JP7278953B2 - 固体撮像素子及び電子機器 - Google Patents
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Description
光電変換部を含む複数の単位画素が行列状に配置された画素アレイ部、
画素アレイ部の列配列に対応して設けられた垂直信号線を通して単位画素から出力される画素信号をサンプリングし、保持するサンプル&ホールド部、及び、
サンプル&ホールド部から出力される画素信号をデジタル信号に変換するアナログ-デジタル変換部を備え、
サンプル&ホールド部は、1本の垂直信号線に対し、2つのサンプル&ホールド回路を並列に持ち、
2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、サンプリング容量を少なくとも2個有する。
1.本開示の固体撮像素子及び電子機器、全般に関する説明
2.本開示の固体撮像素子
2-1.基本的な構成
2-2.単位画素の回路構成
2-3.積層構造
2-4.入力電圧レンジの拡大について
2-5.実施形態に係るサンプル&ホールド部
2-5-1.実施例1(サンプリング容量を2個有する例)
2-5-2.実施例2(サンプリング容量が複数の単位容量の組み合わせから成り、
シングルスロープ型アナログ-デジタル変換器を用いる例)
2-5-3.実施例3(サンプリング容量が複数の単位容量の組み合わせから成り、
デルタ-シグマ型アナログ-デジタル変換器を用いる例)
2-6.実施形態の変形例
2-7.実施形態の応用例
3.本開示に係る技術の適用例
3-1.本開示の電子機器(撮像装置の例)
3-2.移動体への応用例
4.本開示がとることができる構成
本開示の固体撮像素子及び電子機器にあっては、第1半導体基板及び第2半導体基板の少なくとも2つの半導体基板が積層された積層構造を有する構成とすることができる。そして、この積層構造において、画素アレイ部については、第1半導体基板に形成し、サンプル&ホールド部については、第1半導体基板以外の半導体基板に形成することが好ましい。
[基本的な構成]
まず、本開示の固体撮像素子の基本的な構成について説明する。本実施形態では、固体撮像素子として、X-Yアドレス方式の固体撮像素子の一種であるCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサを例に挙げて説明する。CMOSイメージセンサは、CMOSプロセスを応用して、又は、部分的に使用して作製されたイメージセンサである。
図2は、単位画素2の回路構成の一例を示す回路図である。単位画素2は、光電変換部として、例えば、フォトダイオード21を有している。単位画素2は、フォトダイオード21に加えて、転送トランジスタ22、リセットトランジスタ23、増幅トランジスタ24、及び、選択トランジスタ25を有する画素構成となっている。
上記の構成のCMOSイメージセンサ1は、図3に示すように、第1半導体基板41及び第2半導体基板42の少なくとも2つの半導体基板(チップ)が積層された、所謂、積層構造のイメージセンサとすることができる。また、本例に係るCMOSイメージセンサ1は、配線層が配される側の基板面を表面(正面)とするとき、その反対側の裏面側から照射される光を取り込む裏面照射型の画素構造とすることができる。
上記の構成のCMOSイメージセンサ1において、アナログ-デジタル変換部15などを含む読出し回路では、単位画素2のリセットレベルのばらつき、暗電流による変動分、飽和信号量の増大などにより、幅広い入力電圧レンジに対応することが求められる。また、読出し回路の外部に新たな回路を追加したり、電源電圧を高く設定したりすることなく、広い入力電圧レンジに対応できることが望ましい。
そこで、本実施形態では、サンプル&ホールド部14について、1本の垂直信号線32に対し、2つのサンプル&ホールド回路を並列に持ち、2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方が、サンプリング容量を少なくとも2個有する構成としている。この構成を採ることにより、アナログ-デジタル変換部15などを含む読出し回路の外部に新たな回路を追加したり、電源電圧を高く設定したりすることなく、広い入力電圧レンジに対応できる。読出し回路の外部に新たな回路を追加しないことで、新たな回路の追加による回路規模の増大や、追加回路によるノイズ特性の劣化などがない。また、電源電圧を高く設定しなくて済むことで、消費電力が増大することもない。
実施例1は、2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方が、サンプリング容量を2つ有する例である。図4に、実施例1に係るサンプル&ホールド部14の1画素列分の回路構成を示す。
データ信号用サンプル&ホールド回路141は、反転増幅器1411、2つのサンプリング容量Cd_1,Cd_2、及び、5つのスイッチ素子SWd_1_1,SWd_1_2,SWd_2,SWd_3,SWd_4を有している。反転増幅器1411は、非反転(+)入力端が接地されており、その出力端からデータ信号のサンプルホールド出力Vout_DSHを出力する。
リセット信号用サンプル&ホールド回路142は、反転増幅器1421、1つのサンプリング容量Cp、及び、3つのスイッチ素子SWp_1,SWp_2,SWp_3を有している。反転増幅器1421は、非反転(+)入力端が接地されており、その出力端からリセット信号のサンプルホールド出力Vout_PSHを出力する。スイッチ素子SWp_1の入力端は、垂直信号線32に接続されており、スイッチ制御信号smp_pによってオン(閉)/オフ(開)制御が行われる。サンプリング容量Cpは、入力端がスイッチ素子SWp_1の出力端に接続され、出力端が反転増幅器1421の反転(-)入力端に接続されている。
次に、図5のタイミング波形図を用いて、実施例1に係るサンプル&ホールド部14の回路動作について説明する。
時刻t1で、スイッチ制御信号smp_p,smpa_pが高レベルとなることで、リセット信号用サンプル&ホールド回路142において、スイッチ素子SWp_1,SWp_3がオン状態となる。そして、スイッチ制御信号smpa_pが高レベルから低レベルに遷移する時刻t2で、リセット信号Vrstがサンプリングされ、サンプリング容量Cpに蓄積される。
次に、スイッチ制御信号smp_p,smp_d_2が高レベルから低レベルへ遷移した後、時刻t3で、スイッチ制御信号smp_d_1,smpa_dが高レベルとなることで、データ信号用サンプル&ホールド回路141において、スイッチ素子SWd_1_1,SWd_3がオン状態となる。そして、スイッチ制御信号smpa_dが高レベルから低レベルに遷移する時刻t4で、データ信号用サンプル&ホールド回路141のサンプリング容量Cd_1側においてデータ信号Vdataのサンプリングが行われる。
次に、スイッチ制御信号smp_d_1が高レベルから低レベルへ遷移した後、時刻t5で、スイッチ制御信号hld_dが高レベルになることで、データ信号用サンプル&ホールド回路141において、スイッチ素子SWd_2,SWd_4がオン状態になる。これにより、リセット信号Vrstがサンプリング容量Cd_2にホールドされ、データ信号Vdataがサンプリング容量Cd_1にホールドされるとともに、両サンプリング容量Cd_1,Cd_2の各入力端間が短絡される。
実施例2は、サンプリング容量が複数の単位容量の組み合わせから成り、アナログ-デジタル変換器としてシングルスロープ型アナログ-デジタル変換器を用いる例である。図9に、実施例2に係るサンプル&ホールド部の1画素列分の回路構成及びシングルスロープ型アナログ-デジタル変換部の構成を示す。
実施例2では、アナログ-デジタル変換部15の各アナログ-デジタル変換器として、シングルスロープ型アナログ-デジタル変換器151を用いている。シングルスロープ型アナログ-デジタル変換器151は、例えば、コンパレータ1511及びカウンタ1512を有する回路構成となっている。シングルスロープ型アナログ-デジタル変換器151では、時間が経過するにつれて電圧値が徐々に変化する、所謂、ランプ(RAMP)波形(スロープ波形)の参照電圧Vrefが用いられる。ランプ波形の参照電圧Vrefは、参照電圧生成部152で生成される。参照電圧生成部152については、例えば、DAC(デジタル-アナログ変換)回路を用いて構成することができる。
データ信号用サンプル&ホールド回路141において、サンプリング容量Cd_1,Cd_2は、単位容量の組み合わせによって構成されている。具体的には、サンプリング容量Cd_1,Cd_2は、N個(Nは正の整数)の単位容量によって構成されている。ここで、サンプリング容量Cd_1,Cd_2の各容量値の合計値をCsとするとき、単位容量の各々はCs/Nの容量値を持っている。
リセット信号用サンプル&ホールド回路142は、基本的に、データ信号用サンプル&ホールド回路141と同じ回路構成を有する。ここで、「同じ回路構成」とは、厳密に同じ回路構成である場合の他、実質的に同じ回路構成である場合も含む意味であり、設計上あるいは製造上生ずる種々のばらつきの存在は許容される。
次に、図10のタイミング波形図を用いて、実施例2に係るサンプル&ホールド部14の回路動作について説明する。
時刻t11で、スイッチ制御信号smp_p(1)~smp_p(N),smpa_pが高レベルとなることで、リセット信号用サンプル&ホールド回路142において、スイッチ素子SWp_1のN個のスイッチ及びスイッチ素子SWp_3がオン状態となる。そして、スイッチ制御信号smpa_pが高レベルから低レベルに遷移する時刻t12で、リセット信号Vrstがサンプリングされ、サンプリング容量Cpに蓄積される。
次に、スイッチ制御信号smp_p(1)~smp_p(N),smp_d(M+1)~smp_d(N)が高レベルから低レベルへ遷移した後、時刻t13で、スイッチ制御信号smp_d(1)~smp_d(M),smpa_dが高レベルとなる。これにより、データ信号用サンプル&ホールド回路141において、スイッチ素子SWd_1_1の1~Mの各スイッチ及びスイッチ素子SWd_3がオン状態となり、データ信号のサンプリングが開始され、スイッチ制御信号smpa_dが高レベルから低レベルに遷移する時刻t14で、サンプリング容量Cd_1の1~Mの各単位容量に蓄積される。
次に、スイッチ素子SWd_1_1の1~Mの各スイッチ、及び、スイッチ素子SWd_1_2のM+1~Nの各スイッチのオフ状態において、時刻t15で、スイッチ制御信号hld_dが高レベルになることで、データ信号用サンプル&ホールド回路141において、スイッチ素子SWd_4の各スイッチがオン状態になる。これにより、サンプリング容量Cd_1の1~Mの単位容量、及び、サンプリング容量Cd_2のM+1~Nの単位容量の各入力端が短絡され、サンプリング容量Cd_1とサンプリング容量Cd_2との間で容量の加重平均が行われる。
Qdsh=Cs×(N-M)/N×Vrst+Cs×M/N×Vdata
となる。従って、データ信号用サンプル&ホールド回路141から出力されるデータ信号のサンプルホールド出力Vout_DSHは、
Vout_DSH=Qdsh/Cs
=(N-M)/N×Vrst+M/N×Vdata
=Vrst-(Vrst-Vdata)×M/N
となる。
リセット信号用サンプル&ホールド回路142のサンプルホールド出力Vout_PSHは、時刻t15-t16の期間において、スイッチ制御信号sw_pの制御によるスイッチ素子SWp_0のオン区間に、シングルスロープ型アナログ-デジタル変換器151に供給され、アナログ-デジタル変換が行われる。データ信号用サンプル&ホールド回路141のサンプルホールド出力Vout_DSHは、時刻t16-t17の期間において、スイッチ制御信号sw_dの制御によるスイッチ素子SWd_0のオン区間に、シングルスロープ型アナログ-デジタル変換器151に供給され、アナログ-デジタル変換が行われる。
Vout_PSH-Vout_DSH=(Vrst-Vdata)×M/N
となる。このことから、リセット信号Vrstとデータ信号Vdataとの差分(Vrst-Vdata)がM/N倍に減衰されていることがわかる。
実施例3は、サンプリング容量が複数の単位容量の組み合わせから成り、アナログ-デジタル変換器としてデルタ-シグマ型(ΔΣ型)アナログ-デジタル変換器を用いる例である。図11に、実施例3に係るサンプル&ホールド部の1画素列分の回路構成及びアナログ-デジタル変換部の構成を示す。
Ir=(Vrst-Vdata)/R
となる。この電流Irは、デルタ-シグマ型アナログ-デジタル変換器153の第1積分器1531へと入力される。
上記の実施形態では、単位画素2が行列状に配置されて成るCMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本開示に係る技術は、CMOSイメージセンサへの適用に限られるものではない。すなわち、本開示に係る技術は、単位画素2が行列状に2次元配置されて成るX-Yアドレス方式の固体撮像素子全般に対して適用可能である。
以上説明した本実施形態に係るCMOSイメージセンサ1は、例えば図13に示すように、可視光、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々な装置に使用することができる。様々な装置の具体例について以下に列挙する。
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の分野で用いる装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、テレビジョン受像機、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電の分野で用いる装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの分野で用いる装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの分野で用いる装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の分野で用いる装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの分野で用いる装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の分野で用いる装置
本開示に係る技術は、様々な製品に適用することができる。以下に、より具体的な適用例について説明する。
ここでは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、携帯電話機などの撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機などの電子機器に適用する場合について説明する。
本開示に係る技術は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット、建設機械、農業機械(トラクター)などのいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
尚、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
[A-1]光電変換部を含む複数の単位画素が行列状に配置された画素アレイ部、
画素アレイ部の列配列に対応して設けられた垂直信号線を通して単位画素から出力される画素信号をサンプリングし、保持するサンプル&ホールド部、及び、
サンプル&ホールド部から出力される画素信号をデジタル信号に変換するアナログ-デジタル変換部を備え、
サンプル&ホールド部は、1本の垂直信号線に対し、2つのサンプル&ホールド回路を並列に持ち、
2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、サンプリング容量を少なくとも2個有する、
固体撮像素子。
[A-2]第1半導体基板及び第2半導体基板の少なくとも2つの半導体基板が積層された積層構造を有し、
画素アレイ部は、第1半導体基板に形成され、
サンプル&ホールド部は、第1半導体基板以外の半導体基板に形成されている、
上記[A-1]に記載の固体撮像素子。
[A-3]2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、サンプリング容量の入力端間を選択的に短絡する第1のスイッチ部を有する、
上記[A-1]又は上記[A-2]に記載の固体撮像素子。
[A-4]少なくとも2個のサンプリング容量はそれぞれ、複数の単位容量の組み合わせによって構成されている、
上記[A-3]に記載の固体撮像素子。
[A-5]2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、独立した制御信号により、垂直信号線と複数の単位容量の各入力端との間を選択的に短絡するスイッチ群から成る第2のスイッチ部を有し、
第1のスイッチ部は、隣り合う単位容量の入力端間を選択的に短絡するスイッチ群から成る、
上記[A-4]に記載の固体撮像素子。
[A-6]画素信号は、リセット時に単位画素から出力されるリセット信号、及び、光電変換時に単位画素から出力されるデータ信号を含み、
2つのサンプル&ホールド回路の一方は、リセット信号をサンプリングするサンプリング容量、及び、データ信号をサンプリングするサンプリング容量を有する、
上記[A-3]乃至上記[A-5]のいずれかに記載の固体撮像素子。
[A-7]リセット信号をサンプリングするサンプリング容量、及び、データ信号をサンプリングするサンプリング容量の容量比は、第2のスイッチ部のスイッチ群の各スイッチの切替えによって制御可能である、
上記[A-6]に記載の固体撮像素子。
[A-8]2つのサンプル&ホールド回路は、同じ回路構成を有する、
上記[A-1]乃至上記[A-7]のいずれかに記載の固体撮像素子。
[A-9]アナログ-デジタル変換部は、シングルスロープ型アナログ-デジタル変換器から成る、
上記[A-1]乃至上記[A-8]のいずれかに記載の固体撮像素子。
[A-10]アナログ-デジタル変換部は、デルタ-シグマ型アナログ-デジタル変換器から成る、
上記[A-1]乃至上記[A-8]のいずれかに記載の固体撮像素子。
[B-1]光電変換部を含む複数の単位画素が行列状に配置された画素アレイ部、
画素アレイ部の列配列に対応して設けられた垂直信号線を通して単位画素から出力される画素信号をサンプリングし、保持するサンプル&ホールド部、及び、
サンプル&ホールド部から出力される画素信号をデジタル信号に変換するアナログ-デジタル変換部を備え、
サンプル&ホールド部は、1本の垂直信号線に対し、2つのサンプル&ホールド回路を並列に持ち、
2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、サンプリング容量を少なくとも2個有する、
固体撮像素子を有する電子機器。
[B-2]第1半導体基板及び第2半導体基板の少なくとも2つの半導体基板が積層された積層構造を有し、
画素アレイ部は、第1半導体基板に形成され、
サンプル&ホールド部は、第1半導体基板以外の半導体基板に形成されている、
上記[B-1]に記載の電子機器。
[B-3]2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、サンプリング容量の入力端間を選択的に短絡する第1のスイッチ部を有する、
上記[B-1]又は上記[B-2]に記載の電子機器。
[B-4]少なくとも2個のサンプリング容量はそれぞれ、複数の単位容量の組み合わせによって構成されている、
上記[B-3]に記載の電子機器。
[B-5]2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、独立した制御信号により、垂直信号線と複数の単位容量の各入力端との間を選択的に短絡するスイッチ群から成る第2のスイッチ部を有し、
第1のスイッチ部は、隣り合う単位容量の入力端間を選択的に短絡するスイッチ群から成る、
上記[B-4]に記載の電子機器。
[B-6]画素信号は、リセット時に単位画素から出力されるリセット信号、及び、光電変換時に単位画素から出力されるデータ信号を含み、
2つのサンプル&ホールド回路の一方は、リセット信号をサンプリングするサンプリング容量、及び、データ信号をサンプリングするサンプリング容量を有する、
上記[B-3]乃至上記[B-5]のいずれかに記載の電子機器。
[B-7]リセット信号をサンプリングするサンプリング容量、及び、データ信号をサンプリングするサンプリング容量の容量比は、第2のスイッチ部のスイッチ群の各スイッチの切替えによって制御可能である、
上記[B-6]に記載の電子機器。
[B-8]2つのサンプル&ホールド回路は、同じ回路構成を有する、
上記[B-1]乃至上記[B-7]のいずれかに記載の電子機器。
[B-9]アナログ-デジタル変換部は、シングルスロープ型アナログ-デジタル変換器から成る、
上記[B-1]乃至上記[B-8]のいずれかに記載の電子機器。
[B-10]アナログ-デジタル変換部は、デルタ-シグマ型アナログ-デジタル変換器から成る、
上記[B-1]乃至上記[B-8]のいずれかに記載の電子機器。
Claims (13)
- 光電変換部を含む複数の単位画素が行列状に配置された画素アレイ部、
前記画素アレイ部の列配列に対応して設けられた垂直信号線を通して単位画素から出力される画素信号をサンプリングし、保持するサンプル&ホールド部、及び、
前記サンプル&ホールド部から出力される前記画素信号をデジタル信号に変換するアナログ-デジタル変換部を備え、
前記サンプル&ホールド部は、1本の垂直信号線に対し、2つのサンプル&ホールド回路を並列に持ち、
前記2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、2個のサンプリング容量を有し、かつ前記2個のサンプリング容量の容量比に応じて前記画素信号を減衰させて出力する、
固体撮像素子。 - 第1半導体基板及び第2半導体基板の少なくとも2つの半導体基板が積層された積層構造を有し、
前記画素アレイ部は、前記第1半導体基板に形成され、
前記サンプル&ホールド部は、前記第2半導体基板に形成されている、
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、サンプリング容量の入力端間を選択的に短絡する第1のスイッチ部を有する、
請求項1又は2に記載の固体撮像素子。 - 前記2個のサンプリング容量はそれぞれ、複数の単位容量の組み合わせによって構成されている、
請求項3に記載の固体撮像素子。 - 前記2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、独立した制御信号により、垂直信号線と複数の単位容量の各入力端との間を選択的に短絡するスイッチ群から成る第2のスイッチ部を有し、
前記第1のスイッチ部は、隣り合う単位容量の入力端間を選択的に短絡するスイッチ群から成る、
請求項4に記載の固体撮像素子。 - 前記画素信号は、リセット時に単位画素から出力されるリセット信号、及び、光電変換時に単位画素から出力されるデータ信号を含み、
前記2つのサンプル&ホールド回路の一方は、リセット信号をサンプリングするサンプリング容量、及び、データ信号をサンプリングするサンプリング容量を有する、
請求項3乃至5のいずれか一項に記載の固体撮像素子。 - 前記画素信号は、リセット時に単位画素から出力されるリセット信号、及び、光電変換時に単位画素から出力されるデータ信号を含み、
前記2つのサンプル&ホールド回路の一方は、リセット信号をサンプリングするサンプリング容量、及び、データ信号をサンプリングするサンプリング容量を有し、
前記リセット信号をサンプリングするサンプリング容量、及び、前記データ信号をサンプリングするサンプリング容量の前記容量比は、前記第2のスイッチ部のスイッチ群の各スイッチの切替えによって制御可能である、
請求項5に記載の固体撮像素子。 - 前記2つのサンプル&ホールド回路は、
前記リセット信号をサンプリングする第1サンプリング容量と、前記データ信号をサンプリングする第2サンプリング容量と、を有する第1サンプル&ホールド回路と、
前記リセット信号をサンプリングする第3サンプリング容量を有する第2サンプル&ホールド回路と、を有し、
前記第1サンプル&ホールド回路は、前記第1サンプリング容量と前記第2サンプリング容量との前記容量比に応じて前記リセット信号と前記データ信号との差分を減衰させた信号を出力する、
請求項6又は7に記載の固体撮像素子。 - 前記アナログ-デジタル変換部は、前記第1サンプル&ホールド回路の出力信号と、前記第2サンプル&ホールド回路の出力信号との差分を取ることにより、前記第1サンプル&ホールド回路の出力信号に含まれる前記リセット信号の成分を除去する、
請求項8に記載の固体撮像素子。 - 前記2つのサンプル&ホールド回路は、同じ回路構成を有する、
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の固体撮像素子。 - 前記アナログ-デジタル変換部は、シングルスロープ型アナログ-デジタル変換器から成る、
請求項1乃至10のいずれか一項に記載の固体撮像素子。 - 前記アナログ-デジタル変換部は、デルタ-シグマ型アナログ-デジタル変換器から成る、
請求項1乃至10のいずれか一項に記載の固体撮像素子。 - 光電変換部を含む複数の単位画素が行列状に配置された画素アレイ部、
前記画素アレイ部の列配列に対応して設けられた垂直信号線を通して単位画素から出力される画素信号をサンプリングし、保持するサンプル&ホールド部、及び、
前記サンプル&ホールド部から出力される画素信号をデジタル信号に変換するアナログ-デジタル変換部を備え、
前記サンプル&ホールド部は、1本の垂直信号線に対し、2つのサンプル&ホールド回路を並列に持ち、
前記2つのサンプル&ホールド回路の少なくとも一方は、2個のサンプリング容量を有し、かつ前記2個のサンプリング容量の容量比に応じて前記画素信号を減衰して出力する、
固体撮像素子を有する電子機器。
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