(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷の一部を前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った後、
前記電荷電圧変換部をリセットし、その後、前記光電荷の残りを前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す読み出し動作を行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
前記初回の読み出し動作及び前記初回の読み出し動作後の前記読み出し動作により読み出された前記出力信号にそれぞれノイズ抑制処理を施した後、加算する請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
前記初回の読み出し動作及び前記初回の読み出し動作後の前記読み出し動作により読み出された前記出力信号をそれぞれ保持し、それらを加算した後、水平走査回路により共通出力線に出力する請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記光電変換部の飽和電荷量ＱSATに対応した、前記光電変換部の空乏化電圧ＶDEPより、前記電荷電圧変換部の電圧値ＶＦＤSAT が低くなるような値の前記リセット電圧を与える請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記初回の読み出し動作の後であって、前記初回の読み出し動作後の前記読み出し動作の前に、前記電荷電圧変換部をリセットし、前記光電荷の一部を前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す中間の読み出し動作を少なくとも１回行う請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する固体撮像装置であって、
蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷の一部を、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った後、
前記電荷電圧変換部をリセットし、その後、前記光電変換部から前記光電荷の残りを前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す読み出し動作を行うように制御する制御回路を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記光電変換部は埋め込み型のホトダイオードであることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
請求項６に記載の固体撮像装置と、
該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
【請求項９】
請求項６に記載の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置の露光時間を定めるための機械式シャッターと、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
【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、撮像システム及び固体撮像装置の駆動方法に係わり、特に光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電圧信号を信号増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に任意の電圧を入力する手段と、を有する固体撮像装置、撮像システム及び固体撮像装置の駆動方法に好適に用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置の代表的なものには、ホトダイオードおよびＣＣＤシフトレジスタからなるものとホトダイオードおよびＭＯＳトランジスタからなるＡＰＳ（Active Pixel Sensor）と呼ばれるものがある。
【０００３】
ＡＰＳは、１画素毎にホトダイオード、ＭＯＳスイッチ、ホトダイオードからの信号を増幅するための増幅回路などを含み、「ＸＹアドレッシング」や「センサと信号処理回路の１チップ化」などが可能といった多くのメリットを有している。近年、ＭＯＳトランジスタの微細化技術の向上と「センサと信号処理回路の１チップ化」や「低消費電力化」などの要求の高まりから、注目を集めている。
【０００４】
図１４に従来のＡＳＰの画素部およびそれを用いた固体撮像装置の等価回路図を示す。これらは、Eric.R.Fossum氏らによって１９９５年ＩＥＥＥのワークショップで報告されている。従来技術の構成を、以下簡単に説明する。
【０００５】
光電変換部は、ＣＣＤ等で用いられている埋め込み型のホトダイオード（ＰＰＤ）である。埋め込み型のホトダイオードは、表面に濃いｐ層を設けることで、その上にあるＳｉＯ2との界面で発生する暗電流を抑制し、また、蓄積部のｎ層と表面のｐ層との間にも接合容量を設けることができ、ホトダイオードの飽和電荷量を増やすことができる。
【０００６】
光電変換部で蓄積した光信号電荷をＭＯＳトランジスタからなる電荷転送手段（ＴＸ）を介し浮遊拡散領域（ＦＤ）に読み出す。
【０００７】
この浮遊拡散領域の容量ＣFDにより信号電荷ＱsigをＱsig／ＣFDに電圧変換し、不図示のソースフォロワ回路を通して信号を読み出す。
【０００８】
埋め込み型のホトダイオードのｎ層に逆バイアスを印加すると、そのバイアスに応じて表面の濃いｐ層と基板のＰウエルの各接合から空乏層は延びる。この時、ホトダイオード内の電子数は、両空乏層に挟まれた中性領域の電子数にほぼ等しく、空乏層幅に比例して減少する。逆バイアス＝０voltの時の前述の中性領域の電子数が飽和電荷量に相当する。逆バイアスにより、両空乏層が延び、両空乏層が接続すると、ホトダイオード内は空乏化し、中性領域がなくなる。この時の逆バイアスを以下、空乏化電圧（又は完全空乏化電圧）と称する。更に逆バイアスを印加するとホトダイオード内の電子濃度は、逆バイアスに対し指数関数的に減少する。上記センサにおいて、読み出した際に、ホトダイオード内が、完全に空乏化すれば、光によって発生した電荷はほぼ完全に浮遊拡散領域に転送されるとともに、ホトダイオード内に電荷はなくなり、電子のリセットが達成される。以下、この様な電荷転送を空乏転送と称する。
【０００９】
図１５は、ホトダイオードの飽和電荷量Ｑsatと、飽和電荷を読み出した際の拡散浮遊領域の電圧値ＶFDsat（図１５の▲１▼、▲２▼）と飽和電荷量Ｑsatに対する空乏化電圧（▲３▼）を示した図である。Ａは実用的なホトダイオードに求められる飽和電荷の下限値、Ｂ及びＥはＶFDsat＝空乏化電圧となる飽和電荷量の値、Ｆは実用的な固体撮像装置の飽和電荷量の上限値を示す。
【００１０】
ＶFDsatは以下の式で与えられる。
【００１１】
ＶFDsat＝Ｖres−Ｑsat／ＣFD
Ｖresは、拡散浮遊領域のリセット電圧を示す。
【００１２】
一般的にホトダイオードの飽和電荷は、ある値以上は必要であり、その下限の値が図１５中のＡで示す値である。また、前述の空乏転送を達成するためには、
ＶFdsat≧空乏化電圧、好ましくはＶFdsat＞空乏化電圧
を達成することが求められる。
【００１３】
よって、図１５の▲１▼の場合、この関係を満たす空乏化電圧の上限の値が図１５中のＢで示す値である。
【００１４】
ＶFDsat＜空乏化電圧の場合、ホトダイオードの逆バイアス電圧はＶFDと等しくなり、ホトダイオード内には中性領域が存在し、前述の両空乏層からなる容量と浮遊拡散領域の容量との容量分割で読み出されることになる。それとともに、読み出し後でも、ホトダイオード内には、飽和電荷量Ｑsatに近い量の残留電子が存在し、空乏転送は実現しない。この時の残留電子が残像およびノイズの原因になる。
【００１５】
故に、ホトダイオードの飽和電荷量Ｑsatは、Ａ＜Ｑsat＜Ｂの区間Ｃを満たすように設計されることが求められる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、飽和電荷量Ｑsatもしくは空乏化電圧は、製造工程の影響を受けやすいという問題がある。例えば、ホトダイオードのｎ層を形成する際のイオン打ち込みのドーズ量が１０％変動しただけで、空乏化電圧は０．４voltも変動してしまうことがある。
【００１７】
この結果、製造歩留まりが低くなってしまう。これらの問題を回避する方法の一つとして、拡散浮遊領域のリセット電圧Ｖresの値を上げ、図１５の直線▲２▼の様にすることで、飽和電荷量Ｑsatの選択範囲（マージン）を区間Ａ−Ｅまで広げることができる。この場合には、より高いリセット電圧が必要になる。このことは、信号／ノイズ比を確保するためには高い電源電圧を確保する必要があることを意味し、この点がＡＰＳの低電圧化を妨げる大きな要因となっている。
【００１８】
周知のとおり、高い電源電圧は消費電力の上昇をもたらす。又、ロジック回路と集積化する場合にはロジック回路の低い電源電圧とは別にセンサチップ用に別の高い電源電圧を用意する必要がある。これは、ＡＰＳチップの性能を落とすことになる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、従来よりも、低消費電力で、ノイズの少ない固体撮像装置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供することにある。
【００２０】
本発明の別の目的は、電源電圧やリセット電圧を高くすることなく、空乏転送が可能な固体撮像装置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供することにある。
【００２１】
本発明は、光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷の一部を前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った後、
前記電荷電圧変換部をリセットし、その後、前記光電荷の残りを前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す読み出し動作を行うことを特徴とする。
【００２２】
又、別の本発明は、光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する固体撮像装置であって、
蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷の一部を、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った後、
前記電荷電圧変換部をリセットし、その後、前記光電変換部から前記光電荷の残りを前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す読み出し動作を行うように制御する制御回路を具備することを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、一単位の蓄積期間中に蓄積された光電荷を読み出す際に、読み出し動作を２回以上行うことで、リセット電圧をさほど高めることなく、光電変換部に残留する光電荷を読み出すことができる。さらに、読み出された出力信号を加算すれば広いダイナミックレンジの信号を得ることができる。
【００２６】
そして、本発明は、第１の蓄積期間中に蓄積された信号を読み出した後、第２の蓄積期間に入り、第２の蓄積期間中に蓄積された信号を読み出し、それらの信号を加算してダイナミックレンジを拡大する公知の技術とは、異なることに留意されたい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１、図２及び図３を用いて本発明の基本的な動作原理について詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の原理を説明するための固体撮像装置の一部の断面とそのポテンシャルの関係を模式的に示す図である。
【００２９】
図２は、本発明の固体撮像装置の駆動方法を示す駆動タイミング図である。
【００３０】
図３は、本発明の固体撮像装置の一画素の回路図である。
【００３１】
図１において、（ａ）は、光電変換部としてのホトダイオードと、電荷転送手段としての転送ゲートと、電荷電圧変換部（半導体拡散領域）としての浮遊拡散領域と、リセット手段としてのリセットスイッチとを含む部分の断面を示している。
【００３２】
１０１はホトダイオードのアノードとしても機能するＰウエル、１０２は転送ゲート、１０３はｎ型半導体からなる浮遊拡散領域である。
【００３３】
１０４はＰ型半導体からなるホトダイオードの表面ｐ領域、１０５はｎ型半導体からなるホトダイオードのカソードとして機能するｎ領域であり、この表面Ｐ領域の存在により埋め込みホトダイオードが形成されている。１０６は酸化シリコンなどの絶縁膜、１０７はｎ型半導体からなるリセット領域であり、配線などを通じて所定のリセット電圧が与られ、該リセット領域は所定のリセット電位に維持される。１０８は浮遊拡散領域１０３を所定の電位にリセットするリセットスイッチのリセットゲートである。ｎ領域１０５と浮遊拡散領域１０３の一部は転送スイッチのソース、ドレイン領域となる。浮遊拡散領域１０３とリセット領域１０７の一部はリセットスイッチのソース、ドレイン領域となる。浮遊拡散領域１０３は不図示の信号増幅手段となる増幅用トランジスタのゲートに接続され、信号増幅手段の入力部となる。
【００３４】
そして、転送ゲート、浮遊拡散領域、リセットスイッチ及び増幅用トランジスタにより出力手段が構成され、ホトダイオードに蓄積された光電荷（ここでは電子）を読み出すために用いられる。
【００３５】
この構成が用いられた固体撮像装置の一画素の回路図は図３のようになり、５０５がホトダイオード、Ｑ1が転送スイッチ、Ｑ2がリセットスイッチ、Ｑ3が増幅用トランジスタで示されている。Ｑ4は画素を選択するとともに増幅用トランジスタから電流増幅された出力信号を読み出す選択スイッチである。
【００３６】
図１において、（ｂ）は転送スイッチをオンして電荷の一部を転送している時の状態を示し、（ｃ）は転送スイッチをオフした直後の状態を示し、（ｄ）はリセットスイッチをオンして浮遊拡散領域をリセットした後リセットスイッチをオフした直後の状態を示し、（ｅ）は再び転送スイッチをオンして残留電荷を空乏転送した状態を示している。
【００３７】
時系列的には（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）の順で動作が進行する。
【００３８】
上述した動作を含めた駆動タイミングの概略について図２を参照して説明する。
【００３９】
なお、図２中の「リセット」は、リセットするためのＭＯＳトランジスタへの駆動パルスに限定されるものではなく、リセット動作全般を示し、パルスがハイ（ＯＮ）状態にあることは、そのリセット動作を行っていることを示している。また、「読み出し」についても同様であり、この「読み出し」は読み出し動作全般をさし、パルスがハイ（ＯＮ）状態にあることは、その読み出し動作を行っていることを示している。
【００４０】
まず、ホトダイオードへの光電荷の蓄積が開始される。
【００４１】
必要に応じて、期間Ｔ0において、選択スイッチＱ4をオンして、浮遊拡散領域１０３のリセット電圧に基づく信号を読み出す。この信号は増幅用トランジスタにより増幅されるので、この画素のノイズ信号とみなすことができる。
【００４２】
次に、期間Ｔ1において、図１の（ｂ）に示すように、転送スイッチをオンして蓄積期間の途中でホトダイオード５０５のｎ領域１０５からから浮遊拡散領域１０３に光電荷の一部を転送する。
【００４３】
転送後において、飽和状態に近い強い光で露光されたホトダイオードでは、図１の（ｃ）に示すように、光電荷の残部が残っている。非常に弱い光で露光されたホトダイオードでは、全ての電荷が転送されることもある。
【００４４】
期間Ｔ3において、選択スイッチＱ4をオンして、浮遊拡散領域１０３に転送された電荷に基づいて増幅された出力信号を読み出す。
【００４５】
そして、期間Ｔ4において、リセットスイッチＱ2をオンして、浮遊拡散領域の電位をリセットする。リセット後の状態が図１の（ｄ）に示した状態である。
【００４６】
更に、必要に応じて、期間Ｔ5において、選択スイッチＱ4をオンして、浮遊拡散領域１０３のリセット電圧に基づく信号を読み出す。この信号は増幅用トランジスタにより増幅されるので、この画素のノイズ信号とみなすことができる。
【００４７】
期間Ｔ6において、再び、転送スイッチをオンして蓄積期間を終了させ、ホトダイオード５０５のｎ領域１０５から浮遊拡散領域１０３に光電荷の残部を転送する。このときの状態を図１の（ｅ）に示す。
【００４８】
機械式シャッターなどの固体撮像装置外部のシャッターにより、蓄積時間を制御しない場合には、厳密に言えば期間Ｔ1における転送時の蓄積時間より、期間Ｔ6における転送時の蓄積時間の方が長くなる。しかしながら、期間Ｔ1以前の蓄積時間（露光時間が）十分に長いために、期間Ｔ1終了から期間Ｔ6開始までの時間は無視することができる。
【００４９】
期間Ｔ6終了後には、全てのホトダイオード５０５のｎ領域１０５が空乏化しているので、全ホトダイオードが初期状態にリセットされたことになる。このときホトダイオードが露光されていれば、この期間Ｔ6終了後から次の蓄積期間が開始となる。
【００５０】
更に、期間Ｔ7において、選択スイッチＱ4をオンして、浮遊拡散領域１０３の転送電荷に基づく信号を読み出す。そして、画素外の回路において、必要に応じて、期間Ｔ3において読み出した信号と、期間Ｔ7において読み出した信号を加算する。
【００５１】
期間Ｔ7終了後、リセットスリッチＱ2を再びオンして、浮遊拡散領域１０３の電位をリセットする。
【００５２】
本実施形態による作用について詳述する。
【００５３】
ここで再び図１５を参照して、ホトダイオードの飽和電荷量ＱsatがＢ−Ｆ間の値である場合について考える。
【００５４】
この場合、浮遊拡散領域１０３に与えるリセット電圧を高くして、Ｂ−Ｆ間でＶFdsat＞空乏化電圧とすれば、一回の転送動作で空乏転送が実現できる。
【００５５】
これに対して、直線▲１▼のようにリセット電圧を低くした場合、直線▲１▼、▲３▼の関係より、ホトダイオードに飽和電荷量相当の電荷が蓄積されている状態で転送スイッチを開く（図２のＴ1期間に転送ゲート１０２をハイレベルとして転送スイッチをオンする）と、ＶFDsat＜空乏化電圧のため、転送動作によってもホトダイオード内には、多くの電荷が残留している。その様子は図１の（ｂ）に示したとおりである。
【００５６】
従来の技術のうち、ある一つの方法では、この状態で転送スイッチを閉じ（図２のＴ2期間のように転送ゲート１０２をローレベルとして転送スイッチをオフし）、次の蓄積を開始していた。よって、ホトダイオードでは、次の蓄積期間に蓄積された信号電荷を読み出す時に、前回転送しきれなかった残留電荷が混ざった信号となり、残像の原因となっていた。
【００５７】
この問題を解決するために、ホトダイオードの空乏化電圧を更に下げる方法を採用すると、固体撮像装置で取り扱える電荷量が少なくなり、固体撮像装置としての性能が十分に発揮できないことになる。そこで、取り扱い電荷量を確保するために、やむを得ず電源電圧を高くしていた。
【００５８】
このため、画素部に微細なＭＯＳトランジスタを使用することが難しく、ＡＰＳセンサの微細化が困難になっていた。
【００５９】
本発明においては、初回（１回目）の信号読み出し期間Ｔ3が終了した後、図２のリセット期間Ｔ4においてリセットゲート１０８をハイレベルとしてリセットを行う。そうすると、図１の（ｄ）のように信号増幅手段の入力となる浮遊拡散領域１０３が一旦リセットされる。その後、期間Ｔ6において、転送ゲート１０２をハイレベルとして転送スイッチを開いて信号転送を行い、図１の（ｅ）の様に残留電荷を読み出し、その後期間Ｔ7において、前回の信号読み出しで読み出せなかった信号分を読み出す。こうして、ホトダイオードに蓄積された光電荷は全て転送され、ホトダイオードは完全空乏化する。
【００６０】
この後、浮遊拡散領域のリセットを行えば、今回の蓄積期間に基づく残像はなくなる。
【００６１】
また、必要であれば、更に信号増幅手段の入力部となる浮遊拡散領域１０３を一旦リセットした後に３回目の読み出す動作を行ってもよい。勿論、４回以上の読み出し動作を行っても良い。
【００６２】
さらに、ホトダイオード内の電荷が充分読み出せる回数だけ、前述の読み出し動作を繰り返し行えば、残像もなくホトダイオードが取り扱える最大電荷を読み出すことが可能である。
【００６３】
また、本発明においては、前述の信号増幅手段からの信号を加算すること、たとえば、前述のように、３回の読み出し動作を行って得られた信号増幅手段からの３回分の出力を加算することで、より多くの光電荷信号の情報を読み出すこともできる。
【００６４】
従来センサからの出力信号を加算するという考え方は有ったものの、そのような技術は、カメラの測光センサなどに代表されるよう実質的に蓄積時間が異なる出力を加算するものであった。
【００６５】
また、同一の蓄積時間の信号を加算する技術としては、色処理などに代表されるように、他画素の信号を加算する技術であった。
【００６６】
これに対して、本発明の実施形態では、同一画素の一単位の蓄積時間の信号を分割して読み出し加算する。
【００６７】
加算する手段は、幾つかあり、例えば、信号増幅手段からの出力をデジタル変換した後、デジタル的に加算するＡＤ変換器とデジタル加算回路を採用することができる。また各回数の出力に重み付けをして加算する重み付け加算回路を採用してもよく、重み付け加算することで光量の範囲に応じ感度やガンマを変えることができる。また、デジタル変換前にアナログ的に加算するアナログ加算器を用いても良い。
【００６８】
特にホトダイオードが埋め込み型ホトダイオードであった場合は、各転送動作毎には、リセットノイズなどのノイズが重畳されないため、加算した情報は、電源電圧を高くし１回の読み出しで読み出した情報と何ら遜色のないものである。
【００６９】
この点について、以下さらに詳細に述べる。
【００７０】
前述のようにホトダイオード内の電荷すべて転送できる回数だけ、前述の転送・読み出し動作を繰り返し行い、その信号を加算する。ここで重要なのは、仮に各読み出し時に読み出される電荷がばらついたとしても埋め込みホトダイオードを用いた場合、最終的には全電荷を読み出すため、加算すれば全電荷量になる。よって、読み出しを分割することによるノイズは乗らないところである。具体的な例で説明すると、蓄積の結果、電荷が１００個蓄積され、各回の読み出しが、１回目で５０個の電荷、２回目で４０個の電荷が読み出された場合、埋め込みホトダイオード内には１０個の電荷しか残っていないため３回目は１０個となる。従って、加算した結果は、１００個となる。原理的には各回での読み出し電荷の数は揺らぎ、１回目が４８個の電荷、２回目が３８個の電荷が読み出される場合もあるが、この場合は埋め込みホトダイオード内には、１４個の電荷しか残っていないため、３回目は１４個となり、加算した結果は、１００個となる。
【００７１】
この結果、ホトダイオードは所望の飽和電荷量Ｑsatを転送できる条件、Ｖres＞空乏化電圧を満たせばよいことになり、従来技術と比較して、より一層の低電圧化が可能である。
【００７２】
以上述べた通り、本発明によれば、読み出し動作を２回以上行うことで光電変換部に残留する光電荷を読み出すことができ、さらに読み出された信号を加算することにより、広いダイナミックレンジの光信号を得ることができる。
【００７３】
当然のことながら本発明は、画素が１次元に配列されたリニアセンサおよび画素が２次元に配列されたエリアセンサのいずれにも有効であるが、画素縮小にニーズの強いエリアセンサにおいては、トランジスタのタイプや数に制限が多く、回路的な対応がとれない分、本発明はより有効に用いられる。
【００７４】
（実施形態１）
本実施形態に用いた画素の等価回路図は図３に示したものと同じであり、本実施例はこの画素を２次元に配列してエリアセンサとしたものである。
【００７５】
図３において、５０５が光電変換部にあたる埋め込み型のホトダイオードである。埋め込み型のホトダイオードは、本実施例においては、基体に形成されたｐ型半導体からなるウエル中に、光電荷を蓄積するためのｎ型の蓄積層と、このｎ層とその上の絶縁層との間に表面の暗電流を抑えるための不純物濃度の高いＰ型半導体からなるｐ+層とを設け、図１に示したような埋め込みホトダイオードとした。このホトダイオードの空乏化電圧は、１．０voltである。
【００７６】
信号増幅手段Ｑ3としてソースフォロワアンプの入力トランジスタとしてｎＭＯＳトランジスタを、選択スイッチＱ4として読み出す行を選択するためにｎＭＯＳトランジスタを用いた。
【００７７】
不図示ではあるが、ソースフォロワの負荷として定電流負荷を信号出力線５０４に接続している。
【００７８】
ソースフォロワの入力端子をリセットするためのリセットスイッチＱ2としてｎＭＯＳトランジスタを用いた。
【００７９】
ホトダイオード５０５の光信号を入力部に転送するための転送スイッチＱ1として、ホトダイオードのｎ層と浮遊拡散領域との間の領域上に転送ゲートを設けた。この転送ゲートが信号増幅手段であるソースフォロワの入力部への電荷転送手段にあたる。
【００８０】
５０１はリセット用及び増幅用の基準電圧を与える電源線、５０２はリセットスイッチＱ2の動作を制御するためのリセットスイッチ線、５０３は選択スイッチＱ4の動作を制御するための選択スイッチ線、５０６は転送スイッチの動作を制御するための転送スイッチ線である。
【００８１】
図４は、本発明に用いられる、加算手段を備えた読み出し回路の模式的な回路図である。
【００８２】
図４において、６０１は、画素であり、図３に示す画素を簡略して表現したものである。
【００８３】
各画素の出力は、信号出力線６０４に接続されている出力信号保持手段６０２に読み出される。出力信号を一旦保持するための出力信号保持手段６０２には、具体的には複数の容量素子を用いることができる。本実施形態の場合、初回（１回目）の読み出し時には図４中のスイッチＳ1を開閉し、出力信号を容量に保持する。２回目の読み出し時には、スイッチＳ2を開閉して、別の容量に出力信号を保持し、最後（３回目）の読み出し時には、スイッチＳ3を開閉して、更に別の容量に出力信号を保持する。
【００８４】
各容量に保持された信号は、信号加算手段６０３としてのアナログ加算器により加算され、水平走査回路６０５で時系列信号に変換されて、出力アンプ６０６より出力される。
【００８５】
図４の回路は減算処理手段を含んでいないが、出力信号保持手段６０２に減算処理手段を含むように構成することもできる。この場合には、減算処理されノイズが除去された信号が出力信号加算手段６０３で加算され、水平走査回路６０５により出力線に出力され、出力アンプ６０６を介して出力されることになる。
【００８６】
加算手段６０３としては、図５に示すようなクランプ方式の加算回路を用いることも出来る。
【００８７】
図５において、３つの入力端子には容量素子（クランプ容量）が直列に接続されており、容量素子の出力側にはリセット用スイッチとソースホロワからなる増幅用トランジスタが接続されている。読み出された出力信号は３つのクランプ容量により加算されて、増幅用トランジスタから出力される。
【００８８】
駆動タイミングの概略は以下のとおりである。
【００８９】
転送スイッチＱ1のオフ状態あるいはシャッターを開くことにより、ホトトランジスタへの露光を開始する。
【００９０】
１フィールド走査期間あるいは１フレーム走査期間に相当する期間を経た後、リセットスイッチＱ2をＯＮからＯＦＦにしソースフォロワの入力部をリセットした後にフローティング状態にする。
【００９１】
次に、転送スイッチＱ1を開閉し、ホトダイオード５０５に蓄積された光電荷の一部をソースフォロアの入力部に転送する。
【００９２】
画素の選択スイッチＱ4をオンするとともに、スイッチＳ１を開閉することにより容量６０２に出力信号を保持する。
【００９３】
再び、リセットスイッチＱ2を開閉し、ソースフォロアの入力部をリセットしフローティング状態にする。転送スイッチＱ1を開閉し、ホトダイオード５０５に蓄積された光電荷の残りの一部をソースフォロアの入力部に転送する。
【００９４】
先ほどと同様、今度は２回目の読み出し信号を得るために、画素の選択スイッチＱ4をオンするとともに、スイッチＳ２を開閉することにより容量６０２に出力信号を保持する。
【００９５】
３回目の読み出し信号を得るために、リセットスイッチＱ2を開閉し、ソースフォロアの入力部をリセットしフローティング状態にしてから、転送スイッチＱ1を開閉し、ホトダイオード５０５に蓄積された光電荷の残りをソースフォロアの入力部に転送する。そして、画素の選択スイッチＱ4をオンするとともに、スイッチＳ３を開閉することにより容量６０２に出力信号を保持する。
【００９６】
本実施の形態によれば、飽和状態にあるホトダイオードから信号を転送し読み出す場合であっても、３回の転送及び読み出し動作により、ホトダイオードを完全に空乏化させることができる。蓄積電荷量が少ないホトダイオードにおいては、２回目の転送動作によって完全に電荷が転送され、ホトダイオードは完全空乏化リセットされる。さらに蓄積電荷量がより少ないホトダイオードにおいては、一回目の転送動作によって空乏化リセットが達成されるものもある。
【００９７】
従来は、ソースフォロワの出力信号振幅を２．５volt確保するために、電源電圧＝５．０volt、リセット電圧＝３．５volt、で駆動せざるを得なかった。
【００９８】
一方、本実施の形態では、電源電圧＝３．３volt、リセット電圧＝１．８voltに下げたにも関わらず、従来と同等の良好な光信号を得ることができる。
【００９９】
また、前述の性能を達成するために、従来は、電源電圧が５．０voltを必要とし、０．８μｍルールのＭＯＳトランジスタプロセスを使用せざるを得なかったのに対し、本実施の形態では、電源電圧を３．３voltにすることができ、０．３５μｍルールのＭＯＳトランジスタを用いることができる。
【０１００】
（実施形態２）
本実施形態による固体撮像装置の各画素の物理的構成及び回路構成は、実施形態１と同じである。
【０１０１】
実施形態１と異なる点は、読み出し回路として図６に示した回路を用いた点にある。
【０１０２】
図６は、本発明に用いられる、加算手段を備えた読み出し回路の模式的な回路図である。
【０１０３】
各画素の出力は、信号出力線７０４に接続されている出力信号保持手段７０２に読み出される。出力信号を一旦保持するための出力信号保持手段７０２には、具体的には複数の容量素子を用いることができる。本実施形態の場合、初回（１回目）の読み出し時には図６中のスイッチＳ1を開閉し、ノイズ信号及び出力信号を容量に保持する。２回目の読み出し時には、スイッチＳ2を開閉して、別の容量にノイズ信号及び出力信号を保持し、最後（３回目）の読み出し時には、スイッチＳ3を開閉して、更に別の容量にノイズ信号及び出力信号を保持する。
【０１０４】
各容量に保持されたノイズ信号及び出力信号は、水平走査回路７０５で時系列信号に変換されて、出力アンプ７０６より出力される。
【０１０５】
駆動タイミングチャートを図７に示す。
【０１０６】
リセットスイッチＱ2をＯＮからＯＦＦにしソースフォロワの入力部をリセットした後にフローティング状態にする。画素の選択スイッチＱ4をオンして、このリセット動作により発生したリセットノイズを出力信号線７０４に読み出し、スイッチＳ1の一方を開閉してノイズ信号を保持するための容量に転送する。図７の読み出し用のハイレベルパルスＳ1（Ｎ）はスイッチＳ1の一方を開く信号である。
【０１０７】
次に、転送スイッチＱ1を開閉し、ホトダイオード５０５から光信号をソースフォロアの入力部に転送し、光信号成分を入力部に残留するリセットノイズに重畳させる。選択スイッチＱ4をオンしてこの光信号を出力線７０４に読み出し、この信号をもう一つの容量にスイッチＳ1の他方を開いて保持する。図７の読み出し用のハイレベルのパルスＳ1（Ｓ）はスイッチＳ1の他方を開く信号である。
【０１０８】
その後、再びリセットスイッチＱ2を開閉し、ソースフォロアの入力部をリセットしフローティング状態にする。先ほどと同様、今度は２回目の読み出し信号を得るために、ハイレベルのパルスＳ2（Ｎ）、Ｓ2（Ｓ）によりスイッチＳ2を順次開閉し、出力信号を夫々の容量にリセットノイズと光信号とを保持する。
【０１０９】
更に、３回目の読み出し信号を得るために、同様にハイレベルのパルスＳ3（Ｎ）、Ｓ3（Ｓ）でスイッチＳ3を順次開閉しノイズと出力信号を夫々の容量に保持する。
【０１１０】
本実施例においては、３回目の読み出しにより、飽和状態あるいはシステム上最大蓄積量の電荷が蓄積された状態にある埋め込みホトダイオード内の電荷が全て転送できるように、ホトダイオード並びにリセット電圧を設計している。
【０１１１】
従来は、ソースフォロワの出力信号振幅を２．５volt確保するために、電源電圧＝５．０volt、リセット電圧＝３．５volt、で駆動せざるを得なかった。
【０１１２】
一方、本実施例では、電源電圧＝３．３volt、リセット電圧＝１．８voltに下げたにも関わらず、従来と同等の良好な光信号を得ることができた。
【０１１３】
また、前述の性能を達成するために、従来は、電源電圧が５．０voltを必要とし、最小線幅０．８μｍルールのＭＯＳトランジスタプロセスを使用せざるを得なかったのに対し、本実施例では、電源電圧を３．３voltにすることができるとともに、最小線幅０．３５μｍルールのＭＯＳトランジスタを用いることができた。
【０１１４】
（実施形態３）
図８は、本実施形態による１画素及び読み出し回路の回路図である。
【０１１５】
９０１、９０１’はリセット用電圧及び増幅用トランジスタの電源電圧を与える電源線、９０２、９０２’はリセットスイッチＱ2、Ｑ2’の動作を制御するリセットスイッチ線、９０４は信号出力線、９０５はホトダイオード、９０６、９０６’は転送スイッチＱ1、Ｑ1’の動作を制御する転送スイッチ線である。
【０１１６】
実施形態１、２においては、１画素に一つソースフォロワを配置したものであり、読み出すたびに時系列的にソースフォロワの入力部をリセットしていた。
【０１１７】
本実施形態においては、１画素に２つのソースフォロワＱ3およびＱ3’を配置されている。ここでは、ソースフォロアＱ3およびＱ3’の入力部を、リセットスイッチＱ2、Ｑ2’をオンすることにより同時にリセットする。
【０１１８】
その後、選択スイッチＱ4とスイッチＳ1のノイズ用のスイッチおよび選択スイッチＱ4’とスイッチＳ２のノイズ用のスイッチを順次開閉し、リセットノイズ信号をそれぞれスイッチＳ1，Ｓ2に接続されるノイズ用の容量に保持する。
【０１１９】
続いて、転送スイッチＱ2，Ｑ2’を順次または同時に開閉し、ソースフォロアＱ3およびＱ3’の入力部に電荷を転送し、順次、選択スイッチＱ4、Ｑ4’を開閉して、光信号情報を含んだ信号出力をそれぞれスイッチＳ1，Ｓ2に接続される信号用の容量に信号を保持する。
【０１２０】
そして、水平走査回路を用いて各信号を共通出力線に読み出して、共通出力線上で加算して出力し、差動アンプによりノイズ抑制処理を施し、出力する。
【０１２１】
（実施形態４）
図９は本実施形態による固体撮像装置の回路図である。
【０１２２】
ここでは、第１の信号出力線９０４と平行に第２の信号出力線９０４’を配置し、ソースフォロアＱ3’の出力を第２の信号出力線に読み出すことで、ノイズ信号および光信号を含んだ信号出力の読み出しを並列に行うことができる。つまり、選択スイッチＱ4、Ｑ4’を同時に開閉することができる。
【０１２３】
本実施形態により、実施形態１と同様に低電圧でかつ広いダイナミックレンジの光信号を得ると同時に、画素サイズは大きくなるものの実施形態１、２に比べ読み出しのための時間を短縮することができた。
【０１２４】
（実施形態５）
例えば、実施例１の固体撮像装置の読み出し回路を変更して、順次読み出しを行った信号を夫々デジタル信号に変換してからデジタル処理により信号の加算を行うこともできる。
【０１２５】
このデジタル処理においては、重みを可変とした、重み付け加算を簡単に行うことができるので、その結果、例えば、図１０に示すように、信号の加算をプログラマブルに設定できる。この方法を用いれば、例えば、光量の範囲に応じ感度を変えることができる。
【０１２６】
（実施形態６）
本実施の形態による固体撮像装置の回路を図１１に示す。基本的な構成や動作は実施形態２と同じである。異なる点は、ソースフォロワの入力部たる電荷電圧変換部の容量ＣFDを小さくて一信号出力線あたりの読み出し容量の組を３組から２組に減らして、２回の動作で転送及び読み出しを行うようにした点である。
【０１２７】
具体的には、感度を向上させるためにソースフォロワの入力部にたる電荷電圧変換部の容量ＣFDを４ｆＦ程度にした。
【０１２８】
ＣFD＝７ｆＦ程度では、入力部における１電子あたりの電荷変換係数は、２３μＶ／電子である。
【０１２９】
本実施形態では、ＣFD＝４ｆＦ程度に設計し、電荷変換係数を４０μＶ／電子とした。
【０１３０】
従来技術では、感度を上げるために、容量値を小さくしてしまうとその分ダイナミックレンジは小さくなってしまっていた。具体的には取り扱い電荷が５７％に減少してしまい、感度の向上とダイナミックレンジの拡大は両立することが困難であった。
【０１３１】
本実施形態例では、電源電圧＝５．０voltとし、２回の読み出しにより、ホトダイオード内に蓄積できる最大電荷量を完全に転送し読み出すことが可能であり、この２回の読み出しによる信号を共通の水平出力線上で加算した。この結果、ダイナミックレンジを確保しつつ、感度を約２倍に向上させることができる。
【０１３２】
（実施形態７）
本実施形態の固体撮像装置の３画素の回路図を図１２に示す。
【０１３３】
本実施形態は、３つのホトダイオードからなる光電変換部と３つの転送スイッチに対し、一つの増幅手段であるソースフォロワアンプ、選択スイッチ及びリセットスイッチが接続されて３画素を構成している。
【０１３４】
１３０１は電源線、１３０２はリセットスイッチ線、１３０３は選択スイッチ線、１３０５ａ〜１３０５ｃはホトダイオード，１３０６は転送スイッチ線である。
【０１３５】
本実施形態の特徴は、各ホトダイオード部の信号をそれぞれの転送スイッチを開閉することで選択的に読み出せる一方、３つの転送スイッチを同時に開閉することでソースフォロワの入力端子上で３つホトダイオードの信号を加算できるところにある。３つのホトダイオードを加算した場合は、１つのホトダイオードの場合と比較して信号量が増加する。従来では、加算しても、ソースフォロワの入力端子上での信号振幅で制限されてしまっていたが、転送動作を複数回繰り返すことにより一単位の蓄積期間に蓄積された電荷に基づく信号をよみだせば、本発明を適用することで、加算したすべての信号を読み出すことができる。
【０１３６】
また、本発明においては、初回に読み出した信号を使わずに、２回目或いはそれ以降の信号を用いるモードを選択して、所定の露光量以上の信号のみを抽出できるようにすることも可能である。
【０１３７】
例えば、３回以上の読み出しを行う場合に、初回の信号を加算せずに、２回目読み出し信号のみを選択して加算すれば、デジタル演算することなしに、ある露光光量以上の信号を簡単に抽出することが可能となる。
【０１３８】
また、画素部分の駆動に用いられる電源を３．３voltにすることができるため、単一の電源でアナログ−デジタル変換器とともに駆動をすることができる。さらには、画素部分とアナログ−デジタル変換器を同一のチップ上に作製することが容易にできる。
【０１３９】
図１３に本発明による上記撮像装置を用いたシステム概略図を示す。
【０１４０】
同図に示すように、光学系７１を通って入射した画像光は固体撮像装置７２上に結像する。固体撮像装置７２によって光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は信号処理回路７３によってホワイトバランス補正、ガンマ補正、輝度信号形成、色信号形成、輪郭補正処理等予め決められた方法によって信号変換処理され、出力される。信号処理された信号は、記録系、通信系７４により情報記録装置により記録、あるいは情報転送される。記録、あるいは転送された信号は再生系７７により再生される。固体撮像装置７２、信号処理回路７３はタイミング制御回路７５により制御され、光学系７１、タイミング制御回路７５、記録系・通信系７４、再生系７７はシステムコントロール回路７６により制御される。タイミング制御回路７５により独立読み出しか、加算・間引き読み出しかを選択することができる。
【０１４１】
７０は必要に応じて設けられ、固体撮像装置７２の露光時間を定める機械式シャッターである。
【０１４２】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電源電圧を下げても広いダイナミックレンジのセンサ信号を得ることができる。
（２）上記（１）の効果により、より微細なＭＯＳトランジスタを使用することができ、画素の縮小化が可能となる。
（３）微細なＭＯＳトランジスタの使用が可能になったため、単一の電源で、高性能なデジタルＩＣとの使用が可能となる。
（４）微細なＭＯＳトランジスタの使用が可能になったため、単一の電源で、高性能なデジタルＩＣとの１チップ化が可能となる。
（５）ダイナミックレンジを劣化させることなく、感度向上が可能となる。
【０１４３】
【発明の効果】
本発明によれば、従来よりも、低消費電力で、ノイズの少ない固体撮像装置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供することができる。
【０１４４】
或いは、電源電圧やリセット電圧を高くすることなく、空乏転送が可能な固体撮像装置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる固体撮像装置の画素部構成とその動作を説明するための模式図である。
【図２】本発明による、画素部の駆動タイミング図である。
【図３】本発明に用いられる画素部の代表的な回路図である。
【図４】本発明に用いられる加算回路を有する読み出し回路の模式的な回路図である。
【図５】本発明に用いられる加算回路の一例を示す図である。
【図６】本発明に用いられる別の加算回路を有する読み出し回路の模式的な回路図である。
【図７】本発明に用いられる画素部の駆動タイミング図である。
【図８】本発明に用いられる別の固体撮像装置の回路図である。
【図９】本発明に用いられる更に別の固体撮像装置の回路図である。
【図１０】光量と演算後の出力信号の関係の一例を示す図である。
【図１１】本発明に用いられる他の読み出し回路の回路図である。
【図１２】本発明に用いられる他の固体撮像装置の画素部の回路図である。
【図１３】本発明に用いられる撮像システムのブロック図である。
【図１４】従来の固体撮像装置の動作を説明するための模式図である。
【図１５】ホトダイオードの飽和電荷量と浮遊拡散領域の電位の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０１  Ｐウエル
１０２  転送スイッチのゲート
１０３  浮遊拡散領域
１０４  ホトダイオードの表面ｐ領域
１０５  ホトダイオードのｎ領域
１０６  酸化膜
１０７  リセット領域
１０８  リセットスイッチのゲート
５０１  電源線
５０２  リセットスイッチ線
５０３  選択スイッチ線
５０４  信号出力線
５０５  埋め込み型のホトダイオード
５０６  転送スイッチ線
Ｑ１  転送スイッチ
Ｑ２  リセットスイッチ
Ｑ３  入力ＭＯＳトランジスタ（信号増幅手段）
Ｑ４  選択スイッチ
【図１】
0003667220.tif 000002
【図２】
0003667220.tif 000003
【図３】
0003667220.tif 000004
【図４】
0003667220.tif 000005
【図５】
0003667220.tif 000006
【図６】
0003667220.tif 000007
【図７】
0003667220.tif 000008
【図８】
0003667220.tif 000009
【図９】
0003667220.tif 000010
【図１０】
0003667220.tif 000011
【図１１】
0003667220.tif 000012
【図１２】
0003667220.tif 000013
【図１３】
0003667220.tif 000014
【図１４】
0003667220.tif 000015
【図１５】
0003667220.tif 000016