(57)【要約】【課題】連続した露光が可能なグローバルシャッタ機能を有しながら飽和電荷の多い固体撮像装置を提供することを目的とする。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供することを目的とする。【解決手段】光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部ＰＤと、露光期間中、光電変換部ＰＤで生成された信号電荷のうち、光電変換部ＰＤの飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローされる排出部３０を備える。また、露光期間終了後、光電変換部ＰＤで生成された信号電荷が転送される第１電荷蓄積部２４と、第１電荷蓄積部２４の飽和電荷量を超えた信号電荷が転送される第２電荷蓄積部２５とを含む少なくとも２つの電荷蓄積部を備える。そして、信号電荷の蓄積期間において蓄積期間が全画素同時となるように走査し、読み出し期間において画素を行毎に走査する。【選択図】図２
2013005396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部と、
露光期間中、前記光電変換部で生成された信号電荷のうち、前記光電変換部の飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローされる排出部と、
露光期間終了後、前記光電変換部で生成された信号電荷が転送される第１電荷蓄積部と、前記第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えた信号電荷が転送される第２電荷蓄積部とを含む少なくとも２つの電荷蓄積部と、
前記信号電荷の転送、読み出しをする複数の画素トランジスタと、
を備える画素が行列状に二次元配置された画素アレイ部と、
信号電荷の蓄積期間において蓄積期間が全画素同時となるように走査し、読み出し期間において前記画素を順に選択走査する走査部と、
を備える固体撮像装置。
【請求項２】
露光期間中において、前記光電変換部と前記排出部との間の電位障壁は、前記光電変換部と前記第１電荷蓄積部との間の電位障壁よりも低く形成されている
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１電荷蓄積部は、ＣＣＤ構造とされている
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部と、
露光期間中、前記光電変換部で生成された信号電荷のうち、前記光電変換部の飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローされる排出部と、
露光期間終了後、前記光電変換部で生成された信号電荷が転送される第１電荷蓄積部と、前記第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えた信号電荷が転送される第２電荷蓄積部とを含む少なくとも２つの電荷蓄積部と、
前記信号電荷の転送、読み出しをする複数の画素トランジスタと、
を備える画素が行列状に二次元配置された画素アレイ部を備える固体撮像装置において、
全画素同時に前記光電変換部での露光を開始し、信号電荷の生成、蓄積を行う工程と、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷を全画素同時に前記第１電荷蓄積部に転送する工程と、
転送時に前記第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えて前記第２電荷蓄積部に転送された信号電荷を高照度信号として読み出し、前記第２電荷蓄積部の電位をリセットした後、前記第１電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を前記第２電荷蓄積部に転送し、該第２電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を低照度信号として読み出す工程を、画素毎に行う工程と、
を有する固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記露光期間の開始は、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を、前記排出部に排出させることで行う
請求項４に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
前記高照度信号を読み出し、前記第２電荷蓄積部の電位をリセットした後、前記第２電荷蓄積部のリセット電位を取得し、当該リセット電位を用いて前記高照度信号及び前記低照度信号の固定パターンノイズを除去する工程を有する
請求項５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記露光期間は、前記画素毎の信号電荷の読み出しが終了する前に開始する
請求項６に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部と、
露光期間中、前記光電変換部で生成された信号電荷のうち、前記光電変換部の飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローされる排出部と、
露光期間終了後、前記光電変換部で生成された信号電荷が転送される第１電荷蓄積部と、前記第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えた信号電荷が転送される第２電荷蓄積部とを含む少なくとも２つの電荷蓄積部と、
前記信号電荷の転送、読み出しをする複数の画素トランジスタと、
を備える画素が行列状に二次元配置された画素アレイ部と、
信号電荷の蓄積期間において蓄積期間が全画素同時となるように走査し、読み出し期間において前記画素を順に選択走査する走査部と、
を備える固体撮像装置
を有する電子機器。
【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、特に、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置とその駆動方法に関する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像装置では、二次元マトリクス状に配列された各画素の受光部で生成・蓄積された信号電荷を、行毎に順次読み出す方式が採られている。この場合、各画素の受光部における露光のタイミングは、信号電荷の読み出しの開始と終了によって決まるため、画素毎に露光のタイミングが異なる。このため、このようなＣＭＯＳ型固体撮像装置を用いて速い動きの被写体を撮像する場合には、被写体が歪んで撮像されるという問題がある。
【０００３】
以上のような問題を解決するために、近年、信号電荷の蓄積の同時刻性を実現する同時撮像機能（グローバルシャッタ機能）が提案されており、また、グローバルシャッタ機能を有するＣＭＯＳ型固体撮像装置の用途も多くなってきている。
【０００４】
グローバルシャッタ機能を有するＣＭＯＳ型固体撮像装置では、通常、受光部で生成された信号電荷を読み出し時まで蓄えておくために、遮光性を持った電荷蓄積部を有することが必要となる。この電荷蓄積部として、通常のＣＭＯＳ型固体撮像装置において、画素に初めから備わっているフローティングディフュージョン部を用いるものが多くある。また、特許文献１では、電荷蓄積部として、ＣＣＤ型の電荷保持容量部と、フローティングディフュージョン部の２つを用いることで、飽和電子数を多くする構成が記載されている。
【０００５】
ところで、特許文献１に記載のＣＣＤ型の電荷保持容量部は、露光期間中にフォトダイオードから溢れた信号電荷の受け皿としても使われる。このため、電荷保持容量部に信号電荷を保持しいている間は、露光できない。よって、全ての画素の信号電荷が読み出された後でないと露光できないため、露光できない期間が多く、連続した露光が求められる滑らかな動画ができなかったり、動画の感度が落ちたりする問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２６８０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の点に鑑み、本開示は、連続した露光が可能なグローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置を提供することを目的とする。また、その固体撮像装置を用いた電子機器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】
【０００８】
本開示の固体撮像装置は、光電変換部、排出部、第１電荷蓄積部と第２電荷蓄積部を含む少なくとも２つの電荷蓄積部と、画素トランジスタとからなる画素が二次元配置されたアレイ部と、画素を走査する走査部とを有する。
光電変換部は、光の光量に応じた信号電荷を生成する。排出部は、露光期間中、光電変換部で生成された信号電荷のうち、光電変換部の飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローされる領域である。第１電荷蓄積部では、露光期間終了後、光電変換部で生成された信号電荷が転送される。第２電荷蓄積部では、第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えた信号電荷が転送される。画素トランジスタは、信号電荷の転送、読み出しをする。そして、走査部は、信号電荷の蓄積期間において蓄積期間が全画素同時となるように走査し、読み出し期間において画素を行毎に走査する。
【０００９】
本開示の固体撮像装置では、光電変換部で生成、蓄積された信号電荷が全画素同時に第１電荷蓄積部に転送された後、画素毎に読み出しが行われる。これにより、信号電荷の読み出し期間が終了する前に、次の露光期間を開始することができる。
【００１０】
本開示の固体撮像装置の駆動方法は、上述した本開示の固体撮像装置において、全画素同時に光電変換部での露光を開始し、信号電荷の生成、蓄積を行う工程を有する。また、光電変換部に蓄積された信号電荷を全画素同時に第１電荷蓄積部に転送する工程を有する。また、画素毎の転送時に、第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えて第２電荷蓄積部に転送された信号電荷を高照度信号として読み出す工程を有する。また、高照度信号を読み出した後、第２電荷蓄積部の電位をリセットし、第１電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を第２電荷蓄積部に転送し、該第２電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を低照度信号として読み出す工程を有する。
【００１１】
本開示の固体撮像装置の駆動方法では、光電変換部で生成、蓄積された信号電荷を全画素同時に第１電荷蓄積部に転送した後、画素毎に読み出しを行う。これにより、信号電荷の読み出し期間が終了する前に、次の露光期間を開始することができる。
【００１２】
本開示の電子機器は、光電変換部、排出部、第１電荷蓄積部と第２電荷蓄積部を含む少なくとも２つの電荷蓄積部と、画素トランジスタとからなる画素アレイ部と、画素を走査する走査部とを有する固体撮像装置を備える。
光電変換部は、光の光量に応じた信号電荷を生成する。排出部は、露光期間中、光電変換部で生成された信号電荷のうち、光電変換部の飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローされる領域である。第１電荷蓄積部は、露光期間終了後、光電変換部で生成された信号電荷が転送される。第２電荷蓄積部は、第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えた信号電荷が転送される。画素トランジスタは、信号電荷の転送、読み出しをする。画素アレイ部は、画素が行列状に二次元配置されている。そして、走査部は、信号電荷の蓄積期間において蓄積期間が全画素同時となるように走査し、読み出し期間において画素を行毎に走査する。ここでは、走査には行を順に駆動していくことに加え、全行を同時に駆動することも含める。
【発明の効果】
【００１３】
本開示によれば、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置において、読み出しが終了する前に露光を開始することができるので、動画の画質の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。
【図２】Ａ、Ｂ  本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイ部の断面構成（一部回路図で示す）と、画素の回路構成を示す図である。
【図３】本開示の第１の実施形態例に係る固体撮像装置の撮像方法を示すタイミングチャートである。
【図４】タイミングチャートに対応するポテンシャル図であり、単位画素の露光から読み出しまでの電子の移動、及び電位の遷移を示す断面ポテンシャル図である（その１）。
【図５】タイミングチャートに対応するポテンシャル図であり、単位画素の露光から読み出しまでの電子の移動、及び電位の遷移を示す断面ポテンシャル図である（その２）。
【図６】変形例に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図７】本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素構成を示す回路図である。
【図８】本開示の電子機器の一例として固体撮像装置をカメラに適用した場合の構成図である。
【図９】電子機器に組み込まれた第２の実施形態に係る固体撮像装置において、静止画を撮影する場合のタイミングチャートを示す。
【図１０】電子機器に組み込まれた第２の実施形態に係る固体撮像装置において、動画を撮影する場合のタイミングチャートを示す。
【図１１】Ａ、Ｂ  本開示の第２の実施形態に適用可能な画素配列の一例と、その実際の画素配列に対して、共有画素同士で信号電荷を加算した場合の実効的な画素配列を示す図である。
【図１２】３つの画素で第２電荷蓄積部、及び複数の画素トランジスタを共有する場合に適用可能な画素配列の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本開示の実施形態に係る固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器の一例を、図１〜図１２を参照しながら説明する。本開示の実施形態は以下の順で説明する。なお、本開示は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：固体撮像装置
１−１  固体撮像装置の全体構成
１−２  要部の構成
１−３  駆動方法
１−４  変形例
２．第２の実施形態：固体撮像装置・電子機器
２−１  画素の構成
２−２  電子機器の構成
２−３  駆動方法：静止画
２−４  駆動方法：動画
【００１６】
〈１．第１の実施形態：固体撮像装置〉
［１−１  固体撮像装置の全体構成］
まず、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
図１は、本開示の第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。
【００１７】
本実施形態例の固体撮像装置１は、シリコンからなる基板９上に形成された画素アレイ部２と、画素アレイ部２と同じ基板９上に集積された周辺回路部とを有する構成となっている。周辺回路部は、例えば行走査部３、定電流源部４、列信号処理部５、列走査部６、出力処理部７、及びコントロール部８などから構成される。
【００１８】
画素アレイ部２は、入射光の光量に応じた電荷量の光電荷（光信号）を発生して内部に蓄積する光電変換素子を有する単位画素（以下、単に「画素」と記述する場合もある）が行方向および列方向に、即ち、行列状に２次元配置された構成となっている。ここで、行方向とは画素行の画素の配列方向（即ち、水平方向）を言い、列方向とは画素列の画素の配列方向（即ち、垂直方向）を言う。単位画素の具体的な回路構成の詳細については後述する。
【００１９】
画素アレイ部２において、行列状の画素配列に対して、画素行ごとに画素駆動線１２が行方向に沿って配線され、画素列ごとに垂直信号線１７が列方向に沿って配線されている。画素駆動線１２は、画素から信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。図１では、画素駆動線１２について１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線１２の一端は、行走査部３の各行に対応した出力端に接続されている。
【００２０】
行走査部３は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、画素アレイ部２の各画素を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、行走査部３は、当該行走査部３を制御するコントロール部８と共に、画素アレイ部２の各画素を駆動する駆動部を構成している。この行走査部３はその具体的な構成については図示を省略するが、一般的に、読出し走査系と掃出し走査系の２つの走査系を有する構成となっている。
【００２１】
読出し走査系は、単位画素から信号を読み出すために、画素アレイ部２の単位画素を行単位で順に選択走査する。単位画素から読み出される信号はアナログ信号である。掃出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対して、先行して掃出し走査を行う。
【００２２】
この掃出し走査系による掃出し走査により、読出し行の単位画素の光電変換素子から不要な電荷が掃き出されることによって当該光電変換素子がリセットされる。そして、この掃出し走査系による不要電荷の掃き出し（リセット）により、いわゆる電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換素子の光電荷を捨てて、新たに露光を開始する（光電荷の蓄積を開始する）動作のことを言う。
読出し走査系、掃出し走査系による画素の走査については後述する。
【００２３】
行走査部３によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、画素列ごとに垂直信号線１７の各々を通して定電流源部４を経由して列信号処理部５に入力される。定電流源部４は、画素列ごとに定電流源３５（図２参照）が配置された構成となっており、定電流源３５から各単位画素に対して垂直信号線１７の各々を通してバイアス電流を供給する。
【００２４】
列信号処理部５は、画素アレイ部２の画素列ごとに、選択行の各画素から垂直信号線１７を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行う。この列信号処理部５で行われる信号処理としては、例えば、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング）によるノイズ除去処理や、信号増幅処理や、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換処理等の信号処理を挙げることができる。
【００２５】
但し、ここで例示した信号処理は一例に過ぎず、列信号処理部５で行われる信号処理としてはこれらに限られるものではない。列信号処理部５は、これら各種の信号処理の１つ、または複数を実行する。
【００２６】
列走査部６は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、列信号処理部５の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この列走査部６による選択走査により、列信号処理部５において単位回路ごとに信号処理された信号が順番に水平信号線１０を通して出力処理部７に供給される。
【００２７】
出力処理部７は、列走査部６によって選択され、水平信号線１０を通して入力される信号に対して所定の処理を行って基板９の外部へ出力する。この出力処理部７での処理としては、バッファリングだけの処理の場合もあるし、バッファリングの前に黒レベルを調整したり、画素列ごとのばらつきを補正したりするなど各種の信号処理を挙げることができる。
【００２８】
コントロール部８は、基板９の外部から与えられるクロック信号や、動作モードを指令するデータ信号などを受け取るとともに、これらの信号を基に各種のタイミング信号を生成するタイミング生成部を有する。コントロール部８で生成された各種のタイミング信号は、行走査部３、列信号処理部５および列走査部６等の周辺回路部に対して与えられ、これら回路部の駆動制御を行う。
【００２９】
［１−２  要部の構成］
図２Ａは、本実施形態例の固体撮像装置１の画素アレイ部２の断面構成（一部回路図で示す）であり、図２Ｂは、本実施形態例の固体撮像装置１の画素の回路構成を示す図である。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本実施形態例の固体撮像装置１は、基板２０に形成された光電変換部（以下、フォトダイオードＰＤ）と、第１電荷蓄積部２４と、第２電荷蓄積部２５とを備える。また、電荷の転送、読み出しを行うための転送トランジスタ１３、第１リセットトランジスタ１１、第２リセットトランジスタ１４、アンプトランジスタ１５、及び選択トランジスタ１６を備える。
【００３０】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、基板２０は、第１導電型、例えばｎ型半導体基板で構成されており、基板２０の画素が形成される表面側は、第２導電型、例えばｐ型の不純物領域からなるウェル領域２１とされている。このｐ型のウェル領域２１内に、画素を構成するフォトダイオードＰＤや、第１及び第２電荷蓄積部２４、２５、及び各画素トランジスタを構成するソース・ドレイン領域が形成される。
【００３１】
フォトダイオードＰＤは、光電変換素子を構成するものであり、基板２０の表面に形成されたｐ型半導体領域２２と、そのｐ型半導体領域２２の下層に形成されたｎ型半導体領域２３とで構成される。本実施形態例では、ｐ型半導体領域２２とｎ型半導体領域２３との間のｐｎ接合により、主なフォトダイオードが構成される。
【００３２】
フォトダイオードＰＤでは、入射した光の光量に応じた信号電荷が生成され、ｎ型半導体領域２３に蓄積される。また、本実施形態例では、フォトダイオードＰＤにおいて、表面側に正孔蓄積層となるｐ型半導体領域２２が形成されている。このため、基板２０の表面側に形成される図示しない酸化膜との界面で発生する暗電流の抑制が図られる。
【００３３】
第１電荷蓄積部２４は、ウェル領域２１で構成される転送ゲート部２４ａを挟んでフォトダイオードＰＤに隣接する領域に形成されており、基板２０の表面から深さ方向に形成されたｎ型半導体領域で構成されている。第１電荷蓄積部２４及び転送ゲート部２４ａが形成された領域の基板２０直上には、絶縁膜３１を介して電位変動電極２６が形成されている。そして、電位変動電極２６に所望の電位変動パルスＣＣＤを供給することにより、転送ゲート部２４ａ及び第１電荷蓄積部２４の電位が変動する。これにより、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷が転送ゲート部２４ａを通って第１電荷蓄積部２４に転送されるように構成されている。
【００３４】
このように、第１電荷蓄積部２４は、電位変動電極２６によって電位が変動されるＣＣＤ（Charge Coupled Device）構造とされ信号電荷を一時的に保持する容量部（ＭＥＭ）として機能する。また、第１電荷蓄積部２４のフォトダイオードＰＤ側には、電位障壁（転送ゲート部２４ａに相当）が設けられた構成とされている。
【００３５】
第２電荷蓄積部２５は、転送トランジスタ１３を構成する転送ゲート電極２８を挟んで第１電荷蓄積部２４に隣接する領域に形成され、基板２０の表面側に形成されたｎ型半導体領域で構成されている。第２電荷蓄積部２５は、例えばフォトダイオードＰＤを構成するｎ型半導体領域２３よりも高い不純物濃度で構成されており、いわゆるフローティングディフュージョン部ＦＤを構成する。
【００３６】
転送トランジスタ１３は、第１電荷蓄積部２４からなるソースと、第２電荷蓄積部２５からなるドレインと、そのソース・ドレイン間の基板２０上に絶縁膜３１を介して形成された転送ゲート電極２８とで構成される。
転送トランジスタ１３では、転送ゲート電極２８に転送パルスＴｒｆを供給することにより、第１電荷蓄積部２４に蓄積された信号電荷が第２電荷蓄積部２５に転送される。
【００３７】
第１リセットトランジスタ１１は、フォトダイオードＰＤからなるソースと、電源電圧Ｖｄｄに接続されたドレイン（図２Ａでは、排出部３０で示す）と、そのソース・ドレイン間に形成された第１リセットゲート電極２９とで構成される。第１リセットトランジスタ１１では、第１リセットゲート電極２９に第１リセットパルスＤｒｎを供給することにより、フォトダイオードＰＤの電位が電源電圧Ｖｄｄにリセットされる。
【００３８】
第２リセットトランジスタ１４は、第２電荷蓄積部２５からなるソースと、電源電圧Ｖｄｄに接続されたドレインと、そのソース・ドレイン間に形成された第２リセットゲート電極３２とで構成される。第２リセットトランジスタ１４では、第２リセットゲート電極３２に第２リセットパルスＲｓｔを供給することにより、第２電荷蓄積部２５の電位が電源電圧Ｖｄｄにリセットされる。
【００３９】
アンプトランジスタ１５は、電源電圧Ｖｄｄが供給されるドレインと、選択トランジスタ１６のドレインを兼ねるソースと、そのソース・ドレイン間に形成されたアンプゲート電極３３とから構成されている。アンプトランジスタ１５では、アンプゲート電極３３に第２電荷蓄積部２５の電位が供給される。これにより、その電位に対応した画素信号をドレインに出力する。
【００４０】
選択トランジスタ１６は、アンプトランジスタ１５のソースを兼ねるドレインと、垂直信号線１７に接続されたソースと、そのソース・ドレイン間に形成された選択ゲート電極３４とから構成されている。選択トランジスタ１６では、選択ゲート電極３４に選択パルスＳｅｌを供給することにより、画素信号が垂直信号線１７に出力される。そして、選択トランジスタ１６を通してアンプトランジスタ１５が垂直信号線１７に接続されることにより、垂直信号線１７の一端に接続される定電流源３５とソースフォロア回路を構成する。
【００４１】
図２Ａでは、第２リセットトランジスタ１４、アンプトランジスタ１５、選択トランジスタ１６は回路図のみで示し、断面構成を省略したが、他の画素トランジスタと同様、ｎチャネルＭＯＳトランジスで構成されるものである。すなわち、第２リセットトランジスタ１４、アンプトランジスタ１５、選択トランジスタ１６を構成するソース・ドレインは、基板２０表面に形成されたｎ型半導体領域で構成され、各ゲート電極は、絶縁膜を介して基板２０表面に形成されるものである。
【００４２】
［１−３  駆動方法］
次に、本実施形態例の固体撮像装置１の駆動方法について説明する。図３は、本実施形態例の固体撮像装置１の撮像方法を示すタイミングチャートである。また、図４及び図５は、タイミングチャートに対応するポテンシャル図であり、単位画素の露光から読み出しまでの電子の移動、及び電位の遷移を示す断面ポテンシャル図である。図３の（１）〜（１２）は、図４及び図５の（１）〜（１２）に対応するものである。
【００４３】
まず、露光開始前の待機状態では、第１リセットパルスＤｒｎ、電位変動パルスＣＣＤ、転送パルスＴｒｆ、選択パルスＳｅｌ、第２リセットパルスＲｓｔが供給されておらず、各ゲート部はオフ状態（図３の（１）の状態）とされる。この待機状態では図４（１）に示すように、フォトダイオードＰＤ及び第２電荷蓄積部２５に信号電荷が蓄積されている状態である。このときにフォトダイオードＰＤに蓄積されている信号電荷は、前のフレーム読み出し後に入射した入射光によるものである。また、第２電荷蓄積部２５に蓄積された信号電荷は、前のフレームからの残りである。
【００４４】
次に、露光を開始するため、第１リセットパルスＤｒｎを供給することにより、第１リセットトランジスタ１１をオンする（図３の（２））。第１リセットトランジスタ１１をオンすることにより、図４（２）に示すように、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷が電源電圧Ｖｄｄに接続された排出部３０側に排出され、フォトダイオードＰＤはリセットされる。その後、第１リセットパルスＤｒｎの供給を停止することにより、第１リセットトランジスタ１１をオフする(図３の（３）)。そして、このようにフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をリセットする動作が電子シャッタ動作とされ、第１リセットトランジスタ１１をオフした後、フォトダイオードＰＤにおける露光が開始される。
【００４５】
露光開始後、所望の露光期間が過ぎた状態（図３の（４））では、図４（４）に示すように、フォトダイオードＰＤに露光期間に光電変換した信号電荷が蓄積される。ここで、第１リセットゲート電極２９下のリセットゲート部の電位障壁を、電位変動電極２６下の転送ゲート部２４ａよりも低く構成している。このため、フォトダイオードＰＤの飽和電荷量を超えて信号電荷が生成された場合には、フォトダイオードＰＤから溢れた信号電荷は、第１電荷蓄積部２４側ではなく、第１リセットトランジスタ１１を構成する排出部３０側に排出されるように構成されている。電位障壁の高さは、不純物濃度でコントロールできる。具体的には、第１リセットゲート電極２９の下にリン等のｎ型不純物を導入することで、その電位障壁を下げることができる。第１電荷蓄積部２４と第２電荷蓄積部２５の両方を電荷保持に使う従来例である特許文献１では、電位障壁の上下関係が反対で、フォトダイオードＰＤから溢れた信号電荷は第１電荷蓄積部２４の側に流れるようになっている。
【００４６】
次に、第２リセットパルスＲｓｔと転送パルスＴｒｆを供給することで、第２リセットトランジスタ１４と転送トランジスタ１３をオンする（図３の（５））。これにより、図４（５）に示すように、第２電荷蓄積部２５に蓄積された信号電荷を、第２リセットトランジスタ１４を介して電源電圧Ｖｄｄ側に排出する。ここで、第１電荷蓄積部２４にも信号電荷が蓄積されている場合には、第１電荷蓄積部２４の信号電荷も同様に、第２リセットトランジスタ１４を介して電源電圧Ｖｄｄ側に排出される。そして、この動作を、後のローリング読み出しの状態に近づけるため、選択パルスＳｅｌを同時に供給することで、選択トランジスタ１６をオンしておくことが好ましい。
【００４７】
そして、第２リセットパルスＲｓｔと転送パルスＴｒｆの供給を停止することで、第２リセットトランジスタ１４と転送トランジスタ１３をオフする（図３の（６））。ここでは、図４（６）に示すように、第１電荷蓄積部２４と第２電荷蓄積部２５の信号電荷がリセットされた状態とされる。
【００４８】
次に、電位変動パルスＣＣＤと転送パルスＴｒｆを供給することで、転送ゲート部２４ａ及び第１電荷蓄積部２４の電位を深くするとともに、転送トランジスタ１３をオンする（図３の（７））。これにより、図５（７）に示すように、露光期間中フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷が第１電荷蓄積部２４及び第２電荷蓄積部２５に転送される。ここで、第１電荷蓄積部２４はフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を全て受け入れるように大きくは形成していない。このため、フォトダイオードＰＤの信号電荷は、まず、第１電荷蓄積部２４に転送され、第１電荷蓄積部２４から溢れた信号電荷が第２電荷蓄積部２５に転送され、第２電荷蓄積部２５に蓄積される。
【００４９】
そして、信号電荷の転送後、電位変動パルスＣＣＤと転送パルスＴｒｆの供給を停止し、電位変動電極２６下部の電位を元の電位に戻すとともに、転送トランジスタ１３をオフする（図３の（８））。このとき、選択パルスＳｅｌが供給されていた場合には、同時に供給を停止する。そして、これにより、図５（８）に示すように、信号電荷の第１電荷蓄積部２４及び第２電荷蓄積部２５への転送が終了する。
【００５０】
ここまでの一連の動作は、全画素同時に行われるものである。すなわち、図４（２）の工程でグローバル露光が開始され、図４（７）の工程で、グローバル転送がなされることで露光期間が全画素同時に終了する。
【００５１】
次に、ローリング読み出しを行う。ローリング読み出しでは、１行ずつ順に動作する。各画素は、該当行の動作が回ってくるまで図５（８）の状態である。図３、図５では、ｎ行目の画素の動作について説明する。
ｎ行目の順番が回ってきたら、まず、選択パルスＳｅｌを供給する（図３の（８’））。これにより、選択トランジスタ１６がオンした状態となる。このときの転送トランジスタ１３のポテンシャルは、図５（８）と同じ状態である。そして、選択トランジスタ１６がオンされることにより、第２電荷蓄積部２５に蓄積された信号電荷による電位に対応する画素の出力が高照度信号としてアンプトランジスタ１５で増幅され、選択トランジスタ１６を介して垂直信号線１７に出力される。垂直信号線１７に出力された高照度信号は、カラム回路（図示せず）に取り込まれる。
【００５２】
次に、選択パルスＳｅｌを供給し続けた状態で、第２リセットパルスＲｓｔを供給する（図３の（９））。これにより、第２リセットトランジスタ１４がオンした状態となり、図５（９）に示すように、第２電荷蓄積部２５に蓄積されていた信号電荷が電源電圧Ｖｄｄ側に排出され、リセットされる。その後、第２リセットパルスＲｓｔの供給を停止する（図３の（１０））ことにより、図５（１０）に示すように第２リセットトランジスタ１４をオフする。
【００５３】
そして、第２リセットトランジスタ１４をオフした状態で、第２電荷蓄積部２５の電位に対応する出力をリセット信号としてカラム回路に取り込む。カラム回路では、先に取得した高照度信号とこのリセット信号との差分をとることにより相関二重サンプリングを行う。これにより、カラム回路では、固定ノイズパターンが除去された新たな高照度信号を保持する。
【００５４】
次に、選択パルスＳｅｌを供給し続けた状態で、転送パルスＴｒｆを供給する（図３の（１１））。これにより、転送トランジスタ１３がオンした状態となり、図５（１１）に示すように、第１電荷蓄積部２４に蓄積されていた信号電荷が第２電荷蓄積部２５に転送される。転送終了後、転送パルスＴｒｆの供給を停止し（図３の（１２））、図５（１２）に示すように転送トランジスタ１３をオフする。
【００５５】
そしてこの状態で第２電荷蓄積部２５に蓄積された信号電荷による電位に対応する画素の出力が低照度信号としてアンプトランジスタ１５で増幅され、選択トランジスタ１６を介して垂直信号線１７に出力される。垂直信号線１７に出力された低照度信号は、カラム回路に取り込まれる。カラム回路では、図３の（１０）の状態で得たリセット信号と低照度信号との差分をとることにより、相関二重サンプリングを行う。これにより、カラム回路では、固定ノイズパターンが除去された新たな低照度信号を保持する。
【００５６】
そして、カラム回路に保持された固定ノイズパターンが除去された高照度信号及び低照度信号を、水平信号線１０を介して出力処理部７に出力する。出力処理部７では、高照度信号と低照度信号から、露光期間中にフォトダイオードＰＤで生成、蓄積された信号電荷に対応する信号を再構成し、出力する。これにより、ｎ行目の画素の読み出しが終了する。
【００５７】
ｎ行目の画素の読み出しが終了した後は、ｎ＋１行目の画素の読み出しを行う。ｎ＋１行目の画素を読み出す場合も、図３の（８´）〜（１２）と同様の動作で各画素トランジスタを駆動し、低照度信号と高照度信号を得ることができる。
【００５８】
本実施形態例の固体撮像装置１では、露光期間中において、光電変換された信号電荷の蓄積はフォトダイオードＰＤでのみ行い、露光期間終了後に、第１電荷蓄積部２４及び第２電荷蓄積部２５に転送する。このため、露光期間中に、フォトダイオードＰＤと第１電荷蓄積部２４で蓄積を行うような従来の固体撮像装置に比較して、第１電荷蓄積部２４の面積を小さくすることができる。これにより、単位画素の面積を同じとした場合には、フォトダイオードＰＤの占有面積をより大きく確保することができ、感度や飽和電荷量の増加を図ることができる。
また、本実施形態例の固体撮像装置１では、低照度信号と高照度信号とを読み出すことができるので、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【００５９】
本実施形態例において、電子シャッタ動作とグローバル転送の同時性は、実用上問題のない程度であればよい。全画素を完全に同時に駆動するとドライバーに負荷がかかる。この負荷を軽減するため、画素アレイ部２の上方と下方とで小さな時間差を設ける構成としてもよい。
【００６０】
ところで、本実施形態例の固体撮像装置１の駆動方法を用いることにより、電子シャッタの動作を、ローリング読み出し中に行うことも可能となる。以下に、変形例として、電子シャッタの動作をローリング読み出し中に行う駆動方法について説明する。
【００６１】
［１−４  変形例］
図６は、変形例に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。変形例では、電子シャッタの動作、グローバル転送の動作、ローリング読み出し時の各画素の動作は上述した本実施形態例と同様であるが、そのタイミングが異なるものであり、動画撮影の場合に有効な駆動方法である。
【００６２】
変形例では、図６に示すように、ローリング読み出しが全て終わる前に、電子シャッタの動作（図６の（２））を行う。すなわち、前のフレームの読み出し期間中に、次の露光時間を開始する。この場合、電源揺れなどの影響を最小限にするため、行と行の切り代わりのときに電子シャッタ動作を行うことが好ましい。
【００６３】
本実施形態例の固体撮像装置１では、露光期間中においてフォトダイオードＰＤで生成された信号電荷がフォトダイオードＰＤの飽和電荷量を超えた場合には、第１リセットトランジスタ１１のドレイン側（排出部３０）にオーバーフローする。このため、第１電荷蓄積部２４や第２電荷蓄積部２５側にフォトダイオードＰＤの飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローする恐れがないため、ローリング読み出しが終わる前に露光を開始することができる。
【００６４】
そして、変形例のように、ローリング読み出しが終わる前に露光を開始し、露光中の信号電荷の蓄積はフォトダイオードＰＤでのみ行い、ローリング読み出しが全て終了した後にグローバル転送を行うことで、前の信号電荷と次の信号電荷が第１電荷蓄積部２４や第２電荷蓄積部２５で混ざることがない。
【００６５】
変形例では、ローリング読み出しが終わる前に露光を開始することで、フレーム間の時間飛びが少なく、滑らかな動画を得ることができ、感度の向上が図られる。また、本実施形態例の固体撮像装置１では、前述したように、生成された信号電荷はフォトダイオードＰＤのみで蓄積されるので、フォトダイオードＰＤの面積を大きく取り、第１電荷蓄積部２４は小さく形成する構成とされている。このような構成は、変形例の駆動方法に効果的である。
【００６６】
〈２．第２の実施形態：固体撮像装置・電子機器〉
次に、本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置と、その駆動方法、及び電子機器について説明する。本実施形態例の固体撮像装置の全体構成は、図１と同様であるから重複説明を省略する。本実施形態例の固体撮像装置は、２つの画素で複数の画素トランジスタを共有する例である。
【００６７】
［２−１  画素の構成］
図７は、本実施形態例の固体撮像装置の画素構成を示す回路図である。図７では、列方向に隣接する２つの画素（以下、第１画素４０ａ、第２画素４０ｂという）を代表して示している。図７において、図２Ｂに対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
【００６８】
図７に示すように、第１画素４０ａと、第２画素４０ｂでは、フォトダイオードＰＤ、第１電荷蓄積部２４（図２Ａ参照）、及び、それらを駆動する画素トランジスタは画素毎にそれぞれ形成されている。そして、第２電荷蓄積部２５（図２Ａ参照）は、第１画素４０ａ及び第２画素４０ｂで共有されている。そして、第２電荷蓄積部２５をリセットする第２リセットトランジスタ１４、アンプトランジスタ１５、選択トランジスタ１６も第１及び第２画素４０ａ、４０ｂで共有されている。
【００６９】
第１画素４０ａでは、転送トランジスタ１３に転送パルスＴｒｆ１が入力され、第１リセットトランジスタ１１に第１リセットパルスＤｒｎ１が入力され、電位変動電極２６に電位変動パルスＣＣＤ１が入力される。
【００７０】
第２画素４０ｂでは、転送トランジスタ１３に転送パルスＴｒｆ２が入力され、第１リセットトランジスタ１１に第１リセットパルスＤｒｎ２が入力され、電位変動電極２６に電位変動パルスＣＣＤ２が入力される。
【００７１】
本実施形態例の固体撮像装置を駆動するためには、静止画の撮影において、メカニカルシャッタを併用する必要がある。次に、本実施形態例の固体撮像装置が組み込まれる電子機器について説明する。
【００７２】
［２−２  電子機器の構成］
図８に、本開示の電子機器の一例として固体撮像装置をカメラに適用した場合の構成を示す。本実施の形態に係る電子機器５０は、光学レンズ群（光学系）５１、メカニカルシャッタ６１、固体撮像装置５２、ＤＳＰ（Digital signal processor）５３、フレームメモリ５７、中央処理装置（ＣＰＵ）５４を備える。さらに、表示装置５５、記録装置５８、操作系５６及び電源系５９等を備えて構成される。このうち、ＤＳＰ５３、フレームメモリ５７、ＣＰＵ５４、表示装置５５、記録装置５８、操作系５６及び電源系５９は、共通のバスライン６０に接続されている。
【００７３】
光学レンズ群５１は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置５２の撮像面（画素アレイ部：画素部）に導くものである。メカニカルシャッタ６１は、固体撮像装置５２への光照射期間および遮光期間を制御する。固体撮像装置５２は、図７に示した画素構成を有する固体撮像装置が適用される。この固体撮像装置５２は、光学レンズ群５１によって撮像面に結像された像光を画素単位で電気信号に変換する。ＤＳＰ５３は、固体撮像装置５２を制御するとともに、そこからの信号を受け、画像信号を生成するものである。フレームメモリ５７は、ＤＳＰ５３で処理される画像信号を一時的に記憶するために使用されるメモリである。
【００７４】
表示装置５５は、ＤＳＰ５３の処理結果として出力された画像信号を表示するものである。記録装置５８は、その画像信号を例えば磁気テープ、磁気ディスク、光ディスク、メモリカード等に記録するものである。操作系５６は、カメラを操作するためのものである。電源系５９は、固体撮像装置５２やメカニカルシャッタ６１を駆動するための電力を印加するものである。ＣＰＵ５４は、これらの動作を制御する。
【００７５】
本実施形態例の電子機器５０では、静止画の撮影時には、メカニカルシャッタ６１を用い、動画の撮影時には、メカニカルシャッタ６１を用いないで撮影を行う。以下に、その具体的な駆動方法について説明する。
【００７６】
［２−３  駆動方法：静止画］
図９に、本実施形態例の電子機器５０に組み込まれた固体撮像装置５２において、静止画を撮影する場合のタイミングチャートを示す。図９の（１）〜（１２）は、図４及び図５の（１）〜（１２）に対応する。本実施形態例では、静止画を撮影する場合には電子機器５０を構成するメカニカルシャッタ６１を併用する。
【００７７】
まず、メカニカルシャッタ６１を開いた状態で、全画素同時に第１リセットパルスＤｒｎ１、Ｄｒｎ２を供給することで、第１リセットトランジスタ１１のみをオンする（図９の（２））。その後、全画素同時に第１リセットパルスＤｒｎ１、Ｄｒｎ２の供給を停止することで第１リセットトランジスタ１１をオフする（図９の（３））。これにより、電子シャッタ動作が全画素同時に行われ、露光期間が開始される。露光期間が開始されると、図４の（４）に示すように、フォトダイオードＰＤでの信号電荷の生成、蓄積が始まる。
【００７８】
次に、メカニカルシャッタ６１を閉じることにより、全画素同時に露光期間を終了する。すなわち、第１の実施形態では、グローバル転送を行うことにより全画素同時に露光期間を終了する構成とされていたが、本実施形態例では、メカニカルシャッタ６１を閉じることで露光期間を終了させる。
【００７９】
メカニカルシャッタ６１を閉じた後、ローリング読み出しを開始する。ローリング読み出しでは、まず、第１画素４０ａの信号を読み出す。第１画素４０ａの読み出しでは、第１の実施形態における駆動方法の図４（５）〜図５（１２）と同様にして、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を、高照度信号及び低照度信号として読み出す。
そして、第１画素４０ａの信号電荷が読み出されている間、第２画素４０ｂでは、生成、蓄積された信号電荷はフォトダイオードＰＤに蓄積されたままとなる。
【００８０】
第１画素４０ａの読み出しが終了したら、次に、第２画素４０ｂの読み出しを行う。第２画素４０ｂの読み出しにおいても、第１の実施形態における図４（５）〜図５（１２）と同様にして読み出す。本実施形態例では、このように、複数の画素トランジスタを共有する画素で順番に信号電荷の第１及び第２電荷蓄積部２４，２５への転送、及び読み出しを行う。
【００８１】
本実施形態例では、図４（４）〜図５（８）の動作も行毎の読み出し動作に取り込まれることから、読み出す画素におけるリセット信号をカラム回路に取り込むことが可能となる。このため、高照度信号については、図９の（１０）で得られるリセット信号ではなく、図９の（６）で得られるリセット信号との差分を取ることも可能である。
【００８２】
本実施形態例では、複数の画素トランジスタを共有する第１画素４０ａ、第２画素４０ｂにおいて、信号電荷の第１及び第２電荷蓄積部２４，２５への転送、及び読み出しを順に行うことにより、各画素の信号電荷が第２電荷蓄積部２５で混在することがない。また、本実施形態例では、露光期間の終了はメカニカルシャッタ６１で機械的に行うため、メカニカルシャッタ６１が閉じた後の入射光は機械的に遮断される。このため、ローリング読み出し時に、その画素の読み出しの時まで信号電荷をフォトダイオードＰＤに蓄積しておくことが可能となる。なお、本実施形態例では、メカニカルシャッタ６１は露光期間の終了のタイミングを決定する用途にのみ用いられる。このため、本実施形態例で用いるメカニカルシャッタ６１は、露光期間の開始と終了を決定するような高精度なメカニカルシャッタに比較し、簡素なメカニカルシャッタを用いることができる。
【００８３】
［２−４  駆動方法：動画］
図１０に、本実施形態例の固体撮像装置において、動画を撮影する場合のタイミングチャートを示す。図１０の（１）〜（１２）は、図４及び図５の（１）〜（１２）に対応する。本実施形態例では、動画を撮影する場合には電子機器５０を構成するメカニカルシャッタ６１を併用しなくてもよい。
【００８４】
動画を撮影する場合には、第１の実施形態と同様にして、全画素同時に電子シャッタ(図１０の（２）)の動作を行う。そして、一定の露光期間終了後、第１の実施形態と同様のグローバル転送（図１０の（４）〜（８））により、全画素同時に露光期間を終了する。また、ローリング読み出しにおいて、第１画素４０ａと第２画素４０ｂの第１リセットパルスＤｒｎ１，Ｄｒｎ２、転送パルスＴｒｆ１，Ｔｒｆ２、電位変動パルスＣＣＤ１，ＣＣＤ２をそれぞれ同時に動作させる。これにより、２画素分の信号電荷が第２電荷蓄積部２５で加算されて読み出される。すなわち、動画の撮影では、第１画素４０ａ及び第２画素４０ｂの信号電荷が、１画素分の信号電荷として読み出される。
【００８５】
ところで、現在のデジタルスチルカメラでは、静止画は１０００万画素以上に対して、動画のＨＤＴＶ（High-DefinitionTeleVision）でも２００万画素しかない。このように、動画については画素加算して画素数を減らしてよい用途が多い。本実施形態例では、動画の撮影時に、共有画素間で画素加算を行う例としたが、感度や折り返しノイズが劣ってもよければ、画素加算ではなく共有画素のうちの１つの画素だけを読む間引き読み出しを採用してもよい。
【００８６】
以上のように、本実施形態例では、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置において、複数（本実施形態例では２つ）の画素で、複数の画素トランジスタを共有することができる。このため、単位画素の面積を小型化することができる。また、画素トランジスタの占有面積を小さくすることができるため、各画素のフォトダイオードＰＤの面積を大きくすることができ、飽和電荷量の拡大が図られる。
【００８７】
ところで、本実施形態例では、動画の撮影時において、第２電荷蓄積部２５を共有する画素の信号が混在して出力される。このため、第２電荷蓄積部２５を共有する画素は、互いに同じ色の光に対応する画素である必要がある。
【００８８】
図１１Ａに、本実施形態例に適用可能な画素配列の一例を示し、図１１Ｂに、図１１Ａおける実際の画素配列に対して、共有画素同士で信号電荷を加算した場合の実効的な画素配列を示している。図１１Ａでは、赤色画素（Ｒ）、青色画素（Ｂ）、緑色画素（Ｇ）を配列する例を示している。図１１Ａに示すように、奇数番目の列の画素は全て緑色画素で構成し、偶数番目の列の画素は、赤色画素と青色画素とをそれぞれ二行分ずつ交互に配置して構成する。そして、各列の画素において、隣接する同色画素で、第２電荷蓄積部（図２Ａの第２電荷蓄積部２５）を共有する画素構成とする。
【００８９】
以上のような配列とすることで、画素加算を行って動画を撮影する場合には、隣接する同色の２つ画素の信号電荷が一度に読み出される。そしてこの場合、共有画素が同色であるため混色することがない。このように、同色画素で第２電荷蓄積部２５を含む複数の画素トランジスタを共有することにより、画素数は減少するものの、動画の撮影に十分な画素数を得ることができる。また、動画の撮影時における露光期間は画素毎に設定可能であることから、動画の撮影時に、共有画素の２画素間でそれぞれ信号電荷の蓄積時間を違えることで、斜め４５度のベイヤー配列でのダイナミックレンジの拡大が可能である。
【００９０】
図１１Ａでは、動画の撮影時における画素配列が斜めのベイヤー配列となるような配列を図示したが、図１１Ａの配列を４５度回転させることで、図１１Ｂの配列をベイヤー配列となるようにすることも可能である。
【００９１】
本実施形態例では、２つの画素で、第２電荷蓄積部２５、及び複数の画素トランジスタを共有する例としたが、２つ以上の画素で共有することも可能である。図１２に、３つの画素で第２電荷蓄積部２５、及び複数の画素トランジスタを共有する場合に適用可能な画素配列の例を示す。
【００９２】
図１２に示すように、画素配列は通常のベイヤー配列とし、縦方向（行方向）に隣接する同色の３つの画素を共有単位とする。すなわち、図１２の配線で結んだ画素同士が共有画素となる。
【００９３】
本実施形態例でも、共有画素が同色画素で構成されるため、動画の撮影時においても混色が発生することがない。また、図１２の配列において、縦方向の３つの画素加算と合わせて、カラム回路などにより、横方向（列方向）の３列分の画素加算を行えば、画素数１／９のベイヤー配列が再構成できる。この場合、画素数がおよそ１８００万画素である場合に、２００万画素の動画を撮影することができ、動画撮影に十分な画素数を確保することができる。
【００９４】
以上のように、本実施形態例では、メカニカルシャッタ６１を併用することで、複数の画素トランジスタを複数の画素で共有する画素共有の構造を有するグローバルシャッタ機能付きの固体撮像装置において、動画の撮影及び静止画の撮影の両方がグローバルシャッタで可能となる。また、本実施形態例では、精度の高い高価なメカニカルシャッタは必要無いため、コストを抑えることができる。
【００９５】
本開示は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置にも適用可能である。広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
【００９６】
さらに、本開示は、画素領域の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限られるものではない。画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、画素領域と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
【００９７】
また、本開示の固体撮像装置は、主としてｎチャネルＭＯＳトランジスタを構成とした場合であるが、ｐチャネルＭＯＳトランジスタを構成とすることもできる。ｐチャネルＭＯＳトランジスタとする場合は、各図において、その導電型を反転した構成となる。
【００９８】
また、本開示は、電子機器としてカメラを例に説明したが、電子機器としては、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムの他、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器が挙げられる。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールとする場合もある。
【００９９】
また、本開示では、第２の実施形態に係る固体撮像装置を電子機器に適用した例のみ示したが、第１の実施形態に係る固体撮像装置を電子機器に適用することももちろん可能である。その場合には、メカニカルシャッタは併用してもしなくてもよい。
【０１００】
なお、本開示は、以下のような構成をとることができる。
（１）
光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部と、
露光期間中、前記光電変換部で生成された信号電荷のうち、前記光電変換部の飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローされる排出部と、
露光期間終了後、前記光電変換部で生成された信号電荷が転送される第１電荷蓄積部と、前記第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えた信号電荷が転送される第２電荷蓄積部とを含む少なくとも２つの電荷蓄積部と、
前記信号電荷の転送、読み出しをする複数の画素トランジスタと、
を備える画素が行列状に二次元配置された画素アレイ部と、
信号電荷の蓄積期間において蓄積期間が全画素同時となるように走査し、読み出し期間において前記画素を順に選択走査する走査部と、
を備える固体撮像装置。
（２）
露光期間中において、前記光電変換部と前記排出部との間の電位障壁は、前記光電変換部と前記第１電荷蓄積部との間の電位障壁よりも低く形成されている
（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記第１電荷蓄積部は、ＣＣＤ構造とされている
（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部と、
露光期間中、前記光電変換部で生成された信号電荷のうち、前記光電変換部の飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローされる排出部と、
露光期間終了後、前記光電変換部で生成された信号電荷が転送される第１電荷蓄積部と、前記第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えた信号電荷が転送される第２電荷蓄積部とを含む少なくとも２つの電荷蓄積部と、
前記信号電荷の転送、読み出しをする複数の画素トランジスタと、
を備える画素が行列状に二次元配置された画素アレイ部を備える固体撮像装置において、
全画素同時に前記光電変換部での露光を開始し、信号電荷の生成、蓄積を行う工程と、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷を全画素同時に前記第１電荷蓄積部に転送する工程と、
転送時に前記第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えて前記第２電荷蓄積部に転送された信号電荷を高照度信号として読み出し、前記第２電荷蓄積部の電位をリセットした後、前記第１電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を前記第２電荷蓄積部に転送し、該第２電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を低照度信号として読み出す工程を、画素毎に行う工程と、
を有する固体撮像装置の駆動方法。
（５）
前記露光期間の開始は、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を、前記排出部に排出させることで行う
（４）に記載の固体撮像装置の駆動方法。
（６）
前記高照度信号を読み出し、前記第２電荷蓄積部の電位をリセットした後、前記第２電荷蓄積部のリセット電位を取得し、当該リセット電位を用いて前記高照度信号及び前記低照度信号の固定パターンノイズを除去する工程を有する
（５）に記載の固体撮像装置の駆動方法。
（７）
前記露光期間は、前記画素毎の信号電荷の読み出しが終了する前に開始する
（６）に記載の固体撮像装置の駆動方法。
（８）
光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部と、
露光期間中、前記光電変換部で生成された信号電荷のうち、前記光電変換部の飽和電荷量を超えた信号電荷がオーバーフローされる排出部と、
露光期間終了後、前記光電変換部で生成された信号電荷が転送される第１電荷蓄積部と、前記第１電荷蓄積部の飽和電荷量を超えた信号電荷が転送される第２電荷蓄積部とを含む少なくとも２つの電荷蓄積部と、
前記信号電荷の転送、読み出しをする複数の画素トランジスタと、
を備える画素が行列状に二次元配置された画素アレイ部と、
信号電荷の蓄積期間において蓄積期間が全画素同時となるように走査し、読み出し期間において前記画素を順に選択走査する走査部と、
を備える固体撮像装置
を有する電子機器。
【符号の説明】
【０１０１】
１・・・固体撮像装置、２・・・画素アレイ部、３・・・行走査部、４・・・定電流源部、５・・・列信号処理部、６・・・列走査部、７・・・出力処理部、８・・・コントロール部、９・・・基板、１０・・・水平信号線、１１・・・第１リセットトランジスタ、１２・・・画素駆動線、１３・・・転送トランジスタ、１４・・・第２リセットトランジスタ、１５・・・アンプトランジスタ、１６・・・選択トランジスタ、１７・・・垂直信号線、２０・・・基板、２１・・・ウェル領域、２２・・・ｐ型半導体領域、２３・・・ｎ型半導体領域、２４・・・第１電荷蓄積部、２４ａ・・・転送ゲート部、２５・・・第２電荷蓄積部、２６・・・電位変動電極、２８・・・転送ゲート電極、２９・・・第１リセットゲート電極、３０・・・排出部、３１・・・絶縁膜、３２・・・第２リセットゲート電極、３３・・・アンプゲート電極、３４・・・選択ゲート電極、３５・・・定電流源、４０ａ・・・第１画素、４０ｂ・・・第２画素、５０・・・電子機器、５１・・・光学レンズ群、５２・・・固体撮像装置、５３・・・ＤＳＰ、５４・・・ＣＰＵ、５４・・・中央処理装置、５５・・・表示装置、５６・・・操作系、５７・・・フレームメモリ、５８・・・記録装置、５９・・・電源系、６０・・・バスライン、６１・・・メカニカルシャッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１２】
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【図４】
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【図５】
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