(57)【要約】【課題】  暗いシーンでは高感度の画像データが得られる様にする。【解決手段】  画素対応に設けられた信号電荷蓄積領域と各信号電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を読み出し転送する電荷結合素子型の垂直転送路及び水平転送路とが形成された半導体基板と、該半導体基板の上に積層された光電変換膜とを有し、該光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号電荷が前記信号電荷蓄積領域に蓄積される光電変換膜積層型固体撮像素子を備える撮像装置において、信号電荷蓄積領域から垂直転送路に読み出された信号電荷を垂直転送路に沿って水平転送路まで転送したあと前記水平転送路で転送パルスΦH1,ΦH2により転送し外部に出力する途中で複数画素の信号電荷を加算する手段を設ける。例えば、リセットパルスΦRSの周期を倍にすることで、水平方向の２画素分が加算され出力される。【選択図】  図９
2005286700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素対応に設けられた信号電荷蓄積領域と各信号電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を読み出し転送する電荷結合素子型の垂直転送路及び水平転送路とが形成された半導体基板と、該半導体基板の上に積層された光電変換膜とを有し、該光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号電荷が前記信号電荷蓄積領域に蓄積される光電変換膜積層型固体撮像素子を備える撮像装置において、前記信号電荷蓄積領域から前記垂直転送路に読み出された前記信号電荷を該垂直転送路に沿って前記水平転送路まで転送したあと前記水平転送路で転送し外部に出力する途中で複数画素の信号電荷を加算する手段を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記加算する手段は、垂直方向の複数の画素の信号電荷を垂直転送路内で加算することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記加算する手段は、水平ブランキング期間に前記垂直転送路に印加されるラインシフトパルス数を制御することで垂直方向の加算画素数を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記加算する手段は、前記水平転送路の出力段に設けられたリセットゲートを動作させるリセットパルスの周波数を制御して水平方向の加算画素数を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記信号電荷の前記垂直転送路への読み出し時に読み出す画素の間引きを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換膜が前記半導体基板の上に複数層積層され、各光電変換膜が異なる波長の入射光によって光電変換を行う構成になっていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数層設ける光電変換膜は、赤色に分光感度特性のピークが有る第１の光電変換膜と、緑色に分光感度特性のピークがある第２の光電変換膜と、青色に分光感度特性のピークがある第３の光電変換膜とを備え、前記信号電荷の加算は、同一色の信号電荷で行うことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記複数層設ける光電変換膜は、青色と緑色の中間色に分光感度特性のピークがある第４の光電変換膜を備えることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記加算する手段が複数画素の信号電荷を加算する高感度読出モードと、加算せずに全画素からの個々の信号電荷をそのまま読み出す高解像度読出モードとを選択する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光量に応じた電荷を発生する光電変換膜を半導体基板上に積層した光電変換膜積層型固体撮像素子を備える撮像装置に係り、特に、光電変換膜で発生した信号電荷を半導体基板上に形成した電荷転送路によって転送し外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像素子を備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラに搭載されているＣＣＤ型固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子では、半導体基板の表面に、受光部となる多数の光電変換素子（フォトダイオード）と、各光電変換素子で得られた光電変換信号を外部に読み出す信号読出回路が形成されている。信号読出回路は、ＣＣＤ型であれば電荷転送回路と転送電極、ＣＭＯＳ型であればＭＯＳ回路と信号配線で構成される。
【０００３】
従って、従来の固体撮像素子は、多数の受光部と信号読出回路とを同じ半導体基板の表面に形成しなければならず、受光部の面積を広くとることができないという問題がある。
【０００４】
また、従来の単板式の固体撮像素子は、各受光部に、例えば赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のカラーフィルタのうちの１つが積層され、各受光部が夫々１色の光信号を検出する構成になっている。このため、例えば赤色の光を検出する受光部位置における青色光の信号及び緑色光の信号は、周りの青色光，緑色光を検出する各受光部の検出信号を補間演算して求めており、これが偽色の原因となり、また、解像度を低下させている。しかも、赤色のカラーフィルタが形成された受光部に入射した青色光と緑色光は光電変換に寄与することなくカラーフィルタに熱として吸収されてしまい、このため、光利用効率が悪く、感度が低いという問題もある。
【０００５】
従来の固体撮像素子は、上述したように様々な問題を抱えている一方、多画素化が進展して、現在では、数百万画素という多数の受光部を１チップの半導体基板上に集積しており、１つ１つの受光部の開口寸法が波長オーダに近づいている。このため、上述した各問題を解決し画質や感度の点で今以上のイメージセンサをＣＣＤ型やＣＭＯＳ型で期待するのが困難になっている。
【０００６】
そこで、例えば下記特許文献１に記載されている固体撮像素子の構造が見直されている。この固体撮像素子は、信号読出回路を表面に形成した半導体基板上に、赤色検出用の感光層と、緑色検出用の感光層と、青色検出用の感光層を成膜技術によって積層し、これらの感光層を受光部とし、各感光層で得られた光電変換信号を、信号読出回路によって外部に取り出すという構造、即ち、光電変換膜積層型の構造になっている。
【０００７】
斯かる構造にすれば、半導体基板表面に受光部を設ける必要が無くなるため、信号読出回路の設計上の制約が大幅になくなり、また、入射光の光利用効率が向上して感度が向上する。更に、１画素で赤色，緑色，青色の３原色の光を検出できるため、解像度が向上し、偽色もなくなり、上述した従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子が抱えていた問題を解決することが可能となる。
【０００８】
そこで、近年では、下記特許文献２，３，４，５に記載されている光電変換膜積層型固体撮像素子が提案されるようになってきており、上記の感光層として、有機半導体を使用したり、ナノ粒子を使用したりしている。
【０００９】
【特許文献１】特開昭５８―１０３１６５号公報
【特許文献２】特開２００２―８３９４６号公報
【特許文献３】特表２００２―５０２１２０号公報
【特許文献４】特表２００３―５０２８４７号公報
【特許文献５】特許第３４０５０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
光電変換膜積層型固体撮像素子は、受光部を半導体基板の表面に設ける必要がないため、ＣＣＤ型イメージセンサに比較して更なる多画素化を図ることができ、高解像度の画像を撮像することが可能になる。
【００１１】
しかし、多画素化を図ると、逆に、一画素当たりで得られる最大の電子数が少なくなり、光電変換膜積層型固体撮像素子であっても、非常に暗い撮影シーンを撮像した場合には出力信号が小さくなりすぎ、相対的に雑音が大きくなってＳ／Ｎの悪い画像になってしまうという問題が生じる。
【００１２】
本発明の目的は、明るい撮影シーンでは高解像度の画像を撮像でき、暗い撮影シーンでは高感度の画像を撮像できる光電変換膜積層型固体撮像素子を備える撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の撮像装置は、画素対応に設けられた信号電荷蓄積領域と各信号電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を読み出し転送する電荷結合素子型の垂直転送路及び水平転送路とが形成された半導体基板と、該半導体基板の上に積層された光電変換膜とを有し、該光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号電荷が前記信号電荷蓄積領域に蓄積される光電変換膜積層型固体撮像素子を備える撮像装置において、前記信号電荷蓄積領域から前記垂直転送路に読み出された前記信号電荷を該垂直転送路に沿って前記水平転送路まで転送したあと前記水平転送路で転送し外部に出力する途中で複数画素の信号電荷を加算する手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
この構成により、全画素から夫々の信号電荷を読み出して高解像度の画像データを得る他に、暗い撮影シーンのときに複数画素の信号電荷の加算を行って高感度の画像データを得ることができる。
【００１５】
本発明の撮像装置の前記加算する手段は、垂直方向の複数の画素の信号電荷を垂直転送路内で加算することを特徴とする。
【００１６】
この構成により、画素加算用のメモリ無しに垂直方向の画素加算を容易に行うことが可能となる。
【００１７】
本発明の撮像装置の前記加算する手段は、水平ブランキング期間に前記垂直転送路に印加されるラインシフトパルス数を制御することで垂直方向の加算画素数を制御することを特徴とする。
【００１８】
この構成により、画素加算用のメモリ無しに容易に垂直方向の画素加算を行うことが可能となる。
【００１９】
本発明の撮像装置の前記加算する手段は、前記水平転送路の出力段に設けられたリセットゲートを動作させるリセットパルスの周波数を制御して水平方向の加算画素数を制御することを特徴とする。
【００２０】
この構成により、画素加算用のメモリ無しに容易に水平方向の画素加算を行うことができる。
【００２１】
本発明の撮像装置は、前記信号電荷の前記垂直転送路への読み出し時に読み出す画素の間引きを行うことを特徴とする。
【００２２】
この構成により、高フレームレートの動画像データを得ることが可能となる。
【００２３】
本発明の撮像装置は、前記光電変換膜が前記半導体基板の上に複数層積層され、各光電変換膜が異なる波長の入射光によって光電変換を行う構成になっていることを特徴とする。
【００２４】
この構成により、１画素で複数色の同時検出が可能となり、解像度の向上、光利用効率の向上、偽色の抑制、高感度化等、従来のＣＣＤ型イメージセンサが抱えていた問題を解決することができる。
【００２５】
本発明の撮像装置の前記複数層設ける光電変換膜は、赤色に分光感度特性のピークが有る第１の光電変換膜と、緑色に分光感度特性のピークがある第２の光電変換膜と、青色に分光感度特性のピークがある第３の光電変換膜とを備え、前記信号電荷の加算は、同一色の信号電荷で行うことを特徴とする。
【００２６】
この構成により、３原色によるカラー画像の撮像ができると共に、既存のＲ，Ｇ，Ｂ信号用の信号処理回路を利用可能となる。
【００２７】
本発明の撮像装置の前記複数層設ける光電変換膜は、青色と緑色の中間色に分光感度特性のピークがある第４の光電変換膜を備えることを特徴とする。
【００２８】
この構成により、第４の光電変換膜で得られた信号を第１の光電変換膜で得られた信号から減算し、人間の視感度に応じた赤色を得ることが可能となる。
【００２９】
本発明の撮像装置は、前記加算する手段が複数画素の信号電荷を加算する高感度読出モードと、加算せずに全画素からの個々の信号電荷をそのまま読み出す高解像度読出モードとを選択する手段を備えることを特徴とする。
【００３０】
この構成により、暗い撮影シーンのときのみ画素加算を行って高感度の画像データを固体撮像素子から出力させ、明るい撮影シーンのときは画素加算を行わず、高解像度の画像データを固体撮像素子から出力させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、明るい撮影シーンでは高解像度の画像を撮像でき、暗い撮影シーンでは高感度の画像を撮像できる光電変換膜積層型固体撮像素子を備える撮像装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子を搭載した撮像装置のブロック構成図である。この撮像装置は、撮影レンズや絞り等の結像光学系１と、詳細は後述する光電変換膜積層型固体撮像素子１００と、光電変換膜積層型固体撮像素子１００から出力されるアナログの画像信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器２と、デジタルの画像信号を画像処理して記録メディアに格納したり表示装置に表示させたりする画像信号処理部３と、光電変換膜積層型固体撮像素子１００の駆動制御を行う駆動部４と、シャッタボタン等の操作部からの信号を取り込んで画像信号処理部３や駆動部４及び結像光学系１を制御する制御部５とを備える。
【００３４】
尚、光電変換膜積層型固体撮像素子１００の出力段にアナログ／デジタル変換装置が一体に設けられる場合には、上記のアナログ／デジタル変換器２は不要となる。
【００３５】
図２は、図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子１００の表面模式図である。光電変換膜積層型固体撮像素子１００には、多数の受光部１０１が、この例では正方格子状に配列されている。光電変換膜積層型固体撮像素子１００の受光部１０１の下側に設けられた半導体基板の表面には、列方向に並ぶ受光部１０１と重なる位置に垂直転送路（列方向ＣＣＤレジスタ）１０２が形成されており、該半導体基板の下辺部には水平転送路（行方向ＣＣレジスタ）１０３が形成されている。
【００３６】
水平転送路１０３の出口部分には出力アンプ１０４が設けられ、各受光部１０１で検出された信号電荷は、先ず、垂直転送路１０２によって水平転送路１０３に転送され、次に水平転送路１０３によって出力アンプ１０４まで転送され、出力アンプ１０４から出力信号１０５として出力される。
【００３７】
半導体基板の表面には、垂直転送路１０２に重ねて設けられた図示しない転送電極に接続された電極端子１０６，１０７，１０８が設けられ、また、受光部１０１の後述する画素電極に接続される電極端子１０９が設けられ、水平転送路１０３の転送用の電極端子１１０，１１１が設けられる。
【００３８】
電極端子１０６，１０７，１０８には、後述の垂直転送パルス信号Φv1，Φv2，Φv3が印加され、電極端子１１０，１１１には、後述の水平転送パルス信号ΦH1，ΦH2が印加される。
【００３９】
図３は、図２の矩形枠III内の拡大模式図であり、１つの受光部１０１を拡大している。列方向に並ぶ受光部１０１と隣の列の受光部１０１との間には、受光部１個に対してこの例では３つの接続部１２１ｒ，１２１ｇ，１２１ｂが設けられている。尚、ｒ，ｇ，ｂの添え字は、以下も同様であるが、検出する入射光の色である赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）に対応する。
【００４０】
図４は、図３のIV―IV線断面模式図である。ｎ型半導体基板１３０の上部にはＰウェル層１３１が形成され、Ｐウェル層１３１の表面部には、垂直転送路１０２を構成するｎ型半導体層１３２が設けられている。このｎ型半導体層１３２の表面に、ゲート絶縁膜１３３を介して、多結晶シリコンでなる転送電極１３６ｒ，１３６ｇ，１３６ｂが形成され、その上に、光遮蔽膜１３４を挟んで絶縁膜１３５が形成されている。
【００４１】
絶縁膜１３５の上部には、透明絶縁膜１２４が積層され、その上に、受光部１０１毎に区分けされた電極膜（以下、画素電極膜という。）１２０ｒが積層され、その上部に、赤色（Ｒ）を検出する光電変換膜１２２ｒが積層される。この光電変換膜１２２ｒは受光部毎に区分けして設ける必要はなく、各受光部１０１が集合する受光面全面に対し１枚構成で積層される。
【００４２】
光電変換膜１２２ｒの上には、赤色信号を検出する各受光部１０１に共通の共通電極膜１２３ｒがこれも一枚構成で積層され、その上部に、透明の絶縁膜１２４が積層される。
【００４３】
絶縁膜１２４の上部には、受光部１０１毎に区分けされた画素電極膜１２０ｇが積層され、その上に、緑色（Ｇ）を検出する光電変換膜１２２ｇが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜１２３ｇが積層され、その上部に、透明の絶縁膜１２４が積層される。
【００４４】
この絶縁膜１２４の上部には、受光部１０１毎に区分けされた画素電極膜１２０ｂが積層され、その上に、青色（Ｂ）を検出する光電変換膜１２２ｂが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜１２３ｂが積層される。
【００４５】
各受光部毎の画素電極膜１２０ｂ，１２０ｇ，１２０ｒは、入射光方向に整列して設けられる。即ち、本実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子１００では、１つの受光部１０１で赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色を検出する構成であり、以下、単に「画素」と述べた場合には、３色を検出する受光部１０１を指し、色画素とか赤色画素，緑色画素，青色画素と述べた場合には、夫々の色を検出する部分画素（共通電極膜と１つの画素電極膜とで挟まれた光電変換膜の部分）というものとする。
【００４６】
図３に示す接続部１２１ｂは青色画素電極膜１２０ｂに接続され、接続部１２１ｇは緑色画素電極膜１２０ｇに接続され、接続部１２１ｒは赤色画素電極膜１２０ｒに接続される。また、図２の電極端子１０９は、共通電極膜１２３ｂ，１２３ｇ，１２３ｒに共通に接続される。
【００４７】
均質な透明の電極膜１２３ｒ，１２３ｇ，１２３ｂ，１２０ｒ，１２０ｇ，１２０ｂとしては、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化インジウム（ＩｎＯ２）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄膜を用いるが、これに限るものではない。
【００４８】
光電変換膜１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂとしては、単層膜でも多層膜でもよく、膜材料としては、シリコンや化合物半導体等の無機材料，有機半導体，有機色素などを含む有機材料，ナノ粒子で構成した量子ドット堆積膜など種々の材料が使用できる。
【００４９】
図５は、図３に示す状態から、図４の光遮蔽膜１３４より上を取り払った状態を示す半導体基板の表面模式図である。１つの画素１０１に対して３つの転送電極１３６ｒ，１３６ｇ，１３６ｂが設けられており、転送電極１３６ｒの左隣には当該画素１０１の赤色画素で発生した信号電荷を蓄積するｎ型高濃度不純物領域１３７ｒが形成され、転送電極１３６ｇの左隣には緑色画素で発生した信号電荷を蓄積するｎ型高濃度不純物領域１３７ｇが形成され、転送電極１３６ｂの左隣には青色画素で発生した信号電荷を蓄積するｎ型高濃度不純物領域１３７ｂが形成されている。
【００５０】
各転送電極１３６ｒ，ｇ，ｂは、夫々電荷蓄積領域１３７ｒ，ｇ，ｂまで延設され、延設部分１３８ｒ，ｇ，ｂが、各電荷蓄積領域１３７ｒ，ｇ，ｂの蓄積電荷を各転送電極１３６ｒ，ｇ，ｂ下に形成される電位井戸に読み出す読出ゲート部となっている。各電荷蓄積領域１３７ｒ，ｇ，ｂの中央部には、後述の縦配線１４０ｒ，ｇ，ｂを接続するコンタクト部１４１ｒ，ｇ，ｂが設けられている。
【００５１】
図６は、図３のVI―VI線断面模式図である。半導体基板上の積層順は図４と同じあり、Ｐウェル層１３１の表面部に形成された電荷蓄積領域１３７ｒと、赤色電極膜１２０ｒに接続された接続部１２１ｒとの間は縦配線１４０ｒによって接続され、Ｐウェル層１３１の表面部に形成された電荷蓄積領域１３７ｇと、緑色電極膜１２０ｇに接続された接続部１２１ｇとの間は縦配線１４０ｇによって接続され、Ｐウェル層１３１の表面部に形成された電荷蓄積領域１３７ｂと、青色電極膜１２０ｂに接続された接続部１２１ｂとの間は縦配線１４０ｂによって接続される。
【００５２】
各縦配線１４０ｒ，ｇ，ｂは、接続部１２１ｒ，ｇ，ｂ及び電荷蓄積領域１３７ｒ，ｇ，ｂ以外との電気接触を防止する構造になっている。このため、上層の画素電極膜１２０ｇ，ｂに接続される縦配線１４０ｇ，ｂの周りには絶縁膜１２５が施される。
【００５３】
尚、縦配線１４０ｇ，ｂは光学的に透明な材料で形成するのが良く、また、絶縁膜１２５も透明な材料で形成するのが良い。
【００５４】
図７は、図２に示す水平転送路１０３の転送方向断面模式図であり、出力アンプ１０４近くの断面模式図である。ｎ型半導体基板１３０の表面部に形成されたＰウェル層１３１には、ｎ型半導体領域１５５とこの領域１５５より不純物濃度が低いｎ型半導体領域１５６とが交互に設けられている。そして、１組みの領域１５５，１５６の夫々の上に、ゲート絶縁膜１３３を介して、水平転送パルスΦH1を印加する第１相の転送電極１５１ａ，１５１ｂが設けられ、次の１組みの領域１５５，１５６の夫々の上に、ゲート絶縁膜１３３を介して、水平転送パルスΦH2を印加する第２相の転送電極１５２ａ，１５２ｂが設けられる。
【００５５】
最終段のｎ型半導体領域１５６の上には、ゲート絶縁膜１３３を介して出力ゲート１５３が設けられ、この領域１５６の隣に、ｎ型高濃度不純物領域（ｎ＋領域）１５７が設けられる。このｎ型高濃度不純物領域１５７が出力アンプ１０４に接続される。
【００５６】
ｎ型高濃度不純物領域１５７の隣にはｎ型半導体領域１５９（不純物濃度は領域１５５と同程度）が設けられ、その隣にｎ型高濃度不純物領域１５８が設けられる。そして、ゲート絶縁膜１３３を介して、ｎ型半導体領域１５９の上にリセットゲート１５４が設けられ、このリセットゲート１５４にリセットパルスΦRSが印加される。
【００５７】
斯かる構成の光電変換膜積層型固体撮像素子１００では、光が入射すると、青色光の光量に応じた光電荷が青色光電変換膜１２２ｂで発生し、緑色光の光量に応じた光電荷が緑色光電変換膜１２２ｇで発生し、赤色光の光量に応じた光電荷が赤色光電変換膜１２２ｒで発生する。これらの光電荷すなわち各色の信号電荷は、共通電極膜１２３ｒ，ｇ，ｂと各画素電極膜１２０ｒ，ｇ，ｂ間に電圧が印加されると、縦配線１４０ｒ，ｇ，ｂを通って電荷蓄積領域１３７ｒ，ｇ，ｂに流れ、蓄積される。
【００５８】
この信号電荷を固体撮像素子１００から読み出す場合には、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様に行う。例えば、図８に示す様に、先ず読出パルスｆｂを図５の読出ゲート１３８ｂに印加する。これにより、全画素の青色信号電荷が各々の画素下に設けられている転送電極１３６ｂによる電位井戸内に読み出される。次に、転送電極１３６ｂ，ｇ，ｒに夫々第１相転送パルスΦv1，第２相転送パルスΦv2，第３相転送パルスΦv3を印加することで、垂直転送路１０２に沿って信号電荷を水平転送路１０３まで転送する。
【００５９】
このとき、水平ブランキング期間に１回（３６０度）のラインシフトパルスを垂直転送路１０２に印加すると、先ず、水平転送路１０３に一番近い行の青色画素の信号電荷が水平転送路１０３の電位井戸に移され、この一行分の信号電荷が、水平転送路１０３に沿って出力アンプ１０４側に転送され、一色画素分づつ信号電荷が図７のｎ型高濃度不純物領域１５７から出力アンプ１０４に出力される。そして、一色画素の信号電荷を出力アンプ１０４に出力する毎に、リセットパルスΦRSがリセットゲート１５４に印加され、領域１５７内の電荷が空にされる。
【００６０】
以上の動作を固体撮像素子１００の画素の行数分だけ繰り返すことで、全画素の青色信号電荷が固体撮像素子１００から出力される。そして次に、読出パルスｆｇを図５の読出ゲート１３８ｇに印加すると、垂直転送路１０２に全画素の緑色信号電荷が読み出され、同様にして垂直転送路１０２，水平転送路１０３に沿って転送され、固体撮像素子１００から出力される。次に読出パルスｆｒを図５の読出ゲート１３８ｒに印加すると、垂直転送路１０２に全画素の赤色信号電荷が読み出され、同様にして固体撮像素子１００から出力される。
【００６１】
以上の動作は高解像度読出モードであり、固体撮像素子１００から出力されたカラー画像データは、固体撮像素子１００の画素数分の解像度を持っており、高解像度の画像データを得ることができる。
【００６２】
この光電変換膜積層型固体撮像素子１００によって暗いシーンを撮像した場合には、各信号電荷量が少なく、感度が悪い画像になってしまう。そこで、斯かる場合には、次の高感度読出モードによって固体撮像素子１００を駆動する。
【００６３】
高感度読出モードとは、画素加算を行って信号電荷を読み出すモードであり、解像度は劣化するが、読み出される信号電荷量は加算する画素数分だけ増えるため、明るい画像データを得ることができる。
【００６４】
先ず、垂直方向に２画素分の信号電荷を加算して出力させたい場合には、ラインシフトパルスを水平ブランキング期間に２回（３６０度×２）、垂直転送路１０２に印加する。このときの最初のラインシフトパルスの印加によって先ず第１行目の色画素の信号電荷が水平転送路１０３の電位井戸に移され、同じ電位井戸に、次のラインシフトパルスによって第２行目の色画素の信号電荷が移される。
【００６５】
即ち、水平転送路１０３の各電位井戸には、夫々、２色画素分の信号電荷が蓄積され、水平方向に転送され出力されることになる。同様に、垂直転送路１０２にラインシフトパルスを水平ブランキング期間に３回印加すれば、垂直方向の３色画素分の信号電荷が水平転送路の各電位井戸に蓄積され、固体撮像素子１００から出力される。
【００６６】
水平転送路１０３で信号電荷を転送し、出力アンプ１０４から出力するとき、例えば、図９に示すタイミングでリセットパルスΦRSを印加する。リセットパルスΦRSは、上記の高解像度読出モードでは、水平転送パルスΦH1，ΦH2と同一周期で発生させる。しかし、図９に示す様に、リセットパルス周期を２倍にして点線ｋで示す位置のリセットパルスを無くすと、このリセットパルスｋで領域１５８に廃棄されるべき信号電荷が領域１５７に残ったまま、次の電位井戸で転送されてきた信号電荷が領域１５７に加算されることになる。
【００６７】
即ち、上記の様に、垂直方向の２色画素分の信号電荷が加算された状態で水平転送路１０３を移動してきたとき、リセットパルス周期を２倍（周波数を１／２）にすると、計４色画素分の信号電荷が加算された状態で固体撮像素子１００から出力されることになる。これにより、暗いシーンを撮像した場合でも、明るい画像データを固体撮像素子１００から出力させることが可能となり、高感度の画像データを得ることができる。
【００６８】
上記の例では、リセットパルス周期を２倍にすることで、水平方向の２色画素分の信号電荷を加算したが、勿論、リセットパルス周期を３倍にすれば水平方向の３色画素分の信号電荷を加算でき、リセットパルス周期を４倍にすれば水平方向の４色画素分の信号電荷を加算できる。従って、水平ブランキング期間に発生させるラインシフトパルス数と合わせて制御することで、任意数の色画素の信号電荷を加算して出力させることが可能である。
【００６９】
また、上述した本実施形態による色画素加算は、転送路を利用して行うため、加算用のメモリなどが不要となり、固体撮像素子１００素子の製造コストを低減することができる。
【００７０】
尚、上述した実施形態では、全色画素の信号電荷を読み出して加算したが、動画で高フレームレートの動作が必要な場合には、垂直方向の画素行を間引いて読出し、それぞれ近い色画素の信号電荷を加算することでも良い。勿論、固体撮像素子１００の転送電極の配線を変える必要はある。
【００７１】
また、上記の実施形態では、１個の読出パルスで読み出される信号電荷は同一色の信号電荷であったが、異なる色の信号電荷が読み出されるようにしても良い。但し、水平方向または垂直方向に同じ色の信号電荷が複数連続して読み出されることが必要である。この場合には、実施形態と同様な動作で、連続した方向の信号電荷を加算することができる。
【００７２】
更にまた、実施形態では、光電変換膜を３層とし、入射光をＲ，Ｇ，Ｂの３原色に分けて検出したが、例えばＲ，Ｇ，Ｂの他に緑色と青色の中間色を検出する４番目の光電変換膜を設け、入射光を４色に分けて検出する構成でもよい。これにより、色分解が細かくなり、色の再現性が向上する。
【００７３】
更にまた、実施形態では、垂直転送路１０２を３相駆動としたが、３の倍数の相数で駆動しても良い。例えば、６相駆動させると、６回の読出動作で全色画素の信号電荷が読み出される。垂直転送路１０２で転送できる電荷量がおよそ４倍になり、大きな飽和出力信号が得られるという利点がある。このとき、垂直２色画素加算を行う場合、第１相と第４相、または、第２相と第５相、または、第３相と第６相とに同時に読出パルスを印加すれば、垂直転送路１０２への読出時点で垂直転送路１０２の電位井戸内で色画素加算が行われるので、水平ブランキング期間のラインシフトは１回で良い。また、４層の光電変換膜構造では、通常４相駆動であるが、同様に８相駆動としても良い。
【００７４】
以上述べた様に、本実施形態によれば、明るい撮影シーンでは、画素の信号電荷をそのまま読み出すことにより高解像度画像が得られ、暗い撮影シーンでは、同じ色の画素の信号電荷を加算して読み出すことにより、高感度画像が得られる。例えば、垂直２画素，水平２画素の計４画素の加算を行った場合には、４倍の高感度となる。解像度は水平方向、垂直方向共に１／２となるが、Ｓ／Ｎの良い画像が得られる。
【００７５】
画像データを固体撮像素子から高解像度読出モードで読み出すか、高感度読出モードで読み出すかは、デジタルカメラが撮影シーンの明るさに応じて自動的に選択しても良く、また、ユーザからの選択指示によって決めてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子は、多画素化を図っても高感度画像データを出力させることができるため、デジタルカメラに搭載すると有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラのブロック構成図である。
【図２】図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子の表面模式図である。
【図３】図２の矩形枠III内の拡大模式図である。
【図４】図３のIV―IV線断面模式図である。
【図５】図３の状態から半導体基板の上に積層されている光電変換膜等を取り払った状態を示す半導体表面の模式図である。
【図６】図３のVI―VI線断面模式図である。
【図７】図１に示す水平転送路の出力段の転送方向断面模式図である。
【図８】図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子の垂直転送路の転送動作の説明図である。
【図９】図７に示す水平転送路で水平方向の画素加算を行うときのタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００７８】
１０１  受光部（画素）
１０２  垂直転送路
１０３  水平転送路
１０４  出力アンプ
１２０ｒ，１２０ｇ，１２０ｂ  透明の画素電極膜
１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂ  光電変換膜
１２３ｒ，１２３ｇ，１２３ｂ  透明の共通電極膜
１２４  透明絶縁膜
１３０  ｎ型半導体基板
１３１  Ｐウェル層
１３６ｒ，１３６ｇ，１３６ｂ  転送電極
１３７ｒ，１３７ｇ，１３７ｂ  信号電荷蓄積領域
１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂ  読出電極
１４０ｒ，１４０ｇ，１４０ｂ  縦配線
１５４  リセットゲート
ΦRS  リセットパルス
【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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