JP2019145875A - 撮像装置および撮像システム、および移動体 - Google Patents
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Abstract
【課題】撮像装置における電荷の転送効率を向上する。【解決手段】光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタと、前記光電変換部をオーバーフロードレインに接続するオーバーフロートランジスタと、をそれぞれ有する複数の画素を備える撮像装置であって、前記光電変換部に電荷を蓄積する蓄積期間中に、前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は電位ＶｏｆＨに設定され、前記転送トランジスタによって前記光電変換部から電荷を転送する転送期間中の少なくとも一部の期間において、前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は、前記電位ＶｏｆＨよりも低い電位ＶｏｆＬに設定される、撮像装置。【選択図】図２
Description
本発明は、撮像装置および撮像システム、および移動体に関する。
特許文献１は、オーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤ）トランジスタを用いることによって、高いダイナミックレンジを実現可能な撮像装置（固体撮像素子）が開示されている。
撮像装置において、光電変換部から異なる領域へ電荷を転送する際、その転送効率を向上させることが求められている。
本発明は、撮像装置において、電荷の転送効率の向上を目的とする。
本発明の第一の態様は、
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部をオーバーフロードレインに接続するオーバーフロートランジスタと、
をそれぞれ有する複数の画素を備える撮像装置であって、
前記光電変換部に電荷を蓄積する蓄積期間中に、前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は電位ＶｏｆＨに設定され、
前記転送トランジスタによって前記光電変換部から電荷を転送する転送期間中の少なくとも一部の期間において、前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は、前記電位ＶｏｆＨよりも低い電位ＶｏｆＬに設定される、
ことを特徴とする。
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部をオーバーフロードレインに接続するオーバーフロートランジスタと、
をそれぞれ有する複数の画素を備える撮像装置であって、
前記光電変換部に電荷を蓄積する蓄積期間中に、前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は電位ＶｏｆＨに設定され、
前記転送トランジスタによって前記光電変換部から電荷を転送する転送期間中の少なくとも一部の期間において、前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は、前記電位ＶｏｆＨよりも低い電位ＶｏｆＬに設定される、
ことを特徴とする。
本発明に係る撮像装置によれば、電荷の転送効率を向上す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。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下で説明する図面において、同じ機能を有するものは同一の符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。
撮像装置は、光を電気信号に変換する画素を複数有する半導体デバイスであり、固体撮像素子やイメージセンサや光電変換装置とも呼ばれるものである。撮像装置には、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサなどが含まれる。以下では、本発明の好ましい適用例の一つとして、ＣＭＯＳイメージセンサに本発明を適用した場合の構成例を説明する。
（第１実施形態）
図１Ａから図２Ｂは、第１実施形態１による撮像装置の概略を示す概略図である。図１Ａはその回路図、図１Ｂは図１Ａの平面図、図２Ａは画素を駆動する際のタイミング図、図２Ｂは図１ＢのＹ１−Ｙ１’に沿ったポテンシャル図である。以下では、説明を単純化するために、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型として説明するが、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型としても良い。
図１Ａから図２Ｂは、第１実施形態１による撮像装置の概略を示す概略図である。図１Ａはその回路図、図１Ｂは図１Ａの平面図、図２Ａは画素を駆動する際のタイミング図、図２Ｂは図１ＢのＹ１−Ｙ１’に沿ったポテンシャル図である。以下では、説明を単純化するために、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型として説明するが、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型としても良い。
図１Ａに示されるように、本実施形態に係る撮像装置は、光電変換部１０１、フローティングディフュージョン部１０２、転送トランジスタ１０３、オーバーフロートランジスタ（ＯＦＤトランジスタ）１０４を備える。本実施形態に係る撮像装置は、さらに、リセットトランジスタ１０５、ソースフォロワ１０６、選択トランジスタ１０７、垂直出力線１０８、および電源１０９を備える。
光電変換部１０１は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する。フローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）部１０２は、光電変換部１０１の電荷を受け取り、電圧に変換する。転送トランジスタ（以下、ＴＸ１０３）は、オン状態になると、光電変換部１０１によって生成・蓄積された電荷をＦＤ１０２へ転送する。ＯＦＤトランジスタ１０４は、オン状態になると、光電変換部１０１の電荷をオーバーフロードレインに排出する。ＯＦＤトランジスタ１０４をオフに制御することで、光電変換部１０１による電荷の蓄積が開始される。これにより、露光時間長さを自由に設定することができる。リセットトランジスタ１０５は、オン状態になると、ＦＤ１０２へ転送された電荷を排出する。ソースフォロワ（以下、ＳＦ）１０６は、ＦＤ１０２で変換された電圧を増幅して出力する。フローティングディフュージョン部１０２およびＳＦ１０６は、本発明における増幅部に相当する。選択トランジスタ１０７は、ＳＦ１０６の出力を制御し、垂直出力線１０８に接続されている。
図１Ｂに示すように、光電変換部１０１は、第一方向および第二方向を辺とする矩形形状であり、第一方向に沿った辺に、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極が設けられている。すなわち、ＯＦＤトランジスタ１０４は、光電変換部１０１の端部に沿って配され
ている。
ている。
図２Ａにおいて、時刻ｔ１以前は、光電変換部１０１が電荷を蓄積する蓄積期間であって、ＯＦＤトランジスタ１０４は所定の電位ＶｏｆＨに設定されている。蓄積期間中は、図２Ｂ（ａ）に示されるように、ＯＦＤトランジスタ１０４直下に形成されるポテンシャルＶｏｆＨとＴＸ１０３直下に形成されるポテンシャルＶｔｘＬの山に囲われた領域に電荷が蓄積される。これによって高輝度の被写体を撮像した際、光電変換部１０１から溢れ出た余剰な電荷をＯＦＤトランジスタ１０４へ排出し、隣接画素への混色を抑制することが可能となる。なお、図２Ｂ（ａ）では、ＶｔｘＬは、ＶｏｆＬとＶｏｆＨの間の電位をとっているが、これに限定されず、ＶｔｘＬはＶｏｆＬより低くてもＶｏｆＨより高くてもよい。
時刻ｔ１からｔ４は、ＳＥＬ１０７がオンする行選択期間である。時刻ｔ２からｔ３は、ＴＸ１０３がオンする転送期間であって、光電変換部１０１からＦＤ１０４へ電荷が転送される。このとき、ＯＦＤトランジスタ１０４は、転送期間中の少なくとも一部の期間において、所定の電位ＶｏｆＬに設定される。図２Ａでは、転送期間中の全ての期間にわたって、ＯＦＤトランジスタ１０４が電位ＶｏｆＬに設定される。このときのポテンシャルは図２Ｂ（ｂ）に示される。このように、光電変換部１０１とＯＦＤトランジスタ１０４との間により大きな逆バイアスが印加され、光電変換部１０１の空乏化を促進することが可能となり、転送効率を向上させることが出来る。ここで、ＶｏｆＬは、ＶｏｆＨよりも低い電位である。
図２Ａでは、転送期間（時刻ｔ２からｔ３）の全てにおいて、ＯＦＤトランジスタ１０４は所定の電位ＶｏｆＬに設定されているが、転送期間の少なくとも一部の期間において所定の電位ＶｏｆＬに設定されればよい。こうすることにより、転送期間においてＯＦＤトランジスタ１０４の電位をＶｏｆＬに切り替えない場合と比較して、転送効率を向上させることができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、第１実施形態と比較して、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極の形状が異なる。以下、主に第１実施形態との相違点について説明する。図３Ａと図３Ｂはそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の平面模式図および断面模式図である。
本発明の第２実施形態は、第１実施形態と比較して、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極の形状が異なる。以下、主に第１実施形態との相違点について説明する。図３Ａと図３Ｂはそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の平面模式図および断面模式図である。
図３Ａに示されるように、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極は、光電変換部１０１を囲うように延在した形で配されている。具体的には、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極は、光電変換部１０１の第一方向に沿った辺（第一の辺）の全体と、当該辺に接続する第２の方向に沿った辺（第二の辺）の一部とにわたって配される。このような構成とすることにより、ＴＸ１０３がオンしてＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極にＶｏｆＬが印加される際に、光電変換部１０１の周囲に大きな逆バイアスがかかることによって、更に転送効率を向上させることが可能となる。
また、蓄積期間中において、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極に印加されるＶｏｆＨは、ウェル電位よりも低い電位であることが望ましい。これにより、暗電流を抑制することが可能となる。
図３Ｂにおいて、光電変換部１０１は、第一導電型の拡散層６０１と第二導電型の拡散層６０２から構成されている。画素分離部６０３は、例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）分離、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ
Ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）分離、第二導電型の拡散層分離等により形成される。６０４は、第二導電型のウェル領域である。
Ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）分離、第二導電型の拡散層分離等により形成される。６０４は、第二導電型のウェル領域である。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態は、第１実施形態と比較してＯＦＤトランジスタ１０４に設定するゲート電位が異なる。以下、主に第１，第２実施形態との相違点について説明する。図４は、本実施形態における画素を駆動する際のタイミング図である。
本発明の第３実施形態は、第１実施形態と比較してＯＦＤトランジスタ１０４に設定するゲート電位が異なる。以下、主に第１，第２実施形態との相違点について説明する。図４は、本実施形態における画素を駆動する際のタイミング図である。
図４において、時刻ｔ０以前は、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電位は、所定の電位ＶｏｆＨであって、時刻ｔ０において、ＶｏｆＨから所定の電位ＶｏｆＨＨへ遷移する。ＶｏｆＨＨは、ＶｏｆＨよりも高い電位である。このような制御を行うことで、特に高輝度の被写体を撮像する際、光電変換部１０１に蓄積された電荷量が飽和することを抑制し、白飛びの少ない画像を取得することができる。
ここでは、時刻ｔ０においてＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電位をＶｏｆＨからＯｏｆＨＨに切り替えているが、被写体の輝度に応じて、蓄積期間のゲート電位をＶｏｆＨまたは、ＶｏｆＨＨのいずれか一方の電位から選択しても良い。
ＴＸ１０３をオンする転送期間（時刻ｔ２からｔ３）中の少なくとも一部の期間では、第１実施形態と同様にＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電位はＶｏｆＬに設定される。なお、図４では、電位ＶｏｆＨＨからＶｏｆＬに切り替えているが、その途中にＶｏｆＨを維持する期間があっても構わない。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態は、１つの画素が２つの光電変換部を有する撮像装置である。図５Ａ，図５Ｂ、図６はそれぞれ、本実施形態４に係る撮像装置の回路図、平面模式図、タイミング図である。
本発明の第４実施形態は、１つの画素が２つの光電変換部を有する撮像装置である。図５Ａ，図５Ｂ、図６はそれぞれ、本実施形態４に係る撮像装置の回路図、平面模式図、タイミング図である。
図５Ａに示されるように、本実施形態に係る撮像装置は、１つの画素内に、２つの光電変換部８０１Ａと８０１Ｂを有し、１つのＦＤ１０２を共用する構成となっている。さらには、光電変換部８０１Ａに生じた信号電荷をＦＤ１０２へ転送する転送トランジスタ８０２Ａ（以下ＴＸＡ）と、光電変換部８０２Ｂに生じた信号電荷をＦＤ１０２へ転送する転送トランジスタ８０２Ｂ（以下ＴＸＢ）を有する。本実施形態の構成によれば、撮像用の信号電荷に加えて、撮像以外の用途に用いる信号電荷を蓄積することができる。撮像以外の信号とは、例えば、位相差検出方式による焦点検出用の信号、距離測定のための信号、異なる波長域の光を光電変換した信号等である。
図５Ｂに示すように、本実施形態では、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極は、光電変換部８０１Ａと８０１Ｂの両方にまたがって配されている。
図６において、時刻ｔ１以前は、光電変換部８０１Ａと８０１Ｂが電荷を蓄積する蓄積期間であって、ＯＦＤトランジスタ１０４は所定の電位ＶｏｆＨに設定されている。これによって高輝度の被写体を撮像した際、光電変換部８０１Ａと８０１Ｂから溢れ出た余剰な電荷をＯＦＤトランジスタ１０４へ排出し、隣接画素への混色を抑制することが可能となる。
時刻ｔ１からｔ６は、ＳＥＬ１０７がオンする行選択期間である。時刻ｔ２からｔ３は、ＴＸＡ８０２Ａがオンする第一の転送期間であって、光電変換部８０１ＡからＦＤ１０２へ電荷が転送される。このとき、ＯＦＤトランジスタ１０４は、転送期間中の少なくとも一部の期間において、所定の電位ＶｏｆＬとなる。これにより、光電変換部８０１ＡとＯＦＤトランジスタ１０４との間に、より大きな逆バイアスが印加され、光電変換部８０１Ａの空乏化を促進することが可能となり、転送効率を向上させることが出来る。ここで
、ＶｏｆＬは、ＶｏｆＨよりも低い電位である。
、ＶｏｆＬは、ＶｏｆＨよりも低い電位である。
時刻ｔ４からｔ５は、ＴＸＡ８０２ＡとＴＸＢ８０２Ｂの両方がオンする第二の転送期間であって、光電変換部８０１Ａと８０１ＢからＦＤ１０２へ電荷が転送される。このとき、ＯＦＤトランジスタ１０４は、転送期間中の少なくとも一部の期間において、所定の電位ＶｏｆＬとなる。これにより、光電変換部８０１Ａと８０１Ｂの両方と、ＯＦＤトランジスタ１０４との間に、より大きな逆バイアスが印加され、光電変換部８０１Ａと８０１Ｂの空乏化を促進することが可能となり、転送効率を向上させることが出来る。
本実施形態において、第一の転送期間（ｔ２〜ｔ３）と第二の転送期間（ｔ４〜ｔ５）の全てにおいてＯＦＤトランジスタ１０４は電位ＶｏｆＬに設定されるが、各転送期間の少なくとも一部の期間において電位ＶｏｆＬに設定されればよい。また、時刻ｔ３からｔ４の期間において、ＯＦＤトランジスタ１０４の電位をＶｏｆＨとしているが、この期間もＶｏｆＬとしても構わない。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態は、第４実施形態と比較してＯＦＤトランジスタ１０４の構成が異なる。図７は、本実施形態に係る撮像装置の概略を平面模式図である。
本発明の第５実施形態は、第４実施形態と比較してＯＦＤトランジスタ１０４の構成が異なる。図７は、本実施形態に係る撮像装置の概略を平面模式図である。
図７において、ＯＦＤトランジスタ１０４は、光電変換部８０１Ａの端部のみに配されている。このような構成をとることによって、図６のタイミングで画素を駆動した場合、時刻ｔ２からｔ３、およびｔ４からｔ５の期間内において、光電変換部８０１Ａの空乏化を促進し、転送効率を向上させることが出来る。さらには、第４実施形態に比べて、ＯＦＤトランジスタ１０４を小さくすることが可能であって、画素を微細化することができる。
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態は、第４，５実施形態と比較してＯＦＤトランジスタ１０４の構成が異なり、それに伴い画素の駆動タイミングが異なる。図８Ａと図８Ｂはそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の平面模式図、およびタイミング図である。
本発明の第６実施形態は、第４，５実施形態と比較してＯＦＤトランジスタ１０４の構成が異なり、それに伴い画素の駆動タイミングが異なる。図８Ａと図８Ｂはそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の平面模式図、およびタイミング図である。
図８Ａにおいて、ＯＦＤトランジスタ１０４は、光電変換部８０１Ｂの端部のみに配されている。
本実施形態の第４の実施形態の画素駆動タイミングの違い（図８Ｂと図６との違い）は、時刻ｔ２からｔ３において、ＯＦＤトランジスタ１０４がＶｏｆＨとなる点である。時刻ｔ４からｔ５の期間内においては、光電変換部８０１Ｂの空乏化を促進し、転送効率を向上させることが出来る。さらには、第４の実施形態に比べて、ＯＦＤトランジスタ１０４を小さくすることが可能であって、画素を微細化することができる。
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態は、グローバル電子シャッター動作を行う撮像装置である。図９Ａ、図９Ｂ、図１０はそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の、回路図、平面図、およびタイミング図である。
本発明の第７実施形態は、グローバル電子シャッター動作を行う撮像装置である。図９Ａ、図９Ｂ、図１０はそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の、回路図、平面図、およびタイミング図である。
図９Ａに示すように、本実施形態に係る撮像装置は、各画素に第二の転送トランジスタ１４０１とメモリ部１４０２とをさらに備える。第二の転送トランジスタ（以下、ＧＳ）１４０１は、オン状態の時に、光電変換部１０１からメモリ部１４０２へ電荷を転送する。メモリ部１４０２は、電荷を一時的に保持する電荷保持部である。本実施形態においては、転送トランジスタ（ＴＸ）１０３は、オン状態の時に、メモリ部１４０２からＦＤ１
０２へ電荷を転送する。
０２へ電荷を転送する。
このような回路構成によって、全ての画素において、同時刻に、光電変換部１０１に蓄積された電荷をメモリ部１４０２へ転送し、電荷を保持することが可能となる。すなわち、グローバル電子シャッターの機能を有することによって、歪みの少ない画像を撮像できる。
図９Ｂに示すように、ＯＦＤトランジスタ１０４は、光電変換部１０１の端部に沿って配されている。
図１０において、時刻ｔ１からｔ２は、ＯＦＤトランジスタ１０４がオンすることによって、光電変換部１０１の電荷をリセットする期間である。この期間に、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極には所定の電位ＶｏｆＨＨが印加される。
時刻ｔ２からｔ３は、光電変換部１０１に電荷が蓄積される蓄積期間である。この期間に、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極は、所定の電位ＶｏｆＨに設定される。ここで、ＶｏｆＨは、ＶｏｆＨＨよりも低い電位であって、隣接画素への混色を抑制するための適当な電位である。
時刻ｔ３からｔ４は、ＧＳ１４０１がオンすることで、光電変換部１０１からメモリ部１４０２へ電荷が転送される第一の転送期間である。このときＧＳ１４０１のゲート電位は所定の電位ＶｇｓＨに設定される。また、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電位は、第一の転送期間中の少なくとも一部の期間において、所定の電位ＶｏｆＬに設定される。これにより、光電変換部１０１とＯＦＤトランジスタ１０４との間に、より大きな逆バイアスが印加され、光電変換部１０１の空乏化を促進することが可能となり、転送効率を向上させることが出来る。ここで、ＶｇｓＨはＶｇｓＬよりも高い電位であり、ＶｏｆＬはＶｏｆＨよりも低い電位である。
時刻ｔ５からｔ８は、ＳＥＬ１０７がオンする行選択期間である。時刻ｔ６からｔ７は、ＴＸ１０３がオンする第二の転送期間であって、メモリ部１４０２で保持していた電荷をＦＤ１０２へ転送する。このとき、ＧＳ１４０１は、第二の転送期間中の少なくとも一部の期間において、所定の電位ＶｇｓＬから所定の電位ＶｇｓＬＬへ遷移する。これにより、メモリ部１４０２とＧＳ１４０１との間に、より大きな逆バイアスが印加され、メモリ部１４０２の空乏化を促進することが可能となり、転送効率を向上させることが出来る。ここで、ＶｇｓＬは、ＶｇｓＬＬよりも高い電位であって、ＧＳ１４０１と光電変換部１０１、およびＧＳ１４０１とメモリ部１４０２の間の逆バイアスを緩和し、蓄積期間中の光電変換部１０１およびメモリ部１４０２の電荷容量を大きく損なわない電位である。
（第８実施形態）
本発明の第８実施形態は、第７実施形態と比較して、２つの画素に対して１つのＯＦＤ１０４が設けられる点が異なる。図１１は本実施形態に係る撮像装置の回路図であり、図１２Ａと図１２Ｂは本実施形態を実現可能な構成の平面図である。図１１から図１２Ｂは、いずれも２画素分の構成を示している。
本発明の第８実施形態は、第７実施形態と比較して、２つの画素に対して１つのＯＦＤ１０４が設けられる点が異なる。図１１は本実施形態に係る撮像装置の回路図であり、図１２Ａと図１２Ｂは本実施形態を実現可能な構成の平面図である。図１１から図１２Ｂは、いずれも２画素分の構成を示している。
図１１に示されるように、複数の画素間において、ＯＦＤトランジスタ１０４が共有化されている。
図１２Ａは、本実施形態の実現例を示す。図１２Ａにおいて、第一方向に隣接した画素が、ミラー対称に配置されている。ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極は、２つの画素の光電変換部１０１の第二方向に沿った辺にまたがって配されており、２つの画素で共
有されている。ＯＦＤトランジスタ１０４が共有であるため、全く同一の電位が、各画素のＯＦＤトランジスタ１０４に供給され、第一の転送期間におけるポテンシャル分布がＯＦＤトランジスタ１０４を中心としてミラー対称に形成される。したがって、各画素におけるＧＳ１４０１の転送効率ばらつきが抑制され、ざらつきの少ない画像を取得することができる。
有されている。ＯＦＤトランジスタ１０４が共有であるため、全く同一の電位が、各画素のＯＦＤトランジスタ１０４に供給され、第一の転送期間におけるポテンシャル分布がＯＦＤトランジスタ１０４を中心としてミラー対称に形成される。したがって、各画素におけるＧＳ１４０１の転送効率ばらつきが抑制され、ざらつきの少ない画像を取得することができる。
図１２Ｂは、本実施形態の他の実現例を示す。図１２Ｂにおいて、第一方向に隣接した画素が、並進対称に配置されている。この例では、ＯＦＤトランジスタ１０４の駆動配線１９０１が共有化されている。したがって、図１２Ａと同様、各画素におけるＧＳ１４０１の転送効率ばらつきが抑制され、ざらつきの少ない画像を取得することができる。
（第９実施形態）
本発明の第９実施形態は、グローバル電子シャッター用のメモリ部を２つ備える撮像装置である。図１３から図１５はそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の、回路図、平面図、およびタイミング図である。
本発明の第９実施形態は、グローバル電子シャッター用のメモリ部を２つ備える撮像装置である。図１３から図１５はそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の、回路図、平面図、およびタイミング図である。
図１３に示されるように、本実施形態に係る撮像措置における画素は、第７実施形態（図９Ａ）の構成に加えて、第三の転送トランジスタ２００１と第二のメモリ部２００２、および第四の転送トランジスタ２００３を有する。ここでは、第二の転送トランジスタ１４０１をトランジスタＧＳＡ１４０１と称し、第三のトランジスタ２００１をトランジスタＧＳＢ２００１と称する。また、転送トランジスタ１０３をトランジスタＴＸＡ１０３と称し、第四の転送トランジスタ２００３をトランジスタＴＸＢ２００３と称する。トランジスタＧＳＢ２００１は、オン状態の時に、光電変換部１０１から第二のメモリ部２００２へ電荷を転送する。トランジスタＴＸＢ２００３は、オン状態の時に、第二のメモリ部２００２からＦＤ１０２へ電荷を転送する。
図１４に示すように、光電変換部１０１は、トランジスタＧＳＡ１４０１とトランジスタＧＳＢ２００１、およびＯＦＤトランジスタ１０４に囲われた構成をとっている。
図１５において、時刻ｔ１からｔ２は、ＯＦＤトランジスタ１０４がオンすることによって、光電変換部１０１の電荷をリセットする期間である。この期間に、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極には所定の電位ＶｏｆＨＨが印加される。
時刻ｔ２からｔ３は、光電変換部１０１に電荷が蓄積される蓄積期間である。この期間に、ＯＦＤトランジスタ１０４のゲート電極には、所定の電位ＶｏｆＨ、およびＧＳ２００１には所定の電位Ｖｇｓ２Ｌが印加される。ここで、ＶｏｆＨは、ＶｏｆＨＨよりも低い電位であって、隣接画素への混色を抑制するための適当な電位である。
時刻ｔ３からｔ４は、ＧＳ１４０１がオンすることで、光電変換部１０１からメモリ部１４０２へ電荷が転送される第一の転送期間である。このとき、ＯＦＤトランジスタ１０４とＧＳ２００１はそれぞれ、第一の転送期間中の少なくとも一部の期間において、所定の電位ＶｏｆＬ、およびＶｇｓ２ＬＬが印加される。これにより、光電変換部１０１とＯＦＤトランジスタ１０４、および光電変換部１０１とＧＳ２００１の間に、より大きな逆バイアスが印加され、光電変換部１０１の空乏化を促進することが可能となり、転送効率を更に向上させることが出来る。ここで、Ｖｇｓ２ＬＬは、Ｖｇｓ２Ｌよりも低い電位である。また、Ｖｇｓ２Ｌは、光電変換部１０１とメモリ部２００２の電荷容量を大きく損なわない適当な電位である。
時刻ｔ５からｔ６は、ＧＳ２００１がオンすることで、光電変換部１０１からメモリ部２００２へ電荷が転送される第二の転送期間である。このとき、ＯＦＤトランジスタ１０
４とＧＳ１４０１はそれぞれ、第二の転送期間中の少なくとも一部の期間において、所定の電位ＶｏｆＬ、およびＶｇｓＬＬが印加され、第一の転送期間と同様、転送効率を向上させることが可能となる。
４とＧＳ１４０１はそれぞれ、第二の転送期間中の少なくとも一部の期間において、所定の電位ＶｏｆＬ、およびＶｇｓＬＬが印加され、第一の転送期間と同様、転送効率を向上させることが可能となる。
（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態は、１つの画素内に第９実施形態の構成を二重に備える撮像装置である。図１６と図１７はそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の回路図および平面模式図である。
本発明の第１０実施形態は、１つの画素内に第９実施形態の構成を二重に備える撮像装置である。図１６と図１７はそれぞれ、本実施形態に係る撮像装置の回路図および平面模式図である。
図１６に示されるように、本実施形態においては、１つの画素内において、２つの光電変換部２３０１Ａと２３０１Ｂ、および２つのＦＤ２３０８Ａと２３０８Ｂを有する。また、光電変換部２３０１Ａに生じた信号電荷をメモリ部２３０４Ａと２３０５Ａへ転送する転送トランジスタ２３０２Ａと２３０３Ａを有する。同様に、光電変換部２３０１Ｂに生じた信号電荷をメモリ部２３０４Ｂと２３０５Ｂへ転送する転送トランジスタ２３０２Ｂと２３０３Ｂを有する。さらに、メモリ部２３０４Ａと２３０５ＡからＦＤ２３０８Ａへ電荷を転送する転送トランジスタ２３０６Ａと２３０７Ａを有する。同様に、メモリ部２３０４Ｂと２３０５ＢからＦＤ２３０８Ｂへ電荷を転送する転送トランジスタ２３０６Ｂと２３０７Ｂを有する。
図１７において、ＦＤ２３０８Ａは、第一導電型の拡散層２４０１Ａと２４０２Ａから構成される。同様に、ＦＤ２３０８Ｂは、第一導電型の拡散層２４０１Ｂと２４０２Ｂから構成される。ここで、第一のＦＤ２３０８Ａと第二のＦＤ２３０８Ｂは、それぞれ独立のノードであるとしたが、共有化されていても良い。さらには、拡散層２４０１Ａと２４０２Ａ、拡散層２４０１Ｂと２４０２Ｂがそれぞれ共有であるとしたが、拡散層２４０１Ａ、２４０２Ａ、２４０１Ｂ、２４０２Ｂの内、共有となる組み合わせは本実施形態の限りではない。例えば、拡散層２４０１Ａと２４０１Ｂ、および拡散層２４０２Ａと２４０２Ｂがそれぞれ共有であっても良い。
本実施形態における画素の駆動タイミングは、第９の実施形態（図１５）と同様であるため説明を省略する。
本実施形態の構成によれば、撮像用の信号電荷に加えて、撮像以外の用途に用いる信号電荷を蓄積することができる。撮像以外の信号とは、例えば、位相差検出方式による焦点検出用の信号、距離測定のための信号、異なる波長域の光を光電変換した信号等である。
（第１１実施形態）
本発明の第１１実施形態による撮像システムについて、図１８を用いて説明する。図１８は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
本発明の第１１実施形態による撮像システムについて、図１８を用いて説明する。図１８は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
上記第１乃至第１０実施形態で述べた撮像装置は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムとしては、特に限定されるものではないが、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、医療用カメラなどの各種の機器が挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置（光電変換装置）とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図１８にはこれらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。
撮像システム５００は、図１８に示すように、撮像装置１００、撮像光学系５０２、ＣＰＵ５１０、レンズ制御部５１２、撮像装置制御部５１４、画像処理部５１６、絞りシャッター制御部５１８、表示部５２０、操作スイッチ５２２、記録媒体５２４を備える。
撮像光学系５０２は、被写体の光学像を形成するための光学系であり、レンズ群、絞り５０４等を含む。絞り５０４は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なう機能を備えるほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッターとしての機能も備える。レンズ群及び絞り５０４は、光軸方向に沿って進退可能に保持されており、これらの連動した動作によって変倍機能（ズーム機能）や焦点調節機能を実現する。撮像光学系５０２は、撮像システムに一体化されていてもよいし、撮像システムへの装着が可能な撮像レンズでもよい。
撮像光学系５０２の像空間には、その撮像面が位置するように撮像装置１００が配置されている。撮像装置１００は、第１乃至第１０実施形態で説明した撮像装置であり、ＣＭＯＳセンサ（画素部）とその周辺回路（周辺回路領域）とを含んで構成される。撮像装置１００は、複数の光電変換部を有する画素が２次元配置され、これらの画素に対してカラーフィルタが配置されることで、２次元単板カラーセンサを構成している。撮像装置１００は、撮像光学系５０２により結像された被写体像を光電変換し、画像信号や焦点検出信号として出力する。
レンズ制御部５１２は、撮像光学系５０２のレンズ群の進退駆動を制御して変倍操作や焦点調節を行うためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成されている。絞りシャッター制御部５１８は、絞り５０４の開口径を変化して（絞り値を可変として）撮影光量を調節するためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成される。
ＣＰＵ５１０は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内の制御装置であり、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を含む。ＣＰＵ５１０は、ＲＯＭ等に記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮像光学系５０２の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理、記録等の一連の撮影動作を実行する。ＣＰＵ５１０は、信号処理部でもある。
撮像装置制御部５１４は、撮像装置１００の動作を制御するとともに、撮像装置１００から出力された信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ５１０に送信するためのものであり、それら機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。Ａ／Ｄ変換機能は、撮像装置１００が備えていてもかまわない。画像処理部５１６は、Ａ／Ｄ変換された信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成する処理装置であり、その機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。表示部５２０は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示装置であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態等を表示する。操作スイッチ５２２は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。記録媒体５２４は、撮影済み画像等を記録するためのものであり、撮像システムに内蔵されたものでもよいし、メモリカード等の着脱可能なものでもよい。
このようにして、第１乃至第１０実施形態による撮像装置１００を適用した撮像システム５００を構成することにより、高性能の撮像システムを実現することができる。
（第１２実施形態）
本発明の第１２実施形態による撮像システム及び移動体について、図１９Ａ及び図１９Ｂを用いて説明する。図１９Ａ及び図１９Ｂは、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
本発明の第１２実施形態による撮像システム及び移動体について、図１９Ａ及び図１９Ｂを用いて説明する。図１９Ａ及び図１９Ｂは、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
図１９Ａは、車載カメラに関する撮像システム４００の一例を示したものである。撮像システム４００は、撮像装置４１０を有する。撮像装置４１０は、上述の第１乃至第１０実施形態に記載の撮像装置のいずれかである。撮像システム４００は、撮像装置４１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う処理装置である画像処理部４１２と、撮像装置４１０に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）の算出を行う処理装置である視差取得部４１４を有する。また、撮像システム４００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処理装置である距離取得部４１６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処理装置である衝突判定部４１８と、を有する。ここで、視差取得部４１４や距離取得部４１６は、対象物までの距離情報等の情報を取得する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４１８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。上述の処理装置は、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基づいて演算を行う汎用のハードウェアによって実現されてもよい。また、処理装置はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated
Circuit）等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。
Circuit）等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４００は、車両情報取得装置４２０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４００は、衝突判定部４１８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ＥＣＵ４３０が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ４３０は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム４００は、衝突判定部４１８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４４０とも接続されている。例えば、衝突判定部４１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ４３０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４４０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。
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム４００で撮像する。図１９Ｂに、車両前方（撮像範囲４５０）を撮像する場合の撮像システム４００を示した。車両情報取得装置４２０は、撮像システム４００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。上述の第１乃至第１０実施形態の撮像装置を撮像装置４１０として用いることにより、本実施形態の撮像システム４００は、測距の精度をより向上させることができる。
以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、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等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自動車等の車両に限らず、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（輸送機器）に適用することができる。移動体（輸送機器）における移動装置はエンジン、モーター、車輪、プロペラなどの各種の駆動源である。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。
（その他の実施形態）
撮像装置は、画素が設けられた第１半導体チップと、読み出し回路（増幅器）が設けられた第２半導体チップとを積層した構造（チップ積層構造）を有していてもよい。第２半導体チップにおける読み出し回路（増幅器）は、それぞれ、第１半導体チップの画素列に対応した列回路とすることができる。また、第２半導体チップにおける読み出し回路（増
幅器）は、それぞれ、第１半導体チップの画素あるいは画素ブロックに対応したマトリックス回路とすることもできる。第１半導体チップと第２半導体チップとの接続は貫通電極（ＴＳＶ）、銅（Ｃｕ）等の金属の直接接合によるチップ間配線、チップ間のマイクロバンプによる接続などを採用することができる。
撮像装置は、画素が設けられた第１半導体チップと、読み出し回路（増幅器）が設けられた第２半導体チップとを積層した構造（チップ積層構造）を有していてもよい。第２半導体チップにおける読み出し回路（増幅器）は、それぞれ、第１半導体チップの画素列に対応した列回路とすることができる。また、第２半導体チップにおける読み出し回路（増
幅器）は、それぞれ、第１半導体チップの画素あるいは画素ブロックに対応したマトリックス回路とすることもできる。第１半導体チップと第２半導体チップとの接続は貫通電極（ＴＳＶ）、銅（Ｃｕ）等の金属の直接接合によるチップ間配線、チップ間のマイクロバンプによる接続などを採用することができる。
１０１ 光電変換部
１０３ 転送トランジスタ
１０４ オーバーフロードレイントランジスタ
１０３ 転送トランジスタ
１０４ オーバーフロードレイントランジスタ
Claims (13)
- 光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタと、
前記光電変換部をオーバーフロードレインに接続するオーバーフロートランジスタと、
をそれぞれ有する複数の画素を備える撮像装置であって、
前記光電変換部に電荷を蓄積する蓄積期間中に、前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は電位ＶｏｆＨに設定され、
前記転送トランジスタによって前記光電変換部から電荷を転送する転送期間中の少なくとも一部の期間において、前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は、前記電位ＶｏｆＨよりも低い電位ＶｏｆＬに設定される、
撮像装置。 - 前記複数の画素のそれぞれは、電荷に基づく信号を出力する増幅部を、さらに備え、
前記転送トランジスタは、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するトランジスタである
請求項１に記載の撮像装置。 - 前記オーバーフロートランジスタのゲート電極の少なくとも一部が、前記光電変換部の第一の辺と、前記第一の辺に接続する第二の辺の少なくとも一部とにわたって配置される、
請求項２に記載の撮像装置。 - 前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は、前記蓄積期間中に、前記電位ＶｏｆＨと、前記電位ＶｏｆＨよりも高い電位ＶｏｆＨＨとに設定される、
請求項２または３に記載の撮像装置。 - 前記光電変換部は、第一の光電変換部と第二の光電変換部とを含み、
前記転送トランジスタは、前記第一の光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するトランジスタＴＸＡと、前記第二の光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するトランジスタＴＸＢと、を含み、
前記オーバーフロートランジスタのゲート電極は、前記第一の光電変換部と前記第二の光電変換部のいずれか一方または両方に接続され、
前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は、前記オーバーフロートランジスタのゲート電極が接続された光電変換部の電荷を前記増幅部に転送する転送期間の少なくとも一部の期間において、前記電位ＶｏｆＬに設定される、
請求項２から４のいずれか１項に記載の撮像装置。 - 前記複数の画素のそれぞれは、
光電変換によって生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
電荷を保持する電荷保持部と、
電荷に基づく信号を出力する増幅部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を前記電荷保持部に転送する第一の転送トランジスタと、
前記電荷保持部に保持された電荷を前記増幅部に転送する第二の転送トランジスタと、
を備え、
前記光電変換部に蓄積された電荷を転送する前記転送トランジスタは、前記第一の転送トランジスタである、
請求項１に記載の撮像装置。 - 前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は、前記蓄積期間中に、前記電位ＶｏｆＨと、前記電位ＶｏｆＨよりも高い電位ＶｏｆＨＨとに設定される、
請求項６に記載の撮像装置。 - 前記第一の転送トランジスタのゲート電位は、ＶｇｓＨ、ＶｇｓＬ、ＶｇｓＬＬ（ＶｇｓＨ＞ＶｇｓＬ＞ＶｇｓＬＬ）の少なくとも３つの電位をとり、
前記蓄積期間中に、前記第一の転送トランジスタのゲート電位は電位ＶｇｓＬに設定され、
前記光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送する転送期間中に、前記第一の転送トランジスタのゲート電位は電位ＶｇｓＨに設定され、
前記電荷保持部から前記増幅部に電荷を転送する転送期間の少なくとも一部の期間において、前記第一の転送トランジスタのゲート電位は電位ＶｇｓＬＬに設定される、
請求項６または７に記載の撮像装置。 - ２つの画素が１つのオーバーフロートランジスタを共有する、
請求項６から８のいずれか１項に記載の撮像装置。 - 前記電荷保持部は、第一の電荷保持部と第二の電荷保持部とを含み、
前記第一の転送トランジスタは、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記第一の電荷保持部に転送するトランジスタＧＳＡと、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記第二の電荷保持部に転送するトランジスタＧＳＢとを含み、
前記トランジスタＧＳＡによって前記光電変換部から前記第一の電荷保持部に電荷を転送する転送期間中の少なくとも一部の期間と、前記トランジスタＧＳＢによって前記光電変換部から前記第二の電荷保持部に電荷を転送する転送期間中の少なくとも一部の期間とにおいて、前記オーバーフロートランジスタのゲート電位は前記電位ＶｏｆＬに設定される、
請求項６から９のいずれか１項に記載の撮像装置。 - 前記トランジスタＧＳＡによって前記光電変換部から前記第一の電荷保持部に電荷を転送する転送期間中の少なくとも一部の期間において、前記トランジスタＧＳＢの電位は、前記蓄積期間における電位よりも高い電位に設定され、
前記トランジスタＧＳＢによって前記光電変換部から前記第二の電荷保持部に電荷を転送する転送期間中の少なくとも一部の期間において、前記トランジスタＧＳＡの電位は、前記蓄積期間における電位よりも高い電位に設定される、
請求項１０に記載の撮像装置。
撮像装置。 - 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力される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。 - 移動体であって、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の撮像装置と、
移動装置と、
前記撮像装置から出力される信号から情報を取得する処理装置と、
前記情報に基づいて前記移動装置を制御する制御装置と、
を有することを特徴とする移動体。
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Applications Claiming Priority (1)
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