JP2015032999A - 撮像素子 - Google Patents
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Abstract
Description
1.第1の実施の形態(1つの光電変換部に対して複数の電荷蓄積部を設けて増幅トランジスタを直列接続する例)
2.第2の実施の形態(1つの光電変換部に対して複数の電荷蓄積部を設けて増幅トランジスタを並列接続する例)
3.第3の実施の形態(1つの光電変換部に対して複数の電荷蓄積部を設けてリセットトランジスタを配置した例)
4.第4の実施の形態(1つの光電変換部に対して複数の電荷蓄積部を設けて浮遊拡散層を互いに分離した例)
5.第5の実施の形態(1つの光電変換部に対して複数の電荷蓄積部を設けて浮遊拡散層およびn+層を分離した例)
[撮像素子の構成例]
図1は、実施の形態における撮像素子100の一構成例を示すブロック図である。この撮像素子100は、撮像装置などにおいて画像を撮像するために用いられる。撮像素子100は、行走査回路110と、画素アレイ部120と、複数のA/D変換部130と、複数の積算回路140と、複数のレジスタ150と、出力回路160とを備える。
図2は、第1の実施の形態における画素回路200の平面図の一例を示す図である。この画素回路200は、1つの光電変換部と、FD列310、320、330および340と、行選択トランジスタとを備える。なお、同図において、光電変換部および選択トランジスタは省略されている。
図7は、第1の実施の形態における画素回路200の制御の一例を示すタイミングチャートである。露光期間を開始するタイミングT0から、タイミングT1までの間において、行走査回路110は、FD選択信号SEL_F1乃至SEL_F20の全てをローレベルにする。これにより、20個の浮遊拡散層のそれぞれが空乏化される。
[撮像素子の構成例]
第1の実施の形態では、増幅トランジスタ321乃至325を並列に接続していたが、これらを直列に接続してもよい。第2の実施の形態の撮像素子100は、増幅トランジスタ321乃至325が直列に接続されている点において第1の実施の形態と異なる。
図12は、第2の実施の形態における画素回路200の制御の一例を示すタイミングチャートである。
[撮像素子の構成例]
第1の実施の形態では、3値駆動の増幅トランジスタ321乃至325が信号電圧の増幅とともにリセットを行っていたが、3値駆動トランジスタでは、浮遊拡散層を完全に空乏化することができないことがある。第3の実施の形態の撮像素子100は、浮遊拡散層を完全に空乏化するリセットトランジスタをさらに備える点において第1の実施の形態と異なる。
図16は、第3の実施の形態における画素回路200の制御の一例を示すタイミングチャートである。
第3の実施の形態では、増幅トランジスタが並列に接続された撮像素子100にリセットトランジスタをさらに設けていたが、増幅トランジスタが直列に接続された撮像素子100にリセットトランジスタを設けてもよい。変形例の撮像素子100は、増幅トランジスタが直列に接続されている点において第3の実施の形態と異なる。
図17は、第3の実施の形態の変形例における画素回路200の等価回路図の一例を示す図である。変形例の画素回路200の等価回路は、増幅トランジスタ321乃至325が直列に接続されている点において第3の実施の形態と異なる。
図18は、第3の実施の形態の変形例における画素回路200の制御の一例を示すタイミングチャートである。変形例の行選択信号SEL_R1と、FD選択信号SEL_F1乃至SEL_F20とについての制御は、第2の実施の形態と同様である。変形例のリセット信号RSTについての制御は、第3の実施の形態と同様である。
[画素回路の構成例]
第1の実施の形態では、素子分離領域270にSTI(Shallow Trench Isolation)を形成して浮遊拡散層を分離していた。第4の実施の形態の撮像素子100は、この素子分離領域に、絶縁層を介して電極を埋め込んだ点において第1の実施の形態と異なる。
図21は、第4の実施の形態における画素回路200の制御の一例を示すタイミングチャートである。第4の実施の形態における行選択信号SEL_R1と、FD選択信号SEL_F1乃至SEL_F20とについての制御は、第1の実施の形態と同様である。
第4の実施の形態では、増幅トランジスタが並列接続された撮像素子100に素子分離領域を設けていたが、増幅トランジスタが直列接続された撮像素子100に素子分離領域を設けてもよい。変形例の撮像素子は、増幅トランジスタが直列に接続されている点において第4の実施の形態と異なる。
図22は、第4の実施の形態の変形例における画素回路200の制御の一例を示すタイミングチャートである。変形例の行選択信号SEL_R1と、FD選択信号SEL_F1乃至SEL_F20とについての制御は、第2の実施の形態と同様である。変形例の素子分離制御信号ISOについての制御は、第4の実施の形態と同様である。
[画素回路の構成例]
第4の実施の形態では、素子分離領域280は、n+層240と、FD列内の浮遊拡散層との接続部分を避けて形成されていた。しかし、n+層240と浮遊拡散層との接続部分を避けずに素子分離領域280を設ける方が、素子分離領域の形成が容易である。第5の実施の形態の撮像素子100は、n+層240と浮遊拡散層との接続部分を避けずに素子分離領域280を設けた点において第4の実施の形態と異なる。
図25は、第5の実施の形態における画素回路200の制御の一例を示すタイミングチャートである。第5の実施の形態の素子分離制御信号ISOは、露光開始時におけるタイミングT0からT1までの間においてハイレベルに設定される。これにより、素子分離領域280が縦型トランジスタとして機能し、浮遊拡散層に蓄積された電荷が、素子分離領域280を介してn+層240へ排出される。
第5の実施の形態では、増幅トランジスタが並列接続された撮像素子100に素子分離領域280を設けていたが、増幅トランジスタが直列接続された撮像素子100に素子分離領域280を設けてもよい。変形例の撮像素子100は、増幅トランジスタが直列に接続されている点において第5の実施の形態と異なる。
図26は、第5の実施の形態の変形例における画素回路200の制御の一例を示すタイミングチャートである。変形例の行選択信号SEL_R1と、FD選択信号SEL_F1乃至SEL_F20とについての制御は、第2の実施の形態と同様である。変形例の素子分離制御信号ISOについての制御は、第5の実施の形態と同様である。
(1)入射光を電荷に変換する光電変換部と、
前記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の各々に蓄積された前記電荷の量に応じた信号電圧を順に増幅して出力する増幅部と
をそれぞれが備える複数の画素を具備する撮像素子。
(2)前記増幅部は、前記複数の電荷蓄積部の各々について前記信号電圧を増幅して出力する増幅トランジスタを備え、
前記増幅トランジスタの各々は、電源電位と基準電位との間において直列に接続されている前記(1)記載の撮像素子。
(3)前記増幅部は、前記複数の電荷蓄積部の各々について前記信号電圧を増幅して出力する増幅トランジスタを備え、
前記増幅トランジスタの各々は、電源電位と基準電位との間において並列に接続されている前記(1)または(2)に記載の撮像素子。
(4)前記増幅部は、前記複数の電荷接続部の各々について前記信号電圧を増幅して出力する増幅トランジスタを備え、
前記増幅トランジスタは、当該増幅トランジスタを制御する制御信号が第1の電位である場合には前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を排出させ、前記制御信号が第2の電位である場合には前記信号電圧を増幅して出力し、前記制御信号が第3の電位である場合には前記信号電圧を出力しない前記(1)から(3)のいずれかに記載の撮像素子。
(5)前記複数の電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を排出させるリセットトランジスタをさらに具備する
前記(1)から(4)のいずれかに記載の撮像素子。
(6)前記増幅部は、前記複数の電荷接続部の各々について前記信号電圧を増幅して出力する増幅トランジスタを備え、
前記増幅トランジスタの各々は、ゲート、ソースおよびドレインを備え、
前記複数の電荷蓄積部の各々は、当該電荷蓄積部に対応する前記増幅トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの間に形成される前記(1)から(5)のいずれかに記載の撮像素子。
(7)所定の導通期間において導通状態に移行し、前記導通期間に該当しない非導通期間において非導通状態に移行する素子分離領域と、
前記素子分離領域を介して前記複数の電荷蓄積部に接続された電荷排出層とを具備し、
前記複数の電荷蓄積部は、前記導通期間において前記素子分離領域を介して前記電荷排出層へ前記蓄積した電荷を排出する前記(1)から(6)のいずれかに記載の撮像素子。
(8)前記出力された信号電圧の各々を加算して当該加算した値を加算値として生成する加算部をさらに具備する
前記(1)から(7)のいずれかに記載の撮像素子。
110 行走査回路
120 画素アレイ部
130 A/D変換部
140 積算回路
145 判定回路
150 レジスタ
160 出力回路
200 画素回路
210 行選択トランジスタ
221、260 p層
222 n-層
223 光電変換部
231、232、233、234、235、236 p+層
240 n+層
241、242、243、244、245 浮遊拡散層
251、252、253、254、255 ゲート絶縁膜
256、258 リセット端子
270、280 素子分離領域
310、320、330、340 FD列
321、322、323、324、325 増幅トランジスタ
326 リセットトランジスタ
Claims (8)
- 入射光を電荷に変換する光電変換部と、
前記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の各々に蓄積された前記電荷の量に応じた信号電圧を順に増幅して出力する増幅部と
をそれぞれが備える複数の画素を具備する撮像素子。 - 前記増幅部は、前記複数の電荷蓄積部の各々について前記信号電圧を増幅して出力する増幅トランジスタを備え、
前記増幅トランジスタの各々は、電源電位と基準電位との間において直列に接続されている請求項1記載の撮像素子。 - 前記増幅部は、前記複数の電荷蓄積部の各々について前記信号電圧を増幅して出力する増幅トランジスタを備え、
前記増幅トランジスタの各々は、電源電位と基準電位との間において並列に接続されている請求項1記載の撮像素子。 - 前記増幅部は、前記複数の電荷接続部の各々について前記信号電圧を増幅して出力する増幅トランジスタを備え、
前記増幅トランジスタは、当該増幅トランジスタを制御する制御信号が第1の電位である場合には前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を排出させ、前記制御信号が第2の電位である場合には前記信号電圧を増幅して出力し、前記制御信号が第3の電位である場合には前記信号電圧を出力しない請求項1記載の撮像素子。 - 前記複数の電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を排出させるリセットトランジスタをさらに具備する
請求項1記載の撮像素子。 - 前記増幅部は、前記複数の電荷接続部の各々について前記信号電圧を増幅して出力する増幅トランジスタを備え、
前記増幅トランジスタの各々は、ゲート、ソースおよびドレインを備え、
前記複数の電荷蓄積部の各々は、当該電荷蓄積部に対応する前記増幅トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの間に形成される請求項1記載の撮像素子。 - 所定の導通期間において導通状態に移行し、前記導通期間に該当しない非導通期間において非導通状態に移行する素子分離領域と、
前記素子分離領域を介して前記複数の電荷蓄積部に接続された電荷排出層とを具備し、
前記複数の電荷蓄積部は、前記導通期間において前記素子分離領域を介して前記電荷排出層へ前記蓄積した電荷を排出する請求項1記載の撮像素子。 - 前記出力された信号電圧の各々を加算して当該加算した値を加算値として生成する加算部をさらに具備する
請求項1記載の撮像素子。
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