(57)【要約】  画素ＰＸＬは飽和容量比および感度比が異なる第１のフォトダイオードＰＤＳＬおよび第２のフォトダイオードＰＳＬＳ、各フォトダイオードの蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する転送トラジスタＴＧＳＬ−Ｔｒ、ＴＧＬＳ−Ｔｒ、並びに、フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部８０を含んで構成されている。第１のフォトダイオードＰＤＳＬの第１の飽和容量は第２のフォトダイオードＰＤＬＳの第２の飽和容量より小さく、第１のフォトダイオードＰＤＳＬの第１の感度は第２のフォトダイオードＰＤＬＳの第２の感度より大きい。この構成により、広ダイナミックレンジ化を実現しつつ、読み出しノイズの影響を防止でき、ひいては画質を向上させることが可能となる。
2019009213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第１の光電変換部と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第２の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第１の転送素子と、
前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第２の転送素子と、
前記第１の転送素子および前記第２の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記第１の光電変換部は、第１の飽和容量および第１の感度を有し、
前記第２の光電変換部は、前記第１の飽和容量と異なる第２の飽和容量および前記第１の感度と異なる第２の感度を有する
固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の飽和容量は前記第２の飽和容量より小さく、
前記第１の感度は前記第２の感度より大きい
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部を有し、
前記画素は、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子を含み、
前記読み出し部は、
前記リセット素子を通じて前記フローティングディフュージョンをリセットするリセット期間後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、
前記リセット期間後の前記読み出し期間後に、前記第１の転送素子または第２の転送素子を通じて前記フローティングディフュージョンに第１の飽和容量および第１の感度の前記第１の光電変換部または第２の飽和容量および第２の感度の前記第２の光電変換部の蓄積電荷を転送する前記転送期間後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャンが可能で、
一つの前記読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第１容量に応じた第１変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第２容量に応じた第２変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行う
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記読み出し部は、
前記第１変換利得モード時には、少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持した状態で、前記第１の読み出し期間後の前記第１の転送素子による第１の転送期間の転送処理を行い、
当該第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の前記第１変換利得モード読み出しを行う
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記読み出し部は、
前記第２変換利得モード時には、少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記キャパシタの容量を含む前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第３の読み出し期間後の前記第２の転送素子による第２の転送期間の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行う
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する一つの前記第１の光電変換部と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも二つの前記第２の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な一つの前記第１の転送素子と、
前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも二つの前記第２の転送素子と、を含み、
前記フローティングディフュージョンは、
前記第１の転送素子および前記第２の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送される
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素は、
前記第１の光電変換部を含んで矩形に形成され、当該第１の光電変換部の四隅部にそれぞれ対応して前記第２の光電変換部および前記第２の転送素子が配置されている
請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部を有し、
前記画素は、
前記四隅部として、左上隅部の第１の隅部、右上隅部の第２の隅部、左下隅部の第３の隅部、および右下隅部の第４の隅部を有し、
前記第１の隅部に第１の前記第２の光電変換部および第１の前記第２の転送素子が配置され、
前記第２の隅部に第２の前記第２の光電変換部および第２の前記第２の転送素子が配置され、
前記第３の隅部に第３の前記第２の光電変換部および第３の前記第２の転送素子が配置され、
前記第４の隅部に第４の前記第２の光電変換部および第４の前記第２の転送素子が配置され、
前記読み出し部は、
前記第１の光電変換部、前記第１の前記第２の光電変換部、前記第２の前記第２の光電変換部、前記第３の前記第２の光電変換部、および前記第４の前記第２の光電変換部に対する蓄積電荷読み出し処理の組み合わせにより、少なくとも広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能のうちの少なくとも一方の機能を発現する読み出しを行うことが可能である
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記画素部は、
複数の画素が行列状に配置され、
一つの前記フローティングディフュージョンを、隣接する複数の画素の前記第２の光電変換素子および前記第２の転送素子で共有する画素共有構造を有する
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記画素は、
前記四隅部として、左上隅部の第１の隅部、右上隅部の第２の隅部、左下隅部の第３の隅部、および右下隅部の第４の隅部を有し、
前記第１の隅部に第１の前記第２の光電変換部および第１の前記第２の転送素子が配置され、
前記第２の隅部に第２の前記第２の光電変換部および第２の前記第２の転送素子が配置され、
前記第３の隅部に第３の前記第２の光電変換部および第３の前記第２の転送素子が配置され、
前記第４の隅部に第４の前記第２の光電変換部および第４の前記第２の転送素子が配置され、
前記第１の前記第２の光電変換部および前記第１の前記第２の転送素子は、
列方向左側に隣接する画素の前記第２の前記第２の光電変換部および前記第２の前記第２の転送素子、行方向上側に隣接する画素の前記第３の前記第２の光電変換部および前記第３の前記第２の転送素子、並びに、左上側に隣接する画素の前記第４の前記第２の光電変換部および前記第４の前記第２の転送素子のうちの少なくともいずれかと、一つの前記フローティングディフュージョンを共有し、
前記第２の前記第２の光電変換部および前記第２の前記第２の転送素子は、
列方向右側に隣接する画素の前記第１の前記第２の光電変換部および前記第１の前記第２の転送素子、行方向上側に隣接する画素の前記第４の前記第２の光電変換部および前記第４の前記第２の転送素子、並びに、右上側に隣接する画素の前記第３の前記第２の光電変換部および前記第３の前記第２の転送素子のうちの少なくともいずれかと、一つの前記フローティングディフュージョンを共有し、
前記第３の前記第２の光電変換部および前記第３の前記第２の転送素子は、
列方向左側に隣接する画素の前記第４の前記第２の光電変換部および前記第４の前記第２の転送素子、行方向下側に隣接する画素の前記第１の前記第２の光電変換部および前記第１の前記第２の転送素子、並びに、左下側に隣接する画素の前記第２の前記第２の光電変換部および前記第２の前記第２の転送素子のうちの少なくともいずれかと、一つの前記フローティングディフュージョンを共有し、
前記第４の前記第２の光電変換部および前記第４の前記第２の転送素子は、
列方向右側に隣接する画素の前記第３の前記第２の光電変換部および前記第３の前記第２の転送素子、行方向下側に隣接する画素の前記第２の前記第２の光電変換部および前記第２の前記第２の転送素子、並びに、右下側に隣接する画素の前記第１の前記第２の光電変換部および前記第１の前記第２の転送素子のうちの少なくともいずれかと、一つの前記フローティングディフュージョンを共有する
請求項９記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部を有し、
前記画素部は、
第１の画素、第２の画素、第３の画素、および第４の画素が行列状に配列され、
前記第１の画素の前記第１の前記第２の光電変換部および前記第１の前記第２の転送素子、前記第２の画素の前記第２の前記第２の光電変換部および前記第２の前記第２の転送素子、前記第３の画素の前記第３の前記第２の光電変換部および前記第３の前記第２の転送素子、並びに、前記第４の画素の前記第４の前記第２の光電変換部および前記第４の前記第２の転送素子が、一つの前記フローティングディフュージョンを共有し、
前記読み出し部は、
前記第１の画素の前記第１の光電変換部、前記第１の画素の前記第１の第２の光電変換部、前記第２の画素の前記第２の第２の光電変換部、前記第３の画素の前記第３の第２の光電変換部、および前記第４の画素の前記第４の第２の光電変換部に対する蓄積電荷読み出し処理の組み合わせにより、少なくとも広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能のうちの少なくとも一方の機能を発現する読み出しを行うことが可能である
請求項１０記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第１容量に応じた第１変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第２容量に応じた第２変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第１の広ダイナミックレンジ化機能を発現する場合、
第１の第１の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持させ、
リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持した状態で、前記第１の読み出し期間後の前記第１の転送素子による第１の転送期間の転送処理を行い、
当該第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
第１の第２の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第３の読み出し期間後の前記第１の前記第２の転送素子、前記第２の前記第２の転送素子、前記第３の前記第２の転送素子、および前記第４の前記第２の転送素子による第２の転送期間の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
第１の広ダイナミックレンジ化信号として前記第１の前記第２の読み出し処理信号を適用する
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第１容量に応じた第１変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第２容量に応じた第２変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第２の広ダイナミックレンジ化機能および第１の位相差検出機能を発現する場合、
第２の第１の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持させ、
リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持した状態で、前記第１の読み出し期間後の前記第１の転送素子による第１の転送期間の転送処理を行い、
当該第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
第２の第２の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第３の読み出し期間後の前記第１の前記第２の転送素子および前記第２の前記第２の転送素子の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
第３の第２の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第５の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第５の読み出し期間後の前記第３の前記第２の転送素子および前記第４の前記第２の転送素子の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第６の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
第１の位相差検出用信号として、前記第２の前記第２の読み出し処理信号と前記第３の前記第２の読み出し処理信号の差分信号を適用し、
第２の広ダイナミックレンジ化信号として前記第２の前記第２の読み出し処理信号と前記第３の前記第２の読み出し処理信号の加算信号を適用する
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第１容量に応じた第１変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第２容量に応じた第２変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第３の広ダイナミックレンジ化機能および第２の位相差検出機能を発現する場合、
第３の第１の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持させ、
リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持した状態で、前記第１の読み出し期間後の前記第１の転送素子による第１の転送期間の転送処理を行い、
当該第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
第４の第２の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第３の読み出し期間後の前記第１の前記第２の転送素子および前記第３の前記第２の転送素子の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
第５の第２の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第５の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第５の読み出し期間後の前記第２の前記第２の転送素子および前記第４の前記第２の転送素子の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第６の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
第２の位相差検出用信号として、前記第４の前記第２の読み出し処理信号と前記第５の前記第２の読み出し処理信号の差分信号を適用し、
第３の広ダイナミックレンジ化信号として前記第４の前記第２の読み出し処理信号と前記第５の前記第２の読み出し処理信号の加算信号を適用する
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第１容量に応じた第１変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第２容量に応じた第２変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第４の広ダイナミックレンジ化機能および第３の位相差検出機能を発現する場合、
第４の第１の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持させ、
リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持した状態で、前記第１の読み出し期間後の前記第１の転送素子による第１の転送期間の転送処理を行い、
当該第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
第６の第２の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第３の読み出し期間後の前記第１の前記第２の転送素子および前記第４の前記第２の転送素子の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
第７の第２の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第５の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第５の読み出し期間後の前記第２の前記第２の転送素子および前記第３の前記第２の転送素子の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第６の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
第３の位相差検出用信号として、前記第６の前記第２の読み出し処理信号と前記第７の前記第２の読み出し処理信号の差分信号を適用し、
第４の広ダイナミックレンジ化信号として前記第６の前記第２の読み出し処理信号と前記第７の前記第２の読み出し処理信号の加算信号を適用する
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記読み出し部は、
一つの読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第１容量に応じた第１変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第２容量に応じた第２変換利得で前記画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能で、
第５の広ダイナミックレンジ化機能を発現する場合、
第５の第１の読み出し処理信号を得るために、
少なくともリセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持させ、
リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第１変換利得に対応する前記第１容量に保持した状態で、前記第１の読み出し期間後の前記第１の転送素子による第１の転送期間の転送処理を行い、
当該第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の前記第１変換利得モード読み出しを行い、
第８の第２の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第３の読み出し期間後の前記第１の前記第２の転送素子、前記第２の前記第２の転送素子、および前記第３の前記第２の転送素子の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
第９の第２の読み出し処理信号を得るために、
少なくとも前記リセット期間後に前記容量可変部により前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持させ、
前記リセット期間に続く第５の読み出し期間に第１の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
前記フローティングディフュージョンの容量を前記第２変換利得に対応する前記第２容量に保持した状態で、前記第５の読み出し期間後の前記第４の前記第２の転送素子の転送処理を行い、
当該第２の転送期間後の第６の読み出し期間に第２の前記第２変換利得モード読み出しを行い、
第５の広ダイナミックレンジ化信号として前記第８の前記第２の読み出し処理信号と前記第３の前記第９の読み出し処理信号の加算信号を適用する
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
第１基板面側と、当該第１基板面側と対向する側の第２基板面側とを有する基板と、
前記基板に対して埋め込むように形成された第１導電型半導体層を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する前記第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部の前記第１導電型半導体層の少なくとも一方の側部に形成された第２導電型分離層と、
前記第２導電型分離層を挟んで、前記第１の光電変換部と並列となるように、前記基板に対して埋め込むように形成された第１導電型半導体層を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する前記第２の光電変換部と、を有し、
前記第１の光電変換部の受光領域の開口部は前記第２の光電変換部の開口部より大きく、
前記第１の光電変換部の第１導電型半導体層の不純物濃度は、前記第２の光電変換部の第１導電型半導体層の不純物濃度より薄い
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記第２の光電変換部は、
前記第１導電型半導体層の少なくとも一部において、前記基板の法線に直交する方向に、前記第１導電型半導体層と接合容量成分を持つ少なくとも一つの第２導電型半導体層を含む
請求項１７記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第１の光電変換部と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第２の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第１の転送素子と、
前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第２の転送素子と、
前記第１の転送素子および前記第２の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記第１の光電変換部は、第１の飽和容量および第１の感度を有し、
前記第２の光電変換部は、前記第１の飽和容量と異なる第２の飽和容量および前記第１の感度と異なる第２の感度を有する
固体撮像装置の駆動方法であって、
前記リセット素子を通じて前記フローティングディフュージョンをリセットするリセット期間後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、
前記リセット期間後の前記読み出し期間後に、前記第１の転送素子または第２の転送素子を通じて前記フローティングディフュージョンに第１の飽和容量および第１の感度の前記第１の光電変換素子または第２の飽和容量および第２の感度の前記第２の光電変換部の蓄積電荷を転送する前記転送期間後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャン期間において、
一つの前記読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第１容量に応じ第１変換利得で前記第１の光電変換部の蓄積電荷に応じた前記画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、
前記容量可変部により設定される第２容量に応じ第２変換利得で前記第２の光電変換部の蓄積電荷に応じた前記画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行う
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２０】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
画素が配置された画素部を有し、
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第１の光電変換部と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第２の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第１の転送素子と、
前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第２の転送素子と、
前記第１の転送素子および前記第２の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、
前記第１の光電変換部は、第１の飽和容量および第１の感度を有し、
前記第２の光電変換部は、前記第１の飽和容量と異なる第２の飽和容量および前記第１の感度と異なる第２の感度を有する
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。【０００４】
ところで、特性向上のため、広ダイナミックレンジを持つ高画質のＣＭＯＳイメージセンサを実現する方法が種々提案されている（たとえば特許文献１参照）。【０００５】
特許文献１には、短い露光時間による高照度側に対応した撮像と長い露光時間による低照度に対応した撮像の異なる２回以上の露光時間に分割する広ダイナミックレンジ化技術が開示されている。
また、特許文献１には、フローティングディフュージョンＦＤの容量を可変とした広ダイナミックレンジ化技術が開示されている。【０００６】
ところが、特許文献１に開示された広ダイナミックレンジ化技術では、低照度の撮像と高照度の撮像を異なる時刻（期間）において行っていることから、複数回の露光により得られる信号を用いることとなるため、画像にずれが生じ、動体歪みが発生し、動画の画質を損なうという不利益がある。【０００７】
そこで、各画素に感度の異なる２つのフォトダイオード（ＰＤ）を配置することにより、感度の異なる２つの画像データを得る固体撮像装置が提案されている（たとえば非特許文献１参照）。【０００８】
図１は、非特許文献１に記載されたＣＭＯＳイメージセンサの画素の構成を示す図である。
図２（Ａ）〜（Ｅ）は、図１の画素の読み出しタイミングを示す図である。【０００９】
図１の画素は、感度、飽和容量の小さいスモールフォトダイオード（光電変換素子）ＳＰＤ、および感度、飽和容量の大きいラージフォトダイオードＬＰＤを有する。
スモールフォトダイオードＳＰＤに対応してスモール用転送トランジスタＴＧＳ、スモール用フローティングディフュージョン（浮遊拡散層）ＦＤＳが設けられ、ラージフォトダイオードＬＰＤに対応してラージ用転送トランジスタＴＧＬ、ラージ用フローティングディフュージョンＦＤＬが設けられている。
スモール用フローティングディフュージョンＦＤＳとラージ用フローティングディフュージョンＦＤＬとの間は、接続切り替えトランジスタＴＤＦＤにより接続されている。
スモール用フローティングディフュージョンＦＤＳとリセット電位ｖｒｆｄとの間にリセットトランジスタＴＲＳＴが接続されている。
そして、ソースフォロワトランジスタＴＳＦと選択トランジスタＴＳＥＬが、電源線ＶＤＤと垂直信号線ｖｐｉｘとの間に直列に接続されており、ソースフォロワトランジスタＴＳＦのゲートにはラージ用ローティングディフュージョンＦＤＬが接続されている。【００１０】
図１の画素において、低変換利得（ＬＣＧ）は、接続切り替えトランジスタＴＤＦＤを導通状態にすることにより得られる。この場合、ソースフォロワトランジスタＴＳＦのゲートの等価的容量が増加する。高変換利得（ＨＣＧ）は、接続切り替えトランジスタＴＤＦＤを非導通状態にすることにより得られる。
図１の画素において、ラージフォトダイオードＬＰＤは、低変換利得（ＬＣＧ）および高変換利得（ＨＣＧ）の両方の読み出しに用いることができ、スモールフォトダイオードＳＰＤは低変換利得（ＬＣＧ）の読み出しのみ可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１６５７５４号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｔ．  Ｗｉｌｌａｓｓｅｎ，  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ａ  １２８０ｘ１０８０  ４．２μｍ  Ｓｐｌｉｔ−Ｄｉｏｄｅ  Ｐｉｘｅｌ  ＨＤＲ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｉｎ  １１０ｎｍ  ＢＳＩ  ＣＭＯＳ  Ｐｒｏｃｅｓｓ”  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ（ＩＩＳＷ），  ８−１１  Ｊｕｎｅ，  ２０１５，  Ｖａａｌｓ，  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところが、非特許文献１に開示された広ダイナミックレンジ化技術では、感度の大きいフォトダイオードＬＰＤを用いて暗信号（低照度時の信号）を読み出す場合、フローティングディフュージョンＦＤの容量は、全信号を読み出すためにより大きくある必要があるが、フローティングディフュージョンＦＤの容量が大きいために、読み出しノイズが悪化する。
一方、大きなフォトダイオードＬＰＤ用の小さなフローティングディフュージョンＦＤの容量は読み出しノイズを小さくすることができるが、他のフォトダイオードＰＤ読み出しのＳＮＲギャップは悪化する。【００１４】
本発明は、広ダイナミックレンジ化を実現しつつ、読み出しノイズの影響を防止でき、ひいては画質を向上させることが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の観点の固体撮像装置は、画素が配置された画素部を有し、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第１の光電変換部と、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第１の転送素子と、前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第２の転送素子と、前記第１の転送素子および前記第２の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、前記第１の光電変換部は、第１の飽和容量および第１の感度を有し、前記第２の光電変換部は、前記第１の飽和容量と異なる第２の飽和容量および前記第１の感度と異なる第２の感度を有する。【００１６】
本発明の第２の観点は、画素が配置された画素部を有し、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第１の光電変換部と、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第１の転送素子と、前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第２の転送素子と、前記第１の転送素子および前記第２の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、リセット期間に前記フローティングディフュージョンの電荷を排出するリセット素子と、前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、前記第１の光電変換部は、第１の飽和容量および第１の感度を有し、前記第２の光電変換部は、前記第１の飽和容量と異なる第２の飽和容量および前記第１の感度と異なる第２の感度を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記リセット素子を通じて前記フローティングディフュージョンをリセットするリセット期間後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、前記リセット期間後の前記読み出し期間後に、前記第１の転送素子または第２の転送素子を通じて前記フローティングディフュージョンに第１の飽和容量および第１の感度の前記第１の光電変換素子または第２の飽和容量および第２の感度の前記第２の光電変換部の蓄積電荷を転送する前記転送期間後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャン期間において、一つの前記読み出し期間に、前記容量可変部により設定される第１容量に応じ第１変換利得で前記第１の光電変換部の蓄積電荷に応じた前記画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、前記容量可変部により設定される第２容量に応じ第２変換利得で前記第２の光電変換部の蓄積電荷に応じた前記画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行う。【００１７】
本発明の第３の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、画素が配置された画素部を含み、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第１の光電変換部と、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第１の転送素子と、前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を指定される転送期間に転送可能な少なくとも一つの第２の転送素子と、前記第１の転送素子および前記第２の転送素子のうちの少なくとも一方の転送素子を通じて前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、前記フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部と、を含み、前記第１の光電変換部は、第１の飽和容量および第１の感度を有し、前記第２の光電変換部は、前記第１の飽和容量と異なる第２の飽和容量および前記第１の感度と異なる第２の感度を有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、広ダイナミックレンジ化を実現しつつ、読み出しノイズの影響を防止でき、ひいては画質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、非特許文献１に記載されたＣＭＯＳイメージセンサの画素の構成を示す図である。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｅ）は、図１の画素の読み出しタイミングを示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図４】図４は、本第１の実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態に係る埋め込み型の第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードの電荷転送ゲート部を除く主要部の構成例を示す簡略断面図である。
【図６】図６（Ａ）および（Ｂ）は、本実施形態における通常の画素読み出し動作時のシャッタースキャンおよび読み出しスキャンの動作タイミングを示す図である。
【図７】図７（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の列出力の読み出し系の構成例を説明するための図である。
【図８】図８（Ａ）〜（Ｅ）は、本第１の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた広ダイナミックレンジ化を実現する動作を説明するための図である。
【図９】図９は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置における高利得信号および低利得信号の入出力特性を示し、フローティングディフュージョンの容量と読み出しノイズとの関係を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置における高利得信号および低利得信号の応答特性を示す図である。
【図１１】図１１は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置における高利得信号および低利得信号のＳＮＲ特性を示す図である。
【図１２】図１２は、比較例としての固体撮像装置における高利得信号および低利得信号の応答特性を示す図である。
【図１３】図１３は、比較例としての固体撮像装置における高利得信号および低利得信号のＳＮＲ特性を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第３の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の第４の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の第５の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【図１８】図１８（Ａ）〜（Ｅ）は、本第５の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた第１の読み出し動作を説明するための図である。
【図１９】図１９（Ａ）〜（Ｆ）は、本第５の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた第２の読み出し動作を説明するための図である。
【図２０】図２０は、本発明の第５の実施形態に係る埋め込み型の第１のフォトダイオードおよび２つの第２のフォトダイオードの電荷転送ゲート部を除く主要部の構成例を示す簡略断面図である。
【図２１】図２１は、本発明の第６の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【図２２】図２２は、本第６の実施形態の画素における第１のフォトダイオードおよび４個の第２のフォトダイオードの配置例について説明するための図である。
【図２３】図２３は、本発明の第７の実施形態に係る画素部および容量可変部のレイアウトの一構成例を示す図である。
【図２４】図２４は、図２３の画素部を裏面側から見た各画素の基本的レイアウトパターンを示す図である。
【図２５】図２５は、本第７の実施形態に係る広ダイナミックレンジ化機能および位相差検出機能を発現する読み出しモードの概要を表として示す図である。
【図２６】図２６（Ａ）〜（Ｅ）は、本第７の実施形態に係る広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【図２７】図２７（Ａ）〜（Ｆ）は、本第７の実施形態に係る第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【図２８】図２８（Ａ）〜（Ｆ）は、本第７の実施形態に係る第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【図２９】図２９（Ａ）〜（Ｆ）は、本第７の実施形態に係る第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【図３０】図３０（Ａ）〜（Ｆ）は、本第７の実施形態に係る特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【図３１】図３１は、本発明の第７の実施形態に係る各読み出しモードにおける第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードの感度特性を示す図である。
【図３２】図３２（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第７の実施形態に係る広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）、第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））、および特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）の線形化した感度特性を示す図である。
【図３３】図３３（Ａ）〜（Ｃ）は、第６の実施形態に係る図２２の画素にも第７の実施形態の各読み出しモードの読み出し動作を同様に適用することが可能であることを説明するための図である。
【図３４】図３４は、本第８の実施形態の画素における第１のフォトダイオードおよび８個の第２のフォトダイオードの配置例について説明するための図である。
【図３５】図３５は、図５に示す本実施形態に係る埋め込み型の第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードの他の構成例を示す簡略断面図である。
【図３６】図３６（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が、表面照射型イメージセンサと裏面照射型イメージセンサの両方に適用が可能であることを説明するための図である。
【図３７】図３７は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０，１０Ａ〜１０Ｇ・・・固体撮像装置、２０，２０Ａ〜２０Ｇ・・・画素部、ＰＤＳＬ・・・第１のフォトダイオード（第１の光電変換部）、ＰＤＬＳ，ＰＤＬＳ１〜ＰＤＬＳ８・・・第２のフォトダイオード（第２の光電変換部）、ＴＧＳＬ−Ｔｒ・・・第１の転送トランジスタ（第１の転送素子）、ＴＧＬＳ−Ｔｒ，ＴＧＬＳ１−Ｔｒ〜ＴＧＬＳ８−Ｔｒ・・・第２の転送トランジスタ（第２の転送素子）、２１０・・・半導体基板、２２０・・・第１のフォトダイオード、２４０・・・第２のフォトダイオード、３０・・・垂直走査回路、４０・・・読み出し回路、５０・・・水平走査回路、６０・・・タイミング制御回路、７０・・・読み出し部、８０，８０Ａ〜８０Ｃ・・・容量可変部、Ｃ８１，Ｃ８２・・・キャパシタ、ＳＷ８１−Ｔｒ，ＳＷ８２−Ｔｒ・・・スイッチングトランジスタ（スイッチ素子）、８１・・・第１のビンニングスイッチ、８２・・・第２のビンニングスイッチ、８３・・・オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）ゲート、９１・・・マイクロレンズアレイ、９２・・・カラーフィルタ群、９３・・・配線層、９４・・・シリコン基板、１００・・・電子機器、１１０・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、１２０・・・光学系、１３０・・・信号処理回路（ＰＲＣ）。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置１０は、たとえばＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。
【００２３】
この固体撮像装置１０は、図３に示すように、撮像部としての画素部２０、垂直走査回路（行走査回路）３０、読み出し回路（カラム読み出し回路）４０、水平走査回路（列走査回路）５０、およびタイミング制御回路６０を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部７０が構成される。
【００２４】
本第１の実施形態において、固体撮像装置１０は、後で詳述するように、画素部２０に行列状に配列される各画素は、飽和容量比および感度比が異なる複数の光電変換部としてのフォトダイオードおよび各フォトダイオードの蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する複数の転送素子（転送トラジスタ）を含んで構成されている。
【００２５】
また、本第１の実施形態において、固体撮像装置１０は、後で詳述するように、画素部２０に行列状に配列される画素（または画素部２０）は、フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部を含んで構成されている。
固体撮像装置１０においては、一つの電荷の蓄積期間（露光期間）後の一つの読み出し期間内の所定期間に容量可変部によりフローティングディフュージョンの容量が設定（変更）されて、この読み出し期間内に変換利得が切り替えられる。
【００２６】
本第１の実施形態において、読み出し部７０は、リセット素子を通じてフローティングディフュージョンをリセットするリセット期間後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、リセット期間後の読み出し期間後に、第１の転送素子または第２の転送素子を通じてフローティングディフュージョンに第１の飽和容量および第１の感度の第１の光電変換素子または第２の飽和容量および第２の感度の第２の光電変換部の蓄積電荷を転送する転送期間後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャンが可能である。
そして、読み出し部７０は、一つの読み出し期間に、容量可変部により設定される第１容量に応じた第１変換利得（たとえば高利得：ＨＣＧ）で画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、容量可変部により設定される第２容量に応じた第２の変換利得（たとえば低利得：ＬＣＧ）で画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能に構成されている。
【００２７】
また、本実施形態において、読み出し部７０は、一つの読み出し期間に、容量可変部により設定される第１容量に応じた第１変換利得で画素信号の読み出しを行う第１の変換利得モード読み出しと、容量可変部により設定される第２容量（第１容量と異なる）に応じた第２変換利得で画素信号の読み出しを行う第２の変換利得モード読み出しと、を行うことが可能に構成されることも可能である。
なお、本実施形態の固体撮像装置１０は、一度の蓄積期間（露光期間）に光電変換された電荷（電子）に対して、一つの読み出し期間に、画素内部にて、第１の変換利得（たとえば高変換利得）モードと第２変換利得（低変換利得）モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力するダイナミックレンジが広い固体撮像素子として提供されることも可能である。
【００２８】
通常の画素読み出し動作においては、読み出し部７０による駆動により、シャッタースキャンが行われ、その後、読み出しスキャンが行われるが、第１の変換利得モード読み出し（ＨＣＧ）と第２の変換利得モード読み出し（ＬＣＧ）は、読み出しスキャン期間に行われる。
【００２９】
以下、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要を説明した後、画素および容量可変部の構成に関連した読み出し処理等について説明する。
【００３０】
（画素部２０および画素ＰＸＬの構成）
画素部２０は、フォトダイオード（光電変換素子）と画素内アンプとを含む複数の画素がＮ行×Ｍ列の２次元の行列状（マトリクス状）に配列されている。
【００３１】
図４は、本実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。
【００３２】
この画素ＰＸＬは、たとえば飽和容量比および感度比が異なる複数（本第１の実施形態では２）の光電変換部（光電変換素子）としてのフォトダイオードおよび各フォトダイオードの蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する複数（本第１の実施形態では２）の転送素子としての転送トラジスタＴＧＳＬ−Ｔｒ、ＴＧＬＳ−Ｔｒを含んで構成されている。
本第１の実施形態においては、各画素ＰＸＬは、第１の飽和容量および第１の感度を有する第１の光電変換部としての第１のフォトダイオードＰＤＳＬ、第１の飽和容量と異なる第２の飽和容量および第１の感度と異なる第２の感度を有する第２の光電変換部としての第２のフォトダイオードＰＤＬＳを含む。
本第１の実施形態においては、第１の飽和容量は第２の飽和容量より小さく、第１の感度は第２の感度より大きい。たとえば第１の飽和容量は５ｋｅ程度で、第２の飽和容量は２０ｋｅ程度である。また、たとえば第１の感度は５ｋｅ／ｌｕｘ程度で、第２の感度は２５ｋｅ／ｌｕｘ程度である。
【００３３】
第１のフォトダイオードＰＤＳＬに対して、第１の転送素子としての転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒが接続され、第２のフォトダイオードＰＤＬＳに対して、第２の転送素子としての転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒが接続されている。
そして、画素ＰＸＬは、リセット素子としてのリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒ、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒ、および選択素子としての選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒをそれぞれ一つずつ有する。
【００３４】
そして、画素ＰＸＬは、フローティングディフュージョンＦＤに接続され、容量変更信号ＢＩＮに応じてフローティングディフュージョンＦＤの容量を変更可能な容量可変部８０を有している。
本第１の実施形態において、容量可変部８０は、リセットトランジスタＲＳＴ−ＴｒとフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続されている。
【００３５】
フォトダイオードＰＤＳＬ，ＰＤＬＳは、入射光量に応じた量の信号電荷（ここでは電子）を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオード間で、各トランジスタを共有している場合や、選択トランジスタを有していない画素を採用している場合にも有効である。
【００３６】
各画素ＰＸＬにおいて、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
【００３７】
埋め込み型フォトダイオードとして形成される第１のフォトダイオードＰＤＳＬおよび第２のフォトダイオードＰＤＬＳは、以下のようにして構成されている。
第１のフォトダイオードＰＤＳＬは、第１基板面側と、第１基板面側と対向する側の第２基板面側とを有する半導体基板に対して埋め込むように形成された第１導電型（本実施形態ではｎ型）半導体層（本実施形態ではｎ層）を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。
第１のフォトダイオードＰＤＳＬの基板の法線に直交する方向における側部には第２の導電型（本実施形態ではｐ型）分離層が形成されている。
第２のフォトダイオードＰＤＬＳは、第２導電型分離層を挟んで、第１のフォトダイオードＰＤＳＬと並列となるように、基板に対して埋め込むように形成されたｎ層（第１導電型半導体層）を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。
そして、本実施形態においては、第１のフォトダイオードＰＤＳＬの受光領域の開口部は第２のフォトダイオードＰＤＳＬの受光領域の開口部より大きく、第１のフォトダイオードＰＤＳＬのｎ層の不純物濃度は、第２のフォトダイオードＰＤＬＳのｎ層の不純物濃度より薄く形成されている。
【００３８】
以上の構成により、第１のフォトダイオードＰＤＳＬは、飽和容量が第２のフォトダイオードＰＤＬＳの飽和容量より小さく、感度が第２のフォトダイオードＰＤＬＳの感度より大きい、という画素ＰＸＬの特徴的な構成が実現されている。
【００３９】
また、本実施形態においては、第２のフォトダイオードＰＤＬＳが、その光電変換部において、蓄積容量（飽和容量）を増大させるために、基板の法線に直交する方向（ＸまたはＹ方向）に、ｎ層（第１導電型半導体層）と接合容量成分を持つ少なくとも一つのｐ層（第２導電型半導体層）を含むように形成されている。
【００４０】
（埋め込み型のフォトダイオードＰＤＳＬ，ＰＤＬＳの具体的な構成例）
ここで、埋め込み型の第１のフォトダイオードＰＤＳＬおよび第２のフォトダイオードＰＤＬＳの具体的な構成例について図５に関連付けて説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態に係る埋め込み型の第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードの電荷転送ゲート部を除く主要部の構成例を示す簡略断面図である。
なお、ここでは、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）部分を符号２００で表す。
【００４１】
図５の埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）部分２００は、光Ｌが照射される第１基板面２１１側（たとえば裏面側）と第１基板面２１１側と対向する側の第２基板面２１２側（前面側）とを有する半導体基板（以下、単に基板という）２１０を有する。
埋め込み型フォトダイオード部分２００は、基板２１０に対して埋め込むように形成された第１導電型（本実施形態ではｎ型）半導体層（本実施形態ではｎ層）２２１ｎを含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）を有する。
埋め込み型フォトダイオード部分２００は、第２導電型（ｐ型）分離層２３０を挟んで、第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）と並列となるように、基板２１０に対して埋め込むように形成されたｎ層（第１導電型半導体層）２４１ｎを含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する第２のフォトダイオード２４０（ＰＤＬＳ）を有する。
【００４２】
埋め込み型フォトダイオード部分２００は、第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）および第２のフォトダイオード２４０（ＰＤＬＳ）の基板２１０の法線に直交する方向における側部（ｎ層の境界部）には第２の導電型（ｐ型）分離層２３１，２３２，２３３が形成されている。
図５の例では、第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）は基板２１０の法線に直交する方向（たとえばＸ方向）における側部（ｎ層の境界部）に形成された第２の導電型（ｐ型）分離層２３１とｐ型分離層２３２の間に形成されている。
第２のフォトダイオード２４０（ＰＤＬＳ）は基板２１０の法線に直交する方向における側部（ｎ層の境界部）に形成されたｐ型分離層２３２とｐ型分離層２３３の間に形成されている。
【００４３】
そして、本実施形態においては、第１のフォトダイオードＰＤＳＬの受光領域の開口部ＡＰ１は第２のフォトダイオードＰＤＬＳの受光領域の開口部ＡＰ２（ＡＰ１＞ＡＰ２）より大きく、第１のフォトダイオードＰＤＳＬのｎ層２２１ｎの不純物濃度ＤＮ１は、第２のフォトダイオードＰＤＬＳのｎ層２４１ｎの不純物濃度ＤＮ２（ＤＮ１＜ＤＮ２）より薄く形成されている。
【００４４】
図５の第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）においては、ｎ層（第１導電型半導体層）２２１ｎが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に３層構造を持つように構成されている。
本例では、第１基板面２１１側にｎ−−−層２２１１が形成され、このｎ−−−層２２１１の第２基板面２１２側にｎ−−――層２２１２が形成され、このｎ−−――層２２１２の第２基板面２１２側にｎ−−層２２１３が形成されている。
【００４５】
図５の第２のフォトダイオード２４０（ＰＤＬＳ）においては、ｎ層（第１導電型半導体層）２４１ｎが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に２層構造を持つように構成されている。
本例では、第１基板面２１１側にｎ−−層２４１１が形成され、このｎ−−層２４１１の第２基板面２１２側にｎ層２４１２が形成されている。
【００４６】
これらの構成は一例であり、単層構造であってもよく、また、３層、４層以上の積層構造であってもよい。
【００４７】
図５のｐ型分離層２３１においては、ｐ層（第２導電型半導体層）２３１ｐが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に２層構造を持つように構成されている。
本例では、第１基板面２１１側にｐ層２３１１が形成され、このｐ層２３１１の第２基板面２１２側にｐ−層２３１２が形成されている。
【００４８】
図５のｐ型分離層２３２においては、ｐ層（第２導電型半導体層）２３２ｐが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に２層構造を持つように構成されている。
本例では、第１基板面２１１側にｐ層２３２１が形成され、このｐ層２３２１の第２基板面２１２側にｐ−層２３２２が形成されている。
そして、本第１の実施形態のｐ型分離層２３２のｐ−層２３２２において、第２のフォトダイオード２４０のｎ層２４１２と接する側であって基板の法線に直交する方向（図中の直交座標系のＸ方向）の側部に、ｎ層（第１導電型半導体層）２４１２と接合容量成分を持つｐ＋層（第２導電型半導体層）２３２３が形成されている。
【００４９】
図５のｐ型分離層２３３においては、ｐ層（第２導電型半導体層）２３３ｐが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に２層構造を持つように構成されている。
本例では、第１基板面２１１側にｐ層２３３１が形成され、このｐ層２３３１の第２基板面２１２側にｐ−層２３３２が形成されている。
そして、本第１の実施形態のｐ型分離層２３３のｐ−層２３３２において、第２のフォトダイオード２４０のｎ層２４１２と接する側であって基板の法線に直交する方向（図中の直交座標系のＸ方向）の側部に、ｎ層（第１導電型半導体層）２４１２と接合容量成分を持つｐ＋層（第２導電型半導体層）２３３３が形成されている。
【００５０】
これらの構成は一例であり、単層構造であってもよく、また、３層、４層以上の積層構造であってもよい。
【００５１】
ｎ層（第１導電型半導体層）２４１２と接合容量成分を持つｐ＋層（第２導電型半導体層）２３２３、２３３３が形成されている理由について述べる。
サイズが比較的大きく、縦横アスペクト比が比較的大きい、たとえば３μｍ□程度の画素の場合は、蓄積電荷は主としてフォトダイオード（ＰＤ）部（光電変換部）の表面に近い場所での、垂直方向（基板の法線方向：基板の深さ方向）のｐｎ接合容量（ジャンクション容量）に限られており、効率よく蓄積容量を増やすことは困難である。
そこで、本第１の実施形態の固体撮像装置１０は、埋め込み型の第２のフォトダイオード２４０（ＰＤＬＳ）の光電変換部において、蓄積容量を増大させるために、基板の法線に直交する方向（水平方向）のｐｎ接合部（ジャンクション部）が画素内に存在するように、ｎ層（第１導電型半導体層）２４１２と接合容量成分を持つｐ＋層（第２導電型半導体層）２３２３、２３３３が形成されている。
この構造により、ｐ＋層に沿うｎ層の面積を大きくできるため、小さいＰＤ面積にかかわらず大きな蓄積容量を確保することが可能となる。
【００５２】
そして、本第１の実施形態の埋め込み型フォトダイオード部分２００において、第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）、ｐ型分離層２３１，２３２，２３３、および第２のフォトダイオード２４０（ＰＤＬＳ）の第１基板面２１１側の表面、並びに、第２基板面２１２側の表面には、ｐ＋層（第２導電型半導体層）２１３，２１４がそれぞれ形成されている。
【００５３】
以上、本第１の実施形態の埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）２００における構造について詳述した。
ここで、図４の画素の説明に戻る。
【００５４】
第１の転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒは、第１のフォトダイオードＰＤＳＬとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線ＬＴＧＳＬを通じてゲートに印加される制御信号ＴＧＳＬにより制御される。
第１の転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒは、制御信号ＴＧＳＬがハイ（Ｈ）レベルの転送期間に選択されて導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤＳＬで光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
【００５５】
第２の転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒは、第２のフォトダイオードＰＤＬＳとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線ＬＴＧＬＳを通じてゲートに印加される制御信号ＴＧＬＳにより制御される。
第２の転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒは、制御信号ＴＧＬＳがハイ（Ｈ）レベルの転送期間に選択されて導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤＬＳで光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
【００５６】
リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒは、たとえば電源線ＶＤＤとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線ＬＲＳＴを通じてゲートに印加される制御信号ＲＳＴにより制御される。
リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源線ＶＤＤの電位にリセットする。
【００５７】
ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒと選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒは、電源線ＶＤＤと垂直信号線ＬＳＧＮの間に直列に接続されている。
ソースフォロワトランジスタＳＦ−ＴｒのゲートにはフローティングディフュージョンＦＤが接続され、選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒは制御線ＬＳＥＬを通じてゲートに印加される制御信号ＳＥＬにより制御される。
選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒは、制御信号ＳＥＬがＨレベルの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタＳＦ−ＴｒはフローティングディフュージョンＦＤの電荷を電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換した列出力の読み出し信号ＶＳＬを垂直信号線ＬＳＧＮに出力する。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタＴＧＳＬ−ＴｒまたはＴＧＬＳ−Ｔr、リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒ、および選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒの各ゲートが行単位で接続されていることから、１行分の各画素について同時並列的に行われる。
【００５８】
画素部２０には、画素ＰＸＬがＮ行×Ｍ列配置されているので、各制御線ＬＳＥＬ、ＬＲＳＴ、ＬＴＧＳＬ、ＬＴＧＬＳ、ＬＢＩＮはそれぞれＮ本、垂直信号線ＬＳＧＮはＭ本ある。
図１においては、各制御線ＬＳＥＬ、ＬＲＳＴ、ＬＴＧＳＬ、ＴＧＬＳ，ＬＢＩＮを１本の行走査制御線として表している。
【００５９】
垂直走査回路３０は、タイミング制御回路６０の制御に応じてシャッター行および読み出し行において行走査制御線を通して画素の駆動を行う。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
【００６０】
上述したように、通常の画素読み出し動作においては、読み出し部７０の垂直走査回路３０による駆動により、シャッタースキャンが行われ、その後、読み出しスキャンが行われる。
【００６１】
図６（Ａ）および（Ｂ）は、本実施形態における通常の画素読み出し動作時のシャッタースキャンおよび読み出しスキャンの動作タイミングを示す図である。
【００６２】
選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒのオン（導通）、オフ（非導通）を制御する制御信号ＳＥＬは、シャッタースキャン期間ＰＳＨＴにはＬレベルに設定されて選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒが非導通状態に保持され、読み出しスキャン期間ＰＲＤＯにはＨレベルに設定されて選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒが導通状態に保持される。
そして、シャッタースキャン期間ＰＳＨＴには、制御信号ＲＳＴがＨレベルの期間に所定期間制御信号ＴＧＳＬまたはＴＧＬＳがＨレベルに設定されて、リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒおよび転送トランジスタＴＧＳＬ−ＴｒまたはＴＧＬＳ−Ｔｒを通じてフォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。
【００６３】
読み出しスキャン期間ＰＲＤＯには、制御信号ＲＳＴがＨレベルに設定されてリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒを通じてフローティングディフュージョンＦＤがリセットされ、このリセット期間ＰＲ後の読み出し期間ＰＲＤ１にリセット状態の信号が読み出される。
読み出し期間ＰＲＤ１後に、所定期間、制御信号ＴＧＳＬまたはＴＧＬＳがＨレベルに設定されて転送トランジスタＴＧＳＬ−ＴｒまたはＴＧＬＳ−Ｔｒを通じてフローティングディフュージョンＦＤにフォトダイオーＰＤＳＬまたはＰＤＬＳの蓄積電荷が転送され、この転送期間ＰＴ後の読み出し期間ＰＲＤ２に蓄積された電子（電荷）に応じた信号が読み出される。
【００６４】
なお、本第１の実施形態の通常の画素読み出し動作において、蓄積期間（露光期間）ＥＸＰは、一例として図６（Ｂ）に示すように、シャッタースキャン期間ＰＳＨＴでフォトダイオードＰＤＳＬ、ＰＤＬＳおよびフローティングディフュージョンＦＤをリセットして制御信号ＴＧＳＬまたはＴＧＬＳをＬレベルに切り替えてから、読み出しスキャン期間ＰＲＤＯの転送期間ＰＴを終了するために制御信号ＴＧＳＬまたはＴＧＬＳをＬレベルに切り替えるまでの期間である。
【００６５】
読み出し回路４０は、画素部２０の各列出力に対応して配置された複数の列信号処理回路（図示せず）を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。
【００６６】
読み出し回路４０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）回路やＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ；ＡＤ変換器）、アンプ（ＡＭＰ，増幅器）、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路等を含んで構成可能である。
【００６７】
このように、読み出し回路４０は、たとえば図７（Ａ）に示すように、画素部２０の各列出力の読み出し信号ＶＳＬをデジタル信号に変換するＡＤＣ４１を含んで構成されてもよい。
あるいは、読み出し回路４０は、たとえば図７（Ｂ）に示すように、画素部２０の各列出力の読み出し信号ＶＳＬを増幅するアンプ（ＡＭＰ）４２が配置されてもよい。
また、読み出し回路４０は、たとえば図７（Ｃ）に示すように、画素部２０の各列出力の読み出し信号ＶＳＬをサンプル、ホールドするサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４３が配置されてもよい。
【００６８】
読み出し回路４０は、電子シャッターとしてローリングシャッターを採用した固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）に適用可能に構成されることはもとより、電子シャッターとしてグローバルシャッターを採用した固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）に適用可能に構成される。
【００６９】
電子シャッターとしてグローバルシャッターを採用したＣＭＯＳイメージセンサは、画素内に、たとえば、光電変換読み出し部から読み出された信号を信号保持キャパシタに保持する信号保持部が設けられている。
グローバルシャッターを採用したＣＭＯＳイメージセンサでは、たとえばフォトダイオードから電荷を電圧信号として一斉に信号保持部の信号保持キャパシタに蓄積し、そののち順次読みだすことにより、画像全体の同時性を確保している。
このＣＭＯＳイメージセンサは、たとえば積層型ＣＭＯＳイメージセンサとして構成される。
【００７０】
積層型ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、たとえば第１の基板（Pixel die）と第２の基板（ASIC die）とがマイクロバンプ（接続部）を通して接続された積層構造を有する。そして、第１の基板には各画素の光電変換読み出し部が形成され、第２の基板には各画素の信号保持部、信号線、垂直走査回路、水平走査回路、読み出し回路等が形成される。
第１の基板に形成された画素毎に第２の基板に形成された信号保持部が接続され、信号保持部に上記したＡＤＣやＳ／Ｈ回路を含む読み出し回路４０が接続される。
【００７１】
水平走査回路５０は、読み出し回路４０のＡＤＣ等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、図示しない信号処理回路に出力する。
【００７２】
タイミング制御回路６０は、画素部２０、垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。
【００７３】
本第１の実施形態において、読み出し部７０は、フローティングディフュージョンＦＤをリセットするリセット期間ＰＲ後の読み出し期間にリセット状態の信号を読み出し、リセット期間後の読み出し期間後に、第１の転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒまたは第２の転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒを通じてフローティングディフュージョンＦＤに第１の飽和容量および第１の感度の第１のフォトダイオードＰＤＳＬまたは第２の飽和容量および第２の感度の第２のフォトダイオードＰＤＬＳの蓄積電荷を転送する転送期間ＰＴ後の読み出し期間に、蓄積電荷に応じた信号を読み出す、読み出しスキャンが可能である。
そして、読み出し部７０は、一つの読み出し期間に、容量可変部により設定される第１容量に応じた第１変換利得（たとえば高利得：ＨＣＧ）で画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、容量可変部により設定される第２容量に応じた第２変換利得（たとえば低利得：ＬＣＧ）で画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能に構成されている。
【００７４】
以上、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要について説明した。
次に、本第１の実施形態に係る容量可変部８０の構成、それに関連した読み出し処理等について詳述する。
【００７５】
本第１の実施形態に係る容量可変部８０は、キャパシタＣ８１と、キャパシタＣ８１とフローティングディフュージョンＦＤ間に接続され、制御線ＬＢＩＮを通じてゲートに印加される容量変更信号ＢＩＮに応じてオン、オフされるスイッチ素子としてのスイッチングトランジスタＳＷ８１―Ｔｒを含んで構成されている。
【００７６】
キャパシタC８１は、リセットトランジスタＲＳＴ−ＴｒとスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒの接続ノードＮＤ８１と基準電位ＶＳＳとの間に接続されている。
スイッチングトランジスタＳＷ８１―Ｔｒは、接続ノードＮＤ８１とフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続されている。
【００７７】
次に、本第１の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた読み出し動作について図８に関連付けて説明する。
【００７８】
図８（Ａ）〜（Ｅ）は、本第１の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた読み出し動作を説明するための図である。
図８（Ａ）は選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒの制御信号ＳＥＬを示し、図８（Ｂ）は第１の転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒの制御信号ＴＧＳＬを示し、図８（Ｃ）は第２の転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒの制御信号ＴＧＬＳを示し、図８（Ｄ）はリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒの制御信号ＲＳＴを示し、図８（Ｅ）はスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒの制御信号ＢＩＮを示している。
【００７９】
（第１変換利得モード時の読み出し動作）
第１変換利得モード時には、以下の読み出し動作が行われる。
読み出しスキャン期間ＰＲＤＯにおいては、図８（Ａ）に示すように、画素アレイの中のある一行を選択するために、その選択された行の各画素ＰＸＬに接続された制御線への制御信号ＳＥＬがＨレベルに設定されて画素ＰＸＬの選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒが導通状態となる。
この選択状態において、リセット期間ＰＲにリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒが、制御信号ＲＳＴがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、容量可変部８０のスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒが、容量変更信号ＢＩＮがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤが電源線ＶＤＤの電位にリセットされる。
フローティングディフュージョンＦＤをリセット後、図８（Ｅ），（Ｄ）に示すように、容量変更信号ＢＩＮがＬレベルに切り替えられて容量変更部８０のスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒが非導通状態となる。そして、制御信号ＲＳＴがＬレベルに切り替えられてリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒが非導通状態となり、リセット期間ＰＲが終了する。
このリセット期間ＰＲが経過した後、リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒが非導通状態となり、転送期間ＰＴが開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第１読み出し期間ＰＲＤ１１となる。
この場合、容量変更部８０のスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒが非導通状態に保持されることから、フローティングディフュージョンＦＤにキャパシタＣ８１は非接続状態に保持され、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第１容量に保持される。
【００８０】
第１読み出し期間ＰＲＤ１１が開始された後の時刻ｔ１に、容量変更信号ＢＩＮがＬレベルに保持された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第１容量に変更された高変換利得（第１変換利得：ＨＣＧ）で画素信号の読み出しを行う第１の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１１が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬにおいては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１１）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００８１】
ここで、第１読み出し期間ＰＲＤ１１が終了し、転送期間ＰＴ１１となる。なお、このとき、容量変更信号ＢＩＮは、転送期間ＰＴ１１が経過した後もＬレベルのままに保持される。
図８（Ｂ）に示すように、転送期間ＰＴ１１に転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒが、制御信号ＴＧＳＬがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、時刻２を含む期間に、第１のフォトダイオードＰＤＳＬで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
この転送期間ＰＴ１１が経過した後（転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒが非導通状態）、第１のフォトダイオードＰＤＳＬが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第２読み出し期間ＰＲＤ１２となる。
【００８２】
第２読み出し期間ＰＲＤ１２が開始された後の時刻ｔ３に、容量変更信号ＢＩＮがＬレベルに設定された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第１容量に設定された高変換利得（第１変換利得：ＨＣＧ）で画素信号の読み出しを行う第２の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１２が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬにおいては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１２）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００８３】
そして、たとえば読み出し部７０の一部を構成する読み出し回路４０において、第２の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１２の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１２）と第１の高変換利得モード読み出しＨＣＧ１１の読み出し信号ＶＳＬ（ＨＣＧ１１）との差分｛ＶＳＬ（ＨＣＧ１２）−ＶＳＬ（ＨＣＧ１１）｝がとられてＣＤＳ処理が行われる。
【００８４】
（第２変換利得モード時の読み出し動作）
第２変換利得モード時には、以下の読み出し動作が行われる。
読み出しスキャン期間ＰＲＤＯにおいては、図８（Ａ）に示すように、画素アレイの中のある一行を選択するために、その選択された行の各画素ＰＸＬに接続された制御線への制御信号ＳＥＬがＨレベルに設定されて画素ＰＸＬの選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒが導通状態となる。
この選択状態において、容量可変部８０のスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒが、容量変更信号ＢＩＮがＨレベルの期間に選択されて導通状態となる。
この場合、容量変更部８０のスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒが導通状態に保持されることから、フローティングディフュージョンＦＤにキャパシタＣ８１は接続状態に保持され、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２容量に設定（変更）される。
そして、リセット期間ＰＲにリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒが、制御信号ＲＳＴがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、容量可変部８０のスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒが、容量変更信号ＢＩＮがＨレベルの期間に選択されて導通状態となっており、フローティングディフュージョンＦＤが電源線ＶＤＤの電位にリセットされる。
フローティングディフュージョンＦＤをリセット後、図８（Ｄ），（Ｅ）に示すように、容量変更信号ＢＩＮがＨレベルに保持されて容量変更部８０のスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒが導通状態に保持される。そして、制御信号ＲＳＴがＬレベルに切り替えられてリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒが非導通状態となり、リセット期間ＰＲが終了する。
このリセット期間ＰＲが経過した後，リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒが非導通状態となり、転送期間ＰＴが開始されるまでの期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第１読み出し期間ＰＲＤ２１となる。
この場合、容量変更部８０のスイッチングトランジスタＳＷ８１−Ｔｒが導通状態に保持されることから、フローティングディフュージョンＦＤにキャパシタＣ８１は接続状態に保持され、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２容量に保持される。
【００８５】
第１読み出し期間ＰＲＤ２１が開始された後の時刻ｔ１１に、容量変更信号ＢＩＮがＨレベルに保持された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２容量に変更された低変換利得（第２変換利得：ＬＣＧ）で画素信号の読み出しを行う第１の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１１が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬにおいては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１１）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００８６】
ここで、第１読み出し期間ＰＲＤ２１が終了し、転送期間ＰＴ２１となる。なお、このとき、容量変更信号ＢＩＮは、転送期間ＰＴ２１が経過した後もＨレベルのままに保持される。
図８（Ｃ）に示すように、転送期間ＰＴ２１に転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒが、制御信号ＴＧＬＳがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、時刻１２を含む期間に第２のフォトダイオードＰＤＬＳで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
この転送期間ＰＴ２１が経過した後（転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒが非導通状態）、第２のフォトダイオードＰＤＬＳが光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す第２読み出し期間ＰＲＤ２２となる。
【００８７】
第２読み出し期間ＰＲＤ２２が開始された後の時刻ｔ１３に、容量変更信号ＢＩＮがＨレベルに設定された状態で、読み出し部７０により、フローティングディフュージョンＦＤの容量（電荷量）が第２容量に設定された低変換利得（第２変換利得：ＬＣＧ）で画素信号の読み出しを行う第２の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１２が行われる。
このとき、各画素ＰＸＬにおいては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷が電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１２）として垂直信号線ＬＳＧＮに出力され、読み出し回路４０に供給されて、たとえば保持される。
【００８８】
そして、たとえば読み出し部７０の一部を構成する読み出し回路４０において、第２の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１２の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１２）と第１の低変換利得モード読み出しＬＣＧ１１の読み出し信号ＶＳＬ（ＬＣＧ１１）との差分｛ＶＳＬ（ＬＣＧ１２）−ＶＳＬ（ＬＣＧ１１）｝がとられてＣＤＳ処理が行われる。
【００８９】
以上説明したように、本第１の実施形態によれば、画素ＰＸＬは、たとえば飽和容量比および感度比が異なる複数（本第１の実施形態では２）の光電変換部（光電変換素子）としての第１のフォトダイオードＰＤＳＬおよび第２のフォトダイオードＰＳＬＳ、並びに、各フォトダイオードの蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する複数（本第１の実施形態では２）の転送素子としての転送トラジスタＴＧＳＬ−Ｔｒ、ＴＧＬＳ−Ｔｒを含んで構成されている。
各画素ＰＸＬにおいて、第１のフォトダイオードＰＤＳＬは第１の飽和容量および第１の感度を有し、第２のフォトダイオードＰＤＬＳは、第１のフォトダイオードＰＤＳＬの第１の飽和容量と異なる第２の飽和容量および第１の感度と異なる第２の感度を有している。
第１のフォトダイオードＰＤＳＬの第１の飽和容量は第２のフォトダイオードＰＤＬＳの第２の飽和容量より小さく、第１のフォトダイオードＰＤＳＬの第１の感度は第２のフォトダイオードＰＤＬＳの第２の感度より大きい。
そして、本第１の実施形態において、固体撮像装置１０は、画素部２０に行列状に配列される画素（または画素部２０）は、フローティングディフュージョンの容量を容量変更信号に応じて変更可能な容量可変部を含んで構成されており、一つの電荷の蓄積期間（露光期間）後の一つの読み出し期間内の所定期間に容量可変部によりフローティングディフュージョンの容量が設定（変更）されて、この読み出し期間内に変換利得が切り替えられる。
【００９０】
これにより、本第１の実施形態によれば、感度の大きい第１のフォトダイオードＰＤＳＬを用いて暗信号（低照度時の信号）を読み出す場合、フローティングディフュージョンＦＤの容量は、第１のフォトダイオードＰＤＳＬを読み出すためにより小さい容量に切り替えられる一方、第２のフォトダイオードＰＤＬＳを読み出すためにより大きい容量に切り替えられる。
その結果、第１のフォトダイオードＰＤＳＬのＳＮＲを維持しつつ、読み出しノイズをより小さくできる。
すなわち、本第１の実施形態によれば、広ダイナミックレンジ化を実現しつつ、読み出しノイズの影響を防止でき、ひいては画質を向上させることができる。
【００９１】
ここで、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の高利得信号および低利得信号の露光に関連する入出力特性、並びに、ＳＮＲ特性について、図９〜図１３に関連付けて比較例と比較しつつ説明する。
比較例の画素は、図１の画素と同様に、感度、飽和容量の小さいスモールフォトダイオードＰＤＳＳ（ＳＰＤ）、および感度、飽和容量の大きいラージフォトダイオードＰＤＬＬ（ＬＰＤ）を有する。
【００９２】
図９は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０における高利得信号および低利得信号の入出力特性を示し、フローティングディフュージョンＦＤの容量と読み出しノイズとの関係を説明するための図である。図９において、横軸は露光量（時間）を、縦軸は電荷−電圧変換後の出力信号レベルを表している。
図１０は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０における高利得信号および低利得信号の応答特性を示す図である。図１０において、横軸は露光量（時間）を、縦軸は電荷（電子）量を表している。
図１１は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０における高利得信号および低利得信号のＳＮＲ特性を示す図である。図１０において、横軸は露光量（時間）を、縦軸はＳＮＲを表している。
図１２は、比較例としての固体撮像装置における高利得信号および低利得信号の応答特性を示す図である。図１２において、横軸は露光量（時間）を、縦軸は電荷（電子）量を表している。
図１３は、比較例としての固体撮像装置における高利得信号および低利得信号のＳＮＲ特性を示す図である。図１３において、横軸は露光量（時間）を、縦軸はＳＮＲを表している。
【００９３】
比較例においては、図１２および図１３に示すように、感度の大きいＰＤＬＬ（ＬＰＤ）を用いて暗信号（低照度時の信号）を読み出す場合、フローティングディフュージョンＦＤの容量は、全信号を読み出すためにより大きくある必要があるが、フローティングディフュージョンＦＤの容量が大きいために、読み出しノイズが悪化する。
一方、大きなフォトダイオードＰＤＬＬ（ＬＰＤ）用の小さなフローティングディフュージョンＦＤの容量は読み出しノイズを小さくすることができるが、他のフォトダイオードＰＤＳＳ（ＳＰＤ）読み出しのＳＮＲギャップは悪化する。
【００９４】
これに対して、本第１の実施形態に係る固体撮像値１０によれば、図９〜図１１に示すように、広ダイナミックレンジ化を実現できることはもとより、感度の大きい第１のフォトダイオードＰＤＳＬを用いて暗信号を読み出す場合、フローティングディフュージョンＦＤの容量は、第１のフォトダイオードＰＤＳＬを読み出すためにより小さい容量に切り替えられる一方、第２のフォトダイオードＰＤＬＳを読み出すためにより大きい容量に切り替えられることから、第１のフォトダイオードＰＤＳＬのＳＮＲを維持しつつ、読み出しノイズをより小さくできる。
【００９５】
また、本第１の実施形態の固体撮像装置１０は、埋め込み型の第２のフォトダイオード２４０（ＰＤＬＳ）の光電変換部において、基板の法線に直交する方向（水平方向）のｐｎ接合部（ジャンクション部）が画素内に存在するように、ｎ層（第１導電型半導体層）２４１２と接合容量成分を持つｐ＋層（第２導電型半導体層）２３２３、２３３３が形成されている。
これにより、効率よく蓄積容量を増やすことが可能となる利点がある。
【００９６】
（第２の実施形態）
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【００９７】
本第２の実施形態の画ＰＸＬＡおよび容量可変部８０Ａが、第１の実施形態の容量可変部８０と異なる点は次の通りである。
【００９８】
本第２の実施形態の固体撮像装置１０Ａは、容量可変部８０Ａが、図１４に示すように、第２の転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒの出力側ノードＮＤ２１に接続されたキャパシタＣ８２と、第２の転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒの出力側ノードＮＤ２１とフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続され、容量変更信号ＢＩＮに応じてオン、オフされるスイッチ素子としてのスイッチングトランジスタＳＷ８２−Ｔｒを含んで構成されている。
【００９９】
本第２の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた読み出し動作は、図８に関連付けて説明した第１の実施形態における変換利得に応じた読み出し動作と同様に行われる。
したがって、その詳細な説明は省略する。
【０１００】
本第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０１】
（第３の実施形態）
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【０１０２】
本第３の実施形態の画ＰＸＬＢおよび容量可変部８０Ｂが、第１および第２の実施形態の容量可変部８０，８０Ａと異なる点は次の通りである。
【０１０３】
本第３の実施形態においては、容量可変部８０Ｂは、キャパシタではなく、列方向に隣接する複数の画素ＰＸＬＢｎ−１，ＰＸＬＢｎ，ＰＸＬＢｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤ間に形成される配線ＷＲに接続（配置）された第１のビンニングスイッチ８１ｎ−１，８１ｎ、８１ｎ＋１、および画素ＰＸＬＢｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤと電源線ＶＤＤとの間に接続された図示しない第１のビンニングスイッチにより構成されている。
【０１０４】
本第３の実施形態において、第１のビンニングスイッチ８１（・・，ｎ−１，ｎ，ｎ＋１，・・）は絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、たとえばｎチャネルのＭＯＳ（ＮＭＯＳ）トランジスタにより形成されている。
以下の説明では、ビンニングスイッチをビンニングトランジスタと呼ぶ場合もある。
【０１０５】
本第３の実施形態では、容量変更信号ＢＩＮ１ｎ−１，ＢＩＮ１ｎ，ＢＩＮ１ｎ＋１により第１のビンニングスイッチ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１をオン、オフすることにより、接続するフローティングディフュージョンＦＤ数を１または複数に切り替えて、読み出し対象画素のフローティングディフュージョンＦＤの容量を変更し、読み出される画素ＰＸＬＢｎまたはＰＸＬＢｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤの変換利得を切り替える。
【０１０６】
本第３の実施形態においては、１列全画素・・ＰＸＬＢｎ−１，ＰＸＬＢｎ，ＰＸＬＢｎ＋１・・でリセット素子が共有され、たとえば１列の一端側の画素ＰＸＬＢ０（図１５には図示せず）のフローティングディフュージョンＦＤと１列の他端側の画素ＰＸＬＢＮ−１に近接して形成される電源線ＶＤＤ（図１５には図示せず）間が、配線ＷＲに各画素に対応しつつ縦続接続するように形成される第１のビンニングトランジスタ（スイッチ）・・８１ｎ−１，８１ｎ、８１ｎ＋１・・を介して接続され、第１のビンニングスイッチ間の配線ＷＲ上のノード・・ＮＤｎ−１，ＮＤｎ，ＮＤｎ＋１・・と対応する画素・・ＰＸＬＢｎ−１，ＰＸＬＢｎ，ＰＸＬＢｎ＋１・・のフローティングディフュージョンＦＤが接続されている。
第１の実施形態では、最も他端側となる図示しない第１のビンニングトランジスタ（スイッチ）８１Ｎ−１が共有のリセット素子として機能する。
【０１０７】
このような構成により、本第３の実施形態の固体撮像装置１０Ｂによれば、フローティングディフュージョンＦＤの接続数を柔軟に切り替えることが可能であり、ダイナミックレンジの拡張性に優れる。
そして、本第３の実施形態の固体撮像装置１０Ｂは、フローティングディフュージョンＦＤの容量を調整して最適化し、モードに応じて任意の最適な値の変換利得を得ることができ、変換利得の切り替え点におけるＳＮを最適化することが可能となり、所望の出力特性をえることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
また、本第３の実施形態の固体撮像装置１０Ｂは、画素内のトランジスタ数が少ないため、ＰＤ開口率を高く、光電変換感度や飽和電子数を高めることができる。
【０１０８】
（第４の実施形態）
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【０１０９】
本第４の実施形態の画ＰＸＬＣおよび容量可変部８０Ｃが、第３の実施形態の容量可変部８０Ｂと異なる点は次の通りである。
【０１１０】
本第４の実施形態においては、配線ＷＲ上に縦続接続され各画素に対応するように形成された第１のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１に加えて、各画素ＰＸＬＣｎ−１，ＰＸＬＣｎ，ＰＸＬＣｎ＋１のフローティングディフュージョンＦＤと配線ＷＲのノードＮＤｎ−１，ＮＤｎ，ＮＤｎ＋１との間に、たとえばＮＭＯＳトランジスタにより形成される第２のビンニングトランジスタ（ビンニングスイッチ）８２ｎ−１，８２ｎ，８２ｎ＋１が接続されている。
【０１１１】
第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１はそれぞれ第１の容量変更信号ＢＩＮ１ｎ−１，ＢＩＮ１ｎ，ＢＩＮ１ｎ＋１により選択的にオン、オフされ、第２のビンニングトランジスタ８２ｎ−１，８２ｎ，８２ｎ＋１はそれぞれ第２の容量変更信号ＢＩＮ２ｎ−１，ＢＩＮ２ｎ，ＢＩＮ２ｎ＋１により選択的にオン、オフされる。
本第４の実施形態においては、第１の容量変更信号ＢＩＮ１ｎ−１，ＢＩＮ１ｎ，ＢＩＮ１ｎ＋１と、第２の容量変更信号ＢＩＮ２ｎ−１，ＢＩＮ２ｎ，ＢＩＮ２ｎ＋１はペアを形成し、同じタイミングで（位相で）Ｈレベル、Ｌレベルに切り替えられる。
【０１１２】
このような構成において、第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１は隣接するＦＤ配線ＷＲの接続および切断に用いられる。
第２のビンニングトランジスタ８２ｎ−１，８２ｎ，８２ｎ＋１は、各画素ＰＸＬＣｎ−１，ＰＸＬＣｎ，ＰＸＬＣｎ＋１の転送トランジスタＴＧ（ＳＬ，ＬＳ）−Ｔｒの近傍に配置され、高変換利得モードにおいて、フローティングディフュージョンＦＤノードの寄生容量を最小化するために用いられる。
【０１１３】
さらに、本第４の実施形態の容量可変部８０Ｃにおいては、各画素ＰＸＬｎ−１，ＰＸＬｎ，ＰＸＬｎ＋１の第１のビンニングトランジスタ８１ｎ−１，８１ｎ，８１ｎ＋１の上側の隣接画素との接続部と電源線ＶＤＤとの間に、オーバーフロードレイン(ＯＦＤ)ゲート８３ｎ−１，８３ｎ，８３ｎ＋１が接続されている。
【０１１４】
ＯＦＤゲート８３ｎ−１，８３ｎ，８３ｎ＋１は、高輝度時にフォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに溢れだした電子（電荷）が隣接画素に漏れ出さないように、オーバーフロー電子を電源線（端子）に排出する。
【０１１５】
また、ＯＦＤゲート８３ｎ−１，８３ｎ，８３ｎ＋１の電圧を第１の容量変更信号ＢＩＮ１ｎ−１，ＢＩＮ１ｎ，ＢＩＮ１ｎ＋１並びに第２の容量変更信号ＢＩＮ２ｎ−１，ＢＩＮ２ｎ，ＢＩＮ２ｎ＋１のＬレベルの電圧より高く設定することにより、フォトダイオードＰＤからオーバーフローする電子（電荷）により、隣接画素のフローティングディフュージョンＦＤの電位が低下することを防止することができる。
【０１１６】
また、ＯＦＤゲート８３ｎ−１，８３ｎ，８３ｎ＋１をリセットに用いても良い。リセット素子とビンニングスイッチを備える構成に対して、フローティングディフュージョンＦＤノードに接続される素子数が少ないため、高変換ゲイン時の特性に優れる。
【０１１７】
本第４の実施形態によれば、上述した第３の実施形態と同様の効果を得ることができることはもとより、フローティングディフュージョンＦＤの容量をさらに最適化でき、モードに応じて任意のさらに最適な値の変換利得を得ることができる。これにより、変換利得の切り替え点におけるＳＮをさらに最適化することが可能となり、所望の出力特性を得ることができ、ひいては高画質の画像を得ることができる。
【０１１８】
（第５の実施形態）
図１７は、本発明の第５の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【０１１９】
本第５の実施形態の画ＰＸＬＤが、第２の実施形態の画素ＰＸＬＡと異なる点は次の通りである。
【０１２０】
本第５の実施形態において、画素ＰＸＬＤは、第２のフォトダイオードＰＤＬＳおよび第２の転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒが複数（本第５の実施形態では２）設けられている。
具体的に、画素ＰＸＬＤは、第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１、第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２、第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ、および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒが設けられている。
【０１２１】
画素ＰＸＬＤにおいて、第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒは第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１と出力側ノードＮＤ２１との間に接続され、第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒは第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２と出力側ノードＮＤ２２との間に接続されている。
第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒの出力側ノードＮＤ２１と第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒの出力側ノードＮＤ２２は接続されており。その接続点には、容量可変部８０ＡのキャパシタＣ８２が接続され、かつ、スイッチングトランジスタＳＷ８２−Ｔｒの一端に接続されている。
【０１２２】
図１８（Ａ）〜（Ｅ）は、本第５の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた第１の読み出し動作を説明するための図である。
図１９（Ａ）〜（Ｆ）は、本第５の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた第２の読み出し動作を説明するための図である。
【０１２３】
本第５の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合の変換利得に応じた読み出し動作は、図８（Ａ）〜（Ｅ）に関連付けて説明した第１の実施形態における変換利得に応じた読み出し動作と同様に行われる。
したがって、その詳細な説明は省略する。
【０１２４】
ただし、画素ＰＸＬＤにおいて、第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１の蓄積電荷の第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１による第１の転送処理と、第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２の蓄積電荷の第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒによる第２の転送処理とを行う方法には、たとえば図１８（Ａ）〜（Ｅ）に示す第１の方法、または図１９（Ａ）〜（Ｆ）に示す第２の方法を採用することができる。
【０１２５】
第１の方法では、図１８（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、第１の転送処理と第２の転送処理とを同時並列的に行う。
第２の方法では、図１９（Ａ）〜（Ｆ）に示すように、第１の転送処理と第２の転送処理とを別々に行う。
【０１２６】
（埋め込み型のフォトダイオードＰＤＳＬ，ＰＤＬＳ１、ＰＤＬＳ２の具体的な構成例）
ここで、埋め込み型の第１のフォトダイオードＰＤＳＬおよび第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１、ＰＤＬＳ２の具体的な構成例について図２０に関連付けて説明する。
図２０は、本発明の第５の実施形態に係る埋め込み型の第１のフォトダイオードおよび２つの第２のフォトダイオードの電荷転送ゲート部を除く主要部の構成例を示す簡略断面図である。
図２０の埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）部分２００Ｄは、図５の構成に、第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２が追加された構造を有する。
【０１２７】
すなわち、図２０の埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）部分２００Ｄは、光Ｌが照射される第１基板面２１１側（たとえば裏面側）と第１基板面２１１側と対向する側の第２基板面２１２側（前面側）とを有する半導体基板（以下、単に基板という）２１０を有する。
埋め込み型フォトダイオード部分２００Ｄは、基板２１０に対して埋め込むように形成された第１導電型（本実施形態ではｎ型）半導体層（本実施形態ではｎ層）２２１ｎを含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）を有する。
埋め込み型フォトダイオード部分２００Ｄは、第２導電型（ｐ型）分離層２３０を挟んで、第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）と並列となるように、基板２１０に対して埋め込むように形成されたｎ層（第１導電型半導体層）２４１を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有する第２のフォトダイオード２４０−１（ＰＤＬＳ１）、２４０−２（ＰＤＬＳ２）を有する。
【０１２８】
埋め込み型フォトダイオード部分２００Ｄは、第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）および第２のフォトダイオード２４０−１（ＰＤＬＳ１）、２４０−２（ＰＤＬＳ２）の基板２１０の法線に直交する方向における側部（ｎ層の境界部）には第２の導電型（ｐ型）分離層２３１，２３２，２３３，２３４が形成されている。
図２０の例では、第１のフォトダイオード２２０（ＰＤＳＬ）は基板２１０の法線に直交する方向における側部（ｎ層の境界部）に形成された第２の導電型（ｐ型）分離層２３１とｐ型分離層２３２の間に形成されている。
第１の第２のフォトダイオード２４０−１（ＰＤＬＳ１）は基板２１０の法線に直交する方向における側部（ｎ層の境界部）に形成されたｐ型分離層２３２とｐ型分離層２３３の間に形成されている。
第２の第２のフォトダイオード２４０−２（ＰＤＬＳ２）は基板２１０の法線に直交する方向における側部（ｎ層の境界部）に形成されたｐ型分離層２３１とｐ型分離層２３４の間に形成されている。
【０１２９】
そして、本実施形態においては、第１のフォトダイオードＰＤＳＬの受光領域の開口部ＡＰ１は第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１，２の受光領域の開口部ＡＰ２（ＡＰ１＞ＡＰ２）より大きく、第１のフォトダイオードＰＤＳＬのｎ層２２１ｎの不純物濃度ＤＮ１は、第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１，２のｎ層２４１ｎ−１，２４１ｎ−２の不純物濃度ＤＮ２（ＤＮ１＜ＤＮ２）より薄く形成されている。
【０１３０】
本第５の実施形態によれば、上述した第１および第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、第２のフォトダイオードＰＤＬＳと第２の転送トランジスタＴＧＬＳを複数設けることにより、たとえばオートフォーカス（ＡＦ）の位相差情報を得るための位相差検出系として採用することが可能となる。
これにより、水平（左右）、垂直（上下）方向および斜め方向の位相差情報が取得可能となる。
【０１３１】
たとえば、図１９（Ａ）〜（Ｆ）の第２の方法を採用して読み出しを行う場合、第１のフォトダイオードＰＤＳＬの信号を読み出さずに、第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１の信号と第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２の信号を読み出すことも可能である。これにより、位相差情報のみを読み出すことが可能となる。
【０１３２】
この位相差検出機能は、いわゆる瞳分割位相差方式に基づくものである。
瞳分割位相差方式は、撮像レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成し、このパターンズレ（位相シフト量）を検出することで、撮像レンズのデフォーカス量を検出する。
【０１３３】
（第６の実施形態）
図２１は、本発明の第６の実施形態に係る画素部および容量可変部の構成例を示す図である。
【０１３４】
本第６の実施形態の画ＰＸＬＥが、第２の実施形態の画素ＰＸＬＡおよび第５の実施形態の画素ＰＸＬＤと異なる点は次の通りである。
【０１３５】
本第６の実施形態において、画素ＰＸＬＥは、第２のフォトダイオードＰＤＬＳおよび第２の転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒが４個ずつ設けられている。
具体的に、画素ＰＸＬＥは、第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１、第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２、第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３、第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４、第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ、第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒ、第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒ、および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒが設けられている。
【０１３６】
画素ＰＸＬＥにおいて、第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒは第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１と出力側ノードＮＤ２１との間に接続され、第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒは第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２と出力側ノードＮＤ２１との間に接続されている。
第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒは第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３と出力側ノードＮＤ２２との間に接続され、第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒは第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４と出力側ノードＮＤ２２との間に接続されている。
第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒおよび第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒの出力側ノードＮＤ２１と第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒおよび第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒの出力側ノードＮＤ２２は接続されており、その接続点には、容量可変部８０ＡのキャパシタＣ８２が接続され、かつ、スイッチングトランジスタＳＷ８２−Ｔｒの一端に接続されている。
【０１３７】
そして、本第６の実施形態によれば、第２のフォトダイオードＰＤＬＳと第２の転送トランジスタＴＧＬＳを４個ずつ設けることにより、たとえばオートフォーカス（ＡＦ）の位相差情報を得るための位相差検出系として採用し、水平（左右）、垂直（上下）方向および斜め方向の位相差情報が取得可能となるように構成されている。
【０１３８】
（画素ＰＸＬＥにおける第１および第２のフォトダイオードの配置例）
ここで、本第６の実施形態の画素ＰＸＬＥにおける第１のフォトダイオードおよび４個の第２のフォトダイオードの配置例について説明する。
図２２は、本第６の実施形態の画素ＰＸＬＥにおける第１のフォトダイオードおよび４個の第２のフォトダイオードの配置例について説明するための図である。
【０１３９】
本第６の実施形態の画素ＰＸＬＥは、たとえば第１のフォトダイオードＰＤＳＬを含んで矩形ＲＣＴに形成され、第１のフォトダイオードＰＤＳＬの四隅部にそれぞれ対応して第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１〜ＰＤＬＳ４、第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ〜ＴＧＬＳ４−Ｔｒが配置されている。
【０１４０】
画素ＰＸＬＥは、四隅部として、図において、左上隅部の第１の隅部ＣＲＮ１、右上隅部の第２の隅部ＣＲＮ２、左下隅部の第３の隅部ＣＲＮ３、および右下隅部の第４の隅部ＣＲＮ４を有する。
画素ＰＸＬＥにおいては、一例として、第１の隅部ＣＲＮ１に第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１および第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒが配置されている。
第２の隅部ＣＲＮ２に第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒが配置されている。
第３の隅部ＣＲＮ３に第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３および第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒが配置されている。
第４の隅部ＣＲＮ４に第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４および第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒが配置されている。
【０１４１】
本第６の実施形態において、読み出し部７０は、第１のフォトダイオードＰＤＳＬ、第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１、第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２、第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３、および第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４に対する蓄積電荷読み出し処理の組み合わせにより、少なくとも広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能のうちの少なくとも一方の機能を発現する読み出しを行うことが可能である。
【０１４２】
この広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能を発現する読み出しモードの読み出し動作については、後述の第７の実施形態に関連付けて説明する。
【０１４３】
本第６の実施形態によれば、第１および第２の実施形態の効果と同様の効果を得られることはもとより、第２のフォトダイオードＰＤＬＳと第２の転送トランジスタＴＧＬＳを４個ずつ設けることにより、たとえばオートフォーカス（ＡＦ）の位相差情報を得るための位相差検出系として採用でき、水平（左右）、垂直（上下）方向および斜め方向の位相差情報が取得可能となる。
【０１４４】
（第７の実施形態）
図２３は、本発明の第７の実施形態に係る画素部および容量可変部のレイアウトの一構成例を示す図である。
図２４は、図２３の画素部を裏面側から見た各画素の基本的レイアウトパターンを示す図である。
なお、図２３および図２４においては、図面の簡単化のために、４つの画素が２×２の行列状に配列されている例を示している。
【０１４５】
本第７の実施形態の画ＰＸＬＦが、第６の実施形態の画素ＰＸＬＥと異なる点は次の通りである。
【０１４６】
本第７の実施形態において、画素部２０Ｆは、複数の画素ＰＸＬＦが行列状に配置され、一つのフローティングディフュージョンＦＤを、隣接する複数の画素の第２のフォトダイオードＰＤＬＳおよび第２の転送トランジスタＴＧＬＳ−Ｔｒで共有する画素共有構造を有している。
【０１４７】
画素ＰＸＬＦは、四隅部として、図２３において、左上隅部の第１の隅部ＣＲＮ１、右上隅部の第２の隅部ＣＲＮ２、左下隅部の第３の隅部ＣＲＮ３、および右下隅部の第４の隅部ＣＲＮ４を有する。
画素ＰＸＬＦにおいては、一例として、第１の隅部ＣＲＮ１に第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１および第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒが配置されている。
第２の隅部ＣＲＮ２に第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒが配置されている。
第３の隅部ＣＲＮ３に第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３および第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒが配置されている。
第４の隅部ＣＲＮ４に第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４および第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒが配置されている。
【０１４８】
本第７の実施形態においては、基本的に各画素ＰＸＬＦの第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１および第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒは、列方向左側に隣接する画素の第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒ、行方向上側に隣接する画素の第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３および第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒ、並びに、左上側に隣接する画素の第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４および第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒのうちの少なくともいずれかと、一つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する。
【０１４９】
各画素ＰＸＬＦの第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒは、列方向右側に隣接する画素の第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１および第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ、行方向上側に隣接する画素の第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４および第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒ、並びに、右上側に隣接する画素の第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３および第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒのうちの少なくともいずれかと、一つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する。
【０１５０】
各画素ＰＸＬＦの第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３および第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒは、列方向左側に隣接する画素の第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４および第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒ、行方向下側に隣接する画素の第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１および第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ、並びに、左下側に隣接する画素の第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒのうちの少なくともいずれかと、一つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する。
【０１５１】
各画素ＰＸＬＦの第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４および第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒは、列方向右側に隣接する画素の第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３および第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒ、行方向下側に隣接する画素の第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒ、並びに、右下側に隣接する画素の第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１および第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒのうちの少なくともいずれかと、一つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する。
【０１５２】
図２３および図２４の例では、画素部２０Ｆは、第１の画素ＰＸＬＦ１、第２の画素ＰＸＬＦ２、第３の画素ＰＸＬＦ３、および第４の画素ＰＸＬＦ４が行列状に配列されている。
第１の画素ＰＸＬＦ１の第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１および第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ、第２の画素ＰＸＬＦ２の第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒ、第３の画素ＰＸＬＦ３の第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３および第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒ、並びに、第４の画素ＰＸＬＦ４の第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４および第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒが、一つのフローティングディフュージョンＦＤを共有している。
【０１５３】
そして、本第７の実施形態において、読み出し部７０は、たとえば第１の画素ＰＸＬＦ１の第１のフォトダイオードＰＤＳＬ１、第１の画素ＰＸＬＦ１の第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１、第２の画素ＰＸＬＦ２の第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２、第３の画素ＰＸＬＦ３の第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３、および第４の画素ＰＸＬＦ４の第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４に対する蓄積電荷読み出し処理の組み合わせにより、少なくとも広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能のうちの少なくとも一方の機能を発現する読み出しを行うことが可能である。
【０１５４】
以下に、本第７の実施形態における広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能を発現する読み出しモードの読み出し動作について説明する。
【０１５５】
図２５は、本第７の実施形態に係る広ダイナミックレンジ化機能および位相差検出機能を発現する読み出しモードの概要を表として示す図である。
【０１５６】
図２５においては、以下の６つの読み出しモードが例示されている。
（１）非広ダイナミックレンジ化モード（Ｎｏｎ−ＨＤＲ）、
（２）広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）、
（３）第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））、
（４）第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））、
（５）第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））、および
（６）特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）
である。
【０１５７】
これらの読み出しモードにおける読み出し動作の概要について説明する。
以下の説明において、タイミングチャートを例示するモードがあるが、本第７の実施形態に係る容量可変部にキャパシタとスイッチを適用した場合（図２１）の変換利得に応じた読み出し動作は、基本的に図８に関連付けて説明した第１の実施形態における変換利得に応じた読み出し動作と同様に行われる。
【０１５８】
なお、読み出し部７０は、前述したように、一つの読み出し期間に、容量可変部８０Ａにより設定される第１容量に応じた第１変換利得で画素信号の読み出しを行う第１変換利得モード読み出しと、容量可変部８０Ａにより設定される第２容量に応じた第２変換利得で画素信号の読み出しを行う第２変換利得モード読み出しと、のうちの少なくともいずれかを行うことが可能である。
【０１５９】
（１）非広ダイナミックレンジ化モード（Ｎｏｎ−ＨＤＲ）：
この非広ダイナミックレンジ化モード（Ｎｏｎ−ＨＤＲ）では、広ダイナミックレンジ化機能および位相差検出機能を発現させることはできない。
この場合、容量可変部８０ＡのスイッチングトランジスタＳＷ８２−Ｔｒをオン状態に保持して、第１のフォトダイオードＰＤＳＬ、第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１、第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２、第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３、および第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４の蓄積電荷が同時並列的にフローティングディフュージョンＦＤに転送され、低変換利得（ＬＣＧ）の第２変換利得読み出しが行われ、第１の読み出し処理信号Ｓｉｇ１が得られる。
【０１６０】
（２）広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）：
図２６（Ａ）〜（Ｅ）は、本第７の実施形態に係る広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【０１６１】
広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）において、第１の広ダイナミックレンジ化機能を発現する場合、第１の第１の読み出し処理信号Ｓｉｇ１を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の第１変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持した状態で、第１の読み出し期間後の第１の転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒによる第１の転送期間の転送処理を行い、この第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の第１変換利得モード読み出しを行う。
【０１６２】
広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）において、第１の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応するキャパシタＣ８２の容量を含む第２容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の第２変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応する第２容量に保持した状態で、第３の読み出し期間後の第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ、第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒ、第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒ、および第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒによる第２の転送期間の転送処理を行い、この第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の第２変換利得モード読み出しを行う。
【０１６３】
広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）においては、第１の広ダイナミックレンジ化信号ＨＤＲＳｉｇとして第１の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２を適用する。
【０１６４】
広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）においては、ダイナミックレンジは１０３ｄＢであり、蓄積容量（ＬＦＷＣ）はたとえば１５０Ｋｅ相当であり、十分な飽和容量を得ることができ、十分なダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
【０１６５】
（３）第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））：
図２７（Ａ）〜（Ｆ）は、本第７の実施形態に係る第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【０１６６】
第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））において、第２の広ダイナミックレンジ化機能および第１の位相差検出機能を発現する場合、第２の第１の読み出し処理信号Ｓｉｇ１を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の第１変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持した状態で、第１の読み出し期間後の第１の転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒによる第１の転送期間の転送処理を行い、この第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の第１変換利得モード読み出しを行う。
【０１６７】
なお、場合によっては、このモードを実施せず、２回の読み出しによって位相差信号のみを読み出すこともできる。
【０１６８】
第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））において、第２の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応するキャパシタＣ８２の容量を含む第２容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の第２変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応する第２容量に保持した状態で、第３の読み出し期間後の第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒおよび第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒの転送処理を行い、この第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の第２変換利得モード読み出しを行う。
【０１６９】
第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））において、第３の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応するキャパシタＣ８２の容量を含む第２容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第５の読み出し期間に第１の第２変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応する第２容量に保持した状態で、第５の読み出し期間後の第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒおよび第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒの転送処理を行い、この第２の転送期間後の第６の読み出し期間に第２の第２変換利得モード読み出しを行う。
【０１７０】
第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））において、第１の位相差検出用信号ＰＤＡＦＳｉｇとして、第２の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２と第３の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３の差分信号（Ｓｉｇ２−Ｓｉｇ３）を適用する。
【０１７１】
第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））において、第２の広ダイナミックレンジ化信号ＨＤＲＳｉｇとして第２の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２と第３の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３の加算信号（Ｓｉｇ２＋Ｓｉｇ３）を適用する。
【０１７２】
第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））においては、ダイナミックレンジは１０３ｄＢであり、蓄積容量（ＬＦＷＣ）はたとえば１５０Ｋｅ相当であり、十分な飽和容量を得ることができ、十分なダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
【０１７３】
（４）第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））：
図２８（Ａ）〜（Ｆ）は、本第７の実施形態に係る第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【０１７４】
第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））において、第３の広ダイナミックレンジ化機能および第２の位相差検出機能を発現する場合、第３の第１の読み出し処理信号Ｓｉｇ１を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の第１変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持した状態で、第１の読み出し期間後の第１の転送トランジスタＴＧＳＬ−Ｔｒによる第１の転送期間の転送処理を行い、この第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の第１変換利得モード読み出しを行う。
【０１７５】
第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））において、第４の第２の読み出し処理信号ＳｉＧ２を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応するキャパシタＣ８２の容量を含む第２容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の第２変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応する第２容量に保持した状態で、第３の読み出し期間後の第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒおよび第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒの転送処理を行い、この第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の第２変換利得モード読み出しを行う。
【０１７６】
第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））において、第５の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０Ａによりフローティングディフュージョンの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応するキャパシタＣ８２の容量を含む第２容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第５の読み出し期間に第１の第２変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応する第２容量に保持した状態で、第５の読み出し期間後の第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒおよび第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒの転送処理を行い、この第２の転送期間後の第６の読み出し期間に第２の第２変換利得モード読み出しを行う。
【０１７７】
第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））において、第２の位相差検出用信号ＰＤＡＦＳｉｇとして、第４の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２と第５の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３の差分信号（Ｓｉｇ２−Ｓｉｇ３）を適用する。
【０１７８】
第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））において、第３の広ダイナミックレンジ化信号ＨＤＲＳｉｇとして第４の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２と第５の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３の加算信号（Ｓｉｇ２＋Ｓｉｇ３）を適用する。
【０１７９】
第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））においては、ダイナミックレンジは１０３ｄＢであり、蓄積容量（ＬＦＷＣ）は１５０Ｋｅであり、十分な飽和容量を得ることができ、十分なダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
【０１８０】
（５）第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））：
図２９（Ａ）〜（Ｆ）は、本第７の実施形態に係る第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【０１８１】
第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））において、第４の広ダイナミックレンジ化機能および第３の位相差検出機能を発現する場合、第４の第１の読み出し処理信号Ｓｉｇ１を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の第１変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持した状態で、第１の読み出し期間後の第１の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒによる第１の転送期間の転送処理を行い、この第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の第１変換利得モード読み出しを行う。
【０１８２】
第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））において、第６の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応するキャパシタＣ８２の容量を含む第２容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の第２変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応する第２容量に保持した状態で、第３の読み出し期間後の第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒおよび第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒの転送処理を行い、この第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の第２変換利得モード読み出しを行う。
【０１８３】
第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））において、第７の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応するキャパシタＣ８２の容量を含む第２容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第５の読み出し期間に第１の第２変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応する第２容量に保持した状態で、第５の読み出し期間後の第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒおよび第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒの転送処理を行い、この第２の転送期間後の第６の読み出し期間に第２の第２変換利得モード読み出しを行う。
【０１８４】
第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））において、第３の位相差検出用信号ＰＤＡＦＳｉｇとして、第６の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２と第７の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３の差分信号（Ｓｉｇ２−Ｓｉｇ３）を適用する。
【０１８５】
第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））において、第４の広ダイナミックレンジ化信号ＨＤＲＳｉｇとして第６の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２と第７の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３の加算信号（Ｓｉｇ２＋Ｓｉｇ３）を適用する。
【０１８６】
第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））においては、ダイナミックレンジは１０３ｄＢであり、蓄積容量（ＬＦＷＣ）はたとえば１５０Ｋｅ相当であり、十分な飽和容量を得ることができ、十分なダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
【０１８７】
（６）特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）：
図３０（Ａ）〜（Ｆ）は、本第７の実施形態に係る特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）における読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。
【０１８８】
特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）において、第５の広ダイナミックレンジ化機能を発現する場合、第５の第１の読み出し処理信号Ｓｉｇ１を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第１の読み出し期間に第１の第１変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第１変換利得（ＨＣＧ）に対応する第１容量に保持した状態で、第１の読み出し期間後の第１の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒによる第１の転送期間の転送処理を行い、この第１の転送期間後の第２の読み出し期間に第２の第１変換利得モード読み出しを行う。
【０１８９】
特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）において、第８の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応するキャパシタＣ８２の容量を含む第２容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第３の読み出し期間に第１の第２変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応する第２容量に保持した状態で、第３の読み出し期間後の第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ、第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒ、および第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒの転送処理を行い、この第２の転送期間後の第４の読み出し期間に第２の第２変換利得モード読み出しを行う。
【０１９０】
特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）において、第９の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ３を得るために、少なくともリセット期間後に容量可変部８０ＡによりフローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応するキャパシタＣ８２の容量を含む第２容量に保持させる。
そして、リセット期間に続く第５の読み出し期間に第１の第２変換利得モード読み出しを行い、フローティングディフュージョンＦＤの容量を第２変換利得（ＬＣＧ）に対応する第２容量に保持した状態で、第５の読み出し期間後の第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒの転送処理を行い、この第２の転送期間後の第６の読み出し期間に第２の第２変換利得モード読み出しを行う。
なお、この場合、第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４の感度を低下させることが好ましい。たとえば、蓄積期間を短くしたり、減光する。
【０１９１】
特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）において、第５の広ダイナミックレンジ化信号ＨＤＲＳｉｇとして第８の第２の読み出し処理信号Ｓｉｇ２と第３の第９の読み出し処理信号Ｓｉｇ３の加算信号（Ｓｉｇ２＋Ｓｉｇ３）を適用する。
【０１９２】
特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）においては、ダイナミックレンジは１０８ｄＢであり、蓄積容量（ＬＦＷＣ）はたとえば２５０Ｋｅ相当であり、十分な飽和容量を得ることができ、十分なダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
【０１９３】
本第７の実施形態によれば、たとえば第１の画素ＰＸＬＦ１の第１のフォトダイオードＰＤＳＬ１、第１の画素ＰＸＬＦ１の第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１、第２の画素ＰＸＬＦ２の第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２、第３の画素ＰＸＬＦ３の第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３、および第４の画素ＰＸＬＦ４の第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４に対する蓄積電荷読み出し処理の組み合わせにより、少なくとも広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能のうちの少なくとも一方の機能を発現する読み出しを行うことが可能である。
【０１９４】
図３１は、本発明の第７の実施形態に係る各読み出しモードにおける第１のフォトダイオードＰＤＳＬおよび第２のフォトダイオードＰＤＬＳの感度特性を示す図である。
図３２（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第７の実施形態に係る広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）、第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））、および特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）の線形化した感度特性を示す図である。
図３２（Ａ）は信号の入出力特性を、図３２（Ｂ）はＳＮＲ特性を示している。
【０１９５】
図３２（Ａ）および（Ｂ）から、本第７の実施形態において、広ダイナミックレンジ化モード（ＨＤＲ）、第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））では１０ｄＢ程改善し、特別の広ダイナミックレンジ化モード（Ｅｘｔｒａ−ＨＤＲ）ではさらに５ｄＢ改善することがわかる。
【０１９６】
また、本第７の実施形態によれば、第１および第２の実施形態の効果と同様の効果を得られることはもとより、第２のフォトダイオードＰＤＬＳと第２の転送トランジスタＴＧＬＳを４個ずつ設けることにより、たとえばオートフォーカス（ＡＦ）の位相差情報を得るための位相差検出系として採用でき、水平（左右）、垂直（上下）方向および斜め方向の位相差情報が取得可能となる。
【０１９７】
なお、上述した各読み出しモードの読み出し動作は、第６の実施形態に係る図２２の画素ＰＸＬＥにも同様に適用することが可能である。
図３３（Ａ）〜（Ｃ）は、第６の実施形態に係る図２２の画素ＰＸＬＥにも第７の実施形態の各読み出しモードの読み出し動作を同様に適用することが可能であることを説明するための図である。
ただし、図３３（Ａ）〜（Ｃ）は、位相差検出化モード（ＰＤＡＦ）のみについて示してあるが、他のモードの読み出し動作を適用可能である。
ちなみに、図３３（Ａ）は第１の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｖ））の読み出し動作の概要を示し、図３３（Ｂ）は第２の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｈ））の読み出し動作の概要を示し、図３３（Ｃ）は第３の位相差検出化モード（ＰＤＡＦ（Ｄ））の読み出し動作の概要を示している。
【０１９８】
（第８の実施形態）
図３４は、本第８の実施形態の画素における第１のフォトダイオードおよび８個の第２のフォトダイオードの配置例について説明するための図である。
【０１９９】
本第８の実施形態の画素ＰＸＬＧが、図２２の画素ＰＸＬＥと異なる点は、８個の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ（１〜８）を有することにある。
画素ＰＸＬＧは、たとえば第１のフォトダイオードＰＤＳＬを含んで矩形ＲＣＴに形成され、第１のフォトダイオードＰＤＳＬの四隅部にそれぞれ対応して第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１〜ＰＤＬＳ８（第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ〜ＴＧＬＳ８−Ｔｒ）が配置されている。
【０２００】
画素ＰＸＬＧは、図２２の例と同様に、四隅部として、左上隅部の第１の隅部ＣＲＮ１、右上隅部の第２の隅部ＣＲＮ２、左下隅部の第３の隅部ＣＲＮ３、および右下隅部の第４の隅部ＣＲＮ４を有している。
【０２０１】
画素ＰＸＬＧにおいて、第１の隅部ＣＲＮ１に、対を形成するように、第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１および第１の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ１−Ｔｒ、並びに、第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２および第２の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ２−Ｔｒが配置されている。
第２の隅部に、対を形成するように、第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３および第３の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ３−Ｔｒ、並びに、第４の第２のフォトダイオードＰＤＳＬ４および第４の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ４−Ｔｒが配置されている。
第３の隅部ＣＲＮ３に、対を形成するように、第５の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ５および第５の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ５−Ｔｒ、並びに、第６の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ６および第６の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ６−Ｔｒが配置されている。
第４の隅部ＣＲＮ４に、対を形成するように、第７の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ７および第７の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ７−Ｔｒ、並びに、第８の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ８および第８の第２の転送トランジスタＴＧＬＳ８−Ｔｒが配置されている。
【０２０２】
本第８の実施形態において、読み出し部７０は、第１のフォトダイオードＰＤＳＬ、第１の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ１、第２の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ２、第３の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ３、第４の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ４、第５の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ５、第６の第２の光フォトダイオードＰＤＬＳ６、第７の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ７、および第８の第２のフォトダイオードＰＤＬＳ８に対する蓄積電荷読み出し処理の組み合わせにより、少なくとも広ダイナミックレンジ化機能および位相差を検出する位相差検出機能のうちの少なくとも一方の機能を発現する読み出しを行うことが可能である。
【０２０３】
本第８の実施形態によれば、第１および第２の実施形態の効果と同様の効果を得られることはもとより、第２のフォトダイオードＰＤＬＳと第２の転送トランジスタＴＧＬＳを８個ずつ設けることにより、たとえばオートフォーカス（ＡＦ）の位相差情報を得るための位相差検出系として採用でき、水平（左右）、垂直（上下）方向および斜め方向の位相差情報が取得可能となる。
【０２０４】
（応用例１）
図３５は、図５に示す本実施形態に係る埋め込み型の第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードの他の構成例を示す簡略断面図である。
【０２０５】
埋め込み型の第１のフォトダイオードＰＤＳＬおよび第２のフォトダイオードＰＤＬＳを有する画素の構造例について図５（および図２０）に関連付けて説明したが、画素構造しては、これに限定されるものではなく、たとえば図３５に示すように、ジャンクション部２５０、蓄積領域２６０を光電変換領域上に積層してよりコンパクトな構造を採用することができる。
【０２０６】
図３５の第１のフォトダイオード２２０Ｈ（ＰＤＳＬ）においては、ｎ層（第１導電型半導体層）２２１ｎが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に３層構造を持つように構成されている。
本例では、第１基板面２１１側にｎ−−層２２１４が形成され、このｎ−−層２２１４の第２基板面２１２側の一部にｎ−層２２１５形成され、このｎ−層２２１５の第２基板面２１２側にｎ層２２１６が形成されている。
また、ｎ−−層２２１４の第２基板面２１２側のｎ−層２２１５に並列にｐ層２２１７が形成され、このｐ層２２１７の第２基板面２１２側にｐ層２２１８およびｎ＋層２２１９が形成されている。
【０２０７】
図３５の第２のフォトダイオード２４０Ｈ（ＰＤＬＳ）においては、ｎ層（第１導電型半導体層）２４１ｎが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に１層構造を持つように構成されている。
本例では、ｎ層２４１３が形成されている。
【０２０８】
図３５のｐ型分離層２３１Ｈにおいては、ｐ層（第２導電型半導体層）２３１ｐが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に３構造を持つように構成されている。
本例では、第１基板面２１１側にｐ層２３１１が形成され、このｐ層２３１１の第２基板面２１２側にｐ−層２３１２が形成され、このｐ−層２３１２の第２基板面２１２側にｐ層２３１３が形成されている。
【０２０９】
図３５のｐ型分離層２３２Ｈにおいては、ｐ層（第２導電型半導体層）２３２ｐが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に２層構造を持つように構成されている。
本例では、第１基板面２１１側にｐ層２３２１が形成され、このｐ層２３２１の第２基板面２１２側にｐ＋層２３２３が形成されている。
【０２１０】
図３５のｐ型分離層２３３Ｈにおいては、ｐ層（第２導電型半導体層）２３３ｐが、基板２１０の法線方向（図中の直交座標系のＺ方向）に３層構造を持つように構成されている。
本例では、第１基板面２１１側にｐ層２３３１が形成され、このｐ層２３３１の第２基板面２１２側にｐ−層２３３２が形成され、このｐ−層２３３２の第２基板面２１２側にｐ層２３３３が形成されている。
ている。
そして、図３５の例では、ｐ層２２１７、ｐ＋層２３２３、ｎ層２４１３上にわたって、ｎ＋層２２１９が形成されている。
【０２１１】
この構成は一例であり、他の積層構造であってもよい。
【０２１２】
（応用例２）
図３６（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が、表面照射型イメージセンサと裏面照射型イメージセンサの両方に適用が可能であることを説明するための図である。
図３６（Ａ）が表面照射型イメージセンサの簡略構成を示し、図３６（Ｂ）が裏面照射型イメージセンサの簡略構成を示している。
【０２１３】
図３６（Ａ）および（Ｂ）において、符号９１がマイクロレンズアレイを、９２がカラーフィルタ群を、９３が配線層を、９４がシリコン基板を、それぞれ示している。
【０２１４】
上述した本実施形態の固体撮像装置１０は、図３６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、
表面照射型イメージセンサ（ＦＳＩ）と裏面照射型イメージセンサ（ＢＳＩ）の両方に適用可能である。
【０２１５】
以上説明した固体撮像装置１０，１０Ａ〜１０Ｇは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。
【０２１６】
図３７は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。
【０２１７】
本電子機器１００は、図３７に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０，１０Ａ〜１０Ｇが適用可能なＣＭＯＳイメージセンサ１１０を有する。
さらに、電子機器１００は、このＣＭＯＳイメージセンサ１１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）１２０を有する。
電子機器１００は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)１３０を有する。
【０２１８】
信号処理回路１３０は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路１３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
【０２１９】
上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０として、前述した固体撮像装置１０，１０Ａ〜１０Ｇを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
【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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【国際調査報告】
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2019009213.tif 000041
2019009213.tif 000042
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