JP5476319B2 - 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法 Download PDF

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Description

本発明は、固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関する。
特許文献１には、アモルファスシリコンからなるフラットパネルＸ線検出器での読み出し時間を短縮して遅延を縮小するための方法が記載されている。
特開２００５−１１０２２０号公報
２次元フラットパネルイメージセンサは、アモルファスシリコンを用いて形成されたフォトダイオードとスイッチング素子とを含む複数の画素によって構成される。この構成による２次元フラットパネルイメージセンサにおいてフレームレートを速くすると、アモルファスシリコンで形成された、例えば電界効果型トランジスタ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下「ＦＥＴ」という）のようなスイッチング素子を非接続状態とした際に過渡的に電荷がトラップされる、いわゆるメモリ効果が顕著に現れる。非晶質であるアモルファスシリコンは、ＦＥＴのチャネルに電荷をトラップする準位の密度が高いためである。従って、トラップされた電荷を放出するための安定時間を必要とするという問題点がある（以下、「メモリ効果による課題」という）。さらに、フォトダイオードに蓄積された電荷が、所定の転送時間内ですべて転送されず、次のフレームのデータに重畳するという問題を有している（以下、「遅延効果による課題」という）。
パッシブピクセル型の構成において、各行を順次走査するローリングシャッタ方式が採用される場合、フォトダイオードからの信号が１行分同時に信号接続部へ転送される「保持期間」と、それらの保持された信号が数列分走査して読み出される「読出期間」とが交互に繰り返されるが、フレームレートを速くするために「保持期間」を短くすると、メモリ効果および遅延効果が顕著となり、イメージラグが顕著となる。
特許文献１では、メモリ効果および遅延効果による問題を解決するために、積分回路のリセット期間と、フォトダイオードの電荷を転送するサンプリング時間の一部とを重複させる方法が開示されている。しかし、特許文献１に開示されたタイミングチャートに従って駆動させた場合には、次の問題が生じる。すなわち、ＦＥＴを接続状態にした際には過渡電荷が生じ、この過渡電荷はフォトダイオードから転送される電荷に重畳されるが、このタイミングチャートでは過渡電荷が重畳されたままサンプリング時間が終了するので、重畳された過渡電荷はキャンセルされない（以下、「スイッチングノイズによる課題」という）。
そこで、本発明は、メモリ効果による課題、遅延効果による課題、およびスイッチングノイズによる課題を解決することができる固体撮像装置、および固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。
本発明に係る固体撮像装置は、フォトダイオードを各々含むＭ×Ｎ個（ＭおよびＮは２以上の整数）の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る受光部と、各列毎に配設され、対応する列の画素に含まれるフォトダイオードと読出用スイッチを介して接続されたＮ本の読出用配線と、Ｎ本の読出用配線のそれぞれに接続され、当該読出用配線を経て入力された電荷の量に応じた電圧値を出力する積分回路、積分回路と入力用スイッチを介して直列に接続され、積分回路から出力された電圧値を保持する保持回路、および保持回路に接続され、保持回路に保持された電圧値を出力させる出力用スイッチを有する信号接続部と、各画素の読出用スイッチおよび入力用スイッチの開閉動作を制御するとともに、出力用スイッチの開閉動作を制御して、各画素のフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を保持回路から順次に出力させる制御部と、を備え、読出用スイッチは、多結晶シリコンを含む半導体スイッチであり、積分回路は、読出用配線と保持回路との間に直列に接続されたアンプ、およびアンプに対し並列に接続された積分用容量素子を有しており、制御部は、読出用スイッチを接続状態とすることによりフォトダイオードの電荷を積分回路に出力させたのち、読出用スイッチを非接続状態とし、その後、積分回路から保持回路へ電圧値を出力させる第１の動作、積分用容量素子に保持された電荷を放電させるとともに、読出用スイッチを接続状態にしてフォトダイオードに保持された電荷を放電させる第２の動作、および保持回路に保持された電圧値を順次に出力させる第３の動作を有し、第１の動作を実行した後、第２の動作と第３の動作とを並行して実行することを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置においては、読出用スイッチを接続状態とすることによりフォトダイオードの電荷を積分回路に出力させたのち、読出用スイッチを非接続状態としている。これにより、読出用スイッチを接続状態にした際に生じた過渡電荷を、読出用スイッチを非接続状態にした際に生じた逆極性を有する過渡電荷によりキャンセルすることができる。従って、スイッチングノイズによる課題を解決することができる。
また、積分用容量素子に保持された電荷を放電させるとともに、読出用スイッチを接続状態にしてフォトダイオードに保持された電荷を放電させている。これにより、フォトダイオードの電荷を積分回路に出力する際にフォトダイオードに残留した電荷を、積分用容量素子の放電と併せて放電することが可能となる。従って、遅延効果による課題を解決することができる。
また、読出用スイッチは、多結晶シリコンを含む半導体スイッチである。これによれば、メモリ効果による課題を解決することができる。
なお、ここでいう第２の動作において、読出用スイッチを非接続状態にした後に、積分用容量素子の放電を終了することが好ましい。これによれば、フォトダイオードに残留した電荷の放電を安定して行うことができる。
また、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、フォトダイオードを各々含むＭ×Ｎ個（ＭおよびＮは２以上の整数）の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る受光部と、各列毎に配設され、対応する列の画素に含まれるフォトダイオードと読出用スイッチを介して接続されたＮ本の読出用配線と、読出用配線に直列に接続されたアンプおよびアンプに対し並列に接続された積分用容量素子を有しており、読出用配線を経て入力された電荷の量に応じた電圧値を出力する積分回路と、積分回路から出力された電圧値を保持する保持回路と、を備える固体撮像装置の駆動方法であって、読出用スイッチを接続状態にすることによりフォトダイオードの電荷を積分回路に出力させたのち、読出用スイッチを非接続状態とし、その後、積分回路から保持回路へ電圧値を出力させる第１のステップと、積分用容量素子に保持された電荷を放電させるとともに、読出用スイッチを接続状態にしてフォトダイオードに保持された電荷を放電させる第２のステップと、保持回路に保持された電圧値を順次に出力させる第３のステップと、を備え、読出用スイッチは、多結晶シリコンを含む半導体スイッチであり、第１のステップの後に、第２のステップと第３のステップとを並行して行うことを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置の駆動方法においては、読出用スイッチを接続状態とすることによりフォトダイオードの電荷を積分回路に出力させたのち、読出用スイッチを非接続状態としている。これにより、読出用スイッチを接続状態にした際に生じた過渡電荷を、読出用スイッチを非接続状態にした際に生じた逆極性を有する過渡電荷によりキャンセルすることができる。従って、スイッチングノイズによる課題を解決することができる。
また、積分用容量素子に保持された電荷を放電させるとともに、読出用スイッチを接続状態にしてフォトダイオードに保持された電荷を放電させている。これにより、フォトダイオードの電荷を積分回路に出力する際にフォトダイオードに残留した電荷を、積分用容量素子の放電と併せて放電することが可能となる。従って、遅延効果による課題を解決することができる。
また、読出用スイッチは、多結晶シリコンを含む半導体スイッチである。これによれば、メモリ効果による課題を解決することができる。
なお、ここでいう第２のステップにおいて、読出用スイッチを非接続状態にした後に、積分用容量素子の放電を終了することが好ましい。これによれば、フォトダイオードに残留した電荷の放電を安定して行うことができる。
本発明による固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法によれば、メモリ効果による課題、遅延効果による課題、およびスイッチングノイズによる課題を解決することができる。
本発明に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。 固体撮像装置の画素部分の構成を示す平面図である。 図２のＩ−Ｉ線に沿った固体撮像装置の断面を示す側断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の内部構成を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の画素Ｐ、積分回路Ｓおよび保持回路Ｈそれぞれの回路図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施形態に係る固体撮像装置は、例えば医療用Ｘ線撮像システムに用いられ、特に歯科医療におけるパノラマ撮影、セファロ撮影、ＣＴ撮影といった撮像モードによって、被検者の顎部のＸ線像を撮像するシステムに用いられる。このため、本実施形態の固体撮像装置は大面積のガラス基板上に多結晶シリコンが堆積されて成る薄膜トランジスタを備えており、単結晶シリコンウェハから作製された従来の固体撮像装置と比較して、格段に広い受光面積を有する。図１〜図３は、本実施形態における固体撮像装置１の構成を示す図である。図１は固体撮像装置１を示す平面図であり、図２は固体撮像装置１の一部を拡大した平面図である。さらに、図３は、図２のＩ−Ｉ線における側断面図である。なお、図１〜図３には、理解を容易にするためＸＹＺ直交座標系を併せて示している。
図１に示すように、固体撮像装置１は、ガラス基板７の主面に作り込まれた受光部１０、信号接続部２０、および走査シフトレジスタ４０を備えている。なお、受光部１０、信号接続部２０、および走査シフトレジスタ４０は、それぞれ別個のガラス基板７上に形成されていても良い。
図２に示すように、受光部１０は、Ｍ×Ｎ個の画素ＰがＭ行Ｎ列に２次元配列されることにより構成されている。画素Ｐｍ，ｎは第ｍ行第ｎ列に位置する。ここで、ｍは１以上Ｍ以下の各整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。なお、図２において、列方向はＸ軸方向と一致し、行方向はＹ軸方向と一致する。Ｍ，Ｎそれぞれは２以上の整数である。画素Ｐは、フォトダイオードＰＤ、スイッチＳＷ１（読出用スイッチ）を備えている。スイッチＳＷ１には、第ｍ行選択用配線ＬＶ，ｍが接続されている。フォトダイオードＰＤはスイッチＳＷ１を介して第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎに接続されている。
また、図３に示すように、フォトダイオードＰＤ、スイッチＳＷ１、および第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎは、ガラス基板７上に設けられたシリコン膜３の表面に形成されている。さらに、フォトダイオードＰＤ、スイッチＳＷ１、第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎの上には絶縁層５を介してシンチレータ４が設けられている。フォトダイオードＰＤは、例えば、アモルファスシリコンを含んで構成されている。本実施形態のフォトダイオードＰＤは、多結晶シリコンからなるｎ型半導体層２１と、ｎ型半導体層２１上に設けられたアモルファスシリコンからなるｉ型半導体層２２と、ｉ型半導体層２２上に設けられたアモルファスシリコンからなるｐ型半導体層２３とを有する。スイッチＳＷ１は、多結晶シリコンにより形成されたＦＥＴであり、チャネル領域１１と、チャネル領域１１の一方の側面に配置されたソース領域１２と、チャネル領域１１の他方の側面に配置されたドレイン領域１３と、チャネル領域１１上に形成されたゲート絶縁膜１４及びゲート電極１５とを有する。第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎは、金属により形成されている。シンチレータ４は、入射したＸ線に応じてシンチレーション光を発生してＸ線像を光像へと変換し、この光像を受光部１０へ出力する。
読出用スイッチＳＷ１を構成する多結晶シリコンは、低温多結晶シリコンであると尚よい。低温多結晶シリコンは１００〜６００℃のプロセス温度で形成される多結晶シリコンである。１００〜６００℃のプロセス温度の範囲は、無アルカリガラスを基板として使える温度範囲であることから、ガラス基板上に大面積の固体撮像装置１を製造することが可能となる。無アルカリガラスは例えば０．３〜１．２ｍｍの厚さを有する板状ガラスであり、いわゆるサブストレート用ガラスとして用いられるものである。この無アルカリガラスは、アルカリ分を殆ど含まず、低膨張率、高耐熱性を有し、安定した特性を有している。また、低温多結晶シリコン系デバイスの移動度は１０〜６００ｃｍ２／Ｖｓであり、アモルファスシリコンの移動度（０．３〜１．０ｃｍ２／Ｖｓ）よりも大きくすることができる。すなわち、ＯＮ抵抗を低くすることが可能である。
図３に示すような画素Ｐは、例えば、次のような工程により製造される。まず、ガラス基板７上にアモルファスシリコンを製膜する。製膜方法としては、例えばプラズマＣＶＤが好適である。次に、エキシマレーザアニールによりレーザビームをアモルファスシリコン膜に順次照射してアモルファスシリコン膜の全面を多結晶シリコン化する。こうして、シリコン膜３が形成される。続いて、この多結晶シリコン層の一部の領域上に、ゲート絶縁膜１４としてのＳｉＯ２膜を形成したのち、その上にゲート電極を形成する。続いて、ソース領域１２およびドレイン領域１３となるべき領域にイオン注入工程を実施する。その後、多結晶シリコン層のパターニングを実施し、露光およびエッチングを繰り返し実施して、電極およびコンタクトホール等を形成する。また、画素Ｐとなるべき領域におけるシリコン膜３にイオンを注入してｎ型としたのち、その上に、ｉ型およびｐ型のアモルファスシリコン層（すなわちｉ型半導体層２２及びｐ型半導体層２３）を順に積層してＰＩＮ型フォトダイオードＰＤを形成し、その後に、絶縁層５となるパシベーション膜を形成する。
図１に示す信号接続部２０は、受光部１０の各画素Ｐから出力された電荷の量に応じた電圧値を保持し、その保持した電圧値を順次に出力する。走査シフトレジスタ４０は、各画素Ｐに蓄積された電荷が行毎に信号接続部２０へ順次出力されるように各画素Ｐを制御する。
続いて、本実施形態に係る固体撮像装置１の詳細な構成について説明する。図４は、固体撮像装置１の内部構成を示す図である。受光部１０は、Ｍ×Ｎ個の画素Ｐ１，１〜ＰＭ，ＮがＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る。画素Ｐｍ，ｎは第ｍ行第ｎ列に位置する。第ｍ行のＮ個の画素Ｐｍ，１〜Ｐｍ，Ｎそれぞれは、第ｍ行選択用配線ＬＶ，ｍにより走査シフトレジスタ４０と接続されている。なお、図４において、走査シフトレジスタ４０は制御部６に含まれている。第ｎ列のＭ個の画素Ｐ１，ｎ〜ＰＭ，ｎそれぞれの出力端は、第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎにより、信号接続部２０の積分回路Ｓｎと接続されている。
信号接続部２０は、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮおよびＮ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮを含む。各積分回路Ｓｎは共通の構成を有している。また、各保持回路Ｈｎは共通の構成を有している。各積分回路Ｓｎは、第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎと接続された入力端を有し、この入力端に入力された電荷を蓄積して、その蓄積電荷量に応じた電圧値を出力端から保持回路Ｈｎへ出力する。Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれは、リセット用配線ＬＲにより制御部６と接続されている。各保持回路Ｈｎは、積分回路Ｓｎの出力端と接続された入力端を有し、この入力端に入力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力端から電圧出力用配線Ｌｏｕｔへ出力する。Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれは、保持用配線ＬＨにより制御部６と接続されている。また、各保持回路Ｈｎは、第ｎ列選択用配線ＬＳ，ｎにより制御部６の読出シフトレジスタ４１と接続されている。
制御部６の走査シフトレジスタ４０は、第ｍ行選択制御信号Ｖｓｅｌ（ｍ）を第ｍ行選択用配線ＬＶ，ｍへ出力して、この第ｍ行選択制御信号Ｖｓｅｌ（ｍ）を第ｍ行のＮ個の画素Ｐｍ，１〜Ｐｍ，Ｎそれぞれに与える。Ｍ個の行選択制御信号Ｖｓｅｌ（１）〜Ｖｓｅｌ（Ｍ）は順次に有意値とされる。また、制御部６の読出シフトレジスタ４１は、第ｎ列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（ｎ）を第ｎ列選択用配線ＬＳ，ｎへ出力して、この第ｎ列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（ｎ）を保持回路Ｈｎに与える。Ｎ個の列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（１）〜Ｈｓｈｉｆｔ（Ｎ）も順次に有意値とされる。
また、制御部６は、リセット制御信号Ｒｅｓｅｔをリセット用配線ＬＲへ出力して、このリセット制御信号ＲｅｓｅｔをＮ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれに与える。制御部６は、保持制御信号Ｈｏｌｄを保持用配線ＬＨへ出力して、この保持制御信号ＨｏｌｄをＮ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれに与える。
図５は、固体撮像装置１の画素Ｐｍ，ｎ、積分回路Ｓｎおよび保持回路Ｈｎそれぞれの回路図である。ここでは、Ｍ×Ｎ個の画素Ｐ１，１〜ＰＭ，Ｎを代表して画素Ｐｍ，ｎの回路図を示し、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮを代表して積分回路Ｓｎの回路図を示し、また、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮを代表して保持回路Ｈｎの回路図を示す。すなわち、第ｍ行第ｎ列の画素Ｐｍ，ｎおよび第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎに関連する回路部分を示す。
画素Ｐｍ，ｎは、フォトダイオードＰＤおよび読出用スイッチＳＷ１を含む。フォトダイオードＰＤのアノード端子は接地され、フォトダイオードＰＤのカソード端子は読出用スイッチＳＷ１を介して第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎと接続されている。フォトダイオードＰＤは、入射光強度に応じた量の電荷を発生し、その発生した電荷を接合容量部に蓄積する。読出用スイッチＳＷ１は、制御部６から第ｍ行選択用配線ＬＶ，ｍを通った第ｍ行選択制御信号Ｖｓｅｌ（ｍ）が与えられる。第ｍ行選択制御信号Ｖｓｅｌ（ｍ）は、受光部１０における第ｍ行のＮ個の画素Ｐｍ，１〜Ｐｍ，Ｎそれぞれの読出用スイッチＳＷ１の開閉動作を指示するものである。
この画素Ｐｍ，ｎでは、第ｍ行選択制御信号Ｖｓｅｌ（ｍ）がローレベルであるときに、読出用スイッチＳＷ１が開いて、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は、第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎへ出力されることなく、接合容量部に蓄積される。一方、第ｍ行選択制御信号Ｖｓｅｌ（ｍ）がハイレベルであるときに、読出用スイッチＳＷ１が閉じて、それまでフォトダイオードＰＤで発生して接合容量部に蓄積されていた電荷は、読出用スイッチＳＷ１を経て、第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎへ出力される。
第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎは、受光部１０における第ｎ列のＭ個の画素Ｐ１，ｎ〜ＰＭ，ｎそれぞれの読出用スイッチＳＷ１と接続されている。第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎは、Ｍ個の画素Ｐ１，ｎ〜ＰＭ，ｎのうちの何れかの画素のフォトダイオードＰＤで発生した電荷を、該画素の読出用スイッチＳＷ１を介して読み出して、積分回路Ｓｎへ転送する。
積分回路Ｓｎは、アンプＡ２，帰還容量部である積分用容量素子Ｃ２１、および放電用スイッチＳＷ２１を含む。積分用容量素子Ｃ２１および放電用スイッチＳＷ２１は、互いに並列的に接続されて、アンプＡ２の入力端子と出力端子との間に設けられている。アンプＡ２の入力端子は、第ｎ列読出用配線ＬＯ，ｎと接続されている。
放電用スイッチＳＷ２１には、制御部６からリセット用配線ＬＲを経たリセット制御信号Ｒｅｓｅｔが与えられる。リセット制御信号Ｒｅｓｅｔは、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれの放電用スイッチＳＷ２１の開閉動作を指示するものである。
この積分回路Ｓｎでは、リセット制御信号Ｒｅｓｅｔがハイレベルであるときに、放電用スイッチＳＷ２１が閉じて、帰還容量部（積分用容量素子Ｃ２１）が放電され、積分回路Ｓｎから出力される電圧値が初期化される。一方、リセット制御信号Ｒｅｓｅｔがローレベルであるときに、放電用スイッチＳＷ２１が開いて、入力端に入力された電荷が帰還容量部（積分用容量素子Ｃ２１）に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が積分回路Ｓｎから出力される。
保持回路Ｈｎは、入力用スイッチＳＷ３１，出力用スイッチＳＷ３２および保持用容量素子Ｃ３を含む。保持用容量素子Ｃ３の一端は接地されている。保持用容量素子Ｃ３の他端は、入力用スイッチＳＷ３１を介して積分回路Ｓｎの出力端と接続され、出力用スイッチＳＷ３２を介して電圧出力用配線Ｌｏｕｔと接続されている。入力用スイッチＳＷ３１には、制御部６から保持用配線ＬＨを通った保持制御信号Ｈｏｌｄが与えられる。保持制御信号Ｈｏｌｄは、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれの入力用スイッチＳＷ３１の開閉動作を指示するものである。出力用スイッチＳＷ３２には、制御部６から第ｎ列選択用配線ＬＳ，ｎを通った第ｎ列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（ｎ）が与えられる。第ｎ列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（ｎ）は、保持回路Ｈｎの出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示するものである。
この保持回路Ｈｎでは、保持制御信号Ｈｏｌｄがハイレベルからローレベルに転じると、入力用スイッチＳＷ３１が閉状態から開状態に転じて、そのときに入力端に入力されている電圧値が保持用容量素子Ｃ３に保持される。また、第ｎ列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（ｎ）がハイレベルであるときに、出力用スイッチＳＷ３２が閉じて、保持用容量素子Ｃ３に保持されている電圧値が電圧出力用配線Ｌｏｕｔへ出力される。
制御部６は、受光部１０における第ｍ行のＮ個の画素Ｐｍ，１〜Ｐｍ，Ｎそれぞれの受光強度に応じた電圧値を出力するに際して、リセット制御信号Ｒｅｓｅｔにより、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれの放電用スイッチＳＷ２１を所定期間に亘り閉じた後に開くよう指示したのち、第ｍ行選択制御信号Ｖｓｅｌ（ｍ）により、受光部１０における第ｍ行のＮ個の画素Ｐｍ，１〜Ｐｍ，Ｎそれぞれの読出用スイッチＳＷ１を所定期間に亘り閉じた後に開くよう指示する。
読出用スイッチＳＷ１が開いた後、制御部６は、保持制御信号Ｈｏｌｄにより、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれの入力用スイッチＳＷ３１を閉状態から開状態に転じるよう指示する。
そして、制御部６は、リセット制御信号Ｒｅｓｅｔにより、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれの放電用スイッチＳＷ２１を閉じるように指示すると同時に、第ｍ行選択制御信号Ｖｓｅｌ（ｍ）により、受光部１０における第ｍ行のＮ個の画素Ｐｍ，１〜Ｐｍ，Ｎそれぞれの読出用スイッチＳＷ１を所定期間に亘り閉じるよう指示する。さらに、放電用スイッチＳＷ２１を閉じる指示および読出用スイッチＳＷ１を閉じる指示と並行して、列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（１）〜Ｈｓｈｉｆｔ（Ｎ）により、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれの出力用スイッチＳＷ３２を順次に一定期間だけ閉じるよう指示する。制御部６は、以上のような制御を各行について順次に行う。
このように、制御部６は、受光部１０におけるＭ×Ｎ個の画素Ｐ１，１〜ＰＭ，Ｎそれぞれの読出用スイッチＳＷ１の開閉動作を制御するとともに、信号接続部２０における電圧値の保持動作および出力動作を制御する。これにより、制御部６は、受光部１０におけるＭ×Ｎ個の画素Ｐ１，１〜ＰＭ，ＮそれぞれのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量に応じた電圧値をフレームデータとして信号接続部２０から繰り返し出力させる。
本実施形態に係る固体撮像装置１の動作は以下のとおりである。図６は、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。なお、以下では、固体撮像装置１の動作と共に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について説明する。
図６には、上から順に、（ａ）Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれの放電用スイッチＳＷ２１の開閉動作を指示するリセット制御信号Ｒｅｓｅｔ、（ｂ）、（ｃ）受光部１０における第１行および第２行の画素Ｐ１，１〜Ｐ１，Ｎ，Ｐ２，１〜Ｐ２，Ｎそれぞれの読出用スイッチＳＷ１の開閉動作を指示する第１行選択制御信号Ｖｓｅｌ（１）および第２行選択制御信号Ｖｓｅｌ（２）、（ｄ）Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれの入力用スイッチＳＷ３１の開閉動作を指示する保持制御信号Ｈｏｌｄが示されている。
また、図６には、更に続いて順に、（ｅ）保持回路Ｈ１の出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示する第１列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（１）、（ｆ）保持回路Ｈｎの出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示する第ｎ列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（ｎ）、（ｇ）保持回路ＨＮの出力用スイッチＳＷ３２の開閉動作を指示する第Ｎ列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（Ｎ）が示されている。
第１行の画素Ｐ１，１〜Ｐ１，ＮのフォトダイオードＰＤで発生し接合容量部に蓄積された電荷の読出しは、以下のようにして行われる。時刻ｔ１０前には、Ｍ個の行選択制御信号Ｖｓｅｌ（１）〜Ｖｓｅｌ（Ｍ）、Ｎ個の列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（１）〜Ｈｓｈｉｆｔ（Ｎ）、リセット制御信号Ｒｅｓｅｔおよび保持制御信号Ｈｏｌｄのそれぞれは、ローレベルとされている。
時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までの期間、制御部６からリセット用配線ＬＲに出力されるリセット制御信号Ｒｅｓｅｔがハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれにおいて、放電用スイッチＳＷ２１が接続状態となって、積分用容量素子Ｃ２１が放電される。
＜第１の動作（第１のステップ）＞
時刻ｔ１１より後の時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの期間、制御部６から第１行選択用配線ＬＶ，１に出力される第１行選択制御信号Ｖｓｅｌ（１）がハイレベルとなり、これにより、受光部１０における第１行のＮ個の画素Ｐ１，１〜Ｐ１，Ｎそれぞれの読出用スイッチＳＷ１が接続状態となる。Ｎ個の画素Ｐ１，１〜Ｐ１，ＮそれぞれのフォトダイオードＰＤで発生し接合容量部に蓄積された電荷は、読出用スイッチＳＷ１及び第ｎ列読出用配線ＬＯ，１〜ＬＯ，Ｎを通って積分回路Ｓ１〜ＳＮに出力され、積分用容量素子Ｃ２１に蓄積される。積分回路Ｓ１〜ＳＮからは、積分用容量素子Ｃ２１に蓄積された電荷量に応じた大きさの電圧が出力される。なお、時刻ｔ１３ののち、第１行のＮ個の画素Ｐ１，１〜Ｐ１，Ｎそれぞれの読出用スイッチＳＷ１は非接続状態とされる。
そして、時刻ｔ１３より後の時刻ｔ１４から時刻ｔ１５までの期間、制御部６から保持用配線ＬＨへ出力される保持制御信号Ｈｏｌｄがハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮのそれぞれにおいて入力用スイッチＳＷ３１が接続状態となる。積分回路Ｓ１〜ＳＮから出力された電圧の大きさは、保持回路Ｈ１〜ＨＮによって保持される。
＜第２の動作（第２のステップ）＞
そして、時刻ｔ１５より後の時刻ｔ１６から時刻ｔ１７までの期間、制御部６からリセット用配線ＬＲに出力されるリセット制御信号Ｒｅｓｅｔがハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の積分回路Ｓ１〜ＳＮそれぞれにおいて、放電用スイッチＳＷ２１が接続状態となり、積分用容量素子Ｃ２１が放電される。
また、このような積分用容量素子Ｃ２１の放電動作と並行して、時刻ｔ１５より後の時刻ｔ１８から時刻ｔ１９までの期間、制御部６から第１行選択用配線ＬＶ，１に出力される第１行選択制御信号Ｖｓｅｌ（１）がハイレベルとなり、これにより、受光部１０における第１行のＮ個の画素Ｐ１，１〜Ｐ１，Ｎそれぞれの読出用スイッチＳＷ１が接続状態となる。時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの間にフォトダイオードＰＤから出力されずに残存していた電荷は、このとき読出用スイッチＳＷ１及び第ｎ列読出用配線ＬＯ，１〜ＬＯ，Ｎを通って積分回路Ｓ１〜ＳＮに出力され、積分用容量素子Ｃ２１に蓄えられていた電荷と共に放電される。なお、図６に示したタイミングチャートでは積分用容量素子Ｃ２１の放電開始（時刻ｔ１６）の後に画素Ｐ１，１〜Ｐ１，ＮそれぞれのフォトダイオードＰＤの放電が開始（時刻ｔ１８）されているが、画素Ｐ１，１〜Ｐ１，ＮそれぞれのフォトダイオードＰＤの放電開始の後に積分用容量素子Ｃ２１の放電が開始されてもよい。また、フォトダイオードＰＤに残留した電荷の放電を安定して行うために、図６に示すように、読出用スイッチＳＷ１を非接続状態にして画素Ｐ１，１〜Ｐ１，ＮそれぞれのフォトダイオードＰＤの放電が終了（時刻ｔ１９）した後に、放電用スイッチＳＷ２１を非接続状態にして積分用容量素子Ｃ２１の放電を終了（時刻ｔ１７）することが好ましい。
＜第３の動作（第３のステップ）＞
さらに、本実施形態では、上述した第２の動作（第２のステップ）と並行して、以下の第３の動作（第３のステップ）を実行する。すなわち、時刻ｔ１５より後の時刻ｔ２０から時刻ｔ２１までの期間、制御部６から列選択用配線ＬＳ，１〜ＬＳ，Ｎに出力される列選択制御信号Ｈｓｈｉｆｔ（１）〜Ｈｓｈｉｆｔ（Ｎ）が順次に一定期間だけハイレベルとなり、これにより、Ｎ個の保持回路Ｈ１〜ＨＮそれぞれの出力用スイッチＳＷ３２が順次に一定期間だけ接続状態となって、各保持回路Ｈ１〜ＨＮの保持用容量素子Ｃ３に保持されている電圧値は出力用スイッチＳＷ３２を経て電圧出力用配線Ｌｏｕｔへ順次に出力される。
本実施形態では、以上のような第１行についての動作に続いて、以降、第２行から第Ｍ行まで同様の動作が行われて、１回の撮像で得られる画像を表すフレームデータが得られる。また、第Ｍ行について動作が終了すると、再び第１行から第Ｍ行までの範囲で同様の動作が行われて、次の画像を表すフレームデータが得られる。このように、一定周期で同様の動作を繰り返すことで、受光部１０が受光した光像の２次元強度分布を表す電圧値Ｖｏｕｔが電圧出力用配線Ｌｏｕｔへ出力されて、繰り返してフレームデータが得られる。
上記した固体撮像装置１によれば、読出用スイッチＳＷ１を接続状態とすることによりフォトダイオードＰＤの電荷を積分回路Ｓｎに出力させたのち、この積分回路Ｓｎからの出力電圧値を保持回路Ｈｎによって保持する前に読出用スイッチＳＷ１を非接続状態としている。これにより、読出用スイッチＳＷ１を接続状態にした際に生じた過渡電荷を、読出用スイッチＳＷ１を非接続状態にした際に生じた逆極性を有する過渡電荷によりキャンセルすることができる。従って、スイッチングノイズによる課題を解決することができる。
また、積分用容量素子Ｃ２１に保持された電荷を放電させるとともに、読出用スイッチＳＷ１を接続状態にしてフォトダイオードＰＤに保持された電荷を放電させている。これにより、フォトダイオードＰＤの電荷を積分回路Ｓｎに出力する際にフォトダイオードＰＤに残留した電荷を、積分用容量素子Ｃ２１の放電と併せて放電することが可能となる。従って、遅延効果による課題を解決することができる。
さらに、上記した積分用容量素子Ｃ２１に保持された電荷の放電およびフォトダイオードＰＤに残留した電荷の放電を実施する第２の動作（第２のステップ）と並行して、保持回路Ｈｎに保持された電圧値を順次に出力させる第３の動作（第３のステップ）を実行する。これにより、フレームレートを低下させることなく、高速で固体撮像装置１を駆動することができる。
また、本実施形態によれば、新たな回路を付加することなく、スイッチングノイズによる課題および遅延効果による課題を解決することができる。また、本実施形態によれば、感度の低下は１０００分の１以下に抑えることができる。
また、読出用スイッチＳＷ１は、多結晶シリコンを含む半導体スイッチであることが好ましい。多結晶シリコンは、アモルファスシリコンと比較して、トラップ準位の密度が低く、スイッチを非接続とした際のメモリ効果が発生しにくい。これにより、メモリ効果による課題を解決することができる。
また、本実施形態のように、読出用スイッチＳＷ１を非接続状態にした後に、放電用スイッチＳＷ２１を非接続状態にして積分用容量素子Ｃ２１の放電を終了することが好ましい。これによれば、フォトダイオードに残留した電荷の放電を安定して行うことができる。
１…固体撮像装置、６…制御部、１０…受光部、２０…信号接続部、ＰＤ…フォトダイオード、Ｐ…画素、ＳＷ１…読出用スイッチ、ＳＷ３１…入力用スイッチ、ＳＷ３２…出力用スイッチ、Ｓｎ…積分回路、Ｈｎ…保持回路、Ｃ２１…積分用容量素子、Ａ２…アンプ、ＬＯ，ｎ…第ｎ列読出用配線。

Claims (4)

  1. フォトダイオードを各々含むＭ×Ｎ個（ＭおよびＮは２以上の整数）の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る受光部と、
    各列毎に配設され、対応する列の前記画素に含まれる前記フォトダイオードと読出用スイッチを介して接続されたＮ本の読出用配線と、
    前記Ｎ本の読出用配線のそれぞれに接続され、当該読出用配線を経て入力された電荷の量に応じた電圧値を出力する積分回路、前記積分回路と入力用スイッチを介して直列に接続され、前記積分回路から出力された電圧値を保持する保持回路、および前記保持回路に接続され、前記保持回路に保持された電圧値を出力させる出力用スイッチを有する信号接続部と、
    各画素の前記読出用スイッチおよび前記入力用スイッチの開閉動作を制御するとともに、前記出力用スイッチの開閉動作を制御して、各画素の前記フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を前記保持回路から順次に出力させる制御部と、
    を備え、
    前記読出用スイッチは、多結晶シリコンを含む半導体スイッチであり、
    前記積分回路は、前記読出用配線と前記保持回路との間に直列に接続されたアンプ、および前記アンプに対し並列に接続された積分用容量素子を有しており、
    前記制御部は、前記読出用スイッチを接続状態とすることにより前記フォトダイオードの電荷を前記積分回路に出力させたのち、前記読出用スイッチを非接続状態とし、その後、前記積分回路から前記保持回路へ電圧値を出力させる第１の動作、前記積分用容量素子に保持された電荷を放電させるとともに、前記読出用スイッチを接続状態にして前記フォトダイオードに保持された電荷を放電させる第２の動作、および前記保持回路に保持された電圧値を順次に出力させる第３の動作を有し、前記第１の動作を実行した後、前記第２の動作と前記第３の動作とを並行して実行することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記第２の動作において、前記読出用スイッチを非接続状態にした後に、前記積分用容量素子の放電を終了することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. フォトダイオードを各々含むＭ×Ｎ個（ＭおよびＮは２以上の整数）の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る受光部と、各列毎に配設され、対応する列の前記画素に含まれる前記フォトダイオードと読出用スイッチを介して接続されたＮ本の読出用配線と、前記読出用配線に直列に接続されたアンプおよび前記アンプに対し並列に接続された積分用容量素子を有しており、前記読出用配線を経て入力された電荷の量に応じた電圧値を出力する積分回路と、前記積分回路から出力された電圧値を保持する保持回路と、を備える固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記読出用スイッチを接続状態にすることにより前記フォトダイオードの電荷を前記積分回路に出力させたのち、前記読出用スイッチを非接続状態とし、その後、前記積分回路から前記保持回路へ電圧値を出力させる第１のステップと、
    前記積分用容量素子に保持された電荷を放電させるとともに、前記読出用スイッチを接続状態にして前記フォトダイオードに保持された電荷を放電させる第２のステップと、
    前記保持回路に保持された電圧値を順次に出力させる第３のステップと、
    を備え、
    前記読出用スイッチは、多結晶シリコンを含む半導体スイッチであり、
    前記第１のステップの後に、前記第２のステップと前記第３のステップとを並行して行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  4. 前記第２のステップにおいて、前記読出用スイッチを非接続状態にした後に、前記積分用容量素子の放電を終了することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
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