固体撮像素子及び撮像装置
【課題】多画素化が進んだ場合でも電荷転送効率や感度を維持可能にすると共に、電荷の混合を行った場合でも高画質の画を作ることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】互いに隣接する１対の光電変換素子１，２からなる光電変換素子組を複数有し、１対の光電変換素子１，２のうちの光電変換素子２に隣接して設けられた、光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直方向Ｙに転送するための垂直電荷転送路３と、垂直電荷転送路３と光電変換素子２との間に設けられた、光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３に読み出すための素子−転送路間電荷読出し部１０と、光電変換素子２とこれと対をなす光電変換素子１との間に設けられた、該光電変換素子１に蓄積された電荷を該光電変換素子２に読み出すための素子−素子間電荷読出し部１１とを備える。
【解決手段】互いに隣接する１対の光電変換素子１，２からなる光電変換素子組を複数有し、１対の光電変換素子１，２のうちの光電変換素子２に隣接して設けられた、光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直方向Ｙに転送するための垂直電荷転送路３と、垂直電荷転送路３と光電変換素子２との間に設けられた、光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３に読み出すための素子−転送路間電荷読出し部１０と、光電変換素子２とこれと対をなす光電変換素子１との間に設けられた、該光電変換素子１に蓄積された電荷を該光電変換素子２に読み出すための素子−素子間電荷読出し部１１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、該電荷を光電変換素子から電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを有する固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送路とを有する固体撮像素子が開示されている。この固体撮像素子は、垂直方向に並ぶ複数の光電変換素子からなる光電変換素子列２つに対して、１つの垂直電荷転送路が設けられた構成となっている。２つの光電変換素子列に対応する垂直電荷転送路は、その２つの光電変換素子列の間に配置されている。このような構成により、一般的な固体撮像素子と比べて垂直電荷転送路の数を半分にすることができるため、多画素化が進んだ場合でも、垂直電荷転送路の幅を狭めたり、光電変換素子の面積を小さくしたりする必要がなくなり、電荷転送効率や感度を維持することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−９２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の固体撮像素子では、垂直電荷転送路を挟んで配置された２つの光電変換素子を同一色を検出するものとし、この２つの光電変換素子で発生した電荷を混合して画像データを生成することが可能である。しかし、このような混合を行った場合、混合された２つの電荷は、垂直電荷転送路を挟んで離れた位置にある２つの光電変換素子から得られたものであるため、距離の離れたサンプリングポイント同士の電荷が混合されることになり、画像品質が劣化してしまう。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、多画素化が進んだ場合でも電荷転送効率や感度を維持可能にすると共に、電荷の混合を行った場合でも高画質の画を作ることが可能な固体撮像素子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】
【０００６】
本発明の固体撮像素子は、互いに隣接する一対の光電変換素子からなる光電変換素子組を複数有し、前記一対の光電変換素子のいずれか一方の光電変換素子に隣接して設けられた、前記一方の光電変換素子に蓄積された電荷を所定方向に転送するための電荷転送路と、前記電荷転送路と前記一方の光電変換素子との間に設けられた、前記一方の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷転送路に読み出すための素子−転送路間電荷読出し部と、前記一対の光電変換素子の前記一方の光電変換素子と他方の光電変換素子との間に設けられた、前記他方の光電変換素子に蓄積された電荷を前記一方の光電変換素子に読み出すための素子−素子間電荷読出し部とを備える。
【０００７】
本発明の固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子組を構成する光電変換素子の配列が、前記所定方向に配列された複数の第一の光電変換素子からなる第一の光電変換素子列と、前記複数の第一の光電変換素子の各々に隣接する前記所定方向に配列された複数の第二の光電変換素子からなる第二の光電変換素子列とを、前記所定方向に直交する直交方向に交互に配列した構成となっており、前記一対の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子とそれに隣接する前記第二の光電変換素子であり、前記電荷転送路は、前記直交方向に連続して並んでいる前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列からなる素子列組に対応して、前記素子列組の側部に設けられている。
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子は、前記一対の光電変換素子の前記第一の光電変換素子の位置から前記所定方向及び前記直交方向の各々と交差する方向にずれた位置に配置されている。
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子組を構成する光電変換素子の配列が、前記所定方向に配列された複数の第一の光電変換素子からなる第一の光電変換素子列と、前記複数の第一の光電変換素子の各々に隣接する前記所定方向に配列された複数の第二の光電変換素子からなる第二の光電変換素子列とを、前記所定方向に直交する直交方向に交互に配列した構成となっており、前記一対の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子とそれに隣接する前記第二の光電変換素子であり、前記電荷転送路は、前記直交方向に連続して並んでいる２つの前記第一の光電変換素子列及び２つの前記第二の光電変換素子列からなる素子列組に対応して、前記素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうちの両端の前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列を除く前記第一の光電変換素子列と前記第二の光電変換素子列との間に設けられている。
【００１０】
本発明の固体撮像素子は、前記素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、前記４つの光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子を構成する前記第一の光電変換素子の位置を基準位置としたときに、前記電荷転送路を挟んで片側にある前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子と、前記電荷転送路を挟んで前記片側とは反対側にある前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子とは、前記基準位置からそれぞれ異なる方向にずれた位置に配置されている。
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、前記片側にある前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子の前記基準位置からのずれ方向と、前記反対側にある前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子の前記基準位置からのずれ方向とが直交する。
【００１２】
本発明の固体撮像素子は、前記一対の光電変換素子のうち、前記一対の光電変換素子のうちの他方の光電変換素子のポテンシャルが、前記一方の光電変換素子のポテンシャルよりも浅くなっている。
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、前記他方の光電変換素子の面積が、前記一方の光電変換素子の面積よりも小さくなっている。
【００１４】
本発明の固体撮像素子は、前記一対の光電変換素子は、それぞれ検出感度が異なるものである。
【００１５】
本発明の固体撮像素子は、前記一対の光電変換素子は、それぞれ同じ波長域の光を検出するものである。
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、前記素子−素子間電荷読出し部の上方に前記一対の光電変換素子の並ぶ方向に配列して設けられた、それぞれ独立に電圧を印加可能な複数の電極を備える。
【００１７】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記複数の電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段は、前記複数の電極に電圧を印加するタイミングをずらして、前記他方の光電変換素子から前記一方の光電変換素子に電荷を移動させる。
【００１８】
本発明の撮像装置は、前記電圧印加手段は、前記複数の電極のうち、前記他方の光電変換素子に近い電極ほど、印加電圧を小さくする。
【００１９】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記複数の電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段は、前記複数の電極のうち、前記他方の光電変換素子に近い電極ほど、印加電圧を小さくする。
【００２０】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、多画素化が進んだ場合でも電荷転送効率や感度を維持可能にすると共に、電荷の混合を行った場合でも高画質の画を作ることが可能な固体撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、垂直方向Ｙとこれに直交する水平方向Ｘに格子状に配列された多数の光電変換素子１と、多数の光電変換素子１の各々に対応して各々に対して同じ方向に隣接して設けられた光電変換素子２とを備える。光電変換素子２は、それに対応する光電変換素子１の位置を基準としたときに、この位置から垂直方向Ｙ及び水平方向Ｘそれぞれに対して４５度で交差する方向（図中の右斜め上方向）にずれた位置に配置されている。光電変換素子１とその右斜め上に隣接する光電変換素子２とにより、特許請求の範囲の一対の光電変換素子が構成されている。
【００２４】
多数の光電変換素子１は、入射光のうちの赤色（Ｒ）の波長域の光を検出するＲ光電変換素子（図１では“Ｒ”の文字を付してある）と、入射光のうちの緑色（Ｇ）の波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図１では“Ｇ”の文字を付してある）と、入射光のうちの青色（Ｂ）の波長域の光を検出するＢ光電変換素子（図１では“Ｂ”の文字を付してある）との３種類を含む。多数の光電変換素子１は、Ｇ光電変換素子とＢ光電変換素子をこの順番で水平方向Ｘに交互に配列したＧＢ光電変換素子行と、Ｒ光電変換素子とＧ光電変換素子をこの順番で水平方向Ｘに交互に配列したＲＧ光電変換素子行とを、垂直方向Ｙに交互に配列した構成となっている。
【００２５】
光電変換素子２は、それに対応する光電変換素子１と同じ波長域の光を検出するものであり、入射光のうちのＲの波長域の光を検出するＲ光電変換素子（図１では“ｒ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図１では“ｇ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＢの波長域の光を検出するＢ光電変換素子（図１では“ｂ”の文字を付してある）との３種類を含む。多数の光電変換素子２は、Ｇ光電変換素子とＢ光電変換素子をこの順番で水平方向Ｘに交互に配列したｇｂ光電変換素子行と、Ｒ光電変換素子とＧ光電変換素子をこの順番で水平方向Ｘに交互に配列したｒｇ光電変換素子行とを、垂直方向Ｙに交互に配列した構成となっている。
【００２６】
光電変換素子１と光電変換素子２は、それぞれ検出感度が異なり、例えば光電変換素子２の検出感度の方が高くなっている。光電変換素子の検出感度を変化させるには、光電変換素子の受光面の面積を変化させてもよいし、光電変換素子上方に設けたマイクロレンズによって、集光面積を変化させてもよいし、２つの光電変換素子の各々で露光時間を変えても良い。これらの方法は公知であるため、説明を省略する。本実施形態では、光電変換素子１の面積を、光電変換素子２の面積よりも小さくすることで、光電変換素子１と光電変換素子２とに感度差を設けている。尚、図面では、光電変換素子１と光電変換素子２の面積は同一で図示してある。
【００２７】
尚、本明細書において、光電変換素子の検出感度とは、光電変換素子に所定量の光が入射したときに、その光電変換素子から取り出せる信号量がどのくらいなのかを示す特性のことを示す。つまり、同一光量の光が入射したとき、検出感度が相対的に高い高感度の光電変換素子は、検出感度が相対的に低い低感度の光電変換素子よりも、取り出せる信号量が多いという特性を持つものと定義することができる。高感度の光電変換素子は、少ない光量で多くの信号を得ることができるため、低照度の被写体を撮影するのに最適であるが、多くの光量が入射した場合には、信号がすぐに飽和してしまうため、高照度の被写体を撮影するのには適さない。又、低感度の光電変換素子は、多くの光量が入射してもあまり多くの信号を得られないため、高照度の被写体を撮影するのに最適であるが、少ない光量が入射した場合には、得られる信号が少なすぎてしまい、低照度の被写体を撮影するのには適さない。
【００２８】
図１に示す固体撮像素子に含まれる光電変換素子の配列は、垂直方向Ｙに配列された複数の光電変換素子１からなる第一の光電変換素子列と、垂直方向Ｙに配列された複数の光電変換素子２からなる第二の光電変換素子列とを、水平方向Ｘに交互に配列したものということができる。又は、水平方向Ｘに配列された複数の光電変換素子１からなる第一の光電変換素子行と、水平方向Ｘに配列された複数の光電変換素子２からなる第二の光電変換素子行とを、垂直方向Ｙに交互に配列したものということもできる。
【００２９】
水平方向Ｘに連続して並ぶ第一の光電変換素子列と第二の光電変換素子列からなる素子列組のうち、この素子列組の側部（ここでは第二の光電変換素子列の右側部）には、該第二の光電変換素子列を構成する光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直方向Ｙに転送するための垂直電荷転送路３が、この素子列組に対応して設けられている。
【００３０】
垂直電荷転送路３の上方には、転送電極Ｖ１、転送電極Ｖ２、転送電極Ｖ３、及び転送電極Ｖ４をこの順番に垂直方向Ｙに配列した電極組が、垂直方向Ｙに多数配列して形成されている。１つの光電変換素子２には、転送電極Ｖ１〜Ｖ４の４つの転送電極が対応して設けられている。転送電極Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ、第一の光電変換素子行と第二の光電変換素子行との間を、水平方向Ｘに向かって蛇行して配設されている。具体的に、第二の光電変換素子行の下側部には、隣接する第一の光電変換素子行との間に、第二の光電変換素子行側から順に転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２とが並べて配置され、第二の光電変換素子行の上側部には、隣接する第一の光電変換素子行との間に、第二の光電変換素子行側から順に転送電極Ｖ４と転送電極Ｖ３とが並べて配置されている。転送電極Ｖ１〜Ｖ４には、垂直電荷転送路３に読み出された電荷を垂直方向Ｙに転送するための転送パルスが印加される。
【００３１】
図２は、図１に“Ｒ”で示した光電変換素子１と、これと対をなす“ｒ”で示した光電変換素子２とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図である。図１に“Ｇ”で示した光電変換素子１と、これと対をなす“ｇ”で示した光電変換素子２とからなる光電変換素子組近傍の構成と、図１に“Ｂ”で示した光電変換素子１と、これと対をなす“ｂ”で示した光電変換素子２とからなる光電変換素子組近傍の構成も図２と同様である。
【００３２】
図２に示すように、光電変換素子１と、これと対をなす光電変換素子２との間には、光電変換素子１に蓄積された電荷を光電変換素子２に読み出すための電荷読出し部１１が設けられている。又、光電変換素子２の下側部と垂直電荷転送路３との間には、光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３に読み出すための電荷読出し部１０が形成されている。そして、転送電極Ｖ１は、電荷読出し部１０全体と電荷読出し部１１の一部を覆って形成されており、転送電極Ｖ２は、電荷読出し部１１の一部以外を覆って形成されている。
【００３３】
図３は、図２に示したＡ−Ａ’線断面におけるポテンシャルを示した図である。
図３に示すように、光電変換素子１は、光電変換素子２よりも面積が小さいため、そのポテンシャルは光電変換素子２よりも浅くなっている。電荷読出し部１１の上方には、転送電極Ｖ２と転送電極Ｖ１とが、光電変換素子１と光電変換素子２との並ぶ方向に並べて配置されており、この転送電極Ｖ１，Ｖ２が電荷を読み出すための読出しゲートとしても機能する。又、電荷読出し部１０の上方には転送電極Ｖ１が形成されており、この転送電極Ｖ１が電荷を読み出すための読出しゲートとしても機能する。
【００３４】
尚、図１には図示していないが、本実施形態の固体撮像素子には、垂直電荷転送路３の終端に、垂直電荷転送路３を転送されてきた電荷を水平方向Ｘに転送するための水平電荷転送路が設けられ、この水平電荷転送路の終端に、水平電荷転送路を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力アンプが設けられている。
【００３５】
図４は、図１に示した固体撮像素子を搭載する撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ４１と、図１に示した構成の固体撮像素子４５と、この両者の間に設けられた絞り４２と、赤外線カットフィルタ４３と、光学ローパスフィルタ４４とを備える。
【００３６】
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部５１は、フラッシュ発光部５２及び受光部５３を制御し、レンズ駆動部４８を制御して撮影レンズ４１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部４９を介し絞り４２の開口量を制御して露光量調整を行う。
【００３７】
又、システム制御部５１は、撮像素子駆動部５０を介して固体撮像素子４５を駆動し、撮影レンズ４１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部５１には、操作部５４を通してユーザからの指示信号が入力される。
【００３８】
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子４５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部４６と、このアナログ信号処理部４６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路４７とを備え、これらはシステム制御部５１によって制御される。
【００３９】
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ５６と、メインメモリ５６に接続されたメモリ制御部５５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部５７と、デジタル信号処理部５７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部５８と、測光データを積算しデジタル信号処理部５７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部５９と、着脱自在の記録媒体６１が接続される外部メモリ制御部６０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部６３が接続される表示制御部６２とを備え、これらは、制御バス６４及びデータバス６５によって相互に接続され、システム制御部５１からの指令によって制御される。
【００４０】
撮像素子駆動部５０は、転送電極Ｖ１のみに読出しパルスを印加して光電変換素子２のみから電荷を読み出し、その後、転送電極Ｖ１〜Ｖ４に転送パルスを供給して該電荷を転送する単独読み出しモードと、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２とに読出しパルスを印加して、光電変換素子１に蓄積された電荷と光電変換素子２に蓄積された電荷とを混合して読み出し、その後、転送電極Ｖ１〜Ｖ４に転送パルスを供給して該混合電荷を転送する混合読み出しモードとの少なくとも２つの駆動モードで固体撮像素子を駆動する。
【００４１】
以下、固体撮像素子の動作について説明する。
（単独読み出しモード）
撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１下方の電荷読出し部１０，１１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅する。電荷読出し部１１によって形成されるポテンシャル障壁は転送電極Ｖ１下方のみが消滅し、転送電極Ｖ２下方は維持されるため、光電変換素子１に蓄積されている電荷は光電変換素子２へは移動せずに、光電変換素子１に保持される。一方、光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部１０を通って垂直電荷転送路３へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００４２】
（混合読み出しモード）
撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１，Ｖ２下方の電荷読出し部１０，１１のポテンシャル障壁が消滅する。このため、光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部１１を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部１０を通って垂直電荷転送路３に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００４３】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、転送電極Ｖ１，Ｖ２に読み出しパルスを印加することで、光電変換素子１とそれに対応する光電変換素子２とにそれぞれ蓄積されている電荷を混合して、垂直電荷転送路３に読み出すことができる。光電変換素子２は光電変換素子１よりも検出感度が高くなっているため、このような電荷混合を行うことで、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。又、光電変換素子１とそれに対応する光電変換素子２とは、電荷読出し部１１を介して隣接している。電荷読出し部１１の幅は、垂直電荷転送路３より十分小さくすることができるため、光電変換素子１と光電変換素子２との距離は、水平方向Ｘに並ぶ光電変換素子１又は光電変換素子２同士の距離よりも大幅に小さくなっている。つまり、非常に近い位置にある２つの光電変換素子で得られた電荷を混合することができるため、サンプリングポイントのずれがほとんどない２つの電荷を混合することが可能となり、良質な画を作ることが可能となる。
【００４４】
又、本実施形態の固体撮像素子は、転送電極Ｖ１のみに読み出しパルスを印加することで、光電変換素子２のみから電荷を読み出すことが可能となっている。光電変換素子２のみから電荷を読み出すときは、光電変換素子１と光電変換素子２から電荷を読み出すときよりも、電荷読み出しにかかる時間を短縮することができる。このため、単独読み出しモードで駆動することで撮影時間を短縮することができ、ＡＦ機能を実行するための撮影や動画撮影等の高速動作が要求される状況に適したものとなる。
【００４５】
尚、単独読み出しモード時には、光電変換素子２のみから電荷が読み出されるが、光電変換素子２は検出感度が相対的に高くなっているため、被写体が明るい場合には、出力がすぐに飽和してしまい、所望の画が得られなくなることが考えられる。このため、光電変換素子１と光電変換素子２の検出感度差は、露光時間で変えられるようにしておくことが好ましい。このようにしておけば、単独読み出しモード時には、光電変換素子２の検出感度を被写体に応じて調整することが可能となり、出力が飽和してしまうのを防ぐことができる。
【００４６】
又、本実施形態の固体撮像素子は、図３に示したように、光電変換素子１とそれに対応する光電変換素子２からなる光電変換素子組のうち、この光電変換素子組に対応する垂直電荷転送路３から遠い位置にある光電変換素子１のポテンシャルが、垂直電荷転送路に近い位置にある光電変換素子２のポテンシャルよりも浅くなるように設計されている。このため、光電変換素子１から光電変換素子２へかけてポテンシャルスロープを形成することができ、光電変換素子１から光電変換素子２への電荷読み出しをスムーズに行うことができる。
【００４７】
尚、本実施形態の固体撮像素子は、光電変換素子１の面積を光電変換素子２よりも小さくすることで、光電変換素子１のポテンシャルを光電変換素子２のポテンシャルよりも浅くするものとしているが、ポテンシャルを浅くする方法はこれに限らず、公知の様々な手法を採用することができる。
【００４８】
又、本実施形態の固体撮像素子の構成では、混合読み出しモード時に、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスを同時に印加してしまうと、電界集中が発生して、不具合を起こす可能性がある。このため、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加するタイミングは、同時ではなくずらしておくことが好ましい。例えば、まず、転送電極Ｖ１に読み出しパルスを印加し、その後少ししてから、転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加するといった制御を行うことで、電界集中を避けることができる。
【００４９】
又、電界集中を避けるために、転送電極Ｖ２に印加する読み出しパルスの電圧レベルを、転送電極Ｖ１に印加する読み出しパルスよりも小さくしておくことも好ましい。
【００５０】
又、以上の説明では、光電変換素子１と光電変換素子２とに検出感度差を設けるものとしたが、検出感度差はなくても構わない。
【００５１】
（第二実施形態）
図５は、本発明の第二実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図である。
図５に示す固体撮像素子は、垂直方向Ｙとこれに直交する水平方向Ｘに格子状に配列された多数の光電変換素子４と、多数の光電変換素子４の各々に対して同じ方向に隣接して設けられた光電変換素子５とを備える。光電変換素子５は、それに対応する光電変換素子４の位置を基準としたときに、この位置から垂直方向Ｙ及び水平方向Ｘそれぞれに対して４５度で交差する方向（図中の右斜め上方向）にずれた位置に配置されている。
【００５２】
図５に示す固体撮像素子に含まれる光電変換素子の配列は、垂直方向Ｙに配列された複数の光電変換素子４からなる第一の光電変換素子列と、垂直方向Ｙに配列された複数の光電変換素子５からなる第二の光電変換素子列とを、水平方向Ｘに交互に配列したものということができる。又は、水平方向Ｘに配列された複数の光電変換素子４からなる第一の光電変換素子行と、水平方向Ｘに配列された複数の光電変換素子５からなる第二の光電変換素子行とを、垂直方向Ｙに交互に配列したものということもできる。
【００５３】
水平方向Ｘに連続して並ぶ２つの第一の光電変換素子列と２つの第二の光電変換素子列からなる素子列組（図５中の左から数えて４番目までの光電変換素子列）のうち、両端の光電変換素子列を除く第一の光電変換素子列と第二の光電変換素子列との間には、該第一の光電変換素子列と該第二の光電変換素子列を構成する光電変換素子に蓄積された電荷を垂直方向Ｙに転送するための垂直電荷転送路３が、この素子列組に対応して設けられている。
【００５４】
素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、垂直電荷転送路３よりも左側にある第一の光電変換素子列は、入射光のうちのＢの波長域の光を検出するＢ光電変換素子（図５では“Ｂ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図５では“Ｇ”の文字を付してある）とをこの順番で垂直方向Ｙに交互に配列したものとなっている。又、垂直電荷転送路３よりも左側にある第一の光電変換素子列を構成する光電変換素子４の右斜め上に隣接する光電変換素子５は、光電変換素子４と同じ波長域の光を検出するものとなっている。つまり、垂直電荷転送路３よりも左側にある第二の光電変換素子列は、入射光のうちのＢの波長域の光を検出するＢ光電変換素子（図５では“ｂ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図５では“ｇ”の文字を付してある）とをこの順番で垂直方向Ｙに交互に配列したものとなっている。
【００５５】
素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、垂直電荷転送路３よりも左側にある光電変換素子４と、その光電変換素子４の右斜め上の光電変換素子５とにより、特許請求の範囲の一対の光電変換素子が構成されている。
【００５６】
素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、垂直電荷転送路３よりも右側にある第一の光電変換素子列は、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図５では“Ｇ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＲの波長域の光を検出するＲ光電変換素子（図５では“Ｒ”の文字を付してある）とをこの順番で垂直方向Ｙに交互に配列したものとなっている。又、垂直電荷転送路３よりも右側にある第一の光電変換素子列を構成する光電変換素子４の右斜め下に隣接する光電変換素子５は、光電変換素子４と同じ波長域の光を検出するものとなっている。つまり、垂直電荷転送路３よりも右側にある第二の光電変換素子列は、入射光のうちのＲの波長域の光を検出するｒ光電変換素子（図５では“ｒ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図５では“ｇ”の文字を付してある）とをこの順番で垂直方向Ｙに交互に配列したものとなっている。
【００５７】
素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、垂直電荷転送路３よりも右側にある光電変換素子４と、その光電変換素子４の右斜め下の光電変換素子５とにより、特許請求の範囲の一対の光電変換素子が構成されている。このように、垂直電荷転送路３よりも右側にある一対の光電変換素子の光電変換素子５の光電変換素子４からのずれ方向と、垂直電荷転送路３よりも左側にある一対の光電変換素子の光電変換素子５の光電変換素子４からのずれ方向とは、直交する関係となっている。
【００５８】
光電変換素子４と光電変換素子５は、それぞれ検出感度が異なり、例えば光電変換素子４が光電変換素子５よりも検出感度が高くなっている。
【００５９】
垂直電荷転送路３の上方には、転送電極Ｖ１、転送電極Ｖ２、転送電極Ｖ３、及び転送電極Ｖ４をこの順番に垂直方向Ｙに配列した電極組が、垂直方向Ｙに多数配列して形成されている。１つの光電変換素子４又は光電変換素子５には、転送電極Ｖ１〜Ｖ４の４つの転送電極が対応して設けられている。転送電極Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ、第一の光電変換素子行と第二の光電変換素子行との間を、水平方向Ｘに向かって蛇行して配設されている。具体的に、第二の光電変換素子行の下側部には、隣接する第一の光電変換素子行との間に、第二の光電変換素子行側から順に転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２とが並べて配置され、第二の光電変換素子行の上側部には、隣接する第一の光電変換素子行との間に、第二の光電変換素子行側から順に転送電極Ｖ４と転送電極Ｖ３とが並べて配置されている。転送電極Ｖ１〜Ｖ４には、垂直電荷転送路３に読み出された電荷を垂直方向Ｙに転送するための転送パルスが印加される。
【００６０】
図６は、図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の左側にある“Ｇ”で示した光電変換素子４と、これと対をなす“ｇ”で示した光電変換素子５とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図である。図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の左側にある“Ｂ”で示した光電変換素子４と、これと対をなす“ｂ”で示した光電変換素子５とからなる光電変換素子組近傍の構成も図６と同様である。
【００６１】
図６に示すように、光電変換素子４と、これと対をなす光電変換素子５との間には、光電変換素子４に蓄積された電荷を光電変換素子５に読み出すための電荷読出し部２２が設けられている。又、光電変換素子５の下側部と垂直電荷転送路３との間には、光電変換素子５に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３に読み出すための電荷読出し部２１が形成されている。そして、転送電極Ｖ１は、電荷読出し部２１全体と電荷読出し部２２の一部を覆って形成されており、転送電極Ｖ２は、電荷読出し部２２の一部以外を覆って形成されている。
【００６２】
図７は、図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の右側にある“Ｒ”で示した光電変換素子４と、これと対をなす“ｒ”で示した光電変換素子５とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図である。図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の右側にある“Ｇ”で示した光電変換素子４と、これと対をなす“ｇ”で示した光電変換素子５とからなる光電変換素子組近傍の構成も図７と同様である。
【００６３】
図７に示すように、光電変換素子４と、これと対をなす光電変換素子５との間には、光電変換素子５に蓄積された電荷を光電変換素子４に読み出すための電荷読出し部２３が設けられている。又、光電変換素子４の下側部と垂直電荷転送路３との間には、光電変換素子４に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３に読み出すための電荷読出し部２４が形成されている。そして、転送電極Ｖ３は、電荷読出し部２４全体と電荷読出し部２３の一部を覆って形成されており、転送電極Ｖ４は、電荷読出し部２３の一部以外を覆って形成されている。
【００６４】
尚、図５には図示していないが、本実施形態の固体撮像素子には、垂直電荷転送路３の終端に、垂直電荷転送路３を転送されてきた電荷を水平方向Ｘに転送するための水平電荷転送路が設けられ、この水平電荷転送路の終端に、水平電荷転送路を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力アンプが設けられている。
【００６５】
本実施形態の固体撮像素子を搭載する撮像装置の構成は図４に示したものと同様である。本実施形態の撮像装置の撮像素子駆動部５０は、転送電極Ｖ１及び転送電極Ｖ２に読出しパルスを印加して、光電変換素子４に蓄積された電荷と光電変換素子５に蓄積された電荷とを混合して読み出し、その後、転送電極Ｖ１〜Ｖ４に転送パルスを供給して該混合電荷を転送し、転送電極Ｖ３及び転送電極Ｖ４に読出しパルスを印加して、光電変換素子４に蓄積された電荷と光電変換素子５に蓄積された電荷とを混合して読み出し、その後、転送電極Ｖ１〜Ｖ４に転送パルスを供給して該混合電荷を転送する混合読み出しモードで固体撮像素子を駆動する。
【００６６】
以下、固体撮像素子の動作について説明する。
まず、撮像素子駆動部５０は、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加する。読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１，Ｖ２下方の電荷読出し部２１，２２のポテンシャル障壁が消滅する。このため、素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の左側にある光電変換素子４に蓄積されている電荷が、電荷読出し部２２を通って光電変換素子５へと読み出され、光電変換素子５に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子４から読み出された電荷と光電変換素子５に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部２１を通って垂直電荷転送路３に読み出される。垂直電荷転送路３に電荷が読み出された後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、読みだされた電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００６７】
次に、撮像素子駆動部５０は、転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ４に読み出しパルスを印加する。読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ３，Ｖ４下方の電荷読出し部２３，２４のポテンシャル障壁が消滅する。このため、素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の右側にある光電変換素子５に蓄積されている電荷が、電荷読出し部２３を通って光電変換素子４へと読み出され、光電変換素子４に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子５から読み出された電荷と光電変換素子４に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部２４を通って垂直電荷転送路３に読み出される。垂直電荷転送路３に電荷が読み出された後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、読みだされた電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００６８】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、転送電極Ｖ１，Ｖ２に読み出しパルスを印加することで、垂直電荷転送路３の左側に隣接する光電変換素子５とそれと対をなす光電変換素子４とにそれぞれ蓄積されている電荷を混合し、垂直電荷転送路３に読み出して転送することができ、転送電極Ｖ３，Ｖ４に読み出しパルスを印加することで、垂直電荷転送路３の右側に隣接する光電変換素子４とそれと対をなす光電変換素子５とにそれぞれ蓄積されている電荷を混合し、垂直電荷転送路３に読み出して転送することができる。光電変換素子４は光電変換素子５よりも検出感度が高くなっているため、このような電荷混合を行うことで、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【００６９】
又、光電変換素子４とそれと対をなす光電変換素子５とは、電荷読出し部２２又は２３を介して隣接している。電荷読出し部２２，２３の幅は、垂直電荷転送路３より十分小さくすることができるため、光電変換素子４とそれと対をなす光電変換素子５との距離は、水平方向Ｘに並ぶ光電変換素子４又は光電変換素子５同士の距離よりも大幅に小さくなっている。つまり、非常に近い位置にある２つの光電変換素子で得られた電荷を混合することができるため、サンプリングポイントのずれがほとんどない２つの電荷を混合することが可能となり、良質な画を作ることが可能となる。
【００７０】
又、本実施形態の固体撮像素子は、４つの光電変換素子列に対して１つの垂直電荷転送路３を設けているため、垂直電荷転送路３の数を、特許文献１記載の素子の半分にすることができる。このため、多画素化を進めた場合でも、垂直電荷転送路３の幅を狭めることなく、光電変換素子の面積を確保することができ、電荷転送効率の劣化及び感度の低下を防ぐことができる。又、画素数を変えない場合は、光電変換素子の面積を拡大して感度を高めたり、垂直電荷転送路３面積を拡大して電荷転送効率を向上させたりすることができる。
【００７１】
尚、本実施形態の固体撮像素子においても、第一実施形態と同様に、光電変換素子４とそれと対をなす光電変換素子５とからなる光電変換素子組のうち、この光電変換素子組に対応する垂直電荷転送路３から遠い位置にある光電変換素子のポテンシャルが、垂直電荷転送路に近い位置にある光電変換素子のポテンシャルよりも浅くなるようにしておくことで、電荷の読み出しをスムーズに行うことができる。例えば、図６に示した光電変換素子４と光電変換素子５については、光電変換素子４のポテンシャルが光電変換素子５のポテンシャルよりも浅くなるようにし、図７に示した光電変換素子４と光電変換素子５については、光電変換素子５のポテンシャルが光電変換素子４のポテンシャルよりも浅くなるようにすれば良い。
【００７２】
又、本実施形態の固体撮像素子の構成においても、第一実施形態と同様に、電界集中を防ぐため、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加するタイミングをずらし、転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ４に読み出しパルスを印加するタイミングをずらしておくことが好ましい。又、転送電極Ｖ２に印加する読み出しパルスの電圧レベルを、転送電極Ｖ１に印加する読み出しパルスよりも小さくし、転送電極Ｖ４に印加する読み出しパルスの電圧レベルを、転送電極Ｖ３に印加する読み出しパルスよりも小さくしておくことが好ましい。
【００７３】
又、本実施形態の固体撮像素子の構成においても、第一実施形態と同様に、光電変換素子４と光電変換素子５とに検出感度差を設けなくても良い。
【００７４】
（第三実施形態）
第一実施形態の固体撮像素子では、光電変換素子２を、それと対をなす光電変換素子１の位置から斜め右上方向にずらした位置に配置したものとしているが、本実施形態の固体撮像素子は、図１に示した光電変換素子２の位置を、該光電変換素子２と対をなす光電変換素子１の位置から水平方向Ｘにずらした位置に配置したものとなっている。
【００７５】
図８は、本発明の第三実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図である。図８において図１と同様の構成には同一符号を付してある。図８において、光電変換素子１と光電変換素子２の形状は、図１のそれとは異なっているが、機能自体は全く同じである。図９（ａ）は、図８に示すＢ−Ｂ’線の断面模式図であり、図９（ｂ）は、図８に示すＣ−Ｃ’線の断面模式図である。
【００７６】
本実施形態の固体撮像素子は、図８に示すように、光電変換素子１の右隣に、それと対をなす光電変換素子２が配置された構成となっている。光電変換素子２の右側部には、この光電変換素子２と、これと対をなす光電変換素子１とからなる光電変換素子組に対応させて、該光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直方向Ｙに転送するための垂直電荷転送路３’が設けられている。垂直電荷転送路３’は、垂直方向Ｙに延びる直線形状となっている。
【００７７】
垂直電荷転送路３’と、これに対応する光電変換素子２との間には、光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３’に読み出すための電荷読出し部３１が形成されている。光電変換素子１と、これと対をなす光電変換素子２との間には、光電変換素子１に蓄積された電荷を光電変換素子２に読み出すための電荷読出し部３２が形成されている。
【００７８】
垂直電荷転送路３’を挟んで隣接する光電変換素子１と光電変換素子２との間の上方には、電極３４が形成されている。電極３４は、電荷読出し部３１と垂直電荷転送路３’の一部とを覆って形成されている。
【００７９】
水平方向Ｘに並ぶＧ光電変換素子１，２とＲ光電変換素子１，２とからなるＧＲ光電変換素子行の下側部の上方には、このＧＲ光電変換素子行に対応させて、水平方向Ｘに延びる転送電極Ｖ２が形成されている。転送電極Ｖ２は、これに対応するＧＲ光電変換素子行の光電変換素子同士の間にある電荷読出し部３２の上方に迫り出した迫り出し部３５ａを有している。
【００８０】
転送電極Ｖ２上には、これに対応させて、水平方向Ｘに延びる転送電極Ｖ１が絶縁膜を介して形成されている。転送電極Ｖ１は、これに対応するＧＲ光電変換素子行の光電変換素子同士の間の電極３４の上方に迫り出した迫り出し部３６ａを有しており、この迫り出し部３６ａと電極３４との間には、これらを電気的に接続する配線部３３ａが形成されている。
【００８１】
水平方向Ｘに並ぶＢ光電変換素子１，２とＧ光電変換素子１，２とからなるＢＧ光電変換素子行の下側部の上方には、このＢＧ光電変換素子行に対応させて、水平方向Ｘに延びる転送電極Ｖ４が形成されている。転送電極Ｖ４は、これに対応するＢＧ光電変換素子行の光電変換素子同士の間にある電荷読出し部３２の上方に迫り出した迫り出し部３５ｂを有している。
【００８２】
転送電極Ｖ４上には、これに対応させて、水平方向Ｘに延びる転送電極Ｖ３が絶縁膜を介して形成されている。転送電極Ｖ３は、これに対応するＢＧ光電変換素子行の光電変換素子同士の間の電極３４の上方に迫り出した迫り出し部３６ｂを有しており、この迫り出し部３６ｂと電極３４との間には、これらを電気的に接続する配線部３３ｂが形成されている。
【００８３】
以上のように構成された固体撮像素子の動作について説明する。本実施形態の固体撮像素子も、第一実施形態と同様に、単独読み出しモードと混合読み出しモードとの２つの読み出しモードで駆動が可能である。
【００８４】
（単独読み出しモード）
まず、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１の迫り出し部３６ａに接続された電極３４下方の電荷読出し部３１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅する。電荷読出し部３２によって形成されるポテンシャル障壁は維持されるため、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、それと対をなす光電変換素子２へは移動せずに、保持される。一方、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００８５】
次に、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ３に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ３の迫り出し部３６ｂに接続された電極３４下方の電荷読出し部３１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅する。電荷読出し部３２によって形成されるポテンシャル障壁は維持されるため、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、それと対をなす光電変換素子２へは移動せずに、保持される。一方、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００８６】
（混合読み出しモード）
まず、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１，Ｖ２下方の電荷読出し部３１，３２のポテンシャル障壁が消滅する。このため、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３２を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００８７】
次に、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ４に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ３，Ｖ４下方の電荷読出し部３１，３２のポテンシャル障壁が消滅する。このため、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３２を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００８８】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、第一実施形態の固体撮像素子と同様の効果を得ることができる。第一実施形態や第二実施形態で説明したような光電変換素子配列の場合、１セルあたりの垂直電荷転送路３の占める面積が大きくなってしまう。光電変換素子の面積を拡大して感度を向上させるためには、垂直電荷転送路を削ってその空いた分を光電変換素子に充てるのが常套であるが、垂直電荷転送路の面積は電荷転送効率に大きく関わってくるので、簡単に削ることはできない。本発明は、垂直電荷転送路の数を減らすことが可能であるため、このように垂直電荷転送路の面積を削ることが難しい光電変換素子配列を有する固体撮像素子において特に有効なものとなる。
【００８９】
（第四実施形態）
本発明の第四実施形態の固体撮像素子は、図８に示した固体撮像素子の変形例である。
図１０は、本発明の第四実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図である。図１０において図８と同様の構成には同一符号を付してある。図１１（ａ）は、図１０に示すＤ−Ｄ’線の断面模式図であり、図１１（ｂ）は、図１０に示すＥ−Ｅ’線の断面模式図である。
【００９０】
図１０に示す固体撮像素子は、図８に示す電荷読出し部３２を、その面積を拡大して電荷読出し部３２’としている。そして、転送電極Ｖ２には、電荷読出し部３２’の一部の上方まで迫り出す迫り出し部３５ａ’が設けられ、電荷読出し部３２’の迫り出し部３５ａ’と重ならない部分の上方には電極３７が設けられている。転送電極Ｖ１には、電極３７上方まで迫り出す迫り出し部３８ａが設けられ、迫り出し部３８ａと電極３７との間には、これらを電気的に接続する配線３９ａが形成されている。
【００９１】
転送電極Ｖ４には、電荷読出し部３２’の一部の上方まで迫り出す迫り出し部３５ｂ’が設けられ、電荷読出し部３２’の迫り出し部３５ｂ’と重ならない部分の上方には電極３７が設けられている。転送電極Ｖ３には、電極３７上方まで迫り出す迫り出し部３８ｂが設けられ、迫り出し部３８ｂと電極３７との間には、これらを電気的に接続する配線３９ｂが形成されている。
【００９２】
以上のように構成された固体撮像素子の動作について説明する。本実施形態の固体撮像素子も、第一実施形態と同様に、単独読み出しモードと混合読み出しモードとの２つの読み出しモードで駆動が可能である。
【００９３】
（単独読み出しモード）
まず、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１の迫り出し部３３ａに接続された電極３４下方の電荷読出し部３１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅し、電極３７下方の電荷読出し部３２’のポテンシャル障壁が消滅する。迫り出し部３５ａ’下方の電荷読出し部３２’のポテンシャル障壁は残ったままであるため、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、それと対をなす光電変換素子２へは移動せずに、保持される。一方、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００９４】
次に、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ３に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ３の迫り出し部３３ｂに接続された電極３４下方の電荷読出し部３１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅し、電極３７下方の電荷読出し部３２’のポテンシャル障壁が消滅する。迫り出し部３５ｂ’下方の電荷読出し部３２’のポテンシャル障壁は残ったままであるため、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、それと対をなす光電変換素子２へは移動せずに、保持される。一方、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００９５】
（混合読み出しモード）
まず、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスが印加されると、電極３４、電極３７、及び迫り出し部３５ａ’下方の電荷読出し部３１，３２’のポテンシャル障壁が消滅する。このため、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３２’を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００９６】
次に、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ４に読み出しパルスが印加されると、電極３４、電極３７、及び迫り出し部３５ｂ’下方の電荷読出し部３１，３２’のポテンシャル障壁が消滅する。このため、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３２’を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００９７】
本実施形態のような構成でも、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、混合読み出しモードでは、電界集中を避けるために、転送電極Ｖ１，Ｖ２への読み出しパルスの印加タイミングをずらしたり、転送電極Ｖ１に印加する読み出しパルスの電圧レベルを転送電極Ｖ２よりも小さくしたりすることが好ましい。同様に、混合読み出しモードでは、電界集中を避けるために、転送電極Ｖ３，Ｖ４への読み出しパルスの印加タイミングをずらしたり、転送電極Ｖ３に印加する読み出しパルスの電圧レベルを転送電極Ｖ４よりも小さくしたりすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第一実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図
【図２】図１に“Ｒ”で示した光電変換素子と、これと対をなす“ｒ”で示した光電変換素子とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図
【図３】図２に示したＡ−Ａ’線断面におけるポテンシャルを示した図
【図４】図１に示した固体撮像素子を搭載する撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図
【図５】本発明の第二実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図
【図６】図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路の左側にある“Ｇ”で示した光電変換素子と、これと対をなす“ｇ”で示した光電変換素子とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図
【図７】図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の右側にある“Ｒ”で示した光電変換素子と、これと対をなす“ｒ”で示した光電変換素子とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図
【図８】本発明の第三実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図
【図９】（ａ）は図８に示すＢ−Ｂ’線の断面模式図、（ｂ）は図８に示すＣ−Ｃ’線の断面模式図
【図１０】本発明の第四実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図
【図１１】（ａ）は図１０に示すＤ−Ｄ’線の断面模式図、（ｂ）は図８に示すＥ−Ｅ’線の断面模式図
【符号の説明】
【００９９】
１ 低感度光電変換素子
２ 高感度光電変換素子
３ 垂直電荷転送路
１０，１１ 電荷読出し部
Ｖ１〜Ｖ４ 転送電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、該電荷を光電変換素子から電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを有する固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送路とを有する固体撮像素子が開示されている。この固体撮像素子は、垂直方向に並ぶ複数の光電変換素子からなる光電変換素子列２つに対して、１つの垂直電荷転送路が設けられた構成となっている。２つの光電変換素子列に対応する垂直電荷転送路は、その２つの光電変換素子列の間に配置されている。このような構成により、一般的な固体撮像素子と比べて垂直電荷転送路の数を半分にすることができるため、多画素化が進んだ場合でも、垂直電荷転送路の幅を狭めたり、光電変換素子の面積を小さくしたりする必要がなくなり、電荷転送効率や感度を維持することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−９２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の固体撮像素子では、垂直電荷転送路を挟んで配置された２つの光電変換素子を同一色を検出するものとし、この２つの光電変換素子で発生した電荷を混合して画像データを生成することが可能である。しかし、このような混合を行った場合、混合された２つの電荷は、垂直電荷転送路を挟んで離れた位置にある２つの光電変換素子から得られたものであるため、距離の離れたサンプリングポイント同士の電荷が混合されることになり、画像品質が劣化してしまう。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、多画素化が進んだ場合でも電荷転送効率や感度を維持可能にすると共に、電荷の混合を行った場合でも高画質の画を作ることが可能な固体撮像素子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】
【０００６】
本発明の固体撮像素子は、互いに隣接する一対の光電変換素子からなる光電変換素子組を複数有し、前記一対の光電変換素子のいずれか一方の光電変換素子に隣接して設けられた、前記一方の光電変換素子に蓄積された電荷を所定方向に転送するための電荷転送路と、前記電荷転送路と前記一方の光電変換素子との間に設けられた、前記一方の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷転送路に読み出すための素子−転送路間電荷読出し部と、前記一対の光電変換素子の前記一方の光電変換素子と他方の光電変換素子との間に設けられた、前記他方の光電変換素子に蓄積された電荷を前記一方の光電変換素子に読み出すための素子−素子間電荷読出し部とを備える。
【０００７】
本発明の固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子組を構成する光電変換素子の配列が、前記所定方向に配列された複数の第一の光電変換素子からなる第一の光電変換素子列と、前記複数の第一の光電変換素子の各々に隣接する前記所定方向に配列された複数の第二の光電変換素子からなる第二の光電変換素子列とを、前記所定方向に直交する直交方向に交互に配列した構成となっており、前記一対の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子とそれに隣接する前記第二の光電変換素子であり、前記電荷転送路は、前記直交方向に連続して並んでいる前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列からなる素子列組に対応して、前記素子列組の側部に設けられている。
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子は、前記一対の光電変換素子の前記第一の光電変換素子の位置から前記所定方向及び前記直交方向の各々と交差する方向にずれた位置に配置されている。
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子組を構成する光電変換素子の配列が、前記所定方向に配列された複数の第一の光電変換素子からなる第一の光電変換素子列と、前記複数の第一の光電変換素子の各々に隣接する前記所定方向に配列された複数の第二の光電変換素子からなる第二の光電変換素子列とを、前記所定方向に直交する直交方向に交互に配列した構成となっており、前記一対の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子とそれに隣接する前記第二の光電変換素子であり、前記電荷転送路は、前記直交方向に連続して並んでいる２つの前記第一の光電変換素子列及び２つの前記第二の光電変換素子列からなる素子列組に対応して、前記素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうちの両端の前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列を除く前記第一の光電変換素子列と前記第二の光電変換素子列との間に設けられている。
【００１０】
本発明の固体撮像素子は、前記素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、前記４つの光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子を構成する前記第一の光電変換素子の位置を基準位置としたときに、前記電荷転送路を挟んで片側にある前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子と、前記電荷転送路を挟んで前記片側とは反対側にある前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子とは、前記基準位置からそれぞれ異なる方向にずれた位置に配置されている。
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、前記片側にある前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子の前記基準位置からのずれ方向と、前記反対側にある前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子の前記基準位置からのずれ方向とが直交する。
【００１２】
本発明の固体撮像素子は、前記一対の光電変換素子のうち、前記一対の光電変換素子のうちの他方の光電変換素子のポテンシャルが、前記一方の光電変換素子のポテンシャルよりも浅くなっている。
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、前記他方の光電変換素子の面積が、前記一方の光電変換素子の面積よりも小さくなっている。
【００１４】
本発明の固体撮像素子は、前記一対の光電変換素子は、それぞれ検出感度が異なるものである。
【００１５】
本発明の固体撮像素子は、前記一対の光電変換素子は、それぞれ同じ波長域の光を検出するものである。
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、前記素子−素子間電荷読出し部の上方に前記一対の光電変換素子の並ぶ方向に配列して設けられた、それぞれ独立に電圧を印加可能な複数の電極を備える。
【００１７】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記複数の電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段は、前記複数の電極に電圧を印加するタイミングをずらして、前記他方の光電変換素子から前記一方の光電変換素子に電荷を移動させる。
【００１８】
本発明の撮像装置は、前記電圧印加手段は、前記複数の電極のうち、前記他方の光電変換素子に近い電極ほど、印加電圧を小さくする。
【００１９】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記複数の電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段は、前記複数の電極のうち、前記他方の光電変換素子に近い電極ほど、印加電圧を小さくする。
【００２０】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、多画素化が進んだ場合でも電荷転送効率や感度を維持可能にすると共に、電荷の混合を行った場合でも高画質の画を作ることが可能な固体撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、垂直方向Ｙとこれに直交する水平方向Ｘに格子状に配列された多数の光電変換素子１と、多数の光電変換素子１の各々に対応して各々に対して同じ方向に隣接して設けられた光電変換素子２とを備える。光電変換素子２は、それに対応する光電変換素子１の位置を基準としたときに、この位置から垂直方向Ｙ及び水平方向Ｘそれぞれに対して４５度で交差する方向（図中の右斜め上方向）にずれた位置に配置されている。光電変換素子１とその右斜め上に隣接する光電変換素子２とにより、特許請求の範囲の一対の光電変換素子が構成されている。
【００２４】
多数の光電変換素子１は、入射光のうちの赤色（Ｒ）の波長域の光を検出するＲ光電変換素子（図１では“Ｒ”の文字を付してある）と、入射光のうちの緑色（Ｇ）の波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図１では“Ｇ”の文字を付してある）と、入射光のうちの青色（Ｂ）の波長域の光を検出するＢ光電変換素子（図１では“Ｂ”の文字を付してある）との３種類を含む。多数の光電変換素子１は、Ｇ光電変換素子とＢ光電変換素子をこの順番で水平方向Ｘに交互に配列したＧＢ光電変換素子行と、Ｒ光電変換素子とＧ光電変換素子をこの順番で水平方向Ｘに交互に配列したＲＧ光電変換素子行とを、垂直方向Ｙに交互に配列した構成となっている。
【００２５】
光電変換素子２は、それに対応する光電変換素子１と同じ波長域の光を検出するものであり、入射光のうちのＲの波長域の光を検出するＲ光電変換素子（図１では“ｒ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図１では“ｇ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＢの波長域の光を検出するＢ光電変換素子（図１では“ｂ”の文字を付してある）との３種類を含む。多数の光電変換素子２は、Ｇ光電変換素子とＢ光電変換素子をこの順番で水平方向Ｘに交互に配列したｇｂ光電変換素子行と、Ｒ光電変換素子とＧ光電変換素子をこの順番で水平方向Ｘに交互に配列したｒｇ光電変換素子行とを、垂直方向Ｙに交互に配列した構成となっている。
【００２６】
光電変換素子１と光電変換素子２は、それぞれ検出感度が異なり、例えば光電変換素子２の検出感度の方が高くなっている。光電変換素子の検出感度を変化させるには、光電変換素子の受光面の面積を変化させてもよいし、光電変換素子上方に設けたマイクロレンズによって、集光面積を変化させてもよいし、２つの光電変換素子の各々で露光時間を変えても良い。これらの方法は公知であるため、説明を省略する。本実施形態では、光電変換素子１の面積を、光電変換素子２の面積よりも小さくすることで、光電変換素子１と光電変換素子２とに感度差を設けている。尚、図面では、光電変換素子１と光電変換素子２の面積は同一で図示してある。
【００２７】
尚、本明細書において、光電変換素子の検出感度とは、光電変換素子に所定量の光が入射したときに、その光電変換素子から取り出せる信号量がどのくらいなのかを示す特性のことを示す。つまり、同一光量の光が入射したとき、検出感度が相対的に高い高感度の光電変換素子は、検出感度が相対的に低い低感度の光電変換素子よりも、取り出せる信号量が多いという特性を持つものと定義することができる。高感度の光電変換素子は、少ない光量で多くの信号を得ることができるため、低照度の被写体を撮影するのに最適であるが、多くの光量が入射した場合には、信号がすぐに飽和してしまうため、高照度の被写体を撮影するのには適さない。又、低感度の光電変換素子は、多くの光量が入射してもあまり多くの信号を得られないため、高照度の被写体を撮影するのに最適であるが、少ない光量が入射した場合には、得られる信号が少なすぎてしまい、低照度の被写体を撮影するのには適さない。
【００２８】
図１に示す固体撮像素子に含まれる光電変換素子の配列は、垂直方向Ｙに配列された複数の光電変換素子１からなる第一の光電変換素子列と、垂直方向Ｙに配列された複数の光電変換素子２からなる第二の光電変換素子列とを、水平方向Ｘに交互に配列したものということができる。又は、水平方向Ｘに配列された複数の光電変換素子１からなる第一の光電変換素子行と、水平方向Ｘに配列された複数の光電変換素子２からなる第二の光電変換素子行とを、垂直方向Ｙに交互に配列したものということもできる。
【００２９】
水平方向Ｘに連続して並ぶ第一の光電変換素子列と第二の光電変換素子列からなる素子列組のうち、この素子列組の側部（ここでは第二の光電変換素子列の右側部）には、該第二の光電変換素子列を構成する光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直方向Ｙに転送するための垂直電荷転送路３が、この素子列組に対応して設けられている。
【００３０】
垂直電荷転送路３の上方には、転送電極Ｖ１、転送電極Ｖ２、転送電極Ｖ３、及び転送電極Ｖ４をこの順番に垂直方向Ｙに配列した電極組が、垂直方向Ｙに多数配列して形成されている。１つの光電変換素子２には、転送電極Ｖ１〜Ｖ４の４つの転送電極が対応して設けられている。転送電極Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ、第一の光電変換素子行と第二の光電変換素子行との間を、水平方向Ｘに向かって蛇行して配設されている。具体的に、第二の光電変換素子行の下側部には、隣接する第一の光電変換素子行との間に、第二の光電変換素子行側から順に転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２とが並べて配置され、第二の光電変換素子行の上側部には、隣接する第一の光電変換素子行との間に、第二の光電変換素子行側から順に転送電極Ｖ４と転送電極Ｖ３とが並べて配置されている。転送電極Ｖ１〜Ｖ４には、垂直電荷転送路３に読み出された電荷を垂直方向Ｙに転送するための転送パルスが印加される。
【００３１】
図２は、図１に“Ｒ”で示した光電変換素子１と、これと対をなす“ｒ”で示した光電変換素子２とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図である。図１に“Ｇ”で示した光電変換素子１と、これと対をなす“ｇ”で示した光電変換素子２とからなる光電変換素子組近傍の構成と、図１に“Ｂ”で示した光電変換素子１と、これと対をなす“ｂ”で示した光電変換素子２とからなる光電変換素子組近傍の構成も図２と同様である。
【００３２】
図２に示すように、光電変換素子１と、これと対をなす光電変換素子２との間には、光電変換素子１に蓄積された電荷を光電変換素子２に読み出すための電荷読出し部１１が設けられている。又、光電変換素子２の下側部と垂直電荷転送路３との間には、光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３に読み出すための電荷読出し部１０が形成されている。そして、転送電極Ｖ１は、電荷読出し部１０全体と電荷読出し部１１の一部を覆って形成されており、転送電極Ｖ２は、電荷読出し部１１の一部以外を覆って形成されている。
【００３３】
図３は、図２に示したＡ−Ａ’線断面におけるポテンシャルを示した図である。
図３に示すように、光電変換素子１は、光電変換素子２よりも面積が小さいため、そのポテンシャルは光電変換素子２よりも浅くなっている。電荷読出し部１１の上方には、転送電極Ｖ２と転送電極Ｖ１とが、光電変換素子１と光電変換素子２との並ぶ方向に並べて配置されており、この転送電極Ｖ１，Ｖ２が電荷を読み出すための読出しゲートとしても機能する。又、電荷読出し部１０の上方には転送電極Ｖ１が形成されており、この転送電極Ｖ１が電荷を読み出すための読出しゲートとしても機能する。
【００３４】
尚、図１には図示していないが、本実施形態の固体撮像素子には、垂直電荷転送路３の終端に、垂直電荷転送路３を転送されてきた電荷を水平方向Ｘに転送するための水平電荷転送路が設けられ、この水平電荷転送路の終端に、水平電荷転送路を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力アンプが設けられている。
【００３５】
図４は、図１に示した固体撮像素子を搭載する撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ４１と、図１に示した構成の固体撮像素子４５と、この両者の間に設けられた絞り４２と、赤外線カットフィルタ４３と、光学ローパスフィルタ４４とを備える。
【００３６】
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部５１は、フラッシュ発光部５２及び受光部５３を制御し、レンズ駆動部４８を制御して撮影レンズ４１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部４９を介し絞り４２の開口量を制御して露光量調整を行う。
【００３７】
又、システム制御部５１は、撮像素子駆動部５０を介して固体撮像素子４５を駆動し、撮影レンズ４１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部５１には、操作部５４を通してユーザからの指示信号が入力される。
【００３８】
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子４５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部４６と、このアナログ信号処理部４６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路４７とを備え、これらはシステム制御部５１によって制御される。
【００３９】
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ５６と、メインメモリ５６に接続されたメモリ制御部５５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部５７と、デジタル信号処理部５７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部５８と、測光データを積算しデジタル信号処理部５７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部５９と、着脱自在の記録媒体６１が接続される外部メモリ制御部６０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部６３が接続される表示制御部６２とを備え、これらは、制御バス６４及びデータバス６５によって相互に接続され、システム制御部５１からの指令によって制御される。
【００４０】
撮像素子駆動部５０は、転送電極Ｖ１のみに読出しパルスを印加して光電変換素子２のみから電荷を読み出し、その後、転送電極Ｖ１〜Ｖ４に転送パルスを供給して該電荷を転送する単独読み出しモードと、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２とに読出しパルスを印加して、光電変換素子１に蓄積された電荷と光電変換素子２に蓄積された電荷とを混合して読み出し、その後、転送電極Ｖ１〜Ｖ４に転送パルスを供給して該混合電荷を転送する混合読み出しモードとの少なくとも２つの駆動モードで固体撮像素子を駆動する。
【００４１】
以下、固体撮像素子の動作について説明する。
（単独読み出しモード）
撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１下方の電荷読出し部１０，１１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅する。電荷読出し部１１によって形成されるポテンシャル障壁は転送電極Ｖ１下方のみが消滅し、転送電極Ｖ２下方は維持されるため、光電変換素子１に蓄積されている電荷は光電変換素子２へは移動せずに、光電変換素子１に保持される。一方、光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部１０を通って垂直電荷転送路３へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００４２】
（混合読み出しモード）
撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１，Ｖ２下方の電荷読出し部１０，１１のポテンシャル障壁が消滅する。このため、光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部１１を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部１０を通って垂直電荷転送路３に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００４３】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、転送電極Ｖ１，Ｖ２に読み出しパルスを印加することで、光電変換素子１とそれに対応する光電変換素子２とにそれぞれ蓄積されている電荷を混合して、垂直電荷転送路３に読み出すことができる。光電変換素子２は光電変換素子１よりも検出感度が高くなっているため、このような電荷混合を行うことで、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。又、光電変換素子１とそれに対応する光電変換素子２とは、電荷読出し部１１を介して隣接している。電荷読出し部１１の幅は、垂直電荷転送路３より十分小さくすることができるため、光電変換素子１と光電変換素子２との距離は、水平方向Ｘに並ぶ光電変換素子１又は光電変換素子２同士の距離よりも大幅に小さくなっている。つまり、非常に近い位置にある２つの光電変換素子で得られた電荷を混合することができるため、サンプリングポイントのずれがほとんどない２つの電荷を混合することが可能となり、良質な画を作ることが可能となる。
【００４４】
又、本実施形態の固体撮像素子は、転送電極Ｖ１のみに読み出しパルスを印加することで、光電変換素子２のみから電荷を読み出すことが可能となっている。光電変換素子２のみから電荷を読み出すときは、光電変換素子１と光電変換素子２から電荷を読み出すときよりも、電荷読み出しにかかる時間を短縮することができる。このため、単独読み出しモードで駆動することで撮影時間を短縮することができ、ＡＦ機能を実行するための撮影や動画撮影等の高速動作が要求される状況に適したものとなる。
【００４５】
尚、単独読み出しモード時には、光電変換素子２のみから電荷が読み出されるが、光電変換素子２は検出感度が相対的に高くなっているため、被写体が明るい場合には、出力がすぐに飽和してしまい、所望の画が得られなくなることが考えられる。このため、光電変換素子１と光電変換素子２の検出感度差は、露光時間で変えられるようにしておくことが好ましい。このようにしておけば、単独読み出しモード時には、光電変換素子２の検出感度を被写体に応じて調整することが可能となり、出力が飽和してしまうのを防ぐことができる。
【００４６】
又、本実施形態の固体撮像素子は、図３に示したように、光電変換素子１とそれに対応する光電変換素子２からなる光電変換素子組のうち、この光電変換素子組に対応する垂直電荷転送路３から遠い位置にある光電変換素子１のポテンシャルが、垂直電荷転送路に近い位置にある光電変換素子２のポテンシャルよりも浅くなるように設計されている。このため、光電変換素子１から光電変換素子２へかけてポテンシャルスロープを形成することができ、光電変換素子１から光電変換素子２への電荷読み出しをスムーズに行うことができる。
【００４７】
尚、本実施形態の固体撮像素子は、光電変換素子１の面積を光電変換素子２よりも小さくすることで、光電変換素子１のポテンシャルを光電変換素子２のポテンシャルよりも浅くするものとしているが、ポテンシャルを浅くする方法はこれに限らず、公知の様々な手法を採用することができる。
【００４８】
又、本実施形態の固体撮像素子の構成では、混合読み出しモード時に、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスを同時に印加してしまうと、電界集中が発生して、不具合を起こす可能性がある。このため、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加するタイミングは、同時ではなくずらしておくことが好ましい。例えば、まず、転送電極Ｖ１に読み出しパルスを印加し、その後少ししてから、転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加するといった制御を行うことで、電界集中を避けることができる。
【００４９】
又、電界集中を避けるために、転送電極Ｖ２に印加する読み出しパルスの電圧レベルを、転送電極Ｖ１に印加する読み出しパルスよりも小さくしておくことも好ましい。
【００５０】
又、以上の説明では、光電変換素子１と光電変換素子２とに検出感度差を設けるものとしたが、検出感度差はなくても構わない。
【００５１】
（第二実施形態）
図５は、本発明の第二実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図である。
図５に示す固体撮像素子は、垂直方向Ｙとこれに直交する水平方向Ｘに格子状に配列された多数の光電変換素子４と、多数の光電変換素子４の各々に対して同じ方向に隣接して設けられた光電変換素子５とを備える。光電変換素子５は、それに対応する光電変換素子４の位置を基準としたときに、この位置から垂直方向Ｙ及び水平方向Ｘそれぞれに対して４５度で交差する方向（図中の右斜め上方向）にずれた位置に配置されている。
【００５２】
図５に示す固体撮像素子に含まれる光電変換素子の配列は、垂直方向Ｙに配列された複数の光電変換素子４からなる第一の光電変換素子列と、垂直方向Ｙに配列された複数の光電変換素子５からなる第二の光電変換素子列とを、水平方向Ｘに交互に配列したものということができる。又は、水平方向Ｘに配列された複数の光電変換素子４からなる第一の光電変換素子行と、水平方向Ｘに配列された複数の光電変換素子５からなる第二の光電変換素子行とを、垂直方向Ｙに交互に配列したものということもできる。
【００５３】
水平方向Ｘに連続して並ぶ２つの第一の光電変換素子列と２つの第二の光電変換素子列からなる素子列組（図５中の左から数えて４番目までの光電変換素子列）のうち、両端の光電変換素子列を除く第一の光電変換素子列と第二の光電変換素子列との間には、該第一の光電変換素子列と該第二の光電変換素子列を構成する光電変換素子に蓄積された電荷を垂直方向Ｙに転送するための垂直電荷転送路３が、この素子列組に対応して設けられている。
【００５４】
素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、垂直電荷転送路３よりも左側にある第一の光電変換素子列は、入射光のうちのＢの波長域の光を検出するＢ光電変換素子（図５では“Ｂ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図５では“Ｇ”の文字を付してある）とをこの順番で垂直方向Ｙに交互に配列したものとなっている。又、垂直電荷転送路３よりも左側にある第一の光電変換素子列を構成する光電変換素子４の右斜め上に隣接する光電変換素子５は、光電変換素子４と同じ波長域の光を検出するものとなっている。つまり、垂直電荷転送路３よりも左側にある第二の光電変換素子列は、入射光のうちのＢの波長域の光を検出するＢ光電変換素子（図５では“ｂ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図５では“ｇ”の文字を付してある）とをこの順番で垂直方向Ｙに交互に配列したものとなっている。
【００５５】
素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、垂直電荷転送路３よりも左側にある光電変換素子４と、その光電変換素子４の右斜め上の光電変換素子５とにより、特許請求の範囲の一対の光電変換素子が構成されている。
【００５６】
素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、垂直電荷転送路３よりも右側にある第一の光電変換素子列は、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図５では“Ｇ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＲの波長域の光を検出するＲ光電変換素子（図５では“Ｒ”の文字を付してある）とをこの順番で垂直方向Ｙに交互に配列したものとなっている。又、垂直電荷転送路３よりも右側にある第一の光電変換素子列を構成する光電変換素子４の右斜め下に隣接する光電変換素子５は、光電変換素子４と同じ波長域の光を検出するものとなっている。つまり、垂直電荷転送路３よりも右側にある第二の光電変換素子列は、入射光のうちのＲの波長域の光を検出するｒ光電変換素子（図５では“ｒ”の文字を付してある）と、入射光のうちのＧの波長域の光を検出するＧ光電変換素子（図５では“ｇ”の文字を付してある）とをこの順番で垂直方向Ｙに交互に配列したものとなっている。
【００５７】
素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、垂直電荷転送路３よりも右側にある光電変換素子４と、その光電変換素子４の右斜め下の光電変換素子５とにより、特許請求の範囲の一対の光電変換素子が構成されている。このように、垂直電荷転送路３よりも右側にある一対の光電変換素子の光電変換素子５の光電変換素子４からのずれ方向と、垂直電荷転送路３よりも左側にある一対の光電変換素子の光電変換素子５の光電変換素子４からのずれ方向とは、直交する関係となっている。
【００５８】
光電変換素子４と光電変換素子５は、それぞれ検出感度が異なり、例えば光電変換素子４が光電変換素子５よりも検出感度が高くなっている。
【００５９】
垂直電荷転送路３の上方には、転送電極Ｖ１、転送電極Ｖ２、転送電極Ｖ３、及び転送電極Ｖ４をこの順番に垂直方向Ｙに配列した電極組が、垂直方向Ｙに多数配列して形成されている。１つの光電変換素子４又は光電変換素子５には、転送電極Ｖ１〜Ｖ４の４つの転送電極が対応して設けられている。転送電極Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ、第一の光電変換素子行と第二の光電変換素子行との間を、水平方向Ｘに向かって蛇行して配設されている。具体的に、第二の光電変換素子行の下側部には、隣接する第一の光電変換素子行との間に、第二の光電変換素子行側から順に転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２とが並べて配置され、第二の光電変換素子行の上側部には、隣接する第一の光電変換素子行との間に、第二の光電変換素子行側から順に転送電極Ｖ４と転送電極Ｖ３とが並べて配置されている。転送電極Ｖ１〜Ｖ４には、垂直電荷転送路３に読み出された電荷を垂直方向Ｙに転送するための転送パルスが印加される。
【００６０】
図６は、図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の左側にある“Ｇ”で示した光電変換素子４と、これと対をなす“ｇ”で示した光電変換素子５とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図である。図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の左側にある“Ｂ”で示した光電変換素子４と、これと対をなす“ｂ”で示した光電変換素子５とからなる光電変換素子組近傍の構成も図６と同様である。
【００６１】
図６に示すように、光電変換素子４と、これと対をなす光電変換素子５との間には、光電変換素子４に蓄積された電荷を光電変換素子５に読み出すための電荷読出し部２２が設けられている。又、光電変換素子５の下側部と垂直電荷転送路３との間には、光電変換素子５に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３に読み出すための電荷読出し部２１が形成されている。そして、転送電極Ｖ１は、電荷読出し部２１全体と電荷読出し部２２の一部を覆って形成されており、転送電極Ｖ２は、電荷読出し部２２の一部以外を覆って形成されている。
【００６２】
図７は、図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の右側にある“Ｒ”で示した光電変換素子４と、これと対をなす“ｒ”で示した光電変換素子５とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図である。図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の右側にある“Ｇ”で示した光電変換素子４と、これと対をなす“ｇ”で示した光電変換素子５とからなる光電変換素子組近傍の構成も図７と同様である。
【００６３】
図７に示すように、光電変換素子４と、これと対をなす光電変換素子５との間には、光電変換素子５に蓄積された電荷を光電変換素子４に読み出すための電荷読出し部２３が設けられている。又、光電変換素子４の下側部と垂直電荷転送路３との間には、光電変換素子４に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３に読み出すための電荷読出し部２４が形成されている。そして、転送電極Ｖ３は、電荷読出し部２４全体と電荷読出し部２３の一部を覆って形成されており、転送電極Ｖ４は、電荷読出し部２３の一部以外を覆って形成されている。
【００６４】
尚、図５には図示していないが、本実施形態の固体撮像素子には、垂直電荷転送路３の終端に、垂直電荷転送路３を転送されてきた電荷を水平方向Ｘに転送するための水平電荷転送路が設けられ、この水平電荷転送路の終端に、水平電荷転送路を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力アンプが設けられている。
【００６５】
本実施形態の固体撮像素子を搭載する撮像装置の構成は図４に示したものと同様である。本実施形態の撮像装置の撮像素子駆動部５０は、転送電極Ｖ１及び転送電極Ｖ２に読出しパルスを印加して、光電変換素子４に蓄積された電荷と光電変換素子５に蓄積された電荷とを混合して読み出し、その後、転送電極Ｖ１〜Ｖ４に転送パルスを供給して該混合電荷を転送し、転送電極Ｖ３及び転送電極Ｖ４に読出しパルスを印加して、光電変換素子４に蓄積された電荷と光電変換素子５に蓄積された電荷とを混合して読み出し、その後、転送電極Ｖ１〜Ｖ４に転送パルスを供給して該混合電荷を転送する混合読み出しモードで固体撮像素子を駆動する。
【００６６】
以下、固体撮像素子の動作について説明する。
まず、撮像素子駆動部５０は、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加する。読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１，Ｖ２下方の電荷読出し部２１，２２のポテンシャル障壁が消滅する。このため、素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の左側にある光電変換素子４に蓄積されている電荷が、電荷読出し部２２を通って光電変換素子５へと読み出され、光電変換素子５に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子４から読み出された電荷と光電変換素子５に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部２１を通って垂直電荷転送路３に読み出される。垂直電荷転送路３に電荷が読み出された後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、読みだされた電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００６７】
次に、撮像素子駆動部５０は、転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ４に読み出しパルスを印加する。読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ３，Ｖ４下方の電荷読出し部２３，２４のポテンシャル障壁が消滅する。このため、素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の右側にある光電変換素子５に蓄積されている電荷が、電荷読出し部２３を通って光電変換素子４へと読み出され、光電変換素子４に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子５から読み出された電荷と光電変換素子４に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部２４を通って垂直電荷転送路３に読み出される。垂直電荷転送路３に電荷が読み出された後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、読みだされた電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００６８】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、転送電極Ｖ１，Ｖ２に読み出しパルスを印加することで、垂直電荷転送路３の左側に隣接する光電変換素子５とそれと対をなす光電変換素子４とにそれぞれ蓄積されている電荷を混合し、垂直電荷転送路３に読み出して転送することができ、転送電極Ｖ３，Ｖ４に読み出しパルスを印加することで、垂直電荷転送路３の右側に隣接する光電変換素子４とそれと対をなす光電変換素子５とにそれぞれ蓄積されている電荷を混合し、垂直電荷転送路３に読み出して転送することができる。光電変換素子４は光電変換素子５よりも検出感度が高くなっているため、このような電荷混合を行うことで、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【００６９】
又、光電変換素子４とそれと対をなす光電変換素子５とは、電荷読出し部２２又は２３を介して隣接している。電荷読出し部２２，２３の幅は、垂直電荷転送路３より十分小さくすることができるため、光電変換素子４とそれと対をなす光電変換素子５との距離は、水平方向Ｘに並ぶ光電変換素子４又は光電変換素子５同士の距離よりも大幅に小さくなっている。つまり、非常に近い位置にある２つの光電変換素子で得られた電荷を混合することができるため、サンプリングポイントのずれがほとんどない２つの電荷を混合することが可能となり、良質な画を作ることが可能となる。
【００７０】
又、本実施形態の固体撮像素子は、４つの光電変換素子列に対して１つの垂直電荷転送路３を設けているため、垂直電荷転送路３の数を、特許文献１記載の素子の半分にすることができる。このため、多画素化を進めた場合でも、垂直電荷転送路３の幅を狭めることなく、光電変換素子の面積を確保することができ、電荷転送効率の劣化及び感度の低下を防ぐことができる。又、画素数を変えない場合は、光電変換素子の面積を拡大して感度を高めたり、垂直電荷転送路３面積を拡大して電荷転送効率を向上させたりすることができる。
【００７１】
尚、本実施形態の固体撮像素子においても、第一実施形態と同様に、光電変換素子４とそれと対をなす光電変換素子５とからなる光電変換素子組のうち、この光電変換素子組に対応する垂直電荷転送路３から遠い位置にある光電変換素子のポテンシャルが、垂直電荷転送路に近い位置にある光電変換素子のポテンシャルよりも浅くなるようにしておくことで、電荷の読み出しをスムーズに行うことができる。例えば、図６に示した光電変換素子４と光電変換素子５については、光電変換素子４のポテンシャルが光電変換素子５のポテンシャルよりも浅くなるようにし、図７に示した光電変換素子４と光電変換素子５については、光電変換素子５のポテンシャルが光電変換素子４のポテンシャルよりも浅くなるようにすれば良い。
【００７２】
又、本実施形態の固体撮像素子の構成においても、第一実施形態と同様に、電界集中を防ぐため、転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスを印加するタイミングをずらし、転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ４に読み出しパルスを印加するタイミングをずらしておくことが好ましい。又、転送電極Ｖ２に印加する読み出しパルスの電圧レベルを、転送電極Ｖ１に印加する読み出しパルスよりも小さくし、転送電極Ｖ４に印加する読み出しパルスの電圧レベルを、転送電極Ｖ３に印加する読み出しパルスよりも小さくしておくことが好ましい。
【００７３】
又、本実施形態の固体撮像素子の構成においても、第一実施形態と同様に、光電変換素子４と光電変換素子５とに検出感度差を設けなくても良い。
【００７４】
（第三実施形態）
第一実施形態の固体撮像素子では、光電変換素子２を、それと対をなす光電変換素子１の位置から斜め右上方向にずらした位置に配置したものとしているが、本実施形態の固体撮像素子は、図１に示した光電変換素子２の位置を、該光電変換素子２と対をなす光電変換素子１の位置から水平方向Ｘにずらした位置に配置したものとなっている。
【００７５】
図８は、本発明の第三実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図である。図８において図１と同様の構成には同一符号を付してある。図８において、光電変換素子１と光電変換素子２の形状は、図１のそれとは異なっているが、機能自体は全く同じである。図９（ａ）は、図８に示すＢ−Ｂ’線の断面模式図であり、図９（ｂ）は、図８に示すＣ−Ｃ’線の断面模式図である。
【００７６】
本実施形態の固体撮像素子は、図８に示すように、光電変換素子１の右隣に、それと対をなす光電変換素子２が配置された構成となっている。光電変換素子２の右側部には、この光電変換素子２と、これと対をなす光電変換素子１とからなる光電変換素子組に対応させて、該光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直方向Ｙに転送するための垂直電荷転送路３’が設けられている。垂直電荷転送路３’は、垂直方向Ｙに延びる直線形状となっている。
【００７７】
垂直電荷転送路３’と、これに対応する光電変換素子２との間には、光電変換素子２に蓄積された電荷を垂直電荷転送路３’に読み出すための電荷読出し部３１が形成されている。光電変換素子１と、これと対をなす光電変換素子２との間には、光電変換素子１に蓄積された電荷を光電変換素子２に読み出すための電荷読出し部３２が形成されている。
【００７８】
垂直電荷転送路３’を挟んで隣接する光電変換素子１と光電変換素子２との間の上方には、電極３４が形成されている。電極３４は、電荷読出し部３１と垂直電荷転送路３’の一部とを覆って形成されている。
【００７９】
水平方向Ｘに並ぶＧ光電変換素子１，２とＲ光電変換素子１，２とからなるＧＲ光電変換素子行の下側部の上方には、このＧＲ光電変換素子行に対応させて、水平方向Ｘに延びる転送電極Ｖ２が形成されている。転送電極Ｖ２は、これに対応するＧＲ光電変換素子行の光電変換素子同士の間にある電荷読出し部３２の上方に迫り出した迫り出し部３５ａを有している。
【００８０】
転送電極Ｖ２上には、これに対応させて、水平方向Ｘに延びる転送電極Ｖ１が絶縁膜を介して形成されている。転送電極Ｖ１は、これに対応するＧＲ光電変換素子行の光電変換素子同士の間の電極３４の上方に迫り出した迫り出し部３６ａを有しており、この迫り出し部３６ａと電極３４との間には、これらを電気的に接続する配線部３３ａが形成されている。
【００８１】
水平方向Ｘに並ぶＢ光電変換素子１，２とＧ光電変換素子１，２とからなるＢＧ光電変換素子行の下側部の上方には、このＢＧ光電変換素子行に対応させて、水平方向Ｘに延びる転送電極Ｖ４が形成されている。転送電極Ｖ４は、これに対応するＢＧ光電変換素子行の光電変換素子同士の間にある電荷読出し部３２の上方に迫り出した迫り出し部３５ｂを有している。
【００８２】
転送電極Ｖ４上には、これに対応させて、水平方向Ｘに延びる転送電極Ｖ３が絶縁膜を介して形成されている。転送電極Ｖ３は、これに対応するＢＧ光電変換素子行の光電変換素子同士の間の電極３４の上方に迫り出した迫り出し部３６ｂを有しており、この迫り出し部３６ｂと電極３４との間には、これらを電気的に接続する配線部３３ｂが形成されている。
【００８３】
以上のように構成された固体撮像素子の動作について説明する。本実施形態の固体撮像素子も、第一実施形態と同様に、単独読み出しモードと混合読み出しモードとの２つの読み出しモードで駆動が可能である。
【００８４】
（単独読み出しモード）
まず、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１の迫り出し部３６ａに接続された電極３４下方の電荷読出し部３１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅する。電荷読出し部３２によって形成されるポテンシャル障壁は維持されるため、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、それと対をなす光電変換素子２へは移動せずに、保持される。一方、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００８５】
次に、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ３に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ３の迫り出し部３６ｂに接続された電極３４下方の電荷読出し部３１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅する。電荷読出し部３２によって形成されるポテンシャル障壁は維持されるため、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、それと対をなす光電変換素子２へは移動せずに、保持される。一方、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００８６】
（混合読み出しモード）
まず、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１，Ｖ２下方の電荷読出し部３１，３２のポテンシャル障壁が消滅する。このため、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３２を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００８７】
次に、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ４に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ３，Ｖ４下方の電荷読出し部３１，３２のポテンシャル障壁が消滅する。このため、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３２を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００８８】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、第一実施形態の固体撮像素子と同様の効果を得ることができる。第一実施形態や第二実施形態で説明したような光電変換素子配列の場合、１セルあたりの垂直電荷転送路３の占める面積が大きくなってしまう。光電変換素子の面積を拡大して感度を向上させるためには、垂直電荷転送路を削ってその空いた分を光電変換素子に充てるのが常套であるが、垂直電荷転送路の面積は電荷転送効率に大きく関わってくるので、簡単に削ることはできない。本発明は、垂直電荷転送路の数を減らすことが可能であるため、このように垂直電荷転送路の面積を削ることが難しい光電変換素子配列を有する固体撮像素子において特に有効なものとなる。
【００８９】
（第四実施形態）
本発明の第四実施形態の固体撮像素子は、図８に示した固体撮像素子の変形例である。
図１０は、本発明の第四実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図である。図１０において図８と同様の構成には同一符号を付してある。図１１（ａ）は、図１０に示すＤ−Ｄ’線の断面模式図であり、図１１（ｂ）は、図１０に示すＥ−Ｅ’線の断面模式図である。
【００９０】
図１０に示す固体撮像素子は、図８に示す電荷読出し部３２を、その面積を拡大して電荷読出し部３２’としている。そして、転送電極Ｖ２には、電荷読出し部３２’の一部の上方まで迫り出す迫り出し部３５ａ’が設けられ、電荷読出し部３２’の迫り出し部３５ａ’と重ならない部分の上方には電極３７が設けられている。転送電極Ｖ１には、電極３７上方まで迫り出す迫り出し部３８ａが設けられ、迫り出し部３８ａと電極３７との間には、これらを電気的に接続する配線３９ａが形成されている。
【００９１】
転送電極Ｖ４には、電荷読出し部３２’の一部の上方まで迫り出す迫り出し部３５ｂ’が設けられ、電荷読出し部３２’の迫り出し部３５ｂ’と重ならない部分の上方には電極３７が設けられている。転送電極Ｖ３には、電極３７上方まで迫り出す迫り出し部３８ｂが設けられ、迫り出し部３８ｂと電極３７との間には、これらを電気的に接続する配線３９ｂが形成されている。
【００９２】
以上のように構成された固体撮像素子の動作について説明する。本実施形態の固体撮像素子も、第一実施形態と同様に、単独読み出しモードと混合読み出しモードとの２つの読み出しモードで駆動が可能である。
【００９３】
（単独読み出しモード）
まず、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ１の迫り出し部３３ａに接続された電極３４下方の電荷読出し部３１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅し、電極３７下方の電荷読出し部３２’のポテンシャル障壁が消滅する。迫り出し部３５ａ’下方の電荷読出し部３２’のポテンシャル障壁は残ったままであるため、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、それと対をなす光電変換素子２へは移動せずに、保持される。一方、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００９４】
次に、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ３に読み出しパルスが印加されると、転送電極Ｖ３の迫り出し部３３ｂに接続された電極３４下方の電荷読出し部３１によって形成されているポテンシャル障壁が消滅し、電極３７下方の電荷読出し部３２’のポテンシャル障壁が消滅する。迫り出し部３５ｂ’下方の電荷読出し部３２’のポテンシャル障壁は残ったままであるため、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、それと対をなす光電変換素子２へは移動せずに、保持される。一方、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子２に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’へと読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００９５】
（混合読み出しモード）
まず、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ１と転送電極Ｖ２に読み出しパルスが印加されると、電極３４、電極３７、及び迫り出し部３５ａ’下方の電荷読出し部３１，３２’のポテンシャル障壁が消滅する。このため、ＧＲ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３２’を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００９６】
次に、撮像素子駆動部５０により転送電極Ｖ３と転送電極Ｖ４に読み出しパルスが印加されると、電極３４、電極３７、及び迫り出し部３５ｂ’下方の電荷読出し部３１，３２’のポテンシャル障壁が消滅する。このため、ＢＧ光電変換素子行の光電変換素子１に蓄積されている電荷は、電荷読出し部３２’を通って光電変換素子２へと読み出され、光電変換素子２に蓄積されている電荷と混合される。そして、光電変換素子１から読み出された電荷と光電変換素子２に元々蓄積されていた電荷との混合電荷が、電荷読出し部３１を通って垂直電荷転送路３’に読み出される。光電変換素子２からの電荷読み出し後は、撮像素子駆動部５０によって転送電極Ｖ１〜Ｖ４に４相の転送パルスが印加されて、電荷が垂直方向Ｙへと転送される。
【００９７】
本実施形態のような構成でも、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、混合読み出しモードでは、電界集中を避けるために、転送電極Ｖ１，Ｖ２への読み出しパルスの印加タイミングをずらしたり、転送電極Ｖ１に印加する読み出しパルスの電圧レベルを転送電極Ｖ２よりも小さくしたりすることが好ましい。同様に、混合読み出しモードでは、電界集中を避けるために、転送電極Ｖ３，Ｖ４への読み出しパルスの印加タイミングをずらしたり、転送電極Ｖ３に印加する読み出しパルスの電圧レベルを転送電極Ｖ４よりも小さくしたりすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第一実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図
【図２】図１に“Ｒ”で示した光電変換素子と、これと対をなす“ｒ”で示した光電変換素子とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図
【図３】図２に示したＡ−Ａ’線断面におけるポテンシャルを示した図
【図４】図１に示した固体撮像素子を搭載する撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図
【図５】本発明の第二実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図
【図６】図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路の左側にある“Ｇ”で示した光電変換素子と、これと対をなす“ｇ”で示した光電変換素子とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図
【図７】図５に示した素子列組を構成する光電変換素子のうち、垂直電荷転送路３の右側にある“Ｒ”で示した光電変換素子と、これと対をなす“ｒ”で示した光電変換素子とからなる光電変換素子組近傍の構成を詳細に示した図
【図８】本発明の第三実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図
【図９】（ａ）は図８に示すＢ−Ｂ’線の断面模式図、（ｂ）は図８に示すＣ−Ｃ’線の断面模式図
【図１０】本発明の第四実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す部分拡大模式図
【図１１】（ａ）は図１０に示すＤ−Ｄ’線の断面模式図、（ｂ）は図８に示すＥ−Ｅ’線の断面模式図
【符号の説明】
【００９９】
１ 低感度光電変換素子
２ 高感度光電変換素子
３ 垂直電荷転送路
１０，１１ 電荷読出し部
Ｖ１〜Ｖ４ 転送電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣接する一対の光電変換素子からなる光電変換素子組を複数有し、
前記一対の光電変換素子のいずれか一方の光電変換素子に隣接して設けられた、前記一方の光電変換素子に蓄積された電荷を所定方向に転送するための電荷転送路と、
前記電荷転送路と前記一方の光電変換素子との間に設けられた、前記一方の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷転送路に読み出すための素子−転送路間電荷読出し部と、
前記一対の光電変換素子の前記一方の光電変換素子と他方の光電変換素子との間に設けられた、前記他方の光電変換素子に蓄積された電荷を前記一方の光電変換素子に読み出すための素子−素子間電荷読出し部とを備える固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記複数の光電変換素子組を構成する光電変換素子の配列が、前記所定方向に配列された複数の第一の光電変換素子からなる第一の光電変換素子列と、前記複数の第一の光電変換素子の各々に隣接する前記所定方向に配列された複数の第二の光電変換素子からなる第二の光電変換素子列とを、前記所定方向に直交する直交方向に交互に配列した構成となっており、
前記一対の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子とそれに隣接する前記第二の光電変換素子であり、
前記電荷転送路は、前記直交方向に連続して並んでいる前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列からなる素子列組に対応して、前記素子列組の側部に設けられている固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子は、前記一対の光電変換素子の前記第一の光電変換素子の位置から前記所定方向及び前記直交方向の各々と交差する方向にずれた位置に配置されている固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記複数の光電変換素子組を構成する光電変換素子の配列が、前記所定方向に配列された複数の第一の光電変換素子からなる第一の光電変換素子列と、前記複数の第一の光電変換素子の各々に隣接する前記所定方向に配列された複数の第二の光電変換素子からなる第二の光電変換素子列とを、前記所定方向に直交する直交方向に交互に配列した構成となっており、
前記一対の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子とそれに隣接する前記第二の光電変換素子であり、
前記電荷転送路は、前記直交方向に連続して並んでいる２つの前記第一の光電変換素子列及び２つの前記第二の光電変換素子列からなる素子列組に対応して、前記素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうちの両端の前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列を除く前記第一の光電変換素子列と前記第二の光電変換素子列との間に設けられている固体撮像素子。
【請求項５】
請求項４記載の固体撮像素子であって、
前記素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、前記４つの光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子を構成する前記第一の光電変換素子の位置を基準位置としたときに、前記電荷転送路を挟んで片側にある前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子と、前記電荷転送路を挟んで前記片側とは反対側にある前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子とは、前記基準位置からそれぞれ異なる方向にずれた位置に配置されている固体撮像素子。
【請求項６】
請求項５記載の固体撮像素子であって、
前記片側にある前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子の前記基準位置からのずれ方向と、前記反対側にある前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子の前記基準位置からのずれ方向とが直交する固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記一対の光電変換素子のうち、前記一対の光電変換素子のうちの他方の光電変換素子のポテンシャルが、前記一方の光電変換素子のポテンシャルよりも浅くなっている固体撮像素子。
【請求項８】
請求項７記載の固体撮像素子であって、
前記他方の光電変換素子の面積が、前記一方の光電変換素子の面積よりも小さくなっている固体撮像素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記一対の光電変換素子は、それぞれ検出感度が異なるものである固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項９記載の固体撮像素子であって、
前記一対の光電変換素子は、それぞれ同じ波長域の光を検出するものである固体撮像素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記素子−素子間電荷読出し部の上方に前記一対の光電変換素子の並ぶ方向に配列して設けられた、それぞれ独立に電圧を印加可能な複数の電極を備える固体撮像素子。
【請求項１２】
請求項１１記載の固体撮像素子と、
前記複数の電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記電圧印加手段は、前記複数の電極に電圧を印加するタイミングをずらして、前記他方の光電変換素子から前記一方の光電変換素子に電荷を移動させる撮像装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の撮像装置であって、
前記電圧印加手段は、前記複数の電極のうち、前記他方の光電変換素子に近い電極ほど、印加電圧を小さくする撮像装置。
【請求項１４】
請求項１１記載の固体撮像素子と、
前記複数の電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記電圧印加手段は、前記複数の電極のうち、前記他方の光電変換素子に近い電極ほど、印加電圧を小さくする撮像装置。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
【請求項１】
互いに隣接する一対の光電変換素子からなる光電変換素子組を複数有し、
前記一対の光電変換素子のいずれか一方の光電変換素子に隣接して設けられた、前記一方の光電変換素子に蓄積された電荷を所定方向に転送するための電荷転送路と、
前記電荷転送路と前記一方の光電変換素子との間に設けられた、前記一方の光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷転送路に読み出すための素子−転送路間電荷読出し部と、
前記一対の光電変換素子の前記一方の光電変換素子と他方の光電変換素子との間に設けられた、前記他方の光電変換素子に蓄積された電荷を前記一方の光電変換素子に読み出すための素子−素子間電荷読出し部とを備える固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記複数の光電変換素子組を構成する光電変換素子の配列が、前記所定方向に配列された複数の第一の光電変換素子からなる第一の光電変換素子列と、前記複数の第一の光電変換素子の各々に隣接する前記所定方向に配列された複数の第二の光電変換素子からなる第二の光電変換素子列とを、前記所定方向に直交する直交方向に交互に配列した構成となっており、
前記一対の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子とそれに隣接する前記第二の光電変換素子であり、
前記電荷転送路は、前記直交方向に連続して並んでいる前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列からなる素子列組に対応して、前記素子列組の側部に設けられている固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子は、前記一対の光電変換素子の前記第一の光電変換素子の位置から前記所定方向及び前記直交方向の各々と交差する方向にずれた位置に配置されている固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記複数の光電変換素子組を構成する光電変換素子の配列が、前記所定方向に配列された複数の第一の光電変換素子からなる第一の光電変換素子列と、前記複数の第一の光電変換素子の各々に隣接する前記所定方向に配列された複数の第二の光電変換素子からなる第二の光電変換素子列とを、前記所定方向に直交する直交方向に交互に配列した構成となっており、
前記一対の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子とそれに隣接する前記第二の光電変換素子であり、
前記電荷転送路は、前記直交方向に連続して並んでいる２つの前記第一の光電変換素子列及び２つの前記第二の光電変換素子列からなる素子列組に対応して、前記素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうちの両端の前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列を除く前記第一の光電変換素子列と前記第二の光電変換素子列との間に設けられている固体撮像素子。
【請求項５】
請求項４記載の固体撮像素子であって、
前記素子列組を構成する４つの光電変換素子列のうち、前記４つの光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子を構成する前記第一の光電変換素子の位置を基準位置としたときに、前記電荷転送路を挟んで片側にある前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子と、前記電荷転送路を挟んで前記片側とは反対側にある前記第一の光電変換素子列及び前記第二の光電変換素子列に含まれる前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子とは、前記基準位置からそれぞれ異なる方向にずれた位置に配置されている固体撮像素子。
【請求項６】
請求項５記載の固体撮像素子であって、
前記片側にある前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子の前記基準位置からのずれ方向と、前記反対側にある前記一対の光電変換素子の前記第二の光電変換素子の前記基準位置からのずれ方向とが直交する固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記一対の光電変換素子のうち、前記一対の光電変換素子のうちの他方の光電変換素子のポテンシャルが、前記一方の光電変換素子のポテンシャルよりも浅くなっている固体撮像素子。
【請求項８】
請求項７記載の固体撮像素子であって、
前記他方の光電変換素子の面積が、前記一方の光電変換素子の面積よりも小さくなっている固体撮像素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記一対の光電変換素子は、それぞれ検出感度が異なるものである固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項９記載の固体撮像素子であって、
前記一対の光電変換素子は、それぞれ同じ波長域の光を検出するものである固体撮像素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記素子−素子間電荷読出し部の上方に前記一対の光電変換素子の並ぶ方向に配列して設けられた、それぞれ独立に電圧を印加可能な複数の電極を備える固体撮像素子。
【請求項１２】
請求項１１記載の固体撮像素子と、
前記複数の電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記電圧印加手段は、前記複数の電極に電圧を印加するタイミングをずらして、前記他方の光電変換素子から前記一方の光電変換素子に電荷を移動させる撮像装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の撮像装置であって、
前記電圧印加手段は、前記複数の電極のうち、前記他方の光電変換素子に近い電極ほど、印加電圧を小さくする撮像装置。
【請求項１４】
請求項１１記載の固体撮像素子と、
前記複数の電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記電圧印加手段は、前記複数の電極のうち、前記他方の光電変換素子に近い電極ほど、印加電圧を小さくする撮像装置。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−３３０１５（Ｐ２００９−３３０１５Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９７３００（Ｐ２００７−１９７３００）
【出願日】平成１９年７月３０日（２００７．７．３０）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月３０日（２００７．７．３０）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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