JP2005197319A - 光検出装置、固体撮像装置およびカメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 対数変換型イメージセンサの出力電圧変化量を大きくする。
【解決手段】 本発明の光検出装置は、入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタとを備え、対数変換用トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極のうちの一方である第１電極と、ソース電極およびドレイン電極のうちの他方である第２電極と、ゲート電極とを備え、第１電極はフォトダイオードに接続されており、対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、第２電極には所定の電圧が印加されており、対数変換用トランジスタが電気信号の電圧値を対数変換するときに、ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光検出装置、複数の光検出装置を備えた固体撮像装置および固体撮像装置を備えたカメラシステムに関する。

ＣＣＤ型イメージセンサやＭＯＳ型イメージセンサなどの半導体イメージセンサは、多くの画像入力デバイス装置に適用されている。特に近年消費電力が小さく、かつ周辺回路と同じＣＭＯＳ技術で作成できる利点を生かして、ＭＯＳ型イメージセンサが見直されている。さらにＭＯＳ型イメージセンサの分野においては、ＭＯＳトランジスタのサブスレッシュド領域を利用し、光の照射量に対して出力が対数特性をもつ、高ダイナミックレンジ動作を特徴とした、いわゆる対数変換型イメージセンサも注目されている（例えば特許文献１参照）。

図１０に対数変換型イメージセンサの単位画素毎に設けられる光検出装置９００を示す。光検出装置９００においては、フォトダイオード９０１で生成される光電流Ｉｐｄと、対数変換用ＭＯＳトランジスタ９０２のサブスレッシュド電流Ｉｄｓとがつりあうように、出力電圧Ｖｏｕｔの値が決定される。

ここでＭＯＳトランジスタのサブスレッシュド電流Ｉｄｓは以下の式（１）で表される。
Ｉｄｓ＝Ｉｏ ｅｘｐ（（φｇ−Ｖｓ）ｑ／ｋＴ） （１）
ここで、Ｉｏは比例定数であり、ｑは電子１個あたりの電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を表す。φｇはゲート下部のサーフェスポテンシャル、Ｖｓはソース電位である。

ゲート電圧Ｖｇとサーフェスポテンシャルφｇの関係は一般に以下の式（２）で表される。
Ｖｇ＝ｍφｇ＋ａ （２）
ここで、ｍ＝ｄＶｇ／ｄφｇ＝１＋Ｃｄ／Ｃｏｘ〜１．１（Ｃｏｘ：酸化膜容量、Ｃｄ：ゲート下部の空乏層容量）、
ａは定数である。これより以下の式（３）が得られる。
Ｉｄｓ＝Ｉｏ ｅｘｐ（（（Ｖｇ−ａ）／ｍ−Ｖｓ）ｑ／ｋＴ） （３）
ここで、図１０よりＩｄｓ＝Ｉｐｄ、Ｖｇ＝Ｖｄｄとすると、Ｖｏｕｔ（＝Ｖｓ）は以下の式（４）のように表される。
Ｖｏｕｔ＝（Ｖｄｄ−ａ）／ｍ−（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（Ｉｐｄ／Ｉｏ） （４）
以上から、光電流Ｉｐｄに対して出力Ｖｏｕｔが対数特性をもつことがわかる。さらに異なる光量での光電流をＩｐｄ１とＩｐｄ２とし、そのときの出力電圧をＶｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２とすれば、以下の式（５）が得られる。
Ｖｏｕｔ２−Ｖｏｕｔ１＝−（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（Ｉｐｄ２／Ｉｐｄ１） （５）
例えば常温の時に光量が１０倍に変化する時（すなわちＩｐｄ２＝Ｉｐｄ１×１０）、
Ｖｏｕｔ２−Ｖｏｕｔ１＝−（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（１０） 〜 −６０ｍＶ （６）
となる。これは、光量変化率に対する出力電圧変化量が絶対温度以外に依存せず、一定値であることを示している。今、光量変化率をαとすれば、その時の出力電圧変化量は
ΔＶｏｕｔ＝−（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（α） （７）
と表される。

なお、イメージセンサが２次元に配列された複数の光検出装置を備える場合、図１１に示す光検出装置９１０のような光検出装置が用いられる。光検出装置９１０は、光検出装置９００の構成要素に加えて、インピーダンス変換のための画素アンプ９１１と行選択スイッチ部９１２とを備え、列毎に信号が出力されるのが一般的である。光検出装置９１０では、信号線ＳＥＬに電圧が印加されることにより行選択スイッチ部９１２がＯＮ状態となり、画素アンプ９１１から出力された信号が列出力ライン９１３へ出力される。

サブスレッシュド領域で動作する対数変換用ＭＯＳトランジスタ９０２には、素子毎にＭＯＳトランジスタ特性にバラツキがある。このため、各画素間で対数変換用ＭＯＳトランジスタ９０２の動作点がずれることで、いわゆる２次元的な固定パターンノイズが発生することは知られている。この対策として、各画素での出力信号とリセット信号との差分を出力する回路（ＣＤＳ回路）を用いることで固定パターンノイズ低減を図っている（例えば特許文献２参照）。

図１２に光検出装置９２０を示す。光検出装置９２０は、光検出装置９１０の構成要素に加えて、定電流電源９１４と、定電流電源９１４と対数変換用ＭＯＳトランジスタ９０２とに接続されたスイッチ部９１５とを備える。

図１３は、光検出装置９２０の駆動パルスタイミング例を示す。出力信号読み出しタイミングｔ１には、ＳＥＬスイッチを導通させて出力信号を列出力ラインに出力する。この時、Ｖｏｕｔの波形は暗時の場合は電位が高く、明時の場合は電位が低い波形となる。

次に、タイミングｔ２にて、スイッチ部９１５を導通させ、出力信号と比較して十分大きい定電流を発生する定電流電源９１４に対数変換用ＭＯＳトランジスタ９０２のソース電極とを導通させることで、入力がＶｄｄなるソースフォロワ回路が形成される。この状態は、フォトダイオード９０１に過剰な光が入射している状態と同等であり、Ｖｏｕｔの電位は明時暗時に関わらず十分に下がる。

その後タイミングｔ３にて、ＳＥＬスイッチを導通させ、Ｖｏｕｔの電位が十分に下がった時点の出力信号をリセット信号として、列出力ライン９１３に出力する。リセット信号には、対数変換用ＭＯＳトランジスタの特性バラツキが含まれる（より正確には画素アンプの特性バラツキも含まれる）ため、後段のＣＤＳ回路（図示せず）によって、各画素の対数変換用トランジスタ９０２の特性バラツキが相殺され、結果として固定パターンノイズが低減される。タイミングｔ４以降はスイッチ部９１５をオフ状態にし、通常の光検出動作を次の読み出し時（１フレーム期間後）まで続ける。
特開２００３−１５８６８３公報 特開２００１−２４５２１４公報

上述したような従来の光検出装置では、式（６）より１０倍の光量変化率に対して出力電圧変化量は約６０ｍＶである。光検出装置の動作可能な入射光量範囲の上限は、対数変換用ＭＯＳトランジスタの動作がサブスレッシュド領域から逸脱するくらいの大きな電流が発生する高輝度時の光量であり、入射光量範囲の下限は、フォトダイオードで発生する暗電流成分が無視できないくらい小さな電流が発生する低輝度時の光量である。その光量範囲は、１６０ｄＢ（＝１０の８乗）程度である。そのため、出力電圧変化量は６０ｍＶ×８＝４８０ｍＶ程度しかなく、従来の線形変換型イメージセンサの出力電圧変化量が約１Ｖ程度あることと比較して、対数変換型イメージセンサは出力信号のダイナミックレンジが不足している。対数変換型イメージセンサの場合、出力信号を効率よくＡＤ変換するためには、アナログアンプなどでゲインを上げざるを得ず、ノイズが大きくなりるので画質劣化が生じてしまう。このように、対数変換型イメージセンサは、従来の線形変換型イメージセンサに比べて絶対的な出力電圧変化量が小さいことが課題である。

上記課題を鑑みて、本発明は、フォトダイオードから発生した電気信号の電圧値のダイナミックレンジを大きくすることができ、且つ入射光量の変化に伴う電気信号の電圧値の変化量を大きくすることができる光検出装置、複数の光検出装置を備えた固体撮像装置、および固体撮像装置を備えたカメラシステムを提供することを目的とする。

本発明の光検出装置は、入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、上記電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタとを備え、上記対数変換用トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極のうちの一方である第１電極と、上記ソース電極および上記ドレイン電極のうちの他方である第２電極と、ゲート電極とを備え、上記第１電極は上記フォトダイオードに接続されており、上記対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、上記第２電極には第１電圧が印加されており、上記対数変換用トランジスタが上記電気信号の電圧値を対数変換するときに、上記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備え、そのことにより上記目的が達成される。

上記第１電極と上記ゲート電極との間のキャパシタンスは、上記第２電極と上記ゲート電極との間のキャパシタンスよりも大きくてもよい。

上記ゲート電極と上記第１電極とが重複している幅は、上記ゲート電極と上記第２電極とが重複している幅よりも大きくてもよい。

上記ゲート電極と上記第１電極とが重複している面積は、上記ゲート電極と上記第２電極とが重複している面積よりも広くてもよい。

上記対数変換用トランジスタによって対数変換された電圧値を有する電気信号を増幅する増幅部と、上記増幅部に接続された第１スイッチ部とをさらに備え、上記増幅部は増幅した電気信号を上記第１スイッチ部を介して出力してもよい。

上記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段は、上記ゲート電極に接続された第２スイッチ部であり、上記第２スイッチ部がオン状態のときは上記ゲート電極に第２電圧が印加され、上記第２スイッチ部がオフ状態のときは上記ゲート電極の電圧はフローティング状態にされてもよい。

定電流を発生する定電流電源部と、上記第１電極と上記定電流電源部とに接続された第３スイッチ部とをさらに備え、上記第３スイッチ部がオン状態のときに上記第１電極に上記定電流が入力されてもよい。

上記第２スイッチ部および上記第３スイッチ部がオン状態のときに上記対数変換用トランジスタはリセット信号を発生してもよい。

上記第２スイッチ部がオン状態であって上記第１電圧がローレベルに下がった後にハイレベルに上がるときに上記対数変換用トランジスタはリセット信号を発生してもよい。

上記第１電極と上記フォトダイオードとに接続された第４スイッチ部をさらに備え、上記第４スイッチ部がオン状態のときに上記第１電極に上記電気信号が入力されてもよい。

上記第４スイッチ部がオフ状態のときに上記対数変換用トランジスタはリセット信号を発生してもよい。

本発明の複数の光検出装置を備えた固体撮像装置において、上記複数の光検出装置のそれぞれは、入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、上記電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタとを備え、上記対数変換用トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極のうちの一方である第１電極と、上記ソース電極および上記ドレイン電極のうちの他方である第２電極と、ゲート電極とを備え、上記第１電極は上記フォトダイオードに接続されており、上記対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、上記第２電極には所定の電圧が印加されており、上記複数の光検出装置のそれぞれは、上記対数変換用トランジスタが上記電気信号の電圧値を対数変換するときに、上記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備え、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像装置を備えたカメラシステムにおいて、上記固体撮像装置は複数の光検出装置を備え、上記複数の光検出装置のそれぞれは、入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、上記電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタとを備え、上記対数変換用トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極のうちの一方である第１電極と、上記ソース電極および上記ドレイン電極のうちの他方である第２電極と、ゲート電極とを備え、上記第１電極は上記フォトダイオードに接続されており、上記対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、上記第２電極には所定の電圧が印加されており、上記複数の光検出装置のそれぞれは、上記対数変換用トランジスタが上記電気信号の電圧値を対数変換するときに、上記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備え、そのことにより上記目的が達成される。

本発明によれば、フォトダイオードから発生した電気信号の電圧値を対数変換用トランジスタが対数変換するときに、対数変換用トランジスタのゲート電極の電圧はフローティング状態にされる。このことにより、フォトダイオードから発生した電気信号の電圧値のダイナミックレンジを大きくすることができ、且つ入射光量の変化に伴う電気信号の電圧値の変化量を大きくすることができるので、高感度の光検出装置が実現でき、高画質の画像を得ることが出来る。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光検出装置１００を示す。

光検出装置１００は、入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオード１０１と、フォトダイオード１０１が発生した電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタ１０２とを備える。対数変換用トランジスタ１０２は例えばＭＯＳトランジスタであり、ソース電極およびドレイン電極のうちの一方である第１電極１０５と、ソース電極およびドレイン電極のうちの他方である第２電極１０４と、ゲート電極１０３とを備える。本発明の実施の形態では、第１電極１０５はソース電極であり、第２電極１０４はドレイン電極であるが、回路構成に応じて逆でもよい。ソース電極１０５はフォトダイオード１０１に接続されている。対数変換用トランジスタ１０２がサブスレッシュド領域で動作するように、ドレイン電極１０４には電源ラインＶｄｄから所定の電圧が印加されている。ゲート電極１０３は電源ラインＶｄｄに接続されていない。

光検出装置１００は、フォトダイオード１０１が発生した電気信号の電圧値を対数変換用トランジスタ１０２が対数変換するときに、ゲート電極１０３の電圧をフローティング状態にする手段を備える。光検出装置１００では、ゲート電極１０３に電源ラインＶｄｄを接続していない構成が、ゲート電極１０３の電圧をフローティング状態にする手段にあたる。

従来の対数変換用トランジスタのゲート電極が電源ラインＶｄｄに接続されているのに対し、本発明の光検出装置１００のゲート電極１０３は、電源ラインＶｄｄに接続されておらず、電位的にフローティング状態となっている。このときの、ゲート電極１０３とドレイン電極１０４との間のキャパシタンスであるカップリング容量をＣｇｄ、ゲート電極１０３とソース電極１０５との間のキャパシタンスであるカップリング容量をＣｇｓ、ゲート電極１０３と基板との間のキャパシタンスであるカップリング容量をＣｇｂとする。今、ある光量での出力信号電圧をＶｏｕｔ、光電流をＩｐｄ、ゲート電圧をＶｇとすれば、式（３）より、下記式（８）が得られる。
Ｉｐｄ＝Ｉｏ ｅｘｐ（（（Ｖｇ−ａ）／ｍ−Ｖｏｕｔ）ｑ／ｋＴ） （８）
光量がα倍に変化した場合、式（８）は下記式（９）に変形される。
α×Ｉｐｄ＝Ｉｏ ｅｘｐ（（（Ｖｇ＋ΔＶｇ−ａ）／ｍ−（Ｖｏｕｔ＋ΔＶｏｕｔ））ｑ／ｋＴ） （９）
ここで、ΔＶｏｕｔはＶｏｕｔの変化量を示し、ΔＶｇはＶｇの変化量を示す。

ここで、ゲート電極１０３のカップリング容量成分をβとする。β＝Ｃｇｓ／（Ｃｇｄ＋Ｃｇｓ＋Ｃｇｂ）、０＜β＜１とすると、ΔＶｇ＝ΔＶｏｕｔ×βであるので、式（８）および式（９）より下記式（１０）が得られる。
ΔＶｏｕｔ＝−（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（α）／（１−β／ｍ） （１０）
上述した式（７）に比べ、式（１０）には１／（１−β／ｍ）の項が乗されている。通常、サブスレッシュド領域ではＣｇｄ＝Ｃｇｓ、Ｃｇｂ＜＜Ｃｇｓであるからβ〜０．５、ｍ＝１．１となる。このとき、ΔＶｏｕｔは下記式（１１）で表される。
ΔＶｏｕｔ＝−（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（α）×１．８ （１１）
式（１１）より、光検出装置１００は、出力信号の電圧変化量を１．８倍にすることができる。従って、光量の変化範囲が、１６０ｄＢ（＝１０の８乗）の場合、出力信号の電圧変化量は６０ｍＶ×１．８×８＝８６０ｍＶ程度になり、従来の線形変換型イメージセンサの出力信号の電圧変化量（約１Ｖ）とほぼ同等の値が得ることができる。同時に光の変化量に対する出力信号の電圧変化量が１．８倍になっているため、感度も１．８倍に向上する。

このように、本実施の形態の光検出装置１００は、フォトダイオードから発生した電気信号の電圧値のダイナミックレンジを大きくすることができ、且つ入射光量の変化に伴う電気信号の電圧値の変化量を大きくすることができるので、高感度に光を検出することが出来る。

なお、出力電圧変化量を更に上げるために、カップリング容量Ｃｇｓを、カップリング容量Ｃｇｄよりも大きくしてもよい。ゲート電極１０３、ソース電極１０５、ドレイン電極１０４それぞれのレイアウトを変えることで、カップリング容量Ｃｇｓとカップリング容量Ｃｇｄとの間の大小比を変えることができる。

図２に、対数変換用トランジスタ１０２の上面図を示す。図２に示す例では、対数変換用トランジスタ１０２のゲート幅２Ｗｕｍ（すなわちゲート電極１０３とソース電極１０５とが重複している幅）は、対数変換用トランジスタ１０２のゲート幅Ｗｕｍ（すなわちゲート電極１０３とドレイン電極１０４とが重複している幅）よりも約２倍大きい。また、ソース電極１０５のゲート電極１０３下に拡散している面積は、ドレイン電極１０４のゲート電極１０３下に拡散している面積よりも広い。

図２に示す例では、βおよびΔＶｏｕｔは以下の式（１２）、（１３）で表される。
β〜Ｃｇｓ／（Ｃｇｄ＋Ｃｇｓ）＝０．６７ （１２）
ΔＶｏｕｔ＝−（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（α）×２．５ （１３）
式（１３）より、光の変化範囲が１６０ｄＢ（＝１０の８乗）の場合における出力信号の電圧変化量を、６０ｍＶ×２．５×８＝１２００ｍＶと更に大きくできるとともに、感度は２．５倍に向上する。

図３に、対数変換用トランジスタ１０２の断面図を示す。図３に示す例では、ソース電極１０５として機能する高濃度拡散領域１０５ａとゲート電極１０３とが重複する長さ３Ｌｕｍは、ドレイン電極１０４として機能する高濃度拡散領域１０４ａとゲート電極１０３とが重複する長さＬｕｍよりも約３倍長い。重複する長さを変えることでも、ソース電極１０５のゲート電極１０３下に拡散している面積を、ドレイン電極１０４のゲート電極１０３下に拡散している面積よりも広くすることができ、カップリング容量Ｃｇｓをカップリング容量Ｃｇｄよりも大きくすることができる。図３の例（ここでは、ゲート幅はドレイン側とゲート側とで同じ長さとする）では、βおよびΔＶｏｕｔは以下の式（１４）、（１５）で表される。
β〜Ｃｇｓ／（Ｃｇｄ＋Ｃｇｓ）＝０．７５ （１４）
ΔＶｏｕｔ＝−（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（α）×３．１ （１５）
式（１５）より、光の変化範囲が１６０ｄＢ（＝１０の８乗）の場合の出力信号の電圧変化量を６０ｍＶ×３．１×８＝１４９０ｍＶとかなり大きくすることができる。この時の感度向上率は３．１倍である。

なお、ゲート電極１０３とソース電極１０５との間、およびゲート電極１０３とドレイン電極１０４との間のそれぞれにコンデンサー素子を設けても、出力信号の電圧変化量を大きくするという上記と同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図４に、本発明の実施の形態２における固体撮像装置２００を示す。固体撮像装置２００は、２次元に配列された複数の光検出装置４００と、垂直走査回路部２０１と、水平走査回路部２０２とを備える。図４では、説明を簡単にするために４つの光検出装置４００を示しているが、光検出装置４００の個数は任意である。例えば、固体撮像装置２００の画素数が５００万画素である場合には、固体撮像装置２００は光検出装置４００を約５００万個備える。

光検出装置４００は、光検出装置１００が備える構成要素に加えて、対数変換された電気信号の電圧である出力電圧Ｖｏｕｔを増幅するための増幅部４１１と、行選択スイッチ部４１２と、定電流を発生する定電流電源４１４と、定電流電源４１４と対数変換用トランジスタ１０２とに接続されたスイッチ部４１５と、ゲート電極１０３と電源ラインＶｄｄとに接続されたスイッチ部４１６とを備える。

垂直走査回路部２０１は光検出装置４００を行単位で選択し、水平走査回路部２０２は光検出装置４００を列単位で選択する。垂直走査回路部２０１および水平走査回路部２０２は光検出装置４００の動作を制御する制御部として機能する。垂直走査回路部２０１は、複数のラインＳＥＬのうちの所定のラインＳＥＬの電圧値を制御することにより、所定のラインＳＥＬに接続された行選択スイッチ部４１２のＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替える。行選択スイッチ部４１２がＯＮ状態のときに列出力ライン２１３に出力された出力信号が水平走査回路部２０２に入力される。垂直走査回路部２０１は、複数のラインＳＷのうちの所定のラインＳＷの電圧値を制御することにより、所定のラインＳＷに接続されたスイッチ部４１５、４１６のＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替える。スイッチ部４１５がＯＦＦ状態のとき、ソース電極１０５には、フォトダイオード１０１から出力された電気信号は入力されるが、定電流電源部４１４から出力された定電流は入力されないため、この状態では、対数変換用ＭＯＳトランジスタ１０２は、フォトダイオード１０１から出力された電気信号を対数変換する。また、スイッチ部４１５がＯＦＦ状態のときは同時にスイッチ部４１６もＯＦＦ状態になり、電源ラインＶｄｄとゲート電極１０３とが電気的に切断されることにより、ゲート電極１０３の電圧はフローティング状態にされる。このように、スイッチ部４１６は、フォトダイオード１０１から出力された電気信号の電圧値を対数変換用トランジスタ１０２が対数変換するときに、ゲート電極１０３の電圧をフローティング状態にする手段として機能する。

図５は固体撮像装置２００の駆動パルスタイミングを示している。図４および図５を参照して固体撮像装置２００の動作について説明する。

対数変換用トランジスタ１０２のゲート電極１０３をフローティング状態にするためには、一定期間毎にゲート電極１０３を一定電位に固定する必要がある。出力信号読み出しタイミングｔ１には、対数変換用トランジスタ１０２のゲート電極１０３がフローティング状態となっている状態で行選択スイッチ部４１２をＯＮ状態にして出力信号を出力する。この時、Ｖｏｕｔの波形は、図１３と同様、暗時の場合は電位が高く、明時の場合は電位が低い波形となる。

次に、タイミングｔ２にて、スイッチ部４１５、４１６をＯＮ状態にして、出力信号と比較して十分大きい定電流を発生する定電流電源４１４とソース電極１０５とを導通させることで、ソースフォロワ回路が形成される。同時に、対数変換用トランジスタ１０２のゲート電極１０３が、電源ラインＶｄｄの電圧に固定される。この状態は、フォトダイオード１０１に過剰な光が入射している状態と同等であり、Ｖｏｕｔの電位は明時暗時に関わらず十分に下がる。

その後、タイミングｔ３にて、行選択スイッチ部４１２をＯＮ状態にして、電圧Ｖｏｕｔの値が十分に下がった時点で対数変換用トランジスタ１０２から発生する出力信号をリセット信号として、列出力ライン２１３に出力する。

リセット信号には、対数変換用トランジスタ１０２の特性バラツキが含まれる（より正確には画素アンプの特性バラツキも含まれる）ため、後段のＣＤＳ回路（図示せず）によって、各画素の対数変換用トランジスタ１０２の特性バラツキが相殺され、結果として固定パターンノイズが低減される。タイミングｔ４以降はスイッチ部４１５、４１６をＯＦＦ状態にすることによりゲート電極１０３をフローティング状態にして、通常の光検出動作を次の読み出し時（１フレーム期間後）まで続ける。

（実施の形態３）
図６に、本発明の実施の形態３における固体撮像装置３００を示す。固体撮像装置３００は、２次元に配列された複数の光検出装置６００と、垂直走査回路部２０１ａと、水平走査回路部２０２とを備える。図６では、説明を簡単にするために４つの光検出装置６００を示しているが、光検出装置６００の個数は任意である。例えば、固体撮像装置３００の画素数が５００万画素である場合には、固体撮像装置３００は、光検出装置６００を約５００万個備える。

光検出装置６００では、光検出装置４００の構成要素から定電流電源４１４と、スイッチ部４１５とが省略されている。光検出装置６００は、フォトダイオード１０１とソース電極１０５とに接続されたスイッチ部８１５を備える。本実施の形態では、ドレイン電極１０４は、垂直走査回路部２０１ａから伸びる電源ラインＶｄに接続されている。スイッチ部８１５のゲート電極はライン／ＳＷ（／はバーを表す）に接続されている。

垂直走査回路部２０１ａは、複数のラインＳＷのうちの所定のラインＳＷの電圧値を制御することにより、所定のラインＳＷに接続されたスイッチ部４１６のＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替える。垂直走査回路部２０１ａは、複数のライン／ＳＷのうちの所定のライン／ＳＷの電圧値を制御することにより、所定のライン／ＳＷに接続されたスイッチ部８１５のＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替える。垂直走査回路部２０１ａは、複数のラインＳＥＬのうちの所定のラインＳＥＬの電圧値を制御することにより、所定のラインＳＥＬに接続された行選択スイッチ部４１２のＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替える。行選択スイッチ部４１２がＯＮ状態のときに列出力ライン２１３に出力された出力信号が水平走査回路部２０２に入力される。

行選択スイッチ部４１２をＯＮ状態にしてリセット信号を出力するとき、リセット信号は、厳密にはフォトダイオード１０１に流れている明時の光電流や暗時の光電流の影響を受けることになる。その影響を受けないようにするため、光検出装置６００は、フォトダイオード１０１と対数変換型トランジスタのソース電極１０５との間に接続されたスイッチ部８１５を備えている。スイッチ部８１５のＯＮ状態とＯＦＦ状態とは、ラインＳＷに出力される信号の反転信号がライン／ＳＷに出力されることによって切り替えられる。このため、スイッチ部４１６がＯＮ状態のとき（すなわちリセット信号出力時）にスイッチ部８１５はＯＦＦ状態となり、フォトダイオード１０１とソース電極１０５とが切り離される。対数変換用トランジスタ１０２は、フォトダイオード１０１とソース電極１０５とが切り離された状態でリセット信号を出力する。フォトダイオード１０１とソース電極１０５とが切り離された状態でリセット信号を出力することにより、フォトダイオード１０１に流れている光電流の影響をリセット信号が受けなくなり、より正しい電圧値のリセット信号を得ることが出来る。

図７は、光検出装置６００の改変例である光検出装置６００ａを示す。光検出装置６００ａでは、光検出装置６００の構成要素からスイッチ部８１５が省略されている。固体撮像装置３００が光検出装置６００の代わりに光検出装置６００ａを備えるときは、固体撮像装置３００からライン／ＳＷが省略される。

図８は、光検出装置６００ａを備える固体撮像装置３００の駆動パルスタイミングを示している。対数変換用トランジスタ１０２のゲート電極１０３をフローティング状態にするためには、一定期間毎にゲート電極１０３を一定電位に固定する必要がある。出力信号読み出しタイミングｔ１には、対数変換用トランジスタ１０２のゲート電極１０３がフローティング状態になっている状態で、行選択スイッチ部４１２をＯＮ状態にして出力信号を出力する。この時、Ｖｏｕｔの波形は図５と同様、暗時の場合は電位が高く、明時の場合は電位が低い波形となる。

次に、タイミングｔ２にて、垂直走査回路部２０１ａは、スイッチ部４１６をＯＮ状態にして、対数変換用トランジスタ１０２のゲート電極１０３を電源ラインＶｄｄの電圧に固定するとともに、電源ラインＶｄの電圧をローレベルに下げることによってＶｏｕｔの電圧を明時暗時に関わらず強制的にローレベルの電圧に固定する。その後、電源ラインＶｄの電圧をハイレベルに戻すと、サブスレッシュド電流が電源ラインＶｄとソース電極１０５間で流れる。タイミングｔ３にて行選択スイッチ部４１２をＯＮ状態にしたときに対数変換用トランジスタ１０２から発生する出力信号をリセット信号として、列出力ライン２１３に出力する。

リセット信号には、対数変換用トランジスタ１０２の特性バラツキが含まれる（より正確には画素アンプの特性バラツキも含まれる）ため、後段のＣＤＳ回路（図示せず）によって、各画素の対数変換用トランジスタ１０２の特性バラツキが相殺され、結果として固定パターンノイズが低減される。タイミングｔ４以降はスイッチ部４１６をＯＦＦ状態にすることによりゲート電極１０３をフローティング状態にして、通常の光検出動作を次の読み出し時（１フレーム期間後）まで続ける。

光検出装置６００においては、図８に示すタイミングｔ３にて、行選択スイッチ部４１２をＯＮ状態にしてリセット信号を出力するとき、フォトダイオード１０１とソース電極１０５とが切り離されるので、リセット信号が光電流の影響を受けなくなり、より正しい電圧値のリセット信号を得ることが出来る。その他の光検出装置６００の動作は光検出装置６００ａと同じである。

（実施の形態４）
図９に、本発明の実施の形態４におけるカメラシステム７００を示す。カメラシステム７００は、例えば、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯端末装置、スキャナ、ファクシミリ等であり得る。

カメラシステム７００は、光学レンズ部７０１と、固体撮像装置７０２と、メモリ部７０３と、入力インターフェース部７０４と、制御部７０５と、バス７０６とを備える。バス７０６は、各構成要素同士を接続する。

光学レンズ部７０１は外部からの入射光を集光する。固体撮像装置７０２は、光学レンズ部７０１によって集光された光を受け取り、受け取った光を画像信号に変換する。メモリ部７０３は、画像信号が示す画像情報を記憶する。入力インターフェース部７０４はユーザから入力された命令を制御部７０５に出力する。制御部７０５はユーザからの命令に応じて、光学レンズ部７０１、固体撮像装置７０２、メモリ部７０３、入力インターフェース部７０４の動作を制御する。固体撮像装置７０２は例えば実施の形態２および３で説明した固体撮像装置２００または３００である。カメラシステム７００では、上述した高感度の固体撮像装置２００または３００を備えるので、高画質の画像を得ることが出来る。

本発明によれば、フォトダイオードから発生した電気信号の電圧値を対数変換用トランジスタが対数変換するときに、対数変換用トランジスタのゲート電極の電圧はフローティング状態にされる。このことにより、フォトダイオードから発生した電気信号の電圧値のダイナミックレンジを大きくすることができ、且つ入射光量の変化に伴う電気信号の電圧値の変化量を大きくすることができるので、高感度の光検出装置が実現でき、高画質の画像を得ることが出来る。

このように本発明は、光検出装置、固体撮像装置およびカメラシステムの分野において得に有用である。

本発明の実施の形態１における光検出装置を示す図 本発明の実施の形態１における対数変換用トランジスタの上面図 本発明の実施の形態１における対数変換用トランジスタの断面図 本発明の実施の形態２における固体撮像装置を示す図 本発明の実施の形態２における固体撮像装置の駆動パルスタイミングを示す図 本発明の実施の形態３における固体撮像装置を示す図 本発明の実施の形態３における光検出装置を示す図 本発明の実施の形態３における固体撮像装置の駆動パルスタイミングを示す図 本発明の実施の形態４におけるカメラシステムを示す図 従来の光検出装置を示す図 従来の光検出装置の他の例を示す図 従来の光検出装置のさらに他の例を示す図 図１２の光検出装置の駆動パルスタイミングを示す図

符号の説明

１０１ フォトダイオード
１０２ 対数変換用トランジスタ

Claims (14)

1. 入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、
   前記電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタと
   を備え、
   前記対数変換用トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極のうちの一方である第１電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極のうちの他方である第２電極と、ゲート電極とを備え、
   前記第１電極は前記フォトダイオードに接続されており、
   前記対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、前記第２電極には第１電圧が印加されており、
   前記対数変換用トランジスタが前記電気信号の電圧値を対数変換するときに、前記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備える、光検出装置。
2. 前記第１電極と前記ゲート電極との間のキャパシタンスは、前記第２電極と前記ゲート電極との間のキャパシタンスよりも大きい、請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記ゲート電極と前記第１電極とが重複している幅は、前記ゲート電極と前記第２電極とが重複している幅よりも大きい、請求項２に記載の光検出装置。
4. 前記ゲート電極と前記第１電極とが重複している面積は、前記ゲート電極と前記第２電極とが重複している面積よりも広い、請求項２に記載の光検出装置。
5. 前記ゲート電極と前記第１電極とが重複している面積は、前記ゲート電極と前記第２電極とが重複している面積よりも広い、請求項３に記載の光検出装置。
6. 前記対数変換用トランジスタによって対数変換された電圧値を有する電気信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部に接続された第１スイッチ部と
   をさらに備え、
   前記増幅部は増幅した電気信号を前記第１スイッチ部を介して出力する、請求項１に記載の光検出装置。
7. 前記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段は、前記ゲート電極に接続された第２スイッチ部であり、
   前記第２スイッチ部がオン状態のときは前記ゲート電極に第２電圧が印加され、前記第２スイッチ部がオフ状態のときは前記ゲート電極の電圧はフローティング状態にされる、請求項１に記載の光検出装置。
8. 定電流を発生する定電流電源部と、
   前記第１電極と前記定電流電源部とに接続された第３スイッチ部と
   をさらに備え、
   前記第３スイッチ部がオン状態のときに前記第１電極に前記定電流が入力される、請求項７に記載の光検出装置。
9. 前記第２スイッチ部および前記第３スイッチ部がオン状態のときに前記対数変換用トランジスタはリセット信号を発生する、請求項７に記載の光検出装置。
10. 前記第２スイッチ部がオン状態であって前記第１電圧がローレベルに下がった後にハイレベルに上がるときに前記対数変換用トランジスタはリセット信号を発生する、請求項７に記載の光検出装置。
11. 前記第１電極と前記フォトダイオードとに接続された第４スイッチ部をさらに備え、
    前記第４スイッチ部がオン状態のときに前記第１電極に前記電気信号が入力される、請求項７に記載の光検出装置。
12. 前記第４スイッチ部がオフ状態のときに前記対数変換用トランジスタはリセット信号を発生する、請求項１１に記載の光検出装置。
13. 複数の光検出装置を備えた固体撮像装置であって、
    前記複数の光検出装置のそれぞれは、
    入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、
    前記電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタと
    を備え、
    前記対数変換用トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極のうちの一方である第１電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極のうちの他方である第２電極と、ゲート電極とを備え、
    前記第１電極は前記フォトダイオードに接続されており、
    前記対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、前記第２電極には所定の電圧が印加されており、
    前記複数の光検出装置のそれぞれは、前記対数変換用トランジスタが前記電気信号の電圧値を対数変換するときに、前記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備える、固体撮像装置。
14. 固体撮像装置を備えたカメラシステムであって、
    前記固体撮像装置は複数の光検出装置を備え、
    前記複数の光検出装置のそれぞれは、
    入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、
    前記電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタと
    を備え、
    前記対数変換用トランジスタは、ソース電極およびドレイン電極のうちの一方である第１電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極のうちの他方である第２電極と、ゲート電極とを備え、
    前記第１電極は前記フォトダイオードに接続されており、
    前記対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、前記第２電極には所定の電圧が印加されており、
    前記複数の光検出装置のそれぞれは、前記対数変換用トランジスタが前記電気信号の電圧値を対数変換するときに、前記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備える、カメラシステム。
    
    

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