(57)【要約】ＣＣＤ撮像装置（imager）において、入射放射の荷電代表（charge representative）が、画像領域（2）から、格納部（3）を介して、出力レジスタ（4）に、クロック駆動される。信号電荷は、出力レジスタ（4）から、増倍レジスタ（multiplication register）に、クロック駆動され、電荷増倍を与える。増倍レジスタ（5）で作られた余剰電荷は、付加レジスタ（7）に移動される。付加レジスタ（7）は、増倍レジスタ（5）と同期を取ってクロック駆動される。レジスタ群の出力は、（13）で結合され、荷電検知器（6）に印加される。付加レジスタ（7）の供給によって、ＣＣＤ撮像装置のダイナミック・レンジ能力が増加される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像エリア、
前記撮像エリアからの信号電荷を受け取る出力レジスタ、
増倍レジスタであって、その中に前記出力レジスタからの信号電荷が移動させられる、独立した当該増倍レジスタ（multiplication register）、
前記増倍レジスタの要素（element）での十分に高い電界（field）を通じて前記電荷を移動することによって信号電荷増倍を得るための手段、および、
付加レジスタであって、その中に余剰信号電荷が移動させられる、当該付加レジスタ、
を備える固体撮像素子構成（solid state imager arrangement）。
【請求項２】
前記余剰信号電荷が、スレッシュホールド・レベルを越えるものである、請求項１に記載の構成。
【請求項３】
前記スレッシュホールド・レベルが可変である、請求項２に記載の構成。
【請求項４】
前記余剰の信号電荷が、前記撮像エリアから受け取られた前記信号電荷のある割合（a percentage）である、請求項１に記載の構成。
【請求項５】
余剰信号電荷が、前記増倍レジスタの一つ以上の要素を介して前記付加レジスタに移動させられる、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項６】
余剰信号電荷が、前記増倍レジスタの各要素から、前記付加レジスタに移動可能である、請求項５に記載の構成。
【請求項７】
前記出力レジスタからの信号電荷が、残りの信号電荷から前記余剰の信号電荷を分離する分離器（separator）に印加され、前記余剰の電荷が、前記付加レジスタに移動させられ、前記残りの信号電荷が、前記増倍レジスタに移動させられる、請求項１乃至４に記載の構成。
【請求項８】
前記増倍レジスタおよび付加レジスタが、同じ数の要素（elements）を持つ、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項９】
前記付加レジスタに移動させられた前記余剰電荷の総量が、埋め込まれた障壁手段によって決定される、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項１０】
前記障壁手段が、前記増倍レジスタと前記付加レジスタの間に配置される、請求項９に記載の構成。
【請求項１１】
余剰の信号電荷の前記付加レジスタへの前記移動を制御するためのゲート手段を含む、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項１２】
信号電荷が前記増倍レジスタを通じて、前記付加レジスタからの余剰電荷を持って移動させられた後に、当該信号電荷を結合するための手段を含む、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項１３】
前記付加レジスタで信号電荷増倍が得られる、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項１４】
前記増倍レジスタと対応した複数の付加レジスタを含む、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項１５】
前記増倍レジスタの各要素内で、十分に高い電界領域（field region）が得られる、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項１６】
前記増倍レジスタからの信号読み出しと、テレビジョン・レート信号（television rate signal）のライン・タイミング（line timing）とを同期させるための手段を含む、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項１７】
信号電荷が前記増倍レジスタを通じて、余剰電荷が前記付加レジスタを通じて、電荷が前記出力レジスタを通じてクロック駆動されるのと同じレートでクロック駆動される、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項１８】
信号電荷増倍の前記総量が、レジスタを通じて信号電荷を移動させるために、当該レジスタに印加された一つ以上の駆動パルスの振幅を制御することによって制御される、以上の請求項のいずれかに記載の構成。
【請求項１９】
信号電荷増倍の前記総量が、レジスタに印加された一つ以上のＤＣポテンシャルのレベルを制御することによって制御される、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項２０】
前記増倍レジスタの少なくともいくつかの要素の前記電荷容量が、前記出力レジスタの要素のそれより大きい、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項２１】
前記出力レジスタから信号電荷を受け取るように構成された複数の増倍レジスタを含み、前記複数の当該複数の増倍レジスタの少なくとも一つが、それと対応付けられた付加レジスタを有する、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項２２】
前記固体撮像素子がＣＣＤ撮像素子である、以上のいずれかの請求項に記載の構成。
【請求項２３】
添付の図面群を参照して実質的に説明され、当該図面群に実質的に図示された、構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子の構成（arrangements）に関連し、より詳細には、信号電荷増倍（multiplication）が実施される構成に関連する。
【背景技術】
【０００２】
一般的電荷結合素子（ＣＣＤ）撮像素子において、入射放射の信号電荷代表（signal charge representative）は、撮像エリア上の画素のアレイ内に蓄積される。蓄積期間（integration period）に引き続いて、信号電荷は、電極を制御するために、適切なクロック即ち駆動パルスを印加することによって出力レジスタに移動させられる。信号電荷は次に、出力レジスタから読み出され、電荷検知回路に印加され、信号電荷の総量を代表する電圧を生成する。
【０００３】
我々の、以前公開された特許出願である、特許文献１は、出力レジスタに続く別個の増倍レジスタを提供することによって信号電荷増倍が得られるＣＣＤ撮像素子構成を開示する。電荷は、増倍レジスタの素子の高電界領域を通じて移動させられることによって、信号電荷キャリアを加速し、衝撃イオン化（impact ionization）を通じて追加キャリアを生成する。通常のＣＣＤ構造自体の外側でキャリア増倍が発生するので、増倍レジスタとＣＣＤ撮像素子の動作の双方が、一方が他方の性能について妥協すること無しに、最適化され得る。
【０００４】
【特許文献１】
ＧＢ−Ａ−２３２３４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、改善された固体撮像素子構成を提供することを探求する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によって、撮像エリアと、撮像エリアから信号電荷を受け取る出力レジスタと、別個の増倍レジスタの中に、出力レジスタからの信号電荷が移動される、当該別個の増倍レジスタと、増倍レジスタの要素（element）中の十分に高い電界を通じて電荷を移動することによって信号電荷増倍を獲得するための手段と、付加レジスタの中に余剰電荷が移動させられる当該付加レジスタ、を備える固体撮像構成が提供される。
【０００７】
本発明は、構成の中で固体撮像素子がＣＣＤ撮像素子である、当該構成に特に適しているが、本発明は、他のタイプの固体素子であって、その中で信号電荷のパケットが出力レジスタ内に移動される、当該他のタイプの固体素子でも応用可能である。
【０００８】
余剰信号電荷は、完全には電荷増倍レジスタを通じて渡されない、撮像エリアから生じる電荷である。これまでに提案された構成では、高照度のシーンの部分において、増倍レジスタの井戸容量（well capacities）が、超過され、画像解像度の飽和および損失を引き起こすリスクが存在する。よって、飽和を避けるために、スレッシュホールド値を超える電荷を受け取るドレイン領域が含まれ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の発明者は、以前に提案された構成が、良い特性を提供するにも関らず、それを更に増強することが可能であることを発見した。余剰の電荷を受け入れるための付加レジスタの組み入れは、増倍レジスタの井戸容量が超過されそうな環境において、撮像エリアから発生した信号電荷のいくらかが、当該構成の増倍部分から逸らされることを意味する。代わりに、この余剰信号電荷は、付加レジスタを通じて制御可能に移動され得る電荷パケットを保持する能力をやはり持つ構造たる、付加レジスタに移動させられる。各増倍段を通過する残りの電荷は、次に、付加レジスタからの余剰電荷と再結合され得る。例えば、信号電荷パケットは、２つのレジスタ出力の適切に同期されたクロックによって再構成（reconstituted）され、余剰電荷に加えて、増倍レジスタの全段（stages）を通過して増幅された残存電荷を含む出力を与え得る。信号電荷の何らかの更なる処理が実行される前に、結合ステップ（combining step）は、便利に実行されるが、それは、処理シーケンスの、より後段（例えば、電荷検知回路で電荷が変換された後、または、映像出力への変換に引き続いて）で実行され得る。同じ出力レジスタ要素（output register elements）から生じた結合電荷パケットのために供給（provision）が為される場合には、増倍レジスタおよび付加レジスタ読み出しを同期させることは必ずしも常に必要ではない。
【００１０】
本発明を用いることによって、以前の構成と比べて、ダイナミックレンジが増大され得る。以前の構成では、画像解像度を高照度レベルで維持するために電荷は失われる。本発明によって、付加レジスタは、以後、増倍された電荷に、有用に、追加されて戻され得る余剰信号電荷を、捨てられる代わりに、蓄積するためのオーバフローとして作動する。これによって、同じ撮像構成が、低照度状態と昼光状態の双方に用いられるための能力が与えられる。それは、高強度領域の解像度の喪失無しに、シーンでの暗い画像および明るい画像が同時に検知されること、をも可能とする。
【００１１】
ＣＣＤのダイナミックレンジ性能は、しばしば、飽和信号対読み出しノイズの比率によって表される。増倍レジスタを用いている以前の素子において、移動曲線（transfer curve）は、線形で、飽和は、出力回路または増倍レジスタの要素（element）の電荷操作性能（charge handling capability）によって決定される。増倍レジスタによって実現されたゲインは、200倍以上であり得るので、飽和信号は、画素の井戸容量の１％以下を表し得る。しかし、本発明を採用することによって、全体の画素井戸容量の範囲が使用され得、そのため、ダイナミックレンジが増大することとなる。
【００１２】
付加レジスタ内への余剰信号電荷の移動（transfer）は、ゲート電極構造に制御信号が印加される当該ゲート電極構造のような、受動手段または能動手段によって実現され得る。
【００１３】
余剰電荷が、増倍レジスタの各要素を通じて移動されてきた残存電荷から分離され得るような、いくつかの方法が存在する。一つの実施例において、出力レジスタからの信号電荷は、増倍レジスタに印加される。電荷は、電荷が、増倍レジスタを通じてクロック駆動されるにつれて増加され、信号増倍を受ける。付加レジスタは、増倍レジスタに隣接して、ポテンシャル障壁から隔離されて、配置される。増倍レジスタからの余剰電荷は、障壁を越えて、付加レジスタの対応する要素内に流れる。２つのレジスタからの信号電荷は、別個の増幅器上で検知され得るか、または、結合されて一つの出力上で、２つのレジスタ出力の合計として検知され得る。
【００１４】
もし、増倍レジスタが、ピーク容量たるＮ（個の）電子、およびＧのゲインを持つならば、応答は、Ｎ／Ｇ（個の）電子まで線形であり、その後、Ｎ（個の）電子に対して対数的になる。よって、ダイナミックレンジは、約Ｇの係数（factor）によって有効に拡張される。
【００１５】
上述のように、余剰信号電荷は、増倍レジスタの一つ以上の要素を介して付加レジスタに移動され得る。他の実施例において、余剰電化は、残りが増倍レジスタに印加される前に、信号電荷の残りから分離される。例えば、信号電荷は、増倍レジスタへの電荷パケットの印加前か、増倍レジスタの一つ以上の要素を介して、検知されるか、サンプルされ得る。以後の余剰信号電荷の付加レジスタへの移動は、次に、検知された信号電荷の大きさに依存して実行され得る。例えば、もし増倍レジスタの第１の要素内の信号電荷が、増倍レジスタを通じて電荷が移動されるに際しての増幅の後、増倍レジスタの最終要素内の飽和に繋がることが決定されるならば、飽和の発生を避けることに適した信号電荷の総量が、付加レジスタへの余剰電荷として逸らされ（diverted）得る。他の実施例において、固定されたパーセントの信号電荷が、常に、付加レジスタに、余剰電荷として逸らされ得るが、これは、これを行わなければ得られたであろう、増倍の総量についてのいくらかの減少に繋がり得る。
【００１６】
余剰信号電荷は、単純に、増倍レジスタを通じた信号電荷の移動のいくつかの段（stage）で、スレッシュホールド・レベルを越えるものであり得る。構成および／または周囲条件による、観られるシーンの変化に対応するために、スレッシュホールド・レベルは、固定されるか、可変であり得る。
【００１７】
構成（arrangement）は、増倍レジスタ内の各要素から余剰電荷の移動が可能である状態で、増倍レジスタの各要素が対応する（corresponds to）ようなもので有り得、付加レジスタ内の要素と通信状態にあるようなもので有り得る。他の構成では、そのような移動（transfer）は、増倍レジスタの一定の要素から（例えば、代替要素から、または増倍レジスタの出力端部に向かう要素から）、のみ可能で有り得る。
【００１８】
好ましい実施例において、介在構造（intervening structure）を介した付加レジスタと増倍レジスタの間の電荷の直接移動を可能とするために、付加レジスタは物理的に、増倍レジスタに近接して配置される。しかし、それらは、電荷が介在回路およびクロック駆動技術を介して移動されることで、互いに遠隔的に配置され得る。
【００１９】
本発明は、構成において一つの増倍レジスタおよび一つの付加レジスタが含まれる、当該構成で最も適用され易い。しかし、いくつかの実施例において、増倍レジスタは、複数の付加レジスタ（これは、並列に、またはカスケードに配置され得る）と対応付けられ得る。また、複数の増倍レジスタ（それぞれが、それ自身の付加レジスタまたは複数の付加レジスタを持つ）が、一つの出力レジスタから信号電荷を受け取るために、構成に含まれ得る。しかしこれらの構造は、いくらか複雑であり、複雑さが、改善された性能によって相殺されるかは明確ではない。
【００２０】
本発明が実施され得るいくつかの方法について、添付の図面を参照して、例を用いて以下説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１を参照する。ここで、ＣＣＤ撮像素子1は、撮像エリア2、記憶セクション3、および出力即ち読み出しレジスタ4を含む。増倍レジスタ5（その出力が、電荷検知回路6に接続される）を提供するために、出力レジスタ4は、線形に拡張される。増倍レジスタ5と同じ数の要素を持つ付加レジスタ7が、増倍レジスタ5に物理的に隣接して配置される。概略的に示される埋め込み障壁8は、２つのレジスタ5および7の間に位置する。
【００２２】
素子の作動中に、入射放射（incident radiation）は、撮像エリア2で、撮像エリア2を構成する画素アレイ上に衝突する放射の強度を表す信号電荷に変換される。画像捕獲（image acquisition）が起こる蓄積期間に引き続いて、駆動パルスが、制御電極9に印加されて、撮像エリア2の画素に蓄積された電荷を、蓄積セクション3に移動させる。同時に、駆動信号もまた、蓄積セクション3の制御電極10に印加されて、列毎に、出力レジスタ4に向かって電荷が移動される。
【００２３】
信号電荷の列が、出力レジスタ4に移動された時に、適切な駆動パルスが、電極11に印加されて、信号電荷を、出力レジスタ4の要素から、増倍レジスタ5の要素（これは、出力レジスタのそれと類似の構造である）に順番に移動させる。
【００２４】
電荷の増倍は、増倍レジスタ5の各要素で実行される。信号電荷を一つの要素から次の隣接する要素に矢印方向に移動させるため、および、信号電荷のレベルを、駆動パルスの振幅によって決定された総量だけ増加させるため、の双方の目的のために、電荷が出力レジスタ4を通じてクロック駆動される率での高振幅駆動パルスが、制御電極12に印加される。電荷のパケットが、増倍レジスタを通じて、一つの構成要素（element）から次の構成要素に移動されるにつれて、信号電荷は増加する。増倍レジスタ5の出力は、荷電検知器6に印加される。これは、出力レジスタ4内で収集された信号電荷の増倍されたバージョン（version）である。増倍レジスタ5の段（stage）において、信号電荷は増加させられ、出力レジスタ4で蓄積された各信号電荷パケットは、各々が、増倍レジスタ5の全ての要素（element）を通じて移動するに際して、同一の増倍工程を受ける（undergoes）。他の実施例において、信号電荷増倍は、レジスタに印加された、一つ以上のＤＣポテンシャルのレベルに依存する。
【００２５】
図１に示された上述の構成の作動の記述は、画像エリア2で収集された信号電荷が、比較的小さく、よって、増倍レジスタ5を通じた移動中に飽和が発生しない場合（レジスタ5の一つ以上の最終要素の井戸容量が、増倍された電荷パケットを引き受ける（accommodate）ために十分である場合）に実行される。しかし、収集された電荷が、レジスタ5の要素の井戸容量を越えて増大する場合に、電荷のいくらかは、増倍レジスタ5の要素から、埋めこまれた障壁を介して、対応する付加レジスタ7の要素内に移動される。付加レジスタ7へ移動させられた余剰電荷の総量は、障壁ポテンシャルに依存する。本実施例では、障壁ポテンシャルは固定され、よって、増倍レジスタ、付加レジスタ、5および7の長さに沿って均一である。他の素子において、制御電極を介してポテンシャルは可変である、及び／又は、非均一である。最終要素5において井戸容量が、比較的小さい量によってのみ乗り越えられるようにするために、もし増倍レジスタ5の第１の要素に印加された電荷が、十分小さいならば、２つのレジスタの間の障壁を介しての移動は、例えば最後の２つまたは３つの要素を越えて、電荷が最大の増倍を蒙る時に、レジスタの端部（ends）における要素の間でのみ発生する。より大きな信号電荷が、増倍レジスタ5の第１の要素において現れる際に、次に、余剰電荷の付加レジスタ7への移動が、２つのレジスタの、より大きな長さに亘って（over）発生する。この移動は、増倍レジスタ5の各要素、および対応する付加レジスタ7の要素の間においてあり得る。２つのレジスタ5および7は、２つのレジスタの最終要素に現れる電荷が、画像エリア2の共通画素からの同じ信号電荷のパケットで発生するように、同期を取られた状態でクロック駆動される。２つのレジスタの出力は次に、電荷検知器6に印加されるされる前に、結合器（combiner）13で結合される。一つの実施例において、レジスタは、テレビジョン信号のライン・タイミング（line timing）と同期を取られてクロック駆動される。
【００２６】
増倍レジスタ及び／又は付加レジスタの要素は、同じ電荷容量を持ち得るか、または、端部（end）または複数の端部により近い要素が、より大きい電荷容量を持ち得る。
【００２７】
他の実施例において、適切な制御パルスを印加することによって付加レジスタ7への余剰電荷の移動を制御するために、制御ゲート構造が、増倍レジスタ5と付加レジスタ7の間に配置される。２つのアプローチの組合せが、使用され得る。
【実施例２】
【００２８】
図２は、本発明の他の実施例を示す。ここで、出力レジスタ4と増倍レジスタ5の間に処理回路が配置される。検知回路14は、要素に対する電荷の総量を出力レジスタ4から検知し、その電荷の固定されたパーセントが、付加レジスタ7に逸らされる（diverted）ようにする。他の特徴において、本構成は、図１に示されるものに類似する。しかし、このタイプの素子において、付加レジスタ7が物理的に増倍レジスタ5に近接するように構成することは必要ではない。何故なら、余剰電荷の付加レジスタへの移動のために、２つの間に直接接続は存在しないからである。
【００２９】
図１および２の素子において、増倍レジスタからの電荷および、付加レジスタからの電荷は、電荷検知器6に印加される前に、結合される。他の構成において、出力信号の処理の、より後段において再結合が実行される。また、いくつかの応用において、増倍レジスタ5で類似のやり方で増倍を実行するように、付加レジスタ7に増倍能力（multiplication capability）を加えることが好ましい。
【実施例３】
【００３０】
図３を参照して、図２に示されたものに類似する他の実施例において、スレッシュホールド回路15は、検知器14を置換し、印加された信号電荷に応じて動作し、スレッシュホールド・レベルを越える電荷を、付加レジスタ7に逸らす。スレッシュホールド・レベルは、固定しての可変でも良い。例えば、それは、周囲温度又は他のパラメータの変化を自動的に追跡する（track）ように構成され得る。あるいは、それは制御可能に調整できるものでも良い。
【実施例４】
【００３１】
図４を参照して、図１に示されるものに類似する素子は、やはり、増倍レジスタ5と、余剰電荷を担うための付加レジスタ手段の間の、埋めこまれた障壁8を含む。しかし、レジスタ手段は、２つの付加レジスタ16および17の間に、やはり埋めこまれた障壁18を持つ、２つの付加レジスタ16および17を含む。付加レジスタ16からの余剰電荷は、次に、付加レジスタ17に移動させられ、３つのレジスタの出力は、結合器19で再結合される。この構成は、信号電荷増倍が、増倍レジスタ5内のみならず、第１の付加レジスタ16でも実行される際に有利であり得る。他の構造（不図示）において、複数の付加レジスタが、対応する異なった増倍レジスタの要素の組との通信状態で（in communication with）構成され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるＣＣＤ撮像素子構成を示す概略的説明。
【図２】本発明による他の構成。
【図３】本発明による他の構成。
【図４】本発明による他の構成。
【図３】
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【国際公開パンフレット】
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2004523112.tif 000021
2004523112.tif 000022
2004523112.tif 000023
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004523112.tif 000024
2004523112.tif 000025
【国際調査報告】
2004523112.tif 000026
2004523112.tif 000027
2004523112.tif 000028