(57)【要約】  イメージセンサは、受けた入射光に応じた電荷を蓄積する感光領域と、感光領域から電荷の全てまたは一部を移動させるトラスファゲートと、トランスファゲートに印加される電圧が時間とともに上昇する電圧源と、感光領域から電荷の全てまたは一部を受け、電荷を電圧に変換するフローティング拡散と、フローティング拡散から信号を受信して増幅する増幅器と、増幅器から電圧パルスを検知するパルス検波器と、電圧上昇が開始してから、感光領域からフローティング拡散への電荷移動の開始を示す信号を検波器から受信するまでの間のクロック周期をカウントするカウンタと、を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージセンサであって、
（ａ）受けた入射光に応じた電荷を蓄積する感光領域と、
（ｂ）前記感光領域から前記電荷の全てまたは一部を移動させるトランスファゲートと、
（ｃ）前記トランスファゲートに印加される電圧が時間とともに上昇する電圧源と、
（ｄ）前記感光領域から、前記電荷の全てまたは一部を受け、前記電荷を電圧に変換するフローティング拡散と、
（ｅ）前記フローティング拡散から信号を受信して増幅する増幅器と、
（ｆ）前記増幅器からの電圧パルスを検知するパルス検波器と、
（ｇ）電圧上昇が開始してから、前記感光領域から前記フローティング拡散への電荷移動の開始を示す信号を前記検波器から受信するまでの間、クロック周期をカウントするカウンタと、
を含む、イメージセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のイメージセンサにおいて、前記電圧パルスは正負のどちらかの方向である、イメージセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のイメージセンサであって、さらに、前記フローティング拡散と前記カウンタの両方をリセットするリセットトランジスタを含む、イメージセンサ。
【請求項４】
請求項１に記載のイメージセンサにおいて、前記感光領域はフォトダイオードである、イメージセンサ。
【請求項５】
請求項１に記載のイメージセンサであって、さらに、読み出しを可能にするため前記増幅器に電気的に接続された行選択トランジスタを含む、イメージセンサ。
【請求項６】
イメージングデバイスであって、
（ａ）受けた入射光に応じた電荷を蓄積する感光領域と、
（ｂ）前記感光領域から前記電荷の全てまたは一部を移動させるトランスファゲートと、
（ｃ）前記トランスファゲートに印加される電圧が時間とともに上昇する電圧源と、
（ｄ）前記感光領域から前記電荷の全てまたは一部を受け、前記電荷を電圧に変換するフローティング拡散と、
（ｅ）前記フローティング拡散から信号を受信して増幅する増幅器と、
（ｆ）前記増幅器からの電圧パルスを検知するパルス検波器と、
（ｇ）電圧上昇が開始してから、前記感光領域から前記フローティング拡散への電荷移動の開始を示す信号を前記検波器から受信するまでの間、クロック周期をカウントするカウンタと、
を含む、イメージングデバイス。
【請求項７】
請求項６に記載のイメージングデバイスにおいて、電圧パルスは正負のどちらかの方向である、イメージングデバイス。
【請求項８】
請求項６に記載のイメージングデバイスであって、さらに、前記フローティング拡散と前記カウンタの両方をリセットするリセットトランジスタを含む、イメージングデバイス。
【請求項９】
請求項６に記載のイメージングデバイスにおいて、前記感光領域はフォトダイオードである、イメージングデバイス。
【請求項１０】
請求項６に記載のイメージングデバイスであって、さらに、読み出しを可能にするため前記増幅器に電気的に接続された行選択トランジスタを含む、イメージングデバイス。
【請求項１１】
イメージセンサを操作する方法であって、
（ａ）キャパシティを有する感光領域が、受けた入射光に応じた電荷を蓄積し、
（ｂ）トラスファゲートが、前記感光領域から前記電荷の全てまたは一部を移動させ、
（ｃ）前記トランスファゲートに時間とともに上昇する電圧を印加し、
（ｄ）電荷収集部が、前記感光領域から前記電荷の全てまたは一部を受け、前記電荷を電圧に変換し、
（ｅ）前記感光領域から前記電荷収集部への電荷移動の開始を示すパルス検波器とカウンタとを用い、
出力デジタル信号は、前記キャパシティの一部を表し、前記一部は前記電荷によって占められたキャパシティとの所定の関係に基づいている、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、さらに、前記所定の関係に基づいて、前記キャパシティの一部として満たされていないキャパシティを設ける、方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法であって、さらに、フローティング拡散として前記電荷収集部を設ける、方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の方法であって、さらに、フォトダイオードとして前記感光領域を設ける、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、フローティング拡散として前記電荷収集部を設ける、方法。
【請求項１６】
請求項１１に記載の方法であって、さらに、前記電圧パルスは正負のどちらかの方向である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にイメージセンサの分野に関し、特にピクセルアレイから出力された直後にイメージ信号がデジタル信号に変換されるＣＭＯＳイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサにおいてピクセルサイズが縮小し続ける傾向にある。現在のＣＭＯＳイメージセンサは、全て同じかまたは近い構造を有している。すなわち、現在のＣＭＯＳイメージセンサは、各ピクセルのフォトダイオードＰＤやフォトゲートなど、光信号を電荷に変換する感光デバイスと、電荷を電圧に変換するフローティング拡散（floating diffusion（ＦＤ））キャパシタと、フローティング拡散キャパシタンスを大出力バスキャパシタンスからバッファリングしてピクセルアレイから電気信号を送る増幅器と、を有する。ピクセル出力信号の振れはＦＤキャパシタンスによって予め決定されており、電荷数はＰＤにより捕捉できる。最大電荷数はフォトダイオードの大きさに比例する。センサの性能を維持するためには、ＰＤの大きさが大きく、ＰＤの大きさとピクセルサイズとの比率、またはフィルファクタ（fill-factor）が最小（＞３０％）である必要があるが、これは、ピクセルサイズをさらに縮小することを制限する。本発明では、フローティング拡散での電圧の代わりにフォトダイオードポテンシャルをイメージ信号として使用し、これをデジタル信号に変換し、センサ性能に影響を及ぼすことなくピクセルサイズとフィルファクタの両方の縮小を達成する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、前述した課題の一つ以上を解決するものである。簡単に言うと、本発明の一態様によれば、本発明は、イメージセンサであって、受けた入射光に応じた電荷を蓄積する感光領域と、感光領域からの電荷の全てまたは一部を移動させるトランスファゲートと、トランスファゲートに印加される電圧が時間とともに上昇する電圧源と、感光領域からの電荷の全てまたは一部を受け、電荷を電圧に変換するフローティング拡散と、フローティング拡散からの信号を受信して増幅する増幅器と、増幅器から電圧パルスを検知するパルス検波器と、電圧上昇が開始してから、感光領域からフローティング拡散への電荷移動の開始を示す信号を検波器から受信するまでの間のクロック周期をカウントするカウンタと、を含むイメージセンサである。
【０００４】
本発明のその他の態様、目的、特徴及び効果は以下の好ましい実施形態の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲の記載及び添付の図面の参照により、より明確に理解されるだろう。
【０００５】
本発明は、以下の高速処理、低消費電力（power dissipation）及び低騒音の効果を奏する。さらに、本発明は、ピクセル増幅器の非線形性及び閾値変動の影響をなくす。また、ピクセル間のフローティング拡散変動も解消する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１を参照し、本発明のイメージセンサ１５のピクセルアレイ１０を示す。イメージセンサ１５は、複数のピクセル２０と、所定の方法で複数のピクセル２０から信号を受信し、保存する複数のアナログ／デジタルコンバータ３０とを有する。アナログ／デジタルコンバータアレイ２５はピクセルアレイ１０の出力に接続されている。複数コラムのアナログ／デジタルコンバータ（column analog-digital converter）３０が、アナログ／デジタルコンバータアレイ２５を構成する。複数のパルス検波器４０は、それぞれピクセルバス９５の出力に接続されており（図２に示す）、複数のカウンタ５０は、それぞれ複数のパルス検波器４０に接続されている。
【０００７】
ここで、理解を明確にするため、本発明の上述の装置では、アナログ回路の利用を制限し（騒音と電力消費の削減のため）、デジタル回路の効果を最大限に活かしている点に留意されたい。また、図２は、理解を明確にするため、本発明の１ピクセルとその関連回路（associated circuitry）だけを示し、本発明の複数のピクセルの代表ピクセルを説明する。本発明は、例えば、図１のピクセルアレイ１０のように複数のピクセルを有することがわかる。図２に示すように、ピクセル２０は感光領域または受けた入射光に応じた電荷を蓄積するフォトダイオード６０を含む。トランスファゲート（ＴＧ）７０は、フォトダイオード６０から電荷／電圧変換領域またはフローティング拡散（ＣＦＤ）８０に電荷を移動させることにより、電荷を電圧信号に変換する。リセットトランジスタ（ＲＧ）９０は、スイッチＳ１を閉とすることによりパルス検波器４０の入力に接続されるピクセル出力コラムバス９５と、フローティング拡散（ＣＦＤ）８０との両方に基準電圧を設定する。増幅器または増幅トランジスタ（amplifier transistor（Ｍ２））１００は、フローティング拡散（ＣＦＤ）８０から信号を受信し、増幅する。行選択トランジスタ（row select transistor）１１０は、ピクセルバス９５に出力するための特定行のピクセルを選択する。
【０００８】
図３は、図２に対する好ましいタイミングを示し、図２で参照された構成要素に印加されるタイミング信号を共通のタイミング信号の頭字語、ＲＳ、ＴＧ、ＲＧ、ＳＨＲ及びＥｎａｂｌｅで示す。図２及び図３を参照すると、積分（integration）中はイメージが複数のフォトダイオード６０に捕捉され、積分後、行選択トランジスタ（ＲＳ）１１０のゲートに「ハイ（high）」を印加することにより、ピクセルアレイ１０のピクセルの行が読み出し用に選択される。次に、リセットトランジスタ（ＲＧ）９０のゲートにパルス電圧を印加し、フローティング拡散（ＣＦＤ）キャパシタ８０から電荷を消去し、フローティング拡散（ＣＦＤ）８０を基準電圧にリセットする。フローティング拡散（ＣＦＤ）８０での電圧は、増幅器１００で増幅され、コラムバス９５に送出される。コラムバス９５の基準信号により、クロックＳＨＲが「ハイ」から「ロー（low）」に移り、スイッチＳ１が閉となる。また、ＳＨＲクロックは、カウンタ５０及びパルス検波器４０をリセットする。ＳＨＲパルスに続いて、イネーブル(ENABLE)クロックにより各コラム回路のカウンタがクロック周期数のカウントを開始できるようになる。初期電圧Ｖ１はトランスファゲートに印加され、徐々に電圧を傾斜（ランプ：ramp）(略線形ランプ)させ始める。トランスファゲートの電圧がランプしている間は、フローティング拡散（ＣＦＤ）８０での電圧はソースフォロア増幅器１００によりバッファされ、コラムバス９５を介してアナログ／デジタルコンバータアレイ２５へ送出される。各コラムアナログ／デジタルコンバータ３０に一つずつあるパルス検波器４０は、ピクセル出力電圧の監視を開始する。ピクセル出力のパルス電圧が検知され、かつカウンタ５０が停止すると、パルス検波器の出力はローからハイに変化する。電圧パルスは、正負のどちらの方向でもよい。言い換えれば、パルス検波器４０は基準電圧に設定され、電圧パルスは、基準電圧よりも高くても低くてもどちらでもよい。カウントされたクロック周期の数は各対応コラムの未処理の（raw）デジタル化信号値である。
【０００９】
ランプされたトランスファゲート（ＴＧ）の電圧がＴＧゲート７０下に十分なポテンシャルを生成すると、フォトダイオード６０に蓄積された電荷はフォトダイオード６０からフローティング拡散（ＣＦＤ）８０に流れ始める。本発明は、フローティング拡散８０を用いてフォトダイオード６０からの電荷の移動の「始まり：beginning」または「開始:initiation」を検知する。これは、従来技術の電荷「全体」を検知するのとは全く異なる。本発明の議論に戻ると、電荷移動の開始時にフローティング拡散８０で電圧変化が起こり、その電圧変化はピクセル増幅器（Ｍ２）１００を通じて、コラムバス９５を介しコラムパルス検波器４０に送られる。この電圧変化（正または負）をきっかけに、パルス検波器４０が出力状態を変化させる。カウンタ５０は、「イネーブル」入力によりパルス検波器４０からの出力の変化を検知し、カウントを停止する。コラムカウンタ５０の内容は未処理のピクセルデジタル出力である。
【００１０】
図４ａから４ｃを参照すると、従来技術が電子の数を検知することが明らかである。これに対し、本発明のイメージセンサはフォトダイオードの電荷ポテンシャルを検知する。言い換えれば、本発明のイメージセンサは、フォトダイオードの満たされていないポテンシャル井戸１２の深さを検知する。ピクセルアレイ２０のフォトダイオード６０上に光が存在すれば、電荷が生成され、フォトダイオード６０のポテンシャル井戸１２１に蓄積される。フォトダイオード６０とフローティング拡散（ＣＦＤ）８０との間にはピクセルのトランスファゲート（ＴＧ）７０があり、そのフローティング拡散８０は電荷を電圧に変換するのに使われる。トランスファゲート（ＴＧ）７０のゲートに印加された電圧は、電圧がトランスファゲート７０の閾値電圧よりも高い場合、ゲート下のポテンシャルを制御し、導電チャネルを作成する。フォトダイオード６０のポテンシャル井戸１２１とフローティング拡散領域８０とはこの作成されたトランスファゲート（ＴＧ）７０のチャネルにより接続されている。このゲート電圧が上昇するに従って、ゲート下のポテンシャルは低下する。トランスファゲート７０下のポテンシャルがフォトダイオード６０の井戸１２１のポテンシャルと等しい場合、フォトダイオード６０に蓄積された電荷は、トランスファゲート（ＴＧ）７０を通ってフォトダイオード６０から拡散領域８０に移動を開始する。フォトダイオード６０からフローティング拡散（ＣＦＤ）への電荷の移動により、フローティング拡散（ＣＦＤ）領域８０で電圧信号が生成され、ピクセル増幅器（Ｍ２）１００の入力に送られる。パルス検波器４０は、コラムバス９５における電圧変化を検知する。フォトダイオード６０からフローティング拡散８０への電子移動をきっかけに、コラムアナログ／デジタルコンバータ３０のパルス検波器４０は出力状態を変化させる。このパルス検波器４０の出力状態の変化により、カウンタ５０は停止し、未処理のデジタルコードがカウンタ５０の出力で生成される。このデジタルコードまたはデジタル信号は、ピクセルにより作成されたイメージ信号を表す。この未処理のデジタルコードは、ノイズやオフセットなど、望ましくない性質を有する。これらは、当業者にとって既知であるように、次のデジタル処理段階で補正され、較正されてもよい。
【００１１】
図５を参照すると、本発明のイメージセンサ１５が配置されたデジタルカメラ１２５が本発明の好ましい商業実施形態を説明するために示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のピクセルアレイとその関連回路を示す。
【図２】ピクセルと図１のアナログ／デジタルコンバータの詳細図である。
【図３】図２のタイミング図である。
【図４ａ】本発明のイメージセンサを概略的に示す。
【図４ｂ】本発明の断面図である。
【図４ｃ】本発明の概念を明確に説明するための図４ｂの井戸型ポテンシャル図である。
【図５】本発明のイメージセンサの代表的な商業実施形態を説明するための本発明のデジタルカメラである。
【符号の説明】
【００１３】
１０  ピクセルアレイ、１５  イメージセンサ、２０  ピクセル、２５  アナログ／デジタルコンバータアレイ、３０  アナログ／デジタルコンバータ、４０  パルス検波器、５０  カウンタ、６０  感光領域またはフォトダイオード、７０  トランスファゲート（ＴＧ）、８０  電荷／電圧変換領域またはフローティング拡散（ＣＦＤ）、９０  リセットトランジスタ（ＲＧ）、９５  ピクセル出力コラムバス、１００  ピクセル増幅器または増幅トランジスタ（Ｍ２）、１１０  行選択トランジスタ、１２１  ポテンシャル井戸、１２５  デジタルカメラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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