(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導電膜をｎ層（ｎ≧２）積層し、最上層の光導電膜の側から受光する光電変換部を有して、各層の光導電膜内で発生した光電流を最下層の光導電膜を通じて取り出す積層型固体撮像装置の信号読み出し方法であって、
第１層〜第ｎ層までの各層にＶ１〜Ｖｎまでの各電圧を印加することにより各層ごとに光電流ｉ１〜ｉｎを生成し、
第１層のみに電圧を印加する場合から逐次上層についても重畳して電圧を印加して第１層〜第ｎ層までの全ての層に電圧を印加する場合までのａ回（１≦ａ≦ｎ）の組み合わせ条件での電圧印加を任意の順で行って光電流Ｉ１〜Ｉａを得、第ａ層に電圧Ｖａを印加して生成する光電流ｉａを下記式に基づいて演算処理して得ることを特徴とする積層型固体撮像装置の信号読み出し方法。
【数１】
0003987364.tif 000006
（ここで、Ｉａは第１層から第ａ層までの各層全てに電圧Ｖ１〜電圧Ｖａを印加したときに各層で生成した光電流を重畳して第１層を介して得られる光電流を示し（但し、Ｉ０＝０）、αａ−１は光電流ｉａが第ａ−１層を通過するときの電流残存率を示す。）
【請求項２】
１／ａフレーム分の時間単位で前記ａ回の組み合わせ条件での電圧印加を順次または逆順で行うことにより、１フレーム分の時間単位で光電流Ｉ１〜Ｉａの光電流を取り出し、前記式に基づいて演算処理して各層で生成する光電流ｉ１〜ｉａを得ることを特徴とする請求項１記載の積層型固体撮像装置の信号読み出し方法。
【請求項３】
３層積層した光導電膜が、光の三原色のうちのいずれか１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜、他の１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜および残りの１色の光を吸収する機能を有する光導電膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型固体撮像装置の信号読み出し方法。
【請求項４】
光導電膜をｎ層（ｎ≧２）積層し、最上層の光導電膜の側から受光する光電変換部を有して、最下層の光導電膜の裏面側に信号読み出し部を設けた積層型固体撮像装置であって、
第１層〜第ｎ層までの各層にＶ１〜Ｖｎまでの各電圧を印加することにより各層ごとに光電流ｉ１〜ｉｎを生成し、
第１層のみに電圧を印加する場合から逐次上層についても重畳して電圧を印加して第１層〜第ｎ層までの全ての層に電圧を印加する場合までのａ回（１≦ａ≦ｎ）の組み合わせ条件での電圧印加を任意の順で行って光電流Ｉ１〜Ｉａを得、第ａ層に電圧Ｖａを印加して生成する光電流ｉａを下記式に基づいて演算処理して得ることを特徴とする積層型固体撮像装置。
【数２】
0003987364.tif 000007
（ここで、Ｉａは第１層から第ａ層までの各層全てに電圧Ｖ１〜電圧Ｖａを印加したときに各層で生成した光電流を重畳して第１層を介して得られる光電流を示し、αａ−１は光電流ｉａが第ａ−１層を通過するときの電流残存率を示す。）
【請求項５】
１／ａフレーム分の時間単位で前記ａ回の組み合わせ条件での電圧印加を順次または逆順で行うことにより、１フレーム分の時間単位で光電流Ｉ１〜Ｉａの光電流を取り出し、前記式に基づいて演算処理して各層で生成する光電流ｉ１〜ｉａを得ることを特徴とする請求項４記載の積層型固体撮像装置。
【請求項６】
３層積層した光導電膜が、光の三原色のうちのいずれか１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜、他の１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜および残りの１色の光を吸収する機能を有する光導電膜からなることを特徴とする請求項４または５に記載の積層型固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型固体撮像装置およびその信号読み出し方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、テレビカメラ等の撮像装置（固体撮像装置）の受光素子（光電変換部）として利用されている光導電膜の材料としては、Ｓｉ膜やａ−Ｓｅ膜等の無機材料の膜が主に用いられている。
【０００３】
これら無機材料の膜を用いた従来の光導電膜は、光導電特性に対して急峻な波長依存性を持たない。このため、光導電膜を用いた撮像装置は、入射光を赤、緑、青の三原色に分解するプリズムと、プリズムの後段に配置される３枚の光導電膜とを備えた３板式のものが主流となっている。
【０００４】
しかしながら、この３板式構造の撮像装置は、構造上、寸法および重量がともに大きくなることを避けることができない。
【０００５】
撮像装置の小型軽量化を実現するには、分光プリズムを設ける必要がなく、受光素子が１枚である単板式のものが望まれる。
【０００６】
このような単板式のものとして、光導電膜平面内に色画素として赤、緑、青の色フィルタをベイヤー配列したものがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の単板受光素子を有する撮像装置は、所定の面積を占める色フィルタに対応して赤、緑、青の受光素子で１画素を構成しているため、解像度を高くとることができない。また、画素単位でみると、所望の色以外の波長の入射光は色フィルタに吸収され有効に利用されていない。
【０００８】
ところで、図１に示すように、深さ方向に不純物濃度が制御された３層ウェル構造を有する半導体素子で光電変換部を形成することが提案されている（米国特許番号5,965,875公報）。この場合、半導体素子１は、ｐ型半導体層２の上に、順次ｎ―ウェル３、ｐ−ウェル４、ｎ−拡散層５を形成し、各層界面を、それぞれ赤色、緑色および青色の各波長の光を吸収する光吸収部Ｒ、Ｇ、Ｂとしている。なお、図１中、各光吸収部Ｒ、Ｇ、Ｂで生成された光電流を取り出す様子を電流計Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１で模式的に示す。
【０００９】
しかしながら、半導体素子１は、不可避的に信号読み出し部が受光面であるｎ―ウェル３、ｐ−ウェル４、ｎ−拡散層５の周囲に同一平面上に形成されるため〈図示せず。〉、開口率が１００％に至ることがなく、高い受光率を得ることができない。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高い解像度および光の利用効率を有する固体撮像装置を実現することができる積層型固体撮像装置およびその信号読み出し方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る積層型固体撮像装置の信号読み出し方法は、光導電膜をｎ層（ｎ≧２）積層し、最上層の光導電膜の側から受光する光電変換部を有して、各層の光導電膜内で発生した光電流を最下層の光導電膜を通じて取り出す信号読み出し方法であって、
第１層〜第ｎ層までの各層にＶ１〜Ｖｎまでの各電圧を印加することにより各層ごとに光電流ｉ１〜ｉａを生成するものであって、第１層のみに電圧を印加する場合から逐次上層についても重畳して電圧を印加して第１層〜第ｎ層までの全ての層に電圧を印加する場合までのａ回（１≦ａ≦ｎ）の組み合わせ条件での電圧印加を任意の順で行って光電流Ｉ１〜Ｉｎを得、第ａ層に電圧Ｖａを印加して生成する光電流ｉａを下記式に基づいて演算処理して得ることを特徴とする。
【００１４】
【数３】
0003987364.tif 000002
（ここで、Ｉａは第１層から第ａ層までの各層全てに電圧Ｖ１〜電圧Ｖａを印加したときに各層で生成した光電流を重畳して第１層を介して得られる光電流を示し（但し、Ｉ０＝０）、αａ−１は光電流ｉａが第ａ−１層を通過するときの電流残存率を示す。）
また、この場合、１／ａフレーム分の時間単位で前記ａ回の組み合わせ条件での電圧印加を順次または逆順で行うことにより、１フレーム分の時間単位で光電流Ｉ１〜Ｉａの光電流を取り出し、前記式に基づいて演算処理して各層で生成する光電流ｉ１〜ｉａを得ると、好適である。
【００１５】
また、この場合、３層積層した光導電膜が、光の三原色のうちのいずれか１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜、他の１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜および残りの１色の光を吸収する機能を有する光導電膜からなると、高い感度および解像度を有するカラー画像を得ることができる。
【００１７】
また、上記の積層型固体撮像装置の信号読み出し方法を好適に実現するために、本発明に係る積層型固体撮像装置は、光導電膜をｎ層（ｎ≧２）積層し、最上層の光導電膜の側から受光する光電変換部を有して、最下層の光導電膜の裏面側に信号読み出し部を設けた積層型固体撮像装置であって、第１層〜第ｎ層までの各層にＶ１〜Ｖｎまでの各電圧を印加することにより各層ごとに光電流ｉ１〜ｉｎを生成し、  第１層のみに電圧を印加する場合から逐次上層についても重畳して電圧を印加して第１層〜第ｎ層までの全ての層に電圧を印加する場合までのａ回（１≦ａ≦ｎ）の組み合わせ条件での電圧印加を任意の順で行って光電流Ｉ１〜Ｉａを得、第ａ層に電圧Ｖａを印加して生成する光電流ｉａを下記式に基づいて演算処理して得ることを特徴とする。
【００１８】
【数４】
0003987364.tif 000003
（ここで、Ｉａは第１層から第ａ層までの各層全てに電圧Ｖ１〜電圧Ｖａを印加したときに各層で生成した光電流を重畳して第１層を介して得られる光電流を示し、αａ−１は光電流ｉａが第ａ−１層を通過するときの電流残存率を示す。）
また、本発明に係る積層型固体撮像装置は、１／ａフレーム分の時間単位で前記ａ回の組み合わせ条件での電圧印加を順次または逆順で行うことにより、１フレーム分の時間単位で光電流Ｉ１〜Ｉａの光電流を取り出し、前記式によって演算処理して各層で生成する光電流ｉ１〜ｉａを得ることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る積層型固体撮像装置は、３層積層した光導電膜が、光の三原色のうちのいずれか１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜、他の１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜および残りの１色の光を吸収する機能を有する光導電膜からなることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る積層型固体撮像装置およびその信号読み出し方法の好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、図を参照して、以下に説明する。
【００２１】
まず、本実施の形態例に係る積層型固体撮像装置について、図２を参照して説明する。
【００２２】
積層型固体撮像装置１０は、図２に示すように、光電変換部１２と信号読み出し部１４と電源部１６を有する。
【００２３】
光電変換部１２は、例えば３つの光導電膜１８、２０、２２を積層した構造を有する。最下層の光導電膜１８と中間層の光導電膜２０との間、中間層の光導電膜２０と最上層の光導電膜２２との間および最上層の光導電膜２２の上には、それぞれ電極２４、２６、２８が配置される。
【００２４】
光導電膜１８、２０、２２は、それぞれ青、緑、赤の各色の光を個別に吸収する光吸収層である。すなわち、例えば、光導電膜１８は青色の波長領域の光のみを吸収し、光導電膜２０は緑色の波長領域の光のみを吸収し、光導電膜２２は赤色の波長領域の光のみを吸収する。光導電膜１８、２０、２２の積層順は問わない。
【００２５】
光導電膜１８、２０、２２は、上記の光吸収機能を有する限り、言い換えれば、上記の波長選択性を有する限り、任意の材料を用いることができ、このような材料としては、例えば、Ｓｉ系材料、ＧａＡｓ系材料、Ｇｅ系材料、ＩｎＡｓ系材料、ＧａＮ系材料、Ｓｅ系材料または有機系材料等を挙げることができる。
【００２６】
なお、光導電膜１８、２０、２２は、用途に応じて光の三原色以外の光を吸収するものであってもよい。
【００２７】
電極２４、２６、２８は、好ましくは透明材料で形成される。このような透明材料としては、例えばインジウムスズ酸化物、インジウム酸化物または酸化スズ等を挙げることができる。電極２４、２６については、その電極の上層の光導電膜で発生し、電解によって加速された電荷が効率よく通過することができるように、１０ｎｍ以下程度の膜厚とすることが望ましい。
【００２８】
また、電極２４、２６、２８は、半透明材料で形成してもよく、このような半透明材料としては、例えば、アルミニウム、バナジウム、金、銀、白金、鉄、コバルト、炭素、ニッケル、タングステン、パラジウム、マグネシウム、カルシウム、スズ、鉛、チタン、イットリウム、リチウム、ルテニウム、マンガン等の金属およびそれらの合金を挙げることができる。さらにまた、ポリアセチレン系、ポリアニリン系、ポリピロール系、あるいはポリチオフェン系に代表される導電性高分子を用いて電極を形成してもよい。
【００２９】
信号読み出し部１４は、ＭＯＳをスイッチング手段として備える。信号読み出し部１４の詳細については後述する。
【００３０】
電源部１６は、３つの電源１６ａ〜１６ｃが各電極２４、２６、２８に接続されており、電源１６ａにより光導電膜１８に電圧Ｖ１を、電源１６ｂにより光導電膜２０に電圧Ｖ２を、電源１６ｃにより光導電膜２２に電圧Ｖ３を、それぞれ印加できるように構成されている。電源１６ｂと電極２６との間および電源１６ｃと電極２８との間には、それぞれ選択スイッチＳＷ１、ＳＷ２が挿入されており、電圧の印加がオンオフ制御される。
【００３１】
電源１６ａの正極側と電極２４との間および電源１６ｂの正極側と電極２６との間には、それぞれダイオードＤ１、Ｄ２が、電源側をアノードとし、電極側をカソードする方向に挿入されている。これにより、光導電膜２４、２６に印加される実際の電圧は、ダイオードＤ１、Ｄ２のビルトインポテンシャル分だけ、電源１６ａの電圧Ｖ１、電源１６ｂの電圧Ｖ２より小さくなる。但し、この電圧降下分は各電源１６ａ、１６ｂの電圧Ｖ１、Ｖ２に比べて非常に小さいため、印加電圧は、各電源１６ａ、１６ｂの電圧Ｖ１、Ｖ２に等しいものとして以下説明を続ける。
【００３２】
上記のように構成した積層型固体撮像装置１０に、光導電膜２２の側から定常光が入射したときの作用について、さらに図２を参照して説明する。
【００３３】
選択スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンし、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３がそれぞれ光導電膜１８、２０、２２に印加されると、光導電膜２２で吸収された光により光電流ｉ３が、光導電膜２０で吸収された光により光電流ｉ２が、光導電膜１８で吸収された光により光電流ｉ１が、それぞれ生成される。そして、光電流ｉ３は電極２６、光導電膜２６、電極２４および光導電膜１８を介して信号読み出し部１４に到達する。同様に、光電流ｉ２は電極２４および光導電膜１８を介して信号読み出し部１４に到達し、また、光電流ｉ１はそのまま信号読み出し部１４に到達する。
【００３４】
このとき、所定の光導電膜で生成した光電流がその下層の光導電膜を通過する際に、電流値が減少する。この下層の光導電膜に入る光電流に対する下層の光導電膜を通過した光電流の値の比を電流残存率（電流通過率）αとする。言い換えると、電流減少率βは１−αである。
【００３５】
各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が同時に印加されたとき、信号読み出し部１４に到達する光電流Ｉ３は、上記の電流値の減少を無視すると光電流ｉ１、ｉ２、ｉ３が重畳されたものであり、さらに、電流値の減少を考慮すると、下記の式で与えられる。
【００３６】
Ｉ３＝ｉ３・α２・α１＋ｉ２・α１＋ｉ１
ここで、α２は光導電膜２０を通過するときの光電流の電流残存率であり、α１は光導電膜１８を通過するときの光電流の電流残存率である。
【００３７】
つぎに、選択スイッチＳＷ２をオフし、選択スイッチＳＷ１のみをオンした状態とすると、光導電膜２２において光電流ｉ３が生成されないため、信号読み出し部１４に到達する光電流Ｉ２は、下記の式で与えられる。
【００３８】
Ｉ２＝ｉ２・α１＋ｉ１
さらに、選択スイッチＳＷ２、ＳＷ１をオフした状態とすると、光導電膜１８においてのみ光電流ｉ１が生成され、信号読み出し部１４に到達する光電流Ｉ１は、下記の式で与えられる。
【００３９】
Ｉ１＝ｉ１
これを拡張して一般式化すると、光導電膜をｎ層（ｎ≧２）積層した場合、第ａ層（１≦ａ≦ｎ）に電圧Ｖａを印加したとき第ａ層において光電流ｉａを生成し、  第１層から第ａ層までにそれぞれ電圧Ｖ１、Ｖ２、…、Ｖａを印加したとき第１層から第ａ層までの各層で生成した光電流を重畳して第１層から光電流Ｉａとして取り出し、光電流ｉａが第ａ−１層を通過するときの電流残存率をαａ−１とするとき、電圧Ｖ１、電圧Ｖ１およびＶ２、…、電圧Ｖ１、Ｖ２、…、およびＶａ、電圧…、電圧Ｖ１、Ｖ２、…、Ｖａ、およびＶｎのｎ個の組み合わせ条件の電圧印加を任意の順で行うとき、光電流ｉａは下記式で与えられる。
【００４０】
【数５】
0003987364.tif 000004
ここで、Ｉａは第１層から第ａ層までの各層全てに電圧Ｖ１〜電圧Ｖａを印加したときに各層で生成した光電流を重畳して第１層を介して得られる光電流を示し（但し、Ｉ０＝０）、αａ−１は光電流ｉａが第ａ−１層を通過するときの電流残存率を示す。
【００４１】
すなわち、信号読み出し部１４で電圧印加条件を変えて得られる光電流Ｉ１〜Ｉａを演算処理することで、第１層〜第ａ層の各導電膜でそれぞれ生成される光電流Ｉ１〜Ｉａの信号を読み出すことができる。
【００４２】
ここで、信号読み出し部１４について、図３および図４を参照して詳細に説明する。図３は、光電変換部１２のうちの１画素分と、それに対応する信号読み出し部１４の回路構成とを示し、図３は、４画素分の信号読み出し部１４の回路構成を示す。
【００４３】
信号読み出し部１４は、画素３０が２次元アレイ状に配列され、垂直走査回路３２および水平走査回路３４からのクロック信号によって駆動、制御される。なお、垂直走査回路３２および水平走査回路３４には、図示しないコントローラより所定の制御信号が送られる。図４中、参照符号３６ａ、３６ｂは垂直選択線を、参照符号３８ａ、３８ｂは垂直信号線を、参照符号４０ａ、４０ｂは水平選択線を、参照符号４８ａ、４８ｂは水平選択トランジスタをそれぞれ示す。
【００４４】
各画素３０は、光電変換部１２で生成した電荷を逐次受け入れて蓄積するための蓄積ダイオード４２と、蓄積ダイオード４２に蓄積された電荷の垂直信号線３８ａまたは３８ｂへの取り出しを制御するための垂直選択トランジスタ４４とを備え、それぞれ垂直信号線３８ａまたは３８ｂに接続されている。参照符号４６は、光電変換部１２に接続して設けられた画素電極を示す。なお、垂直選択トランジスタ４４をオンするために印加するクロックは、垂直走査回路３２から垂直選択線３６ａ、３６ｂを介して垂直選択トランジスタ４４に供給され、また、同様に、水平選択トランジスタ４８ａ、４８ｂをオンするために印加するクロックは、水平走査回路３４から水平選択線４０ａ、４０ｂを介して水平選択トランジスタ４８ａ、４８ｂに供給される。
【００４５】
水平選択トランジスタ４８ａ、４８ｂに出力線５０が接続される。出力線５０は、３本に分岐され、それぞれスイッチ５２ａ〜５２ｃを介してフレームメモリ５４ａ〜５４ｃに接続される。フレームメモリ５４ａ〜５４ｃは、演算装置５６に接続される。演算装置５６は、３つの出力（図４中、出力１、出力２、出力３で表示）を有する。なお、参照符号５８は、出力線５０上に設けられたバイアス部を示す。
【００４６】
以上説明した光電変換部１２、信号読み出し部１４および電源部１６を有する積層型固体撮像装置１０の信号読み出し方法について、さらに図５を参照して説明する。
【００４７】
図５に示すクロックパターン図において、Φｓｗ１、Φｓｗ２は選択スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオンオフを制御するクロックを、Φ３６ａ、Φ３６ｂは垂直選択トランジスタ４４のオンオフを制御するために垂直走査回路３２から垂直選択線３６ａ、３６ｂに供給されるクロックを、Φ４０ａ、Φ４０ｂは水平選択トランジスタ４８ａ、４８ｂのオンオフを制御するために水平走査回路３４から水平選択線４０ａ、４０ｂに供給されるクロックを、Φ５２ａ、Φ５２ｂ、Φ５２ｃはスイッチ５２ａ〜５２ｃのオンオフを制御するクロックを、それぞれ示す。
【００４８】
光電変換部１２の各光導電膜１８、２０、２２に印加する各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の印加切換え時間は、積層型固体撮像装置１０の用途によって異なるため、一意的に定まるものではない。例えば、積層型固体撮像装置１０がテレビカメラ用の場合は、１フレーム毎に全画素について全色の信号、すなわち、この場合、各光導電膜１８、２０、２２で生成する光電流ｉ１、ｉ２、ｉ３を読み出す必要があるため、最大１／３フレーム単位で各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の組み合わせ条件を切り換える必要がある。この電圧を印加する順序は特に限定されず、任意の順でよいが、好適には、Ｖ１、Ｖ１＋Ｖ２、Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３の順あるいはその逆順で行う。
【００４９】
２×２画素の場合を例にとって、信号読み出し方法の一例を説明する。この場合、Ａ、ＢおよびＣの区間の１／３フレーム単位でＶ１＋Ｖ２＋Ｖ３、Ｖ１＋Ｖ２、Ｖ１、の順に電圧印加条件を変えて信号電荷の読み出しを行う。
【００５０】
区間Ａで、まず、Φｓｗ１、Φｓｗ２をＨレベルとし、選択スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオン状態にして電圧Ｖ１とともに電圧Ｖ２および電圧Ｖ３を印加し、各光導電膜１８、２０、２２に電荷（光電流ｉ１、ｉ２、ｉ３として取り出される）を発生させる（図５中Ａ−▲１▼）。発生した電荷は、印加電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３によって各光導電膜１８、２０、２２の膜内を走行し、４つの画素３０のそれぞれの蓄積ダイオード４２に光電流Ｉ３の電荷として蓄積される。
【００５１】
ついで、Φｓｗ１、Φｓｗ２をＬレベルとし、選択スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフ状態にするとともに、Φ３６ａをＨレベルとし、垂直選択線３６ａに接続された２つの垂直選択トランジスタ４４をオンして、２つの蓄積ダイオード４２に蓄積された電荷（信号電荷）を垂直信号線３８ａ、３８ｂにそれぞれ読み出す（図５中Ａ−▲２▼）。なお、選択スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオフによる電圧Ｖ２および電圧Ｖ３の印加の解除に合わせて電圧Ｖ１の印加も解除する。
【００５２】
このとき、Φ５２ｃをＨレベルとし、スイッチ５２ｃをオン状態にしておく。
【００５３】
ついで、Φ４０ａをＨレベルとして、水平選択線４０ａに接続された水平選択トランジスタ４８ａをオンして垂直信号線３８ａの電荷（信号電荷）を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ｃに読み込んで電荷（信号電荷）を記憶する（図５中Ａ−▲３▼）。
【００５４】
ついで、Φ４０ｂをＨレベルとして、水平選択線４０ｂに接続された水平選択トランジスタ４８ｂをオンして垂直信号線３８ｂの電荷を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ｃに読み込んで電荷（信号電荷）を記憶する（図５中Ａ−▲４▼）。
ついで、Φ３６ｂをＨレベルとし、垂直選択線３６ｂに接続された２つの垂直選択トランジスタ４４をオンして、２つの蓄積ダイオード４２に蓄積された電荷（信号電荷）を垂直信号線３８ａ、３８ｂにそれぞれ読み出す（図５中Ａ−▲５▼）。
【００５５】
ついで、Φ４０ａをＨレベルとして、水平選択線４０ａに接続された水平選択トランジスタ４８ａをオンして垂直信号線３８ａの電荷（信号電荷）を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ｃに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ａ−▲６▼）。
【００５６】
ついで、Φ４０ｂをＨレベルとして、水平選択線４０ｂに接続された水平選択トランジスタ４８ｂをオンして垂直信号線３８ｂの電荷を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ｃに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ａ−▲７▼）。その後、Φ５２ｃをＬレベルとし、スイッチ５２ｃをオフ状態にする（図５中Ａ−▲８▼）。
【００５７】
これにより、フレームメモリ５４ｃには、４つの画素３０の光電流Ｉ３に相当する信号（画素出力）が記憶される。
【００５８】
つぎに、区間Ｂで、まず、Φｓｗ１のみＨレベルとし、選択スイッチＳＷ１のみをオン状態にして電圧Ｖ１とともに電圧Ｖ２を印加し、各光導電膜１８、２０に電荷（光電流ｉ１、ｉ２として取り出される）を発生させる（図５中Ｂ−▲１▼）。発生した電荷は、印加電圧Ｖ１、Ｖ２によって各光導電膜１８、２０の膜内を走行し、４つの画素３０のそれぞれの蓄積ダイオード４２に光電流Ｉ２の電荷として蓄積される。
【００５９】
ついで、Φｓｗ１をＬレベルとし、選択スイッチＳＷ１をオフ状態にするとともに、Φ３６ａをＨレベルとし、垂直選択線３６ａに接続された２つの垂直選択トランジスタ４４をオンして、２つの蓄積ダイオード４２に蓄積された電荷（信号電荷）を垂直信号線３８ａ、３８ｂにそれぞれ読み出す（図５中Ｂ−▲２▼）。なお、選択スイッチＳＷ１のオフによる電圧Ｖ２の印加の解除に合わせて電圧Ｖ１の印加も解除する。
【００６０】
このとき、Φ５２ｂをＨレベルとし、スイッチ５２ｂをオン状態にしておく。
【００６１】
ついで、Φ４０ａをＨレベルとして、水平選択線４０ａに接続された水平選択トランジスタ４８ａをオンして垂直信号線３８ａの電荷を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ｂに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ｂ−▲３▼）。
【００６２】
ついで、Φ４０ｂをＨレベルとして、水平選択線４０ｂに接続された水平選択トランジスタ４８ｂをオンして垂直信号線３８ｂの電荷（信号電荷）を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ｂに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ｂ−▲４▼）。
【００６３】
ついで、Φ３６ｂをＨレベルとし、垂直選択線３６ｂに接続された２つの垂直選択トランジスタ４４をオンして、２つの蓄積ダイオード４２に蓄積された電荷（信号電荷）を垂直信号線３８ａ、３８ｂにそれぞれ読み出す（図５中Ｂ−▲５▼）。
【００６４】
ついで、Φ４０ａをＨレベルとして、水平選択線４０ａに接続された水平選択トランジスタ４８ａをオンして垂直信号線３８ａの電荷（信号電荷）を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ｂに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ｂ−▲６▼）。
【００６５】
ついで、Φ４０ｂをＨレベルとして、水平選択線４０ｂに接続された水平選択トランジスタ４８ｂをオンして垂直信号線３８ｂの電荷（信号電荷）を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ｂに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ｂ−▲７▼）。その後、Φ５２ｂをＬレベルとし、スイッチ５２ｂをオフ状態にする（図５中Ｂ−▲８▼）。
【００６６】
これにより、フレームメモリ５４ｂには、４つの画素３０の光電流Ｉ２に応じた信号（画素出力）が記憶される。
【００６７】
つぎに、区間Ｃで、まず、Φｓｗ１、Φｓｗ２のいずれもＬレベルとし、選択スイッチＳＷ１、ＳＷ２のいずれもオフ状態にして電圧Ｖ１のみを印加し、光導電膜１８に電荷（光電流ｉ１）を発生させる（図５中Ｃ−▲１▼）。発生した電荷（は、印加電圧Ｖ１によって各光導電膜１８の膜内を走行し、４つの画素３０のそれぞれの蓄積ダイオード４２に光電流Ｉ１の電荷として蓄積される。
【００６８】
ついで、電圧Ｖ１の印加を解除するとともに、Φ３６ａをＨレベルとし、垂直選択線３６ａに接続された２つの垂直選択トランジスタ４４をオンして、２つの蓄積ダイオード４２に蓄積された電荷（信号電荷）を垂直信号線３８ａ、３８ｂにそれぞれ読み出す（図５中Ｃ−▲２▼）。
【００６９】
このとき、Φ５２ａをＨレベルとし、スイッチ５２ａをオン状態にしておく。
【００７０】
ついで、Φ４０ａをＨレベルとして、水平選択線４０ａに接続された水平選択トランジスタ４８ａをオンして垂直信号線３８ａの電荷（信号電荷）を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ａに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ｃ−▲３▼）。
【００７１】
ついで、Φ４０ｂをＨレベルとして、水平選択線４０ｂに接続された水平選択トランジスタ４８ｂをオンして垂直信号線３８ｂの電荷（信号電荷）を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ａに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ｃ−▲４▼）。
【００７２】
ついで、Φ３６ｂをＨレベルとし、垂直選択線３６ｂに接続された２つの垂直選択トランジスタ４４をオンして、２つの蓄積ダイオード４２に蓄積された電荷（信号電荷）を垂直信号線３８ａ、３８ｂにそれぞれ読み出す（図５中Ｃ−▲５▼）。
【００７３】
ついで、Φ４０ａをＨレベルとして、水平選択線４０ａに接続された水平選択トランジスタ４８ａをオンして垂直信号線３８ａの電荷（信号電荷）を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ａに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ｃ−▲６▼）。
【００７４】
ついで、Φ４０ｂをＨレベルとして、水平選択線４０ｂに接続された水平選択トランジスタ４８ｂをオンして垂直信号線３８ｂの電荷（信号電荷）を出力線５０に読み出し、さらに、フレームメモリ５４ａに読み込んで電荷（信号電荷）に応じた信号を記憶する（図５中Ｂ−▲７▼）。その後、Φ５２ａをＬレベルとし、スイッチ５２ａをオフ状態にする（図５中Ｂ−▲８▼）。
【００７５】
これにより、フレームメモリ５４ａには、４つの画素３０の光電流Ｉ１に応じた信号（画素出力）が記憶される。
【００７６】
以上の手順を経て、フレームメモリ５４ａには４つの画素３０の光電流Ｉ１に相当する４つの画素出力が、フレームメモリ５４ｂには４つの画素３０の光電流Ｉ２に相当する４つの画素出力が、フレームメモリ５４ｃには４つの画素３０の光電流Ｉ３に相当する４つの画素出力が、それぞれ記憶された状態にある。
【００７７】
ついで、１つの画素３０についての光電流Ｉ１、光電流Ｉ２、光電流Ｉ３に相当する３つの画素出力を各フレームメモリ５４ａ〜５４ｃから演算装置５６に送り、前記した式の演算処理を行い、光電流ｉ１、光電流ｉ２、光電流ｉ３に相当する３つの画素出力を得て、それぞれ出力する（図４中、出力１、出力２、出力３）。
【００７８】
以下、他の３つの画素３０についても、上記と同様の処理を行い、出力する。
【００７９】
したがって、各光導電膜１８、２０、２２が赤、緑、青色の光吸収層である場合、各画素３０毎に、３つの出力（出力１、出力２、出力３）により、ＲＧＢ信号が得られることになる。
【００８０】
つぎに、信号読み出し部の走査手段としてＣＣＤを用いたものについて、インターライン型ＣＣＤを例にとり、図６を参照して説明する。なお、ここでは、信号読み出し部１４と同じ構造であって、マトリクス状に配置された各画素３０から信号が読み出される。図６中、参照符号４４は、信号読み出し部１４の垂直選択トランジスタを選択ゲートと読み変える。
【００８１】
図６に示す信号読み出し部６０は、各列の画素３０間に複数の垂直転送ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）６２が配列される。各垂直転送ＣＣＤ６２の最後の行に隣接して一本の水平転送転送ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）６４が設けられる。水平転送転送ＣＣＤには出力回路６６が接続される。
【００８２】
以下、信号読み出し部６０による信号読み出し方法について説明する。
【００８３】
この場合も、信号読み出し部１４について説明したのと同様に、１／３フレーム単位毎に各画素３０それぞれの光電流Ｉ１〜Ｉ３を順次出力する。
【００８４】
例えば、まず、各画素３０の蓄積ダイオード４２に蓄積された電荷（光電流Ｉ３）は、フィールドシフトパルスにより、一斉に、隣接する各垂直転送ＣＣＤ６２に転送される。
【００８５】
ついで、各垂直転送ＣＣＤ６２に加えられるクロックパルス６６に同期して、各電荷が並列に垂直方向に（図６中下方に）転送される。
【００８６】
各電荷が各垂直転送ＣＣＤ６２の最下行に転送されると、１つの垂直転送ＣＣＤ６２の複数の画素３０の電荷が水平転送転送ＣＣＤに送り込まれ、さらに出力回路６６を介して出力される。
【００８７】
以下、他の垂直転送ＣＣＤ６２からも順次出力される。
【００８８】
以上の動作が１／３フレーム単位の時間内に行われる。
【００８９】
次の１／３フレーム単位で、各画素３０の蓄積ダイオード４２に蓄積された電荷（光電流Ｉ２）、電荷（光電流Ｉ３）が順次出力される。
【００９０】
１フレーム分の各画素３０の光電流Ｉ１、光電流Ｉ２、光電流Ｉ３に対応する出力は、例えば、信号読み出し部１４の場合と同様に、一旦３つのフレームに記憶された後、１画素毎に光電流Ｉ１、電荷光電流Ｉ２、光電流Ｉ３のデータを演算処理して光電流ｉ１、光電流ｉ２、光電流ｉ３に変換して出力される。
【００９１】
なお、本実施の形態例に係る積層型固体撮像装置１０において、画素としてＡＰＳ（Active Pixel Sensor）を用いた場合も本実施の形態例と同様の原理で信号の読み出しを行うことができる。また、本実施の形態例では、光電変換部は光導電膜を３層積層したものであったが、光電変換部は光導電膜を２層積層したものであってもよく、さらにまた光導電膜を４層積層したものであってもよい。また、本実施の形態例では、２×２画素を例にとって説明したがｍ×ｎ（ｍ≧１、ｎ≧１）画素についても本発明を適用可能なことは勿論である。また、信号読み出し部にＣＣＤを用いる場合、インターライン型ＣＣＤに変えてフルフレームＣＣＤやフレームトランスファーＣＣＤ等の他の型のＣＣＤを用いることができる。また、信号読み出し部は、ＭＯＳやＣＣＤに変えて撮像管の信号読み出し部を用いることもできる。
【００９２】
【発明の効果】
本発明に係る積層型固体撮像装置の信号読み出し方法によれば、光導電膜を２層以上積層し、最上層の光導電膜の側から受光する光電変換部を有する積層型固体撮像装置における光電流に基づく信号の読み出し方法であって、各層の光導電膜内で発生した光電流を最下層の光導電膜を通じて取り出すため、光導電膜の光の利用効率が高く、高い感度を得ることができ、また、光導電膜を高密度に集積配置することで、高い解像度を得ることができる。
【００９３】
また、本発明に係る積層型固体撮像装置の信号読み出し方法によれば、光導電膜をｎ層（ｎ≧２）積層し、第１層〜第ｎ層までの各層にＶ１〜Ｖｎまでの各電圧を印加することにより各層ごとに光電流ｉ１〜ｉａを生成するものであって、第１層のみに電圧を印加する場合から逐次上層についても重畳して電圧を印加して第１層〜第ｎ層までの全ての層に電圧を印加する場合までのａ回（１≦ａ≦ｎ）の組み合わせ条件での電圧印加を任意の順で行って光電流Ｉ１〜Ｉｎを得、第ａ層に電圧Ｖａを印加して生成する光電流ｉａを下記式に基づいて演算処理して得るため、好適である。
【００９４】
【数６】
0003987364.tif 000005
ここで、Ｉａは第１層から第ａ層までの各層全てに電圧Ｖ１〜電圧Ｖａを印加したときに各層で生成した光電流を重畳して第１層を介して得られる光電流を示し（但し、Ｉ０＝０）、αａ−１は光電流ｉａが第ａ−１層を通過するときの電流残存率を示す
また、本発明に係る積層型固体撮像装置の信号読み出し方法によれば、１／ａフレーム分の時間単位で前記ａ回の組み合わせ条件での電圧印加を順次または逆順で行うことにより、１フレーム分の時間単位で光電流Ｉ１〜Ｉａの光電流を取り出し、前記式によって演算処理して各層で生成する光電流ｉ１〜ｉａを得るため、好適である。
【００９５】
また、本発明に係る積層型固体撮像装置の信号読み出し方法によれば、３層積層した光導電膜が、光の三原色のうちのいずれか１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜、他の１色の波長の光を吸収する機能を有する光導電膜および残りの１色の光を吸収する機能を有する光導電膜からなるため、高い感度および解像度を有するカラー画像を得ることができる。
【００９６】
また、本発明に係る積層型固体撮像装置によれば、上記した信号読み出し方法の効果を好適に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  半導体素子で形成した従来の光電変換部の概略構成を示す図である。
【図２】  本実施の形態例に係る積層型固体撮像装置の光電変換部の概略構成を示す図である。
【図３】  本実施の形態例に係る積層型固体撮像装置の信号読み出し部の１画素分を示す図である。
【図４】  本実施の形態例に係る積層型固体撮像装置の信号読み出し部の４画素分を示す図である。
【図５】  図３および図４の信号読み出し部による信号読み出し方法を説明するためのクロックパターンを示す図である。
【図６】  図４の信号読み出し部とは別の信号読み出し部の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  積層型固体撮像装置
１２  光電変換部
１４、６０  信号読み出し部
１６  電源部
１６ａ〜１６ｃ  電源
２２  光導電膜
２８  電極
３０  画素
３２  垂直走査回路
３４  水平走査回路
３６ａ、３６ｂ  垂直選択線
３８ａ、３８ｂ  垂直信号線
４２  蓄積ダイオード
４４  垂直選択トランジスタ
４６  画素電極
４８ａ、４８ｂ  水平選択トランジスタ
５０  出力線
５２ａ〜５２ｃ  スイッチ
５４ａ〜５４ｃ  フレームメモリ
５６  演算装置
５８  演算装置
６２  垂直転送ＣＣＤ
６４  水平転送転送ＣＣＤ
６６  出力回路
ＳＷ１、ＳＷ２  選択スイッチ
Ｄ１、Ｄ２  ダイオード
【図１】
0003987364.tif 000008
【図２】
0003987364.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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