JP5364306B2 - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents
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Description
固体撮像素子の1画素から信号を得るには、まず、電荷蓄積部に蓄積されていた電荷をリセットドレインに排出してリセットする(時刻T0)。このとき、図示したように、電荷蓄積部内にはリセット動作に伴って発生するノイズ電荷であるリセットノイズN1が蓄積される。リセットが完了すると光電変換膜の露光が開始され、この露光によって発生した電荷Qが接続部から電位障壁を通って電荷蓄積部へと蓄積される(時刻T1)。そして、この露光期間中に電荷蓄積部に蓄積された電荷量に応じた信号が信号読み出し回路から出力される。信号出力後は、時刻T2に示すように再びリセット動作が行われ、電荷蓄積部にはリセットノイズN2が蓄積されて、この状態で次の露光が開始される。
前述したようにΔQに起因する残像を抑制するためには、ΔQを小さくすることが必須である。式1から示されるように、ΔQを小さくするためには暗時信号電流Idarkを大きくすることが必要になる。そこで、本実施形態においては、バイアス電流Ibiasを用いてIdarkを大きくする。具体的には、バイアス電流発生回路を用いて全画素一様にバイアス電流Ibiasが流れるようにすることで、被写体からの光入射のない状態においても、暗時信号電流Idark=I’dark(光電変換膜で暗時に発生する暗時信号電流)+Ibiasとなるため、ΔQを小さくして残像を抑制することができる。以下、このような課題解決手法を実現するための構成について説明する。
図1に示す固体撮像素子は、半導体基板であるp型シリコン基板1(以下、基板1という)と、基板1上方にゲート絶縁膜2及び絶縁層10を介して積層された光電変換素子Pとを備える。
この電荷注入トランジスタは、接続部3と、基板1内の接続部3の右隣に少し離間して設けられたn型不純物層18と、接続部3とn型不純物層18の間の基板1上方にゲート絶縁膜2を介して設けられたゲート電極17とから構成されている。
固体撮像素子30は、行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列された多数の画素303と、画素303からの信号の読み出しを制御するための走査回路301と、各画素303から出力される信号を処理する信号処理部302と、バイアス電流発生回路308と、各部を制御する制御部307とを備える。画素303は、図1に示した構成となっている。
図4に示す撮像装置は、図3に示す固体撮像素子30と、固体撮像素子30の各画素から得られる信号に相関二重サンプリング(CDS)処理を行ってリセットノイズを除去するCDS回路31と、CDS回路31の出力信号をデジタル信号に変換するA/D変換器32と、A/D変換器32から出力されるデジタル信号に所定のデジタル信号処理を施して画像データを生成するデジタル信号処理部33と、デジタル信号処理部33で生成された画像データが記録される記録メディア34と、撮像装置全体を統括制御するシステム制御部36とを備える。尚、固体撮像素子30、CDS回路31、及びA/D変換器32は1チップ(1IC)の中に組み込まれていても良い。
図6は、露光を開始してから信号を読み出すまでの動作を示す図であり、各時刻における基板1内の断面ポテンシャルを示した図である。図7は、第一の電荷蓄積部4の電圧変化と、第二の電荷蓄積部5の電圧変化と、リセットトランジスタのリセットタイミングと、第一の電荷蓄積部4から第二の電荷蓄積部5への電荷転送タイミングとの関係を示した図である。
光電変換層15+接続部3の容量C1=0.2 fF、絶対温度T=300K、電位障壁部7の電荷輸送能力I0=3 x 106 e -/sec.、消灯時に接続部3に流れ込む暗時信号電流Idark =I’dark+Ibias=1 x 104 e -/sec.(このうちI’dark=30e -/sec)とし、点灯時に接続部3に流れ込む信号電流Isig= 3 x 104 e -/sec.と1 x 105 e -/sec.の場合の残像の結果を実施例1、2として図示した。
又、実施例1,2の条件のうち、消灯時に接続部3に流れ込む暗時信号電流Idark =I’dark=30e -/sec.とした場合(即ち、Ibias=0とした場合)の残像の結果を比較例1,2として図示した。
図10は、第二実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図10において図3と同じ構成には同一符号を付してある。
図10に示す固体撮像素子は、図3に示す固体撮像素子30に、バイアス電流ON/OFF制御回路309を追加した構成となっている。尚、この固体撮像素子を搭載する撮像装置の構成は図4に示したものと同じである。
図11は、第二実施形態の撮像装置の静止画撮影時の動作フローを示した図である。
システム制御部36は、静止画撮影モード設定中、撮影準備指示がなされると、自動露出制御(AE)や自動焦点調節(AF)のために固体撮像素子30によって仮撮像を実施し、その仮撮像によって各画素303から出力されてくる信号を取得する(ステップS1)。次に、システム制御部36は、信号が閾値以下の画素303があるか否かを判定する(ステップS2)。信号が閾値以下の画素303がなかった場合、システム制御部36は、制御部37に指示を出し、バイアス電流の各画素303への供給を停止させる(ステップS3)。信号が閾値以下の画素303があった場合、システム制御部36は、制御部37に指示を出し、バイアス電流の各画素303への供給を開始させる(ステップS4)。その後、撮影指示がなされた時点で固体撮像素子30により本撮像を実施し、撮像信号を取得する(ステップS5)。
光電変換層15+接続部3の容量C1=0.5 fF、絶対温度T=300K、電位障壁部7の電荷輸送能力I0=3 x 106 e -/sec.、消灯時に接続部3に流れ込む暗時信号電流Idark =I’dark+Ibias=1 x 104 e -/sec.(このうちI’dark=30e -/sec)とし、点灯時に接続部3に流れ込む信号電流Isig= 3 x 104 e -/sec.と1 x 105 e -/sec.の場合の残像の結果を実施例3、4として図示した。
又、実施例3,4の条件のうち、消灯時に接続部3に流れ込む暗時信号電流Idark =I’dark=30e -/sec.とした場合(即ち、Ibias=0とした場合)の残像の結果を比較例3,4として図示した。
3 接続部
4 第一の電荷蓄積部
7 電位障壁部
14 下部電極
15 光電変換層
16 上部電極
P 光電変換素子
30 固体撮像素子
Claims (10)
- 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む固体撮像素子であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記一対の電極の一方と電気的に接続される接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、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、
前記接続部に一定量の電荷を供給する電荷供給手段を備える固体撮像素子。 - 請求項1記載の固体撮像素子であって、
前記電荷供給手段が、各画素に設けられ、前記画素の前記接続部を半導体領域とする第一のトランジスタと、前記第一のトランジスタのゲートに接続された電流源とから構成されている固体撮像素子。 - 請求項2記載の固体撮像素子であって、
前記電流源が、前記第一のトランジスタとゲートが共通接続され、前記第一のトランジスタと共にカレントミラー回路を形成する第二のトランジスタと、前記第二のトランジスタに所定の電流を供給する定電流源とから構成されている固体撮像素子。 - 請求項1〜3のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記画素から出力される信号量に応じて前記電荷供給手段による前記電荷の供給の実施及び停止を切り替え制御する制御手段を備える固体撮像素子。 - 請求項1〜4のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記電荷供給手段が1フレーム期間に供給する電荷量が、前記第一の電荷蓄積部の容量の1%以上である固体撮像素子。 - 請求項1〜5のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記電荷供給手段が1フレーム期間に供給する電荷量が、前記第一の電荷蓄積部の容量の30%以下である固体撮像素子。 - 請求項1〜6のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記信号出力回路を構成する出力トランジスタのゲートに接続された埋め込み型の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電荷転送手段とを備える固体撮像素子。 - 請求項7記載の固体撮像素子であって、
前記第一の電荷蓄積部が埋め込み型の蓄積部である固体撮像素子。 - 請求項1〜8のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換層が有機材料で構成されている固体撮像素子。 - 請求項1〜9のいずれか1項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
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