JP4001841B2 - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）構造のＣＣＤ（Charge Coupled Device）を用いた固体撮像装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機などの画像を記録する電子機器が普及し、高解像度化に伴ってＣＣＤ撮像素子等のイメージセンサの微細化が進んでいる。
【０００３】
図８は、特許文献１等に開示された従来のＣＣＤ固体撮像素子の構成を示すブロック図である。同図において、固体撮像素子１０は、二次元配列された複数のフォトダイオード１１と、複数の読み出しゲート部１２と、複数の垂直ＣＣＤ１３と、水平ＣＣＤ１５と、出力アンプ１６と、基板バイアス発生回路２０と、トランジスタＱ１とを有する。また、同図には、固体撮像素子の半導体基板のバイアス電圧（以下基板バイアスと呼ぶ）Ｖｓｕｂを変調する回路として、トランジスタＱ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３も併せて図示してある。
【０００４】
特許文献１等には、基板バイアスＶｓｕｂの制御によって、フレーム読み出し時における飽和信号電荷量Ｑｓの減少を見込んで、予めその減少分を増加させておく技術が開示されている。ここでフレーム読み出しは、露光時間経過後にメカニカルシャッター（図外）を閉状態にして、奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールド単位に読み出す方式をいい、１枚の静止画像を取得する場合によく用いられる。
【０００５】
図８において、複数のフォトダイオード１１は二次元配列され撮像エリア１４を形成する。各フォトダイオード１１は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する。各フォトダイオード１１は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなっている。垂直列をなすフォトダイオード１１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部１２に読み出しパルスＸＳＧが印加されることにより垂直ＣＣＤ１３に読み出される。
【０００６】
垂直ＣＣＤ１３は、フォトダイオード１１の垂直列毎に設けられ、各フォトダイオード１１から読み出しゲート部１２を介して読み出された信号電荷を水平ＣＣＤ１５に垂直転送する。インターライン・トランスファー（ＩＴ）方式の固体撮像素子の場合、各垂直ＣＣＤ１３には、例えば４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって転送駆動するための垂直転送ゲート電極が繰り返し配置され、フォトダイオード１１から読み出された信号電荷を順に垂直方向に転送する。これにより、複数の垂直レジスタ１３から水平ブランキング期間において１走査線（１ライン）分の信号電荷が水平レジスタ１５に出力される。４相の垂直転送クロックΦＶ１〜ΦＶ４のうち２相目と４相目のΦＶ２とφＶ４とは、垂直転送のためのローレベルとミドルレベルの２値をとりうる。これに対して、１相目および３相目に対応する垂直転送ゲート電極は、読み出しゲート部１２の読み出しゲート電極も兼用しているので、垂直転送クロックφＶ１とφＶ３とは、ローレベル、ミドルレベル及びハイレベルの３値をとりうる。この３値目のハイレベルのパルスは読み出しゲート部１２に与えられる読み出しパルスＸＳＧとなる。
【０００７】
水平ＣＣＤ１５は、水平ブランキング期間において複数の垂直ＣＣＤ１３から転送された１ライン分の電荷を１水平走査期間内で順次水平転送し、出力アンプ１６を介して出力する。この水平ＣＣＤ１５は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１，φＨ２によって転送駆動され、複数本の垂直ＣＣＤ１３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。
【０００８】
出力アンプ１６は、水平ＣＣＤ１５によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。
【０００９】
基板バイアス電圧発生回路２０は、基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生し、トランジスタＱ１を介して基板１７に印加する。この基板バイアスＶｓｕｂは、ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号の制御の下で、トランジスタＱ２がオフのときは第１のバイアス電圧に、トランジスタＱ２がオンのときはより低電圧の第２のバイアス電圧に設定される。
【００１０】
上記の固体撮像素子１０は、半導体基板（以下基板と呼ぶ）１７上に形成される。基板１７には、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷を基板１７へ掃き出すための基板シャッターパルスφＳＵＢなどの各種のタイミング信号が印加される。なお、基板シャッターパルスφＳＵＢによる基板シャッターをはじめ、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷を全てドレインに掃き出す機能は、は電子シャッターとも呼ばれる。上記ドレインは、横型オーバーフロドレインであってもかまわない。
【００１１】
図９は、フォトダイオード１１の基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。このフォトダイオード１１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、オーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。すなわち、オーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決める。蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを越えた場合に、その越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板１７側へ掃き出される。このような縦型オーバーフロードレイン構造におけるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルは、オーバーフロードレインバイアス、即ち基板バイアスＶｓｕｂによって制御可能である。つまり障壁の高さを基板バイアスＶｓｕｂにより制御可能である。
【００１２】
図１０は、基板バイアスＶｓｕｂの制御を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像素子の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッターの開閉状態と、基板バイアスＶｓｕｂ（図中の基板電圧）と、フォトダイオード１１から垂直ＣＣＤ１３への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３とを示している。垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３のハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスＸＳＧである。
【００１３】
モニター期間では、メカニカルシャッターが開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が読み出され、動画像として表示されている（高速動画撮像モードと呼ぶ）。
【００１４】
また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッターを併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像（静止画撮像モードと呼ぶ）が開始する。まず、基板バイアスＶｓｕｂには、複数個の基板シャッターパルスΦＳＵＢ（図中の、基板シャッター電圧のパルス）が印加される。基板シャッターとは、ΦＳＵＢによって基板バイアスＶｓｕｂを高くすることにより、オーバーフローバリア（図９参照）の障壁をなくしてフォトダイオード１１の全ての信号電荷を基板１７に掃き出すことをいう。基板シャッターパルスの印加終了によりフォトダイオード１１の信号電荷の蓄積量がゼロになる。基板シャッターパルスの印加終了からメカニカルシャッターが閉じるまでの期間は、露光期間となる。これに続いて、垂直ＣＣＤ１３内の信号電荷を事前に掃き出す高速掃き出し期間、第１フィールド出力期間、高速掃き出し期間、第２フィールド出力期間、無効データ出力期間が順に設けられる。第１、第２フィールドの読み出し期間のそれぞれの先頭では、ΦＶ１、ΦＶ３に重畳される読み出しパルスＸＳＧによるフォトダイオード１１から垂直ＣＣＤへの第１、第２フィールドの信号電荷の読み出しがなされる。その後、無効データ出力期間を経てモニター出力期間に戻る。
【００１５】
基板バイアスＶｓｕｂについては、高速動画撮像モード（モニター期間中）では第１バイアス電圧が印加される。静止画撮像モードでは、同図のように第１バイアス電圧と第２バイアス電圧とが切り換えられる（基板バイアス変調と呼ぶ）。第２バイアス電圧は第１バイアス電圧より低いので、オーバーフローバリアＯＦＢの高さは、第２バイアス電圧の方が高くなり、飽和信号蓄積量Ｑｓが増加する。第２バイアス電圧の期間は、同図では露光期間中から無効データ出力期間であるが、少なくとも第２フィールド出力期間を含む。第１フィールドと第２フィールドの飽和信号電荷量Ｑｓの違い(段差)を少なくすることが可能となる。
【００１６】
これにより、メカニカルシャッターの遮光時に時間の経過とともに減少する飽和信号電荷量Ｑｓを、その減少分を見込んで増加させることができる。その結果、時間の経過とともに飽和信号電荷量Ｑｓが減少することに起因するＳ／Ｎやダイナミックレンジ等の特性の悪化を防止している。
【００１７】
【特許文献１】
特開平１０−１５０１８３号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術によれば時間の経過とともに飽和信号電荷量が減少することによる特性劣化を防止するにとどまっている。近年の固体撮像装置の微細化に伴ってフォトダイオードの面積、ゲート電極等が微細化し、飽和信号電荷量の容量の増大に加え、量子効率（光電変換効率）を改善し感度を向上させることが必要とされている。
【００１９】
本発明は、露光期間における光電変換効率を改善し感度を向上させた固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置の駆動方法は、フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記ドレインに排出する基板シャッターを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、前記基板シャッターによる前記電荷の排出終了時から前記遮光手段が閉じるまでを露光期間開始時から、オーバーフローバリアの高さを規定するバイアス電圧を第１バイアス電圧から前記第１バイアス電圧よりも低電圧である第２バイアス電圧に変更して、前記露光期間のほぼ全域に渡って前記バイアス電圧を一定に保ち、前記第２バイアス電圧への立ち下げ開始時と終了時は時間差があり、前記第２バイアス電圧への立ち下げ開始時を前記露光期間の開始時とし、さらに、前記第２バイアス電圧への立ち下げ終了時を前記露光期間内とすることを特徴とする。ここで、前記バイアス電圧の変更は、前記基板シャッターパルスの最後の立下りエッジに同期して、あるいは前記基板シャッターパルスの最後の立下りエッジをトリガーにして行ってもよい。
【００２１】
ここで、前記露光期間の後に複数のフィールドからなる電荷読み出し期間を備え、先に読み出されない前記フィールドの読み出しゲート電極を水平有効期間中にローレベル電圧とするために、先に読み出される前記フィールドをミドルレベル電圧で前記電荷を読み出すようにしてもよい。前記第１バイアス電圧は、前記遮光手段を開状態にして連続的に前記フォトダイオードに光が照射されたときに前記過剰電荷を前記ドレインに排出するための前記バイアス電圧であってもよい。
【００２３】
この構成によれば、露光期間のほぼ全域にわたってフォトダイオード１１に蓄積される飽和電荷信号電荷量が増加し、かつ露光期間における光電変換効率を改善し感度を向上させることができる。特に、入射光のうち波長が長い程感度を向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
＜構成＞
図１は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。固体撮像装置１は、レンズ２、メカニカルシャッター３、駆動部４、信号処理部５、固体撮像素子１０を備え、メカニカルシャッター３を閉状態にして複数フィールドを順に読み出すフレーム読み出し方式において、駆動部５の駆動により固体撮像素子１０に印加される基板バイアス電圧を、基板シャッターパルスの印加完了の直後に第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げるように構成している。ここで、第１バイアス電圧は、メカニカルシャッター３の開状態での動画撮像モードにおけるバイアス電圧である。第２バイアス電圧は、第１バイアス電圧よりも低電圧で、オーバーフローバリアを高くして飽和信号蓄積量Ｑｓを増加させるための電圧である。
【００２６】
このように、基板シャッターパルスの印加完了の直後に第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げることにより、基板シャッターパルス印加直後の露光期間のほぼ全域に渡って飽和信号蓄積量Ｑｓを増加させ、光電変換効率を改善し感度向上を図っている。
【００２７】
同図において、被写体（図示せず）からの入射光は、レンズ２等の光学系およびメカニカルシャッター３を経てＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像エリアに入射する。
【００２８】
メカニカルシャッター３は、ＣＣＤ固体撮像素子１０の撮像エリアへの入射光を制御する。なお、メカニカルシャッター３の代わりに遮光する機能を有する液晶シャッター等を有していてもよい。
【００２９】
固体撮像素子１０は、図８に示した固体撮像素子と同様である。図２（ａ）は、固体撮像素子１０におけるフォトダイオードの配列と垂直ＣＣＤ１３の垂直転送電極の配列を示す一例である。フォトダイオードの配列は、いわゆるベイヤー配列である。垂直ＣＣＤ１３の垂直転送電極は、４相クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ４に対応するΦ１〜Φ４の４種類が繰り返し配列される。このうちΦ１、Φ３は、それぞれ奇数ライン、偶数ラインのフォトダイオードから信号電荷を垂直ＣＣＤに読み出すための読み出しゲート電極を兼ねている。静止画撮像モードにおけるフレーム読み出しでは、露光期間の後に、図２（ｂ）のような、読み出しゲート電極Φ１から読み出された奇数ラインからなる第１フィールドの読み出しと、図２（ｃ）のような、読み出しゲート電極Φ３から読み出された偶数ラインからなる第２フィールドの読み出しとが順次になされる。
【００３０】
駆動部４は、固体撮像素子１０の垂直ＣＣＤの転送を制御する４相クロックパルスΦＶ１〜ΦＶ４、水平ＣＣＤの転送を制御する２層クロックパルスΦＨ１、ΦＨ２、基板バイアス電圧制御信号ＶｓｕｂＣｏｎｔ、基板シャッターパルスΦｓｕｂ等を生成し、固体撮像素子１０に供給する。４相クロックパルスのうちΦＶ１、ΦＶ３は、ローレベル、ミドルレベル、ハイレベルの３値をとりうる信号であり、そのハイレベルパルスは読み出しゲート電極に印加される読み出しパルスＸＳＧである。この駆動部４は、基板バイアス電圧について、静止画撮像モードにおいて基板シャッターパルス印加直後に（つまり露光期間の開始時に）に第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げ、第２フィールド読み出し完了後に第１バイアス電圧に戻すように基板バイアス変調を行う。基板シャッターパルスの印加完了の直後というのは、例えば、基板シャッターパルスの最後の立下りエッジに同期して、あるいは、基板シャッターパルスの最後の立下りエッジをトリガーにして第２バイアス電圧に下げることなどにより実現できる。
【００３１】
信号処理部５は、固体撮像素子１０からの出力信号に対して、自動ホワイトバランス調整などの種々の信号処理を行い、撮像信号として外部に出力する。
【００３２】
図３は、フォトダイオード１１及び垂直ＣＣＤ１３周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。同図において、例えばＮ型の基板１７の表面にＰ型のウェル領域３１が形成されている。ウェル領域３１の表面にはＮ型の信号電荷蓄積領域３２が形成され、さらにその上にＰ+ 型の正孔蓄積領域３３が形成され、フォトダイオード１１が構成されている。
【００３３】
このフォトダイオード１１に蓄積される信号電荷ｅの電荷量は、Ｐ型のウェル領域３１で構成されるオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルバリアの高さによって決定される。このオーバーフローバリアＯＦＢは、フォトダイオード１１に蓄積される飽和信号電荷量Ｑｓを決めるものであり、蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Ｑｓを越えた場合、越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板１７側へ掃き出される。
【００３４】
このようにして、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造のフォトダイオード１１が構成されている。
【００３５】
フォトダイオード１１の横方向には、Ｐ型領域３１のうち読み出しゲート部１２を構成する部分を介してＮ型の信号電荷転送領域３５およびＰ+ 型のチャネルストッパ領域３６が形成されている。信号電荷転送領域３５の下には、スミア成分の混入を防止するためのＰ+ 型の不純物拡散領域３７が形成されている。さらに、信号電荷転送領域３５の上方には、例えば多結晶シリコンからなる転送電極３９が配されることにより、垂直ＣＣＤ１３が構成されている。転送電極３９は、Ｐ型領域３１の上方に位置する部分が、読み出しゲート部１２のゲート電極を兼ねている。
【００３６】
基板１７には、フォトダイオード１１に蓄積される信号電荷の電荷量を決定する（即ちオーバーフローバリアＯＦＢのポテンシャルを決める）基板バイアスＶｓｕｂが印加されるようになっている。
【００３７】
＜動作＞
図４は、基板バイアスＶｓｕｂ変調を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像装置１０の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッターの開閉状態と、基板バイアスＶｓｕｂ（図中の基板電圧）と、フォトダイオード１１から垂直ＣＣＤ１３への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３とを示している。垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３に重畳されるハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスＸＳＧである。
【００３８】
モニター出力期間（高速動画撮像モード）では、メカニカルシャッターが開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が連続的に読み出され、動画像として表示されている。
【００３９】
また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッターを併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像（静止画撮像モード）が開始する。この静止画撮像モードでは、まず、基板バイアスＶｓｕｂに、複数個の基板シャッターパルスΦＳＵＢが印加される。
【００４０】
図５（ａ）に基板シャッターパルスΦＳＵＢ印加時のポテンシャル分布を示す。横軸に示したＸ−Ｙは図２に示した垂直ＣＣＤ１３からフォトダイオード１１までの基板水平方向を、Ｙ−Ｚは図２に示すフォトダイオード１１の基板深さ方向を示す。縦軸はポテンシャル（電位）を示す。図５（ａ）に示すように基板シャッターパルス印加時には、基板バイアスＶｓｕｂを高くすることにより、オーバーフローバリアの障壁をなくしてフォトダイオード１１の全ての信号電荷を半導体基板に掃き出すことになる。こうして、複数の基板シャッターパルスΦＳＵＢの印加終了時にはフォトダイオード１１の全ての信号電荷の掃き出されている。
【００４１】
さらに、複数の基板シャッターパルスのうち最後の基板シャッターパルスの印加完了の直後に、駆動部４は基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げるバイアス変調を行う。
【００４２】
図５（ｂ）は、第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。同図のように、オーバーフローバリアＯＦＢは、第１バイアス電圧よりも第２バイアス電圧印加時の方が高くなり、飽和信号蓄積量Ｑｓが増加する。さらに、飽和信号蓄積量Ｑｓの増加にとどまらず、感度の向上が見られる。感度の向上は、フォトダイオードのオーバーフローバリアが基板深さ方向でより深い位置となり、光電変換により発生した信号電荷をより多くフォトダイオードに蓄積できること、すなわち光電変換効率の向上による。
【００４３】
図６は、第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時の、入射光の波長と分光感度との特性を示す。実線、破線は、第１、第２バイアス電圧印加時の特性を示す。入射光の波長が長いほど感度の向上が見られる。これは、波長が長い光ほどより深くまで到達し、オーバーフローバリアの深さの影響が大きくなるためである。
【００４４】
また、図４において露光期間以降の動作タイミングについては、図１０と同様であるので説明を省略する。
【００４５】
上記の第２バイアス電圧は、基板シャッターパルスの印加が完了した直後から第２フィールドの読み出し期間が完了するまで印加される。基板シャッターパルスの印加が完了した直後に、第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に切り換えられているのは、次の理由による。（１）露光期間のほぼ全域に渡って第２バイアス電圧を印加することにより感度が向上するからである。（２）基板シャッターパルスの印加前あるいは印加中に第１バイアス電圧から第２バイアス電圧に下げると、オーバーフローバリアＯＦＢがより高い状態で基板シャッターパルスを印加することになってしまい、より波高値の高い基板シャッターを印加しないと信号電荷を掃き出すことができなくなるという不具合が生じるからである。
【００４６】
また、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第２バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は、本実施の形態では短いほど望ましい。なぜなら、立ち下げ開始までの時間が短いほど露光時間に占める第２バイアス電圧レベルの期間が長くなり、露光感度が向上するからである。
【００４７】
一般的に、高速電子シャッター時（例えば１／２０００秒）において、機械的要因によりメカニカルシャッターが閉じる時刻がばらつき、露光時間すなわち露光量は１０％程度ばらつくが、カメラシステムにおいて実用上許容されている。したがって、露光時間の誤差として許容される時間は露光時間の１０％程度ある。よって、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第２バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は露光時間の１０％以内とすることが望ましい。
【００４８】
具体的には基板シャッターにより実現される高速電子シャッターの露光時間が５００μＳであれば、許容誤差を１０％以内とした場合は５０μＳ以下の時間であることが望ましい。
【００４９】
以上説明してきたように本実施の形態における固体撮像装置によれば、露光期間のほぼ全域に渡って、基板バイアスＶｓｕｂを第２バイアス電圧としているので、オーバーフローバリアの深さが深くなり、より多くの信号電荷をフォトダイオードに蓄積することにより光電変換の効率（量子効率）が向上する。その結果、感度を向上させることができる。感度の向上により、色のＳ／Ｎが良くなり、低照度であっても撮像時の画質が向上する。また、感度の向上は、波長の長い方つまりＲ（赤）から赤外線（ＩＲ）領域にかけて向上率が高いので、固体撮像装置を監視カメラや暗視カメラとして利用する場合の性能向上を図ることができる。
【００５０】
なお、図８における基板バイアス電圧発生回路２０、トランジスタＱ１、Ｑ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、Ｃは、その全部又は一部を、固体撮像素子１０の基板上に形成してもよいし、基板外部に設けてもよい。また、基板バイアス電圧発生回路２０は、電源とグラウンド間で直列接続された抵抗による分圧値として基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生させる構成としてもよい。
【００５１】
また、上記実施の形態において、２対１のインターレース・スキャンでのインターライン・トランスファー方式によるフレーム読み出しの場合を例にとって説明したが、基板シャッターとメカニカルシャッターと併用して露光時間が決定される固体撮像素子であればよく、これに限らない。例えば、３対１等多対１のインターレース・スキャン方式の読み出しでもよいし、プログレッシブ・スキャン方式の読み出しであってもよい。
【００５２】
また、縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子を例に説明したが、横型オーバーフロードレイン構造であっても同様に本願発明を適用できる。
【００５３】
＜変形例＞
図７は、上記実施の形態における固体撮像装置の変形例における動作タイミングを示すフローチャートである。
【００５４】
図７のタイムチャートは、図４と比較して、読み出しゲート電極ΦＶ１、ΦＶ３の水平有効期間における電圧レベルが異なっている。ここで、水平有効期間とは、水平ＣＣＤ１５において水平転送動作がなされる期間であって、垂直ＣＣＤ１３において垂直転送クロックパルスが変化していない期間をいう。
【００５５】
図７では、第１フィールド出力期間では、ミドルレベル電圧に重畳された読み出しパルスＸＳＧが読み出しゲート電極Φ１に印加されることにより第１フィールドを構成する信号電荷が各垂直ＣＣＤ１３に読み出され、この後の水平有効期間において、第１フィールドの読み出しゲート電極Φ１の電圧ΦＶ１はミドルレベル電圧になっているケース（以下、ＶＭ読み出しケースと呼ぶ。）を示している。これとは逆に、図４のように第１フィールド出力期間において、第１フィールドの読み出しゲート電極Φ１の電圧ΦＶ１がローレベル電圧というケース（以下ＶＬ読み出しケースと呼ぶ。）もあり得る。第１フィールド読み出し期間において何れのケースにするかは任意である。同様に第２フィールド読み出し期間において第２フィールドを何れのケースにするかは任意である。
【００５６】
インターレース読み出しにおいては、図７のように、第１フィールドではＶＭ読み出しケースとすることが望ましい。なぜなら、フォトダイオード１１に信号電荷が読み出されずに残っている第２フィールドの読み出しゲート電極Φ３の電圧がミドルレベルの場合とローレベルの場合とでは、ローレベルの方がブルーミングが発生しにくいからである。第１フィールドがＶＭ読み出しケースである場合は、水平有効期間における第２フィールドの読み出しゲート電極Φ３の電圧ＶΦ３はローレベルになる。これは、垂直転送クロックΦＶ１、ΦＶ３は４相クロック信号の１相目と３相目であり、水平走査期間において一方がローレベルのときは通常は他方がミドルレベルだからである。
【００５７】
したがって、メカニカルシャッターを閉じた後に、複数のフィールドを順次読み出す場合には、図７に示したように、先に読み出されない第２フィールドの読み出しゲート電極Φ３を水平有効期間中にローレベルにするために、先に読み出される第１フィールドをＶＭケースで読み出すことようにしている。言い換えれば、第１フィールド期間では読み出されずにフォトダイオード１１に信号電荷を保存している第２フィールドの読み出しゲート電極Φ３は、ブルーミングの発生しやすいミドルレベルではなく、ブルーミングの発生しにくいローレベルにしている。そのために、先に読み出される第１フィールドは、読み出された後の水平有効期間でブルーミングが発生しないので、第１フィールドの読み出しゲート電極Φ１は水平有効期間にミドルレベルとなるＶＭケースとしている。なお、２対１インターレースに限らず多対１インターレースの場合も、読み出されていないフィールドの読み出しゲート電極をローレベルにすれば、同様の効果を得ることができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、露光期間のほぼ全域にわたってフォトダイオード１１に蓄積される飽和電荷信号電荷量が増加すると共に、露光期間における光電変換効率を改善し感度を向上させることができる。特に、入射光のうち波長が長い程感度を向上させることができる。感度が向上するのは、フォトダイオードのオーバーフローバリアの深さがより深くなり、より多くの信号電荷をフォトダイオードに蓄積することにより光電変換の効率（量子効率）が向上するからである。その結果、色のＳ／Ｎが良くなり、低照度であっても撮像時の画質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）固体撮像素子におけるフォトダイオードの配列と垂直ＣＣＤの転送電極の配列を示す一例である。
（ｂ）奇数ラインからなる第１フィールドの読み出しの説明図である。
（ｃ）偶数ラインからなる第２フィールドの読み出しの説明図である。
【図３】フォトダイオード及び垂直ＣＣＤ周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【図４】基板バイアスＶｓｕｂ変調を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図５】（ａ）基板シャッターパルス印加時のポテンシャル分布を示す。
（ｂ）第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。
【図６】第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧印加時の、入射光の波長と分光感度との特性を示す。
【図７】固体撮像装置の変形例における動作タイミングを示すフローチャートである。
【図８】ＣＣＤ固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図９】フォトダイオードの基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。
【図１０】従来技術における基板バイアスＶｓｕｂの制御を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像素子の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１ 固体撮像装置
２ レンズ
３ メカニカルシャッター
４ 駆動部
５ 信号処理部
１０ 固体撮像素子
１１ フォトダイオード
１２ 読み出しゲート
１３ 垂直ＣＣＤ
１４ 撮像エリア
１５ 水平ＣＣＤ
１６ 出力アンプ
１７ 半導体基板

Claims (5)

1. フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記ドレインに排出する基板シャッターを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記基板シャッターによる前記電荷の排出終了時から前記遮光手段が閉じるまでを露光期間とし、基板シャッターパルスの印加終了直後である前記露光期間の開始時から、オーバーフローバリアの高さを規定するバイアス電圧を第１バイアス電圧から前記第１バイアス電圧よりも低電圧である第２バイアス電圧に変更して、前記露光期間のほぼ全域に渡って前記バイアス電圧を一定に保ち、
   前記第２バイアス電圧への立ち下げ開始時と終了時は時間差があり、前記第２バイアス電圧への立ち下げ開始時を前記露光期間の開始時とし、さらに、前記第２バイアス電圧への立ち下げ終了時を前記露光期間内とする
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. 前記バイアス電圧の変更は、前記基板シャッターパルスの最後の立下りエッジに同期して、あるいは前記基板シャッターパルスの最後の立下りエッジをトリガーにして行う
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
3. 前記露光期間の後に複数のフィールドからなる電荷読み出し期間を備え、先に読み出されない前記フィールドの読み出しゲート電極を水平有効期間中にローレベル電圧とするために、先に読み出される前記フィールドをミドルレベル電圧で前記電荷を読み出す
   ことを特徴する請求項１あるいは２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. 前記第１バイアス電圧は、前記遮光手段を開状態にして連続的に前記フォトダイオードに光が照射されたときに前記過剰電荷を前記ドレインに排出するための前記バイアス電圧である
   ことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記基板シャッターによる前記電荷の排出終了時から前記第２バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間が、前記露光時間の誤差として許容される時間内になるように前記バイアス電圧を変更し、
   前記誤差として許容される時間は、前記露光時間の１０％以内である
   ことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の固体撮像装置の駆動方法。

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