JP2023174479A - Photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device.
近年、光電変換装置におけるダイナミックレンジの拡大が求められている。例えば、車載カメラ、防犯カメラ等の用途において、ダイナミックレンジが拡大された光電変換装置は、逆光等により明暗の差が大きい環境においても好適な撮像が可能である。 In recent years, there has been a demand for expanding the dynamic range of photoelectric conversion devices. For example, in applications such as in-vehicle cameras and security cameras, a photoelectric conversion device with an expanded dynamic range can suitably capture images even in environments where there is a large difference in brightness and darkness due to backlighting or the like.
ダイナミックレンジを拡大し得る手法の1つとして、互いに異なる特性を有する複数のフォトダイオードを組み合わせる技術が挙げられる。特許文献1から特許文献4には、互いに異なる特性を有する複数のフォトダイオードを含む光電変換装置の例が開示されている。 One method for expanding the dynamic range is a technique of combining multiple photodiodes with different characteristics. Patent Documents 1 to 4 disclose examples of photoelectric conversion devices including a plurality of photodiodes having mutually different characteristics.
特許文献1から特許文献4に記載されているような互いに異なる特性を有する複数のフォトダイオードを含む光電変換装置において、用途によっては更なるダイナミックレンジの拡大が求められる場合がある。 In a photoelectric conversion device including a plurality of photodiodes having mutually different characteristics as described in Patent Documents 1 to 4, further expansion of the dynamic range may be required depending on the application.
本発明は、よりダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that can further expand the dynamic range.
本明細書の一開示によれば、第1光電変換部と、前記第1光電変換部よりも低い感度を有する第2光電変換部と、前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部で生成された電荷が転送される浮遊拡散部と、前記第1光電変換部から前記浮遊拡散部に電荷を転送する第1転送電極と、前記第2光電変換部から前記浮遊拡散部に電荷を転送する第2転送電極と、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間を電荷が移動し得るように前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間のポテンシャルを制御する第1制御電極と、を有することを特徴とする光電変換装置が提供される。 According to one disclosure of the present specification, a first photoelectric conversion section, a second photoelectric conversion section having lower sensitivity than the first photoelectric conversion section, and the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section a floating diffusion section to which generated charges are transferred; a first transfer electrode that transfers charges from the first photoelectric conversion section to the floating diffusion section; and a floating diffusion section that transfers charges from the second photoelectric conversion section to the floating diffusion section. A potential between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section is set so that charges can be transferred between the second transfer electrode and the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section. A photoelectric conversion device characterized by having a first control electrode for controlling the photoelectric conversion device is provided.
本発明によれば、よりダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。 According to the present invention, a photoelectric conversion device that can further expand the dynamic range is provided.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Identical or corresponding elements are denoted by common reference numerals throughout multiple drawings, and their description may be omitted or simplified.
以下に述べる第1実施形態乃至第3実施形態では、光電変換装置の一例として、撮像装置を中心に説明する。しかしながら、各実施形態における光電変換装置は撮像装置に限定されるものではなく、他の装置にも適用可能である。他の装置の例としては、測距装置、測光装置が挙げられる。測距装置は、例えば、焦点検出装置、TOF(Time-Of-Flight)を用いた距離測定装置等であり得る。測光装置は、装置に入射する光の光量を測定する装置であり得る。また、各実施形態における光電変換部にはPN接合型のフォトダイオードが用いられているものとするが、SPAD(Single Photon Avalanche Diode)が用いられていてもよい。 In the first to third embodiments described below, an imaging device will be mainly described as an example of a photoelectric conversion device. However, the photoelectric conversion device in each embodiment is not limited to an imaging device, and can be applied to other devices as well. Examples of other devices include distance measuring devices and photometric devices. The distance measuring device may be, for example, a focus detection device, a distance measuring device using TOF (Time-Of-Flight), or the like. The photometric device may be a device that measures the amount of light incident on the device. Further, although it is assumed that a PN junction type photodiode is used in the photoelectric conversion section in each embodiment, a SPAD (Single Photon Avalanche Diode) may be used.
[第1実施形態]
図1は、本実施形態に係る光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の光電変換装置は、画素アレイ1、垂直走査回路2、列読み出し回路3、水平走査回路4、出力回路5及び制御回路6を有している。光電変換装置を構成する回路は、1又は複数の半導体基板に形成され得る。
[First embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a photoelectric conversion device according to this embodiment. The photoelectric conversion device of this embodiment includes a pixel array 1, a
画素アレイ1は、複数の行及び複数の列に渡って配された複数の画素10を有している。複数の画素10の各々は、入射光を光電変換して電荷を生成し、入射光に応じた信号を出力する。
The pixel array 1 has a plurality of
画素アレイ1の各行には、第1の方向(図1における横方向)に延在して、複数の制御線11が配されている。複数の制御線11の各々は、第1の方向に並ぶ画素10にそれぞれ接続され、これら画素10に共通の信号線をなしている。制御線11が延在する第1の方向は、行方向又は水平方向と呼ぶことがある。制御線11は、垂直走査回路2に接続されている。
In each row of the pixel array 1, a plurality of
画素アレイ1の各列には、第1の方向と交差する第2の方向(図1において縦方向)に延在して、出力線12が配されている。出力線12の各々は、第2の方向に並ぶ画素10にそれぞれ接続され、これら画素10に共通の信号線をなしている。出力線12が延在する第2の方向は、列方向又は垂直方向と呼ぶことがある。出力線12の各々は、図2において後述する電流源13と列読み出し回路3とに接続されている。
In each column of the pixel array 1, an
制御回路6は、垂直走査回路2、列読み出し回路3及び水平走査回路4に垂直同期信号、水平同期信号、クロック信号等の制御信号を出力する。これにより、制御回路6は、これらの回路の動作を制御する。
The
垂直走査回路2は、シフトレジスタ、ゲート回路、バッファ回路等の論理回路を含む走査回路である。垂直走査回路2は、垂直同期信号、水平同期信号、クロック信号等に基づいて、制御線11を介して制御信号を画素10に出力し、画素10から行ごとに順次信号を出力させる走査を行う。また、垂直走査回路2は、画素10における電荷の蓄積期間を制御する。
The
画素10で生成された信号は、対応する列の出力線12を介して列読み出し回路3に出力される。列読み出し回路3は、各列に対応する列回路を有する。列回路は、出力線12を介して入力された信号に対し、増幅、アナログデジタル変換等の処理を行って、処理後の信号を列ごとに保持する。
The signal generated by the
水平走査回路4は、シフトレジスタ、ゲート回路、バッファ回路等の論理回路を含む走査回路である。水平走査回路4は、列読み出し回路3の複数の列回路を順次選択する。これにより、複数の列回路の各々は、保持している信号を、順次、出力回路5に出力する。出力回路5は、光電変換装置の外部に信号を所定の形式で出力する。
The horizontal scanning circuit 4 is a scanning circuit including logic circuits such as a shift register, a gate circuit, and a buffer circuit. The horizontal scanning circuit 4 sequentially selects a plurality of column circuits of the column readout circuit 3. As a result, each of the plurality of column circuits sequentially outputs the held signals to the
図2は、本実施形態に係る画素10の等価回路図である。以下の説明では、画素10内の光電変換部が蓄積する電荷が電子であるものとする。また、画素10が備えるトランジスタは、すべてN型のMOSトランジスタであるものとする。しかしながら、光電変換部が蓄積する電荷が正孔であってもよく、この場合には、画素10のトランジスタがP型のMOSトランジスタであってもよい。つまり、信号として取り扱われる電荷の極性に応じて、トランジスタ等の導電型は適宜変更することができる。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the
画素10は、光電変換部PDA、PDB、PDC、転送トランジスタM1A、M1B、M1C、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及び素子接続トランジスタM5、M6を有している。光電変換部PDA、PDB、PDC(第1光電変換部、第2光電変換部、第3光電変換部)は、例えばフォトダイオードである。光電変換部PDA、PDB、PDCのアノードは接地ノードに接続されている。光電変換部PDAのカソードは、素子接続トランジスタM5のソース、素子接続トランジスタM6のソース及び転送トランジスタM1Aのソースに接続されている。光電変換部PDBのカソードは、素子接続トランジスタM5のドレイン及び転送トランジスタM1Bのソースに接続されている。光電変換部PDCのカソードは、素子接続トランジスタM6のドレイン及び転送トランジスタM1Cのソースに接続されている。
The
転送トランジスタM1A、M1B、M1Cのドレインは、リセットトランジスタM2のソース及び増幅トランジスタM3のゲートに接続されている。転送トランジスタM1A、M1B、M1Cのドレイン、リセットトランジスタM2のソース及び増幅トランジスタM3のゲートが接続されるノードは、浮遊拡散部FDである。浮遊拡散部FDは、容量成分(浮遊拡散容量)を含み、電荷保持部としての機能を有する。浮遊拡散容量には、転送トランジスタM1A、M1B、M1Cから浮遊拡散部FDを介して増幅トランジスタM3に至る電気的経路の寄生容量が含まれる。 The drains of the transfer transistors M1A, M1B, and M1C are connected to the source of the reset transistor M2 and the gate of the amplification transistor M3. A node to which the drains of the transfer transistors M1A, M1B, and M1C, the source of the reset transistor M2, and the gate of the amplification transistor M3 are connected is the floating diffusion portion FD. The floating diffusion portion FD includes a capacitive component (floating diffusion capacitance) and functions as a charge holding portion. The floating diffusion capacitance includes the parasitic capacitance of the electrical path from the transfer transistors M1A, M1B, and M1C to the amplification transistor M3 via the floating diffusion portion FD.
リセットトランジスタM2のドレイン及び増幅トランジスタM3のドレインは、電圧VDDが供給される電源電圧ノードに接続されている。増幅トランジスタM3のソースは、選択トランジスタM4のドレインに接続されている。選択トランジスタM4のソースは、出力線12に接続されている。
The drain of the reset transistor M2 and the drain of the amplification transistor M3 are connected to a power supply voltage node to which voltage VDD is supplied. The source of the amplification transistor M3 is connected to the drain of the selection transistor M4. The source of the selection transistor M4 is connected to the
出力線12には、電流源13が接続されている。電流源13は、電流値が切り替え可能な電流源であってもよいし、電流値が一定の定電流源であってもよい。
A
図2の画素構成の場合、各行の制御線11は、転送トランジスタM1A、M1B、M1C、リセットトランジスタM2、選択トランジスタM4、素子接続トランジスタM5、M6のゲートにそれぞれ接続された信号線を含む。転送トランジスタM1A、M1B、M1Cのゲートには、垂直走査回路2から制御信号pTXA、pTXB、pTXCがそれぞれ供給される。リセットトランジスタM2のゲートには、垂直走査回路2から制御信号pRESが供給される。選択トランジスタM4のゲートには、垂直走査回路2から制御信号pSELが供給される。素子接続トランジスタM5、M6のゲートには、垂直走査回路2から制御信号pPG1、pPG2がそれぞれ供給される。同じ行の複数の画素10は、共通の信号線に接続されており、共通の制御信号により同時に制御される。
In the case of the pixel configuration of FIG. 2, the
本実施形態では、画素10を構成する各トランジスタはN型のMOSトランジスタであるものとしている。したがって、垂直走査回路2からハイレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオンになる。また、垂直走査回路2からローレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオフになる。また、MOSトランジスタのソース及びドレインの呼称はトランジスタの導電型又は着目する機能によって異なることがある。本実施形態において使用するソース及びドレインの名称の一部又は全部は、逆の名称で呼ばれることもある。
In this embodiment, each transistor constituting the
光電変換部PDA、PDB、PDCの各々は、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換(光電変換)する。転送トランジスタM1Aは、オンになることにより光電変換部PDAが保持する電荷を浮遊拡散部FDに転送する。転送トランジスタM1Bは、オンになることにより光電変換部PDBが保持する電荷を浮遊拡散部FDに転送する。転送トランジスタM1Cは、オンになることにより光電変換部PDCが保持する電荷を浮遊拡散部FDに転送する。光電変換部PDA、PDB、PDCから転送された電荷は、浮遊拡散部FDの容量(浮遊拡散容量)に保持される。その結果、浮遊拡散部FDは、浮遊拡散容量による電荷電圧変換によって、光電変換部PDA、PDB、PDCから転送された電荷の量に応じた電位となる。 Each of the photoelectric conversion units PDA, PDB, and PDC converts incident light into an amount of charge corresponding to the amount of light (photoelectric conversion). When the transfer transistor M1A turns on, it transfers the charge held by the photoelectric conversion unit PDA to the floating diffusion unit FD. When the transfer transistor M1B is turned on, the transfer transistor M1B transfers the charge held by the photoelectric conversion unit PDB to the floating diffusion unit FD. The transfer transistor M1C, when turned on, transfers the charge held by the photoelectric conversion section PDC to the floating diffusion section FD. Charges transferred from the photoelectric conversion units PDA, PDB, and PDC are held in the capacitance (floating diffusion capacitance) of the floating diffusion unit FD. As a result, the floating diffusion portion FD has a potential corresponding to the amount of charge transferred from the photoelectric conversion portions PDA, PDB, and PDC through charge-voltage conversion by the floating diffusion capacitance.
素子接続トランジスタM5は、オンになることにより、光電変換部PDAと光電変換部PDBの間の半導体領域のポテンシャルを、これらに蓄積された電荷が移動し得る状態に制御する。素子接続トランジスタM6は、オンになることにより、光電変換部PDAと光電変換部PDCの間の半導体領域のポテンシャルを、これらに蓄積された電荷が移動し得る状態に制御する。このように、素子接続トランジスタM5、M6は、複数の光電変換部に蓄積された電荷を加算する機能を有している。したがって、素子接続トランジスタM5又は素子接続トランジスタM6がオンである場合には、各転送トランジスタは、対応する光電変換部以外の光電変換部から移動した電荷を転送することもできる。 When turned on, the element connection transistor M5 controls the potential of the semiconductor region between the photoelectric conversion unit PDA and the photoelectric conversion unit PDB to a state where the charges accumulated therein can be moved. By turning on, the element connection transistor M6 controls the potential of the semiconductor region between the photoelectric conversion unit PDA and the photoelectric conversion unit PDC to a state where the charges accumulated therein can be moved. In this way, the element connection transistors M5 and M6 have a function of adding charges accumulated in a plurality of photoelectric conversion sections. Therefore, when the element connection transistor M5 or the element connection transistor M6 is on, each transfer transistor can also transfer charges transferred from a photoelectric conversion unit other than the corresponding photoelectric conversion unit.
選択トランジスタM4は、オンになることにより増幅トランジスタM3を出力線12に接続する。増幅トランジスタM3は、ドレインに電圧VDDが供給され、ソースに選択トランジスタM4を介して電流源13からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部(ソースフォロワ回路)を構成する。これにより増幅トランジスタM3は、浮遊拡散部FDの電位に基づく信号を、選択トランジスタM4を介して出力線12に出力する。この意味で、増幅トランジスタM3及び選択トランジスタM4は、浮遊拡散部FDに保持された電荷の量に応じた画素信号を出力する出力部である。
The selection transistor M4 connects the amplification transistor M3 to the
リセットトランジスタM2は、電圧(電圧VDD)の浮遊拡散部FDへの供給を制御することにより浮遊拡散部FDをリセットする機能を備える。リセットトランジスタM2はオンになることにより浮遊拡散部FDを電圧VDDに応じた電圧にリセットする。 The reset transistor M2 has a function of resetting the floating diffusion portion FD by controlling the supply of voltage (voltage VDD) to the floating diffusion portion FD. The reset transistor M2 is turned on to reset the floating diffusion portion FD to a voltage corresponding to the voltage VDD.
なお、図2においては、1つの選択トランジスタM4を介して対応する出力線12に信号が出力される構成を示しているが、選択トランジスタM4及び出力線12の構成はこれに限られない。例えば、1つの画素10に対して複数の選択トランジスタM4と複数の出力線12が配される構成において、複数の選択トランジスタM4を個別に制御することにより、信号を出力する出力線12を選択可能な構成が採用されてもよい。
Note that although FIG. 2 shows a configuration in which a signal is output to the
図3は、本実施形態に係る画素10の平面模式図である。図3には、基板に対する平面視における、光電変換部PDA、PDB、PDC、浮遊拡散部FD、トランジスタを構成する半導体領域及びゲート電極の配置と、オンチップレンズ112の配置が模式的に示されている。図4は、本実施形態に係る画素10の断面模式図である。図4には、図3のA-A線における断面が模式的に示されている。図3及び図4を相互に参照して本実施形態の画素の構造を説明する。
FIG. 3 is a schematic plan view of the
図3には、画素10を構成する半導体領域101、102、103、109、110、111と、ポテンシャル制御電極104、105と、転送電極106、107、108とが示されている。半導体領域101、102、103は、それぞれ、光電変換部PDA、PDB、PDCを構成する不純物拡散領域である。半導体領域109、110、111は、浮遊拡散部FDを構成する不純物拡散領域である。半導体領域101は四角形をなしており、半導体領域102、103は、半導体領域101の4辺のうちの向かい合う2辺に沿って配されている。
FIG. 3 shows
ポテンシャル制御電極104(第1制御電極)は、光電変換部PDAと光電変換部PDBの間のポテンシャルを制御する電極である。ポテンシャル制御電極104は、半導体領域101と半導体領域102の間に配されている。ポテンシャル制御電極105(第2制御電極)は、光電変換部PDAと光電変換部PDCの間のポテンシャルを制御する電極である。ポテンシャル制御電極105は、半導体領域101と半導体領域103の間に配されている。すなわち、ポテンシャル制御電極104、105は、それぞれ、素子接続トランジスタM5、M6のゲートとして機能する。
The potential control electrode 104 (first control electrode) is an electrode that controls the potential between the photoelectric conversion unit PDA and the photoelectric conversion unit PDB.
転送電極106、107、108(第1転送電極、第2転送電極、第3転送電極)は、それぞれ、光電変換部PDA、PDB、PDCから浮遊拡散部FDに電荷を転送するための電極である。転送電極106、107、108は、半導体領域101、102、103と半導体領域110、109、111の間にそれぞれ配されている。すなわち、転送電極106、107、108は、それぞれ、転送トランジスタM1A、M1B、M1Cのゲートとして機能する。
The
図4に示されているように、光電変換部PDA、PDB、PDCが配される半導体基板120の一方の面(第1面)には、酸化膜121及び配線層122がこの順に配されている。また、半導体基板120の第1面に対向する面(第2面)には、平坦化層123、カラーフィルタ層124及びオンチップレンズ112(第1レンズ)がこの順に配されている。このように、本実施形態の光電変換装置は、配線層122が配されている第1面側とは反対の第2面側から入射光が照射される構造を有しており、いわゆる裏面照射型CMOSイメージセンサである。オンチップレンズ112は、少なくとも光電変換部PDAを覆うように配され、少なくとも光電変換部PDAに入射光を導く。
As shown in FIG. 4, an
配線層122は、層間絶縁膜114に埋め込まれるように配された複数の配線113を有している。複数の配線113は複数の層に渡って配されている。複数の配線113は、光電変換部PDA、PDB、PDCからの信号の読み出し、制御信号の伝送等に用いられる。
The
配線層122の酸化膜121と反対側の面は、不図示の基板支持材により支持されていてもよい。例えば、基板支持材側にAD変換回路等の信号処理回路が配されていてもよく、処理が高速化し得る。このような光電変換装置は、積層型CMOSイメージセンサと呼ばれることもある。
The surface of the
配線層122には、半導体領域101、102、103に対応する位置に、酸化膜121を間に介して転送電極106、107、108がそれぞれ配されている。酸化膜121は、絶縁性を有する酸化物である。酸化膜121は、半導体基板120の第1面側を絶縁することによりMOSトランジスタのゲート絶縁膜として機能する。転送電極106、107、108に所定の電圧の制御信号pTXA、pTXB、pTXCが印加されることにより、光電変換部PDA、PDB、PDCに蓄積されている電荷がそれぞれ浮遊拡散部FDに転送される。
In the
半導体基板120には、半導体領域115、116、117、118が更に配されている。半導体領域115は、光電変換部PDAと光電変換部PDBの間を分離する。半導体領域116は、光電変換部PDAと光電変換部PDCの間を分離する。半導体領域117、118は、図4に示されている画素10と他の素子(例えば、図4に示されている画素10に隣接する画素)との間を分離する。
配線層122には、半導体領域115、116に対応する位置に、酸化膜121を間に介してポテンシャル制御電極104、105がそれぞれ配されている。ポテンシャル制御電極104に所定の電圧の制御信号pPG1が印加されることにより、光電変換部PDAと光電変換部PDBの間の半導体領域のポテンシャルが低下する。これにより、光電変換部PDA、PDBに蓄積されている電荷が相互に移動し得る状態に制御される。また、ポテンシャル制御電極105に所定の電圧の制御信号pPG2が印加されることにより、光電変換部PDAと光電変換部PDCの間の半導体領域のポテンシャルが低下する。これにより、光電変換部PDA、PDCに蓄積されている電荷が相互に移動し得る状態に制御される。
図5は、本実施形態に係る画素内のポテンシャルを模式的に示す図である。図5には、図3のB-B線におけるポテンシャルが模式的に示されている。図5の横軸は図3のB-B線上の位置を示しており、図5の縦軸はポテンシャルを示している。図5の実線は、ポテンシャル制御電極104、105に所定の電圧の制御信号pPG1、pPG2が印加されていない状態(すなわち、素子接続トランジスタM5、M6がオフの状態)におけるポテンシャルを示している。図5の破線は、ポテンシャル制御電極104、105に所定の電圧の制御信号pPG1、pPG2が印加されている状態(すなわち、素子接続トランジスタM5、M6がオンの状態)におけるポテンシャルを示している。図5の破線から理解されるように、ポテンシャル制御電極104、105に所定の電圧の制御信号pPG1、pPG2を印加することにより、半導体領域115、116のポテンシャルが低下する。これにより、光電変換部PDA、PDB、PDCの間を電荷が移動し得る状態となる。
FIG. 5 is a diagram schematically showing the potential within a pixel according to this embodiment. FIG. 5 schematically shows the potential along the line BB in FIG. The horizontal axis in FIG. 5 indicates the position on the line BB in FIG. 3, and the vertical axis in FIG. 5 indicates the potential. The solid line in FIG. 5 shows the potential in a state where control signals pPG1 and pPG2 of a predetermined voltage are not applied to the
本実施形態では、半導体領域102により構成される光電変換部PDBの感度は、半導体領域101により構成される光電変換部PDAの感度よりも低い。また、半導体領域103により構成される光電変換部PDCの感度は、半導体領域101により構成される光電変換部PDAの感度よりも低い。このように感度が互いに異なる2以上の光電変換部を設け、照度に応じて信号の出力方法を異ならせることによりダイナミックレンジ拡大が可能となる。例えば、低照度時には光電変換部PDAに蓄積された電荷に基づく信号を読み出すことにより、感度を向上させることができる。また、高照度時には比較的低感度な光電変換部PDB又は光電変換部PDCに蓄積された電荷に基づく信号を読み出すことにより、信号が飽和しにくくなる。これにより、低照度時の感度向上と高照度時の信号飽和の抑制とが両立され、ダイナミックレンジが拡大する。
In this embodiment, the sensitivity of the photoelectric conversion unit PDB formed by the
更に、本実施形態では低照度時において、ポテンシャル制御電極104、105に所定の電圧の制御信号pPG1、pPG2を印加して、光電変換部PDA、PDB、PDCの間を電荷が移動し得る状態にする制御が行われる。これにより、低照度時において、光電変換部PDA、PDB、PDCで生成された電荷が加算される。この場合、受光面積が光電変換部PDAの面積から、光電変換部PDA、PDB、PDCを合わせた面積に実質的に拡大する。これにより、低照度時のSNR(Signal-to-Noise Ratio)が上昇する。
Furthermore, in this embodiment, control signals pPG1 and pPG2 of predetermined voltages are applied to the
図6は、本実施形態に係る照度とSNRの関係を模式的に示すグラフである。図6の横軸は画素10に入射する光の照度を示しており、図6の縦軸はSNRを示している。なお、図6における照度E3は、低照度時の動作と高照度時の動作が切り替わる閾値を示している。すなわち、光電変換装置への入射光の照度がE3よりも小さい場合には上述の低照度時の読み出し動作が行われ、光電変換装置への入射光の照度がE3以上である場合には上述の高照度時の読み出し動作が行われる。これにより、照度E3においては、動作の切り替えによりSNRの値に段差が生じる。
FIG. 6 is a graph schematically showing the relationship between illuminance and SNR according to this embodiment. The horizontal axis in FIG. 6 represents the illuminance of light incident on the
図6の実線は、ポテンシャル制御電極104、105に所定の電圧の制御信号pPG1、pPG2が印加されていない状態(すなわち、素子接続トランジスタM5、M6がオフの状態)におけるSNRを示している。言い換えると、図6の実線はポテンシャル制御電極104、105がない場合の比較例と理解することもできる。図6における照度E2は、この状態において信号取得が可能な最低照度を示している。
The solid line in FIG. 6 indicates the SNR in a state where control signals pPG1 and pPG2 of predetermined voltages are not applied to the
図6の破線は、ポテンシャル制御電極104、105に所定の電圧の制御信号pPG1、pPG2が印加されている状態(すなわち、素子接続トランジスタM5、M6がオンの状態)におけるSNRを示している。図6における照度E1は、この状態において信号取得が可能な最低照度を示している。
The broken line in FIG. 6 indicates the SNR in a state where control signals pPG1 and pPG2 of predetermined voltages are applied to
図6の照度E1及び照度E2の近傍において実線と破線を比較することにより理解できるように、光電変換部PDA、PDB、PDCの間を電荷が移動し得る状態にすることにより、これらで生成された電荷が加算されるため、最低照度が低くなる。したがって、より低い照度においても信号取得が可能になり、ダイナミックレンジがより拡大する。 As can be understood by comparing the solid line and the broken line in the vicinity of illuminance E1 and illuminance E2 in FIG. Since the charges added are added, the minimum illuminance becomes lower. Therefore, signal acquisition is possible even at lower illuminance, and the dynamic range is further expanded.
以上のように、本実施形態によれば、ポテンシャル制御電極104、105を配し、光電変換部PDA、PDB、PDCの間を電荷が移動し得る状態にすることにより、よりダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。
As described above, according to this embodiment, the dynamic range can be further expanded by arranging the
また、光電変換部PDA、PDB、PDCの間を電荷が移動し得る状態にすることにより、高感度な光電変換部PDAが飽和するような光が入射した場合にも、電荷が他の光電変換部に移動できる。すなわち、飽和電荷量が光電変換部PDAの値から、光電変換部PDA、PDB、PDCを合わせた値に実質的に増加する。これにより、飽和の影響が低減され、高感度読み出しが可能な照度範囲が拡大し得る。 In addition, by creating a state in which charges can move between the photoelectric conversion units PDA, PDB, and PDC, even if light that saturates the highly sensitive photoelectric conversion unit PDA is incident, the charges will be transferred to other photoelectric conversion units. You can move to the department. That is, the saturated charge amount substantially increases from the value of the photoelectric conversion unit PDA to the value of the photoelectric conversion units PDA, PDB, and PDC combined. As a result, the influence of saturation can be reduced and the range of illuminance in which high-sensitivity readout is possible can be expanded.
なお、上述の説明では、1つの高感度の光電変換部PDAと2つの低感度の光電変換部PDB、PDCが配されている場合の例を示しているが、これらの光電変換部の個数は特に限定されるものではない。すなわち1つ以上の高感度の光電変換部と、1つ以上の低感度の光電変換部を含む画素構成であればよい。 In addition, in the above explanation, an example is shown in which one high-sensitivity photoelectric conversion unit PDA and two low-sensitivity photoelectric conversion units PDB and PDC are arranged, but the number of these photoelectric conversion units is It is not particularly limited. That is, any pixel configuration that includes one or more high-sensitivity photoelectric conversion units and one or more low-sensitivity photoelectric conversion units may be used.
光電変換部PDB、PDCの感度を光電変換部PDAよりも低くするような感度差を与える構造は特に限定されない。感度差を与える構造の一例としては、図2及び図3に示されているように、平面視において、光電変換部PDAの受光面の面積を光電変換部PDB又は光電変換部PDCの受光面の面積よりも大きくするというものが挙げられる。これにより、光電変換部PDAには光電変換部PDB又は光電変換部PDCよりも多くの光が入射されるため、光電変換部PDAの感度は、光電変換部PDB又は光電変換部PDCの感度よりも高くなり得る。 The structure that provides a sensitivity difference that makes the sensitivity of the photoelectric conversion units PDB and PDC lower than that of the photoelectric conversion unit PDA is not particularly limited. As an example of a structure that provides a sensitivity difference, as shown in FIGS. 2 and 3, in plan view, the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit PDA is equal to the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion unit PDB or the photoelectric conversion unit PDC. One example is to make it larger than the area. As a result, more light is incident on the photoelectric conversion unit PDA than on the photoelectric conversion unit PDB or the photoelectric conversion unit PDC, so the sensitivity of the photoelectric conversion unit PDA is higher than the sensitivity of the photoelectric conversion unit PDB or photoelectric conversion unit PDC. It can be expensive.
また、別の構造としては、図2及び図3に示されているように、オンチップレンズ112の中心近傍、特に、オンチップレンズ112の光軸上に光電変換部PDAを配し、その外側に光電変換部PDB又は光電変換部PDCを配するという構造が挙げられる。オンチップレンズ112は光電変換部PDAにより多くの光を集中させるため、光電変換部PDAの感度は、光電変換部PDB又は光電変換部PDCの感度よりも高くなり得る。
In addition, as another structure, as shown in FIGS. 2 and 3, the photoelectric conversion unit PDA is arranged near the center of the on-
また、低照度時の電荷転送においては、転送トランジスタM1A、M1B、M1C(転送電極106、107、108)を用いるよりも、転送トランジスタM1A(転送電極106)のみを用いることがより望ましい。これにより、転送に伴って生じるノイズが低減される。
Furthermore, in charge transfer during low illuminance, it is more desirable to use only the transfer transistor M1A (transfer electrode 106) than to use the transfer transistors M1A, M1B, and M1C (transfer
また、半導体領域101の不純物濃度は、半導体領域102又は半導体領域103の不純物濃度よりも高いことが望ましい。これにより、光電変換部PDB又は光電変換部PDCで生成された電荷が光電変換部PDAに移動しやすいポテンシャル構造が実現される。したがって、光電変換部PDB又は光電変換部PDCで生成された電荷が転送時に光電変換部PDB又は光電変換部PDCに残留しにくくなり、精度がより向上する。
Further, the impurity concentration of the
[第2実施形態]
本実施形態では、第1実施形態の画素10の平面構造の変形例について述べる。第1実施形態と共通する部分については説明を省略する。
[Second embodiment]
In this embodiment, a modification of the planar structure of the
図7は、本実施形態に係る画素10の平面模式図である。図7に示されているように、オンチップレンズ112の光軸上に光電変換部PDAを構成する半導体領域101が配されている。半導体領域101は、四角形をなしている。また、半導体領域101の外側、すなわち、オンチップレンズ112の光軸の外側に、光電変換部PDBを構成する半導体領域102と、光電変換部PDCを構成する半導体領域103とが配されている。半導体領域102は半導体領域101の外周の4辺のうちの隣り合う2辺に沿うように配されており、半導体領域103は半導体領域101の他の2辺に沿うように配されている。すなわち、半導体領域102及び半導体領域103は、半導体領域101を囲うように配されている。このように半導体領域101、102、103を配することにより、オンチップレンズ112の集光範囲を効率よく利用することができる。
FIG. 7 is a schematic plan view of the
本実施形態においても、第1実施形態と同様に、ダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。また、上述のようにオンチップレンズ112及び半導体領域101、102、103を配することにより、オンチップレンズ112により集められた光が光電変換部PDAにより多く集中する。これにより、光電変換部PDAの感度と、光電変換部PDB又は光電変換部PDCの感度との差をより大きくすることができる。
Also in this embodiment, similarly to the first embodiment, a photoelectric conversion device capable of expanding the dynamic range is provided. Further, by arranging the on-
なお、半導体領域101の平面形状は四角形に限られない。半導体領域101の平面形状は、周囲を囲う半導体領域102、103を効率的に配置できるものであることが望ましい。例えば、半導体領域101の平面形状は4辺以上を有する多角形であることが望ましく、また、半導体領域102、103の平面形状は半導体領域101の2辺以上に沿う形状であることが望ましい。
Note that the planar shape of the
[第3実施形態]
本実施形態では、第1実施形態の画素10の断面構造の変形例について述べる。第1実施形態と共通する部分については説明を省略する。
[Third embodiment]
In this embodiment, a modification of the cross-sectional structure of the
図8は、本実施形態に係る画素10の断面模式図である。図8に示されているように、光の入射方向において、光電変換部PDAを構成する半導体領域101が、光電変換部PDBを構成する半導体領域102又は光電変換部PDCを構成する半導体領域103よりも長い。言い換えると、半導体領域101の第1面から見た深さが半導体領域102又は半導体領域103の第1面から見た深さよりも深い。したがって、光電変換部PDAにおける光電変換の効率が、光電変換部PDB又は光電変換部PDCの光電変換の効率よりも高い。これにより、光電変換部PDAの感度と、光電変換部PDB又は光電変換部PDCの感度との差をより大きくすることができる。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the
本実施形態においても、第1実施形態と同様に、ダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。また、上述のように光電変換部PDAを光電変換部PDB又は光電変換部PDCよりも厚くすることにより、光電変換部PDAの感度と、光電変換部PDB又は光電変換部PDCの感度との差をより大きくすることができる。 Also in this embodiment, similarly to the first embodiment, a photoelectric conversion device capable of expanding the dynamic range is provided. Furthermore, by making the photoelectric conversion section PDA thicker than the photoelectric conversion section PDB or the photoelectric conversion section PDC as described above, the difference between the sensitivity of the photoelectric conversion section PDA and the sensitivity of the photoelectric conversion section PDB or photoelectric conversion section PDC can be reduced. Can be made larger.
また、図8に示されているように、光の入射方向において、半導体領域117、118(第1素子分離領域)が、半導体領域115、116(第2素子分離領域)よりも長い。言い換えると、半導体領域117、118の第1面から見た深さが半導体領域115、116の第1面から見た深さよりも深い。すなわち、光電変換部間の素子分離部よりも画素10と他の素子(例えば、図8に示されている画素10に隣接する画素)の間の素子分離部の方が深い位置まで配されている。これにより、画素10から他の素子への電荷の漏洩が低減される。この構成によれば、光電変換部PDA、PDB、PDCの電荷の加算時における感度が向上し得る。
Furthermore, as shown in FIG. 8, the
[第4実施形態]
本実施形態では、第1実施形態の画素10のオンチップレンズの構造の変形例について述べる。第1実施形態と共通する部分については説明を省略する。
[Fourth embodiment]
In this embodiment, a modification of the structure of the on-chip lens of the
図9は、本実施形態に係る画素10の平面模式図である。図10は、本実施形態に係る画素10の断面模式図である。図10には、図9のC-C線における断面が模式的に示されている。図9及び図10を相互に参照して本実施形態の画素10の構造を説明する。
FIG. 9 is a schematic plan view of the
図9及び図10に示されているように、本実施形態の画素10においては、図3及び図4のオンチップレンズ112に代えてオンチップレンズ125、126、127が配されている。オンチップレンズ125、126、127は、光電変換部PDA、PDB、PDCにそれぞれ対応して配されている。光の入射方向において、オンチップレンズ125(第1レンズ)は、光電変換部PDAを覆うように配されている。光の入射方向において、オンチップレンズ126(第2レンズ)は、光電変換部PDBの少なくとも一部を覆うように配されている。光の入射方向において、オンチップレンズ127は、光電変換部PDCの少なくとも一部を覆うように配されている。オンチップレンズ125は、主として、光電変換部PDAに入射光を導く。オンチップレンズ126は、主として、光電変換部PDBに入射光を導く。オンチップレンズ127は、主として、光電変換部PDCに入射光を導く。
As shown in FIGS. 9 and 10, in the
本実施形態においては、複数の光電変換部PDA、PDB、PDCにそれぞれ対応した複数のオンチップレンズ125、126、127が配されている。これにより、オンチップレンズ125は、入射光を光電変換部PDAに効率よく集中させることができる。また、オンチップレンズ126、127の各々の平面視における面積は、オンチップレンズ125の平面視における面積よりも小さい。これにより、オンチップレンズ126、127を介して光電変換部PDB、PDCにそれぞれ入射する光量は、光電変換部PDAに入射する光量よりも少ない。このような入射光量の関係は、各オンチップレンズの面積及び位置を適宜調整することにより実現され得る。また、オンチップレンズ125の高さとオンチップレンズ126、127の高さは互いに異なっていてもよい。なお、図9において、オンチップレンズ125、126、127のそれぞれは楕円形状のオンチップレンズとして描かれているが、レンズの形状はこれに限られない。オンチップレンズ125、126、127は光電変換部PDA、PDB、PDCの形状に応じて、例えば真円形状であってもよく、各オンチップレンズのそれぞれが異なる形状を有していてもよい。
In this embodiment, a plurality of on-
本実施形態においても、第1実施形態と同様に、ダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。また、複数のオンチップレンズ125、126、127が複数の光電変換部PDA、PDB、PDCにそれぞれ対応して配されていることにより、複数のオンチップレンズ125、126、127の面積、高さ及び位置等の設計を個別に調整可能である。したがって、光電変換部PDA、PDB、PDCのそれぞれに入射する光量を効果的に調整することができ、ダイナミックレンジ拡大のための設計調整をより好適に行うことができる。
Also in this embodiment, similarly to the first embodiment, a photoelectric conversion device capable of expanding the dynamic range is provided. Furthermore, since the plurality of on-
[第5実施形態]
上述の実施形態における光電変換装置は種々の機器に適用可能である。機器として、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、監視カメラ等があげられる。図11に、機器の例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。
[Fifth embodiment]
The photoelectric conversion device in the embodiment described above is applicable to various devices. Examples of devices include digital still cameras, digital camcorders, camera heads, copying machines, fax machines, mobile phones, vehicle-mounted cameras, observation satellites, surveillance cameras, and the like. FIG. 11 shows a block diagram of a digital still camera as an example of the device.
図11に示す機器70は、バリア706、レンズ702、絞り704、撮像装置700(光電変換装置の一例)を含む。また、機器70は、更に、信号処理部(処理装置)708、タイミング発生部720、全体制御・演算部718(制御装置)、メモリ部710(記憶装置)、記録媒体制御I/F部716、記録媒体714、外部I/F部712を含む。バリア706、レンズ702、絞り704の少なくとも1つは、機器に対応する光学装置である。バリア706はレンズ702を保護し、レンズ702は被写体の光学像を撮像装置700に結像させる。絞り704はレンズ702を通った光量を可変にする。撮像装置700は上述の実施形態のように構成され、レンズ702により結像された光学像を画像データ(画像信号)に変換する。信号処理部708は撮像装置700より出力された撮像データに対し各種の補正、データ圧縮等を行う。タイミング発生部720は撮像装置700及び信号処理部708に、各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部718はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部710は画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御I/F部716は記録媒体714に画像データの記録又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714は撮像データの記録又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712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。タイミング信号等は機器の外部から入力されてもよい。また、更に機器70は光電変換装置で得られた情報を表示する表示装置(モニター、電子ビューファインダ等)を備えてもよい。機器は少なくとも光電変換装置を備える。更に、機器70は、光学装置、制御装置、処理装置、表示装置、記憶装置、及び光電変換装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置の少なくともいずれかを備える。機械装置は、光電変換装置の信号を受けて動作する可動部(たとえばロボットアーム)である。
The
それぞれの画素が、複数の光電変換部(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708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700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。
Each pixel may include a plurality of photoelectric conversion units (a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit). The
[第6実施形態]
図12(a)、図12(b)は、本実施形態における車載カメラに関する機器のブロック図である。機器80は、上述した実施形態の撮像装置800(光電変換装置の一例)と、撮像装置800からの信号を処理する信号処理装置(処理装置)を有する。機器80は、撮像装置800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801と、機器80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)の算出を行う視差算出部802を有する。また、機器80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計測部803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804とを有する。ここで、視差算出部802、距離計測部803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804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。
[Sixth embodiment]
FIGS. 12(a) and 12(b) are block diagrams of equipment related to the in-vehicle camera in this embodiment. The
機器80は車両情報取得装置810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、機器80には、衝突判定部804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ECU820が接続されている。また、機器80は、衝突判定部804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830とも接続されている。例えば、衝突判定部804の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ECU820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830は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステム等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。機器80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。
The
本実施形態では車両の周囲、例えば前方又は後方を機器80で撮像する。図12(b)は、車両前方(撮像範囲850)を撮像する場合の機器を示している。撮像制御手段としての車両情報取得装置810が、撮像動作を行うように機器80又は撮像装置800に指示を送る。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。
In this embodiment, the
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等にも適用可能である。更に、機器は、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機、人工衛星、産業用ロボット及び民生用ロボット等の移動体(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)、監視システム等、広く物体認識又は生体認識を利用する機器に適用することができる。 In the above, an example of control to avoid collision with other vehicles has been described, but it can also be applied to control to automatically drive while following other vehicles, control to automatically drive to avoid running out of the lane, etc. Furthermore, the device is not limited to vehicles such as automobiles, but can be applied to moving objects (mobile devices) such as ships, aircraft, artificial satellites, industrial robots, and consumer robots. In addition, the present invention can be applied not only to mobile objects but also to a wide range of devices that utilize object recognition or biometric recognition, such as intelligent transportation systems (ITS) and monitoring systems.
[変形実施形態]
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。
[Modified embodiment]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible. For example, an example in which a part of the configuration of one embodiment is added to another embodiment, or an example in which a part of the configuration in another embodiment is replaced is also an embodiment of the present invention.
本明細書の開示内容は、本明細書に記載した概念の補集合を含んでいる。すなわち、本明細書に例えば「AはBである」旨(A=B)の記載があれば、「AはBではない」旨(A≠B)の記載を省略しても、本明細書は「AはBではない」旨を開示又は示唆しているものとする。なぜなら、「AはBである」旨を記載している場合には、「AはBではない」場合を考慮していることが前提だからである。 The disclosure herein includes the complement of the concepts described herein. In other words, if the specification includes, for example, the statement "A is B" (A=B), even if the statement "A is not B" (A≠B) is omitted, the specification does not apply. shall be deemed to disclose or suggest that "A is not B." This is because when it is stated that "A is B", it is assumed that the case "A is not B" is being considered.
本明細書の開示内容は、以下の構成を含む。
(構成1)
第1光電変換部と、
前記第1光電変換部よりも低い感度を有する第2光電変換部と、
前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部で生成された電荷が転送される浮遊拡散部と、
前記第1光電変換部から前記浮遊拡散部に電荷を転送する第1転送電極と、
前記第2光電変換部から前記浮遊拡散部に電荷を転送する第2転送電極と、
前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間を電荷が移動し得るように前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間のポテンシャルを制御する第1制御電極と、
を有することを特徴とする光電変換装置。
(構成2)
前記第1光電変換部を覆うように配され、前記第1光電変換部に入射光を導く第1レンズを更に有する
ことを特徴とする構成1に記載の光電変換装置。
(構成3)
前記第1レンズは、前記第2光電変換部を更に覆うように配され、前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部に入射光を導く
ことを特徴とする構成2に記載の光電変換装置。
(構成4)
前記第1光電変換部に導かれる光量は、前記第2光電変換部に導かれる光量よりも多い
ことを特徴とする構成3に記載の光電変換装置。
(構成5)
前記第1光電変換部は、前記第1レンズの光軸上に配されており、
前記第2光電変換部は、前記第1レンズの光軸上に配されていない
ことを特徴とする構成3又は4に記載の光電変換装置。
(構成6)
前記第1光電変換部を覆うように配され、前記第1光電変換部に入射光を導く第1レンズと、
前記第2光電変換部の少なくとも一部を覆うように配され、前記第2光電変換部に入射光を導く第2レンズと、
を更に有することを特徴とする構成1に記載の光電変換装置。
(構成7)
前記第1光電変換部に導かれる光量は、前記第2光電変換部に導かれる光量よりも多い
ことを特徴とする構成6に記載の光電変換装置。
(構成8)
前記第1光電変換部の受光面の面積は、前記第2光電変換部の受光面の面積よりも大きい
ことを特徴とする構成1乃至7のいずれか1項に記載の光電変換装置。
(構成9)
前記第1光電変換部を構成する半導体領域の不純物濃度は、前記第2光電変換部を構成する半導体領域の不純物濃度よりも高い
ことを特徴とする構成1乃至8のいずれか1項に記載の光電変換装置。
(構成10)
光の入射方向において、前記第1光電変換部を構成する半導体領域は、前記第2光電変換部を構成する半導体領域よりも長い
ことを特徴とする構成1乃至9のいずれか1項に記載の光電変換装置。
(構成11)
前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部を含む領域と他の素子との間を分離する第1素子分離領域と、
前記第1光電変換部と前記第2光電変換部の間を分離する第2素子分離領域と、
を更に有し、
光の入射方向において、前記第1素子分離領域は、前記第2素子分離領域よりも長い
ことを特徴とする構成1乃至10のいずれか1項に記載の光電変換装置。
(構成12)
平面視において、前記第1光電変換部の外周は4辺以上を有し、前記第2光電変換部は前記第1光電変換部の前記外周の2辺以上に沿うように配されている
ことを特徴とする構成1乃至11のいずれか1項に記載の光電変換装置。
(構成13)
前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間を電荷が移動し得る状態において、前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部から前記浮遊拡散部への電荷の転送は、前記第1転送電極のみにより行われる
ことを特徴とする構成1乃至12のいずれか1項に記載の光電変換装置。
(構成14)
前記第1光電変換部よりも低い感度を有する第3光電変換部と、
前記第3光電変換部から前記浮遊拡散部に電荷を転送する第3転送電極と、
前記第1光電変換部と前記第3光電変換部との間を電荷が移動し得るように前記第1光電変換部と前記第3光電変換部との間のポテンシャルを制御する第2制御電極と、
を更に有する
ことを特徴とする構成1乃至13のいずれか1項に記載の光電変換装置。
(構成15)
平面視において、前記第2光電変換部及び前記第3光電変換部は、前記第1光電変換部を囲うように配されている
ことを特徴とする構成14に記載の光電変換装置。
(構成16)
照度が所定の閾値よりも小さい場合に、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間を電荷が移動し得るように前記ポテンシャルが制御される
ことを特徴とする構成1乃至15のいずれか1項に記載の光電変換装置。
(構成17)
構成1乃至16のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置に対応した光学装置、
前記光電変換装置を制御する制御装置、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置、
前記光電変換装置で得られた情報を表示する表示装置、
前記光電変換装置で得られた情報を記憶する記憶装置、及び
前記光電変換装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置、の少なくともいずれかと、
を備えることを特徴とする機器。
(構成18)
前記処理装置は、複数の光電変換部にて生成された画像信号をそれぞれ処理し、前記光電変換装置から被写体までの距離情報を取得する
ことを特徴とする構成17に記載の機器。
The disclosure content of this specification includes the following configurations.
(Configuration 1)
a first photoelectric conversion section;
a second photoelectric conversion section having lower sensitivity than the first photoelectric conversion section;
a floating diffusion section to which charges generated in the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section are transferred;
a first transfer electrode that transfers charge from the first photoelectric conversion section to the floating diffusion section;
a second transfer electrode that transfers charge from the second photoelectric conversion section to the floating diffusion section;
a first control electrode that controls the potential between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section so that charges can move between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section; ,
A photoelectric conversion device characterized by having the following.
(Configuration 2)
The photoelectric conversion device according to configuration 1, further comprising a first lens arranged to cover the first photoelectric conversion section and guiding incident light to the first photoelectric conversion section.
(Configuration 3)
The photoelectric conversion according to
(Configuration 4)
The photoelectric conversion device according to configuration 3, wherein the amount of light guided to the first photoelectric conversion section is greater than the amount of light guided to the second photoelectric conversion section.
(Configuration 5)
The first photoelectric conversion section is arranged on the optical axis of the first lens,
The photoelectric conversion device according to configuration 3 or 4, wherein the second photoelectric conversion section is not arranged on the optical axis of the first lens.
(Configuration 6)
a first lens arranged to cover the first photoelectric conversion section and guide incident light to the first photoelectric conversion section;
a second lens arranged to cover at least a portion of the second photoelectric conversion section and guiding incident light to the second photoelectric conversion section;
The photoelectric conversion device according to Configuration 1, further comprising:
(Configuration 7)
The photoelectric conversion device according to
(Configuration 8)
8. The photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 7, wherein the area of the light receiving surface of the first photoelectric conversion section is larger than the area of the light receiving surface of the second photoelectric conversion section.
(Configuration 9)
According to any one of configurations 1 to 8, the impurity concentration of the semiconductor region constituting the first photoelectric conversion section is higher than the impurity concentration of the semiconductor region constituting the second photoelectric conversion section. Photoelectric conversion device.
(Configuration 10)
According to any one of configurations 1 to 9, the semiconductor region constituting the first photoelectric conversion section is longer than the semiconductor region constituting the second photoelectric conversion section in the direction of incidence of light. Photoelectric conversion device.
(Configuration 11)
a first element isolation region that isolates a region including the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit from other elements;
a second element isolation region that isolates between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section;
It further has
The photoelectric conversion device according to any one of Structures 1 to 10, wherein the first element isolation region is longer than the second element isolation region in the direction of incidence of light.
(Configuration 12)
In plan view, the outer periphery of the first photoelectric conversion section has four or more sides, and the second photoelectric conversion section is arranged along two or more sides of the outer periphery of the first photoelectric conversion section. The photoelectric conversion device according to any one of Features 1 to 11.
(Configuration 13)
In a state where charges can move between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section, the transfer of charges from the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section to the floating diffusion section includes: The photoelectric conversion device according to any one of Configurations 1 to 12, characterized in that the photoelectric conversion device is performed using only the first transfer electrode.
(Configuration 14)
a third photoelectric conversion section having lower sensitivity than the first photoelectric conversion section;
a third transfer electrode that transfers charge from the third photoelectric conversion section to the floating diffusion section;
a second control electrode that controls the potential between the first photoelectric conversion section and the third photoelectric conversion section so that charges can move between the first photoelectric conversion section and the third photoelectric conversion section; ,
The photoelectric conversion device according to any one of Structures 1 to 13, further comprising:
(Configuration 15)
15. The photoelectric conversion device according to configuration 14, wherein the second photoelectric conversion section and the third photoelectric conversion section are arranged so as to surround the first photoelectric conversion section in a plan view.
(Configuration 16)
Configurations 1 to 15 characterized in that the potential is controlled so that charges can move between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit when illuminance is lower than a predetermined threshold. The photoelectric conversion device according to any one of the above.
(Configuration 17)
The photoelectric conversion device according to any one of Configurations 1 to 16,
an optical device compatible with the photoelectric conversion device;
a control device that controls the photoelectric conversion device;
a processing device that processes the signal output from the photoelectric conversion device;
a display device that displays information obtained by the photoelectric conversion device;
at least one of a storage device that stores information obtained by the photoelectric conversion device; and a mechanical device that operates based on the information obtained by the photoelectric conversion device;
A device characterized by comprising:
(Configuration 18)
18. The device according to configuration 17, wherein the processing device processes image signals generated by a plurality of photoelectric conversion units, respectively, and acquires distance information from the photoelectric conversion device to the subject.
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention provides a system or device with a program that implements one or more functions of the embodiments described above via a network or a storage medium, and one or more processors in a computer of the system or device reads and executes the program. This can also be achieved by processing. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
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ものである。すなわち、本発明はその技術思想、又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。 Note that the above-described embodiments are merely examples of implementation of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be interpreted to be limited by these embodiments. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from its technical idea or main features.
101、102、103 半導体領域
104、105 ポテンシャル制御電極
106、107、108 転送電極
FD 浮遊拡散部
PDA、PDB、PDC 光電変換部
101, 102, 103
Claims (18)
前記第1光電変換部よりも低い感度を有する第2光電変換部と、
前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部で生成された電荷が転送される浮遊拡散部と、
前記第1光電変換部から前記浮遊拡散部に電荷を転送する第1転送電極と、
前記第2光電変換部から前記浮遊拡散部に電荷を転送する第2転送電極と、
前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間を電荷が移動し得るように前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間のポテンシャルを制御する第1制御電極と、
を有することを特徴とする光電変換装置。 a first photoelectric conversion section;
a second photoelectric conversion section having lower sensitivity than the first photoelectric conversion section;
a floating diffusion section to which charges generated in the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section are transferred;
a first transfer electrode that transfers charge from the first photoelectric conversion section to the floating diffusion section;
a second transfer electrode that transfers charge from the second photoelectric conversion section to the floating diffusion section;
a first control electrode that controls the potential between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section so that charges can move between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section; ,
A photoelectric conversion device characterized by having the following.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1, further comprising a first lens arranged to cover the first photoelectric conversion section and guiding incident light to the first photoelectric conversion section.
ことを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。 The photoelectric converter according to claim 2, wherein the first lens is arranged to further cover the second photoelectric converter and guides incident light to the first photoelectric converter and the second photoelectric converter. conversion device.
ことを特徴とする請求項3に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 3, wherein the amount of light guided to the first photoelectric conversion section is greater than the amount of light guided to the second photoelectric conversion section.
前記第2光電変換部は、前記第1レンズの光軸上に配されていない
ことを特徴とする請求項3に記載の光電変換装置。 The first photoelectric conversion section is arranged on the optical axis of the first lens,
The photoelectric conversion device according to claim 3, wherein the second photoelectric conversion section is not arranged on the optical axis of the first lens.
前記第2光電変換部の少なくとも一部を覆うように配され、前記第2光電変換部に入射光を導く第2レンズと、
を更に有することを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 a first lens arranged to cover the first photoelectric conversion section and guide incident light to the first photoelectric conversion section;
a second lens arranged to cover at least a portion of the second photoelectric conversion section and guiding incident light to the second photoelectric conversion section;
The photoelectric conversion device according to claim 1, further comprising:
ことを特徴とする請求項6に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 6, wherein the amount of light guided to the first photoelectric conversion section is greater than the amount of light guided to the second photoelectric conversion section.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the area of the light receiving surface of the first photoelectric conversion section is larger than the area of the light receiving surface of the second photoelectric conversion section.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein an impurity concentration of a semiconductor region that constitutes the first photoelectric conversion section is higher than an impurity concentration of a semiconductor region that constitutes the second photoelectric conversion section.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a semiconductor region forming the first photoelectric conversion section is longer than a semiconductor region forming the second photoelectric conversion section in a light incident direction.
前記第1光電変換部と前記第2光電変換部の間を分離する第2素子分離領域と、
を更に有し、
光の入射方向において、前記第1素子分離領域は、前記第2素子分離領域よりも長い
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 a first element isolation region that isolates a region including the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit from other elements;
a second element isolation region that isolates between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section;
It further has
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the first element isolation region is longer than the second element isolation region in the direction of incidence of light.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 In plan view, the outer periphery of the first photoelectric conversion section has four or more sides, and the second photoelectric conversion section is arranged along two or more sides of the outer periphery of the first photoelectric conversion section. The photoelectric conversion device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 In a state where charges can move between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section, the transfer of charges from the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section to the floating diffusion section includes: The photoelectric conversion device according to claim 1, characterized in that the photoelectric conversion is performed only by the first transfer electrode.
前記第3光電変換部から前記浮遊拡散部に電荷を転送する第3転送電極と、
前記第1光電変換部と前記第3光電変換部との間を電荷が移動し得るように前記第1光電変換部と前記第3光電変換部との間のポテンシャルを制御する第2制御電極と、
を更に有する
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 a third photoelectric conversion section having lower sensitivity than the first photoelectric conversion section;
a third transfer electrode that transfers charge from the third photoelectric conversion section to the floating diffusion section;
a second control electrode that controls the potential between the first photoelectric conversion section and the third photoelectric conversion section so that charges can move between the first photoelectric conversion section and the third photoelectric conversion section; ,
The photoelectric conversion device according to claim 1, further comprising:
ことを特徴とする請求項14に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 14, wherein the second photoelectric conversion section and the third photoelectric conversion section are arranged so as to surround the first photoelectric conversion section in a plan view.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 2. The potential is controlled such that when illuminance is lower than a predetermined threshold, charges can move between the first photoelectric conversion section and the second photoelectric conversion section. The photoelectric conversion device described.
前記光電変換装置に対応した光学装置、
前記光電変換装置を制御する制御装置、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置、
前記光電変換装置で得られた情報を表示する表示装置、
前記光電変換装置で得られた情報を記憶する記憶装置、及び
前記光電変換装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置、の少なくともいずれかと、
を備えることを特徴とする機器。 A photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 16,
an optical device compatible with the photoelectric conversion device;
a control device that controls the photoelectric conversion device;
a processing device that processes the signal output from the photoelectric conversion device;
a display device that displays information obtained by the photoelectric conversion device;
at least one of a storage device that stores information obtained by the photoelectric conversion device; and a mechanical device that operates based on the information obtained by the photoelectric conversion device;
A device characterized by comprising:
ことを特徴とする請求項17に記載の機器。 The device according to claim 17, wherein the processing device processes image signals generated by a plurality of photoelectric conversion units, respectively, and acquires distance information from the photoelectric conversion device to the subject.
Priority Applications (1)
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US18/323,230 US20230387173A1 (en) | 2022-05-27 | 2023-05-24 | Photoelectric conversion device having expanded dynamic range and transfer electrodes |
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JP2022086894 | 2022-05-27 |
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2022
- 2022-12-23 JP JP2022206388A patent/JP2023174479A/en active Pending
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