JP4336544B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラ等に使用されるＭＯＳ型の固体撮像装置に関する。

従来、この種の固体撮像装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがあった。
図４は、特許文献１に記載された従来の固体撮像装置において二次元状に配列された基本回路の１つの構成を示す。図５はその基本回路のタイミングチャートを示している。図４において、光電変換部１０１は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合を有するホトダイオード等からなり、その一方の端子は逆バイアスを与えるための基準電位に保持され、他方の端子は転送スイッチ１０２に接続されている。図４ではホトダイオードのカソードが転送スイッチ１０２に接続され、電子が転送スイッチ１０２を介して拡散領域１０６に転送される構成を示している。

リセットスイッチ１０３は、一方の端子はリセット用の電圧を与えるための基準電圧源ＶＤＤに接続されている。トランジスタ１０４は、その入力端子としてのゲートに入力された信号に応じて増幅された信号を出力する為の増幅部である。選択スイッチ１０５は、信号を読み出すべき画素を選択するためのスイッチである。選択スイッチ１０５のゲートには、図５に示すようなパルス信号が入力される。

この装置の動作は、図５に示すとおり、まず、リセットスイッチ１０３のゲートにパルスΦＲＳＴのハイレベルを入力してリセットスイッチ１０３をオンにする。これにより、拡散領域１０６を電圧ＶＤＤにリセットする。次に、転送スイッチ１０２のゲートにパルスΦＴＸのハイレベルを入力して転送スイッチ１０２をオンにする。これにより、光電変換部１０１をリセットする。このとき、リセットスイッチ１０３がオンしたままであるので、電荷が拡散領域１０６に転送される。そして、転送スイッチ１０２をオフして、光電変換部１０１と拡散領域１０６とを分離する。光電変換部１０１に残留していた電荷は全て拡散領域１０６に転送されているので光電変換部１０１は完全に空乏化する。この転送スイッチ１０２のオフによって、光電変換部１０１への光電荷の蓄積が開始する。続いて、リセットスイッチ１０３をオフする。一定時間電荷の蓄積を行った後、転送スイッチ１０２を再びオンして、光電変換部１０１に蓄積された電荷を浮遊拡散領域１０６に転送する。そして、転送スイッチ１０２をオフした後、選択スイッチ１０５のゲートに選択パルスΦＴを入力してトランジスタ１０４により増幅された信号を読み出す。
特開２０００−２０１３００号公報（第１図）

しかしながら、上記従来技術における固体撮像装置によれば、拡散領域に転送された電荷のリークが発生するという問題がある。

より詳しくは、転送スイッチのゲートーソース間の容量、リセットスイッチのゲートーソース間の容量のカップリングに起因して、ΦＴＸがハイレベルに立ち上がると、リセットスイッチのゲートがローレベルを０Ｖ近くに維持できず（つまり０ボルトから数１００ｍＶ程度浮いた状態になり）、リセットスイッチが完全な非導通状態ではなくなってしまう（不完全な導通状態になる）。また、ΦＲＳＴがハイレベルに立ち上がると、同様に、転送スイッチのゲートが完全なローレベルを維持できず、転送スイッチが完全な非導通状態ではなくなってしまう。
その結果、拡散領域の電荷がリークしてしまい、感度が劣化するという問題がある。

上記課題に鑑み本発明は、電荷リークを防止し、感度劣化を生じさせない固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、光電変換素子と、光電変換素子から信号電荷を転送する転送スイッチと、信号電荷をリセットするリセットスイッチと、転送された信号電荷を増幅する増幅器とを備える固体撮像装置であって、転送スイッチ及びリセットスイッチの少なくとも一方のスイッチの導通及び非導通を制御する制御信号線に対して、当該スイッチの非導通状態を固定するための固定化電圧を重畳する固定手段を備え、前記固定手段は、前記転送スイッチを制御する制御信号線に前記固定化電圧を重畳して印加する第１スイッチングトランジスタと、前記リセットスイッチを制御する制御信号線に前記固定化電圧を重畳して印加する第２スイッチングトランジスタとを有し、前記第１スイッチトランジスタは、前記リセットスイッチを制御する制御信号線により制御され、前記第２スイッチトランジスタは、前記転送スイッチを制御する制御信号線により制御される。

この構成によれば、前記スイッチの非導通状態を固定するので、スイッチにおける電荷リークを防止することができ、さらに感度の劣化を防止することができる。
ここで、前記固定手段は、前記制御信号線に前記固定化電圧を重畳して印加するスイッチングトランジスタである構成としてもよい。

ここで、前記一方のスイッチはＮＭＯＳトランジスタである構成としてもよい。
ここで、前記固定化電圧は０Ｖとしてもよい。
ここで、前記固定化電圧は負の電圧としてもよい。

ここで、前記固定手段を、行列状に配列された光電変換素子の各行に少なくとも１つ備える構成としてもよい。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置を備えるカメラについても、上記と同様の構成、作用、効果を有する。

本発明の固体撮像装置によれば、転送スイッチ及びリセットスイッチの少なくとも一方が非導通状態にあるとき、その非導通状態を固定することができるので、スイッチにおける電荷リークを防止することができ、さらに感度の劣化を防止することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置を構成を示すブロック図である。
この固体撮像装置は、画素行を選択する垂直シフトレジスタ１８と、画素列を選択する水平シフトレジスタ１９と、行列状に配列された複数の単位画素部９を有する撮像領域１０と、行毎に転送信号線７に接続されたスイッチ１２と、行毎にリセット信号線８ΦＲＸＴに接続されたスイッチ１３と、各種駆動用のパルス信号を発生するタイミング発生回路２０とを備える。また、転送信号線７に出力される転送信号をΦＴＸ、リセット信号線８に出力されるリセット信号をΦＲＳＴ、電源信号線に印加される電源信号をＶＤＤＳＥＬと記す。

スイッチ１２は、ＮＭＯＳトランジスタで構成され、単位画素部９内の転送スイッチ２のゲートの電位を基準電位（本実施の形態では０Ｖ）に固定する役割を有し、これにより上記ゲートがローレベルであるときの電位が（数１０ｍＶ〜数１００ｍＶ）浮くことを防止し、拡散領域のリークを防止している。また、スイッチ１３は、ＮＭＯＳトランジスタで構成され、単位画素部９内のリセットスイッチ３のゲートの電位を基準電位（本実施の形態では０Ｖ）に固定する役割を有し、これにより上記ゲートがローレベルであるときの電位が（数１０ｍＶ〜数１００ｍＶ）浮くことを防止し、拡散領域のリークを防止している。

各単位画素部９は、光電変換部１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、増幅部４、拡散領域５を有する。

光電変換部１は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合を有するホトダイオード等からなり、その一方の端子は逆バイアスを与えるためのＧＮＤに保持され、他方の端子は転送スイッチ２に接続されている。図１はカソードが転送スイッチ２に接続され電子が転送される構成を示している。リセットスイッチ３のドレインは電源信号端子６に接続されて、ソースは増幅部４のゲートに接続される。増幅部４は入力端子としてのゲートに入力された信号に応じて増幅された信号を出力する為の増幅トランジスタである。増幅部４のドレインは電源信号端子６に、ソースは共通垂直信号線１１に接続される。

スイッチ１２は、ＮＭＯＳトランジスタで構成され、そのドレインは各単位画素の転送スイッチのゲートに、ソースは基準電圧Ｖ２（本実施例では０Ｖ）に、ゲートは転送信号線７に接続される。

スイッチ１３はＮＭＯＳトランジスタで構成され、そのドレインは各単位画素のリセットスイッチ３のゲートに、ソースは基準電圧Ｖ１（本実施例では０Ｖ）に、ゲートはリセット信号線８に接続される。基準電圧Ｖ１、Ｖ２は、転送スイッチ、リセットスイッチの非導通状態をさらに強固に固定するために、転送スイッチ、リセットスイッチのゲートに印加される制御信号線に重畳される固定化用の電圧である。

なお、図１では、単位画素部９は、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、増幅部４の３トランジスタ構成としているが、図４と同様に４トランジスタ構成としてもよく、本発明を同様に適用できる。図１の３トランジスタ構成では、図４の選択スイッチ１０５を備えない代わりに、電源信号端子６をパルス駆動することより選択するよう構成されている。

図２は固体撮像装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。同図では、第Ｎ行に対応するリセット信号ΦＲＳＴ、転送信号ΦＴＸ、電源信号ＶＤＤＳＥＬ、スイッチ１２のドレイン出力、スイッチ１３のドレイン出力を図示している。

Ｎ行目のリセット信号ΦＲＳＴのパルスは、期間Ｔ中の期間ｔ１、ｔ３でハイレベルになり、図１中のリセットスイッチ３のゲートとスイッチ１２のゲートに印加される。
Ｎ行目の転送信号ΦＴＸのパルスは、期間Ｔ中の期間ｔ２でハイレベルになり、図１中の転送スイッチ２のゲートとスイッチ１３のゲートに印加される。
Ｎ行目の電源パルスＶＤＤＳＥＬは、期間Ｔ中の期間ｔ４でローレベルになり、電源信号端子６に印加される。

期間ｔ１でリセットパルスΦＲＳＴがハイレベル、転送パルスΦＴＸがローレベルになる。このリセットパルスΦＲＳＴのハイレベルがリセットスイッチ３のゲートに伝わり、リセットスイッチ３が導通状態になり拡散領域５が電源レベルにセットされる。
これととともに、リセットパルスΦＲＳＴのハイレベルがスイッチ１２のゲートに伝わり、スイッチ１２が導通状態になる。スイッチ１２が導通することにより基準電圧Ｖ１（０Ｖ）が転送スイッチ２の導通／非導通を制御する制御信号線（つまり転送信号線７）に重畳される。転送スイッチ２のゲートが基準電圧Ｖ１であることより転送スイッチ２は完全に非導通状態になり光電変換部１の電荷は拡散領域５には転送されない。一方、転送パルスΦＴＸのローレベルによりスイッチ１３は非導通状態である。
この時点での拡散領域５の電位は増幅部４で増幅され共通垂直信号線１１に出力される。この電圧をＶＤとする。

次に期間ｔ２で転送パルスΦＴＸがハイレベル、リセットパルスΦＲＳＴがローレベルになる。転送パルスΦＴＸのハイレベルが転送スイッチ２のゲートに伝わることにより転送スイッチ２が導通状態になる。導通状態の転送スイッチ２を通って光電変換部１の電荷が拡散領域５に転送される。
これととともに、転送パルスΦＴＸのハイレベルがスイッチ１３のゲートに伝わり、スイッチ１３が導通状態になる。スイッチ１３が導通することにより基準電圧Ｖ２（０Ｖ）がリセットスイッチ３の導通／非導通を制御する制御信号線（つまりリセット信号線８）に重畳される。リセットスイッチ３のゲートが基準電圧Ｖ２（０Ｖ）であることによりリセットスイッチ３は完全に非導通状態になり電源信号の電圧は拡散領域５には転送されない。一方、リセットパルスΦＲＳＴがローレベルのためスイッチ１２は非導通状態である。

この時点での拡散領域５の電位が増幅部４で増幅され共通垂直信号線１１に出力される。この電圧をＶＰとする。期間ｔ２のＶＰと期間ｔ１のＶＤの差分が光電変換部１の電荷、すなわち光電変換信号であり、出力信号線２１より出力される。電源がLOWのｔ４期間にリセットパルスΦＲＳＴを印加してＮ行目の選択を解除する。

以上説明してきたように、スイッチ１２によって転送スイッチ２のゲート電圧を基準電圧Ｖ２（０Ｖ）に固定するので、リセットスイッチ３のゲートーソース間容量、転送スイッチ２のゲートーソース間容量のカップリングによる転送スイッチ２のゲート電圧の上昇を防止することができる。また、スイッチ１３によってリセットスイッチのゲート電圧を基準電圧Ｖ１（０Ｖ）に固定するので、転送スイッチ２のゲートーソース間容量、リセットスイッチ３のゲートーソース間容量のカップリングによるリセットスイッチ３のゲート電圧の上昇を防止することができる。その結果、拡散領域からのリークが防止され、感度を向上させることができる。
なお、基準電圧Ｖ１、Ｖ２は０Ｖとしたがローレベルとしてもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１では基準電圧Ｖ１、Ｖ２が０Ｖである例を説明した。これに対して、本実施の形態では、基準電圧Ｖ１、Ｖ２が負の電圧である場合について説明する。

本実施の形態における固体撮像装置の構成は、図１と同様である。ただし、スイッチ１２、１３に印加される基準電圧Ｖ１、Ｖ２の値が負の値（例えば−１Ｖでよい）である点が異なっている。

図３は、固体撮像装置を駆動するタイミングチャートを示す。
リセットパルスΦＲＳＴ、転送パルスΦＴＸ、電源信号ＶＤＤＳＥＬは図１の第１の実施例と同じタイミングであり、接続も同じである。スイッチ１２のドレイン出力は、期間ｔ１以外はハイインピーダンス（図中のＨｉ−Ｚ）であるが期間ｔ１内は負のレベル（図中の−ＶＳ）である。また、スイッチ１３のドレイン出力は、期間ｔ２以外はハイインピーダンスであるが期間ｔ２内は負のレベル（図中の−ＶＳ）である。

期間ｔ１ではリセットパルスΦＲＳＴがリセットスイッチ３に印加され、基準電圧の負レベルがスイッチ１２を通して転送スイッチ２のゲートに印加される。これにより、リセットスイッチ３のゲートーソース間容量、転送スイッチ２のゲートーソース間容量のカップリングによる転送スイッチ２のゲート電圧の上昇をより確実に防止するので、転送スイッチ２をより確実に非導通状態にすることができる。

また、期間ｔ２では転送パルスΦＴＸが転送スイッチ２に印加され、基準電圧の負レベルがスイッチ１３を通してリセットスイッチのゲートに印加される。これにより、転送スイッチ２のゲートーソース間容量、リセットスイッチ３のゲートーソース間容量のカップリングによるリセットスイッチ３のゲート電圧の上昇をより確実に防止するので、リセットスイッチ３はより確実に非導通状態にすることができる。

以上、説明してきたように実施の形態２における固体撮像装置によれば、基準電圧Ｖ１、Ｖ２を負レベルにしているので、リセットスイッチ（転送スイッチ）が導通したとき、転送スイッチ（リセットスイッチ）のゲート電圧が負レベルになり、より確実に非導通状態にするので、リークを防止して感度を向上させることができる。

さらに本発明の固体撮像装置をカメラに実装した場合、飽和信号量を大きい高感度なカメラが実現できる。
なお、上記各実施の形態では、転送スイッチにはスイッチ１２を、リセットスイッチにはスイッチ１３を備える構成を説明したが、スイッチ１２とスイッチ１３の一方のみでもそれぞれの効果を得ることができる。

また、上記各実施の形態では、行単位にスイッチ１２及びスイッチ１３を備える構成について説明したが、行内に複数のスイッチ１２及びスイッチ１３を備える構成としてもよい。例えば５組、１０組、１００組など複数のスイッチ１２及びスイッチ１３を行内に備えることにより、転送スイッチ、リセットスイッチのゲート電圧をより確実にローレベル（又は負レベルに）固定し、非導通状態を維持することが容易になる。また、行内における所定数の画素毎にスイッチ１２及びスイッチ１３を備える構成としてもよい。

本発明は、デジタルカメラ等に使用されるＭＯＳ型の固体撮像装置に適しており、具体的には、携帯電話機の内蔵カメラ、デジタルスチルカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。

本発明の実施の形態１における固体撮像装置を構成を示すブロック図である。 固体撮像装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 固体撮像装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 従来の固体撮像装置の基本回路を示す図である。 従来の固体撮像装置のタイミングチャート図である。

符号の説明

１ 光電変換部
２ 転送スイッチ
３ リセットスイッチ
４ 増幅部
５ 拡散領域
６ 電源信号端子
７ 転送信号線
８ リセット信号線
９ 単位画素部
１０ 撮像領域
１１ 共通垂直信号線
１２ スイッチ
１３ スイッチ
１６ 転送スイッチ制限信号線
１７ リセットスイッチ制限信号線
１８ 垂直シフトレジスタ
１９ 水平シフトレジスタ
２０ タイミング発生回路
２１ 出力信号線

Claims (6)

1. 光電変換素子と、光電変換素子から信号電荷を転送する転送スイッチと、信号電荷をリセットするリセットスイッチと、転送された信号電荷を増幅する増幅器とを備える固体撮像装置であって、
   転送スイッチ及びリセットスイッチの少なくとも一方のスイッチの導通及び非導通を制御する制御信号線に対して、当該スイッチの非導通状態を固定するための固定化電圧を重畳する固定手段を備え、
   前記固定手段は、
   前記転送スイッチを制御する制御信号線に前記固定化電圧を重畳して印加する第１スイッチングトランジスタと、
   前記リセットスイッチを制御する制御信号線に前記固定化電圧を重畳して印加する第２スイッチングトランジスタと
   を有し、
   前記第１スイッチトランジスタは、前記リセットスイッチを制御する制御信号線により制御され、
   前記第２スイッチトランジスタは、前記転送スイッチを制御する制御信号線により制御される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記一方のスイッチはＮＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記固定化電圧はローレベルであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記固定化電圧は負の電圧であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記固定手段を、行列状に配列された光電変換素子の各行に少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラ。

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