JP2007336282A - 光電変換膜積層型カラー固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1色画素と第2色画素で構成され単位画素22gbと、第1色画素と第3色画素で構成され単位画素22grとが基板表面に配列形成され、第1色光が基板表面に積層された光電変換膜で検出され、第2色光と第3色光が夫々フォトダイオードで検出される光電変換膜積層型カラー固体撮像素子に、単位画素の画素列毎に設けられ同一単位画素行の隣接する同一色画素から読み出された信号の各々を保持するメモリ58,59と、メモリ58,59の各々に保持された信号を個別に読み出し外部に出力する全画素読出動作とメモリ58,59の各々に保持された信号のうち画素列毎に隣接するメモリ58,59の信号を同時に読み出し外部に出力する加算読出動作とを切り替えて行う制御手段54とを有する出力信号処理部24を備える。
【選択図】図1
Description
前記単位画素の画素列毎に設けられ同一単位画素行の隣接する同一色の色画素から読み出された信号の各々を保持する信号メモリ手段と、該信号メモリ手段の各々に保持された前記信号を個別に読み出し外部に出力する全画素読出動作と前記信号メモリ手段の各々に保持された前記信号のうち前記画素列毎に隣接する信号メモリ手段の信号を同時に読み出し外部に出力する加算読出動作とを切り替えて行う行方向走査制御手段とを有する出力信号処理部を備えることを特徴とする。
図1は、本発明の第1実施形態に係るハイブリッド型の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の表面模式図である。この光電変換膜積層型カラー固体撮像素子20は、半導体基板21に2種類の複数の単位画素22gb,22grが正方格子状に配列形成されている。緑色(G)光及び青色(B)光に感応する単位画素22gbは正方格子のうちの市松位置に配列され、緑色(G)光及び赤色(R)光に感応する単位画素22grは残りの市松位置に配列される。
SH選択スイッチ60は、常に、サンプルホールド回路58側に設定される。そして、列方向走査制御部25が信号読出を行う単位画素行を選択するために当該単位画素行に対する信号線31に行選択信号を出力すると、当該単位画素行の行選択トランジスタ12が導通状態となる。
列方向走査制御部25は、(2J−1)番目の単位画素行を選択する。但し、Jは正の整数である。当該単位画素行に対して列方向走査制御部25が行選択信号を出力すると、この単位画素行の行選択トランジスタ12が導通状態となる。そして、このとき、列信号選択スイッチ56は列信号線27側を選択し、SH選択スイッチ60はサンプルホールド回路58側を選択する。
図6は、本発明の第2実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子に用いる出力信号処理部の要部構成図である。本実施形態の出力信号処理部に設ける相関二重サンプリング回路には、クランプ回路57をバイパスする経路にこのバイパス経路をオンオフするクランプ制御用スイッチ回路67が設けられている。その他の構成は、図1,図2,図3,図4,図5に示す第1実施形態と同じである。
SH選択スイッチ60は、常に、サンプルホールド回路58側を選択する。そして、列方向走査制御部25は、読み出し対象とする単位画素行に対して行選択信号を出力し、当該単位画素行の行選択トランジスタ12を導通状態にする。
先ず、列方向走査制御部25が(2J―1)番の単位画素行を選択すると、行選択信号により選択された単位画素行の行選択トランジスタ12が導通状態となる。列信号選択スイッチ56に列信号線27を選択させ、更に、SH選択スイッチ60にSH回路58を選択させる。また、クランプ制御用スイッチ67を閉じる。
図7は、本発明の第3実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子の要部構成図である。第1,第2実施形態では、SH選択スイッチ60をサンプルホールド回路58,59と独立に設けたが、本実施形態では、図7に示す様に、サンプルホールド回路58,59のサンプリング用トランジスタ58a,59aと兼ねてもよい。
図8は、本発明の第4実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子における出力信号処理部の要部構成図である。他の構成は、第1〜第3実施形態の同様である。
図9(a)は、本発明の第5実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子で用いる信号読出回路の回路図である。素子構造は上述した各実施形態と同様であり、半導体基板側に設けた画素(上記例ではR画素,B画素)が検出した信号電荷に応じたカラー画像信号を読み出す信号読出回路に適用される。
図9(b)は、本発明の第6実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子で用いる信号読出回路の回路図である。第5実施形態に係る信号読出回路のリセットトランジスタ13が出力トランジスタ11のゲート・ドレイン間に設けられるのに対し、本実施形態のリセットトランジスタ13は出力トランジスタ11のゲート・ソース間に設けられる。また、出力トランジスタ11のドレインが接続される端子48は、直流電圧に接続される。
図10は、本発明の第7実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像素子で用いる信号読出回路の回路図である。素子構造は上述した各実施形態と同様であるが、本実施形態が適用される光電変換膜積層型カラー固体撮像素子では、光電変換膜による画素(上記例ではG画素)で発生した電子―正孔対のうち正孔を信号電荷とし、正孔量に応じた信号を、本実施形態の信号読出回路で読み出す構成としている。
12 行選択トランジスタ
13 リセットトランジスタ
14 読出トランジスタ
20 光電変換膜積層型カラー固体撮像素子
21 半導体基板
22gb 第1種の単位画素
22gr 第2種の単位画素
24 出力信号処理部
25 列方向走査制御部
26 R画素/B画素用の列信号線
27 G画素用の列信号線
28 カラーフィルタ
29 読出信号線
30 リセット信号線
31 行選択信号線
36 透明絶縁層
37 フォトダイオードを構成するn領域層
43 緑色光検出用光電変換膜
48,49 端子
50 G画素用の信号読出回路
51 R画素/B画素用の信号読出回路
53 相関二重サンプリング回路
54 行方向走査制御部
55 出力部
56 列信号線選択スイッチ回路
57 クランプ回路
58,59 サンプルホールド(SH)回路
60 SH選択スイッチ回路
62 読出出力信号線
67 クランプ制御用スイッチ回路
Claims (17)
- 第1種と第2種の2種類の複数の単位画素が半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成され、前記第1種の単位画素が第1色,第2色の各入射光量を夫々検出する第1色画素,第2色画素で構成され、前記第2種の単位画素が前記第1色,第3色の各入射光量を夫々検出する第1色画素,第3色画素で構成され、前記第1色画素が前記半導体基板の表面部に積層された光電変換膜で構成され、前記第2色画素及び前記第3色画素の夫々が前記半導体基板表面部に形成されたフォトダイオードで構成され、前記第1色画素,第2色画素,第3色画素の各検出信号が前記半導体基板に前記単位画素毎に設けられた信号読出回路によって読み出される光電変換膜積層型カラー固体撮像素子であって、
前記単位画素の画素列毎に設けられ同一単位画素行の隣接する同一色の色画素から読み出された信号の各々を保持する信号メモリ手段と、該信号メモリ手段の各々に保持された前記信号を個別に読み出し外部に出力する全画素読出動作と前記信号メモリ手段の各々に保持された前記信号のうち前記画素列毎に隣接する信号メモリ手段の信号を同時に読み出し外部に出力する加算読出動作とを切り替えて行う行方向走査制御手段とを有する出力信号処理部を備えることを特徴とする光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。 - 前記出力信号処理部は、前記画素列毎に設けられる前記信号メモリ手段を複数備えると共に、該複数の信号メモリ手段の各々に前記単位画素の列方向に隣接する同一色の色画素から読み出された信号の各々を保持させるメモリ手段切替スイッチを備えることを特徴とする請求項1に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記信号メモリ手段は、夫々、前記色画素から読み出されたリセット雑音を含む信号を保持する第1の信号メモリ手段と、当該色画素から読み出されたリセット雑音信号を保持する第2の信号メモリ手段とを備え、前記出力信号処理部は、該第1の信号メモリ手段から読み出した信号と該第2の信号メモリ手段から読み出した信号との差信号を出力することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記第1色画素の検出信号を読み出す信号読出回路をリセットトランジスタと行選択トランジスタと出力トランジスタの3トランジスタで構成される信号読出回路とし、前記第2色画素の検出信号を読み出す信号読出回路及び前記第3色画素の検出信号を読み出す信号読出回路を読出トランジスタとリセットトランジスタと行選択トランジスタと出力トランジスタの4トランジスタで構成される信号読出回路とした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光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記出力信号処理部は、前記第1色画素の検出信号を読み出す信号読出回路の出力信号と、前記第2色画素,第3色画素の検出信号を読み出す信号読出回路の出力信号とを切替選択して取り込む切替手段を備える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光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記出力信号処理部は、取り込んだ前記第1色画素の検出信号に対してサンプルホールド処理を施す回路と、取り込んだ前記第2色画素,第3色画素の検出信号に対して相関二重サンプリング処理を施す回路とを備え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光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記相関二重サンプリング処理は、入力信号をクランプするクランプ回路及び該クランプ回路の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路で行い、前記サンプルホールド処理は前記クランプ回路をバイパス回路でバイパスし前記サンプルホールド回路で行うことを特徴とする請求項6に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記第1色画素の検出信号を前記信号読出回路から前記出力信号処理部に読み出した後、次の第1色画素の検出信号が読み出される前に、該信号読出回路からリセット雑音信号を該出力信号処理部に読み出すことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記4トランジスタ構成の前記信号読出回路のうち行選択トランジスタが省略され、代わりに前記リセットトランジスタのドレイン端子の印加電圧が可変制御される構成としたことを特徴とする請求項4に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記光電変換膜が透明な画素電極膜と対向電極膜に挟まれた単層有機半導体構造または多層有機半導体構造でなることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記第2色画素を構成する前記フォトダイオードの上部に第2色光を透過する第1カラーフィルタが積層され、前記第3色画素を構成する前記フォトダイオードの上部に第3色光を透過する第2カラーフィルタが積層されることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記第1カラーフィルタまたは前記第2カラーフィルタが透明層でなることを特徴とする請求項11に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記第1色が緑色であり、前記第2色が青色であり、前記第3色が赤色であることを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記第1色画素,第2色画素,第3色画素が夫々入射光量を電子量として検出することを特徴とする請求項1乃至請求項13のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記第1色画素が入射光量を正孔量で検出し、前記第2色画素と前記第3色画素が入射光量を電子量で検出することを特徴とする請求項1乃至請求項13のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記出力信号処理部の出力信号がアナログ信号であることを特徴とする請求項1乃至請求項15のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
- 前記出力信号処理部の出力信号がデジタル信号であることを特徴とする請求項1乃至請求項16のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像素子。
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