部とを備えた撮像素子を用いた撮像素子用装置であって、受光部から前記読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることを特徴とする撮像素子用装置。
【請求項５】
請求項４に記載の撮像素子用装置において、前記受光部を構成する不純物の幅を、受光部から前記読み出し部に向かって逐次に広げることで前記ポテンシャル勾配を設けることを特徴とする撮像素子用装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の撮像素子用装置において、前記受光部を構成する不純物の濃度を、受光部から前記読み出し部に向かって逐次に高くすることで前記ポテンシャル勾配を設けることを特徴とする撮像素子用装置。
【請求項７】
請求項４から請求項６のいずれかに記載の撮像素子用装置において、前記装置は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を前記受光部が電気信号に変換して被写体を撮像する撮像装置として用いられ、前記被写体の光学像を取り込む水晶体を備えることを特徴とする撮像素子用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部やその受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部などを備えた撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の撮像素子として、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)型固体撮像素子がある。かかるＣＣＤ型固体撮像素子（以下、『ＣＣＤ』と略記する）は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部に相当するフォトダイオードと、そのフォトダイオードから得られた電気信号を読み出す読み出し部に相当するゲート電極とを備えて構成されている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１２７２７７号公報（第５−７頁、図１、図２、図５、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＣＣＤを高速撮像装置に用いた場合には、次のような問題がある。
【０００４】
高速撮像の場合には露光時間が短くなる。したがって、露光量が少なくなって、それに伴ってフォトダイオードで発生する電気信号の量も少なくなってしまう。そこで、強い照明でフォトダイオードに向けて光を入射させるあるいはフォトダイオードの面積を大きくして、露光量を多くすることが考えられる。しかし、フォトダイオードの面積を大きくして露光量を多くする場合には、フォトダイオードからゲート電極までの距離が長くなってしまい、フォトダイオードからゲート電極までに転送する時間が長くなってしまう。その結果、フォトダイオードからゲート電極を介して転送する時間も長くなってしまい、高速に転送することが難しくなる。このように、高速撮像を行うと露光量が少なくなってしまい、その露光量を多くするためにフォトダイオードの面積を大きくすると高速撮像が行えないという問題がある。
【０００５】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、受光部から読み出し部に電気信号を高速に転送することができる撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
【０００７】
すなわち、請求項1に記載の発明は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部とを備えた撮像素子であって、受光部から前記読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることを特徴とするものである。
【０００８】
［作用・効果］請求項1に記載の発明によれば、受光部は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光して、読み出し部は、その受光部から得られた電気信号を読み出す。このとき、受光部から読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることで、受光部から読み出し部までの間に電気信号が滞ることなく、ポテンシャル勾配に沿って電気信号が円滑に転送される。その結果、受光部から読み出し部に電気信号を高速に転送することができる。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部とを備えた撮像素子を用いた撮像素子用装置であって、受光部から前記読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることを特徴とするものである。
【００１０】
［作用・効果］請求項４に記載の発明によれば、受光部から読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることで、受光部から読み出し部までの間に電気信号が滞ることなく、ポテンシャル勾配に沿って電気信号が円滑に転送され、受光部から読み出し部に電気信号を高速に転送することができる。
【００１１】
上述したこれらの請求項１、４に記載の発明において、ポテンシャル勾配の例として以下のようなものがある。例えば、受光部を構成する不純物の幅を、受光部から読み出し部に向かって逐次に広げることでポテンシャル勾配を設けるのが挙げられる（請求項２、５に記載の発明）。また、受光部を構成する不純物の濃度を、受光部から読み出し部に向かって逐次に高くすることでポテンシャル勾配を設けるのが挙げられる（請求項３、６に記載の発明）。
【００１２】
また、請求項４から請求項６のいずれかに記載の発明（撮像素子用装置）において、装置を、撮像素子で得られた電気信号のデータを用いて分析を行う分析装置や、データのみを記憶して記憶したデータを外部装置に転送する転送装置として用いてもよいし、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を受光部が電気信号に変換して被写体を撮像する撮像装置として用いてもよい。撮像装置の場合には、上述した被写体の光学像を取り込む水晶体を備えている（請求項７に記載の発明）。また、撮像装置が、例えば撮影速度が１．０×１０6フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）の高速撮像装置のように、電気信号を高速に転送する場合には、この発明は特に有用である。本明細書中では、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上を『高速撮影』とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置によれば、受光部から読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることで、受光部から読み出し部までの間に電気信号が滞ることなく、ポテンシャル勾配に沿って電気信号が円滑に転送され、受光部から読み出し部に電気信号を高速に転送することができる。
【実施例１】
【００１４】
以下、図面を参照してこの発明の実施例1を説明する。
【００１５】
図１は、実施例１に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）の構成を示すブロック図であり、図２（ａ）は、ＣＣＤを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ｂ断面のポテンシャル形状の模式図であり、図３は、図２との比較のための従来のＣＣＤの説明図であって、図３（ａ）は、ＣＣＤを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示す平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ｂ断面のポテンシャル形状の模式図であり、図４は、実施例１に係るＣＣＤを用いた高速撮像装置の概略を示すブロック図である。
【００１６】
ＣＣＤ１は、図１に示すように、入射された光を電気信号に変換することで光を受光するフォトダイオード２と、そのフォトダイオード２から得られた電気信号を読み出すゲート電極３とを備えるとともに、ゲート電極３で読み出された電気信号を蓄積する蓄積用ＣＣＤセル４を複数個（図１では４個）備えている。かかるフォトダイオード２、ゲート電極３および複数個の蓄積用ＣＣＤセル４が２次元配列ラインに沿って縦横マトリックス状に配設されている。ＣＣＤ１は、この発明における撮像素子に相当し、フォトダイオード２は、この発明における受光部に相当し、ゲート電極３は、この発明における読み出し部に相当する。
【００１７】
縦横マトリックス状に配設された各蓄積用ＣＣＤセル４のうち、もっとも下流側の各蓄積用ＣＣＤセル４は、垂直転送ゲート５に接続されており、各垂直転送ゲート５は水平転送ゲート６に接続されている。ゲート電極３で読み出された電気信号を各々の蓄積用ＣＣＤセル４に逐次に蓄積して、電子シャッタリング動作と同期した電荷転送信号をゲート電圧としてゲート電極３に印加するたびに、隣接する蓄積用ＣＣＤセル４に、図１中の矢印に示す方向（水平方向）に順に転送する。水平方向に配列された蓄積用ＣＣＤセル４に電気信号として電荷を全て蓄積したら、垂直転送ゲート５に垂直方向に転送して、水平転送ゲート６に水平方向に転送する。
【００１８】
このように転送された電気信号をＣＣＤ１の外部（高速撮像装置のＡＤコンバータや画像処理演算部）に転送して、各種の処理が行われて画像が出力される。
【００１９】
図２に示すように、フォトダイオード２からゲート電極３に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配Ｐを設けている。なお、図２との比較のために図３の従来のＣＣＤを用いて、併せて説明する。また、図２、図３のフォトダイオードの部分は、不純物の拡散領域からなるので、不純物の領域にも相当する。
【００２０】
図３（ａ）に示すように、従来のＣＣＤ５１は、矩形状のフォトダイオード５２を有している。図３（ａ）のＡ−Ｂ線は、フォトダイオード５２からゲート電極５３を含んでおり、Ａ−Ｂ断面のポテンシャル形状は、図３（ｂ）に示すようになる。すなわち、フォトダイオード５２の周縁部分から中心付近までポテンシャルが高くなった後は、その中心付近からゲート電極５３にわたって同じレベルのポテンシャルを保ったままとなる。したがって、図３（ａ）の電気信号の流れＦは中心付近に向かい、フォトダイオード５２の中心付近（図３（ａ）の中心付近Ｃを参照）で電気信号が滞る。
【００２１】
一方、図２（ａ）に示すように、本実施例１のＣＣＤ１は、『Ｘ』字状のフォトダイオード２を有している。フォトダイオード２を構成する不純物の幅を、図２（ａ）に示すように『Ｌ』とする。『Ｘ』字状のフォトダイオード２は、不純物の幅Ｌがフォトダイオード２からゲート電極３に向かって逐次に広がって構成されている。図３(ａ)と同様に、図２（ａ）のＡ−Ｂ線は、フォトダイオード２からゲート電極３を含んでおり、Ａ−Ｂ断面のポテンシャル形状は、図２（ｂ）に示すようになる。すなわち、図２（ｂ）に示すように、フォトダイオード２の周縁部分から中心付近までポテンシャルが緩やかに高くなった後も、その中心付近からゲート電極にわたってポテンシャルは逐次に変化する。したがって、図２（ｂ）の電気信号の流れＦは中心付近に向かった後もデータ電極３に向かい、フォトダイオード２からゲート電極３までの間に電気信号が滞らない。
【００２２】
なお、ＣＣＤの製造過程において、図２（ａ）に示すような『Ｘ』字状に不純物を拡散（ドープ）してフォトダイオード２を構成すればよい。このようにフォトダイオード２を構成することで、フォトダイオード２からゲート電極３に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配Ｐが形成される。
【００２３】
図１、図２に示すＣＣＤ１を、本実施例１では図４に示す高速撮像装置１０に用いている。なお、本実施例１では、撮影速度が１．０×１０6フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）の高速撮像装置１０を用いている。高速撮像装置１０は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像をフォトダイオード２が電気信号に変換して被写体を撮像するように構成されている。すなわち、高速撮像装置は、光学系２０とＣＣＤ１とＡＤコンバータ３０と画像処理演算部４０と画像記憶部５０とモニタ６０と操作部７０と制御部８０を備えている。高速撮像装置１０は、この発明における撮像素子用装置に相当する。
【００２４】
光学系２０は、被写体の光学像を取り込むレンズ２１や、イメージインテンシファイア等の光増倍機構（図示省略）やメカニカルシャッタリング機構（図示省略）などを備えている。ＡＤコンバータ３０は、ＣＣＤ２から出力された電気信号をディジタル信号に変換する。画像処理演算部４０は、ＡＤコンバータ３０でディジタル化された電気信号に基づいて被写体の２次元画像を作成するために各種の演算処理を行う。画像記憶部５０は、画像処理演算部４０で作成された２次元画像を記憶する。モニタ６０は、画像記憶部５０に記憶された２次元画像を画面に出力する。操作部７０は、高速撮像の実行に必要な種々の操作を行う。制御部８０は、操作部７０により設定された撮影条件などの操作にしたがって装置全体を統括制御する。レンズ２１は、この発明における水晶体に相当する。
【００２５】
上述したＣＣＤ１およびそれを用いた高速撮像装置１０によれば、フォトダイオード２は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光して、ゲート電極３は、そのフォトダイオード２から得られた電気信号を読み出す。このとき、フォトダイオード２からゲート電極３に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配Ｐを設けることで、フォトダイオード２からゲート電極３までの間に電気信号が滞ることなく、ポテンシャル勾配Ｐに沿って電気信号が円滑に転送される。その結果、フォトダイオード２からゲート電極３に電気信号を高速に転送することができる。
【００２６】
また、本実施例１では、フォトダイオード１０を構成する不純物の幅Ｌを、フォトダイオード２からゲート電極３に向かって逐次に広げることでポテンシャル勾配Ｐを設けている。
【００２７】
また、本実施例１の高速撮像装置１０のように、電気信号を高速に転送する場合には、この発明は特に有用である。
【実施例２】
【００２８】
次に、図面を参照してこの発明の実施例２を説明する。
【００２９】
図５は、実施例２に係るＣＣＤを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示す平面図である。
【００３０】
本実施例２では、ＣＣＤ１は、従来のＣＣＤ５１のフォトダイオード５２（図３を参照）と同じ形状である矩形状のフォトダイオード２を有している。フォトダイオード２を構成する不純物の濃度が、フォトダイオード２からゲート電極３に向かって逐次に高くなるように拡散（ドープ）されている。例えば、フォトダイオード２の部分を、図５に示すように領域ａ1、ａ2、ａ3、ａ4と区画すると、領域ａ1、ａ2、ａ3、ａ4の順にドーピングされる不純物の濃度が高くなるようにする。このようにフォトダイオード２を構成することで、フォトダイオード２からゲート電極３に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配Ｐが形成される。
【００３１】
本実施例２によれば、フォトダイオード２を構成する不純物の濃度を、フォトダイオード２からゲート電極３に向かって逐次に高くすることでポテンシャル勾配Ｐを設けている。
【００３２】
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【００３３】
（１）上述した実施例１，２では、高速撮像装置を例に採って説明したが、撮影速度が１００，０００フレーム／秒未満の通常の撮像装置であってもよい。
【００３４】
（２）上述した実施例１，２では、ＣＣＤなどに代表される撮像素子を用いた撮像素子用装置として高速撮像装置などに代表される撮像装置を例に採って説明したが、撮像素子を用いた装置であれば、特に限定されない。例えば、撮像素子で得られた電気信号のデータを用いて分析を行う分析装置や、データのみを記憶して記憶したデータを外部装置に転送する転送装置として用いてもよい。
【００３５】
（３）上述した実施例１，２では、受光部としてフォトダイオードを例に採って説明したが、これに限定されない。例えば、フォトゲートを受光部と用いてもよい。
【００３６】
フォトゲートを受光部として用いる場合には、フォトゲートの上部にあるゲート電極の形状によってポテンシャル勾配を設ければよい。例えば、図６に示すように、フォトゲート２´の上部にあるゲート電極３´を『Ｙ』字状にする。そして、ゲート電極３´の幅Ｌ´を、フォトゲート２´からゲート電極３´に向かって逐次に広げることでポテンシャル勾配Ｐを設けてもよい。また、フォトゲートの場合でもフォトゲート２´を構成する不純物の濃度や形状を実施例のようにしてもよい。また、不純物によってポテンシャル勾配を設けるとともに、ゲート電極３´の形状によってもポテンシャル勾配を設けてもよい。
【００３７】
（４）上述した実施例１では、図２に示すように、フォトダイオード２を『Ｘ』字状にして、不純物の幅Ｌをフォトダイオード２からゲート電極３に向かって逐次に広げたが、フォトダイオード２の形状は限定されない。
【００３８】
（５）上述した実施例１と実施例２とを組み合わせてもよい。すなわち、不純物の幅Ｌをフォトダイオード２からゲート電極３に向かって逐次に広げて、かつ、不純物の濃度をフォトダイオード２からゲート電極３に向かって逐次に高くしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、ＣＣＤを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ｂ断面のポテンシャル形状の模式図である。
【図３】図２との比較のための従来のＣＣＤの説明図であって、（ａ）は、ＣＣＤを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ｂ断面のポテンシャル形状の模式図である。
【図４】実施例１に係るＣＣＤを用いた高速撮像装置の概略を示すブロック図である。
【図５】実施例２に係るＣＣＤを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示す平面図である。
【図６】この発明に係るフォトゲートごとの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  …  ＣＣＤ
２  …  フォトダイオード
３  …  ゲート電極
１０  …  高速撮像装置
２１  …  レンズ
Ｐ  …  ポテンシャル勾配
Ｌ  …  不純物の幅
Ｆ  …  電気信号の流れ
【図１】
2005294398.tif 000003
【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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