(57)【要約】  本技術は、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができるようにする固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子機器に関する。固体撮像装置は、１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備える。複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、複数の画素のうち、一部の画素は第１の露光時間に設定され、その他の画素は第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定される。本技術は、例えば、固体撮像装置等に適用できる。
2017126326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備え、
前記複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、
前記複数の画素のうち、一部の画素は第１の露光時間に設定され、その他の画素は前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定される
固体撮像装置。
【請求項２】
前記１個のオンチップレンズの下には、縦２画素×横２画素の４画素が配置されている
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
同一の露光時間に設定された複数の前記画素は、斜め方向に配列されている
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
同一の露光時間に設定された前記画素の画素信号は、位相差の検出に用いられる
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の露光時間に設定された前記画素の画素信号と、前記第２の露光時間に設定された前記画素の画素信号は、ハイダイナミックレンジ画像の生成に用いられる
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記１個のオンチップレンズの下に配置された前記複数の画素は、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、及び選択トランジスタを共通に利用する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記１個のオンチップレンズの下に配置された前記複数の画素は、浮遊拡散領域を共通に利用し、
前記１個のオンチップレンズの下に配置された少なくとも２つの画素の画素信号は、前記浮遊拡散領域で加算された後、出力される
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
画素トランジスタが形成されたトランジスタ領域と、フォトダイオードが形成されたフォトダイオード領域が積層された画素構造である
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
半導体基板内に形成された深さ位置が異なる２つのフォトダイオードと、前記半導体基板上に形成された光電変換膜とが積層された画素構造である
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
半導体基板内に形成されたフォトダイオードと、前記半導体基板上に形成された光電変換膜とが積層された画素構造である
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記半導体基板上に補色のカラーフィルタを有する
請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記半導体基板上に原色のカラーフィルタを有する
請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記１個のオンチップレンズの下に配置された全ての画素が同一の露光時間に設定される動作モードも備える
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備え、
前記複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、
前記複数の画素のうち、一部の画素については第１の露光時間に設定し、その他の画素については前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定する
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１５】
１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備え、
前記複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、
前記複数の画素のうち、一部の画素は第１の露光時間に設定され、その他の画素は前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定される
固体撮像装置
を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子機器に関し、特に、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができるようにする固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つのオンチップレンズに対して複数の受光領域を形成し、オンチップレンズ下の分離領域は遮光しないようにすることにより、オンチップレンズ下の複数の受光領域において感度の不均一性を低減させるようにした構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５０９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の構造では、オンチップレンズ下の複数の受光領域それぞれの受光信号を用いて位相差検出のための信号を得ることはできるが、複数の受光領域で露光時間を変えることができないため、ハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を取得することはできない。【０００５】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本技術の第１の側面の固体撮像装置は、１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備え、前記複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、前記複数の画素のうち、一部の画素は第１の露光時間に設定され、その他の画素は前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定される。【０００７】
本技術の第２の側面の固体撮像装置の駆動方法は、１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備え、前記複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、前記複数の画素のうち、一部の画素については第１の露光時間に設定し、その他の画素については前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定する。【０００８】
本技術の第３の側面の電子機器は、１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備え、前記複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、前記複数の画素のうち、一部の画素は第１の露光時間に設定され、その他の画素は前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定される固体撮像装置を備える。【０００９】
本技術の第１乃至第３の側面においては、１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部が設けられ、前記複数の画素では、少なくとも１つの画素トランジスタが共通に利用され、前記複数の画素のうち、一部の画素は第１の露光時間に設定され、その他の画素は前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定される。【００１０】
固体撮像装置及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
【発明の効果】
【００１１】
本技術の第１乃至第３の側面によれば、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができる。【００１２】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本技術を適用した固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１の固体撮像装置の画素回路図である。
【図３】図１の固体撮像装置の画素レイアウトを示す図である。
【図４】図１の固体撮像装置の配線レイアウトを示す図である。
【図５】オンチップレンズと画素間遮光膜のレイアウトを示す図である。
【図６】カラーフィルタのレイアウトを示す図である。
【図７】第１の実施の形態の画素構造を示す断面図である。
【図８】第１の動作モードについて説明する図である。
【図９】第１の動作モードについて説明する図である。
【図１０】第２の動作モードについて説明する図である。
【図１１】第２の動作モードについて説明する図である。
【図１２】カラーフィルタの変形例を説明する図である。
【図１３】位相差検出画素の設定例を説明する図である。
【図１４】位相差検出画素の設定例を説明する図である。
【図１５】位相差検出画素の設定例を説明する図である。
【図１６】第１の実施の形態におけるその他の第１の画素構造を示す図である。
【図１７】第１の実施の形態におけるその他の第２の画素構造を示す図である。
【図１８】第１の実施の形態におけるその他の第３の画素構造を示す図である。
【図１９】第１の実施の形態におけるその他の第４の画素構造を示す図である。
【図２０】共有個数の変形例を説明する図である。
【図２１】第２の実施の形態における第１の画素構造を示す断面図である。
【図２２】第２の実施の形態の第１の画素構造におけるオンチップレンズの配置を示す平面図である。
【図２３】オンチップレンズの曲率について説明する図である。
【図２４】第２の実施の形態における第２の画素構造を示す断面図である。
【図２５】オンチップレンズと光電変換膜とカラーフィルタの配置を示す平面図である。
【図２６】第２の実施の形態における第３の画素構造を示す断面図である。
【図２７】本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２８】図１の固体撮像装置の使用例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（像面位相差オートフォーカス機能とHDR機能を同時に実現する構成例）
２．第２の実施の形態（位相差検出精度を向上させた構成例）
３．電子機器の構成例
【００１５】
＜１．第１の実施の形態＞
＜固体撮像装置の概略構成例＞
図１は、本技術が適用された固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【００１６】
図１の固体撮像装置１は、半導体として例えばシリコン（Si）を用いた半導体基板１２に、画素（画素領域）２が行列状に配列された画素アレイ部３と、その周辺の周辺回路部とを有して構成される。周辺回路部には、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６、出力回路７、制御回路８などが含まれる。
【００１７】
制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路８では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路８は、生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に出力する。
【００１８】
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線１０を選択し、選択された画素駆動配線１０に画素２を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素２を駆動する。すなわち、垂直駆動回路４は、画素アレイ部３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線９を通して各画素２の光電変換部において受光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路５に供給する。
【００１９】
カラム信号処理回路５は、画素２の列ごとに配置されており、１行分の各画素２から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。例えば、カラム信号処理回路５は、画素固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)およびAD変換等の信号処理を行う。
【００２０】
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１１に出力させる。
【００２１】
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１１を通して順次に供給される信号に対し、所定の信号処理を行って出力する。出力回路７は、例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。入出力端子１３は、外部と信号のやりとりをする。
【００２２】
以上のように構成される固体撮像装置１は、CDS処理とAD変換処理を行うカラム信号処理回路５が画素列ごとに配置されたカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサである。
【００２３】
＜画素回路図＞
図１の固体撮像装置１では、縦４画素×横４画素の計１６画素で、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、及び選択トランジスタを共有する共有画素構造が採用されている。以下、図２乃至図７を参照して、固体撮像装置１の共有画素構造について具体的に説明する。なお、図面では、図が煩雑になるのを避けるため、符号の図示を一部省略している箇所がある。
【００２４】
図２は、画素アレイ部３内の縦４画素×横４画素の計１６画素の等価回路図を示している。
【００２５】
図２の説明では、縦方向に配列された各行を第１行乃至第４行、横方向に配列された各列を第１列乃至第４列と称して説明する。
【００２６】
画素アレイ部３の各画素２には、フォトダイオード２１と、フォトダイオード２１に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタ２２が個別に配置されている。
【００２７】
画素アレイ部３の各行には、行方向に配列された各画素２の転送トランジスタ２２を制御する駆動信号を伝送する３本の信号線TRX1乃至TRX3が配置されている。第１行において行方向に隣接する４画素では、第１列と第３列の画素２の転送トランジスタ２２は信号線TRX2と接続されており、第２列の画素２の転送トランジスタ２２は信号線TRX3と接続されており、第４列の画素２の転送トランジスタ２２は信号線TRX1と接続されている。第２行において行方向に隣接する４画素では、第１列の画素２の転送トランジスタ２２は信号線TRX1と接続されており、第２列と第４列の画素２の転送トランジスタ２２は信号線TRX2と接続されており、第３列の画素２の転送トランジスタ２２は信号線TRX3と接続されている。第３行の４画素の転送トランジスタ２２は、第１行の同位置の画素２の転送トランジスタ２２と同じ接続となっており、第４行の４画素の転送トランジスタ２２は、第２行の同位置の画素２の転送トランジスタ２２と同じ接続となっている。
【００２８】
FD(浮遊拡散領域)２３は、縦２×横２の隣接する４画素で共有するように設けられており、したがって、縦４画素×横４画素の計１６画素では４個のFD２３が設けられている。
【００２９】
リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６は、それぞれ１個設けられており、共有単位である１６画素で共通に利用される。
【００３０】
フォトダイオード２１は、入射光を受光し、光電荷を生成して蓄積する。
【００３１】
転送トランジスタ２２は、信号線TRX（TRX1乃至TRX3のいずれか）を介してゲート電極に供給される駆動信号がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオード２１に蓄積されている光電荷を、他の３画素と共有されているFD２３に転送する。また、フォトダイオード２１の露光を開始する直前に転送トランジスタ２２とリセットトランジスタ２４を同時にオンすることで、それまでにフォトダイオード２１に蓄積されている電荷を排出することができ、フォトダイオード２１の露光時間を調整することができる。
【００３２】
FD２３は、共有されている４画素のうちの少なくとも１画素のフォトダイオード２１から供給された光電荷を一時保持する。
【００３３】
リセットトランジスタ２４は、信号線RSTを介してゲート電極に供給される駆動信号がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、４個の各FD２３の電位を所定のレベル（リセット電圧VDD）にリセットする。
【００３４】
増幅トランジスタ２５は、ソース電極が選択トランジスタ２６を介して垂直信号線９に接続されることにより、垂直信号線９の一端に接続されている定電流源回路部の負荷MOS２７とソースフォロワ回路を構成する。FD２３に保持されている電荷に応じたレベルを示す画素信号が、増幅トランジスタ２５から選択トランジスタ２６を介してカラム信号処理回路５（図１）に出力される。負荷MOS２７は、例えば、カラム信号処理回路５内に設けられている。
【００３５】
選択トランジスタ２６は、増幅トランジスタ２５のソース電極と垂直信号線９との間に接続されている。選択トランジスタ２６は、信号線SELを介してゲート電極に供給される駆動信号がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態となり、共有単位を選択状態として増幅トランジスタ２５から出力される共有単位内の画素信号を垂直信号線９に出力する。共有単位内の複数の画素２は、垂直駆動回路４からの駆動信号に応じて、１画素単位で画素信号を出力することもできるし、複数画素単位で画素信号を同時出力することもできる。
【００３６】
図３は、図２に示したフォトダイオード２１、転送トランジスタ２２、FD２３、リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６の半導体基板１２上の画素レイアウトを示している。図３において、図２と対応する部分については同一の符号を付してある。
【００３７】
また、図４は、図２に示した画素トランジスタ（転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６）を制御する駆動信号を伝送する信号線TRX1乃至TRX3,SEL,RSTと、電源配線VDD及びグランド配線GNDの配線レイアウトを示している。
【００３８】
画素アレイ部３の画素レイアウトは、図３に示されるように、縦２×横２の４個のフォトダイオード２１の中心部に、それらで共通に利用されるFD２３を配置し、FD２３とフォトダイオード２１との間に転送トランジスタ２２を配置したレイアウトとされている。
【００３９】
縦４×横４に配列された１６個のフォトダイオード２１が形成された領域の下側に、１６個のフォトダイオード２１と４個のFD２３に対して共通に利用されるリセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６が配置されている。なお、図３及び図４において、１６個のフォトダイオード２１が形成された領域の上側に配置されているリセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６は、不図示の他のフォトダイオード２１とFD２３に利用される画素トランジスタである。
【００４０】
図５は、各画素２においてフォトダイオード２１よりも光入射側に形成されているオンチップレンズ３１と画素間遮光膜３３を、図３の画素レイアウトに重ねて示した図である。
【００４１】
また、図６は、各画素２においてフォトダイオード２１よりも光入射側に形成されているカラーフィルタ３２と画素間遮光膜３３を、図３の画素レイアウトに重ねて示した図である。なお、カラーフィルタ３２は、フォトダイオード２１とオンチップレンズ３１との間に配置されている。
【００４２】
オンチップレンズ３１は、縦２×横２の４個（４画素）のフォトダイオード２１の上に１個のオンチップレンズ３１が配置されるように形成されている。
【００４３】
カラーフィルタ３２もオンチップレンズ３１と同様に、縦２×横２の４個（４画素）のフォトダイオード２１上に、１色（同色）のカラーフィルタ３２が形成されている。図６の例では、左上の４画素にはG(緑)の光を透過させるカラーフィルタ３２G、右上の４画素にはB（青）の光を透過させるカラーフィルタ３２B、左下の４画素にはR(赤)の光を透過させるカラーフィルタ３２R、右下の４画素にはGの光を透過させるカラーフィルタ３２Gが形成されており、４画素単位のベイヤ配列となっている。
【００４４】
画素間遮光膜３３は、４画素単位に配置されたオンチップレンズ３１とカラーフィルタ３２どうしを分離するように、縦方向と横方向に格子状に形成されている。
【００４５】
固体撮像装置１の第１の実施の形態の画素構造を断面図で示すと、例えば、図７に示されるようになる。
【００４６】
第１の実施の形態では、１つのオンチップレンズ３１下に複数のフォトダイオード２１が形成されており、その複数のフォトダイオード２１は、オンチップレンズ３１下に配置された同色のカラーフィルタ３２を介して、同色の光を光電変換する。図７の例では、右側のオンチップレンズ３１下の複数のフォトダイオード２１は、Gの光を光電変換する。左側のオンチップレンズ３１下の複数のフォトダイオード２１は、Rの光を光電変換する。同色の光を受光する画素間の分離領域には画素間遮光膜３３が形成されない。FD２３は、同一のオンチップレンズ３１下の複数のフォトダイオード２１の中心に配置され、FD２３と各フォトダイオード２１との間に、転送トランジスタ２２が配置されている。
【００４７】
以上のように構成される固体撮像装置１では、１つのオンチップレンズ３１下に複数のフォトダイオード２１が形成されていることにより、１フレームで取得できる各画素２の画素信号から、像面位相差オートフォーカス機能を実現することができる。
【００４８】
また、１つのオンチップレンズ３１下の複数画素において露光時間を異なる設定とすることで、ハイダイナミックレンジ画像を生成するHDR機能も実現することができる。
【００４９】
＜第１の動作モード＞
図８及び図９を参照して、固体撮像装置１が実行可能な第１の動作モードについて説明する。
【００５０】
固体撮像装置１が実行可能な第１の動作モードは、１フレームで取得できる各画素２の画素信号から、像面位相差オートフォーカス機能とHDR機能を同時に実現する動作モードである。
【００５１】
像面位相差オートフォーカス機能は、１つのオンチップレンズ３１下に形成された複数画素のうち、光軸に対して対称に配置された画素どうしから得られる画素信号を位相差信号として比較することにより実現できる。即ち、光軸に対して対称に配置された画素どうしの画素信号には、光軸に対する受光領域の配置の違いにより、像のずれが発生する。その２つの画素信号の位相ずれ量に基づいてデフォーカス量を算出し、撮影レンズを調整（移動）することで、オートフォーカスを実現することができる。
【００５２】
例えば、図２の画素レイアウトにおいて、１つのFD２３を共有する４画素のうち、右上のフォトダイオード２１と左下のフォトダイオード２１の画素信号が位相差信号として取得され、位相差が検出される。また、左上のフォトダイオード２１と右下のフォトダイオード２１の画素信号が位相差信号として取得され、位相差が検出される。
【００５３】
HDR機能は、１つのオンチップレンズ３１下に形成された複数画素の露光時間を、第１の露光時間（以下、長畜時間ともいう。）と、それよりも短い第２の露光時間（以下、短畜時間ともいう。）のいずれかに設定し、長畜時間に設定された画素２から得られた長畜画素信号と、短畜時間に設定された画素２から得られた短畜画素信号とを合成することで実現できる。
【００５４】
図８は、第１の動作モードにおける各画素の露光時間の設定例を示している。
【００５５】
図８においてGHと書かれた画素２は、Gのカラーフィルタ３２Gが配置されたG画素であって、露光時間が長畜時間に設定された画素を表し、GLと書かれた画素２は、G画素であって、露光時間が短畜時間に設定された画素を表す。
【００５６】
また、図８において、BHと書かれた画素２は、Bのカラーフィルタ３２Bが配置されたB画素であって、露光時間が長畜時間に設定された画素を表し、BLと書かれた画素２は、B画素であって、露光時間が短畜時間に設定された画素を表す。
【００５７】
同様に、RHと書かれた画素２は、Rのカラーフィルタ３２Rが配置されたR画素であって、露光時間が長畜時間に設定された画素を表し、RLと書かれた画素２は、R画素であって、露光時間が短畜時間に設定された画素を表す。
【００５８】
図２に示した等価回路図によれば、縦４画素×横４画素の計１６画素のうち、第１行乃至第４行それぞれの信号線TRX2に接続されている転送トランジスタ２２を有する画素２の露光時間を短畜時間に設定し、信号線TRX1及びTRX3に接続されている転送トランジスタ２２を有する画素２の露光時間を長畜時間に設定することで、図８の第１の動作モードが実現できる。
【００５９】
この第１の動作モードでは、図９のAに示されるように、FD２３を中心に左上と右下（左斜め方向）に配置された画素２は、どちらも、露光時間が短畜時間に設定されており、HDR機能を実現する際の短畜画素信号として用いることができる。
【００６０】
また、FD２３を中心に左上と右下に配置された画素２は、同じ露光時間に設定され、光軸に対し受光領域（フォトダイオード２１）が対称に配置された画素であるので、それら２つの短畜画素信号を位相差信号として用いることができる。
【００６１】
さらに、図９のBに示されるように、FD２３を中心に右上と左下（右斜め方向）に配置された画素２は、どちらも、露光時間が長畜時間に設定されており、HDR機能を実現する際の長畜画素信号として用いることができる。
【００６２】
また、FD２３を中心に右上と左下に配置された画素２は、同じ露光時間に設定され、光軸に対し受光領域（フォトダイオード２１）が対称に配置された画素であるので、それら２つの長畜画素信号を位相差信号として用いることができる。
【００６３】
従って、固体撮像装置１の第１の動作モードによれば、像面位相差オートフォーカス機能とHDR機能を同時に実現でき、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができる。
【００６４】
＜第２の動作モード＞
次に、図１０及び図１１を参照して、固体撮像装置１が実行可能な第２の動作モードについて説明する。
【００６５】
固体撮像装置１が実行可能な第２の動作モードは、露光時間については全画素同一時間に設定し、像面位相差オートフォーカス機能の位相差検出精度を向上させた動作モードである。
【００６６】
第２の動作モードでは、露光時間は全画素で同一に設定されるので、図１０に示されるように、Gのカラーフィルタ３２Gが配置された画素２から、Gの画素信号が出力され、Bのカラーフィルタ３２Bが配置された画素２から、Bの画素信号が出力され、Rのカラーフィルタ３２Rが配置された画素２から、Rの画素信号が出力される。
【００６７】
この結果、図１１のAにおいて破線で示されるように、FD２３を中心に上側２画素と下側２画素は、光軸に対し受光領域が対称に配置された画素領域どうしとなるので、それら２つの画素領域の画素信号を位相差信号として用いることができる。
【００６８】
また、図１１のBにおいて破線で示されるように、FD２３を中心に右側２画素と左側２画素は、光軸に対し受光領域が対称に配置された画素領域どうしとなるので、それら２つの画素領域の画素信号を位相差信号として用いることができる。
【００６９】
さらに、１画素単位の画素信号を用いて、第１の動作モードと同様に、FD２３を中心に左上と右下（左斜め方向）に配置された画素２どうし、及び、FD２３を中心に右上と左下（右斜め方向）に配置された画素２どうしの画素信号も、位相差信号として用いることができる。
【００７０】
第２の動作モードで取得できる位相差信号を、第１の動作モードで取得できる位相差信号と比較すると、２画素の画素信号を加算した加算信号により位相差を検出する場合、比較される位相差信号の信号量は、第１の動作モードよりも２倍となっている。
【００７１】
また、位相差を検出する検出方向も、第１の動作モードが左斜め方向と右斜め方向の２方向であるのに対して、第２の動作モードでは、左斜め方向、右斜め方向、縦方向、及び横方向の４方向である。
【００７２】
従って、第２の動作モードによれば、位相差を検出するための情報量が第１の動作モードと比べて２倍となり、位相差検出精度を向上させることができる。
【００７３】
なお、縦方向かまたは横方向のいずれか一方向のみで位相差を検出する場合には、加算する２画素の画素信号を同時にFD２３に転送し、FD２３で画素信号を加算してから出力することができる。例えば、縦方向で位相差を検出する場合には、上側２画素の画素信号がFD２３で加算された後で出力され、下側２画素の画素信号がFD２３で加算された後で出力される。横方向で位相差を検出する場合には、右側２画素の画素信号がFD２３で加算された後で出力され、左側２画素の画素信号がFD２３で加算された後で出力される。上側２画素と下側２画素の画素出力の順番、右側２画素と左側２画素の画素出力の順番は、逆でもよい。
【００７４】
＜カラーフィルタの変形例＞
上述した例では、カラーフィルタ３２の配列が、図６に示したように、４画素単位のベイヤ配列となっているものとして説明したが、カラーフィルタ３２の配列は、これに限られない。
【００７５】
例えば、カラーフィルタ３２の配列は、図１２に示されるように、R,G,Bのカラーフィルタ３２以外に、R,G,Bの全波長の光を透過させるW（ホワイト）のカラーフィルタ３２Wが、４画素単位で所定の位置に配置された配列とすることができる。また、カラーフィルタ３２が透過させる光の色（波長）は、R,G,Bに限られない。例えば、Ye(イエロー)、Mg(マゼンタ)、Cy(シアン)などの補色となる波長の光を透過させるカラーフィルタ３２を採用してもよい。
【００７６】
＜位相差検出画素の設定例＞
上述した第１及び第２の動作モードは、１個のオンチップレンズ３１下に形成された複数画素のそれぞれが所定の露光時間となるように制御して、各画素２の画素信号を出力する駆動である。像面位相差オートフォーカス機能は、対応する画素どうしの画素信号を位相差信号として捉えて位相差を算出することで実現できるため、画素アレイ部３内のどの画素２を位相差検出画素とするかは任意である。そのため、画素アレイ部３内のどの画素２を位相差検出画素とするかは、動作設定や撮像条件等に応じて適宜決定することができる。
【００７７】
例えば、図１３に示されるように、破線で示される縦８×横８の計６４画素の領域に対して、ある１個のFD２３を中心とする所定の４画素のみを、位相差検出画素に設定して位相差を検出してもよい。図１３において斜線が付された画素２は、位相差検出画素に設定された画素を示している。即ち、図１３は、画素アレイ部３において、４／６４画素の割合で位相差検出画素を設定した例を示している。
【００７８】
また例えば、図１４に示されるように、破線で示される縦８×横８の計６４画素の領域に対して、ある１個のFD２３を中心とする所定の４画素と、その他の１個のFD２３を中心とする所定の４画素の計８画素のみを、位相差検出画素として位相差を検出してもよい。即ち、図１４は、画素アレイ部３において、８／６４画素の割合で位相差検出画素を設定した例を示している。
【００７９】
あるいはまた、図１５に示されるように、画素アレイ部３の全画素を位相差検出画素に設定して位相差を検出してもよい。即ち、図１５は、画素アレイ部３の全画素を位相差検出画素に設定した例を示している。
【００８０】
なお、図１２を参照して説明したようにカラーフィルタ３２の配列も任意であるので、位相差検出画素に設定する画素２のカラーフィルタ３２の色も限定されず、任意の色でよい。
【００８１】
＜その他の画素構造例＞
本技術は、図７に示した画素構造に限らず、同色の光を受光する画素間の分離領域については画素間遮光膜３３を配置せずに遮光しない画素レイアウトであって、１個のオンチップレンズ３１及び同色のカラーフィルタ３２の下層に形成される複数画素が、FD２３、リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６を共有し、露光時間を長畜時間と短畜時間の少なくとも２種類が設定できる全ての画素構造に適用することができる。
【００８２】
以下では、本技術を適用できるその他の画素構造について図１６乃至図１９を参照して説明する。なお、図１６乃至図１９において、上述した実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００８３】
＜その他の第１の画素構造＞
図１６は、第１の実施の形態におけるその他の第１の画素構造を示す図である。
【００８４】
図１６に示される第１の画素構造は、転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６の各画素トランジスタTｒとFD２３が形成されるトランジスタ領域と、フォトダイオード２１が形成されるフォトダイオード領域が深さ方向に積層された画素構造を有する。
【００８５】
図１６のAは、共有単位となる１６画素のカラーフィルタ３２の配列例を示す図である。その他の第１の画素構造では、図６と同様、４画素単位のベイヤ配列となっている。
【００８６】
図１６のBは、その他の第１の画素構造における画素２の断面図を示している。
【００８７】
その他の第１の画素構造では、図１６のBに示されるように、フォトダイオード２１が形成された半導体基板１２の下面（オンチップレンズ３１が形成された面と反対側の面）に、エピタキシャル成長によって成膜したエピタキシャル層４１が形成されている。そして、エピタキシャル層４１のフォトダイオード２１が形成されている面と反対側の面に、転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６の各画素トランジスタTｒが形成されている。このように画素トランジスタTｒが形成されたトランジスタ領域と、フォトダイオード２１が形成されたフォトダイオード領域を深さ方向に積層して配置することにより、平面方向の配置面積を縮小することができ、画素面積を小型化することができる。
【００８８】
このような画素構造においても、共有単位となる計１６画素の領域内の画素回路を図２に示したように構成し、第１の動作モードで駆動させることにより、像面位相差オートフォーカス機能とHDR機能を同時に実現し、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができる。
【００８９】
また、第２の動作モードで駆動させることにより、位相差検出精度を向上させた像面位相差オートフォーカス機能を実現することができる。
【００９０】
＜その他の第２の画素構造＞
図１７は、第１の実施の形態におけるその他の第２の画素構造を示す図である。
【００９１】
図１７に示されるその他の第２の画素構造は、半導体基板１２の深さ方向に３つの光電変換部を備える画素構造である。具体的には、第１の光電変換部として、半導体基板１２上面に、Gの光を光電変換する光電変換膜５１Gが形成され、第２及び第３の光電変換部として、PN接合により形成したフォトダイオード２１Bと２１Rが、半導体基板１２内で深さ方向に積層して形成されている。
【００９２】
図１７のAは、半導体基板１２の上面に形成した光電変換膜５１Gの配置を示す図である。
【００９３】
Gの光を光電変換する光電変換膜５１Gとしては、例えば、ローダーミン系色素、メラシアニン系色素、キナクリドン等を含む有機光電変換材料を用いることができる。
【００９４】
図１７のBは、その他の第２の画素構造における画素２の断面図を示している。
【００９５】
フォトダイオード２１Bと２１Rは、PN接合が形成される深さ位置の違いにより、フォトダイオード２１Bが、Bの光を光電変換し、フォトダイオード２１Rが、Rの光を光電変換する。半導体基板１２の上面側（光入射側）には、光電変換膜５１Gに加えて、画素ごとに分離して形成された画素電極５２も形成されている。
【００９６】
光電変換膜５１Gで光電変換された電荷は、画素ごとに分離して形成された画素電極５２から、金属配線５３を介して、半導体基板１２内の拡散層５４へ蓄積される。拡散層５４に蓄積された電荷は、上述した実施の形態と同様、不図示の画素トランジスタによってカラム信号処理回路５へ出力される。
【００９７】
このような、異なる色の光を光電変換する３つの光電変換部が積層された画素構造においても、共有単位となる計１６画素の領域内の画素回路を図２に示したように構成し、第１の動作モードで駆動させることにより、像面位相差オートフォーカス機能とHDR機能を同時に実現し、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができる。
【００９８】
また、第２の動作モードで駆動させることにより、位相差検出精度を向上させた像面位相差オートフォーカス機能を実現することができる。
【００９９】
＜その他の第３の画素構造＞
図１８は、第１の実施の形態におけるその他の第３の画素構造を示す図である。図１８においても、図１６及び図１７と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１００】
図１８に示されるその他の第３の画素構造は、光電変換部を、半導体基板１２内にPN接合により形成したフォトダイオード２１と、半導体基板１２の上面側（光入射側）に形成した光電変換膜５１の両方で形成した画素構造である。
【０１０１】
図１８のAは、半導体基板１２の上面に形成したカラーフィルタ３２と光電変換膜５１の配置を示している。
【０１０２】
図１８のBは、その他の第３の画素構造における画素２の断面図を示している。ただし、図１８のBでは、縦２×横４の計８画素の単位で、図１８のAでは縦方向の配列を横方向の配列に変更して示している。
【０１０３】
その他の第３の画素構造のカラーフィルタ３２としては、４個のオンチップレンズ３１に対応させて、Ye（黄色）の光を透過させるカラーフィルタ３２Ye、W（ホワイト）のカラーフィルタ３２W、Wのカラーフィルタ３２W、及び、Cy（シアン）の光を透過させるカラーフィルタ３２Cyが形成されている。Wのカラーフィルタ３２Wは、例えば、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル共重合系樹脂、またはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料で形成することもできるし、窒化膜（SiN）、酸窒化膜（SiON）、炭化珪素（SiC）等の無機膜により、オンチップレンズ３１と同一材料で形成することもできる。
【０１０４】
光電変換膜５１としては、共有単位となる１６画素のそれぞれに、Gの光を光電変換する光電変換膜５１Gが形成されている。
【０１０５】
図１８のBに示されるように、半導体基板１２内に形成されたフォトダイオード２１のうち、Yeのカラーフィルタ３２YeとGの光電変換膜５１Gの下に形成されているフォトダイオード２１には、Rの光を光電変換した電荷が蓄積される。
【０１０６】
Wのカラーフィルタ３２WとGの光電変換膜５１Gの下に形成されているフォトダイオード２１には、Mg（マゼンタ）の光を光電変換した電荷が蓄積される。
【０１０７】
Cyのカラーフィルタ３２CyとGの光電変換膜５１Gの下に形成されているフォトダイオード２１には、Bの光を光電変換した電荷が蓄積される。
【０１０８】
このような画素構造においても、共有単位となる計１６画素の領域内の画素回路を図２に示したように構成し、第１の動作モードで駆動させることにより、像面位相差オートフォーカス機能とHDR機能を同時に実現し、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができる。
【０１０９】
また、第２の動作モードで駆動させることにより、位相差検出精度を向上させた像面位相差オートフォーカス機能を実現することができる。
【０１１０】
＜その他の第４の画素構造＞
図１９は、第１の実施の形態におけるその他の第４の画素構造を示す図である。図１９においても、図１６乃至図１８と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１１１】
図１９に示される第４の画素構造は、光電変換部を、半導体基板１２内にPN接合により形成したフォトダイオード２１と、半導体基板１２の上面側（光入射側）に形成した光電変換膜５１の両方で形成した画素構造である。
【０１１２】
ただし、その他の第４の画素構造が、図１８に示したその他の第３の画素構造と異なる点は、その他の第３の画素構造が光電変換膜５１と補色のカラーフィルタ３２との縦２層の積層構造であるのに対して、その他の第４の画素構造は、光電変換膜５１と原色のカラーフィルタ３２との縦２層の積層構造である点である。
【０１１３】
図１９のAは、半導体基板１２の上面に形成したカラーフィルタ３２と光電変換膜５１の配置を示している。
【０１１４】
図１９のBは、その他の第４の画素構造における画素２の断面図を示している。ただし、図１９のBにおいても、縦２×横４の計８画素の単位で、図１９のAでは縦方向の配列を横方向の配列に変更して示している。
【０１１５】
第４の画素構造のカラーフィルタ３２としては、４個のオンチップレンズ３１に対応させて、Rの光を透過させるカラーフィルタ３２R、Wのカラーフィルタ３２W、Wのカラーフィルタ３２W、及び、Bのカラーフィルタ３２Bが形成されている。
【０１１６】
また、光電変換膜５１としては、共有単位となる１６画素のそれぞれに、Gの光を光電変換する光電変換膜５１Gが形成されている。
【０１１７】
図１８に示した補色のカラーフィルタ３２を用いた第３の画素構造では、Gの光電変換膜５１Gがカラーフィルタ３２の下層に配置されていたが、原色のカラーフィルタ３２を用いた第４の画素構造では、カラーフィルタ３２の上層に、Gの光電変換膜５１Gが配置されている。
【０１１８】
図１９のBに示されるように、半導体基板１２内に形成されたフォトダイオード２１のうち、Gの光電変換膜５１GとRのカラーフィルタ３２Rの下に形成されているフォトダイオード２１には、Rの光を光電変換した電荷が蓄積される。
【０１１９】
Gの光電変換膜５１GとWのカラーフィルタ３２Wの下に形成されているフォトダイオード２１には、Mgの光を光電変換した電荷が蓄積される。
【０１２０】
Gの光電変換膜５１G とBのカラーフィルタ３２Bの下に形成されているフォトダイオード２１には、Bの光を光電変換した電荷が蓄積される。
【０１２１】
このような画素構造においても、共有単位となる計１６画素の領域内の画素回路を図２に示したように構成し、第１の動作モードで駆動させることにより、像面位相差オートフォーカス機能とHDR機能を同時に実現し、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができる。
【０１２２】
また、第２の動作モードで駆動させることにより、位相差検出精度を向上させた像面位相差オートフォーカス機能を実現することができる。
【０１２３】
＜共有個数の変形例＞
上述した例では、リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６が１６画素で共有されていたが、このリセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及び選択トランジスタ２６を共有する画素の画素数は１６個に限定されない。例えば、FD２３と同様に、４画素で共有するように構成してもよいし、縦２×横４、または、縦４×横２の８画素で共有するように構成してもよい。
【０１２４】
また、１個のFD２３、カラーフィルタ３２及びオンチップレンズ３１を共有する個数も４個に限定されず、図２０に示されるように任意のN個（N＞１）とすることができる。
【０１２５】
＜２．第２の実施の形態＞
上述した第１の実施の形態では、像面位相差オートフォーカス機能とHDR機能を同時に実現する第１の動作モードと、位相差検出精度を向上させた像面位相差オートフォーカス機能を実現する第２の動作モードの両方が動作可能な構成について説明した。
【０１２６】
次に説明する第２の実施の形態では、位相差検出精度を向上させた像面位相差オートフォーカス機能に注目した画素構造について説明する。
【０１２７】
以下説明する第２の実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１２８】
＜第１の画素構造＞
図２１は、第２の実施の形態における第１の画素構造を示す断面図である。
【０１２９】
第２の実施の形態では、画素アレイ部３内の複数の画素２が、画素信号を画像生成用の用途に加えて位相差検出にも用いる画素（以下、位相差兼用画素２Aという。）と、位相差検出には用いず画像生成用の撮像信号としてのみ用いる画素（以下、通常画素２Bという。）とに分けられる。
【０１３０】
図２１のAは、位相差兼用画素２Aの画素構造を示しており、図２１のBは、通常画素２Bの画素構造を示している。
【０１３１】
第２の実施の形態における第１の画素構造では、PN接合により形成したフォトダイオード２１Bと２１Rが、半導体基板１２内で深さ方向に積層して形成されている。フォトダイオード２１Bは、Bの光を光電変換し、フォトダイオード２１Rは、Rの光を光電変換する。そして、半導体基板１２の上面側（光入射側）には、Gの光を光電変換する光電変換膜５１G、画素ごとに分離して形成された画素電極５２などが形成されている。
【０１３２】
これにより、第２の実施の形態の第１の画素構造を有する画素２は、R,G,Bそれぞれの画素信号SIG_R,SIG_G,SIG_Bを出力することができる。
【０１３３】
図２１のAとBを比較して分かるように、位相差兼用画素２Aと通常画素２Bとでは、１個のオンチップレンズ３１の形成領域が異なる。
【０１３４】
図２２は、第２の実施の形態の第１の画素構造におけるオンチップレンズ３１の配置を示す平面図である。
【０１３５】
位相差兼用画素２Aでは、上述した第１の実施の形態と同様に、縦２×横２の４画素に対して、１個のオンチップレンズ３１が形成されている。一方、通常画素２Bでは、１画素単位に１個のオンチップレンズ３１が形成されている。
【０１３６】
１個のオンチップレンズ３１の下に配置されている縦２×横２の４つの位相差兼用画素２Aのうち、右上の位相差兼用画素２Aを２AUR、右下の位相差兼用画素２Aを２ALR、左上の位相差兼用画素２Aを２AUL、左下の位相差兼用画素２Aを２ALLと表記すると、右上の位相差兼用画素２AURから、R,G,Bそれぞれの画素信号SIG_RUR,SIG_GUR,SIG_BURが得られる。同様に、右下の位相差兼用画素２ALRから、R,G,Bそれぞれの画素信号SIG_RLR,SIG_GLR,SIG_BLR、左上の位相差兼用画素２AULから、R,G,Bそれぞれの画素信号SIG_RUL,SIG_GUL,SIG_BUL、左下の位相差兼用画素２ALLから、R,G,Bそれぞれの画素信号SIG_RLL,SIG_GLL,SIG_BLLが得られる。
【０１３７】
画素アレイ部３の各位相差兼用画素２Aから出力されたR,G,Bそれぞれの画素信号SIG_R,SIG_G,SIG_Bを信号処理する信号処理部（例えば、出力回路７や固体撮像装置１の後段に配置されるDSP回路など）では、図１１のAを参照して説明したように、R,G,Bそれぞれの画素信号SIG_R,SIG_G,SIG_Bについて、右上の位相差兼用画素２AURと左上の位相差兼用画素２AULの上側２画素の加算信号と、右下の位相差兼用画素２ALRと左下の位相差兼用画素２ALLの下側２画素加算信号とを比較することにより、第１の方向（縦方向）における位相差を検出することができる。
【０１３８】
また、図１１のBを参照して説明したように、R,G,Bそれぞれの画素信号SIG_R,SIG_G,SIG_Bについて、右上の位相差兼用画素２AURと右下の位相差兼用画素２ALRの右側２画素の加算信号と、左上の位相差兼用画素２AULと左下の位相差兼用画素２ALLの左側２画素の加算信号とを比較することにより、第２の方向（横方向）における位相差を検出することができる。
【０１３９】
さらに、左上の位相差兼用画素２AULと右下の位相差兼用画素２ALRに配置された位相差兼用画素２Aどうしの画素信号SIG_R,SIG_G,SIG_Bを比較することにより、第３の方向（左斜め方向）における位相差を検出し、右上の位相差兼用画素２AURと左下の位相差兼用画素２ALLに配置された位相差兼用画素２Aどうしの画素信号SIG_R,SIG_G,SIG_Bを比較することにより、第４の方向（右斜め方向）における位相差を検出することができる。
【０１４０】
これにより、縦方向、横方向、左斜め方向、及び、右斜め方向の４方向で位相差を検出することができるので、位相差検出精度を向上させることができる。
【０１４１】
一方、位相差兼用画素２Aにおける撮像信号は、次のようにして算出される。まず、１個のオンチップレンズ３１の下に配置された４個の位相差兼用画素２AUR、２ALR、２AUL、及び２AURの画素信号SIGが加算された後、平均化される。そして、オンチップレンズ３１下の位相差兼用画素２Aごとに、その周辺の通常画素２Bの画素信号SIGに基づいて補間処理が行われ、撮像信号が算出される。以上の処理が、R,G,Bそれぞれの画素信号SIG_R,SIG_G,SIG_Bについて行われる。これにより、位相差兼用画素２Aにおいても、通常画素２Bと同じ解像度の撮像信号を得ることができる。
【０１４２】
なお、位相差兼用画素２Aの上に形成されるオンチップレンズ３１の曲率は、画素アレイ部３内の全てのオンチップレンズ３１で同一としてもよいし、例えば、図２３に示されるように、光電変換膜５１Gに焦点を合わせたG用の曲率を有するオンチップレンズ３１、フォトダイオード２１Rに焦点を合わせたR用の曲率を有するオンチップレンズ３１、及び、フォトダイオード２１Bに焦点を合わせたB用の曲率を有するオンチップレンズ３１を、所定の規則で配置させるようにしてもよい。この場合、R,G、及びBの色ごとに最適化された位相差信号を取得することができる。
【０１４３】
＜第２の画素構造＞
図２４は、第２の実施の形態における第２の画素構造を示す断面図である。
【０１４４】
第２の画素構造においても、行列状に配列された複数の画素２が位相差兼用画素２Aと通常画素２Bとに分けられて画素アレイ部３内に配置されている。
【０１４５】
図２４のAは、位相差兼用画素２Aの画素構造を示しており、図２４のBは、通常画素２Bの画素構造を示している。
【０１４６】
第２の画素構造では、半導体基板１２内に、PN接合により形成した１個のフォトダイオード２１が形成されている。半導体基板１２の上面側（光入射側）には、Gの光電変換膜５１G、画素電極５２などが形成されている。また、光電変換膜５１Gと半導体基板１２上面との間には、カラーフィルタ３２が形成されている。カラーフィルタ３２としては、Rのカラーフィルタ３２Rが形成されている画素２と、Bのカラーフィルタ３２Bが形成されている画素２とがある。
【０１４７】
図２５のAは、オンチップレンズ３１と光電変換膜５１Gの配置を示す平面図である。図２５のBは、オンチップレンズ３１とカラーフィルタ３２の配置を示す平面図である。
【０１４８】
オンチップレンズ３１は、図２２を参照して説明した第１の画素構造と同様に形成されている。即ち、位相差兼用画素２Aについては縦２×横２の４画素に対して１個のオンチップレンズ３１が形成され、通常画素２Bについては１画素単位に１個のオンチップレンズ３１が形成されている。
【０１４９】
光電変換膜５１Gは画素アレイ部３の全画素に形成されている。
【０１５０】
Rのカラーフィルタ３２RとBのカラーフィルタ３２Bは、図２５のBに示されるように、画素アレイ部３の縦方向及び横方向に交互に配置されるように形成されている。
【０１５１】
図２４の断面図に示されるように、Rのカラーフィルタ３２Rが配置された画素２に形成されたフォトダイオード２１は、Rの光を光電変換するフォトダイオード２１Rとなり、Bのカラーフィルタ３２Bが配置された画素２に形成されたフォトダイオード２１は、Bの光を光電変換するフォトダイオード２１Bとなる。
【０１５２】
従って、第２の実施の形態の第２の画素構造における各画素２は、Rの画素信号SIG_RまたはBの画素信号SIG_Bのいずれか一方と、Gの画素信号SIG_Gの２種類（２色）の画素信号SIGを出力する。
【０１５３】
第２の実施の形態の第２の画素構造においては、位相差の検出は、位相差兼用画素２Aから出力されるGの画素信号SIG_Gを用いて行われる。
【０１５４】
即ち、Gの画素信号SIG_Gについて、右上の位相差兼用画素２AURから得られたGの画素信号SIG_GURと、左上の位相差兼用画素２AULから得られたGの画素信号SIG_GULとを加算した上側２画素の加算信号と、右下の位相差兼用画素２ALRから得られたGの画素信号SIG_GLRと、左下の位相差兼用画素２ALLから得られたGの画素信号SIG_GLLとを加算した下側２画素加算信号とを比較することにより、第１の方向（縦方向）における位相差を検出することができる。
【０１５５】
また、右上の位相差兼用画素２AURから得られたGの画素信号SIG_GURと、右下の位相差兼用画素２ALRから得られたGの画素信号SIG_GLRとを加算した右側２画素の加算信号と、左上の位相差兼用画素２AULから得られたGの画素信号SIG_GULと、左下の位相差兼用画素２ALLから得られたGの画素信号SIG_GLLとを加算した左側２画素の加算信号とを比較することにより、第２の方向（横方向）における位相差を検出することができる。
【０１５６】
さらに、左上の位相差兼用画素２AULと右下の位相差兼用画素２ALRに配置された位相差兼用画素２AどうしのGの画素信号SIG_Gを比較することにより、第３の方向（左斜め方向）における位相差を検出し、右上の位相差兼用画素２AURと左下の位相差兼用画素２ALLに配置された位相差兼用画素２AどうしのGの画素信号SIG_Gを比較することにより、第４の方向（右斜め方向）における位相差を検出することができる。
【０１５７】
これにより、Gの画素信号SIG_Gを用いて、縦方向、横方向、左斜め方向、及び、右斜め方向の４方向で位相差を検出することができるので、位相差検出精度を向上させることができる。
【０１５８】
Rの画素信号SIG_RとBの画素信号SIG_Bについては、位相差の検出に用いなくてもよいし、第３の方向（左斜め方向）と第４の方向（右斜め方向）についてのみGの画素信号SIG_Gと同様に位相差を検出してもよい。
【０１５９】
位相差兼用画素２Aにおける撮像信号は、Gの撮像信号については、上述した第１の画素構造における場合と同様に、１個のオンチップレンズ３１の下に配置された４個の位相差兼用画素２AUR、２ALR、２AUL、及び２AURのGの画素信号SIG_Gを用いた平均化処理及び補間処理によって算出される。
【０１６０】
RとBの撮像信号については、１個のオンチップレンズ３１の下に配置された４個の位相差兼用画素２AUR、２ALR、２AUL、及び２ALLのうち、位相差兼用画素２AUL及び２ALRで取得されるRの画素信号SIG_Rを、画素信号SIG_R1及びSIG_R2とし、位相差兼用画素２ALL及び２AURで取得されるBの画素信号SIG_Bを、画素信号SIG_B1及びSIG_B2とする。Rの撮像信号については、Rのカラーフィルタ３２Rを有する位相差兼用画素２AUL及び２ALRで取得される画素信号SIG_R1及びSIG_R2を用いた平均化処理及び補間処理によって算出される。Bの撮像信号については、Bのカラーフィルタ３２Bを有する位相差兼用画素２ALL及び２AURで取得される画素信号SIG_B1及びSIG_B2を用いた平均化処理及び補間処理によって算出される。これにより、位相差兼用画素２Aにおいても、通常画素２Bと同じ解像度の撮像信号を得ることができる。
【０１６１】
＜第３の画素構造＞
図２６は、第２の実施の形態における第３の画素構造を示す断面図である。
【０１６２】
図２６のAは、位相差兼用画素２Aの画素構造を示しており、図２６のBは、通常画素２Bの画素構造を示している。
【０１６３】
図２４で示した第２の画素構造では、カラーフィルタ３２として、原色であるRのカラーフィルタ３２RとBのカラーフィルタ３２Bが形成されていたのに対して、図２６の第３の画素構造では、補色となるYe(イエロー)のカラーフィルタ３２Yeと、Cy(シアン)のカラーフィルタ３２Cyが形成されている点が異なる。また、第２の画素構造においてRのカラーフィルタ３２RとBのカラーフィルタ３２Bは、Gの光電変換膜５１Gの下側に配置されていたのに対して、第３の画素構造では、Yeのカラーフィルタ３２YeとCyのカラーフィルタ３２Cyは、Gの光電変換膜５１Gの上側に配置されている。
【０１６４】
図２６に示されるように、Yeのカラーフィルタ３２Yeが配置された画素２に形成されたフォトダイオード２１は、Rの光を光電変換するフォトダイオード２１Rとなり、Cyのカラーフィルタ３２Cyが配置された画素２に形成されたフォトダイオード２１は、Bの光を光電変換するフォトダイオード２１Bとなる。
【０１６５】
その他の画素構造は、第２の画素構造と同様である。位相差の検出と、撮像信号の算出も、上述した第２の画素構造における場合と同様に実行できる。これにより、第２の実施の形態における第３の画素構造においても、位相差検出精度を向上させることができ、また、位相差兼用画素２Aにおいても、通常画素２Bと同じ解像度の撮像信号を得ることができる。
【０１６６】
＜３．電子機器の構成例＞
本技術は、固体撮像装置への適用に限られるものではない。即ち、本技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像装置は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
【０１６７】
図２７は、本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【０１６８】
図２７の撮像装置１００は、レンズ群などからなる光学部１０１、図１の固体撮像装置１の構成が採用される固体撮像装置（撮像デバイス）１０２、およびカメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路１０３を備える。また、撮像装置１００は、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７、および電源部１０８も備える。DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７および電源部１０８は、バスライン１０９を介して相互に接続されている。
【０１６９】
光学部１０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置１０２の撮像面上に結像する。固体撮像装置１０２は、光学部１０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置１０２として、上述した第１の実施の形態または第２の実施の形態に係る固体撮像装置１を用いることができる。
【０１７０】
表示部１０５は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置１０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録部１０６は、固体撮像装置１０２で撮像された動画または静止画を、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
【０１７１】
操作部１０７は、ユーザによる操作の下に、撮像装置１００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部１０８は、DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６および操作部１０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【０１７２】
上述したように、固体撮像装置１０２として、上述した第１の実施の形態に係る固体撮像装置１を用いることで、第１の動作モードで駆動させることにより、像面位相差オートフォーカス機能とHDR機能を同時に実現し、位相差検出のための信号とハイダイナミックレンジ画像を生成するための信号を同時に取得することができる。また、第２の動作モードで駆動させることにより、位相差検出精度を向上させた像面位相差オートフォーカス機能を実現することができる。
【０１７３】
また、固体撮像装置１０２として、上述した第２の実施の形態に係る固体撮像装置１を用いることで、位相差検出精度を向上させた像面位相差オートフォーカス機能を実現することができる。
【０１７４】
従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置１００においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
【０１７５】
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０１７６】
＜イメージセンサの使用例＞
図２８は、上述の固体撮像装置１をイメージセンサとして使用する場合の使用例を示す図である。
【０１７７】
上述の固体撮像装置１を用いたイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【０１７８】
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【０１７９】
また、本技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
【０１８０】
また、本技術は、固体撮像装置に限らず、他の半導体集積回路を有する半導体装置全般に対して適用可能である。
【０１８１】
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０１８２】
例えば、上述した複数の実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。
【０１８３】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
【０１８４】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備え、
前記複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、
前記複数の画素のうち、一部の画素は第１の露光時間に設定され、その他の画素は前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定される
固体撮像装置。
（２）
前記１個のオンチップレンズの下には、縦２画素×横２画素の４画素が配置されている
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
同一の露光時間に設定された複数の前記画素は、斜め方向に配列されている
前記（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
同一の露光時間に設定された前記画素の画素信号は、位相差の検出に用いられる
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（５）
前記第１の露光時間に設定された前記画素の画素信号と、前記第２の露光時間に設定された前記画素の画素信号は、ハイダイナミックレンジ画像の生成に用いられる
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（６）
前記１個のオンチップレンズの下に配置された前記複数の画素は、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、及び選択トランジスタを共通に利用する
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（７）
前記１個のオンチップレンズの下に配置された前記複数の画素は、浮遊拡散領域を共通に利用し、
前記１個のオンチップレンズの下に配置された少なくとも２つの画素の画素信号は、前記浮遊拡散領域で加算された後、出力される
前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（８）
画素トランジスタが形成されたトランジスタ領域と、フォトダイオードが形成されたフォトダイオード領域が積層された画素構造である
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（９）
半導体基板内に形成された深さ位置が異なる２つのフォトダイオードと、前記半導体基板上に形成された光電変換膜とが積層された画素構造である
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１０）
半導体基板内に形成されたフォトダイオードと、前記半導体基板上に形成された光電変換膜とが積層された画素構造である
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１１）
前記半導体基板上に補色のカラーフィルタを有する
前記（１０）に記載の固体撮像装置。
（１２）
前記半導体基板上に原色のカラーフィルタを有する
前記（１０）に記載の固体撮像装置。
（１３）
前記１個のオンチップレンズの下に配置された全ての画素が同一の露光時間に設定される動作モードも備える
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１４）
１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備え、
前記複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、
前記複数の画素のうち、一部の画素については第１の露光時間に設定し、その他の画素については前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定する
固体撮像装置の駆動方法。
（１５）
１個のオンチップレンズの下に同色の光を受光する複数の画素が配置された画素アレイ部を備え、
前記複数の画素は少なくとも１つの画素トランジスタを共通に利用し、
前記複数の画素のうち、一部の画素は第１の露光時間に設定され、その他の画素は前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間に設定される
固体撮像装置
を備える電子機器。
（Ｂ１）
複数画素の上に形成された第１のオンチップレンズと、１画素の上に形成された第２のオンチップレンズとを有し、
各画素は、半導体基板上に形成された第１の光電変換部と、半導体基板内に形成された第２の光電変換部とを少なくとも有し、
前記第１のオンチップレンズの下に配置された画素の前記第１の光電変換部で得られた画素信号が位相差の検出に用いられる
固体撮像装置。
（Ｂ２）
各画素には、前記第２の光電変換部に加えて第３の光電変換部が積層されており、
前記第１のオンチップレンズの下に配置された画素の前記第２の光電変換部と前記第３の光電変換部で得られた画素信号も、位相差の検出に用いられる
前記（Ｂ１）に記載の固体撮像装置。
（Ｂ３）
前記半導体基板上に原色のカラーフィルタを有し、
前記第１の光電変換部は、Gの光を光電変換し、
前記第２の光電変換部は、RまたはBの光を光電変換する
前記（Ｂ１）または（Ｂ２）に記載の固体撮像装置。
（Ｂ４）
前記半導体基板上に補色のカラーフィルタを有し、
前記第１の光電変換部は、Gの光を光電変換し、
前記第２の光電変換部は、RまたはBの光を光電変換する
前記（Ｂ１）または（Ｂ２）に記載の固体撮像装置。
（Ｂ５）
前記第１のオンチップレンズには、前記第１の光電変換部に焦点を合わせたオンチップレンズと、前記第２の光電変換部に焦点を合わせたオンチップレンズとがある
前記（Ｂ１）乃至（Ｂ３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（Ｂ６）
複数画素の上に形成された第１のオンチップレンズと、１画素の上に形成された第２のオンチップレンズとを有し、
各画素は、半導体基板上に形成された第１の光電変換部と、半導体基板内に形成された第２の光電変換部とを少なくとも有し、
前記第１のオンチップレンズの下に配置された画素の前記第１の光電変換部で得られた画素信号が位相差の検出に用いられる
固体撮像装置
を備える電子機器。
【符号の説明】
【０１８５】
１  固体撮像装置，  ２  画素，  ２A  位相差兼用画素，  ２B  通常画素，  ３  画素アレイ部，  ５  カラム信号処理回路，  １２  半導体基板，  ２１  フォトダイオード，  ２２  転送トランジスタ，  ２３  FD（浮遊拡散領域），  ２４  リセットトランジスタ，  ２５  増幅トランジスタ，  ２６  選択トランジスタ，  ３１  オンチップレンズ，  ３２  カラーフィルタ，  ５１  光電変換膜，  ５２  画素電極，  １００  撮像装置，  １０２  固体撮像装置，  １０３  DSP回路
【図１】
2017126326.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017126326.tif 000007
【図６】
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【図７】
2017126326.tif 000009
【図８】
2017126326.tif 000010
【図９】
2017126326.tif 000011
【図１０】
2017126326.tif 000012
【図１１】
2017126326.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2017126326.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2017126326.tif 000019
【図１８】
2017126326.tif 000020
【図１９】
2017126326.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2017126326.tif 000024
【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】
2017126326.tif 000030
【国際調査報告】
2017126326.tif 000031
2017126326.tif 000032
2017126326.tif 000033
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