CN110663248B - 固态摄像装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及能够有效防止光晕的固态摄像装置和电子设备。该固态摄像装置设有像素阵列部，多个像素以二维形式布置在像素阵列部中，其中，所述像素均具有像素内电容，像素内电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧上，所述像素还具有像素内电容的对向电极，对向电极设置在半导体基板中。本公开可以应用于例如背照式CMOS图像传感器。

Description

固态摄像装置和电子设备

技术领域

本发明涉及固态摄像装置和电子设备，尤其涉及能够有效防止光晕(blooming)的固态摄像装置和电子设备。

背景技术

已知一种光晕现象，其中，在诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器等固态摄像装置中，当由光电二极管光电转换的电荷达到或超过一定电平时，电荷从饱和像素溢出到相邻的像素中。

例如，已经提出了在专利文献1中公开的技术作为用于防止这种光晕的技术。专利文献1公开了：设置电荷释放部，使得控制施加到其栅极的控制脉冲以防止由于光电二极管的饱和而引起的电荷溢出。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开第2011-216672号

发明内容

技术问题

顺便提及，通常需要有效防止固态摄像装置中的光晕的技术。

鉴于这种情况做出了本公开，并且本公开旨在能够有效防止光晕。

技术问题的解决方案

根据本公开的一个方面的固态摄像装置包括：像素阵列部，其中多个像素二维布置，其中，所述像素均包括像素内电容和所述像素内电容的对向电极，所述像素内电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧，所述对向电极设置在所述半导体基板中。

根据本公开的一个方面的电子设备具有安装在其上的固态摄像装置，其中，所述固态摄像装置包括多个像素二维布置的像素阵列部，并且所述像素均包括像素内电容和所述像素内电容的对向电极，所述像素内电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧，所述对向电极设置在所述半导体基板中。

在根据本公开的一个方面的固态摄像装置和其上安装有固态摄像装置的电子设备中，设有多个像素二维布置的像素阵列部，并且所述像素均包括像素内电容和所述像素内电容的对向电极，所述像素内电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧，所述对向电极设置在所述半导体基板中。

根据本公开的一个方面的固态摄像装置包括：像素阵列部，其中多个像素二维布置，其中，像素均包括具有层叠的第一导电层和第二导电层的电容，所述电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧。

在根据本公开的一个方面的固态摄像装置中，设有像素阵列部，其中多个像素二维布置，并且像素均包括具有层叠的第一导电层和第二导电层的电容，所述电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧。

本发明的有益效果

根据本公开的一方面，能够有效防止光晕。

注意，要实现的效果并不局限于这里说明的那些效果，并且可以是本公开中说明的任何效果。

附图说明

图1是示出已应用根据本公开的技术的固态摄像装置的实施例的配置示例的框图。

图2是示出根据第一实施例的像素的配置示例的电路图。

图3是根据第一实施例的像素的结构的第一示例的截面图。

图4是根据第一实施例的像素的结构的第二示例的截面图。

图5是说明驱动根据第一实施例的像素的示例的时序图。

图6是根据第一实施例的像素的结构的第三示例的截面图。

图7是示出根据第二实施例的像素的配置示例的电路图。

图8是说明驱动根据第二实施例的像素的示例的时序图。

图9是示出根据第三实施例的像素的配置示例的电路图。

图10是根据第三实施例的像素的结构的第一示例的截面图。

图11是根据第三实施例的像素的结构的第二示例的截面图。

图12是说明驱动根据第三实施例的像素的第一示例的时序图。

图13是说明驱动根据第三实施例的像素的第二示例的时序图。

图14是示出根据第四实施例的像素的配置示例的电路图。

图15是说明驱动根据第四实施例的像素的示例的时序图。

图16是根据第四实施例的像素的结构的第一示例的截面图。

图17是根据第四实施例的像素的结构的第二示例的截面图。

图18是根据第四实施例的像素的结构的第三示例的截面图。

图19是根据第四实施例的像素的结构的第四示例的截面图。

图20是根据第五实施例的像素的结构的示例的截面图。

图21是传统像素的结构的截面图。

图22是说明传统像素的驱动的时序图。

图23是说明驱动传统像素的另一种方式的时序图。

图24是根据第六实施例的像素的结构的示例的截面图。

图25是说明驱动根据第六实施例的像素的示例的时序图。

图26是根据第七实施例的像素的结构的示例的截面图。

图27是根据第七实施例的像素的结构的示例的平面图。

图28是示出包括已应用根据本公开的技术的固态摄像装置的电子设备的配置示例的框图。

图29是示出应用了根据本公开的技术的固态摄像装置的使用示例的图。

图30是示出可以应用根据本公开的技术的层叠型固态摄像装置的配置示例的概要的图。

图31是层叠型固态摄像装置的第一配置示例的截面图。

图32是层叠型固态摄像装置的第二配置示例的截面图。

图33是层叠型固态摄像装置的第三配置示例的截面图。

图34是可以应用根据本公开的技术的层叠型固态摄像装置的另一配置示例的截面图。

图35是示出车辆控制系统的示意性配置示例的框图。

图36是示出车外信息检测器和摄像单元的安装位置的示例的说明图。

图37是示出体内信息获取系统的示意性配置示例的框图。

具体实施方式

以下将参考附图说明根据本公开的技术(本技术)的实施例。注意，将按以下顺序进行说明。

1.现有技术概要

2.固态摄像装置的配置

3.本技术的实施例

(1)第一实施例：基本配置

(2)第二实施例：具有可变FCVDD的配置

(3)第三实施例：直接在PD与FC的对向电极之间设置有溢出路径的配置

(4)第四实施例：2PD像素的配置

(5)第五实施例：具有MEM的配置

(6)第六实施例：在PD上层叠有导电层的配置

(7)第七实施例：在PD上层叠有导电层的2PD像素的配置

4.变形例

5.电子设备的配置

6.固态摄像装置的使用示例

7.可以应用根据本公开的技术的层叠型固态摄像装置的配置示例

8.移动体的应用示例

9.体内信息获取系统的应用示例

<1.现有技术概要>

近年来，越来越多的汽车配备了相机。例如，由车载相机拍摄的图像可以通过使用设置在车辆内部的监视屏显示给驾驶员或其他乘客，或者可以被记录在行车记录仪上。

此外，通过对由车载相机拍摄的图像进行诸如图像识别等图像处理，可以检测道路的白线(车道)、交通信号、道路标志、迎面驶来的车辆、自己车辆周围的行人等。因此，可以基于检测结果执行驾驶辅助和视觉辅助。

顺便提及，取决于闪烁的时间，诸如发光二极管(LED)光源的闪烁物体不能被成像在用于车载相机的图像传感器中。这个问题被称为LED闪烁，并且已经引起了很多关注。低动态范围的图像传感器需要针对每个物体调整曝光时间。这就是导致LED闪烁的原因。

在此，为了处理各种照度的物体，仅需要针对低照度的物体增加曝光时间，而针对高照度的物体则减少曝光时间。因此，即使在低动态范围内也可以处理各种物体。

同时，不管曝光时间如何，均以恒定速度执行读取。因此，当以比读取时间短的单位设定曝光时间时，尽管在曝光时间以外的时段内入射到光电二极管(PD)上的光被光电转换为电荷，但是被丢弃而没有经电荷-电压转换被读取。

即使LED光源在如上所述的可称为无效时段内闪烁，LED光源也无法成像。这是称为LED闪烁的现象。

为了应对LED闪烁，需要扩展动态范围。已经提出各种技术作为扩展动态范围的技术。此外，每个制造商已将基于时分系统或空间分割系统应用了扩展动态范围的技术的产品商业化。

例如，公开了一种用于扩展动态范围的技术，基于作为时分系统的所谓的水闸传输方法(water gate transfer method)，在曝光时段内多次执行读取操作，同时控制要施加到用于传输光电二极管中累积的电荷的传输栅极的电压(例如，参见专利文献2)。

此外，例如，在专利文献3和专利文献4中公开了通过应用空间分割系统来扩展动态范围的技术。

另外，公开了一种用于扩展动态范围的技术，利用称为横向溢出积分电容(Lateral Overflow Integration Capacitor，LOFIC)的技术，在像素中设置存储单元以直接增加要处理的电荷量(例如，参见专利文献5)。

专利文献2：日本专利申请公开第2008-99158号

专利文献3：日本专利申请公开第5-64083号

专利文献4：日本专利申请公开第2006-253876号

专利文献5：日本专利申请公开第2005-328493号

顺便提及，通过增加时分系统中的分频数，可以将动态范围扩展到等于或大于120dB的值，该值等于人眼的动态范围。然而，不能相应地处理LED闪烁。此外，无法避免运动物体的伪像。

此外，基于空间分割的类型和在像素中设置存储单元以直接增加要处理的电荷量的类型不能避免分辨率的降低。另外，为了应对更高照度的物体，需要针对光晕的对策。

如上所述，为了处理LED闪烁，需要扩展动态范围。因此，在扩展动态范围时，需要一种有效防止光晕的技术。

因此，根据本公开的技术(本技术)使得能够有效地防止诸如CMOS图像传感器的固态摄像装置中的光晕。特别地，本技术使车载相机能够通过有效地防止光晕来扩展动态范围以处理LED闪烁和运动物体的伪像。

<2.固态摄像装置的配置>

(固态摄像装置的配置示例)

图1是示出已经应用根据本公开的技术的固态摄像装置的实施例的配置示例的框图。

图1所示的CMOS图像传感器10是使用CMOS的固态摄像装置的示例。CMOS图像传感器10经由光学透镜系统(未示出)使来自物体的入射光(图像光)进入。然后，CMOS图像传感器10将在成像表面上成像的入射光的量以像素为单位转换为电信号，并且输出电信号作为像素信号。

参照图1，CMOS图像传感器10包括像素阵列部11、垂直驱动电路12、列信号处理电路13、水平驱动电路14、输出电路15、控制电路16以及输入/输出端子17。

多个像素100二维(以矩阵形式)布置在像素阵列部11中。像素100包括作为光电转换元件的光电二极管(PD)和多个像素晶体管。例如，像素晶体管包括传输晶体管、复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管。

注意，除了像素100之外，像素200、像素300、像素400、像素500、像素600或像素700可以布置在像素阵列部11中。其细节将在后面说明。

垂直驱动电路12包括例如移位寄存器。垂直驱动电路12选择预定的像素驱动线21，并向选择的像素驱动线21提供用于驱动像素100的驱动信号(脉冲)，从而以行为单位驱动像素100。换句话说，垂直驱动电路12在垂直方向上以行为单位选择性地顺序扫描像素阵列部11的每个像素100，并通过垂直信号线22将像素信号提供给列信号处理电路13。像素信号是基于根据在像素100的各个光电二极管中接收的光量而产生的电荷(信号电荷)。

列信号处理电路13针对像素100的每一列设置。列信号处理电路13针对各个像素列对从单行中的像素100输出的信号执行诸如噪声去除之类的信号处理。例如，列信号处理电路13除了执行模数(AD)转换之外，还执行诸如相关双采样(CDS)或增量数据采样(deltadata sampling，DDS)之类的信号处理，以去除像素特有的固定模式噪声。

水平驱动电路14包括例如移位寄存器。水平驱动电路14顺序地输出水平扫描脉冲，以顺序地选择每个列信号处理电路13，并且使得像素信号从每个列信号处理电路13输出到水平信号线23。

输出电路15对通过水平信号线23从各个列信号处理电路13顺序提供的信号进行信号处理，并输出处理后的信号。注意，在某些情况下，例如，输出电路15仅执行缓冲，或执行黑电平调整、列变化校正、各种类型的数字信号处理等。

控制电路16控制CMOS图像传感器10的每个部分的操作。

此外，控制电路16基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟信号生成时钟信号和控制信号。时钟信号用作垂直驱动电路12、列信号处理电路13、水平驱动电路14等的操作的基础。控制电路16将生成的时钟信号和控制信号输出到垂直驱动电路12、列信号处理电路13、水平驱动电路14等。

输入/输出端子17与外部交换信号。

如上述配置，针对图1所示的CMOS图像传感器10中的每个像素列设置执行CDS或DDS处理以及AD转换处理的列信号处理电路13。因此，CMOS图像传感器10是称为列AD型的类型。此外，图1所示的CMOS图像传感器10可以是例如背照式CMOS图像传感器。

<3.本技术的实施例>

(1)第一实施例

首先，将参照图2至图6说明根据第一实施例的像素100。

(示出像素配置的电路图)

图2是示出根据第一实施例的像素100的配置示例的电路图。

参照图2，除了光电二极管(PD)111、传输晶体管112、复位晶体管113、放大晶体管114和选择晶体管115以外，像素100还包括结型晶体管116、像素内电容(FC)117、FC连接晶体管118、转换效率切换晶体管119和浮动扩散区域(FD)131。

光电二极管111例如是构造为PN结光电二极管(PD)的光电转换元件。光电二极管111根据接收的光量产生并累积电荷(信号电荷)。光电二极管111的阳极接地。光电二极管111的阴极连接到传输晶体管112和结型晶体管116。

传输晶体管112连接到浮动扩散区域(FD)131以及光电二极管111与结型晶体管116之间的节点，同时位于浮动扩散区域(FD)131与该节点之间。将驱动信号TGL施加到传输晶体管112的栅极。当驱动信号TGL从低(L)电平变为高(H)电平时，传输晶体管112的传输栅极导通(on状态)。因此，光电二极管111中累积的电荷通过传输晶体管112传输到浮动扩散区域(FD)131。

注意，传输晶体管112的漏极连接到转换效率切换晶体管119的源极和放大晶体管114的栅极，并且该连接点(节点)形成浮动扩散区域(FD)131。浮动扩散区域131是将传输到其上的电荷转换成电压的电荷-电压转换单元。

复位晶体管113连接到FC连接晶体管118和转换效率切换晶体管119之间的节点，并且还连接到电源，同时位于该节点和电源之间，该电源将电源电压提供给像素内电容(FC)117的对向电极120。将驱动信号RST施加到复位晶体管113的栅极。当驱动信号RST变为H电平时，复位晶体管113导通，并且浮动扩散区域(FD)131的电位通过转换效率切换晶体管119被复位。

放大晶体管114具有连接至浮动扩散区域(FD)131的栅极，以及连接至电源VDD的漏极。因此，放大晶体管114用作读取电路的输入单元，该读取电路是所谓的源极跟随器电路，用于读取保持在浮动扩散区域(FD)131中的电压信号。换句话说，放大晶体管114的源极通过选择晶体管115连接到垂直信号线22(图1)。结果，放大晶体管114和连接到垂直信号线22的一端的恒流源141形成源极跟随器电路。

选择晶体管115连接到放大晶体管114(的源极)和垂直信号线22，同时位于二者之间。将驱动信号SEL施加到选择晶体管115的栅极。当驱动信号SEL变为H电平时，使选择晶体管115导通，并且像素100进入选择状态。结果，由放大晶体管114放大的信号经由选择晶体管115输出到垂直信号线22(图1)。

结型晶体管116连接到光电二极管111和传输晶体管112之间的节点，并且还连接到像素内电容(FC)117和FC连接晶体管118之间的节点，同时位于这两个节点之间。结型晶体管116将累积在光电二极管111中的部分电荷传输到像素内电容(FC)117。

换句话说，结型晶体管116具有将已从光电二极管111溢出的电荷传输到像素内电容(FC)117的功能。因此，结型晶体管116相当于稍后将说明的溢出路径(例如，图3所示的溢出路径155)。

像素内电容(FC)117累积通过结型晶体管116从光电二极管111传输(已溢出)的电荷。注意，此处，像素内电容(FC)117由于其功能也称为浮动电容(FC)。

FC连接晶体管118连接到结型晶体管116和像素内电容(FC)117之间的节点，并且还连接到复位晶体管113和转换效率切换晶体管119之间的节点，同时位于这两个节点之间。将驱动信号FCG施加到FC连接晶体管118的栅极。当驱动信号FCG变为H电平时，FC连接晶体管118的传输栅极导通。结果，存在浮动扩散区域(FD)131和像素内电容(FC)117的耦合电容电位，即FD(电荷-电压转换电容)和FC(像素内电容)的耦合电容电位。

转换效率切换晶体管119连接到浮动扩散区域(FD)131以及复位晶体管113与FC连接晶体管118之间的节点，同时位于浮动扩散区域(FD)131与该节点之间。将驱动信号FDG施加到转换效率切换晶体管119的栅极。当驱动信号FDG变为H电平时，转换效率切换晶体管119的传输栅极导通。结果，存在浮动扩散区域(FD)131和在复位晶体管113、FC连接晶体管118、转换效率切换晶体管119的连接点处的节点的耦合电容电位，即，FD(电荷-电压转换电容)和该连接点处的节点的电容电位。

注意，FC连接晶体管118和转换效率切换晶体管119用作传输栅极。因此，FC连接晶体管118和转换效率切换晶体管119可以被视为传输晶体管。

此外，像素内电容(FC)117的对向电极120连接到提供电源电压的电源。因此，对应于电源或其等同物的高电压被施加到对向电极120。然而，要施加到对向电极120的电压被固定为恒定电压。

注意，传输晶体管112的栅极、复位晶体管113的栅极、选择晶体管115的栅极、FC连接晶体管118的栅极和转换效率切换晶体管119的栅极通过像素驱动线21(分别为TGL驱动线、RST驱动线、SEL驱动线、FCG驱动线和FDG驱动线)连接至垂直驱动电路12(图1)，并且被提供脉冲作为驱动信号(分别为驱动信号TGL、驱动信号RST、驱动信号SEL、驱动信号FCG和驱动信号FDG)。

如上所述配置像素100。

(像素结构的截面图)

接下来，将参照图3和图4说明根据第一实施例的像素100的结构。图3是根据第一实施例的像素100的结构的第一示例的截面图。此外，图4是根据第一实施例的像素100的结构的第二示例的截面图。

注意，在以下说明中，在像素100中，将光入射侧的表面称为“光入射表面”，并将与光入射表面相对侧的表面称为“元件表面”。此外，硅基板(硅层)的深度方向也称为“垂直方向”。

像素100包括作为硅基板中的光电转换元件的光电二极管111。光电二极管111例如通过将N型层153与硅基板中的P型阱层151和元件表面侧的P型层152相关联地嵌入而形成。光电二极管111对从光入射表面侧入射的光进行光电转换，并累积由光电转换产生的电荷。

除了光电二极管111之外，像素100还包括上述隔着对向电极120等的传输晶体管112。然而，对应于传输晶体管112的栅极电极112A、像素内电容(FC)117以及对向电极120在这里特别示出。

由于将驱动信号TGL施加到栅极电极112A，所以传输栅极导通，并且光电二极管111中累积的电荷被传输到浮动扩散区域(FD)131。

注意，图3示出了一种结构，其中可以基于驱动信号TGL通过控制形成在栅极电极112A下方的区域的电位状态来传输累积在光电二极管111中的电荷。然而，如图4所示，传输晶体管112可以被配置为垂直晶体管。如上所述，可以使用作为垂直晶体管的传输晶体管112来直接读取累积在光电二极管111中的电荷。

返回到图3的说明，相对于设置在硅基板中的光电二极管111，像素内电容(FC)117设置在元件表面侧上。此外，像素内电容(FC)117的对向电极120设置为硅基板中的N型区域(N+)。将与电源或其等同物相对应的高电压施加到对向电极120。

像素内电容(FC)117经由触点161连接到溢出路径155。触点161包括金属等，并且将像素内电容(FC)117电连接到溢出路径155。

溢出路径155设置为在光电二极管111和像素内电容(FC)117之间的垂直N型区域，使得溢出路径155与设置在硅基板中的对向电极120相邻。溢出路径155通过触点161将光电二极管111中累积的部分电荷传输到像素内电容(FC)117。

注意，如上所述，溢出路径155对应于图2所示的结型晶体管116。

如上所述，当在根据第一实施例的像素100中设置像素内电容(FC)117时，像素内电容(FC)117设置在元件表面侧上。同时，像素内电容(FC)117的对向电极120设置在硅基板中。

此外，在根据第一实施例的像素100中，溢出路径155垂直地设置在光电二极管111和像素内电容(FC)117之间，使得溢出路径155与设置在硅基板中的对向电极120相邻。另外，对应于电源或其等同物的高电压被施加到像素内电容(FC)117的对向电极120。因此，已经从光电二极管111和像素内电容(FC)117中溢出的电荷被对向电极120吸收(放电)。

因此，可以有效地防止电荷对其他像素(光电二极管)的光晕。此外，特别是在将CMOS图像传感器10(图1)安装在车载相机上的情况下，可以通过有效地防止光晕来扩展动态范围。因此，可以处理LED闪烁和运动物体的伪像。

另外，在根据第一实施例的像素100中，已从光电二极管111和像素内电容(FC)117溢出的电荷被像素内电容(FC)117的对向电极120吸收(放电)。因此，不需要设置诸如电荷释放部等额外的元件。根据第一实施例的像素100在这方面具有优势。

(驱动像素的示例)

接下来，将参照图5的时序图说明驱动根据第一实施例的像素100的示例。

图5示出了在快门时段(SH行)和读取时段(RD行)中用于选择晶体管115的驱动信号SEL、用于转换效率切换晶体管119的驱动信号FDG、用于复位晶体管113的驱动信号RST、用于FC连接晶体管118的驱动信号FCG、以及用于传输晶体管112的驱动信号TGL的时序图。

此外，在图5中，用“PD-LG RST”表示低转换效率的复位电平，用“PD-HG RST”表示高转换效率的复位电平。另外，用“PD-LG SIG”表示低转换效率的信号电平，用“PD-HG SIG”表示高转换效率的信号电平。

此外，用“FC RST”表示FD和FC的电容电位耦合时的复位电平，用“FC SIG”表示FD和FC的电容电位耦合时的信号电平。注意，相同的关系适用于稍后说明的其他实施例的时序图。

下面将主要说明在读取时段中像素100的驱动。

首先，在从时间t11到时间t12的时段中，驱动信号RST和驱动信号FDG被设置为H电平，因此使复位晶体管113和转换效率切换晶体管119导通。结果，累积在浮动扩散区域(FD)131中的电荷被复位。随后，驱动信号FDG和驱动信号RST依次顺序地设置为L电平，使得转换效率切换晶体管119和复位晶体管113顺序地截止(off状态)。然后，驱动信号FDG再次被设置为H电平。结果，转换效率切换晶体管119导通。

因此，从时间t11到时间t12的时段成为PD-LG RST时段，并且低转换效率的噪声电平(N2)被读取。

接下来，在从时间t12到时间t13的时段中，驱动信号FDG处于L电平，并且转换效率切换晶体管119处于非导通状态。因此，从时间t12到时间t13的时段成为PD-HG RST时段，并且高转换效率的噪声电平(N1)被读取。

此外，恰好在时间t13之前，将驱动信号TGL设定为H电平，从而使传输晶体管112导通。结果，累积在光电二极管111中的电荷被传输到浮动扩散区域(FD)131。随后，驱动信号TGL被设置为L电平，传输晶体管112因此截止。此时，驱动信号FDG为L电平，转换效率切换晶体管119为非导通状态。

因此，从时间t13到时间t14的时段成为PD-HG SIG时段，并且高转换效率的信号电平(S1)被读取。

接下来，在从时间t14到时间t15的时段中，驱动信号FDG处于H电平，并且转换效率切换晶体管119处于导通状态。因此，从时间t14到时间t15的时段成为PD-LG SIG时段，并且低转换效率的信号电平(S2)被读取。

接下来，在从时间t15到时间t16的时段中，驱动信号FCG被设置为H电平，FC连接晶体管118因此被导通。结果，存在浮动扩散区域(FD)131和像素内电容(FC)117的耦合电容电位，即，FD(电荷-电压转换电容)和FC(像素内电容)的耦合电容电位。

因此，从时间t15到时间t16的时段成为FC SIG时段，并且信号电平(S3)被读取。

此外，恰好在时间t16之前，将驱动信号RST设置为H电平，于是复位晶体管113导通，以复位累积在浮动扩散区域(FD)131和像素内电容(FC)117中的电荷。随后，将驱动信号RST设置为L电平，从而使复位晶体管113截止。

因此，从时间t16到时间t17的时段成为FC RST时段，并且噪声电平(N3)被读取。

因此，按照以下顺序读取噪声电平和信号电平：在PD-LG RST时段中低转换效率的噪声电平(N2)被读取，在PD-HG RST时段中高转换效率的噪声电平(N1)被读取，在PD-HGSIG时段中高转换效率的信号电平(S1)被读取，在PD-LG SIG时段中低转换效率的信号电平(S2)被读取，在FC SIG时段中信号电平(S3)被读取，在FC RST时段中噪声电平(N3)被读取。

然后，去除偏移分量，并且通过在高转换效率信号电平(S1)和高转换效率噪声电平(N1)之间求差(S1-N1)而获得真实信号分量。此处，噪声电平(N1)早于信号电平(S1)被读取。因此，执行相关双采样(CDS)，从而产生信号。结果，获得第一图像(S1-N1)。

此外，由于获取低转换效率信号电平(S2)和低转换效率噪声电平(N2)之间的差(S2-N2)，获得了真实信号分量。此处，噪声电平(N2)也早于信号电平(S2)被读取。因此，执行相关双采样(CDS)，从而产生信号。结果，获得第二图像(S2-N2)。

然而，低转换效率噪声电平(N2)和低转换效率信号电平(S2)没有被顺序读取。因此，需要在行存储器等中临时保持首先读取的低转换效率噪声电平(N2)。

此外，通过在信号电平(S3)和噪声电平(N3)之间求差(S3-N3)而获得真实信号分量。但是，此处的信号电平(S3)早于噪声电平(N3)被读取。因此，执行增量数据采样(DDS)，从而生成信号。结果，获得第三图像(S3-N3)。

结果，获得了第一图像(S1-N1)、第二图像(S2-N2)和第三图像(S3-N3)三个图像。因此，通过借助于设于后级的图像处理电路(例如，图28所示的DSP电路1002等)将三幅图像组合，可以生成动态范围高且没有运动物体的伪像的图像。

注意，除了FC SIG时段和FC RST时段之间的时间t16的读取时段内，用于选择晶体管115的驱动信号SEL处于H电平，在时间t16，驱动信号SEL被设置为L电平。

上面已经说明了在读取时段中像素100的驱动。同时，在快门时段中，驱动信号的电平设置如下：驱动信号SEL、FDG和RST处于恒定电平，驱动信号FCG仅在FC SIG时段和FCRST时段处于H电平，并且驱动信号TGL仅在FC SIG时段被临时设置为H电平。

此外，在图5中“XHS”表示水平同步信号。因此，图5示出了在时间t11和时间t17输入了水平同步信号XHS。

(变形例)

图6是根据第一实施例的像素100的结构的第三示例的截面图。

在图6所示的像素100中，相对于设置在硅基板中的光电二极管111，像素内电容(FC)117设置在元件表面侧上，并且对向电极120设置在硅基板中。在这方面，图6所示的像素100与图4所示的像素100相同。

此外，在图6所示的像素100中，溢出路径155垂直设置在硅基板中。在这方面，图6所示的像素100也与图4所示的像素100相同。然而，在图6所示的像素100中，像素内电容(FC)117的对向电极120设置为包围溢出路径155。在这方面，图6所示的像素100与图4所示的像素100不同。

溢出路径155通过触点161连接到与包围溢出路径155的对向电极120相对的像素内电容(FC)117。溢出路径155通过触点161将光电二极管111中累积的电荷的一部分传输到像素内电容(FC)117。

此外，在图6所示的像素100中，已从光电二极管111和像素内电容(FC)117溢出的电荷也被像素内电容(FC)117的对向电极120吸收(放电)。因此，可以有效地防止电荷对其他像素(光电二极管)的光晕。

上面已经说明了第一实施例。

(2)第二实施例

接下来，将参照图7和图8说明根据第二实施例的像素200。

(示出像素配置的电路图)

图7是示出根据第二实施例的像素200的配置示例的电路图。

参照图7，除了光电二极管(PD)211、传输晶体管212、复位晶体管213、放大晶体管214和选择晶体管215之外，像素200还包括结型晶体管216、像素内电容(FC)217、FC连接晶体管218、转换效率切换晶体管219和浮动扩散区域(FD)231。

图7所示的像素200的配置基本上类似于图2所示的像素100的配置。然而，在像素200中可变电压(FCVDD)被施加到像素内电容(FC)217的对向电极220。像素200在这方面与图2所示的像素100不同。换句话说，在根据第一实施例的像素100中，要施加到像素内电容(FC)117的对向电极120的电压被固定为恒定电压。同时，在根据第二实施例的像素200中，要施加到像素内电容(FC)217的对向电极220的电压是可变的。

(驱动像素的示例)

图8示出了驱动根据第二实施例的像素200的示例的时序图。

在图8所示的像素200的驱动的时序图中，对于快门时段(SH行)和读取时段(RD行)，增加了将要施加到对向电极220的电压FCVDD的时序图。在这方面，像素200的驱动的时序图与图5所示的像素100的驱动的时序不同。

在此，使得施加到对向电极220的电压FCVDD在用于快门时段和读取时段的电压与用于累积时段(快门时段和读取时段之间的时段)的电压之间进行切换。例如，电压FCVDD在快门时段和读取时段中被设置为H电平，从而像素内电容(FC)217被设置为ON状态。同时，在累积时段中将电压FCVDD设置为L电平，从而可以将像素内电容(FC)217设置为OFF状态。

如上所述，通过在累积时段中切换电压FCVDD，可以减小累积时段中像素内电容(FC)217的电荷累积节点的电场。因此，可以防止在累积时段中产生暗电流和白点。

此外，由于根据图8所示的时序图驱动像素200，噪声电平和信号电平以下列顺序被读取：低转换效率的噪声电平(N2)在PD-LG RST时段被读取，高转换效率的噪声电平(N1)在PD-HG RST时段被读取，高转换效率的信号电平(S1)在PD-HG SIG时段被读取，低转换效率的信号电平(S2)在PD-LG SIG时段被读取，信号电平(S3)在FC SIG时段被读取，并且噪声电平(N3)在FC RST时段被读取。

另外，对以此方式获得的信号电平(S)和噪声电平(N)执行相关双采样(CDS)或增量数据采样(DDS)，于是生成信号。因此，获得第一图像(S1-N1)、第二图像(S2-N2)和第三图像(S3-N3)中的每一个。然后，通过设于后级的图像处理电路(未示出)将三个图像组合，可以生成动态范围高并且没有运动物体的伪像的图像。

上面已经说明了第二实施例。

(3)第三实施例

接下来，将参照图9至图13说明根据第三实施例的像素300。

(示出像素配置的电路图)

图9是示出根据第三实施例的像素300的配置示例的电路图。

参照图9，除了光电二极管(PD)311、传输晶体管312、复位晶体管313、放大晶体管314和选择晶体管315之外，像素300还包括结型晶体管316、像素内电容(FC)317、转换效率切换晶体管319和浮动扩散区域(FD)331。

在图9所示的像素300中未设置FC连接晶体管。另外，像素内电容(FC)317连接到结型晶体管316和向对向电极320提供电源电压的电源之间的节点，并且还连接到复位晶体管313和转换效率切换晶体管319之间的节点，且位于这两个节点之间。在这些方面，像素300与图2所示的像素100不同。

此外，对应于溢出路径的结型晶体管316连接到光电二极管311和传输晶体管312之间的节点，并且还连接到像素内电容(FC)317和提供电源电压给对向电极320的电源之间的节点，且位于这两个节点之间。像素300在这一点上也不同于图2所示的像素100。

换句话说，在根据第一实施例的像素100中，溢出路径155(结型晶体管116)垂直设置在光电二极管111和像素内电容(FC)117之间，使得溢出路径155(结型晶体管116)与设置在硅基板中的对向电极120相邻。同时，在根据第三实施例的像素300中，溢出路径(结型晶体管316)沿垂直方向直接设置在光电二极管311和对向电极320之间。

注意，像素300可以被配置为：由于传输晶体管312和转换效率切换晶体管319的传输栅极进入半导通状态(可以说是半开状态)，从光电二极管311溢出的电荷经由传输晶体管312和转换效率切换晶体管319而被累积在像素内电容(FC)317中。换句话说，在这种情况下，将像素内电容(FC)317用作累积节点。

(像素结构的截面图)

接下来，将参照图10和图11说明根据第三实施例的像素300的结构。图10是根据第三实施例的像素300的结构的第一示例的截面图。此外，图11是根据第三实施例的像素300的结构的第二示例的截面图。

像素300包括作为硅基板中的光电转换元件的光电二极管311。光电二极管311例如通过将N型层353与硅基板中的P型阱层351和元件表面侧的P型层352相关联地嵌入而形成。

除了光电二极管311之外，像素300还包括上述隔着对向电极320等的传输晶体管312。然而，这里特别示出了对应于传输晶体管312的栅极电极312A、像素内电容(FC)317和对向电极320。

由于将驱动信号TGL施加到栅极电极312A，传输栅极被导通，并且光电二极管311中累积的电荷被传输到浮动扩散区域(FD)331。

注意，图10示出了一种结构，其中，可以基于驱动信号TGL通过控制形成在栅极电极312A下方的区域的电位状态来传输累积在光电二极管311中的电荷。然而，如图11所示，传输晶体管312可以被配置为垂直晶体管。

回到图10的说明，相对于设置在硅基板中的光电二极管311，像素内电容(FC)317设置在元件表面侧上。此外，像素内电容(FC)317的对向电极320设置为硅基板中的N型区域(N+)。对向电极320连接到电源，并被提供任何给定的电源电压。

溢出路径355设置为在光电二极管311和对向电极320之间的垂直N型区域(N-)。溢出路径355将光电二极管311中累积的电荷的一部分传输(放电)到对向电极320。

如上所述，在根据第三实施例的像素300中，在设有像素内电容(FC)317时，像素内电容(FC)317设置在元件表面侧上。同时，像素内电容(FC)317的对向电极320设置在硅基板中。

此外，在根据第三实施例的像素300中，溢出路径355沿垂直方向直接设置在设于硅基板中的光电二极管311和对向电极320之间。另外，对应于电源或其等同物的高电压被施加到像素内电容(FC)317的对向电极320。结果，已从光电二极管311溢出的电荷被对向电极320吸收(放电)。

因此，可以有效地防止电荷对其他像素(光电二极管)的光晕。此外，特别是在将CMOS图像传感器10(图1)安装在车载相机上的情况下，可以通过有效地防止光晕来扩展动态范围。因此，可以处理LED闪烁和运动物体的伪像。

(驱动像素的第一示例)

接下来，将参照图12和图13说明根据第三实施例的像素300的驱动。图12是示出驱动根据第三实施例的像素300的第一示例的时序图。

下面将主要说明在读取时段中像素300的驱动。

首先，在从时间t31到时间t32的时段中，将驱动信号RST和驱动信号FDG设置为H电平，于是复位晶体管313和转换效率切换晶体管319导通。结果，在浮动扩散区域(FD)331中累积的电荷被复位。随后，驱动信号FDG和驱动信号RST依次顺序地被设置为L电平，使得转换效率切换晶体管319和复位晶体管313被顺序地截止。然后，驱动信号FDG再次被设置为H电平。结果，转换效率切换晶体管319导通。

因此，从时间t31到时间t32的时段成为PD-LG RST时段，并且低转换效率的噪声电平(N2)被读取。

接下来，在从时间t32到时间t33的时段中，驱动信号FDG处于L电平，并且转换效率切换晶体管319处于非导通状态。因此，从时间t32到时间t33的时段成为PD-HG RST时段，并且高转换效率的噪声电平(N1)被读取。

此外，恰好在时间t33之前，将驱动信号TGL设定为H电平，从而使传输晶体管312导通。结果，累积在光电二极管311中的电荷被传输到浮动扩散区域(FD)331。随后，驱动信号TGL被设置为L电平，因此传输晶体管312截止。此时，驱动信号FDG为L电平，并且转换效率切换晶体管319为非导通状态。

因此，从时间t33到时间t34的时段成为PD-HG SIG时段，并且高转换效率的信号电平(S1)被读取。

接下来，在从时间t34到时间t35的时段中，驱动信号FDG处于H电平，并且转换效率切换晶体管319处于导通状态。因此，从时间t34到时间t35的时段成为PD-LG SIG时段，并且低转换效率的信号电平(S2)被读取。

因此，按照以下顺序读取噪声电平和信号电平：在PD-LG RST时段中低转换效率的噪声电平(N2)被读取，在PD-HG RST时段中高转换效率的噪声电平(N1)被读取，在PD-HGSIG时段中高转换效率的信号电平(S1)被读取，在PD-LG SIG时段中低转换效率的信号电平(S2)被读取。

然后，去除偏移分量，并且通过在高转换效率信号电平(S1)和高转换效率噪声电平(N1)之间求差(S1-N1)而获得真实信号分量。此处，噪声电平(N1)早于信号电平(S1)被读取。因此，执行相关双采样(CDS)，从而产生信号。结果，获得第一图像(S1-N1)。

此外，由于获取低转换效率信号电平(S2)和低转换效率噪声电平(N2)之间的差(S2-N2)，获得了真实信号分量。此处，噪声电平(N2)也早于信号电平(S2)被读取。因此，执行相关双采样(CDS)，从而产生信号。结果，获得第二图像(S2-N2)。

然而，低转换效率噪声电平(N2)和低转换效率信号电平(S2)没有被顺序读取。因此，如上所述，需要在行存储器等中临时保持首先读取的低转换效率噪声电平(N2)。

结果，获得了第一图像(S1-N1)和第二图像(S2-N2)两个图像。因此，可以通过借助于设于后级的图像处理电路(例如，图28所示的DSP电路1002等)将两个图像组合，从而可以生成动态范围高且没有运动物体的伪像的图像。

请注意，图12中示出了作为驱动像素的第一示例的顺序地读取高转换效率信号电平(S1)和噪声电平(N1)以及低转换效率信号电平(S2)和噪声电平(N2)的示例。同时，也可以采用这样一种配置，其中，控制要施加于转换效率切换晶体管319的栅极的驱动信号FDG，以使得转换效率切换晶体管319在导通和不导通之间切换，从而仅高转换效率信号电平(S1)和噪声电平(N1)或仅低转换效率信号电平(S2)和噪声电平(N2)被读取。

(驱动像素的第二示例)

图12已经示出了作为驱动像素300的第一示例的切换和读取在光电二极管311中累积的电荷的转换效率的示例。同时，也可以使用像素内电容(FC)317作为累积节点。在这种情况下，像素内电容(FC)317和浮动扩散区域(FD)331可以累积超过光电二极管311的饱和电荷量的电荷。下面说明具有这种配置的像素300的驱动。

图13是示出驱动根据第三实施例的像素300的第二示例的时序图。

首先，在从时间t31到时间t32的时段中，驱动信号FDG从L电平变为H电平，因此，转换效率切换晶体管319被临时导通。然后，驱动信号FDG被再次设置为L电平，以使转换效率切换晶体管319截止。

因此，从时间t31到时间t32的时段成为PD RST时段，并且噪声电平(N2)被读取。

此外，恰好在时间t32之前，将驱动信号TGL设定为H电平，从而使传输晶体管312导通。结果，累积在光电二极管311中的电荷被传输到浮动扩散区域(FD)331。随后，驱动信号TGL被设置为L电平，因此传输晶体管312截止。此时，驱动信号FDG为L电平，并且转换效率切换晶体管319为非导通状态。

因此，从时间t32到时间t33的时段成为PD SIG时段，并且信号电平(S2)被读取。

接下来，在从时间t33到时间t34的时段中，驱动信号FDG处于H电平，并且转换效率切换晶体管319处于导通状态。结果，存在浮动扩散区域(FD)331和像素内电容(FC)317的耦合电容电位，即FD(电荷-电压转换电容)和FC(像素内电容)的耦合电容电位。

因此，从时间t33到时间t34的时段成为FC SIG时段，并且信号电平(S3)被读取。

此外，恰好在时间t34之前，将驱动信号RST设定为H电平，于是使复位晶体管313导通，以复位累积在浮动扩散区域(FD)331中的电荷。随后，驱动信号RST设定为L电平，于是复位晶体管313截止。

因此，从时间t34到时间t35的时段成为FC RST时段，并且噪声电平(N3)被读取。

因此，按照以下顺序读取噪声电平和信号电平：在PD RST时段中噪声电平(N2)被读取，在PD SIG时段中信号电平(S2)被读取，在FC SIG时段中信号电平(S3)被读取，并且在FC RST时段中噪声电平(N3)被读取。

然后，去除偏移分量，并且通过在信号电平(S2)和噪声电平(N2)之间求差(S2-N2)来获得真实信号分量。在此，噪声电平(N2)早于信号电平(S2)被读取。因此，执行相关双采样(CDS)，从而产生信号。结果，获得第一图像(S2-N2)。

此外，由于获取信号电平(S3)和噪声电平(N3)之间的差(S3-N3)，获得了真实信号分量。但是，此处，信号电平(S3)早于噪声噪声(N3)被读取。因此，执行增量数据采样(DDS)，从而生成信号。结果，获得第二图像(S3-N3)。

因此，获得了第一图像(S2-N2)和第二图像(S3-N3)两个图像。因此，可以通过借助于设于后级的图像处理电路(例如，图28所示的DSP电路1002等)将两个图像组合，可以生成动态范围高且没有运动物体的伪像的图像。

注意，如图13中的驱动像素300的第二示例中所示，在像素内电容(FC)317用作累积节点的情况下，还可以采用如下的配置，如同上述根据第二实施例的像素200，使得要施加到像素内电容(FC)317的对向电极320的电压FCVDD是可变的，以使电压FCVDD能够在用于快门时段和读取时段的电压与用于累积时段的电压之间进行切换。因此，可以减小累积时段中像素内电容(FC)317的电荷累积节点的电场。因此，可以防止在累积时段中产生暗电流和白点。

上面已经说明了第三实施例。

(4)第四实施例

接下来，将参照图14至图19说明根据第四实施例的像素400。

(示出像素配置的电路图)

图14是示出根据第四实施例的像素400的配置示例的电路图。

参照图14，像素400包括第一光电二极管(LPD)411-1、第二光电二极管(SPD)411-2、第一传输晶体管412-1、第二传输晶体管412-2、复位晶体管413、放大晶体管414、选择晶体管415、结型晶体管416、像素内电容(FC)417、FC连接晶体管418、转换效率切换晶体管419和浮动扩散区域(FD)431。

第一光电二极管411-1例如是包括PN结光电二极管(PD)的光电转换元件。第一光电二极管411-1根据接收的光量产生并累积电荷。

第二光电二极管411-2例如是包括PN结光电二极管(PD)的光电转换元件。第二光电二极管411-2根据接收的光量产生并累积电荷。

在此，将第一光电二极管411-1与第二光电二极管411-2进行比较，第一光电二极管411-1每单位时间和每单位照度产生的电荷总量(信号电荷)大于第二光电二极管411-2。

因此，第一光电二极管411-1具有较高的灵敏度，并且第二光电二极管411-2具有较低的灵敏度。因此，可以说第一光电二极管411-1是高灵敏度的光电二极管，第二光电二极管411-2是低灵敏度的光电二极管。

第一传输晶体管412-1连接到浮动扩散区域(FD)431以及第一光电二极管411-1和结型晶体管416之间的节点，同时位于浮动扩散区域(FD)431和该节点之间。将驱动信号TGL施加于第一传输晶体管412-1的栅极。当驱动信号TGL变为H电平时，第一传输晶体管412-1的传输栅极导通。结果，在第一光电二极管411-1中累积的电荷经由第一传输晶体管412-1被传输到浮动扩散区域(FD)431。

注意，第一传输晶体管412-1的漏极连接到转换效率切换晶体管419的源极和放大晶体管414的栅极。因此，连接点(节点)形成浮动扩散区域(FD)431。浮动扩散区域431是电荷-电压转换单元，它将传输到其上的电荷转换为电压。

第二传输晶体管412-2连接到第二光电二极管411-2以及像素内电容(FC)417和FC连接晶体管418之间的节点，同时位于第二光电二极管411-2和该节点之间。将驱动信号TGS施加于第二传输晶体管412-2的栅极。当驱动信号TGS变为H电平时，第二传输晶体管412-2的传输栅极导通。结果，在第二光电二极管411-2中累积的电荷经由第二传输晶体管412-2被传输到像素内电容(FC)417和FC连接晶体管418之间的节点。

复位晶体管413连接到将电源电压提供给像素内电容(FC)417的对向电极420的电源，并且还连接到FC连接晶体管418和转换效率切换晶体管419之间的节点，同时位于电源和该节点之间。将驱动信号RST施加到复位晶体管413的栅极。当驱动信号RST变为H电平时，复位晶体管413导通。结果，浮动扩散区域(FD)431的电位通过转换效率切换晶体管419被复位。

放大晶体管414具有连接至浮动扩散区域(FD)431的栅极和连接至电源VDD的漏极。因此，放大晶体管414用作读取电路的输入单元，读取电路即所谓的源极跟随器电路，用于读取保持在浮动扩散区域(FD)431中的电压信号。换句话说，放大晶体管414的源极通过选择晶体管415连接到垂直信号线22(图1)。结果，放大晶体管414和连接到垂直信号线22的一端的恒流源441形成源极跟随器电路。

选择晶体管415连接到放大晶体管414(的源极)和垂直信号线22，同时位于二者之间。将驱动信号SEL施加到选择晶体管415的栅极。当驱动信号SEL变为H电平时，选择晶体管115导通，并且像素400进入选择状态。结果，由放大晶体管414放大的信号通过选择晶体管415输出到垂直信号线22(图1)。

结型晶体管416连接到第一光电二极管411-1和第一传输晶体管412-1之间的节点，并且还连接到将电源电压提供给像素内电容(FC)417的对向电极420的电源，同时位于该节点和电源之间。结型晶体管416将在第一光电二极管411-1中累积的电荷的一部分传输(放电)到对向电极420。

换句话说，结型晶体管416的作用是将已经从第一光电二极管411-1溢出的电荷传输(放电)到像素内电容(FC)417的对向电极420。因此，结型晶体管416对应于稍后将说明的溢出路径(例如，图16至图19所示的溢出路径455)。

像素内电容(FC)417连接到第二传输晶体管412-2和FC连接晶体管418之间的节点，并且还连接到将电源电压提供给对向电极420的电源，同时位于该节点和电源之间。对应于电源或其等同物的高电压被施加到像素内电容(FC)417的对向电极420。像素内电容(FC)417累积从第二光电二极管411-2传输或溢出的电荷。

FC连接晶体管418连接到复位晶体管413和转换效率切换晶体管419之间的节点，并且还连接到第二传输晶体管412-2和像素内电容(FC)417之间的节点，同时位于这两个节点之间。驱动信号FCG被施加到FC连接晶体管418的栅极。当驱动信号FCG变为H电平时，FC连接晶体管418的传输栅极导通。结果，存在浮动扩散区域(FD)431和像素内电容(FC)417的耦合电容电位，即FD(电荷-电压转换电容)和FC(像素内电容)的耦合电容电位。

转换效率切换晶体管419连接到浮动扩散区域(FD)431以及复位晶体管413与FC连接晶体管418之间的节点，同时位于浮动扩散区域(FD)431和该节点之间。将驱动信号FDG施加到转换效率切换晶体管419的栅极。当驱动信号FDG变为H电平时，转换效率切换晶体管419的传输栅极导通。结果，存在浮动扩散区域(FD)431和复位晶体管413、FC连接晶体管418、转换效率切换晶体管419的连接点处的节点的耦合电容电位，即FD(电荷-电压转换电容)和该连接点处的节点的电容电位。

如上所述配置像素400。

(驱动像素的示例)

接下来，将参照图15所示的时序图来说明驱动根据第四实施例的像素400的示例。

图15示出了在快门时段(SH行)和读取时段(RD行)将要施加到像素内电容(FC)417的对向电极420的电压FCVDD、用于选择晶体管415的驱动信号SEL、用于转换效率切换晶体管419的驱动信号FDG、用于复位晶体管413的驱动信号RST、用于第二传输晶体管412-2的驱动信号TGS、用于FC连接晶体管418的驱动信号FCG、以及用于第一传输晶体管412-1的驱动信号TGL的时序图。

下面将主要说明在读取时段中像素400的驱动。

首先，在从时间t41到时间t42的时段中，驱动信号RST和驱动信号FDG被设置为H电平，因此使复位晶体管413和转换效率切换晶体管419导通。结果，在浮动扩散区域(FD)431中累积的电荷被复位。随后，将驱动信号FDG和驱动信号RST依次顺序地设置为L电平，使得转换效率切换晶体管419和复位晶体管413顺序地截止。然后，驱动信号FDG再次被设置为H电平。结果，转换效率切换晶体管419导通。

因此，从时间t41到时间t42的时段成为PD-LG RST时段，并且低转换效率的噪声电平(N2)被读取。

接下来，在从时间t42到时间t43的时段中，驱动信号FDG处于L电平，并且转换效率切换晶体管419处于非导通状态。因此，从时间t42到时间t43的时段成为PD-HG RST时段，并且高转换效率的噪声电平(N1)被读取。

此外，恰好在时间t43之前，将驱动信号TGL设定为H电平，从而使第一传输晶体管412-1导通。结果，在具有高灵敏度的第一光电二极管411-1中累积的电荷被传输到浮动扩散区域(FD)431。随后，驱动信号TGL被设置为L电平，第一传输晶体管412-1因此截止。此时，驱动信号FDG为L电平，转换效率切换晶体管419为非导通状态。

因此，从时间t43到时间t44的时段成为PD-HG SIG时段，并且高转换效率的信号电平(S1)被读取。

接下来，在从时间t44到时间t45的时段中，驱动信号FDG处于H电平，并且转换效率切换晶体管419处于导通状态。因此，从时间t44到时间t45的时段成为PD-LG SIG时段，并且低转换效率的信号电平(S2)被读取。

在此，恰好在时间t45之后，将驱动信号RST设置为H电平，于是使复位晶体管413导通，以复位累积在浮动扩散区域(FD)431中的电荷(从具有高灵敏度的第一光电二极管411-1传输来的电荷)。

随后，将驱动信号RST设置为L电平，于是使复位晶体管413截止。然后，将驱动信号FCG设置为H电平，于是使FC连接晶体管418导通。结果，存在浮动扩散区域(FD)431和像素内电容(FC)417的耦合电容电位，即，FD(电荷-电压转换电容)和FC(像素内电容)的耦合电容电位。

另外，同时，将驱动信号TGS设定为H电平，于是第二传输晶体管412-2导通。结果，在具有低灵敏度的第二光电二极管411-2中累积的电荷被传输到浮动扩散区域(FD)431。随后，驱动信号TGS被设置为L电平，第二传输晶体管412-2因此截止。

因此，从时间t45到时间t46的时段成为FC SIG时段，并且信号电平(S3)被读取。

此外，恰好在时间t46之前，将驱动信号RST设置为H电平，于是使复位晶体管413导通，以复位累积在浮动扩散区域(FD)431和像素内电容(FC)417中的电荷(从具有低灵敏度的第二光电二极管411-2传输来的电荷)。随后，将驱动信号RST设置为L电平，复位晶体管413因此截止。

因此，从时间t46到时间t47的时段成为FC RST时段，并且噪声电平(N3)被读取。

因此，按照以下顺序读取噪声电平和信号电平：在PD-LG RST时段中低转换效率的噪声电平(N2)被读取，在PD-HG RST时段中高转换效率的读取噪声电平(N1)被读取，在PD-HG SIG时段中高转换效率的信号电平(S1)被读取，在PD-LG SIG时段中低转换效率的信号电平(S2)被读取，在FC SIG时段中信号电平(S3)被读取，在FC RST时段中噪声电平(N3)被读取。

然后，去除偏移分量，并且通过在高转换效率信号电平(S1)和高转换效率噪声电平(N1)之间求差(S1-N1)而获得真实信号分量。在此，执行相关双采样(CDS)，从而生成信号。结果，获得第一图像(S1-N1)。

此外，由于获取低转换效率信号电平(S2)和低转换效率噪声电平(N2)之间的差(S2-N2)，获得了真实信号分量。在此还执行相关双采样(CDS)，从而生成信号。结果，获得第二图像(S2-N2)。

然而，低转换效率噪声电平(N2)和低转换效率信号电平(S2)没有被顺序读取。因此，如上所述，需要在行存储器等中临时保持首先读取的低转换效率噪声电平(N2)。

此外，通过在信号电平(S3)和噪声电平(N3)之间求差(S3-N3)而获得真实信号分量。但是，在此执行增量数据采样(DDS)，从而生成信号。结果，获得第三图像(S3-N3)。

结果，获得了第一图像(S1-N1)、第二图像(S2-N2)和第三图像(S3-N3)三个图像。因此，通过借助于设于后级的图像处理电路(例如，图28所示的DSP电路1002等)将三幅图像组合，可以生成动态范围高且没有运动物体的伪像的图像。

(像素结构的截面图)

接下来，将参照图16至图19说明根据第四实施例的像素400的结构。

(像素结构的第一示例)

图16是根据第四实施例的像素400的结构的第一示例的截面图。

参照图16，像素400包括具有高灵敏度的第一光电二极管411-1和具有低灵敏度的第二光电二极管411-2作为硅基板中的光电转换元件。第一光电二极管411-1和第二光电二极管411-2通过例如将N型层453-1和453-2嵌入到硅基板中的P型阱451中而形成。

将驱动信号TGL施加到栅极电极412A-1，并且通过第一光电二极管411-1进行光电转换，使得其中累积的电荷传输到浮动扩散区域(FD)431。

将驱动信号TGS施加到栅极电极412A-2，并且通过第二光电二极管411-2执行光电转换，使得其中累积的电荷被传输到像素内电容(FC)417和FC连接晶体管418之间的节点。

将驱动信号FCG施加到栅极电极418A，并且将驱动信号FDG施加到栅极电极419A。结果，存在浮动扩展区域(FD)431和像素内电容(FC)417的耦合电容电位，即FD(电荷-电压转换电容)和FC(像素内电容)的耦合电容电位。

相对于设于硅基板中的第一光电二极管411-1，像素内电容(FC)417设置在元件表面侧上。此外，像素内电容(FC)417的对向电极420设置为硅基板中的N型区域(N+)。像素内电容(FC)417的对向电极420连接到电源VDD，并且被提供任何给定的电源电压。

溢出路径455被设置为第一光电二极管411-1和对向电极420之间的垂直N型区域(N-)。溢出路径455将在第一光电二极管411-1中累积的电荷的一部分传输(放电)至对向电极420。

(像素结构的第二示例)

图17是根据第四实施例的像素400的结构的第二示例的截面图。

在图17所示的像素400中未设置栅极电极419A。在这方面，图17所示的像素400的结构与上述图16所示的像素400的结构不同。

即使在采用图17所示的像素400的结构的情况下，也可以在相对于第一光电二极管411-1的元件表面侧上设置像素内电容(FC)417。另外，当对向电极420设置在硅基板中时，也可以在第一光电二极管411-1和像素内电容(FC)417的对向电极420之间垂直设置溢出路径455。

(像素结构的第三示例)

图18是根据第四实施例的像素400的结构的第三示例的截面图。

在图18所示的像素400中，第二光电二极管411-2中累积的电荷通过连接至N型区域(N+)的触点461传输，该N型区域(N+)嵌入到与第二光电二极管411-2相关联的P型阱451中，而无需使用栅极电极412A-2。在这方面，图18所示的像素400的结构与上述图16所示的像素400的结构不同。

即使在采用图18所示的像素400的结构的情况下，也可以在相对于第一光电二极管411-1的元件表面侧上设置像素内电容(FC)417。另外，当对向电极420设置在硅基板中时，也可以在第一光电二极管411-1和像素内电容(FC)417的对向电极420之间垂直设置溢出路径455。

(像素结构的第四示例)

图19是根据第四实施例的像素400的结构的第四示例的截面图。

在图19所示的像素400中未设置栅极电极419A。在这方面，图19所示的像素400的结构与上述图18所示的像素400的结构不同。

即使在采用图19所示的像素400的结构的情况下，也可以在相对于第一光电二极管411-1的元件表面侧上设置像素内电容(FC)417。另外，当对向电极420设置在硅基板中时，也可以在第一光电二极管411-1和像素内电容(FC)417的对向电极420之间垂直设置溢出路径455。

如上所述，当在根据第四实施例的像素400中设置像素内电容(FC)417时，像素内电容(FC)417设置在元件表面侧上。同时，像素内电容(FC)417的对向电极420设置在硅基板中。

此外，在根据第四实施例的像素400中，溢出路径455沿垂直方向直接设置在第一光电二极管411-1和对向电极420之间。另外，将对应于电源或其等同物的高电压施加到像素内电容(FC)417的对向电极420。结果，已从第一光电二极管411-1溢出的电荷被对向电极420吸收(放电)。

因此，可以有效地防止电荷对其他像素(光电二极管)的光晕。此外，特别是在将CMOS图像传感器10(图1)安装在车载相机上的情况下，可以通过有效地防止光晕来扩展动态范围。结果，可以处理LED闪烁和运动物体的伪像。

上面已经说明了第四实施例。

(5)第五实施例

顺便提及，在CMOS图像传感器中，通常对像素阵列部中的每一行执行用于读取光电二极管中累积的电荷(信号电荷)的读取操作，并且当像素的读取操作完成时，像素开始再次累积电荷。

如上所述，在CMOS图像传感器中，由于对像素阵列部中的每一行执行读取操作，所以不能使所有像素中的电荷累积时段彼此匹配。在例如物体移动的情况下，这会使得捕获的图像失真。例如，当在垂直方向上竖直的物体沿水平方向移动时，拍摄该物体的图像，在此情况下，在拍摄的图像中物体看起来好像是倾斜的。

为了避免在图像中引起这种失真，正在开发CMOS图像传感器的全像素同时电子快门，它使得像素的各个曝光时段相同。在此，全像素同时电子快门用于同时开始和结束对成像有效的所有像素的曝光，并且也可称为全局快门系统。对于实现全局快门系统，有机械方法和电气方法。

例如，机械快门用作机械方法。机械快门是可打开和关闭的，并且遮挡CMOS图像传感器的前表面被光照射。换句话说，打开机械快门来同时开始所有像素的曝光，并且关闭机械快门来同时使所有像素在曝光时段结束时被遮光，从而所有像素的光电二极管在同一时段产生电荷。

此外，在电气方法中，针对所有像素同时执行用于将累积的电荷从光电二极管中清空的电荷释放操作，以开始曝光。然后，在曝光时段结束时，同时驱动所有像素的传输栅极，以将所有累积的电荷传输到浮动扩散区域(FD)，然后关闭传输栅极。结果，所有像素的光电二极管在同一时段产生电荷。

但是，在电气方法中，由于对于所有像素电荷同时传输到浮动扩散区域(FD)，因此难以去除噪声。结果，在某些情况下图像质量可能下降。为了防止这种图像质量的下降，提出了包括存储单元(MEM)的像素结构。

在包括存储单元的像素结构中，对所有像素同时执行用于将累积的电荷从光电二极管中清空的电荷释放操作，以开始曝光，并且在曝光时段结束时，也同时驱动所有像素的传输栅极，从而将所有累积的电荷传输到存储单元并保存在其中。然后，在复位浮动扩散区域(FD)之后，将保持在存储单元中的电荷传输到浮动扩散区域(FD)以读取信号电平。

因此，可以通过设置与浮动扩散区域(FD)分开的、临时保持光电二极管中产生的电荷的存储单元来降低噪声。注意，本申请人已经提出了一种包括存储单元的像素结构(例如，参见专利文献6)。

专利文献6：日本专利申请公开第2009-268083号。

在此，如同上述实施例，在包括存储单元(MEM)和像素内电容(FC)并且能够以全局快门系统操作的CMOS图像传感器中，通过在元件表面侧上设置像素内电容(FC)，并且也在硅基板中设置像素内电容(FC)的对向电极，同样能够有效地防止光晕。

因此，接下来将参考图20说明具有这种结构的像素的结构。

(像素配置的截面图)

图20是根据第五实施例的像素500的结构的示例的截面图。

参照图20，像素500包括作为硅基板中的光电转换元件的光电二极管511。光电二极管511例如通过将N型层553嵌入到硅基板中的P型阱551中而形成。

第一传输栅极521根据施加到栅极电极521A的驱动信号TRX将光电二极管511中累积的电荷传输到存储单元522。

存储单元522例如是包括形成在栅极电极521A下方的N型埋置沟道等的电荷保持单元。存储单元522保持从光电二极管511通过第一传输栅极521传输的电荷。

第二传输栅极523根据施加到栅极电极523A的驱动信号TRG，将保持在存储单元522中的电荷传输到浮动扩散区域(FD)531。

浮动扩散区域(FD)531是包括N型区域(N+)的电荷-电压转换单元，并通过第二传输栅极523将从存储单元522传输的电荷转换为电压。

注意，尽管未示出，但是如同上述的像素100等中，像素500包括复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管、结型晶体管、FC连接晶体管和转换效率切换晶体管。然而，将省略其说明。

相对于设于硅基板中的光电二极管511，像素内电容(FC)517设置在元件表面侧上。此外，像素内电容(FC)517的对向电极520设置为硅基板中的N型区域(N+)。像素内电容(FC)517的对向电极520连接到电源，并且被提供有任何给定的电源电压。

此外，像素500也可以这样配置：与上述像素100、像素300等一样，设置溢出路径以传输累积在光电二极管511中的电荷的一部分。

换句话说，在图20中，溢出路径555被设置为在光电二极管511和对向电极520之间的垂直N型区域(N-)。注意，溢出路径还可以被设置为在光电二极管511和像素内电容(FC)517之间的垂直N型区域，使得溢出路径与设置在硅基板中的对向电极520相邻。

如上所述，在根据第五实施例的像素500中，当设置像素内电容(FC)517时，像素内电容(FC)517设置在元件表面侧上。同时，像素内电容(FC)517的对向电极520设置在硅基板中。

注意，根据第五实施例的像素500可以如下配置。溢出路径555沿垂直方向直接设置在光电二极管511和对向电极520之间。另外，对应于电源或其等同物的高电压被施加到对向电极520。结果，已从光电二极管511溢出的电荷被对向电极520吸收(放电)。

此外，根据第五实施例的像素500也可以如下配置。溢出路径垂直地设置在光电二极管511和像素内电容(FC)517之间，使得溢出路径与设置在硅基板中的对向电极520相邻。另外，对应于电源或其等同物的高电压被施加到对向电极520。结果，已从光电二极管511和像素内电容(FC)517溢出的电荷被对向电极520吸收(放电)。

因此，可以有效地防止电荷对其他像素(光电二极管)的光晕。此外，特别是在将CMOS图像传感器10(图1)安装在车载相机上的情况下，可以通过有效地防止光晕来扩展动态范围。结果，可以处理LED闪烁和运动物体的伪像。

上面已经说明了第五实施例。

(6)第六实施例

顺便提及，需要约120dB的动态范围以同时对黑暗位置和暴露于直射阳光的位置进行拍摄，并识别在这些位置的物体。然而，用当前的固态摄像元件实现如此高的动态范围是极其困难的。

动态范围取决于像素中能够累积的电荷量。为了增加电荷量，需要增加像素面积或增加每单位面积的累积电荷量。

为了实现前者，即增加面积，需要增加光学系统的开口或减少像素数量。这可能引起诸如成本增加和图像质量下降等问题。同时，为了实现后者，即增加每单位面积的累积电荷量，可以采用包括光电二极管(PD)的结电容和MOS电容的结构。但是，这种结构也有局限性。

这里，将参照图21至图23说明传统像素900。

(传统像素结构)

图21是传统像素900的结构的截面图。注意，图21所示的截面的下表面是光入射表面，并且光从图中的下侧入射。

像素900包括设置在掩埋的光电二极管911上的、作为用于切换转换效率的电容的MOS电容917(电容电极917A)。

像素900包括光电二极管911、传输晶体管912、复位晶体管913、放大晶体管914、选择晶体管915、MOS电容917、转换效率切换晶体管919和浮动扩散区域(FD)931。

MOS电容917是设置在掩埋的光电二极管911上的电极(电容电极917A)，并连接至转换效率切换晶体管919。转换效率切换晶体管919是用于切换转换效率的开关。转换效率切换晶体管919根据施加在其栅极上的驱动信号FDG执行开/关操作，并且切换浮动扩散区域(FD)931的电容。因此，可以根据例如物体的照度在低转换效率和高转换效率之间进行切换。

(传统像素的驱动)

图22是说明传统像素900的驱动的时序图。

图22示出了用于选择晶体管915的驱动信号SEL、用于转换效率切换晶体管919的驱动信号FDG、用于复位晶体管913的驱动信号RST、用于复位晶体管913的复位漏极(RD)、以及用于传输晶体管912的驱动信号TGL的时序图。

图22的时序图示出了在低转换效率的情况下驱动像素900的示例。换句话说，在时间t91，驱动信号FDG被设置为H电平，并且MOS电容917连接到浮动扩散区域(FD)931。结果，浮动扩散区域(FD)的电容931增加，转换效率降低。

在时间t92，驱动信号SEL和驱动信号RST被设置为H电平。结果，相关像素900进入选择状态。另外，浮动扩散区域(FD)931的电势被复位为复位漏极(RD)的H电平。这使得能够读取复位电平。

在时间t93，驱动信号TGL被设置为H电平，并且光电二极管911中累积的电荷经由传输晶体管912被传输到浮动扩散区域(FD)931。这使得信号电平能够被读取。然后，通过使用复位电平和信号电平来执行相关双采样(CDS)，从而产生信号。

之后，在时间t94，驱动信号SEL被设置为L电平，并且相关像素900进入非选择状态。此外，在时间t94，驱动信号RST再次被设置为H电平，于是使得复位晶体管913导通。在这种状态下，复位漏极(RD)被设置为L电平。结果，可以将电容电极917A的电位设置为L电平。

此外，在该状态下，在时间t95驱动信号FDG被设定为L电平，从而使转换效率切换晶体管919截止。结果，在曝光时段可以将电容电极917A的电位保持在L电平。然后，在将复位漏极(RD)恢复至H电平之后，在时间t96驱动信号TGL被设定为H电平，传输晶体管912由此导通。结果，可以防止电荷从浮动扩散区域(FD)931注入到光电二极管911中(电荷回流)。

图23是说明了驱动传统像素900的另一种方式的时序图。

注意，如同图22，图23示出了驱动信号SEL、驱动信号FDG、驱动信号RST、复位漏极(RD)和驱动信号TGL的时序图。此外，在图23中，与高照度时间相对应的部分由图中的点划线包围的高亮度部分A表示，与低照度时间相对应的部分由图中的双点划线包围的低照度部分B表示。

在从时间t91到时间t96的时段中，驱动信号SEL处于H电平，并且相关像素900处于选择状态。注意，在时间t91，驱动信号FDG恒定保持在H电平，并且MOS电容917连接至浮动扩散区域(FD)931。结果，转换效率处于降低的水平。此外，此时，在曝光时段中从光电二极管911溢出到浮动扩散区域(FD)931中的电荷首先被读取，从而能够读取低转换效率的信号电平。

在时间t92，驱动信号RST被设置为H电平，并且浮动扩散区域(FD)931的电位被复位到复位漏极(RD)的H电平。这使得能够读取低转换效率的噪声电平(复位电平)。

如上所述，在高照度部分A中，在曝光时段期间在光电二极管911中产生的大量电荷移动到超过栅极电极912A下方的电位，并且累积在浮动扩散区域(FD)931和包括MOS电容917的电容中。然后，将由电荷累积产生的FD电位输入到放大晶体管914，并且将与其对应的信号经由选择晶体管915输出到垂直信号线22(图1)。

此后，在从时间t93到时间t97的时段内，驱动信号FDG处于L电平，并且浮动扩散区域(FD)931未连接到MOS电容917。结果，转换效率处于提高了的水平。此外，在时间t94，驱动信号RST被设置为H电平，并且浮动扩散区域(FD)931的电位被复位为复位漏极(RD)的H电平。这使得能够读取高转换效率的噪声电平。

在时间t95，驱动信号TGL被设置为H电平，并且光电二极管911中累积的电荷经由传输晶体管912被传输到浮动扩散区域(FD)931。这使得能够读取高转换效率的信号电平。

如上所述，在低照度部分B中，在曝光时段期间在光电二极管911中累积的电荷通过传输晶体管912被传输到浮动扩散区域(FD)931，并且累积在浮动扩散区域(FD)931中。然后，由电荷累积产生的FD电位被输入到放大晶体管914，并且与其对应的信号经由选择晶体管915被输出到垂直信号线22(图1)。

如上所述，在传统像素900中，由于执行图23所示的用于动态范围扩展操作的驱动，在曝光时段中已溢出到浮动扩散区域(FD)931中的电荷被首先读取。因此，获得了高照度信号。同时，随后读取在光电二极管911中累积的电荷，以获得低照度信号。因此，实现了动态范围的扩展。

同时，在传统像素900中已经采用了针对光电二极管911设置MOS电容917的结构。然而，该结构在增加每单位面积的累积电荷量方面具有局限性。因此，根据本公开的技术(本技术)使得能够通过采用光电二极管和MOS电容的分层结构来进一步增加每单位面积的累积电荷量。

下面将参考图24和图25说明根据第六实施例的像素600。

(像素结构的示例)

图24是根据第六实施例的像素600的结构的示例的截面图。注意，图24所示的截面的下表面是光入射表面，并且光从图中的下侧入射。

参照图24，像素600包括作为在硅基板中的光电转换元件的光电二极管611。光电二极管611例如通过将N型层653嵌入到硅基板中的P型阱651中而形成。光电二极管611根据接收的光量产生并累积电荷。

将驱动信号TGL施加到栅极电极612A上，并通过光电二极管611进行光电转换，使得累积在其中的电荷传输至浮动扩散区域(FD)631。浮动扩散区域(FD)631是电荷-电压转换单元，它将传输到其上的电荷转换为电压。

将驱动信号RST施加到复位晶体管613的栅极。当驱动信号RST变为H电平时，复位晶体管613导通，从而浮动扩散区域(FD)631的电位被复位为对应于复位漏极(RD)的电平。

放大晶体管614具有连接至浮动扩散区域(FD)631的栅极和连接至电源VDD的漏极。因此，放大晶体管614用作读取保持在浮动扩散区域(FD)631中的电压信号的读取电路的输入单元。换句话说，放大晶体管614的源极通过选择晶体管615连接至垂直信号线22(图1)。结果，放大晶体管614和连接到垂直信号线22的一端的恒流源形成源极跟随器电路。

选择晶体管615连接到放大晶体管614和垂直信号线22，并位于二者之间。将驱动信号SEL施加到选择晶体管615的栅极。当驱动信号SEL变为H电平时，选择晶体管615导通，并且像素600进入选择状态。结果，由放大晶体管614放大的信号通过选择晶体管615输出到垂直信号线22(图1)。

这里，像素600包括相对于设置在硅基板中的光电二极管611设于元件表面侧上的第一电容电极617A-1。第一电容电极617A-1连接到用于固定电容的一端的电位的电位固定部(VC)。注意，例如，多晶硅(poly-Si)、硅化铂(ptSi)、硅化镍(NiSi)等可以用作第一电容电极617A-1的材料。

此外，在像素600中，绝缘膜和第二电容电极617A-2分层层叠在第一电容电极617A-1上。这里，第二电容电极617A-2连接到第一MOS电容617-1中所包括的扩散层620，使得第一MOS电容617-1(CAP1)和第二MOS电容617-2(CAP2)并联连接。注意，扩散层620被设置为硅基板中的N型区域(N+)，并且对应于上述实施例中的对向电极(第一电容电极617A-1的对向电极)。

第二电容电极617A-2经由转换效率切换晶体管619连接至浮动扩散区域(FD)631。转换效率切换晶体管619是用于切换转换效率的开关。转换效率切换晶体管619根据施加于其栅极上的驱动信号FDG执行开/关操作，并且切换浮动扩散区域(FD)631的电容。结果，能够根据例如物体的照度在低转换效率和高转换效率之间进行切换。

在像素600中，包括信号线的SCL线626被设置在相对于第二电容电极617A-2的上层，并且连接到脉冲驱动电路(例如，被配置为垂直驱动电路12的一部分的脉冲驱动电路(图1))。第二电容电极617A-2和SCL线626通过CLC电容627电容耦合。

注意，可以用作第二电容电极617A-2的材料的物质的示例包括多晶硅(poly-Si)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、包括这些物质作为主要成分的化合物以及包括其组合的层叠薄膜。

因此，由于由金属或包括金属的化合物形成第二电容电极617A-2，从背面侧(光入射表面侧)入射的可见光和近红外光被高反射率反射。因此，可以延长硅中的光路长度，从而提高光电二极管611的量子效率。注意，第二电容电极617A-2也可以与遮光膜和局部布线(像素内布线)在同一步骤中形成。

如上所述，像素600包括设置在与设于半导体基板中的光电二极管611的光入射表面相对侧(元件表面侧)上的电容(CAP1和CAP2)。电容(CAP1和CAP2)分别包括作为第一导电层的第一电容电极617A-1和作为第二导电层的第二电容电极617A-2。因此，由光电二极管611产生的电荷可以累积在浮动扩散区域(FD)631以及包括第一MOS电容617-1和第二MOS电容617-2的电容中，从而能够增加每单位面积累积的电荷量。

(驱动像素的示例)

接下来，将参照图25的时序图说明驱动根据第六实施例的像素600的示例。

图25示出用于选择晶体管615的驱动信号SEL、用于转换效率切换晶体管619的驱动信号FDG、用于复位晶体管613的驱动信号RST、用于复位晶体管613的复位漏极(RD)、第一电容电极617A-1的一端的电位VC、施加到SCL线626的脉冲信号SCL、以及用于传输晶体管612的驱动信号TGL的时序图。

此外，如同上述图23中，同样在图25中，与高照度时间相对应的部分由图中的点划线包围的高照度部分A表示，并且与低照度时间相对应的部分由图中的双点划线包围的低照度部分B表示。

在时间t61至时间t66的时段中，驱动信号SEL处于H电平，并且相关像素600处于选择状态。注意，在时间t61，驱动信号FDG在H电平保持恒定，并且第二MOS电容617-2连接到浮动扩散区域(FD)631。结果，转换效率处于降低的水平。此外，这时，在曝光时段中已从光电二极管611溢出到浮动扩散区域(FD)631中的电荷首先被读取，从而能够读取低转换效率的信号电平。

在时间t62，驱动信号RST被设置为H电平，并且浮动扩散区域(FD)631的电位被复位为H电平。这使得能够读取低转换效率的噪声电平(复位电平)。

如上所述，在高照度部分A中，在曝光时段中在光电二极管611中产生的大量电荷移动到超过栅极电极612A下方的电位，并累积在浮动扩散区域(FD)631以及包括第一MOS电容617-1和第二MOS电容617-2的电容中。然后，由电荷累积产生的FD电位被输入到放大晶体管614，并且与其对应的信号通过选择晶体管615被输出到垂直信号线22(图1)。

此后，在时间t63，驱动信号FDG设置为L电平，于是浮动扩散区域(FD)631与MOS电容617断开。结果，提高了转换效率。

此外，在时间t64，驱动信号RST和驱动信号FDG被设置为H电平，使得在浮动扩散区域(FD)631、第一MOS电容617-1和第二MOS电容中累积的电荷617-2被复位。

此时，随着驱动信号FDG变为H电平，转换效率切换晶体管619导通。结果，脉冲信号被提供到SCL线626，使得脉冲信号SCL被设置为H电平。此外，在时间t64，电位VC也被设定为H电平。这使得在读取时能够提高和稳定FD电位，从而能够确保FD电位的增加。以这种方式，能够读取高转换效率的噪声电位。

然后，在时间t65，驱动信号TGL被设置为H电平，并且光电二极管611中累积的电荷经由传输晶体管612被传输到浮动扩散区域(FD)631。这使得能够读取高转换效率的信号电平。

如上所述，在低照度部分B中，在曝光时段期间在光电二极管611中累积的电荷通过传输晶体管612传输到浮动扩散区域(FD)631，并累积在浮动扩散区域(FD)631中。然后，由电荷累积产生的FD电位被输入到放大晶体管614，并且与其对应的信号通过选择晶体管615被输出到垂直信号线22(图1)。

如上所述，在根据第六实施例的像素600中，由于执行图25所示的用于动态范围扩展操作的驱动，在曝光时段中溢出到浮动扩散区域(FD)631中的电荷首先被读取。因此，获得了高照度信号。同时，在光电二极管611中累积的电荷随后被读取，以获得低照度信号。因此，实现了动态范围的扩展。

在这种情况下，像素600包括电容(CAP1和CAP2)，即，相对于设置在硅基板中的光电二极管611层叠在元件表面侧的第一MOS电容617-1和第二MOS电容617-2。因此，与传统像素900相比，像素600能够增加每单位面积的累积电荷量。

此外，当驱动像素600时，浮动扩散区域(FD)631的升压电位由于复位晶体管613的导通电阻和将复位漏极(RD)连接至电源的线的电阻而减小。然而，在此，通过使得电容性耦合至第二MOS电容617-2的SCL线626被脉冲驱动，可以防止浮动扩散区域(FD)631的升压电位下降(促进FD电位上升)。

换句话说，可以通过改变包括信号线的SCL线626的电位来加速浮动扩散区域(FD)631的升压。因此，可以防止例如由于驱动像素600时FD电位的降低而引起的图像粗糙和由于阴影引起的图像质量的降低。因此，可以实现图像质量的改善以及动态范围的扩展。

此外，利用上述结构，像素600可以同时实现以下每一点或至少两点或更多点：改善动态范围，防止不同于视觉识别的LED闪烁(交通信号、交通标志、汽车的显示装置等)，以及由于像素间距减小和相机的小型化而导致像素数量的增加。

注意，也可以通过使用现有的固态摄像元件将具有不同快门时间的多个图像组合来获得具有高动态范围的图像。然而，在例如物体是运动物体的情况下，可能会有图像的失真和伪色的问题。

此外，从视觉上可以识别作为诸如交通信号、交通标志和汽车的显示装置等光源的发光二极管(LED)保持点亮。然而，现有的固态摄像元件获得了这种LED熄灭或反复闪烁的图像。这被认为是一个问题。为了提高LED的发光效率，以短到无法视觉观察到的周期实现LED的脉冲发光。这引起了上述现象。

为了使用现有的固态摄像元件获得与视觉识别相同的LED图像，需要延长快门时间，使得快门时间长于LED的脉冲周期。然而，如果在这种情况下物体具有中等或更高的照度，则超过了固态摄像元件的饱和曝光量，因此不能获得令人满意的图像。因此，需要具有更高的饱和曝光量的固态摄像元件。

相比之下，可以利用包括像素阵列部11(其中布置有像素600)的CMOS图像传感器10(图1)来解决现有的固态摄像元件的上述各种问题。

上面已经说明了第六实施例。

(7)第七实施例

接下来，将参考图26和图27说明根据第七实施例的像素700。

(像素结构的示例)

图26是根据第七实施例的像素700的结构的示例的截面图。此外，图27是根据第七实施例的像素700的结构示例的平面图。注意，图26示出了沿图27所示的线A-A’截取的像素700的截面。

参照图26，像素700包括作为硅基板中的光电转换元件的具有高灵敏度的第一光电二极管711-1和具有低灵敏度的第二光电二极管711-2。通过例如将N型层753-1和753-2嵌入到硅基板中的P型阱751中来形成第一光电二极管711-1和第二光电二极管711-2。

将驱动信号TGL施加到栅极电极712A-1，并且通过第一光电二极管711-1执行光电转换，使得其中累积的电荷传输到浮动扩散区域(FD)731。此外，将驱动信号TGS施加到栅极电极712A-2，并通过第二光电二极管711-2进行光电转换，使得其中累积的电荷传输到浮动扩散区域(FD)731。

浮动扩散区域(FD)731是将传输到其上的电荷转换为电压的电荷-电压转换单元。当施加到复位晶体管713的栅极的驱动信号RST变为H电平时，浮动扩散区域(FD)731的电位被复位为与复位漏极(RD)相对应的电平。

放大晶体管714具有连接至浮动扩散区域(FD)731的栅极和连接至电源VDD的漏极。因此，放大晶体管714用作用于读取保持在浮动扩散区域(FD)731中的电压信号的读取电路(源极跟随器电路)的输入单元。

当施加到选择晶体管715的栅极的驱动信号SEL变为H电平时，像素700进入选择状态。结果，由放大晶体管714放大的信号经由选择晶体管715被输出到垂直信号线22(图1)。

这里，像素700包括相对于设置在硅基板中的第一光电二极管711-1设于元件表面侧上的第一电容电极717A-1。第一电容电极717A-1连接到用于固定电容的一端的电位的电位固定部(VC)。注意，例如，多晶硅(poly-Si)等可以用作第一电容电极717A-1的材料。

此外，在像素700中，绝缘膜和第二电容电极717A-2分层层叠在第一电容电极717A-1上。这里，第二电容电极717A-2连接到第一MOS电容717-1所包括的扩散层720，使得第一MOS电容717-1和第二MOS电容717-2并联连接。

第二电容电极717A-2经由转换效率切换晶体管719连接至浮动扩散区域(FD)731。转换效率切换晶体管719根据施加于其栅极的驱动信号FDG进行开/关操作，并且切换浮动扩散区域(FD)731的电容。因此，可以在低转换效率和高转换效率之间进行切换。

在像素700中，包括信号线的SCL线726设置在相对于第二电容电极717A-2的上层，并且连接到脉冲驱动电路。SCL线726通过CLC电容727与第二电容电极717A-2电容性耦合。

注意，可以用作第二电容电极717A-2的材料的物质的示例包括多晶硅(poly-Si)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、包括这些物质作为主要成分的化合物以及包括其组合的层叠薄膜。

如上所述，像素700包括设置在与两个光电二极管(即设置在半导体基板中的第一光电二极管711-1和第二光电二极管711-2)之一的第一光电二极管711-1的光入射表面相对侧(元件表面侧)上的电容(CAP1和CAP2)。电容(CAP1和CAP2)分别包括作为第一导电层的第一电容电极717A-1和作为第二导电层的第二电容电极717A-2。

此外，关于像素700的驱动，例如，通过将图25所示的上述驱动示例应用于第二光电二极管711-2的驱动，可以借助于层叠的第一电容电极717A-1和第二电容电极717A-2来增加第二光电二极管711-2的饱和电荷量。此外，在这种情况下，可以通过将脉冲信号提供给电容性耦合至第二电容电极717A-2的SCL线726来促进FD电位的增加。

上面已经说明了第七实施例。

<4.变形例>

(实施例的组合示例)

当然，上述七个实施例中的每一个都可以被实现为独立的实施例。另外，也可以采用将多个实施例中的全部或一部分在可行的范围内组合的形式。

例如，第二实施例可以与上述第三实施例至第五实施例组合，以向对向电极320(420或520)施加可变电压，从而要施加至对向电极320(420或520)的电压FCVDD可以在例如用于快门时段和读取时段的电压与用于累积时段的电压之间切换。同时，也可以将第一实施例与上述第三实施例至第五实施例组合，使得要施加到对向电极320(420或520)的电压被固定为恒定电压。

(固态摄像装置的其他示例)

此外，尽管在上述实施例的说明中已经作为示例说明了将本技术应用于包括二维布置的像素的CMOS图像传感器的情况，但是本技术不限于应用于CMOS图像传感器。换句话说，本技术可以应用于其中像素二维布置的X-Y地址方式的普通固态摄像装置。

而且，本技术不限于应用于检测入射的可见光的量的分布并拍摄其图像的固态摄像装置。本技术可以应用于拍摄入射的红外线、X射线、粒子等的量的分布的图像的普通固态摄像装置。

<5.电子设备的配置>

图28是示出包括已应用根据本公开的技术的固态摄像装置的电子设备的配置示例的框图。

电子设备1000例如是诸如摄像设备或便携式终端设备等电子设备。摄像设备的示例包括数字静态照相机和视频摄像机。便携式终端设备的示例包括智能电话和平板终端。

电子设备1000包括固态摄像装置1001、DSP电路1002、帧存储器1003、显示单元1004、记录单元1005、操作单元1006和电源单元1007。此外，在电子设备1000中，DSP电路1002、帧存储器1003、显示单元1004、记录单元1005、操作单元1006和电源单元1007经由总线1008相互连接。

固态摄像装置1001对应于上述CMOS图像传感器10(图1)。在上述第一实施例至第五实施例中说明的像素100至500中的任何一个都可以二维地布置在像素阵列部中。

DSP电路1002是处理从固态摄像装置1001提供的信号的相机信号处理电路。DSP电路1002输出对来自固态摄像装置1001的信号进行处理而获得的图像数据。帧图像1003以帧为单位临时保持由DSP电路1002处理的图像数据。

显示单元1004包括例如面板型显示设备，诸如液晶面板或有机电致发光(EL)面板，并且显示由固态摄像装置1001拍摄的运动图像或静止图像。记录单元1005将由固态摄像装置1001拍摄的运动图像或静止图像的图像数据记录在诸如半导体存储器或硬盘等记录介质中。

操作单元1006根据用户操作输出用于电子设备1000的各种功能的操作命令。电源单元1007适当地向DSP电路1002、帧存储器1003、显示单元1004、记录单元1005和操作单元1006提供各种电源作为这些构成元件的操作电源。

如上所述配置电子设备1000。如上所述，本技术应用于固态摄像装置1001。具体地，CMOS图像传感器10(图1)可以应用于固态摄像装置1001。通过将本技术应用于固态摄像装置1001，即针对二维布置在像素阵列部中的每个像素，像素内电容设置在与设于硅基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧，此外，像素内电容的对向电极设置在硅基板中，能够有效地防止光晕。

<6.固态摄像装置的使用示例>

图29是示出应用了根据本公开的技术的固态摄像装置的使用示例的图。

例如，如下所述，CMOS图像传感器10(图1)可用于感测诸如可见光、红外光、紫外光和X射线等光的各种情况。换句话说，如图29所示，CMOS图像传感器10能够用于这样的装置：不仅可以用于拍摄欣赏用图像的观看图像领域中，而且还可以用于例如交通领域、家电领域、医疗和保健领域、安全领域、美容领域、运动领域、农业领域等。

具体地，在观看图像领域中，例如，CMOS图像传感器10可以用于拍摄欣赏用图像的装置(例如，图28中所示的电子设备1000)，诸如数码相机、智能手机、以及具有相机功能的手机。

在交通领域中，CMOS图像传感器10可以用于例如交通用装置，例如用于拍摄车辆的前、后、周围、内部的图像等的车内传感器(用于例如包括自动停止等的安全驾驶和驾驶员状况的识别)，用于监视行驶车辆和道路的监视相机以及用于测量车辆之间距离等的距离测量传感器。

在家电领域中，CMOS图像传感器10可以用于例如用于家电的装置，例如电视机、冰箱和空调，以拍摄用户手势的图像，并根据手势操作装置。此外，在医疗和保健领域，例如，CMOS图像传感器10可以用于医疗和保健用装置，例如内窥镜以及通过接收红外光进行血管造影的装置。

在安全领域中，CMOS图像传感器10可以用于例如安全用装置，例如用于预防犯罪的监视相机和用于人员认证的相机。此外，在美容领域中，CMOS图像传感器10可以用于例如美容用装置，例如用于拍摄皮肤图像的皮肤测量仪器和用于拍摄头皮图像的显微镜。

在运动领域中，CMOS图像传感器10可以用于例如运动用装置，例如运动相机和运动用可穿戴相机等。此外，在农业领域中，CMOS图像传感器10可以用于例如农业用装置，例如用于监视田地和农作物的状况的相机。

<7.可以应用根据本公开的技术的层叠型固态摄像装置的配置示例>

图30是示出可以应用根据本公开的技术的层叠型固态摄像装置的配置示例的概要的图。

这里，图30的A示出了非层叠固态摄像装置的示意性配置示例。固态摄像装置23010包括如图30的A所示的单个芯片(半导体基板)23011。像素区域23012、控制电路23013和逻辑电路23014安装在芯片23011上。在像素区域23012中，像素以阵列形式布置。控制电路23013对像素的驱动等进行各种控制。逻辑电路23014处理信号。

另外，图30的B和C示出了层叠型固态摄像装置的示意性配置示例。如图30的B和C所示，固态摄像装置23020包括传感器芯片23021和逻辑芯片23024两个芯片，它们层叠并电连接以形成单个半导体芯片。

在图30的B中，像素区域23012和控制电路23013安装在传感器芯片23021上。此外，逻辑电路23014安装在逻辑芯片23024上。逻辑电路23014包括处理信号的信号处理电路。

在图30的C中，像素区域23012安装在传感器芯片23021上。另外，控制电路23013和逻辑电路23014安装在逻辑芯片23024上。

图31是层叠型固态摄像装置23020的第一配置示例的截面图。

设置在像素区域23012中的像素所包括的光电二极管(PD)、浮动扩散部(FD)、Tr(MOS FET)和用作控制电路23013的Tr形成在传感器芯片23021中。此外，布线层23101形成在传感器芯片23021中。布线层23101包括多层布线部23110。在本示例中，布线层23101包括三层布线部23110。注意，(Tr所用作的)控制电路23013可以不形成在传感器芯片23021中，而可以形成在逻辑芯片23024中。

逻辑电路23014中包括的Tr形成在逻辑芯片23024中。此外，布线层23161形成在逻辑芯片23024中。布线层23161包括多层布线部23170。在本示例中，布线层23161包括三层布线部23170。此外，连接孔23171形成在逻辑芯片23024中，并且绝缘膜23172形成在连接孔23171的内壁表面上。另外，连接导体23173嵌入连接孔23171中，与布线部23170等连接。

传感器芯片23021和逻辑芯片23024结合在一起，使得各自的布线层23101和23161彼此面对。因此，形成了层叠型固态摄像装置23020，其包括层叠的传感器芯片23021和逻辑芯片23024。诸如保护膜的膜23191形成在传感器芯片23021和逻辑芯片23024所结合的表面上。

连接孔23111形成在传感器芯片23021中，使得连接孔23111从传感器芯片23021的背面侧(PD的光入射侧)(上侧)起贯穿传感器芯片23021到达逻辑芯片23024的最上方的布线部23170。此外，连接孔23121形成在传感器芯片23021中。连接孔23121形成在连接孔23111的附近，使得连接孔23121从传感器芯片23021的背面侧到达第一层的布线部23110。绝缘膜23112形成在连接孔23111的内壁表面上，并且绝缘膜23122形成在连接孔23121的内壁表面上。之后，连接导体23113和23123分别嵌入连接孔23111和23121中。连接导体23113和连接导体23123在传感器芯片23021的背面侧电连接。结果，传感器芯片23021和逻辑芯片23024通过布线层23101、连接孔23121、连接孔23111和布线层23161电连接。

图32是层叠型固态摄像装置23020的第二配置示例的截面图。

在固态摄像装置23020的第二配置示例中，传感器芯片23021(的布线层23101的(布线部23110))和逻辑芯片23024(的布线层23161的(布线部23170))通过形成在传感器芯片23021中的单个连接孔23211电连接。

换句话说，图32示出了以这种方式形成的连接孔23211，从传感器芯片23021的背面侧起贯穿传感器芯片23021到达逻辑芯片23024的最上方的布线部23170，并且也到达传感器芯片23021的最上方的布线部23110。绝缘膜23212形成在连接孔23211的内壁表面上，并且连接导体23213嵌入连接孔23211中。在上述图31中，传感器芯片23021和逻辑芯片23024通过两个连接孔23111和23121电连接。同时，在图32中，传感器芯片23021和逻辑芯片23024通过单个连接孔23211电连接。

图33是层叠型固态摄像装置23020的第三配置示例的截面图。

在图33所示的固态摄像装置23020中，在传感器芯片23021和逻辑芯片23024所结合的表面上未形成有诸如保护膜的膜23191。在这方面，图33所示的固态摄像装置23020不同于图31所示的固态摄像装置23020，在图31中在传感器芯片23021和逻辑芯片23024所结合的表面上形成有诸如保护膜的膜23191。

如图33所示的固态摄像装置23020形成为如下形式：传感器芯片23021和逻辑芯片23024以这种方式层叠，使布线部23110和23170直接接触，并在施加所需重量的情况下进行加热，使得布线部23110和23170直接结合。

图34是可以应用根据本公开的技术的层叠型固态摄像装置的另一配置示例的截面图。

在图34中，固态摄像装置23401具有三层的分层结构，其中传感器芯片23411、逻辑芯片23412和存储器芯片23413三个芯片层叠。

存储器芯片23413包括例如存储电路，该存储电路临时存储逻辑芯片23412中要执行的信号处理所需的数据。

在图34中，逻辑芯片23412和存储器芯片23413依次层叠在传感器芯片23411的下方。但是，逻辑芯片23412和存储器芯片23413可以以相反的顺序(即，以存储器芯片23413和逻辑芯片23412的顺序)层叠在传感器芯片23411的下方。

注意，在图34中，用作像素的光电转换单元的PD和像素Tr的源极/漏极区域形成在传感器芯片23411中。

栅极电极隔着栅极绝缘膜形成在PD周围。像素Tr 23421和像素Tr23422均由栅极电极和一对源极/漏极区域形成。

与PD相邻的像素Tr 23421是传输Tr，并且形成像素Tr 23421的一对源极/漏极区域的一个用作FD。

此外，层间绝缘膜形成在传感器芯片23411中，并且连接孔形成在层间绝缘膜中。在连接孔中形成有连接到像素Tr 23421和像素Tr 23422的连接导体23431。

另外，布线层23433形成在传感器芯片23411中。布线层23433包括与各连接导体23431连接的多层布线部23432。

此外，用作外部连接用电极的铝焊盘23434形成在传感器芯片23411的布线层23433的最下层。换句话说，在传感器芯片23411中，铝焊盘23434形成于比布线部23432更靠近传感器芯片23411和逻辑芯片23412之间的结合表面23440的位置。铝焊盘23434用作与外部信号输入/输出有关的线的一端。

此外，触点23441形成在传感器芯片23411中。该触点23441用于与逻辑芯片23412进行电连接。触点23441连接到逻辑芯片23412的触点23451，并且也连接到传感器芯片23411的铝焊盘23442。

然后，焊盘孔23443形成在传感器芯片23411中，使得焊盘孔23443从传感器芯片23411的背面侧(上侧)到达铝焊盘23442。

如上所述，根据本公开的技术可以应用于固态摄像装置。

<8.移动体的应用示例>

根据本公开的技术(本技术)可以应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以被实现为将安装在任何类型的移动体上的装置，移动体例如为汽车、电动车辆、混合动力车辆、摩托车、自行车、个人移动装置、飞机、无人机、轮船或机器人。

图35是示出作为可应用根据本公开的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的示意性配置示例的框图。

车辆控制系统12000包括经由通信网络12001连接的多个电子控制单元。在图35所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。此外，作为集成控制单元12050的功能配置，图35示出了微计算机12051、声音/图像输出单元12052和车载网络接口(I/F)12053。

驱动系统控制单元12010根据各种程序来控制与车辆的驱动系统有关的设备的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作如下设备的控制设备：例如，用于产生车辆的驱动力的诸如内燃机或驱动马达等驱动力产生设备；用于将驱动力传输给车轮的驱动力传输机构；用于调节车辆的转向角的转向机构；以及用于产生车辆的制动力的制动设备。

车身系统控制单元12020根据各种程序控制安装在车身上的各种设备的操作。例如，车身系统控制单元12020用作无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗装置或各种灯(例如前大灯、倒车灯、制动灯、方向指示器和雾灯)的控制设备。在这种情况下，可以将代替钥匙的便携式设备发出的无线电波或各种开关的信号输入到车身系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收该无线电波或信号的输入以控制车辆的门锁设备、电动车窗装置、灯等。

车外信息检测单元12030检测关于装备有车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，摄像单元12031连接到车外信息检测单元12030。车外信息检测单元12030使摄像单元12031拍摄车辆外部的视野的图像，并接收拍摄的图像。基于接收的图像，车外信息检测单元12030执行检测诸如道路上的人、车辆、障碍物、标志或符号等目标的处理，或执行检测到这些目标的距离的处理。

摄像单元12031是接收光并根据接收的光量输出电信号的光学传感器。摄像单元12031可以输出电信号作为图像，或者可以输出电信号作为距离测量信息。此外，由摄像单元12031接收的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等不可见光。

车内信息检测单元12040检测关于车辆内部的信息。车内信息检测单元12040连接至例如检测驾驶员状态的驾驶员状态检测器12041。驾驶员状态检测器12041可以包括例如用于拍摄驾驶员图像的相机。然后，基于从驾驶员状态检测器12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳程度或注意力集中程度，或者可以确定驾驶员是否在打瞌睡。

微计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车辆内部/外部的信息来计算驱动力产生设备、转向机构或制动设备的控制目标值。然后，微计算机12051可以向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微计算机12051可以执行协作控制，以实现包括以下功能的高级驾驶员辅助系统(ADAS)功能：车辆的避免碰撞或减轻冲击、基于车辆之间的距离的跟随行驶、以恒定的车速行驶、车辆碰撞警告、针对车辆偏离车道的警告等。

此外，微计算机12051可以基于由车外息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车辆周围的信息，通过控制驱动力产生设备、转向机构、制动设备等，执行用于自动驾驶(无需依赖驾驶员操作的自主行驶)等的协作控制。

此外，微计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030获得的关于车辆外部的信息来向车身系统控制单元12030输出控制命令。例如，微计算机12051可以执行用于防眩目的协作控制，例如通过根据车外信息检测单元12030检测到的前车或迎面驶来的车辆的位置控制前大灯，将前大灯从远光切换到近光。

声音/图像输出单元12052将声音或图像中的至少一者的输出信号传输到能够以视觉或听觉的方式将信息通知给车辆的乘客或车辆的外部的输出设备。在图35的示例中，示出音频扬声器12061、显示单元12062和设备面板12063作为输出设备的示例。显示单元12062可以包括例如车载显示器或平视显示器(head-up display)中的至少一者。

图36是示出摄像单元12031的安装位置的示例的图。

图36示出了设置为摄像单元12031的摄像单元12101、12102、12103、12104和12105。

摄像单元12101、12102、12103、12104和12105设置在车辆12100的例如前鼻、后视镜、后保险杠、后门、挡风玻璃的车内上部等的位置处。设置在前鼻的摄像单元12101和设置在挡风玻璃的车内上部的摄像单元12105主要获得车辆12100的前方视野的图像。设置在后视镜的摄像单元12102和12103主要获得车辆12100的侧面视野的图像。设置在后保险杠或后门处的摄像单元12104主要获得车辆12100的后方视野的图像。设置在挡风玻璃的车内上部的摄像单元12105主要用于检测前方的车辆、行人、障碍物、交通信号灯、交通标志、行车道等。

注意，图36示出了摄像单元12101至12104的拍摄范围的示例。摄像范围12111表示设置在前鼻的摄像单元12101的摄像范围。摄像范围12112和12113表示设置在各个后视镜的摄像单元12102和12103的摄像范围。摄像范围12114表示设置在后保险杠或后门处的摄像单元12104的摄像范围。例如，通过叠加由摄像单元12101至12104拍摄的图像的图像数据，获得了从上方观看的车辆12100的俯视图像。

摄像单元12101至12104中的至少一个可以具有获得距离信息的功能。例如，摄像单元12101至12104中的至少一个可以是包括多个摄像元件的立体相机，或者是包括用于相差检测的像素的摄像元件。

例如，基于从摄像单元12101至12104获得的距离信息，微计算机12051得出距摄像区域12111至12114中每个三维物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)。结果，微计算机12051可以特别提取出在车辆12100的路线上与车辆12100基本相同的方向上以预定速度(例如0km/h以上)行进的最接近的三维物体作为前面的车辆。此外，微计算机12051可以预先设定要在本车和前车之间要保持的车辆间距离，并且可以执行自动制动控制(还包括跟随停止控制)、自动加速控制(还包括跟随启动控制)等。如上所述，能够执行用于自动驾驶等(不依赖驾驶员的操作自主行驶)的协同控制。

例如，微计算机12051基于从摄像单元12101至12104获得的距离信息可以将与三维物体有关的三维物体数据分类为两轮车辆、普通车辆、大型车辆、行人、电线杆和其他三维物体，并且可以提取相关的三维物体数据以用于自动避开障碍物。例如，关于车辆12100周围的障碍物，微计算机12051区分车辆12100的驾驶员可见的障碍物和车辆12100的驾驶员难以视觉识别的障碍物。然后，微计算机12051确定表示与每个障碍物碰撞的风险程度的碰撞风险。当碰撞风险等于或高于设定值并因此表示可能发生碰撞时，微计算机12051可以通过音频扬声器12061和显示单元12062向驾驶员输出警告或通过驱动系统控制单元12010执行强制减速和回避转向来执行用于避免碰撞的驾驶辅助。

摄像单元12101至12104中的至少一个可以是检测红外线的红外线相机。例如，微计算机12051可以通过确定由摄像单元12101至12104拍摄的图像中是否存在行人来识别行人。这种行人识别的过程包括例如以下步骤：在作为红外相机的摄像单元12101至12104拍摄的图像中提取特征点，对表示物体轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理，从而判断物体是否为行人。当微计算机12051因确定在摄像单元12101至12104所拍摄的图像中存在行人而识别出行人时，声音/图像输出单元12052控制显示单元12062，使得识别出的行人的图像以在其上叠加方形轮廓的方式显示，从而强调行人。此外，声音/图像输出单元12052可以控制显示单元12062，使得表示行人的图标等被显示在期望的位置。

上面已经说明了可以应用根据本公开的技术的车辆控制系统的示例。根据本公开的技术可以应用于上述构成元件中的摄像单元12031。具体地，可以将图1所示的CMOS图像传感器10应用于摄像单元12031。通过将根据本公开的技术应用于摄像单元12031，可以有效地防止光晕。因此，可以通过例如扩展动态范围来处理LED闪烁。

<9.体内信息获取系统的应用示例>

根据本公开的技术(本技术)可以应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以应用于内窥镜手术系统。

图37是示出使用胶囊型内窥镜(应用了根据本公开的技术(本技术))的患者体内信息获取系统的示意性配置示例的框图。

体内信息获取系统10001包括胶囊型内窥镜10100和外部控制装置10200。

胶囊型内窥镜10100在检查时被患者吞咽。胶囊型内窥镜10100具有摄像功能和无线通信功能。因此，胶囊型内窥镜10100在自然地从患者体内排出前通过蠕动等在诸如胃、肠等脏器内移动，同时以预定间隔依次拍摄脏器内部的图像(以下，也称为“体内图像”)，并通过无线通信将有关体内图像的信息依次传输到位于体外的外部控制装置10200。

外部控制装置10200集中控制体内信息获取系统10001的操作。此外，外部控制装置10200接收从胶囊型内窥镜10100传输的关于体内图像的信息，并基于接收的关于体内图像的信息生成用于在显示设备(未示出)上显示体内图像的图像数据。

以这种方式，体内信息获取系统10001可以在胶囊型内窥镜10100被吞下之后直到胶囊型内窥镜10100被排出前通过拍摄需要的患者体内的状态来获得体内图像。

将更详细地说明胶囊型内窥镜10100和外部控制装置10200的配置和功能。

胶囊型内窥镜10100包括容纳光源单元10111、摄像单元10112、图像处理单元10113、无线通信单元10114、供电单元10115、电源单元10116以及控制单元10117的胶囊型壳体10101。

光源单元10111例如包括诸如发光二极管(LED)等光源，并且朝向摄像单元10112的成像区域发射光。

摄像单元10112包括摄像元件和光学系统，该光学系统包括设置在摄像元件前级的多个透镜。施加至要观察的身体组织的光(以下称为观察光)的反射被光学系统收集，并进入摄像元件。在摄像单元10112中，摄像元件对入射在其上的观察光进行光电转换以生成与该观察光相对应的图像信号。由摄像单元10112生成的图像信号被提供给图像处理单元10113。

图像处理单元10113包括诸如中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)等处理器，并且对由摄像单元10112生成的图像信号执行各种类型的信号处理。图像处理单元10113为无线通信单元10114提供经过信号处理的图像信号作为RAW数据。

无线通信单元10114对经过图像处理单元10113信号处理的图像信号进行诸如调制处理等预定处理，并且经由天线10114A将图像信号传输至外部控制装置10200。此外，无线通信单元10114经由天线10114A从外部控制装置10200接收与胶囊型内窥镜10100的驱动控制有关的控制信号。无线通信单元10114向控制单元10117提供从外部控制装置10200接收的控制信号。

供电单元10115包括用于接收电力的天线线圈、电力再生电路、升压电路等。电力再生电路根据天线线圈中产生的电流产生电力。供电单元10115通过使用所谓的非接触充电原理来产生电力。

电源单元10116包括二次电池，并且存储由供电单元10115产生的电力。表示电力从电源单元10116向目的地提供的箭头等在图37中被省略且未示出，以避免附图复杂化。然而，存储在电源单元10116中的电力可以被提供给光源单元10111、摄像单元10112、图像处理单元10113、无线通信单元10114和控制单元10117，并用于对它们进行驱动。

控制单元10117包括诸如CPU等处理器，并根据外部控制装置10200传输的控制信号适当地控制光源单元10111、摄像单元10112、图像处理单元10113、无线通信单元10114和电源单元10115的驱动。

外部控制装置10200包括诸如CPU或GPU等处理器。可替代地，外部控制装置10200包括共同安装有处理器和诸如存储器等存储元件的微计算机、控制板等。外部控制装置10200经由天线10200A通过将控制信号传输至胶囊型内窥镜10100的控制单元10117来控制胶囊型内窥镜10100的操作。在胶囊型内窥镜10100中，可以通过例如来自外部控制装置10200的控制信号在光源单元10111中改变要观察的物体的光照射条件。此外，可以通过来自外部控制装置10200的控制信号来改变摄像条件(例如，摄像单元10112中的帧速率、曝光值等)。另外，可以通过来自外部控制装置10200的控制信号来改变图像处理单元10113中的处理细节和无线通信单元10114传输图像信号时的条件(例如，传输间隔、要传输的图像的数量等)。

此外，外部控制装置10200对从胶囊型内窥镜10100传输的图像信号进行各种类型的图像处理，并生成用于在显示设备上显示所拍摄的体内图像的图像数据。图像处理的示例包括显影处理(去马赛克处理)、图像质量增强处理(频带强调处理、超分辨率处理、降噪(NR)处理、相机抖动校正处理等)、放大处理(电子缩放处理)等。因此，可以执行如上所述的各种类型的信号处理。外部控制装置10200基于生成的图像数据控制显示设备的驱动，以使显示设备显示所拍摄的体内图像。可替代地，外部控制装置10200可以使记录设备(未示出)记录所生成的图像数据，或者可以使打印设备(未示出)打印并输出所生成的图像数据。

上面已经说明了可以应用根据本公开的技术的体内信息获取系统的示例。根据本公开的技术可以应用于上述构成元件中的摄像单元10112。具体地，可以将图1所示的CMOS图像传感器10应用于摄像单元10112。通过将根据本公开的技术应用于摄像单元10112，可以有效地防止光晕。因此，能够通过例如扩展动态范围来获得更清晰的手术部位图像。因此，可以提高检查的准确性。

注意，本技术的实施例不限于上述实施例，并且可以在不脱离本技术的要旨的情况下进行各种修改。

此外，本技术可以采用如下配置。

(1)

一种固态摄像装置，其包括：

像素阵列部，其中多个像素二维布置，

其中，所述像素均包括像素内电容和所述像素内电容的对向电极，所述像素内电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧，所述对向电极设置在所述半导体基板中。

(2)

根据上述(1)所述的固态摄像装置，其中，

在所述光电转换元件与所述像素内电容之间沿所述半导体基板中的深度方向设置有溢出路径，使得所述溢出路径与设置在所述半导体基板中的所述对向电极相邻。

(3)

根据上述(1)所述的固态摄像装置，其中，

在所述光电转换元件和所述对向电极之间沿所述半导体基板中的深度方向直接设置有溢出路径。

(4)

根据上述(1)至(3)中任一项所述的固态摄像装置，其中，

对所述对向电极施加恒定电压。

(5)

根据上述(1)至(3)中任一项所述的固态摄像装置，其中，

对所述对向电极施加可变电压。

(6)

根据上述(5)所述的固态摄像装置，其中，

在第一时段和第三时段以及在第二时段和所述第三时段，要施加到所述对向电极的电压不同，所述第一时段是驱动快门的时段，所述第二时段是读取由所述光电转换元件产生的电荷的时段，所述第三时段是累积所述电荷的时段。

(7)

根据上述(3)所述的固态摄像装置，其中，

所述像素均包括：

第一光电转换元件；和

与所述第一光电转换元件不同的第二光电转换元件，并且

所述溢出路径直接设置在所述光电转换元件中的一者和所述对向电极之间。

(8)

根据上述(7)所述的固态摄像装置，其中，

所述第一光电转换元件具有比第二光电转换元件更高的灵敏度，并且

所述溢出路径直接设置在所述第一光电转换元件和所述对向电极之间。

(9)

根据上述(1)至(8)中任一项所述的固态摄像装置，其中，

所述像素均还包括电荷保持单元，所述电荷保持单元保持由所述光电转换元件产生的电荷，直到所述电荷被读取。

(10)

根据上述(2)所述的固态摄像装置，其中，

所述溢出路径设置为在所述半导体基板中被所述对向电极包围。

(11)

根据上述(1)至(10)中任一项所述的固态摄像装置，其中，

所述像素内电容累积从所述光电转换元件溢出的电荷。

(12)

根据上述(1)至(11)中任一项所述的固态摄像装置，其中，

所述对向电极吸收从所述光电转换元件溢出的电荷。

(13)

根据上述(1)至(12)中任一项所述的固态摄像装置，其中，

所述像素均包括：

第一传输晶体管，其根据第一驱动信号传输由所述光电转换元件产生的电荷；

电荷-电压转换单元，其将电荷转换成电压；

复位晶体管，其根据第二驱动信号来复位所述电荷-电压转换单元；

放大晶体管，其放大由所述电荷-电压转换单元转换的信号；

选择晶体管，其根据第三驱动信号将来自所述放大晶体管的所述信号施加至垂直信号线；

第二传输晶体管，其根据第四驱动信号使所述电荷-电压转换单元和所述像素内电容的电位耦合；和

第三传输晶体管，其根据第五驱动信号被驱动，所述第三传输晶体管连接至所述第二传输晶体管和所述电荷-电压转换单元，且位于所述第二传输晶体管和所述电荷-电压转换单元之间。

(14)

根据上述(13)所述的固态摄像装置，其中，

用于生成作为待生成合成图像的基础的多个图像的信号是通过利用所述第一驱动信号至所述第五驱动信号控制所述晶体管的驱动而获得的。

(15)

根据上述(1)至(14)中任一项所述的固态摄像装置，其中，

所述固态摄像装置包括背面照射式互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

(16)

一种安装有固态摄像装置的电子设备，其中，

所述固态摄像装置包括多个像素二维布置的像素阵列部，并且

所述像素均包括像素内电容和所述像素内电容的对向电极，所述像素内电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧，所述对向电极设置在所述半导体基板中。

(17)

一种固态摄像装置，其包括：

像素阵列部，其中多个像素二维排列，

其中，所述像素均包括由层叠的第一导电层和第二导电层构成的电容，所述电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧。

(18)

根据上述(17)所述的固态摄像装置，其中，

所述第二导电层与被提供有脉冲信号的信号线电容性耦合，并且

所述第二导电层根据所述信号线的电位的变化促进电荷-电压转换单元中电位的增加，所述电荷-电压转换单元将由所述光电转换元件产生的电荷转换为电压。

(19)

根据上述(17)或(18)所述的固态摄像装置，其中，

由所述光电转换元件产生的电荷被累积在电荷-电压转换单元和由所述第一导电层和所述第二导电层构成的电容中，所述电荷-电压转换单元用于将所述电荷转换为电压。

(20)

根据上述(17)至(19)中任一项所述的固态摄像装置，其中，

所述像素均包括：

第一光电转换元件；和

与所述第一光电转换元件不同的第二光电转换元件，并且

针对所述光电转换元件中的一者设置由所述第一导电层和所述第二导电层构成的所述电容。

附图标记列表

10 CMOS图像传感器

11 像素阵列部

12 垂直驱动电路

21 像素驱动线

22 垂直信号线

100 像素

111 光电二极管(PD)

112 传输晶体管

113 复位晶体管

114 放大晶体管

115 选择晶体管

116 结型晶体管

117 像素内电容(FC)

118 FC连接晶体管

119 转换效率切换晶体管

120 对向电极

131 浮动扩散区域(FD)

155 溢出路径

200 像素

217 像素内电容(FC)

220 对向电极

300 像素

316 结型晶体管

317 像素内电容(FC)

320 对向电极

355 溢出路径

400 像素

411-1 第一光电二极管(LPD)

411-2 第二光电二极管(SPD)

412-1 第一传输晶体管

412-2 第二传输晶体管

417 像素内电容(FC)

420 对向电极

455 溢出路径

500 像素

517 像素内电容(FC)

520 对向电极

522 存储单元

600 像素

611 光电二极管

617-1 第一MOS电容

617-2 第二MOS电容

626 SCL线

700 像素

711-1 第一光电二极管

711-2 第二光电二极管

717-1 第一MOS电容

717-2 第二MOS电容

726 SCL线

1000 电子设备

1001 固态摄像装置

12031 摄像单元

Claims (16)

1.一种固态摄像装置，其包括：

像素阵列部，多个像素二维布置在所述像素阵列部中，

其中，所述像素包括像素内电容和所述像素内电容的对向电极，所述像素内电容设置在与设于半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧，所述对向电极设置在所述半导体基板中，其中，

在所述光电转换元件与所述像素内电容之间在所述半导体基板中沿深度方向设置有溢出路径，使得所述溢出路径与设置在所述半导体基板中的所述对向电极相邻。

2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，

对所述对向电极施加恒定电压。

3.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，

对所述对向电极施加可变电压。

4.根据权利要求3所述的固态摄像装置，其中，

第一时段和第三时段以及第二时段和所述第三时段，要施加到所述对向电极的电压不同，所述第一时段是驱动快门的时段，所述第二时段是读取由所述光电转换元件产生的电荷的时段，所述第三时段是累积所述电荷的时段。

5.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，

所述像素还包括电荷保持单元，所述电荷保持单元保持由所述光电转换元件产生的电荷，直到所述电荷被读取。

6.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，

所述溢出路径设置为在所述半导体基板中被所述对向电极包围。

7.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，

所述像素内电容累积从所述光电转换元件溢出的电荷。

8.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，

所述对向电极吸收从所述光电转换元件溢出的电荷。

9.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，

所述像素包括：

第一传输晶体管，其根据第一驱动信号传输由所述光电转换元件产生的电荷；

电荷-电压转换单元，其将电荷转换成电压；

复位晶体管，其根据第二驱动信号复位所述电荷-电压转换单元；

放大晶体管，其放大由所述电荷-电压转换单元转换的信号；

选择晶体管，其根据第三驱动信号将来自所述放大晶体管的信号施加至垂直信号线；

第二传输晶体管，其根据第四驱动信号使所述电荷-电压转换单元和所述像素内电容的电位耦合；和

第三传输晶体管，其根据第五驱动信号被驱动，所述第三传输晶体管连接至所述第二传输晶体管和所述电荷-电压转换单元，且位于所述第二传输晶体管和所述电荷-电压转换单元之间。

10.根据权利要求9所述的固态摄像装置，其中，

用于生成作为待生成合成图像的基础的多个图像的信号是通过利用所述第一驱动信号至所述第五驱动信号控制所述晶体管的驱动而获得的。

11.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，

所述固态摄像装置为背面照射式互补金属氧化物半导体图像传感器。

12.一种安装有固态摄像装置的电子设备，其中，

所述固态摄像装置为根据权利要求1～11中任一项所述的固态摄像装置。

13.一种固态摄像装置，其包括：

像素阵列部，多个像素二维布置在所述像素阵列部中，

其中，所述像素包括相对于设置在半导体基板中的光电转换元件的光入射表面相对的一侧的第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容分别包括第一导电层和层叠在所述第一导电层上的第二导电层，所述第二电容的所述第二导电层连接到所述第一电容的所述第一导电层的对向电极。

14.根据权利要求13所述的固态摄像装置，其中，

所述第二导电层与被提供有脉冲信号的信号线电容性耦合，并且

所述第二导电层根据所述信号线的电位的变化促进电荷-电压转换单元中电位的增加，所述电荷-电压转换单元将由所述光电转换元件产生的电荷转换为电压。

15.根据权利要求13或14所述的固态摄像装置，其中，

由所述光电转换元件产生的电荷被累积在电荷-电压转换单元和由所述第一导电层和所述第二导电层构成的电容中，所述电荷-电压转换单元用于将所述电荷转换为电压。

16.根据权利要求13或14所述的固态摄像装置，其中，

所述像素包括：

第一光电转换元件；和

与所述第一光电转换元件不同的第二光电转换元件，并且

针对所述光电转换元件中的一者设置由所述第一导电层和所述第二导电层构成的所述电容。