JP4701130B2 - 光電変換膜積層型カラー固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板の上に積層した光電変換膜で３原色のうちの１色の入射光を受光し光電変換膜を透過した残り２色の入射光の各々をカラーフィルタで分光し半導体基板の光電変換素子（フォトダイオード）で受光する光電変換膜積層型カラー固体撮像素子に係り、特に、暗いシーンの撮影でも良好な画質の画像を撮像することができる光電変換膜積層型カラー固体撮像素子に関する。

ＣＭＯＳ型イメージセンサに代表される単板式カラー固体撮像素子では、半導体基板上に配列形成された多数の光電変換画素の上に３種または４種の色フィルタをモザイク状に配置している。これにより、各画素から色フィルタに対応した色信号が出力され、これ等の色信号を信号処理することでカラー画像が生成される。

しかし、モザイク状に色フィルタを配列したカラー固体撮像素子は、原色の色フィルタの場合、およそ入射光の２／３が色フィルタで吸収されてしまうため、光利用効率が悪く、感度が低いという問題がある。また、各画素で１色の色信号しか得られないため、解像度も悪く、特に、偽色が目立つという問題もある。

そこで、斯かる問題を克服するために、信号読出回路が形成された半導体基板の上に３層の光電変換膜を積層する構造の撮像素子が研究・開発されている（例えば、下記の特許文献１，２）。この撮像素子は、例えば、光入射面から順次、青（Ｂ），緑（Ｇ），赤（Ｒ）の光に対して信号電荷（電子or正孔）を発生する光電変換膜を重ねた画素構造を備え、しかも各画素毎に、各光電変換膜で光発生した信号電荷を独立に読み出すことができる信号読出回路が設けられる。

斯かる構造の撮像素子の場合、入射光が殆ど光電変換されて読み出され、可視光の利用効率は１００％に近く、しかも各画素でＲ，Ｇ，Ｂの３色の色信号が得られるため、高感度で、高解像度（偽色が目立たない）の良好な画像が生成できる。

また、下記特許文献３に記載された撮像素子では、シリコン基板内に光信号を検出する３重のウエル（フォトダイオード）を設け、シリコン基板の深さの違いにより、分光感度の異なる信号（表面からＢ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）の波長にピークを持つ）を得るようになっている。これは、入射光のシリコン基板内への侵入距離が波長に依存することを利用している。この撮像素子も、特許文献１，２に記載された撮像素子と同様に、高感度で、高解像度（偽色が目立たない）の良好な画像を得ることができる。

しかし、特許文献１，２に記載された撮像素子は、３層の光電変換膜を半導体基板の上に順に積層し、且つ、各光電変換膜で発生したＲ，Ｇ，Ｂ毎の信号電荷を夫々半導体基板に形成した信号読出回路に接続する縦配線を形成する必要があり、その製造は難しく、製造歩留まりが低いためコストが嵩んでしまうという問題がある。

一方、特許文献３に記載された撮像素子は、青色光は最浅部のフォトダイオード、赤色光は最深部のフォトダイオード、緑色光は中間部のフォトダイオードで検出する構造になっているが、例えば最浅部のフォトダイオードでは緑色光や赤色光によっても光電荷が発生してしまうため、Ｒ信号，Ｇ信号，Ｂ信号の分光感度特性の分離が十分でない。そこで、真のＲ信号，Ｇ信号，Ｂ信号を得るために、各フォトダイオードからの出力信号を加減算処理する必要が生じ、演算負荷が高く、また、この加減算処理によって画像信号のＳ／Ｎが低下してしまうという問題が生じる。

前述した特許文献１，２，３記載の撮像素子の各問題点を改善するものとして、特許文献４記載の撮像素子が提案されている。この撮像素子は、特許文献１，２記載の撮像素子と特許文献３記載の撮像素子のハイブリッド型となっており、その構造は、緑（Ｇ）に感度を持つ光電変換膜を１層だけ半導体基板の上に積層し、光電変換膜を透過した青（Ｂ）と赤（Ｒ）の入射光は、従来のイメージセンサと同様に、半導体基板の深さ方向（特許文献４の図５）また同一平面上（特許文献４の図６（ｂ））に形成した２つのフォトダイオードで受光する構造になっている。

即ち、ハイブリッド型のカラー固体撮像素子は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された多数の単位画素の各々が、青色検出用フォトダイオード（光電変換素子：以下、Ｂ画素という。）及び赤色検出用フォトダイオード（光電変換素子：以下、Ｒ画素という。）と、半導体基板表面上部に積層された緑色検出用光電変換膜（以下、Ｇ画素という。）とを備える。単位画素の各々がＲ画素，Ｂ画素，Ｇ画素を備えるため、各色の信号を夫々外部に読み出す信号読出回路も単位画素毎に３つづつ設けられる。

信号読出回路（電荷検出回路）としては、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられている周知の信号読出回路をそのまま利用できる。この信号読出回路はトランジスタで構成され、図１１（ａ）に示す３個のトランジスタ（出力トランジスタ１１，行選択トランジスタ１２，リセットトランジスタ１３）で構成されるものと、図１１（ｂ）に示す４個のトランジスタ（出力トランジスタ１１，行選択トランジスタ１２，リセットトランジスタ１３，読出トランジスタ１４）で構成されるものとがある。

斯かる構成のハイブリッド型の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、光電変換膜が１層で済むため、製造工程が簡単になり、コストアップや歩留り低下を避けることができるという利点があり、また、無駄になる光が少なくなるため光利用効率が向上し、感度の高い画像を撮像できるという利点がある。

特表２００２−５０２１２０号公報 特開２００２−８３９４６号公報 特表２００２−５１３１４５号公報 特開２００３−３３２５５１号公報

高解像度の撮像素子を使用したカメラでは、静止画は銀塩フィルム並みの高解像度で撮影を行い、動画はテレビ並の低解像度の画像を３０フレーム／秒で撮影することが行われる。しかし、２００万画素を超える撮像素子の場合、全画素の色信号を１／３０秒で読み出すことが難しい。

このため、従来のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサを用いたカメラでは、静止画像を撮影する時には全画素の色信号を読み出して静止画像データを生成するが、動画撮影時には、一部の画素行のみを選択し、選択した画素行の画素信号だけを読み出すことで、３０フレーム／秒の撮影を実現している。

この動画撮影方法を、光利用効率が高く高感度撮影を行うことが可能なハイブリッド型の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子に適用すると、選択されない画素行の画素信号は動画像に寄与しないことになり、折角、高感度撮影可能な撮像素子を実現したにも関わらず、実質的に低感度の撮影しかできないという問題が生じる。

ハイブリッド型の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子を用いて静止画像を撮像する場合、カメラに内蔵されたフラッシュ光を発光させることで、暗いシーンでも良好な画質すなわちＳ／Ｎが良好な静止画像を撮影することが可能となる。しかし、動画像を撮影する場合にはフラッシュ光が使用できないため、暗いシーンの動画像の画質が非常に悪くなってしまう。

また、暗いシーンの静止画像を撮影する場合でも、フラッシュ光の発光が禁止されている場所で撮影する場合や、フラッシュ光が届かない遠景シーンを撮影する場合には、動画撮影と同様に撮像画像の画質が劣化してしまう。

本発明の目的は、暗いシーンの撮影でも良好な画質の画像を得ることができるハイブリッド型の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子を提供することにある。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、第１種と第２種の２種類の複数の単位画素が半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成され、前記第１種の単位画素が第１色，第２色の各入射光量を夫々検出する第１色画素，第２色画素で構成され、前記第２種の単位画素が前記第１色，第３色の各入射光量を夫々検出する第１色画素，第３色画素で構成され、前記第１色画素が前記半導体基板の表面部に積層された光電変換膜で構成され、前記第２色画素及び前記第３色画素の夫々が前記半導体基板表面部に形成されたフォトダイオードで構成され、前記第１色画素，第２色画素，第３色画素の各検出信号が前記半導体基板に前記単位画素毎に設けられた信号読出回路によって読み出される光電変換膜積層型カラー固体撮像素子であって、
前記単位画素の画素列毎に設けられ同一単位画素行の隣接する同一色の色画素から読み出された信号の各々を保持する信号メモリ手段と、該信号メモリ手段の各々に保持された前記信号を個別に読み出し外部に出力する全画素読出動作と前記信号メモリ手段の各々に保持された前記信号のうち前記画素列毎に隣接する信号メモリ手段の信号を同時に読み出し外部に出力する加算読出動作とを切り替えて行う行方向走査制御手段とを有する出力信号処理部を備えることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の前記出力信号処理部は、前記画素列毎に設けられる前記信号メモリ手段を複数備えると共に、該複数の信号メモリ手段の各々に前記単位画素の列方向に隣接する同一色の色画素から読み出された信号の各々を保持させるメモリ手段切替スイッチを備えることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子で前記信号メモリ手段は、夫々、前記色画素から読み出されたリセット雑音を含む信号を保持する第１の信号メモリ手段と、当該色画素から読み出されたリセット雑音信号を保持する第２の信号メモリ手段とを備え、前記出力信号処理部は、該第１の信号メモリ手段から読み出した信号と該第２の信号メモリ手段から読み出した信号との差信号を出力することを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の前記第１色画素の検出信号を読み出す信号読出回路をリセットトランジスタと行選択トランジスタと出力トランジスタの３トランジスタで構成される信号読出回路とし、前記第２色画素の検出信号を読み出す信号読出回路及び前記第３色画素の検出信号を読み出す信号読出回路を読出トランジスタとリセットトランジスタと行選択トランジスタと出力トランジスタの４トランジスタで構成される信号読出回路としたことを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の前記出力信号処理部は、前記第１色画素の検出信号を読み出す信号読出回路の出力信号と、前記第２色画素，第３色画素の検出信号を読み出す信号読出回路の出力信号とを切替選択して取り込む切替手段を備えることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の前記出力信号処理部は、取り込んだ前記第１色画素の検出信号に対してサンプルホールド処理を施す回路と、取り込んだ前記第２色画素，第３色画素の検出信号に対して相関二重サンプリング処理を施す回路とを備えることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の前記相関二重サンプリング処理は、入力信号をクランプするクランプ回路及び該クランプ回路の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路で行い、前記サンプルホールド処理は前記クランプ回路をバイパス回路でバイパスし前記サンプルホールド回路で行うことを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記第１色画素の検出信号を前記信号読出回路から前記出力信号処理部に読み出した後、次の第１色画素の検出信号が読み出される前に、該信号読出回路からリセット雑音信号を該出力信号処理部に読み出すことを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記４トランジスタ構成の前記信号読出回路のうち行選択トランジスタが省略され、代わりに前記リセットトランジスタのドレイン端子の印加電圧が可変制御される構成としたことを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記光電変換膜が透明な画素電極膜と対向電極膜に挟まれた単層有機半導体構造または多層有機半導体構造でなることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記第２色画素を構成する前記フォトダイオードの上部に第２色光を透過する第１カラーフィルタが積層され、前記第３色画素を構成する前記フォトダイオードの上部に第３色光を透過する第２カラーフィルタが積層されることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記第１カラーフィルタまたは前記第２カラーフィルタが透明層でなることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記第１色が緑色であり、前記第２色が青色であり、前記第３色が赤色であることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記第１色画素，第２色画素，第３色画素が夫々入射光量を電子量として検出することを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記第１色画素が入射光量を正孔量で検出し、前記第２色画素と前記第３色画素が入射光量を電子量で検出することを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記出力信号処理部の出力信号がアナログ信号であることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、前記出力信号処理部の出力信号がデジタル信号であることを特徴とする。

本発明によれば、フラッシュ光を使用できない撮影時や動画像撮影時等に、信号加算（画素加算）した撮像画像信号を出力させることができるため、高感度でＳ／Ｎの高い撮像画像信号を得ることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド型の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の表面模式図である。この光電変換膜積層型カラー固体撮像素子２０は、半導体基板２１に２種類の複数の単位画素２２ｇｂ，２２ｇｒが正方格子状に配列形成されている。緑色（Ｇ）光及び青色（Ｂ）光に感応する単位画素２２ｇｂは正方格子のうちの市松位置に配列され、緑色（Ｇ）光及び赤色（Ｒ）光に感応する単位画素２２ｇｒは残りの市松位置に配列される。

半導体基板２１の下辺部には行方向走査制御部を含む出力信号処理部２４が設けられ、半導体基板２１の左辺部には列方向走査制御部２５が設けられている。単位画素２２（以下、単位画素２２ｇｂ，２２ｇｒを共通に説明するときは単位画素２２という。）と出力信号処理部２４とは２本の列信号線２６，２７により接続され、単位画素２２と列方向走査制御部２５とは３本の信号線２９，３０，３１により接続される。信号線２９は読出信号線であり、信号線３０はリセット信号線であり、信号線３１は行選択信号線である。

図２は、図１に示す単位画素２２ｇｂ，２２ｇｒの説明図である。単位画素２２ｇｂは、Ｇ画素２２ｇと、Ｂ画素２２ｂと、Ｇ画素２２ｇが検出した信号電荷量に応じたＧ信号を列信号線２７に読み出す３トランジスタ（Ｔｒ）構成の信号読出回路５０と、Ｂ画素２２ｂが検出した信号電荷量に応じたＢ信号を列信号線２６に読み出す４トランジスタ構成の信号読出回路５１とを備える。

Ｇ画素２２ｇは、半導体基板の上部に積層された緑色に感度を有する光電変換膜で構成される。Ｂ画素２２ｂは、半導体基板に形成された１つのフォトダイオード３７と、このフォトダイオード３７の上部で且つＧ画素２２ｇの光電変換膜より下部に積層されたカラーフィルタ２８で構成される。Ｂ画素２２ｂの場合、カラーフィルタ２８は青色（Ｂ）で形成される。

単位画素２２ｇｒは単位画素２２ｇｂと同一構造をとるが、カラーフィルタ２８が赤色（Ｒ）で形成される点が異なる。

図３は、図１に示す単位画素２２の概念図である。ｎ型半導体基板２１の表面部にはｐウェル層３５が形成され、ｐウェル層３５の表面部にｎ領域層３７が形成され、ｎ領域層３７の最表面に暗電流抑制用のｐ型高濃度不純物表面層３９が設けられる。

半導体基板２１の表面部に設けられたｎ領域層３７と上下のｐ型高濃度不純物表面層３９，ｐウェル層３５との間でｐｎ接合即ちフォトダイオード３７（ｎ領域層３７と同一符号を付す。）が形成される。

半導体基板２１の表面には、透明な絶縁膜３６が積層され、この絶縁層３６の上に、カラーフィルタ層２８が積層される。単位画素２２ｇｂの場合にはカラーフィルタ層２８は青色フィルタで形成され、単位画素２２ｇｒの場合にはカラーフィルタ層２８は赤色フィルタで形成される。

カラーフィルタ層２８の上には透明な平坦化層４１が積層され、その上に、単位画素毎に区画された透明な画素電極膜４２が積層され、画素電極膜４２の上に、主として緑色光に感度を有する光電変換膜４３が積層され、光電変換膜４３の上に、各単位画素共通に設けられる透明な対向電極膜４４が設けられ、最表面に透明な保護膜（絶縁膜）４５が積層される。

透明な電極膜４２，４４は、光吸収が少ない材料で形成される。これは薄い金属薄膜でも良く、また、ＩＴＯ等の金属化合物薄膜でも良い。対向電極膜４４は、各単位画素共通に１枚構成としても良く、また、画素毎に区画して設けたり、単位画素列毎，単位画素行毎に区画して設けても良いが、対向電極膜４４に１つの共通電位が印加できるように配線する。

光電変換膜４３は、単層膜構造でも多層膜構造でも良く、緑色光に感度を有する有機半導体や有機色素を含む有機材料等で構成される。この光電変換膜４３は、受光した緑色光の光量に応じた光電荷（電子―正孔対）を発生し、Ｇ画素２２ｇを構成する。

本実施形態の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、Ｇ画素が検出した信号電荷（この例では電子）に応じた信号を、３トランジスタ構成の信号読出回路５０で読み出し、Ｒ画素及びＢ画素が検出した信号電荷（この例では電子）に応じた信号を、４トランジスタ構成の信号読出回路５１で読み出す。

図３では、信号読出回路を回路図で示しているが、信号読出回路を構成する各ＭＯＳトランジスタ１１，１２，１３，１４は、半導体基板２１のｐウェル層３５上に形成される。また、図３では図示を省略しているが、画素電極膜４２から流れ出たＧ信号電荷は、半導体基板２１上に形成された不純物領域でなる電荷蓄積部に蓄積され、この電荷蓄積部の蓄積電荷を信号読出回路５０が読み出す。この電荷蓄積部や信号読出回路５０，５１は、遮光膜に覆われた部分に形成される。

Ｇ画素用に設けられた信号読出回路５０は、図１１（ｂ）に示す回路と同じであり、出力トランジスタ１１と行選択トランジスタ１２とリセットトランジスタ１３を備える。

直流電源端子４８と列信号線２７との間に出力トランジスタ１１と行選択トランジスタ１２が直列に接続され、出力トランジスタ１１のゲートがＧ画素の上述した電荷蓄積部を介して画素電極膜４２に接続され、行選択トランジスタ１２のゲートが行選択信号線３１に接続される。リセットトランジスタ１３は直流電源端子４８と出力トランジスタ１１のゲートとの間に設けられ、リセット信号線３０にリセットトランジスタ１３のゲートが接続される。

信号読出回路５１は、３トランジスタ構成部分（出力トランジスタ１１，行選択トランジスタ１２，リセットトランジスタ１３）は信号読出回路５０と同じであり、直流電源端子４８と列信号線２６との間に出力トランジスタ１１と行選択トランジスタ１２が直列に接続され、行選択トランジスタ１２のゲートが行選択信号線３１に接続される。リセットトランジスタ１３は直流電源端子４８と出力トランジスタ１１のゲートとの間に設けられ、リセット信号線３０にリセットトランジスタ１３のゲートが接続される。

出力トランジスタ１１のゲートと、ｎ領域層３７との間に両者間の接続をオンオフするスイッチ手段としての読出トランジスタ１４が接続され、この読出トランジスタ１４のゲートが読出信号線２９に接続される。

この様に、本実施形態で光電変換膜による画素（Ｇ画素）の信号読出回路を３トランジスタ構成としたのは、光電変換膜４３や画素電極膜４２，図示しない電荷蓄積部等に残留する電荷が４トランジスタの信号読出回路を採用する場合に比較して少なくなり、Ｇ画像の残像が抑制され画質劣化が低減されるためである。

また、本実施形態で半導体基板に形成したフォトダイオードによる画素（Ｒ画素，Ｂ画素）からの信号電荷の読出回路を４トランジスタ構成としたのは、フォトダイオードの場合には残留が無く、３トランジスタ構成より雑音を低減することができ、Ｒ画像，Ｂ画像の画質向上を図ることが可能なためである。

図４は、出力信号処理部２４の構成図である。この出力信号処理部２４は、各単位画素列毎に設けられた相関二重サンプリング回路５３と、各相関二重サンプリング回路５３に行方向走査信号を出力する行方向走査制御部５４と、読出出力信号線６２に接続された出力部５５とを備える。

各相関二重サンプリング回路５３には、各単位画素列毎に設けられた列信号線２６，２７が接続され、列信号線２６，２７の一方を選択接続するスイッチ回路５６と、スイッチ回路５６により選択された信号をクランプするクランプ回路５７と、２つのサンプルホールド（ＳＨ）回路５８，５９（信号メモリ手段として機能する。）と、２つのＳＨ回路５８，５９の一方を選択してクランプ回路５６に接続するＳＨ選択スイッチ回路６０と、各ＳＨ回路５８，５９と読出出力信号線６２との間に設けられた開閉スイッチ（行方向走査スイッチ）６３，６４とを備え、開閉スイッチ６３，６４が行方向走査制御部５４からの行方向走査信号によって開閉される。

斯かる構成の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子に被写体からの光が入射すると、入射光の内の緑色光が光電変換膜４３に吸収され、光電変換膜４３内に信号電荷（光電変換膜内に電子―正孔対が発生し、この実施形態では電子を信号電荷としている。）が発生する。画素電極膜４２と共通電極膜４４との間に電圧を印加し光電変換膜４３内に所要の電界を形成しておくと、信号電荷はこの電界に沿って速やかに画素電極膜４２に移動し、上述した電荷蓄積部に移動し蓄積されると共に、信号読出回路５０の出力トランジスタ１１のゲート部分にも流れ込み蓄積される。

Ｇ画素（光電変換膜）４３を透過した赤色光と青色光のうち、単位画素２２ｇｂでは赤色光が青色のカラーフィルタ２８で吸収されてしまい、青色光がフォトダイオード３７に達する。フォトダイオード３７では青色入射光量に応じた信号電荷（電子）が発生し、ｎ領域層３７に蓄積される。

単位画素２２ｇｒでは青色光が赤色のカラーフィルタ２８で吸収されてしまい、赤色光がフォトダイオード３７に達する。フォトダイオード３７では赤色入射光量に応じた信号電荷（電子）が発生し、ｎ領域層３７に蓄積される。

以下、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素から各撮像画像信号を読み出す動作について説明する。

〔全画素読出動作〕
ＳＨ選択スイッチ６０は、常に、サンプルホールド回路５８側に設定される。そして、列方向走査制御部２５が信号読出を行う単位画素行を選択するために当該単位画素行に対する信号線３１に行選択信号を出力すると、当該単位画素行の行選択トランジスタ１２が導通状態となる。

次に、列信号選択スイッチ５６に列信号線２７側を選択させると、各単位画素の夫々のＧ画素の信号電荷に対応したＧ信号（画像信号）が列信号線２７からクランプ回路５７に取り込まれ、クランプ回路５７はクランプ動作を行う。

次に、列方向走査制御部２５が当該単位画素行に対してリセット信号を印加すると、Ｇ画素のリセット雑音が列信号線２７に出力される。サンプルホールド回路５８は、Ｇ信号とリセット雑音信号とを用いてサンプルホールド動作を行い、サンプルホールド処理されたＧ信号がサンプルホールド回路５８に保持・記憶される。

次に、行方向走査制御部５４は、行方向走査信号を読出対象とする単位画素列の行方向走査スイッチ６３に供給し、サンプルホールド回路５８に保持されているＧ信号を読出出力信号線６２に読み出す。出力部５５は、読出出力信号線６２に読み出されたＧ信号を信号処理し、Ｇ信号に応じた出力信号を撮像素子外部に出力する。

この動作を、行方向に順次繰り返すことにより、１行分のＧ信号に応じた出力信号が撮像素子外部に出力される。

次に、列信号選択スイッチ５６を列信号線２６側に切り替える。そして、列方向走査制御部２５は、当該単位画素行（色画素としては、…，Ｂ画素，Ｒ画素，Ｂ画素，Ｒ画素，Ｂ画素，…と行方向に並ぶ。）に対してリセット信号を印加すると、信号線２６には、Ｂ画素，Ｒ画素のリセット雑音信号が出力される。クランプ回路５７は、このリセット雑音信号に対してクランプ動作を行う。

次に、列方向走査制御部２５は、当該単位画素行の信号線２９に対して読出信号を印加すると、トランジスタ１４が導通し、ある単位画素２２ｇｂのＢ画素２２ｂからはＢ信号が、これに行方向に隣接する単位画素２２ｇｒのＲ画素２２ｒからはＲ信号が列信号線２６に出力される。

このＢ信号，Ｒ信号は、夫々の相関二重サンプリング回路５３のサンプルホールド回路５８に取り込まれ、サンプルホールド回路５８は、直前に読み出されたＢ画素，Ｒ画素の各リセット雑音信号と、今回取り込んだＢ信号，Ｒ信号とによりサンプルホールド処理を行い、処理後のＢ信号，Ｒ信号がサンプルホールド回路５８に保持・記憶される。

次に、行方向走査制御部５４から行方向走査信号が行方向走査スイッチ６３に印加されると、サンプルホールド回路５８に保持されていた信号（Ｂ信号ｏｒＲ信号）が読出出力信号線６２に読み出される。出力部５５は、読出出力信号線６２に読み出された信号を信号処理し、撮像素子外部に出力する。この動作を行方向に順次繰り返すことにより、１行分のＢ信号，Ｒ信号が撮像素子外部に出力される。

以上の動作を、読み出し対象とする単位画素行を切り替えながら行うことで、１画面の全画素の色信号（Ｇ信号，Ｒ信号，Ｂ信号）が出力される。

本実施形態では、１つの単位画素に含まれる色画素が２つ（Ｇ及びＢ、Ｇ及びＲ）であり、Ｇ画素は全単位画素に含まれるが、Ｂ画素，Ｒ画素の各画素数は、夫々、全単位画素数の１／２となる。しかし、解像度は、Ｇ画素の画素数でほぼ決まるため、Ｂ画素，Ｒ画素が単位画素の１／２となっても、解像度の低下は殆どない。しかも、１つの単位画素に設けるフォトダイオードを１個としているため、製造工程数が少なく製造が容易となるため、高歩留まりが実現でき、撮像素子の低コスト化を図ることが可能となる。

〔色信号加算読出動作〕
列方向走査制御部２５は、（２Ｊ−１）番目の単位画素行を選択する。但し、Ｊは正の整数である。当該単位画素行に対して列方向走査制御部２５が行選択信号を出力すると、この単位画素行の行選択トランジスタ１２が導通状態となる。そして、このとき、列信号選択スイッチ５６は列信号線２７側を選択し、ＳＨ選択スイッチ６０はサンプルホールド回路５８側を選択する。

これにより、この単位画素行の各Ｇ画素２２ｇの信号電荷量に応じたＧ信号が列信号線２７に出力され、クランプ回路５７はクランプ動作を行う。

次に、列方向走査制御部２５が当該単位画素行に対してリセット信号を印加すると、Ｇ画素のリセット雑音信号が列信号線２７に出力され、サンプルホールド回路５８は、このリセット雑音信号とＧ信号とによりサンプルホールド処理を行い、処理結果のＧ信号がサンプルホールド回路５８に保持・記憶される。

次に、列方向走査制御部２５は、２Ｊ番目の単位画素行を選択すべく当該単位画素行に行選択信号を出力する。これにより、２Ｊ番目の単位画素行の行選択トランジスタ１２が導通状態となる。更に、ＳＨ選択スイッチ６０はサンプルホールド回路５９側に切り替えられる。

これにより、２Ｊ行目の各単位画素のＧ画素の信号電荷量に対応したＧ信号（画像信号）が列信号線２７に出力され、クランプ回路５７でクランプ動作を行う。そして、列方向走査制御部２５が２Ｊ番目の単位画素行にリセット信号を印加すると、Ｇ画素のリセット雑音信号が列信号線２７に出力される。これにより、サンプルホールド回路５９は、サンプルホールド動作を行い、サンプルホールド処理されたＧ信号がサンプルホールド回路５９に保持・記憶される。

次に、行方向走査制御部５４から行方向走査信号を行方向走査スイッチ６３，６４に供給し、サンプルホールド回路５８，５９の保持信号を読出出力信号線６２に読み出す。

まず、行方向走査信号を、隣接する２画素列（（４Ｉ−３）番と（４Ｉ−２）番）に対応する行方向走査スイッチ６３，６４（全部で４個のスイッチ）に同時に印加する。ただし、Ｉは正の整数である。これにより、画素（４Ｉ−３，２Ｊ−１）、画素（４Ｉ−３，２Ｊ）、画素（４Ｉ−２，２Ｊ−１）、画素（４Ｉ−２，２Ｊ）の４つのＧ画素のＧ信号が同時に読出出力信号線６２に読み出され、加算される。出力部５５は、読出出力信号線６２に読み出された４Ｇ画素の加算信号を信号処理し、撮像素子外部に出力する。

次に、行方向走査制御部５４は、行方向走査信号を隣接する２画素列（（４Ｉ−１）番と４Ｉ番）に対応する行方向走査スイッチ６３，６４（全部で４個のスイッチ）に同時に印加する。これにより、今度は、画素（４Ｉ−１，２Ｊ−１）、画素（４Ｉ−１，２Ｊ）、画素（４Ｉ，２Ｊ−１）、画素（４Ｉ，２Ｊ）の４つのＧ画素のＧ信号が同時に読出出力信号線６２に読み出され加算され、出力部５５が撮像素子外部に出力する。この動作を繰り返すことで、１行分の４画素加算Ｇ信号が撮像素子外部に出力される。

次に、列方向走査制御部２５は、（２Ｊ―１）番の単位画素行を選択すべく、当該単位画素行に対して行選択信号を出力する。これにより、当該単位画素行の行選択トランジスタ１２が導通状態となる。また、このとき、列信号選択スイッチ５６は列信号線２６側に切り替えられる。更に、（４Ｉ−３）列と（４Ｉ−１）列のＳＨ選択スイッチ６０をサンプルホールド回路５８側とし、（４Ｉ−２）列と４Ｉ列のＳＨ選択スイッチ６０をサンプルホールド回路５９側とする。

そして、列方向走査制御部２５が（２Ｊ−１）番目の単位画素行にリセット信号を印加すると、当該単位画素行にＢ画素，Ｒ画素のリセット雑音信号が列信号線２６に出力され、クランプ回路５７は夫々クランプ動作を行う。

次に、（２Ｊ−１）番目の単位画素行に対して列方向走査制御部２５が読出信号を印加すると、Ｂ画素，Ｒ画素の信号電荷量に対応したＢ信号，Ｒ信号が列信号線２６に出力され、（４Ｉ−３）列と（４Ｉ−１）列のサンプルホールド回路５８と（４Ｉ−２）列と４Ｉ列のサンプルホールド回路５９でサンプルホールド動作が行われる。

今、（２Ｊ−１）行かつ（４Ｉ−３）列の色画素が、図５に示す様に、Ｒ画素であるとすると、（４Ｉ−３）列目のＳＨ回路５８にはＲ信号が、（４Ｉ−２）列目のＳＨ回路５９にはＢ信号が、（４Ｉ−１）列目のＳＨ回路５８にはＲ信号が、４Ｉ列目のＳＨ回路５９にはＢ信号が、夫々、保持・記憶される。

次に、列方向走査制御部２５は、２Ｊ番の単位画素行を選択する。この２Ｊ番目の単位画素行におけるＢ画素，Ｒ画素の並びは、図５に示す様に、（２Ｊ−１）番目の単位画素行におけるＢ画素，Ｒ画素の並びと逆になる。

この２Ｊ番目の単位画素行に対して列方向走査制御部２５が行選択信号を出力すると、この単位画素行の行選択トランジスタ１２が導通状態となる。更に、（４Ｉ−３）列と（４Ｉ−１）列のＳＨ選択スイッチ６０をＳＨ回路５９側に切り替え、（４Ｉ−２）列と４Ｉ列のＳＨ選択スイッチ６０をＳＨ回路５８側に切り替える。

そして、列方向走査制御部２５が２Ｊ番目の単位画素行にリセット信号を印加してリセット雑音信号を列信号線２６に出力させ、クランプ回路５７でクランプ動作を行わせる。次に、列方向走査制御部２５が２Ｊ番目の単位画素行に読出信号を印加すると、Ｂ画素，Ｒ画素の各信号電荷量に対応したＢ信号，Ｒ信号（画像信号）が列信号線２６に出力され、（４Ｉ−３）列と（４Ｉ−１）列のサンプルホールド回路５９と、（４Ｉ−２）列と４Ｉ列のサンプルホールド回路５８でサンプルホールド動作が行われる。

これにより、上記例では、（４Ｉ−３）列目のＳＨ回路５９にＢ信号が、（４Ｉ−２）列目のＳＨ回路５８にはＲ信号が、（４Ｉ−１）列目のＳＨ回路５９にはＢ信号が、４Ｉ列目のＳＨ回路５８にはＲ信号が保持・記憶される。即ち、各列毎のＳＨ回路５８にはＲ信号が、各列毎のＳＨ回路５９にはＢ信号が保持・記憶される。

次に、行方向走査制御部５４から行方向走査信号が行方向走査スイッチ６３，６４に印加され、各サンプルホールド回路５８，５９の保持信号が読出出力信号線６２に読み出される。

まず、（４Ｉ−３）列、（４Ｉ−２）列、（４Ｉ−１）列、および４Ｉ列の行方向走査スイッチ６３に行方向走査信号を同時に印加する。これにより、図５に示す４つのＲ画素のＲ信号が各ＳＨ回路５８から読出出力信号線６２に読み出され、加算される。出力部５５は読出出力信号線６２に読み出された加算Ｒ信号を信号処理し、撮像素子外部に出力する。

次に、（４Ｉ−３）列、（４Ｉ−２）列、（４Ｉ−１）列、および４Ｉ列の行方向走査スイッチ６４に行方向走査信号を同時に印加する。これにより、今度は、図５に示す４つのＢ画素のＢ信号が同時に各ＳＨ回路５９から読出出力信号線６２に読み出され、加算される。出力部５５は、読出出力信号線６２に読み出された加算Ｂ信号を信号処理し、撮像素子外部に出力する。この動作を行方向に順次繰り返すことにより、１行分の加算Ｂ信号，加算Ｒ信号が撮像素子外部に出力される。

次に、（２Ｊ＋１）番と（２Ｊ＋２）番の単位画素行に対して、上記と同様の動作を繰り返し、以後順に、全単位画素行の各色画素から加算信号を読み出す。

以上述べた様に、本実施形態では、全単位画素の各Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素の信号電荷を無駄にすることなく信号加算して読み出すため、暗いシーンであっても、上記例では４画素加算を行うため４倍の感度の信号が得られ、フラッシュ光を用いなくても感度の高い画像を撮像することが可能となる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子に用いる出力信号処理部の要部構成図である。本実施形態の出力信号処理部に設ける相関二重サンプリング回路には、クランプ回路５７をバイパスする経路にこのバイパス経路をオンオフするクランプ制御用スイッチ回路６７が設けられている。その他の構成は、図１，図２，図３，図４，図５に示す第１実施形態と同じである。

光電変換膜によるＧ画素の信号電荷を読み出す信号読出回路として、第１実施形態や本実施形態では、３トランジスタ構成の信号読出回路５０を採用している。これは、Ｇ画像の残像軽減のためであるが、その一方で、３トランジスタ構成の信号読出回路５０は、４トランジスタ構成の信号読出回路５１に比較して、信号読出回路の出力信号に乗るランダム雑音を相殺できないという問題がある。

その理由は、相関二重サンプリング処理を行うリセット雑音と、画像信号に含まれるリセット雑音とが異なるためである。つまり、画像信号に含まれるリセット雑音は１フレーム前のリセット雑音であり、相関二重サンプリング処理を行うリセット雑音は、画像信号読出し直後のリセット雑音であるため、両者を減算してもリセット雑音中に含まれるランダム雑音を原理的に相殺できないためである。本実施形態では、この点を改善している。

本実施形態の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子では、クランプ制御用スイッチ回路６７を常に開いた場合、クランプ回路５７が有効となり、第１の実施形態と全く同じ動作となる。Ｂ信号とＲ信号に関しては、通常の相関二重サンプリング処理でランダム雑音を含むリセット雑音が無くなるため、Ｂ信号とＲ信号の信号処理はこの状態で動作する。

クランプ制御用スイッチ回路６７を閉じた場合、クランプ回路５７が不動作となり、以下に説明する低雑音読出し動作を行うことができる。この低雑音読出し動作により、全画素読出し動作および加算読出し動作共に、Ｇ信号に対してリセット雑音に応じた出力信号と、１フレーム前のリセット雑音を含む画像信号に応じた出力信号が出力される。

そして、光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の外部で、１フレーム前のリセット雑音信号と、１フレーム前のリセット雑音を含む画像信号との減算処理を行うことにより、低雑音のＧ信号の画像信号を得る。

〔全画素読出時の低雑音読出動作〕
ＳＨ選択スイッチ６０は、常に、サンプルホールド回路５８側を選択する。そして、列方向走査制御部２５は、読み出し対象とする単位画素行に対して行選択信号を出力し、当該単位画素行の行選択トランジスタ１２を導通状態にする。

次に、列信号選択スイッチ５６に列信号線２７を選択させ、また、クランプ制御用スイッチ６７を閉じる。

これにより、Ｇ画素の信号電荷量に対応したＧ信号（画像信号）が列信号線２７に出力され、サンプルホールド回路５８でサンプルホールド動作が行われる。この画像信号には、１フレーム前のランダム雑音を含むリセット雑音が重畳されている。サンプルホールド動作により、サンプルホールド回路５８には信号処理されたＧ信号が保持・記憶される。

次に、行方向走査制御部５４から行方向走査信号が行方向走査スイッチ６３に供給され、サンプルホールド回路５８の保持信号が読出出力信号線６２に読み出される。出力部５５は、読出出力信号線６２に読み出されたＧ信号を信号処理し、撮像素子外部に出力する。撮像素子外部に読み出されたＧ信号は、図示しないフレームメモリに格納される。この動作を行方向に順次繰り返すことにより、１行分のＧ信号に応じた信号が出力され、フレームメモリに格納される。

次に、列信号選択スイッチ５６を切り替えて、列信号線２６を選択する。更に、クランプ制御用スイッチ６７を開放する。

列方向走査制御部２５が当該単位画素行に対してリセット信号を印加すると、Ｂ画素，Ｒ画素のリセット雑音信号が列信号線２６に出力され、クランプ回路５７でクランプ動作が行われる。次に、当該単位画素行に対して列方向走査制御部２５が読出信号を印加すると、Ｂ画素，Ｒ画素の夫々の信号電荷量に対応したＢ信号，Ｒ信号（画像信号）が列信号線２６に出力され、サンプルホールド回路５８はサンプルホールド動作を行う。これにより、サンプルホールド回路５８には、信号処理されたＢ信号またはＲ信号が保持・記憶される。

次に、行方向走査制御部５４から行方向走査信号が行方向走査スイッチ６３に供給され、サンプルホールド回路５８の保持信号が読出出力信号線６２に読み出される。出力部５５は、読出出力信号線６２に読み出された信号を信号処理し、撮像素子外部に出力する。この動作を行方向に順次繰り返すことにより、１行分のＢ信号に応じた信号と、Ｒ信号に応じた信号が順次出力される。

次に、列信号選択スイッチ５６に列信号線２７を選択させる。更に、クランプ制御用スイッチ６７を閉じる。そして、列方向走査制御部２５が単位画素行に対してリセット信号を印加すると、Ｇ画素のランダム雑音を含むリセット雑音が列信号線２７に出力され、サンプルホールド回路５８はサンプルホールド動作を行う。これにより、サンプルホールド回路５８は、信号処理されたＧ画素のリセット雑音信号が保持・記憶される。

次に、行方向走査制御部５４から行方向走査信号が行方向走査スイッチ６３に供給され、サンプルホールド回路５８の保持信号が読出出力信号線６２に読み出される。出力部５５は、読出出力信号線６２に読み出された信号を信号処理し、撮像素子外部に出力し、出力されたＧ画素のリセット雑音に応じた信号は、図示しないフレームメモリに格納される。この動作を行方向に順次繰り返すことにより、１行分のＧ画素のリセット雑音信号に応じた信号が、フレームメモリに格納される。

以上の動作を、読出対象とする単位画素行を切り替えながら繰り返し、全単位画素の色信号に応じた出力信号とＧ画素のリセット雑音に応じた出力信号を撮像素子外部に出力する。

本実施形態の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子では、Ｇ画素から読み出し外部に設けられたフレームメモリに保存したＧ信号とリセット雑音信号とを、素子外部に設けた信号処理部において処理する。即ち、フレームメモリに記憶した１フレーム前のリセット雑音信号と、Ｇ画素の１フレーム前のリセット雑音を含む画像信号とを減算処理する。これにより、第１実施形態で低減できなかったランダム雑音も低減でき、暗い被写体画像のＳ／Ｎを向上させ良好なカラー画像を得ることが可能となる。

尚、上述した動作は、電子シャッタ動作を行わない場合のものである。電子シャッタ動作を行っている場合には、電子シャッタによりＧ画素の信号電荷を排出する単位画素行に対して行選択信号とリセット信号を印加し、排出する単位画素行のリセット雑音に応じた出力信号を出力する。当然のことながら、同じ単位画素行のＢ画素，Ｒ画素の信号電荷を排出する動作も行う。

〔加算読出時の低雑音読出動作〕
先ず、列方向走査制御部２５が（２Ｊ―１）番の単位画素行を選択すると、行選択信号により選択された単位画素行の行選択トランジスタ１２が導通状態となる。列信号選択スイッチ５６に列信号線２７を選択させ、更に、ＳＨ選択スイッチ６０にＳＨ回路５８を選択させる。また、クランプ制御用スイッチ６７を閉じる。

これにより、Ｇ画素の信号電荷に対応したＧ信号（画像信号）が列信号線２７に出力され、サンプルホールド回路５８がサンプルホールド動作を行い、（２Ｊ−１）行のＧ画素のＧ信号（画像信号）がサンプルホールド回路５８に保持・記憶される。

次に、列方向走査制御部２５が２Ｊ番の単位画素行を選択すると、行選択信号により当該単位画素行の行選択トランジスタ１２が導通状態となる。更に、ＳＨ選択スイッチ６０はＳＨ回路５９を選択する。

これにより、２Ｊ行のＧ画素の信号電荷に対応したＧ信号（画像信号）が列信号線２７に出力され、サンプルホールド処理されたＧ信号（画像信号）がＳＨ回路５９に保持・記憶される。

次に、第１実施形態と同様に、隣接する４つの行方向走査スイッチ６３，６４，６３，６４を同時に閉じると、列方向に隣接し行方向に隣接する４画素分のＧ信号（画像信号）が同時にＳＨ回路５８，５９，５８，５９から読出出力信号線６２に出力されて加算され、出力部５５を介して素子外部に出力される。この動作を、行方向に順次繰り返すことにより、１行分のＧ信号の加算出力信号が素子外部に読み出され、外部のフレームメモリに保持される。

次に、（２Ｊ―１）番の単位画素行を選択し、列信号選択スイッチ５６に列信号線２６を選択させ、更に、クランプ制御用スイッチ６７を開放する。そして、第１実施形態と同様に、Ｂ信号，Ｒ信号を素子外部に読み出す。この動作の説明は第１実施形態の説明と重複するため省略する。

Ｂ信号，Ｒ信号が読み出されたとき、列方向走査制御部２５は２Ｊ番目の単位画素行を選択しているため、列方向走査制御部２５は、次に、（２Ｊ−１）番目の単位画素行を選択する。また、列信号選択スイッチ５６に列信号線２７を選択させ、クランプ制御用スイッチ６７を閉じ、ＳＨ選択スイッチ６０にＳＨ回路５８を選択させる。

列方向走査制御部２５が選択した単位画素行に対してリセット信号を印加すると、（２Ｊ−１）行のＧ画素のリセット雑音が列信号線２７に出力され、これがサンプルホールド回路５８でサンプルホールド処理され、保持・記憶される。

次に、列方向走査制御部２５は２Ｊ番の単位画素行を選択し、ＳＨ選択スイッチ６０にＳＨ回路５９を選択させる。そして、２Ｊ番目の単位画素行に列方向走査制御部２５がリセット信号を印加すると、２Ｊ行目Ｇ画素のリセット雑音が列信号線２７に出力され、サンプルホールド回路５９でサンプルホールド処理され、保持・記憶される。

次に、第１実施形態と同様に、隣接する４つの行方向走査スイッチ６３，６４，６３，６４を同時に閉じると、列方向に隣接し行方向に隣接する４画素分のＧ画素のリセット雑音信号が同時にＳＨ回路５８，５９，５８，５９から読出出力信号線６２に出力されて加算され、出力部５５を介して素子外部に出力される。この動作を、行方向に順次繰り返すことにより、１行分のリセット雑音信号の加算出力信号が素子外部に読み出され、外部のフレームメモリに保持される。

以上の読出動作を、読出対象とする単位画素行を切り替えながら繰り返し、１画面分の全画素の色信号に応じた出力信号とＧ画素のリセット雑音に応じた出力信号を素子外部に読み出す。

素子外部に設けた信号処理部は、フレームメモリに記憶した１フレーム前の４つのＧ画素分の加算したリセット雑音信号と、４つのＧ画素分の１フレーム前のリセット雑音を含む加算した画像信号とを減算処理する。これにより、第１実施形態で低減できなかったランダム雑音も低減でき、暗い被写体画像のＳ／Ｎを向上させ良好なカラー画像を得ることが可能となる。

尚、上述した動作は電子シャッタ動作を行わない場合のものである。電子シャッタ動作を行っている場合には、電子シャッタによりＧ画素の信号電荷を排出する単位画素行に対して行選択信号とリセット信号を印加する。これにより、排出する単位画素行のリセット雑音に応じた出力信号が読み出される。

尚、第１，第２実施形態では、画素加算（色信号加算）を行う４つの開閉スイッチ（行方向スイッチ）６３，６４を同時に開閉したが、異なるタイミングの走査信号を連続的に各スイッチ６３，６４に印加して連続したタイミングで各信号を読出出力信号線６２に出力する構成としても良く、これも「同時」の概念に含まれる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の要部構成図である。第１，第２実施形態では、ＳＨ選択スイッチ６０をサンプルホールド回路５８，５９と独立に設けたが、本実施形態では、図７に示す様に、サンプルホールド回路５８，５９のサンプリング用トランジスタ５８ａ，５９ａと兼ねてもよい。

クランプ回路５７の出力信号は、共に、２個のサンプルホールド回路５８，５９に供給される。サンプリングパルスをサンプリング用トランジスタ５８ａのゲートに印加すればサンプルホールド回路５８がサンプルホールド動作を行い、サンプリングパルスをサンプリング用トランジスタ５９ａのゲートに印加すると、サンプルホールド回路５９がサンプルホールド動作を行う。このように、サンプリングパルスの制御より、サンプルホールド回路５８，５９の選択とサンプルホールド動作を同時に処理可能となる。尚、５８ｂ，５９ｂは、キャパシタである。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子における出力信号処理部の要部構成図である。他の構成は、第１〜第３実施形態の同様である。

本実施形態の単位画素列毎に設けられたサンプリング回路５３と、行方向走査制御部５４と、２本の出力信号線６２ｎ，６２ｓに接続され各信号線６２ｎ，６２ｓに読み出された信号の差信号を出力する出力部５５とを備える。

サンプリング回路５３は、列信号線２６，２７の一方を選択する切替スイッチ５６と、該スイッチ５６によって選択された列信号線に並列に接続される４つのサンプルホールド（ＳＨ）回路５８ｎ，５８ｓ，５９ｎ，５９ｓと、ＳＨ回路５８ｎとリセット雑音出力信号線６２ｎとの接続を行方向走査信号によって開閉する行方向走査スイッチ６３ｎと、ＳＨ回路５９ｎとリセット雑音出力信号線６２ｎとの接続を行方向走査信号によって開閉する行方向走査スイッチ６４ｎと、ＳＨ回路５８ｓと画像信号出力信号線６２ｓとの接続を行方向走査信号によって開閉する行方向走査スイッチ６３ｓと、ＳＨ回路５９ｓと画像信号出力信号線６２ｓとの接続を行方向走査信号によって開閉する行方向走査スイッチ６４ｓとを備えて構成される。

第１〜第３実施形態に係る回路５３による雑音低減処理は、クランプ回路とサンプルホールド回路の組み合わせ回路で行うが、低雑音処理を行う回路は、これに限られるものではない。本実施形態の回路５３では、リセット雑音に応じた信号と、リセット雑音を含む画像信号に応じた信号とを別々にＳＨ回路で保持・記憶した後に、両者を減算する構成としている。

即ち、本実施形態では、リセット雑音に応じた信号を保持・記憶するサンプルホールド回路５８ｎ，５９ｎと、リセット雑音を含む画像信号に応じた信号を保持・記憶するサンプルホールド回路５８ｓ，５９ｓとが設けられている。

サンプルホールド回路５８ｎ，５９ｎの保持信号はリセット雑音出力信号線６２ｎに読み出され、サンプルホールド回路５８ｓ，５９と保持信号は画像信号出力信号線６２ｓに読み出される。差動入力の出力部５５は、信号線６２ｓ上の信号と信号線６２ｎ上の信号との差信号に応じた信号を出力する。この差信号が、雑音低減処理された信号となる。

この実施形態は、第２実施形態にも同様に適用可能である。例えば、第２実施形態に適用した場合、Ｇ信号に対して、リセット雑音用サンプルホールド回路５８ｎ，５９ｎのみを動作させると、リセット雑音に応じた信号が得られ、画像信号用サンプルホールド回路５８ｓ，５９ｓのみを動作させると、リセット雑音を含む画像信号に応じた信号が得られる。

（第５実施形態）
図９（ａ）は、本発明の第５実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子で用いる信号読出回路の回路図である。素子構造は上述した各実施形態と同様であり、半導体基板側に設けた画素（上記例ではＲ画素，Ｂ画素）が検出した信号電荷に応じたカラー画像信号を読み出す信号読出回路に適用される。

この図９（ａ）に示す信号読出回路は、図１１（ｂ）に示す信号読出回路あるいは図３に示す４トランジスタ構成の信号読出回路５１から行選択トランジスタ１２を削除し、出力トランジスタ１１を列信号線２６に直接接続した構成になっている。更に、行選択トランジスタによる選択制御の代わりに、リセットトランジスタ１３のドレインに接続された端子４８に対し、列方向走査制御部２５から電位制御が行われる。

本実施形態に係る信号読出回路を非動作状態にする場合には、端子４８をグラウンド電圧または低電圧に設定し、リセットトランジスタ１３にリセット信号を印加すると、出力トランジスタ１１は非導通（オフ）となる。この状態の基で、端子４８が通常動作時の高い電圧に戻っても、信号読出回路の非動作状態は維持される。

この信号読出回路を動作状態にする場合には、端子４８を通常動作時の高い電圧に設定し、リセットトランジスタ１３にリセット信号を印加する。これにより、出力トランジスタ１１が導通し、信号読出回路は動作状態となる。

この様に、本実施形態による信号読出回路は、４トランジスタ構成の信号読出回路に比べてトランジスタ数が１個少なくなるため、Ｒ画素，Ｂ画素近傍に設ける信号読出回路の回路面積を縮小できる。従って、Ｒ画素，Ｂ画素の受光面積拡大を図ることが可能となり、感度や飽和出力電圧を向上させることができる。

（第６実施形態）
図９（ｂ）は、本発明の第６実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子で用いる信号読出回路の回路図である。第５実施形態に係る信号読出回路のリセットトランジスタ１３が出力トランジスタ１１のゲート・ドレイン間に設けられるのに対し、本実施形態のリセットトランジスタ１３は出力トランジスタ１１のゲート・ソース間に設けられる。また、出力トランジスタ１１のドレインが接続される端子４８は、直流電圧に接続される。

本実施形態に係る信号読出回路を非動作状態にする場合には、列信号線２６をグラウンド電圧または低電圧に設定し、リセットトランジスタ１３にリセット信号を印加すると、出力トランジスタ１１が非導通となる。この状態の基で列信号線２６に他の画素行の色信号が出力される状態になっても、この信号読出回路の非動作状態は維持される。

この信号読出回路を動作状態にする場合には、列信号線２６の印加電圧を端子４８への印加電圧またはその電圧に近い高い電圧に設定し、リセットトランジスタ１３にリセット信号を印加する。これにより、出力トランジスタ１１が導通し、信号読出回路が動作状態となる。この実施形態でも、第５実施形態と同様の効果が得られる。

（第７実施形態）
図１０は、本発明の第７実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子で用いる信号読出回路の回路図である。素子構造は上述した各実施形態と同様であるが、本実施形態が適用される光電変換膜積層型カラー固体撮像素子では、光電変換膜による画素（上記例ではＧ画素）で発生した電子―正孔対のうち正孔を信号電荷とし、正孔量に応じた信号を、本実施形態の信号読出回路で読み出す構成としている。

図１０に示す信号読出回路は、図３に示す３トランジスタ構成の信号読出回路５０と基本的な構成は同じであるが、リセットトランジスタ１３のドレインに接続される端子４９と、出力トランジスタ１１のドレインに接続される端子４８とが別端子となっている点が異なる。

斯かる構成の信号読出回路で、Ｇ画素の正孔信号電荷量に応じた色信号を列信号線２７に読み出す場合、端子４８に通常動作時の高い電圧を供給し、端子４９に中程度の電圧を供給する。そして、リセットトランジスタ１３にリセット信号を印加すると、出力トランジスタ１１のゲート電圧は中程度の電圧になる。従って、Ｇ画素に正の信号電荷（正孔）が出力トランジスタ１１のゲートに流れ込んでゲート電圧が上昇しても、出力トランジスタ１１のソースホロワ回路は正常に動作する。

以上述べた各実施形態では、出力信号がアナログ信号である場合を説明したが、当然のことながら、デジタルの出力信号であっても良い。その場合、出力信号処理部内の出力部にＡＤＣ（アナログ／デジタル変換部）を設け、アナログ信号をデジタル信号に一括変換する構成や、回路５３の後段にＡＤＣを設け、列毎にアナログ信号をデジタル信号に変換する構成としてもよい。

また、上述した各実施形態ではマイクロレンズについて述べていないが、半導体基板に設けるＢ画素とＲ画素の集光効率向上のためマイクロレンズを設けてもよい。マイクロレンズは、図３の絶縁膜４５の上部にトップレンズとして、または、絶縁膜３６または絶縁層４１の内部にインナーレンズとして設ける。これにより、Ｒ画素とＢ画素の感度が更に向上する。

尚、Ｒ画素，Ｂ画素をフォトダイオードで構成し、Ｇ画素を光電変換膜で構成した実施形態について説明したが、これは一例に過ぎず、３原色の一色を光電変換膜で構成する画素で検出し、他の２色をフォトダイオードで検出する構成の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子一般に上述した各実施形態を適用可能である。

また、カラーフィルタ２８については、青色フィルタと赤色フィルタを例に説明したが、緑色光は光電変換膜４３で吸収されているため、青色フィルタの代わりに青色光と緑色光を透過し赤色光を阻止するシアン（Ｃｙ）色フィルタを用い、赤色フィルタの代わりに、赤色光と緑色光を透過し青色光を阻止するイエロ（Ｙｅ）色フィルタを用いても良い。

更に、青色フィルタと赤色フィルタの一方のカラーフィルタを省略しても良い。カラーフィルタを省略したフォトダイオードは、青色光と赤色光の混合色すなわちマゼンダ（Ｍｇ）色の光量を検出するＭｇ画素となり、カラーフィルタを搭載したフォトダイオードは、Ｒ画素またはＢ画素となるため、演算処理で容易にＭｇ画素のＲ信号またはＢ信号を得ることができる。

尚、カラーフィルタは、上記実施形態では光電変換膜とフォトダイオードとの間に設けたが、光電変換膜の上に設けても同様の効果を得ることができる。

以上述べた様に、本発明の各実施形態によれば、半導体基板側に設けるＲ画素，Ｂ画素（またはＭｇ画素）については４トランジスタ構成の信号読出回路でＲ，Ｂ（またはＭｇ）色信号を読み出すため低雑音の色信号を読み出すことができ、光電変換膜によるＧ画素については３トランジスタ構成の信号読出回路でＧ色信号を読み出すためＧ色の残像の原因となる読み残し電荷（残留電荷）を少なくすることができ、良好なカラー画像を撮像することが可能となる。

さらに、ランダム雑音を相関二重サンプリング回路で原理的に除去できないＧ画素の出力信号に対してリセット雑音信号と１フレーム前のリセット雑音を含む画像信号を別々に出力する実施形態では、撮像素子の外部でフレームメモリ等を使用して１フレーム前のリセット雑音信号と画像信号の減算処理を行うことによりＧ画素信号のランダム雑音を大幅に低減でき、より一層良好なカラー画像を撮像することが可能となる。

また、上述した実施形態では、Ｇ画素に対して行方向２画素×列方向２画素の加算信号と、Ｂ画素，Ｒ画素に対して行方向２画素×列方向４画素の加算信号（実際の加算画素数は４画素）を得たが、本発明はこれに限るものではない。例えば、図４における各回路５３に設けるサンプルホールド回路を２個から４個に増やし、ＳＨ選択スイッチの端子を４個に増やすことで、列方向に４画素の加算が可能となる。また、行方向走査信号を同時に印加する行方向走査スイッチの組み合わせを変えることにより、様々な加算が行える。

以上述べた様に、本発明の各実施形態によれば、全画素読出動作と色信号加算読出動作とを選択することが可能となる。従って、上記の各実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子を搭載したデジタルカメラでは、フラッシュ光が使用できない暗いシーンでの静止画像の撮影および動画像の撮影時に、色信号加算動作を選択することで、高感度で高画質（高Ｓ／Ｎ）の画像撮影が可能となり、また、十分明るいシーンの静止画像撮影時に全画素読出動作を選択すれば、高画質で高解像度の静止画像を撮影することが可能となる。

本発明に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子は、製造が容易で良好な画質のカラー画像を高感度に撮像することでできるため、従来のＣＣＤ型固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子等の代わりに用いると有用である。

本発明の第１実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の表面模式図である。 図１に示す２種類の単位画素の概略構成図である。 図１に示す光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の１単位画素分の断面模式図及び信号読出回路図である。 図１に示す出力信号処理部の要部構成図である。 本発明の第１実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子における画素加算の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の要部構成図である。 本発明の第３実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の要部構成図である。 本発明の第４実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子における出力信号処理部の要部構成図である。 （ａ）本発明の第５実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の半導体基板に設ける画素の信号読出回路図である。 （ｂ）本発明の第６実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の半導体基板に設ける画素の信号読出回路図である。 本発明の第７実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の光電変換膜で構成される画素で検出された正孔による信号電荷に応じた信号を読み出す信号読出回路図である。 （ａ）３トランジスタ構成の信号読出回路図である。 （ｂ）４トランジスタ構成の信号読出回路図である。

符号の説明

１１ 出力トランジスタ
１２ 行選択トランジスタ
１３ リセットトランジスタ
１４ 読出トランジスタ
２０ 光電変換膜積層型カラー固体撮像素子
２１ 半導体基板
２２ｇｂ 第１種の単位画素
２２ｇｒ 第２種の単位画素
２４ 出力信号処理部
２５ 列方向走査制御部
２６ Ｒ画素／Ｂ画素用の列信号線
２７ Ｇ画素用の列信号線
２８ カラーフィルタ
２９ 読出信号線
３０ リセット信号線
３１ 行選択信号線
３６ 透明絶縁層
３７ フォトダイオードを構成するｎ領域層
４３ 緑色光検出用光電変換膜
４８，４９ 端子
５０ Ｇ画素用の信号読出回路
５１ Ｒ画素／Ｂ画素用の信号読出回路
５３ 相関二重サンプリング回路
５４ 行方向走査制御部
５５ 出力部
５６ 列信号線選択スイッチ回路
５７ クランプ回路
５８，５９ サンプルホールド（ＳＨ）回路
６０ ＳＨ選択スイッチ回路
６２ 読出出力信号線
６７ クランプ制御用スイッチ回路

Claims (16)

1. 第１種と第２種の２種類の複数の単位画素が半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成され、前記第１種の単位画素が第１色，第２色の各入射光量を夫々検出する第１色画素，第２色画素で構成され、前記第２種の単位画素が前記第１色，第３色の各入射光量を夫々検出する第１色画素，第３色画素で構成され、前記第１色画素が前記半導体基板の表面部に積層された光電変換膜で構成され、前記第２色画素及び前記第３色画素の夫々が前記半導体基板表面部に形成されたフォトダイオードで構成され、前記第１色画素，第２色画素，第３色画素の各検出信号が前記半導体基板に前記単位画素毎に設けられた信号読出回路によって読み出される光電変換膜積層型カラー固体撮像素子であって、
   前記単位画素の画素列毎に設けられ同一単位画素行の隣接する同一色の色画素から読み出された信号の各々を保持する信号メモリ手段と、該信号メモリ手段の各々に保持された前記信号を個別に読み出し外部に出力する全画素読出動作と前記信号メモリ手段の各々に保持された前記信号のうち前記画素列毎に隣接する信号メモリ手段の信号を同時に読み出し外部に出力する加算読出動作とを切り替えて行う行方向走査制御手段とを有する出力信号処理部を備え、
   前記第１色画素が入射光量を正孔量で検出し、前記第２色画素と前記第３色画素が入射光量を電子量で検出することを特徴とする光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
2. 第１種と第２種の２種類の複数の単位画素が半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成され、前記第１種の単位画素が第１色，第２色の各入射光量を夫々検出する第１色画素，第２色画素で構成され、前記第２種の単位画素が前記第１色，第３色の各入射光量を夫々検出する第１色画素，第３色画素で構成され、前記第１色画素が前記半導体基板の表面部に積層された光電変換膜で構成され、前記第２色画素及び前記第３色画素の夫々が前記半導体基板表面部に形成されたフォトダイオードで構成され、前記第１色画素，第２色画素，第３色画素の各検出信号が前記半導体基板に前記単位画素毎に設けられた信号読出回路によって読み出される光電変換膜積層型カラー固体撮像素子であって、
   前記単位画素の画素列毎に設けられ同一単位画素行の隣接する同一色の色画素から読み出された信号の各々を保持する信号メモリ手段と、該信号メモリ手段の各々に保持された前記信号を個別に読み出し外部に出力する全画素読出動作と前記信号メモリ手段の各々に保持された前記信号のうち前記画素列毎に隣接する信号メモリ手段の信号を同時に読み出し外部に出力する加算読出動作とを切り替えて行う行方向走査制御手段とを有する出力信号処理部を備え、
   前記第１色画素，第２色画素，第３色画素が夫々入射光量を電子量として検出することを特徴とする光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
3. 前記出力信号処理部は、前記画素列毎に設けられる前記信号メモリ手段を複数備えると共に、該複数の信号メモリ手段の各々に前記単位画素の列方向に隣接する同一色の色画素から読み出された信号の各々を保持させるメモリ手段切替スイッチを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
4. 前記信号メモリ手段は、夫々、前記色画素から読み出されたリセット雑音を含む信号を保持する第１の信号メモリ手段と、当該色画素から読み出されたリセット雑音信号を保持する第２の信号メモリ手段とを備え、前記出力信号処理部は、該第１の信号メモリ手段から読み出した信号と該第２の信号メモリ手段から読み出した信号との差信号を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
5. 前記第１色画素の検出信号を読み出す信号読出回路をリセットトランジスタと行選択トランジスタと出力トランジスタの３トランジスタで構成される信号読出回路とし、前記第２色画素の検出信号を読み出す信号読出回路及び前記第３色画素の検出信号を読み出す信号読出回路を読出トランジスタとリセットトランジスタと行選択トランジスタと出力トランジスタの４トランジスタで構成される信号読出回路としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
6. 前記出力信号処理部は、前記第１色画素の検出信号を読み出す信号読出回路の出力信号と、前記第２色画素，第３色画素の検出信号を読み出す信号読出回路の出力信号とを切替選択して取り込む切替手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
7. 前記出力信号処理部は、取り込んだ前記第１色画素の検出信号に対してサンプルホールド処理を施す回路と、取り込んだ前記第２色画素，第３色画素の検出信号に対して相関二重サンプリング処理を施す回路とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
8. 前記相関二重サンプリング処理は、入力信号をクランプするクランプ回路及び該クランプ回路の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路で行い、前記サンプルホールド処理は前記クランプ回路をバイパス回路でバイパスし前記サンプルホールド回路で行うことを特徴とする請求項７に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
9. 前記第１色画素の検出信号を前記信号読出回路から前記出力信号処理部に読み出した後、次の第１色画素の検出信号が読み出される前に、該信号読出回路からリセット雑音信号を該出力信号処理部に読み出すことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
10. 前記４トランジスタ構成の前記信号読出回路のうち行選択トランジスタが省略され、代わりに前記リセットトランジスタのドレイン端子の印加電圧が可変制御される構成としたことを特徴とする請求項５に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
11. 前記光電変換膜が透明な画素電極膜と対向電極膜に挟まれた単層有機半導体構造または多層有機半導体構造でなることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
12. 前記第２色画素を構成する前記フォトダイオードの上部に第２色光を透過する第１カラーフィルタが積層され、前記第３色画素を構成する前記フォトダイオードの上部に第３色光を透過する第２カラーフィルタが積層されることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
13. 前記第１カラーフィルタまたは前記第２カラーフィルタが透明層でなることを特徴とする請求項１２に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
14. 前記第１色が緑色であり、前記第２色が青色であり、前記第３色が赤色であることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
15. 前記出力信号処理部の出力信号がアナログ信号であることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
16. 前記出力信号処理部の出力信号がデジタル信号であることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。

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