JP2021193700A - 固体撮像素子および固体撮像素子の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学系の瞳分割位置が可変である固体撮像素子を提供できるようにする。【解決手段】固体撮像素子は、第１の画素を有し、前記第１の画素は、光を電荷に変換し、前記変換された電荷を蓄積する第１の光電変換部（１０１）と、前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷を転送する第１の転送電極（１０４）と、前記第１の転送電極とは別の一または複数の第１の電極（１０３）とを有し、前記第１の電極に異なる電圧を印加することにより、前記第１の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置が変わる。【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子および固体撮像素子の制御方法に関する。

撮像素子自身を用いて焦点検出を行うことのできる、像面位相差検出機能を備えた撮像素子が知られている。像面位相差検出機能を備えた撮像素子は、特許文献１のように、画素上に部分的に遮光マスクを配置することや、特許文献２のように、画素のポテンシャル分布によって、光学系の瞳の特定の領域を透過した入射光の強度を個別に取得することができる。これらの遮光マスクや画素のポテンシャル分布とマイクロレンズの配置によって、光学系の瞳の分割位置が決まる。

特許文献３では、電荷排出部に印加する電圧によって、瞳分割しないで信号出力する状態と、瞳分割して信号出力する状態を切り替えることができる技術が開示されている。しかしながら、瞳分割位置は、素子分離領域の位置によって決まっており、後から変更することができない。

特開２０００−１５６８２３号公報 特開２００１−２５０９３１号公報 特開２０１２−４９２０１号公報

レンズ交換式カメラにおいては、使用するレンズの瞳距離によって、撮像素子の画面周辺の画素に形成される瞳の像の位置が変化する。そのため、位相差検出機能を備えた撮像素子においては、ある瞳距離の光学系を設定し、その瞳距離に適した瞳像の分割がなされる位置に遮光マスクやポテンシャル分布が形成される。しかしながら、設定とは異なる瞳距離のレンズを用いた場合、光電変換を行う部材上にできる瞳像の中心がずれてしまい、瞳を分割して得られる出力信号にアンバランスが生じ、位相差検出性能が低下する。特に、小絞り（瞳径が小さい状態）では、中心が離れる側の領域からの出力信号が小さくなることによって、焦点検出性能が大きく低下または不能になるという課題がある。

本発明の目的は、光学系の瞳分割位置が可変である固体撮像素子を提供できるようにすることである。

本発明の固体撮像素子は、第１の画素を有し、前記第１の画素は、光を電荷に変換し、前記変換された電荷を蓄積する第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷を転送する第１の転送電極と、前記第１の転送電極とは別の一または複数の第１の電極とを有し、前記第１の電極に異なる電圧を印加することにより、前記第１の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置が変わる。

本発明によれば、光学系の瞳分割位置が可変である固体撮像素子を提供することができる。

画素の構成例を示す図である。 固体撮像素子の構成例を示す図である。 画素の構成例を示す回路図である。 画素の構成例を示す図である。 画素の構成例を示す図である。 ＭＯＤ電極に印加する電圧を示す図である。 画素の構成例を示す図である。 画素の構成例を示す図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１（Ａ）〜（Ｆ）は、第１の実施形態による固体撮像素子の画素の構成例を示す図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）は、画素の上面図である。図１（Ｄ）〜（Ｆ）は、それぞれ、図１（Ａ）〜（Ｃ）における線Ｘ−Ｘ’上における画素内のポテンシャルを示す図である。画素は、光電変換部１０１と、オーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤという）１０２と、ＯＦＤ電極１０３と、転送電極１０４と、フローティングディフュージョン（以下、ＦＤという）１０５とを有する。

光電変換部１０１は、光を電荷（電子またはホール）に変換し、変換された電荷を蓄積する。光電変換部１０１の形状は、半導体基板の不純物分布で作成される。光電変換部１０１の不純物は、画素内で密度に傾斜を持たせて分布させているため、図１（Ｄ）に示すように、光電変換部１０１内のポテンシャルも傾斜している。転送スイッチの転送電極１０４は、電圧が印加されることで、光電変換部１０１に蓄積されている電荷をＦＤ１０５に転送する。光電変換部１０１は、ＯＦＤスイッチのＯＦＤ電極１０３を介して、ＯＦＤ１０２に接続されている。ＯＦＤ電極１０３は、ＯＦＤスイッチをオン／オフするための電極であり、転送電極１０４とは別の電極である。ＯＦＤ電極１０３は、光電変換部１０１に蓄積されている電荷をＯＦＤ１０２に排出するための電極である。以下、固体撮像素子の制御方法を説明する。

図１（Ａ）および（Ｄ）では、ＯＦＤスイッチのＯＦＤ電極１０３には電圧が印加されていない。そのため、図１（Ｄ）におけるポテンシャルは、半導体内の不純物分布で決まる。この状態では、光電変換部１０１の全領域１０６に入射した光によって生じた電子が転送スイッチの転送電極１０４によってＦＤ１０５に転送される。ＯＦＤ電極１０３に電圧を印加しない状態で、光電変換部１０１は、傾斜したポテンシャルを有する。

図１（Ｂ）および（Ｅ）は、ＯＦＤスイッチのＯＦＤ電極１０３に、例えば＋２．０Ｖの電圧が印加された状態を示している。ＯＦＤ電極１０３のつくる電場によって、光電変換部１０１内部のポテンシャルが影響を受け、図１（Ｅ）における光電変換部１０１内部のポテンシャルが、ＯＦＤ電極１０３に近い場所ほど大きく変化し、ひしゃげた形状となる。この状態では、ポテンシャルが極大となる位置１０９より左に光が入射して光電変換された電子は、ＯＦＤスイッチがオンされると、ＯＦＤ１０２に移動する。位置１０９より右側に光が入射して光電変換された電子は、転送スイッチがオンされると、ＦＤ１０５に転送される。すなわち、位置１０９の右側の領域１０８に入射した光の信号のみＦＤ１０５に出力されることになり、位置１０９の左側の領域１０７に入射した光の信号は、ＯＦＤ１０２に流れ、ＦＤ１０５に出力されない。ＯＦＤ電極１０３に電圧を印加した状態で、転送電極１０４は、光電変換部１０１の領域１０８に蓄積されている電荷をＦＤ１０５に転送する。

図１（Ｃ）および（Ｆ）は、ＯＦＤスイッチのＯＦＤ電極１０３に、例えば＋３．５Ｖの電圧が印加された状態を示している。ＯＦＤ電極１０３のつくる電場によって、光電変換部１０１内部のポテンシャルが影響を受け、図１（Ｆ）における光電変換部１０１内部のポテンシャルが、ＯＦＤ電極１０３に近い場所ほど大きく変化し、ひしゃげた形状となる。ひしゃげの程度は、図１（Ｂ）および（Ｅ）の場合より大きい。この状態では、ポテンシャルが極大となる位置１１２より左に光が入射して光電変換された電子は、ＯＦＤスイッチがオンされると、ＯＦＤ１０２に移動する。位置１１２より右側に光が入射して光電変換された電子は、転送スイッチがオンされると、ＦＤ１０５に転送される。すなわち、光電変換部１０１の右側の領域１１１に入射した光の信号のみＦＤ１０５に出力されることになり、光電変換部１０１の左側の領域１１０に入射した光の信号は、ＯＦＤ１０２に流れ、ＦＤ１０５に出力されない。ＯＦＤ電極１０３に電圧を印加した状態で、転送電極１０４は、光電変換部１０１の領域１１１に蓄積されている電荷をＦＤ１０５に転送する。

以上から、ＯＦＤスイッチのＯＦＤ電極１０３に印加される電圧を変化させることで、光電変換部１０１のうち、信号を出力する領域を変化させることができる。すなわち、ＯＦＤスイッチのＯＦＤ電極１０３に印加される電圧によって、瞳分割せずに入射光量の信号を出力したり、瞳分割位置を変更することが可能になる。ＯＦＤ電極１０３に異なる電圧を印加することにより、光電変換部１０１のポテンシャルが極大となる位置１０９または１１２が変わる。

図２は、第１の実施形態による固体撮像素子２００の構成例を示す図である。画素アレイ２１７は、２次元配列したｍ行×ｎ列の画素２１８を有する。図２では、４行×４列の画素２１８のみを示す。

固体撮像素子２００は、ＯＦＤ制御回路２０１と、電源電圧２０２，２０８と、ＯＦＤ列制御回路２０３〜２０６と、行選択制御回路２０７と、列信号処理パルス２０９と、列信号処理回路２１０〜２１３とを有する。さらに、固体撮像素子２００は、タイミング制御回路２１４と、水平走査回路２１５と、クロック信号２１６と、画素アレイ２１７と、画素２１８と、出力端子２１９とを有する。

図３は、図２の画素２１８の構成例を示す回路図である。画素２１８は、図１（Ａ）〜（Ｆ）の画素に対応する。画素２１８は、電源電圧ノード３０１，３０４と、リセットスイッチ３０２と、ＯＦＤスイッチ３０３と、フォトダイオード３０５と、転送スイッチ３０６と、ＦＤ３０７とを有する。さらに、画素２１８は、ソースフォロアトランジスタ３０８と、行選択スイッチ３０９と、出力線３１０とを有する。

電源電圧ノード３０４は、図１（Ａ）〜（Ｆ）のＯＦＤ１０２に対応する。ＯＦＤスイッチ３０３のゲート電極は、図１（Ａ）〜（Ｆ）のＯＦＤ電極１０３に対応する。フォトダイオード３０５は、図１（Ａ）〜（Ｆ）の光電変換部１０１に対応する。ＦＤ３０７は、図１（Ａ）〜（Ｆ）のＦＤ１０５に対応する。転送スイッチ３０６のゲート電極は、図１（Ａ）〜（Ｆ）の転送電極１０４に対応する。

フォトダイオード３０５は、光が入射すると、光電変換によって電子を生成する。転送スイッチ３０６は、行選択制御回路２０７の転送信号に応じて、フォトダイオード３０５により生成された電子をＦＤ３０７に転送する。すると、ＦＤ３０７の電位が変化する。ソースフォロアトランジスタ３０８は、ＦＤ３０７の電位の変化に応じた信号を、出力線３１０に電圧として出力する。各画素２１８は、行選択制御回路２０７によって行ごとに選択される。行選択スイッチ３０９は、行選択制御回路２０７の行選択信号に応じて、ソースフォロアトランジスタ３０８を出力線３１０に接続する。リセットスイッチ３０２は、行選択制御回路２０７のリセット信号に応じて、フォトダイオード３０５とＦＤ３０７の電子をリセットする。ＯＦＤスイッチ３０３は、図１（Ａ）〜（Ｆ）のように、ＯＦＤ列制御回路２０３〜２０６からの電圧に応じて、ポテンシャルが変化する。

列信号処理回路２１０〜２１３は、画素２１８が出力線３１０に出力する信号を増幅する。水平走査回路２１５は、水平方向の走査を行い、列信号処理回路２１０〜２１３により増幅された信号を順に出力端子２１９に出力する。固体撮像素子２００は、信号を出力端子２１９から順次出力する。出力された信号は、固体撮像素子２００のＸＹアドレスに対応させて再配列することで、２次元画像が得られる。

タイミング制御回路２１４は、クロック信号２１６を基に、ＯＦＤ制御回路２０１と行選択制御回路２０７と水平走査回路２１５を制御する。ＯＦＤ制御回路２０１は、ＯＦＤ列制御回路２０３〜２０６を制御する。ＯＦＤ列制御回路２０３〜２０６は、図３のＯＦＤスイッチ３０３のゲート電極の電圧を制御する。

ＯＦＤ制御回路２０１は、各列のＯＦＤ列制御回路２０３〜２０６に対して、どのような電圧をＯＦＤスイッチ３０３のＯＦＤ電極１０３に与えるかを示す信号を出力する。ＯＦＤ列制御回路２０３〜２０６は、画素２１８のＯＦＤスイッチ３０３のＯＦＤ電極１０３に印加される電圧を変化させる。ＯＦＤ列制御回路２０３〜２０６は、ＯＦＤ制御回路２０１からの信号に応じて、電源電圧２０２を調整し、列毎に、各画素２１８のＯＦＤスイッチ３０３のＯＦＤ電極１０３の電圧を生成する。

画素２１８の左右で瞳分割する像面位相差検出画素の場合、瞳距離の変化による瞳の像のずれによる光量のアンバランスは、固体撮像素子２００の左右の位置（水平像高）によって変化する。そのため、図２に示すように、列毎にＯＦＤスイッチ３０３のＯＦＤ電極１０３の電位が制御できるようになっていれば、固体撮像素子２００の左右の各位置（水平像高）で位相差検出に適した瞳分割位置が実現できる。

第１の列の画素２１８のＯＦＤ電極１０３に第１の電圧を印加し、第２の列の画素２１８のＯＦＤ電極１０３に第１の電圧とは異なる第２の電圧を印加する。第２の列の画素２１８のＯＦＤ電極１０３に印加する電圧は、第１の列の画素２１８のＯＦＤ電極１０３に印加する電圧とは異なる。

位相差検出画素が上下で瞳分割する画素の場合は、ＯＦＤスイッチ３０３のＯＦＤ電極１０３の電位を行毎に制御することで、位相差検出に適した瞳分割が実現できる。

瞳分割の特性を均等にするために、画面の中央を境に、画素２１８のＯＦＤスイッチ３０３を瞳分割方向に対称に配置してもよい。そのようにすることで、画面内の各位置におけるＯＦＤスイッチ３０３のＯＦＤ電極１０３に印加する電圧を対称にすることができ、特性の面内差が生じにくくなる。

複数の画素２１８が画面内に複数設けられる。複数の画素２１８は、瞳分割方向に対して、画面の中央を境界に対称である。複数の画素２１８のＯＦＤ電極に印加される電圧は、画面の中央から画素２１８までの距離に応じて変化する。

上記では、光電変換によって生じた電子によって入射光強度信号を出力するフォトダイオード３０５を有する固体撮像素子２００の例を説明したが、ホールによって入射光強度信号を出力する素子でも同様の機能が実現できる。その場合、ＯＦＤスイッチ３０３のＯＦＤ電極１０３に印加される電圧は負の電圧となる。

（第２の実施形態）
図４（Ａ）〜（Ｆ）は、第２の実施形態による画素２１８の構成例を示す図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、画素２１８の上面図である。図４（Ｄ）〜（Ｆ）は、それぞれ、図４（Ａ）〜（Ｃ）における線Ｘ−Ｘ’上における画素２１８内のポテンシャルを示す図である。画素２１８は、光電変換部４０１と、画素内ポテンシャル調整部（以下、ＭＯＤ電極という）４０３と、転送電極４０４と、ＦＤ４０５とを有する。

光電変換部４０１は、光を電荷（電子またはホール）に変換し、変換された電荷を蓄積する。光電変換部４０１は、半導体基板の不純物分布で作成される。光電変換部４０１の不純物は、画素２１８内で密度に傾斜を持たせて分布しているため、図４（Ｄ）に示すように、光電変換部４０１内のポテンシャルも傾斜している。転送スイッチ３０６の転送電極４０４は、電圧が印加されることで、光電変換部４０１に蓄積されている電荷をＦＤ４０５に転送する。ＭＯＤ電極４０３は、光電変換部４０１に隣接して、形成され、転送電極４０４とは別の電極である。

図４（Ａ）および（Ｄ）では、ＭＯＤ電極４０３に電圧が印加されていない。そのため、図４（Ｄ）におけるポテンシャルは、半導体内の不純物分布で決まる。この状態では、光電変換部４０１の全領域４０２に入射した光によって生じた電子が、転送スイッチ３０６の転送電極４０４によってＦＤ４０５に転送される。

図４（Ｂ）および（Ｅ）では、ＭＯＤ電極４０３に、例えば＋２．０Ｖの電圧が印加された状態を示している。ＭＯＤ電極４０３のつくる電場によって、光電変換部４０１内部のポテンシャルが影響を受け、図４（Ｅ）における光電変換部４０１内部のポテンシャルが、ＭＯＤ電極４０３に近い場所ほど大きく変化し、ひしゃげた形状となる。この状態では、ポテンシャルが極大となる位置４０８より右に光が入射して光電変換された電子は、転送スイッチ３０６の転送電極４０４によってＦＤ４０５に転送される。位置４０８より左に光が入射して光電変換された電子は、ＭＯＤ電極４０３に電圧が印加されている状態では、保持されている。ＭＯＤ電極４０３に電圧を印加した状態で、転送電極４０４は、転送スイッチ３０６をオンにし、位置４０８より右側の領域４０７に入射した光に対応する領域４０７に蓄積されている電子をＦＤ４０５に転送する。その後、ＭＯＤ電極４０３に電圧を印加しない状態で、転送電極４０４は、転送スイッチ３０６をオンにし、位置４０８より左側の領域４０６に入射した光に対応する光電変換部４０１に蓄積されている電子をＦＤ４０５に転送する。

図４（Ｃ）および（Ｆ）では、ＭＯＤ電極４０３に、例えば＋３．５Ｖの電圧が印加された状態を示している。ＭＯＤ電極４０３のつくる電場によって、光電変換部４０１内部のポテンシャルが影響を受け、図４（Ｆ）における光電変換部４０１内部のポテンシャルが、ＭＯＤ電極４０３に近い場所ほど大きく変化し、ひしゃげた形状となる。ひしゃげの程度は、図４（Ｂ）および（Ｅ）の場合より大きい。この状態では、ポテンシャルが極大となる位置４１１より右側に光が入射して光電変換された電子は、転送スイッチ３０６の転送電極４０４によって、ＦＤ４０５に転送される。位置４１１より左に光が入射して光電変換された電子は、ＭＯＤ電極４０３に電圧が印加されている状態では、保持されている。ＭＯＤ電極４０３に電圧を印加した状態で、転送スイッチ３０６の転送電極４０４は、位置４１１より右側の領域４１０に入射した光に対応する領域４１０に蓄積されている電子をＦＤ４０５に転送する。その後、ＭＯＤ電極４０３に電圧を印加しない状態で、転送スイッチ３０６の転送電極４０４は、位置４１１より左側の領域４０９に入射した光に対応する光電変換部４０１に蓄積されている電子をＦＤ４０５に転送する。

以上から、ＭＯＤ電極４０３に印加される電圧を変化させ、ＭＯＤ電極４０３に電圧を印加したときの転送と、ＭＯＤ電極４０３に電圧を印加しないときの転送を行うことで、瞳分割位置を変更することが可能になる。

第１の実施形態では、図１（Ａ）〜（Ｆ）の瞳分割位置１０９および１１２より左側に入射した光に対応する電子をＦＤ１０５に転送することはできなかった。第２の実施形態では、図４（Ａ）〜（Ｆ）の瞳分割位置４０８および４１１の左側および右側に入射した光に対応する電子をＦＤ４０５に転送することができる。そのため、左側に入射した光に対応する電子の信号と右側に入射した光に対応する電子の信号を個別に利用することで、位相差検出を行い、オートフォーカス処理を行うことができる。また、左側に入射した光に対応する電子の信号と右側に入射した光に対応する電子の信号を合算することで、通常の撮像信号を得ることができる。

（第３の実施形態）
図５（Ａ）〜（Ｆ）は、第３の実施形態による画素２１８の構成例を示す図である。図５（Ａ）〜（Ｃ）は、画素２１８の上面図である。図５（Ｄ）〜（Ｆ）は、それぞれ、図５（Ａ）〜（Ｃ）における線Ｘ−Ｘ’上における画素２１８内のポテンシャルを示す図である。画素２１８は、光電変換部５０１と、第２の転送スイッチの転送電極５０２と、画素内ポテンシャル調整部（以下、ＭＯＤ電極という）５０３と、第１の転送スイッチの転送電極５０４と、ＦＤ５０５と、ＦＤ５０６とを有する。

光電変換部５０１は、光を電荷（電子またはホール）に変換し、変換された電荷を蓄積する。光電変換部５０１は、半導体基板の不純物分布で作成される。光電変換部５０１の不純物は、画素２１８内で密度に傾斜を持たせて分布しているため、図５（Ｄ）に示すように、光電変換部５０１内のポテンシャルも傾斜している。第１の転送スイッチの転送電極５０４は、電圧が印加されることで、光電変換部５０１に蓄積されている電荷をＦＤ５０５に転送する。光電変換部５０１は、第１の転送スイッチの反対側にも第２の転送スイッチを備えている。第２の転送スイッチの転送電極５０２は、電圧が印加されることで、光電変換部５０１に蓄積されている電荷をＦＤ５０６に転送する。第２の転送スイッチの転送電極５０２に隣接して、ＭＯＤ電極５０３が形成されている。ＭＯＤ電極５０３は、転送電極５０２および５０４とは別の電極である。

図５（Ａ）および（Ｄ）では、ＭＯＤ電極５０３に電圧が印加されていない。そのため、図５（Ｄ）におけるポテンシャルは、半導体内の不純物分布で決まる。この状態では、光電変換部５０１の全領域５０７に入射した光によって生じた電子が、第１の転送スイッチの転送電極５０４によって、ＦＤ５０５に転送される。

図５（Ｂ）および（Ｅ）では、ＭＯＤ電極５０３に、例えば＋２．０Ｖの電圧が印加された状態を示している。ＭＯＤ電極５０３のつくる電場によって、光電変換部５０１内部のポテンシャルが影響を受け、図５（Ｅ）における光電変換部５０１内部のポテンシャルが、ＭＯＤ電極５０３に近い場所ほど大きく変化し、ひしゃげた形状となる。この状態では、ポテンシャルが極大となる位置５１０より右に光が入射して光電変換された電子は、第１の転送スイッチの転送電極５０４によって、ＦＤ５０５に転送される。位置５１０より左に光が入射して光電変換された電子は、第２の転送スイッチの転送電極５０２によって、ＦＤ５０６に転送される。すなわち、光電変換部５０１の右側の領域５０９に入射した光に対応する電子は、第１の転送スイッチの転送電極５０４により、ＦＤ５０５に転送される。光電変換部５０１の左側の領域５０８に入射した光に対応する電子は、第２のスイッチの転送電極５０２により、ＦＤ５０６に転送される。

転送電極５０４は、光電変換部５０１のポテンシャルが極大となる位置と転送電極５０４との間に蓄積されている電荷をＦＤ５０５に転送する。転送電極５０２は、光電変換部５０１のポテンシャルが極大となる位置と転送電極５０２との間に蓄積されている電荷をＦＤ５０６に転送する。

図５（Ｃ）および（Ｆ）では、ＭＯＤ電極５０３に、例えば＋３．５Ｖの電圧が印加された状態を示している。ＭＯＤ電極５０３のつくる電場によって、光電変換部５０１内部のポテンシャルが影響を受け、図５（Ｆ）における光電変換部５０１内部のポテンシャルが、ＭＯＤ電極５０３に近い場所ほど大きく変化し、ひしゃげた形状となる。ひしゃげの程度は、図５（Ｂ）および（Ｅ）の場合より大きい。この状態では、ポテンシャルが極大となる位置５１３より右に光が入射して光電変換された電子は、第１の転送スイッチの転送電極５０４によって、ＦＤ５０５に転送される。位置５１３より左に光が入射して光電変換された電子は、第２の転送スイッチの転送電極５０２によって、ＦＤ５０６に転送される。すなわち、光電変換部５０１の右側の領域５１２に入射した光に対応する電子は、第１の転送スイッチの転送電極５０４により、ＦＤ５０５に転送される。光電変換部５０１の左側の領域５１１に入射した光に対応する電子は、第２の転送スイッチの転送電極５０２により、ＦＤ５０６に転送される。

以上から、ＭＯＤ電極５０３に印加される電圧を変化させることで、瞳分割位置５１０および５１３を変更することが可能になる。第２の実施形態では、図４（Ａ）〜（Ｆ）の瞳分割位置４０８および４１１の左右の領域に入射した光に対応する電子をＦＤ４０５に転送するために、異なる時刻に転送を２回行う必要があった。第３の実施形態では、瞳分割位置５１０および５１３の左右の領域に入射した光に対応する電子は、異なる第１の転送スイッチの転送電極５０４と第２の転送スイッチの転送電極５０２によって、同時に転送することができ、高速な動作が可能になる。

次に、位相差検出に適した、瞳分割領域５１１および５１２毎の電子を均等にする方法を説明する。まず、ＭＯＤ電極５０３に印加する電圧を変えて、任意のレンズを使用して複数の画像を取得する。画面の中央の画素２１８の瞳分割領域５１１および５１２の出力比Ｓ２／Ｓ１をＭＯＤ電極５０３の印加電圧の関数として、図６のような関係が得られる。この関係を各絞り値毎に求める。画面の中央の画素２１８を使用する理由は、瞳距離の影響を受けないようにするためである。

次に、使用したい光学系を装着し、その絞り値（例えばＦ５．６）に対応する図６の関係から読み取った、出力比Ｓ２／Ｓ１が１となるような電圧Ｖ２をＭＯＤ電極５０３に印加して画像を取得する。画面の中心から離れた画素２１８では、マイクロレンズ位置と使用したい光学系の瞳距離が一致しない限り、出力比Ｓ２／Ｓ１は１とはならない。

ある画素２１８の出力比Ｓ２／Ｓ１が０．８だったとする。出力比Ｓ２／Ｓ１が０．８の逆数１／０．８＝１．２５となるような位置の電圧Ｖ１を図６から読み取る。電圧Ｖ１をＭＯＤ電極５０３に印加することで、瞳分割領域５１１および５１２毎の出力差が抑制され、焦点検出性能が向上する。

上記の方法によれば、実測の出力比Ｓ２／Ｓ１とＭＯＤ電極５０３の電圧との関係を得ているため、瞳距離の影響だけでなく、配線やカラーフィルタによるケラレの影響まで含めて瞳分割領域５１１および５１２毎の出力差を抑制できる。

（第４の実施形態）
図７（Ａ）〜（Ｆ）は、第４の実施形態による画素２１８の構成例を示す図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）は、画素２１８の上面図である。図７（Ｄ）〜（Ｆ）は、それぞれ、図７（Ａ）〜（Ｃ）における線Ｘ−Ｘ'上における画素２１８内のポテンシャルを示す図である。画素２１８は、光電変換部７０１と、第２の転送スイッチの転送電極７０２と、第１の転送スイッチの転送電極７０４と、ＦＤ７０５と、傾斜形成電極７０７〜７１２と、ＦＤ７１３とを有する。

光電変換部７０１は、光を電荷（電子またはホール）に変換し、変換された電荷を蓄積する。光電変換部７０１は、半導体基板の不純物分布で作成される。第１の転送スイッチの転送電極７０４は、電圧が印加されることで、光電変換部７０１に蓄積されている電荷をＦＤ７０５に転送する。光電変換部７０１は、第１のスイッチの反対側に第２の転送スイッチを備えている。第２の転送スイッチの転送電極７０２は、電圧が印加されることで、光電変換部７０１に蓄積されている電荷をＦＤ７１３に転送する。光電変換部７０１の周囲には、傾斜形成電極７０７〜７１２が形成されている。傾斜形成電極７０７〜７１２は、転送電極７０２および７０４とは別の電極である。

図７（Ａ）および（Ｄ）では、傾斜形成電極７０７〜７１２に電圧が印加されていない。そのため、図７（Ｄ）におけるポテンシャルは、半導体内の不純物分布で決まり、光電変換部７０１内で特定の方向に対して傾斜していない。この状態では、光電変換部７０１の全領域７０６に入射した光によって生じた電子が、第１の転送スイッチの転送電極７０４によって、ＦＤ７０５に転送される。複数の傾斜形成電極７０７〜７１２に電圧を印加しない状態で、光電変換部７０１は、傾斜していないポテンシャルを有する。

図７（Ｂ）および（Ｅ）では、傾斜形成電極７０７〜７１２に電圧が印加される。傾斜形成電極７０９および７１２に例えば＋２．０Ｖの電圧が印加され、傾斜形成電極７０８および７１１に例えば−１．５Ｖの電圧が印加され、傾斜形成電極７０７および７１０に例えば−３．５Ｖの電圧が印加される。傾斜形成電極７０７〜７１２のつくる電場によって、光電変換部７０１内部のポテンシャルが影響を受け、画面の左右で傾斜したポテンシャルをもつ。

図７（Ｃ）および（Ｆ）では、傾斜形成電極７０７〜７１２に電圧が印加される。傾斜形成電極７０９および７１２に例えば３．０Ｖの電圧が印加され、傾斜形成電極７０８および７１１に例えば−３．５Ｖの電圧が印加され、傾斜形成電極７０７および７１０に例えば−２．０Ｖの電圧が印加される。傾斜形成電極７０７〜７１２で形成された図７（Ｆ）の光電変換部７０１内部のポテンシャルは、位置７１６で極大値を持つ。位置７１６より右側の領域７１５に入射した光に対応する電子は、第１の転送スイッチの転送電極７０４により、ＦＤ７０５に転送される。位置７１６より左側の領域７１４に入射した光に対応する電子は、第２の転送スイッチの転送電極７０２により、ＦＤ７１３に転送される。

転送電極７０４は、光電変換部７０１のポテンシャルが極大となる位置と転送電極７０４との間に蓄積されている電荷をＦＤ７０５に転送する。転送電極７０２は、光電変換部７０１のポテンシャルが極大となる位置と転送電極７０２との間に蓄積されている電荷をＦＤ７１３に転送する。

以上から、複数の傾斜形成電極７０７〜７１２に印加される電圧を変化させることで、瞳分割位置７１６を変更することが可能になる。すなわち、複数の傾斜形成電極７０７〜７１２に異なる電圧を印加することにより、光電変換部７０１のポテンシャルが極大となる位置７１６が変わる。第１および第２の実施形態では、傾斜したポテンシャルを変更するための入力は、ＯＦＤ電極１０３またはＭＯＤ電極４０３へ印加する単一の電圧値であった。第４の実施形態では、複数の傾斜形成電極７０７〜７１２が配置されているため、傾斜形成電極７０７〜７１２のそれぞれに異なる電圧を印加することにより、ポテンシャルの変更させ方に自由度があり、より良好な特性を得ることができる。

（第５の実施形態）
図８（Ａ）〜（Ｈ）は、第５の実施形態による画素２１８の構成例を示す図である。図８（Ａ）〜（Ｃ）は、画素２１８の上面図である。図８（Ｄ）〜（Ｆ）は、それぞれ、図８（Ａ）〜（Ｃ）における線Ｘ−Ｘ'上における画素２１８内のポテンシャルを示す図である。

画素２１８は、光電変換部８０１と、ＯＦＤ８０２と、ＯＦＤ電極８０３と、メモリスイッチのメモリ電極８０４と、メモリ部８０５と、転送スイッチの転送電極８０６とを有する。画素２１８は、第１の実施形態と同様の構成を有するが、第２〜第４の実施形態の画素２１８でも同等の機能が実現できる。

図８（Ａ）および（Ｄ）は、ＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ１が印加された場合の状態を示す。光電変換部８０１は、瞳分割位置８０９を境界に、瞳分割領域８０７および８０８に分割される。

図８（Ｂ）および（Ｅ）は、ＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ２が印加された場合の状態を示す。光電変換部８０１は、瞳分割位置８１２を境界に、瞳分割領域８１０および８１１に分割される。

図８（Ｃ）および（Ｆ）は、ＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ３が印加された場合の状態を示す。光電変換部８０１は、瞳分割位置８１５を境界に、瞳分割領域８１３および８１４に分割される。

ある画素２１８のＯＦＤ電極８０３に印加する電圧をＶ１からＶ２へ時間的に変化をさせる。または隣接する画素２１８のＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ１およびＶ２を空間的に変化させて印加する。ＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ１が印加されている場合の出力信号からＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ２が印加されている場合の出力信号を引き算する。これにより、電圧Ｖ１とＶ２の印加時の瞳分割される位置８０９と８１２に挟まれた領域８１６の入射光に対応する出力信号を得ることができる。

ＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ１を印加した状態で、転送電極８０６が光電変換部８０１の領域８０８から転送した電荷に基づく領域８０８の信号を得る。そして、ＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ１とは異なる電圧Ｖ２を印加した状態で、転送電極８０６が光電変換部８０１の領域８１１から転送した電荷に基づく領域８１１の信号を得る。そして、領域８０８の信号から領域８１１の信号を減算する。

同様に、ＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ２が印加されている場合の出力信号からＯＦＤ電極８０３に電圧Ｖ３が印加されている場合の出力信号を引き算する。これにより、電圧Ｖ２とＶ３の印加時の瞳分割される位置８１２と８１５に挟まれた領域８１７の入射光に対応する出力信号を得ることができる。

電圧Ｖ１からＶ３になるにしたがって、光電変換部８０１で蓄積できる電子の量が減少してしまう。転送電極８０６の前に、メモリ部８０５とメモリ電極８０４が設けられる。光電変換部８０１の電荷蓄積時間中に、メモリ部８０５に複数回の転送を行うことで、光電変換部８０１に蓄積できる電子の量を確保することができる。複数回の転送の回数は、全光電変換部８０１の大きさと瞳分割の各領域の最小の場合の大きさの比率から求めることができる。

以上のように、ＯＦＤ電極８０３の印加電圧を複数の電圧に変化させ、上記の引き算により、光電変換部８０１の各領域８１６および８１７での瞳の出力信号を得ることができる。

第１〜第５の実施形態によれば、固体撮像素子２００は、焦点検出機能を有し、測距性能を向上させることができる。固体撮像素子２００は、デジタルカメラまたはビデオカメラの他、スマートフォン、タブレット、工業用カメラ、医療用カメラまたは車載カメラ等に適用可能である。

なお、１次元のポテンシャル分布の例を説明したが、これに限定されない。ＯＦＤ電極１０３等に電圧を印加することにより、光電変換部１０１等は、２次元に傾斜したポテンシャルを有するようにしてもよい。光電変換部のポテンシャル分布をらせん状に形成したり、１画素に２つの光電変換部を形成することで、２次元で瞳の各領域の出力信号を得ることができる。これにより、各画素へ入射する光の光線の向きの情報を取得することを実現し、撮影後のリフォーカスなどの機能を実現することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０１：光電変換部、１０２：オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）、１０３：ＯＦＤ電極、１０４：転送電極、１０５：フローティングディフュージョン（ＦＤ）

Claims (15)

1. 第１の画素を有し、
   前記第１の画素は、
   光を電荷に変換し、前記変換された電荷を蓄積する第１の光電変換部と、
   前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷を転送する第１の転送電極と、
   前記第１の転送電極とは別の一または複数の第１の電極とを有し、
   前記第１の電極に異なる電圧を印加することにより、前記第１の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置が変わることを特徴とする固体撮像素子。
2. 第２の画素をさらに有し、
   前記第２の画素は、
   光を電荷に変換し、前記変換された電荷を蓄積する第２の光電変換部と、
   前記第２の光電変換部に蓄積されている電荷を転送する第２の転送電極と、
   前記第２の転送電極とは別の一または複数の第２の電極とを有し、
   前記第２の電極に異なる電圧を印加することにより、前記第２の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置が変わり、
   前記第２の電極に印加する電圧は、前記第１の電極に印加する電圧とは異なることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第１の電極に電圧を印加しない状態で、前記第１の光電変換部は、傾斜したポテンシャルを有することを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記第１の電極は、前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷をオーバーフロードレインに排出するための電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の電極に電圧を印加した状態で、前記第１の転送電極は、前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷を転送することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記第１の電極に電圧を印加した状態で、前記第１の転送電極は、前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷を転送し、
   その後、前記第１の電極に電圧を印加しない状態で、前記第１の転送電極は、前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷を転送することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 前記第１の画素は、前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷を転送する第３の転送電極をさらに有し、
   前記第１の転送電極は、前記第１の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置と前記第１の転送電極との間に蓄積されている電荷を転送し、
   前記第３の転送電極は、前記第１の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置と前記第３の転送電極との間に蓄積されている電荷を転送することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 前記複数の第１の電極に異なる電圧を印加することにより、前記第１の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置が変わることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
9. 前記複数の第１の電極に電圧を印加しない状態で、前記第１の光電変換部は、傾斜していないポテンシャルを有することを特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 前記第１の画素は、前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷を転送する第３の転送電極をさらに有し、
    前記第１の転送電極は、前記第１の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置と前記第１の転送電極との間に蓄積されている電荷を転送し、
    前記第３の転送電極は、前記第１の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置と前記第３の転送電極との間に蓄積されている電荷を転送することを特徴とする請求項８または９に記載の固体撮像素子。
11. 前記第１の画素が画面内に複数設けられ、
    前記複数の第１の画素は、瞳分割方向に対して、画面の中央を境界に対称であることを特徴とする請求項１、３〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
12. 前記第１の画素が画面内に複数設けられ、
    前記複数の第１の画素の前記第１の電極に印加される電圧は、画面の中央から前記第１の画素までの距離に応じて変化することを特徴とする請求項１、３〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
13. 前記第１の電極に第１の電圧を印加した状態で、前記第１の転送電極が前記第１の光電変換部から転送した電荷に基づく信号から、前記第１の電極に前記第１の電圧とは異なる第２の電圧を印加した状態で、前記第１の転送電極が前記第１の光電変換部から転送した電荷に基づく信号を減算することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
14. 前記第１の電極に電圧を印加することにより、前記第１の光電変換部は、２次元に傾斜したポテンシャルを有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
15. 第１の画素と、
    第２の画素とを有する固体撮像素子の制御方法であって、
    前記第１の画素は、
    光を電荷に変換し、前記変換された電荷を蓄積する第１の光電変換部と、
    前記第１の光電変換部に蓄積されている電荷を転送する第１の転送電極と、
    前記第１の転送電極とは別の一または複数の第１の電極とを有し、
    前記第２の画素は、
    光を電荷に変換し、前記変換された電荷を蓄積する第２の光電変換部と、
    前記第２の光電変換部に蓄積されている電荷を転送する第２の転送電極と、
    前記第２の転送電極とは別の一または複数の第２の電極とを有し、
    前記第１の電極に異なる電圧を印加することにより、前記第１の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置が変わり、
    前記第２の電極に異なる電圧を印加することにより、前記第２の光電変換部のポテンシャルが極大となる位置が変わり、
    前記第１の電極に第１の電圧を印加し、
    前記第２の電極に前記第１の電圧とは異なる第２の電圧を印加することを特徴とする固体撮像素子の制御方法。

Images