JP2003298038A - 光電変換素子及びそれを用いた固体撮像装置 - Google Patents

光電変換素子及びそれを用いた固体撮像装置

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JP2003298038A JP2002104029A JP2002104029A JP2003298038A JP 2003298038 A JP2003298038 A JP 2003298038A JP 2002104029 A JP2002104029 A JP 2002104029A JP 2002104029 A JP2002104029 A JP 2002104029A JP 2003298038 A JP2003298038 A JP 2003298038A
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    • H04N25/136—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements based on four or more different wavelength filter elements using complementary colours

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数層のフォトダイオードからの信号読み出
し時に、混色を抑えた、色分離性が高く、ノイズの少な
い信号を読み出すこと。 【解決手段】 第１導電型の光電変換領域と、前記第１
導電型と逆の導電型である第２導電型の領域を交互に複
数積層して成り、前記第１導電型の光電変換領域を、そ
れぞれ異なる複数の波長帯域の光を主に光電変換するた
めに適した深さとなるように形成し、各波長帯域毎の信
号を出力する光電変換素子であって、前記第１導電型の
光電変換領域の表面領域にそれぞれ形成され、前記第１
導電型の光電変換領域内で光電変換して得られた電荷を
蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部から転送
された電荷を電気信号に変換して出力する出力部とを有
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光電変換素子及びそ
れを用いた固体撮像装置に関し、特にカラー画像を取り
込む光電変換素子及びそれを用いた固体撮像装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、一般のカラー用固体撮像装置は、
各画素毎にカラーフィルタを載せ、そのカラーフィルタ
を通った、特定波長域の光信号を検知するものである。
したがって、光電変換をおこなう半導体部に到達する光
は、入射光の一部となり、カラーフィルタを載せない場
合に比べて、信号出力が低下する。この信号出力低下を
無くす提案が、米国特許第4613895号「Color Responsiv
e Imaging Device Employing Wavelength Dependent Se
miconductor Optical Absorption」になされている。
【０００３】この提案によれば、半導体の深さ方向に３
段の光電変換部を重ねて形成し、それぞれの光電変換部
に蓄積する３種の信号電荷を、やはり半導体の深さ方向
に３段に重ねて形成したＣＣＤを使って、それぞれ独立
に転送して、独立に読み出しをおこなうものである。
【０００４】図１３は、上記提案の代表的実施形態を表
すものであり、同図において、５１は半導体基板、５２
は半導体５１の界面に形成された絶縁膜、５３は絶縁膜
５２の上に形成された電極である。半導体基板５１は界
面から深さ方向に向かってＰ、Ｎ、Ｐ、Ｎ、Ｐ、Ｎの型
が重ねられており、５４、５５、５６、は前記Ｐ型半導
体の場所に蓄積される入射光によって発生した信号電荷
である。信号電荷５４，５５，５６は紙面に垂直方向に
形成されているＣＣＤによって転送され、信号読み出し
がおこなわれる。
【０００５】また、米国特許第5965875号「Color separ
ation in an active pixel cell imaging array using
a triple-well structure」においても３段フォトダイ
オード構造の光検出装置が提案されている。この提案に
よれば、各フォトダイオードの端子は半導体界面部に形
成され、各端子は増幅器として働くＭＯＳトランジスタ
のゲートに接続されて、各フォトダイオードの信号は増
幅して読み出される。図１４はこの発明を表すものであ
り、同図において、５７はＰ型半導体基板、５８は５７
の上に重ねて形成されたＮ型半導体層、５９は５８の上
に重ねて形成されたＰ型半導体層、６０は５９の上に重
ねて、半導体界面に形成されＮ型半導体層である。５７
と５８、５８と５９、５９と６０の組み合わせで３つの
フォトダイオードが形成されている。さらに６１、６
２、６３はそれぞれ、半導体層５７、５８、５９と接続
し、それぞれの半導体層に蓄積する信号電荷を増幅して
読み出すためのＭＯＳトランジスタである。
【０００６】上記の２つの提案はどちらも、色の分離に
ついては半導体の光吸収係数が光の波長に依存すること
を利用している。短波長すなわち青色光の光電変換部を
最上層、長波長すなわち赤色光の光電変換部を最下層、
その中間波長すなわち緑色光に対する光電変換部を中間
層に設けることで色の分離をおこなっている。これによ
れば、入射光を無駄なく利用することができ、一般のカ
ラーフィルタ方式に比べて、信号出力を上げることがで
きる。また、２次元的には同一の場所から３種の色信号
を取り出すことができるため、ひとつの画素から１種の
色信号を取り出すカラーフィルタ方式に比べて、色解像
度を上げることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、米国特
許第4613895号の例においては、上述したように半導体
の深さ方向に３段に重ねて形成した埋め込みＣＣＤを使
う。このため最上層のＣＣＤ以外のＣＣＤについて、ポ
テンシャル井戸の制御を表面にあるゲート電極によって
行い、信号電荷を転送することが実際にはきわめて難し
いという欠点があった。
【０００８】また、米国特許第5965875号においては、
各フォトダイオードの電極が深さ方向に隣接するフォト
ダイオードの電極と共通化されているため、ひとつのフ
ォトダイオードの信号電圧は深さ方向に隣接する別のフ
ォトダイオードの信号電圧によって影響を受け、各フォ
トダイオードの信号を独立に取り出すのが難しいという
欠点があった。さらに、各フォトダイオードをリセット
する時に、フォトダイオードの容量に起因するkTCノイ
ズがのるため、雑音が大きいという欠点もあった。
【０００９】本発明は上記問題点を鑑みてなされたもの
であり、複数層のフォトダイオードからの信号読み出し
時に、混色を抑え、色分離性が高く、ノイズの少ない信
号を読み出すことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光電変換素子は、第１導電型の光電変換領
域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の
領域を交互に複数積層して成り、前記第１導電型の光電
変換領域を、それぞれ異なる複数の波長帯域の光を主に
光電変換するために適した深さとなるように形成し、各
波長帯域毎の信号を出力し、前記第１導電型の光電変換
領域の表面領域にそれぞれ形成され、前記第１導電型の
光電変換領域内で光電変換して得られた電荷を蓄積する
複数の電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部から転送された電
荷を電気信号に変換して出力する出力部とを有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】＜第１の実施形態＞図１は本発明の第１の
実施形態を表す画素のフォトダイオードおよび信号電荷
転送部の断面図である。同図において、１はＮ型の半導
体基板、２はもっとも深い場所に形成されたＮ型半導体
層による光電変換部、３は光電変換部２の上部に形成さ
れたＮ型半導体層による光電変換部、４は光電変換部３
の上部に形成されたＮ型半導体層による光電変換部、５
は光電変換部２、３、４の各光電変換部を電気的に分離
するためのＰ型半導体層であり、Ｐ型半導体層５と、光
電変換部２、３、４とでフォトダイオードが形成されて
いる。
【００１３】また、６は半導体界面に形成されたＰ型半
導体層、７は光電変換部２で発生する信号電子を蓄積す
るための、光電変換部２よりも不純物濃度が高い信号電
荷蓄積部、８は光電変換部３で発生する信号電子を蓄積
するための、光電変換部３よりも不純物濃度が高い信号
電荷蓄積部、９は光電変換部４で発生する信号電子を蓄
積するための、光電変換部４よりも不純物濃度が高い信
号電荷蓄積部、１０は信号電荷蓄積部７に蓄積された信
号電荷が転送されるフローティングディフュージョン
（以下、「ＦＤ」と記する。）部、１１は信号電荷蓄積
部８に蓄積された信号電荷が転送されるＦＤ部、１２は
信号電荷蓄積部９に蓄積された信号電荷が転送されるＦ
Ｄ部、１３は信号電荷蓄積部７に蓄積された信号電荷を
ＦＤ部１０へ転送するための転送ゲート、１４は信号電
荷蓄積部８に蓄積された信号電荷をＦＤ部１１へ転送す
るための転送ゲート、１５は信号電荷蓄積部９に蓄積さ
れた信号電荷をＦＤ部１２へ転送するための転送ゲート
である。
【００１４】このフォトダイオードに入射した光は、そ
の波長によって光電変換される深さが異なるため、ひと
つの画素における各フォトダイオードの信号を読み出す
ことにより、入射光に含まれる赤、緑、青の割合を算出
することができる。また、各光電変換部と各信号電荷蓄
積部は、信号電荷の転送後には空乏化するように構成さ
れ、ノイズ成分を含まない信号電荷を得ることができ
る。
【００１５】図２は、上記で説明した画素の等価回路図
であり、同図において、１６はもっとも深いフォトダイ
オードであり、そのアノードが図１におけるＰ型半導体
層５、カソードが図１における光電変換部２および信号
電荷蓄積部７に相当する。また、１７は深さが中間のフ
ォトダイオードであり、そのアノードが図１におけるＰ
型半導体層５、カソードが図１における光電変換部３お
よび信号電荷蓄積部８に相当する。さらに、１８は最も
表面に近いフォトダイオードであり、そのアノードが図
１におけるＰ型半導体層５、カソードが図１における光
電変換部４および信号電荷蓄積部９に相当する。
【００１６】１９はフォトダイオード１６の信号電荷を
転送するための転送ＭＯＳトランジスタ、２０はフォト
ダイオード１７の信号電荷を転送するための転送ＭＯＳ
トランジスタ、２１はフォトダイオード１８の信号電荷
を転送するための転送ＭＯＳトランジスタ、２２は転送
ＭＯＳトランジスタ１９の転送ゲートであって図１の１
３に相当し、転送信号ＴｘＲが入力される。２３は転送
ＭＯＳトランジスタ２０の転送ゲートであり、図１の転
送ゲート１４に相当し、転送信号ＴｘＧが入力される。
２４は転送ＭＯＳトランジスタ２１の転送ゲートであ
り、図１の転送ゲート１５に相当し、転送信号ＴｘＢが
入力される。また、２５は信号電荷が転送されるＦＤ部
であり、図１におけるＦＤ部１０、１１、１２が接続さ
れたものである。２６は増幅用ＭＯＳトランジスタであ
ってそのゲートがＦＤ部２５に接続する。２７はＦＤ部
２５をリセットするためのリセット用ＭＯＳトランジス
タ、２８は増幅用ＭＯＳトランジスタの出力を選択する
ための選択用ＭＯＳトランジスタ、２９はリセット電源
と増幅用トランジスタ２６の電源とを兼ねた配線、３０
は増幅出力が出力される出力線、３１はリセット用ＭＯ
Ｓトランジスタ２７のゲート線であり、リセット信号Ｒ
ＥＳが入力される。３２は選択用ＭＯＳトランジスタ３
９のゲート線であり、選択信号ＳＥＬが入力される。
【００１７】図２に示すようなフォトダイオードからの
電荷転送がなされるタイプの画素で構成されるＣＭＯＳ
センサにおいては、ＦＤ部２５をリセットした直後の画
素出力と、ＦＤ部２５へ信号電荷転送された後の画素出
力との差分をとることで、ＦＤ部２５のリセットノイズ
が除去されたノイズのない信号出力を読み出すことがで
きる。上記差分動作は、画素出力線３０からの画素出力
が入力される、画素の周辺に設計された読み出し回路に
おいてなされる。この差分をおこなう回路方式には様々
なものが公知になっており、ここでの説明は省略する。
また、信号電荷転送タイプのＣＭＯＳセンサ画素におい
ては、図２にも示したように、ＦＤ部、増幅用ＭＯＳト
ランジスタ、リセット用ＭＯＳトランジスタ、選択用Ｍ
ＯＳトランジスタを各フォトダイオードに対して共通化
することができ、トランジスタ数を減らすことができ
る。
【００１８】次に、図３のタイミングチャートを参照し
ながら、図２の構成を有する画素の動作を説明する。な
お、図２で示されているＭＯＳトランジスタはすべてＮ
型とし、ゲート電位がHigh（Ｈ）のレベルでオン状態、
Low（Ｌ）のレベルでオフ状態になるとする。また、図
３におけるタイミングパルスは、図２に示すものと同じ
である。
【００１９】最初に、選択信号ＳＥＬがＨとなると、画
素の増幅用ＭＯＳトランジスタ２６のソースが出力線３
０と接続することで画素の増幅出力が出力線８に出力さ
れる。この時、一般には出力線３０には定電流負荷が接
続され、増幅用トランジスタ２６をソースフォロワ動作
させることが多い。次にリセット信号ＲＥＳをＨにする
ことで、増幅用ＭＯＳトランジスタ２６のゲート部がリ
セット用ＭＯＳトランジスタ３２によってリセットさ
れ、画素出力線３０にはリセットレベルに対応する増幅
出力が現れる。次に転送信号ＴｘＲをＨとし、フォトダ
イオード１６に蓄積された信号電荷を転送用ＭＯＳトラ
ンジスタ１９を通してＦＤ部２５に転送すると、画素の
リセット出力にフォトダイオード１６の信号が上乗せさ
れた出力が出力線３０に現れる。
【００２０】以上の動作におけるリセット出力とリセッ
トレベルに信号が上乗せされた出力の差分が読み出し回
路においてなされ、ノイズのないフォトダイオード１６
の信号を得ることができる。以下、リセット信号ＲＥＳ
のＨによるＦＤ部２５のリセット、転送ＭＯＳ２３及び
２４によるフォトダイオード１７及び１８の信号電荷の
ＦＤ部２５への転送という動作を順次行うことにより、
ノイズの無いフォトダイオード１７、フォトダイオード
１８の信号を得ることができる。
【００２１】図４は、図３で示した動作とは別の画素動
作を表すタイミングチャートである。この例において
は、各フォトダイオードの信号電荷をＦＤ部２５に順
次、加算転送させる。リセットレベルをＮ、フォトダイ
オード１６、１７、１８の信号分をそれぞれＳ１、Ｓ
２、Ｓ３とすると、画素出力はＮ、（Ｎ＋Ｓ１）、（Ｎ
＋Ｓ１＋Ｓ２）（Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）が時系列で出
力される。これらの出力の差分を順次とっていくこと
で、ノイズのない信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を得ることがで
きる。
【００２２】以上説明したように、本発明の第１の実施
形態によれば、複数のフォトダイオードを深さ方向に重
ねて形成した各画素において、各フォトダイオードから
それぞれ独立の信号電荷を増幅して出力するため、感度
が高く、色解像度が良い固体撮像装置を実現することが
できる。また信号転送後の光電変換部および信号電荷蓄
積部が空乏化する構造によりノイズを少なくし、ひとつ
の画素に形成すべきトランジスタ数を少なくすることが
できるため、フォトダイオード面積の確保にも有利とな
る。
【００２３】＜第２の実施形態＞図５は本発明の第２の
実施形態を説明する図であり、２種類の画素Ａ及び画素
Ｂの断面図を表す。
【００２４】図５において、図１と同様の構成には同じ
番号を付し、説明を省略する。３３は画素Ａの深い場所
に形成されるＮ型半導体による光電変換部、３４は画素
Ａの光電変換部３３の上部に形成されるＮ型半導体によ
る光電変換部、３５は画素Ｂの深い場所に形成されるＮ
型半導体による光電変換部、３６は画素Ｂの光電変換部
３５の上部に形成されるＮ型半導体による光電変換部で
ある。３７は光電変換部３３で発生する信号電子を蓄積
するための、光電変換部３３よりも不純物濃度が高い信
号電荷蓄積部、３８は光電変換部３４で発生する信号電
子を蓄積するための、光電変換部３４よりも不純物濃度
が高い信号電荷蓄積部、３９は光電変換部３５で発生す
る信号電子を蓄積するための、光電変換部３５よりも不
純物濃度が高い信号電荷蓄積部、４０は光電変換部３６
で発生する信号電子を蓄積するための、光電変換部３６
よりも不純物濃度が高い信号電荷蓄積部である。
【００２５】また、本第２の実施形態においても第１の
実施形態と同様に信号電荷蓄積部３７、３８、３９、４
０それぞれに対する電荷転送ゲートと、電荷を転送する
ＦＤ部があるが、図５においては省略している。
【００２６】図５に示すように、光電変換部３３、３
４、３５、３６の深さは互いに異なっており、分光感度
がそれぞれ異なる。
【００２７】本発明の第２の実施形態における画素の等
価回路は、図２の等価回路のフォトダイオードを２つに
したものであって、基本的には第１の実施形態における
ものと同様であるため、ここでは図示を省略する。ただ
し、本第２の実施形態ではフォトダイオードの深さの組
み合わせが異なる２種類の画素があり、図６は２種類の
画素Ａ、Ｂの平面的な配置の一例を示したものである。
図６においては、Ａ、Ｂが互いに千鳥配置になってい
る。
【００２８】色を再現するのは、最低３つの独立の色信
号が必要であるため、上記第２の実施形態で説明したよ
うな画素２種類で固体撮像装置を形成することにより、
３つの独立な色信号を得ることができる。また、第２の
実施形態においては、各画素が持つフォトダイオードは
２つなので、第１の実施形態に比べて、深さ方向に重な
るフォトダイオードの形成が容易となり、また転送ＭＯ
Ｓトランジスタ、信号蓄積部の数も減るので、受光面積
を増やすことができる。
【００２９】なお、フォトダイオードの深さの組み合わ
せは図５に示す構成に限るものではなく、信号を分離し
て取り出すことを目的とする色の波長に応じて、適宜変
更することができる。従って、用いる画素の種類も２種
類に限るものではなく、目的に応じてフォトダイオード
の深さの組み合わせが異なる３種類以上の画素を用いて
設計することが可能であることは言うまでもない。
【００３０】＜第３の実施形態＞図７は、本発明の第３
の実施形態を説明するための図である、同図において４
１はカラーフィルタ、４２は４１とは別タイプのカラー
フィルタである。また、図４と同一の部材については図
４と同じ番号を付し、説明を省略する。
【００３１】フォトダイオードを半導体の深さ方向に多
段に形成して色信号を分離するセンサにおいて、各深さ
のフォトダイオードはそれぞれ異なる分光感度を持つ
が、割合は異なるものの、どのフォトダイオードからの
出力にも、赤、緑、青（以下Ｒ、Ｇ、Ｂとする）の波長
光による信号が含まれており、各フォトダイオードの出
力信号からＲ、Ｇ、Ｂの信号を演算により再現よく得る
ことは難しい。
【００３２】このため、本第３の実施形態では、各画素
にシアン、マゼンタ、イエローなどの補色系フィルタを
載せる。たとえばシアンの場合には赤色光を通さないの
で、画素Ａのタイプと組み合わせることにより、青及び
緑の信号が、また、マゼンタの場合には青色光を通さな
いので、緑及び赤の信号が色分離良く出力される。これ
により、各フォトダイオードの信号からＲ、Ｇ、Ｂをよ
り正確に得ることができる。
【００３３】図８（ａ）及び（ｂ）は２層構造のフォト
ダイオードとカラーフィルタの組み合わせの一例を示す
もので、エリアセンサの内４画素分の配列を示し、水平
及び垂直方向に任意の数だけ繰り返し構成される。
【００３４】図８（ａ）は、１画素において同時にＢ及
びＧ成分の光（可視光の内、短〜中波長光）を主に光電
変換するように設定された画素（以下Ｂ／Ｇ画素）と、
Ｇ及びＲ成分の光（可視光の内、中〜長波長光）を主に
光電変換するように設定された画素（以下Ｇ／Ｒ画素）
とを市松状に配列した例を示す。また、Ｂ／Ｇ画素の表
面には、Ｒ成分の光をカットするようにＣｙフィルタ
を、Ｇ／Ｒ画素の表面には、Ｂ成分の光をカットするよ
うにＭｇフィルタを配置する。図８（ａ）に示す配列で
は、各画素から輝度信号となるＧ信号を得ることができ
るので、解像度を維持することができる。
【００３５】このように、２層構造のフォトダイオード
とフィルタとを組み合わせることにより、各画素毎に目
的の２色成分の信号を得ることができる。このようにし
て得られた各画素２色成分の信号には公知の演算を施し
補間することで、各画素３色の信号を得ることができ
る。
【００３６】なお、図７に示す構成例では、画素Ａと画
素Ｂとでフォトダイオードの深さの組み合わせが異なっ
ているがこれに限るものではなく、同一種類のフォトダ
イオード用いて、複数種類のカラーフィルタを混合配置
しても良い。逆に、目的に応じてフォトダイオードの深
さの組み合わせが異なる３種類以上の画素を用いて設計
することが可能であることは言うまでもない。
【００３７】また、図８（ｂ）は、画素上にＧフィルタ
を配置し、Ｇ成分の光を主に光電変換する１層構造のフ
ォトダイオード（以下Ｇ画素）と、画素上にＹｅフィル
タを配置し、Ｂ及びＲ成分の光を主に光電変換するよう
に設定された２層構造のフォトダイオード（以下Ｂ／Ｒ
画素）とを市松状に配列した例を示す。
【００３８】このように構成することで、図１及び図８
（ａ）に示す構成により解像度は劣るものの、より簡易
な構造で１層構造のフォトダイオードを使う場合に比べ
て、解像度の高い画像を得ることができる。
【００３９】＜第４の実施形態＞図９は本発明の第４の
実施形態を表す図である。同図において、４３は画素Ａ
の光電変換部、４４は画素Ｂの光電変換部、４５は光電
変換部４３で発生する信号電子を蓄積するための、４３
よりも不純物濃度が高い信号電荷蓄積部、４６は光電変
換部４４で発生する信号電子を蓄積するための、４４よ
りも不純物濃度が高い信号電荷蓄積部である。図９にお
いて、図７と共通する部材については同じ番号を付し、
説明を省略する。
【００４０】本第４の実施形態においては、ひとつの画
素がひとつのフォトダイオードを持ち、画素の等価回路
は典型的なＣＭＯＳセンサと同じであるが、本第４の実
施形態の画素Ａの光電変換部４３は、隣接する画素の光
電変換部４４の下部に延伸した構造をもっている。この
とき画素Ａのカラーフィルタとして赤、またはイエロー
など長波長対応のものを使用し、画素Ｂのカラーフィル
タとして青、またはシアンなど短波長対応のものを使用
する。短波長光は半導体の浅い部分で大部分が吸収され
るが、長波長光は半導体の深い部分での吸収が多い。も
し、画素Ｂのフォトダイオードも画素Ａと同じ深さを持
っているとすると、画素Ａに斜め入射した長波長光の一
部は画素Ｂのフォトダイオードの下部で信号電荷を発生
させるため、本来画素Ａの信号であるべきものが、画素
Ｂの信号として取り込まれることになる。よって、画素
Ａの信号が減少し、またクロストークが多くなる。
【００４１】しかし、図９に示すフォトダイオード構造
にすることにより、上記不具合が改善され、長波長の信
号が高く、色クロストークが小さい固体撮像装置を実現
することができる。
【００４２】上記の通り本発明の第４の実施形態によれ
ば、長波長を主に光電変換するフォトダイオードを、短
波長を主に変換するフォトダイオードの下部に延伸させ
ることにより、従来の固体撮像装置に比べて長波長信号
の感度が高くし、かつ色クロストークを小さくすること
ができる。
【００４３】＜第５の実施形態＞次に、図１０を参照し
て、上記第１〜第４実施形態で説明した光電変換素子及
び固体撮像装置を用いた撮像システムについて説明す
る。
【００４４】図１０において、４０１はレンズのプロテ
クトとメインスイッチを兼ねるバリア、４０２は被写体
の光学像を固体撮像素子４０４に結像させるレンズ、４
０３はレンズ４０２を通った光量を可変制御するための
絞り、４０４はレンズ４０２により結像された被写体光
学像を画像信号として取り込むための固体撮像素子、４
０５は、固体撮像素子４０４から出力される画像信号を
増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するた
めのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、４０
６は固体撮像素子４０４より出力される画像信号のアナ
ログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、４０７はＡ
／Ｄ変換器４０６より出力された画像データに各種の補
正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、４０８は固
体撮像素子４０４、撮像信号処理回路４０５、Ａ／Ｄ変
換器４０６、信号処理部４０７に、各種タイミング信号
を出力するタイミング発生部、４０９は各種演算とスチ
ルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、４１
０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、４１
１は記録媒体に記録または読み出しを行うための記録媒
体制御インターフェース部、４１２は画像データの記録
または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な
記録媒体、４１３は外部コンピュータ等と通信する為の
インターフェース部である。
【００４５】また図１１は、固体撮像素子４０４の詳細
構成を示す図であり、各画素は、上記第１乃至第４の実
施形態で説明した構成のいずれかを有していてもよい
が、ここでは図１に示す構成を有するものとする。以
下、図１１の構成及びその動作について、図１２のタイ
ミングチャートを参照しながらその動作を説明する。
【００４６】５０１は画素に蓄積された電荷を転送する
行を選択する垂直走査回路、５０２は各画素から転送さ
れた信号電荷及びノイズ電荷を各色毎に一時保持する保
持回路である。図９には保持回路５０２は１組しか示し
ていないが、実際には各列に対応するように複数構成さ
れる。また、５０３は保持回路５０２に蓄積された電荷
を信号出力部５０４に順次転送するための水平走査回路
である。信号処理出力部５０４では転送された電荷を処
理して、各色信号を出力する。
【００４７】次に、固体撮像素子４０４の動作として、
画素Ｐ(1,1)から電荷を読み出す場合について説明す
る。
【００４８】固体撮像素子４０４を所定時間露光後、ま
ず、ｔ1において、信号ＰＣＴＲをハイ（Ｈ）として、
保持回路５０２内の容量ＣＴＮＲ、ＣＴＳＲ、ＣＴＮ
Ｇ、ＣＴＳＧ、ＣＴＮＢ、ＣＴＳＢをリセットする。次
に、ｔ2の少し前に選択信号ＳＥＬ１をＨにして１行目
を選択する。その後、ｔ2でリセット信号ＲＥＳ１をＨ
にし、ＦＤ部２５をリセットする。そしてｔ3でＴｘＲ
１及びＰＴＳＲをＨにし、フォトダイオード１６により
得られた電荷を容量ＣＴＳＲに転送する。次に、ｔ4で
リセット信号ＲＥＳ１を再びＨにしてＦＤ部２５をリセ
ット後、ｔ5でＴｘＧ１及びＰＴＳＧをＨにしてフォト
ダイオード１７により得られた電荷を容量ＣＴＳＧに転
送する。同様に、ｔ6でリセット信号ＲＥＳ１を再びＨ
にしてＦＤ部２５をリセット後、ｔ7でＴｘＢ１及びＰ
ＴＳＢをＨにして、フォトダイオード１８により得られ
た電荷を容量ＣＴＳＢに転送する。
【００４９】次にｔ8の少し前にＲＥＳ１を再びＨに
し、Ｈにしたままの状態で、ＴｘＲ１、ＰＴＮＲ
（ｔ8）、ＴｘＧ１、ＰＴＮＧ（ｔ9）、ＴｘＢ１、ＰＴ
ＮＢ（ｔ10）を順次Ｈにすることで、ノイズ成分をＣＴ
ＮＲ、ＣＴＮＧ、ＣＴＮＢにそれぞれ読み出す。
【００５０】そして、ｔ11でＨ１をＨにして容量ＰＴＳ
ＲとＰＴＮＲ、ＰＴＳＧとＰＴＮＧ、ＰＴＳＢとＰＴＮ
Ｂの電荷を信号処理部５０４の対応する差動アンプに転
送し、露光により蓄積された電荷から、ノイズ成分の電
荷を差し引き、出力する。
【００５１】以降、Ｈ２〜Ｈｎを順次Ｈにし、その間に
ＰＣＨＲをＨにすることによって、信号処理部５０４へ
の配線を所定電位にリセットしながら、１行分の電荷を
順次差動アンプに転送して、差分を出力する。また、ｔ
1以降の動作を行数分繰り返すことで、１フレーム分の
画像信号を読み出すことができる。
【００５２】次に、前述の構成における撮影時のスチル
ビデオカメラの動作について説明する。
【００５３】バリア４０１がオープンされるとメイン電
源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更
にＡ／Ｄ変換器４０６などの撮像系回路の電源がオンさ
れる。
【００５４】その後、露光量を制御する為に、全体制御
・演算部４０９は絞り４０３を開放にし、固体撮像素子
４０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器４０６で変換
された後、信号処理部４０７に入力される。全体制御・
演算部４０９は、信号処理部４０７により所定の信号処
理がされたデータを基に測光を行い、その結果により明
るさを判断し、露出の演算を行う。そして得られた露出
に応じて絞り４０３を制御する。
【００５５】次に、固体撮像素子４０４から出力された
信号を基に、全体制御・演算部４０９は高周波成分を取
り出し被写体までの距離の演算を行う。その後、レンズ
を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断
した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合
焦が確認された後に本露光を始める。
【００５６】露光が終了すると、固体撮像素子４０４か
ら出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器４０６でＡ／Ｄ変
換され、信号処理部４０７を通り全体制御・演算部４０
９によりメモリ部４１０に書き込まれる。
【００５７】その後、メモリ部４１０に蓄積されたデー
タは、全体制御・演算部４０９の制御により記録媒体制
御Ｉ／Ｆ部４１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記
録媒体４１２に記録される。
【００５８】また、外部Ｉ／Ｆ部４１３を通り直接コン
ピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００５９】なお、上記複数層のフォトダイオードを用
いた固体撮像素子は、スチルビデオカメラに限らず、エ
リアセンサを用いる撮像装置に適用することができる。
更には１次元に配列してラインセンサを構成することに
より、スキャナやファクシミリなどの画像読み取り装置
に適用可能である。上記以外にも、固体撮像素子を用い
る様々な公知の装置に広く適用可能であることは、当業
者であれば容易に理解できるであろう。
【００６０】
【発明の効果】上記の通り本発明によれば、複数層のフ
ォトダイオードからの信号読み出し時に、混色を抑え
た、色分離性が高く、ノイズの少ない信号を読み出すこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における複数層のフォ
トダイオード構造を有する画素の断面を示す概略図であ
る。
【図２】本発明の第１の実施形態の画素の等価回路図で
ある。
【図３】本発明の第１の実施形態の画素の動作を説明す
るためのタイミングチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態の画素の動作を説明す
るためのタイミングチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態における複数層のフォ
トダイオード構造を有する画素の断面を示す概略図であ
る。
【図６】本発明の第２の実施形態における画素の配列例
を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における複数層のフォ
トダイオード構造を有する画素の断面を示す概略図であ
る。
【図８】本発明の第３の実施形態における複数層のフォ
トダイオードを用いたエリアセンサの内、４画素分の配
列例を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態における複数層のフォ
トダイオード構造を有する画素の断面を示す概略図であ
る。
【図１０】本発明の第５の実施形態における撮像システ
ムの構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０に示す固体撮像素子の詳細構成例を示
す図である。
【図１２】図１１の固体撮像素子を駆動するためのタイ
ミングチャートを示す図である。
【図１３】従来の３層構造のフォトダイオードのポテン
シャル図である。
【図１４】従来の３層構造のフォトダイオードの断面を
示す図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板 ２、３、４ 光電変換部 ５、６ Ｐ型半導体層 ７、８、９ 信号電荷蓄積部 １０、１１、１２ フローティングディフュージョン部 １３、１４、１５ 転送ゲート １６、１７、１８ フォトダイオード １９、２０、２１ 転送ＭＯＳトランジスタ ２２、２３、２４ 転送ゲート ２５ フローティングディフュージョン部 ２６ 増幅用ＭＯＳトランジスタ ２７ リセット用ＭＯＳトランジスタ ２８ 選択用ＭＯＳトランジスタ ２９ 配線 ３０ 出力線 ３１ リセットゲート線 ３２ 選択ゲート線 ３３、３４、３５、３６ 光電変換部 ３７、３８、３９、４０ 信号電荷蓄積部 ４１、４２ カラーフィルタ ４３、４４ 光電変換部 ４５、４６ 信号電荷蓄積部 ５１ 半導体基板 ５２ 絶縁膜 ５３ 制御電極 ５４、５５、５６ 信号電荷 ５７、５８、５９、６０ Ｎ型半導体層 ６１、６２、６３ ＭＯＳトランジスタ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１導電型の光電変換領域と、前記第１
    導電型と逆の導電型である第２導電型の領域を交互に複
    数積層して成り、前記第１導電型の光電変換領域を、そ
    れぞれ異なる複数の波長帯域の光を主に光電変換するた
    めに適した深さとなるように形成し、各波長帯域毎の信
    号を出力する光電変換素子であって、 前記第１導電型の光電変換領域の表面領域にそれぞれ形
    成され、前記第１導電型の光電変換領域内で光電変換し
    て得られた電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、 前記電荷蓄積部から転送された電荷を電気信号に変換し
    て出力する出力部とを有することを特徴とする光電変換
    素子。
  2. 【請求項２】 前記電荷蓄積部は第１導電型であって、
    前記第１導電型の光電変換領域よりも不純物濃度が高い
    ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 【請求項３】 前記出力部は、ＭＯＳトランジスタによ
    り構成された増幅器であることを特徴とする請求項１又
    は２に記載の光電変換素子。
  4. 【請求項４】 前記電荷蓄積部から信号電荷が転送され
    た後、前記光電変換領域および前記電荷蓄積部が空乏化
    することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
    の光電変換素子。
  5. 【請求項５】 複数の光電変換素子を配列して成る固体
    撮像装置であって、前記各光電変換素子が請求項１乃至
    ４のいずれかに記載の光電変換素子の構成を有すること
    を特徴とする固体撮像装置。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至３のいずれかに記載の光電
    変換素子の構成を有し、それぞれ異なる複数の波長帯域
    の信号を出力する第１及び第２の光電変換素子をそれぞ
    れ複数配列して成る固体撮像装置であって、 前記第１の光電変換素子は、第１及び第２の波長帯域の
    光を主に光電変換し、 前記第２の光電変換素子は、第３及び第４の波長帯域の
    光を主に光電変換することを特徴とする固体撮像装置。
  7. 【請求項７】 前記第１の光電変換素子は前記第１及び
    第２の波長帯域以外の光を遮光するフィルタを有し、前
    記第２の光電変換素子は前記第３及び第４の波長帯域以
    外の光を遮光するフィルタを有することを特徴とする請
    求項６に記載の固体撮像装置。
  8. 【請求項８】 第１の波長帯域の光を主に光電変換し、
    第１の波長帯域以外の光を遮光するフィルタを有する第
    １の光電変換素子と、 請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換素子の構成
    を有し、第２及び第３の波長帯域の光を主に光電変換
    し、前記第１の波長帯域の光を遮光するフィルタを有す
    る第２の光電変換素子とをそれぞれ複数配列して成るこ
    とを特徴とする固体撮像装置。
  9. 【請求項９】 第１導電型の光電変換領域と、前記第１
    導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に
    複数積層して成る固体撮像装置であって、 第１及び第２の波長帯域の光を主に光電変換する第１の
    光電変換素子と、 表面に第３の波長帯域以外の光を遮光するフィルタを有
    し、前記第１の光電変換素子の下部にその一部が形成さ
    れている第２の光電変換素子とをそれぞれ複数配列して
    成り、 第１及び第２の光電変換素子は、それぞれ 前記第１導電型の光電変換領域の表面領域にそれぞれ形
    成され、前記第１導電型の光電変換領域内で光電変換し
    て得られた電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、 前記複数の電荷蓄積部から転送された電荷を電気信号に
    変換して出力する出力部とを有することを特徴とする固
    体撮像装置。
  10. 【請求項１０】 前記電荷蓄積部から信号電荷が転送さ
    れた後、前記第１及び第２光電変換素子の前記光電変換
    領域および前記電荷蓄積部が空乏化することを特徴とす
    る請求項６乃至９のいずれかに記載の固体撮像装置。
  11. 【請求項１１】 請求項５乃至１０のいずれかに記載の
    固体撮像装置を有することを特徴とする撮像装置。
  12. 【請求項１２】 請求項５乃至１０のいずれかに記載の
    固体撮像装置を有することを特徴とする画像読み取り装
    置。
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