JP2007060377A

JP2007060377A - 固体撮像装置の駆動方法

Info

Publication number: JP2007060377A
Application number: JP2005244240A
Authority: JP
Inventors: Sakaki Horii; 賢樹堀居; Atsushi Hamazaki; 淳浜崎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】
実用に供せられている固体撮像装置はダイナミックレンジが１０^２倍〜１０^３倍しかなく、高輝度被写体の情報は取得できないという大きな課題がある。
光電変換素子部と前記光電変換素子部への印加電圧を制御する機能制御回路部を有してなり、前記機能制御回路部が転送回路部とリセット回路部からなる固体撮像装置に対して、前記転送回路部とリセット回路部の駆動電圧が転送パルス電圧とリセットパルス電圧からなる制御パルス電圧と駆動バイアス電圧からなり、前記駆動バイアス電圧が前記制御パルス電圧と基底電圧の間の中間電圧値に設定されることを特徴とする駆動方法で、ダイナミックレンジを飛躍的に向上させる。
【解決手段】低輝度被写体に対しては線形特性を持ち、高輝度被写体に対しては対数関数特性を持ち、被写体輝度で自動切り替え可能な固体撮像装置を駆動方法の発明により実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置の画質向上に関するものであり、特に埋め込み型光電変換素子を有する固体撮像装置のダイナミックレンジを飛躍的に拡大させる技術に関する。

固体撮像装置としてＣＣＤ固体撮像装置やＣＭＯＳ固体撮像装置（ＭＯＳ型を含む）がデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話等に広く用いられ大きな市場を形成している。固体撮像装置ではＣＣＤ型もＣＭＯＳ型も、光電変換素子としてフォトダイオードを使用し所定の時間、光電変換し信号電荷として読み出す。ＣＭＯＳ固体撮像装置では、フォトダイオードの電荷は検知回路で信号として読み出した後、フォトダイオードを信号電荷が蓄積される前の電圧にリセットし次の信号蓄積を行わせる機能を持つ機能制御回路で構成されている。この機能制御回路部の駆動電圧はフォトダイオードの蓄積電荷を掃き出し、次の電荷を蓄積できるようにするリセットパルス電圧（制御パルス電圧）と、フォトダイオードをフローティングな状態に保つための基底電圧の間で駆動される。

しかし、フォトダイオード表面が酸化膜界面と接触する単純ｐｎフォトダイオード構成ではフォトダイオード表面の界面準位からの不要電荷により暗電流を発生し、固定パターン雑音となるため埋め込みフォトダイオードを用いる必要がある。埋め込みフォトダイオードを用いる場合、機能制御回路部を転送回路部とリセット回路部で構成し、フォトダイオードの信号電荷を転送回路部とリセット回路部間のフローティング拡散層部に移し信号電荷を検知する。その後、埋め込みフォトダイオードを信号電荷が蓄積される前の電圧にリセットし、次の信号蓄積を行わせる。機能制御回路の駆動は埋め込みフォトダイオードの蓄積電荷を掃き出し、次の電荷を蓄積できるようにするリセットパルス電圧（制御パルス電圧）と、埋め込みフォトダイオードの信号電荷をフローティング拡散層部に転送する転送パルス電圧（制御パルス電圧）、埋め込みフォトダイオード及びフローティング拡散層をフローティングな状態に保つための基底電圧の間で駆動される。

取り扱い電荷量は埋め込みフォトダイオードに蓄積できる信号量で決まるため、信号として取り出せる被写体輝度範囲は１０^２倍（２桁）かせいぜい１０^３倍（３桁）となっている。信号として取り扱える被写体輝度範囲特性をダイナミックレンジと呼び、撮像画像の画質に大きな影響を与え、向上が求められている。

ダイナミックレンジを改善するため、従来技術では光電変換素子の信号を対数変換して取り出す構成（例えば、非特許文献１参照）や、固体撮像装置に入射する輝度信号を帰線期間にセンサーで検知し、光電変換素子に並置して設けられた容量に電荷を蓄積し、扱える電荷量を増やす構成（例えば、非特許文献２参照）や低輝度受光域と高輝度受光域を設ける構成（特許文献１参照）が提案されている。しかし、非特許文献２、特許文献１の方式はダイナミックレンジの拡大が数倍程度で飛躍的な効果は見込めない。また、非特許文献１の方式は埋め込みフォトダイオードを持つ画素構成には適用できない状況にある。

光電変換素子部が単純ｐｎフォトダイオードの場合機能制御回路部はリセット機能のみを有すればよく、この画素構成に対しては飛躍的に向上できる駆動方法が考案されている（特許文献２）。しかし、この駆動方式は単純ｐｎフォトダイオードを対象としており、埋め込みフォトダイオード画素構成を対象に考案する必要がある。

萩原義雄他：「対数変換形ＣＭＯＳエリア固体撮像素子」，映像メディア学会誌，ＶＯＬ．５４，ＮＯ．２，ｐｐ２２４−２２８（２０００）大井隆太朗他：「容量選択型可変感度イメージセンサによる広ダイナミックレンジ撮像の基礎検討」，映像メディア学会誌，ＶＯＬ．５９，ＮＯ．１，ｐｐ１３０−１３５（２００５）特許公開２００４−３６３１９３特願２００５−７３０１２

図２は２次元ＣＭＯＳ固体撮像装置の基本構成を示す。光電変換素子としてフォトダイオード１を用い、フォトダイオード１はフォトダイオードの電位を制御する機能制御回路２と、フォトダイオードの電位を検知する検知回路３とに結合されている。所定の時間、光入射によりフォトダイオードで光電変換された信号電荷は所定の行信号線に、行走査回路４からの読み出しパルスφTY が印加され、トランジスタMYをオンし、列信号線７に読み出される。列信号線の信号は、列信号を選択する列走査回路５からの読み出しパルスφTXでトランジスタMXをオンし、出力される。通常、画素ばらつきによる固定パターン雑音を抑制するためにノイズ抑制回路６が設けられ、ノイズ抑制した信号が出力される。フォトダイオード１から信号電荷が読み出されると、そのフォトダイオードは機能制御回路２にリセットパルス電圧φresetが印加され、蓄積していた電荷はドレイン電圧線８に掃き出され、次の光電変換による信号蓄積を開始する。

図３（ａ）は図２の単位画素（図２の点線円部分９）の基本構成を表した図で、広く用いられている蓄積方式で埋め込みフォトダイオードが使用できる画素回路構成である。１はフォトダイオード（ＰＤ）で、フォトダイオードへの印加電圧を制御する機能制御回路部はリセット回路部としてリセットトランジスタＭ１、転送回路部として転送トランジスタＭ２が設けられ、ドレイン電圧線８からフォトダイオード１へドレイン電圧ＶDD が印加できるようになっている。フォトダイオードはフォトダイオード表面の界面電荷により暗電流が発生し、画素間の暗電流ばらつきが固定パターン雑音となるため、拡散層の表面を反極性の高濃度不純物層で覆った埋め込みフォトダイオード構造となっている。埋め込みフォトダイオードは高濃度不純物で表面が覆われた構造となっているため、その電位１０は単純フォトダイオードのようにトランジスタに結合する点１１でフォトダイオードの電位を直接検知できない。そこで転送用トランジスタＭ２を設け、フローティング状態にある拡散層部が持つ容量１２に電荷を転送させ、そのフローティング拡散層部の電位１３を検知トランジスタＭ３で検知させる構成が取られる。トランジスタＭ３で信号検知され、読み出しトランジスタＭＹに加えられる読み出しパルスφＴＹにより信号Ｉsigとして出力される。

図３（ｂ）は既存の駆動方法を説明するための図で、駆動パルスと埋め込みフォトダイオードの電位の変化を示している。時間ｔ1で転送トランジスタＭ２に印加パルスφtransの転送パルス電圧Ｖtransを印加すると転送トランジスタは埋め込みフォトダイオードの電荷蓄積部と導通状態になり、リセットトランジスタＭ１に印加パルスφresetのリセットパルス電圧Ｖresetを印加するとことで、埋め込みフォトダイオード１の蓄積電荷は掃き出され、ドレイン電圧ＶDDが印加される。時間ｔ2で転送トランジスタの印加電圧を０Ｖにすると、転送トランジスタＭ２はオフとなり、埋め込みフォトダイオード１は外部と結合しない状態（フローティング状態）になり、オフになった時間ｔ2から埋め込みフォトダイオードは光入射に応じた電荷を蓄積し、蓄積電荷に対応して埋め込みフォトダイオードの電位１０が変化する。リセットトランジスタＭ１も０Ｖの電圧にすることで、リセットトランジスタＭ１はオフ状態になり、フローティング拡散層部１２は電荷を持たないフローティングな状態となっている。所定の電荷蓄積の後、時間ｔ4（読み出しトランジスタＴＹに読み出しパルスφＴＹの電圧を印加する前の時間）に、転送トランジスタＭ２に転送パルス電圧Ｖtransを印加し、フローティング拡散層部１２に埋め込みフォトダイオードの電荷を（ｔ5−ｔ4）の時間で転送し、時間ｔ6で読み出しトランジスタＴＹに読み出しパルスφＴＹの電圧Ｖreadを印加して、（ｔ7−ｔ6）の時間で、信号として読み出すことになる。

ＶPDは埋め込みフォトダイオードの電位１０の変化を示す図で、低照度で入射光強度が小さく埋め込みフォトダイオードが飽和しない場合は２７に示すような変化をし、全蓄積時間に渡り蓄積電荷量が入射光に比例する関係にあり、良好な信号が得られる。しかし入射光が強く、フォトダイオードが飽和すると２８に示すように信号電荷がフォトダイオードの電荷蓄積容量に達し、それ以上の電位変化は生じなくなる。

ＶFDはフローティング拡散層部１２の電位１３の変化を示す図で、低照度で入射光強度が小さくフォトダイオードが飽和しない場合は２９に示すような変化をし、全蓄積時間に渡り蓄積電荷量に比例した電位変化を示すが、入射光が強く、フォトダイオードが飽和すると３０に示すように最低電位となり、電位変化は検知できなくなる。

述べてきたように、蓄積方式は信号量の低いところで良好な画像を再現できるが、フォトダイオードが扱える電荷量は蓄積容量で決まり蓄積電荷量の拡大は難しく、この方式で扱える輝度信号量（ダイナミックレンジ）は２桁かせいぜい３桁で、１０桁から１１桁のダイナミックレンジを持つ人間の視覚に比べると大幅に小さい。自動車走行用の車載カメラや、監視用カメラ等高輝度の被写体を含む多彩な用途にはさらに数桁の改善が求められている。

蓄積方式を改善させた方法として、光電変換素子に並置して電荷蓄積用の容量を並置し強い輝度信号が入射した場合、並置した容量に電荷を蓄積する方式があるがダイナミックレンジの拡大はせいぜい数倍で大幅な改善は望めない（非特許文献２、特許文献１）。

別の方法として、光電変換素子への印加電圧を制御する機能制御回路部をサブスレッショルド領域で動作するトランジスタ構成をとることで、信号電流を対数変換させ、高輝度の信号量を扱えるようにする対数関数方式が提案されている（非特許文献１）。しかし従来の対数変換方式では、高輝度な被写体には優れているが、入射光量の小さい信号量の少ない低輝度領域では入射光に対する信号量の線形関係が悪く、デジタルカメラやビデオカメラのような自動絞り機能で設定される標準状態の画像は再現性が悪いという欠点がある。さらに、光電変換素子部を埋め込みフォトダイオードで構成する場合には、信号電荷の読み出しができないという基本的問題を抱えているため、実用に供しない状況にある。

発明が解決しようとする課題に述べたように、蓄積方式は自動絞り機能で設定される標準領域での線形関係は優れているものの、埋め込みフォトダイオードの電荷蓄積可能容量で取扱電荷量が決まるために限界があり、高輝度な信号までは扱えないという欠点がある。一方、対数変換方式は必要な被写体領域で再現性良い画質が得られないだけでなく、埋め込みフォトダイオードを持つ画素構成に対して信号を読み出せないという問題を抱えている。

本発明は光電変換素子部への印加電圧を制御する機能制御回路部が転送回路部とリセット回路部を持つ埋め込みフォトダイオード画素構成に対して、対数変換機能が可能な駆動を考案し、低輝度被写体の領域では蓄積方式で駆動させ、高輝度被写体の領域では対数変換方式で駆動させる自動切り替え機能を持たせることで、低照度から高輝度の被写体まで扱えるダイナミックレンジの広い固体撮像装置を実現させる事にある。

本発明は、埋め込みフォトダイオードの電荷とフローティング拡散層部の電荷を掃き出すため、転送回路部の転送トランジスタとリセット回路部のリセットトランジスタに制御パルス電圧として最高電圧ＶＨを印加した後、転送トランジスタとリセットトランジスタの電位を基底電圧であるゼロ電圧にしないで、中間の駆動バイアス電位ＶＭに保持する駆動をさせる。最高電圧ＶＨと中間電位ＶＭの間では、埋め込みフォトダイオードはフローティングな状態に保たれるため、線形的な電荷が蓄積される。埋め込みフォトダイオードに電荷が蓄積され、転送トランジスタの中間電位ＶＭを越えた領域になると転送トランジスタはサブスレッショルド領域で動作することとなり対数関数としてフローティング拡散層部に電荷が流れ出す。さらに、フローティング拡散層部の蓄積容量を越えた電荷になり、リセットトランジスタの中間電位ＶＭを越えた領域になると、リセットトランジスタがサブスレッショルド領域で動作することとなり、対数関数としてドレインに電荷が流れる。このように、蓄積方式と対数関数方式を特別の回路を設けることなく切り替えることが可能な動作を提供することが可能となる。

本発明は、電荷量が少ない領域では埋め込みフォトダイオードがフローティングな電位にあり入射光強度に比例して電荷が線形的に蓄積される蓄積方式で駆動し、電荷量が蓄積可能容量を越えると自動的に対数機能で動作させる駆動ができ、蓄積方式と対数関数方式を併せ持つ固体撮像装置が実現する。

本発明は次のような効果を奏する。
従来の固体撮像装置のダイナミックレンジの１万倍の改善効果があり、従来の固体撮像装置が扱う被写体の８０％の領域で入射光−信号量特性が線形関係を維持し、残り２０％では１０％以内の線形関係を持ち、さらにそれから４桁以上の輝度を持つ入射光量域で信号飽和のない広いダイナミックレンジを持つ固体撮像装置が実現できる。

発明を実施するための最良の形態として、光電変換素子部を埋め込みフォトダイオード、機能制御回路部を、外部リセット制御ゲートを持つリセットトランジスタＭ１と外部転送ゲートを持つ転送トランジスタＭ２とし、フローティング拡散層の電位を検知するトランジスタＭ３を単位画素構成に含んで構成されるＣＭＯＳ固体撮像装置に対して、信号電荷蓄積時間に対応して、トランジスタＭ１、Ｍ２の外部制御ゲート、外部転送ゲートにＶDDの電圧値を最高電圧ＶＨとして印加した後、ＶDD電圧より低い駆動バイアス電圧ＶMを印加することである。

図１（ａ）は光電変換素子部を埋め込みフォトダイオード１、機能制御回路部を、外部制御ゲートを持つリセットトランジスタＭ１と外部転送ゲートを持つ転送トランジスタＭ２とし、フォトダイオードからフローティング拡散層部に転送された電荷による電位変化を検知するトランジスタＭ３を単位画素構成とする構成図で、図１（ｂ）に図１（ａ）の構成のＣＭＯＳ固体撮像装置に本発明を実施する最良の形態例を示す。

図１（ｂ）はリセットトランジスタＭ１の印加パルスφreset、転送トランジスタＭ２の印加パルスφtrans、読み出しトランジスタＭＹに印加されるパルスφＴＹ、埋め込みフォトダイオードの電位ＶPD、フローティング拡散層部の電位ＶFDが示してある。図１（ｂ）の時間ｔ１において、リセットトランジスタＭ１は印加パルスφresetのリセットパルス電圧ＶRH１４、転送トランジスタＭ２は印加パルスφtransの転送パルス電圧ＶTH１７が印加され、オン状態になり、埋め込みフォトダイオード１とフローティング拡散層部１２の蓄積電荷がドレイン電圧線８に掃き出され、ドレイン電圧ＶDDの電位に設定される。時間ｔ２で、転送トランジスタＭ２の駆動バイアス電圧が中間電圧ＶTM１８の電圧に保持され、（ＶDD−ＶTM）の電圧範囲で転送トランジスタＭ２はオフ状態になる。このとき、埋め込みフォトダイオード１はフローティングな状態となる。リセットトランジスタＭ１も駆動バイアス電圧が中間電圧ＶRM１５の電圧に保持され、（ＶDD−ＶRM）の電圧範囲でリセットトランジスタＭ１はオフ状態になる。埋め込みフォトダイオード１には光入射による電荷が蓄積され、電荷の蓄積と共に埋め込みフォトダイオードの電位ＶPD１０は２１のように変化する。所定の信号蓄積時間の後、時間ｔ４で転送トランジスタＭ２に転送パルス電圧ＶTH１７が印加され、フローティング拡散層部１２に埋め込みフォトダイオードの電荷が転送され、フローティング拡散層部１２の電位ＶFD１３は２４のようになり、時間ｔ６で読み出しトランジスタＭＹに読み出しパルスφＴＹの電圧Ｖreadを加えると電位ＶFDの２４の電圧値に対応した電流がトランジスタＭ３に流れ、信号が読み出される。この後再び、時間ｔ８でリセットトランジスタＭ１には印加パルスφresetのリセット電圧値ＶRH、転送トランジスタＭ２には印加パルスφtransの転送パルス電圧値ＶTHが印加された後、中間電圧値ＶRM、ＶTMで保持する動作が行われる。

埋め込みフォトダイオードへ入射する光が強く、フォトダイオードの電位が時間ｔ３で、転送トランジスタＭ２の中間電位ＶTMに達すると、トランジスタＭ２は導通状態となりサブスレッショルド領域で動作し、対数関数の電流がフローティング拡散層１２へ流れる。この場合はフォトダイオードの電位ＶPDは２２のように変化する。時間ｔ３以降トランジスタＭ２から対数関数で流入した電荷はフローティング拡散層１２に蓄積されるが、小さな蓄積容量しか持たないため、このフローティング拡散層の電位１３はトランジスタＭ１の中間電位ＶRMに達する。中間電位ＶRMに達すると、トランジスタＭ１はサブスレッショルド領域で動作し、対数関数の電流がトランジスタＭ１を流れる。フローティング拡散層１２の電位１３は２２のように変化し、時間ｔ６で読み出しトランジスタＭＹに読み出しパルスφＴＹの電圧Ｖreadを加えると電位ＶFDの２５のゲート電圧値に対応した電流がＭ３に流れ、対数特性の信号が読み出される。

トランジスタＭ２とトランジスタＭ１の中間電圧ＶRM、ＶTMは同じ電圧値に設定するのが通常であるが、独立の電圧値に設定することも可能である。異なった中間値の駆動はそれぞれのトランジスタの対数関数領域を変えることができ高輝度領域の特性を用途に合わせて選択でき、実用的な利点が多い。

１．２μｍルールのＣＭＯＳプロセスで、画素寸法７μｍ×７μｍに本発明を実施できる埋め込みフォトダイオード画素回路構成をもった２００×２００画素数の固体撮像装置を試作し、本発明の効果を評価した。

図４は測定結果で、図４（ａ）は横軸を照度にとり対数軸表示をした結果で、図４（ｂ）は低照度部分で横軸を線形軸にとって表示している。図４（ａ）で曲線３１は電圧ＶRH＝ＶTH＝ＶHで３．３Vとし、中間電圧ＶRM＝ＶTM＝ＶMを２．２Vとして動作させたときの試作固体撮像装置の信号電流の照度依存性を測定した結果である。照度が約５×１０^２までは照度と信号電流は比例する特性を示し、１０^２〜１０^３では比例関係から１０％程度はずれた特性を示し、１０^３から上の強い照度に対しては対数関数の特性を示していることが分かる。ダイナミックレンジとしては１０^８以上の飛躍的な向上を示していることが分かる。図４にはＶM＝１．８ＶとＶM ＝０Vの結果も示している。ＶM＝１．８Ｖの場合も同じような依存性を示している。ＶM ＝０Vの場合は従来の動作で、約３００ｌｕｘで飽和して、それ以上の照度では照度依存性は全く無くなっている。

図４（ｂ）は図４（ａ）の低照度部分の測定結果で、照度を表す横軸は線形にとってある。低照度では照度に比例していることが確認できる。線形関係領域から対数関数領域に移る照度は中間電圧ＶMの値に依存しており、ＶMの値が大きくなると線形関係の領域は狭くなり、対数関数領域が広くなることが分かる。VM＝２．２Vの場合で約２４０ｌｕｘで対数関数領域３２に入る結果を示している。

デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話、自動車走行用の車載カメラや、監視用カメラ等多彩な用途分野の画像入力装置に利用できる。

実施例に示す試作結果から中間電圧ＶMを固体撮像装置の用途に合わせて選択することで、画像入力装置に広範な応用が期待できる。

ＣＭＯＳ固体撮像装置に関する本発明の駆動方法を示す概略図である。ＣＭＯＳ固体撮像装置の構成概略図である。本発明が解決しようとする埋め込み光電変換素子型蓄積方式ＣＭＯＳ固体撮像装置の課題を説明する図である。本発明の実施例の特性を示す図である。

符号の説明

１光電変換素子部、埋め込みフォトダイオード
２機能制御回路
３検知回路部
７列信号線
８ドレイン電圧線
９説明のための単位画素指定部
１０埋め込みフォトダイオードの電位
１１埋め込みフォトダイオードに隣接した転送トランジスタのソース側結合部
１２フローティング拡散層部
１３フローティング拡散層部の電位
１４リセットトランジスタのリセットパルス電圧
１５リセットトランジスタの駆動バイアス電圧
１６リセットトランジスタの基底電圧
１７転送トランジスタの転送パルス電圧
１８、２０転送トランジスタの駆動バイアス電圧
１９転送トランジスタの基底電圧
２１非飽和入射光における埋め込みフォトダイオード電位変化概略曲線
２２飽和入射光における埋め込みフォトダイオード電位変化概略曲線
２３蓄積方式から対数関数への信号切り替わり埋め込みフォトダイオード電位
２４非飽和入射光におけるフローティング拡散層部の電位例
２５飽和入射光におけるフローティング拡散層部の電位例
２６フローティング拡散層部の蓄積・対数駆動信号切り替わり電位
２７蓄積方式の非飽和入射光における埋め込みフォトダイオード電位変化概略曲線
２８蓄積方式の飽和入射光における埋め込みフォトダイオード電位変化概略曲線
２９蓄積方式の非飽和入射光におけるフローティング拡散層部の電位例
３０蓄積方式の飽和入射光におけるフローティング拡散層部の電位例
３１ＶRM＝ＶTM＝ＶＭ＝２．２Ｖに対する信号電流の照度依存性の測定結果
３２ＶRM＝ＶTM＝ＶＭ＝２．２Ｖに対する対数関数領域

Claims

光電変換素子部と前記光電変換素子部への印加電圧を制御する機能制御回路部を有し、前記機能制御回路部が転送回路部とリセット回路部からなる固体撮像装置において、前記転送回路部とリセット回路部の駆動電圧が転送パルス電圧とリセットパルス電圧からなる制御パルス電圧と駆動バイアス電圧からなり、前記駆動バイアス電圧が前記制御パルス電圧の最高値と基底電圧の間の中間電圧値で設定されることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法
請求項１の固体撮像装置の駆動方法で、転送回路部とリセット回路部の駆動バイアス電圧が異なる電圧値に設定されることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法