JP4227152B2 - Ｃｍｏｓイメージセンサの能動ピクセルアレイ - Google Patents

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Description

本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイに関するものである。
一般に、イメージセンサにおいては、光がカラーフィルタを通して光導電体に入ったとき、光の波長及び強さによって光導電体で発生した電子−正孔が信号を形成し出力部まで伝送される。この伝送方式にしたがって、イメージセンサは、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサと、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサと、に区分される。
ＣＣＤイメージセンサは、受光部であるフォトダイオード、電荷伝送部及び信号出力部によって構成される。フォトダイオードは、光を受けて信号電荷を生成し、電荷伝送部は、フォトダイオードで生成された信号電荷を、ＣＣＤを用いて損失なしに信号出力部に伝達する。また、信号出力部は、信号電荷を蓄積し、信号電荷量に比例する電圧を感知してアナログ出力を出す。したがって、ＣＣＤイメージセンサは、最終段で電圧の形態に信号を変換するため、ノイズ特性に優れており、高画質デジタルカメラ及びキャムコーダなどに用いられる。しかしながら、前記ＣＣＤイメージセンサには、次のような問題点があった。第一に、駆動方式が複雑であるため、大きな電圧が要求される。第二に、別途に駆動回路が必要であるため、電力消費が大きくなる。第三に、マスク工程の段階数が多いため、信号処理回路をＣＣＤチップ内に実現できない。したがって、上記の問題点を克服するために、サブマイクロンＣＭＯＳイメージセンサに対する開発が大いに行われている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサとは異なって、各フォトダイオードから発生した信号電荷を電圧に変換し、これを最終段まで伝達することで、ＣＣＤイメージセンサに比べて信号が弱く、固定的に発生するノイズのみならず、暗電流（ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ）に起因したノイズなどによって雑音が発生するという短所を有する。しかしながら、半導体工程技術が発展するにつれて、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路を採用するようになり、リセットノイズを大幅に改善して一層向上した水準のイメージ信号を得られるようになった。すなわち、ＣＤＳ回路は、イメージ画素のリセット電圧をサンプリングした後、信号電圧をサンプリングする動作を行う。このとき、ＣＤＳ回路の出力は、リセット電圧と信号電圧との差になるので、イメージ画素内のトランジスタのしきい電圧差に起因する固定パターンノイズ及びリセット電圧差に起因するリセットノイズが抑制されることで、さらに高解像度のイメージを得られるようになった。その結果、ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、モバイルフォン及びＰＣカメラなどに幅広く用いられており、最近は、オートモバイルなどの特殊な用途にまで拡大されている。
一方、オートモバイルなどの特殊な用途のＣＭＯＳイメージセンサを実現するためには、高解像度のイメージを得るための要件、すなわち、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）、高い量子効率、高いフィルファクター（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）及び高いダイナミックレンジなどを充足すべきである。
図１は、従来のＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセル１００を示した断面図であり、図２は、従来のカラーフィルタアレイ１１０を示した平面図である。
図１に示すように、従来のＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセル１００は、光信号を検出して電流信号に変換するフォトダイオード１２０と、前記変換された電流信号を電圧信号に変換する能動ピクセル回路１３０と、前記フォトダイオード１２０及び能動ピクセル回路１３０の上部に光信号を透過するカラーフィルタ１１０とから構成される。
したがって、従来の能動ピクセルアレイは、前記各単位ピクセルが配列されてなり、緑色光の光信号を検出し電圧信号に変換する２個のピクセルセンサと、赤色光及び青色光の光信号を検出し電圧信号に変換する２個のピクセルセンサとからなる２×２配列の構造を基本単位にし、前記基本単位が繰り返して配列されるピクセルセンサアレイと；前記ピクセルセンサアレイの上部に形成され、緑色光の光信号を透過する２個のフィルタと、赤色光及び青色光の光信号を透過する２個のフィルタとからなる２×２配列の構造を基本単位にし、前記基本単位が繰り返して配列されるカラーフィルタアレイと；前記ピクセルセンサアレイ及びカラーフィルタアレイの間と、カラーフィルタの上部に形成される絶縁層とから構成される。
また、図２に示すように、前記カラーフィルタアレイ１１０は、緑色光の光信号を透過する第１及び第３フィルタ２００ａ，２００ｃと、赤色光の光信号を透過する第２フィルタ２００ｂと、青色光の光信号を透過する第４フィルタ２００ｄとからなる２×２配列の構造を基本単位２００にし、前記基本単位２００を繰り返して配列することで形成される。
一方、図３−ａ及び図３−ｂは、従来の能動ピクセル回路１３０を示した図で、図３−ａは、３−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路１３０を示し、図３−ｂは、４−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路１３０を示している。
図３−ａに示すように、３−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路１３０は、蓄積された信号電荷によってノードの電位を変化してバイアスを変化する第１スイッチ１３０ａと、前記第１スイッチ１３０ａに連結され、ロー選択信号Ｒｏｗ Ｓｅｌｅｃｔが印加されてフォトダイオード１２０で変換された電圧信号をカラムラインＣｏｌｕｍｎ ｌｉｎｅに出力する第２スイッチ１３０ｂと、リセット信号Ｒｅｓｅｔが印加されて蓄積された信号電荷をリセットする第３スイッチ１３０ｃとから構成されており、前記第１乃至第３スイッチ１３０ａ〜１３０ｃは、トランジスタからなる。
一方、４−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路１３０は、図３−ｂに示すように、蓄積された信号電荷によってノードの電位を変化してバイアスを変化する第１スイッチ１３０ａと、前記第１スイッチ１３０ａに連結され、ロー選択信号Ｒｏｗ Ｓｅｌｅｃｔが印加されてフォトダイオード１２０で変換された電圧信号をカラムラインＣｏｌｕｍｎ ｌｉｎｅに出力する第２スイッチ１３０ｂと、リセット信号Ｒｅｓｅｔが印加されて蓄積された信号電荷をリセットする第３スイッチ１３０ｃと、トランスファ信号Ｔが印加され、フォトダイオード１２０で生成された信号電荷をトランスファする第４スイッチ１３０ｄとから構成されており、前記第１乃至第４スイッチ１３０ａ〜１３０ｄも、トランジスタからなる。
図３−ａ及び図３−ｂに示した能動ピクセル回路１３０は、それぞれ長短所を有している。すなわち、図３−ａに示した３−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路１３０は、トランジスタを３個だけ用いることで、高いフィルファクターを維持する反面、ノイズ性能が低下するという問題点がある。また、図３−ｂに示した４−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路１３０は、３−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路１３０に比べて相対的にノイズ性能に優れているが、４個のトランジスタを用いることでフィルファクターが低下するという問題点がある。
図４は、従来のピクセルセンサアレイの基本単位４００を示した回路図であり、４−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路を用いて構成したものである。
図４に示すように、従来のピクセルセンサアレイの基本単位４００は、前記緑色光の光信号を検出して電流信号を生成する第１フォトダイオード４０１と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第１能動ピクセル回路４０２とからなる第１ピクセルセンサ４００ａと；前記赤色光の光信号を検出して電流信号を生成する第２フォトダイオード４０３と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第２能動ピクセル回路４０４とからなる第２ピクセルセンサ４００ｂと；前記緑色光の光信号を検出して電流信号を生成する第３フォトダイオード４０５と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第３能動ピクセル回路４０６とからなる第３ピクセルセンサ４００ｃと；前記青色光の光信号を検出して電流信号を生成する第４フォトダイオード４０７と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第４能動ピクセル回路４０８とからなる第４ピクセルセンサ４００ｄとから構成される。
図５は、ＣＭＯＳイメージセンサ５００のブロックダイアグラムを示したブロック図であり、図５に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ５００は、図４に示したピクセルセンサアレイの基本単位４００の繰り返し配列によって形成された能動ピクセルセンサアレイ５０１と、タイミング及び多様な信号を制御する、コントロールレジスタ５０２・タイミング及びコントロール回路５０３と、アナログ信号を調整するアナログ信号処理部５０５と、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器５０４とから構成される。
したがって、前記能動ピクセルセンサアレイ５０１でイメージに対するアナログ信号を出力し、アナログ信号処理部５０５で前記アナログ信号を補正及び調整し、アナログ／デジタル変換器で前記アナログ信号をデジタル信号に変換した後、イメージ信号プロセッサ（Ｉｍａｇｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ＩＳＰ）に前記デジタル信号を伝達する。
しかしながら、最近、高密度化によってピクセル大きさが減少し、光受光領域が小さくなるにつれて、ノイズの影響がさらに増加するようになり、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）及びダイナミックレンジの性能が劣化するという問題点があった。
また、光受光領域がさらに減少することで、一つの画素で一つの色のみが出力される従来技術では、高い解像度を維持できないという問題点があった。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、全ての波長の光信号を透過するフィルタが含まれたカラーフィルタアレイと二重でＰＮ接合されたフォトダイオードを用いることで、一つの画素で波長の異なる二つの光信号を同時に検出するとともに、光受光領域を広く確保するようになり、高解像度、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）及び向上したダイナミックレンジを期待できるＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイを提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明によるＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイは、全ての波長の光信号のうち、光の波長が異なる２個の第１及び第２光信号を検出して電流及び電圧信号を生成するピクセルセンサと、所定波長の第３光信号を検出して電流及び電圧信号を生成するピクセルセンサと、が交互に配列されるピクセルセンサアレイと;前記ピクセルセンサアレイの上部に形成され、全ての波長の光信号を透過するフィルタと、所定波長の第３光信号を透過するフィルタと、が交互に配列されるカラーフィルタアレイを含む。
ここで、一実施形態では、前記カラーフィルタアレイは、前記全ての波長の光信号を透過する第１及び第３フィルタと、前記第３光信号を透過する第２及び第４フィルタを基本単位にし、前記基本単位が繰り返して配列される。
また、一実施形態では、前記ピクセルセンサアレイは、前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第１光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第１及び第２能動ピクセル回路とからなる第１ピクセルセンサと;前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第２光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第３能動ピクセル回路とからなる第２ピクセルセンサと;前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第３光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第４及び第５能動ピクセル回路とからなる第３ピクセルセンサと;前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第４光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第６能動ピクセル回路とからなる第４ピクセルセンサを含み、前記第１乃至第４ピクセルセンサを基本単位にし、前記基本単位が繰り返して配列される。
また、一実施形態では、前記第１及び第２光電変換部は、二重でＰＮ接合された第１乃至第３フォトダイオード及び第４乃至第６フォトダイオードによって構成されており、前記第３及び第４光電変換部は、二重でＰＮ接合された第７乃至第９フォトダイオード及び第１０乃至第１２フォトダイオードによって構成される。
また、一実施形態では、前記第１及び第７フォトダイオードは、前記第１光信号を検出し、前記第２及び第３フォトダイオードと第８及び第９フォトダイオードは、前記第２光信号を検出し、前記第４乃至第６フォトダイオードと第１０乃至第１２フォトダイオードは、前記第３光信号を検出する。
また、一実施形態では、前記第１フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１ノードに連結されており、前記第２及び第３フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第２ノードに連結される。
また、一実施形態では、前記第４フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第５ノードに連結されており、前記第５及び第６フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第６ノードに連結される。
また、一実施形態では、前記第７フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第９ノードに連結されており、前記第８及び第９フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１０ノードに連結される。
また、一実施形態では、前記第１０フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１３ノードに連結されており、前記第１１及び第１２フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１４ノードに連結される。
また、一実施形態では、前記第１能動ピクセル回路は、第３ノード、電源端子及び前記第１ノードに連結され、前記第１ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第３ノードのバイアスを変化する第１スイッチと;前記第１スイッチに連結され、第１ロー信号が印加されて第１フォトダイオードで変換された電圧信号を第１カラムラインに出力する第２スイッチと;前記第１ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第３スイッチを含む。
また、一実施形態では、前記第２能動ピクセル回路は、第４ノード、電源端子及び前記第２ノードに連結され、前記第２ノードに蓄積された信号電荷によって前記第２ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第４ノードのバイアスを変化する第４スイッチと;前記第４スイッチに連結され、第２ロー信号が印加されて第２及び第３フォトダイオードで変換された電圧信号を第１カラムラインに出力する第５スイッチと;前記第２ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第２ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第６スイッチを含む。
また、一実施形態では、前記第３能動ピクセル回路は、第８ノード、電源端子及び第７ノードに連結され、前記第７ノードに蓄積された信号電荷によって前記第７ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第８ノードのバイアスを変化する第７スイッチと;前記第７スイッチに連結され、第１ロー信号が印加されて第４乃至第６フォトダイオードで変換された電圧信号を第４カラムラインに出力する第８スイッチと;前記第７ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第７ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第９スイッチを含む。
また、一実施形態では、前記第４能動ピクセル回路は、第１１ノード、電源端子及び前記第９ノードに連結され、前記第９ノードに蓄積された信号電荷によって前記第９ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第１１ノードのバイアスを変化する第１０スイッチと;前記第１０スイッチに連結され、第３ロー信号が印加されて第７フォトダイオードで変換された電圧信号を第３カラムラインに出力する第１１スイッチと;前記第９ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第９ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第１２スイッチを含む。
また、一実施形態では、前記第５能動ピクセル回路は、第１２ノード、電源端子及び前記第１０ノードに連結され、前記第１０ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１０ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第１２ノードのバイアスを変化する第１３スイッチと;前記第１３スイッチに連結され、第４ロー信号が印加されて第８及び第９フォトダイオードで変換された電圧信号を第３カラムラインに出力する第１４スイッチと;前記第１０ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１０ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第１５スイッチを含む。
また、一実施形態では、前記第６能動ピクセル回路は、第１６ノード、電源端子及び第１５ノードに連結され、前記第１５ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１５ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第１６ノードのバイアスを変化する第１６スイッチと;前記第１６スイッチに連結され、第３ロー信号が印加されて第１０乃至第１２フォトダイオードで変換された電圧信号を第２カラムラインに出力する第１７スイッチと;前記第１５ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１５ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第１８スイッチを含む。
このとき、一実施形態では、前記第１乃至第４ロー信号は、順次印加される。
また、一実施形態では、前記第１乃至第６能動ピクセル回路の前記第１、第２、第７、第９、第１０及び第１５ノードにそれぞれ連結され、トランスファ信号が印加されて前記第１乃至第１２フォトダイオードで生成された信号電荷をトランスファする第１９乃至第２４スイッチをさらに含む。
このとき、一実施形態では、前記第１乃至第２４スイッチは、トランジスタである。
また、一実施形態では、前記ピクセルセンサアレイは、前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第１光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第１能動ピクセル回路とからなる第１ピクセルセンサと;前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第２光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第２能動ピクセル回路とからなる第２ピクセルセンサと;前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第３光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第３能動ピクセル回路とからなる第３ピクセルセンサと;前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第４光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第４能動ピクセル回路とからなる第４ピクセルセンサを含み、前記第１乃至第４ピクセルセンサを基本単位にし、前記基本単位が繰り返して配列される。
また、一実施形態では、前記第１及び第２光電変換部は、二重でＰＮ接合された第１乃至第３フォトダイオード及び第４乃至第６フォトダイオードによって構成されており、前記第３及び第４光電変換部は、二重でＰＮ接合された第７乃至第９フォトダイオード及び第１０乃至第１２フォトダイオードによって構成される。
このとき、一実施形態では、前記第１及び第７フォトダイオードは、前記第１光信号を検出し、前記第２及び第３フォトダイオードと第８及び第９フォトダイオードは、前記第２光信号を検出し、前記第４乃至第６フォトダイオードと第１０乃至第１２フォトダイオードは、前記第３光信号を検出する。
また、一実施形態では、前記第１フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１ノードに連結されており、前記第２及び第３フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第２ノードに連結される。
また、一実施形態では、前記第４フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第４ノードに連結されており、前記第５及び第６フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第５ノードに連結される。
また、一実施形態では、前記第７フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１ノードに連結されており、前記第８及び第９フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第２ノードに連結される。
また、一実施形態では、前記第１０フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第９ノードに連結されており、前記第１１及び第１２フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１０ノードに連結される。
また、一実施形態では、前記第１能動ピクセル回路は、第３ノード、電源端子及び前記第１ノードに連結され、前記第１ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第３ノードのバイアスを変化する第１スイッチと;前記第１スイッチに連結され、第１ロー信号が印加されて第１及び第７フォトダイオードで変換された電圧信号を第１カラムラインに出力する第２スイッチと;前記第１ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第３スイッチを含む。
また、一実施形態では、前記第２能動ピクセル回路は、第７ノード、電源端子及び第６ノードに連結され、前記第６ノードに蓄積された信号電荷によって前記第６ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第７ノードのバイアスを変化する第４スイッチと;前記第４スイッチに連結され、第１ロー信号が印加されて第４乃至第６フォトダイオードで変換された電圧信号を第４カラムラインに出力する第５スイッチと;前記第６ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第６ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第６スイッチを含む。
また、一実施形態では、前記第３能動ピクセル回路は、第８ノード、電源端子及び前記第２ノードに連結され、前記第２ノードに蓄積された信号電荷によって前記第２ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第８ノードのバイアスを変化する第７スイッチと;前記第７スイッチに連結され、第２ロー信号が印加されて第２、第３、第８及び第９フォトダイオードで変換された電圧信号を第３カラムラインに出力する第８スイッチと;前記第２ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第２ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第９スイッチを含む。
また、一実施形態では、前記第４能動ピクセル回路は、第１２ノード、電源端子及び第１１ノードに連結され、前記第１１ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１１ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第１２ノードのバイアスを変化する第１０スイッチと;前記第１０スイッチに連結され、第２ロー信号が印加されて第１０乃至第１２フォトダイオードで変換された電圧信号を第２カラムラインに出力する第１１スイッチと;前記第１１ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１１ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第１２スイッチを含む。
このとき、一実施形態では、前記第１及び第２ロー信号は、順次印加される。
また、前記第１乃至第４能動ピクセル回路の前記第１、第２、第６及び第１１ノードにそれぞれ連結され、トランスファ信号が印加されて前記第１乃至第１２フォトダイオードで生成された信号電荷をトランスファする第１３乃至第１６スイッチをさらに含むことを特徴とする。
このとき、一実施形態では、前記第１乃至第１６スイッチは、トランジスタである。
本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイによると、全ての波長の光信号を透過するフィルタが含まれたカラーフィルタアレイと二重でＰＮ接合されたフォトダイオードを用いることで、一つの画素で波長の異なる二つの光信号を同時に検出するようになり、高解像度、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）及び向上したダイナミックレンジを期待できるという効果がある。
また、波長の異なる二つの光信号を一つに合成することで、より広い光受光領域を確保するようになり、ピクセル大きさが減少しても高いフィルファクターを維持できるという効果がある。
以下、本発明の好ましい実施形態に対し、図面に基づいて詳しく説明する。
（第１実施形態）
図６−ａは、本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセル６００を示した断面図で、図６−ｂは、本発明の第１実施形態によるカラーフィルタアレイ６５０を示した平面図である。
図６−ａに示すように、第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセル６００は、光信号を検出して電流信号に変換するフォトダイオード６２０と、前記変換された電流信号を電圧信号に変換する能動ピクセル回路６３０と、前記フォトダイオード６２０及び能動ピクセル回路６３０の上部に光信号を透過するカラーフィルタ６１０とから構成される。
ここで、前記フォトダイオード６２０は、相異なる波長の光信号を検出できる二重ＰＮ接合フォトダイオードであり、前記能動ピクセル回路６３０には、１ピクセル当たり１個または２個の能動ピクセル回路を用いる。また、前記カラーフィルタ６１０には、全ての波長の光信号または所定波長の光信号を透過できるフィルタを用いる。
したがって、本発明に係る第１実施形態の能動ピクセルアレイは、前記各単位ピクセルが繰り返して配列されたもので、全ての波長の光信号のうち、光の波長の異なる２個の第１及び第２光信号を検出して電流及び電圧信号を生成するピクセルセンサと、所定波長の第３光信号を検出して電流及び電圧信号を生成するピクセルセンサと、が交互に配列されるピクセルセンサアレイと；前記ピクセルセンサアレイの上部に形成され、全ての波長の光信号を透過するフィルタと、所定波長の第３光信号を透過するフィルタと、が交互に配列されるカラーフィルタアレイとから構成される。
また、図６−ｂに示すように、前記カラーフィルタアレイ６５０は、全ての波長の光信号を透過するフィルタと、所定波長の第３光信号を透過するフィルタと、が交互に配列されてなり、前記全ての波長の光信号を透過する第１及び第３フィルタ６６０ａ，６６０ｃと、前記第３光信号を透過する第２及び第４フィルタ６６０ｂ，６６０ｄとからなる２×２配列の構造を基本単位６６０にし、前記基本単位６６０を繰り返して配列することで形成される。
一方、図７−ａ及び図７−ｂは、第１実施形態によるピクセルセンサアレイの基本単位７００を示した回路図であり、図７−ａは、３−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路を用いて構成したものであり、図７−ｂは、４−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路を用いて構成したものである。
まず、図７−ａに示すように、前記ピクセルセンサアレイ７００は、前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第１光電変換部７０１と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第１及び第２能動ピクセル回路７０２，７０３とからなる第１ピクセルセンサ７００ａと；前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第２光電変換部７０４と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第３能動ピクセル回路７０５とからなる第２ピクセルセンサ７００ｂと；前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第３光電変換部７０６と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第４及び第５能動ピクセル回路７０７，７０８とからなる第３ピクセルセンサ７００ｃと；前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第４光電変換部７０９と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第６能動ピクセル回路７１０とからなる第４ピクセルセンサ７００ｄとから構成されており、前記第１乃至第４ピクセルセンサ７００ａ〜７００ｄからなる２×２配列の構造を基本単位７００にし、前記基本単位７００を繰り返して配列することで形成される。
ここで、前記第１及び第２光電変換部７０１，７０４は、二重でＰＮ接合された第１乃至第３フォトダイオード７０１ａ〜７０１ｃ及び第４乃至第６フォトダイオード７０４ａ〜７０４ｃによって構成されており、前記第３及び第４光電変換部７０６，７０９は、二重でＰＮ接合された第７乃至第９フォトダイオード７０６ａ〜７０６ｃ及び第１０乃至第１２フォトダイオード７０９ａ〜７０９ｃによって構成される。
また、前記第１乃至第１２フォトダイオードは、二重でＰＮ接合されるので、前記第１乃至第３光信号のうち、波長の最も短い第１光信号は、第１及び第７フォトダイオード７０１ａ，７０６ａから検出でき、波長の最も長い第２光信号は、第２及び第３フォトダイオード７０１ｂ，７０１ｃと第８及び第９フォトダイオード７０６ｂ，７０６ｃから検出でき、波長が中間程度の第３光信号は、前記第４乃至第６フォトダイオード７０４ａ〜７０４ｃと第１０乃至第１２フォトダイオード７０９ａ〜７０９ｃから検出できる。
このとき、前記第１フォトダイオード７０１ａの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１ノード７１１に連結される。また、前記第２及び第３フォトダイオード７０１ｂ，７０１ｃの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第２ノード７１２に連結される。
また、前記第４フォトダイオード７０４ａの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第５ノード７１５に連結される。また、前記第５及び第６フォトダイオード７０４ｂ，７０４ｃの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第６ノード７１６に連結される。
また、前記第７フォトダイオード７０６ａの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第９ノード７１９に連結される。また、前記第８及び第９フォトダイオード７０６ｂ，７０６ｃの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１０ノード７２０に連結される。
併せて、前記第１０フォトダイオード７０９ａの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１３ノード７２３に連結される。また、前記第１１及び第１２フォトダイオード７０９ｂ，７０９ｃの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１４ノード７２４に連結される。
一方、前記第１能動ピクセル回路７０２は、第３ノード７１３、電源端子ＶＤＤ及び前記第１ノード７１１に連結され、前記第１ノード７１１に蓄積された信号電荷によって前記第１ノード７１１に連結されたノードの電位を変化し、前記第３ノード７１３のバイアスを変化する第１スイッチ７０２ａと、前記第１スイッチ７０２ａに連結され、第１ロー信号ＲＯＷ１が印加されて第１フォトダイオード７０１ａで変換された電圧信号を第１カラムライン７２７に出力する第２スイッチ７０２ｂと、前記第１ノード７１１及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第１ノード７１１に蓄積された信号電荷をリセットする第３スイッチ７０２ｃとから構成されており、これにより、前記第１カラムライン７２７を通して第１光信号が出力される。
また、前記第２能動ピクセル回路７０３は、第４ノード７１４、電源端子ＶＤＤ及び前記第２ノード７１２に連結され、前記第２ノード７１２に蓄積された信号電荷によって前記第２ノード７１２に連結されたノードの電位を変化し、前記第４ノード７１４のバイアスを変化する第４スイッチ７０３ａと、前記第４スイッチ７０３ａに連結され、第２ロー信号ＲＯＷ２が印加されて第２及び第３フォトダイオード７０１ｂ，７０１ｃで変換された電圧信号を第１カラムライン７２７に出力する第５スイッチ７０３ｂと、前記第２ノード７１２及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第２ノード７１２に蓄積された信号電荷をリセットする第６スイッチ７０３ｃとから構成されており、これにより、前記第１カラムライン７２７を通して第２光信号が出力される。
また、前記第３能動ピクセル回路７０５は、第８ノード７１８、電源端子ＶＤＤ及び第７ノード７１７に連結され、前記第７ノード７１７に蓄積された信号電荷によって前記第７ノード７１７に連結されたノードの電位を変化し、前記第８ノード７１８のバイアスを変化する第７スイッチ７０５ａと、前記第７スイッチ７０５ａに連結され、第１ロー信号ＲＯＷ１が印加されて第４乃至第６フォトダイオード７０４ａ〜７０４ｃで変換された電圧信号を第４カラムライン７３０に出力する第８スイッチ７０５ｂと、前記第７ノード７１７及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第７ノード７１７に蓄積された信号電荷をリセットする第９スイッチ７０５ｃとから構成されており、これにより、前記第４カラムライン７３０を通して第３光信号が出力される。
また、前記第４能動ピクセル回路７０７は、第１１ノード７２１、電源端子ＶＤＤ及び前記第９ノード７１９に連結され、前記第９ノード７１９に蓄積された信号電荷によって前記第９ノード７１９に連結されたノードの電位を変化し、前記第１１ノード７２１のバイアスを変化する第１０スイッチ７０７ａと、前記第１０スイッチ７０７ａに連結され、第３ロー信号ＲＯＷ３が印加されて第７フォトダイオード７０６ａで変換された電圧信号を第３カラムライン７２９に出力する第１１スイッチ７０７ｂと、前記第９ノード７１９及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第９ノード７１９に蓄積された信号電荷をリセットする第１２スイッチ７０７ｃとから構成されており、これにより、前記第３カラムライン７２９を通して第１光信号が出力される。
そして、前記第５能動ピクセル回路７０８は、第１２ノード７２２、電源端子ＶＤＤ及び前記第１０ノード７２０に連結され、前記第１０ノード７２０に蓄積された信号電荷によって前記第１０ノード７２０に連結されたノードの電位を変化し、前記第１２ノード７２２のバイアスを変化する第１３スイッチ７０８ａと、前記第１３スイッチ７０８ａに連結され、第４ロー信号ＲＯＷ４が印加されて第８及び第９フォトダイオード７０６ｂ，７０６ｃで変換された電圧信号を第３カラムライン７２９に出力する第１４スイッチ７０８ｂと、前記第１０ノード７２０及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第１０ノード７２０に蓄積された信号電荷をリセットする第１５スイッチ７０８ｃとから構成されており、このとき、前記第３カラムライン７２９を通して第２光信号が出力される。
併せて、前記第６能動ピクセル回路７１０は、第１６ノード７２６、電源端子ＶＤＤ及び第１５ノード７２５に連結され、前記第１５ノード７２５に蓄積された信号電荷によって前記第１５ノード７２５に連結されたノードの電位を変化し、前記第１６ノード７２６のバイアスを変化する第１６スイッチ７１０ａと、前記第１６スイッチ７１０ａに連結され、第３ロー信号ＲＯＷ３が印加されて第１０乃至第１２フォトダイオード７０９ａ〜７０９ｃで変換された電圧信号を第２カラムライン７２８に出力する第１７スイッチ７１０ｂと、前記第１５ノード７２５及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第１５ノード７２５に蓄積された信号電荷をリセットする第１８スイッチ７１０ｃとから構成されており、これにより、前記第２カラムライン７２８を通して第３光信号が出力される。
ここで、前記第１乃至第１８スイッチは、トランジスタからなり、前記第１乃至第４ロー信号ＲＯＷ１〜ＲＯＷ４は、順次印加される。
したがって、前記第１ロー信号ＲＯＷ１が印加されると、前記第１カラムライン７２７に第１光信号が出力され、前記第４カラムライン７３０に第３光信号が出力される。
また、前記第２ロー信号ＲＯＷ２が印加されると、前記第１カラムライン７２７に第２光信号が出力される。そして、前記第３ロー信号ＲＯＷ３が印加されると、前記第２カラムライン７２８に第３光信号が出力され、前記第３カラムライン７２９に第１光信号が出力される。
併せて、前記第４ロー信号ＲＯＷ４が印加されると、前記第３カラムライン７２９に第２光信号が出力される。このように、前記第１乃至第４カラムライン７２７〜７３０を通して出力された各信号は、図５に示したデコーダ及びＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）のようなアナログ信号処理部５０５に入力される。
一方、図７−ｂに示すように、４−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路を用いて構成した基本単位７００の回路図は、前記第１乃至第６能動ピクセル回路７０２，７０３，７０５，７０７，７０８，７１０の前記第１、第２、第７、第９、第１０及び第１５ノード７１１，７１２，７１７，７１９，７２０，７２５にトランスファ信号Ｔ１〜Ｔ４が印加され、前記第１乃至第１２フォトダイオードで生成された信号電荷をトランスファする第１９乃至第２４スイッチ７０２ｄ，７０３ｄ，７０５ｄ，７０７ｄ，７０８ｄ，７１０ｄをそれぞれ連結することで構成でき、これにより、第１９乃至第２４スイッチ７０２ｄ，７０３ｄ，７０５ｄ，７０７ｄ，７０８ｄ，７１０ｄも、トランジスタからなる。
図７−ａ及び図７−ｂに示した第１実施形態のピクセルセンサアレイの基本単位７００は、４色の光信号を出力する従来より２色多い６色の光信号を出力できるので、高解像度、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）及び向上したダイナミックレンジを期待できるという利点がある。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセルの断面図及びカラーフィルタアレイの平面図は、一ピクセル当たり１個の能動ピクセル回路を用いる点を除けば、図６−ａ及び図６−ｂに示した第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセル６００の断面図及びカラーフィルタアレイ６５０の平面図と同一である。
一方、図８−ａ及び図８−ｂは、第２実施形態によるピクセルセンサアレイの基本単位８００を示した回路図であり、第１実施形態と同様に、図８−ａは、３−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路を用いて構成したものであり、図８−ｂは、４−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路を用いて構成したものである。
まず、図８−ａに示すように、前記ピクセルセンサアレイ８００は、前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第１光電変換部８０１と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第１能動ピクセル回路８０２とからなる第１ピクセルセンサ８００ａと；前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第２光電変換部８０３と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第２能動ピクセル回路８０４とからなる第２ピクセルセンサ８００ｂと；前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第３光電変換部８０５と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第３能動ピクセル回路８０６とからなる第３ピクセルセンサ８００ｃと；前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第４光電変換部８０７と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第４能動ピクセル回路８０８とからなる第４ピクセルセンサ８００ｄとから構成されており、第１実施形態と同様に、前記第１乃至第４ピクセルセンサ８００ａ〜８００ｄからなる２×２配列の構造を基本単位８００にし、前記基本単位８００を繰り返して配列することで形成される。
ここで、前記第１及び第２光電変換部８０１，８０３は、二重でＰＮ接合された第１乃至第３フォトダイオード８０１ａ〜８０１ｃ及び第４乃至第６フォトダイオード８０３ａ〜８０３ｃによって構成されており、前記第３及び第４光電変換部８０５，８０７は、二重でＰＮ接合された第７乃至第９フォトダイオード８０５ａ〜８０５ｃ及び第１０乃至第１２フォトダイオード８０７ａ〜８０７ｃによって構成される。
また、前記第１乃至第１２フォトダイオードは、二重でＰＮ接合されるので、前記第１乃至第３光信号のうち、波長の最も短い第１光信号は、第１及び第７フォトダイオード８０１ａ，８０５ａから検出でき、波長の最も長い第２光信号は、第２及び第３フォトダイオード８０１ｂ，８０１ｃと第８及び第９フォトダイオード８０５ｂ，８０５ｃから検出でき、波長が中間程度の第３光信号は、前記第４乃至第６フォトダイオード８０３ａ〜８０３ｃと第１０乃至第１２フォトダイオード８０７ａ〜８０７ｃから検出できる。
このとき、前記第１フォトダイオード８０１ａの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１ノード８０９に連結される。また、前記第２及び第３フォトダイオード８０１ｂ，８０１ｃの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第２ノード８１０に連結される。
また、前記第４フォトダイオード８０３ａの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第４ノード８１２に連結される。また、前記第５及び第６フォトダイオード８０３ｂ，８０３ｃの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第５ノード８１３に連結される。
また、前記第７フォトダイオード８０５ａの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１ノード８０９に連結される。また、前記第８及び第９フォトダイオード８０５ｂ，８０５ｃの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第２ノード８１０に連結される。
併せて、前記第１０フォトダイオード８０７ａの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第９ノード８１７に連結される。また、前記第１１及び第１２フォトダイオード８０７ｂ，８０７ｃの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１０ノード８１８に連結される。
一方、前記第１能動ピクセル回路８０２は、第３ノード８１１、電源端子ＶＤＤ及び前記第１ノード８０９に連結され、前記第１ノード８０９に蓄積された信号電荷によって前記第１ノード８０９に連結されたノードの電位を変化し、前記第３ノード８１１のバイアスを変化する第１スイッチ８０２ａと、前記第１スイッチ８０２ａに連結され、第１ローＲＯＷ１信号が印加されて第１フォトダイオード８０１ａで変換された電圧信号を第１カラムライン８２１に出力する第２スイッチ８０２ｂと、前記第１ノード８０９及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第１ノード８０９に蓄積された信号電荷をリセットする第３スイッチ８０２ｃとから構成されており、これにより、前記第１カラムライン８２１を通して第１光信号が出力される。
また、前記第２能動ピクセル回路８０４は、第７ノード８１５、電源端子ＶＤＤ及び第６ノード８１４に連結され、前記第６ノード８１４に蓄積された信号電荷によって前記第６ノード８１４に連結されたノードの電位を変化し、前記第７ノード８１５のバイアスを変化する第４スイッチ８０４ａと、前記第４スイッチ８０４ａに連結され、第１ロー信号ＲＯＷ１が印加されて第４乃至第６フォトダイオード８０３ａ〜８０３ｃで変換された電圧信号を第４カラムライン８２４に出力する第５スイッチ８０４ｂと、前記第６ノード８１４及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第６ノード８１４に蓄積された信号電荷をリセットする第６スイッチ８０４ｃとから構成されており、前記第４カラムライン８２４を通して第３光信号が出力される。
また、前記第３能動ピクセル回路８０６は、第８ノード８１６、電源端子ＶＤＤ及び前記第２ノード８１０に連結され、前記第２ノード８１０に蓄積された信号電荷によって前記第２ノード８１０に連結されたノードの電位を変化し、前記第８ノード８１６のバイアスを変化する第７スイッチ８０６ａと、前記第７スイッチ８０６ａに連結され、第２ロー信号ＲＯＷ２が印加されて第２、第３、第８及び第９フォトダイオード８０１ｂ，８０１ｃ，８０５ｂ，８０５ｃで変換された電圧信号を第３カラムライン８２３に出力する第８スイッチ８０６ｂと、前記第２ノード８１０及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第２ノード８１０に蓄積された信号電荷をリセットする第９スイッチ８０６ｃとから構成されており、前記第３カラムライン８２３を通して第２光信号が出力される。
併せて、前記第４能動ピクセル回路８０８は、第１２ノード８２０、電源端子ＶＤＤ及び第１１ノード８１９に連結され、前記第１１ノード８１９に蓄積された信号電荷によって前記第１１ノード８１９に連結されたノードの電位を変化し、前記第１２ノード８２０のバイアスを変化する第１０スイッチ８０８ａと、前記第１０スイッチ８０８ａに連結され、第２ロー信号ＲＯＷ２が印加されて第１０乃至第１２フォトダイオード８０７ａ〜８０７ｃで変換された電圧信号を第２カラムライン８２２に出力する第１１スイッチ８０８ｂと、前記第１１ノード８１９及び電源端子ＶＤＤに連結され、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加されて前記第１１ノード８１９に蓄積された信号電荷をリセットする第１２スイッチ８０８ｃとから構成されており、前記第２カラムライン８２２を通して第３光信号が出力される。
ここで、前記第１乃至第１２スイッチは、トランジスタからなり、前記第１及び第２ロー信号ＲＯＷ１，ＲＯＷ２は、順次印加される。
したがって、前記第１ロー信号ＲＯＷ１が印加されると、前記第１カラムライン８２１に第１光信号が出力され、前記第４カラムライン８２４に第３光信号が出力される。
また、前記第２ロー信号ＲＯＷ２が印加されると、前記第２カラムライン８２２に第３光信号が出力され、前記第３カラムライン８２３に第２光信号が出力される。
このように、前記第１乃至第４カラムライン８２１〜８２４を通して出力された各信号は、図５に示したデコーダ及びＣＤＳのようなアナログ信号処理部５０５に入力される。
一方、図８−ｂに示すように、４−トランジスタの形態を有する能動ピクセル回路を用いて構成した基本単位８００の回路図は、第１実施形態と同様に、前記第１乃至第４能動ピクセル回路８０２，８０４，８０６，８０８の前記第１、第２、第６及び第１１ノードにトランスファ信号Ｔ１，Ｔ２が印加されて前記第１乃至第１２フォトダイオードで生成された信号電荷をトランスファする第１３乃至第１６スイッチ８０２ｄ，８０４ｄ，８０６ｄ，８０８ｄをそれぞれ連結することで構成でき、このとき、第１３乃至第１６スイッチ８０２ｄ，８０４ｄ，８０６ｄ，８０８ｄも、トランジスタからなる。
図８−ａ及び図８−ｂに示した第２実施形態によるピクセルセンサアレイの基本単位８００は、第１実施形態による第１ピクセルセンサ及び第３ピクセルセンサから出力できる第１及び第２光信号を一つに合成して第１カラムライン８２１を通して第１光信号を出力し、第３カラムライン８２３を通して第２光信号を出力することで、一層高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）及びフィルファクターを得られるという利点がある。
以上説明した本発明の好ましい実施形態は、例示のために開示されたものに過ぎず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲で多様な置換、変形及び変更が可能であり、これら置換及び変更などは、特許請求の範囲に属するものと見なすべきである。
以上のように、本発明にかかるＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイは、デジタルカメラ、モバイルフォン及びＰＣカメラなどに有用であり、特に、オートモバイルなどの特殊な用途に適している。
従来のＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセルを示した断面図である。 従来のカラーフィルタアレイを示した平面図である。 従来の能動ピクセル回路を示した図である。 従来の能動ピクセル回路を示した図である。 従来のピクセルセンサアレイの基本単位を示した回路図である。 ＣＭＯＳイメージセンサのブロックダイアグラムを示したブロック図である。 本発明の第１及び第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセルを示した断面図である。 本発明の第１及び第２実施形態によるカラーフィルタアレイを示した平面図である。 本発明の第１実施形態によるピクセルセンサアレイの基本単位を示した回路図である。 本発明の第１実施形態によるピクセルセンサアレイの基本単位を示した回路図である。 本発明の第２実施形態によるピクセルセンサアレイの基本単位を示した回路図である。 本発明の第２実施形態によるピクセルセンサアレイの基本単位を示した回路図である。
符号の説明
６００ 第１及び第２実施形態の単位ピクセル
６１０ カラーフィルタ
６２０ フォトダイオード
６３０ 能動ピクセル回路
６５０ カラーフィルタアレイ
６６０ カラーフィルタアレイの基本単位
７００ 第１実施形態のピクセルセンサアレイ
７００ａ〜７００ｄ 第１実施形態の第１乃至第４ピクセルセンサ
７０１，７０４，７０６，７０９ 第１実施形態の第１乃至第４光電変換部
７０２，７０３，７０５，７０７，７０８，７１０ 第１実施形態の第１乃至第６能動ピクセル回路
７２７〜７３０ 第１実施形態の第１乃至第４カラムライン
８００ 第２実施形態のピクセルセンサアレイ
８００ａ〜８００ｄ 第２実施形態の第１乃至第４ピクセルセンサ
８０１，８０３，８０５，８０７ 第２実施形態の第１乃至第４光電変換部
８０２，８０４，８０６，８０８ 第２実施形態の第１乃至第４能動ピクセル回路
８２１〜８２４ 第２実施形態の第１乃至第４カラムライン

Claims (8)

  1. 全ての波長の光信号のうち、光の波長が異なる２個の第１及び第２光信号を検出して電流及び電圧信号を生成するピクセルセンサと、所定波長の第３光信号を検出して電流及び電圧信号を生成するピクセルセンサと、が交互に配列されるピクセルセンサアレイと;
    前記ピクセルセンサアレイの上部に形成され、全ての波長の光信号を透過するフィルタと、所定波長の第３光信号を透過するフィルタと、が交互に配列されるカラーフィルタアレイと、を含み、
    前記カラーフィルタアレイは、前記全ての波長の光信号を透過する第１及び第３フィルタと、前記第３光信号を透過する第２及び第４フィルタを基本単位にし、前記基本単位が繰り返して配列され、
    前記ピクセルセンサアレイは、
    前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第１光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第１及び第２能動ピクセル回路とからなる第１ピクセルセンサと;
    前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第２光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第３能動ピクセル回路とからなる第２ピクセルセンサと;
    前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第３光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第４及び第５能動ピクセル回路とからなる第３ピクセルセンサと;
    前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第４光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第６能動ピクセル回路とからなる第４ピクセルセンサと、を含み、前記第１乃至第４ピクセルセンサを基本単位にし、前記基本単位が繰り返して配列され、
    前記第１及び第２光電変換部は、二重でＰＮ接合された第１乃至第３フォトダイオード及び第４乃至第６フォトダイオードによって構成されており、前記第３及び第４光電変換部は、二重でＰＮ接合された第７乃至第９フォトダイオード及び第１０乃至第１２フォトダイオードによって構成され、
    前記第１及び第７フォトダイオードは、前記第１光信号を検出し、前記第２及び第３フォトダイオードと第８及び第９フォトダイオードは、前記第２光信号を検出し、前記第４乃至第６フォトダイオードと第１０乃至第１２フォトダイオードは、前記第３光信号を検出し、
    前記第１フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１ノードに連結されており、前記第２及び第３フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第２ノードに連結され、
    前記第４フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第５ノードに連結されており、前記第５及び第６フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第６ノードに連結され、
    前記第７フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第９ノードに連結されており、前記第８及び第９フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１０ノードに連結され、
    前記第１０フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１３ノードに連結されており、前記第１１及び第１２フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１４ノードに連結され、
    前記第１能動ピクセル回路は、
    第３ノード、電源端子及び前記第１ノードに連結され、前記第１ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第３ノードのバイアスを変化する第１スイッチと;
    前記第１スイッチに連結され、第１ロー信号が印加されて第１フォトダイオードで変換された電圧信号を第１カラムラインに出力する第２スイッチと;
    前記第１ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第３スイッチと、を含み、
    前記第２能動ピクセル回路は、
    第４ノード、電源端子及び前記第２ノードに連結され、前記第２ノードに蓄積された信号電荷によって前記第２ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第４ノードのバイアスを変化する第４スイッチと;
    前記第４スイッチに連結され、第２ロー信号が印加されて第２及び第３フォトダイオードで変換された電圧信号を第１カラムラインに出力する第５スイッチと;
    前記第２ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第２ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第６スイッチと、を含み、
    前記第３能動ピクセル回路は、
    第８ノード、電源端子及び第７ノードに連結され、前記第７ノードに蓄積された信号電荷によって前記第７ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第８ノードのバイアスを変化する第７スイッチと;
    前記第７スイッチに連結され、第１ロー信号が印加されて第４乃至第６フォトダイオードで変換された電圧信号を第４カラムラインに出力する第８スイッチと;
    前記第７ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第７ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第９スイッチと、を含み、
    前記第４能動ピクセル回路は、
    第１１ノード、電源端子及び前記第９ノードに連結され、前記第９ノードに蓄積された信号電荷によって前記第９ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第１１ノードのバイアスを変化する第１０スイッチと;
    前記第１０スイッチに連結され、第３ロー信号が印加されて第７フォトダイオードで変換された電圧信号を第３カラムラインに出力する第１１スイッチと;
    前記第９ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第９ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第１２スイッチと、を含み、
    前記第５能動ピクセル回路は、
    第１２ノード、電源端子及び前記第１０ノードに連結され、前記第１０ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１０ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第１２ノードのバイアスを変化する第１３スイッチと;
    前記第１３スイッチに連結され、第４ロー信号が印加されて第８及び第９フォトダイオードで変換された電圧信号を第３カラムラインに出力する第１４スイッチと;
    前記第１０ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１０ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第１５スイッチと、を含み、
    前記第６能動ピクセル回路は、
    第１６ノード、電源端子及び第１５ノードに連結され、前記第１５ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１５ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第１６ノードのバイアスを変化する第１６スイッチと;
    前記第１６スイッチに連結され、第３ロー信号が印加されて第１０乃至第１２フォトダイオードで変換された電圧信号を第２カラムラインに出力する第１７スイッチと;
    前記第１５ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１５ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第１８スイッチと、を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイ。
  2. 前記第１乃至第４ロー信号は、順次印加されることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイ。
  3. 前記第１乃至第６能動ピクセル回路の前記第１、第２、第７、第９、第１０及び第１５ノードにそれぞれ連結され、トランスファ信号が印加されて前記第１乃至第１２フォトダイオードで生成された信号電荷をトランスファする第１９乃至第２４スイッチをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイ。
  4. 前記第１乃至第２４スイッチは、トランジスタであることを特徴とする請求項３に記載のＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイ。
  5. 全ての波長の光信号のうち、光の波長が異なる２個の第１及び第２光信号を検出して電流及び電圧信号を生成するピクセルセンサと、所定波長の第３光信号を検出して電流及び電圧信号を生成するピクセルセンサと、が交互に配列されるピクセルセンサアレイと;
    前記ピクセルセンサアレイの上部に形成され、全ての波長の光信号を透過するフィルタと、所定波長の第３光信号を透過するフィルタと、が交互に配列されるカラーフィルタアレイと、を含み、
    前記カラーフィルタアレイは、前記全ての波長の光信号を透過する第１及び第３フィルタと、前記第３光信号を透過する第２及び第４フィルタを基本単位にし、前記基本単位が繰り返して配列され、
    前記ピクセルセンサアレイは、
    前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第１光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第１能動ピクセル回路とからなる第１ピクセルセンサと;
    前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第２光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第２能動ピクセル回路とからなる第２ピクセルセンサと;
    前記第１及び第２光信号を検出して電流信号を生成する第３光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第３能動ピクセル回路とからなる第３ピクセルセンサと;
    前記第３光信号を検出して電流信号を生成する第４光電変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する第４能動ピクセル回路とからなる第４ピクセルセンサと、を含み、前記第１乃至第４ピクセルセンサを基本単位にし、前記基本単位が繰り返して配列され、
    前記第１及び第２光電変換部は、二重でＰＮ接合された第１乃至第３フォトダイオード及び第４乃至第６フォトダイオードによって構成されており、前記第３及び第４光電変換部は、二重でＰＮ接合された第７乃至第９フォトダイオード及び第１０乃至第１２フォトダイオードによって構成され、
    前記第１及び第７フォトダイオードは、前記第１光信号を検出し、前記第２及び第３フォトダイオードと第８及び第９フォトダイオードは、前記第２光信号を検出し、前記第４乃至第６フォトダイオードと第１０乃至第１２フォトダイオードは、前記第３光信号を検出し、
    前記第１フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１ノードに連結されており、前記第２及び第３フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第２ノードに連結され、
    前記第４フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第４ノードに連結されており、前記第５及び第６フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第５ノードに連結され、
    前記第７フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１ノードに連結されており、前記第８及び第９フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第２ノードに連結され、
    前記第１０フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第９ノードに連結されており、前記第１１及び第１２フォトダイオードの陽極端子は接地端子に連結され、陰極端子は第１０ノードに連結され、
    前記第１能動ピクセル回路は、
    第３ノード、電源端子及び前記第１ノードに連結され、前記第１ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第３ノードのバイアスを変化する第１スイッチと;
    前記第１スイッチに連結され、第１ロー信号が印加されて第１及び第７フォトダイオードで変換された電圧信号を第１カラムラインに出力する第２スイッチと;
    前記第１ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第３スイッチと、を含み、
    前記第２能動ピクセル回路は、
    第７ノード、電源端子及び第６ノードに連結され、前記第６ノードに蓄積された信号電荷によって前記第６ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第７ノードのバイアスを変化する第４スイッチと;
    前記第４スイッチに連結され、第１ロー信号が印加されて第４乃至第６フォトダイオードで変換された電圧信号を第４カラムラインに出力する第５スイッチと;
    前記第６ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第６ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第６スイッチと、を含み、
    前記第３能動ピクセル回路は、
    第８ノード、電源端子及び前記第２ノードに連結され、前記第２ノードに蓄積された信号電荷によって前記第２ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第８ノードのバイアスを変化する第７スイッチと;
    前記第７スイッチに連結され、第２ロー信号が印加されて第２、第３、第８及び第９フォトダイオードで変換された電圧信号を第３カラムラインに出力する第８スイッチと;
    前記第２ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第２ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第９スイッチと、を含み、
    前記第４能動ピクセル回路は、
    第１２ノード、電源端子及び第１１ノードに連結され、前記第１１ノードに蓄積された信号電荷によって前記第１１ノードに連結されたノードの電位を変化し、前記第１２ノードのバイアスを変化する第１０スイッチと;
    前記第１０スイッチに連結され、第２ロー信号が印加されて第１０乃至第１２フォトダイオードで変換された電圧信号を第２カラムラインに出力する第１１スイッチと;
    前記第１１ノード及び電源端子に連結され、リセット信号が印加されて前記第１１ノードに蓄積された信号電荷をリセットする第１２スイッチと、を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイ。
  6. 前記第１及び第２ロー信号は、順次印加されることを特徴とする請求項５に記載のＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイ。
  7. 前記第１乃至第４能動ピクセル回路の前記第１、第２、第６及び第１１ノードにそれぞれ連結され、トランスファ信号が印加されて前記第１乃至第１２フォトダイオードで生成された信号電荷をトランスファする第１３乃至第１６スイッチをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイ。
  8. 前記第１乃至第１６スイッチは、トランジスタであることを特徴とする請求項７に記載のＣＭＯＳイメージセンサの能動ピクセルアレイ。
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