(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
列及び行に配列された複数のピクセルを有するアクティブピクセルセンサであって、前記列及び行はＮが１より大きいとき行Ｒ１で開始し行ＲＮで終了する行の順序で前記アクティブピクセルセンサから読み出され、前記アクティブピクセルセンサの前記複数のピクセルの少なくとも一部は、
電荷-電圧変換ノードにトランスファーゲートを介して接続された、前記複数のピクセルの内の指定ピクセル行Ｒｉの光検出器と、
前記電荷-電圧変換ノードへ接続されたソースを有する、前記指定ピクセル行Ｒｉの光検出器と関連したリセットトランジスターと、
前記指定ピクセル行Ｒｉのリセットゲートバスと接続した前記リセットトランジスターのリセットゲート及び前記複数のピクセルの内の前のピクセル行Ｒｉ−１のリセットゲートバスに接続した前記リセットトランジスターのドレインと、
前記電荷-電圧変換ノードに接続された増幅器のゲートと、を有するアクティブピクセルセンサ。
【請求項２】
アクティブピクセルセンサの動作方法であって、
前記アクティブピクセルセンサは、Ｎが１より大きいとき行Ｒ１で開始し行ＲＮで終了する順序で行が読み出されうるように、行及び列に配列された複数のピクセルを有し、
各行の各ピクセルは、指定ピクセル行Ｒｉのリセットゲートバスと接続されたリセットトランジスターのリセットゲートと、前のピクセル行Ｒｉ−１のリセットゲートバスと接続された前記リセットトランジスターのドレインとを有し、
前記方法は、
前記前のピクセル行Ｒｉ−１のリセットゲートバスを第一の論理状態に設定すると同時に、更に前のピクセル行Ｒｉ−２のリセットゲートバスを第二の論理状態に設定し、前記前のピクセル行Ｒｉ−１のピクセルを選択解除する段階、
前記指定ピクセル行Ｒｉのリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定すると同時に、前記前のピクセル行Ｒｉ−１のリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定し、前記指定ピクセル行Ｒｉ内のピクセルを選択及びリセットする段階、及び
前記指定ピクセル行Ｒｉのリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定すると同時に、前記前のピクセル行Ｒｉ−１のリセットゲートバスを前記第二の論理状態に設定し、前記指定ピクセル行Ｒｉ内のピクセルを選択解除する段階、
を有する方法。
【請求項３】
前記指定ピクセル行Ｒｉのリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定すると同時に、前記前のピクセル行Ｒｉ−１のリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定する段階は、前記指定ピクセル行Ｒｉの各ピクセルの増幅器を列バスと接続し、
前記指定ピクセル行Ｒｉのリセットゲートバスを前記第一の論理状態に設定すると同時に、前記前のピクセル行Ｒｉ−１のリセットゲートバスを前記第二の論理状態に設定する段階は、前記指定ピクセル行Ｒｉの増幅器を前記列バスから切断する、
請求項２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体フォトセンサと、各ピクセルと関連したアクティブ回路素子を有するアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）と呼ばれるイメージャとの分野に関し、より詳細には、フォトダイオード型光検出器の４つのトランジスタピクセルと相関二重サンプリング（correlated double sampling、ＣＤＳ）とを利用する固体イメージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＰＳは固体イメージャであり、各ピクセルは光感知手段と、リセット手段と、電荷電圧変換手段と、さらに全て又は部分的に増幅器とを具備する固体ピクセル素子を通常含む。ピクセル内に集められた光電荷は、エリック  フォサム(Eric Fossum) による1993年７月のSPIEの1900-08-8194-1133 巻での「アクティブピクセルセンサ：ＣＣＤは恐竜か？（Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?) 」での先行技術文献で説明されているようなピクセル内で、対応する電圧若しくは電流に変換される。ＡＰＳデバイスはイメージャの各ライン又は行が選択され、イ  フォサム(E. Fossum) による1993年７月のSPIEの1900-08-8194-1133 巻での「アクティブピクセルセンサ：ＣＣＤは恐竜か？（Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?) 」や、R. H. Nixon, S. E. Kemeny 、C. O. Staller とE. R. FossumによるSPIEのプロシーディング2415巻の「オンチップタイミングと、コントロールと信号チェーン電子工学とを有する１２８ｘ１２８ＣＭＯＳフォトダイオードタイプアクティブマトリックスセンサ（128x128 CMOS Photodiode-type Active Pixel Sensor with On-chip Timing, Control and Signal Chain Electronics) 」、1995年の論文３４での「電荷結合素子と固体光学センサＶ（Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V) 」で説明された列選択信号を利用して読出されるように作動する。アクティブピクセルセンサ内での行及び列の選択は、メモリ装置でのワード及びビットの選択に類似する。ここで、全体の行の選択はワードを選択することに類似しており、アクティブピクセルセンサの一つの列からの読出しは、そのワード内で単一のビットラインを選択又はイネーブリングすることに類似する。従来の先行技術でのフォトダイオード装置では、４つのトランジスタ設計を利用するアーキテクチャを示しており、４つのトランジスタ（４Ｔ）は、通常トランスファー、行選択、リセット及びソースフォロワ増幅器トランジスタである。このアーキテクチャは容易にＣＤＳを実行し、低読出しノイズが得られる能力を有するＡＰＳが得られる利点があり、上記４Ｔピクセルは低い充填比（fill factor)である。充填比は光センサに当てるピクセル面積の割合である。上記４つのトランジスターと関連するコンタクト領域と信号バスは各ピクセルに配置され、コンタクト領域は所望の重なりとさまざまな層の空間により、通常大きなピクセル面積を使うので、ピクセルの充填比は光検出器に利用される大きな面積のため減少する。上記部品の夫々の適当なタイミング信号への接続は、ピクセルの全体の行を横行する金属バスにより行われる。上記金属バスは光学的に不透明であり、光検出器の領域をさえぎり、ピクセルピッチに適合する。更に、このことはピクセルの充填比を減少させる。充填比を減少させることは、センサの感度及び飽和信号を低下させる。上記のことはセンサの写真スピードやダイナミックレンジ、さらに高画質を得るために重要である性能測定に悪影響を与える。
【０００３】
３つのトランジスタ（３Ｔ）を基礎とするピクセルを利用する先行技術での装置は、４Ｔピクセルより高い充填比を有するが、上記３ＴピクセルはＣＤＳを容易に実行できない。３つのトランジスタを基礎とするピクセルを利用してＣＤＳを実行するセンサは、先ず通常センサの各ピクセルのリセットレベルからなる画像フレームを読出し、保存する。次に、信号フレームを得て読出す。それから、メモリに保存されたリセットレベルフレームは各ピクセルで信号フレームから減じてピクセル信号レベルを与え、統合に先立ち、ピクセルリセットレベルと関連づける。上記のことにはイメージングシステムでのメモリに余分なフレームと、デジタル信号処理チェーンでの余分な工程とを必要とし、よってシステムの速度、サイズ及びコストに悪影響を与える。
【０００４】
典型的な先行技術でのフォトダイオードＡＰＳピクセルを図１に示す。図１に示すピクセルは、フォトダイオード（ＰＤ）、トランスファートランジスタ（ＴＧ）、フローティングディフュージョン（ＦＤ）、リセットゲート（ＲＧ）のあるリセットトランジスタと、行選択ゲート（ＲＳＧ）のある行選択トランジスタと、ソースフォロワ入力信号トランジスタ（ＳＩＧ）と、行選択信号バス（ＲＳＳＢ）と、リセットゲート信号バス（ＲＧＳＢ）とトランスファーゲート信号バス（ＴＧＳＢ）とからなる先行技術での４つのトランジスタピクセルである。２つの隣接するピクセルを示し、各ピクセルは同じであるが分離したトランジスタとＲＧ、ＴＧ及びＲＳＧ用の行制御信号バスを含む。前述したように、上記４つのトランジスタピクセルでは、ピクセル当たり余分なトランジスタを導入することにより、ＣＤＳでの低読出しノイズを提供する。しかしながら、４つのトランジスタを実行させるために必要な面積により、３つのトランジスタピクセルと比較してピクセルの充填比は減少する。
【０００５】
高い充填比を有する別のピクセルアーキテクチャと、画像データの全体のフレームを得て保存する必要がなくＣＤＳを実行できる能力とを備えたセンサが望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）を実行する能力のある高い充填比のフォトダイオードアクティブピクセルアーキテクチャを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、隣接行の行選択手段のある１つの行でのＲＧ制御信号を共有することにより達成される。分離行選択トランジスターを排除しながら、４つのトランジスターピクセルの機能性は維持される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図２は本発明によるアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）の３つのトランジスターのフォトダイオードピクセルアーキテクチャの模式図である。図２に示す好ましい実施態様は、発明者が知る限りにおいてベストモードである。後述するように、他の物理的実施態様も実現可能であり、図２に示す実施態様の明白な変形態様である。図２に示すピクセル１０は、数多くの行及び列を具有するピクセルのアレイ内の単一ピクセルである。二つの行の隣接ピクセル１０を図２に示し、隣接行での他の目的のために利用される一の行での単一ラインをどのように制御するかを示す。タイミング及び動作の説明のため、更に、図２はセンサを読出すために利用される列ごとのアナログ信号処理の例を含む。列ごとの信号処理といわれるものは、相関二重サンプリングであり、サンプルとホールド信号（ＳＨＳ）と、サンプルとホールドリセット（ＳＨＲ）トランジスターの制御下で実行され、そのトランジスターは信号コンデンサーＣｓによるピクセル信号電圧と、リセットコンデンサーＣｒによるピクセルリセット電圧のサンプリングを作動させる。
【０００９】
図２に示すように、ピクセル１０はフォトダイオード光検出器１２（ＰＤ）と、トランスファーゲート（ＴＧ）２３と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）２５と、リセットゲート１５（ＲＧ）のあるリセットトランジスター１４と、リセットトランジスター１４のリセットドレイン１８と、ソースフォロワ入力信号トランジスター２１（ＳＩＧ）と、トランスファーゲート信号バス（ＴＧＳＢ）２６と、リセットゲート信号バス（ＲＧＳＢ）２７とからなる。図１に示す先行技術でのピクセルの行選択及び行選択信号バスは排除され、行選択処理は後述する新規な方法で実行される。図２に示すように、いずれかのある行のリセットゲート信号バス（ＲＧＳＢ）２７（以下、本願ではＲｏｗi という）は読出しシーケンスでの次の行、以下、Ｒｏｗi +1という、のリセットドレイン１８に接続している。２つのピクセル内のトランジスターと、ゲートと信号バス成分は、下付き文字が付されて二つのピクセルが存在する行を示す。
【００１０】
図３を参照するに、図３は図２に示す３つのトランジスターのピクセル１０の動作を説明するために利用されるタイミングダイアグラムを示し、図２の新規なピクセルアーキテクチャの動作を説明する。なお、説明するピクセル動作はＣＭＯＳアクティブセンサ装置のシャッター動作をローリングするラインごとの基準に関係したピクセル１０の全体の行で起こることは理解できるであろう。ダイアグラムはセンサ内での３つの行、Ｒｏｗi-1 、Ｒｏｗi 、Ｒｏｗi+1 の読出しのタイミングシーケンスを示す。タイミングダイアグラムでの各信号は、関連する行を示す下付き文字が付してある。タイミングダイアグラムでのレベルは関係しており、最適センサ性能が生じるように所定の信号レベルに設定されていることは理解されるであろう。
【００１１】
タイミングダイアグラムはτ0 で示される時間の点で開始し、Ｒｏｗi-1 の統合時間が経過してＲｏｗi-1 の読出しが始まる。Ｒｏｗi-2 は選択解除され、ＲＧi-2 とＲＧi-1 は、Ｒｏｗi-1 （ＦＤi-1 ）から〜ＶＤＤ、つまり数多の適切な所定電位でのフローティングディフュージョンをリセットするために時間τ1 でハイである。リセットポテンシャルはＲｏｗi-1 でのソースフォロワ入力トランジスター（ＳＩＧi-1 ）にスイッチを入れ、時間τ2 でのＳＨＲにパルスを加えることによりサンプリングされ、Ｃｒで保持されるフローティングディフュージョンのリセットレベルの読出しの行を効率的に選択する。Ｒｏｗi-1 のトランスファーゲート（Ｔｇi-1 ）は時間τ3 でパルスが入り、Ｒｏｗi-1 でのフォトダイオードから信号電荷をＲｏｗi-1 のフローティングディフュージョン（ＦＤi-1 ）へ移動させる。Ｒｏｗi-1 のフローティングディフュージョン（ＦＤi-1 ）の信号レベルは読出し用のＲｏｗi-1 を効果的に選択するレベルにあり、それからＲｏｗi-1 の上記フローティングディフュージョン（ＦＤi-1 ）の信号レベルは、時間τ4 でのＳＨＳにパルスを加えることによりサンプリングされ、Ｃｓで保持される。次に、Ｒｏｗi-1 での各列は、時間τ5 での「Ｒｏｗi-1 の読出し」によるタイミングダイアグラムで指摘される期間で列ごとの差動増幅器３２を経由して区別して読出される。
【００１２】
Ｒｏｗi-1 の読出しに続いて、Ｒｏｗi-1 はＲＧi-1 にパルスを加えることにより選択解除とし、時間τ6 でＲＧi-2 をロウのままにしておく。このことはＲｏｗi-1 のフローティングディフュージョン（ＦＤi-1 ）の電圧をリセットしてＲｏｗi-1 でのソースフォロワトランジスター（ＳＩＧi-1 ）のスイッチを切るレベルへ持って行き、出力信号列バスからのＲｏｗi-1 のソースフォロワを効率的に接続解除にし、よってＲｏｗi-1 を選択解除させる。次に、Ｒｏｗi はＲＧ1 にパルスを加えて選択され、一方、ＲＧi-1 は時間τ7 でハイに保持される。なお、時間τ7 でのＲＧi-1 の再度パルスを加えることにより、低電圧に読取られた先の行のフローティングディフュージョンをただ単にリセットし、行のソースフォロワ信号トランジスター（ＳＩＧi-1 ）を非利用状態に維持し、先に読取られた行のフローティングディフュージョン（ＦＤi-1 ）を効果的に接続解除にし、そしてＲＯＷi の場合に読取られる現在の列（current row)の出力で干渉されることを防止することを指摘しておく。ＲＯＷi のフローティングディフュージョン（Ｆｄi ）のリセットレベルは、時間τ8 でＳＨＲにパルスを加えることによりサンプリングされ、保持される。それからＴＧi は「ハイ」にパルスを加えられ、信号電荷をＲＯＷi のフォトダイオード（Ｐｄi ）から時間τ9 でＲＯＷi のフローティングディフュージョン（ＦＤi ）へ移動させ、信号レベルは時間τ10でＳＨＳにパルスを加えることによりサンプリングされ、保持される。それからＲｏｗi の読出しはＲｏｗi-1 と同様に終了する。
【００１３】
ＲＯＷi-1 及びＲＯＷi での処理の説明は、Ｒｏｗi+1 にも繰り返される。ＲＯＷi はＦＤi をτ11でロウ電圧レベルへ設置し、ＲＧi に「ハイ」のパルスを入れることにより選択解除され、一方、ＲＧi-1 はＲＯＷi のソースフォロワトランジスターをディスエーブリングするロウに保持される。Ｒｇi はその時間で「ハイ」であり、Ｒｏｗi+1 は選択解除された全ての他の行で効果的に選択されるので、Ｒｏｗi+1 はリセットされ、時間τ12でＲｏｗi+1 を選択するように作動する；リセットレベルはＳＨＲを作動させることにより時間τ13でサンプリングされ保持される；信号レベルはＴｇi+1 により時間τ14でＰＤi+1 からＦＤi+1 に移動する；それから信号レベルは時間τ15でサンプリングされ保持される；前述したように、Ｒｏｗi+1 の読出しは時間τ16で起こる。
【００１４】
フレーム読出しの全体のフレーム又はシーケンスが完了するまで、センサの全ての行に対して上記の処理を繰り返す。なお、行選択及び選択解除処理は２ＲＧパルスの第一を排除し、図３に示すように隣接ＲＧ信号の十分な重なりを有することにより、更に組合わせられる。図３に示すタイミングは、発明者が本発明を作動させるベストモードと信じているものである。
【００１５】
以上の作動の詳細な説明から、本発明の新規な３つのトランジスターフォトダイオードピクセルアーキテクチャは、リセットフレームを保存させる必要性なしに本当のＣＤＳ出力信号を提供する。
図１に示す典型的な先行技術のフォトダイオードＡＰＳピクセルは４つのトランジスターと、３つの行制御信号バスからなる。図２に示す新規なピクセルアーキテクチャと比較することにより、本発明は３つのトランジスターと２つの行制御信号バスのみからなる。１つのトランジスターとバスと関連するコンタクト領域を排除することにより、光検出器へ割り当てるより多くのピクセル面積を提供する。このことは実質的に高いピクセル充填比を提供し、結果として高い光学感度を有することになる。
【００１６】
図４は前述した新規なピクセルアーキテクチャの平面図であり、本発明のコンセプトを更に示す。図４では、ＲＯＷi-1 でのリセットトランジスターのゲート（ＲＧi-1 ）は、シーケンスＲＯＷi で読出されるべき次の行のリセットトランジスターのリセットドレインである。
前述の説明は発明者による最善の実施態様を詳細に示している。上記実施態様の変形態様は当業者には容易に明らかであろう。したがって、本発明の範囲は添付した特許請求の範囲により確定されるべきである。
【００１７】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、高い充填比である３つのトランジスターのみを利用して、本当の相関二重サンプリング（ＣＤＳ）のあるフォトダイオードアクティブピクセルセンサを提供する。得られた効果は高い充填比と、低い一時的なノイズである。不利益な点は予測できない。
【図面の簡単な説明】
【図１】４つのトランジスターのフォトダイオードアクティブピクセルセンサのピクセルでの先行技術のアーキテクチャの二つの隣接ピクセルの略線図である。
【図２】アクティブピクセルセンサの新規なフォトダイオードピクセルのアーキテクチャの二つの隣接ピクセルの略線図である。
【図３】図２に示すピクセルの動作を示すタイミングダイアグラムである。
【図４】図２に示すピクセルのレイアウトの平面図である。
【符号の説明】
１０      ピクセル
１２      フォロダイオード
１４      リセットトランジスター
１５      リセットゲート
１８      リセットドレイン
２１      ソースフォロワ入力トランジスター
２３      トランスファーゲート
２５      フローティングディフュージョン
２６      トランスファーゲート信号バス
２７      行選択及びフォトゲート信号バス
３２      作動増幅器
ＳＨＳ    サンプルとホールド（保持）信号トランジスター
ＣＳ      信号保存コンデンサー
ＳＨＲ    サンプルとホールドリセットトランジスター
ＣＲ      リセット保存コンデンサー
【図１】
0004829393.tif 000002
【図２】
0004829393.tif 000003
【図３】
0004829393.tif 000004
【図４】
0004829393.tif 000005