JP6535163B2

JP6535163B2 - 信号処理回路及びイメージセンサ

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Publication number: JP6535163B2
Application number: JP2014246054A
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Inventors: 後藤　正英; 正英後藤; 井口　義則; 義則井口; 大竹　浩; 浩大竹; 萩原　啓; 啓萩原
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Description

本発明は、信号処理回路及びイメージセンサ（撮像素子）に関し、特に、イメージセンサの各画素において、光電変換した信号をアナログ／デジタル変換する信号処理回路と、その信号処理回路を用いたイメージセンサに関するものである。

従来、イメージセンサは、光電変換された信号電荷をアナログ信号として処理していたが、信号電荷（電荷量）をイメージセンサ内でＡＤ（アナログ／デジタル）変換し、デジタルデータとして出力することにより、光電変換のダイナミックレンジを拡大するとともに、出力信号の処理を容易化することができる。

これまで、縦横にアレイ状に並んだ画素の列毎にＡＤ変換回路を共有する方式の列並列信号処理イメージセンサが作製されている。しかし、このような一列の画素のＡＤ変換処理を一つのＡＤ変換回路で行う構成では、イメージセンサの高精細度化に伴って（すなわち、一列あたりの画素数の増大に伴って）、ＡＤ変換処理にかかる時間が長時間化し、動画イメージ処理において１フレームレートの時間内で全画素の信号処理を行うことが困難になってきている。

この問題に対処するため、動画用イメージセンサとして、各画素内にＡＤ変換回路を備え、光電変換した信号を全画素並列に出力することができる画素並列信号処理方式のイメージセンサが提案されている。画素並列信号処理イメージセンサは、従来の列並列信号処理イメージセンサの欠点である走査線数とフレームレートのトレードオフを解消することができるため、将来の高性能イメージセンサの有力な候補として研究が進められている。中でも、非特許文献１に記載のイメージセンサは、１ビット型ＡＤ変換回路（１ｂｉｔＡＤＣ）と称される回路を搭載しており、イメージセンサのダイナミックレンジを格段に向上することができるとされている。

非特許文献１で提案されているイメージセンサの信号処理回路の動作を、以下に説明する。非特許文献１中のＦｉｇ．３に回路が図示されているが、説明を簡単にするため、回路動作に本質的ではないトランジスタ（Ｔｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ４）とそれらを含むフィードバック回路やカウンタの詳細を省略した回路（図８）を用いて説明する。

図８に、非特許文献１に記載された従来の１ビット型ＡＤ変換回路（１ｂｉｔＡＤＣ）を用いた信号処理回路を示す。

９１は光電変換素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）であり、９２は電圧Ｖ_ddをフォトダイオード９１の電極に印加するためのトランジスタ（ＴＲ）である。９４はインバータ群（インバータ回路）であり、インバータ（Ｉｎｖ_１、Ｉｎｖ_２，・・・Ｉｎｖ_ｎ）が奇数段接続されている。フォトダイオード９１とトランジスタ９２との接続点９３の電位がインバータ群９４に入力される。インバータ群９４の出力は、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）として、カウンタ９５に入力されるとともに、トランジスタ９２のゲート電極に印加される。カウンタ９５は、電圧Ｖ_rsが印加され、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）のパルス数をカウントして、例えば８ビットのカウンタ出力として出力する。

次に、図８の信号処理回路の動作を説明する。

（１）はじめに、フォトダイオード９１の電位がリセット（≒Ｖ_dd）された状態で、初段のインバータ（Ｉｎｖ_１）の入力がＨｉで出力がＬｏ、２段目のインバータ（Ｉｎｖ_２）の出力がＨｉ、最終段のインバータ（Ｉｎｖ_ｎ）の出力、すなわちＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）がＬｏであり、トランジスタ（ＴＲ）９２がオフ（ＯＦＦ）状態になっているとする。［初期化状態］

（２）フォトダイオード９１に光が入射すると、光電変換により生成した電子がフォトダイオード９１内に蓄積して、フォトダイオード９１の電位（接続点９３の電圧）が下がる。

（３）フォトダイオード９１の電位（接続点９３の電圧）が初段のインバータ（Ｉｎｖ_１）の反転電圧（Ｖ_T）に達するとインバータ（Ｉｎｖ_１）の出力がＨｉに反転する。インバータはｎ段（ｎは奇数）接続されており、順次出力が反転して伝達され、最終段のインバータ（Ｉｎｖ_ｎ）の出力、すなわち、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）がＨｉとなる。なお、インバータが１段ではなくｎ段接続されているのは、ｎ段のインバータによる遅延を利用して、回路動作を安定化するためである。

（４）ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）がＨｉになると、トランジスタ９２がオン（ＯＮ）状態になり、フォトダイオード９１の電極に電圧Ｖ_ddが印加され、フォトダイオード９１が再度リセットされる。

（５）フォトダイオード９１がリセットされると、初段のインバータ（Ｉｎｖ_１）の入力がＨｉ、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）がＬｏになり、（１）に戻る。

その後、上記（１）〜（５）が繰り返され、インバータ群９４の出力がＨｉとＬｏを繰り返す。フォトダイオード９１へ入射する光量が多ければフォトダイオード９１の電位変化が速くなり、インバータ群９４の反転タイミングが早くなる。したがって、動画の１フレーム期間内にＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）には光量に比例した数のパルスが発生する。

カウンタ９５では逐次パルスを積算しており、1フレーム期間終了後に、カウンタ出力を読み出す。非特許文献１の試作例では、カウンタは８ビットであるが、１ｂｉｔＡＤＣの能力としては、６０フィールド／秒の動作で１８〜１９ビットのダイナミックレンジを実現できると記述されている。

F.Andoh et.al, "A Digital Pixel Image Sensor for Real-Time Readout", IEEE Transaction on electron devices, (2000年), vol.47, No.11, pp.2123-2127

従来の１ビット型ＡＤ変換回路（１ｂｉｔＡＤＣ）は、フォトダイオードの電圧がインバータの反転電圧Ｖ_Tに達するまでは電圧反転が起こらず、パルスが出力されない。インバータを反転させるのに必要な電荷数Ｎ（最小検出電荷数）は、以下で表わされる。ここで、Ｃ_PDはフォトダイオードの静電容量、Ｖ_Tはインバータの反転電圧（Ｖ_ddを基準とする電圧）、ｅは電気素量（１．６×１０^-19 Ｃ）である。

Ｎ＝Ｃ_PD・Ｖ_T／ｅ（式１）

静電容量Ｃ_PDは、フォトダイオード（ＰＤ）のｐｎ接合を階段接合で近似すると、以下の式で表わされる。

Ｃ_PD＝ε₀・ε_r・Ｓ／Ｗ（式２）

なお、ε₀は真空の誘電率（８．８５×１０^-12 Ｆ／ｍ）、ε_rは比誘電率で、シリコンフォトダイオードの場合は１２、Ｓはフォトダイオードの面積、Ｗはフォトダイオードの空乏層厚である。動画用イメージセンサの一例として、Ｓ＝１６μｍ²、Ｗ＝２μｍとして計算するとＣ_PD＝０．８５ｆＦとなる。１ｂｉｔＡＤＣを安定に動作させるためには、インバータの反転電圧Ｖ_Tは少なくとも１０ｍＶ程度とするのが妥当である。これらの値を（式１）に代入すると、

Ｎ＝０．８５×１０^-15×１０^-2／１．６×１０^-19＝５３（個）

と試算される。同程度のフォトダイオードを持つ現在主流の列並列信号処理方式のＣＭＯＳイメージセンサでは、１０個以下の電子を検出できるのが一般的であるから、１ｂｉｔＡＤＣを用いた画素並列信号処理イメージセンサは、現在主流のＣＭＯＳイメージセンサに比べ、電子の検出感度が低い（最小検出電荷数が大きい）といった問題がある。

検出感度を向上させるため、すなわち、より少数の電荷数Ｎを検出するためには、（式１）から、Ｃ_PDやＶ_Tを小さくすることが考えられる。そして、静電容量Ｃ_PDを小さくするためには、（式２）より、面積Ｓを小さくするか、空乏層厚Ｗを大きくすればよい。しかし、フォトダイオードの面積Ｓを小さくすると、同じ照度であっても単位時間当たりにフォトダイオードが受けるフォトン数が減るため、光電変換で発生する電子数が減る。したがって、電子の検出感度が向上したとしても、より低照度での撮影が可能になるわけではなく、イメージセンサとしての撮像感度の向上にはつながらない。また、ｐｎ接合の空乏層幅Ｗを大きくすると、暗電流が増加し、イメージセンサのＳ／Ｎ比が低下する。したがって、フォトダイオードの容量を小さくすることは好ましくない。

一方、インバータの反転電圧Ｖ_Tは、回路を安定に動作させるためには、必要以上に低電圧化することが困難であり、Ｖ_Tを小さくして電子の検出感度を向上させることも現実的ではない。したがって、容易に考えられる方法によって従来の１ｂｉｔＡＤＣを用いた画素並列信号処理イメージセンサの電子の検出感度を向上させることは困難である。

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、ＡＤ変換回路を用いた信号処理回路において、従来に比べ、電子（画像信号）の検出感度を向上させることが可能な信号処理回路及び、その回路を用いたイメージセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る信号処理回路は、フォトダイオードとは別個の蓄積容量を備え、フォトダイオードで発生した電子を蓄積容量に転送することで少数の電荷の検出を可能にするものである。

本発明に係る信号処理回路は、光電変換素子で生成された電荷量をアナログ／デジタル変換する信号処理回路であって、光電変換素子と並列接続される蓄積容量と、前記蓄積容量の電圧と基準電圧とを比較し、両者が一致したときにパルスを出力する比較器と、前記比較器の出力により、前記蓄積容量の電圧をリセット電圧に戻すリセット手段と、を備えており、前記パルスをカウントして出力する信号処理回路において、前記光電変換素子と前記蓄積容量との間に転送ゲートトランジスタを設け、前記転送ゲートトランジスタは前記比較器の出力に基づいて制御され、前記リセット手段の動作期間中はＯＦＦとなり、基板電位或いは接地電位を基準とした、前記光電変換素子のビルトインポテンシャルＶ _B 、前記転送ゲートトランジスタがＯＮしたときのチャネルのポテンシャルＶ _CH 、前記蓄積容量のリセット電圧Ｖ _R 、及び前記比較器の基準電圧Ｖ _REF は、｜Ｖ _R ｜＞｜Ｖ _REF ｜＞｜Ｖ _CH ｜＞｜Ｖ _B ｜の関係となるように設定されることを特徴とする。

また、本発明に係る信号処理回路は、光電変換素子で生成された電荷量をアナログ／デジタル変換する信号処理回路であって、光電変換素子と並列接続される蓄積容量と、前記蓄積容量の電圧を入力とし、所定の反転電圧で出力を反転するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力により、前記蓄積容量の電圧をリセット電圧に戻すリセット手段と、を備えており、前記インバータ回路の出力パルスをカウントして出力する信号処理回路において、前記光電変換素子と前記蓄積容量との間に転送ゲートトランジスタを設け、前記転送ゲートトランジスタは前記インバータ回路の出力に基づいて制御され、前記リセット手段の動作期間中はＯＦＦとなることを特徴とする。

また、本発明に係る信号処理回路は、前記転送ゲートトランジスタがＯＦＦとなってから所定時間後に前記リセット手段がＯＮとなり、前記リセット手段がＯＦＦとなってから所定時間後に前記転送ゲートトランジスタがＯＮとなることが望ましい。

また、本発明に係る信号処理回路において、前記転送ゲートトランジスタは、比較器又はインバータ回路の出力パルスと該出力パルスを遅延させた遅延パルスの少なくとも一方が出力されている期間はＯＦＦとなり、前記リセット手段は、比較器又はインバータ回路の出力パルスと該出力パルスを遅延させた遅延パルスの両者が出力されている期間にＯＮとなることが望ましい。

また、本発明に係る画素並列信号処理方式のイメージセンサは、上記の信号処理回路を各画素に備え、光電変換信号をデジタル信号として出力することを特徴とする。

本発明によれば、フォトダイオードの静電容量Ｃ_PDを小さくしたり、インバータの反転電圧Ｖ_Tを必要以上に小さくしたりすることなく、電子の検出感度を向上させ、画素並列信号処理イメージセンサの撮像感度を改善することが可能となる。

本発明の第１の実施例の信号処理回路である。本発明の第１の実施例の模式的な回路構成とポテンシャル図である。本発明の第１の実施例のタイミングチャートである。本発明の第２の実施例の信号処理回路である。本発明の第３の実施例の信号処理回路である。本発明の第３の実施例のタイミングチャートである。本発明のイメージセンサの概念図である。従来の１ビット型ＡＤ変換回路を用いた信号処理回路である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、検出感度を向上させた信号処理回路である。

（第1の実施例）
図１に本発明の第１の実施例としてのイメージセンサの信号処理回路を示す。本発明の回路の特徴的な部分は、フォトダイオードで発生した信号電荷を蓄積する蓄積容量を有することである。

回路構成を説明する。１は光電変換素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）であり、例えば、暗電流が少ない埋め込み型フォトダイオードで構成する。なお、光電変換素子の形態はこれに限られず、基板表面に形成された通常のＰＮ接合フォトダイオードや、ＭＯＳ型フォトダイオード、更には、薄膜型のフォトダイオード等、光電変換機能を有する素子であれば、任意のものが利用できる。

２は、フォトダイオード１と並列に接続される蓄積容量（ＦＤ）であり、フォトダイオード１で光電変換により発生した信号電荷を蓄積する。フォトダイオード１及び蓄積容量２の一つの電極には、基準電位（例えば、基板電位）が与えられている。蓄積容量２の容量は、フォトダイオード１よりも小さくすることにより、光検出感度を高めることができる。蓄積容量２の構造は、基板表面に形成された通常のＰＮ接合容量やＭＯＳ容量であっても良く、また、積極的に容量素子を形成せずに、寄生容量を利用することも可能である。

３は、フォトダイオード１で生成した信号電荷を蓄積容量２に転送する転送ゲートとして機能するトランジスタ（ＴＲ₁）である。この転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３はエンハンスメント型であり、本実施例では、トランジスタ（ＴＲ₁）３のゲート電極に、後述するインバータ（Ｉｎｖ）６の出力パルスが印加され、ＯＮ／ＯＦＦ制御される。蓄積容量２とトランジスタ（ＴＲ₁）３の接続点には、信号電荷に基づく蓄積容量（ＦＤ）２の電圧Ｖ_FDが現れる。

４は、蓄積容量２の電極電位をリセットするためのリセットトランジスタ（ＴＲ₂）である。ゲート電極に印加される信号（比較器５の出力パルス）に基づいて導通（ＯＮ）状態となり、リセット電圧Ｖ_Rと蓄積容量２の電極とを接続し、蓄積容量２に蓄積された信号電荷を排出すると共に、蓄積容量（ＦＤ）２の電位をリセット（Ｖ_R）する。リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４は、リセット電圧源とともに、本発明のリセット手段を構成する。

５は比較器（Ｃｏｍｐ）であり、蓄積容量（ＦＤ）２の電圧Ｖ_FDと基準電圧Ｖ_REFを比較して、両者が一致したときパルスを出力する。このパルスは、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）として、カウンタ（図示せず）に入力されるとともに、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４のゲート電極に印加され、また、インバータ（Ｉｎｖ）６に入力される。

６はインバータ（Ｉｎｖ）であり、比較器（Ｃｏｍｐ）５の出力パルス（ＡＤＣ_ＯＵＴ）を受けてこれを反転し、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３のゲート電極に印加する。したがって、本実施例においては、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３とリセットトランジスタ（ＴＲ₂）４は、交互にＯＮ／ＯＦＦする。

なお、図１の回路構成において、基板電位或いは接地電位を基準とした、フォトダイオード（ＰＤ）１のビルトインポテンシャルＶ_B、トランジスタ（ＴＲ₁）３がＯＮしたときのチャネルのポテンシャルＶ_CH、蓄積容量（ＦＤ）２のリセット電圧Ｖ_R、及び比較器（Ｃｏｍｐ）の基準電圧Ｖ_REFは、次の関係となるように設定される。

｜Ｖ_R｜＞｜Ｖ_REF｜＞｜Ｖ_CH｜＞｜Ｖ_B｜

各電圧は、上記関係を保つように適宜設定することができるが、例えば、ビルトインポテンシャルＶ_Bを０．６Ｖ程度とし、トランジスタ（ＴＲ₁）３のチャネルポテンシャルＶ_CHを１Ｖ前後とし、リセット電圧Ｖ_Rを３Ｖ程度とし、基準電圧Ｖ_REFをリセット電圧Ｖ_Rに近い電圧に設定することができる。この関係により、フォトダイオード１で生成された信号電荷が蓄積容量２に流れ込む。また、後述するように、基準電圧Ｖ_REFとリセット電圧Ｖ_Rとの差を小さくすることにより、光検出感度を向上させることができる。

次に、図２の模式的な回路構成とポテンシャル図、及び図３のタイミングチャートを用いて、図１の信号処理回路をより詳細に説明する。

図２（ａ）は、図１の信号処理回路の一部をｐｎ接合領域とゲート電極等で表わした模式的な回路構成であり、図１と同じ構成は同じ符号を付してある。ただし、図２（ａ）は本発明の各素子構造を限定するものではない。光電変換素子は、基板（例えば、ｐ型半導体基板）に形成された、例えば、ｎ型半導体領域１１と表面の比較的高濃度のｐ型半導体領域１２を有する埋め込み型のフォトダイオード（ＰＤ）１からなる。蓄積容量（ＦＤ）２は、基板に形成されたｎ型不純物領域２１からなり、基板とｎ型不純物領域２１との間のｐｎ接合容量を蓄積容量として利用する。フォトダイオード１と蓄積容量２との間の基板表面には、ゲート絶縁膜（図示せず）を介してゲート電極３１が設けられ、ゲート電極３１とｎ型不純物領域１１及び２１とにより、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３を構成する。蓄積容量２を構成する不純物領域２１の近傍には、リセット電圧（Ｖ_R）に接続されたｎ型不純物領域４２が設けられている。ｎ型不純物領域４２と蓄積容量２との間の基板表面には、ゲート絶縁膜（図示せず）を介してゲート電極４１が設けられ、ゲート電極４１とｎ型不純物領域２１及び４２とにより、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４を構成する。比較器５及びインバータ６の接続関係は、図１と同じである。

図２（ｂ）及び（ｃ）は、図２（ａ）の模式的な回路構成に対応するポテンシャル図である。基板の電位を基準として、図の下向きに各領域の正の電位をとり、電子に対するポテンシャルを表示している。図２（ｂ）は、転送ゲートトランジスタ３が非導通（ＯＦＦ）でリセットトランジスタ４が導通（ＯＮ）したときの状態［リセット状態］、図２（ｃ）は、リセットトランジスタ４がＯＦＦであり、転送ゲートトランジスタ３が導通（ＯＮ）して、蓄積容量２に電荷蓄積を行っているときの状態［蓄積状態］を示している。

また、図３において、（ａ）はＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）、（ｂ）は転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）のＯＮ／ＯＦＦ、（ｃ）はリセットトランジスタ（ＴＲ₂）のＯＮ／ＯＦＦ、（ｄ）は蓄積容量（ＦＤ）の電位Ｖ_FD、のそれぞれのタイミングチャートであり、リセット状態と蓄積状態のそれぞれの変化を示す。

以下、回路動作について説明する。

（１）ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）にパルスが発生した状態から動作を説明する。ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）にＨｉのパルスが発生すると、インバータ６を介した反転パルス（Ｌｏ）がゲート電極３１に印加されて、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３が非導通（ＯＦＦ）となり、また、ＡＤ変換回路出力パルスがゲート電極４１に印加され、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４が導通（ＯＮ）する。この結果、フォトダイオード（ＰＤ）１が蓄積容量（ＦＤ）２から切り離されると同時に、領域２１の電位がリセット電圧Ｖ_Rに等しくなり、蓄積容量（ＦＤ）２の電位がリセット（Ｖ_R）される。この状態が、図２（ｂ）に示す「リセット状態」であり、図３において、（ａ）のＡＤ変換回路出力がＨｉ、（ｂ）の転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３がＯＦＦ、（ｃ）のリセットトランジスタ（ＴＲ₂）がＯＮ、（ｄ）の蓄積容量（ＦＤ）の電位がＶ_Rの状態である。

（２）ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）のパルスが立ち下がりＬｏになると、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４がＯＦＦ状態となり、インバータ６を介した反転パルスにより転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３がＯＮ状態となる。リセットトランジスタ４のチャネルのＯＦＦ時のポテンシャルにより、領域２１と領域４２は遮断され、蓄積容量２はポテンシャル井戸となる。この状態でフォトダイオード（ＰＤ）１に光が入射すると、フォトダイオード１内で電子が発生するが、トランジスタ（ＴＲ₁）３のＯＮ状態のチャネルポテンシャルはＶ_CHであり、蓄積容量２の電位Ｖ_FDはほぼリセット電圧Ｖ_Rであり、｜Ｖ_R｜＞｜Ｖ_CH｜＞｜Ｖ_B｜の関係があるので、発生した電荷は蓄積容量２に転送される。そして、電荷が蓄積されることにより、蓄積容量２の電位Ｖ_FDが次第に変化する。この状態が、図２（ｃ）に示す「蓄積状態」であり、図３において、（ａ）のＡＤ変換回路出力がＬｏ、（ｂ）の転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３がＯＮ、（ｃ）のリセットトランジスタ（ＴＲ₂）がＯＦＦ、（ｄ）の蓄積容量（ＦＤ）の電位Ｖ_FDが変化して次第に基準電圧Ｖ_REFに近づく状態である。

（３）蓄積容量２の電位Ｖ_FDが比較器５の基準電圧Ｖ_REFに達すると、比較器５がＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）としてのＨｉのパルスを発生し、（１）の状態に戻る。蓄積容量２の電位Ｖ_FDがリセット電圧Ｖ_Rから基準電圧Ｖ_REFまで変化する時間は、光電変換された電荷量、したがって受光量に応じて短くなる。また、比較器５のパルス幅（Ｈｉの期間）は、蓄積容量２が蓄積電荷を全て放出してリセット電圧（Ｖ_R）に戻るのに十分な最小時間、リセットトランジスタ４を導通させるように設計することが望ましい。

以下、（１）〜（３）が繰り返され、動画の１フレーム期間内にＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）には光量に比例した数のパルスが発生する。カウンタ（図示せず）では逐次パルスを積算しており、１フレーム期間終了後に、カウンタ出力を読み出す。

この実施例では、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４がＯＮとなると同時に転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３がＯＦＦとなり、フォトダイオード１の電位がリセット電圧Ｖ_Rとなるのを防止できる。また、リセット期間にフォトダイオード１に光が入射することで発生した電荷を、フォトダイオード１内に一時的に蓄積しておくことができ、その後、リセット期間終了後に電荷を蓄積容量２に転送することにより、フォトダイオード１で発生した電荷を誤差なく検出することができる。

従来の１ｂｉｔＡＤＣでは、フォトダイオードが光電変換と電子の蓄積の両方の機能を担っていたため、電子の検出感度を高める（少数の電子を検出する）ためにはフォトダイオード容量を小さくする必要がある（式１）にもかかわらず、光電変換機能に対しては、フォトダイオードの面積（容量に比例）は一定量が必要であるため、電子の検出感度を向上させることが困難であった。本発明の回路では、光電変換を担うフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した電荷を蓄積する蓄積容量を分離しているため、検出感度に密接な関係を有する蓄積容量の大きさを、フォトダイオードと独立に設定できる。また、第１の実施例では、比較器の基準電圧Ｖ_REFの設定を調整することにより、信号電荷の検出感度を容易に調整することができる。

本発明の検出感度について試算する。第１の実施例において、最小電荷検出数Ｎは、Ｃ_FDを蓄積容量（ＦＤ）の静電容量として次式で表わされる。

Ｎ＝Ｃ_FD・（Ｖ_R−Ｖ_REF）／ｅ（式３）

すなわち、蓄積容量をフォトダイオード容量より小さくすることで、従来技術に比べ最小電荷検出数Ｎを小さくできる。換言すると、従来の１ｂｉｔＡＤＣに比べると、電子の検出感度をＣ_PD／Ｃ_FD倍に向上させることができる。例えば、Ｃ_FDを０．０８ｆＦとすれば、（Ｖ_R−Ｖ_REF）＝１０ｍＶとして、Ｎ＝５個となり、現在主流の列並列信号処理ＣＭＯＳイメージセンサに劣らない電子の検出感度を得ることができる。一方、本回路は１ｂｉｔＡＤＣの動作を踏襲しているため、列並列信号処理回路に比べ、広いダイナミックレンジを実現することができる。ダイナミックレンジは、例えば１０⁸程度まで可能である。

（第２の実施例）
第２の実施例を図４に示す。第２の実施例の信号処理回路は、第１の実施例（図１）において、比較器５をインバータ回路（インバータ群）７に代えたものである。従来の１ｂｉｔＡＤＣと同様に、インバータ回路７は、インバータ（Ｉｎｖ_１、Ｉｎｖ_２，・・・Ｉｎｖ_ｎ）が奇数段接続されている。蓄積容量２の電位がインバータ回路７の初段のインバータ（Ｉｎｖ_１）に入力される。インバータ回路７の出力は、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）として、カウンタ（図示せず）に入力されるとともに、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４のゲート電極に印加され、また、インバータ（Ｉｎｖ）６に入力される。

第２の実施例の回路動作は、基本的には、図１、図２の信号処理回路と同じであるが、リセットトランジスタ４がＯＮ状態となる期間は、蓄積容量に蓄積した電荷をリセットトランジスタが放出する時間とインバータ群による遅延時間によって設計される。

第２の実施例は、回路を単純なインバータで構成することができ、設計が簡単になる。

（第３の実施例）
図５に本発明の第３の実施例としての信号処理回路を示す。また、図６にそのタイミングチャートを示す。第３の実施例は、第１の実施例の転送ゲートトランジスタ３とリセットトランジスタ４のＯＮ／ＯＦＦの動作タイミングを改良したものである。

図５に示す信号処理回路において、フォトダイオード（ＰＤ）１、蓄積容量（ＦＤ）２、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４、及び比較器（Ｃｏｍｐ）５の回路構成は、図１の第１の実施例と同じである。

図５の回路では、比較器（Ｃｏｍｐ）５の出力、すなわち、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）の出力が分岐され、その１つが遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１に接続されている。遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１は、入力に対して所定時間（ΔＴ）遅延した波形（Ｄ_ＯＵＴ）を生成する。したがって、比較器５の出力パルスに対して、立上がり・立下りが所定時間（ΔＴ）遅延した遅延パルスを出力する。なお、図５においては、遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１を偶数個のインバータで構成しているが、所定の遅延時間を生じる任意の回路構成として良い。

ＮＯＲ回路８２は、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）の出力パルスと、遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１の出力パルス（遅延パルス：Ｄ_ＯＵＴ）が入力され、その出力が転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３のゲート電極に接続される。

また、ＡＮＤ回路８３は、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）の出力パルスと、遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１の出力パルス（遅延パルス：Ｄ_ＯＵＴ）が入力され、その出力がリセットトランジスタ（ＴＲ₂）４のゲート電極に接続される。

図６のタイミングチャートを参照して、図５の信号処理回路の回路動作を説明する。

（１）ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）にパルスが発生した状態から動作を説明する。ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）にＨｉのパルスが発生すると、そのパルスは、遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１、ＮＯＲ回路８２の一方の入力端子、及びＡＮＤ回路８３の一方の入力端子に入力される。ＮＯＲ回路８２は、他方の入力端子の入力に拘らず、直ちにＬｏのパルスを出力し、このＬｏパルスがゲート電極３１に印加されて、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３が非導通（ＯＦＦ）となる。このとき、遅延回路８１の出力はまだＬｏであるため、ＡＮＤ回路８３の出力はＬｏであり、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４も非導通（ＯＦＦ）となっている。この結果、フォトダイオード（ＰＤ）１と蓄積容量（ＦＤ）２が、それぞれ電気的に切り離される。

（２）ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）がパルスを発生してから、所定時間（ΔＴ）後に、遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１がＨｉパルスを出力し、ＮＯＲ回路８２の他方の入力端子、及びＡＮＤ回路８３の他方の入力端子に入力される。ＡＮＤ回路８３は、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）と遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１の出力（Ｄ_ＯＵＴ）のＡＮＤ演算を行い、Ｈｉのパルスを出力し、このＨｉパルスがリセットトランジスタ４のゲート電極に印加されて、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４が導通（ＯＮ）する。この結果、蓄積容量（ＦＤ）２の電位がリセット電圧Ｖ_Rに等しくなり、リセット状態となる。なお、このとき転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３は非導通（ＯＦＦ）のままであり、フォトダイオード（ＰＤ）１は蓄積容量（ＦＤ）２と分離しているから、入射光によりこの期間に光電変換で発生した電荷は、フォトダイオード（ＰＤ）１内に保持される。

（３）ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）の出力がＬｏレベルに戻ると、ＡＮＤ回路８３のパルスもＬｏレベルとなり、このＬｏパルスがリセットトランジスタ４のゲート電極に印加されて、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４が非導通（ＯＦＦ）となる。このとき転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３は非導通（ＯＦＦ）のままである。この結果、蓄積容量（ＦＤ）２はポテンシャル井戸となり、蓄積容量２はリセット電圧Ｖ_Rが維持される。

（４）ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）の出力がＬｏレベルに戻ってから、所定時間（ΔＴ）後に、遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１がＬｏレベルに戻る。ＮＯＲ回路８２は、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）と遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１の出力（Ｄ_ＯＵＴ）のＮＯＲ演算を行い、Ｈｉのパルスを出力し、このＨｉパルスが転送ゲートトランジスタ３のゲート電極に印加されて、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３が導通する。このとき、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４は非導通（ＯＦＦ）である。この状態で、フォトダイオード（ＰＤ）１への入射光によりフォトダイオード１内で発生した電荷（電子）は、トランジスタ（ＴＲ₁）３のチャネルを経て、蓄積容量２に転送される。そして、電荷が蓄積されることにより、蓄積容量２の電位Ｖ_FDが次第に変化する、蓄積状態となる。

（５）蓄積容量２に所定量の電荷が蓄積し、蓄積容量２の電位Ｖ_FDが比較器５の基準電圧Ｖ_REFに達すると、比較器５がＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）としてのＨｉのパルスを発生し、（１）の状態に戻る。なお、このとき両トランジスタ（３，４）は非導通であって蓄積容量２はフローティングであり、蓄積容量（ＦＤ）２の電圧は基準電圧Ｖ_REFに維持され、その後リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４が導通したとき、リセット電圧Ｖ_Rとなることは、上述したとおりである。

第１の実施例では、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）にパルスが発生した際、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３がＯＦＦになると同時にリセットトランジスタ（ＴＲ₂）４がＯＮとなるが、回路の配線による遅延などが原因で、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３がＯＦＦになっていないにも拘らず、リセットトランジスタ（ＴＲ₂）４がＯＮとなる時間が発生する恐れがある。もし一瞬でも転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３とリセットトランジスタ（ＴＲ₂）４が同時にＯＮとなると、フォトダイオード（ＰＤ）１がリセット電圧Ｖ_Rにリセットされてしまい、上述のフォトダイオード（ＰＤ）１から蓄積容量（ＦＤ）２への電荷転送動作が正しく行われなくなってしまう。第３の実施例の回路によれば、転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３のＯＦＦ開始からリセットトランジスタ（ＴＲ₂）４のＯＮ開始までの期間、およびリセットトランジスタ（ＴＲ₂）４のＯＮ終了から転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）３のＯＦＦ終了までの期間を、遅延回路（Ｄｅｌａｙ）８１で決まるΔＴに確定させることができる。これにより、フォトダイオード（ＰＤ）を蓄積容量（ＦＤ）から確実に切り離した状態で、蓄積容量（ＦＤ）の電位をリセット電圧Ｖ_Rにリセットすることができるため、第１の実施例に比べて、安定した動作が可能となる。

なお、本実施例では蓄積容量（ＦＤ）２の電位を検出するために比較器（Ｃｏｍｐ）５を利用したが、第２の実施例と同様に、比較器５に代えてインバータ回路（奇数段のインバータ群）７を用いた回路構成も可能である。

また、本発明では信号処理回路を構成するトランジスタをｎ型として記述したが、ｐ型トランジスタを用いた回路構成も可能である。このときは、パルスのＨｉ／ＬｏとトランジスタのＯＮ／ＯＦＦの関係が反対となるため、必要に応じて、ＮＯＲ回路をＯＲ回路に変更し、ＡＮＤ回路をＮＡＮＤ回路に変更する等、回路構成に適宜の変更を行うこととなる。

また、本発明では電子を検出する回路を想定して説明したが、同様の回路構成で半導体領域の導電型や電源電圧の符号を変えることで、正孔を検出する回路も可能であることは自明である。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明をする。図７に、本発明の第２の実施形態としてのイメージセンサ（撮像素子）１００の概念図を示す。

図７のイメージセンサ１００は、各画素がデジタルデータを出力する画素並列信号処理方式のイメージセンサである。

イメージセンサ１００のセンサ領域１０１には、画素１０３が縦横に配列されている。各画素１０３は、その内部に信号処理回路を備えており、光電変換素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）１０４と、フォトダイオード１０４からの信号電荷の量をデジタルデータ化するＡＤ変換回路（ＡＤＣ）１０５と、ＡＤ変換回路出力（ＡＤＣ_ＯＵＴ）のパルス数をカウントし、所定のビット数のデータとして出力するカウンタ１０６とを有している。各画素１０３の信号処理回路は、第１乃至第３の実施例のいずれかの信号処理回路である。

各画素からの出力は、出力処理回路１０２で処理され、デジタルデータの撮像データとして出力される。この出力処理回路１０２では、例えば、各画素１０３からのデータを一度バッファメモリ等に蓄積した後、順次読み出しする処理が行われる。また、図示しない走査回路により、全画素の出力データを順次走査処理して出力することもでき、任意の適切な読み出し処理を行うことができる。

本発明のイメージセンサ１００は、各画素１０３が、第１乃至第３の実施例のいずれかの信号処理回路を備えており、従来よりも検出感度を向上させることができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１フォトダイオード（ＰＤ）
２蓄積容量（ＦＤ）
３転送ゲートトランジスタ（ＴＲ₁）
４リセットトランジスタ（ＴＲ₂）
５比較器（Ｃｏｍｐ）
６インバータ（Ｉｎｖ）
７インバータ回路
８１遅延回路（Ｄｅｌａｙ）
８２ＮＯＲ回路
８３ＡＮＤ回路
１００イメージセンサ
１０１センサ領域
１０２出力処理回路
１０３画素
１０４フォトダイオード
１０５ＡＤ変換回路
１０６カウンタ

Claims

光電変換素子で生成された電荷量をアナログ／デジタル変換する信号処理回路であって、
光電変換素子と並列接続される蓄積容量と、
前記蓄積容量の電圧と基準電圧とを比較し、両者が一致したときにパルスを出力する比較器と、
前記比較器の出力により、前記蓄積容量の電圧をリセット電圧に戻すリセット手段と、
を備えており、前記パルスをカウントして出力する信号処理回路において、
前記光電変換素子と前記蓄積容量との間に転送ゲートトランジスタを設け、
前記転送ゲートトランジスタは前記比較器の出力に基づいて制御され、前記リセット手段の動作期間中はＯＦＦとなり、
基板電位或いは接地電位を基準とした、前記光電変換素子のビルトインポテンシャルＶ _B 、前記転送ゲートトランジスタがＯＮしたときのチャネルのポテンシャルＶ _CH 、前記蓄積容量のリセット電圧Ｖ _R 、及び前記比較器の基準電圧Ｖ _REF は、
｜Ｖ _R ｜＞｜Ｖ _REF ｜＞｜Ｖ _CH ｜＞｜Ｖ _B ｜
の関係となるように設定されることを特徴とする信号処理回路。
光電変換素子で生成された電荷量をアナログ／デジタル変換する信号処理回路であって、
光電変換素子と並列接続される蓄積容量と、
前記蓄積容量の電圧を入力とし、所定の反転電圧で出力を反転するインバータ回路と、
前記インバータ回路の出力により、前記蓄積容量の電圧をリセット電圧に戻すリセット手段と、
を備えており、前記インバータ回路の出力パルスをカウントして出力する信号処理回路において、
前記光電変換素子と前記蓄積容量との間に転送ゲートトランジスタを設け、
前記転送ゲートトランジスタは前記インバータ回路の出力に基づいて制御され、前記リセット手段の動作期間中はＯＦＦとなることを特徴とする信号処理回路。
請求項１又は２に記載の信号処理回路において、前記転送ゲートトランジスタがＯＦＦとなってから所定時間後に前記リセット手段がＯＮとなり、前記リセット手段がＯＦＦとなってから所定時間後に前記転送ゲートトランジスタがＯＮとなることを特徴とする信号処理回路。
請求項３に記載の信号処理回路において、前記転送ゲートトランジスタは、比較器又はインバータ回路の出力パルスと該出力パルスを遅延させた遅延パルスの少なくとも一方が出力されている期間はＯＦＦとなり、前記リセット手段は、比較器又はインバータ回路の出力パルスと該出力パルスを遅延させた遅延パルスの両者が出力されている期間にＯＮとなることを特徴とする信号処理回路。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の信号処理回路を各画素に備え、光電変換信号をデジタル信号として出力する画素並列信号処理方式のイメージセンサ。