TW202332257A - 固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備 - Google Patents

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Abstract

提供固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備，其具有高GS功能、AF功能，且能充分實現SEHDR性能，能實質上實現高動態範圍化、高幀率化。 轉換信號讀取部(211)依據讀取部(70)的驅動控制，在攝像模式時，將第1傳輸晶體管TG11-Tr和第2傳輸晶體管TG12-Tr在相同的傳輸期間保持為導通狀態，將第1光電二極管PD11的積累電荷和第2光電二極管PD12的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據第1轉換增益HCG進行，接著依據第2轉換增益LCG進行。

Description

固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備
本發明是關於一種固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法以及電子設備。
互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器已作為使用有光電轉換元件的固態攝像裝置(圖像傳感器)而被實際運用，該光電轉換元件檢測光並產生電荷。 CMOS圖像傳感器已廣泛用作數碼相機、攝像機、監控相機、醫療用內視鏡、個人電腦(PC)、車載用相機、手機等行動終端裝置(移動設備)等各種電子設備的一部分。
CMOS圖像傳感器在每個像素中帶有包括光電二極管(光電轉換元件)及浮動擴散層(FD: Floating Diffusion，浮置擴散層)的FD放大器，該CMOS圖像傳感器的主流讀取類型為列並列輸出型，即，選擇像素陣列中的某一行，同時向列(column)輸出方向對這些行進行讀取。
一般來說，CMOS圖像傳感器的各像素構成為包括作為有源元件的4元件，例如對應於1個光電二極管(光電轉換元件)，具有作為傳輸元件的傳輸晶體管、作為重置元件的重置晶體管、作為源極隨耦元件(放大元件)的源極隨耦晶體管、以及作為像素選擇元件的選擇晶體管。
不過，在CMOS圖像傳感器中，進行逐個像素或逐行依序掃描並讀取由光電二極管產生並積累的光電荷的動作。 在依序掃描，即採用滾動快門作為電子快門的情況下，無法使積累光電荷的曝光的開始時間以及結束時間在所有像素中一致。因此，在依序掃描的情況下，存在當拍攝運動被攝體時拍攝圖像產生失真的問題。
因此，在不容許圖像失真的高速運動被攝體的拍攝、或要求拍攝圖像的同時性的感測應用中，採用了對像素陣列部中的所有像素以相同時序進行曝光開始和曝光結束的全域快門，作為電子快門。
採用全域快門作為電子快門的CMOS圖像傳感器，在像素內設有例如將從讀取部讀出的信號保持在信號保持電容的信號保持部。 在採用全域快門的CMOS圖像傳感器中，通過從光電二極管將電荷作為電壓信號同時以模擬採樣保持的動作積累到信號保持部的信號保持電容，之後依序讀取，從而確保圖像全體的同時性(例如，參照非專利文獻1)。
另外，作為各像素的構成，具有代表性的已知有4晶體管(4Tr)APS像素(例如參照專利文獻1)、或者電容性反饋反阻抗放大器(CTIA: Capacitive Trans-Impedance Amplifier)像素(例如參照專利文獻2、3)。
而且，作為具有高動態範圍的高畫質CMOS圖像傳感器的具有全域快門功能的像素，已知有VMGS(電壓模式全域快門)像素、以及CMGS(電荷模式全域快門)像素。
其中，相較於CMGS像素，VMGS像素具有高快門效率、低寄生光靈敏度的優點。
近年來，特別是在機器視覺或IoT(Internet Of Thing)的領域中，全域快門(GS)CMOS圖像傳感器(CIS)的需求提高了。 在這些領域中，不僅要求GS功能，還强烈要求單一曝光(single exposure)的高動態範圍(SEHDR)性能。
另外，在CMOS圖像傳感器中，自動焦點調節((自動調焦(AF))的性能也是重點之一。 再者，在數位相機等攝像裝置中，作為用於實現自動調焦(AF)的方法，已知有例如在像素陣列部的部份像素配置用以取得自動調焦(AF)的相位差信息的相位差檢測像素來進行自動調焦的像面相位差法等的相位差檢測方式。 例如，已知一種通過在相鄰的2個光電二極管PD中共享一個微透鏡來取得相位差信息的方法。
因此，提出了具有構成為具備各種功能的VMGS像素的CMOS圖像傳感器(例如參照專利文獻4、5)。 現有技術文獻
專利文獻 專利文獻1：日本特開2005-65074號公報 圖2 專利文獻2：日本特表2006-505975號公報 專利文獻3：日本特表2002-501718號公報 專利文獻4：US10116889B2 專利文獻5：US10630928B2
非專利文獻 非專利文獻1：J. Aoki, et al., “A Rolling-Shutter Distortion-Free 3D Stacked Image Sensor with -160dB Parasitic Light Sensitivity In-Pixel Storage Node” ISSCC 2013 / SESSION 27 / IMAGE SENSORS / 27.3.
本發明所要解決的技術問題
如上述，CMOS圖像傳感器(CIS)可以構成為採用提高像素的動態範圍的各種特徵構造。
高動態範圍化的方法之一可以舉出橫向溢出集合電容(LOFIC: Lateral Overflow Integration Capacitor)的構成。
本發明提供固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備，其不但具有高全域快門功能、自動調焦功能，且能充分表現單一曝光(single exposure)的高動態範圍(SEHDR)性能，能實質上實現高動態範圍化。 用於解決技術問題的技術方案
本發明第1觀點的固態攝像裝置包括：像素部，配置有包含光電轉換讀取部以及信號保持部的像素，及讀取部，執行從所述像素部的像素信號的讀取，所述光電轉換讀取部包括：第1光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷，第2光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷，一個微透鏡，至少將光入射到所述第1光電轉換元件以及所述第2光電轉換元件的光電轉換區域，第1傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第1光電轉換元件所積累的電荷，第2傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第2光電轉換元件所積累的電荷，浮置擴散層，被傳輸有後述兩者當中的至少一方的積累電荷，通過所述第1傳輸元件的所述第1光電轉換元件所積累的電荷，以及，通過所述第2傳輸元件的所述第2光電轉換元件所積累的電荷，及轉換信號讀取部，可將所述浮置擴散層的電容變更為第1電容或第2電容並將轉換增益切換為由所述第1電容決定的第1轉換增益或由所述第2電容決定的第2轉換增益，將依據轉換增益所轉換的電壓信號放大並輸出，所述信號保持部，可收取並保持由所述轉換信號讀取部讀取到像素內信號線的電壓信號即像素信號，所述讀取部，至少在自動調焦模式以及攝像模式中可執行所述像素信號的讀取處理，通過對所述轉換信號讀取部的驅動控制，在所述自動調焦模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於不同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益或第2轉換增益分別進行，在所述攝像模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於相同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益執行，接著依據所述第2轉換增益執行。
本發明的第2觀點的固態攝像裝置的驅動方法，所述固態攝像裝置包括：像素部，配置有包含光電轉換讀取部以及信號保持部的像素，及讀取部，執行從所述像素部的像素信號的讀取，所述光電轉換讀取部包括：第1光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷，第2光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷，一個微透鏡，至少將光入射到所述第1光電轉換元件以及所述第2光電轉換元件的光電轉換區域，第1傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第1光電轉換元件所積累的電荷，第2傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第2光電轉換元件所積累的電荷，浮置擴散層，被傳輸有後述兩者當中的至少一方的積累電荷，通過所述第1傳輸元件的所述第1光電轉換元件所積累的電荷，以及，通過所述第2傳輸元件的所述第2光電轉換元件所積累的電荷，及轉換信號讀取部，可將所述浮置擴散層的電容變更為第1電容或第2電容並將轉換增益切換為由所述第1電容決定的第1轉換增益或由所述第2電容決定的第2轉換增益，將依據轉換增益所轉換的電壓信號放大並輸出，所述信號保持部，可收取並保持由所述轉換信號讀取部讀取到像素內信號線的電壓信號即像素信號，所述讀取部，至少在自動調焦模式以及攝像模式中可執行所述像素信號的讀取處理，所述驅動方法包括：在所述自動調焦模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於不同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益或第2轉換增益分別進行，在所述攝像模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於相同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益執行，接著依據所述第2轉換增益執行。
本發明第3觀點的電子設備包括：固態攝像裝置；以及在所述固態攝像裝置上將被攝體像成像的光學系統；所述固態攝像裝置包括：像素部，配置有包含光電轉換讀取部以及信號保持部的像素，及讀取部，執行從所述像素部的像素信號的讀取，所述光電轉換讀取部包括：第1光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷，第2光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷， 一個微透鏡，至少將光入射到所述第1光電轉換元件以及所述第2光電轉換元件的光電轉換區域，第1傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第1光電轉換元件所積累的電荷，第2傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第2光電轉換元件所積累的電荷，浮置擴散層，被傳輸有後述兩者當中的至少一方的積累電荷，通過所述第1傳輸元件的所述第1光電轉換元件所積累的電荷，以及，通過所述第2傳輸元件的所述第2光電轉換元件所積累的電荷，及轉換信號讀取部，可將所述浮置擴散層的電容變更為第1電容或第2電容並將轉換增益切換為由所述第1電容決定的第1轉換增益或由所述第2電容決定的第2轉換增益，將依據轉換增益所轉換的電壓信號放大並輸出，所述信號保持部，可收取並保持由所述轉換信號讀取部讀取到像素內信號線的電壓信號即像素信號，所述讀取部，至少在自動調焦模式以及攝像模式中可執行所述像素信號的讀取處理，通過對所述轉換信號讀取部的驅動控制，在所述自動調焦模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於不同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益或第2轉換增益分別進行，在所述攝像模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於相同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益執行，接著依據所述第2轉換增益執行。 發明效果
依據本發明，不但具有高全域快門功能、自動調焦功能，且能充分表現單一曝光(single exposure)的高動態範圍(SEHDR)性能，能實質上實現高動態範圍化。
以下，搭配附圖說明本發明的實施方式。
(第一實施方式) 圖1是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置的構成例的方塊圖。 圖2是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置的像素的基本的構成例的方塊圖。 在本實施方式中，固態攝像裝置10是例如由CMOS圖像傳感器構成。
如圖1所示，該固態攝像裝置10包括以下主要構成要素：作為拍攝部的像素部20、垂直掃描電路(行掃描電路)30、讀取電路(列讀取電路)40、水平掃描電路(列掃描電路)50、以及時序控制電路60。 由這些構成要素中的例如垂直掃描電路30、讀取電路40、水平掃描電路50、以及時序控制電路60構成像素信號的讀取部70。
在本第一實施方式中的固態攝像裝置10，其在像素部20以行列狀配置的讀取像素200包括光電轉換讀取部210以及信號保持部220，其構成為例如堆疊型的CMOS圖像傳感器，其具有全域快門(GS)的動作功能、自動調焦(AF)功能，且能實質上實現高動態範圍化、高幀率化。
如圖2所示，光電轉換讀取部210包括：作為在積累期間積累由光電轉換生成的電荷的第1光電轉換元件的第1光電二極管PD11、作為在積累期間積累由光電轉換生成的電荷的第2光電轉換元件的第2光電二極管PD12、以及至少將光入射到第1光電二極管PD11以及第2光電二極管PD12的光電轉換區域的一個微透鏡(在圖2中未圖示)。
在本第一實施方式中，採用例如用以在像素部20的像素的一部份取得自動調焦(AF)的相位差信息的相位差檢測方式。 而且，在本第一實施方式中，構成為例如在相鄰的2個光電二極管PD中共享一個微透鏡以取得相位差信息。
作為讀取像素的光電轉換讀取部210包括：作為可將積累在第1光電二極管PD11的電荷在積累期間後的傳輸期間傳輸的第1傳輸元件的第1傳輸晶體管TG11-Tr；作為可將積累在第2光電二極管PD12的電荷在積累期間後的傳輸期間傳輸的第2傳輸元件的第2傳輸晶體管TG12-Tr；以及浮置擴散層FD11，其被傳輸有後述兩者當中的至少一方的積累電荷，即，通過第1傳輸晶體管TG11-Tr的第1光電二極管PD11所積累的電荷、以及、通過第2傳輸晶體管TG12-Tr的第2光電二極管PD12所積累的電荷。
而且，光電轉換讀取部210構成為包括轉換信號讀取部211，其將浮置擴散層FD11的電容變更為第1電容或第2電容並將轉換增益切換為由第1電容決定的第1轉換增益(例如高增益返還：HCG)或由第2電容決定的第2轉換增益(例如低增益轉換：LCG)，將依據轉換增益轉換的電壓信號放大並輸出至內部信號線LSGN1。
本第一實施方式中，在讀取部70的控制下可在自動調焦模式MDAF、攝像模式MDIC、以及雙轉換增益讀取模式MDDCG下進行像素信號VSL的讀取處理。 轉換信號讀取部211依據讀取部70的驅動控制，在自動調焦模式MDAF時，將第1傳輸晶體管TG11-Tr和第2傳輸晶體管TG12-Tr在不同的傳輸期間保持為導通狀態，將第1光電二極管PD11的積累電荷和第2光電二極管PD12的積累電荷所對應的像素信號的讀取處理依據第1轉換增益HCG或第2轉換增益LCG分別進行。 另外，轉換信號讀取部211，依據讀取部70的驅動控制，在攝像模式MDIC時以及雙轉換增益讀取模式MDDCG時，將第1傳輸晶體管TG11-Tr和第2傳輸晶體管TG12-Tr在相同的傳輸期間保持為導通狀態，將第1光電二極管PD11的積累電荷和第2光電二極管PD12的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據第1轉換增益HCG進行，接著依據第2轉換增益LCG進行。
信號保持部220，可收取並保持像素信號，即由轉換信號讀取部211讀取到像素內信號線LSGN1的電壓信號。 在本第一實施方式中，信號保持部220構成為包括採樣保持電路230，將作為讀取至內部信號線LSGN1的像素信號的電壓信號通過採樣信號收取並保持，所述電壓信號是傳輸至光電轉換讀取部210的浮置擴散層FD11的第1光電二極管PD11的積累電荷以及第2光電二極管PD12的積累電荷所對應的電壓信號。 具體來說，採樣保持電路230構成為包括：輸入部231；採樣保持部232，其包含以2個讀取重置信號以及讀取像素信號為1組，將轉換增益不同的2組的像素信號以採樣信號採樣的採樣開關部232-1，以及，包含可同時並行保持由採樣開關部232-1採樣的讀取像素信號的保持電容(CS、CR)的保持電容部232-2；以及將由信號保持電容部232-2保持的讀取像素信號選擇地輸出至垂直信號線LSGN11(~14)的輸出部233(-1~-4)。
在本第一實施方式中，由光電轉換讀取部210讀取的像素信號VSL中包含讀取重置信號VRST以及讀取亮度信號VSIG。 因此，在本第一實施方式中，在自動調焦MDAF時從光電轉換讀取部210讀取的像素信號VSL11中包含：第1光電二極管PD11的積累電荷所對應的第1轉換增益讀取重置信號HCGRST1(或第2轉換增益讀取重置信號LCGRST1)以及第1轉換增益讀取亮度信號HCGSIG1(或第2轉換增益讀取亮度信號LCGSIG1)，還有第2光電二極管PD12的積累電荷所對應的第1轉換增益讀取重置信號HCGRST2(或第2轉換增益讀取重置信號LCGRST2)以及第1轉換增益讀取亮度信號HCGSIG2(或第2轉換增益讀取亮度信號LCGSIG2)。
另外，在攝像模式MDIC時從光電轉換讀取部210讀取的像素信號VLS12中包含：第1光電二極管PD11的積累電荷以及第2光電二極管PD12的積累電荷的合成電荷所對應的第1轉換增益讀取重置信號HCGRST11、第1轉換增益讀取亮度信號HCGSIG11，還有第2轉換增益讀取亮度信號LCGSIG11、以及第2轉換增益讀取重置信號LCGRST12。
讀取部70在攝像模式MDIC時，將浮置擴散層FD11、積累電容元件(積累電容)、第1光電二極管PD11、以及第2光電二極管PD12重置，使第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr為非導通狀態並開始曝光期間後，依序進行第1轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益信號讀取處理、第2轉換增益重置讀取處理、以及第2轉換增益信號讀取處理。
讀取部70在雙轉換增益讀取模式MDDCG時，將浮置擴散層FD11、積累電容元件(積累電容)、第1光電二極管PD11、以及第2光電二極管PD12重置，使第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr為非導通狀態並開始曝光期間後，依序進行第2轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益信號讀取處理、以及第2轉換增益信號讀取處理。
在本第一實施方式的固態攝像裝置10中，在作為像素信號儲存的信號保持部220中，以電壓模式，將像素信號以所有像素同時進行採樣，將第1至第4信號保持電容所保持的讀取信號所對應的轉換信號讀取到規定的信號線，並且，將讀取重置信號所對應的轉換信號同時並行地讀取到規定的信號線，並提供給列讀取電路40。
以下，詳述固態攝像裝置10的各部構成以及功能的概要，特別是詳述像素部20的構成以及功能，以及其相關的讀取處理等。
(像素以及像素部20的構成) 圖3是表示本發明的第一實施方式的固態攝像裝置10的像素200的一例的電路圖。
配置於像素部20的像素200，如上述般，構成為包括光電轉換讀取部210以及信號保持部220。 本第一實施方式的像素部20，如後文詳述般，構成為第1基板110和第2基板120的堆疊型CMOS圖像傳感器，在本例中，如圖3所示，在第1基板110形成有光電轉換讀取部210，在第2基板120形成有信號保持部220。
像素200的光電轉換讀取部210構成為包含2個光電二極管(光電轉換元件)和1個像素內放大器。 具體來說，此光電轉換讀取部210包括例如作為第1光電轉換元件的第1光電二極管PD11、以及作為第2光電轉換元件的第2光電二極管PD12。 本第一實施方式的像素200的第1光電二極管PD11以及第2光電二極管PD12共享作為輸出節點ND1的浮置擴散層FD11。
第1光電二極管PD11以及第2光電二極管PD12，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷。 在第1光電二極管PD11和浮置擴散層FD11之間連接有作為第1傳輸元件的第1傳輸晶體管TG11-Tr。 在第2光電二極管PD12和浮置擴散層FD11之間連接有作為第2傳輸元件的第2傳輸晶體管TG12-Tr。
光電轉換讀取部210，對於一個作為輸出節點ND1的浮置擴散層FD11，分別具有：一個作為重置元件的重置晶體管RST11-Tr、一個作為源極隨耦元件的源極隨耦晶體管SF11-Tr、一個作為電流源元件的電流晶體管IC11-Tr、一個作為積累連接元件的積累晶體管SG11-Tr、一個作為積累電容元件的積累電容CS11、以及讀取節點ND2。
而且，在本第一實施方式中，構成有包含源極隨耦晶體管SF11-Tr、電流晶體管IC11-Tr、以及讀取節點ND2的作為輸出緩衝部的轉換信號讀取部211。 另外，構成有包含積累晶體管SG11-Tr、以及作為積累電容元件的積累電容CS11的增益切換部212。
本第一實施方式的光電轉換讀取部210的轉換信號讀取部211的讀取節點ND2經由內部信號線LSGN1連接至信號保持部220的輸入部。 轉換信號讀取部211，將作為輸出節點的浮置擴散層FD11的電荷轉換為電荷量所對應的電壓信號，將轉換後的電壓信號VSL輸出至信號保持部220。
第1光電二極管PD11以及第2光電二極管PD12產生並積累與入射光量相應量的信號電荷(在此為電子)。 以下，對信號電荷為電子，且各晶體管為n型晶體管的情況進行說明，但信號電荷也可為空穴(hole)，各晶體管也可為p型晶體管。 另外，本實施方式在多個(3以上)光電二極管以及傳輸晶體管之間共享各晶體管的情況下也有效。
在各像素200中，使用嵌入式光電二極管(PPD)作為光電二極管(PD)。 在形成光電二極管(PD)的基板表面，存在由懸掛鍵等缺陷引起的界面態，因此，會因熱能而產生大量的電荷(暗電流) ，導致無法讀取正確的信號。 嵌入式光電二極管(PPD)中，通過將光電二極管(PD)的電荷積累部嵌入在基板內，可減少暗電流混入信號的情況。
光電轉換讀取部210的第1傳輸晶體管TG11-Tr，被連接在第1光電二極管PD11和浮置擴散層FD11之間，受到通過控制線施加於柵極的控制信號TG1控制。 第1傳輸晶體管TG11-Tr，在控制信號TG1為高(H)位準的傳輸期間PT被選擇而成為導通狀態，將由第1光電二極管PD11光電轉換並積累的電荷(電子)傳輸至浮置擴散層FD11。
光電轉換讀取部210的第2傳輸晶體管TG12-Tr，被連接在第2光電二極管PD12和浮置擴散層FD12之間，受到通過控制線施加於柵極的控制信號TG2控制。 第2傳輸晶體管TG12-Tr，在控制信號TG2為高(H)位準的傳輸期間PT被選擇而成為導通狀態，將由第2光電二極管PD12光電轉換並積累的電荷(電子)傳輸至浮置擴散層FD11。
再者，光電二極管PD11、PD12以及浮置擴散層FD11被重置為規定的重置電位後，傳輸晶體管TG11-Tr、TG12-Tr成為控制信號TG為低(L)位準的非導通狀態，光電二極管PD11、PD12為積累期間PI，但此時，在入射光的強度(量)非常高的情況下，超過飽和電荷量的電荷會通過傳輸晶體管TG11-Tr、TG12-Tr下的溢流路徑，作為溢流電荷而溢出至浮置擴散層FD11。 另外，在非常高照度的情況下，例如超過浮置擴散層FD11的飽和電荷量的電荷會通過積累晶體管SG11-Tr下的溢流路徑，作為溢流電荷而溢出至積累電容CS11側。
重置晶體管RST11-Tr，被連接在電源電壓VDD的電源線Vdd和浮置擴散層FD11之間，受到通過控制線施加於柵極的控制信號RST控制。 重置晶體管RST11-Tr，在控制信號RST為H位準的重置期間被選擇而成為導通狀態，將浮置擴散層FD11重置為電源電壓VDD的電源線Vdd的電位。
積累晶體管SG11-Tr，被連接在浮置擴散層FD11和重置晶體管RST11-Tr之間，在其連接節點ND3和基準電位VSS之間連接有積累電容CS11。 積累晶體管SG11-Tr受到通過控制線施加於柵極的控制信號SG控制。 積累晶體管SG11-Tr，在控制信號SG為H位準的重置期間被選擇而成為導通狀態，將浮置擴散層FD11與積累電容CS11連接。
作為源極隨耦元件的源極隨耦晶體管SF11-Tr的源極連接至讀取節點ND2，汲極側連接至電源線Vdd，柵極連接至浮置擴散層FD11。 在讀取節點ND2和基準電位VSS(例如GND)之間連接有作為電流源元件的電流晶體管IC11-Tr的汲極、源極。電流晶體管IC11-Tr的柵極連接至控制信號VBNPIX的供應線。 而且，讀取節點ND2與信號保持部220的輸入部之間的內部信號線LSGN1，由作為電流源元件的電流晶體管IC11-Tr驅動。
接著，說明本第一實施方式的光電轉換讀取部的簡略剖面構造。 再者，在此說明第1光電二極管PD11側的結構例以作為一個例子。
(光電轉換讀取部(讀取像素)210的具體的結構例) 圖4是表示本發明的第一實施方式的光電轉換讀取部的主要部份的結構例的簡略剖視圖。 再者，在此包含嵌入式光電二極管(PPD)的讀取像素以符號2000表示。
圖4的讀取像素2000包括具有光L所照射的第1基板面2110側(例如背面側)和與第1基板面2110側相對側的第2基板面2120側(前面側)的半導體基板(以下僅稱為基板)2100。 讀取像素2000包括：作為具有已受光的光的光電轉換功能以及電荷積累功能的第1光電二極管PD11(或第2光電二極管PD12)的光電轉換部2200，其具有形成為對基板2100嵌入的第1導電型(在本實施方式中為n型)半導體層(n層)2210；及至少形成在光電轉換部2200的n層(第1導電型半導體層)2210的側部的第2導電型(在本實施方式中為p型)半導體層2300。 另外，光電轉換部2200的n層(第1導電型半導體層)2210形成為：使得n型離子的雜質濃度具有從第1基板面2110側向第2基板面2120側階狀變濃的濃度梯度。
而且，讀取像素2000包括：可傳輸光電轉換部2200所積累的電荷的傳輸晶體管TG11-Tr、通過傳輸晶體管TG11-Tr而被傳輸電荷的浮置擴散層FD11、源極連接至浮置擴散層FD11的積累晶體管SG11-Tr、作為經過積累晶體管SG11-Tr的汲極側積累來自浮置擴散層FD11的電荷的積累電容元件的積累電容CS11。 在讀取像素2000中，積累電容元件即積累電容CS11形成為：在第2基板面2120側，在對基板面正交方向(圖中的正交坐標系的Z方向)有與光電轉換部2200在空間上重疊的部分。
而且，在光電轉換部2200中，在n層(第1導電型半導體層)2220的第2基板面2120側的表面形成了雜質濃度比側部的p層(第2導電型半導體層)2300更濃的第2導電型半導體區域(p+區域)2230。 而且，積累電容元件即積累電容CS11，其在第2基板面2120側的p層(第2導電型半導體層)2300的表面所形成的n+區域(第1導電型半導體區域)2240作為第1電極EL1而被共用。
也就是說，在本第一實施方式中，積累電容元件即積累電容CS11構成為包括：在基板2100的第2基板面2120的表面形成的n+區域(第1導電型半導體區域)2240所形成的第1電極EL1；以及形成為在第2基板面2120上的與基板面正交方向上隔著規定的間隔與第1電極EL1相對的第2電極EL2。
在本第一實施方式中，在光電轉換部2200的n層(第1導電型半導體層)2210以及p層(第2導電型半導體層)2300的第1基板面2110側的表面形成有平坦層2250。 再者，在此平坦層2250的光入射側，形成了濾色器部CF，而且，在濾色器部的光入射側，以相應於作為光電二極管PD11的光電轉換部2200以及p層(第2導電型半導體層)2300的方式形成微透鏡MCL。
在本第一實施方式中，對於基板2100的第2基板面2120的圖中的右側區域的p層(第1導電型半導體層)2320，形成傳輸晶體管TG11-Tr、浮置擴散層FD11、以及積累晶體管SG11-Tr。
浮置擴散層FD11，在基板2100的第2基板面2120的表面，形成為雜質濃度比光電轉換部2200的n層(第1導電型半導體層)2210、2220更濃的n+區域(第1導電型半導體區域)2330。
積累晶體管SG11-Tr的與積累電容CS11的電容連接節點ND11，在基板2100的第2基板面2120的表面，形成為雜質濃度比光電轉換部2200的n層(第1導電型半導體層)2210、2220更濃的n+區域(第1導電型半導體區域)2340。 作為節點ND11的n+區域2340經過配線層WR1連接至積累電容CS1的第2電極EL2。
傳輸晶體管TG11-Tr形成為包括柵極電極2510，其配置於p+區域(第2導電型半導體區域)2230與作為浮置擴散層FD11的n+區域(第1導電型半導體區域)2330之間的基板2100的第2基板面2120上。
積累晶體管SG11-Tr形成為包括柵極電極2520，其配置於作為浮置擴散層FD11的n+區域(第1導電型半導體區域)2330與作為電容連接節點ND11的n+區域(第1導電型半導體區域)2340之間的基板2100的第2基板面2120上。
而且，在本第一實施方式中，形成了嵌入式溢流路徑(OVFP)2600，其連接至光電轉換部2200的n層2220的上層側(p+層2230側)，能將光電轉換部2200的溢流電荷傳輸至浮置擴散層FD11，再傳輸至與積累電容CS11的電容連接節點ND11。 嵌入式溢流路徑2600形成為：在傳輸晶體管TG11-Tr的柵極電極2510下的信道形成的下層、作為浮置擴散層FD11的n+區域(第1導電型半導體區域)2330的下層、在積累晶體管SG11-Tr的柵極電極2520下的信道形成區域的下層、以及作為電容連接節點ND11的n+區域(第1導電型半導體區域)2340的下層部分連通。 嵌入式溢流路徑2600由光電轉換部2200的n層2220的雜質濃度低的n-層所形成。
像這樣，在本第一實施方式的讀取像素2000中，形成了嵌入式溢流路徑2600，其連接至光電轉換部2200的n層2220的上層側(p+層2230側)，能將光電轉換部2200的溢流電荷傳輸至浮置擴散層FD11、再傳輸至與積累電容CS11的電容連接節點ND11。因此，在曝光期間中，通過使傳輸晶體管TG11-Tr始終OFF(非導通狀態)，能夠抑制在傳輸晶體管TG11-Tr下的矽界面的暗電流產生，同時使電荷溢流。
另外，在本第一實施方式的讀取像素2000中，積累電容元件即積累電容CS11構成為包括：第1電極EL1，以在第2基板面2120側，在與基板面正交方向(圖中的正交坐標系的Z方向)有與光電轉換部2200在空間上重疊的部分的方式，由在基板2100的第2基板面2120的表面形成的n+區域(第1導電型半導體區域)2240形成；以及形成為在第2基板面2120上的與基板面正交方向上隔著規定間隔與第1電極EL1相對的第2電極EL2。 因此，即使將積累電容CS11的電容設定得大，也能夠防止光電二極管PD11孔徑下降、靈敏度降低的情況，並且，即使將光電二極管PD11的受光面積設定得大，積累電容CS11的佔有面積也變小，結果能夠防止動態範圍降低。 也就是說，依據本第一實施方式，能同時實現高動態範圍化以及高靈敏度化。
而且，在具有如以上說明的構成的讀取像素(光電轉換讀取部)2000中，構成為1個像素有2個光電轉換元件，即第1光電二極管PD11以及第2光電二極管PD12。 在本第一實施方式中，為了獲得自動調焦(AF)的相位差信息，構成為，相鄰形成第1光電二極管PD11以及第2光電二極管PD12並共享微透鏡MCL，光通過1個微透鏡MCL入射到第1光電二極管PD11以及第2光電二極管PD12的光電轉換區域。
圖5(A)以及(B)是表示本第一實施方式的2個光電二極管的第1配置例的圖。 圖6(A)以及(B)是表示本發明的第一實施方式的2個光電二極管的第2配置例的圖。 圖5以及圖6的(A)表示平面圖，圖5以及圖6的(B)表示簡略剖視圖。
在本發明的第一實施方式中，如圖5以及圖6所示，連接有第1傳輸晶體管TG11-Tr的第1光電二極管PD11的第1光電轉換區域2210-1、及連接有第2傳輸晶體管TG12-Tr的第2光電二極管PD12的第2光電轉換區域2210-2配置為，例如夾住浮置擴散層FD11，第1傳輸晶體管TG11-Tr和第2傳輸晶體管TG12-Tr相對並在像素配列的行方向或列方向或者斜方向相鄰。 而且，作為積累電容元件的積累電容CS11-1、CS12配置為與第1光電轉換區域2210-1以及第2光電轉換區域2210-2並列。
圖7(A)以及(B)是表示本發明第一實施方式的在連接到2個光電二極管PD11、PD12中的各個的第1傳輸晶體管TG11-Tr以及第2傳輸晶體管TG12-Tr的下層區域中分別形成嵌入式溢流路徑2600-1、2600-2的光電轉換讀取部210的形成例的圖。 圖7的(A)表示等效電路，圖7的(B)表示簡略剖視圖。
圖7的光電轉換讀取部210包括第1溢流路徑2600-1，其形成於比第1傳輸晶體管TG11-Tr的柵極電極2510下的信道形成區域更深的層，能使從第1光電二極管PD11溢出的電荷向浮置擴散層FD11的形成區域方向溢流。 而且，光電轉換讀取部210包括第2溢流路徑2600-2，其形成於比第2傳輸晶體管TG12-Tr的柵極電極2510下的信道形成區域更深的層，能使從第2光電二極管PD12溢出的電荷向浮置擴散層FD11的形成區域方向溢流。
像這樣，在本第一實施方式中，光電轉換讀取部210，在連接到2個光電二極管PD11、PD12的各個的第1傳輸晶體管TG11-T以及第2傳輸晶體管TG12-Tr的下層區域中，分別形成嵌入式溢流路徑2600-1、2600-2。 結果，依據本第一實施方式，通過位於第1光電二極管PD11以及第2光電二極管PD12的下層的溢流路徑2600-1、2600-2，能將溢流電荷確實地積累在浮置擴散層的FD11、積累電容CS11。
像素200的信號保持部220，如圖3所示，由採樣保持電路230所構成。 採樣保持電路230基本上構成為包括：有輸入節點ND22的輸入部231、採樣保持部232、輸出部233、以及保持節點ND23、ND24、ND25、ND26。
輸入部231，經過內部信號線LSGN1與光電轉換讀取部210的讀取節點ND2連接，將從讀取節點ND2輸出的讀取信號(VSIG)以及讀取重置信號(VRST)輸入到採樣保持部232。
採樣保持部222構成為包括：作為第1開關元件的第1採樣晶體管SHR1-Tr、作為第2開關元件的第2採樣晶體管SHS1-Tr、作為第3開關元件的第3採樣晶體管SHR2-Tr、作為第4開關元件的第4採樣晶體管SHS2-Tr、第1信號保持電容CR21、第2信號保持電容CS21、第3信號保持電容CR22、第4信號保持電容CS22。
第1採樣晶體管SHR1-Tr，連接在連接到內部信號線LSGN1的輸入節點ND22與保持節點ND23之間。 第1採樣晶體管SHR1-Tr，在全域快門期間或信號保持電容的清除期間，將採樣保持部232的第1信號保持電容CR21經由保持節點ND23選擇性地連接到光電轉換讀取部210的讀取節點ND2。 第1採樣晶體管SHR1-Tr在例如控制信號SHR1為高位準的期間內為導通狀態。 第1信號保持電容CR21連接在保持節點ND23與基準電位VSS之間。
第2採樣晶體管SHS1-Tr，連接在連接到內部信號線LSGN1的輸入節點ND22與保持節點ND24之間。 第2採樣晶體管SHS1-Tr，在全域快門期間或信號保持電容的清除期間，將採樣保持部232的第2信號保持電容CS21經由保持節點ND24選擇性地連接到光電轉換讀取部210的讀取節點ND2。 第2採樣晶體管SHS1-Tr，在例如控制信號SHS1為高位準的期間為導通狀態。 第2信號保持電容CS21連接在保持節點ND24與基準電位VSS之間。
第3採樣晶體管SHR2-Tr，連接在連接到內部信號線LSGN1的輸入節點ND22與保持節點ND25之間。 第3採樣晶體管SHR2-Tr，在全域快門期間或信號保持電容的清除期間，將採樣保持部232的第3信號保持電容CR22經由保持節點ND25選擇性地連接到光電轉換讀取部210的讀取節點ND2。 第3採樣晶體管SHR2-Tr，在例如控制信號SHR2為高位準的期間為導通狀態。 第3信號保持電容CR22連接在保持節點ND25與基準電位VSS之間。
第4採樣晶體管SHS2-Tr，連接在連接到內部信號線LSGN1的輸入節點ND22與保持節點ND26之間。 第4採樣晶體管SHS2-Tr，在全域快門期間或信號保持電容的清除期間，將採樣保持部232的第4信號保持電容CS22經由保持節點ND26選擇性地連接到光電轉換讀取部210的讀取節點ND2。 第4採樣晶體管SHS2-Tr，在例如控制信號SHS2為高位準的期間為導通狀態。 第4信號保持電容CS22連接在保持節點ND26與基準電位VSS之間。
再者，第1採樣晶體管SHR1-Tr、第2採樣晶體管SHS1-Tr、第3採樣晶體管SHR2-Tr、以及第4採樣晶體管SHS2-Tr由MOS晶體管形成，例如p溝道MOS(PMOS)晶體管。
輸出部233構成為包括：第1輸出部233-1、第2輸出部233-2、第3輸出部233-3、以及第4輸出部233-4。
第1輸出部233-1包括作為在全域快門期間內，基本上將第1信號保持電容CR21所保持的信號相應於保持電壓輸出的第2源極隨耦元件的源極隨耦晶體管SF2R-Tr，將保持的信號經由選擇晶體管SEL1R-Tr選擇性地輸出到垂直信號線LSGN11。
源極隨耦晶體管SF2R-Tr和選擇晶體管SEL1R-Tr，串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN11之間。
在源極隨耦晶體管SF2R-Tr的柵極連接有保持節點ND23，選擇晶體管SEL1R-Tr受到通過控制線施加於柵極的控制信號SEL1控制。 選擇晶體管SEL1R-Tr，在控制信號SEL1為H位準的選擇期間被選擇而成為導通狀態。由此，源極隨耦晶體管SF2R-Tr將第1信號保持電容CR21的保持電壓相應的列輸出的讀取電壓(VRST)輸出到垂直信號線LSGN11。
第2輸出部233-2包括作為在全域快門期間內，基本上將第2信號保持電容CS21所保持的信號相應於保持電壓輸出的第3源極隨耦元件的源極隨耦晶體管SF3S-Tr，將保持的信號經由選擇晶體管SEL2S-Tr選擇性地輸出到垂直信號線LSGN12。
源極隨耦晶體管SF3S-Tr和選擇晶體管SEL2S-Tr，串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN12之間。
在源極隨耦晶體管SF3S-Tr的柵極連接有保持節點ND24，選擇晶體管SEL2S-Tr受到通過控制線施加於柵極的控制信號SEL2控制。 選擇晶體管SEL2S-Tr，在控制信號SEL2為H位準的選擇期間被選擇而成為導通狀態。由此，源極隨耦晶體管SF3S-Tr將第2信號保持電容CS21的保持電壓相應的列輸出的讀取電壓(VSIG)輸出到垂直信號線LSGN12。
第3輸出部233-3包括作為在全域快門期間內，基本上將第3信號保持電容CR22所保持的信號相應於保持電壓輸出的第4源極隨耦元件的源極隨耦晶體管SF4R-Tr，將保持的信號經由選擇晶體管SEL3R-Tr選擇性地輸出到垂直信號線LSGN13。
源極隨耦晶體管SF4R-Tr和選擇晶體管SEL3R-Tr，串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN13之間。
在源極隨耦晶體管SF4R-Tr的柵極連接有保持節點ND25，選擇晶體管SEL3R-Tr受到通過控制線施加於柵極的控制信號SEL3控制。 選擇晶體管SEL3R-Tr，在控制信號SEL3為H位準的選擇期間被選擇而成為導通狀態。由此，源極隨耦晶體管SF4R-Tr將第3信號保持電容CR22的保持電壓相應的列輸出的讀取電壓(VRST)輸出到垂直信號線LSGN13。
第4輸出部233-4包括作為在全域快門期間內，基本上將第4信號保持電容CS22所保持的信號相應於保持電壓輸出的第5源極隨耦元件的源極隨耦晶體管SF5S-Tr，將保持的信號經由選擇晶體管SEL4S-Tr選擇性地輸出到垂直信號線LSGN14。
源極隨耦晶體管SF5S-Tr和選擇晶體管SEL4S-Tr，串聯連接在基準電位VSS與垂直信號線LSGN14之間。
在源極隨耦晶體管SF5S-Tr的柵極連接有保持節點ND26，選擇晶體管SEL4S-Tr受到通過控制線施加於柵極的控制信號SEL4控制。 選擇晶體管SEL4S-Tr，在控制信號SEL4為H位準的選擇期間被選擇而成為導通狀態。由此，源極隨耦晶體管SF5S-Tr將第4信號保持電容CS22的保持電壓相應的列輸出的讀取電壓(VSIG)輸出到垂直信號線LSGN14。
像這樣，在本第一實施方式的固態攝像裝置10中，在作為像素信號儲存的信號保持部220中，以電壓模式，將像素信號以所有像素同時進行採樣，將第1信號保持電容CR21、第2信號保持電容CS21、第3信號保持電容CR22、第4信號保持電容CS22所保持的讀取信號所對應的轉換信號讀取到垂直信號線LSGN11~14，並提供給列讀取電路40。
在像素部20中，所有像素同時使用重置晶體管RST11-Tr和傳輸晶體管TG11-Tr、TG12-Tr將光電二極管重置，從而所有像素同時並行地開始曝光。另外，規定的曝光期間結束後，使用傳輸晶體管TG11-Tr(TG12-Tr)將來自光電轉換讀取部210的輸出信號以信號保持部220採樣，從而所有像素同時並行地結束曝光。由此，以電子方式實現完全的快門動作。
垂直掃描電路30，相應於時序控制電路60的控制，在快門行以及讀取行中通過掃描控制線進行像素200的光電轉換讀取部210以及信號保持部220的驅動。 另外，垂直掃描電路30，依據地址信號，輸出進行信號讀取的讀取行、以及將光電二極管PD所積累的電荷重置的快門行的行地址的行選擇信號。
列讀取電路40可以構成為包括對應於像素部20的各列輸出而配置的多個列(column)信號處理電路(未圖示)，能以多個列信號處理電路進行列並聯處理。 列讀取電路40，在全域快門模式時，在垂直信號線LSGN11~14，對從像素200的信號保持部220讀取的差分像素信號Pixout(VSL)進行放大處理以及AD轉換處理。
在此，像素信號Pixout(VSL)為像素讀取信號，包含在全域快門模式時從像素(在本例中為像素200的光電轉換讀取部210、還有信號保持部220)依序讀取的讀取信號VSIG以及讀取重置信號VRST。
在本第一實施方式的固態攝像裝置10中，列讀取電路40被形成為不論動作模式還是讀取信號的信號形態(單端或差分等信號)都能在一個電路構成中共享。
列讀取電路40構成為包括例如放大器(AMP，增幅器)以及ADC(模擬數位轉換器;AD轉換器)。
水平掃描電路50，將由列讀取電路40的ADC等的多個列信號處理電路處理後的信號掃描並傳輸到水平方向，輸出到未圖示的信號處理電路。
時序控制電路60，產生像素部20、垂直掃描電路30、讀取電路40、水平掃描電路50等信號處理必須的時序信號。
讀取部70，能進行在自動調焦模式MDAF、攝像模式MDIC、以及雙轉換增益讀取模式MDDCG下的像素信號VSL的讀取處理。 讀取部70，在自動調焦模式MDAF時，執行讀取控制，使得第1傳輸晶體管TG11-Tr和第2傳輸晶體管TG12-Tr於不同的傳輸期間保持為導通狀態，將第1光電二極管PD11的積累電荷和第2光電二極管PD12的積累電荷所對應的像素信號的讀取處理依據第1轉換增益HCG或第2轉換增益LCG分別進行。 讀取部70，在攝像模式MDIC時以及雙轉換增益讀取模式MDDCG時，執行讀取控制，使得第1傳輸晶體管TG11-Tr和第2傳輸晶體管TG12-Tr於相同的傳輸期間保持導通狀態，將第1光電二極管PD11的積累電荷和第2光電二極管PD12的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據第1轉換增益HCG進行，接著依據第2轉換增益LCG進行。
讀取部70，在攝像模式MDIC時，將浮置擴散層FD11、積累電容元件(積累電容)、第1光電二極管PD11、以及第2光電二極管PD12重置，使第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr為非導通狀態並開始曝光期間後，依序進行第1轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益信號讀取處理、第2轉換增益重置讀取處理、以及第2轉換增益信號讀取處理。
讀取部70，在雙轉換增益讀取模式MDDCG時，將浮置擴散層FD11、積累電容元件(積累電容)、第1光電二極管PD11、以及第2光電二極管PD12重置，使第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr為非導通狀態並開始曝光期間後，依序進行第2轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益信號讀取處理、以及第2轉換增益信號讀取處理。
(固態攝像裝置10的堆疊構造) 接著，說明本第一實施方式的固態攝像裝置10的堆疊構造。
本第一實施方式的固態攝像裝置10具有第1基板(上基板)110和第2基板(下基板)120的堆疊構造。 固態攝像裝置10被形成為，例如在晶圓級上進行貼合後，通過切割而切出的堆疊構造的攝像裝置。 在本例中，具有在第2基板120上堆疊有第1基板110的構造。
在第1基板110，形成有以其中央部為中心配列著像素部20的各像素200的光電轉換讀取部210的像素陣列。 像這樣，在本第一實施方式中，在第1基板110上，基本上以行列狀的方式形成有像素200的光電轉換讀取部210。
在第2基板120，形成有以其中央部為中心以矩陣狀的方式配置著與像素陣列的各光電轉換讀取部210的輸出節點ND2連接的各像素200的信號保持部220的保持部陣列，還有垂直信號線LSGN11~14。 保持部陣列可以完全由金屬配線層遮光。 另外，在保持部陣列的側部側可以形成有垂直掃描電路30用的區域、或者數位系統或輸出系統的區域。 另外，在第2基板120也可以形成有垂直掃描電路30、水平掃描電路50、以及時序控制電路60。
在這樣的堆疊構造中，第1基板110的像素陣列的各光電轉換讀取部210的讀取節點ND2和第2基板120的各像素200的信號保持部220的輸入節點ND22，例如圖2以及圖3所示，分別使用通孔(Die-to-Die Via)或微凸塊等來進行電氣連接。
(固態攝像裝置10的讀取動作) 以上，說明了固態攝像裝置10的各部份的特徵構成以及功能。 接著，說明本第一實施方式的固態攝像裝置10的自動調焦模式MDAF時、攝像模式MDIC時、以及雙轉換增益讀取模式MDDCG時的像素信號的讀取動作的概要。
圖8(A)~(J)是用以說明對本發明第一實施方式的固態攝像裝置的像素在自動調焦模式時的讀取序列的一例的時序圖。 圖9(A)以及(B)是表示在本第一實施方式的像素的自動調焦模式時的第1轉換增益(HCG)或第2轉換增益(LCG)的讀取狀態的一例的圖。 圖10(A)~(J)是用以說明對本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素在攝像模式時的讀取序列的一例的時序圖。 圖11(A)以及(B)是表示在本第一實施方式的像素的攝像模式時的第1轉換增益(HCG)以及第2轉換增益(LCG)的讀取狀態的一例的圖。 圖12(A)~(J)是用以說明對本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素在雙轉換增益讀取模式MDDCG時的讀取序列的一例的時序圖。
圖8、圖10以及圖12的(A)表示重置晶體管RST11-Tr的控制信號RST，圖8、圖10以及圖12的(B)表示積累晶體管SG11-Tr的控制信號SG，圖8、圖10以及圖12的(C)表示第1傳輸晶體管TG11-Tr的控制信號TG1，圖8、圖10以及圖12的(D)表示第2傳輸晶體管TG12-Tr的控制信號TG2。 圖8、圖10以及圖12的(E)表示第1採樣晶體管SHR1-Tr的控制信號SHR1，圖8、圖10以及圖12的(F)表示第2採樣晶體管SHS1-Tr的控制信號SHS1，圖8、圖10以及圖12的(G)表示第3採樣晶體管SHR2-Tr的控制信號SHR2，圖8、圖10以及圖12的(H)表示第4採樣晶體管SHS2-Tr的控制信號SHS2。 圖8、圖10以及圖12的(I)表示選擇晶體管SEL1R-Tr的控制信號SEL1以及選擇晶體管SEL2S-Tr的控制信號SEL2，圖8、圖10以及圖12的(J)表示選擇晶體管SEL3R-Tr的控制信號SEL3以及選擇晶體管SEL4S-Tr的控制信號SEL4。
(自動調焦模式時的讀取處理) 在自動調焦模式MDAF時，讀取部70將重置晶體管RST11-Tr、積累晶體管SG11-Tr、第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr在規定期間保持為導通狀態並將浮置擴散層FD11、積累電容CS11、第1光電二極管PD11、以及第2光電二極管PD12重置，使第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr為非導通狀態並開始曝光期間PEXP。 然後，讀取部70，在開始曝光期間PEXP後，將重置晶體管RST11-Tr、積累晶體管SG11-Tr在規定期間保持為導通狀態並將浮置擴散層FD11重置。 接著，將重置晶體管RST11-Tr切換為非導通狀態，並將積累晶體管SG11-Tr切換為非導通狀態，將浮置擴散層FD11的增益設定為由第1電容決定的第1轉換增益HCG。
接著，讀取部70就第1光電二極管PD11的積累電荷進行像素信號的讀取處理。 首先，由轉換信號讀取部211，在第1重置讀取期間，讀取第1讀取重置信號HCGRST1，其所讀取的第1讀取重置信號HCGRST1，經由內部信號線LSNG1被輸入信號保持部220，在第1採樣晶體管SHR1-Tr被採樣，並被保持在第1信號保持電容CR21。使用此保持信號，執行對第1讀取重置信號進行規定的處理的第1重置讀取處理。
接著，由轉換信號讀取部211，在第1重置讀取期間後的第1傳輸期間接續的第1讀取期間，讀取第1讀取亮度信號HCGSIG1，所讀取的第1讀取亮度信號HCGSIG1，經由內部信號線LSNG1被輸入信號保持部220，在第2採樣晶體管SHS1-Tr中被採樣，並被保持在第2信號保持電容CS21。使用此保持信號，進行對第1讀取亮度信號執行規定的處理的第1亮度信號讀取處理。
接著，讀取部70將重置晶體管RST11-Tr、積累晶體管SG11-Tr在規定期間保持為導通狀態並將浮置擴散層FD11重置。 接著，將重置晶體管RST11-Tr切換為非導通狀態，將積累晶體管SG11-Tr切換為非導通狀態，並將浮置擴散層FD11的增益設定為由第1電容決定的第1轉換增益HCG。
接著，讀取部70就第2光電二極管PD12的積累電荷進行像素信號的讀取處理。 由轉換信號讀取部211，在第2重置讀取期間，讀取第2讀取重置信號HCGRST2，所讀取的第2讀取重置信號HCGRST2，經由內部信號線LSNG1而被輸入信號保持部220，在第3採樣晶體管SHR2-Tr被採樣，並被保持在第3信號保持電容CR22。使用此保持信號，進行對第2讀取重置信號執行規定的處理的第2重置讀取處理。
接著，通過轉換信號讀取部211，在第2重置讀取期間後的第2傳輸期間接續的第2讀取期間，讀取第2讀取亮度信號HCGSIG2，所讀取的第2讀取亮度信號HCGSIG2，經由內部信號線LSNG1而被輸入信號保持部220，在第4採樣晶體管SHS2-Tr被採樣，並被保持在第4信號保持電容CS22。使用此保持信號，進行對第2讀取亮度信號執行規定的處理的第2亮度信號讀取處理。
(攝像模式時的讀取處理) 接著，說明攝像模式MDIC時的讀取處理。 在攝像模式MDIC時，讀取部70將重置晶體管RST11-Tr、積累晶體管SG11-Tr、第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr在規定期間保持為導通狀態並將浮置擴散層FD11、積累電容CS11、第1光電二極管PD11、以及第2光電二極管PD12重置，使第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr為非導通狀態並開始曝光期間PEXP。 然後，讀取部70在開始曝光期間PEXP後，將重置晶體管RST11-Tr、積累晶體管SG11-Tr在規定期間保持為導通狀態並將浮置擴散層FD11重置。 接著，將重置晶體管RST11-Tr切換為非導通狀態，並且將積累晶體管SG11-Tr切換為非導通狀態，將浮置擴散層FD11的增益設定為由第1電容決定的第1轉換增益HCG。
讀取部70，在攝像模式MDIC時，就第1光電二極管PD11的積累電荷以及第2光電二極管PD12的積累電荷的合成電荷進行依據第1轉換增益HCG以及第2轉換增益LCG的像素信號的讀取處理。
首先，由轉換信號讀取部211，在第1重置讀取期間，讀取第1讀取重置信號HCGRST，其所讀取的第1讀取重置信號HCGRST經由內部信號線LSNG1被輸入信號保持部220，在第1採樣晶體管SHR1-Tr被採樣，被保持在第1信號保持電容CR21。使用此保持信號，執行對第1讀取重置信號進行規定的處理的第1重置讀取處理。
接著，由轉換信號讀取部211，在第1重置讀取期間後的第1傳輸期間內控制信號TG1、TG2被切換為高位準且第1傳輸晶體管TG11-Tr以及第2傳輸晶體管TG12-Tr被保持為導通狀態，第1光電二極管PD11的積累電荷以及第2光電二極管PD12的積累電荷被傳輸到浮置擴散層FD11。第1傳輸期間後，控制信號TG1、TG2被切換為低位準，且第1傳輸晶體管G11-Tr以及第2傳輸晶體管TG12-Tr被切換為非導通狀態。 然後，在第1重置讀取期間後的第1傳輸期間接續的第1讀取期間，讀取第1讀取亮度信號HCGSIG，所讀取的第1讀取亮度信號HCGSIG，經由內部信號線LSNG1被輸入到信號保持部220，在第2採樣晶體管SHS1-Tr被採樣，並被保持在第2信號保持電容CS21。使用此保持信號，執行對第1讀取亮度信號進行規定的處理的第1亮度信號讀取處理。
接著，讀取部70將積累晶體管SG11-Tr切換為導通狀態，使積累電容CS11與浮置擴散層FD11連接。 由此，浮置擴散層FD11的電荷與積累電容CS11的電荷被共享且浮置擴散層FD11的增益被切換為由第2電容決定的第2轉換增益LCG。
接著，由轉換信號讀取部211，在第1讀取期間後的第2傳輸期間內控制信號TG1、TG2被切換為高位準且第1傳輸晶體管TG11-Tr以及第2傳輸晶體管TG12-Tr被保持為導通狀態，第1光電二極管PD11的積累電荷以及第2光電二極管PD12的積累電荷被傳輸到浮置擴散層FD11。第2傳輸期間後，控制信號TG1、TG2被切換為低位準，且第1傳輸晶體管TG11-Tr以及第2傳輸晶體管TG12-Tr被切換為非導通狀態。 然後，在第2傳輸期間接續的第2讀取期間，讀取第2讀取亮度信號LCGSIG，所讀取的第2讀取亮度信號LCGSIG，經由內部信號線LSNG1被輸入到信號保持部220，在第4採樣晶體管SHS2-Tr被採樣，並被保持在第4信號保持電容CS22。使用此保持信號，執行對第2讀取亮度信號進行規定的處理的第2亮度信號讀取處理。
接著，在第2讀取期間後，讀取部70將重置晶體管RST11-Tr在規定期間保持為導通狀態並將浮置擴散層FD11重置。 接著，重置晶體管RST11-Tr被切換為非導通狀態。 然後，由轉換信號讀取部211，在第2讀取期間，讀取第2讀取重置信號LCGRST，所讀取的第2讀取重置信號LCGRST，經由內部信號線LSNG1被輸入到信號保持部220，在第4採樣晶體管SHR2-Tr被採樣，並被保持在第3信號保持電容CR22。使用此保持信號，執行對第2讀取重置信號進行規定的處理的第2重置信號讀取處理。
(雙轉換增益讀取模式時的讀取處理) 接著，說明雙轉換增益讀取模式MDDCG時的讀取處理。 在雙轉換增益讀取模式MDDCG時，讀取部70將重置晶體管RST11-Tr、積累晶體管SG11-Tr、第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr在規定期間保持為導通狀態並將浮置擴散層FD11、積累電容CS11、第1光電二極管PD11、以及第2光電二極管PD12重置，使第1傳輸晶體管TG11-Tr、以及第2傳輸晶體管TG12-Tr為非導通狀態並開始曝光期間PEXP。 然後，讀取部70，在開始曝光期間PEXP後，將重置晶體管RST11-Tr、積累晶體管SG11-Tr在規定期間保持為導通狀態並將浮置擴散層FD11重置。 接著，將重置晶體管RST11-Tr切換為非導通狀態，並將積累晶體管SG11-Tr保持為導通狀態，將浮置擴散層FD11的增益設定為由第2電容決定的第2轉換增益LCG。
讀取部70，在雙轉換增益讀取模式MDDCG時，就第1光電二極管PD11的積累電荷以及第2光電二極管PD12的積累電荷的合成電荷進行依據第1轉換增益HCG以及第2轉換增益LCG的像素信號的讀取處理。
首先，由轉換信號讀取部211，在第1重置讀取期間，讀取第2讀取重置信號LCGRST，所讀取的第2讀取重置信號LCGRST，經由內部信號線LSNG1被輸入信號保持部220，在第1採樣晶體管SHR1-Tr被採樣，並被保持在第1信號保持電容CR21。使用此保持信號，執行對第2讀取重置信號進行規定的處理的第2重置讀取處理。
接著，將積累晶體管SG11-Tr切換為非導通狀態，將浮置擴散層FD11的增益設定為由第1電容決定的第1轉換增益HCG。 接著，由轉換信號讀取部211，在第2重置讀取期間，讀取第1讀取重置信號HCGRST，所讀取的第1讀取重置信號HCGRST，經由內部信號線LSNG1被輸入信號保持部220，在第2採樣晶體管SHS1-Tr被採樣，被保持在第21信號保持電容CR21。使用此保持信號，執行對第2讀取重置信號進行規定的處理的第1重置讀取處理。
接著，由轉換信號讀取部211，在第2重置讀取期間後的第1傳輸期間內控制信號TG1、TG2被切換為高位準且第1傳輸晶體管TG11-Tr以及第2傳輸晶體管TG12-Tr被保持為導通狀態，第1光電二極管PD11的積累電荷以及第2光電二極管PD12的積累電荷被傳輸到浮置擴散層FD11。第1傳輸期間後，控制信號TG1、TG2被切換為低位準，且第1傳輸晶體管TG11-Tr以及第2傳輸晶體管TG12-Tr被切換為非導通狀態。 然後，在第2重置讀取期間後的第1傳輸期間接續的第1讀取期間，讀取第1讀取亮度信號HCGSIG，所讀取的第1讀取亮度信號HCGSIG，經由內部信號線LSNG1被輸入信號保持部220，在第3採樣晶體管SHR2-Tr被採樣，並被保持在第3信號保持電容CR22。使用此保持信號，執行對第1讀取亮度信號進行規定的處理的第1亮度信號讀取處理。
接著，讀取部70，將積累晶體管SG11-Tr切換為導通狀態，將積累電容CS11與浮置擴散層FD11連接。 由此，浮置擴散層FD11的增益被切換為由第2電容決定的第2轉換增益LCG。
接著，由轉換信號讀取部211，在第1讀取期間後的第2傳輸期間內控制信號TG1、TG2被切換為高位準且第1傳輸晶體管TG11-Tr以及第2傳輸晶體管TG12-Tr被保持為導通狀態，第1光電二極管PD11的積累電荷以及第2光電二極管PD12的積累電荷被傳輸到浮置擴散層FD11。第2傳輸期間後，控制信號TG1、TG2被切換為低位準，第1傳輸晶體管TG11-Tr以及第2傳輸晶體管TG12-Tr被切換為非導通狀態。 然後，在第2傳輸期間接續的第2讀取期間，讀取第2讀取亮度信號LCGSIG，所讀取的第2讀取亮度信號LCGSIG，經由內部信號線LSNG1被輸入到信號保持部220，在第4採樣晶體管SHS2-Tr被採樣，被保持在第4信號保持電容CS22。使用此保持信號，執行對第2讀取亮度信號進行規定的處理的第2亮度信號讀取處理。
如以上說明，依據本第一實施方式，固態攝像裝置10，在像素部20以行列狀配置的像素200包括光電轉換讀取部210以及信號保持部220，具有全域快門(GS)的動作功能、自動調焦(AF)功能。 光電轉換讀取部210包括：作為在積累期間積累由光電轉換生成的電荷的第1光電轉換元件的第1光電二極管PD11、作為在積累期間積累由光電轉換生成的電荷的第2光電轉換元件的第2光電二極管PD12、以及至少將光入射到第1光電二極管PD11以及第2光電二極管PD12的光電轉換區域的一個微透鏡。
在本第一實施方式中，光電轉換讀取部210包括：作為可將積累在第1光電二極管PD11的電荷在積累期間後的傳輸期間傳輸的第1傳輸元件的第1傳輸晶體管TG11-Tr；作為可將積累在第2光電二極管PD12的電荷在積累期間後的傳輸期間傳輸的第2傳輸元件的第2傳輸晶體管TG12-Tr；以及浮置擴散層FD11，其被傳輸有後述兩者當中的至少一方的積累電荷，即，通過第1傳輸晶體管TG11-Tr的第1光電二極管PD11所積累的電荷、以及、通過第2傳輸晶體管TG12-Tr的第2光電二極管PD12所積累的電荷。 而且，光電轉換讀取部210構成為包括轉換信號讀取部211，將浮置擴散層FD11的電容變更為第1電容或第2電容並將轉換增益切換為由第1電容決定的第1轉換增益(例如高增益返還：HCG)或由第2電容決定的第2轉換增益(例如低增益轉換：LCG)，將依據轉換增益轉換的電壓信號放大並輸出至內部信號線LSGN1。
而且，在讀取部70的控制下可在自動調焦模式MDAF、攝像模式MDIC、以及雙轉換增益讀取模式MDDCG下進行像素信號VSL的讀取處理。 轉換信號讀取部211，依據讀取部70的驅動控制，在自動調焦模式MDAF時以及雙轉換增益讀取模式MDDCG，將第1傳輸晶體管TG11-Tr和第2傳輸晶體管TG12-Tr在不同的傳輸期間保持為導通狀態，將第1光電二極管PD11的積累電荷和第2光電二極管PD12的積累電荷所對應的像素信號的讀取處理依據第1轉換增益HCG或第2轉換增益LCG分別進行。 另外，轉換信號讀取部211，依據讀取部70的驅動控制，在攝像模式MDIC時以及雙轉換增益讀取模式MDDCG時，將第1傳輸晶體管TG11-Tr和第2傳輸晶體管TG12-Tr在相同的傳輸期間保持為導通狀態，將第1光電二極管PD11的積累電荷和第2光電二極管PD12的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據第1轉換增益HCG進行，接著依據第2轉換增益LCG進行。
信號保持部220，可收取並保持像素信號，即由轉換信號讀取部211讀取到像素內信號線LSGN1的電壓信號。 在本第一實施方式中，信號保持部220構成為包括採樣保持電路230，將作為讀取至內部信號線LSGN1的像素信號的電壓信號通過採樣信號收取並保持，所述電壓信號是傳輸至光電轉換讀取部210的浮置擴散層FD11的第1光電二極管PD11的積累電荷以及第2光電二極管PD12的積累電荷所對應的電壓信號。
因此，依據本第一實施方式，能在小像素尺寸中通過規定的讀取模式擴大動態範圍。
也就是說，依據本第一實施方式，不但具有高全域快門功能、自動調焦功能，且能充分表現單一曝光(single exposure)的高動態範圍(SEHDR)性能，能實質上實現高動態範圍化。
(第二實施方式) 圖13是表示本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素中具有2個光電二極管以及2個快門柵極的光電轉換讀取部的主要部份的結構例的電路圖。 圖14(A)以及(B)是表示本發明的第二實施方式的2個二極管以及2個快門柵極的配置例的圖。 圖15(A)以及(B)是用以說明將本發明的第二實施方式的配置2個快門柵極的情況的讀取序列的效果和未配置快門柵極的情況加以比較的圖。圖15(A)表示未配置快門柵極的情況的像素的各驅動信號(控制信號)的時序圖，圖15(B)表示配置了快門柵極的情況的像素的各驅動信號(控制信號)的時序圖。 圖16(A)以及(B)是用以說明將本發明的第二實施方式的配置2個快門柵極的情況的電勢轉移相關的效果和未配置快門柵極的情況加以比較的圖。圖16(A)表示未配置快門柵極的情況的像素的各部的電勢轉移，圖16(B)表示配置了快門柵極的情況的像素的各部的電勢轉移。
本第二實施方式的固態攝像裝置10A的像素200A與上述第一實施方式的固態攝像裝置10的像素200的不同點如下。
在本第二實施方式中，固態攝像裝置10A，在像素200的光電轉換讀取部210A中，設置了能將電荷分別從2個二極管PD11、PD12排出的第1快門柵極晶體管AB11-Tr、AB12-Tr。 也就是說，本第二實施方式的光電轉換讀取部210A包括第1快門柵極晶體管AB11-Tr，被連接到作為第1光電轉換元件的第1光電二極管PD11(PDR)，能使電荷從第1光電二極管PD11(PDR)排出到浮置擴散層FD11的形成區域外方向，例如電源電位VAAPIX。 而且，光電轉換讀取部210A包括第2快門柵極晶體管AB12-Tr，被連接到作為第2光電轉換元件的第1光電二極管PD12(PDL)，能使電荷從第2光電二極管PD12(PDL)排出到浮置擴散層FD11的形成區域外方向，例如電源電位VAAPIX。
光電轉換讀取部210A的第1快門柵極晶體管AB11-Tr，受到通過控制線施加於柵極的控制信號AB1控制。 第1快門柵極晶體管AB11-Tr，在控制信號AB1為高(H)位準的期間被選擇而成為導通狀態，將由第1光電二極管PD11轉換並積累的電荷(電子)排出到電源電位VAAPIX。
光電轉換讀取部210A的第2快門柵極晶體管AB12-Tr，受到通過控制線施加於柵極的控制信號AB2控制。 第2快門柵極晶體管AB12-Tr，在控制信號AB2為高(H)位準的期間被選擇而成為導通狀態，將由第2光電二極管PD12轉換並積累的電荷(電子)排出到電源電位VAAPIX。
第1快門柵極晶體管AB11-Tr和第2快門柵極晶體管AB12-Tr，可以個別地驅動控制，但在本第二實施方式中，如圖15(B)所示，是以對每1幀使兩個快門柵極重疊成為導通狀態的方式進行控制。 也就是說，在本第二實施方式中，能使光電二極管PD11、PD112的重置(快門)與信號SIG的讀取重疊，因此，具有能縮短1幀的讀取動作的優點。 而且，能抑制讀取階段中的溢流。
針對能夠抑制讀取階段中的溢流，參照圖16(A)以及(B)進行說明。 在未設置第1快門柵極晶體管AB11-Tr和第2快門柵極晶體管AB12-Tr的情況下，如圖16(A)所示，在所謂的LOFIC構造中，電荷的溢流方向是「從PD向FD」。 在PDAF階段，在PD飽和過多的狀態下，在讀取時從第1次的讀取PD(在此情況下：PD12，PDR)向浮置擴散層FD11的溢流電荷引起信號檢測誤差。
相對於此，在設置有第1快門柵極晶體管AB11-Tr和第2快門柵極晶體管AB12-Tr的情況下，如圖16(B)所示，通過使用AB柵極作為快門柵極，能夠抑制溢流電荷(電子)。
(第三實施方式) 圖17是表示本發明的第三實施方式的固態攝像裝置中的數位像素的主要部份的結構例的電路圖。 圖18是表示圖17的AD轉換部的結構例的電路圖。
本第三實施方式的固態攝像裝置10B的像素200B與上述第一實施方式的固態攝像裝置10的像素200的不同點如下。
在本第三實施方式中，固態攝像裝置10B，在像素部20B中，具有作為數位像素的光電轉換讀取部210B以及信號保持部220B。 信號保持部220B，包括AD(模擬數位)轉換部以及儲存器部，具有全域快門的動作功能，且被構成為例如堆疊型的CMOS圖像傳感器。 在本第三實施方式的固態攝像裝置10B中，各數位像素DP有AD轉換功能，AD轉換部240有比較器(comparator)241，其執行比較由光電轉換讀取部讀取的電壓信號和參考電壓，並將數位化後的比較結果信號輸出的比較處理。 而且，比較器241，在例如讀取部70的控制下，能進行輸出對於在積累期間從光電轉換元件溢出到輸出節點(浮置擴散層)的溢流電荷對應的電壓信號的數位化後的第1比較結果信號的第1比較處理，以及輸出對於在積累期間後的傳輸期間被傳輸到輸出節點的光電轉換元件的積累電荷對應的電壓信號的數位化後的第2比較結果信號的第2比較處理。
AD轉換部40並包括計數器242，計數器242連接有包含儲存器251~254的儲存器部250。
數位像素200B的光電轉換讀取部210，和圖2的構成相同。因此，省略詳細說明。
數位像素200B的AD轉換部240具有，將由光電轉換讀取部210輸出的模擬的電壓信號VSL，與以規定的斜率變化的斜坡波形或固定電壓的參考電壓VREF比較，而轉換為數位信號的功能。
AD轉換部240，如圖18所示，構成為包括：比較器(COMP)241、輸入側耦合電容C241、輸出側負載電容C242、以及重置開關SW-RST。
比較器241進行比較處理，對作為第1輸入端子的反相輸入端子(-)，供給從光電轉換讀取部210的轉換信號讀取部211輸出到內部信號線LSGN1的電壓信號VSL，對作為第2輸入端子的非反相輸入端子(+)供給參考電壓VREF，比較電壓信號VST與參考電壓VREF，並將數位化後的比較結果信號SCMP輸出。
比較器241構成為，在作為第1輸入端子的反相輸入端子(-)連接有耦合電容C251，將第1基板110側的光電轉換讀取部210的輸出緩衝部211與第2基板120側的AD轉換部240的比較器241的輸入部AC耦合，從而實現低噪聲化，並可在低照度時實現高SNR。
另外，比較器241，在輸出端子與作為第1輸入端子的反相輸入端子(-)之間連接有重置開關SW-RST，在輸出端子與基準電位VSS之間連接有負載電容C242。
基本上，在AD轉換部240中，從光電轉換讀取部210的輸出緩衝部211被讀取到信號線LSGN1的模擬信號(電位VSL)在比較器241中與參考電壓VREF例如以某斜率線性變化的斜率波形即斜坡信號RAMP進行比較。 此時，和比較器241一樣按每列配置的計數器242動作，具有斜坡波形的斜坡信號RAMP與計數器值一對一對應地變化，從而將電壓信號VSL轉換為數位信號。 基本上，AD轉換部240中，參考電壓VREF(例如斜坡信號RAMP)的變化是將電壓的變化轉換為時間的變化者，通過將此時間以某週期(時鐘)計算而轉換為數位值。 然後，模擬信號VSL與斜坡信號RAMP(參考電壓VREF)相交時，比較器241的輸出反轉，將計數器242的輸入時鐘停止，或將停止輸入的時鐘輸入到計數器242，此時的計數器242的值(數據)被儲存在儲存器部250，以完成AD轉換。 在以上的AD轉換期間結束後，在各數位像素200B的儲存器部250所存放的數據(信號)從輸出電路輸出到未圖示的信號處理電路，通過規定的信號處理生成二維圖像。
依據本第三實施方式，能夠得到與上述第一實施方式的效果相同的效果。
(對電子設備的應用例) 而且，以上說明的固態攝像裝置10、10A、10B，能夠作為攝像裝置而應用於數位相機或攝像機、行動終端、或者監控用相機、醫療用內視鏡用相機等電子設備。
圖19是表示安裝有本發明實施方式的固態攝像裝置所應用的攝像系統的電子設備的構成的一例的圖。
如圖19所示，本電子設備300包括可應用本實施方式的固態攝像裝置10、10A、10B的CMOS圖像傳感器310。 而且，電子設備300包括將入射光引導至該CMOS圖像傳感器310的像素區域(使被攝體像成像)的光學系統(透鏡等)320。 電子設備300包括處理CMOS圖像傳感器310的輸出信號的信號處理電路(PRC)330。
信號處理電路330對CMOS圖像傳感器310的輸出信號執行規定的信號處理。 由信號處理電路330處理後的圖像信號可作為動態圖像而顯示在包含液晶顯示器等的監視器中，或也可輸出至印表機，另外，可採用各種形態，例如直接記錄於記憶卡等儲存介質。
如上述，通過搭載所述固態攝像裝置10、10A、10B作為CMOS圖像傳感器310，能提供高性能、小型、低成本的攝像系統。 而且，能夠實現使用於在相機的設置條件方面存在安裝尺寸、可連接的線纜條數、線纜長度、設置高度等限制的用途的例如監控用相機、醫療用內視鏡用相機等電子設備。
10、10A、10B:固態攝像裝置 20:像素部 200、200A、200B:像素 PD11:第1光電二極管 PD12:第2光電二極管 FD11:浮置擴散層 TG11-Tr:第1傳輸晶體管 TG12-Tr:第2傳輸晶體管 RST11-Tr:重置晶體管 SF11-Tr:源極隨耦晶體管 SG11-Tr:積累晶體管 CS11:積累電容 AB11-Tr:第1快門柵極晶體管 AB12-Tr:第2快門柵極晶體管 210:光電轉換讀取部 211:轉換信號讀取部 220:信號保持部 230:採樣保持電路 240:AD轉換部 241:比較器 242:計數器 300:電子設備 310:CMOS圖像傳感器 320:光學系統 330:信號處理電路(PRC)
圖1是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置的構成例的方塊圖。 圖2是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置的像素的基本的構成例的方塊圖。 圖3是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的構成例的電路圖。 圖4是表示本發明第一實施方式的光電轉換讀取部的主要部份的構成例的簡略剖視圖。 圖5是表示本發明第一實施方式的2個光電二極管的第1配置例的圖。 圖6是表示本發明第一實施方式的2個光電二極管的第2配置例的圖。 圖7是表示在與本發明第一實施方式的2個光電二極管分別連接的第1傳輸晶體管以及第2傳輸晶體管的下層區域中分別形成嵌入式溢流路徑的光電轉換讀取部的形成例的圖。 圖8是用以說明對本發明第一實施方式的固態攝像裝置的像素在自動調焦模式時的讀取序列的一例的時序圖。 圖9是表示在本發明第一實施方式的像素的自動調焦模式時的第1轉換增益(HCG)或第2轉換增益(LCG)的讀取狀態的一例的圖。 圖10是用以說明對本發明第一實施方式的固態攝像裝置的像素在攝像模式時的讀取序列的一例的時序圖。 圖11是表示在本發明第一實施方式的像素的攝像模式時的第1轉換增益(HCG)以及第2轉換增益(LCG)的讀取狀態的一例的圖。 圖12是用以說明對本發明第一實施方式的固態攝像裝置的像素在雙轉換增益讀取模式MDDCG時的讀取序列的一例的時序圖。 圖13是表示本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素中具有2個光電二極管以及2個快門柵極的光電轉換讀取部的主要部份的構成例的電路圖。 圖14是表示本發明的第二實施方式的2個二極管以及2個快門柵極的配置例的圖。 圖15是用以說明將本發明的第二實施方式的配置2個快門柵極的情況的讀取序列的效果和未配置快門柵極的情況加以比較的圖。 圖16是用以說明將本發明的第二實施方式的配置2個快門柵極的情況的電勢轉移相關的效果和未配置快門柵極的情況加以比較的圖。 圖17是表示本發明的第三實施方式的固態攝像裝置的像素的基本的構成例的方塊圖。 圖18是表示圖17的AD轉換部的構成例的電路圖。 圖19是表示本發明實施方式的固態攝像裝置所適用的電子設備的構成的一例的圖。

Claims (14)

  1. 一種固態攝像裝置，其特徵在於，包括： 像素部，配置有包含光電轉換讀取部以及信號保持部的像素，及 讀取部，執行從所述像素部的像素信號的讀取， 所述光電轉換讀取部包括： 第1光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷， 第2光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷， 一個微透鏡，至少將光入射到所述第1光電轉換元件以及所述第2光電轉換元件的光電轉換區域， 第1傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第1光電轉換元件所積累的電荷， 第2傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第2光電轉換元件所積累的電荷， 浮置擴散層，被傳輸有後述兩者當中的至少一方的積累電荷，通過所述第1傳輸元件並由所述第1光電轉換元件積累的電荷，以及，通過所述第2傳輸元件並由所述第2光電轉換元件積累的電荷，及 轉換信號讀取部，可將所述浮置擴散層的電容變更為第1電容或第2電容並將轉換增益切換為由所述第1電容決定的第1轉換增益或由所述第2電容決定的第2轉換增益，將依據轉換增益所轉換的電壓信號放大並輸出， 所述信號保持部，可收取並保持由所述轉換信號讀取部讀取到像素內信號線的電壓信號即像素信號， 所述讀取部， 至少在自動調焦模式以及攝像模式中可執行所述像素信號的讀取處理， 通過對所述轉換信號讀取部的驅動控制， 在所述自動調焦模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於不同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益或第2轉換增益分別進行， 在所述攝像模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於相同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益執行，接著依據所述第2轉換增益執行。
  2. 根據請求項1所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 所述光電轉換讀取部包括： 重置元件，在重置期間將所述浮置擴散層重置為規定的電位； 源極隨耦元件，將在所述浮置擴散層轉換的電壓信號放大並輸出； 積累連接元件，連接到所述浮置擴散層； 積累電容元件，可積累經由所述積累連接元件朝向所述浮置擴散層的溢流電荷； 所述讀取部，在所述攝像模式時， 將所述重置元件、所述積累連接元件、所述第1傳輸元件、以及所述第2傳輸元件在規定期間保持為導通狀態並將所述浮置擴散層、所述積累電容元件、所述第1光電轉換元件、以及所述第2光電轉換元件重置，使所述第1傳輸元件、以及所述第2傳輸元件為非導通狀態並開始曝光期間後， 依序進行第1轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益信號讀取處理、第2轉換增益信號讀取處理、以及第2轉換增益重置讀取處理。
  3. 根據請求項2所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 所述讀取部在所述攝像模式時，進行以下處理： 將所述積累連接元件切換為非導通狀態並將所述積累電容元件與所述浮置擴散層斷開，使所述浮置擴散層的電荷與所述積累電容元件的電荷分離並將所述浮置擴散層的增益設定為由所述第1電容決定的第1轉換增益， 進行第1轉換增益重置讀取處理，在第1重置讀取期間，從所述源極隨耦元件讀取依據以所述浮置擴散層的第1電容決定的第1轉換增益轉換後的第1讀取重置信號，進行對該第1讀取重置信號規定的處理， 進行第1轉換增益信號讀取處理，在所述第1重置讀取期間後的第1傳輸期間接續的第1讀取期間，從所述源極隨耦元件讀取依據以所述浮置擴散層的第1電容決定的第1轉換增益轉換的第1讀取信號，進行對該第1讀取信號規定的處理，接著， 將所述積累連接元件在規定期間切換為導通狀態並使所述積累電容元件與所述浮置擴散層連接，使所述浮置擴散層的電荷和溢流電荷相關的所述積累電容元件的電荷共享並將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第2電容決定的第2轉換增益， 進行第2轉換增益信號讀取處理，在所述第1讀取期間後的第2傳輸期間接續的第2讀取期間，從所述源極隨耦元件讀取依據由所述浮置擴散層的第2電容決定的第2轉換增益轉換後的第2讀取信號，進行對該第2讀取信號規定的處理， 進行第2轉換增益重置讀取處理，由所述重置元件將所述浮置擴散層重置後，從所述源極隨耦元件讀取依據所述浮置擴散層的第2電容決定的第2轉換增益轉換的第2重置信號，進行對該第2讀取信號規定的處理。
  4. 根據請求項1至3中任一項所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 所述讀取部能在雙轉換增益讀取模式下執行所述像素信號的讀取處理， 所述光電轉換讀取部包括： 重置元件，在重置期間將所述浮置擴散層重置到規定的電位， 源極隨耦元件，將在所述浮置擴散層轉換的電壓信號放大並輸出， 積累連接元件，連接到所述浮置擴散層， 積累電容元件，可積累經由所述積累連接元件朝向所述浮置擴散層的溢流電荷， 所述讀取部在所述雙轉換增益讀取模式時， 將所述重置元件、所述積累連接元件、所述第1傳輸元件、以及所述第2傳輸元件在規定期間保持為導通狀態並將所述浮置擴散層、所述積累電容元件、所述第1光電轉換元件、以及所述第2光電轉換元件重置，使所述第1傳輸元件、以及所述第2傳輸元件為非導通狀態並開始曝光期間後， 依序進行第2轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益重置讀取處理、所述第1轉換增益信號讀取處理、以及第2轉換增益信號讀取處理。
  5. 根據請求項4所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 所述讀取部在所述雙轉換增益讀取模式時，進行： 在所述曝光期間開始起經過規定期間後的重置期間內，通過所述重置元件將所述浮置擴散層重置， 將所述積累連接元件在規定期間切換為導通狀態並將所述積累電容元件與所述浮置擴散層連接，將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第2電容決定的第2轉換增益， 第2轉換增益重置讀取處理，在第1重置讀取期間內，從所述源極隨耦元件讀取依據由所述浮置擴散層的第2電容決定的第2轉換增益轉換後的第2讀取重置信號，進行對該第2讀取重置信號的規定的處理， 將所述積累連接元件切換為非導通狀態並將所述積累電容元件與所述浮置擴散層斷開，使所述浮置擴散層的電容與所述積累電容元件的電容分離，並將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第1電容決定的第1轉換增益， 第1轉換增益重置讀取處理，在第1重置讀取期間接續的第2重置讀取期間，從所述源極隨耦元件讀取依據由所述浮置擴散層的第1電容決定的第1轉換增益轉換後的第1讀取重置信號，進行對該第1讀取重置信號規定的處理， 第1轉換增益信號讀取處理，在所述第2重置讀取期間後的第1傳輸期間接續的第1讀取期間，從所述源極隨耦元件讀取依據由所述浮置擴散層的第1電容決定的第1轉換增益轉換後的第1讀取信號，進行對該第1讀取信號規定的處理， 在所述第1轉換增益信號讀取處理後，將所述積累連接元件切換為導通狀態並將所述積累電容元件與所述浮置擴散層連接，將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第2電容決定的第2轉換增益， 第2轉換增益信號讀取處理，在所述第1讀取期間後的第2傳輸期間接續的第2讀取期間，從所述源極隨耦元件讀取依據由所述浮置擴散層的第2電容決定的第2轉換增益轉換後的第2讀取信號，進行對該第2讀取信號規定的處理。
  6. 根據請求項1至5中任一項所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 連接有所述第1傳輸元件的所述第1光電轉換元件的第1光電轉換區域、和連接有所述第2傳輸元件的所述第2光電轉換元件的第2光電轉換區域，是以所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件相對且在像素配列的行方向或列方向、或者斜方向相鄰的方式配置。
  7. 根據請求項6所述的固態攝像裝置，其特徵在於，包括： 連接到所述浮置擴散層的積累連接元件，及 積累電容元件，可積累經由所述積累連接元件朝向所述浮置擴散層的溢流電荷， 所述積累電容元件以在所述第1光電轉換區域以及所述第2光電轉換區域並列的方式配置。
  8. 根據請求項1至7中任一項所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 所述光電轉換讀取部包括： 重置元件，在重置期間將所述浮置擴散層重置為規定的電位， 源極隨耦元件，將在所述浮置擴散層轉換的電壓信號放大並輸出， 積累連接元件，連接到所述浮置擴散層， 積累電容元件，可積累經由所述積累連接元件朝向所述浮置擴散層的溢流電荷， 所述讀取部，在所述自動調焦模式時， 將所述重置元件、所述積累連接元件、所述第1傳輸元件、以及所述第2傳輸元件在規定期間保持為導通狀態並將所述浮置擴散層、所述積累電容元件、所述第1光電轉換元件、以及所述第2光電轉換元件重置，使所述第1傳輸元件、以及所述第2傳輸元件為非導通狀態並開始曝光期間後， 將所述重置元件、所述積累連接元件在規定期間保持為導通狀態並將所述浮置擴散層重置， 將所述積累連接元件切換為非導通狀態或導通狀態並將所述浮置擴散層的增益設定為第1轉換增益或第2轉換增益， 就所述第1光電轉換元件或第2光電轉換元件的積累電荷， 進行第1重置讀取處理，在第1重置讀取期間，讀取第1讀取重置信號，進行對該第1讀取重置信號規定的處理， 進行第1信號讀取處理，在所述第1重置讀取期間後的第1傳輸期間接續的第1讀取期間，讀取第1讀取信號，進行對該第1讀取信號規定的處理，接著， 將所述重置元件、所述積累連接元件在規定期間保持為導通狀態並將所述浮置擴散層重置， 將所述積累連接元件切換為非導通狀態或導通狀態並將所述浮置擴散層的增益設定為第1轉換增益或第2轉換增益， 就所述第2光電轉換元件或第1光電轉換元件的積累電荷， 進行第2重置讀取處理，在第2重置讀取期間，讀取第2讀取重置信號，進行對該第2讀取重置信號規定的處理， 進行第2信號讀取處理，在所述第2重置讀取期間後的第2傳輸期間接續的第2讀取期間，讀取第2讀取信號，進行對該第2讀取信號規定的處理。
  9. 根據請求項1至8中任一項所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 所述光電轉換讀取部包括： 第1溢流路徑，至少形成在比所述第1傳輸元件的信道形成區域更深的層，能使從所述第1光電轉換元件溢出的電荷向所述浮置擴散層的形成區域方向溢流，及 第2溢流路徑，至少形成在比所述第2傳輸元件的信道形成區域更深的層，能使從所述第2光電轉換元件溢出的電荷向所述浮置擴散層的形成區域方向溢流。
  10. 根據請求項1至9中任一項所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 所述光電轉換讀取部包括： 第1快門柵極，連接至所述第1光電轉換元件，能使電荷從所述第1光電轉換元件向所述浮置擴散層的形成區域外方向排出，及 第2快門柵極，連接至所述第2光電轉換元件，能使電荷從所述第2光電轉換元件向所述浮置擴散層的形成區域外方向排出。
  11. 根據請求項1至10中任一項所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 所述信號保持部包括： 採樣保持電路，將作為讀取至所述內部信號線的像素信號的所述電壓信號通過採樣信號收取並保持，所述電壓信號是傳輸至所述浮置擴散層的所述第1光電轉換元件的積累電荷以及所述第2光電轉換元件的積累電荷所對應的所述電壓信號。
  12. 根據請求項1至10中任一項所述的固態攝像裝置，其特徵在於， 所述信號保持部包括： 比較器，將讀取至所述內部信號線作為像素信號的所述電壓信號與參考電壓比較，對於所讀取的電壓信號進行模擬數位(AD)轉換處理，將數位化後的比較結果信號輸出，及 儲存器，保持由所述比較器對於傳輸至所述浮置擴散層的所述第1光電轉換元件的積累電荷以及所述第2光電轉換元件的積累電荷所對應的所述電壓信號的所述比較結果信號。
  13. 一種固態攝像裝置的驅動方法，其特徵在於， 所述固態攝像裝置包括： 像素部，配置有包含光電轉換讀取部以及信號保持部的像素，及 讀取部，執行從所述像素部的像素信號的讀取， 所述光電轉換讀取部包括： 第1光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷， 第2光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷， 一個微透鏡，至少將光入射到所述第1光電轉換元件以及所述第2光電轉換元件的光電轉換區域， 第1傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第1光電轉換元件所積累的電荷， 第2傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第2光電轉換元件所積累的電荷， 浮置擴散層，被傳輸有後述兩者當中的至少一方的積累電荷，通過所述第1傳輸元件並由所述第1光電轉換元件所積累的電荷，以及，通過所述第2傳輸元件並由所述第2光電轉換元件所積累的電荷，及 轉換信號讀取部，可將所述浮置擴散層的電容變更為第1電容或第2電容並將轉換增益切換為由所述第1電容決定的第1轉換增益或由所述第2電容決定的第2轉換增益，將依據轉換增益所轉換的電壓信號放大並輸出， 所述信號保持部，可收取並保持由所述轉換信號讀取部讀取到像素內信號線的電壓信號即像素信號， 所述讀取部， 至少在自動調焦模式以及攝像模式中可執行所述像素信號的讀取處理， 所述驅動方法包括： 在所述自動調焦模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於不同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益或第2轉換增益分別進行， 在所述攝像模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於相同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益執行，接著依據所述第2轉換增益執行。
  14. 一種電子設備，其特徵在於，其包括： 固態攝像裝置，以及 在所述固態攝像裝置上將被攝體像成像的光學系統， 所述固態攝像裝置包括： 像素部，配置有包含光電轉換讀取部以及信號保持部的像素，及 讀取部，執行從所述像素部的像素信號的讀取， 所述光電轉換讀取部包括： 第1光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷， 第2光電轉換元件，在積累期間積累由光電轉換生成的電荷， 一個微透鏡，至少將光入射到所述第1光電轉換元件以及所述第2光電轉換元件的光電轉換區域， 第1傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第1光電轉換元件所積累的電荷， 第2傳輸元件，可在所述積累期間後的傳輸期間傳輸所述第2光電轉換元件所積累的電荷， 浮置擴散層，被傳輸有後述兩者當中的至少一方的積累電荷，通過所述第1傳輸元件並由所述第1光電轉換元件積累的電荷，以及，通過所述第2傳輸元件並由所述第2光電轉換元件積累的電荷，及 轉換信號讀取部，可將所述浮置擴散層的電容變更為第1電容或第2電容並將轉換增益切換為由所述第1電容決定的第1轉換增益或由所述第2電容決定的第2轉換增益，將依據轉換增益所轉換的電壓信號放大並輸出， 所述信號保持部，可收取並保持由所述轉換信號讀取部讀取到像素內信號線的電壓信號即像素信號， 所述讀取部， 至少在自動調焦模式以及攝像模式中可執行所述像素信號的讀取處理， 通過對所述轉換信號讀取部的驅動控制， 在所述自動調焦模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於不同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益或第2轉換增益分別進行， 在所述攝像模式時，將所述第1傳輸元件和所述第2傳輸元件於相同的傳輸期間保持為導通狀態，將所述第1光電轉換元件的積累電荷和所述第2光電轉換元件的積累電荷的合成電荷所對應的像素信號的讀取處理依據所述第1轉換增益執行，接著依據所述第2轉換增益執行。
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