(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配置された赤画素、緑画素、青画素及び白画素に区分してフォトダイオードが形成された受光面を有する半導体基板と、
前記赤画素、前記緑画素及び前記青画素の各形成領域の前記フォトダイオードに対する光入射路において前記半導体基板上に形成された、赤色、緑色及び青色の波長領域の光をそれぞれ透過するカラーフィルタと、
少なくとも一部の前記白画素の形成領域の前記フォトダイオードに対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜と
を有し、
前記画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、前記フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短く、
前記受光面に、前記フォトクロミック膜が形成された白画素を含む画素組と、前記フォトクロミック膜が形成されていない白画素を含む画素組が交互に配置されている
固体撮像装置。
【請求項２】
前記フォトクロミック膜が、少なくとも一部の前記赤画素、前記緑画素及び前記青画素の各形成領域の前記フォトダイオードに対する光入射路における前記半導体基板上においても形成されている
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素組が、１つの前記赤画素、１つの前記緑画素、１つの前記青画素及び１つの前記白画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている
請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素組が、１つの列に並んで配置されている画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている
請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記画素組が、複数の列に並んで配置されている画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている
請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記フォトクロミック膜が形成された白画素における前記フォトダイオードが、当該フォトダイオードに生成された光電荷に対応する光信号の値を対数変換して出力する出力部を有する
請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記フォトクロミック膜が吸収した光量を計測する光量計測部がさらに設けられている
請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記光量計測部において計測された光量に係る光信号と各画素の前記フォトダイオードにおいて得られる光信号とを組み合わせ、前記画素における画素信号とする信号処理部がさらに設けられている
請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記フォトクロミック膜が光を吸収したときに生じる光信号をリセットするリセット部がさらに設けられている
請求項７または８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記フォトクロミック膜は前記カラーフィルタの透過する波長領域によらず同一の材料で形成されている
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記フォトクロミック膜と前記カラーフィルタが同一の膜として形成されている
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記信号処理部における信号処理としてガンマ補正処理および自動ゲイン制御処理がなされる
請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記フォトクロミック膜は可視光領域の入射光強度に応じて光透過率が変わる
請求項１〜１２のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記フォトクロミック膜の可視光領域における光透過率は入射光量が多いときより少ないときの方が高い
請求項１〜１３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記フォトクロミック膜の可視光領域における光透過率は入射光量に応じて連続的に変化する
請求項１〜１４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
フォトクロミック材料がヘキサアリールビスイミダゾール誘導体である
請求項１〜１５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
を有し、
前記固体撮像装置は、
マトリクス状に配置された赤画素、緑画素、青画素及び白画素に区分してフォトダイオードが形成された受光面を有する半導体基板と、
前記赤画素、前記緑画素及び前記青画素の各形成領域の前記フォトダイオードに対する光入射路において前記半導体基板上に形成された、赤色、緑色及び青色の波長領域の光をそれぞれ透過するカラーフィルタと、
少なくとも一部の前記白画素の形成領域の前記フォトダイオードに対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜と
を有し、
前記画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、前記フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短く、
前記受光面に、前記フォトクロミック膜が形成された白画素を含む画素組と、前記フォトクロミック膜が形成されていない白画素を含む画素組が交互に配置されている
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその製造方法と設計方法並びに電子機器に関し、特に、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）のカラーフィルタを有する固体撮像装置及びその製造方法と設計方法並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルビデオ電子機器、デジタルスチル電子機器などの電子機器は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Silicon Transistor）イメージセンサなどの固体撮像装置を有する。
【０００３】
固体撮像装置においては、半導体基板に複数の画素が水平方向と垂直方向とにおいてマトリクス状に配置され、受光面が構成されている。この受光面においては、各画素に例えばフォトダイオードなどの光電変換部であるセンサが設けられている。
受光面上には、被写体像による光を各画素のセンサに集光するための集光構造が形成されており、被写体像による光を受光し、受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成して画素信号を得る。
【０００４】
従来のＣＣＤ，ＣＭＯＳイメージセンサでは、センサ部に入射した光がフォトダイオードにて光電変換され入射光を電荷に変換して映像信号を得る。このようなデバイスでは一定の露光時間に入射する光を電荷に変換して蓄積する構造となっている。
【０００５】
電荷蓄積量は有限であるため、例えば強い光が入射したとき電荷が飽和し白と黒の階調が不十分となる。すなわち、前記固体撮像素子には適正な出力信号を得るための入射光量範囲が存在するが、この範囲は撮像対象に比べて非常に狭い。
【０００６】
そこで固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する技術が望まれている。
従来のダイナミックレンジ拡大技術として、非特許文献１には入射光量に応じて光電変換の刻みを変える技術が開示されている。また、特許文献１には入射光量に応じたゲインを設定する方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には光電変換部を遮光する遮光部材と、ＭＥＭＳを用いて該遮光部材を駆動するアクチュエータを備えた固体撮像素子が開示されている。
【０００８】
これらデバイスの構成でダイナミックレンジ拡大を図る方法の他に材料を用いてダイナミックレンジ拡大技術を実現しようとする提案もある。
【０００９】
また、特許文献３及び特許文献４には固体撮像素子のケース部分のガラスの表面に材料を塗布する、あるいはガラス表面と固体撮像素子の間に材料を入れて調光を行うことによってダイナミックレンジを拡大する方法が開示されている。
【００１０】
また、特許文献５にはセンサ部より手前に材料を成膜して調光を行うことでダイナミックレンジを拡大する方法が開示されている。
また、特許文献６にはフォトダイオードより外側に調光反応材料を塗布する方法が開示されている。
【００１１】
これら従来の技術で解決困難な問題として、動画撮影時や、連写時の時間ずれがある。
すなわち読み出し方式を用いた手法では複数回読み出し時および長短電荷蓄積時の時間ずれが、またメカニカルシャタを用いた手法では位置による時間ずれが起こる。そのため画像としての不自然さが除去しきれない。
【００１２】
一方、材料でダイナミックレンジ拡大を図る技術については透過率の波長依存性があることや、現固体撮像素子の信号処理スピードで決まるスペックを調光反応の反応速度が満たせていないことによる問題で固体撮像素子への搭載は困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−１６７００４号公報
【特許文献２】特開２００６−３３３４３９号公報
【特許文献３】特開平１−２４８５４２号公報
【特許文献４】特開平１０−６５１２９号公報
【特許文献５】特開平１−２３６６４９号公報
【特許文献６】特開平４−６５１６３号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】2005 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors P.169, P.173
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
解決しようとする課題は、従来技術による固体撮像装置においては、画像としての不自然さを発生させずにダイナミックレンジを拡大することが困難であることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の固体撮像装置は、マトリクス状に配置された赤画素、緑画素、青画素及び白画素に区分してフォトダイオードが形成された受光面を有する半導体基板と、前記赤画素、前記緑画素及び前記青画素の各形成領域の前記フォトダイオードに対する光入射路において前記半導体基板上に形成された、赤色、緑色及び青色の波長領域の光をそれぞれ透過するカラーフィルタと、少なくとも一部の前記白画素の形成領域の前記フォトダイオードに対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜とを有し、前記画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、前記フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い。
【００１７】
上記の本発明の固体撮像装置は、半導体基板にマトリクス状に配置された赤画素、緑画素、青画素及び白画素に区分してフォトダイオードが形成されている。
赤画素、緑画素及び青画素の各形成領域のフォトダイオードに対する光入射路において半導体基板上に、赤色、緑色及び青色の波長領域の光をそれぞれ透過するカラーフィルタが形成されている。
少なくとも一部の白画素の形成領域のフォトダイオードに対する光入射路において半導体基板上に、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜が形成されている。
ここで、画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い。
【００１８】
また、本発明の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、前記固体撮像装置は、マトリクス状に配置された赤画素、緑画素、青画素及び白画素に区分してフォトダイオードが形成された受光面を有する半導体基板と、前記赤画素、前記緑画素及び前記青画素の各形成領域の前記フォトダイオードに対する光入射路において前記半導体基板上に形成された、赤色、緑色及び青色の波長領域の光をそれぞれ透過するカラーフィルタと、少なくとも一部の前記白画素の形成領域の前記フォトダイオードに対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜とを有し、前記画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、前記フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い。
【００１９】
上記の本発明の電子機器は、固体撮像装置と、固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有する。
ここで、固体撮像装置は、半導体基板にマトリクス状に配置された赤画素、緑画素、青画素及び白画素に区分してフォトダイオードが形成されている。
赤画素、緑画素及び青画素の各形成領域のフォトダイオードに対する光入射路において半導体基板上に、赤色、緑色及び青色の波長領域の光をそれぞれ透過するカラーフィルタが形成されている。
少なくとも一部の白画素の形成領域のフォトダイオードに対する光入射路において半導体基板上に、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜が形成されている。
ここで、画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の固体撮像装置によれば、白画素において半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【００２１】
本発明の電子機器によれば、搭載される固体撮像装置の白画素において半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図であり、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は一部拡大図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のフォトクロミック膜のフォトクロミック材料の光透過率特性を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のフォトクロミック膜のフォトクロミック材料の光透過率特性を示すグラフである。
【図５】図５は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のダイナミックレンジが拡大する理由を説明する模式図である。
【図６】図６は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図である。
【図７】図７は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図である。
【図８】図８は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図である。
【図９】図９は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図である。
【図１０】図１０は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図である。
【図１１】図１１は本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図である。
【図１２】図１２は本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
【図１３】図１３は本発明の第６実施形態に係る電子機器の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明の固体撮像装置及び電子機器の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
尚、説明は以下の順序で行う。
１．第１実施形態（白画素にフォトクロミック膜を有する構成）
２．第２実施形態（画素に対するフォトクロミック膜のレイアウト）
３．第３実施形態（白画素のみがフォトクロミック膜を有する場合の画素に対するフォトクロミック膜のレイアウト）
４．第４実施形態（白画素のみがフォトクロミック膜を有する場合の画素に対するフォトクロミック膜のレイアウト）
５．第５実施形態（光量計測部を有する構成）
６．第６実施形態（電子機器への適用）
【００２５】
＜第１実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図であり、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は一部拡大図である。
本実施形態においては、フォトクロミック膜を有する赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１、青画素Ｂ１及び白画素Ｗ１からなる画素組ＣＳ１と、フォトクロミック膜を有さない赤画素Ｒ２、緑画素Ｇ２、青画素Ｂ２及び白画素Ｗ２からなる画素組ＣＳ２とを有する。
図１（ｂ）は画素組ＣＳ１の拡大図である。フォトクロミック膜を有する赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１、青画素Ｂ１及び白画素Ｗ１からなる。
図１（ｃ）は画素組ＣＳ２の拡大図である。フォトクロミック膜を有さない赤画素Ｒ２、緑画素Ｇ２、青画素Ｂ２及び白画素Ｗ２からなる。
本実施形態においては、画素組ＣＳ１と画素組ＣＳ２が水平方向と垂直方向にそれぞれ交互に並べて配置されている。
即ち、１つの赤画素Ｒ、２つの緑画素Ｇ及び１つの青画素Ｂのいわゆるベイヤ配列と称せられる４画素からなる画素組ごとに、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１と有さない画素組ＣＳ２が交互に配置された構成である。
このように、画素組が、１つの赤画素、１つの緑画素、１つの青画素及び１つの白画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている構成である。
【００２６】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
図２（ａ）は、画素組ＣＳ１、即ち赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１、青画素Ｂ１及び白画素Ｗ１における断面図である。
例えば、半導体基板１０にマトリクス状に配置された赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１、青画素Ｂ１及び白画素Ｗ１の各画素に区分して、赤画素、緑画素、青画素及び白画素のそれぞれにおいてはフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，１１Ｗが形成されている。
【００２７】
例えば、半導体基板１０のフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，１１Ｗなどを被覆して全面に、酸化シリコン、窒化シリコン、樹脂あるいはこれらの積層体などからなる第１絶縁膜１２が形成されている。
例えば、第１絶縁膜１２の上層に、酸化窒化シリコンなどからなる第２絶縁膜１３が形成されている。
例えば、第２絶縁膜１３の上層に、窒化シリコンなどからなる第３絶縁膜１４が形成されている。
【００２８】
例えば、第３絶縁膜１４の上層にフォトクロミック膜２３が積層されている。
フォトクロミック膜１６は、フォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，１１Ｗに対する光入射路において設けられ、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含む。
赤画素においてはフォトクロミック膜２３上に赤色のカラーフィルタ１８Ｒが形成されている。
緑画素においてはフォトクロミック膜２３上に緑色のカラーフィルタ１８Ｇが形成されている。
青画素においてはフォトクロミック膜２３上に青色のカラーフィルタ１８Ｂが形成されている。
白画素においては、例えばフォトクロミック膜２３上に白画素材料２４が形成されている。白画素の材料は例えばポリスチレン系樹脂、アクリル樹脂で、可視光領域の光を透過する。
例えば、カラーフィルタ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂ及び白画素材料２４上に、オンチップレンズ１９が形成されている。
【００２９】
図２（ｂ）は、画素組ＣＳ２、即ち赤画素Ｒ２、緑画素Ｇ２、青画素Ｂ２及び白画素Ｗ２における断面図である。
実質的に図２（ａ）の構成と同様であるが、フォトクロミック膜２３が形成されていないことが異なる。
【００３０】
フォトクロミック材料は、上記のようにあらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動する。
【００３１】
例えば、フォトクロミック膜は可視光領域の入射光強度に応じて光透過率が変わり、可視光領域における光透過率は入射光量が多いときより少ないときの方が高い特性を有する。また、例えば、フォトクロミック膜の可視光領域における光透過率は入射光量に応じて連続的に変化する。
上記のフォトクロミック膜は、光照射時に光透過率が低下し、光を遮断すると光透過率の低下が回復してもとの光透過率に戻る。このときの光の遮断から光透過率の変動幅の半分の値を回復するまでに必要な期間を半減期と称する。
本実施形態においては、画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間、即ち、１フレームより、フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い。
例えば、固体撮像装置のフレームレートが６０ｆｐｓである場合、１フレームは約１７ｍＳとなり、このような場合には、１７ｍＳより半減期の短いフォトクロミック材料が用いられる。
【００３２】
上記のフォトクロミック膜２３を構成する材料としては、例えば、ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体を用いることができる。
置換基を適宜変更することで、種々の吸収波長領域及び応答速度などを調節することができる。
例えば、下記の化合物を好ましく用いることができる。
【００３３】
【化１】
0005585208.tif 000002
【００３４】
図３（ａ）は、上記のヘキサアリールビスイミダゾール誘導体の光照射時のΔO.D.（光学密度変化）と、これから光を遮蔽したときのΔO.D.（光学密度変化）の時間変化であり、光吸収スペクトルの時間変化に相当する。スペクトルの間隔は、２０ｍＳである。
また、図３（ｂ）は２５℃における４００ｎｍのΔO.D.の時間変化である。半減期が約３３ｍＳであり、光照射に応じて高速に光透過率が変化するので、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【００３５】
また例えば、下記の化合物を好ましく用いることができる。
【００３６】
【化２】
0005585208.tif 000003
【００３７】
図４（ａ）は、上記のヘキサアリールビスイミダゾール誘導体の光照射時のΔO.D.（光学密度変化）と、これから光を遮蔽したときのΔO.D.（光学密度変化）の時間変化であり、光吸収スペクトルの時間変化に相当する。スペクトルの間隔は、２０ｍＳである。
また、図４（ｂ）は２５℃における４００ｎｍのΔO.D.の時間変化である。半減期が約１７３ｍＳであり、光照射に応じて高速に光透過率が変化するので、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
上記の各ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体は、関東化学株式会社から高速発消色フォトクロミック化合物として購入可能である。
【００３８】
また例えば、赤画素用のフォトクロミック材料としては、上記のヘキサアリールビスイミダゾール誘導体において置換基を適宜変更することで、好適な吸収波長領域及び応答速度などを調節することができる。
【００３９】
図５は本実施形態に係る固体撮像装置のダイナミックレンジが拡大する理由を説明する模式図である。
図５は、画素に照射される光の照度に対する画素の出力信号強度を示す。図中、フォトクロミック膜が形成されていない画素の高感度信号−照度カーブａと、フォトクロミック膜が形成されている場合の低感度信号−照度カーブｂを示す。フォトクロミック膜は、例えば５０％の光透過率となっていると仮定する。
【００４０】
図５中のカーブａのように、フォトクロミック膜が形成されていない場合は照度Ｓ１において信号強度が１００％（飽和信号ＳＳＡＴ）に達して飽和してしまう。カーブａの場合のダイナミックレンジをＤ１であらわす。
しかしながら、フォトクロミック膜が形成されているカーブｂでは、光透過率が低くなり、例えば照度Ｓ１においても飽和する信号強度の５０％にしか達しない。照度Ｓ２において信号強度が１００％（飽和信号ＳＳＡＴ）に達する。しかし、実際にはノイズがあるため低照度側の信号がノイズに埋もれてしまう。カーブｂの場合のダイナミックレンジをＤ２であらわす。
そこで、高感度画素と低感度画素の信号を合成する。即ち、高感度信号のカーブａ（ダイナミックレンジＤ１）に関しては高照度側の出力を、低感度信号のカーブｂ（ダイナミックレンジＤ２）に関しては低照度側の出力を互いに補って用いる。この結果としてダイナミックレンジはＤ３になる。
フォトクロミック材料は、例えば、ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体である。
【００４１】
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
【００４２】
図２（ａ）に示す白画素Ｗ１のフォトダイオード１１Ｗは、対数変換型の信号読み出し部を有する構成であってもよい。
対数変換型の信号読み出し部は、ＭＯＳトランジスタを組み合わせた構成であり、ＭＯＳトランジスタのゲート電圧が閾値以下であるときのサブスレッショルド電流の特性を利用して対数変換した値として読み出すことができるものである。
白画素Ｗ１は、カラーフィルタがないので飽和しやすい構成であるので、対数変換型の信号読み出し部と組み合わせることでさらにダイナミックレンジを拡大できる。
【００４３】
＜第２実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
本実施形態は、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１と、フォトクロミック膜を有さない画素組ＣＳ２のパターンの変形例である。
図６は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図である。
本実施形態においては、２列の画素からなる画素組ごとに、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１と有さない画素組ＣＳ２が交互に配置された構成である。
このように、画素組が、複数の列に並んで配置されている画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている。
【００４４】
図７は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。
本実施形態においては、４列の画素からなる画素組ごとに、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１と有さない画素組ＣＳ２が交互に配置された構成である。
このように、画素組が、複数の列に並んで配置されている画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている。
【００４５】
図８は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。
本実施形態においては、全領域において、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１が配置された構成である。
このように、受光面全ての画素で共通のフォトクロミック膜が形成されている。
【００４６】
図９は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。
本実施形態においては、全ての画素組の中から適宜選択された画素組において、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１が配置され、残りの領域にはフォトクロミック膜を有さない画素組ＣＳ２が配置された構成である。
画素組ＣＳ１とする位置の選択は適宜設定可能であり、固体撮像装置の用途などに応じて選ぶことができる。
【００４７】
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高感度、低感度二種類の出力を得る。高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。前記低感度信号、高感度信号の二種類を得ることができる。従って第１実施形態に記載した理由でのダイナミックレンジを拡大できる。
【００４８】
＜第３実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
本実施形態は、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１の変形例である。本実施形態においては、白画素のみがフォトクロミック膜を有する。
図１０は本実施形態に係る固体撮像装置の画素組ＣＳ１のレイアウトを示す模式的平面図である。
画素組ＣＳ１は、フォトクロミック膜を有する白画素Ｗ１と、フォトクロミック膜を有さない赤画素Ｒ２、緑画素Ｇ２及び青画素Ｂ２からなる。
画素組ＣＳ２は、フォトクロミック膜を有さない赤画素Ｒ２、緑画素Ｇ２、青画素Ｂ２及び白画素Ｗ２からなる。
上記を除いて、第１実施形態と同様の構成である。
本実施形態においては、画素組ＣＳ１と画素組ＣＳ２が水平方向と垂直方向にそれぞれ交互に並べて配置されている。
即ち、１つの赤画素Ｒ、２つの緑画素Ｇ及び１つの青画素Ｂのいわゆるベイヤ配列と称せられる４画素からなる画素組ごとに、上記の画素組ＣＳ１と画素組ＣＳ２が交互に配置された構成である。
【００４９】
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高感度、低感度二種類の出力を得る。高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。前記低感度信号、高感度信号の二種類を得ることができる。従って第１実施形態に記載した理由でのダイナミックレンジを拡大できる。
フォトクロミック膜は、ダイナミックレンジを拡大するための膜であるので、信号の飽和が白画素より発生しにくい赤画素、緑画素及び青画素では、フォトクロミック膜を有さない画素のみで構成するようにしてもよい。
【００５０】
＜第４実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
本実施形態は、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１の変形例である。本実施形態においては、白画素のみがフォトクロミック膜を有する。
図１１は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。
本実施形態においては、全ての画素組の中から適宜選択された画素組を構成する白画素Ｗ１のみにフォトクロミック膜が形成されている。残りの領域には白画素であってもフォトクロミック膜が形成されていない構成である。
画素組ＣＳ１とする位置の選択は適宜設定可能であり、固体撮像装置の用途などに応じて選ぶことができる。
【００５１】
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高感度、低感度二種類の出力を得る。高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。前記低感度信号、高感度信号の二種類を得ることができる。従って第１実施形態に記載した理由でのダイナミックレンジを拡大できる。
【００５２】
例えば、信号処理部における信号処理としてガンマ補正処理および自動ゲイン制御処理がなされる。
本実施形態においては、フォトクロミック膜の電位をモニタしないで、フォトクロミック膜が吸収した電荷の信号と、画素センサの出力信号とを合成して信号処理によりダイナミックレンジを拡大することができる。
本実施形態の信号処理の仕方は、フォトクロミック材料に入射する光の量を予め求めておき、入射光量に対して前記材料が吸収する光量を参照してセンサからの出力信号と合成する手法である。
【００５３】
本実施形態で使用するフォトクロミック膜の材料の光学特性は、暗時は可視領域に数％の吸収をもつ。ほとんど透過することが好ましいが、吸収率０であると材料が着色する。
一方、明時には一気に吸収係数が上がる特性である。この光学特性と、フォトダイオードへの入射光量がわかると、フォトクロミック材料が吸収した光量を求めることができる。
【００５４】
フォトクロミック膜に入射した光量をモニタするセンサは、基板に形成されたフォトダイオードのうちの少なくとも１つを、カラーフィルタなしの対数型センサで置き換えて設定する。
材料が吸収した光量Ｉとすると、Ｉ＝Ｉ０＊ｔである。ここでＩ０は入射光量、ｔは材料の透過率である。
このように材料が吸収した光量をセンサの光強度に加えて信号処理を行うことで出力信号を合成する。信号処理とは、例えばガンマ補正処理や自動ゲイン制御（Auto Gain Control）処理を用いることができる。
ガンマ補正処理は材料が吸収した光量と材料の透過率との関係が非線形である場合に線形関係に補正を行う。
また、自動ゲイン制御処理は、材料が吸収した光量と材料の透過率との関係をルックアップテーブル形式で保持しセンサのゲイン調整を行うものである。
【００５５】
また、白画素の信号を高感度信号として信号処理で合成することによりダイナミックレンジを拡大することができる。
白画素は画角内に複数存在し、他の画素部からカラーフィルタを除去した構造、および他の画素からカラーフィルタを除去し、かわりにＮＤフィルタを搭載した構造の二種類が存在する。
ＮＤフィルタはその透過率が、拡大したいダイナミックレンジ分の１に設定されている。そして、二つの画素のうちフォトクロミックフィルタ膜に入射する光量を黒つぶれや飽和をしていない方の白画素でモニタする。
このように、白画素は、明時の飽和のアラームを出す画素としても用いることができる。
【００５６】
さらにＮＤフィルタを搭載していない方の白画素のフォトダイオードは通常のフォトダイオードでもよく、対数変換型の読み出し部を有するフォトダイオードでもよい。
入射光量が通常のセンサの飽和光量を超えない場合は対数変換型のセンサは必ずしも必要ではない。
【００５７】
従来の固体撮像装置のダイナミックレンジは白色灯から太陽光までの６０ｄＢの範囲をカバーする。
白画素は、このうち白色灯からろうそくまでの弱い光の信号を精度よく出力する。
一方、ＮＤフィルタ付きの画素は太陽光より輝度の高い光の信号を精度よく出力する。
このようにして例えば２０ｄＢのダイナミックレンジが拡大できる。
本実施形態では、拡大したいダイナミックレンジが２０ｄＢであったため、ＮＤフィルタの透過率は１／２０とする。
図５には、ＮＤフィルタがある場合とない場合とのダイナミックレンジを模式的に説明するものであり、例えばＮＤフィルタなしの場合のダイナミックレンジはＤ１（Ｄ２）、ＮＤフィルタがある場合のダイナミックレンジがＤ３である。そして拡大したいダイナミックレンジがＤ３−Ｄ１（Ｄ２）である。
【００５８】
＜第５実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１２は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第１実施形態に対して、フォトクロミック膜が吸収した光量を計測する光量計測部がさらに設けられていることが異なる。
上記を除いて、実質的に第１実施形態と同様である。
【００５９】
例えば、第３絶縁膜１４の上層に、下部電極１５、フォトクロミック膜１６、上部電極１７が積層されている。
フォトクロミック膜１６は、フォトダイオード１１に対する光入射路において設けられ、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含む。
下部電極１５及び上部電極１７は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などの透明電極である。
例えば、上部電極１７上に、各色のカラーフィルタ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂ及び白画素材料２４が形成されており、その上層にオンチップレンズ１９が形成されている。
【００６０】
本実施形態では、フォトクロミック膜１６として、光が吸収すると光電効果により光電子が生成されるフォトクロミック膜が用いられる。光電子による電流またはそれに起因する電圧を計測することで光量を計測することができる。
例えば、画素領域とは異なる領域の半導体基板１０に、酸化シリコンなどのゲート絶縁膜３０及びポリシリコンなどのゲート電極３１などが形成されており、当該ゲート電極３１の両側部における半導体基板１０にソースドレイン３２，３３が形成されている。
また、例えば、同様に半導体基板１０に、酸化シリコンなどのゲート絶縁膜３４及びポリシリコンなどのゲート電極３５などが形成されており、当該ゲート電極３５の両側部における半導体基板１０にソースドレイン３６，３７が形成されている。
上記のように、半導体基板１０にＭＯＳトランジスタが構成されている。
上記の下部電極１５は、ソースドレイン３２及びゲート電極３５に接続され、上部電極１７は接地されている。
また、ソースドレイン３３，３６は所定の電圧が印加される。
【００６１】
上記の光量計測部は、上記のＭＯＳトランジスタにより構成される。
ソースドレイン３２は、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成するフローティングディフュージョンに相当する。
ゲート電極３５が構成するＭＯＳトランジスタは、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成する増幅トランジスタに相当する。
即ち、フォトクロミック膜１６で生成された光電子はソースドレイン３２であるフローティングディフュージョンに蓄積される。蓄積された光電荷に応じてソースドレイン３７から出力Ｓが出力される。
得られる信号Ｓは、上記のフォトクロミック膜１６で生成された光電子に起因する電圧を計測した信号であり、フォトクロミック膜１６が吸収した光量を計測することができる。
【００６２】
また、ゲート電極３１が構成するＭＯＳトランジスタは、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成するリセットトランジスタに相当する。
例えば、また、ゲート電極３１をオンとすることで、ソースドレイン３２、即ちフローティングディフュージョン中の光電荷をリセットすることができる。
【００６３】
また、光量計測部において計測された光量に係る光信号と各画素のフォトダイオードにおいて得られる光信号とを組み合わせ、画素における画素信号とすることも可能である。この場合、光量計測部において計測された光量に係る光信号と各画素のフォトダイオードにおいて得られる光信号に必要な処理を行うための不図示の信号処理部がさらに設けられているものとする。信号処理部においては、各信号に対して必要な演算処理がなされる。例えば、各信号に対して予め決められた定数をかけ、これらの和を算出する。
本実施形態は、第１実施形態に対する変形形態として記載しているが、そのたの実施形態のいずれにも適用可能である。
【００６４】
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
【００６５】
＜第６実施形態＞
［電子機器への適用］
図１３は、本実施形態に係る電子機器である電子機器の概略構成図である。本実施形態に係る電子機器は、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオ電子機器の例である。
本実施形態に係る電子機器は、イメージセンサ（固体撮像装置）５０と、光学系５１と、信号処理回路５３などを有する。
本実施形態において、上記のイメージセンサ５０として、上記の第１実施形態に係る固体撮像装置が組み込まれている。
【００６６】
光学系５１は、被写体からの像光（入射光）をイメージセンサ５０の撮像面上に結像させる。これによりイメージセンサ５０内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。蓄積された信号電荷は出力信号Ｖｏｕｔとして取り出される。
シャッタ装置は、イメージセンサ５０への光照射期間及び遮光期間を制御する。
【００６７】
画像処理部は、イメージセンサ５０の転送動作及びシャッタ装置のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。画像処理部から供給される駆動信号（タイミング信号）により、イメージセンサ５０の信号転送を行なう。信号処理回路５３は、イメージセンサ５０の出力信号Ｖｏｕｔに対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
【００６８】
上記の本実施形態に係る電子機器によれば、例えばセルピッチが特に３μｍ以下の世代のカラー画像を撮像する固体撮像装置を有する電子機器において、受光面に入射する光の光干渉強度のばらつきを低減し、色ムラを抑制することができる。
【００６９】
上記の実施形態では、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるイメージセンサ５０に適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はイメージセンサ５０への適用に限られるものではない。画素アレイ部の画素列ごとにカラム回路を配置してなるカラム方式の固体撮像装置全般に対して適用可能である。
【００７０】
また、本発明は、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ない。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。
【００７１】
また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、デジタルスチル電子機器やビデオ電子機器、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器などに適用可能である。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ち電子機器モジュールを撮像装置とする場合もある。
【００７２】
ビデオ電子機器やデジタルスチル電子機器、さらには携帯電話機等のモバイル機器向け電子機器モジュールなどの撮像装置において、その固体撮像装置として先述した実施形態に係るイメージセンサ５０を用いることができる。
【００７３】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、実施形態においてはＣＭＯＳセンサとＣＣＤ装置のいずれにも適用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１０…半導体基板、１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，１１Ｗ…フォトダイオード、１２…第１絶縁膜、１３…第２絶縁膜、１４…第３絶縁膜、１５…下部電極、１６…フォトクロミック膜、１７…上部電極、１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂ…カラーフィルタ、１９…オンチップレンズ、２４…白画素材料、３０，３４…ゲート絶縁膜、３１，３５…ゲート電極、３２，３３，３６，３７…ソースドレイン、４０…信号処理部、５０…イメージセンサ、５１…光学系、５３…信号処理回路、Ｓ…信号、Ｒ１，Ｒ２…赤画素、Ｇ１，Ｇ２…緑画素、Ｂ１，Ｂ２…青画素、Ｗ１，Ｗ２…白画素、ＣＳ１，ＣＳ２…画素組
【図１】
0005585208.tif 000004
【図２】
0005585208.tif 000005
【図３】
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【図４】
0005585208.tif 000007
【図５】
0005585208.tif 000008
【図６】
0005585208.tif 000009
【図７】
0005585208.tif 000010
【図８】
0005585208.tif 000011
【図９】
0005585208.tif 000012
【図１０】
0005585208.tif 000013
【図１１】
0005585208.tif 000014
【図１２】
0005585208.tif 000015
【図１３】
0005585208.tif 000016