JP4071190B2 - 増幅型固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

増幅型固体撮像装置およびその駆動方法 Download PDF

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Description

この発明は、増幅型固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
従来、増幅型固体撮像装置としては、増幅機能を持たせた画素部とその画素部の周辺に配置された走査回路を有し、その走査回路により画素部から画素データを読み出すものが提案されている。特に、画素構成を周辺の駆動回路および信号処理回路と一体化するのに有利なＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型イメージセンサが知られている。
上記ＡＰＳ型イメージセンサは、通常１画素内に光電変換部と増幅部と画素選択部およびリセット部を形成する必要がある。このため、ＡＰＳ型イメージセンサには、通常フォトダイオード(ＰＤ)からなる光電変換部の他に３個〜４個のＭＯＳ型トランジスタ(Ｔr)が用いられている。
図８に１個のフォトダイオード(ＰＤ)と４個のＭＯＳ型トランジスタ(Ｔr)を用いて、ＰＤ＋４Ｔr方式としたＡＰＳ型イメージセンサの構成を示している。このＰＤ＋４Ｔr方式のＡＰＳ型イメージセンサは、例えば文献「I.Inoue et al., IEDM Tech.Digest, pp883 (1999)」に開示されている。
図８に示すＰＤ＋４Ｔr方式のＡＰＳ型イメージセンサは、「ＰＤ」としてフォトダイオード２０１、「４Ｔr」としては、フォトダイオード２０１に蓄積した信号電荷を転送するための転送トランジスタ２０２、リセットトランジスタ２３１、増幅用トランジスタ２３２、画素選択トランジスタ２３３によって構成されている。ここで、フォトダイオード２０１を埋め込み型とし、フォトダイオード２０１からの信号電荷転送を完全とすれば、極めて低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることが可能となることが知られている。
上記転送トランジスタ２０２の駆動パルスはφTで表し、リセットトランジスタ２３１の駆動パルスはφRで表し、画素選択トランジスタ２３３の駆動パルスはφSで表している。また、垂直信号線２３５は、駆動パルスφLが印加される定電流負荷トランジスタ２３４を介して接地され、出力信号ＶSを得る。なお、ＶDDは電源電圧(一定電圧)である。
図９は図８で示したＰＤ＋４Ｔr方式の回路動作を説明するタイミングチャートである。
ｍ行目(ｍは自然数)の各駆動パルスφR(m),φS(m),φT(m)およびm＋１行目の各駆動パルスφR(m+1),φS(m+1),φT(m+1)は、１水平走査期間(１Ｈ)毎に同様の駆動パルス電圧波形が繰り返されるため、m行目の１水平走査期間について説明する。
まず、期間Ｔ1では、リセットトランジスタ２３１のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がハイレベルとなってオン状態となり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、信号電荷蓄積部２０８よりリセットトランジスタ２３１のドレインに電荷移動が起こり、信号電荷蓄積部２０８の電位が電源電圧ＶDDにリセットされる。このとき、定電流負荷トランジスタ２３４のゲートに印加される駆動パルスφLがハイレベルとなってオン状態となると共に、画素選択用トランジスタ２３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルとなってオン状態となる。
次の期間Ｔ2では、リセットトランジスタ２３１のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がローレベルとなってオフ状態となるが、画素選択用トランジスタ２３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルでオン状態のため、信号電荷蓄積部８のリセットレベルが増幅用トランジスタ２３２,画素選択用トランジスタ２３３を介して垂直信号線２３５に読み出される。
次の期間Ｔ3では、画素選択用トランジスタ２３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がローレベルとなってオフ状態となり、転送トランジスタ２０２のゲートに印加される駆動パルスφT(m)がハイレベルとなってオン状態となり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、フォトダイオード２０１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部２０８に転送される。
次の期間Ｔ4では、転送トランジスタ２０２のゲートに印加される駆動パルスφT(m)がローレベルとなってオフ状態となるが、信号電荷蓄積部２０８では信号電荷転送時の電位が保持される。そして、画素選択用トランジスタ２３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルでオン状態のため、信号レベルが増幅用トランジスタ２３２,画素選択用トランジスタ２３３を介して垂直信号線２３５に読み出される。このとき、定電流負荷トランジスタ２３４のゲートに印加される駆動パルスφLがハイレベルとなってオン状態となる。
以上説明した図８の回路構成および図９の回路動作では、１画素当り４個のトランジスタと１個のフォトダイオードを必要とし、画素サイズの小型化に対して制約となる。このため、１画素当りのトランジスタ数を低減する提案がなされている。
図１０は、複数のフォトダイオード２０１および転送トランジスタ２０２に対して、共通の信号電荷蓄積部２０８、リセットトランジスタ２３１、増幅用トランジスタ２３２、画素選択トランジスタ２３３を設けた増幅型固体撮像装置である(例えば、特開平９−４６５９６号公報(特許文献１)参照)。
図１０の増幅型固体撮像装置の動作を図１１のタイミング図で示す。
図１１に示すように、期間Ｔ1では、共通のリセットトランジスタ２３１のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がオン状態となり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、共通の信号電荷蓄積部２０８より共通のリセットトランジスタ２３１のドレインに電荷移動が起こり、信号電荷蓄積部２０８の電位が電源電圧ＶDDにリセットされる。このとき、定電流負荷トランジスタ２３４のゲートに印加される駆動パルスφLがハイレベルとなってオン状態となると共に、画素選択用トランジスタ２３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルとなってオン状態となる。
次の期間Ｔ2では、共通のリセットトランジスタ２３１のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がローレベルとなってオフ状態となるが、共通の画素選択用トランジスタ２３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルとなってオン状態のため、リセットレベルが共通の増幅用トランジスタ２３２,画素選択用トランジスタ２３３を介して垂直信号線２３５に読み出される。
次の期間Ｔ3では、共通の画素選択用トランジスタ２３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がローレベルとなってオフ状態となり、第ｍ行の転送トランジスタ２０２のゲートに印加される駆動パルスφT(m)がハイレベルとなってオン状態となり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため第ｍ行のフォトダイオード２０１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部２０８に転送される。
次の期間Ｔ4では、第ｍ行の転送トランジスタ２０２のゲートに印加される駆動パルスφT(m) がローレベルとなってオフ状態となるが、共通の信号電荷蓄積部２０８では信号電荷転送時の電位が保持され、共通の画素選択用トランジスタ２３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルとなってオン状態のため、第ｍ行の信号レベルが共通の増幅用トランジスタ２３２,画素選択用トランジスタ２３３を介して垂直信号線２３５に読み出される。このとき、定電流負荷トランジスタ３４のゲートに印加される駆動パルスφLがハイレベルとなってオン状態となる。
そうして、１水平走査期間(１Ｈ)の後、第ｍ＋１行目の画素に対して、第ｍ＋１行のフォトダイオード２０１からの信号電荷が、第ｍ＋１行の転送トランジスタ２０２を介して、共通のリセットトランジスタ２３１,増幅用トランジスタ２３２および画素選択用トランジスタ２３３に導かれ、上記期間Ｔ1からＴ4におけると同様の動作が行われる。
以上の図１０,図１１に示す増幅型固体撮像装置の構成および動作において、２画素当り１個の共通部とすると、２.５トランジスタ／画素、４画素当り１個の共通部とすると、１.７５トランジスタ／画素となる。即ち、これらの例では、１画素当りのトランジスタ数を１.５ないし２.２５個削減することが可能となる。
しかしながら、図１０,図１１に示す増幅型固体撮像装置の構成および動作において、次のような問題が生じる。即ち、フォトダイオード２０１からの信号電荷Ｑsigを電圧信号Ｖsigに変換する電荷電圧変換効率ηは、共通の信号電荷蓄積部２０８の容量をＣFDとすると、
η ＝ Ｇ・Ｖsig／Ｑsig ＝ Ｇ／ＣFD ……… (式1)
となる。ここで、Ｇは増幅用トランジスタ２３２と定電流負荷トランジスタ２３４とで構成されるソースフォロワ回路のゲインであり、１より小さい値となる。
上記式１から明らかなように、電荷電圧変換効率ηを大きくするには、容量ＣFDを小さくする必要がある。上記共通の信号電荷蓄積部２０８の容量ＣFDは、信号電荷蓄積部２０８に接続された転送トランジスタ２０２のドレイン側接合容量と増幅トランジスタ２３２のゲート容量の和である。従って、共通の信号電荷蓄積部に接続されるフォトダイオードおよび転送トランジスタの数が多くなる程、転送トランジスタのドレイン接合容量が増大するために、電荷電圧変換効率ηが低下するという問題がある。
特開平９−４６５９６号公報
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズの小型化ができる増幅型固体撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、この発明の増幅型固体撮像装置は、光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、上記光電変換転送部群がマトリクス状に配列され、上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続された複数のスイッチトキャパシタアンプ部と、上記光電変換転送部群の夫々において、上記スイッチトキャパシタアンプ部により上記光電変換転送部毎に上記転送トランジスタを介して上記光電変換素子から信号を読み出す動作を繰り返すように、上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続された反転増幅器と、上記反転増幅器の入出力間に接続されたリセットトランジスタと、上記反転増幅器の入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記反転増幅器の出力側と上記信号線との間に接続された選択トランジスタとを有すると共に、上記スイッチトキャパシタアンプ部の上記反転増幅器は、上記反転増幅器を構成するトランジスタのうちの電源側に、負荷としてのダイオード接続された電源側トランジスタを有することを特徴とする。
上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、上記制御部によって、光電変換転送部群の夫々において、スイッチトキャパシタアンプ部により光電変換転送部毎に転送トランジスタを介して光電変換素子から信号を読み出す動作を繰り返すように、上記転送トランジスタとスイッチトキャパシタアンプ部を制御する。上記光電変換転送部群の夫々の複数の画素に対して共通の増幅回路(スイッチトキャパシタアンプ部)を備えることにより、１画素当りのトランジスタ数を削減することが可能となる。また、上記増幅回路をスイッチトキャパシタ型とすることにより、信号電荷蓄積部の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換ゲインを高めることができる。したがって、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズの小型化ができる。
また、簡単な構成で、上記光電変換転送部群の光電変換素子から転送トランジスタを介して転送された信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部を実現できる。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることが望ましい。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部が、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器の入力側のポテンシャルが深くなるように、上記反転増幅器の接地側端子の電位を制御することを特徴とする。
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記光電変換素子から転送トランジスタを介して信号電荷蓄積部に電荷を転送するとき、上記制御部によって、上記反転増幅器の接地側端子の電位を制御して反転増幅器の入力側(信号電荷蓄積部)のポテンシャルを深くし、信号電荷の転送を容易にする。これにより、特に上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードの場合、フォトダイオードから信号電荷蓄積部への電荷転送を完全にすることが可能となり、読み出しノイズを大幅に低減することが可能となる。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器を構成するトランジスタのうちの上記ダイオード接続された上記電源側トランジスタがデプレッション型であることを特徴とする。
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記反転増幅器を構成するトランジスタのうちの上記ダイオード接続された電源側トランジスタを閾値電圧がより小さいデプレッション型とすることにより、反転増幅器のゲインをより大きくすることができると共に、反転増幅器の接地端子側をハイレベルとしたときの反転増幅器の入力側のポテンシャルを深くする効果が大きくなる。
さらにまた、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、オフ時の上記転送トランジスタのチャネル領域のポテンシャルおよびオフ時の上記リセットトランジスタのチャネル領域のポテンシャルが基板電位より深く、かつ、オフ時の上記リセットトランジスタのチャネル領域のポテンシャルがオフ時の上記転送トランジスタのチャネル領域のポテンシャルより深くすることにより、特定のフォトダイオードに過大光が入射した場合に過剰に発生した信号電荷を、転送トランジスタおよびリセットトランジスタを介して反転増幅器の出力側へ排出することが可能となる。従って、過剰に発生した信号電荷が隣接するフォトダイオードへ溢れてブルーミングを発生することを抑えることが可能となる。
また、この発明の増幅型固体撮像装置の駆動方法は、上記増幅型固体撮像装置を駆動する増幅型固体撮像装置の駆動方法であって、上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオンして、リセット動作を行う第１ステップと、上記第１ステップの後に、上記リセットトランジスタをオフして、上記スイッチトキャパシタアンプ部の選択トランジスタがオン状態で上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器から出力されるリセットレベルの読み出し動作を行う第２ステップと、上記第２ステップの後に、上記選択トランジスタをオフし、上記光電変換転送部の転送トランジスタをオンして、上記光電変換転送部から上記スイッチトキャパシタアンプ部に電荷転送を行う第３ステップと、上記第３ステップの後に、上記選択トランジスタをオンして、上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器から出力される信号レベルの読み出し動作を行う第４ステップとを有し、上記光電変換転送部群の夫々において、上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に接続された上記光電変換転送部毎に上記第１ステップから上記第４ステップまでの動作を繰り返すことにより、上記光電変換転送部群の各光電変換素子から信号を読み出すことを特徴とする。
上記増幅型固体撮像装置の駆動方法によれば、上記構成の増幅型固体撮像装置の画素毎の信号電荷の転送を確実に区別して行うことができる。また、画素の光電変換転送部の結線やタイミングを発生させる回路を簡単に構成できる。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置の駆動方法は、上記第３ステップにおいて、上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器の入力側のポテンシャルが深くなるように、上記反転増幅器の接地側端子の電位を制御することを特徴とする。
上記実施形態の増幅型固体撮像装置の駆動方法によれば、上記反転増幅器の接地側端子をハイレベルにすることにより、信号電荷蓄積部の電位を深くすることが可能となり、電荷の転送を完全化することが可能となる。
以上より明らかなように、この発明の増幅型固体撮像装置およびその駆動方法によれば、複数の画素に共通のスイッチトキャパシタ型のアンプを用いることにより、１画素当りのトランジスタ数を大幅に削減することが可能となる。例えば８画素に共通のスイッチトキャパシタ型のアンプを用いた場合、１画素当りのトランジスタ数は４個から１.５個となる。これにより、画素サイズの縮小に極めて有利となる。更に、フォトダイオードを埋め込み型とすると共に、フォトダイオードからの信号電荷転送を高める動作が可能となり、完全電荷転送化により極めて低ノイズの画像を得ることが可能となる。
以上により、小型で高性能なイメージセンサの形成に本発明の増幅型固体撮像装置は極めて有用となる。
以下、この発明の増幅型固体撮像装置およびその駆動方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての２次元増幅型固体撮像装置の要部の回路構成を示す回路図であり、この２次元増幅型固体撮像装置は、複数の画素をマトリックス状に２次元配列している。図１において、１０は全ての画素に存在する光電変換転送部、２０は上記光電変換転送部１０からの信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部、２５は制御部の一例としての垂直走査回路である。図１では、複数行,複数列の光電変換転送部１０のうちのｉ列目とｉ＋１列目の２列のみを示しており、各列において光電変換転送部群としてのｋ個の光電変換転送部１０毎にスイッチトキャパシタアンプ部２０を接続している。但し、ｋ,ｉは２以上の整数である。
上記光電変換転送部１０は、アノードがグランドに接続された光電変換素子の一例としてのフォトダイオード１と、上記フォトダイオード１のカソードにドレインが接続された転送トランジスタ２からなる。また、上記スイッチトキャパシタアンプ部２０は、トランジスタ３とトランジスタ４からなる反転増幅器９と、上記反転増幅器９の入出力間に挿入されたリセットトランジスタ６およびキャパシタンス素子の一例としてのキャパシタ７と、反転増幅器９の出力側と垂直信号線１１との間に挿入された選択トランジスタ５からなる。また、上記反転増幅器９の入力側は、ｋ個の光電変換転送部１０の出力側(転送トランジスタ２のソース)が共通接続された信号電荷蓄積部８となる。ここで、信号電荷蓄積部８の容量をＣFD、キャパシタ７の容量をＣinで表す。なお、図１において、信号電荷蓄積部８は、スイッチトキャパシタアンプ部２０の入力端から各転送トランジスタ２の出力側まで延びている。
また、図１において、２１は転送トランジスタ駆動信号ライン、２２は選択トランジスタ駆動信号ライン、２３はリセットトランジスタ駆動信号ライン、２４はスイッチトキャパシタアンプ接地側信号ラインである。上記転送トランジスタ駆動信号ライン２１を、行方向に配列された各光電変換転送部１０の転送トランジスタ２のゲートに接続している。また、上記選択トランジスタ駆動信号ライン２２を、スイッチトキャパシタアンプ部２０の選択トランジスタ５のゲートに接続している。また、上記リセットトランジスタ駆動信号ライン２３を、スイッチトキャパシタアンプ部２０の反転増幅器９の接地側端子に接続している。また、上記スイッチトキャパシタアンプ接地側信号ライン２４を、スイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ６のゲートに接続している。
図１において、上側がｎ番目(ｎは整数)の光電変換転送部群およびスイッチトキャパシタアンプ部２０であり、下側がｎ＋１番目の光電変換転送部群およびスイッチトキャパシタアンプ部２０である。ｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０に接続された１行目の画素を(ｎ,１)、２行目の画素を(ｎ,２)、…、ｋ行目の画素を(ｎ,ｋ)で表す。従って、２次元増幅型固体撮像装置が垂直方向にｐ個のスイッチトキャパシタアンプ部２０からなる場合、垂直方向には全部でｎ×ｐ個の画素からなる。(ｎ,１)画素、(ｎ,２)画素、…、(ｎ,ｋ)画素の転送トランジスタ２のゲートには、それぞれ垂直走査回路２５からの駆動パルスφT(ｎ,１)、φT(ｎ,２)、…、φT(ｎ,ｋ)が転送トランジスタ駆動信号ライン２１を介して印加される。
また、ｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ６のゲートに駆動パルスφR(ｎ)がリセットトランジスタ駆動信号ライン２３を介して印加され、選択トランジスタ５の駆動パルスφS(ｎ)が選択トランジスタ駆動信号ライン２２を介して印加される。
また、上記反転増幅器９のハイ側トランジスタ４のベースとドレインに一定電圧の電源ＶDDが印加され、反転増幅器９のロー側トランジスタ３のソースに駆動パルスφSS(ｎ)がスイッチトキャパシタアンプ接地側信号ライン２４を介して印加される。
そうして、i列目の出力信号線１１からは出力信号Ｖs,iが得られ、i＋１列目の出力信号線１１からは出力信号Ｖs,i+1が得られる。
図２は図１で示した２次元増幅型固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
期間Ｔ1では、ｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ６に印加される駆動パルスφR(ｎ)がハイレベルとなり、リセットトランジスタ６がオン状態となって、反転増幅器９の入出力間が短絡され、信号電荷蓄積部８の電位が、後述する理由(図４(a),(b)の説明参照)により一定電圧Ｖoにリセットされる。
次の期間Ｔ2では、駆動パルスφR(ｎ)がローレベルとなりリセットトランジスタ６はオフ状態となるが、駆動パルスφS(ｎ)がハイレベルのため、選択トランジスタ５はオン状態となる。また、反転増幅器９のハイ側トランジスタ４のゲートがハイレベルとなり、ロー側トランジスタ３のソースが接地電位となるため、反転増幅器９は信号電荷蓄積部８の電位を反転増幅し、選択トランジスタ５を介してリセットレベルが垂直信号線１１に読み出される。
次の期間Ｔ3Bでは、駆動パルスφS(ｎ)がローレベルとなり、選択トランジスタ５はオフとなる。また、(ｎ,１)行目の画素に印加される駆動パルスφT(ｎ,１)がハイレベルとなり、ゲートのポテンシャル電位が上がるため、(ｎ,１)行目の画素のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部８に転送される。更にこの時、反転増幅器９のロー側トランジスタ３のソース電位(駆動パルスＶSS(ｎ))がハイレベルとなることにより、上記トランジスタ３のゲート側電位が上昇する。即ち、信号電荷蓄積部８の電位が上昇することにより、信号電荷(電子)に対する信号電荷蓄積部８のポテンシャルが深くなって、フォトダイオード１から信号電荷蓄積部８への電荷転送が促進され、完全電荷転送化が可能となる。
次の期間Ｔ4では、駆動パルスφT(ｎ,１)がローレベルとなり転送トランジスタ２はオフ状態となり、反転増幅器９のロー側トランジスタ３のソース電位(駆動パルスＶSS(ｎ))が接地電位に戻り、信号電荷蓄積部８では期間Ｔ2での電位から信号電荷転送による変化分ずれた電位が保持され、駆動パルスφS(ｎ)がハイレベルでオン状態のため、信号レベルが反転増幅器９で増幅され、選択トランジスタ５を介して垂直信号線１１に読み出される。
なお、図２おいて、期間Ｔ3Bは選択トランジスタ５がオフとなる期間であり、期間Ｔ3Aは反転増幅器９の接地側端子をハイレベルとする期間である。反転増幅器９の接地側端子をハイレベルにするとき、選択トランジスタ５がオンであると、垂直信号線１１が負荷となって出力信号Ｖout(図５)がすばやく立ち上がることができず、出力信号Ｖoutが立ち上がらないと、キャパシタ７の容量Ｃnを介して結合した入力側電位(信号電荷蓄積部８の電位)ＦＤ(n)をすばやく上げることができなくなる。すなわち、上記スイッチトキャパシタアンプ部２０の信号電荷蓄積部８のポテンシャルを深くすることが困難になることから、反転増幅器９の接地側端子をハイレベルとする期間は、選択トランジスタ５が確実にオフであるようにするのが望ましい。
なお、図２のタイミングチャートの電位ＦＤ(n)の点線で示されているレベル変化は、光電変換転送部１０で発生した信号電荷が大きい場合を示している。
以上の動作により、垂直信号線１１における期間Ｔ2の信号と期間Ｔ4の信号との差信号を取れば、(ｎ,１)行目の画素に入射した光により発生した電荷による実効的な信号が読み出される。ここで、「実効的な信号」とは「オフセット電圧がキャンセルされた正味の信号」のことである。一般的にアンプの出力電圧は、アンプ毎にオフセット電圧がばらつき、そのまま読み出すと、アンプ毎のオフセット電圧ばらつきが画像に表れ、ザラザラした固定パターンノイズが発生する。このとき、期間Ｔ2の信号と期間Ｔ4の信号には同じオフセット電圧ばらつきがあるため、両者の差信号(図２でΔＶout)を取ることによりばらつきを消している(相関２重サンプリング法)。
図３は、図１における１画素の断面およびスイッチトキャパシタアンプ部を示す図である。なお、ここでは信号電荷が電子の場合について説明するが、正孔の場合についても極性を逆にすることにより同様に議論することが可能である。
図３に示すように、ｐ型の半導体基板１００にｎ層１０１が形成され、ｎ層１０１上を高濃度のｐ+層１０２で覆われており、ｎ層１０１は埋め込みフォトダイオードの信号蓄積領域となる。また、高濃度のｎ+層１０３は電荷蓄積部である。トランスファゲート電極１０４に印加される駆動パルスΦT(n,1)がハイレベルになると、転送トランジスタ(１０１,１０３,１０４で形成)を介してフォトダイオードのｎ層１０１の信号電荷が高濃度のｎ層１０３に転送される。上記高濃度のｎ層１０３に転送された信号電荷は、入出力間にキャパシタ１０７が接続された反転増幅器１０８により増幅され、選択トランジスタ１０９を介して出力信号が垂直信号線(図示せず)に出力される。また、リセットゲート電極１０５に印加される駆動パルスΦR(n)がハイレベルになると、高濃度のｎ+層１０３の電荷は、リセットトランジスタ(１０３,１０５,１０６で形成)により高濃度のｎ+層１０６に排出されて、高濃度のｎ+層１０３の電位がリセットされる。
また、図４は、図１における反転増幅器９の動作を示したもので、図４(a)は回路構成図、図４(b)は入出力の関係を示す図である。図４(a)のロー側トランジスタＴＲ１、ハイ側トランジスタＴＲ２のチャネル長、チャネル幅をそれぞれ、Ｌ1,Ｗ1,Ｌ2,Ｗ2とすると、ゲインＧは次式で表される。
Figure 0004071190
 但し、Ｋ＝Ｃｏ／(Ｃｏ＋Ｃｂ)、Ｃｏ：ゲート・チャネル間容量、Ｃｂ：チャネル・バルク間容量である。上記(式２)より、(Ｗ1/Ｌ1)／(Ｗ2/Ｌ2)を大きくするほどゲインＧは増大する。
図４(b)において、入力信号ＶinがトランジスタＴＲ１の閾値電圧Ｖth1(ゲート電位から見た閾値電圧)を越えると、出力信号Ｖoutが低下し始める。上記出力信号Ｖoutの開始電圧は、電源電圧ＶDDからトランジスタＴＲ２の閾値電圧Ｖth2(ソース電位から見た閾値電圧)だけ低下した値である。
ゲインＧは、上記(式２)に従い、可能な限り大きい値とする。ゲインＧが十分大であれば、図１において、トランジスタ３および４で構成される反転増幅器９、リセットスイッチ６、キャパシタ７はスイッチトキャパシタアンプを構成することになる。従って、信号電荷蓄積部８の信号電荷は、キャパシタ７(容量Ｃn)に転送され、蓄積される。即ち、信号電荷を電圧に変換する容量は実効的にＣFDからＣnになり、ＣFD≫Ｃnとすることにより上記(式１)で表される電荷電圧変換効率ηを大きくすることが可能となる。
ここで、反転増幅器９の入出力間を短絡すると、信号電荷蓄積部８の電位が電位Ｖoに固定される。即ち、入力側電位がＶoにリセットされることになる。
図４(b)において、トランジスタＴＲ２をデプレッション型とし、閾値電圧Ｖth2をより小さい値Ｖth2’とすると、出力側の信号振幅を拡大できると共に、ゲインも若干増大させることが可能となる。また、詳細な理由は省くが、図２において、駆動パルスＶSS(ｎ)を０ＶからＶDDにした時の信号電荷蓄積部８の電位上昇をより拡大することができ、フォトダイオード１から電荷検出部８への電荷転送が一層促進される。
図５(a),(b)は、トランジスタＴＲ１,ＴＲ２により構成される反転増幅器(図１の反転増幅器９に相当)の接地側端子の電位を接地電位と電源電位ＶDDの間で変動させることにより、入力ゲート電位Ｖinを高める手法を示した図である。上記トランジスタＴＲ１の入力ゲート電位Ｖinは、図４のＶoに近い電位であり、トランジスタＴＲ１の閾値電圧Ｖth1より高い電圧である。トランジスタＴＲ２がオン状態のまま、ソース電位ＶSSを接地電位(０Ｖ)から電源電圧ＶDDに高めると、トランジスタＴＲ１の電流は、オン領域からサブスレッショルド領域を経てオフ領域に至る。トランジスタＴＲ２の電流はトランジスタＴＲ１の電流と等しいから、トランジスタＴＲ２も同様の経過をたどる。これにより出力電圧Ｖoは、トランジスタＴＲ２の閾値電圧まで上昇することになる。図１に示す信号電荷蓄積部８は、電圧Ｖoが出力された反転増幅器９の出力側とキャパシタ７(容量Ｃｎ)を介して接続されているから、Ｖoの電位上昇は信号電荷蓄積部８の電位上昇をもたらす。即ち、フォトダイオード１から信号電荷蓄積部８への電荷転送が容易となる。
図６は、本実施の形態の２次元増幅型固体撮像装置においてブルーミングを抑圧する手法を示したものである。ここで、図６(a)は画素断面およびスイッチトキャパシタアンプ部を示し、図６(b)はそのポテンシャル分布を示し、図５(c)は反転増幅器の入出力の関係を示している。なお、この図６(a)に示す画素断面およびスイッチトキャパシタアンプ部は、選択トランジスタを省略しているのを除いて図３に示す画素断面およびスイッチトキャパシタアンプ部と同一の構成をしている。
図６(b)において、オフ時の転送トランジスタ(１０１,１０３,１０４で形成)のチャネル領域のポテンシャルおよびオフ時のリセットトランジスタ(１０３,１０５,１０６で形成)のチャネル領域のポテンシャルをそれぞれＶTL、ＶRLで表したとき、
０ ＜ ＶTL ＜ ＶRL
となるよう設定される。このため、特定のフォトダイオードに過大光が入射した場合に過剰に発生した信号電荷は、転送トランジスタ(１０１,１０３,１０４で形成)およびリセットトランジスタ(１０３,１０５,１０６で形成)を介して、反転増幅器１０８の出力側へ接続される。このとき、図６(c)に示すように、反転増幅器１０８の入力側のポテンシャルはＶRLとなり、その出力側のポテンシャルはＶ1となって、電位が高くインピーダンスが低い状態になっている。従って、過剰に発生した信号電荷が隣接するフォトダイオードへ溢れてブルーミングを発生することを抑えることが可能となる。
以上の説明においては、スイッチトキャパシタアンプ部２０に接続される光電変換転送部群(複数の光電変換転送部１０)は、配列方向が垂直方向の場合についてであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、配列方向が水平方向であってもよいし、水平方向と垂直方向に２次元配列されたものでもよい。しかし、これらの場合には回路構成も変わるので、それに対応した駆動パルスのタイミングチャートにする必要がある。
例えば、図７は、垂直方向にｋ個、水平方向に２個の光電変換転送部１０が１つのスイッチトキャパシタアンプ部２０に接続された２次元増幅型固体撮像装置の要部の回路図を示す。なお、図１の２次元増幅型固体撮像装置と同一構成部は、同一参照番号を付して説明を省略する。
この２次元増幅型固体撮像装置と図１の２次元増幅型固体撮像装置との相違は、奇数列の光電変換転送部１０と偶数列の光電変換転送部１０とで転送トランジスタ２の駆動パルスを分け、φT(ｎ，O１)、φT(ｎ，O2)、φT(ｎ，Oｋ)、およびφT(ｎ，E１)、φT(ｎ，E2)、φT(ｎ，Eｋ)のようにしたことである。これにより、共通のスイッチトキャパシタアンプ部２０に接続された同一行上の光電変換転送部１０を、区別して読み出すことが可能となる。
図１は本発明の一実施形態による２次元増幅型固体撮像装置の要部の回路構成を示す回路図である。 図２は上記２次元増幅型固体撮像装置における駆動パルスのタイミングチャートである。 図３は上記２次元増幅型固体撮像装置における画素の断面およびスイッチトキャパシタアンプ部を示す図である。 図４は上記２次元増幅型固体撮像装置における反転増幅器の動作説明図である。 図５は上記２次元増幅型固体撮像装置における反転増幅器の昇圧動作を説明するための図である。 図６(a)は図１に示す増幅型固体撮像装置における画素の他の例の断面図を示し、図６(b)はポテンシャル分布図を示し、図６(c)は反転増幅器の入出力電圧の関係を示す図である。 図７は本発明の他の実施形態による２次元増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。 図８は従来の増幅型固体撮像装置における複数画素の回路図である。 図９は上記増幅型固体撮像装置における駆動パルスのタイミングチャートである。 図１０は従来の他の増幅型固体撮像装置における複数画素の回路図である。 図１１は上記増幅型固体撮像装置における駆動パルスのタイミングチャートである。
符号の説明
１…フォトダイオード
２…転送トランジスタ
３…トランジスタ
４…トランジスタ
５…選択トランジスタ
６…リセットトランジスタ
７…キャパシタ
８…信号電荷蓄積部
９…反転増幅器
１０…光電変換転送部
１１…垂直信号線
２０…スイッチトキャパシタアンプ部
２１…転送トランジスタ駆動信号ライン
２２…選択トランジスタ駆動信号ライン
２３…リセットトランジスタ駆動信号ライン
２４…スイッチトキャパシタアンプ接地側信号ライン
２５…垂直走査回路
１００…ｐ型の半導体基板
１０１…ｎ層
１０２…高濃度のｐ+層
１０３…高濃度のｎ+層
１０４…トランスファゲート電極
１０５…リセットゲート電極
１０６…高濃度のｎ+層
１０７…キャパシタ
１０８…反転増幅器
１０９…選択トランジスタ

Claims (7)

  1. 光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
    上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、
    上記光電変換転送部群がマトリクス状に配列され、
    上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続された複数のスイッチトキャパシタアンプ部と、
    上記光電変換転送部群の夫々において、上記スイッチトキャパシタアンプ部により上記光電変換転送部毎に上記転送トランジスタを介して上記光電変換素子から信号を読み出す動作を繰り返すように、上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、
    上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続された反転増幅器と、上記反転増幅器の入出力間に接続されたリセットトランジスタと、上記反転増幅器の入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記反転増幅器の出力側と上記信号線との間に接続された選択トランジスタとを有すると共に、
    上記スイッチトキャパシタアンプ部の上記反転増幅器は、上記反転増幅器を構成するトランジスタのうちの電源側に、負荷としてのダイオード接続された電源側トランジスタを有することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
  2. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
  3. 請求項１または２に記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器の入力側のポテンシャルが深くなるように、上記反転増幅器の接地側端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
  4. 請求項１から３までのいずれか１つに記載の増幅型固体撮像装置において、
    上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器を構成するトランジスタのうちの上記ダイオード接続された上記電源側トランジスタがデプレッション型であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
  5. 請求項１または２に記載の増幅型固体撮像装置において、
    オフ時の上記転送トランジスタのチャネル領域のポテンシャルおよびオフ時の上記リセットトランジスタのチャネル領域のポテンシャルが基板電位より深く、かつ、オフ時の上記リセットトランジスタのチャネル領域のポテンシャルがオフ時の上記転送トランジスタのチャネル領域のポテンシャルより深いことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
  6. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置を駆動する増幅型固体撮像装置の駆動方法であって、
    上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオンして、リセット動作を行う第１ステップと、
    上記第１ステップの後に、上記リセットトランジスタをオフして、上記スイッチトキャパシタアンプ部の選択トランジスタがオン状態で上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器から出力されるリセットレベルの読み出し動作を行う第２ステップと、
    上記第２ステップの後に、上記選択トランジスタをオフし、上記光電変換転送部の転送トランジスタをオンして、上記光電変換転送部から上記スイッチトキャパシタアンプ部に電荷転送を行う第３ステップと、
    上記第３ステップの後に、上記選択トランジスタをオンして、上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器から出力される信号レベルの読み出し動作を行う第４ステップとを有し、
    上記光電変換転送部群の夫々において、上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に接続された上記光電変換転送部毎に上記第１ステップから上記第４ステップまでの動作を繰り返すことにより、上記光電変換転送部群の各光電変換素子から信号を読み出すことを特徴とする増幅型固体撮像装置の駆動方法。
  7. 請求項６に記載の増幅型固体撮像装置の駆動方法において、
    上記第３ステップにおいて、上記スイッチトキャパシタアンプ部の反転増幅器の入力側のポテンシャルが深くなるように、上記反転増幅器の接地側端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置の駆動方法。
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