JP7313829B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。
カメラやビデオ等の撮像装置に用いられる撮像素子として、フォトダイオード（ＰＤ）に入射したフォトン（光子）を電荷に変換して蓄積し、電荷量をアナログ量として出力する撮像素子が提案されている。ＰＤにフォトンが入射すると、ＰＤは、入射するフォトンの数に応じてほぼ線形に電荷を生成し、蓄積する。ＰＤに蓄積された電荷はフローティングディフュージョン（ＦＤ）へ転送され、電圧に変換される。ＦＤによって変換された電圧は、ソースフォロワによって増幅され、アナログ信号の形で、画素アレイ周辺にあるＡＤ変換回路に入力される。
近年、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いた撮像素子が検討されている。ＡＰＤに降伏電圧に近い逆電圧をかけた状態でフォトンが入射すると、雪崩降伏（電子雪崩）が発生して、ＡＰＤがガイガーモードで動作し、アバランシェ増幅による電荷が生成される。電荷の生成・排出に応じたＡＰＤの電位変化に対応する電圧パルスの数をカウントし、以降デジタル値として扱うことが可能となる。特許文献１は、ガイガーモードで動作するＡＰＤと、ＡＰＤに対応する抵抗を有するクエンチ回路とを用いて、フォトンの入射をパルス信号に変換してカウントする画像取得装置を開示している。
特許文献１が開示する画像取得装置では、ＡＰＤをガイガーモードで動作させると、クエンチ回路で消費された電力が熱となってＡＰＤに伝わり、暗電流などの熱ノイズが発生しやすくなる。本発明は、ＡＰＤを用いた撮像素子において、ＡＰＤに対応する回路で発生する熱に起因する暗電流などの熱ノイズを抑制することを目的とする。
本発明の一実施形態の撮像素子は、フォトンの入射に応じてアバランシェ増幅による電荷を発生する受光素子を有する受光部が複数設けられた第１の基板部と、前記受光素子の各々に対応する第１の回路を有する第２の基板部と、前記受光素子と、前記受光素子に対応する第１の回路とを電気的に接続する接続部と、を有し、前記第１の回路は、前記受光素子により発生した電荷を排出するクエンチ回路を有し、前記第１の基板部は、第１の受光部と第２の受光部とを有し、前記第２の基板部は、前記第１の受光部に対応する第１のクエンチ回路と、前記第２の受光部に対応する第２のクエンチ回路とを有し、前記第１のクエンチ回路は、前記第１の基板部において前記第２の受光部が設けられた領域に対応する前記第２の基板部の領域に設けられている。
本発明の撮像素子によれば、ＡＰＤに対応する回路で発生する熱に起因する暗電流などの熱ノイズを抑制することができる。
（実施例１）
図１は、本実施形態の撮像素子が有する単位画素を示す図である。
単位画素は、受光素子であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１１を有する受光部１０と、受光部１０に対応するクエンチ回路（第１の回路）およびパルス整形回路（第２の回路）を有する画素回路部２０と、接続部３０とを有する。接続部３０は、受光部１０と画素回路部２０とを電気的に接続する。画素回路部２０は、クエンチ回路に相当するクエンチ抵抗２１と、パルス整形回路に相当する比較器２２とを有する。なお、クエンチ回路は、大きく分けて２つの方式に分類される。１つは、等価的に抵抗として機能する抵抗素子を利用して、フォトンの入射により発生した雪崩現象を受動的に停止させるパッシブクエンチ方式のクエンチ回路である。もう１つは、スイッチ等で能動的に雪崩現象を制御可能なアクティブクエンチ方式のクエンチ回路である。本発明は、パッシブクエンチ方式、アクティブクエンチ方式のいずれの方式も適用可能である。本実施形態の撮像素子は、特に発熱が懸念されるパッシブクエンチ方式として、クエンチ抵抗２１を使用したクエンチ回路を適用する。
図１は、本実施形態の撮像素子が有する単位画素を示す図である。
単位画素は、受光素子であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１１を有する受光部１０と、受光部１０に対応するクエンチ回路（第１の回路）およびパルス整形回路（第２の回路）を有する画素回路部２０と、接続部３０とを有する。接続部３０は、受光部１０と画素回路部２０とを電気的に接続する。画素回路部２０は、クエンチ回路に相当するクエンチ抵抗２１と、パルス整形回路に相当する比較器２２とを有する。なお、クエンチ回路は、大きく分けて２つの方式に分類される。１つは、等価的に抵抗として機能する抵抗素子を利用して、フォトンの入射により発生した雪崩現象を受動的に停止させるパッシブクエンチ方式のクエンチ回路である。もう１つは、スイッチ等で能動的に雪崩現象を制御可能なアクティブクエンチ方式のクエンチ回路である。本発明は、パッシブクエンチ方式、アクティブクエンチ方式のいずれの方式も適用可能である。本実施形態の撮像素子は、特に発熱が懸念されるパッシブクエンチ方式として、クエンチ抵抗２１を使用したクエンチ回路を適用する。
ＡＰＤ１１は、クエンチ抵抗２１および比較器２２と電気的に接続されており、ＡＰＤ１１には、クエンチ抵抗２１を介して電圧ＶＤＤが印加される。電圧ＶＤＤは、ＡＰＤ１１がガイガーモードで動作する電圧となるように設定される。比較器２２は、ＡＰＤ１１の電圧であるＶＡＰＤを一方の入力とし、所定の比較電圧Ｖｃｏｍｐを他方の入力とする。比較器２２が、ＶＡＰＤとＶｃｏｍｐの比較結果Ｖｏｕｔを“Ｈ”または“Ｌ”として出力する。これにより、比較器２２は、パルス整形回路として機能し、フォトンの入射に応じたパルス信号を出力する。単位画素が、パルス信号を読み出す読み出し回路を有していてもよい。読み出し回路は、例えば、パルス信号をカウントするカウンタを含み、カウント値に応じた撮像信号を出力する。
図２は、図１に示す単位画素の動作例を説明する図である。
ＡＰＤ１１が待機している状態では、ＡＰＤ１１とクエンチ抵抗２１には電流が流れておらず、ＶＡＰＤはＶＤＤを示す。すなわち、ＡＰＤ１１は、フォトン入射により雪崩現象を発生させる事が可能な電圧が印加された状態で待機している。なお、この状態のとき、比較器２２は“Ｌ”を出力する。その後、フォトンがＡＰＤ１１に入射すると、雪崩現象が発生する。すなわち、ＡＰＤ１１が、入射したフォトンに応じて、アバランシェ増幅による電荷を発生させる。クエンチ抵抗２１は、発生した電荷を排出する。クエンチ抵抗２１に電流が流れ始めると、電圧降下が発生し、ＶＡＰＤが低下する。ＶＡＰＤが比較電圧Ｖｃｏｍｐを下回ると、比較器２２の出力Ｖｏｕｔは“Ｈ”となる。その後、ＶＡＰＤが、雪崩現象を発生させることが不可能な電圧にまで降下すると、雪崩現象が停止する。これにより、ＶＡＰＤはＶＤＤに復帰し、比較器２２の出力Ｖｏｕｔは、“Ｌ”を出力する。これらの動作により、フォトンの入射に応じて、ＡＰＤ１１の電圧信号がパルス信号に変換される。つまり、比較器２２は、フォトンの入射に応じた電荷の生成・排出による電位の変化に応じて、パルス信号を生成する。
ＡＰＤ１１が待機している状態では、ＡＰＤ１１とクエンチ抵抗２１には電流が流れておらず、ＶＡＰＤはＶＤＤを示す。すなわち、ＡＰＤ１１は、フォトン入射により雪崩現象を発生させる事が可能な電圧が印加された状態で待機している。なお、この状態のとき、比較器２２は“Ｌ”を出力する。その後、フォトンがＡＰＤ１１に入射すると、雪崩現象が発生する。すなわち、ＡＰＤ１１が、入射したフォトンに応じて、アバランシェ増幅による電荷を発生させる。クエンチ抵抗２１は、発生した電荷を排出する。クエンチ抵抗２１に電流が流れ始めると、電圧降下が発生し、ＶＡＰＤが低下する。ＶＡＰＤが比較電圧Ｖｃｏｍｐを下回ると、比較器２２の出力Ｖｏｕｔは“Ｈ”となる。その後、ＶＡＰＤが、雪崩現象を発生させることが不可能な電圧にまで降下すると、雪崩現象が停止する。これにより、ＶＡＰＤはＶＤＤに復帰し、比較器２２の出力Ｖｏｕｔは、“Ｌ”を出力する。これらの動作により、フォトンの入射に応じて、ＡＰＤ１１の電圧信号がパルス信号に変換される。つまり、比較器２２は、フォトンの入射に応じた電荷の生成・排出による電位の変化に応じて、パルス信号を生成する。
ＡＰＤ１１にフォトンが入射して雪崩現象が発生する度に、クエンチ抵抗２１では電力を消費する。これにより発生した熱がＡＰＤ１１に伝わると、暗電流などの熱ノイズが発生しやすくなる。なお、熱励起による暗電流がＡＰＤ１１で発生した場合も、フォトン入射と同様に雪崩現象が発生し、パルス信号が出力され、ノイズが観測される。したがって、クエンチ抵抗２１で発生した熱に起因する、暗電流などの熱ノイズを抑制する必要がある。
図３は、実施例１の撮像素子の構成を示す図である。
撮像素子１は、第１の基板部である第１基板１００と、第２の基板部である第２基板２００とを有する。第１基板１００と第２基板２００とは積層されている。第１基板１００は、受光部１０が行列状に複数設けられたアレイを有する。また、第２基板には、第１基板に配列された複数の受光部１０の各々に対応する複数の画素回路部２０が行列状に配列されたアレイが設けられている。受光部１０と、当該受光部１０に対応する画素回路部２０は、接続部３０で電気的に接続される。すなわち、第１基板１００と第２基板２００とは、複数の接続部３０で接続された状態である。なお、前述した読み出し回路が、第２基板２００に設けられていてもよい。
撮像素子１は、第１の基板部である第１基板１００と、第２の基板部である第２基板２００とを有する。第１基板１００と第２基板２００とは積層されている。第１基板１００は、受光部１０が行列状に複数設けられたアレイを有する。また、第２基板には、第１基板に配列された複数の受光部１０の各々に対応する複数の画素回路部２０が行列状に配列されたアレイが設けられている。受光部１０と、当該受光部１０に対応する画素回路部２０は、接続部３０で電気的に接続される。すなわち、第１基板１００と第２基板２００とは、複数の接続部３０で接続された状態である。なお、前述した読み出し回路が、第２基板２００に設けられていてもよい。
ＡＰＤ１１とクエンチ抵抗２１とは、接続部３０を介して、互いに異なる基板部に配置されている。したがって、ＡＰＤ１１とクエンチ抵抗２１とが同一の基板部に隣接して置かれた場合と比較して、クエンチ抵抗２１で発生した熱がＡＰＤ１１に伝わりにくい。これにより、クエンチ抵抗２１で発生した熱に起因する暗電流などの熱ノイズを抑制することが可能となり、高品質な画像を取得することが可能となる。
なお、本実施形態では、クエンチ回路として、クエンチ抵抗を例に挙げたが、クエンチ回路はクエンチ抵抗に限定されない。本発明は、様々なクエンチ回路に適応可能である。また、本実施形態では、クエンチ回路を熱源の例として挙げたが、ＡＰＤに対応する任意の回路（例えば、パルス信号の読み出し回路）が熱源となり得る場合にも、本発明は適応可能である。
図４は、本実施形態の撮像素子を搭載した撮像装置の構成を示す図である。
図４に示す撮像装置は、撮像素子１乃至記録媒体１０１０を備える。制御回路１００８は、各種演算と撮像装置全体の制御を行う。レンズ部１００１は、被写体の光学像を撮像素子１に結像させる。レンズ駆動装置１００２は、レンズ部１００１を制御して、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などを実行する。メカニカルシャッタ１００３は、撮像素子１の露光、遮光を制御する。シャッタ駆動装置１００４は、メカニカルシャッタ１００３を制御する。
図４に示す撮像装置は、撮像素子１乃至記録媒体１０１０を備える。制御回路１００８は、各種演算と撮像装置全体の制御を行う。レンズ部１００１は、被写体の光学像を撮像素子１に結像させる。レンズ駆動装置１００２は、レンズ部１００１を制御して、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などを実行する。メカニカルシャッタ１００３は、撮像素子１の露光、遮光を制御する。シャッタ駆動装置１００４は、メカニカルシャッタ１００３を制御する。
撮像信号処理回路１００５は、撮像素子１が出力する撮像信号（画像信号）に対して、各種の補正処理、データ圧縮処理、広ダイナミックレンジ画像を得るための複数画像の合成処理等を行う。タイミング発生回路１００６は、撮像素子１と撮像信号処理回路１００５に、撮影モードを指示する信号と各種タイミング信号を出力する。メモリ部１００７は、画像データを一時的に記憶する。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１００９は、記録媒体１０１０への画像データの記録と、記録媒体１０１０からの画像データの読み出しを行うためのインターフェースである。記録媒体１０１０は、画像データの記録または読み出しを行うための着脱可能な半導体メモリである。表示部１０１１は、各種情報や撮影画像を表示するデバイスである。
図４に示す撮像装置の撮影時の動作について説明する。メイン電源がオンにされると、コントロール系の電源がオンになる。更に、撮像信号処理回路１００５などの撮像系回路の電源がオンになる。続いて、図示しないレリーズボタンが押されると、撮影動作が開始される。撮影動作が終了すると、撮像装置から出力された撮像信号が、撮影信号処理回路１００５で画像処理され、全体制御演算部１００８の指示によりメモリ部１００７に画像データとして書き込まれる。メモリ部１００７に書き込まれた画像データは、制御回路１００８の制御により、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１００９を介して記録媒体１０１０に記録される。画像データを、図示しない外部Ｉ／Ｆ部を介して外部装置のコンピュータ等に入力して、画像の加工を行ってもよい。
以上説明した撮像装置において、撮像素子１は、クエンチ抵抗２１で発生した熱が伝わりにくい構造であるので、暗電流などの熱ノイズを抑制した高品質な画像を取得することが可能である。なお、第１基板１００と第２基板２００の間では、降伏電圧に近い電圧が使用される。したがって、撮像素子１内に、低電圧で動作する第３の基板部（第３基板）を設けて第２基板２００と電気的に接続し、第３基板に信号処理回路（第３の回路）を設けてもよい。すなわち、撮像信号処理回路１００５の一部の機能を、信号処理回路として撮像素子１に搭載する。そして、信号処理回路が、画像信号に対して予め所定の処理を実行して、撮像信号処理回路１００５に出力する。
（実施例２）
実施例２の撮像素子および当該撮像素子を有する撮像装置の基本的構成は、実施例１の撮像素子および撮像装置と同様である。実施例２の撮像素子は、感度が互いに異なる第１の受光部と第２の受光部とを有する。また、第２基板は、第１の受光部に対応する第１のクエンチ抵抗と、第２の受光部に対応する第２のクエンチ抵抗とを有する。そして、第１のクエンチ抵抗は、第１基板において第２の受光部が設けられた領域に対応する第２基板の領域に設けられている。
実施例２の撮像素子および当該撮像素子を有する撮像装置の基本的構成は、実施例１の撮像素子および撮像装置と同様である。実施例２の撮像素子は、感度が互いに異なる第１の受光部と第２の受光部とを有する。また、第２基板は、第１の受光部に対応する第１のクエンチ抵抗と、第２の受光部に対応する第２のクエンチ抵抗とを有する。そして、第１のクエンチ抵抗は、第１基板において第２の受光部が設けられた領域に対応する第２基板の領域に設けられている。
フォトンが入射し雪崩現象が発生する度に、クエンチ抵抗２１では電力を消費し、電力の消費により発生した熱がＡＰＤ１１に伝わることで、暗電流などの熱ノイズが発生しやすくなる。また、ＡＰＤ１１も、同様に、フォトンが入射し雪崩現象が発生する度に電力を消費し、発熱する。例えば、ベイヤー配列のカラーフィルタを有する撮像素子など、感度の異なるＡＰＤを有する受光部を備える撮像素子では、感度の高いＡＰＤと、当該ＡＰＤに対応するクエンチ抵抗は、発熱しやすい。したがって、感度の高いＡＰＤを有する受光部に対して光軸方向に重なる領域に当該受光部に対応するクエンチ抵抗を配置した場合には、大きな発熱量が発生する。そこで、実施例２の撮像素子では、感度が高く発熱量の高いＡＰＤの下部には、感度および発熱量が相対的に低いクエンチ抵抗が設けられる。具体的には、透過率が高いカラーフィルタに対応するＡＰＤの下部に、当該カラーフィルタより透過率が低いカラーフィルタに対応するＡＰＤに対応するクエンチ抵抗が設けられる。
図５は、実施例２の撮像素子の構成を示す図である。
第１基板１００の裏面層１２０は、裏面照射型の受光部１０を複数有する。受光部１０は、集光を目的としたマイクロレンズ層１２１、透過光の波長と入射角を制御するフィルタ層１２２、ＡＰＤ１１を有する。第２基板２００は、クエンチ抵抗２１が設けられた画素回路部２０を有する。第１基板１００と第２基板２００との間では、配線層１１０と配線層２１０が互いに向き合うように積層されており、接続部３０を介して接合される。
第１基板１００の裏面層１２０は、裏面照射型の受光部１０を複数有する。受光部１０は、集光を目的としたマイクロレンズ層１２１、透過光の波長と入射角を制御するフィルタ層１２２、ＡＰＤ１１を有する。第２基板２００は、クエンチ抵抗２１が設けられた画素回路部２０を有する。第１基板１００と第２基板２００との間では、配線層１１０と配線層２１０が互いに向き合うように積層されており、接続部３０を介して接合される。
以下では、撮像素子が、ベイヤー配列のカラーフィルタを有する場合を例にとって説明する。具体的には、実施例２の撮像素子は、Ｒ（赤色）のカラーフィルタを有する受光部１０と、Ｇ（緑色）のカラーフィルタを有する受光部１０と、Ｂ（青色）のカラーフィルタを有する受光部１０を備えている。Ｒ（赤色）のカラーフィルタを有する受光部１０を受光部１０ｒと表記する。Ｇ（緑色）のカラーフィルタを有する受光部１０を受光部１０ｇと表記する。また、受光部１０ｒに設けられるＡＰＤ１１をＡＰＤ１１ｒと表記する。受光部１０ｇに設けられるＡＰＤ１１をＡＰＤ１１ｇと表記する。
図５に示すように、ＡＰＤ１１ｒに対応するクエンチ抵抗２１ｒは、ＡＰＤ１１ｒの下部に配置されていない。クエンチ抵抗２１ｒは、ＡＰＤ１１ｇの下部、すなわち第１基板１００においてＡＰＤ１１ｇが配置された領域に対応する第２基板２００の領域に配置されている。同様に、ＡＰＤ１１ｇに対応するクエンチ抵抗２１ｇは、ＡＰＤ１１ｒの下部、すなわち第１基板１００においてＡＰＤ１１ｒが配置された領域に対応する第２基板２００の領域に配置されている。
一般的に、Ｇのカラーフィルタは、ＲまたはＢのカラーフィルタと比較して、透過率が高い。すなわち、Ｇのカラーフィルタは、ＲまたはＢのカラーフィルタの透過率（第１の透過率）より高い透過率（第２の透過率）を有する。したがって、ＡＰＤ１１ｇおよびクエンチ抵抗２１ｇは、ＡＰＤ１１ｒおよびクエンチ抵抗２１ｒと比較して、発熱量が多くなりやすい。ＡＰＤ１１ｇの下部にクエンチ抵抗２１ｇを配置した場合、ＡＰＤ１１ｇとクエンチ抵抗２１ｇとの位置が近いので、熱が集中しやすく、暗電流により発生する雪崩現象が更に発熱を引き起こす。
実施例２の撮像素子は、発熱量の多いＡＰＤ１１ｇの下部には発熱量の少ないクエンチ抵抗２１ｒを配置する。これにより、Ｇのカラーフィルタを持つ画素への熱の集中を避けることが可能となり、感度の高い画素の暗電流を抑制することができる。以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
１０ 受光部
２０ 画素回路部
２０ 画素回路部
Claims (9)
- フォトンの入射に応じてアバランシェ増幅による電荷を発生する受光素子を有する受光部が複数設けられた第１の基板部と、
前記受光素子の各々に対応する第１の回路を有する第２の基板部と、
前記受光素子と、前記受光素子に対応する第１の回路とを電気的に接続する接続部と、を有し、
前記第１の回路は、前記受光素子により発生した電荷を排出するクエンチ回路を有し、
前記第１の基板部は、第１の受光部と第２の受光部とを有し、
前記第２の基板部は、前記第１の受光部に対応する第１のクエンチ回路と、前記第２の受光部に対応する第２のクエンチ回路とを有し、
前記第１のクエンチ回路は、前記第１の基板部において前記第２の受光部が設けられた領域に対応する前記第２の基板部の領域に設けられている
ことを特徴とする撮像素子。 - 前記第１の基板部と前記第２の基板部とが積層されている
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。 - 前記第２の基板部は、前記受光素子の電圧信号をパルス信号に変換する第２の回路を有し、
前記第２の回路は、前記受光素子および前記受光素子に対応する前記第１の回路と電気的に接続される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像素子。 - 前記第２の基板部は、さらに、前記パルス信号を読み出す読み出し回路を有する
ことを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。 - 前記第１の受光部および前記第２の受光部は、感度が互いに異なる
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。 - 前記第１の受光部は、第１の透過率のカラーフィルタを有し、
前記第２の受光部は、前記第１の透過率より高い第２の透過率のカラーフィルタを有する
ことを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。 - 前記第２の基板部と電気的に接続され、撮像信号に対する所定の処理を実行する第３の回路が設けられた第３の基板部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子。 - 前記クエンチ回路はクエンチ抵抗を含む
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子。 - 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子を有する撮像装置。
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