JP2000209504A - アクティブ画素センサ― - Google Patents
アクティブ画素センサ―Info
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Abstract
能力を有する高いフィルファクターのフォトゲートアク
ティブ画素構造を提供する。 【解決手段】 独立した行選択トランジスタを除去しな
がら4つのトランジスタ画素の機能は維持される。これ
は、フォトゲートおよび行選択信号に対して同一の制御
信号を使用することによって行われる。本発明の好まし
い実施の形態は、フローティングディフュージョンを電
荷−電圧変換ノードとして使用し、リセットトランジス
タのソースがフローティングディフュージョンでありか
つリセットトランジスタのドレインがフォトゲート制御
バスと接続される実施の形態である。
Description
アクティブ回路要素を有するアクティブ画素センサー
(APS)と呼ばれるイメージャーとソリッドステート
光センサーの分野に関するものであり、より具体的には
相関二重サンプリング(CDS)を使用するソリッドス
テートイメージャーに関するものである。
ーであり、その中の各画素は典型的なソリッドステート
画素要素を含む。このソリッドステート画素要素は、光
走査手段と、リセット手段と、電荷−電圧変換手段と、
さらに増幅器または増幅器の一部とを含む。画素内に集
められた光電荷は、エリック フォスム(Eric Fossum)
著、1993年7月発行の「アクティブ画素センサー(A
ctive Pixel Sensors):CCDは大き過ぎて役に立たな
いのか?(Are CCD's Dinosaurs?)」SPIE 1900
−08−8194−1133のような先行技術の文書に
記載されているように、画素内で対応する電圧または電
流に変換される。APS装置は、以下の方法で作動す
る。その方法は、エリック フォサム(Eric Fossum)
著、1993年7月発行の「アクティブ画素センサー(A
ctive Pixel Sensors):CCDは大き過ぎて役に立たな
いのか?(Are CCD's Dinosaurs?)」SPIE 1900
−08−8194−1133と、アール.エイチ.ニク
ソン(R.H.Nixon)、エス.イー.ケメニー(S.E.Kemen
y)、シー.オー.ステイラー(C.O.Staller)、イー.ア
ール.フォサム(E.R.Fossum)著の「オンチップタイミン
グ、制御および信号チェーンエレクトロニクス付きの1
28x128CMOSフォトダイオード型アクティブ画
素センサー」とにおいて開示されているように、列選択
信号を使用してイメージャーの各列または各行が選択さ
れ、読み出される。1995年のSPIEの会報241
5巻「電荷結合素子とソリッドステート光センサーV」
の論文34にも同様のことが開示されている。アクティ
ブ画素センサー内の行と列の選択は、記憶装置における
ワードとビットの選択と類似している。ここで、全行の
選択は、ワードの選択と類似し、アクティブ画素センサ
ーの列の1つを読み出すことは、該ワード内の単一ビッ
トラインを選択すること、または使用可能にすることと
類似している。従来の先行技術フォトゲート装置は、4
トランジスタ(4T)デザインを使用する構造について
開示し、ここで4トランジスタは、一般的にフォトゲー
ト、行選択、リセット、ソースフォロアー増幅トランジ
スタである。この構造は、容易にCDSを実行し、読み
出しノイズが少ないという性能を有するAPS装置を生
じるという利点があるものの、これらの4T画素には、
フィルファクターが小さいという欠点がある。フィルフ
ァクターは、光センサーに割り当てられる画素面積の割
合である。それぞれが関連する接点領域と信号バスとを
有する。これらの接点領域は、各画素に配置され、接点
領域は、必要とされる金属層のオーバーラップのために
多大な画素面積を消費する。そして各画素においてこれ
らの接点領域を含むことにより、光検出器のために使用
されることも可能な領域を使用するので、画素のフィル
ファクターは減少する。適切なタイミング信号とこれら
の構成部品それぞれとの接続は、画素の行全体を横切る
金属バスによって行われる。これらの金属バスは、光学
的に不透明であり、光検出器の領域を画素ピッチに適合
させるために、光検出器の領域をふさぐ。これも、画素
のフィルファクターを減らす。フィルファクターが減少
することによって、センサーの飽和信号と感度は弱くな
る。これは、センサーのダイナミックレンジとフォトグ
ラフィクスピード、つまり良好な画質を得るために重大
な性能指標に不都合な影響を与える。
用する先行技術の装置は、4T画素より高いフィルファ
クターを有するが、これらの3T画素は、容易にCDS
を実行できない。3トランジスタベース画素を使用する
CDSを実行するセンサーは、センサー上の各画素に関
するリセットレベルを含むイメージフレームを通常最初
に読み出し、記憶する。次に、信号フレームが捕捉さ
れ、読み出される。メモリーに記憶されたリセットレベ
ルフレームは、インテグレーション(integration)の前
に画素リセットレベルとして参照される画素信号レベル
を提供するために、各画素において信号フレームから減
算されなければならない。これは、イメージングシステ
ムにおけるメモリーのエキストラフレームと、デジタル
信号処理チェーンにおけるエキストラステップとを必要
とし、システムのスピード、大きさ、およびコストに不
都合な影響を与える。
素が、図1(a)と1(b)において図示されている。
図1(a)における画素は、先行技術の4トランジスタ
画素である。4トランジスタ画素は、フォトゲート光検
出器(PG)およびトランスファートランジスタ(T
G)と、フローティングディフュージョン(FD)と、
リセットゲート(RG)付きのリセットトランジスタ
と、行選択ゲート付きの行選択トランジスタ(RSG)
と、ソースフォロアー入力信号トランジスタ(SIG)
とである。図1(b)における画素も、先行技術の4ト
ランジスタ画素であり、この場合TGは、さらに独立し
たポリシリコンゲートも関連する接点も信号バスも必要
ではない仮想TGによって置き換えられる。しかしなが
ら、4トランジスタを実行するために必要とされる面積
のために、3トランジスタ画素と比較して画素のフィル
ファクターは小さくなる。
画素構造を設ける技術における必要性と、イメージデー
タのフレーム全体を捕捉し記憶する必要もなくCDSを
実行する性能を設ける必要性があることは明らかであ
る。
ンプリングを実行する性能を有する高いフィルファクタ
ーのフォトゲートアクティブ画素構造を提供する。独立
した行選択トランジスタを除去しながら、4トランジス
タ画素の機能を維持する。これは、同じ行に対する行選
択信号のようなPG制御信号を使用することによって行
われる。本発明の好ましい実施態様は、電荷−電圧変換
ノードとしてフローティングディフュージョン(floatin
g diffusion)を使用し、リセットトランジスタのソース
がフローティングディフュージョンである実施態様を特
に想定している。さらに本発明は、フォトゲート制御バ
スに対する所定の第1信号と、リセットゲートと連絡す
る所定の第2信号とを使用し、それは、増幅器と出力信
号列バスとを接続する所定の第1電位に、電荷−電圧変
換ノードをリセットすることができる。
有するアクティブ画素センサーを設けることによって上
記の特徴を提供する。少なくとも1つの画素は、電荷−
電圧変換ノードと動作的に接続されるフォトゲート光検
出器と、電荷−電圧変換ノードと接続されるソースを有
するリセットトランジスタと、リセット制御バスと接続
されるリセットトランジスタのリセットゲートと、フォ
トゲートおよびフォトゲート制御バスと接続されるリセ
ットトランジスタのドレインと、電荷−電圧変換ノード
と動作的に接続される増幅器とを含む。
みのトランジスタを使用する真の相関二重サンプリング
(CDS)によって従来より高いフィルファクターを有
するフォトゲートアクティブ画素センサーを提供する。
得られる利点は、従来より高いフィルファクターと、低
い一時的(temporal)ノイズである。欠点は、発見されて
いない。
るようなアクティブ画素センサー(APS)用の3トラ
ンジスタフォトゲート画素構造の概略図である。図2に
おいて図示されている実施の形態は、本発明者が知って
いる最善のモードである。その他の物理的な実施の形態
は、以下においてさらに議論されるように、図2におい
て図示されている実施の形態の明らかな変形例であると
分かる。図2(a)と2(b)において図示されている
画素10は、非常に多くの行および列を有する画素のア
レイ内の単一画素である。
に、画素10は、フォトゲート光検出器12(PG)お
よびトランスファーゲート(TG)23と、フローティ
ングディフュージョン(FD)25と、リセットゲート
15(RG)付きのリセットトランジスタ14と、行選
択+PG(RSPG)信号バス26によってPG12と
接続されるリセットトランジスタ14のためのリセット
ドレイン18と、ソースフォロアー入力信号トランジス
タ21(SIG)とを含む。図2(b)において、図示
されている画素10は、TG23が仮想トランスファー
ゲート35に置き換えられていることを除いて、図2
(a)の画素と同一である。両方のケースにおいて、先
行技術の画素の行選択トランジスタは、取り去られ、行
選択プロセスは、別の方法で達成される。図2(a)と
2(b)の両方において、点線は、画素の領域について
最小限の伝導帯を表す。空乏層においてバイアスがかけ
られたPG12が、図示されている。フローティングデ
ィフュージョンは、電荷を電圧に変換するフローティン
グゲートまたは別の容量性要素によって機能的に置き換
え可能であることに注目すべきである。
(a)および2(b)において図示されている3トラン
ジスタ画素の動作を説明するために使用されるタイミン
グ図である。説明される画素の動作は、CMOSアクテ
ィブ画素センサー装置の1行ごとの標準巻上げ動作の状
況の下で、画素10の全行に対して行うと理解すべきで
ある。TG信号(図2(a)のトランスファーゲート2
3および図2(b)の仮想トランスファーゲート35
用)は、タイミング図に含まれていない。それは、これ
が、図2(a)のケースにおいて一般的に単一のDCレ
ベルに保たれているためであり、また図2(b)におい
て画素に対して必要とされるTG信号の適用例がないた
めである。TG23と35の静電電位は、一般的に大地
電位より低いが、図2(a)と2(b)において点線で
示されているように空乏フォトゲート12の電位より高
い。最初に、リセットゲート15は0Vであり、フォト
ゲート12と、リセットゲート14のドレイン18は、
一定の時間τ0の期間、0Vまたはその他の適当な電位
にパルスでセットされる。リセットトランジスタのドレ
イン18と、フォトゲート12とは、同じノードと電気
的に接続されるので、行選択作用は、フォトゲート信号
バスの応用で得られ、本発明のケースにおいて、それは
行選択/フォトゲート信号バスである。期間τ0に、行
選択/フォトゲート信号バスおよびリセットゲート15
に与えられる信号の組合せは、フォトゲート12からの
全ての電子を空にする。
ンジスタ14のドレイン18に加えられる行選択/フォ
トゲート信号は、低く保たれたままで、リセットゲート
15にパルスが加えられ(RGは高くなる)、信号トラ
ンジスタ(SIG)21を止めるため、したがってその
行を「選択しない」ために、フローティングディフュー
ジョン25は、0V(またはドレイン18をリセットす
るために加えられるレベルよって決定されるその他の適
切な電位)にセットされる。
信号は、高い電位(一般にVDD)に設定され、フォト
ゲート12内において光電子のインテグレーション(int
egration)が生じるように、フォトゲート12を空にす
る。
グレーション期間の終了直前において、リセットゲート
15は、フローティングディフュージョン25をVDD
以下にリセットするためにパルスが加えられて高くな
る。フローティングディフュージョン25のリセットに
よって、読み出すための画素(実際には、その行の全て
の画素)を効果的に選択する信号トランジスタ(SI
G)21は、始動する。このとき、センサーにおけるそ
の他の全ての行がそのフローティングディフュージョン
を0V以下にセットし、それによってそれらのSIGト
ランジスタは停止し、したがってそれらの画素は列出力
信号バス45から切断される。フローティングディフュ
ージョン25のリセットレベルは、サンプルホールドリ
セット(SHR)信号をオンおよびオフにパルスするこ
とによって、コンデンサCrでサンプルホールドされ
る。
行選択/フォトゲート信号を低くパルスすることによっ
て、フォトゲート12からフローティングディフュージ
ョン25へ移動する。リセットゲート15は、0Vに保
たれているので、これだけで信号電子は、フローティン
グディフュージョン25へ移動する。フローティングデ
ィフュージョン25で記憶される信号レベルは、ストロ
ーブSHSによってコンデンサCsでサンプルホールド
される。そのときリセットトランジスタ14のリセット
ゲート15は作動するが、それに対してRSPG(行選
択/フォトゲート)は0Vであり、行を選択せずかつ次
のフレームためにその行についてのインテグレーション
を始める。Csで記憶された初期信号レベルは、画素ソ
ースフォロアーオフセット信号をキャンセルするため
に、Crで記憶されたクランプレベルについて差動増幅
器32を通じて差別的に読み出される。
い3トランジスタフォトゲート画素構造は、リセットフ
レームを記憶する必要もなく、真のCDS出力信号を提
供できることは明らかである。
する本発明の平面図である。両方の画素10は、上記に
記載されているように、行選択/フォトゲート信号バス
26と接続されるフォトゲート12を有する。さらに両
方の画素10は、行選択/フォトゲート信号バス26と
接続されるリセットトランジスタ14のドレイン18も
有する。上記に記載されているように、電荷は、フォト
ゲート12の下に、蓄積され、フローティングディフュ
ージョン(FD)25へ動かされる。フローティングデ
ィフュージョン25は、リセットトランジスタ14のソ
ースとして作用する。図3によって上記に記載されてい
るように、画素10の動作を制御するために、行選択/
フォトゲート信号バス26とともに、リセットゲート1
5は作動する。
に、典型的な先行技術のフォトゲートAPS画素は、4
つのトランジスタと、5つのバスとを含む。それに対し
て、図2(b)における新しい画素構造は、3つのトラ
ンジスタと、4つのバスだけを含む。1つのトランジス
タおよびバスと、関連する接点領域を除去することによ
って、光検出器に配分される画素領域がより大きくな
る。このことにより、実質的に画素のフィルファクター
は高くなり、結果として光の感度も高くなる。
い実施の形態を説明している。これらの実施の形態の変
形例は、当業者にとって明らかであろう。したがって、
本発明の範囲は、特許請求の範囲によって判断されるべ
きである。
ートアクティブ画素センサーの画素に関する従来技術の
構造である。
ートアクティブ画素センサーの画素に関する新しい構造
である。
明するタイミング図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 複数の画素を有するアクティブ画素セン
サーであって、少なくとも1つの画素は、 電荷−電圧変換ノードと動作的に接続されるフォトゲー
ト光検出器と、 電荷−電圧変換ノードと接続されるソースを有するリセ
ットトランジスタと、 リセット制御バスと接続されるリセットトランジスタの
リセットゲートと、フォトゲートおよびフォトゲート制
御バスと接続されるリセットトランジスタのドレイン
と、 電荷−電圧変換ノードと動作的に接続される増幅器とを
含むことを特徴とするアクティブ画素センサー。 - 【請求項2】 行が連続的に読み出されるように、行と
列に配置される複数の画素を有するアクティブ画素セン
サーであって、少なくとも1つの画素は、 電荷−電圧変換手段と動作的に接続される光検出器と、 電荷−電圧変換手段と電気的に接続されるリセットデバ
イスと、 光検出器およびリセットデバイスとそれぞれ動作的に接
続される第1信号バスと、リセットデバイスと接続され
る第2信号バスと、 電荷−電圧変換手段と動作的に接続される増幅器と、 電荷−電圧変換手段が第1電位と第2電位に連続的にセ
ットされるように、リセットデバイスを作動させるため
の手段とを含むことを特徴とするアクティブ画素センサ
ー。 - 【請求項3】 アクティブ画素センサーを作成する方法
であって、 少なくとも電荷−電圧変換手段と動作的に接続される光
検出用の要素を有する画素を設けるステップと、 第1信号バス上に光検出器と接続されるドレイン、第2
信号バスと接続されるゲート、および電荷−電圧変換手
段と接続されるソースを有するリセットトランジスタ
を、画素内に作成するステップと、 電荷−電圧変換手段およびリセットトランジスタの両方
と接続される増幅器を作成するステップとを含む方法。
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