JP2013175951A - 画素駆動装置及び画素駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素の電荷保持部に発生する暗電流を抑制することで画質の劣化を抑制し、かつ信号電荷の飽和電荷量を増大することで、固体撮像素子のダイナミックレンジを確保する画素駆動装置及び画素駆動方法を提供する。
【解決手段】光電変換素子を有する単位画素を駆動する画素駆動装置であって、単位画素は、光電変換素子で生成した光電子を振り分ける複数の光電子振分部を備え、光電子振分部は、生成した光電子を転送するための第１転送部と、第１転送部が転送した光電子を一時的に保持する光電子保持部とを有し、受光期間は複数あり、複数の光電子振分部の第１転送部及び光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加して、受光期間毎に、光電変換素子で生成した光電子を、各光電子保持部に振り分けて転送することで、各光電子保持部に複数回の受光期間で生成した光電子を加算保持させるとともに、光電子保持部のゲート−基板間電圧を徐々に上昇させていく。
【選択図】図１１

Description

本発明は、光電変換素子と、該光電変換素子が変換した光電子を保持する光電子保持部とを有する単位画素を駆動する画素駆動装置及び画素駆動方法であって、光電子保持部に発生する暗電流を抑制する画素駆動装置及び画素駆動方法に関する。

固体撮像素子において、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサでは、あらかじめ、光電変換部の不要キャリアを吐き出す機構があり、一時的に光電変換部のキャリアを空乏化することで、光電変換部にポテンシャルの井戸を形成し、入射光の光電変換により生成、取得した電荷のみを保持する。しかし、取得電荷を保持している状態は、長い時間で見れば熱平衡状態に至るまでの過渡的な状態（非熱平衡状態）である。そのため長時間に亙って取得電荷を保持し続けることはできない。半導体結晶中は、熱的な励起により発生する電子正孔対があり、入射光がなくても電子正孔対が寄与して暗電流が流れる。この暗電流により、長時間放置すると熱平衡状態に至り、取得した電荷信号を失う。

固体撮像素子は、画像データの取得し出力することを目的とするために、例えば、１／６０秒等の短時間で電荷信号を出力する。このような短時間では電荷信号を保持することが可能である。しかし、暗電流の寄与は皆無にはならないので、画質を左右する重要な要素のひとつである。暗電流の寄与を減らすためには、光電変換で取得した電荷をできるだけ短時間で読み出す工夫が必要である。

一方、全画素の電荷信号を全画素同時に読み出すことは、全画素それぞれに対して占有の回路や配線を必要とするため、２次元の半導体表面に回路や配線パターンを集積する固体撮像素子では、コスト的な観点で現実的でない。そのため固体撮像素子においては、読出し用回路や配線を時分割で共有し、画素単位もしくは画素行単位で逐次読み出し、アナログ−デジタル変換する手法が用いられる。

固体撮像素子において、画素行単位毎に異なるタイミングで露光を行い、露光終了と同時に読み出すローリングシャッタ方式では、露光終了から読み出すまでの電荷信号保持時間を全画素で均一とすることが可能であり、画素間の暗電流の違いが画質へ影響することが少なくなる。しかしながら、行毎に露光タイミングが異なるため、移動物体に対して図形歪みの問題が発生する。そのため露光タイミングの同時性を問題にする場合には使用することができない。

露光タイミングの同時性を得るためには、グローバルシャッタ方式を用いる必要がある。しかし、グローバルシャッタ方式を用いる場合、露光終了から読み出すまでの電荷信号保持期間が画素毎に異なってしまうため、画素間の暗電流の違いが問題となりやすい。下記特許文献１では、暗電流成分を別途読み出す構成を用意し、読み出した値に基づき暗電流を補償することで、暗電流による画質劣化を抑制する仕組みが記載されている。

特表２０１０−５０２１３９号公報

上記特許文献１に記載の技術では、暗電流を検知し、後処理で補償することはできるが、暗電流自体を抑制することはできないので、画素が受光期間に蓄積可能な最大の信号電荷量（飽和電荷量）が暗電流の影響で減少する問題は回避できない。また暗電流を読み出す仕組みが別途必要であり、かつ該当画素の暗電流成分を直接読み出すことはできないので、補償誤差が発生する。

そこで本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、画素の電荷保持部に発生する暗電流を抑制することで画質の劣化を抑制し、かつ信号電荷の飽和電荷量を増大することで、固体撮像素子のダイナミックレンジを確保する画素駆動装置及び画素駆動方法を提供することを目的とする。

本発明は、受光期間中の入射光量に応じた光電子を取得するための光電変換素子を有する単位画素を駆動する画素駆動装置であって、前記単位画素は、前記光電変換素子で生成した光電子を振り分ける複数の光電子振分部を備え、前記光電子振分部は、前記光電変換素子で生成した光電子を転送するための第１転送部と、前記第１転送部が転送した光電子を一時的に保持する光電子保持部とを有し、前記受光期間は複数あり、前記複数の光電子振分部の前記第１転送部及び前記光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加して、前記受光期間毎に、前記光電変換素子で生成した光電子を、各前記光電子保持部に振り分けて転送することで、各前記光電子保持部に複数回の前記受光期間で生成した光電子を加算保持させるとともに、各前記光電子保持部に印加する前記ゲート駆動信号電圧を制御し、前記光電子保持部のゲート−基板間電圧を徐々に上昇させていくことを特徴とする。

前記単位画素は、受光期間以外で前記光電変換素子が生成した光電子を排出する光電子排出部を備え、前記光電子振分部は、前記光電子保持部が保持した光電子を転送する第２転送部と、前記第２転送部により転送された光電子に応じた画素出力電圧信号を出力するための電荷検出部とを有し、前記電荷検出部には、該電荷検出部の電位を基準電位にリセットするためのリセット用トランジスタが接続され、前記光電子排出部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加することで、前記受光期間以外の期間に前記光電変換素子で生成した光電子を排出し、前記第２転送部が前記光電子保持部に保持している光電子を前記電荷検出部に転送する前に、リセット用トランジスタのゲートにリセット信号を印加して、前記電荷検出部の電位を基準電位にリセットする。

前記光電変換素子は、半導体基板に光が入射可能なＭＯＳ構造（フォトゲート方式）により形成し、前記第１転送部、前記光電子保持部、及び前記第２転送部は、前記半導体基板に光が入射し光電変換しないように遮光したＭＯＳ構造により形成する。

本発明は、受光期間中の入射光量に応じた光電子を取得するための光電変換素子を有する単位画素を駆動する画素駆動方法であって、前記単位画素は、前記光電変換素子で生成した光電子を振り分ける複数の光電子振分部を備え、前記光電子振分部は、前記光電変換素子で生成した光電子を転送するための第１転送部と、前記第１転送部が転送した光電子を一時的に保持する光電子保持部とを有し、前記受光期間は複数あり、前記複数の光電子振分部の前記第１転送部及び前記光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加して、前記受光期間毎に、前記光電変換素子で生成した光電子を、各前記光電子保持部に振り分けて転送していくことで、各前記光電子保持部に複数回の前記受光期間で生成した光電子を加算保持させるとともに、各前記光電子保持部に印加する前記ゲート駆動信号電圧を制御し、前記光電子保持部のゲート−基板間電圧を複数の受光期間の合計である画像確定時間の時間経過とともに徐々に上昇させていくことを特徴とする。

本願発明によれば、複数の光電子振分部の第１転送部及び光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加して、受光期間毎に光電変換素子で生成した光電子を、各光電子保持部に振り分けて転送することで、各光電子保持部に複数回の受光期間で生成した光電子を加算保持させるとともに、光電子保持部のゲート−基板間電圧を徐々に上昇させていくので、画像確定時間内での光電子保持部のゲートの下の基板に形成される空乏層幅を小さくすることでき、暗電流の発生を抑制することができる。

実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。 図１の固体撮像装置の構成を示す図である。 図２に示す固体撮像装置を構成する単位画素の一部を示す一部平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面構成図である。 ＴＯＦ法によって、測距対象までの距離を求める手法の説明図である。 単位画素の受光期間を示すタイムチャートである。 光電子の転送時において、光電変換素子、光電子振分部、及び光電子排出部に供給される基本的な各種ゲート駆動信号電圧のタイミングチャートを示す図である。 図８Ａは、図７のタイミングａ時における光電変換素子、光電子振分部、光電子排出部、及びリセット用トランジスタのポテンシャル図、図８Ｂは、図７のタイミングｂ時における光電変換素子、光電子振分部、光電子排出部、及びリセット用トランジスタのポテンシャル図、図８Ｃは、図７のタイミングｃ時における光電変換素子、光電子振分部、光電子排出部、及びリセット用トランジスタのポテンシャル図、図８Ｄは、図７のタイミングｄ時における光電変換素子、光電子振分部、光電子排出部、及びリセット用トランジスタのポテンシャル図である。 図９Ａは、図７のタイミングｅ時のおける光電変換素子、光電子振分部、光電子排出部、及びリセット用トランジスタのポテンシャル図、図９Ｂは、図７のタイミングｆ時のおける光電変換素子、光電子振分部、光電子排出部、及びリセット用トランジスタのポテンシャル図、図９Ｃは、図７のタイミングｇ時のおける光電変換素子、光電子振分部、光電子排出部、及びリセット用トランジスタのポテンシャル図、図９Ｄは、図７のタイミングｈ時のおける光電変換素子、光電子振分部、光電子排出部、及びリセット用トランジスタのポテンシャル図である。 単位画素の回路構成の一例を示す図である。 暗電流の発生を抑制するために保持ゲートに印加するゲート駆動信号電圧のタイミングチャートを示す図である。 変形例１における、暗電流の発生を抑制するために保持ゲートに印加するゲート駆動信号電圧のタイミングチャートを示す図である。

本発明に係る画素駆動方法、及び、該画素駆動方法を実現する画素駆動装置について、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１は、実施の形態にかかる測距システム１０の概略構成を示す図である。図１に示すように、測距システム１０は、投光装置１２、撮像部１４、及び距離演算部１６を備える。

投光装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、投光装置１２は、パルス光Ｌｐを出力する発光部（光源）２４を有する。発光部２４は、コンデンサと発光素子を有し、コンデンサが保持した電荷をスイッチを介して発光素子に供給することで光を発光する。

この測距システム１０では、投光装置１２から照射したパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、投光装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐの強度を投光強度Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐの強度を反射光強度Ｌｒと呼ぶ。

撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光強度Ｌｒ及び周辺環境光の強度（以下、環境光強度）Ｌｓを、固体撮像装置２８で受光する。固体撮像装置２８は、投光装置１２が投光するパルス光Ｌｐ及び周辺環境光に対して感度を有し、投光タイミングに同期したグローバル電子シャッタ方式で光を受光する。距離演算部１６は、固体撮像装置２８が受光期間Ｐで取得した光電子数の情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離Ｚを算出する。固体撮像装置２８は投光装置１２を制御する。なお、距離演算部１６は、撮像部１４内に設けられていてもよいし、固体撮像装置２８に設けられていてもよい。

図２は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、２次元の半導体表面に行列状に単位画素３０を配置した画素アレイ３２と、タイミング制御部３３と、画素駆動回路３４と、画素ゲートＤＡ部３６と、サンプルホールド回路３８と、水平選択回路４０と、Ａ／Ｄ変換器４２とを有する。

タイミング制御部３３は、単位画素３０の各受光期間Ｐ（＝電子シャッタ方式による露光期間）に同期して、所定の周期で繰り返しパルス光Ｌｐを投光するように投光装置１２を制御する。

画素駆動回路３４は、ゲート駆動信号電圧により画素アレイ３２の各単位画素３０を駆動し、各単位画素３０はゲート駆動信号電圧に基づき光電子の生成、転送、保持及び排出等を行う。画素ゲート電圧ＤＡ部３６はゲート駆動信号電圧を生成し、画素駆動回路３４を介して、画素アレイ３２に任意のゲート駆動信号電圧を入力する。また画素駆動回路３４は、画素出力電圧信号を出力する単位画素３０の行を選択し、選択された単位画素３０は画素出力電圧信号をサンプルホールド回路３８に出力し、サンプルホールド回路３８は一時的に画素出力電圧信号を保持する。水平選択回路４０は、サンプルホールド回路３８に保持された画素１行分の画素出力電圧信号を時分割により逐次選択し、ＡＤ変換器４２に出力する。また距離演算部１６はＡ／Ｄ変換器４２の出力に基づき各単位画素３０の距離情報を演算し測距出力値を出力する。

図３は、図２に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す一部平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面構成図である。なお、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの構成は、光電子振分部１０６ａと同一であり、光電子排出部１０８ｂの構成は、光電子排出部１０８ａの構成と同一であるので、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ及び光電子排出部１０８ｂの断面構成図は省略する。

単位画素３０は、ｐ型半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ（総称して、光電子振分部１０６と呼ぶ場合もある）と、２つの光電子排出部１０８ａ、１０８ｂ（以下、総称して、光電子排出部１０８と呼ぶ場合もある）とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲートと呼ぶ）１１０を有する（図４参照）。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子を生成する。画素駆動回路３４は、光電変換素子１０４を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓａをフォトゲート１１０に印加する。なお、光電変換素子１０４は、ｐ型半導体基板１０２に光が入射可能なＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造により形成する。

各光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び電荷検出部１１８をそれぞれ有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４で生成した光電子を振り分けて光電子保持部１１４に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、第１転送ゲートと呼ぶ）１２０を有する（図４参照）。画素駆動回路３４は、第１転送ゲート１２０に第１転送部１１２を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓｂを印加する。なお、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、及び第２転送部１１６は、ｐ型半導体基板１０２に光が入射し光電変換しないように遮光したＭＯＳ構造により形成する。

光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転送部１１２を挟んで配置され、光電変換素子１０４が発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、保持ゲートと呼ぶ）１２２を有する（図４参照）。画素駆動回路３４は、保持ゲート１２２に、光電子保持部１１４を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓｃを印加する。

第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して、光電子保持部１１４を挟んで配置し、光電子保持部１１４で加算保持された光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、第２転送ゲートと呼ぶ）１２４を有する（図４参照）。画素駆動回路３４は、第２転送ゲート１２４に、第２転送部１１６を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓｄを印加する。

電荷検出部（ＦＤ：Floating Diffusion）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで配置し、光電子保持部１１４から転送される光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型不純物をドープして形成されたＮ型拡散層である。

計４個の光電子振分部１０６は、図３に示すように、半導体平面上に矩形に配置した光電変換素子１０４の長辺に平行でかつ光電変換素子１０４の中心を通る線に対して線対称に２個並べて配置している。

電荷検出部１１８は、図４に示すように、電荷検出部１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ１２６を接続する。リセット用トランジスタ１２６は電荷検出部１１８とリセット電圧ノードＶｒｅｆの間に接続し、ゲート１２７は、画素駆動回路３４からリセット信号Ｒが印加される。リセット信号Ｒが“Ｈｉｇｈ”でリセット用トランジスタ１２６がオンとなり、電荷検出部１１８の電荷は排出され、電荷検出部１１８の電位は基準電位にリセットされる。

また、電荷検出部１１８には、電荷検出部１１８の電荷に応じた電圧信号（画素出力電圧信号）を出力するための画素アンプトランジスタ１３０が接続される。画素アンプトランジスタ１３０と垂直信号線１３２の間には、選択用トランジスタ１３４が配置され、画素出力電圧信号を垂直信号線１３２に出力するかを選択する。

第３転送部１４０は、光電変換素子１０４で生成した光電子を電源電圧に接続された光電子排出用Ｎ型拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有する（図４参照）。

第３転送ゲート１４４のゲート駆動信号電圧Ｓｅに“Ｈｉｇｈ”を印加すると、第３転送ゲート１４４がオンとなり、光電変換素子１０４で生成した光電子は、第３転送部１４０を介して光電子排出用Ｎ型拡散層１４２に排出される。図４に示すように、２つの光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４の短辺に平行でかつ中心を通る線に対して線対称的に１個ずつ配置する。

次に、図５を用いて、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）法によって、測距対象Ｗまでの距離Ｚを求める手法の一例について説明する。単位画素３０は、受光期間Ｐ中に単位画素に入射した光に応じた光電子の電荷量に基づいて画素出力電圧を出力する。受光期間Ｐは、第１受光期間Ｐ１、第２受光期間Ｐ２、第３受光期間Ｐ３、及び第４受光期間Ｐ４とを有する。第３受光期間Ｐ３及び第４受光期間Ｐ４は、測距可能範囲の測距対象Ｗに反射して戻ってくる反射光の反射光強度Ｌｒが入射しないタイミングの一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）であり、環境光強度Ｌｓのみに応じた光電子を取得する期間である。第１受光期間Ｐ１は、測距可能範囲の測距対象Ｗに反射して戻ってくる反射光の反射光強度Ｌｒが必ず入射しているタイミングの一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）であり、反射光強度Ｌｒ及び環境光強度Ｌｓに応じた光電子を取得する期間である。第２受光期間Ｐ２は、投光装置１２が投光を完了するのと同時のタイミングからの一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）であり、測距可能範囲の測距対象Ｗに反射して戻ってくる反射光の反射光強度Ｌｒが投光装置１２から測距対象Ｗまでの距離と測距対象Ｗから撮像部までの距離とを光が往復する時間でかつ前記一定時間よりも短い時間の反射光の反射光強度Ｌｒと、前記一定時間で常時入射している周辺環境光の環境光強度Ｌｓに応じた光電子を取得する期間である。

各単位画素３０の光電変換素子１０４は、受光期間Ｐ中に入射した光に応じて光電子を生成し、各単位画素３０が有する複数の光電子保持部１１４は、受光期間Ｐで生成した光電子を取り込んで保持する。第３受光期間Ｐ３に光電変換素子１０４で生成した光電子数をＱｃとし、第４受光期間Ｐ４に光電変換素子１０４で生成した光電子数をＱｄとする。また、第１受光期間Ｐ１に光電変換素子１０４で生成した光電子数をＱａとし、第２受光期間Ｐ２に光電変換素子１０４で生成した光電子数をＱｂとする。

したがって、Ｑｂ−Ｑｄ∝Ｌｒ×Ｔｄｅｌａｙ’Ｑａ−Ｑｃ∝Ｌｒ×Ｔｓｅｎｓｅ’の関係式が成り立つ。Ｔｄｅｌａｙは、投光した光が測距対象Ｗに反射して戻ってくるまでの往復時間である。

上述した式から、
Ｔｄｅｌａｙ＝Ｔｓｅｎｓｅ×（Ｑｂ−Ｑｄ）／（Ｑａ−Ｑｃ）・・（１）
の関係式が導き出せ、測距対象Ｗまでの距離Ｚは、
Ｚ＝ｃ×Ｔｄｅｌａｙ／２＝（ｃ×Ｔｓｅｎｓｅ／２）×（Ｑｂ−Ｑｄ）／（Ｑａ−Ｑｃ）・・（２）
の関係式によって求めることができる。なお、ｃは光速を示す。

なお、測距対象Ｗまでの距離Ｚを求めるＴＯＦ法は、上述した矩形波（パルス波）以外にも正弦波を用いる手法などがあり、上述した式とは異なる式によって投光から受光までの光の遅延時間から測距対象Ｗまでの距離Ｚを求めてもよい。

図６は、単位画素３０の受光期間Ｐを示すタイムチャートである。固体撮像素子のタイミング制御部３３は、受光期間Ｐを複数回繰り返す画像確定期間の間、単位画素３０の各受光期間Ｐ（＝電子シャッタ方式による露光期間）に同期して、所定の周期で繰り返し投光強度Ｌｅを投光するように投光装置１２を制御する。

投光強度Ｌｅの１回の投光タイミングと４つの受光期間Ｐ（Ｐ１〜Ｐ４）を１サイクルとし、画像確定期間の間このサイクルが所定回数（例えば、１０００回）繰り返すことで、光電変換で得られる光電子を加算しセンサ感度をえる。第１受光期間Ｐ１で生成した光電子は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４で加算保持し、第２受光期間Ｐ２で生成した光電子は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４で加算保持し、第３受光期間Ｐ３で生成した光電子は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４で加算保持し、第４受光期間Ｐ４で生成した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４で加算保持する。

そして、画像確定期間の終了後、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４が保持している光電子数に応じて、画素は画素出力電圧信号を出力する。ここで、画像確定期間終了後の光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子数をＱａとし、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子数をＱｂとし、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子数をＱｃとし、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子数をＱｄとする。

図７は、光電子の転送時において、光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、光電子排出部１０８ａ、及びリセット用トランジスタ１２６に供給される基本的な各種ゲート駆動信号電圧（リセット信号Ｒも含む）のタイミングチャートを示す図である。

図８Ａは、図７のタイミングａ時における光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、光電子排出部１０８ａ、及びリセット用トランジスタ１２６のポテンシャル図、図８Ｂは、図７のタイミングｂ時における光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、光電子排出部１０８ａ、及びリセット用トランジスタ１２６のポテンシャル図、図８Ｃは、図７のタイミングｃ時における光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、光電子排出部１０８ａ、及びリセット用トランジスタ１２６のポテンシャル図、図８Ｄは、図７のタイミングｄ時における光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、光電子排出部１０８ａ、及びリセット用トランジスタ１２６のポテンシャル図である。

図９Ａは、図７のタイミングｅ時のおける光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、光電子排出部１０８ａ、及びリセット用トランジスタ１２６のポテンシャル図、図９Ｂは、図７のタイミングｆ時のおける光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、光電子排出部１０８ａ、及びリセット用トランジスタ１２６のポテンシャル図、図９Ｃは、図７のタイミングｇ時のおける光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、光電子排出部１０８ａ、及びリセット用トランジスタ１２６のポテンシャル図、図９Ｄは、図７のタイミングｈ時のおける光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、光電子排出部１０８ａ、及びリセット用トランジスタ１２６のポテンシャル図である。

画像確定期間において、光電変換素子１０４で生成した光電子を排出するタイミングａにおいては、フォトゲート１１０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａを、光電子排出部１０８ａの第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｅを、光電子振分部１０６ａの第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号電圧Ｓｂを、光電子振分部１０６ａの保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃを、光電子振分部１０６ａの第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｄを、リセット用トランジスタ１２６のゲート（リセット用ゲート）１２７にハイのリセット信号Ｒをそれぞれ印加する。

これにより、タイミングａ時では、図８Ａに示すように、第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子排出用Ｎ型拡散層１４２に転送するので、光電変換素子１０４の光電子を光電子排出用Ｎ型拡散層１４２に排出することができ、光電変換素子１０４には光電子が蓄積されない。また、タイミングａ時では、図８Ａに示すように、第２転送部１１６は、光電子保持部１１４が存在する電子を電荷検出部１１８に転送し、リセット用ゲート１２７にハイのリセット信号Ｒを印加することで、光電子保持部１１４及び電荷検出部１１８に存在する光電子を、リセット用トランジスタ１２６を介して排出する。電荷検出部１１８の電位を基準電位にすることで、光電子保持部１１４の電子を排出する。

その後、タイミングｂ時においては、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃをローとするので、図８Ｂに示すように、光電子保持部１１４に存在する光電子が全て電荷検出部１１８に転送される。このとき、リセット用ゲート１２７にハイのリセット信号Ｒを印加することで、光電子保持部１１４に残存している光電子を全て排出することができる。

光電子保持部１１４の光電子を全て排出した後のタイミングｃ時では、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃをハイとし、第２転送ゲート１２４に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｄをローとする。タイミングｃ時では、図８Ｃに示すように、フォトゲート１１０及び第３転送ゲート１４４には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓａ、Ｓｅを印加し続けているので、光電変換素子１０４で生成した光電子は、光電子排出用Ｎ型拡散層１４２から排出され続ける。なお、タイミングｃ時においても、リセット用ゲート１２７にハイのリセット信号Ｒが印加し続けているので、電荷検出部１１８の電位は基準電位のままである。

光電変換素子１０４が発生した光電子を累積蓄積する第１受光期間Ｐ１のタイミングｄ時では、第３転送ゲート１４４に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｅをローとし、第１転送ゲート１２０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｂをハイとする。これにより、タイミングｄ時では、図８Ｄに示すように、第１転送部１１２は、光電変換素子１０４で生成した光電子を光電子保持部１１４に転送するので、第１受光期間Ｐ１のタイミングｄ時においては、光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４で生成した光電子を加算保持することができる。なお、タイミングｄ時においても、保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃを印加し続ける。

第１受光期間Ｐ１のタイミングｅ時では、フォトゲート１１０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓａをローにする。これにより、タイミングｅ時では、図９Ａに示すように、光電変換素子１０４で生成した光電子は、全て光電子保持部１１４に転送される。

そして、第１受光期間Ｐ１終了後のタイミングｆ時では、フォトゲート１１０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓａをハイ、第３転送ゲート１４４に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｅをハイとし、第１転送ゲート１２０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｂをローとする。これにより、タイミングｆ時では、図９Ｂに示すように、フォトゲート１１０及び第３転送ゲート１４４には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓａ、Ｓｅが印加されるので、光電変換素子１０４で生成した光電子は、光電子排出用Ｎ型拡散層１４２から排出される。また、タイミングｆ時においても、保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが印加され続けているので、光電子保持部１１４は、第１受光期間Ｐ１中に光電変換素子１０４が生成した光電子を保持している。

画像確定期間には、上述したように、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送される光電子を発生するための複数の第１受光期間Ｐ１が存在し（１サイクルが複数存在し）、タイミングｃ〜タイミングｆ（図８Ｃ、図８Ｄ、図９Ａ、図９Ｂ）に示すような動作（つまり、１サイクルの動作）を複数回（Ｎ回）繰り返す。従って、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４は、複数の第１受光期間Ｐ１で光電変換素子１０４が発生した光電子を加算して保持することになる。このことは、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄについても同様であり、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄは、複数の第２受光期間Ｐ２、第３受光期間Ｐ３、第４受光期間Ｐ４で発生した光電子を加算してそれぞれ保持する。

画像確定期間中にこの１サイクルをＮ回繰り返した後、画素値出力期間に遷移する。画素値出力期間のタイミングｇでは、フォトゲート１１０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａが、第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｅを、第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号電圧Ｓｂを、保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃを、第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｄを、リセット用ゲート１２７にハイのリセット信号Ｒをそれぞれ印加する。これにより、タイミングｇ時では、図９Ｃに示すように、第２転送部１１６は、光電子保持部１１４に保持した光電子を電荷検出部１１８に転送することができる。このときは、リセット用ゲート１２７にはローのリセット信号Ｒが印加しており、転送された光電子は失われることなく、電荷検出部１１８で保持される。

その後、タイミングｈ時では、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃをローにするので、図９Ｄに示すように、光電子保持部１１４に存在する光電子を全て電荷検出部１１８に転送する。このときも、リセット用ゲート１２７はローのリセット信号Ｒを印加するので、転送された光電子は失われることなく、電荷検出部１１８で保持される。なお、タイミングｇ時及びタイミングｈ時では、光電変換素子１０４で生成した光電子は光電子排出用Ｎ型拡散層１４２から排出する。

光電子保持部１１４が保持する光電子を全て電荷検出部１１８に転送する前に、選択用トランジスタ１３４の選択用ゲート１３５にハイの選択信号Ｓｓを印加し、電荷検出部１１８のリセット電圧に対応する画素出力電圧信号を垂直信号線１３２に読み出す(黒レベルの読出し)。また、光電子保持部１１４が保持する光電子を全て電荷検出部１１８に転送した後、電荷検出部１１８に存在する光電子数Ｑａに対応する画素出力電圧信号を垂直信号線１３２に読み出す（信号レベルの読出し）。リセット電圧（黒レベル）とリセット電圧に光電子の電荷量に依存した電位差を加算された電圧（信号レベル）の２つを画素から読出し、サンプルホールド回路で保持し、ＡＤ変換器で差分を取ることで、リセット電圧の素子間バラツキに依存しない画素出力信号を出力することができる。

光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子の転送方法に関しては、光電子振分部１０６ａと同様であり、光電子排出部１０８ｂの光電子の排出方法に関しては、光電子排出部１０８ａと同様であるので、説明を省略する。

単位画素３０の回路構成の一例を図１０に示す。光電変換素子１０４で生成した光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの電荷検出部１１８に転送する。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、図３で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成する。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの電荷検出部１１８には、１個のリセット用トランジスタ１２６が接続され電荷検出部１１８の電荷をリセットする。また１個の画素アンプトランジスタ１３０のゲート１３１が接続され、垂直信号線１３２に電荷検出部１１８の電荷量を電圧で出力する。なお、図１０では、光電子排出部１０８の図示を省略している。

光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４で加算保持した光電子を画素から出力する際は、選択用トランジスタ１３４をオンにする。そして電荷検出部１１８に、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４で加算保持した電荷を転送する直前に、リセット用トランジスタ１２６をオンし、電荷検出部１１８を基準電位にリセットする。リセット時の電荷検出部１１８の電荷量を画素アンプトランジスタ１３０により垂直信号線１３２に出力する（黒レベルの出力）。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４で保持した光電子を電荷検出部１１８に転送し、電荷検出部１１８の電荷量を画素アンプトランジスタ１３０によって垂直信号線１３２に出力する（信号レベルの出力）。同様の手順を１０６ｂ〜１０６ｄで加算保持した光電子に対して繰り返すことで、１画素４振り分けの電荷量を時分割で出力する。

サンプルホールド回路３８は、単位画素３０から垂直信号線１３２に順次出力される黒レベルと信号レベルをサンプリングし、一時保持する。信号レベルと黒レベルの差が光電子保持部１１４で加算保持した光電子数に相当する画素出力電圧信号であるので、ＡＤ変換器はこの差を画素出力としてデジタル信号に変換し、デジタル信号を距離演算部１６に受け渡す。光電子振分部１０６ａ〜１０６ｄの光電子保持部１１４で加算保持した光電子数Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄに相当する画素出力電圧信号がＱＡ、ＱＢ、ＱＣ、ＱＤに相当する。

距離演算部１６は、画素出力電圧信号ＱＡ、ＱＢ、ＱＣ、ＱＤに基づき、測距対象Ｗまでの距離Ｚを算出する。測距対象Ｗまでの距離Ｚは、上記した関係式（２）で求めることができる。

ここで、光電子保持部１１４は、画素出力電圧信号としてサンプルホールド回路３８に出力するまで、受光期間Ｐで生成した光電子を加算保持し続けなければならないので、光電子保持部１１４には画像確定期間で生成される全ての光電子を加算保持可能なゲート−基板間電圧を印加する必要がある。しかしながら、受光期間Ｐ毎に得られた光電子を光電子保持部１１４で加算保持するので、受光期間Ｐの繰り返し回数が比較的少ない段階では、光電子保持部１１４が保持する光電子数は少ない状態であり、保持する光電子数が少ないと光電子保持部１１４の保持ゲート１２２の下で形成される空乏層幅が大きくなる。空乏層で励起された電子正孔対は暗電流の発生原因となり、空乏層幅が大きいと励起される電子正孔対が多くなり暗電流の発生が増大する。しかし、保持ゲート１２２−基板間電圧を低くすると光電子は光電子保持部１１４から溢れやすくなり、画像確定期間の間で生成、保持可能な最大の光電子数が低下してしまう。

そこで、暗電流の発生を抑制させるために、画像確定期間中の光電子保持部１１４に印加する保持ゲート１２２−基板間電圧を制御する。図１１は、暗電流の発生を抑制させるために、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４の保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号Ｓｃのタイミングチャートを示す図である。図１１では、第１受光期間Ｐ１についてのみ図示しているが、第２受光期間Ｐ２〜第４受光期間Ｐ４も同様の制御を実施する。

まず、１回目の第１受光期間Ｐ１の前にあらかじめ、第１受光期間Ｐ１で生成した光電子が光電子保持部１１４から溢れ出さない電圧値（第１電圧値）をゲート駆動信号Ｓｃにより、光電子振分部１０６ａの保持ゲート１２２に印加する。これにより、１回目の第１受光期間Ｐ１で発生する光電子を光電子保持部１１４は保持することができるとともに、保持ゲート１２２の下で形成される空乏層幅が大きくなるのを抑制することができる。その結果、暗電流の発生を抑制する。

そして、２回目の第１受光期間Ｐ１開始直前に、既に光電子保持部１１４が保持している光電子と、２回目の第１受光期間Ｐ１で生成した光電子とが光電子保持部１１４から溢れ出さない電圧値（第２電圧値）をゲート駆動信号Ｓｃにより、光電子振分部１０６ａの保持ゲート１２２に印加する。第２電圧値は、第１電圧値より高い。これにより、１回目の第１受光期間Ｐ１で発生した光電子と、２回目の第１受光期間Ｐ１で発生する光電子を光電子保持部１１４は保持することができるとともに、保持ゲート１２２の下で形成される空乏層幅が大きくなるのを抑制する。その結果、暗電流の発生を抑制する。

２回目同様に、３回目の第１受光期間Ｐ１開始直前に、既に光電子保持部１１４が保持している光電子と、３回目の第１受光期間Ｐ１で生成する光電子とが光電子保持部１１４から溢れ出さない電圧値（第３電圧値）をゲート駆動信号Ｓｃに印加する。第３電圧値は、第２電圧値より高い。これにより、１回目及び２回目の第１受光期間Ｐ１で発生した光電子と、３回目の第１受光期間Ｐ１で生成した光電子を光電子保持部１１４は保持することができるとともに、保持ゲート１２２の下で形成される空乏層幅が大きくなるのを抑制する。その結果、暗電流の発生を抑制する。

このように、第１受光期間Ｐ１の繰り返し直前に、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号Ｓｃを段階的に高くすることで、画像確定期間中に保持ゲート１２２の下に形成される空乏層幅を小さくし、暗電流の発生を抑制する。この第１受光期間Ｐ１毎に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃの電圧値は、予め実験等によって定めることができる。

実施の形態は、以下のように変形してもよい。

（変形例１）上記実施の形態では、受光期間Ｐの繰り返し毎に保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号Ｓｃを段階的に変更したが、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号Ｓｃを画像確定期間の時間経過とともに滑らかに高くするようにしてもよい。

図１２は、変形例１における、暗電流の発生を抑制するために光電子振分部１０６ａの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃのタイミングチャートを示す図である。図１２に示すように、画像確定期間の最初の（１回目）第１受光期間Ｐ１の開始前から画像確定期間の最後の（Ｎ回目）第１受光期間Ｐ１に掛けて、光電子振分部１０６ａの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号Ｓｃを徐々に高くしてもよい。

なお、光電子振分部１０６ａの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃについてのみ説明したが、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号Ｓｃについても同様である。

本願発明は、画像確定時間（又は受光期間）中の時間経過とともに段階的に、もしくは時間経過とともに滑らかに、光電子保持部のゲート−基板間電圧を徐々に上昇させていくので、特に画像確定時間の初期の電荷保持部に保持している光電子が少ないときに、電荷保持部の空乏層がひろがり、暗電流が増大する影響を抑制することができる。これにより、特に受光光量が多い場合において、画像確定時間の全期間にわたって暗電流の影響を低減できるので、画素が受光期間に蓄積可能な最大の信号電荷量（飽和電荷量）が暗電流の影響で減少してしまう影響を低減することができる。

グローバルシャッタ方式を用いる場合、受光開始から受光終了までの画像確定時間が全画素同時であるので、画像確定時間内において、全画素共通の１個のアナログ電圧を電荷保持部のゲート駆動信号電圧として印加することで、全画素一律に電荷保持部のゲート−基板電圧を徐々に上昇させ、暗電流を抑制することが可能である。これにより、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）法の測距センサにおいて露光タイミングの同時性を得つつ暗電流の影響を低減できる。

一方、ローリングシャッタ方式を用いる場合、受光開始から受光終了までの画像確定時間が画素毎（画素行毎）に異なるので、画素毎（画素行毎）に異なる複数のアナログ電圧を電荷保持部のゲート駆動信号電圧として印加することで、各画素毎（各画素行毎）それぞれの画像確定時間内において、電荷保持部のゲート−基板電圧を徐々に上昇させ、暗電流を抑制することが可能である。これにより、各画素行毎（画素行毎）に複数のアナログ電圧で制御することができ、画素毎(画素行毎）のバラツキが生じる場合であっても暗電流を抑制することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０…測距システム １２…投光装置
１４…撮像部 １６…距離演算部
２８…固体撮像装置 ３０…単位画素
３２…画素アレイ ３４…画素駆動回路
１０２…ｐ型半導体基板 １０４…光電変換素子
１０６、１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ…光電子振分部
１０８、１０８ａ、１０８ｂ…光電子排出部
１１０…フォトゲート １１２…第１転送部
１１４…光電子保持部 １１６…第２転送部
１１８…電荷検出部 １２０…第１転送ゲート
１２２…保持ゲート １２４…第２転送ゲート
１２６…リセット用トランジスタ １２７…リセット用ゲート
１３０…画素アンプトランジスタ １３２…垂直信号線
１３４…選択用トランジスタ １４０…第３転送部
１４２…光電子排出用Ｎ拡散層 １４４…第３転送ゲート
１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄ…転送経路

Claims (4)

1. 受光期間中の入射光量に応じた光電子を取得するための光電変換素子を有する単位画素を駆動する画素駆動装置であって、
   前記単位画素は、前記光電変換素子で生成した光電子を振り分ける複数の光電子振分部を備え、
   前記光電子振分部は、前記光電変換素子で生成した光電子を転送するための第１転送部と、前記第１転送部が転送した光電子を一時的に保持する光電子保持部とを有し、
   前記受光期間は複数あり、前記複数の光電子振分部の前記第１転送部及び前記光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加して、前記受光期間毎に、前記光電変換素子で生成した光電子を、各前記光電子保持部に振り分けて転送することで、各前記光電子保持部に複数回の前記受光期間で生成した光電子を加算保持させるとともに、各前記光電子保持部に印加する前記ゲート駆動信号電圧を制御し、前記光電子保持部のゲート−基板間電圧を徐々に上昇させていく
   ことを特徴とする画素駆動装置。
2. 請求項１に記載の画素駆動装置であって、
   前記単位画素は、受光期間以外で前記光電変換素子が生成した光電子を排出する光電子排出部を備え、
   前記光電子振分部は、前記光電子保持部が保持した光電子を転送する第２転送部と、前記第２転送部により転送された光電子に応じた画素出力電圧信号を出力するための電荷検出部とを有し、
   前記電荷検出部には、該電荷検出部の電位を基準電位にリセットするためのリセット用トランジスタが接続され、
   前記光電子排出部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加することで、前記受光期間以外の期間に前記光電変換素子で生成した光電子を排出し、
   前記第２転送部が前記光電子保持部に保持している光電子を前記電荷検出部に転送する前に、リセット用トランジスタのゲートにリセット信号を印加して、前記電荷検出部の電位を基準電位にリセットする
   ことを特徴とする画素駆動装置。
3. 請求項２項に記載の画素駆動装置であって、
   前記光電変換素子は、半導体基板に光が入射可能なＭＯＳ構造により形成し、
   前記第１転送部、前記光電子保持部、及び前記第２転送部は、前記半導体基板に光が入射し光電変換しないように遮光したＭＯＳ構造により形成する
   ことを特徴とする画素駆動装置。
4. 受光期間中の入射光量に応じた光電子を取得するための光電変換素子を有する単位画素を駆動する画素駆動方法であって、
   前記単位画素は、前記光電変換素子で生成した光電子を振り分ける複数の光電子振分部を備え、
   前記光電子振分部は、前記光電変換素子で生成した光電子を転送するための第１転送部と、前記第１転送部が転送した光電子を一時的に保持する光電子保持部とを有し、
   前記受光期間は複数あり、前記複数の光電子振分部の前記第１転送部及び前記光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加して、前記受光期間毎に、前記光電変換素子で生成した光電子を、各前記光電子保持部に振り分けて転送していくことで、各前記光電子保持部に複数回の前記受光期間で生成した光電子を加算保持させるとともに、各前記光電子保持部に印加する前記ゲート駆動信号電圧を制御し、前記光電子保持部のゲート−基板間電圧を複数の受光期間の合計である画像確定時間の時間経過とともに徐々に上昇させていく
   ことを特徴とする画素駆動方法。

Images