JP2009158737A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高画質な撮像が可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】この撮像装置100は、電子を生成するフォトダイオード部14と、電子を転送するための転送ゲート電極17、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20と、電子を衝突電離させて増倍させるための増倍ゲート部18と、各ゲート電極の下方に設けられ、電子を転送する経路を形成するための転送チャネル13とを備え、撮像期間中に、フォトダイオード部14により生成された電子の少なくとも一部がゲート電極下の転送チャネル13に蓄積されるように構成されている。
【選択図】図2
【解決手段】この撮像装置100は、電子を生成するフォトダイオード部14と、電子を転送するための転送ゲート電極17、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20と、電子を衝突電離させて増倍させるための増倍ゲート部18と、各ゲート電極の下方に設けられ、電子を転送する経路を形成するための転送チャネル13とを備え、撮像期間中に、フォトダイオード部14により生成された電子の少なくとも一部がゲート電極下の転送チャネル13に蓄積されるように構成されている。
【選択図】図2
Description
本発明は、撮像装置に関し、特に、信号電荷を増加するための領域を備えた撮像装置に関する。
従来、電子(信号電荷)を増加(増倍)させるための領域を備えた撮像装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、光電変換により入射した光を電子に変換するためのフォトダイオード(光電変換部)と、フォトダイオードに蓄積された電荷を転送するための電極と、フォトダイオードから転送された電荷を増加させるための電極と、増加された電荷を電圧信号に変換するためのフローティングディフュージョン領域に転送するための電極とを備えたCMOSイメージセンサが開示されている。
上記特許文献1に記載の撮像装置は、低照度での高感度撮像に適したものであるが、高照度での撮像においても更なる画質の向上が望まれている。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、高画質な撮像が可能となる撮像装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における撮像装置は、信号電荷を生成する光電変換部と、信号電荷を転送するための転送電極と、信号電荷を衝突電離させて増加させるための増加部と、転送電極の下方に設けられ、信号電荷を転送する経路を形成するための転送領域とを備え、撮像期間中に、光電変換部により生成された信号電荷の少なくとも一部が転送電極に対応する転送領域に蓄積されるように構成されている。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による撮像装置の全体構成を示したブロック図である。また、図2〜図7は、本発明の第1実施形態による撮像装置を説明するための図である。まず、図1〜図7を参照して、第1実施形態による撮像装置100の構成について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態による撮像装置の全体構成を示したブロック図である。また、図2〜図7は、本発明の第1実施形態による撮像装置を説明するための図である。まず、図1〜図7を参照して、第1実施形態による撮像装置100の構成について説明する。
第1実施形態による撮像装置100は、図1に示すように、撮像素子1と、システムコントロール回路2と、駆動電源3と、タイミング制御回路4と、駆動ドライバ5と、信号処理回路6と、信号出力レベル判別回路7と、光学系8と、信号出力部9とを備えている。
第1実施形態における撮像素子1は、アクティブ(Active)型のCMOSイメージセンサにより構成されている。システムコントロール回路2は、装置全体を制御するための機能を有する。駆動電源3は、撮像素子1に電源を供給するために設けられている。タイミング制御回路4は、撮像素子1に信号を供給する際のタイミング信号を生成する機能を有するとともに、生成したタイミング信号を駆動ドライバ5に供給するように構成されている。駆動ドライバ5は、タイミング制御回路4から供給されるタイミング信号に基づいて駆動電源3から供給される信号(電圧)を撮像素子1に出力する機能を有する。信号処理回路6は、撮像した撮像データをアナログ信号からデジタル信号に変換するとともに、信号出力レベル判別回路7および信号出力部9に画像信号として出力する機能を有する。また、信号出力レベル判別回路7は、信号処理回路6から出力された信号(デジタルデータ)が供給された際に、供給された信号のレベルを判別するために設けられている。なお、システムコントロール回路2および信号出力レベル判別回路7は、それぞれ、本発明の「制御部」および「判別手段」の一例である。
また、アクティブ型のCMOSイメージセンサからなる撮像素子1は、図2に示すように、マトリクス状(行列状)に配置された複数の画素1aを含む撮像部1bと、行選択レジスタ1cと、列選択レジスタ1dとを備えている。
撮像素子1における画素1aの断面構造としては、図3および図4に示すように、n型シリコン基板(図示せず)の表面上に形成されたp型ウェル領域11の表面に、各画素1aをそれぞれ分離するための素子分離領域12が形成されている。また、素子分離領域12によって囲まれる各画素1aのp型ウェル領域11の表面には、n−型不純物領域からなる転送チャネル13を挟むように所定の間隔を隔てて、フォトダイオード部(PD)14およびn型不純物領域からなるフローティングディフュージョン領域15(FD)が形成されている。なお、転送チャネル13およびフォトダイオード部14は、それぞれ、本発明の「転送領域」および「光電変換部」の一例である。
フォトダイオード部14は、入射光量に応じて電子を生成するとともに、その生成された電子を蓄積する機能を有する。また、フォトダイオード部14は、素子分離領域12に隣接するとともに、転送チャネル13に隣接するように形成されている。また、フローティングディフュージョン領域15は、転送された電子による電荷信号を保持するとともに、この電荷信号を電圧に変換する機能を有する。また、フローティングディフュージョン領域15は、転送チャネル13に隣接するように形成されている。これにより、フローティングディフュージョン領域15は、転送チャネル13を介してフォトダイオード部14と対向するように形成されている。
また、転送チャネル13の上面上には、SiO2からなるゲート絶縁膜16が形成されている。また、ゲート絶縁膜16上には、転送ゲート電極17と、増倍ゲート電極18と、転送ゲート電極19、蓄積ゲート電極20および読出ゲート電極21とが、フォトダイオード部14側からフローティングディフュージョン領域15側に向かってこの順番に形成されている。また、フローティングディフュージョン領域15を読出ゲート電極21と挟むような位置に、ゲート絶縁膜16を介してリセットゲート電極22が形成されているとともに、リセットゲート電極22を挟んでフローティングディフュージョン領域15と対向する位置に、リセットドレイン領域23が形成されている。また、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13には、光電変換により生成された電子を増倍させる領域である電子増倍部13aが設けられている。また、蓄積ゲート電極20下の転送チャネル13には、主に電子の増倍動作時に、電子を一時蓄積しておく領域である電子蓄積部13bが設けられている。なお、転送ゲート電極17、増倍ゲート電極18、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20は、それぞれ、本発明の「転送電極」の一例であるとともに、増倍ゲート電極18は、本発明の「増加電極」の一例である。また、電子増倍部13aは、本発明の「増加部」の一例である。
また、転送ゲート電極17は、フォトダイオード部14と増倍ゲート電極18との間に形成されている。また、読出ゲート電極21は、蓄積ゲート電極20とフローティングディフュージョン領域15との間に形成されている。また、読出ゲート電極21は、フローティングディフュージョン領域15と隣接するように形成されている。
また、図4〜図6に示すように、転送ゲート電極17、増倍ゲート電極18、転送ゲート電極19、蓄積ゲート電極20および読出ゲート電極21には、それぞれ、コンタクト部17a、18a、19a、20aおよび21aを介して、電圧制御のためのクロック信号Φ1、Φ2、Φ3、Φ4およびΦ5を供給する配線層30、31、32、33および34が電気的に接続されている。なお、この配線層30、31、32、33および34は、行毎に形成されているとともに、各行の複数の画素1aの転送ゲート電極17、増倍ゲート電極18、転送ゲート電極19、蓄積ゲート電極20および読出ゲート電極21にそれぞれ電気的に接続されている。また、各行毎に形成された配線層30、31、32および33は、それぞれ、配線層30a、31a、32aおよび33a(図6参照)に接続されているとともに、配線層30a、31a、32aおよび33aは、駆動ドライバ5(図1参照)に接続されている。そして、クロック信号Φ1、Φ2、Φ3およびΦ4は、配線層30a、31a、32aおよび33aを介して、各配線層30、31、32および33に供給されるように構成されている。
また、フローティングディフュージョン領域15には、コンタクト部15aを介して信号を取り出すための信号線35が電気的に接続されている。
また、図4および5に示すように、各々の画素1aは、転送ゲート電極17と、増倍ゲート電極18と、転送ゲート電極19と、蓄積ゲート電極20と、読出ゲート電極21と、リセットゲート電極22を含むリセットトランジスタTr1と、増幅トランジスタTr2と、画素選択トランジスタTr3とを備えている。転送ゲート電極17には、フォトダイオード部14が隣接されている。また、リセットトランジスタTr1のリセットゲート電極22には、コンタクト部22aを介してリセットゲート線40が接続されており、リセット信号が供給される。リセットトランジスタTr1のドレイン(リセットドレイン23)は、コンタクト部23aを介して電源電圧(VDD)線41に接続される。また、リセットトランジスタTr1のソースおよび読出ゲート電極21のソースを構成するフローティングディフュージョン領域15と増幅トランジスタTr2のゲート50とは、コンタクト部15aおよび50aを介して信号線35により接続されている。また、増幅トランジスタTr2のソースには、画素選択トランジスタTr3のドレインが接続されている。また、画素選択トランジスタTr3のゲート51には、コンタクト部51aを介して行選択線42が接続されるとともに、ソースには、コンタクト部52を介して出力線43が接続されている。
また、第1実施形態における撮像素子1は、上記の回路構成を行うことにより、配線数およびデコードのためのトランジスタ数を減らすように構成されている。これにより、CMOSイメージセンサの全体的な小型化が可能なように構成されている。なお、この回路構成を行うことにより、読出ゲート電極21のオンオフ制御は行毎に行われる一方で、読出ゲート電極21以外のゲート電極のオンオフ制御は、画素1a全体に対して一斉に行われる。
また、図4に示すように、転送ゲート電極17、転送ゲート電極19、蓄積ゲート電極20および読出ゲート電極21に、それぞれ、配線層30、32、33および34を介してクロック信号Φ1、Φ3、Φ4およびΦ5のオン信号が供給されている場合には、転送ゲート電極17、転送ゲート電極19、蓄積ゲート電極20および読出ゲート電極21に約2.9Vの電圧が印加されるように構成されている。なお、転送ゲート電極17、転送ゲート電極19、蓄積ゲート電極20および読出しゲート電極11にオン信号が供給される場合に印加される各電圧は、それぞれ、本発明の「第1電圧」の一例である。
また、転送ゲート電極17、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20に約2.9Vの電圧が印加される場合には、転送ゲート電極17下、転送ゲート電極19下および蓄積ゲート電極20下の転送チャネル13が約4Vの電位に調整された状態になるように構成されている。
ここで、第1実施形態では、増倍ゲート電極18には、配線層31から電圧の異なる2つのオン信号(Φ2)を供給可能なように構成されている。以下、2つのオン信号が供給される構成について説明する。
図6に示すように、各画素1aの行毎に形成された配線層31は、それぞれ、配線層31aに接続されているとともに、配線層31aは、駆動ドライバ5に設けられた3値駆動ドライバ5aの出力側に接続されている。また、3値駆動ドライバ5aの入力側には、第1入力パルスが供給される配線5bの一方端と、第2入力パルスが供給される配線5cの一方端とがそれぞれ接続されている。また、配線5bおよび配線5cの各他方端側は、タイミング制御回路4(図1参照)に接続されている。また、3値駆動ドライバ5aには電圧の異なる2つのオン信号(図6のVon1およびVon2)が供給される配線5dおよび5eと、オフ信号(図6のVoff)が供給される配線5fとが接続されている。これにより、2つのオン信号およびオフ信号からなる3種類の信号のうち、3値駆動ドライバ5aに入力される第1入力パルスおよび第2入力パルスの組み合わせに対応する信号が切り替えられて配線層31aに出力されるように構成されている。なお、3値駆動ドライバ5aは、本発明における「切替手段」の一例である。
ここで、3値ドライバ5aの具体的な構成としては、図7に示すように、3値駆動ドライバ5aに供給される第1入力パルスおよび第2入力パルスがそれぞれLレベルの信号である場合には、約24Vの出力パルス(Von1)であるΦ2の第1オン信号が配線層31aに出力されるように構成されている。また、第1入力パルスがLレベルの信号であるとともに第2入力パルスがHレベルの信号である場合には、約2.9Vの出力パルス(Von2)であるΦ2の第2オン信号が出力されるように構成されている。なお、第1入力パルスがHレベルの信号であるとともに第2入力パルスがLレベルの信号である場合には、3値駆動ドライバ5内の回路のインピーダンスが実質的に無限大となり、出力側から信号が出力されない。また、第1入力パルスおよび第2入力パルスがそれぞれHレベルの信号である場合には、0Vの出力パルス(Voff)であるΦ2のオフ信号が出力されるように構成されている。以上の回路構成により、増倍ゲート電極18には、電圧の異なる2つのオン信号とオフ信号とのいずれか1つの信号が出力されるように構成されている。
また、図4に示すように、増倍ゲート電極18に配線層31からクロック信号Φ2の第1オン信号が供給されている場合には、増倍ゲート電極18に約24Vの電圧(Von1)が印加されることにより、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13(電子増倍部13a)が約25Vの高い電位に調整された状態になるように構成されている。また、このとき、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13(電子増倍部13a)に高電界が印加されるように構成されている。そして、フォトダイオード部14から転送ゲート電極17下の転送チャネル13を介して転送された電子が、電子増倍部13aに発生した高電界により加速するとともに、不純物領域における格子原子との衝突電離によって増倍されるように構成されている。つまり、第1実施形態では、フォトダイオード部4に蓄積された電子を増倍させる場合に、Φ2の第1オン信号を増倍ゲート電極18に供給するように構成されている。なお、増倍ゲート電極18に第1オン信号が供給される場合に印加される電圧(Von1)は、本発明の「第2電圧」の一例である。
また、増倍ゲート電極18に配線層31からクロック信号Φ2の第2オン信号が供給されている場合には、増倍ゲート電極18に約2.9Vの電圧(Von2)が印加されることにより、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13が約4Vの電位に調整された状態になるように構成されている。この場合、第1実施形態では、フォトダイオード部14に蓄積された電子を増倍させることなくフローティングディフュージョン領域15に転送する際には、Φ2の第2オン信号を増倍ゲート電極18に供給するように構成されている。なお、増倍ゲート電極18に第2オン信号が供給される場合に印加される電圧(Von2)は、本発明の「第1電圧」の一例である。
また、増倍ゲート電極18、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20に、それぞれ、クロック信号Φ2、Φ3およびΦ4のオフ信号が供給されている場合には、増倍ゲート電極18、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20に0Vの電圧が印加されるように構成されている。このとき、増倍ゲート電極18下、転送ゲート電極19下および蓄積ゲート電極20下に対応する転送チャネル13は、約1Vの電位に調整された状態となる。また、転送ゲート電極17および読出ゲート電極21に、それぞれ、クロック信号Φ1およびΦ5のオフ信号が供給されている場合には、転送ゲート電極17および読出ゲート電極21に約−2Vの電圧が印加されるように構成されている。このとき、転送ゲート電極17下および読出ゲート電極21下の転送チャネル13は、約0.5Vの電位に調整された状態となる。これにより、転送ゲート電極17下の転送チャネル13は、転送ゲート電極17にオフ信号が供給されている場合には、フォトダイオード部14と、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13(電子増倍部13a)とを区分する分離障壁として機能する。また、読出ゲート電極21にオフ信号が供給されている場合には、蓄積ゲート電極20下の転送チャネル13(電子蓄積部13b)とフローティングディフュージョン領域15とを区分する機能を有する。
また、フローティングディフュージョン領域15は、約5Vの電位になるように調整されている。また、リセットドレイン領域23は、約5Vの電位になるように調整されているとともに、フローティングディフュージョン領域15に保持された電子の排出部としての機能を有する。
また、転送ゲート電極17は、オン信号が供給されることにより、フォトダイオード部14により生成された電子を、転送ゲート電極17下の転送チャネル13を介して増倍ゲート電極18下の転送チャネル13に位置する電子増倍部13aに転送する機能を有している。
また、転送ゲート電極19は、オン信号が供給されることにより、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13(電子増倍部13a)と、蓄積ゲート電極20下の転送チャネル13に設けられた電子蓄積部13bとの間において電子を転送する機能を有する。
また、転送ゲート電極19は、オフ信号が供給されることにより、増倍ゲート電極18下の電子増倍部13aと蓄積ゲート電極20下の電子蓄積部13bとの間を電子が転送されるのを抑制するための電荷転送障壁として機能する。
また、読出ゲート電極21は、オン信号が供給されることにより、蓄積ゲート電極20下の転送チャネル13(電子蓄積部13b)に蓄積された電子をフローティングディフュージョン領域15に転送する機能を有する。
図8は、本発明の第1実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子に信号を供給する際の制御について説明するための図である。次に、図1および図8を参照して、本発明の第1実施形態による撮像装置100の撮像期間において、撮像素子1に信号を供給する際の制御について説明する。
まず、図1に示すように、撮像装置100による画像の撮像時において、外部から光学系を介して撮像素子1のフォトダイオード部14に光が入射するとともに、入射光が光電変換されることにより電子(電荷信号)が生成される。そして、電子(電荷信号)は、転送チャネル13を介してフローティングディフュージョン領域15に転送されるとともに、フローティングディフュージョン領域15において電圧信号に変換されて信号処理回路6に出力される。そして、信号処理回路6によりアナログ信号からデジタル信号に変換された画像信号は、信号出力レベル判別回路7および信号出力部9に出力される。そして、信号出力レベル判別回路7において、供給された電圧信号のレベルが判別される。
ここで、第1実施形態では、図8に示すように、信号出力レベル判別回路7において判別された信号のレベルが所定の大きさ以上である場合、システムコントロール回路2により、撮像期間において撮像素子1内のゲート電極をオン状態にするように制御される。これにより、撮像動作が行われた際に、光電変換により生成された電子は、フォトダイオード部14と、オン状態に制御されたゲート電極下の転送チャネル13とにより蓄積される。また、システムコントロール回路2により、信号のレベルに応じて、撮像期間にオン状態にするゲート電極の本数が制御される。このとき、複数のゲート電極をオン状態にするように制御される場合には、フォトダイオード部14側に近い側のゲート電極から順次オン状態になる。たとえば、信号出力レベル判別回路7により判別された信号のレベルが、図8におけるXの大きさであった場合、システムコントロール回路2により、撮像期間に、フォトダイオード部14側から近い側の2本のゲート電極である転送ゲート電極17および増倍ゲート電極18がオン状態になる。これにより、撮像動作により光電変換された電子は、フォトダイオード部14と、転送ゲート電極17下および増倍ゲート電極18下に対応する転送チャネル13とにより保持される。また、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13により電子を保持するように制御される際には、増倍ゲート電極18には第2オン信号(Von2)が供給される。つまり、転送ゲート電極17下の転送チャネル13と増倍ゲート電極18下の転送チャネル13とは、約4Vの同電位の状態になる。
図9、図11および図12は、本発明の第1実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作および増倍動作を説明するための信号波形図である。図10および図13は、本発明の第1実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作および増倍動作を説明するためのポテンシャル図である。次に、図9〜図13を参照して、第1実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作および増倍動作について説明する。
まず、電子の転送動作について説明する。なお、第1実施形態では、撮像期間において、光電変換された電子は、フォトダイオード部14に加えて、転送ゲート電極17、増倍ゲート電極18、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20の4本の各ゲート電極下の転送チャネル13により保持される例について説明する。
まず、図9および図10に示す期間A(撮像期間前)には、全てのゲート電極がオフ状態に制御されている。次に、期間B(撮像期間)において、転送ゲート電極17、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20に、それぞれ、Φ1、Φ3およびΦ4のオン信号が供給されるとともに、増倍ゲート電極18に、Φ2の第2オン信号が一斉に供給される。これにより、転送ゲート電極17、増倍ゲート電極18、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20の各ゲート電極下の転送チャネル13が、それぞれ約4Vの電位に調整された状態となる。そして、このとき、光電変換によりフォトダイオード部14に電子が生成されるとともに、生成された電子は、フォトダイオード部14、転送ゲート電極17、増倍ゲート電極18、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20における各ゲート電極下の転送チャネル13とにより保持される。そして、期間Cにおいて、読出ゲート電極21にΦ5のオン信号が供給された後に、オン状態である4つのゲート電極が、フォトダイオード部14に近い側から順次オフ状態になるように調整される。これにより、電子は、転送ゲート電極17側の転送チャネル13から蓄積ゲート電極20側の転送チャネル13にまで順次転送される。そして、期間Cの最後に蓄積ゲート電極20をオフ状態に調整することにより、電子はオン状態に調整された読出ゲート電極21下の転送チャネル13を介して、より高電位であるフローティングディフュージョン領域15に転送される。そして、期間Dにおいて、読出ゲート電極21をオフ状態に調整することにより、全ての電子がフローティングディフュージョン領域15に転送される。これにより、電子の転送動作が終了される。
次に、電子の増倍動作について説明する。まず、図11および図13に示す期間Eにおいて、転送ゲート電極17をオン状態にすることにより、フォトダイオード部14に保持された電子が、転送ゲート電極17下の転送チャネル13に転送される。そして、転送ゲート電極17がオン状態に調整された状態で、増倍ゲート電極18にΦ2の第2オン信号が供給されることにより、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13が約4Vの電位に調整される。そして、転送ゲート電極17をオフ状態にすることにより、電子は、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13に転送される。そして、期間Fにおいて、転送ゲート電極19をオン状態に調整した状態で、増倍ゲート電極18をオフ状態に調整することにより、電子は、転送ゲート電極19下の転送チャネル13に転送される。そして、期間Gにおいて、蓄積ゲート電極20をオン状態に調整した状態で、転送ゲート電極19をオフ状態にすることにより、電子は蓄積ゲート電極20下の転送チャネル13(電子蓄積部13b)に蓄積された状態となる。
この状態で、期間Hにおいて、増倍ゲート電極18にΦ2の第1オン信号を供給した後に、転送ゲート電極19をオン状態にする。これにより、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13の電位が約25Vの高い電位に調整された状態で、転送ゲート電極17下の転送チャネル13の電位が約4Vに調整される。そして、期間Hの最後に、蓄積ゲート電極20をオフ状態にすることにより、電子は転送ゲート電極19下の転送チャネル13に転送される。そして、期間Iにおいて、転送ゲート電極19をオフ状態に調整することによって、電子は、より高電位である増倍ゲート電極18下の転送チャネル13(電子増倍部13a)に転送されるとともに、電子増倍部13aにおいて衝突電離することにより増倍される。なお、上述の動作(電子増倍部13aおよび電子蓄積部13b間の電子の転送動作)が複数回(たとえば、約400回)行われるように制御されることにより、フォトダイオード部14から転送された電子は約2000倍に増倍される。また、このように増倍されて蓄積された電子による電荷信号は、フローティングディフュージョン領域15および信号線25を介して、電圧信号として読み出される。
第1実施形態では、上記のように、撮像期間中に光電変換により生成された電子をフォトダイオード部14と各ゲート電極下の転送チャネル13とにより蓄積するように構成することによって、光電変換により生成された電子をフォトダイオード部14のみにより蓄積する場合に比べて、蓄積可能な電子量(飽和電荷量)を増加させることができる。これにより、高照度の条件下で撮像を行う場合、フォトダイオード部14に入射される光量が多いことに起因して、光電変換により生成される全ての電子を保持することができなくなるのを抑制することができるので、画像を確実に表示できなくなることを抑制することができる。つまり、撮像装置のダイナミックレンジ(最明部と最暗部との比)が小さくなるのを抑制することができるので、高画質な撮像を行うことができる。
また、上記第1実施形態では、信号出力レベル判別回路7により画像信号が所定の信号レベル以上であった場合にのみ、対応するゲート電極をオン状態にするように構成するとともに、電圧信号の信号レベルに応じて、撮像期間中にオン状態にするゲート電極の数を制御するように構成することによって、撮像期間中に常に各ゲート電極をオン状態にする場合に比べて、消費電力が増加するのを抑制することができるとともに、ゲート電極下に暗電流が発生するのを抑制することができる。
また、上記第1実施形態では、3値駆動ドライバ5を設け、増倍ゲート電極18に対して電子の増倍動作時には第1オン信号を供給するとともに、電子の転送動作時には第2オン信号を供給するように構成することによって、電圧の異なる2つのオン信号を使い分けて増倍ゲート電極18に供給することができる。したがって、電子の増倍機能を備えた撮像装置において、たとえば、電子の転送動作時など、電子の増倍動作時以外の動作時に増倍ゲート電極18にオン信号を供給する場合に、常に、電子の増倍動作時に用いる高い電圧からなるオン信号を供給する必要がない。したがって、その分、消費電力を低減することができる。
(第2実施形態)
図14は、本発明の第2実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図15は、本発明の第2実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第2実施形態では、図14および図15を参照して、第1実施形態の構成において、電子の転送動作の際に、増倍ゲート電極18に第1オン信号(Von1)を供給する例について説明する。
図14は、本発明の第2実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図15は、本発明の第2実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第2実施形態では、図14および図15を参照して、第1実施形態の構成において、電子の転送動作の際に、増倍ゲート電極18に第1オン信号(Von1)を供給する例について説明する。
まず、図14および図15に示す期間J(撮像期間前)においては、第1実施形態と同様に、全てのゲート電極がオフ状態に制御されている。次に、第2実施形態では、期間K(撮像期間)において、転送ゲート電極17、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20に、それぞれ、Φ1、Φ3およびΦ4のオン信号が供給されるとともに、増倍ゲート電極18にΦ2の第1オン信号が供給される。これにより、転送ゲート電極17、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20の各ゲート電極下の転送チャネル13が、それぞれ約4Vの電位に調整された状態となるとともに、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13が、約25Vの電位に調整される。そして、このとき、フォトダイオード部14に光が入射され、光電変換によりフォトダイオード部14に電子が生成されるとともに、生成された電子は、フォトダイオード部14、転送ゲート電極17、増倍ゲート電極18、転送ゲート電極19および蓄積ゲート電極20における各ゲート電極下の転送チャネル13とに保持される。そして、期間Lにおいて、読出ゲート電極21にΦ5のオン信号が供給された後に、オン状態である4つのゲート電極が、フォトダイオード部14に近い側から順次オフ状態になるように調整される。これにより、電子は、転送ゲート電極17側の転送チャネル13から蓄積ゲート電極20側の転送チャネル13にまで順次転送される。そして、期間Lの最後に蓄積ゲート電極20をオフ状態に調整することにより、電子はオン状態に調整された読出ゲート電極21下の転送チャネル13を介して、より高電位であるフローティングディフュージョン領域15に転送される。そして、期間Mにおいて、読出ゲート電極21をオフ状態に調整することにより、全ての電子がフローティングディフュージョン領域15に転送される。これにより電子の転送動作が終了される。
なお、第2実施形態のその他の動作は、第1実施形態の動作と同様である。
第2実施形態では、上記のように、増倍ゲート電極18にΦ2の第1オン信号を供給した場合であっても、撮像期間にフォトダイオード部14と各ゲート電極下の転送チャネル13とにより電子を保持することができる。また、この場合、増倍ゲート電極18に第1オン信号を供給することによって、増倍ゲート電極18下の転送チャネル13が約25Vの高い電位に調整されるので、その分、より多くの電子を保持することができる。
第2実施形態のその他の効果は、第1実施形態の効果と同様である。
(第3実施形態)
図16は、本発明の第3実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子の画素部分における断面図である。図17は、本発明の第3実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図18は、本発明の第3実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第3実施形態では、図16〜図18を参照して、撮像素子が5本のゲート電極により構成された第1実施形態とは異なり、4本のゲート電極を含む撮像素子60を備えた撮像装置200について説明する。
図16は、本発明の第3実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子の画素部分における断面図である。図17は、本発明の第3実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図18は、本発明の第3実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第3実施形態では、図16〜図18を参照して、撮像素子が5本のゲート電極により構成された第1実施形態とは異なり、4本のゲート電極を含む撮像素子60を備えた撮像装置200について説明する。
本発明の第3実施形態による撮像装置200に設けられた撮像素子(CMOSイメージセンサ)60は、図16に示すように、フォトダイオード部14側からフローティングディフュージョン領域15側に向かって、転送ゲート電極61、転送ゲート電極62、増倍ゲート電極63および読出ゲート電極64が形成されている。また、各ゲート電極は、それぞれ、コンタクト部61a、62a、63aおよび64aを介して、配線層65、66、67および68に電気的に接続されている。また、配線層65、66、67、および68は、行毎に設けられている。そして、配線層65、66および67を介して、転送ゲート電極61、転送ゲート電極62および増倍ゲート電極63は、各画素60一斉に制御されるように構成されているとともに、読出ゲート電極64は、行毎に制御されるように構成されている。なお、転送ゲート電極61、転送ゲート電極62および増倍ゲート電極63は、本発明における「転送電極」の一例であるとともに、増倍ゲート電極63は、本発明における「増加電極」の一例である。
なお、第3実施形態のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
次に、図17および図18を参照して、第3実施形態における電子の転送動作について説明する。
まず、図17および図18に示す期間O(撮像期間前)には、第1実施形態と同様に、全てのゲート電極がオフ状態に制御されている。次に、期間P(撮像期間)において、転送ゲート電極61および転送ゲート電極62に、それぞれ、オン信号が供給されるとともに、増倍ゲート電極63に、第2オン信号が供給される。これにより、転送ゲート電極61、転送ゲート電極62および増倍ゲート電極63の各ゲート電極下の転送チャネル13が、それぞれ約4Vの電位に調整された状態となる。そして、このとき、フォトダイオード部14に光が入射され、光電変換によりフォトダイオード部14に電子が生成されるとともに、生成された電子は、転送ゲート電極61、転送ゲート電極62および増倍ゲート電極63における各ゲート電極下の転送チャネル13と、フォトダイオード部14とに保持される。そして、期間Qにおいて、読出ゲート電極64にオン信号が供給された後に、オン状態である3つのゲート電極が、フォトダイオード部14に近い側から順次オフ状態になるように調整される。これにより、電子は、転送ゲート電極61側の転送チャネル13から増倍ゲート電極63側の転送チャネル13にまで順次転送される。そして、期間Qの最後に増倍ゲート電極63をオフ状態に調整することにより、電子はオン状態に調整された読出ゲート電極64下の転送チャネル13を介して、より高電位であるフローティングディフュージョン領域15に転送される。そして、期間Rにおいて、読出ゲート電極64をオフ状態に調整することにより、全ての電子がフローティングディフュージョン領域15に転送される。これにより、電子の転送動作が終了される。
また、第3実施形態における電子の増倍動作は、転送ゲート電極61と増倍ゲート電極63との間において行われる。
なお、第3実施形態のその他の構成および動作は、第1実施形態と同様である。
第3実施形態では、上記のように、第1実施形態に比べて、ゲート電極の本数を減少させた場合であっても、撮像期間に、フォトダイオード部14と各ゲート電極下の転送チャネル13とにより電子を保持することができる。また、第1実施形態に比べて、ゲート電極の本数が減少した分だけ、フォトダイオード部14の平面積を大きくするように形成することができるので、その分、フォトダイオード部14により多くの光を取り込むことができるとともに、光電変換された電子をより多く保持することができる。
なお、第3実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
(第4実施形態)
図19は、本発明の第4実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図20は、本発明の第4実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第4実施形態では、図19および図20を参照して、第3実施形態の構成において、電子の転送動作の際に、増倍ゲート電極63に第1オン信号を供給する例について説明する。
図19は、本発明の第4実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図20は、本発明の第4実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第4実施形態では、図19および図20を参照して、第3実施形態の構成において、電子の転送動作の際に、増倍ゲート電極63に第1オン信号を供給する例について説明する。
まず、図19および図20に示す期間S(撮像期間前)においては、第3実施形態と同様に、全てのゲート電極がオフ状態に制御されている。次に、期間T(撮像期間)において、転送ゲート電極61および転送ゲート電極62に、それぞれ、オン信号が供給されるとともに、増倍ゲート電極63に、第1オン信号が供給される。これにより、転送ゲート電極61および転送ゲート電極62の各ゲート電極下の転送チャネル13が、それぞれ約4Vの電位に調整された状態となるとともに、増倍ゲート電極63下の転送チャネル13が、約25Vの電位に調整される。そして、このとき、フォトダイオード部14に光が入射され、光電変換によりフォトダイオード部14に電子が生成されるとともに、生成された電子は、転送ゲート電極61、転送ゲート電極62および増倍ゲート電極63における各ゲート電極下の転送チャネル13と、フォトダイオード部14とにより保持される。そして、期間Uにおいて、読出ゲート電極64にオン信号が供給された後に、オン状態である3つのゲート電極が、フォトダイオード部14に近い側から順次オフ状態になるように調整される。これにより、電子は、転送ゲート電極61側の転送チャネル13から蓄積ゲート電極20側の転送チャネル13にまで順次転送される。そして、期間Uの最後に増倍ゲート電極63をオフ状態に調整することにより、電子はオン状態に調整された読出ゲート電極64下の転送チャネル13を介して、より高電位であるフローティングディフュージョン領域15に転送される。そして、期間Vにおいて、読出ゲート電極64がオフ状態に調整されることにより、全ての電子がフローティングディフュージョン領域15に転送される。これにより、電子の転送動作が終了される。
なお、その他の構成および動作は、第3実施形態と同様である。
第4実施形態では、上記のように、撮像期間に増倍ゲート電極63に第1オン信号を供給した場合であっても、フォトダイオード部14と各ゲート電極下の転送チャネル13とにより電子を保持することができる。また、この場合、増倍ゲート電極63に第1オン信号を供給することによって、増倍ゲート電極63下の転送チャネル13が約25Vの高い電位に調整されるので、その分、より多くの電子を保持することができる。
なお、第4実施形態のその他の効果は、第3実施形態と同様である。
(第5実施形態)
図21は、本発明の第5実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子の画素部分における断面図である。図22は、本発明の第5実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図23は、本発明の第5実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第5実施形態における撮像装置300では、図21〜図23を参照して、撮像素子が4本のゲート電極により構成された第3実施形態とは異なり、3本のゲート電極により構成された撮像素子70について説明する。
図21は、本発明の第5実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子の画素部分における断面図である。図22は、本発明の第5実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図23は、本発明の第5実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第5実施形態における撮像装置300では、図21〜図23を参照して、撮像素子が4本のゲート電極により構成された第3実施形態とは異なり、3本のゲート電極により構成された撮像素子70について説明する。
本発明の第5実施形態による撮像装置300に設けられた撮像素子(CMOSイメージセンサ)70は、図21に示すように、フォトダイオード部14側からフローティングディフュージョン領域15側に向かって、転送ゲート電極71、増倍ゲート電極72および読出ゲート電極73が形成されている。また、各ゲート電極は、それぞれ、コンタクト部71a、72aおよび73aを介して、配線層74、75および76に電気的に接続されている。また、配線層74、75および76は、各画素70の行毎に設けられている。そして、配線層74および75を介して、転送ゲート電極71および増倍ゲート電極72は、全画素70一斉に制御されるように構成されているとともに、読出ゲート電極73は、各画素70の行毎に制御されるように構成されている。なお、転送ゲート電極71および増倍ゲート電極72は、それぞれ、本発明における「転送電極」の一例であるとともに、増倍ゲート電極72は、本発明における「増加電極」の一例である。
なお、第5実施形態のその他の構成は、上記第3実施形態と同様である。
次に、図22および図23を参照して、第5実施形態における電子の転送動作について説明する。
まず、図22および図23に示す期間W(撮像期間前)には、第3実施形態と同様に、全てのゲート電極がオフ状態に制御されている。次に、期間X(撮像期間)において、転送ゲート電極71にオン信号が供給されるとともに、増倍ゲート電極72に、第2オン信号が供給される。これにより、転送ゲート電極71および増倍ゲート電極72の各ゲート電極下の転送チャネル13が、それぞれ約4Vの電位に調整された状態となる。そして、このとき、フォトダイオード部14に光が入射され、光電変換によりフォトダイオード部14に電子が生成されるとともに、生成された電子は、転送ゲート電極71下および増倍ゲート電極72下における転送チャネル13と、フォトダイオード部14とにより保持される。そして、期間Yにおいて、読出ゲート電極73にオン信号が供給された後に、オン状態である2つのゲート電極が、フォトダイオード部14に近い側から順次オフ状態になるように調整される。これにより、電子は、転送ゲート電極71下の転送チャネル13から増倍ゲート電極72下の転送チャネル13にまで順次転送される。そして、期間Yの最後に増倍ゲート電極72がオフ状態に調整されることにより、電子はオン状態に調整された読出ゲート電極73下の転送チャネル13を介して、より高電位であるフローティングディフュージョン領域15に転送される。そして、期間Zにおいて、読出ゲート電極73がオフ状態に調整されることにより、全ての電子がフローティングディフュージョン領域15に転送される。これにより、電子の転送動作が終了される。
また、第5実施形態における電子の増倍動作は、増倍ゲート電極72とフォトダイオード部14との間において行われる。
なお、第5実施形態のその他の構成および動作は、第3実施形態と同様である。
第5実施形態では、上記のように、第3実施形態に比べて、ゲート電極の本数を減少させた場合であっても、撮像期間に、フォトダイオード部14と各ゲート電極下の転送チャネル13とにより電子を保持することができる。また、第3実施形態に比べて、ゲート電極の本数が減少した分だけ、フォトダイオード部14の平面積を大きくするように形成することができるので、その分、フォトダイオード部14により多くの光を取り込むことができるとともに、光電変換された電子をより多く保持することができる。
なお、第5実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
(第6実施形態)
図24は、本発明の第6実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図25は、本発明の第5実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第5実施形態では、図24および図25を参照して、第4実施形態の構成において、電子の転送動作の際に、増倍ゲート電極72に第1オン信号を供給する例について説明する。
図24は、本発明の第6実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図25は、本発明の第5実施形態による撮像装置に設けられた撮像素子における電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。第5実施形態では、図24および図25を参照して、第4実施形態の構成において、電子の転送動作の際に、増倍ゲート電極72に第1オン信号を供給する例について説明する。
まず、図24および図25に示す期間A1(撮像期間前)においては、第4実施形態と同様に、全てのゲート電極がオフ状態に制御されている。次に、期間B1(撮像期間)において、転送ゲート電極71にオン信号が供給されるとともに、増倍ゲート電極72に第1オン信号が供給される。これにより、転送ゲート電極71下の転送チャネル13が約4Vの電位に調整された状態になるとともに、増倍ゲート電極72下の転送チャネル13が、約25Vの電位に調整される。そして、このとき、フォトダイオード部14に光が入射され、光電変換によりフォトダイオード部14に電子が生成されるとともに、生成された電子は、転送ゲート電極71下および増倍ゲート電極72下の転送チャネル13と、フォトダイオード部14とにより保持される。そして、期間C1において、読出ゲート電極73にオン信号が供給された後に、オン状態である2つのゲート電極が、フォトダイオード部14に近い側から順次オフ状態になるように調整される。これにより、電子は、転送ゲート電極71下の転送チャネル13から増倍ゲート電極72下の転送チャネル13にまで順次転送される。そして、期間C1の最後に増倍ゲート電極72がオフ状態に調整されることにより、電子はオン状態に調整された読出ゲート電極73下の転送チャネル13を介して、より高電位であるフローティングディフュージョン領域15に転送される。そして、期間D1において、読出ゲート電極73がオフ状態に調整されることにより、全ての電子がフローティングディフュージョン領域15に転送される。これにより、電子の転送動作が終了される。
なお、その他の構成および動作は、第4実施形態と同様である。
第5実施形態では、上記のように、撮像期間に増倍ゲート電極72に第1オン信号を供給した場合であっても、フォトダイオード部14と各ゲート電極下の転送チャネル13とにより電子を保持することができる。また、この場合、増倍ゲート電極72に第1オン信号を供給することによって、増倍ゲート電極72下の転送チャネル13が約25Vの高い電位に調整されるので、その分、より多くの電子を保持することができる。
なお、第5実施形態のその他の効果は、第4実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第1〜第6実施形態では、撮像装置の一例として各画素において電荷信号を増幅するアクティブ(Active)型のCMOSイメージセンサを示したが、本発明はこれに限らず、各画素において電荷信号を増幅しないパッシブ(Passive)型のCMOSイメージセンサにも適用可能である。
また、上記第1〜第6実施形態では、n型シリコン基板(図示せず)の表面に形成されたp型ウェル領域11の表面に転送チャネル13、フォトダイオード部14およびフローティングディフュージョン領域15を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、p型シリコン基板の表面に転送チャネル13、フォトダイオード部14およびフローティングディフュージョン領域15を形成するようにしてもよい。
また、上記第1〜第6実施形態では、信号電荷として電子を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、基板不純物の導電型および印加する電圧の極性を全て反対にすることにより、信号電荷として正孔を用いるようにしてもよい。
また、上記第1〜第6実施形態では、フォトダイオード部とゲート電極下の転送チャネルとにより電子を保持する際に、フォトダイオード部に隣接するゲート電極からオン状態になるように制御される例を示したが、本発明はこれに限らず、フォトダイオード部とゲート電極下の転送チャネルとに電子を保持する際に、光電変換により生成された電子をフォトダイオード部に隣接しないゲート電極下の転送チャネルまで転送するとともに、フォトダイオード部に隣接しないゲート電極下の転送チャネルにより電子を保持してもよい。
2 システムコントロール回路(制御部)
5a 3値駆動ドライバ(切替手段)
7 信号出力レベル判別回路(判別手段)
13 転送チャネル(転送領域)
14 フォトダイオード部(光電変換部)
17 転送ゲート電極(転送電極)
18 増倍ゲート電極(転送電極、増加電極)
18a 電子増倍部(増加部)
19 転送ゲート電極(転送電極)
20 蓄積ゲート電極(転送電極)
5a 3値駆動ドライバ(切替手段)
7 信号出力レベル判別回路(判別手段)
13 転送チャネル(転送領域)
14 フォトダイオード部(光電変換部)
17 転送ゲート電極(転送電極)
18 増倍ゲート電極(転送電極、増加電極)
18a 電子増倍部(増加部)
19 転送ゲート電極(転送電極)
20 蓄積ゲート電極(転送電極)
Claims (5)
- 信号電荷を生成する光電変換部と、
信号電荷を転送するための転送電極と、
信号電荷を衝突電離させて増加させるための増加部と、
前記転送電極の下方に設けられ、信号電荷を転送する経路を形成するための転送領域とを備え、
撮像期間中に、前記光電変換部により生成された信号電荷の少なくとも一部が前記転送電極に対応する前記転送領域に蓄積されるように構成されている、撮像装置。 - 撮像期間中に、前記転送電極に信号電荷を蓄積するための第1電圧が印加されることにより、前記光電変換部により生成された信号電荷の少なくとも一部が前記転送電極の下方に対応する転送領域に転送されて蓄積されるように構成されている、請求項1に記載の撮像装置。
- 制御部と、
前記光電変換部により生成される信号電荷の量を判別する判別手段とをさらに備え、
前記判別手段により判別された信号電荷の量が所定の量以上の場合に、前記制御部により前記転送電極に前記第1電圧が印加されるように構成されている、請求項2に記載の撮像装置。 - 前記転送電極は、複数設けられ、
前記判別手段により判別された信号電荷の量が所定の量以上の場合に、前記判別手段により判別された信号電荷の量に応じて、前記制御部により前記第1電圧を印加する転送電極の数を制御するように構成されている、請求項3に記載の撮像装置。 - 前記転送電極は、前記増加部を含む前記転送領域に信号電荷を衝突電離させて増加させるための第2電圧を印加するための増加電極を含み、
信号電荷を転送する際には前記増加電極に前記第1電圧が印加されるとともに、信号電荷を増加させる際には前記増加電極に前記第2電圧が印加されるように構成され、
前記制御部の制御により、前記増加電極に前記第1電圧および前記第2電圧のいずれか一方の電圧を印加するための切替手段をさらに備える、請求項4に記載の撮像装置。
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Cited By (2)
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WO2021186817A1 (ja) * | 2020-03-18 | 2021-09-23 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 固体撮像素子、および、電子装置 |
-
2007
- 2007-12-27 JP JP2007335622A patent/JP2009158737A/ja active Pending
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WO2021186817A1 (ja) * | 2020-03-18 | 2021-09-23 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 固体撮像素子、および、電子装置 |
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