CN109769097B - 固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。读出部在第一复位期间PR1中，将全部像素中的复位晶体管保持为导通状态，执行第一转换增益复位读出处理HCGRRD，将针对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码存储到存储器部后，在传输期PT1中，执行全局快门动作，将全部像素中的传输晶体管保持为导通状态，将光电二极管PD1的蓄积电荷传输至FD1，将溢出的电荷存储到蓄积电容器CS1。读出部在按行进行读出的情况下，依次执行第一转换增益信号读出处理、第二转换增益信号读出处理以及第二转换增益复位读出处理。由此，能够以小的像素间距实现具备全局快门功能的数字像素。

Description

固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备
关联申请的引用
本发明包含与2017年11月20日向日本专利局递交的日本专利申请JP2017-217067相关的主题，在此引用其完整内容作为参考。
技术领域
本发明涉及固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。
背景技术
作为使用了对光进行检测而产生电荷的光电转换元件的固体摄像装置(图像传感器)，在实际中使用了CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器。
CMOS图像传感器广泛应用为数码相机、摄影机、监视摄像头、医疗用内窥镜、个人计算机(PC)、便携电话等便携终端装置(移动设备)等各种电子设备的一部分。
CMOS图像传感器按每个像素具有FD放大器，该FD放大器具有光电二极管(光电转换元件)以及浮置扩散层(FD：Floating Diffusion)，对于其读出而言，以选择像素阵列中的某一行并同时将它们向列(column)输出方向读出这样的列并行输出型为主流。
另外，关于列并行输出型CMOS图像传感器的像素信号读出(输出)电路，已提出了各种电路。
其中，最先进的电路之一是按照各列(column)而具备模拟-数字转换器(ADC(Analog digital converter))、并将像素信号作为数字信号取出的电路(例如参考专利文献1、2)。
在该列并行ADC搭载CMOS图像传感器(列AD方式CMOS图像传感器)中，比较器(comparator)进行所谓的RAMP波与像素信号的比较，利用后级的计数器进行数字CDS，由此进行AD转换。
然而，这种CMOS图像传感器虽然能够进行信号的高速传输，但存在无法实现全局快门读出这样的缺点。
对此，提出了还能够实现全局快门的数字像素(pixel)传感器，按照各像素来配置包含比较器的ADC(进而存储器部)，对像素阵列部中的全部像素在相同的定时执行曝光开始和曝光结束(例如参考专利文献3、4)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-278135号公报
专利文献2：日本特开2005-295346号公报
专利文献3：US7164114 B2 FIG.4
专利文献4：US 2010/0181464 A1
专利文献5：日本特开2008-70817号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在上述现有的具备数字像素传感器的CMOS图像传感器中，虽然能够实现全局快门功能，但与电荷模式的全局快门像素以及电压模式的全局快门像素的图像传感器相比，需要在像素内安装比较器(comparator)以及数字存储器的多个晶体管，因此一般难以减小像素间距。
但是，在开拓与VR(Virtual Reality：虚拟现实)以及AR(Augmented Reality：增强现实)应用对应的头戴式显示器(HMD)、先进驾驶辅助***(ADAS：Advanced driver-assistance systems)等新的机器视觉市场中，强烈要求具备全局快门功能的CMOS图像传感器的像素间距的微细化。
已知一种能够佩戴于用户的头部通过配置于眼前的显示器等向用户个人提示图像的头戴式显示器(HMD)(例如，参照专利文献5)。
近年来，与VR(Virtual Reality：虚拟现实)以及AR(Augmented Reality：增强现实)应用对应的HM也正在普及。
数字像素能够同时实现宽动态范围、高灵敏度、低噪声、高帧频，因此在能够利用先进的工艺技术时，有望作为用于全局快门技术的像素架构。
因此，本发明的目的在于提供一种能够以小的像素间距实现具备全局快门功能的数字像素的固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。
用于解决课题的手段
本发明的第一观点的固体摄像装置具有：像素部，配置有进行光电转换的像素；以及读出部，进行从所述像素部读出像素信号，所述像素包含：光电转换元件，在蓄积期间蓄积通过光电转换而生成的电荷；传输元件，能够在所述蓄积期间后的传输期间对蓄积于所述光电转换元件的电荷进行传输；输出节点，通过所述传输元件传输由所述光电转换元件蓄积的电荷；蓄积元件，与所述输出节点连接；蓄积电容元件，经由所述蓄积元件蓄积所述输出节点的电荷；复位元件，在复位期间将所述输出节点复位为规定的电位；输出缓冲部，将所述输出节点的电荷以与电荷量对应的增益转换成电压信号，并输出转换后的电压信号；比较器，进行AD转换处理，在该AD转换处理中，将所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，输出数字化后的比较结果信号，所述AD表示模拟数字；以及存储器部，存储与所述比较器的比较结果信号对应的数据，所述读出部能够进行第一转换增益复位读出处理、第一转换增益信号读出处理、第二转换增益信号读出处理和第二转换增益复位读出处理，在所述第一转换增益复位读出处理中，在第一复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出复位信号的所述AD转换处理，在所述第一转换增益信号读出处理中，在继所述第一复位期间后的所述传输期间之后的读出期间，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出信号的所述AD转换处理，在所述第二转换增益信号读出处理中，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的电荷共享所述蓄积电容元件的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出信号的所述AD转换处理，在所述第二转换增益复位读出处理中，在第二复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出复位信号的所述AD转换处理，在所述存储器部存储所述第一转换增益复位读出处理中的所述比较器的AD转换处理后的数据。
本发明的第二观点的固体摄像装置的驱动方法，所述固体摄像装置具有：像素部，配置有进行光电转换的像素；以及读出部，进行从所述像素部读出像素信号，所述像素包含：光电转换元件，在蓄积期间蓄积通过光电转换而生成的电荷；传输元件，能够在所述蓄积期间后的传输期间对蓄积于所述光电转换元件的电荷进行传输；输出节点，通过所述传输元件传输由所述光电转换元件蓄积的电荷；蓄积元件，与所述输出节点连接；蓄积电容元件，经由所述蓄积元件蓄积所述输出节点的电荷；复位元件，在复位期间将所述输出节点复位为规定的电位；输出缓冲部，将所述输出节点的电荷以与电荷量对应的增益转换成电压信号，并输出转换后的电压信号；比较器，进行AD转换处理，在该AD转换处理中，将所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，输出数字化后的比较结果信号，所述AD表示模拟数字；以及存储器部，存储与所述比较器的比较结果信号对应的数据，在所述固体摄像装置的驱动方法中，在所述读出部的控制下进行第一转换增益复位读出处理、第一转换增益信号读出处理、第二转换增益信号读出处理和第二转换增益复位读出处理，在所述第一转换增益复位读出处理中，在第一复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出复位信号的所述AD转换处理，在所述第一转换增益信号读出处理中，在继所述第一复位期间后的所述传输期间之后的读出期间，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出信号的所述AD转换处理，在所述第二转换增益信号读出处理中，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的电荷共享所述蓄积电容元件的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出信号的所述AD转换处理，在所述第二转换增益复位读出处理中，在第二复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出复位信号的所述AD转换处理，在所述存储器部存储所述第一转换增益复位读出处理中的所述比较器的AD转换处理后的数据。
本发明的第三观点的电子设备，具有：固体摄像装置；和光学***，在所述固体摄像装置成像被摄体像，所述固体摄像装置具有：像素部，配置有进行光电转换的像素；以及读出部，进行从所述像素部读出像素信号，所述像素包含：光电转换元件，在蓄积期间蓄积通过光电转换而生成的电荷；传输元件，能够在所述蓄积期间后的传输期间对蓄积于所述光电转换元件的电荷进行传输；输出节点，通过所述传输元件传输由所述光电转换元件蓄积的电荷；蓄积元件，与所述输出节点连接；蓄积电容元件，经由所述蓄积元件蓄积所述输出节点的电荷；复位元件，在复位期间将所述输出节点复位为规定的电位；输出缓冲部，将所述输出节点的电荷以与电荷量对应的增益转换成电压信号，并输出转换后的电压信号；比较器，进行AD转换处理，在该AD转换处理中，将所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，输出数字化后的比较结果信号，所述AD表示模拟数字；以及存储器部，存储与所述比较器的比较结果信号对应的数据，所述读出部能够进行第一转换增益复位读出处理、第一转换增益信号读出处理、第二转换增益信号读出处理和第二转换增益复位读出处理，在所述第一转换增益复位读出处理中，在第一复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出复位信号的所述AD转换处理，在所述第一转换增益信号读出处理中，在继所述第一复位期间后的所述传输期间之后的读出期间，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出信号的所述AD转换处理，在所述第二转换增益信号读出处理中，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的电荷共享所述蓄积电容元件的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出信号的所述AD转换处理，在所述第二转换增益复位读出处理中，在第二复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出复位信号的所述AD转换处理，在所述存储器部存储所述第一转换增益复位读出处理中的所述比较器的AD转换处理后的数据。
发明效果
根据本发明，能够以小的像素间距实现具备全局快门功能的数字像素。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置的结构例的框图。
图2是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置的像素部的数字像素阵列的一例的图。
图3是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置的数字像素的一例的框图。
图4是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置的数字像素的一例的电路图。
图5A以及图5B是表示本发明的第一实施方式的数字像素的主要部分即电荷蓄积传输***的结构例的简要剖视图以及溢出时的电位图。
图6是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置中的数字像素的读出时序的一例的图。
图7是用于说明本第一实施方式的固体摄像装置的层叠结构的示意图。
图8是用于说明本第一实施方式的固体摄像装置的层叠结构的简略剖视图。
图9是表示用于说明本第一实施方式的固体摄像装置的规定快门模式时主要是像素部中的读出动作的动作时序以及电位转移的第一图。
图10是表示用于说明本第一实施方式的固体摄像装置的规定快门模式时主要是像素部中的读出动作的动作时序以及电位转移的第二图。
图11是表示本发明的第二实施方式的固体摄像装置中的数字像素的结构例的框图。
图12是表示本发明的第二实施方式的数字像素的结构例的电路图。
图13是表示本发明的第二实施方式的数字像素的光电转换读出部的结构例的电路图。
图14是表示本发明的第二实施方式的数字像素的AD转换部及存储器部的结构例的电路图。
图15是表示本发明的第二实施方式的固体摄像装置中的共享数字像素的读出时序的第一例的图。
图16是表示本发明的第二实施方式的固体摄像装置中的共享数字像素的读出时序的第二例的图。
图17是表示本发明的第二实施方式的数字像素的结构例的电路图，是表示在两个光电转换读出部中共享一个比较器的结构例的电路图。
图18是表示图17的数字像素的读出动作的一例的时序图。
图19是表示本发明的第三实施方式的固体摄像装置中的数字像素的结构例的框图。
图20是表示本发明的第三实施方式的数字像素的结构例的电路图。
图21是表示本发明的第三实施方式的固体摄像装置中的数字像素的读出时序的一例的图。
图22是表示本发明的第四实施方式的数字像素的结构例的电路图。
图23是表示应用本发明的实施方式的固体摄像装置的电子设备的结构的一例的图。
具体实施方式
以下，与附图相关联地说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置的结构例的框图。
在本实施方式中，固体摄像装置10例如由包含数字像素(Digital Pixel)作为像素的CMOS图像传感器构成。
如图1所示，该固体摄像装置10具有作为摄像部的像素部20、垂直扫描电路(行扫描电路)30、输出电路40以及定时控制电路50作为主构成要素。
由这些构成要素中的例如垂直扫描电路30、输出电路40以及定时控制电路50构成像素信号的读出部60。
在本第一实施方式中，固体摄像装置10在像素部20中包含光电转换读出部、AD(模拟数字)转换部以及存储器部作为数字像素，构成为具有全局快门的动作功能的例如层叠型的CMOS图像传感器。
在本第一实施方式的固体摄像装置10中，如后详述，各数字像素DP具有AD转换功能，AD转换部具有对由光电转换读出部读出的电压信号与参考电压进行比较，对读出的电压信号VSL进行模拟数字(AD)转换处理，并输出数字化后的比较结果信号的比较器(comparator)。
而且，本第一实施方式的固体摄像装置10能够以小的像素间距实现具备全局快门功能的数字像素，因此读出部60如下执行来自数字像素的像素信号的读出处理以及AD转换处理后的数据存储。
读出部60能够进行第一转换增益复位读出处理HCGRRD，在该第一转换增益复位读出处理HCGRRD中，在第一复位期间PR1中从输出缓冲部读出以与作为输出节点的浮置扩散层FD1的第一电荷量对应的第一转换增益(例如高转换增益：HCG)进行转换得到的第一读出复位信号HCGVRST，并利用比较器进行针对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换处理。
进而，读出部60能够进行第一转换增益信号读出处理HCGSRD，在该第一转换增益信号读出处理HCGSRD中，在继第一复位期间PR1后的传输期间PT1之后的读出期间PRD中，从输出缓冲部读出以与作为输出节点的浮置扩散层FD1的第一电荷量对应的第一转换增益(HCG)进行转换得到的第一读出信号HCGVSIG，并利用比较器进行针对第一读出信号HCGVSIG的AD转换处理。
进而，读出部60能够进行第二转换增益信号读出处理LCGSRD，在该第二转换增益信号读出处理LCGSRD中，从输出缓冲部211读出以与作为输出节点的浮置扩散层FD的电荷共享蓄积电容元件CS1的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益(低转换增益：LCG)进行转换得到的第二读出信号LCGVSIG，并利用比较器进行针对第二读出信号LCGVSIG的AD转换处理。
进而，读出部60能够进行第二转换增益复位读出处理LCGRRD，在该第二转换增益复位读出处理LCGRRD中，在第二复位期间PR2从输出缓冲部读出以与第二电荷量对应的第二转换增益(LCG)进行转换得到的第二读出复位信号LCGVRST，并利用比较器进行针对第二读出复位信号LCGVRST的AD转换处理。
而且，本第一实施方式的读出部60在存储器部中存储第一转换增益复位读出处理HCGRRD中的比较器的AD转换处理后的数据(AD转换码)。
本第一实施方式的读出部60，在第一复位期间PR1中，将全部像素中的作为复位元件的复位晶体管保持为导通状态，执行第一转换增益复位读出处理HCGRRD，在将对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码存储在存储器部之后，在传输期PT1中，将全部像素中的作为传输元件的传输晶体管保持为导通状态，将蓄积在作为光电转换元件的光电二极管PD1中的电荷传输至作为输出节点的浮置扩散层FD1，执行使溢出的电荷蓄积到作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的全局快门动作。
而且，本第一实施方式的读出部60，在按行进行读出的情况下，依次执行第一转换增益信号读出处理HCGSRD、第二转换增益信号读出处理LCGSRD以及第二转换增益复位读出处理LCGRRD。
以下，详细叙述固体摄像装置10的各部分的结构以及功能的概要，尤其是像素部20以及数字像素的结构以及功能、与它们关联的读出处理、以及像素部20和读出部60的层叠结构等。
(像素部20以及数字像素200的结构)
图2是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置10的像素部的数字像素阵列的一例的图。
图3是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置10的像素的一例的框图。
图4是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置10的数字像素的一例的电路图。
如图2所示，像素部20中，多个数字像素200排列为N行M列的行列状(矩阵状)。
需要说明的是，在图2中，为了简化附图，示出了将九个数字像素200配置为3行3列的行列状(M＝3、N＝3的矩阵状)的例子。
本第一实施方式的数字像素200构成为包含光电转换读出部(图2中标记为PD)210、AD转换部(图2中标记为ADC)220、以及存储器部(图2中标记为MEM)230。
如之后详述的那样，本第一实施方式的像素部20构成为第一基板110与第二基板120的层叠型的CMOS图像传感器，在本例中，如图3以及图4所示，在第一基板110上形成有光电转换读出部210，在第二基板120上形成有AD转换部220以及存储器部230。
像素200的光电转换读出部210构成为包含光电二极管(光电转换元件)和像素内放大器。
具体而言，该光电转换读出部210例如具有作为光电转换元件的光电二极管PD1。
对于该光电二极管PD1，分别各具有一个作为传输元件的传输晶体管TG1-Tr、作为复位元件的复位晶体管RST1-Tr、作为源极跟随元件的源极跟随晶体管SF1-Tr、作为电流源元件的电流晶体管IC1-Tr、作为蓄积元件的蓄积晶体管CG1-Tr、作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1、作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1、读出节点ND2以及耦合电容器CC1。
这样，第一实施方式的数字像素200的光电转换读出部210构成为包含传输晶体管TG1-Tr、复位晶体管RST1-Tr、源极跟随晶体管SF1-Tr、电流晶体管IC1-Tr以及蓄积晶体管CG1-Tr这五个晶体管(5Tr)。
而且，在本第一实施方式中，包含源极跟随晶体管SF1-Tr、电流晶体管IC1-Tr、读出节点ND2以及耦合电容器CC1在内构成输出缓冲部211。
本第一实施方式的光电转换读出部210的输出缓冲部211的读出节点ND2经由耦合电容器CC1与AD转换部220的输入部连接。
在输出缓冲部211的读出节点ND2与AD转换部220的比较器221的第一输入端子之间连接耦合电容器CC1，通过使第一基板110侧的光电转换读出部210的输出缓冲部211与第二基板1120侧的AD转换部220的比较器221的输入部进行AC耦合，从而构成为能够实现低噪声化，能够在低照度时实现高SNR。
而且，光电转换读出部210将作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷转换成与电荷量对应的电压信号，并将转换后的电压信号VSL输出至AD转换部220。
更具体而言，作为第一转换增益复位读出处理HCGRRD，光电转换读出部210在第一复位期间PR1从输出缓冲部211读出以与作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的第一电荷量对应的第一转换增益(例如高转换增益：HCG)进行转换得到的第一读出复位信号HCGVRST。
作为第一转换增益信号读出处理HCGSRD，光电转换读出部210在继第一复位期间PR1后的传输期间PT1之后的读出期间PRD，从输出缓冲部21读出以与作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的第一电荷量对应的第一转换增益(HCG)进行转换得到的第一读出信号HCGVSIG。
接下来，作为第二转换增益信号读出处理LCGSRD，光电转换读出部210从输出缓冲部211读出以作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷共享蓄积电容元件CS1的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益(低转换增益：LCG)进行转换得到的第二读出信号LCGVSIG2。
接下来，作为第二转换增益复位读出处理LCGRRD，光电转换读出部210在第二复位期间PR2从输出缓冲部211读出以与第二电荷量对应的第二转换增益(LCG)进行转换得到的第二读出复位信号LCGVRST。
光电二极管PD1产生并蓄积与入射光量相应的量的信号电荷(这里为电子)。
以下，对信号电荷为电子且各晶体管为n型晶体管的情况进行说明，但也可以是，信号电荷是空穴(hole)、各晶体管为p型晶体管。
另外，本实施方式在多个光电二极管以及传输晶体管间共享各晶体管的情况下也是有效的。
在各数字像素200中，作为光电二极管(PD)使用埋入型光电二极管(PPD)。
由于在形成光电二极管(PD)的基板表面上存在因悬空键(dangling bond)等缺陷引起的表面能级，因此，通过热能而产生大量的电荷(暗电流)，导致无法读出正确的信号。
在埋入型光电二极管(PPD)中，通过将光电二极管(PD)的电荷蓄积部埋入到基板内，能够降低暗电流向信号的混入。
光电转换读出部210的传输晶体管TG1-Tr连接在光电二极管PD1与浮置扩散层FD1之间，由通过控制线施加于栅极的控制信号TG进行控制。
传输晶体管TG1-Tr在控制信号TG为高(H)电平的传输期间PT被选择而成为导通状态，将由光电二极管PD1光电转换并蓄积后的电荷(电子)传输至浮置扩散层FD1。
需要说明的是，在光电二极管PD1以及浮置扩散层FD1复位成规定的复位电位之后，传输晶体管TG1-Tr成为控制信号TG为低(L)电平的非导通状态，光电二极管PD1成为蓄积期间PI，但此时在入射的光的强度(量)非常高的情况下，超过了饱和电荷量的电荷通过传输晶体管TG1-Tr下的溢出路径作为溢出电荷向浮置扩散层FD1溢出。
复位晶体管RST1-Tr连接在电源电压VDD的电源线Vdd与浮置扩散层FD1之间，由通过控制线施加于栅极的控制信号RST进行控制。
复位晶体管RST1-Tr在控制信号RST为H电平的复位期间被选择而成为导通状态，将浮置扩散层FD1复位成电源电压VDD的电源线Vdd的电位。
蓄积晶体管CG1-Tr连接在浮置扩散层FD1与复位晶体管RST1-Tr之间，在该连接节点ND3与基准电位VSS之间连接有蓄积电容器CS1。
蓄积晶体管CG1-Tr由通过控制线向栅极施加的控制信号DCG进行控制。
蓄积晶体管CG1-Tr在控制信号DCG为H电平的复位期间被选择而成为导通状态，将浮置扩散层FD1与蓄积电容器CS1连接。
在第一转换增益信号读出处理HCGSRD时，蓄积晶体管CG1-Tr保持为非导通状态，使作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷和蓄积电容器CS1的电荷分离而执行读出处理。
在第二转换增益信号读出处理LCGSRD时，蓄积晶体管CG1-Tr保持为导通状态，使作为输出节点ND1的浮置扩散层DF1的电荷与蓄积电容器CS1的电荷共享而执行读出处理。
在第二转换增益复位读出处理LCGRRD时，复位晶体管RST1-Tr和蓄积晶体管CG1-Tr保持为导通状态，清除作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷和蓄积电容器CS1的电荷，执行读出处理。
作为源极跟随元件的源极跟随晶体管SF1-Tr的源极与读出节点ND2连接，漏极侧与电源线Vdd连接，栅极与浮置扩散层FD1连接。
在读出节点ND2与基准电位VSS(例如GND)之间连接作为电流源元件的电流晶体管IC1-Tr的漏极、源极。电流晶体管IC1-Tr的栅极连接于控制信号VBNPIX的供给线。
在读出节点ND2与AD转换部220的输入部之间的信号线LSGN1上连接有耦合电容器CC1。
而且，读出节点ND2与AD转换部220的输入部之间的信号线LSGN1由作为电流源元件的电流晶体管IC1-Tr驱动。
图5A以及图5B是表示本发明的第一实施方式的数字像素的主要部分即电荷蓄积传输***的结构例的简要剖视图以及溢出时的电位图。
各数字像素单元PXLC形成于具有照射光L的第一基板面1101侧(例如背面侧)和与该第一基板面1101侧对置的一侧的第二基板面1102侧的基板(本例中为第一基板110)，并由分离层SPL分离。
而且，图5A的数字像素单元PLXC构成为包含形成光电转换读出部210的光电二极管PD1、传输晶体管TG1-Tr、浮置扩散层FD1、复位晶体管RST1-Tr、分离层SPL、以及未图示的滤色器部及微透镜。
(光电二极管的结构)
光电二极管PD1形成为包含以相对于具有第一基板面1101侧和与第一基板面1101侧对置的一侧的第二基板面1102侧的半导体基板埋入的方式形成的第一导电型(在本实施方式中n型)半导体层(在本实施方式中n层)2101，并且具有接收到的光的光电转换功能以及电荷蓄积功能。
在光电二极管PD1的与基板的法线正交的方向(图中的正交坐标系的X方向)上的侧部形成有第二导电型(在本实施方式中p型)分离层SPL。
这样，在本实施方式中，在各数字像素单元PXLC中，使用埋入型光电二极管(PPD)作为光电二极管(PD)。
由于在形成光电二极管(PD)的基板表面上存在悬空键等缺陷引起的表面能级，因此，通过热能而产生大量的电荷(暗电流)，导致无法读出正确的信号。
在埋入型光电二极管(PPD)中，通过将光电二极管(PD)的电荷蓄积部埋入到基板内，能够降低暗电流向信号的混入。
在图5A的光电二极管PD1中，n层(第一导电型半导体层)2101构成为在基板110的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有双层结构。
在本例中，在第一基板面1101侧形成有n-层2102，在该n-层2102的第二基板面1102侧形成有n层2103，在该n层2103的第二基板面1102侧形成有p+层2104以及p层2105。
另外，在n-层2102的第一基板面1101侧形成有p+层2106。
p+层2106不仅形成在光电二极管PD1上，还同样形成在分离层SPL以及其他数字像素单元PXLC上。
需要说明的是，在该p+层2106的光入射侧形成有滤色器部，而且，在滤色器部的光入射侧以与光电二极管PD1以及分离层SPL的一部分对应的方式形成有微透镜。
这些结构为一例，可以是单层结构，还可以是三层、四层以上的层叠结构。
(X方向(列方向)上的分离层的结构)
在图5A的X方向(列方向)上的p型分离层SPL中，在光电二极管PD1的与n-层2102相接的一侧且与基板的法线正交的方向(图中的正交坐标系的X方向)的右侧部，形成有第一p层(第二导电型半导体层)2107。
此外，在p型分离层SPL中，在第一p层2107的X方向的右侧，第二p层(第二导电型半导体层)2108构成为在基板110的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有双层结构。
在本例中，在第二p层2108中，在第一基板面1101侧形成有p-层2109，在该p-层2109的第二基板面1102侧形成有p层2110。
这些结构为一例，可以为单层结构，还可以为三层、四层以上的层叠结构。
在p型分离层SPL的第一p层2107以及第二p-层2109的第一基板面1101侧形成有与光电二极管PD1同样的p+层2106。
n层2103以延长的方式形成，以使得在p型分离层SPL的第一p层2107的第二基板面1102侧的一部分形成溢出路径OVP。
而且，在n层2103的第二基板面1102侧的p层2105上，隔着栅极绝缘膜而形成有传输晶体管TG1-Tr的栅极电极2111。
此外，在p型分离层SPL的第一p层2107的第二基板面1102侧形成有成为浮置扩散层FD1的n+层2112，与n+层2112邻接地形成有成为复位晶体管RST1-Tr的沟道形成区域的p层2113，与p层2113邻接地形成有n+层2114。
而且，在p层2113上隔着栅极绝缘膜而形成有栅极电极2115。
在这样的结构中，在入射的光的强度(量)非常高的情况下，超过了饱和电荷量的电荷通过传输晶体管TG1-Tr下的溢出路径OVP作为溢出电荷向浮置扩散层FD1溢出。
数字像素200的AD转换部220具有如下功能：将由光电转换读出部210输出的模拟的电压信号VSL与具有规定的倾斜度而变化的斜坡波形或固定电压的参考电压VREF进行比较并转换成数字信号。
如图4所示，AD转换部220构成为包含比较器(COMP)221、输出侧的负载电容器CL1、以及复位开关SW-RST。
比较器221进行如下的AD转换处理(比较处理)：向作为第一输入端子的反转输入端子(-)供给从光电转换读出部210的输出缓冲部211输出到信号线LSGN1的电压信号VSL，向作为第二输入端子的非反转输入端子(+)供给参考电压VREF，对电压信号VST与参考电压VREF进行比较，输出数字化后的比较结果信号SCMP。
比较器221在作为第一输入端子的反转输入端子(-)连接有耦合电容器CC1，通过对第一基板110侧的光电转换读出部210的输出缓冲部211与第二基板120侧的AD转换部220的比较器221的输入部进行AC耦合，从而能够实现低噪声化，构成为在低照度时能够实现高SNR。
另外，比较器221在输出端子与作为第一输入端子的反转输入端子(-)之间连接有复位开关SW-RST，在输出端子与基准电位VSS之间连接有负载电容器CL1。
基本上，在AD转换部220中，从光电转换读出部210的输出缓冲部211读出到信号线LSGN1的模拟信号(电位VSL)在比较器221中与参考电压VREF、例如以具有某种倾斜度的线性发生变化的斜率波形即斜坡信号RAMP进行比较。
此时，与比较器221同样按照各列配置的未图示的计数器进行动作，使斜坡波形的斜坡信号RAMP与计数器值一边采取一对一的对应一边变化，由此将电压信号VSL转换成数字信号。
基本上，AD转换部220对参考电压VREF(例如斜坡信号RAMP)的变化将电压的变化转换成时间的变化，通过以某一周期(时钟)对该时间进行计数而转换成数字值。
而且，在模拟信号VSL与斜坡信号RAMP(参考电压VREF)相交时，比较器221的输出反转，使未图示的计数器的输入时钟停止，或者将停止了输入的时钟向未图示的计数器输入，将此时的计数器的值(数据)存储于存储器部230，完成AD转换。
在以上的AD转换期间结束之后，将各数字像素200的存储器部230所存放的数据(信号)从输出电路40向未图示的信号处理电路输出，通过规定的信号处理生成二维图像。
存储器部230由SRAM或DRAM构成，供给数字转换后的信号，对应于光电转换码，能够通过像素阵列周边的输出电路40的外部IO缓冲器读出。
垂直扫描电路30根据定时控制电路50的控制在快门行以及读出行中通过行扫描控制线进行数字像素200的光电转换读出部210的驱动。
垂直扫描电路30根据定时控制电路50的控制，向各数字像素200的比较器221供给按照比较处理而设定的参考电压VREF。
另外，垂直扫描电路30根据地址信号，输出进行信号读出的读取行和对蓄积在光电二极管PD中的电荷进行复位的快门行的行地址的行选择信号。
输出电路40例如包含与像素部20的各数字像素200的存储器输出对应配置的IO缓冲器，将从各数字像素200读出的数字数据输出到外部。
定时控制电路50生成像素部20、垂直扫描电路30、输出电路40等的信号处理所需的定时信号。
在本第一实施方式中，读出部60例如在全局快门模式时，进行来自数字像素200的像素信号的读出控制。
(读出部60对来自数字像素200的像素信号的读出控制)
接下来，与图6建立关联地具体说明本第一实施方式的读出部60从数字像素200读出像素信号的控制。
图6是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置10中的数字像素的读出时序的一例的图。在图6中，HCG表示高转换增益，LCG表示低转换增益，RST表示复位，SIG表示信号。
如图6所示，首先，读出部60进行第一转换增益复位读出处理HCGRRD，在第一复位期间PR1中，从输出缓冲部211读出以第一转换增益(高转换增益：HCG)进行转换得到的第一读出复位信号HCGVRST，并利用比较器221进行针对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换处理，其中，第一转换增益与作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的第一电荷量对应。
读出部60在第一复位期间PR1中，将全部像素中的作为复位元件的复位晶体管RST1-Tr保持为导通状态，执行第一转换增益复位读出处理HCGRRD，将对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码存储于存储器部230。
读出部60将针对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码存储于存储器部230之后，在传输期间PT1中，将全部像素中的作为传输元件的传输晶体管TG1-Tr保持为导通状态，将蓄积于作为光电转换元件的光电二极管PD1中的电荷传输至作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1，执行使溢出的电荷蓄积到作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1中的全局快门动作。
而且，本第一实施方式的读出部60，在按行进行读出的情况下，依次执行第一转换增益信号读出处理HCGSRD、第二转换增益信号读出处理LCGSRD以及第二转换增益复位读出处理LCGRRD。
具体而言，读出部60进行第一转换增益信号读出处理HCGSRD，在该第一转换增益信号读出处理HCGSRD中，在继第一复位期间PR1后的传输期间PT1之后的读出期间PRD，从输出缓冲部211读出以与作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的第一电荷量对应的第一转换增益(HCG)进行转换得到的第一读出信号HCGVSIG，并利用比较器221进行针对第一读出信号HCGVSIG的AD转换处理。
读出部60在第一转换增益信号读出处理HCGSRD的执行期间中，使控制信号DCG为L电平，使蓄积晶体管CG1-Tr保持为非导通状态，使作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷与作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的电荷分离，将浮置扩散层FD1的电荷量保持为第一电荷量。
接下来，读出部60进行第二转换增益信号读出处理LCGSRD，在该第二转换增益信号读出处理LCGSRD中，从输出缓冲部211读出以与作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷共享作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益(低转换增益：LCG)进行转换得到的第二读出信号LCGVSIG，并利用比较器221进行针对第二读出信号LCGVSIG的AD转换处理。
读出部60在第二转换增益信号读出处理LCGSRD的执行期间中，使控制信号DCG为H电平，使蓄积晶体管CG1-Tr保持为导通状态，使作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷与作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的电荷共享，将浮置扩散层FD1的电荷量保持为第二电荷量。
接下来，读出部60进行第二转换增益复位读出处理LCGRRD，在该第二转换增益复位读出处理LCGRRD中，在第二复位期间PR2从输出缓冲部211读出以与第二电荷量对应的第二转换增益(LCG)进行转换得到的第二读出复位信号LCGVRST，并利用比较器221进行针对第二读出复位信号LCGVRST的AD转换处理。
读出部60在执行第二转换增益复位读出处理LCGRRD的期间，使控制信号DCG为H电平从而将蓄积晶体管CG1-Tr保持为导通状态，并且，使控制信号RST为H电平从而将作为复位元件的复位晶体管RST1-Tr保持为导通状态，将作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷和作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的电荷清除。
而且，本第一实施方式的读出部60在存储器部230中仅存储第一转换增益复位读出处理HCGRRD中的比较器的AD转换处理后的数据(AD转换码)。
读出的帧通过从存储器节点的数字信号数据的读出而被执行，并经由具有这样的MIPI数据格式的例如输出电路40的IO缓冲器而被送到固体摄像装置10(图像传感器)的外部。可以对所有像素(pixel)阵列全局地执行该动作。
另外，在像素部20中，通过所有像素同时使用复位晶体管RST1-Tr和传输晶体管TG1-Tr对光电二极管PD1进行复位，从而所有像素同时并行地开始曝光。另外，在预定的曝光期间(蓄积期间)结束之后，使用传输晶体管TG1-Tr对来自光电转换读出部的输出信号在AD转换部220、存储器部230进行采样，从而所有像素同时并行地结束曝光。由此，电子地实现完全的快门动作。
此外，读出部60也可以构成为：为了下一帧使用，而将针对第二转换增益复位读出处理LCGRRD的第二读出复位信号LCGVRST的AD转换码存储于存储器部230。
如上所述，读出部60在来自数字像素200的像素信号的读出控制中，利用高转换增益HCG的读出信号和低转换增益LCG的读出信号双方来实施模拟CDS(自动清零：Auto Zero)和数字CDS(AD转换)。
但是，在存储器部230中，仅存储第一转换增益复位读出处理HCGRRD中的比较器的AD转换处理后的数据(AD转换码)，在按行读出的情况下，执行剩余的第一转换增益信号读出处理HCGSRD、第二转换增益信号读出处理LCGSRD以及第二转换增益复位读出处理LCGRRD的各AD转换处理。
由此，能够降低数字像素200内的数字存储器的必要性，能够去除不需要的存储器。
关于这一点，高转换增益HCG的读出动作中的CDS是真CDS，而低转换增益LCG的读出动作中的CDS在该帧内使用时可以说是伪CDS。
在这种情况下，意味着对于高转换增益HCG的读出动作去除复位噪声，但是对于低转换增益LCG的读出动作仅去除DC变动。
与此相对，在接合点处，将针对第二转换增益复位读出处理LCGRRD的第二读出复位信号LCGVRST的AD转换码存储于存储器部230，在用于下一帧的情况下，对基于低转换增益LCG的读出动作实现真CDS动作。
而且，在第一实施方式中，同时并行地使所有的数字像素200的传输晶体管TG1-Tr为导通状态以保证全局快门动作，将该信号保持于遮光区域下。
(固体摄像装置10的层叠结构)
接下来，对本第一实施方式的固体摄像装置10的层叠结构进行说明。
图7是用于对本第一实施方式的固体摄像装置10的层叠结构进行说明的示意图。
图8是用于对本第一实施方式的固体摄像装置10的层叠结构进行说明的简要剖视图。
本第一实施方式的固体摄像装置10具有第一基板(上基板)110和第二基板(下基板)120的层叠结构。
固体摄像装置10D例如在以晶圆级贴合之后，形成为通过切割而切出的层叠构造的摄像装置。
在本例中具有第一基板110和第二基板120层叠的结构。
在第一基板110，以其中央部为中心形成像素部20的各数字像素200的光电转换读出部210。
在第一基板110的光L的入射侧即第一面111侧形成光电二极管PD，在该光入射侧形成微透镜MCL、滤色器。
在第一基板110的第二面侧形成传输晶体管TG1-Tr、复位晶体管RST1-Tr、源极跟随晶体管SF1-Tr、电流晶体管IC1-Tr、蓄积晶体管CG1-Tr。
如此，在本第一实施方式中，在第一基板110基本上行列状形成数字像素200的光电转换读出部210。
在第二基板120矩阵状形成各数字像素200的AD转换部220、存储器部230。
另外，在第二基板120还可以形成垂直扫描电路30、输出电路40以及定时控制电路50。
在这样的层叠结构中，第一基板110的各光电转换读出部210的读出节点ND2和第二基板120的各数字像素200的比较器221的反转输入端子(-)例如如图3以及图4所示那样，分别使用信号线LSGN1、微凸块BMP、通孔(Die-to-Die Via)等进行电连接。
另外，在本实施方式中，第一基板110的各光电转换读出部210的读出节点ND2和第二基板120的各数字像素200的比较器221的反转输入端子(-)通过耦合电容器CC1进行AC耦合。
(固体摄像装置10的读出动作)
以上说明了固体摄像装置10的各部的特征性的结构以及功能。
接下来，对本第一实施方式的固体摄像装置10的数字像素200的像素信号的读出动作等进行详细说明。
图9以及图10是表示用于说明本第一实施方式的固体摄像装置的规定快门模式时的主要是像素部中的读出动作的动作时序以及电位迁移的图。
图9的(A)是用于说明第一转换增益复位读出处理HCGRRD的图。图9的(B)是用于说明全局快门动作的图。图9的(C)是用于说明第一转换增益信号读出处理HCGSRD的图。图10的(A)是用于说明第二转换增益信号读出处理LCGSRD的图。图10的(B)是用于说明第二转换增益复位读出处理LCGRRD的图。
首先，如图9的(A)所示，在第一复位期间PR1中，全部像素中的作为复位元件的复位晶体管RST1-Tr保持为导通状态，执行第一转换增益复位读出处理HCGRRD。此外，这里设光电二极管PD1处于蓄积电荷即将溢出之前的满(full)状态。
在这种情况下，在读出部60的控制下，从输出缓冲部211读出以与浮置扩散层FD1的第一电荷量对应的第一转换增益(高转换增益：HCG)进行转换得到的第一读出复位信号HCGVRST。然后，利用比较器221执行针对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换处理，将针对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码存储到存储器部230。
在该状态下，执行模拟CDS(自动清零：Auto Zero)和数字CDS(AD转换)。
接下来，如图9的(B)所示，在存储器部存储了针对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码后，在传输期间PT1中，全部像素中的作为传输元件的传输晶体管TG1-Tr保持为导通状态，作为光电转换元件的光电二极管PD1中蓄积的电荷被传输到作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1。而且，传输电荷的一部分电荷蓄积到作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1。
使用作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1和作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1来执行全局快门动作。
这样，同时并行地使所有数字像素200的传输晶体管TG1-Tr为导通状态以保证全局快门动作，将该信号保持于遮光区域下。
而且，在读出部60的控制下，在按行进行读出的情况下，执行第一转换增益信号读出处理HCGSRD、第二转换增益信号读出处理LCGSRD以及第二转换增益复位读出处理LCGRRD。
接下来，如图9的(C)所示，执行第一转换增益信号读出处理HCGSRD。
在第一转换增益信号读出处理HCGSRD的执行期间中，蓄积晶体管CG1-Tr保持为非导通状态，作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷和作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的电荷被分离。由此，浮置扩散层FD1的电荷量保持为第一电荷量。
在这种情况下，在读出部60的控制下，在继第一复位期间PR1后的传输期间PT1之后的读出期间PRD，从输出缓冲部211读出以与作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的第一电荷量对应的第一转换增益(HCG)进行转换得到的第一读出信号HCGVSIG。然后，利用比较器进行针对第一读出信号HCGVSIG的AD转换处理。
接下来，如图10的(A)所示，执行第二转换增益信号读出处理LCGSRD。
在第二转换增益信号读出处理LCGSRD的执行期间中，将蓄积晶体管CG1-Tr保持为导通状态，作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷和作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的电荷被共享(相加)。由此，浮置扩散层FD1的电荷量保持为第二电荷量。
在这种情况下，在读出部60的控制下，从输出缓冲部211读出以与作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷共享作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益(低转换增益：LCG)进行转换得到的第二读出信号LCGVSIG。然后，利用比较器221进行针对第二读出信号LCGVSIG的AD转换处理。
接下来，如图10的(B)所示，执行第二转换增益复位读出处理LCGRRD。
在执行第二转换增益复位读出处理LCGRRD的期间，蓄积晶体管CG1-Tr保持为导通状态，并且作为复位元件的复位晶体管RST1-Tr保持为导通状态，作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1的电荷和作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的电荷被清除。
在这种情况下，在读出部60的控制下，在第二复位期间PR2，从输出缓冲部211读出以与第二电荷量对应的第二转换增益(LCG)进行转换得到的第二读出复位信号LCGVRST。然后，利用比较器221进行针对第二读出复位信号LCGVRST的AD转换处理。
而且，读出的信号通过从存储器节点的数字信号数据的读出而被执行，并经由具有这样的MIPI数据格式的、例如输出电路40的IO缓冲器而被发送至固体摄像装置10(图像传感器)的外部。对所有像素(pixel)阵列全局地执行该动作。
如上所述，根据本第一实施方式，固体摄像装置10构成为在像素部20中包含作为数字像素的光电转换读出部210、AD转换部220以及存储器部230，并且具有全局快门的动作功能的例如层叠型的CMOS图像传感器。
在本第一实施方式的固体摄像装置10中，各数字像素200具有AD转换功能，AD转换部220具有进行AD转换处理的比较器221，在AD转换处理中，对由光电转换读出部210读出的电压信号和参考电压进行比较，并且输出数字化后的比较结果信号。
进而，本第一实施方式的固体摄像装置10的读出部60能够进行第一转换增益复位读出处理HCGRRD，在该第一转换增益复位读出处理HCGRRD中，在第一复位期间PR1，从输出缓冲部211读出以与浮置扩散层FD的第一电荷量对应的第一转换增益(例如高转换增益：HCG)进行转换得到的第一读出复位信号HCGVRST，并利用比较器进行针对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换处理。
进而，读出部60能够进行第一转换增益信号读出处理HCGSRD，在该第一转换增益信号读出处理HCGSRD中，在继第一复位期间PR1后的传输期间PT1之后的读出期间PRD中，从输出缓冲部211读出以与浮置扩散层FD的第一电荷量对应的第一转换增益(HCG)进行转换得到的第一读出信号HCGVSIG，并利用比较器进行针对第一读出信号HCGVSIG的AD转换处理。
进而，读出部60能够进行第二转换增益信号读出处理LCGSRD，在该第二转换增益信号读出处理LCGSRD中，从输出缓冲部211读出以与浮置扩散层FD的电荷共享蓄积电容元件CS1的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益(低转换增益：LCG)进行转换得到的第二读出信号LCGVSIG，并利用比较器进行针对第二读出信号LCGVSIG的AD转换处理。
进而，读出部60能够进行第二转换增益复位读出处理LCGRRD，该第二转换增益复位读出处理LCGRRD中，从输出缓冲部211读出以与第二电荷量对应的第二转换增益(LCG)进行转换得到的第二读出复位信号LCGVRST，并利用比较器进行针对第二读出复位信号LCGVRST的AD转换处理。
而且，本第一实施方式的读出部60在存储器部中仅存储第一转换增益复位读出处理HCGRRD中的比较器的AD转换处理后的数据(AD转换码)。
本第一实施方式的读出部60在第一复位期间PR1中，将全部像素中的作为复位元件的复位晶体管保持为导通状态，执行第一转换增益复位读出处理HCGRRD，在将针对第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码存储到存储器部后，在传输期PT1中，将全部像素中的作为传输元件的传输晶体管保持为导通状态，将蓄积在光电二极管PD1中的电荷传输至浮置扩散层器FD1，执行使溢出的电荷蓄积在作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的全局快门动作。
而且，本第一实施方式的读出部60，在按行进行读出的情况下，依次执行第一转换增益信号读出处理HCGSRD、第二转换增益信号读出处理LCGSRD以及第二转换增益复位读出处理LCGRRD。
因此，根据本第一实施方式的固体摄像装置10，能够以小的像素间距实现具备全局快门功能的数字像素。
由此，数字像素能够同时实现宽动态范围、高灵敏度、低噪声、高帧频，因此能够作为用于全局快门技术的像素架构应用。
另外，根据本第一实施方式，能够实质上实现宽动态范围化、高帧频化，而且能够实现低噪声化，能够最大限度地扩大有效像素区域，能够最大限度地提高单位成本的价值。
另外，根据本第一实施方式的固体摄像装置10，能够防止结构的复杂化，并且防止布局上的面积效率的降低。
另外，本第一实施方式的固体摄像装置10具有第一基板(上基板)110和第二基板(下基板)120的层叠结构。
因此，在本第一实施方式中，通过基本上仅由NMOS系的元件形成第一基板110侧，以及通过像素阵列最大限度地扩大有效像素区域，从而能够最大限度地提高单位成本的价值。
(第二实施方式)
图11是表示本发明的第二实施方式的固体摄像装置中的数字像素的结构例的框图。
图12是表示本发明的第二实施方式的数字像素的结构例的电路图。
图13是表示本发明的第二实施方式的数字像素的光电转换读出部的结构例的电路图。
图14是表示本发明的第二实施方式的数字像素的AD转换部以及存储器部的结构例的电路图。
本第二实施方式的固体摄像装置10A与上述第一实施方式的固体摄像装置10的不同点如下。
在本第二实施方式的固体摄像装置10A中，一个比较器221由多个共享像素200-1～200-n共享。
在图12及图13的例子中，为了简化附图，示出了九个数字像素200-1～200-9被配置成3行3列的行列状(M＝3、N＝3的矩阵状)的例子。
由于多个共享像素200-1～200-9共享一个比较器221，因此如图12及图13所示，光电转换读出部210A的输出缓冲部211A具有连接在耦合电容器CC1与比较器221的第一输入端子之间的开关元件SW1。
开关元件SW1例如由n沟道MOS(NMOS)晶体管NT1形成。
另外，在比较器211的输出侧，如图13及图14所示，与共享像素200-1～200-9对应地，多个存储器部230-1～230-9经由开关元件SS1～SS9并联连接。
图15是表示本发明的第二实施方式的固体摄像装置10A中的共享数字像素200-1～200-9的读出时序的第一例的图。
在图15的例子中，读出部60为了进行模拟CDS(自动清零)，在第一复位期间PR1中，所有共享像素200-1～200-9中的作为复位元件的复位晶体管RST1-Tr保持为导通状态，按行依次执行第一转换增益复位读出处理HCGRRD<1>～<9>，将针对各第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码分别存储到存储器部230-1～230-9。
而且，在将针对各第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码分别存储到存储器部230-1～230-9后，在传输期间PT1中，将全部像素中的作为传输元件的传输晶体管TG1-Tr保持为导通状态，将作为光电转换元件的光电二极管PD1中蓄积的电荷传输到作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1，执行使溢出的电荷蓄积到作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的全局快门动作。
而且，读出部60在按行进行读出的情况下，依次执行第一转换增益信号读出处理HCGSRD、第二转换增益信号读出处理LCGSRD以及第二转换增益复位读出处理LCGRRD。
图16是表示本发明的第二实施方式的固体摄像装置10A中的共享数字像素200-1～200-9的读出时序的第二例的图。
在图16的例子中，读出部60为了进行模拟CDS(自动清零)，在第一复位期间PR1中，将所有共享像素200-1～200-9中的作为复位元件的复位晶体管RST1-Tr保持为导通状态，在所有行同时并行地执行第一转换增益复位读出处理HCGRRD<1>～<9>，将针对各第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码分别存储到存储器部230-1～230-9。
而且，在将针对各第一读出复位信号HCGVRST的AD转换码分别存储到存储器部230-1～230-9后，在传输期间PT1中，将全部像素中的作为传输元件的传输晶体管TG1-Tr保持为导通状态，将作为光电转换元件的光电二极管PD1中蓄积的电荷传输到作为输出节点ND1的浮置扩散层FD1，执行使溢出的电荷蓄积到作为蓄积电容元件的蓄积电容器CS1的全局快门动作。
并且，读出部60在按行进行读出的情况下，依次执行第一转换增益信号读出处理HCGSRD、第二转换增益信号读出处理LCGSRD以及第二转换增益复位读出处理LCGRRD。
图17是表示本发明的第二实施方式的数字像素的结构例的电路图，是示出两个光电转换读出部210A共享一个比较器221的结构例的电路图。
图18是表示图17的数字像素的读出动作的一例的时序图。
在图17的例子中，如上所述，在输出缓冲部211A中，在AC耦合用的耦合电容器CC1的信号线LSGN1侧增加作为开关元件SW1、SW2的NMOS晶体管NT1、NT2，将AC耦合用的耦合电容器CC1与比较器221的作为第一输入端子的负端子(虚拟接地)根据控制信号PSEL<1>、PSEL<2>而选择性地连接、切断。
与自动清零(Auto Zero)后施加的噪声相伴的偏移分别存储在节点ns<1>和ns<2>。
根据本第二实施方式，不仅能够得到与上述第一实施方式的效果相同的效果，而且能够以更小的像素间距实现具备全局快门功能的数字像素，并且能够实现低功耗化。
(第三实施方式)
图19是表示本发明的第三实施方式的固体摄像装置中的数字像素的结构例的框图。
图20是表示本发明的第三实施方式的数字像素的结构例的电路图。
本第三实施方式的固体摄像装置10B与上述第一实施方式的固体摄像装置10的不同点如下。
在本第三实施方式的固体摄像装置10B中，比较器221的输出连接到以列为单位进行布线的垂直信号线LSGN11，存储器部230B以列为单位布置，并且连接到垂直信号线LSGN11。
在图19的例子中，驱动器222和开关元件SW220连接在比较器221的输出侧和垂直信号线LSGN11之间。
比较器221的输出，在AD转换码的锁存定时被发送到列对应的存储器部230B。
图21是表示本发明的第三实施方式的固体摄像装置10B中的数字像素200的读出时序的图。在图21中，HCG表示高转换增益，LCG表示低转换增益，RST表示复位，SIG表示信号。
在这种情况下，读出部60在来自数字像素200的像素信号的读出控制中，也利用高转换增益HCG的读出信号和低转换增益LCG的读出信号双方来实施模拟CDS(自动清零：AutoZero)和数字CDS(AD转换)。
但是，在存储器部230中，仅存储第一转换增益复位读出处理HCGRRD中的比较器的AD转换处理后的数据(AD转换码)，在按行读出的情况下，执行剩余的第一转换增益信号读出处理HCGSRD、第二转换增益信号读出处理LCGSRD以及第二转换增益复位读出处理LCGRRD的各AD转换处理。
由此，能够降低数字像素200内的数字存储器的必要性，去除不需要的存储器。
关于这一点，高转换增益HCG的读出动作中的CDS是真CDS，而低转换增益LCG的读出动作中的CDS在该帧内使用时可以说是伪CDS。
在这种情况下，意味着对于高转换增益HCG的读出动作去除复位噪声，但是对于低转换增益LCG的读出动作仅去除DC变动。
与此相对，在接合点处，将针对第二转换增益复位读出处理LCGRRD的第二读出复位信号LCGVRST的AD转换码存储于存储器部230，在下一帧中使用的情况下，对于低转换增益LCG的读出动作实现真CDS动作。
根据本第三实施方式，不仅能够得到与上述第一实施方式的效果相同的效果，还能够削减存储器(本例中为SRAM)比特所需的面积，能够提高比较器221的面积效率，能够以更小的像素间距实现具备全局快门功能的数字像素，并且能够实现低功耗化。
(第四实施方式)
图22是表示本发明的第四实施方式的数字像素的结构例的电路图。
本第四实施方式的固体摄像装置10C与上述的第三实施方式的固体摄像装置10B的不同点如下。
在本第四实施方式的固体摄像装置10C中，比较器221的输出经由开关元件SW220连接到以列为单位布线的垂直信号线LSGN11，驱动器222连接到存储器部230B的输入侧的垂直信号线LSGN11。
在本第四实施方式中，为了减小噪声带宽，比较器221使用垂直信号线LSGN11的寄生电容CP。
根据本第四实施方式，能得到与上述的第三实施方式的效果同样的效果。
以上说明的固体摄像装置10、10A、10B、10C能够在数码相机、摄影机、便携终端或监视用摄像头、医疗用内窥镜用摄像头等电子设备中用作摄像器件。
图23是表示搭载了运用本发明的实施方式的固体摄像装置的相机***的电子设备的结构的一例的图。
如图23所示，本电子设备300具有能够应用本实施方式的固体摄像装置10的CMOS图像传感器310。
进而，电子设备300具有将入射光引导到该CMOS图像传感器310的像素区域(对被摄体像进行成像)的光学***(透镜等)320。
电子设备300具有对CMOS图像传感器310的输出信号进行处理的信号处理电路(PRC)330。
信号处理电路330对CMOS图像传感器310的输出信号实施规定的信号处理。
由信号处理电路330处理过的图像信号作为动态图像在由液晶显示器等构成的监视器显示，或者还能在打印机输出，另外还能直接记录于存储卡等记录介质等，能够实现各种方式。
如上述那样，通过搭载前述的固体摄像装置10、10A、10B、10C作为CMOS图像传感器310，能提供高性能、小型、低成本的相机***。
而且，能够实现在相机的设置要件中存在安装尺寸、可连接电缆根数、电缆长度、设置高度等限制的用途中使用的例如监视用摄像头、医疗用内窥镜用摄像头等电子设备。

Claims (19)

1.一种固体摄像装置，具有：
像素部，配置有进行光电转换的像素；以及
读出部，进行从所述像素部读出像素信号，
所述像素包含：
光电转换元件，在蓄积期间蓄积通过光电转换而生成的电荷；
传输元件，能够在所述蓄积期间后的传输期间对蓄积于所述光电转换元件的电荷进行传输；
输出节点，通过所述传输元件传输由所述光电转换元件蓄积的电荷；
蓄积元件，与所述输出节点连接；
蓄积电容元件，经由所述蓄积元件蓄积所述输出节点的电荷；
复位元件，在复位期间将所述输出节点复位为规定的电位；
输出缓冲部，将所述输出节点的电荷以与电荷量对应的增益转换成电压信号，并输出转换后的电压信号；
比较器，进行AD转换处理，在该AD转换处理中，将所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，输出数字化后的比较结果信号，所述AD表示模拟数字；以及
存储器部，存储与所述比较器的比较结果信号对应的数据，
所述读出部能够进行第一转换增益复位读出处理、第一转换增益信号读出处理、第二转换增益信号读出处理和第二转换增益复位读出处理，
在所述第一转换增益复位读出处理中，在第一复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出复位信号的所述AD转换处理，
在所述第一转换增益信号读出处理中，在继所述第一复位期间后的所述传输期间之后的读出期间，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出信号的所述AD转换处理，
在所述第二转换增益信号读出处理中，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的电荷共享所述蓄积电容元件的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出信号的所述AD转换处理，
在所述第二转换增益复位读出处理中，在第二复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出复位信号的所述AD转换处理，
在所述存储器部仅存储所述第一转换增益复位读出处理中的所述比较器的AD转换处理后的数据。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，
所述像素部以矩阵状配置所述像素，
所述读出部，
在所述第一复位期间中，将全部像素中的所述复位元件保持为导通状态而执行所述第一转换增益复位读出处理，将针对所述第一读出复位信号的AD转换码存储于所述存储器部之后，
在所述传输期间中，执行全局快门动作，在所述全局快门动作中，将全部像素中的所述传输元件保持为导通状态，将蓄积在所述光电转换元件的电荷传输到所述输出节点，将溢出的电荷蓄积到所述蓄积电容元件，
在按行进行读出的情况下，依次执行所述第一转换增益信号读出处理、所述第二转换增益信号读出处理以及所述第二转换增益复位读出处理。
3.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其中，
所述读出部，
将所述蓄积元件保持为非导通状态，使所述输出节点的电荷与所述蓄积电容元件的电荷分离来执行所述第一转换增益信号读出处理，
将所述蓄积元件保持为导通状态，使所述输出节点的电荷和所述蓄积电容元件的电荷共享来执行所述第二转换增益信号读出处理，
将所述复位元件及所述蓄积元件保持为导通状态，清除所述输出节点的电荷和所述蓄积电容元件的电荷来执行所述第二转换增益复位读出处理。
4.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其中，
所述读出部，
能够为了下一帧用而将所述第二转换增益复位读出处理的针对所述第二读出复位信号的AD转换码存储到所述存储器部。
5.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，
所述像素包含作为所述输出节点的浮置扩散层，
所述输出缓冲部包含：
源极跟随元件，将所述浮置扩散层的电荷转换成与电荷量对应的电压信号，并输出转换后的信号；
电流源，与所述源极跟随元件的源极连接；以及
读出节点，由所述源极跟随元件的源极与所述电流源的连接部形成，并与所述比较器的一个输入端子连接。
6.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其中，
所述比较器，在第一输入端子连接所述输出缓冲部的所述读出节点，并且被供给所述输出缓冲部的所述电压信号，并且在第二输入端子被供给所述参考电压，
在所述输出缓冲部的所述读出节点与所述比较器的所述第一输入端子之间连接有耦合电容器。
7.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，
一个所述比较器由多个共享像素共享。
8.根据权利要求7所述的固体摄像装置，其中，
所述读出部，
在所述第一复位期间中，将全部像素中的所述复位元件保持为导通状态，按行依次执行所述第一转换增益复位读出处理，将针对所述第一读出复位信号的AD转换码分别存储于所述存储器部之后，
在所述传输期间中，执行全局快门动作，在所述全局快门动作中，将全部像素中的所述传输元件保持为导通状态，将蓄积于所述光电转换元件的电荷传输到所述输出节点，将溢出的电荷蓄积于所述蓄积电容元件。
9.根据权利要求7所述的固体摄像装置，其中，
所述读出部，
在所述第一复位期间中，将全部像素中的所述复位元件保持为导通状态，在所有行同时并行地执行所述第一转换增益复位读出处理，将针对所述第一读出复位信号的AD转换码存储于所述存储器部之后，
在所述传输期间中，执行全局快门动作，在所述全局快门动作中，将全部像素中的所述传输元件保持为导通状态，将蓄积于所述光电转换元件的电荷传输到所述输出节点，将溢出的电荷蓄积于所述蓄积电容元件。
10.根据权利要求7所述的固体摄像装置，其中，
所述比较器，在第一输入端子连接所述输出缓冲部的所述读出节点，并且被供给所述输出缓冲部的所述电压信号，在第二输入端子被供给所述参考电压，
各所述共享像素包含作为所述输出节点的浮置扩散层，
所述输出缓冲部包含：
源极跟随元件，将所述浮置扩散层的电荷转换成与电荷量对应的电压信号，并输出转换后的信号；
电流源，与所述源极跟随元件的源极连接；
读出节点，由所述源极跟随元件的源极与所述电流源的连接部形成，并且与所述比较器的一个输入端子连接；
耦合电容器，与所述输出缓冲部的所述读出节点连接；以及
开关元件，连接在所述耦合电容器与所述比较器的所述第一输入端子之间。
11.根据权利要求7所述的固体摄像装置，其中，
在所述比较器的输出侧，与所述共享像素对应地并联连接有多个存储器部。
12.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，
所述像素部以矩阵状配置所述像素，
所述比较器的输出，与以列为单位进行布线的信号线连接，
所述存储器部以列为单位配置，并与所述信号线连接。
13.根据权利要求10所述的固体摄像装置，其中，
所述比较器在输出端子与所述第一输入端子之间连接有复位开关，并且
在所述输出端子侧连接有负载电容器。
14.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，
所述固体摄像装置包含第一基板以及第二基板，
所述第一基板和所述第二基板具有通过连接部连接的层叠结构，
在所述第一基板至少形成所述像素的所述光电转换元件、所述传输元件、所述输出节点以及所述输出缓冲部，
在第二基板至少形成所述比较器、所述存储器部以及所述读出部的至少一部分。
15.一种固体摄像装置的驱动方法，所述固体摄像装置具有：
像素部，配置有进行光电转换的像素；以及
读出部，进行从所述像素部读出像素信号，
所述像素包含：
光电转换元件，在蓄积期间蓄积通过光电转换而生成的电荷；
传输元件，能够在所述蓄积期间后的传输期间对蓄积于所述光电转换元件的电荷进行传输；
输出节点，通过所述传输元件传输由所述光电转换元件蓄积的电荷；
蓄积元件，与所述输出节点连接；
蓄积电容元件，经由所述蓄积元件蓄积所述输出节点的电荷；
复位元件，在复位期间将所述输出节点复位为规定的电位；
输出缓冲部，将所述输出节点的电荷以与电荷量对应的增益转换成电压信号，并输出转换后的电压信号；
比较器，进行AD转换处理，在该AD转换处理中，将所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，输出数字化后的比较结果信号，所述AD表示模拟数字；以及
存储器部，存储与所述比较器的比较结果信号对应的数据，
在所述固体摄像装置的驱动方法中，在所述读出部的控制下进行第一转换增益复位读出处理、第一转换增益信号读出处理、第二转换增益信号读出处理和第二转换增益复位读出处理，
在所述第一转换增益复位读出处理中，在第一复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出复位信号的所述AD转换处理，
在所述第一转换增益信号读出处理中，在继所述第一复位期间后的所述传输期间之后的读出期间，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出信号的所述AD转换处理，
在所述第二转换增益信号读出处理中，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的电荷共享所述蓄积电容元件的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出信号的所述AD转换处理，
在所述第二转换增益复位读出处理中，在第二复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出复位信号的所述AD转换处理，
在所述存储器部仅存储所述第一转换增益复位读出处理中的所述比较器的AD转换处理后的数据。
16.根据权利要求15所述的固体摄像装置的驱动方法，其中，
所述像素部以矩阵状配置所述像素，
在所述读出部的控制下，
在所述第一复位期间中，将全部像素中的所述复位元件保持为导通状态，执行所述第一转换增益复位读出处理，将针对所述第一读出复位信号的AD转换码存储于所述存储器部之后，
在所述传输期间中，执行全局快门动作，在所述全局快门动作中，将全部像素中的所述传输元件保持为导通状态，将蓄积在所述光电转换元件中的电荷传输到所述输出节点，将溢出的电荷蓄积到所述蓄积电容元件，
在按行进行读出的情况下，依次执行所述第一转换增益信号读出处理、所述第二转换增益信号读出处理以及所述第二转换增益复位读出处理。
17.根据权利要求16所述的固体摄像装置的驱动方法，其中，
在所述读出部的控制下，
将所述蓄积元件保持为非导通状态，使所述输出节点的电荷与所述蓄积电容元件的电荷分离来执行所述第一转换增益信号读出处理，
将所述蓄积元件保持为导通状态，使所述输出节点的电荷和所述蓄积电容元件的电荷共享来执行所述第二转换增益信号读出处理，
将所述复位元件及所述蓄积元件保持为导通状态，清除所述输出节点的电荷和所述蓄积电容元件的电荷来执行所述第二转换增益复位读出处理。
18.根据权利要求16所述的固体摄像装置的驱动方法，其中，
为了下一帧用而将所述第二转换增益复位读出处理的针对所述第二读出复位信号的AD转换码存储到所述存储器部。
19.一种电子设备，具有：
固体摄像装置；和
光学***，在所述固体摄像装置成像被摄体像，
所述固体摄像装置具有：
像素部，配置有进行光电转换的像素；以及
读出部，进行从所述像素部读出像素信号，
所述像素包含：
光电转换元件，在蓄积期间蓄积通过光电转换而生成的电荷；
传输元件，能够在所述蓄积期间后的传输期间对蓄积于所述光电转换元件的电荷进行传输；
输出节点，通过所述传输元件传输由所述光电转换元件蓄积的电荷；
蓄积元件，与所述输出节点连接；
蓄积电容元件，经由所述蓄积元件蓄积所述输出节点的电荷；
复位元件，在复位期间将所述输出节点复位为规定的电位；
输出缓冲部，将所述输出节点的电荷以与电荷量对应的增益转换成电压信号，并输出转换后的电压信号；
比较器，进行AD转换处理，在该AD转换处理中，将所述输出缓冲部的电压信号与参考电压进行比较，输出数字化后的比较结果信号，所述AD表示模拟数字；以及
存储器部，存储与所述比较器的比较结果信号对应的数据，
所述读出部能够进行第一转换增益复位读出处理、第一转换增益信号读出处理、第二转换增益信号读出处理和第二转换增益复位读出处理，
在所述第一转换增益复位读出处理中，在第一复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出复位信号的所述AD转换处理，
在所述第一转换增益信号读出处理中，在继所述第一复位期间后的所述传输期间之后的读出期间，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的第一电荷量对应的第一转换增益进行转换得到的第一读出信号，并通过所述比较器进行针对该第一读出信号的所述AD转换处理，
在所述第二转换增益信号读出处理中，从所述输出缓冲部读出以与所述输出节点的电荷共享所述蓄积电容元件的电荷后的第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出信号的所述AD转换处理，
在所述第二转换增益复位读出处理中，在第二复位期间从所述输出缓冲部读出以与所述第二电荷量对应的第二转换增益进行转换得到的第二读出复位信号，并通过所述比较器进行针对该第二读出复位信号的所述AD转换处理，
在所述存储器部仅存储所述第一转换增益复位读出处理中的所述比较器的AD转换处理后的数据。
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