固体撮像装置およびその駆動制御方法、並びに電子機器
【課題】大光量時に発生する余剰電荷を確実に排出することができるようにする。
【解決手段】複数の受光部は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する。垂直転送レジスタは、垂直列の受光部に対応して配置され、垂直方向に電荷を転送する。水平転送レジスタは、垂直転送レジスタから転送された電荷を水平方向に転送する。余剰電荷除去部は、垂直転送レジスタと水平転送レジスタの間に、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路として配置される。本技術は、例えば、固体撮像装置に適用できる。
【解決手段】複数の受光部は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する。垂直転送レジスタは、垂直列の受光部に対応して配置され、垂直方向に電荷を転送する。水平転送レジスタは、垂直転送レジスタから転送された電荷を水平方向に転送する。余剰電荷除去部は、垂直転送レジスタと水平転送レジスタの間に、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路として配置される。本技術は、例えば、固体撮像装置に適用できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像装置およびその駆動制御方法、並びに電子機器に関し、特に、大光量時に発生する余剰電荷を確実に排出することができるようにする固体撮像装置およびその駆動制御方法、並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、あるいはカメラ付き携帯電話機などの電子機器に用いられる固体撮像装置として、CCD固体撮像装置が知られている。一般的なCCD固体撮像装置は、光電変換を行う複数の受光部が２次元的に配列され、各受光部列に対応してCCD構造の垂直転送レジスタが配列される。また、CCD構造の水平転送レジスタが、各垂直転送レジスタの終段と接続される形で配置されて構成される。画素となる受光部はフォトダイオードで形成される。水平転送レジスタの終段には電荷電圧変換部を介して画素信号を出力する出力部が接続される。
【０００３】
CCD固体撮像装置では、受光蓄積期間において、受光部に入射された光が光電変換され、入射光量に応じた信号電荷が蓄積される。読み出し時には、受光部の信号電荷が垂直転送レジスタに読み出される。読み出された信号電荷は、水平ブランキング期間の一部にて１水平ライン毎に垂直転送レジスタ内を転送され、水平転送レジスタまで転送される。そして、水平転送レジスタに転送された信号電荷は、水平転送レジスタ内を水平方向に転送されて、最終段で電荷電圧変換され、出力部から画素信号として出力される。
【０００４】
このようなCCD固体撮像装置においては、大光量時に垂直転送レジスタにスミア信号となる余剰電荷が発生し、この余剰電荷が垂直転送レジスタで扱いきれずに水平転送レジスタへ転送されてしまう現象が発生する。このような不具合は画像の破綻となるため、余剰電荷を除去する各種の構造が、従来より提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
特許文献１では、垂直転送レジスタの終端部に、余剰電荷排出先のドレインを縦型オーバーフロー構造で形成する方法が提案されている。また、特許文献２では、垂直転送レジスタの終端部に電荷蓄積部と、その横に電荷排出部を設け、電荷排出部に印加する電圧を制御することにより、余剰電荷を電荷蓄積部から電荷排出部に排出する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１６１１３号公報（図２ないし図６）
【特許文献２】特開２００９−１１７９２６号公報（図１および図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のいずれの構造においても、大光量時に発生する余剰電荷に十分に耐え得るとは言い難く、高輝度耐性をさらに向上させることが望まれている。
【０００８】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、大光量時に発生する余剰電荷を確実に排出することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本技術の第１の側面の固体撮像装置は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部とを備え、前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される。
【００１０】
本技術の第１の側面の固体撮像装置においては、垂直転送レジスタと水平転送レジスタの間に、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される余剰電荷除去部が配置される。
【００１１】
本技術の第１の側面の駆動制御方法は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部とを備える固体撮像装置が、垂直転送期間に、前記余剰電荷除去部の所定の電極に所定の電圧を印加することにより、前記余剰電荷除去部のポテンシャルを深く形成する。
【００１２】
本技術の第１の側面の駆動制御方法においては、垂直転送期間に、余剰電荷除去部の所定の電極に所定の電圧が印加されることにより、余剰電荷除去部のポテンシャルが深く形成される。
【００１３】
本技術の第２の側面の電子機器は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部とを有し、前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される固体撮像装置を備える。
【００１４】
本技術の第２の側面の電子機器においては、固体撮像装置において、垂直転送レジスタと水平転送レジスタの間に、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される余剰電荷除去部が配置される。
【００１５】
固体撮像装置および電子機器は、独立した装置であっても良いし、１つの装置を構成している内部ブロックやモジュールであっても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本技術の第１及び第２の側面によれば、大光量時に発生する余剰電荷を確実に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本技術が適用された固体撮像装置の一実施の形態の概略構成例を示す図である。
【図２】余剰電荷除去部周辺の構造について説明する図である。
【図３】各電極に印加される駆動パルスについて説明する図である。
【図４】各駆動パルスのタイミングチャートを示す図である。
【図５】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図６】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図７】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図８】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図９】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１０】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１１】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１２】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１３】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１４】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１５】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１６】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１７】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１８】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１９】固体撮像装置の駆動制御を簡単にまとめて示した図である。
【図２０】その他の電極構造の例を示す図である。
【図２１】その他の電極構造の例を示す図である。
【図２２】本技術が適用された電子機器の一実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［固体撮像装置の構成例］
図１は、本技術が適用された固体撮像装置の一実施の形態の概略構成例を示している。
【００１９】
図１に示される固体撮像装置１は、インターライン転送（IT）方式のCCD固体撮像装置である。
【００２０】
固体撮像装置１は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部２と、受光部２の各列（垂直列）に対応して配置されたCCD構造の複数の垂直転送レジスタ３と、CCD構造の水平転送レジスタ４を有している。受光部２はフォトダイオード等の光電変換素子で構成され、受光部２と垂直転送レジスタ３の一部とにより画素が構成される。また、２次元配置された複数の受光部２と、それに対応する複数本の垂直転送レジスタ３とで、撮像領域８が構成される。
【００２１】
各垂直転送レジスタ３は、隣接する受光部２から読み出された信号電荷を、垂直方向に順次転送し、水平転送レジスタ４まで転送する。水平転送レジスタ４は、各垂直転送レジスタ３から転送された信号電荷を、水平方向に順次転送する。
【００２２】
垂直転送レジスタ３と水平転送レジスタ４の垂直方向の間には、垂直転送レジスタ３で発生した余剰電荷を除去する余剰電荷除去部５が配置されている。
【００２３】
水平転送レジスタ４の最終段には、電荷電圧変化部となるフローティングディフージョン部（不図示）を介して画素信号を出力する出力部６が接続される。
【００２４】
タイミングジェネレータ７は、各垂直転送レジスタ３を駆動制御する垂直転送パルスV、水平転送レジスタ４を駆動制御する水平転送パルスH、余剰電荷除去部５を駆動制御するドレイン制御パルスVODなどを生成し、出力する。タイミングジェネレータ７には、垂直転送パルスV、水平転送パルスH、ドレイン制御パルスVODなどの駆動パルスを制御する制御部７aが含まれる。
【００２５】
なお、垂直転送パルスVは、４相駆動であれば、垂直転送パルスV１ないしV４、３相駆動であれば垂直転送パルスV１ないしV３となるが、特に区別しない場合には、単に垂直転送パルスVと記述する。水平転送パルスHも同様に、２相駆動（H１，H２）や３相駆動（H１ないしH３）が適宜選択可能であり、特に区別しない場合には、単に水平転送パルスHと記述する。
【００２６】
固体撮像装置１全体の動作について簡単に説明する。固体撮像装置１では、２次元的に配列された各受光部２において、入射光が光電変換され、入射光量に応じた信号電荷が蓄積される。各受光部２で蓄積された信号電荷が全画素同時に垂直転送レジスタ３に読み出される（転送される）。垂直転送レジスタ３に転送された信号電荷は、垂直転送パルスVにより垂直方向に順次転送され、垂直転送レジスタ３の最終段から水平転送レジスタ４に転送される。水平転送レジスタ４では、各垂直転送レジスタ３から転送された信号電荷が水平方向に順次転送され、フローティングディフージョン部（不図示）で信号電荷が信号電圧に変換された後、出力部６から出力される。
【００２７】
ここで、受光部２において大光量の受光がされ、垂直転送レジスタ３にスミア信号となる余剰電荷が発生した場合、余剰電荷は信号電荷と混合された混合電荷となって、垂直転送レジスタ３を垂直方向に順次転送される。そして、垂直転送レジスタ３の最終段に接続された余剰電荷除去部５において、余剰電荷のみがオーバーフローし、排出される。
【００２８】
このように、固体撮像装置１では、余剰電荷を排出するための余剰電荷除去部５が、垂直転送レジスタ３と水平転送レジスタ４の間に設けられている。
【００２９】
［余剰電荷除去部５周辺の詳細構造］
図１の固体撮像装置１の余剰電荷除去部５周辺の構造について説明する。
【００３０】
図２は、余剰電荷除去部５と、それに接続される垂直転送レジスタ３の終端部、および、水平転送レジスタ４の一部を拡大して示した上面図である。
【００３１】
固体撮像装置１の撮像領域８では、図２に示されるように、第１の領域１１aと第２の領域１１bとが、水平方向に４列単位で交互に配置されている。
【００３２】
撮像領域８は、第１の領域１１aと第２の領域１１bで分けて制御される。具体的には、例えば、初めに、第１の領域１１aの画素列の信号電荷が垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に垂直転送され、水平転送レジスタ４で水平転送されて出力される。その後、第２の領域１１bの画素列の信号電荷が、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に垂直転送され、水平転送レジスタ４で水平転送されて出力される。
【００３３】
また、固体撮像装置１では、第１の領域１１aと第２の領域１１bとに分けて制御が可能であることにより、水平方向の複数の画素値（信号電荷）を加算して出力することもできる。例えば、初めに、第２の領域１１bの画素列の信号電荷が、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に転送された後、水平転送方向側の隣の第１の領域１１aに対応する水平転送レジスタ４の領域まで、即ち４画素列分だけ水平転送される。次に、第１の領域１１aの画素列の信号電荷が、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に転送されることで、第１の領域１１aの画素列と、第２の領域１１bの画素列の信号電荷を加算した信号電荷を生成することができる。
【００３４】
第１の領域１１a内の構成について説明する。
【００３５】
垂直転送レジスタ３は、図２に示されるように、垂直方向において、垂直転送を順次行う垂直転送部３１と、水平転送レジスタ４に転送する信号電荷を、前段階として一時的に保持する垂直水平転送接続部３２とに分けられる。
【００３６】
第１の領域１１aの垂直転送部３１では、それぞれ垂直転送レジスタ３を構成する垂直転送チャネル領域（以下、単に転送チャネル領域という。）１２aないし１２dが垂直方向に形成されている。そして、この転送チャネル領域１２aないし１２dの上面に、撮像領域８全体において水平方向に伸びる帯状の垂直転送電極２１aないし２１cが垂直方向に配列されている。
【００３７】
なお、転送チャネル領域１２aないし１２dと垂直転送電極２１aないし２１cとの間には、ゲート絶縁膜が形成されているが、図示は省略されている。後述するその他の転送チャネル領域と、その上面に配置される電極についても同様である。
【００３８】
垂直転送部３１の垂直転送電極２１cの図面下側には、転送チャネル領域１２a上に垂直転送ゲート電極２１dが、転送チャネル領域１２bおよび１２c上に垂直転送保持電極２１eと垂直転送ゲート電極２１fが、転送チャネル領域１２d上に垂直転送ゲート電極２１gが形成されている。
【００３９】
第１の領域１１aの垂直水平転送接続部３２では、転送チャネル領域１２aと１２bとが合流した合流チャネル領域１２eと、転送チャネル領域１２cと１２dとが合流した合流チャネル領域１２fが形成されている。
【００４０】
また、第１の領域１１aの垂直水平転送接続部３２では、合流チャネル領域１２eおよび１２fの上面に、水平方向に伸びる帯状の接続部保持電極２２aが形成されている。
【００４１】
さらに、垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eの、余剰電荷除去部５に接続する部分の上面には、接続部ゲート電極２２bが形成され、合流チャネル領域１２fの余剰電荷除去部５に接続する部分の上面には、接続部ゲート電極２２dが形成されている。
【００４２】
また、第１の領域１１aの垂直水平転送接続部３２では、合流チャネル領域１２eと１２fの間に、余剰電荷を排出するドレイン領域１３と、ドレイン領域１３に転送する転送チャネル領域１４が形成されている。この転送チャネル領域１４の上面には、ドレインゲート電極２２cが形成されている。転送チャネル領域１４は、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gを介して、合流チャネル領域１２eと１２fの両方に接続されている。
【００４３】
第１の領域１１aの余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gの、合流チャネル領域１２eに接続する部分の上面には、垂直水平転送接続部３２の接続部ゲート電極２２bと対向するように、ドレイン制御電極２３aが形成されている。
【００４４】
また、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gの、合流チャネル領域１２fに接続する部分の上面には、垂直水平転送接続部３２の接続部ゲート電極２２dと対向するように、ドレイン制御電極２３cが形成されている。
【００４５】
さらに、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gの、転送チャネル領域１４に接続する部分の上面には、垂直水平転送接続部３２のドレインゲート電極２２cと対向するように、ドレイン制御電極２３bが形成されている。
【００４６】
一方、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gの、水平転送レジスタ４を構成する水平転送チャネル領域（以下、単に転送チャネル領域という。）１５に接続する部分の上面には、垂直水平ゲート電極２３dが形成されている。
【００４７】
第１の領域１１aの水平転送レジスタ４の転送チャネル領域１５の上面には水平転送電極２４aないし２４cが形成されている。
【００４８】
第１の領域１１aは、以上のような構成となっている。
【００４９】
第２の領域１１bは、基本的には、第１の領域１１aと同様の構成とされている。ただし、第２の領域１１bでは、転送チャネル領域１２aと１２b、および、転送チャネル領域１２cと１２dが、第１の領域１１aとは反対の配置となっている。このため、垂直転送保持電極２１hおよび２１k、垂直転送ゲート電極２１iおよび２１m、並びに垂直転送ゲート電極２１jの配置が、第１の領域１１aの対応する電極の位置と入れ替わっている。第２の領域１１bのそれ以外の構成は第１の領域１１aと同様である。
【００５０】
次に、図３を参照して、図２に示した各電極に印加される駆動パルスについて説明する。
【００５１】
図３には、図２と同様に示した各電極の上に、その電極に印加される駆動パルスが示されている。
【００５２】
垂直転送電極２１aには垂直転送パルスV２が印加され、垂直転送電極２１bには垂直転送パルスV３が印加され、垂直転送電極２１cには垂直転送パルスV３が印加される。また、垂直転送ゲート電極２１dおよび２１gには垂直転送パルスV１が印加される。従って、固体撮像装置１の垂直転送は、４相の垂直転送パルスV１ないしV４により駆動制御される。
【００５３】
垂直転送保持電極２１eには、垂直転送保持パルスVstが印加され、垂直転送ゲート電極２１fには、垂直転送ゲートパルスVhldが印加される。
【００５４】
第１の領域１１aの垂直転送部３１では、初めに、垂直転送パルスV１ないしV４により転送チャネル領域１２aを垂直転送されてきた信号電荷が、垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eに転送される。その間、垂直転送パルスV１ないしV４により転送チャネル領域１２bを垂直転送されてきた信号電荷は、垂直転送保持電極２１eに垂直転送保持パルスVstが印加されることにより、合流チャネル領域１２eへの転送が待機される。そして、転送チャネル領域１２aを垂直転送されてきた信号電荷が垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eから水平転送レジスタ４に転送された後、転送チャネル領域１２bを垂直転送されてきた信号電荷が、垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eに転送される。転送チャネル領域１２cおよび１２dについても同様に制御される。
【００５５】
垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eには、転送保持パルスLVが印加される。垂直水平転送接続部３２の接続部ゲート電極２２bおよび２２dには、接続部転送ゲートパルスVOGaが共通に印加され、ドレインゲート電極２２cには、ドレイン転送ゲートパルスVOGbが印加される。接続部転送ゲートパルスVOGaとVOGbを区別しない場合には、単に接続部転送ゲートパルスVOGと記述する。ドレイン領域１３には、高電位のドレイン電圧Vdrainが印加されている。
【００５６】
余剰電荷除去部５のドレイン制御電極２３aおよび２３cには、ドレイン制御パルスVODaが共通に印加され、ドレイン制御電極２３bには、ドレイン制御パルスVODbが印加される。ドレイン制御パルスVODaとVODbを区別しない場合には単に、ドレイン制御パルスVODと記述する。
【００５７】
余剰電荷除去部５の垂直水平ゲート電極２３dには、垂直水平ゲートパルスHOBが印加される。
【００５８】
水平転送レジスタ４の水平転送電極２４aには水平転送パルスH１が、水平転送電極２４bには水平転送パルスH２が、水平転送電極２４cには水平転送パルスH３が、それぞれ印加される。従って、固体撮像装置１の水平転送は、３相の水平転送パルスH１ないしH３により駆動制御される。
【００５９】
上述した各駆動パルスは、２値のクロックパルスか、または、３値のクロックパルスである。３値のクロックパルスは、ハイレベル（High level）、ミドルレベル（Middle level）、またはローレベル（Low level）の値をとる。２値のクロックパルスは、ミドルレベル（Middle level）とローレベル（Low level）の２値、または、ミドルレベル（Middle level）とハイレベル（High level）の２値のいずれかをとる。ハイレベル、ミドルレベル、およびローレベルの各印加バイアス値は、図５乃至図１８を参照して後述する各領域のポテンシャルφを実現するように適宜決定される。各パルスが印加される各電極は、クロックパルスが印加されるクロック電極であると言うことができる。
【００６０】
［駆動制御の説明］
次に、図４の各駆動パルスのタイミングチャートと、それに対応する第１の領域１１aの制御状態（ポテンシャル）を示した図５乃至図１８を参照して、固体撮像装置１の駆動制御について説明する。
【００６１】
なお、図４とそれに対応する図５乃至図１８は、第１の領域１１aの転送チャネル領域１２aと１２dを転送してきた信号電荷が、水平転送レジスタ４に転送され、水平転送されるまでの動作を示している。
【００６２】
図４は、図３を参照して説明した各駆動パルスのタイミングチャートを示している。
【００６３】
また、図５は、図４に示したタイミングチャートの所定の時刻における、垂直水平転送接続部３２、水平転送レジスタ４、及び余剰電荷除去部５の制御状態を示す図である。図５上段の図は、各クロック電極に印加されるバイアス値のレベルを図示化したものであり、図５下段の図は、図５上段の図のA−A’線、およびB−B’線におけるポテンシャルの状態（ポテンシャル図）を示している。図６乃至図１８も、図５と同様の形式で示してある。
【００６４】
図４において、時刻ｔ1までは、受光部２から垂直転送レジスタ３に読み出された信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送期間である。また、時刻ｔ1から時刻ｔ13までは、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４へ信号電荷を転送する垂直水平転送期間であり、時刻ｔ13以降は、信号電荷を水平転送レジスタ４で水平方向に転送する水平転送期間である。
【００６５】
以下、時刻ｔ1から順に説明する。
【００６６】
時刻ｔ1までの垂直転送期間では、垂直転送パルスV１ないしV４により、第１の領域１１aの転送チャネル領域１２aまたは１２dを垂直転送されてきた信号電荷が、垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eまたは１２fまで転送される。
【００６７】
垂直転送期間では、垂直転送パルスV１ないしV４以外の駆動パルスは、所定の電圧レベルに固定されている。
【００６８】
具体的には、図４および図５上段に示されるように、転送保持パルスLVはミドルレベルに制御され、接続部転送ゲートパルスVOGaはローレベルに制御され、ドレイン転送ゲートパルスVOGbはハイレベルに制御されている。また、ドレイン制御パルスVODaとVODbはハイレベルに制御され、垂直水平ゲートパルスHOBはローレベルに制御される。さらに、水平転送パルスH１とH３はハイレベルに制御され、水平転送パルスH２はミドルレベルに制御される。
【００６９】
この場合、図５下段に示されるA−A’線のポテンシャル図が示すように、合流チャネル領域１２eおよび１２fのうちの、ミドルレベルの転送保持パルスLVが印加された領域（以下、LV印加領域という。）のポテンシャルφLVは6.5Vとなる。また、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gのうち、ハイレベルのドレイン制御パルスVODaが印加された領域（以下、VODa印加領域という。）のポテンシャルφVODaと、ハイレベルのドレイン制御パルスVODbが印加された領域（以下、VODb印加領域という。）のポテンシャルφVODbは、いずれも9Vとなる。
【００７０】
一方、合流チャネル領域１２eおよび１２fのうち、ローレベルの接続部転送ゲートパルスVOGaが印加された領域（以下、VOGa印加領域という。）のポテンシャルφVOGaは1.5Vとなる。従って、VOGa印加領域が障壁となって、ポテンシャルが深い合流チャネル領域１２eおよび１２fのLV印加領域に、垂直転送された信号電荷が蓄積される。
【００７１】
そして、VOGa印加領域の障壁を超える量の信号電荷が合流チャネル領域１２eおよび１２fに転送されてくると、信号電荷はVOGa印加領域の障壁を超え、余剰電荷除去部５のドレイン制御パルスVODaが印加されている領域（以下、VODa印加領域という。）に移動する。すなわち、VOGa印加領域の障壁を超える信号電荷は、余剰電荷として、余剰電荷除去部５のVODa印加領域に排出される。
【００７２】
余剰電荷除去部５において、VODa印加領域は、水平方向に隣接するドレイン制御パルスVODbが印加されている領域（以下、VODb印加領域という。）と同一のポテンシャルに制御されている。また、垂直水平転送接続部３２のドレインゲート電極２２cには、ハイレベルのドレイン転送ゲートパルスVOGbが印加され、そのポテンシャルφVOGbは10Vであり、VODb印加領域のポテンシャルφVODb＝9Vよりも深くなっている。ドレイン転送ゲートパルスVOGbが印加された転送チャネル領域１４を、以下、VOGb印加領域という。
【００７３】
その結果、図５下段に示されるB−B’線のポテンシャル図が示すように、VODb領域、VOGb領域、及び、ポテンシャルφdrainが11Vであるドレイン領域１３の経路では、ドレイン領域１３に向かって下方向の階段状のポテンシャルが形成されている。
【００７４】
以上より、時刻ｔ1までの垂直転送期間では、VOGa印加領域の障壁を超える余剰電荷が発生した場合には、その余剰電荷は、図６に示されるように、VODa印加領域、VODb印加領域、VOGb印加領域、ドレイン領域１３の順に移動する。従って、大光量時において垂直転送レジスタ３にスミア信号となる余剰電荷が発生した場合でも確実に排出することができ、高輝度耐性をさらに向上させることができる。
【００７５】
時刻ｔ1の次の時刻ｔ2においては、図４に示されるように、ドレイン制御パルスVODaが、それまでのハイレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図７のA−A’線のポテンシャル図が示すように、VODa印加領域のポテンシャルφVODaが、時刻ｔ1の9Vから5Vになり、浅くなる。
【００７６】
次の時刻ｔ3においては、図４に示されるように、ドレイン制御パルスVODbが、それまでのハイレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図８のB−B’線のポテンシャル図が示すように、VODb印加領域のポテンシャルφVODbが、時刻ｔ2の9Vから5Vになり、浅くなる。
【００７７】
次の時刻ｔ4においては、図４に示されるように、ドレイン転送ゲートパルスVOGbが、それまでのハイレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図９のB−B’線のポテンシャル図が示すように、VOGb印加領域のポテンシャルφVOGbが、時刻ｔ3の10Vから6Vになり、浅くなる。
【００７８】
次の時刻ｔ5においては、図４に示されるように、ドレイン制御パルスVODbとドレイン転送ゲートパルスVOGbが、それまでのミドルレベルから、ローレベルに変更される。これにより、図１０のB−B’線のポテンシャル図が示すように、VODb印加領域のポテンシャルφVODbが5Vから2.5Vに、VOGb印加領域のポテンシャルφVOGbが、6Vから3.5Vになり、浅くなる。
【００７９】
次の時刻ｔ6においては、図４に示されるように、垂直水平ゲートパルスHOBが、それまでのローレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図１１のA−A’線及びB−B’線のポテンシャル図が示すように、余剰電荷除去部５の垂直水平ゲートパルスHOBが印加されている領域（以下、HOB印加領域という。）のポテンシャルφHOBが、時刻ｔ5のときよりも深くなる。ここで、ミドルレベルの垂直水平ゲートパルスHOBが印加されたときのHOB印加領域のポテンシャルφHOBは、A−A’線上では6.5Vとなっているのに対して、B−B’線上では5.5Vとなっている。これは、後述する時刻ｔ9において、LV印加領域に蓄積されている信号電荷を水平転送レジスタ４に転送する際、水平転送電極２４c直下の領域へ転送させるべき信号電荷が水平転送電極２４a直下の領域へ転送されないように障壁を形成するためである。余剰電荷除去部５のHOB印加領域は、ドレイン制御電極２３aおよび２３cにそれぞれ対応するように水平方向に３分割され、同一レベルの垂直水平ゲートパルスHOBが印加された場合であっても、そのポテンシャルφHOBが図１１のように異なるように、不純物注入等の手段により形成される。なお、勿論、垂直水平ゲート電極２３dを、ドレイン制御電極２３aおよび２３cと同様に３分割して、印加バイアス値を変えることによって、ポテンシャルを変えるようにしてもよい。
【００８０】
次の時刻ｔ7においては、図４に示されるように、接続部転送ゲートパルスVOGaが、それまでのローレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図１２のA−A’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のVOGa印加領域のポテンシャルφVOGaが、時刻ｔ6の1.5Vから4Vになり、深くなる。
【００８１】
次の時刻ｔ8においては、図４に示されるように、転送保持パルスLVが、それまでのミドルレベルから、ローレベルに変更される。これにより、図１３のA−A’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のLV印加領域のポテンシャルφLVが、時刻ｔ7の6.5Vから2.5Vになり、浅くなる。
【００８２】
時刻ｔ8でLV印加領域のポテンシャルφLVが変更された結果、図１３のA−A’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２から余剰電荷除去部５を経由して水平転送レジスタ４までの垂直方向に、垂直水平転送経路のポテンシャルが、階段状に形成されている。余剰電荷除去部５のVODa印加領域は、このとき、垂直水平転送経路の一部を構成している。
【００８３】
一方、図１３のA−A’線とB−B’線のポテンシャル図のVODa印加領域のポテンシャルφVODaとVODb印加領域のポテンシャルφVODbを比較すると、VODb印加領域のポテンシャルφVODbが浅くなっている。また、上述したように、HOB印加領域のポテンシャルφHOBも、VODb印加領域に対応する水平方向中央部が浅くなっている。これにより、余剰電荷除去部５の水平方向では、中央部が障壁となっている。
【００８４】
従って、LV印加領域に蓄積されていた信号電荷は、図１４に示されるように、余剰電荷除去部５のVODa印加領域を経由して水平転送レジスタ４に移動することができる。
【００８５】
時刻ｔ8の次の時刻ｔ9では、時刻ｔ8の状態が保持される。即ち、時刻ｔ9から次の時刻ｔ10までの１クロック時間は、信号電荷の水平転送レジスタ４への転送時間である。
【００８６】
水平転送レジスタ４への信号電荷の転送が完了すると、次の時刻ｔ10から時刻ｔ12において、元の時刻ｔ1の状態に戻す制御が行われる。
【００８７】
即ち、次の時刻ｔ10においては、図４に示されるように、接続部転送ゲートパルスVOGaと垂直水平ゲートパルスHOBが、それまでのミドルレベルからローレベルに戻される。これにより、図１５下段のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のVOGa印加領域のポテンシャルφVOGaと、余剰電荷除去部５のHOB印加領域のポテンシャルφHOBが、時刻ｔ9のときよりも浅くなる。VOGa印加領域のポテンシャルφVOGaは、4Vから1.5Vになり、HOB印加領域のポテンシャルφHOBは、中央部では5.5Vから2.5Vになり、その両側では6.5Vから3.5Vとなる。
【００８８】
次の時刻ｔ11においては、図４に示されるように、転送保持パルスLVが、それまでのローレベルからミドルレベルに変更され、ドレイン転送ゲートパルスVOGbとドレイン制御パルスVODbが、それまでのローレベルからミドルレベルに変更される。これにより、図１６のA−A’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のLV印加領域のポテンシャルφLVが、時刻ｔ10の2.5Vから6.5Vになって深くなる。また、図１６のB−B’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のVOGb印加領域のポテンシャルφVOGbは、3.5Vから6Vになり、余剰電荷除去部５のVODb印加領域のポテンシャルφVODbは、2.5Vから5Vになって、時刻ｔ10のときよりも深くなる。
【００８９】
次の時刻ｔ12においては、図４に示されるように、ドレイン転送ゲートパルスVOGbとドレイン制御パルスVODbが、それまでのミドルレベルからハイレベルに変更される。また、ドレイン制御パルスVODaが、それまでのミドルレベルから、ハイレベルに変更される。これにより、図１７のA−A’線のポテンシャル図が示すように、VODa印加領域のポテンシャルφVODaが、時刻ｔ11の5Vから9Vになり、深くなる。また、図１７のB−B’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のVOGb印加領域のポテンシャルφVOGbは、6Vから10Vになり、余剰電荷除去部５のVODb印加領域のポテンシャルφVODbは、5Vから9Vになって、時刻ｔ11のときよりも深くなる。
【００９０】
時刻ｔ12の制御後の状態は、図５と図１７のポテンシャル図を比較して分かるように、垂直転送期間の状態と同じになっている。即ち、第１の領域１１aの制御状態（ポテンシャル）は、垂直転送期間の状態に戻っている。
【００９１】
時刻ｔ13以降の水平転送期間では、図４に示されるように、水平転送パルスH１及びH３が同期してハイレベルまたはミドルレベルに制御され、水平転送パルスH２が、水平転送パルスH１及びH３と位相を変えて、ミドルレベルまたはハイレベルに制御される。なお、水平転送パルスH１ないしH３は、その他の駆動パルスよりも高周波であるため、図４では、簡略化した波形で示されている。これにより、水平転送レジスタ４に移動された信号電荷が、出力部６（図１）の方へ順次転送される。この水平転送期間中の余剰電荷除去部５のポテンシャルは、図１８のA−A’線およびB−B’線のポテンシャル図が示すように、垂直転送期間中と同じである。従って、垂直転送レジスタ３で余剰電荷が発生したとしても、余剰電荷除去部５を介してドレイン領域１３に排出される。これにより、水平転送期間中に仮に垂直転送レジスタ３で余剰電荷が発生しても、その影響を受けることなく、水平転送を行うことができる。なお、仮に水平転送レジスタ４で、仮にHOB印加領域の障壁を超えるような信号電荷が存在した場合にも、その信号電荷は余剰電荷除去部５を介してドレイン領域１３に排出される。従って、余剰電荷除去部５は、水平転送レジスタ４のオーバーフローパスともなっている。
【００９２】
以上のようにして、第１の領域１１aの転送チャネル領域１２aと１２dを転送してきた信号電荷が、水平転送レジスタ４に転送される。その間、第１の領域１１aの転送チャネル領域１２bまたは１２cを垂直転送されてきた信号電荷は、垂直転送保持パルスVstがハイレベル、垂直転送ゲートパルスVhldがローレベルに制御されることで、垂直転送保持電極２１e直下で保持されている。
【００９３】
第１の領域１１aの転送チャネル領域１２bと１２cの信号電荷や、第２の領域１１bの信号電荷を転送する場合についても、上述した転送チャネル領域１２aと１２dの信号電荷と同様に行われる。
【００９４】
図５乃至図１８を参照して説明した各領域のポテンシャルは飽くまで一例であり、各領域のポテンシャルの相対関係さえ満たせば、これ以外のポテンシャルとなるように設計することも可能である。
【００９５】
また、上述した駆動制御において、ハイレベル、ミドルレベル、およびローレベルの３値の印加バイアス値は、受光部２から信号電荷を読み出す際に使用される３値の電圧と同一に設定することができる。印加バイアス値を共通にすることにより、固体撮像装置１の回路構成を簡単にすることができる。勿論、余剰電荷除去部５に専用の印加バイアス値を設定し、使用するようにしてもよい。
【００９６】
図１９は、図４ないし図１８を参照して説明した固体撮像装置１の駆動制御を簡単にまとめて示した図である。
【００９７】
固体撮像装置１では、垂直方向にみて、垂直転送レジスタ３と水平転送レジスタ４の間に余剰電荷除去部５が設けられている。この余剰電荷除去部５は、ドレイン領域１３に接続された経路としてVODa印加領域とVODb印加領域を含み、その経路は、所定の電極（ドレイン制御電極２３aないし２３c）に印加する電圧（ドレイン制御パルスVODaおよびVODb）を垂直水平転送時と異なるように変化させることによって形成される。
【００９８】
余剰電荷除去部５のVOD印加領域は、垂直転送期間および水平転送期間においては、深いポテンシャルφVODを有する。これにより、垂直転送レジスタ３の余剰電荷は、前垂れ信号として、垂直方向のVOD印加領域に排出される。一方、垂直水平転送期間では、VOD印加領域のポテンシャルφVODは浅くなるように制御され、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４へ、信号電荷が移動するような階段状のポテンシャルが形成される。
【００９９】
従って、固体撮像装置１によれば、大光量時に大量の余剰電荷が発生したとしても確実に排出することができ、高輝度耐性をさらに向上させることができる。
【０１００】
［その他の電極構造の例］
本技術は、上述した電極構造および駆動方式に限定されず、その他の電極構造および駆動方式にも適用することができる。
【０１０１】
図２０は、図２と異なる電極構造の例を示している。
【０１０２】
図２等に示した電極構造では、垂直方向に転送されてきた信号電荷を保持する接続部保持電極２２aが、第１の領域１１aと第２の領域１１bとに分けてられていた。これにより、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に転送する垂直水平転送を、第１の領域１１aと第２の領域１１bとに分けて行うことができ、信号電荷の水平方向の加算が可能な電極構造であった。
【０１０３】
これに対して、図２０に示される電極構造は、垂直方向に転送されてきた信号電荷を保持する接続部保持電極２２aが、垂直転送電極２１aないし２１cと同様に、撮像領域８全体において水平方向に伸びる帯状とされている。従って、図２０に示される電極構造は、撮像領域８の１ラインの各画素の信号電荷を同時に水平転送レジスタ４に転送する、水平加算なしの電極構造となっている。
【０１０４】
また、図２０に示される電極構造では、水平転送レジスタ４において、１本の垂直転送レジスタ３（転送チャネル領域１２）に対して２個の水平転送電極２４aおよび２４bが形成されており、２相の水平転送パルスH１及びH２により転送駆動される構成となっている。
【０１０５】
このような電極構造においても、図２０に示されるように、垂直転送レジスタ３と水平転送レジスタ４の間に余剰電荷除去部５を設けることができ、上述した駆動制御を行うことができる。これにより、大光量時に大量の余剰電荷が発生したとしても確実に排出することができ、高輝度耐性をさらに向上させることができる。
【０１０６】
なお、図２１に示されるように、垂直水平転送接続部３２内の転送チャネル領域１２とドレイン領域１３の間の境界に、ポテンシャルを若干浅く設定したオーバーフローパス４１をさらに設け、余剰電荷をオーバーフローパス４１からも排出するような構成とすることも可能である。図２に示した電極構造においても同様に合流チャネル領域１２eとドレイン領域１３との間、合流チャネル領域１２fとドレイン領域１３との間に、オーバーフローパス４１を追加した構成とすることができる。
【０１０７】
［図１の固体撮像装置を用いた電子機器の構成例］
図１の固体撮像装置１は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、撮像機能を備えた携帯端末、などの各種の電子機器に適用することができる。
【０１０８】
そこで、次に、図１に示した固体撮像装置１を構成の一部として備える電子機器について説明する。
【０１０９】
図２２は、電子機器の一例として、図１の固体撮像装置１を撮像デバイスとして備える撮像装置の構成例を示している。
【０１１０】
図２２の撮像装置１００は、レンズ等の光学系１０１、メカニカルシャッタ１０２、CCD固体撮像素子１０３、CCD駆動回路１０４、信号処理回路１０５、およびシステムコントローラ１０６を備える。
【０１１１】
なお、図２２の撮像装置１００は、その構成の一部または全部がモジュール化された撮像モジュールの形態であってもよい。
【０１１２】
撮像装置１００のCCD固体撮像素子１０３は、図１の固体撮像装置１のなかの撮像領域８、水平転送レジスタ４、余剰電荷除去部５、および出力部６に対応し、CCD駆動回路１０４が、固体撮像装置１のタイミングジェネレータ７に対応する。
【０１１３】
被写体（図示せず）からの光は、レンズ等の光学系１０１およびメカニカルシャッタ１０２を経てCCD固体撮像素子１０３の撮像領域（８）に入射する。メカニカルシャッタ１０２は、CCD固体撮像素子１０３の撮像エリアへの光の入射を遮断して露光時間を決めるためのものである。
【０１１４】
CCD固体撮像素子１０３の出力信号は、信号処理回路１０５に供給され、自動ホワイトバランス調整などの種々の信号処理が行われた後、撮像信号として外部に導出される。CCD駆動回路１０４は、システムコントローラ１０６の制御の下、CCD固体撮像素子１０３で受光された信号電荷を転送させるための駆動を行う。システムコントローラ１０６は、メカニカルシャッタ１０２の開閉制御、CCD駆動回路１０４の制御、信号処理回路１０５の制御などを行う。
【０１１５】
以上のように構成される撮像装置１００は、図１の固体撮像装置１を撮像デバイスとして備えているので、高輝度耐性を向上させた撮像装置とすることができる。
【０１１６】
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０１１７】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を備え、
前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される
固体撮像装置。
（２）
前記余剰電荷除去部は、垂直転送期間に、前記所定の電極に第１の電圧が印加されることにより、深いポテンシャルの前記経路を形成する
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記余剰電荷除去部は、前記垂直転送レジスタから前記水平転送レジスタへ前記電荷を転送する垂直水平転送期間に、前記所定の電極に前記第１の電圧と異なる第２の電圧が印加されることにより、浅いポテンシャルの前記経路を形成することで、前記垂直転送レジスタから前記水平転送レジスタへ前記電荷を転送する垂直水平転送経路の一部を構成する
前記（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記余剰電荷除去部は、水平転送期間においても、前記所定の電極に前記第１の電圧が印加されることにより、深いポテンシャルの前記経路を形成する
前記（２）または（３）に記載の固体撮像装置。
（５）
前記所定の電極に印加される電圧は、前記受光部から前記電荷を読み出す際の電圧と同一である
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（６）
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を備える固体撮像装置が、
垂直転送期間に、前記余剰電荷除去部の所定の電極に所定の電圧を印加することにより、前記余剰電荷除去部のポテンシャルを深く形成する
駆動制御方法。
（７）
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を有し、
前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される
固体撮像装置
を備える電子機器。
【符号の説明】
【０１１８】
１ 固体撮像装置， ２ 受光部， ３ 垂直転送レジスタ， ４ 水平転送レジスタ， ５ 余剰電荷除去部， ７ タイミングジェネレータ， ７a 制御部， １００ 撮像装置， １０３ CCD固体撮像素子， １０４ CCD駆動回路
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像装置およびその駆動制御方法、並びに電子機器に関し、特に、大光量時に発生する余剰電荷を確実に排出することができるようにする固体撮像装置およびその駆動制御方法、並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、あるいはカメラ付き携帯電話機などの電子機器に用いられる固体撮像装置として、CCD固体撮像装置が知られている。一般的なCCD固体撮像装置は、光電変換を行う複数の受光部が２次元的に配列され、各受光部列に対応してCCD構造の垂直転送レジスタが配列される。また、CCD構造の水平転送レジスタが、各垂直転送レジスタの終段と接続される形で配置されて構成される。画素となる受光部はフォトダイオードで形成される。水平転送レジスタの終段には電荷電圧変換部を介して画素信号を出力する出力部が接続される。
【０００３】
CCD固体撮像装置では、受光蓄積期間において、受光部に入射された光が光電変換され、入射光量に応じた信号電荷が蓄積される。読み出し時には、受光部の信号電荷が垂直転送レジスタに読み出される。読み出された信号電荷は、水平ブランキング期間の一部にて１水平ライン毎に垂直転送レジスタ内を転送され、水平転送レジスタまで転送される。そして、水平転送レジスタに転送された信号電荷は、水平転送レジスタ内を水平方向に転送されて、最終段で電荷電圧変換され、出力部から画素信号として出力される。
【０００４】
このようなCCD固体撮像装置においては、大光量時に垂直転送レジスタにスミア信号となる余剰電荷が発生し、この余剰電荷が垂直転送レジスタで扱いきれずに水平転送レジスタへ転送されてしまう現象が発生する。このような不具合は画像の破綻となるため、余剰電荷を除去する各種の構造が、従来より提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
特許文献１では、垂直転送レジスタの終端部に、余剰電荷排出先のドレインを縦型オーバーフロー構造で形成する方法が提案されている。また、特許文献２では、垂直転送レジスタの終端部に電荷蓄積部と、その横に電荷排出部を設け、電荷排出部に印加する電圧を制御することにより、余剰電荷を電荷蓄積部から電荷排出部に排出する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１６１１３号公報（図２ないし図６）
【特許文献２】特開２００９−１１７９２６号公報（図１および図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のいずれの構造においても、大光量時に発生する余剰電荷に十分に耐え得るとは言い難く、高輝度耐性をさらに向上させることが望まれている。
【０００８】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、大光量時に発生する余剰電荷を確実に排出することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本技術の第１の側面の固体撮像装置は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部とを備え、前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される。
【００１０】
本技術の第１の側面の固体撮像装置においては、垂直転送レジスタと水平転送レジスタの間に、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される余剰電荷除去部が配置される。
【００１１】
本技術の第１の側面の駆動制御方法は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部とを備える固体撮像装置が、垂直転送期間に、前記余剰電荷除去部の所定の電極に所定の電圧を印加することにより、前記余剰電荷除去部のポテンシャルを深く形成する。
【００１２】
本技術の第１の側面の駆動制御方法においては、垂直転送期間に、余剰電荷除去部の所定の電極に所定の電圧が印加されることにより、余剰電荷除去部のポテンシャルが深く形成される。
【００１３】
本技術の第２の側面の電子機器は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部とを有し、前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される固体撮像装置を備える。
【００１４】
本技術の第２の側面の電子機器においては、固体撮像装置において、垂直転送レジスタと水平転送レジスタの間に、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される余剰電荷除去部が配置される。
【００１５】
固体撮像装置および電子機器は、独立した装置であっても良いし、１つの装置を構成している内部ブロックやモジュールであっても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本技術の第１及び第２の側面によれば、大光量時に発生する余剰電荷を確実に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本技術が適用された固体撮像装置の一実施の形態の概略構成例を示す図である。
【図２】余剰電荷除去部周辺の構造について説明する図である。
【図３】各電極に印加される駆動パルスについて説明する図である。
【図４】各駆動パルスのタイミングチャートを示す図である。
【図５】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図６】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図７】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図８】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図９】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１０】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１１】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１２】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１３】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１４】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１５】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１６】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１７】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１８】固体撮像装置の駆動制御を説明する図である。
【図１９】固体撮像装置の駆動制御を簡単にまとめて示した図である。
【図２０】その他の電極構造の例を示す図である。
【図２１】その他の電極構造の例を示す図である。
【図２２】本技術が適用された電子機器の一実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［固体撮像装置の構成例］
図１は、本技術が適用された固体撮像装置の一実施の形態の概略構成例を示している。
【００１９】
図１に示される固体撮像装置１は、インターライン転送（IT）方式のCCD固体撮像装置である。
【００２０】
固体撮像装置１は、水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部２と、受光部２の各列（垂直列）に対応して配置されたCCD構造の複数の垂直転送レジスタ３と、CCD構造の水平転送レジスタ４を有している。受光部２はフォトダイオード等の光電変換素子で構成され、受光部２と垂直転送レジスタ３の一部とにより画素が構成される。また、２次元配置された複数の受光部２と、それに対応する複数本の垂直転送レジスタ３とで、撮像領域８が構成される。
【００２１】
各垂直転送レジスタ３は、隣接する受光部２から読み出された信号電荷を、垂直方向に順次転送し、水平転送レジスタ４まで転送する。水平転送レジスタ４は、各垂直転送レジスタ３から転送された信号電荷を、水平方向に順次転送する。
【００２２】
垂直転送レジスタ３と水平転送レジスタ４の垂直方向の間には、垂直転送レジスタ３で発生した余剰電荷を除去する余剰電荷除去部５が配置されている。
【００２３】
水平転送レジスタ４の最終段には、電荷電圧変化部となるフローティングディフージョン部（不図示）を介して画素信号を出力する出力部６が接続される。
【００２４】
タイミングジェネレータ７は、各垂直転送レジスタ３を駆動制御する垂直転送パルスV、水平転送レジスタ４を駆動制御する水平転送パルスH、余剰電荷除去部５を駆動制御するドレイン制御パルスVODなどを生成し、出力する。タイミングジェネレータ７には、垂直転送パルスV、水平転送パルスH、ドレイン制御パルスVODなどの駆動パルスを制御する制御部７aが含まれる。
【００２５】
なお、垂直転送パルスVは、４相駆動であれば、垂直転送パルスV１ないしV４、３相駆動であれば垂直転送パルスV１ないしV３となるが、特に区別しない場合には、単に垂直転送パルスVと記述する。水平転送パルスHも同様に、２相駆動（H１，H２）や３相駆動（H１ないしH３）が適宜選択可能であり、特に区別しない場合には、単に水平転送パルスHと記述する。
【００２６】
固体撮像装置１全体の動作について簡単に説明する。固体撮像装置１では、２次元的に配列された各受光部２において、入射光が光電変換され、入射光量に応じた信号電荷が蓄積される。各受光部２で蓄積された信号電荷が全画素同時に垂直転送レジスタ３に読み出される（転送される）。垂直転送レジスタ３に転送された信号電荷は、垂直転送パルスVにより垂直方向に順次転送され、垂直転送レジスタ３の最終段から水平転送レジスタ４に転送される。水平転送レジスタ４では、各垂直転送レジスタ３から転送された信号電荷が水平方向に順次転送され、フローティングディフージョン部（不図示）で信号電荷が信号電圧に変換された後、出力部６から出力される。
【００２７】
ここで、受光部２において大光量の受光がされ、垂直転送レジスタ３にスミア信号となる余剰電荷が発生した場合、余剰電荷は信号電荷と混合された混合電荷となって、垂直転送レジスタ３を垂直方向に順次転送される。そして、垂直転送レジスタ３の最終段に接続された余剰電荷除去部５において、余剰電荷のみがオーバーフローし、排出される。
【００２８】
このように、固体撮像装置１では、余剰電荷を排出するための余剰電荷除去部５が、垂直転送レジスタ３と水平転送レジスタ４の間に設けられている。
【００２９】
［余剰電荷除去部５周辺の詳細構造］
図１の固体撮像装置１の余剰電荷除去部５周辺の構造について説明する。
【００３０】
図２は、余剰電荷除去部５と、それに接続される垂直転送レジスタ３の終端部、および、水平転送レジスタ４の一部を拡大して示した上面図である。
【００３１】
固体撮像装置１の撮像領域８では、図２に示されるように、第１の領域１１aと第２の領域１１bとが、水平方向に４列単位で交互に配置されている。
【００３２】
撮像領域８は、第１の領域１１aと第２の領域１１bで分けて制御される。具体的には、例えば、初めに、第１の領域１１aの画素列の信号電荷が垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に垂直転送され、水平転送レジスタ４で水平転送されて出力される。その後、第２の領域１１bの画素列の信号電荷が、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に垂直転送され、水平転送レジスタ４で水平転送されて出力される。
【００３３】
また、固体撮像装置１では、第１の領域１１aと第２の領域１１bとに分けて制御が可能であることにより、水平方向の複数の画素値（信号電荷）を加算して出力することもできる。例えば、初めに、第２の領域１１bの画素列の信号電荷が、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に転送された後、水平転送方向側の隣の第１の領域１１aに対応する水平転送レジスタ４の領域まで、即ち４画素列分だけ水平転送される。次に、第１の領域１１aの画素列の信号電荷が、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に転送されることで、第１の領域１１aの画素列と、第２の領域１１bの画素列の信号電荷を加算した信号電荷を生成することができる。
【００３４】
第１の領域１１a内の構成について説明する。
【００３５】
垂直転送レジスタ３は、図２に示されるように、垂直方向において、垂直転送を順次行う垂直転送部３１と、水平転送レジスタ４に転送する信号電荷を、前段階として一時的に保持する垂直水平転送接続部３２とに分けられる。
【００３６】
第１の領域１１aの垂直転送部３１では、それぞれ垂直転送レジスタ３を構成する垂直転送チャネル領域（以下、単に転送チャネル領域という。）１２aないし１２dが垂直方向に形成されている。そして、この転送チャネル領域１２aないし１２dの上面に、撮像領域８全体において水平方向に伸びる帯状の垂直転送電極２１aないし２１cが垂直方向に配列されている。
【００３７】
なお、転送チャネル領域１２aないし１２dと垂直転送電極２１aないし２１cとの間には、ゲート絶縁膜が形成されているが、図示は省略されている。後述するその他の転送チャネル領域と、その上面に配置される電極についても同様である。
【００３８】
垂直転送部３１の垂直転送電極２１cの図面下側には、転送チャネル領域１２a上に垂直転送ゲート電極２１dが、転送チャネル領域１２bおよび１２c上に垂直転送保持電極２１eと垂直転送ゲート電極２１fが、転送チャネル領域１２d上に垂直転送ゲート電極２１gが形成されている。
【００３９】
第１の領域１１aの垂直水平転送接続部３２では、転送チャネル領域１２aと１２bとが合流した合流チャネル領域１２eと、転送チャネル領域１２cと１２dとが合流した合流チャネル領域１２fが形成されている。
【００４０】
また、第１の領域１１aの垂直水平転送接続部３２では、合流チャネル領域１２eおよび１２fの上面に、水平方向に伸びる帯状の接続部保持電極２２aが形成されている。
【００４１】
さらに、垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eの、余剰電荷除去部５に接続する部分の上面には、接続部ゲート電極２２bが形成され、合流チャネル領域１２fの余剰電荷除去部５に接続する部分の上面には、接続部ゲート電極２２dが形成されている。
【００４２】
また、第１の領域１１aの垂直水平転送接続部３２では、合流チャネル領域１２eと１２fの間に、余剰電荷を排出するドレイン領域１３と、ドレイン領域１３に転送する転送チャネル領域１４が形成されている。この転送チャネル領域１４の上面には、ドレインゲート電極２２cが形成されている。転送チャネル領域１４は、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gを介して、合流チャネル領域１２eと１２fの両方に接続されている。
【００４３】
第１の領域１１aの余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gの、合流チャネル領域１２eに接続する部分の上面には、垂直水平転送接続部３２の接続部ゲート電極２２bと対向するように、ドレイン制御電極２３aが形成されている。
【００４４】
また、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gの、合流チャネル領域１２fに接続する部分の上面には、垂直水平転送接続部３２の接続部ゲート電極２２dと対向するように、ドレイン制御電極２３cが形成されている。
【００４５】
さらに、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gの、転送チャネル領域１４に接続する部分の上面には、垂直水平転送接続部３２のドレインゲート電極２２cと対向するように、ドレイン制御電極２３bが形成されている。
【００４６】
一方、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gの、水平転送レジスタ４を構成する水平転送チャネル領域（以下、単に転送チャネル領域という。）１５に接続する部分の上面には、垂直水平ゲート電極２３dが形成されている。
【００４７】
第１の領域１１aの水平転送レジスタ４の転送チャネル領域１５の上面には水平転送電極２４aないし２４cが形成されている。
【００４８】
第１の領域１１aは、以上のような構成となっている。
【００４９】
第２の領域１１bは、基本的には、第１の領域１１aと同様の構成とされている。ただし、第２の領域１１bでは、転送チャネル領域１２aと１２b、および、転送チャネル領域１２cと１２dが、第１の領域１１aとは反対の配置となっている。このため、垂直転送保持電極２１hおよび２１k、垂直転送ゲート電極２１iおよび２１m、並びに垂直転送ゲート電極２１jの配置が、第１の領域１１aの対応する電極の位置と入れ替わっている。第２の領域１１bのそれ以外の構成は第１の領域１１aと同様である。
【００５０】
次に、図３を参照して、図２に示した各電極に印加される駆動パルスについて説明する。
【００５１】
図３には、図２と同様に示した各電極の上に、その電極に印加される駆動パルスが示されている。
【００５２】
垂直転送電極２１aには垂直転送パルスV２が印加され、垂直転送電極２１bには垂直転送パルスV３が印加され、垂直転送電極２１cには垂直転送パルスV３が印加される。また、垂直転送ゲート電極２１dおよび２１gには垂直転送パルスV１が印加される。従って、固体撮像装置１の垂直転送は、４相の垂直転送パルスV１ないしV４により駆動制御される。
【００５３】
垂直転送保持電極２１eには、垂直転送保持パルスVstが印加され、垂直転送ゲート電極２１fには、垂直転送ゲートパルスVhldが印加される。
【００５４】
第１の領域１１aの垂直転送部３１では、初めに、垂直転送パルスV１ないしV４により転送チャネル領域１２aを垂直転送されてきた信号電荷が、垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eに転送される。その間、垂直転送パルスV１ないしV４により転送チャネル領域１２bを垂直転送されてきた信号電荷は、垂直転送保持電極２１eに垂直転送保持パルスVstが印加されることにより、合流チャネル領域１２eへの転送が待機される。そして、転送チャネル領域１２aを垂直転送されてきた信号電荷が垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eから水平転送レジスタ４に転送された後、転送チャネル領域１２bを垂直転送されてきた信号電荷が、垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eに転送される。転送チャネル領域１２cおよび１２dについても同様に制御される。
【００５５】
垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eには、転送保持パルスLVが印加される。垂直水平転送接続部３２の接続部ゲート電極２２bおよび２２dには、接続部転送ゲートパルスVOGaが共通に印加され、ドレインゲート電極２２cには、ドレイン転送ゲートパルスVOGbが印加される。接続部転送ゲートパルスVOGaとVOGbを区別しない場合には、単に接続部転送ゲートパルスVOGと記述する。ドレイン領域１３には、高電位のドレイン電圧Vdrainが印加されている。
【００５６】
余剰電荷除去部５のドレイン制御電極２３aおよび２３cには、ドレイン制御パルスVODaが共通に印加され、ドレイン制御電極２３bには、ドレイン制御パルスVODbが印加される。ドレイン制御パルスVODaとVODbを区別しない場合には単に、ドレイン制御パルスVODと記述する。
【００５７】
余剰電荷除去部５の垂直水平ゲート電極２３dには、垂直水平ゲートパルスHOBが印加される。
【００５８】
水平転送レジスタ４の水平転送電極２４aには水平転送パルスH１が、水平転送電極２４bには水平転送パルスH２が、水平転送電極２４cには水平転送パルスH３が、それぞれ印加される。従って、固体撮像装置１の水平転送は、３相の水平転送パルスH１ないしH３により駆動制御される。
【００５９】
上述した各駆動パルスは、２値のクロックパルスか、または、３値のクロックパルスである。３値のクロックパルスは、ハイレベル（High level）、ミドルレベル（Middle level）、またはローレベル（Low level）の値をとる。２値のクロックパルスは、ミドルレベル（Middle level）とローレベル（Low level）の２値、または、ミドルレベル（Middle level）とハイレベル（High level）の２値のいずれかをとる。ハイレベル、ミドルレベル、およびローレベルの各印加バイアス値は、図５乃至図１８を参照して後述する各領域のポテンシャルφを実現するように適宜決定される。各パルスが印加される各電極は、クロックパルスが印加されるクロック電極であると言うことができる。
【００６０】
［駆動制御の説明］
次に、図４の各駆動パルスのタイミングチャートと、それに対応する第１の領域１１aの制御状態（ポテンシャル）を示した図５乃至図１８を参照して、固体撮像装置１の駆動制御について説明する。
【００６１】
なお、図４とそれに対応する図５乃至図１８は、第１の領域１１aの転送チャネル領域１２aと１２dを転送してきた信号電荷が、水平転送レジスタ４に転送され、水平転送されるまでの動作を示している。
【００６２】
図４は、図３を参照して説明した各駆動パルスのタイミングチャートを示している。
【００６３】
また、図５は、図４に示したタイミングチャートの所定の時刻における、垂直水平転送接続部３２、水平転送レジスタ４、及び余剰電荷除去部５の制御状態を示す図である。図５上段の図は、各クロック電極に印加されるバイアス値のレベルを図示化したものであり、図５下段の図は、図５上段の図のA−A’線、およびB−B’線におけるポテンシャルの状態（ポテンシャル図）を示している。図６乃至図１８も、図５と同様の形式で示してある。
【００６４】
図４において、時刻ｔ1までは、受光部２から垂直転送レジスタ３に読み出された信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送期間である。また、時刻ｔ1から時刻ｔ13までは、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４へ信号電荷を転送する垂直水平転送期間であり、時刻ｔ13以降は、信号電荷を水平転送レジスタ４で水平方向に転送する水平転送期間である。
【００６５】
以下、時刻ｔ1から順に説明する。
【００６６】
時刻ｔ1までの垂直転送期間では、垂直転送パルスV１ないしV４により、第１の領域１１aの転送チャネル領域１２aまたは１２dを垂直転送されてきた信号電荷が、垂直水平転送接続部３２の合流チャネル領域１２eまたは１２fまで転送される。
【００６７】
垂直転送期間では、垂直転送パルスV１ないしV４以外の駆動パルスは、所定の電圧レベルに固定されている。
【００６８】
具体的には、図４および図５上段に示されるように、転送保持パルスLVはミドルレベルに制御され、接続部転送ゲートパルスVOGaはローレベルに制御され、ドレイン転送ゲートパルスVOGbはハイレベルに制御されている。また、ドレイン制御パルスVODaとVODbはハイレベルに制御され、垂直水平ゲートパルスHOBはローレベルに制御される。さらに、水平転送パルスH１とH３はハイレベルに制御され、水平転送パルスH２はミドルレベルに制御される。
【００６９】
この場合、図５下段に示されるA−A’線のポテンシャル図が示すように、合流チャネル領域１２eおよび１２fのうちの、ミドルレベルの転送保持パルスLVが印加された領域（以下、LV印加領域という。）のポテンシャルφLVは6.5Vとなる。また、余剰電荷除去部５の転送チャネル領域１２gのうち、ハイレベルのドレイン制御パルスVODaが印加された領域（以下、VODa印加領域という。）のポテンシャルφVODaと、ハイレベルのドレイン制御パルスVODbが印加された領域（以下、VODb印加領域という。）のポテンシャルφVODbは、いずれも9Vとなる。
【００７０】
一方、合流チャネル領域１２eおよび１２fのうち、ローレベルの接続部転送ゲートパルスVOGaが印加された領域（以下、VOGa印加領域という。）のポテンシャルφVOGaは1.5Vとなる。従って、VOGa印加領域が障壁となって、ポテンシャルが深い合流チャネル領域１２eおよび１２fのLV印加領域に、垂直転送された信号電荷が蓄積される。
【００７１】
そして、VOGa印加領域の障壁を超える量の信号電荷が合流チャネル領域１２eおよび１２fに転送されてくると、信号電荷はVOGa印加領域の障壁を超え、余剰電荷除去部５のドレイン制御パルスVODaが印加されている領域（以下、VODa印加領域という。）に移動する。すなわち、VOGa印加領域の障壁を超える信号電荷は、余剰電荷として、余剰電荷除去部５のVODa印加領域に排出される。
【００７２】
余剰電荷除去部５において、VODa印加領域は、水平方向に隣接するドレイン制御パルスVODbが印加されている領域（以下、VODb印加領域という。）と同一のポテンシャルに制御されている。また、垂直水平転送接続部３２のドレインゲート電極２２cには、ハイレベルのドレイン転送ゲートパルスVOGbが印加され、そのポテンシャルφVOGbは10Vであり、VODb印加領域のポテンシャルφVODb＝9Vよりも深くなっている。ドレイン転送ゲートパルスVOGbが印加された転送チャネル領域１４を、以下、VOGb印加領域という。
【００７３】
その結果、図５下段に示されるB−B’線のポテンシャル図が示すように、VODb領域、VOGb領域、及び、ポテンシャルφdrainが11Vであるドレイン領域１３の経路では、ドレイン領域１３に向かって下方向の階段状のポテンシャルが形成されている。
【００７４】
以上より、時刻ｔ1までの垂直転送期間では、VOGa印加領域の障壁を超える余剰電荷が発生した場合には、その余剰電荷は、図６に示されるように、VODa印加領域、VODb印加領域、VOGb印加領域、ドレイン領域１３の順に移動する。従って、大光量時において垂直転送レジスタ３にスミア信号となる余剰電荷が発生した場合でも確実に排出することができ、高輝度耐性をさらに向上させることができる。
【００７５】
時刻ｔ1の次の時刻ｔ2においては、図４に示されるように、ドレイン制御パルスVODaが、それまでのハイレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図７のA−A’線のポテンシャル図が示すように、VODa印加領域のポテンシャルφVODaが、時刻ｔ1の9Vから5Vになり、浅くなる。
【００７６】
次の時刻ｔ3においては、図４に示されるように、ドレイン制御パルスVODbが、それまでのハイレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図８のB−B’線のポテンシャル図が示すように、VODb印加領域のポテンシャルφVODbが、時刻ｔ2の9Vから5Vになり、浅くなる。
【００７７】
次の時刻ｔ4においては、図４に示されるように、ドレイン転送ゲートパルスVOGbが、それまでのハイレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図９のB−B’線のポテンシャル図が示すように、VOGb印加領域のポテンシャルφVOGbが、時刻ｔ3の10Vから6Vになり、浅くなる。
【００７８】
次の時刻ｔ5においては、図４に示されるように、ドレイン制御パルスVODbとドレイン転送ゲートパルスVOGbが、それまでのミドルレベルから、ローレベルに変更される。これにより、図１０のB−B’線のポテンシャル図が示すように、VODb印加領域のポテンシャルφVODbが5Vから2.5Vに、VOGb印加領域のポテンシャルφVOGbが、6Vから3.5Vになり、浅くなる。
【００７９】
次の時刻ｔ6においては、図４に示されるように、垂直水平ゲートパルスHOBが、それまでのローレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図１１のA−A’線及びB−B’線のポテンシャル図が示すように、余剰電荷除去部５の垂直水平ゲートパルスHOBが印加されている領域（以下、HOB印加領域という。）のポテンシャルφHOBが、時刻ｔ5のときよりも深くなる。ここで、ミドルレベルの垂直水平ゲートパルスHOBが印加されたときのHOB印加領域のポテンシャルφHOBは、A−A’線上では6.5Vとなっているのに対して、B−B’線上では5.5Vとなっている。これは、後述する時刻ｔ9において、LV印加領域に蓄積されている信号電荷を水平転送レジスタ４に転送する際、水平転送電極２４c直下の領域へ転送させるべき信号電荷が水平転送電極２４a直下の領域へ転送されないように障壁を形成するためである。余剰電荷除去部５のHOB印加領域は、ドレイン制御電極２３aおよび２３cにそれぞれ対応するように水平方向に３分割され、同一レベルの垂直水平ゲートパルスHOBが印加された場合であっても、そのポテンシャルφHOBが図１１のように異なるように、不純物注入等の手段により形成される。なお、勿論、垂直水平ゲート電極２３dを、ドレイン制御電極２３aおよび２３cと同様に３分割して、印加バイアス値を変えることによって、ポテンシャルを変えるようにしてもよい。
【００８０】
次の時刻ｔ7においては、図４に示されるように、接続部転送ゲートパルスVOGaが、それまでのローレベルから、ミドルレベルに変更される。これにより、図１２のA−A’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のVOGa印加領域のポテンシャルφVOGaが、時刻ｔ6の1.5Vから4Vになり、深くなる。
【００８１】
次の時刻ｔ8においては、図４に示されるように、転送保持パルスLVが、それまでのミドルレベルから、ローレベルに変更される。これにより、図１３のA−A’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のLV印加領域のポテンシャルφLVが、時刻ｔ7の6.5Vから2.5Vになり、浅くなる。
【００８２】
時刻ｔ8でLV印加領域のポテンシャルφLVが変更された結果、図１３のA−A’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２から余剰電荷除去部５を経由して水平転送レジスタ４までの垂直方向に、垂直水平転送経路のポテンシャルが、階段状に形成されている。余剰電荷除去部５のVODa印加領域は、このとき、垂直水平転送経路の一部を構成している。
【００８３】
一方、図１３のA−A’線とB−B’線のポテンシャル図のVODa印加領域のポテンシャルφVODaとVODb印加領域のポテンシャルφVODbを比較すると、VODb印加領域のポテンシャルφVODbが浅くなっている。また、上述したように、HOB印加領域のポテンシャルφHOBも、VODb印加領域に対応する水平方向中央部が浅くなっている。これにより、余剰電荷除去部５の水平方向では、中央部が障壁となっている。
【００８４】
従って、LV印加領域に蓄積されていた信号電荷は、図１４に示されるように、余剰電荷除去部５のVODa印加領域を経由して水平転送レジスタ４に移動することができる。
【００８５】
時刻ｔ8の次の時刻ｔ9では、時刻ｔ8の状態が保持される。即ち、時刻ｔ9から次の時刻ｔ10までの１クロック時間は、信号電荷の水平転送レジスタ４への転送時間である。
【００８６】
水平転送レジスタ４への信号電荷の転送が完了すると、次の時刻ｔ10から時刻ｔ12において、元の時刻ｔ1の状態に戻す制御が行われる。
【００８７】
即ち、次の時刻ｔ10においては、図４に示されるように、接続部転送ゲートパルスVOGaと垂直水平ゲートパルスHOBが、それまでのミドルレベルからローレベルに戻される。これにより、図１５下段のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のVOGa印加領域のポテンシャルφVOGaと、余剰電荷除去部５のHOB印加領域のポテンシャルφHOBが、時刻ｔ9のときよりも浅くなる。VOGa印加領域のポテンシャルφVOGaは、4Vから1.5Vになり、HOB印加領域のポテンシャルφHOBは、中央部では5.5Vから2.5Vになり、その両側では6.5Vから3.5Vとなる。
【００８８】
次の時刻ｔ11においては、図４に示されるように、転送保持パルスLVが、それまでのローレベルからミドルレベルに変更され、ドレイン転送ゲートパルスVOGbとドレイン制御パルスVODbが、それまでのローレベルからミドルレベルに変更される。これにより、図１６のA−A’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のLV印加領域のポテンシャルφLVが、時刻ｔ10の2.5Vから6.5Vになって深くなる。また、図１６のB−B’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のVOGb印加領域のポテンシャルφVOGbは、3.5Vから6Vになり、余剰電荷除去部５のVODb印加領域のポテンシャルφVODbは、2.5Vから5Vになって、時刻ｔ10のときよりも深くなる。
【００８９】
次の時刻ｔ12においては、図４に示されるように、ドレイン転送ゲートパルスVOGbとドレイン制御パルスVODbが、それまでのミドルレベルからハイレベルに変更される。また、ドレイン制御パルスVODaが、それまでのミドルレベルから、ハイレベルに変更される。これにより、図１７のA−A’線のポテンシャル図が示すように、VODa印加領域のポテンシャルφVODaが、時刻ｔ11の5Vから9Vになり、深くなる。また、図１７のB−B’線のポテンシャル図が示すように、垂直水平転送接続部３２のVOGb印加領域のポテンシャルφVOGbは、6Vから10Vになり、余剰電荷除去部５のVODb印加領域のポテンシャルφVODbは、5Vから9Vになって、時刻ｔ11のときよりも深くなる。
【００９０】
時刻ｔ12の制御後の状態は、図５と図１７のポテンシャル図を比較して分かるように、垂直転送期間の状態と同じになっている。即ち、第１の領域１１aの制御状態（ポテンシャル）は、垂直転送期間の状態に戻っている。
【００９１】
時刻ｔ13以降の水平転送期間では、図４に示されるように、水平転送パルスH１及びH３が同期してハイレベルまたはミドルレベルに制御され、水平転送パルスH２が、水平転送パルスH１及びH３と位相を変えて、ミドルレベルまたはハイレベルに制御される。なお、水平転送パルスH１ないしH３は、その他の駆動パルスよりも高周波であるため、図４では、簡略化した波形で示されている。これにより、水平転送レジスタ４に移動された信号電荷が、出力部６（図１）の方へ順次転送される。この水平転送期間中の余剰電荷除去部５のポテンシャルは、図１８のA−A’線およびB−B’線のポテンシャル図が示すように、垂直転送期間中と同じである。従って、垂直転送レジスタ３で余剰電荷が発生したとしても、余剰電荷除去部５を介してドレイン領域１３に排出される。これにより、水平転送期間中に仮に垂直転送レジスタ３で余剰電荷が発生しても、その影響を受けることなく、水平転送を行うことができる。なお、仮に水平転送レジスタ４で、仮にHOB印加領域の障壁を超えるような信号電荷が存在した場合にも、その信号電荷は余剰電荷除去部５を介してドレイン領域１３に排出される。従って、余剰電荷除去部５は、水平転送レジスタ４のオーバーフローパスともなっている。
【００９２】
以上のようにして、第１の領域１１aの転送チャネル領域１２aと１２dを転送してきた信号電荷が、水平転送レジスタ４に転送される。その間、第１の領域１１aの転送チャネル領域１２bまたは１２cを垂直転送されてきた信号電荷は、垂直転送保持パルスVstがハイレベル、垂直転送ゲートパルスVhldがローレベルに制御されることで、垂直転送保持電極２１e直下で保持されている。
【００９３】
第１の領域１１aの転送チャネル領域１２bと１２cの信号電荷や、第２の領域１１bの信号電荷を転送する場合についても、上述した転送チャネル領域１２aと１２dの信号電荷と同様に行われる。
【００９４】
図５乃至図１８を参照して説明した各領域のポテンシャルは飽くまで一例であり、各領域のポテンシャルの相対関係さえ満たせば、これ以外のポテンシャルとなるように設計することも可能である。
【００９５】
また、上述した駆動制御において、ハイレベル、ミドルレベル、およびローレベルの３値の印加バイアス値は、受光部２から信号電荷を読み出す際に使用される３値の電圧と同一に設定することができる。印加バイアス値を共通にすることにより、固体撮像装置１の回路構成を簡単にすることができる。勿論、余剰電荷除去部５に専用の印加バイアス値を設定し、使用するようにしてもよい。
【００９６】
図１９は、図４ないし図１８を参照して説明した固体撮像装置１の駆動制御を簡単にまとめて示した図である。
【００９７】
固体撮像装置１では、垂直方向にみて、垂直転送レジスタ３と水平転送レジスタ４の間に余剰電荷除去部５が設けられている。この余剰電荷除去部５は、ドレイン領域１３に接続された経路としてVODa印加領域とVODb印加領域を含み、その経路は、所定の電極（ドレイン制御電極２３aないし２３c）に印加する電圧（ドレイン制御パルスVODaおよびVODb）を垂直水平転送時と異なるように変化させることによって形成される。
【００９８】
余剰電荷除去部５のVOD印加領域は、垂直転送期間および水平転送期間においては、深いポテンシャルφVODを有する。これにより、垂直転送レジスタ３の余剰電荷は、前垂れ信号として、垂直方向のVOD印加領域に排出される。一方、垂直水平転送期間では、VOD印加領域のポテンシャルφVODは浅くなるように制御され、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４へ、信号電荷が移動するような階段状のポテンシャルが形成される。
【００９９】
従って、固体撮像装置１によれば、大光量時に大量の余剰電荷が発生したとしても確実に排出することができ、高輝度耐性をさらに向上させることができる。
【０１００】
［その他の電極構造の例］
本技術は、上述した電極構造および駆動方式に限定されず、その他の電極構造および駆動方式にも適用することができる。
【０１０１】
図２０は、図２と異なる電極構造の例を示している。
【０１０２】
図２等に示した電極構造では、垂直方向に転送されてきた信号電荷を保持する接続部保持電極２２aが、第１の領域１１aと第２の領域１１bとに分けてられていた。これにより、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタ４に転送する垂直水平転送を、第１の領域１１aと第２の領域１１bとに分けて行うことができ、信号電荷の水平方向の加算が可能な電極構造であった。
【０１０３】
これに対して、図２０に示される電極構造は、垂直方向に転送されてきた信号電荷を保持する接続部保持電極２２aが、垂直転送電極２１aないし２１cと同様に、撮像領域８全体において水平方向に伸びる帯状とされている。従って、図２０に示される電極構造は、撮像領域８の１ラインの各画素の信号電荷を同時に水平転送レジスタ４に転送する、水平加算なしの電極構造となっている。
【０１０４】
また、図２０に示される電極構造では、水平転送レジスタ４において、１本の垂直転送レジスタ３（転送チャネル領域１２）に対して２個の水平転送電極２４aおよび２４bが形成されており、２相の水平転送パルスH１及びH２により転送駆動される構成となっている。
【０１０５】
このような電極構造においても、図２０に示されるように、垂直転送レジスタ３と水平転送レジスタ４の間に余剰電荷除去部５を設けることができ、上述した駆動制御を行うことができる。これにより、大光量時に大量の余剰電荷が発生したとしても確実に排出することができ、高輝度耐性をさらに向上させることができる。
【０１０６】
なお、図２１に示されるように、垂直水平転送接続部３２内の転送チャネル領域１２とドレイン領域１３の間の境界に、ポテンシャルを若干浅く設定したオーバーフローパス４１をさらに設け、余剰電荷をオーバーフローパス４１からも排出するような構成とすることも可能である。図２に示した電極構造においても同様に合流チャネル領域１２eとドレイン領域１３との間、合流チャネル領域１２fとドレイン領域１３との間に、オーバーフローパス４１を追加した構成とすることができる。
【０１０７】
［図１の固体撮像装置を用いた電子機器の構成例］
図１の固体撮像装置１は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、撮像機能を備えた携帯端末、などの各種の電子機器に適用することができる。
【０１０８】
そこで、次に、図１に示した固体撮像装置１を構成の一部として備える電子機器について説明する。
【０１０９】
図２２は、電子機器の一例として、図１の固体撮像装置１を撮像デバイスとして備える撮像装置の構成例を示している。
【０１１０】
図２２の撮像装置１００は、レンズ等の光学系１０１、メカニカルシャッタ１０２、CCD固体撮像素子１０３、CCD駆動回路１０４、信号処理回路１０５、およびシステムコントローラ１０６を備える。
【０１１１】
なお、図２２の撮像装置１００は、その構成の一部または全部がモジュール化された撮像モジュールの形態であってもよい。
【０１１２】
撮像装置１００のCCD固体撮像素子１０３は、図１の固体撮像装置１のなかの撮像領域８、水平転送レジスタ４、余剰電荷除去部５、および出力部６に対応し、CCD駆動回路１０４が、固体撮像装置１のタイミングジェネレータ７に対応する。
【０１１３】
被写体（図示せず）からの光は、レンズ等の光学系１０１およびメカニカルシャッタ１０２を経てCCD固体撮像素子１０３の撮像領域（８）に入射する。メカニカルシャッタ１０２は、CCD固体撮像素子１０３の撮像エリアへの光の入射を遮断して露光時間を決めるためのものである。
【０１１４】
CCD固体撮像素子１０３の出力信号は、信号処理回路１０５に供給され、自動ホワイトバランス調整などの種々の信号処理が行われた後、撮像信号として外部に導出される。CCD駆動回路１０４は、システムコントローラ１０６の制御の下、CCD固体撮像素子１０３で受光された信号電荷を転送させるための駆動を行う。システムコントローラ１０６は、メカニカルシャッタ１０２の開閉制御、CCD駆動回路１０４の制御、信号処理回路１０５の制御などを行う。
【０１１５】
以上のように構成される撮像装置１００は、図１の固体撮像装置１を撮像デバイスとして備えているので、高輝度耐性を向上させた撮像装置とすることができる。
【０１１６】
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０１１７】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を備え、
前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される
固体撮像装置。
（２）
前記余剰電荷除去部は、垂直転送期間に、前記所定の電極に第１の電圧が印加されることにより、深いポテンシャルの前記経路を形成する
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記余剰電荷除去部は、前記垂直転送レジスタから前記水平転送レジスタへ前記電荷を転送する垂直水平転送期間に、前記所定の電極に前記第１の電圧と異なる第２の電圧が印加されることにより、浅いポテンシャルの前記経路を形成することで、前記垂直転送レジスタから前記水平転送レジスタへ前記電荷を転送する垂直水平転送経路の一部を構成する
前記（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記余剰電荷除去部は、水平転送期間においても、前記所定の電極に前記第１の電圧が印加されることにより、深いポテンシャルの前記経路を形成する
前記（２）または（３）に記載の固体撮像装置。
（５）
前記所定の電極に印加される電圧は、前記受光部から前記電荷を読み出す際の電圧と同一である
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（６）
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を備える固体撮像装置が、
垂直転送期間に、前記余剰電荷除去部の所定の電極に所定の電圧を印加することにより、前記余剰電荷除去部のポテンシャルを深く形成する
駆動制御方法。
（７）
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を有し、
前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される
固体撮像装置
を備える電子機器。
【符号の説明】
【０１１８】
１ 固体撮像装置， ２ 受光部， ３ 垂直転送レジスタ， ４ 水平転送レジスタ， ５ 余剰電荷除去部， ７ タイミングジェネレータ， ７a 制御部， １００ 撮像装置， １０３ CCD固体撮像素子， １０４ CCD駆動回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を備え、
前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される
固体撮像装置。
【請求項２】
前記余剰電荷除去部は、垂直転送期間に、前記所定の電極に第１の電圧が印加されることにより、深いポテンシャルの前記経路を形成する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記余剰電荷除去部は、前記垂直転送レジスタから前記水平転送レジスタへ前記電荷を転送する垂直水平転送期間に、前記所定の電極に前記第１の電圧と異なる第２の電圧が印加されることにより、浅いポテンシャルの前記経路を形成することで、前記垂直転送レジスタから前記水平転送レジスタへ前記電荷を転送する垂直水平転送経路の一部を構成する
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記余剰電荷除去部は、水平転送期間においても、前記所定の電極に前記第１の電圧が印加されることにより、深いポテンシャルの前記経路を形成する
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記所定の電極に印加される電圧は、前記受光部から前記電荷を読み出す際の電圧と同一である
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を備える固体撮像装置が、
垂直転送期間に、前記余剰電荷除去部の所定の電極に所定の電圧を印加することにより、前記余剰電荷除去部のポテンシャルを深く形成する
駆動制御方法。
【請求項７】
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を有し、
前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される
固体撮像装置
を備える電子機器。
【請求項１】
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を備え、
前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される
固体撮像装置。
【請求項２】
前記余剰電荷除去部は、垂直転送期間に、前記所定の電極に第１の電圧が印加されることにより、深いポテンシャルの前記経路を形成する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記余剰電荷除去部は、前記垂直転送レジスタから前記水平転送レジスタへ前記電荷を転送する垂直水平転送期間に、前記所定の電極に前記第１の電圧と異なる第２の電圧が印加されることにより、浅いポテンシャルの前記経路を形成することで、前記垂直転送レジスタから前記水平転送レジスタへ前記電荷を転送する垂直水平転送経路の一部を構成する
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記余剰電荷除去部は、水平転送期間においても、前記所定の電極に前記第１の電圧が印加されることにより、深いポテンシャルの前記経路を形成する
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記所定の電極に印加される電圧は、前記受光部から前記電荷を読み出す際の電圧と同一である
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を備える固体撮像装置が、
垂直転送期間に、前記余剰電荷除去部の所定の電極に所定の電圧を印加することにより、前記余剰電荷除去部のポテンシャルを深く形成する
駆動制御方法。
【請求項７】
水平垂直方向に２次元的に配列され、入射光を電荷に変換する複数の受光部と、
垂直列の前記受光部に対応して配置され、垂直方向に前記電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから転送された前記電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタと前記水平転送レジスタの間に配置された余剰電荷除去部と
を有し、
前記余剰電荷除去部は、所定の電極に印加する電圧を変化させることにより形成される、ドレイン領域に接続された経路により構成される
固体撮像装置
を備える電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−８９７１５（Ｐ２０１３−８９７１５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２７７５２（Ｐ２０１１−２２７７５２）
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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