JP7341724B2 - 光電変換装置および光電変換システム - Google Patents

Description

本発明は光電変換装置に関する。

特許文献１では、光電変換層及び光電変換層で発生した電荷に応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタを含む光電変換部と、前記増幅トランジスタを駆動する電流源のオン及びオフを制御するスイッチ素子と、を備える画素部が開示されている。特許文献１では、スイッチ素子を備えることにより電流源のオン及びオフを制御できるため、消費電力を低減できる。

特開２０１４－７８８６９号公報

しかしながら、特許文献１では、複数の光電変換部を備える場合におけるスイッチ素子及び電流源の好適な配置に関して検討されていない。具体的には、特許文献１においては、複数の光電変換部を備える場合に、光電変換部と同じ数のスイッチ及び電流源が必要となる。したがって、光電変換部の数が増えるにつれて光電変換装置が大きくなる。

本発明に係る光電変換装置の１つの側面は、複数の光電変換ユニットが行方向及び列方向に配された光電変換装置であって、前記複数の光電変換ユニットのそれぞれは、光電変換素子、前記光電変換素子の電荷に基づく信号電圧を出力する第１の増幅トランジスタ、及び、前記第１の増幅トランジスタに電流を供給する負荷トランジスタを備え、第１の行に配された複数の前記光電変換素子に対応して第１の制御部が配され、第２の行に配された複数の前記光電変換素子に対応して第２の制御部が配され、前記第１の制御部と前記第２の制御部のそれぞれは、ゲートとドレインを含み、前記ゲートと前記ドレインとが接続された接続トランジスタと、前記接続トランジスタに接続され、前記負荷トランジスタの電流を供給する基準電流源と、前記接続トランジスタおよび前記基準電流源と接続され、前記接続トランジスタに流れる電流値を制御する第１のスイッチと、を有し、前記第１の制御部の前記接続トランジスタの前記ゲートが、前記第１の行に配された複数の前記光電変換素子に対応する複数の負荷トランジスタの各ゲートと接続され、前記第２の制御部の前記接続トランジスタの前記ゲートが、前記第２の行に配された複数の前記光電変換素子に対応する複数の負荷トランジスタの各ゲートと接続される。

本発明によれば、光電変換装置の消費電力を低減しながら、小型化を実現できる。

実施形態１に係る光電変換装置のブロック図である。 実施形態１に係る光電変換装置の等価回路図である。 実施形態１に係る読み出し回路の等価回路図である。 実施形態１に係る光電変換装置の断面図である。 実施形態１に係る光電変換装置の回路の平面図である。 実施形態１に係る第１電極と回路群の平面的な位置関係を説明する図である。 実施形態１に係る画素回路の駆動について説明する図である。 実施形態１に係る光電変換装置の駆動について説明する図である。 実施形態１に係る制御回路の構成例である。 実施形態１に係る制御回路の他の構成例である。 実施形態２に係る光電変換装置の概略図である。 実施形態３に係る光電変換システムのブロック図である。 実施形態４に係る移動体の構成図である。

以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略する。

以下の説明において信号電荷（信号キャリア）は電子とする。信号キャリアと同じ第１極性のキャリアを多数キャリアとする第１導電型の半導体領域はＮ型半導体領域であり、第２極性のキャリアを多数キャリアとする第２導電型の半導体領域はＰ型半導体領域である。なお、信号キャリアを正孔としても本発明は成り立つ。この場合は、第１導電型の半導体領域をＰ型半導体領域とし、第２導電型の半導体領域をＮ型半導体領域とする。

以下の説明において、同様の機能を持つ素子や回路について同じ符号を付し、末尾に異なるアルファベットの添字を加えて区別していることがある。両者を区別して説明する必要が無い場合には、ａ，ｂ等の添字を省略して共通部分を説明する。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１に係る光電変換装置１００について図１から図９を用いて説明する。

図１は、光電変換装置１００の概略構成を示すブロック図である。光電変換装置１００は、センシング領域１２１と、回路領域と、を備える。回路領域は、垂直走査回路１２２、読み出し回路１２３、水平走査回路１２４、出力回路１２５、及び制御部１２６を備える。

センシング領域１２１には、複数の光電変換ユニットが、複数行及び複数列に渡って２次元状に配されている。複数の光電変換ユニットのそれぞれは少なくとも１つの光電変換素子と、光電変換素子の電荷に基づく信号電圧を出力する増幅トランジスタ５と、により構成される。本明細書において、光電変換素子と増幅トランジスタ５及び電流源の一部を構成する負荷トランジスタ６を少なくとも含む回路群とにより光電変換ユニットが構成されている。また、本明細書において、センシング領域１２１とは、複数の光電変換素子が繰り返し配置された領域である。

垂直走査回路１２２は、光電変換ユニットから信号を読み出す際に光電変換ユニットに含まれる回路群を駆動するための制御信号を回路群に供給する回路部である。読み出し回路１２３は、光電変換ユニットから読み出された信号に対して、例えば、増幅処理や加算処理等の信号処理を実施する回路部である。読み出し回路１２３は、例えば、差動増幅回路、サンプルホールド回路、ＡＤ変換回路などを更に含んでいてもよい。水平走査回路１２４は、読み出し回路１２３において処理された信号を列毎に順次、出力回路１２５に転送するための制御信号を、読み出し回路１２３に供給する回路である。出力回路１２５は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、読み出し回路１２３から読み出された画素信号を光電変換装置の外部の信号処理部に出力するための回路部である。制御部１２６は、センシング領域１２１に含まれる複数の光電変換ユニットに供給する電流を制御する。

光電変換ユニット１及び制御部１２６について、図２の等価回路図を参照しながら説明する。図２では、制御部１２６と、２行×３列分（ｎ行、ｎ＋１行、およびｍ列、ｍ＋１列、ｍ＋２列）の光電変換ユニット１を示している。図２に示す回路群は、増幅トランジスタ５、負荷トランジスタ６に加えて、リセットトランジスタ３、サンプリングトランジスタ７、増幅トランジスタ９、選択トランジスタ１０を含む。

光電変換ユニット１に含まれる光電変換素子２は、第１のノードであるフローティングディフュージョン（ＦＤ）４を介して、増幅トランジスタ５（第１の増幅トランジスタ）のゲートに接続されている。ＦＤ４には、リセットトランジスタ３を介して、リセット電位ＶＲＥＳが供給されるように構成されている。

増幅トランジスタ５のソースは、増幅トランジスタ５を駆動する負荷トランジスタ６を介して、グラウンド電位に接続されている。また、増幅トランジスタ５のドレインは、基準電位ＶＤＤに接続されている。増幅トランジスタ５のソースは、サンプリングトランジスタ７と、第２のノードであるＭＥＭ８を介して、増幅トランジスタ９のゲートに接続されている。増幅トランジスタ９のドレインは、基準電位ＶＤＤに接続されている。増幅トランジスタ９のソースは、選択トランジスタ１０を介して、出力線１１に接続されている。

ＭＥＭ８には容量Ｃの一端が接続されている。容量Ｃの他端は、基準電位に接続され、その基準電位はグラウンド電位でもよい。リセットトランジスタ３のゲートに制御信号ＰＲＥＳ、負荷トランジスタ６のゲートに制御信号ＰＢＩＡＳ、サンプリングトランジスタ７のゲートに制御信号ＰＳが入力される。また、選択トランジスタ１０のゲートに制御信号ＰＳＥＬが入力される。図１では、垂直走査回路１２２とセンシング領域１２１との間に制御部１２６が配されている。

次に、負荷トランジスタ６を制御する制御部１２６について説明する。制御部１２６は、ゲートとドレインが接続された接続トランジスタ１２と、基準電流源１３と、接続トランジスタ１２に供給する電流値を制御するスイッチ１４（第１スイッチ）と、含む。各行に制御部１２６が配される。つまり、１つの制御部１２６は、行方向に配された複数の光電変換ユニットにより共有される。

制御部１２６に含まれる接続トランジスタ１２のゲートは、１つの行に配された複数の負荷トランジスタ６の各ゲートに接続されている。つまり、行方向に配された複数の負荷トランジスタ６の各ゲートが、対応する行に配された接続トランジスタ１２のゲートを共有している。

例えば、第１の行に配された複数の光電変換素子に対応して第１の制御部が配され、第２の行に配された複数の光電変換素子に対応して第２の制御部が配される。そして、第１の制御部に含まれる接続トランジスタ１２のゲートが、第１の行に配された複数の光電変換素子２に対応する複数の負荷トランジスタの各ゲートと接続される。また、第２の制御部に含まれる接続トランジスタ１２のゲートが、第２の行に配された複数の光電変換素子２に対応する複数の負荷トランジスタの各ゲートと接続される。

接続トランジスタ１２と負荷トランジスタ６はカレントミラー回路を構成する。基準電流源１３から接続トランジスタ１２に電流を供給することにより、接続トランジスタ１２のゲート電圧が決定する。そのゲート電圧が、制御信号ＰＢＩＡＳとして対応する行に配された複数の負荷トランジスタ６の各ゲートに印加される。その結果、接続トランジスタ１２に流れる電流に対応した電流が、対応する行に配された複数の負荷トランジスタ６に流れる。そして、増幅トランジスタ５が駆動され、増幅トランジスタ５から信号電圧が出力される。

本実施形態では、基準電流源１３と接続トランジスタ１２とはスイッチ１４を介して接続されている。そして、基準電流源１３から接続トランジスタ１２に入力される電流の供給及び遮断をスイッチ１４により制御している。列方向に配された複数の制御部１２６の各スイッチ１４を、垂直走査回路（制御回路）により行ごとに順次制御することによって、動作させる行の負荷トランジスタ６に電流が流れる。図２では、ｎ行目が動作させる行である。ｎ行目に対応して配されたスイッチ１４はオンしており、基準電流源１３から接続トランジスタ１２に電流が供給され、ｎ行目に配された複数の負荷トランジスタ６には電流が流れている。ｎ＋１行目に対応して配されたスイッチ１４はオフしており、接続トランジスタ１２への電流が遮断され、ｎ＋１行目の画素回路１における負荷トランジスタ６には電流が流れていない。

実施形態１によれば、スイッチを介することなく全ての負荷トランジスタ６に常に電流を流している場合と比べ、大幅に消費電力を低減できる。また、接続トランジスタ１２を行方向に並ぶ複数の負荷トランジスタで共有することにより、光電変換ユニットに含まれる素子数を減らすことができる。したがって、光電変換素子ごとに電流源及びスイッチが配される特許文献１と比較して、光電変換装置の小型化が可能である。

図２において、制御部１２６は、接続トランジスタ１２及び負荷トランジスタ６をオフにする電圧をゲートに印加するスイッチ１５を備える。スイッチ１４により基準電流源１３から接続トランジスタ１２に流れる電流を遮断するときに、スイッチ１５をオンにすることにより強制的に電流を遮断することができる。したがって、負荷トランジスタ６の電流を遮断する時間を短縮でき、応答速度の向上が可能である。スイッチ１５は一方のノードがグラウンド電位に接続されている。これにより、接続トランジスタ１２及び負荷トランジスタ６のゲート及びソース間の電圧が０Ｖとなる。なお、オフにする電圧は必ずしもグラウンド電位である必要はなく、接続トランジスタ１２及び負荷トランジスタ６がオフする電圧であればよい。スイッチ１５をオンにするタイミングは、スイッチ１４をオフにするタイミングと同時又はスイッチ１４をオフにするタイミングの後であることが好ましい。スイッチ１５を介して電流が流れると接続トランジスタ１２に流れる電流値が安定しにくくノイズ発生の原因となり得るが、上述のタイミングでスイッチ１５をオンすることによりノイズの発生を低減することができる。

垂直走査回路からリセットトランジスタのオン、オフを制御する制御信号ＰＲＥＳ、制御信号ＰＳＨ、選択トランジスタのオン、オフを制御する制御信号ＰＳＥＬが出力される。また、スイッチ１４、及びスイッチ１５も、垂直走査回路からの制御信号によって制御される。

図３に、図１に示した読み出し回路１２３の構成例を示す。図３において、読み出し回路１２３は、出力線１１と、基準電流源１１１と、出力線１１に対応した増幅回路１１２と、信号蓄積部１１３と、水平転送回路１１４を有する。出力線１１には、増幅トランジスタ９の負荷手段としての基準電流源１１１と、増幅回路１１２が接続され、増幅回路１１２の出力ノードには、信号蓄積部１１３が接続されている。

増幅回路１１２は、回路群からのＳ信号、Ｎ信号を増幅させて、信号蓄積部１１３に出力する。信号蓄積部１１３は増幅回路１１２で増幅されたＳ信号、Ｎ信号をそれぞれ格納する。水平走査回路１２４によって信号蓄積部１１３に格納されたＳ信号、Ｎ信号を列毎に順に水平転送回路１１４へ出力し、出力回路１２５から信号処理回路（不図示）へ送信する。信号処理回路ではＳ信号とＮ信号の差分信号を生成する。信号蓄積部１１３と水平転送回路１１４との間にアナログデジタル変換部（不図示）が配されていてもよい。

このように、実施形態１に係る光電変換装置は、負荷トランジスタ６を制御する基準電流源１３は行毎に配置され、増幅トランジスタ９の負荷手段としての基準電流源１１１は列毎に配置された構成となっている。このように２種類の基準電流源を異なる辺に分離して配置されている。言い換えると、平面視において、複数の基準電流源１３が第１の方向（図１における縦方向）に配され、第１の方向に直交する複数の基準電流源１１１が第２の方向（図１における横方向）に配されている。したがって、回路領域を効率よく配置することができ、光電変換装置の小型化が可能である。

図４は実施形態１に係る光電変換装置の光電変換ユニット１の一部を示す断面図である。光電変換素子２は、第１電極８０１と、光電変換層８０２と、第２電極８０３と、が順に配された構成となっている。図２では、光電変換層８０２が第１電極８０１と第２電極８０３とにより挟持されている。実施形態１では、１つの光電変換素子２は１つの電極８０１を含んで構成される領域である。言い換えると、異なる電極８０１が配される領域は、異なる光電変換素子２となる。また、平面視における１つの光電変換素子２の外縁は、例えば、１つの電極８０１の外縁である。図示していないが、第１電極８０１とフローティングディフュージョンＦＤ４とが接続されている。第２電極８０３の光電変換層８０２と反対側の面には、カラーフィルタ４０とマイクロレンズ４１が設けられていてもよい。

第１電極８０１は、光電変換ユニット毎に区分された電極であり、光電変換層８０２の各領域で発生した電荷を分離して捕集する。光電変換層８０２は、入射光の光量に応じた電荷を発生する有機光電変換膜または無機光電変換膜を含む。

第２電極８０３は、光電変換層８０２を覆うように設けられている。第２電極８０３は、光電変換層８０２に電圧を印加し、光電変換層８０２に電界を生じさせるための電極である。第２電極８０３は光電変換層８０２よりも光の入射面側に設けられているため、入射光を透過可能なＩＴＯ等の導電性材料で構成される。

光電変換層８０２と第１電極８０１との間、あるいは光電変換層８０２と第２電極８０３との間に光電変換層８０２に電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けてもよい。

光電変換ユニット１の回路群に含まれるトランジスタは全てＮ型ＭＯＳトランジスタで構成され、光電変換ユニット１に含まれるすべてのトランジスタが１つのＰ型ウェル２０１に配置される。図４では、光電変換ユニット１に含まれる回路群を構成するトランジスタとして、増幅トランジスタ５と負荷トランジスタ６を図示している。また行毎に対応して配置される接続トランジスタ１２はＮ型ＭＯＳトランジスタであり、光電変換ユニット１に含まれる回路群を構成するトランジスタと同一の製造プロセスで形成され、回路群が配されたウェルと同一のＰ型ウェル２０１に配置にされる。つまり、光電変換ユニット１に含まれる回路群と接続トランジスタ１２とがＰ型ウェル２０１を共有している。このような構成によって、接続トランジスタ１２と負荷トランジスタ６からなるカレントミラー回路の電流コピー精度を向上できる。

図４では１つの光電変換ユニットの負荷トランジスタ６及び増幅トランジスタ５を図示しているが、行方向に並ぶ複数の負荷トランジスタ６と増幅トランジスタ５が共通のＰ型ウェル２０１に配されていることが好ましい。これにより、行方向に並ぶ複数の光電変換ユニットにおいてカレントミラー回路において電流を同じ電流とすることができる。

スイッチ１４はＰ型ＭＯＳトランジスタで構成でき、Ｎ型ウェル２０２に配置される。スイッチ１５はＮ型ＭＯＳトランジスタで構成でき、Ｐ型ウェル２０３に配置される。垂直走査回路１２２、スイッチ１４、およびスイッチ１５を構成するトランジスタは必ずしも光電変換ユニット１の回路が配されたウェルと同じウェルに配置する必要はない。

接続トランジスタ１２のソース・ドレインの不純物濃度は、スイッチ１４を構成するトランジスタのソース・ドレインの不純物濃度よりも低いことが好ましい。光電変換ユニット１に含まれるトランジスタおよび接続トランジスタ１２のソース・ドレインの不純物濃度は、垂直走査回路１２２、第１のスイッチ１４、および第２のスイッチ１５を構成するトランジスタのソース・ドレインの不純物濃度よりも低いことがより好ましい。その理由は、不純物をドープする際に生じる欠陥を低減し、例えばフローティングディフュージョンＦＤ４における暗電流の発生を抑制することができるからである。垂直走査回路１２２、スイッチ１４、およびスイッチ１５を構成するトランジスタでは、動作速度を上げるため不純物濃度を高くすることにより抵抗を下げて駆動能力を上げることが好ましい。

次に、図５を参照しながら、光電変換素子２に含まれる第１電極８０１と、第１電極８０１に接続され、光電変換ユニット１に含まれる回路群との平面的な位置関係について説明する。第１電極８０１は回路群の真上に配置されてもよいが、必ずしもその必要はない。図５（Ａ）は光電変換ユニット１が２行２列で配された例である。各位置に配されている光電変換ユニット１は、Ｐ（ｘ，ｙ）で示されている。ｘは行の番号、ｙは列の番号を示している。

光電変換ユニットＰ（１，１）に対応して第１電極８０１ａが配置され、光電変換ユニットＰ（１，２）に対応して第１電極８０１ｂが配される。光電変換ユニットＰ（２，１）に対応して第１電極８０１ｃが配され、光電変換ユニットＰ（２，２）に対応して第１電極８０１ｄが配される。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に対応して配置された光電変換ユニット１に含まれる回路群を示している。図５（Ｂ）において回路群は、２行２列で配されている。各位置に配されている回路群は、Ｃ（ｘ，ｙ）で示されている。ｘは行の番号、ｙは列の番号を示している。

図５（Ａ）の第１電極８０１の数と図５（Ｂ）に示された回路群の数はそれぞれ４個であり、各第１電極８０１と各回路群とが接続されている。例えば、第１電極８０１ａは回路群Ｃ（１，１）と接続される。また、第１電極８０１ｃは回路群Ｃ（２，１）と、第１電極８０１ｂは回路群Ｃ（１，２）と、第１電極８０１ｄは回路群Ｃ（２，２）と、接続される。

次に、図６を参照しながら、カレントミラー回路を構成する負荷トランジスタ６と接続トランジスタ１２のサイズについて説明する。負荷トランジスタ６は、ゲート６Ｇ、ソース６Ｓ、ドレイン６Ｄにより構成される。接続トランジスタ１２は、ゲート１２Ｇ、ソース１２Ｓ、ドレイン１２Ｄにより構成される。スイッチ１４をオンしたとき、基準電流源１３からの電流が接続トランジスタ１２に流れ、かつ基準電流源１３からの電流によって負荷トランジスタ６のゲート６Ｇ充電するように動作する。そのため基準電流源１３からの電流をなるべく大きくすることで充電時間を短縮でき、動作の応答速度を向上することが可能である。また、負荷トランジスタ６に流す電流を小さくした方が消費電流を低減することができる。よって、負荷トランジスタ６のゲート幅をＷ１、ゲート長をＬ１、接続トランジスタ１２のゲート幅をＷ２、ゲート長をＬ２とすると、トランジスタのＷ／Ｌ比の関係としては、Ｗ２／Ｌ２＞Ｗ１／Ｌ１とすることが好ましい。Ｗ１／Ｌ１に対してＷ２／Ｌ２は消費電力やレイアウト面積を考慮すると、１０倍～１００倍が好ましい。

図７を用いて、図２の光電変換ユニット１に含まれる回路群の駆動について説明する。時刻ｔ０は、電荷の蓄積が開始される任意の時刻である。

時刻ｔ１において、ＰＳＥＬをＬｏｗレベル（Ｌレベル）からＨｉｇｈ（Ｈレベル）に変化させ、選択トランジスタ１０をオンにする。これにより、ＭＥＭ８に対応した電位であるノイズレベルの電位（Ｎ信号）が、増幅トランジスタ９と選択トランジスタ１０を介して、出力線１１に出力される。

次に、時刻ｔ２において、スイッチ１４がオンし、接続トランジスタ１２に電流が供給される。このときに流れる電流値に応じた接続トランジスタ１２のゲート電圧がＰＢＩＡＳとして負荷トランジスタ６のゲートに印加されることにより、負荷トランジスタ６に電流が流れ、増幅トランジスタ５が駆動状態となる。

次に、時刻ｔ３において、ＰＳＨをＬレベルからＨレベルに変化させ、サンプリングトランジスタ７をオンにし、時刻ｔ４において、ＰＳＨをＨレベルからＬレベルに変化させ、サンプリングトランジスタ７をオフにする。これらの駆動により、ＦＤ４で蓄積された電荷に対応した信号レベルの電位が増幅トランジスタ５より出力されてＭＥＭ８に転送され、ＭＥＭ８に対応した電位である信号レベルの電位（Ｓ信号）が、出力線１１に出力される。

次に、時刻ｔ５において、スイッチ１４がオフし、接続トランジスタ１２への電流が遮断される。この結果、負荷トランジスタ６の電流が遮断され、増幅トランジスタ５が非駆動状態となる。

次に、時刻ｔ６において、ＰＲＥＳをＬレベルからＨレベルに変化させ、リセットトランジスタ３をオンにする。これにより、ＦＤ４に、リセット電位ＶＲＥＳが書き込まれる。

その後、時刻ｔ７において、ＰＲＥＳをＨレベルからＬレベルに変化させ、リセットトランジスタ３をオフする。

次に、時刻ｔ８において、スイッチ１４をオンし、接続トランジスタ１２に電流が供給され、負荷トランジスタ６に電流が流れ、増幅トランジスタ５が駆動状態となる。

次に、時刻ｔ９において、ＰＳＨをＬレベルからＨレベルに変化させ、サンプリングトランジスタ７をオンにする。時刻ｔ１０において、ＰＳＨをＨレベルからＬレベルに変化させ、サンプリングトランジスタ７をオフにする。これにより、ＦＤ４に対応した電位であるノイズレベルの電位が、ＭＥＭ８に転送される。このノイズレベルの電位は保持容量Ｃに保持される。

次に、時刻ｔ１１において、スイッチ１４がオフし、接続トランジスタ１２への電流が遮断される。この結果、負荷トランジスタ６の電流が遮断され、増幅トランジスタ５が非駆動状態となる。

次に、時刻ｔ１２において、ＰＳＥＬをＨレベルからＬレベルに変化させ、選択トランジスタ１０をオフにする。これにより、電荷蓄積が再開される。電荷蓄積の間は、容量Ｃにノイズレベルの電位が保持されている。

このように、実施形態１における回路群の駆動では、ＦＤ４で蓄積された電荷に対応した信号レベルの電位をＭＥＭ８に転送する際には、スイッチ１４がオンして負荷トランジスタ６に電流を流し、増幅トランジスタ５を駆動状態とする。その駆動状態はサンプリングトランジスタ７をオフするまで継続する。すなわち、サンプリングトランジスタ７をオフした後にスイッチ１４をオフして増幅トランジスタ５を非駆動状態としており、この動作によってＭＥＭ８への電位の転送不良を抑制している。

なお、図６では時刻ｔ５からｔ８までスイッチ１４がオフとなっているが、オンのままでもよい。また、時刻ｔ１からｔ１２までオンのままでもよい。

図８は、行順次制御について３行分の動作を図示したものである。簡略化のため図７で説明したＰＳＥＬについてのみ記載している。１行目に対応するＰＳＥＬをＰＳＥＬ１、２行目に対応するＰＳＥＬをＰＳＥＬ２、３行目に対応するＰＳＥＬをＰＳＥＬ３、としている。図７に示した回路群の駆動波形は期間Ａに対応している。つまり、期間Ａに図７の時刻ｔ０から時刻ｔ１２が含まれる。図８に示すように、ＰＳＥＬ１、ＰＳＥＬ２、ＰＳＥＬ３が順次Ｈレベルとなって行が選択され、選択した行からＳ信号、Ｎ信号が読み出される。

期間Ａの後の期間Ｂでは、読み出し回路１２３における信号蓄積部１１３に格納されたＳ信号、Ｎ信号を列毎に順に水平転送回路１１４へ出力し、出力回路１２５から信号処理回路へ出力している。

図９は負荷トランジスタ６を制御する制御部を構成する具体的な例を示している。簡略化のため２行分の回路を図示している。基準電流源として抵抗１６を用いている。スイッチ１４としてＰ型ＭＯＳトランジスタ１７、スイッチ１５としてＮ型ＭＯＳトランジスタ１８を用いており、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１７とＮ型ＭＯＳトランジスタ１８のゲートに共通に制御信号を入力して制御が可能である。制御信号は垂直走査回路１２２から出力される。制御信号がＬレベルの場合、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１７がオンして接続トランジスタ１２に電流が供給される。制御信号がＨレベルの場合、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１７がオフして接続トランジスタ１２への電流を遮断し、かつＮ型ＭＯＳトランジスタ１８がオンして負荷トランジスタ６がオフにするようにゲートに電圧が印加される。

（変形例）
上記で説明した各構成は以下のように変形してもよい。

上述の説明では、光電変換素子２として光電変換層を用いているが、光電変換素子としてフォトダイオードを用いてもよい。

スイッチ１５は必須の構成ではなく、制御部１２６がスイッチ１５を含まない場合でも消費電力低減の効果を得ることができる。

スイッチ１４は、接続トランジスタに流れる電流値を制御するものでもよい。すなわち、電流の供給及び遮断を制御するのみならず、電流値の大小を制御するのみであってもよい。電流の供給及び遮断を制御する場合に比べると消費電力増加を低減する効果は低くなるものの、この場合でも消費電力を低減することはできる。

また、回路群が、ＭＥＭ，ＰＳＨを含まない場合であっても消費電力低減の効果を得ることができる。

センシング領域と、回路領域の少なくとも一部の構成とが異なる基板に配置されており、各基板が積層されている。ミラー性の観点から、少なくとも回路群の接続トランジスタ１２はセンシング領域が配された基板に配されることが好ましい。回路領域を異なる基板に形成することにより、平面視における光電変換装置の面積を小さくすることができる。

制御部の構成は、図１０に示すような構成であってもよい。簡略化のため２行分の回路を図示している。基準電流源としてＰ型ＭＯＳトランジスタ１９を用いている。各行に対応して配置されたＰ型ＭＯＳトランジスタ１９のゲートは、共通に接続され、かつゲートとドレインが接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタによる接続トランジスタ２０のゲートと接続している。すなわち、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１９と接続トランジスタ２０はカレントミラー回路を構成する。接続トランジスタ２０のドレインとグラウンド電位との間には抵抗２１が接続され、抵抗２１の抵抗値によって流れる電流が設定される。このようにカレントミラー回路を構成することによって、基準電流源における行毎の電流バラつきを抑制できる。なお、図９と同様に、スイッチとしてＰ型ＭＯＳトランジスタ１７、スイッチとしてＮ型ＭＯＳトランジスタ１８を用いてもよく、垂直走査回路１２２から出力される制御信号をＰ型ＭＯＳトランジスタ１７とＮ型ＭＯＳトランジスタ１８に共通に入力して制御が可能である。

＜実施形態２＞
図１１に実施形態２に係る光電変換装置の第１電極８０１と回路群の平面図を示す。実施形態２は、第１電極８０１の面積が異なる光電変換ユニットを備える点で実施形態１と異なる。

図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、光電変換ユニットＰ（１，１）に対応して第１電極８０１ａが配置される。光電変換ユニットＰ（１，２）も光電変換ユニットＰ（１，１）と同様の第１電極が配される。光電変換ユニットＰ（２，１）に対応して第１電極８０１ｂ、第１電極８０１ｃ、及び第１電極８０１ｄが配される。第１電極８０１ｃは、第１電極８０１ｂと第１電極８０１ｄの間に設けられている。光電変換ユニットＰ（２，２）も光電変換ユニット（２，１）と同様の第１電極が配されている。光電変換ユニットＰ（２，１）及び光電変換ユニットＰ（２，２）においては１つの光電変換素子が３つの第１電極を含む。このように、第１電極の平面視における大きさは、光電変換ユニットごとに異なっていてもよい。例えば、光電変換装置が撮像装置である場合は、ある画素を撮像画像用の画素として用い、別の画素を測距及び撮像画像用の画素として用いる場合がある。本実施形態によれば、光電変換ユニットＰ（１，１）及び光電変換ユニットＰ（１，２）を撮像用の画素として用い、第１電極８０１ｂ、８０１ｃ、８０１ｄを含む画素を測距及び撮像を行う光電変換装置として用いることができる。したがって、１つの撮像装置において、画質の低下を低減しながら測距を行うことができる。

図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に対応して配置された光電変換ユニット１に含まれる回路群を示している。図１１（Ｂ）において回路群は、２行４列で配されている。各位置に配されている回路群は、Ｃ（ｘ，ｙ）で示されている。ｘは行の番号、ｙは列の番号を示している。

図１１（Ａ）の第１電極の数と図１１（Ｂ）に示された回路群の数はそれぞれ８個であり、各第１電極と各回路群とが接続されている。例えば、第１電極８０１ａは回路群Ｃ（１，１）と接続される。また、第１電極８０１ｂは回路群Ｃ（２，１）と、第１電極８０１ｃは回路群Ｃ（２，２）と、第１電極８０１ｄは回路群Ｃ（１，２）と、接続される。このように画素回路Ｃ（ｘ，ｙ）の行と列は画素Ｐ（ｘ，ｙ）の行と列と必ずしも一致する必要はない。

＜実施形態３＞
本実施形態による光電変換システムについて、図１２を用いて説明する。上述した各実施形態の光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。図１２は、本実施形態による光電変換システムの概略構成を示すブロック図である。

上記の各実施形態で述べた光電変換装置は、図１２の光電変換装置１００１として種々の光電変換システムに適用可能である。適用可能な光電変換システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と光電変換装置とを備えるカメラモジュールも、光電変換システムに含まれる。図１２には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

図１２に例示した光電変換システム２００は、光電変換装置１００、被写体の光学像を光電変換装置１００に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズ２０２の保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、光電変換装置１００に光を集光する光学系である。光電変換装置１００は、上述した各実施形態で説明した光電変換装置であって、レンズ２０２により結像された光学像を画像データに変換する。

光電変換システム２００は、光電変換装置１００より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、光電変換装置１００が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換を行う。また、信号処理部２０８は、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。例えば、信号処理部２０８は、デジタル画像データに対して、ホワイトバランス演算処理を行う。光電変換装置１００から出力される画像データに対応する各色信号の信号値に所定のホワイトバランス係数を乗算することにより、画像データのホワイトバランス調整が可能となる。信号処理部２０８の一部であるＡＤ変換部は、光電変換装置１００が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、光電変換装置１００とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、光電変換装置１００と信号処理部２０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

光電変換システム２００は、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。さらに光電変換システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、光電変換システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

さらに光電変換システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、光電変換装置１００と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、光電変換システム２００は少なくとも光電変換装置１００と、光電変換装置１００から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。

＜実施形態４＞
図１３（Ａ）は、車載カメラに関する光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム１０００は、上述した各実施形態の光電変換装置を光電変換装置１０１０として備える光電変換システムである。光電変換システム１０００は、光電変換装置１０１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部１０３０と、光電変換システム１０００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の取得を行う視差取得部１０４０を有する。この視差の取得は、上記した光電変換装置の分割した電極から読み出された信号を用いて行われる。

光電変換システム１０００は、取得された視差情報に基づいて対象物までの距離情報を取得する距離取得部１０５０と、取得された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部１０６０と、を有する。ここで、視差取得部１０４０や距離取得部１０５０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部１０６０はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、距離情報取得手段は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などによって実現されてもよい。また、距離情報取得手段は、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣの組合せによって実現されてもよい。

光電変換システム１０００は車両情報取得装置１３１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光電変換システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ１４１０と接続されている。また、光電変換システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置１４２０とも接続されている。例えば、衝突判定部１０６０の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ１４１０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１４２０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では車両の周囲、例えば前方または後方を光電変換システム１０００で撮像する。

図１３（Ｂ）に、車両前方を撮像する場合の撮像システムを示した。また、上記では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

＜変形実施形態＞
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。また、実施形態１で説明した変形例を実施形態２に適用することが可能である。

１ 光電変換ユニット
２ 光電変換素子
３ リセットトランジスタ
４ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
５ 増幅トランジスタ
６ 負荷トランジスタ
１２ 接続トランジスタ
１３ 基準電流源
１４ スイッチ
１００ 光電変換装置

Claims (19)

1. 複数の光電変換ユニットが行方向及び列方向に配された光電変換装置であって、
   前記複数の光電変換ユニットのそれぞれは、光電変換素子、前記光電変換素子の電荷に基づく信号電圧を出力する第１の増幅トランジスタ、及び、前記第１の増幅トランジスタに電流を供給する負荷トランジスタを備え、
   第１の行に配された複数の前記光電変換素子に対応して第１の制御部が配され、
   第２の行に配された複数の前記光電変換素子に対応して第２の制御部が配され、
   前記第１の制御部と前記第２の制御部のそれぞれは、
   ゲートとドレインを含み、前記ゲートと前記ドレインとが接続された接続トランジスタと、
   前記接続トランジスタに接続され、前記負荷トランジスタの電流を供給する基準電流源と、
   前記接続トランジスタおよび前記基準電流源と接続され、前記接続トランジスタに流れる電流値を制御する第１のスイッチと、を有し、
   前記第１の制御部の前記接続トランジスタの前記ゲートが、前記第１の行に配された複数の前記光電変換素子に対応する複数の負荷トランジスタの各ゲートと接続され、
   前記第２の制御部の前記接続トランジスタの前記ゲートが、前記第２の行に配された複数の前記光電変換素子に対応する複数の負荷トランジスタの各ゲートと接続されることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記第１のスイッチは、前記基準電流源と前記接続トランジスタの前記ドレインとに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第１のスイッチは、前記接続トランジスタに流れる電流の供給及び遮断を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
4. 前記接続トランジスタと前記負荷トランジスタとによりカレントミラー回路が構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記複数の制御部に含まれる前記第１のスイッチが行ごとに順次オンされるように制御する制御回路を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記制御回路は、前記第１の制御部に含まれる前記接続トランジスタの電流値と、前記第２の制御部に含まれる前記接続トランジスタの電流値と、が同一の期間において異なる値となるように制御していることを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
7. 前記複数の光電変換ユニットはセンシング領域に配され、
   前記第１の制御部及び前記第２の制御部は、平面視において、前記センシング領域とは重ならない領域に配されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記負荷トランジスタのソース及びドレインは信号電荷と同じ第１の極性のキャリアを多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域からなり、前記接続トランジスタのソース及びドレインは前記第１導電型の第２半導体領域からなり、前記負荷トランジスタのソース及びドレイン、並びに、前記接続トランジスタのソース及びドレインは、第２の極性のキャリアを多数キャリアとする第２導電型の第３半導体領域からなる共通のウェルに配されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記行方向に配された複数の光電変換素子の各負荷トランジスタの前記第１半導体領域が、前記ウェルに配されることを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
10. 前記第１のスイッチは、前記第１導電型の第４半導体領域からなるソース及びドレインを含むトランジスタで構成され、
    前記第４半導体領域の不純物濃度は、前記第１半導体領域の不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
11. 前記第１の制御部及び前記第２の制御部は、前記接続トランジスタの前記ゲートに、前記接続トランジスタをオフにする電圧を印加する第２のスイッチを備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
12. 前記接続トランジスタのゲート幅／ゲート長の比は前記負荷トランジスタのゲート幅／ゲート長の比より大きいことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
13. 前記複数の光電変換ユニットのそれぞれは、
    前記光電変換素子からの電荷を蓄積する蓄積部と、
    前記第１の増幅トランジスタから出力された信号電圧を保持する容量と、
    前記容量に保持された前記信号電圧を出力する第２の増幅トランジスタと、を備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
14. 列方向に配された複数の前記光電変換素子に対応して配された複数の前記第２の増幅トランジスタのそれぞれは第２の基準電流源を共有することを特徴とする請求項１３に記載の光電変換装置。
15. 前記行方向に複数の前記基準電流源が配されており、
    前記列方向に複数の前記第２の基準電流源が配されていることを特徴とする請求項１４に記載の光電変換装置。
16. 前記第１の増幅トランジスタの出力と前記容量を接続する第３のスイッチを備え、前記第３のスイッチをオフした後に前記第１のスイッチをオフすることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
17. 前記光電変換素子は、第１電極、光電変換膜、第２電極を順に備えることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部と、を備えることを特徴とする光電変換システム。
19. 移動体であって、
    請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、を有することを特徴とする移動体。

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