JP5358520B2 - Solid-state imaging device, imaging apparatus, and solid-state imaging device driving method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子、撮像装置、固体撮像素子の駆動方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, an imaging apparatus, and a driving method for a solid-state imaging device.
半導体基板上方に積層された一対の電極とこれに挟まれる光電変換層とを含む光電変換素子をそれぞれ有する複数の画素を含み、各画素に対応して、各画素の光電変換素子で発生した電荷に応じた信号を読み出す読み出し回路を設けた構成の積層型の固体撮像素子が知られている(特許文献1参照)。 A plurality of pixels each having a photoelectric conversion element including a pair of electrodes stacked above the semiconductor substrate and a photoelectric conversion layer sandwiched between the electrodes, and the charge generated in the photoelectric conversion element of each pixel corresponding to each pixel There is known a stacked solid-state imaging device having a configuration in which a readout circuit for reading a signal according to the above is provided (see Patent Document 1).
特許文献1に記載の固体撮像素子の各画素は、半導体基板内に、光電変換層と電気的に接続される接続部と、この接続部の隣に設けられた電位障壁部と、この電位障壁部の隣に設けられた電荷蓄積部とを備え、更に、この電荷蓄積部に蓄積された電荷量に応じた信号を出力するMOS回路を備えている。
Each pixel of the solid-state imaging device described in
そして、この固体撮像素子では、接続部に電荷を注入する駆動を行うことで、残像の抑制を図っている。 And in this solid-state image sensor, the afterimage is suppressed by performing the drive which injects an electric charge into a connection part.
特許文献1に記載の固体撮像素子は、画素毎にMOS回路を有する構成となっているが、複数の画素でMOS回路を共有する構成にすれば、固体撮像素子の画素微細化、コスト削減が可能となる。しかし、特許文献1では、複数の画素でMOS回路を共有する構成については考慮していない。
The solid-state imaging device described in
本発明の目的は、残像の抑制、微細化、及び低コストを実現することのできる積層型の固体撮像素子、これを備える撮像装置、この固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a stacked solid-state imaging device capable of realizing afterimage suppression, miniaturization, and low cost, an imaging apparatus including the same, and a driving method of the solid-state imaging device.
本発明の固体撮像素子は、半導体基板上方に積層された一対の電極とこれに挟まれる光電変換層とを含む光電変換素子を複数有する固体撮像素子であって、前記光電変換素子に対応して設けられ、当該光電変換素子で発生した信号を読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路を駆動する駆動部とを備え、前記読み出し回路は、対応する前記光電変換素子の前記光電変換層と前記半導体基板を電気的に接続するための前記半導体基板内に形成された接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、当該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号出力回路とを含み、前記信号出力回路が、前記接続部に電荷を注入する電荷注入部を含み、隣接する複数の前記光電変換素子に対応する前記読み出し回路は、前記電荷注入部を共有しており、前記駆動部は、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のいずれか1つである第一の読み出し回路の前記接続部に当該電荷注入部から電荷を注入して、前記第一の読み出し回路の前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする電荷注入駆動を行い、前記電荷注入駆動を行う際、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のうちの前記第一の読み出し回路以外の第二の読み出し回路の前記信号出力回路を制御して、前記第二の読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成するものである。 A solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion elements including a pair of electrodes stacked above a semiconductor substrate and a photoelectric conversion layer sandwiched between the electrodes, corresponding to the photoelectric conversion elements A read circuit that reads a signal generated by the photoelectric conversion element and a drive unit that drives the read circuit, and the read circuit includes the photoelectric conversion layer and the semiconductor substrate of the corresponding photoelectric conversion element. A connection portion formed in the semiconductor substrate for electrical connection; and a potential barrier portion provided adjacent to the connection portion in the semiconductor substrate and serving as a potential barrier with respect to the potential of the connection portion; A first charge storage portion provided in the semiconductor substrate adjacent to the potential barrier portion, wherein the charge generated in the photoelectric conversion layer is stored through the connection portion and the potential barrier portion; and A signal output circuit that outputs a signal corresponding to the charge stored in the charge storage section, wherein the signal output circuit includes a charge injection section that injects charge into the connection section, and a plurality of adjacent photoelectric conversions The readout circuit corresponding to an element shares the charge injection unit, and the driving unit is one of the plurality of readout circuits sharing the charge injection unit. When charge is injected into the connection portion from the charge injection portion to bring the connection portion and the potential barrier portion of the first readout circuit into the same potential, the charge injection drive is performed when the charge injection drive is performed. Controlling the signal output circuit of the second readout circuit other than the first readout circuit among the plurality of readout circuits sharing the injection unit, and the first charge storage unit of the second readout circuit And the electric Injection potential barrier as a barrier against the potential of the charge injection portion between the injection portion and forms a.
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。 The imaging device of the present invention includes the solid-state imaging device.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板上方に積層された一対の電極とこれに挟まれる光電変換層とを含む光電変換素子を複数有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記固体撮像素子は、前記光電変換素子に対応して設けられ、当該光電変換素子で発生した信号を読み出す読み出し回路を備え、前記読み出し回路は、対応する前記光電変換素子の前記光電変換層と前記半導体基板を電気的に接続するための前記半導体基板内に形成された接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、当該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号出力回路とを含み、前記信号出力回路が、前記接続部に電荷を注入する電荷注入部を含み、隣接する複数の前記光電変換素子に対応する前記読み出し回路は、前記電荷注入部を共有しており、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のいずれか1つである第一の読み出し回路の前記接続部に当該電荷注入部から電荷を注入して、前記第一の読み出し回路の前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする電荷注入駆動を行い、前記電荷注入駆動を行う際、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のうちの前記第一の読み出し回路以外の第二の読み出し回路の前記信号出力回路を制御して、前記第二の読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成する駆動を行う駆動ステップを有するものである。 The solid-state imaging device driving method of the present invention is a solid-state imaging device driving method including a plurality of photoelectric conversion elements including a pair of electrodes stacked above a semiconductor substrate and a photoelectric conversion layer sandwiched between the electrodes. The image sensor is provided corresponding to the photoelectric conversion element, and includes a read circuit that reads a signal generated by the photoelectric conversion element, and the read circuit includes the photoelectric conversion layer and the semiconductor substrate of the corresponding photoelectric conversion element. A connection portion formed in the semiconductor substrate for electrically connecting the connection portion, and a potential barrier portion provided in the semiconductor substrate adjacent to the connection portion and serving as a potential barrier with respect to the potential of the connection portion And a first charge storage unit provided in the semiconductor substrate adjacent to the potential barrier unit, wherein the charge generated in the photoelectric conversion layer is stored through the connection unit and the potential barrier unit, and A signal output circuit that outputs a signal corresponding to the charge stored in one charge storage unit, wherein the signal output circuit includes a charge injection unit that injects charge into the connection unit, and a plurality of adjacent photoelectric transistors The readout circuit corresponding to the conversion element shares the charge injection part, and the connection part of the first readout circuit that is one of the plurality of readout circuits sharing the charge injection part Charge injection is performed by injecting charge from the charge injection section so that the connection section and the potential barrier section of the first readout circuit have the same potential. When performing the charge injection drive, the charge injection section is shared. Controlling the signal output circuit of the second readout circuit other than the first readout circuit among the plurality of readout circuits to perform the first charge accumulation unit and the charge injection of the second readout circuit With the department And it has a driving step for driving that forms an injection potential barrier as a barrier to the potential of the charge injection unit to.
本発明によれば、残像の抑制、微細化、及び低コストを実現することのできる積層型の固体撮像素子、これを備える撮像装置、この固体撮像素子の駆動方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a stacked solid-state imaging device capable of realizing afterimage suppression, miniaturization, and low cost, an imaging apparatus including the same, and a driving method of the solid-state imaging device.
以下では、本発明の一実施形態である固体撮像素子100について図面を参照して説明する。固体撮像素子100は、デジタルカメラ及びデジタルビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡及びカメラ付携帯電話機等に搭載される撮像モジュール等に搭載して用いられる。
Below, the solid-
図1は、本発明の一実施形態である固体撮像素子100の概略構成を示す平面模式図である。
FIG. 1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a solid-
固体撮像素子100は、垂直方向Yとこれに直交する水平方向Xに二次元状に配置された複数の画素Gと、垂直駆動部2と、信号処理部3と、水平駆動部4と、制御部5とを備える。
The solid-
各画素Gは、詳細は後述するが、半導体基板上方に設けられた光電変換素子と、この光電変換素子で発生した電荷に応じた信号を読み出す読み出し回路とを含む。 As will be described in detail later, each pixel G includes a photoelectric conversion element provided above the semiconductor substrate, and a readout circuit that reads a signal corresponding to the charge generated in the photoelectric conversion element.
垂直駆動部2は、複数の画素Gを駆動するための駆動信号を、各画素Gに対応する後述する読み出し回路に供給して、各画素の露光制御、信号読み出し制御を行う。
The
信号処理部3は、垂直方向Yに並ぶ画素Gの列に対応して設けられたCDS回路及びAD変換回路の組を含む。ある列に対応するCDS回路及びAD変換回路の組は、その列に含まれる画素Gの読み出し回路から出力される信号に相関二重サンプリング処理、デジタル変換処理を行う。
The
水平駆動部4は、CDS回路及びAD変換回路の組で処理後の信号を、固体撮像素子100外部に順次出力する駆動を行う。
The
制御部5は、固体撮像素子100全体を統括制御するものであり、垂直駆動部2から各画素Gに供給される駆動信号を発生する回路、固体撮像素子100の電源回路等を含む。
The
図2は、図1に示した固体撮像素子100における画素Gの断面模式図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the pixel G in the solid-
図2に示すように、画素Gは、半導体基板10上方に設けられた光電変換素子Pを含む。
As shown in FIG. 2, the pixel G includes a photoelectric conversion element P provided above the
光電変換素子Pは、半導体基板10上方に形成された画素電極14と、画素電極14上方に形成された対向電極16と、画素電極14と対向電極16の間に形成された光電変換層15とを備える。光電変換素子Pは、保護層17によって保護される。
The photoelectric conversion element P includes a
画素電極14は、光電変換層15で発生した電荷を捕集する電極であり、画素G毎に分離されている。
The
画素電極14は、半導体基板10上の絶縁層12内に形成されており、半導体基板10上の絶縁層12内に形成された導電性プラグ13によって、読み出し回路11と電気的に接続されている。
The
光電変換層15は、図2の例では画素電極14上に形成された全ての画素Gで共通の1つの層であり、受光した光に応じて電荷を発生する光電変換材料で構成されている。
In the example of FIG. 2, the
対向電極16は、図2の例では光電変換層15上に形成された全ての画素Gで共通の1つの電極である。対向電極16は、光電変換層15に光を入射させる必要があるため、入射光に対する透過率が高い材料(例えばITO)で構成されている。なお、対向電極16は、画素G毎に分離されてそれぞれに電圧が供給されていてもよい。
The
対向電極16には、制御部5に含まれる電源から所定の対向電圧が供給される。この対向電圧は、光電変換層15で発生する電荷のうち、画素電極14で捕集すべき電荷が画素電極14に移動し、その電荷と反対極性の電荷が対向電極16に移動するように、その極性等が決められている。
A predetermined counter voltage is supplied to the
半導体基板10には、画素Gに対応して読み出し回路11が形成されている。読み出し回路11についての詳細は後述するが、対応する画素Gの光電変換素子Pで発生し捕集された電荷を、その電荷の量に応じた電圧信号に変換して出力する信号出力回路を含む。
On the
また、固体撮像素子100において、垂直方向Yで隣接する2つの行の全ての画素Gのうち、隣接する複数の画素G(例えば、垂直方向に隣接する2つの画素G)のそれぞれの読み出し回路11は信号出力回路の一部を共有しており、これにより、部品コストの削減、固体撮像素子100の微細化を実現している。
In the solid-
図3は、図1に示した画素Gの行における隣接する2つの行の全ての画素Gのうち、垂直方向Yで隣接する2つの画素Gに対応する読み出し回路の構成例を示した図である。図3では、隣接する2つの画素Gのうちの一方(信号処理部3に近い方)を符号1で示し、他方(信号処理部3から遠い方)を符号2で示している。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a readout circuit corresponding to two pixels G adjacent in the vertical direction Y among all the pixels G in two adjacent rows in the row of pixels G illustrated in FIG. is there. In FIG. 3, one of the two adjacent pixels G (one closer to the signal processing unit 3) is denoted by
画素1の読み出し回路11は、画素1内に設けられた読み出し回路11aと、画素1と画素2で共有される読み出し回路11cとで構成される。
The
画素2の読み出し回路11は、画素2内に設けられた読み出し回路11bと、画素1と画素2で共有される読み出し回路11cとで構成される。
The
読み出し回路11cは、半導体基板10内に形成された電荷蓄積部であるフローティングディフュージョンFDと、フローティングディフュージョンFDに接続されたMOS回路207とを備える。
The
MOS回路207は、フローティングディフュージョンFDの電位をリセット電位RDにリセットするためのリセットトランジスタ204と、フローティングディフュージョンFDの電位を電圧信号に変換して出力する出力トランジスタ205と、出力トランジスタ205で変換後の電圧信号を信号線Sに出力する制御を行う選択トランジスタ206とを備える。
The
リセットトランジスタ204のゲート電極には、垂直駆動部2からリセットパルスRSが供給される。リセットトランジスタ204のゲート電極下方の半導体基板10の領域を以下ではリセットゲートという。リセットトランジスタ204のドレイン領域(リセットドレイン)は、制御部5に含まれるリセット電源と接続され、ここから可変の電圧が供給される。
A reset pulse RS is supplied from the
出力トランジスタ205のドレインには、制御部5に含まれる電源回路から電源電圧Vddのように出力トランジスタ205が動作するための電圧が供給される。
A voltage for operating the
選択トランジスタ206のゲート電極には、垂直駆動部2から選択パルスRWが供給される。
A selection pulse RW is supplied from the
読み出し回路11aは、半導体基板10内に、不純物層で構成された接続部C1と不純物層で構成された蓄積部SD1とを備える。
The
接続部C1は、半導体基板10と画素1内の光電変換層15とを電気的に接続するものであり、導電性プラグ13によって画素1内の画素電極14と接続されている。
The connection portion C <b> 1 electrically connects the
蓄積部SD1は、接続部C1の隣に離間して設けられており、導電性プラグ13を通って接続部C1に移動してきた電荷を蓄積する。蓄積部SD1は埋め込み型フォトダイオードの電荷蓄積部と同じ構成である。つまり、半導体基板10の表面から所定の深さに蓄積部SD1が形成され、この蓄積部SD1の上には、蓄積部SD1の導電型とは反対導電型の不純物層が形成されている。
The storage part SD <b> 1 is provided adjacent to the connection part C <b> 1, and stores the charge that has moved to the connection part C <b> 1 through the
接続部C1と蓄積部SD1の間の領域(バリアゲート)の上方には、接続部C1をソースとし蓄積部SD1をドレインとするトランジスタ201aのゲート電極BG1が設けられている。このゲート電極BG1は、制御部5から固定電圧が印加されるようになっている。
Above the region (barrier gate) between the connection portion C1 and the storage portion SD1, the gate electrode BG1 of the
ゲート電極BG1に上記固定電圧が印加されることで、ゲート電極BG1下方のバリアゲートは、接続部C1の電位に対して電位障壁となる電位障壁部として機能する。 By applying the fixed voltage to the gate electrode BG1, the barrier gate below the gate electrode BG1 functions as a potential barrier portion that becomes a potential barrier with respect to the potential of the connection portion C1.
蓄積部SD1の隣にはフローティングディフュージョンFDが離間して設けられている。 A floating diffusion FD is provided adjacent to the storage unit SD1.
蓄積部SD1とフローティングディフュージョンFDの間の領域(転送ゲート)の上方には、蓄積部SD1をソースとしフローティングディフュージョンFDをドレインとするトランジスタ203aのゲート電極Tx1が設けられている。このゲート電極Tx1は、蓄積部SD1に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する電荷転送部として機能する。このゲート電極Tx1に供給される電圧は、垂直駆動部2によって制御される。
Above the region (transfer gate) between the storage portion SD1 and the floating diffusion FD, the gate electrode Tx1 of the
ゲート電極Tx1に転送パルスが供給されてトランジスタ203aがオンすると、蓄積部SD1に蓄積された電荷が転送ゲートを通ってフローティングディフュージョンFDに転送される。なお、この転送を完全転送にするために、蓄積部SD1は完全空乏化することが好ましい。
When the transfer pulse is supplied to the gate electrode Tx1 and the
なお、図3の例では、画素1の読み出し回路11に含まれる、転送ゲート、ゲート電極Tx1、及び読み出し回路11cが、特許請求の範囲の信号出力回路として機能する。
In the example of FIG. 3, the transfer gate, the gate electrode Tx1, and the
このように構成された画素1の読み出し回路11においては、画素電極14で捕集された電荷を、接続部C1には蓄積せずに蓄積部SD1に蓄積する。すなわち画素電極14から接続部C1に流れ込む電荷量と、接続部C1から蓄積部SD1に流れ出す電荷量が一致する。蓄積部SD1は接続部C1から流れ出た電荷を蓄積する。
In the
接続部C1の電位は、バリアゲートの電位よりも△Vだけ深い電位となる。△Vは接続部C1から蓄積部SD1に流れ出す電流量(=光電変換素子Pから接続部C1に流れ込む電流量)に応じて一意に決定する。接続部C1から流れだす電流量が多い場合には△Vが小さく、接続部C1から流れだす電流量が少ない場合には△Vが大きくなる。このように電流量に応じて適切な△Vの値をとることで、接続部C1に流れ込む電荷量と接続部C1から蓄積部SD1に流れ出す電荷量が一致する。 The potential of the connection portion C1 is a potential deeper by ΔV than the potential of the barrier gate. ΔV is uniquely determined according to the amount of current flowing from the connection portion C1 to the storage portion SD1 (= the amount of current flowing from the photoelectric conversion element P to the connection portion C1). When the amount of current flowing out from the connecting portion C1 is large, ΔV is small, and when the amount of current flowing out from the connecting portion C1 is small, ΔV is large. Thus, by taking an appropriate value of ΔV according to the amount of current, the amount of charge flowing into the connecting portion C1 and the amount of charge flowing out from the connecting portion C1 into the storage portion SD1 coincide.
蓄積部SD1の電位は、蓄積部SD1の不純物濃度で決定される。読み出し回路11では、接続部C1から蓄積部SD1に電荷が移動するため、蓄積部SD1の電位が接続部C1の電位よりも深いことが必要である。これらの相対的なポテンシャル順位を満たすように、バリアゲートの電位及び蓄積部SD1の電位を適切に設定する。
The potential of the storage part SD1 is determined by the impurity concentration of the storage part SD1. In the
また、蓄積部SD1に過剰電荷が蓄積される場合に、この過剰電荷が接続部C1に逆流するのを防ぐために、トランジスタ203aがオフのときの転送ゲートの電位を、バリアゲートの電位よりも深くしている。このようにすることで、過剰電荷が、トランジスタ203aがオフのときの転送ゲートの電位を越えてフローティングディフュージョンFDへと排出される。
In addition, when excess charge is accumulated in the accumulation unit SD1, in order to prevent this excess charge from flowing back to the connection unit C1, the potential of the transfer gate when the
また、フローティングディフュージョンFDに排出された上記過剰電荷が蓄積部SD1に逆流するのを防ぐために、リセットトランジスタ204がオフのときのリセットゲートの電位を、トランジスタ203aがオフのときの転送ゲートの電位よりも深くしている。このようにすることで、過剰電荷が、リセットトランジスタ204がオフのときのリセットゲートの電位を越えてリセットドレインへと排出される。
Further, in order to prevent the excessive charge discharged to the floating diffusion FD from flowing back to the storage part SD1, the potential of the reset gate when the
また、蓄積部SD1からフローティングディフュージョンFDに電荷をスムーズに転送できるようにするために、フローティングディフュージョンFDをリセットしたときの電位が、蓄積部SD1の不純物濃度で決まる電位よりも十分に深くなっている。 In addition, the potential when the floating diffusion FD is reset is sufficiently deeper than the potential determined by the impurity concentration of the storage portion SD1 so that charges can be transferred smoothly from the storage portion SD1 to the floating diffusion FD. .
読み出し回路11bは、半導体基板10内に、不純物層で構成された接続部C2と不純物層で構成された蓄積部SD2とを備える。
The
接続部C2は、半導体基板10と画素2内の光電変換層15とを電気的に接続するものであり、導電性プラグ13によって画素2内の画素電極14と接続されている。
The connection portion C <b> 2 electrically connects the
蓄積部SD2は、接続部C2の隣に離間して設けられており、導電性プラグ13を通って接続部C2に移動してきた電荷を蓄積する。蓄積部SD2は埋め込み型フォトダイオードの電荷蓄積部と同じ構成である。
The storage part SD2 is provided adjacent to the connection part C2, and stores the charge that has moved to the connection part C2 through the
接続部C2と蓄積部SD2の間の領域(バリアゲート)の上方には、接続部C2をソースとし蓄積部SD2をドレインとするトランジスタ201bのゲート電極BG2が設けられている。このゲート電極BG2は、制御部5から上記固定電圧が印加されるようになっている。
Above the region (barrier gate) between the connection portion C2 and the storage portion SD2, the gate electrode BG2 of the
ゲート電極BG2に上記固定電圧が印加されることで、ゲート電極BG2下方のバリアゲートは、接続部C2の電位に対して電位障壁となる電位障壁部として機能する。 When the fixed voltage is applied to the gate electrode BG2, the barrier gate below the gate electrode BG2 functions as a potential barrier portion that becomes a potential barrier with respect to the potential of the connection portion C2.
蓄積部SD2の隣にはフローティングディフュージョンFDが離間して設けられている。 A floating diffusion FD is provided adjacent to the storage part SD2.
蓄積部SD2とフローティングディフュージョンFDの間の領域(転送ゲート)の上方には、蓄積部SD2をソースとしフローティングディフュージョンFDをドレインとするトランジスタ203bのゲート電極Tx2が設けられている。このゲート電極Tx2は、蓄積部SD2に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する電荷転送部として機能する。このゲート電極Tx2に供給される電圧は、垂直駆動部2によって制御される。
Above the region (transfer gate) between the storage portion SD2 and the floating diffusion FD, the gate electrode Tx2 of the
ゲート電極Tx2に転送パルスが供給されてトランジスタ203bがオンすると、蓄積部SD2に蓄積された電荷が転送ゲートを通ってフローティングディフュージョンFDに転送される。なお、この転送を完全転送にするために、蓄積部SD2は完全空乏化することが好ましい。
When the transfer pulse is supplied to the gate electrode Tx2 and the
画素2のバリアゲートの電位、蓄積部SD2の不純物濃度で決まる電位、トランジスタ203bがオフのときの転送ゲートの電位、トランジスタ203bがオンのときの転送ゲートの電位は、それぞれ、画素1のバリアゲートの電位、蓄積部SD1の不純物濃度で決まる電位、トランジスタ203aがオフのときの転送ゲートの電位、トランジスタ203aがオンのときの転送ゲートの電位と同じである。また、接続部C2の電位は、接続部C1の電位と同様に、接続部C2から蓄積部SD2へ流れ出す電流量に応じて一意に決まる。
The potential of the barrier gate of the
なお、図3の例では、画素2の読み出し回路11に含まれる、転送ゲート、ゲート電極Tx2、及び読み出し回路11cが、特許請求の範囲の信号出力回路として機能する。
In the example of FIG. 3, the transfer gate, the gate electrode Tx2, and the
固体撮像素子100は、画素Gの行を複数有し、各行の全ての画素に対応して読み出し回路を有する。つまり、行毎に読み出し回路のグループが設けられている。垂直駆動部2は、固体撮像素子100に含まれる読み出し回路のグループ毎に独立して駆動信号の供給を行う。
The solid-
次に、固体撮像素子100の駆動方法を説明する。以下では、固体撮像素子100が、画素電極14で電子を捕集する場合について説明する。固体撮像素子100は、画素Gの行毎に露光期間をずらしながら信号読出しを行うローリングシャッタ駆動により、撮像を行う。
Next, a method for driving the solid-
図4〜図11は、図1に示した固体撮像素子100の撮像動作を説明するための図である。図4〜図11では、図3に示した隣接する2つの画素に含まれる接続部、バリアゲート、蓄積部、転送ゲート、フローティングディフュージョンFD、リセットゲート、及びリセットドレインの断面ポテンシャルの変化を図示した。
4 to 11 are diagrams for explaining the imaging operation of the solid-
図4〜図11において、“C1”、“C2”は、それぞれ接続部C1、C2の電位を示す。また、“BG1”、“BG2”は、それぞれゲート電極BG1下方のバリアゲート、ゲート電極BG2下方のバリアゲートの電位を示す。また、“SD1”、“SD2”は、それぞれ蓄積部SD1、SD2の電位を示す。また、“Tx1”、“Tx2”は、それぞれゲート電極Tx1下方の転送ゲート、ゲート電極Tx2下方の転送ゲートの電位を示す。また、“FD”、“RS”、“RD”は、それぞれフローティングディフュージョンFD、リセットゲート、リセットドレインの電位を示す。 4 to 11, “C1” and “C2” indicate the potentials of the connection portions C1 and C2, respectively. “BG1” and “BG2” indicate the potential of the barrier gate below the gate electrode BG1 and the barrier gate below the gate electrode BG2, respectively. “SD1” and “SD2” indicate the potentials of the storage units SD1 and SD2, respectively. “Tx1” and “Tx2” indicate the potentials of the transfer gate below the gate electrode Tx1 and the transfer gate below the gate electrode Tx2, respectively. “FD”, “RS”, and “RD” indicate the potentials of the floating diffusion FD, the reset gate, and the reset drain, respectively.
図4のFIG4Aは、画素1と画素2が共に露光期間中のポテンシャルを示している。画素1,画素2の露光期間中は、ゲート電極Tx1,Tx2には転送パルスは供給されず、リセットゲートRSにはリセットパルスは供給されない。また、リセットドレインには、画素1,画素2のリセットゲートの電位よりも十分に深い電位となるよう、リセット電源から電圧が供給されている。
FIG. 4A in FIG. 4 shows the potential of both the
このように、画素1、画素2の露光期間中は、画素1、画素2のいずれにおいても、バリアゲートと転送ゲートとリセットゲートの電位が、この順番で深くなっている。また、この露光期間中は、蓄積部SD1,SD2に電子が蓄積されるため、蓄積部SD1,SD2の電位が、蓄積される電子量に応じて浅くなる。一方、接続部C1,C2には電子は蓄積しないため、接続部C1,C2の電位は一定に保たれる。
As described above, during the exposure period of the
画素1の信号読み出し期間においては、まず垂直駆動部2がリセットパルスをリセットトランジスタ204のゲート電極に供給すると共に、選択トランジスタ206をオンする。これにより、ポテンシャルは図4のFIG4Bに示したようになり、フローティングディフュージョンFDの電位が、リセットドレインの電位と同じになり、フローティングディフュージョンFDの電位がリセットされる。
In the signal readout period of the
次に、垂直駆動部2は、リセットパルスの供給を停止して、フローティングディフュージョンFDのリセットを終了する。これにより、ポテンシャルは図5のFIG5Aに示したようになる。
Next, the
フローティングディフュージョンFDのリセットが終了すると、リセットゲートとフローティングディフュージョンFDの容量分割により、フローティングディフュージョンFDの電位は、リセット中の電位よりも浅くなる。リセット直後のフローティングディフュージョンFDの電位は出力トランジスタ205によって電圧信号に変換され、この電圧信号がリセットレベルの信号(リセットレベル信号)として信号線Sに出力される。
When the reset of the floating diffusion FD is completed, the potential of the floating diffusion FD becomes shallower than the potential during the reset due to the capacitance division of the reset gate and the floating diffusion FD. The potential of the floating diffusion FD immediately after resetting is converted into a voltage signal by the
次に、垂直駆動部2は、画素1のゲート電極Tx1に転送パルスを供給する。これにより、画素1の転送ゲートの電位は蓄積部SD1の電位よりも深くかつフローティングディフュージョンFDの電位よりも浅くなり(図5のFIG5B参照)、画素1の蓄積部SD1に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される。
Next, the
次に、垂直駆動部2は、画素1のゲート電極Tx1への転送パルスの供給を停止する。この転送パルスの停止をもって、画素1の露光期間を終了する。この転送パルスの停止により、ポテンシャルは図6のFIG6Aに示したようになる。
Next, the
画素1の露光期間の終了後、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた信号(撮像信号)が信号線Sに出力される。この撮像信号とリセットレベル信号の差分を取得することにより、リセットノイズを除去した信号が取得できる。
After the exposure period of the
次に、垂直駆動部2が、露光期間中の画素2のゲート電極Tx2に供給する電圧を変更して、画素2の転送ゲートの電位を画素2のバリアゲートの電位よりも浅くすると共に、制御部5が、リセットトランジスタ204のリセットドレインに供給する電圧を変更し、リセットドレインの電位を画素1,2のバリアゲートの電位よりも浅くかつ画素2の転送ゲートの電位よりも深くする。
Next, the
これにより、図6のFIG6Bに示したように、接続部C1、蓄積部SD1、及びフローティングディフュージョンFDにリセットドレインから電子が注入される。一方、画素2では、リセットドレインの電位に対して転送ゲートの電位が障壁となるため、接続部C2、蓄積部SD2には電子が注入されない。
As a result, as shown in FIG. 6B in FIG. 6, electrons are injected from the reset drain into the connection portion C1, the storage portion SD1, and the floating diffusion FD. On the other hand, in the
次に、制御部5が、リセットドレインに供給する電圧をFIG6Aに示した状態の値に戻すと共に、垂直駆動部2が、ゲート電極Tx2に供給する電圧をFIG6Aのときの状態に戻す。その後、垂直駆動部2が、ゲート電極Tx1に転送パルスを供給すると共に、リセットトランジスタ204のゲート電極にリセットパルスを供給する。
Next, the
これにより、図7のFIG7Aに示したように、画素1の蓄積部SD1及びフローティングディフュージョンFDに注入された電子はリセットドレインに排出される。このとき、接続部C1に注入された電子70は、リセットドレインに排出されずに、そのまま残る。これにより接続部C1が初期化される。
Thereby, as shown in FIG. 7A in FIG. 7, the electrons injected into the storage portion SD1 and the floating diffusion FD of the
次に、垂直駆動部2が、ゲート電極Tx1への転送パルスの供給を停止し、リセットトランジスタ204のゲート電極へのリセットパルスの供給を停止し、選択トランジスタ206をオフする。この転送パルスの停止をもって、画素1の信号読み出し期間を終了し、次のフレームの露光期間を開始する(図7のFIG7B)。
Next, the
画素1の露光期間が開始されると、接続部C1に注入された電子は、時間の経過に伴って蓄積部SD1へと移動し、接続部C1の電位は、接続部C1に流れ込む電流量、電荷注入してからの経過期間、バリアゲートの電位等によって一意に決まる電位に落ち着く。
When the exposure period of the
続いて画素2の信号読み出しを行う。画素2の信号読み出し期間においては、まず垂直駆動部2がリセットパルスをリセットトランジスタ204のゲート電極に供給すると共に、選択トランジスタ206をオンする。これにより、ポテンシャルは図8のFIG8Aに示したようになり、フローティングディフュージョンFDの電位が、リセットドレインの電位と同じになり、フローティングディフュージョンFDの電位がリセットされる。
Subsequently, the signal reading of the
次に、垂直駆動部2は、リセットパルスの供給を停止して、フローティングディフュージョンFDのリセットを終了する。これにより、ポテンシャルは図8のFIG8Bに示したようになる。
Next, the
リセット直後のフローティングディフュージョンFDの電位は出力トランジスタ205によって電圧信号に変換され、この電圧信号がリセットレベルの信号(リセットレベル信号)として信号線Sに出力される。
The potential of the floating diffusion FD immediately after resetting is converted into a voltage signal by the
次に、垂直駆動部2は、画素2のゲート電極Tx2に転送パルスを供給する。これにより、画素2の転送ゲートの電位は蓄積部SD2の電位よりも深くかつフローティングディフュージョンFDの電位よりも浅くなり(図9のFIG9A参照)、画素2の蓄積部SD2に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される。
Next, the
次に、垂直駆動部2は、画素2のゲート電極Tx2への転送パルスの供給を停止する。この転送パルスの停止をもって、画素2の露光期間を終了する。この転送パルスの停止により、ポテンシャルは図9のFIG9Bに示したようになる。
Next, the
画素2の露光期間の終了後、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた信号(撮像信号)が信号線Sに出力される。この撮像信号とリセットレベル信号の差分を取得することにより、リセットノイズを除去した信号が取得できる。
After the exposure period of the
次に、垂直駆動部2が、露光期間中の画素1のゲート電極Tx1に供給する電圧を変更して、画素1の転送ゲートの電位を画素1のバリアゲートの電位よりも浅くすると共に、制御部5が、リセットトランジスタ204のリセットドレインに供給するリセット電圧を変更し、リセットドレインの電位を画素1,2のバリアゲートの電位よりも浅くかつ画素1の転送ゲートの電位よりも深くする。
Next, the
これにより、図10のFIG10Aに示したように、接続部C2、蓄積部SD2、及びフローティングディフュージョンFDにリセットドレインから電子が注入される。一方、画素1では、リセットドレインの電位に対して転送ゲートの電位が障壁となるため、接続部C1、蓄積部SD1には電子が注入されない。
As a result, as shown in FIG. 10A in FIG. 10, electrons are injected from the reset drain into the connection portion C2, the storage portion SD2, and the floating diffusion FD. On the other hand, in the
次に、制御部5が、リセットドレインに供給する電圧をFIG9Bに示した状態の値に戻すと共に、垂直駆動部2が、ゲート電極Tx1に供給する電圧をFIG9Bのときの状態に戻す。その後、垂直駆動部2が、ゲート電極Tx2に転送パルスを供給すると共に、リセットトランジスタ204のゲート電極にリセットパルスを供給する。
Next, the
これにより、図10のFIG10Bに示したように、画素2の蓄積部SD2及びフローティングディフュージョンFDに注入された電子はリセットドレインに排出される。このとき、接続部C2に注入された電子71は、リセットドレインに排出されずに、そのまま残る。これにより接続部C2が初期化される。
Thereby, as shown in FIG. 10B of FIG. 10, the electrons injected into the storage portion SD2 and the floating diffusion FD of the
次に、垂直駆動部2が、ゲート電極Tx2への転送パルスの供給を停止し、リセットトランジスタ204のゲート電極へのリセットパルスの供給を停止し、選択トランジスタ206をオフする。この転送パルスの停止をもって、画素2の信号読み出し期間を終了し、次のフレームの露光期間を開始する(図11)。
Next, the
画素2の露光期間が開始されると、接続部C2に注入された電子は、時間の経過に伴って蓄積部SD2へと移動し、接続部C2の電位は、接続部C2に流れ込む電流量、電荷注入してからの経過期間、バリアゲートの電位等によって一意に決まる電位に落ち着く。
When the exposure period of the
この後は、FIG4Aの状態に戻る。このような動作が撮像中は繰り返し行われる。 Thereafter, the state returns to the state of FIG. 4A. Such an operation is repeatedly performed during imaging.
なお、画素1と画素2は隣接するものであるため、図7のFIG7Bで接続部C1への電荷注入が完了してから、図11で接続部C2への電荷注入が完了するまでの時間は非常に短い。このため、図7〜図11においては、画素1の露光開始以降、蓄積部SD1には電荷が蓄積されないものとして図示している。
Since the
以上の動作をタイミングチャートで示したものが図12である。図12において、“C1”、“C2”、“SD1”、“SD2”、“FD”、“RD”は、それぞれ、接続部C1、接続部C2、蓄積部SD1、蓄積部SD2、フローティングディフュージョンFD、リセットドレインの電位を示し、波形が下に向かうほど、電位が浅いことを示す。また、“BG1”、“BG2”、“Tx1”、“Tx2”、“RW”は、それぞれ、ゲート電極BG1、ゲート電極BG2、ゲート電極Tx1、ゲート電極Tx2、選択トランジスタのゲート電極に供給されるパルス波形を示す。 FIG. 12 shows the above operation in a timing chart. In FIG. 12, “C1”, “C2”, “SD1”, “SD2”, “FD”, and “RD” are a connection unit C1, a connection unit C2, a storage unit SD1, a storage unit SD2, and a floating diffusion FD, respectively. The reset drain potential is shown, and the lower the waveform is, the shallower the potential is. “BG1”, “BG2”, “Tx1”, “Tx2”, and “RW” are supplied to the gate electrode BG1, the gate electrode BG2, the gate electrode Tx1, the gate electrode Tx2, and the gate electrode of the selection transistor, respectively. A pulse waveform is shown.
以上のように、固体撮像素子100によれば、露光終了後の画素1(画素2)の接続部C1(接続部C2)にリセットドレインから電子を注入して接続部C1(接続部C2)を初期化してから、画素1(画素2)の次の露光期間を開始することができるため、残像の発生を抑制することができる。
As described above, according to the solid-
また、固体撮像素子100によれば、画素1と画素2で読み出し回路11cを共有しているため、画素1と画素2で読み出し回路11cを別々に持つ構成と比較して、素子面積の縮小が可能となる。
Further, according to the solid-
また、固体撮像素子100によれば、読み出し回路11cを共有する2つの画素のうち、一方の画素の接続部に電子を注入するときには、他方の画素の転送ゲートの電位をリセットドレインの電位よりも浅くしているため、当該他方の画素の接続部及び蓄積部に電子が注入されるのを防ぐことができ、他方の画素の出力信号に影響を与えることなく、一方の画素の残像を抑制することができる。
Also, according to the solid-
以上の説明では、隣接する2行の画素についての動作しか述べていないが、例えば1行目の画素の接続部に電子を注入する場合には、この1行目の画素と読み出し回路11cを共有する2行目の画素のみ転送ゲートの電位を変更し、それ以外の行の画素については転送ゲートの電位の変更を行わなくてもよい。この場合、それ以外の行の画素は、露光期間中であるため転送ゲートの電位をリセットドレインの電位より浅くしても問題はないが、このようにすることで、各画素のスイッチのON/OFFの回数を減少させられるため、消費電力を低減することができる。
In the above description, only the operation for the pixels in the two adjacent rows is described. However, for example, when electrons are injected into the connection portion of the pixels in the first row, the
また、ある行の画素の接続部に電子を注入する場合には、この行を除く全ての行の画素の転送ゲートの電位を変更してもよい。このようにすることで、駆動を簡略化することができる。 In addition, when electrons are injected into a connection portion of a pixel in a certain row, the potentials of the transfer gates of pixels in all rows other than this row may be changed. In this way, driving can be simplified.
以上の説明では、ある行の画素に電荷を注入する場合、注入する画素の転送ゲートTxにはパルスを供給しないとしたが、転送時と同じ電圧のパルスを供給してもよい。この場合にも同様に電荷の注入を行うことができる。 In the above description, when charge is injected into a pixel in a certain row, no pulse is supplied to the transfer gate Tx of the pixel to be injected, but a pulse having the same voltage as that during transfer may be supplied. In this case as well, charge injection can be performed similarly.
以上の説明では図4から図11に示した動作が連続して繰り返されるとしているが、図11の画素2露光開始から図4の画素1読み出しの間(図12の信号蓄積期間)に、露光期間制御のための電子シャッタ駆動(蓄積部の電荷を排出する駆動)を行っても良い。
In the above description, the operations shown in FIGS. 4 to 11 are continuously repeated. However, the exposure is performed between the start of exposure of
次に、固体撮像素子100の読み出し回路の変形例について説明する。
Next, a modification of the readout circuit of the solid-
(第一の変形例)
図13は、図1に示した固体撮像素子100の読み出し回路11の変形例を示す図であり、図3に対応する図である。
(First modification)
FIG. 13 is a diagram showing a modification of the
図13に示した例では、画素1の読み出し回路11は、画素1内に設けられた光電変換素子P及び読み出し回路11a’と、画素1と画素2で共有されるドレインDとで構成される。また、画素2の読み出し回路11は、画素2内に設けられた光電変換素子P及び読み出し回路11b’とドレインDとで構成される。
In the example shown in FIG. 13, the
読み出し回路11a’は、図3に示した画素1の読み出し回路11のトランジスタ203aを削除し、トランジスタ201aのドレインをフローティングディフュージョンFDとした構成と同じである。
The
具体的には、読み出し回路11a’は、接続部C1と、この隣に離間して設けられたフローティングディフュージョンFD1と、接続部C1とフローティングディフュージョンFD1の間のバリアゲート上方に設けられたゲート電極BG1と、フローティングディフュージョンFD1の電位をリセットするリセットトランジスタ302aと、フローティングディフュージョンFD1の電位を電圧信号に変換する出力トランジスタ303aと、出力トランジスタ303aで変換後の電圧信号を信号線Sに出力する制御を行う選択トランジスタ304aとを備える。
Specifically, the
接続部C1とフローティングディフュージョンFD1とゲート電極BG1により、トランジスタ301aが構成されている。
The connection portion C1, the floating diffusion FD1, and the gate electrode BG1 constitute a
フローティングディフュージョンFD1の隣にはドレインDが離間して設けられ、フローティングディフュージョンFD1とドレインDとの間のリセットゲート上方にリセットトランジスタ302aのゲート電極RS1が設けられている。
A drain D is provided adjacent to the floating diffusion FD1, and a gate electrode RS1 of the
出力トランジスタ303aのドレインには、制御部5に含まれる電源回路から電源電圧Vddのように出力トランジスタ303aが動作するための電圧が供給される。
A voltage for operating the
選択トランジスタ304aのゲート電極には、垂直駆動部2から選択パルスRW1が供給される。
A selection pulse RW1 is supplied from the
このように構成された画素1の読み出し回路11においては、画素電極14で捕集された電荷を、接続部C1には蓄積せずにフローティングディフュージョンFD1に蓄積する。
In the
すなわち画素電極14から接続部C1に流れ込む電荷量と、接続部C1からフローティングディフュージョンFD1に流れ出す電荷量が一致する。フローティングディフュージョンFD1は接続部C1から流れ出た電荷を蓄積する。
That is, the amount of charge that flows from the
接続部C1の電位は、バリアゲートの電位よりも△Vだけ深い電位となる。△Vは接続部C1から蓄積部SD1に流れ出す電流量(=光電変換素子Pから接続部C1に流れ込む電流量)に応じて一意に決定する。接続部C1から流れだす電流量が多い場合には△Vが小さく、接続部C1から流れだす電流量が少ない場合には△Vが大きくなる。このように電流量に応じて適切な△Vの値をとることで、接続部C1に流れ込む電荷量と接続部C1からフローティングディフュージョンFD1に流れ出す電荷量が一致する。 The potential of the connection portion C1 is a potential deeper by ΔV than the potential of the barrier gate. ΔV is uniquely determined according to the amount of current flowing from the connection portion C1 to the storage portion SD1 (= the amount of current flowing from the photoelectric conversion element P to the connection portion C1). When the amount of current flowing out from the connecting portion C1 is large, ΔV is small, and when the amount of current flowing out from the connecting portion C1 is small, ΔV is large. Thus, by taking an appropriate value of ΔV according to the amount of current, the amount of charge flowing into the connection portion C1 and the amount of charge flowing out from the connection portion C1 to the floating diffusion FD1 coincide.
フローティングディフュージョンFD1の初期電位(電荷蓄積開始時の電位)は、接続部C1の電位よりも十分に深くしている。 The initial potential of the floating diffusion FD1 (the potential at the start of charge accumulation) is sufficiently deeper than the potential of the connection portion C1.
また、フローティングディフュージョンFD1に過剰電荷が蓄積される場合に、この過剰電荷が接続部C1に逆流するのを防ぐために、リセットトランジスタ302aがオフのときのリセットゲートの電位を、バリアゲートの電位よりも深くしている。このようにすることで、過剰電荷が、リセットトランジスタ302aがオフのときのリセットゲートの電位を越えてドレインDへと排出される。
In addition, when excessive charge is accumulated in the floating diffusion FD1, the potential of the reset gate when the
なお、図13の例では、画素1の読み出し回路11に含まれる、トランジスタ302a,303a,304aが、特許請求の範囲の信号出力回路として機能する。
In the example of FIG. 13, the
読み出し回路11b’は、図3に示した画素2の読み出し回路11のトランジスタ203bを削除し、トランジスタ201bのドレインをフローティングディフュージョンFDとした構成と同じである。
The
具体的には、読み出し回路11b’は、接続部C2と、この隣に離間して設けられたフローティングディフュージョンFD2と、接続部C2とフローティングディフュージョンFD2の間のバリアゲート上方に設けられたゲート電極BG2と、フローティングディフュージョンFD2の電位をリセットするリセットトランジスタ302bと、フローティングディフュージョンFD2の電位を電圧信号に変換する出力トランジスタ303bと、出力トランジスタ303bで変換後の電圧信号を信号線Sに出力する制御を行う選択トランジスタ304bとを備える。
Specifically, the
接続部C2とフローティングディフュージョンFD2とゲート電極BG2により、トランジスタ301bが構成されている。
The connection portion C2, the floating diffusion FD2, and the gate electrode BG2 constitute a
フローティングディフュージョンFD2の隣にはドレインDが離間して設けられ、フローティングディフュージョンFD2とドレインDとの間のリセットゲート上方にリセットトランジスタ302bのゲート電極RS2が設けられている。
A drain D is provided adjacent to the floating diffusion FD2, and a gate electrode RS2 of the
出力トランジスタ303bのドレインには、制御部5に含まれる電源回路から電源電圧Vddのように出力トランジスタ303bが動作するための電圧が供給される。
A voltage for operating the
選択トランジスタ304bのゲート電極には、垂直駆動部2から選択パルスRW2が供給される。
A selection pulse RW2 is supplied from the
トランジスタ301b、302b、303b、304bの特性は、トランジスタ301a、302a、303a、304aの特性と同じである。
The characteristics of the
なお、図13の例では、画素2の読み出し回路11に含まれる、トランジスタ302b,303b,304bが、特許請求の範囲の信号出力回路として機能する。
In the example of FIG. 13, the
このように、図13に示した変形例では、画素1と画素2がそれぞれ4つのトランジスタから構成されるMOS回路を備え、画素1のMOS回路と画素2のMOS回路とでリセットトランジスタのドレインDを共有する構成となっている。
As described above, in the modification shown in FIG. 13, each of the
次に、読み出し回路として図13に示した回路を持つ固体撮像素子100の駆動方法を説明する。以下では、固体撮像素子100が、画素電極14で電子を捕集する場合について説明する。固体撮像素子100は、画素Gの行毎に露光期間をずらしながら信号読出しを行うローリングシャッタ駆動により、撮像を行う。
Next, a method for driving the solid-
図14〜図18は、読み出し回路として図13に示した回路を持つ固体撮像素子100の駆動方法の一例を説明するための図である。図14〜図18では、図13に示した隣接する2つの画素に含まれる接続部C1,C2、バリアゲート、フローティングディフュージョンFD1,FD2、リセットゲート、及びドレインDの断面ポテンシャルの変化を図示した。
14 to 18 are diagrams for explaining an example of a method for driving the solid-
図14〜図18において、“C1”、“C2”は、それぞれ接続部C1、C2の電位を示す。また、“BG1”、“BG2”は、それぞれゲート電極BG1下方のバリアゲート、ゲート電極BG2下方のバリアゲートの電位を示す。また、“FD1”、“FD2”は、それぞれ、フローティングディフュージョンFD1、FD2の電位を示す。また、“RD”は、ドレインDの電位を示す。 14 to 18, “C1” and “C2” indicate the potentials of the connection portions C1 and C2, respectively. “BG1” and “BG2” indicate the potential of the barrier gate below the gate electrode BG1 and the barrier gate below the gate electrode BG2, respectively. “FD1” and “FD2” indicate the potentials of the floating diffusions FD1 and FD2, respectively. “RD” indicates the potential of the drain D.
図14のFIG14Aは、画素1と画素2が共に露光期間中のポテンシャルを示している。画素1,画素2の露光期間中は、リセットゲートRS1,RS2にはリセットパルスは供給されない。また、ドレインDには、画素1及び画素2のリセットゲートの電位よりも十分に深い電位となるよう、リセット電源から電圧が供給されている。
FIG. 14A in FIG. 14 shows the potential of both the
このように、画素1、画素2の露光期間中は、画素1、画素2のいずれにおいても、バリアゲートとリセットゲートの電位が、この順番で深くなっている。また、この露光期間中は、フローティングディフュージョンFD1,FD2に電子が蓄積されるため、フローティングディフュージョンFD1,FD2の電位が、蓄積される電子量に応じて浅くなる。一方、接続部C1,C2には電子は蓄積しないため、接続部C1,C2の電位は一定に保たれる。
As described above, during the exposure period of the
画素1の信号読み出し期間には、まず垂直駆動部2が、選択パルスRWを選択トランジスタ304aのゲート電極に供給して、選択トランジスタ304aをオンする。これにより、フローティングディフュージョンFD1の電位に応じた電圧信号(撮像信号)が信号線Sへ出力される(図14のFIG14B)。
During the signal readout period of the
次に、垂直駆動部2は、リセットトランジスタ302aのゲート電極RS1にリセットパルスを供給し、このリセットパルスの供給開始をもって、画素1の露光期間を終了する。これにより、ポテンシャルは図14のFIG14Cに示したようになり、フローティングディフュージョンFD1の電位が、ドレインDの電位と同じになり、フローティングディフュージョンFD1の電位がリセットされる。
Next, the
次に、垂直駆動部2は、リセットパルスの供給を停止して、フローティングディフュージョンFD1のリセットを終了する。これにより、ポテンシャルは図15のFIG15Aに示したようになる。
Next, the
リセット直後のフローティングディフュージョンFD1の電位は出力トランジスタ303aによって電圧信号に変換され、この電圧信号がリセットレベル信号として信号線Sに出力される。この撮像信号とリセットレベル信号の差分を取得することにより、リセットノイズを除去した信号が取得できる。
The potential of the floating diffusion FD1 immediately after reset is converted into a voltage signal by the
次に、垂直駆動部2は、露光期間中の画素2のゲート電極RS2に供給する電圧を変更して、画素2のリセットゲートの電位を画素2のバリアゲートの電位よりも浅くする。また、これと同時に、制御部5が、ドレインDに供給するリセット電圧を変更し、ドレインDの電位を画素1,2のバリアゲートの電位よりも浅くかつ画素2のリセットゲートの電位よりも深くする。
Next, the
これにより、図15のFIG15Bに示したように、接続部C1及びフローティングディフュージョンFD1にドレインDから電子が注入される。一方、画素2では、ドレインDの電位に対してリセットゲートの電位が障壁となるため、接続部C2及びフローティングディフュージョンFD2には電子が注入されない。
As a result, as shown in FIG. 15B in FIG. 15, electrons are injected from the drain D into the connection portion C1 and the floating diffusion FD1. On the other hand, in the
次に、制御部5が、ドレインDの電位をFIG15Aに示した状態の値に戻すと共に、垂直駆動部2が、画素2のリセットゲートの電位をFIG15Aに示した状態に戻す。その後、垂直駆動部2が、ゲート電極RS1にリセットパルスを供給する。
Next, the
これにより、図15のFIG15Cに示したように、画素1のフローティングディフュージョンFD1に注入された電子はドレインDに排出される。このとき、接続部C1に注入された電子72は、ドレインDに排出されずに、そのまま残る。これにより接続部C1が初期化される。
Thereby, the electrons injected into the floating diffusion FD1 of the
次に、垂直駆動部2が、ゲート電極RS1へのリセットパルスの供給を停止すると共に、選択トランジスタ304bをオフにする。このリセットパルスの停止をもって、画素1の信号読み出し期間を終了し、次のフレームの露光期間を開始する(図16のFIG16A)。
Next, the
画素1の露光期間が開始されると、接続部C1に注入された電子は、時間の経過に伴ってフローティングディフュージョンFD1へと移動し、接続部C1の電位は、接続部C1に流れ込む電流量、電荷注入してからの経過期間、バリアゲートの電位等によって一意に決まる電位に落ち着く。
When the exposure period of the
続いて、画素2の信号読み出しを行う。画素2の信号読み出し期間には、まず垂直駆動部2が、選択パルスRWを選択トランジスタ304bのゲート電極に供給して、選択トランジスタ304bをオンする。これにより、フローティングディフュージョンFD2の電位に応じた電圧信号(撮像信号)が信号線Sへ出力される(図16のFIG16B)。
Subsequently, signal reading of the
次に、垂直駆動部2は、ゲート電極RS2にリセットパルスを供給し、このリセットパルスの供給開始をもって、画素2の露光期間を終了する。これにより、ポテンシャルは図16のFIG16Cに示したようになり、フローティングディフュージョンFD2の電位が、ドレインDの電位と同じになり、フローティングディフュージョンFD2の電位がリセットされる。
Next, the
次に、垂直駆動部2は、リセットパルスの供給を停止して、フローティングディフュージョンFD2のリセットを終了する。これにより、ポテンシャルは図17のFIG17Aに示したようになる。
Next, the
リセット直後のフローティングディフュージョンFD2の電位は出力トランジスタ303bによって電圧信号に変換され、この電圧信号がリセットレベル信号として信号線Sに出力される。この撮像信号とリセットレベル信号の差分を取得することにより、リセットノイズを除去した信号が取得できる。
The potential of the floating diffusion FD2 immediately after the reset is converted into a voltage signal by the
次に、垂直駆動部2は、露光期間中の画素1のゲート電極RS1に供給する電圧を変更して、画素1のリセットゲートの電位を画素1のバリアゲートの電位よりも浅くする。また、これと同時に、制御部5が、ドレインDに供給するリセット電圧を変更し、ドレインDの電位を画素1,2のバリアゲートの電位よりも浅くかつ画素1のリセットゲートの電位よりも深くする。
Next, the
これにより、図17のFIG17Bに示したように、接続部C2及びフローティングディフュージョンFD2にドレインDから電子が注入される。一方、画素1では、ドレインDの電位に対してリセットゲートの電位が障壁となるため、接続部C1及びフローティングディフュージョンFD1には電子が注入されない。
As a result, as shown in FIG. 17B of FIG. 17, electrons are injected from the drain D into the connection portion C2 and the floating diffusion FD2. On the other hand, in the
次に、制御部5が、ドレインDの電位をFIG17Aに示した状態の値に戻すと共に、垂直駆動部2が、画素1のリセットゲートの電位をFIG17Aに示した状態に戻す。その後、垂直駆動部2が、ゲート電極RS2にリセットパルスを供給する。
Next, the
これにより、図17のFIG17Cに示したように、画素2のフローティングディフュージョンFD2に注入された電子はドレインDに排出される。このとき、接続部C2に注入された電子73は、ドレインDに排出されずに、そのまま残る。これにより接続部C2が初期化される。
Thereby, the electrons injected into the floating diffusion FD2 of the
次に、垂直駆動部2が、ゲート電極RS2へのリセットパルスの供給を停止すると共に、選択トランジスタ304bをオフにする。このリセットパルスの停止をもって、画素2の信号読み出し期間を終了し、次のフレームの露光期間を開始する(図18)。
Next, the
画素2の露光期間が開始されると、接続部C2に注入された電子は、時間の経過に伴ってフローティングディフュージョンFD2へと移動し、接続部C2の電位は、接続部C2に流れ込む電流量、電荷注入してからの経過期間、バリアゲートの電位などによって一意に決まる電位に落ち着く。
When the exposure period of the
この後は、FIG14Aの状態に戻る。このような動作が撮像中は繰り返し行われる。 Thereafter, the state returns to the state of FIG. 14A. Such an operation is repeatedly performed during imaging.
なお、画素1と画素2は隣接するものであるため、図16のFIG16Aで接続部C1への電荷注入が完了してから、図18で接続部C2への電荷注入が完了するまでの時間は非常に短い。このため、図16〜図18においては、画素1の露光開始以降、フローティングディフュージョンFD1には電荷が蓄積されないものとして図示している。
Since the
以上の動作をタイミングチャートで示したものが図19である。図19において、“C1”、“C2”、“FD1”、“FD2”、“RD”は、それぞれ、接続部C1、接続部C2、フローティングディフュージョンFD1、フローティングディフュージョンFD2、ドレインDの電位を示し、波形が下に向かうほど、電位が浅いことを示す。また、“BG1”、“BG2”、“RS1”、“RS2”、“RW1”、“RW2”は、それぞれ、ゲート電極BG1、ゲート電極BG2、ゲート電極RS1、ゲート電極RS2、選択トランジスタ304bのゲート電極、選択トランジスタ304aのゲート電極、に供給されるパルス波形を示す。
FIG. 19 shows the above operation in a timing chart. In FIG. 19, “C1”, “C2”, “FD1”, “FD2”, and “RD” indicate the potentials of the connection portion C1, the connection portion C2, the floating diffusion FD1, the floating diffusion FD2, and the drain D, respectively. The lower the waveform is, the shallower the potential is. “BG1”, “BG2”, “RS1”, “RS2”, “RW1”, and “RW2” are the gate electrode BG1, the gate electrode BG2, the gate electrode RS1, the gate electrode RS2, and the gate of the
以上のように、図13に示した回路構成とすることでも、残像を抑制することができる。 As described above, the afterimage can also be suppressed by using the circuit configuration shown in FIG.
なお、図13に示した回路構成では、リセットトランジスタ304a,304bのリセットゲートとドレインDにより、フローティングディフュージョンFD1,FD2の飽和容量を超える電荷を基板側へ排出するオーバーフロードレイン構造を実現しているが、このオーバーフロー構造は、リセットトランジスタ304a,304b以外の別の構造として追加して設けてもよい。図13に示したように、リセットトランジスタ304a,304bを用いてオーバーフロードレイン構造を実現することで、構造の追加が不要となり、画素微細化が容易となる。
In the circuit configuration shown in FIG. 13, an overflow drain structure that discharges charges exceeding the saturation capacity of the floating diffusions FD1 and FD2 to the substrate side is realized by the reset gates and drains D of the
また、オーバーフロー構造のみを考えた場合、リセットトランジスタ304a,304bのリセットゲートの電位(リセットトランジスタがオフのときの電位)は深ければ深いほど望ましい。しかし、フローティングディフュージョンの飽和電荷数は、フローティングディフュージョンの容量と電位振幅によって決まるため、リセットゲートの電位を深くすると、フローティングディフュージョンの電位振幅が減少してしまい、飽和電荷数が減少する。したがって、リセットトランジスタ304a,304bがオフのときのそれぞれのリセットゲートの電位は、飽和電荷数とオーバーフロー構造の特性とを考慮した範囲(例えば0.1V〜0.3V)に設定しておくことが好ましい。
Further, when considering only the overflow structure, the deeper the reset gate potential (the potential when the reset transistor is off) of the
以上の説明では図14から図18に示した動作が連続して繰り返されるとしているが、図18の画素2露光開始から図14の画素1読み出しの間(図19の信号蓄積期間)に、露光期間制御のための電子シャッタ駆動(フローティングディフュージョンの電荷を排出する駆動)を行っても良い。
In the above description, the operations shown in FIGS. 14 to 18 are continuously repeated. However, the exposure is performed between the start of exposure of
次に、読み出し回路として図13に示した回路を持つ固体撮像素子100の駆動方法の別の例を説明する。以下では、固体撮像素子100が、画素電極14で電子を捕集する場合について説明する。固体撮像素子100は、画素Gの行毎に露光期間をずらしながら信号読出しを行うローリングシャッタ駆動により、撮像を行う。
Next, another example of a method for driving the solid-
図20〜図22は、読み出し回路として図13に示した回路を持つ固体撮像素子100の駆動方法の別の例を説明するための図である。図20〜図22では、図13に示した隣接する2つの画素に含まれる接続部C1,C2、バリアゲート、フローティングディフュージョンFD1,FD2、リセットゲート、及びドレインDの断面ポテンシャルの変化を図示した。
20 to 22 are diagrams for explaining another example of the driving method of the solid-
図20〜図22における表記は、図14に示した内容と同じである。 The notations in FIGS. 20 to 22 are the same as the contents shown in FIG.
図20のFIG20Aは、画素1と画素2が共に露光期間中のポテンシャルを示している。画素1,画素2の露光期間中は、リセットゲートRS1,RS2にはリセットパルスは供給されない。また、ドレインDには、画素1及び画素2のリセットゲートの電位よりも十分に深い電位となるよう、リセット電源から電圧が供給されている。
FIG. 20A in FIG. 20 shows the potential of both the
このように、画素1、画素2の露光期間中は、画素1、画素2のいずれにおいても、バリアゲートとリセットゲートの電位が、この順番で深くなっている。また、この露光期間中は、フローティングディフュージョンFD1,FD2に電子が蓄積されるため、フローティングディフュージョンFD1,FD2の電位が、蓄積される電子量に応じて浅くなる。一方、接続部C1,C2には電子は蓄積しないため、接続部C1,C2の電位は一定に保たれる。
As described above, during the exposure period of the
画素1の信号読み出し期間には、まず垂直駆動部2が、選択パルスRWを選択トランジスタ304aのゲート電極に供給して、選択トランジスタ304aをオンする。これにより、フローティングディフュージョンFD1の電位に応じた電圧信号(撮像信号)が信号線Sへ出力される(図20のFIG20B)。
During the signal readout period of the
次に、垂直駆動部2は、画素2のゲート電極RS2に供給する電圧を変更して、画素2のリセットゲートの電位を画素2のバリアゲートの電位よりも浅くする。また、これと同時に、制御部5が、ドレインDに供給するリセット電圧を変更し、ドレインDの電位を画素1,2のバリアゲートの電位よりも浅くかつ画素2のリセットゲートの電位よりも深くする。画素2のリセットゲートの電位及びドレインDの電位の変更開始をもって、画素1の露光期間が終了する。
Next, the
これにより、図20のFIG20Cに示したように、接続部C1及びフローティングディフュージョンFD1にドレインDから電子が注入される。一方、画素2では、ドレインDの電位に対してリセットゲートの電位が障壁となるため、接続部C2及びフローティングディフュージョンFD2には電子が注入されない。
As a result, as shown in FIG. 20C in FIG. 20, electrons are injected from the drain D into the connection portion C1 and the floating diffusion FD1. On the other hand, in the
次に、制御部5が、ドレインDの電位をFIG20Bに示した状態の値に戻すと共に、垂直駆動部2が、画素2のリセットゲートの電位をFIG20Bに示した状態に戻す。その後、垂直駆動部2が、ゲート電極RS1にリセットパルスを供給する。
Next, the
これにより、図21のFIG21Aに示したように、画素1のフローティングディフュージョンFD1に注入された電子はドレインDに排出される。このとき、接続部C1に注入された電子74は、ドレインDに排出されずに、そのまま残る。これにより接続部C1が初期化される。
Thereby, as shown in FIG. 21A of FIG. 21, the electrons injected into the floating diffusion FD1 of the
次に、垂直駆動部2が、ゲート電極RS1へのリセットパルスの供給を停止して、フローティングディフュージョンFD1のリセットを終了する。このリセットパルスの供給停止をもって、画素1の信号読み出し期間を終了し、次の露光期間を開始する。これにより、ポテンシャルは図21のFIG21Bに示したようになる。
Next, the
リセット直後のフローティングディフュージョンFD1の電位は出力トランジスタ303aによって電圧信号に変換され、この電圧信号がリセットレベル信号として信号線Sに出力される。撮像信号とリセットレベル信号の差分を取得することにより、リセットノイズを除去した信号が取得できる。
The potential of the floating diffusion FD1 immediately after reset is converted into a voltage signal by the
次に、垂直駆動部2は、選択トランジスタ304aをオフにする。
Next, the
続いて、画素2の信号読み出しを行う。画素2の信号読み出し期間には、まず垂直駆動部2が、選択パルスRWを選択トランジスタ304bのゲート電極に供給して、選択トランジスタ304bをオンする。これにより、フローティングディフュージョンFD2の電位に応じた電圧信号の(撮像信号)が信号線Sへ出力される(図21のFIG21C)。
Subsequently, signal reading of the
次に、垂直駆動部2は、画素1のゲート電極RS1に供給する電圧を変更して、画素1のリセットゲートの電位を画素1のバリアゲートの電位よりも浅くする。また、これと同時に、制御部5が、ドレインDに供給するリセット電圧を変更し、ドレインDの電位を画素1,2のバリアゲートの電位よりも浅くかつ画素1のリセットゲートの電位よりも深くする。画素1のリセットゲートの電位及びドレインDの電位の変更開始をもって、画素2の露光期間が終了する。
Next, the
これにより、図22のFIG22Aに示したように、接続部C2及びフローティングディフュージョンFD2にドレインDから電子が注入される。一方、画素1では、ドレインDの電位に対してリセットゲートの電位が障壁となるため、接続部C1及びフローティングディフュージョンFD1には電子が注入されない。
As a result, as shown in FIG. 22A in FIG. 22, electrons are injected from the drain D into the connection portion C2 and the floating diffusion FD2. On the other hand, in the
次に、制御部5が、ドレインDの電位をFIG21Cに示した状態の値に戻すと共に、垂直駆動部2が、画素1のリセットゲートの電位をFIG21Cに示した状態に戻す。その後、垂直駆動部2が、ゲート電極RS2にリセットパルスを供給する。
Next, the
これにより、図22のFIG22Bに示したように、画素2のフローティングディフュージョンFD2に注入された電子はドレインDに排出される。このとき、接続部C2に注入された電子75は、ドレインDに排出されずに、そのまま残る。これにより接続部C2が初期化される。
Thereby, the electrons injected into the floating diffusion FD2 of the
次に、垂直駆動部2が、ゲート電極RS2へのリセットパルスの供給を停止して、フローティングディフュージョンFD2のリセットを終了する。このリセットパルスの供給停止をもって、画素2の信号読み出し期間を終了し、次の露光期間を開始する。これにより、ポテンシャルは図22のFIG22Cに示したようになる。
Next, the
リセット直後のフローティングディフュージョンFD2の電位は出力トランジスタ303bによって電圧信号に変換され、この電圧信号がリセットレベル信号として信号線Sに出力される。この撮像信号とリセットレベル信号の差分を取得することにより、リセットノイズを除去した信号が取得できる。
The potential of the floating diffusion FD2 immediately after the reset is converted into a voltage signal by the
次に、垂直駆動部2は、選択トランジスタ304bをオフにする。
Next, the
この後は、FIG20Aの状態に戻る。このような動作が撮像中は繰り返し行われる。 Thereafter, the state returns to the state of FIG. Such an operation is repeatedly performed during imaging.
以上の動作をタイミングチャートで示したものが図23である。図23に示した表記は図19に示したものと同じである。 FIG. 23 shows the above operation in a timing chart. The notation shown in FIG. 23 is the same as that shown in FIG.
なお、これまでの記載では、バリアゲートをトランジスタで構成していたが、接続部C1,C2とは異なる濃度や導電型の異なる不純物層を用いてバリアゲートを構成することも可能である。この場合にも、これまで述べてきたのと同様の効果が得られる。 In the description so far, the barrier gate is configured by a transistor, but it is also possible to configure the barrier gate by using an impurity layer having a different concentration and conductivity type from the connection portions C1 and C2. In this case, the same effect as described above can be obtained.
以上説明してきたように、本明細書には次の事項が開示されている。 As described above, the following items are disclosed in this specification.
開示された固体撮像素子は、半導体基板上方に積層された一対の電極とこれに挟まれる光電変換層とを含む光電変換素子を複数有する固体撮像素子であって、前記光電変換素子に対応して設けられ、当該光電変換素子で発生した信号を読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路を駆動する駆動部とを備え、前記読み出し回路は、対応する前記光電変換素子の前記光電変換層と前記半導体基板を電気的に接続するための前記半導体基板内に形成された接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、当該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号出力回路とを含み、前記信号出力回路が、前記接続部に電荷を注入する電荷注入部を含み、隣接する複数の前記光電変換素子に対応する前記読み出し回路は、前記電荷注入部を共有しており、前記駆動部は、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のいずれか1つである第一の読み出し回路の前記接続部に当該電荷注入部から電荷を注入して、前記第一の読み出し回路の前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする電荷注入駆動を行い、前記電荷注入駆動を行う際、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のうちの前記第一の読み出し回路以外の第二の読み出し回路の前記信号出力回路を制御して、前記第二の読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成するものである。 The disclosed solid-state imaging device is a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion elements including a pair of electrodes stacked above a semiconductor substrate and a photoelectric conversion layer sandwiched between the electrodes, corresponding to the photoelectric conversion elements A read circuit that reads a signal generated by the photoelectric conversion element and a drive unit that drives the read circuit, and the read circuit includes the photoelectric conversion layer and the semiconductor substrate of the corresponding photoelectric conversion element. A connection portion formed in the semiconductor substrate for electrical connection; and a potential barrier portion provided adjacent to the connection portion in the semiconductor substrate and serving as a potential barrier with respect to the potential of the connection portion; A first charge storage portion provided in the semiconductor substrate adjacent to the potential barrier portion, wherein the charge generated in the photoelectric conversion layer is stored via the connection portion and the potential barrier portion; A signal output circuit that outputs a signal corresponding to the charge stored in one charge storage unit, wherein the signal output circuit includes a charge injection unit that injects charge into the connection unit, and a plurality of adjacent photoelectric transistors The read circuit corresponding to the conversion element shares the charge injection unit, and the drive unit includes a first read circuit that is one of the plurality of read circuits sharing the charge injection unit. When the charge injection driving is performed by injecting charges into the connection portion from the charge injection portion so that the connection portion and the potential barrier portion of the first readout circuit have the same potential. Controlling the signal output circuit of the second readout circuit other than the first readout circuit among the plurality of readout circuits sharing the charge injection unit, and the first charge accumulation of the second readout circuit Part and said And it forms an injection potential barrier as a barrier to the potential of the charge injection unit between the charge injection unit.
開示された固体撮像素子は、前記信号出力回路が、前記第二の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第二の電荷蓄積部に転送する転送ゲートと、前記第二の電荷蓄積部の電位に応じた信号を出力する回路とを含み、前記駆動部は、前記転送ゲートの電位を制御して前記注入電位障壁を形成するものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the signal output circuit includes the second charge accumulation unit, a transfer gate that transfers the charge accumulated in the first charge accumulation unit to the second charge accumulation unit, And a circuit that outputs a signal corresponding to the potential of the second charge storage unit, and the driving unit controls the potential of the transfer gate to form the injection potential barrier.
開示された固体撮像素子は、前記信号出力回路が、前記第二の電荷蓄積部の電位をリセットするためのリセットトランジスタを含み、前記電荷注入部が、前記リセットトランジスタのドレインであるものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the signal output circuit includes a reset transistor for resetting the potential of the second charge storage unit, and the charge injection unit is a drain of the reset transistor.
開示された固体撮像素子は、前記信号出力回路が、前記第一の電荷蓄積部の電位をリセットするためのリセットトランジスタを含み、前記電荷注入部が、前記リセットトランジスタのドレインであり、前記駆動部は、前記リセットトランジスタのゲート電位を制御して前記注入電位障壁を形成するものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the signal output circuit includes a reset transistor for resetting the potential of the first charge storage unit, the charge injection unit is a drain of the reset transistor, and the driving unit Controls the gate potential of the reset transistor to form the injection potential barrier.
開示された固体撮像素子は、前記駆動部が、前記電荷注入駆動を行う対象となる前記読み出し回路についてのみ、前記注入電位障壁を形成する駆動を行うものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the driving unit performs driving to form the injection potential barrier only for the readout circuit to be subjected to the charge injection driving.
開示された固体撮像素子は、前記駆動部が、前記電荷注入駆動を行う対象となる前記読み出し回路以外の読み出し回路についても、前記信号出力回路を制御して当該読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成する駆動を行うものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the drive unit controls the signal output circuit for the read circuit other than the read circuit to be subjected to the charge injection drive, and the first charge accumulation of the read circuit is performed. And driving to form an injection potential barrier that becomes a barrier against the potential of the charge injection portion between the charge injection portion and the charge injection portion.
開示された撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。 The disclosed imaging device includes the solid-state imaging device.
開示された固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板上方に積層された一対の電極とこれに挟まれる光電変換層とを含む光電変換素子を複数有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記固体撮像素子は、前記光電変換素子に対応して設けられ、当該光電変換素子で発生した信号を読み出す読み出し回路を備え、前記読み出し回路は、対応する前記光電変換素子の前記光電変換層と前記半導体基板を電気的に接続するための前記半導体基板内に形成された接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、当該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号出力回路とを含み、前記信号出力回路が、前記接続部に電荷を注入する電荷注入部を含み、隣接する複数の前記光電変換素子に対応する前記読み出し回路は、前記電荷注入部を共有しており、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のいずれか1つである第一の読み出し回路の前記接続部に当該電荷注入部から電荷を注入して、前記第一の読み出し回路の前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする電荷注入駆動を行い、前記電荷注入駆動を行う際、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のうちの前記第一の読み出し回路以外の第二の読み出し回路の前記信号出力回路を制御して、前記第二の読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成する駆動を行う駆動ステップを有するものである。 The disclosed method for driving a solid-state imaging device is a method for driving a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion elements including a pair of electrodes stacked above a semiconductor substrate and a photoelectric conversion layer sandwiched between the electrodes. The image sensor is provided corresponding to the photoelectric conversion element, and includes a read circuit that reads a signal generated by the photoelectric conversion element, and the read circuit includes the photoelectric conversion layer and the semiconductor substrate of the corresponding photoelectric conversion element. A connection portion formed in the semiconductor substrate for electrically connecting the connection portion, and a potential barrier portion provided in the semiconductor substrate adjacent to the connection portion and serving as a potential barrier with respect to the potential of the connection portion And a first charge storage unit provided in the semiconductor substrate adjacent to the potential barrier unit, in which charges generated in the photoelectric conversion layer are stored via the connection unit and the potential barrier unit, A signal output circuit that outputs a signal corresponding to the charge accumulated in the first charge accumulation unit, wherein the signal output circuit includes a charge injection unit that injects a charge into the connection unit, and a plurality of adjacent ones The readout circuit corresponding to the photoelectric conversion element shares the charge injection unit, and is connected to the connection unit of the first readout circuit which is one of the plurality of readout circuits sharing the charge injection unit. When charge injection is performed by injecting charge from the charge injection unit to bring the connection portion of the first readout circuit and the potential barrier unit to the same potential, and when performing the charge injection drive, the charge injection unit is Controlling the signal output circuit of the second readout circuit other than the first readout circuit among the plurality of readout circuits shared, and the charge storage unit and the charge of the second readout circuit With the injection part And it has a driving step for driving that forms an injection potential barrier as a barrier to the potential of the charge injection unit between.
開示された固体撮像素子の駆動方法は、前記信号出力回路が、前記第二の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第二の電荷蓄積部に転送する転送ゲートと、前記第二の電荷蓄積部の電位に応じた信号を出力する回路とを含み、前記駆動ステップでは、前記転送ゲートの電位を制御して前記注入電位障壁を形成するものである。 In the disclosed solid-state imaging device driving method, the signal output circuit transfers the second charge accumulation unit and the charge accumulated in the first charge accumulation unit to the second charge accumulation unit. A gate and a circuit for outputting a signal corresponding to the potential of the second charge storage unit, and in the driving step, the injection potential barrier is formed by controlling the potential of the transfer gate.
開示された固体撮像素子の駆動方法は、前記信号出力回路が、前記第二の電荷蓄積部の電位をリセットするためのリセットトランジスタを含み、前記電荷注入部が、前記リセットトランジスタのドレインであるものである。 In the disclosed solid-state imaging device driving method, the signal output circuit includes a reset transistor for resetting the potential of the second charge storage unit, and the charge injection unit is a drain of the reset transistor. It is.
開示された固体撮像素子の駆動方法は、前記信号出力回路が、前記第一の電荷蓄積部の電位をリセットするためのリセットトランジスタを含み、前記電荷注入部が、前記リセットトランジスタのドレインであり、前記駆動ステップでは、前記リセットトランジスタのゲート電位を制御して前記注入電位障壁を形成するものである。 In the disclosed solid-state imaging device driving method, the signal output circuit includes a reset transistor for resetting a potential of the first charge storage unit, and the charge injection unit is a drain of the reset transistor, In the driving step, the injection potential barrier is formed by controlling the gate potential of the reset transistor.
開示された固体撮像素子の駆動方法は、前記駆動ステップでは、前記電荷注入駆動を行う対象となる前記読み出し回路についてのみ、前記注入電位障壁を形成する駆動を行うものである。 In the disclosed solid-state imaging device driving method, in the driving step, only the readout circuit to be subjected to the charge injection driving is driven to form the injection potential barrier.
開示された固体撮像素子の駆動方法は、前記駆動ステップでは、前記電荷注入駆動を行う対象となる前記読み出し回路以外の読み出し回路についても、前記信号出力回路を制御して当該読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成する駆動を行うものである。 In the driving method of the disclosed solid-state imaging device, in the driving step, for the readout circuit other than the readout circuit to be subjected to the charge injection driving, the signal output circuit is controlled to control the first of the readout circuit. Drive is performed to form an injection potential barrier that becomes a barrier against the potential of the charge injection portion between the charge storage portion and the charge injection portion.
1,2、G 画素
10 半導体基板
P 光電変換素子
C1,C2 接続部
FD1,FD2 フローティングディフュージョン
1, 2,
Claims (13)
前記光電変換素子に対応して設けられ、当該光電変換素子で発生した信号を読み出す読み出し回路と、
前記読み出し回路を駆動する駆動部とを備え、
前記読み出し回路は、対応する前記光電変換素子の前記光電変換層と前記半導体基板を電気的に接続するための前記半導体基板内に形成された接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、当該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号出力回路とを含み、
前記信号出力回路が、前記接続部に電荷を注入する電荷注入部を含み、
隣接する複数の前記光電変換素子に対応する前記読み出し回路は、前記電荷注入部を共有しており、
前記駆動部は、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のいずれか1つである第一の読み出し回路の前記接続部に当該電荷注入部から電荷を注入して、前記第一の読み出し回路の前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする電荷注入駆動を行い、前記電荷注入駆動を行う際、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のうちの前記第一の読み出し回路以外の第二の読み出し回路の前記信号出力回路を制御して、前記第二の読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成する固体撮像素子。 A solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion elements including a pair of electrodes stacked above a semiconductor substrate and a photoelectric conversion layer sandwiched between the electrodes,
A readout circuit that is provided corresponding to the photoelectric conversion element and reads a signal generated by the photoelectric conversion element;
A drive unit for driving the readout circuit,
The readout circuit includes a connection portion formed in the semiconductor substrate for electrically connecting the photoelectric conversion layer of the corresponding photoelectric conversion element and the semiconductor substrate, and adjacent to the connection portion in the semiconductor substrate. And a potential barrier portion serving as a potential barrier with respect to the potential of the connection portion, and provided in the semiconductor substrate adjacent to the potential barrier portion, and the charge generated in the photoelectric conversion layer is the connection portion And a first charge storage section that is stored via the potential barrier section, and a signal output circuit that outputs a signal corresponding to the charge stored in the first charge storage section,
The signal output circuit includes a charge injection unit that injects a charge into the connection unit,
The readout circuits corresponding to the plurality of adjacent photoelectric conversion elements share the charge injection unit,
The drive unit injects charges from the charge injection unit into the connection unit of the first read circuit, which is one of the plurality of read circuits sharing the charge injection unit, and performs the first readout. The first readout circuit of the plurality of readout circuits sharing the charge injection portion when performing the charge injection drive to make the connection portion and the potential barrier portion of the circuit have the same potential. The signal output circuit of the second readout circuit other than the second readout circuit is controlled to provide a barrier against the potential of the charge injection unit between the first charge storage unit and the charge injection unit of the second readout circuit. A solid-state imaging device that forms an injection potential barrier.
前記信号出力回路が、前記第二の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第二の電荷蓄積部に転送する転送ゲートと、前記第二の電荷蓄積部の電位に応じた信号を出力する回路とを含み、
前記駆動部は、前記転送ゲートの電位を制御して前記注入電位障壁を形成する固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The signal output circuit includes: the second charge storage unit; a transfer gate that transfers the charge stored in the first charge storage unit to the second charge storage unit; and the second charge storage unit. A circuit that outputs a signal corresponding to the potential,
The driving unit is a solid-state imaging device that controls the potential of the transfer gate to form the injection potential barrier.
前記信号出力回路が、前記第二の電荷蓄積部の電位をリセットするためのリセットトランジスタを含み、
前記電荷注入部が、前記リセットトランジスタのドレインである固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
The signal output circuit includes a reset transistor for resetting a potential of the second charge storage unit;
A solid-state imaging device in which the charge injection part is a drain of the reset transistor.
前記信号出力回路が、前記第一の電荷蓄積部の電位をリセットするためのリセットトランジスタを含み、
前記電荷注入部が、前記リセットトランジスタのドレインであり、
前記駆動部は、前記リセットトランジスタのゲート電位を制御して前記注入電位障壁を形成する固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The signal output circuit includes a reset transistor for resetting a potential of the first charge storage unit;
The charge injection part is a drain of the reset transistor;
The driving unit is a solid-state imaging device that controls the gate potential of the reset transistor to form the injection potential barrier.
前記駆動部が、前記電荷注入駆動を行う対象となる前記読み出し回路についてのみ、前記注入電位障壁を形成する駆動を行う固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 4,
A solid-state imaging device in which the driving unit performs driving to form the injection potential barrier only for the readout circuit to be subjected to the charge injection driving.
前記駆動部が、前記電荷注入駆動を行う対象となる前記読み出し回路以外の読み出し回路についても、前記信号出力回路を制御して当該読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成する駆動を行う固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 4,
For the readout circuit other than the readout circuit for which the drive unit performs the charge injection drive, the signal output circuit is controlled to control the first charge accumulation unit and the charge injection unit of the readout circuit. A solid-state imaging device that performs driving to form an injection potential barrier that acts as a barrier against the potential of the charge injection portion.
前記固体撮像素子は、前記光電変換素子に対応して設けられ、当該光電変換素子で発生した信号を読み出す読み出し回路を備え、
前記読み出し回路は、対応する前記光電変換素子の前記光電変換層と前記半導体基板を電気的に接続するための前記半導体基板内に形成された接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、当該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号出力回路とを含み、
前記信号出力回路が、前記接続部に電荷を注入する電荷注入部を含み、
隣接する複数の前記光電変換素子に対応する前記読み出し回路は、前記電荷注入部を共有しており、
前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のいずれか1つである第一の読み出し回路の前記接続部に当該電荷注入部から電荷を注入して、前記第一の読み出し回路の前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする電荷注入駆動を行い、前記電荷注入駆動を行う際、前記電荷注入部を共有する複数の前記読み出し回路のうちの前記第一の読み出し回路以外の第二の読み出し回路の前記信号出力回路を制御して、前記第二の読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成する駆動を行う駆動ステップを有する固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion elements including a pair of electrodes stacked above a semiconductor substrate and a photoelectric conversion layer sandwiched between the electrodes,
The solid-state image sensor is provided corresponding to the photoelectric conversion element, and includes a readout circuit that reads a signal generated by the photoelectric conversion element,
The readout circuit includes a connection portion formed in the semiconductor substrate for electrically connecting the photoelectric conversion layer of the corresponding photoelectric conversion element and the semiconductor substrate, and adjacent to the connection portion in the semiconductor substrate. And a potential barrier portion serving as a potential barrier with respect to the potential of the connection portion, and provided in the semiconductor substrate adjacent to the potential barrier portion, and the charge generated in the photoelectric conversion layer is the connection portion And a first charge storage section that is stored via the potential barrier section, and a signal output circuit that outputs a signal corresponding to the charge stored in the first charge storage section,
The signal output circuit includes a charge injection unit that injects a charge into the connection unit,
The readout circuits corresponding to the plurality of adjacent photoelectric conversion elements share the charge injection unit,
Injecting charge from the charge injection section into the connection section of the first read circuit, which is one of the plurality of read circuits sharing the charge injection section, and connecting the connection section of the first read circuit When the charge injection driving is performed so that the potential barrier unit has the same potential, a second of the plurality of read circuits sharing the charge injection unit other than the first read circuit is used. An injection potential barrier that controls the signal output circuit of the readout circuit and serves as a barrier against the potential of the charge injection section between the first charge storage section and the charge injection section of the second readout circuit. The solid-state image sensor drive method which has the drive step which performs the drive which forms A.
前記信号出力回路が、前記第二の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第二の電荷蓄積部に転送する転送ゲートと、前記第二の電荷蓄積部の電位に応じた信号を出力する回路とを含み、
前記駆動ステップでは、前記転送ゲートの電位を制御して前記注入電位障壁を形成する固体撮像素子の駆動方法。 A driving method of a solid-state imaging device according to claim 8,
The signal output circuit includes: the second charge storage unit; a transfer gate that transfers the charge stored in the first charge storage unit to the second charge storage unit; and the second charge storage unit. A circuit that outputs a signal corresponding to the potential,
In the driving step, the solid-state imaging device driving method for forming the injection potential barrier by controlling the potential of the transfer gate.
前記信号出力回路が、前記第二の電荷蓄積部の電位をリセットするためのリセットトランジスタを含み、
前記電荷注入部が、前記リセットトランジスタのドレインである固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device according to claim 9,
The signal output circuit includes a reset transistor for resetting a potential of the second charge storage unit;
A method for driving a solid-state imaging device, wherein the charge injection unit is a drain of the reset transistor.
前記信号出力回路が、前記第一の電荷蓄積部の電位をリセットするためのリセットトランジスタを含み、
前記電荷注入部が、前記リセットトランジスタのドレインであり、
前記駆動ステップでは、前記リセットトランジスタのゲート電位を制御して前記注入電位障壁を形成する固体撮像素子の駆動方法。 A driving method of a solid-state imaging device according to claim 8,
The signal output circuit includes a reset transistor for resetting a potential of the first charge storage unit;
The charge injection part is a drain of the reset transistor;
In the driving step, a solid-state imaging device driving method for controlling the gate potential of the reset transistor to form the injection potential barrier.
前記駆動ステップでは、前記電荷注入駆動を行う対象となる前記読み出し回路についてのみ、前記注入電位障壁を形成する駆動を行う固体撮像素子の駆動方法。 It is a drive method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 8-11,
In the driving step, the solid-state imaging device driving method for driving to form the injection potential barrier only for the readout circuit to be subjected to the charge injection driving.
前記駆動ステップでは、前記電荷注入駆動を行う対象となる前記読み出し回路以外の読み出し回路についても、前記信号出力回路を制御して当該読み出し回路の前記第一の電荷蓄積部と前記電荷注入部との間に前記電荷注入部の電位に対して障壁となる注入電位障壁を形成する駆動を行う固体撮像素子の駆動方法。 It is a drive method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 8-11,
In the driving step, also for a readout circuit other than the readout circuit to be subjected to the charge injection driving, the signal output circuit is controlled so that the first charge accumulation unit and the charge injection unit of the readout circuit A solid-state imaging device driving method for performing driving to form an injection potential barrier that is a barrier against the potential of the charge injection portion.
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