JP4761491B2 - Solid-state imaging device and imaging system using the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタル撮像システム等に用いられる固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、固体撮像装置としてはそのSN比の良さからCCDが多く使われてきた。一方、消費電力の少なさや使い勝手の良さを長所とするいわゆる増幅型固体撮像装置の開発も行われてきた。増幅型固体撮像装置とは、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を画素に備わったトランジスタの制御電極に導き、信号電荷量に応じた出力を前記トランジスタの主電極から増幅して出力するものである。特にトランジスタとしてMOSトランジスタを使ったいわゆるCMOSセンサはCMOSプロセスとのマッチングが良く、駆動回路、信号処理回路をオンチップ化できることから、開発に力が注がれている。
【0003】
図4はCMOSセンサ画素の典型的な例を示す回路図である。1は単位画素、2は入射光によって発生した信号電荷を蓄積するためのフォトダイオード、3は信号電荷量に応じた増幅信号出力を出す増幅手段としての増幅用MOSトランジスタ、4は信号電荷を受けMOSトランジスタ3のゲート電極に接続するフローティングディフュージョン部、5はフォトダイオード2に蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョン部4に転送するための転送手段としてのMOSトランジスタ、6はフローティングディフュージョン部4をリセットするためのMOSトランジスタ、7は出力画素を選択するためのMOSトランジスタである。
【0004】
また、8はMOSトランジスタ5のゲートにパルスを印加し、電荷転送動作を制御するための制御線、9はMOSトランジスタ6のゲートにパルスを印加しリセット動作を制御するための制御線、10はMOSトランジスタ7のゲートにパルスを印加し選択動作を制御するための制御線、11は電源配線であって、増幅用MOSトランジスタ3のドレインおよびリセット用MOSトランジスタ6のドレインに接続され、それらに電源電位を供給している。12は選択された画素の増幅信号が出力される出力線、13は定電流源として動作し、増幅用MOSトランジスタ3とソースフォロワを形成するMOSトランジスタ、14はMOSトランジスタ13が定電流動作するような電位をMOSトランジスタ13のゲート電極に供給する配線である。
【0005】
上記の画素1を二次元的マトリックス状に配列したものは二次元固体撮像装置の画素領域を形成するが、そのマトリックス構成において出力線12は各列の画素の共通線、制御線8、9、10はそれぞれ各行の画素の共通線となっており、制御線10によって選択された行の画素のみが出力線12に信号出力される。
【0006】
次に画素の動作を簡単に説明する。制御線10によって選択用MOSトランジスタがON状態となる行の画素について、まず制御線9にパルスが印加され、フローティングディフュージョン部4がリセットされる。増幅用MOSトランジスタ3と定電流用MOSトランジスタ13とでソースフォロワが形成されるから、リセット電位に応じた出力電位が出力線12にあらわれる。次に制御線8にパルスを印加することによってフォトダイオード2に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン部4に転送されると、この信号電荷量に応じた電圧分だけフローティングディフュージョン部4の電位が変化し、その電位変化分が出力線12にもあらわれる。出力線12にあらわれるリセット電位は、増幅用MOSトランジスタ3のしきい電圧値ばらつきおよびフローティングディフュージョン部4をリセットするときのリセット雑音などの雑音がのっているので、信号電荷量に対応した電位変化分が雑音を含まない信号である。
【0007】
二次元CMOSセンサでは、この雑音を取り除き、信号のみを取り出すための読み出し回路が、出力線12に接続されている。この読み出し回路には、クランプ回路によって上記雑音を除くもの、雑音と雑音+純粋信号とを別々に保持してそれぞれ水平走査の読み出し時に最終段の差動アンプに導くことによって雑音を除くもの、などいくつかの構成が提案されているが、本発明とは直接の関係がないので詳しい説明は省略する。
【0008】
次に画素のフォトダイオード、転送用MOSトランジスタ、フローティングディフュージョンの部分の断面構造を図5に示す。同図において15はN型の半導体基板、16はP型のウエル、17はウエル16中に形成されたN型の半導体領域であり、16と17とでフォトダイオードが形成され、領域17には信号電荷が蓄積される。18はウエル16中に形成され、フローティングディフュージョンとなるN型の半導体領域、19は転送用MOSトランジスタ5のゲート電極であり、領域17、領域18は上記転送用MOSトランジスタのソース領域、ドレイン領域となる。20は領域18と接続する配線であり、増幅用MOSトランジスタ3のゲートと接続している。領域17に蓄積される信号電荷は転送動作時にはすべてフローティングディフュージョン18に転送され、転送直後には領域17は完全に空乏化するよう、領域17におけるN型の不純物濃度が設定されている。よってフォトダイオードにおける信号電荷の蓄積開始は信号電荷転送直後となり、信号電荷の蓄積終了時は、ふたたびその画素が属する行が選択されてフォトダイオードに蓄積された信号電荷が転送されることとなる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来例においては、読み出しのための行を順次選択する。画素のフォトダイオードの蓄積開始、終了のタイミングは信号電荷転送時で決まるため、行毎にフォトダイオードの蓄積開始、終了のタイミングがずれることになる。二次元固体撮像装置においては、1画面すなわち1フィールドの信号は全行の画素信号によって形成されるので、行毎の蓄積タイミングがずれると、高速度で動く被写体の形状がゆがんでとらえられるという問題があった。
【0010】
そこで本発明は、信号蓄積動作の開始、終了タイミングを全画素同時に可能とすることにより、動く被写体でもゆがみのない画像を得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の側面に係る固体撮像装置は、入射した光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、該信号電荷を転送するための転送ゲートと、該信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷に基づいて増幅された信号を出力するための増幅手段と、を備えた単位画素を複数配列して構成される固体撮像装置において、前記転送ゲートの下に設けられた前記信号電荷を保持する信号電荷保持領域と、該信号電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域との間にポテンシャル障壁を提供するポテンシャル障壁部とを備えており、第1の導電型の半導体領域中に、第1導電型とは反対導電型の第2導電型の第1及び第2のウエルが配され、前記第1のウエル中に前記フォトダイオードを構成する第1導電型の第1の半導体領域が、前記第2のウエル中に前記信号電荷保持領域を構成する第1導電型の第2の半導体領域が配されていることを特徴とする。
本発明の第2の側面に係る固体撮像装置は、信号電荷を蓄積可能な第1導電型の第1の半導体領域を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を転送する転送ゲートと、該転送ゲートの下部に配された信号電荷保持領域を提供する第1導電型の第2の半導体領域と、該信号電荷保持領域の電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該信号電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域との間にポテンシャル障壁を提供するポテンシャル障壁部と、前記フローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷に基づいて増幅された信号を出力するための増幅手段と、を備えた単位画素が複数配列されており、前記第1の半導体領域とともに前記フォトダイオードを構成する第2導電型の第1のウエルと、前記第2の半導体領域の下部に配された第2導電型の第2のウエルとを有し、前記第2のウエルの不純物濃度は、前記第1のウエルよりも高いことを特徴とする。
本発明の第3の側面に係る固体撮像装置は、信号電荷を蓄積可能な第1導電型の第1の半導体領域を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を転送する転送ゲートと、該転送ゲートの下部に配された信号電荷保持領域を提供する第1導電型の第2の半導体領域と、該信号電荷保持領域の電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該信号電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域との間にポテンシャル障壁を提供するポテンシャル障壁部と、前記フローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷に基づいて増幅された信号を出力するための増幅手段と、を備えた単位画素が複数配列されており、前記第1の半導体領域とともに前記フォトダイオードを構成する第2導電型の第1のウエルと、前記第2の半導体領域の下部に配された第2導電型の第2のウエルとを有し、前記第1のウエルは前記第2のウエルよりも深い位置まで形成されていることを特徴とする。
【0012】
信号増幅を行うアクティブ画素型のCMOSセンサの画素構成において、信号電荷転送用のゲート下のチャネル部の一部にフォトダイオードで蓄積した信号電荷を保持するためのポテンシャルの低い信号電荷保持領域を設け、フローティングディフュージョン領域と前記保持領域との間に、ポテンシャル障壁を提供し完全空乏化する半導体領域からなるポテンシャル障壁部を設ける。そして、信号電荷保持領域は転送ゲート電位制御によってフォトダイオードからの信号電荷転送、信号電荷保持、フローティングディフュージョン領域への信号電荷転送という動作をおこなうことが可能となる。上記構成において、フォトダイオードから前記電荷保持領域への信号電荷転送は全画素同時におこない、前記電荷保持領域からフローティングディフュージョン部への電荷転送は従来どおり線順次におこなえば、フォトダイオードの蓄積タイミングは全画素について同じとなるので、高速で動く被写体を撮像してもゆがみのない像を得ることができる。
【0013】
また前記保持領域への光入射をさえぎるための遮光手段を設けることも好ましいものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0015】
(第1の実施の形態)
図1は本発明の特徴を最も良く表す画素の一部の断面図であってフォトダイオード、転送手段としての電荷転送MOSトランジスタ、増幅手段(不図示)の入力ノードに接続されるフローティングディフュージョンの部分の構造を示すものであり、図4と同一の部材には同一の番号を付して説明を省略する。図1において21は転送ゲート19の直下のチャネル部に形成された信号電荷保持部となるN型の半導体領域、22は前記電荷保持領域21とフローティングディフュージョン領域18との間に形成され、フローティングディフュージョン領域18の電位がP型ウエル16に対して十分逆バイアスされる時には完全に空乏化されるようにその不純物濃度が制御されたN型半導体領域、23は電荷保持領域21への光入射をさえぎるように形成された遮光層である。
【0016】
また(a)(b)(c)は、領域17から電荷転送チャネル部、領域21、領域22を経てフローティングディフュージョン領域18にいたる部分の電子に対するポテンシャルが、ゲート電極19の電位によってどのように変わるかを示したものである。なお電子は負電荷を帯びているため、電位が低いほど、電子に対するポテンシャルが高くなっている。
【0017】
次に本実施の形態の動作を説明する。ひとつの画素の動作は、(1)フォトダイオードでの信号電荷蓄積、(2)フォトダイオードに蓄積された信号電荷を電荷保持領域21に転送、(3)電荷保持領域21における信号電荷の保持、(4)電荷保持領域21からフローティングディフュージョン領域18への信号電荷転送、を基本としている。
【0018】
上記(1)の動作は従来と同じであるから説明を省く。
【0019】
(2)フォトダイオードに蓄積された信号電荷を電荷保持領域21に転送、という動作時のポテンシャルは図1(a)に示されており、この時、転送ゲート電極19には高い電位VHが印加されている。領域17と領域21とを隔てる転送ゲート下のチャネル電位は、領域17の電位よりも十分高くなるようにVHの値が決められ、フォトダイオードに蓄積していた信号電荷は電荷保持領域21に転送される。この時、フローティングディフュージョン領域18の電位は領域22が完全に空乏化するよう高い電位に設定されており、電荷保持領域21に転送された電荷は、領域22におけるポテンシャル障壁のために、フローティングディフュージョン領域18へ流れ出すことはない。
【0020】
(3)電荷保持領域21における信号電荷の保持、という動作に移る。この動作においては転送ゲート電極19の電位はVHよりも低いVMに設定され、その時のポテンシャルが図1(b)に示されている。この時、領域17と領域21とを隔てる転送ゲート下のチャネル電位は領域17の電位よりも低く、しかし電荷保持領域21の電位は領域22の電位よりも高くなるようにVMの値が決められる。電荷保持領域21における信号電荷は、その両端に存在するポテンシャル障壁によって孤立し、また遮光層23のために、光励起によって発生する電子が領域21に入り込むこともおさえられているため、信号電荷の保持動作ができる。
【0021】
(4)電荷保持領域21からフローティングディフュージョン領域18への信号電荷転送、という動作に移る。この動作においては転送ゲート電極19の電位はVMよりもさらに低いVLに設定され、その時のポテンシャルが図1(c)に示されている。この時、電荷保持領域21の電位は領域22の電位よりも低くなるようにVLの値が決められる。この状態では電荷保持領域21とフローティングディフュージョン領域18との間のポテンシャル障壁はなく、電荷保持領域21の信号電荷はフローティングディフュージョン領域18へと転送される。
【0022】
上記の構成、動作を持つ画素によって二次元センサが形成されるならば、「フォトダイオードに蓄積された信号電荷を電荷保持領域21に転送する」という動作は全画素同時に行うことができ、したがって信号蓄積動作の開始、終了タイミングは全画素同時となるため、ゆがみのない画像を得ることができる。また、図1からわかるように、フローティングディフュージョン領域18は転送ゲート19と接していないので、フローティングディフュージョン部4の全寄生容量は、従来構成のように転送ゲートとの容量を含まない。その分従来よりもフローティングディフュージョン部の全寄生容量が小さくでき、電荷変換係数が大きくしたがって感度が高くなるという効果がある。
【0023】
(第2の実施の形態)
図2は本発明の第2の実施の形態を表す画素の一部の断面図であってフォトダイオード、転送手段としての電荷転送MOSトランジスタ、増幅手段(不図示)の入力ノードに接続されるフローティングディフュージョンの部分の構造を示すものであり、図1と同一の部材には同一の番号を付して説明を省略する。図2において、24は第1のP型ウエル、25は第2のP型ウエルであり、24中にはフォトダイオード17が形成され、25中には電荷保持領域21が形成される。
【0024】
保持動作中、電荷保持領域21に、フォトダイオード付近で入射光によって発生した電荷が入ってくると、それは偽信号となる。よって電荷保持領域が形成されるP型ウエル25は不純物濃度が高い構成にすると、電子に対する高いポテンシャル障壁が形成されて偽信号を抑制することができる。
【0025】
一方、P型ウエル24は、入射光によって発生した電荷をできるだけフォトダイオード17に集めたいのであるから、深くまた不純物濃度が低い構成にするのが良い。このように第2の実施の形態ではフォトダイオードと電荷保持領域という別々の目的を持つ部位の特性に応じて異なる構成の2つのP型ウエルが形成されている。これによって、信号蓄積動作の開始、終了タイミングが全画素同時にでき、なおかつ感度が高くまた電荷保持領域における偽信号発生の小さいセンサ画素が実現できる。
【0026】
なお上記第1および第2の実施の形態において、フォトダイオード17、およびポテンシャル障壁領域22のように完全空乏化する領域は、埋め込み型すなわちウエルと同じ導電型の表面層を持つ構成のダイオードであってもよい。また、電荷保持領域21はバルクチャネル型、すなわち保持動作時には電荷保持領域が界面から少し離れた半導体バルク中に形成されるものであってもよい。
【0027】
(第3の実施の形態)
次に上記第1及び第2の実施の形態の固体撮像装置を用いた撮像システムについて説明する。
【0028】
図3は本発明による固体撮像素子を「スチルビデオカメラ」に適用した例を示すブロック図である。101はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、102は被写体の光学像を固体撮像素子104に結像させるレンズ、103はレンズ102を通った光量を可変するための絞り、104はレンズ102で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、106は固体撮像素子104から撮像信号処理回路105を介して出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うA/D変換器、107はA/D変換器106より出力された画像データに各種の補正を行うと共にデータを圧縮する信号処理部である。また、108は固体撮像素子104、撮像信号処理回路105、A/D変換器106、信号処理部107に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、109は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、110は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、111は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、112は画像データの記録また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、113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部である。
【0029】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。
【0030】
バリア101がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、A/D変換器106などの撮像系回路の電源がオンされる。
【0031】
それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部109は絞り103を開放にし、固体撮像素子104から出力された信号はA/D変換器106で変換された後、信号処理部107に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部109で行う。
【0032】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部109は絞りを制御する。
【0033】
次に、固体撮像素子104から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部109で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
【0034】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子104から出力された画像信号はA/D変換器106でA−D変換され、信号処理部107を通り全体制御・演算109によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部110に蓄積されたデータは、全体制御・演算部109の制御により記録媒体制御I/F部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体112に記録される。又外部I/F部113を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、信号蓄積動作の開始、終了タイミングを全画素同時とする動作が可能なため、動く被写体でもゆがみのない画像を得ることができる。またフローティングディフュージョン部の寄生容量が小さいため高い感度を得ることができる。
【0036】
さらに、第1のウエル中にフォトダイオード、第2のウエル中に信号電荷保持領域を形成し、第1のウエルを第2のウエルよりも、不純物濃度が低く、かつ深さが深く形成すれば、上記効果に加えて、感度がさらに高く、偽信号発生の小さいセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を説明するための画素の断面構造図である。
【図2】本発明の第2の実施形態を説明するための画素の断面構造図である。
【図3】本発明の固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した例を示すブロック図である。
【図4】従来の画素の回路図である。
【図5】従来の画素の断面構造図である。
【符号の説明】
1:画素
2:フォトダイオード
3:増幅用MOSトランジスタ
4:フローティングディフージョン部
5:信号電荷用MOSトランジスタ
6:リセット用MOSトランジスタ
7:選択用MOSトランジスタ
8:ゲート制御線
9:ゲート制御線
10:ゲート制御線
11:電源線
12:画素出力線
13:定電流供給用MOSトランジスタ
14:ゲート制御線
15:半導体基板
16:半導体ウエル
17:フォトダイオード領域
18:フローティングディフージョン領域
19:転送ゲート
20:配線
21:電荷保持領域
22:完全空乏領域
23:遮光層
24:第1のウエル
25:第2のウエル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device used in a digital imaging system or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a CCD is often used as a solid-state imaging device because of its good SN ratio. On the other hand, so-called amplification type solid-state imaging devices have been developed which have the advantages of low power consumption and ease of use. An amplification type solid-state imaging device is a device that guides signal charges accumulated in a photodiode to a control electrode of a transistor provided in a pixel, amplifies an output corresponding to the amount of signal charge from the main electrode of the transistor, and outputs the amplified signal. . In particular, a so-called CMOS sensor using a MOS transistor as a transistor has a good matching with the CMOS process, and the drive circuit and the signal processing circuit can be made on-chip, and therefore, development is focused on.
[0003]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a typical example of a CMOS sensor pixel. 1 is a unit pixel, 2 is a photodiode for accumulating signal charges generated by incident light, 3 is an amplifying MOS transistor serving as an amplifying means for outputting an amplified signal corresponding to the amount of signal charges, and 4 receives signal charges. The floating diffusion portion 5 connected to the gate electrode of the MOS transistor 3 is a MOS transistor as transfer means for transferring the signal charge accumulated in the photodiode 2 to the floating diffusion portion 4, and 6 is for resetting the floating diffusion portion 4. The MOS transistor 7 is a MOS transistor for selecting an output pixel.
[0004]
Reference numeral 8 is a control line for applying a pulse to the gate of the MOS transistor 5 to control the charge transfer operation, 9 is a control line for applying a pulse to the gate of the MOS transistor 6 to control the reset operation, A control line 11 for applying a pulse to the gate of the MOS transistor 7 to control the selection operation, 11 is a power supply wiring, which is connected to the drain of the amplifying MOS transistor 3 and the drain of the reset MOS transistor 6 and supplies power to them. Electric potential is supplied. Reference numeral 12 denotes an output line through which an amplified signal of the selected pixel is output, 13 operates as a constant current source, a MOS transistor that forms an amplification MOS transistor 3 and a source follower, and 14 operates so that the MOS transistor 13 operates at a constant current. This is a wiring for supplying a potential to the gate electrode of the MOS transistor 13.
[0005]
The pixels 1 arranged in a two-dimensional matrix form a pixel region of a two-dimensional solid-state imaging device. In the matrix configuration, the output line 12 is a common line of pixels in each column, control lines 8, 9, Reference numeral 10 denotes a common line for pixels in each row, and only the pixels in the row selected by the control line 10 are signal-outputted to the output line 12.
[0006]
Next, the operation of the pixel will be briefly described. For the pixels in the row where the selection MOS transistor is turned on by the control line 10, a pulse is first applied to the control line 9, and the floating diffusion portion 4 is reset. Since the amplifying MOS transistor 3 and the constant current MOS transistor 13 form a source follower, an output potential corresponding to the reset potential appears on the output line 12. Next, when the signal charge accumulated in the photodiode 2 is transferred to the floating diffusion portion 4 by applying a pulse to the control line 8, the potential of the floating diffusion portion 4 is changed by a voltage corresponding to the signal charge amount. The potential change appears on the output line 12. Since the reset potential appearing on the output line 12 includes noise such as variations in threshold voltage values of the amplifying MOS transistor 3 and reset noise when the floating diffusion portion 4 is reset, the potential change corresponding to the signal charge amount Minute is a signal that does not contain noise.
[0007]
In the two-dimensional CMOS sensor, a readout circuit for removing this noise and taking out only a signal is connected to the output line 12. In this readout circuit, the above-mentioned noise is removed by a clamp circuit, and the noise and noise + pure signal are held separately, and the noise is eliminated by guiding them to the differential amplifier at the final stage during horizontal scanning readout, etc. Several configurations have been proposed, but they are not directly related to the present invention and will not be described in detail.
[0008]
Next, FIG. 5 shows a cross-sectional structure of a pixel photodiode, a transfer MOS transistor, and a floating diffusion. In the figure, 15 is an N-type semiconductor substrate, 16 is a P-type well, 17 is an N-type semiconductor region formed in the well 16, and a photodiode is formed by 16 and 17. Signal charge is accumulated. Reference numeral 18 denotes an N-type semiconductor region formed in the well 16 and serves as a floating diffusion. Reference numeral 19 denotes a gate electrode of the transfer MOS transistor 5. Reference numerals 17 and 18 denote a source region and a drain region of the transfer MOS transistor. Become. A wiring 20 is connected to the region 18 and is connected to the gate of the amplification MOS transistor 3. The signal charges accumulated in the region 17 are all transferred to the floating diffusion 18 during the transfer operation, and the N-type impurity concentration in the region 17 is set so that the region 17 is completely depleted immediately after the transfer. Therefore, signal charge accumulation in the photodiode starts immediately after signal charge transfer, and when signal charge accumulation ends, the row to which the pixel belongs is selected again, and the signal charge accumulated in the photodiode is transferred.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional example, rows for reading are sequentially selected. Since the timing for starting and ending the accumulation of the photodiodes in the pixel is determined at the time of signal charge transfer, the timing for starting and ending the accumulation of the photodiodes is shifted for each row. In the two-dimensional solid-state imaging device, a signal of one screen, that is, one field is formed by pixel signals of all rows, so that the shape of a subject moving at a high speed is distorted when the accumulation timing for each row is shifted. was there.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of obtaining a distortion-free image even with a moving subject by enabling the start and end timings of the signal accumulation operation simultaneously for all pixels.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A solid-state imaging device according to a first aspect of the present invention includes a photodiode for accumulating signal charges generated by incident light, a transfer gate for transferring the signal charges, and a floating diffusion to which the signal charges are transferred. In the solid-state imaging device configured by arranging a plurality of unit pixels, each of which includes a region and an amplifying means for outputting a signal amplified based on the signal charge transferred to the floating diffusion region, the transfer gate A signal charge holding region for holding the signal charge provided below, and a potential barrier unit for providing a potential barrier between the signal charge holding region and the floating diffusion region. The first and second wells of the second conductivity type opposite to the first conductivity type are arranged in the semiconductor region of the type The first conductivity type first semiconductor region constituting the photodiode in the first well and the first conductivity type second semiconductor constituting the signal charge holding region in the second well. An area is arranged.
A solid-state imaging device according to a second aspect of the present invention includes a photodiode having a first semiconductor region of a first conductivity type capable of storing a signal charge, a transfer gate for transferring the signal charge of the photodiode, A second semiconductor region of a first conductivity type that provides a signal charge holding region disposed under the transfer gate; a floating diffusion region to which charges in the signal charge holding region are transferred; the signal charge holding region; A plurality of unit pixels each including a potential barrier portion that provides a potential barrier between the floating diffusion region and amplification means for outputting a signal amplified based on the signal charge transferred to the floating diffusion region A first first of a second conductivity type that is arranged and constitutes the photodiode together with the first semiconductor region; A second well of a second conductivity type disposed under the second semiconductor region, and the impurity concentration of the second well is higher than that of the first well. And
A solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention includes a photodiode having a first semiconductor region of a first conductivity type capable of storing a signal charge, a transfer gate for transferring the signal charge of the photodiode, A second semiconductor region of a first conductivity type that provides a signal charge holding region disposed under the transfer gate; a floating diffusion region to which charges in the signal charge holding region are transferred; the signal charge holding region; A plurality of unit pixels each including a potential barrier portion that provides a potential barrier between the floating diffusion region and amplification means for outputting a signal amplified based on the signal charge transferred to the floating diffusion region A first first of a second conductivity type that is arranged and constitutes the photodiode together with the first semiconductor region; A well and a second well of a second conductivity type disposed below the second semiconductor region, and the first well is formed deeper than the second well. It is characterized by.
[0012]
In a pixel configuration of an active pixel type CMOS sensor that performs signal amplification, a signal charge holding region having a low potential for holding signal charges accumulated by a photodiode is provided in a part of a channel portion under a signal charge transfer gate. A potential barrier portion made of a semiconductor region that provides a potential barrier and is fully depleted is provided between the floating diffusion region and the holding region. The signal charge holding region can perform operations such as signal charge transfer from the photodiode, signal charge holding, and signal charge transfer to the floating diffusion region by transfer gate potential control. In the above configuration, if the signal charge transfer from the photodiode to the charge holding region is performed simultaneously for all the pixels, and the charge transfer from the charge holding region to the floating diffusion portion is performed line-sequentially as before, the accumulation timing of the photodiode is all Since the same applies to the pixels, an image without distortion can be obtained even if a subject moving at high speed is imaged.
[0013]
It is also preferable to provide a light shielding means for blocking light incident on the holding region.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a part of a pixel that best represents the features of the present invention. A floating diffusion portion connected to an input node of a photodiode, a charge transfer MOS transistor as transfer means, and an amplification means (not shown). The same members as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. In FIG. 1, reference numeral 21 denotes an N-type semiconductor region serving as a signal charge holding portion formed in a channel portion immediately below the transfer gate 19, and 22 is formed between the charge holding region 21 and the floating diffusion region 18. The N-type semiconductor region 23 whose impurity concentration is controlled so as to be completely depleted when the potential of the region 18 is sufficiently reverse-biased with respect to the P-type well 16 blocks light incidence on the charge holding region 21. It is the light shielding layer formed in this way.
[0016]
In (a), (b), and (c), how the potential for electrons in the portion from the region 17 through the charge transfer channel portion, the region 21 and the region 22 to the floating diffusion region 18 changes depending on the potential of the gate electrode 19. It is shown. Since electrons are negatively charged, the lower the potential, the higher the potential for the electrons.
[0017]
Next, the operation of the present embodiment will be described. The operation of one pixel is as follows: (1) signal charge accumulation in the photodiode, (2) signal charge accumulated in the photodiode is transferred to the charge holding region 21, (3) signal charge holding in the charge holding region 21; (4) Signal charge transfer from the charge holding region 21 to the floating diffusion region 18 is fundamental.
[0018]
Since the operation of (1) is the same as the conventional one, the description is omitted.
[0019]
(2) The potential during the operation of transferring the signal charge accumulated in the photodiode to the charge holding region 21 is shown in FIG. 1A. At this time, a high potential VH is applied to the transfer gate electrode 19. Has been. The channel potential under the transfer gate that separates the region 17 and the region 21 is determined such that the value of VH is sufficiently higher than the potential of the region 17, and the signal charge accumulated in the photodiode is transferred to the charge holding region 21. Is done. At this time, the potential of the floating diffusion region 18 is set to a high potential so that the region 22 is completely depleted, and the charge transferred to the charge holding region 21 is caused by the potential barrier in the region 22 because of the potential barrier. It does not flow to 18.
[0020]
(3) The operation moves to the operation of holding the signal charge in the charge holding region 21. In this operation, the potential of the transfer gate electrode 19 is set to VM lower than VH, and the potential at that time is shown in FIG. At this time, the value of VM is determined so that the channel potential under the transfer gate separating the region 17 and the region 21 is lower than the potential of the region 17, but the potential of the charge holding region 21 is higher than the potential of the region 22. . The signal charge in the charge holding region 21 is isolated by the potential barriers existing at both ends thereof, and electrons generated by photoexcitation are also prevented from entering the region 21 because of the light shielding layer 23. Can operate.
[0021]
(4) The operation proceeds to signal charge transfer from the charge holding region 21 to the floating diffusion region 18. In this operation, the potential of the transfer gate electrode 19 is set to VL lower than VM, and the potential at that time is shown in FIG. At this time, the value of VL is determined so that the potential of the charge holding region 21 is lower than the potential of the region 22. In this state, there is no potential barrier between the charge holding region 21 and the floating diffusion region 18, and the signal charge in the charge holding region 21 is transferred to the floating diffusion region 18.
[0022]
If a two-dimensional sensor is formed by pixels having the above-described configuration and operation, the operation of “transferring the signal charge accumulated in the photodiode to the charge holding region 21” can be performed simultaneously for all the pixels. Since the start and end timings of the accumulation operation are the same for all pixels, an image without distortion can be obtained. As can be seen from FIG. 1, since the floating diffusion region 18 is not in contact with the transfer gate 19, the total parasitic capacitance of the floating diffusion portion 4 does not include the capacitance with the transfer gate as in the conventional configuration. As a result, the total parasitic capacitance of the floating diffusion portion can be reduced as compared with the conventional case, and there is an effect that the charge conversion coefficient is large and thus the sensitivity is increased.
[0023]
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view of a part of a pixel showing a second embodiment of the present invention, in which a photodiode, a charge transfer MOS transistor as transfer means, and a floating connected to an input node of an amplification means (not shown). It shows the structure of the diffusion part, and the same members as those in FIG. In FIG. 2, reference numeral 24 denotes a first P-type well, and 25 denotes a second P-type well. The photodiode 17 is formed in 24, and the charge holding region 21 is formed in 25.
[0024]
If charge generated by incident light near the photodiode enters the charge holding region 21 during the holding operation, it becomes a false signal. Therefore, if the P-type well 25 in which the charge holding region is formed is configured to have a high impurity concentration, a high potential barrier against electrons can be formed and a false signal can be suppressed.
[0025]
On the other hand, since the P-type well 24 wants to collect charges generated by incident light in the photodiode 17 as much as possible, it is preferable that the P-type well 24 has a deep and low impurity concentration. As described above, in the second embodiment, two P-type wells having different structures are formed according to the characteristics of the photodiodes and the charge holding regions having different purposes. As a result, it is possible to realize a sensor pixel in which the start and end timing of the signal accumulation operation can be performed simultaneously for all the pixels, the sensitivity is high, and the false signal generation in the charge holding region is small.
[0026]
In the first and second embodiments, the fully depleted regions such as the photodiode 17 and the potential barrier region 22 are buried type, that is, a diode having a surface layer of the same conductivity type as the well. May be. The charge holding region 21 may be a bulk channel type, that is, formed in a semiconductor bulk in which the charge holding region is slightly separated from the interface during the holding operation.
[0027]
(Third embodiment)
Next, an imaging system using the solid-state imaging device of the first and second embodiments will be described.
[0028]
FIG. 3 is a block diagram showing an example in which the solid-state imaging device according to the present invention is applied to a “still video camera”. Reference numeral 101 denotes a barrier that serves as a lens switch and a main switch, 102 denotes a lens that forms an optical image of a subject on the solid-state imaging device 104, 103 denotes a diaphragm for changing the amount of light passing through the lens 102, and 104 denotes a lens 102. A solid-state imaging device for capturing an imaged subject as an image signal, 106 is an A / D converter that performs analog-digital conversion of an image signal output from the solid-state imaging device 104 via the imaging signal processing circuit 105, 107 is The signal processing unit performs various corrections on the image data output from the A / D converter 106 and compresses the data. A timing generator 108 outputs various timing signals to the solid-state imaging device 104, the imaging signal processing circuit 105, the A / D converter 106, and the signal processor 107, and 109 controls various operations and the entire still video camera. An overall control / arithmetic unit, 110 a memory unit for temporarily storing image data, 111 an interface unit for recording or reading on a recording medium, and 112 a semiconductor memory for recording or reading image data A removable recording medium such as 113 is an interface unit for communicating with an external computer or the like.
[0029]
Next, the operation of the still video camera at the time of shooting in the above configuration will be described.
[0030]
When the barrier 101 is opened, the main power supply is turned on, the control system power supply is turned on, and the power supply of the imaging system circuit such as the A / D converter 106 is turned on.
[0031]
Then, in order to control the exposure amount, the overall control / arithmetic unit 109 opens the diaphragm 103, and the signal output from the solid-state imaging device 104 is converted by the A / D converter 106 and then sent to the signal processing unit 107. Entered. Based on this data, exposure calculation is performed by the overall control / calculation unit 109.
[0032]
The brightness is determined based on the result of the photometry, and the overall control / calculation unit 109 controls the aperture according to the result.
[0033]
Next, based on the signal output from the solid-state image sensor 104, the high-frequency component is extracted and the distance to the subject is calculated by the overall control / calculation unit 109. Thereafter, the lens is driven to determine whether or not it is in focus. If it is determined that the lens is not in focus, the lens is driven again to perform distance measurement.
[0034]
Then, after the in-focus state is confirmed, the main exposure starts. When the exposure is completed, the image signal output from the solid-state image sensor 104 is A / D converted by the A / D converter 106 and is written to the memory unit by the overall control / calculation 109 through the signal processing unit 107. Thereafter, the data stored in the memory unit 110 is recorded on a removable recording medium 112 such as a semiconductor memory through the recording medium control I / F unit under the control of the overall control / arithmetic unit 109. Alternatively, the image may be processed by directly entering a computer or the like through the external I / F unit 113.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the start and end timing of the signal accumulation operation can be performed simultaneously for all pixels, an image without distortion can be obtained even with a moving subject. Moreover, since the parasitic capacitance of the floating diffusion portion is small, high sensitivity can be obtained.
[0036]
Further, if a photodiode is formed in the first well, a signal charge holding region is formed in the second well, and the first well has a lower impurity concentration and a deeper depth than the second well. In addition to the above effects, it is possible to realize a sensor with higher sensitivity and less generation of false signals.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram of a pixel for explaining a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional structure diagram of a pixel for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing an example in which the solid-state imaging device of the present invention is applied to a still video camera.
FIG. 4 is a circuit diagram of a conventional pixel.
FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram of a conventional pixel.
[Explanation of symbols]
1: Pixel 2: Photodiode 3: Amplifying MOS transistor 4: Floating diffusion part 5: Signal charge MOS transistor 6: Reset MOS transistor 7: Selection MOS transistor 8: Gate control line 9: Gate control line 10: Gate control line 11: Power supply line 12: Pixel output line 13: Constant current supply MOS transistor 14: Gate control line 15: Semiconductor substrate 16: Semiconductor well 17: Photodiode region 18: Floating diffusion region 19: Transfer gate 20: Wiring 21: Charge holding region 22: Complete depletion region 23: Light shielding layer 24: First well 25: Second well

Claims (11)

入射した光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、
該信号電荷を転送するための転送ゲートと、
該信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、
該フローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷に基づいて増幅された信号を出力するための増幅手段と、を備えた単位画素を複数配列して構成される固体撮像装置において、
前記転送ゲートの下に設けられた前記信号電荷を保持する信号電荷保持領域と、
該信号電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域との間にポテンシャル障壁を提供するポテンシャル障壁部とを備えており、
第1の導電型の半導体領域中に、第1導電型とは反対導電型の第2導電型の第1及び第2のウエルが配され、前記第1のウエル中に前記フォトダイオードを構成する第1導電型の第1の半導体領域が、前記第2のウエル中に前記信号電荷保持領域を構成する第1導電型の第2の半導体領域が配されていることを特徴とする固体撮像装置。
A photodiode for accumulating signal charges generated by incident light;
A transfer gate for transferring the signal charge;
A floating diffusion region to which the signal charge is transferred;
In a solid-state imaging device configured by arranging a plurality of unit pixels, including an amplifying means for outputting a signal amplified based on the signal charge transferred to the floating diffusion region,
A signal charge holding region for holding the signal charge provided under the transfer gate;
A potential barrier portion that provides a potential barrier between the signal charge holding region and the floating diffusion region;
First and second wells of the second conductivity type opposite to the first conductivity type are arranged in the semiconductor region of the first conductivity type, and the photodiode is configured in the first well. A solid-state imaging device, wherein the first conductive type first semiconductor region is provided with the first conductive type second semiconductor region constituting the signal charge holding region in the second well. .
前記信号電荷が前記信号電荷保持領域に保持されている状態において、前記ポテンシャル障壁部は完全空乏化していることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the potential barrier portion is completely depleted in a state where the signal charge is held in the signal charge holding region. 前記信号電荷保持領域への入射光をさえぎるための遮光層を備えることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a light shielding layer for blocking incident light to the signal charge holding region. 前記第1のウエルは、前記第2のウエルよりも、不純物濃度が低く、かつ深さが深いことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first well has a lower impurity concentration and a deeper depth than the second well. 被写体からの光を結像する結像光学系と、
この結像された像を光電変換する請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像装置と、
この固体撮像装置からの出力信号をディジタル変換して処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
An imaging optical system for imaging light from a subject;
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4, which photoelectrically converts the formed image;
An image pickup system comprising: a signal processing circuit for digitally converting and processing an output signal from the solid-state image pickup device.
信号電荷を蓄積可能な第1導電型の第1の半導体領域を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を転送する転送ゲートと、該転送ゲートの下部に配された信号電荷保持領域を提供する第1導電型の第2の半導体領域と、該信号電荷保持領域の電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該信号電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域との間にポテンシャル障壁を提供するポテンシャル障壁部と、前記フローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷に基づいて増幅された信号を出力するための増幅手段と、を備えた単位画素が複数配列されており、
前記第1の半導体領域とともに前記フォトダイオードを構成する第2導電型の第1のウエルと、前記第2の半導体領域の下部に配された第2導電型の第2のウエルとを有し、
前記第2のウエルの不純物濃度は、前記第1のウエルよりも高いことを特徴とする固体撮像装置。
Provided is a photodiode having a first semiconductor region of a first conductivity type capable of storing signal charge, a transfer gate for transferring signal charge of the photodiode, and a signal charge holding region disposed under the transfer gate potential barrier for providing a second semiconductor region of a first conductivity type, a floating diffusion region charge of the signal charge holding region is transferred, a signal charge holding region the potential barrier between said floating diffusion region A plurality of unit pixels are arranged, and an amplifying means for outputting a signal amplified based on the signal charge transferred to the floating diffusion region,
A second conductivity type first well that constitutes the photodiode together with the first semiconductor region; and a second conductivity type second well disposed below the second semiconductor region;
The solid-state imaging device, wherein an impurity concentration of the second well is higher than that of the first well.
前記第1のウエルは前記第2のウエルよりも深い位置まで形成されていることを特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 6, wherein the first well is formed to a position deeper than the second well. 信号電荷を蓄積可能な第1導電型の第1の半導体領域を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を転送する転送ゲートと、該転送ゲートの下部に配された信号電荷保持領域を提供する第1導電型の第2の半導体領域と、該信号電荷保持領域の電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該信号電荷保持領域と前記フローティングディフュージョン領域との間にポテンシャル障壁を提供するポテンシャル障壁部と、前記フローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷に基づいて増幅された信号を出力するための増幅手段と、を備えた単位画素が複数配列されており、
前記第1の半導体領域とともに前記フォトダイオードを構成する第2導電型の第1のウエルと、前記第2の半導体領域の下部に配された第2導電型の第2のウエルとを有し、
前記第1のウエルは前記第2のウエルよりも深い位置まで形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
Provided is a photodiode having a first semiconductor region of a first conductivity type capable of storing signal charge, a transfer gate for transferring signal charge of the photodiode, and a signal charge holding region disposed under the transfer gate potential barrier for providing a second semiconductor region of a first conductivity type, a floating diffusion region charge of the signal charge holding region is transferred, a signal charge holding region the potential barrier between said floating diffusion region A plurality of unit pixels are arranged, and an amplifying means for outputting a signal amplified based on the signal charge transferred to the floating diffusion region,
A second conductivity type first well that constitutes the photodiode together with the first semiconductor region; and a second conductivity type second well disposed below the second semiconductor region;
The solid-state imaging device, wherein the first well is formed to a position deeper than the second well.
前記第2のウエルの不純物濃度は前記第1のウエルよりも高いことを特徴とする請求項8に記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 8, wherein the impurity concentration of the second well is higher than that of the first well. 前記フォトダイオード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請求項1〜4および6〜9のいずれか1項に記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the photodiode is an embedded photodiode. 前記信号電荷保持領域はバルクチャネル型であることを特徴とする請求項1〜4および6〜10のいずれか1項に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the signal charge holding region is a bulk channel type.
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