JP7071416B2 - Solid-state image sensor and imaging system - Google Patents

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Description

本発明は、基板の上に光電変換層が形成された固体撮像素子および撮像システムに係る。 The present invention relates to a solid-state image pickup device and an image pickup system in which a photoelectric conversion layer is formed on a substrate.

固体撮像素子において、光電変換層が基板の上に形成された受光部を含む画素を備えた構成が知られている。特許文献1には、光電変換層として有機光電変換層を用いることが記載されている。特許文献1にはさらに、瞳分割位相差検出を実現するために、1対の位相差検出用画素を設けることが記載されている。位相差検出用画素は、光電変換層の上に設けられた保護層とマイクロレンズとの間に、入射光の一部を遮るための遮光膜を持つ。 In a solid-state image sensor, a configuration is known in which a photoelectric conversion layer includes pixels including a light receiving portion formed on a substrate. Patent Document 1 describes that an organic photoelectric conversion layer is used as the photoelectric conversion layer. Patent Document 1 further describes that a pair of phase difference detection pixels is provided in order to realize pupil division phase difference detection. The phase difference detection pixel has a light-shielding film for blocking a part of incident light between the protective layer provided on the photoelectric conversion layer and the microlens.

特開2014-67948号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-67748

しかしながら、特許文献1には、光電変換層を有する素子に容量を設ける場合の具体的な構成が提案されていなかった。 However, Patent Document 1 has not proposed a specific configuration for providing a capacitance to an element having a photoelectric conversion layer.

本発明の目的は、光電変換層を有する素子に容量を設ける場合の具体的な構成を提案することである。 An object of the present invention is to propose a specific configuration in which a capacitance is provided in an element having a photoelectric conversion layer.

上記目的を達成する本発明に係る光電変換素子は、複数の画素電極と、前記複数の画素電極の上に設けられた光電変換層と、前記光電変換層を前記複数の画素電極とで挟むように設けられた対向電極と、を含む光電変換部と、平面視で前記複数の画素電極と重なる1つのマイクロレンズと、基板に設けられた回路と、前記光電変換部から前記回路までの間の電気経路に設けられた容量と、前記複数の画素電極と前記基板との間に設けられた第1の配線層と、前記第1の配線層と前記基板との間に設けられた第2の配線層と、を有し、前記容量は、前記第1の配線層に設けられた第1の配線と、前記第2の配線層に設けられ、平面視で前記第1の配線と重なる第2の配線と、前記第1の配線と前記第2の配線との間に形成された第1の絶縁層により構成されることを特徴とする。 The photoelectric conversion element according to the present invention that achieves the above object is such that a plurality of pixel electrodes, a photoelectric conversion layer provided on the plurality of pixel electrodes, and the photoelectric conversion layer are sandwiched between the plurality of pixel electrodes. Between the photoelectric conversion unit including the counter electrode provided in the circuit, one microlens overlapping the plurality of pixel electrodes in plan view, the circuit provided on the substrate, and the photoelectric conversion unit to the circuit. A capacitance provided in the electric path, a first wiring layer provided between the plurality of pixel electrodes and the substrate, and a second wiring layer provided between the first wiring layer and the substrate. It has a wiring layer, and the capacitance is provided in the first wiring provided in the first wiring layer and the second wiring layer, and overlaps with the first wiring in a plan view. It is characterized in that it is composed of the wiring of the above and a first insulating layer formed between the first wiring and the second wiring .

本発明によれば、光電変換層を有する素子に容量を設ける場合の具体的な構成を提案することができる。 According to the present invention, it is possible to propose a specific configuration in which a capacitance is provided in an element having a photoelectric conversion layer .

固体撮像素子の構成例を示すためのブロック図である。It is a block diagram for showing the structural example of a solid-state image sensor. 画素の断面構造例を示すための図である。It is a figure for showing the example of the cross-sectional structure of a pixel. 画素の構成例を示すための等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram for showing the structural example of a pixel. 信号読み出し動作を説明するための光電変換部のポテンシャル図である。It is a potential figure of the photoelectric conversion part for demonstrating a signal reading operation. 電荷排出動作を説明するための光電変換部のポテンシャル図である。It is a potential figure of the photoelectric conversion part for demonstrating charge discharge operation. 固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of a solid-state image sensor. 画素アレイの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a pixel array. 固体撮像素子の構成例を示すためのブロック図である。It is a block diagram for showing the structural example of a solid-state image sensor. 画素の構成例を示すための等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram for showing the structural example of a pixel. 画素の断面構造例を示すための図である。It is a figure for showing the example of the cross-sectional structure of a pixel. 固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of a solid-state image sensor. 固体撮像素子の構成例を示すためのブロック図である。It is a block diagram for showing the structural example of a solid-state image sensor. 画素の断面構造例を示すための図である。It is a figure for showing the example of the cross-sectional structure of a pixel. 画素の構成例を示すための等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram for showing the structural example of a pixel. 信号読み出し動作を説明するための光電変換部のポテンシャル図である。It is a potential figure of the photoelectric conversion part for demonstrating a signal reading operation. 電荷排出動作を説明するための光電変換部のポテンシャル図である。It is a potential figure of the photoelectric conversion part for demonstrating charge discharge operation. 固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of a solid-state image sensor. 固体撮像素子の構成例を示すためのブロック図である。It is a block diagram for showing the structural example of a solid-state image sensor. 画素の構成例を示すための等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram for showing the structural example of a pixel. 画素の断面構造例を示すための図である。It is a figure for showing the example of the cross-sectional structure of a pixel. 固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of a solid-state image sensor. 固体撮像素子の構成例を示すためのブロック図である。It is a block diagram for showing the structural example of a solid-state image sensor. 画素の断面構造例を示すための図である。It is a figure for showing the example of the cross-sectional structure of a pixel. 画素の構成例を示すための等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram for showing the structural example of a pixel. 固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of a solid-state image sensor. 画素の断面構造例を示すための図である。It is a figure for showing the example of the cross-sectional structure of a pixel. 信号読み出し回路の構成例を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the structural example of the signal reading circuit. 固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of a solid-state image sensor. 信号読み出し回路の構成例を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the structural example of the signal reading circuit. 固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of a solid-state image sensor. 信号読み出し回路の配置例を示すための平面模式図である。It is a plane schematic diagram for showing the arrangement example of a signal readout circuit. 画素の断面構造例を示すための図である。It is a figure for showing the example of the cross-sectional structure of a pixel. 信号読み出し回路の構成例を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the structural example of the signal reading circuit. 固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of a solid-state image sensor. 固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of a solid-state image sensor. 撮像システムの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the configuration example of an image pickup system. 画素電極の配置例を説明するための画素の平面模式図である。It is a plane schematic diagram of a pixel for demonstrating the arrangement example of a pixel electrode.

(第1の実施形態)
図1は、固体撮像素子1000の構成例を示すためのブロック図である。固体撮像素子1000は、複数の画素100が二次元状に配された画素アレイ110、行駆動回路120、垂直信号線130、信号処理部140、列選択回路150、出力アンプ170および定電流源180を含む。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram for showing a configuration example of the solid-state image sensor 1000. The solid-state image sensor 1000 includes a pixel array 110 in which a plurality of pixels 100 are arranged in a two-dimensional manner, a row drive circuit 120, a vertical signal line 130, a signal processing unit 140, a column selection circuit 150, an output amplifier 170, and a constant current source 180. including.

図1においては、4行×4列の画素100を持つ場合を示しているが、画素アレイ110に含まれる画素100の数はこれに限られない。 FIG. 1 shows a case where the pixels 100 have 4 rows × 4 columns, but the number of pixels 100 included in the pixel array 110 is not limited to this.

行駆動回路120は、複数の画素100を行単位で制御する回路であって、例えばシフトレジスタやアドレスデコーダを含む。本実施形態において、行駆動回路120は信号pRes(M)、PADD(M)、Va(M)、Vb(M)およびpSEL(M)を出力する。Mは、行を表す数字である。行駆動回路120は、後述する駆動容量を介して、画素100が有する画素電極の電位を制御する、画素電極制御手段として機能する。 The row drive circuit 120 is a circuit that controls a plurality of pixels 100 in row units, and includes, for example, a shift register and an address decoder. In this embodiment, the row drive circuit 120 outputs the signals pRes (M), PADD (M), Va (M), Vb (M) and pSEL (M). M is a number representing a row. The row drive circuit 120 functions as a pixel electrode control means for controlling the potential of the pixel electrode of the pixel 100 via a drive capacitance described later.

同じ列に属する複数の画素100は、共通の垂直信号線130に接続されている。画素100から出力された信号は、垂直信号線130を介して信号処理部140に伝達される。 A plurality of pixels 100 belonging to the same row are connected to a common vertical signal line 130. The signal output from the pixel 100 is transmitted to the signal processing unit 140 via the vertical signal line 130.

信号処理部140は、それぞれが画素アレイ110の列毎に設けられた複数の列信号処理部を含む。各列信号処理部は、ノイズを低減するためのCDS回路、信号を増幅するための増幅器、信号を保持するためのサンプルホールド回路などを備えても良い。列信号処理部は、列選択回路150から供給される信号CSEL(N)によって選択されると信号を出力し、出力された信号は出力アンプ170に伝達される。Nは、列を表す数字である。 The signal processing unit 140 includes a plurality of column signal processing units, each of which is provided for each column of the pixel array 110. Each column signal processing unit may include a CDS circuit for reducing noise, an amplifier for amplifying the signal, a sample hold circuit for holding the signal, and the like. The column signal processing unit outputs a signal when it is selected by the signal CSEL (N) supplied from the column selection circuit 150, and the output signal is transmitted to the output amplifier 170. N is a number representing a column.

画素100のある断面における構造例を図2に示す。本実施形態において、画素100は2個の光電変換部PC1およびPC2を持つ。さらに、2個の光電変換部PC1およびPC2は、後述する増幅トランジスタ403および選択トランジスタ404を共有する。画素アレイ110は、シリコン基板(Si基板)300と、Si基板300の上に設けられた下部絶縁層301および下部絶縁層301中に配された配線層302を含む。Si基板300上には、MOSトランジスタが形成され、MOSトランジスタに電源を供給するための配線ならびに、MOSトランジスタを制御するための信号を伝達するための配線も配線層302に含まれる。配線層302に含まれる配線の一部は、Si基板300に形成された不図示の信号読み出し回路と画素電極303とを接続する。画素電極303の上には層間絶縁層304と、光電変換層305、ブロッキング層306、対向電極307、カラーフィルタ層308および複数のマイクロレンズを持つマイクロレンズ層309が設けられる。本実施形態において、1個の画素100に2個の画素電極303a、303bが設けられる一方、対向電極307は、複数の光電変換部に対して共通に設けられている。また1つのマイクロレンズにより集光された光が複数の光電変換部に入射する構造となっている。カラーフィルタ層308におけるカラーフィルタの配列は、ベイヤ配列を用いることができる。1個の画素100に設けられた2個の画素電極303a、303bは互いに独立して制御可能な部分電極であるとも言える。 FIG. 2 shows a structural example of a cross section of the pixel 100. In this embodiment, the pixel 100 has two photoelectric conversion units PC1 and PC2. Further, the two photoelectric conversion units PC1 and PC2 share an amplification transistor 403 and a selection transistor 404, which will be described later. The pixel array 110 includes a silicon substrate (Si substrate) 300, a lower insulating layer 301 provided on the Si substrate 300, and a wiring layer 302 arranged in the lower insulating layer 301. A MOS transistor is formed on the Si substrate 300, and the wiring layer 302 includes wiring for supplying power to the MOS transistor and wiring for transmitting a signal for controlling the MOS transistor. A part of the wiring included in the wiring layer 302 connects the signal readout circuit (not shown) formed on the Si substrate 300 to the pixel electrode 303. An interlayer insulating layer 304, a photoelectric conversion layer 305, a blocking layer 306, a counter electrode 307, a color filter layer 308, and a microlens layer 309 having a plurality of microlenses are provided on the pixel electrode 303. In the present embodiment, one pixel 100 is provided with two pixel electrodes 303a and 303b, while the counter electrode 307 is commonly provided for a plurality of photoelectric conversion units. Further, the structure is such that the light collected by one microlens is incident on a plurality of photoelectric conversion units. A bayer array can be used as the array of color filters in the color filter layer 308. It can be said that the two pixel electrodes 303a and 303b provided in one pixel 100 are partial electrodes that can be controlled independently of each other.

同一のマイクロレンズに対応して設けられた2個の画素電極303a、303bは、互いから距離d離れて配置されて、2個の光電変換部を構成する。図では示していないが、隣接する画素の画素電極どうしは、距離dよりも大きい距離D離れて配置してもよい。ある画素の画素電極303aは、この画素の別の画素電極303bとは距離dだけ離れて設けられるとともに、隣接する画素の画素電極303bに対して距離Dだけ離れて設けられる。このように画素電極を配置することで、ある画素に入射した光に応じて生成された電荷が、隣接する画素の光電変換部に蓄積されることを抑制できる。各画素がカラーフィルタを持つ場合には、混色を低減する効果が得られる。 The two pixel electrodes 303a and 303b provided corresponding to the same microlens are arranged at a distance d from each other to form two photoelectric conversion units. Although not shown in the figure, the pixel electrodes of adjacent pixels may be arranged at a distance D larger than the distance d. The pixel electrode 303a of a certain pixel is provided at a distance d from another pixel electrode 303b of this pixel, and is provided at a distance D from the pixel electrode 303b of an adjacent pixel. By arranging the pixel electrodes in this way, it is possible to suppress the charge generated in response to the light incident on a certain pixel from being accumulated in the photoelectric conversion unit of the adjacent pixel. When each pixel has a color filter, the effect of reducing color mixing can be obtained.

画素電極303の上に設けられた層間絶縁層304は、画素電極303と光電変換層305との間で電子およびホールが通過することを阻止するための層であって、たとえば水素化アモルファス窒化シリコン(a-SiN:H)で形成される。層間絶縁層304の厚さは、トンネル効果による電子およびホールの通貨が生じない程度の厚さに設定される。具体的には、50nm以上の厚さにすることが好ましい。 The interlayer insulating layer 304 provided on the pixel electrode 303 is a layer for preventing electrons and holes from passing between the pixel electrode 303 and the photoelectric conversion layer 305, and is, for example, hydrogenated amorphous silicon nitride. It is formed of (a-SiN: H). The thickness of the interlayer insulating layer 304 is set to such a thickness that the currency of electrons and holes due to the tunnel effect is not generated. Specifically, the thickness is preferably 50 nm or more.

画素電極303の上に、層間絶縁層304を介して設けられた光電変換層305は、入射光を受けると電子-ホール対を生成する、光電変換能力を備える層である。光電変換層305を構成する材料として、真性の(イントリンシックな)水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)、化合物半導体や有機半導体を用いることができる。化合物半導体の例としては、BN、GaAs、GaP、AlSb、GaAlAsPなどのIII-VI化合物半導体やCdSe、ZnS、HdTeなどのII-IV化合物半導体が挙げられる。また、有機半導体の例としては、フラーレン、クマリン6(C6)、ローダミン6G(R6G)、キナクリドン、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)等のフタロシアニン系材料、ナフタロシアニン系材料が挙げられる。 The photoelectric conversion layer 305 provided on the pixel electrode 303 via the interlayer insulating layer 304 is a layer having a photoelectric conversion ability that generates an electron-hole pair when receiving incident light. Intrinsic (intrinsic) hydrogenated amorphous silicon (a—Si: H), compound semiconductors and organic semiconductors can be used as the material constituting the photoelectric conversion layer 305. Examples of compound semiconductors include III-VI compound semiconductors such as BN, GaAs, GaP, AlSb, and GaAlAsP, and II-IV compound semiconductors such as CdSe, ZnS, and HdTe. Examples of organic semiconductors include phthalocyanine-based materials such as fullerene, coumarin 6 (C6), rhodamine 6G (R6G), quinacridone, and zinc phthalocyanine (ZnPc), and naphthalocyanine-based materials.

さらに、光電変換層305には、上述の化合物半導体を原材料とした量子ドット膜を用いることができる。非晶質シリコン膜、有機半導体膜、量子ドット膜は、薄膜の形成が容易であるため、好適である。 Further, for the photoelectric conversion layer 305, a quantum dot film made of the above-mentioned compound semiconductor as a raw material can be used. Amorphous silicon films, organic semiconductor films, and quantum dot films are suitable because thin films can be easily formed.

イントリンシックな半導体は、キャリア密度が少ないため、これを光電変換層305に用いることで、広い空乏層幅を実現できるという点で優れているが、N-型やP-型の半導体を用いても良い。 Intrinsic semiconductors have a low carrier density, so they are excellent in that a wide depletion layer width can be realized by using them in the photoelectric conversion layer 305. However, N-type and P-type semiconductors are used. Is also good.

光電変換層305の上には、ブロッキング層306が設けられる。本実施形態のブロッキング層306は、対向電極307から光電変換層305にホールが注入されることを阻止する機能を有する層であって、例えばN+型の水素化アモルファスシリコンが用いられる。本例では、ホールが注入されることを阻止するためにN+型a-SiHを用いるが、電子が注入されることを阻止する場合には、P+型a-SiHを用いればよい。ブロッキング層306としては、電子とホールのうち、どちらか一方の導電型のキャリアが、対向電極307から光電変換層305に注入されることを阻止することが求められる。ブロッキング層306には、光電変換層305に用いる半導体材料のP型あるいはN型の半導体を用いることができる。この場合には、ブロッキング層306に用いられる半導体中の不純物濃度が、光電変換層305に用いられる半導体中の不純物濃度よりも高くする。 A blocking layer 306 is provided on the photoelectric conversion layer 305. The blocking layer 306 of the present embodiment is a layer having a function of preventing holes from being injected from the counter electrode 307 into the photoelectric conversion layer 305, and for example, N + type hydrogenated amorphous silicon is used. In this example, N + type a-SiH is used to prevent the injection of holes, but P + type a-SiH may be used to prevent the injection of electrons. The blocking layer 306 is required to prevent the conductive carrier of either one of the electron and the hole from being injected into the photoelectric conversion layer 305 from the counter electrode 307. As the blocking layer 306, a P-type or N-type semiconductor of the semiconductor material used for the photoelectric conversion layer 305 can be used. In this case, the impurity concentration in the semiconductor used for the blocking layer 306 is higher than the impurity concentration in the semiconductor used for the photoelectric conversion layer 305.

光電変換層305の上にブロッキング層306を介して設けられた対向電極307は、マイクロレンズ層309およびカラーフィルタ層308を介して入射した光を光電変換層305に透過するような材料で形成される。具体的にはITOのようにインジウムおよびスズを含む化合物、酸化物などが用いられる。 The counter electrode 307 provided on the photoelectric conversion layer 305 via the blocking layer 306 is formed of a material that allows light incident through the microlens layer 309 and the color filter layer 308 to pass through the photoelectric conversion layer 305. To. Specifically, compounds containing indium and tin such as ITO, oxides and the like are used.

対向電極307とマイクロレンズ層309との間に、さらに、光透過性層を設けてもよい。マイクロレンズ層309、カラーフィルタ層308および光透過性層は、マイクロレンズ層309の焦点が光電変換層305にあるように設計することが好ましい。光透過性層には参加Siや窒化シリコンのような無機物で形成されても良いし、有機物で形成されても良い。 A light transmissive layer may be further provided between the counter electrode 307 and the microlens layer 309. The microlens layer 309, the color filter layer 308 and the light transmissive layer are preferably designed so that the focal point of the microlens layer 309 is on the photoelectric conversion layer 305. The light-transmitting layer may be formed of an inorganic substance such as participating Si or silicon nitride, or may be formed of an organic substance.

図3は、本実施形態に係る画素100の等価回路図である。画素100は、ブロッキング層306、光電変換層305、層間絶縁層304からなる光電変換部PC1、PC2と信号読み出し回路400とを含む。 FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the pixel 100 according to the present embodiment. The pixel 100 includes a photoelectric conversion unit PC1 and PC2 including a blocking layer 306, a photoelectric conversion layer 305, and an interlayer insulating layer 304, and a signal readout circuit 400.

信号読み出し回路400は、リセットトランジスタ401、駆動容量402、増幅トランジスタ403、選択トランジスタ404、および切り替えスイッチ405を含む。リセットトランジスタ401aの一方の主ノードにはリセット電圧が供給され、他方の主ノードは、光電変換部PC1の画素電極303aと接続される。リセットトランジスタ401aの他方の主ノードと、画素電極303aとの共通ノードをノードN1とする。リセットトランジスタ401aの制御ノードには、リセット信号pRES1が供給される。駆動容量402aの一方のノードにはバイアス電圧Vaが印加され、他方のノードはノードN1に接続される。ノードN1は、切り替えスイッチ405を介して増幅トランジスタ403の制御ノードに接続される。この増幅トランジスタ403の制御ノードをノードN2とする。切り替えスイッチ405は、信号pADDによって制御される。光電変換部PC2の画素電極303bはノードN2に接続される。ノードN2にはさらに、リセットトランジスタ401bと駆動容量402bが接続される。リセットトランジスタ401bの制御ノードには、リセット信号pRES2が供給される。駆動容量402bの一方のノードにはバイアス電圧Vbが印加され、他方のノードはノードN2に接続される。光電変換部PC2は、画素電極303bを介してノードN2に接続される。増幅トランジスタ403の一方の主ノードには固定電圧が印加され、他方の主ノードは選択トランジスタ404を介して垂直信号線130に接続される。選択トランジスタ404の制御ノードには、画素選択信号pSELが供給される。画素内アンプとしての増幅トランジスタ403は、選択トランジスタ404がオンすると、定電流源180とともにソースフォロワ回路として動作し、ノードN1の電位に応じた電圧出力が、画素100からの画素信号として信号処理部に入力される。ノードN1は、画素内アンプの入力部である。画素内アンプはソースフォロワ回路に限らず、ソース接地増幅回路としても良いし、複数のトランジスタで構成されるインバータや差動増幅器などでも良い。 The signal readout circuit 400 includes a reset transistor 401, a drive capacitance 402, an amplification transistor 403, a selection transistor 404, and a changeover switch 405. A reset voltage is supplied to one main node of the reset transistor 401a, and the other main node is connected to the pixel electrode 303a of the photoelectric conversion unit PC1. The node N1 is a common node between the other main node of the reset transistor 401a and the pixel electrode 303a. The reset signal pRES1 is supplied to the control node of the reset transistor 401a. A bias voltage Va is applied to one node of the drive capacitance 402a, and the other node is connected to the node N1. The node N1 is connected to the control node of the amplification transistor 403 via the changeover switch 405. The control node of the amplification transistor 403 is referred to as a node N2. The changeover switch 405 is controlled by the signal pADD. The pixel electrode 303b of the photoelectric conversion unit PC2 is connected to the node N2. A reset transistor 401b and a drive capacitance 402b are further connected to the node N2. The reset signal pRES2 is supplied to the control node of the reset transistor 401b. A bias voltage Vb is applied to one node of the drive capacitance 402b, and the other node is connected to the node N2. The photoelectric conversion unit PC2 is connected to the node N2 via the pixel electrode 303b. A fixed voltage is applied to one main node of the amplification transistor 403, and the other main node is connected to the vertical signal line 130 via the selection transistor 404. The pixel selection signal pSEL is supplied to the control node of the selection transistor 404. When the selection transistor 404 is turned on, the amplification transistor 403 as an intra-pixel amplifier operates as a source follower circuit together with the constant current source 180, and the voltage output according to the potential of the node N1 is a signal processing unit as a pixel signal from the pixel 100. Is entered in. The node N1 is an input unit of an intra-pixel amplifier. The in-pixel amplifier is not limited to the source follower circuit, but may be a source grounded amplifier circuit, or may be an inverter or a differential amplifier composed of a plurality of transistors.

次に、本実施形態に係る画素100から信号を読み出す動作について説明する。ここでは簡単のために、切り替えスイッチ405がオフ状態にあるときに、光電変換部PC2から信号を読み出す場合を説明する。図4は、信号読み出し動作を説明するための、光電変換部のポテンシャル図である。同図において、下に行くほど電子に対するポテンシャルが下がる。図中、左から対向電極307(ノードN2に相当)、光電変換層305、層間絶縁層304、画素電極303bの順に各領域のポテンシャルの様子が描かれている。ここでは、説明を簡単にするために、ブロッキング層306は省略した。同図において、黒い丸は電子を表し、白い丸はホールを表す。 Next, an operation of reading a signal from the pixel 100 according to the present embodiment will be described. Here, for the sake of simplicity, a case where a signal is read from the photoelectric conversion unit PC2 when the changeover switch 405 is in the off state will be described. FIG. 4 is a potential diagram of a photoelectric conversion unit for explaining a signal reading operation. In the figure, the lower the value, the lower the potential for electrons. In the figure, the potential of each region is drawn in the order of the counter electrode 307 (corresponding to the node N2), the photoelectric conversion layer 305, the interlayer insulating layer 304, and the pixel electrode 303b from the left. Here, the blocking layer 306 is omitted for the sake of simplicity. In the figure, black circles represent electrons and white circles represent holes.

本実施形態において、リセット電圧は1[V]であり、上部電極に印加される光電変換部駆動バイアス電圧Vsは3[V]であるとする。さらに、バイアス電圧Vbは不図示の制御回路によって5[V]または0[V]に切り替え可能であるとする。ここで挙げる数字は例示的なものなので、バイアス電圧の値は限定されない。 In the present embodiment, it is assumed that the reset voltage is 1 [V] and the photoelectric conversion unit drive bias voltage Vs applied to the upper electrode is 3 [V]. Further, it is assumed that the bias voltage Vb can be switched to 5 [V] or 0 [V] by a control circuit (not shown). Since the numbers given here are exemplary, the value of the bias voltage is not limited.

画素100の読み出し動作は、下記のa)~f)の動作を行うことによって実現される。
a)蓄積前リセット
b)光電荷蓄積
c)蓄積後リセット
d)N信号読み
e)電荷転送
f)S信号読み
The reading operation of the pixel 100 is realized by performing the following operations a) to f).
a) Reset before storage b) Photo charge storage c) Reset after storage d) N signal reading e) Charge transfer f) S signal reading

以下では、上記の各ステップについて詳細に説明を行う。 In the following, each of the above steps will be described in detail.

a)蓄積前リセット
バイアス電圧Vbを0[V]に設定した状態で、リセットトランジスタ401bをオン状態にすることでノードN2を1[V]にリセットする。その後、リセットトランジスタ401bをオフ状態にすると、リセットトランジスタの動作に伴うkTCノイズ(kTC1)が発生する。これにより、ノードN2、すなわち画素電極303の電位が1[V]+kTC1になる(図4(a))。
a) Reset before accumulation With the bias voltage Vb set to 0 [V], the node N2 is reset to 1 [V] by turning on the reset transistor 401b. After that, when the reset transistor 401b is turned off, kTC noise (kTC1) is generated due to the operation of the reset transistor. As a result, the potential of the node N2, that is, the pixel electrode 303 becomes 1 [V] + kTC1 (FIG. 4A).

b)光電荷蓄積
光電変換層305に光が入射した状態で、蓄積前リセットが完了すると、光電荷蓄積動作が開始する。光電荷蓄積を行っている期間中、バイアス電圧Vbは0[V]に維持される。このため、画素電極303bの電位は、3[V]の電圧が印加された対向電極307に対して負の電位になる。したがって、光電変換層305中の電子は対向電極307の方に導かれて、ブロッキング層306を介して対向電極307から排出される。一方、ホールは画素電極303の方に導かれる。なお、ブロッキング層306があるため、対向電極307から光電変換層305への注入は行われない(図4(b-1))。
b) Photocharge accumulation When light is incident on the photoelectric conversion layer 305 and the pre-accumulation reset is completed, the photocharge accumulation operation starts. The bias voltage Vb is maintained at 0 [V] during the period of photocharge accumulation. Therefore, the potential of the pixel electrode 303b becomes a negative potential with respect to the counter electrode 307 to which the voltage of 3 [V] is applied. Therefore, the electrons in the photoelectric conversion layer 305 are guided toward the counter electrode 307 and are discharged from the counter electrode 307 via the blocking layer 306. On the other hand, the hole is guided toward the pixel electrode 303. Since there is a blocking layer 306, injection from the counter electrode 307 into the photoelectric conversion layer 305 is not performed (FIG. 4 (b-1)).

光電変換層305が入射光を吸収すると、入射光量に応じて電子-ホール対が発生する。発生した電子は、対向電極307から排出される一方で、発生したホールは光電変換層305内を移動して、層間絶縁層304との界面に達する。しかし、ホールは層間絶縁層304内には移動できないため、光電変換層305内に蓄積される(図4(b-2))。こうして蓄積されるホールが、入射光に基づく信号電荷として用いられる。光電変換層305内に蓄積されたホールによって、ノードN2の電位がVpだけ上昇し、ノードN1の電位は1[V]+kTC1+Vp1となる。 When the photoelectric conversion layer 305 absorbs incident light, electron-hole pairs are generated according to the amount of incident light. The generated electrons are discharged from the counter electrode 307, while the generated holes move in the photoelectric conversion layer 305 and reach the interface with the interlayer insulating layer 304. However, since the holes cannot move in the interlayer insulating layer 304, they are accumulated in the photoelectric conversion layer 305 (FIG. 4 (b-2)). The holes thus accumulated are used as signal charges based on the incident light. Due to the holes accumulated in the photoelectric conversion layer 305, the potential of the node N2 rises by Vp, and the potential of the node N1 becomes 1 [V] + kTC1 + Vp1.

c)蓄積後リセット
リセットトランジスタ401bを一時的にオンして、ノードN2を1[V]にリセットする。リセットトランジスタ401bの動作に伴ってノイズ(kTC2)が発生するので、ノードN2の電位は1[V]+kTC2となる。蓄積前リセットで生じたノイズkTC1と蓄積後リセットで生じるノイズkTC2とは、互いに相関のない、いわゆるランダムノイズ成分である。
c) Reset after accumulation The reset transistor 401b is temporarily turned on to reset the node N2 to 1 [V]. Since noise (kTC2) is generated with the operation of the reset transistor 401b, the potential of the node N2 becomes 1 [V] + kTC2. The noise kTC1 generated by the pre-accumulation reset and the noise kTC2 generated by the post-accumulation reset are so-called random noise components that do not correlate with each other.

なお、リセットトランジスタ401bによりノードN2をリセットしても、光電変換層305に蓄積されたホールは光電変換層305に留まる(図4(c))。 Even if the node N2 is reset by the reset transistor 401b, the holes accumulated in the photoelectric conversion layer 305 remain in the photoelectric conversion layer 305 (FIG. 4 (c)).

d)N信号読み出し
選択トランジスタ404をオンし、この時のノードN2の電位に応じた信号が垂直信号線130に出力される。出力された信号は例えば列信号処理部によって保持される。
d) N signal read-out The selection transistor 404 is turned on, and a signal corresponding to the potential of the node N2 at this time is output to the vertical signal line 130. The output signal is held by, for example, a column signal processing unit.

e)電荷転送
バイアス電圧Vbを0[V]から5[V]に変化させる。これにより、ノードN2の電位が変動する。この電位の変動量は、光電変換部の容量と駆動容量402bの容量値の比で決まる。仮に、光電変換部の容量値をC1、駆動容量402bの容量値をC2とし、バイアス電圧Vbの正の変化量をΔVbとすると、ノードN2の電位の変動量ΔVN2は、次式で表される。
ΔVN2=ΔVb×C1/(C1+C2) ・・・(1)
e) Charge transfer The bias voltage Vb is changed from 0 [V] to 5 [V]. As a result, the potential of the node N2 fluctuates. The amount of fluctuation of this potential is determined by the ratio of the capacitance of the photoelectric conversion unit to the capacitance value of the drive capacitance 402b. Assuming that the capacitance value of the photoelectric conversion unit is C1, the capacitance value of the drive capacitance 402b is C2, and the positive change amount of the bias voltage Vb is ΔVb, the fluctuation amount ΔVN2 of the potential of the node N2 is expressed by the following equation. ..
ΔVN2 = ΔVb × C1 / (C1 + C2) ... (1)

本実施形態において、駆動容量402bの容量値C1が光電変換部の容量値C2の4倍であるとすると、バイアス電圧Vbを5[V]変化させた時のノードN2の電位の変動量は4[V]となる。 In the present embodiment, assuming that the capacitance value C1 of the drive capacitance 402b is four times the capacitance value C2 of the photoelectric conversion unit, the amount of change in the potential of the node N2 when the bias voltage Vb is changed by 5 [V] is 4. It becomes [V].

ノードN2の電位が4[V]だけ上昇して、5[V]+kTC2となると、ノードN2の電位と対向電極307の電位とが逆転するこの結果、光電変換層305中のポテンシャルの傾きが逆転する(図4(e-1))。これにより、電子が対向電極307からブロッキング層306を介して光電変換層305に注入される。また、光電変換層305に蓄積されていたホールは対向電極307の方へと導かれ、ブロッキング層306内で電子と再結合して消滅する。この結果、光電変換層305内に蓄積されていたホールはすべて光電変換層305から排出される。つまり、光電変換層305が完全空乏化されることによる完全転送が行われる(図4(e-2))。 When the potential of the node N2 rises by 4 [V] to 5 [V] + kTC2, the potential of the node N2 and the potential of the counter electrode 307 are reversed. As a result, the slope of the potential in the photoelectric conversion layer 305 is reversed. (Fig. 4 (e-1)). As a result, electrons are injected from the counter electrode 307 into the photoelectric conversion layer 305 via the blocking layer 306. Further, the holes accumulated in the photoelectric conversion layer 305 are guided toward the counter electrode 307 and recombine with the electrons in the blocking layer 306 to disappear. As a result, all the holes accumulated in the photoelectric conversion layer 305 are discharged from the photoelectric conversion layer 305. That is, complete transfer is performed by completely depleting the photoelectric conversion layer 305 (FIG. 4 (e-2)).

次に、バイアス電圧Vbを再び0[V]にすると、ノードN2の電位は対向電極307の電位に対して負になるため、バイアス電圧Vbが5[V]であったときに光電変換層305に注入されていた電子がブロッキング層306を介して光電変換層305から排出される。こうして排出される電子の量と、光電変換層305に注入されていた電子の量とは理想的には等しくなるので、信号の読み出しには影響しない。バイアス電圧Vbを0[V]にすることで、ノードN2の電位も1[V]+kTC2に戻ろうとするが、対向電極307と光電変換層305との間にブロッキング層306が設けられているために、光電変換層305へのホールの注入が行われない。そのため、光電荷蓄積動作によって光電変換層305に蓄積されていたホールによる信号は、光信号成分Vpとして残るので、ノードN2の電位は1[V]+kTC2+Vpとなる。 Next, when the bias voltage Vb is set to 0 [V] again, the potential of the node N2 becomes negative with respect to the potential of the counter electrode 307. Therefore, when the bias voltage Vb is 5 [V], the photoelectric conversion layer 305 The electrons injected into the capacitor are discharged from the photoelectric conversion layer 305 via the blocking layer 306. Since the amount of electrons emitted in this way is ideally equal to the amount of electrons injected into the photoelectric conversion layer 305, it does not affect the reading of the signal. By setting the bias voltage Vb to 0 [V], the potential of the node N2 also tries to return to 1 [V] + kTC2, but because the blocking layer 306 is provided between the counter electrode 307 and the photoelectric conversion layer 305. In addition, the holes are not injected into the photoelectric conversion layer 305. Therefore, the signal due to the hole accumulated in the photoelectric conversion layer 305 by the optical charge accumulating operation remains as an optical signal component Vp, so that the potential of the node N2 becomes 1 [V] + kTC2 + Vp.

f)S信号読み
選択トランジスタ404をオンし、この時のノードN2の電位に応じた信号が垂直信号線130に出力される。出力された信号は例えば列信号処理部によって保持される。本ステップにおいて得られる信号と、d)のN信号読みによって得られた信号とを差分処理すると、ノイズ成分であるkTC2が相殺されるので、結果として光信号成分Vpに相当する信号が得られる。
f) The S signal reading selection transistor 404 is turned on, and a signal corresponding to the potential of the node N2 at this time is output to the vertical signal line 130. The output signal is held by, for example, a column signal processing unit. When the signal obtained in this step and the signal obtained by reading the N signal in d) are differentially processed, the noise component kTC2 is canceled out, and as a result, a signal corresponding to the optical signal component Vp is obtained.

選択トランジスタ404は、N信号読み以降、オン状態に維持しても良い。 The selection transistor 404 may be kept on after reading the N signal.

以上の動作により、画素信号を読み出すことができる。 By the above operation, the pixel signal can be read out.

次に、光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号を読み出さずに、電荷を排出する場合の動作を説明する。ここでも、切り替えスイッチ405がオフ状態にある場合の光電変換部PC2のみの動作に着目して説明する。 Next, the operation when the electric charge is discharged without reading the pixel signal based on the electric charge generated in the photoelectric conversion unit will be described. Here, too, the operation of only the photoelectric conversion unit PC2 when the changeover switch 405 is in the off state will be described.

図5は、電荷排出動作を説明するための、光電変換部のポテンシャル図である。同図において、下に行くほど電子に対するポテンシャルが下がる。図中、左から対向電極307、光電変換層305、層間絶縁層304、画素電極303bの順に各領域のポテンシャルの様子が描かれている。ここでは、説明を簡単にするために、ブロッキング層306は省略した。同図において、黒い丸は電子を表し、白い丸はホールを表す。 FIG. 5 is a potential diagram of the photoelectric conversion unit for explaining the charge discharge operation. In the figure, the lower the value, the lower the potential for electrons. In the figure, the potential of each region is drawn in the order of the counter electrode 307, the photoelectric conversion layer 305, the interlayer insulating layer 304, and the pixel electrode 303b from the left. Here, the blocking layer 306 is omitted for the sake of simplicity. In the figure, black circles represent electrons and white circles represent holes.

図4を用いて説明した、画素信号の読み出し動作との相違点は、図4に示した(b-1)および(b-2)の光電荷蓄積期間に、駆動容量402bに印加されるバイアスVbを5[V]とする点である(図5(b-1)、図5(b-2))。駆動容量402bにバイアス電圧Vb=5[V]を印加した状態では、画素電極は対向電極に対して正の電位が与えられている。そのため、光電変換層305に光が入射すると、発生したホールは画素電極-対向電極間の電界によって対向電極へと導かれて排出される。 The difference from the pixel signal readout operation described with reference to FIG. 4 is the bias applied to the drive capacitance 402b during the optical charge accumulation periods of (b-1) and (b-2) shown in FIG. It is a point where Vb is 5 [V] (FIG. 5 (b-1), FIG. 5 (b-2)). When the bias voltage Vb = 5 [V] is applied to the drive capacitance 402b, the pixel electrode is given a positive potential with respect to the counter electrode. Therefore, when light is incident on the photoelectric conversion layer 305, the generated holes are guided to the counter electrode by the electric field between the pixel electrode and the counter electrode and discharged.

一方、光電変換層305で発生した電子は画素電極-対向電極間の電界によって層間絶縁層304の方へと導かれるが、光電変換層305と層間絶縁層304との界面に蓄積される。しかし、蓄積された電子は、図5(c)の工程で画素電極303bの電位をリセットトランジスタ401bによって1[V]にリセットすることにより、対向電極から排出される。この結果、入射光に応じて光電変換層305内で発生した電荷は、ホールも電子も対向電極から排出されるので、光信号成分Vpが0になる。 On the other hand, the electrons generated in the photoelectric conversion layer 305 are guided toward the interlayer insulating layer 304 by the electric field between the pixel electrode and the counter electrode, but are accumulated at the interface between the photoelectric conversion layer 305 and the interlayer insulating layer 304. However, the accumulated electrons are discharged from the counter electrode by resetting the potential of the pixel electrode 303b to 1 [V] by the reset transistor 401b in the step of FIG. 5C. As a result, the electric charge generated in the photoelectric conversion layer 305 in response to the incident light has both holes and electrons discharged from the counter electrode, so that the optical signal component Vp becomes 0.

本実施形態における固体撮像素子1000の動作の一例を説明する。図6は、いわゆるローリングシャッタ動作を行った際の、画素アレイのうちのn行目と(n+1)行目の画素に係る動作に係るタイミング図である。ここでは、n行目の画素からは2個の光電変換部PC1、PC2に基づく画素信号を読み出し、(n+1)行目の画素からは2個のうちの一方の光電変換部PC2のみに基づく画素信号を読み出す動作を説明する。このため、(n+1)行目の画素については、切り替えスイッチ405がオフ状態に保たれる。 An example of the operation of the solid-state image sensor 1000 in the present embodiment will be described. FIG. 6 is a timing diagram relating to the operation related to the pixels in the nth row and the (n + 1) th row in the pixel array when the so-called rolling shutter operation is performed. Here, the pixel signals based on the two photoelectric conversion units PC1 and PC2 are read from the pixel on the nth row, and the pixels based on only one of the two photoelectric conversion units PC2 from the pixel on the (n + 1) row. The operation of reading a signal will be described. Therefore, the changeover switch 405 is kept off for the pixel in the (n + 1) th row.

各行の信号読み出しに係る期間は、水平ブランキング期間HBLNKと水平走査期間HSCANに大別できる。HBLNK、HSCANならびに信号およびバイアス電圧に付したカッコ内の数字は、画素アレイ内の行を示す数字である。例えばHBLNK(n)は、画素アレイ内のn行目の画素に係る水平ブランキング期間であることを意味する。また、信号pRES1とpRES2は信号pRESと同じであるものとする。 The period related to the signal reading of each line can be roughly divided into a horizontal blanking period HBLNK and a horizontal scanning period HSCAN. The numbers in parentheses for HBLNK, HSCAN and signals and bias voltages are numbers indicating rows in the pixel array. For example, HBLNK (n) means that it is a horizontal blanking period related to the pixel in the nth row in the pixel array. Further, it is assumed that the signals pRES1 and pRES2 are the same as the signals pRES.

n行目の画素の水平ブランキング期間であるHBLNK(n)の開始前に、n行目の画素の光電変換部PC1、PC2には、光電変換によって発生した電荷が蓄積された状態、すなわち、図4(b-1)の状態にあるものとする。 Before the start of HBLNK (n), which is the horizontal blanking period of the pixel in the nth row, the charge generated by the photoelectric conversion is accumulated in the photoelectric conversion units PC1 and PC2 of the pixel in the nth row, that is, It is assumed that it is in the state of FIG. 4 (b-1).

時刻t1に、信号pSEL(n)、pRES(n)、pADD(n)がハイ(H)レベルになる。この他の信号は、Va(n+1)以外はロー(L)レベルである。これにより、n行目の画素が選択された状態になり、n行目の画素からの信号が垂直信号線130に現れるようになる。さらに、信号pADD(n)および信号pRES(n)がHレベルになることで、ノードN1とN2とが短絡され、このノードが1[V]にリセットされる。つまり、図4(b-2)に示した状態となる。 At time t1, the signals pSEL (n), pRES (n), and pADD (n) become high (H) levels. The other signals are at low (L) level except for Va (n + 1). As a result, the pixel on the nth row is selected, and the signal from the pixel on the nth row appears on the vertical signal line 130. Further, when the signal pADD (n) and the signal pRES (n) become H level, the nodes N1 and N2 are short-circuited, and this node is reset to 1 [V]. That is, the state shown in FIG. 4 (b-2) is obtained.

時刻t2から信号pTNを一時的にHレベルにすると、この時のノードN2の電位に応じた信号が信号処理部140にサンプルホールドされる。すなわち、N信号読み出しが行われる。 When the signal pTN is temporarily set to the H level from the time t2, the signal corresponding to the potential of the node N2 at this time is sample-held by the signal processing unit 140. That is, N signal reading is performed.

時刻t3からバイアス電圧Va(n)、Vb(n)を一時的にHレベルにすることで、光電変換部PC1、PC2に蓄積された電荷量に応じてノードN2の電位が変動する。これは、図4(e-1)、(e-2)の電荷転送動作である。 By temporarily setting the bias voltages Va (n) and Vb (n) to the H level from time t3, the potential of the node N2 fluctuates according to the amount of electric charge accumulated in the photoelectric conversion units PC1 and PC2. This is the charge transfer operation shown in FIGS. 4 (e-1) and 4 (e-2).

時刻t4から信号pTSを一時的にHレベルとすると、この時のノードN2の電位に応じた信号が信号処理部140にサンプルホールドされる。すなわち、S信号読み出しが行われる。この時に読み出されるS信号は、同一のマイクロレンズ下に設けられた2個の光電変換部PC1、PC2に基づく信号であるので、撮像用信号として利用できる。 When the signal pTS is temporarily set to the H level from the time t4, the signal corresponding to the potential of the node N2 at this time is sample-held by the signal processing unit 140. That is, the S signal is read out. Since the S signal read at this time is a signal based on the two photoelectric conversion units PC1 and PC2 provided under the same microlens, it can be used as an image pickup signal.

時刻t5に信号pRES(n)がHレベルになると、ノードN2が再び1[V]にリセットされる。つまり、図4(a)に示す蓄積前リセットが行われた状態になる。 When the signal pRES (n) reaches the H level at time t5, the node N2 is reset to 1 [V] again. That is, the pre-accumulation reset shown in FIG. 4A is performed.

時刻t6に信号pSEL(n)、pADD(n)がローレベルになると、n行目の画素の選択状態が解除されるとともに、ノードN1とN2とが電気的に切断される。 When the signals pSEL (n) and pADD (n) become low level at time t6, the selection state of the pixel in the nth row is canceled and the nodes N1 and N2 are electrically disconnected.

その後、水平走査期間HSCAN(n)が開始すると、時刻t7に信号PHSTがHレベルになる。これを受けて、列選択回路150は列信号処理部の走査を開始する。列選択回路150は、不図示のクロック信号に同期して動作するので、列信号処理部からの信号は出力アンプ170から順次出力される。 After that, when the horizontal scanning period HSCAN (n) starts, the signal PHST becomes H level at time t7. In response to this, the column selection circuit 150 starts scanning the column signal processing unit. Since the column selection circuit 150 operates in synchronization with a clock signal (not shown), the signal from the column signal processing unit is sequentially output from the output amplifier 170.

列選択回路150による走査が終了した後、時刻t8にバイアス電圧Va(n+1)がローレベルになる。これにより、光電変換部PC1で生じた電荷が蓄積される状態になる。 After the scanning by the column selection circuit 150 is completed, the bias voltage Va (n + 1) becomes low level at time t8. As a result, the electric charge generated in the photoelectric conversion unit PC1 is accumulated.

時刻t9に、信号pSEL(n+1)とpRES(n+1)がHレベルになる。これにより、n行目の画素が選択された状態になり、n+1行目の画素からの信号が垂直信号線130に現れるようになる。さらに、信号pRES(n+1)がHレベルになることで、ノードN2が1[V]にリセットされる。 At time t9, the signals pSEL (n + 1) and pRES (n + 1) become H level. As a result, the pixel on the nth row is selected, and the signal from the pixel on the n + 1th row appears on the vertical signal line 130. Further, when the signal pRES (n + 1) becomes H level, the node N2 is reset to 1 [V].

時刻t10から信号pTNを一時的にHレベルにすると、この時のノードN2の電位に応じた信号が信号処理部140にサンプルホールドされる。すなわち、N信号読み出しが行われる。 When the signal pTN is temporarily set to the H level from the time t10, the signal corresponding to the potential of the node N2 at this time is sample-held by the signal processing unit 140. That is, N signal reading is performed.

時刻t11からバイアス電圧Va(n+1)、Vb(n+1)を一時的にHレベルにすることで、光電変換部PC1に蓄積された電荷量に応じてノードN1の電位が変動するとともに、光電変換部PC2に蓄積された電荷量に応じてノードN2の電位が変動する。これは、図4(e-1)、(e-2)の電荷転送動作である。 By temporarily setting the bias voltages Va (n + 1) and Vb (n + 1) to the H level from time t11, the potential of the node N1 fluctuates according to the amount of electric charge stored in the photoelectric conversion unit PC1, and the photoelectric conversion unit is used. The potential of the node N2 fluctuates according to the amount of electric charge stored in the PC 2. This is the charge transfer operation shown in FIGS. 4 (e-1) and 4 (e-2).

時刻t12から信号pTSを一時的にHレベルとすると、この時のノードN2の電位に応じた信号が信号処理部140にサンプルホールドされる。すなわち、S信号読み出しが行われる。この時に読み出されるS信号は、同一のマイクロレンズ下に設けられた2個の光電変換部PC1、PC2のうちのPC2のみに基づく信号であるので、位相差検出用信号として利用できる。 When the signal pTS is temporarily set to the H level from the time t12, the signal corresponding to the potential of the node N2 at this time is sample-held by the signal processing unit 140. That is, the S signal is read out. Since the S signal read at this time is a signal based only on PC2 of the two photoelectric conversion units PC1 and PC2 provided under the same microlens, it can be used as a phase difference detection signal.

時刻t13に信号pRES(n+1)がHレベルになると、ノードN1およびN2が再び1[V]にリセットされる。つまり、図4(a)に示す蓄積前リセットが行われた状態になる。 When the signal pRES (n + 1) reaches the H level at time t13, the nodes N1 and N2 are reset to 1 [V] again. That is, the pre-accumulation reset shown in FIG. 4A is performed.

時刻t14に信号pSEL(n+1)がローレベルになると、n+1行目の画素の選択状態が解除される。 When the signal pSEL (n + 1) becomes low level at time t14, the selection state of the pixel in the n + 1th row is canceled.

その後、水平走査期間HSCAN(n+1)が開始すると、時刻t15にバイアス電圧Va(n+1)がHレベルになり、光電変換部PC1がホールを蓄積しない状態に再びなる。 After that, when the horizontal scanning period HSCAN (n + 1) starts, the bias voltage Va (n + 1) becomes H level at time t15, and the photoelectric conversion unit PC1 returns to a state in which holes are not accumulated.

また、時刻t15に信号PHSTがHレベルになる。これを受けて、列選択回路150は列信号処理部の走査を開始する。列選択回路150は、不図示のクロック信号に同期して動作するので、列信号処理部からの信号は出力アンプ170から順次出力される。 Further, the signal PHST becomes H level at time t15. In response to this, the column selection circuit 150 starts scanning the column signal processing unit. Since the column selection circuit 150 operates in synchronization with a clock signal (not shown), the signal from the column signal processing unit is sequentially output from the output amplifier 170.

以上で説明したように、n行目の画素については、同一マイクロレンズに対応して設けられた2個の光電変換部に基づく画素信号を読み出して、撮像用信号とする。その一方で、(n+1)行目の画素については、同一マイクロレンズに対応して設けられた2個の光電変換部のうちの一方のみに基づく画素信号を読み出している。位相差検出は、ある画素からは光電変換部PC1のみに、別の画素はPC2のみに基づく画素信号を読み出すようにして、2つの画素信号の差分処理を行うことで実現できる。そこで、ある画素は図2において左側の光電変換部をPC2とし、ある画素は図2の右側の光電変換部をPC2になるように配置しても良い。 As described above, for the pixel on the nth row, the pixel signal based on the two photoelectric conversion units provided corresponding to the same microlens is read out and used as an image pickup signal. On the other hand, for the pixel in the (n + 1) th row, the pixel signal based on only one of the two photoelectric conversion units provided corresponding to the same microlens is read out. Phase difference detection can be realized by performing difference processing between two pixel signals by reading a pixel signal based only on the photoelectric conversion unit PC1 from one pixel and reading a pixel signal based only on PC2 for another pixel. Therefore, for some pixels, the photoelectric conversion unit on the left side in FIG. 2 may be PC2, and for some pixels, the photoelectric conversion unit on the right side in FIG. 2 may be arranged as PC2.

固体撮像素子1000の動作は、上述した動作に限定されず、どの画素から撮像用信号を読み出し、どの画素から位相差検出用信号を読み出すのかは、例えば静止画を撮影する場合と動画を撮影する場合とで切り替えたり、画素信号を読み出す画素の数に応じて切り替えたりしても良い。 The operation of the solid-state image sensor 1000 is not limited to the above-mentioned operation, and which pixel is used to read the image pickup signal and which pixel is used to read the phase difference detection signal is, for example, when shooting a still image or when shooting a moving image. It may be switched depending on the case, or may be switched according to the number of pixels for reading the pixel signal.

以上で説明した通り、本実施形態によれば、撮像用信号と位相差検出用信号とを得ることができる。本実施形態に係る画素は、互いに独立に制御される2個の部分電極、(ここでは画素電極303)を備えることにより、この画素を撮像用画素としても位相差検出用画素としても用いることができる。このようにすることで、特許文献1とは異なり、位相差検出用画素の位置を動的に変更することが可能となる。さらに、特許文献1に記載の構造では、位相差検出用画素の一部を覆うように遮光膜を設けていたために、撮像用画素とでは光学的な特性が異なるおそれがあった。これに対して、本実施形態に係る画素によれば、位相差検出用画素として用いられる画素も、撮像用画素として用いられる画素も光学的な特性を同等にできるという利点がある。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain an image pickup signal and a phase difference detection signal. The pixel according to the present embodiment includes two partial electrodes controlled independently of each other (here, the pixel electrode 303), so that this pixel can be used as both an image pickup pixel and a phase difference detection pixel. can. By doing so, unlike Patent Document 1, it is possible to dynamically change the position of the phase difference detection pixel. Further, in the structure described in Patent Document 1, since a light-shielding film is provided so as to cover a part of the phase difference detection pixel, there is a possibility that the optical characteristics are different from those of the image pickup pixel. On the other hand, according to the pixel according to the present embodiment, there is an advantage that the pixel used as the phase difference detection pixel and the pixel used as the image pickup pixel can have the same optical characteristics.

(第2の実施形態)
図7は、本実施形態に係る画素アレイ110を示した図である。ここでは、4行×4列の画素が配列された場合を説明する。
(Second embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing a pixel array 110 according to the present embodiment. Here, a case where pixels of 4 rows × 4 columns are arranged will be described.

ここでは、左から1列目と右から1列目の画素を撮像用画素として固定的に用い、間にある2列の画素を位相差検出用画素と撮像用画素とのどちらかに切り替えて用いる例を説明する。 Here, the pixels in the first column from the left and the pixels in the first column from the right are fixedly used as the imaging pixels, and the two columns in between are switched to either the phase difference detection pixel or the imaging pixel. An example to be used will be described.

左から1列目と右から1列目の各画素100aは、図3に示した構成において、信号pADDをHレベルに固定したり、切り替えスイッチ405の制御ノードを電源に固定したりすることで、撮像用画素として動作させる。 Each pixel 100a in the first column from the left and the first column from the right has the configuration shown in FIG. 3 by fixing the signal pADD to the H level or fixing the control node of the changeover switch 405 to the power supply. , Operates as a pixel for imaging.

左から2列目の各画素100bは、図中左側が光電変換部PC2になるようにし、右から2列目の各画素100cは、図中右側が光電変換部PC2になるようにする。これにより、左から2列目と右から2列目とで、位相差検出動作が実現できる。 For each pixel 100b in the second column from the left, the left side in the figure is the photoelectric conversion unit PC2, and for each pixel 100c in the second column from the right, the right side in the figure is the photoelectric conversion unit PC2. As a result, the phase difference detection operation can be realized in the second column from the left and the second column from the right.

左から2列目と右から2列目の画素は、動作モードに応じて、撮像用画素として動作させても良い。例えば、動画撮影時には位相差検出用画素として動作させ、静止画撮影時には撮像用画素として動作させることができる。また、例えばユーザの操作によって、画素100bおよび100cを位相差検出用画素として動作させるか撮像用画素として動作させるかを切り替えるようにしても良い。 The pixels in the second column from the left and the pixels in the second column from the right may be operated as imaging pixels depending on the operation mode. For example, it can be operated as a phase difference detection pixel when shooting a moving image, and can be operated as an imaging pixel when shooting a still image. Further, for example, the pixels 100b and 100c may be switched between operating as the phase difference detection pixel and operating as the imaging pixel by the user's operation.

(第3の実施形態)
図8に、本実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す。図1に示した固体撮像素子と共通する要素については同じ符号を付している。以下では、図1の構成との相違点を中心に説明する。
(Third embodiment)
FIG. 8 shows a configuration example of the solid-state image sensor according to the present embodiment. The same reference numerals are given to the elements common to the solid-state image sensor shown in FIG. 1. In the following, the differences from the configuration of FIG. 1 will be mainly described.

本実施形態に係る固体撮像素子は、図1に示した固体撮像素子とは、各画素100が、光電変換部毎に独立した信号読み出し回路400a、400bを持つ点と、画素アレイの1列につき2本の垂直信号線130a、130bが設けられている点で異なる。 The solid-state image sensor according to the present embodiment is different from the solid-state image sensor shown in FIG. 1 in that each pixel 100 has independent signal readout circuits 400a and 400b for each photoelectric conversion unit, and each pixel array has one row. It differs in that two vertical signal lines 130a and 130b are provided.

図9は、本実施形態に係る画素100の構成例を示すための等価回路図である。図3に示した画素100から切り替えトランジスタをなくし、増幅トランジスタおよび選択トランジスタをそれぞれ追加した構成となっている。光電変換部PC1に対しては信号読み出し回路400aが設けられ、信号読み出し回路400aの出力は、垂直信号線130aに供給される。信号読み出し回路400aは、増幅トランジスタ403a、選択トランジスタ404a、リセットトランジスタ401a、および駆動容量402aを含む。増幅トランジスタ403aは、選択トランジスタ404aがオンすると、垂直信号線130aに設けられた定電流源180aとともにソースフォロワ回路として動作する。同様に、光電変換部PC2に対しては信号読み出し回路400bが設けられ、信号読み出し回路400bの出力は、垂直信号線130bに供給される。信号読み出し回路400bは、増幅トランジスタ403b、選択トランジスタ404b、リセットトランジスタ401b、および駆動容量402bを含む。増幅トランジスタ403bは、選択トランジスタ404bがオンすると、垂直信号線130bに設けられた定電流源180bとともにソースフォロワ回路として動作する。 FIG. 9 is an equivalent circuit diagram for showing a configuration example of the pixel 100 according to the present embodiment. The switching transistor is eliminated from the pixel 100 shown in FIG. 3, and an amplification transistor and a selection transistor are added respectively. A signal reading circuit 400a is provided for the photoelectric conversion unit PC1, and the output of the signal reading circuit 400a is supplied to the vertical signal line 130a. The signal readout circuit 400a includes an amplification transistor 403a, a selection transistor 404a, a reset transistor 401a, and a drive capacitance 402a. When the selection transistor 404a is turned on, the amplification transistor 403a operates as a source follower circuit together with the constant current source 180a provided in the vertical signal line 130a. Similarly, a signal reading circuit 400b is provided for the photoelectric conversion unit PC2, and the output of the signal reading circuit 400b is supplied to the vertical signal line 130b. The signal readout circuit 400b includes an amplification transistor 403b, a selection transistor 404b, a reset transistor 401b, and a drive capacitance 402b. When the selection transistor 404b is turned on, the amplification transistor 403b operates as a source follower circuit together with the constant current source 180b provided in the vertical signal line 130b.

本実施例では、画素アレイ110の各列に2本の垂直信号線130a、130bが設けられているため、同一の画素100内に設けられた2個の光電変換部PC1、PC2に基づく信号を並行して読み出すことができる。そのため、信号読み出し回路400aおよび400bは共通の信号によって制御される。 In this embodiment, since two vertical signal lines 130a and 130b are provided in each row of the pixel array 110, signals based on the two photoelectric conversion units PC1 and PC2 provided in the same pixel 100 can be used. It can be read in parallel. Therefore, the signal readout circuits 400a and 400b are controlled by a common signal.

図10は、本実施形態に係る画素100の断面図である。図から明らかなように、同一のマイクロレンズの下に設けられた2個の光電変換部のそれぞれに対して、信号読み出し回路が設けられている。 FIG. 10 is a cross-sectional view of the pixel 100 according to the present embodiment. As is clear from the figure, a signal readout circuit is provided for each of the two photoelectric conversion units provided under the same microlens.

図11は、本実施形態に係る動作を説明するためのタイミング図である。本実施形態においても、ローリングシャッタ動作を例にとって説明する。図6に示した動作とは、n行目も(n+1)行目も2個の光電変換部に基づく信号を読み出している点にある。 FIG. 11 is a timing diagram for explaining the operation according to the present embodiment. Also in this embodiment, the rolling shutter operation will be described as an example. The operation shown in FIG. 6 is that the signals based on the two photoelectric conversion units are read out in both the nth line and the (n + 1) line.

本実施形態では、時刻t4に、2個の光電変換部のそれぞれに基づく信号が、列信号処理部にサンプルホールドされる。これらの信号から、時刻t2に列信号処理部にサンプルホールドされた信号との差分を取ることで、CDS(相関二重サンプリング;Correlated Double Sampling)処理が行える。差分処理後の信号を加算すると、2個の光電変換部に基づく信号が得られるので、これを撮像用信号として利用できる。一方、差分処理後の信号のそれぞれは、位相差検出用信号として利用できる。したがって、撮像用信号を取得しつつ位相差検出を行うことができる。 In the present embodiment, at time t4, a signal based on each of the two photoelectric conversion units is sample-held in the column signal processing unit. CDS (Correlated Double Sampling) processing can be performed by taking the difference between these signals and the signal sample-held by the column signal processing unit at time t2. By adding the signals after the difference processing, a signal based on the two photoelectric conversion units can be obtained, which can be used as an imaging signal. On the other hand, each of the signals after the difference processing can be used as a phase difference detection signal. Therefore, it is possible to detect the phase difference while acquiring the imaging signal.

時刻t12でサンプルホールドされる信号についても同様である。 The same applies to the signal sample-held at time t12.

本実施形態についても、第1の実施形態と同様に、画素が、互いに独立に制御される2個の画素電極303を備えることにより、撮像用画素としても位相差検出用画素としても用いることができる。このようにすることで、位相差検出用画素の位置を動的に変更することが可能となる。さらに、本実施形態によれば、各画素が信号読み出し回路を持つことで、位相差検出用信号と撮像用信号とが並行して得られる。 Similar to the first embodiment, the present embodiment can also be used as both an image pickup pixel and a phase difference detection pixel by providing two pixel electrodes 303 in which the pixels are controlled independently of each other. can. By doing so, it is possible to dynamically change the position of the phase difference detection pixel. Further, according to the present embodiment, since each pixel has a signal readout circuit, a phase difference detection signal and an image pickup signal can be obtained in parallel.

(第4の実施形態)
図12は、本実施例に係る固体撮像素子の構成例を示すためのブロック図である。以下では、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
(Fourth Embodiment)
FIG. 12 is a block diagram for showing a configuration example of the solid-state image sensor according to the present embodiment. Hereinafter, the differences from the first embodiment will be mainly described.

図1に示した固体撮像素子とは、各画素100の2個の対向電極307a、307bならびに1個の画素電極303を持つ点と、切り替えスイッチ405を持たない点で異なる。さらに、駆動容量に与えられるバイアス電圧は固定のバイアス電圧である点でも相違する。第1の実施形態では、互いに独立して制御可能な部分電極として、各画素が2個の画素電極を持つ例を説明したが、本実施形態では、互いに独立して制御可能な部分電極として、2個の対向電極を用いる。 It differs from the solid-state image sensor shown in FIG. 1 in that it has two counter electrodes 307a and 307b and one pixel electrode 303 for each pixel 100, and it does not have a changeover switch 405. Further, the bias voltage given to the drive capacitance is also different in that it is a fixed bias voltage. In the first embodiment, an example in which each pixel has two pixel electrodes as partial electrodes that can be controlled independently of each other has been described, but in the present embodiment, as partial electrodes that can be controlled independently of each other, Two counter electrodes are used.

2個の対向電極307a、307bは、それぞれ独立に制御できるように構成されており、行駆動回路120は、2個の対向電極307a、307bに対してバイアス電圧Vsa、Vsbを供給する。一方、画素電極303は、2個の光電変換部に対して共通である。 The two counter electrodes 307a and 307b are configured to be independently controllable, and the row drive circuit 120 supplies bias voltages Vsa and Vsb to the two counter electrodes 307a and 307b. On the other hand, the pixel electrode 303 is common to the two photoelectric conversion units.

図13は、本実施形態に係る画素100の断面図である。図2では、1個の画素には1個の対向電極307が設けられていたのに対して、本実施形態では、各画素は2個の対向電極307a、307bを持つ。また、図2では、2個設けられていた画素電極303a、303bが、本実施形態では1個の画素電極303として共通化されている。これに伴って、切り替えスイッチ405がなくなったほか、2個あったリセットトランジスタ401a、401bも1個になっている。本実施形態においては、各画素は、画素電極303と対向電極307a、307bとで構成される光電変換部PC1、PC2を持つ。 FIG. 13 is a cross-sectional view of the pixel 100 according to the present embodiment. In FIG. 2, one pixel is provided with one counter electrode 307, whereas in the present embodiment, each pixel has two counter electrodes 307a and 307b. Further, in FIG. 2, the two pixel electrodes 303a and 303b provided are shared as one pixel electrode 303 in the present embodiment. Along with this, the changeover switch 405 has disappeared, and the two reset transistors 401a and 401b have also become one. In the present embodiment, each pixel has photoelectric conversion units PC1 and PC2 composed of a pixel electrode 303 and counter electrodes 307a and 307b.

同一のマイクロレンズに対応して設けられた2個の対向電極307a、307bは、互いから距離d離れて配置されて、2個の光電変換部を構成する。図では示していないが、隣接する画素の対向電極どうしは、距離dよりも大きい距離D離れて配置してもよい。ある画素の対向電極307aは、この画素の別の対向電極307bとは距離dだけ離れて設けられるとともに、隣接する画素の対向電極307bに対して距離Dだけ離れて設けられる。このように対向電極を配置することで、ある画素に入射した光に応じて生成された電荷が、隣接する画素の光電変換部に蓄積されることを抑制できる。各画素がカラーフィルタを持つ場合には、混色を低減する効果が得られる。カラーフィルタは、例えば対向電極とマイクロレンズとの間に設けられる。さらに、カラーフィルタと対向電極307との間であって、隣接する2個の画素間に、遮光膜を設けることで、混色をさらに抑制できる。また、カラーフィルタとマイクロレンズとの間には、保護層を設け、カラーフィルタを形成したことで生じる段差を低減しても良い。 The two counter electrodes 307a and 307b provided corresponding to the same microlens are arranged at a distance d from each other to form two photoelectric conversion units. Although not shown in the figure, the facing electrodes of adjacent pixels may be arranged at a distance D larger than the distance d. The facing electrode 307a of a certain pixel is provided at a distance d from another facing electrode 307b of this pixel, and is provided at a distance D from the facing electrode 307b of an adjacent pixel. By arranging the counter electrode in this way, it is possible to suppress the charge generated in response to the light incident on a certain pixel from being accumulated in the photoelectric conversion unit of the adjacent pixel. When each pixel has a color filter, the effect of reducing color mixing can be obtained. The color filter is provided, for example, between the counter electrode and the microlens. Further, by providing a light-shielding film between two adjacent pixels between the color filter and the counter electrode 307, color mixing can be further suppressed. Further, a protective layer may be provided between the color filter and the microlens to reduce the step caused by forming the color filter.

図14は、本実施形態に係る画素100の等価回路図である。本実施形態において、駆動容量103の一方のノードはノードN1に接続され、他方のノードは接地電位に固定される。また、対向電極307aおよび307bには、それぞれバイアス電圧VsaおよびVsbが供給される。 FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of the pixel 100 according to the present embodiment. In this embodiment, one node of the drive capacitance 103 is connected to the node N1 and the other node is fixed to the ground potential. Further, bias voltages Vsa and Vsb are supplied to the counter electrodes 307a and 307b, respectively.

図15は、本実施形態に係る信号読み出し動作を説明するための光電変換部のポテンシャル図である。ここでは、簡単のために1個の光電変換部PC1に着目して動作を説明する。 FIG. 15 is a potential diagram of a photoelectric conversion unit for explaining a signal reading operation according to the present embodiment. Here, for the sake of simplicity, the operation will be described focusing on one photoelectric conversion unit PC1.

画素100の読み出し動作は、下記のa)~f)の動作を行うことによって実現される。
a)蓄積前リセット
b)光電荷蓄積
c)蓄積後リセット
d)N信号読み
e)電荷転送
f)S信号読み
The reading operation of the pixel 100 is realized by performing the following operations a) to f).
a) Reset before storage b) Photo charge storage c) Reset after storage d) N signal reading e) Charge transfer f) S signal reading

以下では、上記の各ステップについて詳細に説明を行う。 In the following, each of the above steps will be described in detail.

a)蓄積前リセット
対向電極307に5[V]のバイアス電圧Vsaを与えた状態で、リセットトランジスタ401をオン状態にすることでノードN1を3[V]にリセットする。その後、リセットトランジスタ401bをオフ状態にすると、リセットトランジスタの動作に伴うkTCノイズ(kTC1)が発生する。これにより、ノードN1、すなわち画素電極303の電位が3[V]+kTC1になる(図15(a))。
a) Reset before accumulation With the bias voltage Vsa of 5 [V] applied to the counter electrode 307, the node N1 is reset to 3 [V] by turning on the reset transistor 401. After that, when the reset transistor 401b is turned off, kTC noise (kTC1) is generated due to the operation of the reset transistor. As a result, the potential of the node N1, that is, the pixel electrode 303 becomes 3 [V] + kTC1 (FIG. 15A).

b)光電荷蓄積
光電変換層305に光が入射した状態で、蓄積前リセットが完了すると、光電荷蓄積動作が開始する。光電荷蓄積を行っている期間中、バイアス電圧Vsaは5[V]に維持される。このため、画素電極303bの電位は、3[V]の電圧が印加された対向電極307に対して負の電位になる。したがって、光電変換層305中の電子は対向電極307の方に導かれて、ブロッキング層306を介して対向電極307から排出される。一方、ホールは画素電極303の方に導かれる。なお、ブロッキング層306があるため、対向電極307から光電変換層305への注入は行われない(図15(b-1))。
b) Photocharge accumulation When light is incident on the photoelectric conversion layer 305 and the pre-accumulation reset is completed, the photocharge accumulation operation starts. The bias voltage Vsa is maintained at 5 [V] during the period of photocharge accumulation. Therefore, the potential of the pixel electrode 303b becomes a negative potential with respect to the counter electrode 307 to which the voltage of 3 [V] is applied. Therefore, the electrons in the photoelectric conversion layer 305 are guided toward the counter electrode 307 and are discharged from the counter electrode 307 via the blocking layer 306. On the other hand, the hole is guided toward the pixel electrode 303. Since there is a blocking layer 306, injection from the counter electrode 307 into the photoelectric conversion layer 305 is not performed (FIG. 15 (b-1)).

光電変換層305が入射光を吸収すると、入射光量に応じて電子-ホール対が発生する。発生した電子は、対向電極307から排出される一方で、発生したホールは光電変換層305内を移動して、層間絶縁層304との界面に達する。しかし、ホールは層間絶縁層304内には移動できないため、光電変換層305内に蓄積される(図15(b-2))。こうして蓄積されるホールが、入射光に基づく信号電荷として用いられる。光電変換層305内に蓄積されたホールによって、ノードN2の電位がVpだけ上昇し、ノードN1の電位は3[V]+kTC1+Vp1となる。 When the photoelectric conversion layer 305 absorbs incident light, electron-hole pairs are generated according to the amount of incident light. The generated electrons are discharged from the counter electrode 307, while the generated holes move in the photoelectric conversion layer 305 and reach the interface with the interlayer insulating layer 304. However, since the holes cannot move in the interlayer insulating layer 304, they are accumulated in the photoelectric conversion layer 305 (FIG. 15 (b-2)). The holes thus accumulated are used as signal charges based on the incident light. Due to the holes accumulated in the photoelectric conversion layer 305, the potential of the node N2 rises by Vp, and the potential of the node N1 becomes 3 [V] + kTC1 + Vp1.

c)蓄積後リセット
リセットトランジスタ401を一時的にオンして、ノードN1を3[V]にリセットする。リセットトランジスタ401の動作に伴ってノイズ(kTC2)が発生するので、ノードN2の電位は3[V]+kTC2となる。蓄積前リセットで生じたノイズkTC1と蓄積後リセットで生じるノイズkTC2とは、互いに相関のない、いわゆるランダムノイズ成分である。
c) Reset after accumulation The reset transistor 401 is temporarily turned on to reset the node N1 to 3 [V]. Since noise (kTC2) is generated with the operation of the reset transistor 401, the potential of the node N2 becomes 3 [V] + kTC2. The noise kTC1 generated by the pre-accumulation reset and the noise kTC2 generated by the post-accumulation reset are so-called random noise components that do not correlate with each other.

なお、リセットトランジスタ401によりノードN1をリセットしても、光電変換層305に蓄積されたホールは光電変換層305に留まる(図15(c))。 Even if the node N1 is reset by the reset transistor 401, the holes accumulated in the photoelectric conversion layer 305 remain in the photoelectric conversion layer 305 (FIG. 15 (c)).

d)N信号読み出し
選択トランジスタ404をオンし、この時のノードN1の電位に応じた信号が垂直信号線130に出力される。出力された信号は例えば列信号処理部によって保持される。
d) N signal read-out The selection transistor 404 is turned on, and a signal corresponding to the potential of the node N1 at this time is output to the vertical signal line 130. The output signal is held by, for example, a column signal processing unit.

e)電荷転送
対向電極307aに与えられるバイアス電圧Vsaを5[V]から0[V]に変化させる。これにより、ノードN1の電位が変動する。この電位の変動量は、光電変換部の容量と駆動容量402の容量値の比で決まる。仮に、光電変換部の容量値をC1、駆動容量402の容量値をC2とし、バイアス電圧Vsaの正の変化量をΔVbとすると、ノードN1の電位の変動量ΔVN1は、次式で表される。
ΔVN1=ΔVsa×C1/(C1+C2) ・・・(1)
e) Charge transfer The bias voltage Vsa applied to the counter electrode 307a is changed from 5 [V] to 0 [V]. As a result, the potential of the node N1 fluctuates. The amount of fluctuation of this potential is determined by the ratio of the capacity of the photoelectric conversion unit to the capacity value of the drive capacity 402. Assuming that the capacitance value of the photoelectric conversion unit is C1, the capacitance value of the drive capacitance 402 is C2, and the positive change amount of the bias voltage Vsa is ΔVb, the fluctuation amount ΔVN1 of the potential of the node N1 is expressed by the following equation. ..
ΔVN1 = ΔVsa × C1 / (C1 + C2) ... (1)

本実施形態において、駆動容量402の容量値C1が光電変換部の容量値C2の4倍であるとすると、バイアス電圧Vsaを5[V]変化させた時のノードN1の電位の変動量は4[V]となる。 In the present embodiment, assuming that the capacitance value C1 of the drive capacitance 402 is four times the capacitance value C2 of the photoelectric conversion unit, the amount of change in the potential of the node N1 when the bias voltage Vsa is changed by 5 [V] is 4. It becomes [V].

ノードN1の電位が4[V]だけ上昇して、5[V]+kTC2となると、ノードN1の電位と対向電極307aの電位とが逆転するこの結果、光電変換層305中のポテンシャルの傾きが逆転する(図15(e-1))。これにより、電子が対向電極307からブロッキング層306を介して光電変換層305に注入される。また、光電変換層305に蓄積されていたホールは対向電極307aの方へと導かれ、ブロッキング層306内で電子と再結合して消滅する。この結果、光電変換層305内に蓄積されていたホールはすべて光電変換層305から排出される。つまり、光電変換層305が完全空乏化されることによる完全転送が行われる(図15(e-2))。 When the potential of the node N1 rises by 4 [V] to 5 [V] + kTC2, the potential of the node N1 and the potential of the counter electrode 307a are reversed. As a result, the slope of the potential in the photoelectric conversion layer 305 is reversed. (FIG. 15 (e-1)). As a result, electrons are injected from the counter electrode 307 into the photoelectric conversion layer 305 via the blocking layer 306. Further, the holes accumulated in the photoelectric conversion layer 305 are guided toward the counter electrode 307a, and recombine with the electrons in the blocking layer 306 to disappear. As a result, all the holes accumulated in the photoelectric conversion layer 305 are discharged from the photoelectric conversion layer 305. That is, complete transfer is performed by completely depleting the photoelectric conversion layer 305 (FIG. 15 (e-2)).

次に、バイアス電圧Vsaを再び5[V]にすると、ノードN1の電位は対向電極307の電位に対して負になるため、バイアス電圧Vsaが0[V]であったときに光電変換層305に注入されていた電子がブロッキング層306を介して光電変換層305から排出される。こうして排出される電子の量と、光電変換層305に注入されていた電子の量とは理想的には等しくなるので、信号の読み出しには影響しない。バイアス電圧Vsaを5[V]にすることで、ノードN1の電位も3[V]+kTC2に戻ろうとするが、対向電極307と光電変換層305との間にブロッキング層306が設けられているために、光電変換層305へのホールの注入が行われない。そのため、光電荷蓄積動作によって光電変換層305に蓄積されていたホールによる信号は、光信号成分Vpとして残るので、ノードN1の電位は3[V]+kTC2+Vpとなる。 Next, when the bias voltage Vsa is set to 5 [V] again, the potential of the node N1 becomes negative with respect to the potential of the counter electrode 307. Therefore, when the bias voltage Vsa is 0 [V], the photoelectric conversion layer 305 The electrons injected into the capacitor are discharged from the photoelectric conversion layer 305 via the blocking layer 306. Since the amount of electrons emitted in this way is ideally equal to the amount of electrons injected into the photoelectric conversion layer 305, it does not affect the reading of the signal. By setting the bias voltage Vsa to 5 [V], the potential of the node N1 also tries to return to 3 [V] + kTC2, but because the blocking layer 306 is provided between the counter electrode 307 and the photoelectric conversion layer 305. In addition, the holes are not injected into the photoelectric conversion layer 305. Therefore, the signal due to the hole accumulated in the photoelectric conversion layer 305 by the optical charge accumulating operation remains as an optical signal component Vp, so that the potential of the node N1 becomes 3 [V] + kTC2 + Vp.

f)S信号読み
選択トランジスタ404をオンし、この時のノードN1の電位に応じた信号が垂直信号線130に出力される。出力された信号は例えば列信号処理部によって保持される。本ステップにおいて得られる信号と、d)のN信号読みによって得られた信号とを差分処理すると、ノイズ成分であるkTC2が相殺されるので、結果として光信号成分Vpに相当する信号が得られる。
f) The S signal reading selection transistor 404 is turned on, and a signal corresponding to the potential of the node N1 at this time is output to the vertical signal line 130. The output signal is held by, for example, a column signal processing unit. When the signal obtained in this step and the signal obtained by reading the N signal in d) are differentially processed, the noise component kTC2 is canceled out, and as a result, a signal corresponding to the optical signal component Vp is obtained.

選択トランジスタ404は、N信号読み以降、オン状態に維持しても良い。 The selection transistor 404 may be kept on after reading the N signal.

以上の動作により、画素信号を読み出すことができる。 By the above operation, the pixel signal can be read out.

図18は、本実施形態に係る電荷排出動作を説明するための、光電変換部のポテンシャル図である。同図において、下に行くほど電子に対するポテンシャルが下がる。図中、左から対向電極307a、光電変換層305、層間絶縁層304、画素電極303の順に各領域のポテンシャルの様子が描かれている。ここでは、説明を簡単にするために、ブロッキング層306は省略した。同図において、黒い丸は電子を表し、白い丸はホールを表す。 FIG. 18 is a potential diagram of a photoelectric conversion unit for explaining the charge discharge operation according to the present embodiment. In the figure, the lower the value, the lower the potential for electrons. In the figure, the potential of each region is drawn in the order of the counter electrode 307a, the photoelectric conversion layer 305, the interlayer insulating layer 304, and the pixel electrode 303 from the left. Here, the blocking layer 306 is omitted for the sake of simplicity. In the figure, black circles represent electrons and white circles represent holes.

図15を用いて説明した、画素信号の読み出し動作との相違点は、図15に示した(b-1)および(b-2)の光電荷蓄積期間に、対向電極307aに印加されるバイアスVsaを0[V]とする点である(図16(b-1)、図16(b-2))。対向電極307aにバイアス電圧Vsa=0[V]を印加した状態では、画素電極は対向電極に対して正の電位となる。そのため、光電変換層305に光が入射すると、発生したホールは画素電極-対向電極間の電界によって対向電極へと導かれて排出される。 The difference from the pixel signal readout operation described with reference to FIG. 15 is the bias applied to the counter electrode 307a during the photocharge accumulation period of (b-1) and (b-2) shown in FIG. It is a point where Vsa is set to 0 [V] (FIG. 16 (b-1), FIG. 16 (b-2)). When the bias voltage Vsa = 0 [V] is applied to the counter electrode 307a, the pixel electrode has a positive potential with respect to the counter electrode. Therefore, when light is incident on the photoelectric conversion layer 305, the generated holes are guided to the counter electrode by the electric field between the pixel electrode and the counter electrode and discharged.

一方、光電変換層305で発生した電子は画素電極-対向電極間の電界によって層間絶縁層304の方へと導かれるが、光電変換層305と層間絶縁層304との界面に蓄積される。しかし、蓄積された電子は、図5(c)の工程で画素電極303の電位をリセットトランジスタ401によって3[V]にリセットすることにより、対向電極から排出される。この結果、入射光に応じて光電変換層305内で発生した電荷は、ホールも電子も対向電極から排出されるので、光信号成分Vpが0になる。 On the other hand, the electrons generated in the photoelectric conversion layer 305 are guided toward the interlayer insulating layer 304 by the electric field between the pixel electrode and the counter electrode, but are accumulated at the interface between the photoelectric conversion layer 305 and the interlayer insulating layer 304. However, the accumulated electrons are discharged from the counter electrode by resetting the potential of the pixel electrode 303 to 3 [V] by the reset transistor 401 in the step of FIG. 5 (c). As a result, the electric charge generated in the photoelectric conversion layer 305 in response to the incident light has both holes and electrons discharged from the counter electrode, so that the optical signal component Vp becomes 0.

本実施形態における固体撮像素子1000の動作の一例を説明する。図17は、いわゆるローリングシャッタ動作を行った際の、画素アレイのうちのn行目と(n+1)行目の画素に係る動作に係るタイミング図である。ここでは、n行目の画素からは2個の光電変換部PC1、PC2に基づく画素信号を読み出し、(n+1)行目の画素からは2個のうちの一方の光電変換部PC2のみに基づく画素信号を読み出す動作を説明する。 An example of the operation of the solid-state image sensor 1000 in the present embodiment will be described. FIG. 17 is a timing diagram relating to the operation related to the pixels in the nth row and the (n + 1) th row in the pixel array when the so-called rolling shutter operation is performed. Here, the pixel signals based on the two photoelectric conversion units PC1 and PC2 are read from the pixel on the nth row, and the pixels based on only one of the two photoelectric conversion units PC2 from the pixel on the (n + 1) row. The operation of reading a signal will be described.

n行目の画素の水平ブランキング期間であるHBLNK(n)の開始前に、n行目の画素の光電変換部PC1、PC2には、光電変換によって発生した電荷が蓄積された状態、すなわち、図15(b-1)の状態にあるものとする。 Before the start of HBLNK (n), which is the horizontal blanking period of the pixel in the nth row, the charge generated by the photoelectric conversion is accumulated in the photoelectric conversion units PC1 and PC2 of the pixel in the nth row, that is, It is assumed that the state is as shown in FIG. 15 (b-1).

時刻t1に、信号pSEL(n)、pRES(n)がHレベルになる。これにより、n行目の画素が選択された状態になり、n行目の画素からの信号が垂直信号線130に現れるようになるとともに、ノードN1が3[V]にリセットされる。つまり、図15(b-2)に示した状態となる。 At time t1, the signals pSEL (n) and pRES (n) become H level. As a result, the pixel in the nth row is selected, the signal from the pixel in the nth row appears on the vertical signal line 130, and the node N1 is reset to 3 [V]. That is, the state shown in FIG. 15 (b-2) is obtained.

時刻t2から信号pTNを一時的にHレベルにすると、この時のノードN1の電位に応じた信号が信号処理部140にサンプルホールドされる。すなわち、N信号読み出しが行われる。 When the signal pTN is temporarily set to the H level from the time t2, the signal corresponding to the potential of the node N1 at this time is sample-held by the signal processing unit 140. That is, N signal reading is performed.

時刻t3からバイアス電圧Vsa(n)、Vsb(n)を一時的にLレベルにすることで、光電変換部PC1、PC2に蓄積された電荷量に応じてノードN1の電位が変動する。これは、図15(e-1)、(e-2)の電荷転送動作である。 By temporarily setting the bias voltages Vsa (n) and Vsb (n) to the L level from time t3, the potential of the node N1 fluctuates according to the amount of electric charge accumulated in the photoelectric conversion units PC1 and PC2. This is the charge transfer operation shown in FIGS. 15 (e-1) and 15 (e-2).

時刻t4から信号pTSを一時的にHレベルとすると、この時のノードN1の電位に応じた信号が信号処理部140にサンプルホールドされる。すなわち、S信号読み出しが行われる。この時に読み出されるS信号は、同一のマイクロレンズ下に設けられた2個の光電変換部PC1、PC2に基づく信号であるので、撮像用信号として利用できる。 When the signal pTS is temporarily set to the H level from the time t4, the signal corresponding to the potential of the node N1 at this time is sample-held by the signal processing unit 140. That is, the S signal is read out. Since the S signal read at this time is a signal based on the two photoelectric conversion units PC1 and PC2 provided under the same microlens, it can be used as an image pickup signal.

時刻t5に信号pRES(n)がHレベルになると、ノードN1が再び3[V]にリセットされる。つまり、図15(a)に示す蓄積前リセットが行われた状態になる。 When the signal pRES (n) reaches the H level at time t5, the node N1 is reset to 3 [V] again. That is, the pre-accumulation reset shown in FIG. 15A is performed.

時刻t6に信号pSEL(n)がローレベルになると、n行目の画素の選択状態が解除される。 When the signal pSEL (n) becomes low level at time t6, the selection state of the pixel on the nth row is canceled.

その後、水平走査期間HSCAN(n)が開始すると、時刻t7に信号PHSTがHレベルになる。これを受けて、列選択回路150は列信号処理部の走査を開始する。列選択回路150は、不図示のクロック信号に同期して動作するので、列信号処理部からの信号は出力アンプ170から順次出力される。 After that, when the horizontal scanning period HSCAN (n) starts, the signal PHST becomes H level at time t7. In response to this, the column selection circuit 150 starts scanning the column signal processing unit. Since the column selection circuit 150 operates in synchronization with a clock signal (not shown), the signal from the column signal processing unit is sequentially output from the output amplifier 170.

時刻t8にバイアス電圧Vsa(n+1)がHレベル(ここでは5[V])になるまでは、光電変換部で発生した電荷が光電変換層に蓄積されずに排出される状態にある。 Until the bias voltage Vsa (n + 1) reaches the H level (here, 5 [V]) at time t8, the electric charge generated in the photoelectric conversion unit is discharged without being accumulated in the photoelectric conversion layer.

時刻t9に、信号pSEL(n+1)とpRES(n+1)がHレベルになる。これにより、n行目の画素が選択された状態になり、n+1行目の画素からの信号が垂直信号線130に現れるようになる。さらに、信号pRES(n+1)がHレベルになることで、ノードN1が3[V]にリセットされる。 At time t9, the signals pSEL (n + 1) and pRES (n + 1) become H level. As a result, the pixel on the nth row is selected, and the signal from the pixel on the n + 1th row appears on the vertical signal line 130. Further, when the signal pRES (n + 1) becomes H level, the node N1 is reset to 3 [V].

時刻t10から信号pTNを一時的にHレベルにすると、この時のノードN2の電位に応じた信号が信号処理部140にサンプルホールドされる。すなわち、N信号読み出しが行われる。 When the signal pTN is temporarily set to the H level from the time t10, the signal corresponding to the potential of the node N2 at this time is sample-held by the signal processing unit 140. That is, N signal reading is performed.

時刻t11からバイアス電圧Vsa(n+1)、Vsb(n+1)を一時的にLレベルにすることで、光電変換部PC1およびPC2に蓄積された電荷量に応じてノードN1の電位が変動する。これは、図15(e-1)、(e-2)の電荷転送動作である。光電変換部PC1は、時刻t8までは電荷を蓄積しない状態にあるため、光電変換部PC1による信号成分への寄与は、時刻t8から時刻t11までに蓄積された電荷のみとなる。 By temporarily setting the bias voltages Vsa (n + 1) and Vsb (n + 1) to the L level from time t11, the potential of the node N1 fluctuates according to the amount of electric charge accumulated in the photoelectric conversion units PC1 and PC2. This is the charge transfer operation shown in FIGS. 15 (e-1) and 15 (e-2). Since the photoelectric conversion unit PC1 is in a state where the electric charge is not accumulated until the time t8, the contribution of the photoelectric conversion unit PC1 to the signal component is only the electric charge accumulated from the time t8 to the time t11.

時刻t12から信号pTSを一時的にHレベルとすると、この時のノードN1の電位に応じた信号が信号処理部140にサンプルホールドされる。すなわち、S信号読み出しが行われる。この時に読み出されるS信号は、同一のマイクロレンズ下に設けられた2個の光電変換部PC1、PC2のうちのPC2のみに基づく信号であるので、位相差検出用信号として利用できる。 When the signal pTS is temporarily set to the H level from the time t12, the signal corresponding to the potential of the node N1 at this time is sample-held by the signal processing unit 140. That is, the S signal is read out. Since the S signal read at this time is a signal based only on PC2 of the two photoelectric conversion units PC1 and PC2 provided under the same microlens, it can be used as a phase difference detection signal.

時刻t13に信号pRES(n+1)がHレベルになると、ノードN1が再び3[V]にリセットされる。つまり、図15(a)に示す蓄積前リセットが行われた状態になる。 When the signal pRES (n + 1) reaches the H level at time t13, the node N1 is reset to 3 [V] again. That is, the pre-accumulation reset shown in FIG. 15A is performed.

時刻t14に信号pSEL(n+1)がローレベルになると、n+1行目の画素の選択状態が解除される。 When the signal pSEL (n + 1) becomes low level at time t14, the selection state of the pixel in the n + 1th row is canceled.

その後、水平走査期間HSCAN(n+1)が開始すると、時刻t15にバイアス電圧Va(n+1)がHレベルになり、光電変換部PC1がホールを蓄積しない状態に再びなる。 After that, when the horizontal scanning period HSCAN (n + 1) starts, the bias voltage Va (n + 1) becomes H level at time t15, and the photoelectric conversion unit PC1 returns to a state in which holes are not accumulated.

また、バイアス電圧Vsa(n+1)がローレベルになった後、時刻t15に信号PHSTがHレベルになる。これを受けて、列選択回路150は列信号処理部の走査を開始する。列選択回路150は、不図示のクロック信号に同期して動作するので、列信号処理部からの信号は出力アンプ170から順次出力される。 Further, after the bias voltage Vsa (n + 1) becomes low level, the signal PHST becomes H level at time t15. In response to this, the column selection circuit 150 starts scanning the column signal processing unit. Since the column selection circuit 150 operates in synchronization with a clock signal (not shown), the signal from the column signal processing unit is sequentially output from the output amplifier 170.

以上で説明したように、n行目の画素については、同一マイクロレンズに対応して設けられた2個の光電変換部に基づく画素信号を読み出して、撮像用信号とする。その一方で、(n+1)行目の画素については、同一マイクロレンズに対応して設けられた2個の光電変換部のうちの一方のみに基づく画素信号を読み出して、位相差検出用信号としている。 As described above, for the pixel on the nth row, the pixel signal based on the two photoelectric conversion units provided corresponding to the same microlens is read out and used as an image pickup signal. On the other hand, for the pixel in the (n + 1) th row, the pixel signal based on only one of the two photoelectric conversion units provided corresponding to the same microlens is read out and used as a phase difference detection signal. ..

第1の実施形態と同様に、固体撮像素子1000の動作は、上述した動作に限定されず、どの画素から撮像用信号を読み出し、どの画素から位相差検出用信号を読み出すのかは、例えば静止画を撮影する場合と動画を撮影する場合とで切り替えたり、画素信号を読み出す画素の数に応じて切り替えたりしても良い。 Similar to the first embodiment, the operation of the solid-state image sensor 1000 is not limited to the above-mentioned operation, and which pixel is used to read the image pickup signal and which pixel is used to read the phase difference detection signal is, for example, a still image. It may be switched between the case of shooting a moving image and the case of shooting a moving image, or it may be switched according to the number of pixels for reading a pixel signal.

以上で説明した通り、本実施形態によれば、撮像用信号と位相差検出用信号とを得ることができる。本実施形態に係る画素は、互いに独立に制御される2個の部分電極(ここでは対向電極307)を備えることにより、この画素を撮像用画素としても位相差検出用画素としても用いることができる。このようにすることで、特許文献1とは異なり、位相差検出用画素の位置を動的に変更することが可能となる。さらに、特許文献1に記載の構造では、位相差検出用画素の一部を覆うように遮光膜を設けていたために、撮像用画素とでは光学的な特性が異なるおそれがあった。これに対して、本実施形態に係る画素によれば、位相差検出用画素として用いられる画素も、撮像用画素として用いられる画素も光学的な特性を同等にできるという利点がある。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain an image pickup signal and a phase difference detection signal. The pixel according to the present embodiment includes two partial electrodes (here, the counter electrode 307) that are controlled independently of each other, so that the pixel can be used as both an image pickup pixel and a phase difference detection pixel. .. By doing so, unlike Patent Document 1, it is possible to dynamically change the position of the phase difference detection pixel. Further, in the structure described in Patent Document 1, since a light-shielding film is provided so as to cover a part of the phase difference detection pixel, there is a possibility that the optical characteristics are different from those of the image pickup pixel. On the other hand, according to the pixel according to the present embodiment, there is an advantage that the pixel used as the phase difference detection pixel and the pixel used as the image pickup pixel can have the same optical characteristics.

(第5の実施形態)
図18に、本実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す。図1に示した固体撮像素子と共通する要素については同じ符号を付している。以下では、図1の構成との相違点を中心に説明する。
(Fifth Embodiment)
FIG. 18 shows a configuration example of the solid-state image sensor according to the present embodiment. The same reference numerals are given to the elements common to the solid-state image sensor shown in FIG. 1. In the following, the differences from the configuration of FIG. 1 will be mainly described.

本実施形態に係る固体撮像素子は、各画素100が2個の対向電極307a、307bを持つ点で、図1に示した固体撮像素子と異なる。そのため、行駆動回路120は、各行の画素に対して、駆動容量に印加するバイアスVa、Vbに加えて、対向電極に印加するバイアスVsa、Vsbを供給する構成になっている。2個の対向電極307a、307bは、それぞれ画素電極303a、303bとで光電変換層を挟むように向き合って配置されることで、2個の光電変換部PC1、PC2を構成する。言い換えると、本実施形態においては、画素電極303および対向電極307がそれぞれ互いに独立して制御可能な部分電極を含んで成る。 The solid-state image pickup device according to the present embodiment is different from the solid-state image pickup device shown in FIG. 1 in that each pixel 100 has two counter electrodes 307a and 307b. Therefore, the row drive circuit 120 is configured to supply the bias Vsa and Vsb applied to the counter electrode in addition to the bias Va and Vb applied to the drive capacitance to the pixels of each row. The two counter electrodes 307a and 307b are arranged so as to face each other so as to sandwich the photoelectric conversion layer with the pixel electrodes 303a and 303b, respectively, thereby forming two photoelectric conversion units PC1 and PC2. In other words, in the present embodiment, the pixel electrode 303 and the counter electrode 307 include partial electrodes that can be controlled independently of each other.

図19は、画素100の構成例を示すための等価回路図である。図3では、対向電極307に印加されるバイアス電圧がVsのみだったのに対して、本実施形態では、2個の光電変換部PC1およびPC2に対して独立のバイアス電圧Vsa、Vsbを与えられるように構成されている。 FIG. 19 is an equivalent circuit diagram for showing a configuration example of the pixel 100. In FIG. 3, the bias voltage applied to the counter electrode 307 is only Vs, whereas in the present embodiment, independent bias voltages Vsa and Vsb are applied to the two photoelectric conversion units PC1 and PC2. It is configured as follows.

図20は、画素100の構成例を示すための断面図である。図2との相違点は、対向電極307が対向電極307a、307bに分離されている点のみである。分離された対向電極307aと307bの間には、例えば絶縁部材や遮光部材を設けることで、2個の光電変換部の間のクロストークを抑制できる。 FIG. 20 is a cross-sectional view for showing a configuration example of the pixel 100. The only difference from FIG. 2 is that the counter electrode 307 is separated into the counter electrodes 307a and 307b. By providing, for example, an insulating member or a light-shielding member between the separated facing electrodes 307a and 307b, crosstalk between the two photoelectric conversion units can be suppressed.

図21は、本実施形態に係る固体撮像素子の動作を説明するためのタイミング図である。本実施例では、ローリングシャッタを行い、n行目の画素からは2個の光電変換部に基づく画素信号を得る一方、(n+1)行目の画素からは2個の光電変換部のうちの一方に基づく画素信号を得る。 FIG. 21 is a timing diagram for explaining the operation of the solid-state image sensor according to the present embodiment. In this embodiment, a rolling shutter is performed to obtain a pixel signal based on the two photoelectric conversion units from the pixel in the nth row, while one of the two photoelectric conversion units is obtained from the pixel in the (n + 1) row. To obtain a pixel signal based on.

本実施形態において、対向電極に印加されるバイアス電圧Vsa、Vsb以外の信号は、図6に示したものと同じである。バイアス電圧Vsa、Vsbは、図17に示したものと同じである。このようにすることで、n行目の画素からは2個の光電変換部に基づく画素信号を得る一方、(n+1)行目の画素からは2個の光電変換部のうちの一方に基づく画素信号を得ることができる。 In the present embodiment, the signals other than the bias voltages Vsa and Vsb applied to the counter electrode are the same as those shown in FIG. The bias voltages Vsa and Vsb are the same as those shown in FIG. By doing so, the pixel signal based on the two photoelectric conversion units is obtained from the pixel in the nth row, while the pixel based on one of the two photoelectric conversion units is obtained from the pixel in the (n + 1) row. You can get a signal.

本実施形態に係る画素は、互いに独立に制御される2個の画素電極303および2個の対向電極307を備えることにより、この画素を撮像用画素としても位相差検出用画素としても用いることができる。このようにすることで、特許文献1とは異なり、位相差検出用画素の位置を動的に変更することが可能となる。さらに、特許文献1に記載の構造では、位相差検出用画素の一部を覆うように遮光膜を設けていたために、撮像用画素とでは光学的な特性が異なるおそれがあった。これに対して、本実施形態に係る画素によれば、位相差検出用画素として用いられる画素も、撮像用画素として用いられる画素も光学的な特性を同等にできるという利点がある。 The pixel according to the present embodiment includes two pixel electrodes 303 and two counter electrodes 307 that are controlled independently of each other, so that the pixel can be used as both an image pickup pixel and a phase difference detection pixel. can. By doing so, unlike Patent Document 1, it is possible to dynamically change the position of the phase difference detection pixel. Further, in the structure described in Patent Document 1, since a light-shielding film is provided so as to cover a part of the phase difference detection pixel, there is a possibility that the optical characteristics are different from those of the image pickup pixel. On the other hand, according to the pixel according to the present embodiment, there is an advantage that the pixel used as the phase difference detection pixel and the pixel used as the image pickup pixel can have the same optical characteristics.

(第6の実施形態)
図22は、本実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示すためのブロック図である。図18に示した固体撮像素子は、4行×4列の画素100のすべてが、2個の対向電極307a、307bを持つ。これに対して、本実施形態では、図示した画素のうち、(m+1)列目および(m+2)列目の画素は、2個の対向電極307a、307bを持つが、m列目および(m+3)列目の画素は1個の対向電極307を持つように構成されている。さらに、図18においては、各画素が持つ2個の対向電極307a、307bは画素アレイ内で並進対称の関係にあったが、本実施形態では、(m+1)列目および(m+2)列目の画素が持つ対向電極307a、307bは、線対称の関係にある。
(Sixth Embodiment)
FIG. 22 is a block diagram for showing a configuration example of the solid-state image sensor according to the present embodiment. In the solid-state image sensor shown in FIG. 18, all of the pixels 100 in 4 rows × 4 columns have two counter electrodes 307a and 307b. On the other hand, in the present embodiment, among the illustrated pixels, the pixels in the (m + 1) th column and the (m + 2) th column have two counter electrodes 307a and 307b, but the mth column and (m + 3). The pixels in the row are configured to have one counter electrode 307. Further, in FIG. 18, the two counter electrodes 307a and 307b of each pixel have a translational symmetry relationship in the pixel array, but in the present embodiment, the (m + 1) th column and the (m + 2) th column. The counter electrodes 307a and 307b of the pixel are in a line-symmetrical relationship.

図23に、m列目および(m+3)列目の画素の断面図を示す。図示の通り、1個の画素電極303と1個の対向電極307を備え、この両者で光電変換層305を挟むことによって1個の光電変換部PCを構成している。 FIG. 23 shows a cross-sectional view of the pixels in the m-th column and the (m + 3) column. As shown in the figure, one pixel electrode 303 and one counter electrode 307 are provided, and one photoelectric conversion unit PC is configured by sandwiching the photoelectric conversion layer 305 between them.

図24は、m列目および(m+3)列目の画素の等価回路図である。図3に示した画素の構成から、リセットトランジスタ401b、駆動容量402b、および切り替えスイッチ405をなくした構成となる。 FIG. 24 is an equivalent circuit diagram of the pixels in the m-th column and the (m + 3) column. From the pixel configuration shown in FIG. 3, the reset transistor 401b, the drive capacitance 402b, and the changeover switch 405 are eliminated.

(m+1)列目の画素は、図14に示した等価回路図と同じになる。(m+2)列目の画素は、図14に示した等価回路図において、光電変換部PC1にはバイアス電圧Vsbを供給し、光電変換部PC2にはバイアス電圧Vsaを供給する構成となる。 The pixels in the (m + 1) column are the same as the equivalent circuit diagram shown in FIG. In the equivalent circuit diagram shown in FIG. 14, the pixels in the (m + 2) column are configured to supply the bias voltage Vsb to the photoelectric conversion unit PC1 and supply the bias voltage Vsa to the photoelectric conversion unit PC2.

本実施形態に係る動作を、図25のタイミング図をさらに参照しながら説明する。 The operation according to the present embodiment will be described with reference to the timing diagram of FIG. 25.

n行目の各画素からは、撮像用信号が得られる。m列目および(m+3)列目は、図17に示したn行目の動作と同様の動作を行うが、本実施形態では画素が1個の光電変換部しか持たない点で相違する。(m+1)列目および(m+2)列目の画素からは、図17に示したn行目の動作と同様の動作を行うことで、2個の光電変換部PC1、PC2に蓄積された電荷に基づく信号が得られる。 An imaging signal is obtained from each pixel on the nth row. The m-th column and the (m + 3) column perform the same operation as the n-th row operation shown in FIG. 17, but are different in the present embodiment in that the pixel has only one photoelectric conversion unit. From the pixels in the (m + 1) th column and the (m + 2) th column, the same operations as those in the nth row shown in FIG. 17 are performed to convert the charges accumulated in the two photoelectric conversion units PC1 and PC2. The signal based on is obtained.

図25は、本実施形態に係る動作を説明するためのタイミング図である。(n+1)行目については、m列目および(m+3)列目の画素は、n行目と同様に撮像用信号が得られる。(m+1)列目は、図22における右側、(m+2)列目は図22における左側の光電変換部に基づく信号が読み出される。(m+1)列目の画素の左側の光電変換部、(m+2)列目の画素の右側の光電変換部に基づく信号は読み出されることなく対向電極から排出される。このようにすることで、(m+1)および(m+2)列目の画素から得られた信号は、位相差検出用信号として用いられる。 FIG. 25 is a timing diagram for explaining the operation according to the present embodiment. For the (n + 1) th row, the pixels in the mth column and the (m + 3) th column can obtain the imaging signal in the same manner as in the nth row. The signal based on the photoelectric conversion unit on the right side in FIG. 22 is read out in the (m + 1) column, and on the left side in FIG. 22 in the (m + 2) column. The signal based on the photoelectric conversion unit on the left side of the pixel in the (m + 1) column and the photoelectric conversion unit on the right side of the pixel in the (m + 2) column is discharged from the counter electrode without being read out. By doing so, the signals obtained from the pixels in the (m + 1) and (m + 2) rows are used as the phase difference detection signal.

(n+2)行目以降については、位相差検出に必要な精度に応じて、n行目と同じ動作を行うか、または(n+1)行目と同じ動作を行うのかを設定すればよい。つまり、本実施形態によれば、撮像用信号のみを得る行と、位相差検出用信号を得る行とを動的に切り替えることができる。 For the (n + 2) th line and subsequent lines, it may be set whether the same operation as the nth line or the same operation as the (n + 1) line is performed depending on the accuracy required for the phase difference detection. That is, according to the present embodiment, it is possible to dynamically switch between the line for obtaining only the image pickup signal and the line for obtaining the phase difference detection signal.

本実施形態によっても、画素の一部が、互いに独立に制御される2個の部分電極(ここでは対向電極307)を備えることにより、この画素を撮像用画素としても位相差検出用画素としても用いることができる。このようにすることで、特許文献1とは異なり、位相差検出用画素の位置を動的に変更することが可能となる。さらに、特許文献1に記載の構造では、位相差検出用画素の一部を覆うように遮光膜を設けていたために、撮像用画素とでは光学的な特性が異なるおそれがあった。これに対して、本実施形態に係る画素によれば、位相差検出用画素として用いられる画素も、撮像用画素として用いられる画素も光学的な特性を同等にできるという利点がある。 Also in the present embodiment, a part of the pixel is provided with two partial electrodes (here, the counter electrode 307) which are controlled independently of each other, so that this pixel can be used as both an image pickup pixel and a phase difference detection pixel. Can be used. By doing so, unlike Patent Document 1, it is possible to dynamically change the position of the phase difference detection pixel. Further, in the structure described in Patent Document 1, since a light-shielding film is provided so as to cover a part of the phase difference detection pixel, there is a possibility that the optical characteristics are different from those of the image pickup pixel. On the other hand, according to the pixel according to the present embodiment, there is an advantage that the pixel used as the phase difference detection pixel and the pixel used as the image pickup pixel can have the same optical characteristics.

(第7の実施形態)
図26は、本実施形態に係る画素の断面構造を説明するための図である。上述の各実施形態と異なるのは、複数の光電変換部が積層されている点にある。図を簡略化するために、図26には層間絶縁層304およびブロッキング層306を示していない。
(7th Embodiment)
FIG. 26 is a diagram for explaining the cross-sectional structure of the pixel according to the present embodiment. The difference from each of the above-described embodiments is that a plurality of photoelectric conversion units are laminated. For the sake of brevity, FIG. 26 does not show the interlayer insulating layer 304 and the blocking layer 306.

図26には、3個の光電変換部PC1、PC2、PC3が半導体基板からマイクロレンズに向かう方向に順に積層された構成を示す。光電変換部PC1は、光電変換部PC1aとPC1bを含んでなる。各光電変換層305a、305b、305cの間に介在する各層に、光透過性を有する材料を用いることで、このような構成とすることができる。光電変換部PC3の画素電極303と光電変換部PC2の対向電極307との間には層間絶縁層INSが設けられている。同様に、光電変換部PC2の画素電極303と光電変換部PC1の対向電極307との間には層間絶縁層INSが設けられている。さらに、光電変換部PC3の対向電極307とマイクロレンズ309との間に層間絶縁層INSを備えている。 FIG. 26 shows a configuration in which three photoelectric conversion units PC1, PC2, and PC3 are stacked in order from the semiconductor substrate toward the microlens. The photoelectric conversion unit PC1 includes a photoelectric conversion unit PC1a and PC1b. Such a configuration can be obtained by using a light-transmitting material for each layer interposed between the photoelectric conversion layers 305a, 305b, and 305c. An interlayer insulating layer INS is provided between the pixel electrode 303 of the photoelectric conversion unit PC3 and the counter electrode 307 of the photoelectric conversion unit PC2. Similarly, an interlayer insulating layer INS is provided between the pixel electrode 303 of the photoelectric conversion unit PC2 and the counter electrode 307 of the photoelectric conversion unit PC1. Further, an interlayer insulating layer INS is provided between the counter electrode 307 of the photoelectric conversion unit PC3 and the microlens 309.

3層の光電変換部のうち、最上層は入射光の青色成分を吸収し、2層目が緑色成分を吸収し、最下層が赤色成分を吸収するように各光電変換層305の膜厚を設定すると、同一のマイクロレンズに入射した光から、カラーフィルタを設けることなくB、G、Rの信号成分を得ることができる。 Of the three photoelectric conversion units, the uppermost layer absorbs the blue component of the incident light, the second layer absorbs the green component, and the lowermost layer absorbs the red component. When set, the signal components of B, G, and R can be obtained from the light incident on the same microlens without providing a color filter.

本実施形態において、光電変換部PC2、PC3は画素電極および対向電極を1個ずつ有し、光電変換部PC1は、1個の対向電極と2個の画素電極303a、303bを備える。つまり、3層のうちのマイクロレンズに近い2層の光電変換部からは撮像用信号を取得し、最下層の光電変換部PC1からは位相差検出用信号を取得できる構成になっている。 In the present embodiment, the photoelectric conversion unit PC2 and PC3 have one pixel electrode and one counter electrode, and the photoelectric conversion unit PC1 includes one counter electrode and two pixel electrodes 303a and 303b. That is, the configuration is such that the imaging signal can be acquired from the photoelectric conversion unit of the second layer close to the microlens of the three layers, and the phase difference detection signal can be acquired from the photoelectric conversion unit PC1 of the lowermost layer.

各光電変換層に対応して、信号読み出し回路が設けられる。信号読み出し回路は、先の各実施形態で説明したものを適用しても良いし、別の構成の信号読み出し回路を用いても良い。 A signal readout circuit is provided corresponding to each photoelectric conversion layer. As the signal readout circuit, the one described in each of the above embodiments may be applied, or a signal readout circuit having a different configuration may be used.

図27に、信号読み出し回路の構成例を示す。図27(a)は、3個の光電変換部PC1~PC3のうちの光電変換部PC2、PC3に対応する信号読み出し回路の等価回路図である。図9に示した構造のうちの一方の光電変換部および信号読み出し回路の構成に転送トランジスタ406が設けられた構成である。図27(b)は、3個の光電変換部PC1に対応する信号読み出し回路の等価回路図である。図3に示した構造から一方の光電変換部と、リセットトランジスタ401b、駆動容量402b、および切り替えスイッチ405をなくし、転送トランジスタ406a、406bが設けられた構成である。なお、各光電変換部に対応して設けられた信号読み出し回路の出力は、互いに異なる垂直信号線に接続される。先述の各実施形態と同様に、画素アレイ110の同一の列に設けられた各画素は、垂直信号線を共有する。 FIG. 27 shows a configuration example of the signal readout circuit. FIG. 27A is an equivalent circuit diagram of a signal readout circuit corresponding to the photoelectric conversion units PC2 and PC3 among the three photoelectric conversion units PC1 to PC3. A transfer transistor 406 is provided in the configuration of one of the photoelectric conversion units and the signal readout circuit in the structure shown in FIG. FIG. 27B is an equivalent circuit diagram of a signal readout circuit corresponding to the three photoelectric conversion units PC1. From the structure shown in FIG. 3, one photoelectric conversion unit, a reset transistor 401b, a drive capacitance 402b, and a changeover switch 405 are eliminated, and transfer transistors 406a and 406b are provided. The outputs of the signal readout circuits provided corresponding to each photoelectric conversion unit are connected to different vertical signal lines. Similar to each of the above embodiments, the pixels provided in the same row of the pixel array 110 share a vertical signal line.

図28に、本実施形態に係るタイミング図を示す。本実施形態では、光電変換部PC2、PC3からは撮像用信号を読み出し、光電変換部PC1からは位相差検出用信号と撮像用信号とを読み出す動作を説明する。 FIG. 28 shows a timing diagram according to the present embodiment. In this embodiment, an operation of reading an imaging signal from the photoelectric conversion units PC2 and PC3 and reading a phase difference detection signal and an imaging signal from the photoelectric conversion unit PC1 will be described.

時刻t1に、信号pSEL(n)と信号pRES(n)がHレベルになる。これにより、n行目の画素が選択状態になるとともに、ノードN1がリセット状態になる。ノードN1がリセットされた後の信号を列信号処理部でサンプルホールドすることで、先述のN信号読み動作を行う。 At time t1, the signal pSEL (n) and the signal pRES (n) become H level. As a result, the pixel in the nth row is in the selected state, and the node N1 is in the reset state. By sample-holding the signal after the node N1 is reset in the column signal processing unit, the above-mentioned N signal reading operation is performed.

時刻t2に信号pTX1(n)および信号pTXA1(n)がHレベルになり、その後、時刻t3に駆動容量に供給するバイアス電圧Va(n)をHレベルにすると、光電変換部PC2、PC3および光電変換部PC1aに蓄積された電荷量に応じた信号がそれぞれ増幅トランジスタ403から出力される。増幅トランジスタ403から出力された信号を列信号処理部でサンプルホールドすることで、先述のS信号読み動作を行う。光電変換部PC2およびPC3については、N信号読みで得られた信号との差分を取ることにより、ノイズが低減された撮像用信号が得られる。一方、光電変換部PC1aについては、N信号読みで得られた信号との差分を取ることにより、ノイズが低減された位相差検出用信号が得られる。 When the signal pTX1 (n) and the signal pTXA1 (n) are set to H level at time t2, and then the bias voltage Va (n) supplied to the drive capacitance is set to H level at time t3, the photoelectric conversion units PC2, PC3 and photoelectric are set to H level. Signals corresponding to the amount of electric charge stored in the conversion unit PC1a are output from the amplification transistor 403, respectively. By sample-holding the signal output from the amplification transistor 403 in the column signal processing unit, the above-mentioned S signal reading operation is performed. For the photoelectric conversion units PC2 and PC3, a noise-reduced imaging signal can be obtained by taking a difference from the signal obtained by reading the N signal. On the other hand, for the photoelectric conversion unit PC1a, a phase difference detection signal with reduced noise can be obtained by taking a difference from the signal obtained by reading the N signal.

時刻t4に信号pTXB1(n)がHレベルになり、その後、時刻t5にバイアス電圧Va(n)をHレベルにすると、光電変換部PC1bに蓄積された電荷に基づく信号が、光電変換部PC1aに蓄積された電荷に基づく信号に重畳される。つまり、光電変換部PC1aおよびPC1bに蓄積された電荷の総和に基づく信号であるので、増幅トランジスタ403から出力される信号は、撮像用信号としても利用できる。この信号を列信号処理部でサンプルホールドする。さらに、信号pTXA1(n)がローレベルになった後であって、時刻t4の前にサンプルホールドされた信号との差分を取ることにより、光電変換部PC1bのみに蓄積された電荷に基づく信号を算出できる。これにより、光電変換部PC1からは撮像用信号と位相差検出用信号の両方を得ることができる。 When the signal pTXB1 (n) becomes H level at time t4 and then the bias voltage Va (n) becomes H level at time t5, the signal based on the charge accumulated in the photoelectric conversion unit PC1b is transmitted to the photoelectric conversion unit PC1a. It is superimposed on the signal based on the accumulated charge. That is, since it is a signal based on the total charge accumulated in the photoelectric conversion units PC1a and PC1b, the signal output from the amplification transistor 403 can also be used as an image pickup signal. This signal is sample-held by the column signal processing unit. Further, by taking the difference from the signal sample-held before the time t4 after the signal pTXA1 (n) becomes low level, the signal based on the charge accumulated only in the photoelectric conversion unit PC1b can be obtained. Can be calculated. As a result, both the image pickup signal and the phase difference detection signal can be obtained from the photoelectric conversion unit PC1.

(n+1)行目以降に係る動作も、n行目と同様の動作なので、説明を省略する。 Since the operations related to the (n + 1) th line and subsequent lines are the same as those of the nth line, the description thereof will be omitted.

図29は、本実施形態に係る信号読み出し回路の別の構成例を示す図である。図29(a)は、3個の光電変換部PC1~PC3のうちの光電変換部PC2、PC3に対応する信号読み出し回路の等価回路図である。図29(b)は、3個の光電変換部PC1に対応する信号読み出し回路の等価回路図である。なお、各光電変換部に対応して設けられた信号読み出し回路の出力は、互いに異なる垂直信号線に接続される。先述の各実施形態と同様に、画素アレイ110の同一の列に設けられた各画素は、垂直信号線を共有する。 FIG. 29 is a diagram showing another configuration example of the signal readout circuit according to the present embodiment. FIG. 29A is an equivalent circuit diagram of a signal readout circuit corresponding to the photoelectric conversion units PC2 and PC3 among the three photoelectric conversion units PC1 to PC3. FIG. 29B is an equivalent circuit diagram of a signal readout circuit corresponding to the three photoelectric conversion units PC1. The outputs of the signal readout circuits provided corresponding to each photoelectric conversion unit are connected to different vertical signal lines. Similar to each of the above embodiments, the pixels provided in the same row of the pixel array 110 share a vertical signal line.

図29(a)に示す信号読み出し回路は、転送トランジスタ406および駆動容量がノードN1に接続されておらず、第2転送トランジスタ407を介してノードN1に接続されるという点で、図27(a)の構成とは異なる。 In the signal readout circuit shown in FIG. 29 (a), the transfer transistor 406 and the drive capacitance are not connected to the node N1 but are connected to the node N1 via the second transfer transistor 407 (a). ) Is different from the configuration.

同様に、図29(b)に示す信号読み出し回路は、転送トランジスタ406a、406bおよび駆動容量がノードN1に接続されておらず、それぞれが第2転送トランジスタ407a、407bを介してノードN1に接続されるという点で、図27(b)の構成とは異なる。 Similarly, in the signal readout circuit shown in FIG. 29 (b), the transfer transistors 406a and 406b and the drive capacitance are not connected to the node N1, but are connected to the node N1 via the second transfer transistors 407a and 407b, respectively. This is different from the configuration shown in FIG. 27 (b).

次に、図30をさらに参照しながら、図29に示す信号読み出し回路の動作を説明する。 Next, the operation of the signal readout circuit shown in FIG. 29 will be described with reference to FIG. 30.

時刻t1に信号pRES(n)、pRES(n)がHレベルになるとともに、信号pTX2(n)およびpTXA2(n)がHレベルになる。これにより、ノードN1がリセットされる。ノードN1がリセットされた後の信号を列信号処理部でサンプルホールドすることで、先述のN信号読み動作を行う。 At time t1, the signals pRES (n) and pRES (n) become H level, and the signals pTX2 (n) and pTXA2 (n) become H level. This resets node N1. By sample-holding the signal after the node N1 is reset in the column signal processing unit, the above-mentioned N signal reading operation is performed.

時刻t2に信号pTX1(n)およびpTXA1(n)がHレベルになり、その後、駆動容量に供給するバイアス電圧Va(n)が時刻t3から一時的にHレベルになると、光電変換部PC2、PC3および光電変換部PC1aに蓄積された電荷量に応じた電圧が駆動容量402に保持される。 When the signals pTX1 (n) and pTXA1 (n) reach the H level at time t2, and then the bias voltage Va (n) supplied to the drive capacitance temporarily reaches the H level from time t3, the photoelectric conversion units PC2 and PC3 A voltage corresponding to the amount of electric charge stored in the photoelectric conversion unit PC1a is held in the drive capacity 402.

時刻t4に信号PTX2(n)、PTXA2(n)がHレベルになると、駆動容量402がノードN1に接続される。これにより、駆動容量402に保持された電圧に対応する信号が増幅トランジスタ403から出力される。増幅トランジスタ403から出力された信号を列信号処理部でサンプルホールドすることで、先述のS信号読み動作を行う。光電変換部PC2およびPC3については、N信号読みで得られた信号との差分を取ることにより、ノイズが低減された撮像用信号が得られる。一方、光電変換部PC1aについては、N信号読みで得られた信号との差分を取ることにより、ノイズが低減された位相差検出用信号が得られる。 When the signals PTX2 (n) and PTXA2 (n) reach the H level at time t4, the drive capacitance 402 is connected to the node N1. As a result, the signal corresponding to the voltage held in the drive capacitance 402 is output from the amplification transistor 403. By sample-holding the signal output from the amplification transistor 403 in the column signal processing unit, the above-mentioned S signal reading operation is performed. For the photoelectric conversion units PC2 and PC3, a noise-reduced imaging signal can be obtained by taking a difference from the signal obtained by reading the N signal. On the other hand, for the photoelectric conversion unit PC1a, a phase difference detection signal with reduced noise can be obtained by taking a difference from the signal obtained by reading the N signal.

これに引き続いて行われる、水平ブランキング期間HBLNK(n+1)の動作では、信号pTXA1、pTXA2がローレベルを保つ代わりに、信号pTXB1、pTXB2が、水平ブランキング期間HBLNK(n)における信号pTXA1、pTXA2と同じ波形となる。これにより、光電変換部PC1については、光電変換部PC1bのみに基づく信号が読み出される。この信号は位相差検出用信号として用いられるとともに、HBLNK(n)に光電変換部PC1aから読み出される信号と加算することで、撮像信号として用いることができる。すなわち、本実施形態によれば、3個の光電変換部PC1~PC3のうちのすべてから撮像用信号を取得しつつ、最下層の光電変換部PC1からは位相差検出信号も取得できる。 In the subsequent operation of the horizontal blanking period HBLNK (n + 1), the signals pTXB1 and pTXB2 are replaced by the signals pTXA1 and pTXA2 in the horizontal blanking period HBLNK (n) instead of keeping the low level of the signals pTXA1 and pTXA2. It becomes the same waveform as. As a result, for the photoelectric conversion unit PC1, a signal based only on the photoelectric conversion unit PC1b is read out. This signal is used as a phase difference detection signal, and can be used as an image pickup signal by adding it to the signal read from the photoelectric conversion unit PC1a to HBLNK (n). That is, according to the present embodiment, while acquiring the imaging signal from all of the three photoelectric conversion units PC1 to PC3, the phase difference detection signal can also be acquired from the photoelectric conversion unit PC1 in the lowermost layer.

なお、PC2、PC3に基づく撮像用信号は、この動作の間に2回読み出されるが、水平ブランキング期間HBLNK(n)に読み出される信号のみを用いて画像を形成しても良いし、水平ブランキング期間HBLNK(n+1)に読み出される信号を加算して画像を形成しても良い。 The imaging signal based on PC2 and PC3 is read out twice during this operation, but an image may be formed using only the signal read out during the horizontal blanking period HBLNK (n), or the horizontal blanking may be formed. The image may be formed by adding the signals read out to the ranking period HBLNK (n + 1).

図31は、本実施形態に係る、信号読み出し回路の配置例を示すための平面模式図である。光電変換部PC1に対応する信号読み出し回路400-1は、光電変換部PC2、PC3に対応する信号読み出し回路400-2、400-3よりも素子数が多いため、図31(a)に示すように、より大きな面積となる。なお、信号読み出し回路の配置と、画素電極303a、303bの配置とは自由に決められる。例えば、図31(b)に示すように、画素電極303aが信号読み出し回路400-1と信号読み出し回路400-2を覆うように配置し、画素電極303bが信号読み出し回路400-1と信号読み出し回路400-3を覆うように配置してもよい。 FIG. 31 is a schematic plan view for showing an arrangement example of the signal readout circuit according to the present embodiment. Since the signal readout circuit 400-1 corresponding to the photoelectric conversion unit PC1 has more elements than the signal readout circuits 400-2 and 400-3 corresponding to the photoelectric conversion units PC2 and PC3, as shown in FIG. 31 (a). In addition, it becomes a larger area. The arrangement of the signal readout circuit and the arrangement of the pixel electrodes 303a and 303b can be freely determined. For example, as shown in FIG. 31B, the pixel electrode 303a is arranged so as to cover the signal readout circuit 400-1 and the signal readout circuit 400-2, and the pixel electrode 303b is the signal readout circuit 400-1 and the signal readout circuit. It may be arranged so as to cover 400-3.

本実施形態では、3個の光電変換部PC1~PC3を半導体基板からマイクロレンズに向かう方向に積層した構成を説明したが、光電変換部の数は3に限らず、2個でも良いし、4個以上であっても良い。 In the present embodiment, the configuration in which three photoelectric conversion units PC1 to PC3 are stacked in the direction from the semiconductor substrate to the microlens has been described, but the number of photoelectric conversion units is not limited to three, and may be two or four. It may be more than one.

また、本実施形態では、最下層の光電変換部のみから位相差検出用信号を得る場合を例示したが、その他の層からも位相差検出用信号を取得しても良い。ただし、位相差検出を行うためには、入射した光が光電変換層305の対向電極307側の界面もしくは光電変換層305の内部に焦点を結ぶようにマイクロレンズが設計されることが好ましい。そのため、マイクロレンズに最も近い光電変換部を用いて位相差検出用信号を取得することは難しいので、マイクロレンズに最も近い光電変換部を除く光電変換部から位相差検出用信号を取得用にすることが好ましい。 Further, in the present embodiment, the case where the phase difference detection signal is obtained only from the photoelectric conversion unit of the lowermost layer is illustrated, but the phase difference detection signal may be obtained from other layers as well. However, in order to detect the phase difference, it is preferable that the microlens is designed so that the incident light focuses on the interface on the counter electrode 307 side of the photoelectric conversion layer 305 or the inside of the photoelectric conversion layer 305. Therefore, it is difficult to acquire the phase difference detection signal using the photoelectric conversion unit closest to the microlens, so the phase difference detection signal is acquired from the photoelectric conversion unit excluding the photoelectric conversion unit closest to the microlens. Is preferable.

本実施形態においても、画素が互いに独立に制御される2個の対向電極307を備えることにより、この画素を撮像用画素としても位相差検出用画素としても用いることができる。このようにすることで、特許文献1とは異なり、位相差検出用画素の位置を動的に変更することが可能となる。さらに、特許文献1に記載の構造では、位相差検出用画素の一部を覆うように遮光膜を設けていたために、撮像用画素とでは光学的な特性が異なるおそれがあった。これに対して、本実施形態に係る画素によれば、位相差検出用画素として用いられる画素も、撮像用画素として用いられる画素も光学的な特性を同等にできるという利点がある。 Also in the present embodiment, by providing the two counter electrodes 307 in which the pixels are controlled independently of each other, the pixels can be used as both the image pickup pixel and the phase difference detection pixel. By doing so, unlike Patent Document 1, it is possible to dynamically change the position of the phase difference detection pixel. Further, in the structure described in Patent Document 1, since a light-shielding film is provided so as to cover a part of the phase difference detection pixel, there is a possibility that the optical characteristics are different from those of the image pickup pixel. On the other hand, according to the pixel according to the present embodiment, there is an advantage that the pixel used as the phase difference detection pixel and the pixel used as the image pickup pixel can have the same optical characteristics.

(第8の実施形態)
図32に、本実施形態に係る画素の断面構造を示す。図26との違いは、積層された3個の光電変換部に対して、1個の信号読み出し回路が設けられた点にある。
(8th Embodiment)
FIG. 32 shows the cross-sectional structure of the pixel according to the present embodiment. The difference from FIG. 26 is that one signal readout circuit is provided for each of the three stacked photoelectric conversion units.

図33に本実施形態に係る信号読み出し回路の等価回路図を示す。図33(a)は、図27の信号読み出し回路と類似の回路で、複数の光電変換部PC1~PC3に対して、共通の増幅トランジスタ403が設けられている点で図27の信号読み出し回路と相違する。図33(b)は、図29の信号読み出し回路と類似の回路で、複数の光電変換部PC1~PC3に対して、共通の増幅トランジスタ403が設けられている点で図29の信号読み出し回路と相違する。このように構成することで、第7の実施形態で説明した構成に比べて信号読み出し回路の規模を低減することができるので、画素アレイの多画素化ならびに画素の微細化に有利である。 FIG. 33 shows an equivalent circuit diagram of the signal readout circuit according to the present embodiment. FIG. 33A is a circuit similar to the signal readout circuit of FIG. 27, and is similar to the signal readout circuit of FIG. 27 in that a common amplification transistor 403 is provided for the plurality of photoelectric conversion units PC1 to PC3. It's different. FIG. 33B is a circuit similar to the signal readout circuit of FIG. 29, and is similar to the signal readout circuit of FIG. 29 in that a common amplification transistor 403 is provided for the plurality of photoelectric conversion units PC1 to PC3. It's different. With such a configuration, the scale of the signal readout circuit can be reduced as compared with the configuration described in the seventh embodiment, which is advantageous for increasing the number of pixels of the pixel array and miniaturizing the pixels.

図34は、信号読み出し回路400として、図33(a)に示した構成を用いた場合に、3層の光電変換部から信号を読み出す動作を説明するためのタイミング図である。 FIG. 34 is a timing diagram for explaining an operation of reading a signal from a three-layer photoelectric conversion unit when the configuration shown in FIG. 33A is used as the signal reading circuit 400.

まずは、光電変換部PC2に基づく信号を読み出す。時刻t1に、信号pSEL(n)、pRES(n)がHレベルになり、増幅トランジスタ403のゲートノードN1がリセットされる。信号pRES(n)がLレベルに変化した後、列信号処理部によって、垂直信号線130に出力された信号をサンプルホールドする。 First, the signal based on the photoelectric conversion unit PC2 is read out. At time t1, the signals pSEL (n) and pRES (n) become H level, and the gate node N1 of the amplification transistor 403 is reset. After the signal pRES (n) changes to the L level, the column signal processing unit sample-holds the signal output to the vertical signal line 130.

時刻t2に信号pTX11(n)がHレベルになり、信号pTX11(n)がHレベルを維持している間の時刻t3に、駆動容量402に印加されるバイアス電圧VaがHレベルになる。これにより、光電変換部PC2に蓄積された電荷に基づく信号が垂直信号線130に出力されるので、この信号を列信号処理部でサンプルホールドする。本実施形態においても、ノードN1をリセットしたことで得られる信号との差分を取ることにより、ノイズが低減された信号が得られる。 At time t2, the signal pTX11 (n) becomes H level, and at time t3 while the signal pTX11 (n) maintains H level, the bias voltage Va applied to the drive capacitance 402 becomes H level. As a result, a signal based on the electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit PC2 is output to the vertical signal line 130, and this signal is sample-held by the column signal processing unit. Also in this embodiment, a signal with reduced noise can be obtained by taking a difference from the signal obtained by resetting the node N1.

時刻t4から、光電変換部PC1に基づく信号の読み出しが開始する。時刻t4に、信号pRES(n)がHレベルになることで、ノードN1が再びリセットされる。これによって垂直信号線130に出力された信号を列信号処理部でサンプルホールドする。 From time t4, reading of the signal based on the photoelectric conversion unit PC1 starts. At time t4, when the signal pRES (n) reaches the H level, the node N1 is reset again. As a result, the signal output to the vertical signal line 130 is sample-held by the column signal processing unit.

時刻t5から信号pTX12(n)およびバイアス電圧Vaが順次Hレベルになると、光電変換部PC1aに蓄積された電荷に基づく信号が垂直信号線130に出力される。垂直信号線130に出力された信号を列信号処理部でサンプルホールドする。 When the signal pTX12 (n) and the bias voltage Va sequentially reach the H level from time t5, a signal based on the charge accumulated in the photoelectric conversion unit PC1a is output to the vertical signal line 130. The signal output to the vertical signal line 130 is sample-held by the column signal processing unit.

時刻t6から信号pTX13(n)およびバイアス電圧Vaが順次Hレベルになると、光電変換部PC1bに蓄積された電荷量に応じて、ノードN1の電位が変化する。この結果、光電変換部PC1aおよびPC1bに蓄積された電荷の和に基づく信号が垂直信号線130に出力される。垂直信号線130に出力された信号を列信号処理部でサンプルホールドする。先の実施例で説明したのと同様に、時刻t5から時刻t6までの間にサンプルホールドされた信号を位相差検出用信号として利用し、時刻t6からの動作で読み出された信号を撮像用信号として利用できる。さらに、両者の差分を取ることにより、光電変換部PC1bに蓄積された電荷のみに基づく位相差検出用信号も得られる。 When the signal pTX13 (n) and the bias voltage Va sequentially reach the H level from the time t6, the potential of the node N1 changes according to the amount of electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit PC1b. As a result, a signal based on the sum of the charges stored in the photoelectric conversion units PC1a and PC1b is output to the vertical signal line 130. The signal output to the vertical signal line 130 is sample-held by the column signal processing unit. As described in the previous embodiment, the signal sample-held between the time t5 and the time t6 is used as the phase difference detection signal, and the signal read by the operation from the time t6 is used for imaging. It can be used as a signal. Further, by taking the difference between the two, a phase difference detection signal based only on the electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit PC1b can be obtained.

時刻t7から、光電変換部PC3に基づく信号を読み出す。この動作は、光電変換部PC2に基づく信号を読み出す動作と同様なので、説明を省略する。 From the time t7, the signal based on the photoelectric conversion unit PC3 is read out. Since this operation is the same as the operation of reading a signal based on the photoelectric conversion unit PC2, the description thereof will be omitted.

以上により、積層された光電変換部PC1~PC3から個別の信号を読み出すことができる。 As described above, individual signals can be read out from the laminated photoelectric conversion units PC1 to PC3.

図35は、信号読み出し回路400として、図33(b)に示した構成を用いた場合に、3層の光電変換部から信号を読み出す動作を説明するためのタイミング図である。本実施形態では、各光電変換部に蓄積された電荷を対応する駆動容量に同時に転送し、その後、順次増幅トランジスタから信号を出力する。以下では、ノードN1に付随する容量の容量値は、各駆動容量の容量値に対して十分に小さいものとする。 FIG. 35 is a timing diagram for explaining an operation of reading a signal from a three-layer photoelectric conversion unit when the configuration shown in FIG. 33 (b) is used as the signal reading circuit 400. In the present embodiment, the electric charge accumulated in each photoelectric conversion unit is simultaneously transferred to the corresponding drive capacitance, and then a signal is sequentially output from the amplification transistor. In the following, it is assumed that the capacity value of the capacity associated with the node N1 is sufficiently smaller than the capacity value of each drive capacity.

時刻t1に、信号pSEL(n)、pRES(n)がHレベルになり、増幅トランジスタ403のゲートノードN1がリセットされる。信号pRES(n)がLレベルに変化した後、列信号処理部によって、垂直信号線130に出力された信号をサンプルホールドする。時刻t1に、信号pTX21(n)、pTX22(n)、pTX23(n)、pTX24(n)もHレベルになることから、駆動容量402a~402dもリセットされる。 At time t1, the signals pSEL (n) and pRES (n) become H level, and the gate node N1 of the amplification transistor 403 is reset. After the signal pRES (n) changes to the L level, the column signal processing unit sample-holds the signal output to the vertical signal line 130. Since the signals pTX21 (n), pTX22 (n), pTX23 (n), and pTX24 (n) also reach the H level at time t1, the drive capacities 402a to 402d are also reset.

時刻t2から、信号pTX11(n)、pTX12(n)、pTX13(n)、pTX14(n)がHレベルになり、信号pTX11(n)、pTX12(n)、pTX13(n)、pTX14(n)がHレベルを維持している間に駆動容量へのバイアス電圧VaがHレベルになることで、各光電変換部に蓄積された電荷に基づく電圧が対応する駆動容量402a~dに保持される。 From time t2, the signals pTX11 (n), pTX12 (n), pTX13 (n), pTX14 (n) become H level, and the signals pTX11 (n), pTX12 (n), pTX13 (n), pTX14 (n). The bias voltage Va to the drive capacitance becomes the H level while the H level is maintained, so that the voltage based on the charge accumulated in each photoelectric conversion unit is held in the corresponding drive capacitances 402a to d.

その後、時刻t3に信号pTX21(n)がHレベルになると、駆動容量402aに保持された電荷に応じて、ノードN1の電位が変動する。この結果増幅トランジスタから出力される信号を、列信号処理部によってサンプルホールドする。これは、光電変換部PC2に基づく信号である。 After that, when the signal pTX21 (n) reaches the H level at time t3, the potential of the node N1 fluctuates according to the charge held in the drive capacitance 402a. As a result, the signal output from the amplification transistor is sample-held by the column signal processing unit. This is a signal based on the photoelectric conversion unit PC2.

次に、時刻t4に信号pTX22(n)がHレベルになると、駆動容量402bに保持された電荷に応じて、ノードN1の電位が変動する。この結果増幅トランジスタから出力される信号を、列信号処理部によってサンプルホールドする。これは、光電変換部PC1aに基づく信号である。時刻t4には、光電変換部PC2に基づく電荷がノードN1に保持されているが、ノードN1に付随する容量の容量値が、各駆動容量の容量値よりも十分に小さいため、信号pTX22(n)をHレベルにする前にノードN1をリセットしなくてもよい。ノードN1に付随する容量の容量値が、各駆動容量の容量値に対して無視できない程度に大きい場合には、信号pTX22をHレベルにする前に、ノードN1をリセット必要がある。 Next, when the signal pTX22 (n) reaches the H level at time t4, the potential of the node N1 fluctuates according to the charge held in the drive capacitance 402b. As a result, the signal output from the amplification transistor is sample-held by the column signal processing unit. This is a signal based on the photoelectric conversion unit PC1a. At time t4, the charge based on the photoelectric conversion unit PC2 is held in the node N1, but since the capacity value of the capacitance associated with the node N1 is sufficiently smaller than the capacitance value of each drive capacitance, the signal pTX22 (n). ) Does not have to be reset to the H level before the node N1 is reset. When the capacity value of the capacity associated with the node N1 is so large that it cannot be ignored with respect to the capacity value of each drive capacity, it is necessary to reset the node N1 before setting the signal pTX22 to the H level.

この後、pTX23(n)、pTX24(n)が順次Hレベルになり、増幅トランジスタ403から出力された信号が列信号処理部によってサンプルホールドされる。 After that, the pTX23 (n) and the pTX24 (n) are sequentially set to the H level, and the signal output from the amplification transistor 403 is sample-held by the column signal processing unit.

以上により、積層された光電変換部PC1~PC3から個別の信号を読み出すことができる。 As described above, individual signals can be read out from the laminated photoelectric conversion units PC1 to PC3.

なお、信号を読み出す順番は図34および35に示した順番に限られず、光電変換部PC1に基づく信号を、光電変換部PC2、PC3に基づく信号に先立って読み出しても良い。 The order of reading the signals is not limited to the order shown in FIGS. 34 and 35, and the signal based on the photoelectric conversion unit PC1 may be read out prior to the signal based on the photoelectric conversion units PC2 and PC3.

本実施形態においても、第7の実施形態と同じく、マイクロレンズに最も近い光電変換部PC3を除く光電変換部を用いて位相差検出用信号を取得することが好ましい。また、本実施形態においても、2層あるいは4層以上の光電変換部を有する構成としても良い。 Also in the present embodiment, as in the seventh embodiment, it is preferable to acquire the phase difference detection signal by using the photoelectric conversion unit excluding the photoelectric conversion unit PC3 closest to the microlens. Further, also in the present embodiment, a configuration having two layers or four or more layers of photoelectric conversion units may be used.

本実施形態によっても、第7の実施形態と同じ効果が得られるとともに、積層された光電変換部に蓄積された電荷の総量に基づく信号が読み出せるという利点がある。 This embodiment also has the advantage that the same effect as that of the seventh embodiment can be obtained, and that a signal based on the total amount of electric charges accumulated in the stacked photoelectric conversion units can be read out.

(第9の実施形態)
図36は、撮像システムの構成例を示す図である。撮像システム800は、例えば、光学部810、固体撮像素子1000、映像信号処理部830、記録・通信部840、タイミング制御部850、システム制御部860、及び再生・表示部870を含む。撮像装置820は、固体撮像素子1000及び映像信号処理部830を有する。固体撮像素子1000は、先の各実施形態で説明した固体撮像素子が用いられる。
(9th embodiment)
FIG. 36 is a diagram showing a configuration example of an imaging system. The image pickup system 800 includes, for example, an optical unit 810, a solid-state image pickup element 1000, a video signal processing unit 830, a recording / communication unit 840, a timing control unit 850, a system control unit 860, and a reproduction / display unit 870. The image pickup device 820 includes a solid-state image pickup element 1000 and a video signal processing unit 830. As the solid-state image sensor 1000, the solid-state image sensor described in each of the above embodiments is used.

レンズ等の光学系である光学部810は、被写体からの光を固体撮像素子1000の、複数の画素が2次元状に配列された画素アレイ110に結像させ、被写体の像を形成する。固体撮像素子1000は、タイミング制御部850からの信号に基づくタイミングで、画素アレイ110に結像された光に応じた信号を出力する。固体撮像素子1000から出力された信号は、映像信号処理部である映像信号処理部830に入力され、映像信号処理部830が、プログラム等によって定められた方法に従って信号処理を行う。映像信号処理部830での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部840に送られる。記録・通信部840は、画像を形成するための信号を再生・表示部870に送り、再生・表示部870に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部840は、また、映像信号処理部830からの信号を受けて、システム制御部860と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。 The optical unit 810, which is an optical system such as a lens, forms an image of the subject by forming an image of light from the subject on the pixel array 110 of the solid-state image sensor 1000 in which a plurality of pixels are arranged two-dimensionally. The solid-state image sensor 1000 outputs a signal corresponding to the light imaged on the pixel array 110 at a timing based on the signal from the timing control unit 850. The signal output from the solid-state image sensor 1000 is input to the video signal processing unit 830, which is a video signal processing unit, and the video signal processing unit 830 performs signal processing according to a method determined by a program or the like. The signal obtained by the processing in the video signal processing unit 830 is sent to the recording / communication unit 840 as image data. The recording / communication unit 840 sends a signal for forming an image to the reproduction / display unit 870, and causes the reproduction / display unit 870 to reproduce / display a moving image or a still image. The recording / communication unit 840 also receives a signal from the video signal processing unit 830 and communicates with the system control unit 860, and also has an operation of recording a signal for forming an image on a recording medium (not shown). conduct.

システム制御部860は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部810、タイミング制御部850、記録・通信部840、及び再生・表示部870の駆動を制御する。また、システム制御部860は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システム制御部860は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードや感度を切り替える信号を撮像システム内に供給する。具体的な例としては、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等である。ユーザの入力に応じて撮像システムの感度を切り替えると、この切り替えに応じて固体撮像素子1000の感度も切り替えられる。すなわち、システム制御部860は、撮像システム800の感度を選択するための感度選択部としての機能を備え、選択された感度に応じて、固体撮像素子1000の感度が切り替えられる。 The system control unit 860 comprehensively controls the operation of the imaging system, and controls the driving of the optical unit 810, the timing control unit 850, the recording / communication unit 840, and the reproduction / display unit 870. Further, the system control unit 860 includes, for example, a storage device (not shown) which is a recording medium, in which a program or the like necessary for controlling the operation of the imaging system is recorded. Further, the system control unit 860 supplies, for example, a signal for switching the drive mode and the sensitivity according to the operation of the user into the image pickup system. Specific examples include changing the line to be read and the line to be reset, changing the angle of view due to electronic zoom, shifting the angle of view due to electronic vibration isolation, and the like. When the sensitivity of the image pickup system is switched according to the input of the user, the sensitivity of the solid-state image pickup device 1000 is also switched according to this change. That is, the system control unit 860 has a function as a sensitivity selection unit for selecting the sensitivity of the image pickup system 800, and the sensitivity of the solid-state image pickup device 1000 is switched according to the selected sensitivity.

タイミング制御部850は、システム制御部860による制御に基づいて固体撮像素子1000及び映像信号処理部830の駆動タイミングを制御する。また、タイミング制御部850は、固体撮像素子1000の撮影感度を設定する感度設定部としても機能しうる。 The timing control unit 850 controls the drive timing of the solid-state image sensor 1000 and the video signal processing unit 830 based on the control by the system control unit 860. Further, the timing control unit 850 can also function as a sensitivity setting unit for setting the photographing sensitivity of the solid-state image sensor 1000.

(その他)
第1の実施形態では、各画素が2個の画素電極303a、303bを持つことを説明した。これらの2個の画素電極303a、303bは、画素内において様々な配置として良い。図37に、画素電極の配置例を説明するための、画素の平面模式図である。図37において、水平方向は、画素アレイの行に沿った方向であり、それに直交する方向が画素アレイの列に沿った方向となる。
(others)
In the first embodiment, it has been described that each pixel has two pixel electrodes 303a and 303b. These two pixel electrodes 303a and 303b may be arranged in various arrangements in the pixel. FIG. 37 is a schematic plan view of pixels for explaining an example of arrangement of pixel electrodes. In FIG. 37, the horizontal direction is the direction along the row of the pixel array, and the direction orthogonal to the horizontal direction is the direction along the column of the pixel array.

図37(a)は、画素電極303a、303bが、行に沿った方向に配置される例である。 FIG. 37A is an example in which the pixel electrodes 303a and 303b are arranged in the direction along the row.

図37(b)は、画素電極303a、303bが、列に沿った方向に配置される例である。 FIG. 37B is an example in which the pixel electrodes 303a and 303b are arranged in the direction along the row.

図37(c)は、画素電極303a、303bが、行に沿った方向および列に沿った方向に対して45°の角度をなす方向に沿って配置される例である。 FIG. 37C is an example in which the pixel electrodes 303a and 303b are arranged along a direction forming an angle of 45 ° with respect to a direction along a row and a direction along a column.

図37(a)~(c)のような画素を複数備えることで、画素アレイにおける複数の方向に沿って位相差検出を行える。例えば、図37(a)に示した画素を複数個、列に沿った方向に配置し、図37(b)に示した画素を複数個、行に沿った方向に配置することで、撮像面内の縦方向と横方向とで位相差検出を実現できる。デジタルカメラのような撮像システムにおいては、一方向のみの位相差検出ではなく、複数の方向の位相差検出が求められるので、特に有用である。 By providing a plurality of pixels as shown in FIGS. 37 (a) to 37 (c), phase difference detection can be performed along a plurality of directions in the pixel array. For example, by arranging a plurality of pixels shown in FIG. 37 (a) in a direction along a column and arranging a plurality of pixels shown in FIG. 37 (b) in a direction along a row, an imaging surface can be obtained. Phase difference detection can be realized in the vertical direction and the horizontal direction. In an imaging system such as a digital camera, it is particularly useful because phase difference detection in a plurality of directions is required instead of phase difference detection in only one direction.

図37(d)、(e)に、画素電極303を3個以上備える場合の構成例を示す。 37 (d) and 37 (e) show configuration examples in the case where three or more pixel electrodes 303 are provided.

図37(d)は、4個の画素電極を有し、それらを2行×2列に配置した例である。各画素電極を独立に制御できるようにすることで、ある動作モードでは図37(1)のように分けて用い、別の動作モードでは図37(b)のように動作させることができる。つまり、位相差検出の方向を動的に切り替えることが可能となる。 FIG. 37D is an example of having four pixel electrodes and arranging them in 2 rows × 2 columns. By making it possible to control each pixel electrode independently, it is possible to use them separately as shown in FIG. 37 (1) in one operation mode and to operate as shown in FIG. 37 (b) in another operation mode. That is, it is possible to dynamically switch the direction of phase difference detection.

図37(e)も同様に、同時に動作させる画素電極の組を動的に切り替えることができる。 Similarly, in FIG. 37 (e), the set of pixel electrodes operated at the same time can be dynamically switched.

ここでは画素電極について説明したが、対向電極も図37に示したのと同様に設けることで、同様の効果が得られる。 Although the pixel electrode has been described here, the same effect can be obtained by providing the counter electrode in the same manner as shown in FIG. 37.

また、上述の各実施形態において、同一の画素に含まれる複数の光電変換部に対して、光電変換層が連続している、つまり、共通に設けられている例を説明した。光電変換層を絶縁性部材あるいは遮光部材の少なくとも一方を含んで成る光電変換層分離部によって分離しても良い。これによって、位相差検出の精度を向上できる。 Further, in each of the above-described embodiments, an example in which the photoelectric conversion layers are continuous, that is, commonly provided for a plurality of photoelectric conversion units included in the same pixel has been described. The photoelectric conversion layer may be separated by a photoelectric conversion layer separating portion including at least one of an insulating member and a light-shielding member. This makes it possible to improve the accuracy of phase difference detection.

同様に隣接する画素の光電変換層を絶縁性部材あるいは遮光部材の少なくとも一方を含んで成る光電変換層分離部によって分離しても良い。 Similarly, the photoelectric conversion layer of adjacent pixels may be separated by a photoelectric conversion layer separating portion including at least one of an insulating member and a light-shielding member.

また、各画素に設けられるマイクロレンズの形状は同一でなくともよい。例えば、画素アレイ110の中心から遠い位置にある画素ほど、画素への光の入射角度が半導体基板に対して平行に近づくので、均一な光を固体撮像素子に照射しても、得られる信号レベルは画素アレイの中心に近いほど高くなる。この点を考慮して、マイクロレンズの形状を変えることにより、一様な入射光に対して均一な信号が得られるようにすることができる。より具体的には、マイクロレンズどうしの曲率を変えたり、断面形状を異ならせたりすることが考えられる。 Further, the shape of the microlens provided in each pixel does not have to be the same. For example, the farther the pixel is from the center of the pixel array 110, the closer the incident angle of the light to the pixel is closer to the semiconductor substrate, so that the signal level obtained even if the solid-state image sensor is irradiated with uniform light. Is higher as it is closer to the center of the pixel array. In consideration of this point, by changing the shape of the microlens, it is possible to obtain a uniform signal for a uniform incident light. More specifically, it is conceivable to change the curvature of the microlenses or to make the cross-sectional shape different.

上述した各実施形態は、例示的なものに過ぎず、本発明の思想から逸脱しない範囲で変更を加えることができる。例えば、各実施形態を互いに組み合わせてもよい。 Each of the above-described embodiments is merely exemplary and can be modified without departing from the ideas of the present invention. For example, the embodiments may be combined with each other.

1000 固体撮像素子
100 画素
303 画素電極
305 光電変換層
307 対向電極
309 マイクロレンズ層
400 信号読み出し回路
1000 Solid-state image sensor 100 pixels 303 pixel electrode 305 photoelectric conversion layer 307 facing electrode 309 microlens layer 400 signal readout circuit

Claims (14)

光電変換素子であって、
複数の画素電極と、前記複数の画素電極の上に設けられた光電変換層と、前記光電変換層を前記複数の画素電極とで挟むように設けられた対向電極と、を含む光電変換部と、平面視で前記複数の画素電極と重なる1つのマイクロレンズと、
基板に設けられた回路と、
前記光電変換部から前記回路までの間の電気経路に設けられた容量と、
前記複数の画素電極と前記基板との間に設けられた第1の配線層と、
前記第1の配線層と前記基板との間に設けられた第2の配線層と、を有し、
前記容量は、
前記第1の配線層に設けられた第1の配線と、
前記第2の配線層に設けられ、平面視で前記第1の配線と重なる第2の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線との間に形成された第1の絶縁層により構成されることを特徴とする光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element
A photoelectric conversion unit including a plurality of pixel electrodes, a photoelectric conversion layer provided on the plurality of pixel electrodes, and a counter electrode provided so as to sandwich the photoelectric conversion layer between the plurality of pixel electrodes. , One microlens that overlaps with the plurality of pixel electrodes in plan view,
The circuit provided on the board and
The capacitance provided in the electric path from the photoelectric conversion unit to the circuit,
A first wiring layer provided between the plurality of pixel electrodes and the substrate,
It has a second wiring layer provided between the first wiring layer and the substrate, and has.
The capacity is
The first wiring provided in the first wiring layer and
A second wiring provided on the second wiring layer and overlapping the first wiring in a plan view,
A photoelectric conversion element characterized by being composed of a first insulating layer formed between the first wiring and the second wiring.
前記第2の配線層と前記基板との間に設けられた第3の配線層を有し、
前記第3の配線層が有する第3の配線と、前記第2の配線は、第4の配線で電気的に接続されており、
前記基板の主面に対して交差する方向の前記第4の配線の長さよりも、前記第1の絶縁層の厚さが薄いことを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。
It has a third wiring layer provided between the second wiring layer and the substrate, and has a third wiring layer.
The third wiring of the third wiring layer and the second wiring are electrically connected by the fourth wiring.
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the thickness of the first insulating layer is thinner than the length of the fourth wiring in the direction intersecting the main surface of the substrate.
前記回路は、増幅トランジスタであり、
前記増幅トランジスタのゲートと、前記第1の配線とが電気的に接続していることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換素子。
The circuit is an amplification transistor and
The photoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the gate of the amplification transistor and the first wiring are electrically connected to each other.
前記第2の配線層と前記基板との間の距離は、前記第3の配線層と前記基板との間の距離よりも大きいことを特徴とする請求項に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 2 , wherein the distance between the second wiring layer and the substrate is larger than the distance between the third wiring layer and the substrate. 前記第3の配線層と前記基板との間に別の配線層を有することを特徴とする請求項2または4に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 2 or 4 , wherein another wiring layer is provided between the third wiring layer and the substrate. 前記第2の配線には、固定電位が供給されることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5, wherein a fixed potential is supplied to the second wiring. 前記固定電位は接地電位であることを特徴する請求項6に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 6, wherein the fixed potential is a ground potential. 前記複数の画素電極は、第1の画素電極と第2の画素電極とを有し、
前記増幅トランジスタは、第1の増幅トランジスタからなり、
前記第1の増幅トランジスタに、前記第1の画素電極と前記第2の画素電極から出力される信号が入力されるように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の光電変換素子。
The plurality of pixel electrodes have a first pixel electrode and a second pixel electrode.
The amplification transistor comprises a first amplification transistor.
The photoelectric conversion element according to claim 3, wherein the first amplification transistor is configured to input signals output from the first pixel electrode and the second pixel electrode. ..
前記光電変換層の間に遮光部材および絶縁性部材の少なくとも一方を含んで成る光電変換層分離部を持つことを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 8, further comprising a photoelectric conversion layer separating portion including at least one of a light-shielding member and an insulating member between the photoelectric conversion layers. 前記光電変換部を複数有し、
第1の光電変換部は、第1の画素電極と第2の画素電極を有し、
第2の光電変換部は、第3の画素電極と第4の画素電極を有し、
平面視において、前記第2の画素電極と前記第3の画素電極との間に遮光膜を持つことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の光電変換素子。
It has a plurality of photoelectric conversion units.
The first photoelectric conversion unit has a first pixel electrode and a second pixel electrode.
The second photoelectric conversion unit has a third pixel electrode and a fourth pixel electrode.
The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7, wherein a light-shielding film is provided between the second pixel electrode and the third pixel electrode in a plan view.
前記遮光膜の上に、保護層が設けられたことを特徴とする請求項10に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 10, wherein a protective layer is provided on the light-shielding film. 前記光電変換層は、イントリンシックな水素化アモルファスシリコン、化合物半導体および有機半導体のいずれかからなることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 11, wherein the photoelectric conversion layer is made of any of intrinsic hydrogenated amorphous silicon, a compound semiconductor and an organic semiconductor. 前記容量は、前記複数の画素電極と電気的に接続されており、前記容量を介して前記画素電極の電位を制御する画素電極制御手段を有することを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の光電変換素子。 One of claims 1 to 12, wherein the capacitance is electrically connected to the plurality of pixel electrodes and has a pixel electrode control means for controlling the potential of the pixel electrodes via the capacitance. The photoelectric conversion element according to the above. 請求項1から13のいずれかに記載の光電変換素子と、
前記光電変換素子に像を形成する光学系と、
前記光電変換素子から出力された信号を処理して画像データを生成する映像信号処理部と、を備えたことを特徴とする撮像システム。
The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 13,
An optical system that forms an image on the photoelectric conversion element ,
An imaging system including a video signal processing unit that processes a signal output from the photoelectric conversion element to generate image data.
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