(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトンを検出するアバランシェ増幅型の受光素子、及び、当該受光素子の出力電位をリセットするリセット部を有し、前記受光素子へのフォトンの入射の有無を示すデジタル信号を出力する検出部と、
前記検出部から出力されるデジタル信号をアナログ電圧に変換して計数することで、計数値として保持する計数値保持部と、
前記計数値をアナログ信号として出力する読み出し部とを備え、
前記受光素子は、アバランシェ増幅型フォトダイオードであり、
前記検出部は、さらに、
前記アバランシェ増幅型フォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を電圧変換して増幅する初段増幅器と、
前記初段増幅器の出力電圧をデジタル信号に変換するＡＤ変換器とを備え、
前記リセット部は、前記電荷蓄積部の電位を初期状態にリセットし、
前記デジタル信号は、
前記電荷蓄積部の電位が前記初期状態から変動がない場合の第１信号レベルと、
前記受光素子へのフォトンの入射に起因して前記電荷蓄積部の電位が前記初期状態から変動した場合の第２信号レベルとを有する
固体撮像装置。
【請求項２】
前記リセット部は、互いに異なる２つのリセット電圧を前記電荷蓄積部に選択的に印加する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記初段増幅器は、インバータ動作する
請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記検出部は、前記第１信号レベル及び前記第２信号レベルを変更可能である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記計数値保持部は、複数の容量を備え、前記複数の容量の各々の容量値の比率によって前記デジタル信号を前記アナログ電圧に変換し、
前記複数の容量の少なくとも１つは、可変容量である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記計数値保持部は、１以上のトランジスタ、及び、前記１以上のトランジスタに接続された複数の容量を備え、前記複数の容量の各々の容量値の比率によって前記デジタル信号を前記アナログ電圧に変換し、
前記１以上のトランジスタは、振幅及び波形の少なくとも一方が可変な制御信号によって制御される
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記計数値保持部は、所定期間内で、前記リセット部がリセットするタイミングを示すリセットパルスの数と同数のフォトンを、前記アナログ電圧の積算値として計数可能である
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記受光素子は、前記計数値がオーバーフローする数のフォトンが入射した場合、アバランシェ増幅型でない受光素子として動作する
請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記固体撮像装置は、さらに、前記受光素子がアバランシェ増幅型でない受光素子として動作するとき、前記初段増幅器の出力電圧を前記デジタル信号に変換することなく、出力する出力部を備える
請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記受光素子は、カラーフィルタ又はマイクロレンズを備える
請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記読み出し部は、出力信号線を備え、所定のタイミングで前記計数値を前記アナログ信号として前記出力信号線に読み出す
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記計数値保持部は、
前記計数値の下位桁をアナログ値として保持するアナログ計数回路と、
前記計数値の上位桁をデジタル値として保持するデジタル計数回路とを備える
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記読み出し部は、前記計数値の下位桁をアナログ値で読み出し、前記計数値の上位桁をデジタル値で読み出す
請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記計数値保持部は、
前記計数値の下位桁をデジタル値として保持するデジタル計数回路と、
前記計数値の上位桁をアナログ値として保持するアナログ計数回路とを備える
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記読み出し部は、前記計数値を下位桁と上位桁とに分けて、それぞれをアナログ値として読み出す
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像装置に関し、例えば、微弱な光を検出する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療、バイオ、放射線計測などのさまざまな分野で、１つのフォトン（光子）に至る程度の微弱光を正確に計測する微弱光センサが必要とされている。現在、微弱光センサとして光電子増倍管（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）が広く利用されている。【０００３】
しかし、真空管デバイスであるＰＭＴは、小さくても１０ｍｍ×１０ｍｍほどの大きさであるため多画素化が難しい。また、ＰＭＴを用いてイメージングを行うには、被写体をＸＹ面内で走査するなどの方法により、被写体の各点の情報を集めてから画像化する処理が必要である。このため、リアルタイムの撮影は難しい。そのような中、微弱光センサの多画素化と高速化とを同時に実現するために、微弱光センサの固体素子化が要望されている。【０００４】
微弱光を検出する固体撮像装置の一つとして、フォトダイオードに入射したフォトンをカウントし、デジタル値の信号としてカウント結果を画素の外に伝送するフォトンカウント型の固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、負荷抵抗が接続され、降伏電圧以上の高電圧が印加されたアバランシェフォトダイオード（いわゆるガイガーモードＡＰＤ）をアレイ配列した構造を持つ固体撮像装置も実在する（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−６７０４３号公報
【特許文献２】特開昭６１−１５２１７６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“９．８μｍ  ＳＰＡＤ−ｂａｓｅｄ  Ａｎａｌｏｇｕｅ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｃｏｕｎｔｉｎｇ  Ｐｉｘｅｌ  ｗｉｔｈ  Ｂｉａｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２のようにデジタルカウント型の回路を計数手段として画素に搭載した場合、カウント回路は、１ビットでも回路規模が大きくなる。所望の階調を得るためにビット数を増やすと、回路素子数とビット数分の信号線の本数とが比例して増加するので、画素セルサイズが大きくなり、多画素化が困難になるという課題がある。【０００８】
一方、この課題を解決するために、アナログ回路を計数手段として画素に搭載する固体撮像装置が開示されている（例えば、非特許文献１）。非特許文献１に係る固体撮像装置では、受光素子にフォトンが入射する度に、検出手段は、初期電圧を保持した保持手段から電荷を放電する。【０００９】
しかしながら、実際には、フォトンエネルギーの強弱による振幅のばらつきと、保持手段からの放電を制御する制御トランジスタの寄生容量のばらつきとによって、保持手段から放電される電荷量もばらつく。このため、保持手段の電圧の変化量（ΔＶ）は一定ではなく、フォトンが入射する度に異なる場合がある。受光素子に入射したフォトンの数の計測は、リセット電圧と、ΔＶの積算量を差し引いた際の保持手段の電圧とを比較して行うが、ΔＶのばらつきにより、正確に計測することが困難である。【００１０】
そこで、本開示は、高性能なフォトンカウント機能を有し、かつ、小さい画素サイズで多画素化が可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本開示の一態様に係る固体撮像装置は、フォトンを検出するアバランシェ増幅型の受光素子、及び、当該受光素子の出力電位をリセットするリセット部を有し、前記受光素子へのフォトンの入射の有無を示すデジタル信号を出力する検出部と、前記検出部から出力されるデジタル信号をアナログ電圧に変換して計数することで、計数値として保持する計数値保持部と、前記計数値をアナログ信号として出力する読み出し部とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、高性能なフォトンカウント機能を有し、かつ、小さい画素サイズで多画素化が可能な固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態１に係る固体撮像装置の単位画素の機能構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の単位画素の回路構成例を示す回路図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る固体撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図４】図４は、実施の形態１に係る固体撮像装置において、受光素子に入射するフォトンの数と計数値との対応を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態２に係る固体撮像装置の単位画素の機能構成を示す回路ブロック図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る固体撮像装置の単位画素の回路構成例を示す回路図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る固体撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】図８は、実施の形態３に係る固体撮像装置の単位画素の機能構成を示す回路ブロック図である。
【図９】図９は、実施の形態３に係る固体撮像装置の単位画素の回路構成例を示す回路図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３に係る固体撮像装置の動作例を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の単位画素の回路構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示に係る実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１５】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１６】
（実施の形態１）
まず、図１及び図２を参照しながら、本実施の形態に係る固体撮像装置の単位画素の画素回路１を説明する。図１は、本実施の形態に係る固体撮像装置の単位画素の機能構成を示す回路ブロック図である。図２は、本実施の形態に係る固体撮像装置の単位画素の回路構成例を示す回路図である。
【００１７】
本実施の形態に係る固体撮像装置は、行列状に配置された複数の画素を備える。複数の画素の各々（単位画素）は、図１に示す画素回路１を備える。図１に示すように、画素回路１は、検出部１０と、計数値保持部２０と、読み出し部３０とを備える。
【００１８】
検出部１０は、受光部１１と、リセット部１２と、ＡＤ変換増幅器１３とを備える。検出部１０は、受光部１１が備える受光素子へのフォトンの入射の有無を示すデジタル信号を出力する。
【００１９】
受光部１１は、アバランシェ増幅型の受光素子ＡＰＤと、フローティングディフュージョンＦＤと、初段増幅器ＡＭＰ０とを備える。
【００２０】
受光素子ＡＰＤは、フォトンを検出するための受光素子の一例である。具体的には、受光素子ＡＰＤは、アバランシェ増幅型フォトダイオードである。受光素子ＡＰＤのアノードは、電源ＶＰＤに接続され、カソードは、フローティングディフュージョンＦＤに接続されている。受光素子ＡＰＤは、入射するフォトンを捉え、捉えたフォトンによって電荷を発生する。発生した電荷は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積保持される。
【００２１】
フローティングディフュージョンＦＤは、受光素子ＡＰＤで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部の一例である。フローティングディフュージョンＦＤと受光素子ＡＰＤのカソードとの接続点には、初段増幅器ＡＭＰ０の入力端子及びリセット部１２が接続されている。
【００２２】
初段増幅器ＡＭＰ０は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷を電圧変換して増幅する。具体的には、フローティングディフュージョンＦＤにおける電位（以下、ＦＤ電位という）を電圧変換して増幅する。具体的には、ＦＤ電位は、フローティングディフュージョンＦＤと受光素子ＡＰＤのカソードとの接続点の電位である。
【００２３】
リセット部１２は、受光素子ＡＰＤの出力電位をリセットする。本実施の形態では、リセット部１２は、フローティングディフュージョンＦＤのＦＤ電位を初期状態にリセットする。
【００２４】
具体的には、リセット部１２は、トランジスタＴＲ１を備える。トランジスタＴＲ１は、フローティングディフュージョンＦＤと電源ＲＳＤとの間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ１の制御端子（例えば、ゲート端子）は、端子ＲＳ１に接続され、端子ＲＳ１から入力される制御信号によって導通及び非導通が制御される。トランジスタＴＲ１が導通した場合、電源ＲＳＤからリセット電圧ＶｒｓｄがフローティングディフュージョンＦＤに印加され、ＦＤ電位が初期状態にリセットされる。つまり、初期状態は、リセット電圧Ｖｒｓｄが印加された状態である。
【００２５】
ＡＤ変換増幅器１３は、初段増幅器ＡＭＰ０の出力電圧をデジタル信号に変換して増幅する。本実施の形態では、ＡＤ変換増幅器１３は、受光素子ＡＰＤへのフォトン入射の有無を受光部１１の出力電圧から読み取り、読み取った結果をデジタル信号として出力する。
【００２６】
具体的には、ＡＤ変換増幅器１３が出力するデジタル信号は、ＦＤ電位が初期状態から変動がない場合の第１信号レベルと、受光素子ＡＰＤへのフォトンの入射に起因してＦＤ電位が変動した場合の第２信号レベルとを有する。例えば、デジタル信号は、ハイレベルとローレベルとを有するデジタル２値信号である。
【００２７】
当該デジタル２値信号は、受光素子ＡＰＤにフォトンが入射したときにローレベル（第２信号レベル）になり、受光素子ＡＰＤにフォトンが入射しないときにハイレベル（第１信号レベル）になる。具体的には、デジタル２値信号は、ＦＤ電位がリセットされたときに、すなわち、フォトンの入射によって下がったＦＤ電位が上昇したときに、ローレベルになる。
【００２８】
本実施の形態では、ＡＤ変換増幅器１３は、図２に示すように、ＤＣカット容量Ｃ０と、インバータＡＭＰ１と、トランジスタＴＲ２〜ＴＲ４とを備える。
【００２９】
ＤＣカット容量Ｃ０は、受光部１１から出力される信号の直流成分を除去するためのキャパシタである。ＤＣカット容量Ｃ０は、初段増幅器ＡＭＰ０の出力端子と、インバータＡＭＰ１の入力端子との間に接続されている。
【００３０】
インバータＡＭＰ１は、初段増幅器ＡＭＰ０によって生成された電圧信号をデジタル信号に変換する。インバータＡＭＰ１の入力端子は、ＤＣカット容量Ｃ０を介して初段増幅器ＡＭＰ０に接続され、インバータＡＭＰ１の出力端子は、トランジスタＴＲ３を介して計数値保持部２０（具体的には、インバータＡＭＰ２）に接続されている。また、インバータＡＭＰ１は、電源ＶＩＮＶに接続され、電源電圧として電圧Ｖｉｎｖが供給される。
【００３１】
例えば、インバータＡＭＰ１の入力電圧が上昇した場合に、インバータＡＭＰ１の出力電圧はローレベルになる。インバータＡＭＰ１の入力電圧は、初段増幅器ＡＭＰ０の出力電圧によって変化するので、受光素子ＡＰＤへのフォトンの入射の有無によって変化する。したがって、インバータＡＭＰ１は、フォトンの入射の有無によって信号レベルの異なるデジタル信号を出力する。
【００３２】
トランジスタＴＲ２は、インバータＡＭＰ１をイコライズするためのスイッチングトランジスタであり、インバータＡＭＰ１の入力端子と出力端子との間に接続されている。トランジスタＴＲ２の制御端子は、端子ＲＳ２に接続され、端子ＲＳ２から入力される制御信号によって導通及び非導通が制御される。トランジスタＴＲ２が導通した場合、インバータＡＭＰ１はイコライズされる。
【００３３】
トランジスタＴＲ３は、インバータＡＭＰ１の出力端子と、インバータＡＭＰ２の入力端子との間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ３の制御端子は、端子ＲＳ１に接続され、端子ＲＳ１から入力される制御信号によって導通及び非導通が制御される。つまり、トランジスタＴＲ３は、トランジスタＴＲ１と同期して動作する。トランジスタＴＲ３が導通した場合、インバータＡＭＰ１の出力電圧がインバータＡＭＰ２に供給される。
【００３４】
トランジスタＴＲ４は、インバータＡＭＰ２の入力端子と電源ＶＣＨＧとの間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ４の制御端子は、端子ＲＳ２に接続され、端子ＲＳ２から入力される制御信号によって導通及び非導通が制御される。つまり、トランジスタＴＲ４は、トランジスタＴＲ２と同期して動作する。トランジスタＴＲ４が導通した場合、インバータＡＭＰ２の入力電圧が電圧Ｖｃｈｇに設定される。
【００３５】
計数値保持部２０は、検出部１０から出力されるデジタル信号をアナログ値に変換して計数することで、計数値として保持する。具体的には、計数値保持部２０は、ＡＤ変換増幅器１３から出力されるデジタル信号をアナログ電圧（後述するΔＶ（ｎ））に変換し、変換したアナログ電圧を積算して計数する。
【００３６】
具体的には、デジタル信号は、受光素子ＡＰＤにフォトンが入射する度に、その信号レベルが変化する（例えば、ハイレベルからローレベル）。計数値保持部２０は、当該変化に相当するアナログ電圧を積算することで、フォトンの入射数をアナログ値の積算値として計数する。言い換えると、アナログ電圧の積算値（すなわち、計数値）は、受光素子ＡＰＤに入射したフォトンの数に相当する。
【００３７】
本実施の形態では、計数値保持部２０は、図２に示すように、インバータＡＭＰ２と、容量Ｃ１及びＣ２と、トランジスタＴＲ５〜ＴＲ８とを備える。
【００３８】
インバータＡＭＰ２は、インバータＡＭＰ１から出力されるデジタル信号を反転増幅する。インバータＡＭＰ２の入力端子は、トランジスタＴＲ３を介してインバータＡＭＰ１の出力端子に接続され、インバータＡＭＰ２の出力端子は、容量Ｃ１に接続されている。また、インバータＡＭＰ２は、電源ＶＣＨＧに接続され、電源電圧として電圧Ｖｃｈｇが供給される。
【００３９】
容量Ｃ１及び容量Ｃ２は、インバータＡＭＰ２の出力端子と接地電位との間に、直列に接続されている。具体的には、容量Ｃ１の一方の電極は、インバータＡＭＰ２に接続され、他方の電極は、トランジスタＴＲ５を介して容量Ｃ２の一方の電極に接続されている。容量Ｃ２の他方の電極は接地されている。
【００４０】
これにより、容量Ｃ１及び容量Ｃ２の各々の容量値の比率によって、ＡＤ変換増幅器１３から出力されるデジタル信号は、アナログ電圧に変換される。具体的には、インバータＡＭＰ２の出力電圧が、容量Ｃ１及び容量Ｃ２によって、容量Ｃ２の一方の電極（具体的には、出力ノードＶＣＯＵＮＴ）に分配される。出力ノードＶＣＯＵＮＴの電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）が計数値に相当する。なお、ｎは、フォトンの検出回数（入射フォトン数）である。
【００４１】
トランジスタＴＲ５は、容量Ｃ１と容量Ｃ２との間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ５の制御端子は、インバータＡＭＰ２の出力端子に接続され、インバータＡＭＰ２の出力電圧によって導通及び非導通が制御される。
【００４２】
具体的には、インバータＡＭＰ２の出力端子の電圧がハイレベルになったときに、トランジスタＴＲ５は導通し、容量Ｃ１及び容量Ｃ２が電気的に直列接続される。インバータＡＭＰ２の出力電圧がローレベルのときは、トランジスタＴＲ５は非導通であるので、容量Ｃ２に保持された電圧は変化しない。つまり、容量Ｃ２に保持された電圧が変化するのは、インバータＡＭＰ２の出力電圧がハイレベルになったときのみである。具体的には、受光素子ＡＰＤにフォトンが入射して電位が下がった状態のＦＤ電位がリセットされたとき、すなわち、初段増幅器ＡＭＰ０への入力が上昇したときにのみ、容量Ｃ２に保持された電圧が変化する。
【００４３】
トランジスタＴＲ６は、容量Ｃ１の他方の電極（中間ノードＶＭ）と電源ＶＩＮＩＴとの間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ６の制御端子は、端子ＲＳ２に接続され、端子ＲＳ２から入力される制御信号によって導通及び非導通が制御される。つまり、トランジスタＴＲ６は、トランジスタＴＲ２及びＴＲ４と同期して動作する。トランジスタＴＲ６が導通した場合、中間ノードＶＭの電圧は、初期電圧Ｖｉｎｉｔに設定される。
【００４４】
トランジスタＴＲ７は、容量Ｃ１の他方の電極（中間ノードＶＭ）と電源ＶＩＮＩＴとの間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ７の制御端子は、端子ＲＳ３に接続され、端子ＲＳ３から入力される制御信号によって導通及び非導通が制御される。トランジスタＴＲ７が導通した場合、中間ノードＶＭの電圧は、初期電圧Ｖｉｎｉｔに設定される。
【００４５】
トランジスタＴＲ８は、容量Ｃ２の一方の電極（出力ノードＶＣＯＵＮＴ）と電源ＶＩＮＩＴとの間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ８の制御端子は、端子ＲＳ３に接続され、端子ＲＳ３から入力される制御信号によって導通及び非導通が制御される。つまり、トランジスタＴＲ８は、トランジスタＴＲ７と同期して動作する。トランジスタＴＲ８が導通した場合、出力ノードＶＣＯＵＮＴの電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）は、初期電圧Ｖｉｎｉｔに設定される。
【００４６】
読み出し部３０は、計数値保持部２０に保持された計数値をアナログ信号として出力する。本実施の形態では、読み出し部３０は、図２に示すように、増幅器ＡＭＰ３と、トランジスタＴＲ９と、出力信号線３１とを備える。読み出し部３０は、所定のタイミングで計数値をアナログ信号として出力信号線３１に読み出す。
【００４７】
増幅器ＡＭＰ３は、出力ノードＶＣＯＵＮＴの電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）を増幅する。増幅器ＡＭＰ３の入力端子は、出力ノードＶＣＯＵＮＴに接続され、増幅器ＡＭＰ３の出力端子は、トランジスタＴＲ９を介して出力信号線３１及び出力端子ＯＵＴに接続されている。
【００４８】
トランジスタＴＲ９は、増幅器ＡＭＰ３の出力端子と出力信号線３１との間に接続されている。トランジスタＴＲ９の制御端子は、端子ＳＥＬに接続され、端子ＳＥＬから入力される制御信号によって導通及び非導通が制御される。トランジスタＴＲ９が導通した場合、増幅器ＡＭＰ３の出力電圧が出力信号線３１を介して出力端子ＯＵＴに出力される。
【００４９】
続いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の画素回路１の動作について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る固体撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【００５０】
なお、図３において、ＦＤは、ＦＤ電位を示し、ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３及びＳＥＬはそれぞれ、端子ＲＳ１、端子ＲＳ２、端子ＲＳ３及び端子ＳＥＬから供給される制御信号を示している。ＣＨＧは、インバータＡＭＰ２の出力電圧を示し、ＶＣＯＵＮＴは、容量Ｃ２の一方の電極（出力ノードＶＣＯＵＮＴ）の電圧、すなわち、計数値を示している。ＯＵＴは、出力端子ＯＵＴの電圧を示している。
【００５１】
時刻ｔ０にて、端子ＲＳ３にパルス（ハイレベルの制御信号）を印加することで、計数値保持部２０のトランジスタＴＲ７とＴＲ８とを導通させる。これにより、出力ノードＶＣＯＵＮＴの電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）は、初期電圧Ｖｉｎｉｔに設定される。初期電圧Ｖｉｎｉｔに相当するアナログ電圧を、計数値０とみなす。なお、フローティングディフュージョンＦＤのＦＤ電位は、初期状態にリセットされている。すなわち、フローティングディフュージョンＦＤには、リセット電圧Ｖｒｓｄが印加されている。
【００５２】
その後、受光素子ＡＰＤにフォトンが入射すると、ＦＤ電位が下がる。フローティングディフュージョンＦＤは、下がった後の電位を保持する。初段増幅器ＡＭＰ０は、ＦＤ電位を電圧変換し、電圧信号を出力する。このとき、端子ＲＳ２にパルスを印加することで、ＡＤ変換増幅器１３のトランジスタＴＲ２を導通させる。これにより、インバータＡＭＰ１をイコライズする。
【００５３】
時刻ｔ１にて、端子ＲＳ１にパルスを印加し、フローティングディフュージョンＦＤにリセット電圧Ｖｒｓｄを印加することで、ＦＤ電位は、フォトン入射によって減少した分だけ上昇する。この電位の上昇分が初段増幅器ＡＭＰ０によって増幅されて、ＤＣカット容量Ｃ０を介してインバータＡＭＰ１の入力電位が上昇する。したがって、インバータＡＭＰ１の出力電圧はローレベルになる。トランジスタＴＲ３を介して、ローレベルの出力電圧を計数値保持部２０のインバータＡＭＰ２に入力すると、インバータＡＭＰ２は、その電源電圧である電圧Ｖｃｈｇ（ハイレベル）を出力する。
【００５４】
このとき、トランジスタＴＲ５が導通するので、インバータＡＭＰ２の出力電圧Ｖｃｈｇは、トランジスタＴＲ５を介して、出力ノードＶＣＯＵＮＴに、容量Ｃ１と容量Ｃ２との電荷再分配により、以下の（式１）〜（式３）で表される電圧ΔＶ（ｎ）として充電される。例えば、ΔＶ（ｎ）が、アナログ電圧である計数値１に相当し、ΔＶ（ｎ）を積算することで、入射したフォトンの数を計数することができる。
【００５５】
（式１）  ΔＶ（ｎ）＝（Ｖｃｈｇ−Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ−１））×Ｃ１÷（Ｃ１＋Ｃ２）
（式２）  Ｖｃｏｕｎｔ（０）＝Ｖｉｎｉｔ
（式３）  Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）＝Ｖｉｎｉｔ＋ΔＶ（ｎ）
【００５６】
なお、インバータＡＭＰ１の出力振幅幅は、イコライズ電圧とインバータＡＭＰ１の電源電圧Ｖｉｎｖとで規定されるため、電源電圧Ｖｉｎｖとグランドレベルとのフルスイングとはならない。そのため、インバータＡＭＰ２が必要となる。
【００５７】
なお、検出部１０は、出力するデジタル信号の第１信号レベル及び第２信号レベルを変更可能である。具体的には、検出部１０は、デジタル信号のハイレベル及びローレベルを変更可能である。より具体的には、インバータＡＭＰ１の電源電圧Ｖｉｎｖとグランド側の低電圧とは、任意に設定できる。
【００５８】
その後、端子ＲＳ２にパルスを印加することで、ＡＤ変換増幅器１３のトランジスタＴＲ４を導通させる。これにより、インバータＡＭＰ１の出力端子とインバータＡＭＰ２の入力端子とは、電圧Ｖｃｈｇ、すなわち、ハイレベルとなる。このとき、トランジスタＴＲ６も導通するので、中間ノードＶＭは、トランジスタＴＲ６を介して初期電圧Ｖｉｎｉｔに初期化され、フォトン検出状態をリセットする。
【００５９】
図３に示す駆動例では、この間にも受光素子ＡＰＤにフォトンが入射しているため、ＦＤ電位が下がっている状態を示している。したがって、先に説明した動作が繰り返され、時刻ｔ２において端子ＲＳ１にパルスを印加することで、計数値である電圧Ｖｃｏｕｎｔ（２）は、アナログ電圧である計数値２となる。
【００６０】
さらに、次のフォトンが入射した直後の時刻ｔ３において、電圧Ｖｃｏｕｎｔ（３）は、アナログ電圧の計数値３となる。
【００６１】
時刻ｔ４において、読み出し部３０の増幅器ＡＭＰ３で増幅された計数値３は、端子ＳＥＬにパルスを印加することによって、トランジスタＴＲ９を導通させて、端子ＯＵＴに出力される。
【００６２】
時刻ｔ５は、先に説明した時刻ｔ０の繰り返しであり、時刻ｔ０から時刻ｔ５までがフォトン計数の１サイクルとなる。つまり、図３では、１サイクル中に３つのフォトンが検出できたことを示している。以降、時刻ｔ５〜時刻ｔ９、及び、時刻ｔ９〜時刻ｔ１２ではそれぞれ、２つのフォトン、及び、１つのフォトンが検出される。
【００６３】
このように、本実施の形態に係る画素回路１は、所定期間内に受光素子ＡＰＤに入射したフォトンの数を計数することができる。具体的には、計数値保持部２０は、所定期間内で、リセット部１２がリセットするタイミングを示すリセットパルスの数と同数のフォトンを、アナログ電圧の積算値として計数可能である。つまり、計数値保持部２０は、所定期間内におけるＦＤ電位のリセットの回数、具体的には、端子ＲＳ１に供給されるリセットパルスの数以下のフォトンを計数することができる。
【００６４】
以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、フォトンを検出するアバランシェ増幅型の受光素子ＡＰＤ、及び、受光素子ＡＰＤの出力電位をリセットするリセット部１２を有し、受光素子ＡＰＤへのフォトンの入射の有無を示すデジタル信号を出力する検出部１０と、検出部１０から出力されるデジタル信号をアナログ電圧に変換して計数することで、計数値として保持する計数値保持部２０と、計数値をアナログ信号として出力する読み出し部３０とを備える。
【００６５】
このように、検出部１０は、受光素子ＡＰＤへのフォトンの入射の有無を示すデジタル信号を出力するので、フォトンの入射時の受光素子ＡＰＤの振幅ばらつきを緩和することができる。これにより、１フォトン毎の誤差を抑制し、フォトンの入射数と計数値との誤差の発生を抑制することができる。また、計数値保持部２０は、デジタル信号をアナログ値に変換して計数するので、計数値保持部２０を構成する回路素子の数を、従来のデジタル計数回路よりも大幅に削減することができる。
【００６６】
したがって、本実施の形態によれば、高性能なフォトンカウント機能を有し、かつ、小さい画素サイズで多画素化が可能な固体撮像装置を実現することができる。
【００６７】
また、例えば、受光素子ＡＰＤは、アバランシェ増幅型フォトダイオードであり、検出部１０は、さらに、アバランシェ増幅型フォトダイオードで発生した電荷を蓄積するフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷を電圧変換して増幅する初段増幅器ＡＭＰ０と、初段増幅器ＡＭＰ０の出力電圧をデジタル信号に変換するＡＤ変換増幅器１３とを備え、リセット部１２は、ＦＤ電位を初期状態にリセットし、デジタル信号は、ＦＤ電位が初期状態から変動がない場合の第１信号レベルと、受光素子ＡＰＤへのフォトンの入射に起因してＦＤ電位が初期状態から変動した場合の第２信号レベルとを有する。
【００６８】
これにより、ＦＤ電位をリセットした際におけるＦＤ電位の変動の有無によって、受光素子ＡＰＤへのフォトンの入射の有無を判定することができる。したがって、簡易な構成によりフォトンを検出することができる。
【００６９】
また、例えば、検出部１０は、第１信号レベル及び第２信号レベルを変更可能であってもよい。
【００７０】
これにより、回路設計の自由度を増すことができ、例えば、消費電力の低減などが実現できる。
【００７１】
また、例えば、計数値保持部２０は、所定期間内で、リセット部１２がリセットするタイミングを示すリセットパルスの数と同数のフォトンを、アナログ電圧の積算値として計数可能である。
【００７２】
これにより、所定期間内におけるリセットパルスの数を調整することで、検出可能なフォトンの数を適宜調整することができる。
【００７３】
また、例えば、読み出し部３０は、出力信号線３１を備え、所定のタイミングで計数値をアナログ信号として出力信号線３１に読み出す。
【００７４】
これにより、計数値をアナログ信号として読み出すので、計数値を読み出すための出力信号線３１を一本で実現することができる。言い換えると、本実施の形態に係る固体撮像装置の画素回路１は、計数値を読み出すための出力信号線３１を一本のみ備えていればよい。
【００７５】
なお、例えば、計数値保持部２０は、容量Ｃ１及び容量Ｃ２を備え、容量Ｃ１及び容量Ｃ２の各々の容量値の比率によってデジタル信号をアナログ電圧に変換し、容量Ｃ１及び容量Ｃ２の少なくとも１つは、可変容量であってもよい。
【００７６】
（式１）から分かるように、容量Ｃ１と容量Ｃ２との容量値の比率において、容量値Ｃ１が小さいほどΔＶ（ｎ）が小さくなる。あるいは、容量値Ｃ２が大きいほどΔＶ（ｎ）が小さくなる。電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）の振幅は、読み出し部３０に接続される電源電圧以下である必要があるため、容量Ｃ１と容量Ｃ２との容量値の比率を任意に調整することによって、所望のフォトン数をカウントできるΔＶ（ｎ）を設定することができる。
【００７７】
また、同じく（式１）から分かるように、インバータＡＭＰ２の電源電圧Ｖｃｈｇが大きいほどΔＶ（ｎ）が大きくなる。ΔＶ（ｎ）が大きいほど、計数値保持部２０から出力される計数値を後段で読み取りやすくなるため、電圧Ｖｃｈｇをなるべく大きく設定可能であることが好ましい。
【００７８】
例えば、本実施の形態に係る固体撮像装置は、電源電圧を可変に制御する電圧制御部（図示せず）を備えてもよい。具体的には、電圧制御部は、電源ＲＳＤ、電源ＶＰＤ、電源ＶＩＮＶ、電源ＶＣＨＧ及び電源ＶＩＮＩＴのそれぞれが供給する電圧を可変に制御する。例えば、電圧制御部は、電源ＲＳＤが供給するリセット電圧Ｖｒｓｄを変更可能である。あるいは、電圧制御部は、電圧Ｖｉｎｖ、電圧Ｖｃｈｇ又は初期電圧Ｖｉｎｉｔを変更可能でもよい。
【００７９】
また、先に説明したトランジスタＴＲ６、ＴＲ７及びＴＲ８のように、容量Ｃ１及び容量Ｃ２に接続されるトランジスタは、スイッチとして機能させるときに、熱ノイズ（ｋＴＣノイズともいう）を発生する。すなわち、非導通時のｋＴＣノイズが容量Ｃ１と容量Ｃ２とに発生するため、アナログでの計数値であるΔＶ（ｎ）を小さく設定した場合には、画質の悪化を招くことがある。
【００８０】
この画質の悪化を抑制するため、１以上のトランジスタは、振幅及び波形の少なくとも一方が可変な制御信号によって制御されてもよい。つまり、本実施の形態に係る固体撮像装置は、１以上のトランジスタを制御する制御信号であって、振幅及び波形の少なくとも一方が可変な制御信号を生成する制御部（図示せず）を備えてもよい。具体的には、図２の端子ＲＳ２及びＲＳ３のように、容量に接続されたトランジスタを制御する制御信号を、振幅値の縮小又は波形のテーパー形状化など任意に変更する。これにより、ｋＴＣノイズを発生しにくくすることができる。
【００８１】
なお、例えば、初段増幅器ＡＭＰ０は、インバータ動作してもよい。この場合、例えば、リセット部１２は、互いに異なる２つのリセット電圧をフローティングディフュージョンＦＤに選択的に印加してもよい。これにより、フォトンの検出をより容易にすることもできる。
【００８２】
例えば、図３のリセット電圧Ｖｒｓｄを時刻ｔ１で印加することによって、フォトンの入射の有無の検出を行った後、リセット電圧Ｖｒｓｄより低い電圧をフローティングディフュージョンＦＤに印加してからトランジスタＴＲ１を非導通にしておく。これにより、フローティングディフュージョンＦＤにリセット電圧Ｖｒｓｄより低い電位が設定された状態で、受光素子ＡＰＤは露光状態になる。
【００８３】
この状態で、受光素子ＡＰＤにフォトンが入射すると、フォトンのエネルギーが弱く、フローティングディフュージョンＦＤの電位変動が小さくなる場合でも、初段増幅器ＡＭＰ０の出力が反転しやすくなる。このため、弱いフォトンでも検出することができる。
【００８４】
（実施の形態２）
続いて、実施の形態２に係る固体撮像装置について説明する。
【００８５】
実施の形態１で説明したフォトンの検出動作において、受光素子ＡＰＤに入射するフォトンの数が多くなると、図４に示すように、計数値である電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）がリニアに大きくならない場合がある。なお、図４は、実施の形態１に係る固体撮像装置において、受光素子ＡＰＤに入射するフォトンの数と計数値との対応を示す図である。
【００８６】
上述した（式１）〜（式３）から分かるように、インバータＡＭＰ２の出力電圧Ｖｃｈｇと計数値Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ−１）との差が減少すると、アナログ電圧であるΔＶ（ｎ）が徐々に小さくなっていく。最終的には、電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ−１）が電圧Ｖｃｈｇに等しくなる場合に、ΔＶ（ｎ）が０となり、積算が停止する。初期電圧Ｖｉｎｉｔを低電圧にすることで、又は、容量Ｃ２を大きくすることで、計数値（積算回数）を増やすことはできるが、この場合、ΔＶ（ｎ）が小さくなるので、後段でのΔＶ（ｎ）の読み取りが難しくなる。
【００８７】
この対策として、本実施の形態に係る固体撮像装置では、計数値を上位桁と下位桁とに分けて保持する。なお、計数値の下位桁は、例えば、計数値をデジタル値として表したときの下位の１以上のビット分の数値である。計数値の上位桁は、例えば、計数値をデジタル値として表したときの上位の１以上のビット分の数値である。例えば、計数値がｎビットのデジタル値で表すとき、下位桁は、最下位ビットからｍビット分の数値、上位桁は、最上位ビットからｎ−ｍビット分の数値とすることができる。
【００８８】
以下では、まず、本実施の形態に係る固体撮像装置の単位画素の画素回路について、図５及び図６を用いて説明する。
【００８９】
図５は、本実施の形態に係る固体撮像装置の単位画素の機能構成を示す回路ブロック図である。図６は、本実施の形態に係る固体撮像装置の回路構成例を示す回路図である。
【００９０】
図５に示すように、本実施の形態に係る画素回路２は、図１に示す画素回路１と比較して、計数値保持部２０及び読み出し部３０の代わりに、計数値保持部１２０及び読み出し部１３０を備える。
【００９１】
計数値保持部１２０は、アナログ計数回路１２１と、デジタル計数回路１２２とを備える。
【００９２】
アナログ計数回路１２１は、計数値の下位桁をアナログ値として保持する。本実施の形態では、アナログ計数回路１２１は、複数の容量を備え、当該複数の容量の各々の容量値の比率によって、検出部１０から出力されるデジタル信号をアナログ電圧に変換して保持する。具体的には、アナログ計数回路１２１は、図２に示す計数値保持部２０と同じ回路構成を有する。
【００９３】
デジタル計数回路１２２は、計数値の上位桁をデジタル値として保持する。本実施の形態では、図６に示すように、デジタル計数回路１２２は、比較器ＡＭＰ４と、トランジスタＴＲ１０〜ＴＲ１２と、遅延回路ＤＥＬＡＹと、容量Ｃ３とを備える。
【００９４】
比較器ＡＭＰ４は、出力ノードＶＣＯＵＮＴの電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）と、参照電圧Ｖｒｅｆとを比較し、比較結果を出力する。比較器ＡＭＰ４の２つの入力端子はそれぞれ、アナログ計数回路１２１の出力ノードＶＣＯＵＮＴと、参照電圧Ｖｒｅｆを供給するための電源ＲＥＦとに接続されている。比較器ＡＭＰ４の出力端子（ノードＶＤＩＧ）は、トランジスタＴＲ１１を介して読み出し部１３０（具体的には、デジタル読み出し部１３２）に接続されている。例えば、比較器ＡＭＰ４は、電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）が参照電圧Ｖｒｅｆより大きくなった場合に、ハイレベルの信号を出力する。
【００９５】
トランジスタＴＲ１０は、出力ノードＶＣＯＵＮＴと電源ＶＩＮＩＴとの間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ１０の制御端子は、遅延回路ＤＥＬＡＹを介して比較器ＡＭＰ４の出力端子（ノードＶＤＩＧ）に接続されている。したがって、トランジスタＴＲ１０は、比較器ＡＭＰ４がハイレベルの信号を出力してから遅延期間経過後に導通される。トランジスタＴＲ１０が導通した場合、出力ノードＶＣＯＵＮＴは、初期電圧Ｖｉｎｉｔに設定される。つまり、出力ノードＶＣＯＵＮＴの電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）、すなわち、計数値は、参照電圧Ｖｒｅｆを超えると初期電圧Ｖｉｎｉｔにリセットされる。
【００９６】
トランジスタＴＲ１１は、比較器ＡＭＰ４とデジタル読み出し部１３２の増幅器ＡＭＰ５との間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ１１の制御端子は、比較器ＡＭＰ４の出力端子に接続されている。したがって、トランジスタＴＲ１１は、比較器ＡＭＰ４がハイレベルの信号を出力した場合に導通されて、ハイレベルの信号を増幅器ＡＭＰ５に入力する。
【００９７】
トランジスタＴＲ１２は、容量Ｃ３に電気的に並列接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ１２の制御端子は、端子ＲＳ３に接続され、端子ＲＳ３から入力される制御信号によって導通及び非導通が制御される。つまり、トランジスタＴＲ１２は、トランジスタＴＲ７及びＴＲ８と同期して動作する。トランジスタＴＲ１２が導通した場合、容量Ｃ３に保持された電圧はリセットされる。
【００９８】
容量Ｃ３は、計数値の上位桁を保持するための容量である。容量Ｃ３の一方の電極は、トランジスタＴＲ１１を介して、比較器ＡＭＰ４の出力端子に接続され、他方の電極は、接地されている。したがって、比較器ＡＭＰ４がハイレベルの信号を出力した場合に、その電圧値を保持する。
【００９９】
このように、計数値保持部１２０は、計数値である電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）が一定の参照電圧Ｖｒｅｆを超えた時点で上位ビットに繰り上げし、電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）を初期電圧Ｖｉｎｉｔに戻して計数する。
【０１００】
読み出し部１３０は、図５に示すように、アナログ読み出し部１３１と、デジタル読み出し部１３２とを備える。
【０１０１】
アナログ読み出し部１３１は、アナログ計数回路１２１に保持された計数値の下位桁をアナログ信号として出力する。本実施の形態では、アナログ読み出し部１３１は、図２に示す読み出し部３０と同じ回路構成を有する。
【０１０２】
デジタル読み出し部１３２は、デジタル計数回路１２２に保持された計数値の上位桁をデジタル信号として出力する。本実施の形態では、デジタル読み出し部１３２は、図２に示す読み出し部３０と同様に、増幅器ＡＭＰ５とトランジスタＴＲ１３とを備える。増幅器ＡＭＰ５及びトランジスタＴＲ１３はそれぞれ、増幅器ＡＭＰ３及びトランジスタＴＲ９に相当し、同様の動作を行う。
【０１０３】
続いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の画素回路２の動作について、図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態に係る固体撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。図７に示す駆動例は、図３に示す駆動例と比較して、フォトンの入射数が６３を上回った場合にビット繰上げを行う設定にしている点が異なる。
【０１０４】
電源ＲＥＦは、計数値６３（電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）＝６３）に相当する参照電圧Ｖｒｅｆが設定されている。
【０１０５】
時刻ｔ６において、電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）が参照電圧Ｖｒｅｆを上回ったとき、比較器ＡＭＰ４はハイレベルの信号を出力する。これにより、トランジスタＴＲ１１が導通し、容量Ｃ３に電圧が保持される。言い換えると、容量Ｃ３には、計数値６３に相当する１ビットが記憶される。
【０１０６】
その後、遅延回路ＤＥＬＡＹによって遅延期間経過後にトランジスタＴＲ１０を導通させて、電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）を初期電圧Ｖｉｎｉｔにリセットしている。その後、フォトンを検出すれば、時刻ｔ７のように計数値保持部１２０は、０から１を計数する。
【０１０７】
時刻ｔ８にて、ＯＵＴＡから下位桁のアナログ計数値（具体的には、１）を、ＯＵＴＤから上位桁のデジタル値（具体的には、６３）をそれぞれ読み出し、時刻ｔ９で計数値をオールクリアしている。下位桁のアナログ値と上位桁のデジタル値とを加えることで、所定期間内に入射したフォトンの数を正確に計数することができる。
【０１０８】
以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置では、例えば、計数値保持部１２０は、計数値の下位桁をアナログ値として保持するアナログ計数回路１２１と、計数値の上位桁をデジタル値として保持するデジタル計数回路１２２とを備える。
【０１０９】
これにより、入射するフォトンの数が多い場合であっても、計数値を上位桁と下位桁とに分けて保持するので、フォトン数を正確に計数することができる。例えば、図４に示すフォトン数と計数値とがリニアな関係から大きく外れる前に、電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）をリセットすることができるので、ΔＶ（ｎ）を用いてフォトン数を正確に計数することができる。
【０１１０】
また、例えば、読み出し部１３０は、計数値の下位桁をアナログ値で読み出し、計数値の上位桁をデジタル値で読み出す。
【０１１１】
これにより、入射するフォトンの数が多い場合であっても、計数値を上位桁と下位桁とに分けて読み出すので、フォトン数を正確に計数することができる。
【０１１２】
（実施の形態３）
続いて、実施の形態３に係る固体撮像装置について説明する。
【０１１３】
本実施の形態に係る固体撮像装置では、実施の形態２と同様に、計数値を上位桁と下位桁とに分けて保持する。実施の形態２では、計数値の上位桁をデジタル値として保持し、計数値の下位桁をアナログ値として保持する例について示したのに対して、本実施の形態では、計数値の下位桁をデジタル値として保持し、計数値の上位桁をアナログ値として保持する。
【０１１４】
以下では、まず、本実施の形態に係る固体撮像装置の単位画素の画素回路について、図８及び図９を用いて説明する。図８は、本実施の形態に係る固体撮像装置の単位画素の機能構成を示す回路ブロック図である。図９は、本実施の形態に係る固体撮像装置の回路構成例を示す回路図である。
【０１１５】
図８に示すように、本実施の形態に係る画素回路３は、図１に示す画素回路１と比較して、計数値保持部２０及び読み出し部３０の代わりに、計数値保持部２２０及び読み出し部２３０を備える。
【０１１６】
計数値保持部２２０は、上位ビット保持部２２１と、下位ビット保持部２２２とを備える。
【０１１７】
上位ビット保持部２２１は、計数値の上位桁をアナログ値として保持するアナログ計数回路の一例である。本実施の形態では、上位ビット保持部２２１は、図２に示す計数値保持部２０と同じ回路構成を有する。上位ビット保持部２２１は、ＡＤ変換増幅器１３の出力端子ではなく、下位ビット保持部２２２の出力端子からの入力を受け付ける。
【０１１８】
下位ビット保持部２２２は、計数値の下位桁をデジタル値として保持するデジタル計数回路の一例である。本実施の形態では、図９に示すように、下位ビット保持部２２２は、４つのＤ型フリップフロップＱ０〜Ｑ３を備える４ビット（１６階調）カウンタを備える。Ｄ型フリップフロップＱ０は、４ビットの計数値の最下位ビットを保持し、Ｄ型フリップフロップＱ３は、４ビットの計数値の最上位ビットを保持する。
【０１１９】
４つのＤ型フリップフロップＱ０〜Ｑ３はそれぞれ、クロック端子ＣＫには、前段の出力端子−Ｑ（Ｑの否定を意味する）が接続され、入力端子Ｄには、自身の出力端子−Ｑが接続されている。なお、先頭段のＤ型フリップフロップＱ０のクロック端子ＣＫには、ＡＤ変換増幅器１３の出力端子が接続されている。また、最後段のＤ型フリップフロップＱ３の出力端子−Ｑは、上位ビット保持部２２１（具体的には、インバータＡＭＰ２）の入力端子に接続されている。また、Ｄ型フリップフロップＱ０〜Ｑ３の出力端子Ｑはそれぞれ、下位ビット読み出し部２３２のトランジスタＴＲ２０〜ＴＲ２３の制御端子に接続されている。
【０１２０】
読み出し部２３０は、計数値を下位桁と上位桁とに分けて、それぞれをアナログ値として読み出す。本実施の形態では、図８に示すように、読み出し部２３０は、上位ビット読み出し部２３１と、下位ビット読み出し部２３２とを備える。
【０１２１】
上位ビット読み出し部２３１は、上位ビット保持部２２１に保持された計数値の上位桁をアナログ信号として出力する。本実施の形態では、上位ビット読み出し部２３１は、図２に示す読み出し部３０と同じ回路構成を有する。
【０１２２】
下位ビット読み出し部２３２は、下位ビット保持部２２２に保持された計数値の下位桁をアナログ信号として出力する。本実施の形態では、図９に示すように、下位ビット読み出し部２３２は、トランジスタＴＲ２０〜ＴＲ２３と、定電流源とを備える。
【０１２３】
トランジスタＴＲ２０〜ＴＲ２３は、電源ＶＤＤと、定電流源及び出力端子ＯＵＴＬとの間に接続されたスイッチングトランジスタである。トランジスタＴＲ２０〜ＴＲ２３は、互いに電気的に並列接続されている。トランジスタＴＲ２０〜ＴＲ２３のそれぞれの制御端子は、Ｄ型フリップフロップＱ０〜Ｑ３の出力端子Ｑに接続されている。
【０１２４】
具体的には、トランジスタＴＲ２０は、Ｄ型フリップフロップＱ０の出力端子Ｑがハイレベルになった場合に導通する。トランジスタＴＲ２１は、Ｄ型フリップフロップＱ１の出力端子Ｑがハイレベルになった場合に導通する。トランジスタＴＲ２２は、Ｄ型フリップフロップＱ２の出力端子Ｑがハイレベルになった場合に導通する。トランジスタＴＲ２３は、Ｄ型フリップフロップＱ３の出力端子Ｑがハイレベルになった場合に導通する。
【０１２５】
トランジスタＴＲ２０〜ＴＲ２３は、チャネル幅Ｗとチャネル長Ｌとの比（Ｗ／Ｌ）が互いに異なっている。具体的には、トランジスタＴＲ２０のチャネル幅とチャネル長との比をＷ／Ｌで表した場合、トランジスタＴＲ２１〜ＴＲ２３の比はそれぞれ、２Ｗ／Ｌ、４Ｗ／Ｌ、８Ｗ／Ｌである。
【０１２６】
トランジスタＴＲ２０〜ＴＲ２３のいずれかが導通した場合、出力端子ＯＵＴＬには、導通したトランジスタに応じた出力電圧が出力される。これにより、トランジスタＴＲ２０〜ＴＲ２３を組み合わせて導通させることで、出力端子ＯＵＴＬには、下位ビット保持部２２２によって保持された下位桁に応じたアナログ電圧を出力することができる。
【０１２７】
具体的には、ＡＤ変換増幅器１３から出力されたデジタル信号（ローレベル）により、下位ビット保持部２２２が備える４ビットのカウンタ回路がカウント動作を開始する。例えば、最下位ビットを保持するＤ型フリップフロップＱ０の出力Ｑが１になると、トランジスタＴＲ２０が導通し、トランジスタＴＲ２０と定電流源とで、出力端子ＯＵＴＬに一定の電圧を発生する。この電圧を計数値１とする。
【０１２８】
その後、フォトンが入射して、ローレベルのデジタル信号が入力されるたびに、Ｄ型フリップフロップＱ１、Ｑ２、Ｑ３の出力が変化し、それに応じて、出力端子ＯＵＴＬの電圧が変化する。その後、４ビットのカウンタ回路がフルカウントになれば、ＣＡＲＲＹ信号をハイレベルにして、上位ビット保持部２２１に入力する。
【０１２９】
以降、上位ビットは、上位ビット保持部２２１によって計数する。これにより、図１０に示すように、フォトンの検出数に応じて、上位桁の出力端子ＯＵＴと下位桁の出力端子ＯＵＴＬとの出力が変化する。なお、図１０は、本実施の形態に係る固体撮像装置の動作例を示す図である。
【０１３０】
以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置では、例えば、計数値保持部２２０は、計数値の下位桁をデジタル値として保持する下位ビット保持部２２２と、計数値の上位桁をアナログ値として保持する上位ビット保持部２２１とを備える。
【０１３１】
これにより、入射するフォトンの数が多い場合であっても、計数値を上位桁と下位桁とに分けて保持するので、フォトン数を正確に計数することができる。例えば、図４に示すフォトン数と計数値とがリニアな関係から大きく外れる前に、電圧Ｖｃｏｕｎｔ（ｎ）をリセットすることができるので、ΔＶ（ｎ）を用いてフォトン数を正確に計数することができる。
【０１３２】
また、例えば、読み出し部２３０は、計数値を下位桁と上位桁とに分けて、それぞれをアナログ値として読み出す。
【０１３３】
これにより、入射するフォトンの数が多い場合であっても、計数値を上位桁と下位桁とに分けて読み出すので、フォトン数を正確に計数することができる。
【０１３４】
（変形例）
以上の実施の形態１〜３では、入射するフォトンの数が限られる環境下での動作を想定したが、一般的な環境下のように、計数値保持部の計数値がオーバーフローするような数のフォトンが入射する場合は、本開示に係るアバランシェ増幅型の受光素子ＡＰＤを、アバランシェ増幅型でない、ノーマルなフォトダイオードとして動作させてもよい。
【０１３５】
図１１は、本変形例に係る固体撮像装置の単位画素の回路構成例を示す回路図である。
【０１３６】
図１１に示す画素回路４は、図２に示す画素回路１と比較して、新たに、出力部３４０を備える点が異なっている。
【０１３７】
出力部３４０は、受光素子ＡＰＤがアバランシェ増幅型でない受光素子として動作するとき、初段増幅器ＡＭＰ０の出力電圧をデジタル信号に変換することなく、出力する。本実施の形態では、出力部３４０は、信号線３４１と、増幅器ＡＭＰ６と、トランジスタＴＲ１００とを備える。増幅器ＡＭＰ６及びトランジスタＴＲ１００はそれぞれ、読み出し部３０の増幅器ＡＭＰ３及びトランジスタＴＲ９に相当する。なお、トランジスタＴＲの制御端子は、端子ＳＥＬ２に接続されており、読み出し部３０とは異なるタイミングで読み出すことができる。
【０１３８】
信号線３４１は、初段増幅器ＡＭＰ０の出力端子と、増幅器ＡＭＰ６の入力端子とを接続する。したがって、初段増幅器ＡＭＰ０から、ＡＤ変換増幅器１３及び計数値保持部２０を介することなく、出力端子ＯＵＴ２に初段増幅器ＡＭＰ０の出力電圧を出力する。
【０１３９】
以上のように、本変形例に係る固体撮像装置では、例えば、受光素子ＡＰＤは、計数値がオーバーフローする数のフォトンが入射した場合、アバランシェ増幅型でない受光素子として動作する。
【０１４０】
これにより、例えば、特に使用環境に関わらず、フォトンを捉えて出力することが可能となり、微弱光の検出から日常環境まで広いダイナミックレンジで撮影することができる。
【０１４１】
また、例えば、受光素子ＡＰＤは、カラーフィルタ又はマイクロレンズを備えてもよい。
【０１４２】
これにより、画像のカラー化やさらなる高感度化を図ることができる。
【０１４３】
（他の実施の形態）
以上、本開示に係る固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。本開示における技術は、各実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、各実施の形態に対して、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示に係る固体撮像装置を内蔵した各種機器、各種システムとして適用することができる。
【０１４４】
例えば、上記の実施の形態では、計数値を上位桁と下位桁との２つに分けて読み出す例について説明したが、３つ以上に分けて読み出してもよい。
【０１４５】
また、例えば、上記の実施の形態では、アバランシェ増幅型の受光素子としてアバランシェ増幅型フォトダイオードを用いる例について説明したが、アバランシェ増幅型フォトトランジスタを用いてもよい。
【０１４６】
また、例えば、上記の実施の形態では、電荷蓄積部としてフローティングディフュージョンＦＤを用いる例について説明したが、受光素子で発生した電荷を蓄積する容量であれば、これに限らない。
【０１４７】
また、本開示に係る固体撮像装置は、画素が半導体基板の表面、すなわち、トランジスタのゲート端子及び配線が形成された面と同じ面側に形成される構造でもよい。あるいは、本開示に係る固体撮像装置は、画素が半導体基板の裏面、すなわち、トランジスタのゲート端子及び配線が形成された面に対して裏面側に形成される、いわゆる、裏面照射型イメージセンサ（裏面照射型固体撮像装置）の構造でもよい。
【０１４８】
また、上記の各実施の形態は、請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本開示に係る固体撮像装置は、例えば、放射線検出などのランダムな発光事象の微弱光を検出する撮像装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【０１５０】
１、２、３、４  画素回路
１０  検出部
１１  受光部
１２  リセット部
１３  ＡＤ変換増幅器
２０、１２０、２２０  計数値保持部
３０、１３０、２３０  読み出し部
３１  出力信号線
１２１  アナログ計数回路
１２２  デジタル計数回路
１３１  アナログ読み出し部
１３２  デジタル読み出し部
２２１  上位ビット保持部
２２２  下位ビット保持部
２３１  上位ビット読み出し部
２３２  下位ビット読み出し部
３４０  出力部
３４１  信号線
ＡＭＰ０  初段増幅器
ＡＭＰ１、ＡＭＰ２  インバータ
ＡＭＰ３、ＡＭＰ５、ＡＭＰ６  増幅器
ＡＭＰ４  比較器
ＡＰＤ  受光素子
Ｃ０  ＤＣカット容量
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３  容量
ＤＥＬＡＹ  遅延回路
ＦＤ  フローティングディフュージョン
Ｑ０、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３  Ｄ型フリップフロップ
ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、ＴＲ４、ＴＲ５、ＴＲ６、ＴＲ７、ＴＲ８、ＴＲ９、ＴＲ１０、ＴＲ１１、ＴＲ１２、ＴＲ１３、ＴＲ２０、ＴＲ２１、ＴＲ２２、ＴＲ２３、ＴＲ１００  トランジスタ
【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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