CN116897542A - 固态成像元件 - Google Patents
固态成像元件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116897542A CN116897542A CN202280013571.1A CN202280013571A CN116897542A CN 116897542 A CN116897542 A CN 116897542A CN 202280013571 A CN202280013571 A CN 202280013571A CN 116897542 A CN116897542 A CN 116897542A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transistor
- potential
- capacitor
- floating diffusion
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 23
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 9
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 7
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/772—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters
- H04N25/773—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters comprising photon counting circuits, e.g. single photon detection [SPD] or single photon avalanche diodes [SPAD]
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/771—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising storage means other than floating diffusion
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
- H04N25/57—Control of the dynamic range
- H04N25/58—Control of the dynamic range involving two or more exposures
- H04N25/587—Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired sequentially, e.g. using the combination of odd and even image fields
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
固态成像元件(100)至少包括多个像素单元(10)、和垂直扫描电路(40)。像素单元(10)具有雪崩光电二极管(1)、浮动扩散部(2)、传输晶体管(3)、复位晶体管(4)、放大晶体管(5)、选择晶体管(6)、计数晶体管(7)以及电容器(8)。放大晶体管(5)输出与蓄积在浮动扩散部(2)中的电荷量相应的电压信号。电容器(8)的一个端子与计数晶体管(7)连接。垂直扫描电路(40)构成为能够向电容器(8)的另一个端子供给电平互不相同的电压。
Description
技术领域
本公开涉及一种固态成像元件。
背景技术
迄今为止，已知有以下固态成像元件：为了扩大输出的动态范围，在每个像素单元中具有用于蓄积电荷的电容器(例如，参照专利文献1)。另外，已知有以下固态成像元件：在检测微弱光并具有光子计数功能的固态成像元件中，在每个像素单元中具有电容器，能够根据蓄积在电容器中的电荷量，对规定期间内入射的光子数进行计数(例如，参照专利文献2)。
专利文献1：日本公开专利公报特开2008-085861号公报
专利文献2：国际公开第2018/216400号
发明内容
-发明要解决的技术问题-
专利文献2所公开的现有的固态成像元件在像素单元内包括雪崩光电二极管(以下，有时称为“APD”)、六个晶体管以及作为存储部的电容器，具有光子计数功能，并且实现了像素单元的小型化。
另一方面，近年来，对具有该功能的固态成像元件进一步追求高度集成化和小型化。
本公开正是为了解决上述技术问题而完成的，其目的在于：提供一种具有光子计数功能且进一步实现了高度集成化的固态成像元件。
-用于解决技术问题的技术方案-
为了达成上述目的，本公开所涉及的固态成像元件至少包括多个像素单元、和行控制电路，所述多个像素单元布置成矩阵状，所述行控制电路控制所述多个像素单元的动作，其特征在于：所述像素单元至少具有雪崩光电二极管、浮动扩散部、传输晶体管、复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管、计数晶体管以及电容器，所述雪崩光电二极管将接收到的光转换为电荷，所述浮动扩散部蓄积由所述雪崩光电二极管生成的电荷，所述传输晶体管分别与所述雪崩光电二极管和所述浮动扩散部连接，所述复位晶体管分别与第一电源和所述浮动扩散部连接，所述放大晶体管分别与第二电源和所述浮动扩散部连接，且输出与蓄积在所述浮动扩散部中的电荷量相应的电压信号，所述选择晶体管与所述放大晶体管连接，且将所述放大晶体管的输出信号传输到垂直信号线，所述计数晶体管与所述浮动扩散部连接，所述电容器的一个端子与所述计数晶体管连接，所述行控制电路构成为能够向所述电容器的另一个端子供给电平互不相同的电压。
-发明的效果-
根据本公开，能够减少像素单元内的元件数，能够缩小像素单元的尺寸。由此，能够提供具有光子计数功能且实现了高度集成化的固态成像元件。
附图说明
图1是实施方式所涉及的固态成像元件的结构简图；
图2是像素单元内的电路的结构简图；
图3是示出像素单元与向电容器施加电压的电压施加电路的连接关系的结构简图；
图4是示出像素电路的动作时刻的时序图；
图5A是图4的期间I中像素单元内的电位和电势的示意图；
图5B是图4的期间II中像素单元内的电位和电势的示意图；
图5C是图4的期间III中像素单元内的电位和电势的示意图；
图5D是图4的期间IV中像素单元内的电位和电势的示意图；
图5E是图4的期间V中像素单元内的电位和电势的示意图；
图5F是图4的期间VI中像素单元内的电位和电势的示意图；
图5G是图4的期间VII中像素单元内的电位和电势的示意图；
图5H是图4的期间VIII中像素单元内的电位和电势的示意图；
图6A是图4的期间IX中像素单元内的电位和电势的示意图；
图6B是图4的期间X中像素单元内的电位和电势的示意图；
图6C是图4的期间XI中像素单元内的电位和电势的示意图；
图6D是图4的期间XII中像素单元内的电位和电势的示意图；
图6E是图4的期间XIII中像素单元内的电位和电势的示意图；
图6F是图4的期间XIV中像素单元内的电位和电势的示意图；
图6G是图4的期间XV中像素单元内的电位和电势的示意图；
图7是示出曝光步骤中的光子计数与电容器电压之间的关系的一个示例；
图8是示出曝光步骤中的光子计数、向电容器移动的移动电荷以及电容器蓄积电位之间的关系的另一个示例；
图9是示出曝光步骤中的光子计数与电容器蓄积电位之间的关系的一个示例。
具体实施方式
下面，参照附图对本公开的实施方式进行详细的说明。以下对优选实施方式的说明在本质上仅为举例说明而已，并没有限制本公开、其应用对象或其用途的意图。
(实施方式)
[固态成像元件的结构]
图1是示出本实施方式所涉及的固态成像元件的俯视图。需要说明的是，为了便于说明，在图1中，省略了关于像素单元10内的电路结构以及像素单元阵列20与外围电路部30的连接关系的图示。另外，在图1中，仅图示出外围电路部30的一部分。
如图1所示，固态成像元件100包括像素单元阵列20和外围电路部30。需要说明的是，固态成像元件100形成在由单晶硅制成的半导体基板上，未图示。
像素单元阵列20由像素单元10以矩阵状排列而成。另外，如下文详细所述的那样，像素单元10由APD1(雪崩光电二极管1)和与APD1电连接的多个晶体管等构成。
外围电路部30布置在像素单元阵列20的周围，外围电路部30具有垂直扫描电路40、读出电路50、水平扫描电路60以及缓冲放大器70。外围电路部30也可以包含除了这些以外的其他电路。
垂直扫描电路40是行选择电路，其构成为使所选择的行中包含的像素单元10的内部电路工作。由垂直扫描电路40，将基于所选择的行中包含的APD1中生成的电荷的信号经由垂直信号线9(参照图2。以下，有时称为“VSL9”)输出到读出电路50。
读出电路50包含相关双采样(Correlated Double Sampling)电路(以下，有时称为“CDS电路”)，该相关双采样电路将所输入的信号中包含的噪声分量去除。也可以将其他电路组装到读出电路50中。
通过驱动水平扫描电路60，而使得传输到读出电路50且进一步被去除了噪声分量的信号被传输到缓冲放大器70，然后被输出到未图示的后级信号处理电路中。在信号处理电路中进行白平衡等信号处理后，该信号被传输到显示器(未图示)、存储器(未图示)等，由此由像素单元阵列20接收到的光例如得以实现图像化。
[像素单元的结构]
图2是示出像素单元内的电路的结构简图，图3是示出像素单元与向电容器施加电压的电压施加电路之间的连接关系的结构简图。
如图2所示，像素单元10具有APD1、传输晶体管3(以下，有时称为“TRN-TR3”)以及复位晶体管4(以下，有时称为“RST-TR4”)。另外，像素单元10具有浮动扩散部2(以下，有时称为“FD部2”)、计数晶体管7(以下，有时称为“CNT-TR7”)以及电容器8(以下，有时称为“MIM8”)。像素单元10还具有放大晶体管5(以下，有时称为“SF-TR5”)和选择晶体管6(以下，有时称为“SEL-TR6”)。需要说明的是，在以下的说明中，在着眼于电路动作的情况下，有时将像素单元10内的各元件统称为“像素电路”。
APD1是在内部具有pn结的硅二极管，在从电源11对阳极施加电压VSUB的状态下工作。APD1构成为：通过使电压VSUB为负电压，从而使得pn结成为反向偏压状态。在电压VSUB的绝对值小于规定值的情况下(例如-25V左右)，通过光电转换在APD1中产生与入射到APD1的光子的数量大致成比例的电荷。也就是说，在该情况下，APD1以与通常的图像传感器相同的方式工作。
另一方面，在电压VSUB的绝对值大于规定值的情况下(例如-27V左右)，当通过光电转换产生的电荷通过漂移到达pn结部分时，由于雪崩倍增而使得载流子数倍增。倍增率通常被设定为几倍到十万倍左右。
有时将前者的工作模式称为“线性倍增模式”，将后者的工作模式称为“盖革倍增模式”。盖革倍增模式更适用于以高灵敏度检测微弱光的情况。因此，在以下的说明中，以APD1的工作模式为盖革倍增模式的情况为例进行说明。需要说明的是，线性倍增模式与盖革倍增模式相切换时的电压VSUB的绝对值并不特别限定于上述值。该绝对值能够根据APD1内部的杂质浓度和尺寸等适当进行改变。另外，如下文所述，也可以将APD1的工作模式设为线性倍增模式。
TRN-TR3是场效应型晶体管(以下，有时称为“MISFET”)，其源极与APD1的阴极连接，其漏极与FD部2连接。在本实施方式中，TRN-TR3的漏极与FD部2是共同的区域。另外，TRN-TR3是N沟道MISFET。也就是说，源极和漏极为n型杂质区，栅极正下方的区域为p型杂质区。TRN-TR3的栅极与垂直扫描电路40连接。通过从垂直扫描电路40供给驱动信号TRN，而使得TRN-TR3成为导通状态，TRN-TR3的源极与漏极之间成为导通状态。由此，能够将在APD1中产生的电荷传输到FD部2。需要说明的是，该情况下在APD1中产生的电荷是由光电转换产生的电荷进一步通过雪崩倍增而倍增之后的电荷。
FD部2是相当于TRN-TR3的漏极和RST-TR4的源极的区域。FD部2是在p型阱的表面上局部形成的n型杂质区，未图示。p型阱的电位通常是固定的，因此FD部2的电位随着蓄积在FD部2中的电荷量而产生变化。
RST-TR4是N沟道MISFET，其漏极与复位漏极电源12(以下，有时称为“第一电源12”)连接，其源极与FD部2连接。RST-TR4的栅极与垂直扫描电路40连接。通过从垂直扫描电路40供给驱动信号RST，而使得RST-TR4成为导通状态。通过使RST-TR4成为导通状态，而使得FD部2与第一电源12之间成为导通状态，FD部2的电位被初始化为由第一电源12施加的固定电压RSD。也就是说，FD部2的电位被复位为固定电压RSD。需要说明的是，如下文所述，从垂直扫描电路40施加到RST-TR4的栅极的驱动信号RST能够取三种不同电平的电压值。另外，第一电源12的电源电压共同施加到像素单元阵列20内的各RST-TR4。
SF-TR5是MISFET，其漏极与漏极电源13(以下，有时称为“第二电源13”)连接，其栅极与FD部2连接。与从APD1传输并蓄积在FD部2中的电荷量相应的电压信号被输出到SF-TR5的源极。需要说明的是，蓄积在FD部2中的电荷经由CNT-TR7而蓄积在MIM8中。在下文所述的读出步骤中，从SF-TR5输出到VSL9的信号的大小与经由FD部2和CNT-TR7在下面所述的曝光步骤中蓄积在MIM8中的电荷量大致成比例。需要说明的是，第二电源13的电源电压共同施加到像素单元阵列20内的各SF-TR5。
SEL-TR6是MISFET，其漏极与SF-TR5的源极连接，其源极与VSL9连接。SEL-TR6的栅极与垂直扫描电路40连接。通过从垂直扫描电路40供给驱动信号SEL，而使得SEL-TR6成为导通状态，SF-TR5的输出信号被传输到VSL9，并进一步被输出到读出电路50。
CNT-TR7是N沟道MISFET，其漏极与FD部2连接，其源极与MIM8的一个端子连接。另外，CNT-TR7是增强型MISFET。CNT-TR7的栅极与垂直扫描电路40连接。通过从垂直扫描电路40供给驱动信号CNT，而使得CNT-TR7成为导通状态，蓄积在FD部2中的电荷经由CNT-TR7而蓄积在MIM8中。
MIM8是由上部电极(未图示)、下部电极(未图示)和被它们夹着的电介质膜(未图示)构成的电容器元件。如图3所示，MIM8的一个端子与CNT-TR7的源极连接，MIM8的另一个端子与电容器信号线42连接。此处，一个端子相当于下部电极，另一个端子相当于上部电极。
包含在同一行中的MIM8分别与同一电容器信号线42连接。在电容器信号线42上连接有放大器41。放大器41是垂直扫描电路40的内部电路，根据规定的输入信号产生电平互不相同的电压信号。来自放大器41的输出信号即驱动信号CSW被施加到MIM8的另一个端子上。例如，放大器41构成为驱动信号CSW能够取Lo信号和Hi信号这两个电平，其中，Lo信号是相当于接地电位的电压信号，Hi信号的电压高于Lo信号。另外，如果MIM8的另一个端子被施加Hi信号，则与MIM8的一个端子连接的CNT-TR7的源极的电位(VMIM)降低(参照图6E)。
需要说明的是，包含在同一行中的TRN-TR3的栅极分别与传输行信号线(未图示)连接，且在相同时刻经由该传输行信号线被供给驱动信号TRN，未图示。同样，包含在同一行中的RST-TR4的栅极分别与复位行信号线(未图示)连接，且在相同时刻经由该复位行信号线被供给驱动信号RST。包含在同一行中的SEL-TR6的栅极分别与选择行信号线(未图示)连接，且在相同时刻经由该选择行信号线被供给驱动信号SEL。包含在同一行中的CNT-TR7的栅极分别与计数行信号线(未图示)连接，且在相同时刻经由该计数行信号线被供给驱动信号CNT。
[光检测时的固态成像元件的驱动方法]
图4是示出光检测时的像素电路的动作时序图。图5A～图5H示意性地示出曝光时像素单元内的电位和电势。图6A～图6G示意性地示出信号读出时像素单元内的电位和电势。需要说明的是，在图5A～图5H和图6A～图6G的各图中，上侧的图示意性地示出图2所示的A-A线处的电位和电势，下侧的图示意性地示出图2所示的B-B线处的电势。另外，图5A～图5H所示的电位和电势与图4所示的期间I～VIII分别对应，图6A～图6G所示的电位和电势与图4所示的期间IX～XV分别对应。
需要说明的是，在图5A～图5H和图6A～图6G中，用电位表示像素单元10内各部分的电势。在该情况下，以电位满足V1＞V2＞V3这一关系的方式，分别图示出图5A～图5H和图6A～图6G。在本实施方式中，电位V1＝+3V，电位V2＝0V，电位V3＝-1.1V，但不特别限定于此。这些值能够根据第一电源12和第二电源13的电源电压、像素单元10内的各元件的规格、特别是各晶体管的尺寸来适当进行改变。
另外，在本实施方式中，在APD1中产生并被传输到FD部2的主要的电荷是电子。因此，为了进行参照，在各图中示出Ec和EFN。Ec表示构成像素单元10内各部分的半导体层的传导带的下端电平。EFN表示构成该各部分的n型半导体层的费米能级。另外，纵轴还示出了像素单元10内各部分的电子的电势能。由于电子的电势能与电位的大小关系相反，因此在各图中，满足P3＞P2＞P1的关系。
需要说明的是，在图5A～图5H和图6A～图6G中，VAPD表示APD1的阴极的电位或电势(参照图2)。VFD表示FD部2的电位或电势(参照图2)。VMIM表示MIM8的端子中与CNT-TR7的源极连接的端子的电位或电势(参照图2)。另外，P-well表示包围FD部2的p型阱(未图示)的电位或电势，该电位被固定为V3(＝-1.1V)。RSD表示RST-TR4的漏极的电位或电势，该电位被固定为第一电源12的电源电压，在该情况下被固定为+3V。
TRN表示TRN-TR3的栅极的电位，其值相当于驱动信号TRN的电压值。CNT表示CNT-TR7的栅极的电位，其值相当于驱动信号CNT的电压值。RST表示RST-TR4的栅极的电位，其值相当于驱动信号RST的电压值。
如图4所示，通过执行曝光步骤及其之后的读出步骤，从固态成像元件100输出基于入射到APD1的光子的信号。从另一个角度来看，检测出光子入射到APD1的次数。通过重复多次规定长度的曝光期间来执行曝光步骤。如下文详细所述的那样，最终从固态成像元件100输出的输出信号的大小与光子入射到APD1的曝光期间的次数成比例。另外，在读出步骤中，执行对像素单元阵列20中的每一行依次读出信号的、所谓的滚动读出。
在一个曝光期间内，例如，在图4所示的光脉冲期间1内，着眼于光子入射到APD1的情况。首先，如图5A所示，对RST-TR4的栅极施加驱动信号RST(＝+4V)，使RST-TR4成为导通状态(图4所示的期间I)。与此同时，对TRN-TR3的栅极施加驱动信号TRN(＝+3V)，使TRN-TR3成为导通状态。这样一来，第一电源12的电源电压RSD(＝+3V)被施加到APD1的源极和FD部2，VAPD和VFD分别被复位为初始化电位(+3V)。
接下来，如图5B所示，使驱动信号RST下降为0V，使RST-TR4成为截止状态(图4所示的期间II)。另一方面，TRN-TR3维持导通状态，像素单元10成为曝光状态。由于通过雪崩倍增而在APD1中产生的电子，电位VAPD降低(电势上升)，电子进一步经由TRN-TR3流入到FD部2，因此电位VFD也降低(电势上升)(参照图5C；图4所示的期间III)。
如图5D所示，使驱动信号TRN下降为0V，使TRN-TR3成为截止状态，从而结束曝光(图4所示的期间IV)。
接下来，如图5E所示，将驱动信号RST施加到RST-TR4的栅极，以使电位RST成为V1与V2之间的值(图4所示的期间V)。该情况下的驱动信号RST的大小为+2.5V。这样一来，能够使RST-TR4的栅极正下方的电势成为RST-TR4的源极电势与漏极电势之间的电平。在该情况下，虽然RST-TR4没有成为完全导通状态，但是电子能够从FD部2流向第一电源12。根据在APD1中产生的电荷量的偏差，蓄积在FD部2中的电荷量、以及电位VFD也会产生偏差。另一方面，通过进行图5E所示的步骤，确保FD部2与第一电源12之间的导通状态，从而调节电位VFD使其与规定的电平一致。接下来，如图5F所示，使驱动信号RST下降为0V，使RST-TR4成为截止状态，从而结束对于电位VFD的调节(图4所示的期间VI)。
如图5G所示，对CNT-TR7的栅极施加驱动信号CNT(＝+3V)，使CNT-TR7成为导通状态(图4所示的期间VII)。这样一来，蓄积在FD部2中的电子流入到MIM8。
最后，如图5H所示，使驱动信号CNT下降为0V，使CNT-TR7成为截止状态，从而结束光脉冲期间1(图4所示的期间VIII)。在该状态下，规定量的电子蓄积并保存在MIM8中。
如图4所示，在下一个光脉冲期间2、以及光脉冲期间2之后的曝光期间，也按照该顺序重复执行图5A～图5G所示的操作。但是，在一个曝光期间中没有光子入射到APD1的情况下，在APD1中不会因雪崩倍增而产生电子。因此，在该曝光期间内，没有电子蓄积在MIM8中。需要说明的是，在曝光步骤中，驱动信号CSW被固定为Hi信号。
在重复了规定次数的曝光期间后，从固态成像元件100读出光检测信号。首先，如图4所示，对SEL-TR6的栅极施加驱动信号SEL，使SEL-TR6成为导通状态。接下来，如图6A所示，对RST-TR4的栅极施加驱动信号RST(＝+4V)，使RST-TR4成为导通状态，将电位VFD复位为初始化电位(+3V)(图4所示的期间IX)。
接下来，如图6B所示，使驱动信号RST下降为0V，使RST-TR4成为截止状态。同时，对CNT-TR7的栅极施加驱动信号CNT(＝+3V)，使CNT-TR7成为导通状态(图4所示的期间X)。这样一来，蓄积在MIM8中的电荷被传输到FD部2。
接下来，如图6C所示，使驱动信号CNT下降为0V，使CNT-TR7成为截止状态(图4所示的期间XI)。这样一来，基于蓄积在FD部2中的电荷量的电压信号从SF-TR5输出，经由SEL-TR6而传输到VSL9。
接下来，如图6D所示，使驱动信号CSW变为Lo信号(图4所示的期间XII)。这样一来，使电位VMIM降低(使电势上升)。
如图6E所示，对CNT-TR7的栅极施加驱动信号CNT(＝+3V)，使CNT-TR7成为导通状态。同时，对RST-TR4的栅极施加驱动信号RST(＝+4V)，使RST-TR4成为导通状态(图4所示的期间XII)。这样一来，将电位VMIM和电位VFD初始化并复位。
如图6F所示，使驱动信号CNT下降为0V，使CNT-TR7成为截止状态(图4所示的期间XIII)，从而结束电位VMIM和电位VFD的复位。
如图6G所示，使驱动信号CSW变为Hi信号(图4所示的期间XIV)。在该时刻，基于蓄积在FD部2中的电荷量的电压信号从SF-TR5输出，经由SEL-TR6而传输到VSL9。
使在期间XI内输出到VSL9的电压信号成为信号电平，使在期间XIV内输出到VSL9的电压信号成为复位电平。这两个信号依次被输入到与VSL9连接的CDS电路，生成去除了噪声分量的光检测信号。
[关于计数与电容器蓄积电位之间的关系]
图7示出曝光步骤中的光子计数与电容器电压之间的关系的一个示例。
如上所述，在每一次曝光期间，将FD部2的电位VFD调节为规定的电平。也就是说，在一次曝光期间内光子入射到APD1的情况下，蓄积在FD部2中的电荷量是恒定的。另外，在使FD部2与MIM8之间处于导通状态的情况下，蓄积在FD部2中的电荷根据FD部2的电容CFD与MIM8的电容CMIM之比而被重新分配到MIM8。
因此，如果将在曝光步骤中有光子入射的曝光期间的次数计数为i(i为整数，1≤i≤(n-1)；n为在曝光步骤中设定的曝光期间的次数)，则对光子进行(i-+-1)次计数后的MIM8的端子间电压VMIM(i+1)满足式(1)所示的关系。
【式1】
此处，VFDA是图4所示的期间IV内的FD部2的电位。也就是说，是使RST-TR4的栅极为中间电位，对电位VFD进行调节后的值。VFDB是图4所示的期间VII内的FD部2的电位。也就是说，是将蓄积在FD部2中的电子传输到MIM8后的FD部2的电位。如图7所示，电压VMIM(i)与计数i成比例地降低。需要说明的是，在图7所示的例子中，当将计数增加到24次时，电压VMIM(i)从3V阶段性地下降到1.6V。另一方面，即使将计数增加到25次以上，电压VMIM(i)也不会从1.6V发生变化。这是由于蓄积在MIM8中的电荷量达到了饱和值之故。也就是说，电压VMIM(i)的变化量取决于MIM8的电容CMIM。进一步而言，也取决于FD部2的电容CFD与MIM8的电容CMIM之比。
图8示出曝光步骤中的光子计数、向电容器移动的移动电荷以及电容器蓄积电位之间的关系的另一个示例，图9示出曝光步骤中的光子计数与电容器蓄积电位之间的关系的一个示例。需要说明的是，图9所示的图表基于图8所示的数值。
在图8、图9所示的例子中，将电位RSD设为+3V，将电容CFD设为1.6fF，将电容CMIM设为16fF。另外，将电位VFDA设为2.0V，将电位VFDB设为2.5V。
在图8、图9所示的例子中，每当在一次曝光期间内有光子入射时，MIM8中就蓄积0.8C(库仑)的电荷，相当于上述电压VMIM(i)的MIM蓄积电位每次下降0.05V。另外，直到曝光步骤中的光子计数即累计数到达十次为止，MIM蓄积电位每次下降0.05V，累计数在十次时达到饱和值。也就是说，在图8、图9所示的例子中，在曝光步骤中能够对到十次为止的光子入射进行计数。
[效果等]
综上所述，本实施方式所涉及的固态成像元件100至少包括布置成矩阵状的多个像素单元10、以及控制多个像素单元10的动作的垂直扫描电路(行控制电路)40。
像素单元10至少具有APD1、FD部2以及TRN-TR3，所述APD1将接收到的光(光子)转换为电荷，所述FD部2蓄积由APD1生成的电荷，所述TRN-TR3分别与APD1和FD部2连接。
另外，像素单元10至少具有RST-TR4、SF-TR5以及SEL-TR6，所述RST-TR4分别与第一电源12和FD部2连接，所述SF-TR5分别与第二电源13和FD部2连接，并输出与蓄积在FD部2中的电荷量相应的电压信号，所述SEL-TR6与SF-TR5连接，并将SF-TR5的输出信号传输到VSL9。
像素单元10至少具有CNT-TR7和MIM8，所述CNT-TR7与FD部2连接，所述MIM8的一个端子与CNT-TR7连接。
垂直扫描电路(行控制电路)40构成为能够向MIM8的另一个端子供给电平互不相同的电压。具体而言，电压信号从设置在垂直扫描电路40中的放大器41供给到与电容器信号线42连接的MIM8的端子。通过向放大器41供给规定的选择信号，相当于接地电位的Lo信号或电压高于Lo信号的Hi信号被施加到MIM8。
根据本实施方式，首先，与专利文献2所公开的现有结构相比，能够将像素单元10内的元件减少一个。具体而言，能够省略专利文献2中的第一复位晶体管。由此，能够缩小像素单元10的尺寸，与专利文献2所公开的现有结构相比，能够实现高度集成化的固态成像元件100。
另外，根据本实施方式，与专利文献2所公开的现有结构相比，能够减少与APD1直接连接的晶体管的数量。具体而言，能够省略专利文献2中的第一复位晶体管。
众所周知，在晶体管中产生的暗电流流入到与该晶体管连接的受光元件中，由此噪声分量叠加在受光信号上，进而导致获取到的图像的图像质量变差。特别是，在使APD1以盖革倍增模式工作的情况下，如果流入的暗电流量变大，则图像质量会大幅度下降。
另一方面，根据本实施方式，能够减少与APD1直接连接的晶体管的数量，因此与专利文献2所公开的现有结构相比，能够减小流入APD1的暗电流量。由此，能够抑制图像质量下降。
另外，根据本实施方式，能够将与电容器信号线42连接的MIM8的端子的电位变成互不相同的电平。由此，在读出步骤中，能够增大上述复位电平与信号电平之差，能够去除噪声分量，且能够得到大振幅的光检测信号。由此，能够准确地检测光子入射到APD1的次数。
另外，垂直扫描电路40构成为能够对RST-TR4的栅极施加电平为三种以上且互不相同的电压。这样一来，调节FD部2的电位VFD，能够使在一次曝光期间中有光子入射的情况下的、蓄积在FD部2中的电荷量、以及蓄积在MIM8中的电荷量恒定。由此，不需要设置模拟-数字转换电路等专用电路，就能够检测光子入射到APD1的次数。也就是说，能够以简易的结构构成固态成像元件100，并且能够准确地检测光子入射到APD1的次数。
当进行光子检测时，在曝光期间内，将在APD1中产生的电荷经由FD部2蓄积在MIM8中。在重复执行规定次数的曝光期间后，垂直扫描电路40使VSL9读出基于蓄积在MIM8中的电荷量的光检测信号。这样一来，就能够准确地检测光子入射到APD1的次数。
从固态成像元件100输出的光检测信号的大小与光子入射到APD1的曝光期间的次数对应。
根据本实施方式，不需要设置模拟-数字转换电路等专用电路，就能准确地检测光子入射到APD1的次数。
(其他实施方式)
如上所述，作为在本申请中公开的技术示例，对实施方式进行了说明。然而，本公开的技术并不限定于此，只要不脱离本公开的主旨，也能够应用于适当地进行了变更、置换、追加、省略等的实施方式。
另外，在被拍摄物体的照度为高照度，例如比0.1勒克斯更亮的情况下，也可以使APD1以线性倍增模式工作。在该情况下，也可以不使用光子计数功能，而与通常的图像传感器一样，使用在一次曝光期间输出的光检测信号。也就是说，并非必须将蓄积在FD部2中的电荷蓄积在MIM8中。需要说明的是，能够通过进行公知的电子快门动作来调节曝光期间。具体而言，通过在曝光期间中的规定时刻使RST-TR4成为导通状态，从而能够调节曝光期间。
另外，也可以在外围电路部30中设置判断电路(未图示)，所述判断电路根据固态成像元件100的输出信号或对该输出信号进一步进行信号处理之后的信号，来判断被拍摄物体的照度。另外，也可以在外围电路部30中设置电平变更电路(未图示)，所述电平变更电路根据该判断电路的判断结果，改变与APD1连接的电源11的电压电平。例如，如果被拍摄物体的照度为规定值以下，则电平变更电路设定电源11的电压，以使APD1以盖革倍增模式工作。另一方面，如果被拍摄物体的照度高于规定值，则电平变更电路设定电源11的电压，以使APD1以线性倍增模式工作。需要说明的是，该判断电路和电平变更电路也可以设置在固态成像元件100的外部。
-产业实用性-
本公开的固态成像元件能够检测微弱光，并且能够实现高度集成化，因此是有用的。
-符号说明-
1 雪崩光电二极管(APD)
2 浮动扩散部(FD部)
3 传输晶体管(TRN-TR)
4 复位晶体管(RST-TR)
5 放大晶体管(SF-TR)
6 选择晶体管(SEL-TR)
7 计数晶体管(CNT-TR7)
8 电容器(MIM)
9 垂直信号线(VSL)
10 像素单元
11 电源
12 复位漏极电源(第一电源)
13 漏极电源(第二电源)
11 电源(第二电源)
20 像素单元阵列
30 外围电路部
40 垂直扫描电路(行控制电路)
41 放大器
42 电容器信号线
50 读出电路
60 水平扫描电路
70 缓冲放大器
100 固态成像元件
Claims (4)
1.一种固态成像元件，所述固态成像元件至少包括多个像素单元、和行控制电路，所述多个像素单元布置成矩阵状，所述行控制电路控制所述多个像素单元的动作，其特征在于：
所述像素单元至少具有雪崩光电二极管、浮动扩散部、传输晶体管、复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管、计数晶体管以及电容器，
所述雪崩光电二极管将接收到的光转换为电荷，
所述浮动扩散部蓄积由所述雪崩光电二极管生成的电荷，
所述传输晶体管分别与所述雪崩光电二极管和所述浮动扩散部连接，
所述复位晶体管分别与第一电源和所述浮动扩散部连接，
所述放大晶体管分别与第二电源和所述浮动扩散部连接，且输出与蓄积在所述浮动扩散部中的电荷量相应的电压信号，
所述选择晶体管与所述放大晶体管连接，且将所述放大晶体管的输出信号传输到垂直信号线，
所述计数晶体管与所述浮动扩散部连接，
所述电容器的一个端子与所述计数晶体管连接，
所述行控制电路构成为能够向所述电容器的另一个端子供给电平互不相同的电压。
2.根据权利要求1所述的固态成像元件，其特征在于：
所述行控制电路还构成为能够向所述复位晶体管的栅极施加电平为三种以上且互不相同的电压。
3.根据权利要求1或2所述的固态成像元件，其特征在于：
在曝光期间内，将由所述雪崩光电二极管产生的电荷经由所述浮动扩散部蓄积在所述电容器中，
在重复规定次数的所述曝光期间后，所述行控制电路使垂直信号线读出基于蓄积在所述电容器中的电荷量的光检测信号。
4.根据权利要求3所述的固态成像元件，其特征在于：
所述光检测信号的大小与光子入射到所述雪崩光电二极管的所述曝光期间的次数对应。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021055138 | 2021-03-29 | ||
| JP2021-055138 | 2021-03-29 | ||
| PCT/JP2022/012995 WO2022210070A1 (ja) | 2021-03-29 | 2022-03-22 | 固体撮像素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116897542A true CN116897542A (zh) | 2023-10-17 |
Family
ID=83456087
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202280013571.1A Pending CN116897542A (zh) | 2021-03-29 | 2022-03-22 | 固态成像元件 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230388676A1 (zh) |
| JP (1) | JPWO2022210070A1 (zh) |
| CN (1) | CN116897542A (zh) |
| WO (1) | WO2022210070A1 (zh) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018216400A1 (ja) * | 2017-05-25 | 2018-11-29 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 固体撮像素子、及び撮像装置 |
| WO2019186838A1 (ja) * | 2018-03-28 | 2019-10-03 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 固体撮像素子、固体撮像装置、固体撮像システム、固体撮像素子の駆動方法 |
| WO2021044770A1 (ja) * | 2019-09-06 | 2021-03-11 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 撮像装置 |
-
2022
- 2022-03-22 WO PCT/JP2022/012995 patent/WO2022210070A1/ja active Application Filing
- 2022-03-22 CN CN202280013571.1A patent/CN116897542A/zh active Pending
- 2022-03-22 JP JP2023511001A patent/JPWO2022210070A1/ja active Pending
-
2023
- 2023-08-11 US US18/448,673 patent/US20230388676A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230388676A1 (en) | 2023-11-30 |
| WO2022210070A1 (ja) | 2022-10-06 |
| JPWO2022210070A1 (zh) | 2022-10-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110651366B (zh) | 固体摄像元件及摄像装置 | |
| US9479715B2 (en) | Solid-state imaging device, method of driving the same, and electronic system including the device | |
| US7626618B2 (en) | Solid-state image pickup device, driving method for solid-state image pickup device and image pickup apparatus | |
| US8537259B2 (en) | Photoelectric conversion circuit and solid state imaging device including same | |
| US9172895B2 (en) | Solid-state imaging device | |
| US8159585B2 (en) | Image sensor pixel with gain control | |
| US8217328B2 (en) | Low noise pixel readout circuit with high conversion gain | |
| US7541571B2 (en) | Image sensor having first and second charge transmitters | |
| US6956606B2 (en) | Solid-state image pickup device and camera system | |
| US20110221943A1 (en) | Solid image pickup device, image pickup system and method of driving solid image pickup device | |
| JP5222240B2 (ja) | 光センサ回路、および光センサアレイ | |
| US20060175538A1 (en) | CMOS active pixel sensor and active pixel sensor array using fingered type source follower transistor | |
| EP1850387B1 (en) | Solid-state image pickup device | |
| US20080315272A1 (en) | Image sensor with gain control | |
| US10999548B2 (en) | Pixel sensing circuit and driving method therefor, image sensor, and electronic device | |
| JP4130307B2 (ja) | 固体撮像装置 | |
| US20120267695A1 (en) | Solid state imaging device | |
| KR100962470B1 (ko) | 고체 촬상 소자의 픽셀 회로 | |
| WO2022210070A1 (ja) | 固体撮像素子 | |
| US20080157151A1 (en) | CMOS image sensor | |
| US11451726B2 (en) | Imaging device and drive method therefor | |
| KR100658367B1 (ko) | 이미지 센서 및 이미지 데이터 처리 방법 | |
| JP2011199050A (ja) | 固体撮像デバイスおよび電子機器 | |
| US11843884B1 (en) | HV driver for rolling clamp in image sensor | |
| WO2023079795A1 (ja) | 撮像装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |