JP2008283057A - Solid-state image pickup element and imaging apparatus using the same - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain sufficient sensitivity from a short wavelength to a long one in a solid-state image pickup element having a photoelectric conversion section in each of a plurality of pixel regions arranged on a substrate one-dimensionally or two-dimensionally. <P>SOLUTION: A carrier discharge region 5 is provided at the depth of the substrate in a photodiode 4 becoming the photoelectric conversion section, each pixel region is divided into a plurality of groups, and a different bias voltage is applied to the carrier discharge region 5 among the groups, thus changing energy potential distribution, and hence changing depth for discharging electrons to allow spectral characteristics to differ. Therefore, when a solid-state image pickup element is used for a color image sensor, full-color imaging is enabled with single imaging without using any color filters, or the like. When the solid-state image pickup element is used for a spectrochemical analysis device, a spectral analysis is enabled for distinguishing reference light from fluorescence with single exposure, thus obtaining sufficient sensitivity from a short wavelength to a long one. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、フルカラー撮像が可能なカラーイメージセンサや、検体の蛍光反応を検出する分光分析装置などとして実現される撮像装置およびその撮像装置に用いられる固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a color image sensor capable of full-color imaging, an imaging device realized as a spectroscopic analysis device that detects a fluorescence reaction of a specimen, and a solid-state imaging device used in the imaging device.

これまでの固体撮像素子においても、分光機能を有する撮像システムは提案されている。たとえば、前記カラーイメージセンサでは、画素配列上にＲ，Ｇ，Ｂのカラーフィルタを配するのが一般的である。しかしながら、このような構造では、受光部であるフォトダイオードの上部にフィルタ層を形成するので、フォトダイオード上部の光路長が長くなり、クロストーク増大や画素配列周辺部でのシェーディング増大などの問題がある。   An imaging system having a spectroscopic function has been proposed even in the conventional solid-state imaging device. For example, in the color image sensor, R, G, B color filters are generally arranged on the pixel array. However, in such a structure, since the filter layer is formed on the upper part of the photodiode as the light receiving part, the optical path length on the upper part of the photodiode becomes long, and there are problems such as increased crosstalk and increased shading in the peripheral part of the pixel array. is there.

一方、前記分光分析装置では、分光感度の異なるフィルタを複数種類用意して、それらを撮像素子と被写体との間に順次挿入しながら複数回撮像することで分光分析を行っている。しかしながら、このような構造では、撮像する度にフィルタを交換する機構が必要であり、装置が大掛かりになり、また分光できる波長もフィルタの種類に依存し、色々な検体を分析するのは困難であるという問題がある。   On the other hand, in the spectroscopic analysis apparatus, a plurality of types of filters having different spectral sensitivities are prepared, and spectroscopic analysis is performed by capturing images a plurality of times while sequentially inserting them between an image sensor and a subject. However, in such a structure, a mechanism for exchanging the filter every time an image is taken is required, and the apparatus becomes large. Further, the wavelength that can be dispersed depends on the type of filter, and it is difficult to analyze various specimens. There is a problem that there is.

そこで、このような問題を解決することができる先行技術が、特許文献１で提案されている。その先行技術によれば、各画素の光電変換部の表層に、絶縁膜を介して、フォトゲートと呼ばれる透明な電極膜を形成し、その電極膜に与えるバイアス電圧を変化することで、前記光電変換部において電子を排出する深さを変化させ、分光特性を変化させている。
特開２００５−１０１１４号公報 Therefore, Patent Document 1 proposes a prior art that can solve such a problem. According to the prior art, a transparent electrode film called a photogate is formed on the surface layer of the photoelectric conversion portion of each pixel via an insulating film, and the bias voltage applied to the electrode film is changed, thereby changing the photoelectric film. The depth at which electrons are discharged in the conversion unit is changed to change the spectral characteristics.
JP 2005-10114 A

しかしながら、上述の従来技術では、カラーフィルタは無く、また分光フィルタを交換する必要も無いので、それらによる問題は解決可能であるが、光電変換部の上部にフォトゲートが存在し、感度が不足する（特に短波長の光の透過率が低下）という問題がある。   However, in the above-described prior art, there is no color filter and it is not necessary to replace the spectral filter, so the problem due to them can be solved. However, the photogate exists above the photoelectric conversion unit, and the sensitivity is insufficient. (In particular, the transmittance of light having a short wavelength is lowered).

本発明の目的は、短波長から長波長まで充分な感度で、分光機能を有する固体撮像素子およびそれを用いる撮像装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a solid-state imaging element having a spectral function with sufficient sensitivity from a short wavelength to a long wavelength and an imaging apparatus using the same.

本発明の固体撮像素子は、基板上に一次元または二次元に配列された複数の各領域に、それぞれ光電変換部を有して成る固体撮像素子において、前記光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を有し、前記各領域は複数のグループに分割され、そのグループ間で、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけてのエネルギーポテンシャル分布が相互に異なることを特徴とする。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device having a photoelectric conversion unit in each of a plurality of regions arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a substrate. Each region is divided into a plurality of groups, and energy potential distributions from the surface layer side of the photoelectric conversion unit to the carrier discharge region are different among the groups.

上記の構成によれば、検体の蛍光反応などを検出する分光分析装置やカラーイメージセンサなどとして実現される撮像装置に用いられ、基板上に複数の領域が一次元または二次元に配列された固体撮像素子において、前記各領域における光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を設け、たとえば、そのキャリア排出領域へ印加されるバイアス電圧が少なくとも前記光電変換部における電荷蓄積期間において前記グループ間で異なることで、もしくは前記キャリア排出領域における不純物濃度が前記グループ間で異なることで、または前記キャリア排出領域の前記表層からの深さが前記グループ間で異なることで、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけてのエネルギーポテンシャル分布が相互に異なるようにする。   According to the above configuration, it is used in an imaging device that is realized as a spectroscopic analysis device or a color image sensor for detecting a fluorescence reaction of a specimen, and a solid in which a plurality of regions are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a substrate In the imaging device, a carrier discharge region is provided in the substrate deep portion of the photoelectric conversion unit in each region, and for example, a bias voltage applied to the carrier discharge region is different between the groups at least in a charge accumulation period in the photoelectric conversion unit. Or, the impurity concentration in the carrier discharge region differs between the groups, or the depth of the carrier discharge region from the surface layer differs between the groups, so that the carrier discharge from the surface layer side of the photoelectric conversion unit. The energy potential distribution over the region is made different from each other.

したがって、通常、波長が短い光は表層側で光電変換が生じ、波長が長い光は深層側で光電変換が生じるのに対して、前記のようにエネルギーポテンシャル分布が異なると、電子を排出する深さが変化し、波長および強度が等しい光を照射しても、感度が異なり、すなわち分光特性が異なるようになる。これによって、相互に隣接する異なるグループの領域を１組として、たとえば前記カラーイメージセンサの場合には、１板で、カラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像でフルカラー撮像を可能にしたり、前記分光分析装置の場合には、１回の露光で、波長が異なる参照光と蛍光とを区別する分光分析を可能にしたりすることができる。しかも、短波長から長波長まで、充分な感度を得ることができる。   Therefore, in general, light having a short wavelength undergoes photoelectric conversion on the surface layer side, and light having a long wavelength undergoes photoelectric conversion on the deep layer side. Even when light having the same wavelength and intensity is irradiated, the sensitivity is different, that is, the spectral characteristics are different. Accordingly, different groups of areas adjacent to each other as a set, for example, in the case of the color image sensor, one plate can be used to perform full color imaging without using a color filter or the like, In the case of the spectroscopic analyzer, it is possible to perform spectroscopic analysis for distinguishing between reference light and fluorescence having different wavelengths in one exposure. In addition, sufficient sensitivity can be obtained from a short wavelength to a long wavelength.

好ましくは、前記基板は第１の導電体から成り、前記光電変換部およびキャリア排出領域は第２の導電体から成る。   Preferably, the substrate is made of a first conductor, and the photoelectric conversion portion and the carrier discharge region are made of a second conductor.

また好ましくは、前記各領域は、前記光電変換部と、フローティングディフュージョンと、転送トランジスタと、増幅トランジスタと、行選択トランジスタとを有するＣＭＯＳイメージセンサから成る。   Preferably, each of the regions includes a CMOS image sensor having the photoelectric conversion unit, a floating diffusion, a transfer transistor, an amplification transistor, and a row selection transistor.

また、本発明の撮像装置は、前記の固体撮像素子を用い、前記固体撮像素子へ被写体画像を導く光学系と、前記各グループのキャリア排出領域へ印加するバイアス電圧をそれぞれ発生する電圧発生部と、前記各領域の分光感度特性がカラー画像の撮像に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする。   The image pickup apparatus of the present invention uses the solid-state image pickup device, an optical system that guides a subject image to the solid-state image pickup device, and a voltage generation unit that generates a bias voltage to be applied to the carrier discharge region of each group. A voltage control unit that controls the voltage generation unit so that the spectral sensitivity characteristics of the respective regions become characteristics necessary for color image capturing, and analog / digital conversion of the output signals obtained from the respective regions. A digital conversion unit and an image processing unit including a color interpolation calculation unit that performs color interpolation calculation based on the digitally-converted output signal and reproduces a color image are provided.

上記の構成によれば、１板の固体撮像素子で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像でフルカラー撮像が可能なカラーイメージセンサを実現することができる。なお、前記電圧発生部、電圧制御部、アナログ／デジタル変換部および前記色補間演算部を備える画像処理部の一部もしくは全部が、固体撮像素子内に設けられていてもよい。   According to the above configuration, it is possible to realize a color image sensor that can perform full-color imaging by one imaging without using the above-described color filter or the like with a single solid-state imaging device. A part or all of the image processing unit including the voltage generation unit, the voltage control unit, the analog / digital conversion unit, and the color interpolation calculation unit may be provided in the solid-state imaging device.

さらにまた、本発明の撮像装置は、前記の固体撮像素子を用い、前記各グループのキャリア排出領域へ印加するバイアス電圧をそれぞれ発生する電圧発生部と、波長設定部と、前記波長設定部によって設定された波長情報に基づいて、前記各領域の分光感度特性が分光分析に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された前記出力信号を元に分光演算を行い、各測定波長の強度を計算する分光演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする。   Furthermore, the imaging apparatus of the present invention uses the solid-state imaging device, and is set by a voltage generation unit that generates a bias voltage to be applied to the carrier discharge region of each group, a wavelength setting unit, and the wavelength setting unit. Based on the obtained wavelength information, a voltage control unit that controls the voltage generation unit so that the spectral sensitivity characteristic of each region becomes a characteristic necessary for spectroscopic analysis, and the output signal obtained from each region is analog / An analog / digital conversion unit that performs digital conversion, and an image processing unit that includes a spectral calculation unit that performs spectral calculation based on the digitally converted output signal and calculates the intensity of each measurement wavelength. Features.

上記の構成によれば、１板の固体撮像素子で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像で検体の蛍光反応を検出可能な分光分析装置を実現することができる。なお、固体撮像素子上に直接検体が搭載される場合には光学系は特に必要ではなく、前記バイアス電圧の異なる領域が、参照光の種類と、同時に検出すべき蛍光の種類数分だけ設けられればよい。また、前記電圧発生部、電圧制御部、アナログ／デジタル変換部および前記分光演算部を備える画像処理部の一部もしくは全部が、固体撮像素子内に設けられていてもよい。   According to the above configuration, it is possible to realize a spectroscopic analysis apparatus that can detect the fluorescence reaction of a specimen by one imaging without using the above-described color filter or the like with one solid-state imaging device. Note that when the specimen is directly mounted on the solid-state imaging device, an optical system is not particularly necessary, and the regions having different bias voltages are provided by the number of types of reference light and the number of types of fluorescence to be detected simultaneously. That's fine. A part or all of the image processing unit including the voltage generation unit, the voltage control unit, the analog / digital conversion unit, and the spectral calculation unit may be provided in the solid-state imaging device.

本発明の固体撮像素子は、以上のように、検体の蛍光反応などを検出する分光分析装置やカラーイメージセンサなどとして実現される撮像装置に用いられ、基板上に複数の領域が一次元または二次元に配列された固体撮像素子において、前記各領域における光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を設け、たとえばそのキャリア排出領域へ印加されるバイアス電圧をグループ間で異ならせることで、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけてのエネルギーポテンシャル分布が相互に異なるようにする。   As described above, the solid-state imaging device of the present invention is used in an imaging device that is realized as a spectroscopic analysis device, a color image sensor, or the like that detects a fluorescence reaction of a specimen. In the solid-state imaging device arranged in a dimension, a carrier discharge region is provided in the substrate deep part of the photoelectric conversion unit in each region, and for example, the bias voltage applied to the carrier discharge region is made different between groups, so that the photoelectric conversion The energy potential distribution from the surface layer side to the carrier discharge region is made different from each other.

それゆえ、電子を排出する深さが変化し、波長および強度が同じ光を照射しても、感度が異なり、すなわち分光特性が異なるようになる。これによって、相互に隣接する異なるグループの領域を１組として、たとえば前記カラーイメージセンサの場合には、１板で、カラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像でフルカラー撮像を可能にしたり、前記分光分析装置の場合には、１回の露光で、波長が異なる参照光と蛍光とを区別する分光分析を可能にしたりすることができる。しかも、短波長から長波長まで、充分な感度を得ることができる。   Therefore, even if the depth at which electrons are emitted changes and light having the same wavelength and intensity is irradiated, the sensitivity is different, that is, the spectral characteristics are different. Accordingly, different groups of areas adjacent to each other as a set, for example, in the case of the color image sensor, one plate can be used to perform full color imaging without using a color filter or the like, In the case of the spectroscopic analyzer, it is possible to perform spectroscopic analysis for distinguishing between reference light and fluorescence having different wavelengths in one exposure. In addition, sufficient sensitivity can be obtained from a short wavelength to a long wavelength.

また、本発明の撮像装置は、以上のように、前記の固体撮像素子を用い、前記固体撮像素子へ被写体画像を導く光学系と、前記各グループのキャリア排出領域へ印加するバイアス電圧をそれぞれ発生する電圧発生部と、前記各領域の分光感度特性がカラー画像の撮像に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部を備える画像処理部とを備える。   In addition, as described above, the imaging apparatus according to the present invention uses the solid-state imaging device and generates an optical system that guides a subject image to the solid-state imaging device and a bias voltage to be applied to the carrier discharge region of each group. A voltage generating unit that controls the voltage generating unit so that the spectral sensitivity characteristics of each region become characteristics required for color image capturing, and an output signal obtained from each region is analog / An analog / digital conversion unit that performs digital conversion, and an image processing unit that includes a color interpolation calculation unit that performs color interpolation calculation based on the digitally converted output signal and reproduces a color image.

それゆえ、１板の固体撮像素子で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像でフルカラー撮像が可能なカラーイメージセンサを実現することができる。   Therefore, it is possible to realize a color image sensor that can perform full-color imaging by one imaging without using the above-described color filter or the like with a single solid-state imaging device.

さらにまた、本発明の撮像装置は、以上のように、前記の固体撮像素子を用い、前記各グループのキャリア排出領域へ印加するバイアス電圧をそれぞれ発生する電圧発生部と、波長設定部と、前記波長設定部によって設定された波長情報に基づいて、前記各領域の分光感度特性が分光分析に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された前記出力信号を元に分光演算を行い、各測定波長の強度を計算する分光演算部を備える画像処理部とを備える。   Furthermore, as described above, the imaging apparatus of the present invention uses the solid-state imaging device, and generates a bias voltage to be applied to the carrier discharge region of each group, a wavelength setting unit, Based on the wavelength information set by the wavelength setting unit, the voltage control unit that controls the voltage generation unit so that the spectral sensitivity characteristic of each region becomes a characteristic necessary for spectral analysis, and obtained from each region An analog / digital conversion unit that performs analog / digital conversion of an output signal, and an image processing unit that includes a spectral calculation unit that performs spectral calculation based on the digitally converted output signal and calculates the intensity of each measurement wavelength.

それゆえ、１板の固体撮像素子で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像で検体の蛍光反応を検出可能な分光分析装置を実現することができる。   Therefore, it is possible to realize a spectroscopic analyzer capable of detecting the fluorescence reaction of the specimen with a single imaging without using the above color filter or the like with a single solid-state imaging device.

図１は、本発明の実施の一形態に係る固体撮像素子１の１画素の断面構造を模式的に示す図である。この画素構造では、第１の導電体であるｐ型の基板２の表面において、素子分離領域３によって１画素分に区画された領域に、光電変換部となる第２の導電体であるｎ型のフォトダイオード４を形成したＣＭＯＳイメージセンサの例を示している。注目すべきは、本実施の形態では、前記各フォトダイオード４の基板深部に、第２の導電体であるｎ型のキャリア排出領域５が埋込まれていることである。そのキャリア排出領域５は、バイアス電圧Ｂを印加するために、基板２の表面のコンタクト部６まで、垂直にｎ型領域７で接続されている。図１では、フォトダイオード４と転送ゲート８との境界部と、キャリア排出領域５の端部とが一致しているが、これに限らない。転送ゲート８によるキャリアのフローティングディフュージョン（以下、ＦＤと略称）９への完全転送が可能であれば、キャリア排出領域５は、図１よりも転送ゲート８方向に伸延されていてもよい。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of one pixel of a solid-state imaging device 1 according to an embodiment of the present invention. In this pixel structure, on the surface of the p-type substrate 2 that is the first conductor, an n-type that is the second conductor serving as a photoelectric conversion portion is provided in a region partitioned by one element isolation region 3. 2 shows an example of a CMOS image sensor in which the photodiode 4 is formed. It should be noted that in the present embodiment, the n-type carrier discharge region 5 as the second conductor is embedded in the substrate deep portion of each photodiode 4. The carrier discharge region 5 is vertically connected to the contact portion 6 on the surface of the substrate 2 by an n-type region 7 in order to apply a bias voltage B. In FIG. 1, the boundary between the photodiode 4 and the transfer gate 8 coincides with the end of the carrier discharge region 5, but the present invention is not limited to this. The carrier discharge region 5 may be extended in the direction of the transfer gate 8 as compared with FIG. 1 as long as the carrier can be completely transferred to the floating diffusion (hereinafter abbreviated as FD) 9 by the transfer gate 8.

図２は、前記固体撮像素子１の全体の電気的構成を示す図であり、図３はその１画素分の回路構成を示す図である。これら図２および図３で示す構成と同等の機能を有するものであれば、図に示す構成に限らない。図３を参照して、前記フォトダイオード４で得られた電荷は、前記転送ゲート８にハイレベルの転送パルスφＴＸが与えられることで、転送トランジスタ１１がＯＮしてＦＤ９へ転送され、このＦＤ９における容量で電圧値に変換されて、増幅トランジスタ１２に入力される。増幅トランジスタ１２において、電源電圧ＶＤＤを用いて増幅された電圧は、行選択信号線ＬＨから行選択トランジスタ１３のゲートに選択信号φＶが与えられることで、該行選択トランジスタ１３がＯＮして、垂直信号線ＬＶへ出力される。一方、前記ＦＤ９に蓄積された電荷は、行選択信号線ＬＨからリセットトランジスタ１４のリセットゲート１９へハイレベルのリセットパルスφＲＳＴが与えられることで、該リセットトランジスタ１４がＯＮしてリセット電圧ＶＲＳＢにリセットされる。   FIG. 2 is a diagram showing an overall electrical configuration of the solid-state imaging device 1, and FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration for one pixel. Any structure having the same functions as those shown in FIGS. 2 and 3 is not limited to the structure shown in the figure. Referring to FIG. 3, the charge obtained by the photodiode 4 is transferred to the FD 9 by turning on the transfer transistor 11 when the transfer gate 8 is given a high-level transfer pulse φTX. The voltage is converted into a voltage value by the capacitor and input to the amplification transistor 12. In the amplification transistor 12, the voltage amplified using the power supply voltage VDD is supplied to the selection signal φV from the row selection signal line LH to the gate of the row selection transistor 13. It is output to the signal line LV. On the other hand, the charge accumulated in the FD 9 is supplied with a high level reset pulse φRST from the row selection signal line LH to the reset gate 19 of the reset transistor 14, whereby the reset transistor 14 is turned on and reset to the reset voltage VRSB. Is done.

図２を参照して、固体撮像素子１の中央部には、多数の画素が二次元に配列されており、周縁部に配置された垂直走査回路１５が前記行選択信号線ＬＨに選択出力を与え、それによって各画素から前記垂直信号線ＬＶに出力された電圧は、水平走査回路１６の選択走査によって、読出し回路１７から順次読出される。前記垂直走査回路１５および水平走査回路１６は、シフトレジスタなどで実現される。   Referring to FIG. 2, a large number of pixels are two-dimensionally arranged in the center of the solid-state imaging device 1, and the vertical scanning circuit 15 arranged at the periphery outputs a selection output to the row selection signal line LH. Thus, the voltage output from each pixel to the vertical signal line LV is sequentially read out from the readout circuit 17 by the selective scanning of the horizontal scanning circuit 16. The vertical scanning circuit 15 and the horizontal scanning circuit 16 are realized by a shift register or the like.

前記読出し回路１７は、各列、すなわち前記垂直信号線ＬＶに接続される２つのサンプルホールド回路ＳＨ１，ＳＨ２と、負荷トランジスタＱとを備えて構成される。前記サンプルホールド回路ＳＨ１，ＳＨ２は、スイッチＳ１，Ｓ２と、容量Ｃ１，Ｃ２と、アンプＡ１，Ａ２とを備えて構成される。前記各垂直信号線ＬＶは、スイッチＳ１，Ｓ２を介して容量Ｃ１，Ｃ２に接続され、そのホールド電圧がアンプＡ１，Ａ２を介して引算器１８に与えられる。前記各列の各アンプＡ１，Ａ２は、前記水平走査回路１６によって駆動される。   The readout circuit 17 includes two sample and hold circuits SH1 and SH2 connected to each column, that is, the vertical signal line LV, and a load transistor Q. The sample and hold circuits SH1 and SH2 include switches S1 and S2, capacitors C1 and C2, and amplifiers A1 and A2. Each vertical signal line LV is connected to capacitors C1 and C2 via switches S1 and S2, and the hold voltage is applied to the subtractor 18 via amplifiers A1 and A2. The amplifiers A1 and A2 in each column are driven by the horizontal scanning circuit 16.

このような読出し回路１７において、相関二重サンプルを行うために、スイッチＳ１，Ｓ２の一方がＯＮし、各画素に前記転送パルスφＴＸが与えられることで容量Ｃ１，Ｃ２の一方に前記各画素からの出力電圧がホールドされる。また、前記スイッチＳ１，Ｓ２の他方は、各画素に前記リセットパルスφＲＳＴが与えられたときにＯＮし、各画素からの出力電圧がホールドされる。そのホールド電圧は、前記水平走査回路１６によって、各アンプＡ１，Ａ２が一対で選択されて引算器１８に与えられ、こうして引算器１８からは、ノイズの影響の少ない前記相関二重サンプル値が順次出力されてゆく。   In such a readout circuit 17, in order to perform correlated double sampling, one of the switches S1 and S2 is turned on, and the transfer pulse φTX is applied to each pixel, so that one of the capacitors C1 and C2 is supplied from each pixel. Output voltage is held. The other of the switches S1 and S2 is turned on when the reset pulse φRST is applied to each pixel, and the output voltage from each pixel is held. The hold voltage is supplied to the subtractor 18 by selecting a pair of the amplifiers A1 and A2 by the horizontal scanning circuit 16, and thus the subtractor 18 provides the correlated double sample value with less influence of noise. Are output sequentially.

図４には、列選択期間内における上述のような画素駆動タイミングを詳細に示す。図４（ａ）は、いわゆるローリングシャッタ駆動におけるタイミングを示す。列選択期間中は、先ずリセットゲート１９をＯＮすることで、ＦＤ９の電位がリセットされる。そのときの電位をスイッチＳ１をＯＮすることで容量Ｃ１にサンプルホールドする。次に、転送ゲート８をＯＮすることでフォトダイオード４の蓄積時間を終了させ、蓄積電荷をＦＤ９に転送する。そのときのＦＤ９の電位をスイッチＳ２をＯＮすることで容量Ｃ２にサンプルホールドする。電荷を転送するためにＯＮした転送ゲート８を転送後にＯＦＦしてから、次のフレームで再び電荷を転送するためにＯＮして再度ＯＦＦするまでの期間が、フォトダイオード４の電荷蓄積期間になる。   FIG. 4 shows in detail the pixel drive timing as described above in the column selection period. FIG. 4A shows timing in so-called rolling shutter driving. During the column selection period, first, the reset gate 19 is turned on to reset the potential of the FD 9. The potential at that time is sampled and held in the capacitor C1 by turning on the switch S1. Next, the transfer gate 8 is turned on to end the accumulation time of the photodiode 4 and the accumulated charge is transferred to the FD 9. The potential of the FD 9 at that time is sampled and held in the capacitor C2 by turning on the switch S2. The charge accumulation period of the photodiode 4 is a period from when the transfer gate 8 turned on to transfer the charge is turned off after the transfer is turned on to when it is turned on and turned off again to transfer the charge in the next frame. .

一方、図４（ｂ）は、いわゆるグローバルリセット駆動におけるタイミングを示すものである。前記図４（ａ）のローリングシャッタ駆動では、撮像期間のほぼ全期間がフォトダイオード４の電荷蓄積期間となるのに対して、このグローバルリセット駆動では、機械シャッタが併用され、図４（ｂ）で示すように、撮像期間において、シャッタが開放している一部の期間が前記電荷蓄積期間となる。したがって、この電荷蓄積期間のみに前記バイアス電圧Ｂを印加することで、その電荷蓄積期間以降での転送動作や、画素部の回路特性を全画素で安定させることができる。このため、このローリングシャッタ駆動では、前記バイアス電圧Ｂの印加期間は、少なくともこの電荷蓄積期間とすればよい。   On the other hand, FIG. 4B shows timing in so-called global reset driving. In the rolling shutter drive of FIG. 4A, almost the entire imaging period is the charge accumulation period of the photodiode 4, whereas in this global reset drive, a mechanical shutter is used together, and FIG. As shown by, in the imaging period, a part of the period during which the shutter is open is the charge accumulation period. Therefore, by applying the bias voltage B only during this charge accumulation period, the transfer operation after the charge accumulation period and the circuit characteristics of the pixel portion can be stabilized in all pixels. Therefore, in this rolling shutter drive, the application period of the bias voltage B may be at least this charge accumulation period.

上述のように構成される固体撮像素子１において、また注目すべきは、前記各画素は複数のグループに分割され、そのグループ間で、相互に異なるバイアス電圧Ｂが、前記コンタクト部６から与えられることである。図５は、そのグループ分けの様子を説明するための図である。この例は、カラーイメージセンサを実現する場合の例を示しており、二次元配列が３ｎ行であり、３行毎の画素行がそれぞれグループを形成しており、コンタクト部６Ｒ，６Ｂ，６Ｇからは、バイアス電圧ＢＲ，ＢＢ，ＢＧがそれぞれ与えられる。   In the solid-state imaging device 1 configured as described above, it should be noted that the pixels are divided into a plurality of groups, and different bias voltages B are applied from the contact unit 6 between the groups. That is. FIG. 5 is a diagram for explaining the grouping. This example shows an example in which a color image sensor is realized. The two-dimensional array is 3n rows, the pixel rows every three rows form a group, and the contact portions 6R, 6B, 6G Are supplied with bias voltages BR, BB and BG, respectively.

図６は、前記１画素のエネルギーポテンシャル分布を示す図である。前記フォトダイオード４は、表面付近のｎ型領域ポテンシャル井戸２１で形成されており、光電変換して発生した電荷はこのポテンシャル井戸２１に蓄積される。この際、波長の短い光は基板２の表面近くで吸収され、波長の長い光は基板２の深い部分まで浸透し吸収される。すなわち、たとえば境界ｄで表すフォトダイオード４のｎ型領域と、その下のｐ型領域２２との境界が浅い位置の場合、波長の長い光の大部分がフォトダイオード４のｎ型領域２１を通り過ぎてしまい、境界ｄより深い部分２３で光電変換され、発生した電荷は境界ｄより深い部分にあるｎ型のキャリア排出領域５を介してバイアス電源へと排出される。これによって、前記波長の長い光に対する感度は低いものとなる。こうして、境界ｄの深さが異なると、観測すべき全波長に対する分光感度が異なることが理解される。   FIG. 6 is a diagram showing an energy potential distribution of the one pixel. The photodiode 4 is formed of an n-type potential well 21 near the surface, and charges generated by photoelectric conversion are accumulated in the potential well 21. At this time, light having a short wavelength is absorbed near the surface of the substrate 2, and light having a long wavelength penetrates to a deep portion of the substrate 2 and is absorbed. That is, for example, when the boundary between the n-type region of the photodiode 4 represented by the boundary d and the p-type region 22 below it is a shallow position, most of the light having a long wavelength passes through the n-type region 21 of the photodiode 4. Thus, photoelectric conversion is performed at a portion 23 deeper than the boundary d, and the generated charges are discharged to the bias power source via the n-type carrier discharge region 5 located at a portion deeper than the boundary d. As a result, the sensitivity to light having a long wavelength is low. Thus, it is understood that the spectral sensitivity for all wavelengths to be observed is different when the depth of the boundary d is different.

したがって、図７に示すように、バイアス電圧Ｂの低いときのポテンシャル曲線は実線のようになり、これに対してバイアス電圧Ｂの高いときのポテンシャル曲線は破線のようになり、分光感度に影響を与える境界が、バイアス電圧Ｂが低いときは比較的深いｄ１の位置となり、バイアス電圧Ｂが高いときは比較的浅いｄ２の位置となる。すなわち、バイアス電圧Ｂを高くすると境界ｄの位置が浅くなり、分光感度における長波長側の感度が低くなる。これを利用して、前記バイアス電圧Ｂを、ＢＢ，ＢＧ，ＢＲの順に設定すると、各行は、それぞれ青、緑、赤を含んだ光を検知するようになり、１板の固体撮像素子１を用いて、３ラインの相互に隣接する異なるグループの画素を１組として検知結果を読取ることで、カラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像でフルカラー撮像を行うことができる。   Therefore, as shown in FIG. 7, the potential curve when the bias voltage B is low becomes a solid line, whereas the potential curve when the bias voltage B is high becomes a broken line, which affects the spectral sensitivity. When the bias voltage B is low, the applied boundary is a relatively deep position d1, and when the bias voltage B is high, the boundary is a relatively shallow position d2. That is, when the bias voltage B is increased, the position of the boundary d becomes shallow, and the sensitivity on the long wavelength side in the spectral sensitivity is lowered. Using this, when the bias voltage B is set in the order of BB, BG, and BR, each row detects light including blue, green, and red, so that one solid-state imaging device 1 is provided. By using the three groups of adjacent pixels in different groups as one set and reading the detection result, full color imaging can be performed by one imaging without using a color filter or the like.

図８は、前記固体撮像素子１の各画素が図５で示すようにグループ分けされ、バイアス電圧ＢＲ，ＢＢ，ＢＧ；ＢＩＲを印加することで、フルカラー撮像を行うことができる撮像装置の一例であるカラーイメージセンサ３１の一構成例を示すブロック図である。このカラーイメージセンサ３１は、前記固体撮像素子１へ被写体画像を導く光学系３２と、前記各グループのキャリア排出領域５へ印加するバイアス電圧ＢＲ，ＢＢ，ＢＧをそれぞれ発生する電圧発生部３３と、前記各画素の分光感度特性がカラー画像の撮像に必要な特性となるように前記電圧発生部３３を制御する電圧制御部３４と、前記各画素から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部３５と、デジタル変換された前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部３６を備える画像処理部３７と、該カラーイメージセンサ３１の全体を制御するとともに、前記画像処理部３７で得られたカラー画像を配信するシステム制御部３８と、前記システム制御部３８から出力されたカラー画像を、表示する表示部３９と、適宜記憶する記憶媒体４０と、外部へ出力する外部出力インタフェイス４１と、前記システム制御部３８に、光学系３２のズームやフォーカスなどの指示入力がユーザによって行われる操作部４２とを備えて構成される。   FIG. 8 shows an example of an imaging apparatus that can perform full-color imaging by grouping the pixels of the solid-state imaging device 1 as shown in FIG. 5 and applying bias voltages BR, BB, BG; BIR. FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of a certain color image sensor 31. The color image sensor 31 includes an optical system 32 that guides a subject image to the solid-state imaging device 1, a voltage generator 33 that generates bias voltages BR, BB, and BG to be applied to the carrier discharge region 5 of each group, A voltage controller 34 that controls the voltage generator 33 so that the spectral sensitivity characteristic of each pixel becomes a characteristic necessary for capturing a color image, and an analog that performs analog / digital conversion on an output signal obtained from each pixel. A digital conversion unit 35, an image processing unit 37 including a color interpolation calculation unit 36 that performs color interpolation calculation based on the digitally converted output signal and reproduces a color image, and controls the entire color image sensor 31. And a system control unit 38 for distributing the color image obtained by the image processing unit 37 and the system control unit 38 An instruction input such as zoom or focus of the optical system 32 is input to the display unit 39 for displaying a large image, a storage medium 40 for storing it appropriately, an external output interface 41 for output to the outside, and the system control unit 38. The operation unit 42 is configured to be configured.

このような構成を用いることで、１板の固体撮像素子１で、カラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像でフルカラー撮像が可能なカラーイメージセンサ３１を実現することができる。なお、前記電圧発生部３３、電圧制御部３４、アナログ／デジタル変換部３５および前記色補間演算部３６を備える画像処理部３７の一部もしくは全部が、固体撮像素子１内に設けられていてもよい。   By using such a configuration, it is possible to realize the color image sensor 31 that can perform full-color imaging by one imaging without using a color filter or the like by using one solid-state imaging device 1. Even if a part or all of the image processing unit 37 including the voltage generation unit 33, the voltage control unit 34, the analog / digital conversion unit 35, and the color interpolation calculation unit 36 is provided in the solid-state imaging device 1. Good.

図９は、前記固体撮像素子１を用いる撮像装置の他の例である分光分析装置５１の一構成例を示すブロック図である。この分光分析装置５１において、前述のカラーイメージセンサ３１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。分光分析装置５１は、たとえば図１０で示すように、検体６１に参照光を照射して、それによる病変部６２などからの蛍光を前記参照光と分離して、それぞれの強度を求めることで、検体６１の画像中で、前記病変部６２などを識別可能に表示するものである。   FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of a spectroscopic analysis apparatus 51 which is another example of an imaging apparatus using the solid-state imaging device 1. In this spectroscopic analysis apparatus 51, it is similar to the color image sensor 31 described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. For example, as shown in FIG. 10, the spectroscopic analyzer 51 irradiates the specimen 61 with reference light, separates the fluorescence from the lesioned part 62 and the like from the reference light, and obtains the respective intensities. In the image of the specimen 61, the lesioned part 62 and the like are displayed in an identifiable manner.

したがって、たとえば図１１で示すように、１つの参照光６３で、１つの蛍光６４を検出する場合には、参照符号６５で示すような比較的参照光６３側に感度の高い分光特性と、参照符号６６で示すような比較的蛍光６４側に感度の高い分光特性との少なくとも２つの分光特性を実現すればよく、前記固体撮像素子１における各画素のグループ分けは２行毎に行われ、相互に異なるバイアス電圧Ｂ１，Ｂ２がそれぞれ与えられることになる。このように参照光と蛍光とを分離するのに必要な分光特性の数だけ、バイアス電圧が設定されることになる。すなわち、分光分析すべき波長がｎ種類あると、少なくともｎ種類のバイアス電圧が印加される。   Therefore, for example, as shown in FIG. 11, when one fluorescent light 64 is detected by one reference light 63, a relatively high spectral characteristic on the side of the reference light 63 as indicated by reference numeral 65, and a reference What is necessary is to realize at least two spectral characteristics, that is, a relatively sensitive spectral characteristic on the fluorescence 64 side as indicated by reference numeral 66, and the grouping of the pixels in the solid-state imaging device 1 is performed every two rows, Are supplied with different bias voltages B1 and B2, respectively. Thus, the bias voltage is set by the number of spectral characteristics necessary for separating the reference light and the fluorescence. That is, when there are n types of wavelengths to be subjected to spectroscopic analysis, at least n types of bias voltages are applied.

ここで、測定すべき波長が上述のように２波長の場合、分光感度の異なる少なくとも２つの画素群を用意しておけば、各グループの出力強度から、２入力−２出力の連立方程式を導き出すことができ、各グループの測定波長に対する分光特性が予め分かっていれば、その連立方程式からそれぞれの波長の強度を求めることができる。各測定波長の分光特性が予め分かっていない場合でも、各波長の分光特性は、図６に示す境界ｄの値と基板２の吸収係数とから推定することができるので、キャリア排出領域５のバイアス電圧Ｂよりも、境界ｄの値がどう変化するかだけを把握しておればよいことになる。以下に、２つの波長λ１とλ２とが、それぞれ強度Ｘ１とＸ２とで固体撮像素子１に入射しており、グループ１とグループ２との出力電圧がＶ１とＶ２とである場合の連立方程式を示す。   Here, when the wavelength to be measured is two wavelengths as described above, if at least two pixel groups having different spectral sensitivities are prepared, a simultaneous equation of two inputs and two outputs is derived from the output intensity of each group. If the spectral characteristics of each group with respect to the measurement wavelength are known in advance, the intensity of each wavelength can be obtained from the simultaneous equations. Even when the spectral characteristics of each measurement wavelength are not known in advance, the spectral characteristics of each wavelength can be estimated from the value of the boundary d and the absorption coefficient of the substrate 2 shown in FIG. It is only necessary to grasp how the value of the boundary d changes rather than the voltage B. In the following, simultaneous equations when two wavelengths λ1 and λ2 are incident on the solid-state imaging device 1 with intensities X1 and X2, respectively, and the output voltages of the group 1 and the group 2 are V1 and V2, respectively. Show.

Ｖ１＝ｆ１_λ１（Ｘ１）＋ｆ１_λ２（Ｘ２）
Ｖ２＝ｆ２_λ１（Ｘ１）＋ｆ２_λ２（Ｘ２）
ｆ１_λ１：グループ１の波長λ１に対する分光特性
ｆ１_λ２：グループ１の波長λ２に対する分光特性
ｆ２_λ１：グループ２の波長λ１に対する分光特性
ｆ２_λ２：グループ２の波長λ２に対する分光特性 V1 = f1 _λ1 (X1) + f1 _λ2 (X2)
V2 = f2 _λ1 (X1) + f2 _λ2 (X2)
f1 _λ1 : Spectral characteristic of group 1 with respect to wavelength λ1 f1 _λ2 : Spectral characteristic of group 1 with respect to wavelength λ2 f2 _λ1 : Spectral characteristic with respect to wavelength λ1 of group 2 f2 _λ2 : Spectral characteristic with respect to wavelength λ2 of group 2

上式を解いて、波長λ１における基板２の吸収係数がα１である場合、フォトダイオード４のｎ型領域２１とその下のｐ型領域２２との境界深さがｄである画素の出力電圧Ｙ１から、入射強度Ｘ１を推定する式を以下に示す。   Solving the above equation, when the absorption coefficient of the substrate 2 at the wavelength λ1 is α1, the output voltage Y1 of the pixel whose boundary depth between the n-type region 21 of the photodiode 4 and the p-type region 22 below it is d From the following, an expression for estimating the incident intensity X1 is shown below.

Ｘ１＝（Ｙ１／Δｔ）（ｈν１／Ａｑ）／（１−ｅ^{−α１・ｄ}）
Δｔ：固体撮像素子１の電荷蓄積時間
ｈ：プランク定数
ν１：入射光λ１の振動数
Ａ：画素の光電変換部（フォトダイオード４）の面積
ｑ：電気素量 X1 = (Y1 / Δt) (hν1 / Aq) / (1-e− ^{α1 · d} )
Δt: charge accumulation time of the solid-state imaging device 1
h: Planck's constant ν1: Frequency of incident light λ1
A: Area of the photoelectric conversion unit (photodiode 4) of the pixel
q: Elementary quantity of electricity

このため、操作部５２の波長設定部５３から、前記λ１，λ２などの測定すべき波長が設定され、その波長情報に基づいて、システム制御部５８は、電圧制御部３４を制御して、前記各画素の分光感度特性が分光分析に必要な特性となるバイアス電圧を前記電圧発生部３３に発生させる。一方、アナログ／デジタル変換部３５でデジタル変換された出力信号は、画像処理部５７の分光演算部５８に入力されて、その出力信号を元に上述のような分光演算が行われ、各測定波長の強度が計算される。   For this reason, wavelengths to be measured such as λ1 and λ2 are set from the wavelength setting unit 53 of the operation unit 52. Based on the wavelength information, the system control unit 58 controls the voltage control unit 34 to A bias voltage is generated in the voltage generator 33 so that the spectral sensitivity characteristic of each pixel becomes a characteristic necessary for spectral analysis. On the other hand, the output signal digitally converted by the analog / digital conversion unit 35 is input to the spectral calculation unit 58 of the image processing unit 57, and the above-described spectral calculation is performed based on the output signal. The intensity of is calculated.

このように構成することで、１板の固体撮像素子１で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像で検体６１の蛍光反応を検出可能な分光分析装置５１を実現することができる。なお、固体撮像素子１上に直接検体６１が搭載される場合には光学系３２は特に必要ではない。また、前記電圧発生部３３、電圧制御部３４、アナログ／デジタル変換部３５および前記分光演算部５６を備える画像処理部５７の一部もしくは全部が、固体撮像素子１内に設けられていてもよい。   With this configuration, the spectroscopic analyzer 51 capable of detecting the fluorescence reaction of the specimen 61 with a single imaging operation without using the color filter as described above is realized with a single solid-state imaging device 1. be able to. Note that the optical system 32 is not particularly necessary when the specimen 61 is directly mounted on the solid-state imaging device 1. A part or all of the image processing unit 57 including the voltage generation unit 33, the voltage control unit 34, the analog / digital conversion unit 35, and the spectral calculation unit 56 may be provided in the solid-state imaging device 1. .

さらにまた、検体６１全体での蛍光の強度を判定する、すなわち検体６１のどこが蛍光を発しているかを前記図１０で示すようなイメージで捉える構成でない場合には、前記バイアス電圧の異なる画素が、参照光６３の種類と、同時に検出すべき蛍光６４の種類数分だけ設けられればよい。具体的には、暗箱内に収納した検体６１に参照光６３を照射し、同様に暗箱内に収納した固体撮像素子によって前記蛍光６４を捉えるだけの構成である場合、たとえば参照光６３と蛍光６４とで２波長であると、図１２の固体撮像素子１ａで示すように、相互に異なるバイアス電圧Ｂ１，Ｂ２が与えられる２つの画素Ｇ１，Ｇ２だけで構成されていてもよい。また、２種類の画素Ｇ１，Ｇ２は、図１３の固体撮像素子１ｂで示すように、２の倍数個設けられ、千鳥配置等、任意に配列されてもよい。   Furthermore, in the case where the intensity of the fluorescence in the entire specimen 61 is determined, that is, where the fluorescence of the specimen 61 is not captured in the image as shown in FIG. 10, pixels having different bias voltages are It is only necessary to provide as many types of reference light 63 as the number of types of fluorescence 64 to be detected at the same time. Specifically, when the configuration is such that the specimen 61 stored in the dark box is irradiated with the reference light 63 and the fluorescent light 64 is captured by the solid-state imaging device similarly stored in the dark box, for example, the reference light 63 and the fluorescent light 64 are used. As shown in the solid-state imaging device 1a of FIG. 12, the two wavelengths G1 and G2 to which different bias voltages B1 and B2 are applied may be used. Further, as shown by the solid-state imaging device 1b in FIG. 13, the two types of pixels G1 and G2 are provided in multiples of 2, and may be arbitrarily arranged such as a staggered arrangement.

上述の説明では、エネルギーポテンシャル分布の差は、前記キャリア排出領域５へ印加されるバイアス電圧がグループ間で異なることで生じさせているけれども、前記分光分析装置５１において、測定する波長の組合わせが常に固定の場合、波長設定部５３を省略するとともに、前記キャリア排出領域５における不純物濃度や、前記キャリア排出領域５の表層からの深さｄを前記グループ間で異ならせることで、前記エネルギーポテンシャル分布の差を生じさせるようにしてもよい。同様に、分光特性が固定の前記カラーイメージセンサ３１においても、不純物濃度や、キャリア排出領域５の深さｄを異ならせることで、エネルギーポテンシャル分布の差を生じさせるようにしてもよい。   In the above description, the difference in energy potential distribution is caused by the bias voltage applied to the carrier discharge region 5 being different between groups. However, in the spectroscopic analyzer 51, the combination of wavelengths to be measured is different. When the wavelength is always fixed, the wavelength setting unit 53 is omitted, and the impurity concentration in the carrier discharge region 5 and the depth d from the surface layer of the carrier discharge region 5 are made different among the groups, thereby allowing the energy potential distribution. You may make it produce the difference of these. Similarly, in the color image sensor 31 having a fixed spectral characteristic, a difference in energy potential distribution may be generated by changing the impurity concentration and the depth d of the carrier discharge region 5.

具体的には、先ず図１４（ａ）に、前記キャリア排出領域５における不純物濃度を異ならせた固体撮像素子１’の１画素の断面構造を模式的に示し、図１４（ｂ）にそのエネルギーポテンシャル分布を示す。この図１４（ａ）において、図１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。そして、フルカラー画像に対応して各画素が３つのグループａ，ｂ，ｃに分割されているとすると、キャリア排出領域５’の各グループａ，ｂ，ｃでの不純物濃度Ｎａ，Ｎｂ，ＮｃがＮａ＞Ｎｂ＞Ｎｃであると、前記境界ｄの位置（深さ）は、ｄａ＜ｄｂ＜ｄｃとなり、ポテンシャル曲線は図１４（ｂ）で示すようになる。   Specifically, first, FIG. 14A schematically shows a cross-sectional structure of one pixel of the solid-state imaging device 1 ′ with different impurity concentrations in the carrier discharge region 5, and FIG. 14B shows the energy thereof. The potential distribution is shown. 14A is similar to FIG. 1, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. If each pixel is divided into three groups a, b, and c corresponding to a full-color image, the impurity concentrations Na, Nb, and Nc in the groups a, b, and c in the carrier discharge region 5 ′ are as follows. When Na> Nb> Nc, the position (depth) of the boundary d is da <db <dc, and the potential curve is as shown in FIG.

次に、図１５（ａ）に、前記キャリア排出領域５の深さｄを異ならせた固体撮像素子１”の１画素の断面構造を模式的に示し、図１５（ｂ）にそのエネルギーポテンシャル分布を示す。この図１５（ａ）において、図１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。そして、フルカラー画像に対応して各画素が３つのグループａ，ｂ，ｃに分割されているとすると、キャリア排出領域５”の各グループａ，ｂ，ｃでの深さＤａ，Ｄｂ，ＤｃがＤａ＜Ｄｂ＜Ｄｃであると、前記境界ｄの位置（深さ）は、ｄａ＜ｄｂ＜ｄｃとなり、ポテンシャル曲線は図１５（ｂ）で示すようになる。   Next, FIG. 15A schematically shows a cross-sectional structure of one pixel of the solid-state imaging device 1 ″ in which the depth d of the carrier discharge region 5 is varied, and FIG. 15B shows its energy potential distribution. 15A, which are similar to those in FIG.1 and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and each pixel has 3 corresponding to a full-color image. If the depth Da, Db, Dc in each group a, b, c of the carrier discharge region 5 ″ is Da <Db <Dc, the boundary d is assumed to be divided into two groups a, b, c. The position (depth) of is da <db <dc, and the potential curve is as shown in FIG.

本発明の実施の一形態に係る固体撮像素子の１画素の断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of 1 pixel of the solid-state image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 前記固体撮像素子の全体の電気的構成を示す図である。It is a figure which shows the whole electrical structure of the said solid-state image sensor. 図２の１画素分の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure for 1 pixel of FIG. 画素駆動のタイミングを詳細に示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the timing of pixel drive in detail. 前記固体撮像素子における画素のグループ分けの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of grouping of the pixel in the said solid-state image sensor. １画素のエネルギーポテンシャル分布を示す図である。It is a figure which shows energy potential distribution of 1 pixel. バイアス電圧を変化させた場合のエネルギーポテンシャル分布を示す図である。It is a figure which shows energy potential distribution at the time of changing bias voltage. 前記固体撮像素子を用いるカラーイメージセンサの一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the color image sensor using the said solid-state image sensor. 前記固体撮像素子を用いる分光分析装置の一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the spectroscopic analyzer using the said solid-state image sensor. 分光分析される検体を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the specimen analyzed spectroscopically. 前記分光分析を行う場合に必要な分光特性を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating a spectral characteristic required when performing the said spectral analysis. 前記固体撮像素子における画素のグループ分けの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of grouping of the pixel in the said solid-state image sensor. 前記固体撮像素子における画素のグループ分けのさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of grouping of the pixel in the said solid-state image sensor. 本発明の実施の他の形態に係る固体撮像素子の１画素の断面構造およびそのエネルギーポテンシャル分布を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of 1 pixel of the solid-state image sensor which concerns on the other form of implementation of this invention, and its energy potential distribution. 本発明の実施のさらに他の形態に係る固体撮像素子の１画素の断面構造およびそのエネルギーポテンシャル分布を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of 1 pixel of the solid-state image sensor concerning the further another form of implementation of this invention, and its energy potential distribution.

符号の説明Explanation of symbols

１，１ａ，１ｂ，１’，１” 固体撮像素子
２ 基板
３ 素子分離領域
４ フォトダイオード
５，５’，５” キャリア排出領域
６ コンタクト部
７ ｎ型領域７
８ 転送ゲート
９ フローティングディフュージョン
１１ 転送トランジスタ
１２ 増幅トランジスタ
１３ 行選択トランジスタ
１４ リセットトランジスタ
１５ 垂直走査回路
１６ 水平走査回路
１７ 読出し回路
１８ 引算器
１９ リセットゲート
３１ カラーイメージセンサ
３２ 光学系
３３ 電圧発生部
３４ 電圧制御部
３５ アナログ／デジタル変換部
３６ 色補間演算部
３７ 画像処理部
３８，５８ システム制御部
３９ 表示部
４０ 記憶媒体
４１ 外部出力インタフェイス
４２，５２ 操作部
５１ 分光分析装置
５３ 波長設定部
５６ 分光演算部
５７ 画像処理部
６１ 検体
６２ 病変部
Ｑ 負荷トランジスタ 1, 1a, 1b, 1 ′, 1 ″ solid-state imaging device 2 substrate 3 device isolation region 4 photodiode 5, 5 ′, 5 ″ carrier discharge region 6 contact portion 7 n-type region 7
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 Transfer gate 9 Floating diffusion 11 Transfer transistor 12 Amplification transistor 13 Row selection transistor 14 Reset transistor 15 Vertical scanning circuit 16 Horizontal scanning circuit 17 Reading circuit 18 Subtractor 19 Reset gate 31 Color image sensor 32 Optical system 33 Voltage generation part 34 Voltage Control unit 35 Analog / digital conversion unit 36 Color interpolation calculation unit 37 Image processing unit 38, 58 System control unit 39 Display unit 40 Storage medium 41 External output interface 42, 52 Operation unit 51 Spectroscopic analyzer 53 Wavelength setting unit 56 Spectral calculation Unit 57 image processing unit 61 specimen 62 lesioned part Q load transistor

Claims (8)

基板上に一次元または二次元に配列された複数の各領域に、それぞれ光電変換部を有して成る固体撮像素子において、
前記光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を有し、
前記各領域は複数のグループに分割され、そのグループ間で、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけてのエネルギーポテンシャル分布が相互に異なることを特徴とする固体撮像素子。 In a solid-state imaging device having a photoelectric conversion unit in each of a plurality of regions arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a substrate,
It has a carrier discharge area in the substrate deep part of the photoelectric conversion part,
Each of the regions is divided into a plurality of groups, and the energy potential distribution from the surface layer side of the photoelectric conversion unit to the carrier discharge region is different between the groups. 前記キャリア排出領域へ印加されるバイアス電圧が、少なくとも前記光電変換部における電荷蓄積期間において前記グループ間で異なることで、前記エネルギーポテンシャル分布の差を生じさせることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。   2. The solid according to claim 1, wherein a bias voltage applied to the carrier discharge region is different between the groups in at least a charge accumulation period in the photoelectric conversion unit, thereby causing a difference in the energy potential distribution. Image sensor. 前記キャリア排出領域における不純物濃度が前記グループ間で異なることで、前記エネルギーポテンシャル分布の差を生じさせることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an impurity concentration in the carrier discharge region is different between the groups to cause a difference in the energy potential distribution. 前記キャリア排出領域の前記表層からの深さが前記グループ間で異なることで、前記エネルギーポテンシャル分布の差を生じさせることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a difference in the energy potential distribution is generated when a depth of the carrier discharge region from the surface layer is different between the groups. 前記基板は第１の導電体から成り、前記光電変換部およびキャリア排出領域は第２の導電体から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。   5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the substrate is made of a first conductor, and the photoelectric conversion unit and the carrier discharge region are made of a second conductor. 前記各領域は、前記光電変換部と、フローティングディフュージョンと、転送トランジスタと、増幅トランジスタと、行選択トランジスタとを有するＣＭＯＳイメージセンサから成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。   6. The CMOS image sensor according to claim 1, wherein each region includes a CMOS image sensor including the photoelectric conversion unit, a floating diffusion, a transfer transistor, an amplification transistor, and a row selection transistor. The solid-state imaging device described. 前記請求項２記載の固体撮像素子を用い、
前記固体撮像素子へ被写体画像を導く光学系と、
前記各グループのキャリア排出領域へ印加するバイアス電圧をそれぞれ発生する電圧発生部と、
前記各領域の分光感度特性がカラー画像の撮像に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、
前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、
デジタル変換された前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする撮像装置。 Using the solid-state imaging device according to claim 2,
An optical system for guiding a subject image to the solid-state imaging device;
A voltage generator for generating a bias voltage to be applied to the carrier discharge region of each group;
A voltage control unit that controls the voltage generation unit so that the spectral sensitivity characteristics of the respective regions become characteristics necessary for imaging a color image;
An analog / digital conversion unit for analog / digital conversion of output signals obtained from the respective areas;
An image pickup apparatus comprising: an image processing unit including a color interpolation calculation unit that performs color interpolation calculation based on the digitally converted output signal and reproduces a color image. 前記請求項２記載の固体撮像素子を用い、
前記各グループのキャリア排出領域へ印加するバイアス電圧をそれぞれ発生する電圧発生部と、
波長設定部と、
前記波長設定部によって設定された波長情報に基づいて、前記各領域の分光感度特性が分光分析に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、
前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、
デジタル変換された前記出力信号を元に分光演算を行い、各測定波長の強度を計算する分光演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする撮像装置。 Using the solid-state imaging device according to claim 2,
A voltage generator for generating a bias voltage to be applied to the carrier discharge region of each group;
A wavelength setting unit;
Based on the wavelength information set by the wavelength setting unit, a voltage control unit that controls the voltage generation unit so that the spectral sensitivity characteristics of the respective regions become characteristics necessary for spectral analysis;
An analog / digital conversion unit for analog / digital conversion of output signals obtained from the respective areas;
An imaging apparatus comprising: an image processing unit including a spectral calculation unit that performs spectral calculation based on the digitally converted output signal and calculates the intensity of each measurement wavelength.

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