[发明专利]固态图像传感器件及其驱动方法

说明书

本发明涉及固态图像传感器件和驱动固态图像传感器件的方法。

当作为图像拾取器件的固态图像传感器件应用于电子相机时，需要确保足够大的动态范围。这是由于固态图像传感器件的动态范围比银盐胶片的动态范围要窄得多。

因此，日本专利申请特开No.8-9260(1996)公开了一种通过在一个成像周期内改变衬底电压以切换光电二极管可累积的电荷量来扩大动态范围的技术。下面说明该常规技术。

图1是表明例如CCD型固态图像传感器件中单元部分的平面图。单元部分由光电转换部分101、垂直电荷转移电极102、第一电荷转移电极105和第二电荷转移电极106组成。

图2是沿图1中I-I′线剖开的截面图。如图所示，单元部分由N^-型半导体衬底107、P^-型半导体衬底108、N型半导体衬底109、P⁺型半导体衬底110、由第一层多晶硅111形成的第一电荷转移电极105、由第二层多晶硅112形成的第二电荷转移电极106、作为阴影膜的铝膜113、绝缘膜114和覆盖绝缘膜115组成。

图3是表明光电转换部分的电子势能的特征示意图。

为了在将电荷累积到光电二极管中之前清除不需要的电荷，首先把衬底电压VH_sub施加到N^-型半导体衬底107，用仅在其下形成的低浓度完全排除由光电转换部分101和P^-型半导体衬底108组成的N型半导体利底，把所有不需要的电荷移到N^-型半导体衬底107。

这种结构通常被称为＂垂直溢出排放结构(垂直OFD)＂(参见日本电视工程师学会期刊，Vol.37，No.10(1983)，PP.782-787)。

此后，把衬底电压Vb_sub(下文称之为＂衬底电压＂)施加到N^-型半导体衬底107，光电转换部分101开始根据入射光量累积信号电荷。于是，通过任意调节衬底电压，利用垂直OFD结构把不能累积在光电转换部分101中的过量电荷移入N^-型半导体衬底107，从而对可累积的电荷量进行控制。

利用该技术，控制固态图像传感器件以便在一个成像周期内把固态图像传感器件中可累积的电荷量依次从第一种可累积的电荷量(Q_sat(1)≠0)切换到第二种可累积的电荷量(Q_sat(2)≠0，Q_sat(1)＜Q_sat(2))。

通过在成像周期内的时间t(1)改变施加到固态图像传感器件的OFD(溢出排放)的衬底电压执行该操作来控制衬底电压，以使固态图像传感器件中可累积的电荷量在一个成像周期内从开始到时间t(1)保持Q_sat(1)，并在时间t(1)后切换到Q_sat(2)。

图4示出具有该功能的固态图像传感器件中在一个成像周期内可累积的电荷量与电荷累积时间之间的关系(实线)。图5示出一个成像周期内可累积的电荷量与光量之间的关系(实线)。

图4和5中的虚线表示可累积的电荷量在一个成像周期内不改变的情况下的特征。

如图4和5所示，与可累积的电荷量不改变的情况相比，增大了动态范围。

就是说，通过提供一种在一个成像周期内用于把固态图像传感器件中可累积的电荷量顺序地第一种可累积的电荷量(Q_sat(1)≠0)切换到第二种可累积的电荷量(Q_sat(2)≠0，Q_sat(1)＜Q_sat(2))的装置，可增大动态范围。

然而，在常规固态图像传感器件中，当在一个成像周期内设定t(1)和仅在Q_sat(1)＜Q_sat(2)的条件下设定Q_sat(1)和Q_sat(2)时，不能明显改善动态范围。另外，可能出现一种动态范围的改善与可累积的电荷量不改变的情况相比几乎每什么差别的情况。

图6A至6C示出t(1)在t(1a)、t(1b)和t(1c)中改变的电荷累积时间与可累积的电荷量之间的关系。图7A至7C示出入射光量与可累积的电荷量之间的关系。同时，满足t(1a)＜t(1b)＜t(1c)，t(1b)是一个成像周期的中点，并满足2Q_sat(1)＝Q_sat(2)。虚线表示可累积电荷的最大量为常量情况下的特征。