JP6922905B2 - 固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法 - Google Patents

固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法 Download PDF

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Description

本技術は、固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法に関する。詳しくは、複数列で1つのADC(Analog to Digital Converter)を共有する固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法に関する。
従来より、固体撮像素子においては、ADCを列ごとに配置するカラムADC方式が広く用いられている。このカラムADC方式では、画素の微細化を進めるに従って、ADCを列ごとに配置することが困難となる。この対策のため、例えば、3列ごとにADCを配置し、隣接する3列で1つのADCを共有する固体撮像素子が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2013−232717号公報
上述の従来技術では、3列を順に選択して画素信号をADCに出力させるために、選択信号を伝送する選択線を行ごとに3本配線している。しかしながら、行ごとに選択線を3本配線する構成では、選択線を行ごとに1本配線する場合と比較して画素アレイ内の配線数が増大してしまうという問題がある。画素アレイにおいて配線数が増大すると、画素の微細化が困難となるおそれがあるため、配線数を削減することが望ましい。
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、複数列で1つのADCを共有する固体撮像素子において画素アレイ内の配線数を削減することを目的とする。
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第1の側面は、所定の方向に垂直な方向に配線された複数の電源線のいずれかに各々が接続された複数の画素回路と、上記複数の画素回路のうち上記所定の方向において隣接する所定数の画素回路に共通に接続された信号線を介して出力された画素信号を処理する信号処理部と、上記複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路を開閉する電源経路開閉部と、上記複数の電源線のそれぞれと上記信号線との間の経路を開閉する信号経路開閉部とを具備する固体撮像素子、および、その制御方法である。これにより、複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路と、複数の電源線のそれぞれと信号線との間の経路とが個別に開閉されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記所定の方向に配列された上記画素回路を駆動して上記画素信号を出力させる処理と上記所定数の画素回路のいずれかを順に選択する処理とを行う走査回路をさらに具備してもよい。これにより、所定の方向に配列された画素が駆動し、所定数の画素回路のいずれかが順に選択されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記電源経路開閉部は、上記複数の電源線のうち上記選択された画素回路に接続された電源線と上記電源との間の経路を閉状態に制御し、上記信号経路開閉部は、上記複数の電源線のうち上記選択された画素回路に接続された電源線と上記信号線との間の経路を開状態に制御してもよい。これにより、選択された画素回路に接続された電源線と電源との間の経路が閉状態となり、選択された画素回路に接続された電源線と信号線との間の経路が開状態となるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記複数の電源線と上記複数の画素回路と上記信号線とは、所定の半導体基板に配置され、上記信号処理部は、上記所定の半導体基板に積層された半導体基板に配置されてもよい。これにより、積層された半導体基板において画素信号が処理されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記電源経路開閉部および上記信号経路開閉部は、上記積層された半導体基板に配置されてもよい。これにより、積層された半導体基板において、複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路と、複数の電源線のそれぞれと信号線との間の経路とが個別に開閉されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記電源経路開閉部および上記信号経路開閉部は、上記所定の半導体基板に配置されてもよい。これにより、積層された半導体基板において、複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路と、複数の電源線のそれぞれと信号線との間の経路とが個別に開閉されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記複数の画素回路のうち隣接する一定数の画素回路は、浮遊拡散層を共有し、上記浮遊拡散層は、光電変換された電荷を蓄積して当該電荷の量に応じた電圧を生成し、上記画素信号は、上記電圧に応じた信号であってもよい。これにより、浮遊拡散層が共有された画素回路により画素信号が生成されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記複数の画素回路は、光を電荷に変換する光電変換素子と、上記電荷を蓄積して当該電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層と、上記浮遊拡散層に蓄積された上記電荷の量を初期化するリセットトランジスタと、上記電圧に応じた信号を上記画素信号として出力する増幅トランジスタとを備え、上記増幅トランジスタは、上記電源に接続され、上記リセットトランジスタは上記電源と異なるリセット電源に接続されてもよい。これにより、リセット電源が別途に設けられた画素回路により画素信号が生成されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記信号処理部は、上記画素信号に対してアナログデジタル変換を行ってもよい。これにより、画像信号がデジタル信号に変換されるという作用をもたらす。
また、本技術の第2の側面は、所定の方向に垂直な方向に配線された複数の電源線のいずれかに各々が接続された複数の画素回路と、上記複数の画素回路のうち上記所定の方向において隣接する所定数の画素回路に共通に接続された信号線を介して出力された画素信号を処理する信号処理部と、上記複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路を開閉する電源経路開閉部と、上記複数の電源線のそれぞれと上記信号線との間の経路を開閉する信号経路開閉部と、上記処理された画素信号から生成された画像データを記録する記録部とを具備する撮像装置である。これにより、複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路と、複数の電源線のそれぞれと信号線との間の経路とが個別に開閉され、画像データが記録されるという作用をもたらす。
本技術によれば、複数列で1つのADCを共有する固体撮像素子において画素アレイ内の配線数を削減することができるという優れた効果を奏し得る。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術の第1の実施の形態における撮像装置の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第1の実施の形態における固体撮像素子の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第1の実施の形態における画素アレイ部の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第1の実施の形態における列選択部およびAD(Analog to Digital)変換部の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第1の実施の形態における画素回路および列選択回路の一構成例を示す回路図である。 本技術の第1の実施の形態における配線を追加した画素回路および列選択回路の一構成例を示す回路図である。 本技術の第1の実施の形態におけるアンプ電源と別途にリセット電源を設けた画素回路の一構成例を示す回路図である。 本技術の第1の実施の形態における列選択回路の一構成例を示す回路図である。 本技術の第1の実施の形態におけるレイアウトを変更した画素回路および列選択回路の一構成例を示す回路図である。 本技術の第1の実施の形態における奇数列を選択した際の列選択回路の状態の一例を示す図である。 本技術の第1の実施の形態における走査回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第1の実施の形態における固体撮像素子の動作の一例を示すフローチャートである。 本技術の第2の実施の形態における固体撮像素子の斜視図の一例である。 本技術の第2の実施の形態における画素ユニットおよび回路ブロックの一構成例を示すブロック図である。 本技術の第3の実施の形態における画素回路および列選択回路の一構成例を示す回路図である。 本技術の第3の実施の形態における垂直走査回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。
以下、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態と称する)について説明する。説明は以下の順序により行う。
1.第1の実施の形態(電源経路と信号経路とを開閉する例)
2.第2の実施の形態(積層構造の固体撮像素子において電源経路と信号経路とを開閉する例)
3.第3の実施の形態(浮遊拡散層を2画素で共有し、電源経路と信号経路とを開閉する例)
<1.第1の実施の形態>
[撮像装置の構成例]
図1は、第1の実施の形態における撮像装置100の一構成例を示すブロック図である。この撮像装置100は、画像データを撮像する装置であり、撮像レンズ110、固体撮像素子200、画像処理部120、撮像制御部130および記録部140を備える。撮像装置100としては、アクションカムや車載カメラなどが想定される。
撮像レンズ110は、光を集光して固体撮像素子200に導くものである。固体撮像素子200は、撮像制御部130の制御に従って画像データを生成するものである。この固体撮像素子200は、画像データを信号線209を介して画像処理部120に供給する。
画像処理部120は、画像データに対して、デモザイク処理やホワイトバランス処理などの様々な画像処理を実行するものである。この画像処理部120は、画像処理後の画像データを記録部140に信号線129を介して供給する。記録部140は、画像データを記録するものである。なお、画像処理部120を固体撮像素子200の外部に配置しているが、内部に配置してもよい。
撮像制御部130は、撮像装置100全体を制御するものである。この撮像制御部130は、撮像タイミングを示す垂直同期信号などを信号線139を介して固体撮像素子200に供給する。
なお、撮像レンズ110、固体撮像素子200、画像処理部120、撮像制御部130および記録部140を同一の装置に配置しているが、これらを複数の装置に分散して配置することもできる。例えば、撮像レンズ110をレンズユニットに配置し、固体撮像素子200などを撮像装置100に配置し、画像処理部120などを情報処理装置に配置してもよい。
[固体撮像素子の構成例]
図2は、第1の実施の形態における固体撮像素子200の一構成例を示すブロック図である。この固体撮像素子200は、走査回路210、画素アレイ部220、列選択部240、タイミング制御部260、AD変換部270および転送制御回路280を備える。また、固体撮像素子200内の回路のそれぞれは、単一の半導体基板に設けられている。
また、画素アレイ部220には、二次元格子状に複数の画素回路が設けられる。以下、所定の方向(水平方向など)に配列された画素回路の集合を「行」と称し、行に垂直な方向に配列された画素回路の集合を「列」と称する。
走査回路210は、画素回路を駆動して画素信号を出力させるものである。この走査回路210は、読み出す対象の画素回路が属する行を選択して、その行を示す行選択信号を画素アレイ部220に供給する。また、走査回路210は、読み出す対象の画素回路が属する列を選択して、その列を示す列選択信号を列選択部240に供給する。
列選択部240は、全ての列のうち列選択信号の示す列からのアナログの画素信号をAD変換部270に供給するものである。
タイミング制御部260は、走査回路210、AD変換部270および転送制御回路280のそれぞれが動作するタイミングを制御するものである。AD変換部270は、列選択部240からの画素信号に対してAD変換を行って画素データを生成するものである。転送制御回路280は、AD変換部270を制御して画素データを画像処理部120に転送させるものである。
[画素アレイ部の構成例]
図3は、第1の実施の形態における画素アレイ部220の一構成例を示すブロック図である。この画素アレイ部220には、二次元格子状に画素回路230が配列される。画素アレイ部220内の行数をN(Nは2以上の整数)とし、列数をM(Mは2以上の整数)とする。また、水平方向に沿って行ごとに4本の水平信号線が配線され、垂直方向に沿って列ごとに1本の電源線229−mv(mは0乃至M−1の整数)が配線される。行に対応する4本の水平信号線のうち1本は、リセット信号を伝送するリセット線であり、2本は転送信号を伝送する転送線であり、残りの1本は行選択信号を伝送する選択線である。リセット信号および転送信号の詳細については後述する。また、偶数列のそれぞれには、垂直方向に1本の垂直信号線229−msが配線される。
また、n(nは0乃至N−1の整数)行に対応するリセット信号をRSTnとし、n行に対応する行選択信号をSELYnとする。また、N×2の画素回路230からなるブロックにおいて0行目の左側の画素回路230には転送信号TRG00が供給され、0行目の右側の画素回路230には転送信号TRG01が供給される。そのブロックにおいて1行目の左側の画素回路230には転送信号TRG10が供給され、1行目の右側の画素回路230には転送信号TRG11が供給される。さらにその下の2行目の左側はTRG20、右側はTRG23となり、順番に行番号が変化する。転送信号TRGの数はブロックの列数に依存し、N×2の場合は行ごとにTRGn0およびTRGn1となり、N×3の場合は行ごとにTRGn0、TRGn1およびTRGn2となる。
図4は、第1の実施の形態における列選択部240およびAD変換部270の一構成例を示すブロック図である。列選択部240は、垂直信号線229−msの本数と同一個数の列選択回路250を備える。前述したように垂直信号線229−msは、偶数列にのみ配線されるため、列選択回路250の個数は、列数の合計の1/2である。列選択回路250は、互いに異なる垂直信号線229−msに接続される。また、列選択部240は、奇数列および偶数列のうち列選択信号の示す方からの画素信号をAD変換部270に供給する。
AD変換部270は、垂直信号線229−msの本数と同一個数のAD変換器271を備える。前述したように垂直信号線229−msは、偶数列にのみ配線されるため、AD変換器271の個数は、列数の合計の1/2である。なお、隣接する3列以上のS列で1つのAD変換器271を共有する場合には、AD変換器271の個数は、列数の合計の1/Sである。
AD変換器271は、互いに異なる列選択回路250に接続される。このAD変換器271は、接続された列選択回路250からアナログの画素信号を受け取り、タイミング制御部260からのクロック信号CLKに同期して画素信号をデジタルの画素データに変換する。そして、AD変換器271は、転送制御回路280の制御に従って画素データを画像処理部120に転送する。
なお、AD変換器271は、AD変換のみを行っているが、信号処理であれば、AD変換に限定されず、他の処理を行ってもよい。例えば、AD変換器271は、CDS(Correlated Double Sampling)処理をさらに行ってもよい。なお、AD変換器271は、特許請求の範囲に記載の信号処理部の一例である。
[画素回路および列選択回路の構成例]
図5は、第1の実施の形態における画素回路230および列選択回路250の一構成例を示す回路図である。画素回路230は、光電変換素子231、転送トランジスタ232、リセットトランジスタ233、増幅トランジスタ234および選択トランジスタ235を備える。また、列選択回路250は、スイッチ251、252、253および254を備える。転送トランジスタ232、リセットトランジスタ233、増幅トランジスタ234および選択トランジスタ235として、例えば、N型のMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタが用いられる。
光電変換素子231は、入射光を光電変換して電荷を生成するものである。転送トランジスタ232は、走査回路210からの転送信号に従って、電荷を光電変換素子231から浮遊拡散層(不図示)へ転送するものである。ここで、転送信号は、電荷の転送を指示する信号である。また、画素アレイ部220は、N×2の画素回路230からなる画素ブロックの単位で分割される。この画素ブロックにおいて0行目の左側の画素回路230には、転送信号TRG00が供給され、0行目の右側の画素回路230には転送信号TRG01が供給される。また、画素ブロック内の1行目の左側の画素回路230には転送信号TRG10が供給され、1行目の右側の画素回路230には転送信号TRG11が供給される。以下、同様に、n行目の左側の画素回路230には転送信号TRGn0が供給され、n行目の右側の画素回路230には転送信号TRGn1が供給される。
リセットトランジスタ233は、走査回路210からのリセット信号RSTnに従って浮遊拡散層の電荷量を初期化するものである。ここで、リセット信号RSTnは、n行目の浮遊拡散層に蓄積された電荷量の初期化を指示する信号である。また、浮遊拡散層は、電荷を蓄積して、電荷量に応じた電圧を生成する。
増幅トランジスタ234は、浮遊拡散層の電圧を増幅するものである。この増幅トランジスタ234は、浮遊拡散層の電圧に応じた信号を画素信号として選択トランジスタ235に出力する。また、m列目の増幅トランジスタ234およびリセットトランジスタ233は、電源線229−mvに接続される。これにより、増幅トランジスタ234に供給される電源は、浮遊拡散層を初期化するためのリセット電源としても用いられる。
選択トランジスタ235は、行選択信号SELYnに従って、画素信号を垂直信号線229−msに出力するものである。また、奇数列の選択トランジスタ235と、偶数列の選択トランジスタ235とは、偶数列の垂直信号線229−msに共通に接続される。
スイッチ251は、走査回路210からの列選択信号SELXmに従って、奇数列の電源線229−mv(229−0vなど)と電源電圧VDDの電源との間の経路を開閉するものである。例えば、列選択信号SELYmがハイレベルである場合に、スイッチ251は閉状態に移行し、ローレベルである場合に開状態に移行する。
スイッチ252は、走査回路210からの列選択信号XSELXmに従って、奇数列の電源線229−mv(229−0vなど)と垂直信号線229−ms(229−1sなど)との間の経路を開閉するものである。ここで、列選択信号XSELXmは、列選択信号SELXmを反転した信号である。例えば、列選択信号XSELXmがハイレベルである場合に、スイッチ252は閉状態に移行し、ローレベルである場合に開状態に移行する。
スイッチ253は、走査回路210からの列選択信号SELXmに従って、偶数列の電源線229−mv(229−1vなど)と電源電圧VDDの電源との間の経路を開閉するものである。スイッチ254は、走査回路210からの列選択信号XSELXmに従って、偶数列の電源線229−mv(229−1vなど)と垂直信号線229−ms(229−1sなど)との間の経路を開閉するものである。
なお、スイッチ251および253は、特許請求の範囲に記載の電源経路開閉部の一例である。また、スイッチ252および254は、特許請求の範囲に記載の信号経路開閉部の一例である。また、垂直信号線229−msは、特許請求の範囲に記載の信号線の一例である。
上述の構成により、1つのAD変換器271は、垂直信号線229−msを介して、隣接する2列に共通に接続される。走査回路210は、行選択信号SELYnおよび列選択信号SELXmにより、画素回路230を個別に駆動することができる。例えば、走査回路210は、ハイレベルの行選択信号SELYnとハイレベルの列選択信号SELXmとを供給することにより、n行m列の画素回路230を駆動することができる。
ここで、隣接する2列でAD変換器271を共有し、選択線を行ごとに2本配線して、走査回路210が列を順に選択する比較例を想定する。この比較例においても画素回路230を個別に駆動することができるが、行ごとに選択線を2本配線するため、配線数が膨大となる。
これに対して、固体撮像素子200では、スイッチ251乃至254の制御により列を選択することができるため、選択線は行ごとに1本しか要しない。したがって、比較例と比較して画素アレイ部220内の配線数を削減することができる。なお、スイッチ251乃至254と、それらに配線する選択線とをさらに設ける必要があるが、これらは、画素アレイ部220の外部に配線されるため、画素アレイ部220内の配線数に影響を与えることは無い。
また、固体撮像素子230では、垂直信号線229−msを2列で共有するため、列ごとに垂直信号線を配線する場合と比較して、信号線の配線数を削減し、レイアウトの自由度を高くすることができる。
なお、隣接する2列で1つのAD変換器271を共有しているが、隣接する3列以上で1つのAD変換器271を共有してもよい。
また、図5では、記載の便宜上、列選択信号SELXmおよびXSELXmを伝送する信号線を水平方向に配線したものとしている。しかし、これらの信号線を水平方向に配線すると、配線律速等により配線数が制限される場合がある。このため、列選択信号SELXmおよびXSELXmを伝送する信号線は、垂直方向に配線することが望ましい。
図6は、第1の実施の形態における配線を追加した画素回路および列選択回路の一構成例を示す回路図である。同図に例示するように、奇数列に垂直信号線229−ms(229−0sなど)をさらに追加してもよい。この場合には、奇数列の画素回路230の選択トランジスタ235は、その列の垂直信号線229−msに共通に接続される。また、奇数列の垂直信号線は、隣接する偶数列の垂直信号線に、画素アレイ部220内で接続される。なお、奇数列の垂直信号線と、偶数列の垂直信号線とを画素アレイ部220内で接続せずに、画素アレイ部220の外部(列選択回路250の近傍など)まで引き出して接続してもよい。
図7は、第1の実施の形態におけるアンプ電源と別途にリセット電源を設けた画素回路230の一構成例を示す回路図である。図5では、増幅トランジスタ234への電源(アンプ電源)を、浮遊拡散層を初期化するためのリセット電源としても用いていたが、図7に例示するようにアンプ電源と別途にリセット電源を設けてもよい。例えば、アンプ電源は電圧VDD1を供給し、リセット電源は電源電圧VDD2を供給する。そして、リセットトランジスタ233は、リセット電源(VDD2)に接続され、増幅トランジスタ234は、電源線229−mvを介してアンプ電源(VDD1)に接続される。
図8は、第1の実施の形態における列選択回路250の一構成例を示す回路図である。例えば、N型のMOSトランジスタ255、256、257及び258が、スイッチ251、252、253および254として用いられる。
なお、N型の代わりにP型のMOSトランジスタを用いてもよい。P型を用いる場合は、列選択信号においてハイレベルとローレベルとを逆にすればよい。また、N型とP型とを混在して配置してもよい。例えば、スイッチ251および253をN型とし、スイッチ252および254をP型としてもよい。この場合には、これらのスイッチに共通に、列選択信号SELXmが入力される。
図9は、第1の実施の形態におけるレイアウトを変更した画素回路230および列選択回路250の一構成例を示す回路図である。スイッチ251は、例えば、列選択信号SELX0に従って電源線229−0vと電源との間の経路を開閉する。また、スイッチ253は、例えば、列選択信号SELX1に従って電源線229−1vと電源との間の経路を開閉する。これらのスイッチ251および253により、固体撮像素子200は、電源を供給するか否かを列ごとに制御することができる。
一方、スイッチ252は、例えば、列選択信号XSELX0に従って電源線229−0vと垂直信号線229−1sとの間の経路を開閉する。また、スイッチ254は、例えば、列選択信号XSELX1に従って電源線229−1vと垂直信号線229−1sとの間の経路を開閉する。これらのスイッチ252および254により、固体撮像素子200は、列ごとに、その列に対応する電源線と垂直信号線との間を短絡することができる。
図10は、第1の実施の形態における奇数列を選択した際の列選択回路250の状態の一例を示す図である。走査回路210は、「0」行および「0」列を選択し、「0」行および「1」列を選択しないものとする。
この際に走査回路210は、ハイレベルの行選択信号SELY0を「0」行の画素回路230の全てに供給する。また、走査回路210は、ハイレベルの列選択信号SELX0をスイッチ251に供給し、ローレベルの列選択信号XSELX0をスイッチ252に供給する。同時に走査回路210は、ローレベルの列選択信号SELX1をスイッチ253に供給し、ハイレベルの列選択信号XSELX1をスイッチ254に供給する。
これらの選択信号により、スイッチ251および254は閉状態に移行し、スイッチ252および253は、開状態に移行する。また、「0」行および「0」列の選択トランジスタ235は導通状態(オン状態)に移行する。一方、電源線229−1vと垂直信号線229−msとが短絡されるため、「0」行および「1」列の選択トランジスタ235のソース電位とドレイン電位とが同程度となり、非導通状態(オフ状態)となる。したがって、選択された「0」行および「0」列の画素回路230から画素信号が出力される一方で、選択されていない「0」行および「1」列の画素回路230からは画素信号が出力されない。
ここで、仮に、スイッチ251および253のみを設け、短絡を行うためのスイッチ252および254を設けない構成とすると、非選択列の電源線229−1vの電位がフローティング状態となる。また、その非選択列の画素回路230には、ハイレベルの行選択信号SELY0が供給されているため、非選択列の選択トランジスタ235がオン状態となり、非選択列から画素信号が出力されるおそれがある。これに対して、スイッチ252および254を設ける構成では、それらのスイッチにより非選択の選択トランジスタ235のソース電位とドレイン電位とが同程度に制御されるため、非選択列の画素回路230からの画素信号の出力を停止させることができる。
図11は、第1の実施の形態における走査回路210の動作の一例を示すタイミングチャートである。タイミングT0において走査回路210は、リセット信号RST0を供給する。また、走査回路210は、列選択信号SELX0、行選択信号SELY0、および、列選択信号XSELX1をハイレベルにする。そして、タイミングT1において走査回路210は、転送信号TRG00を供給する。これらの制御により、0行0列の画素回路230から画素信号が読み出される。
次にタイミングT2において走査回路210は、リセット信号RST1を供給する。また、走査回路210は、列選択信号SELX1、行選択信号SELY1、および、列選択信号XSELX0をハイレベルにする。そして、タイミングT3において走査回路210は、転送信号TRG11を供給する。これらの制御により、1行1列の画素回路230から画素信号が読み出される。
次にタイミングT4において走査回路210は、リセット信号RST1を供給する。また、走査回路210は、列選択信号SELX0、行選択信号SELY1、および、列選択信号XSELX1をハイレベルにする。そして、タイミングT5において走査回路210は、転送信号TRG10を供給する。これらの制御により、1行0列の画素回路230から画素信号が読み出される。
タイミングT6において走査回路210は、リセット信号RST0を供給する。また、走査回路210は、列選択信号SELX1、行選択信号SELY0、および、列選択信号XSELX0をハイレベルにする。そして、タイミングT7において走査回路210は、転送信号TRG01を供給する。これらの制御により、0行1列の画素回路230から画素信号が読み出される。
なお、固体撮像素子200は、画素アレイ部220内の全画素から画素信号を読み出してもよいし、一部からのみ画素信号を読み出してもよい。例えば、解像度の低い画像データを生成する際には、固体撮像素子200は、行や列を間引いて読み出せばよい。
また、固体撮像素子200は、画素信号を一定の順序で読み出してもよいし、ランダムに読み出してもよい。例えば、観測対象データ(画素データなど)がある表現空間ではスパースであると仮定して、少数の観測データから対象を復元するコンプレッシブセンシングと呼ばれる技術が医療分野などで注目されている。このコンプレッシブセンシングにおいて固体撮像素子200は、全画素の一部(全体の25%など)をランダムに読出し、後段の画像処理部120が、それらの画素データから画像データ全体を復元する。これにより、撮像を高速に行うことができる。
[固体撮像素子の動作例]
図12は、第1の実施の形態における固体撮像素子200の動作の一例を示すフローチャートである。この動作は、例えば、画像を撮像させるための操作(シャッターボタンの押下など)が行われたときに開始される。
走査回路210は、列選択信号SELXmおよび行選択信号SELYnにより、n行m列の画素を選択して画素信号を読み出す(ステップS901)。そして、AD変換部270は、画素信号に対してAD変換を行う(ステップS902)。固体撮像素子200は、読出し対象の画素信号の全ての読出しが完了したか否かを判断する(ステップS903)。ここで、読出し対象の画素は、画素アレイ部220内の全ての画素であってもよいし、それらの一部であってもよい。
読出しが完了していない場合に(ステップS903:No)、固体撮像素子200は、ステップS901以降を繰り返し実行する。一方、読出しが完了した場合に(ステップS903:Yes)、固体撮像素子200は、画像処理(ステップS904)を実行し、撮像のための動作を終了する。
このように、本技術の第1の実施の形態によれば、列選択回路250が、複数の電源線と電源との間の経路と、それらの電源線と垂直信号線との間の経路とを開閉するため、行全体を行選択信号により選択しつつ、選択列にのみ画素信号を出力させることができる。この構成では、行選択信号を伝送する選択線を行ごとに1本配線すればよいため、画素アレイ部220の配線数を削減することができる。
<2.第2の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、1つの半導体基板に固体撮像素子200内の回路(画素アレイ部220や列選択部240など)の全てを配置していたが、一定の光学サイズ(画素アレイ部220)の下で、解像度を向上させるには画素を微細化する必要が生じる。この微細化により、AD変換器の数が増え、AD変換器の面積など、画素以外の回路面積が増加する。つまり半導体基板の面積が増大する。そこで、固体撮像素子200を複数の半導体基板に積層化し、いずれかの基板に画素アレイ部220を配置して、それ以外を別の基板に配置すれば、積層しない場合よりも半導体基板の面積を小さくすることができる。この第2の実施の形態の固体撮像素子200は、半導体基板の面積を小さくするために、固体撮像素子200を積層構造にした点において第1の実施の形態と異なる。
図13は、第2の実施の形態における固体撮像素子200の斜視図の一例である。この第2の実施の形態の固体撮像素子200は、下側半導体基板202と、その基板に積層された上側半導体基板201とを備える。
上側半導体基板201には、二次元格子状に複数の画素ユニット203が配列される。画素ユニット203のそれぞれには、二次元格子状に複数の画素回路230が配列される。
下側半導体基板202には、二次元格子状に、画素ユニット203と同数の回路ブロック204が配置される。画素ユニット203と、回路ブロック204とは、貫通シリコンビア(TSV:Through Silicon Via)やバンプ、あるいはCu−Cu接続などにより、1対1で接続される。
また、下側半導体基板202には、走査回路210、タイミング制御部260、転送制御回路280が配置される。なお、図13において走査回路210、タイミング制御部260、転送制御回路280は省略されている。
図14は、第2の実施の形態における画素ユニット203および回路ブロック204の一構成例を示すブロック図である。画素ユニット203内には、P行×Q列(PおよびQは2以上の整数)の画素回路230が配置される。列のそれぞれには、電源線229−qv(qは、0乃至Q−1の整数)が配線される。また、Q−1列目には、垂直信号線229−(Q−1)sが配線される。この垂直信号線229−(Q−1)sは、画素ユニット203内の全ての画素回路230のそれぞれの選択トランジスタに共通に接続される。第2の実施の形態の画素回路230の構成は、第1の実施の形態と同様である。
回路ブロック204には、列選択回路250とAD変換器271とが配置される。列選択回路250には、列ごとにスイッチ251および252が設けられる。スイッチ251は、列選択信号SELXqに従って電源線229−qvと電源との間の経路を開閉する。また、スイッチ252は、列選択信号XSELXqに従って電源線229−qvと垂直信号線229−(Q−1)sとの間の経路を開閉する。
なお、下側半導体基板202内の回路ブロック204に列選択回路250を配置しているが、この列選択回路250を上側半導体基板201に配置してもよい。また、2つの半導体基板を積層しているが、3つ以上の基板を積層し、固体撮像素子200内の回路をそれらに分散して配置してもよい。
このように、本技術の第2の実施の形態によれば、積層された2つの半導体基板に固体撮像素子200内の回路を分散して配置したため、積層しない場合よりも半導体基板の面積を小さくすることができる。
<3.第3の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、画素回路230ごとに浮遊拡散層やリセットトランジスタ233などを設けていたが、画素の微細化を容易にする観点から、画素あたりの回路規模を削減することが望ましい。この第3の実施の形態の固体撮像素子200は、画素回路230の回路規模を削減した点において第1の実施の形態と異なる。
図15は、第3の実施の形態における画素回路230および列選択回路250の一構成例を示す回路図である。
偶数列の画素回路230は、光電変換素子231、転送トランジスタ232、浮遊拡散層、リセットトランジスタ233、増幅トランジスタ234および選択トランジスタ235を備える。一方、奇数列の画素回路230は、光電変換素子236および転送トランジスタ237のみを備える。これらの隣接する2つの画素回路230は、浮遊拡散層、リセットトランジスタ233、増幅トランジスタ234および選択トランジスタ235を共有する。
N行×2列の浮遊拡散層の0行目の左側を共有する一対の画素を画素00aおよび画素00bとし、0行目の右側を共有する一対の画素を画素01aおよび画素01bとする。また、N行×2列の浮遊拡散層の1行目の左側を共有する一対の画素を画素10aおよび画素10bとし、1行目の右側を共有する一対の画素を画素11aおよび画素11bとする。画素00a、00b、01a、01b、10a、10b、11aおよび11bのそれぞれには、転送信号TRG00a、TRG00b、TRG01a、TRG01b、TRG10a、TRG10b、TRG11aおよびTRG11bが供給される。以下、同様に、n行目に転送信号TRGn0a、TRG00b、TRGn1a、TRGn1bが供給される。
なお、隣接する2つの画素で、浮遊拡散層等を共有しているが、隣接する3つ以上の画素で浮遊拡散層等を共有してもよい。
図16は、第3の実施の形態における垂直走査回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。タイミングT0において走査回路210は、リセット信号RST0を供給する。また、走査回路210は、列選択信号SELX0および行選択信号SELY0をハイレベルにする。列選択信号XSELXmは、省略されている。そして、タイミングT1において走査回路210は、転送信号TRG00aを供給する。これらの制御により、画素00aの画素信号が読み出される。
次にタイミングT2において走査回路210は、リセット信号RST0を供給する。また、走査回路210は、列選択信号SELX0および行選択信号SELY0をハイレベルにする。そして、タイミングT3において走査回路210は、転送信号TRG00bを供給する。これらの制御により、画素00bの画素信号が読み出される。
タイミングT4において走査回路210は、リセット信号RST1を供給する。また、走査回路210は、列選択信号SELX0および行選択信号SELY1をハイレベルにする。そして、タイミングT5において走査回路210は、転送信号TRG10bを供給する。これらの制御により、画素10bの画素信号が読み出される。
次にタイミングT6において走査回路210は、リセット信号RST0を供給する。また、走査回路210は、列選択信号SELX1および行選択信号SELY0をハイレベルにする。そして、タイミングT7において走査回路210は、転送信号TRG01aを供給する。これらの制御により、画素01aの画素信号が読み出される。
このように、本技術の第3の実施の形態によれば、隣接する複数の画素が浮遊拡散層等を共有するため、共有しない場合と比較して、画素回路230の回路規模を小さくすることができる。
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)所定の方向に垂直な方向に配線された複数の電源線のいずれかに各々が接続された複数の画素回路と、
前記複数の画素回路のうち前記所定の方向において隣接する所定数の画素回路に共通に接続された信号線を介して出力された画素信号を処理する信号処理部と、
前記複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路を開閉する電源経路開閉部と、
前記複数の電源線のそれぞれと前記信号線との間の経路を開閉する信号経路開閉部と
を具備する固体撮像素子。
(2)前記所定の方向に配列された前記画素回路を駆動して前記画素信号を出力させる処理と前記所定数の画素回路のいずれかを順に選択する処理とを行う走査回路をさらに具備する
前記(1)記載の固体撮像素子。
(3)前記電源経路開閉部は、前記複数の電源線のうち前記選択された画素回路に接続された電源線と前記電源との間の経路を閉状態に制御し、
前記信号経路開閉部は、前記複数の電源線のうち前記選択された画素回路に接続された電源線と前記信号線との間の経路を開状態に制御する
前記(2)記載の固体撮像素子。
(4)前記複数の電源線と前記複数の画素回路と前記信号線とは、所定の半導体基板に配置され、
前記信号処理部は、前記所定の半導体基板に積層された半導体基板に配置される
前記(1)から(3)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(5)前記電源経路開閉部および前記信号経路開閉部は、前記積層された半導体基板に配置される
前記(4)記載の固体撮像素子。
(6)前記電源経路開閉部および前記信号経路開閉部は、前記所定の半導体基板に配置される
前記(4)記載の固体撮像素子。
(7)前記複数の画素回路のうち隣接する一定数の画素回路は、浮遊拡散層を共有し、
前記浮遊拡散層は、光電変換された電荷を蓄積して当該電荷の量に応じた電圧を生成し、
前記画素信号は、前記電圧に応じた信号である
前記(1)から(6)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)前記複数の画素回路は、
光を電荷に変換する光電変換素子と、
前記電荷を蓄積して当該電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層と、
前記浮遊拡散層に蓄積された前記電荷の量を初期化するリセットトランジスタと、
前記電圧に応じた信号を前記画素信号として出力する増幅トランジスタと
を備え、
前記増幅トランジスタは、前記電源に接続され、前記リセットトランジスタは前記電源と異なるリセット電源に接続される
前記(1)から(7)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(9)前記信号処理部は、前記画素信号に対してアナログデジタル変換を行う
前記(1)から(8)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(10)所定の方向に垂直な方向に配線された複数の電源線のいずれかに各々が接続された複数の画素回路と、
前記複数の画素回路のうち前記所定の方向において隣接する所定数の画素回路に共通に接続された信号線を介して出力された画素信号を処理する信号処理部と、
前記複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路を開閉する電源経路開閉部と、
前記複数の電源線のそれぞれと前記信号線との間の経路を開閉する信号経路開閉部と、
前記処理された画素信号から生成された画像データを記録する記録部と
を具備する撮像装置。
(11)所定の方向に垂直な方向に配線された複数の電源線のいずれかに各々が接続された複数の画素回路のうち前記所定の方向において隣接する所定数の画素回路に共通に接続された信号線を介して出力された画素信号を処理する信号処理手順と、
前記複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路を開閉する電源経路開閉手順と、
前記複数の電源線のそれぞれと前記信号線との間の経路を開閉する信号経路開閉手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。
100 撮像装置
110 撮像レンズ
120 画像処理部
130 撮像制御部
140 記録部
200 固体撮像素子
201 上側半導体基板
202 下側半導体基板
203 画素ユニット
204 回路ブロック
210 走査回路
220 画素アレイ部
230 画素回路
231、236 光電変換素子
232、237 転送トランジスタ
233 リセットトランジスタ
234 増幅トランジスタ
235 選択トランジスタ
240 列選択部
250 列選択回路
251、252、253、254 スイッチ
255、256、257、258 MOSトランジスタ
260 タイミング制御部
270 AD変換部
271 AD変換器
280 転送制御回路

Claims (11)

  1. 所定の方向に垂直な方向に配線された複数の電源線のいずれかに各々が接続された複数の画素回路と、
    前記複数の画素回路のうち前記所定の方向において隣接する所定数の画素回路に共通に接続された垂直信号線を介して出力された画素信号を処理する信号処理部と、
    前記複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路を開閉する電源経路開閉部と、
    前記複数の電源線のそれぞれと前記垂直信号線との間の経路を開閉する信号経路開閉部と
    を具備し、
    前記所定数は、少なくとも2つであり、
    前記垂直信号線は、前記所定数の画素回路ごとに前記垂直な方向に配線され、
    前記電源経路開閉部および前記信号経路開閉部は、前記所定数の画素回路ごとに配置される
    固体撮像素子。
  2. 前記所定の方向に配列された前記画素回路を駆動して前記画素信号を出力させる処理と前記所定数の画素回路のいずれかを順に選択する処理とを行う走査回路をさらに具備する
    請求項1記載の固体撮像素子。
  3. 前記電源経路開閉部は、前記複数の電源線のうち前記選択された画素回路に接続された電源線と前記電源との間の経路を閉状態に制御し、
    前記信号経路開閉部は、前記複数の電源線のうち前記選択された画素回路に接続された電源線と前記垂直信号線との間の経路を開状態に制御する
    請求項2記載の固体撮像素子。
  4. 前記複数の電源線と前記複数の画素回路と前記垂直信号線とは、所定の半導体基板に配置され、
    前記信号処理部は、前記所定の半導体基板に積層された半導体基板に配置される
    請求項1記載の固体撮像素子。
  5. 前記電源経路開閉部および前記信号経路開閉部は、前記積層された半導体基板に配置される
    請求項4記載の固体撮像素子。
  6. 前記電源経路開閉部および前記信号経路開閉部は、前記所定の半導体基板に配置される
    請求項4記載の固体撮像素子。
  7. 前記複数の画素回路のうち隣接する一定数の画素回路は、浮遊拡散層を共有し、
    前記浮遊拡散層は、光電変換された電荷を蓄積して当該電荷の量に応じた電圧を生成し、
    前記画素信号は、前記電圧に応じた信号である
    請求項1記載の固体撮像素子。
  8. 前記複数の画素回路は、
    光を電荷に変換する光電変換素子と、
    前記電荷を蓄積して当該電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層と、
    前記浮遊拡散層に蓄積された前記電荷の量を初期化するリセットトランジスタと、
    前記電圧に応じた信号を前記画素信号として出力する増幅トランジスタと
    を備え、
    前記増幅トランジスタは、前記電源に接続され、前記リセットトランジスタは前記電源と異なるリセット電源に接続される
    請求項1記載の固体撮像素子。
  9. 前記信号処理部は、前記画素信号に対してアナログデジタル変換を行う
    請求項1記載の固体撮像素子。
  10. 所定の方向に垂直な方向に配線された複数の電源線のいずれかに各々が接続された複数の画素回路と、
    前記複数の画素回路のうち前記所定の方向において隣接する所定数の画素回路に共通に接続された垂直信号線を介して出力された画素信号を処理する信号処理部と、
    前記複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路を開閉する電源経路開閉部と、
    前記複数の電源線のそれぞれと前記垂直信号線との間の経路を開閉する信号経路開閉部と、
    前記処理された画素信号から生成された画像データを記録する記録部と
    を具備し、
    前記所定数は、少なくとも2つであり、
    前記垂直信号線は、前記所定数の画素回路ごとに前記垂直な方向に配線され、
    前記電源経路開閉部および前記信号経路開閉部は、前記所定数の画素回路ごとに配置される
    撮像装置。
  11. 所定の方向に垂直な方向に配線された複数の電源線のいずれかに各々が接続された複数の画素回路のうち前記所定の方向において隣接する所定数の画素回路に共通に接続された垂直信号線を介して出力された画素信号を処理する信号処理手順と、
    電源経路開閉部が、前記複数の電源線のそれぞれと電源との間の経路を開閉する電源経路開閉手順と、
    信号経路開閉部が、前記複数の電源線のそれぞれと前記垂直信号線との間の経路を開閉する信号経路開閉手順と
    を具備し、
    前記所定数は、少なくとも2つであり、
    前記垂直信号線は、前記所定数の画素回路ごとに前記垂直な方向に配線され、
    前記電源経路開閉部および前記信号経路開閉部は、前記所定数の画素回路ごとに配置される
    固体撮像素子の制御方法。
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