(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により電荷を発生する光検出素子と、
前記光検出素子から発生した電荷を蓄積するキャパシタと、
前記光検出素子に接続された前記キャパシタの第１の電極に接続され、前記キャパシタの蓄積電荷を初期化するための第１導電型の第１のトランジスタと、
前記キャパシタの前記第１の電極に接続され、前記光検出素子から発生した過剰な電荷を外部へ排出するための第２導電型の第２のトランジスタとを有し、
前記光検出素子は光電変換により電子を発生する光検出素子であり、
前記第１のトランジスタは、ｐチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、
前記第２のトランジスタは、ｎチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタである
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
光電変換により電荷を発生する光検出素子と、
前記光検出素子から発生した電荷を蓄積するキャパシタと、
前記光検出素子に接続された前記キャパシタの第１の電極に接続され、前記キャパシタの蓄積電荷を初期化するための第１導電型の第１のトランジスタと、
前記キャパシタの前記第１の電極に接続され、前記光検出素子から発生した過剰な電荷を外部へ排出するための第２導電型の第２のトランジスタとを有し、
前記光検出素子は光電変換により正孔を発生する光検出素子であり、
前記第１のトランジスタは、ｎチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、
前記第２のトランジスタは、ｐチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタである
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
光電変換により電荷を発生する光検出素子と、前記光検出素子から発生した電荷を蓄積するキャパシタと、前記光検出素子に接続された前記キャパシタの第１の電極に接続された第１導電型の第１のトランジスタと、前記キャパシタの前記第１の電極に接続された第２導電型の第２のトランジスタとを有する固体撮像装置の撮像方法であって、
前記光検出素子は光電変換により電子を発生する光検出素子であり、
前記第１のトランジスタは、ｐチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、
前記第２のトランジスタは、ｎチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、
前記第１のトランジスタを用いて前記キャパシタの蓄積電荷を初期化し、
前記第２のトランジスタを用いて前記光検出素子から発生する過剰な電荷を外部に排出する
ことを特徴とする撮像方法。
【請求項４】
光電変換により電荷を発生する光検出素子と、前記光検出素子から発生した電荷を蓄積するキャパシタと、前記光検出素子に接続された前記キャパシタの第１の電極に接続された第１導電型の第１のトランジスタと、前記キャパシタの前記第１の電極に接続された第２導電型の第２のトランジスタとを有する固体撮像装置の撮像方法であって、
前記光検出素子は光電変換により正孔を発生する光検出素子であり、
前記第１のトランジスタは、ｎチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、
前記第２のトランジスタは、ｐチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、
前記第１のトランジスタを用いて前記キャパシタの蓄積電荷を初期化し、
前記第２のトランジスタを用いて前記光検出素子から発生する過剰な電荷を外部に排出する
ことを特徴とする撮像方法。
【請求項５】
請求項３又は４記載の撮像方法において、
前記第１のトランジスタのゲートには、周期的にパルスを印加し、
前記第２のトランジスタのゲートには、直流バイアスを印加する
ことを特徴とする撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及び撮像方法に係り、特に電源を低電圧化した場合であっても十分なダイナミックレンジを確保することができる固体撮像装置及び撮像方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業、医療の分野などでは、物体、地表、人体等の温度を非接触で測定する技術が求められている。物体等の温度を非接触で測定する場合、例えば物体等から放射される赤外線を検出することにより測定することができる。そこで、赤外線センサを用いた固体撮像装置が注目されている。
【０００３】
赤外線センサ、具体的にはフォトダイオードを用いた従来の固体撮像装置の回路の一部を図４を用いて説明する。なお、図４に示す回路は、固体撮像装置の各画素毎に設けられている。
図４に示すように、フォトダイオード１１０のアノード側は接地されており、フォトダイオード１１０のカソード側はｎチャネルのＭＯＳトランジスタ１１２のソースに接続されている。
【０００４】
ＭＯＳトランジスタ１１２のドレインは、キャパシタ１１４の一方の電極、出力アンプ１１６の入力、及びｎ形のＭＯＳトランジスタ１１８のソースに接続されている。ＭＯＳトランジスタ１１８のドレインは、ドレイン電圧ＶDに接続されている。キャパシタ１１４の他方の電極は、接地されている。
図４に示す回路は以下のように動作する。
【０００５】
即ち、まず、ＭＯＳトランジスタ１１８のゲートに所定のリセットパルスを加え、ＭＯＳトランジスタ１１８をＯＮにする。これにより、キャパシタ１１４の蓄積電荷がリセット状態となる。
ＭＯＳトランジスタ１１８のゲートに加えるリセットパルスがＯＦＦになると、それに伴いＭＯＳトランジスタ１１８がＯＦＦ状態となり、リセットが完了する。
【０００６】
こうしてリセットされた回路のフォトダイオード１１０に赤外線が入射すると、フォトダイオード１１０で電子が発生する。撮像を行う際には、ＭＯＳトランジスタ１１２のゲートに所定の直流バイアスを印加し、フォトダイオード１１０で発生した電子をＭＯＳトランジスタ１１２を介してキャパシタ１１４に蓄積する。
【０００７】
キャパシタ１１４の一方の電極の電位である蓄積電位ＶCはキャパシタ１１４に蓄積された電荷に応じた電位であり、この蓄積電位ＶCは出力アンプ１１６により外部に読み出される。
リセットパルスがＭＯＳトランジスタ１１８のゲートに印加されていない場合でも、ＭＯＳトランジスタ１１８には所定の直流バイアスが印加されている。これは、フォトダイオード１１０に強い赤外線が入射された場合に、ＭＯＳトランジスタ１１８を介して電荷を外部に排出するためである。即ち、フォトダイオード１１０に強い赤外線が入射されると、フォトダイオード１１０から大量の過剰な電子が発生する。この過剰な電子が隣接する回路に流入すると、隣接した回路において疑似信号が発生し、隣接した回路でいわゆるブルーミングが生じることとなる。そこで、隣接する回路への電子の流入を抑制すべく、ＭＯＳトランジスタ１１８を介して電子が外部に排出されるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の固体撮像装置では、電源の低電圧化の要請に十分に応えることができなかった。
即ち、ＭＯＳトランジスタ１１８としてｎ形のエンハンスメントモードのものを用いた場合には、ドレイン電圧ＶDをゲート電圧より少なくともしきい値電圧Ｖthの分だけ低くしなければならず、ゲート電圧に電源電圧と同様の電圧を用いた場合には、ＭＯＳトランジスタのソース電圧ＶSはしきい値電圧Ｖthの分だけ電源電圧より低くなってしまう（図５参照）。このため、電源電圧を低電圧化した場合には、それに伴ってＭＯＳトランジスタ１１８のソース電圧ＶS、即ち蓄積電位ＶCが低くなってしまい、十分なダイナミックレンジを確保することができなかった。十分なダイナミックレンジを確保するためには、低いレベルの信号をも検出できるように出力アンプ１１６を設定することも考えられるが、Ｓ／Ｎが低下するため望ましくない。
【０００９】
一方、ＭＯＳトランジスタ１１８としてｎ形のデプレッションモードのものを用いることも考えられるが、デプレッションモードのＭＯＳトランジスタを用いた場合には、素子の製造で別の工程が必要となる。
また、従来の固体撮像装置では、ＭＯＳトランジスタのゲートにリセットパルスと直流バイアスとを適宜印加する必要があり、電圧の設定が必ずしも容易ではなく、また、外来雑音の影響も受けやすかった。
【００１０】
本発明の目的は、電源電圧を低くした場合であっても、十分なダイナミックレンジを確保することができる固体撮像装置及び撮像方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、光電変換により電荷を発生する光検出素子と、前記光検出素子から発生した電荷を蓄積するキャパシタと、前記光検出素子に接続された前記キャパシタの第１の電極に接続され、前記キャパシタの蓄積電荷を初期化するための第１導電型の第１のトランジスタと、前記キャパシタの前記第１の電極に接続され、前記光検出素子から発生した過剰な電荷を外部へ排出するための第２導電型の第２のトランジスタとを有し、前記光検出素子は光電変換により電子を発生する光検出素子であり、前記第１のトランジスタは、ｐチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、前記第２のトランジスタは、ｎチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであることを特徴とする固体撮像装置により達成される。これにより、初期化するための第１導電型の第１のトランジスタと過剰な電荷を外部へ排出するための第２導電型の第２のトランジスタとが設けられているので、第１のトランジスタのドレイン電圧として電源電圧と同様の電圧を用いることができ、しきい値電圧の分だけダイナミックレンジが小さくなってしまうことを防止することができる。また、強い赤外線が光検出素子に入射した場合には、第２のトランジスタを介して過剰な電荷が外部に排出され、第２のトランジスタのゲートには直流バイアスのみを印加すればよいので、ゲート電圧の設定が容易となる。
【００１２】
また、上記目的は、光電変換により電荷を発生する光検出素子と、前記光検出素子から発生した電荷を蓄積するキャパシタと、前記光検出素子に接続された前記キャパシタの第１の電極に接続され、前記キャパシタの蓄積電荷を初期化するための第１導電型の第１のトランジスタと、前記キャパシタの前記第１の電極に接続され、前記光検出素子から発生した過剰な電荷を外部へ排出するための第２導電型の第２のトランジスタとを有し、前記光検出素子は光電変換により正孔を発生する光検出素子であり、前記第１のトランジスタは、ｎチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、前記第２のトランジスタは、ｐチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであることを特徴とする固体撮像装置により達成される。これにより、初期化するための第１導電型の第１のトランジスタと過剰な電荷を外部へ排出するための第２導電型の第２のトランジスタとが設けられているので、第１のトランジスタのドレイン電圧として電源電圧と同様の電圧を用いることができ、しきい値電圧の分だけダイナミックレンジが小さくなってしまうことを防止することができる。また、強い赤外線が光検出素子に入射した場合には、第２のトランジスタを介して過剰な電荷が外部に排出され、第２のトランジスタのゲートには直流バイアスのみを印加すればよいので、ゲート電圧の設定が容易となる。
【００１３】
また、上記目的は、光電変換により電荷を発生する光検出素子と、前記光検出素子から発生した電荷を蓄積するキャパシタと、前記光検出素子に接続された前記キャパシタの第１の電極に接続された第１導電型の第１のトランジスタと、前記キャパシタの前記第１の電極に接続された第２導電型の第２のトランジスタとを有する固体撮像装置の撮像方法であって、前記光検出素子は光電変換により電子を発生する光検出素子であり、前記第１のトランジスタは、ｐチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、前記第２のトランジスタは、ｎチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、前記第１のトランジスタを用いて前記キャパシタの蓄積電荷を初期化し、前記第２のトランジスタを用いて前記光検出素子から発生した過剰な電荷を外部に排出することを特徴とする撮像方法により達成される。これにより、第１導電型の第１のトランジスタによりキャパシタの蓄積電荷を初期化し、第２導電型の第２のトランジスタにより過剰な電荷を排出するので、第１のトランジスタのドレイン電圧として電源電圧と同様の電圧を用いることができ、しきい値電圧の分だけダイナミックレンジが小さくなってしまうことを防止することができる。また、強い赤外線が光検出素子に入射した場合には、第２のトランジスタを介して過剰な電荷が外部に排出され、第２のトランジスタのゲートには直流バイアスのみを印加すればよいので、ゲート電圧の設定が容易となる。
また、上記目的は、光電変換により電荷を発生する光検出素子と、前記光検出素子から発生した電荷を蓄積するキャパシタと、前記光検出素子に接続された前記キャパシタの第１の電極に接続された第１導電型の第１のトランジスタと、前記キャパシタの前記第１の電極に接続された第２導電型の第２のトランジスタとを有する固体撮像装置の撮像方法であって、前記光検出素子は光電変換により正孔を発生する光検出素子であり、前記第１のトランジスタは、ｎチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、前記第２のトランジスタは、ｐチャネルのエンハンスメントモードのトランジスタであり、前記第１のトランジスタを用いて前記キャパシタの蓄積電荷を初期化し、前記第２のトランジスタを用いて前記光検出素子から発生する過剰な電荷を外部に排出することを特徴とする撮像方法により達成される。これにより、初期化するための第１導電型の第１のトランジスタと過剰な電荷を外部へ排出するための第２導電型の第２のトランジスタとが設けられているので、第１のトランジスタのドレイン電圧として電源電圧と同様の電圧を用いることができ、しきい値電圧の分だけダイナミックレンジが小さくなってしまうことを防止することができる。また、強い赤外線が光検出素子に入射した場合には、第２のトランジスタを介して過剰な電荷が外部に排出され、第２のトランジスタのゲートには直流バイアスのみを印加すればよいので、ゲート電圧の設定が容易となる。
【００１４】
また、上記の撮像方法において、前記第１のトランジスタのゲートには、周期的にパルスを印加し、前記第２のトランジスタのゲートには、直流バイアスを印加することが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による固体撮像装置及び撮像方法を図１乃至図２を用いて説明する。図１は、本実施形態による固体撮像装置の一部を示す回路図である。図２は、ｐ形のエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタの入出力特性を示すグラフである。
【００１６】
本実施形態では赤外線を検出する固体撮像装置を例に説明するが、本実施形態による固体撮像装置は赤外線を検出する固体撮像装置のみならず、あらゆる光を検出する固体撮像装置に適用することができる。
図１に示す回路は、本実施形態による固体撮像装置の各画素毎に設けられている。フォトダイオード１０のアノード側は接地されており、フォトダイオード１０のカソード側はｎチャネルのＭＯＳトランジスタ１２のソースに接続されている。
【００１７】
ＭＯＳトランジスタ１２のドレインには、キャパシタ１４の一方の電極、出力アンプ１６の入力、ｎチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタ１８のソース、及びｐチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタ２０のドレインに接続されている。
キャパシタ１４の他方の電極は接地されている。また、ＭＯＳトランジスタ１２のゲートとＭＯＳトランジスタ１８のゲートには、所定の直流バイアスが印加される。
【００１８】
ｎチャネルのＭＯＳトランジスタ１８のドレイン、及びｐチャネルのＭＯＳトランジスタ２０のソースは、電源電圧ＶDに接続されている。
本実施形態による固体撮像装置は、過剰な電荷を外部に排出のためのｎチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタ１８と、リセットを行うためのｐチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタ２０とが別個に設けられていることに主な特徴がある。
【００１９】
このような固体撮像装置の回路は以下のように動作する。
即ち、まず、ｐチャネルのＭＯＳトランジスタ２０のゲートに所定電圧のリセットパルスを加え、ＭＯＳトランジスタ２０をＯＮにする。これにより、出力アンプ１６に接続されたキャパシタの一方の電極の電位、即ち蓄積電位ＶCがリセット状態となる。
【００２０】
ｐチャネルのＭＯＳトランジスタ２０のゲートに印加されたリセットパルスがＯＦＦになると、ＭＯＳトランジスタ２０がＯＦＦとなり、リセットが完了する。ｐチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタ２０では、ドレイン電圧ＶDより高い電圧のリセットパルスをゲートに加える必要がないので、ドレイン電圧ＶDとして電源電圧と同様の電圧を用いることができる。
【００２１】
ｐチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタは図２に示すような特性を有している。図２はｐチャネルのＭＯＳトランジスタの入出力電圧特性を示すグラフである。図２において、横軸はソース電圧ＶSを示しており、縦軸はゲートを接地した場合のドレイン電圧ＶDを示している。ｐチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタはこのような特性を有しているので、ＭＯＳトランジスタ２０のゲートには電源電圧より低い電圧を印加すればよく、しきい値電圧Ｖthの分だけダイナミックレンジが小さくなってしまうこともない。
【００２２】
こうしてリセットされた回路のフォトダイオード１０に赤外線が入射すると、フォトダイオード１０で電子が発生する。撮像する際には、ＭＯＳトランジスタ１２のゲートに所定の直流バイアスを印加する。これにより、フォトダイオード１０で発生した電子がＭＯＳトランジスタ１２を介してキャパシタ１４に蓄積される。
【００２３】
蓄積電位ＶCはキャパシタ１４に蓄積された電荷量に応じて変化し、一定のタイミングにおいて、出力アンプ１６により外部に読み出される。
ｎチャネルのＭＯＳトランジスタ１８のゲートには、常に所定の直流バイアスが印加されており、ＭＯＳトランジスタ１８は以下のように動作する。即ち、フォトダイオード１０に強い赤外線が入射すると、フォトダイオード１０から大量の電子が発生する。この電子が隣接する回路に流入すると、隣接した回路で疑似信号が発生し、いわゆるブルーミングが生じることとなる。本実施形態では、ｎチャネルのＭＯＳトランジスタ１８が、リセットを行うためのｐチャネルのＭＯＳトランジスタ２０と別個に設けられているので、フォトダイオード１０で大量の電子が発生した場合には、ＭＯＳトランジスタ１８を介して電子が外部に排出される。こうして過剰な電子がＭＯＳトランジスタ１８から排出されるので、いわゆるブルーミングを防止することができる。ｎ形のＭＯＳトランジスタ１８のゲートには直流バイアスのみを印加すればよいので、ゲート電圧の設定が容易となり、また、外来雑音による影響を抑制することができる。
【００２４】
このように本実施形態によれば、リセットを行うためのｐチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタと、過剰な電荷を外部に排出のためのｎチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタとが別個に設けられている。リセットを行うためのＭＯＳトランジスタでは、ドレイン電圧より高い電圧のリセットパルスをゲートに印加する必要がないので、ｐ形のＭＯＳトランジスタのソース電圧として電源電圧と同様の電圧を用いることができ、しかもしきい値電圧の分だけダイナミックレンジが小さくなってしまうこともない。また、強い赤外線がフォトダイオードに入射した場合には、ｎチャネルのエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタを介して過剰な電荷が外部に排出され、しかもｎ形のＭＯＳトランジスタのゲートには直流バイアスのみを印加すればよいので、ゲート電圧の設定が容易となる。
【００２５】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態ではキャパシタに電子を蓄積する場合を例に説明したが、キャパシタに正孔を蓄積する場合にも適用することができる。その場合には、図３に示すように、フォトダイオード１０ａのアノードとカソードの接続を逆にし、電荷排出用のトランジスタとしてｐ形のＭＯＳトランジスタ１８ａを用い、リセット用のトランジスタとしてｎ形のＭＯＳトランジスタ２０ａを用いればよい。
【００２６】
また、上記実施形態では、フォトダイオードを用いる場合を例に説明したが、フォトダイオードに限定されるものではなく、光電変換により電荷を発生することができる光検出素子であれば、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device、電荷結合素子）等を用いてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、リセットを行うための第１導電型のエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタと、過剰な電荷を外部に排出のための第２導電型のエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタとが別個に設けられている。リセットを行うためのＭＯＳトランジスタでは、ドレイン電圧より高い電圧のリセットパルスをゲートに印加する必要がないので、ＭＯＳトランジスタのドレイン電圧として電源電圧と同様の電圧を用いることができ、しかもしきい値電圧の分だけダイナミックレンジが小さくなってしまうということもない。また、強い赤外線がフォトダイオードに入射した場合には、過剰な電荷を外部に排出するためのＭＯＳトランジスタを介して電荷を外部に排出し、しかも、かかるＭＯＳトランジスタのゲートには直流バイアスのみを印加すればよいのでゲート電圧の設定が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による固体撮像装置の一部を示す回路図である。
【図２】ｐ形のエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタスイッチの入出力特性を示すグラフである。
【図３】本発明の変形実施形態による固体撮像装置の一部を示す回路図である。
【図４】従来の固体撮像装置の一部を示す回路図である。
【図５】ｎ形のエンハンスメントモードのＭＯＳトランジスタスイッチの入出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…フォトダイオード
１０ａ…フォトダイオード
１２…ＭＯＳトランジスタ
１４…キャパシタ
１６…出力アンプ
１８…ＭＯＳトランジスタ
１８ａ…ＭＯＳトランジスタ
２０…ＭＯＳトランジスタ
２０ａ…ＭＯＳトランジスタ
１１０…フォトダイオード
１１２…ＭＯＳトランジスタ
１１４…キャパシタ
１１６…出力アンプ
１１８…ＭＯＳトランジスタ
【図１】
0003667543.tif 000002
【図２】
0003667543.tif 000003
【図３】
0003667543.tif 000004
【図４】
0003667543.tif 000005
【図５】
0003667543.tif 000006