JP2019091733A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】広ダイナミックレンジを実現しつつ、画素レベルで空間的や時間的なズレを生じさせない撮像装置を実現する。【解決手段】半導体の厚さ方向に沿う方向に４層以上の光電変換層を積層して形成した光電変換部を備え、４層以上の前記光電変換層のうち、少なくとも１層が第１の分光特性を有し、少なくとも２層が前記第１の分光特性と異なる第２の分光特性を有し、少なくとも１層が前記第１の分光特性及び前記第２の分光特性と異なる第３の分光特性を有する、固体撮像装置。【選択図】図１

Description

本技術は、固体撮像装置及び電子機器に関する。
撮像装置においては、暗所でもきれいな撮像ができることが望まれており、そのためには、光電変換素子の高感度化や光電変換された電荷の蓄積時間の長時間化を実現するアプローチがある。ただし、これらアプローチを採用した場合、光電変換した電荷の蓄積可能量が十分に拡大できなければ、明所での撮像時に電荷が飽和して白飛びや色飽和が発生する可能性がある。白飛びや色飽和を防止する技術としては、蓄積時間の異なる画像を重ねて広ダイナミックレンジを実現する技術が、市販のデジタルカメラで広く使われている。
また、同一撮像装置内に、高感度画素と低感度画素を形成して広ダイナミックレンジを実現する技術が複数開示されている（特許文献１〜１３参照）。
特許文献１，２には、同一撮像装置内に大きさの異なるフォトダイオードを形成して動く被写体の撮像でもダイナミックレンジの広い合成画像を得ることができる技術が開示されている。
特許文献３，４には、スイッチによりフォトダイオードの受光面積を切替可能に構成し、明るい被写体に対しては受光面積を小さくして感度を低くし、暗い被写体に対しては受光面積を大きくして感度を高くする技術が開示されている。
特許文献５〜８には、複数の画素を並設し、並設した画素の間でオンチップの集光率を異ならせて感度の異なる画素を実現する技術が開示されている。
特許文献９〜１３には、複数の画素を並設し、並設した画素の間で減光層やフィルタ膜厚を異ならせて感度の異なる画素を実現する技術が開示されている。
特開２０００−０５９６８７号公報 特開２０１４−１７５９９２号公報 特開平５−２０７３７６号公報 特開２００６−８６４２５号公報 特開２００３−１９８９５２号公報 特開２０１０−０８０６４８号公報 特開２００５−８６０８２号公報 特開２００５−８６０８３号公報 特開２０１２−０８４８１４号公報 特開２００３−１９８９５２号公報 特開２００６−８６４２５号公報 特開２０１４−０７５７６７号公報 特開２０１４−１７５５５３号公報
しかしながら、上述した蓄積時間の異なる画像は時間的に異なる情報を持つ画像であり、動体を撮影する場合には残像などの画質劣化が発生してしまう。このような画質劣化を改善するためには撮像後の信号処理が複雑化し、処理時間や消費電力が増大するため、撮像間隔が長くなったりバッテリ消費が早くなったりする問題が生じる。
また、上述した特許文献１〜１３に記載のように同一撮像装置内に高感度画素と低感度画素を形成して広ダイナミックレンジを実現した場合、高感度画素と低感度画素を平面的に並べて配置することになり、高感度画素の受光と低感度画素の受光の間に微視的な空間的なずれを生じる。このため、補間などの方法で空間的な統一処理を行う必要があり、補間処理の精度によっては偽色などの画質劣化が発生する問題がある。
本技術は、前記課題に鑑みてなされたもので、固体撮像装置において広ダイナミックレンジを実現しつつ、画素レベルで空間的や時間的なズレを生じさせないことを目的とする。
本技術の態様の１つは、半導体の厚さ方向に沿う方向に４層以上の光電変換層を積層して形成した光電変換部を備え、４層以上の前記光電変換層は、少なくとも２層が略同等の第１の分光特性を有し、少なくとも１層が前記第１の分光特性と異なる第２の分光特性を有し、少なくとも１層が前記第１の分光特性及び前記第２の分光特性と異なる第３の分光特性を有する、固体撮像装置である。
なお、以上説明した固体撮像装置は、他の機器に組み込まれた状態で実施されたり他の方法とともに実施されたりする等の各種の態様を含む。また、本技術は前記固体撮像装置を備える撮像システムとしても実現可能である。
本技術によれば、固体撮像装置において広ダイナミックレンジを実現しつつ、画素レベルで空間的や時間的なズレを生じさせずに済む。なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また付加的な効果があってもよい。
第１の実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部を説明する図である。 有機光電変換膜を用いた場合の光電変換層周辺の構造を示す図である。 高感度画素と低感度画素の出力切り替えを説明する図である。 第２の実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部を説明する図である。 第３の実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部を説明する図である。 第４の実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部を説明する図である。 第５の実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部を説明する図である。 固体撮像素子を備える撮像装置の構成を示すブロック図である。 固体撮像素子の構成を示すブロック図である。 画素の等価回路の一例を示す図である。 画素内の素子の配置の一例を示す図である。 電荷保持部、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタＳＥＬを共通化した画素の等価回路の一例を示す図である。 電荷保持部、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタＳＥＬを共通化した内の素子の配置の一例を示す図である。 ゲインを切り替える機能を有する画素の等価回路の一例を示す図である。 ＡＤ変換部の構成を示す図である。 固体撮像素子のＡＤ変換動作を説明する図である。
以下、下記の順序に従って本技術を説明する。
（Ａ）第１の実施形態：
（Ｂ）第２の実施形態：
（Ｃ）第３の実施形態：
（Ｄ）第４の実施形態：
（Ｅ）第５の実施形態：
（Ｆ）第６の実施形態：
（Ａ）第１の実施形態：
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部１０を説明する図である。本実施形態に係る固体撮像素子は、例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどの電子機器に用いられるＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置において１つの画素を構成するものである。
本実施形態に係る固体撮像素子は、厚さ方向に沿う方向に光電変換層１１〜１４を積層して形成した、いわゆる縦方向分光型の光電変換部１０を備えている。光電変換部１０の上層には、更にマイクロレンズアレイを形成して集光率を向上させてもよい。なお、本明細書では、光入射される側に近い側を上層、光入射される側から遠い側を下層と呼ぶ場合がある。
光電変換部１０は、不図示の基板上に配置される。本実施形態においては、光電変換層１１の側から光入射されるものとし、上層から下層に向けて光電変換層１１，１２，１３，１４の順に設けた場合を例に取り説明を行う。ただし、光電変換層１１〜１４の並び順は様々に変更可能である。
上述した基板は、基板の側から光入射を行う場合は、透明性の高いガラス、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン等の材料を用いて形成することが好ましい。一方、基板の側から光入射しないときは、上記の各材料のほかさらにＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の材料を用いて形成することもできる。
光電変換層１１は青色光を主に吸収する分光特性（第１の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が青光の波長域である。光電変換層１２，１３は緑色光を主に吸収する分光特性（第２の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が緑光の波長域である。光電変換層１４は赤色光を主に吸収する分光特性（第３の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が赤光の波長域である。同じ第２の分光特性を有する光電変換層１２，１３は、同一材料で形成されてもよいし、略同等の分光特性を有する別種の材料で形成されてもよい。
より具体的には、光電変換層１１は、少なくとも４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピ−ク波長の吸収率が５０％以上とする。光電変換層１２，１３は、少なくとも５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピ−ク波長の吸収率が５０％以上とする。光電変換層１４は、少なくとも６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピ−ク波長の吸収率が５０％以上とする。
光電変換層１１〜１４は、上述した分光特性を有する限り、各種材料を特に限定なく用いることができる。一例を挙げると、Ｓｉ系材料、ＧａＡｓ系材料、Ｇｅ系材料、ＩｎＡｓ系材料または有機系材料等を用いることができる。また、適宜選択した材料に上記の光吸収機能を有する色素を添加した構成としてもよい。
なお、光電変換層の層数は４層に限るものではなく、第１の分光特性を有する層が少なくとも１層、第２の分光特性を有する層が少なくとも２層、第３の分光特性を有する層が少なくとも１層含まれていれば様々に変更可能である。
このように複数の光電変換層を積層した構成においては、上層の光電変換層が下層の光電変換層の光フィルタとして機能する。従って、特に同じ第２の分光特性を持つ光電変換層１２，１３の間では、上層の光電変換層１２が第２の分光特性で吸収した光の残りを下層の光電変換層１３が同じく第２の分光特性で吸収することになり、これら２層の光電変換層が略同等の分光特性を有していれば、光電変換層１３は光電変換層１２よりも低感度になる。すなわち、上層の光電変換層１２と下層の光電変換層１３との間に感度の異なる状態を実現することができる。
以下、光電変換層として有機光電変換膜を用いる場合を説明する。図２は有機光電変換膜を用いた場合の光電変換層周辺の構造を示す図である。
光電変換層１１〜１４それぞれの上面及び下面には上下一対の電極が配設される。具体的には、光電変換層１１の上面及び下面には上電極１１ａと下電極１１ｂが配設され、光電変換層１２の上面及び下面には上電極１２ａと下電極１２ｂが配設され、光電変換層１３の上面及び下面には上電極１３ａと下電極１３ｂが配設され、光電変換層１４の上面及び下面には上電極１４ａと下電極１４ｂが配設される。上電極１１ａ〜１４ａには定電圧Ｖｂが印加され、各下電極１１ｂ〜１４ｂは光電変換層１１〜１４を貫通して基板２０に接続する貫通電極により、基板２０上に形成された高濃度不純物領域２１を介して転送トランジスタ等の回路素子に接続されている。
上電極１１ａ〜１４ａ及び下電極１１ｂ〜１４ｂは、透明電極が好ましく、このような電極の材料としては、例えばインジウムスズ酸化物、インジウム酸化物または酸化スズ等が例示される。或は、アルミニウム、バナジウム、金、銀、白金、鉄、コバルト、炭素、ニッケル、タングステン、パラジウム、マグネシウム、カルシウム、スズ、鉛、チタン、イットリウム、リチウム、ルテニウム、マンガン等の金属およびそれらの合金を用いて膜厚が２０〜８０ｎｍ程度の半透明電極を形成してもよい。さらにまた、ポリアセチレン系、ポリアニリン系、ポリピロール系、あるいはポリチオフェン系に代表される導電性高分子を用いて電極を形成してもよい。
互いに隣接する光電変換層の電極間には絶縁膜が設けられる。すなわち、光電変換層１１の下電極１１ｂと光電変換層１２の上電極１２ａの間は絶縁膜１５により絶縁され、光電変換層１２の下電極１２ｂと光電変換層１３の上電極１３ａの間は絶縁膜１６により絶縁され、光電変換層１３の下電極１３ｂと光電変換層１４の上電極１４ａの間は絶縁膜１７により絶縁される。
絶縁膜１５，１６，１７は、ガラス、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン等の透明性絶縁材料を用いて形成することができる。窒化珪素、酸化珪素等を用いてもよい。また、プラズマＣＶＤで製膜した緻密性が高く透明性も良い窒化珪素を用いてもよい。
以上のように構成した光電変換部１０は、各光電変換層１１〜１４の上下の電極の間にそれぞれ電圧を印加した状態において、光電変換層１１〜１４がその分光特性に応じて吸収する光により電荷が生成され、これにより光電流が生成される。
光電変換層１１は光電変換部１０への入射光を第１の分光特性で吸収した光量に応じた電荷を生成し、光電変換層１２は光電変換層１１の吸収分だけ減衰した入射光を第２の分光特性で吸収した光量に応じた電荷を生成し、光電変換層１３は光電変換層１１，１２の吸収分だけ減衰した入射光を第２の分光特性で吸収した光量に応じた電荷を生成し、光電変換層１４は光電変換層１１，１２，１３，１４の吸収分だけ減衰した入射光を第３の分光特性で吸収した光量に応じた電荷を生成する。
光電変換層１２，１３の受光感度は、光電変換層１２，１３の層厚によって変化する。本実施形態において光電変換層１２，１３は同厚で形成される。光電変換層１２，１３を薄くするほど光電変換層１２，１３は低感度化し、光電変換層１２，１３の間の感度差が小さくなる。一方、光電変換層１２，１３を厚くするほど光電変換層１２が高感度化するとともに光電変換層１３が低感度化し、光電変換層１２，１３の間の感度差が大きくなる。このように、同厚で形成される光電変換層１２，１３の感度の比率は、光電変換層１２，１３の層厚により調整することができる。
このように構成された光電変換層１１〜１４からの出力信号Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４は、例えば図３に示すように高感度画素である光電変換層１２の出力信号Ｓ１２と低感度画素である光電変換層１３の出力信号Ｓ１３とを切り替えて使用する。このような切替制御は、後述する画素ＰＸＬ内に切替回路を設けて行ってもよいが、例えば、後述する第６の実施形態で説明する信号処理部７２７、ＤＳＰ６１３、制御部６１９等で行う信号処理により実現してもよい。
具体的には、図３（ａ）に示すように入射光量が少ない場合は（低照度環境下での撮影等）、高感度画素である光電変換層１２の出力信号Ｓ１２と他の光電変換層１１，１４の出力信号Ｓ１１，Ｓ１４と用いて当該画素のＲＧＢ各色の信号とし、図３（ｂ）に示すように入射光量が多い場合は（高照度環境下での撮影等）、低感度画素である光電変換層１３の出力信号Ｓ１３と他の光電変換層１１，１４の出力信号Ｓ１１，Ｓ１４と用いて当該画素のＲＧＢ各色の信号とする。
具体的には、光電変換層１２，１３の間の感度比に応じて定まる倍率情報を予め測定等して保持しておく。そして、入射光量が少ない場合は、高感度画素である光電変換層１２の出力信号Ｓ１２そのままと他の光電変換層１１，１４の出力信号Ｓ１１，Ｓ１４との組み合わせが当該画素のＲＧＢ各色の信号となる。一方、入射光量が多い場合は、低感度画素である光電変換層１３の出力信号Ｓ１３を倍率情報（ｘ倍）に基づいて増幅し、増幅後の光電変換層１３の出力信号ｘＳ１３と他の光電変換層１１，１４の出力信号Ｓ１１、Ｓ１４との組み合わせが当該画素のＲＧＢ各色の信号となる。
入射光量の多寡の判定（撮影環境の明暗判定）は、別途に設けた照度センサ―等の出力に基づいて行ってもよいが、高感度画素である光電変換層１２の出力信号Ｓ１２の飽和／非飽和に基づいて判定することができる。具体的には、光電変換層１２が飽和した状態での出力信号Ｓ１２のレベル（飽和レベルＳｍａｘ）を予め測定等して保持しておく。そして、光電変換層１２からの出力信号Ｓ１２が飽和レベルＳｍａｘに達していない場合は、光電変換層１２の出力信号Ｓ１２を用いて当該画素のＲＧＢ各色の信号とし、光電変換層１２からの出力信号Ｓ１２が飽和レベルＳｍａｘに達している場合は、光電変換層１３の出力信号Ｓ１３を増幅して当該画素のＲＧＢ各色の信号とする。なお、撮像素子を構成する複数の画素の中の何れの光電変換層１２の出力信号Ｓ１２に基づいて飽和レベルを判定するかは適宜選択可能であり、特定の画素の光電変換層１２の出力信号Ｓ１２に基づいて判断してもよいし、全画素又は適宜の選択基準で選択された複数の画素の光電変換層１２の出力信号Ｓ１２の平均に基づいて判断してもよい。
このように同じ第１の分光特性において感度差を持つ２層以上の光電変換層を積層状態に設けることで、広ダイナミックレンジを実現することができる。すなわち、光電変換層１２の出力する光電流を用いれば高感度画素が実現され、光電変換層１３の出力する光電流を用いれば低感度画素が実現される。しかも、光電変換層１２，１３は上下に積層された状態で同じ入射光を元に電荷を生成するため、高感度画素からの出力に基づく信号と低感度画素からの出力に基づく信号との間に空間的・時間的なズレが発生することがない。
以下、光電変換層の一例である有機光電変換膜について詳細に説明する。
光電変換層１１〜１４を実現する有機光電変換膜は、電磁波吸収部位、光電変換部位、電子輸送部位、正孔輸送部位、電子ブロッキング部位、正孔ブロッキング部位及び結晶化防止部位、等の積み重ねもしくは混合から形成される。
有機光電変換膜は、有機ｐ型半導体（化合物）または有機ｎ型半導体（化合物）を含有することが好ましい。有機光電変換膜が含有する有機ｐ型半導体及び有機ｎ型半導体はいかなるものでも良い。また、可視及び赤外域に吸収を有しも有さなくても良いが、好ましくは可視域に吸収を持っている化合物（有機色素）を少なくとも一つ用いる。更に、無色のｐ型半導体とｎ型半導体を用い、これらに有機色素を加えても良い。ｐ型層／バルクへテロ接合層／ｎ型層の３層構造にする場合、入射光側のｐ型、又はｎ型半導体は無色であることが好ましい。
有機ｐ型半導体（化合物）は、ドナー性有機半導体（化合物）であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは２つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナー性有機化合物は、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、チオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体等を用いることができる。なお、これに限らず、上記したように、ｎ型（アクセプター性）化合物として用いた有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用いてよい。
有機ｎ型半導体（化合物）は、アクセプター性有機半導体（化合物）であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは２つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機化合物は、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する５ないし７員のヘテロ環化合物（例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピン等）、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。なお、これに限らず、上記したように、ドナー性有機化合物として用いた有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプター性有機半導体として用いてよい。
ｐ型有機色素、又はｎ型有機色素としては、いかなるものを用いても良いが、好ましくは、シアニン色素、スチリル色素、ヘミシアニン色素、メロシアニン色素（ゼロメチンメロシアニン（シンプルメロシアニン）を含む）、３核メロシアニン色素、４核メロシアニン色素、ロダシアニン色素、コンプレックスシアニン色素、コンプレックスメロシアニン色素、アロポーラー色素、オキソノール色素、ヘミオキソノール色素、スクアリウム色素、クロコニウム色素、アザメチン色素、クマリン色素、アリーリデン色素、アントラキノン色素、トリフェニルメタン色素、アゾ色素、アゾメチン色素、スピロ化合物、メタロセン色素、フルオレノン色素、フルギド色素、ペリレン色素、フェナジン色素、フェノチアジン色素、キノン色素、インジゴ色素、ジフェニルメタン色素、ポリエン色素、アクリジン色素、アクリジノン色素、ジフェニルアミン色素、キナクリドン色素、キノフタロン色素、フェノキサジン色素、フタロペリレン色素、ジケトピロロピロール色素、ジオキサン色素、ポルフィリン色素、クロロフィル色素、フタロシアニン色素、金属錯体色素、縮合芳香族炭素環系色素（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）が挙げられる。
ｐ型有機色素、ｎ型有機色素が形成する膜は、アモルファス状態、液晶状態、及び結晶状態のいずれでも良い。結晶状態で用いる場合は、顔料を用いることが好ましい。
次に金属錯体化合物について説明する。金属錯体化合物は金属に配位する少なくとも１つの窒素原子または酸素原子または硫黄原子を有する配位子をもつ金属錯体であり、金属錯体中の金属イオンは特に限定されないが、好ましくはベリリウムイオン、マグネシウムイオン、アルミニウムイオン、ガリウムイオン、亜鉛イオン、インジウムイオン、または錫イオンであり、より好ましくはベリリウムイオン、アルミニウムイオン、ガリウムイオン、または亜鉛イオンであり、更に好ましくはアルミニウムイオン、または亜鉛イオンである。前記金属錯体中に含まれる配位子としては種々の公知の配位子が有るが、例えば、「Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏ ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ社Ｈ．Ｙｅｒｓｉｎ著１９８７年発行、「有機金属化学−基礎と応用−」裳華房社山本明夫著１９８２年発行等に記載の配位子が挙げられる。
前記配位子として、好ましくは含窒素ヘテロ環配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数２〜２０、特に好ましくは炭素数３〜１５であり、単座配位子であっても２座以上の配位子であっても良い。好ましくは２座配位子である。例えばピリジン配位子、ビピリジル配位子、キノリノール配位子、ヒドロキシフェニルアゾール配位子（ヒドロキシフェニルベンズイミダゾール、ヒドロキシフェニルベンズオキサゾール配位子、ヒドロキシフェニルイミダゾール配位子）などが挙げられる）、アルコキシ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１０であり、例えばメトキシ、エトキシ、ブトキシ、２−エチルヘキシロキシなどが挙げられる。）、アリールオキシ配位子（好ましくは炭素数６〜３０、より好ましくは炭素数６〜２０、特に好ましくは炭素数６〜１２であり、例えばフェニルオキシ、１−ナフチルオキシ、２−ナフチルオキシ、２，４，６−トリメチルフェニルオキシ、４−ビフェニルオキシなどが挙げられる。）、ヘテロアリールオキシ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１２であり、例えばピリジルオキシ、ピラジルオキシ、ピリミジルオキシ、キノリルオキシなどが挙げられる。）、アルキルチオ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１２であり、例えばメチルチオ、エチルチオなどが挙げられる。）、アリールチオ配位子（好ましくは炭素数６〜３０、より好ましくは炭素数６〜２０、特に好ましくは炭素数６〜１２であり、例えばフェニルチオなどが挙げられる。）、ヘテロ環置換チオ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１２であり、例えばピリジルチオ、２−ベンズイミゾリルチオ、２−ベンズオキサゾリルチオ、２−ベンズチアゾリルチオなどが挙げられる。）、またはシロキシ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数３〜２５、特に好ましくは炭素数６〜２０であり、例えば、トリフェニルシロキシ基、トリエトキシシロキシ基、トリイソプロピルシロキシ基などが挙げられる）であり、より好ましくは含窒素ヘテロ環配位子、アリールオキシ配位子、ヘテロアリールオキシ基、またはシロキシ配位子であり、更に好ましくは含窒素ヘテロ環配位子、アリールオキシ配位子、またはシロキシ配位子が挙げられる。
固体撮像素子をカラー撮像素子として実現するためには、吸収波長の調整の自由度の高い、シアニン色素、スチリル色素、ヘミシアニン色素、メロシアニン色素、３核メロシアニン色素、４核メロシアニン色素、ロダシアニン色素、コンプレックスシアニン色素、コンプレックスメロシアニン色素、アロポーラー色素、オキソノール色素、ヘミオキソノール色素、スクアリウム色素、クロコニウム色素、アザメチン色素などのメチン色素を好ましく用いることができる。さらに好ましくはメロシアニン色素、３核メロシアニン色素、４核メロシアニン色素であり、さらに好ましくはメロシアニン色素である。
これらのメチン色素の詳細については、下記の色素文献に記載されている。
[色素文献]
Ｆ．Ｍ．Ｈａｒｍｅｒ著「Ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ−Ｃｙａｎｉｎｅ Ｄｙｅｓａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ)」、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ社−ニューヨーク、ロンドン、１９６４年刊、Ｄ．Ｍ．Ｓｔｕｒｍｅｒ著「Ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ−Ｃｙａｎｉｎｅ Ｄｙｅｓａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」、第１８章、第１４節、第４８２から５１５頁、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ社−ニューヨーク、ロンドン、１９７７年刊、「Ｒｏｄｄ'ｓ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」２ｎｄ．Ｅｄ．ｖｏｌ．ＩＶ，ｐａｒｔＢ，１９７７刊、第１５章、第３６９から４２２頁、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ ＣｏｍｐａｎｙＩｎｃ.社刊、ニューヨーク、など。
さらに説明を加えると、リサーチ・ディスクロージャ（ＲＤ）１７６４３の２３〜２４頁、ＲＤ１８７１６の６４８頁右欄〜６４９頁右欄、ＲＤ３０８１１９の９９６頁右欄〜９９８頁右欄、欧州特許第０５６５０９６Ａ１号の第６５頁７〜１０行、に記載されているものを好ましく用いることができる。また、米国特許第５，７４７，２３６号（特に第３０〜３９頁）、米国特許第５，９９４，０５１号（特に第３２〜４３頁）、米国特許第５、３４０、６９４号（特に第２１〜５８頁、但し、（ＸＩ）、（ＸII）、（ＸIII）に示されている色素において、ｎ１２、ｎ１５、ｎ１７、ｎ１８の数は限定せず、０以上の整数（好ましくは４以下）とする。）に記載されている、一般式及び具体例で示された部分構造、又は構造を持つ色素も好ましく用いることができる。
光電変換膜の中間層中のｐ型有機半導体およびｎ型有機半導体の配合比率は、質量比で０．１：９９．９〜９９．９：０．１の範囲内において適宜設定することができる。
本技術の有機光電変換膜において、電子輸送性を有する有機材料（ｎ型化合物）として、イオン化ポテンシャルが６．０ｅＶよりも大きい場合が好ましく、さらに下記一般式（Ｘ）で表わされる場合が好ましい
一般式（Ｘ） Ｌ−（Ａ）ｍ
（式中、Ａは二つ以上の芳香族へテロ環が縮合したヘテロ環基を表し、Ａで表されるヘテロ環基は同一または異なってもよい。ｍは２以上の整数を表す。Ｌは連結基を表す。）なお、これらの電子輸送性を有する有機材料の詳細及び好ましい範囲については、特願２００４−０８２００２号において詳細に説明されている。これらの電子輸送性の有機材料を用いるとき、得られる有機光電変換膜の光電変換効率が著しく高くなる。
本技術においては、以下に記載の配向制御を適用できる。
本技術においては、有機化合物の配向がランダムな状態に比べて秩序を有していることが好ましい。ランダムでなければ秩序の程度は低くても高くても良いが、好ましくは高秩序の場合である。
１対の電極間にｐ型半導体の層、ｎ型半導体の層、（好ましくは混合・分散（バルクヘテロ接合構造）層）を持つ有機光電変換膜において、ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１方に配向制御された有機化合物を含むことを特徴とする有機光電変換膜の場合が好ましく、さらに好ましくは、ｐ型半導体及びｎ型半導体の両方に配向制御された（可能な）有機化合物を含む場合である。
光電変換素子の有機光電変換膜に用いられる有機化合物としては、π共役電子を持つものが好ましく用いられるが、このπ電子平面が、基板（電極基板）に対して垂直ではなく、平行に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは０°以上８０°以下であり、さらに好ましくは０°以上６０°以下であり、さらに好ましくは０°以上４０°以下であり、さらに好ましくは０°以上２０°以下であり、特に好ましくは０°以上１０°以下であり、最も好ましくは０°（すなわち基板に対して平行）である。
上記のように、配向の制御された有機化合物の層は、有機光電変換膜全体に対して一部でも含めば良い。好ましくは、有機光電変換膜全体に対する配向の制御された部分の割合が１０％以上の場合であり、さらに好ましくは３０％以上、さらに好ましくは５０％以上、さらに好ましくは７０％以上、特に好ましくは９０％以上、最も好ましくは１００％である。このような状態は、有機光電変換膜において、有機光電変換膜の有機化合物の配向を制御することにより有機光電変換膜のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換効率を向上させるものである。
有機化合物の配向は、基板の選択・蒸着条件の調整等により制御が可能である。例えば、基板表面にラビング処理を施し、その上に成長させる有機化合物に異方性を付与する方法等が挙げられる。但し、基板結晶に依存した構造は高々十数層の厚さにおいてのみ観察され、膜厚が厚くなるとバルクの結晶構造をとるようになる。本技術の光電変換素子では、光吸収率を高くするために、膜厚１００ｎｍ以上（分子として１００層以上)である場合が好ましく、このような場合、基板に加え有機化合物同士の相互作用を利用して配向を制御する必要がある。
有機化合物同士の相互作用の力としてはいかなるものでも良いが、例えば分子間力として、ファン・デル・ワールス（ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ）力（さらに細かくは、永久双極子−永久双極子間に働く配向力、永久双極子−誘起双極子間に働く誘起力、一時双極子−誘起双極子間に働く分散力に分けて表現できる。）、電荷移動力（ＣＴ）、クーロン力（静電力）、疎水結合力、水素結合力、配位結合力などが挙げられる。これらの結合力は、１つだけ利用することも、また任意のものを複数組み合わせて用いることもできる。
好ましくは、ファン・デル・ワールス力、電荷移動力、クーロン力、疎水結合力、水素結合力であり、さらに好ましくはファン・デル・ワールス力、クーロン力、水素結合力であり、特に好ましくはファン・デル・ワールス力、クーロン力であり、最も好ましくはファン・デル・ワールス力である。
本技術における有機化合物同士の相互作用の一つとして、共有結合、又は配位結合を用いることも可能であり、好ましくは共有結合で連結されている場合である（なお、配位結合については、分子間力の一つの配位結合力とみなすこともできる）。これらの場合において、共有結合、又は配位結合は予め形成されていても、有機光電変換膜を形成する過程で形成されていても良い。
上記の分子間力と共有結合のうち、好ましくは分子間力を用いて有機化合物の配向を制御した場合である。これらの分子間力の引力のエネルギーとして好ましくは１５ｋＪ／ｍｏｌ以上、さらに好ましくは２０ｋＪ／ｍｏｌ以上、特に好ましくは４０ｋＪ／ｍｏｌ以上の場合である。上限は特にないが、好ましくは５０００ｋJ／ｍｏｌ以下、さらに好ましくは１０００ｋJ／ｍｏｌ以下である。
また、有機化合物に誘電異方性や分極を付与しておき、成長中に電場を印加して分子を配向させる方法を用いることも可能である。
有機化合物の配向が制御されている場合において、さらに好ましくはヘテロ接合面（例えばｐｎ接合面）が基板に対して平行ではない場合である。この場合、ヘテロ接合面が、基板（電極基板）に対して平行ではなく、垂直に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは１０°以上９０°以下であり、さらに好ましくは３０°以上９０°以下であり、さらに好ましくは５０°以上９０°以下であり、さらに好ましくは７０°以上９０°以下であり、特に好ましくは８０°以上９０°以下であり、最も好ましくは９０°（すなわち基板に対して垂直）である。
上記のような、ヘテロ接合面の制御された有機化合物の層は、有機光電変換膜全体に対して一部でも含めば良い。好ましくは、有機光電変換膜全体に対する配向の制御された部分の割合が１０％以上の場合であり、さらに好ましくは３０％以上、さらに好ましくは５０％以上、さらに好ましくは７０％以上、特に好ましくは９０％以上、最も好ましくは１００％である。このような場合、有機光電変換膜におけるヘテロ接合面の面積が増大し、界面で生成する電子、正孔、電子正孔ペア等のキャリア量が増大し、光電変換効率の向上が可能となる。
上記のヘテロ接合層（面）を持つ有機光電変換膜の具体的な図面の例は、特開２００３−２９８１５２の図１〜図８に記載されているものが適用できる。
以上説明した有機化合物のヘテロ接合面とπ電子平面の両方の配向が制御された有機光電変換膜において特に光電変換効率の向上が可能であり好ましく、特にバルクへテロ構造をとる場合に好ましく用いることができる。
これらの有機化合物を含む層は、乾式成膜法あるいは湿式成膜法により成膜される。乾式成膜法の具体的な例としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法等の物理気相成長法あるいはプラズマ重合等のＣＶＤ法が挙げられる。湿式成膜法としては、キャスト法、スピンコート法、ディッピング法、ＬＢ法等が用いられる。
ｐ型半導体（化合物）、又は、ｎ型半導体（化合物）のうちの少なくとも一つとして高分子化合物を用いる場合は、作成の容易な湿式成膜法により成膜することが好ましい。蒸着等の乾式成膜法を用いた場合、高分子を用いることは分解のおそれがあるため難しく、代わりとしてそのオリゴマーを好ましく用いることができる。一方、本技術において、低分子を用いる場合は、乾式成膜法が好ましく用いられ、特に真空蒸着法が好ましく用いられる。真空蒸着法は抵抗加熱蒸着法、電子線加熱蒸着法等の化合物の加熱の方法、るつぼ、ボ−ト等の蒸着源の形状、真空度、蒸着温度、基盤温度、蒸着速度等が基本的なパラメ−タ−である。均一な蒸着を可能とするために基盤を回転させて蒸着することは好ましい。真空度は高い方が好ましく１０-4Ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０-6Ｔｏｒｒ以下、特に好ましくは１０-8Ｔｏｒｒ以下で真空蒸着が行われる。蒸着時のすべての工程は真空中で行われることが好ましく、基本的には化合物が直接、外気の酸素、水分と接触しないようにする。真空蒸着の上述した条件は有機膜の結晶性、アモルファス性、密度、緻密度等に影響するので厳密に制御する必要がある。水晶振動子、干渉計等の膜厚モニタ−を用いて蒸着速度をＰＩもしくはＰＩＤ制御することは好ましく用いられる。２種以上の化合物を同時に蒸着する場合には共蒸着法、フラッシュ蒸着法等を好ましく用いることができる。
また、光電変換層を、有機光電変換膜とシリコン等の固体半導体材料で作製されたフォトダイオードとの組み合わせで実現する場合、例えば、特開２０１５−３８９３１号公報に記載の構造を採用することができる。
すなわち、光電変換層１１〜１４のうち、上層側の１層以上を有機光電変換膜で構成し、下層側の残りの層を半導体基板に形成されるフォトダイオードによって構成する。フォトダイオードが設けられる半導体基板を挟んで有機光電変換膜と反対側には、各種トランジスタや配線等が形成された配線層が設けられる。配線層と有機光電変換膜との間は、半導体基板を表裏に貫通する貫通電極によって接続されており、この貫通電極は、有機光電変換膜の数に応じて設けられる。
また、光電変換層を、全てシリコン等の固体半導体材料で作成されたフォトダイオードで実現する場合、例えば、特表２００４−５１０３５５号公報に記載の構造を採用することができる。なお、特表２００４−５１０３５５号公報には、青色、緑色、赤色フォトダイオードセンサが半導体構造の表面の下方の異なる深さに形成された６層構造が開示されているが、本実施形態の場合、これを８層構造として青色、緑色、緑色、赤色フォトダイオードセンサを半導体構造の表面の下方の異なる深さに形成する。
（Ｂ）第２の実施形態：
図４は、本実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部２１０を説明する図である。なお、本実施形態に係る固体撮像素子は、光電変換部を構成する光電変換層の層厚を除くと上述した第１の実施形態に係る固体撮像素子と同様であるため、共通する構成には同じ符号を付すこととし、詳細な説明は省略する。
本実施形態の光電変換部２１０は、光電変換層２１１〜２１４を有している。光電変換層２１１〜２１４の分光特性や材料等については、第１の実施形態に係る光電変換層１１〜１４と同様である。光電変換層２１１〜２１４の並び順は様々に変更可能であるが、光電変換層２１２，２１３については、光電変換層２１２が上層に、光電変換層２１３が下層に設けられるようにする。本実施形態では、上層から下層に向けて光電変換層２１１〜２１４の順で形成されている場合を例に取り説明する。
光電変換層２１２，２１３は、互いに異なる層厚を有し、特に上層の光電変換層２１２を下層の光電変換層２１３に比べて薄く形成する。また、光電変換層２１２は、当該層内を通過する入射光のうち光電変換層２１２の光電変換波長域に含まれる入射光の半分以下の割合で吸収して光電変換する厚みで形成される。すなわち、光電変換層２１２を通過する入射光のうち光電変換層２１２の光電変換波長域に含まれる入射光の半分以上が光電変換層２１２を通過して光電変換層２１３に入射する。
このとき、光電変換層２１２を薄くすること、光電変換層２１３を厚くすることの何れか又は双方により光電変換層２１２と光電変換層２１３の感度差を大きくすることができる。特に、光電変換層２１２が薄い程、光電変換層２１２と光電変換層２１３の感度差が顕著化する。すなわち、異なる層厚で形成される光電変換層２１２，２１３の感度の比率は、光電変換層２１２の薄さと光電変換層２１３の厚さにより調整することができる。
また、光電変換層２１２を薄くすることで、固体撮像装置を全体的に小型化できる。
また、光電変換層２１２を薄くすることで、光電変換層２１２と光電変換層２１３の波長特性のずれを抑制できる。すなわち、光電変換層２１２，２１３の吸光波長域がブロードな場合、上層で吸光する光電変換層２１２と、光電変換層２１２が吸光した後の入射光を吸光する光電変換層２１３とで、実際に吸光する波長特性が変化してしまう可能性がある。この波長特性のズレは上層である光電変換層２１２を薄くするほど発生しにくくなる。
（Ｃ）第３の実施形態：
図５は、本実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部３１０を説明する図である。なお、本実施形態に係る固体撮像素子は、光電変換部を構成する光電変換層の層数を除くと上述した第１の実施形態に係る固体撮像素子と同様であるため、共通する構成には同じ符号を付すこととし、詳細な説明は省略する。
本実施形態の光電変換部３１０は、光電変換層３１１〜３１６を有している。
光電変換層３１１，３１２は青色光を主に吸収する分光特性（第１の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が青光の波長域である。光電変換層３１３，３１４は緑色光を主に吸収する分光特性（第２の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が緑光の波長域である。光電変換層３１５，３１６は赤色光を主に吸収する分光特性（第２の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が赤光の波長域である。
第１の分光特性を有する光電変換層３１１，３１２は、同一材料で形成されてもよいし、略同等の分光特性を有する別種の材料で形成されてもよい。第２の分光特性を有する光電変換層３１３，３１４は、同一材料で形成されてもよいし、略同等の分光特性を有する別種の材料で形成されてもよい。第３の分光特性を有する光電変換層３１５，３１６は、同一材料で形成されてもよいし、略同等の分光特性を有する別種の材料で形成されてもよい。
光電変換層３１１〜３１６の分光特性や材料等については、第１の実施形態の光電変換層１１〜１４のうち同じ分光特性の光電変換層と同様である。
光電変換層３１１〜３１６の並び順は様々に変更可能であるが、光電変換層３１１，３１２については、光電変換層３１１が上層に、光電変換層３１２が下層に設けられるようにし、光電変換層３１３，３１４については、光電変換層３１３が上層に、光電変換層３１４が下層に設けられるようにし、光電変換層３１５，３１６については、光電変換層３１５が上層に、光電変換層３１６が下層に設けられるようにする。本実施形態では、上層から下層に向けて光電変換層３１１〜３１６の順で形成されている場合を例に取り説明する。
光電変換層３１１，３１２は互いに同厚で形成され、光電変換層３１３，３１４は互いに同厚で形成され、光電変換層３１５，３１６は互いに同厚で形成される。光電変換層３１１〜３１６の受光感度は、光電変換層３１１〜３１６の層厚によって変化する。光電変換層３１１〜３１６を薄くするほど光電変換層３１１〜３１６は高感度化し、光電変換層３１１，３１２の間の感度差、光電変換層３１３，３１４の間の感度差、及び、光電変換層３１５，３１６の間の感度差が小さくなる。一方、光電変換層３１１〜３１６を厚くするほど光電変換層３１１〜３１６は高感度化し、光電変換層３１１，３１２の間の感度差、光電変換層３１３，３１４の間の感度差、及び、光電変換層３１５，３１６の間の感度差が大きくなる。このように、それぞれ同厚で形成される光電変換層３１１，３１２、光電変換層３１３，３１４、及び、光電変換層３１５，３１６の感度の比率は、光電変換層の層厚により調整することができる。
なお、光電変換層の層数は６層に限るものではなく、第１の分光特性を有する層が少なくとも２層、第２の分光特性を有する層が少なくとも２層、第３の分光特性を有する層が少なくとも２層含まれていれば様々に変更可能である。
光電変換層３１１，３１２の受光感度は、光電変換層３１１，３１２の層厚によって変化し、光電変換層３１３，３１４の受光感度は、光電変換層３１３，３１４の層厚によって変化し、光電変換層３１５，３１６の受光感度は、光電変換層３１５，３１６の層厚によって変化する。これは、第１の実施形態に係る光電変換層１２，１３の場合と同様である。なお、光電変換層３１１，３１２、光電変換層３１３，３１４及び光電変換層３１５，３１６は、第２の実施形態のようにそれぞれ上層と下層とで厚みを異ならせてもよい。
このように、互いに異なる３種類の分光特性のそれぞれにおいて、感度差を持つ２層以上の光電変換層を積層状態に設けることで、互いに異なる３色について広ダイナミックレンジを実現することができる。すなわち、光電変換層３１１，３１３，３１５の出力する光電流を用いれば高感度画素が実現され、光電変換層３１２，３１４，３１６の出力する光電流を用いれば低感度画素が実現される。しかも、光電変換層３１１，３１２、光電変換層３１３，３１４及び光電変換層３１５，３１６はそれぞれ上下に積層された状態で同じ入射光を元に電荷を生成するため、高感度画素からの出力に基づく信号と低感度画素からの出力に基づく信号との間に空間的・時間的なズレが発生することがない。
（Ｄ）第４の実施形態：
図６は、本実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部４１０を説明する図である。なお、本実施形態に係る固体撮像素子は、光電変換部を構成する光電変換層の積層順及び材質を除くと上述した第１の実施形態に係る固体撮像素子と同様であるため、共通する構成には同じ符号を付すこととし、詳細な説明は省略する。
本実施形態の光電変換部４１０は、光電変換層４１１〜４１４を有している。本実施形態においては、光電変換層４１１の側から光入射されるものとし、上層から下層に向けて光電変換層４１１，４１２，４１３，４１４の順に設けてある。光電変換層４１１〜４１４の並び順は、光電変換層４１１，４１２を上層に設け、光電変換層４１３，４１４を下層に設ける。なお、光電変換層４１３，４１４の並び順は入れ替えて設けてもよい。
光電変換層４１１，４１２は緑色光を主に吸収する分光特性（第２の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が緑光の波長域である。光電変換層４１３は青色光を主に吸収する分光特性（第１の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が青光の波長域である。光電変換層４１４は赤色光を主に吸収する分光特性（第３の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が赤光の波長域である。第２の分光特性を有する光電変換層４１１，４１２は、同一材料で形成されてもよいし、略同等の分光特性を有する別種の材料で形成されてもよい。
光電変換層４１１〜４１４のうち、緑色光を主に吸収する光電変換層４１１，４１２は有機光電変換膜で構成し、青色光を主に吸収する光電変換層４１３及び赤色光を主に吸収する光電変換層４１４はシリコン等の固体半導体材料で作製されたフォトダイオードで構成する。現在、緑色光については高い光電変換量子効率を有する有機光電変換材料が広く知られているが、青や赤に対して十分な光電変換量子効率を有する有機光電変換材料は一般的でない。このため、高感度層と低感度層の２層を設ける緑色光の光電変換層については有機光電変換膜を用い、青色光又は赤色光を吸収する光電変換層についてはシリコン等の固体半導体材料で作製されたフォトダイオードを用いる構成が現実的である。
以上説明した第４の実施形態の構成でも、互いに異なる３色について広ダイナミックレンジを実現することができる。すなわち、光電変換層４１１の出力する光電流を用いれば高感度画素が実現され、光電変換層４１２の出力する光電流を用いれば低感度画素が実現される。しかも、光電変換層４１１，４１２は上下に積層された状態で同じ入射光を元に電荷を生成するため、高感度画素からの出力に基づく信号と低感度画素からの出力に基づく信号との間に空間的・時間的なズレが発生することがない。
（Ｅ）第５の実施形態：
図７は、本実施形態に係る固体撮像素子が備える光電変換部５１０を説明する図である。なお、本実施形態に係る固体撮像素子は、光電変換部を構成する光電変換層の配置を除くと上述した第１の実施形態に係る固体撮像素子と同様であるため、共通する構成には同じ符号を付すこととし、詳細な説明は省略する。
本実施形態の光電変換部５１０は、光電変換層５１１〜５１６を有している。光電変換層５１１〜５１３と光電変換層５１４〜５１６は、厚さ方向と略垂直な方向（面方向）にオフセットした位置関係で隣接配設される。本実施形態においては、光電変換層５１１，５１４の側から光入射されるものとし、光電変換層５１１〜５１３については上層から下層に向けて光電変換層５１１，５１２，５１３の順に設けてあり、光電変換層５１４〜５１６についても上層から下層に向けて光電変換層５１４，５１５，５１６の順に設けてある。なお、光電変換層５１１〜５１３の並び順及び光電変換層５１４〜５１６の並び順は様々に変更可能である。
光電変換層５１１，５１４は緑色光を主に吸収する分光特性（第２の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が緑光の波長域である。光電変換層５１２，５１５は青色光を主に吸収する分光特性（第１の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が青光の波長域である。光電変換層５１３，５１６は赤色光を主に吸収する分光特性（第３の分光特性）を有し、主たる光電変換波長域が赤光の波長域である。分光特性が同じ光電変換層４１１，４１２、光電変換層５１２，５１５、光電変換層５１３，５１６は、それぞれ同一材料で形成されてもよいし、略同等の分光特性を有する別種の材料で形成されてもよい。
光電変換層５１１〜５１６は有機光電変換膜で構成する。
同じ分光特性を有する光電変換層５１１，５１４、光電変換層５１２，５１５及び光電変換層５１３，５１６は、それぞれ厚さ方向と略垂直な方向に延びる面において、同一サイズに形成されている。また、光電変換層５１１，５１４については、互いに異なる層厚を有する。このように構成された光電変換部５１０を用いても、光電変換層５１１，５１４の間、光電変換層５１２，５１５の間、及び、光電変換層５１３，５１６の間で空間的なずれは生じるものの、同じサイズの画素の二次元配列で高感度画素と低感度画素を実現することができる。なお、他の光電変換層５１２，５１５及び／又は光電変換層５１３，５１６についても、それぞれ互いに異なる層厚としてもよい。
（Ｆ）第６の実施形態：
本実施形態では、第１の実施形態に係る固体撮像素子を備える撮像装置６００を例に取り、信号処理等について説明する。
図８は、固体撮像素子を備える撮像装置６００の構成を示すブロック図である。同図に示す撮像装置６００は、電子機器の一例である。
なお、本明細書において、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯電話機などの携帯端末装置など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像装置を用いる電子機器全般を指す。むろん、画像取込部に固体撮像装置を用いる電子機器には、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機も含まれる。また、撮像装置は、上述した電子機器に搭載するために固体撮像素子を含めてモジュール化されたモジュールであってもよい。
図８において、撮像装置６００は、レンズ群を含む光学系６１１、固体撮像素子６１２、ＤＳＰ６１３（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、フレームメモリ６１４、表示装置６１５、記録装置６１６、操作系６１７、電源系６１８及び制御部６１９を備えている。
ＤＳＰ６１３、フレームメモリ６１４、表示装置６１５、記録装置６１６、操作系６１７、電源系６１８及び制御部６１９は、通信バスを介して、互いにデータや信号を送受信できるように接続されている。
光学系６１１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像素子６１２の撮像面上に結像する。固体撮像素子６１２は、光学系６１１によって撮像面上に結像された入射光の受光量に応じた電気信号を画素単位で生成し、画素信号として出力する。この画素信号はＤＳＰ６１３に入力され、適宜に各種の画像処理を行った後、フレームメモリ６１４に記憶されたり、記録装置６１６の記録媒体に記録されたり、表示装置６１５に出力されたりする。
表示装置６１５は、液晶表示装置や有機ＥＬ(ｅｌｅｃｔｒｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ)表示装置等のパネル型表示装置からなり、固体撮像素子６１２によって撮像された動画や静止画、その他の情報を表示する。記録装置６１６は、固体撮像素子６１２によって撮像された動画や静止画を、ＤＶＤ(Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ)やＨＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ）、半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
操作系６１７は、ユーザから各種の操作を受け付けるものであり、ユーザの操作に応じた操作命令を通信バスを介して各部６１３，６１４，６１５，６１６，６１８，６１９へ送信する。電源系６１８は、駆動電源となる各種の電源電圧を生成して供給対象（各部６１２，６１３，６１４，６１５，６１６，６１７，６１９）へ適宜に供給する。
制御部６１９は、演算処理を行うＣＰＵや撮像装置６００の制御プログラムを記憶するＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして機能するＲＡＭ、等を備えている。制御部６１９は、ＲＡＭをワークエアリアとして利用しつつＲＯＭに記憶されている制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、通信バスを介して各部６１３，６１４，６１５，６１６，６１７，６１８を制御する。また、制御部６１９は、不図示のタイミングジェネレータを制御して各種のタイミング信号を生成させ、各部へ供給する制御を行ったりする。
図９は、固体撮像素子６１２の構成を示すブロック図である。本実施形態では、固体撮像素子として、Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子の一種であるＣＭＯＳイメージセンサを例にとり説明を行う。
以下、図９を参照しつつ、固体撮像素子の具体的な一例について説明する。図９において、固体撮像素子６１２は、画素部７２１、垂直駆動部７２２、アナログデジタル変換部７２３（ＡＤ変換部７２３）、参照信号生成部７２４、水平駆動部７２５、通信・タイミング制御部７２６及び信号処理部７２７を備えている。
画素部７２１には、光電変換素子としてのフォトダイオードを含む複数の画素ＰＸＬが二次元マトリクス状（本実施形態では、ｍ列×ｎ行のマトリクス）に配置されている。各画素の受光面側には色フィルタアレイを設けない。なお、画素ＰＸＬの具体的な回路構成については、後に詳述する。
画素部７２１には、４ｎ本（光電変換層の数×ｎ本）の画素駆動線ＨＳＬｙ（ｙ＝１，２，・・・，４ｎ）とｍ本の垂直信号線ＶＳＬｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｍ）が配線されている。画素駆動線ＨＳＬｙは、図の左右方向（画素行の画素配列方向／水平方向）に沿って配線され、図の上下方向に等間隔で配置されている。画素駆動線ＨＳＬｙは、１画素の光電変換層の数である４本ずつ各行に配線されている。垂直信号線ＶＳＬｘは、図の上下方向（画素列の画素配列方向／垂直方向）に沿って配線され、図の左右方向に等間隔で配置されている。垂直信号線ＶＳＬｘは、各列に１本ずつ配線されている。
画素駆動線ＨＳＬｙは、対応する行に配設された画素ＰＸＬにそれぞれ接続されており、その一端は、垂直駆動部７２２の各行に対応した出力端子に接続されている。垂直信号線ＶＳＬｘは対応する列に配設された画素ＰＸＬにそれぞれ接続されており、その一端はＡＤ変換部７２３に接続されている。
垂直駆動部７２２や水平駆動部７２５は、通信・タイミング制御部７２６の制御の下、画素部７２１を構成する各画素ＰＸＬからアナログ信号を順次に読み出す制御を行う。なお、各画素ＰＸＬに対する画素駆動線ＨＳＬｙと垂直信号線ＶＳＬｘの具体的な接続については、画素ＰＸＬの説明とともに後述する。
通信・タイミング制御部７２６は、例えば、タイミングジェネレータと通信インターフェースとを備える。タイミングジェネレータは、外部から入力されるクロック（マスタークロック）に基づいて、各種のクロック信号を生成する。通信インターフェースは、固体撮像素子６１２の外部から与えられる動作モードを指令するデータなどを受け取り、固体撮像素子６１２の内部情報を含むデータを外部へ出力する。
通信・タイミング制御部７２６は、マスタークロックに基づいて、マスタークロックと同じ周波数のクロック、それを２分周したクロック、より分周した低速のクロック、等を生成し、デバイス内の各部（垂直駆動部７２２、水平駆動部７２５、ＡＤ変換部７２３、参照信号生成部７２４、信号処理部７２７、等）に供給する。
垂直駆動部７２２は、例えば、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成されている。垂直駆動部７２２は、外部から入力される映像信号をデコードした信号に基づいて、行アドレスを制御するための垂直アドレス設定部や行走査を制御するための行走査制御部を備えている。
垂直駆動部７２２は、読み出し走査と掃き出し走査が可能である。読み出し走査とは、信号を読み出す単位画素を順に選択する走査である。読み出し走査は、基本的には行単位で順に行われる。掃き出し走査とは、読み出し走査にて読み出しを行う行又は画素組み合わせに対し、この読み出し走査よりもシャッタースピードの時間分だけ先行して、読み出しを行う行又は画素組み合わせに属する単位画素をリセットさせる走査である。
水平駆動部７２５は、通信・タイミング制御部７２６の出力するクロックに同期してＡＤ変換部７２３を構成する各ＡＤＣ回路を順番に選択する。ＡＤ変換部７２３は、垂直信号線ＶＳＬｘごとに設けられたＡＤＣ回路（ｍ＝１，２，・・・）を備え、各垂直信号線ＶＳＬｘから出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、水平駆動部７２５の制御に従って水平信号線Ｌｔｒｆに出力する。
水平駆動部７２５は、例えば、水平アドレス設定部や水平走査部を備えており、水平アドレス設定部が規定した水平方向の読み出し列に対応するＡＤ変換部７２３の個々のＡＤＣ回路を選択することにより、選択されたＡＤＣ回路において生成されたデジタル信号を水平信号線Ｌｔｒｆに導く。
このようにしてＡＤ変換部７２３から出力されたデジタル信号は、水平信号線Ｌｔｒｆを介して信号処理部７２７へ入力される。信号処理部７２７は、画素部７２１からＡＤ変換部７２３を経由して出力される信号を、演算処理にて画素配列に対応した画像信号に変換する処理を行う。
また、信号処理部７２７は、必要に応じて、水平方向や垂直方向の画素信号を加算や加算平均等により間引く処理を行う。このようにして生成された画像信号は、固体撮像素子６１２の外部に出力される。
参照信号生成部７２４は、ＤＡＣ（Ｄｉｇｔａｌ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を備えており、通信・タイミング制御部７２６から供給されるカウントクロックに同期して、参照信号Ｖｒａｍｐ（後述の図１６等参照）を生成する。参照信号Ｖｒａｍｐは、通信・タイミング制御部７２６から供給される初期値から階段状に時間変化する鋸歯状波（ランプ波形）である。この参照信号Ｖｒａｍｐは、ＡＤ変換部７２３の個々のＡＤＣ回路に供給される。
ＡＤ変換部７２３は、複数のＡＤＣ回路を備えている。ＡＤＣ回路は、各画素ＰＸＬから出力されるアナログ電圧をＡＤ変換するにあたり、所定のＡＤ変換期間（後述するＰ相期間やＤ相期間）に参照信号Ｖｒａｍｐと垂直信号線ＶＳＬｘの電圧とを比較器にて比較し、参照信号Ｖｒａｍｐと垂直信号線ＶＳＬｘの電圧の電圧（画素電圧）との大小関係が反転する前後いずれかの時間をカウンタにてカウントする。これにより、アナログの画素電圧に応じたデジタル信号を生成することができる。なお、ＡＤ変換部７２３の具体例については後述する。
図１０は、画素ＰＸＬの等価回路の一例を示す図、図１１は画素内の素子の配置の一例を示す図である。
画素ＰＸＬの等価回路は、図１０に示されるように、光電変換層１１〜１４がそれぞれ転送トランジスタＴＧ１〜ＴＧ４を介して電荷保持部ＦＤ１〜ＦＤ４に接続された構成を有する。
画素ＰＸＬは、光電変換部と転送トランジスタを各色光についてそれぞれ有し、それ以外の構成要素については各色光で共有する構成となっている。具体的には、画素ＰＸＬは、光電変換層１１〜１４、転送トランジスタＴＧ１〜ＴＧ４、電荷保持部ＦＤ１〜ＦＤ４、リセットトランジスタＲＳＴ１〜ＲＳＴ４、増幅トランジスタＡＭＰ１〜ＡＭＰ４、及び、選択トランジスタＳＥＬ１〜ＳＥＬ４を有する。
転送トランジスタＴＧ１は、そのゲートに垂直駆動部７２２から供給される転送信号によりオンされたとき、光電変換層１１で生成された信号電荷を電荷保持部ＦＤ１に転送する。転送トランジスタＴＧ２は、そのゲートに垂直駆動部７２２から供給される転送信号によりオンされたとき、光電変換層１２で生成された信号電荷を電荷保持部ＦＤ２に転送する。転送トランジスタＴＧ３は、そのゲートに垂直駆動部７２２から供給される転送信号によりオンされたとき、光電変換層１３で生成された信号電荷を電荷保持部ＦＤ３に転送する。転送トランジスタＴＧ４は、そのゲートに垂直駆動部７２２から供給される転送信号によりオンされたとき、光電変換層１４で生成された信号電荷を電荷保持部ＦＤ４に転送する。
電荷保持部ＦＤ１〜ＦＤ４は、いわゆるフローティングディフュージョンと同様の機能を有し、電荷保持部ＦＤ１は光電変換層１１から転送された信号電荷を保持し、電荷保持部ＦＤ２は光電変換層１１から転送された信号電荷を保持し、電荷保持部ＦＤ３は光電変換層１１から転送された信号電荷を保持し、電荷保持部ＦＤ４は光電変換層１１から転送された信号電荷を保持する。
リセットトランジスタＲＳＴ１〜ＲＳＴ４は、ゲートに垂直駆動部７２２から供給されるリセット信号によりオンされる。

リセットトランジスタＲＳＴ１がオンされると電荷保持部ＦＤ１が定電圧源Ｖｄｄに接続されて電荷保持部ＦＤ１の電位がリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ２がオンされると電荷保持部ＦＤ２が定電圧源Ｖｄｄに接続されて電荷保持部ＦＤ２の電位がリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ３がオンされると電荷保持部ＦＤ３が定電圧源Ｖｄｄに接続されて電荷保持部ＦＤ３の電位がリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ４がオンされると電荷保持部ＦＤ４が定電圧源Ｖｄｄに接続されて電荷保持部ＦＤ４の電位がリセットされる。
増幅トランジスタＡＭＰ１は、ゲートを電荷保持部ＦＤ１に接続され、ドレインを定電圧源Ｖｄｄに接続され、ソースを選択トランジスタＳＥＬ１のドレインに接続されている。増幅トランジスタＡＭＰ２は、ゲートを電荷保持部ＦＤ２に接続され、ドレインを定電圧源Ｖｄｄに接続され、ソースを選択トランジスタＳＥＬ２のドレインに接続されている。増幅トランジスタＡＭＰ３は、ゲートを電荷保持部ＦＤ３に接続され、ドレインを定電圧源Ｖｄｄに接続され、ソースを選択トランジスタＳＥＬ３のドレインに接続されている。増幅トランジスタＡＭＰ４は、ゲートを電荷保持部ＦＤ４に接続され、ドレインを定電圧源Ｖｄｄに接続され、ソースを選択トランジスタＳＥＬ４のドレインに接続されている。
増幅トランジスタＡＭＰ１は、電荷保持部ＦＤ１の電位を増幅した電位をソースに発生する。増幅トランジスタＡＭＰ２は、電荷保持部ＦＤ２の電位を増幅した電位をソースに発生する。増幅トランジスタＡＭＰ３は、電荷保持部ＦＤ３の電位を増幅した電位をソースに発生する。増幅トランジスタＡＭＰ４は、電荷保持部ＦＤ４の電位を増幅した電位をソースに発生する。
選択トランジスタＳＥＬ１は、ドレインを増幅トランジスタＡＭＰ１のソースに接続され、ソースを垂直信号線ＶＳＬに接続されている。選択トランジスタＳＥＬ１は、ゲートに垂直駆動部７２２から供給される選択信号によりオンされ、増幅トランジスタＡＭＰ１のソースに発生する電位を、画素信号として垂直信号線ＶＳＬを介してＡＤ変換部７２３へ出力する。
選択トランジスタＳＥＬ２は、ドレインを増幅トランジスタＡＭＰ２のソースに接続され、ソースを垂直信号線ＶＳＬに接続されている。選択トランジスタＳＥＬ２は、ゲートに垂直駆動部７２２から供給される選択信号によりオンされ、増幅トランジスタＡＭＰ２のソースに発生する電位を、画素信号として垂直信号線ＶＳＬを介してＡＤ変換部７２３へ出力する。
選択トランジスタＳＥＬ３は、ドレインを増幅トランジスタＡＭＰ３のソースに接続され、ソースを垂直信号線ＶＳＬに接続されている。選択トランジスタＳＥＬ３は、ゲートに垂直駆動部７２２から供給される選択信号によりオンされ、増幅トランジスタＡＭＰ３のソースに発生する電位を、画素信号として垂直信号線ＶＳＬを介してＡＤ変換部７２３へ出力する。
選択トランジスタＳＥＬ４は、ドレインを増幅トランジスタＡＭＰ４のソースに接続され、ソースを垂直信号線ＶＳＬに接続されている。選択トランジスタＳＥＬ４は、ゲートに垂直駆動部７２２から供給される選択信号によりオンされ、増幅トランジスタＡＭＰ４のソースに発生する電位を、画素信号として垂直信号線ＶＳＬを介してＡＤ変換部７２３へ出力する。
なお、画素内の素子は、図１２，図１３に示すように、電荷保持部ＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ及び選択トランジスタＳＥＬを共通化してもよい。
また、画素ＰＸＬは、図１４に示すように、光電変換層１１〜１３の出力について、ＦＤ転送トランジスタＦＤＧを介して電荷保持部ＦＤに接続される構成とし、光電変換層１１〜１３の各転送トランジスタＴＧ１〜ＴＧ３とＦＤ転送トランジスタＦＤＧとの間にキャパシタＣを接続し、ＦＤ転送トランジスタＦＤＧをオフした状態で転送トランジスタＴＧ１〜ＴＧ３の何れかをオンすることで光電変換層１１〜１３の出力を一定時間キャパシタＣに蓄積した後にオンされていた転送トランジスタをオフするとともにＦＤ転送トランジスタＦＤＧをオンして、キャパシタＣに蓄積された電荷を電荷保持部ＦＤへ転送する構成としてもよい。これにより、光電変換層１１〜１４の出力についてゲインを切り替えることができる。
図１５は、ＡＤ変換部７２３の構成を示す図である。同図に示すように、ＡＤ変換部７２３を構成する各ＡＤＣ回路は、垂直信号線ＶＳＬｘ毎に設けられた比較器７２３ａやカウンタ７２３ｂと、ラッチ７２３ｃを備えている。
比較器７２３ａは、２つの入力端子Ｔ１，Ｔ２と１つの出力端子Ｔ３を備えている。一方の入力端子Ｔ１は、参照信号生成部７２４から参照信号Ｖｒａｍｐを入力され、他方の入力端子Ｔ２は、画素から垂直信号線ＶＳＬを通して出力されるアナログの画素信号（以下、画素信号Ｖｖｓｌと記載する。）を入力されている。
比較器７２３ａは、これら参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌを比較する。比較器７２３ａは、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌとの大小関係に応じてハイレベルもしくはローレベルの信号を出力するようになっており、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌの大小関係が入れ替わると、出力端子Ｔ３の出力が、ハイレベルとローレベルの間で反転する。
カウンタ７２３ｂは、通信・タイミング制御部７２６からクロックを供給されており、当該クロックを利用してＡＤ変換の開始から終了までの時間をカウントしている。ＡＤ変換の開始と終了のタイミングは、通信・タイミング制御部７２６の出力する制御信号（例えば、クロック信号ＣＬＫの入力有無等）と比較器７２３ａの出力反転とに基づいて特定する。
また、カウンタ７２３ｂは、いわゆる相関２重サンプリング（ＣＤＳ）により、画素信号をＡ／Ｄ変換する。具体的には、カウンタ７２３ｂは、通信・タイミング制御部７２６の制御に従い、垂直信号線ＶＳＬｘからリセット成分に相当するアナログ信号が出力されている間（後述するＰ相期間に対応）はダウンカウントを行う。そして、このダウンカウントにより得られたカウント値を初期値とし、垂直信号線ＶＳＬｘから画素信号に相当するアナログ信号が出力されている間（後述するＤ相期間に対応）にアップカウントを行う。
このようにして生成されるカウント値は、信号成分とリセット成分の差分に相当するデジタル値となる。すなわち、垂直信号線ＶＳＬｘを通して画素からＡＤ変換部７２３へ入力されたアナログの画素信号に相当するデジタル値を、リセット成分にて較正した値となる。
カウンタ７２３ｂが生成したデジタル値は、ラッチ７２３ｃに記憶され、水平走査部の制御に従って順次にラッチ７２３ｃから出力され、水平信号線Ｌｔｒｆを介して信号処理部７２７へ出力される。
次に、図１６を参照しつつ、固体撮像素子のＡＤ変換動作について説明する。同図に示すＡＤ変換動作は、複数の画素の画素信号を順次に読み出す間に繰り返し実行されている。同図に示す画素の読み出し動作は、主として、リセット動作、ＡＺ動作、リセットレベル取得動作、画素信号レベル取得動作、により構成される。
リセット動作は、図１６に示すリセット期間（ｔ０〜ｔ１）において実行され、リセットレベル取得動作は、図１６に示すＰ相期間（ｔ３〜ｔ４）において実行され、画素信号レベル取得動作は、図１６に示すＤ相期間（ｔ５〜ｔ６）において実行される。リセット期間とＰ相期間の間には、比較器７２３ａの入力端子Ｔ１，Ｔ２の間の電位差を解消するためのＡＺ期間（ｔ１〜ｔ２）が設けられる。
Ｐ相期間の直前にはＰ相準備期間（ｔ２〜ｔ３）が設けられ、Ｄ相期間の直前にはＤ相準備期間（ｔ４〜ｔ５）が設けられる。これらＰ相準備期間やＤ相準備期間においては、参照信号Ｖｒａｍｐを初期値に戻す等といったＰ相期間やＤ相期間に行うＡＤ変換動作の準備が行われる。以下、順に各期間について説明する。
なお、図１６においては、Ｐ相準備期間が開始されるｔ２やＤ相準備期間が開始されるｔ４において参照信号Ｖｒａｍｐが鋭角に立ち上がっているように記載しているが、実際には、後述する配線容量があるため、配線容量に応じた所定の時定数で徐々に立ち上がることになる。
リセット期間においては、電荷保持部ＦＤ１〜ＦＤ４に蓄積されている電荷を掃き出して所定の基準電圧にリセットする。具体的には、処理対象の画素のリセットトランジスタＲＳＴ１〜ＲＳＴ４に対して上述したリセットオン電圧に相当するリセットパルスを印加する。すると、リセットトランジスタＲＳＴ１〜ＲＳＴ４がオン状態となり、電荷保持部ＦＤ１〜ＦＤ４が定電圧源Ｖｄｄと電気的に接続され、電荷保持部ＦＤ１〜ＦＤ４が所定のレベルにリセットされる。
リセット期間が終了すると、次に、ＡＺ期間、Ｐ相準備期間を経て、Ｐ相期間となる。Ｐ相期間においては、リセットされた画素に蓄積されている電荷量に応じたアナログ電圧をデジタル値に変換するリセットレベル取得動作が実行される。
具体的には、処理対象画素のリセットトランジスタＲＳＴ１〜ＲＳＴ４と転送トランジスタＴＧ１〜ＴＧ４に、それぞれ、上述したリセットオフ電圧に相当するリセットパルス、上述した転送オフ電圧に相当する転送パルス、を印加する。一方、選択トランジスタＳＥＬ１〜ＳＥＬ４に対しては、上述した選択オン電圧に相当する選択パルスを印加する。
これにより、処理対象の画素のリセットトランジスタＲＳＴ１〜ＲＳＴ４と転送トランジスタＴＧ１〜ＴＧ４はオフ状態となり、選択トランジスタＳＥＬ１〜ＳＥＬ４はオン状態となる。このとき、画素信号Ｖｖｓｌは、リセットされた直後の電荷保持部ＦＤ１〜ＦＤ４における電圧を、増幅トランジスタＡＭＰ１〜ＡＭＰ４にて増幅した電圧となる。
このとき、比較器７２３ａは、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌとを入力され、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌとの大小関係に応じた比較出力Ｖｃｏを出力する。画素信号Ｖｖｓｌは、ＡＤ変換の対象画素に接続されている垂直信号線ＶＳＬの電圧であり、参照信号Ｖｒａｍｐは、所定の基準値を初期値として、ＡＤ変換が開始から終了までの一定期間に時間の経過と共に初期値から徐々に変化する電圧である。
比較出力Ｖｃｏは、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌとが交差して大小関係が反転すると、ハイレベルとローレベルの間で変化する。図１６に示す例では、比較出力Ｖｃｏは、参照信号Ｖｒａｍｐが画素信号Ｖｖｓｌに比べて大きい場合はハイレベルの電圧となり、参照信号Ｖｒａｍｐが画素信号Ｖｖｓｌに比べて小さい場合はローレベルの電圧となる。このようにして生成される比較出力Ｖｃｏは、カウンタ７２３ｂに入力される。
カウンタ７２３ｂは、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌとが交差して大小関係が反転するまでの期間にカウントを行う。すなわち、本実施形態において、カウンタ７２３ｂは、Ｐ相期間において比較出力Ｖｃｏがハイレベルとなる期間においてカウントを行い、比較出力Ｖｃｏがローレベルの場合にはカウントを行わない。
これにより、カウンタ７２３ｂは、Ｐ相期間のＡＤ変換を開始してから、比較出力Ｖｃｏと参照信号Ｖｒａｍｐとが交差する前までの時間をカウントすることができる。このカウント値は、リセット状態の画素に蓄積された電荷に相当するデジタル値となる。なお、上述したように、Ｐ相期間において、カウンタ７２３ｂはダウンカウントを行う。
Ｐ相期間が終了すると、参照信号Ｖｒａｍｐを初期値に戻す等のためのＤ相準備期間を経た後、Ｄ相期間において、光電変換層１１〜１４が受光量に応じて生成する電荷量に応じた電圧（アナログ電圧）をデジタル値に変換する画素信号レベル取得動作が実行される。
具体的には、処理対象の画素のリセットトランジスタＲＳＴ１〜ＲＳＴ４に、上述したリセットオフ電圧に相当するリセットパルスを印加する。さらに、転送トランジスタＴＧ１〜ＴＧ４には上述した転送オン電圧に相当する転送パルスを印加し、選択トランジスタＳＥＬ１〜ＳＥＬ４には上述した選択オン電圧に相当する選択パルスを印加する。
これにより、処理対象の画素のリセットトランジスタＲＳＴ１〜ＲＳＴ４はオフ状態となり、転送トランジスタＴＧ１〜ＴＧ４と選択トランジスタＳＥＬ１〜ＳＥＬ４が順にオン状態に切り替わる。このとき、電荷保持部ＦＤ１〜ＦＤ４には、光電変換層１１〜１４が受光量に応じて生成した電荷が転送され、画素信号Ｖｖｓｌとして、この電荷保持部ＦＤ１〜ＦＤ４の電圧を増幅トランジスタＡＭＰ１〜ＡＭＰ４が増幅した電圧が順次に出力される。
このとき、比較器７２３ａは、上述したＰ相期間と同様に、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌとを入力されている。比較器７２３ａは、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌとの大小関係に応じた電圧を出力する。比較出力Ｖｃｏは、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌとがクロスして大小関係が反転すると、ハイレベルとローレベルの間で変化する。
カウンタ７２３ｂは、Ｐ相期間と同様に、参照信号Ｖｒａｍｐと画素信号Ｖｖｓｌとが交差して大小関係が反転するまでの期間にカウントを行う。すなわち、本実施形態において、カウンタ７２３ｂは、Ｄ相期間において比較出力Ｖｃｏがハイレベルとなる期間においてカウントを行い、比較出力Ｖｃｏがローレベルの場合にはカウントを行わない。
これにより、カウンタ７２３ｂは、Ｄ相期間のＡＤ変換を開始してから比較出力Ｖｃｏと参照信号Ｖｒａｍｐとが交差する前までの時間をカウントすることができる。このときのカウント値は、光電変換層１１〜１４が受光量に応じて生成する電荷量に相当するデジタル値である。なお、上述したように、Ｄ相期間において、カウンタ７２３ｂはＰ相期間と逆のアップカウントを行う。
また、カウンタ７２３ｂは、Ｄ相期間においては、Ｐ相期間のカウント結果を初期値としてカウントを行う。これにより、Ｄ相期間の終了時にカウンタ７２３ｂが保持するカウント値は、光電変換層１１〜１４が受光量に応じて生成する電荷に応じた電圧に相当するカウント値から、リセット状態の画素に蓄積された電荷に応じた電圧に相当するカウント値を差し引いたデジタル値となる。すなわち、カウンタ７２３ｂの保持する値は、いわゆる相関２重サンプリングによって固定ノイズ成分を除去された値になる。
このようにしてカウンタ７２３ｂに生成されたデジタル値は、通信・タイミング制御部７２６の制御によりラッチ７２３ｃに転送され、比較器７２３ａやカウンタ７２３ｂにおいて次の画素値をＡＤ変換している間に、水平駆動部７２５によって水平信号線Ｌｔｒｆを介して順次に信号処理部７２７へ出力される。
その後、図１６に示す例では、次の画素値のＡＤ変換期間のリセット期間において水平駆動部７２５から転送指示Ｓｔが入力され、Ｐ相期間やＤ相期間を実行している間にデータ転送が行われる。
なお、本技術は上述した各実施形態に限られず、上述した各実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した各実施形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も含まれる。また，本技術の技術的範囲は上述した実施形態に限定されず，特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
そして、本技術は、以下のような構成を取ることができる。
（１）
半導体の厚さ方向に沿う方向に４層以上の光電変換層を積層して形成した光電変換部を備え、
４層以上の前記光電変換層のうち、少なくとも１層が第１の分光特性を有し、少なくとも２層が前記第１の分光特性と異なる第２の分光特性を有し、少なくとも１層が前記第１の分光特性及び前記第２の分光特性と異なる第３の分光特性を有する、固体撮像装置。
（２）
前記第２の分光特性を有する材料は同一材料である、
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記第２の分光特性を有する材料で形成された少なくとも２層の前記光電変換層は層厚が略同一である、
前記（１）又前記（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記第２の分光特性を有する材料で形成された少なくとも２層の前記光電変換層は層厚が互いに異なる、
前記（１）又前記（２）に記載の固体撮像装置。
（５）
前記第１の分光特性を有する材料で形成された光電変換層は主たる光電変換波長域が青光の波長域であり、
前記第２の分光特性を有する材料で形成された光電変換層は主たる光電変換波長域が緑光の波長域であり、
前記第３の分光特性を有する材料で形成された光電変換層は主たる光電変換波長域が赤光の波長域である、
前記（２）〜前記（４）の何れか１つに記載の固体撮像装置。
（６）
前記光電変換部は少なくとも６層以上の前記光電変換層を積層して構成され、
６層以上の前記光電変換層は、少なくとも２層が前記第１の分光特性を有し、少なくとも２層が前記第２の分光特性を有し、少なくとも２層が前記第３の分光特性を有する、
前記（１）〜前記（５）の何れか１つに記載の固体撮像装置。
（７）
前記光電変換層の少なくとも１層は、有機光電変換膜により構成される、
前記（１）〜前記（６）の何れか１つに記載の固体撮像装置。
（８）
前記第２の分光特性を有する少なくとも２層の前記光電変換層のうち高感度な光電変換層の出力信号が飽和レベルに達している場合に、前記第２の分光特性を有する少なくとも２層の前記光電変換層のうち低感度な光電変換層の出力信号を画素信号とする、
前記（１）〜前記（７）の何れか１つに記載の固体撮像装置。
１０…光電変換部、１１〜１４…光電変換層、１１ａ〜１４ａ…上電極、１１ｂ〜１４ｂ…下電極、１５…絶縁膜、１６…絶縁膜、１７…絶縁膜、２１０…光電変換部、２１１〜２１４…光電変換層、３１０…光電変換部、３１１〜３１６…光電変換層、４１０…光電変換部、４１１〜４１４…光電変換層、５１０…光電変換部、５１１〜５１６…光電変換層、６００…撮像装置、６１１…光学系、６１２…固体撮像素子、６１３…ＤＳＰ、６１４…フレームメモリ、６１５…表示装置、６１６…記録装置、６１７…操作系、６１８…電源系、６１９…制御部、７２１…画素部、７２２…垂直駆動部、７２３…アナログデジタル変換部（ＡＤ変換部）、７２３ａ…比較器、７２３ｂ…カウンタ、７２３ｃ…ラッチ、７２４…参照信号生成部、７２５…水平駆動部、７２６…タイミング制御部、７２７…信号処理部、ＡＭＰ，ＡＭＰ１〜ＡＭＰ４…増幅トランジスタ、ＦＤ，ＦＤ１〜ＦＤ４…電荷保持部、ＰＸＬ…画素、ＲＳＴ，ＲＳＴ１〜ＲＳＴ４…リセットトランジスタ、
Ｓｔ…転送指示、ＳＥＬ，ＳＥＬ１〜ＳＥＬ４…選択トランジスタ、Ｔ１…入力端子、Ｔ２…入力端子、Ｔ３…出力端子、ＴＧ１〜ＴＧ４…転送トランジスタ、Ｖｄｄ…定電圧源、ＶＳＬ，ＶＳＬｘ…垂直信号線

Claims (8)

  1. 半導体の厚さ方向に沿う方向に４層以上の光電変換層を積層して形成した光電変換部を備え、
    ４層以上の前記光電変換層のうち、少なくとも１層が第１の分光特性を有し、少なくとも２層が前記第１の分光特性と異なる第２の分光特性を有し、少なくとも１層が前記第１の分光特性及び前記第２の分光特性と異なる第３の分光特性を有する、固体撮像装置。
  2. 前記第２の分光特性を有する材料は同一材料である、
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記第２の分光特性を有する材料で形成された少なくとも２層の前記光電変換層は層厚が略同一である、
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第２の分光特性を有する材料で形成された少なくとも２層の前記光電変換層は層厚が互いに異なる、
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  5. 前記第１の分光特性を有する材料で形成された光電変換層は主たる光電変換波長域が青光の波長域であり、
    前記第２の分光特性を有する材料で形成された光電変換層は主たる光電変換波長域が緑光の波長域であり、
    前記第３の分光特性を有する材料で形成された光電変換層は主たる光電変換波長域が赤光の波長域である、
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  6. 前記光電変換部は少なくとも６層以上の前記光電変換層を積層して構成され、
    ６層以上の前記光電変換層は、少なくとも２層が前記第１の分光特性を有し、少なくとも２層が前記第２の分光特性を有し、少なくとも２層が前記第３の分光特性を有する、
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  7. 前記光電変換層の少なくとも１層は、有機光電変換膜により構成される、
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  8. 前記第２の分光特性を有する少なくとも２層の前記光電変換層のうち高感度な光電変換層の出力信号が飽和レベルに達している場合に、前記第２の分光特性を有する少なくとも２層の前記光電変換層のうち低感度な光電変換層の出力信号を画素信号とする、
    請求項１に記載の固体撮像装置。
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