(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射に応じて電荷を発生し且つ平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成す光感応領域と、前記光感応領域に対して前記光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第１の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する電位勾配形成領域と、をそれぞれ有すると共に、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿うように併置された複数の光電変換部と、
前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ前記光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置され、対応する光電変換部の光感応領域から取得した電荷を前記第１の方向に転送する複数の第１の転送部と、
前記第１の転送部にそれぞれ対応して配置され、対応する第１の転送部から転送された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部にそれぞれ対応して配置され、対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第１の方向に転送する複数の第２の転送部と、
前記複数の第２の転送部に対して配置され、該第２の転送部からそれぞれ転送された電荷を前記第２の方向に転送して出力する電荷出力部と、
前記光感応領域の長辺に隣接して配置され、前記光感応領域の長辺方向に沿う方向に伸びているオーバーフロードレイン領域と、を備え、
前記電位勾配形成領域は、前記光感応領域上に配置された一対の電極を有しており、前記一対の電極に入力される信号に応じて、電位勾配が形成される状態と電位勾配が形成されない状態とが選択され、
各前記電荷蓄積部から、第１の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷と、前記第１の期間より短い第２の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷とを、連続して交互に、対応する前記第２の転送部を介して前記電荷出力部に出力することを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置として、光入射に応じて電荷を発生し且つ平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成す光感応領域をそれぞれ有する複数の光電変換部が、一次元方向（光感応領域の短辺方向に沿う方向）にアレイ状に配置されているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような固体撮像装置は、従来より様々な用途に用いられているが、特に、分光器の光検出手段として広く用いられている。
【特許文献１】特開２００５−１６４３６３号公報
【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、特許文献１に記載の固体撮像装置は、以下の問題点を有している。特許文献１に記載の固体撮像装置では、光感応領域に発生した電荷は、光感応領域の短辺側から読み出されることとなる。このため、発生した電荷は光感応領域の長辺方向に移動する必要があり、その移動距離が長くなってしまう。この結果、発生した電荷を高速に読み出すことが困難となる。
【０００４】
また、特許文献１に記載の固体撮像装置では、光感応領域の一対の短辺それぞれに隣接して、電荷を蓄積するディフュージョン領域及び当該ディフュージョン領域に生じた電圧信号を増幅して出力するアンプ領域が配置されている。すなわち、特許文献１に記載の固体撮像装置では、光感応領域の各短辺に隣接して配置された一対のアンプ領域からそれぞれ信号が出力されるため、一次元画像を得るための信号処理が必要となり、画像処理が煩雑となる懼れがある。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、画像処理が煩雑になることなく、光感応領域に発生した電荷を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る固体撮像装置は、光入射に応じて電荷を発生し且つ平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成す光感応領域と、光感応領域に対して光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第１の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する電位勾配形成領域と、をそれぞれ有すると共に、第１の方向に交差する第２の方向に沿うように併置された複数の光電変換部と、光電変換部にそれぞれ対応し且つ光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置され、対応する光電変換部から取得した電荷を第１の方向に転送する複数の第１の転送部と、第１の転送部にそれぞれ対応して配置され、対応する第１の転送部から転送された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、電荷蓄積部にそれぞれ対応して配置され、対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷を第１の方向に転送する複数の第２の転送部と、複数の第２の転送部に対して配置され、該第２の転送部からそれぞれ転送された電荷を第２の方向に転送して出力する電荷出力部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る固体撮像装置では、各光電変換部において、電位勾配形成領域により上記第１の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方の短辺側に移動する。他方の短辺側に移動した電荷は、第１の転送部に取得されて、第１の方向に転送される。これにより、電荷の移動速度は、電位勾配（ポテンシャルの傾斜）に支配されることとなり、電荷の読出し速度が高速化する。
【０００８】
また、本発明では、第１の転送部から転送された電荷は、電荷蓄積部に蓄積され、その後、第２の転送部により第１の方向に転送される。そして各第２の転送部から転送された電荷は、電荷出力部により、第２の方向に転送されて出力される。この結果、本発明によれば、一次元画像を得るための信号処理をあらためて実行する必要はなく、画像処理の煩雑化を防ぐことができる。
【０００９】
ところで、本発明では、光感応領域は、平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。このため、光感応領域における飽和電荷量が大きい。
【００１０】
本発明では、第１の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷と、第１の期間より短い第２の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷とを、連続して交互に出力するのが好ましい。
【００１１】
第１の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的長くなることから、強い入射光は、信号が飽和するために適切に検出することが困難となるが、弱い入射光は、十分大きな信号として検出される。一方、第２の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的短くなることから、弱い入射光は、信号が微弱となるため、信号として十分に検出することが困難となるが、強い入射光は、飽和することなく、信号として適切に検出される。このように、入射光の強さに関わらず、入射光が信号として適切に検出されることとなり、実効的なダイナミックレンジが大きくなる。
【００１２】
なお、本発明では、電荷蓄積部を備えていることから、第２の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を転送する際の障害とならないように、第１の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を蓄積して、第２の転送部を介して電荷出力部に転送することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、画像処理が煩雑になることなく、光感応領域に発生した電荷を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面構成を説明するための図である。
【００１６】
固体撮像装置１は、複数の光電変換部３と、複数の第１の転送部５と、複数の電荷蓄積部７と、複数の第２の転送部９と、電荷出力部としてのシフトレジスタ１１と、を備えている。固体撮像装置１は、分光器の光検出手段として用いることができる。
【００１７】
各光電変換部３は、光感応領域１３と、電位勾配形成領域１５と、を有している。光感応領域１３は、光の入射に感応して、入射光強度に応じた電荷を発生する。電位勾配形成領域１５は、光感応領域１３に対して、光感応領域１３の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第１の方向（光感応領域１３の長辺方向に沿う方向）に沿って高くされた電位勾配を形成する。電位勾配形成領域１５により、光感応領域１３に発生した電荷は、光感応領域１３の他方の短辺側から排出される。
【００１８】
光感応領域１３の平面形状は、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。複数の光電変換部３は、上記第１の方向に交差する第２の方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。複数の光電変換部３は、光感応領域１３の短辺方向に沿う方向に併置されている。本実施形態では、光感応領域１３の長辺方向での長さは、例えば１ｍｍ程度に設定され、光感応領域１３の短辺方向での長さは例えば２４μｍ程度に設定されている。
【００１９】
各光感応領域１３に対して、当該光感応領域１３を光感応領域１３の短辺方向に沿う方向に挟むようにして、アイソレーション領域１７とオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）領域１９とが配置されている。アイソレーション領域１７は、光感応領域１３の一方の長辺に隣接して、光感応領域１３の長辺方向に沿う方向に伸びている。アイソレーション領域１７は、アイソレーション領域１７を挟んで隣り合う一対の光感応領域１３を電気的に分離する。
【００２０】
オーバーフロードレイン領域１９は、光感応領域１３の他方の長辺に隣接して、光感応領域１３の長辺方向に沿う方向に伸びている。オーバーフロードレイン領域１９は、ゲートトランジスタにより構成されるオーバーフローゲート（ＯＦＧ）を含み、光感応領域１３にて当該光感応領域１３の蓄積容量を超える電荷が発生した際に、蓄積容量を超えた分の電荷を排出する。これにより、蓄積容量を超えた光感応領域１３から溢れた電荷が他の光感応領域１３へ漏れ出すブルーミング等の不都合が防止される。
【００２１】
各第１の転送部５は、光電変換部３にそれぞれ対応し且つ光感応領域１３の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。すなわち、複数の第１の転送部５は、光感応領域１３の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第２の方向（光感応領域１３の短辺方向に沿う方向）に併置されている。第１の転送部５は、電位勾配形成領域１５によって光感応領域１３から排出された電荷を取得し、取得した電荷を第１の方向に転送する。隣り合う第１の転送部５間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、第１の転送部５間における電気的な分離を実現している。
【００２２】
各電荷蓄積部７は、第１の転送部５にそれぞれ対応し且つ第１の転送部５と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数の電荷蓄積部７は、光感応領域１３の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第２の方向に併置されている。電荷蓄積部７は、対応する第１の転送部５から転送された電荷を順次蓄積する。隣り合う電荷蓄積部７間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、電荷蓄積部７間における電気的な分離を実現している。
【００２３】
各第２の転送部９は、電荷蓄積部７にそれぞれ対応し且つ電荷蓄積部７と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数の第２の転送部９は、光感応領域１３の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第２の方向に併置されている。第２の転送部９は、対応する電荷蓄積部７に蓄積された電荷を取得し、取得した電荷を第１の方向に転送する。隣り合う第２の転送部９間には、アイソレーション領域（図示せず）が配置されており、第２の転送部９間における電気的な分離を実現している。
【００２４】
シフトレジスタ１１は、複数の第２の転送部９に対して、各第２の転送部９と第１の方向に隣接して配置されている。シフトレジスタ１１は、第２の転送部９からそれぞれ転送された電荷を受け取り、上記第２の方向に転送して、アンプ部２１に順次出力する。シフトレジスタ１１から出力された電荷は、アンプ部２１によって電圧に変換され、第２の方向に配置された光電変換部３（光感応領域１３）毎の電圧として固体撮像装置１の外部に出力される。
【００２５】
複数の光電変換部３、複数の第１の転送部５、複数の電荷蓄積部７、複数の第２の転送部９、得及びシフトレジスタ１１は、図２に示されるように、半導体基板３０上に形成される。半導体基板３０は、半導体基板３０の基体となるｐ型半導体層３１と、ｐ型半導体層３１の一方面側に形成されたｎ型半導体層３２，３４，３６，３８，４０，４２、ｎ−型半導体層３３，３５，３７，３９，４１、及びｐ＋型半導体層４３と、を含んでいる。なお、本実施形態では、半導体としてＳｉを用いており、「高不純物濃度」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としては砒素などがあり、ｐ型不純物としては硼素などがある。
【００２６】
ｐ型半導体層３１とｎ型半導体層３２とはｐｎ接合を形成しており、ｎ型半導体層３２により、光の入射により電荷を発生する光感応領域１３が構成されることとなる。ｎ型半導体層３２は、平面視で、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。ｎ型半導体層３２は、上記第１の方向（すなわち、ｎ型半導体層３２の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう、ｎ型半導体層３２の長辺方向に沿う方向）に交差する第２の方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。各ｎ型半導体層３２は、ｎ型半導体層３２の短辺方向に沿う方向に併置されている。上記アイソレーション領域１７は、ｐ＋型半導体層により構成できる。
【００２７】
ｎ型半導体層３２に対して、一対の電極５１，５２が配置されている。一対の電極５１，５２は、光を透過する材料、例えば、ポリシリコン膜からなり、絶縁層（図示せず）を介してｎ型半導体層３２上に形成されている。一対の電極５１，５２により、電位勾配形成領域１５が構成されることとなる。電極５１，５２は、第２の方向に沿うように併置されている複数のｎ型半導体層３２にわたるように、第２の方向に連続して伸びて形成されていてもよい。もちろん、電極５１，５２は、ｎ型半導体層３２ごとに形成されていてもよい。
【００２８】
電極５１は、いわゆる抵抗性ゲートを構成しており、ｎ型半導体層３２の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう方向（上記第１の方向）に伸びて形成されている。電極５１は、両端に定電位差を与えることにより、当該電極５１の第１の方向での電気抵抗成分に応じた電位勾配、すなわち上記第１の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する。電極５１の一端には制御回路（図示せず）から信号ＭＧＬが与えられ、電極５１の他端及び電極５２には制御回路（図示せず）から信号ＭＧＨが与えられる。信号ＭＧＬ，ＭＧＨがＨレベルであると、ｎ型半導体層３２において上記第１の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されるようになっている。
【００２９】
電極５２と第１の方向に隣接して、一対の転送電極５３，５４が配置されている。転送電極５３，５４は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ−型半導体層３３及びｎ型半導体層３４上にそれぞれ形成されている。ｎ−型半導体層３３及びｎ型半導体層３４は、ｎ型半導体層３２の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。転送電極５３，５４は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極５３，５４には、制御回路（図示せず）から信号ＴＧ１が与えられる。転送電極５３，５４及び転送電極５３，５４下のｎ−型半導体層３３及びｎ型半導体層３４によって、第１の転送部５が構成されることとなる。
【００３０】
転送電極５４と第１の方向に隣接して、複数対（本実施形態では５対）の電極５５〜５８が配置されている。電極５５〜５８は、上記第１の方向に順に配置されており、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ−型半導体層３５、ｎ型半導体層３６、ｎ−型半導体層３７、及びｎ型半導体層３８上にそれぞれ形成されている。電極５５〜５８は、例えば、ポリシリコン膜からなる。電極５５，５６には制御回路（図示せず）から信号Ｐ１Ｖが与えられ、電極５７，５８には制御回路（図示せず）から信号Ｐ２Ｖが与えられる。電極５５〜５８及び電極５５〜５８下のｎ−型半導体層３５，３７及びｎ型半導体層３６，３８によって、電荷蓄積部７が構成されることとなる。
【００３１】
電極５６と第１の方向に隣接して、一対の転送電極５９，６０が配置されている。転送電極５９，６０は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ−型半導体層３９及びｎ型半導体層４０上にそれぞれ形成されている。ｎ−型半導体層３９及びｎ型半導体層４０は、電極５５〜５８のうち第１の方向で最も後段に位置しているｎ型半導体層３６と第１の方向に隣接して配置されている。転送電極５９，６０は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極５９，６０には、制御回路（図示せず）から信号ＴＧ２が与えられる。転送電極５９，６０及び転送電極５９，６０下のｎ−型半導体層３９及びｎ型半導体層４０によって、第２の転送部９が構成されることとなる。
【００３２】
転送電極６０と第１の方向に隣接して、一対の転送電極６１，６２が配置されている。転送電極６１，６２は、絶縁層（図示せず）を介して、ｎ−型半導体層４１及びｎ型半導体層４２上にそれぞれ形成されている。ｎ−型半導体層４１及びｎ型半導体層４２は、ｎ型半導体層４０と第１の方向に隣接して配置されている。転送電極６１，６２は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極６１，６２には、制御回路（図示せず）から信号Ｐ１Ｈが与えられる。転送電極６１，６２及び転送電極６１，６２下のｎ−型半導体層４１及びｎ型半導体層４２によって、シフトレジスタ１１が構成されることとなる。
【００３３】
ｐ＋型半導体層４３は、ｎ型半導体層３２，３４，３６，３８，４０，４２及びｎ−型半導体層３３，３５，３７，３９，４１を、半導体基板３０の他の部分から電気的に分離している。上述した各絶縁層は、光を透過する材料、例えば、シリコン酸化膜からなる。ｎ型半導体層３２を除く、ｎ型半導体層３４，３６，３８，４０，４２及びｎ−型半導体層３３，３５，３７，３９，４１（第１の転送部５、電荷蓄積部７、第２の転送部９、及びシフトレジスタ１１）は、不要な電荷が生じるのを防ぐために、遮光部材を配置するなどして、遮光されていることが好ましい。
【００３４】
続いて、図３〜図６に基づいて、固体撮像装置１における動作を説明する。図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１において、電極５１〜６２に入力される各信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ１Ｖ，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２，Ｐ１Ｈのタイミングチャートである。図４（ａ）〜（ｈ）及び図５（ａ）〜（ｈ）は、図３における各時刻ｔ１〜ｔ１６での電荷の蓄積及び排出動作を説明するためのポテンシャル図である。図６は、光電変換部における電荷の移動を説明するための模式図である。
【００３５】
ところで、ｎ型の半導体では正にイオン化したドナーが存在し、ｐ型の半導体では負にイオン化したアクセプターが存在する。半導体におけるポテンシャルは、ｐ型よりもｎ型の方が高くなる。換言すれば、エネルギーバンド図におけるポテンシャルは、下向きがポテンシャルの正方向となるため、ｎ型の半導体におけるポテンシャルは、エネルギーバンド図においてはｐ型の半導体のポテンシャルよりも深くなり（高くなり）、エネルギー準位は低くなる。また、各電極に正電位を印加すると、電極直下の半導体領域のポテンシャルが深くなる（正方向に大きくなる）。各電極に印加される正電位の大きさを小さくすると、対応する電極直下の半導体領域のポテンシャルが浅くなる（正方向に小さくなる）。
【００３６】
図３に示されるように、時刻ｔ１にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ１Ｖ，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２，Ｐ１ＨがＬレベルであると、ｎ型半導体層３２のポテンシャルφ３２はｎ−型半導体層３３のポテンシャルφ３３より深いことから、ポテンシャルφ３２の井戸が形成されている（図４（ａ）参照）。この状態で、ｎ型半導体層３２に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷は、ポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ３２には、電荷量ＱＬ１が蓄積されている。
【００３７】
時刻ｔ２にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨがＨレベルであると、ｎ型半導体層３２において上記第１の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されており、ポテンシャルφ３２はｎ−型半導体層３３側に向けて深くなるように傾斜し、ポテンシャルφ３２の勾配が形成されている（図４（ｂ）参照）。同じく、時刻ｔ２にて、信号ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＨレベルであると、ｎ−型半導体層３３及びｎ型半導体層３４の各ポテンシャルφ３３，φ３４、ｎ−型半導体層３７及びｎ型半導体層３８の各ポテンシャルφ３７−１，φ３７−２，φ３８−１，φ３８−２、並びに、ｎ−型半導体層３９及びｎ型半導体層４０の各ポテンシャルφ３９，φ４０が深くなり、ポテンシャルφ３４，φ３８−１，φ３８−２，φ４０の各井戸が形成されている。ポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積されていた電荷Ｃは、図５にも示されるようにポテンシャルφ３２の勾配に沿って移動し、ポテンシャルφ３４の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３４には、電荷量ＱＬ１が蓄積されている。
【００３８】
時刻ｔ３にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１がＬレベルであると、ポテンシャルφ３２の勾配は無くなると共に、ポテンシャルφ３３，φ３４は浅くなる（図４（ｃ）参照）。これにより、時刻ｔ１と同じく、発生した電荷がポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ３２には、電荷量ＱＬ２が蓄積されている。また、時刻ｔ３にて信号Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＬレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＨレベルであると、ポテンシャルφ３７−１，φ３７−２，φ３８−１，φ３８−２，φ３９，φ４０は浅く、ｎ−型半導体層３５及びｎ型半導体層３６の各ポテンシャルφ３５−１，φ３５−２，φ３５−３，φ３６−１，φ３６−２，φ３６−３は深いことから、ポテンシャルφ３６−１，φ３６−２，φ３６−３の各井戸が形成されている。ポテンシャルφ３４の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−１には、電荷量ＱＬ１が蓄積されている。
【００３９】
時刻ｔ４にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＨレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＬレベルであると、時刻ｔ２と同じく、ポテンシャルφ３２の勾配が形成されていると共に、ポテンシャルφ３４，φ３８−１，φ３８−２，φ４０の各井戸が形成されている（図４（ｄ）参照）。ポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積されていた電荷は、ポテンシャルφ３２の勾配に沿ってポテンシャルφ３４の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３４には、電荷量ＱＬ２が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−１には、電荷量ＱＬ１が蓄積されている。
【００４０】
時刻ｔ５にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＬレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＨレベルであると、時刻ｔ３と同じく、ポテンシャルφ３２の勾配が無くなると共に、ポテンシャルφ３６−１，φ３６−２，φ３６−３の各井戸が形成されている（図４（ｅ）参照）。これにより、時刻ｔ１，ｔ３と同じく、発生した電荷がポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ３２には、電荷量ＱＬ３が蓄積されている。ポテンシャルφ３４の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−１には、電荷量ＱＬ２が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−２には、電荷量ＱＬ１が蓄積されている。
【００４１】
時刻ｔ６にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＨレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＬレベルであると、時刻ｔ２，ｔ４と同じく、ポテンシャルφ３２の勾配が形成されていると共に、ポテンシャルφ３４，φ３８−１，φ３８−２，φ４０の各井戸が形成されている（図４（ｆ）参照）。ポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積されていた電荷は、ポテンシャルφ３２の勾配に沿ってポテンシャルφ３４の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３４には、電荷量ＱＬ３が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−１には、電荷量ＱＬ２が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−２には、電荷量ＱＬ１が蓄積されている。
【００４２】
時刻ｔ７にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨがＨレベルである状態で、信号ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＬレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＨレベルであると、ポテンシャルφ３２の勾配が形成された状態が維持されているが、ポテンシャルφ３３が浅いことから、発生した電荷がポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ３２には、電荷量ＱＬ４が蓄積されている（図４（ｇ）参照）。時刻ｔ７では、ポテンシャルφ３６−１，φ３６−２，φ３６−３の各井戸が形成されている。ポテンシャルφ３４の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−１には、電荷量ＱＬ３が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−２には、電荷量ＱＬ２が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−３の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−３には、電荷量ＱＬ１が蓄積されている。
【００４３】
時刻ｔ８にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２，Ｐ１ＨがＨレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＬレベルであると、ポテンシャルφ３４，φ３８−１，φ３８−２，φ４０の各井戸が形成されている（図４（ｈ）参照）。ポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積されていた電荷は、ポテンシャルφ３２の勾配に沿ってポテンシャルφ３４の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３４には、電荷量ＱＬ４が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−１には、電荷量ＱＬ３が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−２には、電荷量ＱＬ２が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−３の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ４０の井戸内に転送される。ポテンシャルφ４０には、電荷量ＱＬ１が蓄積されている。時刻ｔ８では、信号Ｐ１ＨがＨレベルとされていることから、ｎ−型半導体層４１及びｎ型半導体層４２の各ポテンシャルφ４１，φ４２は深く、ポテンシャルφ４２の井戸が形成されている。
【００４４】
時刻ｔ９にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，Ｐ１ＨがＨレベルである状態で、信号ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＬレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＨレベルであると、時刻ｔ７と同じく、ポテンシャルφ３２の勾配が形成された状態で、発生した電荷がポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ３２には、電荷量ＱＬ５が蓄積されている（図５（ａ）参照）。時刻ｔ９では、時刻ｔ７と同じく、ポテンシャルφ３６−１，φ３６−２，φ３６−３の各井戸が形成されている。ポテンシャルφ３４の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−１には、電荷量ＱＬ４が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−２には、電荷量ＱＬ３が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−３の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−３には、電荷量ＱＬ２が蓄積されている。時刻ｔ９では、ポテンシャルφ３９，φ４０が浅いことから、ポテンシャルφ４０の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ４２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ４２には、電荷量ＱＬ１が蓄積されている。
【００４５】
時刻ｔ１０にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２，Ｐ１ＨがＨレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＬレベルであると、時刻ｔ８と同じく、ポテンシャルφ３４，φ３８−１，φ３８−２，φ４０の各井戸が形成されている（図５（ｂ）参照）。ポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積されていた電荷は、ポテンシャルφ３２の勾配に沿ってポテンシャルφ３４の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３４には、電荷量ＱＬ５が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−１には、電荷量ＱＬ４が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−２には、電荷量ＱＬ３が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−３の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ４０の井戸内に転送される。ポテンシャルφ４０には、電荷量ＱＬ２が蓄積されている。
【００４６】
時刻ｔ１１にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，Ｐ１ＨがＨレベルである状態で、信号ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＬレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＨレベルであると、時刻ｔ９と同じく、ポテンシャルφ３２の勾配が形成された状態で、発生した電荷がポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ３２には、電荷量ＱＬ６が蓄積されている（図５（ｃ）参照）。時刻ｔ１１では、時刻ｔ９と同じく、ポテンシャルφ３６−１，φ３６−２，φ３６−３の各井戸が形成されている。ポテンシャルφ３４の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−１には、電荷量ＱＬ５が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−２には、電荷量ＱＬ４が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−３の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−３には、電荷量ＱＬ３が蓄積されている。ポテンシャルφ４０の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ４２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ４２には、電荷量ＱＬ１に加え、電荷量ＱＬ２が蓄積されている。
【００４７】
時刻ｔ１２にて、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２，Ｐ１ＨがＨレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＬレベルであると、時刻ｔ８と同じく、ポテンシャルφ３４，φ３８−１，φ３８−２，φ４０の各井戸が形成されている（図５（ｄ）参照）。ポテンシャルφ３２の井戸内に蓄積されていた電荷は、ポテンシャルφ３２の勾配に沿ってポテンシャルφ３４の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３４には、電荷量ＱＬ６が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−１には、電荷量ＱＬ５が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−２には、電荷量ＱＬ４が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−３の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ４０の井戸内に転送される。ポテンシャルφ４０には、電荷量ＱＬ３が蓄積されている。
【００４８】
時刻ｔ１３にて、信号Ｐ１ＨがＨレベルである状態で、信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１，Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＬレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＨレベルであると、ポテンシャルφ３２の勾配が無くなり、ポテンシャルφ３２の井戸内には、新たに発生した電荷が蓄積されていく（図５（ｅ）参照）。時刻ｔ１３では、時刻ｔ９と同じく、ポテンシャルφ３６−１，φ３６−２，φ３６−３の各井戸が形成されている。ポテンシャルφ３４の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−１には、電荷量ＱＬ６が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−２には、電荷量ＱＬ５が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−３の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−３には、電荷量ＱＬ４が蓄積されている。ポテンシャルφ４０の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ４２の井戸内に転送される。
【００４９】
時刻ｔ１３では、ポテンシャルφ４０から転送された電荷も含め、ポテンシャルφ４２には、各電荷量ＱＬ１，ＱＬ２，ＱＬ３が積算された状態で蓄積されている。この後、積算された電荷量ＱＬ１，ＱＬ２，ＱＬ３の電荷は、電荷転送期間ＴＰ１の間において、第２の方向に順次転送されて、アンプ部２１に出力されることとなる。図３での図示は省略するが、電荷転送期間ＴＰ１では、積算された電荷量ＱＬ１，ＱＬ２，ＱＬ３を第２の方向に転送するための信号が信号Ｐ１Ｈとして与えられる。
【００５０】
続いて、時刻ｔ１４にて、信号Ｐ１ＨがＨレベルであり且つ信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１がＬレベルである状態で、信号Ｐ１ＶがＬレベルであると共に、信号Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＨレベルであると、ポテンシャルφ３８−１，φ３８−２，φ４０の各井戸が形成されている（図５（ｆ）参照）。ポテンシャルφ３６−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−１の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−１には、電荷量ＱＬ６が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３８−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３８−２には、電荷量ＱＬ５が蓄積されている。ポテンシャルφ３６−３の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ４０の井戸内に転送される。ポテンシャルφ４０には、電荷量ＱＬ４が蓄積されている。
【００５１】
時刻ｔ１５にて、信号Ｐ１ＨがＨレベルであり且つ信号ＭＧＬ，ＭＧＨ，ＴＧ１がＬレベルである状態で、信号Ｐ２Ｖ，ＴＧ２がＬレベルであると共に、信号Ｐ１ＶがＨレベルであると、ポテンシャルφ３６−１，φ３６−２，φ３６−３の各井戸が形成されている（図５（ｇ）参照）。ポテンシャルφ３８−１の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−２には、電荷量ＱＬ６が蓄積されている。ポテンシャルφ３８−２の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ３６−３の井戸内に転送される。ポテンシャルφ３６−３には、電荷量ＱＬ５が蓄積されている。ポテンシャルφ４０の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ４２の井戸内に転送される。ポテンシャルφ４２には、電荷量ＱＬ４が蓄積されている。
【００５２】
その後、時刻ｔ１４，ｔ１５に対応する動作を繰り返し、時刻ｔ１６になると、ポテンシャルφ３６−２，φ３６−３に蓄積されていた各電荷が、ポテンシャルφ４２の井戸内に転送される（図５（ｈ）参照）。時刻ｔ１６では、ポテンシャルφ４２に、各電荷量ＱＬ４，ＱＬ５，ＱＬ６が積算された状態で蓄積されている。この後、積算された電荷量ＱＬ４，ＱＬ５，ＱＬ６の電荷は、電荷転送期間ＴＰ２の間において、第２の方向に順次転送されて、アンプ部２１に出力されることとなる。図３での図示は省略するが、電荷転送期間ＴＰ２では、積算された電荷量ＱＬ４，ＱＬ５，ＱＬ６を第２の方向に転送するための信号が信号Ｐ１Ｈとして与えられる。
【００５３】
以上のように、本実施形態では、光感応領域１３の平面形状が、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。この場合、光感応領域１３の長辺方向での長さを大きくすることが可能となり、各光感応領域１３での飽和電荷量を大きくして、ＳＮ比の向上を図ることができる。
【００５４】
そして、複数の光電変換部３は、上記第１の方向に交差する第２の方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。本実施形態では、複数の光電変換部３は、光感応領域１３の短辺方向に沿う方向に併置されている。各光電変換部３において、電極５１により上記第１の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域１３に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方の短辺側に移動する。他方の短辺側に移動した電荷は、第１の転送部５に取得されて、第１の方向に転送される。これにより、電荷の移動速度は、電位勾配（ポテンシャルの傾斜）に支配されることとなり、電荷の読出し速度が高速化する。
【００５５】
本実施形態では、第１の転送部５から転送された電荷は、電荷蓄積部７に蓄積され、その後、第２の転送部９により第１の方向に転送される。そして各第２の転送部９から転送された電荷は、シフトレジスタ１１により、第２の方向に転送されて出力される。この結果、固体撮像装置１においては、一次元画像を得るための信号処理をあらためて実行する不要はなく、画像処理の煩雑化を防ぐことができる。
【００５６】
ところで、本実施形態では、光感応領域１３は、平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。この結果、光感応領域１３における飽和電荷量が大きい。
【００５７】
本実施形態では、第１の期間（図３における期間Ｔ１）にわたって光電変換部３（光感応領域１３）にて発生した電荷（電荷量ＱＬ１，ＱＬ２，ＱＬ３の和）と、第１の期間Ｔ１より短い第２の期間（図３における期間Ｔ２）にわたって光電変換部３（光感応領域１３）にて発生した電荷（電荷量ＱＬ４，ＱＬ５，ＱＬ６の和）と、を連続して交互に出力している。すなわち、本実施形態では、第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２との和を一つの読出し周期として、光電変換部３にて発生した電荷が蓄積されて、出力されることとなる。すなわち、本実施形態では、第１の期間にわたって光電変換部３にて発生した電荷が電荷転送期間ＴＰ１において読み出され、第２の期間にわたって光電変換部３にて発生した電荷が電荷転送期間ＴＰ２において読み出されることとなる。本実施形態では、第１の期間Ｔ１は、例えば９．９９ｍｓ程度に設定され、第２の期間Ｔ２は例えば１０μｓ程度に設定され、第１の期間Ｔ１が第２の期間Ｔ２の略１０００倍とされている。
【００５８】
第１の期間Ｔ１が９．９９ｍｓに設定され、第２の期間Ｔ２が１０μｓに設定されている場合、第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷量が飽和しているときには、第２の期間Ｔ２にわたって光電変換部３にて発生した電荷量に基づく出力を１０００倍して、固体撮像装置１の出力としてもよい。また、第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷量が飽和していないときには、第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷量と第２の期間Ｔ２にわたって光電変換部３にて発生した電荷量との和に基づく出力を固体撮像装置１の出力としてもよい。
【００５９】
第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的長くなることから、強い入射光は、信号が飽和するために適切に検出することが困難となるが、弱い入射光は、十分大きな信号として検出される。一方、第２の期間Ｔ２にわたって光電変換部３にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的短くなることから、弱い入射光は、信号が微弱となるため、信号として十分に検出することが困難となるが、強い入射光は、飽和することなく、信号として適切に検出される。このように、固体撮像装置１では、入射光の強さに関わらず、入射光が信号として適切に検出されることとなり、実効的なダイナミックレンジが大きくなる。
【００６０】
本実施形態では、電荷蓄積部７を備えている。これにより、第２の期間Ｔ２にわたって光電変換部３にて発生した電荷を転送する際の障害とならないように、第１の期間Ｔ１にわたって光電変換部３にて発生した電荷を蓄積して、第２の転送部９を介してシフトレジスタ１１に転送することができる。
【００６１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００６２】
本実施形態では、電荷蓄積部７において、５対の電極５５〜５８が配置されているがこれに限られことなく、５対以上の電極が配置されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図２】図１におけるII−II線に沿った断面構成を説明するための図である。
【図３】本実施形態に係る固体撮像装置において、入力される各信号のタイミングチャートである。
【図４】図３における各時刻での電荷の蓄積及び排出動作を説明するためのポテンシャル図である。
【図５】図３における各時刻での電荷の蓄積及び排出動作を説明するためのポテンシャル図である。
【図６】光電変換部における電荷の移動を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…固体撮像装置、３…光電変換部、５…第１の転送部、７…電荷蓄積部、９…第２の転送部、１１…シフトレジスタ、１３…光感応領域、１５…電位勾配形成領域。
【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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