JP4866257B2 - Semiconductor image sensor - Google Patents

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この発明は、半導体撮像素子に関し、より特定的には、視野内に輝度差が大きい領域が混在しても広いダイナミックレンジでの撮像が可能で、かつ全領域で十分なコントラストを検知することが可能な半導体撮像素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor image pickup device, and more specifically, it is possible to pick up an image with a wide dynamic range even when a region with a large luminance difference is mixed in a visual field, and to detect a sufficient contrast in the entire region. The present invention relates to a possible semiconductor imaging device.

CCD(Charge-coupled device)やCMOS(Complementary mental-oxide semiconductor)イメージャーなどの固体撮像素子、所謂、半導体イメージセンサ(以下、“半導
体撮像素子”とも称する)は、ビデオカメラやデジタルカメラを始めとして、今や携帯電話などにも内蔵されるようになり、廉価で消費電力の少ない撮像素子として広く普及している。
Solid-state imaging devices such as CCD (Charge-coupled device) and CMOS (Complementary mental-oxide semiconductor) imagers, so-called semiconductor image sensors (hereinafter also referred to as “semiconductor imaging devices”) are used in video cameras and digital cameras. Now, it is also incorporated in mobile phones and the like, and it is widely used as an image sensor with low cost and low power consumption.

しかしながら、半導体撮像素子の感知能力は、ヒトの視覚感知と比べて、大きく劣っている。ヒトの視覚では、一視野内に、4〜5桁程度の輝度分布があっても、明るい所と暗い所のコントラストを十分に検知することが可能である。この優れたコントラスト感知能力は、網膜内にある受光細胞が、その光感応特性を個々の細胞毎に調整できる機能によって実現されている。   However, the sensing ability of the semiconductor image sensor is greatly inferior to human visual sensing. In human vision, even if there is a luminance distribution of about 4 to 5 digits in one visual field, it is possible to sufficiently detect the contrast between a bright place and a dark place. This excellent contrast sensing ability is realized by a function that allows the light-receiving cells in the retina to adjust their light-sensitive characteristics for each individual cell.

これに対して、従来の半導体撮像素子では、すべての画素が同じ受光特性であることから、視野内の明るい所と暗い所で十分なコントラストを同時に得ることが困難であった。このため、広い受光感度範囲と高いコントラスト検知機能とを実現するために、周辺画素への入射光量に応じて、各画素回路での受光感度範囲をシフト可能な機構を備えた半導体撮像素子の構成が開示されている(たとえば特許文献1および2)。
特開2000−340779号公報 特開2005−160031号公報
On the other hand, in the conventional semiconductor imaging device, since all the pixels have the same light receiving characteristics, it is difficult to obtain sufficient contrast at the same time in a bright place and a dark place in the field of view. For this reason, in order to realize a wide light receiving sensitivity range and a high contrast detection function, a configuration of a semiconductor imaging device having a mechanism capable of shifting the light receiving sensitivity range in each pixel circuit in accordance with the amount of light incident on the peripheral pixels. Are disclosed (for example, Patent Documents 1 and 2).
JP 2000-34079A JP 2005-160031 A

しかしながら、上記特許文献1に開示された構成では、各画素回路において、自身の受光量を検知するための第1の受光検知素子と、近傍画素での平均受光光量を検出するために他の画素回路との間で抵抗素子を介して互いに接続される第2の受光検知素子との2個の受光検知素子を配置する必要が生じる。このため、近年の高解像度化の要求に対応するために不可欠である画素サイズ縮小に困難を伴うおそれがある。   However, in the configuration disclosed in Patent Document 1, in each pixel circuit, a first light receiving detection element for detecting its own amount of received light and other pixels for detecting the average amount of received light in the neighboring pixels. It is necessary to dispose two light receiving detection elements, which are a second light receiving detection element connected to each other via a resistance element. For this reason, there is a risk that the pixel size reduction, which is indispensable for meeting the recent demand for higher resolution, may be difficult.

また、この第1および第2の受光検知素子が各画素回路内で直列に接続されているため、周辺の画素回路と電気的に接続されたノードに流入したノイズが上記第1の受光検知素子の光電流に重畳される可能性があり、これによりノイズを拾いやすくなり検知精度が低下するおそれがある。   In addition, since the first and second light receiving detection elements are connected in series in each pixel circuit, noise that has flowed into a node electrically connected to the peripheral pixel circuit is the first light receiving detection element. May be superimposed on the photocurrent of the light source, which may make it easier to pick up noise and reduce detection accuracy.

また、上記特許文献2に開示された構成では、各画素回路に配置される受光検知素子は1個であるものの、1つの画素回路内で、複数種類の信号電流を取扱う必要が生じるため、そのための周辺回路の構成が複雑化してしまう。このような周辺回路の複雑化により、画素間での特性ばらつきを抑制するために画素回路の各構成素子(特にトランジスタ)の製造に高い精度が要求される可能性がある。   Further, in the configuration disclosed in Patent Document 2, although there is one light receiving detection element arranged in each pixel circuit, it is necessary to handle a plurality of types of signal currents in one pixel circuit. The configuration of the peripheral circuit becomes complicated. Due to such a complicated peripheral circuit, there is a possibility that high accuracy is required for manufacturing each component (particularly, transistor) of the pixel circuit in order to suppress variation in characteristics between pixels.

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、一視野内の輝度分布が大きい場合であっても明るい部分と暗い部分とを十分なコントラストで検知可能である、高精度かつ小型な半導体撮像素子を簡易な回路構成で提供することである。   The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a sufficient contrast between a bright part and a dark part even when the luminance distribution in one field of view is large. It is to provide a highly accurate and small-sized semiconductor imaging device that can be detected with a simple circuit configuration.

本発明による半導体撮像素子は、複数個の画素グループに分割される複数の画素回路と、画素グループごとに設けられた蓄積電荷排出回路と、読出回路とを備える。各画素グループは、複数個の画素回路を含む。各画素回路は、第1の受光検知素子と、所定容量の第1のノードと、第1の初期化回路とを含む。第1の受光検知素子は、当該画素回路への入射光量に応じた信号電荷を生じさせるように構成される。第1のノードは、第1の受光検知素子により発生された信号電荷が蓄積されるように構成される。第1の初期化回路は、フレーム期間の切換わりに対応して第1のノードに蓄積される信号電荷をクリアするように構成される。蓄積電荷排出回路は、各フレーム期間中の所定タイミングに予め設定される所定期間において、対応の画素グループへの入射光が強いときに、当該画素グループに含まれる複数個の画素回路中の各第1のノードから信号電荷を排出する電荷排出動作を実行するように構成される。読出回路は、各画素回路について、各フレーム期間において所定期間より後の所定タイミングに設定された出力タイミングにおける、第1のノードに蓄積された信号電荷の量に応じた電気信号を出力するように構成される。   A semiconductor image pickup device according to the present invention includes a plurality of pixel circuits divided into a plurality of pixel groups, an accumulated charge discharging circuit provided for each pixel group, and a readout circuit. Each pixel group includes a plurality of pixel circuits. Each pixel circuit includes a first light receiving detection element, a first node having a predetermined capacity, and a first initialization circuit. The first light receiving detection element is configured to generate a signal charge corresponding to the amount of light incident on the pixel circuit. The first node is configured to accumulate signal charges generated by the first light receiving detection element. The first initialization circuit is configured to clear the signal charge stored in the first node in response to switching of the frame period. When the incident light to the corresponding pixel group is strong in a predetermined period set in advance at a predetermined timing in each frame period, the accumulated charge discharging circuit is configured so that each of the plurality of pixel circuits included in the pixel group includes A charge discharging operation for discharging signal charges from one node is executed. The readout circuit outputs, for each pixel circuit, an electrical signal corresponding to the amount of signal charge accumulated in the first node at an output timing set at a predetermined timing after the predetermined period in each frame period. Composed.

上記半導体撮像素子によれば、画素グループごとに設けられた蓄積電荷排出回路によって、当該画素グループへの入射光が強い場合(高照度)には、各画素回路に蓄積された信号電荷を、1フレーム期間の中間タイミング(所定タイミング)でそれまでの入射光量に応じた量を一旦排出することが可能となる。したがって、高照度時には、1フレーム期間中の当該所定タイミングから出力タイミングまでの再蓄積期間に対する1フレーム期間の比に従ってダイナミックレンジを拡大した撮像が可能となる。一方で、当該画素グループへの入射光が弱い(低照度)の場合には、蓄積電荷排出回路による信号電荷排出動作を非実行として、ダイナミックレンジを拡大することなくコントラストを確保した撮像を行なうことができる。   According to the semiconductor imaging device, when the incident light to the pixel group is strong (high illuminance) by the accumulated charge discharging circuit provided for each pixel group, the signal charge accumulated in each pixel circuit is 1 At an intermediate timing (predetermined timing) of the frame period, it is possible to temporarily discharge an amount corresponding to the amount of incident light so far. Therefore, at high illuminance, it is possible to perform imaging with an expanded dynamic range according to the ratio of one frame period to the re-accumulation period from the predetermined timing to the output timing in one frame period. On the other hand, when the incident light to the pixel group is weak (low illuminance), the signal charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit is not executed, and imaging is performed while ensuring contrast without expanding the dynamic range. Can do.

これにより、各画素回路に配置される受光検知素子を1個とし、かつ、当該受光検知素子によって生じる信号電荷の蓄積量のみに基づいて受光量を検知する簡易な回路構成によって、高照度時におけるダイナミックレンジを拡大して、視野内の輝度分布が大きい場合であっても明るい部分と暗い部分との十分なコントラストを検知することが可能となる。   With this, a simple circuit configuration that detects the amount of received light based only on the accumulated amount of signal charges generated by the received light detection element in a single light reception detection element arranged in each pixel circuit, at high illuminance. By expanding the dynamic range, it is possible to detect a sufficient contrast between a bright part and a dark part even when the luminance distribution in the field of view is large.

好ましくは、上記半導体撮像素子において、蓄積電荷排出回路は、容量部と、制御部とを含む。容量部は、第1のノードにおける信号電荷の飽和により、複数個の画素回路中の各第1のノードから流出した信号電荷を蓄積するように構成される。制御部は、容量部に蓄積された信号電荷量の増加に応じて、所定期間において各第1のノードから排出する信号電荷の量を増加させるように構成される。そして、容量部に蓄積された信号電荷は、所定期間の終了に応答してクリアされる。   Preferably, in the semiconductor imaging device, the accumulated charge discharging circuit includes a capacitor unit and a control unit. The capacitor unit is configured to accumulate the signal charge that has flowed out from each first node in the plurality of pixel circuits due to the saturation of the signal charge at the first node. The control unit is configured to increase the amount of signal charge discharged from each first node in a predetermined period in accordance with an increase in the amount of signal charge accumulated in the capacitor unit. The signal charge stored in the capacitor is cleared in response to the end of the predetermined period.

このような構成とすることにより、同一の画素グループ内の画素回路中の受光検知素子から信号電荷の飽和により流出してきた信号電荷の蓄積量に応じて、当該画素グループにおける入射光の強度を判断して、蓄積電荷排出回路による信号電荷排出動作の要否を制御することが可能となる。   By adopting such a configuration, the intensity of incident light in the pixel group is determined according to the accumulation amount of the signal charge flowing out from the light receiving detection element in the pixel circuit in the same pixel group due to the saturation of the signal charge. Thus, it is possible to control whether or not the signal charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit is necessary.

さらに好ましくは、上記半導体撮像素子において、蓄積電荷排出回路は、当該蓄積電荷排出回路への入射光量に応じた信号電荷を生じさせるための第2の受光検知素子をさらに含む。そして、容量部は、第2の受光検知素子により発生された信号電荷をさらに蓄積するように構成される。   More preferably, in the semiconductor image pickup device, the accumulated charge discharging circuit further includes a second light receiving detection element for generating a signal charge corresponding to the amount of light incident on the accumulated charge discharging circuit. The capacitor unit is configured to further accumulate signal charges generated by the second light receiving detection element.

このような構成とすることにより、同一画素グループ内の複数個の画素回路により共有される単一の受光検知素子(第2の受光検知素子)が発生する信号電荷と、当該画素グループ内の各画素回路中の受光検知素子(第1の受光検知素子)で飽和した信号電荷との両方により、当該画素グループの入射光量が大きいことを検知することができ、これに応答して蓄積電荷排出回路により信号電荷を放出する動作を実行することが可能となる。これにより、高照度時に同一のダイナミックレンジを得るために必要な1フレーム期間が相対的に短縮されるので、より高速な撮像を実行することが可能となる。   With such a configuration, a signal charge generated by a single light reception detection element (second light reception detection element) shared by a plurality of pixel circuits in the same pixel group, and each signal in the pixel group It is possible to detect that the incident light amount of the pixel group is large by both the signal charge saturated by the light receiving detection element (first light receiving detection element) in the pixel circuit, and in response to this, the accumulated charge discharging circuit Thus, it is possible to execute the operation of releasing the signal charge. Thereby, since one frame period necessary for obtaining the same dynamic range at high illuminance is relatively shortened, it is possible to perform higher-speed imaging.

また好ましくは、蓄積電荷排出回路は、第2の受光検知素子と、容量部と、制御部とを含む。第2の受光検知素子は、当該蓄積電荷排出回路への入射光量に応じた信号電荷を生じさせるように構成される。容量部は、第2の受光検知素子により発生された信号電荷が蓄積するように構成される。制御部は、容量部に蓄積された信号電荷量の増加に応じて、所定期間において各第1のノードから排出する信号電荷の量を増加させるように構成される。そして、容量部に蓄積された信号電荷は、所定期間の終了に応答してクリアされる。   Preferably, the accumulated charge discharging circuit includes a second light receiving detection element, a capacitor unit, and a control unit. The second light receiving detection element is configured to generate a signal charge corresponding to the amount of light incident on the accumulated charge discharging circuit. The capacitor unit is configured to accumulate the signal charge generated by the second light receiving detection element. The control unit is configured to increase the amount of signal charge discharged from each first node in a predetermined period in accordance with an increase in the amount of signal charge accumulated in the capacitor unit. The signal charge stored in the capacitor is cleared in response to the end of the predetermined period.

このような構成とすることにより、同一画素グループ内の複数個の画素回路により共有される単一の受光検知素子(第2の受光検知素子)によって当該画素グループへの入射光量を検出し、この検出結果に応じて、蓄積電荷排出回路による信号電荷排出動作の要否を制御することが可能となる。   With such a configuration, the amount of incident light on the pixel group is detected by a single light receiving detection element (second light receiving detection element) shared by a plurality of pixel circuits in the same pixel group. Depending on the detection result, it is possible to control whether or not the signal charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit is necessary.

あるいは好ましくは、上記半導体撮像素子では、蓄積電荷排出回路は、所定容量を有する第2のノードと、可変抵抗素子と、制御部と、制御スイッチ素子とを含む。可変抵抗素子は、複数個の画素回路中の第1のノードの各々を、第2のノードと電気的に接続するように配置される。制御部は、第1のノードから伝達されて第2のノードに蓄積される信号電荷の増加に従って、可変抵抗素子の抵抗値を低下させるように構成される。そして、制御スイッチ素子は、信号電荷を吸引するための所定電位を供給する電位ノードと第2のノードとの間に配置され、かつ、所定期間において電位ノードおよび第2のノードを非接続とする一方で、所定期間以外において電位ノードおよび第2のノードを接続する。   Alternatively, preferably, in the semiconductor imaging element, the accumulated charge discharging circuit includes a second node having a predetermined capacity, a variable resistance element, a control unit, and a control switch element. The variable resistance element is disposed so as to electrically connect each of the first nodes in the plurality of pixel circuits to the second node. The control unit is configured to decrease the resistance value of the variable resistance element in accordance with an increase in signal charge transmitted from the first node and accumulated in the second node. The control switch element is arranged between a potential node that supplies a predetermined potential for attracting signal charges and the second node, and disconnects the potential node and the second node in a predetermined period. On the other hand, the potential node and the second node are connected outside the predetermined period.

このような構成とすることにより、蓄積電荷排出回路が動作する所定期間以外においては、所定電位と結合されることによってオーバーフロードレインとして動作する第2のノードに形成される容量を利用して、蓄積電荷排出回路の機構を実現できる。すなわち、オーバーフロードレイン容量を利用して、新たに配置が必要となる回路素子点数を削減して、本発明の構成を実現することが可能となる。   With such a configuration, during a period other than the predetermined period in which the accumulated charge discharging circuit operates, the accumulation is performed using the capacitance formed in the second node that operates as the overflow drain by being coupled with the predetermined potential. The mechanism of the charge discharging circuit can be realized. That is, the configuration of the present invention can be realized by using the overflow drain capacitance and reducing the number of circuit elements that need to be newly arranged.

さらに好ましくは、上記半導体撮像素子では、蓄積電荷排出回路は、当該蓄積電荷排出回路への入射光量に応じた信号電荷を生じさせるための第2の受光検知素子をさらに含む。この第2の受光検知素子は、発生した信号電荷が第2のノードに蓄積されるように構成される。   More preferably, in the semiconductor imaging element, the accumulated charge discharging circuit further includes a second light receiving detection element for generating a signal charge corresponding to the amount of light incident on the accumulated charge discharging circuit. The second light receiving detection element is configured such that the generated signal charge is accumulated in the second node.

このような構成とすることにより、オーバーフロードレイン容量として動作することが可能な第2のノードを用いて構成された第2の受光検知素子によって、各画素グループへの入射光量を検知することが可能となるので、新たに配置が必要となる回路素子点数を削減して、本発明の構成を実現することが可能となる。   With this configuration, the amount of incident light on each pixel group can be detected by the second light receiving detection element configured using the second node capable of operating as an overflow drain capacitance. Therefore, the number of circuit elements that need to be newly arranged can be reduced, and the configuration of the present invention can be realized.

特に上記半導体撮像素子では、可変抵抗素子は、第1のノードを構成する第1の不純物拡散領域をソースとし、第2のノードを構成する第2の不純物拡散領域をドレインとする第1の電界効果トランジスタを含む。そして、制御部は、第2のノードに蓄積される信号電荷の増加に従って、ソースおよびドレイン間のチャネル抵抗が低下するように、第1の電界効果トランジスタのゲート電位を制御するように構成される。さらに、各画素回路は、出力タイミングにおいて飽和領域または線形領域でオンすることにより、第1の不純物拡散領域に蓄積された信号電荷を第3の不純物拡散領域へ転送するように構成された第2の電界効果トランジスタと、同一のフレーム期間内で、第2の電界効果トランジスタのオンに先立って第3の不純物拡散領域内の信号電荷をクリアするための第2の初期化回路とをさらに含む。そして、読出回路は、第3の不純物拡散領域に蓄積された信号電荷の量に応じた電気信号を出力するように構成される。   In particular, in the above-described semiconductor imaging device, the variable resistance element has a first electric field using the first impurity diffusion region constituting the first node as a source and the second impurity diffusion region constituting the second node as a drain. Includes effect transistors. The control unit is configured to control the gate potential of the first field-effect transistor so that the channel resistance between the source and the drain decreases as the signal charge accumulated in the second node increases. . Further, each pixel circuit is configured to transfer the signal charge accumulated in the first impurity diffusion region to the third impurity diffusion region by turning on in the saturation region or the linear region at the output timing. And a second initialization circuit for clearing signal charges in the third impurity diffusion region prior to turning on of the second field effect transistor within the same frame period. The readout circuit is configured to output an electrical signal corresponding to the amount of signal charge accumulated in the third impurity diffusion region.

このような構成とすることにより、第1のノードに相当する第1の不純物拡散領域に蓄積された信号電荷を、第2の不純物拡散領域および第3の不純物拡散領域との間にそれぞれ形成される第1および第2の電界効果トランジスタにより、蓄積電荷排出回路あるいは読出回路に対して伝達することが可能となる。これにより、第1のノードに対して直接物理的にコンタクトする接点を設けることなく信号電荷の取出が可能となるので、第1の受光検知素子を埋込型ダイオードで構成して耐ノイズ性の高い構造とすることができる。   With such a configuration, signal charges accumulated in the first impurity diffusion region corresponding to the first node are formed between the second impurity diffusion region and the third impurity diffusion region, respectively. The first and second field effect transistors can be transmitted to the stored charge discharging circuit or the reading circuit. As a result, the signal charge can be taken out without providing a contact point that makes a direct physical contact with the first node. High structure can be obtained.

好ましくは、上記半導体撮像素子では、蓄積電荷排出回路は、入射光を受ける平面内において、対応の画素グループに含まれる複数個の画素回路によって囲まれる領域内に形成される。   Preferably, in the semiconductor imaging device, the accumulated charge discharging circuit is formed in a region surrounded by a plurality of pixel circuits included in a corresponding pixel group in a plane that receives incident light.

このような構成とすることにより、蓄積電荷排出回路を効率的に配置することができるので、半導体撮像素子の小型化に寄与することができる。   With such a configuration, the accumulated charge discharging circuit can be efficiently arranged, which can contribute to the downsizing of the semiconductor imaging device.

この発明によれば、一視野内の輝度分布が大きい場合であっても明るい部分と暗い部分とを十分なコントラストで検知可能であり、高精度かつ小型な半導体撮像素子を簡易な回路構成により実現することができる。   According to the present invention, even when the luminance distribution in one field of view is large, it is possible to detect a bright part and a dark part with sufficient contrast, and a highly accurate and small semiconductor image sensor is realized with a simple circuit configuration. can do.

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.

(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1による導体撮像素子の主要部の概略構成を説明する回路図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration of a main part of a conductor image pickup device according to Embodiment 1 of the present invention.

図1を参照して、画素回路10は、受光検知素子としてのフォトダイオードPD、転送ゲート12、リセットスイッチ14、電圧増幅器16、および画素選択スイッチ18を有する。   Referring to FIG. 1, the pixel circuit 10 includes a photodiode PD as a light receiving detection element, a transfer gate 12, a reset switch 14, a voltage amplifier 16, and a pixel selection switch 18.

リセットスイッチ14は、電源電位VDDを供給する電源電位ノード5と、フローティングディフュージョンとして作用するノードNfとの間に配置され、リセット制御信号RFに応じてオン・オフされる。転送ゲート12は、フォトダイオードPDによる光電流の発生によって信号電荷が蓄積されるノードN1と、ノードNfとの間に接続される。転送ゲート12のオン・オフは、転送制御信号TGにより制御される。   The reset switch 14 is arranged between the power supply potential node 5 that supplies the power supply potential VDD and the node Nf that acts as a floating diffusion, and is turned on / off in response to the reset control signal RF. The transfer gate 12 is connected between a node N1 where signal charges are accumulated by the generation of photocurrent by the photodiode PD and the node Nf. On / off of the transfer gate 12 is controlled by a transfer control signal TG.

フォトダイオードPDは、接地電位VSSを供給する接地ノード6およびノードN1の間に配置される。フォトダイオードPDのアノードは、接地ノード6により接地電位VSSにバイアスされる。ノードN1は、フォトダイオードPDのカソードに対応する。すなわち、画素回路10では、信号電荷は、カソード(n型)での多数キャリアである電子(負電荷)となる。   The photodiode PD is arranged between the ground node 6 that supplies the ground potential VSS and the node N1. The anode of the photodiode PD is biased to the ground potential VSS by the ground node 6. The node N1 corresponds to the cathode of the photodiode PD. That is, in the pixel circuit 10, the signal charge is electrons (negative charge) that are majority carriers at the cathode (n-type).

なお、本実施の形態において、電源電位VDDおよび接地電位VSSは、VDD>VSSの関係にあり、かつ、(VDD−VSS)の電位差により回路動作に必要なバイアスを与えることが可能であれば、それぞれ任意の電位に設定できる。すなわち、接地電位VSSについても、接地電位以外の任意の電位(負電位でも可)に設定することが可能であることを確認的に記載する。   Note that in this embodiment, the power supply potential VDD and the ground potential VSS are in a relationship of VDD> VSS, and a bias necessary for circuit operation can be given by a potential difference of (VDD−VSS). Each can be set to any potential. That is, it will be described in a positive manner that the ground potential VSS can be set to any potential other than the ground potential (a negative potential is also acceptable).

電圧増幅器16は、たとえば、ソースフォロア回路によって構成され、その入力ノードがノードNfと接続されるとともに、その出力ノードは、画素選択スイッチ18を介して出力ノードNoと接続される。画素選択スイッチ18のオン・オフは画素選択制御信号PSによって制御される。   The voltage amplifier 16 is constituted by, for example, a source follower circuit, and its input node is connected to the node Nf, and its output node is connected to the output node No via the pixel selection switch 18. On / off of the pixel selection switch 18 is controlled by a pixel selection control signal PS.

本発明による半導体撮像素子では、受光面に配置された複数の画素回路10は、N個(N≧2の整数)の画素回路10ごとに1つのグループ(画素グループ)を構成するように配置される。そして、画素グループごとに蓄積電荷排出回路20が配置される。実施の形態1の例示では、隣接する4個の画素回路10ごとに、1つの画素グループが構成される。   In the semiconductor imaging device according to the present invention, the plurality of pixel circuits 10 arranged on the light receiving surface are arranged so as to constitute one group (pixel group) for every N (N ≧ 2) integer pixel circuits 10. The An accumulated charge discharging circuit 20 is arranged for each pixel group. In the illustration of the first embodiment, one pixel group is configured for every four adjacent pixel circuits 10.

蓄積電荷排出回路20は、同一の画素グループに含まれるN個(本実施の形態では4個)の画素回路10によって共有される。蓄積電荷排出回路20は、ノードN2と、制御スイッチ24と、反転増幅器26と、N個の電荷排出ゲートDGとを含む。ノードN2には、オーバーフロードレイン容量22が形成される。   The accumulated charge discharging circuit 20 is shared by N (four in this embodiment) pixel circuits 10 included in the same pixel group. The accumulated charge discharging circuit 20 includes a node N2, a control switch 24, an inverting amplifier 26, and N charge discharging gates DG. An overflow drain capacitor 22 is formed at the node N2.

制御スイッチ24は、電源電位ノード5およびノードN2の間に接続されて、制御信号ROに応じてオン・オフされる。反転増幅器26は、ノードN2の電位が高いほど出力ノードの電位Vg(以下、出力電位Vgとも称する)が低下し、反対にノードN2の電位が低くなるほどその出力電位Vgが上昇するように構成される。   Control switch 24 is connected between power supply potential node 5 and node N2, and is turned on / off in response to control signal RO. The inverting amplifier 26 is configured such that the higher the potential of the node N2, the lower the potential Vg of the output node (hereinafter also referred to as output potential Vg), and conversely, the lower the potential of the node N2, the higher the output potential Vg. The

電荷排出ゲートDGは、同一画素グループに含まれる各画素回路10内のノードN1と、蓄積電荷排出回路20内のノードN2との間に接続されて、等価的に可変抵抗として機能する。電荷排出ゲートDGの電気抵抗は、反転増幅器26の出力電位Vgに応じて制御される。具体的には、出力電位Vgが高くなるほど各電荷排出ゲートDGの電気抵抗が低下し、出力電位Vgが低くなるほど各電荷排出ゲートDGの電気抵抗が高くなるように、各電荷排出ゲートDGは構成される。   The charge discharge gate DG is connected between the node N1 in each pixel circuit 10 included in the same pixel group and the node N2 in the accumulated charge discharge circuit 20, and functions equivalently as a variable resistor. The electric resistance of the charge discharge gate DG is controlled according to the output potential Vg of the inverting amplifier 26. Specifically, each charge discharge gate DG is configured such that the electrical resistance of each charge discharge gate DG decreases as the output potential Vg increases, and the electrical resistance of each charge discharge gate DG increases as the output potential Vg decreases. Is done.

図2には、画素グループごとの画素回路および蓄積電荷排出回路の配置例が示される。
図2を参照して、入射光を受ける受光面内に、各画素回路10のフォトダイオードPDが行列状に配置される(領域30)。受光面内でX方向およびY方向に隣接する4個の画素回路10によって1つの画素グループ2が形成される。各画素回路10のフォトダイオードPD以外の回路要素は、フォトダイオードPDが設けられる領域30の間の領域36を適宜利用して配置される。なお、各画素回路10の転送ゲート12は、領域30および領域36の境界領域35に対応して配置される。
FIG. 2 shows an arrangement example of pixel circuits and accumulated charge discharging circuits for each pixel group.
Referring to FIG. 2, photodiodes PD of each pixel circuit 10 are arranged in a matrix within a light receiving surface that receives incident light (region 30). One pixel group 2 is formed by four pixel circuits 10 adjacent in the X direction and the Y direction within the light receiving surface. Circuit elements other than the photodiode PD of each pixel circuit 10 are arranged by appropriately using the region 36 between the regions 30 where the photodiode PD is provided. The transfer gate 12 of each pixel circuit 10 is arranged corresponding to the boundary region 35 between the region 30 and the region 36.

蓄積電荷排出回路20のうち、ノードN2(オーバーフロードレイン容量22)は、同一画素グループに含まれるN個(4個)のフォトダイオードPDの配置領域30で囲まれた領域34に形成される。また、電荷排出ゲートDGは、領域30および領域34の境界領域32に対応して配置される。蓄積電荷排出回路20のその他の回路素子についても、領域36を適宜利用して配置される。   In the accumulated charge discharging circuit 20, the node N2 (overflow drain capacitance 22) is formed in a region 34 surrounded by the arrangement region 30 of N (four) photodiodes PD included in the same pixel group. Further, the charge discharge gate DG is arranged corresponding to the boundary region 32 between the region 30 and the region 34. The other circuit elements of the accumulated charge discharging circuit 20 are also arranged using the region 36 as appropriate.

このように、各画素グループ2において、蓄積電荷排出回路20は、当該画素グループを構成するN個(4個)の画素回路10によって囲まれた領域3内に配置される。また、各電荷排出ゲートDGの可変抵抗としての動作が同一となるように、ノードN2(領域34)およびフォトダイオードPD(領域30)の間の位置関係は、各画素回路10で共通とされる。   As described above, in each pixel group 2, the accumulated charge discharging circuit 20 is disposed in the region 3 surrounded by N (four) pixel circuits 10 constituting the pixel group. Further, the positional relationship between the node N2 (region 34) and the photodiode PD (region 30) is common to each pixel circuit 10 so that the operations as the variable resistors of the charge discharge gates DG are the same. .

次に図3を用いて、図1に示した画素回路10および蓄積電荷排出回路20の具体的な構造について説明する。図3には、同一画素グループ中の1つの画素回路10および、それと接続される蓄積電荷排出回路20の構造例が示されており、図3は、図2におけるIII−III断面図に相当する。   Next, specific structures of the pixel circuit 10 and the accumulated charge discharging circuit 20 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows an example of the structure of one pixel circuit 10 in the same pixel group and the accumulated charge discharging circuit 20 connected thereto, and FIG. 3 corresponds to a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. .

図3を参照して、p型シリコン基板100は、基板電位として、接地ノード6により接地電位VSSを供給されている。p型シリコン基板100の主表面には、n+拡散領域110および120と、埋込型のn−拡散領域130とが形成される。   Referring to FIG. 3, p-type silicon substrate 100 is supplied with ground potential VSS by ground node 6 as the substrate potential. On the main surface of p-type silicon substrate 100, n + diffusion regions 110 and 120 and buried n- diffusion region 130 are formed.

n+拡散領域110は、図1におけるノードN2に相当し、n+拡散領域110の上部(受光面側)には導電性の遮光板115が形成される。オーバーフロードレイン容量22は、p型シリコン基板100およびn+拡散領域110間の接合容量により形成される。   The n + diffusion region 110 corresponds to the node N2 in FIG. 1, and a conductive light shielding plate 115 is formed above the n + diffusion region 110 (on the light receiving surface side). Overflow drain capacitance 22 is formed by a junction capacitance between p-type silicon substrate 100 and n + diffusion region 110.

埋込型のn−拡散領域130の上部にはp型領域が形成される。n−拡散領域130およびその上下のp型領域との間のpn接合によって、図1中のフォトダイオードPDが構成される。すなわち、実施の形態1では、フォトダイオードPDは、埋め込み型ダイオードとして構成される。   A p-type region is formed on the buried n− diffusion region 130. The photodiode PD in FIG. 1 is configured by the pn junction between the n− diffusion region 130 and the upper and lower p-type regions. That is, in the first embodiment, the photodiode PD is configured as a buried diode.

n+拡散領域110およびn−拡散領域130の間のチャネル領域上部には、絶縁層140を介してゲート電極145が構成される。これにより、n−拡散領域130をソースとし、n+拡散領域110をドレインとし、ゲート電極145をゲートとする電界効果トランジスタである、n−MOSトランジスタ160が構成される。n−MOSトランジスタ160は、図1に示した電荷排出ゲートDGを構成する。   A gate electrode 145 is formed above the channel region between the n + diffusion region 110 and the n− diffusion region 130 via an insulating layer 140. Thus, an n-MOS transistor 160, which is a field effect transistor having the n− diffusion region 130 as a source, the n + diffusion region 110 as a drain, and the gate electrode 145 as a gate, is configured. The n-MOS transistor 160 constitutes the charge discharge gate DG shown in FIG.

ゲート電極145は、反転増幅器26の出力ノードと接続される。すなわち、n−MOSトランジスタ160のゲート電位は、反転増幅器26の出力電位Vgとなる。反転増幅器26は、たとえば、図4に示すような回路構成で実現される。   Gate electrode 145 is connected to the output node of inverting amplifier 26. That is, the gate potential of the n-MOS transistor 160 becomes the output potential Vg of the inverting amplifier 26. The inverting amplifier 26 is realized, for example, with a circuit configuration as shown in FIG.

図4を参照して、反転増幅器26は、直列接続された2個のn−MOSトランジスタ27および28によって構成される。   Referring to FIG. 4, inverting amplifier 26 includes two n-MOS transistors 27 and 28 connected in series.

n−MOSトランジスタ27は、出力電位Vgが生成される出力ノードN3および電源電位ノード5の間に接続され、そのゲートは電源電位ノード5と接続される。一方n−MOSトランジスタ28は、出力ノードN3および接地ノード6の間に接続され、そのゲートはノードN2と接続される。出力ノードN3は、図3に示したゲート電極145と接続される。   The n-MOS transistor 27 is connected between the output node N 3 where the output potential Vg is generated and the power supply potential node 5, and its gate is connected to the power supply potential node 5. On the other hand, n-MOS transistor 28 is connected between output node N3 and ground node 6, and has its gate connected to node N2. Output node N3 is connected to gate electrode 145 shown in FIG.

このため、制御スイッチ24がオンされて、ノードN2が電源電位VDDと接続されたときには、ノードN3は、接地電位VSSよりも所定電位高い低電位Vlに設定される。一方、入力ノードN2の電位が接地電位VSSまで低下した場合には、電源電位VDDよりも所定電位低い高電位Vhとなる。このように、反転増幅器26の出力電位Vgは、入力となるノードN2の電位に応じて、低電位Vl(>VSS)および高電位Vh(<VDD)の範囲内で変化する。   Therefore, when the control switch 24 is turned on and the node N2 is connected to the power supply potential VDD, the node N3 is set to a low potential Vl that is a predetermined potential higher than the ground potential VSS. On the other hand, when the potential of the input node N2 drops to the ground potential VSS, the potential becomes a high potential Vh that is lower than the power supply potential VDD by a predetermined potential. As described above, the output potential Vg of the inverting amplifier 26 changes within the range of the low potential Vl (> VSS) and the high potential Vh (<VDD) in accordance with the potential of the node N2 as an input.

再び図3を参照して、n−MOSトランジスタ160のゲート電位を、反転増幅器260で制御することにより、各電荷排出ゲートDGの電気抵抗は、制御スイッチ24のオン時(Vg=Vl)には最高値Rhとなり、制御スイッチ24のオフ時には、ノードN2の電位低下に従って、Vg=Vhのとき(すなわち、ノードN2が接地電位VSSまで低下したとき)の最低値Rlまでの範囲内で低下する。なお、制御スイッチ24のオン時にも、n−MOSトランジスタ160は完全にターンオフされないので、ノードN1からノードN2への信号電荷の伝達経路を形成することが可能である。   Referring to FIG. 3 again, by controlling the gate potential of the n-MOS transistor 160 with the inverting amplifier 260, the electric resistance of each charge discharge gate DG is when the control switch 24 is on (Vg = Vl). When the control switch 24 is turned off, the maximum value Rh decreases, and the voltage decreases within the range up to the minimum value Rl when Vg = Vh (that is, when the node N2 decreases to the ground potential VSS) according to the potential decrease of the node N2. Even when the control switch 24 is turned on, the n-MOS transistor 160 is not completely turned off, so that a signal charge transmission path from the node N1 to the node N2 can be formed.

制御スイッチ24のオン期間には、ノードN2(すなわちn+拡散領域110)は、電源電位VDDと接続されることにより、オーバーフロードレインとして作用する。ここで、図5および図6により、オーバーフロードレインの動作を説明する。   During the ON period of the control switch 24, the node N2 (ie, the n + diffusion region 110) functions as an overflow drain by being connected to the power supply potential VDD. Here, the operation of the overflow drain will be described with reference to FIGS.

図5(a)およびそのX−X断面でのポテンシャル分布を表わす図5(b)に示されるように、フォトダイオードPDへの入射光が強い場合には、信号電荷70(負電荷)が多量に発生するため、フォトダイオードが形成するポテンシャル井戸60が信号電荷70によって満たされて飽和する。これにより、溢れた信号電荷70が、基板領域SUBを介して隣接するフォトダイオードPDのポテンシャル井戸65に流れ込み、偽信号として検知される、いわゆるブルーミングと呼ばれる現象が発生する。   As shown in FIG. 5A and FIG. 5B showing the potential distribution in the XX cross section, when the incident light to the photodiode PD is strong, the signal charge 70 (negative charge) is large. Therefore, the potential well 60 formed by the photodiode is filled with the signal charge 70 and becomes saturated. As a result, the overflowing signal charge 70 flows into the potential well 65 of the adjacent photodiode PD via the substrate region SUB, and a phenomenon called so-called blooming occurs that is detected as a false signal.

このため、図6(a)およびそのX−X断面でのポテンシャル分布を表わす図6(b)に示されるように、フォトダイオードPDから溢れ出した信号電荷70を吸収するためのラテラルオーバーフロードレインOFDがフォトダイオードPD間に配置される。ラテラルオーバーフロードレインOFDは、所定導電型の不純物拡散領域(図3でのn+拡散領域110)を、信号電荷70を吸引可能な所定電位(本実施の形態では電源電位VDD)によりバイアスすることによって形成される。X−X断面図に示されるように、ラテラルオーバーフロードレインOFDを設けることにより、フォトダイオードPDから溢れ出した信号電荷70を吸収することができるため、ブルーミング現象(図5)の発生を防止できる。上述のラテラルオーバーフロードレインは、シリコン基板の深部の方向にオーバーフロードレインを形成する、バーティカルオーバーフロードレインと同様に、ブルーミング対策として一般的に用いられる手法である。   For this reason, as shown in FIG. 6A and FIG. 6B showing the potential distribution in the XX cross section, the lateral overflow drain OFD for absorbing the signal charge 70 overflowing from the photodiode PD is obtained. Is arranged between the photodiodes PD. The lateral overflow drain OFD is formed by biasing an impurity diffusion region of a predetermined conductivity type (n + diffusion region 110 in FIG. 3) with a predetermined potential (power supply potential VDD in this embodiment) that can attract the signal charge 70. Is done. As shown in the XX cross-sectional view, by providing the lateral overflow drain OFD, the signal charge 70 overflowing from the photodiode PD can be absorbed, so that the blooming phenomenon (FIG. 5) can be prevented. The above-described lateral overflow drain is a technique generally used as a countermeasure against blooming, like the vertical overflow drain, which forms an overflow drain in the direction toward the deep part of the silicon substrate.

再び図3を参照して、制御スイッチ24のオフ期間には、n−拡散領域110は電源電位VDDと切離される。このため、各画素回路10の各フォトダイオードPD(具体的にはノードN1)から溢れ出た信号電荷は、p型シリコン基板100およびn−拡散領域110の間に形成されるオーバーフロードレイン容量22により蓄積される。   Referring again to FIG. 3, n− diffusion region 110 is disconnected from power supply potential VDD during the OFF period of control switch 24. For this reason, the signal charge overflowing from each photodiode PD (specifically, the node N1) of each pixel circuit 10 is caused by the overflow drain capacitance 22 formed between the p-type silicon substrate 100 and the n− diffusion region 110. Accumulated.

このため、画素グループ2内の各画素回路10、すなわち、当該画素グループ2への入射光が強い場合には、各フォトダイオードPDから溢れ出た信号電荷が蓄積されるのに伴って、ノードN2の電位が低下する。これにより、反転増幅器26の出力電位Vgが上昇するのに伴って、各電荷排出ゲートDGの電気抵抗(n−MOSトランジスタ160のチャネル抵抗)が低下するので、各画素回路10のノードN1から蓄積電荷排出回路20のノードN2への電荷排出動作が促進される。   Therefore, when the incident light to each pixel circuit 10 in the pixel group 2, that is, the pixel group 2 is strong, the signal charge overflowing from each photodiode PD is accumulated and the node N2 The potential decreases. As a result, as the output potential Vg of the inverting amplifier 26 increases, the electrical resistance of each charge discharge gate DG (channel resistance of the n-MOS transistor 160) decreases, and therefore, accumulation from the node N1 of each pixel circuit 10 occurs. The charge discharging operation to the node N2 of the charge discharging circuit 20 is promoted.

これに対して、画素グループ2への入射光が弱く、各フォトダイオードPDから信号電荷が流出しない場合には、ノードN2の電位は電源電位VDDから低下しない。このとき、反転増幅器26の出力電位Vgは上昇しないので、各電荷排出ゲートDGの電気抵抗(n−MOSトランジスタ160のチャネル抵抗)は、n+拡散領域110がオーバーフロードレインとして動作する場合と同様に維持される。   On the other hand, when the incident light to the pixel group 2 is weak and the signal charge does not flow out from each photodiode PD, the potential of the node N2 does not decrease from the power supply potential VDD. At this time, since the output potential Vg of the inverting amplifier 26 does not rise, the electrical resistance of each charge discharge gate DG (channel resistance of the n-MOS transistor 160) is maintained in the same manner as when the n + diffusion region 110 operates as an overflow drain. Is done.

このように、オーバーフロードレインを利用して追加的に必要となる回路素子およびその配置面積を抑制した上で、電荷排出動作を行なうための蓄積電荷排出回路20を構成することができる。   As described above, the accumulated charge discharging circuit 20 for performing the charge discharging operation can be configured while suppressing the additionally required circuit elements and their arrangement areas by using the overflow drain.

一方、n+拡散領域120およびn−拡散領域130の間のチャネル領域には、絶縁膜150を介してゲート電極155が形成される。これにより、n−拡散領域130をソースとし、n+拡散領域120をドレインとし、ゲート電極155をゲートとする電界効果トランジスタである、n−MOSトランジスタ170が形成される。n−MOSトランジスタ170は、図1に示した転送ゲート12を構成する。   On the other hand, a gate electrode 155 is formed in the channel region between the n + diffusion region 120 and the n− diffusion region 130 via the insulating film 150. As a result, an n-MOS transistor 170 is formed, which is a field effect transistor having the n− diffusion region 130 as a source, the n + diffusion region 120 as a drain, and the gate electrode 155 as a gate. The n-MOS transistor 170 constitutes the transfer gate 12 shown in FIG.

ゲート電極155には、転送制御信号TGが入力される。転送制御信号TGのハイレベル(以下Hレベルとも称する)期間には、n−MOSトランジスタ170が飽和領域または線形領域でターンオンされて、n−拡散領域130に蓄積された信号電荷がn+拡散領域120へ転送される。n+拡散領域120は、リセットスイッチ14を介して電源電位ノード5と接続され、かつ、電圧増幅器16の入力ノードと接続される。すなわち、n+拡散領域120は、図1に示したフローティングディフュージョンとしてのノードNfに相当する。   A transfer control signal TG is input to the gate electrode 155. During the high level (hereinafter also referred to as H level) period of the transfer control signal TG, the n-MOS transistor 170 is turned on in the saturation region or the linear region, and the signal charge accumulated in the n− diffusion region 130 is changed to the n + diffusion region 120. Forwarded to N + diffusion region 120 is connected to power supply potential node 5 through reset switch 14 and to the input node of voltage amplifier 16. That is, the n + diffusion region 120 corresponds to the node Nf as the floating diffusion shown in FIG.

このように、n−MOSトランジスタ170によって転送ゲート12(図1)を構成することにより、n−拡散領域130に対して直接物理的にコンタクトする接点を設けることなく、n−拡散領域130に蓄積された信号電荷を取出すことが可能となる。すなわち、転送ゲート12の配置により、埋込型ダイオードに本発明を適用することが可能となる。埋込型ダイオードでは、信号電荷の蓄積ノード(ノードN1)が、他のノードと物理的に直接接続されないため、耐ノイズ性を高めた高精度の光電検出が期待できる。   In this way, by forming the transfer gate 12 (FIG. 1) by the n-MOS transistor 170, the n-diffusion region 130 is stored without providing a contact point that directly contacts the n-diffusion region 130 directly. It is possible to take out the signal charge. That is, the arrangement of the transfer gate 12 makes it possible to apply the present invention to the buried diode. In the buried diode, since the signal charge storage node (node N1) is not physically directly connected to other nodes, highly accurate photoelectric detection with improved noise resistance can be expected.

次に、画素回路10および蓄積電荷排出回路20の動作について説明する。
再び図1を参照して、各画素回路10において、フォトダイオードPDは、当該画素回路10の入射光に応じた光電流を生じさせ、この光電流の発生に応じて信号電荷(負電荷)がノードN1に信号電荷として蓄積される。
Next, operations of the pixel circuit 10 and the accumulated charge discharging circuit 20 will be described.
Referring to FIG. 1 again, in each pixel circuit 10, the photodiode PD generates a photocurrent corresponding to the incident light of the pixel circuit 10, and a signal charge (negative charge) is generated according to the generation of the photocurrent. The signal charge is accumulated in the node N1.

上記のように、蓄積電荷排出回路20は、制御スイッチ24のオン・オフに従って、異なった機能を発揮する。制御スイッチ24のオン期間には、ノードN2(図3のn+拡散領域110)が電源電位VDDと接続されることによりフォトダイオードPDから飽和により溢れ出した信号電荷を排出するので、蓄積電荷排出回路20は、同一画素グループ内の各画素回路10によって共有されるオーバーフロードレインとして機能する。   As described above, the accumulated charge discharging circuit 20 exhibits different functions according to the on / off state of the control switch 24. During the ON period of the control switch 24, the node N2 (n + diffusion region 110 in FIG. 3) is connected to the power supply potential VDD, so that the signal charge overflowing due to saturation is discharged from the photodiode PD. 20 functions as an overflow drain shared by the pixel circuits 10 in the same pixel group.

一方、蓄積電荷排出回路20は、制御スイッチ24のオフ期間には、同一画素グループ内の各画素回路10のフォトダイオードPDから溢れ出した信号電荷を蓄積することにより、対応の画素グループへの入射光量に応じた電位をノードN2に発生させる。そして、入射光が強い(光量大)場合には、ノードN2の電位低下に伴って電荷排出ゲートDGの電気抵抗が低下することにより、蓄積電荷排出回路20は、各画素回路10のノードN1にその時点までに蓄積された信号電荷をノードN2へ排出する「信号電荷排出動作」を実行する。これに対して、入射光が弱く(光量小)、ノードN2の電位が低下しないときには、電荷排出ゲートDGの電気抵抗が高抵抗に維持されるので、蓄積電荷排出回路20は、上記信号電荷排出動作を非実行とする。このように、蓄積電荷排出回路20による電荷排出動作は、各画素回路10から溢れ出した信号電荷が多いほど、すなわち対応の画素グループ2への入射光が強いほど発生しやすくなる。すなわち、蓄積電荷排出回路20は、当該画素グループへの入射光量に応じた量の信号電荷を、同一画素グループ中の各画素回路10内のノードN1から排出するように動作する。   On the other hand, the accumulated charge discharging circuit 20 accumulates signal charges overflowing from the photodiode PD of each pixel circuit 10 in the same pixel group during the OFF period of the control switch 24, thereby entering the corresponding pixel group. A potential corresponding to the amount of light is generated at the node N2. When the incident light is strong (the amount of light is large), the electrical resistance of the charge discharge gate DG decreases as the potential of the node N2 decreases, so that the accumulated charge discharge circuit 20 is connected to the node N1 of each pixel circuit 10. A “signal charge discharging operation” is executed to discharge the signal charge accumulated up to that point to the node N2. On the other hand, when the incident light is weak (the amount of light is small) and the potential of the node N2 does not decrease, the electric resistance of the charge discharging gate DG is maintained at a high resistance, so that the accumulated charge discharging circuit 20 discharges the signal charge. The operation is not executed. As described above, the charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit 20 is more likely to occur as the signal charge overflowing from each pixel circuit 10 increases, that is, the incident light to the corresponding pixel group 2 increases. That is, the accumulated charge discharging circuit 20 operates so as to discharge a signal charge of an amount corresponding to the amount of light incident on the pixel group from the node N1 in each pixel circuit 10 in the same pixel group.

画素回路10において、転送ゲート12は、転送制御信号TGに従って飽和領域または線形領域でオンすることにより、1フレーム期間中にノードN1に蓄積された信号電荷をノードNfに転送する。ノードNfは、リセットスイッチ14のターンオンにより電源電位VDDにプリチャージされ、その後リセットスイッチ14がターンオフされた状態で、転送ゲート12により転送された信号電荷を受けて蓄積する。転送ゲート12は、1フレーム期間の切換わりに対応して設けられる出力タイミングに対応してターンオンされる。   In the pixel circuit 10, the transfer gate 12 is turned on in the saturation region or the linear region in accordance with the transfer control signal TG, thereby transferring the signal charge accumulated in the node N1 during one frame period to the node Nf. The node Nf is precharged to the power supply potential VDD when the reset switch 14 is turned on, and then receives and accumulates the signal charge transferred by the transfer gate 12 in a state where the reset switch 14 is turned off. The transfer gate 12 is turned on corresponding to the output timing provided corresponding to the switching of one frame period.

この結果、フローティングディフュージョンとしてのノードNfには、1フレーム期間中において上記出力タイミングにおいてノードN1に蓄積される信号電荷量に応じた電位が発生する。電圧増幅器16は、ノードNfの電位に応じた出力電圧を発生し、かつ、画素選択制御信号PSに従ってオンされた画素選択スイッチ18を介して出力ノードNoと接続される。これにより、出力ノードNoには、当該1フレーム期間にノードN1に蓄積された信号電荷量に応じた出力電圧信号Voutが出力される。   As a result, a potential corresponding to the amount of signal charge accumulated in the node N1 is generated at the output timing in one frame period at the node Nf as the floating diffusion. The voltage amplifier 16 generates an output voltage corresponding to the potential of the node Nf, and is connected to the output node No via the pixel selection switch 18 that is turned on according to the pixel selection control signal PS. As a result, an output voltage signal Vout corresponding to the signal charge amount accumulated in the node N1 during the one frame period is output to the output node No.

本発明の特徴点として、1フレーム期間中に制御スイッチ24のオフ期間(以下、電荷排出期間とも称する)を適宜設けることによって、入射光が強く、ノードN1の信号電荷が1フレーム期間の途中で飽和するような場合には、蓄積電荷排出回路20による信号電荷排出動作により、ノードN1に一旦蓄積された信号電荷を、1フレーム期間の途中で排出することができる。   As a feature of the present invention, by appropriately providing an OFF period (hereinafter also referred to as a charge discharging period) of the control switch 24 in one frame period, incident light is strong and the signal charge of the node N1 is in the middle of one frame period. In such a case, the signal charge once accumulated in the node N1 can be discharged in the middle of one frame period by the signal charge discharging operation by the stored charge discharging circuit 20.

次に、図7および図8を用いて、実施の形態1による半導体撮像素子の1フレーム期間の動作について説明する。   Next, the operation in one frame period of the semiconductor imaging device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図7を参照して、画素選択制御信号PS、リセット制御信号RF、転送制御信号TGおよび制御信号ROは、各フレーム期間内において所定タイミングで、ハイレベル(Hレベル)からローレベル(Lレベル)への遷移、あるいは、LレベルからHレベルへの遷移が発生するように設定される。   Referring to FIG. 7, pixel selection control signal PS, reset control signal RF, transfer control signal TG, and control signal RO are changed from a high level (H level) to a low level (L level) at a predetermined timing within each frame period. Or a transition from the L level to the H level occurs.

転送ゲート12、リセットスイッチ14、画素選択スイッチ18および制御スイッチ24は、それぞれに対応する転送制御信号TG、リセット制御信号RF、画素選択制御信号PSおよび制御信号ROのHレベル期間にオンし、Lレベル期間にオフする。   The transfer gate 12, the reset switch 14, the pixel selection switch 18 and the control switch 24 are turned on during the H level period of the corresponding transfer control signal TG, reset control signal RF, pixel selection control signal PS and control signal RO, and L Off during the level period.

フレーム期間の切換わりに対応して、画素選択制御信号PSは、所定期間Hレベルに設定される。画素選択制御信号PSのHレベル期間(画素選択期間)では、まず、リセット制御信号RFがHレベルに設定されてノードNfの信号電荷がクリアされた後に、転送制御信号TGのHレベル期間(転送期間)が設けられる。この転送期間において、当該1フレーム期間におけるノードN1の蓄積信号電荷がノードNfへ転送され、電圧増幅器16により、このタイミングにおけるノードN1の蓄積信号電荷量に応じた出力電圧信号Voutが発生される。   Corresponding to the switching of the frame period, the pixel selection control signal PS is set to the H level for a predetermined period. In the H level period (pixel selection period) of the pixel selection control signal PS, first, after the reset control signal RF is set to H level and the signal charge of the node Nf is cleared, the H level period (transfer) of the transfer control signal TG is transferred. Period). In this transfer period, the accumulated signal charge of the node N1 in the one frame period is transferred to the node Nf, and the voltage amplifier 16 generates an output voltage signal Vout corresponding to the accumulated signal charge amount of the node N1 at this timing.

さらに、1フレーム期間内には、上記画素選択期間に先立って、制御信号ROのLレベル期間(電荷排出期間)が所定タイミングに設けられる。上述のように、電荷排出期間では、画素グループへの入射光量に応じて、蓄積電荷排出回路20による電荷排出動作が実行される。   Further, within one frame period, an L level period (charge discharge period) of the control signal RO is provided at a predetermined timing prior to the pixel selection period. As described above, in the charge discharging period, the charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit 20 is executed according to the amount of light incident on the pixel group.

図8には、図7中の時刻t0〜t6におけるポテンシャル障壁の形成と信号電荷の動きが模式的に示される。   FIG. 8 schematically shows the formation of the potential barrier and the movement of the signal charge at times t0 to t6 in FIG.

図8中において、縦軸はポテンシャル障壁の高さを示す。横軸において、W1はオーバーフロードレイン容量22(ノードN2)の配置領域に対応し、W2は電荷排出ゲートDG(n−MOSトランジスタ160)のチャネル領域に対応し、W3はフォトダイオードPDの配置領域に対応し、W4は転送ゲート12(n−MOSトランジスタ170)のチャネル領域に対応し、W5はフローティングディフュージョン領域(ノードNf)に対応する。   In FIG. 8, the vertical axis indicates the height of the potential barrier. On the horizontal axis, W1 corresponds to the arrangement region of the overflow drain capacitance 22 (node N2), W2 corresponds to the channel region of the charge discharge gate DG (n-MOS transistor 160), and W3 corresponds to the arrangement region of the photodiode PD. Correspondingly, W4 corresponds to the channel region of the transfer gate 12 (n-MOS transistor 170), and W5 corresponds to the floating diffusion region (node Nf).

時刻t0においては、画素選択制御信号PS、リセット制御信号RFおよび転送制御信号TGがLレベルに設定され、制御信号ROがHレベルに設定されている。このため、図1において、蓄積電荷排出回路20では、制御スイッチ24のオンによりノードN2がオーバーフロードレインとして機能する。一方、画素回路10では、転送ゲート12およびリセットスイッチ14はターンオフされており、ノードN1では、画素回路10への入射光量に応じてフォトダイオードPDが生じさせる光電流により、信号電荷が蓄積される。なお、フォトダイオードPDは、当該画素回路10への入射光量に応じた光電流を常時発生させるので、ノードN1における信号電荷の蓄積動作についても、1フレーム期間を通じて継続的に実行される。   At time t0, the pixel selection control signal PS, the reset control signal RF, and the transfer control signal TG are set to L level, and the control signal RO is set to H level. For this reason, in FIG. 1, in the accumulated charge discharging circuit 20, the node N2 functions as an overflow drain when the control switch 24 is turned on. On the other hand, in the pixel circuit 10, the transfer gate 12 and the reset switch 14 are turned off, and at the node N1, signal charges are accumulated by the photocurrent generated by the photodiode PD in accordance with the amount of light incident on the pixel circuit 10. . Since the photodiode PD constantly generates a photocurrent according to the amount of light incident on the pixel circuit 10, the signal charge accumulation operation at the node N1 is also continuously performed over one frame period.

図8(a)を参照して、時刻t0では、ノードN2(オーバーフロードレイン容量22)に対応する領域W1は電源電位VDDにバイアスされている。したがって、フォトダイオード領域W3から、飽和により溢れ出した信号電荷70は、オーバーフロードレイン容量22(領域W1)に蓄積されることなく排出される。このとき、領域W2すなわち電荷排出ゲート下領域のポテンシャルは、フォトダイオードPD(領域W3)からすべての信号電荷を引抜くことがないように、フォトダイオードPDのポテンシャル井戸の底を形成するビルトイン電圧よりも低く設定される必要がある。これは、上述した可変抵抗素子としての電荷排出ゲートDGについての、制御スイッチ24のオン時(Vg=Vl)の電気抵抗Rhを適切に設計することと等価である。   Referring to FIG. 8A, at time t0, the region W1 corresponding to the node N2 (overflow drain capacitance 22) is biased to the power supply potential VDD. Therefore, the signal charge 70 overflowing from the photodiode region W3 due to saturation is discharged without being accumulated in the overflow drain capacitance 22 (region W1). At this time, the potential of the region W2, that is, the region under the charge discharge gate, is based on a built-in voltage that forms the bottom of the potential well of the photodiode PD so that all signal charges are not extracted from the photodiode PD (region W3). Also needs to be set low. This is equivalent to appropriately designing the electrical resistance Rh when the control switch 24 is on (Vg = Vl) for the charge discharge gate DG as the variable resistance element described above.

再び図7を参照して、時刻t0の状態より制御信号ROがHレベルからLレベルへ遷移した、電荷排出期間Tdrの時刻t1〜t2では、蓄積電荷排出回路20において制御スイッチ24がターンオフされる。このため、ノードN2には、オーバーフロードレイン容量22によって各画素回路10のノードN1からの漏れ信号電荷が蓄積される。   Referring to FIG. 7 again, the control switch 24 is turned off in the accumulated charge discharging circuit 20 at the time t1 to t2 of the charge discharging period Tdr when the control signal RO transitions from the H level to the L level from the state at the time t0. . Therefore, the leakage signal charge from the node N1 of each pixel circuit 10 is accumulated in the node N2 by the overflow drain capacitance 22.

図8(b)を参照して、時刻t1では、領域W1(ノードN2)が電源電位VDDと切離されることにより、フォトダイオード領域W3(ノードN1)からの流入電荷の蓄積が開始される。   Referring to FIG. 8B, at time t1, region W1 (node N2) is disconnected from power supply potential VDD, and accumulation of inflow charges from photodiode region W3 (node N1) is started.

図8(c)を参照して、時刻t2においては、フォトダイオード領域W3(ノードN1)から流入する信号電荷がオーバーフロードレイン容量部W1(ノードN2)に蓄積されるのに従って、電荷排出ゲート下領域W2のポテンシャルが上昇する。この結果、電荷排出ゲートDGの抵抗が低下するのと等価となり、各画素回路10内のノードN1からの信号電荷排出動作が促進される
ここで、フォトダイオードPDに電荷排出を疎外するポテンシャルのバリアやポケットが存在せず、電荷排出ゲート下領域W2のポテンシャルの最大値がフォトダイオードのビルトイン電圧を超えないとすると、フォトダイオード領域W3から領域W1(ノードN2)への信号電荷の移動は、下記(1)式に示す、n−MOSトランジスタ160のサブスレッショルド電流式でモデル化することができる。
Referring to FIG. 8C, at time t2, as the signal charge flowing from photodiode region W3 (node N1) is accumulated in overflow drain capacitance portion W1 (node N2), the region below the charge discharge gate W2 potential increases. As a result, the resistance of the charge discharging gate DG is equivalent to a decrease, and the signal charge discharging operation from the node N1 in each pixel circuit 10 is promoted. Here, a potential barrier that alienates the charge discharging to the photodiode PD. If there is no pocket and the maximum potential of the charge discharge gate lower region W2 does not exceed the built-in voltage of the photodiode, the signal charge is transferred from the photodiode region W3 to the region W1 (node N2) as follows. It can be modeled by the subthreshold current equation of the n-MOS transistor 160 shown in the equation (1).

Ids=Id0・exp{q/(n・k・T)・(Vg−Vs−Vt)} …(1)
ただし、(1)式中において、Id0は、下記(2)式で示される。
Ids = Id0 · exp {q / (n · k · T) · (Vg−Vs−Vt)} (1)
However, in the formula (1), Id0 is represented by the following formula (2).

Id0=(W/L)・μn・C0・(k・T/q)・exp(1) …(2)
なお、(1),(2)式中で、qは素電荷、kはボルツマン係数、Tは絶対温度、μnはキャリア移動度(電子)を示し、WおよびLは、n−MOSトランジスタ160のゲート幅およびゲート長を示す。また、Vsはフォトダイオード電位(ノードN1の電位)を示し、Vtはn−MOSトランジスタ160の閾値電圧を示す。なお、nは、n−MOSトランジスタ160のゲート絶縁膜容量C0および空乏層容量Cdを用いて、n=(C0+Cd)/C0で示される係数である。
Id0 = (W / L) · μn · C0 · (k · T / q) · exp (1) (2)
In equations (1) and (2), q is an elementary charge, k is a Boltzmann coefficient, T is an absolute temperature, μn is a carrier mobility (electron), and W and L are the n-MOS transistor 160 Indicates gate width and gate length. Vs represents the photodiode potential (the potential of the node N1), and Vt represents the threshold voltage of the n-MOS transistor 160. Note that n is a coefficient represented by n = (C0 + Cd) / C0 using the gate insulating film capacitance C0 and the depletion layer capacitance Cd of the n-MOS transistor 160.

このように、電荷排出期間において、n−MOSトランジスタ160に生じるサブスレッショルド電流Ids、すなわち、単位時間当たりにノードN1からノードN2へ排出される信号電荷の量は、画素グループへの入射光量に応じたノードN2の電位に従った、反転増幅器26の出力電位Vgに応じたものとなる。   As described above, the subthreshold current Ids generated in the n-MOS transistor 160 during the charge discharging period, that is, the amount of signal charge discharged from the node N1 to the node N2 per unit time depends on the amount of incident light to the pixel group. According to the potential of the node N2, the output potential Vg of the inverting amplifier 26 is set.

ここで、フォトダイオードPD(ノードN1)での飽和信号電荷量をQとすると、ノードN1に信号電荷量Qが蓄積されたときの各点の電位が、容量値等の回路定数より求められ、かつ、このときのサブスレッショルド電流Idsの推定値に対応させて、飽和信号電荷量Qのすべてを蓄積電荷排出回路20によってノードN1から排出するのに必要な所要時間が予め予測できる。したがって、この予測時間に対応させて電荷排出期間の長さを設定することができる。なお、電荷排出期間は、制御信号ROの設定により設けることができるので、1フレーム期間内に1回のみでなく、複数回設けることとしてもよい。   Here, when the saturation signal charge amount at the photodiode PD (node N1) is Q, the potential at each point when the signal charge amount Q is accumulated at the node N1 is obtained from a circuit constant such as a capacitance value. In addition, the time required for discharging all of the saturation signal charge amount Q from the node N1 by the stored charge discharging circuit 20 can be predicted in advance in correspondence with the estimated value of the subthreshold current Ids at this time. Therefore, the length of the charge discharge period can be set in correspondence with the predicted time. Note that since the charge discharging period can be provided by setting the control signal RO, the charge discharging period may be provided not only once but also a plurality of times within one frame period.

再び図7を参照して、時刻t2からt3の間に制御信号ROがLレベルからHレベルに遷移すると、制御スイッチ24が再びターンオンされて、時刻t0の状態が再現される。これにより、ノードN1では、画素回路10への入射光量に応じた信号電荷の蓄積動作が再開される。   Referring to FIG. 7 again, when control signal RO transitions from the L level to the H level between times t2 and t3, control switch 24 is turned on again, and the state at time t0 is reproduced. As a result, at the node N1, the signal charge accumulation operation corresponding to the amount of light incident on the pixel circuit 10 is resumed.

図8(d)を参照して、信号電荷の蓄積動作が再開される時刻t3、すなわち電荷排出期間Tdrの終了時において、入射光が強い場合には、例示するように、電荷排出期間Tdrにおける蓄積電荷排出回路20の信号電荷排出動作によって、フォトダイオード領域W3(ノードN1)の信号電荷は、一旦クリアされた状態となる。一方、図示は省略するが、画素グループへの入射光が弱い場合には、蓄積電荷排出回路20による信号電荷排出動作が実行されず、フォトダイオード領域W3(ノードN1)には、これまでに蓄積された信号電荷がそのまま残存する形となる。また、中間的な入射光の領域では、ノードN1にはそれまでに蓄積された信号電荷のうちの一部が残存することとなる。このように、電荷排出期間Tdrでは、蓄積電荷排出回路20により、画素グループへの入射光量に応じた量の信号電荷が、フォトダイオード領域W3(ノードN1)から排出される。   Referring to FIG. 8D, when the incident light is strong at time t3 at which the signal charge accumulation operation is resumed, that is, at the end of the charge discharge period Tdr, as illustrated, in the charge discharge period Tdr. By the signal charge discharging operation of the accumulated charge discharging circuit 20, the signal charge in the photodiode region W3 (node N1) is once cleared. On the other hand, although illustration is omitted, when the incident light to the pixel group is weak, the signal charge discharging operation by the stored charge discharging circuit 20 is not executed, and the photodiode region W3 (node N1) has been stored so far. The signal charge is left as it is. In the intermediate incident light region, part of the signal charges accumulated so far remains at the node N1. Thus, in the charge discharging period Tdr, the accumulated charge discharging circuit 20 discharges an amount of signal charge corresponding to the amount of light incident on the pixel group from the photodiode region W3 (node N1).

再び図7を参照して、画素選択制御信号PSがHレベルに設定される画素選択期間では、まず、リセット制御信号RFが所定期間Hレベルに設定されることにより、リセットスイッチ14のオンによって、フローティングディフュージョンとしてのノードNfが電源電位VDDと接続される(時刻t4)。   Referring to FIG. 7 again, in the pixel selection period in which pixel selection control signal PS is set to H level, first, reset control signal RF is set to H level for a predetermined period, so that reset switch 14 is turned on. Node Nf as a floating diffusion is connected to power supply potential VDD (time t4).

さらに、転送制御信号TGがHレベルに設定される転送期間では、転送ゲート12がオンされて、その時点までにノードN1に蓄積された信号電荷がノードNfへ転送される(時刻t5)。その後、転送制御信号TGがLレベルへ復帰して転送期間が終了することにより、転送ゲート12はオフされる(時刻t6)。さらに、画素選択制御信号PSがLレベルへ復帰して、画素選択期間が終了することにより、1フレーム期間の動作が終了する。   Further, in the transfer period in which the transfer control signal TG is set to the H level, the transfer gate 12 is turned on, and the signal charge accumulated in the node N1 up to that point is transferred to the node Nf (time t5). Thereafter, the transfer control signal TG returns to the L level and the transfer period ends, whereby the transfer gate 12 is turned off (time t6). Furthermore, when the pixel selection control signal PS returns to the L level and the pixel selection period ends, the operation for one frame period ends.

図8(e)を参照して、時刻t4では、電荷排出期間Tdr後にノードN1に蓄積された信号電荷がフォトダイオード領域W3(ノードN1)に保持される。一方、フローティングディフュージョン領域W5(ノードNf)は、電源電位VDDと接続されてこの領域に蓄積された信号電荷がクリアされる。   Referring to FIG. 8E, at time t4, the signal charge accumulated in the node N1 after the charge discharging period Tdr is held in the photodiode region W3 (node N1). On the other hand, floating diffusion region W5 (node Nf) is connected to power supply potential VDD, and signal charges accumulated in this region are cleared.

図8(f)を参照して、時刻t5では、転送ゲート12をターンオンすることにより、転送ゲート下領域W4のポテンシャルのポテンシャルが上昇して、当該1フレーム期間にフォトダイオード領域W3(ノードN1)にこれまで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領域W5(ノードNf)へ転送される。   Referring to FIG. 8F, at time t5, by turning on the transfer gate 12, the potential of the lower transfer gate region W4 increases, and the photodiode region W3 (node N1) in the one frame period. The signal charges accumulated so far are transferred to the floating diffusion region W5 (node Nf).

転送される信号電荷量は、入射光が強く、電荷排出期間Tdrに信号電荷排出動作が完全に行なわれる場合には、電荷排出期間Tdr後の再蓄積期間Tag(図7)に蓄積された信号電荷量となり、入射光が弱く、電荷排出期間Tdrに信号電荷排出動作が非実行とされる場合には、1フレーム期間で蓄積された信号電荷となる。   When the incident light is strong and the signal charge discharging operation is completely performed during the charge discharging period Tdr, the signal charge transferred is the signal stored in the re-accumulation period Tag (FIG. 7) after the charge discharging period Tdr. When the amount of charge is low, the incident light is weak, and the signal charge discharging operation is not executed during the charge discharging period Tdr, the signal charge is accumulated in one frame period.

図8(g)を参照して、時刻t6では、転送ゲート12がターンオフされて、転送ゲート下領域W4のポテンシャルのポテンシャルが下降するので、フォトダイオード領域W3(ノードN1)から転送された信号電荷が、フローティングディフュージョン領域W5(ノードNf)に蓄積される。この結果、フローティングディフュージョン領域W5(ノードNf)は、このときの蓄積信号電荷量、すなわち、1フレーム期間終了時でのノードN1の蓄積信号電荷量に応じた電位となり、このときのノードNfの電位に応じた出力電圧信号Voutが出力ノードNoから出力される。なお、時刻t6において、1フレーム期間の切換わりに対応して、フォトダイオード領域W3(ノードN1)での蓄積信号電荷は一旦クリアされる。   Referring to FIG. 8G, at time t6, transfer gate 12 is turned off and the potential of transfer gate lower region W4 decreases, so that the signal charge transferred from photodiode region W3 (node N1). Are accumulated in the floating diffusion region W5 (node Nf). As a result, the floating diffusion region W5 (node Nf) has a potential corresponding to the accumulated signal charge amount at this time, that is, the accumulated signal charge amount of the node N1 at the end of one frame period, and the potential of the node Nf at this time The output voltage signal Vout corresponding to the output is output from the output node No. At time t6, the accumulated signal charge in the photodiode region W3 (node N1) is once cleared in response to switching of one frame period.

以上説明したように、実施の形態1による半導体撮像素子では、画素グループごとに設けられた蓄積電荷排出回路によって、当該画素グループへの入射光が強い場合(高照度時)には、各画素回路に蓄積された信号電荷を、1フレーム期間の中間タイミング(電荷排出期間)で一旦排出することが可能となる。したがって、高照度時には、電荷排出期間(複数回設けられる場合には最後の電荷排出期間)の終了から、転送期間が終了するまでの再蓄積期間Tagに対する1フレーム期間Tfrの比であるk=(Tfr/Tag)に従って、各画素回路10でのダイナミックレンジを拡大することが可能となる。   As described above, in the semiconductor image pickup device according to the first embodiment, when the incident light to the pixel group is strong (at high illuminance) by the accumulated charge discharging circuit provided for each pixel group, each pixel circuit It is possible to discharge the signal charges accumulated in the frame once at an intermediate timing (charge discharge period) of one frame period. Therefore, at the time of high illuminance, the ratio of one frame period Tfr to the re-accumulation period Tag from the end of the charge discharge period (the last charge discharge period when provided multiple times) to the end of the transfer period is k = ( According to (Tfr / Tag), the dynamic range in each pixel circuit 10 can be expanded.

一方で、当該画素グループへの入射光が弱い(低照度)場合には、蓄積電荷排出回路20による信号電荷排出動作を非実行として、各画素回路10でのダイナミックレンジを拡大することなくコントラストを確保した撮像を行なうことができる。   On the other hand, when the incident light to the pixel group is weak (low illuminance), the signal charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit 20 is not executed, and the contrast is increased without expanding the dynamic range in each pixel circuit 10. Secured imaging can be performed.

この結果、各画素回路10に配置される受光検知素子(フォトダイオード)を1個とし、かつ、当該受光検知素子によって生じる信号電荷の蓄積量のみに基づいて受光量を検知する簡易な回路構成によって、高照度時におけるダイナミックレンジを拡大して、視野内の輝度分布が大きい場合であっても明るい部分と暗い部分との十分なコントラストを検知することが可能となる。   As a result, a simple light receiving detection element (photodiode) arranged in each pixel circuit 10 and a simple circuit configuration that detects the received light amount based only on the accumulated amount of signal charge generated by the received light detection element. By expanding the dynamic range at high illuminance, it is possible to detect sufficient contrast between the bright part and the dark part even when the luminance distribution in the field of view is large.

ここで、画素回路10において、フォトダイオードPDは本発明での「第1の受光検知素子」に対応し、ノードN1は本発明の「第1のノード」に対応する。また、転送ゲート12は、ノードN1の蓄積電荷をクリアする「第1の初期化回路」に対応し、リセットスイッチ14は、本発明での「第2の初期化回路」に対応する。さらに、電圧増幅器16は、本発明での「読出回路」に対応する。なお、この「読出回路」については、画素回路10の外部要素として、たとえば、複数の画素回路10の間で共有させるように配置することも可能である。   Here, in the pixel circuit 10, the photodiode PD corresponds to the “first light receiving detection element” in the present invention, and the node N1 corresponds to the “first node” in the present invention. The transfer gate 12 corresponds to a “first initialization circuit” that clears the stored charge of the node N1, and the reset switch 14 corresponds to a “second initialization circuit” in the present invention. Further, the voltage amplifier 16 corresponds to a “read circuit” in the present invention. The “read circuit” may be arranged as an external element of the pixel circuit 10 so as to be shared among the plurality of pixel circuits 10, for example.

また、蓄積電荷排出回路20において、オーバーフロードレイン容量22は、本発明における「容量部」に対応し、各電荷排出ゲートDGは本発明での「可変抵抗素子」に対応し、反転増幅器26は、本発明での「制御部」に対応し、制御スイッチ24は、本発明での「制御スイッチ素子」に対応する。   Further, in the accumulated charge discharging circuit 20, the overflow drain capacitance 22 corresponds to the “capacitance portion” in the present invention, each charge discharge gate DG corresponds to the “variable resistance element” in the present invention, and the inverting amplifier 26 is Corresponding to the “control unit” in the present invention, the control switch 24 corresponds to the “control switch element” in the present invention.

さらに、図3において、n−拡散領域130は、本発明での「第1の不純物拡散領域」に対応し、n+拡散領域110は、本発明での「第2の不純物拡散領域」に対応し、n+拡散領域120は、本発明での「第3の不純物拡散領域」に対応する。また、n−MOSトランジスタ160は、本発明での「第1の電界効果トランジスタ」に対応し、n−MOSトランジスタ170は、本発明での「第2の電界効果トランジスタ」に対応する。   Further, in FIG. 3, an n− diffusion region 130 corresponds to a “first impurity diffusion region” in the present invention, and an n + diffusion region 110 corresponds to a “second impurity diffusion region” in the present invention. , N + diffusion region 120 corresponds to the “third impurity diffusion region” in the present invention. The n-MOS transistor 160 corresponds to the “first field effect transistor” in the present invention, and the n-MOS transistor 170 corresponds to the “second field effect transistor” in the present invention.

図9は、実施の形態1による画素回路および蓄積電荷排出回路を行列状に配列して構成された実施の形態1による半導体撮像素子の全体構成を示すブロック図である。   FIG. 9 is a block diagram showing the overall configuration of the semiconductor imaging device according to the first embodiment configured by arranging the pixel circuit and the accumulated charge discharging circuit according to the first embodiment in a matrix.

図9を参照して、実施の形態に従う半導体撮像素子200は、入射光を受ける受光面に行列状に配列された複数の画素回路10と、行方向および列方向に隣接する4個ずつの画素回路10によって構成される画素グループごとに配置された蓄積電荷排出回路20と、制御信号発生回路210と、電圧ラッチ回路220と、行方向に延在して配置された信号線230と、列方向に延在して配置されたデータ線240とを備える。   Referring to FIG. 9, a semiconductor imaging device 200 according to the embodiment includes a plurality of pixel circuits 10 arranged in a matrix on a light receiving surface that receives incident light, and four pixels adjacent to each other in the row direction and the column direction. The accumulated charge discharging circuit 20 arranged for each pixel group constituted by the circuit 10, the control signal generating circuit 210, the voltage latch circuit 220, the signal line 230 arranged extending in the row direction, and the column direction And a data line 240 arranged so as to extend.

制御信号発生回路210は、1フレーム期間に対応させて垂直方向(列方向)の走査を実行する垂直シフトレジスタ(図示せず)の出力に基づき、図7で説明した、画素選択制御信号PS、リセット制御信号RF、転送制御信号TGおよび制御信号ROを含む制御信号群を画素行単位で発生する。   Based on the output of a vertical shift register (not shown) that performs scanning in the vertical direction (column direction) in correspondence with one frame period, the control signal generation circuit 210 has the pixel selection control signal PS, A control signal group including a reset control signal RF, a transfer control signal TG, and a control signal RO is generated for each pixel row.

制御信号発生回路210によって生成された制御信号群は信号線230によって伝達され、同一画素行中の各画素回路10および各蓄積電荷排出回路20へ取込まれる。   A control signal group generated by the control signal generation circuit 210 is transmitted through the signal line 230 and taken into each pixel circuit 10 and each accumulated charge discharging circuit 20 in the same pixel row.

データ線240は、画素列ごとに設けられ、対応の画素列中の各画素回路10の出力ノードNoと接続される。電圧ラッチ回路220は、各データ線240と接続され、水平方向(行方向)の走査を実行する水平シフトレジスタ(図示せず)の出力に基づき、データ線240上の電圧を順次読取ることにより、画素回路10の走査順序に従って各画素回路10からの出力電圧信号Voutを順に取得することができる。これにより、画素回路10の走査順序に従って、各画素回路10からの出力電圧信号Voutがシリアルに配列されたデータ列信号Vdatを得ることができる。   The data line 240 is provided for each pixel column, and is connected to the output node No of each pixel circuit 10 in the corresponding pixel column. The voltage latch circuit 220 is connected to each data line 240 and sequentially reads the voltage on the data line 240 based on the output of a horizontal shift register (not shown) that performs horizontal (row) scanning. The output voltage signal Vout from each pixel circuit 10 can be obtained in order according to the scanning order of the pixel circuit 10. Thereby, the data string signal Vdat in which the output voltage signal Vout from each pixel circuit 10 is serially arranged can be obtained according to the scanning order of the pixel circuit 10.

なお、本実施の形態のように、同一の画素グループに属する画素回路が複数(2個)の画素行にまたがる場合には、同一の画素グループに対応する複数(2個)の画素行では、制御信号群を共通のタイミングで設定することが好ましい。この場合には、各画素列において、同一の画素グループに属する複数(2個)の画素回路10から出力電圧信号Voutが出力されるので、データ線240についても画素列ごとに複数本(2本)配置して、同一の画素グループに属する複数(2個)の画素回路10を、複数本(2本)配置されたデータ線240とそれぞれ接続する読出構成とすることが必要である。これにより、より精度の高い読出動作を実行することが可能となる。   In the case where pixel circuits belonging to the same pixel group extend over a plurality of (two) pixel rows as in the present embodiment, in the plurality of (two) pixel rows corresponding to the same pixel group, It is preferable to set the control signal group at a common timing. In this case, in each pixel column, since the output voltage signal Vout is output from a plurality (two) of pixel circuits 10 belonging to the same pixel group, a plurality (two) of data lines 240 are also provided for each pixel column. ) And a plurality of (two) pixel circuits 10 belonging to the same pixel group must be connected to a plurality (two) of data lines 240 respectively. This makes it possible to execute a reading operation with higher accuracy.

なお、本発明の実施の形態において、各画素回路10の走査および出力電圧信号の取出のための構成は、図9の例示に限定されるものではなく、当業者に周知の任意の手法を適宜用いることが可能である点を確認的に記載する。また、蓄積電荷排出回路20を共有する画素グループについても、任意の個数の画素行および画素列にわたって構成することが可能である。   In the embodiment of the present invention, the configuration for scanning each pixel circuit 10 and taking out the output voltage signal is not limited to the example shown in FIG. 9, and any method known to those skilled in the art is appropriately used. The points that can be used are described in a confirming manner. Also, a pixel group sharing the accumulated charge discharging circuit 20 can be configured over an arbitrary number of pixel rows and pixel columns.

(実施の形態1の変形例)
実施の形態1では、埋込型ダイオードによってフォトダイオードPDを構成する画素回路10を備えた半導体撮像素子を例示した。しかしながら、本発明は、埋込型ダイオード以外のフォトダイオードにより構成された画素回路にも適用することが可能である。
(Modification of Embodiment 1)
In the first embodiment, the semiconductor imaging device including the pixel circuit 10 that constitutes the photodiode PD by the embedded diode is illustrated. However, the present invention can also be applied to a pixel circuit constituted by a photodiode other than a buried diode.

図10に示すように、図1における画素回路10を、画素回路11に置換しても、同一の画素グループ内の複数個の画素回路11によって蓄積電荷排出回路20を共有して、実施の形態1と同様の半導体撮像素子を構成することが可能である。   As shown in FIG. 10, even if the pixel circuit 10 in FIG. 1 is replaced with a pixel circuit 11, the accumulated charge discharging circuit 20 is shared by a plurality of pixel circuits 11 in the same pixel group. 1 can be configured.

図10を参照して、画素回路11は、図1に示した画素回路10と比較して、転送ゲート12の配置が省略される点で異なる。すなわち、リセットスイッチ14は、ノードN1を直接リセットするように接続され、電圧増幅器16の入力ノードは、ノードN1と直接接続される。   Referring to FIG. 10, pixel circuit 11 is different from pixel circuit 10 shown in FIG. 1 in that the arrangement of transfer gate 12 is omitted. That is, the reset switch 14 is connected to directly reset the node N1, and the input node of the voltage amplifier 16 is directly connected to the node N1.

したがって、画素回路11では、図6に示した構造において、フォトダイオードPDを埋込型ダイオードに限定することなく、通常のpn接合ダイオードとして構成することができる。この場合には、ノードN1に対応するn型拡散領域をp型シリコン基板100の主表面上に設けることとなるため、ノードN1に対して直接物理的にコンタクトする接点を形成することが可能となる。このため、各画素回路11において図1における転送ゲート12(図6におけるn−MOSトランジスタ170)の配置を省略しても、実施の形態1と同様の半導体撮像素子を構成することが可能となる。   Therefore, in the pixel circuit 11, in the structure shown in FIG. 6, the photodiode PD can be configured as a normal pn junction diode without being limited to the buried diode. In this case, since the n-type diffusion region corresponding to node N1 is provided on the main surface of p-type silicon substrate 100, it is possible to form a contact that makes direct physical contact with node N1. Become. Therefore, even if the arrangement of the transfer gate 12 in FIG. 1 (the n-MOS transistor 170 in FIG. 6) is omitted in each pixel circuit 11, a semiconductor image sensor similar to that in the first embodiment can be configured. .

すなわち、画素回路11では、リセットスイッチ14が本発明での「第1の初期化回路」に対応し、本発明における「第2の初期化回路」は配置されない。   In other words, in the pixel circuit 11, the reset switch 14 corresponds to the “first initialization circuit” in the present invention, and the “second initialization circuit” in the present invention is not arranged.

次に図11を用いて、画素回路11を適用した実施の形態1の変形例による半導体撮像素子における1フレーム期間の動作を説明する。   Next, the operation in one frame period in the semiconductor imaging device according to the modification of the first embodiment to which the pixel circuit 11 is applied will be described with reference to FIG.

図11を参照して、実施の形態1の変形例による半導体撮像素子では、制御信号ROが実施の形態1(図7)と同様に設定される一方で、画素選択制御信号PSは、図7での時刻t5に対応するタイミングにてHレベルに設定される。そして、リセット制御信号RFは、1フレーム期間の切換わりに対応するように、画素選択期間(画素選択制御信号RSのHレベル期間)の終了に応答して、新たな1フレーム期間の開始時にHレベルに設定される。これにより、各フレーム期間の開始時に、ノードN1の蓄積信号電荷をクリアすることができる。   Referring to FIG. 11, in the semiconductor imaging device according to the modification of the first embodiment, control signal RO is set in the same manner as in the first embodiment (FIG. 7), while pixel selection control signal PS is Is set to the H level at a timing corresponding to time t5. Then, in response to the end of the pixel selection period (the H level period of the pixel selection control signal RS), the reset control signal RF is at the H level at the start of a new one frame period so as to correspond to the switching of one frame period. Set to Thereby, the accumulated signal charge of the node N1 can be cleared at the start of each frame period.

1フレーム期間において、ノードN1の電位および電圧増幅器16の出力電圧は、ノードN1での信号電荷の蓄積量に応じて時々刻々変化していくが、1フレーム期間の途中に制御信号ROのLレベル期間(電荷排出期間)を設けて蓄積電荷排出回路20による信号電荷排出動作を適宜実行することにより、実施の形態1での画素回路10と同様の出力電圧信号Voutを、画素回路11により発生することができる。   During one frame period, the potential of the node N1 and the output voltage of the voltage amplifier 16 change from moment to moment according to the amount of signal charge accumulated at the node N1, but the L level of the control signal RO during the one frame period. An output voltage signal Vout similar to that of the pixel circuit 10 in the first embodiment is generated by the pixel circuit 11 by appropriately executing the signal charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit 20 by providing a period (charge discharging period). be able to.

(実施の形態2)
図12は、実施の形態2に従う半導体撮像素子における画素回路および蓄積電荷排出回路の構成を説明する回路図である。
(Embodiment 2)
FIG. 12 is a circuit diagram illustrating the configuration of the pixel circuit and the accumulated charge discharging circuit in the semiconductor imaging device according to the second embodiment.

図12を参照して、実施の形態2に従う半導体撮像素子においては、図1に示した蓄積電荷排出回路20に代えて、蓄積電荷排出回路21が設けられる。   Referring to FIG. 12, in the semiconductor imaging device according to the second embodiment, an accumulated charge discharging circuit 21 is provided instead of accumulated charge discharging circuit 20 shown in FIG.

蓄積電荷排出回路21は、図1に示した蓄積電荷排出回路20において、ノードN2および接地ノード6の間に、「第2の受光検知素子」としてのフォトダイオードPD♯が配置された回路構成を有する。   The accumulated charge discharging circuit 21 has a circuit configuration in which the photodiode PD # as the “second light receiving detection element” is arranged between the node N2 and the ground node 6 in the accumulated charge discharging circuit 20 shown in FIG. Have.

図13は、図3に示した蓄積電荷排出回路21の主要部の断面図に対応する、蓄積電荷排出回路21の主要部の構造を示す断面図である。図13および図3の比較から理解されるように、蓄積電荷排出回路21は、オーバーフロードレインとして作用するn+拡散領域110の主表面側に設けられた遮光板115の配置を省略した構造を有する。これにより、接地電位VSSにバイアスされたp型シリコン基板100をアノードとし、n+拡散領域110をカソードとするフォトダイオードPD♯が形成される。蓄積電荷排出回路21のその他の部分の構成および構造については、蓄積電荷排出回路20と同様であるので詳細な説明は繰返さない。   13 is a cross-sectional view showing the structure of the main part of the stored charge discharging circuit 21 corresponding to the cross-sectional view of the main part of the stored charge discharging circuit 21 shown in FIG. As understood from the comparison between FIG. 13 and FIG. 3, the accumulated charge discharging circuit 21 has a structure in which the arrangement of the light shielding plate 115 provided on the main surface side of the n + diffusion region 110 acting as an overflow drain is omitted. As a result, a photodiode PD # having the p-type silicon substrate 100 biased to the ground potential VSS as an anode and the n + diffusion region 110 as a cathode is formed. Since the configuration and structure of other parts of the stored charge discharging circuit 21 are the same as those of the stored charge discharging circuit 20, detailed description thereof will not be repeated.

蓄積電荷排出回路21は、実施の形態1と同様に画素グループごとに設けられ、同一の画素グループに含まれる画素回路10の各ノードN1と電荷排出ゲートDGを介して電気的に接続される。   The accumulated charge discharging circuit 21 is provided for each pixel group as in the first embodiment, and is electrically connected to each node N1 of the pixel circuit 10 included in the same pixel group via the charge discharging gate DG.

再び図12を参照して、蓄積電荷排出回路21では、制御スイッチ24のオン期間中には、n+拡散領域110は、電源電位VDDにバイアスされることにより、実施の形態1の蓄積電荷排出回路20と同様にオーバーフロードレインとして作用する。一方、制御スイッチ24のオフ期間(電荷排出期間)には、フォトダイオードPD♯により、蓄積電荷排出回路21への入射光、すなわち当該画素グループへの入射光量に応じた光電流を発生させ、光電流の発生に伴って信号電荷をノードN2に蓄積することが可能となる。   Referring to FIG. 12 again, in the accumulated charge discharging circuit 21, during the ON period of the control switch 24, the n + diffusion region 110 is biased to the power supply potential VDD, so that the accumulated charge discharging circuit according to the first embodiment. Like 20, it acts as an overflow drain. On the other hand, during the OFF period (charge discharge period) of the control switch 24, the photodiode PD # generates a light current incident on the accumulated charge discharge circuit 21, that is, a photocurrent corresponding to the amount of light incident on the pixel group. As the current is generated, the signal charge can be stored in the node N2.

この際に、図2に例示したレイアウトと同様に、同一の画素グループに属する画素回路によって囲まれる領域内に、各画素回路から実質的に等距離となるようにノードN2(すなわちフォトダイオードPD♯)を設けることにより、直接の露光によって、当該画素グループでの平均的な入射光量に応じた光電流をフォトダイオードPD♯により発生することができる。   At this time, similarly to the layout illustrated in FIG. 2, the node N2 (that is, the photodiode PD #) is arranged so as to be substantially equidistant from each pixel circuit in the region surrounded by the pixel circuits belonging to the same pixel group. ), A photocurrent corresponding to the average amount of incident light in the pixel group can be generated by the photodiode PD # by direct exposure.

これにより、蓄積電荷排出回路21では、電荷排出期間において、実施の形態1と同様に各画素回路10から溢れ出した信号電荷に加えて、フォトダイオードPD♯によって生じた信号電荷についてもノードN2に蓄積される。このため、蓄積電荷排出回路21では、ノードN2に信号電荷が蓄積されやすくなり、ノードN1からの信号電荷排出動作を起こりやすくし、かつ信号電荷の排出速度を高めることが可能となる。   As a result, in the accumulated charge discharging circuit 21, in the charge discharging period, in addition to the signal charge overflowing from each pixel circuit 10 in the charge discharging period, the signal charge generated by the photodiode PD # is also supplied to the node N2. Accumulated. For this reason, in the accumulated charge discharging circuit 21, signal charges are likely to be accumulated in the node N2, the signal charge discharging operation from the node N1 can easily occur, and the signal charge discharging speed can be increased.

この結果、高照度時に同一のダイナミックレンジを得るために必要な1フレーム期間が相対的に短縮されるので、より高速な撮像を実行することが可能となる。   As a result, since one frame period necessary for obtaining the same dynamic range at high illuminance is relatively shortened, higher-speed imaging can be performed.

あるいは、電荷排出期間において、フォトダイオードPD♯によって検知される受光量のみに応じて、ノードN2の電位、すなわち電荷排出ゲートDGの抵抗を制御する構成とすることも原理的に可能である。このような構成では、蓄積電荷排出回路21において、各画素回路10のノードN1からの信号電荷を排出するための電荷排出部(図示せず)を別途設けることにより、各電荷排出ゲートDGは、ノードN2から切離して、当該電荷排出口と各画素回路10中のノードN1との間に接続すればよい。   Alternatively, in principle, it is possible to control the potential of the node N2, that is, the resistance of the charge discharge gate DG, only in accordance with the amount of received light detected by the photodiode PD # during the charge discharge period. In such a configuration, in the accumulated charge discharging circuit 21, each charge discharging gate DG is provided by separately providing a charge discharging unit (not shown) for discharging the signal charge from the node N1 of each pixel circuit 10. It may be disconnected from the node N2 and connected between the charge discharge port and the node N1 in each pixel circuit 10.

また、実施の形態2による半導体撮像素子において、画素回路10についても、実施の形態1の変形例で示した画素回路11と置換することが可能である。すなわち、画素回路10または11と、実施の形態2による蓄積電荷排出回路21とを、たとえば、図9に示すように配置することによって、実施の形態2による半導体撮像素子を構成することができる。   In the semiconductor imaging device according to the second embodiment, the pixel circuit 10 can also be replaced with the pixel circuit 11 shown in the modification of the first embodiment. That is, the semiconductor imaging element according to the second embodiment can be configured by arranging the pixel circuit 10 or 11 and the accumulated charge discharging circuit 21 according to the second embodiment as shown in FIG. 9, for example.

(実施の形態3)
以上のように、画素回路10または11と、蓄積電荷排出回路20または21との組合せによって、本発明の実施の形態による半導体撮像素子を構成することが可能である。ここで、実施の形態1および2では、フォトダイオードPDのアノードを接地電位VSSに固定する回路構成を例示したが、各回路での極性を反転して、フォトダイオードPDのカソードを電源電位VDDに固定する回路構成とすることも可能である。
(Embodiment 3)
As described above, the combination of the pixel circuit 10 or 11 and the accumulated charge discharging circuit 20 or 21 can constitute the semiconductor imaging device according to the embodiment of the present invention. Here, in the first and second embodiments, the circuit configuration in which the anode of the photodiode PD is fixed to the ground potential VSS is exemplified. However, the polarity in each circuit is inverted, and the cathode of the photodiode PD is set to the power supply potential VDD. A fixed circuit configuration is also possible.

図14および図15には、画素回路10および11の極性をそれぞれ反転した変形例である実施の形態3による画素回路10♯および11♯がそれぞれ示される。   14 and 15 show pixel circuits 10 # and 11 # according to the third embodiment, which are modified examples in which the polarities of the pixel circuits 10 and 11 are inverted, respectively.

画素回路10♯および11♯では、フォトダイオードPDのカソードが電源電位ノード5と接続される構成とされ、画素回路10および11と比較して、ノードN1と電源電位ノード5および接地ノード6のそれぞれとの間に接続される回路素子の配置が入れ換えられる。なお、画素回路10♯および11♯では、ノードN1がフォトダイオードのアノードに対応するので、蓄積される信号電荷は正電荷となる。   In pixel circuits 10 # and 11 #, the cathode of photodiode PD is connected to power supply potential node 5. Compared to pixel circuits 10 and 11, each of node N1, power supply potential node 5, and ground node 6 is provided. The arrangement of circuit elements connected to each other is interchanged. In pixel circuits 10 # and 11 #, since node N1 corresponds to the anode of the photodiode, the accumulated signal charge is a positive charge.

図16および図17には、蓄積電荷排出回路20および21の極性をそれぞれ反転した変形例である実施の形態3による蓄積電荷排出回路20♯および21♯が示される。蓄積電荷排出回路20♯および21♯では、蓄積電荷排出回路20および21と比較して、ノードN1と電源電位ノード5および接地ノード6のそれぞれとの間に接続される回路素子の配置が入れ換えられる。   FIGS. 16 and 17 show accumulated charge discharging circuits 20 # and 21 # according to the third embodiment which is a modified example in which the polarities of accumulated charge discharging circuits 20 and 21 are inverted. In accumulated charge discharging circuits 20 # and 21 #, the arrangement of circuit elements connected between node N1, power supply potential node 5 and ground node 6 is switched as compared with accumulated charge discharging circuits 20 and 21. .

また、各画素回路10♯(または11♯)中のノードN1と、蓄積電荷排出回路20♯(または21♯)中のノードN2との間には、電荷排出ゲートDGに代えて、ノードN1から正電荷を排出するための電荷排出ゲートDG♯が接続される。電荷排出ゲートDG♯は、電荷排出ゲートDGとは反対に、反転増幅器26の出力電位Vgが低下(すなわち、ノードN2の電位が上昇)するのに従って、電気抵抗が低下し、出力電位Vgが上昇するのに従って電気抵抗が高くなるように構成される。   Further, between the node N1 in each pixel circuit 10 # (or 11 #) and the node N2 in the accumulated charge discharging circuit 20 # (or 21 #), from the node N1 instead of the charge discharging gate DG. A charge discharge gate DG # for discharging positive charges is connected. Contrary to charge discharge gate DG, charge discharge gate DG # decreases in electrical resistance and increases in output potential Vg as output potential Vg of inverting amplifier 26 decreases (that is, the potential of node N2 increases). The electric resistance increases as the operation proceeds.

画素回路10♯,11♯および蓄積電荷排出回路20♯,21♯は、図6または図13に示した構造例において、n型およびp型の導電型を適宜反転することによって構成することが可能である。すなわち、画素回路10♯,11♯では転送ゲート12は、p−MOSトランジスタで構成され、蓄積電荷排出回路20♯,21♯では電荷排出ゲートDGは、p−MOSトランジスタにより構成される。   Pixel circuits 10 #, 11 # and accumulated charge discharging circuits 20 #, 21 # can be configured by appropriately inverting n-type and p-type conductivity types in the structural example shown in FIG. 6 or FIG. It is. That is, in the pixel circuits 10 # and 11 #, the transfer gate 12 is configured by a p-MOS transistor, and in the accumulated charge discharging circuits 20 # and 21 #, the charge discharging gate DG is formed by a p-MOS transistor.

画素回路10♯,11♯および蓄積電荷排出回路20♯,21♯の動作および機能は、画素回路10,11および蓄積電荷排出回路20,21と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。すなわち、画素回路10♯または11♯と、蓄積電荷排出回路20♯または21♯との組合せによっても、本発明の実施の形態による半導体撮像素子を構成することが可能である。ただし、正電荷(正孔)の移動度は、負電荷(電子)の移動度よりも小さいので、画素回路10,11および蓄積電荷排出回路20,21により構成された半導体撮像素子は、画素回路10♯,11♯および蓄積電荷排出回路20♯,21♯により構成された半導体撮像素子と比較して、高速撮像の面で相対的に有利である。   Since the operations and functions of pixel circuits 10 #, 11 # and accumulated charge discharging circuits 20 #, 21 # are similar to those of pixel circuits 10, 11 and accumulated charge discharging circuits 20, 21, detailed description thereof will not be repeated. That is, the semiconductor image pickup device according to the embodiment of the present invention can be configured by a combination of the pixel circuit 10 # or 11 # and the accumulated charge discharging circuit 20 # or 21 #. However, since the mobility of positive charges (holes) is smaller than the mobility of negative charges (electrons), the semiconductor imaging device constituted by the pixel circuits 10 and 11 and the accumulated charge discharging circuits 20 and 21 is a pixel circuit. Compared to a semiconductor image pickup device constituted by 10 #, 11 # and accumulated charge discharging circuits 20 #, 21 #, it is relatively advantageous in terms of high-speed imaging.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

以上説明したように、この発明による半導体撮像素子は、高い視覚検知能力を有した撮像素子として様々な状況下で使用可能であり、屋外を含む監視用カメラや車載用カメラなどに利用することが可能である。また、簡易な回路構成のため画素サイズを縮小できるので、多画素化に適するとともに携帯機器への搭載にも好適である。   As described above, the semiconductor image pickup device according to the present invention can be used as an image pickup device having a high visual detection capability under various circumstances, and can be used for a surveillance camera including an outdoor or a vehicle-mounted camera. Is possible. Further, since the pixel size can be reduced due to a simple circuit configuration, it is suitable for increasing the number of pixels and also suitable for mounting on a portable device.

この発明の実施の形態1による半導体撮像素子の主要部の概略構成を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining schematic structure of the principal part of the semiconductor image pick-up element by Embodiment 1 of this invention. 図1に示した画素回路および蓄積電荷排出回路の配置例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view illustrating an arrangement example of a pixel circuit and an accumulated charge discharging circuit illustrated in FIG. 1. 図2におけるIII−III断面図である。It is III-III sectional drawing in FIG. 図1に示した反転増幅器の構成例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an inverting amplifier illustrated in FIG. 1. フォトダイオードへの入射光が強いときのブルーミング現象を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the blooming phenomenon when the incident light to a photodiode is strong. オーバーフロードレインの動作を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining operation | movement of an overflow drain. 実施の形態1による半導体撮像素子における1フレーム期間の動作を説明するタイミングチャートである。4 is a timing chart for explaining an operation in one frame period in the semiconductor imaging device according to the first embodiment. 図7に示したタイミングチャートの各時点におけるポテンシャル障壁の形成および信号電荷の動きを説明する概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the formation of a potential barrier and the movement of signal charges at each point in the timing chart illustrated in FIG. 7. 実施の形態1による半導体撮像素子の全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a semiconductor imaging device according to a first embodiment. この発明の実施の形態1の変形例による半導体撮像素子の主要部の概略構成を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining schematic structure of the principal part of the semiconductor imaging device by the modification of Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1の変形例による半導体撮像素子における1フレーム期間の動作を説明するタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining an operation in one frame period in a semiconductor imaging device according to a modification of the first embodiment. この発明の実施の形態2による半導体撮像素子の主要部の概略構成を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining schematic structure of the principal part of the semiconductor image sensor by Embodiment 2 of this invention. 図12に示した蓄積電荷排出回路の具体的な構造例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a specific structure example of the accumulated charge discharging circuit shown in FIG. 12. 実施の形態3による画素回路の第1の構成例を示す回路図である。6 is a circuit diagram illustrating a first configuration example of a pixel circuit according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3による画素回路の第2の構成例を示す回路図である。6 is a circuit diagram illustrating a second configuration example of a pixel circuit according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3による蓄積電荷排出回路の第1の構成例を示す回路図である。6 is a circuit diagram showing a first configuration example of an accumulated charge discharging circuit according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3による蓄積電荷排出回路の第2の構成例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing a second configuration example of the accumulated charge discharging circuit according to the third embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

2 画素グループ、3 領域(画素グループ)、5 電源電位ノード、6 接地ノード、10,10♯,11,11♯ 各画素回路、12 転送ゲート、14 リセットスイッチ、16 電圧増幅器、18 画素選択スイッチ、20,20♯,21,21♯ 蓄積電荷排出回路、22 オーバーフロードレイン容量、24 制御スイッチ、26 反転増幅器、27,28 n−MOSトランジスタ、30 配置領域(フォトダイオード)、32,35 境界領域、34 配置領域(オーバーフロードレイン)、36 配置領域(周辺回路)、60,65 ポテンシャル井戸、70 信号電荷、100 p型シリコン基板、110,120 n+拡散領域、115 遮光板、120 N拡散領域、130 n−拡散領域、140,150 絶縁層、145,155 ゲート電極、160,170 n−MOSトランジスタ(電界効果トランジスタ)、200 半導体撮像素子、210 制御信号発生回路、220 電圧ラッチ回路、230 信号線、240 データ線、260 反転増幅器、DG 電荷排出ゲート、N1,N2,N3,Nf ノード、No 出力ノード、OFD ラテラルオーバーフロードレイン、PD フォトダイオード、PS 画素選択制御信号、RF リセット制御信号、RO 制御信号、RS 画素選択制御信号、SUB 基板領域、Tag 再蓄積期間、Tdr 電荷排出期間、Tfr 1フレーム期間、TG 転送制御信号、Vdat データ列信号、VDD 電源電位、Vout 出力電圧信号、VSS 接地電位、W1 オーバーフロードレイン容量部、W2 電荷排出ゲート下領域、W3 フォトダイオード領域、W4 転送ゲート下領域、W5 フローティングディフュージョン領域。   2 pixel group, 3 region (pixel group), 5 power supply potential node, 6 ground node, 10, 10 #, 11, 11 # each pixel circuit, 12 transfer gate, 14 reset switch, 16 voltage amplifier, 18 pixel selection switch, 20, 20 #, 21, 21 # Accumulated charge discharging circuit, 22 overflow drain capacity, 24 control switch, 26 inverting amplifier, 27, 28 n-MOS transistor, 30 arrangement region (photodiode), 32, 35 boundary region, 34 Arrangement region (overflow drain), 36 Arrangement region (peripheral circuit), 60, 65 potential well, 70 signal charge, 100 p-type silicon substrate, 110, 120 n + diffusion region, 115 light shielding plate, 120 N diffusion region, 130 n− Diffusion region, 140,150 Insulating layer, 145,155 Gate electrode, 160, 170 n-MOS transistor (field effect transistor), 200 semiconductor imaging device, 210 control signal generation circuit, 220 voltage latch circuit, 230 signal line, 240 data line, 260 inverting amplifier, DG charge discharge gate, N1 , N2, N3, Nf node, No output node, OFD lateral overflow drain, PD photodiode, PS pixel selection control signal, RF reset control signal, RO control signal, RS pixel selection control signal, SUB substrate region, Tag re-accumulation period , Tdr charge discharge period, Tfr 1 frame period, TG transfer control signal, Vdat data string signal, VDD power supply potential, Vout output voltage signal, VSS ground potential, W1 overflow drain capacitance section, W2 charge discharge gate lower region, W Photodiode region, W4 transfer gate region underneath, W5 floating diffusion region.

Claims (3)

半導体撮像素子であって、
複数の画素回路と、
少なくとも1個の蓄積電荷排出回路とを備え、
各前記蓄積電荷排出回路は、前記複数の画素回路のうちの複数個の画素回路ごとに配置され、
各前記画素回路は、
当該画素回路への入射光量に応じた信号電荷を生じさせるための第1の受光検知素子と、
前記第1の受光検知素子により発生された前記信号電荷が蓄積される、所定容量の第1のノードと、
フレーム期間の切換わりに対応して前記第1のノードに蓄積された前記信号電荷をクリアするための第1の初期化回路とを含み、
各前記蓄積電荷排出回路は、各前記フレーム期間中に設けられた所定の電荷排出期間において、当該蓄積電荷排出回路と対応する前記複数個の画素回路が配置された領域への入射光量に応じて、前記第1のノードから前記信号電荷を流出させる信号電荷排出動作を実行するように構成され、
前記蓄積電荷排出回路は、当該蓄積電荷排出回路と対応する前記複数個の画素回路への入射光量が小さいときには、前記電荷排出期間における前記信号電荷排出動作を非実行とし、
前記蓄積電荷排出回路は、
当該蓄積電荷排出回路と対応する前記複数個の画素回路の各々の前記第1のノードと電気的に接続された、前記第1のノードから前記信号電荷を流出させる経路を形成するための可変抵抗機構と、
前記領域への入射光量に応じた電位を出力するための制御部とを有し、
前記可変抵抗機構の電気抵抗は、前記領域への入射光量が大きくなるのに応じて、前記第1のノードから流出する単位時間当たりの信号電荷量が相対的に大きくなるように、前記制御部が出力する電位に応じて制御され、
前記半導体撮像素子は、
各前記画素回路について、各前記フレーム期間において前記電荷排出期間より後の所定タイミングに設定された出力タイミングにおける、前記第1のノードに蓄積された前記信号電荷の量に応じた電気信号を出力するように構成された読出回路をさらに備える、半導体撮像素子。
A semiconductor imaging device,
A plurality of pixel circuits;
At least one stored charge discharging circuit;
Each of the accumulated charge discharging circuits is arranged for each of a plurality of pixel circuits of the plurality of pixel circuits,
Each of the pixel circuits
A first light receiving detection element for generating a signal charge corresponding to the amount of light incident on the pixel circuit;
A first node having a predetermined capacity in which the signal charge generated by the first light receiving detection element is accumulated;
A first initialization circuit for clearing the signal charge accumulated in the first node in response to switching of a frame period;
Each of the accumulated charge discharging circuits is in accordance with the amount of light incident on a region where the plurality of pixel circuits corresponding to the accumulated charge discharging circuit are arranged in a predetermined charge discharging period provided in each of the frame periods. , Configured to perform a signal charge discharging operation for draining the signal charge from the first node,
The accumulated charge discharging circuit, when the amount of incident light to the plurality of pixel circuits corresponding to the accumulated charge discharging circuit is small, the signal charge discharging operation in the charge discharging period is not executed,
The accumulated charge discharging circuit includes:
A variable resistor for forming a path through which the signal charge flows out from the first node, which is electrically connected to the first node of each of the plurality of pixel circuits corresponding to the stored charge discharging circuit. Mechanism,
A controller for outputting a potential according to the amount of light incident on the region,
The electric resistance of the variable resistance mechanism is such that the amount of signal charge per unit time flowing out from the first node relatively increases as the amount of light incident on the region increases. Is controlled according to the output potential,
The semiconductor imaging device is:
For each of the pixel circuits, an electric signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the first node is output at an output timing set at a predetermined timing after the charge discharging period in each frame period. A semiconductor imaging device further comprising a readout circuit configured as described above.
半導体撮像素子であって、
複数の画素回路と、
少なくとも1個の蓄積電荷排出回路とを備え、
各前記蓄積電荷排出回路は、前記複数の画素回路のうちの複数個の画素回路と隣接して配置され、
各前記画素回路は、
当該画素回路への入射光量に応じた信号電荷を生じさせるための第1の受光検知素子と、
前記第1の受光検知素子により発生された前記信号電荷が蓄積される、所定容量の第1のノードと、
フローティングディフュージョンと、
所定周期に従って一定期間オンされる転送制御信号のオン期間において、当該オン期間に前記第1のノードに蓄積されている信号電荷を前記フローティングディフュージョンへ転送するための転送ゲートと、
前記転送制御信号のオン期間に先立って、前記フローティングディフュージョンに蓄積された前記信号電荷をクリアするためのリセットスイッチとを含み、
各前記蓄積電荷排出回路は、前記所定周期毎の前記転送制御信号のオン期間の間の所定タイミングに設けられた電荷排出期間において、当該蓄積電荷排出回路と対応する前記複数個の画素回路が配置された領域への入射光量に応じて、前記第1のノードから前記信号電荷を流出させる信号電荷排出動作を実行するように構成され、
前記蓄積電荷排出回路は、当該蓄積電荷排出回路と対応する前記複数個の画素回路への入射光量が小さいときには、前記電荷排出期間における前記信号電荷排出動作を非実行とし、
各前記蓄積電荷排出回路は、
当該蓄積電荷排出回路と対応する前記複数個の画素回路の各々の前記第1のノードと電気的に接続された、前記第1のノードから前記信号電荷を流出させる経路を形成するための可変抵抗機構と、
前記領域への入射光量に応じた電位を出力するための制御部とを有し、
前記可変抵抗機構の電気抵抗は、前記領域への入射光量が大きくなるのに応じて、前記第1のノードから流出する単位時間当たりの信号電荷量が相対的に大きくなるように、前記制御部が出力する電位に応じて制御され、
前記半導体撮像素子は、
各前記画素回路について、前記所定周期に従って、前記転送制御信号のオン期間に前記フローティングディフュージョンへ転送された前記信号電荷の量に応じた電気信号を出力するように構成された読出回路をさらに備える、半導体撮像素子。
A semiconductor imaging device,
A plurality of pixel circuits;
At least one stored charge discharging circuit;
Each of the accumulated charge discharging circuits is disposed adjacent to a plurality of pixel circuits of the plurality of pixel circuits,
Each of the pixel circuits
A first light receiving detection element for generating a signal charge corresponding to the amount of light incident on the pixel circuit;
A first node having a predetermined capacity in which the signal charge generated by the first light receiving detection element is accumulated;
Floating diffusion,
A transfer gate for transferring the signal charge stored in the first node to the floating diffusion in the ON period in the ON period of the transfer control signal that is turned on for a predetermined period according to a predetermined cycle;
Prior to an on period of the transfer control signal, including a reset switch for clearing the signal charge accumulated in the floating diffusion,
Each of the accumulated charge discharging circuits is arranged with the plurality of pixel circuits corresponding to the accumulated charge discharging circuit in a charge discharging period provided at a predetermined timing during an ON period of the transfer control signal for each predetermined period. In response to the amount of light incident on the region, the signal charge is discharged from the first node to perform a signal charge discharging operation.
The accumulated charge discharging circuit, when the amount of incident light to the plurality of pixel circuits corresponding to the accumulated charge discharging circuit is small, the signal charge discharging operation in the charge discharging period is not executed,
Each of the stored charge discharging circuits
A variable resistor for forming a path through which the signal charge flows out from the first node, which is electrically connected to the first node of each of the plurality of pixel circuits corresponding to the stored charge discharging circuit. Mechanism,
A controller for outputting a potential according to the amount of light incident on the region,
The electric resistance of the variable resistance mechanism is such that the amount of signal charge per unit time flowing out from the first node relatively increases as the amount of light incident on the region increases. Is controlled according to the output potential,
The semiconductor imaging device is:
Each pixel circuit further includes a readout circuit configured to output an electrical signal according to the amount of the signal charge transferred to the floating diffusion during an ON period of the transfer control signal according to the predetermined period. Semiconductor image sensor.
各前記蓄積電荷排出回路は、
当該蓄積電荷排出回路に対応する前記複数個の画素回路が配置された領域への入射光量に応じた信号電荷を生じさせるための第2の受光検知素子と、
前記第2の受光検知素子により発生された前記信号電荷が蓄積される、所定容量の第2のノードとを含み
前記制御部は、前記第2のノードの電位に応じて前記電位を変化させるように構成され、
前記可変抵抗機構は、
前記複数個の画素回路の各々の前記第1のノードと、前記信号電荷を吸引するための所定電位に設定された電荷排出部との間に接続され、前記制御部が出力する前記電位に応じて各前記第1のノードから前記電荷排出部へ流出する前記信号電荷の排出電流の大きさを制御する電荷排出ゲートによって構成され
前記制御部は、前記第2のノードでの前記信号電荷の蓄積量が多いほど前記排出電流が増加するように前記電位を変化させる、請求項1または2に記載の半導体撮像素子。
Each of the stored charge discharging circuits
A second light receiving detection element for generating a signal charge corresponding to the amount of light incident on the region where the plurality of pixel circuits corresponding to the accumulated charge discharging circuit is disposed;
The generated by the second light receiving detection element signal charges are accumulated, and a second node of the predetermined capacity,
The control unit is configured to change the potential according to the potential of the second node,
The variable resistance mechanism is
Connected between the first node of each of the plurality of pixel circuits and a charge discharging unit set to a predetermined potential for attracting the signal charge, and according to the potential output by the control unit is constituted by a discharge gate for controlling the magnitude of the signal charge exhaust current flowing to the charge discharging portion from each of said first node Te,
It said control section, the higher the discharge current is large accumulation of the signal charges at the second node alters the potential to increase, semiconductor imaging device according to claim 1 or 2.
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