(57)【要約】【課題】単位画素ごとに、自動的にダイナミックレンジを拡大できる固体撮像素子を提供する。【解決手段】固体撮像素子は、第１の光電変換素子と、第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、第１の蓄積部と電気的に接続され、印加電圧に応じて光学特性が変化する第１の膜と、を単位画素ごとに備える。また、固体撮像素子の単位画素は、光電変換素子により光電変換された電荷を第１の蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、第１の蓄積部と電気的に接続された増幅トランジスタと、増幅トランジスタと電気的に接続された選択トランジスタと、をさらに備えることができる。【選択図】図２
2019080305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、
前記第１の蓄積部と電気的に接続され、印加電圧に応じて光学特性が変化する第１の膜と、
を単位画素ごとに備える固体撮像素子。
【請求項２】
前記単位画素は、
前記第１の光電変換素子により光電変換された電荷を前記第１の蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記第１の蓄積部と電気的に接続された増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタと電気的に接続された選択トランジスタと、
をさらに備える請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記単位画素は、前記第１の蓄積部に蓄積された電荷をリセットする第１のリセットトランジスタをさらに備える請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記単位画素は、
前記第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、
前記第１の蓄積部と前記第２の蓄積部とを電気的に接続する容量接続トランジスタと、
をさらに備える請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記単位画素は、前記第１の光電変換素子と前記第２の蓄積部とを電気的に接続するオーバーフローゲートをさらに備える請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記単位画素は、前記第１の膜と電気的に接続された選択トランジスタと、オペアンプと、をさらに備え、
前記第１の蓄積部、前記第１のリセットトランジスタおよび前記オペアンプは、互いに並列接続されている請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第１の光電変換素子と前記第１の蓄積部とは、直結に接続されている請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記第１の膜は、前記第１の光電変換素子に入射する光の光路上に配置され、前記第１の蓄積部に蓄積された電荷量に応じて光透過率が変化する請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
第２の光電変換素子と、
前記第２の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、をさらに備え、
前記第１の膜は、前記第２の光電変換素子に入射する光の光路上に配置される請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記単位画素は、前記第２の光電変換素子により光電変換された電荷を前記第２の蓄積部に転送する第２の転送トランジスタをさらに備える請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記単位画素は、前記第２の蓄積部に蓄積された電荷をリセットする第２のリセットトランジスタをさらに備える請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記第２の光電変換素子に入射する光の光路上に、第２の膜が配置され、
前記第２の膜は、前記第１の膜と光学特性が異なる請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記第１の蓄積部は、前記第１の光電変換素子から溢れたオーバーフロー電荷を蓄積する請求項１または９に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記第１の蓄積部は、前記第１の光電変換素子をリセットした時の排出電荷を蓄積する請求項１または９に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記第１の膜は、前記第２の光電変換素子に光が入射する光路上に配置され、前記第１の蓄積部に蓄積された電荷量に応じて光透過率が変化する請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記第１の光電変換素子と、前記第２の光電変換素子は、感度が異なる請求項９に固体撮像素子。
【請求項１７】
前記第１の光電変換素子に入射する光の光路上に配置された第１のカラーフィルタと、前記第２の光電変換素子に入射する光の光路上に配置された第２のカラーフィルタと、をさらに備え、
前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとは、異なるカラーフィルタである請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
前記第１の光電変換素子に入射する光の光路上には、カラーフィルタが配置されない請求項１または９に記載の固体撮像素子。
【請求項１９】
光が入射される順に、
第１の電極と、
印加される電圧に応じて光学特性が変化するエレクトロクロミック膜と、
第２の電極と、
第１の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、
第２の光電変換素子と、
前記第２の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、を単位画素ごとに備え、
前記エレクトロクロミック膜が、
前記第２の光電変換素子に入射する光の光路上に配され、前記第１の蓄積部と前記第２の電極とが接続されている、固体撮像素子。
【請求項２０】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧が印加され、
前記第２の電極から前記エレクトロクロミック膜に前記所定の電圧が印加されることにより、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が変更される、請求項１９に記載の固体撮像素子。
【請求項２１】
前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子は、感度が異なる、請求項１９に記載の固体撮像素子。
【請求項２２】
前記第２の電極に印加する電圧を変更することにより、モードを切り替える、請求項１９に記載の固体撮像素子。
【請求項２３】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧が外部電源によって印加され、
前記第２の電極から前記エレクトロクロミック膜に前記所定の電圧が印加されることにより、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が変更される、請求項１９に記載の固体撮像素子。
【請求項２４】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧が昇圧回路によって印加され、
前記第２の電極から前記エレクトロクロミック膜に前記所定の電圧が印加されることにより、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が変更される、請求項１９に記載の固体撮像素子。
【請求項２５】
第１の光電変換素子により光電変換された電荷に応じて、第１の蓄積部に蓄積し、
露光期間中は、蓄積した電荷を前記第１の蓄積部に保持させておく、
固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２６】
請求項１または９に記載の固体撮像素子を撮像部として備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法および電子機器に関し、特に、印加電圧に応じて光学特性が変化する膜を備える固体撮像素子の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子では、一定の露光時間にセンサ部に入射する光がフォトダイオードにて光電変換され、入射する光を電荷に変換して蓄積部で蓄積している。ところが、蓄積部の電荷蓄積量は有限であるため、例えば、強い光が入射したとき電荷が飽和して白と黒の階調が不十分となる。これを抑制する方法として、ダイナミックレンジを拡大することが知られている。
【０００３】
ここで、固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する技術の一例として、特許文献１には、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、前記画素から選択された一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極と、を有する固体撮像装置が開示されている。特許文献１の技術によれば、消費電力の増大および画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０４９４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で提案された技術では、ダイナミックレンジを拡大する技術のさらなる向上が図れないおそれがある。
【０００６】
そこで、本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、単位画素ごとに、自動的にダイナミックレンジを拡大できる固体撮像素子を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本技術の一例である固体撮像素子は、第１の光電変換素子と、第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、第１の蓄積部と電気的に接続され、印加電圧に応じて光学特性が変化する第１の膜と、を単位画素ごとに備える。また、本技術の一例である固体撮像素子の単位画素は、光電変換素子により光電変換された電荷を第１の蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、第１の蓄積部と電気的に接続された増幅トランジスタと、増幅トランジスタと電気的に接続された選択トランジスタと、をさらに備えることができる。
【０００８】
また、本技術の一例である固体撮像素子は、光が入射される順に、第１の電極と、印加される電圧に応じて光学特性が変化するエレクトロクロミック膜と、第２の電極と、第１の光電変換素子と、第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、第２の光電変換素子と、第２の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、を単位画素ごとに備え、エレクトロクロミック膜が、第２の光電変換素子に入射する光の光路上に配され、第１の蓄積部と第２の電極とが接続されている。
【０００９】
また、本技術の一例である固体撮像素子の駆動方法は、第１の光電変換素子により光電変換された電荷に応じて、第１の蓄積部に蓄積し、露光期間中は、蓄積した電荷を第１の蓄積部に保持させておくことができる。
【００１０】
また、本技術の一例である電子機器は、第１の光電変換素子と、第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、第１の蓄積部と電気的に接続され、印加電圧に応じて光学特性が変化する第１の膜と、を単位画素ごとに備える固体撮像素子を撮像部として備える。
【００１１】
本技術によれば、単位画素ごとに、自動的にダイナミックレンジを拡大できる固体撮像素子を提供することができる。なお、本技術の効果は、必ずしも上記の効果に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】
【００１２】
【図１】本技術に係る第１実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図２】図１の単位画素の等価回路を示す回路構成図である。
【図３】図１の単位画素を示す平面模式図である。（Ａ）はエレクトロクロミック膜およびオンチップレンズを取り除いた平面模式図であり、（Ｂ）はエレクトロクロミック膜およびオンチップレンズも表した平面模式図である。
【図４】図１のエレクトロクロミック膜に電圧を印加した時の代表的な特性を示すグラフである。
【図５】図１の固体撮像素子の光電変換特性を示すグラフである。（Ａ）はエレクトロクロミック膜が存在しない場合の光電変換特性を示すグラフであり、（Ｂ）はエレクトロクロミック膜が存在する場合の光電変換特性を示すグラフであり、（Ｃ）はエレクトロクロミック膜の透過率と入射光量との関係を示すグラフである。
【図６】本技術に係る第２実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図７】本技術に係る第３実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図８】本技術に係る第４実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。
【図９】本技術に係る第５実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。
【図１０】本技術に係る第５実施形態の単位画素の回路動作を説明する図である。
【図１１】本技術に係る第６実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。
【図１２】本技術に係る第６実施形態の固体撮像素子の光電変換特性を示すグラフである。（Ａ）はオペアンプ出力と入射光量との関係を示すグラフであり、（Ｂ）はエレクトロクロミック膜の透過率と入射光量との関係を示すグラフである。
【図１３】本技術に係る第７実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図１４】本技術に係る第８実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図１５】本技術に係る第９実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図１６】図１５の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。
【図１７】図１５の単位画素を示す平面模式図である。（Ａ）はエレクトロクロミック膜およびオンチップレンズを取り除いた平面図であり、（Ｂ）はエレクトロクロミック膜およびオンチップレンズも表した平面図である。
【図１８】図１５の固体撮像素子の酸化タングステン膜に電圧を印加した時の代表的な特性を示すグラフである。
【図１９】図１５の固体撮像素子の光電変換特性を示すグラフである。（Ａ）はエレクトロクロミック膜が存在しなかった場合の光電変換特性を示す図であり、（Ｂ）はエレクトロクロミック膜が存在する場合の光電変換特性を示す図であり、（Ｃ）はエレクトロクロミック膜の透過率と入射光量との関係を示すグラフである。
【図２０】本技術に係る第１０実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図２１】本技術に係る第１１実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図２２】本技術に係る第１２実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。
【図２３】本技術に係る第１３実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図２４】図２３の固体撮像素子の画素の配列例を示す模式図である。
【図２５】本技術に係る第１４実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。
【図２６】本技術に係る第１実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図２７】本技術に係る第２実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図２８】本技術に係る第３実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図２９】本技術に係る第７実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図３０】本技術に係る第８実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図３１】本技術に係る第９実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図３２】本技術に係る第１０実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図３３】本技術に係る第１１実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図３４】本技術に係る第１３実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図３５】本技術に係る第１６実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図３６】固体撮像素子の酸化タングステン膜に電圧を印加した時の代表的な特性を示すグラフである。
【図３７】本技術に係る第１６実施形態の固体撮像素子のダイナミックレンジが拡大される状態を示した説明図である。
【図３８】本技術に係る第１７実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図３９】本技術に係る第１８実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。
【図４０】本技術を適用した固体撮像素子の使用例を示す図である。
【図４１】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【図４２】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本技術を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本技術の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本技術の範囲が狭く解釈されることはない。また、本技術は、下記の各実施形態およびその変形例のいずれかを互いに組み合わせることもできる。
【００１４】
なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１実施形態の固体撮像素子
（１−１）固体撮像素子の構成例
（１−２）単位画素の回路構成例
（１−３）単位画素の構成例
（１−４）単位画素の回路動作例
（１−５）ダイナミックレンジの拡大
２．第２実施形態の固体撮像素子
３．第３実施形態の固体撮像素子
４．第４実施形態の固体撮像素子
５．第５実施形態の固体撮像素子
６．第６実施形態の固体撮像素子
７．第７実施形態の固体撮像素子
８．第８実施形態の固体撮像素子
９．第９実施形態の固体撮像素子
（９−１）固体撮像素子の断面構造例
（９−２）単位画素の回路構成例
（９−３）単位画素の構成例
（９−４）単位画素の回路動作例
（９−５）ダイナミックレンジの拡大
１０．第１０実施形態の固体撮像素子
１１．第１１実施形態の固体撮像素子
１２．第１２実施形態の固体撮像素子
１３．第１３実施形態の固体撮像素子
１４．第１４実施形態の固体撮像素子
１５．第１５実施形態の固体撮像素子
１６．第１６実施形態の固体撮像素子
（１６−１）固体撮像装置の構成例
（１６−２）単位画素の動作例
１７．第１７実施形態の固体撮像素子
１８．第１８実施形態の固体撮像素子
１９．第１９実施形態の電子機器
２０．本技術を適用した固体撮像素子の使用例
２１．移動体への応用例
【００１５】
＜１．第１実施形態の固体撮像素子＞
図１から図５を用いて、本技術に係る第１実施形態の固体撮像素子について説明する。本実施形態の固体撮像素子は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等の、被写体を撮像し、撮像画像のデジタルデータを得ることができる固体撮像素子である。
【００１６】
（１−１）固体撮像素子の断面構造例
まず、図１を用いて、本実施形態に係る固体撮像素子の断面構造の一例について説明する。図１は、本実施形態の固体撮像素子を示す画素の断面模式図である。図１に示すように、本実施形態の固体撮像素子１０は、表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子であり、光電変換素子の一例であるフォトダイオード（ＰＤ）１０１が形成された半導体基板上に、接続配線１２１等が形成された配線層、下部電極１３１、エレクトロクロミック膜１３２および上部電極１３３が積層されている。さらに、固体撮像素子１０は、上部電極１３３の上層に、赤、緑および青の各色のカラーフィルタ１４１が形成され、その上層にオンチップレンズ１４２が形成されている。フォトダイオード１０１は、半導体基板にマトリックス上に配置された赤画素、緑画素および青画素の画素アレイの各画素に形成されている。
【００１７】
下部電極１３１および上部電極１３３は、透明であることが必要となるので、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）などの材料が用いられる。エレクトロクロミック膜１３２は、フォトダイオード１０１に対する光入射路に設けられ、印加電圧に応じて光透過率が変化するエレクトロクロミック材料を含んでいる。また、エレクトロクロミック膜１３２は、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化する性質を有している。
【００１８】
配線層には、半導体基板との接触面付近に、転送トランジスタ１０２、容量接続トランジスタ１０４、リセットトランジスタ１０５、オーバーフローゲート１０６、浮遊容量（フローティングキャパシタ）ＦＣが形成されている。さらに、配線層には、半導体基板と下部電極１３１とを連結する接続配線１２１が２本形成されている。また、転送トランジスタ１０２、容量接続トランジスタ１０４、リセットトランジスタ１０５、オーバーフローゲート１０６、浮遊容量ＦＣは、それぞれ接続配線を介して画素駆動配線１２２と接続されている。
【００１９】
半導体基板内には、隣接する転送トランジスタ１０２および容量接続トランジスタ１０４の間の下方に、浮遊拡散領域であるＦＤ（フローティングディフュージョン）部１０３が形成されている。ＦＤ部１０３は、第１の光電変換素子であるフォトダイオード１０１により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部としての役割を担う。さらに、半導体基板内には、浮遊容量ＦＣと浮遊容量ＦＣの下方に位置する拡散層とを含む蓄積容量１０７が形成されている。蓄積容量１０７は、第２の蓄積部としての役割を担う。蓄積容量１０７は、一方の接続配線１２１を介して下部電極１３１と接続されている。なお、本実施形態では、一例として、「容量」とは２端子素子を表し、拡散層とポリシリコンの浮遊容量ＦＣ（とそれらの間に挟まれた絶縁膜）で容量を形成している。
【００２０】
（１−２）単位画素の回路構成例
次に、図２を用いて、本実施形態の単位画素の回路構成例について説明する。図２は、本実施形態の単位画素の等価回路を示す回路構成図である。
【００２１】
図２に示すように、本実施形態の単位画素２０は、フォトダイオード１０１と、転送トランジスタ１０２と、浮遊容量ＦＣを含むＦＤ部１０３と、容量接続トランジスタ１０４と、リセットトランジスタ１０５と、オーバーフローゲート１０６と、浮遊容量ＦＣを含む蓄積容量１０７と、を有している。また、単位画素２０は、アンプトランジスタ１０８と、選択トランジスタ１０９と、を有している。
【００２２】
図２では、図面の簡略化のために図示を省略しているが、単位画素２０に対して、複数の行制御線が同一画素行の各画素に対して共通に配線される。複数の行制御線は、垂直駆動部の各画素行に対応した出力端に画素行単位で接続されている。垂直駆動部は、画素アレイ部の各単位画素２０の駆動に当たって、複数の行制御線に対してＰＤ２０１側の転送パルスである転送信号ＴＲＧ、リセット信号ＲＳＴ、および、選択信号ＳＥＬを適宜出力する。
【００２３】
フォトダイオード１０１のアノード電極は、グランドなどの負側電源に接続され、受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷である光電子に光電変換してその光電子を蓄積する。フォトダイオード１０１のカソード電極は、転送トランジスタ１０２のソース電極およびオーバーフローゲート１０６のソース電極に接続されている。また、フォトダイオード１０１は、転送トランジスタ１０２を介してＦＤ部１０３と電気的に接続されている。さらに、フォトダイオード１０１は、オーバーフローゲート１０６を介してエレクトロクロミック膜１３２および蓄積容量１０７と電気的に接続されている。
【００２４】
転送トランジスタ１０２のドレイン電極は、ＦＤ部１０３と接続されている。転送トランジスタ１０２のゲート電極には、垂直駆動部から転送信号ＴＲＧが与えられる。転送トランジスタ１０２は、転送信号ＴＲＧに応答して導通状態となることで、フォトダイオード１０１で光電変換され、蓄積された光電荷をＦＤ部１０３に転送する。
【００２５】
ＦＤ部１０３は、容量接続トランジスタ１０４のソース電極およびアンプトランジスタ１０８のゲート電極と接続されている。また、ＦＤ部１０３は浮遊容量ＦＣの一端と接続され、浮遊容量ＦＣの他端はグランドに接続されている。なお、ＦＤ部１０３は、第１の膜としてのエレクトロクロミック膜１３２に電圧を印加するために電荷を蓄積する電荷蓄積部とすることができる。ただし、電荷蓄積部は、ＦＤ部１０３とは別に設けていてもよい。
【００２６】
容量接続トランジスタ１０４のドレイン電極は、リセットトランジスタ１０５のソース電極および蓄積容量１０７と接続されている。容量接続トランジスタ１０４のゲート電極には、垂直駆動部から容量接続信号ＣＧが与えられる。容量接続トランジスタ１０４は、容量接続信号ＣＧに応答して導通状態となることで、ＦＤ部１０３と蓄積容量１０７とを接続する。
【００２７】
リセットトランジスタ１０５のドレイン電極は、電源に接続されている。リセットトランジスタ１０５のゲート電極には、垂直駆動部からリセット信号ＲＳＴが与えられる。リセットトランジスタ１０５は、リセット信号ＲＳＴに応答して導通状態となり、ＦＤ部１０３および／または蓄積容量１０７の電荷を電源に流すことによってＦＤ部１０３および／または蓄積容量１０７をリセットする。
【００２８】
オーバーフローゲート１０６のドレイン電極は、エレクトロクロミック膜１３２および蓄積容量１０７に接続されている。オーバーフローゲート１０６のゲート電極には、垂直駆動部からオーバーフロー信号ＯＦＧが与えられる。オーバーフローゲート１０６は、オーバーフロー信号ＯＦＧに応答して導通状態となることで、フォトダイオード１０１で光電変換されて蓄積された光電荷をエレクトロクロミック膜１３２および／または蓄積容量１０７に流すことができる。
【００２９】
蓄積容量１０７は、容量接続トランジスタ１０４のドレイン電極、リセットトランジスタ１０５のソース電極、オーバーフローゲート１０６のドレイン電極およびエレクトロクロミック膜１３２と接続されている。また、蓄積容量１０７は浮遊容量ＦＣの一端と接続され、浮遊容量ＦＣの他端はグランドに接続されている。なお、蓄積容量１０７は、第１の膜としてのエレクトロクロミック膜１３２に電圧を印加するために電荷を蓄積する電荷蓄積部とすることができる。
【００３０】
アンプトランジスタ１０８は、ドレイン電極が電源に、ソース電極が選択トランジスタ１０９のドレイン電極にそれぞれ接続されている。アンプトランジスタ１０８は、ソース電極が選択トランジスタ１０９を介して垂直信号線に接続される。
【００３１】
選択トランジスタ１０９のソース電極は、垂直信号線に接続されている。選択トランジスタ１０９のゲート電極には、垂直駆動部から選択信号ＳＥＬが与えられる。選択トランジスタ１０９は、選択信号ＳＥＬに応答して導通状態となることで、単位画素２０を選択状態としてアンプトランジスタ１０８で増幅された画素信号を垂直信号線に出力する。
【００３２】
なお、選択トランジスタ１０９は、アンプトランジスタ１０８のドレイン電極と電源との間に接続して配置することもできる。すなわち、選択トランジスタ１０９は、電源と垂直信号線との間において、アンプトランジスタ１０８に対して直列に接続されていることで、単位画素２０の選択動作を行うこともできる。
【００３３】
（１−３）単位画素の構成例
次に、図３および図４を用いて、本実施形態の単位画素の構成例について説明する。図３は、本実施形態の単位画素を示す平面模式図である。図３Ａは、エレクトロクロミック膜１３２およびオンチップレンズ１４２を取り除いた単位画素２０の平面模式図であり、図３Ｂは、フォトダイオード１０１を覆うように配置されているエレクトロクロミック膜１３２およびオンチップレンズ１４２も表した単位画素２０の平面模式図である。
【００３４】
図３Ａに示すように、単位画素２０を上方から見ると、一例として、矩形のフォトダイオード１０１の一辺に、転送トランジスタ１０２、ＦＤ部１０３、容量接続トランジスタ１０４およびリセットトランジスタ１０５が接続されている。矩形のフォトダイオード１０１の一辺に隣接する他の辺に、オーバーフローゲート１０６および蓄積容量１０７が接続されている。そして、容量接続トランジスタ１０４とリセットトランジスタ１０５との間、および、蓄積容量１０７の位置に、それぞれ接続配線１２１が形成されている。
【００３５】
図３Ｂに示すように、単位画素２０の上方には、一例として、矩形のエレクトロクロミック膜１３２が単位画素２０を覆うように配置されている。エレクトロクロミック膜１３２の上方には、一例として、円形のオンチップレンズ１４２が、フォトダイオード１０１、転送トランジスタ１０２およびオーバーフローゲート１０６を覆う位置に配置されている。
【００３６】
本実施形態のエレクトロクロミック膜１３２は、例えば、酸化タングステンのように、印加電圧に応じて透過率が変化する材料を用いることができる。その他に本実施形態のエレクトロクロミック膜１３２は、マグネシウム−チタン合金、マグネシウム−ニッケル合金、酸化タンタル、などの材料を用いてもよい。
【００３７】
図４は、本実施形態の酸化タングステンを用いたエレクトロクロミック膜１３２に電圧を印加した時の代表的な特性を示すグラフである。図４中上部の実線は、上部電極１３３―下部電極１３１間に印加する電圧が０Ｖのときの透過率を表す。図４中下部の実線は、上部電極１３３―下部電極１３１間に印加する電圧が２Ｖのときの透過率を表す。上部電極１３３―下部電極１３１間に印加する電圧が０Ｖのときは、可視光領域（およそ、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）で７０％前後の透過率を示しているのに対し、上記電圧が２Ｖのときは、１０％以下の透過率に変化する。
【００３８】
（１−４）単位画素の回路動作例
次に、本実施形態の単位画素２０の回路動作の一例について説明する。
【００３９】
通常は、露光中にフォトダイオード１０１によって光電変換された電荷がフォトダイオード１０１に蓄積され、その電荷を読み出す際には転送トランジスタ１０２をオンしてＦＤ部１０３に電荷を転送し、アンプトランジスタ１０８および選択トランジスタ１０９を介して外部に信号が出力される。
【００４０】
次に、フォトダイオード１０１の飽和電荷量を超えるような強い光が入射した時は、オーバーフローゲート１０６を介して電荷が漏れ出し、蓄積容量１０７に蓄積される。蓄積容量１０７に蓄積された電荷を読み出すときは、容量接続トランジスタ１０４をオンして、アンプトランジスタ１０８および選択トランジスタ１０９を介して外部に信号が出力される。
【００４１】
読み出しが完了した後、蓄積部の電位をリセットし、エレクトロクロミック膜１３２の透過率が高い状態にする。このとき、リセットトランジスタ１０５をオンにすることで、蓄積容量１０７がリセットされる。また、リセットトランジスタ１０５および容量接続トランジスタ１０４をオンにすることで、ＦＤ部１０３もリセットされる。
【００４２】
ここで、蓄積容量１０７は、下部電極１３１と接続されているので、リセット電位と上部電極１３３に供給される電位を等しく設定しておけば、リセット時においてエレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧は０Ｖとなる。すなわち、リセット状態ではエレクトロクロミック膜１３２は透過率が高い状態となっている。
【００４３】
そして、強い光が入射した時は、フォトダイオード１０１で光電変換された電荷量に応じて、ホールおよび電子を含む電荷がオーバーフローゲート１０６を介して蓄積容量１０７に徐々に蓄積されていく。
【００４４】
ここで、蓄積部に電荷を蓄積する手段としては、フォトダイオードからのオーバーフロー電荷を利用する、プリ露光を行ってその信号電荷を保持する、電子シャッタ動作時の掃き捨て電荷を利用する、などのバリエーションがある。
【００４５】
蓄積容量１０７に電荷が蓄積されていくと、電位が低下していくので、上部電極１３３との間に徐々に電位差が発生していく。電位差が発生すると、光電子の量が多いほどエレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧が増加し、透過率が減少していく。透過率が減少すると、フォトダイオード１０１に入射する光が減少し、発生する光電荷も減少していくため、感度が低下していく。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００４６】
このように、エレクトロクロミック膜１３２の透過率が画素ごとに光量に応じて変わっている状態で露光を行う。このとき、露光期間中は、蓄積した電荷を蓄積容量１０７に保持させておくことが好ましい。そして、光電変換された信号を読み出して出力を得る。
【００４７】
（１−５）ダイナミックレンジの拡大
次に、図５を用いて、本実施形態の固体撮像素子１０によるダイナミックレンジの拡大の様子について説明する。図５は本実施形態の固体撮像素子１０の光電変換特性を示すグラフである。図５Ａは、エレクトロクロミック膜１３２が存在しない場合の光電変換特性を示すグラフであり、図５Ｂは、エレクトロクロミック膜１３２が存在する場合の光電変換特性を示すグラフであり、図５Ｃは、エレクトロクロミック膜１３２の透過率と入射光量との関係を示すグラフである。
【００４８】
図５Ａの実線５１に示すように、エレクトロクロミック膜１３２が存在しない場合、まず、入射光量がダーク状態から増加していくと、フォトダイオード１０１に蓄積される光電子数も線形に増加していく。そして、光量１に達したところでフォトダイオード１０１が蓄積可能な飽和電子数に達すると、それ以上の電荷はフォトダイオード１０１には蓄積できない。
【００４９】
その後、発生した光電子はオーバーフローゲート１０６を介して蓄積容量１０７に蓄積されていく。よって光量１を超えると、実線５１に示すようにフォトダイオード１０１に蓄積される電子は増加せず、実線５２に示すように蓄積容量１０７に蓄積される電子数が増えていくようになる。そして、実線５２に示すように、さらに光量が増えて光量２に達したところで、蓄積容量１０７に蓄積可能な飽和電子数に達すると、それ以上の電荷は蓄積できなくなる。
【００５０】
よって、フォトダイオード１０１に蓄積された電子を読み出し、蓄積容量１０７に蓄積された電子を読み出し、それらを加算することで、光量２までは飽和しない出力を得ることができるが、光量２を超えた場合は出力が飽和してしまい、正しい光量を知ることができなくなる。
【００５１】
これに対し、図５Ｂを用いて、エレクトロクロミック膜１３２が存在する場合の光電変換特性について説明する。
【００５２】
まず、リセット状態においてはエレクトロクロミック膜１３２の透過率は高い状態であり、蓄積容量１０７に蓄積された電荷が変化しない限り、透過率も変化しないので、ダーク状態から光量１までの間は、図５Ａの実線５１と同じ光電変換特性を示す。
【００５３】
そして光量１を超えると、実線５３に示すように蓄積容量１０７に徐々に電荷が蓄積され、それに応じて図５Ｃの実線５４に示すように、エレクトロクロミック膜１３２の透過率が減少していく。すなわち感度が徐々に低下していくため、蓄積容量１０７に蓄積される電子数は、エレクトロクロミック膜１３２が存在しない場合（図５Ｂに点線で示す。）に比べて、徐々に傾きが寝てくる。
【００５４】
よって、光量２を超えても蓄積容量１０７に蓄積可能な飽和電子数には達せず、それより高い光量３において飽和電子数に達することとなる。すなわち、光量３までは飽和しない出力を得ることができ、ダイナミックレンジが拡大する。また、フォトダイオード１０１に蓄積された電子を読み出し、蓄積容量１０７に蓄積された電子を読み出し、それらを加算することで、ダークから光量１までは光量に対して線形な出力を得ることができ、光量１から光量３までは、対数型の出力を得ることができる。
【００５５】
以上述べたように、本実施形態の固体撮像素子１０を採用することで、ダイナミックレンジを光量２から光量３まで拡大することが可能となる。したがって、本技術は、特許文献１に記載の技術と異なり、単位画素ごとに、自動的にダイナミックレンジを拡大できる固体撮像素子を提供することができる。
【００５６】
さらに、本技術では、画素外部に電荷検出部や電圧印加部を設ける必要がなく、画素内に存在する素子のみでエレクトロクロミック膜に印加する電圧を制御することが可能となっており、消費電力増大やチップ面積増大を招いていない。
【００５７】
さらに、本技術では、エレクトロクロミック膜に印加する電圧は画素ごとに個別に制御することが可能であり、またその制御はその画素に入射した光量に応じて自動的に調整されるため、画素ごとに入射光量が大きく異なる場合においても、各画素に最適な状態に調整される。
【００５８】
＜２．第２実施形態の固体撮像素子＞
図６を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第２実施形態について説明する。図６は、本技術に係る第２実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、エレクトロクロミック膜１３２が配線層内に配置されている点である。なお、第１実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【００５９】
第１実施形態の固体撮像素子１０では、印加電圧に応じて光学特性が変化するエレクトロクロミック膜１３２が、カラーフィルタ１４１と配線層内の画素駆動配線１２２との間に配置されている。これに対し、本実施形態の固体撮像素子６０は、図６に示すように、エレクトロクロミック膜１３２が、画素駆動配線１２２より下方に配置されている。このように、エレクトロクロミック膜１３２は、フォトダイオード１０１に入射する光の光路上であれば、どの層に配置してもよい。したがって、上記構成により、本実施形態の固体撮像素子６０も、第１実施形態の固体撮像素子１０と同様の画素の回路動作および効果を得ることができる。また、本実施形態の固体撮像素子６０は、エレクトロクロミック膜１３２が第１実施形態の固体撮像素子１０に比べてＰＤ１０１の近くに配置されているので、配線層数など、断面構造によっては第１実施形態の固体撮像素子１０に比べて光学特性の改善が見込めるという効果を得ることができる。
【００６０】
＜３．第３実施形態の固体撮像素子＞
図７を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第３実施形態について説明する。図７は、本技術に係る第３実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、裏面照射型の固体撮像素子を用いている点である。なお、第１実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【００６１】
図７に示すように、本実施形態の固体撮像素子７０は、裏面照射型の固体撮像素子であるため、配線層がフォトダイオード１０１の半導体基板の下方に配置される。また、半導体基板と下部電極１３１との間には、ショートするのを防ぐため、絶縁膜１３４が設けられている。そのため、接続配線１２１は、フォトダイオード１０１の半導体基板および絶縁膜１３４を貫通して下部電極１３１に接続されている。上記構成により、本実施形態の固体撮像素子７０も、第１実施形態の固体撮像素子１０と同様の画素の回路動作および効果を得ることができる。また、本実施形態の固体撮像素子７０は、裏面照射型であるため、ＰＤ１０１の感度の向上および配線レイアウトの自由度向上が見込めるという効果を得ることができる。
【００６２】
＜４．第４実施形態の固体撮像素子＞
図８を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第４実施形態について説明する。図８は、本技術に係る第４実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、単位画素の回路構成において、オーバーフローゲート１０６を有していない点および蓄積容量１０７の代わりに追加浮遊拡散領域であるＦＤ部が形成されている点である。なお、第１実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【００６３】
図８に示すように、本実施形態の単位画素８０は、フォトダイオード１０１と、転送トランジスタ１０２と、浮遊容量ＦＣを含むＦＤ部１０３と、浮遊拡散領域であるＦＤ（フローティングディフュージョン）容量切り替えスイッチ１１０と、リセットトランジスタ１０５と、浮遊容量ＦＣを含むＦＤ部１１１と、を有している。また、単位画素８０は、アンプトランジスタ１０８と、選択トランジスタ１０９と、を有している。
【００６４】
ＦＤ容量切り替えスイッチ１１０のソース電極は、ＦＤ部１０３と接続されている。ＦＤ容量切り替えスイッチ１１０のドレイン電極は、リセットトランジスタ１０５のソース電極およびＦＤ部１１１と接続されている。ＦＤ容量切り替えスイッチ１１０のゲート電極には、垂直駆動部から容量接続信号ＦＤＧが与えられる。ＦＤ容量切り替えスイッチ１１０は、容量接続信号ＦＤＧに応答して導通状態となることで、ＦＤ部１０３とＦＤ部１１１とを接続する。
【００６５】
ＦＤ部１１１は、ＦＤ容量切り替えスイッチ１１０のドレイン電極、リセットトランジスタ１０５のソース電極およびエレクトロクロミック膜１３２と接続されている。また、ＦＤ部１１１は浮遊容量ＦＣの一端と接続され、浮遊容量ＦＣの他端はグランドに接続されている。なお、ＦＤ部１１１は、第１の膜としてのエレクトロクロミック膜１３２に電圧を印加するために電荷を蓄積する電荷蓄積部とすることができる。
【００６６】
次に、本実施形態の単位画素８０の回路動作の一例について説明する。通常は、露光中にフォトダイオード１０１によって光電変換された電荷がフォトダイオード１０１に蓄積され、その電荷を読み出す際には転送トランジスタ１０２をオンしてＦＤ部１０３に電荷を転送し、アンプトランジスタ１０８および選択トランジスタ１０９を介して外部に信号が出力される。
【００６７】
単位画素８０は、ＦＤ容量切り替えスイッチ１１０のオンオフによって、浮遊拡散領域の容量値を切り替えることができ、高感度モードおよび低感度モードが切替可能な構成となっている。ＦＤ容量切り替えスイッチ１１０がオフの時には、ＦＤ部１０３のみの容量となり、容量が小さいので、少ない光電子数でも高い電圧振幅を得ることができ、高感度モードとなる。ＦＤ容量切り替えスイッチ１１０がオンの時には、ＦＤ部１０３と追加浮遊拡散領域１１１を合わせた容量となり、容量が大きくなるので、多くの光電子が転送されても電圧振幅が小さく抑えられ、飽和しにくい低感度モードとなる。
【００６８】
露光開始前に、蓄積部の電位をリセットし、エレクトロクロミック膜１３２の透過率が高い状態にする。このとき、リセットトランジスタ１０５をオンにすることで、追加浮遊拡散領域１１１がリセットされる。また、リセットトランジスタ１０５およびＦＤ容量切り替えスイッチ１１０をオンすることで、ＦＤ部１０３もリセットされる。
【００６９】
ここで、追加浮遊拡散領域１１１は、下部電極１３１と接続されているので、リセット電位と上部電極１３３に印加される電位を等しく設定しておけば、リセット時においてエレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧は０Ｖとなる。すなわち、リセット状態ではエレクトロクロミック膜１３２は透過率が高い状態となっている。
【００７０】
次に、プリ露光を行う。プリ露光終了後、ＦＤ容量切り替えスイッチ１１０をオンした状態で転送トランジスタ１０２をオンし、フォトダイオード１０１に蓄積された光電子を、ＦＤ部１０３および追加浮遊拡散領域１１１に転送する。すると、光電子が多いほど追加浮遊拡散領域１１１の電位が低下するので、エレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧が増加し、透過率が減少する。すなわち、プリ露光時の光量が多いほど、透過率が低下した状態となる。
【００７１】
その後、追加浮遊拡散領域１１１の電荷を保持したまま、本露光を開始する。すると、プリ露光時の光量が多いほど、感度が低下した状態で露光されることとなり、フォトダイオード１０１の飽和を抑えることが可能となる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。以上より、本実施形態の単位画素８０を備える固体撮像素子も、第１実施形態の固体撮像素子１０と同様の画素の回路動作および効果を得ることができる。
【００７２】
＜５．第５実施形態の固体撮像素子＞
図９を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第５実施形態について説明する。図９は、本技術に係る第５実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、単位画素の回路構成において、オーバーフローゲート１０６を有していない点および蓄積容量１０７が形成されていない点である。なお、第１実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【００７３】
図９に示すように、本実施形態の単位画素９０は、フォトダイオード１０１と、転送トランジスタ１０２と、浮遊容量ＦＣを含むＦＤ部１０３と、リセットトランジスタ１０５と、を有している。また、単位画素９０は、アンプトランジスタ１０８と、選択トランジスタ１０９と、を有している。
【００７４】
次に、図９を用いて、本実施形態の単位画素９０の回路動作の一例について説明する。通常は、露光中にフォトダイオード１０１によって光電変換された電荷はフォトダイオード１０１に蓄積され、その電荷を読み出す際には転送トランジスタ１０２をオンしてＦＤ部１０３に電荷を転送し、アンプトランジスタ１０８および選択トランジスタ１０９を介して外部に信号が出力される。
【００７５】
露光開始前において、蓄積部の電位をリセットし、エレクトロクロミック膜１３２の透過率が高い状態にする。このとき、リセットトランジスタ１０５がオンして、ＦＤ部１０３がリセットされる。
【００７６】
ここで、ＦＤ部１０３は下部電極１３１と接続されているので、リセット電位と上部電極１３３に印加される電位を等しく設定しておけば、リセット時においてエレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧は０Ｖとなる。すなわち、リセット状態ではエレクトロクロミック膜１３２は透過率が高い状態となっている。
【００７７】
次に、プリ露光を行う。プリ露光終了後、転送トランジスタ１０２をオンし、フォトダイオード１０１に蓄積された光電子を、ＦＤ部１０３に転送する。すると、光電子が多いほどＦＤ部１０３の電位が低下するので、エレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧が増加し、透過率が減少する。すなわち、プリ露光時の光量が多いほど、透過率が低下した状態となる。
【００７８】
その後、ＦＤ部１０３の電荷を保持したまま、本露光を開始する。すると、プリ露光時の光量が多いほど、感度が低下した状態で露光されることとなり、フォトダイオード１０１の飽和を抑えることが可能となる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００７９】
次に、図１０を用いて、本実施形態の単位画素９０の回路動作の他の例について説明する。図１０は、本実施形態の単位画素９０の回路動作を説明する図である。通常は、露光中にフォトダイオード１０１によって光電変換された電荷はフォトダイオード１０１に蓄積され、その電荷を読み出す際には転送トランジスタ１０２をオンしてＦＤ部１０３に電荷を転送し、アンプトランジスタ１０８および選択トランジスタ１０９を介して外部に信号が出力される（時刻ｔ１）。
【００８０】
露光開始前（時刻ｔ２）において、蓄積部の電位をリセットし、エレクトロクロミック膜１３２の透過率が高い状態にする。このとき、リセットトランジスタ１０５がオンして、ＦＤ部１０３がリセットされる。
【００８１】
ここで、ＦＤ部１０３は下部電極１３１と接続されているので、リセット電位と上部電極１３３に印加される電位を等しく設定しておけば、リセット時においてエレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧は０Ｖとなる。すなわち、リセット状態ではエレクトロクロミック膜１３２は透過率が高い状態となっている。
【００８２】
次に、時刻ｔ３において、電子シャッタ動作を行う。具体的には、転送トランジスタ１０２をオンして、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷を空にする。このとき、ＦＤ部１０３には、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間にフォトダイオード１０１で発生した電荷が転送され、保持される。すると、電荷が多いほどＦＤ部１０３の電位が低下するので、エレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧が増加し、透過率が減少する。すなわち、時刻ｔ２から時刻ｔ３までに入射した光量が多いほど、透過率が低下した状態となる。
【００８３】
その後、ＦＤ部１０３の電荷を保持したまま、露光を開始する。すると、時刻ｔ２から時刻ｔ３までに入射した光量が多いほど、感度が低下した状態で露光されることとなり、フォトダイオード１０１の飽和を抑えることが可能となる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００８４】
以上より、本実施形態の単位画素９０を備える固体撮像素子も、第１実施形態の固体撮像素子１０と同様の画素の回路動作および効果を得ることができる。
【００８５】
＜６．第６実施形態の固体撮像素子＞
図１１を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第６実施形態について説明する。図１１は、本技術に係る第６実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、単位画素の回路構成において、転送トランジスタ１０２を使用せずにオペアンプを有している点である。なお、第１実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【００８６】
図１１に示すように、本実施形態の単位画素１６０は、フォトダイオード１０１と、オペアンプ１１２と、帰還容量１１３と、リセットトランジスタ１０５と、を有している。また、単位画素１６０は、選択トランジスタ１０９を有している。
【００８７】
フォトダイオード１０１のアノード電極は、グランドなどの負側電源に接続され、受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷である光電子に光電変換してその光電子を蓄積する。フォトダイオード１０１のカソード電極は、オペアンプ１１２の−入力端子（反転入力端子）、帰還容量１１３およびリセットトランジスタ１０５のソース電極に接続されている。
【００８８】
オペアンプ１１２の＋入力端子（非反転入力端子）は、駆動電源に接続されている。オペアンプ１１２の出力端子、帰還容量１１３およびリセットトランジスタ１０５のドレイン電極は、それぞれ選択トランジスタ１０９のドレイン電極およびエレクトロクロミック膜１３２に接続されている。
【００８９】
次に、本実施形態の単位画素１６０の回路動作の一例について説明する。露光開始前に、蓄積部の電位をリセットし、エレクトロクロミック膜１３２の透過率が高い状態にする。このとき、リセットトランジスタ１０５をオンにすることで、帰還容量１１３およびフォトダイオード１０１がリセットされる。
【００９０】
ここで、オペアンプ１１２の出力は下部電極１３１と接続されているので、オペアンプ１１２のリセット電位と上部電極１３３に印加される電位を等しく設定しておけば、リセット時においてエレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧は０Ｖとなる。すなわち、リセット状態ではエレクトロクロミック膜１３２は透過率が高い状態となっている。
【００９１】
その後、オペアンプ１１２の動作により、オペアンプ１１２の−入力端子は一定電位に固定されるので、露光中に光電変換された電荷は帰還容量を介してオペアンプ１１２の出力を変化させる。そして、Ｑ＝ＣＶの式に則り、光電変換された電荷量Ｑと、帰還容量１１３の容量値Ｃとの関係で、オペアンプ１１２の出力電位Ｖが決定する。このとき、光電子が多いほど、それに比例してオペアンプ１１２の出力電位が上昇することとなる。このとき、露光中にオペアンプ１１２の出力が上昇するにしたがって、エレクトロクロミック膜１３２に印加される電圧も上昇することとなり、透過率が低下していく。露光終了後に、選択トランジスタ１０９を介して、オペアンプ１１２の出力が外部に出力される。
【００９２】
次に、図１２を用いて、本実施形態の単位画素１６０を用いた固体撮像素子によるダイナミックレンジの拡大の様子について説明する。図１２は本実施形態の固体撮像素子の光電変換特性を示すグラフである。図１２Ａは、オペアンプ出力と入射光量との関係を示すグラフであり、図１２Ｂは、エレクトロクロミック膜の透過率と入射光量との関係を示すグラフである。
【００９３】
図１２Ａの点線１６１に示すように、エレクトロクロミック膜１３２が存在しない場合は、Ｑ＝ＣＶの関係により光電荷に比例してオペアンプ１１２の出力が上昇し、光量１でオペアンプ１１２の飽和出力電位に達し、それ以上の光が入射しても正しく光量を知ることができなくなる。
【００９４】
これに対し、エレクトロクロミック膜１３２が存在する場合は、図１２Ｂの実線１６３に示すように、光量が増加するほど感度が低下して発生する光電子数が減少する。そのため、図１２Ａの実線１６２で示した波形のように対数型の光電変換特性となり、より高光量までオペアンプ１１２が飽和出力電位に達しなくなる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００９５】
以上より、本実施形態の単位画素１６０を備える固体撮像素子も、第１実施形態の固体撮像素子１０と同様の画素の回路動作および効果を得ることができる。
【００９６】
＜７．第７実施形態の固体撮像素子＞
図１３を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第７実施形態について説明する。図１３は、本技術に係る第７実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、エレクトロクロミック膜１３２の厚みが異なる２種類の画素が存在する点である。なお、第１実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【００９７】
本実施形態の固体撮像素子１７０は、図１３の紙面に向かって右側の画素の方が、紙面に向かって左側の画素よりもエレクトロクロミック膜１３２の厚みが薄くなっている。すると、同じ光量により同じだけの電荷が蓄積容量１０７に蓄積され、同じ電圧がエレクトロクロミック膜１３２に印加されたとしても、上記右側の画素の方が、厚みが薄い分だけ透過率が高い状態となる。
【００９８】
したがって、上記構成により、本実施形態の固体撮像素子１７０は、第１実施形態の固体撮像素子１０と同様の画素の回路動作および効果を得ることに加えて、異なる光電変換特性を持つ２種類の画素を実現することができる。そして、本実施形態の固体撮像素子１７０は、上記２種類の画素の出力を画像処理で合成することにより、さらなるダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【００９９】
＜８．第８実施形態の固体撮像素子＞
図１４を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第８実施形態について説明する。図１４は、本技術に係る第８実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、エレクトロクロミック膜１３２の材質が異なる２種類の画素が存在する点である。ここでエレクトロクロミック膜１３２の材質は、異なる材料のエレクトロクロミック膜を用いてもよいし、同じ材料で濃度を変えたエレクトロクロミック膜を用いてもよい。なお、第１実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１００】
本実施形態の固体撮像素子１８０は、図１３の紙面に向かって右側の画素の方が、紙面に向かって左側の画素よりもエレクトロクロミック膜の濃度が濃くなっている。すると、同じ光量により同じだけの電荷が蓄積容量１０７に蓄積され、同じ電圧がエレクトロクロミック膜１３２に印加されたとしても、上記右側の画素の方が、濃度が濃い分だけ透過率が低い状態となる。
【０１０１】
したがって、上記構成により、本実施形態の固体撮像素子１８０は、第１実施形態の固体撮像素子１０と同様の画素の回路動作および効果を得ることに加えて、異なる光電変換特性を持つ２種類の画素を実現することができる。そして、本実施形態の固体撮像素子１８０は、上記２種類の画素の出力を画像処理で合成することにより、さらなるダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【０１０２】
＜９．第９実施形態の固体撮像素子＞
図１５から図１９を用いて、本技術に係る第９実施形態の固体撮像素子について説明する。本実施形態の固体撮像素子は、第１実施形態の固体撮像素子と同様に、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等の、被写体を撮像し、撮像画像のデジタルデータを得ることができる固体撮像素子である。
【０１０３】
（９−１）固体撮像素子の断面構造例
まず、図１５を用いて、本実施形態に係る固体撮像素子の断面構造の一例について説明する。図１５は、本実施形態の固体撮像素子を示す画素の断面模式図である。図１５に示すように、本実施形態の固体撮像素子２５０は、表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子であり、光電変換素子の一例である第１のフォトダイオード２０１および第２のフォトダイオード２１４が形成された半導体基板上に、接続配線２２１等が形成された配線層、下部電極２３１、エレクトロクロミック膜２３２および上部電極２３３が積層されている。さらに、固体撮像素子２５０は、上部電極２３３の上層に、赤、緑および青の各色のカラーフィルタ２４１が形成され、その上層にオンチップレンズ２４２が形成されている。第１のフォトダイオード２０１および第２のフォトダイオード２１４は、半導体基板にマトリックス上に配置された赤画素、緑画素および青画素の画素アレイの各画素に形成されている。
【０１０４】
下部電極２３１および上部電極２３３は、透明であることが必要となるので、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）などの材料が用いられる。エレクトロクロミック膜２３２は、第２のフォトダイオード２１４に対する光入射路に設けられ、印加電圧に応じて光透過率が変化するエレクトロクロミック材料を含んでいる。また、エレクトロクロミック膜２３２は、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化する性質を有している。
【０１０５】
配線層には、半導体基板との接触面付近に、第１の転送トランジスタ２０２、第１のリセットトランジスタ２０５、オーバーフローゲート２０６、浮遊拡散領域であるＦＤ（フローティングディフュージョン）容量切り替えスイッチ２１０、第２の転送トランジスタ２１５が形成されている。さらに、配線層には、半導体基板と下部電極２３１とを連結する接続配線２２１が２本形成されている。また、第１の転送トランジスタ２０２、第１のリセットトランジスタ２０５、オーバーフローゲート２０６、ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０、第２の転送トランジスタ２１５は、それぞれ接続配線を介して画素駆動配線２２２と接続されている。
【０１０６】
半導体基板内には、隣接する第１の転送トランジスタ２０２およびＦＤ容量切り替えスイッチ２１０の間の下方に、第１のＦＤ部２０３が形成されている。第１のＦＤ部２０３は、第１のフォトダイオード２０１により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部としての役割を担う。また、半導体基板内には、第２の転送トランジスタ２１５周辺の下方に、第２のＦＤ部２１６が形成されている。第２のＦＤ部２１６は、第２のフォトダイオード２１４により光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部としての役割を担う。さらに、半導体基板内には、オーバーフローゲート２０６周辺の下方に、オーバーフロードレイン２１８が形成されている。オーバーフロードレイン２１８は、接続配線２２１を介して下部電極２３１と接続されている。ここで、オーバーフロードレイン２１８は、一例として、オーバーフローゲート２０６をＭＯＳＦＥＴで構成したときのドレイン領域である。このオーバーフロードレイン２１８は、一例として、ＰＤ２０１からオーバーフローしてきた電荷を受け止め、下部電極２３１へ接続するための構成の一部である。
【０１０７】
（９−２）単位画素の回路構成例
次に、図１６を用いて、本実施形態の単位画素の回路構成例について説明する。図１６は、本実施形態の単位画素の等価回路を示す回路構成図である。
【０１０８】
図１６に示すように、本実施形態の単位画素２６０は、第１のフォトダイオード２０１と、第１の転送トランジスタ２０２と、浮遊容量（フローティングキャパシタ）ＦＣを含む第１のＦＤ部２０３と、ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０と、第１のリセットトランジスタ２０５と、オーバーフローゲート２０６と、を有している。また、単位画素２６０は、第２のフォトダイオード２１４と、第２の転送トランジスタ２１５と、浮遊容量ＦＣを含む第２のＦＤ部２１６と、容量接続スイッチ２１７と、第２のリセットトランジスタ２１９と、を有している。さらに、単位画素２６０は、アンプトランジスタ２０８と、選択トランジスタ２０９と、を有している。
【０１０９】
図１６では、図面の簡略化のために図示を省略しているが、単位画素２６０に対して、複数の行制御線が同一画素行の各画素に対して共通に配線される。複数の行制御線は、垂直駆動部の各画素行に対応した出力端に画素行単位で接続されている。垂直駆動部は、画素アレイ部の各単位画素２６０の駆動に当たって、複数の行制御線に対してＰＤ２０１側の転送パルスである転送信号ＴＲＧ、ＰＤ２１４側の転送パルスである転送信号ＴＲＳ、リセット信号ＲＳＴ、および、選択信号ＳＥＬを適宜出力する。
【０１１０】
第１のフォトダイオード２０１のアノード電極は、グランドなどの負側電源に接続され、受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷である光電子に光電変換してその光電子を蓄積する。第１のフォトダイオード２０１のカソード電極は、第１の転送トランジスタ２０２のソース電極およびオーバーフローゲート１０６のソース電極に接続されている。また、第１のフォトダイオード２０１は、第１の転送トランジスタ２０２を介して第１のＦＤ部２０３と電気的に接続されている。さらに、第１のフォトダイオード２０１は、オーバーフローゲート２０６を介してエレクトロクロミック膜２３２および第２のリセットトランジスタ２１９のソース電極と電気的に接続されている。
【０１１１】
第１の転送トランジスタ２０２のドレイン電極は、第１のＦＤ部２０３と接続されている。第１の転送トランジスタ２０２のゲート電極には、垂直駆動部から転送信号ＴＲＧが与えられる。第１の転送トランジスタ２０２は、転送信号ＴＲＧに応答して導通状態となることで、第１のフォトダイオード２０１で光電変換され、蓄積された光電荷を第１のＦＤ部２０３に転送する。
【０１１２】
第１のＦＤ部２０３は、ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０のソース電極およびアンプトランジスタ２０８のゲート電極と接続されている。また、第１のＦＤ部２０３は浮遊容量ＦＣの一端と接続され、浮遊容量ＦＣの他端はグランドに接続されている。なお、第１のＦＤ部２０３は、第１の膜としてのエレクトロクロミック膜２３２に電圧を印加するために電荷を蓄積する電荷蓄積部とすることができる。ただし、電荷蓄積部は、第１のＦＤ部２０３とは別に設けていてもよい。
【０１１３】
ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０のドレイン電極は、第１のリセットトランジスタ２０５のソース電極および容量接続スイッチ２１７のドレイン電極と接続されている。ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０のゲート電極には、垂直駆動部からＦＤ容量切り替え信号ＦＤＧが与えられる。ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０は、ＦＤ容量切り替え信号ＦＤＧに応答して導通状態となることで、第１のＦＤ部２０３と第２のＦＤ部２１６とを電気的に接続する。
【０１１４】
第１のリセットトランジスタ２０５のドレイン電極は、電源に接続されている。第１のリセットトランジスタ２０５のゲート電極には、垂直駆動部からリセット信号ＲＳＴが与えられる。第１のリセットトランジスタ２０５は、リセット信号ＲＳＴに応答して導通状態となり、第１のＦＤ部２０３および／または第２のＦＤ部２１６の電荷を電源に流すことによって第１のＦＤ部２０３および／または第２のＦＤ部２１６をリセットする。
【０１１５】
オーバーフローゲート２０６のドレイン電極は、エレクトロクロミック膜２３２および第２のリセットトランジスタ２１９のソース電極に接続されている。オーバーフローゲート２０６のゲート電極には、垂直駆動部からオーバーフロー信号ＯＦＧが与えられる。オーバーフローゲート２０６は、オーバーフロー信号ＯＦＧに応答して導通状態となることで、第１のフォトダイオード２０１で光電変換されて蓄積された光電荷をエレクトロクロミック膜２３２および／または第２のリセットトランジスタ２１９を介して電源に流すことができる。
【０１１６】
第２のリセットトランジスタ２１９のドレイン電極は、電源に接続されている。第２のリセットトランジスタ２１９のゲート電極には、垂直駆動部からリセット信号ＲＳＴ２が与えられる。第２のリセットトランジスタ２１９は、リセット信号ＲＳＴ２に応答して導通状態となり、オーバーフロードレイン２１８および／またはエレクトロクロミック膜２３２の電荷を電源に流すことによってオーバーフロードレイン２１８および／またはエレクトロクロミック膜２３２をリセットする。
【０１１７】
第２のフォトダイオード２１４のアノード電極は、グランドなどの負側電源に接続され、受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷である光電子に光電変換してその光電子を蓄積する。第２のフォトダイオード２１４のカソード電極は、第２の転送トランジスタ２１５のソース電極に接続されている。また、第２のフォトダイオード２１４は、第２の転送トランジスタ２１５を介して第２のＦＤ部２１６と電気的に接続されている。
【０１１８】
第２の転送トランジスタ２１５のドレイン電極は、第２のＦＤ部２１６と接続されている。第２の転送トランジスタ２１５のゲート電極には、垂直駆動部から転送信号ＴＲＳが与えられる。第２の転送トランジスタ２１５は、転送信号ＴＲＳに応答して導通状態となることで、第２のフォトダイオード２１４で光電変換され、蓄積された光電荷を第２のＦＤ部２１６に転送する。
【０１１９】
第２のＦＤ部２１６は、容量接続スイッチ２１７のソース電極と接続されている。また、第２のＦＤ部２１６は浮遊容量ＦＣの一端と接続され、浮遊容量ＦＣの他端はグランドに接続されている。なお、第２のＦＤ部２１６は、第１のＦＤ部２０３と同様に、第１の膜としてのエレクトロクロミック膜２３２に電圧を印加するために電荷を蓄積する電荷蓄積部とすることができる。ただし、電荷蓄積部は、第２のＦＤ部２１６とは別に設けていてもよい。
【０１２０】
容量接続スイッチ２１７のドレイン電極は、第１のリセットトランジスタ２０５のソース電極およびＦＤ容量切り替えスイッチ２１０のドレイン電極と接続されている。容量接続スイッチ２１７のゲート電極には、垂直駆動部から容量接続信号ＦＣＧが与えられる。容量接続スイッチ２１７は、容量接続信号ＦＣＧに応答して導通状態となることで、第１のＦＤ部２０３と第２のＦＤ部２１６とを電気的に接続する。
【０１２１】
アンプトランジスタ２０８は、ドレイン電極が電源に、ソース電極が選択トランジスタ２０９のドレイン電極にそれぞれ接続されている。アンプトランジスタ２０８は、ソース電極が選択トランジスタ２０９を介して垂直信号線に接続される。
【０１２２】
選択トランジスタ２０９のソース電極は、垂直信号線に接続されている。選択トランジスタ２０９のゲート電極には、垂直駆動部から選択信号ＳＥＬが与えられる。選択トランジスタ２０９は、選択信号ＳＥＬに応答して導通状態となることで、単位画素２６０を選択状態としてアンプトランジスタ２０８で増幅された画素信号を垂直信号線に出力する。
【０１２３】
なお、選択トランジスタ２０９は、アンプトランジスタ２０８のドレイン電極と電源との間に接続して配置することもできる。すなわち、選択トランジスタ２０９は、電源と垂直信号線との間において、アンプトランジスタ２０８に対して直列に接続されていることで、単位画素２６０の選択動作を行うこともできる。
【０１２４】
（９−３）単位画素の構成例
次に、図１７および図１８を用いて、本実施形態の単位画素の構成例について説明する。図１７は、本実施形態の単位画素を示す平面模式図である。図１７Ａは、エレクトロクロミック膜２３２およびオンチップレンズ２４２を取り除いた単位画素２６０の平面模式図であり、図１７Ｂは、第２のフォトダイオード２１４を覆うように配置されているエレクトロクロミック膜２３２と、第１のフォトダイオード２０１および第２のフォトダイオード２１４を覆うように配置されているオンチップレンズ２４２と、を表した単位画素２６０の平面模式図である。
【０１２５】
図１７Ａに示すように、単位画素２６０を上方から見ると、一例として、矩形の第１のフォトダイオード２０１の一辺に、第１の転送トランジスタ２０２、第１のＦＤ部２０３、ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０および第１のリセットトランジスタ２０５が接続されている。矩形の第１のフォトダイオード２０１の一辺に隣接する他の辺に、オーバーフローゲート２０６およびオーバーフロードレイン２１８が接続されている。そして、オーバーフロードレイン２１８の位置に接続配線２２１が形成されている。さらに、ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０および第１のリセットトランジスタ２０５の間の配線を介して、容量接続スイッチ２１７、第２のＦＤ部２１６、第２の転送トランジスタ２１５および第２のフォトダイオード２１４が接続されている。
【０１２６】
図１７Ｂに示すように、単位画素２６０の上方には、一例として、矩形のエレクトロクロミック膜２３２が、オーバーフロードレイン２１８、容量接続スイッチ２１７、第２のＦＤ部２１６、第２の転送トランジスタ２１５および第２のフォトダイオード２１４を覆うように配置されている。エレクトロクロミック膜２３２の上方には、一例として、円形のオンチップレンズ２４２が、第２の転送トランジスタ２１５および第２のフォトダイオード２１４を覆う位置に配置されている。また、他の円形のオンチップレンズ２４２が、第１のフォトダイオード２０１、第１の転送トランジスタ２０２およびオーバーフローゲート２０６を覆う位置に配置されている。
【０１２７】
本実施形態のエレクトロクロミック膜２３２は、第１実施形態のエレクトロクロミック膜１３２と同様に、例えば、酸化タングステンのように、印加電圧に応じて透過率が変化する材料を用いることができる。その他に本実施形態のエレクトロクロミック膜１３２は、マグネシウム−チタン合金、マグネシウム−ニッケル合金、酸化タンタル、などの材料を用いてもよい。
【０１２８】
図１８は、本実施形態の酸化タングステンを用いたエレクトロクロミック膜２３２に電圧を印加した時の代表的な特性を示すグラフである。図１８中上部の点線は、上部電極２３３―下部電極２３１間に印加する電圧が０Ｖのときの透過率を表す。図１８中下部の実線は、上部電極２３３―下部電極２３１間に印加する電圧が２Ｖのときの透過率を表す。上部電極２３３―下部電極２３１間に印加する電圧が０Ｖのときは、可視光領域（およそ、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）で７０％前後の透過率を示しているのに対し、上記電圧が２Ｖのときは、１０％以下の透過率に変化する。
【０１２９】
（９−４）単位画素の回路動作例
次に、本実施形態の単位画素２６０の回路動作の一例について説明する。
【０１３０】
まず、露光中に光電変換された電荷は第１のフォトダイオード２０１と第２のフォトダイオード２１４にそれぞれ蓄積される。第２のフォトダイオード２１４は第１のフォトダイオード２０１よりもサイズが小さく、感度が低くなっている。すなわち、第１のフォトダイオード２０１が高感度用で低照度に適したものとなっており、第２のフォトダイオード２１４が低感度で高照度に適したものとなっている。
【０１３１】
露光終了後、第１の転送トランジスタ２０２がオンし、第１のフォトダイオード２０１で発生した電荷が第１のＦＤ部２０３に転送され、アンプトランジスタ２０８および選択トランジスタ２０９を介して外部に信号が出力される。これは高感度信号となる。
【０１３２】
続いて第２の転送トランジスタ２１５がオンし、第２のフォトダイオード２１４が光電変換した電荷が第２のＦＤ部２１６に転送される。
【０１３３】
そして容量接続スイッチ１１７とＦＤ容量切り替えスイッチ２１０をオンすることで、アンプトランジスタ２０８および選択トランジスタ２０９を介して外部に信号が出力される。これは低感度信号となる。ここで、画像処理において前述の高感度信号と低感度信号を合成することで、ワイドダイナミックレンジを実現できる。
【０１３４】
一方、オーバーフロードレイン２１８は、露光開始前に第２のリセットトランジスタ２１９によりリセットされる。オーバーフロードレイン２１８は、下部電極２３１と接続されているので、リセット電位と上部電極２３３に供給される電位を等しく設定しておけば、リセット時においてエレクトロクロミック膜２３２に印加される電圧は０Ｖとなる。すなわち、リセット状態ではエレクトロクロミック膜２３２は、透過率が高い状態となっている。
【０１３５】
第１のフォトダイオード２０１の飽和電荷量を超えるような強い光が入射した時は、オーバーフローゲート２０６を介して電荷が漏れ出し、オーバーフロードレイン２１８に蓄積される。オーバーフロードレイン２１８に電荷が徐々に蓄積されると、電位が低下していくので、上部電極２３３との間に徐々に電位差が発生していく。よって、光電子の量が多いほどエレクトロクロミック膜２３２に印加される電圧が増加し、透過率が減少していく。すると、第２のフォトダイオード２１４に入射する光が減少し、感度が低下していく。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０１３６】
このように、エレクトロクロミック膜２３２の透過率が画素ごとに光量に応じて変わっている状態で露光を行う。このとき、露光期間中は、蓄積した電荷を少なくとも第１のＦＤ部２０３または第２のＦＤ部２１６に保持させておくことが好ましい。そして、光電変換された信号を読み出して出力を得る。
【０１３７】
（９−５）ダイナミックレンジの拡大
次に、図１９を用いて、本実施形態の固体撮像素子２５０によるダイナミックレンジの拡大の様子について説明する。図１９は本実施形態の固体撮像素子２５０の光電変換特性を示すグラフである。図１９Ａは、エレクトロクロミック膜２３２が存在しない場合の光電変換特性を示すグラフであり、図１９Ｂは、エレクトロクロミック膜２３２が存在する場合の光電変換特性を示すグラフであり、図１９Ｃは、エレクトロクロミック膜２３２の透過率と入射光量との関係を示すグラフである。
【０１３８】
図１９Ａの実線２９１に示すように、エレクトロクロミック膜２３２が存在しない場合、まず、入射光量がダーク状態から増加していくと、第１のフォトダイオード２０１に蓄積される光電子数も線形に増加していく。そして、光量１に達したところで第１のフォトダイオード２０１が蓄積可能な飽和電子数に達すると、それ以上の電荷は第１のフォトダイオード２０１蓄積できなくなる。
【０１３９】
しかし、図１９Ａの実線２９２に示すように、第２のフォトダイオード２１４は感度が低いので、光量１においてはまだ飽和していない。さらに光量が増えて光量２に達したところで、第２のフォトダイオード２１４に蓄積可能な飽和電子数に達すると、それ以上の電荷は第２のフォトダイオード２１４に蓄積できなくなる。
【０１４０】
よって、第１のフォトダイオード２０１に蓄積された電子を読み出し、かつ、第２のフォトダイオード２１４に蓄積された電子を読み出して、それらを加算することで、光量２までは飽和しない出力を得ることができるが、光量２を超えた場合は出力が飽和してしまい、正しい光量を知ることができなくなる。
【０１４１】
これに対し、図１９Ｂを用いて、エレクトロクロミック膜２３２が存在する場合の光電変換特性について説明する。
【０１４２】
まず、リセット状態においてはエレクトロクロミック膜２３２の透過率は高い状態であり、オーバーフロードレイン２１８の電位がリセット値から変化しない限り、透過率も変化しないので、ダーク状態から光量１までの間は、図１９Ａの実線２９１と同じ光電変換特性を示す。
【０１４３】
そして光量１を超えると、それ以上の電荷は第１のフォトダイオード２０１には蓄積できなくなり、その後発生した光電子はオーバーフローゲート２０６を介してオーバーフロードレイン２１８に蓄積されていく。よって光量１を超えると、第１のフォトダイオード２０１に蓄積される電子は増加せず、オーバーフロードレイン２１８に蓄積される電子数が増えていくようになる。
【０１４４】
そして、図１９Ｂの実線２９３に示すように、オーバーフロードレイン２１８に徐々に電荷が蓄積され、それに応じて図１９Ｃの実線２９４に示すように、エレクトロクロミック膜２３２の透過率が減少していく。すると第２のフォトダイオード２１４に入射する光の量が減少するため、すなわち感度が徐々に低下していくため、第２のフォトダイオード２１４に蓄積される電子数は、エレクトロクロミック膜２３２が存在しない場合（図１９Ｂに点線で示す。）に比べて、徐々に傾きが寝てくる。
【０１４５】
よって、光量２を超えても飽和電子数には達せず、それより高い光量３において飽和電子数に達することとなる。すなわち、光量３までは飽和しない出力を得ることができ、ダイナミックレンジが拡大する。また、第１のフォトダイオード２０１に蓄積された電子を読み出し、第２のフォトダイオード２１４に蓄積された電子を読み出し、それらを加算することで、ダークから光量１までは光量に対して線形な出力を得ることができ、光量１から光量３までは、対数型の出力を得ることができる。
【０１４６】
以上述べたように、本実施形態の固体撮像素子２５０を採用することで、ダイナミックレンジを光量２から光量３まで拡大することが可能となる。したがって、本技術は、特許文献１に記載の技術と異なり、単位画素ごとに、自動的にダイナミックレンジを拡大できる固体撮像素子を提供することができる。
【０１４７】
さらに、本技術では、画素外部に電荷検出部や電圧印加部を設ける必要がなく、画素内に存在する素子のみでエレクトロクロミック膜に印加する電圧を制御することが可能となっており、消費電力増大やチップ面積増大を招くことなくダイナミックレンジを拡大できる。
【０１４８】
さらに、本技術では、エレクトロクロミック膜に印加する電圧は画素ごとに個別に制御することが可能であり、またその制御はその画素に入射した光量に応じて自動的に調整されるため、画素ごとに入射光量が大きく異なる場合においても、各画素に最適な状態に調整される。
【０１４９】
＜１０．第１０実施形態の固体撮像素子＞
図２０を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第１０実施形態について説明する。図２０は、本技術に係る第１０実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。本実施形態が、第９実施形態と相違する点は、エレクトロクロミック膜２３２が配線層内に配置されている点である。なお、第９実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１５０】
第９実施形態の固体撮像素子２５０では、印加電圧に応じて光学特性が変化するエレクトロクロミック膜２３２が、カラーフィルタ２４１と配線層内の画素駆動配線２２２との間に配置されている。これに対し、本実施形態の固体撮像素子３００は、図２０に示すように、エレクトロクロミック膜２３２が、画素駆動配線２２２より下方に配置されている。このように、エレクトロクロミック膜２３２は、第２のフォトダイオード２１４に入射する光の光路上であれば、どの層に配置してもよい。したがって、上記構成により、本実施形態の固体撮像素子３００も、第１実施形態の固体撮像素子２５０と同様の画素の回路動作および効果を得ることができる。また、本実施形態の固体撮像素子２５０は、エレクトロクロミック膜２３２が第１実施形態の固体撮像素子１０に比べてＰＤ２０１およびＰＤ２１４の近くに配置されているので、配線層数など、断面構造によっては第１実施形態の固体撮像素子１０に比べて光学特性の改善が見込めるという効果を得ることができる。
【０１５１】
＜１１．第１１実施形態の固体撮像素子＞
図２１を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第１１実施形態について説明する。図２１は、本技術に係る第１１実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。本実施形態が、第９実施形態と相違する点は、裏面照射型の固体撮像素子を用いている点である。なお、第９実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１５２】
図２１に示すように、本実施形態の固体撮像素子３１０は、裏面照射型の固体撮像素子であるため、配線層が第１のフォトダイオード２０１および第２のフォトダイオード２１４の半導体基板の下方に配置される。また、半導体基板と下部電極２３１との間には、ショートするのを防ぐため、絶縁膜２３４が設けられている。そのため、接続配線２２１は、上記半導体基板および絶縁膜２３４を貫通して下部電極２３１に接続されている。上記構成により、本実施形態の固体撮像素子３１０も、第９実施形態の固体撮像素子２５０と同様の画素の回路動作および効果を得ることができる。また、本実施形態の固体撮像素子２５０は、裏面照射型であるため、ＰＤ２０１およびＰＤ２１４の感度の向上および配線レイアウトの自由度向上が見込めるという効果を得ることができる。
【０１５３】
＜１２．第１２実施形態の固体撮像素子＞
図２２を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第１２実施形態について説明する。図２２は、本技術に係る第１２実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。本実施形態が、第９実施形態と相違する点は、単位画素の回路構成において、オーバーフローゲート２０６および第２のリセットトランジスタ２１９を有していない点である。なお、第９実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１５４】
図２２に示すように、本実施形態の単位画素３２０は、第１のフォトダイオード２０１と、第１の転送トランジスタ２０２と、浮遊容量ＦＣを含む第１のＦＤ部２０３と、ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０と、第１のリセットトランジスタ２０５と、を有している。また、単位画素３２０は、第２のフォトダイオード２１４と、第２の転送トランジスタ２１５と、浮遊容量ＦＣを含む第２のＦＤ部２１６と、容量接続スイッチ２１７と、を有している。さらに、単位画素２６０は、アンプトランジスタ２０８と、選択トランジスタ２０９と、を有している。
【０１５５】
第１のフォトダイオード２０１のアノード電極は、グランドなどの負側電源に接続され、受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷である光電子に光電変換してその光電子を蓄積する。第１のフォトダイオード２０１のカソード電極は、第１の転送トランジスタ２０２のソース電極に接続されている。また、第１のフォトダイオード２０１は、第１の転送トランジスタ２０２を介して第１のＦＤ部２０３と電気的に接続されている。
【０１５６】
ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０のドレイン電極は、第１のリセットトランジスタ２０５のソース電極および容量接続スイッチ２１７のドレイン電極と接続されている。ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０のドレイン電極は、Ｎｏｄｅ Ａを介してエレクトロクロミック膜２３２と接続されている。ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０のゲート電極には、垂直駆動部からＦＤ容量切り替え信号ＦＤＧが与えられる。ＦＤ容量切り替えスイッチ２１０は、ＦＤ容量切り替え信号ＦＤＧに応答して導通状態となることで、第１のＦＤ部２０３と第２のＦＤ部２１６とを電気的に接続する。
【０１５７】
容量接続スイッチ２１７のドレイン電極は、第１のリセットトランジスタ２０５のソース電極およびＦＤ容量切り替えスイッチ２１０のドレイン電極と接続されている。また、容量接続スイッチ２１７のドレイン電極は、Ｎｏｄｅ Ａを介してエレクトロクロミック膜２３２と接続されている。容量接続スイッチ２１７のゲート電極には、垂直駆動部から容量接続信号ＦＣＧが与えられる。容量接続スイッチ２１７は、容量接続信号ＦＣＧに応答して導通状態となることで、第１のＦＤ部２０３と第２のＦＤ部２１６とを電気的に接続する。
【０１５８】
第９実施形態の単位画素２６０では、第１のフォトダイオード２０１からあふれた電荷のオーバーフロー経路は、オーバーフローゲート１０６であった。これに対し、本実施形態の単位画素３２０は、オーバーフローゲート１０６が存在しないため、第１のＦＤ部２０３側へあふれる構成となっている。
【０１５９】
本実施形態の単位画素３２０では、露光期間中にＦＤ容量切り替えスイッチ２１０をオンしておくことで、オーバーフロー電荷はＮｏｄｅ Ａに蓄積されることとなる。このとき、Ｎｏｄｅ Ａは、下部電極２３１と接続されているので、第１のフォトダイオード２０１からのオーバーフロー電荷が増えるほど、第２のフォトダイオード２１４に入射する光量が減少することになる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０１６０】
その他の単位画素３２０の回路動作は、第９実施形態の単位画素２６０と同様である。以上より、本実施形態の単位画素３２０を備える固体撮像素子も、第９実施形態の固体撮像素子２５０と同様の効果を得ることができる。
【０１６１】
＜１３．第１３実施形態の固体撮像素子＞
図２３を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第１３実施形態について説明する。図２３は、本技術に係る第１３実施形態の固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。本実施形態が、第９実施形態と相違する点は、第１のフォトダイオード２０１に入射する光の光路上にカラーフィルタ２４１が存在しない点である。なお、第９実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１６２】
本実施形態の固体撮像素子３３０は、図２３に示すように、第１のフォトダイオード２０１に入射する光の光路上にはカラーフィルタ２４１は存在せず、第２のフォトダイオード２１４に入射する光の光路上にはカラーフィルタ２４１が存在している。したがって、第１のフォトダイオード２０１は被写体の輝度信号を取得することができ、第２のフォトダイオード２１４は被写体の色情報を取得することができる。
【０１６３】
一般に、カラーフィルタ２４１を透過すると光の一部が吸収され、光量は低下するので、第１のフォトダイオード２０１に入射する光量は第２のフォトダイオード２１４に入射する光量よりも多くなる。これにより、第１のフォトダイオード２０１の方が先に飽和電子数に達することとなる。
【０１６４】
よって、第１のフォトダイオード２０１からオーバーフローした電荷を用いてエレクトロクロミック膜２３２の透過率を下げることで、第２のフォトダイオード２１４が飽和電子数に達する前に、第２のフォトダイオード２１４に入射する光量を減少させることができる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。このとき固体撮像素子３３０が得られる光電変換特性は、第９実施形態の固体撮像素子２５０と同様である。
【０１６５】
図２４は、本実施形態の固体撮像素子３３０の画素の配列の一例を示す模式図である。図２４に示すように、本実施形態の固体撮像素子３３０の画素の配列３４０は、一例として、ＲＧＢＷ画素を正方形状に配列したカラーフィルタ配列３４１を複数配置している。固体撮像素子３３０では、この画素の配列３４０を用いて、Ｗ画素の出力の大きさに応じて、ＲＧＢ画素の透過率を制御するような構成を用いることもできる。
【０１６６】
以上より、本実施形態の固体撮像素子３３０も、第９実施形態の固体撮像素子１０と同様の画素の回路動作および効果を得ることができる。
【０１６７】
＜１４．第１４実施形態の固体撮像素子＞
図２５を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第１４実施形態について説明する。図２５は、本技術に係る第１４実施形態の単位画素の等価回路を示す回路模式図である。本実施形態の単位画素の構成は、第１実施形態の単位画素の構成と同様であるが、第１実施形態と相違する点は、複数の単位画素で１つの第１のＦＤ部２０３を共有する点である。なお、第１および第９実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１６８】
図２５に示すように、本実施形態の画素３５０は、第１の単位画素３５１と、第２の単位画素３５２と、浮遊容量ＦＣを含む第１のＦＤ部２０３と、を有している。また、画素３５０は、アンプトランジスタ２０８と、選択トランジスタ２０９と、を有している。
【０１６９】
第１の単位画素３５１および第２の単位画素３５２は、第１実施形態の単位画素２０と同様に、それぞれ、第１のフォトダイオード２０１と、第１の転送トランジスタ２０２と、第１のＦＤ部２０３と、容量接続トランジスタ２０４と、第１のリセットトランジスタ２０５と、オーバーフローゲート２０６と、オーバーフローした電荷を蓄積する蓄積容量２０７と、を有している。そして、第１の単位画素３５１および第２の単位画素３５２が備える第１のフォトダイオード２０１は、それぞれエレクトロクロミック膜２３２と電気的に接続されている。
【０１７０】
図２５に示すように、本実施形態の画素３５０は、オーバーフローゲート２０６、蓄積容量２０７およびエレクトロクロミック膜２３２を、第１の単位画素３５１および第２の単位画素３５２ごとに１つずつ独立で具備している。この構成により、本実施形態の画素３５０は、第１のＦＤ部２０３を共有した構成であっても、それぞれの第１のフォトダイオード２０１ごとに独立でエレクトロクロミック膜２３２の透過率を制御することが可能となる。
【０１７１】
以上より、本実施形態の画素３５０を備える固体撮像素子も、第１および第９実施形態の固体撮像素子と同様の画素の回路動作および画素ごとに独立にワイドダイナミックレンジの実現という効果を得ることができる。
【０１７２】
＜１５．第１５実施形態の固体撮像素子＞
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１５実施形態について説明する。第１５実施形態では、上述した各実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられている場合について、説明する。
【０１７３】
図２６に、本技術に係る第１５実施形態の固体撮像素子の画素を示す。図２６は、第１実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた、固体撮像素子の画素を示す断面模式図である。なお、第１実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１７４】
図２６に示すように、固体撮像素子３６０は、画素間遮光４００を備えている。画素間遮光４００は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａの間に設けられている。図２６に示す固体撮像素子３６０が第１実施形態の固体撮像素子１０と相違する点は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に画素間遮光４００が設けられている点である。
【０１７５】
画素間遮光４００は、隣合う画素の間（以下、画素間ともいう）を遮光する非導体の遮光膜で形成される。画素間遮光４００は、遮光性を有し、混色を防止する目的で設けられている。なお、画素間遮光４００の光の透過率は、特に、限定されるものではない。
【０１７６】
なお、画素間とは、図２６では、フォトダイオード１０１とフォトダイオード１０１ａとの間のことをいう。
【０１７７】
このように、固体撮像素子３６０は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に画素間遮光４００が設けられていることにより、フォトダイオード１０１とフォトダイオード１０１ａとが混色することを防止することができる。
【０１７８】
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１５実施形態として、第２実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた実施形態について、説明する。第２実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１７９】
図２７に示すように、固体撮像素子３６１は、画素間遮光４０１を備えている。画素間遮光４０１は、カラーフィルタ１４１とカラーフィルタ１４１ａとの間に設けられている。図２７に示す固体撮像素子３６１が第２実施形態の固体撮像素子６０と相違する点は、カラーフィルタ１４１とカラーフィルタ１４１ａとの間に画素間遮光４０１が設けられている点である。
【０１８０】
固体撮像素子３６１は、カラーフィルタ１４１とカラーフィルタ１４１ａとの間に画素間遮光４０１が設けられていることにより、フォトダイオード１０１とフォトダイオード１０１ａとが混色することを防止することができる。
【０１８１】
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１５実施形態として、第３実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた実施形態について、説明する。第３実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１８２】
図２８に示すように、固体撮像素子３６２は、画素間遮光４０２を備えている。画素間遮光４０２は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に設けられている。図２８に示す固体撮像素子３６２が第３実施形態の固体撮像素子７０と相違する点は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａの間に画素間遮光４０２が設けられている点である。
【０１８３】
固体撮像素子３６２は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に画素間遮光４０２が設けられることにより、フォトダイオード１０１とフォトダイオード１０１ａとが混色することを防止することができる。
【０１８４】
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１５実施形態として、第７実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた実施形態について、説明する。第７実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１８５】
図２９に示すように、固体撮像素子３６３は、画素間遮光４０３を備えている。画素間遮光４０３は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に設けられている。図２９に示す固体撮像素子３６３が第７実施形態の固体撮像素子１７０と相違する点は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に画素間遮光４０３が設けられている点である。
【０１８６】
固体撮像素子３６３は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に画素間遮光４０３が設けられるともに、また、下部電極１３１と下部電極１３１ａとの間にも画素間遮光４０３が設けられている。これにより、固体撮像素子３６３は、フォトダイオード１０１とフォトダイオード１０１ａとが混色することを防止することができる。
【０１８７】
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１５実施形態として、第８実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた実施形態について、説明する。第８実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０１８８】
図３０に示すように、固体撮像素子３６４は、画素間遮光４０４を備えている。画素間遮光４０４は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に設けられている。図３０に示す固体撮像素子３６４が第８実施形態の固体撮像素子１８０と相違する点は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に画素間遮光４０４が設けられている点である。
【０１８９】
固体撮像素子３６４は、エレクトロクロミック膜１３２とエレクトロクロミック膜１３２ａとの間に画素間遮光４０４が設けられていることにより、フォトダイオード１０１とフォトダイオード１０１ａとが混色することを防止することができる。
【０１９０】
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１５実施形態として、第９実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた実施形態について、説明する。第９実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。なお、特に断りがない限り、「右」とは、図３１中の右方向を意味し、「下」とは、図３１中の下方向を意味するものとする。
【０１９１】
図３１に示すように、固体撮像素子３６５は、画素間遮光４０５ａ（４０５）、画素間遮光４０５ｂ（４０５）及び画素間遮光４０５ｃ（４０５）を備えている。画素間遮光４０５ａ（４０５）は、エレクトロクロミック膜２３２とエレクトロクロミック膜２３２ａとの間に設けられている。画素間遮光４０５ｂ（４０５）も、エレクトロクロミック膜２３２とエレクトロクロミック膜２３２ａとの間に設けられている。画素間遮光４０５ｃ（４０５）は、エレクトロクロミック膜２３２ａの右側に設けられている。図３１に示す固体撮像素子３６５が第９実施形態の固体撮像素子２５０と相違する点は、エレクトロクロミック膜２３２とエレクトロクロミック膜２３２ａとの間に画素間遮光４０５（４０５ａ、４０５ｂ）が設けられ、エレクトロクロミック膜２３２ａの右側に画素間遮光４０５ｃが設けられている点である。
【０１９２】
固体撮像素子３６５は、エレクトロクロミック膜２３２とエレクトロクロミック膜２３２ａとの間に画素間遮光４０５ａが設けられていることにより、第１のフォトダイオード２０１と第２のフォトダイオード２１４とが混色することを防止することができる。また、固体撮像素子３６５は、エレクトロクロミック膜２３２とエレクトロクロミック膜２３２ａとの間に画素間遮光４０５ｂが設けられていることにより、第１のフォトダイオード２０１と第２のフォトダイオード２１４ａとが混色することを防止することができる。さらに、固体撮像素子３６５は、エレクトロクロミック膜２３２ａの右側に画素間遮光４０５ｃが設けられていることにより、第１のフォトダイオード２０１ａと第２のフォトダイオード２１４ａとが混色することを防止することができる。
【０１９３】
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１５実施形態として、第１０実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた実施形態について、説明する。第１０実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。なお、特に断りがない限り、「右」とは、図３２中の右方向を意味し、「下」とは、図３２中の下方向を意味するものとする。
【０１９４】
図３２に示すように、固体撮像素子３６６は、画素間遮光４０６ａ（４０６）、画素間遮光４０６ｂ（４０６）及び画素間遮光４０６ｃ（４０６）を備えている。画素間遮光４０６ａ（４０６）は、エレクトロクロミック膜２３２の右側に設けられている。画素間遮光４０６ｂ（４０６）は、エレクトロクロミック膜２３２ａの左側に設けられ、画素間遮光４０６ｃ（４０６）は、エレクトロクロミック膜２３２ａの右側に設けられている。図３２に示す固体撮像素子３６６が第１０実施形態の固体撮像素子３００と相違する点は、エレクトロクロミック膜２３２の右側に画素間遮光４０６ａが設けられ、エレクトロクロミック膜２３２ａの左側に画素間遮光４０６ｂが設けられ、エレクトロクロミック膜２３２ａの右側に画素間遮光４０６ｃが設けられている点である。
【０１９５】
固体撮像素子３６６は、エレクトロクロミック膜２３２の右側に画素間遮光４０６ａが設けられていることにより、第１のフォトダイオード２０１と第２のフォトダイオード２１４とが混色することを防止することができる。また、固体撮像素子３６６は、エレクトロクロミック膜２３２ａの左側に画素間遮光４０６ｂが設けられていることにより、第１のフォトダイオード２０１と第２のフォトダイオード２１４ａとが混色することを防止することができる。さらに、固体撮像素子３６６は、エレクトロクロミック膜２３２ａの右側に画素間遮光４０６ｃが設けられていることにより、第１のフォトダイオード２０１ａと第２のフォトダイオード２１４ａとが混色することを防止することができる。
【０１９６】
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１５実施形態として、第１１実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた実施形態について、説明する。第１１実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。なお、特に断りがない限り、「右」とは、図３３中の右方向を意味し、「下」とは、図３３中の下方向を意味するものとする。
【０１９７】
図３３に示すように、固体撮像素子３６７は、画素間遮光４０７ａ（４０７）及び画素間遮光４０７ｂ（４０７）を備えている。画素間遮光４０７ａは、エレクトロクロミック膜２３２の左側に設けられている。画素間遮光４０７ｂは、エレクトロクロミック膜２３２の右側に設けられている。図３３に示す固体撮像素子３６７が第１１実施形態の固体撮像素子３１０と相違する点は、エレクトロクロミック膜２３２ａの左側に画素間遮光４０７ａ（４０７）が設けられ、また、エレクトロクロミック膜２３２ａの右側に画素間遮光４０７ｂ（４０７）が設けられている点である。
【０１９８】
固体撮像素子３６７は、エレクトロクロミック膜２３２ａの左側に画素間遮光４０７ａ（４０７）が設けられていることにより、第１のフォトダイオード２０１と第２のフォトダイオード２１４ａとが混色することを防止することができる。また、固体撮像素子３６７は、エレクトロクロミック膜２３２ａの右側に画素間遮光４０７ｂ（４０７）が設けられていることにより、第１のフォトダイオード２０１ａと第２のフォトダイオード２１４ａとが混色することを防止することができる。
【０１９９】
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１５実施形態として、第１３実施形態の固体撮像素子に画素間遮光が設けられた実施形態について、説明する。第１３実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。なお、特に断りがない限り、「右」とは、図３４中の右方向を意味し、「下」とは、図３４中の下方向を意味するものとする。
【０２００】
図３４に示すように、固体撮像素子３６８は、画素間遮光４０８を備えている。画素間遮光４０８は、エレクトロクロミック膜２３２の右側に設けられている。図３４に示す固体撮像素子３６８が第１３実施形態の固体撮像素子３３０と相違する点は、エレクトロクロミック膜２３２の右側に画素間遮光４０８が設けられている点である。
【０２０１】
固体撮像素子３６８は、エレクトロクロミック膜２３２の右側に画素間遮光４０８が設けられていることにより、第１のフォトダイオード２０１と第２のフォトダイオード２１４とが混色することを防止することができる。
【０２０２】
＜１６．第１６実施形態の固体撮像素子＞
本技術に係る固体撮像素子の第１６実施形態の固体撮像素子は、光が入射される順に、  第１の電極と、印加される電圧に応じて光学特性が変化するエレクトロクロミック膜と、第２の電極と、第１の光電変換素子と、第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、第２の光電変換素子と、第２の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、を単位画素ごとに備え、エレクトロクロミック膜が、第２の光電変換素子に入射する光の光路上に配され、第１の蓄積部と第２の電極とが接続されている、固体撮像素子である。
【０２０３】
本技術に係る第１６実施形態の固体撮像素子によれば、対となる画素との感度差を拡大することにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０２０４】
（１６−１）固体撮像素子の構成例
図３５を用いて、本技術に係る固体撮像素子の第１６実施形態の固体撮像素子について説明する。図３５は、単位画素が２つ配された固体撮像素子を示す画素の断面模式図である。なお、特に断りがない限り、「上」とは図３５中の上方向を示し、「右」とは、図３５中の右方向を意味する。以下、図３５の右側の単位画素について、主に説明する。
【０２０５】
図３５に示すように、固体撮像素子３６９は、光が入射される順に、第１の電極（上部電極２３３）と、印加される電圧に応じて光学特性が変化するエレクトロクロミック膜２３２ａと、第２の電極（下部電極２３１）と、第１の光電変換素子である第１のフォトダイオード２０１ａと、第１のフォトダイオード２０１ａにより光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部（第１のＦＤ部２０３ａ）と、第２の光電変換素子である第２のフォトダイオード２１４ａと、第２のフォトダイオード２１４ａにより光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部（第２のＦＤ部２１６ａ）と、を単位画素ごとに備えている。
【０２０６】
エレクトロクロミック膜２３２ａは、第２のフォトダイオード２１４ａに入射する光の光路上に配され、第１の蓄積部（第１のＦＤ部２０３ａ）と第２の電極（下部電極２３１）とが接続されている。なお、第１のＦＤ部２０３ａは、第１の蓄積部として機能し、第２のＦＤ部２１４ａは、第２の蓄積部として機能する。
【０２０７】
また、固体撮像素子３６９は、第１の電極（上部電極２３３）の上層に、赤、緑及び青色のうちいずれかの色のカラーフィルタ２４１、カラーフィルタ２４１ａが形成され、その上層にオンチップレンズ２４２が形成されている。第１のフォトダイオード２０１ａ及び第２のフォトダイオード２１４ａは、半導体基板にマトリックス上に配置された赤画素、緑画素および青画素の画素アレイの各単位画素に形成される。なお、第１のフォトダイオード２０１ａは、第１のフォトダイオード２０１と同一の構成であり、また、第２のフォトダイオード２１４ａも、第２のフォトダイオード２１４も同一の構成である。
【０２０８】
第１の電極（上部電極２３３）及び第２の電極（下部電極２３１）は、オンチップレンズ２４２と、カラーフィルタ２４１、カラーフィルタ２４１ａとを介して光が入射されるため、透明であることが要求される。そのため、第１の電極（上部電極２３３）及び第２の電極（下部電極２３１）は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）などの材料が用いられる。
【０２０９】
エレクトロクロミック膜２３２ａは、画素間遮光５０１ａと画素間遮光５０１ｂとの間に配される。エレクトロクロミック膜２３２ａは、例えば、酸化タングステンのように、印加電圧に応じて透過率が変化する材料を用いられる。これにより、エレクトロクロミック膜２３２ａは、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化する性質を有している。
【０２１０】
換言すれば、固体撮像素子３６９は、第１の電極（上部電極２３３）と第２の電極（下部電極２３１）との間に所定の電圧が印加され、第２の電極（下部電極２３１）からエレクトロクロミック膜２３２ａに所定の電圧が印加されることにより、エレクトロクロミック膜２３２ａの光透過率が変更される。
【０２１１】
なお、エレクトロクロミック膜２３２ａは、酸化タングステンに限定されるものではなく、マグネシウム−チタン合金、マグネシウム−ニッケル合金、酸化タンタル、などの材料を用いてもよい。
【０２１２】
図３６は、酸化タングステンを用いたエレクトロクロミック膜２３２ａに電圧を印加した時の代表的な特性を示すグラフである。図３６中の上部の点線は、第１の電極（上部電極２３３）―第２の電極（下部電極２３１）間に印加する電圧が０Ｖのときの透過率を表している。図３６中の下部の実線は、第１の電極（上部電極２３３）―第２の電極（下部電極２３１）間に印加する電圧が２Ｖのときの透過率を表している。第１の電極（上部電極２３３）―第２の電極（下部電極２３１）間に印加する電圧が０Ｖのときは、可視光領域（およそ、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）で８０％前後の透過率を示しているのに対し、第１の電極（上部電極２３３）―第２の電極（下部電極２３１）間に２Ｖを印加したときは、１０％以下の透過率に変化する。
【０２１３】
また、固体撮像素子３６９は、第１の蓄積部（第１のＦＤ部２０３ａ）と第２の電極（下部電極２３１）とが接続配線２２１ａにより接続されている。このため、露光開始前においては、リセット電位と第１の電極（上部電極２３３）に印加される電位を等しく設定することにより、リセット時においてエレクトロクロミック膜２３２ａに印加される電位は、０Ｖとなる。すなわち、リセット状態では、エレクトロクロミック膜２３２ａは、透過率が８０％前後の状態となる。
【０２１４】
（１６−２）単位画素の動作例
次に、第１６実施形態の固体撮像素子３６９の単位画素の動作の一例について説明する。
【０２１５】
まず、露光中に光電変換された電荷は、第１のフォトダイオード２０１ａと第２のフォトダイオード２１４ａにそれぞれ蓄積される。第１のフォトダイオード２０１ａと第２のフォトダイオード２１４ａは、感度が異なっている。第２のフォトダイオード２１４ａは、第１のフォトダイオード２０１ａよりもサイズが小さく、感度が低くなっている。すなわち、第１のフォトダイオード２０１ａは、高感度用で低照度に適したものとなっており、一方、第２のフォトダイオード２１４ａは、低感度で高照度に適したものとなっている。
【０２１６】
そして、固体撮像素子３６９は、画像処理において高感度信号と低感度信号を合成することにより、ワイドダイナミックレンジを実現することができる。
【０２１７】
図３７は、ダイナミックレンジが拡大される状態を示した説明図である。なお、特に断りがない限り、「上」とは図３７中の上方向を示し、「右」とは、図３７中の右方向を意味する。
【０２１８】
図３７中の左側の実線５１０は、高感度である第１のフォトダイオード２０１ａが飽和するまでの状態を示している。また、図３７中の真中の実線５１１は、低感度である第２のフォトダイオード２１４ａの透過率が８０％の時に飽和するまでの状態を示している。また、図３７中の右の実線５１２は、低感度である第２のフォトダイオード２１４ａの透過率が１０％の時に飽和するまでの状態を示している。
【０２１９】
ここで、固体撮像素子３６９は、第１の電極（上部電極２３３）と第２の電極（下部電極２３１）との間に所定の電圧が印加され、第２の電極（下部電極２３１）からエレクトロクロミック膜２３２ａに所定の電圧が印加される。これにより、固体撮像素子３６９は、可視光領域（およそ、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）のエレクトロクロミック膜２３２ａの光透過率が変更される。そのため、固体撮像素子３６９は、第２の電極（下部電極２３１）に印加する電圧を変更することにより、モードを切り替えることができる。
【０２２０】
具体的には、第２のフォトダイオード２１４ａに配されたエレクトロクロミック膜２３２ａに、例えば、第１の電圧として０Ｖが印加された場合は、第２のフォトダイオード２１４ａの可視光領域（およそ、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）の第１透過率は８０％程度となる。一方、第２のフォトダイオード２１４ａに配されたエレクトロクロミック膜２３２ａに、例えば、第２の電圧として２Ｖが印加された場合には、第２のフォトダイオード２１４ａの可視光領域（およそ、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）の第２透過率は１０％程度になる。
【０２２１】
第２のフォトダイオード２１４ａの感度は、可視光領域の第１透過率が８０％の場合と可視光領域の第２透過率が１０％の場合の感度とを比較すると、第１透過率の方が８０％であるため感度が高い。ここで、第１のフォトダイオード２０１ａと第２のフォトダイオード２１４ａとの感度差について検討する。可視光領域の第１透過率が８０％の場合の第２のフォトダイオード２１４ａと可視光領域の第２透過率が１０％の場合の第２のフォトダイオード２１４ａとを比較すると、可視光領域の第１透過率が８０％の場合の第２のフォトダイオード２１４ａの方が可視光領域の第２透過率が１０％の場合の第２のフォトダイオード２１４ａよりも感度差が小さい。換言すると、第１のフォトダイオード２０１ａと可視光領域の第２透過率が１０％の場合の第２のフォトダイオード２１４ａとの感度差は、第１のフォトダイオード２０１ａと可視光領域の第１透過率が８０％の場合の第２のフォトダイオード２１４ａよりも大きい、と言える。
【０２２２】
これにより、固体撮像素子３６９は、第１の電極（上部電極２３３）―第２の電極（下部電極２３１）に、例えば、第１の電圧として０Ｖが印加された場合は、第２の電圧として２Ｖが印加された場合よりも感度差の小さい高ＳＮモードとして、第１のモードを設定することができる。これに対し、固体撮像素子３６９は、第１の電極（上部電極２３３）―第２の電極（下部電極２３１）に、例えば、第２の電圧として２Ｖが印加された場合は、第１の電圧として０Ｖが印加された場合よりも感度差の大きいダイナミックレンジモードとして、第２のモードを設定することができる。
【０２２３】
また、固体撮像素子３６９は、第１の電極（上部電極２３３）と第２の電極（下部電極２３１）との間に印加される所定の電圧が、電源６００から印加されるようにしてもよい。この場合、固体撮像素子３６９は、電源６００から所定の電圧が印加され、第２の電極（下部電極２３１）によってエレクトロクロミック膜２３２ａに所定の電圧が印加されることにより、エレクトロクロミック膜２３２ａの光透過率を変更することができる。なお、電源６００は、図３５では、昇圧回路により構成されているが、昇圧回路に限定されるものではなく、例えば、外部電源によって構成されていてもよい。さらに、電源６００は、昇圧回路と外部電源との組み合わせにより、構成されていてもよい。
【０２２４】
固体撮像素子３６９が電源６００から電圧が印加される場合、固体撮像素子３６９が製造された後であっても、第１の電極（上部電極２３３）と第２の電極（下部電極２３１）との間に電源６００が電圧を印加して、エレクトロクロミック膜２３２ａの透過率を調整することができるので、第１のフォトダイオード２０１ａと第２のフォトダイオード２１４ａとのダイナミックレンジを調整することができる。これにより、固体撮像素子３６９は、エレクトロクロミック膜２３２ａに印加する電圧を固体撮像素子ごとに調整することができるので、個体ごとに感度の調整を容易に行うことができる。
【０２２５】
なお、固体撮像素子３６９に設定される電圧は、固体撮像素子３６９ごとに固定したり、モードを変更する際に切り替えられるので、エレクトロクロミック膜２３２ａの低い応答特性を意識する必要がない。
【０２２６】
以上説明したように、本技術に係る第１６実施形態の固体撮像素子によれば、対となる画素との感度差を拡大することができるので、ダイナミックレンジを拡大することができる。特に、第１６実施形態の固体撮像素子は、高感度である第１のフォトダイオード２０１ａの感度を低下させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。また、第１６実施形態の固体撮像素子で説明した技術は、第１５実施形態の固体撮像素子にも適用することができる。
【０２２７】
＜１７．第１７実施形態の固体撮像素子＞
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１７実施形態について説明する。第１７実施形態は、上述した第１６実施形態の固体撮像素子のエレクトロクロミック膜が設けられる位置を変更したものである。第１６実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は省略する。
【０２２８】
図３８は、第１７実施形態の固体撮像素子３７０の画素を示す断面模式図である。図３８に示す固体撮像素子３７０が第１６実施形態の固体撮像素子３６９と相違する点は、エレクトロクロミック膜２３２、エレクトロクロミック膜２３２ａが、画素間遮光５０２（画素間遮光５０２ａ、画素間遮光５０２ｂ、画素間遮光５０２ｃ及び画素間遮光５０２ｄ）よりも上の層に設けられている点である。なお、特に断りがない限り、「上」とは、図３８中の上方向を意味し、「下」とは、図３８中の下方向を意味するものとする。
【０２２９】
図３８に示すように、固体撮像素子３７０は、エレクトロクロミック膜２３２、エレクトロクロミック膜２３２を備えている。エレクトロクロミック膜２３２、エレクトロクロミック膜２３２ａは、画素間遮光５０２（画素間遮光５０２ａ、画素間遮光５０２ｂ、画素間遮光５０２ｃ及び画素間遮光５０２ｄ）よりも上の層であって、カラーフィルタ２４１、カラーフィルタ２４１ａの下の層に設けられている。
【０２３０】
このように、エレクトロクロミック膜２３２、エレクトロクロミック膜２３２ａは、第２のフォトダイオード２１４、第２のフォトダイオード２１４ａに入射する光の光路上であれば、画素間遮光５０２と同じ層であっても、又は異なる層であっても配置することができる。
【０２３１】
このように、本技術に係る第１７実施形態の固体撮像素子３７０は、固体撮像素子３７０のどの層にエレクトロクロミック膜２３２、エレクトロクロミック膜２３２ａを配置しても、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０２３２】
＜１８．第１８実施形態の固体撮像素子＞
次に、本技術に係る固体撮像素子の第１８実施形態について説明する。第１８実施形態は、上述した第１６実施形態の固体撮像素子の第２のフォトダイオード２１４を、第１のフォトダイオード２０１と同一の画素サイズにしたものである。
【０２３３】
図３９は、第１８実施形態の固体撮像素子３７１の画素を示す断面模式図である。図３９に示す固体撮像素子３７１が第１６実施形態の固体撮像素子３６９と相違する点は、第２のフォトダイオード２１４ｂが、第１のフォトダイオード２０１ｂと同一の画素サイズとなっている点である。また、図３９では、固体撮像素子３７１は、１単位画素で表されている。第１６実施形態の構成と同様の構成には同一の符号を記し、説明は適宜省略する。なお、特に断りがない限り、「上」とは、図３９中の上方向を意味し、「下」とは、図３９中の下方向を意味するものとする。
【０２３４】
図３９に示すように、固体撮像素子３７１は、光が入射される順に、第１の電極（上部電極２３３）と、印加される電圧に応じて光学特性が変化するエレクトロクロミック膜２３２ｂと、第２の電極（下部電極２３１）と、を備えている。また、固体撮像素子３７１は、第１の光電変換素子である第１のフォトダイオード２０１ｂと、第１のフォトダイオード２０１ｂにより光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部（第１のＦＤ部２０３ｂ）と、第２の光電変換素子である第２のフォトダイオード２１４ｂと、第２のフォトダイオード２１４ｂにより光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部（第２のＦＤ部２１６ｂ）と、を備えている。
【０２３５】
固体撮像素子３７１は、第１の電極（上部電極２３３）に、カラーフィルタ２４１、カラーフィルタ２４４と、オンチップレンズ２４２、オンチップレンズ２４３とが形成されている。
【０２３６】
エレクトロクロミック膜２３２ｂは、画素間遮光５０３ａと画素間遮光５０３ｂとの間に設けられている。第２のフォトダイオード２１４ｂは、第１のフォトダイオード２０１ｂと同一の画素サイズとなっている。
【０２３７】
本技術に係る第１８実施形態の固体撮像素子３７１によれば、エレクトロクロミック膜２３２ｂが配される第２のフォトダイオード２１４ｂは、画素サイズに限定されるものではなく、所望の画素サイズを採用することができる。また、エレクトロクロミック膜２３２ｂは、画素ごとに第２のフォトダイオード２１４ｂに設けられていてもよく、また、カラーフィルタ２４１の色ごとに設けられるようにしてもよい。
【０２３８】
なお、エレクトロクロミック膜２３２ｂは、ダイナミックレンジを拡大する目的で使用するため、第２のフォトダイオード２１４ｂと対となる第１のフォトダイオード２０１ｂには、設けることができない。
【０２３９】
＜１９．第１９実施形態（電子機器の構成例）＞
本技術に係る第１９実施形態の電子機器は、本技術に係る第１実施形態から第１８実施形態のいずれかの固体撮像素子を備える機器である。本技術に係る第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子は上記のとおりであるので、ここでは説明を省略する。本技術に係る第１９実施形態の電子機器は、優れた画質や優れた信頼性を有する固体撮像素子を備えるので、カラー画像の画質等の性能の向上を図ることができる。
【０２４０】
＜２０．本技術を適用した固体撮像素子の使用例＞
図４０は、イメージセンサとしての本技術に係る第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子の使用例を示す図である。
【０２４１】
上述した第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子は、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さまざまなケースに使用することができる。すなわち、図４０に示すように、例えば、鑑賞の用に供される画像を撮影する鑑賞の分野、交通の分野、家電の分野、医療・ヘルスケアの分野、セキュリティの分野、美容の分野、スポーツの分野、農業の分野等において用いられる装置（例えば、上述した第１９実施形態の電子機器）に、第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子を使用することができる。
【０２４２】
具体的には、鑑賞の分野においては、例えば、デジタルカメラやスマートフォン、カメラ機能付きの携帯電話機等の、鑑賞の用に供される画像を撮影するための装置に、第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子を使用することができる。
【０２４３】
交通の分野においては、例えば、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に、第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子を使用することができる。
【０２４４】
家電の分野においては、例えば、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、テレビ受像機や冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置で、第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子を使用することができる。
【０２４５】
医療・ヘルスケアの分野においては、例えば、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に、第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子を使用することができる。
【０２４６】
セキュリティの分野においては、例えば、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に、第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子を使用することができる。
【０２４７】
美容の分野においては、例えば、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に、第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子を使用することができる。
【０２４８】
スポーツの分野において、例えば、スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラプルカメラ等の、スポーツの用に供される装置に、第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子を使用することができる。
【０２４９】
農業の分野においては、例えば、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に、第１実施形態から第１８実施形態の固体撮像素子を使用することができる。
【０２５０】
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。以下に、移動体への応用例について述べる。
【０２５１】
＜２１．移動体への応用例＞
本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現され得る。
【０２５２】
図４１は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【０２５３】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図４１に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
【０２５４】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【０２５５】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【０２５６】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【０２５７】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【０２５８】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【０２５９】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｄｒｉｖｅｒ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２６０】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２６１】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【０２６２】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２７の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【０２６３】
図４２は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【０２６４】
図４２では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
【０２６５】
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【０２６６】
なお、図４２には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【０２６７】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【０２６８】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２６９】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【０２７０】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【０２７１】
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２０３１（撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４及び１２１０５）に適用され得る。具体的には、本技術に係る固体撮像素子は、撮像部１２０３１（撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４及び１２１０５）に適用することができる。撮像部１２０３１（撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４及び１２１０５）に、本開示に係る技術を適用することにより、より見やすい撮影画像を得ることができるため、ドライバの疲労を軽減することが可能になる。
【０２７２】
なお、本技術の実施形態は、上述した実施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。例えば、上述した複数の実施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。また、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
【０２７３】
また、本技術は、以下のような構成を取ることができる。
（１）
第１の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、
前記第１の蓄積部と電気的に接続され、印加電圧に応じて光学特性が変化する第１の膜と、
を単位画素ごとに備える固体撮像素子。
（２）
前記単位画素は、
前記第１の光電変換素子により光電変換された電荷を前記第１の蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記第１の蓄積部と電気的に接続された増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタと電気的に接続された選択トランジスタと、
をさらに備える（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記単位画素は、前記第１の蓄積部に蓄積された電荷をリセットする第１のリセットトランジスタをさらに備える前記（１）又は（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記単位画素は、
前記第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、
前記第１の蓄積部と前記第２の蓄積部とを電気的に接続する容量接続トランジスタと、
をさらに備える前記（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（５）
前記単位画素は、前記第１の光電変換素子と前記第２の蓄積部とを電気的に接続するオーバーフローゲートをさらに備える前記（４）に記載の固体撮像素子。
（６）
前記単位画素は、前記第１の膜と電気的に接続された選択トランジスタと、オペアンプと、をさらに備え、
前記第１の蓄積部、前記第１のリセットトランジスタおよび前記オペアンプは、互いに並列接続されている前記（３）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記第１の光電変換素子と前記第１の蓄積部とは、直結に接続されている前記（１）乃至（６）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（８）
前記第１の膜は、前記第１の光電変換素子に入射する光の光路上に配置され、前記第１の蓄積部に蓄積された電荷量に応じて光透過率が変化する前記（１）乃至（７）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（９）
第２の光電変換素子と、
前記第２の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、をさらに備え、
前記第１の膜は、前記第２の光電変換素子に入射する光の光路上に配置される前記（１）乃至（８）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１０）
前記単位画素は、前記第２の光電変換素子により光電変換された電荷を前記第２の蓄積部に転送する第２の転送トランジスタをさらに備える（９）に記載の固体撮像素子。
（１１）
前記単位画素は、前記第２の蓄積部に蓄積された電荷をリセットする第２のリセットトランジスタをさらに備える前記（９）又は（１０）に記載の固体撮像素子。
（１２）
前記第２の光電変換素子に入射する光の光路上に、第２の膜が配置され、
前記第２の膜は、前記第１の膜と光学特性が異なる前記（９）乃至（１１）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１３）
前記第１の蓄積部は、前記第１の光電変換素子から溢れたオーバーフロー電荷を蓄積する前記（１）乃至（１２）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１４）
前記第１の蓄積部は、前記第１の光電変換素子をリセットした時の排出電荷を蓄積する前記（１）乃至（１３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１５）
前記第１の膜は、前記第２の光電変換素子に光が入射する光路上に配置され、前記第１の蓄積部に蓄積された電荷量に応じて光透過率が変化する前記（９）乃至（１４）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１６）
前記第１の光電変換素子と、前記第２の光電変換素子は、感度が異なる前記（９）乃至（１５）のいずれか１つに固体撮像素子。
（１７）
前記第１の光電変換素子に入射する光の光路上に配置された第１のカラーフィルタと、前記第２の光電変換素子に入射する光の光路上に配置された第２のカラーフィルタと、をさらに備え、
前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとは、異なるカラーフィルタである前記（９）乃至（１６）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１８）
前記第１の光電変換素子に入射する光の光路上には、カラーフィルタが配置されない、前記（１）乃至（１７）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１９）
光が入射される順に、
第１の電極と、
印加される電圧に応じて光学特性が変化するエレクトロクロミック膜と、
第２の電極と、
第１の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第１の蓄積部と、
第２の光電変換部と、
前記第２の光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する第２の蓄積部と、を単位画素ごとに備え、
前記エレクトロクロミック膜が、
前記第２の光電変換素子に入射する光の光路上に配され、前記第１の蓄積部と前記第２の電極とが接続されている、固体撮像素子。
（２０）
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧が印加され、
前記第２の電極から前記エレクトロクロミック膜に前記所定の電圧が印加されることにより、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が変更される、前記（１９）に記載の固体撮像素子。
（２１）
前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子は、感度が異なる、前記（１９）又は（２０）に記載の固体撮像素子。
（２２）
前記第２の電極に印加する電圧を変更することにより、モードを切り替える、前記（１９）乃至（２１）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（２３）
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧が外部電源によって印加され、
前記第２の電極から前記エレクトロクロミック膜に前記所定の電圧が印加されることにより、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が変更される、前記（１９）乃至（２２）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（２４）
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧が昇圧回路によって印加され、
前記第２の電極から前記エレクトロクロミック膜に前記所定の電圧が印加されることにより、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が変更される、前記（１９）乃至（２３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（２５）
第１の光電変換素子により光電変換された電荷に応じて、第１の蓄積部に蓄積し、
露光期間中は、蓄積した電荷を前記第１の蓄積部に保持させておく、
固体撮像素子の駆動方法。
（２６）
前記（１）乃至（２３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子を撮像部として備える電子機器。
【符号の説明】
【０２７４】
１０、６０、７０、１７０、１８０、２５０、３００、３１０、３３０  固体撮像素子
２０、８０、９０、１６０、２６０、３２０、３５１、３５２  単位画素
１０１、１１４、２０１、２１４  フォトダイオード
１０２、１１５、２０２、２１５  転送トランジスタ
１０３、２０３、２１６  ＦＤ部（浮遊拡散領域）
１０４、２０４  容量接続トランジスタ
１０５、２０５、２１９  リセットトランジスタ
１０６、２０６  オーバーフローゲート
１０７、２０７  蓄積容量
１０８、２０８  アンプトランジスタ
１０９、２０９  選択トランジスタ
１１０、２１０  ＦＤ（浮遊拡散領域）容量切り替えスイッチ
１１１  追加浮遊拡散領域
１１２  オペアンプ
１１３  帰還容量
１２１、２２１  接続配線
１２２、２２２  画素駆動配線
１３１、２３１  下部電極
１３２、２３２  エレクトロクロミック膜
１３３、２３３  上部電極
１３４、２３４  絶縁膜
１４１、２４１  カラーフィルタ
１４２、２４２  オンチップレンズ
２１７  容量接続スイッチ
２１８  オーバーフロードレイン
３４０  カラーフィルタ配列
３４１  ＲＧＢＷ画素
３５０  画素等価回路
【図１】
2019080305.tif 000003
【図２】
2019080305.tif 000004
【図３】
2019080305.tif 000005
【図４】
2019080305.tif 000006
【図５】
2019080305.tif 000007
【図６】
2019080305.tif 000008
【図７】
2019080305.tif 000009
【図８】
2019080305.tif 000010
【図９】
2019080305.tif 000011
【図１０】
2019080305.tif 000012
【図１１】
2019080305.tif 000013
【図１２】
2019080305.tif 000014
【図１３】
2019080305.tif 000015
【図１４】
2019080305.tif 000016
【図１５】
2019080305.tif 000017
【図１６】
2019080305.tif 000018
【図１７】
2019080305.tif 000019
【図１８】
2019080305.tif 000020
【図１９】
2019080305.tif 000021
【図２０】
2019080305.tif 000022
【図２１】
2019080305.tif 000023
【図２２】
2019080305.tif 000024
【図２３】
2019080305.tif 000025
【図２４】
2019080305.tif 000026
【図２５】
2019080305.tif 000027
【図２６】
2019080305.tif 000028
【図２７】
2019080305.tif 000029
【図２８】
2019080305.tif 000030
【図２９】
2019080305.tif 000031
【図３０】
2019080305.tif 000032
【図３１】
2019080305.tif 000033
【図３２】
2019080305.tif 000034
【図３３】
2019080305.tif 000035
【図３４】
2019080305.tif 000036
【図３５】
2019080305.tif 000037
【図３６】
2019080305.tif 000038
【図３７】
2019080305.tif 000039
【図３８】
2019080305.tif 000040
【図３９】
2019080305.tif 000041
【図４０】
2019080305.tif 000042
【図４１】
2019080305.tif 000043
【図４２】
2019080305.tif 000044