JP5124368B2 - 撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents
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Description
固体撮像素子の1画素から信号を得るには、まず、電荷蓄積部に蓄積されていた電荷をリセットドレインに排出してリセットする(時刻T0)。このとき、図示したように、電荷蓄積部内にはリセット動作に伴って発生するノイズ電荷であるリセットノイズN1が蓄積される。リセットが完了すると光電変換膜の露光が開始され、この露光によって発生した電荷Qが接続部から電位障壁を通って電荷蓄積部へと蓄積される(時刻T1)。そして、この露光期間中に電荷蓄積部に蓄積された電荷量に応じた信号が信号読み出し回路から出力される。信号出力後は、時刻T2に示すように再びリセット動作が行われ、電荷蓄積部にはリセットノイズN2が蓄積されて、この状態で次の露光が開始される。
ΔQ∝ln(1+αt) ・・・(1)
だたし、αは比例係数
図1は、本発明の第一実施形態である固体撮像素子の1画素分の断面模式図である。本実施形態の固体撮像素子は、図1に示す1画素を同一平面上で1次元状又は二次元状に複数配置した構成となっている。以下では、図1に示す1画素を、行(水平)方向とこれに直交する列(垂直)方向に二次元状に配列した構成を例にして説明する。
図1に示す固体撮像素子は、半導体基板であるp型シリコン基板1(以下、基板1という)と、基板1上方にゲート絶縁膜2及び絶縁層10を介して積層された光電変換素子Pとを備える。
図2に示すように、信号出力回路は、リセットトランジスタの他に出力トランジスタ5aと行選択トランジスタ5bとを備える。出力トランジスタ5aは、そのゲートが第二の電荷蓄積部5に接続され、そのドレインが電源に接続され、そのソースが行選択トランジスタ5bのドレインに接続されている。出力トランジスタ5aは、第二の電荷蓄積部5に蓄積された電荷の電荷量に応じた電圧信号を出力するものである。
図3に示す撮像装置は、図1に示す画素をアレイ状に配置した固体撮像素子30と、固体撮像素子30の各画素から得られる信号に相関二重サンプリング(CDS)処理を行ってリセットノイズを除去するCDS回路31と、CDS回路31の出力信号をデジタル信号に変換するA/D変換器32と、A/D変換器32から出力されるデジタル信号に所定のデジタル信号処理を施して画像データを生成するデジタル信号処理部33と、デジタル信号処理部33で生成された画像データが記録される記録メディア34と、固体撮像素子30を駆動する駆動部35と、撮像装置全体を統括制御するシステム制御部36とを備える。尚、固体撮像素子30、CDS回路31、及びA/D変換器32は1チップ(1IC)の中に組み込まれていても良い。
まず、時刻T0[i]の状態を初期状態とする。初期状態とは、iライン目の各画素の転送ゲート8に電荷転送パルスが印加されておらず、iライン目の各画素のリセットゲート9にリセットパルスが印加されておらず、iライン目の各画素のリセットドレイン6の電位が既定値(第一の電荷蓄積部4の電位よりも十分に高い値)になっている状態である。初期状態では、接続部3の電荷が、熱拡散によりΔQだけ減少している。
次に、駆動部35は、iライン目の各画素の転送ゲート8に電荷転送パルスを印加して、第一の電荷蓄積部4から第二の電荷蓄積部5に電荷を転送する。そして、iライン目の各画素の第二の電荷蓄積部5に転送された電荷に応じた撮像信号(Sig)を信号出力回路から出力させる。出力された撮像信号(Sig)はCDS回路31にてサンプリングされ、(Sig)−(dark)の処理がなされて、リセットノイズNに応じた信号が除去される。
次に、駆動部35は、iライン目の各画素のリセットゲート9にリセットパルスを印加する。これにより、iライン目の各画素の第二の電荷蓄積部5に存在していた電荷はリセットドレイン6に排出される。そして、駆動部35は、iライン目の各画素の転送ゲート8への電荷転送パルスの印加と、iライン目の各画素のリセットゲート9へのリセットパルスの印加を停止して初期状態に戻る。
予め、本特性を撮像システムに記録しておけば、システム的にリニアリティ補正が可能となり、入射光量に対する信号出力特性を線形にすることができる。熱励起による放出電流量は時間と共に指数関数的に減少((式1)参照)し、放出電流量が、接続部3に流れ込む電流量(暗電流+被写体に応じた信号電流)と釣り合った時に熱平衡状態に達し、熱励起による放出電流量は見かけ上0となる。よって、入力信号に対する出力特性も図5のように信号蓄積時間の関数となる。このように、信号蓄積時間(露光時間)と出力電荷量を知ることができれば、図5に示したグラフから、信号電流量を知ることができるため、リニアリティ補正が可能となる。
第一実施形態の駆動方式では、露光によって発生した電荷に応じた信号を出力させている期間において、接続部3から第一の電荷蓄積部4に熱拡散によって電荷が流入してしまい、これがノイズとなる可能性がある。本実施形態では、このノイズの発生を防止することのできる駆動方式について説明する。
まず、時刻T0[i]の状態を初期状態とする。初期状態とは、iライン目の各画素の電位障壁部7の電位が露光期間中に設定すべき露光電位よりも十分小さな第一の電位になっており、iライン目の各画素の転送ゲート8に電荷転送パルスが印加されておらず、iライン目の各画素のリセットゲート9にリセットパルスが印加されておらず、iライン目の各画素のリセットドレイン6の電位が既定値(第一の電荷蓄積部4の電位よりも十分に高い値)になっている状態である。初期状態では、接続部3の電荷が熱拡散により減少しており、接続部3にポテンシャル井戸が形成されている。又、第二の電荷蓄積部5には、直前のリセット動作によって発生したリセットノイズNが蓄積されている。尚、露光電位及び第一の電位は設計時に任意に決められた値である。
本実施形態では、第一実施形態で説明した撮像装置において、接続部3と電位障壁部7を同電位にする別の方法について説明する。
図7に示す固体撮像素子は、図1に示す固体撮像素子に、接続部3に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを追加した構成となっている。
この電荷注入トランジスタは、接続部3と、基板1内の接続部3の隣に少し離間して設けられたn型不純物層18と、接続部3とn型不純物層18の間の基板1上方にゲート絶縁膜2を介して設けられたゲート電極17とから構成されている。
まず、時刻T0[i]の状態を初期状態とする。初期状態とは、iライン目の各画素の電荷注入ソース18の電位が高電位となっており、iライン目の各画素の転送ゲート8に電荷転送パルスが印加されておらず、iライン目の各画素のリセットゲート9にリセットパルスが印加されておらず、iライン目の各画素のリセットドレイン6の電位が既定値(第一の電荷蓄積部4の電位よりも十分に高い値)になっている状態である。初期状態では、接続部3の電荷が熱拡散により減少している。
本実施形態では、第一実施形態で説明した撮像装置において、接続部3と電位障壁部7を同電位にする別の方法について説明する。
本実施形態の撮像装置の構成は、第三実施形態で説明したものと同様である。ただし、本実施形態の撮像装置の駆動部35は、電荷注入ソース18の電位は固定とし、電荷注入ゲート17の電位を、電荷注入ソース18の電位よりも高い高電位と、電荷注入ソース18の電位よりも低い低電位との2種類の電位のいずれかとなるように制御する。
まず、時刻T0[i]の状態を初期状態とする。初期状態とは、iライン目の各画素の電荷注入ゲート17の電位が低電位となっており、iライン目の各画素の転送ゲート8に電荷転送パルスが印加されておらず、iライン目の各画素のリセットゲート9にリセットパルスが印加されておらず、iライン目の各画素のリセットドレイン6の電位が既定値(第一の電荷蓄積部4の電位よりも十分に高い値)になっている状態である。初期状態では、接続部3の電荷が熱拡散により減少している。
3 接続部
4 第一の電荷蓄積部
7 電位障壁部
14 下部電極
15 光電変換層
16 上部電極
P 光電変換素子
30 固体撮像素子
35 駆動部
Claims (16)
- 半導体基板上方に積層された一対の電極とこれに挟まれる光電変換層とを含む光電変換素子をそれぞれ有する複数の画素を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える撮像装置であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記一対の電極の一方と電気的に接続される接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号出力回路とを含み、
前記駆動手段は、前記接続部に電荷を注入して、前記接続部と前記電位障壁部を同電位にした状態で前記画素の露光を開始する駆動を行う撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記駆動手段は、前記信号出力回路を構成するリセットトランジスタのドレインの電位を前記電位障壁部の電位よりも下降又は上昇させて前記接続部に電荷を注入し、前記電荷の注入後、前記ドレインの電位を既定の電位に戻し、この動作によって発生した不要電荷を前記ドレインに排出することで前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記画素が、前記接続部をドレインとするトランジスタであって、前記接続部に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを備え、
前記駆動手段は、前記電荷注入トランジスタのソースの電位を、前記電荷注入トランジスタのゲートの電位よりも下降又は上昇させて、前記ソースから前記接続部に電荷を注入し、前記電荷の注入後、前記ソースの電位を既定の電位に戻し、この動作によって発生した不要電荷を前記信号出力回路を構成するリセットトランジスタのドレインに排出することで前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記画素が、前記接続部をドレインとするトランジスタであって、前記接続部に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを備え、
前記駆動手段は、前記電荷注入トランジスタのゲートの電位を、前記電荷注入トランジスタのソースの電位よりも上昇又は下降させて、前記ソースから前記接続部に電荷を注入し、前記電荷の注入後、前記ゲートの電位を既定の電位に戻し、この動作によって発生した不要電荷を前記信号出力回路を構成するリセットトランジスタのドレインに排出することで前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする撮像装置。 - 請求項2〜4のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記駆動手段が、前記露光の終了と共に、前記電位障壁部の電位を、前記露光中の電位よりも低く又は高くし、前記露光によって得られた信号の出力後から前記不要電荷を排出する駆動を行うまでの間に、前記電位障壁部の電位を、前記露光中の電位に戻す撮像装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記信号出力回路を構成する出力トランジスタのゲートに接続された第二の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第二の電荷蓄積部に転送する電荷転送手段とを備える撮像装置。 - 請求項6記載の撮像装置であって、
前記第一の電荷蓄積部が埋め込み型の蓄積部である撮像装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記光電変換層が有機材料で構成されている撮像装置。 - 半導体基板上方に積層された一対の電極とこれに挟まれる光電変換層とを含む光電変換素子をそれぞれ有する複数の画素を含む固体撮像素子の駆動方法であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記一対の電極の一方と電気的に接続される接続部と、前記半導体基板内に前記接続部に隣接して設けられ、該接続部の電位に対して電位障壁となる電位障壁部と、前記半導体基板内に前記電位障壁部に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷が前記接続部及び前記電位障壁部を介して蓄積される第一の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号出力回路とを含み、
前記接続部に電荷を注入して、前記接続部と前記電位障壁部を同電位にした状態で前記画素の露光を開始する駆動ステップを有する固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項9記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記駆動ステップでは、前記信号出力回路を構成するリセットトランジスタのドレインの電位を前記電位障壁部の電位よりも下降又は上昇させて前記接続部に電荷を注入し、前記電荷の注入後、前記ドレインの電位を既定の電位に戻し、この動作によって発生した不要電荷を前記ドレインに排出することで前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項9記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記画素が、前記接続部をドレインとするトランジスタであって、前記接続部に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを備え、
前記駆動ステップでは、前記電荷注入トランジスタのソースの電位を、前記電荷注入トランジスタのゲートの電位よりも下降又は上昇させて、前記ソースから前記接続部に電荷を注入し、前記電荷の注入後、前記ソースの電位を既定の電位に戻し、この動作によって発生した不要電荷を前記信号出力回路を構成するリセットトランジスタのドレインに排出することで前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項9記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記画素が、前記接続部をドレインとするトランジスタであって、前記接続部に電荷を注入するための電荷注入トランジスタを備え、
前記駆動ステップでは、前記電荷注入トランジスタのゲートの電位を、前記電荷注入トランジスタのソースの電位よりも上昇又は下降させて、前記ソースから前記接続部に電荷を注入し、前記電荷の注入後、前記ゲートの電位を既定の電位に戻し、この動作によって発生した不要電荷を前記信号出力回路を構成するリセットトランジスタのドレインに排出することで前記接続部と前記電位障壁部を同電位にする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項10〜12のいずれか1項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記露光の終了と共に、前記電位障壁部の電位を、前記露光中の電位よりも低く又は高くするステップを有し、
前記露光によって得られた信号の出力後から前記駆動ステップにおいて前記不要電荷を排出するまでに、前記電位障壁部の電位を前記露光中の電位に戻す固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項9〜13のいずれか1項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記画素が、前記半導体基板内に設けられ、前記信号出力回路を構成する出力トランジスタのゲートに接続された第二の電荷蓄積部と、前記第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記第二の電荷蓄積部に転送する電荷転送手段とを備える固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項14記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記第一の電荷蓄積部が埋め込み型の蓄積部である固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項9〜15のいずれか1項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記光電変換層が有機材料で構成されている固体撮像素子の駆動方法。
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