JP5701336B2 - 光電変換装置及びそれを用いた撮像システム - Google Patents
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Description
このような光電変換装置に関して、特許文献1には低電圧で信号電荷の読み出しを行い、かつ信号電荷の取り残しをなくする構成の開示がある。具体的には、フォトダイオード領域の一端と略隣接する第1のゲート電極と、第1のゲート電極に隣接した第2のゲート電極と、第2のゲート電極の一端に略隣接したドレイン領域とを有する光電変換装置である。
本発明は、光電変換素子とドレイン領域との導通の制御が容易で、光電変換素子からの電荷の転送効率が向上した光電変換装置を提供することを目的とする。
まず、本発明が適用されうる画素について、図1を用いて説明する。図1は素子をブロックとして示した平面模式図である。100は画素であり、101は光電変換素子、102は電荷保持部、103は浮遊拡散部、104は電荷転送部である。その他の素子については、簡単に105としてまとめて示す。その他の素子とは、例えば増幅用のMOSトランジスタやリセット用のMOSトランジスタなどであり、詳細な構成は任意である。また、素子分離領域については無視している。画素とは少なくとも光電変換素子を1つ含む最小の繰り返し単位であり、この画素100が1次元もしくは2次元状に配列して撮像領域を構成する。図1では3つの画素100の配列を示している。このような画素100のAB線の断面図を図2に示す。
φ204は第1のゲート電極204を制御する制御信号であり、第1のゲート電極204に供給される電圧を示す。φ206は第2のゲート電極206を制御する制御信号であり、第2のゲート電極206に供給される電圧を示す。本実施形態では、制御信号φ204と制御信号φ207が取りうるローレベルを−1V、ハイレベルを5Vとする。電圧(207)は、第3の半導体領域207の電圧変化を模式的に示したものである。状態(207)は第3の半導体領域にて行われる動作を示しており、状態(101)とは光電変換素子101の状態を示しており、ここでは蓄積の期間を示すものである。t1からt9はタイミングを示している。以下、駆動について説明する。
蓄積動作時に制御信号φ204がローレベルであることによって、第1のゲート電極204の下部に信号電荷と反対極性の電荷(正孔)が蓄積され、第4の半導体領域205における主表面、即ち半導体基板からの暗電流を低減することが可能となる。本実施形態においては、制御信号φ204は常にローレベルに設定されており、常に暗電流を低減することが可能である。また、制御信号φ206がローレベルであることによって、第4の半導体領域205と第3の半導体領域207とを十分に分離し、かつ第二のゲート電極下の半導体基板の表面から生成される暗電流も抑制している。
本実施形態は、第1の実施形態とは制御信号φ204が異なる。また、第1の実施形態の構成において、第1の半導体領域と第4の半導体領域とのポテンシャル関係が異なる。
図5は動作タイミング図を、図6は図5の駆動を行った場合の各半導体領域の信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示したものである。図5は図3に、図6は図4に対応し、同様の機能の場合には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態は、制御信号φ204と制御信号φ206とのローレベルが異なる点が、第2の実施形態と異なる。本実施形態では、制御信号φ204のローレベルを−3Vとし、制御信号φ206のローレベルを−1Vとした。つまり、第1のゲート電極に供給される電圧のローレベルより第2のゲート電極に供給される電圧のローレベルが高い。このような電圧関係にすることで、第2のゲート電極206と第3の半導体領域207との間の耐圧を向上させることが可能となる。それは、次のような理由による。第3の半導体領域207にはリセット時に高い電位に設定される。この時、第1のゲート電極204と第2のゲート電極206にローレベルの電圧が供給されると、隣接する第2のゲート電極206と第3の半導体領域207との電界が大きくなる場合がある。そこで、第1のゲート電極204よりも第2のゲート電極206のローレベルの電圧を高くすることで、隣接する第2のゲート電極206と第3の半導体領域207との電圧を小さくすることができる。よって、絶縁耐圧を保ちつつ暗電流の混入を低減することが可能となる。
言い換えると、第2のゲート電極に供給されるローレベルの制御信号の値は、第1のゲート電極に供給されるローレベルの制御信号の値と第2のゲート電極に供給されるハイレベルの制御信号の値との間を取る。このような電圧を供給することにより、暗電流の混入を低減し、第2のゲート電極の耐圧を維持することが可能となる。もちろん、図4(a)のような第1の半導体領域202と第4の半導体領域205のポテンシャル関係を有する構成に対しても、本実施形態の駆動方法を適用することは可能である。
本実施形態では、第1の実施形態とは画素の構成が異なる。図8は素子をブロックとして示した平面模式図である。801、804、813、816は光電変換素子、802、805、812、815は電荷保持部、803、806、811、814は電荷転送部、807は浮遊拡散部である。その他の素子は808としてまとめて示す。その他の素子とは、例えば増幅用のMOSトランジスタやリセット用のMOSトランジスタなどであり、詳細な構成は任意である。800は画素ユニットであり、4つの光電変換素子801、804、813、816を含み、読み出し回路808を4つの光電変換素子で共有化している。つまり、画素ユニット800は4つの画素を含むと言える。各画素は、光電変換素子と電荷保持部と電荷転送部とを有する。例えば、第1の画素は光電変換素子801と電荷保持部802と電荷転送部803とを有する。第2の画素は光電変換素子804と電荷保持部805と電荷転送部806とを有する。第3の画素は光電変換素子813と電荷保持部812と電荷転送部811とを有する。第4の画素は光電変換素子816と電荷保持部815と電荷転送部814とを有する。画素ユニット800は光電変換素子801と804との組と光電変換素子813、816との組に分けることが可能である。そして、電荷転送部806、811及び電荷保持部805、812はそれぞれ2つの光電変換素子に共有化されている。このような画素ユニット800のAB線の断面図、すなわち1つの組の断面図を図9に示す。
第4の半導体領域905の上部を第1のゲート電極904が、第5の半導体領域の上部を第3のゲート電極907が覆っている。このような構成によって、第1の実施形態の構成に比べて1つの光電変換素子あたりの素子の数を削減することが可能となる。また、不純物濃度の高い第4の半導体領域905と第5の半導体領域908とを第2の半導体領域902よりも主表面915近くに配置している。このような構成によって、第5の半導体領域908と第3の半導体領域910との間の導通及び非導通の制御を容易にしつつ、信号電荷を効率よく転送することが可能となる。また、比較的低い空乏化電圧で、n+領域に数多くの信号電荷を貯めることができるため、飽和電荷数の向上が期待できる。また、浮遊拡散部と同一ノードの部分の総面積は実施形態1の場合と同等にすることが可能となる。例えば、増幅用のMOSトランジスタの入力部となる場合には、信号電荷1つあたりの電圧感度も従来通りに保つことができる。
φ909は第4のゲート電極909を制御する制御信号であり、第4のゲート電極909に供給される電圧を示す。本実施形態では、制御信号φ904と制御信号φ907のローレベルを−3V、ハイレベルを5Vとし、制御信号φ906と制御信号φ909のローレベルを−1V、ハイレベルを5Vとする。電圧(910)は、第3の半導体領域910の電圧の変化を模式的に示したものである。状態(910)は第3の半導体領域にて行われる動作を示しており、状態(シャッター)とは撮像システムのメカニカルシャッターの状態を示しており、露光や遮光を示すものである。t1からt14はタイミングを示している。以下、駆動を説明する。第1の実施形態と同様の動作については、説明を省略する。
本実施形態では、第1の実施形態から第4の実施形態までで説明してきた光電変換装置を撮像システムに適用した場合について、図12を用いて説明する。撮像システムとは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラや携帯電話用デジタルカメラである。
その後、露光量を制御するために、全体制御・演算部1209が絞り1203を開放にする。光電変換装置1204から出力された信号は、撮像信号処理回路1205をスルーしてA/D変換器1206へ提供される。A/D変換器1206は、その信号をA/D変換して信号処理部1207に出力する。信号処理部1207は、そのデータを処理して全体制御・演算部1209に提供し、全体制御・演算部1209において露出量を決定する演算を行う。全体制御・演算部1209は、決定した露出量に基づいて絞りを制御する。
また、第1の半導体領域及び第2の半導体領域は第1のゲート電極204の下部(領域102)に配されていてもよい。
201 第2導電型のウエル
202 第1導電型の第1の半導体領域
203 第2導電型の第2の半導体領域
204 第1のゲート電極
205 第1導電型の第4の半導体領域
206 第2のゲート電極
207 第1導電型の第3の半導体領域
212 主表面
Claims (17)
- 第1の画素と、第2の画素と、浮遊拡散部と、読み出し回路をそれぞれが含む複数の画素ユニットを有する光電変換装置であって、
前記第1の画素は、第1の光電変換素子と、前記第1の光電変換素子の電荷を保持するための第1の電荷保持部と、前記第1の電荷保持部の電荷を転送する第1の電荷転送部を有し、
前記第2の画素は、前記第2の光電変換素子と、前記第2の光電変換素子の電荷を保持するための第2の電荷保持部と、前記第2の電荷保持部の電荷を転送するための第2の電荷転送部を有し、
平面視において、前記第1の電荷転送部と前記第2の電荷転送部の間に前記浮遊拡散部を構成する半導体領域が配され、
第1の方向に沿って並んだ前記第1の光電変換素子と前記第2の光電変換素子との間に、1つの画素ユニットの前記読み出し回路に含まれる増幅トランジスタおよびリセットトランジスタが配され、
前記第1の方向と交差する第2の方向に沿って並んだ2つの画素ユニットの前記浮遊拡散部を構成する半導体領域の間に、前記1つの画素ユニットの前記読み出し回路に含まれる増幅トランジスタおよびリセットトランジスタが配され、
平面視において前記第1の光電変換素子と隣り合って第1のゲート電極が配され、
前記第1のゲート電極の下の領域に前記第1の光電変換素子の電荷が保持され、
平面視において前記第2の光電変換素子と隣り合って第2のゲート電極が配され、
前記第2のゲート電極の下の領域に前記第2の光電変換素子の電荷が保持されることを特徴とする光電変換装置。 - 前記第1の画素において、前記第1の光電変換素子の電荷は、前記第1の電荷保持部と、前記第1の電荷転送部と、前記浮遊拡散部とをこの順に経由して信号として読み出され、
前記第2の画素において、前記第2の光電変換素子の電荷は、前記第2の電荷保持部と、前記第2の電荷転送部と、前記浮遊拡散部とをこの順に経由して信号として読み出されることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 - 前記浮遊拡散部は、平面視において、前記第1の電荷保持部と前記第2の電荷保持部と間に配されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換装置。
- 前記読み出し回路の一部は、平面視において、前記第1の電荷転送部と前記第2の電荷転送部との間に配されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記第1の光電変換素子は、半導体基板に配された第1導電型の第1の半導体領域を有し、
前記第1の電荷保持部は、前記半導体基板に配された前記第1導電型の第2の半導体領域を有し、
前記第2の光電変換素子は、前記半導体基板に配された前記第1導電型の第3の半導体領域を有し、
前記第2の電荷保持部は、前記半導体基板に配された前記第1導電型の第4の半導体領域を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第2の半導体領域は前記第1の半導体領域よりも前記半導体基板の主表面に近い深さに設けられ、
前記第4の半導体領域は前記第3の半導体領域よりも前記主表面に近い深さに設けられていることを特徴とする請求項5に記載の光電変換装置。 - 前記第2の半導体領域は前記第1の半導体領域よりも前記第1導電型の不純物濃度が高く、
前記第4の半導体領域は前記第3の半導体領域よりも前記第1導電型の不純物濃度が高いことを特徴とする請求項5または6に記載の光電変換装置。 - 前記第1のゲート電極は、前記第2の半導体領域の上を覆い、
前記第2のゲート電極は、前記第4の半導体領域の上を覆うことを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1の電荷保持部は電子を保持し、
前記第1のゲート電極には、第1の電圧と前記第1の電圧より高い第2の電圧が供給され、
前記第1の電荷保持部が電荷を保持している期間の少なくとも一部に、前記第1のゲート電極に前記第1の電圧が供給されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1の電圧は、前記第1のゲート電極の下に、信号電荷と逆極性を有する電荷を蓄積する電圧であることを特徴とする請求項9に記載の光電変換装置。
- 前記第1の電圧が前記第1のゲート電極に供給されたときは、電子に対して、前記第1の光電変換素子のポテンシャルよりも前記第1のゲート電極の下の領域のポテンシャルのほうが高く、
前記第2の電圧が前記第1のゲート電極に供給されたときは、電子に対して、前記第1の光電変換素子のポテンシャルよりも前記第1のゲート電極の下の領域のポテンシャルのほうが低いことを特徴とする請求項9または10に記載の光電変換装置。 - 前記第1の電圧よりも、前記第1の電荷転送部を非導通とするために前記第1の電荷転送部に供給される第3の電圧のほうが高いことを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記第1の電荷保持部は正孔を保持し、
前記第1のゲート電極には、第1の電圧と前記第1の電圧より低い第2の電圧が供給され、
前記第1の電荷保持部が電荷を保持している期間の少なくとも一部に、前記第1のゲート電極に前記第1の電圧が供給されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1の電圧は、前記第1のゲート電極の下に、信号電荷と逆極性を有する電荷を蓄積する電圧であることを特徴とする請求項13に記載の光電変換装置。
- 前記第1の電圧が前記第1のゲート電極に供給されたときは、正孔に対して、前記第1の光電変換素子のポテンシャルよりも前記第1のゲート電極の下の領域のポテンシャルのほうが高く、
前記第2の電圧が前記第1のゲート電極に供給されたときは、正孔に対して、前記第1の光電変換素子のポテンシャルよりも前記第1のゲート電極の下の領域のポテンシャルのほうが低いことを特徴とする請求項13または14に記載の光電変換装置。 - 前記第1の電圧よりも、前記第1の電荷転送部を非導通とするために前記第1の電荷転送部に供給される第3の電圧のほうが低いことを特徴とする請求項13乃至15のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 請求項1乃至16のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号を処理する処理回路と、を有する撮像システム。
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