(57)【要約】      （修正有）【課題】電極構造を変えることなく、多量の信号電荷が転送される駆動モードにおいても電荷検出部で取り扱うことができる最大の信号電荷量について不足が生じないように取り扱い電荷量を確保するとともに、低輝度撮影時に生じやすい信号残しによる感度比のずれを抑制する。【解決手段】光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、転送電極を有し、この転送電極に駆動電圧の印加を受けることで受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部２０と、電荷転送部２０により転送された信号電荷を検出する電荷検出部２８と、ゲート電極を有し、最終段に転送された信号電荷を電荷検出部に転送させる出力ゲート部２４と、電荷転送部２０により転送される信号電荷の量の多少に応じて、ゲート電極２４ａに、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部３０と、を備える。【選択図】図２
2013157440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、
前記半導体基板上に設けられた転送電極を有し、該転送電極に駆動電圧の印加を受けることで前記受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部と、
前記半導体基板上にて前記電荷転送部の最終段の前記転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を前記電荷検出部に転送させる出力ゲート部と、
前記電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、前記ゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部と、を備える、
固体撮像素子。
【請求項２】
前記ゲート電圧印加部は、第１の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第１の電圧を印加し、前記第１の駆動モードよりも前記電荷転送部により転送される信号電荷の量が多い第２の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第２の電圧を印加する、
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記ゲート電圧印加部は、前記半導体基板に印加される基板電圧の入力を受け、該基板電圧が切り替わることにともなって、前記第１の電圧と前記第２の電圧とを切り替える、
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
半導体基板上に設けられ、該半導体基板内の信号電荷を転送する電荷転送部の最終段の転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加することで、前記ゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を電荷検出部に転送させる出力ゲート部を駆動する、
固体撮像素子の駆動方法。
【請求項５】
前記半導体基板に印加され、第１の駆動モードと該第１の駆動モードよりも前記電荷転送部に転送される信号電荷の量が多い第２の駆動モードとで切り替わる基板電圧を用い、第１の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第１の電圧を印加し、前記第２の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第２の電圧を印加する、
請求項４に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動部と、を含み、
前記固体撮像素子は、
半導体基板に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、
前記半導体基板上に設けられた転送電極を有し、該転送電極に駆動電圧の印加を受けることで前記受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部と、
前記半導体基板上にて前記電荷転送部の最終段の前記転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を前記電荷検出部に転送させる出力ゲート部と、
前記電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、前記ゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部と、を備える、
固体撮像装置。
【請求項７】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路と、
前記固体撮像素子の出力信号を処理する信号処理回路と、を含み、
前記固体撮像素子は、
半導体基板に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、
前記半導体基板上に設けられた転送電極を有し、該転送電極に駆動電圧の印加を受けることで前記受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部と、
前記半導体基板上にて前記電荷転送部の最終段の前記転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を前記電荷検出部に転送させる出力ゲート部と、
前記電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、前記ゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部と、を備える、
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、画素のセンサ部で生成された信号電荷を転送する固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法、固体撮像装置、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子には、電荷を転送するための電荷転送構造が備えられる。この電荷転送構造は、固体撮像素子において半導体基板上の画素領域に配列された複数のセンサ部で光電変換により生成された信号電荷を転送する。ＣＣＤ型の固体撮像素子の場合、電荷転送構造として、画素領域に設けられ各センサ部で生成された信号電荷を第１の方向（垂直方向）に転送する複数の垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を第１の方向に直交する第２の方向（水平方向）に転送する水平転送部とを備えるものがある。
【０００３】
このように固体撮像素子に備えられる電荷転送構造は、半導体基板内に設けられた転送レジスタと、半導体基板上に絶縁膜等を介して設けられた転送電極とを有する。そして、各転送電極に与えられる駆動電圧（クロック・パルス）の大きさとタイミングが制御されることにより、転送レジスタにおいて信号電荷が蓄積された電位の井戸が移動し、転送電極の並びに沿って信号電荷が転送される。上述したように垂直転送部および水平転送部を備える構成の場合、垂直転送部から水平転送部に転送された信号電荷は、水平転送部の終端側に設けられた出力部にて例えば電圧信号等の電気信号に変換されて出力される。
【０００４】
固体撮像素子が有する出力部では、水平転送部の最終段（以下「ＬＨ」という。）に転送された信号電荷が、最終段水平転送ゲート（以下「ＨＯＧ」という。）を通過して、信号電荷を検出する電荷検出部を構成するフローティングディフュージョン（以下「ＦＤ」とする。）へ転送され、電圧信号等の電気信号に変換される。ここで、ＦＤは、例えばＮ型半導体基板に形成されたＰ型不純物領域上においてＮ型領域として形成される部分である。
【０００５】
このような水平転送部から出力部への信号電荷の転送において、ＬＨからＨＯＧの電界の大きさ（電位の差）が十分でないと、転送期間中に信号電荷がＬＨからＨＯＧを介してＦＤまで全て転送されず、信号電荷の一部がＨＯＧ上に残留するという信号残しの現象が生じる場合がある。こうした信号残しは、感度比のバランスを崩す原因となり、固体撮像素子を備える撮像機器において低輝度の被写体が撮影された場合の信号電荷の転送で与える影響が大きく、問題となりやすい。特に、最近はＩＳＯ感度が上昇傾向にあるため、従来問題視されなかった程度の量の信号残しであっても、画質上無視できなくなってきている。
【０００６】
こうした信号残しについては、ＬＨからＨＯＧの転送電界を大きくすることで、信号残しが解消され、信号電荷の転送が改善される。しかし、ＬＨからＨＯＧの転送電界を大きくすることは、次のような問題を生じさせる。
【０００７】
まず、ＦＤで取り扱うことができる最大の信号電荷量（Ｄレンジ（ダイナミックレンジ））が減少してしまう。具体的には、ＬＨからＨＯＧの転送電界を大きくするためには、ＨＯＧの電位を深く（高く）する方法がある。ＨＯＧの電位が深くなると、その分、ＦＤの電位の井戸の深さが浅くなり、ＦＤのＤレンジが減少することになる。ＦＤのＤレンジが減少すると、多量の信号電荷がＦＤに転送された際、信号電荷がＦＤに入りきれずに逆流が起こり、画像の異常が生じる可能性がある。特に、固体撮像素子が複数の画素を加算する駆動モードの状態においては、加算される画素数が増加するほど取り扱う信号電荷量が増加するため、Ｄレンジが不足気味になる傾向にあり、ＦＤのＤレンジが減少することによる影響が大きくなる。
【０００８】
また、ＨＯＧの電位が深くなると、ＬＨで蓄積することができる最大の信号電荷量（以下「ＬＨ最大電荷量」という。）も減少する。つまり、ＨＯＧの電位が深くなると、ＬＨの下流側となるＨＯＧ側において、ＬＨの部分の電位の井戸を形成する障壁が低くなるので、その分、ＬＨ最大電荷量が減少する。ＬＨ最大電荷量が減少すると、例えば高輝度の被写体が撮影された場合、ＬＨが、転送されてきた信号電荷の全てを電極下で蓄積することができずに、信号電荷の一部がＨＯＧを越えてＦＤに漏れ込むという現象が生じることがある。ＦＤ側に信号電荷が漏れ込むと、例えば高輝度被写体部分に輝度の低い領域が形成される、黒スミアといった不具合が生じることがある。
【０００９】
このように、ＬＨからＨＯＧの転送電界の確保と、ＦＤのＤレンジやＬＨ最大電荷量の確保とはトレードオフの関係にあり、両者の両立は非常に困難である。ＦＤのＤレンジおよびＬＨ最大電荷量を維持しつつも、信号電荷の転送の改善を行うことが強く望まれている。
【００１０】
そこで、例えば、ＦＤに隣接するＨＯＧの電極に駆動電圧としての転送クロックを印加し、信号電荷の転送時には電界を確保することでＤレンジを確保する技術が存在する（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、２相駆動方式の電荷転送装置において、電荷転送部の最終段の１つ前の段を駆動する転送クロックを抵抗によって所定の分割比で分割することによって駆動パルスを生成し、生成した駆動パルスによってＨＯＧの電極を駆動する技術が開示されている。
【００１１】
また、特許文献２に開示されているように、ＨＯＧの電極をＬＨ側とＦＤ側に２分割し、ＬＨ側の電極に転送クロックを印加することで、出力信号波形の乱れを防止し、ＬＨからＨＯＧの転送電界とＤレンジを確保する技術が存在する。特許文献２の技術は、分割したＨＯＧの電極のうちのＬＨ側の電極に転送クロックを印加することで、ＬＨからＨＯＧへの電位勾配を形成して転送の改善を図り、ＬＨ側の電極に印加する電圧を調整することで、Ｄレンジを確保しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平８−２５５８９６号公報
【特許文献２】特開２００７−３２９１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１のように、ＦＤに隣接するＨＯＧの電極に転送クロックを印加する技術によると、ＨＯＧの電極に印加される転送クロックの振幅が大きくなると、ノイズによってＦＤのポテンシャル（電位）が変動し、出力信号波形が乱れてしまうという問題がある。この点、特許文献２のようにＨＯＧの電極を２分割する構成によれば、出力信号波形の乱れについては改善されるものの、特許文献２のような構成は、実質、新規電極を追加する構成であるため、回路構成の追加や印加する転送クロックの増設が必要となる。
【００１４】
そこで、本技術の目的は、電極構造を変えることなく、多量の信号電荷が転送される駆動モードにおいても電荷検出部で取り扱うことができる最大の信号電荷量について不足が生じないように取り扱い電荷量を確保することができるとともに、低輝度撮影時に生じやすい信号残しによる感度比のずれを抑制することができる固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法、固体撮像装置、および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本技術に係る固体撮像素子は、半導体基板に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、前記半導体基板上に設けられた転送電極を有し、該転送電極に駆動電圧の印加を受けることで前記受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部と、前記半導体基板上にて前記電荷転送部の最終段の前記転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を前記電荷検出部に転送させる出力ゲート部と、前記電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、前記ゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部と、を備えるものである。
【００１６】
また、本技術に係る固体撮像素子においては、好ましくは、前記ゲート電圧印加部は、第１の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第１の電圧を印加し、前記第１の駆動モードよりも前記電荷転送部により転送される信号電荷の量が多い第２の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第２の電圧を印加する。
【００１７】
また、本技術に係る固体撮像素子においては、好ましくは、前記ゲート電圧印加部は、前記半導体基板に印加される基板電圧の入力を受け、該基板電圧が切り替わることにともなって、前記第１の電圧と前記第２の電圧とを切り替える。
【００１８】
本技術に係る固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板上に設けられ、該半導体基板内の信号電荷を転送する電荷転送部の最終段の転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加することで、前記ゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を電荷検出部に転送させる出力ゲート部を駆動するものである。
【００１９】
また、本技術に係る固体撮像素子の駆動方法においては、好ましくは、前記半導体基板に印加され、第１の駆動モードと該第１の駆動モードよりも前記電荷転送部に転送される信号電荷の量が多い第２の駆動モードとで切り替わる基板電圧を用い、第１の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第１の電圧を印加し、前記第２の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第２の電圧を印加する。
【００２０】
本技術に係る固体撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動部と、を含み、前記固体撮像素子は、半導体基板に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、前記半導体基板上に設けられた転送電極を有し、該転送電極に駆動電圧の印加を受けることで前記受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部と、前記半導体基板上にて前記電荷転送部の最終段の前記転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を前記電荷検出部に転送させる出力ゲート部と、前記電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、前記ゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部と、を備えるものである。
【００２１】
本技術に係る電子機器は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路と、前記固体撮像素子の出力信号を処理する信号処理回路と、を含み、前記固体撮像素子は、半導体基板に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、前記半導体基板上に設けられた転送電極を有し、該転送電極に駆動電圧の印加を受けることで前記受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部と、前記半導体基板上にて前記電荷転送部の最終段の前記転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を前記電荷検出部に転送させる出力ゲート部と、前記電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、前記ゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００２２】
本技術によれば、電極構造を変えることなく、多量の信号電荷が転送される駆動モードにおいても電荷検出部で取り扱うことができる最大の信号電荷量について不足が生じないように取り扱い電荷量を確保することができるとともに、低輝度撮影時に生じやすい信号残しによる感度比のずれを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子および固体撮像装置の構成を示す図。
【図２】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子の電荷転送構造の構成を示す模式的な断面図。
【図３】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子の電荷転送構造のポテンシャルについての説明図。
【図４】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子の電荷転送構造における各電圧のタイミングチャートの一例を示す図。
【図５】固体撮像素子の電荷転送構造において生じ得る現象についての説明図。
【図６】固体撮像素子の電荷転送構造において生じ得る現象についての説明図。
【図７】固体撮像素子の電荷転送構造において生じ得る現象についての説明図。
【図８】固体撮像素子の電荷転送構造において生じ得る現象についての説明図。
【図９】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子の電荷転送構造における電圧制御についての説明図。
【図１０】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子の電荷転送構造における電圧制御についての説明図。
【図１１】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子が備えるゲート電圧印加部の構成例を示す回路図。
【図１２】本技術の一実施形態に係る固体撮像装置の駆動動作に係るタイミングチャートの一例を示す図。
【図１３】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子が備えるゲート電圧印加部の変形例を示す回路図。
【図１４】本技術の一実施形態に係る電子機器の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本技術は、例えば固体撮像素子の駆動モード等によって変化する、電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、電荷転送部から電荷検出部に信号電荷を転送させる出力ゲート部のゲート電極に印加する電圧の高低を切り替えることで、電荷転送部から出力ゲート部への転送電界の確保と、電荷検出部で取り扱うことができる最大の信号電荷量の確保との両立を図ろうとするものである。以下、本技術の実施の形態を説明する。なお、以下に説明する実施の形態では、本技術に係る固体撮像素子をＣＣＤ型のエリアセンサとして適用した場合を例に説明する。
【００２５】
［固体撮像装置の構成］
本技術の一実施形態に係る固体撮像装置の構成について、図１を用いて説明する。本実施形態に係る固体撮像装置１は、例えば、いわゆるデジタルカメラと称されるデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話器等に内蔵されるカメラユニット等において、撮像装置モジュールを構成する。
【００２６】
図１に示すように、固体撮像装置１は、固体撮像素子２と、固体撮像素子２を所定のタイミングで駆動するための駆動信号を生成する駆動部としてのタイミングジェネレータ３とを備える。固体撮像装置１は、タイミングジェネレータ３等に電源を供給するバッテリ等の電源部、撮像により生成した画像データ等を記憶する記憶部、装置全体を制御する制御部等を有する。これらの電源部、記憶部、および制御部を構成する回路は、固体撮像素子２とは別回路（別チップ）として設けられたり、固体撮像素子２と同一のチップに設けられたりする。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子２は、ＣＣＤ型の固体撮像素子（メージ・センサ）であり、半導体基板４上に構成される矩形状の画素領域である画素部５を有する。固体撮像素子２は、画素部５に、複数のセンサ部６を備える。
【００２８】
画素部５は、半導体基板４上に複数のセンサ部６を配列させる。複数のセンサ部６は、半導体基板４に設けられる画素部５にて行列状に配列される。つまり、複数のセンサ部６は、矩形状の画素部５に沿って、縦方向・横方向に２次元行列状に配置される。本実施形態の固体撮像素子２では、図１において、縦方向（上下方向）を垂直方向とし、横方向（左右方向）を水平方向とする。
【００２９】
センサ部６は、固体撮像素子２に対する入射光を受光する受光部であり、半導体基板４に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する。本実施形態では、センサ部６は、受光素子としてのフォトダイオードにより構成され、光電変換により信号電荷を生成し、蓄積する。つまり、センサ部６は、受光面を有し、その受光面に入射した光の光量（強度）に応じた信号電荷を生成し、生成した信号電荷を蓄積する。各センサ部６は、画素部５における各画素７を構成する。したがって、固体撮像素子２が備える複数の画素７は、それぞれセンサ部６を有し、画素部５において行列状に配列される。
【００３０】
本実施形態の固体撮像素子２は、信号電荷の転送方式として、いわゆるインターライン転送方式を採用する。固体撮像素子２は、センサ部６で生成された信号電荷を転送するための構成として、複数の垂直転送部８と、水平転送部９とを備える。垂直転送部８は、複数のセンサ部６の行列状の２次元配列における各列方向（垂直方向）の並びに沿って設けられる。つまり、図１に示すように、複数の垂直転送部８は、行列状に配置される複数のセンサ部６の垂直方向に並ぶ列毎に、各列の一側（図１では左側）に、センサ部６の垂直方向の並びに沿って互いに平行に配された状態で設けられる。
【００３１】
センサ部６により生成された信号電荷は、垂直転送部８に読み出され、垂直転送部８によって垂直方向に転送される。センサ部６内の信号電荷は、読み出し部１０を介して垂直転送部８に読み出される。垂直転送部８は、対応する列に配置された複数のセンサ部６、つまり水平方向の一側（図１において右側）に隣接配置された複数のセンサ部６の各センサ部６から読み出し部１０を介して信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を垂直方向へ順次転送する。
【００３２】
本実施形態では、垂直転送部８は、４相駆動パルスにより駆動される。このため、垂直転送部８は、４相駆動に対応する４種類の転送電極を有する。詳細には、４種類の転送電極は、外部から入力される駆動電圧としての４相の転送クロック（クロック・パルス）φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４の各電圧が独立して与えられる各電極である。これらの４種類の転送電極は、垂直方向に２つの画素７毎に所定の順序で繰り返し配置されるように設けられる。なお、垂直転送部８は、４相駆動に限定されず、例えば８相駆動等であってもよい。
【００３３】
読み出し部１０は、半導体基板４にてセンサ部６とこのセンサ部６により生成された信号電荷が読み出される垂直転送部８との間に設けられ、センサ部６により生成された信号電荷を垂直転送部８に読み出させる読み出しゲートとして機能する。読み出し部１０は、垂直転送部８を構成する転送電極に含まれる読み出し電極が読み出し用の電圧（転送クロック）の印加を受けることで電位（ポテンシャル）を変動させ、センサ部６において生成され蓄積されている信号電荷を垂直転送部８に転送させる。
【００３４】
また、センサ部６の読み出し部１０が設けられる側と反対側（非読み出し側）において、センサ部６と垂直転送部８との間に、チャネルストップが設けられる。チャネルストップは、センサ部６の非読み出し側（図１において右側）において、垂直転送部８との間に障壁となる電位を形成することで、センサ部６に蓄積された信号電荷の非読み出し側への移動を規制する。
【００３５】
水平転送部９は、複数の垂直転送部８により転送された信号電荷を水平方向に転送する。水平転送部９は、センサ部６の垂直方向の並びに沿って互いに平行に配される複数の垂直転送部８の一方の端部側（図１では下側）に設けられ、矩形状の画素部５に対して垂直方向の一側（図１では下側）の水平方向の辺に沿って配置される。したがって、センサ部６から垂直転送部８に読み出された信号電荷は、垂直転送部８によって水平転送部９側（図１では下側）に向けて垂直方向に転送される。
【００３６】
本実施形態では、水平転送部９は、２相駆動パルスにより駆動される。このため、水平転送部９は、２相駆動に対応する２種類の転送電極を有する。そして、水平転送部９を構成する２種類の転送電極には、駆動電圧としての２相の転送クロック（クロック・パルス）φＨ１、φＨ２が外部から入力される。なお、水平転送部９は、２相駆動に限定されず、例えば３相駆動や４相駆動等であってもよい。
【００３７】
垂直転送部８および水平転送部９により転送された信号電荷は、水平転送部９の終端側に設けられる出力部１１から出力される。出力部１１は、信号電荷を電圧に変える電荷電圧変換部として機能し、水平転送部９から転送された信号電荷を、ＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）アンプ等の出力アンプによって電圧信号等の電気信号に変換して出力すること、つまり信号電荷の検出を行う。
【００３８】
タイミングジェネレータ３は、上述したような構成を備える固体撮像素子２を駆動するための各種のパルス信号を生成する機能と、生成したパルス信号を、固体撮像素子２を駆動するためのドライブパルスに変換するドライバとしての機能とを有する。
【００３９】
タイミングジェネレータ３は、固体撮像素子２が備える垂直転送部８を駆動する４相駆動パルスを固体撮像素子２に入力する。つまり、タイミングジェネレータ３は、垂直転送部８を構成する４種類の転送電極に、駆動電圧としての４相の転送クロックφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４を、各転送電極に独立して供給・印加する。
【００４０】
固体撮像素子２は、タイミングジェネレータ３からの転送クロックφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４の入力を独立して受けるための信号入力端子である入力部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを有する。これらの入力部は、半導体基板４に形成される。各入力部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに入力される転送クロックφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４は、バスラインや所定の配線等を介して、各垂直転送部８を構成する各転送電極に印加される。この４相の転送クロックφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４の大きさとタイミングが適切に制御されることにより、各センサ部６から垂直転送部８に読み出された信号電荷が、垂直転送部８の転送電極の並びに従って転送される。
【００４１】
タイミングジェネレータ３は、固体撮像素子２が備える水平転送部９を駆動する２相駆動パルスを固体撮像素子２に入力する。つまり、タイミングジェネレータ３は、水平転送部９を構成する２種類の転送電極に、駆動電圧としての２相の転送クロックφＨ１、φＨ２を供給・印加する。
【００４２】
固体撮像素子２は、タイミングジェネレータ３からの転送クロックφＨ１、φＨ２の入力を独立して受けるための信号入力端子である入力部１３ａ、１３ｂを有する。これらの入力部は、半導体基板４に形成される。各入力部１３ａ、１３ｂに入力される転送クロックφＨ１、φＨ２は、バスラインや所定の配線等を介して、水平転送部９を構成する各転送電極に印加される。この２相の転送クロックφＨ１、φＨ２の大きさとタイミングが適切に制御されることにより、垂直転送部８から水平転送部９に転送された信号電荷が、水平方向に転送される。
【００４３】
また、本実施形態の固体撮像装置１は、制御電圧発生回路１５と、基板電圧発生回路１６とを有する。制御電圧発生回路１５は、固体撮像素子２の各部の動作を制御するための電圧である制御電圧Ｖｃｔｌを生成する。本実施形態では、制御電圧発生回路１５は、固体撮像素子２の半導体基板４に対して外部に設けられる。
【００４４】
制御電圧発生回路１５により生成された制御電圧Ｖｃｔｌは、固体撮像素子２が有する制御電圧入力端子１７に入力される。制御電圧入力端子１７に入力された制御電圧Ｖｃｔｌは、基板電圧発生回路１６に入力される。制御電圧発生回路１５は、トランジスタ、抵抗素子、ダイオード、キャパシタ等により構成される。
【００４５】
基板電圧発生回路１６は、固体撮像素子２の半導体基板４に印加されるバイアス電圧である基板電圧Ｖｓｕｂを生成する。基板電圧発生回路１６は、制御電圧発生回路１５から制御電圧入力端子１７を介して入力された制御電圧Ｖｃｔｌを適宜調整することで、制御電圧Ｖｃｔｌに基づいて基板電圧Ｖｓｕｂを生成する。本実施形態では、基板電圧発生回路１６は、固体撮像素子２の半導体基板４上に設けられている。つまり、基板電圧発生回路１６は、固体撮像素子２のチップ上に設けられている。
【００４６】
基板電圧発生回路１６により生成された基板電圧Ｖｓｕｂは、本実施形態ではＮ型のシリコン基板である半導体基板４に供給される。基板電圧発生回路１６により生成される基板電圧Ｖｓｕｂは、固体撮像素子２の各画素７のセンサ部６に蓄積可能な信号電荷の量、つまりセンサ部６の飽和信号電荷量を調整するための電圧である。具体的には次のとおりである。
【００４７】
本実施形態の固体撮像素子２は、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造を採用する。縦型オーバーフロードレイン構造は、固体撮像素子において広く採用されている構造であり、例えば、Ｎ型の半導体基板４上に形成されたＰウェル内にセンサ部６や電荷転送部等が形成され、基板を正の基板電圧Ｖｓｕｂでバイアスすることで、センサ部６で生ずる過剰な電荷を基板側に掃き捨てる構造である。
【００４８】
縦型オーバーフロードレイン構造では、例えば高輝度の被写体が撮影された際、センサ部６で生ずる過剰な電荷がオーバーフローバリアを乗り越えて基板側に溢れ出すために、センサ部６の電位の井戸に蓄積される信号電荷量が飽和する。オーバーフローバリアの高さ（ポテンシャル）は、基板電圧Ｖｓｕｂの電圧値によって決まる。つまり、センサ部６の飽和信号電荷量は、基板電圧Ｖｓｕｂの電圧値によって決まる。具体的には、基板電圧Ｖｓｕｂの電圧値が高いと、オーバーフローバリアの高さが低くなり、センサ部６の飽和信号電荷量が減少する。逆に、基板電圧Ｖｓｕｂの電圧値が低いと、オーバーフローバリアの高さが高くなり、センサ部６の飽和信号電荷量が増加する。
【００４９】
以上のような構成を備える本実施形態の固体撮像装置１において、固体撮像素子２が備える電荷転送構造２０の構成について説明する。
【００５０】
［電荷転送構造の構成］
図２に示すように、本実施形態に係る電荷転送構造２０は、上述したように固体撮像素子２を構成する水平転送部９と出力部１１とを有する。水平転送部９および出力部１１は、固体撮像素子２において、Ｎ型の半導体基板４上に構成される。
【００５１】
図２に示すように、半導体基板４において、Ｎ型の半導体基板層（Ｎｓｕｂ）２１の表面側には、Ｐ型の不純物領域であるＰ型ウェル（Ｐ−ｗｅｌｌ）２２が形成される。Ｐ型ウェル２２上には、Ｎ型のチャネル領域２３が形成される。
【００５２】
Ｎ型のチャネル領域２３の表面部には、Ｎ型のトランスファ領域２３ａが設けられている。トランスファ領域２３ａは、電荷転送構造２０による信号電荷の転送方向（図２における左右方向）に所定のピッチで形成される。また、チャネル領域２３においては、複数のトランスファ領域２３ａの間の部分が、ストレージ領域２３ｂとして存在する。
【００５３】
チャネル領域２３の上方には、ポリシリコンにより形成される２層構造の電極（符号Ｈ１、Ｈ２等）が設けられている。これらの電極は、チャネル領域２３上に絶縁膜を介して形成される。チャネル領域２３上に設けられる電極には、水平転送部９を構成する転送電極である電極Ｈ１と電極Ｈ２とが含まれる。電極Ｈ１は、１層目のポリシリコンからなり、電極Ｈ２は、２層目のポリシリコンからなる。
【００５４】
水平転送部９を構成する電極Ｈ１と電極Ｈ２は、信号電荷の転送方向に交互に配置され、図２に示す構成では、トランスファ領域２３ａの上方に電極Ｈ２が設けられ、ストレージ領域２３ｂの上方に電極Ｈ１が設けられている。電極Ｈ１には転送クロックφＨ１が印加され、電極Ｈ２には転送クロックφＨ２が印加される。このような構成において、互いに隣り合う電極Ｈ１と電極Ｈ２とが対をなし、この電極対に対して電極の配列方向に交互に２相の転送クロックφＨ１、φＨ２が印加されることで、２相駆動による信号電荷の転送が実現される。
【００５５】
水平転送部９の終端側には、最終段水平転送ゲート（ＨＯＧ）を構成する出力ゲート部２４が設けられている。水平転送部９の最終段（以下「ＬＨ」という。）に転送された信号電荷は、出力ゲート部２４を通過して、出力部１１へと転送される。出力ゲート部２４は、２層目のポリシリコンからなるゲート電極としてのＨＯＧ電極２４ａを有し、このＨＯＧ電極２４ａ下のチャネル領域２３の部分を含む構成である。ＨＯＧ電極２４ａは、ゲート電圧印加部３０からのゲート電圧φＨＯＧの印加を受ける。なお、図２に示すように、ＬＨの転送電極である電極Ｈ１を「電極ＬＨ１」とし、この電極ＬＨ１に印加される転送クロックφＨ１を「転送クロックφＬＨ１」する。
【００５６】
出力部１１は、信号電荷の検出方式として、フローティングディフュージョン・アンプを採用する。出力部１１は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）部２５と、リセットドレイン（ＲＤ）部２６と、リセットゲート（ＲＧ）部２７と、出力回路２８とを有する。
【００５７】
ＦＤ部２５は、半導体基板４のチャネル領域２３上において、出力ゲート部２４の下流側（図２において左側）に設けられている。ＦＤ部２５は、Ｎ型の半導体基板４に形成されたＰ型ウェル２２上においてＮ＋型の領域として形成される。ＦＤ部２５は、信号電荷を検出する電荷検出部を構成し、水平転送部９により転送されてきた信号電荷を電気信号に変換する。ＦＤ部２５には、水平転送部９により転送されてきた信号電荷が蓄積される。
【００５８】
ＲＤ部２６は、ＦＤ部２５に対してその下流側にチャネル領域２３を介して設けられている。ＲＤ部２６は、Ｎ型の半導体基板４に形成されたＰ型ウェル２２上においてＮ＋型の領域として形成される。ＲＤ部２６は、信号電荷の排出を行う電荷排出部を構成する。ＲＤ部２６は、所定電圧値のリセットドレイン電圧Ｖｄｒの印加を受ける。
【００５９】
ＲＧ部２７は、ＦＤ部２５とＲＤ部２６との間のチャネル領域２３の上方に絶縁膜を介して設けられる。ＲＧ部２７は、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ構成となっている。ＲＧ部２７のゲート電極には、固体撮像素子２が有する所定の回路構成において生成された直流のバイアス電圧が印加される。また、ＲＧ部２７のゲート電極には、例えば固体撮像素子２の外部に設けられた所定の回路構成により生成されたリセットクロック（リセットパルス）φＲＧが印加される。
【００６０】
ＲＧ部２７のゲート電極に印加されるリセットクロックφＲＧは、同じくゲート電極に印加されるバイアス電圧に重畳して印加される。これにより、ＦＤ部２５の電位は、リセットクロックφＲＧの周期で、リセットドレイン電圧Ｖｄｒにリセットされる。ＲＧ部２７がリセットクロックφＲＧにより制御されることで、ＦＤ部２５とＲＤ部２６との接続が制御される。そして、ＦＤ部２５とＲＤ部２６とが接続されてない状態では、水平転送部９から転送されてきた信号電荷がＦＤ部２５に保持され、ＦＤ部２５とＲＤ部２６とが接続されることで、ＦＤ部２５がリセットドレイン電圧Ｖｄｒにリセットされる。
【００６１】
出力回路２８は、固体撮像素子２の半導体基板４に搭載される周辺回路の一つであり、一般に、多段のソースフォロワ回路を用いて構成される。出力回路２８は、バッファーとしての機能を有し、ＦＤ部２５に接続される。出力回路２８には、ＦＤ部２５の電圧に相当する電圧信号が入力される。ここで、ＦＤ部２５の電圧は、ＦＤ部２５が蓄積した信号電荷の量に応じた値となる。
【００６２】
このような構成を備える出力部１１により、信号電荷の検出、つまり信号電荷の電圧信号への変換が行われる。出力部１１からの出力信号は、出力回路２８からの電気信号である撮像信号Ｖｏｕｔとして、半導体基板４の外部に出力される。
【００６３】
以上のような構成を備える本実施形態に係る固体撮像素子１の電荷転送構造２０においては、水平転送部９が、半導体基板４上に設けられた転送電極である電極Ｈ１、Ｈ２を有し、この電極Ｈ１、Ｈ２に駆動電圧（転送クロック）の印加を受けることで半導体基板４内の信号電荷を転送する電荷転送部に相当する。また、出力部１１が、水平転送部９により転送され出力ゲート部２４により出力された信号電荷を検出する電荷検出部に相当する。出力ゲート部２４は、半導体基板４上にて電極ＬＨ１に隣り合う位置に設けられたゲート電極としてのＨＯＧ電極２４ａを有し、ＬＨに転送された信号電荷を出力部１１に転送させる。
【００６４】
電荷転送構造２０の動作について、図３および図４を用いて説明する。固体撮像素子２において、垂直転送部８から水平転送部９に転送された信号電荷は、転送電極である電極Ｈ１、Ｈ２、ＬＨ１の各電極が転送クロックの印加を受けることで、出力側へと転送される。図４に示すように、電極Ｈ１に印加される転送クロックφＨ１（φＬＨ１含む、以下同じ。）がハイレベルの状態では、電極Ｈ２に印加される転送クロックφＨ２はロウレベルの状態にある。水平転送部９において各電極が配置される段のポテンシャルについては、転送クロックがハイレベルの状態でポテンシャルが深くなり、転送クロックがロウレベルの状態でポテンシャルが浅くなる。なお、転送クロックがハイレベルの状態では、例えば３Ｖ程度の電圧が印加され、転送クロックがロウレベルの状態では、例えば０Ｖ程度の電圧が印加される。
【００６５】
図４に示すように、時刻ｔ１では、転送クロックφＨ１がハイレベル、転送クロックφＨ２がロウレベルの状態にあり、水平転送部９において、電極Ｈ１の段のポテンシャルが深く、電極Ｈ２の段のポテンシャルが浅くなる。このため、電極Ｈ２下に蓄積されていた信号電荷が、電極Ｈ１の段に転送される。このとき、リセットクロックφＲＧもハイレベルの状態にあるため、ＲＧ部２７下のポテンシャルが深くなり、ＦＤ部２５の電位が、リセットドレイン電圧Ｖｄｒにリセットされる。
【００６６】
次に、時刻ｔ２では、転送クロックφＨ１、φＨ２は、時刻ｔ１と同じ状態であるため、各電極Ｈ１、Ｈ２の段のポテンシャルは変化せず、信号電荷は電極Ｈ１下に蓄積されている。このとき、リセットクロックφＲＧは、ハイレベルからロウレベルに遷移し、ＲＧ部２７下のポテンシャルが深い状態から浅い状態に変化する。
【００６７】
次に、時刻ｔ３では、転送クロックφＨ１がロウレベル、転送クロックφＨ２がハイレベルの状態にあり、水平転送部９において、電極Ｈ１の段のポテンシャルが浅く、電極Ｈ２の段のポテンシャルが深くなる。このため、電極Ｈ１下に蓄積されていた信号電荷が、次の段に転送される。このようにして、転送クロックφＨ１、φＨ２の印加により、水平転送部９の各段のポテンシャルが所定のタイミングで制御され、信号電荷が出力側へ順次転送される。
【００６８】
ここで、電極ＬＨ１については、電極ＬＨ１下に蓄積されていた信号電荷が、出力ゲート部２４を介してＦＤ部２５に転送される。詳細には、転送クロックφＬＨ１がロウレベルの状態になることで、図３に示すようにＬＨから出力ゲート部２４側に下る階段状の転送電界が形成され（矢印ａ１参照）、電極ＬＨ１下に蓄積されていた信号電荷が、ＨＯＧ電極２４ａ下のポテンシャルを越えて、ＦＤ部２５（図２）に転送される。この転送期間においては、ＨＯＧ電極２４ａに、ゲート電圧φＨＯＧが印加される。
【００６９】
ＦＤ部２５に転送された信号電荷は、出力回路２８において、信号電荷の量に応じた電圧に変換される。そして、ＲＧ部２７にリセットクロックφＲＧが印加されることで、信号電荷がＲＤ部２６（図２）に掃き捨てられる。このような一連の動作により、電荷転送構造２０の出力信号、つまり固体撮像素子２の撮像信号Ｖｏｕｔが得られる。
【００７０】
このような構成の電荷転送構造においては、次に説明するような現象が生じ得る。電荷転送構造において生じ得る現象について、図５から図８を用いて説明する。図５から図８は、電荷転送構造のポテンシャル状態を示す図であり、各図において、太線が、電荷転送構造の各段におけるポテンシャルの状態を示し、細線が、電圧の変化によって変化し得るポテンシャルの状態を示す。
【００７１】
図５は、いわゆる信号残しという現象の説明図である。水平転送部９から出力部１１への信号電荷の転送において、ＬＨからＨＯＧの電界の大きさ（電位の差）が十分でないと、転送期間中に信号電荷がＬＨからＨＯＧを介してＦＤ（ＦＤ部２５）まで全て転送されず、信号電荷の一部がＨＯＧ上に残留するという信号残しの現象が生じる場合がある。
【００７２】
具体的には、図５（ａ）に示すように、転送クロックφＨ１がハイレベル、転送クロックφＨ２がロウレベルの状態で、電極ＬＨ１下に蓄積されていた信号電荷ｅ１は、同図（ｂ）に示すように、転送クロックφＨ１がロウレベル、転送クロックφＨ２がハイレベルの状態となることで、ＨＯＧを介してＦＤまで転送される。ここで、ＬＨ（電極ＬＨ１）からＨＯＧの電界の大きさ、つまりＬＨとＨＯＧとの転送電位差Δφａが小さいと、電極ＬＨ１下に蓄積されていた信号電荷ｅ１（図５（ａ））の一部はＨＯＧを介してＦＤまで転送されるものの（同図（ｂ）、符号ｅ２参照）、一部の信号電荷はＨＯＧ上に微量の信号電荷ｅ３として残留する。
【００７３】
このような信号残し、つまりＬＨからＦＤへの信号電荷の転送においてＨＯＧ上に微量の信号電荷が残存する現象は、感度比のバランスを崩す原因となり、固体撮像素子２を備える撮像機器において低輝度の被写体が撮影された場合の信号電荷の転送で与える影響が大きく、問題となりやすい。特に、最近はＩＳＯ感度が上昇傾向にあるため、従来問題視されなかった程度の量の信号残しであっても、画質上無視できなくなってきている。
【００７４】
こうした信号残しについては、ＬＨからＨＯＧの転送電界を大きくすることで、信号残しが解消され、信号電荷の転送が改善される。具体的には、図６に示すように、ゲート電圧φＨＯＧを図５に示す例に対して、Δφｂ高くし、ＨＯＧ電極２４ａの段のポテンシャル（ＨＯＧの電位）を深くしたとする。これにより、ＬＨとＨＯＧとの転送電位差Δφａが大きくなり、転送電界が、ゲート電圧φＨＯＧを高くする前（矢印ｂ１参照）に比べて大きくなる（矢印ｂ２参照）。このようにＬＨとＨＯＧの間の転送電界が強化されることにより、上述したような転送残しは減少する。しかし、ＬＨからＨＯＧの転送電界を大きくすることは、次のような現象を生じさせ得る。
【００７５】
まず、ＦＤで取り扱うことができる最大の信号電荷量（Ｄレンジ）が減少してしまう。具体的には、ＬＨからＨＯＧの転送電界を大きくするためには、ＨＯＧの電位を深く（高く）する方法がある。図７は、図６に示す例の場合と同様に、ゲート電圧φＨＯＧを図５に示す例に対してΔφｂ高くした状態を示している。
【００７６】
ＨＯＧの電位が深くなると、その分、ＨＯＧの電位とＲＧ（ＲＧ部２７）の電位とにより規定されるＦＤの電位の井戸の深さが浅くなり、ＦＤのＤレンジが減少することになる。ＦＤのＤレンジが減少すると、多量の信号電荷がＦＤに転送された際、信号電荷がＦＤに入りきれずに逆流が起こり、画像の異常が生じる可能性がある。すなわち、図７（ａ）に示すように、電極ＬＨ１下に蓄積されていた信号電荷ｅ４が、同図（ｂ）に示すように、ＬＨからＨＯＧを介してＦＤに転送された際、同図（ｃ）に示すように逆流してしまう。
【００７７】
詳細には、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ＨＯＧの電位が深くなりＦＤのＤレンジが減少することで、転送クロックφＬＨ１がハイレベルからロウレベルに切り替わることによってＬＨからＨＯＧを介してＦＤに転送された信号電荷ｅ５は、その信号量が多いと、ＦＤに収まりきれず、ＨＯＧ上に残留してしまう（符号ｅ６参照）。そして、ＦＤに収まりきれずＨＯＧ上に残留した信号電荷は、転送クロックφＬＨ１がロウレベルからハイレベルに切り替わることで、ＬＨ側に逆流してしまう（符号ｅ７、矢印ｃ１参照）。なお、ＦＤに収まった信号電荷は、ＲＧ側に転送される（符号ｅ８参照）。
【００７８】
こうしたＦＤのＤレンジが減少することによる信号電荷の逆流現象については、特に、固体撮像素子２が複数の画素を加算する駆動モードの状態において問題となる。画素を加算する駆動モードでは、加算される画素数が増加するほど取り扱う信号電荷量が増加するため、Ｄレンジが不足気味になる傾向にあり、ＦＤのＤレンジが減少することによる影響が大きくなるからである。このような信号電荷の逆流現象に関しては、信号電荷の最大の転送量が逆流しない程度に、ＨＯＧの電位が浅くなるようにゲート電圧φＨＯＧを設定する必要がある。
【００７９】
また、ＨＯＧの電位が深くなると、ＬＨで蓄積することができる最大の信号電荷量（以下「ＬＨ最大電荷量」という。）も減少する。つまり、ＨＯＧの電位が深くなると、図８（ｂ）に示すように、ＬＨの下流側となるＨＯＧ側において、ＬＨの部分の電位の井戸を形成する障壁が低くなるので、その分、ＬＨ最大電荷量が減少する。なお、図８は、図６に示す例の場合と同様に、ゲート電圧φＨＯＧを図５に示す例に対してΔφｂ高くした状態を示している。
【００８０】
ＬＨ最大電荷量が減少すると、例えば高輝度の被写体が撮影された場合、ＬＨが、転送されてきた信号電荷の全てを電極ＬＨ１下で蓄積することができずに、信号電荷の一部がＨＯＧを越えてＦＤに漏れ込むという現象が生じることがある。具体的には、図８（ａ）に示すように、ＬＨの一段上流側の電極Ｈ２下に蓄積された信号電荷ｅ９について、その信号電荷量が比較的多量の場合、同図（ｂ）に示すように、電極Ｈ２からＬＨに信号電荷が転送されると（符号ｅ１０参照）、ＬＨ最大電荷量が少ないことから、一部の信号電荷が転送前にＬＨからＨＯＧを介してＦＤに漏れ込んでしまう（符号ｅ１１、ｅ１２、矢印ｄ１参照）。
【００８１】
このように、ＨＯＧの電位が深くなると、ＬＨにおいて大量の信号電荷を蓄積することができず、信号電荷の一部が転送前にＦＤに漏れ込むという現象が生じる。ＦＤ側に信号電荷が漏れ込むと、出力信号である撮像信号ＶｏｕｔのＰ相の電位が低下してしまい、Ｐ相とＤ相との電位差が低下してしまう。この結果、例えば高輝度被写体部分に輝度の低い領域が形成される、黒スミアといった不具合が生じることがある。ここで、出力信号についてのＰ相とは、処理信号のレベルがリセットレベルであるプリチャージ相であり、図４に示す撮像信号Ｖｏｕｔにおいて符号Ｐで示す領域の電位である。また、出力信号についてのＤ相とは、処理信号のレベルが信号レベルであるデータ相であり、図４に示す撮像信号Ｖｏｕｔにおいて符号Ｄで示す領域の電位である。
【００８２】
以上のように、ＬＨからＨＯＧの転送電界の確保と、ＦＤのＤレンジやＬＨ最大電荷量の確保とはトレードオフの関係にあり、両者の両立は非常に困難である。つまり、ゲート電圧φＨＯＧの電圧値について、ＬＨからＨＯＧの転送電界を十分に得ることができつつ、ＦＤのＤレンジやＬＨ最大電荷量を確保することができる電圧を規定することは困難である。
【００８３】
［固体撮像素子の駆動方法］
以上のような現象が生じることを防止するため、本実施形態の固体撮像素子２においては、以下に説明するような駆動方法を採る。本実施形態の固体撮像素子２では、水平転送部９により転送される信号電荷の量（以下「転送信号電荷量」という。）の多少に応じて、ＨＯＧ電極２４ａに、ゲート電圧φＨＯＧとして、比較的高い電圧値の高電圧φＨＯＧ１と、比較的低い電圧値の低電圧φＨＯＧ２とを切り替えて印加する。本実施形態では、高電圧φＨＯＧ１が、第１の電圧に相当し、低電圧φＨＯＧ２が、第１の電圧（高電圧φＨＯＧ１）よりも低い第２の電圧に相当する。
【００８４】
上述したように、電荷転送構造において生じる信号残しの現象は、低輝度の被写体が撮影されたとき（以下「低輝度時」という。）、つまり転送信号電荷量が比較的少ない場合に問題となりやすい。そして、信号残しを解消するためには、ＬＨからＨＯＧの転送電界を大きくするためにＨＯＧの電位はある程度深い方が好ましい。また、転送信号電荷量が少ない低輝度時では、ＦＤのＤレンジやＬＨ最大電荷量の不足は特に問題とならない。
【００８５】
一方、上述したような信号電荷の逆流現象を生じさせるＦＤのＤレンジの不足や、信号電荷のＦＤへの漏れ込みを生じさせるＬＨ最大電荷量の不足は、高輝度の被写体が撮影されたとき（以下「高輝度時」という。）、つまり転送信号電荷量が比較的多い場合に問題となりやすい。そして、ＦＤのＤレンジの不足やＬＨ最大電荷量の不足を解消するためには、ＨＯＧの電位をある程度浅くする必要がある。また、転送信号電荷量が多い高輝度時では、低輝度時と比べて信号残しの現象は問題となりにくい。
【００８６】
そこで、本実施形態の電荷転送構造２０においては、低輝度時のように転送信号電荷量が比較的少ない状態では、ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１を印加し、高輝度時のように転送信号電荷量が比較的多い状態では、ＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２を印加することで、転送信号電荷量の多少に応じて、ゲート電圧φＨＯＧを切り替える駆動方法が行われる。すなわち、本実施形態の固体撮像素子２では、電荷転送構造２０において、半導体基板４上に設けられたゲート電極であるＨＯＧ電極２４ａに、高電圧φＨＯＧ１と低電圧φＨＯＧ２とを切り替えて印加することで、出力ゲート部２４を駆動する駆動方法が行われる。
【００８７】
図９は、ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１が印加された状態を示し、図１０は、ＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２が印加された状態を示す。図９および図１０に示すように、本実施形態では、ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１が印加された状態でのＨＯＧの電位を電位Ｐ１とし、ＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２が印加された状態でのＨＯＧの電位を電位Ｐ２とする。そして、電位Ｐ１と電位Ｐ２との電位差をΔφｃ１とする（図９参照）。
【００８８】
図９に示すように、本実施形態の固体撮像素子２の駆動方法では、低輝度時のように転送信号電荷量が比較的少ない状態において、ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１が印加されることで、ＨＯＧの電位が比較的高い電位Ｐ１となる。このため、ＬＨからＨＯＧの転送電界が強化される（矢印Ｆ１参照）。ＬＨからＨＯＧの転送電界が強化されることで、上述したような信号残しの現象が防止される。
【００８９】
したがって、本実施形態の固体撮像素子２の駆動方法によれば、転送信号電荷量が比較的少ない状態において信号残しの現象が解消されることから、低輝度時等において感度比のバランスが崩れることなく、静止画低照度色つきの改善等、画質の向上を図ることができる。この点、ＩＳＯ感度が上昇傾向にある昨今において、従来問題視されなかった程度の量の信号残しに対しても有効である。
【００９０】
このようにＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１が印加される、転送信号電荷量が比較的少ない状態としては、例えば、固体撮像素子２の駆動モードが静止画モードの状態がある。ここで、静止画モードとは、固体撮像素子２が有する画素７について全画素の信号を独立に読み出すモードである。この静止画モードに対し、固体撮像素子２の駆動モードには、画素７の信号をあらかじめ決められた画素間で加算して読み出す動画モードがある。
【００９１】
静止画モードでは、画素が加算されないため動画モードに対して転送信号電荷量が比較的少なく、動画モードでは、画素の加算が行われることから静止画モードに対して転送信号電荷量が比較的多い。したがって、図９に示すようにＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１を印加する状態は、固体撮像素子２の駆動モードが静止画モードの状態で好適に用いられる。
【００９２】
一方、図１０に示すように、本実施形態の固体撮像素子２の駆動方法では、高輝度時のように転送信号電荷量が比較的多い状態において、ＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２が印加されることで、ＨＯＧの電位が比較的低い電位Ｐ２となる。このため、ＦＤのＤレンジを十分に確保することができ（信号電荷ｅ１３参照）、また、ＬＨ最大電荷量を十分に確保することができる（信号電荷ｅ１４参照）。したがって、上述したようなＦＤのＤレンジが不足することによる信号電荷の逆流現象や、ＬＨ最大電荷量が不足することによる信号電荷のＦＤへの漏れ込み現象が防止される。
【００９３】
したがって、本実施形態の固体撮像素子２の駆動方法によれば、転送信号電荷量が比較的多い状態において信号電荷の逆流現象や信号電荷のＦＤへの漏れ込み現象が解消されることから、高輝度時等において信号電荷の逆流にともなう画質の低下を抑制することができ、また、信号電荷のＦＤへの漏れ込みに起因する黒スミアを抑制することができる。
【００９４】
このようにＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２が印加される、転送信号電荷量が比較的多い状態としては、例えば、固体撮像素子２の駆動モードが動画モードの状態がある。したがって、図１０に示すようにＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２を印加する状態は、固体撮像素子２の駆動モードが動画モードの状態で好適に用いられる。
【００９５】
このような固体撮像素子２の駆動方法において、ＨＯＧの電位Ｐ１、Ｐ２、およびこれらの電位差Δφｃ１を規定する高電圧φＨＯＧ１および低電圧φＨＯＧ２のそれぞれの電圧値の大きさは、電荷転送構造２０の各部の構造や固体撮像素子２の各駆動モードにおける転送信号電荷量等に応じて適宜設定される。例えば、高電圧φＨＯＧ１の電圧値については、信号残しを解消する観点から、電荷転送構造２０の動作に影響しない程度に高い値に設定され、低電圧φＨＯＧ２の電圧値については、ＦＤのＤレンジの不足に起因する信号電荷の逆流や、ＬＨ最大電荷量の不足に起因する信号電荷のＦＤへの漏れ込みが生じないように、電荷転送構造２０の動作に影響しない程度に低い値に設定される。
【００９６】
以上のような固体撮像素子２の駆動方法を行うため、本実施形態の固体撮像素子２は、ゲート電圧印加部３０を備える。つまり、ゲート電圧印加部３０は、転送信号電荷量の多少に応じて、ＨＯＧ電極２４ａに、高電圧φＨＯＧ１と低電圧φＨＯＧ２とを切り替えて印加する。
【００９７】
そして、本実施形態の固体撮像素子２においては、ゲート電圧印加部３０は、静止画モードでは、ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１を印加し、動画モードでは、ＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２を印加することが好ましい。ここで、ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１が印加される静止画モードが、第１の駆動モードに相当し、ＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２が印加される動画モードが、第１の駆動モードよりも転送信号電荷量が多い第２の駆動モードに相当する。
【００９８】
このように、本実施形態の固体撮像素子２は、その好ましい態様として、固体撮像素子２の駆動モードの切替えに対応させて、ＨＯＧ電極２４ａに印加するゲート電圧φＨＯＧを切り替える構成を採用する。これは、固体撮像素子２の駆動モードにより、電荷転送構造２０における転送信号電荷量が異なることに着目したものである。
【００９９】
このように固体撮像素子２の駆動モードによってＨＯＧ電極２４ａに印加するゲート電圧φＨＯＧを切り替える構成を採用することで、各駆動モードの最大の転送信号電荷量に応じてゲート電圧φＨＯＧが調整されることになるので、転送信号電荷量の多少が切り替わる各駆動モードにおいて生じる好ましくない現象を効果的に抑制することができる。すなわち、転送信号電荷量が少ない静止画モードでは、信号残しの現象が抑制され、転送信号電荷量が多い動画モードでは、信号電荷の逆流現象や信号電荷のＦＤへの漏れ込み現象が抑制される。
【０１００】
以上のような本実施形態の固体撮像素子２およびその駆動方法によれば、従来技術のようにＨＯＧの電極を分割したりする必要がないため電極構造を変えることなく、多量の信号電荷が転送される駆動モードにおいても出力部１１で取り扱うことができる最大の信号電荷量、つまりＦＤのＤレンジやＬＨ最大電荷量について不足が生じないように取り扱い電荷量を確保することができるとともに、低輝度撮影時に生じやすい信号残しによる感度比のずれを抑制することができる。以下、固体撮像素子２が備える電荷転送構造２０の構成および駆動制御について、より具体的に説明する。
【０１０１】
［ゲート電圧印加部の回路構成］
本実施形態の固体撮像素子２が備えるゲート電圧印加部３０は、ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１と低電圧φＨＯＧ２とを切り替えて印加する回路構成である。図１１に、ゲート電圧印加部３０を構成する回路構成の一例である切替え回路３１を示す。
【０１０２】
図１１に示すように、切替え回路３１は、抵抗分割により、固定電圧としての高電圧φＨＯＧ１と低電圧φＨＯＧ２とを発生させる。切替え回路３１は、電源３２の電源ライン３３と、接地レベルの接地ライン３４との間に直列に接続された電流源３５、および抵抗３６を有する。また、切替え回路３１は、電源ライン３３と接地ライン３４との間に直列に接続された第１可変抵抗３７、ＭＯＳトランジスタ３８、第２可変抵抗３９、および第３可変抵抗４０を有する。切替え回路３１においては、電流源３５の出力がＭＯＳトランジスタ３８のゲート入力となる。
【０１０３】
切替え回路３１においては、電流源３５および抵抗３６により、ＭＯＳトランジスタ３８のゲート電圧が調節される。電流源３５は、ＭＯＳトランジスタ３８の飽和領域を使用して作成される。このため、電源３２の電圧の変動に対して、電流量の変化が非常に小さくなる。電流源３５の電流量は、電源３２の電圧の変動（例えば数％の変動）によらずほぼ一定である。このため、抵抗３６によって、ＭＯＳトランジスタ３８のゲート電圧がほぼ決まることになる。
【０１０４】
また、切替え回路３１は、接地レベル側の２つの可変抵抗である第２可変抵抗３９と第３可変抵抗４０との間のノード４１と、接地ライン３４との間に、第３可変抵抗４０と並列に、かつ、互いに直列に接続されるＭＯＳトランジスタ４２、および第４可変抵抗４３を有する。ＭＯＳトランジスタ４２のドレインがノード４１に接続され、ＭＯＳトランジスタ４２のソースが第４可変抵抗４３の一端側に接続される。
【０１０５】
また、切替え回路３１においては、第２可変抵抗３９の一端側がＭＯＳトランジスタ３８のソースに接続され、第２可変抵抗３９の他端側がノード４１に接続される。また、第３可変抵抗４０の一端側がノード４１に接続され、第３可変抵抗４０の他端側が接地ライン３４に接続される。
【０１０６】
そして、切替え回路３１において、第２可変抵抗３９と第３可変抵抗４０との間のノード４１に、ＨＯＧ電極２４ａが接続される。つまり、ＨＯＧ電極２４ａは、第２可変抵抗３９の他端側と第３可変抵抗４０の一端側とが接続されるノード４１に接続される。
【０１０７】
このような構成を有する切替え回路３１において、スイッチとして機能するＭＯＳトランジスタ４２がオフの状態では、電源３２の電圧が、第１可変抵抗３７、第２可変抵抗３９、および第３可変抵抗４０の３つの可変抵抗によって分圧され、ゲート電圧φＨＯＧとしてＨＯＧ電極２４ａに印加される。一方、ＭＯＳトランジスタ４２がオンの状態では、電源３２の電圧が、第１可変抵抗３７と、第２可変抵抗３９と、互いに並列に接続された第３可変抵抗４０および第４可変抵抗４３とによって分圧され、ゲート電圧φＨＯＧとしてＨＯＧ電極２４ａに印加される。
【０１０８】
このようなＭＯＳトランジスタ４２のオン・オフの切替えにおいては、ＭＯＳトランジスタ４２がオンになることで第３可変抵抗４０に対して第４可変抵抗４３が並列に接続されることから、ＨＯＧ電極２４ａに印加されるゲート電圧φＨＯＧの電圧値は、ＭＯＳトランジスタ４２がオフの状態の方がオンの状態よりも大きくなる。したがって、ＭＯＳトランジスタ４２がオフの状態でＨＯＧ電極２４ａに印加されるゲート電圧φＨＯＧが高電圧φＨＯＧ１となり、ＭＯＳトランジスタ４２がオンの状態でＨＯＧ電極２４ａに印加されるゲート電圧φＨＯＧが低電圧φＨＯＧ２となる。
【０１０９】
ＭＯＳトランジスタ４２のオン・オフは、ＭＯＳトランジスタ４２のゲート端子４４に入力される入力電圧の変動により切り替えられる。したがって、上述したような固体撮像素子２の駆動方法を行うため、ＭＯＳトランジスタ４２の動作は、次のように制御される。
【０１１０】
ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１を印加する状態、つまり低輝度時のように転送信号電荷量が比較的少ない状態では、ＭＯＳトランジスタ４２はオフの状態とされる。すなわち、ＭＯＳトランジスタ４２のゲート端子４４に、ＭＯＳトランジスタ４２の閾値電圧よりも低い入力電圧が入力される。一方、ＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２を印加する状態、つまり高輝度時のように転送信号電荷量が比較的多い状態では、ＭＯＳトランジスタ４２はオンの状態とされる。すなわち、ＭＯＳトランジスタ４２のゲート端子４４に、ＭＯＳトランジスタ４２の閾値電圧よりも高い入力電圧が入力される。
【０１１１】
切替え回路３１における電源３２の電圧の値や各可変抵抗の抵抗値等は、上述したように電荷転送構造２０の各部の構造や各駆動モードにおける転送信号電荷量等に応じて設定される高電圧φＨＯＧ１および低電圧φＨＯＧ２の電圧値によって規定される。
【０１１２】
本実施形態の切替え回路３１は、ＨＯＧ電極２４ａに所定のゲート電圧φＨＯＧ（切り替わらないゲート電圧φＨＯＧ）を印加するための構成、つまり図１１において破線枠ｓ１内のＭＯＳトランジスタ４２および第４可変抵抗４３を除く構成に、破線枠ｓ１内のＭＯＳトランジスタ４２および第４可変抵抗４３を追加することで、実現することができる。すなわち、切替え回路３１は、ＨＯＧ電極２４ａに所定のゲート電圧φＨＯＧを印加するための構成に、破線枠ｓ１内のＭＯＳトランジスタ４２および第４可変抵抗４３を加えた構成といえる。
【０１１３】
したがって、例えば、切替え回路３１において破線枠ｓ１内の構成を除く構成が、ＨＯＧ電極に所定のゲート電圧φＨＯＧを印加するための既存の構成として採用されていた場合、その既存の構成に対して、破線枠ｓ１内のＭＯＳトランジスタ４２および第４可変抵抗４３を追加することで、切替え回路３１を容易に実現することができる。このように、本実施形態の切替え回路３１は、従来技術のようにＨＯＧ電極を分割する等、電極構造を変えることなく、既存の構成を利用して内部的に容易に実施することができる。
【０１１４】
なお、ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１と低電圧φＨＯＧ２とを切り替えて印加するゲート電圧印加部３０としては、図１１に示す切替え回路３１から、電流源３５、抵抗３６、およびＭＯＳトランジスタ３８を省略した構成であってもよい。この場合、ゲート電圧印加部３０としての回路構成は、例えば、電源ラインと接地ラインとの間に直列に接続される複数の抵抗により電源電圧を抵抗分割して固定電圧を生成する構成と、この構成におけるいずれかの抵抗に対して並列に接続される、図１１の破線枠ｓ１内の構成のようなＭＯＳトランジスタおよび抵抗とによって構成される。ただし、ゲート電圧φＨＯＧとして、電源電圧の変動に対してもある程度安定した電圧を発生させる観点からは、図１１に示す切替え回路３１のように、電流源３５、抵抗３６、およびＭＯＳトランジスタ３８を有する構成の方が好ましい。
【０１１５】
切替え回路３１においては、ＭＯＳトランジスタ４２のオン・オフを切り替えるためにゲート端子４４に入力される入力電圧として、上述したように基板電圧発生回路１６（図１参照）により生成され固体撮像素子２の半導体基板４に印加される基板電圧Ｖｓｕｂが好適に用いられる。これは、基板電圧Ｖｓｕｂが、固体撮像素子２の駆動モードに応じて切り替えられることに基づく。
【０１１６】
本実施形態の固体撮像装置１においては、基板電圧Ｖｓｕｂは、固体撮像素子２の駆動モードに応じて切り替えられる。具体的には次のとおりである。上述したように、基板電圧Ｖｓｕｂの電圧値が高いと、センサ部６の飽和信号電荷量が減少し、逆に、基板電圧Ｖｓｕｂの電圧値が低いと、センサ部６の飽和信号電荷量が増加する。また、固体撮像素子２は、その駆動モードとして、静止画モードと動画モードとを有し、複数の画素が加算されて読み出される動画モードでは、全画素の信号が独立に読み出される静止画モードよりも１画素あたりの飽和信号電荷量が少なくなるように、基板電圧Ｖｓｕｂが制御される。したがって、固体撮像装置１において、基板電圧Ｖｓｕｂは、静止画モードでの低い電圧値と、動画モードでの高い電圧値とで切り替えられる。
【０１１７】
図１２は、固体撮像装置１の駆動動作に係るタイミングチャートの一例を示す。動画モードの期間では、連続的な撮像によるいわゆるプレビュー動作が行われる。静止画露光期間は、ユーザの撮像機器に対する操作等による撮像指示に応じて静止画を撮像するための露光が行われる期間である。静止画読み出し期間は、静止画露光期間において各画素７に蓄積された信号電荷が順次読み出され電気信号に変換される期間である。静止画露光期間および静止画読み出し期間が、静止画モードの期間である。
【０１１８】
図１２に示すように、基板電圧Ｖｓｕｂは、動画モードにおいて比較的高い電圧値（ハイレベル）をとり、静止画モードにおいて比較的低い電圧値（ロウレベル）に切り替えられる。例えば、動画モードでの基板電圧Ｖｓｕｂは１０Ｖ程度であり、静止画モードでの基板電圧は６Ｖ程度である。このような基板電圧Ｖｓｕｂの切替えにより、１画素あたりの飽和信号電荷量が駆動モードに応じて調整される。
【０１１９】
動画モードから静止画モードへの切替えは、メカニカルシャッタが開いた状態（ＯＰＥＮの状態）において外部から与えられるトリガ信号に同期して行われる。メカニカルシャッタは、固体撮像装置１を備える撮像機器に設けられる構成であり、機械的な開閉動作によって固体撮像素子２への入射光を制御する。
【０１２０】
メカニカルシャッタの動作は、撮像機器に備えられる制御部によって制御される。メカニカルシャッタは、動画モードの期間および静止画モードの静止画露光期間においては開状態とされ、静止画モードの静止画読み出し期間においては閉状態とされる。これにより、動画モードの期間および静止画露光期間では画素７への光の入射が許容され、静止画読み出し期間では画素７への光の入射が妨げられる。
【０１２１】
また、図１２には、制御電圧発生回路１５（図１参照）により生成される制御電圧Ｖｃｔｌの変化を示す。制御電圧Ｖｃｔｌは、上記のとおり固体撮像素子２の各部の動作を制御するための電圧であり、基板電圧Ｖｓｕｂを生成するためにも用いられる。図１２に示すように、制御電圧Ｖｃｔｌは、基板電圧Ｖｓｕｂと同様に、固体撮像素子２の駆動モードに応じて変化する。すなわち、制御電圧Ｖｃｔｌは、動画モードでの比較的高い電圧値（ハイレベル）と、静止画モードでの比較的低い電圧値（ロウレベル）とで切り替わるように制御される。
【０１２２】
以上のように固体撮像素子２の駆動モードに応じて切り替えられる基板電圧Ｖｓｕｂが、切替え回路３１に対して、ＭＯＳトランジスタ４２のオン・オフを切り替えるための入力電圧としてゲート端子４４に入力される。すなわち、基板電圧Ｖｓｕｂがロウレベルとなる静止画モードでは、ＭＯＳトランジスタ４２がオフとなり、ＨＯＧ電極２４ａにはゲート電圧φＨＯＧとして高電圧φＨＯＧ１が印加される。また、基板電圧Ｖｓｕｂがハイレベルになる動画モードでは、ＭＯＳトランジスタ４２がオンとなり、ＨＯＧ電極２４ａにはゲート電圧φＨＯＧとして低電圧φＨＯＧ２が印加される。
【０１２３】
このように、本実施形態の固体撮像素子２の駆動方法は、半導体基板４に印加され、静止画モードと動画モードとで切り替わる基板電圧Ｖｓｕｂを用い、静止画モードでは、ＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１を印加し、動画モードでは、ＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２を印加する。つまり、上記のとおりＨＯＧ電極２４ａに対して静止画モードでは高電圧φＨＯＧ１を印加し動画モードでは低電圧φＨＯＧ２を印加するゲート電圧印加部３０は、半導体基板４に印加される基板電圧Ｖｓｕｂの入力を受け、この基板電圧Ｖｓｕｂが切り替わることにともなって、高電圧φＨＯＧ１と低電圧φＨＯＧ２とを切り替えることが好ましい。
【０１２４】
このように、本実施形態の固体撮像素子２は、基板電圧Ｖｓｕｂの電圧値が駆動モード（静止画モード、動画モード）毎に異なることを利用し、ゲート電圧φＨＯＧを駆動モード毎に切り替えて調節する。つまり、固体撮像素子２は、切替え回路３１により、駆動モード毎に発生電圧を切替える内部回路の機構と、ＨＯＧ電極２４ａとを組み合わせることで、基板電圧Ｖｓｕｂを生成する基板電圧発生回路１６と連動して、駆動モード毎にゲート電圧φＨＯＧを調節する。
【０１２５】
このような構成を採用することにより、基板電圧Ｖｓｕｂを利用し、静止画モードではゲート電圧φＨＯＧを高くし（ポテンシャルを深くし）、動画モード時にはゲート電圧φＨＯＧを低くするというゲート電圧φＨＯＧの切替え制御を容易に実現することができる。このように駆動モード毎にゲート電圧φＨＯＧを切り替えることで、静止画モード時の転送の改善を行いながら動画モード時のＤレンジおよびＬＨ最大電荷量を確保することと、そのゲート電圧φＨＯＧの切替えを内部的に容易に実施することが可能となる。
【０１２６】
補足すると、信号残しによる感度比ずれが問題となるのは、最大取り扱い電荷量が動画モードに比べて小さい低照度時の静止画モードである。動画モードでは通常、画素加算が行われ、複数画素が加算された信号電荷が転送されるため、低輝度の被写体を撮影しても、静止画モードに比べて信号残しは問題とならない。
【０１２７】
一方、Ｄレンジの不足が問題となるのは、ＦＤのＤレンジおよびＬＨ最大電荷量が最大となる画素加算モードである動画モードである。動画モードでは、画素の加算が実施されるほか、メカシャッタを使用しない（開状態である）ため、信号にスミア成分が乗り転送信号電荷量が非常に多くなる。静止画モードでは動画モード時ほどＤレンジが必要とされず、Ｄレンジを動画モード時に対して小さくすることが可能である。
【０１２８】
したがって、静止画モードおよび動画モードの各駆動モードで生じる現象に対応するには、静止画モード時では動画モード時よりもゲート電圧φＨＯＧを高くし、動画モード時ではゲート電圧φＨＯＧを低くする制御を実現すればよい。そこで、上述したような本実施形態の固体撮像素子２が備える切替え回路３１により、静止画モードではＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１を印加し、動画モードではＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２を印加する駆動制御が有効である。つまり、切替え回路３１によれば、固体撮像素子２の電荷転送構造２０のＤレンジを、各駆動モードに応じたＤレンジに、既存の回路を用いて容易に設定することができる。
【０１２９】
このようなゲート電圧φＨＯＧの制御において、ゲート電圧φＨＯＧを駆動モードに応じて切り替えるための信号として基板電圧Ｖｓｕｂを用いることで、既存の構成を有効に利用することができ、ゲート電圧φＨＯＧの駆動モード毎の切替えを容易に行うことができる。
【０１３０】
そして、高輝度時、高輝度被写体部分に輝度の低い領域が形成される不具合（黒スミア）が生じることを防止することができ、かつ、静止画モード時において、低輝度時の出力ゲート部２４における信号残しによる感度比のバランス崩れを改善することができる。
【０１３１】
また、ＨＯＧ電極２４ａに印加するゲート電圧φＨＯＧを駆動モードによって切り替えて印加することで、各駆動モードではゲート電圧φＨＯＧは一定の値をとることから、ノイズによってＦＤのポテンシャルが変動して出力信号波形が乱れるといった現象を回避することができる。
【０１３２】
すなわち、従来技術のようにＦＤに隣接するＨＯＧの電極に転送クロックを印加する技術によると、１回の信号電荷の転送動作中においてＦＤのポテンシャルが変動することから、ＨＯＧの電極に印加される転送クロックの振幅が大きくなると、ノイズによってＦＤのポテンシャルが変動し、出力信号波形が乱れてしまうという問題がある。この点、本技術のように、駆動モード毎にゲート電圧φＨＯＧを切り替えることで、上記のようなＦＤのポテンシャルの変動にともなう出力信号波形の乱れを解消することができる。
【０１３３】
また、切替え回路３１においてＭＯＳトランジスタ４２のオン・オフを切り替えるためにゲート端子４４に入力される入力電圧としては、基板電圧Ｖｓｕｂの代わりに、制御電圧発生回路１５により生成される制御電圧Ｖｃｔｌを用いることができる。制御電圧Ｖｃｔｌは、図１２に示すように、基板電圧Ｖｓｕｂと同様にして、固体撮像素子２の駆動モードに応じてハイレベルとロウレベルとが切り替わる。
【０１３４】
ゲート端子４４への入力電圧として制御電圧Ｖｃｔｌを用いる場合、例えば、図１に示すように、制御電圧発生回路１５において生成された制御電圧Ｖｃｔｌは、制御電圧入力端子１７を介して制御電圧発生回路１５に入力されるとともに、制御電圧入力端子１７を介して出力部１１に入力される。そして、出力部１１に設けられる切替え回路３１においてゲート端子４４に入力される。
【０１３５】
このように、切替え回路３１においてＭＯＳトランジスタ４２のオン・オフを切り替えるためのゲート端子４４への入力電圧として制御電圧Ｖｃｔｌを用いることによっても、入力電圧として基板電圧Ｖｓｕｂを用いる場合と同様の効果を得ることができる。なお、切替え回路３１においてＭＯＳトランジスタ４２のオン・オフを切り替えるためのゲート端子４４への入力電圧としては、基板電圧Ｖｓｕｂや制御電圧Ｖｃｔｌ以外の他の既存の内部回路により生成した電圧であったり、別途設けた専用の回路により生成した電圧などであったりしてもよい。
【０１３６】
（変形例）
本実施形態の固体撮像素子２が備えるゲート電圧印加部３０の変形例について、図１３を用いて説明する。図１３に示すように、ＨＯＧ電極２４ａに電圧を印加する構成としては、固定バイアス電圧を切り替える回路構成であってもよい。
【０１３７】
図１３に示すように、この変形例の切替え回路５１は、準備された２つの固定バイアス電圧である第１固定バイアス電圧および第２固定バイアス電圧を用いて、ゲート電圧φＨＯＧを印加する。切替え回路５１は、第１固定バイアス電圧が印加される第１入力端子５２と、第２固定バイアス電圧が印加される第２入力端子５３と、切替えスイッチ５４とを有する。
【０１３８】
第１入力端子５２に印加される第１固定バイアス電圧は、ゲート電圧φＨＯＧとして高電圧φＨＯＧ１を印加するために用いられる。第２入力端子５３に入力される第２固定バイアス電圧は、ゲート電圧φＨＯＧとして低電圧φＨＯＧ２を印加するために用いられる。
【０１３９】
切替えスイッチ５４は、ＨＯＧ電極２４ａに接続されるノード５５の第１入力端子５２に対する接続と、同じくノード５５の第２入力端子５３に対する接続とを切り替えるスイッチング機能を有する。このため、切替えスイッチ５４は、ノード５５を、第１入力端子５２または第２入力端子５３のいずれかに選択的に接続させる。
【０１４０】
このような構成の切替え回路５１において、切替えスイッチ５４の動作によってノード５５に接続される固定バイアスが第１固定バイアス電圧（第１入力端子５２）と第２固定バイアス電圧（第２入力端子５３）とで切り替えられることで、ＨＯＧ電極２４ａに印加されるゲート電圧φＨＯＧの電圧値が切り替えられる。すなわち、図１３に示す回路構成においては、ノード５５が第１入力端子５２に接続された状態では、第１固定バイアス電圧により、ゲート電圧φＨＯＧとしてＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１が印加され、ノード５５が第２入力端子５３に接続された状態（切替えスイッチ５４において二点鎖線参照）では、第２固定バイアス電圧により、ゲート電圧φＨＯＧとしてＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２が印加される。
【０１４１】
このような変形例の切替え回路５１によれば、第１固定バイアス電圧および第２固定バイアス電圧の電圧値によって、ゲート電圧φＨＯＧとしてＨＯＧ電極２４ａに印加される高電圧φＨＯＧ１および低電圧φＨＯＧ２の各電圧値が調整される。
【０１４２】
そして、切替えスイッチ５４の動作を、固体撮像素子２の駆動モードによって第１入力端子５２に対する接続と第２入力端子５３に対する接続とを切り替えるように制御することで、上述したように静止画モードではＨＯＧ電極２４ａに高電圧φＨＯＧ１を印加し、動画モードではＨＯＧ電極２４ａに低電圧φＨＯＧ２を印加する構成を実現することが可能となり、同様の効果を得ることができる。なお、切替え回路５１において第１入力端子５２および第２入力端子５３にそれぞれ印加される第１固定バイアス電圧および第２固定バイアス電圧としては、固体撮像素子２の外部から入力される固定電圧が用いられたり、固体撮像素子２が有する所定の回路構成において生成される固定電圧がそのままあるいは適宜調整されることで用いられたりする。
【０１４３】
［電子機器の構成例］
上述した実施形態に係る固体撮像素子は、例えば、いわゆるデジタルカメラと称されるデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、撮像機能を有する携帯電話器その他の機器等、各種の電子機器に適用される。以下では、上述した実施形態に係る固体撮像素子を備える電子機器の一例であるビデオカメラ１００について、図１４を用いて説明する。
【０１４４】
ビデオカメラ１００は、静止画像または動画の撮影を行うものである。ビデオカメラ１００は、上述した実施形態の固体撮像素子２に相当する固体撮像素子１０１と、光学系１０２と、システムコントローラ１０３と、入力部１０４と、信号処理回路１０５とを有する。また、ビデオカメラ１００は、光学系１０２の機構を駆動するためのドライバ１０６と、固体撮像素子１０１を駆動するためのタイミングジェネレータ（ＴＧ）１０７とを有する。
【０１４５】
光学系１０２は、例えば一または複数の光学レンズ１０８を有する光学レンズ系として構成されるものであり、固体撮像素子１０１のセンサ部６に入射光を導く。光学系１０２は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像素子１０１の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像素子１０１内に、一定期間信号電荷が蓄積される。光学系１０２は、固体撮像素子１０１への光照射期間および遮光期間を制御するためのメカニカルシャッタであるシャッタ装置１０９を有する。また、光学系１０２は、光学レンズ１０８を移動させてフォーカス合わせやズーミングを行うための駆動機構や絞り等を有する。ドライバ１０６は、システムコントローラ１０３からの制御信号に応じて、光学系１０２内の機構の駆動を制御する。
【０１４６】
タイミングジェネレータ１０７は、固体撮像素子１０１を駆動するための駆動信号（タイミング信号）を生成する駆動回路として機能する。タイミングジェネレータ１０７は、システムコントローラ１０３の制御の下で、固体撮像素子１０１を所定のタイミングで駆動するための駆動信号（タイミング信号）を生成し、固体撮像素子１０１に供給する。
【０１４７】
タイミングジェネレータ１０７から固体撮像素子１０１に供給される駆動信号により、固体撮像素子１０１の信号電極の転送動作等が制御される。つまり、固体撮像素子１０１は、タイミングジェネレータ１０７から供給される駆動信号に基づいて駆動し、入射光の電気信号への変換や信号電荷の転送動作等を行う。タイミングジェネレータ１０７は、固体撮像素子１０１を駆動するための駆動信号として各種のパルス信号を生成する機能と、生成したパルス信号を、固体撮像素子１０１を駆動するためのドライブパルスに変換するドライバとしての機能とを有する。
【０１４８】
システムコントローラ１０３は、ビデオカメラ１００の各部を統括的に制御し、その制御のための各種演算を実行する。システムコントローラ１０３は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やメモリや入出力インターフェイス等がバスライン等によって互いに接続された構成を備える。入力部１０４は、ユーザの操作入力を受け付ける操作キーやダイアル等の各種操作部を含み、操作入力に応じた制御信号をシステムコントローラ１０３に出力する。
【０１４９】
信号処理回路１０５は、各種の信号処理を行う機能を有し、固体撮像素子１０１の出力信号を処理する。信号処理回路１０５により実行される信号処理には、例えば固体撮像素子１０１から出力されるデジタル信号に対するＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）処理やＡＥ（Ａｕｔｏ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）処理等の各種カメラ信号処理が含まれる。信号処理回路１０５は、入力された信号を処理することで、映像信号を出力する。信号処理回路１０５から出力された映像信号は、メモリ等の記憶媒体に記憶されたり、液晶表示装置等のモニタに出力されたりする。
【０１５０】
なお、本実施形態のビデオカメラ１００は、固体撮像素子１０１と、光学系１０２と、システムコントローラ１０３と、入力部１０４と、信号処理回路１０５と、ドライバ１０６と、タイミングジェネレータ１０７とがモジュール化されたカメラモジュールあるいは撮像機能モジュールの形態も含む。
【０１５１】
以上のような構成を備える本実施形態の固体撮像素子１０１を有するビデオカメラ１００によれば、固体撮像素子１０１が有する電荷転送構造において、電極構造を変えることなく、多量の信号電荷が転送される駆動モードにおいても出力部１１で取り扱うことができる最大の信号電荷量について不足が生じないように取り扱い電荷量を確保することができるとともに、低輝度撮影時に生じやすい信号残しによる感度比のずれを抑制することができる。
【０１５２】
以上説明した本技術の実施の形態においては、本技術に係る固体撮像素子がＣＣＤ型のエリアセンサとして適用される例について説明したが、本技術に係る固体撮像素子は、ＣＣＤ型のエリアセンサのほか、ＣＣＤリニアセンサやＣＣＤ遅延素子等としても適用可能である。そして、本技術は、動画静止画切替機能を有する微細セルＣＣＤにおいて、静止画の低照度画質性能と動画Ｄレンジを両立することができる有効な技術であり、既存ＣＣＤの構造を有効に用い、コストアップなしに実現可能な技術である。
【０１５３】
なお、本技術は、以下のような構成を取ることができる。
（１）半導体基板に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、前記半導体基板上に設けられた転送電極を有し、該転送電極に駆動電圧の印加を受けることで前記受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部と、前記半導体基板上にて前記電荷転送部の最終段の前記転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を前記電荷検出部に転送させる出力ゲート部と、前記電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、前記ゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部と、を備える、固体撮像素子。
（２）前記ゲート電圧印加部は、第１の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第１の電圧を印加し、前記第１の駆動モードよりも前記電荷転送部により転送される信号電荷の量が多い第２の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第２の電圧を印加する、前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）前記ゲート電圧印加部は、前記半導体基板に印加される基板電圧の入力を受け、該基板電圧が切り替わることにともなって、前記第１の電圧と前記第２の電圧とを切り替える、前記（１）または前記（２）に記載の固体撮像素子。
（４）半導体基板上に設けられ、該半導体基板内の信号電荷を転送する電荷転送部の最終段の転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加することで、前記ゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を電荷検出部に転送させる出力ゲート部を駆動する、固体撮像素子の駆動方法。
（５）前記半導体基板に印加され、第１の駆動モードと該第１の駆動モードよりも前記電荷転送部に転送される信号電荷の量が多い第２の駆動モードとで切り替わる基板電圧を用い、第１の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第１の電圧を印加し、前記第２の駆動モードでは、前記ゲート電極に前記第２の電圧を印加する、前記（４）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（６）固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動部と、を含み、前記固体撮像素子は、半導体基板に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、前記半導体基板上に設けられた転送電極を有し、該転送電極に駆動電圧の印加を受けることで前記受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部と、前記半導体基板上にて前記電荷転送部の最終段の前記転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を前記電荷検出部に転送させる出力ゲート部と、前記電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、前記ゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部と、を備える、固体撮像装置。
（７）固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路と、前記固体撮像素子の出力信号を処理する信号処理回路と、を含み、前記固体撮像素子は、半導体基板に設けられ、光電変換により信号電荷を生成する複数の受光部と、前記半導体基板上に設けられた転送電極を有し、該転送電極に駆動電圧の印加を受けることで前記受光部により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部により転送された信号電荷を検出する電荷検出部と、前記半導体基板上にて前記電荷転送部の最終段の前記転送電極に隣り合う位置に設けられたゲート電極を有し、前記最終段に転送された信号電荷を前記電荷検出部に転送させる出力ゲート部と、前記電荷転送部により転送される信号電荷の量の多少に応じて、前記ゲート電極に、第１の電圧と該第１の電圧よりも低い第２の電圧とを切り替えて印加するゲート電圧印加部と、を備える、電子機器。
【符号の説明】
【０１５４】
１      固体撮像装置
２      固体撮像素子
３      タイミングジェネレータ（駆動部）
４      半導体基板
５      画素部
６      センサ部（受光部）
８      垂直転送部
９      水平転送部（電荷転送部）
１１    出力部（電荷検出部）
２０    電荷転送構造
２４    出力ゲート部
２４ａ  ＨＯＧ電極（ゲート電極）
３０    ゲート電圧印加部
３１    切替え回路
１００  ビデオカメラ（電子機器）
１０１  固体撮像素子
１０２  光学系
１０５  信号処理回路
１０７  タイミングジェネレータ（駆動回路）
Ｈ１    電極（転送電極）
Ｈ２    電極（転送電極）
【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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【図７】
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【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】
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【図１４】
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