JPWO2019009213A1 - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
CMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
また、特許文献1には、フローティングディフュージョンFDの容量を可変とした広ダイナミックレンジ化技術が開示されている。
図2(A)〜(E)は、図1の画素の読み出しタイミングを示す図である。
スモールフォトダイオードSPDに対応してスモール用転送トランジスタTGS、スモール用フローティングディフュージョン(浮遊拡散層)FDSが設けられ、ラージフォトダイオードLPDに対応してラージ用転送トランジスタTGL、ラージ用フローティングディフュージョンFDLが設けられている。
スモール用フローティングディフュージョンFDSとラージ用フローティングディフュージョンFDLとの間は、接続切り替えトランジスタTDFDにより接続されている。
スモール用フローティングディフュージョンFDSとリセット電位vrfdとの間にリセットトランジスタTRSTが接続されている。
そして、ソースフォロワトランジスタTSFと選択トランジスタTSELが、電源線VDDと垂直信号線vpixとの間に直列に接続されており、ソースフォロワトランジスタTSFのゲートにはラージ用ローティングディフュージョンFDLが接続されている。
図1の画素において、ラージフォトダイオードLPDは、低変換利得(LCG)および高変換利得(HCG)の両方の読み出しに用いることができ、スモールフォトダイオードSPDは低変換利得(LCG)の読み出しのみ可能である。
一方、大きなフォトダイオードLPD用の小さなフローティングディフュージョンFDの容量は読み出しノイズを小さくすることができるが、他のフォトダイオードPD読み出しのSNRギャップは悪化する。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部70が構成される。
固体撮像装置10においては、一つの電荷の蓄積期間(露光期間)後の一つの読み出し期間内の所定期間に容量可変部によりフローティングディフュージョンの容量が設定(変更)されて、この読み出し期間内に変換利得が切り替えられる。
そして、読み出し部70は、一つの読み出し期間に、容量可変部により設定される第1容量に応じた第1変換利得(たとえば高利得:HCG)で画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、容量可変部により設定される第2容量に応じた第2の変換利得(たとえば低利得:LCG)で画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能に構成されている。
なお、本実施形態の固体撮像装置10は、一度の蓄積期間(露光期間)に光電変換された電荷(電子)に対して、一つの読み出し期間に、画素内部にて、第1の変換利得(たとえば高変換利得)モードと第2変換利得(低変換利得)モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力するダイナミックレンジが広い固体撮像素子として提供されることも可能である。
画素部20は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含む複数の画素がN行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
本第1の実施形態においては、各画素PXLは、第1の飽和容量および第1の感度を有する第1の光電変換部としての第1のフォトダイオードPDSL、第1の飽和容量と異なる第2の飽和容量および第1の感度と異なる第2の感度を有する第2の光電変換部としての第2のフォトダイオードPDLSを含む。
本第1の実施形態においては、第1の飽和容量は第2の飽和容量より小さく、第1の感度は第2の感度より大きい。たとえば第1の飽和容量は5ke程度で、第2の飽和容量は20ke程度である。また、たとえば第1の感度は5ke/lux程度で、第2の感度は25ke/lux程度である。
そして、画素PXLは、リセット素子としてのリセットトランジスタRST−Tr、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF−Tr、および選択素子としての選択トランジスタSEL−Trをそれぞれ一つずつ有する。
本第1の実施形態において、容量可変部80は、リセットトランジスタRST−TrとフローティングディフュージョンFDとの間に接続されている。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオード間で、各トランジスタを共有している場合や、選択トランジスタを有していない画素を採用している場合にも有効である。
フォトダイオード(PD)を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード(PPD)では、フォトダイオード(PD)の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
第1のフォトダイオードPDSLは、第1基板面側と、第1基板面側と対向する側の第2基板面側とを有する半導体基板に対して埋め込むように形成された第1導電型(本実施形態ではn型)半導体層(本実施形態ではn層)を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。
第1のフォトダイオードPDSLの基板の法線に直交する方向における側部には第2の導電型(本実施形態ではp型)分離層が形成されている。
第2のフォトダイオードPDLSは、第2導電型分離層を挟んで、第1のフォトダイオードPDSLと並列となるように、基板に対して埋め込むように形成されたn層(第1導電型半導体層)を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。
そして、本実施形態においては、第1のフォトダイオードPDSLの受光領域の開口部は第2のフォトダイオードPDSLの受光領域の開口部より大きく、第1のフォトダイオードPDSLのn層の不純物濃度は、第2のフォトダイオードPDLSのn層の不純物濃度より薄く形成されている。
ここで、埋め込み型の第1のフォトダイオードPDSLおよび第2のフォトダイオードPDLSの具体的な構成例について図5に関連付けて説明する。
図5は、本発明の第1の実施形態に係る埋め込み型の第1のフォトダイオードおよび第2のフォトダイオードの電荷転送ゲート部を除く主要部の構成例を示す簡略断面図である。
なお、ここでは、埋め込み型フォトダイオード(PPD)部分を符号200で表す。
埋め込み型フォトダイオード部分200は、基板210に対して埋め込むように形成された第1導電型(本実施形態ではn型)半導体層(本実施形態ではn層)221nを含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する第1のフォトダイオード220(PDSL)を有する。
埋め込み型フォトダイオード部分200は、第2導電型(p型)分離層230を挟んで、第1のフォトダイオード220(PDSL)と並列となるように、基板210に対して埋め込むように形成されたn層(第1導電型半導体層)241nを含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する第2のフォトダイオード240(PDLS)を有する。
図5の例では、第1のフォトダイオード220(PDSL)は基板210の法線に直交する方向(たとえばX方向)における側部(n層の境界部)に形成された第2の導電型(p型)分離層231とp型分離層232の間に形成されている。
第2のフォトダイオード240(PDLS)は基板210の法線に直交する方向における側部(n層の境界部)に形成されたp型分離層232とp型分離層233の間に形成されている。
本例では、第1基板面211側にn−−−層2211が形成され、このn−−−層2211の第2基板面212側にn−−――層2212が形成され、このn−−――層2212の第2基板面212側にn−−層2213が形成されている。
本例では、第1基板面211側にn−−層2411が形成され、このn−−層2411の第2基板面212側にn層2412が形成されている。
本例では、第1基板面211側にp層2311が形成され、このp層2311の第2基板面212側にp−層2312が形成されている。
本例では、第1基板面211側にp層2321が形成され、このp層2321の第2基板面212側にp−層2322が形成されている。
そして、本第1の実施形態のp型分離層232のp−層2322において、第2のフォトダイオード240のn層2412と接する側であって基板の法線に直交する方向(図中の直交座標系のX方向)の側部に、n層(第1導電型半導体層)2412と接合容量成分を持つp+層(第2導電型半導体層)2323が形成されている。
本例では、第1基板面211側にp層2331が形成され、このp層2331の第2基板面212側にp−層2332が形成されている。
そして、本第1の実施形態のp型分離層233のp−層2332において、第2のフォトダイオード240のn層2412と接する側であって基板の法線に直交する方向(図中の直交座標系のX方向)の側部に、n層(第1導電型半導体層)2412と接合容量成分を持つp+層(第2導電型半導体層)2333が形成されている。
サイズが比較的大きく、縦横アスペクト比が比較的大きい、たとえば3μm□程度の画素の場合は、蓄積電荷は主としてフォトダイオード(PD)部(光電変換部)の表面に近い場所での、垂直方向(基板の法線方向:基板の深さ方向)のpn接合容量(ジャンクション容量)に限られており、効率よく蓄積容量を増やすことは困難である。
そこで、本第1の実施形態の固体撮像装置10は、埋め込み型の第2のフォトダイオード240(PDLS)の光電変換部において、蓄積容量を増大させるために、基板の法線に直交する方向(水平方向)のpn接合部(ジャンクション部)が画素内に存在するように、n層(第1導電型半導体層)2412と接合容量成分を持つp+層(第2導電型半導体層)2323、2333が形成されている。
この構造により、p+層に沿うn層の面積を大きくできるため、小さいPD面積にかかわらず大きな蓄積容量を確保することが可能となる。
ここで、図4の画素の説明に戻る。
第1の転送トランジスタTGSL−Trは、制御信号TGSLがハイ(H)レベルの転送期間に選択されて導通状態となり、第1のフォトダイオードPDSLで光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFDに転送する。
第2の転送トランジスタTGLS−Trは、制御信号TGLSがハイ(H)レベルの転送期間に選択されて導通状態となり、第2のフォトダイオードPDLSで光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFDに転送する。
リセットトランジスタRST−Trは、制御信号RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFDを電源線VDDの電位にリセットする。
ソースフォロワトランジスタSF−TrのゲートにはフローティングディフュージョンFDが接続され、選択トランジスタSEL−Trは制御線LSELを通じてゲートに印加される制御信号SELにより制御される。
選択トランジスタSEL−Trは、制御信号SELがHレベルの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF−TrはフローティングディフュージョンFDの電荷を電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換した列出力の読み出し信号VSLを垂直信号線LSGNに出力する。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタTGSL−TrまたはTGLS−Tr、リセットトランジスタRST−Tr、および選択トランジスタSEL−Trの各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時並列的に行われる。
図1においては、各制御線LSEL、LRST、LTGSL、TGLS,LBINを1本の行走査制御線として表している。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
そして、シャッタースキャン期間PSHTには、制御信号RSTがHレベルの期間に所定期間制御信号TGSLまたはTGLSがHレベルに設定されて、リセットトランジスタRST−Trおよび転送トランジスタTGSL−TrまたはTGLS−Trを通じてフォトダイオードPDおよびフローティングディフュージョンFDがリセットされる。
読み出し期間PRD1後に、所定期間、制御信号TGSLまたはTGLSがHレベルに設定されて転送トランジスタTGSL−TrまたはTGLS−Trを通じてフローティングディフュージョンFDにフォトダイオーPDSLまたはPDLSの蓄積電荷が転送され、この転送期間PT後の読み出し期間PRD2に蓄積された電子(電荷)に応じた信号が読み出される。
あるいは、読み出し回路40は、たとえば図7(B)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLを増幅するアンプ(AMP)42が配置されてもよい。
また、読み出し回路40は、たとえば図7(C)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをサンプル、ホールドするサンプルホールド(S/H)回路43が配置されてもよい。
グローバルシャッターを採用したCMOSイメージセンサでは、たとえばフォトダイオードから電荷を電圧信号として一斉に信号保持部の信号保持キャパシタに蓄積し、そののち順次読みだすことにより、画像全体の同時性を確保している。
このCMOSイメージセンサは、たとえば積層型CMOSイメージセンサとして構成される。
第1の基板に形成された画素毎に第2の基板に形成された信号保持部が接続され、信号保持部に上記したADCやS/H回路を含む読み出し回路40が接続される。
そして、読み出し部70は、一つの読み出し期間に、容量可変部により設定される第1容量に応じた第1変換利得(たとえば高利得:HCG)で画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、容量可変部により設定される第2容量に応じた第2変換利得(たとえば低利得:LCG)で画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能に構成されている。
次に、本第1の実施形態に係る容量可変部80の構成、それに関連した読み出し処理等について詳述する。
スイッチングトランジスタSW81―Trは、接続ノードND81とフローティングディフュージョンFDとの間に接続されている。
図8(A)は選択トランジスタSEL−Trの制御信号SELを示し、図8(B)は第1の転送トランジスタTGSL−Trの制御信号TGSLを示し、図8(C)は第2の転送トランジスタTGLS−Trの制御信号TGLSを示し、図8(D)はリセットトランジスタRST−Trの制御信号RSTを示し、図8(E)はスイッチングトランジスタSW81−Trの制御信号BINを示している。
第1変換利得モード時には、以下の読み出し動作が行われる。
読み出しスキャン期間PRDOにおいては、図8(A)に示すように、画素アレイの中のある一行を選択するために、その選択された行の各画素PXLに接続された制御線への制御信号SELがHレベルに設定されて画素PXLの選択トランジスタSEL−Trが導通状態となる。
この選択状態において、リセット期間PRにリセットトランジスタRST−Trが、制御信号RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、容量可変部80のスイッチングトランジスタSW81−Trが、容量変更信号BINがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFDが電源線VDDの電位にリセットされる。
フローティングディフュージョンFDをリセット後、図8(E),(D)に示すように、容量変更信号BINがLレベルに切り替えられて容量変更部80のスイッチングトランジスタSW81−Trが非導通状態となる。そして、制御信号RSTがLレベルに切り替えられてリセットトランジスタRST−Trが非導通状態となり、リセット期間PRが終了する。
このリセット期間PRが経過した後、リセットトランジスタRST−Trが非導通状態となり、転送期間PTが開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第1読み出し期間PRD11となる。
この場合、容量変更部80のスイッチングトランジスタSW81−Trが非導通状態に保持されることから、フローティングディフュージョンFDにキャパシタC81は非接続状態に保持され、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が第1容量に保持される。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG11)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
図8(B)に示すように、転送期間PT11に転送トランジスタTGSL−Trが、制御信号TGSLがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、時刻2を含む期間に、第1のフォトダイオードPDSLで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この転送期間PT11が経過した後(転送トランジスタTGSL−Trが非導通状態)、第1のフォトダイオードPDSLが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第2読み出し期間PRD12となる。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(HCG12)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
第2変換利得モード時には、以下の読み出し動作が行われる。
読み出しスキャン期間PRDOにおいては、図8(A)に示すように、画素アレイの中のある一行を選択するために、その選択された行の各画素PXLに接続された制御線への制御信号SELがHレベルに設定されて画素PXLの選択トランジスタSEL−Trが導通状態となる。
この選択状態において、容量可変部80のスイッチングトランジスタSW81−Trが、容量変更信号BINがHレベルの期間に選択されて導通状態となる。
この場合、容量変更部80のスイッチングトランジスタSW81−Trが導通状態に保持されることから、フローティングディフュージョンFDにキャパシタC81は接続状態に保持され、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が第2容量に設定(変更)される。
そして、リセット期間PRにリセットトランジスタRST−Trが、制御信号RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、容量可変部80のスイッチングトランジスタSW81−Trが、容量変更信号BINがHレベルの期間に選択されて導通状態となっており、フローティングディフュージョンFDが電源線VDDの電位にリセットされる。
フローティングディフュージョンFDをリセット後、図8(D),(E)に示すように、容量変更信号BINがHレベルに保持されて容量変更部80のスイッチングトランジスタSW81−Trが導通状態に保持される。そして、制御信号RSTがLレベルに切り替えられてリセットトランジスタRST−Trが非導通状態となり、リセット期間PRが終了する。
このリセット期間PRが経過した後,リセットトランジスタRST−Trが非導通状態となり、転送期間PTが開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第1読み出し期間PRD21となる。
この場合、容量変更部80のスイッチングトランジスタSW81−Trが導通状態に保持されることから、フローティングディフュージョンFDにキャパシタC81は接続状態に保持され、フローティングディフュージョンFDの容量(電荷量)が第2容量に保持される。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG11)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
図8(C)に示すように、転送期間PT21に転送トランジスタTGLS−Trが、制御信号TGLSがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、時刻12を含む期間に第2のフォトダイオードPDLSで光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFDに転送される。
この転送期間PT21が経過した後(転送トランジスタTGLS−Trが非導通状態)、第2のフォトダイオードPDLSが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第2読み出し期間PRD22となる。
このとき、各画素PXLにおいては、ソースフォロワトランジスタSF−Trにより、フローティングディフュージョンFDの電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSL(LCG12)として垂直信号線LSGNに出力され、読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
各画素PXLにおいて、第1のフォトダイオードPDSLは第1の飽和容量および第1の感度を有し、第2のフォトダイオードPDLSは、第1のフォトダイオードPDSLの第1の飽和容量と異なる第2の飽和容量および第1の感度と異なる第2の感度を有している。
第1のフォトダイオードPDSLの第1の飽和容量は第2のフォトダイオードPDLSの第2の飽和容量より小さく、第1のフォトダイオードPDSLの第1の感度は第2のフォトダイオードPDLSの第2の感度より大きい。
そして、本第1の実施形態において、固体撮像装置10は、画素部20に行列状に配列される画素(または画素部20)は、フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部を含んで構成されており、一つの電荷の蓄積期間(露光期間)後の一つの読み出し期間内の所定期間に容量可変部によりフローティングディフュージョンの容量が設定(変更)されて、この読み出し期間内に変換利得が切り替えられる。
その結果、第1のフォトダイオードPDSLのSNRを維持しつつ、読み出しノイズをより小さくできる。
すなわち、本第1の実施形態によれば、広ダイナミックレンジ化を実現しつつ、読み出しノイズの影響を防止でき、ひいては画質を向上させることができる。
比較例の画素は、図1の画素と同様に、感度、飽和容量の小さいスモールフォトダイオードPDSS(SPD)、および感度、飽和容量の大きいラージフォトダイオードPDLL(LPD)を有する。
図10は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10における高利得信号および低利得信号の応答特性を示す図である。図10において、横軸は露光量(時間)を、縦軸は電荷(電子)量を表している。
図11は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10における高利得信号および低利得信号のSNR特性を示す図である。図10において、横軸は露光量(時間)を、縦軸はSNRを表している。
図12は、比較例としての固体撮像装置における高利得信号および低利得信号の応答特性を示す図である。図12において、横軸は露光量(時間)を、縦軸は電荷(電子)量を表している。
図13は、比較例としての固体撮像装置における高利得信号および低利得信号のSNR特性を示す図である。図13において、横軸は露光量(時間)を、縦軸はSNRを表している。
一方、大きなフォトダイオードPDLL(LPD)用の小さなフローティングディフュージョンFDの容量は読み出しノイズを小さくすることができるが、他のフォトダイオードPDSS(SPD)読み出しのSNRギャップは悪化する。
これにより、効率よく蓄積容量を増やすことが可能となる利点がある。
図14は、本発明の第2の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
したがって、その詳細な説明は省略する。
図15は、本発明の第3の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
以下の説明では、ビンニングスイッチをビンニングトランジスタと呼ぶ場合もある。
第1の実施形態では、最も他端側となる図示しない第1のビンニングトランジスタ(スイッチ)81N−1が共有のリセット素子として機能する。
そして、本第3の実施形態の固体撮像装置10Bは、フローティングディフュージョンFDの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値の変換利得を得ることができ、変換利得の切り替え点におけるSNを最適化することが可能となり、所望の出力特性をえることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
また、本第3の実施形態の固体撮像装置10Bは、画素内のトランジスタ数が少ないため、PD開口率を高く、光電変換感度や飽和電子数を高めることができる。
図16は、本発明の第4の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
本第4の実施形態においては、第1の容量変更信号BIN1n−1,BIN1n,BIN1n+1と、第2の容量変更信号BIN2n−1,BIN2n,BIN2n+1はペアを形成し、同じタイミングで(位相で)Hレベル、Lレベルに切り替えられる。
第2のビンニングトランジスタ82n−1,82n,82n+1は、各画素PXLCn−1,PXLCn,PXLCn+1の転送トランジスタTG(SL,LS)−Trの近傍に配置され、高変換利得モードにおいて、フローティングディフュージョンFDノードの寄生容量を最小化するために用いられる。
図17は、本発明の第5の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
具体的に、画素PXLDは、第1の第2のフォトダイオードPDLS1、第2の第2のフォトダイオードPDLS2、第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Tr、および第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Trが設けられている。
第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Trの出力側ノードND21と第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Trの出力側ノードND22は接続されており。その接続点には、容量可変部80AのキャパシタC82が接続され、かつ、スイッチングトランジスタSW82−Trの一端に接続されている。
図19(A)〜(F)は、本第5の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた第2の読み出し動作を説明するための図である。
したがって、その詳細な説明は省略する。
第2の方法では、図19(A)〜(F)に示すように、第1の転送処理と第2の転送処理とを別々に行う。
ここで、埋め込み型の第1のフォトダイオードPDSLおよび第2のフォトダイオードPDLS1、PDLS2の具体的な構成例について図20に関連付けて説明する。
図20は、本発明の第5の実施形態に係る埋め込み型の第1のフォトダイオードおよび2つの第2のフォトダイオードの電荷転送ゲート部を除く主要部の構成例を示す簡略断面図である。
図20の埋め込み型フォトダイオード(PPD)部分200Dは、図5の構成に、第2の第2のフォトダイオードPDLS2が追加された構造を有する。
埋め込み型フォトダイオード部分200Dは、基板210に対して埋め込むように形成された第1導電型(本実施形態ではn型)半導体層(本実施形態ではn層)221nを含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する第1のフォトダイオード220(PDSL)を有する。
埋め込み型フォトダイオード部分200Dは、第2導電型(p型)分離層230を挟んで、第1のフォトダイオード220(PDSL)と並列となるように、基板210に対して埋め込むように形成されたn層(第1導電型半導体層)241を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する第2のフォトダイオード240−1(PDLS1)、240−2(PDLS2)を有する。
図20の例では、第1のフォトダイオード220(PDSL)は基板210の法線に直交する方向における側部(n層の境界部)に形成された第2の導電型(p型)分離層231とp型分離層232の間に形成されている。
第1の第2のフォトダイオード240−1(PDLS1)は基板210の法線に直交する方向における側部(n層の境界部)に形成されたp型分離層232とp型分離層233の間に形成されている。
第2の第2のフォトダイオード240−2(PDLS2)は基板210の法線に直交する方向における側部(n層の境界部)に形成されたp型分離層231とp型分離層234の間に形成されている。
また、第2のフォトダイオードPDLSと第2の転送トランジスタTGLSを複数設けることにより、たとえばオートフォーカス(AF)の位相差情報を得るための位相差検出系として採用することが可能となる。
これにより、水平(左右)、垂直(上下)方向および斜め方向の位相差情報が取得可能となる。
瞳分割位相差方式は、撮像レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成し、このパターンズレ(位相シフト量)を検出することで、撮像レンズのデフォーカス量を検出する。
図21は、本発明の第6の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
具体的に、画素PXLEは、第1の第2のフォトダイオードPDLS1、第2の第2のフォトダイオードPDLS2、第3の第2のフォトダイオードPDLS3、第4の第2のフォトダイオードPDLS4、第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Tr、第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Tr、第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Tr、および第2の第2の転送トランジスタTGLS4−Trが設けられている。
第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Trは第3の第2のフォトダイオードPDLS3と出力側ノードND22との間に接続され、第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trは第4の第2のフォトダイオードPDLS4と出力側ノードND22との間に接続されている。
第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Trおよび第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Trの出力側ノードND21と第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Trおよび第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Trの出力側ノードND22は接続されており、その接続点には、容量可変部80AのキャパシタC82が接続され、かつ、スイッチングトランジスタSW82−Trの一端に接続されている。
ここで、本第6の実施形態の画素PXLEにおける第1のフォトダイオードおよび4個の第2のフォトダイオードの配置例について説明する。
図22は、本第6の実施形態の画素PXLEにおける第1のフォトダイオードおよび4個の第2のフォトダイオードの配置例について説明するための図である。
画素PXLEにおいては、一例として、第1の隅部CRN1に第1の第2のフォトダイオードPDLS1および第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Trが配置されている。
第2の隅部CRN2に第2の第2のフォトダイオードPDLS2および第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Trが配置されている。
第3の隅部CRN3に第3の第2のフォトダイオードPDLS3および第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Trが配置されている。
第4の隅部CRN4に第4の第2のフォトダイオードPDLS4および第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trが配置されている。
図23は、本発明の第7の実施形態に係る画素部および容量可変部のレイアウトの一構成例を示す図である。
図24は、図23の画素部を裏面側から見た各画素の基本的レイアウトパターンを示す図である。
なお、図23および図24においては、図面の簡単化のために、4つの画素が2×2の行列状に配列されている例を示している。
画素PXLFにおいては、一例として、第1の隅部CRN1に第1の第2のフォトダイオードPDLS1および第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Trが配置されている。
第2の隅部CRN2に第2の第2のフォトダイオードPDLS2および第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Trが配置されている。
第3の隅部CRN3に第3の第2のフォトダイオードPDLS3および第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Trが配置されている。
第4の隅部CRN4に第4の第2のフォトダイオードPDLS4および第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trが配置されている。
第1の画素PXLF1の第1の第2のフォトダイオードPDLS1および第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Tr、第2の画素PXLF2の第2の第2のフォトダイオードPDLS2および第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Tr、第3の画素PXLF3の第3の第2のフォトダイオードPDLS3および第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Tr、並びに、第4の画素PXLF4の第4の第2のフォトダイオードPDLS4および第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trが、一つのフローティングディフュージョンFDを共有している。
(1)非広ダイナミックレンジ化モード(Non−HDR)、
(2)広ダイナミックレンジ化モード(HDR)、
(3)第1の位相差検出化モード(PDAF(V))、
(4)第2の位相差検出化モード(PDAF(H))、
(5)第3の位相差検出化モード(PDAF(D))、および
(6)特別の広ダイナミックレンジ化モード(Extra−HDR)
である。
以下の説明において、タイミングチャートを例示するモードがあるが、本第7の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合(図21)の変換利得に応じた読み出し動作は、基本的に図8に関連付けて説明した第1の実施形態における変換利得に応じた読み出し動作と同様に行われる。
この非広ダイナミックレンジ化モード(Non−HDR)では、広ダイナミックレンジ化機能および位相差検出機能を発現させることはできない。
この場合、容量可変部80AのスイッチングトランジスタSW82−Trをオン状態に保持して、第1のフォトダイオードPDSL、第1の第2のフォトダイオードPDLS1、第2のフォトダイオードPDLS2、第3の第2のフォトダイオードPDLS3、および第4の第2のフォトダイオードPDLS4の蓄積電荷が同時並列的にフローティングディフュージョンFDに転送され、低変換利得(LCG)の第2変換利得読み出しが行われ、第1の読み出し処理信号Sig1が得られる。
図26(A)〜(E)は、本第7の実施形態に係る広ダイナミックレンジ化モード(HDR)における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
そして、リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の第1変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第1変換利得(HCG)に対応する第1容量に保持した状態で、第1の読み出し期間後の第1の転送トランジスタTGSL−Trによる第1の転送期間の転送処理を行い、この第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の第1変換利得モード読み出しを行う。
そして、リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の第2変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第2変換利得(LCG)に対応する第2容量に保持した状態で、第3の読み出し期間後の第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Tr、第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Tr、第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Tr、および第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trによる第2の転送期間の転送処理を行い、この第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の第2変換利得モード読み出しを行う。
図27(A)〜(F)は、本第7の実施形態に係る第1の位相差検出化モード(PDAF(V))における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
そして、リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の第1変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第1変換利得(HCG)に対応する第1容量に保持した状態で、第1の読み出し期間後の第1の転送トランジスタTGSL−Trによる第1の転送期間の転送処理を行い、この第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の第1変換利得モード読み出しを行う。
そして、リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の第2変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第2変換利得(LCG)に対応する第2容量に保持した状態で、第3の読み出し期間後の第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Trおよび第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Trの転送処理を行い、この第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の第2変換利得モード読み出しを行う。
そして、リセット期間に続く第5の読み出し期間に第1の第2変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第2変換利得(LCG)に対応する第2容量に保持した状態で、第5の読み出し期間後の第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Trおよび第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trの転送処理を行い、この第2の転送期間後の第6の読み出し期間に第2の第2変換利得モード読み出しを行う。
図28(A)〜(F)は、本第7の実施形態に係る第2の位相差検出化モード(PDAF(H))における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
そして、リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の第1変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第1変換利得(HCG)に対応する第1容量に保持した状態で、第1の読み出し期間後の第1の転送トランジスタTGSL−Trによる第1の転送期間の転送処理を行い、この第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の第1変換利得モード読み出しを行う。
そして、リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の第2変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第2変換利得(LCG)に対応する第2容量に保持した状態で、第3の読み出し期間後の第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Trおよび第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Trの転送処理を行い、この第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の第2変換利得モード読み出しを行う。
そして、リセット期間に続く第5の読み出し期間に第1の第2変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第2変換利得(LCG)に対応する第2容量に保持した状態で、第5の読み出し期間後の第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Trおよび第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trの転送処理を行い、この第2の転送期間後の第6の読み出し期間に第2の第2変換利得モード読み出しを行う。
図29(A)〜(F)は、本第7の実施形態に係る第3の位相差検出化モード(PDAF(D))における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
そして、リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の第1変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第1変換利得(HCG)に対応する第1容量に保持した状態で、第1の読み出し期間後の第1の転送トランジスタTGLS1−Trによる第1の転送期間の転送処理を行い、この第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の第1変換利得モード読み出しを行う。
そして、リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の第2変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第2変換利得(LCG)に対応する第2容量に保持した状態で、第3の読み出し期間後の第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Trおよび第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trの転送処理を行い、この第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の第2変換利得モード読み出しを行う。
そして、リセット期間に続く第5の読み出し期間に第1の第2変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第2変換利得(LCG)に対応する第2容量に保持した状態で、第5の読み出し期間後の第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Trおよび第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Trの転送処理を行い、この第2の転送期間後の第6の読み出し期間に第2の第2変換利得モード読み出しを行う。
図30(A)〜(F)は、本第7の実施形態に係る特別の広ダイナミックレンジ化モード(Extra−HDR)における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
そして、リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の第1変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第1変換利得(HCG)に対応する第1容量に保持した状態で、第1の読み出し期間後の第1の転送トランジスタTGLS1−Trによる第1の転送期間の転送処理を行い、この第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の第1変換利得モード読み出しを行う。
そして、リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の第2変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第2変換利得(LCG)に対応する第2容量に保持した状態で、第3の読み出し期間後の第1の第2の転送トランジスタTGLS1−Tr、第2の第2の転送トランジスタTGLS2−Tr、および第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Trの転送処理を行い、この第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の第2変換利得モード読み出しを行う。
そして、リセット期間に続く第5の読み出し期間に第1の第2変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンFDの容量を第2変換利得(LCG)に対応する第2容量に保持した状態で、第5の読み出し期間後の第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trの転送処理を行い、この第2の転送期間後の第6の読み出し期間に第2の第2変換利得モード読み出しを行う。
なお、この場合、第4の第2のフォトダイオードPDLS4の感度を低下させることが好ましい。たとえば、蓄積期間を短くしたり、減光する。
図32(A)および(B)は、本発明の第7の実施形態に係る広ダイナミックレンジ化モード(HDR)、第3の位相差検出化モード(PDAF(D))、および特別の広ダイナミックレンジ化モード(Extra−HDR)の線形化した感度特性を示す図である。
図32(A)は信号の入出力特性を、図32(B)はSNR特性を示している。
図33(A)〜(C)は、第6の実施形態に係る図22の画素PXLEにも第7の実施形態の各読み出しモードの読み出し動作を同様に適用することが可能であることを説明するための図である。
ただし、図33(A)〜(C)は、位相差検出化モード(PDAF)のみについて示してあるが、他のモードの読み出し動作を適用可能である。
ちなみに、図33(A)は第1の位相差検出化モード(PDAF(V))の読み出し動作の概要を示し、図33(B)は第2の位相差検出化モード(PDAF(H))の読み出し動作の概要を示し、図33(C)は第3の位相差検出化モード(PDAF(D))の読み出し動作の概要を示している。
図34は、本第8の実施形態の画素における第1のフォトダイオードおよび8個の第2のフォトダイオードの配置例について説明するための図である。
画素PXLGは、たとえば第1のフォトダイオードPDSLを含んで矩形RCTに形成され、第1のフォトダイオードPDSLの四隅部にそれぞれ対応して第2のフォトダイオードPDLS1〜PDLS8(第2の転送トランジスタTGLS1−Tr〜TGLS8−Tr)が配置されている。
第2の隅部に、対を形成するように、第3の第2のフォトダイオードPDLS3および第3の第2の転送トランジスタTGLS3−Tr、並びに、第4の第2のフォトダイオードPDSL4および第4の第2の転送トランジスタTGLS4−Trが配置されている。
第3の隅部CRN3に、対を形成するように、第5の第2のフォトダイオードPDLS5および第5の第2の転送トランジスタTGLS5−Tr、並びに、第6の第2のフォトダイオードPDLS6および第6の第2の転送トランジスタTGLS6−Trが配置されている。
第4の隅部CRN4に、対を形成するように、第7の第2のフォトダイオードPDLS7および第7の第2の転送トランジスタTGLS7−Tr、並びに、第8の第2のフォトダイオードPDLS8および第8の第2の転送トランジスタTGLS8−Trが配置されている。
図35は、図5に示す本実施形態に係る埋め込み型の第1のフォトダイオードおよび第2のフォトダイオードの他の構成例を示す簡略断面図である。
本例では、第1基板面211側にn−−層2214が形成され、このn−−層2214の第2基板面212側の一部にn−層2215形成され、このn−層2215の第2基板面212側にn層2216が形成されている。
また、n−−層2214の第2基板面212側のn−層2215に並列にp層2217が形成され、このp層2217の第2基板面212側にp層2218およびn+層2219が形成されている。
本例では、n層2413が形成されている。
本例では、第1基板面211側にp層2311が形成され、このp層2311の第2基板面212側にp−層2312が形成され、このp−層2312の第2基板面212側にp層2313が形成されている。
本例では、第1基板面211側にp層2321が形成され、このp層2321の第2基板面212側にp+層2323が形成されている。
本例では、第1基板面211側にp層2331が形成され、このp層2331の第2基板面212側にp−層2332が形成され、このp−層2332の第2基板面212側にp層2333が形成されている。
ている。
そして、図35の例では、p層2217、p+層2323、n層2413上にわたって、n+層2219が形成されている。
図36(A)および(B)は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が、表面照射型イメージセンサと裏面照射型イメージセンサの両方に適用が可能であることを説明するための図である。
図36(A)が表面照射型イメージセンサの簡略構成を示し、図36(B)が裏面照射型イメージセンサの簡略構成を示している。
表面照射型イメージセンサ(FSI)と裏面照射型イメージセンサ(BSI)の両方に適用可能である。
さらに、電子機器100は、このCMOSイメージセンサ110の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)120を有する。
電子機器100は、CMOSイメージセンサ110の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)130を有する。
信号処理回路130で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
Claims (20)
- 画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第1の光電変換部と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第2の光電変換部と、
前記第1の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第1の転送素子と、
前記第2の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第2の転送素子と、
前記第1の転送素子および前記第2の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第1の光電変換部および前記第2の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記第1の光電変換部は、第1の飽和容量および第1の感度を有し、
前記第2の光電変換部は、前記第1の飽和容量と異なる第2の飽和容量および前記第1の感度と異なる第2の感度を有する
固体撮像装置。 - 前記第1の飽和容量は前記第2の飽和容量より小さく、
前記第1の感度は前記第2の感度より大きい
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部を有し、
前記画素は、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子を含み、
前記読み出し部は、
前記リセット素子を通じて前記フローティングディフュージョンをリセットするリセット期間後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、
前記リセット期間後の前記読み出し期間後に、前記第1の転送素子または第2の転送素子を通じて前記フローティングディフュージョンに第1の飽和容量および第1の感度の前記第1の光電変換部または第2の飽和容量および第2の感度の前記第2の光電変換部の蓄積電荷を転送する前記転送期間後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャンが可能で、
一つの前記読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第1容量に応じた第1変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第2容量に応じた第2変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行う
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
前記第1変換利得モード時には、少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持した状態で、前記第1の読み出し期間後の前記第1の転送素子による第1の転送期間の転送処理を行い、
当該第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の前記第1変換利得モード読み出しを行う
請求項3記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
前記第2変換利得モード時には、少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記キャパシタの容量を含む前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第3の読み出し期間後の前記第2の転送素子による第2の転送期間の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行う
請求項3記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する一つの前記第1の光電変換部と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも二つの前記第2の光電変換部と、
前記第1の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な一つの前記第1の転送素子と、
前記第2の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも二つの前記第2の転送素子と、を含み、
前記フローティングディフュージョンは、
前記第1の転送素子および前記第2の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第1の光電変換部および前記第2の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送される
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記第1の光電変換部を含んで矩形に形成され、当該第1の光電変換部の四隅部にそれぞれ対応して前記第2の光電変換部および前記第2の転送素子が配置されている
請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部を有し、
前記画素は、
前記四隅部として、左上隅部の第1の隅部、右上隅部の第2の隅部、左下隅部の第3の隅部、および右下隅部の第4の隅部を有し、
前記第1の隅部に第1の前記第2の光電変換部および第1の前記第2の転送素子が配置され、
前記第2の隅部に第2の前記第2の光電変換部および第2の前記第2の転送素子が配置され、
前記第3の隅部に第3の前記第2の光電変換部および第3の前記第2の転送素子が配置され、
前記第4の隅部に第4の前記第2の光電変換部および第4の前記第2の転送素子が配置され、
前記読み出し部は、
前記第1の光電変換部、前記第1の前記第2の光電変換部、前記第2の前記第2の光電変換部、前記第3の前記第2の光電変換部、および前記第4の前記第2の光電変換部に対する蓄積電荷読み出し処理の組み合わせにより、少なくとも広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能のうちの少なくとも一方の機能を発現する読み出しを行うことが可能である
請求項7記載の固体撮像装置。 - 前記画素部は、
複数の画素が行列状に配置され、
一つの前記フローティングディフュージョンを、隣接する複数の画素の前記第2の光電変換素子および前記第2の転送素子で共有する画素共有構造を有する
請求項7記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記四隅部として、左上隅部の第1の隅部、右上隅部の第2の隅部、左下隅部の第3の隅部、および右下隅部の第4の隅部を有し、
前記第1の隅部に第1の前記第2の光電変換部および第1の前記第2の転送素子が配置され、
前記第2の隅部に第2の前記第2の光電変換部および第2の前記第2の転送素子が配置され、
前記第3の隅部に第3の前記第2の光電変換部および第3の前記第2の転送素子が配置され、
前記第4の隅部に第4の前記第2の光電変換部および第4の前記第2の転送素子が配置され、
前記第1の前記第2の光電変換部および前記第1の前記第2の転送素子は、
列方向左側に隣接する画素の前記第2の前記第2の光電変換部および前記第2の前記第2の転送素子、行方向上側に隣接する画素の前記第3の前記第2の光電変換部および前記第3の前記第2の転送素子、並びに、左上側に隣接する画素の前記第4の前記第2の光電変換部および前記第4の前記第2の転送素子のうちの少なくともいずれかと、一つの前記フローティングディフュージョンを共有し、
前記第2の前記第2の光電変換部および前記第2の前記第2の転送素子は、
列方向右側に隣接する画素の前記第1の前記第2の光電変換部および前記第1の前記第2の転送素子、行方向上側に隣接する画素の前記第4の前記第2の光電変換部および前記第4の前記第2の転送素子、並びに、右上側に隣接する画素の前記第3の前記第2の光電変換部および前記第3の前記第2の転送素子のうちの少なくともいずれかと、一つの前記フローティングディフュージョンを共有し、
前記第3の前記第2の光電変換部および前記第3の前記第2の転送素子は、
列方向左側に隣接する画素の前記第4の前記第2の光電変換部および前記第4の前記第2の転送素子、行方向下側に隣接する画素の前記第1の前記第2の光電変換部および前記第1の前記第2の転送素子、並びに、左下側に隣接する画素の前記第2の前記第2の光電変換部および前記第2の前記第2の転送素子のうちの少なくともいずれかと、一つの前記フローティングディフュージョンを共有し、
前記第4の前記第2の光電変換部および前記第4の前記第2の転送素子は、
列方向右側に隣接する画素の前記第3の前記第2の光電変換部および前記第3の前記第2の転送素子、行方向下側に隣接する画素の前記第2の前記第2の光電変換部および前記第2の前記第2の転送素子、並びに、右下側に隣接する画素の前記第1の前記第2の光電変換部および前記第1の前記第2の転送素子のうちの少なくともいずれかと、一つの前記フローティングディフュージョンを共有する
請求項9記載の固体撮像装置。 - 前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部を有し、
前記画素部は、
第1の画素、第2の画素、第3の画素、および第4の画素が行列状に配列され、
前記第1の画素の前記第1の前記第2の光電変換部および前記第1の前記第2の転送素子、前記第2の画素の前記第2の前記第2の光電変換部および前記第2の前記第2の転送素子、前記第3の画素の前記第3の前記第2の光電変換部および前記第3の前記第2の転送素子、並びに、前記第4の画素の前記第4の前記第2の光電変換部および前記第4の前記第2の転送素子が、一つの前記フローティングディフュージョンを共有し、
前記読み出し部は、
前記第1の画素の前記第1の光電変換部、前記第1の画素の前記第1の第2の光電変換部、前記第2の画素の前記第2の第2の光電変換部、前記第3の画素の前記第3の第2の光電変換部、および前記第4の画素の前記第4の第2の光電変換部に対する蓄積電荷読み出し処理の組み合わせにより、少なくとも広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能のうちの少なくとも一方の機能を発現する読み出しを行うことが可能である
請求項10記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第1容量に応じた第1変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第2容量に応じた第2変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第1の広ダイナミックレンジ化機能を発現する場合、
第1の第1の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持させ、
リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持した状態で、前記第1の読み出し期間後の前記第1の転送素子による第1の転送期間の転送処理を行い、
当該第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
第1の第2の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第3の読み出し期間後の前記第1の前記第2の転送素子、前記第2の前記第2の転送素子、前記第3の前記第2の転送素子、および前記第4の前記第2の転送素子による第2の転送期間の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
第1の広ダイナミックレンジ化信号として前記第1の前記第2の読み出し処理信号を適用する
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第1容量に応じた第1変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第2容量に応じた第2変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第2の広ダイナミックレンジ化機能および第1の位相差検出機能を発現する場合、
第2の第1の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持させ、
リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持した状態で、前記第1の読み出し期間後の前記第1の転送素子による第1の転送期間の転送処理を行い、
当該第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
第2の第2の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第3の読み出し期間後の前記第1の前記第2の転送素子および前記第2の前記第2の転送素子の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
第3の第2の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第5の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第5の読み出し期間後の前記第3の前記第2の転送素子および前記第4の前記第2の転送素子の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第6の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
第1の位相差検出用信号として、前記第2の前記第2の読み出し処理信号と前記第3の前記第2の読み出し処理信号の差分信号を適用し、
第2の広ダイナミックレンジ化信号として前記第2の前記第2の読み出し処理信号と前記第3の前記第2の読み出し処理信号の加算信号を適用する
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第1容量に応じた第1変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第2容量に応じた第2変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第3の広ダイナミックレンジ化機能および第2の位相差検出機能を発現する場合、
第3の第1の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持させ、
リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持した状態で、前記第1の読み出し期間後の前記第1の転送素子による第1の転送期間の転送処理を行い、
当該第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
第4の第2の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第3の読み出し期間後の前記第1の前記第2の転送素子および前記第3の前記第2の転送素子の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
第5の第2の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第5の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第5の読み出し期間後の前記第2の前記第2の転送素子および前記第4の前記第2の転送素子の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第6の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
第2の位相差検出用信号として、前記第4の前記第2の読み出し処理信号と前記第5の前記第2の読み出し処理信号の差分信号を適用し、
第3の広ダイナミックレンジ化信号として前記第4の前記第2の読み出し処理信号と前記第5の前記第2の読み出し処理信号の加算信号を適用する
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第1容量に応じた第1変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第2容量に応じた第2変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第4の広ダイナミックレンジ化機能および第3の位相差検出機能を発現する場合、
第4の第1の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持させ、
リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持した状態で、前記第1の読み出し期間後の前記第1の転送素子による第1の転送期間の転送処理を行い、
当該第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
第6の第2の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第3の読み出し期間後の前記第1の前記第2の転送素子および前記第4の前記第2の転送素子の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
第7の第2の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第5の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第5の読み出し期間後の前記第2の前記第2の転送素子および前記第3の前記第2の転送素子の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第6の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
第3の位相差検出用信号として、前記第6の前記第2の読み出し処理信号と前記第7の前記第2の読み出し処理信号の差分信号を適用し、
第4の広ダイナミックレンジ化信号として前記第6の前記第2の読み出し処理信号と前記第7の前記第2の読み出し処理信号の加算信号を適用する
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第1容量に応じた第1変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第2容量に応じた第2変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第5の広ダイナミックレンジ化機能を発現する場合、
第5の第1の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持させ、
リセット期間に続く第1の読み出し期間に第1の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第1変換利得に対応する前記第1容量に保持した状態で、前記第1の読み出し期間後の前記第1の転送素子による第1の転送期間の転送処理を行い、
当該第1の転送期間後の第2の読み出し期間に第2の前記第1変換利得モード読み出しを行い、
第8の第2の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第3の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第3の読み出し期間後の前記第1の前記第2の転送素子、前記第2の前記第2の転送素子、および前記第3の前記第2の転送素子の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第4の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
第9の第2の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第5の読み出し期間に第1の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第2変換利得に対応する前記第2容量に保持した状態で、前記第5の読み出し期間後の前記第4の前記第2の転送素子の転送処理を行い、
当該第2の転送期間後の第6の読み出し期間に第2の前記第2変換利得モード読み出しを行い、
第5の広ダイナミックレンジ化信号として前記第8の前記第2の読み出し処理信号と前記第3の前記第9の読み出し処理信号の加算信号を適用する
請求項8記載の固体撮像装置。 - 第1基板面側と、当該第1基板面側と対向する側の第2基板面側とを有する基板と、
前記基板に対して埋め込むように形成された第1導電型半導体層を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する前記第1の光電変換部と、
前記第1の光電変換部の前記第1導電型半導体層の少なくとも一方の側部に形成された第2導電型分離層と、
前記第2導電型分離層を挟んで、前記第1の光電変換部と並列となるように、前記基板に対して埋め込むように形成された第1導電型半導体層を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する前記第2の光電変換部と、を有し、
前記第1の光電変換部の受光領域の開口部は前記第2の光電変換部の開口部より大きく、
前記第1の光電変換部の第1導電型半導体層の不純物濃度は、前記第2の光電変換部の第1導電型半導体層の不純物濃度より薄い
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記第2の光電変換部は、
前記第1導電型半導体層の少なくとも一部において、前記基板の法線に直交する方向に、前記第1導電型半導体層と接合容量成分を持つ少なくとも一つの第2導電型半導体層を含む
請求項17記載の固体撮像装置。 - 画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第1の光電変換部と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第2の光電変換部と、
前記第1の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第1の転送素子と、
前記第2の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第2の転送素子と、
前記第1の転送素子および前記第2の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第1の光電変換部および前記第2の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記第1の光電変換部は、第1の飽和容量および第1の感度を有し、
前記第2の光電変換部は、前記第1の飽和容量と異なる第2の飽和容量および前記第1の感度と異なる第2の感度を有する
固体撮像装置の駆動方法であって、
前記リセット素子を通じて前記フローティングディフュージョンをリセットするリセット期間後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、
前記リセット期間後の前記読み出し期間後に、前記第1の転送素子または第2の転送素子を通じて前記フローティングディフュージョンに第1の飽和容量および第1の感度の前記第1の光電変換素子または第2の飽和容量および第2の感度の前記第2の光電変換部の蓄積電荷を転送する前記転送期間後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャン期間において、
一つの前記読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第1容量に応じ第1変換利得で前記第1の光電変換部の蓄積電荷に応じた前記画素信号の読み出しを行う第1変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第2容量に応じ第2変換利得で前記第2の光電変換部の蓄積電荷に応じた前記画素信号の読み出しを行う第2変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行う
固体撮像装置の駆動方法。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第1の光電変換部と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第2の光電変換部と、
前記第1の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第1の転送素子と、
前記第2の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第2の転送素子と、
前記第1の転送素子および前記第2の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第1の光電変換部および前記第2の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記第1の光電変換部は、第1の飽和容量および第1の感度を有し、
前記第2の光電変換部は、前記第1の飽和容量と異なる第2の飽和容量および前記第1の感度と異なる第2の感度を有する
電子機器。
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