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JP7148269B2 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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Description

本技術は、固体撮像素子および撮像装置に関する。詳しくは、画素の光量が閾値を超えた旨を検出する固体撮像素子および撮像装置に関する。
従来より、垂直同期信号などの同期信号に同期して画像データ（フレーム）を撮像する同期型の固体撮像素子が撮像装置などにおいて用いられている。この一般的な同期型の固体撮像素子では、同期信号の周期（例えば、１／６０秒）ごとにしか画像データを取得することができないため、交通やロボットなどに関する分野において、より高速な処理が要求された場合に対応することが困難になる。そこで、画素アドレスごとに、その画素の光量が閾値を超えた旨をアドレスイベントとしてリアルタイムに検出するアドレスイベント検出回路を画素毎に設けた非同期型の固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この固体撮像素子では、フォトダイオードと、アドレスイベントを検出するための複数のトランジスタとが画素毎に配置される。
特表２０１６－５３３１４０号公報
上述の非同期型の固体撮像素子では、同期型の固体撮像素子よりも遥かに高速にデータを生成して出力することができる。このため、例えば、交通分野において、人や障害物を画像認識する処理を高速に実行して、安全性を向上させることができる。しかしながら、電源電圧の低下や接地電圧の上昇などの電圧変動によりフォトダイオードの逆バイアスが低くなると、そのフォトダイオードの感度が低下し、暗電流が増大するおそれがある。このため、これらの感度の不足や暗電流に起因して、信号品質が低下するという問題がある。フォトダイオードの面積を大きくすれば、感度を向上させ、暗電流を低減することができるが、単位面積当たりの画素数が減少するため望ましくない。また、電源電圧を充分に高くすることによっても感度を向上させ、暗電流を低減することができるが、消費電力が増大するため好ましくない。
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、アドレスイベントを検出する固体撮像素子において、検出信号の信号品質を向上させることを目的とする。
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、入射光を光電流に変換するフォトダイオードと、上記光電流に応じた電位のゲートと所定の基準電位のソースとの間の電圧を増幅してドレインから出力する増幅トランジスタと、上記フォトダイオードのアノードおよび上記増幅トランジスタのバックゲートに上記基準電位よりも低い所定電位を供給する電位供給部とを具備する固体撮像素子である。これにより、フォトダイオードの逆バイアスと増幅トランジスタの閾値電圧が高くなるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記光電流をゲートおよびソースの間の電圧に変換する変換トランジスタをさらに具備し、上記変換トランジスタのソースは、上記フォトダイオードのカソードと上記増幅トランジスタのゲートとに接続され、上記増幅トランジスタのドレインは、上記変換トランジスタのゲートに接続されてもよい。これにより、光電流が電圧に変換されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記フォトダイオードおよび上記増幅トランジスタは、遮光されていない有効画素と遮光された遮光画素とのそれぞれに配置され、上記電位供給部は、上記有効画素に対応する上記フォトダイオードのアノードに上記所定電位を供給し、上記遮光画素に対応する上記フォトダイオードのアノードに上記基準電位を供給してもよい。これにより、有効画素にのみ負電位が供給されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記フォトダイオード、上記変換トランジスタおよび上記増幅トランジスタは、所定の受光基板に配置され、上記電位供給部は、上記受光基板に上記負電位を供給してもよい。これにより、フォトダイオードの逆バイアスと増幅トランジスタの閾値電圧が高くなるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記増幅トランジスタから出力された電圧信号を出力するバッファと、上記バッファからの上記電圧信号のレベルを低下させる減算器と、上記低下した電圧信号と所定の閾値とを比較する比較器とをさらに具備してもよい。これにより、アドレスイベントが検出されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記変換トランジスタおよび上記増幅トランジスタは、上記光電流を上記電圧信号に変換する電流電圧変換回路内に配置され、上記電流電圧変換回路の電源電圧は、上記バッファ、上記減算器および上記比較器の電源電圧と異なってもよい。これにより、バッファ等の電流電圧より低い電源電圧により電流電圧変換が行われるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記バッファ、上記減算器および上記コンパレータの少なくとも一部は、上記受光基板に積層された所定の回路基板に配置されてもよい。これにより、積層構造の固体撮像素子において、フォトダイオードの逆バイアスと増幅トランジスタの閾値電圧が高くなるという作用をもたらす。
また、本技術の第２の側面は、入射光を光電流に変換するフォトダイオードと、上記光電流に応じた電位のゲートと所定の基準電位のソースとの間の電圧を増幅してドレインから出力する増幅トランジスタと、上記フォトダイオードのアノードおよび上記増幅トランジスタのバックゲートに上記基準電位よりも低い所定電位を供給する電位供給部と、上記増幅トランジスタから出力された信号を処理する信号処理回路とを具備する撮像装置である。これにより、フォトダイオードの逆バイアスと増幅トランジスタの閾値電圧が高くなった回路からの信号が処理されるという作用をもたらす。
本技術によれば、アドレスイベントを検出する固体撮像素子において、検出信号の信号品質を向上させることができるという優れた効果を奏し得る。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術の実施の形態における撮像装置の一構成例を示すブロック図である。 本技術の実施の形態における固体撮像素子の積層構造を説明するための図である。 本技術の実施の形態における受光基板の平面図の一例である。 本技術の実施の形態における回路基板の平面図の一例である。 本技術の実施の形態におけるアドレスイベント検出部の一構成例を示すブロック図である。 本技術の実施の形態における有効画素の構成を説明するための図である。 本技術の実施の形態における有効画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の実施の形態における有効画素の断面図の一例である。 本技術の実施の形態の変形例における画素アレイ部の平面図の一例である。 本技術の実施の形態の変形例における遮光画素領域の配置を変更した画素アレイ部の平面図の一例である。 車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。 撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．実施の形態（フォトダイオードのアノードに負電位を供給する例）
２．移動体への応用例
＜１．実施の形態＞
［撮像装置の構成例］
図１は、本技術の実施の形態における撮像装置１００の一構成例を示すブロック図である。この撮像装置１００は、撮像レンズ１１０、固体撮像素子２００、記録部１２０および制御部１３０を備える。撮像装置１００としては、ウェアラブルデバイスに搭載されるカメラや、車載カメラなどが想定される。
撮像レンズ１１０は、入射光を集光して固体撮像素子２００に導くものである。
固体撮像素子２００は、複数の画素のそれぞれについて、輝度の変化量の絶対値が閾値を超えた旨をアドレスイベントとして検出するものである。このアドレスイベントは、例えば、輝度の上昇量が上限閾値を超えた旨を示すオンイベントと、輝度の低下量が上限閾値未満の下限閾値を下回った旨を示すオフイベントとを含む。そして、固体撮像素子２００は、アドレスイベントの検出結果を示す検出信号を画素毎に生成する。それぞれの検出信号は、オンイベントの有無を示すオンイベント検出信号ＶＣＨと、オフイベントの有無を示すオフイベント検出信号ＶＣＬとを含む。なお、固体撮像素子２００は、オンイベントおよびオフイベントの両方の有無を検出しているが、一方のみを検出することもできる。
固体撮像素子２００は、検出信号からなる画像データに対し、画像認識処理などの所定の信号処理を実行し、その処理後のデータを記録部１２０に信号線２０９を介して出力する。
記録部１２０は、固体撮像素子２００からのデータを記録するものである。制御部１３０は、固体撮像素子２００を制御して画像データを撮像させるものである。
［固体撮像素子の構成例］
図２は、本技術の実施の形態における固体撮像素子２００の積層構造の一例を示す図である。この固体撮像素子２００は、回路基板２０２と、その回路基板２０２に積層された受光基板２０１とを備える。これらの基板は、ビアなどの接続部を介して電気的に接続される。なお、ビアの他、Ｃｕ－Ｃｕ接合やバンプにより接続することもできる。
図３は、本技術の実施の形態における受光基板２０１の平面図の一例である。受光基板２０１には、受光部２２０と、ビア配置部２１１、２１２および２１３とが設けられる。
ビア配置部２１１、２１２および２１３には、回路基板２０２と接続されるビアが配置される。また、受光部２２０には、二次元格子状に複数の受光回路２２１が配列される。受光回路２２１は、入射光を光電変換して光電流を生成し、その光電流を電流電圧変換して電圧信号を出力するものである。これらの受光回路２２１のそれぞれには、行アドレスおよび列アドレスからなる画素アドレスが割り当てられる。
図４は、本技術の実施の形態における回路基板２０２の平面図の一例である。この回路基板２０２には、負電位供給部２３０と、ビア配置部２３１、２３２および２３３と、信号処理回路２４０と、行駆動回路２５１と、列駆動回路２５２と、アドレスイベント検出部２６０とが設けられる。ビア配置部２３１、２３２および２３３には、受光基板２０１と接続されるビアが配置される。
負電位供給部２３０は、所定の基準電位（接地電位など）より低い所定電位を負電位として受光基板２０１に供給するものである。例えば、チャージポンプ回路が負電位供給部２３０として用いられる。負電位の供給により生じる効果については後述する。なお、負電位供給部２３０は、特許請求の範囲に記載の電位供給部の一例である。
アドレスイベント検出部２６０は、複数の受光回路２２１のそれぞれの電圧信号から検出信号を生成して信号処理回路２４０に出力するものである。
行駆動回路２５１は、行アドレスを選択して、その行アドレスに対応する検出信号をアドレスイベント検出部２６０に出力させるものである。
列駆動回路２５２は、列アドレスを選択して、その列アドレスに対応する検出信号をアドレスイベント検出部２６０に出力させるものである。
信号処理回路２４０は、アドレスイベント検出部２６０からの検出信号に対して所定の信号処理を実行するものである。この信号処理回路２４０は、検出信号を画素信号として二次元格子状に配列し、画素毎に２ビットの情報を有する画像データを取得する。そして、信号処理回路２４０は、その画像データに対して画像認識処理などの信号処理を実行する。
図５は、本技術の実施の形態におけるアドレスイベント検出部２６０の平面図の一例である。このアドレスイベント検出部２６０には、二次元格子状に複数のアドレスイベント検出回路２６１が配列される。アドレスイベント検出回路２６１のそれぞれには画素アドレスが割り当てられ、同一アドレスの受光回路２２１と接続される。
アドレスイベント検出回路２６１は、受光回路２２１からの電圧信号を量子化し、検出信号として出力するものである。
［有効画素の構成例］
図６は、本技術の実施の形態における有効画素３１０の構成を説明するための図である。有効画素３１０のそれぞれは、同一の画素アドレスが割り当てられた、受光基板２０１内の受光回路２２１と、回路基板２０２内のアドレスイベント検出回路２６１とから構成される。前述したように、基板のそれぞれには、複数の受光回路２２１と、複数のアドレスイベント検出回路２６１とが二次元格子状に配列されている。このため、固体撮像素子２００においては、それらにより構成される複数の有効画素３１０が二次元格子状に配列される。
図７は、本技術の実施の形態における有効画素３１０の一構成例を示す回路図である。この有効画素３１０は、フォトダイオード３１１、電流電圧変換回路３２０、バッファ３３０、減算器３４０、量子化器３５０および転送回路３６０を備える。
フォトダイオード３１１は、入射光を光電変換して光電流を生成するものである。このフォトダイオード３１１は、生成した光電流を電流電圧変換回路３２０に供給する。
電流電圧変換回路３２０は、フォトダイオード３１１からの光電流を、その対数の電圧信号に変換するものである。この電流電圧変換回路３２０は、電圧信号をバッファ３３０に入力する。
バッファ３３０は、入力された電圧信号を減算器３４０に出力するものである。このバッファ３３０により、後段を駆動する駆動力を向上させることができる。また、バッファ３３０により、後段のスイッチング動作に伴うノイズのアイソレーションを確保することができる。
減算器３４０は、減算により、補正信号の変化量を求めるものである。この減算器３４０は、変化量を微分信号として量子化器３５０に供給する。
量子化器３５０は、微分信号と所定の閾値との比較により、アナログの微分信号をデジタルの検出信号に変換（言い換えれば、量子化）するものである。この量子化器３５０は、微分信号と上限閾値および下限閾値のそれぞれとを比較し、それらの比較結果を２ビットの検出信号として転送回路３６０に供給する。なお、量子化器３５０は、特許請求の範囲に記載の比較器の一例である。
転送回路３６０は、列駆動回路２５２からの列駆動信号に従って、検出信号を信号処理回路２４０に転送するものである。
また、電流電圧変換回路３２０は、Ｎ型トランジスタ３２１および３２２とＰ型トランジスタ３２３とを備える。これらのトランジスタとして、例えば、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタが用いられる。
Ｎ型トランジスタ３２１のソースはフォトダイオード３１１のカソードに接続され、ドレインは電源電圧ＶＤＤ１の端子に接続される。Ｐ型トランジスタ３２３およびＮ型トランジスタ３２２は、電源電圧ＶＤＤ２の端子と基準電位（接地電位ＧＮＤなど）の端子との間において、直列に接続される。また、Ｐ型トランジスタ３２３およびＮ型トランジスタ３２２の接続点は、Ｎ型トランジスタ３２１のゲートとバッファ３３０の入力端子とに接続される。また、Ｐ型トランジスタ３２３のゲートには、所定のバイアス電圧Ｖｂｌｏｇが印加される。
Ｎ型トランジスタ３２１および３２２のドレインは電源側に接続されており、このような回路はソースフォロワと呼ばれる。これらのうちＮ型トランジスタ３２１は、光電流をゲートおよびソースの間の電圧に変換し、Ｎ型トランジスタ３２２は、光電流に応じた電位のゲートと基準電位（接地電位ＧＮＤなど）のソースとの間の電圧を増幅してドレインから出力する。また、Ｐ型トランジスタ３２３は、一定の電流をＮ型トランジスタ３２２に供給する。このような構成により、フォトダイオード３１１からの光電流は電圧信号に変換される。
なお、Ｎ型トランジスタ３２１は、特許請求の範囲に記載の変換トランジスタの一例であり、Ｎ型トランジスタ３２２は、特許し請求の範囲に記載の増幅トランジスタの一例である。
また、フォトダイオード３１１とＮ型トランジスタ３２１および３２２とは、受光基板２０１に配置され、Ｐ型トランジスタ３２３以降の回路は、回路基板２０２に配置される。
そして、負電位供給部２３０は、基準電位（接地電位ＧＮＤなど）よりも低い負電位Ｖｎを受光基板２０１のＰウェル領域に供給する。このＰウェル領域には、フォトダイオード３１１が埋め込まれており、また、その領域にはＮ型トランジスタ３２１および３２２のバックゲート（バルク）が形成される。このため、Ｐウェル領域に負電位Ｖｎを供給することにより、フォトダイオード３１１のアノードとＮ型トランジスタ３２１および３２２のそれぞれのバックゲートとに負電位Ｖｎを供給することができる。
フォトダイオード３１１のアノードを負電位Ｖｎとすることにより、その電位を基準電位とする場合と比較して、フォトダイオード３１１の逆バイアスが大きくなる。これにより、フォトダイオード３１１の感度が高くなり、暗電流を低減することができる。また、Ｎ型トランジスタ３２１および３２２のバックゲートを負電位Ｖｎとすることにより、それらの電位を基準電位とする場合と比較して、基板バイアス効果により、それぞれのトランジスタの閾値電圧が高くなる。これにより、それらのトランジスタのゲート－ソース間電圧が０以下になることを防止することができる。ゲート－ソース間電圧が０以下になると、電流電圧変換回路３２０の回路構成上、正常な出力が得られなくなるため、負電位Ｖｎの供給により、そのような事態を抑制することができる。このように、フォトダイオード３１１の感度向上、暗電流の低下や、閾値電圧の上昇により、検出信号の信号品質を向上させることができる。
バッファ３３０以降の後段の回路に含まれるＮ型トランジスタについても、負電位ＶｎのＰウェル領域に配置することが可能であるが、仮にそのような構成としても、電流電圧変換動作で説明したような特性観点での効果は得にくい。また、通常、電流電圧変換回路３２０は外乱から隔離したいモチベーションがある一方で、後段の回路は、大振幅もしくは論理レベルで動作する形となるため、基本的には、受光側のＰウェル領域を後段回路から分離する構成が好ましい。
また、バッファ３３０は、Ｐ型トランジスタ３３１および３３２を備える。これらのトランジスタとして、例えば、ＭＯＳトランジスタが用いられる。
Ｐ型トランジスタ３３１および３３２は、電源電圧ＶＤＤ２の端子と基準電位（ＧＮＤ等）との間において直列に接続される。また、Ｐ型トランジスタ３３１のゲートには所定のバイアス電圧Ｖｂｓｆが印加される。Ｐ型トランジスタ３３２のゲートは、電流電圧変換回路３２０の出力端子に接続される。そして、Ｐ型トランジスタ３３１および３３２の接続点からは、電圧信号が減算器３４０へ出力される。
減算器３４０は、コンデンサ３４１および３４３と、Ｐ型トランジスタ３４２および３４４と、Ｎ型トランジスタ３４５とを備える。
Ｐ型トランジスタ３４４およびＮ型トランジスタ３４５は、電源電圧ＶＤＤ２の端子と基準電位の端子との間に直列に接続される。Ｐ型トランジスタ３４４のゲートを入力端子、Ｐ型トランジスタ３４４およびＮ型トランジスタ３４５の接続点を出力端子として、Ｐ型トランジスタ３４４およびＮ型トランジスタ３４５は入力信号を反転するインバータとして機能する。
コンデンサ３４１の一端は、バッファ３３０の出力端子に接続され、他端は、インバータの入力端子（すなわち、Ｐ型トランジスタ３４４のゲート）に接続される。コンデンサ３４３は、インバータに並列に接続される。Ｐ型トランジスタ３４２は、コンデンサ３４３の両端を接続する経路を行駆動信号に従って開閉するものである。
Ｐ型トランジスタ３４２をオンした際にコンデンサ３４１のバッファ３３０側に電圧信号Ｖｉｎｉｔが入力され、その逆側は仮想接地端子となる。この仮想接地端子の電位を便宜上、ゼロとする。このとき、コンデンサ３４１に蓄積されている電位Ｑｉｎｉｔは、コンデンサ３４１の容量をＣ１とすると、次の式により表される。一方、コンデンサ３４３の両端は、短絡されているため、その蓄積電荷はゼロとなる。
Ｑｉｎｉｔ＝Ｃ１×Ｖｉｎｉｔ ・・・式１
次に、Ｐ型トランジスタ３４２がオフされて、コンデンサ３４１のバッファ３３０側の電圧が変化してＶａｆｔｅｒになった場合を考えると、コンデンサ３４１に蓄積される電荷Ｑａｆｔｅｒは、次の式により表される。
Ｑａｆｔｅｒ＝Ｃ１×Ｖａｆｔｅｒ ・・・式２
一方、コンデンサ３４３に蓄積される電荷Ｑ２は、出力電圧をＶｏｕｔとすると、次の式により表される。
Ｑ２＝－Ｃ２×Ｖｏｕｔ ・・・式３
このとき、コンデンサ３４１および３４３の総電荷量は変化しないため、次の式が成立する。
Ｑｉｎｉｔ＝Ｑａｆｔｅｒ＋Ｑ２ ・・・式４
式４に式１乃至式３を代入して変形すると、次の式が得られる。
Ｖｏｕｔ＝－（Ｃ１／Ｃ２）×（Ｖａｆｔｅｒ－Ｖｉｎｉｔ） ・・・式５
式５は、電圧信号の減算動作を表し、減算結果の利得はＣ１／Ｃ２となる。通常、利得を最大化することが望まれるため、Ｃ１を大きく、Ｃ２を小さく設計することが好ましい。一方、Ｃ２が小さすぎると、ｋＴＣノイズが増大し、ノイズ特性が悪化するおそれがあるため、Ｃ２の容量削減は、ノイズを許容することができる範囲に制限される。また、有効画素３１０ごとに減算器３４０が搭載されるため、容量Ｃ１やＣ２には、面積上の制約がある。これらを考慮して、例えば、Ｃ１は、２０乃至２００フェムトファラッド（ｆＦ）の値に設定され、Ｃ２は、１乃至２０フェムトファラッド（ｆＦ）の値に設定される。
量子化器３５０は、Ｐ型トランジスタ３５１および３５３とＮ型トランジスタ３５２および３５４とを備える。これらのトランジスタとして、例えば、ＭＯＳトランジスタが用いられる。
Ｐ型トランジスタ３５１およびＮ型トランジスタ３５２は、電源電圧ＶＤＤ２の端子と基準電位の端子との間において直列に接続される。Ｐ型トランジスタ３５３およびＮ型トランジスタ３５４も、電源電圧ＶＤＤ２の端子と基準電位の端子との間において直列に接続される。また、Ｐ型トランジスタ３５１および３５３のゲートは、減算器３４０の出力端子に接続される。Ｎ型トランジスタ３５２のゲートには上限閾値を示すバイアス電圧Ｖｂｏｎが印加され、Ｎ型トランジスタ３５４のゲートには下限閾値を示すバイアス電圧Ｖｂｏｆｆが印加される。
Ｐ型トランジスタ３５１およびＮ型トランジスタ３５２の接続点は、転送回路３６０に接続され、この接続点の電圧が、オンイベント検出信号ＶＣＨとして出力される。Ｐ型トランジスタ３５３およびＮ型トランジスタ３５４の接続点も、転送回路３６０に接続され、この接続点の電圧が、オフイベント検出信号ＶＣＬとして出力される。このような接続により、微分信号が上限閾値を超えた場合に量子化器３５０は、ハイレベルのオンイベント検出信号ＶＣＨを出力し、微分信号が下限閾値を下回った場合にローレベルのオフイベント検出信号ＶＣＬを出力する。
なお、フォトダイオード３１１と電流電圧変換回路３２０の一部とを受光基板２０１に配置し、その後段の回路を回路基板２０２に配置しているが、それぞれのチップへ配置する回路は、この構成に限定されない。例えば、フォトダイオード３１１と電流電圧変換回路３２０の全体とを受光基板２０１に配置し、それ以外を回路基板２０２に配置することもできる。また、フォトダイオード３１１、電流電圧変換回路３２０およびバッファ３３０を受光基板２０１に配置し、それ以外を回路基板２０２に配置することもできる。また、フォトダイオード３１１、電流電圧変換回路３２０およびバッファ３３０とコンデンサ３４１を受光基板２０１に配置し、それ以外を回路基板２０２に配置することもできる。また、フォトダイオード３１１、電流電圧変換回路３２０、バッファ３３０、減算器３４０および量子化器３５０を受光基板２０１に配置し、それ以外を回路基板２０２に配置することもできる。
図８は、本技術の実施の形態における有効画素３１０の断面図の一例である。受光基板２０１のＰウェル領域において、フォトダイオード３１１が埋め込まれ、Ｎ型トランジスタ３２１および３２２のバックゲートが形成される。Ｎ型トランジスタ３２１のドレインには電源電圧ＶＤＤ１が供給され、Ｎ型トランジスタ３２２のソースの電位は、基準電位（ＧＮＤ等）である。また、隣接する有効画素３１０のそれぞれのＰウェル領域は、一点鎖線の部分で分離されている。
Ｎ型トランジスタ３２１のバックゲート（バルク）に負電位Ｖｎを供給することにより、基準電位を印加する場合と比較してドレイン－バックゲート間に、高電圧が印加される。通常、電流電圧変換回路３２０の出力は、ダイナミックレンジ拡大のために大振幅動作が求められ、後段の電源電圧ＶＤＤ２を下げることは難しいが、電源電圧ＶＤＤ１に関してはダイナミックレンジに大きな影響は出ない。このため、電源電圧ＶＤＤ１を電源電圧ＶＤＤ２よりも低くすることが望ましい。
負電位供給部２３０には、全ての有効画素３１０からの光電流が流れることになるが、仮にＩＲドロップにより画素面内の電位勾配が生じると画素特性自体もＩＲドロップ形状に依存した面内バラつきが生じる可能性がある。このため、受光基板２０１および回路基板２０２の複数個所にビアを配置し、画素面内の負電位勾配を無くすることが好ましい。
このように、本技術の実施の形態によれば、フォトダイオード３１１のアノードとＮ型トランジスタ３２１等のバックゲートとに負電位Ｖｎを供給するため、フォトダイオード３１１の逆バイアスおよび閾値電圧を高くすることができる。逆バイアスを高くすることにより、フォトダイオード３１１の感度を向上させ、暗電流を低減することができる。また、閾値電圧を高くすることにより、正常な出力が得られなくなることを抑制することができる。したがって、検出信号の信号品質を向上させることができる。
［変形例］
上述の実施の形態では、負電位供給部２３０が全画素に負電位Ｖｎを供給していたが、画素数が多くなるほど、消費電力が大きくなるおそれがある。この実施の形態の固体撮像素子２００は、遮光画素には負電位Ｖｎを供給しない点において実施の形態と異なる。
図９は、本技術の実施の形態の変形例における画素アレイ部３００の平面図の一例である。この画素アレイ部３００は、積層された受光部２２０およびアドレスイベント検出部２６０から構成される。画素アレイ部３００には、水平遮光画素領域３０１および３０３と有効画素領域３０２とが設けられる。
有効画素領域３０２には、複数の有効画素３１０が二次元格子状に配置される。これらの画素は遮光されない。
一方、水平遮光画素領域３０１および３０３のそれぞれには、複数の遮光画素３１５が二次元格子状に配列される。これらの画素は遮光されている。また、水平遮光画素領域３０１および３０３内の遮光画素３１５には、有効画素３１０と異なる列アドレスが割り当てられる。また、遮光画素３１５の回路構成は、有効画素３１０と同様である。
負電位供給部２３０は、有効画素３１０のＰウェル領域に負電位Ｖｎ１を供給する。一方、負電位供給部２３０は、遮光画素３１５のＰウェル領域に基準電位（ＧＮＤ）などのＶｎ２を供給する。
信号処理回路２４０や、その後段の回路は、遮光画素３１５からの画素信号から暗電流量を求め、有効画素３１０からの画素信号において暗電流を除去する。
なお、水平遮光画素領域３０１および３０３を配置しているが、図１０に例示するように、その代わりに垂直遮光画素領域３０４を配置してもよい。この垂直遮光画素領域３０４内の遮光画素３１５には、有効画素３１０と異なる行アドレスが割り当てられる。また、水平遮光画素領域３０１および３０３と垂直遮光画素領域３０４との両方を配置することもできる。
このように、本技術の実施の形態の変形例によれば、負電位供給部２３０は、全画素のうち有効画素３１０にのみ負電位Ｖｎ１を供給するため、全画素に負電位Ｖｎ１を供給する場合と比較して消費電力を低減することができる。
＜移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図１１は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図１１に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ(interface)１２０５３が図示されている。
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図１１の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図１２は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図１２では、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図１２には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、図１の撮像装置１００は、撮像部１２０３１に適用することができる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、検出信号の信号品質を向上させることができるため、検出信号を用いる画像認識等の精度を向上させることができる。
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）入射光を光電流に変換するフォトダイオードと、
前記光電流に応じた電位のゲートと所定の基準電位のソースとの間の電圧を増幅してドレインから出力する増幅トランジスタと、
前記フォトダイオードのアノードおよび前記増幅トランジスタのバックゲートに前記基準電位よりも低い所定電位を供給する電位供給部と
を具備する固体撮像素子。
（２）前記光電流をゲートおよびソースの間の電圧に変換する変換トランジスタをさらに具備し、
前記変換トランジスタのソースは、前記フォトダイオードのカソードと前記増幅トランジスタのゲートとに接続され、
前記増幅トランジスタのドレインは、前記変換トランジスタのゲートに接続される
前記（１）記載の固体撮像素子。
（３）前記フォトダイオードおよび前記増幅トランジスタは、遮光されていない有効画素と遮光された遮光画素とのそれぞれに配置され、
前記電位供給部は、前記有効画素に対応する前記フォトダイオードのアノードに前記所定電位を供給し、前記遮光画素に対応する前記フォトダイオードのアノードに前記基準電位を供給する
前記（２）記載の固体撮像素子。
（４）前記フォトダイオード、前記変換トランジスタおよび前記増幅トランジスタは、所定の受光基板に配置され、
前記電位供給部は、前記受光基板に前記所定電位を供給する
前記（２）または（３）に記載の固体撮像素子。
（５）前記増幅トランジスタから出力された電圧信号を出力するバッファと、
前記バッファからの前記電圧信号のレベルを低下させる減算器と、
前記低下した電圧信号と所定の閾値とを比較する比較器と
をさらに具備する前記（４）記載の固体撮像素子。
（６）前記変換トランジスタおよび前記増幅トランジスタは、前記光電流を前記電圧信号に変換する電流電圧変換回路内に配置され、
前記電流電圧変換回路の電源電圧は、前記バッファ、前記減算器および前記比較器の電源電圧と異なる
前記（５）記載の固体撮像素子。
（７）前記バッファ、前記減算器および前記コンパレータの少なくとも一部は、前記受光基板に積層された所定の回路基板に配置される
前記（５）または（６）に記載の固体撮像素子。
（８）入射光を光電流に変換するフォトダイオードと、
前記光電流に応じた電位のゲートと所定の基準電位のソースとの間の電圧を増幅してドレインから出力する増幅トランジスタと、
前記フォトダイオードのアノードおよび前記増幅トランジスタのバックゲートに前記基準電位よりも低い所定電位を供給する電位供給部と、
前記増幅トランジスタから出力された信号を処理する信号処理回路と
を具備する撮像装置。
１００ 撮像装置
１１０ 撮像レンズ
１２０ 記録部
１３０ 制御部
２００ 固体撮像素子
２０１ 受光基板
２０２ 回路基板
２１１、２１２、２１３、２３１、２３２、２３３ ビア配置部
２２０ 受光部
２２１ 受光回路
２３０ 負電位供給部
２４０ 信号処理回路
２５１ 行駆動回路
２５２ 列駆動回路
２６０ アドレスイベント検出部
２６１ アドレスイベント検出回路
３００ 画素アレイ部
３１０ 有効画素
３１１ フォトダイオード
３１５ 遮光画素
３２０ 電流電圧変換回路
３２１、３２２、３４５、３５２、３５４ Ｎ型トランジスタ
３２３、３３１、３３２、３４２、３４４、３５１、３５３ Ｐ型トランジスタ
３３０ バッファ
３４０ 減算器
３４１、３４３ コンデンサ
３５０ 量子化器
３６０ 転送回路
１２０３１ 撮像部

Claims (8)

  1. 入射光を光電流に変換するフォトダイオードと、
    前記光電流に応じた電位のゲートと所定の基準電位のソースとの間の電圧を増幅してドレインから出力する増幅トランジスタと、
    前記フォトダイオードのアノードおよび前記増幅トランジスタのバックゲートに前記基準電位よりも低い所定電位を供給する電位供給部と
    を具備する固体撮像素子。
  2. 前記光電流をゲートおよびソースの間の電圧に変換する変換トランジスタをさらに具備し、
    前記変換トランジスタのソースは、前記フォトダイオードのカソードと前記増幅トランジスタのゲートとに接続され、
    前記増幅トランジスタのドレインは、前記変換トランジスタのゲートに接続される
    請求項１記載の固体撮像素子。
  3. 前記フォトダイオードおよび前記増幅トランジスタは、遮光されていない有効画素と遮光された遮光画素とのそれぞれに配置され、
    前記電位供給部は、前記有効画素に対応する前記フォトダイオードのアノードに前記所定電位を供給し、前記遮光画素に対応する前記フォトダイオードのアノードに前記基準電位を供給する
    請求項２記載の固体撮像素子。
  4. 前記フォトダイオード、前記変換トランジスタおよび前記増幅トランジスタは、所定の受光基板に配置され、
    前記電位供給部は、前記受光基板に前記所定電位を供給する
    請求項２記載の固体撮像素子。
  5. 前記増幅トランジスタから出力された電圧信号を出力するバッファと、
    前記バッファからの前記電圧信号のレベルを低下させる減算器と、
    前記低下した電圧信号と所定の閾値とを比較する比較器と
    をさらに具備する請求項４記載の固体撮像素子。
  6. 前記変換トランジスタおよび前記増幅トランジスタは、前記光電流を前記電圧信号に変換する電流電圧変換回路内に配置され、
    前記電流電圧変換回路の電源電圧は、前記バッファ、前記減算器および前記比較器の電源電圧と異なる
    請求項５記載の固体撮像素子。
  7. 前記バッファ、前記減算器および前記比較器の少なくとも一部は、前記受光基板に積層された所定の回路基板に配置される
    請求項５記載の固体撮像素子。
  8. 入射光を光電流に変換するフォトダイオードと、
    前記光電流に応じた電位のゲートと所定の基準電位のソースとの間の電圧を増幅してドレインから出力する増幅トランジスタと、
    前記フォトダイオードのアノードおよび前記増幅トランジスタのバックゲートに前記基準電位よりも低い所定電位を供給する電位供給部と、
    前記増幅トランジスタから出力された信号を処理する信号処理回路と
    を具備する撮像装置。
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