TWI611695B - 固態攝影元件以及攝影裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種固態攝影元件，呈二維狀排列有多個畫素部，所述畫素部包括接受光的照射而產生電荷的光電轉換部。畫素部逐列依次進行：排出蓄積於蓄積部FD中的訊號電荷，在所述排出後，進行電荷蓄積讀出動作，以將在電荷蓄積期間經過時蓄積於蓄積部FD中的訊號電荷讀出，此時，各列在排出之前，至少進行2次自蓄積部預備性地排出電荷的預備排出，且在第n(n為自然數)列的排出之前，進行第n+1列的第1預備排出，在即將進行第n列的排出之前所進行的第n列的第1預備排出之前，進行第n+1列的第2預備排出。
Description
本發明是有關於一種包括接受光的照射而產生電荷的光電轉換部的固態攝影元件、以及包括所述固態攝影元件的攝影裝置。
近年來，為了適應固態攝影元件的高感度化及畫素微細化，光電轉換層積層型的固態攝影元件受到關注，所述光電轉換層積層型的固態攝影元件是在矽基板的上方設置包括一對電極以及由所述一對電極夾持的光電轉換層的光電轉換部，使由所述光電轉換層產生的電荷自所述一對電極中的一者向矽基板移動並蓄積，利用形成於矽基板上的訊號讀出電路來讀出與所述蓄積電荷相對應的訊號。
作為此種固態攝影元件，例如在專利文獻1中提出有一種固態攝影元件，所述固態攝影元件如圖11所示，呈二維狀地排列有多個畫素部200，所述畫素部200包括：光電轉換部201；浮動擴散部(floating diffusion)FD(以下僅稱為FD)，對在光電轉
換部201中產生的電荷進行蓄積；輸出電晶體(output transistor)202，輸出與蓄積於FD中的電荷相對應的電壓；重置電晶體(reset transistor)203，對蓄積於FD中的電荷進行重置；以及選擇電晶體204，將自輸出電晶體202輸出的訊號選擇性地輸出至訊號線。所述固態攝影元件是在FD與光電轉換部201之間未設置電晶體的所謂3個電晶體的構成的電路，FD與光電轉換部201為直接電性連接。
此處，在如上所述的固態攝影元件中，關於畫素部200的各列，分別依次進行排出以及電荷訊號的讀出動作。圖12是表示第n列~第n+2列的畫素部200的排出以及電荷訊號的讀出動作的時序的圖。
如圖12所示，在蓄積期間開始時，首先，進行無用電荷的排出。排出是藉由如下方式來進行：藉由重置脈衝(reset pulse)RS而使畫素部200的重置電晶體203導通，對蓄積於FD中的電荷進行重置。
當重置電晶體203斷開而排出結束時，自所述時點起開始將電荷蓄積至FD。然後，在規定的電荷蓄積期間經過時，對畫素部200輸出選擇脈衝RW，藉由所述選擇脈衝RW而使選擇電晶體204導通，藉此將蓄積於FD中的電荷訊號藉由輸出電晶體202而轉換成電壓訊號，並作為蓄積訊號而輸出至訊號線。其後，藉由使重置電晶體203導通而對FD進行重置，將經重置後的FD的電位作為重置訊號而輸出至訊號線。藉由使用蓄積訊號與重置訊
號的差分作為影像訊號，可獲得固定圖案雜訊(fixed pattern noise)少的影像。
藉由沿畫素部200的行方向依次掃描而進行如上所述的畫素部200的每列的排出以及電荷訊號的讀出動作，來獲得1個訊框(frame)的影像訊號。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2011-54746號公報
[專利文獻2]國際公開第2012/137445號
此處，在如上所述的固態攝影元件中，如圖11所示，因畫素部的配線或基板的雜質區域等的寄生電容(parasitic capacitance)，在不同的列的鄰接的畫素部200之間會產生電容耦合(capacitive coupling)。特別是當畫素部的微細化進一步發展時，除了畫素部本來的電容減小以外，布局(layout)的限制亦變得苛刻，因此電容耦合的影響必然增大。
特別是在所述3個電晶體的構成中，每個畫素均需要FD，且在FD與光電轉換部201之間未設置電晶體而直接電性連接，因此鄰接的畫素部200的FD間的電容耦合的影響容易增大。對所述影響進行說明。
圖13表示在圖11所示的固態攝影元件中，在均勻的光
入射至所有畫素的條件下進行攝影時的驅動與FD電位的時間變化。實線表示電容耦合完全不存在時的理想的FD電位，虛線表示受到電容耦合的影響時的FD的電位變化。伴隨著鄰接畫素的FD電位的變化，目標畫素的FD電位發生變化，是存在電容耦合的影響的情況下的特徵。
各列在圖中的排出的時點將之前一直蓄積於FD中的電
荷排出，並在讀出的時點讀出從排出至讀出為止的蓄積期間內蓄積於FD中的訊號電荷。此處，若著眼於第n+1列，則在時刻t1結束訊號的讀出，FD的電位成為基準電位。其後，在時刻t2進行排出，將FD的電位設為基準電位之後，開始蓄積。然後，在時刻t5進行讀出，並輸出與自時刻t2至時刻t5的期間內蓄積於FD中的訊號電荷相對應的訊號。
另一方面，若著眼於第n列，則在先於時刻t2的時刻t3進行排出，開始蓄積。然後，在時刻t2之後的時刻t4進行讀出。即，在第n列的蓄積期間內(t3~t4期間)進行第n+1列的排出。
此處，當第n列與第n+1列之間的電容耦合大時，伴隨著在時刻t2的第n+1列的FD電位的大幅變化，第n列的FD電位亦發生變化。當不存在電容耦合時，自時刻t3至時刻t4為止FD電位單調地發生變化，與此相對，當電容耦合大時，自時刻t3至時刻t2為止FD電位單調地發生變化，其後，在時刻t2電位暫時下降，然後FD電位藉由訊號電荷的蓄積而自所述電位上升直至時刻t4為止。因此，在時刻t4讀出第n列的訊號時，與以實線表
示的本來的訊號位準相比，訊號位準更低於以點線表示的本來的訊號位準。
與讀出訊號相比排出時的電位變化越大，此種訊號位準
的異常越容易顯著。因此，入射至固態攝影元件的光越大，蓄積期間越短於訊框期間，所述影響越顯著。其結果為，會引起訊號量小的情形時的訊雜比(signal to noise ratio，S/N)的下降、或相對於曝光期間的訊號的直線性(線性(linearity))下降等問題。
並且，例如當在所述固態攝影元件中設置有拜耳陣列
(Bayer array)的彩色濾光片時，關於畫素部200的行方向，存在紅色濾光片(R)與綠色濾光片(G)交替排列的畫素部的行、以及藍色濾光片(B)與綠色濾光片(G)交替排列的畫素部的行。
當對此種固態攝影元件照射包含紅色(red，R)光及綠
色(green，G)光的黃色(yellow，Y)光時，在設置有綠色濾光片的畫素部200與設置有紅色濾光片的畫素部200位於相同的行的情形時，如圖14的上段所示，設置有綠色濾光片的畫素部200的FD的電位因設置有紅色濾光片的畫素部200的排出而減少，從而所述電荷訊號G1的大小減小。
另一方面，當設置有綠色濾光片的畫素部200與設置有
藍色濾光片的畫素部200位於相同的行時，如圖14的下段所示，光無法入射至設置有藍色濾光片的畫素部200，所述FD的電位亦不發生變化，因此設置有綠色濾光片的畫素部200的FD的電位不會因設置有藍色濾光片的畫素部200的排出而受到影響，從而可
獲得大於所述電荷訊號G1的電荷訊號G2。
即，設置有綠色濾光片的畫素部200的感度根據畫素部200的行而不同，因此色彩平衡(color balance)與本來狀態不同，從而無法獲得適當的影像訊號。
並且，例如在所述固態攝影元件中會因電容耦合而產生殘像。利用圖15對所述影響進行說明。
首先，對如下情況進行說明：在各列的排出前為止FD中蓄積有10000個電子，且鄰接的列的耦合率為1%。再者，所謂耦合率，是指鄰接的畫素部200中FD間的電位變化的影響度。例如，在耦合率為1%的情況下，表示當鄰接畫素的訊號發生變化時，訊號僅變化所述1%。耦合率是由寄生電容與FD的蓄積容量的比來確定，畫素部200的尺寸越小，布局的自由度越降低，耦合率越容易升高。
首先，藉由第n列的排出，蓄積於第n列的FD中的10000個電子成為0個。但是，藉由接下來執行的第n+1列的FD的排出，第n列的FD受到電容耦合的影響，伴隨著蓄積於第n+1列的FD中的10000個電子成為0個，而成為相當於(0-10000)個電子的1%的電子數的電位。即，第n列的FD成為相當於-100個電子的電位。接著，其後進行第n列的讀出，因此自第n列起產生相當於-100個電子的發黑殘像。關於第n+1列，亦同樣地產生相當於-100個電子的發黑殘像。如上所述，因鄰接畫素列間的電容耦合而產生蓄積電荷量×(-耦合率)的殘像。
因此，為了抑制如上所述的鄰接畫素列間的電容耦合的影響，例如可考慮如專利文獻2所記載，在各列的排出動作之前，進行預備性地排出電荷的預備排出。以下，對已進行所述預備排出時的作用進行說明。
圖16是表示在第n列的排出之前進行第n+1列的預備排出時的動作時序的圖。如圖16所示，當在第n列的排出之前已進行第n+1列的預備排出時，可藉由進行第n+1列的預備排出來減小第n+1列的排出時的FD的電位變化，因此可減小第n+1列的排出對第n列的蓄積訊號所造成的影響。以下，一面參照圖17，一面對所述影響進行定量性的說明。
首先，對如下情況進行說明：在各列的預備排出前為止在FD中蓄積有10000個電子，且鄰接的列的耦合率為1%。
首先，藉由第n+1列的預備排出而蓄積於第n+1列的FD中的10000個電子成為0個。但是，藉由接下來執行的第n+2列的FD的預備排出，第n+1列的FD受到電容耦合的影響，伴隨著蓄積於第n+2列的FD中的10000個電子成為0個，而成為相當於10000個電子的-1%的電子數的電位。即，第n+1列的FD成為相當於-100個電子的電位。並且，在所述狀態下接下來進行第n+1列的排出時，受到由所述排出帶來的電容耦合的影響，在第n列中，產生相當於蓄積於第n+1列的FD中的-100個電子的-1%的電子數的電位變動。即，對第n列的排出後所蓄積的電荷訊號附加相當於1個電子的偏移電位。
如上所述，在耦合率為1%左右而比較低的情形時，對10000個蓄積訊號只是附加相當於1個電子的偏移電位，因此只要以如圖16所示的時序進行預備排出，即可充分抑制鄰接畫素列間的電容耦合的影響。
然而，在耦合率比較高的情形時，存在所述偏移電位增大而成為問題的情況。一面參照圖18，一面對例如耦合率為5%的情況進行說明。
首先，藉由第n+1列的預備排出，蓄積於第n+1列的FD中的10000個電子成為0個。但是，藉由接下來執行的第n+2列的FD的預備排出，第n+1列的FD受到電容耦合的影響，伴隨著蓄積於第n+2列的FD中的10000個電子成為0個，而成為相當於10000個電子的-5%的電子數的電位。即，第n+1列的FD成為相當於-500個電子的電位。並且，在所述狀態下接下來進行第n+1列的排出時，受到由所述排出帶來的電容耦合的影響，在第n列中，產生相當於蓄積於第n+1列的FD中的-500個電子的-5%的電子數的電位變動。即，對第n列的排出後所蓄積的電荷訊號附加相當於25個電子的偏移電位。若考慮到通常作為雜訊而容許的範圍為相當於3個電子的電位變動，則相當於25個電子的偏移電位非常大，從而成為問題。
即，即使在如圖16所示設為在第n列的排出之前進行第n+1列的預備排出的情形時，結果亦會對本來的電荷訊號附加「預備排出時的排出電荷量×(-耦合率)2」作為偏移電位，在耦合率
高的情形時無法忽視。
鑒於所述情況，本發明的目的在於提供一種即使在形成於鄰接的畫素列間的電容耦合比較大的情形時，亦可充分抑制其影響的固態攝影元件以及包括所述固態攝影元件的攝影裝置。
本發明的固態攝影元件的特徵在於包括：光電轉換部，產生與入射光的光量相對應的訊號電荷；蓄積部，對在光電轉換部中產生的訊號電荷進行蓄積；以及輸出電路，輸出與蓄積於蓄積部中的訊號電荷相對應的電壓；且所述固態攝影元件呈二維狀地排列有多個畫素部，所述畫素部是將光電轉換部、蓄積部及輸出電路的輸入節點(input node)加以電性連接而成，所述畫素部逐列依次進行：排出蓄積於蓄積部中的訊號電荷，在所述排出後，進行電荷蓄積讀出動作，以將在電荷蓄積期間經過時蓄積於蓄積部中的訊號電荷讀出，且在各列中在排出之前，至少進行2次自蓄積部預備性地排出電荷的預備排出，且在第n(n為自然數)列的排出之前，進行第n+1列的第1預備排出，在即將進行第n列的排出之前所進行的第n列的第1預備排出之前，進行第n+1列的第2預備排出。
又，在所述本發明的固態攝影元件中，可在畫素部的每行設置反饋控制電路，所述反饋控制電路以蓄積部成為基準電位的方式來進行反饋控制。
又，可將反饋控制電路設為在排出、訊號電荷的讀出、
第1預備排出以及第2預備排出時進行反饋控制。
又，可在1列的掃描期間內，在不同的列以不同的時序進行排出、訊號電荷的讀出、第1預備排出以及第2預備排出之中的至少1個動作及所述至少1個動作以外的動作。
又，設置時序產生器(timing generator)，所述時序產生器輸出用以對排出、訊號電荷的讀出、第1預備排出以及第2預備排出的時序進行控制的脈衝訊號，可將時序產生器設為在1列的掃描期間內，以不同的時序輸出用以控制所述至少1個動作的時序的脈衝訊號、以及用以控制所述至少1個動作以外的動作的時序的脈衝訊號。
又，可針對每個動作分別設置移位暫存器(shift register)，所述移位暫存器對排出、訊號電荷的讀出、第1預備排出以及第2預備排出的時序進行控制。
又，可使第1預備排出或第2預備排出的時間短於排出的時間。
又，可將畫素部設為包括：第1電極，由各個所述畫素部所劃分；以及第2電極，夾著所述光電轉換部與第1電極相對向而設置，且能夠將第2電極設為對所有的畫素部而言為共同的電極。
又，可將光電轉換部設為包括有機光電轉換膜。
又，將有機光電轉換膜設為對所有的畫素部而言為共同的膜。
又，可將來自光電轉換部的訊號電荷設為電洞(hole)。
又，可將來自光電轉換部的訊號電荷設為電子。
又，可在蓄積部中設置保護電路。
本發明的攝影裝置的特徵在於包括所述本發明的固態攝影元件。
根據本發明的固態攝影元件以及攝影裝置，設為在各列中在排出之前，至少進行2次自蓄積部預備性地排出電荷的預備排出，且在第n(n為自然數)列的排出之前，進行第n+1列的第1預備排出，在即將進行第n列的排出之前所進行的第n列的第1預備排出之前，進行第n+1列的第2預備排出，因此可減小各列的畫素部的排出時的FD的電壓變化。藉此，即使例如在第n列與第n+1列間存在電容耦合的情形時，第n+1列的排出時的電壓變化亦小，因此可降低由電容耦合所引起的第n列的訊號的異常，從而可獲得適當的影像訊號。再者，關於所述預備排出的作用效果，將在後文詳述。
10‧‧‧畫素部
11‧‧‧光電轉換部
12‧‧‧輸出電晶體
13‧‧‧重置電晶體
14‧‧‧選擇電晶體
16‧‧‧反饋控制電路
16a‧‧‧反轉放大器
16b‧‧‧電壓源
17‧‧‧保護電路
100‧‧‧固態攝影元件
101‧‧‧基板
102‧‧‧絕緣層
103‧‧‧連接電極
104‧‧‧畫素電極
105‧‧‧連接部
106‧‧‧連接部
107‧‧‧光電轉換層
108‧‧‧對向電極
110‧‧‧密封層
111‧‧‧彩色濾光片
113‧‧‧遮光層
114‧‧‧保護層
115‧‧‧對向電極電壓供給部
116‧‧‧讀出電路
121‧‧‧垂直驅動器
122‧‧‧控制部
123‧‧‧訊號處理電路
124‧‧‧水平驅動器
125‧‧‧低壓差分訊號部(LVDS)
126‧‧‧串列轉換部
127‧‧‧焊墊
128‧‧‧時序產生器(TG)
130‧‧‧讀出用移位暫存器
131‧‧‧排出用移位暫存器
132‧‧‧第1預備排出用移位暫存器
133‧‧‧第2預備排出用移位暫存器
200‧‧‧畫素部
201‧‧‧光電轉換部
202‧‧‧輸出電晶體
203‧‧‧重置電晶體
204‧‧‧選擇電晶體
FD‧‧‧浮動擴散部(蓄積部)
FL‧‧‧反饋線
G1‧‧‧電荷訊號
G2‧‧‧電荷訊號
GL‧‧‧掃描線
HD‧‧‧列同步訊號
PR1‧‧‧第1預備排出用脈衝訊號
PR2‧‧‧第2預備排出用脈衝訊號
R‧‧‧排出用脈衝訊號
RD‧‧‧基準電壓
RS‧‧‧重置脈衝
RW‧‧‧選擇脈衝
t0~t5‧‧‧時刻
S‧‧‧讀出用脈衝訊號
SL‧‧‧訊號線
Vdd‧‧‧電源電壓
VD‧‧‧訊框同步訊號
圖1是表示構成本發明的固態攝影元件的一實施形態的畫素部的圖。
圖2是本發明的固態攝影元件的一實施形態的剖面示意圖。
圖3是表示包含圖2所示的固態攝影元件的周邊電路在內的整體構成的圖。
圖4是表示本發明的固態攝影元件的一實施形態中的第2預備排出、第1預備排出、排出以及電荷訊號的讀出的時序的一例的圖。
圖5是表示第n列~第n+3列的各列的畫素部的FD的電位變化的圖。
圖6是表示自時序產生器輸出的脈衝訊號與第n-1列~第n+1列的各列中的動作時序的關係的一例的圖。
圖7是表示自時序產生器輸出的脈衝訊號與第n-1列~第n+1列的各列中的動作時序的關係的另一例的圖。
圖8是表示以鏡像關係對畫素部的讀出電路進行布局時的蓄積部FD的位置關係的圖。
圖9是表示在圖8所示的蓄積部FD的位置關係的情況下，不進行預備排出而僅進行排出時的蓄積部FD的電位變化的圖。
圖10是表示在蓄積部FD中設置有保護電路的構成的圖。
圖11是表示現有的固態攝影元件的畫素部的構成以及電容耦合的圖。
圖12是用以說明現有的固態攝影元件的排出以及電荷訊號的讀出的時序圖。
圖13是用以說明現有的固態攝影元件中的電容耦合的影響的圖。
圖14是用以說明由現有的固態攝影元件中的電容耦合所造成的假訊(aliasing)的影響的圖。
圖15是用以說明由現有的固態攝影元件中的電容耦合所造成的殘像的影響的圖。
圖16是表示在第n列的排出之前進行第n+1列的預備排出時的動作時序的一例的圖。
圖17是用以說明在第n列的排出之前已進行第n+1列的預備排出時的由電容耦合所造成的殘像的影響的圖。
圖18是用以說明在第n列的排出之前已進行第n+1列的預備排出時的由電容耦合所造成的殘像的影響的圖。
以下，參照圖式，對本發明的固態攝影元件的一實施形態進行說明。本實施形態的固態攝影元件的特徵在於後文詳述的預備排出，但首先對本實施形態的固態攝影元件的構成進行說明。圖1是表示構成本實施形態的固態攝影元件的畫素部的圖。本實施形態的固態攝影元件是呈二維狀地排列有多個圖1所示的畫素部10而成。
畫素部10如圖1所示，包括光電轉換部11、浮動擴散部FD(相當於蓄積部)(以下僅稱為FD)、輸出電晶體12、重置電晶體13及選擇電晶體14。並且，輸出電晶體12、重置電晶體13及選擇電晶體14分別由n通道的金屬氧化物半導體(metal oxide semiconductor，MOS)電晶體所構成。再者，畫素部10的尺寸理想的是5μm以下。
光電轉換部11包括：畫素電極104(相當於第1電極)；
對向電極108(相當於第2電極)，與畫素電極104相對向而設置；以及光電轉換層107，設置於畫素電極104與對向電極108之間。
畫素電極104是由每個畫素部10所劃分的薄膜電極，例如由如氧化銦錫(tin indium oxide，ITO)、鋁、氮化鈦、銅、鎢等透明或不透明的導電性材料所形成。畫素電極104針對每個畫素部10捕獲在光電轉換層107中產生的電荷。
對向電極108是用以在其與畫素電極104之間對光電轉換層107施加電壓，使光電轉換層107產生電場的電極。對向電極108設置於較光電轉換層107更靠光的入射面側的位置，由於需要使光透過對向電極108而入射至光電轉換層107，因此由對入射光而言為透明的ITO等導電性材料所形成。再者，本實施形態中的對向電極108是由在所有畫素部10中為共同的1塊電極所構成，但亦可為針對每個畫素部10進行分割的構成。
光電轉換層107包含吸收入射光，而產生與所述經吸收的光量相對應的電荷的有機光電轉換膜或無機光電轉換膜。再者，亦可設為在光電轉換層107與對向電極108之間，或在光電轉換層107與畫素電極104之間，設置對自電極向光電轉換層107注入電荷進行抑制的電荷阻擋層等功能層。
在本實施形態的畫素部10中，以在光電轉換層107中產生的電荷之中電洞移動至畫素電極104，電子移動至對向電極108的方式，而向對向電極108施加偏壓(bias voltage)。為使光電轉換層107充分顯現高感度，作為偏壓，理想的是使用高於讀
出電路的電源電壓Vdd(在圖1中為供給至輸出電晶體12的汲極的電壓，例如3V)的電壓(5V~20V左右，例如10V)。
FD包括與畫素電極104電性連接的n型雜質區域。FD
的電位根據由畫素電極104捕獲到的電洞的量而發生變化，因此FD作為電荷蓄積部而發揮作用。
輸出電晶體12將蓄積於FD中的電荷訊號轉換成電壓訊
號而輸出至訊號線SL。輸出電晶體12的閘極端子與FD電性連接，汲極端子連接著固態攝影元件的電源電壓Vdd。並且，輸出電晶體12的源極端子與選擇電晶體14的汲極端子連接。本實施形態中的畫素部10是將FD、光電轉換部11的畫素電極104、輸出電晶體12的閘極端子直接加以電性連接而成的所謂3個電晶體構成的電路。
重置電晶體13將FD的電位重置為基準電位。在重置電
晶體13的汲極端子上電性連接有FD，在源極端子上連接有反饋控制電路16。
反饋控制電路16包括反轉放大器16a、以及供給基準電
壓RD的電壓源16b。在反轉放大器16a的反轉輸入端子(-)上連接有訊號線SL，在非反轉輸入端子(+)上連接有電壓源16b，在輸出端子上連接有反饋線FL。而且，反饋線FL與重置電晶體13的源極端子連接。
當施加至重置電晶體13的閘極端子的重置脈衝RS為高
位準時，重置電晶體13導通，電子自重置電晶體13的源極注入
至汲極。並且，藉由所述電子的注入，FD的電位下降而將FD的電位重置為基準電位，此時FD的電位經由輸出電晶體12、選擇電晶體14以及訊號線SL而輸入至反饋控制電路16。
並且，根據FD的當前電位及自電壓源16b供給的基準
電壓RD，藉由反饋控制電路16而對FD的電位進行反饋控制，藉此使FD的電位維持在固定的基準電位。藉由如上所述對FD的電位進行反饋控制，可降低重置電晶體13的重置kTC雜訊。
反饋控制電路16是在畫素部10的每行各設置1個，且由各行所屬的多個畫素部10所共用。
選擇電晶體14將其源極端子連接於訊號線SL，用以將自各畫素部10的輸出電晶體12輸出的訊號選擇性地輸出至在每行設置的訊號線SL。當施加至選擇電晶體14的閘極端子的選擇脈衝RW為高位準時，選擇電晶體14導通，藉此將自各畫素部10的輸出電晶體12輸出的訊號輸出至訊號線SL。
圖2是呈二維狀地排列有多個圖1所示的畫素部10的固態攝影元件100的剖面示意圖。再者，在以下的說明中，對與圖1所示的畫素部10相同的構成，標註相同的名稱及符號。
固態攝影元件100如圖2所示，包括基板101、絕緣層102、連接電極103、畫素電極104、連接部105、連接部106、光電轉換層107、對向電極108、密封層110、彩色濾光片111、遮光層113、保護層114、對向電極電壓供給部115及讀出電路116。
基板101是玻璃基板或Si等的半導體基板。在基板101
上形成有絕緣層102。在絕緣層102的表面上形成有多個畫素電極104及1個以上的連接電極103。
光電轉換層107如上所述根據接收到的光而產生電荷。
光電轉換層107是以覆蓋多個畫素電極104的方式而設置。光電轉換層107在畫素電極104上形成為固定的膜厚，但在畫素部以外(有效畫素區域外)的區域，即使膜厚發生變化亦無妨。
對向電極108是與畫素電極104相對向的電極，以覆蓋
光電轉換層107的方式而設置。對向電極108形成至連接電極103上為止，與連接電極103電性連接，所述連接電極103配置於較光電轉換層107更靠外側的位置。
連接部106是埋設於絕緣層102內，用以將連接電極103
與對向電極電壓供給部115電性連接的插塞(plug)等。對向電極電壓供給部115形成於基板101上，經由連接部106以及連接電極103而向對向電極108施加規定的電壓。再者，對向電壓供給部115亦可並非形成於基板101上的構成，而設為直接與外部的電源連接的構成。
讀出電路116包括圖1所示的FD、輸出電晶體12、重
置電晶體13及選擇電晶體14，利用絕緣層102中的金屬配線(未圖示)來配線。讀出電路116與多個畫素電極104中的各個相對應而設置於基板101上，用以讀出與由所對應的畫素電極104捕獲到的電荷相對應的訊號。再者，藉由配置於絕緣層102內的未圖示的遮光層而對讀出電路116進行遮光。
密封層110是以覆蓋對向電極108的方式而設置。
彩色濾光片111形成於密封層110上的與各畫素電極104相對向的位置。遮光層113形成於密封層110上的設置有彩色濾光片111的區域以外的位置，用以防止光入射至在有效畫素區域以外的區域上所形成的光電轉換層107。作為彩色濾光片111，例如可使用拜耳陣列的彩色濾光片，但並不限定於此，可使用補色型的彩色濾光片或其他公知的彩色濾光片。
保護層114形成於彩色濾光片111及遮光層113上，用以保護整個固態攝影元件。
圖3是表示包含圖2所示的固態攝影元件100的周邊電路在內的整體構成的圖。如圖3所示，本實施形態的固態攝影元件100包括垂直驅動器121、控制部122、訊號處理電路123、水平驅動器124、低壓差分訊號部(low voltage differential signaling，LVDS)125、串列轉換部126及焊墊(pad)127。圖3所示的畫素區域表示圖2所示的固態攝影元件100的排列有畫素部10的區域。
在畫素區域內，在畫素部10的每行設置有自各畫素部10的輸出電晶體12將訊號輸出的訊號線SL以及所述反饋線FL，且在每列設置有自垂直驅動器121將切換脈衝訊號輸出的掃描線GL。並且，如上所述在畫素部10的每行上設置有反饋控制電路16。
控制部122包括時序產生器(以下稱為TG)128等，藉
由輸出訊框同步訊號VD或列同步訊號HD，並且控制垂直驅動器121或水平驅動器124的動作，來控制畫素部10中的電荷訊號的讀出等。
垂直驅動器121根據自控制部122的TG 128輸出的時
序脈衝訊號，經由掃描線GL而對讀出電路116輸出重置脈衝RS或選擇脈衝RW，控制讀出電路116的動作。
特別是本實施形態的垂直驅動器121是以所謂自先前以
來一直進行的如下方式來控制讀出電路116：在FD中的蓄積電荷的排出之前進行2次自FD預備性地排出電荷的預備排出。
垂直驅動器121包括：讀出用移位暫存器130，根據自
TG 128輸出的時序脈衝訊號，輸出電荷訊號的讀出時的選擇脈衝RW及重置脈衝RS；排出用移位暫存器131，輸出排出時的選擇脈衝RW及重置脈衝RS；第1預備排出用移位暫存器132，輸出第1預備排出時的選擇脈衝RW及重置脈衝RS；以及第2預備排出用移位暫存器133，輸出第2預備排出時的選擇脈衝RW及重置脈衝RS。再者，關於自所述移位暫存器130~移位暫存器133輸出的選擇脈衝RW及重置脈衝RS的時序，將在後文詳述。
訊號處理電路123是與讀出電路116的各行相對應而設
置。訊號處理電路123包括類比/數位轉換(analog to digital converter，ADC)電路，所述ADC電路對自所對應的行輸出的訊號進行相關雙採樣(correlated double sampling，CDS)處理，並將處理後的訊號轉換成數位訊號。經訊號處理電路123處理後的
訊號記憶於設置在每行上的記憶體。
水平驅動器124進行如下控制：依次讀出在訊號處理電
路123的記憶體中記憶的畫素部10的1列份的訊號並輸出至LVDS 125。
LVDS 125根據低壓差分訊號(low voltage differential
signaling，LVDS)傳送數位訊號。串列轉換部126將所輸入的並列的(parallel)數位訊號轉換成串列(serial)而輸出。焊墊127是用於與外部進行輸入及輸出的接口。
其次，說明本實施形態的固態攝影元件100的運作。
在本實施形態的固態攝影元件100中，針對畫素部10
的各列分別依次進行第2預備排出、第1預備排出、排出以及電荷訊號的讀出動作。並且，沿畫素部10的行方向依次掃描而進行畫素部10的每列的第2預備排出、第1預備排出、排出以及電荷訊號的讀出動作。
圖4表示本實施形態的固態攝影元件100的第n列(n
為自然數)~第n+3列的第2預備排出、第1預備排出、排出以及電荷訊號的讀出的時序的一例。如上所述，在本實施形態的固態攝影元件100中，對於第n列~第n+3列的各列，逐列依次進行第2預備排出、第1預備排出、排出以及電荷訊號的讀出。
此處，對所述第2預備排出、第1預備排出、排出以及讀出時的讀出電路116的具體動作進行說明。
在第2預備排出時，自垂直驅動器121的第2預備排出
用移位暫存器133對各列輸出用於第2預備排出的重置脈衝RS以及選擇脈衝RW。然後，藉由所述重置脈衝RS而使畫素部10的重置電晶體13導通，並且藉由選擇脈衝RW而使畫素部10的選擇電晶體14導通。藉此，FD經由選擇電晶體14而與反饋控制電路16連接，藉由反饋控制電路16對FD的電位進行反饋控制而重置為基準電位。
其次，在第1預備排出時，自垂直驅動器121的第1預
備排出用移位暫存器132對各列輸出用於第1預備排出的重置脈衝RS以及選擇脈衝RW。然後，與第2預備排出同樣地，藉由重置脈衝RS而使畫素部10的重置電晶體13導通，並且藉由選擇脈衝RW而使畫素部10的選擇電晶體14導通，再次對FD的電位進行反饋控制而重置為基準電位。
其次，在排出時，自垂直驅動器121的排出用移位暫存
器131對各列輸出用於排出的重置脈衝RS以及選擇脈衝RW。然後，與第1預備排出及第2預備排出同樣地，藉由重置脈衝RS而使畫素部10的重置電晶體13導通，並且藉由選擇脈衝RW而使畫素部10的選擇電晶體14導通，藉此再次對FD的電位進行反饋控制而重置為基準電位。
其次，在進行所述排出之後，規定的電荷蓄積期間經過
時，自垂直驅動器121的讀出用移位暫存器130對各列輸出選擇脈衝RW。然後，藉由所述選擇脈衝RW而使選擇電晶體14導通，藉此將蓄積於FD中的電荷訊號藉由輸出電晶體12而轉換成電壓
訊號，並作為蓄積訊號而輸出至訊號線SL。
其後，自讀出用移位暫存器130對各列輸出重置脈衝
RS，藉由所述重置脈衝RS而使畫素部10的重置電晶體13導通，再次對FD的電位進行反饋控制而重置為基準電位。然後，使重置電晶體13斷開而將剛剛結束重置後的訊號作為重置訊號而輸出至訊號線SL。在訊號處理電路123中，計算出蓄積訊號與重置訊號的差分，將所述差分用作影像訊號，藉此可獲得固定圖案雜訊、重置kTC雜訊均少的影像。
再者，如上所述，在本實施形態中，第2預備排出、第
1預備排出以及排出的所有動作中均進行反饋控制，但在排出時，需要以儘可能地接近於基準電位的方式進行反饋控制，以防止對電荷訊號附加偏置，與此相對，第2預備排出或第1預備排出可在其後進行排出，因此可容許與基準電位稍有偏差。因此，亦可將第2預備排出或第1預備排出的反饋控制的時間設定得短於排出的反饋控制的時間。藉此可將排出的時間或讀出的時間設定得更長，從而可提高影像訊號的S/N。再者，反饋控制的時間可藉由調整重置脈衝RS以及選擇脈衝RW的導通時間來進行控制。
其次，對第n列~第n+3列的各列中的第2預備排出、
第1預備排出、排出及電荷訊號的讀出的動作時序，以及各列的畫素部10的FD的電位變化進行說明。
在本實施形態的固態攝影元件100中，如圖4所示，以
在第n列的排出之前進行第n+1列的第1預備排出，且在第n列
的第1預備排出之前進行第n+1列的第2預備排出的方式來進行控制。又，同樣地，以在第n+1列的排出之前進行第n+2列的第1預備排出，且在第n+1列的第1預備排出之前進行第n+2列的第2預備排出的方式來進行控制，並且以在第n+2列的排出之前進行第n+3列的第1預備排出，且在第n+2列的第1預備排出之前進行第n+3列的第2預備排出的方式來進行控制。
即，以如下方式來進行控制：在規定的列的第1預備排
出與排出之間的期間內進行下一行的第1預備排出，在規定的列的第1預備排出與第2預備排出之間的期間內進行下一行的第2預備排出。
圖5是表示如上所述對各列的各動作的時序進行控制時各列的畫素部10中FD的電位變化的圖。
此處，對如下情況進行說明：在時刻t0藉由發光二極體(light-emitting diode，LED)而對固態攝影元件100照射一樣的光，在各列的預備排出前為止在FD中蓄積有10000個電子，且鄰接的列的耦合率為5%。
首先，藉由第n列的第2預備排出，蓄積於第n列的FD中的10000個電子成為0個。但是，藉由接下來執行的第n+1列的FD的第2預備排出，第n列的FD受到電容耦合的影響，伴隨著蓄積於第n+1列的FD中的10000個電子成為0個，而成為相當於10000個電子的-5%的電子數的電位。即，第n列的FD成為相當於-500個電子的電位。
其次，藉由第n列的第1預備排出，第n列的FD的電
位自相當於-500個電子的電位變為相當於0個電子的電位，即變為基準電位。但是，藉由接下來執行的第n+1列的FD的第1預備排出，第n列的FD受到電容耦合的影響，伴隨著第n+1列的FD的電位自相當於-500個電子的電位變為基準電位，而成為相當於-500個電子的-5%的電子數的電位。即，第n列的FD成為相當於25個電子的電位。
其次，藉由第n列的排出，第n列的FD的電位自相當
於25個電子的電位變為基準電位。然後，自所述排出的開始起開始訊號電荷的蓄積。此時，藉由接下來執行的第n+1列的FD的排出，第n列的FD受到電容耦合的影響，伴隨著第n+1列的FD的電位自相當於25個電子的電位變為基準電位，而產生相當於25個電子的-5%的電子數的電位變動。即，對第n列的排出後所蓄積的電荷訊號附加相當於-1.25個電子的偏移電位。
如上所述，即使在耦合率為5%左右而比較高的情況
下，對10000個蓄積訊號而言，亦可將其抑制至相當於-1.25個電子的偏移電位。
即，藉由在第n列的排出之前進行第n+1列的第1預備
排出，在第n列的第1預備排出之前進行第2預備排出，可充分減小電荷訊號所含的偏移電位。
以上，已以第n列的畫素部10的FD的電位變化為中心
進行了說明，但關於第n+1列~第n+3列亦相同。
並且，在本實施形態中，是設為在各列的排出之前進行
2次預備排出，但並不限定於2次，亦可設為進行3次以上。藉由進行j次預備排出，可使規定訊框的光訊號電荷的電容耦合的影響為(-耦合率)(j+1)。例如，即使訊框的光訊號電荷為相當於100000個電子的大小，且耦合率為10%，當設為進行4次預備排出時，亦可成為100000×(-0.1)5=-1，從而可抑制至相當於-1個電子的偏移電位。
如上所述，本發明中，耦合率越高效果越大，特別是在
將畫素部10的尺寸設為5μm以下的情形時，耦合率越無法忽視，效果越大，因此本發明的效果顯著。
而且，在如上所述對固態攝影元件設置有拜耳陣列等的
彩色濾光片的情形時，設置有綠色濾光片的畫素部的靈敏度亦不會根據畫素部的行而不同，因此可獲得適當的色彩平衡的影像訊號。
其次，對如上所述用以進行第2預備排出、第1預備排
出、排出以及讀出的控制部122的TG 128的動作進行說明。TG 128配合各列的第2預備排出、第1預備排出、排出以及讀出的時序週期性地輸出脈衝訊號。然後，如上所述，將自TG 128輸出的脈衝訊號輸入至讀出用移位暫存器130、排出用移位暫存器131、第1預備排出用移位暫存器132以及第2預備排出用移位暫存器133，各移位暫存器根據所輸入的脈衝訊號以預先設定的時序將重置脈衝RS或選擇脈衝RW輸出至各列。
圖6是表示自TG 128輸出的脈衝訊號與第n-1列~第
n+1列的各列中的動作時序的關係的圖。再者，在圖6中，設為時間自上段的左邊向右邊經過之後，時間自下段的左邊向右邊經過。
如圖6所示，TG 128例如依此順序輸出第2預備排出用
脈衝訊號PR2、第1預備排出用脈衝訊號PR1、排出用脈衝訊號R、讀出用脈衝訊號S。然後，將所述4種脈衝訊號在各掃描期間內加以輸出而輸入至各移位暫存器，各移位暫存器以所輸入的脈衝訊號與預先設定的時序的邏輯乘的時序將重置脈衝RS或選擇脈衝RW輸出至各列。
在本實施形態中，是設為針對每個動作設置移位暫存
器，因此可在1個掃描期間內並列進行多列的時序不同的動作。
而且，在圖6中，設為依此順序自TG 128輸出第2預
備排出用脈衝訊號PR2、第1預備排出用脈衝訊號PR1、排出用脈衝訊號R以及讀出用脈衝訊號S，但不一定限定於所述順序。
圖7是依其他順序自TG 128輸出4種脈衝訊號的情況的一例。在圖7中，TG 128以讀出用脈衝訊號S、排出用脈衝訊號R、第1預備排出用脈衝訊號PR1及第2預備排出用脈衝訊號PR2的順序進行輸出。即，圖7是以與圖6所示的示例相反的順序自TG 128輸出4種脈衝訊號的情況的示例。在圖7所示的示例中，亦如上所述，各移位暫存器以所輸入的脈衝訊號與預先設定的時序的邏輯乘的時序將重置脈衝RS或選擇脈衝RW輸出至各列，但此時，亦需要以第2預備排出、第1預備排出、排出以及讀出的順序來
進行各列的動作。接著，然後，以在第n列的排出之前進行第n+1列的第1預備排出，且在第n列的第1預備排出之前進行第n+1列的第2預備排出的方式，對各移位暫存器分別設定時序。
再者，自TG 128輸出的4種脈衝訊號的輸出順序不僅
為圖6及圖7所示的順序，亦可設為其他順序。而且，在圖6及圖7所示的示例中，是設為TG 128以完全不同的時序輸出4種脈衝訊號，但並不限定於此，只要設為4種脈衝訊號之中的至少1種脈衝訊號以與其他脈衝訊號的時序不同的時序進行輸出即可。
藉此，可如上所述在1個掃描期間內並列進行多列的時序不同的動作。但是，此時，各列的動作亦是以第2預備排出、第1預備排出、排出以及讀出的順序來進行，然後，以在第n列的排出之前進行第n+1列的第1預備排出，且在第n列的第1預備排出之前進行第n+1列的第2預備排出的方式，對各移位暫存器分別設定時序。
又，在本實施形態的固態攝影元件100中，亦可設為以
關於畫素部列方向具有週期性的圖案來對各畫素部10的讀出電路進行布局。
例如，當以鏡像關係對畫素部10的讀出電路進行布局
時，讀出電路以關於行方向以2列為週期的圖案進行布局，鄰接的畫素間的耦合容量亦以2列為週期。
即，如圖8所示的示意圖般，例如第n列(奇數列)與
第n+1列(偶數列)的畫素部10間的電容耦合相對增大，第n+1
列(偶數列)與第n+2列(奇數列)的畫素部10間的電容耦合相對減小。而且，第n+2列(奇數列)與第n+3列(偶數列)的畫素部10間的電容耦合相對增大。
圖9表示在此種構成中，不進行所述預備排出而如先前
般僅進行排出的情形時的FD的電位變化。圖9表示在均勻的光入射至所有的畫素的條件下進行攝影時的驅動與FD電位的時間變化。圖9中的實線表示電容耦合完全不存在時的理想的電位變化，點線表示實際的電位變化。根據圖8所示的電容耦合的大小，如圖9所示，雖然第n+1列的排出對第n列的畫素部10的FD的電位所造成的影響以及第n+3列的排出對第n+2列的畫素部10的FD的電位所造成的影響大，但第n+2列的排出對第n+1列的畫素部10的FD的電位所造成的影響小。其結果為，作為偶數列的第n+1列及第n+3列獲得與無電容耦合時大致相等的輸出，與此相對，作為奇數列的第n列及第n+2列則獲得與無電容耦合時大不相同的輸出。即，即使均勻的光入射至第n列~第n+3列的畫素部10，由奇數列的畫素部10及偶數列的畫素部10讀出的電荷訊號的大小亦不同，從而在讀出到的影像上每隔1列會產生橫紋。
與此相對，只要設為以如在所述實施形態的固態攝影元
件中所說明的時序進行第1預備排出及第2預備排出，即可抑制所述電容耦合的影響，因此可防止橫紋的產生。
並且，畫素部10的讀出電路並不限於以2列為週期，
例如亦可設為藉由以3列為週期或以4列為週期的圖案來進行布
局。總而言之，對於形成於在行方向上鄰接的畫素間的電容耦合，只要是關於行方向週期性地發生變化的圖案，則無論以何種週期構造進行布局均可，當如上所述進行布局時，本發明的效果顯著。
並且，在所述實施形態的固態攝影元件100中，是設為
由n通道MOS電晶體構成重置電晶體13、輸出電晶體12及選擇電晶體14，且藉由畫素電極104來捕獲電洞，但並不限定於此，亦可設為由p通道MOS電晶體構成重置電晶體13、輸出電晶體12及選擇電晶體14，利用畫素電極104捕獲電子，且利用由p通道MOS電晶體構成的訊號讀出電路116讀出與所述電子的量相對應的電荷訊號。
與設為利用畫素電極捕獲電子，且利用由n通道MOS
電晶體構成的訊號讀出電路對其進行讀出的構成的情況進行比較，在設為如所述實施形態般利用畫素電極104捕獲電洞，且利用由n通道MOS電晶體構成的訊號讀出電路116對其進行讀出的構成的情況，或者如上所述利用畫素電極104捕獲電子，且利用由p通道MOS電晶體構成的訊號讀出電路116對其進行讀出的構成的情況下，FD的電壓振幅大。因此，不進行第1預備排出及第2預備排出的情況下排出時的FD的電位變化大，因此電容耦合對鄰接畫素的FD的訊號電荷所造成的影響亦大，因此可更顯著地獲得所述第1預備排出及第2預備排出的效果。
但是，在如上所述的構成時，有可能FD的電位過度上
升而使電路受到破壞，因此如圖10所示，亦可設為在FD中設置
有保護電路17的構成。由於讀出電路116的構成零件增多，因此耦合率增大，但根據本實施形態，可抑制由耦合率所導致的畫質的下降，因而無妨。
並且，所述實施形態的固態攝影元件可用於各種攝影裝置。作為攝影裝置，例如有數位相機、數位攝影機、電子內窺鏡、帶相機的行動電話等。
VD‧‧‧訊框同步訊號
Claims (14)
- 一種固態攝影元件，其特徵在於：包括：光電轉換部，產生與入射光的光量相對應的訊號電荷；蓄積部，對在所述光電轉換部中產生的訊號電荷進行蓄積；以及輸出電路，輸出與蓄積於所述蓄積部中的訊號電荷相對應的電壓；且所述固態攝影元件呈二維狀地排列有多個畫素部，所述畫素部是將所述光電轉換部、所述蓄積部與所述輸出電路的輸入節點加以電性連接而成，所述畫素部逐列依次進行：排出蓄積於所述蓄積部中的訊號電荷，在所述排出後，進行電荷蓄積讀出動作，以將在電荷蓄積期間經過時蓄積於所述蓄積部中的訊號電荷讀出，在所述多個畫素部的各列中，在所述排出之前，至少進行2次預備排出，所述預備排出是自所述蓄積部預備性地排出電荷，並且在第n(n為自然數)列的所述排出之前，進行第n+1列的第1所述預備排出，在即將進行所述第n列的排出之前所進行的所述第n列的第1所述預備排出之前，進行所述第n+1列的第2所述預備排出。
- 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影元件，其中在所述畫素部的每行上設置有反饋控制電路，所述反饋控制電路是以所述蓄積部成為基準電位的方式來進行反饋控制。
- 如申請專利範圍第2項所述的固態攝影元件，其中所述反饋控制電路在所述排出、所述訊號電荷的讀出、所述第1預備排出以及所述第2預備排出時，進行所述反饋控制。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的固態攝影元件，其中在1列的掃描期間內，在不同的列以不同的時序進行所述排出、所述訊號電荷的讀出、所述第1預備排出以及所述第2預備排出之中的至少1個動作及所述至少1個動作以外的動作。
- 如申請專利範圍第4項所述的固態攝影元件，其中包括時序產生器，所述時序產生器輸出用以控制所述排出、所述訊號電荷的讀出、所述第1預備排出以及所述第2預備排出的時序的脈衝訊號，所述時序產生器在1列的掃描期間內，以不同的時序輸出用以控制所述至少1個動作的時序的脈衝訊號、以及用以控制所述至少1個動作以外的動作的時序的脈衝訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影元件，其中針對每個動作分別設置有移位暫存器，所述移位暫存器對所述排出、所述訊號電荷的讀出、所述第1預備排出以及所述第2預備排出的時序進行控制。
- 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影元件，其中所述第 1預備排出或所述第2預備排出的時間短於所述排出的時間。
- 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影元件，其中所述畫素部包括：第1電極，由各個所述畫素部所劃分；以及第2電極，夾著所述光電轉換部與所述第1電極相對向而設置，所述第2電極是對所有的所述畫素部而言為共同的電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影元件，其中所述光電轉換部包括有機光電轉換膜。
- 如申請專利範圍第9項所述的固態攝影元件，其中所述有機光電轉換膜是對所有的所述畫素部而言為共同的膜。
- 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影元件，其中來自所述光電轉換部的訊號電荷為電洞。
- 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影元件，其中來自所述光電轉換部的訊號電荷為電子。
- 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影元件，其中在所述蓄積部中設置有保護電路。
- 一種攝影裝置，其特徵在於：包括如申請專利範圍第1項所述的固態攝影元件。
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