(57)【要約】【課題】電子と正孔の両方を検出して、高ダイナミックレンジな撮像を行う固体撮像装置において、高画質の画像を得る。【解決手段】固体撮像装置は、入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、画素の駆動を制御する駆動制御部とを備える。画素は、光電変換により発生する第１の電荷をフォトダイオードに蓄積し、光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積する。駆動制御部は、第１キャパシタに蓄積された第２の電荷による画素信号を出力した後で、フォトダイオードに蓄積された第１の電荷による画素信号を出力させる。本技術は、例えば、電子と正孔の両方を検出して、高ダイナミックレンジな撮像を行う固体撮像装置等に適用できる。【選択図】図３
2020039017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、
前記画素の駆動を制御する駆動制御部と
を備え、
前記画素は、光電変換により発生する第１の電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積し、
前記駆動制御部は、前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号を出力させる
固体撮像装置。
【請求項２】
前記フォトダイオードのPN接合の一方の半導体領域は、前記第１キャパシタの一方の電極を構成し、
前記画素は、
画素外へ出力される電荷を一時的に保持す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と前記半導体領域との間の第２キャパシタと
をさらに有する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２キャパシタは、前記フローティングディフュージョンの総容量に対して、0.2倍から0.8倍の間に設定されている
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素は、前記半導体領域に蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力する際に、前記半導体領域を固定電位にリセットするトランジスタをさらに有し、
前記トランジスタは、前記第２の電荷が正孔である場合、PMOSトランジスタで構成され、前記第２の電荷が電子である場合、NMOSトランジスタで構成される
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記トランジスタのソース領域は、前記半導体領域で構成される
請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記トランジスタのドレイン領域は、平面視では、ウェル、ゲート電極、および、前記画素分離部で囲まれ、断面視では、前記ウェルにより前記半導体領域と絶縁分離された構造を有する
請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記トランジスタは、平面視において、矩形領域の前記画素内の所定の角部に配置される
請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記駆動制御部は、読み出し動作時には電源電圧とする供給電圧を、読み出し動作とリセット動作以外の蓄積期間中、異なる電圧に設定する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記異なる電圧は0Vである
請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記画素は、前記半導体領域に蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力する際に、前記半導体領域を固定電位にリセットするトランジスタをさらに有し、
前記駆動制御部は、前記異なる電圧を、前記半導体領域に蓄積できる飽和電荷数で変化する電位変化量だけ前記固定電位より高く設定する
請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第１の電荷による画素信号が所定値より小さい場合に、前記第２の電荷による画素信号から、複数フレームを用いて算出された固定成分を減算することにより、前記第２の電荷による画素信号の補正処理を行う補正処理部をさらに備える
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記補正処理部は、蓄積時間と温度に応じた補正後の、前記複数フレームの前記第２の電荷による画素信号を用いて、前記固定成分を算出する
請求項１１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記画素分離部は、半導体基板を貫通して隣接画素どうしを電気的に分離する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記画素分離部は、金属材料またはポリシリコンで形成される固定電位の電極を含む
請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記フォトダイオードのPN接合の一方の半導体領域は、前記第１キャパシタの一方の電極を構成し、
前記画素分離部は、前記半導体領域と反対の導電型の半導体領域で形成され、所定の電圧が印加される
請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、
前記画素の駆動を制御する駆動制御部と
を備える固体撮像装置の、
前記画素が、光電変換により発生する第１の電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積し、
前記駆動制御部が、前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号を出力させる
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１７】
入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、
前記画素の駆動を制御する駆動制御部と
を備え、
前記画素は、光電変換により発生する第１の電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積し、
前記駆動制御部は、前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号を出力させる
固体撮像装置
を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子機器に関し、特に、電子と正孔の両方を検出して、高ダイナミックレンジな撮像を行う固体撮像装置において、高画質の画像を得るための固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子と正孔の両方を検出して、高ダイナミックレンジな撮像を実現する方法が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。この方法では、光電変換による電子は、通常の埋込み型フォトダイオードに蓄積され、正孔は、フォトダイオードの画素接地に蓄積される。入射光により電子と正孔はほぼ同じ量子効率で発生するが、電子は、暗い被写体を高感度で出力し、正孔は、フォトダイオードが電子で飽和してしまうような明るい被写体を低感度で出力する。その結果、電子と正孔による信号を合わせることで、広範囲な明るさの被写体に応答できる高ダイナミックレンジ撮像が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７／０１８６８０６号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】F. Lalenne, “A 750 K Photocharge Linear Full Well in a 3.2μm HDR Pixel with Complementary Carrier Collection,” Journal of MDPI, Sensors, 18, 305, 2018.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記文献に開示された方法では、正孔蓄積用容量に蓄積された正孔による信号を読み出す前に、フォトダイオードに蓄積された電子による信号が読み出される。電子による信号を読み出す際、正孔蓄積用容量には光電変換の結果発生した正孔が蓄積されている。これにより、正孔蓄積用容量を構成するP型画素基板の電位は、0Vではなく正の電位となっている。また、上記文献に開示された方法では、電子による信号を読み出す際、P型画素基板が電気的にフローティングとなるよう制御されている。この状態で、電子による信号を読み出すために、転送トランジスタのゲート電極へ正の電圧のパルスを与えると、転送ゲート電極とP型画素基板との間の寄生容量結合を介して、P型画素基板の電位が更に正の方向へ変化してしまう。電子を転送する際にP型画素基板の電位が0Vではなく正の電位になっていると、転送トランジスタのチャネルへ十分な電界を印加できず、このことはフォトダイオードからフローティングディフュージョンへの電子の転送に悪影響を及ぼす。一例として、転送トランジスタのチャネルに、フォトダイオードからフローティングディフュージョンへの電子の転送を阻害する電位障壁が生じてしまい、フローティングディフュージョンへ転送できなかった電子が、フォトダイオードに残留してしまう懸念がある。さらには、フォトダイオードに電子が残留することにより、装置から出力される画像において、残像の発生やSN比の低下といった画質の低下が発生する懸念がある。
【０００６】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、電子と正孔の両方を検出して高ダイナミックレンジな撮像を行う固体撮像装置において、光電変換の結果発生した電荷の読み出しを良好に行うためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本技術の第１の側面の固体撮像装置は、入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、前記画素の駆動を制御する駆動制御部とを備え、前記画素は、光電変換により発生する第１の電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積し、前記駆動制御部は、前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号を出力させる。
【０００８】
本技術の第２の側面の固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、前記画素の駆動を制御する駆動制御部とを備える固体撮像装置の、前記画素が、光電変換により発生する第１の電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積し、前記駆動制御部が、前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号を出力させる。
【０００９】
本技術の第３の側面の電子機器は、入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、前記画素の駆動を制御する駆動制御部とを備え、前記画素は、光電変換により発生する第１の電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積し、前記駆動制御部は、前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号を出力させる固体撮像装置を備える。
【００１０】
本技術の第１乃至第３の側面においては、光電変換により発生する第１の電荷がフォトダイオードに蓄積され、前記光電変換により発生する第２の電荷が画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積される。前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号が出力される。
【００１１】
固体撮像装置及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本技術の第１乃至第３の側面によれば、光電変換の結果発生した電荷の読み出しを良好に行うことができる。
【００１３】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本技術を適用した固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図２】画素の等価回路を示す図である。
【図３】画素の断面構造を示す図である。
【図４】画素の断面構造の変形例を示す図である。
【図５】画素の駆動タイミングチャートである。
【図６】画素に蓄積される電荷の具体的数値例を説明する図である。
【図７】第１リセットトランジスタの平面図と断面図である。
【図８】信号処理回路に着目した固体撮像装置のブロック図である。
【図９】暗電流補正処理部の詳細な構成例を示すブロック図である。
【図１０】暗電流補正処理部による暗電流改善効果を説明する図である。
【図１１】第２の実施の形態における画素の等価回路を示す図である。
【図１２】第２の実施の形態における画素の断面構造を示す図である。
【図１３】第２の実施の形態における画素の駆動タイミングチャートである。
【図１４】第３の実施の形態における画素の断面構造を示す図である。
【図１５】本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図１６】イメージセンサの使用例を説明する図である。
【図１７】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【図１８】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像装置の概略構成例
２．画素回路と断面構造
３．画素の駆動
４．数値例
５．第１リセットトランジスタMR1の詳細構造
６．暗電流補正処理
７．電子と正孔の極性を反対にした構造
８．画素境界部のその他の構造例
１０．電子機器への適用例
１１．移動体への応用例
【００１６】
＜１．固体撮像装置の概略構成例＞
図１は、本技術を適用した固体撮像装置の概略構成を示している。
【００１７】
図１の固体撮像装置１は、半導体として例えばシリコン（Si）を用いた半導体基板１２に、画素２が２次元アレイ状に配列された画素アレイ部３と、その周辺の周辺回路部とを有して構成される。周辺回路部には、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６、信号処理回路７、制御回路８などが含まれる。
【００１８】
画素２は、フォトダイオード等の光電変換素子と、複数の画素トランジスタを有して成る。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタなどであり、MOSトランジスタで構成される。画素２の詳細については、図２及び図３を参照して後述する。
【００１９】
制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路８は、生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に出力する。
【００２０】
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、所定の画素駆動配線１０を選択し、選択された画素駆動配線１０に画素２を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素２を駆動する。すなわち、垂直駆動回路４は、画素アレイ部３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、各画素２の光電変換部において受光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線９を通してカラム信号処理回路５に供給させる。
【００２１】
カラム信号処理回路５は、画素２の列ごとに配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。例えば、カラム信号処理回路５は、画素固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)およびAD変換等の信号処理を行う。
【００２２】
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１１に出力させる。
【００２３】
信号処理回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１１を通して順次に供給される信号に対し、所定の信号処理を行って出力する。信号処理回路７は、例えば、バファリングだけする場合もあるし、暗電流補正、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。入出力端子１３は、外部と信号のやりとりをする。
【００２４】
以上のように構成される固体撮像装置１は、CDS処理とAD変換処理を行うカラム信号処理回路５が画素列ごとに配置されたカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサである。
【００２５】
固体撮像装置１は、電子と正孔の両方を検出して、高ダイナミックレンジな撮像を実現する固体撮像装置である。以下では、高ダイナミックレンジな撮像を実現した固体撮像装置１の詳細について説明する。
【００２６】
＜２．画素回路と断面構造＞
図２および図３を参照して、電子と正孔の両方を検出する画素２の回路と断面構造について説明する。
【００２７】
図２は、画素２の等価回路を示し、図３は、画素２の断面構造を示している。
【００２８】
図２に示されるように、画素２に対して電圧を与えるための線として、第１電圧V1を与える第１電圧供給線３１と、第２電圧V2を与える第２電圧供給配線３２とが、画素２へ接続されている。
【００２９】
ここで、第１電圧V1は、例えば接地電圧（言い換えればGND電圧、0V）であり、第２電圧V2は、例えば電源電圧（言い換えればVDD電圧）である。なお、第１電圧V1は、0Vに限らず、負の電圧や、あるいはまた、第２電圧V2よりも低い電圧となる正の電圧も取り得る。（本明細書において、GND電圧以外となる第１電圧V1を、便宜上VPGBと呼ぶことがある）
【００３０】
固体撮像装置１は、画素２に対して第２電圧V2を与える機構（言い換えれば画素２へ電源を供給する機構）として、時間によって画素２へ与える電圧の大きさを変える、可変電源機構を備える。この可変電源機構は、例えば、（１）画素２に備わるフォトダイオードPDやフローティングディフュージョンFDの状態をリセットするための電圧や画素２に備わるトランジスタを動作させるための電圧となる高電圧VDDHと、（２）画素２に備わるトランジスタの動作を停止状態とするための低電圧VDDLとなど、複数種の電圧を画素２に対して与え得る。なお、低電圧VDDLの大きさは、第１電圧V1と同じであってもよいし異なっていてもよい。
【００３１】
図２に示されるように、画素２は、フォトダイオードPD、第１リセットトランジスタMR1、転送トランジスタMT、変換ゲイン切替トランジスタMG、第２リセットトランジスタMR2、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、フローティングディフュージョンFD、第１キャパシタC1、および、第２キャパシタC2を備える。
【００３２】
転送トランジスタMT、変換ゲイン切替トランジスタMG、第２リセットトランジスタMR2、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、および、第１リセットトランジスタMR1は、MOSトランジスタで構成される。より具体的には、転送トランジスタMT、変換ゲイン切替トランジスタMG、第２リセットトランジスタMR2、増幅トランジスタMA、および、選択トランジスタMSは、N型のMOSトランジスタ（NMOSトランジスタ）で構成され、第１リセットトランジスタMR1は、P型のMOSトランジスタ（PMOSトランジスタ）で構成される。
【００３３】
フォトダイオードPDのアノードであるノードN1は、P型半導体によって形成されている。P型半導体領域であるノードN1は、P型のMOSトランジスタである第１リセットトランジスタMR1を介して第１電圧供給線３１に接続されている。フォトダイオードPDのカソードは転送トランジスタMTを介して、電荷−電圧変換部となるフローティングディフュージョンFDに接続されている。
【００３４】
第１リセットトランジスタMR1は、フォトダイオードPDのアノードであるノードN1を第１電圧供給線３１へ接続したり、あるいはまた、ノードN1を第１電圧供給線３１から切り離してノードN1をフローティング状態にする機能を担う。第１リセット信号φR1により第１リセットトランジスタMR1が導通状態とされたとき、ノードN1は第１電圧供給線３１に接続され、ノードN1は第１電圧V1へとリセットされる。第１リセット信号φR1により第１リセットトランジスタMR1が非導通状態とされたときには、ノードN1はフローティング状態となる。
【００３５】
転送トランジスタMTは、転送信号φTにより導通状態とされたとき、フォトダイオードPDで生成された電荷（電子）を読み出し、フローティングディフュージョンFDに転送する。
【００３６】
フローティングディフュージョンFD（言い換えれば、浮遊拡散容量FD）は、電荷−電圧変換部であり、かつまた、電圧へと変換された信号が垂直信号線９を介して画素外へ出力されるまでの間、一時的に電荷を保持する電荷蓄積部ともなる。フローティングディフュージョンFDは、転送トランジスタMTのドレイン領域（N型半導体拡散層領域）も兼ねている。かつ、転送トランジスタMTとフローティングディフュージョンFDは、フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域（ノードN1）内に形成されている。このため、フローティングディフュージョンFDと、フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域（ノードN1）の間には、PN接合FDJが形成される。PN接合FDJに備わる接合容量を、CJと呼ぶことにする。フローティングディフュージョンFDは、転送トランジスタMTを介してフォトダイオードPDと接続される他、変換ゲイン切替トランジスタMGおよび第２リセットトランジスタMR2を介して、第２電圧供給配線３２に接続されている。さらに、フローティングディフュージョンFDは、増幅トランジスタMAのゲートとも接続されている。
【００３７】
変換ゲイン切替トランジスタMGおよび第２リセットトランジスタMR2は直列に接続され、フローティングディフュージョンFDと第２電圧供給配線３２との間に配置されている。変換ゲイン切替トランジスタMGは、切替信号φGに応じて、フローティングディフュージョンFDの変換ゲインを切り替える。具体的には、変換ゲイン切替トランジスタMGが切替信号φGにより導通状態（オン状態）となると、変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGが、フローティングディフュージョンFDへと電気的に接続され、フローティングディフュージョンFDの容量が増加する。これにより、フローティングディフュージョンFDにおいて一定量の電荷を電圧変換した結果生じる電圧信号は、変換ゲイン切替トランジスタMGが非導通状態の場合よりも小さく、いわゆる低変換ゲイン状態となる。一方、変換ゲイン切替トランジスタMGが切替信号φGにより非導通状態（オフ状態）となると、上記変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGが、フローティングディフュージョンFDから電気的に切り離される。その結果、変換ゲイン切替トランジスタMGが導通状態の場合よりもフローティングディフュージョンFDの容量が小さくなる。これにより、フローティングディフュージョンFDにおいて一定量の電荷を電圧変換した結果生じる電圧信号は、変換ゲイン切替トランジスタMGが導通状態の場合よりも大きく、いわゆる高変換ゲイン状態となる。
【００３８】
第２リセットトランジスタMR2は、第２リセット信号φR2により導通状態とされたとき、フローティングディフュージョンFDに保持されている電荷を第２電圧供給配線３２へ排出することで、フローティングディフュージョンFDの電位を第２電圧V2へとリセットする。第２リセットトランジスタMR2がリセット動作を行うときは、変換ゲイン切替トランジスタMGも同時に導通状態とされる。
【００３９】
増幅トランジスタMAは、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた画素信号Vsigを垂直信号線９へと出力する。増幅トランジスタMAは、垂直信号線９に接続され定電流源として機能する負荷MOS（不図示）とソースフォロワ回路を構成する。そして増幅トランジスタMAは、フローティングディフュージョンFDに保持されている電荷に応じたレベルを示す画素信号Vsigを、増幅トランジスタMAから選択トランジスタMSと垂直信号線９を介してカラム信号処理回路５（図１）へと出力する。負荷MOSは、例えば、カラム信号処理回路５内に設けられている。
【００４０】
選択トランジスタMSは、選択信号φSにより画素２が選択されたとき導通状態とされ、画素２の画素信号Vsigを、垂直信号線９を介してカラム信号処理回路５に出力する。転送信号φT、切替信号φG、第２リセット信号φR2、第１リセット信号φR1、および、選択信号φSは、画素２の駆動を制御する駆動制御部である垂直駆動回路４によって制御され、画素駆動配線１０（図１）を介して供給される。
【００４１】
図２において、第１キャパシタC1は、等価回路上、フォトダイオードPDのアノードとなるノードN1と第１電圧供給線３１との間に接続された容量である。第１キャパシタC1の具体的な構成は後述するが、画素２の構成要素に寄生した寄生容量であってもよいし、意図的に付加した容量であってもよい。第１キャパシタC1は、一例として、フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域と、各画素の周囲に配置されたトレンチの内部に配置された電極と、トレンチの内部であってP型半導体領域と電極との間に配置された絶縁膜と、で構成される容量である。なお、今後、第１キャパシタC1の容量の大きさをCC1と呼ぶことがある。
【００４２】
図２において、フローティングディフュージョンFDには、複数種の容量が接続されている。
【００４３】
接合容量CJは、等価回路上、フローティングディフュージョンFDとノードN1との間に接続された容量である。接合容量CJは、N型半導体拡散層領域であるフローティングディフュージョンFDと、P型半導体領域であるノードN1との間に備わる、接合容量である。なお、今後、接合容量CJの容量の大きさをCCJと呼ぶことがある。
【００４４】
第２キャパシタC2も、等価回路上は、フローティングディフュージョンFDとノードN1との間に接続された容量である。第２キャパシタC2の具体的な構成は後述するが、画素２の構成要素に寄生した寄生容量であってもよいし、意図的に付加した容量であってもよい。第２キャパシタC2は、一例として、フローティングディフュージョンFDに接続された配線と、P型半導体領域であるノードN1との間に生じる、寄生容量である。なお、今後、第２キャパシタC2の容量の大きさをCC2と呼ぶことがある。
【００４５】
フローティングディフュージョンFDとノードN1との間に接続された容量であるところの、接合容量CJと第２キャパシタC2を合わせた合成容量を、ノードN1に対するFD容量CFDtoN1と呼ぶことがある。また、ノードN1に対するFD容量CFDtoN1の大きさを、CCFDtoN1と呼ぶことがある。
【００４６】
第３キャパシタCP3乃至第５キャパシタCP5は、等価回路上は、フローティングディフュージョンFDと、電圧が第１電圧V1となる領域との間に接続された容量である。第３キャパシタCP3乃至第５キャパシタCP5の具体的な構成は後述するが、一例として、第３キャパシタCP3は、フローティングディフュージョンFDおよびこれに接続された配線（いわゆるFD配線）と、第１電圧供給線３１との間に生じる寄生容量であり、第４キャパシタCP4は、フローティングディフュージョンFDおよびこれに接続された配線と、転送信号φTを伝送する配線との間に生じる寄生容量であり、第５キャパシタCP5は、フローティングディフュージョンFDおよびこれに接続された配線と、切替信号φGを伝送する配線との間に生じる寄生容量である。なお、今後、第３キャパシタCP3乃至第５キャパシタCP5の容量の大きさをCCP3乃至CCP5と呼ぶことがある。フローティングディフュージョンFDと、電圧が第１電圧V1となる領域との間に生じる寄生容量は、第３キャパシタCP3乃至第５キャパシタCP5以外にも存在し得るが、ここでは省略する。
【００４７】
フローティングディフュージョンFDと第１電圧V1となる領域との間に接続された容量であるところの、第３キャパシタCP3乃至第５キャパシタCP5とこれら以外の寄生容量を合わせた合成容量を、第１電圧V1に対するFD容量CFDtoV1と呼ぶことがある。また、第１電圧V1に対するFD容量CFDtoV1の大きさを、CCFDtoV1と呼ぶことがある。
【００４８】
なお、フローティングディフュージョンFDの総容量、すなわち、フローティングディフュージョンFDとノードN1との間のFD容量CFDtoN1と、フローティングディフュージョンFDと第１電圧V1となる領域との間のFD容量CFDtoV1との、合成容量をCFDと呼ぶことがあり、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの大きさをCCFDと呼ぶことがある。
【００４９】
変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGは、先に述べたように、切替信号φGによって、フローティングディフュージョンFDへ電気的に接続されたり切り離されたりする。なお、今後、変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CG の大きさをCCGと呼ぶことがある。
【００５０】
次に、図３を参照して、画素２の断面構造について説明する。
【００５１】
画素アレイ部３では、図３に示されるように、画素２が２次元アレイ状に並んで形成されている。画素２に備わる半導体基板１２へは、図３の上側（北側）から光が入射する。そこで、本明細書においては、便宜上、半導体基板１２に備わる２つの面のうち、光が入射する側の面（図３の上側（北側）の面）を半導体基板１２の裏面と呼び、半導体基板１２に備わるもう一方の面（光の入射面に対向する面、図３の下側（南側）の面）を半導体基板１２の表面、と呼ぶ。図３において上側となる半導体基板１２の裏面側には、層間膜５１、カラーフィルタ５２、および、マイクロレンズ５３が、その順で形成されている。層間膜５１の材料には、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等が用いられる。層間膜５１の他に、半導体基板１２の裏面側に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）等による反射防止膜や固定電荷膜等が形成されてもよい。
【００５２】
カラーフィルタ５２は、例えば、R（赤色）、G（緑色）、または、B（青色）のベイヤ配列とされている。カラーフィルタ５２は、例えば顔料や染料などの色素を含んだ感光性樹脂を回転塗布することによって形成される。マイクロレンズ５３は、例えば、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル共重合系樹脂、またはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料で形成される。
【００５３】
画素アレイ部３の半導体基板１２において、隣接して配置される画素２の境界部分には、半導体基板１２を貫通するトレンチアイソレーション６０が設けられている。トレンチアイソレーション６０は、その中心部に配置されたトレンチ電極６１と、トレンチ電極６１の外側に配置された絶縁膜６２とで構成されている。トレンチ電極６１は、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Al）、銅（Cu）等の金属材料またはポリシリコンなどで形成される。トレンチ電極６１は、第１電圧供給線３１に電気的に接続されている。トレンチ電極６１の周囲に配置された絶縁膜６２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の酸化物あるいはその他の絶縁材料で形成される。トレンチ電極６１と絶縁膜６２を備えたトレンチアイソレーション６０は、隣接する画素２の間を電気的に分離する画素分離部として機能する。
【００５４】
画素アレイ部３に備わる各画素２は、フォトダイオードPDを備える。フォトダイオードPDは、カソードとなるN型半導体領域６３、および、アノードとなるP型半導体領域６４を備える。
【００５５】
画素２に備わるフォトダイオードPDは、その周囲に半導体基板１２を貫通するトレンチアイソレーション６０を備える。これにより、画素２に備わるフォトダイオードPDは、隣接する画素２に備わるフォトダイオードPDとの間が、画素毎に電気的に分離されている。フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域６４は、第１リセットトランジスタMR1によって、第１電圧供給線３１と電気的に接続および分離される。フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域６４は、第１リセットトランジスタMR1によって第１電圧供給線３１から切り離されたときには、フローティング状態となる。フォトダイオードPDのカソードとなるN型半導体領域６３は、転送トランジスタMTによって、フローティングディフュージョンFDと電気的に接続および分離される。
【００５６】
さらに、画素２に備わるフォトダイオードPDは、その側面と上面と下面にアノードとなるP型半導体領域６４を備え、その内側にカソードとなるN型半導体領域６３を備えた、埋め込み型のフォトダイオードとなっている。より具体的には、フォトダイオードPDの側面において、P型半導体領域６４は、各画素２の境界部に配置されたトレンチアイソレーション６０の内側（画素の内側方向）に沿って配置される。また、P型半導体領域６４は、各画素２に備わる半導体基板１２の裏面（図３の上面）に沿っても配置され、さらに、半導体基板１２の表面（図３の下面）のうち、画素２に備わるトランジスタ以外となる領域にも配置される。
【００５７】
なお、図３において、N＋またはP＋の＋は、N型またはP型の濃度が高い領域を表す。
【００５８】
図３において下側となる半導体基板１２の表面側には、転送トランジスタMT、変換ゲイン切替トランジスタMG、第２リセットトランジスタMR2、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、第１リセットトランジスタMR1、フローティングディフュージョンFDなどが形成される。なお、増幅トランジスタMAと選択トランジスタMSは、同一断面で表せないため、回路シンボルで表している。これらの素子のうち、PMOSトランジスタである第１リセットトランジスタMR1を除いた各素子、すなわち、転送トランジスタMT、変換ゲイン切替トランジスタMG、第２リセットトランジスタMR2、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMSとフローティングディフュージョンFDは、P型半導体領域６４内に形成されている。
【００５９】
転送トランジスタMTは、転送信号φTにより導通状態とされたとき、N型半導体領域６３に蓄積されている電荷（電子）を、フローティングディフュージョンFDとしてのN型半導体領域６５に転送する。フローティングディフュージョンFDとしてのN型半導体領域６５は、増幅トランジスタMAのゲートに接続されている。
【００６０】
N型半導体領域６６は、変換ゲイン切替トランジスタMGのドレイン領域および第２リセットトランジスタMR2のソース領域として機能する。N型半導体領域６７は、第２リセットトランジスタMR2のドレイン領域として機能し、第２電圧供給配線３２と、増幅トランジスタMAのドレイン領域に接続されている。
【００６１】
半導体基板１２の表面側で、かつ、画素境界のトレンチアイソレーション６０に近い所定の領域には、第１リセットトランジスタMR1が形成されている。第１リセットトランジスタMR1は、P型のMOSトランジスタである。周囲をP型半導体領域６４で囲まれた中に、N型ウェル（Well）６９が形成される。N型ウェル６９の表面にゲート絶縁膜を挟んで第１リセットトランジスタMR1のゲート電極が形成される。このゲート電極には第１リセット信号φR1を伝送する配線が接続される。N型ウェル６９の中であって、その表面にゲート電極が形成されていない領域には、第１リセットトランジスタMR1のドレイン領域となるP型半導体領域６８が形成される。一方、N型ウェル６９を取り囲むP型半導体領域６４が、第１リセットトランジスタMR1のソース領域を兼ねる。第１リセットトランジスタMR1のドレイン領域であるP型半導体領域６８は、トレンチ電極６１とともに第１電圧供給線３１に接続されている。
【００６２】
次に、図３を参照して、画素２に備わるキャパシタの構成の例を説明する。
【００６３】
第１キャパシタC1は、トレンチアイソレーション６０と、フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域６４によって構成される。具体的には、第１電圧供給線３１に接続されたトレンチ電極６１が一方の電極、フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域６４が他方の電極となり、これら２つの電極とこれらの間に配置された絶縁膜６２とで、第１キャパシタC1を構成している。
【００６４】
第２キャパシタC2は、フローティングディフュージョンFDおよびこれに接続された配線（いわゆるFD配線）と、フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域６４との間に生じる容量である。第２キャパシタC2は、画素２の構成要素に寄生した寄生容量であってもよいし、意図的に付加した容量であってもよい。例えば、第２キャパシタC2は、フローティングディフュージョンFDに接続された配線（いわゆるFD配線）と、フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域６４との間に生じる寄生容量であってよい。あるいは、フローティングディフュージョンFDに接続された配線（いわゆるFD配線）の一部の幅を、その他の部分の幅よりも大きくすることで、P型半導体領域６４との間に意図的に付加した容量であってもよい。あるいは、FD配線と、P型半導体領域６４と、FD配線とP型半導体領域６４との間に配置された層間膜と、によって形成された寄生容量だけでなく、フローティングディフュージョンFDに接続された配線であってFD配線とは異なる配線を用いてP型半導体領域６４との間に意図的に付加した容量であってもよいし、層間膜とは異なる絶縁材料もしくは誘電材料と用いてFD配線とP型半導体領域６４との間に意図的に付加した容量であってもよい。
【００６５】
第３キャパシタCP3は、フローティングディフュージョンFDおよびこれに接続された配線（いわゆるFD配線）と、第１電圧供給線３１との間に生じる寄生容量である。
【００６６】
第４キャパシタCP4は、フローティングディフュージョンFDおよびこれに接続された配線と、転送信号φTを伝送する配線との間に生じる寄生容量である。
【００６７】
第５キャパシタCP5は、フローティングディフュージョンFDおよびこれに接続された配線と、切替信号φGを伝送する配線との間に生じる寄生容量である。
【００６８】
接合容量CJは、N型半導体拡散層領域であるフローティングディフュージョンFDと、フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域６４とのPN接合部に形成される、接合容量である。
【００６９】
ゲート容量CGは、変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量である。
【００７０】
次に、図４を参照して、画素２の断面構造の変形例について説明する。
【００７１】
図４に記載の画素２は、画素２に備わる画素トランジスタのうち、転送トランジスタMT以外のNMOSトランジスタ（すなわち、変換ゲイン切替トランジスタMG、第２リセットトランジスタMR2、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS）が、P型半導体領域６４とは電気的に分離された第２のP型半導体領域６４ｂ内に形成されている点が、図３に記載の画素２と異なる。
【００７２】
図４において、画素２は、半導体基板１２の表面側（図４の下側）に、P型半導体領域６４とは異なる第２のP型半導体領域６４ｂを備える。さらに、P型半導体領域６４と第２のP型半導体領域６４ｂとの間に、第２のN型半導体領域６３ｂを備える。第２のN型半導体領域６３ｂは、第２のP型半導体領域６４ｂを囲むように配置され、これにより、P型半導体領域６４と第２のP型半導体領域６４ｂとを電気的に分離した、いわゆるウェルインウェル（Well in Well）構造を実現している。そして、第２のP型半導体領域６４ｂは、第２のP型半導体領域６４ｂ内に形成されたP型拡散層領域７１を介して、第１電圧供給線３１へと接続されることで、第１電圧V1が与えられている。なお、図４において、転送トランジスタMTのドレイン領域はP型半導体領域６４内に形成され、変換ゲイン切替トランジスタMGのソース領域は第２のP型半導体領域６４ｂ内に形成され、転送トランジスタMTのドレイン領域と変換ゲイン切替トランジスタMGのソース領域は配線によって電気的に接続されている。
【００７３】
図３に記載の画素２は、画素トランジスタが形成されているP型半導体領域６４の電圧が、光電変換の結果発生した正孔の量の影響を受ける可能性がある。一方、図４に記載の画素２は、画素トランジスタが形成されている第２のP型半導体領域６４ｂの電圧が、光電変換の結果発生した正孔の量によらず一定となる。これにより、画素トランジスタの動作が図３に記載の画素２よりも安定になることが期待される。
【００７４】
＜３．画素の駆動＞
図２と図３を参照して、画素２の動作の概要を説明する。
【００７５】
画素２に備わるフォトダイオードPDへ光が入射すると、入射光が光電変換されて電子と正孔が発生する。この光電変換を、第１リセットトランジスタMR1が非導通の状態で行うと、光電変換の結果発生した正孔は、第１キャパシタC1に蓄積される。その結果、第１キャパシタC1の一方の電極であるP型半導体領域６４（図２におけるノードN1）の電位が上昇し、これに応じて、フローティングディフュージョンFDの電位も上昇する。上昇したフローティングディフュージョンFDの電位が信号として読み出される。読み出し後、第１リセットトランジスタMR1が導通状態にされる。これにより、第１キャパシタC1に蓄積された正孔は、第１リセットトランジスタMR1を介して第１電圧供給線３１へと排出され、第１キャパシタC1はリセットされ、P型半導体領域６４（図２におけるノードN1）の電位は第１電圧V1に固定される。一方、光電変換の結果発生した電子は、フォトダイオードPDに備わるN型半導体領域６３内の電位の井戸に蓄積される。上述の蓄積された正孔が読み出された後に、上述の蓄積された電子は、転送トランジスタMTを介してフローティングディフュージョンFDへと転送され、そこで電荷−電圧変換された結果生じた信号が読み出される。読み出し後、フローティングディフュージョンFDに転送された電子と、もしあればN型半導体領域６３内の電位の井戸に残留した電子とが、転送トランジスタMTと変換ゲイン切替トランジスタMGと第２リセットトランジスタMR2を介して第２電圧供給配線３２へと排出され、フローティングディフュージョンFDとN型半導体領域６３内の電位の井戸はリセットされる。以上が、画素２の動作の概要となる。
【００７６】
次に、図５のタイミングチャートを参照して、画素２の駆動について説明する。
【００７７】
初めに、時刻ｔ１において、画素２へ与える第２電圧V2が、低電圧VDDLから、高電圧VDDHへと設定される。高電圧VDDHの状態は、時刻ｔ４まで維持される。
【００７８】
時刻ｔ１から時刻ｔ４の期間内に、フォトダイオードPDに備わるP型半導体領域６４とN型半導体領域６３の両方と、フローティングディフュージョンFDとが、リセットされる。具体的には、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間に、第１リセット信号φR1がLowに設定されて第１リセットトランジスタMR1が導通状態とされ、フォトダイオードPDのP型半導体領域６４の電位が第１電圧V1へとリセットされる。また、転送信号φTがHighに設定されて転送トランジスタMTが導通状態とされ、変換ゲイン切替トランジスタMGおよび第２リセットトランジスタMR2も導通状態にあるので、フォトダイオードPDのN型半導体領域６３とフローティングディフュージョンFDが、高電圧VDDHとなっている第２電圧V2へとリセットされる。
【００７９】
P型半導体領域６４とN型半導体領域６３のリセット動作が終了する時刻ｔ３以降が、入射光に応じて信号電荷が蓄積される電荷蓄積時間（露光時間）となる。
【００８０】
時刻ｔ３において、第１リセット信号φR1がHighに設定されると、第１リセットトランジスタMR1が非導通状態となる。これ以降、フォトダイオードPDで光電変換の結果発生した正孔は、第１キャパシタC1に蓄積される。正孔が第１キャパシタC1に蓄積されるに従って、第１キャパシタC1の一方の電極であるP型半導体領域６４（図２におけるノードN1）の電位は、リセット直後の電位よりも上昇する。
【００８１】
また、時刻ｔ３において、転送信号φTがLowに設定されると、転送トランジスタMTが非導通状態となる。これ以降、フォトダイオードPDで光電変換の結果発生した電子は、N型半導体領域６３内の電位の井戸に蓄積される。電子がN型半導体領域６３内の電位の井戸に蓄積されるに従って、N型半導体領域６３の電位は、リセット直後の電位よりも低下する。
【００８２】
リセット動作より後の時刻ｔ４に、第２電圧V2が、高電圧VDDHから低電圧VDDLへと変更される。
【００８３】
画素２に蓄積された信号電荷を読み出す読み出し動作に入る前の時刻ｔ１１において、第２電圧V2が、低電圧VDDLから、再び、高電圧VDDHに変更される。
【００８４】
次の時刻ｔ１２から時刻ｔ１３の期間は、正孔の蓄積信号ExpLow4を低変換ゲイン状態で読み出す期間である。
【００８５】
すなわち、時刻ｔ１２において、選択信号φSがHighに変更され、選択トランジスタMSが導通状態とされるとともに、第２リセット信号φR2がLowに変更され、第２リセットトランジスタMR2が非導通状態とされる。これにより、フローティングディフュージョンFDが第２電圧供給配線３２から切り離される。その結果、正孔が蓄積されることにより上昇したP型半導体領域６４（図２におけるノードN1）の電位が、ノードN1に対するFD容量CFDtoN1（接合容量CJと第２キャパシタC2の合成容量）を介して、フローティングディフュージョンFDに現れる。
【００８６】
ここで、切替信号φGは次の時刻ｔ１３までHighであり、変換ゲイン切替トランジスタMGが導通状態にあるので、低変換ゲイン状態の正孔の蓄積信号ExpLow4が、フローティングディフュージョンFDから、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、および、垂直信号線９を通して、カラム信号処理回路５に出力される。
【００８７】
次の時刻ｔ１３から時刻ｔ１４の期間は、正孔の蓄積信号ExpHigh3を高変換ゲイン状態で読み出す期間である。
【００８８】
すなわち、時刻ｔ１３において、切替信号φGがLowに変更され、変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGがフローティングディフュージョンFDから切り離されるので、フローティングディフュージョンFDが高変換ゲイン状態に切り替わる。その結果、高変換ゲイン状態の正孔の蓄積信号ExpHigh3が、フローティングディフュージョンFDから、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、および、垂直信号線９を通して、カラム信号処理回路５に出力される。
【００８９】
次の時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間は、正孔の基準信号RefHigh3を高変換ゲイン状態で読み出す期間である。
【００９０】
すなわち、時刻ｔ１４において、第１リセット信号φR1がLowに変更され、第１リセットトランジスタMR1が導通状態とされる。これにより、第１キャパシタC1に蓄積されていた正孔が第１電圧供給線３１へと排出され、P型半導体領域６４（図２におけるノードN1）の電位が、第１電圧V1へとリセットされる。リセット後のノードN1の電位は、ノードN1に対するFD容量CFDtoN1（接合容量CJと第２キャパシタC2の合成容量）を介して、フローティングディフュージョンFDに現れる。
【００９１】
ここで、時刻ｔ１５までの間、切替信号φGがLowであり、変換ゲイン切替トランジスタMGが非導通状態にあるので、高変換ゲイン状態の正孔の基準信号RefHigh3が、フローティングディフュージョンFDから、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、および、垂直信号線９を通して、カラム信号処理回路５に出力される。
【００９２】
次の時刻ｔ１５から時刻ｔ１６の期間は、正孔の基準信号RefLow4を低変換ゲイン状態で読み出す期間である。
【００９３】
すなわち、時刻ｔ１５において、切替信号φGがHighに変更され、変換ゲイン切替トランジスタMGが導通状態に遷移する。これにより、変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGがフローティングディフュージョンFDに追加されるので、フローティングディフュージョンFDが低変換ゲイン状態に切り替わる。その結果、低変換ゲイン状態の正孔の基準信号RefLow4が、フローティングディフュージョンFDから、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、および、垂直信号線９を通して、カラム信号処理回路５に出力される。
【００９４】
以上の時刻ｔ１２から時刻ｔ１６までの期間で、正孔に関する信号は全て出力されたので、時刻ｔ１６から時刻１７の期間において、第２リセット信号φR2がHighに制御され、第２リセットトランジスタMR2が導通状態とされる。これにより、フローティングディフュージョンFDが一旦リセットされる。
【００９５】
次の時刻ｔ１７から時刻ｔ２３までの期間は、フォトダイオードPDに蓄積された電子を読み出す期間である。
【００９６】
最初の時刻ｔ１７から時刻ｔ１８の期間は、低変換ゲイン状態の電子の基準信号RefLow2を読み出す期間である。
【００９７】
すなわち、切替信号φGは、時刻ｔ１５から引き続きHighであり、変換ゲイン切替トランジスタMGが導通状態にあるので、低変換ゲイン状態の電子の基準信号RefLow2が、フローティングディフュージョンFDから、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、および、垂直信号線９を通して、カラム信号処理回路５に出力される。
【００９８】
次の時刻ｔ１８から時刻ｔ１９の期間は、高変換ゲイン状態の電子の基準信号RefHigh1を読み出す期間である。
【００９９】
すなわち、時刻ｔ１８において、切替信号φGがLowに変更され、変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGがフローティングディフュージョンFDから切り離されるので、フローティングディフュージョンFDが高変換ゲイン状態に切り替わる。その結果、高変換ゲイン状態の電子の基準信号RefHigh1が、フローティングディフュージョンFDから、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、および、垂直信号線９を通して、カラム信号処理回路５に出力される。
【０１００】
次の時刻ｔ１９から時刻ｔ２０の期間は、フォトダイオードPDに蓄積された電子を、高変換ゲイン状態のフローティングディフュージョンFDに転送する転送期間である。
【０１０１】
時刻ｔ１９から時刻ｔ２０の期間では、転送信号φTがHighに変更され、転送トランジスタMTが導通状態とされる。切替信号φGは時刻ｔ１８から引き続きLowであり、変換ゲイン切替トランジスタMGが非導通状態にあるので、フローティングディフュージョンFDは高変換ゲイン状態である。これにより、フォトダイオードPDに蓄積された電子が、高変換ゲイン状態のフローティングディフュージョンFDに転送される。
【０１０２】
次の時刻ｔ２０から時刻ｔ２１の期間は、高変換ゲイン状態の電子の蓄積信号ExpHigh1を読み出す期間である。
【０１０３】
時刻ｔ２０から時刻ｔ２１の期間では、フォトダイオードPDから転送されてきた電子の電荷量に応じて、フローティングディフュージョンFDの電位が変化し、高変換ゲイン状態の電子の蓄積信号ExpHigh1が、フローティングディフュージョンFDから、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、および、垂直信号線９を通して、カラム信号処理回路５に出力される。
【０１０４】
次の時刻ｔ２１から時刻ｔ２２の期間は、フローティングディフュージョンFDを高変換ゲイン状態から低変換ゲイン状態へと切り替える期間である。また、高変換ゲイン状態においてフォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへ転送しきれなかった電子がフォトダイオードPDに残留している事態に備えて、フォトダイオードPDに残留している電子をフローティングディフュージョンFDへ追加で転送するための転送動作を並行して行う期間でもある。
【０１０５】
すなわち、時刻ｔ２１において、切替信号φGがHighに変更され、変換ゲイン切替トランジスタMGが導通状態に遷移する。これにより、フローティングディフュージョンFDは、時刻ｔ１９においてフォトダイオードPDから転送された電子を保持したまま、変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGが追加されて、低変換ゲイン状態へと切り替わる。これと並行して、転送信号φTがHighに変更され、転送トランジスタMTが導通状態とされる。これにより、時刻ｔ１９から時刻ｔ２０の期間にフォトダイオードPDから高変換ゲイン状態のフローティングディフュージョンFDへ転送しきれなかった電子がフォトダイオードPDに残留している場合には、その残留していた電子が、フォトダイオードPDから低変換ゲイン状態のフローティングディフュージョンFDに転送される。
【０１０６】
次の時刻ｔ２２から時刻ｔ２３の期間は、低変換ゲイン状態の電子の蓄積信号ExpLow2を読み出す期間である。
【０１０７】
時刻ｔ２２から時刻ｔ２３の期間では、フォトダイオードPDから転送されてきた電子の電荷量に応じて、フローティングディフュージョンFDの電位が変化し、低変換ゲイン状態の電子の蓄積信号ExpLow2が、フローティングディフュージョンFDから、増幅トランジスタMA、選択トランジスタMS、および、垂直信号線９を通して、カラム信号処理回路５に出力される。
【０１０８】
以上の時刻ｔ１７から時刻ｔ２３までの期間で、電子に関する信号は全て出力される。
【０１０９】
時刻ｔ２３において、選択信号φSがLowに変更され、選択トランジスタMSが非導通状態とされるとともに、第２リセット信号φR2がHighに変更され、第２リセットトランジスタMR2が導通状態とされる。また、第１リセット信号φR1がHighに変更され、第１リセットトランジスタMR1が非導通状態とされる。
【０１１０】
時刻ｔ２３の後、時刻ｔ２４において、画素２に供給される第２電圧V2が、高電圧VDDHから、低電圧VDDLに変更され、画素２のリセット、信号電荷蓄積、および、信号電荷読み出しに係る一連の動作が終了する。
【０１１１】
画素２に蓄積された信号電荷の読み出し動作において、出力される信号電荷が正孔であるかまたは電子であるかに着目すると、時刻ｔ１２から時刻ｔ１６までは、正孔の読み出し動作であり、時刻ｔ１７から時刻ｔ２３までは、電子の読み出し動作である。
【０１１２】
また、読み出す信号が基準信号Refであるかまたは蓄積信号Expであるかに着目すると、時刻ｔ１２から時刻ｔ１４までは、正孔の蓄積信号Expの読み出し動作であり、時刻ｔ１４から時刻ｔ１６までは、正孔の基準信号Refの読み出し動作であり、時刻ｔ１７から時刻ｔ１９までは、電子の基準信号Refの読み出し動作であり、時刻ｔ２０から時刻ｔ２３までは、電子の蓄積信号Expの読み出し動作である。
【０１１３】
さらに、フローティングディフュージョンFDが高変換ゲイン状態であるかまたは低変換ゲイン状態であるかに着目すると、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までは低変換ゲイン状態であり、時刻ｔ１３から時刻ｔ１５までは高変換ゲイン状態であり、時刻ｔ１５から時刻ｔ１８までは低変換ゲイン状態であり、時刻ｔ１８から時刻ｔ２１までは高変換ゲイン状態であり、時刻ｔ２１から時刻ｔ２３までは低変換ゲイン状態である。
【０１１４】
また、正孔の蓄積時間は、時刻ｔ３から時刻ｔ１４までの期間であり、電子の蓄積時間は、時刻ｔ３から時刻ｔ２０（高変換ゲイン状態）または時刻ｔ２２（低変換ゲイン状態）までの期間である。
【０１１５】
画素２は、以上のように駆動して、信号電荷の蓄積および読み出しの一連の動作を行う。
【０１１６】
電子による高変換ゲインおよび低変換ゲインの画素信号を、それぞれ、Sig1およびSig2、正孔による高変換ゲインおよび低変換ゲインの画素信号を、それぞれ、Sig3およびSig4とすると、電子による高変換ゲインの画素信号Sig1は、基準信号RefHigh1と蓄積信号ExpHigh1との差分（Sig1＝ExpHigh1−RefHigh1）、電子による低変換ゲインの画素信号Sig2は、基準信号RefLow2と蓄積信号ExpLow2との差分（Sig2＝ExpLow2−RefLow2）、正孔による高変換ゲインの画素信号Sig3は、基準信号RefHigh3と蓄積信号ExpHigh3との差分（Sig3＝ExpHigh3−RefHigh3）、正孔による低変換ゲインの画素信号Sig4は、基準信号RefLow4と蓄積信号ExpLow4との差分（Sig4＝ExpLow4−RefLow4）で得られる。
【０１１７】
上述した駆動によれば、固体撮像装置１は、正孔による信号を出力した後に、電子による信号を出力する。この場合、電子による信号を読み出す期間、具体的には、時刻ｔ１７から時刻ｔ２３までの期間、第１リセットトランジスタMR1は導通状態とされ、これにより、P型半導体領域６４の電位は、第１電圧V1に固定されている。P型半導体領域６４内には、フォトダイオードPDのN型半導体領域６３だけでなく、転送トランジスタMTも形成されている。このため、上述した駆動によれば、電子による信号を読み出すために転送トランジスタMTを用いて電子を転送する際、転送トランジスタMTが形成されているP型半導体領域６４の電位を第１電圧V1に固定した状態で、電子を転送することができる。
【０１１８】
ここで、非特許文献１に開示された駆動、すなわち、まず電子による信号を出力し、次いで正孔による信号を出力する駆動について述べる。この駆動の場合、光電変換の結果発生した正孔を、読み出さずに第１キャパシタC1に蓄積したままの状態で、電子による信号を読み出す必要がある。すなわち、正孔の蓄積期間と同様に、第１リセットトランジスタMR1を非導通としたままの状態で、かつ、光電変換の結果発生した正孔を第１キャパシタC1に蓄積したままの状態で、これにより、P型半導体領域６４（図２のノードN1）の電位がリセット時の電圧（すなわち第１電圧V1）よりも高い正の電圧になった状態で、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへ転送トランジスタMTを用いて電子を転送して読み出す必要がある。
【０１１９】
この場合、転送トランジスタMTのチャネルへ十分な電界を印加できず、これによりフォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへの電子の転送に悪影響がおよぶ懸念がある。一例として、転送トランジスタMTのチャネルに、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへの電子の転送を阻害する電位障壁が生じてしまい、フローティングディフュージョンFDへ転送できなかった電子が、フォトダイオードPDに残留してしまう懸念がある。
【０１２０】
これに対して、本技術の駆動によれば、転送トランジスタMTが形成されているP型半導体領域６４の電位をリセット時の電圧（すなわち第１電圧V1）に固定した状態で、転送トランジスタMTを用いて電子を転送することができる。その結果、非特許文献１に開示された駆動と比較して、転送トランジスタMTのチャネルへ十分な電界を印加することが可能となり、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへ転送トランジスタMTを用いて電子を転送する性能を向上させることができる。またこれにより、フローティングディフュージョンFDへ転送できなかった電子が、フォトダイオードPDに残留してしまう懸念を低減することができる。したがって、本技術の駆動によれば、光電変換の結果発生した電荷の読み出しを良好に行うことができ、高画質の画像を得ることができる。
【０１２１】
さらに、上述した本技術の駆動によれば、読み出し動作とリセット動作以外の蓄積期間中、具体的には、時刻ｔ４から時刻ｔ１１までの期間、画素２に供給される第２電圧V2が、高電圧VDDHから、それよりも低い電圧である低電圧VDDLに変更される。上記の期間中、第２電圧V2を、高電圧VDDHよりも低い電圧に設定する効果について説明する。
【０１２２】
本技術の画素２は、第１リセットトランジスタMR1を非導通状態にして、これにより第１キャパシタC1の一方の電極であるP型半導体領域６４（図２におけるノードN1）をフローティング状態にしたうえで、電荷の蓄積動作を行う。すなわち、画素２は、蓄積期間中にフォトダイオードPDで発生した正孔を、第１キャパシタC1に蓄積する。
【０１２３】
しかし、第１キャパシタC1の一方の電極であるP型半導体領域６４には、これと異なる電位が与えられたN型半導体領域が隣接して配置され、その境界部にPN接合が形成されている。例えば、第２電圧供給配線３２が接続されている、第２リセットトランジスタMR2のドレイン領域である図３のN型半導体領域６７とP型半導体領域６４との接合部が上記PN接合に該当する。このPN接合の空乏層領域において例えば熱励起によって電子−正孔対が生成すると、生成した正孔は第１キャパシタC1に蓄積されてしまう。この現象によって蓄積された正孔は、画素２の暗電流固定パターンノイズとして、画素２の特性を悪化させてしまう可能性がある。
【０１２４】
そこで、第２電圧供給配線３２が接続されているN型半導体領域６７と、第１キャパシタC1の一方の電極であるP型半導体領域６４と、の間のPN接合における暗電流の発生を低減するため、固体撮像装置１は、第２電圧供給配線３２が画素２へ与える第２電圧V2を、画素２の動作に合わせて変更するように駆動する。
【０１２５】
具体的には、フォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFDをリセットするために、時刻ｔ１から時刻ｔ４の期間は、第２電圧V2が高電圧VDDHに設定される。リセット動作終了後の時刻ｔ４から、読出し動作開始前の時刻ｔ１１までの間、第２電圧V2は低電圧VDDLに設定される。この間、画素２は蓄積動作を実行している。そして、時刻ｔ１１以降は、転送および読出し動作を行うため、第２電圧V2は高電圧VDDHに設定される。
【０１２６】
蓄積動作を実行している時刻ｔ４から時刻ｔ１１までの間、N型半導体領域６７に接続している第２電圧供給配線３２の第２電圧V2は低電圧VDDLに設定されているため、N型半導体領域６７とP型半導体領域６４との間のPN接合における暗電流の発生を低減することができる。
【０１２７】
例えば、高電圧VDDHは3.0V、低電圧VDDLは1.5Vであるとすると、PN接合にかかる電圧は半分になるため、空乏化している部分にかかる電界も、それに応じて約半分になり、発生する暗電流を効果的に低減することができる。なお、読み出し動作とリセット動作中の第２電圧V2である高電圧VDDHは、第１キャパシタC1に電荷を最大限蓄積した際に生じる電位変化量だけ、低電圧VDDLよりも高く設定すればよい。例えば、読み出し動作とリセット動作以外の蓄積期間中の第２電圧V2が接地GND(0V)で、第１キャパシタC1に正孔を最大限蓄積した結果、P型半導体領域６４の電位の上昇量が1.0Vである場合、露光期間中の高電圧VDDHは1.0Vに設定することができる。
【０１２８】
＜４．数値例＞
画素２が蓄積動作を行い、発生した正孔が第１キャパシタC1に蓄積されると、P型半導体領域６４とフローティングディフュージョンFDの電位がどのくらい変化するかを、図２と図６を参照して具体的数値で説明する。
【０１２９】
図６は、ノードN1とフローティングディフュージョンFDの電位の算出に必要となる素子を図２の中から抽出した図である。ここで、ノードN1に対するFD容量CFDtoN1は、フローティングディフュージョンFDとノードN1との間に接続された容量であり、具体的には接合容量CJと第２キャパシタC2の合成容量である。第１電圧V1に対するFD容量CFDtoV1は、フローティングディフュージョンFDと第１電圧V1となる領域との間に接続された容量であり、具体的には第３キャパシタCP3乃至第５キャパシタCP5とこれら以外の第１電圧V1に対する容量を合わせた合成容量である。フローティングディフュージョンFDの総容量CFDは、ノードN1に対するFD容量CFDtoN1と第１電圧V1に対するFD容量CFDtoV1の合成容量である。
【０１３０】
数値の算出においては、以下の仮定を用いる。フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの大きさCCFDが2.5fFであり、このうち、ノードN1に対するFD容量CFDtoN1の大きさCCFDtoN1が1.36fFであり、そのうち、フローティングディフュージョンFDのPN接合の接合容量CJの大きさCCJが0.36fF、第２キャパシタC2の容量の大きさCC2が1fFと仮定する。なお、第２キャパシタC2の容量の大きさCC2は、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの大きさCCFDの2割から8割が好ましい。このためここでは、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの大きさCCFDを2.5fF、第２キャパシタC2の容量の大きさCC2を1fFとしている。さらに、切替信号φGによってフローティングディフュージョンFDへの接続と分離が制御される変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGの大きさCCGが10fFであると仮定し、第１キャパシタC1の容量の大きさCC1が100fFであると仮定する。
【０１３１】
また、フォトダイオードPDには電子を最大で30000[e]蓄積でき、第１キャパシタC1には正孔を最大で1000000[h]蓄積でき、フローティングディフュージョンFDには、高変換ゲイン状態において電子を最大で10000[e]蓄積できると仮定し、低変換ゲイン状態において電子を30000[e]以上蓄積できると仮定する。
【０１３２】
変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGをフローティングディフュージョンFDから切り離した高変換ゲイン状態において、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDは2.5fFであり、電気素量は1.6x10-19Cであるから、電子読み出しにおける高変換ゲイン（電子１個当りの出力電圧）は、1.6x10-19 / 2.5x10-15 = 64μV/eである。変換ゲイン切替トランジスタMGのゲート容量CGをフローティングディフュージョンFDに接続した低変換ゲイン状態において、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDは12.5fFであるから、電子読み出しにおける低変換ゲイン（電子１個当りの出力電圧）は、1.6x10-19 / 12.5x10-15 = 13μV/eである。
【０１３３】
電子を読み出す場合、フローティングディフュージョンFDには高変換ゲイン状態において最大で10000[e]蓄積できることから、高変換ゲイン状態においてフローティングディフュージョンFDには最大で64x10-6 x 10000 = 640mVの電位変化が現れる。低変換ゲイン状態においてはフォトダイオードPDに蓄積できる最大の電子数30000[e]をフローティングディフュージョンFDに蓄積できることから、低変換ゲイン状態においてフローティングディフュージョンFDには最大で13x10-6 x 30000 = 390mVの電位変化が現れる。
【０１３４】
正孔に関しては、第１キャパシタC1に最大で1000000[h]が蓄積できることから、フォトダイオードPDにおいて光電変換の結果正孔が発生すると、ノードN1には最大で1.6x10-19 x 1000000 = 160fCの電荷が与えられる。第１キャパシタC1の大きさが100fFであるから、ノードN1に現れる電位変化は最大で、160x10-15 / 100x10-15 = 1600mVとなる。
【０１３５】
正孔を読み出す場合、高変換ゲイン状態においては、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの大きさCCFDは2.5fFであり、ノードN1に対するFD容量CFDtoN1の大きさCCFDtoN1は1.36fFであることから、ノードN1に最大で1600mVの電位変化が現れる場合、フローティングディフュージョンFDには、最大で1600 x 1.36x10-15 / 2.5x10-15 = 870mVの電位変化が現れる。低変換ゲイン状態においては、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの大きさCCFDは12.5fFであり、ノードN1に対するFD容量CFDtoN1の大きさCCFDtoN1は1.36fFであることから、ノードN1に最大で1600mVの電位変化が現れる場合、フローティングディフュージョンFDには、最大で1600 x 1.36x10-15 / 12.5x10-15 = 170mVの電位変化が現れる。正孔1000000[h]で上記の電位変化が現れることから、正孔読み出しにおける高変換ゲインは、870x10-3 / 1000000 = 0.87μV/h、低変換ゲインは、170x10-3 / 1000000 = 0.17μV/hとなる。
【０１３６】
以上まとめて、フローティングディフュージョンFDには、電子の高変換ゲイン状態で最大640mV、電子の低変換ゲイン状態で最大390mV、正孔の高変換ゲイン状態で最大870mV、正孔の低変換ゲイン状態で最大170mVの電位変化が現れる。
【０１３７】
図２乃至図４の画素構造によれば、正孔を用いた蓄積動作は、電子を用いた蓄積動作よりも、多くの電荷を蓄積することができる。また、正孔を用いた読み出し動作は、電子を用いた読み出し動作よりも、電荷の変換ゲインを低く抑えることができる。画素２に多くの正孔を蓄積した場合、これを単純に電荷−電圧変換すると、画素２からAD変換回路（カラム信号処理回路５）へ入力する画素信号Vsigの入力レンジが大きくなりすぎてしまう可能性がある。図２乃至図４の画素構造によれば、画素２に多くの正孔を蓄積した場合でも、正孔の変換ゲインを低く抑えることで、AD変換回路への画素信号Vsigの入力レンジを抑えて入力することができる。
【０１３８】
また、図２乃至図４の画素構造によれば、撮影対象とする被写体の中に、被写体の輝度が低い領域と被写体の輝度が高い領域とが混在する場合、高輝度領域を撮影した画素２において、電子の読み出し信号が飽和して階調性を失っても、正孔の読み出し信号が階調性を備えた信号を出力することができる。一方、低輝度領域を撮影した画素２において、正孔の読み出し信号の出力レンジが小さく階調性に乏しくても、電子の読み出し信号は出力レンジが大きく階調性に富んだ信号を出力することができる。そして、電子の読み出し信号のダークランダムノイズレベル(ノイズフロア)が1.0[e]、正孔の最大蓄積量が1000000[h]であれば、電子および正孔を同一の蓄積時間設定とした条件でも、入射光に対して120dB(=20log10(1000000[h]/1.0[e]))の応答をする高ダイナミックレンジの信号を、現実的なフローティングディフュージョンFDの電圧振幅範囲（言い換えれば、後段のAD変換回路がAD変換しやすい入力レンジ）で得ることができる。
【０１３９】
＜５．第１リセットトランジスタMR1の詳細構造＞
ところで、固体撮像装置において、画素内にNMOSトランジスタとPMOSトランジスタの両方を配置すると、それぞれに対してウェルを形成する必要があるため、画素の集積度が低下してしまう。この集積度の低下を避けるため、固体撮像装置では、一般的に、NMOSトランジスタまたはPMOSトランジスタのどちらか一方のみが用いられる。電子を蓄積するフォトダイオードPDを用いる場合、通常は、NMOSトランジスタが用いられる。
【０１４０】
しかしながら、本技術の固体撮像装置１では、図２を参照して説明したように、第１リセットトランジスタMR1を除く、転送トランジスタMTや増幅トランジスタMAなどにはNMOSトランジスタを用いる一方、第１リセットトランジスタMR1にはPMOSトランジスタを用いている。
【０１４１】
図７を参照して、第１リセットトランジスタMR1にPMOSトランジスタを用いることの効果を説明する。
【０１４２】
図７は、画素２内に形成された第１リセットトランジスタMR1の平面図と断面図を示している。図３を参照して説明したように、第１リセットトランジスタMR1は半導体基板１２の表面側（図３の下側の面）に形成されている。このため、図７の平面図は、半導体基板１２の表面側の平面図であり、図７の断面図は、半導体基板１２の表面側近傍の断面図である。
【０１４３】
図７のAは、第１リセットトランジスタMR1の平面図である。
【０１４４】
図７のBは図７のAにおけるY-Y線断面図、図７のCは図７のAにおけるX-X線断面図、図７のDは図７のAにおけるY’-Y’線断面図、および、図７のEは図７のAにおけるX’-X’線断面図である。
【０１４５】
図７のBのY-Y線断面図は、図３の断面図の第１リセットトランジスタMR1付近と同じである。
【０１４６】
図７のAの平面図に示されるように、第１リセットトランジスタMR1は、矩形の平面領域を有する画素２の１つの角部に配置される。図７のAでは、矩形の画素２が備える４つの角部のうち右上の角部に、第１リセットトランジスタMR1が配置されている。第１リセットトランジスタMR1の画素境界方向の外側には、トレンチアイソレーション６０を構成する絶縁膜６２とトレンチ電極６１が配置されている。
【０１４７】
図７のAの平面視において、第１リセットトランジスタMR1は、ゲート電極MR1_Gを挟んだ一方の側にソース領域としてのP型半導体領域６４、もう一方の側にドレイン領域としてのP型半導体領域６８を備えている。P型半導体領域６８の隣りには、高濃度（N+）のN型拡散層領域６９’が設けられている。この高濃度（N+）のN型拡散層領域６９’は、PMOSである第１リセットトランジスタMR1に備わるN型ウェル（Well）６９へ、電位を与えるための電気的接続を、形成する領域である。
【０１４８】
P型半導体領域６４の表面部分の不純物濃度は、図３に示したように、半導体基板１２の中心部分よりも高く形成されている。このため、図７のAにおいても、ソース領域としてのP型半導体領域６４が高濃度P型半導体領域であることを表すよう、P+と表記してある。ドレイン領域としてのP型半導体領域６８も高濃度（P+）のP型半導体領域である。図７のAにおいて、ドレイン領域となるP型半導体領域６８は、上側と右側の側面をトレンチアイソレーションの絶縁膜６２、左側の側面をゲート電極MR1_G、下側の側面を高濃度（N+）のN型拡散層領域６９’によって囲まれることにより、ソース領域としてのP型半導体領域６４から電気的に分離されている。
【０１４９】
一般的なMOSトランジスタのドレイン領域は、３辺を素子分離領域、１辺をゲート電極で囲まれることにより、ソース領域や他の素子から電気的に分離される。しかし、図７に記載の第１リセットトランジスタMR1は、一般的なMOSトランジスタと異なり、下側の辺にはN型ウェル６９への電気的接続をとるためのN型拡散層領域６９’を配置することで、下側の辺に素子分離領域を配置することなく、ドレイン領域であるP型半導体領域６８とソース領域であるP型半導体領域６４との電気的分離を達成している。ドレイン領域であるP型半導体領域６８に隣接して配置するアイソレーション領域を、ドレイン領域の上側と右側の２辺のみに削減したレイアウトを用いることにより、本技術の第１リセットトランジスタMR1は、一般的なMOSトランジスタよりも面積を小さくする効果を得ている。
【０１５０】
図７のBないしEの断面図に示されるように、第１リセットトランジスタMR1のドレイン領域であるP型半導体領域６８は、N型ウェル６９内に配置され、ソース領域であるP型半導体領域６４と電気的に分離されている。
【０１５１】
第１リセットトランジスタMR1は、P型半導体領域６４の中にN型ウェル６９を設け、その中にPMOSトランジスタで形成されている。ただし、一般的なPMOSトランジスタと異なり、N型ウェル６９の外側に配置されたP型半導体領域６４をソース領域として活用している。この構造を用いることで、N型ウェル６９の中にソース領域を形成することを不要とし、かつ、ソース領域に電気的接続を形成するための面積を確保することも不要としている。その結果、一般的なPMOSトランジスタよりも面積を小さくする効果を得ており、かつ、第１リセットトランジスタMR1の面積を小さくすることで、その代わりにフォトダイオードPDや増幅トランジスタMAの面積を大きくすることを可能とし、これにより、画素２の飽和電子数やダークランダムノイズの性能を向上させることを可能としている。
【０１５２】
なお、第１リセットトランジスタMR1は、矩形の平面領域を有する画素２の１つの角部以外の場所、例えば、矩形の所定の一辺に配置してもよい。
【０１５３】
＜６．暗電流補正処理＞
上述したように、本技術の画素２は、第１キャパシタC1の一方の電極であるP型半導体領域６４に隣接して、N型半導体領域である第２リセットトランジスタMR2のドレイン領域が配置されている。そのため、このPN接合部において暗電流が発生する可能性がある。
【０１５４】
そこで、固体撮像装置１は、相関２重サンプリング（CDS）処理後の画素信号Sig1ないしSig4を出力するカラム信号処理回路５の後段の信号処理回路７において、暗電流を補正する暗電流補正処理を行うことができる。
【０１５５】
図８は、信号処理回路７に着目した固体撮像装置１のブロック図である。
【０１５６】
固体撮像装置１は、画素アレイ信号出力部１００の後段に、信号処理回路７を備える。
【０１５７】
画素アレイ信号出力部１００は、図１の画素アレイ部３、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６などを含み、カメラレンズで集光された入射光を受光し、相関２重サンプリング（CDS）処理後の各画素２の画素信号Sig1ないしSig4を出力する。
【０１５８】
信号処理回路７は、暗電流補正処理部１１１およびカメラ信号処理部１１２を備える。
【０１５９】
暗電流補正処理部１１１は、暗電流を補正する暗電流補正処理を行う。暗電流補正処理部１１１の詳細は、この後で説明する。
【０１６０】
カメラ信号処理部１１２は、暗電流補正後の画素信号Sig1ないしSig4に対して、ホワイトバランス補正処理、ゲイン調整、デモザイク処理等の所定の信号処理を行う。カメラ信号処理部１１２は、信号処理後の画素信号を高ダイナミックレンジ画像として出力する。
【０１６１】
図９は、暗電流補正処理部１１１の詳細な構成例を示すブロック図である。
【０１６２】
暗電流補正処理部１１１は、信号量判定部１２１、補正係数決定部１２２、平均処理部１２３、フレームバッファ１２４、および、補正演算部１２５により構成される。
【０１６３】
制御回路８は、受光量などに応じて各画素２の蓄積時間ｔintを決定し、画素アレイ信号出力部１００および暗電流補正処理部１１１に供給する。
【０１６４】
画素アレイ信号出力部１００は、制御回路８から供給される蓄積時間ｔintに基づいて蓄積動作（撮像動作）を行い、その結果得られる、電子による高変換ゲインの画素信号Sig1、電子による低変換ゲインの画素信号Sig2、正孔による高変換ゲインの画素信号Sig3、および、正孔による低変換ゲインの画素信号Sig4を、暗電流補正処理部１１１に供給する。
【０１６５】
また、画素アレイ信号出力部１００は、受光時の素子温度Tcを検出し、暗電流補正処理部１１１に供給する。
【０１６６】
信号量判定部１２１には、画素アレイ信号出力部１００から、少なくとも画素信号Sig1（電子による高変換ゲインの画素信号）が供給される。
【０１６７】
信号量判定部１２１は、それぞれの画素２が撮影した被写体が、暗い被写体であったか否かを判定する。具体的には、それぞれの画素２が出力した画素信号Sig1（電子による高変換ゲインの画素信号）の大きさが、所定の閾値（言い換えれば、被写体が暗かったと判定するための閾値）よりも小さいか否かを判定する。
【０１６８】
画素信号Sig1（電子による高変換ゲインの画素信号）の大きさが、所定の閾値よりも小さいと判定された場合には、その信号を出力した画素２は、暗い被写体を撮影したと判断される。
【０１６９】
さらに、信号量判定部１２１は、画素２が暗い被写体を撮影したと判断した場合、その画素２が出力した画素信号Sig3（正孔による高変換ゲインの画素信号）は、光電変換の結果発生した正孔による信号が無視できる大きさであり、この画素信号Sig3は、その内訳のほとんどが暗電流であると判断する。
【０１７０】
このようにして、信号量判定部１２１は、それぞれの画素２が出力した画素信号Sig3（正孔による高変換ゲインの画素信号）が、ほぼ暗電流であるとみなせるか否かを判定し、その判定結果を平均処理部１２３に供給する。
【０１７１】
補正係数決定部１２２には、それぞれの画素２が出力した画素信号Sig3（正孔による高変換ゲインの画素信号）と、その信号を得た際の蓄積時間ｔintおよび素子温度Tcが供給される。
【０１７２】
それぞれの画素２から補正係数決定部１２２へと入力された画素信号Sig3（正孔による高変換ゲインの画素信号）は、それらの蓄積時間ｔintと素子温度Tcが必ずしも同じではない。そこで、補正係数決定部１２２は、異なる蓄積時間ｔintと素子温度Tcとで撮像された画素信号Sig3（正孔による高変換ゲインの画素信号）を、ある基準となる蓄積時間ｔintと素子温度Tcとで撮像された画素信号Sig3’（素子温度と蓄積時間を補正した、正孔による高変換ゲインの画素信号）へと補正するための、補正係数Kを決定する。
【０１７３】
例えば、補正係数決定部１２２は、基準となる素子温度を60℃、蓄積時間を1/30秒とし、かつ、暗電流の大きさは7℃の温度上昇で2倍になると仮定し、かつ暗電流の大きさは蓄積時間に対して比例すると仮定する。これらの仮定を用いて、補正係数決定部１２２は、例えば撮像時の素子温度Tcが60℃、蓄積時間ｔintが1/15秒である信号については、補正係数Kを2（K=2）に決定する。また例えば、補正係数決定部１２２は、撮像時の素子温度Tcが53℃、蓄積時間ｔintが1/60秒である信号については、補正係数Kを1/4（K=1/4）に決定する。
【０１７４】
補正係数決定部１２２は、画素アレイ信号出力部１００から補正係数決定部１２２へと供給される各画素の画素信号Sig3（正孔による高変換ゲインの画素信号）に対して、補正係数Kを乗算する。補正係数決定部１２２は、この乗算処理を行った結果得た信号、すなわち、素子温度Tcと蓄積時間ｔintを補正した後の画素信号Sig3’を、平均処理部１２３に供給する。
【０１７５】
信号量判定部１２１が画素信号Sig3（正孔による高変換ゲインの画素信号）を暗電流であるとみなした場合、平均処理部１２３は、補正係数決定部１２２から供給された画素信号Sig3’（素子温度Tcと蓄積時間ｔintを補正した、正孔による高変換ゲインの画素信号）を、複数フレームに渡って平均化処理する。１つのフレームにおける画素信号Sig3’は、暗電流ショットノイズを含む。平均処理部１２３は、画素信号Sig3’を複数フレームに渡って平均化処理することで、暗電流ショットノイズを除去し、暗電流固定パターンノイズ信号Sdrkを抽出する。平均処理部１２３は、抽出した暗電流固定パターンノイズ信号Sdrkを、フレームバッファ１２４に記憶させる。
【０１７６】
より具体的には、補正係数決定部１２２から平均処理部１２３へ供給された画素信号Sig3’（素子温度と蓄積時間を補正した、正孔による高変換ゲインの画素信号）のうち、信号量判定部１２１が暗電流であるとみなした画素の信号について、平均処理部１２３は、単純移動平均、加重移動平均、指数移動平均等を用いて、上記画素信号Sig3’を複数フレームに渡って平均化処理する（言い換えれば、複数のフレームに渡って平均値を算出する）。この平均化処理を行った結果得た信号が、正孔による暗電流固定パターンノイズ信号Sdrkである。平均処理部１２３は、この暗電流固定パターンノイズ信号Sdrkをフレームバッファ１２４に記憶させる。
【０１７７】
補正演算部１２５は、画素アレイ信号出力部１００から補正演算部１２５へと供給されるそれぞれの画素２の信号について、暗電流を補正する演算処理を行う。すなわち、補正演算部１２５へと供給される画素信号Sig3（正孔による高変換ゲインの画素信号）から、フレームバッファ１２４に記憶されている同一画素の暗電流固定パターンノイズ信号Sdrkを減算する。補正演算部１２５は、この減算処理を行った結果得た信号、すなわち、暗電流補正後の画素信号Sig3”（暗電流を補正した、正孔による高変換ゲインの画素信号）を出力する。
【０１７８】
以上のように、暗電流補正処理部１１１は、画素信号Sig1（電子による高変換ゲインの画素信号）が所定値より小さい場合に、画素信号Sig3（正孔による高変換ゲインの画素信号）を複数フレーム分用いて暗電流固定パターンノイズ信号Sdrk（固定成分）を算出し、これを画素信号Sig3から減算することにより、暗電流固定パターンノイズを除去した画素信号Sig3”（暗電流を補正した、正孔による高変換ゲインの画素信号）を生成する。
【０１７９】
この暗電流補正処理は、車載用カメラのように被写体が絶えず動いており、ある一定時間内に撮像面内全面で必ず十分暗い被写体を捉えるチャンスがある場合の画素信号に適している。
【０１８０】
なお、上述した暗電流補正処理部１１１の平均処理部１２３は、複数フレームで平均処理することによって、暗電流固定パターンノイズを算出したが、メディアンフィルタなどの平滑化処理を用いて暗電流固定パターンノイズを算出してもよい。
【０１８１】
図１０は、暗電流補正処理部１１１による暗電流改善効果を説明する図である。
【０１８２】
図１０のAは、暗電流補正処理を行わない場合の各画素の画素信号Sig1ないしSig4のSN比を示しており、図１０のBは、暗電流補正処理を行った場合の各画素の画素信号Sig1ないしSig4のSN比を示している。
【０１８３】
図１０のAおよびBの各グラフの横軸は画素へ入射した光の強度（受光量）を表す。そして、図１０のAおよびBの各グラフの横軸は、固体撮像装置１における撮像動作の結果、固体撮像装置１から出力すべき信号を、電子を読み出した信号（Sig1、Sig2）から正孔を読み出した信号（Sig3、Sig4）へと切り替える光の強度（受光量）を１とする任意単位で表している。各グラフの縦軸は、SN比を表し、単位はｄBである。
【０１８４】
図１０のAおよびBの異なる点は画素信号Sig3である。図１０のAに記載の画素信号Sig3は、暗電流補正を行っていない正孔による高変換ゲインの画素信号Sig3であるのに対して、図１０のBに記載の画素信号Sig3は、暗電流補正を行った後の画素信号Sig3”である。
【０１８５】
固体撮像装置１から出力すべき信号を電子による信号（Sig1、Sig2）から正孔による信号（Sig3、Sig4）へと切り替える光の強度（言い換えれば横軸の値が１）において、図１０のA（暗電流補正処理前の信号）では、画素信号Sig2と画素信号Sig3とのSN比の段差が大きい。一方、図１０のB（暗電流補正処理後の信号）では、この部分における画素信号Sig2と画素信号Sig3”とのSN比の段差が小さくなっている。つまり図１０は、暗電流補正処理を行うことで、SN比が改善されていることを示している。
【０１８６】
なお、暗電流補正処理前の画素信号Sig2と画素信号Sig3とのSN比の段差は、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの大きさCCFDに対する第２キャパシタC2の容量の大きさCC2の比（CC2／CCFD）によっても変わり得る。
【０１８７】
先に述べたように、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの大きさCCFDに対する第２キャパシタC2の容量の大きさCC2の比は、0.2倍から0.8倍の間に設定されることが好ましい。仮に、この容量比を0に近づけるように小さくしていくと、画素信号Sig2と画素信号Sig3とのSN比の段差が大きくなってしまう。一方、画素信号Sig2と画素信号Sig3とのSN比の段差を小さくすることを目的として、上記容量比を1に近づけるように大きくするには、第２キャパシタC2の容量を大きくする必要がある。つまり、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの内訳のほとんどを第２キャパシタC2が占めるようにする必要がある。第２キャパシタC2の容量を大きくすると、これに伴い、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDも大きくなってしまう。その結果、高変換ゲインのときの変換ゲインが下がり、全体としてのSN比が悪くなってしまう。そのため、フローティングディフュージョンFDの総容量CFDの大きさCCFDに対する第２キャパシタC2の容量の大きさCC2の比は、0.2倍から0.8倍の間に設定されることが好ましい。
【０１８８】
＜７．電子と正孔の極性を反対にした構造＞
上述した実施の形態を第１の実施の形態とすると、第１の実施の形態では、フォトダイオードPDに電子を蓄積し、第１キャパシタC1に正孔を蓄積したが、電子と正孔の極性を反対にした構造も可能である。
【０１８９】
第１の実施の形態に対して電子と正孔の極性を反対にした構造を、第２の実施の形態として説明する。
【０１９０】
図１１は、第２の実施の形態における画素２の等価回路を示し、図１２は、第２の実施の形態における画素２の断面構造を示している。さらに、図１３は、第２の実施の形態における画素２の駆動を示すタイミングチャートである。
【０１９１】
図１１の画素回路は、第１の実施の形態における図２の画素回路に対応する。図１１の画素回路は、図２の画素回路と比較すると、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタが入れ替わっている。したがって、転送トランジスタMT、変換ゲイン切替トランジスタMG、第２リセットトランジスタMR2、増幅トランジスタMA、および、選択トランジスタMSは、PMOSトランジスタで構成され、第１リセットトランジスタMR1は、NMOSトランジスタで構成される。
【０１９２】
図１２の画素断面図は、第１の実施の形態における図３の画素断面図に対応する。図１２の画素断面図は、図３の画素断面図と比較すると、半導体領域のP型とN型が入れ替わっている。
【０１９３】
図１３の駆動タイミングチャートは、第１の実施の形態における図５の駆動タイミングチャートに対応する。図１３の駆動タイミングチャートは、図５の駆動タイミングチャートと比較すると、各制御信号の極性（HighとLow）が入れ替わっている。また、図１３に示されるように、最初に読み出されるのが電子による信号であり、その後に、正孔による信号が読み出される。
【０１９４】
第２の実施の形態は、上述した点を除いて第１の実施の形態と同様であるので、図１１乃至図１３の詳細な説明は省略する。第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。
【０１９５】
＜８．画素境界部のその他の構造例＞
上述した第１および第２の実施の形態では、隣接する画素２どうしを電気的に分離するために、画素境界部にトレンチ電極６１と絶縁膜６２を含むトレンチアイソレーション６０を設ける構成が採用された。
【０１９６】
隣接する画素２どうしを電気的に分離する画素分離部の構成として、トレンチ電極６１と絶縁膜６２を含むトレンチアイソレーション６０を設ける構成の他、PN接合による分離も可能である。
【０１９７】
図１４は、固体撮像装置１の第３の実施の形態である、画素分離部をPN接合により電気的に分離した構造を有する画素２の断面構造を示す図である。
【０１９８】
図１４において、図３に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
【０１９９】
図１４の第３の実施の形態では、図３に示した第１の実施の形態のトレンチ電極６１と絶縁膜６２がN型半導体領域１４１および１４２に置き換えられている点で、第１の実施の形態と異なり、その他の点では第１の実施の形態と同一である。
【０２００】
すなわち、図１４の第３の実施の形態において、隣接して配置される画素２の境界部分には、第１キャパシタC1の一方の電極となるP型半導体領域６４と、その反導電型となるN型半導体領域１４１が設けられている。N型半導体領域１４１は、トレンチアイソレーション６０と同様に、半導体基板１２を貫通して形成される。N型半導体領域１４１の基板裏面側界面近傍の一部領域は、コンタクト部として、N型半導体領域１４１よりも不純物濃度を濃くしたN型半導体領域１４２が形成されている。コンタクト部としてのN型半導体領域１４２には第２電圧V2が供給され、N型半導体領域１４１とP型半導体領域６４とのPN接合の逆バイアス状態で電気的に絶縁分離されている。N型半導体領域１４１とP型半導体領域６４とのPN接合容量が、第１キャパシタC1に相当する。
【０２０１】
＜９．まとめ＞
以上の固体撮像装置１の各実施の形態に係る画素２は、入射光を光電変換して生成した第１の電荷（例えば電子）をフォトダイオードPDに蓄積し、第２の電荷（例えば正孔）を画素分離部に設けられた第１キャパシタC1に蓄積する。また、フォトダイオードPDのアノードとなるP型半導体領域６４は、第２の電荷を蓄積する第１キャパシタC1の一方の電極となっている。さらに、NMOSである転送トランジスタMTも、P型半導体領域６４内に形成されている。
【０２０２】
そして、各画素２は、第１キャパシタC1に蓄積された第２の電荷による画素信号を出力した後で、フォトダイオードPDに蓄積された第１の電荷による画素信号を出力する。この読み出し順番を用いることより、転送トランジスタMTを用いて第１の電荷をフォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへ転送する際、転送トランジスタMTが形成されているP型半導体領域６４の電位を、接地GNDに固定することができる。
【０２０３】
このことは、第１の電荷をフォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへ転送する際、転送トランジスタMTが形成されているP型半導体領域６４の電位が接地GNDから正の電位へと上昇してしまっている先行技術と比較して、第１の電荷の転送を良好に行うことができるという効果をもたらす。
【０２０４】
第２の電荷を蓄積する第１キャパシタC1の一方の電極であるP型半導体領域６４をリセットするための第１リセットトランジスタMR1は、第２の電荷が正孔である場合にはPMOSトランジスタで構成され、第２の電荷が電子である場合にはNMOSトランジスタで構成される。
【０２０５】
第２の電荷を蓄積する第１キャパシタC1の一方の電極であるP型半導体領域６４と、この第１キャパシタC1をリセットするための第１リセットトランジスタMR1とを、同一の導電型とすることで、この第１キャパシタC1の一方の電極であるP型半導体領域６４が第１リセットトランジスタMR1のソース領域を兼ねることが可能となる。これにより第１リセットトランジスタMR1のソース領域の面積を省き、第１リセットトランジスタMR1の面積を小さくすることができる。その結果、画素２の面積を小さくすることや、あるいは、画素２の面積を小さくする代わりにフォトダイオードPDや増幅トランジスタMAの面積を大きくして画素２の特性を向上させることが、可能になるという効果がもたらされる。
【０２０６】
また、画素２における電荷の蓄積期間中、画素２へ供給する電源電圧を下げることにより、画素２で発生する暗電流を抑制することができるという効果がもたらされる。
【０２０７】
さらに、固体撮像装置１に備わる信号処理回路７は、各画素２からの第１の電荷の読み出し信号を基にして、各画素２が撮像した被写体が暗かったか否かを判定する。撮像した被写体が暗かったと判定された画素２については、信号処理回路７は、その画素２からの第２の電荷の読み出し信号は、光電変換の結果発生した信号ではなく暗電流であると判断する。そして、信号処理回路７は、暗電流であると判断された信号を用いて、画素２からの第２の電荷の読み出し信号から暗電流を除去する補正処理を行う。これにより、第２の電荷による画素信号のSN比を向上させることができるという効果がもたらされる。
【０２０８】
＜１０．電子機器への適用例＞
本技術は、固体撮像装置への適用に限られるものではない。即ち、本技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像装置は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
【０２０９】
図１５は、本技術を適用した電子機器としての、撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【０２１０】
図１５の撮像装置２００は、レンズ群などからなる光学部２０１、図１の固体撮像装置１の構成が採用される固体撮像装置（撮像デバイス）２０２、およびカメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路２０３を備える。また、撮像装置２００は、フレームメモリ２０４、表示部２０５、記録部２０６、操作部２０７、および電源部２０８も備える。DSP回路２０３、フレームメモリ２０４、表示部２０５、記録部２０６、操作部２０７および電源部２０８は、バスライン２０９を介して相互に接続されている。
【０２１１】
光学部２０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置２０２の撮像面上に結像する。固体撮像装置２０２は、光学部２０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置２０２として、図１の固体撮像装置１、即ち、電子と正孔の両方を検出することにより高ダイナミックレンジな撮像を実現する固体撮像装置を用いることができる。
【０２１２】
表示部２０５は、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)や有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ等の薄型ディスプレイで構成され、固体撮像装置２０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録部２０６は、固体撮像装置２０２で撮像された動画または静止画を、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
【０２１３】
操作部２０７は、ユーザによる操作の下に、撮像装置２００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部２０８は、DSP回路２０３、フレームメモリ２０４、表示部２０５、記録部２０６および操作部２０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【０２１４】
上述したように、固体撮像装置２０２として、上述した実施の形態を適用した固体撮像装置１を用いることで、高ダイナミックレンジな画像を生成することができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置２００においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
【０２１５】
＜イメージセンサの使用例＞
図１６は、上述の固体撮像装置１を用いたイメージセンサの使用例を示す図である。
【０２１６】
上述の固体撮像装置１を用いたイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【０２１７】
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【０２１８】
＜１１．移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
【０２１９】
図１７は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【０２２０】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図１７に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
【０２２１】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【０２２２】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【０２２３】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【０２２４】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【０２２５】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【０２２６】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｄｒｉｖｅｒ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２２７】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２２８】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【０２２９】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図１７の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【０２３０】
図１８は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【０２３１】
図１８では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
【０２３２】
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【０２３３】
なお、図１８には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【０２３４】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【０２３５】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２３６】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【０２３７】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【０２３８】
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、撮像部１２０３１として、上述した各実施の形態に係る固体撮像装置１を適用することができる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、高ダイナミックレンジな撮像を実現することができる。また、得られた画像を用いて、ドライバの疲労を軽減したり、ドライバや車両の安全度を高めることが可能になる。
【０２３９】
また、本技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やX線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
【０２４０】
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０２４１】
例えば、上述した複数の実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。
【０２４２】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
【０２４３】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、
前記画素の駆動を制御する駆動制御部と
を備え、
前記画素は、光電変換により発生する第１の電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積し、
前記駆動制御部は、前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号を出力させる
固体撮像装置。
（２）
前記フォトダイオードのPN接合の一方の半導体領域は、前記第１キャパシタの一方の電極を構成し、
前記画素は、
画素外へ出力される電荷を一時的に保持す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と前記半導体領域との間の第２キャパシタと
をさらに有する
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記第２キャパシタは、前記フローティングディフュージョンの総容量に対して、0.2倍から0.8倍の間に設定されている
前記（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記画素は、前記半導体領域に蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力する際に、前記半導体領域を固定電位にリセットするトランジスタをさらに有し、
前記トランジスタは、前記第２の電荷が正孔である場合、PMOSトランジスタで構成され、前記第２の電荷が電子である場合、NMOSトランジスタで構成される
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（５）
前記トランジスタのソース領域は、前記半導体領域で構成される
前記（４）に記載の固体撮像装置。
（６）
前記トランジスタのドレイン領域は、平面視では、ウェル、ゲート電極、および、前記画素分離部で囲まれ、断面視では、前記ウェルにより前記半導体領域と絶縁分離された構造を有する
前記（４）または（５）に記載の固体撮像装置。
（７）
前記トランジスタは、平面視において、矩形領域の前記画素内の所定の角部に配置される
前記（４）乃至（６）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（８）
前記駆動制御部は、読み出し動作時には電源電圧とする供給電圧を、読み出し動作とリセット動作以外の蓄積期間中、異なる電圧に設定する
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（９）
前記異なる電圧は0Vである
前記（８）に記載の固体撮像装置。
（１０）
前記画素は、前記半導体領域に蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力する際に、前記半導体領域を固定電位にリセットするトランジスタをさらに有し、
前記駆動制御部は、前記異なる電圧を、前記半導体領域に蓄積できる飽和電荷数で変化する電位変化量だけ前記固定電位より高く設定する
前記（８）または（９）に記載の固体撮像装置。
（１１）
前記第１の電荷による画素信号が所定値より小さい場合に、前記第２の電荷による画素信号から、複数フレームを用いて算出された固定成分を減算することにより、前記第２の電荷による画素信号の補正処理を行う補正処理部をさらに備える
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１２）
前記補正処理部は、蓄積時間と温度に応じた補正後の、前記複数フレームの前記第２の電荷による画素信号を用いて、前記固定成分を算出する
前記（１１）に記載の固体撮像装置。
（１３）
前記画素分離部は、半導体基板を貫通して隣接画素どうしを電気的に分離する
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１４）
前記画素分離部は、金属材料またはポリシリコンで形成される固定電位の電極を含む
前記（１３）に記載の固体撮像装置。
（１５）
前記フォトダイオードのPN接合の一方の半導体領域は、前記第１キャパシタの一方の電極を構成し、
前記画素分離部は、前記半導体領域と反対の導電型の半導体領域で形成され、所定の電圧が印加される
前記（１３）に記載の固体撮像装置。
（１６）
入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、
前記画素の駆動を制御する駆動制御部と
を備える固体撮像装置の、
前記画素が、光電変換により発生する第１の電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積し、
前記駆動制御部が、前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号を出力させる
固体撮像装置の駆動方法。
（１７）
入射光を光電変換するフォトダイオードを有する画素と、
前記画素の駆動を制御する駆動制御部と
を備え、
前記画素は、光電変換により発生する第１の電荷を前記フォトダイオードに蓄積し、前記光電変換により発生する第２の電荷を画素分離部に設けられた第１キャパシタに蓄積し、
前記駆動制御部は、前記第１キャパシタに蓄積された前記第２の電荷による画素信号を出力した後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷による画素信号を出力させる
固体撮像装置
を備える電子機器。
【符号の説明】
【０２４４】
１  固体撮像装置，  ２  画素，  ３  画素アレイ部，  ４  垂直駆動回路，  ５  カラム信号処理回路，  ７  信号処理回路，  PD  フォトダイオード，  FD  フローティングディフュージョン，  MT  転送トランジスタ，  MA  増幅トランジスタ，  MC  切替トランジスタ，  MP  接地リセットトランジスタ，  MR1  第１リセットトランジスタ，  MR2  第２リセットトランジスタ，  MS  選択トランジスタ，PG  画素接地領域，CP１  第１キャパシタ，CP２  第２キャパシタ，  ６０  トレンチアイソレーション，  ６１  トレンチ電極，  ６２  絶縁膜，  ６３  N型半導体領域，  ６３ｂ  第２のN型半導体領域，  ６４ｂ  第２のP型半導体領域，  ６９  ウェル，  １００  画素アレイ信号出力部，  １１１  暗電流補正処理部，  １４１  N型半導体領域，  １４２  N型半導体領域，  ２００  撮像装置，  ２０２  固体撮像装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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