JP7507152B2 - 固体撮像装置、撮像装置および撮像方法 - Google Patents

固体撮像装置、撮像装置および撮像方法 Download PDF

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Description

本開示は、固体撮像装置、撮像装置および撮像方法に関する。
従来、固体撮像装置では、ダイナミックレンジを拡大するために、例えば、特許文献１に示すような方法が提案されている。特許文献１の方法は、単一画素のみを有し、フォトダイオードからあふれる電荷を転送するオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された電荷を蓄積する蓄積容量素子とを備え、低照度信号と、高照度信号とを合成することにより、ダイナミックレンジを拡大している。
特開２００６－２１７４１０号公報
しかしながら、この特許文献１の背景技術によれば、ダイナミックレンジ拡大とフリッカー抑制を両立ができないという課題がある。
ここで、フリッカー抑制について、まず説明する。近年、ＬＥＤ光源(発光ダイオード光源)やＬＤ光源(レーザーダイオード光源)が普及している。これらの光源は、人の目には感知できない程度の速度で点灯と消灯を繰り返すダイナミック点灯を行うことが多い。言い換えれば、人の目には感知できない速度のフリッカーが生じている。例えば、ＬＥＤ光源は、照明器具の他に、信号機、車のヘッドライト、ストップランプなどに利用されている。
ダイナミック点灯では人間の目には光源が常時点灯しているように見えるけれども、固体撮像装置にはフリッカーが影響する。固体撮像装置が、このような光源を撮像した場合、あるいは、このような光源を用いた照明環境で撮像した場合、光源が点灯している画像が得られる場合(あるいは明るい画像が得られる場合)と、光源が消灯している画像が得られる場合(あるいは暗い画像が得られる場合)とがある。つまり、撮像画像そのものにフリッカーが現れる現象が生じる。後者、つまり、光源が消灯している画像が得られる場合(あるいは暗い画像が得られる場合)は、撮像不良と言える。以下、このようなフリッカー起因の撮像不良を抑制することをフリッカー抑制と呼ぶ。
特許文献１では、露光時間を長くすれば、フリッカー信号を抑制はできるが、画素が飽和してしまうのでダイナミックレンジが狭くなるという問題がある。
そこで、本開示はダイナミックレンジ拡大とフリッカー抑制とを両立する固体撮像装置,撮像装置および撮像方法を提供する。
上記課題を解決する固体撮像装置は、画素セルが行列状に配置される固体撮像装置であって、前記画素セルは、光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードから溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオードと、第２保持部と、前記第１保持部に保持された信号電荷を前記第２保持部へ転送する第１転送トランジスタと、前記第１フォトダイオードが光を受光し光電変換する露光期間と、前記第２保持部に保持される前記信号電荷に対応する第１蓄積期間との差分を補正する第１補正部と、を備える。
上記課題を解決する撮像装置は、前記固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体から入射光を導く撮像光学系と、前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理部とを備える。
また、上記課題を解決する撮像方法は、画素セルが行列状に配置される固体撮像装置における撮像方法であって、前記画素セルは、光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードから溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオードと、第２保持部と、前記第１保持部に保持された信号電荷を前記第２保持部へ転送する第１転送トランジスタと、を備え，前記撮像方法において、前記第１フォトダイオードを露光し、前記第１フォトダイオードから溢れた信号電荷を前記第１保持部に転送し、前記第１保持部に保持された信号電荷を前記第２保持部へ転送する。
本開示の固体撮像装置,撮像装置および撮像方法によれば、ダイナミックレンジの拡大とフリッカー現象の抑制とを両立することができる。
図１は、第１の実施形態における固体撮像装置の構成例の概略を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。 図３Ａは、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の第１の例の模式断面図である。 図３Ｂは、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の第２の例の模式断面図である。 図３Ｃは、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の第３の例の模式断面図である。 図３Ｄは、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の第４の例の模式断面図である。 図４は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の半導体基板内のポテンシャル電位を示す図である。 図５は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の動作を説明するための第１の例のタイミングチャートである。 図６は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の信号処理を行うフローチャートである。 図７は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の被写体照度と画素の出力信号の関係を示すグラフである。 図８は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の被写体照度と画素のＳＮ（信号とノイズの比）の関係を示すグラフである。 図９は、第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。 図１０は、第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図１１は、第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の信号処理を行うフローチャートである。 図１２は、第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の被写体照度と画素の出力信号の関係を示すグラフである。 図１３は、第３の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。 図１４は、第３の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図１５は、第３の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の信号処理を行うフローチャートである。 図１６は、第４の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。 図１７は、第４の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図１８は、第５の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。 図１９は、第５の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図２０は、各実施形態における固体撮像装置を適用した撮像装置（カメラシステム）の構成例を示す図である。
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法について、図面を参照しながら説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、光電変換を行う光電変換素子とトランジスタとからなる画素セル（単位セル）１０１が行列状に多数配置されてなる画素アレイ部１０２と、画素アレイ部１０２を駆動する垂直走査回路１０３と、定電流源回路１０４と、カラム読出し回路１０５と、水平走査回路１０６と、信号処理回路１０７と、出力回路１０８と、ＴＧ（タイミング発生回路）１０９と、画素セル１０１の信号を各列回路に伝達する垂直信号線ＰＩＸＯＵＴとを備える。垂直信号線ＰＩＸＯＵＴには定電流源回路１０４と、カラム読出し回路１０５とが接続されている。カラム読出し回路１０５には１列の画素信号を受け且つ差分手段を有するノイズキャンセラ（ＣＤＳ）回路と、ＣＤＳ回路からの画素信号を受けるアナログデジタル変換回路（ＡＤＣ）を含む。そして、水平走査回路１０６により選択された列のアナログデジタル変換されたデータが信号処理回路１０７へ順次出力され、データが信号処理される。その後、出力回路１０８を介して固体撮像装置の外へ順次出力される。また、固体撮像装置１００は、各部を動作させるためのパルスを発生するタイミング発生回路（ＴＧ）１０９を備えている。
また、カラム読出し回路１０５に含まれるＣＤＳ回路は、例えば画素アレイ部１０２に行列状に配列されている画素セル１０１の列ごとに接続されている。また、ＣＤＳ回路は、垂直走査回路１０３で選択された行の画素セル１０１から垂直信号線ＰＩＸＯＵＴを通って出力される信号に対して、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）処理により、画素セル１０１で発生するリセットノイズや、トランジスタのしきい値のばらつきに起因する画素固有の固定パターンノイズを除去する信号処理を行うと共に、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
アナログデジタル変換回路（ＡＤＣ）は、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）機能と、アナログデジタル変換機能とを備えており、ＡＤＣによって、ＣＤＳ回路で保持されたアナログ信号である画素信号がデジタル信号に変換される。
図２は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。
図２に示すように、本回路例に係る画素セル１０１は、光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオード１２０と、第１フォトダイオード１２０から溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオード１２６と、第２保持部１２７と、第１保持部に保持された信号電荷を第２保持部１２７へ転送する第１転送トランジスタ１３０とを備える。より詳しくは、画素セル１０１は、光電変換素子として例えば第１フォトダイオード１２０、転送トランジスタ１２１、スイッチトランジスタ１２２、リセットトランジスタ１２３、及び増幅トランジスタ１２４、選択トランジスタ１２５を有している。また、画素セル１０１は、第１保持部として例えば第２フォトダイオード１２６、第２保持部として例えば蓄積容量素子１２７、オーバーフロートランジスタ１２８、電荷排出トランジスタ１２９、第１転送トランジスタ１３０、第２転送トランジスタ１３１を有する。
各トランジスタ１２１～１２５及び１２８～１３１としては、例えばＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いてもよい。なお、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタ（Ｎｃｈトランジスタ）は、ゲート電位が“Ｈｉｇｈ”レベルでオンとなり、“Ｌｏｗ”レベルでオフ状態になるとする。また、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタ（Ｐｃｈトランジスタ）は、ゲート電位が“Ｌｏｗ”レベルでオンとなり、“Ｈｉｇｈ”レベルでオフ状態となるとする。
転送トランジスタ１２１は、第１フォトダイオード１２０のカソード電極とフローティングディフュージョン（ＦＤ１）部１３２との間に接続されている。転送トランジスタ１２１のゲート電極には転送制御線ＴＧＬが接続されている。転送トランジスタ１２１のゲート電極に転送制御線ＴＧＬから転送パルスφＴＧＬにて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられると、転送トランジスタ１２１がオンとなり、第１フォトダイオード１２０で光電変換されて第１フォトダイオード１２０に蓄積された信号電荷（具体的には電子）がＦＤ１部１３２へ転送される。
オーバーフロートランジスタ１２８は、第１フォトダイオード１２０のカソード電極と、第２フォトダイオード１２６のカソード電極との間に接続されている。オーバーフロートランジスタ１２８のゲート電極にはオーバーフロートランジスタ制御線ＯＦＧが接続されている。オーバーフロートランジスタ１２８のゲート電極にオーバーフロートランジスタ制御線ＯＦＧからはＤＣバイアスが与えられ、オーバーフロートランジスタ１２８のチャネル部のポテンシャルを制御することにより、第１フォトダイオード１２０から光電変換により生成された信号電荷が、第１フォトダイオード１２０の蓄積容量を超えて発生すると、オーバーフロートランジスタ１２８を介して第２フォトダイオード１２６へ転送される。なお、温度やチップ間ばらつきによりオーバーフロートランジスタ１２８のポテンシャルが異なった場合に、オーバーフロートランジスタ制御線ＯＦＧのＤＣバイアス値を変更することでばらつきを補正する補正回路を搭載していてもよい。また、ここでは第１フォトダイオード１２０から第２フォトダイオード１２６への電荷転送をオーバーフロートランジスタ１２８で制御しているが、オーバーフロートランジスタ１２８が無く、半導体基板内の不純物プロファイルで制御することも可能である。
電荷排出トランジスタ１２９は、第２フォトダイオード１２６のカソード電極と、画素電源配線ＶＤＤＣとの間に接続されている。電荷排出トランジスタ１２９のゲート電極には制御線ＯＦＤが接続されている。電荷排出トランジスタ１２９のゲート電極に制御線ＯＦＤから電荷排出パルスφＯＦＤにて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられると、電荷排出トランジスタ１２９がオンとなり、第２フォトダイオード１２６に蓄積された信号電荷（具体的には電子）が画素電源配線ＶＤＤＣへ排出される。
第１転送トランジスタ１３０は、第２フォトダイオード１２６のカソード電極と蓄積容量素子１２７との間に接続されている。第１転送トランジスタ１３０のゲート電極には転送制御線ＴＧＳ１が接続されている。第１転送トランジスタ１３０のゲート電極に転送制御線ＴＧＳ１から転送パルスφＴＧＳ１にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられると、第１転送トランジスタ１３０がオンとなり、第２フォトダイオード１２６に蓄積された信号電荷（具体的には電子）が蓄積容量素子１２７へ転送される。この転送において、第２フォトダイオード１２６の信号電荷は、第２フォトダイオード１２６と蓄積容量素子１２７に電荷分配されるのではなく、蓄積容量素子１２７に完全転送される。
蓄積容量素子１２７のもう一方の電極には、容量制御線ＰＶＤＤが接続されている。容量制御線ＰＶＤＤには、ＤＣバイアス値を供給してもよい。例えば、ＤＣバイアス値としてＡＶＤＤの１／２とすると、蓄積容量素子１２７のリセット時の電圧はＡＶＤＤであるため、蓄積容量素子１２７間にかかる電圧はＡＶＤＤの値の１／２となる。また、高照度の光が照射された場合、大量の信号電荷が転送されて電位が低下するため、蓄積容量素子１２７の電位は０Ｖ付近まで上昇する。この時の蓄積容量素子１２７間にかかる電圧はＡＶＤＤの１／２となる。つまり、リセット時から信号蓄積時において、蓄積容量素子１２７間にかかる電圧の絶対値は最大でＡＶＤＤ／２となる。一方、容量制御線ＰＶＤＤに供給するＤＣバイアスをＡＶＤＤとしたときは、リセット時から信号蓄積時において、蓄積容量素子１２７間にかかる電圧の絶対値は最大でＡＶＤＤとなる。これより、信頼性確保の観点から蓄積容量素子１２７間にかかる電圧の絶対値を低減させるために、容量制御線ＰＶＤＤに供給するＤＣバイアスとしてＡＶＤＤの１／２を供給することは有効である。
第２転送トランジスタ１３１は、蓄積容量素子１２７と、スイッチトランジスタ１２２とリセットトランジスタ１２３との間にあるＦＤ２部１３３と接続されている。第２転送トランジスタ１３１のゲート電極には転送制御線ＴＧＣ１が接続されている。第２転送トランジスタ１３１のゲート電極に転送制御線ＴＧＣ１から転送パルスφＴＧＣ１にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられると、第２転送トランジスタ１３１がオンとなり、蓄積容量素子１２７に蓄積された信号電荷（具体的には電子）がＦＤ２部１３３へ転送される。
スイッチトランジスタ１２２については、ゲートにスイッチ制御線ＳＷ１が接続され、ドレイン電極にＦＤ２部１３３が接続され、ソース電極にＦＤ１部１３２が接続されている。
また、リセットトランジスタ１２３については、ゲートにリセット制御線ＲＳが接続され、ドレイン電極に画素電源配線ＶＤＤＣが接続され、ソース電極にＦＤ２部１３３が接続されている。第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部１３２へ信号電荷を転送する前に、リセットトランジスタ１２３のゲート電極にリセット制御線ＲＳを伝達してリセットパルスφＲＳにて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられると、リセットトランジスタ１２３がオンとなり、また、スイッチトランジスタ１２２のゲート電極にスイッチ制御線ＳＷ１を伝達してスイッチパルスφＳＷにて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられると、スイッチトランジスタ１２２もオンとなり、ＦＤ１部１３２とＦＤ２部１３３の電位が電源電圧ＡＶＤＤにリセットされる。
増幅トランジスタ１２４については、ゲート電極がＦＤ１部１３２と接続され、ドレイン電極が画素電源配線ＶＤＤＣと接続され、ソース電極が選択トランジスタ１２５のドレイン電極と接続されている。
選択トランジスタ１２５は、ゲート電極は選択制御線ＳＥＬが接続され、ドレイン電極は増幅トランジスタ１２４のソース電極と接続され、ソース電極は垂直信号線ＰＩＸＯＵＴと接続される。読出し行が選択されると、選択制御線ＳＥＬを伝達して選択パルスφＳＥＬにて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられ、選択トランジスタ１２５がオンとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴを接続する。
増幅トランジスタ１２４はオンとなった選択トランジスタ１２５を介して、スイッチトランジスタ１２２とリセットトランジスタ１２３によってリセットされた後のＦＤ１部１３２の電位をリセットレベルとして垂直信号線ＰＩＸＯＵＴへ出力し、さらに、転送トランジスタ１２１によって信号電荷が転送された後のＦＤ１部１３２の電位を信号レベルとして垂直信号線ＰＩＸＯＵＴへ出力する。
ここで、素電荷量をｑ、フローティングディフュージョン部の容量値をＣとすると、信号電荷から電圧に変換する変換効率ηはη＝ｑ／Ｃで表される。変換効率ηは容量値Ｃで決まるため、スイッチトランジスタ１２２がオン時は増幅トランジスタ１２４のゲート部にＦＤ１部１３２とＦＤ２部１３３が接続した状態となっているため、スイッチトランジスタ１２２がオフ時の増幅トランジスタ１２４のゲート部にＦＤ１部１３２のみ接続された状態と比べて、変換効率ηが低くなるという特徴がある。
ここで、変換効率ηは高いほど信号電荷量を電圧に効率よく変換することができ、出力信号の電圧値を大きくすることができる。これにより垂直信号線ＰＩＸＯＵＴに接続するカラム読出し回路１０５で発生するノイズ成分Ｎに対する画素信号Ｓの比率Ｓ／Ｎを向上することができ、高画質の画像を得ることができる。
また、蓄積容量素子１２７の読出しについて、蓄積容量素子１２７は第２転送トランジスタ１３１がオンとなってＦＤ１部１３２へ転送される際、完全転送されず、電荷分配で信号電荷がＦＤ２部１３３およびＦＤ１部１３２へ移動する。第２転送トランジスタ１３１がオンした後のＦＤ１部１３２の電位を蓄積容量素子１２７の信号レベルとして垂直信号線ＰＩＸＯＵＴへ出力し、その後リセットトランジスタ１２３によってＦＤ１部１３２がＡＶＤＤにリセットされる。リセットトランジスタ１２３がオフする際にｋＴＣノイズが発生する。リセットされたＦＤ１部１３２の電位をリセットレベルとして垂直信号線ＰＩＸＯＵＴへ出力し、信号レベルとリセットレベルの差分から蓄積容量素子１２７に蓄積された信号電荷の出力信号を読み出すため、ｋＴＣノイズを含む出力信号となる。ここで、第１フォトダイオード１２０の出力信号を低照度領域の画像生成に使用し、蓄積容量素子１２７の出力信号は高照度領域の画像生成に使用することで、広ダイナミックレンジを実現する。そのため、蓄積容量素子１２７の出力信号は、ある程度信号電荷が蓄積されているため、ここで発生するｋＴＣノイズの画質への影響は軽微である。
図２に示した画素セル１０１によれば、第１フォトダイオード１２０の出力信号を低照度時に対応する画像生成に使用し、第２保持部１２７の出力信号を高照度に対応する画像生成に使用することで、広ダイナミックレンジを実現できる。また、第１保持部の存在によってフォトダイオード１２０は，長時間露光（例えば常時露光または間欠露光）に適している。よって、フリッカーを容易に抑制可能である。さらに、第１保持部はコンデンサではなく第２フォトダイオード１２６として構成されるので、フォトダイオード１２６から第２保持部１２７への信号電荷の転送において信号電荷が分割または分配されることなく、完全転送することができる。第１保持部つまり第２フォトダイオード１２６は、第１フォトダイオード１２０と同様の構成でよいので、製造が容易である。
なお、ここでは選択トランジスタ１２５が記載されているが、選択トランジスタ１２５が無い構成であってもよい。画素セル１０１の行選択方法としては、選択行における画素セル１０１のＦＤ１部１３２の電位を高くし、非選択行のＦＤ１部１３２の電位を低くすることで、選択行の増幅トランジスタ１２４を有効にし、垂直信号線ＰＩＸＯＵＴへ出力することが可能である。
図３Ａ～図３Ｄは、第１の実施形態に係る固体撮像装置において、画素セル構成の第１～第４の例の模式断面図である。図３Ａでは、表面照射型の画素セル１０１の模式断面図を示し、画素セル１０１は、半導体基板１７０内に、ｐ型の不純物を含むウェル領域１４０と、ｐ型とは異なるｎ型の不純物を含む第１フォトダイオード１２０と、第１保持部であるｎ型の不純物を含む第２フォトダイオード１２６と、ゲート絶縁膜１４１と、オーバーフロートランジスタゲート１２８－１と、遮光配線１４２、絶縁膜１４３と、銅配線１４４と、ライナー膜１４５と、銅配線１４６と、ライナー膜１４７と、高屈折絶縁膜１４８と、カラーフィルタ１４９と、平坦化膜となる透過フィルタ１５０とマイクロレンズ１５１とを備える。第１フォトダイオード１２０および第２フォトダイオード１２６は、埋込ダイオードとして形成されている。
このように、半導体基板１７０内に、受光面となる撮像領域において、画素ごとに電荷を蓄積する第１フォトダイオード１２０が構成されており、さらに、第１フォトダイオード１２０に隣接して半導体基板１７０上にゲートの一例として、オーバーフロートランジスタゲート１２８－１が形成されている。
上記の半導体基板１７０には、第１フォトダイオード１２０に光電変換により生成及び蓄積される信号電荷が第１フォトダイオード１２０の蓄積容量を超えて信号電荷が生成されると、オーバーフロートランジスタ１２８を介して、隣接する第２フォトダイオード１２６に転送される。この第２フォトダイオード１２６の上部には遮光配線が形成されており、上部からの光照射に対して、受光しないように構成される。これにより、光電変換は主に第１フォトダイオード１２０にて行われるため、第１フォトダイオード１２０に蓄積される信号電荷と、第２フォトダイオード１２６に蓄積される信号電荷の画素セル１０１に照射した光に対する信号電荷の光電変換効率はほぼ一致しており、２つの信号電荷を後段の信号処理回路１０７にて加算処理することが可能となる。
また、第１保持部として第２フォトダイオード１２６を用いることで、第１転送トランジスタ１３０により、第２フォトダイオード１２６の信号電荷を蓄積容量素子１２７に完全に転送することが可能となる。加えて、第１保持部として第２フォトダイオード１２６を用いることで、電荷排出トランジタ１２９により、第２フォトダイオード１２６の信号電荷を完全に排出することが可能となる。このため、電荷排出トランジスタ１２９の電荷排出パルスφＯＦＤを“Ｈｉｇｈ”から“Ｌｏｗ”にしてから、第１転送トランジスタ１３０の転送パルスφＴＧＳ１を“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”にする期間を制御することにより、第２フォトダイオード１２６の信号電荷の蓄積期間を制御でき、光電変換効率を任意に制御することが可能となる。信号処理回路１０７と第１フォトダイオード１２０の露光期間と第２フォトダイオード１２６の蓄積期間を用いることで、第１フォトダイオード１２０に蓄積した信号電荷と第２フォトダイオード１２６を介して蓄積容量素子１２７に蓄積した信号電荷を演算処理し、加算処理することが可能となる。
図３Ｂでは、表面照射型の画素セル１０１の模式断面図を示し、図３Ａに対する差分として、オーバーフロートランジスタゲート１２８－１が無く、第１フォトダイオード１２０の側面に接し、第２フォトダイオード１２６の下部にｐ型の不純物を含む拡散領域１５２を転送路として備える。第１フォトダイオード１２０が生成する信号電荷が蓄積容量を超えて生成されると、第１フォトダイオード１２０と第２フォトダイオード１２６とが拡散領域１５２を介して電気的に接続され、第１フォトダイオード１２０で生じた信号電荷が拡散領域１５２に入り、第２フォトダイオード１２６に蓄積される。つまり、拡散領域１５２は、第１フォトダイオード１２０から溢れる信号電荷を第２フォトダイオード１２６に導く転送路として機能する。なお、拡散領域１５２のｐ型の不純物濃度は、第１フォトダイオード１２０と第２フォトダイオード１２６の間における分離部のｐ型の不純物濃度よりも薄くすることで、上記のような動作を可能とする。
図３Ｃでは、裏面照射型の画素セル１０１の模式断面図を示し、画素セル１０１は、半導体基板１６０内に、ｐ型の不純物を含むウェル領域１６１と、ｐ型とは異なるｎ型の不純物を含む第１フォトダイオード１２０と、第１保持部であるｎ型の不純物を含む第２フォトダイオード１２６と、遮光壁１６２と、ゲート絶縁膜１６３と、オーバーフロートランジスタゲート１２８－１と、絶縁膜１４３と、遮光膜１６４と、カラーフィルタ１６５と、平坦化膜となる透過フィルタ１６６とマイクロレンズ１６７とを備える。なお、ここでは半導体基板１６０に対してマイクロレンズ１６７がある側を裏面側、オーバーフロートランジスタゲート１２８－１がある側を表面側として定義する。
このように、図３Ａとの差分としては、半導体基板１６０裏面側に、マイクロレンズ１６７が形成され、半導体基板１６０裏面側から光が照射されて、第１フォトダイオード１２０が受光し、光電変換が行われる点が異なる。第１保持部となる第２フォトダイオード１２６は、裏面側に遮光膜１６４が形成され、第１フォトダイオード１２０と第２フォトダイオード１２６との間には遮光壁１６２が形成され、裏面側からの光を遮るような構造となっている。なお、遮光壁１６２は例えばＤＴＩ（Ｄｅｅｐ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）で形成され、中の材質はＳｉＯやＡｉｒとすることで、半導体基板１６０の材料の一例であるＳｉに比べ、屈折率を上げ、光照射に対して全反射させ、混色を抑制してもよい。また、金属材料を埋込、反射させる方法でもよい。遮光膜１６４は、たとえばタングステンＷなどの材料を使用して形成してもよい。
図３Ｄでは、裏面照射型の画素セル１０１の模式断面図を示し、図３Ｃに対する差分として、オーバーフロートランジスタゲート１２８－１が無く、第１フォトダイオード１２０の側面に接し、第２フォトダイオード１２６の下部（表面側）にｐ型の不純物を含む拡散領域１６８を転送路として備える。第１フォトダイオード１２０が生成する信号電荷が蓄積容量を超えて生成されると、第１フォトダイオード１２０と第２フォトダイオード１２６とが拡散領域１６８を介して電気的に接続され、第１フォトダイオード１２０で生じた信号電荷が拡散領域１６８に入り、第２フォトダイオード１２６に蓄積される。つまり、拡散領域１６８は、第１フォトダイオード１２０から溢れる信号電荷を第２フォトダイオード１２６に導く転送路として機能する。なお、拡散領域１６８のｎ型の不純物濃度は、第１フォトダイオード１２０と第２フォトダイオード１２６の間における分離部のｐ型の不純物濃度よりも薄くすることで、上記のような動作を可能とする。
上記の図３Ｂおよび図３Ｄでは、第２フォトダイオード１２６の非入射面側に、第１フォトダイオード１２０から溢れる信号電荷を、第２フォトダイオード１２６に導く転送路としての不純物拡散領域１５２または１６８を備える。ここで、非入射面は、入射面と反対側の面をいう。つまり、固体撮像装置において、光が入射する面を入射面と呼び、入射面と反対側の面を非入射面と呼ぶ。図３Ａ～図３Ｄでは、マイクロレンズ１５１が形成されない側が非入射面である。
なお、図３Ｂにおいて、第２フォトダイオード１２６（第１保持部）は、信号電荷を保持する第１導電型の第１半導体領域と、第１半導体領域の上に配置された第２導電型の第２半導体領域とを含む構成でもよい。また、第１フォトダイオード１２０は、信号電荷を保持する第１導電型の第３半導体領域を含む構成でよい。第３半導体領域の上に第１半導体領域が配置され、前記第３半導体領域と前記第１半導体領域の間には、第２導電型の第４半導体領域を上記の拡散領域１５２として含む構成としてもよい。
図４は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の半導体基板内のポテンシャル電位を示す図である。同図の横方向半導体基板内の相対的な位置を示す。同図の縦方向は下向きに電位が高いことを示す。
ここでは、画素セル１０１において、ＦＤ２部１３３と、転送トランジスタゲート１３１－１下部の半導体基板１７０内と、容量素子ノード（Ｃ１）１２７－１と、転送トランジスタゲート１３０－１下部の半導体基板１７０内と、第２フォトダイオード１２６と、オーバーフロートランジスタゲート１２８－１下部の半導体基板１７０内と、第１フォトダイオード１２０と、転送トランジスタゲート１２１－１下部の半導体基板１７０内と、ＦＤ１部１３２と、スイッチトランジスタゲート１２２－１下部と、ＦＤ２部１３３と、リセットトランジスタゲート１２３－１下部と、電源配線部ＶＤＤＣと、電荷排出トランジスタゲート１２９－１下部におけるポテンシャル電位を示す。ここで、図面における各素子の位置を明示するため、各素子の符号は制御線名およびノード名を記載している。
まず、図４の（ａ）はリセット動作時であって、リセットトランジスタゲート１２３－１にリセット制御線ＲＳからリセットパルスφＲＳにて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられ、スイッチトランジスタゲート１２２－１にスイッチ制御線ＳＷ１からスイッチパルスφＳＷ１にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられ、転送トランジスタゲート１２１－１に転送制御線ＴＧＬからリセットパルスφＴＧＬにて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられ、転送トランジスタゲート１３１－１に転送制御線ＴＧＣ１からリセットパルスφＴＧＣ１にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられ、ＦＤ１部１３２とＦＤ２部１３３と容量素子ノード（Ｃ１）１２７－１は電源電圧ＡＶＤＤにリセットされ、第１フォトダイオード１２０と第２フォトダイオード１２６から信号電荷は完全転送されてリセットされる。
図４の（ｂ１）は蓄積制御期間の内、露光開始時のポテンシャル電位を示す。リセットトランジスタゲート１２３－１にリセット制御線ＲＳからリセットパルスφＲＳにて“Ｌｏｗ”レベルが与えられ、スイッチトランジスタゲート１２２－１にスイッチ制御線ＳＷ１からスイッチパルスφＳＷ１にて“Ｌｏｗ”レベルが与えられ、転送トランジスタゲート１２１－１に転送制御線ＴＧＬから転送パルスφＴＧＬにて“Ｌｏｗ”レベルが与えられ、転送トランジスタゲート１３１－１に転送制御線ＴＧＳ１から転送パルスφＴＧＳ１にて“Ｌｏｗ”レベルが与えられ、第１フォトダイオード１２０と、第２フォトダイオード１２６および蓄積容量素子１２７に信号電荷が蓄積できる状態となる。
図４の（ｂ２）は蓄積制御期間の内、信号電荷の蓄積時のポテンシャル電位を示す。第１フォトダイオード１２０が照射された光に応じて光電変換し信号電荷が蓄積している。第１フォトダイオード１２０に隣接するオーバーフロートランジスタゲート１２８－１下部の半導体基板１７０内のポテンシャル障壁は、同じく第１フォトダイオード１２０に隣接する転送トランジスタゲート１２１－１下部の半導体基板１７０内のポテンシャル障壁よりも低くなるように、オーバーフロートランジスタ制御線ＯＦＧから供給されるＤＣバイアスにより制御される。これにより、第１フォトダイオード１２０に蓄積した信号電荷が、第１フォトダイオード１２０の蓄積容量を超えて生成されると、オーバーフロートランジスタゲート１２８－１下部の半導体基板１７０内を介して、第２フォトダイオード１２６に信号電荷が転送され、第２フォトダイオード１２６に信号電荷が蓄積される。
図４の（ｂ３）は、蓄積制御期間の内、第２フォトダイオード１２６に蓄積した信号電荷を蓄積容量ノード（Ｃ１）１２７－１に転送する転送時のポテンシャル電位を示す。転送トランジスタゲート１３０－１に転送制御線ＴＧＳ１から転送パルスφＴＧＳ１にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられ、第２フォトダイオード１２６に蓄積した信号電荷は、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量ノード（Ｃ１）１２７－１に完全転送される。
図４の（ｂ４）は、蓄積制御期間の内、第２フォトダイオード１２６に蓄積した信号電荷を排出する排出時のポテンシャル電位を示す。転送トランジスタゲート１３０－１に転送制御線ＴＧＳ１から転送パルスφＴＧＳ１にて“Ｌｏｗ”レベルが与えられ、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量ノード（Ｃ１）１２７への信号電荷の転送は止まる。電荷排出トランジスタゲート１２９－１に電荷排出制御線ＯＦＤから電荷排出パルスφＯＦＤにて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられ、第２フォトダイオード１２６から電源配線ＶＤＤＣへ信号電荷が排出される。この期間は、第１フォトダイオード１２０から第２フォトダイオード１２６へ溢れた信号電荷は、電源電圧にてリセットされるため、第２フォトダイオード１２６に蓄積されない。つまり第２フォトダイオード１２６は露光されていない状態となる。
第２フォトダイオード１２６の蓄積時間はｂ１）蓄積開始～容量への転送ｂ３）までの期間をＴｅｘｐと定義すると、この蓄積制御期間がＮ回繰り返された際、Ｔｅｘｐ＊Ｎで表される。
図４の（ｃ）は、蓄積容量素子１２７の信号電荷のフローティングディフュージョン１３２へ転送する際のポテンシャル電位を示す。転送トランジスタゲート１３１－１に転送制御線ＴＧＣ１から転送パルスφＴＧＣ１にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられ、蓄積容量素子１２７に蓄積した信号電荷は、蓄積容量素子１２７からＦＤ２部１３３へ電荷が転送し、スイッチトランジスタゲート１２２－１にスイッチ制御線ＳＷ１からスイッチパルスφＳＷ１にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられ、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２が接続され、蓄積容量ノード（Ｃ１）１２７に蓄積した信号電荷が、ＦＤ１部１３２およびＦＤ２部１３３に転送される。
次に図５は、図２に示す画素の動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す。
まず、時刻ｔ１では、φＲＳとφＳＷ１が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。また、φＴＧＬが“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第１フォトダイオード１２０の信号電荷は排出される。また、φＯＦＤが“Ｈｉｇｈ”レベルであるため、第２フォトダイオード１２６もまた信号電荷は排出される。φＴＧＣ１は“Ｈｉｇｈ”レベルになり、蓄積容量素子１２７に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ２にて、φＲＳとφＳＷ１は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、通常時はリセットトランジスタ１２３およびスイッチトランジスタ１２２のスイッチングによるノイズにより、ＦＤ１部１３２の電位は段差が発生する。また、φＴＧＬとφＴＧＣ１は“Ｌｏｗ”レベルとなり、信号電荷が蓄積できる状態となる。
時刻ｔ３にて、φＯＦＤは“Ｌｏｗ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６の信号電荷が蓄積できる状態となる。これは、図４の（ｂ１）に図示した蓄積開始時のポテンシャル電位に対応する駆動タイミングである。
時刻ｔ４にて、φＴＧＳ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１２７へ信号電荷が転送される。これは、図４の（ｂ３）に図示した信号転送時のポテンシャル電位に対応する駆動タイミングである。
時刻ｔ５にて、φＴＧＳ１は“Ｌｏｗ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１２７への信号電荷の転送が終了する。また、φＯＦＤは“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６の信号電荷が電源に排出される。これは、図４の（ｂ４）に図示した蓄積無し時のポテンシャル電位に対応する駆動タイミングであり、時刻ｔ３から時刻ｔ５の期間Ｔｅｘｐは蓄積容量素子１２７の蓄積期間に相当する。
時刻ｔ６にて、φＯＦＤは“Ｌｏｗ”レベルとなり、再度第２フォトダイオード１２６の信号電荷が蓄積できる状態となる。
時刻ｔ３からｔ６が蓄積周期Ｔｔとして、時刻ｔ１４までφＯＦＤとφＴＧＳ１のパルスが繰り返し行われる。
時刻ｔ１５にて、φＲＳとφＳＷ１が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。また、φＳＥＬが“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、選択トランジスタ１２５がオンとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴが電気的に接続される。増幅トランジスタ１２４は、一定の電流が流れソースフォロワを形成する。この図では記載していないが、同じ垂直信号線ＰＩＸＯＵＴに接続する他の画素の選択トランジスタ１２５のゲート電極にはφＳＥＬとして“Ｌｏｗ”レベルが供給され、選択トランジスタ１２５はオフしている。
時刻ｔ１６にて、φＲＳとφＳＷ１は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、通常時はリセットトランジスタ１２３およびスイッチトランジスタ１２２のスイッチングによるノイズにより、ＦＤ１部の電位は段差が発生する。
時刻ｔ１７にて、φＴＧＣ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、蓄積容量素子１２７に保持された信号電荷がＦＤ２部１３３およびＦＤ１部１３２へ電荷分配され、ＦＤ１部１３２の電位が低下し、電位が安定した時刻ｔ１７ａにて信号レベル（ＳＨ３）をサンプリングする。
時刻ｔ１８にて、φＲＳが“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２および蓄積容量素子１２７に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ１９にて、φＲＳは“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ１９ａにて信号レベル（ＣＬ３，ＣＬ４）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻１７ａにおける信号レベル（ＳＨ３）と時刻１９ａにおける信号レベル（ＣＬ３）の差分から蓄積容量素子１２７の出力信号Ｓｉｇ３を抽出する。
時刻ｔ２０にて、φＴＧＣ１が“Ｌｏｗ”レベルになり、第２転送トランジスタ１３１がオフとなり、φＲＳが“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ２１にて、φＲＳは“Ｌｏｗ”レベルとなる。この時、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ２１ａにて信号レベル（ＣＬ２）をサンプリングする。
時刻ｔ２２にて、φＳＷ１は“Ｌｏｗ”レベルとなる。この時、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ２２ａにて信号レベル（ＣＬ１）をサンプリングする。
時刻ｔ２３にて、φＴＧＬは“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部１３２へ信号電荷が転送され、ＦＤ１部１３２の電位は低下する。
時刻ｔ２４にて、φＴＧＬは“Ｌｏｗ”レベルとなり、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部１３２への信号電荷の転送が終了する。
時刻ｔ２４ａにて、ＦＤ１部１３２の電位が安定し、信号レベル（ＳＨ１）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２２ａにおける信号レベル（ＣＬ１）と時刻２４ａにおける信号レベル（ＳＨ１）の差分から第１フォトダイオード１２０の出力信号Ｓｉｇ１を抽出する。
時刻ｔ２５にて、φＳＷ１が“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、ＦＤ１部１３２に加えてスイッチトランジスタ１２２とＦＤ２部１３３の寄生容量分だけ容量が増加するため、時刻ｔ２４の時と比べて、変換効率ηが低下し、ＦＤ１部１３２の電位は上昇する。ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ２５ａにて信号レベル（ＳＨ２）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻ｔ２１ａにおける信号レベル（ＣＬ２）と時刻ｔ２５ａにおける信号レベル（ＳＨ２）の差分から第１フォトダイオード１２０の出力信号Ｓｉｇ２を抽出する。
時刻ｔ２６にて、φＴＧＣ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、ＦＤ１部１３２とスイッチトランジスタ１２２とＦＤ２部１３３の容量に加えて、第２転送トランジスタ１３１の容量と蓄積容量素子１２７の容量が増加するため、時刻ｔ２５の時と比べて、変換効率ηが低下し、ＦＤ１部１３２の電位は上昇する。ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ２６ａにて信号レベル（ＳＨ４）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻１９ａにおける信号レベル（ＣＬ４）と時刻２６ａにおける信号レベル（ＳＨ４）の差分から第１フォトダイオード１２０の出力信号Ｓｉｇ４を抽出する。
時刻ｔ２７にて、φＳＷ１とφＴＧＣ１は“Ｌｏｗ”レベルとなる。また、φＳＥＬは“Ｌｏｗ”レベルとなり、選択トランジスタ１２５がオフとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴの接続が電気的に切断される。
また、第１フォトダイオード１２０の露光期間ＴｐｄはφＴＧＬが“Ｌｏｗ”レベルとなる時刻ｔ２から時刻ｔ２４の期間となる。一方、蓄積容量素子１２７の第２フォトダイオード１２６から信号電荷が転送される蓄積期間Ｔｃ１は、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間をＴａ、時刻ｔ１４から時刻ｔ２４までの期間をＴｂ、蓄積周期Ｔｔと定義すると、(式１)で表される。
Ｔｃ１＝（Ｔｐｄ－Ｔａ－Ｔｂ）＊Ｔｅｘｐ／Ｔｔ …（式１）
これより、第１フォトダイオード１２０の露光期間Ｔｐｄと蓄積容量素子１２７の蓄積期間Ｔｃ１をあらわす式１を用いることで、露光期間Ｔｐｄと蓄積期間Ｔｃ１の比率を算出することができる。
以上のタイミングチャートに従うと、合計で４つの異なる状態における出力信号を得ることができる。第１フォトダイオード１２０の信号電荷においてスイッチトランジスタ１２２がオフ状態としてより高い変換効率で信号電荷を電圧に変換した出力信号Ｓｉｇ１と、第１フォトダイオード１２０の信号電荷においてスイッチトランジスタ１２２がオンとして信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ２と、第１フォトダイオード１２０の信号電荷においてスイッチトランジスタ１２２がオン、第２転送トランジスタ１３１がオンとして信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ４が取得できる。また、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１２７に蓄積する信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ３を取得できる。
図６は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の信号処理を行うフローチャートを示す。まず、図５のタイミングチャートで示したように各画素の出力信号（Ｓｉｇ１～Ｓｉｇ４）を取得する（Ｓ１１）。次に、露光補正値ＧＥＸを算出する（Ｓ１２）。露光補正値は第１フォトダイオード１２０の露光期間Ｔｐｄに対する、第１フォトダイオード１２０から第２フォトダイオード１２６へ溢れた信号電荷が転送されて蓄積する蓄積期間Ｔｃ１の比率（ＧＥＸ＝Ｔｃ１／Ｔｐｄ）に相当する。図５のタイミングチャートでも示したように蓄積期間Ｔｃ１を主にφＯＦＤとφＴＧＳ１のパルスタイミングにより制御される。次に、データ演算を行う（Ｓ１３）。データ演算は第１フォトダイオード１２０の信号電荷の出力信号Ｓｉｇ４と、蓄積容量素子１２７に蓄積された信号電荷の出力信号Ｓｉｇ３とを、Ｓｉｇ３’＝Ｓｉｇ３＋Ｓｉｇ４＊ＧＥＸの関係式に従って画素毎に演算を行う。これにより、第１フォトダイオード１２０の信号電荷であるＳｉｇ１、Ｓｉｇ２と、第１フォトダイオード１２０の出力信号と蓄積容量素子１２７の出力信号を演算処理したＳｉｇ３’を出力する（Ｓ１４）。Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２およびＳｉｇ３’は、被写体照度が低照度から高照度に対応する画素信号に対応する。Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２およびＳｉｇ３’を合成することにより広ダイナミックレンジを実現できる。
図７は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の被写体照度と画素の出力信号の関係を示すグラフである。横軸には被写体照度を示し、縦軸には出力を示す。同図には、第１フォトダイオード１２０の信号電荷においてスイッチトランジスタ１２２がオフ状態としてより高い変換効率で信号電荷を電圧に変換した出力信号Ｓｉｇ１と、スイッチトランジスタ１２２がオンとして信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ２と、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１２７に蓄積する信号電荷を電圧変換し、演算処理された出力信号Ｓｉｇ３’を示す。グラフの傾きは変換効率およびＡＤ変換時のゲイン設定、蓄積期間および露光期間に依存する。低照度の被写体をカバーする出力信号Ｓｉｇ１では、変換効率の高く、ＡＤ変換時のゲイン設定も他より高く設定するため、グラフの傾きが急になっている。また、出力はＡＤ変換後の出力を示しているため、最大値はＡＤ変換時のｂｉｔ数に依存する。
被写体照度Ｌ１になると、Ｓｉｇ１のＡＤ変換後の出力値は最大値に到達し、これより被写体照度に依存せず一定の出力となる。
被写体照度Ｌ２になると、Ｓｉｇ２のＡＤ変換後の出力値は最大値に到達し、これより被写体照度に依存せず一定の出力となる。Ｓｉｇ１よりはＦＤ１部１３２の変換効率が低く、ＡＤ変換時のゲイン設定も低いため、より高照度側の被写体照度Ｌ２で出力は最大値となる。
被写体照度Ｌ３になると、Ｓｉｇ３’のＡＤ変換後の出力値は最大値に到達し、これより被写体照度に依存せず一定の出力となる。
Ｓｉｇ３’は、Ｓｉｇ２と比べて、撮像可能な被写体照度の範囲は０～Ｌ３とより広く、被写体照度が比較的高い場合でも被写体照度に応じた信号電荷量を得ることができる。これは、蓄積容量素子１２７にて第１フォトダイオード１２０から溢れた信号電荷をある蓄積時間比で蓄積することが可能であるためである。また、蓄積期間を短くすることでグラフの傾きを緩やか（相対的に感度を下げる）にすることで、画素サイズを大きくして蓄積容量素子１２７の容量値を上げることなく、より高照度下の撮像が可能である。
ここで、ＬＥＤ光源によるフリッカーを抑制するため、固体撮像装置は常時露光動作あるいは、ＬＥＤ光源の点滅周期ＴＬＥＤに対し、周期ＴＬＥＤ／２以下の周期で間欠露光動作する必要がある。出力信号Ｓｉｇ１とＳｉｇ２については、第１フォトダイオード１２０の信号電荷であり、常時露光動作で取得された信号電荷であるため、フリッカーは抑制される。また、Ｓｉｇ３’は蓄積容量素子１２７を用いて信号電荷の蓄積電荷量を拡大するとともに、図５における時刻ｔ３からｔ６を周期的に繰り返して信号電荷を間欠的に蓄積し、間欠露光動作を行うことで、高照度の被写体の撮像を可能としつつ、ＬＥＤ光源のフリッカーを抑制した画像を得ることができる。
図８は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の被写体照度と画素のＳＮ（信号とノイズの比）の関係を示すグラフである。横軸は被写体照度、縦軸はＳＮを示す。低照度から高照度までをＳｉｇ１、Ｓｉｇ２、Ｓｉｇ３’の出力信号をつなぎ被写体照度に対する画像のＳＮを示したものである。各出力信号をつなぐことで、高いＳＮを維持しつつ広いダイナミックレンジを確保することができる。
また、このとき、ダイナミックレンジ（ＤＲ）は、第１フォトダイオード１２０の飽和Ｓａｔ＿ｐｄと蓄積容量素子１２７の飽和Ｓａｔ＿ｃａｐの飽和比（Ｓａｔ＿ｃａｐ／Ｓａｔ＿ｐｄ）と、第１フォトダイオード１２０の露光期間Ｔｐｄに対する、第１フォトダイオード１２０から第２フォトダイオード１２６へ溢れた信号電荷が転送されて蓄積する蓄積期間Ｔｃ１の蓄積期間比率（Ｔｃ１／Ｔｐｄ）を用いると、簡易計算で、以下のようになる。
ＷＤＲのＤＲ＝１フレームのＤＲ＋飽和比（Ｓａｔ＿ｃａｐ／Ｓａｔ＿ｐｄ）／蓄積期間比率（Ｔｃ１／Ｔｐｄ）
＝７２ｄＢ（ＡＤ１２ｂｉｔ）＋４８ｄＢ（２５６／１倍）
＝１２０ｄＢ
なお、ここで、１フレームのＤＲに関しては、画素のＤＲ（＝飽和／ノイズ比）が、ＡＤｂｉｔ精度を超えているとして、ＡＤｂｉｔ精度で制約を受けるとする。
また、蓄積容量素子１２７を使用すると、前述したように出力信号にｋＴＣノイズが含まれてノイズが悪化する。仮にＳｉｇ３’のみで広いダイナミックレンジの画像を得ようとすると、低照度領域では、ｋＴＣノイズによる影響が顕著となり、画質（Ｓ／Ｎ）が悪く、特にＳ／Ｎを重視する低照度の画質としては許容できない。しかしながら、第１の実施形態によれば、低照度の画質は、第１フォトダイオード１２０からの出力信号であるＳｉｇ１とＳｉｇ２であるため、低照度画質のＳ／Ｎが悪化するという課題は有しない。
以上説明してきたように、本実施の形態における固体撮像装置１００は、画素セル１０１が行列状に配置される固体撮像装置１００であって、画素セル１０１は、光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオード１２０と、第１フォトダイオードから溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオード１２６と、第２保持部１２７と、第１保持部（つまり第２フォトダイオード１２６）に保持された信号電荷を第２保持部１２７へ転送する第１転送トランジスタ１３０と、を備える。
これによれば、第１フォトダイオード１２０の出力信号を低照度時に対応する画像生成に使用し、第２保持部１２７の出力信号を高照度に対応する画像生成に使用することで、広ダイナミックレンジを実現できる。また、第１保持部の存在によってフォトダイオード１２０は，長時間露光（例えば常時露光または間欠露光）に適している。よって、フリッカーを容易に抑制可能である。さらに、第１保持部はコンデンサではなく第２フォトダイオード１２６として構成されるので、フォトダイオード１２６から第２保持部１２７への信号電荷の転送において信号電荷が分割または分配されることなく、完全転送することができる。第１保持部（第２フォトダイオード１２６）は、第１フォトダイオード１２０と同様の構成なので、製造が容易である。
ここで、固体撮像装置１００は、さらに、信号電荷を保持するフローティングディフュージョン部１３２と、第２保持部１２７からフローティングディフュージョン部１３２へ信号電荷を転送する第２転送トランジスタ１３１と、を備えてもよい。
ここで、固体撮像装置１００は、第２転送トランジスタ１３１とフローティングディフュージョン部１３２との間にスイッチトランジスタ１２２を有してもよい。
ここで、第２フォトダイオード１２６は、埋込型フォトダイオードであってもよい。
ここで、固体撮像装置１００は、光が入射する入射面と、入射面と反対側の非入射面とを有し、第２フォトダイオード１２６の非入射面側に、第１フォトダイオード１２０から溢れる信号電荷を、第２フォトダイオード１２６に導く転送路としての不純物拡散領域１５２または１６８を備えてもよい。
ここで、固体撮像装置１００は、第１フォトダイオード１２０から溢れる信号電荷を、第２フォトダイオード１２６に導くオーバーフロートランジスタ１２８を備えてもよい。
ここで、固体撮像装置１００は、第２フォトダイオード１２６を遮光する遮光膜（例えば遮光配線１４２または遮光壁１６２）を有していてもよい。
ここで、第１保持部から信号電荷を排出する電荷排出用トランジスタ１２９と、電荷排出用トランジスタ１２９を制御する垂直走査回路１０３と、を有していてもよい。
ここで、電荷排出用トランジスタ１２９と第１転送トランジスタ１３０を垂直走査回路１０３で制御することで、第２保持部１２７に保持される信号電荷に対応する第１蓄積期間を制御してもよい。
ここで、垂直走査回路１０３は、第１転送トランジスタ１３０を制御して、１フレーム期間に第１保持部（つまり第２フォトダイオード１２６）に保持された信号電荷を、第２保持部１２７へ複数回に分けて転送してもよい。
ここで、固体撮像装置１００は、第１フォトダイオード１２０の信号電荷と第２保持部１２７に保持される信号電荷とを加算する第１加算部を有していてもよい。
また、本実施の形態における撮像方法は、画素セル１０１が行列状に配置される固体撮像装置１００における撮像方法であって、前記画素セル１０１は、光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオード１２０と、第１フォトダイオード１２０から溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオード１２６と、第２保持部１２７と、第１保持部に保持された信号電荷を第２保持部１２７へ転送する第１転送トランジスタ１３０と、を備え，撮像方法において、第１フォトダイオード１２０を露光し、第１フォトダイオード１２０から溢れた信号電荷を第１保持部に転送し、第１保持部（つまり第２フォトダイオード１２６）に保持された信号電荷を第２保持部１２７へ転送する。
（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。なお、図９では第１の実施形態と異なる点について記述する。
図９では、本回路例に係る画素セル１０１は、第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例に加えて、第３保持部として例えば蓄積容量素子１３４、転送トランジスタ１３５、転送トランジスタ１３６を有する。
各トランジスタ１３５と１３６としては、例えばＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いてもよい。
転送トランジスタ１３５は、第２フォトダイオード１２６のカソード電極と蓄積容量素子１３４との間に接続されている。転送トランジスタ１３５のゲート電極には転送制御線ＴＧＳ２が接続されている。転送トランジスタ１３５のゲート電極に転送制御線ＴＧＳ２から転送パルスφＴＧＳ２にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられると、転送トランジスタ１３５がオンとなり、第２フォトダイオード１２６に蓄積された信号電荷（具体的には電子）が蓄積容量素子１３４へ転送される。蓄積容量素子１３４のもう一方の電極には、容量制御線ＰＶＤＤが接続されている。
転送トランジスタ１３６は、蓄積容量素子１３４と、スイッチトランジスタ１２２とリセットトランジスタ１２３との間にあるＦＤ２部１３３と接続されている。転送トランジスタ１３６のゲート電極には転送制御線ＴＧＣ２が接続されている。転送トランジスタ１３６のゲート電極に転送制御線ＴＧＣ２から転送パルスφＴＧＣ２にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられると、転送トランジスタ１３６がオンとなり、蓄積容量素子１３４に蓄積された信号電荷（具体的には電子）がＦＤ２部１３３へ転送される。
次に図１０は、図９に示す画素の動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す。
まず、時刻ｔ１では、φＲＳとφＳＷ１が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。また、φＴＧＬが“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第１フォトダイオード１２０の信号電荷は排出される。また、φＯＦＤが“Ｈｉｇｈ”レベルであるため、第２フォトダイオード１２６もまた信号電荷は排出される。φＴＧＣ１とφＴＧＣ２は“Ｈｉｇｈ”レベルになり、蓄積容量素子１２７と蓄積容量素子１３４に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ２にて、φＲＳとφＳＷ１は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、通常時はリセットトランジスタ１２３およびスイッチトランジスタ１２２のスイッチングによるノイズにより、ＦＤ１部１３２の電位は段差が発生する。また、φＴＧＬとφＴＧＣ１とφＴＧＣ２は“Ｌｏｗ”レベルとなり、信号電荷が蓄積できる状態となる。
時刻ｔ３にて、φＯＦＤは“Ｌｏｗ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６の信号電荷が蓄積できる状態となる。
時刻ｔ４にて、φＴＧＳ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１２７へ信号電荷が転送される。
時刻ｔ５にて、φＴＧＳ１は“Ｌｏｗ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１２７への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ３から時刻ｔ５の期間Ｔｅｘｐ１は蓄積容量素子１２７の蓄積期間に相当する。
時刻ｔ６にて、φＴＧＳ２は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１３４へ信号電荷が転送される。
時刻ｔ７にて、φＴＧＳ２は“Ｌｏｗ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１３４への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ５から時刻ｔ７の期間Ｔｅｘｐ２は蓄積容量素子１３４の蓄積期間に相当する。また、φＯＦＤは“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６の信号電荷が電源に排出される。
時刻ｔ３からｔ８が蓄積周期Ｔｔとして、時刻ｔ２０までφＯＦＤとφＴＧＳ１とφＴＧＳ２のパルスが繰り返し行われる。
時刻２１にて、φＲＳとφＳＷ１が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。また、φＳＥＬが“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、選択トランジスタ１２５がオンとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴが電気的に接続される。増幅トランジスタ１２４は、一定の電流が流れソースフォロワを形成する。この図では記載していないが、同じ垂直信号線ＰＩＸＯＵＴに接続する他の画素の選択トランジスタ１２５のゲート電極にはφＳＥＬとして“Ｌｏｗ”レベルが供給され、選択トランジスタ１２５はオフしている。
時刻ｔ２２にて、φＲＳとφＳＷ１は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、通常時はリセットトランジスタ１２３およびスイッチトランジスタ１２２のスイッチングによるノイズにより、ＦＤ１部１３２の電位は段差が発生する。
時刻ｔ２３にて、φＴＧＣ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、蓄積容量素子１２７に保持された信号電荷がＦＤ２部１３３およびＦＤ１部１３２へ電荷分配され、ＦＤ１部１３２の電位が低下し、電位が安定した時刻ｔ２３ａにて信号レベル（ＳＨ２）をサンプリングする。
時刻ｔ２４にて、φＲＳが“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２および蓄積容量素子１２７に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ２５にて、φＲＳは“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ２５ａにて信号レベル（ＣＬ２，ＣＬ４）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２３ａにおける信号レベル（ＳＨ２）と時刻２５ａにおける信号レベル（ＣＬ２）の差分から蓄積容量素子１２７の出力信号Ｓｉｇ２を抽出する。
時刻ｔ２６にて、φＴＧＣ１が“Ｌｏｗ”レベルになり、第２転送トランジスタ１３１がオフとなり、φＲＳが“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ２７にて、φＲＳは“Ｌｏｗ”レベルとなる。この時、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ２７ａにて信号レベル（ＣＬ１）をサンプリングする。
時刻ｔ２８にて、φＴＧＬは“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部１３２へ信号電荷が転送され、ＦＤ１部１３２の電位は低下する。
時刻ｔ２９にて、φＴＧＬは“Ｌｏｗ”レベルとなり、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部１３２への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ２９ａにて、ＦＤ１部１３２の電位が安定し、信号レベル（ＳＨ１）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２７ａにおける信号レベル（ＣＬ１）と時刻２９ａにおける信号レベル（ＳＨ１）の差分から第１フォトダイオード１２０の出力信号Ｓｉｇ１を抽出する。
時刻ｔ３０にて、φＴＧＣ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、ＦＤ１部１３２とスイッチトランジスタ１２２とＦＤ２部１３３の容量に加えて、第２転送トランジスタ１３１の容量と蓄積容量素子１２７の容量が増加するため、時刻ｔ２９ａの時と比べて、変換効率ηが低下し、ＦＤ１部１３２の電位は上昇する。ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ３０ａにて信号レベル（ＳＨ４）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２５ａにおける信号レベル（ＣＬ４）と時刻３０ａにおける信号レベル（ＳＨ４）の差分から第１フォトダイオード１２０の出力信号Ｓｉｇ４を抽出する。
時刻ｔ３１にて、φＴＧＣ１が“Ｌｏｗ”レベルになり、第２転送トランジスタ１３１がオフとなり、φＲＳが“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ３２にて、φＲＳは“Ｌｏｗ”レベルとなる。
時刻ｔ３３にて、φＴＧＣ２が“Ｈｉｇｈ”レベルになる。この時、蓄積容量素子１３４に保持された信号電荷がＦＤ２部１３３およびＦＤ１部１３２へ電荷分配され、ＦＤ１部１３２の電位が低下し、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ３３ａにて信号レベル（ＳＨ３）をサンプリングする。
時刻ｔ３４にて、φＲＳが“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２および蓄積容量素子１３４に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ３５にて、φＲＳは“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ３５ａにて信号レベル（ＣＬ３）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻３３ａにおける信号レベル（ＳＨ３）と時刻３５ａにおける信号レベル（ＣＬ３）の差分から蓄積容量素子１３４の出力信号Ｓｉｇ３を抽出する。
時刻ｔ３６にて、φＳＷ１とφＴＧＣ２は“Ｌｏｗ”レベルとなる。また、φＳＥＬは“Ｌｏｗ”レベルとなり、選択トランジスタ１２５がオフとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴの接続が電気的に切断される。
また、第１フォトダイオード１２０の露光期間ＴｐｄはφＴＧＬが“Ｌｏｗ”レベルとなる時刻ｔ２から時刻ｔ２９の期間となる。一方、蓄積容量素子１２７の第２フォトダイオード１２６から信号電荷が転送される蓄積期間Ｔｃ１’は、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間をＴａ、時刻ｔ１９から時刻ｔ２４までの期間をＴｂと定義すると、（式２）で表される。
Ｔｃ１’＝（Ｔｐｄ－Ｔａ－Ｔｂ）＊Ｔｅｘｐ１／Ｔｔ …（式２）
また、蓄積容量素子１３４の第２フォトダイオード１２６から信号電荷が転送される蓄積期間Ｔｃ２’は、（式３）で表される。
Ｔｃ２’＝（Ｔｐｄ－Ｔａ－Ｔｂ）＊Ｔｅｘｐ２／Ｔｔ …（式３）
これより、第１フォトダイオード１２０の露光期間Ｔｐｄと蓄積容量素子１２７の蓄積期間Ｔｃ１’と蓄積容量素子１３４の蓄積期間Ｔｃ２’を表す式２、式３を用いることで、露光期間Ｔｐｄと蓄積期間Ｔｃ１’とＴｃ２’の比率を算出することができる。
以上のタイミングチャートに従うと、合計で４つの異なる状態における出力信号を得ることができる。第１フォトダイオード１２０の信号電荷を電圧に変換した出力信号Ｓｉｇ１と、スイッチトランジスタ１２２がオン、第２転送トランジスタ１３１がオンとして第１フォトダイオード１２０の信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ４が取得できる。また、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１２７に蓄積する信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ２と、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１３４に蓄積する信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ３を取得できる。
図１１は、第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の信号処理を行うフローチャートを示す。まず、図１０のタイミングチャートで示した各画素の出力信号（Ｓｉｇ１～Ｓｉｇ４）を取得する（Ｓ２１）。次に、パラメータ値を設定する（Ｓ２２）。まず、露光補正値ＧＥＸ１とＧＥＸ２は第１フォトダイオード１２０の露光時間に対する、第１フォトダイオード１２０から第２フォトダイオード１２６へ溢れた信号電荷が転送されて蓄積する露光時間の比率（ＧＥＸ１＝Ｔｃ１’／Ｔｐｄ、ＧＥＸ２＝Ｔｃ２’／Ｔｐｄ）で表される。これは、図１０のタイミングチャートでも示したようにφＯＦＤとφＴＧＳ１とφＴＧＳ２のパルスタイミングにより制御される。また、ゲイン補正値は、蓄積容量素子１２７の信号電荷量を電圧に変換する変換効率η１と、蓄積容量素子１３４の信号電荷量を電圧に変換する変換効率η２の比率で表され、ＧＭＳ＝η１／η２となる。
次に、データ演算を行う（Ｓ２３）。データ演算は、第１フォトダイオード１２０の信号電荷の出力信号Ｓｉｇ４と、蓄積容量素子１２７に蓄積された信号電荷の出力信号Ｓｉｇ２を、（式４）の関係式に従って画素毎に演算することで、被写体照度が低照度から高照度に対応する画素信号を得る。
Ｓｉｇ２’＝Ｓｉｇ２＋Ｓｉｇ４＊ＧＥＸ１ …（式４）
また、蓄積容量素子１３４に蓄積された信号電荷の出力信号Ｓｉｇ３については、（式５）の関係式に従って画素毎に演算を行う。
Ｓｉｇ３’＝Ｓｉｇ３＋Ｓｉｇ４＊ＧＥＸ２／ＧＭＳ …（式５）
これにより、第１フォトダイオード１２０の信号電荷であるＳｉｇ１と、第１フォトダイオード１２０の信号と蓄積容量素子１２７の信号を演算処理したＳｉｇ２’、また第１フォトダイオード１２０の信号と蓄積容量素子１３４の信号を演算処理したＳｉｇ３’を出力する（Ｓ２４）。Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２’およびＳｉｇ３’は、被写体照度が低照度から高照度に対応する画素信号に対応する。Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２’およびＳｉｇ３’を合成することにより広ダイナミックレンジを実現できる。
図１２は、第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の被写体照度と画素の出力信号の関係を示すグラフである。横軸には被写体照度を示し、縦軸には出力を示す。同図は、第１フォトダイオード１２０の信号電荷であるＳｉｇ１と、第１フォトダイオード１２０の出力信号と蓄積容量素子１２７の出力信号を演算処理したＳｉｇ２’、また第１フォトダイオード１２０の出力信号と蓄積容量素子１３４の出力信号を演算処理したＳｉｇ３’とを示す。
被写体照度Ｌ１’になると、Ｓｉｇ１のようにＡＤ変換後の出力値は最大値に到達し、これより被写体照度に依存せず一定の出力となる。
被写体照度Ｌ２’になると、Ｓｉｇ２’のＡＤ変換後の出力値は最大値に到達し、これより被写体照度に依存せず一定の出力となる。被写体照度Ｌ２’は図７における被写体照度Ｌ２よりも高照度側へシフトしている。これは、蓄積容量素子１２７にて第１フォトダイオード１２０から溢れた信号電荷をある露光時間比で蓄積することが可能であるためである。また、被写体照度Ｌ２’の位置は、蓄積期間Ｔｃ１’を短くすることでグラフの傾きを緩やかにする（相対的に感度を下げる）ことで、より高い被写体照度の撮像も可能である。
被写体照度Ｌ３’になると、Ｓｉｇ３’のようにＡＤ変換後の出力値は最大値に到達し、これより被写体照度に依存せず一定の出力となる。
ここでのグラフの前提としては、蓄積容量素子１３４の容量値は蓄積容量素子１２７よりも大きく、蓄積期間Ｔｃ２’は蓄積期間Ｔｃ１’よりも短いとしている。これにより、Ｓｉｇ３’は、Ｓｉｇ２’と比べて、撮像可能な被写体照度の範囲は０～Ｌ３とより広く、被写体照度が比較的高い場合でも被写体照度に応じた信号電荷量を得ることができる。また、被写体照度Ｌ３’の位置は、蓄積期間Ｔｃ２’を短くすることでグラフの傾きを緩やか（相対的に感度を下げる）にし、より高い被写体照度の撮像も可能である。
ここで、ＬＥＤ光源のフリッカー現象を抑制するため、常時露光動作あるいは、ＬＥＤ光源の点滅周期ＴＬＥＤに対し、周期ＴＬＥＤ／２以下の周期で間欠露光動作（蓄積動作）することが必要である。Ｓｉｇ２’およびＳｉｇ３’は広いダイナミックレンジを確保し、周期ＴＬＥＤ／２以下の周期で間欠蓄積動作することで、ＬＥＤ光源のフリッカーを抑制した画像を得ることができる。
また、出力信号Ｓｉｇ２’およびＳｉｇ３’の蓄積制御として、間欠蓄積動作を行うことで様々な撮影シーンに応じて最適な蓄積時間を設定することができる。
なお、出力信号Ｓｉｇ２’およびＳｉｇ３’にはｋＴＣノイズが重畳する。ｋＴＣノイズを電子数換算すると、（式６）で表される。
Figure 0007507152000001
式６から電子数換算したｋＴＣノイズＮｏｉｓｅｋｔｃは、容量値Ｃの√に比例するため、容量値Ｃが大きいほどノイズは大きくなる。図１１でも示したように出力信号Ｓｉｇ２’がカバーする被写体照度は、Ｓｉｇ３’よりも被写体照度よりも低照度であり、光電変換される信号電荷はより少なくなるため、ｋＴＣノイズの画質への影響が懸念される。このため、蓄積容量素子１２７の容量値は蓄積容量素子１３４よりも小さくすることでｋＴＣノイズの影響を緩和させてもよい。
以上説明してきたように、本実施の形態における固体撮像装置１００は、第１保持部（つまり第２フォトダイオード１２６）から信号電荷を排出する電荷排出用トランジスタ１２９と、電荷排出用トランジスタ１２９を制御する垂直走査回路１０３と、第１保持部（第２フォトダイオード１２６）から転送される信号電荷を保持する第３保持部１３４と、第１保持部（第２フォトダイオード１２６）から第３保持部１３４に信号電荷を転送するトランジスタ１３５と、を有する。
これによれば、ダイナミックレンジの拡大とフリッカー現象の抑制とを両立し、しかも、相対的に感度を下げることでより高い被写体照度の撮像を可能にする。
ここで、電荷排出用トランジスタ１２９あるいは第４転送トランジスタ１３５と第１転送トランジスタ１３０を垂直走査回路１０３で制御することで、第２保持部１２７に保持される信号電荷に対応する第２蓄積期間を制御してもよい。
ここで、電荷排出用トランジスタ１２９あるいは第１転送トランジスタ１３０と第４転送トランジスタ１３５を垂直走査回路１０３で制御することで、第３保持部１３４に保持される信号電荷に対応する第３蓄積期間を制御してもよい。
ここで、第２蓄積期間は、第３蓄積期間よりも長くてもよい。
ここで、垂直走査回路１０３は、第１転送トランジスタ１３０を制御して、１フレーム期間に第１保持部（つまり第２フォトダイオード１２６）に保持された信号電荷を、第２保持部１２７へ複数回に分けて転送し、垂直走査回路１０３は、第４転送トランジスタ１３５を制御して、１フレーム期間に第１保持部に保持された信号を、第３保持部１３４へ複数回に分けて転送してもよい。
ここで、第２保持部１２７の容量値は、第３保持部１３４の容量値よりも小さくてもよい。
ここで、固体撮像装置１００は、第１フォトダイオード１２０が光を受光し光電変換する露光期間と、第２保持部１２７に保持される信号電荷に対応する第２蓄積期間との差分を補正する第１補正部と、第１フォトダイオード１２０の信号電荷と第２保持部１２７に保持される信号電荷を加算する第１加算部と、第１フォトダイオード１２０が光電変換する露光期間と、第３保持部１３４に保持される信号電荷に対応する第３蓄積期間との差分を補正する第２補正部と、第２保持部１２７に保持される信号電荷を電圧に変換する変換効率と第３保持部１３４に保持される信号電荷を電圧に変換する変換効率との差分を補正するゲイン補正部と、第１フォトダイオード１２０の信号電荷と第３保持部１３４に保持される信号電荷を加算する第２加算部と、を有していてもよい。
（第３の実施形態）
図１３は、第３の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。なお、図１３では第２の実施形態と異なる点を中心に記述する。
図１３は、本回路例に係る画素セル１０１は、第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例に加えて、スイッチトランジスタ１３７を有する。
スイッチトランジスタ１３７としては、例えばＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いてもよい。
スイッチトランジスタ１３７については、ゲートにスイッチ制御線ＳＷ２が接続され、ソース電極にＮ行目の画素セル１０１のＦＤ２部１３３と、ここには図示していないがＮ＋１行目のスイッチトランジスタ１３７のドレイン電極が接続され、ドレイン電極にＮ－１行目の画素セル１０１のＦＤ２部１３３とスイッチトランジスタ１３７のソース電極が接続されている。
次に図１４は、図１３に示す画素の動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す。なお、時刻ｔ１～ｔ２０までは図１０で示した第２の実施形態におけるタイミングチャートと同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、ここではＮ－１行目の画素セル１０１の一部の駆動タイミングを示すが、タイミングチャートに示されていないＮ－１行目の画素セル１０１の制御パルス（φＳＥＬ、φＳＷ２、φＴＧＬ、φＯＦＤ、φＴＧＳ１、φＴＧＳ２、φＴＧＣ１、φＴＧＣ２）は、時刻ｔ４１後の状態を維持しているとする。
時刻２１にて、φＲＳ＜Ｎ＞とφＳＷ１＜Ｎ＞とφＲＳ＜Ｎ－１＞とφＳＷ＜Ｎ－１＞が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、Ｎ行目とＮ－１行目のＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。また、φＳＥＬが“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、選択トランジスタ１２５がオンとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴが電気的に接続される。増幅トランジスタ１２４は、一定の電流が流れソースフォロワを形成する。この図では記載していないが、同じ垂直信号線ＰＩＸＯＵＴに接続する他の画素の選択トランジスタ１２５のゲート電極にはφＳＥＬとして“Ｌｏｗ”レベルが供給され、選択トランジスタ１２５はオフしている。
時刻ｔ２２にて、φＲＳ＜Ｎ＞とφＲＳ＜Ｎ－１＞は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、通常時はリセットトランジスタ１２３のスイッチングによるノイズにより、ＦＤ１部１３２の電位は段差が発生する。このとき、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ２２ａにて信号レベル（ＣＬ１）をサンプリングする。
時刻ｔ２３にて、φＴＧＬは“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部１３２へ信号電荷が転送され、ＦＤ１部１３２の電位は低下する。
時刻ｔ２４にて、φＴＧＬは“Ｌｏｗ”レベルとなり、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ２４ａにて、ＦＤ１部１３２の電位が安定し、信号レベル（ＳＨ１）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２２ａにおける信号レベル（ＣＬ１）と時刻２４ａにおける信号レベル（ＳＨ１）の差分から第１フォトダイオード１２０の出力信号Ｓｉｇ１を抽出する。
時刻ｔ２５にて、φＳＷ２は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、Ｎ行目とＮ－１行目のＦＤ２部１３３およびＦＤ１部１３２が電気的に接続し、信号電荷は電荷分配される。
時刻ｔ２６にて、φＳＷ２は“Ｌｏｗ”レベルとなり、Ｎ行目とＮ－１行目のＦＤ２部１３３は電気的に切断される。
時刻ｔ２７にて、φＲＳ＜Ｎ＞は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加され、Ｎ行目のＦＤ２部１３３に保持された信号電荷がリセットされる。
時刻ｔ２８にて、φＲＳ＜Ｎ＞は“Ｌｏｗ”レベルとなり、リセットトランジスタ１２３がオフする。Ｎ行目のＦＤ２部１３３とスイッチトランジスタ１２２とＦＤ１部１３２の容量をＣｆｄ２＿Ｎ、Ｎ－１行目のＦＤ２部１３３とスイッチトランジスタ１２２とＦＤ１部１３２の容量をＣｆｄ２＿Ｎ－１とすると、時刻ｔ２５から時刻ｔ２７の動作により、時刻ｔ２５の時点で保持された信号電荷Ｑｆｄ２は電荷分配の法則から、（式７）で表される。
Ｑｆｄ２’＝Ｑｆｄ２＊Ｃｆｄ２＿Ｎ－１／（Ｃｆｄ２＿Ｎ＋Ｃｆｄ２＿Ｎ－１）…（式７）
時刻ｔ２９にて、φＳＷ２は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、Ｎ行目とＮ－１行目のＦＤ２部が電気的に接続し、信号電荷は電荷分配される。
時刻ｔ３０にて、φＳＷ２は“Ｌｏｗ”レベルとなり、Ｎ行目とＮ－１行目のＦＤ２部１３３は電気的に切断される。
時刻ｔ３１にて、φＲＳ＜Ｎ－１＞は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加され、Ｎ－１行目のＦＤ２部１３３に保持された信号電荷がリセットされる。
時刻ｔ３２にて、ＲＳ＜Ｎ－１＞は“Ｌｏｗ”レベルとなり、リセットトランジスタ１２３がオフする。時刻ｔ２９から時刻ｔ３２の動作により、時刻ｔ２９の時点で保持された信号電荷Ｑｆｄ２’は電荷分配の法則から、（式８）で表される。
Ｑｆｄ２”＝Ｑｆｄ２’＊Ｃｆｄ２＿Ｎ／（Ｃｆｄ２＿Ｎ＋Ｃｆｄ２＿Ｎ－１）…（式８）
ここで、仮にＣｆｄ２＿Ｎ＝Ｃｆｄ２＿Ｎ－１として式８を計算すると、時刻ｔ３２の信号電荷Ｑｆｄ２”は、Ｑｆｄ２”＝Ｑｆｄ２／４で表される。これに対して、実際には容量値Ｃｆｄ２＿ＮとＣｆｄ２＿Ｎ－１のばらつきがあるため、時刻ｔ２５から時刻ｔ３２にかけてＮ行目およびＮ－１行目のＦＤ２部１３３の信号電荷を交互にリセットすることで、容量値Ｃｆｄ２＿ＮとＣｆｄ２＿Ｎ－１のばらつきによる信号電荷のリセットばらつきを抑制して、信号電荷Ｑｆｄ２”がＱｆｄ２”＝Ｑｆｄ２／４に近づくように駆動制御している。例えば、Ｃｆｄ２＿Ｎ＝１ｆＦ、Ｃｆｄ２＿Ｎ－１＝１．１ｆＦとし、Ｎ行目およびＮ－１行目のＦＤ２部１３３の信号電荷を交互にリセットを行わないケースは式８の２回繰返しと同等であり、信号電荷Ｑｆｄ２”は、Ｑｆｄ２”＝｛１／（１＋１．１）｝＾２＊Ｑｆｄ２＝０．２２７Ｑｆｄ２となる。一方、Ｎ行目およびＮ－１行目のＦＤ２部１３３の信号電荷を交互にリセットを行うと、信号電荷Ｑｆｄ２”は、Ｑｆｄ２”＝１＊１．１／（１＋１．１）＾２＊ Ｑｆｄ２＝０．２４９Ｑｆｄ２となり、理想値の０．２５＊Ｑｆｄ２（＝１／４＊Ｑｆｄ２）により近くなることが分かる。
時刻ｔ３３にて、φＴＧＣ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、蓄積容量素子１２７に保持された信号電荷がＦＤ２部１３３およびＦＤ１部１３２に保持された第１フォトダイオード１２０の信号電荷Ｑｆｄ２”と合わさり、ＦＤ１部１３２の電位が低下し、電位が安定した時刻ｔ３３ａにて信号レベル（ＳＨ２）をサンプリングする。この時、第１フォトダイオード１２０の信号電荷と、蓄積容量素子１２７の信号電荷をＦＤ１部１３２に加算するために、時刻ｔ２５からｔ３２の駆動タイミングで行われる第１フォトダイオード１２０の信号電荷の減衰率をＧｇａｉｎとし、蓄積容量素子１２７の蓄積期間Ｔｃ１’と第１フォトダイオード１２０の露光期間Ｔｐｄの比率Ｔｃ１’／Ｔｐｄと減衰率Ｇｇａｉｎとを合わせるように蓄積期間Ｔｃ１’を設定する必要がある。なお、時刻ｔ２５から時刻ｔ３２を繰り返すことで、減衰率Ｇｇａｉｎを変えることも可能である。
時刻ｔ３４にて、φＲＳ＜Ｎ＞が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２および蓄積容量素子１２７に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ３５にて、φＲＳ＜Ｎ＞は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ３５ａにて信号レベル（ＣＬ２）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻３３ａにおける信号レベル（ＳＨ２）と時刻３５ａにおける信号レベル（ＣＬ２）の差分から蓄積容量素子１２７の出力信号Ｓｉｇ２を抽出する。
時刻ｔ３６にて、φＴＧＣ１が“Ｌｏｗ”レベルになり、第２転送トランジスタ１３１がオフとなり、φＲＳ＜Ｎ＞が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ３７にて、φＲＳ＜Ｎ＞は“Ｌｏｗ”レベルとなる。
時刻ｔ３８にて、φＴＧＣ２が“Ｈｉｇｈ”レベルになる。この時、蓄積容量素子１３４に保持された信号電荷がＦＤ２部１３３およびＦＤ１部１３２へ電荷分配され、ＦＤ１部１３２の電位が低下し、電位が安定した時刻ｔ３８ａにて信号レベル（ＳＨ３）をサンプリングする。
時刻ｔ３９にて、φＲＳ＜Ｎ＞が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２および蓄積容量素子１３４に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ４０にて、φＲＳ＜Ｎ＞は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ４０ａにて信号レベル（ＣＬ３）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻３３ａにおける信号レベル（ＳＨ３）と時刻４０ａにおける信号レベル（ＣＬ３）の差分から蓄積容量素子１３４の出力信号Ｓｉｇ３を抽出する。
時刻ｔ４１にて、φＳＷ１＜Ｎ＞とφＳＷ＜Ｎ－１＞とφＴＧＣ２は“Ｌｏｗ”レベルとなる。また、φＳＥＬは“Ｌｏｗ”レベルとなり、選択トランジスタ１２５がオフとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴの接続が電気的に切断される。
以上のタイミングチャートに従うと、合計で３つの異なる状態における出力信号を得ることができる。第１フォトダイオード１２０の信号電荷を電圧に変換した出力信号Ｓｉｇ１と、第１フォトダイオード１２０の信号電荷と第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１２７に蓄積する信号電荷をＦＤ１部１３２で加算し、電圧変換した出力信号Ｓｉｇ２と、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１３４に蓄積する信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ３を取得できる。
図１５には、第３の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の信号処理を行うフローチャートを示す。まず、図１４のタイミングチャートで示した各画素の出力信号（Ｓｉｇ１～Ｓｉｇ３）を取得する（Ｓ３１）。次に、パラメータ値を設定する（Ｓ３２）。パラメータは露光補正値ＧＥＸ１とＧＥＸ２とゲイン補正値ＧＬＳがある。ゲイン補正値ＧＬＳは、第１フォトダイオード１２０の信号電荷量をＦＤ１部１３２で電圧に変換する変換効率η０と、蓄積容量素子１３４の信号電荷量を電圧に変換する変換効率η２の比率で表され、ＧＬＳ＝η０／η２となる。
次に、データ演算を行う（Ｓ３３）。データ演算は、第１フォトダイオード１２０の信号電荷の出力信号Ｓｉｇ１と、蓄積容量素子１３４に蓄積された信号電荷の出力信号Ｓｉｇ３を、（式９）の関係式に従って画素毎に演算することで、被写体照度が低照度から高照度に対応する画素信号を得る。
Ｓｉｇ３’＝Ｓｉｇ３＋Ｓｉｇ１＊ＧＥＸ２／ＧＬＳ …（式９）
これにより、第１フォトダイオード１２０の信号電荷であるＳｉｇ１と、第１フォトダイオード１２０の信号と蓄積容量素子１２７の信号をＦＤ１部１３２で加算したＳｉｇ２、また第１フォトダイオード１２０の信号と蓄積容量素子１３４の信号を演算処理したＳｉｇ３’を出力する（Ｓ３４）。これにより、被写体照度が低照度から高照度に対応する画素信号を得ることができる。なお、画素の被写体照度と画素の出力信号の関係を示すグラフとしては、図１２と同様であり、Ｓｉｇ１とＳｉｇ２とＳｉｇ３’の出力信号で広範囲の被写体照度を撮像することが可能となる。
ここで、実施例２に対する差分としては、Ｓｉｇ２の信号を信号処理回路１０７における演算処理ではなくＦＤ１部１３２でアナログ的に加算する点である。これにより、出力信号を４つの状態における出力信号から３つの状態における出力信号に減らすことができる。これにより、駆動時間の短縮が可能となり低消費電力化などが可能となる。
（第４の実施形態）
図１６は、第４の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。なお、図１６では第２の実施形態と異なる点を中心に記述する。
図１６は、本回路例に係る画素セル１０１は、第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例に対して、電荷排出トランジスタ１２９を有しない。また、増幅トランジスタ１３８と選択トランジスタ１３９を有する。
増幅トランジスタ１３８と選択トランジスタ１３９としては、例えばＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いてもよい。
増幅トランジスタ１３８については、ゲート電極がＦＤ２部１３３と接続され、ドレイン電極が画素電源配線ＶＤＤＣと接続され、ソース電極が選択トランジスタ１３９のドレイン電極と接続されている。
選択トランジスタ１３９は、ゲート電極は選択制御線ＳＥＬ２が接続され、ドレイン電極は増幅トランジスタ１３８のソース電極と接続され、ソース電極は垂直信号線ＰＩＸＯＵＴと接続される。画素の読出し行が選択されると、選択制御線ＳＥＬ２を伝達して選択パルスφＳＥＬ２にて“Ｈｉｇｈ”レベルが与えられると、選択トランジスタ１３９がオンとなり、増幅トランジスタ１３８のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴを接続する。また、選択トランジスタ１２５は、ゲート電極は選択制御線ＳＥＬ１が接続されている。
次に図１７は、図１６に示す画素の動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す。
まず、時刻ｔ１では、φＲＳとφＳＷ１が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。また、φＴＧＬが“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第１フォトダイオード１２０の信号電荷は排出される。また、φＴＧＣ１とφＴＧＣ２は“Ｈｉｇｈ”レベルになり、蓄積容量素子１２７と蓄積容量素子１３４に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。
時刻ｔ２にて、φＲＳとφＳＷ１は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、通常時はリセットトランジスタ１２３およびスイッチトランジスタ１２２のスイッチングによるノイズにより、ＦＤ１部の電位は段差が発生する。また、φＴＧＬとφＴＧＣ１とφＴＧＣ２は“Ｌｏｗ”レベルとなり、信号電荷が蓄積できる状態となる。
時刻ｔ３にて、φＴＧＳ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１２７へ信号電荷が転送される。
時刻ｔ４にて、φＴＧＳ１は“Ｌｏｗ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１２７への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ２から時刻ｔ４の期間Ｔｅｘｐ１は蓄積周期Ｔｔにおける蓄積容量素子１２７の露光期間に相当する。
時刻ｔ５にて、φＴＧＳ２は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１３４へ信号電荷が転送される。
時刻ｔ６にて、φＴＧＳ２は“Ｌｏｗ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１３４への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ４から時刻ｔ６の期間Ｔｅｘｐ２は蓄積周期Ｔｔにおける蓄積容量素子１３４の露光期間に相当する。
時刻ｔ７にて、φＴＧＳ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１２７へ信号電荷が転送される。
時刻ｔ８にて、φＴＧＳ１は“Ｌｏｗ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１２７への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ６から時刻ｔ８の期間Ｔｅｘｐ１は蓄積周期Ｔｔにおける蓄積容量素子１２７の露光期間に相当する。
時刻ｔ９にて、φＴＧＳ２は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１３４へ信号電荷が転送される。
時刻ｔ１０にて、φＴＧＳ２は“Ｌｏｗ”レベルとなり、第２フォトダイオード１２６から蓄積容量素子１３４への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ８から時刻ｔ１０の期間Ｔｅｘｐ２は蓄積周期Ｔｔにおける蓄積容量素子１３４の露光期間に相当する。
時刻ｔ６からｔ１０が蓄積周期Ｔｔとして、時刻ｔ２２までφＴＧＳ１とφＴＧＳ２のパルスが繰り返し行われる。
時刻２３にて、φＲＳとφＳＷ１が“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。また、φＳＥＬ２が“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、選択トランジスタ１３９がオンとなり、増幅トランジスタ１３８のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴが電気的に接続される。増幅トランジスタ１３８は、一定の電流が流れソースフォロワを形成する。この図では記載していないが、同じ垂直信号線ＰＩＸＯＵＴに接続する他の画素の選択トランジスタ１２５および選択トランジスタ１３９のゲート電極にはφＳＥＬ１およびφＳＥＬ２として“Ｌｏｗ”レベルが供給され、選択トランジスタ１２５および選択トランジスタ１３９はオフしている。
時刻ｔ２４にて、φＲＳとφＳＷ１は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、通常時はリセットトランジスタ１２３およびスイッチトランジスタ１２２のスイッチングによるノイズにより、ＦＤ１部１３２およびＦＤ２部１３３の電位は段差が発生する。
時刻ｔ２５にて、φＴＧＣ２は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、蓄積容量素子１３４保持された信号電荷がＦＤ２部１３３へ電荷分配され、ＦＤ２部１３３の電位が低下し、電位が安定した時刻ｔ２５ａにて信号レベル（ＳＨ３）をサンプリングする。
時刻ｔ２６にて、φＳＥＬ２が“Ｌｏｗ”レベルとなり、選択トランジスタ１３９がオフとなり、φＳＥＬ１が“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、選択トランジスタ１２５がオンとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴが電気的に接続される。増幅トランジスタ１２４は、一定の電流が流れソースフォロワを形成する。この時、垂直信号線ＰＩＸＯＵＴの電位が安定した時刻ｔ２６ａにて信号レベル（ＣＬ１）をサンプリングする。
時刻ｔ２７にて、φＴＧＬは“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部１３２へ信号電荷が転送され、ＦＤ１部１３２の電位は低下する。
時刻ｔ２８にて、φＴＧＬは“Ｌｏｗ”レベルとなり、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部１３２への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ２８ａにて、ＦＤ１部１３２の電位が安定し、信号レベル（ＳＨ１）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２６ａにおける信号レベル（ＣＬ１）と時刻２８ａにおける信号レベル（ＳＨ１）の差分から第１フォトダイオード１２０の出力信号Ｓｉｇ１を抽出する。
時刻ｔ２９にて、φＳＷ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１部１３２に転送された信号電荷と、ＦＤ２部１３３に保持されている蓄積容量素子１３４に蓄積した信号電荷が加算される。また、φＴＧＣ１は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、蓄積容量素子１２７に蓄積した信号電荷がＦＤ２部１３３およびＦＤ１部１３２にて加算される。ＦＤ１部１３２の電位が低下し、電位が安定した時刻ｔ２９ａにて信号レベル（ＳＨ２）をサンプリングする。
時刻ｔ３０では、φＲＳは“Ｈｉｇｈ”レベルになり、ＦＤ２部１３３とＦＤ１部１３２に電源電圧ＡＶＤＤが印加され、信号電荷が電源電圧に排出される。
時刻ｔ３１にて、φＲＳは“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、ＦＤ１部１３２の電位が安定した時刻ｔ３１ａにて信号レベル（ＣＬ２）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２９ａにおける信号レベル（ＳＨ２）と時刻３１ａにおける信号レベル（ＣＬ２）の差分から蓄積容量素子１２７と蓄積容量素子１３４と第１フォトダイオード１２０の信号電荷を加算した出力信号Ｓｉｇ２を抽出する。
時刻ｔ３２にて、φＳＷ１は“Ｌｏｗ”レベルになり、スイッチトランジスタ１２２がオフとなる。また、φＴＧＣ１は“Ｌｏｗ”レベルになり、第２転送トランジスタ１３１がオフとなる。φＳＥＬ１が“Ｌｏｗ”レベルとなり、選択トランジスタ１２５がオフとなり、φＳＥＬ２が“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、選択トランジスタ１３９がオンとなり、増幅トランジスタ１３８のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴが電気的に接続される。垂直信号線ＰＩＸＯＵＴの電位が安定した時刻ｔ３２ａにて信号レベル（ＣＬ３）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２５ａにおける信号レベル（ＳＨ３）と時刻３２ａにおける信号レベル（ＣＬ３）の差分から蓄積容量素子１３４の出力信号Ｓｉｇ３を抽出する。
時刻ｔ３３にて、φＴＧＣ２は“Ｌｏｗ”レベルとなる。また、φＳＥＬ２は“Ｌｏｗ”レベルとなり、選択トランジスタ１３９がオフとなり、増幅トランジスタ１３８のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴの接続が電気的に切断される。
また、第１フォトダイオード１２０の露光期間ＴｐｄはφＴＧＬが“Ｌｏｗ”レベルとなる時刻ｔ２から時刻ｔ２８の期間となる。一方、蓄積容量素子１２７の第２フォトダイオード１２６から信号電荷が転送される蓄積期間Ｔｃ１”は、時刻ｔ２１から時刻ｔ２４までの期間をＴｂ、蓄積周期Ｔｔと定義すると、（式１０）で表される。
Ｔｃ１”＝（Ｔｐｄ－Ｔｂ）＊Ｔｅｘｐ１／Ｔｔ …（式１０）
また、蓄積容量素子１３４の第２フォトダイオード１２６から信号電荷が転送される蓄積期間Ｔｃ２”は、（式１１）で表される。
Ｔｃ２”＝（Ｔｐｄ－Ｔｂ）＊Ｔｅｘｐ２／Ｔｔ …（式１１）
また、蓄積容量素子１２７の蓄積期間Ｔｅｘｐ１と蓄積容量素子１３４の蓄積期間Ｔｅｘｐ２の加算値は蓄積周期Ｔｔ（＝Ｔｅｘｐ１＋Ｔｅｘｐ２）と同等である。これより、蓄積容量素子１２７に蓄積した信号電荷と、蓄積容量素子１３４に蓄積した信号電荷の加算値に対する蓄積期間は、（式１２）表される。
Ｔｃ３＝Ｔｃ１”＋Ｔｃ２”＝Ｔｐｄ－Ｔｂ …（式１２）
通常、第１フォトダイオード１２０の露光期間Ｔｐｄに対して、Ｔｂは非常に小さいため、蓄積容量素子１２７と蓄積容量素子１３４に蓄積した信号電荷の蓄積期間は、ほぼ第１フォトダイオード１２０の露光期間と同等であることが分かる。つまり、蓄積容量素子１２７に蓄積した信号電荷と、蓄積容量素子１３４に蓄積した信号電荷を加算すると、第１フォトダイオード１２０の露光期間とほぼ同等の蓄積期間となるため、蓄積容量素子１２７の信号電荷と蓄積容量素子１３４の信号電荷と第１フォトダイオード１２０の信号電荷をＦＤ１部１３２およびＦＤ２部１３３にて加算することが可能となる。これにより、Ｓｉｇ２はリニアリティ特性が良好な出力信号を得ることができる。
以上のタイミングチャートに従うと、合計で３つの異なる状態における出力信号を得ることができる。第１フォトダイオード１２０の信号電荷を電圧に変換した出力信号Ｓｉｇ１と、第１フォトダイオード１２０の信号電荷と、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１２７に蓄積する信号電荷と、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１３４に蓄積する信号電荷を加算し、電圧変換した出力信号Ｓｉｇ２と、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１３４に蓄積する信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ３を取得できる。出力信号に対する信号処理フローは、図１５と同等である。図１５の信号処理フローを通して、Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２、Ｓｉｇ３’の出力信号がデータとして出力される。画素の被写体照度と画素の出力信号の関係を示すグラフとしては、図１２と同様であり、Ｓｉｇ１とＳｉｇ２とＳｉｇ３’の出力信号で広範囲の被写体照度を撮像することが可能となる。
以上説明してきたように本実施の形態における１００は、光を受光し、光電変換して生成された信号電荷を蓄積する光電変換素子と、前記信号電荷を第１フローティングディフュージョン部に転送する第１転送トランジスタと、前記光電変換素子から溢れる前記信号電荷を保持する第１保持部と、第２保持部と、前記第１保持部に保持された前記信号電荷を第２保持部へ転送する第２転送トランジスタと、前記第２保持部から第２フローティングディフュージョン部へ信号電荷を転送する第３転送トランジスタと、前記第１保持部から転送される前記信号電荷を保持する第３保持部と、前記第１保持部から前記第３保持部に前記信号電荷を転送する第４転送トランジスタと、前記第３保持部から前記フローティングディフュージョン部へ信号電荷を転送する第５転送トランジスタと、前記第１フローティングディフュージョン部と前記第２フローティングディフュージョン部を電気的に接続するスイッチトランジスタと、前記第１フローティングディフュージョン部と第２フローティングディフュージョン部をリセットするリセットトランジスタと、前記信号電荷量に応じた増幅信号を出力する前記第１フローティングディフュージョン部に接続する第１増幅トランジスタと、前記第１増幅トランジスタと接続する第１選択トランジスタと、前記信号電荷量に応じた増幅信号を出力する前記第２フローティングディフュージョン部に接続する第２増幅トランジスタと、前記第２増幅トランジスタと接続する第２選択トランジスタと、を有する画素セルが行列状に配置されてなる画素アレイ部を備える。
（第５の実施形態）
図１８は、第５の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。なお、図１８では第４の実施形態と異なる点を中心に記述する。
図１８は、本回路例に係る画素セル１０１は、第４の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例に対して、スイッチトランジスタ１３７を有し、増幅トランジスタ１３８と選択トランジスタ１３９を有しない。スイッチトランジスタ１３７としては、例えばＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いてもよい。
スイッチトランジスタ１３７については、ゲートにスイッチ制御線ＳＷ２が接続され、ソース電極にＮ行目の画素セル１０１のＦＤ２部１３３と、ここには図示していないがＮ＋１行目のスイッチトランジスタ１３７のドレイン電極が接続され、ドレイン電極にＮ－１行目の画素セル１０１のＦＤ２部１３３とスイッチトランジスタ１３７のソース電極が接続されている。
次に図１９は、図１８に示す画素の動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す。なお、図１７のタイミングチャートと駆動タイミングが同一である時刻ｔ１～時刻ｔ２２までは説明を省略し、差分のみ示す。なお、Ｎ－１行目におけるφＴＧＬ＜Ｎ－１＞、φＴＧＳ１＜Ｎ－１＞、ＴＧＳ２＜Ｎ－１＞、ＴＧＣ１＜Ｎ－１＞、ＴＧＣ２＜Ｎ－１＞については、“Ｌｏｗ”レベルとして、Ｎ行目の画素セルに対する動作を説明する。また、Ｎ行目のＦＤ１部１３２をＦＤ１＜Ｎ＞、ＦＤ２部１３３をＦＤ２＜Ｎ＞とし、Ｎ－１行目のＦＤ１部１３２をＦＤ１＜Ｎ－１＞、ＦＤ２部１３３をＦＤ２＜Ｎ－１＞とする。
時刻ｔ２３にて、φＲＳ＜Ｎ＞とφＳＷ１＜Ｎ＞およびφＲＳ＜Ｎ－１＞とφＳＷ１＜Ｎ－１＞は“Ｈｉｇｈ”レベルになり、Ｎ行目とＮ－１行目の画素セルにおけるＦＤ１＜Ｎ＞とＦＤ２＜Ｎ＞とＦＤ１＜Ｎ－１＞とＦＤ２＜Ｎ－１＞に電源電圧ＡＶＤＤが印加される。また、φＳＷ２＜Ｎ＞は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、ＦＤ２＜Ｎ＞とＦＤ２＜Ｎ－１＞が接続される。また、φＳＥＬ＜Ｎ－１＞が“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、Ｎ－１行目の選択トランジスタ１２５がオンとなり、Ｎ－１行目の増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴが電気的に接続される。
時刻ｔ２４にて、φＲＳ＜Ｎ＞とφＳＷ１＜Ｎ＞およびφＲＳ＜Ｎ－１＞は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、通常時はリセットトランジスタ１２３およびスイッチトランジスタ１２２のスイッチングによるノイズにより、ＦＤ１＜Ｎ＞とＦＤ１＜Ｎ－１＞の電位は段差が発生する。
時刻ｔ２５にて、φＴＧＣ２は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、蓄積容量素子１３４保持された信号電荷がＦＤ１＜Ｎ－１＞およびＦＤ２＜Ｎ＞とＦＤ２＜Ｎ－１＞へ電荷分配され、ＦＤ１＜Ｎ－１＞の電位が低下し、電位が安定した時刻ｔ２５ａにて信号レベル（ＳＨ３）をサンプリングする。
時刻ｔ２６にて、φＳＥＬ＜Ｎ－１＞が“Ｌｏｗ”レベルとなり、Ｎ－１行目の選択トランジスタ１２５がオフとなり、φＳＥＬ＜Ｎ＞が“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、Ｎ行目の選択トランジスタ１２５がオンとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴが電気的に接続される。増幅トランジスタ１２４は、一定の電流が流れソースフォロワを形成する。この時、垂直信号線ＰＩＸＯＵＴの電位が安定した時刻ｔ２６ａにて信号レベル（ＣＬ１）をサンプリングする。
時刻ｔ２７にて、φＴＧＬ＜Ｎ＞は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１＜Ｎ＞へ信号電荷が転送され、ＦＤ１＜Ｎ＞の電位は低下する。
時刻ｔ２８にて、φＴＧＬ＜Ｎ＞は“Ｌｏｗ”レベルとなり、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１＜Ｎ＞への信号電荷の転送が終了する。時刻ｔ２８ａにて、ＦＤ１＜Ｎ＞の電位が安定し、信号レベル（ＳＨ１）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２６ａにおける信号レベル（ＣＬ１）と時刻２８ａにおける信号レベル（ＳＨ１）の差分から第１フォトダイオード１２０の出力信号Ｓｉｇ１を抽出する。
時刻ｔ２９にて、φＳＷ１＜Ｎ＞は“Ｈｉｇｈ”レベルとなる。この時、第１フォトダイオード１２０からＦＤ１＜Ｎ＞に転送された信号電荷と、ＦＤ２＜Ｎ＞に保持されている蓄積容量素子１３４に蓄積した信号電荷が加算される。また、φＴＧＣ１＜Ｎ＞は“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、蓄積容量素子１２７に蓄積した信号電荷がＦＤ２＜Ｎ＞およびＦＤ１＜Ｎ＞にて加算される。ＦＤ１＜Ｎ＞の電位が低下し、電位が安定した時刻ｔ２９ａにて信号レベル（ＳＨ２）をサンプリングする。
時刻ｔ３０では、φＲＳ＜Ｎ＞とφＲＳ＜Ｎ－１＞は“Ｈｉｇｈ”レベルになり、Ｎ行目とＮ－１行目のＦＤ２部１３３とＦＤ１＜Ｎ＞に電源電圧ＡＶＤＤが印加され、信号電荷が電源電圧に排出される。
時刻ｔ３１にて、φＲＳ＜Ｎ＞とφＲＳ＜Ｎ－１＞は“Ｌｏｗ”レベルとなる。このとき、ＦＤ１＜Ｎ＞の電位が安定した時刻ｔ３１ａにて信号レベル（ＣＬ２）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２９ａにおける信号レベル（ＳＨ２）と時刻３１ａにおける信号レベル（ＣＬ２）の差分から蓄積容量素子１２７と蓄積容量素子１３４と第１フォトダイオード１２０の信号電荷を加算した出力信号Ｓｉｇ２を抽出する。
時刻ｔ３２にて、φＳＷ１＜Ｎ＞は“Ｌｏｗ”レベルになり、Ｎ行目のスイッチトランジスタ１２２がオフとなる。また、φＴＧＣ１＜Ｎ＞は“Ｌｏｗ”レベルになり、第２転送トランジスタ１３１がオフとなる。φＳＥＬ＜Ｎ＞が“Ｌｏｗ”レベルとなり、Ｎ行目の選択トランジスタ１２５がオフとなり、φＳＥＬ＜Ｎ－１＞が“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、Ｎ－１行目の選択トランジスタ１２５がオンとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴが電気的に接続される。垂直信号線ＰＩＸＯＵＴの電位が安定した時刻ｔ３２ａにて信号レベル（ＣＬ３）をサンプリングする。そして、カラム読出し回路１０５にて、時刻２５ａにおける信号レベル（ＳＨ３）と時刻３２ａにおける信号レベル（ＣＬ３）の差分から蓄積容量素子１３４の出力信号Ｓｉｇ３を抽出する。
時刻ｔ３３にて、φＴＧＣ２＜Ｎ＞は“Ｌｏｗ”レベルとなる。また、φＳＥＬ＜Ｎ－１＞は“Ｌｏｗ”レベルとなり、Ｎ－１行目の選択トランジスタ１２５がオフとなり、増幅トランジスタ１２４のソース電極と垂直信号線ＰＩＸＯＵＴの接続が電気的に切断される。
第４の実施形態と同様に、蓄積容量素子１２７と蓄積容量素子１３４に蓄積した信号電荷の蓄積期間は、ほぼ第１フォトダイオード１２０の露光期間と同等である。これより、蓄積容量素子１２７に蓄積した信号電荷と、蓄積容量素子１３４に蓄積した信号電荷を加算すると、第１フォトダイオード１２０の露光期間とほぼ同等の蓄積期間となるため、蓄積容量素子１２７の信号電荷と蓄積容量素子１３４の信号電荷と第１フォトダイオード１２０の信号電荷をＦＤ１部１３２およびＦＤ２部１３３にて加算することが可能となる。これにより、Ｓｉｇ２はリニアリティ特性が良好な出力信号を得ることができる。
以上のタイミングチャートに従うと、合計で３つの異なる状態における出力信号を得ることができる。第１フォトダイオード１２０の信号電荷を電圧に変換した出力信号Ｓｉｇ１と、第１フォトダイオード１２０の信号電荷と、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１２７に蓄積する信号電荷と、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１３４に蓄積する信号電荷を加算し、電圧変換した出力信号Ｓｉｇ２と、第２フォトダイオード１２６から転送された蓄積容量素子１３４に蓄積する信号電荷を電圧変換した出力信号Ｓｉｇ３を取得できる。出力信号に対する信号処理フローは、図１５と同等である。図１５の信号処理フローを通して、Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２、Ｓｉｇ３’の出力信号がデータとして出力される。画素の被写体照度と画素の出力信号の関係を示すグラフとしては、図１２と同様であり、Ｓｉｇ１とＳｉｇ２とＳｉｇ３’の出力信号で広範囲の被写体照度を撮像することが可能となる。
第４の実施形態に対する利点としては、画素セル１０１内に複数の増幅トランジスタおよび選択トランジスタを配置する必要がないことである。これにより、画素セル１０１内のトランジスタ数を削減できるため、微細化や第１フォトダイオード１２０の面積拡大などが可能となる。
以上説明してきたように本実施の形態における１００は、光を受光し、光電変換して生成された信号電荷を蓄積する光電変換素子と、前記信号電荷を第１フローティングディフュージョン部に転送する第１転送トランジスタと、前記光電変換素子から溢れる前記信号電荷を保持する第１保持部と、第２保持部と、前記第１保持部に保持された前記信号電荷を第２保持部へ転送する第２転送トランジスタと、前記第２保持部から第２フローティングディフュージョン部へ信号電荷を転送する第３転送トランジスタと、前記第１保持部から転送される前記信号電荷を保持する第３保持部と、前記第１保持部から前記第３保持部に前記信号電荷を転送する第４転送トランジスタと、前記第３保持部から前記フローティングディフュージョン部へ信号電荷を転送する第５転送トランジスタと、前記第１フローティングディフュージョン部と前記第２フローティングディフュージョン部を電気的に接続する第１スイッチトランジスタと、前記第１フローティングディフュージョン部と第２フローティングディフュージョン部をリセットするリセットトランジスタと、前記信号電荷量に応じた増幅信号を出力する前記第１フローティングディフュージョン部に接続する第１増幅トランジスタと、前記第１増幅トランジスタと接続する第１選択トランジスタと、前記信号電荷量に応じた増幅信号を出力する前記第２フローティングディフュージョン部と異なる画素セルにおける前記第２フローティングディフュージョン部とを接続する第２スイッチトランジスタと、を有する画素セルが行列状に配置されてなる画素アレイ部を備える。
（第６の実施形態）
図２０は、各実施形態における固体撮像装置１００を適用した撮像装置（カメラシステム）の構成例を示す図である。同図の撮像装置は、固体撮像装置２０１，レンズを含む撮像光学系２０２、信号処理部２０３，駆動回路２０４およびシステム制御部２０５を備える。
図２０に示す撮影装置２００において、固体撮像装置２０１として、前述の第１から第５の実施形態（各変形例を含む）の固体撮像装置１００が使用される。
また、駆動回路２０４は、システム制御部２０５から駆動モードに応じた制御信号を受け、固体撮像装置２０１に駆動モード信号を供給する。駆動モード信号を供給された固体撮像装置２０１においては、タイミング発生回路（図１のＴＧ１０９）が、駆動モード信号に対応した駆動パルスを発生して、固体撮像装置２０１内の各ブロックに供給する。
また、信号処理部２０３は、固体撮像装置２０１から出力された画像信号を受けて、当該画像信号に対して各種の信号処理を行う。
このように、本実施形態における撮像装置は、上記の固体撮像装置１００と、固体撮像装置１００に被写体からの入射光を導く撮像光学系２０２と、固体撮像装置１００からの出力信号を処理する信号処理部２０３とを備える。
本開示は、固体撮像装置、固体撮像装置を撮像デバイスとして用いた撮影装置および撮像方法に関し、例えばビデオカメラやデジタルカメラ等に好適である。
１００ 固体撮像装置
１０１ 画素セル
１０２ 画素アレイ部
１０３ 垂直走査回路
１０４ 定電流源
１０５ カラム読出し回路
１０６ 水平走査回路
１０７ 信号処理回路
１０８ 出力回路
１０９ ＴＧ（タイミング発生回路）
１２０ 第１フォトダイオード
１２１、１３５、１３６ 転送トランジスタ
１２２、１３７ スイッチトランジスタ
１２３ リセットトランジスタ
１２４、１３８ 増幅トランジスタ
１２５、１３９ 選択トランジスタ
１２６ 第２フォトダイオード
１２７、１３４ 蓄積容量素子
１２８ オーバーフロートランジスタ
１２８－１ オーバーフロートランジスタゲート
１２９ 電荷排出トランジスタ
１３０ 第１転送トランジスタ
１３１ 第２転送トランジスタ
１３２、１３３ フローティングディフュージョン部
１４０、１６１ ウェル領域
１４１、１６３ ゲート絶縁膜
１４２ 遮光配線
１４３ 絶縁膜
１４４ 銅配線
１４５ ライナー膜
１４６ 銅配線
１４７ ライナー膜
１４８ 高屈折絶縁膜
１４９、１６５ カラーフィルタ
１５０、１６６ 透過フィルタ
１５１、１６７ マイクロレンズ
１５２、１６８ 拡散領域
１６０、１７０ 半導体基板
１６２ 遮光壁
１６４ 遮光膜
２００ 撮像装置

Claims (19)

  1. 画素セルが行列状に配置される固体撮像装置であって、
    前記画素セルは、
    光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオードと、
    前記第１フォトダイオードから溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオードと、
    第２保持部と、
    前記第１保持部に保持された信号電荷を前記第２保持部へ転送する第１転送トランジスタと、
    前記第１フォトダイオードが光を受光し光電変換する露光期間と、前記第２保持部に保持される前記信号電荷に対応する第１蓄積期間との差分を補正する第１補正部と、を備える
    固体撮像装置。
  2. さらに、
    信号電荷を保持するフローティングディフュージョン部と、
    前記第２保持部から前記フローティングディフュージョン部へ信号電荷を転送する第２転送トランジスタと、を備える
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記第２転送トランジスタと前記フローティングディフュージョン部との間にスイッチトランジスタを有する
    請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第２フォトダイオードは、埋込型フォトダイオードである
    請求項１～３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記固体撮像装置は、光が入射する入射面と、前記入射面と反対側の非入射面とを有し、
    前記第２フォトダイオードの前記非入射面側に、前記第１フォトダイオードから溢れる信号電荷を、前記第２フォトダイオードに導く転送路としての不純物拡散領域を備える
    請求項１～４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記第１フォトダイオードから溢れる前記信号電荷を、前記第２フォトダイオードに導くオーバーフロートランジスタを備える
    請求項１～４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  7. 画素セルが行列状に配置される固体撮像装置であって、
    前記画素セルは、
    光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオードと、
    前記第１フォトダイオードから溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオードと、
    第２保持部と、
    前記第１保持部に保持された信号電荷を前記第２保持部へ転送する第１転送トランジスタと、を備え、
    前記第２フォトダイオードを遮光する遮光膜を有する
    固体撮像装置。
  8. 前記第１保持部から前記信号電荷を排出する電荷排出用トランジスタと、
    前記電荷排出用トランジスタを制御する垂直走査回路と、を有する
    請求項１～７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記電荷排出用トランジスタと前記第１転送トランジスタを前記垂直走査回路で制御することで、前記第２保持部に保持される前記信号電荷に対応する第１蓄積期間を制御する
    請求項８に記載の固体撮像装置。
  10. 画素セルが行列状に配置される固体撮像装置であって、
    前記画素セルは、
    光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオードと、
    前記第１フォトダイオードから溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオードと、
    第２保持部と、
    前記第１保持部に保持された信号電荷を前記第２保持部へ転送する第１転送トランジスタと、
    前記第１保持部から前記信号電荷を排出する電荷排出用トランジスタと、
    前記電荷排出用トランジスタを制御する垂直走査回路と、を備え、
    前記垂直走査回路は、前記第１転送トランジスタを制御して、１フレーム期間に前記第１保持部に保持された前記信号電荷を、前記第２保持部へ複数回に分けて転送する
    固体撮像装置。
  11. 前記第１フォトダイオードの前記信号電荷と前記第２保持部に保持される前記信号電荷とを加算する第１加算部を有する
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  12. 画素セルが行列状に配置される固体撮像装置であって、
    前記画素セルは、
    光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオードと、
    前記第１フォトダイオードから溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオードと、
    第２保持部と、
    前記第１保持部に保持された信号電荷を前記第２保持部へ転送する第１転送トランジスタと、
    前記第１保持部から前記信号電荷を排出する電荷排出用トランジスタと、
    前記電荷排出用トランジスタを制御する垂直走査回路と、
    前記第１保持部から転送される前記信号電荷を保持する第３保持部と、
    前記第１保持部から前記第３保持部に前記信号電荷を転送するトランジスタと、を有する
    固体撮像装置。
  13. 前記電荷排出用トランジスタあるいは前記トランジスタと前記第１転送トランジスタを前記垂直走査回路で制御することで、前記第２保持部に保持される前記信号電荷に対応する第２蓄積期間を制御する
    請求項１２に記載の固体撮像装置。
  14. 前記電荷排出用トランジスタあるいは前記第１転送トランジスタと前記トランジスタを前記垂直走査回路で制御することで、前記第３保持部に保持される前記信号電荷に対応する第３蓄積期間を制御する
    請求項１３に記載の固体撮像装置。
  15. 前記垂直走査回路は、前記第１転送トランジスタを制御して、１フレーム期間に前記第１保持部に保持された前記信号電荷を、前記第２保持部へ複数回に分けて転送し、
    前記垂直走査回路は、前記トランジスタを制御して、１フレーム期間に前記第１保持部に保持された前記信号電荷を、前記第３保持部へ複数回に分けて転送する
    請求項１２～１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  16. 前記第２保持部の容量値は、前記第３保持部の容量値よりも小さい
    請求項１２～１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  17. 前記第１フォトダイオードが光を受光し光電変換する露光期間と、前記第２保持部に保持される前記信号電荷に対応する前記第２蓄積期間との差分を補正する第１補正部と、
    前記第１フォトダイオードの前記信号電荷と前記第２保持部に保持される前記信号電荷を加算する第１加算部と、
    前記第１フォトダイオードが光電変換する露光期間と、前記第３保持部に保持される前記信号電荷に対応する前記第３蓄積期間との差分を補正する第２補正部と、
    前記第２保持部に保持される前記信号電荷を電圧に変換する変換効率と前記第３保持部に保持される前記信号電荷を電圧に変換する変換効率との差分を補正するゲイン補正部と、
    前記第１フォトダイオードの前記信号電荷と前記第３保持部に保持される前記信号電荷を加算する第２加算部と、を有する
    請求項１４に記載の固体撮像装置。
  18. 請求項１～１７のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置に被写体から入射光を導く撮像光学系と、
    前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理部と、を備える
    撮像装置。
  19. 画素セルが行列状に配置される固体撮像装置における撮像方法であって、
    前記画素セルは、
    光電変換により生成した信号電荷を蓄積する第１フォトダイオードと、
    前記第１フォトダイオードから溢れる信号電荷を保持する第１保持部としての第２フォトダイオードと、
    第２保持部と、
    前記第１保持部に保持された信号電荷を前記第２保持部へ転送する第１転送トランジスタと、
    前記第１フォトダイオードが光を受光し光電変換する露光期間と、前記第２保持部に保持される前記信号電荷に対応する第１蓄積期間との差分を補正する第１補正部と、を備え、
    前記撮像方法において、
    前記第１フォトダイオードを露光し、
    前記第１フォトダイオードから溢れた信号電荷を前記第１保持部に転送し、
    前記第１保持部に保持された信号電荷を前記第２保持部へ転送する
    撮像方法。
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