(57)【要約】【課題】光電変換部の飽和電荷量がフローティングディフュージョン部の飽和電荷量よりも大きな場合にも光電変換部の信号電荷を有効に利用して飽和特性を向上した固体撮像素子を提供する。【解決手段】固体撮像素子１の垂直転送部３は、１つの光電変換部２で発生した信号電荷を分割して蓄積し、分割された信号電荷を混合すること無く列方向に転送し、第１水平転送部４ａおよび第２水平転送部４ｂは、垂直転送部３で転送された分割された信号電荷を混合すること無く行方向に転送し、第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂは、第１水平転送部４ａおよび第２水平転送部４ｂで転送された分割された信号電荷を独立に信号電圧に変換する。【選択図】図１
2013026989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス状に配置された複数の光電変換部と、
前記光電変換部の列毎に前記光電変換部に隣接して設けられ、隣接する前記光電変換部の列で発生した信号電荷を読出し、読出した信号電荷を列方向に転送する垂直転送部と、
複数の前記垂直転送部の一部に接続され、前記複数の垂直転送部の一部により転送された信号電荷を受け取り、受け取った信号電荷を行方向に転送する第１水平転送部と、
前記複数の垂直転送部の他部に接続され、前記複数の垂直転送部の他部により転送された信号電荷を受け取り、受け取った信号電荷を行方向に転送する第２水平転送部と、
前記第１水平転送部に接続され、前記第１水平転送部により転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１フローティングディフュージョン部と、
前記第２水平転送部に接続され、前記第２水平転送部により転送された信号電荷を信号電圧に変換する第２フローティングディフュージョン部とを備え、
前記複数の垂直転送部は、それぞれ１つの前記光電変換部で発生した信号電荷を分割して蓄積し、分割された信号電荷を混合すること無く列方向に転送し、
前記第１水平転送部および前記第２水平転送部は、それぞれ前記複数の垂直転送部で転送された前記分割された信号電荷を混合すること無く行方向に転送し、
前記第１フローティングディフュージョン部および前記第２フローティングディフュージョン部は、それぞれ前記第１水平転送部および前記第２水平転送部で転送された前記分割された信号電荷を独立に信号電圧に変換する
固体撮像素子。
【請求項２】
前記光電変換部の飽和電荷量は、前記第１フローティングディフュージョン部および前記第２フローティングディフュージョン部の飽和電荷量よりも大きく、
前記第１フローティングディフュージョン部および前記第２フローティングディフュージョン部の飽和電荷量は、前記垂直転送部で蓄積される前記分割された信号電荷の量よりも大きい
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１フローティングディフュージョン部および前記第２フローティングディフュージョン部の飽和電荷量は、それぞれ前記第１フローティングディフュージョン部および前記第２フローティングディフュージョン部と接続されたアナログフロントエンド素子の入力レンジよりも小さい
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記垂直転送部は、１つの前記光電変換部あたり３枚以上の電荷転送用ゲートをもち、
前記固体撮像素子は、
全画素読出し駆動において、前記複数の垂直転送部のそれぞれが１つの前記光電変換部で発生した信号電荷を分割することなく列方向に転送し、
インタレース読出し駆動において、前記複数の垂直転送部のそれぞれが１つの前記光電変換部で発生した信号電荷を分割して列方向に転送する
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記垂直転送部は、１つの前記光電変換部あたり２枚の電荷転送用ゲートをもち、
前記固体撮像素子は、
インタレース読出し駆動において、前記複数の光電変換部を３フィールド以上に分割し、前記複数の垂直転送部のそれぞれが１つの前記光電変換部で発生した信号電荷を分割して列方向に転送する
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記垂直転送部は、１つの前記光電変換部あたり１枚の電荷転送用ゲートをもち、
前記固体撮像素子は、
インタレース読出し駆動において、前記複数の光電変換部を６フィールド以上に分割し、前記複数の垂直転送部のそれぞれが１つの前記光電変換部で発生した信号電荷を分割して列方向に転送する
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記光電変換部から前記垂直転送部への信号電荷の読出しおよび前記垂直転送部における信号電荷の分割は、垂直ブランキング期間において行われる
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
請求項１に記載の固体撮像素子と、
前記第１フローティングディフュージョン部で生成された信号電圧に対応するデジタル信号と、前記第２フローティングディフュージョン部で生成された信号電圧に対応するデジタル信号とを加算し、前記分割された信号電荷の分割前の信号電荷に対応する信号電圧に対応するデジタル信号を生成するプロセッサとを備える、
カメラシステム。
【請求項９】
固体撮像素子の駆動方法であって、
前記固体撮像素子は、
マトリックス状に配置された複数の光電変換部と、
前記光電変換部の列毎に前記光電変換部に隣接して設けられ、隣接する前記光電変換部の列で発生した信号電荷を読出し、読出した信号電荷を列方向に転送する垂直転送部と、
複数の前記垂直転送部の一部に接続され、前記複数の垂直転送部の一部により転送された信号電荷を受け取り、受け取った信号電荷を行方向に転送する第１水平転送部と、
前記複数の垂直転送部の他部に接続され、前記複数の垂直転送部の他部により転送された信号電荷を受け取り、受け取った信号電荷を行方向に転送する第２水平転送部と、
前記第１水平転送部に接続され、前記第１水平転送部により転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１フローティングディフュージョン部と、
前記第２水平転送部に接続され、前記第２水平転送部により転送された信号電荷を信号電圧に変換する第２フローティングディフュージョン部とを備え、
１つの前記光電変換部で発生した信号電荷を前記複数の垂直転送部のそれぞれで複数の信号電荷に分割して蓄積し、分割された信号電荷を混合すること無く列方向に転送し、
前記複数の垂直転送部で転送された前記分割された信号電荷を前記第１水平転送部および前記第２水平転送部で混合すること無く行方向に転送し、
前記第１水平転送部および前記第２水平転送部で転送された前記分割された信号電荷を前記第１フローティングディフュージョン部および前記第２フローティングディフュージョン部で独立に信号電圧に変換する
固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ型固体撮像素子およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディジタルスチルカメラなどの分野において、電荷転送型の撮像素子（ＣＣＤ型固体撮像素子）が広く用いられている。
【０００３】
このＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ型イメージセンサ）では、光電変換部を含む画素が半導体基板上の撮像領域にマトリックス配置されており、光電変換部への光照射による内部光電効果で光電変換部に発生した信号電荷が隣接する垂直転送部に読出される。読出された信号電荷は、垂直転送部およびその先端に接続された水平転送部によってフローティングディフュージョン部へと転送される。信号電荷によるフローティングディフュージョン部の電位変動をＭＯＳトランジスタで検出することにより信号電荷は信号電圧へと変換され、オンチップアンプで信号電圧を増幅することにより出力が得られる。
【０００４】
より具体的には、ＣＣＤ型固体撮像素子は、撮像領域、オプティカルブラック領域、水平転送部および出力部によって構成される。このうち、撮像領域については、マトリックス状に配列された光電変換部と光電変換部の列毎に隣接して配置された垂直転送部により構成されている。
【０００５】
また、ＣＣＤ型固体撮像素子において静止画を撮像する際の信号電荷の読出し方式は２種類の読出し方式に大別される。このうちの１つが、全ての光電変換部に蓄積された信号電荷を同時刻に垂直転送部に読出す全画素読出し方式（全画素読出し駆動）である。そして、もう１つが、複数の光電変換部を複数のフィールドに分割（分類）し、フィールド毎に同時刻に異なる光電変換部から独立して垂直転送部に信号電荷を読出し転送するフィールド読出し方式（インタレース読出し駆動）である。
【０００６】
全画素読出し方式の場合には、１つの光電変換部あたり少なくとも３枚以上の電荷転送用ゲートを垂直転送部上に形成する必要がある。一方、フィールド読出し方式の場合には、１つの光電変換部あたり多くとも２枚の電荷転送用ゲートを形成すればよい。従って、画素サイズが小さなコンパクトデジタルカメラ向け固体撮像素子においてはフィールド読出し方式が多く用いられ、画素サイズが大きく加工寸法に比較的余裕のあるデジタル一眼カメラ向け固体撮像素子においては全画素読出し方式が多く用いられている。
【０００７】
以下、１画素（１つの光電変換部）あたり４枚の電荷転送用ゲートを有する全画素読出し方式のＣＣＤ型固体撮像素子を例に、動作を説明する。
【０００８】
光電変換部に光が入射すると、光電変換部内部の光電効果により信号電荷が発生し、光電変換部に蓄積される。所定の蓄積時間が経過した後で垂直転送部に電荷読出しパルスが印加されることにより光電変換部の信号電荷は垂直転送部に移送される。この動作は全ての光電変換部において同時に行われるため、１画素あたり４枚ある電荷転送用ゲートのうち、信号電荷の蓄積に用いられるのは最大で２枚である。その理由は、転送動作を行うためにはバリアとなる電荷転送用ゲートが少なくとも２枚は必要となるためである。垂直転送部に蓄積された信号電荷は電荷転送用ゲートへの電荷転送用パルスの印加により列方向に転送され、１行分の信号電荷が垂直転送部の先端に隣接して設けられ行方向に信号電荷を転送する水平転送部に送られる。転送された１行分の信号電荷は、水平転送部に印加される電荷転送用パルスによって水平転送部の先端に設けられたフローティングディフュージョン部へと送られる。転送された信号電荷は、フローティングディフュージョン部において浮遊容量Ｃと信号電荷量ΔＱによってΔＶ＝ΔＱ／Ｃで表される電位変動へと変換される。この電位変動をＭＯＳトランジスタで検出することで信号電圧を得た後、信号電荷はリセットトランジスタをオン状態とすることによりドレインに排出され、フローティングディフュージョン部がドレイン電位と同電位となることで次の信号の待機状態となる。
【０００９】
ここで、フローティングディフュージョン部が取り扱える最大信号量（フローティングディフュージョン部の飽和電荷量）はリセットトランジスタがオフ状態の時のリセットゲート下のポテンシャルとドレインのポテンシャルとのポテンシャル差によって制限される。リセットゲートの電圧は固体撮像素子外部に設けられるアナログフロントエンドの入力許容振幅によって規定され、約１Ｖである。従って、出力振幅が一定のもとでは、フローティングディフュージョン部の浮遊容量Ｃと最大取扱い電荷量（最大信号量）ΔＱとは比例関係にあり、浮遊容量が小さくなると最大取扱い電荷量が減少することは自明である。
【００１０】
また、特許文献１に示すように、光電変換部から読出された信号電荷を垂直転送部に読出した後に複数に分割して転送することにより、端子数の増加を抑えながら垂直転送パケット（垂直転送部の電荷を保持する連続した１つのポテンシャルウェル）よりも大きな信号電荷を転送する技術が公開されている。
【００１１】
図４は、特許文献１に係る固体撮像素子の垂直転送部および水平転送部の断面図及びポテンシャル分布を模式的に表した図である。図５は、固体撮像素子の垂直転送部および水平転送部のゲート電極と接続された各端子に印加されるクロックパルスのタイミングを示すタイミングチャートである。
【００１２】
なお、図４（ａ）が垂直転送部３の断面図を示し、図４（ｂ）が水平ブランキング期間における電荷転送シーケンスの時刻ｔ１〜ｔ１０のポテンシャルの変化を示すポテンシャル図を示している。また、図４（ａ）において、ゲート電極Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４はそれぞれ垂直転送部の電荷転送用ゲートである。配線によりゲート電極Ｖ１Ａは端子ΦＶ１Ａに接続され、ゲート電極Ｖ１Ｂは端子ΦＶ１Ｂに接続され、ゲート電極Ｖ２は端子ΦＶ２に接続され、ゲート電極Ｖ３は端子ΦＶ３に接続され、ゲート電極Ｖ４は端子ΦＶ４に接続されている。同様に、ゲート電極Ｈ１は端子ΦＨ１に接続され、ゲート電極Ｈ２は端子ΦＨ２に接続され、ゲート電極Ｈ３は端子ΦＨ３に接続され、ゲート電極Ｈ４は端子ΦＨ４に接続されている。
【００１３】
この技術においては、図４および図５に示されるように、分割された信号電荷は、時刻ｔ７で水平転送部において混合され、もとの信号が復元される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００８−１７７９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
近年の画素サイズ縮小に伴い、微細加工技術の開発が進んでいる。この技術をデジタル一眼レフ向けのような画素サイズの大きな固体撮像素子に適用してフォトダイオード（光電変換部）の面積の拡大など画素特性の向上を図った場合、フォトダイオードの飽和電荷量がフローティングディフュージョン部の飽和電荷量よりも大きくなってしまうことになる。この場合、飽和電荷量はフローティングディフュージョン部で制限されるため、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を有効に利用することができず、飽和電荷量は見かけ上減少してしまう。
【００１６】
また、固体撮像素子の感度向上を目的としてフローティングディフュージョン部の浮遊容量低減による変換効率の向上が行われている。これによって出力信号電圧一定のもとではフローティングディフュージョン部で取り扱うことの出来る最大信号量が減少するため、更にフォトダイオードの飽和電荷量がフローティングディフュージョン部の飽和電荷量よりも大きくなり、フォトダイオードの信号電荷を有効に利用できない。
【００１７】
本発明は、上記の点に鑑みて提案なされるものであり、光電変換部の飽和電荷量がフローティングディフュージョン部の飽和電荷量よりも大きな場合にも光電変換部の信号電荷を有効に利用して飽和特性を向上した固体撮像素子およびその駆動方法ならびにカメラシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、マトリックス状に配置された複数の光電変換部と、前記光電変換部の列毎に前記光電変換部に隣接して設けられ、隣接する前記光電変換部の列で発生した信号電荷を読出し、読出した信号電荷を列方向に転送する垂直転送部と、複数の前記垂直転送部の一部に接続され、前記複数の垂直転送部の一部により転送された信号電荷を受け取り、受け取った信号電荷を行方向に転送する第１水平転送部と、前記複数の垂直転送部の他部に接続され、前記複数の垂直転送部の他部により転送された信号電荷を受け取り、受け取った信号電荷を行方向に転送する第２水平転送部と、前記第１水平転送部に接続され、前記第１水平転送部により転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１フローティングディフュージョン部と、前記第２水平転送部に接続され、前記第２水平転送部により転送された信号電荷を信号電圧に変換する第２フローティングディフュージョン部とを備え、前記複数の垂直転送部は、それぞれ１つの前記光電変換部で発生した信号電荷を分割して蓄積し、分割された信号電荷を混合すること無く列方向に転送し、前記第１水平転送部および前記第２水平転送部は、それぞれ前記複数の垂直転送部で転送された前記分割された信号電荷を混合すること無く行方向に転送し、前記第１フローティングディフュージョン部および前記第２フローティングディフュージョン部は、それぞれ前記第１水平転送部および前記第２水平転送部で転送された前記分割された信号電荷を独立に信号電圧に変換することを特徴とする。
【００１９】
これにより、１つの光電変換部で生成された信号電荷を分割してフローティングディフュージョン部に転送するため、光電変換部の信号電荷量をフローティングディフュージョン部の取り扱い電荷量を超えることのないように制限することができる。例えば、分割された信号電荷を各々独立に信号電圧に変換した後に外部プロセッサによってデジタル的に加算できるため、光電変換部の信号電荷量が大きくても有効に利用することが可能となる。その結果、光電変換部の飽和電荷量がフローティングディフュージョン部の飽和電荷量よりも大きな場合にも光電変換部の信号電荷を有効に利用して飽和特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、１つの光電変換部の信号電荷を垂直転送部において分割し、各々の信号電荷を独立にフローティングディフュージョン部に転送して信号出力を得る。そして、例えばプロセッサによりデジタル信号として加算復元できるため、画素形成技術の向上により光電変換部の飽和電荷量がフローティングディフュージョン部の飽和電荷量を超えた場合にも、有効に信号を出力することが可能となり、ＣＣＤ型固体撮像素子の特性向上を実現できる。
【００２１】
また、フローティングディフュージョン部の飽和電荷量を低く設定することが可能となるため、リセットトランジスタおよび水平転送部の最終転送段のゲートの動作パルス振幅を低減することができ、消費電力の低減を実現できる。更には、水平転送部の最終転送段のゲートの動作パルス振幅を水平転送部の全転送段のゲートの動作パルス振幅と共用化して電源数を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の垂直転送部および水平転送部の断面図（図１のＡＡ’における断面図）およびポテンシャル分布を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の各端子に印加されるクロックパルスのタイミングを示すタイミングチャートである。
【図４】特許文献１に係るＣＣＤ型固体撮像素子の垂直転送部及び水平転送部の断面図およびポテンシャル分布を模式的に示す図である。
【図５】特許文献１に係るＣＣＤ型固体撮像素子の各端子に印加されるクロックパルスのタイミングを示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の概略構成を示すブロック図である。
【００２５】
この固体撮像素子１は、マトリックス状（行列状）に配置された複数の光電変換部２と、光電変換部２の列毎に光電変換部２に隣接して設けられ、隣接する光電変換部２の列で発生した信号電荷を読出し、読出した信号電荷を列方向に転送する垂直転送部３と、複数の垂直転送部３の一部に接続され、複数の垂直転送部３の一部により転送された信号電荷を受け取り、受け取った信号電荷を行方向に転送する第１水平転送部４ａと、複数の垂直転送部３の他部に接続され、複数の垂直転送部３の他部により転送された信号電荷を受け取り、受け取った信号電荷を行方向に転送する第２水平転送部４ｂと、第１水平転送部４ａに接続され、第１水平転送部４ａにより転送された信号電荷を信号電圧に変換する第１フローティングディフュージョン部５ａと、第２水平転送部４ｂに接続され、第２水平転送部４ｂにより転送された信号電荷を信号電圧に変換する第２フローティングディフュージョン部５ｂとを備え、複数の垂直転送部３は、それぞれ１つの光電変換部２で発生した信号電荷を分割して蓄積し、分割された信号電荷を混合すること無く列方向に転送し、第１水平転送部４ａおよび第２水平転送部４ｂは、それぞれ複数の垂直転送部３で転送された分割された信号電荷を混合すること無く行方向に転送し、第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂは、それぞれ第１水平転送部４ａおよび第２水平転送部４ｂで転送された分割された信号電荷を独立に信号電圧に変換する。
【００２６】
ここで、光電変換部２の飽和電荷量は、第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂの飽和電荷量よりも大きく、第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂの飽和電荷量は、垂直転送部３で蓄積される分割された信号電荷の量よりも大きい。
【００２７】
また、第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂの飽和電荷量は、それぞれ第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂと接続されたアナログフロントエンド素子の入力レンジよりも小さい。
【００２８】
また、垂直転送部３は、１つの光電変換部２あたり３枚以上の電荷転送用ゲートをもち、固体撮像素子１は、全画素読出し駆動において、１フィールドで１フレームの画像を構成し、複数の垂直転送部３のそれぞれが１つの光電変換部２で発生した信号電荷を分割することなく列方向に転送し、インタレース読出し駆動において、複数フィールドで１フレームの画像を構成し、複数の垂直転送部３のそれぞれが１つの光電変換部２で発生した信号電荷を分割して列方向に転送する。
【００２９】
また、光電変換部２から垂直転送部３への信号電荷の読出しおよび垂直転送部３における信号電荷の分割は、垂直ブランキング期間において行われる。
【００３０】
以下、固体撮像素子１について詳細を説明する。
【００３１】
この固体撮像素子１は、１画素（１つの光電変換部２）あたり垂直転送部３が４枚のゲート電極（電荷転送用ゲート）を具備する全画素読出し方式の固体撮像素子である。
【００３２】
この固体撮像素子１では、入射した光によって信号電荷を発生する複数の光電変換部２がマトリックス状に配置されている。光電変換部２の列ごとに垂直転送部３が対応して配置され、垂直転送部３のゲート電極に接続される端子として、ΦＶ１Ａ、ΦＶ１Ｂ、ΦＶ２、ΦＶ３、およびΦＶ４の５個の端子が設けられている。垂直転送部３の列方向（垂直方向）の端部には行方向（水平方向）に信号電荷を転送する水平転送部４が接続されており、水平転送部４のゲート電極に接続される端子として例えばΦＨ１、ΦＨ２、ΦＨ３、およびΦＨ４の４個の端子が設けられている。例えば、端子ΦＶ１Ａ、ΦＶ２、ΦＶ３、およびΦＶ４は、奇数行の１つの光電変換部２あたりに設けられた４枚のゲート電極と接続され、端子ΦＶ１Ｂ、ΦＶ２、ΦＶ３、およびΦＶ４は、偶数行の１つの光電変換部２あたりに設けられた４枚のゲート電極と接続される。
【００３３】
水平転送部４は第１水平転送部４ａおよび第２水平転送部４ｂに分割されている。第１水平転送部４ａの行方向の端部には第１フローティングディフュージョン部５ａ、第１リセットゲート６ａ、第１リセットドレイン７ａおよび第１出力アンプ８ａが設けられている。同様に、第２水平転送部４ｂの行方向の端部には第２フローティングディフュージョン部５ｂ、第２リセットゲート６ｂ、第２リセットドレイン７ｂおよび第２出力アンプ８ｂが設けられている。従って、図１の固体撮像素子１は、並列出力型固体撮像素子の構造を有している。
【００３４】
次に、図２および図３を参照して、図１の固体撮像素子１の電荷転送動作を詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る垂直転送部３および水平転送部４の断面図（図１のＡＡ’における断面図）及びポテンシャル分布を模式的に表した図である。図３は、図１の各端子に印加されるクロックパルスのタイミングを示すタイミングチャートである。
【００３５】
なお、図２（ａ）が垂直転送部３の断面図を示し、図２（ｂ）が水平ブランキング期間における電荷転送シーケンスの時刻ｔ１〜ｔ１１のポテンシャルの変化を示すポテンシャル図を示している。また、図２（ａ）において、ゲート電極Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４はそれぞれ垂直転送部３の電荷転送用ゲートである。配線によりゲート電極Ｖ１Ａは端子ΦＶ１Ａに接続され、ゲート電極Ｖ１Ｂは端子ΦＶ１Ｂに接続され、ゲート電極Ｖ２は端子ΦＶ２に接続され、ゲート電極Ｖ３は端子ΦＶ３に接続され、ゲート電極Ｖ４は端子ΦＶ４に接続されている。同様に、ゲート電極Ｈ１は端子ΦＨ１に接続され、ゲート電極Ｈ２は端子ΦＨ２に接続され、ゲート電極Ｈ３は端子ΦＨ３に接続され、ゲート電極Ｈ４は端子ΦＨ４に接続されている。
【００３６】
また、光入射によって光電変換部２に発生した電荷は垂直転送部３に読出されるが、この読出し動作はインタレース方式（インタレース読出し駆動）で行われ、１つの光電変換部２の信号電荷を分割して生成されるパケット数に応じたインタレース数となるように読出される。具体的には、１つの光電変換部２から読出された信号電荷をｎ分割してｎ個のパケットに分けて出力する場合、インタレース数はｎ（すなわち、ｎフィールド読出し）以上である。本実施形態では、１つの光電変換部２から読出された信号を２分割して出力する２フィールド読出しの場合を説明する。なお、ｎフィールド読出しでは、ｎ行の光電変換部２を１単位として信号電荷の読出しが行われる。そして、１フィールドはｎ行の光電変換部２を１単位として読出された画像を示し、ｎフィールドが合成されることで全光電変換部２から信号電荷が読出された１フレームの画像となる。
【００３７】
固体撮像素子１の駆動方法は、１つの光電変換部２で発生した信号電荷を複数の垂直転送部３のそれぞれで複数の信号電荷に分割して蓄積し、分割された信号電荷を混合すること無く列方向に転送し、複数の垂直転送部３で転送された分割された信号電荷を第１水平転送部４ａおよび第２水平転送部４ｂで混合すること無く行方向に転送し、第１水平転送部４ａおよび第２水平転送部４ｂで転送された分割された信号電荷を第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂで独立に信号電圧に変換する。
【００３８】
以下、図１の固体撮像素子１の駆動方法について詳細を説明する。
【００３９】
まず、光電変換部２において入射光により信号電荷が発生し、所定の時間が経過したのち端子ΦＶ１Ａに読出しパルスが印加されることにより光電変換部２内の信号電荷は隣接する垂直転送部３に移送される。このとき、端子ΦＶ１Ｂには読出しパルスは印加されず、ゲート電極Ｖ１Ｂを電荷転送用ゲートとする光電変換部２については信号電荷の読出しは行われない。読出された信号電荷は読出し動作時又は読出し動作後に分割され、それぞれ独立した信号電荷９および１０として垂直転送部３内に蓄積される。
【００４０】
ここで、信号電荷の分割方法に限定はなく、すべての信号電荷を垂直転送部３に一度に読出した後で垂直転送部３により二つに分割する方式であってもよいし、また、読出しパルスの振幅を複数回にわたって変えながら垂直転送部３への読出し時に分割する方式であってもよい。光電変換部２から信号電荷が読出され、信号電荷の分割が行われた直後の状態が時刻ｔ１である。この時、端子ΦＶ１ＡおよびΦＶ１Ｂ、そして端子ΦＶ２に”Ｈ”レベルの転送クロックパルスが印加され、端子ΦＶ３およびΦＶ４には”Ｌ”レベルの転送クロックパルスが印加されている。
【００４１】
続いて、時刻ｔ２において、端子ΦＶ３に印加される転送クロックパルスを”Ｈ”レベルに、端子ΦＶ１ＡおよびΦＶ１Ｂに印加される転送クロックパルスを”Ｌ”レベルに変化することによって時刻ｔ２に示すようなポテンシャルが形成され、信号電荷は１ゲート分転送方向（列方向）に進む。
【００４２】
以下同様にして、信号電荷はさらに転送方向に３ゲート分転送され（時刻ｔ３、ｔ４、ｔ５）、２分割された信号電荷のうち水平転送部４に最も近いパケットの信号電荷９が時刻ｔ５において完全に水平転送部４に送られる。
【００４３】
その後、端子ΦＨ１〜ΦＨ４に転送クロックパルスが印加されることにより水平転送部４内の信号電荷は行方向に転送され（時刻ｔ６）、複数領域に分割された水平転送部４の各々の先端に設けられた第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂに送られる。第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂの信号電荷はＭＯＳトランジスタによって検知され、出力される。このとき、信号電荷は分割されているため、送られてきた信号電荷の量は、第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂのそれぞれの飽和電荷量よりも少ない。そのため、送られてきた信号電荷はオーバーフローすることなく第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂに蓄積され、出力信号が減少することはない。
【００４４】
その後、時刻ｔ７〜ｔ１０において時刻ｔ２〜ｔ５と同様の電荷転送動作が行われ、２分割された信号電荷のうち水平転送部４に遠い側のパケットの信号電荷１０が水平転送部４に送られる。
【００４５】
その後、時刻ｔ１１において、水平転送部４内の信号電荷は行方向に転送されて第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂに送られ、それぞれＭＯＳトランジスタによって検知されることで出力される。
【００４６】
このようにして、光電変換部２で発生した信号電荷は垂直転送部３で分割された状態のまま、混合されることなく異なる信号として第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂに送られ、電圧として出力される。このようにして分割出力された信号は、固体撮像素子１の外部に接続されたアナログフロントエンド（図示せず）にてデジタル信号に変換された後、プロセッサ（図示せず）により加算処理されることにより分割前の元の信号が復元される。この場合、カメラシステムは、固体撮像素子１と、第１フローティングディフュージョン部５ａで生成された信号電圧に対応するデジタル信号と、第２フローティングディフュージョン部５ｂで生成された信号電圧に対応するデジタル信号とを加算し、分割された信号電荷の分割前の信号電荷に対応する信号電圧に対応するデジタル信号を生成するプロセッサとを備える。
【００４７】
図２および図３では、第１フィールドつまり端子ΦＶ１Ａに読出しパルスを印加することで信号電荷が読出される光電変換部２の信号電荷の分割出力について説明した。この第１フィールドの信号電荷の分割出力に引き続き、以降で、第２フィールドつまり端子ΦＶ１Ｂに読出しパルスを印加することで信号電荷が読出される光電変換部２から信号電荷が読出され、分割出力されるが、この動作については上記の繰り返しとなるため説明しない。
【００４８】
なお、上記実施形態では全画素読出し構造の固体撮像素子１において、２フィールド構成のインタレース方式で信号電荷の読出しを行う場合について説明したが、３フィールド以上のインタレース方式で信号電荷の読出しを行うこともできる。言い換えると、垂直転送部３は、１つの光電変換部２あたり２枚の電荷転送用ゲートをもち、固体撮像素子１は、インタレース読出し駆動において、複数の光電変換部を３フィールド以上に分割して３フィールド以上で１フレームの画像を構成し、複数の垂直転送部３のそれぞれが１つの光電変換部２で発生した信号電荷を分割して列方向に転送することもできる。この場合、分割後の信号電荷量は更に減少するため、光電変換部２の飽和電荷量が第１フローティングディフュージョン部５ａおよび第２フローティングディフュージョン部５ｂの飽和電荷量を大きく上回る場合でも光電変換部２の信号電荷量を再現することができる。
【００４９】
また、上記実施形態では、１画素あたりのゲート数が４枚である全画素読出し構造の固体撮像素子１について説明したが、１画素あたりのゲート数が２枚以下のインタレース読出し構造の固体撮像素子とすることもできる。言い換えると、１つの光電変換部２あたり１枚の電荷転送用ゲートをもち、固体撮像素子１は、インタレース読出し駆動において、複数の光電変換部を６フィールド以上に分割して６フィールド以上で１フレームの画像を構成し、複数の垂直転送部３のそれぞれが１つの光電変換部２で発生した信号電荷を分割して列方向に転送することもできる。その場合にも上記と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
また、上記実施形態の駆動方法を並列出力型でないＣＣＤ型固体撮像素子に適用した場合、1つの光電変換部で発生した信号電荷を複数に分割して出力するため、信号出力のスピードが低下する弊害がある。しかしながら、並列出力型のＣＣＤ型固体撮像素子は出力スピードが充分に速いため、上記実施形態の駆動方法を適用した場合でも出力速度の低下は問題にならない。
【００５１】
以上、本発明の固体撮像素子およびその駆動方法ならびにカメラシステムについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、固体撮像素子に利用でき、特にディジタルスチルカメラ等に利用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１    固体撮像素子
２    光電変換部
３    垂直転送部
４    水平転送部
４ａ    第１水平転送部
４ｂ    水平転送部
５ａ    第１フローティングディフュージョン部
５ｂ    第２フローティングディフュージョン部
６ａ    第１リセットゲート
６ｂ    第２リセットゲート
７ａ    第１リセットドレイン
７ｂ    第２リセットドレイン
８ａ    第１出力アンプ
８ｂ    第２出力アンプ
９、１０    信号電荷
【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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