JP5532737B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
本発明に係る固体撮像素子は、光を電荷に変換する第1光電変換部と、光を電荷に変換する前記第1光電変換部と異なる第2光電変換部と、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と前記第1光電変換部で光電変換された電荷を前記第1光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する第1電荷転送動作を行う第1電荷転送部と、前記第2光電変換部で光電変換された電荷を前記第2光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する第2電荷転送動作を行う第2電荷転送部と、前記第1電荷転送部の前記第1電荷転送動作と前記第2電荷転送部の前記第2電荷転送動作とを制御する制御部と、を備え、前記第1電荷転送部は、前記第1光電変換部に隣接する第1チャネル領域を形成する第1ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第1チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第2チャネル領域を形成する第2ゲート電極とを有し、前記第2電荷転送部は、前記第2光電変換部に隣接する第3チャネル領域を形成する第3ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第3チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第4チャネル領域を形成する第4ゲート電極とを有し、前記制御部は、前記第1電荷転送部により前記第1電荷転送動作を行う場合、前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第1ゲート電極を前記第2ゲート電極より先にオフ状態にするとともに前記第2電荷転送部により前記第2電荷転送動作を行う場合、前記第3ゲート電極及び前記第4ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第3ゲート電極を前記第4ゲート電極より先にオフ状態にすることを特徴とする。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る固体撮像素子101の構成を示す回路図である。図1では、分かり易いように、行方向2画素,列方向2画素の4×4画素で構成されるCMOS型の固体撮像素子を描いてあるが、実際には行方向および列方向にそれぞれ数百から千画素単位の画素が配置される。
前者の場合、フォトダイオードPD11に蓄積される電荷を多くするには露光面積を大きくする必要があるが、固体撮像素子の高画素化と低価格化を追求して益々小型化が進む中での実現は難しい。このため、フォトダイオードPD11に蓄積された電荷をできるだけ効率よくフローティング拡散部FD11に転送する必要がある。一方、後者の場合、フローティング拡散部FD11の容量CFDを小さくするには、フローティング拡散部FD11の領域の面積をできるだけ小さくする必要がある。ところが、転送トランジスタTrX11のソース側を構成するフローティング拡散部FD11の面積が小さくなると、狭チャネル効果によって転送トランジスタTrX11がオンしにくくなり、フォトダイオードPD11に蓄積された電荷をフローティング拡散部FD11に効率よく転送することができなくなる。そして、フォトダイオードPD11からフローティング拡散部FD11への電荷の転送効率が下がると、フォトダイオードPD11側に電荷の読み残しが生じるため、(式1)の電荷Qsigが小さくなる。この結果、光信号電圧Vsigも小さくなり、固体撮像素子101のSN比が低くなるという問題が生じる。
(第2の実施形態)
次に、複数の画素に共通のフローティング拡散部を設ける場合の固体撮像素子101aの実施形態について説明する。図7は、第2の実施形態に係る固体撮像素子101aの構成を示す回路図である。図1で説明した第1の実施形態に係る固体撮像素子101と同様に、図7では行方向2画素,列方向2画素の4×4画素で構成されるCMOS型の固体撮像素子を描いてあるが、実際には行方向および列方向にそれぞれ数百から千画素単位の画素が配置される。尚、図7において、垂直信号線(VLINE(1),VLINE(2))と、負荷電流源(PW(1),PW(2))と、信号蓄積部(Sg(1),Sg(2))と、水平走査回路103と、出力アンプDAMPは、図1の固体撮像素子101の場合と同様に動作する。
PD11,PD12,PD21,PD22・・・フォトダイオード、
FD11,FD12,FD21,FD22・・・フローティング拡散部、
TrX11,TrX12,TrX21,TrX22・・・転送トランジスタ、
g11a,g12a,g21a,g22a・・・第1ゲート電極、
g11b,g12b,g21b,g22b・・・第2ゲート電極
Claims (14)
- 光を電荷に変換する光電変換部と、
電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記光電変換部で光電変換された電荷を前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する電荷転送動作を行う電荷転送部と、
前記電荷転送部の前記電荷転送動作を制御する制御部と、を備え、
前記電荷転送部は、前記光電変換部に隣接する第1チャネル領域を形成する第1ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第1チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第2チャネル領域を形成する第2ゲート電極とを有し、
前記制御部は、前記電荷転送部により前記電荷転送動作を行う場合、前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第1ゲート電極を前記第2ゲート電極より先にオフ状態にする
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1に記載の固体撮像素子において、
前記制御部は、前記第1ゲート電極をオン状態にしている期間が前記第2ゲート電極をオン状態にしている期間の1/3〜2/3になるように前記電荷転送部の前記電荷転送動作を制御する
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1又は請求項2に記載の固体撮像素子において、
前記第1チャネル領域のチャネル長は、前記第2チャネル領域のチャネル長より短いことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第1チャネル領域は、一定の長さのチャネル幅を有することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第2チャネル領域のチャネル幅は、電荷の転送方向に沿って前記光電変換部側より前記電荷電圧変換部側の方が狭い
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第1ゲート電極の一部は、前記第2ゲート電極の上に配置されることを特徴とする固体撮像素子。 - 光を電荷に変換する第1光電変換部と、
光を電荷に変換する前記第1光電変換部と異なる第2光電変換部と、
電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と
前記第1光電変換部で光電変換された電荷を前記第1光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する第1電荷転送動作を行う第1電荷転送部と、
前記第2光電変換部で光電変換された電荷を前記第2光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する第2電荷転送動作を行う第2電荷転送部と、
前記第1電荷転送部の前記第1電荷転送動作と前記第2電荷転送部の前記第2電荷転送動作とを制御する制御部と、を備え、
前記第1電荷転送部は、前記第1光電変換部に隣接する第1チャネル領域を形成する第1ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第1チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第2チャネル領域を形成する第2ゲート電極とを有し、
前記第2電荷転送部は、前記第2光電変換部に隣接する第3チャネル領域を形成する第3ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第3チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第4チャネル領域を形成する第4ゲート電極とを有し、
前記制御部は、前記第1電荷転送部により前記第1電荷転送動作を行う場合、前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第1ゲート電極を前記第2ゲート電極より先にオフ状態にするとともに前記第2電荷転送部により前記第2電荷転送動作を行う場合、前記第3ゲート電極及び前記第4ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第3ゲート電極を前記第4ゲート電極より先にオフ状態にする
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項7に記載の固体撮像素子において、
前記第2ゲート電極及び前記第4ゲート電極は、同一のゲート電極である
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項7又は請求項8に記載の固体撮像素子において、
前記第1光電変換部、前記第2光電変換部、前記第1電荷転送部及び前記第2電荷転送部は、第1方向に沿って前記第1光電変換部、前記第1電荷転送部、前記第2電荷転送部及び前記第2光電変換部の順に配置されている
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記制御部は、前記第1ゲート電極をオン状態にしている期間が前記第2ゲート電極をオン状態にしている期間の1/3〜2/3になるように前記第1電荷転送部の前記第1電荷転送動作を制御するとともに前記第3ゲート電極をオン状態にしている期間が前記第4ゲート電極をオン状態にしている期間の1/3〜2/3になるように前記第2電荷転送部の前記第2電荷転送動作を制御する
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項7から請求項10のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第1チャネル領域のチャネル長は、前記第2チャネル領域のチャネル長より短く、
前記第3チャネル領域のチャネル長は、前記第4チャネル領域のチャネル長より短い
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項7から請求項11のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第1チャネル領域は、一定の長さのチャネル幅を有し、
前記第3チャネル領域は、一定の長さのチャネル幅を有する
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項7から請求項12のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第2チャネル領域のチャネル幅は、電荷の転送方向に沿って前記第1光電変換部側より前記電荷電圧変換部側の方が狭く、
前記第4チャネル領域のチャネル幅は、電荷の転送方向に沿って前記第2光電変換部側より前記電荷電圧変換部側の方が狭い
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項7から請求項12のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第1ゲート電極の一部は、前記第2ゲート電極の上に配置され、
前記第3ゲート電極の一部は、前記第4ゲート電極の上に配置される
ことを特徴とする固体撮像素子。
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