JP2019068382A - 固体撮像装置および撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】消費電流の増加を抑制しながら信号対雑音比を高める。【解決手段】実施形態としての固体撮像装置は、光電変換部と、光電変換部に電気的に接続される第１の入力ノード、第１の主ノードおよび第２の主ノードを備える増幅トランジスタとを各々が有する複数の画素と、第２の入力ノードと、第３の主ノードと、第４の主ノードとを備え、増幅トランジスタと同じ極性のトランジスタと、複数の画素の各々の第１の主ノードが電気的に接続される信号線と、信号線に電気的に接続される電流源とを有する。第３の主ノードには電源電圧が与えられ、第４の主ノードと、第２の主ノードとが電気的に接続され、第１の主ノードと第２の入力ノードとが電気的に接続される。【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置および撮像システムに関する。

固体撮像装置として近年主流となっているＣＭＯＳイメージセンサは、入射光に応じた信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、信号電荷に応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタと、増幅トランジスタの負荷となる定電流回路とを備える。増幅トランジスタのゲートはフォトダイオードの信号電荷を信号電圧に変換する浮遊拡散容量を形成する。増幅トランジスタはソースフォロワとして動作し、浮遊拡散容量における信号電圧を低インピーダンスで出力する。ここで、浮遊拡散容量の容量を小さくすることにより、信号電圧の振幅は大きくなり、画素の後段の信号処理部における信号対雑音比を向上させることができる。

特許文献１には、増幅トランジスタから出力された信号電圧を増幅トランジスタのドレインにフィードバックすることにより、増幅トランジスタのゲートおよびドレイン間の容量を実効的に小さくするフィードバック回路が記載されている。

特開２００８−４２８１４号公報

特許文献１に記載のフィードバック回路は増幅トランジスタのみならず定電流回路にも電流を供給している。このため、撮像装置の消費電流が増大するという課題が生じていた。

本発明の一実施形態における固体撮像装置は、光電変換部と、前記光電変換部に電気的に接続される第１の入力ノード、第１の主ノードおよび第２の主ノードを備える増幅トランジスタとを各々が有する複数の画素と、第２の入力ノードと、第３の主ノードと、第４の主ノードとを備え、前記増幅トランジスタと同じ極性のトランジスタと、前記複数の画素の各々の前記第１の主ノードが電気的に接続される信号線と、前記信号線に電気的に接続される電流源とを有し、前記第３の主ノードには電源電圧が与えられ、前記第４の主ノードと、前記第２の主ノードとが電気的に接続され、前記第１の主ノードと前記第２の入力ノードとが電気的に接続される。

本発明の他の実施形態における固体撮像装置は、光電変換部と、前記光電変換部に電気的に接続される第１の入力ノード、第１の主ノードおよび第２の主ノードを備える増幅トランジスタとを各々が有する複数の画素と、第２の入力ノードと、第３の主ノードと、第４の主ノードとを備え、前記増幅トランジスタと同じ極性のトランジスタと、前記複数の画素の各々の前記第１の主ノードが電気的に接続される信号線と、前記信号線に電気的に接続される電流源とを有し、前記電流源が供給する駆動電流によって動作するフィードバック回路を有する。

本発明によれば、消費電流の増加を抑制しながら、信号対雑音比を向上させることが可能となる。

第１実施形態における固体撮像装置のブロック図である。 第１実施形態における画素の等価回路図である。 第２実施形態における画素の等価回路図である。 第２実施形態における画素の平面図である。 第３実施形態における画素の等価回路図である。 第４実施形態における画素の等価回路図である。 第５実施形態における画素の等価回路図である。 第６実施形態における撮像システムのブロック図である。 第７実施形態における車載カメラにおける撮像システムのブロック図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。第１乃至第５実施形態における固体撮像装置は、光電変換部および増幅トランジスタを各々が有する複数の画素と、増幅トランジスタと同じ極性のトランジスタとを備える。増幅トランジスタは第１の入力ノード、第１の主ノード、第２の主ノードを備え、増幅トランジスタと同じ極性のトランジスタは第２の入力ノード、第３の主ノード、第４の主ノードを備える。複数の画素の各々の増幅トランジスタの第１の入力ノードは信号線に電気的に接続され、信号線は電流源に電気的に接続される。トランジスタは信号線毎または画素毎に設けられ得る。第３の主ノードには電源電圧が与えられ、第４の主ノードと、第２の主ノードとが電気的に接続され、増幅トランジスタの第１の主ノードとトランジスタの第２の入力ノードとが電気的に接続される。したがって、トランジスタは、増幅トランジスタの第１の主ノードの電圧に応じた電圧を増幅トランジスタの第２の主ノードに供給し、増幅トランジスタがソースフォロワとして動作する駆動電流によって動作する。

増幅トランジスタの入力ノードの電圧と第２の主ノードの電圧とは一定の電圧差を保持しながら変化する。増幅トランジスタの入力ノードと第２の主ノードとの間の容量を実質的に無くし、若しくは極めて小さくすることができるとともに、チャネル長変調効果を抑制することができる。これにより、出力ゲインを高くし、信号対雑音比を向上させることができる。また、フィードバックのためのトランジスタは増幅トランジスタの駆動電流のみによって動作するため、消費電流の増加を抑制しながら信号対雑音比を高めることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。本発明は、以下に説明される実施形態に限定されない。例えば、以下のいずれかの実施形態の一部の構成を、他の実施形態に追加し、あるいは他の実施形態の一部の構成と置換してもよい。

［第１実施形態］
図１は本実施形態における固体撮像装置のブロック図である。固体撮像装置は、例えばＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサであって、画素部１、垂直走査回路２、列回路３、水平走査回路４、出力回路５、制御回路６、列信号線１１、電流源１３を備える。

画素部１は行列状に配列された複数の画素１０を備え、それぞれの画素１０は照射光に基づき信号電荷を生成および蓄積する光電変換部を備える。なお、本明細書において、行方向とは図面における水平方向を示し、列方向とは図面において垂直方向を示すものとする。画素１０上にはマイクロレンズ、カラーフィルタが配置され得る。カラーフィルタは例えば赤、青、緑の原色フィルタであって、ベイヤー配列に従って各画素１０に設けられている。一部の画素１０はＯＢ画素（オプティカル・ブラック画素）として遮光されている。複数の画素１０には、焦点検出用の画素信号を出力する焦点検出画素が配された測距行と、画像を生成するための画素信号を出力する撮像画素が配された複数の撮像行とが設けられ得る。列信号線１１は画素１０の列毎に設けられ、列信号線１１には電流源１３が電気的に接続される。本実施形態においては、列信号線１１毎にフィードバック回路１５が設けられているが、複数の画素１０を含む画素群毎にフィードバック回路１５が設けられても良い。フィードバック回路１５は列信号線１１における信号電圧に応じた電圧を電圧供給線１０５を介して各列の複数の画素１０に供給している。

垂直走査回路２はシフトレジスタ、ゲート回路、バッファ回路などから構成され、垂直同期信号、水平同期信号、クロック信号などに基づき行毎に駆動パルスを選択的に画素１０に出力する。駆動パルスは、行ごと、順次、もしくはランダムに供給され得る。列回路３は列信号線１１毎の信号処理回路３０を備える。信号処理回路３０は差動増幅回路、保持回路を備え、画素１０から列信号線１１に出力された画素信号を増幅するとともに、一時的に保持する。信号処理回路３０は画素１０のリセット時の画素信号と光電変換時の画素信号との差分を算出することにより、相関二重サンプリングを行うことができる。

水平走査回路４はシフトレジスタを備え、信号処理回路３０に保持された画素信号を順に読み出す。出力回路５は差動増幅回路、バッファ回路、クランプ回路を備え、水平走査回路４から読み出された画素信号を固体撮像装置の外部へと出力する。このような構成により、光学系を介して画素部１上に照射された光を電気信号である二次元の画像信号として出力させることができる。なお、出力回路５にアナログ・デジタル変換回路を設け、デジタルの画像信号を出力しても良い。または、列毎にアナログ・デジタル変換回路を設けても良い。制御回路６は、クロック、同期信号などに基づき様々な制御信号、駆動信号を生成するタイミングジェネレータとして機能する。

図２は本実施形態における画素１０の等価回路図である。画素１０は、光電変換部ＰＤ、転送トランジスタＭ１、浮遊拡散領域ＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、リセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４を含む。以下の説明は、画素１０を構成するトランジスタがＮチャネルＭＯＳトランジスタである例を示している。光電変換部ＰＤは例えばフォトダイオードから構成されており、入射光による光電変換および電荷の蓄積を行なう。なお、光電変換部ＰＤはフォトダイオードに限定されず、光電効果を生じさせる材料であれば良い。さらに、埋め込み型のフォトダイオードを構成することで、暗電流ノイズを低減できる。光電変換部ＰＤにはマイクロレンズが設けられており、マイクロレンズにより集光された光が光電変換部ＰＤに入射する。

転送トランジスタＭ１は光電変換部ＰＤに対応して設けられ、ゲートには垂直走査回路２から駆動パルスＰＴＸが印加される。駆動パルスＰＴＸがハイレベルとなると、転送トランジスタＭ１がオン状態（導通状態）となり、光電変換部ＰＤに蓄積された信号電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート（第１の入力ノード）に形成された浮遊拡散領域ＦＤに転送される。また、駆動パルスＰＴＸがローレベルとなると、転送トランジスタＭ１はオフ状態（非導通状態）となる。転送トランジスタＭ１をオンまたはオフすることにより、光電変換部ＰＤの信号電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送することができる。浮遊拡散領域ＦＤは信号電荷を電圧に変換し、増幅トランジスタＭ３はゲート電圧に応じた信号電圧をソース（第１の主ノード）から選択トランジスタＭ４を介して列信号線１１へ出力する。

リセットトランジスタＭ２のソースは浮遊拡散領域ＦＤに接続され、ゲートには垂直走査回路２から駆動パルスＰＲＥＳが印加される。駆動パルスＰＲＥＳがハイレベルとなると、リセットトランジスタＭ２はオン状態となり、浮遊拡散領域ＦＤにリセット電圧ＶＲＥＳが供給される。選択トランジスタＭ４は増幅トランジスタＭ３と列信号線１１との間に設けられており、選択トランジスタＭ４のゲートには垂直走査回路２から駆動パルスＰＳＥＬが印加される。駆動パルスＰＳＥＬがハイレベルとなると、増幅トランジスタＭ３と列信号線１１とが電気的に導通する。列信号線１１には電流源１３が電気的に接続されている。電流源１３はＭＯＳトランジスタから構成され、ドレインは列信号線１１に電気的に接続され、ソースはグランド配線に電気的に接続される。電流源１３のゲートには所定の電位が印加され、電流源１３は列信号線１１を介して増幅トランジスタＭ３のソースに一定のバイアス電流を供給する。

フィードバック回路１５は、本実施形態においては列信号線１１毎に設けられ、増幅トランジスタＭ３から出力された信号電圧に追従して変化する電圧を増幅トランジスタＭ３のドレイン（第２の主ノード）に供給する。フィードバック回路１５は、一例として、ＮチャネルＭＯＳのフィードバック用トランジスタ１５ａから構成され、フィードバック用トランジスタ１５ａの極性は増幅トランジスタＭ３の極性と同じであり得る。フィードバック用トランジスタ１５ａにおいて、ゲート（第２の入力ノード）は列信号線１１に接続され、ドレイン（第３の主ノード）は電源電圧ＶＤＤの電源配線に接続され、ソース（第４の主ノード）は電圧供給線１０５を介して増幅トランジスタＭ３のドレインに接続される。このように、フィードバック用トランジスタ１５ａは電源配線と増幅トランジスタＭ３のドレインとの間に直列に接続される。選択トランジスタＭ４がオン状態である場合、電流源１３から増幅トランジスタＭ３に駆動電流が供給され、フィードバック用トランジスタ１５ａは増幅トランジスタＭ３に供給された駆動電流のみによってソースフォロワとして動作する。ここで、「駆動電流のみによって」は、実質的に解釈されるべきであって、漏れ電流などのように半導体設計上、回避し得ない電流分を排除する趣旨ではない。

ここで、フィードバック用トランジスタ１５ａの閾値電圧をＶｔｈ１とすると、フィードバック用トランジスタ１５ａのソース電圧、すなわち増幅トランジスタＭ３のドレイン電圧ＶＤは、列信号線１１の信号電圧よりも電圧ΔＶ１および閾値電圧Ｖｔｈ１だけ低くなる。よって、ドレイン電圧ＶＤは式１で表される。電圧Ｖ０は列信号線１１の信号電圧であり、電圧ΔＶ１は電流源１３から供給される電流値およびコンダクタンスによって定まる電圧である。
ＶＤ＝Ｖ０−Ｖｔｈ１−ΔＶ１ （式１）

一方、増幅トランジスタＭ３がソースフォロワとして動作する場合、増幅トランジスタＭ３のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤは一定の電圧差を保ちながら変化する。このため、増幅トランジスタＭ３のゲート・ドレイン間の容量は実質的にゼロ、若しくは極めて低い値となる。さらに、増幅トランジスタＭ３のソース・ドレイン間の電圧は信号電圧の大きさによらず一定であるため、チャンネル長変調効果が抑制され、ソースフォロワの出力ゲインを高くすることが可能となる。

また、増幅トランジスタＭ３の閾値電圧をＶｔｈ２、ドレイン電圧をＶＤ、ゲート電圧をＶＧとした場合、増幅トランジスタＭ３がソースフォロワとして動作するためには以下の式２の条件を満たせば良い。
ＶＤ≧ＶＧ−Ｖｔｈ２ （式２）

さらに、列信号線１１の信号電圧Ｖ０は、以下の式３によって表される。
Ｖ０＝ＶＧ−Ｖｔｈ２−ΔＶ２ （式３）

ここで、ΔＶ２は、電流源１３から供給される電流値と増幅トランジスタＭ３のコンダクタンスと選択トランジスタＭ４のオン抵抗とによって定まる電圧である。式１および式３から以下の式４が導かれる。
ＶＤ＝ＶＧ−Ｖｔｈ２−ΔＶ２−Ｖｔｈ１−ΔＶ１ （式４）

よって、ソースフォロワ動作条件に関する式２を式４に代入することにより以下の式５が導かれる。
ＶＧ−Ｖｔｈ２−ΔＶ２−Ｖｔｈ１−ΔＶ１≧ＶＧ−Ｖｔｈ２ （式５）

式５を整理し、以下の式６が導かれる。
−ΔＶ２−ΔＶ１≧Ｖｔｈ１ （式６）

ΔＶ１、ΔＶ２はともに正の値なので閾値電圧Ｖｔｈ１は負の値となる。増幅トランジスタＭ３がソースフォロワとして動作するために、フィードバック用トランジスタ１５ａはデプレッション型であって、式６の閾値電圧Ｖｔｈ１を有することが好ましい。

電圧Ｖ０がフィードバック用トランジスタ１５ａのゲート電圧であることから、フィードバック用トランジスタ１５ａがソースフォロワ動作するため、以下の式７を満たすことが好ましい。
ＶＤＤ≧Ｖ０−Ｖｔｈ１ （式７）

式７および式３から式８が導かれる。
ＶＤＤ≧ＶＧ−Ｖｔｈ２−ΔＶ２−Ｖｔｈ１ （式８）

式８はさらに式９で表される。
ＶＧ≦ＶＤＤ＋Ｖｔｈ２＋Ｖｔｈ１＋ΔＶ２ （式９）

増幅トランジスタＭ３のゲート電圧ＶＧはリセット電圧ＶＲＥＳにリセットされることから、式９は式１０で表される。
ＶＲＥＳ≦ＶＤＤ＋Ｖｔｈ２＋Ｖｔｈ１＋ΔＶ２ （式１０）

以上により、式６および式１０が満たされることで、増幅トランジスタＭ３はソースフォロワとして動作する。なお、式１０において、閾値電圧Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２の値によっては、リセット電圧ＶＲＥＳは電源電圧ＶＤＤよりも低く設定されることが好ましい。

上述のように構成された固体撮像装置の概略の動作を説明する。垂直走査回路２は駆動パルスＰＲＥＳをハイレベルとすることで、浮遊拡散領域ＦＤの電荷をリセットする。垂直走査回路２は駆動パルスＰＲＥＳをローレベルとし、リセット動作を終了する。列信号線１１には、画素１０のリセット状態における信号電圧が出力され、信号処理回路３０の容量に保持される。次に、垂直走査回路２は駆動パルスＰＴＸをハイレベルとした後にローレベルとし、光電変換部ＰＤに蓄積された信号電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送する。浮遊拡散領域ＦＤの電位は、電荷量に応じて所定電位だけ低くなる。増幅トランジスタＭ３からは、浮遊拡散領域ＦＤの信号電荷に基づく信号電圧が列信号線１１に出力される。フィードバック用トランジスタ１５ａのゲートには列信号線１１における信号電圧が入力され、フィードバック用トランジスタ１５ａのソースの電位は信号電圧に追従して所定電位だけ低くなる。上述したように、増幅トランジスタＭ３がソースフォロワとして動作する場合、増幅トランジスタＭ３のゲート電圧およびドレイン電圧は一定の電圧差を保ちながら変化する。増幅トランジスタＭ３のソースから光電変換時の信号電圧が列信号線１１に出力され、信号処理回路３０の容量に保持される。信号処理回路３０のコンパレータ回路はリセット情報における信号電圧と光電変換時の信号電圧の差分の信号を出力することで、ノイズ成分が除去された信号を得ることができる。

以上、述べたように、本実施形態によれば、フィードバック回路１５は、増幅トランジスタＭ３の信号電圧に追従して変化する電圧を増幅トランジスタＭ３の第２のドレインに供給する。増幅トランジスタＭ３のゲート・ドレイン間の容量を実質的に無くし、若しくは極めて小さくすることができるとともに、チャネル長変調効果を抑制することができる。これにより、出力ゲインを高くし、信号対雑音比を向上させることができる。また、フィードバック回路１５は増幅トランジスタＭ３の駆動電流のみによって動作するため、消費電流の増加を抑制しながら、信号対雑音比を高めることが可能となる。

［第２実施形態］
続いて、本発明の第２実施形態における固体撮像装置について、第１実施形態と異なる構成を中心に説明する。図３は本実施形態における画素１０の等価回路図である。本実施形態において、フィードバック回路１５は画素１０毎に設けられている。画素１０において、１つのフィードバック用トランジスタ１５ａが１つの増幅トランジスタＭ３に対応して設けられ、フィードバック用トランジスタ１５ａのソースは電圧供給線１０５を介して増幅トランジスタＭ３のドレインにのみ接続されている。フィードバック用トランジスタ１５ａのゲートは配線１０３を介して増幅トランジスタＭ３のソースに接続される。

本実施形態においても、フィードバック用トランジスタ１５ａは、増幅トランジスタＭ３のソースから出力された信号電圧に追従して変化する電圧を増幅トランジスタＭ３のドレインに供給する。これにより、増幅トランジスタＭ３のゲート・ドレイン間の容量を実質的に無くし、若しくは極めて小さくすることができ、信号対雑音比を高めることができる。また、フィードバック用トランジスタ１５ａは増幅トランジスタＭ３の駆動電流のみによって動作するため、消費電流の増加を抑制することができる。

さらに、本実施形態においては、フィードバック用トランジスタ１５ａは画素１０毎に設けられ、フィードバック用トランジスタ１５ａからの電圧供給線１０５には１つの増幅トランジスタＭ３のドレインが接続されている。このため、第１実施形態と比較して、電圧供給線１０５における容量を小さくすることができ、フィードバックの遅延時間を大幅に低減することが可能となる。

また、本実施形態においては、フィードバックされる信号電圧は、列信号線１１の信号電圧ではなく、増幅トランジスタＭ３のソースの信号電圧である。このため、上述の式６（−ΔＶ２−ΔＶ１≧Ｖｔｈ１）において、ΔＶ２の値は、第１実施形態におけるΔＶ２と比較して、選択トランジスタＭ４のオン抵抗による電圧降下分だけ小さくなる。したがって、フィードバック用トランジスタ１５ａの閾値電圧Ｖｔｈ１が満たすべき条件は第１実施形態に比較して緩和され、設計の自由度を高めることができる。

図４は本実施形態における画素の平面図である。図４において、図３における回路要素に対応する構成には同一の参照符号が付されている。アクティブ領域１１０、１２０には薄いゲート酸化膜が形成され、アクティブ領域１１０、１２０以外の領域には厚い酸化膜が付された素子分離領域が形成されている。

アクティブ領域１２０には転送トランジスタＭ１のソース領域が形成され、ソース領域は光電変換部ＰＤから転送された信号電荷を保持する浮遊拡散領域ＦＤを構成する。浮遊拡散領域ＦＤにはコンタクトホールＣ２を介して配線１０２の一端に接続される。配線１０２の他端はコンタクトホールＣ３を介して増幅トランジスタＭ３のゲート電極Ｍ３ｇに接続される。

アクティブ領域１１０において、増幅トランジスタＭ３のゲート電極Ｍ３ｇは領域１１０ｂと領域１１０ｃとの間のチャネル領域上に絶縁層を介して形成される。領域１１０ｃは増幅トランジスタＭ３のソース領域および選択トランジスタＭ４のドレイン領域を兼ねている。領域１１０ｃと領域１１０ｄとの間のチャネル領域上には絶縁層を介して選択トランジスタＭ４のゲート電極Ｍ４ｇが形成される。ゲート電極Ｍ４ｇはコンタクトホールＣ６を介して駆動配線１０４に接続される。領域１１０ｄは選択トランジスタＭ４のソース領域を構成し、図示されていない列信号線１１に接続される。さらに、アクティブ領域１１０において、領域１１０ａと領域１１０ｂとの間のチャネル領域上には、絶縁層を介してフィードバック用トランジスタ１５ａのゲート電極１５ｇが形成される。ゲート電極１５ｇはコンタクトホールＣ４を介して配線１０３に接続されている。配線１０３はさらにコンタクトホールＣ５を介して領域１１０ｃ、すなわち増幅トランジスタＭ３のソース領域および選択トランジスタＭ４のドレイン領域に接続されている。領域１１０ａはフィードバック用トランジスタ１５ａのドレイン領域を構成し、領域１１０ａはコンタクトホールＣ１を介して電源配線１０１に接続される。領域１１０ｂはフィードバック用トランジスタ１５ａのソース領域および増幅トランジスタＭ３のドレイン領域を兼ねている。

図４において、配線（第１の配線）１０３は増幅トランジスタＭ３のゲート電極Ｍ３ｇと交差するとともに、配線（第２の配線）１０２および浮遊拡散領域ＦＤに隣接している。しかし、配線１０３と、ゲート電極Ｍ３ｇ、配線１０２、浮遊拡散領域ＦＤとの間の容量は、配線１０３が増幅トランジスタＭ３の出力であるから実質的に無くなり、若しくは極めて小さくなる。また、配線１０２と駆動配線（第３の配線）１０４との間に配線１０３の少なくとも一部が平面視において位置することにより、駆動配線１０４と配線１０２との間の容量は電気的遮蔽効果によって低減される。選択トランジスタＭ４の駆動配線１０４と同様に、転送トランジスタＭ１の駆動配線およびリセットトランジスタＭ２の駆動配線についても配線１０２との容量を低減することが可能である。さらに、図示されていないが、配線１０３に接続される上層の配線を浮遊拡散領域ＦＤ、配線１０２の大部分を覆うように配置してもよい。これにより、浮遊拡散領域ＦＤ、配線１０２、ゲート電極Ｍ３ｇと駆動配線、電源配線１０１等との間の容量を電気的遮蔽効果によって低減できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、消費電流の増加を抑制しながら、信号対雑音比を高めることが可能となる。また、フィードバック回路１５が画素１０毎に設けられているため、第１実施形態と比較して、電圧供給線１０５における容量を小さくすることができ、フィードバックの遅延時間を大幅に低減することが可能となる。

［第３実施形態］
続いて、本発明の第３実施形態における固体撮像装置について、第２実施形態と異なる構成を中心に説明する。図５は本実施形態における画素１０の等価回路図である。本実施形態において、画素１０は転送トランジスタＭ１を備えておらず、光電変換部ＰＤのＮ電極は浮遊拡散領域ＦＤを構成している。このような構成の画素１０においては、第１、第２実施形態と異なり、相関二重サンプリングによるノイズ除去を行うことができない。この場合、増幅トランジスタＭ３の信号電圧をリセット電圧ＶＲＥＳにフィードバックする回路を設けても良い。

本実施形態においても、増幅トランジスタＭ３がソースフォロワとして動作するための駆動電流のみによって動作するフィードバック回路を用いることにより、消費電流の増加を抑制しながら、信号対雑音比を高めることが可能となる。

［第４実施形態］
続いて、本発明の第４実施形態における固体撮像装置について、第１実施形態と異なる構成を中心に説明する。図６は本実施形態における画素１０の等価回路図である。画素１０は、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢ、転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂ、浮遊拡散領域ＦＤ、リセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４を含む。光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢは例えばフォトダイオードから構成されており、入射光による光電変換および電荷の蓄積を行なう。光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢには共通のマイクロレンズが設けられており、マイクロレンズにより集光された光が光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢに入射する。このように、２つの光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢは瞳分割されている。なお、画素１０を構成する光電変換部の個数は２個に限定されず、それ以上の個数であっても良い。

転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂは光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢに対応して設けられ、それぞれのゲートには駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢが印加される。駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢがハイレベルとなると、転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂがオン状態（導通状態）となり、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢの信号が増幅トランジスタＭ３の入力ノードである浮遊拡散領域ＦＤに転送される。また、駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢがローレベルとなると、転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂはオフ状態（非導通状態）となる。転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂを同時にオンまたはオフすることにより、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢの信号電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送することができる。増幅トランジスタＭ３は、浮遊拡散領域ＦＤにおいて加算された信号電荷に応じた信号電圧をソースから出力する。また、駆動パルスＰＴＸＡをオンまたはオフすることにより、光電変換部ＰＤＡの信号電荷が浮遊拡散領域ＦＤに転送され、増幅トランジスタＭ３は信号電荷に応じた信号電圧をソースから出力する。以上の構成により、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢのそれぞれの信号電荷を加算した（Ａ＋Ｂ）信号、光電変換部ＰＤＡのＡ信号を得ることができる。（Ａ＋Ｂ）信号は画像信号として用いられる。光電変換部ＰＤＢのＢ信号は（Ａ＋Ｂ）信号からＡ信号を減算することで求められる。なお、減算を行わずに、光電変換部ＰＤＢからの信号電荷を独立に読み出しても良い。Ａ信号、Ｂ信号は位相差検出のための焦点検出信号として用いられる。

フィードバック回路１５は第１実施形態と同様に列信号線１１毎に設けられ、増幅トランジスタＭ３から出力された信号電圧に追従して変化する電圧を電圧供給線１０５を介して増幅トランジスタＭ３のドレインに供給する。また、フィードバック用トランジスタ１５ａは電源電圧ＶＤＤの電源配線と増幅トランジスタＭ３のドレインとの間に直列に接続され、フィードバック用トランジスタ１５ａは増幅トランジスタＭ３に供給された駆動電流のみでソースフォロワとして動作する。

本実施形態においても、瞳分割の画素１０における浮遊拡散領域ＦＤの容量を実質的に無くし、若しくは極めて小さくし、信号ゲインを大きくすることができる。また、フィードバック回路は増幅トランジスタの駆動電流のみによって動作するため、消費電流の増加を抑制しながら、信号対雑音比を高めることが可能となる。

［第５実施形態］
続いて、本発明の第５実施形態における固体撮像装置について、第４実施形態と異なる構成を中心に説明する。図７は本実施形態における画素１０の等価回路図である。フィードバック回路１５は画素１０毎に設けられている。画素１０において、１つのフィードバック用トランジスタ１５ａが１つの増幅トランジスタＭ３に対応して設けられ、フィードバック用トランジスタ１５ａのソースは電圧供給線１０５を介して増幅トランジスタＭ３のドレインにのみ接続されている。本実施形態においても、瞳分割の画素１０における浮遊拡散領域ＦＤの容量を実質的に無くし、若しくは極めて小さくし、信号電圧の出力ゲインを大きくすることができる。また、フィードバック回路は増幅トランジスタの駆動電流のみによって動作するため、消費電流の増加を抑制しながら、信号対雑音比を高めることが可能となる。

［第６実施形態］
上述の実施形態における固体撮像装置は種々の撮像システムに適用可能である。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、監視カメラなどがあげられる。図８に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。

図８に示す撮像システムは、バリア２０６、レンズ２０２、絞り２０４、撮像装置２０７、信号処理部２０８、タイミング発生部２２０、全体制御・演算部２１８、メモリ部２１０、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１６、記録媒体２１４、外部Ｉ／Ｆ部２１２を含む。バリア２０６はレンズ２０２を保護し、レンズ２０２は被写体の光学像を撮像装置２０７に結像させる。絞り２０４はレンズ２０２を通った光量を可変する。撮像装置２０７は上述の実施形態の固体撮像装置を含み、レンズ２０２により結像された光学像を画像データに変換する。ここで、撮像装置２０７の半導体基板にはＡＤ変換部が形成されているものとする。信号処理部２０８は撮像装置２０７より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する。タイミング発生部２２０は撮像装置２０７および信号処理部２０８に、各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部２１８はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部２１０は画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１６は記録媒体２１４に画像データの記録または読み出しを行うためのインターフェースであり、記録媒体２１４は撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部Ｉ／Ｆ部２１２は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置２０７と、撮像装置２０７から出力された撮像信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。

本実施形態では、撮像装置２０７とＡＤ変換部とが別の半導体基板に設けられた構成を説明した。しかし、撮像装置２０７とＡＤ変換部とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置２０７と信号処理部２０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

また、それぞれの画素が第１の光電変換部と、第２の光電変換部を含んでもよい。信号処理部２０８は、第１の光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号と、第２の光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号とを処理し、撮像装置２０７から被写体までの距離情報を取得するように構成されてもよい。

［第７実施形態］
図９（ａ）、図９（ｂ）は、本発明の第７実施形態における車載カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム３００は、上述した実施形態の撮像装置３１０を有する。撮像システム３００は、撮像装置３１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部３１２と、撮像システム３００より取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部３１４を有する。また、撮像システム３００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部３１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部３１８とを有する。ここで、視差取得部３１４、距離取得部３１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部３１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

撮像システム３００は車両情報取得装置３２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ３３０が接続されている。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ３３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。撮像システム３００は上述のように車両を制御する動作の制御を行う制御手段として機能する。

本実施形態では車両の周囲、例えば前方または後方を撮像システム３００で撮像する。図９（ｂ）に、車両前方（撮像範囲３５０）を撮像する場合の撮像システムを示した。撮像制御手段としての車両情報取得装置３２０が、上述の第１乃至第６の実施形態に記載した動作を行うように撮像システム３００ないしは撮像装置３１０に指示を送る。撮像装置３１０の動作は、第１乃至第６の実施形態と同じなので、ここでは説明を省略する。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。

上述では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

［他の実施形態］
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

上述の実施形態においては、１つの画素が１つの増幅トランジスタを備えた構成を説明したが、本発明はこれらの構成に限定されない。例えば、１つの画素が複数の光電変換部に対応して複数の増幅トランジスタを備えている場合、フィードバックトランジスタを増幅トランジスタ毎に設けても良い。

上述の実施形態では、トランジスタをＮ型トランジスタにより構成する場合を想定して説明を行ったが、トランジスタをＰ型トランジスタにより構成するようにしてもよい。この場合、上述した各駆動信号のレベルは逆になる。

なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１ 画素部
２ 垂直走査回路
３ 列回路
４ 水平走査回路
５ 出力回路
６ 制御回路
１０ 画素
１１ 列信号線
１３ 電流源
１５ フィードバック回路
１０２ 配線（第２の配線）
１０３ 配線（第１の配線）
１０４ 配線（第３の配線）
ＰＤ 光電変換回路
ＦＤ 浮遊拡散領域
Ｍ３ 増幅トランジスタ
Ｍ４ 選択トランジスタ

Claims (20)

1. 光電変換部と、前記光電変換部に電気的に接続される第１の入力ノード、第１の主ノードおよび第２の主ノードを備える増幅トランジスタとを各々が有する複数の画素と、
   第２の入力ノードと、第３の主ノードと、第４の主ノードとを備え、前記増幅トランジスタと同じ極性のトランジスタと、
   前記複数の画素の各々の前記第１の主ノードが電気的に接続される信号線と、
   前記信号線に電気的に接続される電流源とを有し、
   前記第３の主ノードには電源電圧が与えられ、
   前記第４の主ノードと、前記第２の主ノードとが電気的に接続され、
   前記第１の主ノードと前記第２の入力ノードとが電気的に接続されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の画素の各々が前記トランジスタを有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の画素を各々が含む複数の画素群を有し、
   前記複数の画素群のそれぞれに対応して、複数の前記信号線の各々が対応して設けられ、
   前記トランジスタが、複数の前記信号線の各々に対応して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記増幅トランジスタの前記第１の主ノードと前記トランジスタの前記第２の入力ノードとを電気的に接続する第１の配線は、平面視において、前記増幅トランジスタの前記第１の入力ノードの電極の少なくとも一部と交差することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記複数の画素の各々は、
   前記増幅トランジスタの前記第１の主ノードと前記信号線との間に設けられた選択トランジスタと、
   前記光電変換部に電気的に接続される浮遊拡散領域と、
   前記浮遊拡散領域と前記増幅トランジスタの前記第１の入力ノードとを電気的に接続する第２の配線と、
   前記選択トランジスタの入力ノードに電気的に接続された第３の配線とを備え、
   前記第１の配線の少なくとも一部は、平面視において前記第２の配線と前記第３の配線との間に位置することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 光電変換部と、前記光電変換部に電気的に接続される第１の入力ノード、第１の主ノードおよび第２の主ノードを備える増幅トランジスタとを各々が有する複数の画素と、
   第２の入力ノードと、第３の主ノードと、第４の主ノードとを備え、前記増幅トランジスタと同じ極性のトランジスタと、
   前記複数の画素の各々の前記第１の主ノードが電気的に接続される信号線と、
   前記信号線に電気的に接続される電流源とを有し、
   前記電流源が供給する駆動電流によって動作するフィードバック回路を有することを特徴とする固体撮像装置。
7. 複数の前記信号線を備え、
   前記フィードバック回路は前記信号線毎に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記フィードバック回路は前記画素毎に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
9. 前記電流源は前記増幅トランジスタに駆動電流を供給することを特徴とする請求項７または８に記載の固体撮像装置。
10. 前記フィードバック回路は前記トランジスタを備え、
    前記トランジスタの前記第２の入力ノードは前記増幅トランジスタの前記第１の主ノードに電気的に接続され、前記トランジスタの前記第４の主ノードは前記増幅トランジスタの前記第２の主ノードに電気的に接続され、前記トランジスタの前記第３の主ノードには電源電圧が印加されることを特徴とする請求項８または９に記載の固体撮像装置。
11. 前記トランジスタは、ソースフォロワ動作を行うことを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
12. 前記トランジスタの極性は前記増幅トランジスタの極性と同じであって、前記トランジスタはデプレッション型であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の固体撮像装置。
13. 前記増幅トランジスタの前記第１の入力ノードをリセット電圧にリセットするリセットトランジスタを備え、
    前記トランジスタの閾値電圧をＶｔｈ１、前記トランジスタの電流値およびコンダクタンスによって定まる電圧をΔＶ１、前記増幅トランジスタの電流値およびコンダクタンスによって定まる電圧をΔＶ２とした場合において、
    −ΔＶ２−ΔＶ１≧Ｖｔｈ１
    が満たされることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装置。
14. 前記増幅トランジスタの閾値電圧をＶｔｈ２、前記リセット電圧をＶＲＥＳ、前記電源電圧をＶＤＤとした場合において、
    ＶＲＥＳ≦ＶＤＤ＋Ｖｔｈ２＋Ｖｔｈ１＋ΔＶ２
    が満たされることを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
15. 前記リセット電圧ＶＲＥＳは前記電源電圧ＶＤＤよりも低いことを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
16. 前記画素は複数の前記光電変換部を備えることを特徴とする請求項７乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
17. 前記増幅トランジスタの前記第１の主ノードの領域と前記トランジスタの前記第２の入力ノードの電極とを電気的に接続する第１の配線は、平面視において、前記増幅トランジスタの前記第１の入力ノードの電極の少なくとも一部と交差することを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
18. 前記増幅トランジスタの前記第１の主ノードと前記信号線との間に設けられた選択トランジスタと、
    浮遊拡散領域と前記増幅トランジスタの前記第１の入力ノードの電極とを電気的に接続する第２の配線と、
    前記選択トランジスタの入力ノードの電極に電気的に接続された第３の配線とを備え、
    前記第１の配線の少なくとも一部は、平面視において前記第２の配線と前記第３の配線との間に位置することを特徴とする請求項１７に記載の固体撮像装置。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力された画像信号を処理する信号処理部と
    を有することを特徴とする撮像システム。
20. 前記画素が２つの前記光電変換部を含み、
    前記信号処理部は、２つの前記光電変換部にて生成された前記画像信号をそれぞれ処理し、前記固体撮像装置から被写体までの距離情報を取得することを特徴とする請求項１９に記載の撮像システム。

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