JP4154165B2 - 光電変換素子及びそれを用いた固体撮像装置、カメラ及び画像読み取り装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に関し、特にビデオカメラやデジタルスチルカメラ、更にスキャナ等の画像入力装置に広範に用いられる光電変換素子及び固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デジタルカメラ等の撮像装置で用いられる固体撮像素子において、解像度の向上及び撮像装置の小型化を実現するために様々な提案がされている。そのような固体撮像素子の一つとして、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を各画素から同時に取得可能なＭＯＳ型の撮像素子の構成が米国特許第5,965,875号に開示されている。以下、当該撮像装置の概略を説明する。
【０００３】
図１１は、米国特許第5,965,875号に開示された固体撮像素子の構成を示す図であり、各画素のフォトダイオードをトリプルウエル構造で形成した、３層構造のフォトダイオードを示している。同図において、１００はｐ形のシリコン基板、１０２はシリコン基板１００上に形成されたｎウェル、１０４はｎウェル１０２上に形成されたｐウェル、１０６はｎ形領域である。１０８は光電流センサで、赤（Ｒ）成分の電流を検出する電流計１１０と、緑（Ｇ）成分の電流を検出する電流計１１２と、青（Ｂ）成分の電流を検出する電流計１１４とを有する。
【０００４】
図１１に示すように、フォトダイオードはｐ型シリコン基板表面から順次拡散される、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層をこの順に深く形成することで、ｐｎ接合ダイオードがシリコンの深さ方向に３層形成される。ダイオードに表面側から入射した光は波長の長いものほど深く侵入し、入射波長と減衰係数はシリコン固有の値を示すので、３層構造のフォトダイオードを可視光の各波長帯域（Ｒ、Ｇ、Ｂ）をカバーするようにｐｎ接合の深さを設計し、上記３層のフォトダイオードから別々に電流を検出することで、異なる波長帯の光信号を検出することができる。
【０００５】
図１２は図１１に示す３層構造のフォトダイオードのポテンシャル図であり、横軸が深さを、縦軸が電位を表している。なお、深さＡ〜Ｄは、図１１に示す深さＡ〜Ｄに対応している。
【０００６】
３層構造のフォトダイオードの表面から入射する光は、波長の長いものほど深くまで到達するため、上記構成では、表面Ｏ〜深さＡ間に主に波長の短いＢ成分の光による電子が蓄積され、表面Ｏ〜深さＢ間に主に中間の波長であるＧ成分の光による正孔が蓄積され、深さＡ〜Ｄ間に主に波長の長いＲ成分の光による電子が蓄積される。
【０００７】
また、図１３は図１１に示す３層構造のフォトダイオードから電荷を読み出すための読み出し回路を示しており、（ａ）は読み出し回路を概念的に示す図、（ｂ）はその等価回路図である。この読み出し回路により、各フォトダイオードに蓄積された電荷が読み出される。また、図１４は、図１１に示す３層構造のフォトダイオードから電荷を読み出すための読み出し回路の別の例を示している。
【０００８】
そして、読み出された３つの信号を演算処理し、色信号分離することにより、画像を再生することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の構成では、表面Ｏ〜深さＢ間で発生する正孔、すなわち、表面に近い、浅い領域で発生するＢ成分の光に起因する正孔と、少し深い領域で発生するＧ成分の光に起因する正孔とが混ざり合い、混色が起きてしまう。
【００１０】
図１５（ａ）は、図１１に示す３層構造のフォトダイオードを光照射した場合に得られる信号値のシミュレーションを示す図であり、実線は出力回路から直接得られる出力を、破線は得られた信号を演算処理することで色信号分離を行って得られる信号値を示す。なお、ＤＮ出力は最上層のフォトダイオードからの出力を、ＰＷＬ出力は中央のフォトダイオードからの出力を、ＮＷＬ出力は最下層のフォトダイオードからの出力を示している。
【００１１】
上述したように、中央のフォトダイオードからのＰＷＬ出力にはＧ成分にＢ成分が混ざっているため、ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力をＧ成分信号（破線Ｇで示している）とすることで、Ｇ成分を分離する。このとき、ＰＷＬ出力は正孔であり、ＤＮ出力は電子であるため、ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力＝ＰＷＬ正孔数−ＤＮ電子数となり、実質的には引き算となる。しかし、出力同士の演算であるため、読み出し回路のノイズが√２倍に増加したノイズがＧ成分信号含まれてしまう。またＤＮ出力には暗電流によるノイズが多いため、この影響を受けて重要なＧ成分信号のノイズはさらにひどくなる。
【００１２】
同様に、ＮＷＬ出力をそのままＲ成分信号とするにはやはり色分離が悪いため、ＮＷＬ出力＋ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力をＲ成分信号とすることで、図１５の破線Ｒに示す分光特性を得ることができる。しかしながら、この演算により読み出し回路のノイズが√３倍に増加したノイズがＲ成分信号含まれてしまう。加えて、ＤＮ出力には暗電流によるノイズが多いため、この影響を受けてＲ成分信号のノイズはさらにひどくなる。
【００１３】
図１５（ｂ）は、赤外カットフィルタを挿入した上で得られるＤＮ出力、ＰＷＬ出力、ＮＷＬ出力を用いて、上述したようにＢ成分信号＝ＤＮ出力＝ＤＮ電子数、Ｇ成分信号＝ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力＝｜ＰＷＬ正孔数ーＤＮ電子数｜、Ｒ成分信号＝ＮＷＬ出力＋ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力＝｜ＮＷＬ電子数ーＰＷＬ正孔数＋ＤＮ電子数｜を演算し、ゲインを調整して得られる分光特性である。
【００１４】
上記の通り、３層構造のフォトダイオードは、ｐｎ接合の深さを異ならせることにより、異なる波長帯域の光を検出できるが、得られる３つの信号は互いに光電変換する波長帯域の重複が大きい。たとえば、真ん中の層のフォトダイオードのピーク感度をＧ色(545nm)付近に設計した場合、このフォトダイオードではＲ色(630nm)付近の光信号も、Ｂ色(450nm)付近の光信号も数十％以上の割合で光電変換してしまう。このように混色の大きい信号を演算処理すると、色再現性が悪くなり、ノイズの影響を受けやすい。
【００１５】
また、各フォトダイオードのゲイン、すなわち、単位電荷量により発生するダイオードの電圧変化量は、そのフォトダイオードのｐｎ接合容量Ｃに反比例する。３つのダイオードの面積は必然的に異なる上に、単位面積あたりのｐｎ接合容量は各拡散層の濃度にも依存するので、３つのフォトダイオードの容量を一致させることは困難である。したがって読み出された３つの光信号はそれぞれ異なるゲインを有するので、信号演算上扱いづらいものになってしまう。
【００１６】
更に、３つのフォトダイオードの内、上下方向に隣接している２つのフォトダイオードはｐｎ接合を通じて互いに容量結合している。また、光電変換により発生した電荷がフォトダイオードに蓄積されるにつれ、フォトダイオードの容量が変化してゆく。そのため、ある層のフォトダイオードの電位は、他の層のフォトダイオードに蓄積されている電荷量にも影響を受けることになる。このため、フォトダイオードの線形性がくずれたり、色により線形性が変化してしまう。
【００１７】
具体的に説明すると、図１３に示すように、ｎ形領域１０６、ｐウェル１０４、ｎウェル１０２には中性領域が存在し、接合部にそれぞれＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量が存在する。加えて、図１３に示すような従来の読み出し回路で電圧信号を読み出す場合、読み出し回路の寄生容量Ｃ１’、Ｃ２’ 、Ｃ３’が付く。この結果読み出される電圧は、各出力ともＣ１〜Ｃ３、Ｃ１’〜Ｃ３’を含み、ＤＮ出力、ＰＷＬ出力、ＮＷＬ出力が互いに影響合う複雑な電圧として読み出されてしまう。即ち、各出力からの読出しゲインが異なり、更には他の出力の影響も受ける。具体的に言えば、仮にＮＷＬ電子数が０であっても、ＤＮ電子数が発生してしまうとＮＷＬ出力は０ではなく、ＤＮ電荷／（Ｃ１＋Ｃ１’）という値が出力される。
【００１８】
図１４に示すような読み出し回路により電圧信号を読み出す場合も、ｎ形領域１０６、ｐウェル１０４、ｎウェル１０２の接合部の容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及び読み出し回路の寄生容量Ｃ１’〜Ｃ３’が存在するために、ＤＮ出力、ＰＷＬ出力、ＮＷＬ出力が互いに影響し合い、且つ、読出しゲインも異なるものになってしまう。
【００１９】
このようにして読み出された信号値を用いた場合、上述した図１５（ａ）の破線Ｇ及びＲを得るための演算を行っても、高品質の信号値Ｇ及びＲを得ることはできない。
【００２１】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、各色信号の読み出し時のゲイン差を縮小することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の光電変換素子は、第１導電型の表面半導体領域を半導体基板の一方の表面に有し、前記表面半導体領域から前記半導体基板の深さ方向に向かって、第２導電型の半導体領域と第１導電型の半導体領域とが互いに接しながら交互に複数層形成され、当該第１及び第２導電型の半導体領域の接合面を、前記表面半導体領域に近い方から、青の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さ、緑の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さ、赤の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さに形成し、前記第２導電型の半導体領域及び前記第１導電型の半導体領域のそれぞれに、入射光を光電変換して得た信号を出力するための出力線が接続され、前記表面半導体領域には前記出力線が接続されておらず、前記第１導電型及び第２導電型の半導体領域に、各領域を空乏状態とする電位を与えるリセット手段が接続されており、前記第１導電型及び第２導電型の半導体領域の不純物濃度が、前記リセット手段によって与えられる電位により空乏状態となる濃度であることを特徴とする。
【００２３】
また、上記第２の目的を達成するために、積層された上記第１導電型及び第２導電型の領域の濃度が、所定の電位にリセットすることにより空乏状態となる濃度にする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における３層フォトダイオード構造を有する１画素の断面の概略図である。
【００２６】
図１において、１０はｐ形の基板、１１はｐ基板１０上に形成されたｎ形領域（ｎウェル）、１２はｎウェル１１上に形成されたｐ形領域（ｐウェル）、１３はｐウェル１２上に形成されたｎ形領域（ｎウェル）、１４はｎウェル１３上に形成されたｐ形領域である。
【００２７】
図２は、図１に示す構造を有する画素のポテンシャル図であり、横軸が深さを、縦軸が電位を表している。なお、深さＡ〜Ｄは、図１に示す深さＡ〜Ｄに対応している。
【００２８】
画素表面から入射する光は、波長の長いものほど深くまで到達するため、上記構成では、表面Ｏ〜深さＢ間に主に波長の短いＢ成分の光による電子が蓄積され、深さＡ〜Ｃ間に主に中間の波長であるＧ成分の光による正孔が蓄積され、深さＢ〜Ｄ間に主に波長の長いＲ成分の光による電子が蓄積される。そして、それぞれに蓄積された電荷が読み出される。
【００２９】
図２から分かるように、図１のように画素表面にｐ層を設け、表面の電位を高くしておくことで、表面付近で発生した正孔、すなわち主にＢ成分の光に起因して発生した正孔及び暗電流を表面Ｏ〜深さＡ間にトラップすることができる。これにより、深さＡ〜Ｃ間に蓄積されるＧ成分の光に起因する正孔とＢ成分の光に起因して発生した正孔及び暗電流とが混ざり合うことを防ぐことができる。一方、表面のｐ層でＢ成分の光に起因して発生した電子は表面Ｏ〜深さＡ間に蓄積されるので、Ｂ成分の出力信号は、従来と同様のレベルに保たれる。
【００３０】
図３は、図１において、Ａ〜Ｃのそれぞれの深さをＡ＝0.5μm、Ｂ＝1.0μm、Ｃ＝1.2μmに設定した場合の分光特性を示す。図３から分かるように、従来のように読み出された３つの信号を演算処理をしなくても、良好な色分離を実現することができる。
【００３１】
また、演算を行わず、各出力を単純ゲイン調整して得られたのが図４に示す分光特性である。このように、読み出し系及び暗電流のノイズが重畳されない低ノイズの信号を得ることが可能となる。
【００３２】
なお、上記説明では３層構造のフォトダイオードを説明したがこれに限るものではなく、２層構造や、４層構造など、任意の複数のフォトダイオードを形成することが可能である。また、表面にｐ領域を構成したが、最上部のフォトダイオードの表面側の領域と伝導型と反対の伝導型を有する領域を、当該フォトダイオードの表面に構成することが重要である。従って、最上部のフォトダイオードの表面型の領域がｐ型であれば、表面領域はｎ型により構成する必要がある。
【００３３】
図５は図１に示す３層構造のフォトダイオード１画素と、その読み出し回路を説明するための回路図であり、図１に示す光電変換部の平面構造を模式的に表し、読出し等価回路を合わせて記載したものである。図１のものと同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。また、３１〜３３は電極、３４はＤＮ出力線、３５はＰＷＬ出力線、３６はＮＷＬ出力線である。
【００３４】
図５に示す構成において、ｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１を、所定のリセット電圧をかけることで空乏化するような濃度設定にし、各領域に引き出し電極３１〜３３を設け、所定のリセット電位をかけると、ｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１が空乏化し、各接合部の容量は限りなく小さい値になる。これにより、図１３に示すような、接合面に生じる容量Ｃ１〜Ｃ３が極めて小さくすることができ、ＤＮ出力、ＰＷＬ出力、ＮＷＬ出力が相互に影響しなくなる。
【００３５】
上記構成において、たとえば、ＤＮ出力線３４、ＰＷＬ出力線３５、ＮＷＬ出力線３６をそれぞれＶ１＝３Ｖ、Ｖ２＝１Ｖ、Ｖ３＝３Ｖにリセットし、逆バイアス0.5Ｖで空乏化するよう設計すると、少なくともＣ’×0.5（Ｃ＝Ｃ１’＝Ｃ２’＝ Ｃ３’）を良好に読み出すことができる。
【００３６】
なお、ＤＮ出力線３４、ＰＷＬ出力線３５、ＮＷＬ出力線３６のリセット電圧は３Ｖ、１Ｖ、３Ｖに限るものではなく、適宜調整可能であることは言うまでもない。
【００３７】
この結果、完全な電荷転送は困難であるものの、発生した電荷の殆どを設計された外部容量に読み出すことが可能となる。なお、各領域に電極があるが、これも最終的には空乏層を介し接地するため影響はない。また、ｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１の接合容量とは関係なく設計された容量Ｃ１’〜Ｃ３’に読み出すことが可能となるため、各信号の読出しゲインを概ねそろえて出力することができる。
【００３８】
なお、上述したようにｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１を、所定のリセット電圧をかけることで空乏化するような濃度設定にし、所定のリセット電位をかけると、ｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１が空乏化するような構成を、図１４に示すような転送スイッチによる読み出し回路構成と組み合わせるようにしても、上記と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
＜変形例＞
図６は、本発明の３層フォトダイオード構造の別の構成を示す断面の概略図であり、図１と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。図６では、表面のｐ形領域１４’と、ｐウェル１２’とが一部繋がっているところが、図１の構造と異なる。
【００４０】
上記構成でも、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
上記第１の実施形態では３層構造のフォトダイオードについて説明したが、３層に限るものではなく、２層構造にしても良い。本第２の実施形態では、２層構造のフォトダイオードを２次元アレイに接続する場合（エリアセンサを構成する場合）について説明する。
【００４２】
図７（ａ）及び（ｂ）は２層構造のフォトダイオードを用いたエリアセンサの内、４画素分の配列を示すもので、水平及び垂直方向に任意の数だけ繰り返し構成される。
【００４３】
図７（ａ）は、１画素において同時にＢ及びＧ成分の光（可視光の内、短〜中波長光）を主に光電変換するように設定された画素（以下Ｂ／Ｇ画素）と、Ｇ及びＲ成分の光（可視光の内、中〜長波長光）を主に光電変換するように設定された画素（以下Ｇ／Ｒ画素）とを市松状に配列した例を示す。但し、両画素がそれぞれ中波長光を主に光電変換する分光感度は必ずしも同じではない。Ｂ／Ｇ画素の表面には、Ｒ成分の光をカットするようにＣｙフィルタを、Ｇ／Ｒ画素の表面には、Ｂ成分の光をカットするようにＹｅフィルタを配置する。図７（ａ）に示す配列では、各画素から輝度信号となるＧ信号を得ることができるので、解像度を維持することができる。
【００４４】
このように、２層構造のフォトダイオードとフィルタとを組み合わせることにより、各画素毎に目的の２色成分の信号を得ることができる。このようにして得られた各画素２色成分の信号には公知の演算を施し画素間で補間することで、結果的に各画素３色の信号を得ることができる。
【００４５】
また、図７（ｂ）は、画素上にＧフィルタを配置し、Ｇ成分の光を主に光電変換する１層構造のフォトダイオード（以下Ｇ画素）と、画素上にＭｇフィルタを配置し、Ｂ及びＲ成分の光を主に光電変換するように設定された２層構造のフォトダイオード（以下Ｂ／Ｒ画素）とを市松状に配列した例を示す。
【００４６】
このように構成することで、図１及び図７（ａ）に示す構成により解像度は劣るものの、より簡易な構造で１層構造のフォトダイオードを使う場合に比べて、解像度の高い画像を得ることができる。
【００４７】
なお、図７（ａ）に示す構成では、２層構造のフォトダイオードとカラーフィルタとを組み合わせた構成について説明したが、カラーフィルタを必ずしも用いる必要はない。その場合、隣接する画素の信号を用いることにより色分離を行うことができる。
【００４８】
＜第３の実施形態＞
次に、図８を参照して、上記第１及び第２実施形態で説明した撮像装置を用いた撮像システムについて説明する。
【００４９】
図８において、４０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、４０２は被写体の光学像を固体撮像素子４０４に結像させるレンズ、４０３はレンズ４０２を通った光量を可変制御するための絞り、４０４はレンズ４０２により結像された被写体光学像を画像信号として取り込むための固体撮像素子、４０５は、固体撮像素子４０４から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、４０６は固体撮像素子４０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、４０７はＡ／Ｄ変換器４０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、４０８は固体撮像素子４０４、撮像信号処理回路４０５、Ａ／Ｄ変換器４０６、信号処理部４０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、４０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、４１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、４１１は記録媒体に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、４１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、４１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００５０】
また図９は、固体撮像素子４０４の詳細構成を示す図であり、各画素は、上記第１又は２の実施形態で説明した構成のいずれかを有していてもよいが、ここでは図５に示す構成を有するものとする。以下、図９の構成及びその動作について、図１０のタイミングチャートを参照しながらその動作を説明する。
【００５１】
５０１は画素に蓄積された電荷を転送する行を選択する垂直走査回路、５０２は各画素から転送された信号電荷及び各画素をリセットした時のノイズ成分を各色毎に一時保持する保持回路である。この時、ノイズ成分とはリセットした時のリセットランダムノイズや読出し回路が持つ固定パターンノイズなどを示す。図９には保持回路５０２は１組しか示していないが、実際には各列に対応するように複数構成される。また、５０３は保持回路５０２に蓄積された電荷を信号出力部５０４に順次転送するための水平走査回路である。信号処理出力部５０４では転送された信号電荷からノイズ成分をそれぞれ差分処理して、各色信号を出力する。
【００５２】
次に、固体撮像素子４０４の動作として、画素Ｐ(1,1)から電荷を読み出す場合について説明する。
【００５３】
まず、ｔ1において、ＲＥＳ１〜ＲＥＳｍをＨにして、各フォトダイオードの各領域を空乏状態にする。その後固体撮像素子４０４を所定時間露光し、まずｔ2で信号ＰＣＴＲをハイ（Ｈ）として、保持回路５０２内の容量ＣＴＮＲ、ＣＴＳＲ、ＣＴＮＧ、ＣＴＳＧ、ＣＴＮＢ、ＣＴＳＢをリセットする。リセット後、ｔ3でＲＯＷＲ１及びＰＴＳＲをＨにし、最下部のフォトダイオードにより得られた電荷を容量ＣＴＳＲに転送する。次に、ｔ4でＲＯＷＧ１及びＰＴＳＧ、そしてｔ5でＲＯＷＢ１及びＰＴＳＢをＨにして、それぞれ容量ＣＴＳＧ及びＣＴＳＢに中央及び最上部のフォトダイオードにより得られた電荷をそれぞれ読み出す。
【００５４】
次にｔ6でＲＥＳ１を再びＨにし、Ｈにしたままの状態で、ＲＯＷＲ１、ＰＴＮＲ（ｔ7）、ＲＯＷＧ１、ＰＴＮＧ（ｔ8）、ＲＯＷＢ１、ＰＴＮＢ（ｔ9）を順次Ｈにすることで、ノイズ成分をＣＴＮＲ、ＣＴＮＧ、ＣＴＮＢにそれぞれ読み出す。
【００５５】
そして、ｔ10でＨ１をＨにして容量ＣＴＳＲとＣＴＮＲ、ＣＴＳＧとＣＴＮＧ、ＣＴＳＢとＣＴＮＢの電荷を信号処理部５０４の対応する差動アンプに転送し、露光により蓄積された電荷から、ノイズ成分の電荷を差し引き、出力する。
【００５６】
以降、Ｈ２〜Ｈｎを順次Ｈにし、その間にＰＣＨＲをＨにすることによって、信号処理部５０４への配線を所定電位にリセットしながら、１行分の電荷を順次差動アンプに転送して、差分を出力する。また、ｔ2以降の動作を行数分繰り返すことで、１フレーム分の画像信号を読み出すことができる。
【００５７】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。
【００５８】
バリア４０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器４０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００５９】
その後、露光量を制御する為に、全体制御・演算部４０９は絞り４０３を開放にし、固体撮像素子４０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器４０６で変換された後、信号処理部４０７に入力される。全体制御・演算部４０９は、信号処理部４０７により所定の信号処理がされたデータを基に測光を行い、その結果により明るさを判断し、露出の演算を行う。そして得られた露出に応じて絞り４０３を制御する。
【００６０】
次に、固体撮像素子４０４から出力された信号を基に、全体制御・演算部４０９は高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光を始める。
【００６１】
露光が終了すると、固体撮像素子４０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器４０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部４０７を通り全体制御・演算部４０９によりメモリ部４１０に書き込まれる。
【００６２】
その後、メモリ部４１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部４０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部４１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体４１２に記録される。
【００６３】
また、外部Ｉ／Ｆ部４１３を通して直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００６４】
なお、上記複数層のフォトダイオードを用いた固体撮像素子は、スチルビデオカメラに限らず、エリアセンサを用いる撮像装置に適用することができる。更には１次元に配列してラインセンサを構成することにより、スキャナやファクシミリなどの画像読み取り装置に適用可能である。上記以外にも、固体撮像素子を用いる様々な公知の装置に広く適用可能であることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。
【００６６】
【発明の効果】
上記の通り本発明によれば、各色信号の読み出し時のゲインを概ねそろえて出力することができ、簡単な処理で良好な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における３層フォトダイオード構造を有する１画素の断面を示す概略図である。
【図２】図１に示す３層構造のフォトダイオードのポテンシャル図である。
【図３】図１に示す３層構造のフォトダイオードから読み出される信号出力を示す図である。
【図４】図３に示す信号出力にゲイン調整して得られる信号出力を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における３層構造のフォトダイオード１画素と、その読み出し回路を説明するための図である。
【図６】本発明の変形例における３層フォトダイオード構造を有する１画素の断面を示す概略図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における複数層のフォトダイオードを用いたエリアセンサの内、４画素分の配列例を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における撮像システムの構成を示すブロック図である。
【図９】図８に示す固体撮像素子の詳細構成例を示す図である。
【図１０】図９の固体撮像素子を駆動するためのタイミングチャートを示す図である。
【図１１】従来の３層構造のフォトダイオードの断面を示す図である。
【図１２】図１１に示す３層構造のフォトダイオードのポテンシャル図である。
【図１３】図１１に示す３層構造のフォトダイオードから電荷を読み出すための読み出し回路を示す図である。
【図１４】図１１に示す３層構造のフォトダイオードから電荷を読み出すための別の読み出し回路を示す図である。
【図１５】従来の３層構造のフォトダイオードを光照射した場合に得られる信号値のシミュレーションを示す図である。
【符号の説明】
１０ ｐ形の基板
１１ ｎ形領域（ｎウェル）
１２ ｐ形領域（ｐウェル）
１３ ｎ形領域（ｎウェル）
１４ ｐ形領域
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に関し、特にビデオカメラやデジタルスチルカメラ、更にスキャナ等の画像入力装置に広範に用いられる光電変換素子及び固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デジタルカメラ等の撮像装置で用いられる固体撮像素子において、解像度の向上及び撮像装置の小型化を実現するために様々な提案がされている。そのような固体撮像素子の一つとして、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を各画素から同時に取得可能なＭＯＳ型の撮像素子の構成が米国特許第5,965,875号に開示されている。以下、当該撮像装置の概略を説明する。
【０００３】
図１１は、米国特許第5,965,875号に開示された固体撮像素子の構成を示す図であり、各画素のフォトダイオードをトリプルウエル構造で形成した、３層構造のフォトダイオードを示している。同図において、１００はｐ形のシリコン基板、１０２はシリコン基板１００上に形成されたｎウェル、１０４はｎウェル１０２上に形成されたｐウェル、１０６はｎ形領域である。１０８は光電流センサで、赤（Ｒ）成分の電流を検出する電流計１１０と、緑（Ｇ）成分の電流を検出する電流計１１２と、青（Ｂ）成分の電流を検出する電流計１１４とを有する。
【０００４】
図１１に示すように、フォトダイオードはｐ型シリコン基板表面から順次拡散される、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層をこの順に深く形成することで、ｐｎ接合ダイオードがシリコンの深さ方向に３層形成される。ダイオードに表面側から入射した光は波長の長いものほど深く侵入し、入射波長と減衰係数はシリコン固有の値を示すので、３層構造のフォトダイオードを可視光の各波長帯域（Ｒ、Ｇ、Ｂ）をカバーするようにｐｎ接合の深さを設計し、上記３層のフォトダイオードから別々に電流を検出することで、異なる波長帯の光信号を検出することができる。
【０００５】
図１２は図１１に示す３層構造のフォトダイオードのポテンシャル図であり、横軸が深さを、縦軸が電位を表している。なお、深さＡ〜Ｄは、図１１に示す深さＡ〜Ｄに対応している。
【０００６】
３層構造のフォトダイオードの表面から入射する光は、波長の長いものほど深くまで到達するため、上記構成では、表面Ｏ〜深さＡ間に主に波長の短いＢ成分の光による電子が蓄積され、表面Ｏ〜深さＢ間に主に中間の波長であるＧ成分の光による正孔が蓄積され、深さＡ〜Ｄ間に主に波長の長いＲ成分の光による電子が蓄積される。
【０００７】
また、図１３は図１１に示す３層構造のフォトダイオードから電荷を読み出すための読み出し回路を示しており、（ａ）は読み出し回路を概念的に示す図、（ｂ）はその等価回路図である。この読み出し回路により、各フォトダイオードに蓄積された電荷が読み出される。また、図１４は、図１１に示す３層構造のフォトダイオードから電荷を読み出すための読み出し回路の別の例を示している。
【０００８】
そして、読み出された３つの信号を演算処理し、色信号分離することにより、画像を再生することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の構成では、表面Ｏ〜深さＢ間で発生する正孔、すなわち、表面に近い、浅い領域で発生するＢ成分の光に起因する正孔と、少し深い領域で発生するＧ成分の光に起因する正孔とが混ざり合い、混色が起きてしまう。
【００１０】
図１５（ａ）は、図１１に示す３層構造のフォトダイオードを光照射した場合に得られる信号値のシミュレーションを示す図であり、実線は出力回路から直接得られる出力を、破線は得られた信号を演算処理することで色信号分離を行って得られる信号値を示す。なお、ＤＮ出力は最上層のフォトダイオードからの出力を、ＰＷＬ出力は中央のフォトダイオードからの出力を、ＮＷＬ出力は最下層のフォトダイオードからの出力を示している。
【００１１】
上述したように、中央のフォトダイオードからのＰＷＬ出力にはＧ成分にＢ成分が混ざっているため、ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力をＧ成分信号（破線Ｇで示している）とすることで、Ｇ成分を分離する。このとき、ＰＷＬ出力は正孔であり、ＤＮ出力は電子であるため、ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力＝ＰＷＬ正孔数−ＤＮ電子数となり、実質的には引き算となる。しかし、出力同士の演算であるため、読み出し回路のノイズが√２倍に増加したノイズがＧ成分信号含まれてしまう。またＤＮ出力には暗電流によるノイズが多いため、この影響を受けて重要なＧ成分信号のノイズはさらにひどくなる。
【００１２】
同様に、ＮＷＬ出力をそのままＲ成分信号とするにはやはり色分離が悪いため、ＮＷＬ出力＋ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力をＲ成分信号とすることで、図１５の破線Ｒに示す分光特性を得ることができる。しかしながら、この演算により読み出し回路のノイズが√３倍に増加したノイズがＲ成分信号含まれてしまう。加えて、ＤＮ出力には暗電流によるノイズが多いため、この影響を受けてＲ成分信号のノイズはさらにひどくなる。
【００１３】
図１５（ｂ）は、赤外カットフィルタを挿入した上で得られるＤＮ出力、ＰＷＬ出力、ＮＷＬ出力を用いて、上述したようにＢ成分信号＝ＤＮ出力＝ＤＮ電子数、Ｇ成分信号＝ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力＝｜ＰＷＬ正孔数ーＤＮ電子数｜、Ｒ成分信号＝ＮＷＬ出力＋ＰＷＬ出力＋ＤＮ出力＝｜ＮＷＬ電子数ーＰＷＬ正孔数＋ＤＮ電子数｜を演算し、ゲインを調整して得られる分光特性である。
【００１４】
上記の通り、３層構造のフォトダイオードは、ｐｎ接合の深さを異ならせることにより、異なる波長帯域の光を検出できるが、得られる３つの信号は互いに光電変換する波長帯域の重複が大きい。たとえば、真ん中の層のフォトダイオードのピーク感度をＧ色(545nm)付近に設計した場合、このフォトダイオードではＲ色(630nm)付近の光信号も、Ｂ色(450nm)付近の光信号も数十％以上の割合で光電変換してしまう。このように混色の大きい信号を演算処理すると、色再現性が悪くなり、ノイズの影響を受けやすい。
【００１５】
また、各フォトダイオードのゲイン、すなわち、単位電荷量により発生するダイオードの電圧変化量は、そのフォトダイオードのｐｎ接合容量Ｃに反比例する。３つのダイオードの面積は必然的に異なる上に、単位面積あたりのｐｎ接合容量は各拡散層の濃度にも依存するので、３つのフォトダイオードの容量を一致させることは困難である。したがって読み出された３つの光信号はそれぞれ異なるゲインを有するので、信号演算上扱いづらいものになってしまう。
【００１６】
更に、３つのフォトダイオードの内、上下方向に隣接している２つのフォトダイオードはｐｎ接合を通じて互いに容量結合している。また、光電変換により発生した電荷がフォトダイオードに蓄積されるにつれ、フォトダイオードの容量が変化してゆく。そのため、ある層のフォトダイオードの電位は、他の層のフォトダイオードに蓄積されている電荷量にも影響を受けることになる。このため、フォトダイオードの線形性がくずれたり、色により線形性が変化してしまう。
【００１７】
具体的に説明すると、図１３に示すように、ｎ形領域１０６、ｐウェル１０４、ｎウェル１０２には中性領域が存在し、接合部にそれぞれＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量が存在する。加えて、図１３に示すような従来の読み出し回路で電圧信号を読み出す場合、読み出し回路の寄生容量Ｃ１’、Ｃ２’ 、Ｃ３’が付く。この結果読み出される電圧は、各出力ともＣ１〜Ｃ３、Ｃ１’〜Ｃ３’を含み、ＤＮ出力、ＰＷＬ出力、ＮＷＬ出力が互いに影響合う複雑な電圧として読み出されてしまう。即ち、各出力からの読出しゲインが異なり、更には他の出力の影響も受ける。具体的に言えば、仮にＮＷＬ電子数が０であっても、ＤＮ電子数が発生してしまうとＮＷＬ出力は０ではなく、ＤＮ電荷／（Ｃ１＋Ｃ１’）という値が出力される。
【００１８】
図１４に示すような読み出し回路により電圧信号を読み出す場合も、ｎ形領域１０６、ｐウェル１０４、ｎウェル１０２の接合部の容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及び読み出し回路の寄生容量Ｃ１’〜Ｃ３’が存在するために、ＤＮ出力、ＰＷＬ出力、ＮＷＬ出力が互いに影響し合い、且つ、読出しゲインも異なるものになってしまう。
【００１９】
このようにして読み出された信号値を用いた場合、上述した図１５（ａ）の破線Ｇ及びＲを得るための演算を行っても、高品質の信号値Ｇ及びＲを得ることはできない。
【００２１】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、各色信号の読み出し時のゲイン差を縮小することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の光電変換素子は、第１導電型の表面半導体領域を半導体基板の一方の表面に有し、前記表面半導体領域から前記半導体基板の深さ方向に向かって、第２導電型の半導体領域と第１導電型の半導体領域とが互いに接しながら交互に複数層形成され、当該第１及び第２導電型の半導体領域の接合面を、前記表面半導体領域に近い方から、青の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さ、緑の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さ、赤の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さに形成し、前記第２導電型の半導体領域及び前記第１導電型の半導体領域のそれぞれに、入射光を光電変換して得た信号を出力するための出力線が接続され、前記表面半導体領域には前記出力線が接続されておらず、前記第１導電型及び第２導電型の半導体領域に、各領域を空乏状態とする電位を与えるリセット手段が接続されており、前記第１導電型及び第２導電型の半導体領域の不純物濃度が、前記リセット手段によって与えられる電位により空乏状態となる濃度であることを特徴とする。
【００２３】
また、上記第２の目的を達成するために、積層された上記第１導電型及び第２導電型の領域の濃度が、所定の電位にリセットすることにより空乏状態となる濃度にする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における３層フォトダイオード構造を有する１画素の断面の概略図である。
【００２６】
図１において、１０はｐ形の基板、１１はｐ基板１０上に形成されたｎ形領域（ｎウェル）、１２はｎウェル１１上に形成されたｐ形領域（ｐウェル）、１３はｐウェル１２上に形成されたｎ形領域（ｎウェル）、１４はｎウェル１３上に形成されたｐ形領域である。
【００２７】
図２は、図１に示す構造を有する画素のポテンシャル図であり、横軸が深さを、縦軸が電位を表している。なお、深さＡ〜Ｄは、図１に示す深さＡ〜Ｄに対応している。
【００２８】
画素表面から入射する光は、波長の長いものほど深くまで到達するため、上記構成では、表面Ｏ〜深さＢ間に主に波長の短いＢ成分の光による電子が蓄積され、深さＡ〜Ｃ間に主に中間の波長であるＧ成分の光による正孔が蓄積され、深さＢ〜Ｄ間に主に波長の長いＲ成分の光による電子が蓄積される。そして、それぞれに蓄積された電荷が読み出される。
【００２９】
図２から分かるように、図１のように画素表面にｐ層を設け、表面の電位を高くしておくことで、表面付近で発生した正孔、すなわち主にＢ成分の光に起因して発生した正孔及び暗電流を表面Ｏ〜深さＡ間にトラップすることができる。これにより、深さＡ〜Ｃ間に蓄積されるＧ成分の光に起因する正孔とＢ成分の光に起因して発生した正孔及び暗電流とが混ざり合うことを防ぐことができる。一方、表面のｐ層でＢ成分の光に起因して発生した電子は表面Ｏ〜深さＡ間に蓄積されるので、Ｂ成分の出力信号は、従来と同様のレベルに保たれる。
【００３０】
図３は、図１において、Ａ〜Ｃのそれぞれの深さをＡ＝0.5μm、Ｂ＝1.0μm、Ｃ＝1.2μmに設定した場合の分光特性を示す。図３から分かるように、従来のように読み出された３つの信号を演算処理をしなくても、良好な色分離を実現することができる。
【００３１】
また、演算を行わず、各出力を単純ゲイン調整して得られたのが図４に示す分光特性である。このように、読み出し系及び暗電流のノイズが重畳されない低ノイズの信号を得ることが可能となる。
【００３２】
なお、上記説明では３層構造のフォトダイオードを説明したがこれに限るものではなく、２層構造や、４層構造など、任意の複数のフォトダイオードを形成することが可能である。また、表面にｐ領域を構成したが、最上部のフォトダイオードの表面側の領域と伝導型と反対の伝導型を有する領域を、当該フォトダイオードの表面に構成することが重要である。従って、最上部のフォトダイオードの表面型の領域がｐ型であれば、表面領域はｎ型により構成する必要がある。
【００３３】
図５は図１に示す３層構造のフォトダイオード１画素と、その読み出し回路を説明するための回路図であり、図１に示す光電変換部の平面構造を模式的に表し、読出し等価回路を合わせて記載したものである。図１のものと同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。また、３１〜３３は電極、３４はＤＮ出力線、３５はＰＷＬ出力線、３６はＮＷＬ出力線である。
【００３４】
図５に示す構成において、ｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１を、所定のリセット電圧をかけることで空乏化するような濃度設定にし、各領域に引き出し電極３１〜３３を設け、所定のリセット電位をかけると、ｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１が空乏化し、各接合部の容量は限りなく小さい値になる。これにより、図１３に示すような、接合面に生じる容量Ｃ１〜Ｃ３が極めて小さくすることができ、ＤＮ出力、ＰＷＬ出力、ＮＷＬ出力が相互に影響しなくなる。
【００３５】
上記構成において、たとえば、ＤＮ出力線３４、ＰＷＬ出力線３５、ＮＷＬ出力線３６をそれぞれＶ１＝３Ｖ、Ｖ２＝１Ｖ、Ｖ３＝３Ｖにリセットし、逆バイアス0.5Ｖで空乏化するよう設計すると、少なくともＣ’×0.5（Ｃ＝Ｃ１’＝Ｃ２’＝ Ｃ３’）を良好に読み出すことができる。
【００３６】
なお、ＤＮ出力線３４、ＰＷＬ出力線３５、ＮＷＬ出力線３６のリセット電圧は３Ｖ、１Ｖ、３Ｖに限るものではなく、適宜調整可能であることは言うまでもない。
【００３７】
この結果、完全な電荷転送は困難であるものの、発生した電荷の殆どを設計された外部容量に読み出すことが可能となる。なお、各領域に電極があるが、これも最終的には空乏層を介し接地するため影響はない。また、ｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１の接合容量とは関係なく設計された容量Ｃ１’〜Ｃ３’に読み出すことが可能となるため、各信号の読出しゲインを概ねそろえて出力することができる。
【００３８】
なお、上述したようにｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１を、所定のリセット電圧をかけることで空乏化するような濃度設定にし、所定のリセット電位をかけると、ｎウェル１３、ｐウェル１２、ｎウェル１１が空乏化するような構成を、図１４に示すような転送スイッチによる読み出し回路構成と組み合わせるようにしても、上記と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
＜変形例＞
図６は、本発明の３層フォトダイオード構造の別の構成を示す断面の概略図であり、図１と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。図６では、表面のｐ形領域１４’と、ｐウェル１２’とが一部繋がっているところが、図１の構造と異なる。
【００４０】
上記構成でも、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
上記第１の実施形態では３層構造のフォトダイオードについて説明したが、３層に限るものではなく、２層構造にしても良い。本第２の実施形態では、２層構造のフォトダイオードを２次元アレイに接続する場合（エリアセンサを構成する場合）について説明する。
【００４２】
図７（ａ）及び（ｂ）は２層構造のフォトダイオードを用いたエリアセンサの内、４画素分の配列を示すもので、水平及び垂直方向に任意の数だけ繰り返し構成される。
【００４３】
図７（ａ）は、１画素において同時にＢ及びＧ成分の光（可視光の内、短〜中波長光）を主に光電変換するように設定された画素（以下Ｂ／Ｇ画素）と、Ｇ及びＲ成分の光（可視光の内、中〜長波長光）を主に光電変換するように設定された画素（以下Ｇ／Ｒ画素）とを市松状に配列した例を示す。但し、両画素がそれぞれ中波長光を主に光電変換する分光感度は必ずしも同じではない。Ｂ／Ｇ画素の表面には、Ｒ成分の光をカットするようにＣｙフィルタを、Ｇ／Ｒ画素の表面には、Ｂ成分の光をカットするようにＹｅフィルタを配置する。図７（ａ）に示す配列では、各画素から輝度信号となるＧ信号を得ることができるので、解像度を維持することができる。
【００４４】
このように、２層構造のフォトダイオードとフィルタとを組み合わせることにより、各画素毎に目的の２色成分の信号を得ることができる。このようにして得られた各画素２色成分の信号には公知の演算を施し画素間で補間することで、結果的に各画素３色の信号を得ることができる。
【００４５】
また、図７（ｂ）は、画素上にＧフィルタを配置し、Ｇ成分の光を主に光電変換する１層構造のフォトダイオード（以下Ｇ画素）と、画素上にＭｇフィルタを配置し、Ｂ及びＲ成分の光を主に光電変換するように設定された２層構造のフォトダイオード（以下Ｂ／Ｒ画素）とを市松状に配列した例を示す。
【００４６】
このように構成することで、図１及び図７（ａ）に示す構成により解像度は劣るものの、より簡易な構造で１層構造のフォトダイオードを使う場合に比べて、解像度の高い画像を得ることができる。
【００４７】
なお、図７（ａ）に示す構成では、２層構造のフォトダイオードとカラーフィルタとを組み合わせた構成について説明したが、カラーフィルタを必ずしも用いる必要はない。その場合、隣接する画素の信号を用いることにより色分離を行うことができる。
【００４８】
＜第３の実施形態＞
次に、図８を参照して、上記第１及び第２実施形態で説明した撮像装置を用いた撮像システムについて説明する。
【００４９】
図８において、４０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、４０２は被写体の光学像を固体撮像素子４０４に結像させるレンズ、４０３はレンズ４０２を通った光量を可変制御するための絞り、４０４はレンズ４０２により結像された被写体光学像を画像信号として取り込むための固体撮像素子、４０５は、固体撮像素子４０４から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、４０６は固体撮像素子４０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、４０７はＡ／Ｄ変換器４０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、４０８は固体撮像素子４０４、撮像信号処理回路４０５、Ａ／Ｄ変換器４０６、信号処理部４０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、４０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、４１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、４１１は記録媒体に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、４１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、４１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００５０】
また図９は、固体撮像素子４０４の詳細構成を示す図であり、各画素は、上記第１又は２の実施形態で説明した構成のいずれかを有していてもよいが、ここでは図５に示す構成を有するものとする。以下、図９の構成及びその動作について、図１０のタイミングチャートを参照しながらその動作を説明する。
【００５１】
５０１は画素に蓄積された電荷を転送する行を選択する垂直走査回路、５０２は各画素から転送された信号電荷及び各画素をリセットした時のノイズ成分を各色毎に一時保持する保持回路である。この時、ノイズ成分とはリセットした時のリセットランダムノイズや読出し回路が持つ固定パターンノイズなどを示す。図９には保持回路５０２は１組しか示していないが、実際には各列に対応するように複数構成される。また、５０３は保持回路５０２に蓄積された電荷を信号出力部５０４に順次転送するための水平走査回路である。信号処理出力部５０４では転送された信号電荷からノイズ成分をそれぞれ差分処理して、各色信号を出力する。
【００５２】
次に、固体撮像素子４０４の動作として、画素Ｐ(1,1)から電荷を読み出す場合について説明する。
【００５３】
まず、ｔ1において、ＲＥＳ１〜ＲＥＳｍをＨにして、各フォトダイオードの各領域を空乏状態にする。その後固体撮像素子４０４を所定時間露光し、まずｔ2で信号ＰＣＴＲをハイ（Ｈ）として、保持回路５０２内の容量ＣＴＮＲ、ＣＴＳＲ、ＣＴＮＧ、ＣＴＳＧ、ＣＴＮＢ、ＣＴＳＢをリセットする。リセット後、ｔ3でＲＯＷＲ１及びＰＴＳＲをＨにし、最下部のフォトダイオードにより得られた電荷を容量ＣＴＳＲに転送する。次に、ｔ4でＲＯＷＧ１及びＰＴＳＧ、そしてｔ5でＲＯＷＢ１及びＰＴＳＢをＨにして、それぞれ容量ＣＴＳＧ及びＣＴＳＢに中央及び最上部のフォトダイオードにより得られた電荷をそれぞれ読み出す。
【００５４】
次にｔ6でＲＥＳ１を再びＨにし、Ｈにしたままの状態で、ＲＯＷＲ１、ＰＴＮＲ（ｔ7）、ＲＯＷＧ１、ＰＴＮＧ（ｔ8）、ＲＯＷＢ１、ＰＴＮＢ（ｔ9）を順次Ｈにすることで、ノイズ成分をＣＴＮＲ、ＣＴＮＧ、ＣＴＮＢにそれぞれ読み出す。
【００５５】
そして、ｔ10でＨ１をＨにして容量ＣＴＳＲとＣＴＮＲ、ＣＴＳＧとＣＴＮＧ、ＣＴＳＢとＣＴＮＢの電荷を信号処理部５０４の対応する差動アンプに転送し、露光により蓄積された電荷から、ノイズ成分の電荷を差し引き、出力する。
【００５６】
以降、Ｈ２〜Ｈｎを順次Ｈにし、その間にＰＣＨＲをＨにすることによって、信号処理部５０４への配線を所定電位にリセットしながら、１行分の電荷を順次差動アンプに転送して、差分を出力する。また、ｔ2以降の動作を行数分繰り返すことで、１フレーム分の画像信号を読み出すことができる。
【００５７】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。
【００５８】
バリア４０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器４０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００５９】
その後、露光量を制御する為に、全体制御・演算部４０９は絞り４０３を開放にし、固体撮像素子４０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器４０６で変換された後、信号処理部４０７に入力される。全体制御・演算部４０９は、信号処理部４０７により所定の信号処理がされたデータを基に測光を行い、その結果により明るさを判断し、露出の演算を行う。そして得られた露出に応じて絞り４０３を制御する。
【００６０】
次に、固体撮像素子４０４から出力された信号を基に、全体制御・演算部４０９は高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光を始める。
【００６１】
露光が終了すると、固体撮像素子４０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器４０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部４０７を通り全体制御・演算部４０９によりメモリ部４１０に書き込まれる。
【００６２】
その後、メモリ部４１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部４０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部４１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体４１２に記録される。
【００６３】
また、外部Ｉ／Ｆ部４１３を通して直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００６４】
なお、上記複数層のフォトダイオードを用いた固体撮像素子は、スチルビデオカメラに限らず、エリアセンサを用いる撮像装置に適用することができる。更には１次元に配列してラインセンサを構成することにより、スキャナやファクシミリなどの画像読み取り装置に適用可能である。上記以外にも、固体撮像素子を用いる様々な公知の装置に広く適用可能であることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。
【００６６】
【発明の効果】
上記の通り本発明によれば、各色信号の読み出し時のゲインを概ねそろえて出力することができ、簡単な処理で良好な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における３層フォトダイオード構造を有する１画素の断面を示す概略図である。
【図２】図１に示す３層構造のフォトダイオードのポテンシャル図である。
【図３】図１に示す３層構造のフォトダイオードから読み出される信号出力を示す図である。
【図４】図３に示す信号出力にゲイン調整して得られる信号出力を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における３層構造のフォトダイオード１画素と、その読み出し回路を説明するための図である。
【図６】本発明の変形例における３層フォトダイオード構造を有する１画素の断面を示す概略図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における複数層のフォトダイオードを用いたエリアセンサの内、４画素分の配列例を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における撮像システムの構成を示すブロック図である。
【図９】図８に示す固体撮像素子の詳細構成例を示す図である。
【図１０】図９の固体撮像素子を駆動するためのタイミングチャートを示す図である。
【図１１】従来の３層構造のフォトダイオードの断面を示す図である。
【図１２】図１１に示す３層構造のフォトダイオードのポテンシャル図である。
【図１３】図１１に示す３層構造のフォトダイオードから電荷を読み出すための読み出し回路を示す図である。
【図１４】図１１に示す３層構造のフォトダイオードから電荷を読み出すための別の読み出し回路を示す図である。
【図１５】従来の３層構造のフォトダイオードを光照射した場合に得られる信号値のシミュレーションを示す図である。
【符号の説明】
１０ ｐ形の基板
１１ ｎ形領域（ｎウェル）
１２ ｐ形領域（ｐウェル）
１３ ｎ形領域（ｎウェル）
１４ ｐ形領域
Claims (5)
- 第１導電型の表面半導体領域を半導体基板の一方の表面に有し、
前記表面半導体領域から前記半導体基板の深さ方向に向かって、第２導電型の半導体領域と第１導電型の半導体領域とが互いに接しながら交互に複数層形成され、当該第１及び第２導電型の半導体領域の接合面を、前記表面半導体領域に近い方から、青の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さ、緑の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さ、赤の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さに形成し、
前記第２導電型の半導体領域及び前記第１導電型の半導体領域のそれぞれに、入射光を光電変換して得た信号を出力するための出力線が接続され、
前記表面半導体領域には前記出力線が接続されておらず、
前記第１導電型及び第２導電型の半導体領域に、各領域を空乏状態とする電位を与えるリセット手段が接続されており、
前記第１導電型及び第２導電型の半導体領域の不純物濃度が、前記リセット手段によって与えられる電位により空乏状態となる濃度であることを特徴とする光電変換素子。 - 前記表面半導体領域を、前記第１及び第２導電型の半導体領域のいずれとも異なる電極に接続したことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
- 複数の光電変換素子を配列して成る固体撮像装置であって、前記各光電変換素子が請求項１または２に記載の光電変換素子の構成を有することを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項３に記載の固体撮像装置を有することを特徴とするカメラ。
- 請求項３に記載の固体撮像装置を有することを特徴とする画像読み取り装置。
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