JP2013187233A - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度の場合でも良好な画素信号を得ることができ、色再現性に優れた固体撮像装置を提供する目的とする。また、その固体撮像装置の駆動方法を提供する。さらに、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。
【解決手段】ＰＮ接合を有し、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードＰＤが、増幅トランジスタＴｒ３の増幅ゲート電極１３に接続された固体撮像装置１００において、フォトダイオードＰＤに順方向のバイアス電流を流すための電流発生部１１１を設ける。そして、フォトダイオードＰＤに順方向のバイアス電流が流れている期間に、フォトダイオードＰＤで生成された信号電荷によって変化したフォトダイオードＰＤの電位を増幅トランジスタＴｒ３で出力することにより、画素信号を取得する。
【選択図】図５

Description

本開示は、ＰＮ接合フォトダイオードを有する画素を備える固体撮像装置、その駆動方法、及び電子機器に関する。

従来、ＰＮ接合フォトダイオードに増幅用のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ（以下、増幅トランジスタ）のゲートを接続した構造を有するＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１には、ＰＮ接合フォトダイオードで発生する電圧信号をデプレッション型の増幅トランジスタを用いて取り出す光センサ回路が記載されている。特許文献１では、増幅トランジスタをデプレッション型とすることにより、フォトダイオードに生じた電圧信号が負である場合にも、その電圧信号を増幅して取り出すことができる。

このような、ＰＮ接合フォトダイオードが増幅トランジスタのゲートに接続された構造を備える固体撮像装置では、フォトダイオードで生成された信号電荷を一時的にフローティングディフュージョン部に蓄積する必要がない。このため、ＰＮ接合フォトダイオードに増幅トランジスタのゲートを接続した固体撮像装置は、単位画素内にフローティングディフュージョン部や、転送トランジスタを備えるＣＭＯＳ型固体撮像装置と比較し、単位画素を構成する素子数を少なくすることができる。

したがって、ＰＮ接合フォトダイオードが増幅トランジスタのゲートに接続される構造を備える固体撮像装置は、画素の縮小化や製造コストの低減などの点で有利であり、更なる改善が求められている。

特開２００２−１７０９８２号公報

上述の点に鑑み、本開示は、低照度の場合でも良好な画素信号を得ることができ、色再現性に優れた固体撮像装置を提供する。また、本開示は、その固体撮像装置の駆動方法を提供する。さらに、本開示は、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。

本開示の固体撮像装置は、ＰＮ接合を有し、入射光の光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードと、フォトダイオードに順方向のバイアスを印加するためのバイアス発生部とを備える。さらに、本開示の固体撮像装置は、フォトダイオードに接続された増幅ゲート電極を有し、フォトダイオードの電位を増幅して出力する増幅トランジスタを備える。本開示で、バイアスとは、バイアス電流とバイアス電圧の両方を含む。

本開示の固体撮像装置では、画素を構成するフォトダイオードに、順方向のバイアスを印加することができる。フォトダイオードに順方向のバイアスを印加しておくことにより、光電変換によって生成された信号電荷が少量である場合にも、フォトダイオードにより多くの電流が流れる。

本開示の固体撮像装置の駆動方法は、上述の固体撮像装置において、フォトダイオードに順方向のバイアスが印加されている期間に、フォトダイオードで生成された信号電荷によって変化したフォトダイオードの電位を増幅トランジスタで出力する。これにより、画素信号を取得する。

本開示の固体撮像装置の駆動方法では、フォトダイオードで信号電荷が生成されたときのフォトダイオードの電位は、フォトダイオードに印加されている順方向のバイアスに応じて底上げされる。

本開示の電子機器は、光学レンズと、上述の固体撮像装置であって、光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と、固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路とを備える。

本開示の電子機器では、固体撮像装置において、画素を構成するフォトダイオードに順方向のバイアスを印加することができる。フォトダイオードに順方向のバイアスを印加しておくことにより、光電変換によって生成された信号電荷が少量である場合にも、フォトダイオードにより多くの電流が流れる。

本開示によれば、固体撮像装置において、画素信号を出力するときにフォトダイオードに所定のバイアス電流を流しておくことで、低照度の場合でも良好な画素信号を得ることができ、色再現性に優れた固体撮像装置を得ることができる。また、この固体撮像装置を用いることにより、画質の向上が図られた電子機器を得ることができる。

ＰＮ接合を備えるフォトダイオードのＩ（電流）−Ｖ（電圧）特性を示す図である。 本開示の固体撮像装置の動作原理を説明するための回路図である。 本開示の第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面構成（一部回路図で示す）である。 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の回路構成を示す図である。 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すフローである。 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本開示の第２の実施形態に係る電子機器の概略構成図である。

本開示技術の提案者は、ＰＮ接合フォトダイオードが増幅トランジスタのゲートに接続された構造を備える固体撮像装置において、以下の課題を発見した。

図１は、ＰＮ接合を備えるフォトダイオードのＩ−Ｖ特性を示す図である。図１の横軸はフォトダイオードに印加した電圧で、縦軸はフォトダイオードに流れる電流である。図１に示すように、フォトダイオードに順方向バイアス電圧を印加した場合、ある閾値電圧Ｖ_１以下のときにはほとんど電流が流れない。

一方、フォトダイオードに閾値電圧Ｖ_１以上の電圧を印加した場合には、電流は対数的（指数関数的）に増加する。すなわち、フォトダイオードに閾値電圧Ｖ_１以上の値の順方向バイアス電圧を印加すると、図１の範囲ａで示すように、フォトダイオードに流れる電流は対数的に増加する。したがって、順方向バイアス電圧を印加することによってフォトダイオードに電流を流す為には、閾値電圧Ｖ_１以上の電圧を印加する必要がある。

このように、実際のフォトダイオードでは、閾値電圧Ｖ_１以上の順バイアス電圧が印加された場合（図１の範囲ａ）と、閾値電圧Ｖ_１より小さい順バイアス電圧が印加された場合（図１の範囲ｂ）とでは、そのＩ−Ｖ特性が大きく異なる。

ところで、フォトダイオードを用いた固体撮像装置では、フォトダイオードにおいて、入射光の光量に応じた信号電荷が生成され、生成された信号電荷の量に基づいて画素信号が出力される。特許文献１では、入射光の光量に応じて発生した信号電荷によってフォトダイオードに電流が流れる構成とされている。そして、このフォトダイオードに流れる電流に対応したフォトダイオードの電圧変化分を増幅トランジスタで増幅し、該増幅した信号を画素信号として出力することで、画像が取得される。

また、フォトダイオードに増幅トランジスタのゲートが接続された固体撮像装置において、フォトダイオードから出力された画素信号を基に画像を再現する場合には、例えば、図１に示したＩ−Ｖ特性を基に、各画素信号に対応した光の強度を求めて画像を再現する。このとき、一般的には、電圧に対して電流が対数的に変化する範囲ａの特性を用いて画像が再現される。例えば、フォトダイオードで生成された信号電荷によって、フォトダイオードの電流と電圧との関係が図１の点ｃに示す関係であった場合、点ｃに対応する電圧が増幅トランジスタで増幅され、該増幅された信号が画素信号として出力される。そして、その画素信号から、図１の範囲ａに示す特性を用いることで画素信号に対応した光の強度が求められ、画像が再現される。

一方、フォトダイオードに入射する光が低照度であり、生成される信号電荷が少ない場合、フォトダイオードにおける電圧の上昇分も小さいため電流はほとんど流れない。したがって、フォトダイオードに入射する光が低照度である場合には、フォトダイオードに発生する電流と電圧の関係は、例えば図１の点ｄで示すように、図１の範囲ｂで示される線上にくる。そして、点ｄに対応する電圧が増幅トランジスタで増幅され、画素信号として出力される。

ところで、このように低照度の光によって得られた画素信号から画像を再現する場合も、電圧に対して電流が対数的に変化する範囲ａの特性を用いるのが一般的である。しかしながら、前述したように、フォトダイオードではＩ−Ｖ特性が範囲ａと範囲ｂで異なる。したがって、フォトダイオードに入射する光が低照度であり、例えばフォトダイオードに発生した電圧が図１の範囲ｂに示す線上にある場合において、範囲ａの特性を用いて画像を再現すると、出力された画素信号に基づく光の強度について、真の値を取得できない。したがって、このような固体撮像装置では、低照度側における色再現性が良くない。

例えば、フォトダイオードのＩ−Ｖ特性のデータを、図１の範囲ａ及び範囲ｂを含む全範囲で細かく取得し、そのＩ−Ｖ特性を用いることにより画像を再現する場合は、低照度の場合も高照度の場合と同様に画像を再現することができる。しかしながら、フォトダイオードのＩ−Ｖ特性のデータを図１の範囲ａ及び範囲ｂを含む全範囲で細かく取得する作業は煩雑である。このため、出力された画素信号から画像を再現する際には、図１の範囲ａにおけるＩ−Ｖ特性のみを用いることが一般的である。

このように、フォトダイオードを増幅トランジスタのゲートに接続した構成を備える固体撮像装置では、低照度側において色再現性が低いという問題がある。そこで、本技術の提案者は、フォトダイオードに、順方向のバイアス（以下、順バイアス）を印加しておくことで、低照度側の色再現性を向上させる技術を見出した。

図２は、本開示の固体撮像装置の原理を説明するための回路図である。図２に示すように、本開示の固体撮像装置では、各画素を構成するＰＮ接合を有するフォトダイオードＰＤのカソード側（Ｎ側）を電圧電源６０の負側に接続し、アノード側（Ｐ側）を電圧電源６０の正側に接続すると共に、接地電位に接続する。すなわち、フォトダイオードのアノード側を接地した状態で、順バイアス電圧を印加する。このときの順バイアス電圧は、フォトダイオードＰＤに電流が流れ始める閾値電圧Ｖ_１以上の値とする。

このように、フォトダイオードＰＤに順バイアス電圧を印加しておくことにより、フォトダイオードＰＤには電流が流れている状態となる。そして、順バイアス電圧が印加された状態のフォトダイオードＰＤにおいて、光電変換による信号電荷が発生した場合、フォトダイオードＰＤを流れる電流はより大きくなり、それに伴ってフォトダイオードＰＤの電圧も大きくなる。

ここで、常時電流が流れるように順バイアス電圧が印加された状態のフォトダイオードＰＤでは、図１の範囲ａで示すように、フォトダイオードＰＤに流れる電流は電圧に対して対数的に増加する。したがって、常時電流が流れるように順バイアス電圧が印加された状態のフォトダイオードＰＤにおいて光電変換による信号電荷が発生した場合には、フォトダイオードＰＤの電流及び電圧は、常に図１の範囲ａの対数関数で示される線上で変化させることができる。

このため、フォトダイオードＰＤに順バイアス電圧を印加しておくことによって、フォトダイオードＰＤで発生した信号電荷による電流及び電圧の変化が微小であった場合にも、その変化量を、Ｉ−Ｖ特性の、対数関数で示される範囲で検出することができる。この結果、入射する光が低照度の場合も、フォトダイオードの電圧の変化量をＩ−Ｖ特性の対数関数で示される範囲内で検出することができる。このため、入射する光が低照度の場合にも、フォトダイオードＰＤの電圧の変化量から得られた画素信号から、図１の範囲ａで示す特性を用いて画像を再現する際に、出力された画素信号に基づく光の強度について、真の値により近い値を算出することができる。

以下に、本開示の実施形態に係る固体撮像装置とその駆動方法、及び電子機器の一例を、図３〜図８を参照しながら説明する。本開示の実施形態は以下の順で説明する。なお、本開示は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：固体撮像装置
１−１．固体撮像装置全体の構成
１−３．要部の構成
１−３．固体撮像装置の駆動方法
２．第２の実施形態：電子機器

〈１．第１の実施形態：固体撮像装置〉
［１−１ 固体撮像装置全体の構成］
図３は、本開示の第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。本実施形態例の固体撮像装置１００は、複数の画素１１０から構成される画素部１０１と、垂直駆動部１０２と、カラム処理部１０３と、水平駆動部１０４と、信号処理部１０９と、システム制御部１０５と、負電圧生成部１０８とを備える。これらの画素部１０１、垂直駆動部１０２、カラム処理部１０３、水平駆動部１０４、信号処理部１０９、システム制御部１０５及び負電圧生成部１０８は、例えば、図示しない半導体基板上に形成される。

画素１１０は、ＰＮ接合を有するフォトダイオードと、複数の画素トランジスタとから構成される。また、後述するが、画素１１０を構成するフォトダイオードのカソード側には、負電圧が供給され、アノード側は接地電位に接続される。画素１１０の詳細な構成については後述する。

画素部１０１は、２次元アレイ状に規則的に配列された複数の画素１１０から構成される。画素部１０１は、実際に光を受光し、光電変換によって生成された信号電荷を増幅してカラム処理部１０３に読み出す画素からなる有効画素部と、黒レベルの基準になる光学的黒を出力する画素からなる黒基準画素部（図示せず）とを有する。黒基準画素部（いわゆる、オプティカルブラック画素部）は、通常は、有効画素部の外周部に形成されている。有効画素部に形成される画素１１０では、フォトダイオードは光入射側に開口され、光が入射される。一方、黒基準画素部に形成される画素では、フォトダイオードは遮光されている。

システム制御部１０５は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動部１０２、カラム処理部１０３、及び水平駆動部１０４等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、システム制御部１０５で生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動部１０２、カラム処理部１０３及び水平駆動部１０４等に入力される。

垂直駆動部１０２は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動線１０６を介して画素部１０１の各画素１１０を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素１１０のフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線１０７を通してカラム処理部１０３に供給する。

カラム処理部１０３は、垂直信号線１０７毎に信号の処理を行う複数の単位回路を有する。カラム処理部１０３では、画素部１０１の画素列毎に、選択行の各画素から垂直信号線１０７を介して出力される画素信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。

具体的には、カラム処理部１０３は、信号処理として少なくとも、例えばＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング）処理等のノイズ除去処理を行う。カラム処理部１０３におけるＣＤＳ処理により、例えば、リセットノイズ、増幅トランジスタの閾値ばらつき等に起因する画素固有の固定パターンノイズを除去することができる。

また、カラム処理部１０３には、上述したノイズ除去機能以外に、例えば、ＡＤ（Analog to Digital）変換回路を設けて、デジタル信号を出力する構成にしてもよい。この場合には、ＡＤ変換回路に設けられた比較器において、カラム処理部１０３の外部に設けられたＤＡＣ回路部（図示を省略する）で生成された参照信号と、垂直信号線１０７に読み出されたアナログ信号（画素信号）とを比較する。そして、アナログ信号と参照信号のレベルが交差し、比較器の出力が反転するまでカウントを行うことにより、垂直信号線１０７のアナログ信号からなる電位をデジタル信号に変換する。

水平駆動部１０４は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム処理部１０３の各々の単位回路を順番に選択し、カラム処理部１０３の各々の単位回路から画素信号を信号処理部１０９に出力させる。

負電圧生成部１０８は、外部から供給される電源電圧から所望の負電圧を生成し、その負電圧を、垂直駆動部１０２を介して各画素１１０に供給する。

信号処理部１０９は、カラム処理部１０３の各々の単位回路から順次に供給される信号に対し信号処理を行い、処理された信号を出力する。

［１−２ 要部の構成］
図４は、本実施形態例の固体撮像装置１００の画素部１０１の断面構成（一部回路図で示す）であり、図５は、本実施形態例の固体撮像装置１００の画素１１０の回路構成を示す図である。図４及び図５に示すように、画素１１０は、基板１に形成されたフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに、順方向のバイアスを与える為のバイアス発生部（以下、電流発生部）１１１とを備える。また、画素１１０は、信号電荷の読み出しを行うためのリセットトランジスタＴｒ２と、増幅トランジスタＴｒ３と、選択トランジスタＴｒ４とを備える。

図４に示すように、基板１は、第１導電型、例えばｎ型の半導体基板で構成されており、基板１の画素１１０が形成される表面側には、第２導電型、例えばｐ型の不純物領域からなるｐ型ウェル領域２が形成されている。このｐ型ウェル領域２内に、画素１１０を構成するフォトダイオードＰＤや、各画素トランジスタを構成するソース・ドレイン領域などが形成される。

フォトダイオードＰＤは、光電変換素子を構成するものであり、基板１の表面に形成された高濃度のｎ型半導体領域３と、ｐ型ウェル領域２とで構成される。すなわち、本実施形態では、フォトダイオードＰＤは、ｎ型半導体領域３と、ｐ型ウェル領域２との間のｐｎ接合ｊで構成される。フォトダイオードＰＤでは、入射した光の光量に応じた信号電荷が生成される。

電流発生部１１１は、フォトダイオードＰＤに順方向のバイアス電流を流すために設けられており、負電圧供給配線１１２と、負電圧をフォトダイオードＰＤのカソード側（すなわち、ｎ型半導体領域３）に供給する負電圧供給トランジスタＴｒ１とを備える。負電圧供給配線１１２は、図３に示す負電圧生成部１０８で生成された負電圧を各画素１１０に供給する配線であり、行毎に１本ずつ設けられている。

負電圧供給トランジスタＴｒ１は、ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタで構成されており、基板１の表面側に形成されたｎ型半導体領域４からなるソースと、フォトダイオードＰＤを構成するｎ型半導体領域３からなるドレインとを備える。また、負電圧供給トランジスタＴｒ１は、そのソースとドレインとの間に形成され、基板１上部に絶縁膜（図示せず）を介して形成された負電圧供給ゲート電極１１を備える。

負電圧供給トランジスタＴｒ１のソースとなるｎ型半導体領域４には、負電圧供給配線１１２が接続されている。したがって、負電圧供給トランジスタＴｒ１では、負電圧供給ゲート電極１１に所定のハイレベルの負電圧供給電圧φＦＢが印加され、負電圧供給トランジスタＴｒ１がオン状態となる。これにより、負電圧供給配線１１２からフォトダイオードＰＤのｎ型半導体領域３に負電圧（−Ｖｆｂ）が供給される。そして、フォトダイオードＰＤのｎ型半導体領域３に負電圧が供給されることにより、フォトダイオードＰＤに順方向のバイアス電流を流すことができる。また、本実施形態では、負電圧供給ゲート電極１１に印加する負電圧供給電圧φＦＢの電位を変えることにより、フォトダイオードＰＤに流す電流量を調整することができる。

リセットトランジスタＴｒ２は、ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタで構成されている。リセットトランジスタＴｒ２は、フォトダイオードＰＤのｎ型半導体領域３からなるソースと、ｐ型ウェル領域２の表面側に形成されたｎ型半導体領域５からなるドレインとを備える。リセットトランジスタＴｒ２のドレインとなるｎ型半導体領域５は、フォトダイオードＰＤを構成するｎ型半導体領域３に隣り合う領域に形成されている。また、リセットトランジスタＴｒ２は、そのソースとドレインとの間に形成され、基板１上部に絶縁膜（図示せず）を介して形成されたリセットゲート電極１２を備える。

リセットトランジスタＴｒ２のドレインとなるｎ型半導体領域５には、接地電位ＧＮＤが供給されている。したがって、リセットゲート電極１２に所定のハイレベルのリセット電圧φＲＳＴが印加され、リセットトランジスタＴｒ２がオン状態となることにより、フォトダイオードＰＤのｎ型半導体領域３に接地電位ＧＮＤが供給される。これにより、フォトダイオードＰＤは接地電位ＧＮＤにリセットされる。

増幅トランジスタＴｒ３は、ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタで構成されている。このため、増幅トランジスタＴｒ３は、基板１の所定の領域に形成されたｎ型不純物領域からなるｎ型ウェル領域６内に形成されている。このｎ型ウェル領域６は、基板１の表面から所定の深さに形成されている。本実施形態では、フォトダイオードＰＤはリセットトランジスタＴｒ２により接地電位ＧＮＤにリセットされる。

増幅トランジスタＴｒ３は、ｎ型ウェル領域６の表面側に形成されたｐ型半導体領域８からなるソースと、同じくｎ型ウェル領域６の表面側に形成され、ソースと隣り合う領域に形成されたｐ型半導体領域７からなるドレインとを備える。また、増幅トランジスタＴｒ３は、そのソースとドレインとの間に形成され、基板１上部に絶縁膜（図示せず）を介して形成された増幅ゲート電極１３を備える。

増幅トランジスタＴｒ３のドレインとなるｐ型半導体領域７には、接地電位が供給されており、増幅トランジスタＴｒ３のソースとなるｐ型半導体領域８は、後述する選択トランジスタＴｒ４のドレインと接続されている。また、増幅ゲート電極１３は、フォトダイオードＰＤのｎ型半導体領域３と電気的に接続されている。増幅トランジスタＴｒ３では、フォトダイオードＰＤのｎ型半導体領域３の電位が増幅ゲート電極１３に供給される。これにより、その電位に対応した信号を選択トランジスタＴｒ４のドレインに出力する。

選択トランジスタＴｒ４は、ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタで構成されている。選択トランジスタＴｒ４は、ｐ型ウェル領域２の表面側に形成されたｎ型半導体領域１０からなるソースと、同じくｐ型ウェル領域２の表面側に形成され、ソースと隣り合う領域に形成されたｎ型半導体領域９からなるドレインとを備える。また、選択トランジスタＴｒ４は、そのソースとドレインとの間に形成され、基板１上部に絶縁膜（図示せず）を介して形成された選択ゲート電極１４を備える。

選択トランジスタＴｒ４のドレイン（ｎ型半導体領域９）は、増幅トランジスタＴｒ３のソース（ｐ型半導体領域８）と電気的に接続されている。また、選択トランジスタのソース（ｎ型半導体領域１０）は、垂直信号線１０７に接続されている。選択トランジスタＴｒ４では、選択ゲート電極１４に所定のハイレベルの選択電圧φＳＥＬが印加され、選択トランジスタＴｒ４がオン状態となることにより、増幅トランジスタＴｒ３から出力された信号が垂直信号線１０７に出力される。

ところで、本実施形態では、図５に示すように、垂直信号線１０７は電源電圧Ｖｄｄを供給する電源電圧配線１１３に接続されている。そして、電源電圧配線１１３と垂直信号線１０７との接続点と、選択トランジスタＴｒ４のソース（ｎ型半導体領域１０）と垂直信号線１０７との接続点との間には、ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタからなる負荷トランジスタＴｒ５が接続されている。これにより、選択トランジスタＴｒ４を介して垂直信号線１０７に接続される増幅トランジスタＴｒ３と、垂直信号線１０７の一端に接続される負荷トランジスタＴｒ５とにより、ソースフォロア回路が構成される。

［１−３ 駆動方法］
次に、本実施形態の固体撮像装置１００の駆動方法について説明する。図６は、本実施形態の固体撮像装置１００の駆動方法を示すフローであり、図７は、本実施形態例の固体撮像装置１００の駆動方法を示すタイミングチャートである。ここでは、有効画素部におけるｎ行目の画素１１０を駆動する際のタイミングを例に説明を行う。

まず、ｎ行目の画素１１０において、ハイレベルの選択電圧φＳＥＬを選択ゲート電極１４に印加することにより、選択トランジスタＴｒ４をオン状態とする。次に、ハイレベルのリセット電圧φＲＳＴをリセットゲート電極１２に印加することにより、リセットトランジスタＴｒ２をオン状態とする。

リセットトランジスタＴｒ２がオン状態となることにより、フォトダイオードＰＤの電位が接地電位ＧＮＤにリセットされる（ステップＳ１）。そして、リセット状態におけるフォトダイオードＰＤのカソードの電位を増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４を介して垂直信号線１０７に読み出す。これにより、Ｐ相の信号レベルがアナログ信号ＶＳＬ（リセット信号）として出力される（ステップＳ２）。

そして、垂直信号線１０７に出力されたＰ相のアナログ信号ＶＳＬは、ＤＡＣ回路部で生成されたランプ波形状の参照信号ＤＡＣと比較されることでデジタル変換され、デジタル信号としてカラム処理部１０３に保存される。ここで、参照信号ＤＡＣと、垂直信号線１０７に出力されたアナログ信号ＶＳＬとの比較は、カラム処理部１０３に設けられた比較器によって行われる。このとき、アナログ信号ＶＳＬと参照信号ＤＡＣのレベルが交差し、比較器の出力が反転するまでカウントが行われ、垂直信号線１０７に出力されたアナログ信号ＶＳＬがカウント数（デジタル信号）に変換される。

次に、リセットトランジスタＴｒ２をオフする。その後、ハイレベルの負電圧供給パルスφＦＢを負電圧供給ゲート電極１１に印加することにより、負電圧供給トランジスタＴｒ１をオン状態とする。これにより、フォトダイオードＰＤのｎ型半導体領域３に負電圧−Ｖｆｂが供給され、フォトダイオードＰＤには順バイアス電圧が印加される。このとき、フォトダイオードＰＤのＩ−Ｖ特性の閾値電圧（すなわち、図１のＶ_１）以上の順バイアス電圧を供給する。これにより、フォトダイオードＰＤに、順方向にバイアス電流を流す（ステップＳ３）。

このとき、フォトダイオードＰＤでは、フォトダイオードＰＤに入射した光の光量に応じた信号電荷が光電変換により生成される。これにより、フォトダイオードＰＤを流れる電流は、電流発生部１１１によって与えられた順方向のバイアス電流から、光電変換によって生成された信号電荷の分だけ増加する。したがって、フォトダイオードＰＤの電圧も、印加された順バイアス電圧から、光電変換によって生成された信号電荷の分だけ増加する。

ここで、フォトダイオードＰＤには、閾値電圧Ｖ_１以上の順バイアス電圧が印加されている。したがって、フォトダイオードＰＤに入射する光が低照度である場合にも、フォトダイオードＰＤの電圧は、閾値電圧Ｖ_１以上となる。

そして、このときのフォトダイオードＰＤの電位を増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４を介して垂直信号線１０７に読み出す。このように、本実施形態では、フォトダイオードＰＤに順方向のバイアス電流が流れている期間に、フォトダイオードＰＤで生成された信号電荷によって変化したフォトダイオードＰＤの電位を画素信号として出力する。これにより、Ｄ相の信号レベルがアナログ信号ＶＳＬ（画素信号）として出力される（ステップＳ４）。

垂直信号線１０７に出力されたＤ相のアナログ信号ＶＳＬについても、Ｐ相のアナログ信号ＶＳＬのデジタル変換と同様に、ＤＡＣ回路部で生成されたランプ波形状の参照信号ＤＡＣと比較することでデジタル変換する。そして、Ｄ相のアナログ信号ＶＳＬも、デジタル信号としてカラム処理部１０３に保存する。

そして、Ｄ相のデジタル信号とＰ相のデジタル信号との差分を取ることにより、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）を行う（ステップＳ５）。これにより、増幅トランジスタＴｒ３等で発生する画素固有の固定パターンノイズを抑圧するＣＤＳ処理が行われる。その後、ＣＤＳ回路でのＣＤＳ処理後の各信号が画素信号として信号処理部１０９に出力される。

その後、負電圧供給トランジスタＴｒ１をオフする。その後、選択トランジスタＴｒ４をオフすることにより、ｎ行目の画素の読み出しが終了する。

ところで、Ｄ相として垂直信号線１０７に出力されるアナログ信号ＶＳＬには、電流発生部１１１によりフォトダイオードＰＤに供給された順バイアス電圧分の信号が含まれている。したがって、信号処理部１０９において有効画素部における画素信号と、黒基準画素部における画素信号との差分を取る。具体的には、有効画素部の画素１１０から、フォトダイオードＰＤに順方向のバイアス電流を流した期間に出力された画素信号と、黒基準画素部の画素１１０から、フォトダイオードＰＤに順方向のバイアス電流を流した期間に出力された画素信号との差分を取る。これにより、光電変換によって生成された信号電荷による電位の変化分に相当する画素信号を得ることができる。
なお、本実施形態では、信号処理部１０９において有効画素部における画素信号と黒基準画素部における画素信号との差分を取る処理を行う構成としたが、この処理は無くてもよい。

本実施形態では、Ｄ相の信号を取得する際、フォトダイオードＰＤには閾値電圧Ｖ_１（図１参照）以上の順バイアス電圧が印加され、これにより、所定の順バイアス電流が流れている。このため、フォトダイオードＰＤに入射する光が低照度であり、光電変換される信号電荷が少ない場合でも、出力されるフォトダイオードＰＤの電圧の変化分を対数関数で示されるＩ−Ｖ特性の線上（図１の範囲ａの線上）で得ることができる。すなわち、本実施形態では、低照度側のＩ−Ｖ特性も、図１の範囲ａで示す特性となる。この結果、フォトダイオードＰＤに入射する光が低照度である場合にも、得られた画素信号から図１の範囲ａで示されるＩ−Ｖ特性を用いてより正確な光の強度を求めることができ、画像の再現性が向上する。これにより、固体撮像装置の色再現性の向上が図られる。

また、本実施形態では、低照度の光で得られた画素信号、及び、高照度の光で得られた画素信号からそれぞれ画像を再現する際、どちらも、図１の範囲ａで示すＩ−Ｖ特性を用いて再現することができる。このため、画像の再現に用いるデータは、図１の範囲ａで示される部分のみで良いため、フォトダイオードＰＤのＩ−Ｖ特性のデータを、図１の範囲ａ及び範囲ｂを含む全範囲で細かく取得する必要がない。これにより、画素信号から画像を得るための信号処理の構成を煩雑にすることなく、色再現性を向上させることができる。

本実施形態では、電流発生部１１１を負電圧供給配線１１２と負電圧供給トランジスタＴｒ１とで構成したが、電流発生部１１１の構成はこれに限られるものではない。例えば、負電圧供給トランジスタＴｒ１を用いずに、電流発生部１１１を負電圧供給配線１１２のみで構成することもできる。この場合は、常時フォトダイオードＰＤに順方向のバイアス電流が流れるため消費電力が高くなるが、構成が簡素になり、小型化が可能となる。さらに、電流発生部１１１として、定電流源を用いてもよい。このように、電流発生部１１１は、フォトダイオードＰＤに順方向のバイアス電流を流すことのできる構成であれば種々の変更が可能である。

また、本実施形態では特に言及はしていないが、本開示の固体撮像装置は、表面照射型の固体撮像装置、及び、裏面照射型の固体撮像装置のどちらにも対応させることができる。表面照射型の固体撮像装置とする場合には、基板の光入射面側となる表面側に配線層、カラーフィルタ層、オンチップレンズを順に形成する。また、裏面照射型の固体撮像装置とする場合には、基板の光入射面側となる表面側とは反対側の面に配線層、カラーフィルタ層、オンチップレンズを順に形成する。裏面照射型の固体撮像装置では、光入射面側に各画素トランジスタが形成されないため、フォトダイオードの面積を大きくすることができる。

ところで、本開示の固体撮像装置は、フォトダイオードで生成された信号電荷をフォトダイオードに蓄積せずに、フォトダイオードで生成された信号電荷による電位変化を増幅トランジスタに直接伝送する構成とされている。したがって、本開示の固体撮像装置は、よりフォトダイオードの平面の面積を大きくすることのできる裏面照射型とするのが好ましい。

本開示では、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置にも適用可能である。

さらに、本開示は、画素領域の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限られるものではない。画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、画素部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。

また、本開示は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。

〈２．第２の実施形態：電子機器〉
次に、本開示の第２の実施形態に係る電子機器について説明する。図８は、本開示の第２の実施形態に係る電子機器２００の概略構成図である。

本実施形態に係る電子機器２００は、固体撮像装置２０３と、光学レンズ２０１と、シャッタ装置２０２と、駆動回路２０５と、信号処理回路２０４とを有する。本実施形態例の電子機器２００では、固体撮像装置２０３として上述した本開示の第１の実施形態における固体撮像装置１００を電子機器（デジタルスチルカメラ）に用いた場合の実施形態を示す。

光学レンズ２０１は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置２０３の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置２０３内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。シャッタ装置２０２は、固体撮像装置２０３に対する光照射期間および遮光期間を制御する。駆動回路２０５は、固体撮像装置２０３の信号転送動作およびシャッタ装置２０２のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路２０５から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置２０３は信号転送を行なう。信号処理回路２０４は、固体撮像装置２０３から出力された信号に対して各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。

本実施形態例の電子機器２００では、固体撮像装置２０３において色再現性の向上が図られるため、画質の向上が図られる。

なお、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
（１）
ＰＮ接合を有し、入射光の光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに順方向のバイアスを印加するためのバイアス発生部と、
前記フォトダイオードに接続された増幅ゲート電極を有し、前記フォトダイオードの電位を増幅して出力する増幅トランジスタと、
を備える固体撮像装置。
（２）
前記フォトダイオードで生成された信号電荷によって発生した前記フォトダイオードの電位を前記増幅トランジスタで出力する期間に、前記電流発生部は前記フォトダイオードに順方向のバイアス電流を流す
（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記電流発生部は、ソースが負電圧を供給する負電圧供給配線に接続され、ドレインが前記フォトダイオードのカソード側に接続された負電圧供給用トランジスタを備える
（１）又は（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記フォトダイオードを接地電位にリセットするリセットトランジスタを備える
（１）〜（３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（５）
前記電流発生部は、前記フォトダイオードに流れる電流がフォトダイオードに印加された電圧に対して対数的に変化し始める閾値電圧以上の電圧を前記フォトダイオードに供給する
（１）〜（４）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（６）
前記フォトダイオードと、前記バイアス発生部と、前記増幅トランジスタとを備える画素が複数配列された画素部を有し、
前記画素部は、前記フォトダイオードに光が入射する画素を含む有効画素部と、前記フォトダイオードが遮光された画素を含む黒基準画素部とで構成され、
前記有効画素部の画素から、前記フォトダイオードに順方向のバイアス電流を流した期間に出力された画素信号と、前記黒基準画素部の画素から、前記フォトダイオードに順方向のバイアス電流を流した期間に出力された画素信号との差分を取ることにより、前記フォトダイオードで生成された信号電荷に対応した画素信号を算出する
（１）〜（５）に記載の固体撮像装置。
（７）
ＰＮ接合を有し、入射光の光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに順方向のバイアス電流を流すための電流発生部と、
前記フォトダイオードに接続された増幅ゲート電極を有する増幅トランジスタとを備える固体撮像装置を駆動する駆動方法であって、
前記バイアス発生部によって前記フォトダイオードに順方向のバイアスを印加し、
前記フォトダイオードに順方向のバイアスが印加されている期間に、前記フォトダイオードで生成された信号電荷によって変化した前記フォトダイオードの電位を前記増幅トランジスタで出力することにより、画素信号を取得する
固体撮像装置の駆動方法。
（８）
前記画素信号を取得する前に、前記フォトダイオードを接地電位にリセットし、前記接地電位にリセットされた前記フォトダイオードの電位を前記増幅トランジスタで出力することにより、リセット信号を取得する
（７）に記載の固体撮像装置の駆動方法。
（９）
前記フォトダイオードと、前記バイアス発生部と、前記増幅トランジスタとを備える画素が複数配列された画素部を有し、
前記画素部は、前記フォトダイオードに光が入射する画素を含む有効画素部と、前記フォトダイオードが遮光された画素を含む黒基準画素部とで構成され、
前記有効画素部の画素から、前記フォトダイオードに順方向のバイアスを印加した期間に出力された画素信号と、前記黒基準画素部の画素から、前記フォトダイオードに順方向のバイアスを印加した期間に出力された画素信号との差分を取ることにより、前記フォトダイオードで生成された信号電荷に対応した画素信号を算出する
（７）又は（８）に記載の固体撮像装置の駆動方法。
（１０）
ＰＮ接合を有し、入射光の光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに順方向のバイアスを印加するためのバイアス発生部と、
前記フォトダイオードに接続された増幅ゲート電極を有し、前記フォトダイオードの電位を増幅して出力する増幅トランジスタとを備える固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
を含む電子機器。

１・・・基板、２・・・ｐ型ウェル領域、３，４，５・・・ｎ型半導体領域、６・・・ｎ型ウェル領域、７，８・・・ｐ型半導体領域、９，１０・・・ｎ型半導体領域、１１・・・負電圧供給ゲート電極、１２・・・リセットゲート電極、１３・・・増幅ゲート電極、１４・・・選択ゲート電極、６０・・・電圧電源、１００・・・固体撮像装置、１０１・・・画素部、１０２・・・垂直駆動部、１０３・・・カラム処理部、１０４・・・水平駆動部、１０５・・・システム制御部、１０６・・・画素駆動線、１０７・・・垂直信号線、１０８・・・負電圧生成部、１０９・・・信号処理部、１１０・・・画素、１１１・・・電流発生部、１１２・・・負電圧供給配線、１１３・・・電源電圧配線、２００・・・電子機器、２０１・・・光学レンズ、２０２・・・シャッタ装置、２０３・・・固体撮像装置、２０４・・・信号処理回路、２０５・・・駆動回路、Ｔｒ１・・・負電圧供給トランジスタ、Ｔｒ２・・・リセットトランジスタ、Ｔｒ３・・・増幅トランジスタ、Ｔｒ４・・・選択トランジスタ、Ｔｒ５・・・負荷トランジスタ

Claims (10)

1. ＰＮ接合を有し、入射光の光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードに順方向のバイアスを印加するためのバイアス発生部と、
   前記フォトダイオードに接続された増幅ゲート電極を有し、前記フォトダイオードの電位を増幅して出力する増幅トランジスタと、
   を備える固体撮像装置。
2. 前記フォトダイオードで生成された信号電荷によって発生した前記フォトダイオードの電位を前記増幅トランジスタで出力する期間に、前記電流発生部は前記フォトダイオードに順方向のバイアス電流を流す
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記電流発生部は、ソースが負電圧を供給する負電圧供給配線に接続され、ドレインが前記フォトダイオードのカソード側に接続された負電圧供給用トランジスタを備える
   請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記フォトダイオードを接地電位にリセットするリセットトランジスタを備える
   請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記電流発生部は、前記フォトダイオードに流れる電流がフォトダイオードに印加された電圧に対して対数的に変化し始める閾値電圧以上の電圧を前記フォトダイオードに供給する
   請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記フォトダイオードと、前記バイアス発生部と、前記増幅トランジスタとを備える画素が複数配列された画素部を有し、
   前記画素部は、前記フォトダイオードに光が入射する画素を含む有効画素部と、前記フォトダイオードが遮光された画素を含む黒基準画素部とで構成され、
   前記有効画素部の画素から、前記フォトダイオードに順方向のバイアス電流を流した期間に出力された画素信号と、前記黒基準画素部の画素から、前記フォトダイオードに順方向のバイアス電流を流した期間に出力された画素信号との差分を取ることにより、前記フォトダイオードで生成された信号電荷に対応した画素信号を算出する
   請求項５に記載の固体撮像装置。
7. ＰＮ接合を有し、入射光の光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードに順方向のバイアス電流を流すための電流発生部と、
   前記フォトダイオードに接続された増幅ゲート電極を有する増幅トランジスタとを備える固体撮像装置を駆動する駆動方法であって、
   前記バイアス発生部によって前記フォトダイオードに順方向のバイアスを印加し、
   前記フォトダイオードに順方向のバイアスが印加されている期間に、前記フォトダイオードで生成された信号電荷によって変化した前記フォトダイオードの電位を前記増幅トランジスタで出力することにより、画素信号を取得する
   固体撮像装置の駆動方法。
8. 前記画素信号を取得する前に、前記フォトダイオードを接地電位にリセットし、前記接地電位にリセットされた前記フォトダイオードの電位を前記増幅トランジスタで出力することにより、リセット信号を取得する
   請求項７に記載の固体撮像装置の駆動方法。
9. 前記フォトダイオードと、前記バイアス発生部と、前記増幅トランジスタとを備える画素が複数配列された画素部を有し、
   前記画素部は、前記フォトダイオードに光が入射する画素を含む有効画素部と、前記フォトダイオードが遮光された画素を含む黒基準画素部とで構成され、
   前記有効画素部の画素から、前記フォトダイオードに順方向のバイアスを印加した期間に出力された画素信号と、前記黒基準画素部の画素から、前記フォトダイオードに順方向のバイアスを印加した期間に出力された画素信号との差分を取ることにより、前記フォトダイオードで生成された信号電荷に対応した画素信号を算出する
   請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. ＰＮ接合を有し、入射光の光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードに順方向のバイアス電流を流すための電流発生部と、
    前記フォトダイオードに接続された増幅ゲート電極を有し、前記フォトダイオードの電位を増幅して出力する増幅トランジスタとを備える固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
    を含む電子機器。
    

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