(57)【要約】【課題】高輝度被写体が撮影された場合等、水平転送部における取り扱い電荷量の不足や信号電荷の転送不良等により水平転送部で生じた余剰電荷を完全に排出させ、余剰電荷がＯＢ部からの信号電荷に混入することで生じる画像不良を解消する。【解決手段】複数のセンサ部と、複数の垂直転送部と、水平転送部と、出力部と、水平転送部から排出される信号電荷を受けるドレイン部と、水平転送部とドレイン部との間に設けられるリセットゲート部とを備え、複数のセンサ部は、有効画素部に配置される第１のセンサ部と、光学的黒部に配置される第２のセンサ部とを含み、リセットゲート部は、水平転送部による出力部への信号電荷の転送が完了した後、垂直転送部から水平転送部へ信号電荷が転送されるまでの間に、信号電荷の排出を行うための駆動電圧の印加を受ける。【選択図】図１
2013042286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の画素領域にて行列状に配列され、入射光を光電変換して得た信号電荷を生成する複数のセンサ部と、
前記複数のセンサ部の配列における列毎に設けられ、前記複数のセンサ部の各センサ部により生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の垂直転送部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と、
前記水平転送部から転送された信号電荷を出力する出力部と、
前記水平転送部に対して前記複数の垂直転送部が設けられる側と反対側に設けられ、前記水平転送部から排出される信号電荷を受けるドレイン部と、
前記水平転送部と前記ドレイン部との間に設けられ、駆動電圧の印加を受けることで、前記水平転送部から前記ドレイン部への信号電荷の排出を行うリセットゲート部と、を備え、
前記複数のセンサ部は、前記画素領域のうち、信号電荷を有効な画素信号として出力する有効画素部に配置される第１のセンサ部と、前記画素領域のうち、前記有効画素部に対して前記水平転送部による信号電荷の転送方向の前側に設けられ、黒レベルの基準となる信号を出力する光学的黒部に配置される第２のセンサ部と、を含み、
前記リセットゲート部は、前記水平転送部による前記出力部への信号電荷の転送が完了した後、前記垂直転送部から前記水平転送部へ信号電荷が転送されるまでの間に、前記信号電荷の排出を行うための駆動電圧の印加を受ける、
固体撮像素子。
【請求項２】
前記信号電荷の排出を行うための駆動電圧は、前記複数の垂直転送部に印加される駆動電圧である、
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
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、を有し、
前記固体撮像素子は、
半導体基板上の画素領域にて行列状に配列され、入射光を光電変換して得た信号電荷を生成する複数のセンサ部と、
前記複数のセンサ部の配列における列毎に設けられ、前記複数のセンサ部の各センサ部により生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の垂直転送部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と、
前記水平転送部から転送された信号電荷を出力する出力部と、
前記水平転送部に対して前記複数の垂直転送部が設けられる側と反対側に設けられ、前記水平転送部から排出される信号電荷を受けるドレイン部と、
前記水平転送部と前記ドレイン部との間に設けられ、駆動電圧の印加を受けることで、前記水平転送部から前記ドレイン部への信号電荷の排出を行うリセットゲート部と、を備え、
前記複数のセンサ部は、前記画素領域のうち、信号電荷を有効な画素信号として出力する有効画素部に配置される第１のセンサ部と、前記画素領域のうち、前記有効画素部に対して前記水平転送部による信号電荷の転送方向の前側に設けられ、黒レベルの基準となる信号を出力する光学的黒部に配置される第２のセンサ部と、を含み、
前記リセットゲート部は、前記水平転送部による前記出力部への信号電荷の転送が完了した後、前記垂直転送部から前記水平転送部へ信号電荷が転送されるまでの間に、前記信号電荷の排出を行うための駆動電圧の印加を受ける、
固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像素子および固体撮像装置に関する。詳しくは、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子およびそれを備えた固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型の固体撮像素子は、半導体基板上の画素領域にて２次元行列状に配置されて画素を構成する複数のセンサ部と、各センサ部において光電変換により生成された信号電荷を転送する電荷転送部（転送レジスタ）とを備える。電荷転送部としては、一般に、各センサ部において生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部としての垂直転送レジスタと、垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部としての水平転送レジスタとが備えられる。垂直転送レジスタおよび水平転送レジスタにより転送された信号電荷は、水平転送レジスタの終端側に設けられる出力部から出力される。出力部では、転送された信号電荷が、電気信号に変換されて出力される。
【０００３】
また、固体撮像素子の画素領域においては、信号電荷を有効な画素信号として出力する有効画素部に対して、黒レベルの基準となる信号を出力する光学的黒（オプティカルブラック）部（以下「ＯＢ部」という。）が設けられる。ＯＢ部に配置される画素は、遮光されており、この遮光された画素からの信号が、黒レベルの基準に用いられる。
【０００４】
このようにＯＢ部を備える構成においては、有効画素部で生成された有効な画素信号の出力、およびＯＢ部で生成された黒レベルの基準となる信号出力が、垂直方向に水平転送レジスタに転送され、水平転送レジスタによって出力部に向けて転送される。ＯＢ部は、例えば、有効画素部に対して、水平転送レジスタによる信号電荷の転送方向の後側（以下単に「後側」という。）に設けられる。このように有効画素部の後側に配置されるＯＢ部が用いられる場合、水平転送レジスタにおいては、有効画素部から転送された信号電荷の後側に、ＯＢ部から転送された信号電荷が存在する。
【０００５】
以上のような構成を備える固体撮像素子は、例えばデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像機器に適用されるが、こうした撮像機器において、例えば太陽等の高輝度被写体が撮影された場合、ＯＢ部からの出力信号により規定される黒レベルがずれて、画像不良が発生する場合がある。具体的には、次のとおりである。
【０００６】
上記のとおり垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタにおいては、高輝度被写体が撮影された場合、取り扱い電荷量の不足や、信号電荷の転送不良等により、信号電荷が後側にこぼれるという現象が生じる。ここで、取り扱い電荷量とは、転送レジスタが転送可能な最大の電荷量である。
【０００７】
このように水平転送レジスタにおいて後側にこぼれる信号電荷は、上記のとおり有効画素部の後側にＯＢ部が配置される構成において、有効画素部からの信号電荷の後側に存在するＯＢ部からの信号電荷に混入する。これにより、画像不良の原因となる黒レベルのずれが生じる。
【０００８】
このような水平転送レジスタにおける信号電荷の混入は、ＯＢ部を、有効画素部に対して、水平転送レジスタによる信号電荷の転送方向の前側（以下単に「前側」という。）に配置することで、軽減されると考えられる。つまり、ＯＢ部が有効画素部の前側に配置されることで、水平転送レジスタにおいては、有効画素部から転送された信号電荷の前側に、ＯＢ部から転送された信号電荷が存在することになり、後側にこぼれる信号電荷のＯＢ部から転送された信号電荷への影響が回避される。
【０００９】
しかし、ＯＢ部が有効画素部の前側に配置される構成においても、水平転送レジスタにおける信号電荷のこぼし量が多いと、水平転送レジスタによる水平転送が終了した後にも、水平転送レジスタ内に残存する信号電荷が生じる。つまり、水平転送レジスタにおいて、信号量が多く、水平転送中に後側への信号電荷のこぼしが生じると、水平転送レジスタの駆動タイミングとしては信号電荷の水平転送が終了した状態においても水平転送レジスタ内に存在する余剰電荷が生じる。こうした水平転送レジスタにおける余剰電荷は、画像不良を引き起こす黒レベルのずれを生じさせる。
【００１０】
このような余剰電荷に対する対策として、例えば特許文献１のように、水平転送レジスタの下側、つまり水平転送レジスタに対して垂直転送レジスタが接続される側と反対側に、ドレイン部を設ける技術を採用することが考えられる。特許文献１では、水平転送レジスタの下側において、オーバーフローバリア部を介してドレイン部が設けられ、このドレイン部に、不要な余剰電荷が排出される。
【００１１】
しかし、水平転送レジスタの下側にオーバーフローバリア部を介してドレイン部を設ける構成によれば、例えば固体撮像素子の駆動モードがモニタリングモードや動画モード等のように多画素加算を行うモードの場合、転送される信号電荷量が多くなるため、水平転送レジスタに存在する余剰電荷を完全に排出しきれないことが考えられる。このため、水平転送レジスタの下側にオーバーフローバリア部を介してドレイン部を設ける構成は、上述したような水平転送レジスタにおける信号電荷の混入により生じる画像不良には有効とは言えない。
【００１２】
また、特許文献２のように、オーバーフローバリア部の代わりにリセットゲート部（水平ドレインゲート）を設ける構造も存在する。この構造においては、リセットゲート部に所定のタイミングでパルスが供給されることで、リセットゲート部がゲートを開いて不要な信号電荷がドレイン部に排出される。
【００１３】
しかし、特許文献２の技術は、信号電荷の間引き読み出し等のための不要電荷の廃棄を目的とするものであり、リセットゲートにパルスを印加するタイミングの面等から、上述したような水平転送レジスタにおいて信号電荷が混入することによる画像不良を完全に解消することができない。また、特許文献２の技術では、リセットゲートに供給するパルス分、固体撮像素子における入力クロックが増加する。入力クロックが増加すると、消費電力の増加やチップサイズの拡大等が招来されコストの増加が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１０−５０９７５号公報
【特許文献２】特開２００３−８７６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本技術の目的は、高輝度被写体が撮影された場合等、水平転送部における取り扱い電荷量の不足や信号電荷の転送不良等により水平転送部で生じた余剰電荷を完全に排出することができ、余剰電荷がＯＢ部からの信号電荷に混入することで生じる画像不良を解消することができる固体撮像素子および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】
【００１６】
本技術に係る固体撮像素子は、半導体基板上の画素領域にて行列状に配列され、入射光を光電変換して得た信号電荷を生成する複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部の配列における列毎に設けられ、前記複数のセンサ部の各センサ部により生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部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と、前記水平転送部から転送された信号電荷を出力する出力部と、前記水平転送部に対して前記複数の垂直転送部が設けられる側と反対側に設けられ、前記水平転送部から排出される信号電荷を受けるドレイン部と、前記水平転送部と前記ドレイン部との間に設けられ、駆動電圧の印加を受けることで、前記水平転送部から前記ドレイン部への信号電荷の排出を行うリセットゲート部と、を備え、前記複数のセンサ部は、前記画素領域のうち、信号電荷を有効な画素信号として出力する有効画素部に配置される第１のセンサ部と、前記画素領域のうち、前記有効画素部に対して前記水平転送部による信号電荷の転送方向の前側に設けられ、黒レベルの基準となる信号を出力する光学的黒部に配置される第２のセンサ部と、を含み、前記リセットゲート部は、前記水平転送部による前記出力部への信号電荷の転送が完了した後、前記垂直転送部から前記水平転送部へ信号電荷が転送されるまでの間に、前記信号電荷の排出を行うための駆動電圧の印加を受けるものである。
【００１７】
本技術に係る固体撮像素子によれば、リセットゲート部が駆動電圧の印加により所定のタイミングでＯＮされることで、水平転送部内の余剰電荷のドレイン部への排出が行われることから、垂直転送部水平転送部に転送されてくる信号電荷に余剰電荷が混入することがない。
【００１８】
また、本技術に係る固体撮像素子においては、好ましくは、前記信号電荷の排出を行うための駆動電圧は、前記複数の垂直転送部に印加される駆動電圧である。
【００１９】
このような構成により、水平転送部をリセットするための駆動電圧と垂直転送部を駆動させるための駆動電圧が共用されるので、リセットゲート部用の駆動電圧の入力を追加する必要がなくなる。
【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、を有し、前記固体撮像素子は、半導体基板上の画素領域にて行列状に配列され、入射光を光電変換して得た信号電荷を生成する複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部の配列における列毎に設けられ、前記複数のセンサ部の各センサ部により生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部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と、前記水平転送部から転送された信号電荷を出力する出力部と、前記水平転送部に対して前記複数の垂直転送部が設けられる側と反対側に設けられ、前記水平転送部から排出される信号電荷を受けるドレイン部と、前記水平転送部と前記ドレイン部との間に設けられ、駆動電圧の印加を受けることで、前記水平転送部から前記ドレイン部への信号電荷の排出を行うリセットゲート部と、を備え、前記複数のセンサ部は、前記画素領域のうち、信号電荷を有効な画素信号として出力する有効画素部に配置される第１のセンサ部と、前記画素領域のうち、前記有効画素部に対して前記水平転送部による信号電荷の転送方向の前側に設けられ、黒レベルの基準となる信号を出力する光学的黒部に配置される第２のセンサ部と、を含み、前記リセットゲート部は、前記水平転送部による前記出力部への信号電荷の転送が完了した後、前記垂直転送部から前記水平転送部へ信号電荷が転送されるまでの間に、前記信号電荷の排出を行うための駆動電圧の印加を受けるものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高輝度被写体が撮影された場合等、水平転送部における取り扱い電荷量の不足や信号電荷の転送不良等により水平転送部で生じた余剰電荷を完全に排出することができ、余剰電荷がＯＢ部からの信号電荷に混入することで生じる画像不良を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子の構成を示す図。
【図２】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子の駆動動作の一例を示すタイミングチャートを示す図。
【図３】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子の駆動動作の一例についての説明図。
【図４】本技術の比較例の固体撮像素子の駆動動作の一例についての説明図。
【図５】本技術の一実施形態に係る固体撮像素子の変形例の構成を示す図。
【図６】本技術の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本技術は、有効画素部に対して水平転送部による信号電荷の転送方向の前側にＯＢ部を有する構成において、水平転送部にリセットゲートを介してドレイン部を設け、所定のタイミングでリセットゲートに駆動電圧を印加することにより、水平転送部に生じた余剰電荷を排出し、この余剰電荷により黒レベルの基準がずれることによる画像不良を解消しよ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。
【００２４】
［固体撮像素子の構成］
本技術の第１実施形態に係る固体撮像素子１の構成について、図１を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子１は、ＣＣＤ型の固体撮像素子であり、半導体基板上に構成される矩形状の撮像領域である画素領域２を有する。固体撮像素子１は、画素領域２に、複数のセンサ部３を備える。複数のセンサ部３は、半導体基板上の画素領域２にて行列状に配列される。つまり、複数のセンサ部３は、矩形状の画素領域２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１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。
【００２５】
センサ部３は、入射光を光電変換して得た信号電荷を生成する。本実施形態では、センサ部３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３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３は、画素領域２における各画素を構成する。
【００２６】
本実施形態の固体撮像素子１は、センサ部３で生成された信号電荷を転送する電荷転送部（転送レジスタ）として、複数の垂直転送レジスタ４と、水平転送レジスタ５とを備える。垂直転送レジスタ４は、信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部である。垂直転送レジスタ４は、複数のセンサ部３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、複数の垂直転送レジスタ４は、行列状に配置される複数のセンサ部３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３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。このように、複数の垂直転送レジスタ４は、複数のセンサ部３の配列における列毎に設けられ、複数のセンサ部３の各センサ部３により生成された信号電荷を垂直方向に転送する。
【００２７】
センサ部３により生成された信号電荷は、垂直転送レジスタ４に読み出され、垂直転送レジスタ４によって垂直方向に転送される。垂直転送レジスタ４は、対応する列に配置された複数のセンサ部３の各センサ部３から読み出しゲート６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。
【００２８】
読み出しゲート６は、センサ部３により生成された信号電荷を垂直転送レジスタ４に読み出す。読み出しゲート６は、垂直転送レジスタ４を構成する所定の転送電極である読み出し電極が読み出し用の電圧（クロック・パルス）の印加を受けることで電位を変動させ、センサ部３において生成され蓄積されている信号電荷を垂直転送レジスタ４に転送させる。
【００２９】
水平転送レジスタ５は、複数の垂直転送レジスタ４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である。水平転送レジスタ５は、センサ部３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レジスタ４の一方の端部側（図１では下側）に設けられ、矩形状の画素領域２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、垂直転送レジスタ４は、センサ部３から読み出された信号電荷を、水平転送レジスタ５側（図１では下側）に向けて垂直方向に転送する。
【００３０】
本実施形態では、垂直転送レジスタ４は、８相駆動パルスにより駆動される。このため、垂直転送レジスタ４は、８相駆動に対応する８種類の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８を有する。垂直転送レジスタ４において、８種類の垂直転送電極は、垂直方向に４画素ごとに所定の順序で繰り返し設けられる。
【００３１】
そして、垂直転送レジスタ４を構成する８種類の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８には、駆動電圧としての８相のクロック・パルスφＶ１〜φＶ８が、外部から入力され、各電極に独立して与えられる。つまり、電極Ｖ１にはクロック・パルスφＶ１が、電極Ｖ２にはクロック・パルスφＶ２が、電極Ｖ３にはクロック・パルスφＶ３が、電極Ｖ４にはクロック・パルスφＶ４が、電極Ｖ５にはクロック・パルスφＶ５が、電極Ｖ６にはクロック・パルスφＶ６が、電極Ｖ７にはクロック・パルスφＶ７が、電極Ｖ８にはクロック・パルスφＶ８がそれぞれ印加される。この８相のクロック・パルス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３から垂直転送レジスタ４に読み出された信号電荷が、垂直転送レジスタ４の電極の並びに従って転送される。
【００３２】
また、固体撮像素子１において、複数の垂直転送レジスタ４の、信号電荷の転送方向の下流側の端部には、垂直水平転送部７が設けられている。垂直水平転送部７は、垂直転送レジスタ４の最終段を構成する部分である。垂直水平転送部７においては、例えば固体撮像素子１の駆動モードがモニタリングモードや動画モード等のように多画素加算を行うモードでの信号電荷の水平画素加算が行われる。
【００３３】
垂直水平転送部７は、４種類の転送電極Ｖ９〜Ｖ１２を有し、駆動電圧として、クロック・パルスφＶ９〜φＶ１２の入力を受け、これらのクロック・パルスが、垂直水平転送部７を構成する各電極に与えられる。つまり、電極Ｖ９にはクロック・パルスφＶ９が、電極Ｖ１０にはクロック・パルスφＶ１０が、電極Ｖ１１にはクロック・パルスφＶ１１が、電極Ｖ１２にはクロック・パルスφＶ１２がそれぞれ印加される。したがって、垂直転送レジスタ４においては、クロック・パルスφＶ１〜φＶ８の印加を受ける８種類の垂直転送電極が繰り返し設けられ、垂直転送レジスタ４の終端に位置する８種類の垂直転送電極と、垂直水平転送部７を構成する４種類の電極との組み合わせに対して、クロック・パルスφＶ１〜φＶ１２が入力される。
【００３４】
本実施形態では、水平転送レジスタ５は、２相駆動パルスにより駆動される。このため、水平転送レジスタ５は、２相駆動に対応する２種類の水平転送電極Ｈ１、Ｈ２を有する。そして、水平転送レジスタ５を構成する２種類の水平転送電極Ｈ１、Ｈ２には、駆動電圧としての２相のクロック・パルスφＨ１、φＨ２が外部から入力される。つまり、電極Ｈ１にはクロック・パルスφＨ１が、電極Ｈ２にはクロック・パルスφＨ２がそれぞれ印加される。この２相のクロック・パルス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、水平転送レジスタ５は、垂直転送レジスタ４および垂直水平転送部７のそれぞれにおいて垂直方向へ転送された信号電荷を、水平方向へ転送する。なお、水平転送レジスタ５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。
【００３５】
垂直転送レジスタ４および水平転送レジスタ５により転送された信号電荷は、水平転送レジスタ５の終端側に設けられる出力部８から出力される。出力部８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、水平転送レジスタ５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気信号に変換して出力する。
【００３６】
また、本実施形態の固体撮像素子１は、ドレイン部１１を備える。ドレイン部１１は、水平転送レジスタ５に対して複数の垂直転送レジスタ４が設けられる側と反対側（図１において下側）に設けられる。ドレイン部１１は、水平方向に配される水平転送レジスタ５と平行に設けられる。ドレイン部１１は、水平転送レジスタ５に対して水平方向の略全体にわたって設けられる。
【００３７】
ドレイン部１１は、水平転送レジスタ５から排出される信号電荷を受ける。ドレイン部１１は、水平転送レジスタ５から排出された信号電荷を、固体撮像素子１を構成する半導体基板に掃き捨てる。
【００３８】
また、本実施形態の固体撮像素子１は、リセットゲート部１２を備える。リセットゲート部１２は、水平転送レジスタ５とドレイン部１１との間に設けられる。つまり、ドレイン部１１は、水平転送レジスタ５に対してリセットゲート部１２を介して設けられる。リセットゲート部１２は、ドレイン部１１と同様に、水平転送レジスタ５と平行に、水平転送レジスタ５に対して水平方向の略全体にわたって設けられる。
【００３９】
リセットゲート部１２は、水平転送レジスタ５とドレイン部１１との間の電位を制御するためのゲート電極ＲＧ１を有する。リセットゲート部１２は、駆動電圧の印加を受けることで、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への信号電荷の排出を行う。
【００４０】
リセットゲート部１２は、駆動電圧の印加を受けてゲート電極ＲＧ１の電位をハイレベルとし、水平転送レジスタ５に存在する信号電荷を、ドレイン部１１に排出する。また、リセットゲート部１２は、ゲート電極ＲＧ１の電位をローレベルとすることで、水平転送レジスタ５とドレイン部１１との間に電位障壁を形成し、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への信号電荷の移動を妨げる。
【００４１】
また、本実施形態の固体撮像素子１において、画素領域２は、信号電荷を有効な画素信号として出力する有効画素部２１と、黒レベルの基準となる信号を出力する光学的黒（オプティカルブラック）部（以下「ＯＢ部」という。）である水平ＯＢ部２２とを有する。本実施形態では、図１に示すように、水平ＯＢ部２２は、有効画素部２１に対して、水平転送レジスタ５による信号電荷の転送方向の前側（図１において左側）に設けられる。以下では、固体撮像素子１において、有効画素部２１に対して水平ＯＢ部２２が設けられる側（図１において左側）を前側とし、その反対側（図１において右側）を後側とする。
【００４２】
複数のセンサ部３のうち、有効画素部２１に配置されるセンサ部３Ａは、入射光を受光して光電変換により信号電荷を生成し、有効な画素信号として出力する。具体的には、有効画素部２１のセンサ部３Ａ上には、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のいずれか１色のカラーフィルタが設けられる。これにより、有効画素部２１のセンサ部３Ａに入射する光は、カラーフィルタを通過して各カラーフィルタの色に分離され、光電変換によって光の強度に応じた信号電荷として、センサ部３Ａに蓄積される。そして、有効画素部２１のセンサ部３Ａに蓄積された信号電荷は、有効な画素信号として出力される。
【００４３】
一方、複数のセンサ部３のうち、水平ＯＢ部２２に配置されるセンサ部３Ｂは、遮光された画素を構成し、その遮光された状態での信号を、黒レベルの基準となる信号として出力する。なお、本実施形態の固体撮像素子１では、ＯＢ部は、有効画素部２１に対して前側のみに設けられているが、これに限定されず、有効画素部２１の周囲において、有効画素部２１の前側に加え、他の領域に設けられてもよい。したがって、ＯＢ部は、例えば、有効画素部２１の前側および後側に設けられたり、矩形状の画素領域２に沿って有効画素部２１の四方を囲むように設けられたりしてもよい。
【００４４】
このように、本実施形態の固体撮像素子１においては、複数のセンサ部３は、画素領域２のうち、有効画素部２１に配置されるセンサ部３Ａと、画素領域２のうち、有効画素部２１に対して前側に設けられる水平ＯＢ部２２に配置されるセンサ部３Ｂとを含む。つまり、本実施形態では、有効画素部２１に配置されるセンサ部３Ａが第１のセンサ部であり、水平ＯＢ部２２に配置されるセンサ部３Ｂが第２のセンサ部である。
【００４５】
［固体撮像素子の駆動動作］
本実施形態の固体撮像素子１の駆動動作の一例について、図２を用いて説明する。図２は、垂直転送レジスタ４および水平転送レジスタ５に印加されるクロック・パルスの水平同期タイミングチャートを示す。
【００４６】
固体撮像素子１においては、上述したように、画素領域２に配置される各センサ部３において生成された信号電荷が、垂直転送レジスタ４により垂直方向に転送された後、水平転送レジスタ５によって水平方向に転送され、出力部８により出力される。そして、こうした信号電荷の生成・転送・出力が、繰り返し行われる。したがって、図２に示すように、垂直転送レジスタ４および水平転送レジスタ５による信号電荷の転送動作については、垂直転送レジスタ４による垂直転送（ライン転送）が行われるラインシフト期間と、水平転送レジスタ５による水平転送が行われる水平転送期間とが繰り返される。
【００４７】
図２に示すように、水平転送期間が完了した後、ラインシフト期間の初期の時刻ｔ０では、垂直転送レジスタ４を構成する水平転送電極Ｖ１〜Ｖ８のうち、電極Ｖ１およびＶ８に印加されるクロック・パルスはローレベル（Ｌｏｗ）、電極Ｖ２〜Ｖ７に印加されるクロック・パルスはハイレベル（Ｈｉｇｈ）となっている。時刻ｔ０から時刻ｔ１となるまでの間に、電極Ｖ２はＨｉｇｈからＬｏｗに遷移し、電極Ｖ８はＬｏｗからＨｉｇｈに遷移する。
【００４８】
そして、時刻ｔ１を過ぎると、電極Ｖ１がＬｏｗからＨｉｇｈに遷移するとともに、電極Ｖ３がＨｉｇｈからＬｏｗに遷移する。次に、電極Ｖ２がＬｏｗからＨｉｇｈに戻るとともに、電極Ｖ４がＨｉｇｈからＬｏｗに遷移する。その後、同様にして、垂直転送電極の並びに従って、ＨｉｇｈからＬｏｗへの遷移、およびＬｏｗからＨｉｇｈへの遷移が順次繰り返される。つまり、ラインシフト期間において、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８については、クロック・パルスがＨｉｇｈからＬｏｗになることと、ＬｏｗからＨｉｇｈになることとが、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８の並びの順番に、所定の時間ごとに順次行われ、信号電荷のライン転送が行われる。
【００４９】
図２に示すように、ラインシフト期間において、時刻ｔ２までに、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８による信号電荷のライン転送が行われた後、垂直水平転送部７における信号電荷の転送が行われる。すなわち、垂直水平転送部７を構成する転送電極Ｖ９〜Ｖ１２に対して印加されるクロック・パルスのＬｏｗとＨｉｇｈが所定のタイミングで切り換えられることで、垂直転送レジスタ４から転送された信号電荷が、垂直水平転送部７から水平転送レジスタ５へと転送される。垂直水平転送部７においては、モニタリングモード等において信号電荷の水平加算が行われる。
【００５０】
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間に、垂直水平転送部７から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送が行われる。時刻ｔ３において垂直水平転送部７から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送が完了した後、水平転送期間が開始し、水平転送レジスタ５における信号電荷の水平転送が行われる。このようにして、本実施形態の固体撮像素子１においては、垂直転送レジスタ４および垂直水平転送部７が駆動するラインシフト期間と水平転送レジスタ５が駆動する水平転送期間とが繰り返される。
【００５１】
［余剰電荷の排出動作］
以上のように信号電荷の転送が行われる本実施形態の固体撮像素子１において行われる、水平転送レジスタ５に生じた余剰電荷の排出動作、つまり水平転送レジスタ５内リセット動作について、図２および図３を用いて説明する。水平転送レジスタ５における余剰電荷は、主に、固体撮像素子１を備える撮像機器において例えば太陽等の高輝度被写体が撮影された場合に生じる。
【００５２】
本実施形態の固体撮像素子１では、リセットゲート部１２が有するゲート電極ＲＧ１に印加される駆動電圧として、クロック・パルスφＲＧ１が用いられる。水平転送レジスタ５内リセット動作は、上述したような固体撮像素子１における信号電荷の転送の過程で、所定のタイミングで行われる。そこで、水平転送レジスタ５内リセット動作について、図３に固体撮像素子１における信号電荷の転送の過程を示しながら、図２におけるクロック・パルスφＲＧ１の印加のタイミングとともに説明する。
【００５３】
図３（ａ）に示すように、ラインシフト期間において、画素領域２に配置される複数のセンサ部３において生成された信号電荷が、垂直転送レジスタ４によりライン転送される。垂直転送レジスタ４によりライン転送された信号電荷は、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に転送される（矢印Ａ１参照）。これにより、図３（ｂ）に示すように、信号電荷が、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に移動する。
【００５４】
ここで、上述したように、有効画素部２１においては、信号電荷として、有効画素部２１に配置されるセンサ部３Ａから有効な画素信号（以下「有効信号」という。）が出力され、有効画素部２１の前側に位置する水平ＯＢ部２２においては、信号電荷として、水平ＯＢ部２２に配置されるセンサ部３Ｂから黒レベルの基準となる信号（以下「ＯＢ信号」という。）が出力される。このため、図３（ｂ）に示すように、垂直転送レジスタ４からの信号電荷の転送を受ける水平転送レジスタ５においては、有効画素部２１に対応する部分には、有効信号３１が転送され、有効画素部２１の前側の水平ＯＢ部２２に対応する部分には、ＯＢ信号３２が転送される。したがって、水平転送レジスタ５においては、有効信号３１の前側に、ＯＢ信号３２が位置する。
【００５５】
図３（ｂ）に示すように、水平転送レジスタ５に転送された有効信号３１およびＯＢ信号３２は、水平転送期間において、水平転送レジスタ５によって出力部８へ向けて水平転送される（矢印Ａ２参照）。
【００５６】
このように水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送が完了した後、ラインシフト期間が始まる（図２、時刻ｔ０参照）。図３（ｃ）に示すように、水平転送レジスタ５による水平転送完了後、水平転送レジスタ５に、余剰信号としての余剰電荷３３が残る場合がある。
【００５７】
この水平転送完了後に水平転送レジスタ５に残る余剰電荷３３は、上記のとおり高輝度被写体が撮影された場合、水平転送レジスタ５の取り扱い電荷量の不足や、水平転送レジスタ５における信号電荷の転送不良等により、信号電荷の水平転送中に信号電荷が後側にこぼれるという現象に起因して生じる。つまり、水平転送レジスタ５において、信号量が多く、水平転送中に後側への信号電荷のこぼしが生じると、水平転送レジスタ５の駆動タイミングとしては信号電荷の水平転送が終了した状態においても水平転送レジスタ５内に存在する余剰電荷３３が生じる。こうした水平転送レジスタ５における余剰電荷３３は、画像不良を引き起こす黒レベルのずれを生じさせる。
【００５８】
そこで、図３（ｄ）に示すように、垂直転送レジスタ４による信号電荷の垂直転送中、つまりラインシフト期間中に、リセットゲート部１２をＯＮし、水平転送レジスタ５内に存在する余剰電荷３３をドレイン部１１へ排出する（矢印Ａ３参照）。ここで、リセットゲート部１２は、駆動電圧としてゲート電極ＲＧ１に印加されるクロック・パルスφＲＧ１がＬｏｗからＨｉｇｈになることでＯＮされる。つまり、クロック・パルスφＲＧ１がＬｏｗからＨｉｇｈになると同時に、リセットゲート部１２がＯＮされ、水平転送レジスタ５のリセットがかかる。
【００５９】
リセットゲート部１２がＯＮとなることで水平転送レジスタ５内の余剰電荷３３のドレイン部１１への排出が開始された後、リセットゲート部１２がＯＦＦとなることで、余剰電荷３３の排出が終了する。これにより、水平転送レジスタ５は、余剰電荷３３が完全に排出された状態となり、次に垂直転送レジスタ４から転送されてくる信号電荷を貯められる状態となる。
【００６０】
そして、リセットゲート部１２がＯＦＦされた後、図３（ｅ）に示すように、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送が開始される（矢印Ａ４参照）。
【００６１】
このように、リセットゲート部１２が駆動することによる水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出は、水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送完了後に開始される。このため、クロック・パルスφＲＧ１は、水平転送レジスタ５による水平転送完了後に、ＬｏｗからＨｉｇｈになり、リセットゲート部１２をＯＮさせる。
【００６２】
図２に示す例では、クロック・パルスφＲＧ１は、水平転送レジスタ５による水平転送完了後のラインシフト期間における時刻ｔ１の直後である時刻ｔａに、ＬｏｗからＨｉｇｈに遷移している。
【００６３】
また、上記のとおりクロック・パルスφＲＧ１がＬｏｗからＨｉｇｈになると同時に、リセットゲート部１２がＯＮされ、水平転送レジスタ５のリセットがかかる。このため、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出は、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送が開始される前まで、つまり垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に信号電荷が流れ込む前までに終了する。この余剰電荷３３の排出の終了のタイミングにより、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に流れ込んだ信号電荷がドレイン部１１に排出されることが回避される。
【００６４】
図２に示す例では、時刻ｔ１の直後にＬｏｗからＨｉｇｈとなったクロック・パルスφＲＧ１は、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８による信号電荷のライン転送が終了する時刻ｔ２の前の時刻ｔｂに、ＨｉｇｈからＬｏｗに遷移している。
【００６５】
また、同じくクロック・パルスφＲＧ１がＬｏｗからＨｉｇｈになると同時に水平転送レジスタ５のリセットがかかることから、クロック・パルスφＲＧ１は、水平転送レジスタ５による信号電荷の転送が行われる水平転送期間中はＬｏｗの状態を保つ。つまり、信号電荷の水平転送期間中にリセットゲート部１２がＯＮされ、水平転送レジスタ５からゲート６へと転送中の有効信号３１およびＯＢ信号３２がドレイン部１１に排出される現象を回避するため、クロック・パルスφＲＧ１は、水平転送期間中はＬｏｗとなり、リセットゲート部１２をＯＦＦの状態とする。
【００６６】
したがって、図２に示すように、クロック・パルスφＲＧ１は、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出を行うためにＨｉｇｈとなる時刻ｔａから時刻ｔｂまでの期間以外の期間では、Ｌｏｗの状態を保っている。
【００６７】
以上のように、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出は、水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送完了後、垂直転送レジスタ４からの次の信号電荷が水平転送レジスタ５に転送される前に行われる。すなわち、リセットゲート部１２は、水平転送レジスタ５による出力部８への信号電荷の転送が完了した後、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５へ信号電荷が転送されるまでの間に、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への信号電荷の排出、つまり余剰電荷３３の排出を行うための駆動電圧の印加を受ける。これにより、水平転送レジスタ５内の余剰電荷３３が完全にドレイン部１１に排出される。
【００６８】
したがって、リセットゲート部１２に印加されるクロック・パルスφＲＧ１は、水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送完了後、ラインシフト期間が始まってから、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送が開始されるまでの期間に、ＬｏｗからＨｉｇｈ、ＨｉｇｈからＬｏｗとなり、かつ、それ以外の期間ではＬｏｗの状態を保つという条件を満たす。
【００６９】
具体的には、本実施形態の固体撮像素子１においては、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送は、図２に示す例において、垂直水平転送部７を構成する転送電極の最終段である転送電極Ｖ１２に印加されるクロック・パルスφＶ１２がＬｏｗからＨｉｇｈとなった時点である時刻ｔｃに開始される。つまり、クロック・パルスφＶ１２がＬｏｗからＨｉｇｈとなる時刻ｔｃから、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に信号電荷が流れ込む。
【００７０】
したがって、本実施形態の固体撮像素子１においては、リセットゲート部１２に印加されるクロック・パルスφＲＧ１は、図２に示すように、水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送完了後の時刻ｔ０から、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送が開始される時刻ｔｃまでの期間に、ＬｏｗからＨｉｇｈに遷移し、その後ＨｉｇｈからＬｏｗに戻り、しかも、時刻ｔ０から時刻ｔｃまでの期間以外の期間ではＬｏｗの状態を保つものであればよい。
【００７１】
なお、図２に示すラインシフト期間における時刻ｔ０〜ｔ３、時刻ｔａ、時刻ｔｂ、および時刻ｔｃは、上記のとおりラインシフト期間と水平転送期間とが繰り返される固体撮像素子１の動作の態様において、毎回のラインシフト期間に共通する時刻を表す。つまり、図２に示すラインシフト期間における時刻ｔ０〜ｔ３、時刻ｔａ、時刻ｔｂ、および時刻ｔｃは、水平転送期間とともに繰り返されるラインシフト期間の各ラインシフト期間での時刻を示す。したがって、毎回のラインシフト期間における時刻ｔ０から時刻ｔｃまでの期間に、クロック・パルスφＲＧ１がＬｏｗからＨｉｇｈに遷移し、ＨｉｇｈからＬｏｗに遷移することで、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出が行われる。
【００７２】
また、リセットゲート部１２に印加されるクロック・パルスφＲＧ１がＨｉｇｈとなる期間の長さは、少なくとも水平転送レジスタ５内に生じた余剰電荷が完全に排出される時間に設定される。また、クロック・パルスφＲＧ１がＨｉｇｈとなる期間の長さは、例えば次のように、固体撮像素子１を備える撮像機器における撮影モード等に応じて変更されてもよい。モニタリングモードや動画モード等のように多画素加算を行うモードの場合、転送される信号電荷量が多くなるため、クロック・パルスφＲＧ１がＨｉｇｈとなる期間の長さが比較的長く設定される。また、夜景撮像に適した撮像モードである夜景モード等の場合、転送される信号電荷量が少なくなるため、クロック・パルスφＲＧ１がＨｉｇｈとなる期間の長さが比較的短く設定される。
【００７３】
クロック・パルスφＲＧ１がＨｉｇｈとなる期間の長さを撮影モード等に応じて変更することにより、水平転送レジスタ５からドレイン部１１へ信号電荷が排出される期間の長さが必要に応じて調整されるので、撮影モード等に応じて最適な余剰電荷３３の排出動作を行うことが可能となる。また、クロック・パルスφＲＧ１が必要以上にＨｉｇｈとなる期間の長さを短くすることができるので、電力消費を抑えることが可能となる。
【００７４】
以上のように、リセットゲート部１２への駆動電圧の印加により、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出が行われる固体撮像素子１によれば、高輝度被写体が撮影された場合等、水平転送レジスタ５における取り扱い電荷量の不足や信号電荷の転送不良等により水平転送レジスタ５で生じた余剰電荷３３を完全に排出することができ、余剰電荷３３が水平ＯＢ部２２からの信号電荷であるＯＢ信号３２に混入することで生じる画像不良を解消することができる。
【００７５】
このような効果が得られることについて、固体撮像素子において従来採用されていた構成の一例（以下「比較例」という。）を示して説明する。図４に、比較例の固体撮像素子５１の構成および信号電荷の転送の過程を示す。なお、比較例の固体撮像素子５１において、本実施形態の固体撮像素子１と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。また、比較例の固体撮像素子５１の駆動動作の説明においては、図２に示すタイミングチャートと時間軸を共通とする。
【００７６】
図４に示すように、比較例の固体撮像素子５１は、水平転送レジスタ５とドレイン部１１との間に、オーバーフローバリア５２を備える。オーバーフローバリア５２は、水平転送レジスタ５に転送された信号電荷が、水平転送レジスタ５の取り扱い電極量を超過した場合に、その超過した分の信号電荷をドレイン部１１に排出させる。
【００７７】
図４（ａ）に示すように、ラインシフト期間において、画素領域２に配置される複数のセンサ部３において生成された信号電荷が、垂直転送レジスタ４によりライン転送される。垂直転送レジスタ４によりライン転送された信号電荷は、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に転送される（矢印Ｂ１参照）。これにより、図４（ｂ）に示すように、信号電荷として、有効信号３１およびＯＢ信号３２が、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に移動する。
【００７８】
図４（ｂ）に示すように、水平転送期間において、水平転送レジスタ５に転送された有効信号３１およびＯＢ信号３２は、水平転送レジスタ５によって出力部８へ向けて水平転送される（矢印Ｂ２参照）。
【００７９】
このように水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送が完了した後、ラインシフト期間が始まる（図２、時刻ｔ０参照）。図４（ｃ）に示すように、水平転送レジスタ５による水平転送完了後、水平転送レジスタ５に、余剰信号としての余剰電荷３３が残る場合がある。
【００８０】
この水平転送レジスタ５に生じた余剰電荷３３は、比較例の固体撮像素子５１において、オーバーフローバリア５２によってはドレイン部１１に排出されない。つまり、オーバーフローバリア５２は、上記のとおり水平転送レジスタ５の取り扱い電荷量に対する超過分の信号電荷をドレイン部１１に排出させるものであるため、水平転送レジスタ５による水平転送完了後に残存する余剰電荷３３については、オーバーフローバリア５２によりドレイン部１１に排出される対象とはならない。
【００８１】
したがって、水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送完了後、ラインシフト期間において垂直転送レジスタ４による信号電荷の垂直転送完了後（図２、時刻ｔ３参照）、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送が開始されると、図４（ｄ）に示すように、水平転送レジスタ５に転送される有効信号３１およびＯＢ信号３２に対して、水平転送レジスタ５に残存する余剰電荷３３が混ざるという現象が生じる。図４（ｄ）では、ＯＢ信号３２に対して余剰電荷３３が混入した部分を混入部分４４で示している。
【００８２】
このように水平転送レジスタ５に転送されてきた有効信号３１およびＯＢ信号３２に余剰電荷３３が混入することは、有効信号３１については、画像信号におけるノイズとなり、ＯＢ信号３２については、黒レベルのずれを生じさせる。特に、ＯＢ信号３２に余剰電荷３３が混入した場合、黒レベルがずれるために黒レベルが正常にクランプされず、画像不良が引き起こされることから、余剰電荷３３の混入が画像に支障をきたす際の影響が大きくなる。
【００８３】
そして、水平転送レジスタ５で生じる余剰電荷３３は、信号電荷の水平転送方向の下流側となる水平転送レジスタ５の前側に生じる傾向があるため、有効画素部２１の前側に水平ＯＢ部２２が配置される構成においては、水平転送レジスタ５に転送されてくる信号電荷に対する余剰電荷３３の混入の影響は、有効信号３１よりもＯＢ信号３２の方が大きい。したがって、比較例の固体撮像素子５１のように水平転送レジスタ５に生じた余剰電荷３３が、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に転送されてくる信号電荷に混入することは、水平ＯＢ部２２により正確な黒レベルを得て良好な画像を得る観点からは特に問題となる。
【００８４】
この点、本実施形態の固体撮像素子１によれば、上述したように、リセットゲート部１２がクロック・パルスφＲＧ１の印加により所定のタイミングでＯＮされることで、余剰電荷３３のドレイン部１１への排出が行われることから、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に転送されてくる信号電荷に余剰電荷３３が混入することがない。具体的には、水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送完了後の時刻ｔ０において水平転送レジスタ５内に余剰電荷３３が残存したとしても（図３（ｃ）参照）、垂直転送レジスタ４による信号電荷の垂直転送完了後の時刻ｔ３には、厳密には水平転送レジスタ５に信号電荷が流れ込む時刻ｔｃには、余剰電荷３３が排出されているので、水平転送レジスタ５に転送されてくる信号電荷に余剰電荷３３が混入することがない。
【００８５】
したがって、本実施形態の固体撮像素子１によれば、上述したようなＯＢ信号３２に余剰電荷３３が混入することを避けることができるので、ＯＢ信号３２への信号混入による黒レベルのずれを抑制することができ、正常な画像信号を出力することが可能となる。結果として、太陽等の高輝度被写体が撮影された場合であっても、良好な出力画像を得ることができる。
【００８６】
（変形例１）
本実施形態の固体撮像素子１の変形例について説明する。本変形例では、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出を行うためにリセットゲート部１２に印加される駆動電圧として、垂直転送レジスタ４に印加されるクロック・パルスが利用される。つまり、本変形例の固体撮像素子１においては、余剰電荷３３の排出を行うための駆動電圧は、複数の垂直転送レジスタ４に印加される駆動電圧である。
【００８７】
本実施形態の固体撮像素子１では、垂直転送レジスタ４を構成する８種類の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８の各電極に印加される８相のクロック・パルスφＶ１〜φＶ８のうち、垂直転送電極Ｖ１に印加されるクロック・パルスφＶ１、または垂直転送電極Ｖ８に印加されるクロック・パルスφＶ８が用いられる。これらのクロック・パルスφＶ１、φＶ８は、上述したような上記のとおりリセットゲート部１２に印加されるクロック・パルスφＲＧ１が満たす条件、つまり水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送完了後、ラインシフト期間が始まってから、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送が開始されるまでの期間に、ＬｏｗからＨｉｇｈ、ＨｉｇｈからＬｏｗとなり、かつ、それ以外の期間ではＬｏｗの状態を保つという条件に合う。
【００８８】
具体的には、図２に示すように、クロック・パルスφＶ１は、水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送完了後、ラインシフト期間が始まってから、時刻ｔ１の直後に、ＬｏｗからＨｉｇｈに遷移している。また、クロック・パルスφＶ１は、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５への信号電荷の転送が開始される時刻ｔｃの直前に、ＨｉｇｈからＬｏｗに遷移している。そして、このラインシフト期間におけるＨｉｇｈの状態以外では、Ｌｏｗの状態を保っている。
【００８９】
同じく図２に示すように、クロック・パルスφＶ８は、水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送完了後、ラインシフト期間が始まってから、時刻ｔ０と時刻ｔ１との間に、ＬｏｗからＨｉｇｈに遷移している。また、クロック・パルスφＶ８は、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８による信号電荷のライン転送が終了する時刻ｔ２の直前に、ＨｉｇｈからＬｏｗに遷移している。そして、このラインシフト期間におけるＨｉｇｈの状態以外では、Ｌｏｗの状態を保っている。
【００９０】
本変形例の固体撮像素子１における余剰電荷の排出動作について、リセットゲート部１２に印加される駆動電圧としてクロック・パルスφＶ８が用いられる場合を例に、図２、図３を用いて説明する。
【００９１】
図３（ａ）に示すように、ラインシフト期間において、画素領域２に配置される複数のセンサ部３において生成された信号電荷は、垂直転送レジスタ４によりライン転送され、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に転送される（矢印Ａ１参照）。図３（ｂ）に示すように、水平転送レジスタ５に転送された有効信号３１およびＯＢ信号３２は、水平転送期間において、水平転送レジスタ５によって出力部８へ向けて水平転送される（矢印Ａ２参照）。
【００９２】
このように水平転送レジスタ５による信号電荷の水平転送が完了した後、ラインシフト期間が始まる（図２、時刻ｔ０参照）。図３（ｃ）に示すように、水平転送レジスタ５による水平転送完了後、水平転送レジスタ５に、余剰信号としての余剰電荷３３が残る場合がある。
【００９３】
そこで、図３（ｄ）に示すように、垂直転送レジスタ４による信号電荷の垂直転送中、つまりラインシフト期間中において、時刻ｔ１の直前に、駆動電圧としてゲート電極ＲＧ１に印加されるクロック・パルスφＶ８がＬｏｗからＨｉｇｈになると同時に、リセットゲート部１２がＯＮされ、水平転送レジスタ５内の余剰電荷３３がドレイン部１１へ排出される（矢印Ａ３参照）。
【００９４】
リセットゲート部１２がＯＮとなることで水平転送レジスタ５内の余剰電荷３３のドレイン部１１への排出が開始された後、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８による信号電荷のライン転送が終了する時刻ｔ２の直前に、ＨｉｇｈからＬｏｗに遷移し、リセットゲート部１２がＯＦＦとなることで、余剰電荷３３の排出が終了する。これにより、水平転送レジスタ５は、余剰電荷３３が完全に排出された状態となり、次に垂直転送レジスタ４から転送されてくる信号電荷を貯められる状態となる。したがって、垂直転送レジスタ４による信号電荷の垂直転送完了後の時刻ｔ３には、余剰電荷３３が排出されているので、水平転送レジスタ５に転送されてくる信号電荷に余剰電荷３３が混入することがなく、正常な画像を出力することが可能となる。
【００９５】
このように、本実施形態の固体撮像素子１においては、水平転送レジスタ５内の余剰電荷３３の排出を行うための駆動電圧として、複数の垂直転送レジスタ４に互いに異なるタイミングで印加される駆動電圧のうち、上述したようなリセットゲート部１２に印加される駆動電圧として必要な所定の条件を満たすいずれかの駆動電圧を用いることができる。つまり、本変形例の固体撮像素子１では、リセットゲート部１２を駆動させるための専用の駆動電圧が用いられることなく、垂直転送レジスタ４を駆動させるための駆動電圧が、リセットゲート部１２を駆動させるための駆動電圧として共用されている。
【００９６】
本変形例によれば、水平転送レジスタ５をリセットするためのクロック・パルスと垂直転送レジスタ４を駆動させるためのクロック・パルスとが固体撮像素子１の内部で共用されることから、リセットゲート部１２を新たに設けることによって入力パルスが増えることを避けることができる。つまり、リセットゲート部１２を備える構成において、図２に示すようなリセットゲート部１２専用のクロック・パルスφＲＧ１を省略することができる。
【００９７】
これにより、高輝度被写体が撮影された場合等のような大光量時の水平転送レジスタ５における余剰電荷３３の混入によるＯＢクランプはずれを抑制し、画像不良を解消することができ、性能を向上させることができるとともに、消費電力の増加や、コストアップの原因となるチップサイズの拡大等を抑えることができる。また、リセットゲート部１２への配線の一部を垂直転送レジスタ４に対する配線と共用することができるので、その分、配線構造を簡略化することができる。
【００９８】
（変形例２）
本実施形態の固体撮像素子１の他の変形例について説明する。本変形例では、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出を行うためのリセットゲート部１２Ａが、水平方向について部分的に設けられている。
【００９９】
具体的には、図５に示すように、水平転送レジスタ５とドレイン部１１との間に設けられるリセットゲート部１２Ａは、水平転送レジスタ５に対して前側の部分に設けられている。つまり、図１に示す構成では、リセットゲート部１２が水平転送レジスタ５に対して水平方向に全体的に設けられているのに対し、本変形例では、リセットゲート部１２Ａは、水平転送レジスタ５に対して水平方向に前側の部分にのみ部分的に設けられている。
【０１００】
上述したように、水平転送レジスタ５で生じる余剰電荷３３は、信号電荷の水平転送方向の下流側となる水平転送レジスタ５の前側に生じる傾向がある。このため、リセットゲート部１２Ａを水平方向について部分的に設ける場合、リセットゲート部１２Ａは、水平転送レジスタ５に対して前側の部分に設けられる。
【０１０１】
このように前側に部分的に設けられるリセットゲート部１２Ａは、例えば、水平方向について、画素領域２に対して半分よりも前側で、少なくとも画素領域２の水平ＯＢ部２２の部分を含む範囲で設けられることが好ましい。このことは、ＯＢ信号３２に余剰電荷３３が混入すると、黒レベルがずれるために黒レベルが正常にクランプされず、画像不良が引き起こされることから、余剰電荷３３の混入が画像に支障をきたす際の影響が大きいことに基づく。
【０１０２】
このように、リセットゲート部１２Ａを水平転送レジスタ５に対して水平方向に部分的に設ける構成を採用することにより、寄生容量を少なくすることができ、リセットゲート部１２による水平転送レジスタ５のリセット動作を確実に行うことができる。そして、このような作用効果は、上述したようにリセットゲート部１２に印加される駆動電圧として垂直転送レジスタ４に印加されるクロック・パルスを利用する構成の場合に特に得やすい。
【０１０３】
また、本変形例のようにリセットゲート部１２Ａを水平転送レジスタ５に対して水平方向に部分的に設ける構成においては、図５に示すように、水平転送レジスタ５とドレイン部１１との間におけるリセットゲート部１２Ａが設けられる部分以外の部分に、オーバーフローバリア１３を設けてもよい。かかる構成を採用することにより、水平転送レジスタ５において主にＯＢ信号３２が転送されてくる部分では、余剰電荷３３の排出を行い、水平転送レジスタ５において主に有効信号３１が転送されてくる部分では、水平転送レジスタ５の取り扱い電極量を超過した場合に、その超過した分の信号電荷をドレイン部１１に排出することが可能となる。
【０１０４】
［第２実施形態］
本技術の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に係る固体撮像素子１を備える固体撮像装置７１について、図６を用いて説明する。なお、本実施形態では、固体撮像装置７１が備える固体撮像素子１について、リセットゲート部１２に印加される駆動電圧として垂直転送レジスタ４に印加されるクロック・パルスφＶ８を利用する構成の場合を例に説明する。
【０１０５】
本実施形態に係る固体撮像装置７１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。
【０１０６】
固体撮像装置７１は、上述した実施形態に係る固体撮像素子１と、固体撮像素子１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タイミング発生回路７２とを備える。タイミング発生回路７２は、固体撮像素子１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１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。また、固体撮像装置７１は、タイミング発生回路７２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。
【０１０７】
本実施形態では、固体撮像装置７１が有する電源部、記憶部、および制御部を構成する回路は、固体撮像素子１とは別回路（別チップ）として設けられる。ただし、これらの各部を構成する回路は、固体撮像素子１と同一のチップに設けたり、複数のチップに機能を分割して設けたりしてもよい。
【０１０８】
タイミング発生回路７２は、固体撮像素子１が備える垂直転送レジスタ４を駆動する８相駆動パルス、および垂直転送レジスタ４の最終段を構成する垂直水平転送部７（図１参照）を駆動する駆動パルスを固体撮像素子１に入力する。つまり、タイミング発生回路７２は、垂直転送レジスタ４を構成する８種類の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８の各電極に、駆動電圧としての８相のクロック・パルスφＶ１〜φＶ８を供給・印加するとともに、垂直水平転送部７を構成する４種類の転送電極Ｖ９〜Ｖ１２の各電極に、駆動電圧としてのクロック・パルスφＶ９〜φＶ１２を供給・印加する。
【０１０９】
固体撮像素子１は、タイミング発生回路７２からのクロック・パルスφＶ１〜φＶ１２の入力を独立して受けるための入力部７４を有する。つまり、固体撮像素子１が有する各入力部７４は、クロック・パルスφＶ１〜φＶ１２の各信号が入力される信号入力端子である。
【０１１０】
入力部７４に入力されるクロック・パルスφＶ１〜φＶ１２は、バスライン等の所定の配線７４ａを介して、垂直転送レジスタ４および垂直水平転送部７を構成する各電極に印加される。配線７４ａは、例えば、アルミなどの金属材料やポリシリコン等で形成される。このクロック・パルスφＶ１〜φＶ１２の大きさとタイミングが、固体撮像装置７１が有する制御部によって適切に制御されることにより、各センサ部３から垂直転送レジスタ４に読み出された信号電荷が、垂直転送レジスタ４および垂直水平転送部７の電極の並びに従って転送される。
【０１１１】
タイミング発生回路７２は、固体撮像素子１が備える水平転送レジスタ５を駆動する２相駆動パルスを固体撮像素子１に入力する。つまり、タイミング発生回路７２は、水平転送レジスタ５を構成する２種類の水平転送電極Ｈ１、Ｈ２の各電極に、駆動電圧としての２相のクロック・パルスφＨ１、φＨ２を供給・印加する。
【０１１２】
固体撮像素子１は、タイミング発生回路７２からのクロック・パルスφＨ１、φＨ２の入力を独立して受けるための入力部７５を有する。つまり、固体撮像素子１が有する各入力部７５は、クロック・パルスφＨ１、φＨ２の各信号が入力される信号入力端子である。
【０１１３】
入力部７５に入力されるクロック・パルスＨφ１，Ｈφ２は、バスライン等の所定の配線７５ａを介して、水平転送レジスタ５を構成する各水平転送電極Ｈ１，Ｈ２に印加される。配線７５ａは、例えば、アルミなどの金属材料やポリシリコン等で形成される。この２相のクロック・パルスＨφ１，Ｈφ２の大きさとタイミングが、固体撮像装置７１が有する制御部によって適切に制御されることにより、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ５に転送された信号電荷が、水平方向に転送される。
【０１１４】
そして、本実施形態の固体撮像素子１においては、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出を行うため、リセットゲート部１２に、垂直転送レジスタ４を構成する垂直転送電極Ｖ８に印加されるロック・パルスφＶ８が入力される。このため、固体撮像装置７１は、垂直転送レジスタ４の垂直転送電極Ｖ８にロック・パルスφＶ８を入力するための配線７４ａから分岐してリセットゲート部１２を構成するゲート電極ＲＧ１に接続される配線７４ｂを有する。
【０１１５】
すなわち、リセットゲート部１２に対しては、タイミング発生回路７２から垂直転送電極Ｖ８用の入力部７４に入力されたクロック・パルスφＶ８が、垂直転送電極Ｖ８用の入力部７４に接続される配線７４ａから配線７４ｂを介して、リセットゲート部１２を構成するゲート電極ＲＧ１に印加される。配線７４ｂは、配線７４ａと同様にアルミなどの金属材料やポリシリコン等で形成される。
【０１１６】
このような構成により、本実施形態の固体撮像装置７１においては、垂直転送レジスタ４に印加されるクロック・パルスφＶ８が利用され、リセットゲート部１２が駆動することで、水平転送レジスタ５からドレイン部１１への余剰電荷３３の排出が行われる。
【０１１７】
以上のような構成を備える本実施形態の固体撮像装置７１においては、タイミング発生回路７２が、固体撮像素子１を駆動するための駆動信号を生成する駆動部として機能する。そして、固体撮像素子１を備える固体撮像装置７１によれば、高輝度被写体が撮影された場合等、水平転送レジスタ５における取り扱い電荷量の不足や信号電荷の転送不良等により水平転送レジスタ５で生じた余剰電荷を完全に排出することができ、余剰電荷が水平ＯＢ部２２からの信号電荷であるＯＢ信号に混入することで生じる画像不良を解消することができる。
【０１１８】
なお、リセットゲート部１２に印加される駆動電圧としては、本実施形態の固体撮像装置７１が採用する垂直転送レジスタ４に印加されるクロック・パルスφＶ８のほか、垂直転送レジスタ４に印加されるクロック・パルスφＶ１であってもよい。この場合、固体撮像装置７１においては、垂直転送レジスタ４の垂直転送電極Ｖ１にロック・パルスφＶ１を入力するための配線７４ａから分岐してリセットゲート部１２を構成するゲート電極ＲＧ１に接続される配線が設けられる。
【０１１９】
このように、水平転送レジスタ５をリセットするためのクロック・パルスと垂直転送レジスタ４を駆動させるためのクロック・パルスとを共用することにより、タイミング発生回路７２から固体撮像素子１への入力パルスを追加することなく、大光量時の水平転送レジスタ５における余剰電荷の混入による画像不良を解消することができ、性能を向上させることができるとともに、消費電力の増加や、コストアップの原因となるチップサイズの拡大等を抑えることができる。また、タイミング発生回路７２からリセットゲート部１２への配線の一部を垂直転送レジスタ４に対する配線と共用することができるので、その分、配線構造を簡略化することができる。また、固体撮像装置７１において、タイミング発生回路７２から固体撮像素子１への駆動電圧の入力動作をシンプルにすることができ、無駄なくスマートな動作が実現できる。
【０１２０】
ただし、固体撮像装置７１においては、上述した実施形態におけるクロック・パルスφＲＧ１のように、リセットゲート部１２に印加される駆動電圧として、専用の駆動電圧を用いてもよい。この場合、タイミング発生回路７２は、クロック・パルスφＲＧ１のようなリセットゲート部１２に印加するための専用のクロック・パルスを生成し、出力する。そして、タイミング発生回路７２から出力されたクロック・パルスが、固体撮像素子１に入力され、所定の配線を介してリセットゲート部１２のゲート電極ＲＧ１に印加される。
【０１２１】
以上説明した本技術の実施形態の固体撮像素子１において、固体撮像素子１が備える転送部（転送レジスタ）の信号電荷の転送方向等に関して用いる「垂直」、「水平」の語は、慣用的に用いられる語であり、固体撮像素子１が備える転送部による信号電荷の転送方向の方向性を限定するものではない。すなわち、例えば垂直転送レジスタ４による信号電荷の転送方向を「第１の方向」とした場合、水平転送レジスタ５による信号電荷の転送方向は、第１の方向に直交する「第２の方向」ということができる。
【符号の説明】
【０１２２】
１    固体撮像素子
２    画素領域
３    センサ部
３Ａ  センサ部（第１のセンサ部）
３Ｂ  センサ部（第２のセンサ部）
４    垂直転送レジスタ（垂直転送部）
５    水平転送レジスタ（水平転送部）
８    出力部
１１  ドレイン部
１２  リセットゲート部
２１  有効画素部
２２  水平ＯＢ部（光学的黒部）
７１  固体撮像装置
７２  タイミング発生回路（駆動部）
【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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