(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられた複数の第１の電極と、
前記複数の第１の電極上に設けられ、受けた光を電荷に変換する光電変換膜と、
各第１の電極に対応して設けられ、対応する第１の電極と前記半導体基板との間に接続された配線と、
各第１の電極に対応して前記絶縁層内に設けられ、対応する第１の電極に接続された第１の面状電極と、
前記絶縁層内において前記複数の第１の面状電極と前記半導体基板の間に設けられた第２の面状電極とを備え、
前記第２の面状電極は前記複数の第１の面状電極に共通に設けられ、
各第１の面状電極と前記第２の面状電極は、所定の間隔を開けて互いに対向して設けられている、光電変換装置。
【請求項２】
各第１の面状電極と前記第２の面状電極との間に形成される容量に前記光電変換膜で変換された電荷が蓄積され、前記蓄積された電荷は前記配線を通して前記半導体基板に与えられる、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
さらに、前記半導体基板の表面に形成され、前記配線を介して与えられる前記電荷に基づいて読出信号を出力する読出回路を備える、請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
さらに、前記光電変換膜上に設けられた第２の電極を備える、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第２の電極は透明電極である、請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第２の電極はＺｎＯを含む、請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
さらに、前記光電変換膜と前記第２の電極との間に設けられたバッファ層を備える、請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記バッファ層はＣｄＳを含む、請求項７に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第２の面状電極と前記半導体基板は互いに対向して設けられている、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記光電変換膜はＣｕ（Ｉｎｘ，Ｇａ（１−ｘ））Ｓｅ２（０≦ｘ≦１）を含む、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記複数の第１の電極の各々はＭｏを含む、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記配線の一部は対応する第１の電極と前記第１の面状電極との間に設けられ、
さらに、前記配線の一部と対応する第１の電極とを接続する第１のビアホールと、
前記配線の一部と前記第１の面状電極を接続する第２のビアホールとを備える、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
前記第１のビアホールは複数設けられ、
前記第２のビアホールは複数設けられている、請求項１２に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の光電変換装置と、
被写体からの光を集光して前記光電変換膜に与えるレンズとを備える、撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置および撮像装置に関し、特に、光電変換膜を備えた光電変換装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）イメージセンサ等に用いられる固体撮像素子においては、たとえばシリコン基板において光電変換部が設けられており、光を基板面まで透過させる必要がある。しかしながら、シリコン基板の光電変換部近辺に設けられたトランジスタに光が入射すると、不要な電流が発生し、画質が劣化する場合がある。【０００３】
光の入射による不具合を防ぐための技術として、たとえば、特開２００４−１４０３０９号公報（特許文献１）には、以下のような固体撮像素子が開示されている。すなわち、半導体基板に、少なくとも入射光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換素子と、上記光電変換素子によって生成および蓄積された信号電荷を転送する電荷転送部とが設けられる。そして、上記半導体基板上に少なくともゲート絶縁膜を介して上記電荷転送部用の転送電極と、上記光電変換素子の受光領域に対応する開口部を備えた遮光膜とが設けられる。さらに、上記ゲート絶縁膜上の光電変換素子の受光領域に対応する領域に透明絶縁膜を有する。上記遮光膜の開口部の内周形状が上記透明絶縁膜の外周形状に沿って埋め込まれ、かつ、上記開口部の下面部が上記ゲート絶縁膜に直接接触する状態で配置される。【０００４】
また従来より、イメージセンサには、複数行複数列に配置された複数の画素回路が設けられている。各画素回路は、入射光量に応じた値の電流を出力する光電変換素子と、キャパシタと、光電変換素子とキャパシタの間に接続された転送トランジスタと、キャパシタの端子間電圧に応じたレベルの画素信号を生成する増幅トランジスタとを含む。【０００５】
また、画素信号の読出方式としては、全画素回路に露光しながら、複数の画素回路で生成された複数の画素信号を１行分ずつ順次読み出すＸＹアドレス読出方式と、所定時間だけ全画素回路に一括して露光した後、複数の画素回路で生成された複数の画素信号を１行分ずつ順次読み出すグローバルシャッタ方式がある（たとえば、特開２００８−４２７１４号公報（特許文献２）参照）。【０００６】
また、ＣＭＯＳイメージセンサに用いられる固体撮像素子として、たとえば、特開２００６−２１１６３０号公報（特許文献３）には、以下のような構成が開示されている。すなわち、画素が斜め配列されるとともに、当該画素配列における奇数行の画素の各列ごとに奇数行垂直信号線群が、偶数行の画素の各列ごとに偶数行垂直信号線群がそれぞれ配線された画素アレイ部と、上記画素配列の奇数行の選択と偶数行の選択とを別々に行なう行選択手段と、上記奇数行垂直信号線群に繋がり、列間で画素の信号を加算する奇数行カラム処理回路群と、上記偶数行垂直信号線群に繋がり、列間で画素の信号を加算する偶数行カラム処理回路群と、上記奇数行カラム処理回路群の各カラム処理回路と上記偶数行カラム処理回路群の各カラム処理回路とを選択する列選択手段とを備える。【０００７】
また従来より、イメージセンサには、有効撮像部と光学的黒部が設けられている。有効撮像部には複数の画素が設けられており、各画素はフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した光電流を読み出す読出回路とを含む。また、光学的黒部には、有効撮像部と同じ構成を有し、遮光層で覆われた画素が設けられている。光学的黒部の画素の読出回路は、入射光が無い場合にフォトダイオードで発生する黒電流を読み出す。有効撮像部の画素で読み出された光電流は、光学的黒部の画素で読み出された黒電流に基づいて補正される。【０００８】
また、遮光層で覆われていない有効撮像部の画素で発生する黒電流と、遮光層で覆われた光学的黒部の画素で発生する黒電流とのレベルの差を無くすため、有効撮像部のフォトダイオードの特性と光学的黒部のフォトダイオードの特性に差を付ける方法がある（たとえば、特開平６−１５１８０６号公報（特許文献４）参照）。【０００９】
また近年、Ｃｕ（Ｉｎｘ，Ｇａ（１−ｘ））Ｓｅ２（０≦ｘ≦１）（以下、ＣＩＧＳと称す）のような化合物半導体を用いたイメージセンサの開発が進められている。従来の第１のイメージセンサでは、ＣＩＧＳ薄膜の表面に透明電極が形成され、ＣＩＧＳ薄膜の裏面に複数の画素電極が形成されている。ＣＩＧＳ薄膜に光が照射されると、光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。ＣＩＧＳ薄膜に発生した電子−正孔対のうちの正孔すなわち正電荷は、画素電極を介して読出回路に流れる。【００１０】
また、従来の第２のイメージセンサでは、ＣＩＧＳ薄膜がエッチングによって複数のＣＩＧＳ層に分離され、各ＣＩＧＳ層の表面に透明電極が形成され、各ＣＩＧＳ層の裏面に画素電極が形成されている（たとえば、特開２００７−１２３７２１号公報（特許文献５）参照）。【００１１】
また、非特許文献１、非特許文献２および非特許文献４には、種々の計測対象を画面に表示するための技術が開示されている。非特許文献３には、ＣＭＯＳイメージセンサおよびＣＩＧＳを用いたイメージセンサの分光特性表が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１４０３０９号公報
【特許文献２】特開２００８−４２７１４号公報
【特許文献３】特開２００６−２１１６３０号公報
【特許文献４】特開平６−１５１８０６号公報
【特許文献５】特開２００７−１２３７２１号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】”近赤外分光イメージングによる生体材料内の３次元氷結晶構造の可視化”、Trans.of  the  JSRAE、Vol.22,No.2(2005)、pp.185-192、平成１６年１１月３０日
【非特許文献２】”近赤外分光画像計測法による無侵襲末梢血管モニタリング装置を用いたヘモグロビン濃度の測定”、竹田真由他、京都大学医学部保険学科紀要  健康化学第２巻  ２００５年、pp.9-13
【非特許文献３】”イメージセンサ分光特性表”、ローム、２００９年
【非特許文献４】”静脈酸素化指標（ＶＯＩ）測定原理”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ＣＩＧＳを用いた固体撮像素子のように、シリコン基板の上に配線層等を介して光電変換膜を設けた積層型の固体撮像素子では、光電変換膜および配線層等において吸収されなかった光、および光電変換膜および配線層等の隙間を通る光がシリコン基板に設けられたトランジスタに入射すると、不要な電流が発生して画質が劣化する場合がある。【００１５】
また、一般に、固体撮像素子では、光電変換によって得られる電荷は微少であることから、電荷を蓄え、蓄えた電荷を電圧として取り出すための容量（capacitance）が必要となる。そして、この容量を、たとえばシリコン基板にトランジスタを設けることによって得る。このため、従来の固体撮像素子では、シリコン基板においてトランジスタを設けるスペースが必要になってしまい、小型化を図ることが困難である。【００１６】
しかしながら、特許文献１には、このような問題点を解決するための構成は開示されていない。【００１７】
また、特許文献２に開示されたＸＹアドレス読出方式では、画素回路から画素信号を読み出す時刻が行毎に異なるので、高速移動体を撮影すると画像が歪むという問題がある。【００１８】
また、グローバルシャッタ方式では、読出期間中に光電変換素子から転送トランジスタを介してキャパシタに電流が漏れ、画素信号のレベルが変化すると言う問題がある。【００１９】
それゆえに、この発明の主たる目的は、半導体基板へ入射する光を遮光することにより画質の劣化を防ぎ、かつ小型化を図ることが可能な光電変換装置および撮像装置を提供することである。【００２０】
また、この発明の他の目的は、グローバルシャッタ方式を実現することが可能な光電変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明に係る光電変換装置は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられた複数の第１の電極と、複数の第１の電極上に設けられ、受けた光を電荷に変換する光電変換膜と、各第１の電極に対応して設けられ、対応する第１の電極と半導体基板との間に接続された配線と、各第１の電極に対応して絶縁層内に設けられ、対応する第１の電極に接続された第１の面状電極と、絶縁層内において複数の第１の面状電極と半導体基板の間に設けられた第２の面状電極とを備えたものである。第２の面状電極は複数の第１の面状電極に共通に設けられ、各第１の面状電極と第２の面状電極は、所定の間隔を開けて互いに対向して設けられている。
【発明の効果】
【００２３】
この発明に係る光電変換装置では、光電変換膜の下の絶縁層内にキャパシタを構成する第１および第２の面状電極を設けたので、半導体基板へ入射する光を遮光することにより画質の劣化を防ぎ、かつ小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１による撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した光電変換装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示した画素の構成を示す図である。
【図４】図２に示した画素アレイの要部の断面構造を示す図である。
【図５】図４に示した画素アレイの断面構造および動作を模式的に示す図である。
【図６】図５に示した画素アレイを上方から見た図である。
【図７】図４に示した画素アレイの要部の断面構造を詳細に示す図である。
【図８】図７に示した画素アレイの要部の斜視図である。
【図９】図２に示した画素アレイにおける１画素分の回路の一例を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態２による光電変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０に示した画素の構成を示す回路図である。
【図１２】図１０および図１１に示した光電変換装置の動作を示すタイムチャートである。
【図１３】図１０に示した画素アレイの要部を示す図である。
【図１４】図１１に示したトランジスタのレイアウトを示す図である。
【図１５】実施の形態２の変更例を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態３による撮像装置の画素アレイの断面構造および動作を模式的に示す図である。
【図１７】図１６に示した画素アレイを上方から見た図である。
【図１８】図１７に示した画素アレイにおける画素電極およびスイッチの関係を示す図である。
【図１９】実施の形態３の変更例の構成および動作を概略的に示す図である。
【図２０】図１９に示した変更例の他の動作を示す図である。
【図２１】実施の形態３の他の変更例の構成および動作を概略的に示す図である。
【図２２】図２１に示した変更例の他の動作を示す図である。
【図２３】実施の形態３のさらに他の変更例の構成を概略的に示す図である。
【図２４】実施の形態３のさらに他の変更例の構成を概略的に示す図である。
【図２５】実施の形態３のさらに他の変更例の構成を概略的に示す図である。
【図２６】実施の形態３のさらに他の変更例の構成を概略的に示す図である。
【図２７】実施の形態３のさらに他の変更例の構成を概略的に示す図である。
【図２８】実施の形態３のさらに他の変更例の構成を概略的に示す図である。
【図２９】この発明の実施の形態４に係る撮像装置の画素アレイの要部の断面構造を示す図である。
【図３０】図２９に示した画素アレイの断面構造および動作を模式的に示す図である。
【図３１】図３０に示した画素アレイにおける１画素分のカラーフィルタの色配置を示す図である。
【図３２】ホワイト、イエローおよびシアンのカラーフィルタの透過率を示す図である。
【図３３】レッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタの透過率を示す図である。
【図３４】太陽光のスペクトル分布を示す図である。
【図３５】実施の形態４に係る撮像装置における１画素分のカラーフィルタの色配置の変更例を示す図である。
【図３６】図３５に示す変更例におけるインタレース処理およびインタリーブ処理を示す図である。
【図３７】実施の形態４に係る撮像装置における１画素分のカラーフィルタの色配置の他の変更例を示す図である。
【図３８】実施の形態４に係る撮像装置における１画素分のカラーフィルタの色配置のさらに他の変更例を示す図である。
【図３９】この発明の実施の形態５による光電変換装置の画素アレイの構成を示す平面図である。
【図４０】図３９に示した画素アレイの要部を示す断面図である。
【図４１】図４０に示した画素アレイの構成および動作を模式的に示す図である。
【図４２】図３９〜図４１に示した画素アレイを備えた光電変換装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図４３】図４２に示した画素の構成を示す回路図である。
【図４４】実施の形態５の変更例を示す断面図である。
【図４５】図４４に示した画素アレイの構成および動作を模式的に示す図である。
【図４６】この発明の実施の形態６に係る光電変換装置の画素の構成を示す図である。
【図４７】図４６に示した差動増幅器の回路構成を示す図である。
【図４８】図４７に示した画素アレイの要部の断面構造を詳細に示す図である。
【図４９】実施の形態６の変更例に係る差動増幅器の回路構成を示す図である。
【図５０】図４９に示した画素アレイの要部の断面構造を詳細に示す図である。
【図５１】この発明の実施の形態７に係る光電変換装置の画素アレイの要部の断面構造を示す図である。
【図５２】図５１に示した画素アレイの断面構造および動作を模式的に示す図である。
【図５３】図５１に示した画素アレイを上方から見た図である。
【図５４】実施の形態７に係る光電変換装置における画素電極およびスイッチの関係を示す図である。
【図５５】図５４に示した光電変換装置における入射光量と読出信号レベルとの関係を示すグラフ図である。
【図５６】図５１に示した光電変換装置における入射光量と画素信号レベルとの関係を示すグラフ図である。
【図５７】図５１に示した光電変換装置における入射光量と画素信号レベルとの他の関係を示すグラフ図である。
【図５８】図５１に示した光電変換装置を上方から見た図である。
【図５９】実施の形態７に係る光電変換装置の変更例における画素電極を上方から見た図である。
【図６０】実施の形態７に係る光電変換装置の他の変更例における画素電極を上方から見た図である。
【図６１】この発明の実施の形態８に係る光電変換装置における画素電極およびスイッチの関係を示す図である。
【図６２】１つの画素電極群におけるスイッチ設定を示す図である。
【図６３】図６１に示した光電変換装置における入射光量と画素信号レベルとの関係を示すグラフ図である。
【図６４】図６１に示した光電変換装置における入射光量と画素信号レベルとの他の関係を示すグラフ図である。
【図６５】図６１に示した光電変換装置の１つの画素電極群におけるスイッチの他の設定例を示す図である。
【図６６】図６１に示した光電変換装置の１つの画素電極群におけるスイッチの他の設定例を示す図である。
【図６７】実施の形態８に係る光電変換装置の変更例を示す図である。
【図６８】実施の形態８に係る光電変換装置の変更例の画素電極群におけるスイッチＳＷＫの他の設定例を示す図である。
【図６９】この発明の実施の形態９によるイメージセンサの画素アレイの要部を示す断面図である。
【図７０】図６９に示した画素アレイの構成および動作を模式的に示す図である。
【図７１】実施の形態９の比較例を示す図である。
【図７２】実施の形態９の変更例を示す図である。
【図７３】実施の形態９の他の変更例を示す断面図である。
【図７４】実施の形態９のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図７５】図７４に示した画素アレイの構成および動作を模式的に示す図である。
【図７６】この発明の実施の形態１０に係る撮像装置の構成を示す図である。
【図７７】図７６に示した撮像装置におけるカラーフィルタの透過率を示す図である。
【図７８】図７６に示した撮像装置が被写体の撮影を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。
【図７９】図７６に示した撮像装置が被写体の撮影を行なう際の動作手順を概念的に示す図である。
【図８０】図７６に示した撮像装置が被写体に光を照射する際の動作手順を示すタイムチャートである。
【図８１】図７６に示した撮像装置が被写体の画像を生成する際の動作手順を示すタイムチャートである。
【図８２】図７６に示した撮像装置の光特性を示す図である。
【図８３】医療用の応用波長を示す図である。
【図８４】実施の形態１０の変更例に係る撮像装置が被写体の撮影を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２７】
[実施の形態１]
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置１の構成を示す図である。
【００２８】
図１を参照して、撮像装置１は、レンズ２と、光電変換装置３と、画像信号処理部４と、画像表示装置５とを備える。
【００２９】
撮像装置１は、被写体を撮像して画面に表示する。より詳細には、レンズ２は、被写体からの光を光電変換装置３に集光する。光電変換装置３は、レンズ２から受けた光を電気信号である画素信号に変換して画像信号処理部４へ出力する。画像信号処理部４は、光電変換装置３から受けた各画素の画素信号に対して補間処理、色処理および補正処理等の種々の信号処理を行なって画像信号を生成し、画像表示装置５へ出力する。画像表示装置５は、画像信号処理部４から受けた画像信号に基づいて画像を表示する。
【００３０】
図２は、本発明の実施の形態１に係る光電変換装置の構成を示す図である。
図２を参照して、光電変換装置３は、画素アレイ１０と、複数の負荷回路１１と、複数のアンプＱと、垂直走査部１３と、制御部１４と、水平走査部１５と、セレクタ１６と、出力部１７とを備える。
【００３１】
画素アレイ１０は、複数行複数列に配列された複数の画素Ｐを含む。以下、行列状に配置された複数の画素Ｐの行および列をそれぞれ画素行および画素列とも称する。
【００３２】
画素アレイ１０は、さらに、各画素行に対応して設けられた制御信号線ＣＬと、各画素列に対応して設けられた信号線ＳＬとを含む。
【００３３】
各信号線ＳＬの一方端は、負荷回路１１を介して接地電圧ＧＮＤの供給ノードに接続されている。負荷回路１１は、所定の抵抗値を有する。各信号線ＳＬの他方端は、アンプＱの入力端子に接続されている。
【００３４】
図３は、本発明の実施の形態１に係る画素Ｐの構成を示す図である。
図３を参照して、画素Ｐは、フォトダイオードＰＤと、読出回路Ｇと、スイッチＳＷＢとを含む。フォトダイオードＰＤのカソードにはカソード電圧ＶＫが印加され、フォトダイオードＰＤのアノードにはアノード電圧ＶＡが印加される。
【００３５】
フォトダイオードＰＤにレンズ２からの光αが入射すると、その光量に応じた量の電荷が読出回路Ｇへ流れる。読出回路Ｇは、たとえば増幅器であり、フォトダイオードＰＤから流入した電荷の量に応じたレベルの電流ＩＲを信号として対応の信号線ＳＬへ出力する。
【００３６】
スイッチＳＷＢは、対応の制御信号線ＣＬを介して受けた制御信号ＣＮＴに基づいて、読出回路Ｇからの電流ＩＲを対応の信号線ＳＬへ出力するか否かを切り替える。
【００３７】
信号線ＳＬは、読出回路Ｇからの信号を伝達する。すなわち、信号線ＳＬの電圧レベルは、読出回路Ｇからの電流ＩＲと負荷回路１１の抵抗値との積となる。
【００３８】
アンプＱは、対応の信号線ＳＬの電圧を増幅する。したがって、アンプＱの出力電圧ＶＤは、フォトダイオードＰＤに入射した光αの量に応じて変化する。
【００３９】
再び図２を参照して、垂直走査部１３は、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、複数の画素行を１行ずつ順次選択し、選択した画素行の制御信号線ＣＬを介してその画素行の各スイッチＳＷＢに制御信号ＣＮＴを与える。これにより、選択された画素行の各画素Ｐから対応の信号線ＳＬへ入射光量に応じたレベルの電流が出力され、各信号線ＳＬが入射光量に応じたレベルの電圧に充電される。各信号線ＳＬの電圧は、アンプＱによって増幅されてセレクタ１６に与えられる。
【００４０】
水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、垂直走査部１３によって１つの画素行が選択されている期間に、各画素列を１列ずつ順次選択する。セレクタ１６は、水平走査部１５によって選択されている画素列に対応するアンプＱの出力電圧ＶＤを選択して出力部１７に伝達する。
【００４１】
出力部１７は、セレクタ１６を介して与えられたアンプＱの出力電圧ＶＤに基づいて画素信号すなわち画素Ｐの受光量を示す信号を生成し、画像信号処理部４および制御部１４へ出力する。
【００４２】
図４は、本発明の実施の形態１に係る画素アレイ１０の要部の断面構造を示す図である。図４を参照して、画素アレイ１０は、半導体基板２１と、読出回路層２２と、複数の画素電極ＥＬと、ＣＩＧＳ薄膜２３と、ＣｄＳ（硫化カドミウム）層２４と、透明電極２５とを含む。
【００４３】
半導体基板２１の表面には、読出回路層２２が形成されている。読出回路層２２は絶縁層であり、ＭＯＳ（Metal  Oxide  Semiconductor）トランジスタ、キャパシタ、配線およびビアホール等を含む。
【００４４】
読出回路層２２の表面には、矩形状の複数の画素電極ＥＬが所定の間隔で配置されている。複数の画素電極ＥＬは、複数行複数列に配列されている。各画素電極ＥＬは、たとえばＭｏ（モリブデン）で形成されている。
【００４５】
複数の画素電極ＥＬを覆うようにしてＣＩＧＳ薄膜２３が形成され、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面にはＣｄＳ層２４および透明電極２５がこの順番で積層されている。ＣＩＧＳ薄膜２３はｐ型の化合物半導体薄膜であり、その厚さはたとえば１．７μｍである。ＣｄＳ層２４はバッファ層であり、その厚さはたとえば５０ｎｍである。透明電極２５は低抵抗のｎ型ＺｎＯ膜であり、その厚さはたとえば１μｍである。したがって、ＣＩＧＳ薄膜２３および透明電極２５によってＰＮ接合が形成される。
【００４６】
換言すると、光電変換膜であるＣＩＧＳ薄膜２３の第１主表面にバッファ層であるＣｄＳ層２４を介して透明電極２５が形成され、ＣＩＧＳ薄膜２３の第２主表面において複数の画素電極ＥＬが形成されている。各画素電極ＥＬは、画素Ｐに対応している。
【００４７】
図５は、本発明の実施の形態１に係る画素アレイの断面構造および動作を模式的に示す図である。図６は、本発明の実施の形態１に係る画素アレイを上方から見た図である。
【００４８】
図５および図６を参照して、画素アレイ１０は、さらに、複数のスイッチＳＷＢを含む。
【００４９】
読出回路Ｇは、画素電極ＥＬに対応して設けられ、図４に示した読出回路層２２において対応の画素電極ＥＬの下に形成されている。すなわち、読出回路Ｇは、対応の画素電極ＥＬに対してＣＩＧＳ薄膜２３の反対側に設けられている。これにより、光電変換装置３の微細化を図ることができる。
【００５０】
読出回路Ｇは、動作時、対応の画素電極ＥＬにたとえば１Ｖのアノード電圧ＶＡを印加する。また、透明電極２５にはアノード電圧ＶＡよりも高いたとえば３Ｖのカソード電圧ＶＫが印加される。これにより、各画素電極ＥＬと透明電極２５との間に空乏層が形成され、各画素電極ＥＬと透明電極２５との間の領域がフォトダイオードＰＤとして動作する。画素電極ＥＬはフォトダイオードＰＤのアノードとなり、透明電極２５はフォトダイオードＰＤのカソードとなる。
【００５１】
外部から透明電極２５を介してＣＩＧＳ薄膜２３に光αが入射すると、ＣＩＧＳ薄膜２３内で光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。ＣＩＧＳ薄膜２３では正孔が多数キャリアであるため、正孔すなわち正電荷がその近傍の画素電極ＥＬに流入する。読出回路Ｇは、対応の画素電極ＥＬに流入した電荷の量に応じたレベルの電流ＩＲを出力する。
【００５２】
スイッチＳＷＢは、読出回路層２２において読出回路Ｇに対応して設けられ、対応の読出回路Ｇの出力端子に接続された第１端子と、対応の信号線ＳＬに接続された第２端子とを有する。
【００５３】
図７は、本発明の実施の形態１に係る画素アレイ１０の要部の断面構造を詳細に示す図である。図８は、本発明の実施の形態１に係る画素アレイ１０の要部の斜視図である。
【００５４】
図７および図８を参照して、画素アレイ１０は、さらに、配線ＬＮと、面状電極ＣＴＭと、面状電極ＣＢＭと、ビアホールＴと、ＭＯＳトランジスタＴＲ１とを含む。
【００５５】
配線ＬＮ、面状電極ＣＴＭおよび面状電極ＣＢＭは、たとえばアルミニウムで形成されている。半導体基板２１は、主表面ＭＳを有する。読出回路層２２は、主表面ＭＳの上に設けられている。ＣＩＧＳ薄膜２３は、読出回路層２２を介して主表面ＭＳの上に設けられ、受けた光を電荷に変換する。画素電極ＥＬは、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面に設けられ、ＣＩＧＳ薄膜２３によって変換された電荷を受ける。配線ＬＮは、読出回路層２２において設けられ、画素電極ＥＬと半導体基板２１とを電気的に接続する。
【００５６】
面状電極ＣＴＭは、読出回路層２２において設けられ、画素電極ＥＬと電気的に接続されている。配線ＬＮおよび面状電極ＣＴＭは画素電極ＥＬに対応してそれぞれ複数設けられている。面状電極ＣＢＭは、読出回路層２２において面状電極ＣＴＭと間隔を隔てて対向して設けられている。面状電極ＣＴＭおよび面状電極ＣＢＭ間に容量ＣＰが形成される。容量ＣＰは、面状電極ＣＴＭおよび面状電極ＣＢＭの対向する領域の面積に比例する。
【００５７】
面状電極ＣＢＭは、半導体基板２１の主表面ＭＳと対向して設けられている。たとえば、面状電極ＣＢＭおよび主表面ＭＳは、互いに略平行に設けられている。また、たとえば、面状電極ＣＴＭおよび面状電極ＣＢＭは、互いに略平行に設けられている。
【００５８】
配線ＬＮは、対応の画素電極ＥＬの下に設けられ、ビアホールＴを介して画素電極ＥＬと電気的に接続されている。
【００５９】
面状電極ＣＴＭは、配線ＬＮの下に設けられ、ビアホールＴおよび配線ＬＮを介して画素電極ＥＬと電気的に接続されている。
【００６０】
ここで、ビアホールＴは、画素電極ＥＬおよび配線ＬＮ間ならびに配線ＬＮおよび面状電極ＣＴＭ間の各々において並列に複数設けられている。このような構成により、ビアホールＴによる配線抵抗を低くすることができる。
【００６１】
ＭＯＳトランジスタＴＲ１は、半導体基板２１および読出回路層２２における、面状電極ＣＢＭの下の領域に設けられている。
【００６２】
面状電極ＣＴＭは、画素ごとに分離されている。一方、面状電極ＣＢＭは複数の画素に跨って延在している。すなわち、面状電極ＣＢＭは、各面状電極ＣＴＭと間隔を隔てて対向するように一体化して設けられている。このため、面状電極ＣＴＭの面積で、電荷蓄積のための容量ＣＰが規定される。
【００６３】
ＣＩＧＳ薄膜２３において光電変換された電荷は容量ＣＰに蓄積され、蓄積された電荷は配線ＬＮを通して半導体基板２１におけるＭＯＳトランジスタＴＲ１に与えられる。
【００６４】
図９は、本発明の実施の形態１に係る画素アレイ１０における１画素分の回路の一例を示す図である。
【００６５】
図９を参照して、画素Ｐは、フォトダイオードＰＤと、配線ＬＮと、面状電極ＣＴＭと、面状電極ＣＢＭと、読出回路Ｇと、ＭＯＳトランジスタＴＲ５とを含む。読出回路Ｇは、ＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４を含む。
【００６６】
ＭＯＳトランジスタＴＲ１は、ゲートと、配線ＬＮに接続されたドレインと、ＭＯＳトランジスタＴＲ２のソースおよびＭＯＳトランジスタＴＲ４のゲートに接続されたソースとを有する。ＭＯＳトランジスタＴＲ２は、ゲートと、所定電圧たとえば接地電圧の供給されるノードに接続されたドレインと、ＭＯＳトランジスタＴＲ１のソースに接続されたソースとを有する。ＭＯＳトランジスタＴＲ４は、ＭＯＳトランジスタＴＲ１のソースに接続されたゲートと、電源電圧の供給されるノードに接続されたドレインと、ＭＯＳトランジスタＴＲ３のドレインに接続されたソースとを有する。ＭＯＳトランジスタＴＲ３は、バイアス電圧Ｖｂｓが供給されるゲートと、ＭＯＳトランジスタＴＲ４のソースに接続されたドレインと、接地電圧の供給されるノードに接続されたソースとを有する。ＭＯＳトランジスタＴＲ５は、ＭＯＳトランジスタＴＲ３のドレインに接続されたドレインと、ゲートと、信号線ＳＬに接続されたソースとを有する。
【００６７】
ＭＯＳトランジスタＴＲ３およびＴＲ４はソースフォロワ回路を構成している。ＭＯＳトランジスタＴＲ３のゲートにはバイアス電圧Ｖｂｓが与えられ、これによりＭＯＳトランジスタＴＲ３は抵抗素子として動作する。ここで、ＭＯＳトランジスタＴＲ３は前述の負荷回路１１に相当しており、図９に示す読出回路Ｇでは、フォトダイオードＰＤから流入した電荷の量に応じたレベルの電圧を信号として対応の信号線ＳＬへ出力している。また、ＭＯＳトランジスタＴＲ５は前述のスイッチＳＷＢに相当しており、読出回路Ｇからの信号を信号線ＳＬへ出力するか否かを切り替える。
【００６８】
制御部１４は、たとえば垂直走査部１３を制御することにより、ＭＯＳトランジスタＴＲ１，ＴＲ４，ＴＲ５のゲートに制御信号を与え、画素Ｐから電荷を読み出す。
【００６９】
より詳細には、制御部１４は、まず、リセット電位の読出を行なう。すなわち、ＭＯＳトランジスタＴＲ５をオンする。そして、ＭＯＳトランジスタＴＲ２をオンすることにより、ＭＯＳトランジスタＴＲ４のゲート容量およびこのゲートに接続される配線容量に蓄えられた電荷がはきだされる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴＲ１をオフしておくことにより、容量ＣＰに蓄えられた電荷がＭＯＳトランジスタＴＲ４側へ流れないようにせき止めておく。
【００７０】
次に、ＭＯＳトランジスタＴＲ２をオフし、ＭＯＳトランジスタＴＲ１をオンする。これにより、容量ＣＰに蓄えられた電荷がＭＯＳトランジスタＴＲ４のゲートに流れ、容量ＣＰに蓄えられた電荷に対応する電圧が信号線ＳＬへ出力される。
【００７１】
次に、ＭＯＳトランジスタＴＲ５をオフする。また、ＭＯＳトランジスタＴＲ２をオンすることにより、ＭＯＳトランジスタＴＲ４のゲート容量およびこのゲートに接続される配線容量に蓄えられた電荷がはきだされる。そして、ＭＯＳトランジスタＴＲ１をオフし、容量ＣＰに再び電荷を蓄え、かつ容量ＣＰに蓄えられた電荷がＭＯＳトランジスタＴＲ４側へ流れないようにせき止めておく。
【００７２】
ところで、一般に、固体撮像素子では、光電変換によって得られた電荷を蓄えるためのトランジスタを設けるためのスペースがシリコン基板において必要となり、小型化を図ることが困難である。そして、このトランジスタに光が入射すると、不要な電流が発生し、画質が劣化する場合がある。また、ＣＭＯＳイメージセンサ等に用いられる固体撮像素子においては、光をシリコン基板に入射させる必要があるため、シリコン基板の上の配線層等において容量を設けることは好ましくない。
【００７３】
これに対して、ＣＩＧＳ薄膜等を用いた積層型の構成では、光をシリコン基板に入射させなくてもよいので、シリコン基板ではなく、絶縁層すなわち配線層において容量を設けることができ、この容量を配線と同じ材料で形成することができる。
【００７４】
そこで、本発明の実施の形態１に係る光電変換装置は、読出回路層２２において設けられ、画素電極ＥＬと半導体基板２１とを電気的に接続する配線ＬＮと、読出回路層２２において設けられ、画素電極ＥＬと電気的に接続された面状電極ＣＴＭと、読出回路層２２において面状電極ＣＴＭと間隔を隔てて対向して設けられた面状電極ＣＢＭとを備える。
【００７５】
すなわち、絶縁層において１組の面状電極を設け、面状電極間の容量ＣＰを電荷蓄積のための容量として用いることにより、半導体基板において容量を形成する必要がなくなる。そして、これによって得られる半導体基板の空きスペースに他の回路を設けることができるため、小型化を図ることができる。また、絶縁層において面状電極ＣＴＭおよびＣＢＭを設けることにより、半導体基板へ入射される光を遮断することが可能となる。
【００７６】
なお、本発明の実施の形態１に係る画素アレイ１０における配線ＬＮ、面状電極ＣＴＭおよび面状電極ＣＢＭの配置は、図７および図８に示すようなものに限定するものではない。面状電極ＣＴＭおよび面状電極ＣＢＭが互いに対向していれば、容量を形成し、かつ半導体基板２１へ入射される光を遮断することが可能となる。また、面状電極ＣＴＭおよび面状電極ＣＢＭのいずれかを半導体基板２１と対向して設けることにより、半導体基板２１へ入射される光をさらに遮断することができる。
【００７７】
また、本発明の実施の形態１に係る光電変換装置では、面状電極ＣＢＭは複数の画素に跨って延在している構成であるとしたが、これに限定するものではない。面状電極ＣＢＭが画素ごとに分離されている構成であってもよい。
【００７８】
また、本発明の実施の形態１に係る画素アレイ１０は、ＣＩＧＳ薄膜を含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。光電変換薄膜または光電変換厚膜であればよく、たとえばＣＩＧＳ薄膜以外の化合物半導体薄膜、および有機半導体薄膜等を含む構成であってもよい。また、本発明は、光電変換装置に限らず、フォトセンサおよびラインセンサ等にも適用可能である。
【００７９】
[実施の形態２]
この発明の実施の形態２による光電変換装置は、図１０に示すように、画素アレイ２６を備える。画素アレイ２６は、ｍ行ｎ列（ただし、ｍ，ｎの各々は２以上の整数である）に配列されたｍ×ｎ個の画素Ｐ１１〜Ｐｍｎと、それぞれｍ行に対応して設けられた制御信号線群ＣＬ１〜ＣＬｍと、それぞれｎ列に対応して設けられた信号線ＳＬ１〜ＳＬｎとを含む。画素Ｐは、対応の制御信号線群ＣＬを介して与えられる複数の信号によって制御され、入射光量に応じたレベルの画素電流と、入射光量がゼロの場合の画素電流に相当する基準電流とを対応の信号線ＳＬに順次出力する。
【００８０】
各信号線ＳＬの一方端は、負荷回路１１を介して接地電圧ＧＮＤのラインに接続される。負荷回路１１は、所定の抵抗値を有する。各信号線ＳＬの他方端は、アンプＱの入力ノードに接続される。アンプＱは、対応の信号線ＳＬの電圧を増幅する。信号線ＳＬは、対応の列の選択された行の画素Ｐの出力電流と負荷回路１１の抵抗値との積の電圧になる。信号線ＳＬの電圧は、アンプＱによって増幅される。
【００８１】
また、光電変換装置は、垂直走査部２７、制御部１４、水平走査部１５、セレクタ１６、および出力部１７を備える。垂直走査部２７は、制御部１４から与えられる垂直走査信号に従って動作し、画素アレイ２６のｍ行を１行ずつ順次選択し、選択した行の制御信号線群ＣＬを介してその行の各画素Ｐに複数の信号を与える。これにより、選択された行の各画素Ｐから対応の信号線ＳＬに電流が出力され、各信号線ＳＬが画素Ｐの出力電流と負荷回路１１の抵抗値との積の電圧に充電される。各信号線ＳＬの電圧は、アンプＱで増幅されてセレクタ１６に与えられる。
【００８２】
水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に従って動作し、垂直走査部２７によって１つの行が選択されている期間内に、ｎ列を１列ずつ順次選択する。セレクタ１６は、水平走査部１５によって選択されている列に対応するアンプＱの出力電圧を出力部１７に伝達させる。出力部１７は、セレクタ１６を介して与えられるアンプＱの出力電圧に基づいて、画像信号を生成する。画像信号は、画像表示装置に与えられる。画像表示装置の画面には、光電変換装置の被写体の画像が表示される。
【００８３】
次に、画素Ｐの構成および動作についてより詳細に説明する。第１行で第１列の画素Ｐ１１は、図１１に示すように、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３０〜３８、フォトダイオード３９、およびキャパシタ４０，４１を含む。フォトダイオード３９のカソードは第１電源電圧ＶＤＤを受け、そのアノードはノードＮ１に接続される、フォトダイオード３９は、入射光量に応じた値の電流をノードＮ１に流す。
【００８４】
トランジスタ３０のドレインは第２電源電圧ＶＤＲを受け、そのゲートはリセット信号ＲＣ１を受け、そのソースはノードＮ１に接続される。第２電源電圧ＶＤＲは、第１電源電圧ＶＤＤよりも低く、接地電圧ＧＮＤよりも高い所定の電圧である。
【００８５】
キャパシタ４０は、ノードＮ２と接地電圧ＧＮＤのラインとの間に接続される。キャパシタ４１は、ノードＮ３と接地電圧ＧＮＤのラインとの間に接続される。トランジスタ３１は、ノードＮ１，Ｎ２間に接続され、そのゲートは転送信号ＴＡ１を受ける。トランジスタ３２は、ノードＮ１，Ｎ３間に接続され、そのゲートは転送信号ＴＢ１を受ける。
【００８６】
転送信号ＴＡ１，ＴＢ１は、所定の周期で交互に「Ｈ」レベルにされる。転送信号ＴＡ１が「Ｈ」の期間において、リセット信号ＲＣ１が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ３０，３１が導通してノードＮ１，Ｎ２が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。転送信号ＴＡ１が「Ｈ」レベルの期間において、リセット信号ＲＣ１が「Ｌ」レベルにされると、トランジスタ３０が非導通になるとともにトランジスタ３１が導通し、フォトダイオード３９の出力電流によってキャパシタ４０が充電される。
【００８７】
転送信号ＴＢ１が「Ｈ」レベルの期間において、リセット信号ＲＣ１が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ３０，３２が導通してノードＮ１，Ｎ３が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。転送信号ＴＢ１が「Ｈ」レベルの期間において、リセット信号ＲＣ１が「Ｌ」レベルにされると、トランジスタ３０が非導通になるとともにトランジスタ３２が導通し、フォトダイオード３９の出力電流によってキャパシタ４１が充電される。
【００８８】
トランジスタ３３のドレインは第２電源電圧ＶＤＲを受け、そのゲートはリセット信号ＲＡ１を受け、そのソースはノードＮ２に接続される。トランジスタ３４のドレインは第２電源電圧ＶＤＲを受け、そのゲートはリセット信号ＲＢ１を受け、そのソースはノードＮ３に接続される。
【００８９】
転送信号ＴＡ１が「Ｌ」レベルの期間において、リセット信号ＲＡ１が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ３３が導通し、ノードＮ２が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。転送信号ＴＢ１が「Ｌ」レベルの期間において、リセット信号ＲＢ１が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ３４が導通し、ノードＮ３が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。
【００９０】
トランジスタ３５のドレインは第２電源電圧ＶＤＲを受け、そのゲートはノードＮ２に接続される。トランジスタ３７のドレインはトランジスタ３５のソースに接続され、そのゲートは選択信号ＳＡ１を受け、そのソースは対応の信号線ＳＬ１に接続される。なお、トランジスタ３５のドレインに第２電源電圧ＶＤＲの代わりに第１電源電圧ＶＤＤを与えてもよい。
【００９１】
転送信号ＴＡ１が「Ｌ」レベルの期間において、リセット信号ＲＡ１が「Ｈ」レベルにされる前の期間に選択信号ＳＡ１が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ３７が導通し、ノードＮ２の電圧に応じたレベルの画素電流が第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３５，３７を介して対応の信号線ＳＬ１に流れる。
【００９２】
転送信号ＴＡ１が「Ｌ」レベルの期間において、リセット信号ＲＡ１が「Ｈ」レベルにされた後の期間に選択信号ＳＡ１が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ３７が導通し、第２電源電圧ＶＤＲに応じたレベルの基準電流が第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３５，３７を介して対応の信号線ＳＬ１に流れる。
【００９３】
トランジスタ３６のドレインは第２電源電圧ＶＤＲを受け、そのゲートはノードＮ３に接続される。トランジスタ３８のドレインはトランジスタ３６のソースに接続され、そのゲートは選択信号ＳＢ１を受け、そのソースは対応の信号線ＳＬ１に接続される。なお、トランジスタ３５のドレインに第２電源電圧ＶＤＲの代わりに第１電源電圧ＶＤＤを与えてもよい。
【００９４】
転送信号ＴＢ１が「Ｌ」レベルの期間において、リセット信号ＲＢ１が「Ｈ」レベルにされる前の期間に選択信号ＳＢ１が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ３８が導通し、ノードＮ３の電圧に応じたレベルの画素電流が第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３６，３８を介して対応の信号線ＳＬ１に流れる。
【００９５】
転送信号ＴＢ１が「Ｌ」レベルの期間において、リセット信号ＲＢ１が「Ｈ」レベルにされた後の期間に選択信号ＳＢ１が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ３８が導通し、第２電源電圧ＶＤＲに応じたレベルの基準電流が第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３６，３８を介して対応の信号線ＳＬ１に流れる。
【００９６】
信号ＲＡ１，ＲＢ１，ＲＣ１，ＴＡ１，ＴＢ１，ＳＡ１，ＳＢ１は、対応の制御信号線群ＣＬ１を介して画素Ｐ１１に供給される。
【００９７】
第１行目の他の画素Ｐ１２〜Ｐ１ｎの各々は、画素Ｐ１１と同じ構成である。ただし、画素Ｐ１２〜Ｐ１ｎのトランジスタ３７，３８のソースは、それぞれ信号線ＳＬ２〜ＳＬｎに接続される。
【００９８】
第２行目の画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎは、それぞれ画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎと同じ構成である。ただし、画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎの各々には、制御信号線群ＣＬ２から信号ＲＡ２，ＲＢ２，ＲＣ２，ＴＡ２，ＴＢ２，ＳＡ２，ＳＢ２が供給される。
【００９９】
第ｍ行目の画素Ｐｍ１〜Ｐｍｎは、それぞれ画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎと同じ構成である。ただし、画素Ｐｍ１〜Ｐｍｎの各々には、制御信号線群ＣＬｍから信号ＲＡｍ，ＲＢｍ，ＲＣｍ，ＴＡｍ，ＴＢｍ，ＳＡｍ，ＳＢｍが供給される。
【０１００】
図１２は、この光電変換装置のグローバルシャッタ動作を示すタイムチャートである。ただし、図１２では、第１行目と第２行目の画素Ｐの動作のみが示されている。図１２において、転送信号ＴＡ１〜ＴＡｍと転送信号ＴＢ１〜ＴＢｍとは、一定の周期で交互に「Ｈ」レベルにされる。ある時刻ｔ１において、転送信号ＴＡ１〜ＴＡｍが「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられるとともに転送信号ＴＢ１〜ＴＢｍが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。これにより、全画素Ｐ１１〜Ｐｍｎの各々のトランジスタ３１が非導通になるとともにトランジスタ３２が導通する。
【０１０１】
次いで時刻ｔ２において、リセット信号ＲＣ１〜ＲＣｍが所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられる。これにより、全画素Ｐ１１〜Ｐｍｎのトランジスタ３０が所定時間だけ導通し、ノードＮ１，Ｎ３が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。リセット信号ＲＣ１〜ＲＣｍが「Ｌ」レベルに立ち下げられると、全画素Ｐ１１〜Ｐｍｎにおいてフォトダイオード３９の出力電流がトランジスタ３２を介してノードＮ３に流入し、キャパシタ４１の充電が開始される。キャパシタ４１の充電は、転送信号ＴＢ１〜ＴＢｍが「Ｈ」レベルの期間中、継続される。
【０１０２】
次に、時刻ｔ３において、垂直走査部２７によって第１行の画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎが選択され、選択信号ＳＡ１が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎのトランジスタ３７が導通する。このとき、ノードＮ２は転送信号ＴＡ１〜ＴＡｍが「Ｈ」レベルの期間（ｔ０〜ｔ１）に充電されており、ノードＮ２の電圧は各画素Ｐのフォトダイオード３９への入射光量に応じたレベルになっている。したがって、ノードＮ２の電圧に応じた値の画素電流が、第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３５，３７を介して信号線ＳＬに流れ、信号線ＳＬの電圧がその画素電流に応じたレベルに上昇する。信号線ＳＬ１〜ＳＬｎの電圧は、図１０のアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。
【０１０３】
次いで、時刻ｔ４において、リセット信号ＲＡ１が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎのトランジスタ３３が導通する。これにより、画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎのノードＮ２が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。次に、時刻ｔ５において、選択信号ＳＡ１が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎのトランジスタ３７が導通する。これにより、ノードＮ２の電圧（この場合はＶＲ）に応じた値の基準電流が、第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３５，３７を介して信号線ＳＬに流れ、信号線ＳＬの電圧がその基準電流に応じたレベルに上昇する。信号線ＳＬ１〜ＳＬｎの電圧は、図１０のアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。
【０１０４】
次に、時刻ｔ６において、垂直走査部２７によって第２行の画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎが選択され、選択信号ＳＡ２が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎのトランジスタ３７が導通する。このとき、ノードＮ２は転送信号ＴＡ１〜ＴＡｍが「Ｈ」レベルの期間（ｔ０〜ｔ１）に充電されており、ノードＮ２の電圧は各画素Ｐのフォトダイオード３９への入射光量に応じたレベルになっている。したがって、ノードＮ２の電圧に応じた値の画素電流が、第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３５，３７を介して信号線ＳＬに流れ、信号線ＳＬの電圧がその画素電流に応じたレベルに上昇する。信号線ＳＬ１〜ＳＬｎの電圧は、図１０のアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。
【０１０５】
次いで、時刻ｔ７において、リセット信号ＲＡ２が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎのトランジスタ３３が導通する。これにより、画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎのノードＮ２が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。次に、時刻ｔ８において、選択信号ＳＡ２が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎのトランジスタ３７が導通する。これにより、ノードＮ２の電圧（この場合はＶＲ）に応じた値の基準電流が、第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３５，３７を介して信号線ＳＬに流れ、信号線ＳＬの電圧がその基準電流に応じたレベルに上昇する。信号線ＳＬ１〜ＳＬｎの電圧は、図１０のアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。
【０１０６】
以下、同様にして、第３〜第ｍ行の画素Ｐ３１〜Ｐ３ｎ，…，Ｐｍ１〜Ｐｍｎの各々から、ノードＮ２の電圧に応じたレベルの画素電流と第２電源電圧ＶＤＲに応じたレベルの基準電流とが信号線ＳＬに出力され、信号線ＳＬの電圧がアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。
【０１０７】
次に、時刻ｔ９において、転送信号ＴＡ１〜ＴＡｍが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられるとともに転送信号ＴＢ１〜ＴＢｂが「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる。これにより、全画素Ｐ１１〜Ｐｍｎの各々のトランジスタ３２が非導通になるとともにトランジスタ３１が導通する。
【０１０８】
次いで時刻ｔ１０において、リセット信号ＲＣ１〜ＲＣｍが所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられる。これにより、全画素Ｐ１１〜Ｐｍｎのトランジスタ３０が所定時間だけ導通し、ノードＮ１，Ｎ２が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。リセット信号ＲＣ１〜ＲＣｍが「Ｌ」レベルに立ち下げられると、全画素Ｐ１１〜Ｐｍｎにおいてフォトダイオード３９の出力電流がトランジスタ３１を介してノードＮ２に流入し、キャパシタ４０の充電が開始される。キャパシタ４０の充電は、転送信号ＴＡ１〜ＴＡｍが「Ｈ」レベルの期間中、継続される。
【０１０９】
次に、時刻ｔ１１において、垂直走査部２７によって第１行の画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎが選択され、選択信号ＳＢ１が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎのトランジスタ３８が導通する。このとき、ノードＮ３は転送信号ＴＢ１〜ＴＢｍが「Ｈ」レベルの期間（ｔ１〜ｔ９）に充電されており、ノードＮ３の電圧は各画素部Ｐのフォトダイオード３９への入射光量に応じたレベルになっている。したがって、ノードＮ３の電圧に応じた値の画素電流が、第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３６，３８を介して信号線ＳＬに流れ、信号線ＳＬの電圧がその画素電流に応じたレベルに上昇する。信号線ＳＬ１〜ＳＬｎの電圧は、図１０のアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。
【０１１０】
次いで、時刻ｔ１２において、リセット信号ＲＢ１が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎのトランジスタ３４が導通する。これにより、画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎのノードＮ３が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。次に、時刻ｔ１３において、選択信号ＳＢ１が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ１１〜Ｐ１ｎのトランジスタ３８が導通する。これにより、ノードＮ３の電圧（この場合はＶＲ）に応じた値の基準電流が、第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３６，３８を介して信号線ＳＬに流れ、信号線ＳＬの電圧がその基準電流に応じたレベルに上昇する。信号線ＳＬ１〜ＳＬｎの電圧は、図１０のアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。
【０１１１】
次に、時刻ｔ１４において、垂直走査部２７によって第２行の画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎが選択され、選択信号ＳＢ２が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎのトランジスタ３８が導通する。このとき、ノードＮ３は転送信号ＴＢ１〜ＴＢｍが「Ｈ」レベルの期間（ｔ１〜ｔ９）に充電されており、ノードＮ３の電圧は各画素Ｐのフォトダイオード３９への入射光量に応じたレベルになっている。したがって、ノードＮ３の電圧に応じた値の画素電流が、第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３６，３８を介して信号線ＳＬに流れ、信号線ＳＬの電圧がその画素電流に応じたレベルに上昇する。信号線ＳＬ１〜ＳＬｎの電圧は、図１０のアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。
【０１１２】
次いで、時刻ｔ１５において、リセット信号ＲＢ２が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎのトランジスタ３４が導通する。これにより、画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎのノードＮ３が第２電源電圧ＶＤＲにリセットされる。次に、時刻ｔ１６において、選択信号ＳＢ２が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、画素Ｐ２１〜Ｐ２ｎのトランジスタ３８が導通する。これにより、ノードＮ３の電圧（この場合はＶＲ）に応じた値の基準電流が、第２電源電圧ＶＤＲのラインからトランジスタ３６，３８を介して信号線ＳＬに流れ、信号線ＳＬの電圧がその基準電流に応じたレベルに上昇する。信号線ＳＬ１〜ＳＬｎの電圧は、図１０のアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。
【０１１３】
以下、同様にして、第３〜第ｍ行の画素Ｐ３１〜Ｐ３ｎ，…，Ｐｍ１〜ｍｎの各々から、ノードＮ２の電圧に応じたレベルの画素電流と第２電源電圧ＶＤＲに応じたレベルの基準電流とが信号線ＳＬに出力され、信号線ＳＬの電圧がアンプＱおよびセレクタ１６を介して出力部１７に与えられる。出力部１７は、セレクタ１６を介して与えられた電圧信号に基づいて画像信号を生成する。
【０１１４】
以上のように、この光電変換装置では、転送信号ＴＡ１が「Ｈ」レベルの期間は、リセットされたノードＮ２にフォトダイオード３９の出力電流を流しながらノードＮ３の電圧に応じたレベルの電流を信号線ＳＬに流し、転送信号ＴＢ１が「Ｈ」レベルの期間は、リセットされたノードＮ３にフォトダイオード３９の出力電流を流しながらノードＮ２の電圧に応じたレベルの電流を信号線ＳＬに流す。したがって、転送信号ＴＡ１（またはＴＢ１）が「Ｈ」レベルの期間中にフォトダイオード３９の出力電流がノードＮ３（またはＮ２）に流れるのを防止できる。
【０１１５】
図１３（ａ）は画素アレイ２６の要部を示す断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線断面図である。図１３（ａ）（ｂ）において、画素アレイ２６はｐ型シリコン基板５０を含む。ｐ型シリコン基板５０の表面には、読出回路層５１が形成されている。読出回路層５１は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３０〜３８、キャパシタ４０，４１、配線、絶縁層、コンタクトホールなどで構成されている。
【０１１６】
読出回路層５１の表面には、複数の画素電極５２が所定の間隔で複数行複数列に配列されている。各画素電極５２は、画素Ｐに対応して設けられ、四角形状にＭｏで形成されている。複数の画素電極５２を覆うようにしてＣＩＧＳ薄膜５３が形成され、ＣＩＧＳ薄膜５３の表面にはＣｄＳ層５４および透明電極５５が積層されている。ＣＩＧＳとは、Ｃｕ（Ｉｎｘ，Ｇａ（１−ｘ））Ｓｅ２（０≦ｘ≦１）の略称である。
【０１１７】
ＣＩＧＳ薄膜５３は、ｐ型の化合物半導体薄膜であり、その厚さはたとえば１．７μｍである。ＣｄＳ層５４は、ｎ型の化合物半導体薄膜で形成されたバッファ層であり、その厚さはたとえば５０ｎｍである。透明電極５５は、たとえばＺｎＯ膜であり、その厚さはたとえば１μｍである。したがって、ＣＩＧＳ薄膜５３と透明電極５５によってＰＮ接合が形成される。
【０１１８】
換言すると、光電変換膜であるＣＩＧＳ薄膜５３が複数の画素領域に分割され、ＣＩＧＳ薄膜５３の表面にバッファ層であるＣｄＳ層５４を介して透明電極５５が形成され、ＣＩＧＳ薄膜５３の裏面において各画素領域に画素電極５２が形成されている。各画素電極５２はフォトダイオード３９のアノードとなり、透明電極５５はフォトダイオード３９のカソードとなる。透明電極５５には第１電源電圧ＶＤＤが印加され、各画素電極５２には第１電源電圧ＶＤＤよりも低い第２電源電圧ＶＤＲが印加される。
【０１１９】
外部から透明電極５５を介してＣＩＧＳ薄膜５３に光が入射すると、ＣＩＧＳ薄膜５３内で光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。ＣＩＧＳ薄膜５３では正孔が多数キャリアであり、正孔すなわち正電荷がその近傍の画素電極５２に流入する。
【０１２０】
図１４は、読出回路層５１のうちの１つの画素Ｐに属するトランジスタ３０〜３８のレイアウトを示す図である。図１４において、ｐ型シリコン基板５０の表面にトランジスタ３０〜３８のゲート３０ｇ〜３８ｇが形成される。ゲート３１ｇ〜３８ｇの各々は図１４中のＸ方向に延在し、ゲート３０ｇは図１４中のＹ方向に延在している。ゲート３７ｇ，３５ｇ，３３ｇ，３１ｇ，３２ｇ，３４ｇ，３６ｇ，３８ｇは、この順でＹ方向に所定の間隔で配列されている。ゲート３０ｇは、ゲート３１ｇ，３２ｇの間の中心からＸ方向に所定の距離だけ離れた位置に配置されている。
【０１２１】
全ゲート３０ｇ〜３８ｇの中央部を結ぶようにして、ｐ型シリコン基板５０の表面にＴ字型のｎ型不純物拡散領域５０ａが形成される。ゲート３０ｇ〜３８ｇの一方側のｎ型不純物拡散領域５０ａはそれぞれトランジスタ３０〜３８のドレインとなる。ゲート３０ｇ〜３８ｇの他方側のｎ型不純物拡散領域５０ａはそれぞれトランジスタ３０〜３８のソースとなる。
【０１２２】
トランジスタ３０のドレイン（ゲート３０ｇの図１４中の右側のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ１を介して第２電源電圧ＶＤＲのラインに接続される。トランジスタ３０のソースおよびトランジスタ３１，３２のドレイン（ゲート３０ｇ〜３２ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ２を介してノードＮ１およびフォトダイオード３９のアノードに接続される。
【０１２３】
トランジスタ３１，３３のソース（ゲート３１ｇ，３３ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ３を介してノードＮ２およびキャパシタ４０に接続される。トランジスタ３２，３４のソース（ゲート３２ｇ，３４ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ４を介してノードＮ３およびキャパシタ４１に接続される。
【０１２４】
トランジスタ３３，３５のドレイン（ゲート３３ｇ，３５ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ５を介して第２電源電圧ＶＤＲのラインに接続される。トランジスタ３４，３６のドレイン（ゲート３４ｇ，３６ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ６を介して第２電源電圧ＶＤＲのラインに接続される。
【０１２５】
トランジスタ３７のソース（ゲート３７ｇの図１４中の上側のｎ型不純物拡散領域３０ａ）は、コンタクトホールＣＨ７を介して信号線ＳＬに接続される。トランジスタ３８のソース（ゲート３８ｇの図１４中の下側のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ８を介して信号線ＳＬに接続される。トランジスタ３０〜３４は、画素電極５２の下方に配置される。
【０１２６】
図１５は、実施の形態２の変更例を示す図であって、図１４と対比される図である。図１５において、ｐ型シリコン基板５０の表面にトランジスタ３０〜３８のゲート３０ｇ〜３８ｇが形成される。ゲート３０ｇ，３１ｇ，３４ｇ，３５ｇ，３８ｇの各々は図１５中のＸ方向に延在し、ゲート３２ｇ，３３ｇ，３６ｇ，３７ｇの各々は図１５中のＹ方向に延在している。ゲート３１ｇ，３２ｇ，３０ｇはコの字状に配置され、ゲート３１ｇ〜３４ｇは十字状に配置され、ゲート３３ｇ〜３６ｇは四角形状に配置され、ゲート３５ｇ〜３８ｇは十字状に配置される。
【０１２７】
全ゲート３０ｇ〜３８ｇの中央部を結ぶようにして、ｐ型シリコン基板５０の表面に８字型のｎ型不純物拡散領域５０ａが形成される。ゲート３０ｇ〜３８ｇの一方側のｎ型不純物拡散領域５０ａはそれぞれトランジスタ３０〜３８のドレインとなる。
【０１２８】
トランジスタ３０のドレイン（ゲート３０ｇの図１５中の下側のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ１を介して第２電源電圧ＶＤＲのラインに接続される。トランジスタ３０のソースおよびトランジスタ３１，３２のドレイン（ゲート３０ｇ〜３２ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ２を介してノードＮ１およびフォトダイオード３９のアノードに接続される。
【０１２９】
トランジスタ３１，３３のソース（ゲート３１ｇ，３３ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ３を介してノードＮ２およびキャパシタ４０に接続される。トランジスタ３２，３４のソース（ゲート３２ｇ，３４ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ４を介してノードＮ３およびキャパシタ４１に接続される。
【０１３０】
トランジスタ３３〜３６のドレイン（ゲート３３ｇ〜３６ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ５を介して第２電源電圧ＶＤＲのラインに接続される。トランジスタ３７，３８のソース（ゲート３７ｇ，３８ｇの間のｎ型不純物拡散領域５０ａ）は、コンタクトホールＣＨ６を介して信号線ＳＬに接続される。トランジスタ３０〜３８は、画素電極５２の下方に配置される。
【０１３１】
[実施の形態３]
ところで、通常のＣＭＯＳイメージセンサは、たとえば、複数の光電変換素子と、光電変換素子に対応して設けられ、対応の光電変換素子からの電荷を増幅する複数のアンプとを備える。そして、通常時は各アンプの出力を画素信号の生成に用い、低照度時は各アンプの出力を合成したものを画素信号の生成に用いることにより、低照度時でも良好な画像を得る。すなわち、各アンプの出力を合成することにより信号およびノイズを加算していくと、信号は倍で増えていき、ノイズは２乗平均で増えていく。このため、画素信号のＳ／Ｎ（Signal  to  Noise）比が良好になる。このような方法は、ＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）イメージセンサでも採用されている。
【０１３２】
しかしながら、このような方法では、低照度時、各アンプにおいてノイズが付加される分、画素信号のＳ／Ｎ比の改善効果が低く、画質の大幅な向上は望めないという問題点があった。
【０１３３】
しかしながら、特許文献３には、このような問題点を解決するための構成は開示されていない。
【０１３４】
それゆえに、本実施の形態３の目的は、画質を大幅に向上させることが可能な光電変換装置および撮像装置を提供することである。
【０１３５】
図１６は、本発明の実施の形態３に係る画素アレイ６０の断面構造および動作を模式的に示す図であって、図５と対比される図である。図１７は、本発明の実施の形態３に係る画素アレイ６０を上方から見た図であって、図６と対比される図である。
【０１３６】
図１６および図１７を参照して、画素アレイ６０は、画素アレイ１０に複数のスイッチＳＷＡを追加したものである。
【０１３７】
読出回路Ｇは、画素電極ＥＬに対応して設けられ、読出回路層２２において対応の画素電極ＥＬの下に形成されている。すなわち、読出回路Ｇは、対応の画素電極ＥＬに対してＣＩＧＳ薄膜２３の反対側に設けられている。これにより、光電変換装置の微細化を図ることができる。
【０１３８】
読出回路Ｇは、読出動作時、対応の画素電極ＥＬにたとえば１Ｖのアノード電圧ＶＡを印加する。また、透明電極２５にはアノード電圧ＶＡよりも高いたとえば３Ｖのカソード電圧ＶＫが印加される。これにより、各画素電極ＥＬと透明電極２５との間に空乏層が形成され、各画素電極ＥＬと透明電極２５との間の領域がフォトダイオードＰＤとして動作する。画素電極ＥＬはフォトダイオードＰＤのアノードとなり、透明電極２５はフォトダイオードＰＤのカソードとなる。
【０１３９】
外部から透明電極２５を介してＣＩＧＳ薄膜２３に光αが入射すると、ＣＩＧＳ薄膜２３内で光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。ＣＩＧＳ薄膜２３では正孔が多数キャリアであるため、正孔すなわち正電荷がその近傍の画素電極ＥＬに流入する。読出回路Ｇは、対応の画素電極ＥＬに流入した電荷の量に応じたレベルの電流ＩＲを出力する。
【０１４０】
また、図１７に示すように、スイッチＳＷＡおよびＳＷＢは、ＣＩＧＳ薄膜２３の延在方向において対応の画素電極ＥＬを挟んで対向する位置に設けられている。スイッチＳＷＡは、読出回路層２２において設けられ、画素電極ＥＬ間に接続されている。スイッチＳＷＢは、読出回路層２２において読出回路Ｇに対応して設けられ、対応の読出回路Ｇの出力端子に接続された第１端子と、対応の読出信号線ＳＬに接続された第２端子とを有する。
【０１４１】
図１８は、本発明の実施の形態３に係る光電変換装置における画素電極およびスイッチの関係を示す図である。図１８では、複数行複数列の画素に対応する回路の一部を代表的に示し、これらの回路の動作について主に説明する。
【０１４２】
図１８を参照して、画素アレイ６０は、ｎ行ｎ列に配列された複数の画素電極ＥＬを含む。ここで、１行目，２行目，…，ｎ行目の画素行をそれぞれ画素行１，画素行２，…，画素行ｎと称し、１列目，２列目，…，ｎ列目の画素列をそれぞれ画素列１，画素列２，…，画素列ｎと称する。図１８に示す一例では、ｎは３以上の自然数である。
【０１４３】
すなわち、画素電極ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３，ＥＬ１４，…が画素行１に対応し、画素電極ＥＬ２１，ＥＬ２２，ＥＬ２３，ＥＬ２４，…が画素行２に対応し、画素電極ＥＬｎ１，ＥＬｎ２，ＥＬｎ３，ＥＬｎ４，…が画素行ｎに対応している。また、画素電極ＥＬ１１，ＥＬ２１，…，ＥＬｎ１が画素列１に対応し、画素電極ＥＬ１２，ＥＬ２２，…，ＥＬｎ２が画素列２に対応し、画素電極ＥＬ１３，ＥＬ２３，…，ＥＬｎ３が画素列３に対応し、画素電極ＥＬ１４，ＥＬ２４，…，ＥＬｎ４が画素列４に対応している。これらの画素電極は、前述の画素電極ＥＬに相当する。
【０１４４】
画素電極ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３，ＥＬ１４，…、画素電極ＥＬ２１，ＥＬ２２，ＥＬ２３，ＥＬ２４，…、画素電極ＥＬｎ１，ＥＬｎ２，ＥＬｎ３，ＥＬｎ４，…に対応して、読出回路Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３，Ｇ１４，…、読出回路Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４，…、読出回路Ｇｎ１，Ｇｎ２，Ｇｎ３，Ｇｎ４，…が設けられている。これらの読出回路は、前述の読出回路Ｇに相当する。
【０１４５】
読出回路Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３，Ｇ１４，…、読出回路Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４，…、読出回路Ｇｎ１，Ｇｎ２，Ｇｎ３，Ｇｎ４，…に対応して、スイッチＳＷＢ１１，ＳＷＢ１２，ＳＷＢ１３，ＳＷＢ１４，…、スイッチＳＷＢ２１，ＳＷＢ２２，ＳＷＢ２３，ＳＷＢ２４，…、スイッチＳＷＢｎ１，ＳＷＢｎ２，ＳＷＢｎ３，ＳＷＢｎ４，…が設けられている。これらのスイッチは、前述のスイッチＳＷＢに相当する。
【０１４６】
また、読出信号線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４は画素列１〜４にそれぞれ対応して設けられている。これらの信号線は、前述の読出信号線ＳＬに相当する。
【０１４７】
アンプＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、読出信号線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の他方端にそれぞれ接続されている。これらのアンプは、前述のアンプＱに相当する。
【０１４８】
スイッチＳＷＡ１１，ＳＷＡ１２，ＳＷＡ１３は、画素行１に対応して設けられ、スイッチＳＷＡ２１，ＳＷＡ２２，ＳＷＡ２３は、画素行２に対応して設けられ、スイッチＳＷＡｎ１，ＳＷＡｎ２，ＳＷＡｎ３は、画素行ｎに対応して設けられている。
【０１４９】
スイッチＳＷＡ１１は、画素電極ＥＬ１１と画素電極ＥＬ１２の間に接続され、スイッチＳＷＡ１２は、画素電極ＥＬ１２と画素電極ＥＬ１３の間に接続され、スイッチＳＷＡ１３は、画素電極ＥＬ１３と画素電極ＥＬ１４の間に接続されている。スイッチＳＷＡ２１は、画素電極ＥＬ２１と画素電極ＥＬ２２の間に接続され、スイッチＳＷＡ２２は、画素電極ＥＬ２２と画素電極ＥＬ２３の間に接続され、スイッチＳＷＡ２３は、画素電極ＥＬ２３と画素電極ＥＬ２４の間に接続されている。スイッチＳＷＡｎ１は、画素電極ＥＬｎ１と画素電極ＥＬｎ２の間に接続され、スイッチＳＷＡｎ２は、画素電極ＥＬｎ２と画素電極ＥＬｎ３の間に接続され、スイッチＳＷＡｎ３は、画素電極ＥＬｎ３と画素電極ＥＬｎ４の間に接続されている。
【０１５０】
次に、制御部１４の動作を詳細に説明する。最初に、光電変換装置に入射する光の量が通常レベルである通常照度時について説明し、次に、光電変換装置に入射する光の量が通常レベルより少ない低照度時について説明する。ここで、制御部１４は、たとえば出力部１７から受けた画素信号に基づいて、光電変換装置に入射する光の量を検出し、検出結果に基づいて通常照度時の動作および低照度時の動作を切り替える。
【０１５１】
［通常照度時］
垂直走査部１３は、まず、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行１を選択し、選択した画素行１のスイッチＳＷＢ１１，ＳＷＢ１２，ＳＷＢ１３，ＳＷＢ１４をオンする。また、垂直走査部１３は、選択していない画素行に対応する各スイッチＳＷＢをオフし、また、すべてのスイッチＳＷＡをオフする。
【０１５２】
これにより、選択された画素行１の読出回路Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３，Ｇ１４から読出信号線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４に、画素電極ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３，ＥＬ１４に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量に応じたレベルの電流がそれぞれ出力され、読出信号線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４がその入射光量に応じたレベルの電圧に充電される。読出信号線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の電圧は、それぞれアンプＱ１〜Ｑ４によって増幅されてセレクタ１６に与えられる。
【０１５３】
次に、水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、垂直走査部１３によって画素行１が選択されている期間に、画素列１，２，３，４，…を１列ずつ順次選択する。セレクタ１６は、水平走査部１５によって選択されている画素列に対応するアンプＱの出力電圧ＶＤを選択して出力部１７に伝達する。
【０１５４】
以降、垂直走査部１３は、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行２〜画素行ｎを１行ずつ順次選択し、また、水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、画素列１〜画素列ｎを１列ずつ順次選択する。これにより、上記画素行１と同様の動作が繰り返され、画素アレイ６０におけるすべての画素に対応する読出信号が出力部１７へ出力される。
【０１５５】
［低照度時］
次に、光電変換装置に入射する光の量が通常レベルより少ない低照度時について説明する。
【０１５６】
垂直走査部１３は、まず、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行１を選択し、選択した画素行１のスイッチＳＷＡを１つおきにオンする。より詳細には、垂直走査部１３は、スイッチＳＷＡ１１，ＳＷＡ１３をオンし、スイッチＳＷＡ１２をオフする。また、垂直走査部１３は、選択した画素行１のスイッチＳＷＢを１つおきにオンする。より詳細には、垂直走査部１３は、スイッチＳＷＢ１１，ＳＷＢ１３をオンし、スイッチＳＷＢ１２，ＳＷＢ１４をオフする。また、垂直走査部１３は、選択していない画素行に対応する各スイッチＳＷＡおよび各スイッチＳＷＢをオフする。
【０１５７】
これにより、画素電極ＥＬ１１に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量および画素電極ＥＬ１２に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量の総和に応じたレベルの電流が読出回路Ｇ１１から読出信号線ＳＬ１へ出力され、読出信号線ＳＬ１がこの入射光量の総和に応じたレベルの電圧に充電される。また、画素電極ＥＬ１３に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量および画素電極ＥＬ１４に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量の総和に応じたレベルの電流が読出回路Ｇ１３から読出信号線ＳＬ３へ出力され、読出信号線ＳＬ３がこの入射光量の総和に応じたレベルの電圧に充電される。読出信号線ＳＬ１，ＳＬ３の電圧は、アンプＱ１，Ｑ３によってそれぞれ増幅されてセレクタ１６に与えられる。
【０１５８】
次に、水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、垂直走査部１３によって画素行１が選択されている期間に、各画素列を１つおきに１列ずつ順次選択する、すなわち画素列１，３，５，…を１列ずつ順次選択する。セレクタ１６は、水平走査部１５によって選択されている画素列に対応するアンプＱの出力電圧ＶＤを選択して出力部１７に伝達する。
【０１５９】
以降、垂直走査部１３は、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行２〜画素行ｎを１行ずつ順次選択し、また、水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、画素列１〜画素列ｎを１つおきに１列ずつ順次選択する。これにより、上記画素行１と同様の動作が繰り返される。これにより、低照度時、各画素電極ＥＬをスイッチＳＷＡによって短絡し、ＣＩＧＳ薄膜２３において発生する電荷を読み出すための画素電極の面積を拡大することができるため、光電変換装置の感度を向上させることができる。
【０１６０】
なお、制御部１４は、低照度時、２つの画素電極からの電荷を合成する構成であるとしたが、これに限定するものではなく、３つ以上の画素電極からの電荷を合成する構成であってもよい。たとえば、３つの画素電極からの電荷を合成する場合には、垂直走査部１３は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、選択した画素行１のスイッチＳＷＡを２つおきにオフする。すなわち、スイッチＳＷＡ１１，ＳＷＡ１２をオンし、スイッチＳＷＡ１３をオフし、スイッチＳＷＡ１４および図示しないスイッチＳＷＡ１５，ＳＷＡ１６をオンし、図示しないスイッチＳＷＡ１７をオフする。また、垂直走査部１３は、選択した画素行１のスイッチＳＷＢを２つおきにオンする。すなわち、スイッチＳＷＢ１１をオンし、スイッチＳＷＢ１２，ＳＷＢ１３をオフし、スイッチＳＷＢ１４をオンし、図示しないスイッチＳＷＢ１５，ＳＷＢ１６をオフする。また、垂直走査部１３は、選択していない画素行に対応する各スイッチＳＷＡおよび各スイッチＳＷＢをオフする。
【０１６１】
そして、水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、垂直走査部１３によって１つの画素行が選択されている期間に、各画素列を２つおきに１列ずつ順次選択する、すなわち画素１，４，７，…を１列ずつ順次選択する。セレクタ１６は、水平走査部１５によって選択されている画素列に対応するアンプＱの出力電圧ＶＤを選択して出力部１７に伝達する。
【０１６２】
ところで、通常時は各アンプの出力を画素信号の生成に用い、低照度時は各アンプの出力を合成したものを画素信号の生成に用いる従来の方法では、低照度時、各アンプにおいてノイズが付加される分、画素信号のＳ／Ｎ比の改善効果が低く、画質の大幅な向上は望めないという問題点があった。
【０１６３】
しかしながら、本発明の実施の形態３に係る光電変換装置は、受けた光を電荷に変換するＣＩＧＳ薄膜２３と、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面に設けられ、ＣＩＧＳ薄膜２３によって変換された電荷を受ける複数の画素電極ＥＬと、画素電極ＥＬに対応して設けられ、対応の画素電極ＥＬが受けた電荷に基づいて読出信号を出力する複数の読出回路Ｇと、読出回路Ｇに対応して設けられ、対応の読出回路Ｇから受けた読出信号を出力するか否かを切り替える複数のスイッチＳＷＢと、画素電極ＥＬ間に接続されたスイッチＳＷＡとを備える。
【０１６４】
このような構成により、各画素電極が受けた電荷を合成する際に、各画素電極のうち、１つの画素電極に対応する読出回路のみを使用することができる。すなわち各画素電極に対応する読出回路におけるノイズの影響を１つの読出回路分のみに抑制することができる。これにより、出力部１７に伝達される電圧すなわち読出信号の信号成分は合成対象の画素電極数倍向上でき、かつ出力部１７に伝達される読出信号のノイズ成分は１つの読出回路分のみに抑制することができる。このため、読出信号のＳ／Ｎ比すなわち画素信号のＳ／Ｎ比を大幅に改善することができることから、画質を大幅に向上させることができる。
【０１６５】
図１９および図２０は、本発明の実施の形態３に係る光電変換装置の変更例の構成を概略的に示す図である。
【０１６６】
図１９および図２０を参照して、２行２列に配置された画素Ｐにおいて、２つのスイッチＳＷＡは、画素行において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されている。また、他の２つのスイッチＳＷＡは、画素列において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されている。そして、読出回路Ｇは、画素列に対応して２つ設けられている。
【０１６７】
通常照度時には、図１９に示すように、画素列において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されているスイッチＳＷＡをオンし、画素行において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されているスイッチＳＷＡをオフし、また、各スイッチＳＷＢをオンする。これにより、２つの画素電極ＥＬが受けた電荷を合成し、２つの画素信号を生成する。
【０１６８】
低照度時には、図２０に示すように、画素列において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されているスイッチＳＷＡをオンし、画素行において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されているスイッチＳＷＡをオンし、また、各スイッチＳＷＢのいずれかをオンする。これにより、４つの画素電極ＥＬからの電荷を合成し、１つの画素信号を生成する。
【０１６９】
図２１および図２２は、本発明の実施の形態３に係る光電変換装置の他の変更例の構成を概略的に示す図である。
【０１７０】
図２１および図２２を参照して、３行３列に配置された画素Ｐにおいて、６つのスイッチＳＷＡは、画素行において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されている。また、他の６つのスイッチＳＷＡは、画素列において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されている。そして、読出回路Ｇは、画素列に対応して３つ設けられている。
【０１７１】
通常照度時には、図２１に示すように、画素列において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されている各スイッチＳＷＡをオンし、画素行において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されている各スイッチＳＷＡをオフし、また、各スイッチＳＷＢをオンする。これにより、３つの画素電極ＥＬが受けた電荷を合成し、３つの画素信号を生成する。
【０１７２】
低照度時には、図２２に示すように、画素列において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されている各スイッチＳＷＡをオンし、画素行において隣り合う画素電極ＥＬ間に接続されている各スイッチＳＷＡをオンし、また、各スイッチＳＷＢのいずれかをオンする。これにより、９つの画素電極ＥＬからの電荷を合成し、１つの画素信号を生成することで、本発明の実施の形態３に係る光電変換装置と比べて低照度時の画質をさらに向上させることができる。
【０１７３】
図２３は、本発明の実施の形態３に係る画素電極の他の変更例の構成を示す図である。
図２３を参照して、この変更例は、図１９および図２０に示す各画素電極ＥＬをたとえば４５度斜めに配置した構成である。
【０１７４】
図２４は、本発明の実施の形態３に係る画素電極の他の変更例の構成を示す図である。
図２４を参照して、２つの画素電極ＥＬＡは、矩形状に半周回し、かつ互いに対向している。また、２つの矩形状の画素電極ＥＬＢは、２つの画素電極ＥＬＡによって形成される空間に設けられ、互いに対向している。２つのスイッチＳＷＡは、互いに対向する画素電極ＥＬＡおよびＥＬＢ間にそれぞれ接続されている。
【０１７５】
図２５は、本発明の実施の形態３に係る画素電極の他の変更例の構成を示す図である。
図２５を参照して、各画素電極ＥＬは、六角形の形状を有している。３つのスイッチＳＷＡは、隣り合う画素電極ＥＬ間にそれぞれ接続されている。
【０１７６】
図２６は、本発明の実施の形態３に係る画素電極の他の変更例の構成を示す図である。
図２６を参照して、４つの画素電極ＥＬＡは、八角形の形状を有している。また、４つの画素電極ＥＬＢは、四角形の形状を有している。４つのスイッチＳＷＡは、隣り合う画素電極ＥＬＡおよびＥＬＢ間にそれぞれ接続されている。
【０１７７】
図２７は、本発明の実施の形態３に係る画素電極の他の変更例の構成を示す図である。
図２７を参照して、２つの画素電極ＥＬＡは、円状に半周回し、かつ互いに対向している。また、２つの半円状の画素電極ＥＬＢは、２つの画素電極ＥＬＡによって形成される空間に設けられ、互いに対向している。２つのスイッチＳＷＡは、互いに対向する画素電極ＥＬＡおよびＥＬＢ間にそれぞれ接続されている。
【０１７８】
図２８は、本発明の実施の形態３に係る画素電極の他の変更例の構成を示す図である。
図２８を参照して、矩形状の画素電極ＥＬＡと、画素電極ＥＬＡより小さい矩形状の画素電極ＥＬＢとが、画素行方向に交互に配置されている。
【０１７９】
なお、本発明の実施の形態３に係る画素アレイ６０は、ＣＩＧＳ薄膜を含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。光電変換薄膜または光電変換厚膜であればよく、たとえばＣＩＧＳ薄膜以外の化合物半導体薄膜、および有機半導体薄膜等を含む構成であってもよい。また、本発明は、光電変換装置に限らず、フォトセンサおよびラインセンサ等にも適用可能である。
【０１８０】
また、本発明の実施の形態３に係る画素アレイ６０は、複数行複数列に配列された複数の画素Ｐを含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。画素アレイ６０が２つの画素Ｐを含み、この２つの画素Ｐにおける画素電極ＥＬ間にスイッチＳＷＡが接続されており、そして、制御部１４が、スイッチＳＷＡをオンし、スイッチＳＷＡに接続された２つの画素電極ＥＬのうち、いずれかの画素電極ＥＬに対応するスイッチＳＷＢをオンし、かつ他の画素電極ＥＬに対応するスイッチＳＷＢをオフする制御と、スイッチＳＷＡをオフし、かつ各画素電極ＥＬに対応するスイッチＳＷＢをオンする制御とを選択的に行なう構成であればよい。
【０１８１】
また、本発明の実施の形態３に係る画素アレイ６０では、スイッチＳＷＡは、画素行において隣り合う画素電極間に接続されている構成であるとしたが、これに限定するものではない。スイッチＳＷＡは、画素列において隣り合う画素電極間に接続されている構成であってもよい。この場合、制御部１４は、低照度時、画素列において隣り合う複数の画素電極からの電荷を合成する。
【０１８２】
[実施の形態４]
ところで、一般的な単板カラー化方式を採用する固体撮像装置は、たとえば、７００ｎｍ（ナノメータ）〜１０００ｎｍの波長の近赤外領域における近赤外光を遮断するＩＲカットフィルタと、ベイヤー配列のＲＧＢカラーフィルタとを備える。そして、昼間等の通常時はＩＲカットフィルタおよびＲＧＢカラーフィルタを組み合わせてカラーカメラとして動作し、夜間等の低照度時はＩＲカットフィルタを光軸から取り外して白黒カメラとして動作する。
【０１８３】
ところが、このような構成では、ＩＲカットフィルタと、ＩＲカットフィルタを光軸上に配置したり、光軸から取り外したりするための機械構造とが必要となるため、製造コストが増大し、かつサイズが大型になってしまう。
【０１８４】
しかしながら、特許文献３記載には、このような問題点を解決するための構成は開示されていない。
【０１８５】
それゆえに、本実施の形態４の目的は、カラーカメラおよび白黒カメラの両方に対応し、製造コストの増大を防ぎ、小型化を図ることが可能な撮像装置および光電変換装置を提供することである。
【０１８６】
図２９は、本発明の実施の形態４に係る撮像装置の画素アレイ６１の要部の断面構造を示す図であって、図４と対比される図である。
【０１８７】
図２９を参照して、画素アレイ６１は、半導体基板２１と、読出回路層２２と、複数の画素電極ＥＬと、ＣＩＧＳ薄膜２３と、ＣｄＳ（硫化カドミウム）層２４と、透明電極２５と、カラーフィルタ部ＣＦＵを含む。
【０１８８】
透明電極２５の表面すなわちＣＩＧＳ薄膜２３に対して画素電極ＥＬの反対側にカラーフィルタ部ＣＦＵが設けられている。カラーフィルタ部ＣＦＵは、複数のカラーフィルタＣＦを含む。カラーフィルタＣＦは、各画素電極ＥＬに対応して設けられている。
【０１８９】
図３０は、本発明の実施の形態４に係る画素アレイ６１の断面構造および動作を模式的に示す図である。
【０１９０】
図３０を参照して、読出回路Ｇは、画素電極ＥＬに対応して設けられ、図２９に示した読出回路層２２において対応の画素電極ＥＬの下に形成されている。すなわち、読出回路Ｇは、対応の画素電極ＥＬに対してＣＩＧＳ薄膜２３の反対側に設けられている。これにより、光電変換装置の微細化を図ることができる。
【０１９１】
読出回路Ｇは、読出動作時、対応の画素電極ＥＬにたとえば１Ｖのアノード電圧ＶＡを印加する。また、透明電極２５にはアノード電圧ＶＡよりも高いたとえば３Ｖのカソード電圧ＶＫが印加される。これにより、各画素電極ＥＬと透明電極２５との間に空乏層が形成され、各画素電極ＥＬと透明電極２５との間の領域がフォトダイオードＰＤとして動作する。画素電極ＥＬはフォトダイオードＰＤのアノードとなり、透明電極２５はフォトダイオードＰＤのカソードとなる。
【０１９２】
外部からカラーフィルタ部ＣＦＵおよび透明電極２５を介してＣＩＧＳ薄膜２３に光αが入射すると、ＣＩＧＳ薄膜２３内で光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。ＣＩＧＳ薄膜２３では正孔が多数キャリアであるため、正孔すなわち正電荷がその近傍の画素電極ＥＬに流入する。読出回路Ｇは、対応の画素電極ＥＬに流入した電荷の量に応じたレベルの電流ＩＲを出力する。
【０１９３】
スイッチＳＷＢは、読出回路層２２において読出回路Ｇに対応して設けられ、対応の読出回路Ｇの出力端子に接続された第１端子と、対応の読出信号線ＳＬに接続された第２端子とを有する。
【０１９４】
図３１は、本発明の実施の形態４に係る撮像装置における１画素分のカラーフィルタの色配置を示す図である。
【０１９５】
図３１を参照して、カラーフィルタ部ＣＦＵは、ベイヤー配列的に配列された４色のカラーフィルタＣＦを含む。すなわち、カラーフィルタ部ＣＦＵは、Ｗ（ホワイト）のカラーフィルタＣＦと、Ｙｅ（イエロー）のカラーフィルタＣＦと、Ｃｙ（シアン）のカラーフィルタＣＦと、Ｂｋ（ブラック）のカラーフィルタＣＦとを含む。
【０１９６】
カラーフィルタ部ＣＦＵでは、近赤外領域において透過特性をもつブラックのカラーフィルタを設けている。ブラックのカラーフィルタは、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長の可視光をほとんど透過せずに、近赤外光を透過させる特性を有する。
【０１９７】
ここで、カラーフィルタ部ＣＦＵを透過する光には中赤外光および遠赤外光も含まれる。しかしながら、ＣＩＧＳ薄膜２３において光電変換される光の波長は略１３００ｎｍ以下であるため、読出回路Ｇから出力される読出信号は近赤外領域の波長成分に対応する電気信号となる。
【０１９８】
図３２は、ホワイト、イエローおよびシアンのカラーフィルタの透過率を示す図である。
【０１９９】
図３２を参照して、イエローおよびシアンのカラーフィルタは、可視光領域ではその色の光を透過させ、また、近赤外領域の光も透過させる。また、ホワイトのカラーフィルタは、可視光および近赤外光を透過させる。
【０２００】
次に、本発明の実施の形態４に係る撮像装置が画像信号を生成する動作について詳細に説明する。撮像装置の全体構成は、図１〜図３で説明した通りである。
【０２０１】
撮像装置は、昼間等の通常時はホワイト、イエロー、シアンを使用することにより、ＲＧＢカラーフィルタのカラーカメラとして動作する。また、撮像装置は、夜間等の低照度時はホワイト、イエロー、シアン、ブラックを使用することにより、白黒カメラとして動作する。
【０２０２】
以下において、Ｗ，Ｙｅ，Ｃｙ，Ｂｋは、レンズ２からの光がホワイト、イエロー、シアン、ブラックのカラーフィルタをそれぞれ通過し、これらを変換した電気信号を示す。すなわち、前述の読出回路Ｇからの読出信号を示す。また、Ｒ，Ｇ，Ｂは、レッド、グリーン、ブルーの波長成分に対応する電気信号を示し、ＩＲは近赤外領域の波長成分に対応する電気信号を示す。
【０２０３】
まず、Ｗ，Ｙｅ，Ｃｙ，Ｂｋは、以下の式で表わされる色成分を有する。
Ｗ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ＋ＩＲ
Ｙｅ＝Ｒ＋Ｇ＋ＩＲ
Ｃｙ＝Ｇ＋Ｂ＋ＩＲ
Ｂｋ＝ＩＲ
この関係に基づき、画像信号処理部４は、以下の式に従って、ＲＧＢカラー画像を得るための電気信号Ｒ、Ｇ，およびＢを算出する。
Ｇ＝Ｗ−Ｒ−Ｂ−Ｂｋ
より詳細には、Ｇは、以下のように導出される。
Ｗ−Ｒ−Ｂ−Ｂｋ
＝ΔＷ＋Ｃｙ＋Ｙｅ−Ｂｋ
＝−（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ＋ＩＲ）＋（Ｇ＋Ｂ＋ＩＲ）＋（Ｒ＋Ｇ＋ＩＲ）
＝Ｇ＋ＩＲ−ＩＲ
＝Ｇ
Ｒ＝Ｗ−Ｃｙ
より詳細には、Ｒは、以下のように導出される。
Ｗ−Ｃｙ
＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ＋ＩＲ−（Ｇ＋Ｂ＋ＩＲ）
＝Ｒ
Ｂ＝Ｗ−Ｙｅ
より詳細には、Ｂは、以下のように導出される。
Ｗ−Ｙｅ
＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ＋ＩＲ−（Ｒ＋Ｇ＋ＩＲ）
＝Ｂ
すなわち、信号Ｗ，信号Ｙｅ，信号Ｃｙ，信号Ｂｋは、それぞれＩＲ（近赤外線領域）成分を含むが、これらのＩＲ成分は相殺されるため、信号Ｗ，信号Ｙｅ，信号Ｃｙ，信号Ｂｋに基づいて信号Ｒ、Ｇ，およびＢを得ることができる。
【０２０４】
また、ＲＧＢカラー画像を得るための輝度信号Ｙは、以下の式に従って算出される。
Ｙ＝Ｗ＋ＩＲ＋Ｃｙ＋ＩＲ＋Ｙｅ＋ＩＲ＝２×Ｒ＋３×Ｇ＋２×Ｂ＋３×ＩＲ
また、画像信号処理部４は、白黒画像を得るための信号Ｂ／Ｗを以下の式に従って算出する。
Ｂ／Ｗ＝Ｗ＋Ｃｙ＋Ｙｅ＋Ｂｋ＝２×Ｒ＋３×Ｇ＋２×Ｂ＋４×ＩＲ
図３３は、レッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタの透過率を示す図である。
【０２０５】
画像信号処理部４は、図３１に示すような色配置のカラーフィルタを用いて、ＶＧＡの画素数に対するＮＴＳＣ方式のインタレース処理およびインタリーブ処理を６０ｆｐｓ（フレーム／秒）の読出速度で行なうことができる。これにより、図３３に示すような透過特性を有するＲＧＢカラーフィルタによって実現されるＲＧＢカラー画像を得ることができる。
【０２０６】
図３１に示すような色配置のカラーフィルタ部は、たとえば水平方向の画素数が少ない場合において用いられる。また、画像信号処理部４は、近赤外領域の波長成分をブラックのカラーフィルタから得る。
【０２０７】
ここで、ＲＧＢカラーフィルタを用いる構成は、色の再現性が高いが、光の利用率が悪くなる。
【０２０８】
しかしながら、本発明の実施の形態４に係る撮像装置では、４色のカラーフィルタを用いる構成により、ＲＧＢカラーフィルタを用いる構成と比べて昼間は感度が劣るが、光の利用率が高いため、カラーカメラおよび白黒カメラ全体として高性能となる。
【０２０９】
図３４は、太陽光のスペクトル分布を示す図である。
図３４を参照して、太陽光は、可視光領域で光の強弱の時間変化が大きく、近赤外領域で光の強弱の時間変化が少なく、また、１０００ｎｍ以上の波長では光の強弱の時間変化が非常に少ない。
【０２１０】
すなわち、朝から昼、そして夕方までは、可視光の強度が大きく、近赤外光の２倍近くの強度の信号が得られる。このため、本発明の実施の形態４に係る撮像装置では、４色のカラーフィルタを用いる構成により、朝から昼、そして夕方まではＲＧＢフィルターとほぼ遜色ない光の利用率を得ることができ、さらに、夜間においては近赤外領域の感度が向上し、光の利用率を高めることができる。
【０２１１】
また、図３４に示すように、８００ｎｍおよび１１００ｎｍ付近では太陽光スペクトルがほぼ存在しない。
【０２１２】
そこで、ＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）等を用いて８００ｎｍ付近または１１００ｎｍ付近の光を放射し、光電変換装置３におけるブラックのカラーフィルタで受光することにより、太陽光の影響を受けずに、送信側からの光を良好に受光することができる。これにより、良好な受光特性を有するカラーカメラ、白黒カメラおよび物体検出カメラを実現することができる。
【０２１３】
また、有機薄膜は、ＣＩＧＳ薄膜と異なり、近赤外領域の感度が低い。光電変換膜としてＣＩＧＳ薄膜を用いる本発明の実施の形態４に係る撮像装置では、近赤外領域の光を良好に受信し、低照度時でも良好な受光特性を得ることができるため、カラーカメラおよび白黒カメラの両方を高性能に実現することができる。
【０２１４】
図３５は、本発明の実施の形態４に係る撮像装置における１画素分のカラーフィルタの色配置の変更例を示す図である。図３６は、図３５に示す変更例におけるインタレース処理およびインタリーブ処理を示す図である。
【０２１５】
図３５を参照して、カラーフィルタ部ＣＦＵは、４色のカラーフィルタとして、Ｗ（ホワイト）のカラーフィルタＣＦと、Ｙｅ（イエロー）のカラーフィルタＣＦと、Ｃｙ（シアン）のカラーフィルタＣＦと、Ｂｋ（ブラック）のカラーフィルタＣＦとを含む。この変更例では、水平方向にホワイトのカラーフィルタおよびブラックのカラーフィルタを配列する。この配列は、たとえば垂直方向の画素数が多い場合に用いられる。
【０２１６】
図３６を参照して、ＮＴＳＣ方式のインタレース処理を行なう際に、ＯｄｄフィールドではＷおよびＣｙの加算ならびにＢｋおよびＣｙの加算を行ない、ＥｖｅｎフィールドではＹｅおよびＷの加算ならびにＹｅおよびＢｋの加算を行なう。
【０２１７】
これにより、６０ｆｐｓ（フレーム／秒）の読出速度で３０ｆｐｓのインタレース処理を行なうことができる。すなわち、図３１に示す構成と比べて垂直方向の解像度を向上させることができる。
【０２１８】
図３７は、本発明の実施の形態４に係る撮像装置における１画素分のカラーフィルタの色配置の変更例を示す図である。
【０２１９】
図３７を参照して、この変更例では、垂直方向にホワイトのカラーフィルタおよびブラックのカラーフィルタを配列する。この配列は、たとえば水平方向の画素数が多い場合に用いられる。
【０２２０】
図３８は、本発明の実施の形態４に係る撮像装置における１画素分のカラーフィルタの色配置の変更例を示す図である。
【０２２１】
図３８を参照して、カラーフィルタ部ＣＦＵは、ベイヤー配列的に配列された４色のカラーフィルタＣＦを含む。すなわち、カラーフィルタ部ＣＦＵは、Ｗ（ホワイト）のカラーフィルタＣＦと、Ｙｅ（イエロー）のカラーフィルタＣＦと、Ｃｙ（シアン）のカラーフィルタＣＦと、Ｇｒ（グリーン）のカラーフィルタＣＦとを含む。
【０２２２】
このように、本発明の実施の形態４に係る撮像装置と比べて、ブラックの代わりにグリーンのカラーフィルタを用いることにより、光の利用率をさらに向上させることができる。
【０２２３】
一方、本発明の実施の形態４に係る撮像装置では、グリーンではなくブラックのカラーフィルタを用いることにより、近赤外光の受光特性をさらに向上させることができる。すなわち、本発明の実施の形態４に係る撮像装置は、光電変換膜としてＣＩＧＳ薄膜を用いることから、近赤外領域の光を良好に受光することができるという長所を有し、さらに、グリーンではなくブラックのカラーフィルタを用いることにより、この長所をさらに高めることができる。
【０２２４】
以上のように、本発明の実施の形態４に係る撮像装置では、４色のカラーフィルタを用いて、信号処理のみでカラー画像および白黒画像を得ることができるため、ＩＲカットフィルタと、ＩＲカットフィルタを光軸上に配置したり、光軸から取り外したりするための機械構造とが不要となる。
【０２２５】
なお、本発明の実施の形態４に係る画素アレイ６１は、ＣＩＧＳ薄膜を含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。化合物半導体薄膜または化合物半導厚膜を含む構成であればよい。また、本発明は、光電変換装置に限らず、フォトセンサおよびラインセンサ等にも適用可能である。
【０２２６】
また、本発明の実施の形態４に係る撮像装置では、カラーフィルタ部ＣＦＵにおける１画素分のカラーフィルタが４色である構成としたが、これに限定するものではない。４色に限らず、１画素ごとに５色以上のカラーフィルタが設けられる構成であってもよい。
【０２２７】
[実施の形態５]
ところで、イメージセンサには、有効撮像部と光学的黒部が設けられており、有効撮像部の画素で読み出された光電流は、光学的黒部の画素で読み出された黒電流に基づいて補正される。
【０２２８】
しかし、黒電流のレベルは温度変化に伴って変化するので、特許文献４の方法によって有効撮像部の画素で発生する黒電流と、光学的黒部の画素で発生する黒電流とのレベルの差を無くすことは困難であった。
【０２２９】
それゆえに、この発明の主たる目的は、有効撮像部の黒電流と光学的黒部の黒電流とのレベルの差を容易に無くすことが可能な光電変換装置を提供することである。
【０２３０】
図３９は、この発明の実施の形態５による光電変換装置の画素アレイ７１の構成を示す平面図である。図３９において、画素アレイ７１は、複数行複数列に配列された複数の矩形領域に等分割されている。実際には多数の領域が存在するが、図３９では、９行９列の領域が模式的に示されている。
【０２３１】
画素アレイ７１の中央部の複数の領域は有効撮像部７２として使用され、有効撮像部７２の周囲の領域は光学的黒部７３として使用される。また、有効撮像部７２の各領域は画素領域７４として使用され、光学的黒部７３の複数の領域のうちの内側の各領域は分離領域７５として使用され、外側の各領域は画素領域７６として使用される。
【０２３２】
なお、図３９では、画素領域７４と７６の間に１つの分離領域７５が設けられているが、画素領域７４と７６の間に２つ以上の分離領域７５を設けてもよい。また、図３９では、分離領域７５の外側に１つの画素領域７６が設けられているが、２つ以上の画素領域７６を設けてもよい。
【０２３３】
図４０（ａ）は画素アレイ７１の要部を示す断面図であり、図４０（ｂ）は図４０（ａ）のＸＬＢ−ＸＬＢ線断面図である。図４０（ａ）（ｂ）において、画素アレイ７１は半導体基板２１を含む。半導体基板２１の表面には、読出回路層２２が形成されている。読出回路層２２は、ＭＯＳトランジスタ、キャパシタ、配線、絶縁層、ビアホールなどで構成されている。
【０２３４】
読出回路層２２の表面において各矩形領域の中央部には、矩形の電極が形成されている。各電極はＭｏで形成されている。画素領域７４の各電極は画素電極８０として使用され、分離領域７５の各電極は分離電極８１として使用され、画素領域７６の各電極は画素電極８２として使用される。
【０２３５】
全ての電極８０〜８２を覆うようにして、有効撮像部７２および光学的黒部７３に共通のＣＩＧＳ薄膜２３が形成され、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面にはＣｄＳ層２４および透明電極２５が積層されている。ＣＩＧＳ薄膜２３は、Ｃｕ（Ｉｎｘ，Ｇａ（１−ｘ））Ｓｅ２（０≦ｘ≦１）で形成されている。ＣＩＧＳ薄膜２３は、ｐ型の化合物半導体薄膜であり、その厚さはたとえば１．７μｍである。ＣｄＳ層２４は、ｎ型の化合物半導体薄膜で形成されたバッファ層であり、その厚さはたとえば５０ｎｍである。透明電極２５は、たとえばＺｎＯ膜であり、その厚さはたとえば１μｍである。したがって、ＣＩＧＳ薄膜２３と透明電極２５によってＰＮ接合が形成される。また、光学的黒部７３において透明電極２５の表面には遮光層８３が形成されている。遮光層８３は、アルミニウムで形成され、光学的黒部７３のＣＩＧＳ薄膜２３への光の入射を遮る。
【０２３６】
換言すると、ＣＩＧＳ薄膜２３が画素領域７４、分離領域７５および画素領域７６に分割され、ＣＩＧＳ薄膜２３の裏面において画素領域７４、分離領域７５および画素領域７６にそれぞれ画素電極８０、分離電極８１および画素電極８２が形成される。また、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面にバッファ層であるＣｄＳ層２４を介して透明電極２５が形成され、光学的黒部７３において透明電極２５の表面に遮光層８３が形成される。
【０２３７】
図４１は、図３９に示した画素アレイ７１の構成および動作を模式的に示す図である。なお、バッファ層であるＣｄＳ層２４の図示は省略されている。図４１において、画素電極８０，８２の各々に対応して読出回路Ｇが設けられる。読出回路Ｇは、図４０（ａ）の読出回路層２２において対応の画素電極８０または８２の下に形成されている。読出回路Ｇは、読出動作時に、対応の画素電極８０または８２にアノード電圧ＶＡ（たとえば１Ｖ）を印加し、対応の画素電極８０または８２に流入した電荷の量に応じたレベルの電流を出力する。
【０２３８】
また、透明電極２５にはアノード電圧ＶＡよりも高いカソード電圧ＶＫ（たとえば３Ｖ）が印加され、分離電極８１にはアノード電圧ＶＡと同じレベルのバイアス電圧ＶＢ（この場合は１Ｖ）が印加される。これにより、電極８０〜８２の各々と透明電極２５の間に空乏層が形成され、電極８０〜８２の各々と透明電極２５の間の領域はフォトダイオードＰＤとして動作する。電極８０〜８２の各々はフォトダイオードＰＤのアノードとなり、透明電極２５はフォトダイオードＰＤのカソードとなる。
【０２３９】
外部から透明電極２５を介してＣＩＧＳ薄膜２３に光αが入射すると、ＣＩＧＳ薄膜２３内で光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。ＣＩＧＳ薄膜２３では正孔が多数キャリアであり、正孔すなわち正電荷がその近傍の画素電極８０に流入する。この電流が光電流である。光電流は、読出回路Ｇによって増幅されて電流Ｉｓとなる。
【０２４０】
また、ＣＩＧＳ薄膜２３では、光αの入射の有無に関係無く、温度に応じた量の電子−正孔対が発生し、発生した正孔すなわち正電荷がその近傍の電極８０，８１または８２に流入する。この電流が黒電流である。黒電流は、読出回路Ｇによって増幅されて電流Ｉｄとなる。また、有効撮像部７２の端部の画素領域７４で発生した光電流の一部は、分離電極８１に流入するが、画素電極８２に流入することはない。
【０２４１】
したがって、画素電極８０には光電流と黒電流が流入し、画素電極８０に対応する読出回路Ｇは電流Ｉｓ＋Ｉｄを出力する。また、画素電極８２には黒電流のみが流入し、画素電極８２に対応する読出回路Ｇは電流Ｉｄを出力する。したがって、画素電極８０に対応する読出回路Ｇの出力電流Ｉｓ＋Ｉｄから、画素電極８２に対応する読出回路Ｇの出力電流Ｉｄを減算することにより、画素領域７４で発生した光電流に応じたレベルの電流Ｉｓを検出することができる。
【０２４２】
図４２は、光電変換装置の全体構成を示す回路ブロック図である。図４２において、光電変換装置は、図３９に示した画素アレイ７１を備える。画素アレイ７１は、複数行複数列に配列された複数の画素Ｐと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数の制御信号線ＣＬと、それぞれ複数列に対応して設けられた複数の信号線ＳＬとを含む。画素アレイ７１の中央部の画素Ｐは光電流を検出するために使用され、その周囲の画素Ｐは黒電流を検出するために使用される。
【０２４３】
各信号線ＳＬの一方端は、負荷回路１１を介して接地電圧ＧＮＤのラインに接続される。負荷回路１１は、所定の抵抗値を有する。各信号線ＳＬの他方端は、アンプＱの入力ノードに接続される。アンプＱは、対応の信号線ＳＬの電圧を増幅する。
【０２４４】
画素Ｐは、図４３に示すように、フォトダイオードＰＤおよび読出回路Ｇを含む。フォトダイオードＰＤは、図４０（ａ）（ｂ）および図４１で説明したように、画素電極８０（または８２）、ＣＩＧＳ薄膜２３、ＣｄＳ層２４および透明電極２５で形成されている。画素電極８０（または８２）はフォトダイオードＰＤのアノードを構成し、透明電極２５はフォトダイオードＰＤのカソードを構成する。フォトダイオードＰＤのカソードにはカソード電圧ＶＫが印加され、そのアノードにはアノード電圧ＶＡが印加される。
【０２４５】
フォトダイオードＰＤに光αが入射すると、その光量に応じた量の電荷が画素電極８０を介して読出回路Ｇに流れる。また、光αの入射の有無に関係無く、温度に応じた量の電荷が画素電極８０，８２に流れる。読出回路Ｇは、対応の制御信号線ＣＬを介して与えられる制御信号ＣＮＴによって制御され、フォトダイオードＰＤから流入した電荷量に応じたレベルの電流ＩＲを対応の信号線ＳＬに出力する。信号線ＳＬは、読出回路Ｇの出力電流ＩＲと負荷回路１１の抵抗値との積の電圧になる。信号線ＳＬの電圧は、アンプＱによって増幅される。したがって、アンプＱの出力電圧ＶＤは、フォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じて変化する。
【０２４６】
図４２に戻って、光電変換装置は、垂直走査部１３、制御部１４、水平走査部１５、セレクタ１６、および出力部１７を備える。垂直走査部１３、制御部１４、水平走査部１５、およびセレクタ１６の動作は、図２で説明した通りである。出力部１７は、セレクタ１６を介して与えられるアンプＱの出力電圧ＶＤに基づいて、画像信号を生成する。このとき出力部１７は、光学的黒部７３の画素Ｐから読み出された電圧ＶＤに基づいて、有効撮像部７２の画素Ｐから読み出された電圧ＶＤを補正する。画像信号は、画像表示装置に与えられる。画像表示装置の画面には、光電変換装置の被写体の画像が表示される。
【０２４７】
この実施の形態５では、有効撮像部７２と光学的黒部７３にＣＩＧＳ薄膜２３が共通に形成され、有効撮像部７２の画素電極８０と光学的黒部７３の画素電極８２との間に、有効撮像部７２で発生した電流が画素電極８２に流れるのを防止するための分離電極８１が設けられる。したがって、有効撮像部７２の黒電流と光学的黒部７３の黒電流とのレベルの差を容易に無くすことができる。
【０２４８】
図４４（ａ）は、実施の形態５の変更例による画素アレイの要部を示す断面図であり、図４４（ｂ）は図４４（ａ）のＸＬＩＶＢ−ＸＬＩＶＢ線断面図である。また、図４５は、図４４（ａ）（ｂ）に示した画素アレイの構成および動作を模式的に示す図である。
【０２４９】
図４４（ａ）（ｂ）および図４５において、この画素アレイが図４０（ａ）（ｂ）および図４１の画素アレイと異なる点は、分離領域７５の分離電極８１、ＣＩＧＳ薄膜２３、およびＣｄＳ層２４が帯状の絶縁膜８４で置換されている点である。絶縁膜８４は、たとえばＳｉＯ２で形成されており、有効撮像部７２を囲むようにして環状に形成されている。したがって、有効撮像部７２で発生した電流が画素電極８２に流れることが防止される。
【０２５０】
この変更例でも、実施の形態５と同じ効果が得られる。
なお、以上の実施の形態５では、本願発明がＣＩＧＳ薄膜を用いた光電変換装置に適用された場合について説明したが、本願発明は、ＣＩＧＳ薄膜以外の化合物半導体薄膜や、有機半導体薄膜、光電変換薄膜、あるいは光電変換厚膜を用いた光電変換装置にも適用可能である。また、本願発明は、光電変換装置に限らず、フォトセンサやラインセンサにも適用可能である。
【０２５１】
[実施の形態６]
一般に、固体撮像素子では、シリコン基板においてフォトダイオードが形成され、シリコン基板における１画素分の画素領域において、フォトダイオードと、フォトダイオードからの電荷を読み出して電流を出力する読出回路を構成する複数のトランジスタとが配置される。そして、フォトダイオードの受光面積を確保するために、読出回路から出力された電流を増幅するアンプは画素領域外に配置される。
【０２５２】
また、ＣＩＧＳを用いた固体撮像素子のように、シリコン基板の上に配線層等を介して光電変換膜を設けた積層型の固体撮像素子では、シリコン基板にフォトダイオードを設ける必要がないため、光電変換膜下のシリコン基板の領域に余裕ができる。また、シリコン基板に設けるトランジスタの製造プロセスの選択自由度が高まることから微細化を図ることができるため、読出回路から出力された電流を増幅するアンプを画素領域に設けることができる。
【０２５３】
ここで、フォトダイオードからの電荷を読み出して電流を出力する読出回路の出力段には、たとえばソースフォロワ回路が配置されるが、ソースフォロワ回路は出力範囲が狭い。このため、広い出力範囲を有する差動増幅器を読出回路として設けることが考えられる。
【０２５４】
差動増幅器を画素領域に設ける場合には、差動増幅器の一方入力端子にフォトダイオードのアノードを接続し、他方入力端子にバイアス電圧を供給する。そして、差動増幅器に負帰還をかけてイマジナリショートの状態で動作させる。ここで、フォトダイオードには逆電圧を印加する必要があることから、バイアス電圧は、フォトダイオードのカソードに供給される電圧よりも小さく設定する必要がある。
【０２５５】
ところが、このような構成では、バイアス電圧を発生する回路からバイアス電圧を各画素領域へ伝達するための複数の配線が必要になり、配線領域が増大してしまう。
【０２５６】
しかしながら、特許文献１には、このような問題点を解決するための構成は開示されていない。
【０２５７】
それゆえに、本発明の目的は、光電変換された電気信号を増幅するための差動増幅器を各画素領域において設ける構成において、小型化を図ることが可能な光電変換装置および撮像装置を提供することである。
【０２５８】
本実施の形態６の撮像装置および光電変換装置の構成は、図１および図２で説明した通りである。
【０２５９】
図４６は、本発明の実施の形態６の画素Ｐの構成を示す図である。
図４６を参照して、画素Ｐは、フォトダイオードＰＤと、差動増幅器８５と、キャパシタＣと、スイッチＳＷＧと、スイッチＳＷＢとを含む。フォトダイオードＰＤのカソードにはカソード電圧ＶＫが印加され、フォトダイオードＰＤのアノードにはアノード電圧ＶＡが印加される。差動増幅器８５、キャパシタＣ、およびスイッチＳＷＧは、読出回路Ｇを構成する。
【０２６０】
フォトダイオードＰＤにレンズ２からの光αが入射すると、その光量に応じた量の電荷が差動増幅器８５へ流れる。差動増幅器８５は、フォトダイオードＰＤから流入した電荷すなわち電気信号を増幅して電圧ＶＤを生成し、読出信号として対応の読出信号線ＳＬへ出力する。したがって、差動増幅器８５の出力電圧ＶＤは、フォトダイオードＰＤに入射した光αの量に応じて変化する。このように、増幅された読出信号を画素Ｐから出力することにより、読出信号の取り得るレベルの範囲が広がるため、受光精度を向上させることができる。
【０２６１】
より詳細には、差動増幅器８５は、フォトダイオードＰＤのアノード、キャパシタＣの第１端子およびスイッチＳＷＧの第１端子に接続された反転入力端子と、フォトダイオードＰＤのカソードに接続された非反転入力端子と、キャパシタＣの第２端子およびスイッチＳＷＧの第２端子に接続された出力端子とを有する。
【０２６２】
差動増幅器８５はキャパシタＣによって負帰還がかけられている。キャパシタＣには、フォトダイオードＰＤからの電荷が蓄積される。キャパシタＣに電荷が蓄積されると、差動増幅器８５の出力電圧が低下する。これにより、キャパシタＣにおける電荷量すなわち光αの量に応じたレベルを有する読出信号が生成される。また、スイッチＳＷＧをオンすることにより、キャパシタＣにおける電荷が放電され、その後、スイッチＳＷＧをオフすることにより、キャパシタＣに再び電荷が蓄積される。
【０２６３】
スイッチＳＷＢは、対応の制御信号線ＣＬを介して受けた制御信号ＣＮＴに基づいて、差動増幅器８５からの読出信号を対応の読出信号線ＳＬへ出力するか否かを切り替える。読出信号線ＳＬは、差動増幅器８５からの読出信号をセレクタ１６へ伝達する。
【０２６４】
図２で示した垂直走査部１３は、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、複数の画素行を１行ずつ順次選択し、選択した画素行の制御信号線ＣＬを介してその画素行の各スイッチＳＷＢに制御信号ＣＮＴを与える。これにより、選択された画素行の各画素Ｐから対応の読出信号線ＳＬへ入射光量に応じたレベルの読出信号が出力され、セレクタ１６に与えられる。
【０２６５】
水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、垂直走査部１３によって１つの画素行が選択されている期間に、複数の画素列を１列ずつ順次選択する。セレクタ１６は、水平走査部１５によって選択されている画素列に対応する読出信号を選択して出力部１７に伝達する。
【０２６６】
出力部１７は、セレクタ１６を介して与えられた読出信号に基づいて画素信号すなわち画素Ｐの受光量を示す信号を生成し、画像信号処理部４および制御部１４へ出力する。
【０２６７】
図４７は、本発明の実施の形態６に係る差動増幅器８５の回路構成を示す図である。
図４７を参照して、差動増幅器８５は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２と、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ４と、電流源ＩＳと、出力回路８６とを含む。
【０２６８】
ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ３は、電源電圧の供給されるノードに接続されたソースと、互いに接続されたゲートおよびドレインとを有する。ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ４は、電源電圧の供給されるノードに接続されたソースと、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ３のゲートに接続されたゲートと、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２のドレインおよび出力回路８６の入力ノードに接続されたソースとを有する。ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ３のドレインに接続されたドレインと、電流源ＩＳに接続されたソースと、キャパシタＣの第１端子、スイッチＳＷＧの第１端子およびフォトダイオードＰＤのアノードに接続されたゲートとを有する。ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ４のドレインに接続されたドレインと、電流源ＩＳに接続されたソースと、フォトダイオードＰＤのカソードに接続されたゲートとを有する。出力回路８６の出力ノードにキャパシタＣの第２端子およびスイッチＳＷＧの第２端子が接続されている。
【０２６９】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のゲートが差動増幅器８５の反転入力端子に相当し、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２のゲートが差動増幅器８５の非反転入力端子に相当する。
【０２７０】
出力回路８６は、差動増幅器８５の出力調整を行なうために設けられ、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン電圧に対応する電圧ＶＤを出力する。
【０２７１】
図４８は、本発明の実施の形態６に係る画素アレイの要部の断面構造を詳細に示す図である。
【０２７２】
図４８を参照して、半導体基板２１に、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１およびＭ２のドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓが形成されている。また、読出回路層２２において、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１およびＭ２のゲート電極ＧＤ１およびＧＤ２が設けられている。
【０２７３】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電極ＧＤ１は、配線ＬＮ１を介して画素電極ＥＬに接続されている。
【０２７４】
配線ＬＮ２は、差動増幅器８５から、ＣＩＧＳ薄膜２３の差動増幅器８５と対向する領域への方向に延伸し、差動増幅器８５の非反転入力端子と主表面ＭＳ１とを電気的に接続する。すなわち、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２のゲート電極ＧＤ２は、配線ＬＮ２を介してＣＩＧＳ薄膜２３の主表面ＭＳ１に接続されている。
【０２７５】
ここで、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１およびＭ２は、サイズが異なる。すなわち、ＣＩＧＳ薄膜２３の主表面ＭＳ２の延在方向におけるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電極ＧＤ１の面積は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２のゲート電極ＧＤ２と比べて小さい。
【０２７６】
このため、差動増幅器８５は、イマジナリショートの状態にはならず、反転入力端子の電位が非反転入力端子よりも低くなるように動作する。すなわち、差動増幅器８５の反転入力端子における電圧が、差動増幅器Ｇの非反転入力端子における電圧よりも小さくなる。
【０２７７】
これにより、フォトダイオードＰＤのアノード電圧ＶＡがカソード電圧ＶＫよりも小さくなり、フォトダイオードＰＤに逆バイアスが印加される。
【０２７８】
ところで、差動増幅器８５を画素領域に設ける場合には、バイアス電圧を発生する回路からバイアス電圧を各画素領域へ伝達するための複数の配線が必要になり、配線領域が増大してしまうという問題点があった。
【０２７９】
しかしながら、本発明の実施の形態６に係る光電変換装置は、画素電極ＥＬに対応して設けられ、対応の画素電極ＥＬに対してＣＩＧＳ薄膜２３の反対側に設けられ、画素電極ＥＬに電気的に接続された反転入力端子と、主表面ＭＳ１に電気的に接続された非反転入力端子と、出力端子とを有し、対応の画素電極ＥＬが受けた電荷に基づいて読出信号を出力する複数の差動増幅器８５を備える。そして、差動増幅器８５は、反転入力端子における電圧が非反転入力端子における電圧よりも小さくなるように動作する。
【０２８０】
このような構成により、フォトダイオードＰＤのカソードに電圧を供給するノードから差動増幅器８５の非反転入力端子へバイアス電圧を供給し、かつフォトダイオードＰＤに逆電圧を印加することができる。これにより、バイアス電圧を発生する回路と、この回路からバイアス電圧を各画素領域へ伝達するための複数の配線とが不要となる。
【０２８１】
したがって、本発明の実施の形態６に係る光電変換装置では、光電変換された電気信号を増幅するための差動増幅器８５を各画素領域において設ける構成において、小型化を図ることができる。
【０２８２】
なお、本発明の実施の形態６に係る画素アレイは、ＣＩＧＳ薄膜を含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。光電変換薄膜または光電変換厚膜であればよく、たとえばＣＩＧＳ薄膜以外の化合物半導体薄膜、および有機半導体薄膜等を含む構成であってもよい。また、本発明は、光電変換装置に限らず、フォトセンサおよびラインセンサ等にも適用可能である。
【０２８３】
次に、本発明の実施の形態６の変更例について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【０２８４】
本変更例は、実施の形態６に係る光電変換装置と比べて差動増幅器の構成を変更した光電変換装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態６に係る光電変換装置と同様である。
【０２８５】
図４９は、本変更例に係る差動増幅器８７の回路構成を示す図である。図５０は、本変更例に係る画素アレイの要部の断面構造を詳細に示す図である。
【０２８６】
図４９および図５０を参照して、差動増幅器８７は、実施の形態６に係る差動増幅器８５と比べて、さらに、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ５を含む。
【０２８７】
ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ５は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ３と並列に接続されている。より詳細には、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ５は、電源電圧の供給されるノードに接続されたソースと、互いに接続されたゲートおよびドレインとを有し、これらのゲートおよびソースがＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ３のゲートおよびソースに接続されている。
【０２８８】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１およびＭ２は、サイズが略同じである。すなわち、主表面ＭＳ２の延在方向におけるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電極ＧＤ１の面積は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２のゲート電極ＧＤ２と略同じである。また、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ３〜Ｍ５は、サイズが略同じである。
【０２８９】
このため、差動増幅器８７は、イマジナリショートの状態にはならず、反転入力端子の電位が非反転入力端子よりも低くなるように動作する。すなわち、差動増幅器８７の反転入力端子における電圧が、差動増幅器Ｇの非反転入力端子における電圧よりも小さくなる。
【０２９０】
これにより、フォトダイオードＰＤのアノード電圧ＶＡがカソード電圧ＶＫよりも小さくなり、フォトダイオードＰＤに逆バイアスが印加される。
【０２９１】
その他の構成および動作は実施の形態６に係る光電変換装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【０２９２】
したがって、本変更例に係る光電変換装置では、本発明の実施の形態６に係る光電変換装置と同様に、光電変換された電気信号を増幅するための差動増幅器を各画素領域において設ける構成において、小型化を図ることができる。
【０２９３】
[実施の形態７]
ところで、このような固体撮像装置では、受光量のダイナミックレンジを拡大するために、たとえば、光電変換素子からの電荷を蓄積する時間長の異なる複数の期間においてそれぞれ得られた電気信号を合成する方法が採用されている。
【０２９４】
しかしながら、このような方法では、電荷蓄積時間長が異なり、また、異なる時点における被写体の画像を合成することから、特に、動きの早い被写体を撮像する場合において合成画像にずれが生じやすくなる。このため、合成の効果がなくなり、画質が劣化してしまうという問題点があった。
【０２９５】
しかしながら、特許文献３には、このような問題点を解決するための構成は開示されていない。
【０２９６】
それゆえに、本実施の形態７の目的は、ダイナミックレンジを広げ、かつ画質の劣化を防ぐことが可能な光電変換装置および撮像装置を提供することである。
【０２９７】
本発明の実施の形態７に係る撮像装置の構成および動作は図１で説明した通りである。また、光電変換装置の構成および動作は、図２で説明した通りである。また、画素Ｐの構成は、図３で説明した通りである。
【０２９８】
図５１は、本発明の実施の形態７に係る画素アレイの要部の断面構造を示す図である。
図５１を参照して、画素アレイは、半導体基板２１と、読出回路層２２と、複数の画素電極ＥＬＡおよびＥＬＢと、ＣＩＧＳ薄膜２３と、ＣｄＳ（硫化カドミウム）層２４と、透明電極２５とを含む。
【０２９９】
半導体基板２１の表面には、読出回路層２２が形成されている。読出回路層２２は、ＭＯＳトランジスタ、キャパシタ、配線、絶縁層およびビアホール等を含む。
【０３００】
１つの画素電極ＥＬＡおよび１つの画素電極ＥＬＢは、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面において互いに近接して設けられている。画素電極ＥＬＡは、ＣＩＧＳ薄膜２３の延在方向におけるサイズすなわち面積が画素電極ＥＬＢより大きい。以下、画素電極ＥＬＡおよび画素電極ＥＬＢの各々を画素電極ＥＬとも称する。
【０３０１】
読出回路層２２の表面には、矩形状の複数の画素電極ＥＬが所定の間隔で配置されている。複数の画素電極ＥＬは、複数行複数列に配列されている。各画素電極ＥＬは、たとえばＭｏ（モリブデン）で形成されている。
【０３０２】
複数の画素電極ＥＬを覆うようにしてＣＩＧＳ薄膜２３が形成され、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面にはＣｄＳ層２４および透明電極２５がこの順番で積層されている。ＣＩＧＳ薄膜２３はｐ型の化合物半導体薄膜であり、その厚さはたとえば１．７μｍである。ＣｄＳ層２４はバッファ層であり、その厚さはたとえば５０ｎｍである。透明電極２５は低抵抗のｎ型ＺｎＯ膜であり、その厚さはたとえば１μｍである。したがって、ＣＩＧＳ薄膜２３および透明電極２５によってＰＮ接合が形成される。
【０３０３】
換言すると、光電変換膜であるＣＩＧＳ薄膜２３の第１主表面にバッファ層であるＣｄＳ層２４を介して透明電極２５が形成され、ＣＩＧＳ薄膜２３の第２主表面において各画素に対応する複数の画素電極ＥＬが形成されている。
【０３０４】
図５２は、本発明の実施の形態７に係る画素アレイの断面構造および動作を模式的に示す図である。図５３は、本発明の実施の形態７に係る画素アレイを上方から見た図である。
【０３０５】
図５２および図５２を参照して、読出回路Ｇは、画素電極ＥＬに対応して設けられ、図５１に示した読出回路層２２において対応の画素電極ＥＬの下に形成されている。すなわち、読出回路Ｇは、対応の画素電極ＥＬに対してＣＩＧＳ薄膜２３の反対側に設けられている。これにより、光電変換装置の微細化を図ることができる。
【０３０６】
読出回路Ｇは、読出動作時、対応の画素電極ＥＬにたとえば１Ｖのアノード電圧ＶＡを印加する。また、透明電極２５にはアノード電圧ＶＡよりも高いたとえば３Ｖのカソード電圧ＶＫが印加される。これにより、各画素電極ＥＬと透明電極２５との間に空乏層が形成され、各画素電極ＥＬと透明電極２５との間の領域がフォトダイオードＰＤとして動作する。画素電極ＥＬはフォトダイオードＰＤのアノードとなり、透明電極２５はフォトダイオードＰＤのカソードとなる。
【０３０７】
外部から透明電極２５を介してＣＩＧＳ薄膜２３に光αが入射すると、ＣＩＧＳ薄膜２３内で光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。ＣＩＧＳ薄膜２３では正孔が多数キャリアであるため、正孔すなわち正電荷がその近傍の画素電極ＥＬに流入する。読出回路Ｇは、対応の画素電極ＥＬに流入した電荷の量に応じたレベルの電流ＩＲを出力する。
【０３０８】
また、図５３に示すように、スイッチＳＷは、読出回路層２２において読出回路Ｇに対応して設けられ、対応の読出回路Ｇの出力端子に接続された第１端子と、対応の読出信号線ＳＬに接続された第２端子とを有する。
【０３０９】
図５４は、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置における画素電極およびスイッチの関係を示す図である。図５４では、複数行複数列の画素に対応する回路の一部を代表的に示し、これらの回路の動作について主に説明する。
【０３１０】
図５４を参照して、画素アレイは、ｎ行ｎ列に配列された複数の画素電極ＥＬを含む。ここで、１行目，２行目，…，ｎ行目の画素行をそれぞれ画素行１，画素行２，…，画素行ｎと称し、１列目，２列目，…，ｎ列目の画素列をそれぞれ画素列１，画素列２，…，画素列ｎと称する。図５４に示す一例では、ｎは３以上の自然数である。
【０３１１】
すなわち、画素電極ＥＬＡ１１，ＥＬＢ１１，ＥＬＡ１２，ＥＬＢ１２，…が画素行１に対応し、画素電極ＥＬＡ２１，ＥＬＢ２１，ＥＬＡ２２，ＥＬＢ２２，…が画素行２に対応し、画素電極ＥＬＡｎ１，ＥＬＢｎ１，ＥＬＡｎ２，ＥＬＢｎ２，…が画素行ｎに対応している。また、画素電極ＥＬＡ１１，ＥＬＡ２１，…，ＥＬＡｎ１が画素列１に対応し、画素電極ＥＬＢ１１，ＥＬＢ２１，…，ＥＬＢｎ１が画素列２に対応し、画素電極ＥＬＡ１２，ＥＬＡ２２，…，ＥＬＡｎ２が画素列３に対応し、画素電極ＥＬＢ１２，ＥＬＢ２２，…，ＥＬＢｎ２が画素列４に対応している。これらの画素電極は、前述の画素電極ＥＬＡおよびＥＬＢに相当する。以下、画素電極ＥＬＡ１１，ＥＬＡ１２，ＥＬＡ２１，ＥＬＡ２２，ＥＬＡｎ１，ＥＬＡｎ２の各々を画素電極ＥＬＡとも称し、画素電極ＥＬＢ１１，ＥＬＢ１２，ＥＬＢ２１，ＥＬＢ２２，ＥＬＢｎ１，ＥＬＢｎ２の各々を画素電極ＥＬＢとも称する。
【０３１２】
画素電極ＥＬＡ１１，ＥＬＢ１１，ＥＬＡ１２，ＥＬＢ１２，…、画素電極ＥＬＡ２１，ＥＬＢ２１，ＥＬＡ２２，ＥＬＢ２２，…、画素電極ＥＬＡｎ１，ＥＬＢｎ１，ＥＬＡｎ２，ＥＬＢｎ２，…に対応して、読出回路ＧＡ１１，ＧＢ１１，ＧＡ１２，ＧＢ１２，…、読出回路ＧＡ２１，ＧＢ２１，ＧＡ２２，ＧＢ２２，…、読出回路ＧｎＡ１，ＧｎＢ１，ＧｎＡ２，ＧｎＢ２，…が設けられている。これらの読出回路は、前述の読出回路Ｇに相当する。
【０３１３】
読出回路ＧＡ１１，ＧＢ１１，ＧＡ１２，ＧＢ１２，…、読出回路ＧＡ２１，ＧＢ２１，ＧＡ２２，ＧＢ２２，…、読出回路ＧｎＡ１，ＧｎＢ１，ＧｎＡ２，ＧｎＢ２，…に対応して、スイッチＳＷＡ１１、ＳＷＢ１１，ＳＷＡ１２，ＳＷＢ１２，…、スイッチＳＷＡ２１、ＳＷＢ２１，ＳＷＡ２２，ＳＷＢ２２，…、スイッチＳＷＡｎ１、ＳＷＢｎ１，ＳＷＡｎ２，ＳＷＢｎ２，…が設けられている。これらのスイッチは、前述のスイッチＳＷＡおよびＳＷＢに相当する。
【０３１４】
また、読出信号線ＳＬＡ１，ＳＬＢ１，ＳＬＡ２，ＳＬＢ２は画素列１〜４にそれぞれ対応して設けられている。これらの信号線は、前述の読出信号線ＳＬに相当する。
【０３１５】
アンプＱＡ１，ＱＢ１，ＱＡ２，ＱＢ２は、読出信号線ＳＬＡ１，ＳＬＢ１，ＳＬＡ２，ＳＬＢ２の他方端にそれぞれ接続されている。これらのアンプは、前述のアンプＱに相当する。
【０３１６】
次に、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置が画素信号を生成する動作を詳細に説明する。まず、制御部１４の動作を詳細に説明する。
【０３１７】
垂直走査部１３は、まず、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行１を選択し、選択した画素行１のスイッチＳＷＡ１１，ＳＷＢ１１，ＳＷＡ１２，ＳＷＢ１２をオンする。また、垂直走査部１３は、選択していない画素行に対応する各スイッチＳＷＢをオフする。
【０３１８】
これにより、選択された画素行１の読出回路ＧＡ１１，ＧＢ１１，ＧＡ１２，ＧＢ１２から読出信号線ＳＬＡ１，ＳＬＢ１，ＳＬＡ２，ＳＬＢ２に、画素電極ＥＬＡ１１，ＥＬＢ１１，ＥＬＡ１２，ＥＬＢ１２に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量に応じたレベルの電流がそれぞれ出力され、読出信号線ＳＬＡ１，ＳＬＢ１，ＳＬＡ２，ＳＬＢ２がその入射光量に応じたレベルの電圧に充電される。読出信号線ＳＬＡ１，ＳＬＢ１，ＳＬＡ２，ＳＬＢ２の電圧は、それぞれアンプＱＡ１，ＱＢ１，ＱＡ２，ＱＢ２によって増幅されてセレクタ１６に与えられる。
【０３１９】
次に、水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、垂直走査部１３によって画素行１が選択されている期間に、画素列１，２，３，４，…を１列ずつ順次選択する。セレクタ１６は、水平走査部１５によって選択されている画素列に対応するアンプＱの出力電圧ＶＤを選択して出力部１７に伝達する。
【０３２０】
以降、垂直走査部１３は、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行２〜画素行ｎを１行ずつ順次選択し、また、水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、画素列１〜画素列ｎを１列ずつ順次選択する。これにより、上記画素行１と同様の動作が繰り返され、画素アレイにおけるすべての画素に対応する読出信号が出力部１７へ出力される。
【０３２１】
次に、出力部１７が画素信号を生成する動作を詳細に説明する。出力部１７は、光電変換装置に入射する光の量を読出信号に基づいて検出し、検出結果に基づいて、使用する読出信号を切り替える。
【０３２２】
図５５は、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置における入射光量と読出信号レベルとの関係を示すグラフ図である。図５５において、ＧＬは、画素電極ＥＬＡが受けた電荷に基づいて生成される読出信号を示し、ＧＳは、画素電極ＥＬＢが受けた電荷に基づいて生成される読出信号を示す。
【０３２３】
図５５を参照して、面積の大きい画素電極ＥＬＡからの電荷を受ける読出回路Ｇから出力される読出信号は、光αの光量がＸ１以上になると飽和する。一方、面積の小さい画素電極ＥＬＢからの電荷を受ける読出回路Ｇから出力される読出信号は、光αの光量がＸ１以上であるＸ２以上になると飽和する。
【０３２４】
このため、出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合には画素電極ＥＬＡからの電荷に基づく読出信号を選択し、受光量がＸ１以上である場合には画素電極ＥＬＢからの電荷に基づく読出信号を選択する。
【０３２５】
再び図５４を参照して、出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合であって画素行１が選択されているときには、画素行１の画素電極ＥＬＡ１１に対応するアンプＱＡ１から受けた読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。次に、出力部１７は、画素行１の画素電極ＥＬＡ１２に対応するアンプＱＡ２から受けた読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。このように、出力部１７は、垂直走査部１３によって画素行１が選択されている期間に、各画素電極ＥＬＡに対応する読出信号を順次選択して画素信号を生成する。すなわち画素列１，３，５，…に対応する読出信号に基づいて画素信号を生成する。
【０３２６】
一方、出力部１７は、受光量がＸ１以上である場合であって画素行１が選択されているときには、画素行１の画素電極ＥＬＢ１１に対応するアンプＱＢ１から受けた読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。次に、出力部１７は、画素行１の画素電極ＥＬＢ１２に対応するアンプＱＢ２から受けた読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。このように、出力部１７は、垂直走査部１３によって画素行１が選択されている期間に、各画素電極ＥＬＢに対応する読出信号を順次選択して画素信号を生成する。すなわち画素列２，４，６，…に対応する読出信号に基づいて画素信号を生成する。
【０３２７】
以降、画素行２〜画素行ｎが１行ずつ順次選択され、出力部１７は、画素電極ＥＬＡまたはＥＬＢに対応する各読出信号を順次選択する。これにより、上記画素行１と同様の動作が繰り返される。
【０３２８】
図５６は、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置における入射光量と画素信号レベルとの関係を示すグラフ図である。
【０３２９】
図５６を参照して、出力部（信号処理部）１７は、各アンプＱを介して各読出回路Ｇから受けた各読出信号および各画素電極のサイズに基づいて画素信号を生成する。すなわち、出力部１７は、制御部１４によって選択された画素電極からの読出信号をその選択された画素電極のサイズに基づいて補正することにより画素信号を生成する。
【０３３０】
たとえば、出力部１７は、受光量がＸ１未満であり、画素電極ＥＬＡに対応する読出信号を選択した場合には、選択した読出信号のレベルを有する画素信号を出力する。
【０３３１】
また、出力部１７は、受光量がＸ１以上である場合には、画素電極ＥＬＢに対応する読出信号を選択した場合には、選択した読出信号のレベルに（画素電極ＥＬＡのサイズ／画素電極ＥＬＢのサイズ）を乗じたレベルを有する画素信号を出力する。
【０３３２】
次に、画素信号生成の他の例を詳細に説明する。
出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合には画素電極ＥＬＡからの電荷に基づく読出信号を選択し、受光量がＸ１以上である場合には画素電極ＥＬＡおよび画素電極ＥＬＢからの電荷に基づく読出信号を選択する。
【０３３３】
再び図５４を参照して、出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合であって画素行１が選択されているときには、画素行１の画素電極ＥＬＡ１１に対応するアンプＱＡ１から受けた読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。次に、出力部１７は、画素行１の画素電極ＥＬＡ１２に対応するアンプＱＡ２から受けた読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。このように、出力部１７は、垂直走査部１３によって画素行１が選択されている期間に、各画素電極ＥＬＡに対応する読出信号を順次選択して画素信号を生成する。すなわち画素列１，３，５，…に対応する読出信号に基づいて画素信号を生成する。
【０３３４】
以降、画素行２〜画素行ｎが１行ずつ順次選択され、出力部１７は、画素電極ＥＬＡに対応する各読出信号を順次選択する。これにより、上記画素行１と同様の動作が繰り返される。
【０３３５】
一方、出力部１７は、受光量がＸ１以上である場合であって画素行１が選択されているときには、画素行１の画素電極ＥＬＡ１１およびＥＬＢ１１に対応するアンプＱＡ１およびＱＢ１から受けた読出信号を選択し、選択した各読出信号に基づいて画素信号を生成する。次に、出力部１７は、画素行１の画素電極ＥＬＡ１２およびＥＬＢ１２に対応するアンプＱＡ２およびＱＢ２から受けた読出信号を選択し、選択した各読出信号に基づいて画素信号を生成する。このように、出力部１７は、垂直走査部１３によって画素行１が選択されている期間に、画素電極ＥＬＡおよびＥＬＢに対応する各読出信号を順次選択して画素信号を生成する。すなわち画素列１，２，３，…に対応する読出信号に基づいて画素信号を生成する。
【０３３６】
以降、画素行２〜画素行ｎが１行ずつ順次選択され、出力部１７は、画素電極ＥＬＡおよびＥＬＢに対応する各読出信号を順次選択する。これにより、上記画素行１と同様の動作が繰り返される。
【０３３７】
次に、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置が画素信号を生成する動作の他の例を詳細に説明する。
【０３３８】
図５７は、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置における入射光量と画素信号レベルとの関係を示すグラフ図である。
【０３３９】
図５７を参照して、出力部１７は、各アンプＱを介して各読出回路Ｇから受けた各読出信号および各画素電極のサイズに基づいて画素信号を生成する。すなわち、出力部１７は、複数の読出信号のうちのいずれか１つを選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する動作と、複数の読出信号のうちの複数を選択し、選択した複数の読出信号を合成することにより画素信号を生成する動作とを選択的に行なう。
【０３４０】
たとえば、出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合には、大電極である画素電極ＥＬＡに対応する読出信号を選択し、選択した読出信号のレベルを有する画素信号を出力する。
【０３４１】
また、出力部１７は、受光量がＸ１以上である場合には、画素電極ＥＬＡおよび画素電極ＥＬＢに対応する読出信号を選択し、選択した各読出信号を合成する、すなわち画素電極ＥＬＡに対応する読出信号のレベルおよび画素電極ＥＬＢに対応する読出信号のレベルを加算したレベルを有する画素信号を出力する。
【０３４２】
以上のように、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置では、異なるサイズの電極を使用し、たとえば、受光量が小さいときは大電極からの電気信号を選択し、受光量が大きいときは小電極からの電気信号を選択する。
【０３４３】
あるいは、受光量が小さいときは大電極からの電気信号を選択し、受光量が大きいときは小電極および大電極からの電気信号を合成する。
【０３４４】
このような構成により、受光量が小さいときには大電極を用いて感度を向上させ、受光量が大きいときには小電極を用いて画素信号の飽和を抑制することができるため、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。また、ＣＩＧＳ薄膜２３において発生する電荷を大電極および小電極において同一時間長蓄積し、これによって得られた各電気信号に基づいて画素信号を生成することから、動きの早い被写体を撮像する場合でも画像にずれが生じることを防ぐことができるため、高速画像についてもダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【０３４５】
また、大電極および小電極からの電気信号を選択または合成することから、大電極および小電極間の電気的分離が十分でない場合でも、これに起因する電気信号の劣化を防ぐことができる。
【０３４６】
なお、出力部１７は、受光量に応じた読出信号の選択を、１画面分すなわち画素アレイ全体の画素処理ごとに切り替える構成であってもよいし、１画面の途中で切り替える構成であってもよい。
【０３４７】
また、出力部１７は、アナログ信号である読出信号に基づいてアナログ信号である画素信号を出力する構成であってもよいし、アナログ／デジタル変換を行なってデジタル信号である画素信号を出力する構成であってもよい。
【０３４８】
図５８は、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置を上方から見た図である。
図５８を参照して、光電変換装置は、さらに、カラーフィルタＣＦを含む。
【０３４９】
カラーフィルタＣＦは、ＣＩＧＳ薄膜２３に対して画素電極ＥＬの反対側に設けられており、ベイヤー配列されている。すなわち、カラーフィルタＣＦは、Ｒ（赤色）のフィルタ領域と、Ｂ（青色）のフィルタ領域と、Ｇｒ（緑色）のフィルタ領域と、Ｇｂ（緑色）のフィルタ領域とを有する。なお、ＧｒおよびＧｂはそれぞれＲおよびＢと同じ行に配置された緑色を表わす。
【０３５０】
画素電極ＥＬＡおよびＥＬＢの組は、カラーフィルタＣＦの同一画素かつ同一色に対応する領域ごとに複数設けられている。
【０３５１】
ここで、光電変換素子からの電荷を蓄積する時間長の異なる複数の期間においてそれぞれ得られた電気信号を合成する従来の方法では、特にカラー画像を表示する場合であって動く被写体を撮像するとき、異なる時点における被写体の画像を合成することから、異なる色のフィルタ領域に対応する電気信号が合成されてしまい、いわゆる色偽信号が発生する場合がある。
【０３５２】
しかしながら、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置では、サイズの異なる電極を、カラーフィルタの同一画素かつ同一色に対応させる。そして、ＣＩＧＳ薄膜２３において発生する電荷を各電極において同一時間長蓄積し、これによって得られた各電気信号に基づいて画素信号を生成することから、異なる色の電気信号が合成されることを防ぐことができる。これにより、カラー画像対応が容易となり、良好なカラー画像を得ることができる。また、従来の方法では、異なる時点における被写体の画像を合成することから、モアレ（干渉縞）が発生する場合がある。しかしながら、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置では、大電極および小電極の電荷蓄積時間長が同一となるため、モアレ（干渉縞）の発生を防ぐことができる。
【０３５３】
図５９は、実施の形態７に係る光電変換装置の変更例における画素電極を上方から見た図である。
【０３５４】
図５９を参照して、画素電極ＥＬＡは、矩形状に周回している。また、矩形状の画素電極ＥＬＢは、画素電極ＥＬＡによって形成される空間に設けられている。
【０３５５】
図６０は、実施の形態７に係る光電変換装置の変更例における画素電極を上方から見た図である。
【０３５６】
図６０を参照して、画素電極ＥＬＡは、矩形状であり、内部に円形状の空間を有している。また、円形状の画素電極ＥＬＢは、画素電極ＥＬＡによって形成される空間に設けられている。
【０３５７】
[実施の形態８]
本実施の形態８は、実施の形態７に係る光電変換装置と比べて各画素電極が略同じサイズを有する光電変換装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態７に係る光電変換装置と同様である。
【０３５８】
図６１は、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置における画素電極およびスイッチの関係を示す図である。図６１では、複数行複数列の画素に対応する回路の一部を代表的に示し、これらの回路の動作について主に説明する。
【０３５９】
図６１を参照して、画素アレイは、ｎ行ｎ列に配列された複数の画素電極ＥＬを含む。光電変換装置は、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置と比べて、画素アレイが、ＣＩＧＳ薄膜２３の延在方向におけるサイズが略同じである４つの画素電極ＥＬからなる画素電極群を複数含む。各画素電極群の４つの画素電極ＥＬは、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面において互いに近接して設けられている。また、これらの画素電極群は、カラーフィルタＣＦの同一画素かつ同一色に対応する領域ごとに設けられている。また、画素アレイは、複数のスイッチＳＷＫと、複数のスイッチＳＷＬとを含む。
【０３６０】
ここで、１行目，２行目，…，ｎ行目の画素行をそれぞれ画素行１，画素行２，…，画素行ｎと称し、１列目，２列目，…，ｎ列目の画素列をそれぞれ画素列１、画素列２，…，画素列ｎと称する。図６１に示す一例では、ｎは４以上の偶数である。
【０３６１】
すなわち、画素電極ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３，ＥＬ１４，…が画素行１に対応し、画素電極ＥＬ２１，ＥＬ２２，ＥＬ２３，ＥＬ２４，…が画素行２に対応し、画素電極ＥＬｎ１，ＥＬｎ２，ＥＬｎ３，ＥＬｎ４，…が画素行ｎに対応している。また、画素電極ＥＬ１１，ＥＬ２１，…，ＥＬｎ１が画素列１に対応し、画素電極ＥＬ１２，ＥＬ２２，…，ＥＬｎ２が画素列２に対応し、画素電極ＥＬ１３，ＥＬ２３，…，ＥＬｎ３が画素列３に対応し、画素電極ＥＬ１４，ＥＬ２４，…，ＥＬｎ４が画素列４に対応している。これらの画素電極は、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置における画素電極ＥＬに相当する。
【０３６２】
読出回路Ｇは、２つの画素行ごとに設けられている。より詳細には、読出回路Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４は、画素電極ＥＬ２１，ＥＬ２２，ＥＬ２３，ＥＬ２４にそれぞれ接続されている。読出回路Ｇｎ１，Ｇｎ２，Ｇｎ３，Ｇｎ４は、画素電極ＥＬｎ１，ＥＬｎ２，ＥＬｎ３，ＥＬｎ４にそれぞれ接続されている。これらの読出回路は、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置における読出回路Ｇに相当する。
【０３６３】
スイッチＳＷＬは、読出回路Ｇに対応して設けられている。図６１では、スイッチＳＷＬ２１、ＳＷＬ２２，ＳＷＬ２３，ＳＷＬ２４は、読出回路Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４から受けた読出信号を対応の読出信号線へ出力するか否かを切り替える。スイッチＳＷＬｎ１、ＳＷＬｎ２，ＳＷＬｎ３，ＳＷＬｎ４は、読出回路Ｇｎ１，Ｇｎ２，Ｇｎ３，Ｇｎ４から受けた読出信号を対応の読出信号線へ出力するか否かを切り替える。これらのスイッチＳＷＬは、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置におけるスイッチＳＷＢに相当する。
【０３６４】
また、読出信号線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４は画素列１〜４にそれぞれ対応して設けられている。これらの信号線は、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置における読出信号線ＳＬに相当する。
【０３６５】
アンプＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、読出信号線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の他方端にそれぞれ接続されている。これらのアンプは、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置におけるアンプＱに相当する。
【０３６６】
スイッチＳＷＫは、画素電極ＥＬ間に接続され、画素電極群における各画素電極ＥＬがスイッチＳＷＫを介して互いに電気的に接続可能となるように設けられている。より詳細には、スイッチＳＷＫ１１は、画素電極ＥＬ１１と画素電極ＥＬ１２の間に接続され、スイッチＳＷＫ１２は、画素電極ＥＬ１３と画素電極ＥＬ１４の間に接続されている。スイッチＳＷＫ２１は、画素電極ＥＬ２１と画素電極ＥＬ２２の間に接続され、スイッチＳＷＫ２２は、画素電極ＥＬ２３と画素電極ＥＬ２４の間に接続されている。スイッチＳＷＫｎ１は、画素電極ＥＬｎ１と画素電極ＥＬｎ２の間に接続され、スイッチＳＷＫｎ２は、画素電極ＥＬｎ３と画素電極ＥＬｎ４の間に接続されている。
【０３６７】
また、スイッチＳＷＫ１１Ｓは、画素電極ＥＬ１１と画素電極ＥＬ２１の間に接続され、スイッチＳＷＫ２１Ｓは、画素電極ＥＬ１２と画素電極ＥＬ２２の間に接続され、スイッチＳＷＫ１２Ｓは、画素電極ＥＬ１３と画素電極ＥＬ２３の間に接続され、スイッチＳＷＫ２２Ｓは、画素電極ＥＬ１４と画素電極ＥＬ２４の間に接続されている。
【０３６８】
次に、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置が画素信号を生成する動作を詳細に説明する。まず、制御部１４の動作を詳細に説明する。
【０３６９】
垂直走査部１３は、まず、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行１および２を選択し、選択した画素行１および２のスイッチＳＷＬ２１，ＳＷＬ２２，ＳＷＬ２３，ＳＷＬ２４をオンする。また、垂直走査部１３は、選択していない画素行に対応する各スイッチＳＷＬをオフする。
【０３７０】
また、制御部１４は、複数のスイッチＳＷＫのオン／オフを制御することにより、読出回路Ｇに接続された画素電極ＥＬを含む異なる数の画素電極ＥＬからなり、かつスイッチＳＷＫを介して互いに電気的に接続されていない組を複数つくる。そして、制御部１４は、画素電極ＥＬを複数含む組においては、複数の画素電極ＥＬをスイッチＳＷＫを介して互いに電気的に接続する。
【０３７１】
より詳細には、垂直走査部１３は、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、スイッチＳＷＫ１１およびＳＷＫ１１Ｓをオンし、スイッチＳＷＫ２１およびＳＷＫ２１Ｓをオフし、また、スイッチＳＷＫ１２およびＳＷＫ１２Ｓをオンし、スイッチＳＷＫ２２およびＳＷＫ２２Ｓをオフする。
【０３７２】
図６２は、１つの画素電極群におけるスイッチ設定を示す図である。
図６２を参照して、上記のようなスイッチＳＷＫの設定により、スイッチＳＷＫを介して互いに電気的に接続され、かつ読出回路Ｇに接続された画素電極を含む３つの画素電極のグループＡと、読出回路Ｇに接続された１つの画素電極を含むグループＢとがつくられる。グループＡおよびＢは、スイッチＳＷＫを介して互いに電気的に接続されていない。
【０３７３】
再び図６１を参照して、選択された画素行１および２の読出回路Ｇ２１から読出信号線ＳＬ１に、画素電極ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ２１に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量の総和に応じたレベルの電流が出力され、読出回路Ｇ２２から読出信号線ＳＬ２に、画素電極ＥＬ２２に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量に応じたレベルの電流が出力される。また、選択された画素行１および２の読出回路Ｇ２３から読出信号線ＳＬ３に、画素電極ＥＬ１３，ＥＬ１４，ＥＬ２３に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量の総和に応じたレベルの電流が出力され、読出回路Ｇ２４から読出信号線ＳＬ４に、画素電極ＥＬ２４に対応するフォトダイオードＰＤの入射光量に応じたレベルの電流が出力される。そして、読出信号線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４がこれらの入射光量に応じたレベルの電圧に充電される。読出信号線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の電圧は、それぞれアンプＱ１〜Ｑ４によって増幅されてセレクタ１６に与えられる。
【０３７４】
次に、水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、垂直走査部１３によって画素行１および２が選択されている期間に、画素列１，２，３，４，…を１列ずつ順次選択する。セレクタ１６は、水平走査部１５によって選択されている画素列に対応するアンプＱの出力電圧ＶＤを選択して出力部１７に伝達する。
【０３７５】
以降、垂直走査部１３は、制御部１４から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行３〜画素行ｎを２行ずつ順次選択し、また、水平走査部１５は、制御部１４から与えられる水平走査信号に基づいて、画素列１〜画素列ｎを１列ずつ順次選択する。これにより、上記画素行１および２と同様の動作が繰り返され、画素アレイにおけるすべての画素に対応する読出信号が出力部１７へ出力される。
【０３７６】
次に、出力部１７が画素信号を生成する動作を詳細に説明する。出力部１７は、光電変換装置に入射する光の量を読出信号に基づいて検出し、検出結果に基づいて、使用する読出信号を切り替える。すなわち、出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合にはグループＡにおける画素電極からの電荷に基づく読出信号を選択し、受光量がＸ１以上である場合にはグループＢにおける画素電極からの電荷に基づく読出信号を選択する。
【０３７７】
より詳細には、出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合であって画素行１および２が選択されているときには、３つの画素電極ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ２１からの電荷を受ける読出回路Ｇ２１からの読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。次に、出力部１７は、３つの画素電極ＥＬ１３，ＥＬ１４，ＥＬ２３からの電荷を受ける読出回路Ｇ２３からの読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。このように、出力部１７は、垂直走査部１３によって画素行１および２が選択されている期間に、互いに電気的に接続された３つの画素電極に対応する読出信号を順次選択して画素信号を生成する。
【０３７８】
一方、出力部１７は、受光量がＸ１以上である場合であって画素行１および２が選択されているときには、１つの画素電極ＥＬ２２からの電荷を受ける読出回路Ｇ２２からの読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。次に、出力部１７は、１つの画素電極ＥＬ２４からの電荷を受ける読出回路Ｇ２４からの読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。このように、出力部１７は、垂直走査部１３によって画素行１および２が選択されている期間に、他の画素電極と電気的に接続されていない１つの画素電極に対応する読出信号を順次選択して画素信号を生成する。
【０３７９】
以降、画素行３〜画素行ｎが２行ずつ順次選択され、出力部１７は、３つの画素電極ＥＬまたは１つの画素電極ＥＬに対応する各読出信号を順次選択する。これにより、上記画素行１と同様の動作が繰り返される。
【０３８０】
図６３は、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置における入射光量と画素信号レベルとの関係を示すグラフ図である。
【０３８１】
図６３を参照して、出力部１７は、各アンプＱを介して各読出回路Ｇから受けた各読出信号および各スイッチＳＷＫのオン・オフ状態に基づいて画素信号を生成する。すなわち、出力部１７は、選択した画素電極のグループに対応する読出信号をその選択したグループに属する画素電極の数に基づいて補正することにより画素信号を生成する。
【０３８２】
たとえば、出力部１７は、受光量がＸ１未満であり、電極グループＡに対応する読出信号を選択した場合には、選択した読出信号のレベルを有する画素信号を出力する。
【０３８３】
また、出力部１７は、受光量がＸ１以上である場合には、電極グループＢに対応する読出信号を選択した場合には、選択した読出信号のレベルに（電極グループＡに属する画素電極ＥＬの数／電極グループＢに属する画素電極ＥＬの数）を乗じたレベルを有する画素信号を出力する。この例では、出力部１７は、選択したグループＢに対応する読出信号のレベルを４倍したレベルを有する画素信号を出力する。
【０３８４】
次に、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置が画素信号を生成する動作の他の例を詳細に説明する。
【０３８５】
出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合にはグループＡからの電荷に基づく読出信号を選択し、受光量がＸ１以上である場合にはグループＡおよびグループＢからの電荷に基づく読出信号を選択する。
【０３８６】
より詳細には、出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合であって画素行１および２が選択されているときには、３つの画素電極ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ２１からの電荷を受ける読出回路Ｇ２１からの読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。次に、出力部１７は、３つの画素電極ＥＬ１３，ＥＬ１４，ＥＬ２３からの電荷を受ける読出回路Ｇ２３からの読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。このように、出力部１７は、垂直走査部１３によって画素行１および２が選択されている期間に、互いに電気的に接続された３つの画素電極に対応する読出信号を順次選択して画素信号を生成する。
【０３８７】
一方、出力部１７は、受光量がＸ１以上である場合であって画素行１が選択されているときには、３つの画素電極ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ２１からの電荷を受ける読出回路Ｇ２１からの読出信号および１つの画素電極ＥＬ２２からの電荷を受ける読出回路Ｇ２２からの読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。次に、出力部１７は、３つの画素電極ＥＬ１３，ＥＬ１４，ＥＬ２３からの電荷を受ける読出回路Ｇ２３からの読出信号および１つの画素電極ＥＬ２４からの電荷を受ける読出回路Ｇ２４からの読出信号を選択し、選択した読出信号に基づいて画素信号を生成する。このように、出力部１７は、垂直走査部１３によって画素行１および２が選択されている期間に、互いに電気的に接続された３つの画素電極に対応する読出信号および他の画素電極と電気的に接続されていない１つの画素電極に対応する各読出信号を順次選択して画素信号を生成する。
【０３８８】
以降、画素行３〜画素行ｎが２行ずつ順次選択され、出力部１７は、３つの画素電極ＥＬおよび１つの画素電極ＥＬに対応する各読出信号を順次選択して合成する。これにより、上記画素行１と同様の動作が繰り返される。
【０３８９】
図６４は、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置における入射光量と画素信号レベルとの関係を示すグラフ図である。
【０３９０】
図６４を参照して、出力部１７は、各アンプＱを介して各読出回路Ｇから受けた各読出信号および各スイッチＳＷＫのオン・オフ状態に基づいて画素信号を生成する。すなわち、出力部１７は、複数のグループのいずれかを選択し、選択したグループに対応する読出信号に基づいて画素信号を生成する動作と、複数のグループのうちの複数を選択し、選択した複数のグループに対応する複数の読出信号を合成することにより画素信号を生成する動作とを選択的に行なう。
【０３９１】
たとえば、出力部１７は、受光量がＸ１未満である場合には、画素電極数の多いグループＡに対応する読出信号を選択し、選択した読出信号のレベルを有する画素信号を出力する。
【０３９２】
また、出力部１７は、受光量がＸ１以上である場合には、画素電極数の少ないグループＡおよび画素電極数の多いグループＢに対応する読出信号を選択し、選択した電極グループＡに対応する読出信号および電極グループＢに対応する読出信号のレベルを加算したレベルを有する画素信号を出力する。
【０３９３】
以上のように、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置では、受光量が小さいときには電極数の多いグループに対応する読出信号を用いて感度を向上させ、受光量が大きいときには電極数の少ないグループに対応する読出信号を用いて画素信号の飽和を抑制することができるため、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。また、ＣＩＧＳ薄膜２３において発生する電荷をグループＡにおける電極およびグループＢにおける電極において同一時間長蓄積し、これによって得られた各電気信号に基づいて画素信号を生成することから、動きの早い被写体を撮像する場合でも画像にずれが生じることを防ぐことができるため、高速画像についてもダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【０３９４】
したがって、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置では、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置と同様に、ダイナミックレンジを広げ、かつ画質の劣化を防ぐことができる。
【０３９５】
また、大電極および小電極からの電気信号を選択または合成することから、大電極および小電極間の電気的分離が十分でない場合でも、これに起因する電気信号の劣化を防ぐことができる。
【０３９６】
さらに、画素アレイにおいてサイズが略同じ電極を用いることから、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置と比べて製造の簡易化を図ることができる。なお、本発明の実施の形態７に係る光電変換装置では、画素電極間に接続されたスイッチＳＷＫが不要であるため、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置と比べて構成の簡易化を図ることができる。
【０３９７】
図６５は、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置の１つの画素電極群におけるスイッチの他の設定例を示す図である。
【０３９８】
図６５を参照して、画素列において隣り合う画素電極ＥＬ１１およびＥＬ２１を読出回路Ｇ２１にスイッチＳＷＫを介して電気的に接続し、かつ画素列において隣り合う画素電極ＥＬ１２およびＥＬ２２を読出回路Ｇ２２にスイッチＳＷＫを介して電気的に接続する。このとき、読出回路Ｇ２１およびＧ２２に対応するスイッチＳＷＬ２１およびＳＷＬ２２をオンする。
【０３９９】
すなわち、２つの画素電極が受ける電荷に基づく読出信号と、他の２つの画素電極が受ける電荷に基づく読出信号とを別個の信号として処理することも可能である。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図る代わりに、画面の解像度を上げることができる。
【０４００】
図６６は、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置の１つの画素電極群におけるスイッチの他の設定例を示す図である。
【０４０１】
図６６を参照して、画素電極ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ２１，ＥＬ２２を読出回路Ｇ２１にスイッチＳＷＫを介して電気的に接続する。このとき、読出回路Ｇ２１に対応するスイッチＳＷＬ２１をオンし、読出回路Ｇ２２に対応するスイッチＳＷＬ２２をオフする。
【０４０２】
すなわち、１つの画素電極群におけるすべての画素電極が受ける電荷に基づく読出信号を１つの信号として処理することも可能である。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図る代わりに、光αの量が通常レベルより少ない低照度時、ＣＩＧＳ薄膜２３において発生する電荷を読み出すための画素電極の面積を拡大することができるため、光電変換装置の感度を向上させることができる。
【０４０３】
また、各画素電極が受けた電荷を合成する際に、各画素電極のうち、１つの画素電極に対応する読出回路のみを使用することができる。すなわち各画素電極に対応する読出回路におけるノイズの影響を１つの読出回路分のみに抑制することができる。これにより、出力部１７に伝達される電圧すなわち読出信号の信号成分は合成対象の画素電極数倍向上でき、かつ出力部１７に伝達される読出信号のノイズ成分は１つの読出回路分のみに抑制することができる。このため、読出信号のＳ／Ｎ（Signal
to Noise）比すなわち画素信号のＳ／Ｎ比を大幅に改善することができることから、画質を大幅に向上させることができる。
【０４０４】
このように、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置では、スイッチ設定を変更するだけで、ダイナミックレンジを向上させたい場合、画面の解像度を上げたい場合および低照度時の画質を向上させたい場合のすべてに共通の回路で対応することが可能となる。
【０４０５】
図６７は、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置の変更例を示す図である。
図６７を参照して、この変更例における画素アレイは、ＣＩＧＳ薄膜２３の延在方向におけるサイズが略同じである９つの画素電極ＥＬからなる画素電極群を複数含む。各画素電極群の９つの画素電極ＥＬは、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面において互いに近接して設けられている。また、これらの画素電極群は、カラーフィルタＣＦの同一画素かつ同一色に対応する領域ごとに設けられている。また、画素アレイは、複数のスイッチＳＷＫを含む。
【０４０６】
そして、制御部１４によるスイッチＳＷＫの設定により、スイッチＳＷＫを介して互いに電気的に接続され、かつ読出回路Ｇに接続された画素電極を含む５つの画素電極のグループＡと、スイッチＳＷＫを介して互いに電気的に接続され、かつ読出回路Ｇに接続された画素電極を含む３つの画素電極のグループＢと、読出回路Ｇに接続された１つの画素電極を含むグループＣとがつくられる。このとき、制御部１４は、グループＡ、ＢおよびＣに対応する各読出回路に対応する各スイッチＳＷＬをオンする。
【０４０７】
出力部１７は、低照度時には電極グループＡに対応する読出信号を選択し、受光量が大きくなるに従って、電極グループＢに対応する読出信号および電極グループＣに対応する読出信号をこの順番で選択する。
【０４０８】
あるいは、出力部１７は、低照度時には電極グループＡに対応する読出信号を選択し、受光量が大きくなると、電極グループＡに対応する読出信号および電極グループＢに対応する読出信号を合成し、さらに受光量が大きくなると、電極グループＡ、ＢおよびＣに対応する読出信号を合成する。
【０４０９】
このような構成により、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置と比べて、さらにダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【０４１０】
図６８は、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置の変更例の画素電極群におけるスイッチＳＷＫの他の設定例を示す図である。
【０４１１】
図６８を参照して、制御部１４によるスイッチＳＷＫの設定により、スイッチＳＷＫを介して互いに電気的に接続され、かつ読出回路Ｇに接続された画素電極を含む５つの画素電極のグループＡと、スイッチＳＷＫを介して互いに電気的に接続され、かつ読出回路Ｇに接続された画素電極を含む４つの画素電極のグループＢとがつくられる。このとき、制御部１４は、グループＡに対応する読出回路に接続されたスイッチＳＷＬをオンする。また、制御部１４は、グループＢにおける２つの画素電極が読出回路Ｇにそれぞれ接続されているため、グループＢに対応する２つの読出回路Ｇに接続された２つのスイッチＳＷＬのいずれかをオンする。
【０４１２】
これにより、各グループに対応する読出回路におけるノイズの影響を１つの読出回路分のみに抑制することができるため、読出信号のＳ／Ｎ比すなわち画素信号のＳ／Ｎ比を大幅に改善することができることから、画質を大幅に向上させることができる。
【０４１３】
その他の構成および動作は実施の形態８に係る光電変換装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【０４１４】
なお、本発明の実施の形態８に係る光電変換装置では、画素電極群が４つの画素電極からなる構成であるとしたが、画素電極群が３つの画素電極からなる構成であっても、２つの画素電極からなるグループと、１つの画素電極からなるグループとに分けることにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【０４１５】
また、出力部１７は、受光量に応じた読出信号の選択を、１画面分すなわち画素アレイ全体の画素処理ごとに切り替える構成であってもよいし、１画面の途中で切り替える構成であってもよい。
【０４１６】
また、出力部１７は、アナログ信号である読出信号に基づいてアナログ信号である画素信号を出力する構成であってもよいし、アナログ／デジタル変換を行なってデジタル信号である画素信号を出力する構成であってもよい。
【０４１７】
[実施の形態９]
ところで、従来の第１のイメージセンサでは、ＣＩＧＳ薄膜の表面に透明電極が形成され、ＣＩＧＳ薄膜の裏面に複数の画素電極が形成されている。ＣＩＧＳ薄膜に光が照射されると、光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。ＣＩＧＳ薄膜に発生した電子−正孔対のうちの正孔すなわち正電荷は、画素電極を介して読出回路に流れる。
【０４１８】
また、従来の第２のイメージセンサでは、ＣＩＧＳ薄膜がエッチングによって複数のＣＩＧＳ層に分離され、各ＣＩＧＳ層の表面に透明電極が形成され、各ＣＩＧＳ層の裏面に画素電極が形成されている。
【０４１９】
しかし、従来の第１のイメージセンサでは、ＣＩＧＳ薄膜が画素毎に分離されていないので、ＣＩＧＳ薄膜に発生した正電荷がその直下の画素電極に流れるとは限らず、画像分解能が低いと言う問題があった。
【０４２０】
また、従来の第２のイメージセンサでは、１つのＣＩＧＳ薄膜をエッチングによって複数のＣＩＧＳ層に分離していたので、ＣＩＧＳ層の面積などがばらつき、画素の感度のばらつきが大きいと言う問題があった。
【０４２１】
それゆえに、この実施の形態９の発明の主たる目的は、画像分解能が高く、画素の感度のばらつきが小さな光電変換装置を提供することである。
【０４２２】
図６９（ａ）は、この発明の実施の形態９による光電変換装置の画素アレイの要部を示す断面図である。図６９（ｂ）は、図６９（ａ）のＬＸＩＸ−ＬＸＩＸ線断面図である。図６９(ａ）（ｂ）において、画素アレイは半導体基板２１を含む。半導体基板２１の表面には、読出回路層２２が形成されている。読出回路層２２は、ＭＯＳトランジスタ、キャパシタ、配線、絶縁層、ビアホールなどで構成されている。
【０４２３】
読出回路層２２の表面には、複数の画素電極ＥＬが所定の間隔で配置されている。複数の画素電極ＥＬは、複数行複数列に配列されている。また、読出回路層２２の表面には、各画素電極ＥＬを囲むようにして分離電極９０が形成されている。換言すると、読出回路層２２の表面に、格子状の分離電極９０が形成され、分離電極９０で囲まれた各四角形状の領域の中央部に四角形の画素電極ＥＬが形成されている。電極ＥＬ，９０の各々は、Ｍｏで形成されている。
【０４２４】
複数の画素電極ＥＬおよび分離電極９０を覆うようにしてＣＩＧＳ薄膜２３が形成され、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面にはＣｄＳ層２４および透明電極２５が積層されている。ＣＩＧＳ薄膜２３は、ｐ型の化合物半導体薄膜であり、その厚さはたとえば１．７μｍである。ＣｄＳ層２４は、ｎ型の化合物半導体薄膜で形成されたバッファ層であり、その厚さはたとえば５０ｎｍである。透明電極２５は、たとえばＺｎＯ膜であり、その厚さはたとえば１μｍである。したがって、ＣＩＧＳ薄膜２３と透明電極２５によってＰＮ接合が形成される。
【０４２５】
換言すると、光電変換膜であるＣＩＧＳ薄膜２３が複数の画素領域に分割され、ＣＩＧＳ薄膜２３の表面にバッファ層であるＣｄＳ層２４を介して透明電極２５が形成され、ＣＩＧＳ薄膜２３の裏面において各画素領域に画素電極ＥＬが形成され、ＣＩＧＳ薄膜２３の裏面において各画素電極ＥＬを囲むようにして分離電極９０が形成されている。
【０４２６】
図７０は、図６９（ａ）（ｂ）に示した画素アレイの構成および動作を模式的に示す図である。なお、バッファ層であるＣｄＳ層２４の図示は省略されている。図７０において、各画素電極ＥＬに対応して読出回路Ｇが設けられる。読出回路Ｇは、図６９（ａ）の読出回路層２２において対応の画素電極ＥＬの下に形成されている。読出回路Ｇは、読出動作時に、対応の画素電極ＥＬにアノード電圧ＶＡ（たとえば１Ｖ）を印加し、対応の画素電極ＥＬに流入した電荷の量に応じたレベルの電流ＩＲを出力する。
【０４２７】
また、透明電極２５にはアノード電圧ＶＡよりも高いカソード電圧ＶＫ（たとえば３Ｖ）が印加され、分離電極９０にはカソード電圧ＶＫと同じレベルのバイアス電圧ＶＢ（この場合は３Ｖ）が印加される。これにより、各画素電極ＥＬと透明電極２５の間に空乏層が形成され、各画素電極ＥＬと透明電極２５の間の領域はフォトダイオードＰＤとして動作する。各画素電極ＥＬはフォトダイオードＰＤのアノードとなり、透明電極２５はフォトダイオードＰＤのカソードとなる。一方、透明電極２５と分離電極９０の間には空乏層は形成されず、透明電極２５と分離電極９０の間の領域は抵抗素子として動作する。
【０４２８】
外部から透明電極２５を介してＣＩＧＳ薄膜２３に光αが入射すると、ＣＩＧＳ薄膜２３内で光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。ＣＩＧＳ薄膜２３では正孔が多数キャリアであり、正孔すなわち正電荷がその近傍の画素電極ＥＬに流入する。隣接する２つの画素電極ＥＬの間で発生した正電荷は、電界が無いので消滅するか分離電極９０に吸収される。
【０４２９】
なお、図７１に示すように、分離電極９０が無い場合は、各画素領域で発生した正電荷が他の画素領域に流入するのを防止することができず、画像分解能が低くなる。
【０４３０】
これに対して、この実施の形態９では、各画素電極ＥＬを囲むようにして分離電極９０を形成したので、各画素領域で発生した正電荷が他の画素領域に流入するのを防止することができ、高い画像分解能を得ることができる。
【０４３１】
なお、所定レベルを超える光量の強い光αが入射した場合は、ＣＩＧＳ薄膜２３内で大量の電荷が発生し、読出回路Ｇの出力電流ＩＲのレベルが飽和してしまう。このような場合は、図７２に示すように、バイアス電圧ＶＢをアノード電圧ＶＡよりも低い電圧（たとえば０Ｖ）にし、分離電極９０によって電荷を強力に排出してもよい。これにより、読出回路Ｇの出力電流ＩＲのレベルの飽和を防止することができ、被写体が明るい場合でも撮影することが可能となる。
【０４３２】
図７３（ａ）はこの実施の形態９の変更例を示す断面図であり、図７３（ｂ）は図７３（ａ）のＬＸＸＩＩＩ−ＬＸＸＩＩＩ線断面図である。この変更例では、透明電極２５の表面に複数のカラーフィルタＣＦが形成される。複数のカラーフィルタＣＦは、それぞれ複数の画素電極ＥＬの上方に配置される。各カラーフィルタＣＦは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のうちのいずれかに着色されている。Ｒ，Ｇ，Ｂは、所定の順序で配置される。この変更例では、カラーイメージセンサを構成することができる。
【０４３３】
図７４（ａ）はこの実施の形態９の他の変更例を示す断面図であり、図７４（ｂ）は図７４（ａ）のＬＸＸＩＶＢ−ＬＸＸＩＶＢ線断面図である。この変更例では、各画素電極ＥＬと分離電極９０との間の領域において、画素電極ＥＬを囲むようにして環状の補助電極９１が設けられる。図７５に示すように、補助電極９１には、アノード電圧ＶＡよりも低いバイアス電圧ＶＢＢ（たとえば０Ｖ）が印加される。所定レベルを超える光量の強い光αが入射した場合は、ＣＩＧＳ薄膜２３内で大量の電荷が発生するが、過剰な電荷は補助電極９１によって強力に排出される。これにより、読出回路Ｇの出力電流ＩＲのレベルの飽和を防止することができ、被写体が明るい場合でも撮影することが可能となる。
【０４３４】
また、光電変換装置の全体構成は、図２で説明した通りである。また、画素Ｐの構成は、図３で示した通りである。
【０４３５】
なお、この実施の形態９では、本願発明がＣＩＧＳ薄膜を用いたイメージセンサに適用された場合について説明したが、本願発明は、ＣＩＧＳ薄膜以外の化合物半導体薄膜や、有機半導体薄膜、光電変換薄膜、あるいは光電変換厚膜を用いたイメージセンサにも適用可能である。また、本願発明は、イメージセンサに限らず、フォトセンサやラインセンサにも適用可能である。
【０４３６】
[実施の形態１０]
カラー画像および近赤外（Near  Infrared：ＮＩＲ）画像を得るための従来の撮像装置は、たとえば、可視光と近赤外光とを分離する分光フィルタ機能を有するプリズムと、このプリズムを通過した可視光に基づいてカラー画像を生成するカラー撮像部と、このプリズムを通過した近赤外光に基づいて近赤外画像を生成する近赤外撮像部とを備える。このような構成は、２板撮像方式と呼ばれている。
【０４３７】
ところが、このような従来の撮像装置では、高性能のプリズムと、カラー画像用および近赤外画像用の２つの撮像素子と、カラー画像用および近赤外画像用の画像信号を生成するための２つの画像信号処理部とが必要となるため、製造コストが増大し、かつサイズが大型になってしまう。特許文献３および非特許文献１〜４には、このような問題点を解決するための構成は開示されていない。
【０４３８】
また、カラー画像と近赤外画像とを１画面で同時に視認することは医療およびセキュリティ等の分野において有意義であるが、特許文献３および非特許文献１〜４には、カラー画像と近赤外画像とを１画面で同時に表示する際の画像の視認性を高めるための構成は開示されていない。
【０４３９】
それゆえに、本実施の形態１０の目的は、カラー画像と近赤外画像とを１画面で同時に表示する際の画像の視認性を高めるとともに、製造コストの増大を防ぎ、かつ小型化を図ることが可能な撮像装置を提供することである。
【０４４０】
図７６は、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置１００の構成を示す図である。
図７６を参照して、撮像装置１００は、光電変換部１０１と、画像信号処理部１０２と、表示部１０３と、制御部１０４と、レンズ１０５と、記憶部１１１〜１１４と、発光素子Ｘ１〜Ｘ４とを備える。発光素子Ｘ１〜Ｘ４は、たとえばＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）である。
【０４４１】
撮像装置１００は、被写体を撮像して画面に表示する。より詳細には、発光素子Ｘ１〜Ｘ４は、制御部１０４の制御に基づいて、それぞれ異なる波長を有する光を被写体に順次照射する。レンズ１０５は、被写体からの光を光電変換部１０１に集光する。光電変換部１０１は、レンズ１０５から受けた光を電気信号である画素信号に変換して画像信号処理部１０２へ出力する。画像信号処理部１０２は、光電変換部１０１から受けた各画素の画素信号に対して補間処理、色処理および補正処理等の種々の信号処理を行なって画像信号を生成する。また、画像信号処理部１０２は、発光素子Ｘ１〜Ｘ４からそれぞれ被写体に光を照射した場合に生成した画像信号をそれぞれ記憶部１１１〜１１４に一時保存し、これらの画像信号に基づいて合成画像信号を生成し、表示部１０３へ出力する。表示部１０３は、画像信号処理部１０２から受けた合成画像信号に基づいて画像を表示する。
【０４４２】
光電変換部１０１の構成は、図２で示した通りである。画素Ｐの構成は、図３で示した通りである。画素アレイの構成および動作は、図２９および図３０で示した通りである。
【０４４３】
図７７は、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置におけるカラーフィルタの透過率を示す図である。図７７は、カラーフィルタＣＦが原色フィルタ（ＲＧＢカラーフィルタ）である場合の透過率を示している。
【０４４４】
図７７を参照して、撮像装置１００では、白色光を被写体に照射し、カラーフィルタＣＦを通過した光によってカラー画像を得ることができる。また、カラーフィルタＣＦは近赤外光に対してはフィルタが存在しない場合と同等の特性となるため、撮像装置１００は近赤外カメラとして動作し、白黒画像を得ることができる。
【０４４５】
図７８は、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置が被写体の撮影を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。
【０４４６】
図７８を参照して、撮像装置１００は、発光素子Ｘ１から白色光を被写体に照射する（ステップＳ１）。
【０４４７】
次に、撮像装置１００は、被写体からの光を画素信号すなわち電気信号に変換してカラー画像を取得する（ステップＳ２）。
【０４４８】
次に、撮像装置１００は、発光素子Ｘ２から近赤外光ＮＩＲ１を被写体に照射する（ステップＳ３）。
【０４４９】
次に、撮像装置１００は、被写体からの光を画素信号すなわち電気信号に変換して白黒画像を取得する（ステップＳ４）。
【０４５０】
撮像装置１００は、ステップＳ３およびＳ４の動作を発光素子Ｘ３（ＮＩＲ２）およびＸ４（ＮＩＲ３）について順番に行なう。
【０４５１】
次に、撮像装置１００は、カラー画像において表示可能な色を、ステップＳ４において取得した白黒画像ごとに、すなわち近赤外光ＮＩＲ１〜ＮＩＲ３ごとに選択する（ステップＳ５）。
【０４５２】
次に、撮像装置１００は、近赤外光ＮＩＲ１〜ＮＩＲ３に対応する３つの白黒画像をそれぞれ選択色（ステップＳ５において選択した色）と黒の擬似カラー画像に変換する（ステップＳ６）。
【０４５３】
次に、撮像装置１００は、ステップＳ２において取得したカラー画像に各擬似カラー画像の選択色部分を反映した合成画像を生成し（ステップＳ７）、この合成画像を表示する（ステップＳ８）。
【０４５４】
図７９は、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置が被写体の撮影を行なう際の動作手順を概念的に示す図である。図８０は、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置が被写体に光を照射する際の動作手順を示すタイムチャートである。図８１は、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置が被写体の画像を生成する際の動作手順を示すタイムチャートである。図８０および図８１に示すＶＤはたとえば制御部１０４が生成するタイミング信号であり、１画面あたりの処理時間を１周期とする信号である。
【０４５５】
図７９〜図８１を参照して、撮像装置１００は、発光素子の点灯、電荷の蓄積、電荷の読み出し、画素信号の生成、記憶部への書き込み、および記憶部からの読み出しを、各発光素子について並列に行なう。
【０４５６】
より詳細には、最初のタイミングＴ１において、撮像装置１００は、白色光のＬＥＤすなわち発光素子Ｘ１を点灯する。また、撮像装置１００は、センサに電荷を蓄積していく、すなわち画素ＰのフォトダイオードＰＤにおいて変換された電荷が蓄積されていく。このとき、並列処理として電荷を読み出す動作が行なわれるが、白色光に対応する電荷の蓄積は完了しておらず、この読み出し動作は無効である。
【０４５７】
次のタイミングＴ２において、撮像装置１００は、近赤外光ＮＩＲ１のＬＥＤすなわち発光素子Ｘ２を点灯する。また、撮像装置１００は、センサに電荷を蓄積していく、すなわち画素ＰのフォトダイオードＰＤにおいて変換された電荷が蓄積されていく。また、撮像装置１００は、蓄積が完了した白色光に対応する電荷を読み出してカラー画像信号を生成し、記憶部１１１に書き込む。
【０４５８】
次のタイミングＴ３において、撮像装置１００は、近赤外光ＮＩＲ２のＬＥＤすなわち発光素子Ｘ３を点灯する。また、撮像装置１００は、センサに電荷を蓄積していく、すなわち画素ＰのフォトダイオードＰＤにおいて変換された電荷が蓄積されていく。また、撮像装置１００は、蓄積が完了した近赤外光ＮＩＲ１に対応する電荷を読み出して白黒画像信号（ＮＩＲ１）を生成し、記憶部１１２に書き込む。
【０４５９】
次のタイミングＴ４において、撮像装置１００は、近赤外光ＮＩＲ３のＬＥＤすなわち発光素子Ｘ４を点灯する。また、撮像装置１００は、センサに電荷を蓄積していく、すなわち画素ＰのフォトダイオードＰＤにおいて変換された電荷が蓄積されていく。また、撮像装置１００は、蓄積が完了した近赤外光ＮＩＲ２に対応する電荷を読み出して白黒画像信号（ＮＩＲ２）を生成し、記憶部１１３に書き込む。
【０４６０】
次のタイミングＴ５において、撮像装置１００は、白色光のＬＥＤすなわち発光素子Ｘ１を点灯する。また、撮像装置１００は、センサに電荷を蓄積していく、すなわち画素ＰのフォトダイオードＰＤにおいて変換された電荷が蓄積されていく。また、撮像装置１００は、蓄積が完了した近赤外光ＮＩＲ３に対応する電荷を読み出して白黒画像信号（ＮＩＲ３）を生成し、記憶部１１４に書き込む。
【０４６１】
以降、撮像装置１００は、タイミングＴ２〜Ｔ５の動作を繰り返す。また、撮像装置１００は、最初のタイミングＴ５以降において、合成カラー画像を生成する。すなわち、撮像装置１００は、タイミングＴ５において、記憶部１１１に既に保存されているカラー画像信号、記憶部１１２に既に保存されている白黒画像信号（ＮＩＲ１）、記憶部１１３に既に保存されている白黒画像信号（ＮＩＲ２）、および記憶部１１４に新たに保存された白黒画像信号（ＮＩＲ３）を読み出し、合成画像信号を生成する。また、撮像装置１００は、タイミングＴ２において、記憶部１１１に新たに保存されたカラー画像信号、記憶部１１２に既に保存されている白黒画像信号（ＮＩＲ１）、記憶部１１３に既に保存されている白黒画像信号（ＮＩＲ２）、および記憶部１１４に既に保存されている白黒画像信号（ＮＩＲ３）を読み出し、合成画像信号を生成する。また、撮像装置１００は、タイミングＴ３において、記憶部１１１に既に保存されているカラー画像信号、記憶部１１２に新たに保存された白黒画像信号（ＮＩＲ１）、記憶部１１３に既に保存されている白黒画像信号（ＮＩＲ２）、および記憶部１１４に既に保存されている白黒画像信号（ＮＩＲ３）を読み出し、合成画像信号を生成する。また、撮像装置１００は、タイミングＴ４において、記憶部１１１に既に保存されているカラー画像信号、記憶部１１２に既に保存されている白黒画像信号（ＮＩＲ１）、記憶部１１３に新たに保存された白黒画像信号（ＮＩＲ２）、および記憶部１１４に既に保存されている白黒画像信号（ＮＩＲ３）を読み出し、合成画像信号を生成する。
【０４６２】
なお、ここでは、発光素子Ｘ１〜Ｘ４の露光時間が等しく設定されているが、発光素子Ｘ１〜Ｘ４の露光時間をそれぞれ調整することにより、各波長の光の感度を調整することも可能である。
【０４６３】
図８２は、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置の光特性を示す図である。図８２において、Ｇ１はＣＩＧＳ薄膜２３の感度を示し、Ｇ２はＨｂＯ２の吸光係数を示し、Ｇ３はＨｂの吸光係数を示す。
【０４６４】
図８２を参照して、撮像装置１００は、たとえば、青色に対応する波長として４１０ｎｍ（Ｂ１ｃｈ），４５０ｎｍ（Ｂ２ｃｈ）、緑色に対応する波長として５４５ｎｍ（Ｇｃｈ）、赤色に対応する波長として６００ｎｍ（Ｒ１ｃｈ），６６０ｎｍ（Ｒ２ｃｈ）の発光素子を備え、これらの発光素子が白色光を照射する発光素子Ｘ１として用いられる。また、撮像装置１００は、たとえば、近赤外領域における波長として７８０ｎｍ（ＩＲ１），８５０ｎｍ（ＩＲ３），９４５ｎｍ（ＩＲ４），１０５０ｎｍ（ＩＲ６），１０７０ｎｍ（ＩＲ７），１２００ｎｍ（ＩＲ８）の発光素子を備え、これらの発光素子のうちの３つが適宜選択されて発光素子Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４として用いられる。
【０４６５】
撮像装置１００は、たとえば、人体の動脈および静脈を撮影するために用いられる。この場合、近赤外領域に対応する発光素子としては、生体の窓Ａの範囲に含まれる波長、すなわち生体を通過する波長範囲に含まれる波長の発光素子を選択する。そして、動脈にはＨｂＯ２が多く存在し、静脈にはＨｂが多く存在することから、グラフＧ２およびＧ３より、ＨｂＯ２とＨｂとの比が大きくなるような波長を選択することにより、動脈および静脈を区別して正確に表示することができる。たとえば、７８０ｎｍ（ＩＲ１），８５０ｎｍ（ＩＲ３），９４５ｎｍ（ＩＲ４）の発光素子を発光素子Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４として選択する。
【０４６６】
すなわち、動脈にはＨｂＯ２が多く存在することから、グラフＧ２より、ＩＲ１，ＩＲ３，ＩＲ４のうち、ＩＲ３およびＩＲ４の光を被写体に照射した場合に得られる画像が動脈を主に示すと考えることができる。
【０４６７】
また、静脈にはＨｂが多く存在することから、グラフＧ３より、ＩＲ１，ＩＲ３，ＩＲ４のうち、ＩＲ１の光を被写体に照射した場合に得られる画像が静脈を主に示すと考えることができる。
【０４６８】
撮像装置１００における画像信号処理部１０２は、ＩＲ２〜ＩＲ４に対応する各白黒画像信号をカラーフィルタＣＦの互いに異なる透過色と黒の画像を示す複数の擬似カラー画像信号に変換する。たとえば、撮像装置１００では、ＩＲ１の光を被写体に照射した場合に得られる白黒画像を赤と黒の擬似カラー画像に変換し、ＩＲ３の光を被写体に照射した場合に得られる白黒画像を緑と黒の擬似カラー画像に変換し、ＩＲ４の光を被写体に照射した場合に得られる白黒画像を青と黒の擬似カラー画像に変換する。なお、白黒画像における輝度差を、赤、青および緑の輝度差にそれぞれ反映させることも可能である。
【０４６９】
そして、撮像装置１００における画像信号処理部１０２は、擬似カラー画像信号が示す画像において選択色（ステップＳ５において選択した色）である部分に対応するカラー画像信号が示す画像における部分を選択色とした画像を示す合成画像信号を生成する。すなわち、これらの擬似カラー画像の赤色部分、緑色部分および青色部分を、白色光を被写体に照射した場合に得られるカラー画像に上書きした合成画像を生成する。ここで、画像信号処理部１０２は、各擬似カラー画像信号が示す画像において選択色である部分が重なる場合には、カラー画像信号が示す画像における部分を各選択色の合成色とした画像を示す合成画像信号を生成する。これにより、人体において動脈が赤色、静脈が青緑色で表示された合成画像を表示することができる。
【０４７０】
また、画像信号処理部１０２が選択する色は、レジスタ設定等によってユーザが変更可能である。これにより、撮像装置の用途に応じて適切な画像を表示することが可能となる。
【０４７１】
図８３は、医療用の応用波長を示す図である。図８３において、Ｂｃｈは４１５ｎｍ（３９０ｎｍ〜４４５ｎｍ）で狭帯域フィルタ内視鏡（narrow  band  imaging；NBI）用途であり、Ｇｃｈは５４０ｎｍ（５３０ｎｍ〜５５０ｎｍ）で狭帯域フィルタ内視鏡（narrow  band  imaging；NBI）用途であり、Ｒｃｈは６６０ｎｍでＨｂＯ２とＨｂとの比を計測する用途であり、ＩＲ１は７８０ｎｍで光トポグラフィ用途であり、ＩＲ２は８０５ｎｍでＨｂＯ２とＨｂとの比を計測する用途、かつセンチネルリンパ節透視用途であり、８４０ｎｍで光トポグラフィ用途であり、ＩＲ３は８８０ｎｍでＨｂＯ２とＨｂとの比を計測する用途であり、ＩＲ４は９６５ｎｍで水を計測する用途であり、ＩＲ５は１０２０ｎｍでＨｂＯ２とＨｂとの比を計測する用途、かつ１０２５ｎｍで氷を計測する用途である。
【０４７２】
撮像装置１００では、図８２に示すような種々の波長の発光素子を設けることにより、図８３に示すような医療用の応用波長に対応することが可能となる。たとえば、撮像装置１００を、ＨｂＯ２とＨｂとの比のマルチスペクトル測定、肌測定、血管可視化カメラ、および８００ｎｍ〜１１００ｎｍが撮像範囲となる血糖値測定（グルコース測定）に適用することができる。
【０４７３】
ところで、従来の撮像装置では、たとえばシリコンのイメージセンサが用いられていたため、近赤外領域における感度が低いことから、可視光と近赤外光とを分離するためのプリズムと、カラー画像用および近赤外画像用の２つの撮像素子と、カラー画像用および近赤外画像用の画像信号を生成するための２つの画像信号処理部とが必要となる。
【０４７４】
これに対して、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置では、たとえば、可視光から近赤外光の範囲すなわち４００ｎｍ〜１３００ｎｍの広範囲の感度領域を有するＣＩＧＳ薄膜を用いる。すなわち、近赤外領域における光に対しても高感度であるＣＩＧＳ薄膜を用いることにより、可視光と近赤外光とを分離するためのプリズムが不要となり、また、カラー画像用および近赤外画像用の撮像素子を共用し、また、カラー画像用および近赤外画像用の画像信号を生成するための画像信号処理部を共用することが可能となる。
【０４７５】
また、非特許文献１では、近赤外領域の１０２５ｎｍの白黒画像を用いて氷結晶の可視化を行なっている。しかしながら、得られる画像は白黒画像であり、組成画像として十分な画質であるとは限らない。
【０４７６】
従来の撮像装置では、ＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）の分光感度領域が７００ｎｍ〜１１００ｎｍであり、概略の特性は、７００ｎｍ以上から感度が劣化し、１１００ｎｍが限界値である。このため、従来の撮像装置で１０２５ｎｍの良好な画像信号を得ることは困難である。また、ＮＢＩではＢｃｈとして３９０ｎｍ〜４４５ｎｍ、Ｇｃｈとして５３０ｎｍ〜５５０ｎｍを用いるが、これらの波長の光は可視光である。
【０４７７】
非特許文献３に示すように、ＣＩＧＳ薄膜を用いたセンサに比較してＣＣＤ  ＣＭＯＳセンサでは有意な近赤外光を２波長選択することは困難である。これは、ＣＣＤ  ＣＭＯＳセンサが、７００ｎｍ〜１１００ｎｍの分光感度領域を有し、相対感度１００％に対して７００ｎｍにおいて６０％程度の感度しか有しないからである。これに対して、ＣＩＧＳセンサは、７００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲で良好な感度を有し、相対感度１００％に対して７００ｎｍにおいて９０％程度の感度を有し、ＣＣＤ  ＣＭＯＳセンサと比較して２倍近く感度が高い。また、ＣＩＧＳセンサは、９００ｎｍ付近では、ＣＣＤ  ＣＭＯＳセンサと比較して４倍近く感度が高くなる。
【０４７８】
監視カメラおよび医療用カメラ等では、可視光のカラー画像は人間の眼と同様の像が得られるので重要な画像情報である。本発明の実施の形態１０に係る撮像装置では、画像信号処理部１０２は、白色発光素子から被写体に光を照射した場合に複数の読み出し回路Ｇから出力される読み出し信号に基づいてカラー画像信号を生成し、近赤外発光素子から被写体に光を照射した場合に複数の読み出し回路Ｇから出力される読み出し信号に基づいて白黒画像信号を生成する。そして、画像信号処理部１０２は、カラー画像において表示可能な色を選択し、白黒画像信号を選択色と黒の画像を示す擬似カラー画像信号に変換し、カラー画像信号および擬似カラー画像信号に基づいて１つの画像を示す合成画像信号を生成する。
【０４７９】
このような構成により、カラー画像と有用な情報を示す擬似カラー画像とをユーザが１画面で同時に視認することができるため、視認性の高い画像を得ることができ、違和感なく多量の情報を得ることができる。そして、このような画像を１つの光学系統で実現することができるため、安価で有用な撮像装置を提供することができる。
【０４８０】
また、従来の２板撮像方式では、前述のように、近赤外領域における１波長に対応する画像しか得られない。これに対して、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置は、白色発光素子Ｘ１、近赤外発光素子Ｘ２〜Ｘ４および記憶部１１１〜１１４を備え、各発光素子について時分割処理すなわち面順次分割（＝フィールドシーケンシャル）処理を行なう。このような構成により、近赤外領域における複数の波長に対応する画像を１台の撮像装置で得ることができる。
【０４８１】
なお、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置は、近赤外光を発する発光素子を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。被写体が自ら近赤外光を発する物質である場合には、撮像装置が近赤外光の発光素子Ｘ２〜Ｘ４を備えず、画像信号処理部１０２が、発光素子Ｘ１から被写体に光を照射していない場合に複数の読み出し回路Ｇから出力される読み出し信号に基づいて白黒画像信号を生成する構成であってもよい。また、撮像装置が近赤外光を発する発光素子を備える場合でも、近赤外光を発する発光素子の数は３に限定するものではなく、いくつでもよい。
【０４８２】
また、本発明の実施の形態１０に係る画素アレイは、ＣＩＧＳ薄膜を含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。ＣＩＧＳ薄膜と同様に広範囲の感度領域を有する化合物半導体薄膜または化合物半導体厚膜を含む構成であればよい。
【０４８３】
また、本発明の実施の形態１０に係る撮像装置では、画像信号処理部１０２が、カラー画像において表示可能な色であってカラー画像信号が示す画像において存在しない色を検索し、白黒画像信号を検索した色と黒の画像を示す擬似カラー画像信号に変換する構成であってもよい。
【０４８４】
たとえば、画像信号処理部１０２は、カラー自然画像において、Ｂ（青色）−Ｙ（輝度）を横軸、Ｒ（赤色）−Ｙ（輝度）を縦軸とした座標系を作成して、各画素Ｐの画像信号をプロットし、この座標系においてプロットされていない座標に対応する色を発光素子Ｘ２〜Ｘ４に対応する白黒画像に割り振る。また、画像信号処理部１０２は、発光素子Ｘ１によって得られたカラー画像における色度を演算して集計し、カラー画像上において色度距離が離れた色をそれぞれ発光素子Ｘ２〜Ｘ４に対応する白黒画像に割り振る。
【０４８５】
本発明は、たとえば、ＦＡ（Factory  Automation）検査用の撮像装置、胃カメラおよびカプセル内視鏡等の医療用カラー／ＮＩＲ  マルチバンド撮像装置、静脈認証等を行なうセキュリティ監視カメラ、人肌監視等を行なう車載用カラー／ＮＩＲ  マルチバンド撮像装置、ならびに糖度測定等を行なう農業用撮像装置等に適用することができる。また、本発明は、たとえば、食品、生物、バイオ、水分および氷結晶の等のカラー撮像装置に適用することができる。
【０４８６】
次に、実施の形態１０の変更例について説明する。本変更例は、実施の形態１０に係る撮像装置と比べて画像の生成方法を変更した撮像装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１０に係る撮像装置と同様である。
【０４８７】
図８４は、本変更例に係る撮像装置が被写体の撮影を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。
【０４８８】
図８４を参照して、本変更例に係る撮像装置は、発光素子Ｘ１から白色光を被写体に照射する（ステップＳ１１）。
【０４８９】
次に、撮像装置は、被写体からの光を画素信号すなわち電気信号に変換する。より詳細には、撮像装置は、レッド、グリーンおよびブルーの波長成分に対応する電気信号すなわちＲ信号、Ｇ信号およびＢ信号を生成する。そして、撮像装置は、Ｒ信号、Ｇ信号およびＢ信号から輝度信号Ｙを算出することにより、カラー画像の輝度成分を取得する（ステップＳ１２）。
【０４９０】
次に、撮像装置は、発光素子Ｘ２から近赤外光ＮＩＲ１を被写体に照射する（ステップＳ１３）。
【０４９１】
次に、撮像装置は、被写体からの光を画素信号すなわち電気信号に変換して白黒画像を取得する、すなわち、近赤外光ＮＩＲ１に対応する白黒画像信号（ＮＩＲ１）を算出する（ステップＳ１４）。
【０４９２】
次に、撮像装置は、発光素子Ｘ３から近赤外光ＮＩＲ２を被写体に照射する（ステップＳ１３）。
【０４９３】
次に、撮像装置は、被写体からの光を画素信号すなわち電気信号に変換して白黒画像を取得する、すなわち、近赤外光ＮＩＲ２に対応する白黒画像信号（ＮＩＲ２）を算出する（ステップＳ１４）。
【０４９４】
次に、撮像装置は、輝度信号と、近赤外光ＮＩＲ１およびＮＩＲ２に対応する２つの白黒画像信号とに基づいて合成画像信号を生成する。より詳細には、白黒画像信号（ＮＩＲ１）の反転信号をＮＩＲＩＮＶ１とし、白黒画像信号（ＮＩＲ２）の反転信号をＮＩＲＩＮＶ２とすると、撮像装置は、ＮＩＲＩＮＶ１−ＹおよびＮＩＲＩＮＶ２−Ｙを算出する（ステップＳ１５）。
【０４９５】
次に、撮像装置は、ＮＩＲＩＮＶ１−Ｙ、ＮＩＲＩＮＶ２−ＹおよびＹを合成画像信号とし（ステップＳ１６）、この合成画像信号の示す画像を表示する（ステップＳ１７）。すなわち、撮像装置は、ＮＩＲＩＮＶ１−Ｙ、ＮＩＲＩＮＶ２−ＹおよびＹを、色差信号によるカラー化処理すなわちＲ−Ｙ、Ｂ−ＹおよびＹの信号を画像信号とする処理に当てはめることにより、擬似カラー化を行なう。
【０４９６】
表示部１０３は、たとえば縦軸がＢ−Ｙ、横軸がＲ−Ｙの座標系で示される、認識が容易なベクトルモニターを提供する。これにより、試料の有意な識別および数値化（ベクトルをスカラー量および位相に変換する）が行なわれる。
【０４９７】
ＣＩＧＳ薄膜を用いたＭＯＳ撮像素子は、４００ｎｍ〜１３００ｎｍの広範囲の分光感度領域を有し、近赤外センサとして良好な撮像素子である。また、近赤外光は７００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長範囲を有し、生体に対する透過度が高く、「生体における光の窓」と言われている。この近赤外領域の光は、筋肉、脂肪および骨等を透過し、Ｈｂおよびメラニンにおいて吸収される。特に、Ｈｂおよびメラニンの吸収度は８９０ｎｍの光に対してピークとなる。また、水および氷の吸収度は９５６ｎｍおよび１０２５ｎｍの光に対してそれぞれピークとなる。
【０４９８】
撮像装置では、可視光および近赤外光について効果的にカラー画像化し、人間には視認できない近赤外光を含めて可視化する。すなわち、白色光を発する発光素子Ｘ１で輝度成分Ｙを取得し、可視光の白黒画像を得る。水および氷を撮像する場合には、９５６ｎｍの光を発する発光素子Ｘ２と、１０２５ｎｍの光を発する発光素子Ｘ３とを用いる。
【０４９９】
ここで、撮像装置では、画像信号処理部１０２は、白黒画像信号（ＮＩＲ１）を反転した信号と輝度信号との差を示す信号、白黒画像信号（ＮＩＲ２）を反転した信号と輝度信号との差を示す信号および輝度信号を合成画像信号として生成する。すなわち、発光素子Ｘ２を被写体に照射した場合に得られる白黒画像および発光素子Ｘ３を被写体に照射した場合に得られる白黒画像においては観察対象が黒となるため、これらの白黒画像信号を反転させた信号を生成する。
【０５００】
そして、輝度信号と反転された２つの白黒画像信号とを、色差信号を用いたカラー化処理すなわちＲ−Ｙ，Ｂ−Ｙ，Ｙの信号を画像信号とする処理に当てはめることにより、擬似カラー化を行なう。この場合、水および氷は、得られた白黒画像においては黒く表示されるが、上記のように反転信号を用いることにより、たとえば氷が赤く表示され、水が青く表示される。
【０５０１】
なお、画像信号処理部１０２は、白黒画像信号を反転させない構成であってもよい。すなわち、画像信号処理部１０２が、白黒画像信号（ＮＩＲ１）と輝度信号との差を示す信号、白黒画像信号（ＮＩＲ２）と輝度信号との差を示す信号および輝度信号を１つの画像を示す合成画像信号として生成する構成であっても、画像の視認性を高めることは可能である。しかしながら、白黒画像信号を反転させる構成は、観察対象に色を付して視認性をさらに高めることができる点で、より効果を奏する構成である。
【０５０２】
従来の撮像装置では、前述のように、１波長の近赤外光のみで白黒画像を生成していたが、このような構成では、比較認識は困難である。
【０５０３】
これに対して、本変更例に係る撮像装置では、カラー化したい有意な波長領域を２つ選び、通常のカラー画像の輝度信号と合成し、擬似カラー画像とする。これにより、比較認識が容易となり、また、有意な擬似カラー画像を得ることができる。
【０５０４】
なお、本変更例に係る撮像装置では、２つの近赤外光に対応する白黒画像信号を生成する構成であるとしたが、これに限定するものではない。３つ以上の近赤外光に対応する白黒画像信号を生成し、これらの白黒画像信号と輝度信号とに基づいて合成画像信号を得る構成であってもよい。この場合、たとえば、複数の白黒画像信号を加算等した演算結果をＲ信号またはＢ信号とすればよい。
【０５０５】
また、非特許文献２では、Ｈｂ吸収等に対してＢ信号およびＧ信号によってカラー化を行なっているが、このカラー化には有意性がない。
【０５０６】
また、２０００年以降、非特許文献４に示すように、近赤外光を用いたＨｂ測定が実用化され、ＨｂＯ２とＨｂとの吸光特性差を利用して静脈酸素化指標（ＶＯＩ）測定が行なわれている。
【０５０７】
本変更例に係る撮像装置により、この指標のカラー化および数値化を容易に実現することができる。また、ＶＯＩ測定では、６６０ｎｍ、８０５ｎｍおよび８８０ｎｍの３波長を用いているが、ＨｂＯ２とＨｂとの吸光特性差は、１０００ｎｍ以上においても有意性が認められる。
【０５０８】
たとえば、本変更例に係る撮像装置において、１０１０ｎｍ〜１０２５ｎｍの波長の光を発するＬＥＤを発光素子Ｘ３として用いる。この場合、白色ＬＥＤである発光素子Ｘ１に相当するのは８０５ｎｍおよび８８０ｎｍであり、６６０ｎｍの光を発するＬＥＤを発光素子Ｘ２として用いる。６６０ｎｍでは、ＨｂＯ２＜Ｈｂであり、得られる画像信号と輝度信号との差をＢ−Ｙとする。１０２０ｎｍでは、ＨｂＯ２＞Ｈｂであり、得られる画像信号と輝度信号との差をＲ−Ｙとする。８０５ｎｍおよび８８０ｎｍでは、ＨｂＯ２≒Ｈｂであるため、得られる画像信号を白色画像信号に変換する。以上により、有意な擬似カラー画像を得ることができる。
【０５０９】
その他の構成および動作は実施の形態１０に係る撮像装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【０５１０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０５１１】
１  撮像装置、２，１０５  レンズ、３  光電変換装置、４  画像信号処理部、５  画像表示装置、１０，２６，６０，６１，７１  画素アレイ、１１  負荷回路、１３，２７  垂直走査部、１４  制御部、１５  水平走査部、１６  セレクタ、１７  出力部、２１  半導体基板、２２，５１  読出回路層、２３，５３  ＣＩＧＳ薄膜、２４，５４  ＣｄＳ層、２５，５５  透明電極、３０〜３８  ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、３０ａ  ｎ型不純物拡散領域、３０ｇ〜３８ｇ  ゲート、３９  フォトダイオード、４０，４１  キャパシタ、４９  フォトダイオード、５０  ｐ型シリコン基板、５０ａ  ｎ型不純物拡散領域、５２，８０，８２  画素電極、７２  有効撮像部、７３  光学的黒部、７４，７６  画素領域、７５  分離領域、８１  分離電極、８３  遮光層、８４  絶縁膜、８５  差動増幅器、８６  出力回路、８７  差動増幅器、９０  分離電極、９１  補助電極、１００  撮像装置、１０１  光電変換部、１０２  画像信号処理部、１０３  表示部、１０４  制御部、１１１〜１１４  記憶部、ＣＢＭ，ＣＴＭ  面状電極、ＣＦ  カラーフィルタ、ＣＦＵ  カラーフィルタ部、ＣＨ  コンタクトホール、ＣＬ  制御信号線、ＥＬ  画素電極、Ｇ  読出回路、ＬＮ  配線、Ｍ，ＴＲ  トランジスタ、Ｐ  画素、ＰＤ  フォトダイオード、Ｑ  アンプ、ＳＬ  信号線、ＳＷ  スイッチ、Ｘ  発光素子、α  光。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図６０】
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【図７０】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４】
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